JP2017048697A

JP2017048697A - 燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP2017048697A
Application number: JP2015170781A
Authority: JP
Inventors: 森　純一; Junichi Mori; 純一森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2035-08-31
Also published as: JP6341164B2

Abstract

【課題】エンジン１のインジェクタ７の開弁に伴う燃圧変動を加味して、次回の開弁時間τを好適に設定できるようにする。そのための工数が過度に多くならないようにする。【解決手段】インジェクタ７の容積室７０ａに係る所定寸法（インジェクタ内径ｄ）と、目標燃料噴射量Ｑとに基づいて燃圧変動の振幅Ａを算出し（ステップＳＴ１）、その所定寸法に基づいて燃圧変動の減衰率εを算出し（ＳＴ２）、デリバリ燃圧Ｐに基づいて燃圧変動の周期Ｔを算出し（ＳＴ３）、噴射インターバルΔｔを算出し（ＳＴ４）、これらに基づいて次回のインジェクタ７の開弁時の燃圧を補正して（ＳＴ５）、その開弁時間τを設定する（ＳＴ６）。【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンのインジェクタによる燃料の噴射制御に関連し、特にインジェクタの開弁に伴う燃圧変動を加味して、次回の開弁時間を設定する技術に関する。

従来より例えば自動車などのエンジンの制御においては、運転者が自動車に求める駆動トルクからエンジンへの要求トルクを算出し、この要求トルクを実現するように吸入空気量や燃料噴射量の目標値（目標燃料噴射量）が設定される。そして、その目標燃料噴射量が得られるように、供給される燃料の圧力（燃圧）に応じてインジェクタの開弁時間が設定される。

また、例えば１回の燃焼サイクルにおいて複数回の燃料噴射を行う場合などには、その噴射に伴う燃圧の変動も考慮して、次回の噴射のためのインジェクタの開弁時間を補正することも考えられる。一例として特許文献１に開示された内燃機関の制御方法によると、予備噴射による燃圧の変動を正弦波状の周期的な信号として予めマップにファイルしておき、この信号によって決定される補正値を用いて燃圧を補正するようにしている。

特開平１０−２６６８８８号公報

ところが前記従来例においては、燃料の予備噴射に伴う燃圧の変動を表す周期的な信号を予め適合し、予備噴射量に依存する燃圧の補正値のデータとしてファイルしておかなくてはならず、この膨大な補正値のデータの適合にかかる工数が非常に多くなってしまう。しかも、インジェクタの仕様が変われば、補正値のデータを全て適合し直さなくてはならない。

この点を考慮して本発明の目的は、インジェクタの開弁に伴う燃圧の変動を加味して、次回の開弁時間を好適に設定できるようにしながら、そのための工数が過度に多くならないようにすることにある。

前記目的を達成するため、本発明は、インジェクタの開弁に伴う周期的な燃圧変動の振幅、減衰率および周期をインジェクタ内の容積室における脈動に着目して算出するようにした。すなわち、本発明は、エンジンのインジェクタによる燃料の噴射を制御する装置を対象とし、この装置は、インジェクタの開弁に伴う燃圧変動を加味して、次回のインジェクタの開弁時間を設定する開弁時間設定手段を備えている。

そして、前記開弁時間設定手段が、前記インジェクタ内の容積室の大きさと相関を有する所定寸法、および目標燃料噴射量に基づいて算出される燃圧変動の振幅と、前記所定寸法に基づいて算出される燃圧変動の減衰率と、前記インジェクタへ供給される燃圧に基づいて算出される燃圧変動の周期と、インジェクタの閉弁から次回の開弁までの時間間隔と、に基づいて、前記次回のインジェクタの開弁時の燃圧を補正し、この補正後の燃圧に基づいてインジェクタの開弁時間を設定するように構成されている。

まず、エンジンの運転中には基本的に、インジェクタに供給される燃圧と目標燃料噴射量とに基づいて、インジェクタの開弁時間が設定されるが、上述したようにインジェクタの内部においては、その開弁に伴って一時的に燃圧が低下し、その後しばらく上昇および低下を繰り返すように（即ち周期的に変動するように）なる。これに対し、前記の構成によれば、そのような燃圧変動の振幅、減衰率および周期を算出して、次回のインジェクタの開弁時の燃圧を補正する。

すなわち、開弁時間設定手段によって前記燃圧変動の振幅、減衰率および周期が算出され、これらの算出値と、インジェクタの閉弁から次回の開弁までの時間間隔とに基づいて、当該次回のインジェクタの開弁時の燃圧が補正される。そして、その補正後の燃圧に基づいて、即ち、インジェクタの開弁に伴う燃圧変動を加味して、好適に次回のインジェクタの開弁時間を設定することができる。

このようにインジェクタ内の燃圧変動を算出するようにすれば、従来例のように燃圧の補正値の膨大なデータを予め適合する必要がなくなり、工数の低減が図られる。また、インジェクタの仕様が変わっても、これに応じて計算式の一部の係数などを変更すればよく、マップのデータを全て適合し直すような工数の増大は生じない。

以上、説明したように本発明では、インジェクタの開弁に伴う周期的な燃圧変動の振幅、減衰率および周期を算出し、これに基づいて次回のインジェクタの開弁時の燃圧を補正するようにしたので、燃圧変動の影響を加味して次回の開弁時間を好適に設定できるとともに、燃圧の補正値の膨大なデータを予め適合する必要がなく、工数の低減が図られる。また、インジェクタの仕様が変わっても工数の過度の増大は生じない。

実施の形態に係る燃料噴射制御装置を適用したエンジンの要部を示す概略構成図である。インジェクタの構造を概略的に示す断面図である。インジェクタの内部における燃圧変動の一例を示すタイムチャートである。インジェクタの開弁時間を設定する手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料噴射制御装置を適用した筒内噴射式のガソリンエンジン１（以下、エンジン１と称する）の要部を示している。このエンジン１は、シリンダブロック２の上部にシリンダヘッド３を組み付けて、シリンダ２ａ（気筒）の内部に嵌挿したピストン４との間に燃焼室５を形成している。なお、シリンダブロック２の上部というのは、シリンダ２ａの中心線の方向における上死点側の部分のことである。

図１の例ではシリンダヘッド３の下面に、燃焼室５の天井面となる浅い窪みが形成されていて、この天井面の吸気側（図１の左側）に開口し、そこから斜め上方に向かって延びるように吸気ポート３１が形成されている。同様に、燃焼室５の天井面の排気側（図１の右側）には排気ポート３２が開口し、そこから斜め上方に向かって延びるように形成されている。

そして、前記吸気ポート３１の上端の開口には、図示しない吸気マニホルドが取り付けられて、エアクリーナを通過した空気（吸気）を吸気ポート３１へ流通させるようになっている。すなわち、図示しないが、動弁系のカム軸によって吸気バルブ３３がリフトされ、図１のよう吸気ポート３１の下端の開口が開かれると、ピストン４の下降に伴い、矢印Ａとして示すように吸気が吸気ポート３１を流通して、シリンダ２ａ内に吸い込まれるようになる。

また、図示はしないが、動弁系のカム軸によって排気バルブ３４がリフトされ、排気ポート３２の下端の開口が開かれると、既燃ガスがシリンダ２ａから排気ポート３２へ排出されるようになる。なお、図には１つのシリンダ２ａのみを示しているが、本実施の形態のエンジン１は、例えば４つのシリンダ２ａが図の手前から奥に向かって並んだ直列４気筒エンジンである。

図１に表れているようにシリンダヘッド３には、シリンダ２ａ毎に点火プラグ６が配設されており、点火回路６ａから電力の供給を受けて点火プラグ６の電極間に火花放電することにより、燃焼室５内に形成された混合気に点火する。この混合気は、筒内噴射インジェクタ７（以下、単にインジェクタと称する）から燃焼室５に向かって噴射された燃料が、前記のように燃焼室５内に流入した吸気と混じり合って形成される。

すなわち、本実施の形態では各シリンダ２ａ毎にインジェクタ７が配設され、その先端の噴孔７２ａ（図２を参照）が、燃焼室５の天井部における吸気側の周縁部（図の例では吸気バルブ３３の傘部の近傍）から燃焼室５に臨んでいる。このインジェクタ７の基端部（図の上端部）には、燃料供給系８の一部を構成するデリバリパイプ８１が接続されている。デリバリパイプ８１は、複数のシリンダ２ａの並ぶ方向（図１の紙面に直交する方向）に延びていて、燃料配管８２によって圧送されてくる高圧の燃料を各シリンダ２ａ毎のインジェクタ７に分配する。

燃料供給系８は、図示しない燃料ポンプから吐出される燃料の圧力をプレッシャレギュレータによって調整し、所定の高圧状態の燃料を燃料配管８２によってデリバリパイプ８１に圧送する。デリバリパイプ８１は、そうして圧送されてくる燃料を一時的に貯留する蓄圧容器としての機能を有しており、このように貯留する燃料の圧力（デリバリ燃圧Ｐ）を検出するための燃圧センサ１１が配設されている。

そして、前記のインジェクタ７がエンジンコントローラ１０（以下、ＥＣＵ１０と表記する）からの制御信号を受けて開弁動作し、燃焼室５に向かって燃料を噴射する。詳しくは図２に拡大して示すように、本実施の形態のインジェクタ７は、ハウジング７０の先端側に設けられた円筒状のノズル７１の先端部（図２の下端部）にプレート７２を備えており、このプレート７２に複数の噴孔７２ａが形成されたプレートタイプのものである。

前記ノズル７１の内部にはニードル７３が収容され、その先端部（シート部）がノズル７１の先端側に設けられた弁座に着座または離座するようになっている。一方、ニードル７３の基端部には、ハウジング７０内においてコイルスプリング７４が嵌め合わされており、その押圧力によってニードル７３が先端側に付勢されて、その先端部がノズル７１の弁座に着座している。また、ニードル７３の先端側には環状のガイド部７５が突設され、その外周面がノズル７１の内周面と摺接している。

なお、ニードル７３のガイド部７５の外周面には、ノズル７１の内周面と摺接する摺接面の他に、ノズル７１の内周面との間に隙間ができるように平坦化された平坦面が形成されており、この隙間を通じて燃料がノズル７１の基端側から先端側（つまり、プレート７２の側）へ流通するようになっている。

また、前記ハウジング７０の内部には、ニードル７３を軸方向に吸引するための電磁アクチュエータ７６が配設されている。この電磁アクチュエータ７６は、ハウジング７０内の容積室７０ａに配設され、ニードル７３の基端側の部分（可動コア）に固定されたアーマチャ７６ａと、これを吸引するための電磁コイル７６ｂとからなる。電磁アクチュエータ７６へ通電し、電磁コイル７６ｂを励磁させると、ニードル７３がコイルスプリング７４の付勢力に抗して基端側に移動し、その先端部がノズル７１の弁座から離座する。

このようなニードル７３の動作、即ちインジェクタ７の開弁動作によって、ハウジング７０内の容積室７０ａに充填供給されている燃料が、ノズル７１の内周面とニードル７３の外周面との間を流通して、プレート７２の噴孔７２ａから噴出するようになる（燃料の噴射）。その後、通電を遮断すれば電磁コイル７６ｂは消磁され、コイルスプリング７４の付勢力によってニードル７３が先端側に移動して、その先端部がノズル７１の弁座に着座する（インジェクタ７の閉弁）。これにより燃料の噴射は停止される。

−燃料噴射制御−
前記のように電磁アクチュエータ７６に通電して、インジェクタ７のニードル７３を動作させる制御（燃料噴射制御）は、ＥＣＵ１０によって行われる。ＥＣＵ１０は公知のデジタルコンピュータからなり、前記デリバリパイプ８１の燃圧センサ１１の他、図示はしないが、例えばクランク角センサ、エアフローメータ等、エンジン１の運転状態を表す種々のセンサからの信号を入力する。そして、ＥＣＵ１０は、各種の制御ルーチンを実行することによりエンジン１の吸気量や燃料噴射量、点火時期等を制御する。

具体的にＥＣＵ１０は、まず、自動車の走行中に運転者が求める挙動を実現できるような駆動トルクを算出し、動力伝達系における減速比や駆動力の損失などを考慮して、エンジン１への要求トルクを算出する。そして、この要求トルクを実現するための吸気量、燃料噴射量、点火時期等の目標値を算出する。こうして算出した燃料噴射量の目標値（以下、目標燃料噴射量Ｑという）に基づいてＥＣＵ１０は、インジェクタ７の電磁アクチュエータ７６への通電時間、即ちインジェクタ７の開弁時間τを算出する。

すなわち、ＥＣＵ１０のメモリには、インジェクタ７に供給される燃圧（一例としてデリバリ燃圧Ｐ）と目標燃料噴射量Ｑと開弁時間τとの関係を予め実験やシミュレーションによって適合した３次元の噴射制御マップが電子的に格納されている。そして、エンジン１の運転中には基本的な燃料噴射制御として、燃圧センサ１１により検出されるデリバリ燃圧Ｐと前記の目標燃料噴射量Ｑとに基づき、噴射制御マップを参照してインジェクタ７の開弁時間τを設定するようにしている。

但し、インジェクタ７の内部の燃圧は、噴孔７２ａから燃料が噴出することに伴って変動するので、前記のようにデリバリ燃圧Ｐと目標燃料噴射量Ｑとに基づいて開弁時間τを設定すると、実際の燃料噴射量は目標燃料噴射量Ｑからずれてしまうことがある。一例として図３にインジェクタ内燃圧の変動を示すように、開弁開始（時刻ｔ０）と同時に燃圧は低下し、閉弁（時刻ｔ１）によって上昇に転じた後に、平均燃圧（概ねデリバリ燃圧Ｐと同じ）を超えてしばらく上昇してから再び低下するようになる。つまり、インジェクタ内燃圧は周期的に変動する。

このため、次回の燃料噴射のためにインジェクタ７が開弁するとき（時刻ｔ２）には、図３の例ではインジェクタ内燃圧が平均燃圧よりも高くなっているので、その分、燃料噴射量が目標値よりも多くなってしまう。本発明の発明者は、そのような燃圧の周期的な変動がインジェクタ７内の容積室７０ａにおける脈動に起因するものと考えて、その燃圧変動の振幅Ａ、減衰率ε、周期Ｔを簡易な式により算出し、これらに基づいてインジェクタ７の次回の開弁時の燃圧（開弁時間τの算出に用いる値）を補正するようにした。

−燃料噴射制御の補正−
具体的には以下、図４のフローチャートを参照して、本実施の形態におけるインジェクタ７の開弁時間τの設定ルーチンを説明する。このルーチンは、エンジン１の各シリンダ２ａ毎に所定のタイミングで繰り返し実行される。なお、図４に示すフローチャートにおいては、スタート後のステップＳＴ１〜ＳＴ４が互いに並行して処理されるようになっているが、これは所定の順番で処理するようにしてもよい。

図示の例では、まず、ステップＳＴ１において、インジェクタ７内の容積室７０ａの大きさと相関を有する所定寸法と、目標燃料噴射量Ｑとに基づいて、図示の式（１）によって燃圧変動の振幅Ａを算出する。すなわち、インジェクタ７の開弁に伴い容積室７０ａから燃料が流出することによる燃圧の低下幅は、その流出量が多いほど大きくなる一方、容積室７０ａの容積が大きいほど、前記の燃圧の低下幅は小さくなると考えられる。

そこで、本実施の形態では、燃圧変動の振幅Ａが目標燃料噴射量Ｑに比例し、容積室７０ａの横断面積（ニードル７３の軸方向と垂直な断面における断面積）とは反比例するものと仮定して、式（１）により振幅Ａを算出する。すなわち、前記の「所定寸法」としては便宜的にインジェクタ内径ｄ（容積室７０ａを囲むハウジング７０の内径）を用い、これにより容積室７０ａの横断面積を（πｄ²）／４として算出している。なお、式（１）における係数Ｃ₁の値は、実験やシミュレーションによって適合される。

続いてステップＳＴ２においても前記容積室７０ａの横断面積（πｄ²）／４を用いて、図示の式（２）により燃圧変動の減衰率εを算出する。すなわち、容積室７０ａの容積が大きいほど燃圧の変動は減衰し難いと考えられるので、ここでは、減衰率εを容積室７０ａの横断面積と反比例するものとしている。なお、式（２）における係数Ｃ₂の値も実験やシミュレーションによって適合される。

続くステップＳＴ３においては便宜的にデリバリ燃圧Ｐに基づいて、図示の式（３）により燃圧変動の周期Ｔを算出する。デリバリ燃圧Ｐは概ね容積室７０ａにおける平均燃圧であるから、これが高いほど、燃圧の脈動の共振点が高くなると考えられる。そこで、ここではデリバリ燃圧Ｐの上昇に対して反比例するように周期Ｔが低下するものとしている。なお、式（３）における係数Ｃ₃，Ｃ₄は、いずれも実験やシミュレーションによって適合される。

続いてステップＳＴ４において、今回の噴射から次回の噴射までの噴射インターバルΔｔを算出する。これは、今回の噴射におけるインジェクタ７の閉弁から次回の噴射における開弁までの時間間隔であり、クランク角によって予め設定されている噴射インターバルとエンジン回転数とによって算出する。なお、エンジン回転数は、エンジン１の制御のためにクランク角センサからの信号に基づいて算出され、ＥＣＵ１０のＲＡＭに記憶更新されている。

続くステップＳＴ５では、インジェクタ７の次回の噴射の際の開弁時におけるインジェクタ内燃圧（変動する燃圧の瞬時値）を求めるために、図示の式（４）によって燃圧の補正値ΔＰを算出する。図３を参照して上述したようにインジェクタ７の内部の燃圧は、容積室７０ａの脈動に起因して周期的に変動するので、その振幅Ａ、減衰率ε、周期Ｔおよび噴射インターバルΔｔを用いて、式（４）のように燃圧の変動分（補正値ΔＰ）を算出することができる。

そして、ステップＳＴ６において、次回の噴射におけるインジェクタ７の開弁時間τ、即ちインジェクタ７の電磁アクチュエータ７６への通電時間を、図示の式（５）によって算出して、ルーチンを終了する（エンド）。すなわち、デリバリ燃圧Ｐにその変動分を表す補正値ΔＰを加算して補正した上で、目標燃料噴射量Ｑが得られるようなインジェクタ７の開弁時間τを算出する。なお、式（５）における係数Ｃ₅の値は、インジェクタ７の流量係数の逆数に相当し、実験やシミュレーションによって適合される。

前記図４のフローを実行することによってＥＣＵ１０は、インジェクタ７の開弁に伴う燃圧変動を考慮して、次回のインジェクタの開弁時間を設定する開弁時間設定手段を構成する。この開弁時間設定手段は、インジェクタ７内の燃圧変動の振幅Ａ、その減衰率ε、その周期Ｔ、および、インジェクタ７の次回の開弁までの噴射インターバルΔｔに基づいて、当該次回の開弁時における燃圧の変動分（補正値ΔＰ）を算出し、これによって補正した後の燃圧に基づいてインジェクタ７の開弁時間τを設定するものである。

以上、説明したように本実施の形態に係る燃料噴射制御装置によると、エンジン１の運転中に、インジェクタ７の開弁による燃圧の変動を、その内部の容積室７０ａにおける脈動によるものと考えて、その燃圧変動の振幅Ａ、減衰率εおよび周期Ｔを算出し、これに基づいて次回のインジェクタ７の開弁時の燃圧を補正するようにしている。そして、そのように補正した燃圧に基づいて、即ち、インジェクタ７の開弁に伴う燃圧変動を加味して好適に次回のインジェクタ７の開弁時間τを設定することができる。

このようにインジェクタ７内の燃圧の変動を算出するようにしているので、従来までのように燃圧の補正値の膨大なデータを予め適合する必要がなくなり、工数の低減が図られる。また、インジェクタ７の仕様が変わっても、これに応じて計算式（図４のステップＳＴ１〜ＳＴ３，ＳＴ６に示す式（１）〜（３），（５））の係数Ｃ₁〜Ｃ₅などを変更すればよく、マップのデータを全て適合し直すような工数の増大は生じない。

その上さらに本実施の形態では、前記のような簡単な計算式（１）〜（３）によって、それぞれ燃圧変動の振幅Ａ、減衰率εおよび周期Ｔを算出し、これに基づいて次回のインジェクタ７の開弁時の燃圧を補正するようにしているので、ＥＣＵ１０の演算負荷が過度に大きくなる心配もない。

−他の実施の形態−
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その他の種々の形態を包含している。例えば前記実施の形態では、図４のフローに示す計算式（１）〜（３）によって燃圧変動の振幅Ａ、減衰率εおよび周期Ｔを算出するようにしているが、これらとは異なる計算式を用いてもよい。式（１）、（２）においては、インジェクタ７の容積室７０ａの大きさと相関を有する所定寸法として、便宜的にインジェクタ内径ｄを用いているが、これについても例えば容積室７０ａの容積としてもよく、それ以外のインジェクタ７の寸法を用いてもよい。

また、前記実施の形態では、筒内噴射式のインジェクタ７のみを備えたガソリンエンジン１に本発明を適用しているが、これに限らず、筒内噴射式のインジェクタ７以外に、例えば吸気ポートに燃料を噴射するポートインジェクタを備えたガソリンエンジン、さらにはポートインジェクタのみを備えたガソリンエンジンにも、本発明を適用することができる。

さらにまた本発明は、ガソリンエンジンにも限定されず、例えばアルコール燃料や液化ガス燃料を用いるエンジンにも適用可能であり、前記実施の形態のように４つのシリンダ２ａを備えたエンジン１にも限定されず、例えば単気筒、２気筒、３気筒若しくは５気筒以上のエンジンにも適用可能であることは勿論である。

本発明は、エンジンのインジェクタの開弁時間を好適に設定して、噴射量の制御の精度を高めることができるので、例えば自動車のガソリンエンジン、特に筒内噴射式のものに適用して効果が高い。

１エンジン
７インジェクタ
７０ａ容積室
１０ＥＣＵ（開弁時間設定手段）
ｄインジェクタ内径（インジェクタの容積室の大きさと相関を有する所定寸法）
Ｑ目標燃料噴射量
Ａ燃圧変動の振幅
ε 燃圧変動の減衰率
Ｔ燃圧変動の周期
Ｐデリバリ燃圧（インジェクタへ供給される燃圧）
Δｔ噴射インターバル（インジェクタの閉弁から次回の開弁までの時間間隔）
τ インジェクタの開弁時間

Claims

エンジンのインジェクタによる燃料の噴射を制御する燃料噴射制御装置であって、
前記インジェクタの開弁に伴う燃圧変動を加味して、次回のインジェクタの開弁時間を設定する開弁時間設定手段を備え、
前記開弁時間設定手段が、
前記インジェクタ内の容積室の大きさと相関を有する所定寸法と、目標燃料噴射量とに基づいて算出される燃圧変動の振幅と、
前記所定寸法に基づいて算出される燃圧変動の減衰率と、
前記インジェクタへ供給される燃圧に基づいて算出される燃圧変動の周期と、
インジェクタの閉弁から次回の開弁までの時間間隔と、に基づいて、
前記次回のインジェクタの開弁時の燃圧を補正し、この補正後の燃圧に基づいてインジェクタの開弁時間を設定する、ことを特徴とする燃料噴射制御装置。