JP2017201160A - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】パーシャルリフト噴射での燃料噴射量を高精度で制御することを図った、燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射制御装置は、電流傾き検出部と、ステップS12、S13による補正値算出部と、ステップS15による通電時間算出部と、を備える。電流傾き検出部は、弁体が開弁作動を開始してから最大開弁位置に達する前に閉弁作動を開始することとなるパーシャルリフト噴射を実施する場合に、電磁コイルへの通電開始に伴い電磁コイルを流れる電流が上昇する速度(電流上昇速度)を検出する。補正値算出部は、検出された電流上昇速度に基づき要求噴射量に対する補正値を算出する。通電時間算出部は、補正値で補正された要求噴射量に基づき、パーシャルリフト噴射を実施する場合の電磁コイルへの通電時間を算出する。
【選択図】図7

Description

本発明は、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射量を制御する燃料噴射制御装置に関する。
特許文献1には、電磁コイルへの通電により生じた電磁力で弁体を開弁作動させて燃料を噴射させる燃料噴射弁が開示されている。また、電磁コイルへの通電時間を制御することで、弁体の開弁時間を制御して、弁体の1回の開弁で噴射される噴射量を制御する燃料噴射制御装置が開示されている。上記通電時間は、要求されている噴射量(要求噴射量)に対応する時間に設定される。
特開2015−96720号公報
ここで、近年では、弁体が開弁作動を開始してから最大開弁位置に達する前に閉弁作動を開始することとなるパーシャルリフト噴射(特許文献1参照)の開発が進んできている。パーシャルリフト噴射では通電時間が極めて短いため、通電開始直後の期間であって通電しているにも拘らず電磁力が小さいため開弁作動を開始できずに噴射されない期間(つまり無効噴射期間)が、通電時間に対して大きな割合を占めることとなる。そのため、パーシャルリフト噴射では、無効噴射期間が僅かに異なるだけで噴射量が大きく異なってくる。
しかしながら、電磁コイルの温度が変化すると、電磁コイルの電気抵抗が変化するため、通電開始直後に電磁コイルに流れる電流(コイル電流)の上昇速度が変化する。その結果、無効噴射期間が変化して、要求噴射量と通電時間との対応関係(つまり噴射特性)が変化してしまい、パーシャルリフト噴射における燃料噴射量を高精度で制御できなくなる。
本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、パーシャルリフト噴射での燃料噴射量を高精度で制御することを図った、燃料噴射制御装置を提供することにある。
ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。
開示される発明のひとつは、
燃料を噴射する噴孔(17a)を開閉させる弁体(12)と、
電磁コイル(13)および電磁コイルへの通電により生じた電磁力により吸引されて移動する可動コア(15)を有し、弁体を開弁作動させる電気アクチュエータ(EA)と、
を備える燃料噴射弁(10)に適用され、
電磁コイルへの通電時間を制御することで、弁体の開弁時間を制御して、弁体の1回の開弁で噴射される噴射量を制御する燃料噴射制御装置において、
弁体が開弁作動を開始してから最大開弁位置に達する前に閉弁作動を開始することとなるパーシャルリフト噴射を実施する場合に、電磁コイルへの通電開始に伴い電磁コイルを流れる電流が上昇する速度を検出する検出部(56)と、
検出部により検出された電流上昇速度に基づき、要求されている噴射量である要求噴射量に対する補正値を算出する補正値算出部(S12、S13)と、
補正値で補正された要求噴射量に基づき、パーシャルリフト噴射を実施する場合の電磁コイルへの通電時間を算出する通電時間算出部(S15)と、
を備える燃料噴射制御装置である。
ここで、温度に応じた噴射特性の変化は、電磁コイルへの通電開始に伴い電磁コイルを流れる電流が上昇する速度と相関性が高い。この点を鑑みた上記発明によれば、パーシャルリフト噴射を実施する場合に、電磁コイルを流れる電流が上昇する速度を検出し、検出された電流上昇速度に基づき要求噴射量に対する補正値を算出し、その補正値で要求噴射量を補正する。そのため、パーシャルリフト噴射を実施するにあたり、温度に応じて変化する噴射特性に適した通電時間で電磁コイルを制御することができるので、パーシャルリフト噴射での燃料噴射量を高精度で制御することが可能となる。
第1実施形態の燃料噴射システムを示す図。 燃料噴射弁を示す断面図 通電時間と噴射量との関係を示すグラフ。 弁体の挙動を示すグラフ。 電圧と差分との関係を示すグラフ。 検出範囲を説明するためのグラフ。 噴射制御処理を示すフローチャート。 パーシャル噴射におけるコイル電流と噴射率の時間変化を示す図であって、高温により電気抵抗が大きくなることに起因して噴射量が低下する場合の一例を示す図。 パーシャル噴射におけるコイル電流と噴射率の時間変化を示す図であって、高温により電気抵抗が大きくなることに起因して噴射量が増加する場合の一例を示す図。 温度に応じた噴射特性の変化を示す図。
以下、図面を参照しながら発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を参照し適用することができる。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に関して、図1〜図10を用いて説明する。図1に示す燃料噴射システム100は、複数の燃料噴射弁10および燃料噴射制御装置20を含んで構成される。燃料噴射制御装置20は、複数の燃料噴射弁10の開閉を制御し、内燃機関Eの燃焼室2への燃料噴射を制御する。燃料噴射弁10は、点火式の内燃機関E、たとえばガソリンエンジンに複数搭載されており、内燃機関Eの複数の燃焼室2のそれぞれに直接燃料を噴射する。燃焼室2を形成するシリンダヘッド3には、シリンダの軸線Cと同軸の貫通する取付け穴4が形成されている。燃料噴射弁10は、先端が燃焼室2に露出するように取付け穴4に挿入されて固定されている。
燃料噴射弁10へ供給される燃料は、図示しない燃料タンクに貯蔵されている。燃料タンク内の燃料は、低圧ポンプ41によりくみ上げられ、高圧ポンプ40により燃圧が高められてデリバリパイプ30へ送られる。デリバリパイプ30内の高圧燃料は、各気筒の燃料噴射弁10へ分配して供給される。シリンダヘッド3うち、燃焼室2に臨む位置に点火プラグ6が取り付けられている。また点火プラグ6は、燃料噴射弁10の先端の近傍に配置されている。
次に、燃料噴射弁10の構成に関して、図2を用いて説明する。図2に示すように、燃料噴射弁10は、ボデー11、弁体12、電磁コイル13、固定コア14、可動コア15、およびハウジング16を含んで構成される。ボデー11は、磁性材料で形成されている。ボデー11の内部には、燃料通路11aが形成されている。
またボデー11の内部には、弁体12が収容されている。弁体12は、金属材料によって全体として円柱状に形成されている。弁体12は、ボデー11の内部で軸方向に往復変位可能である。ボデー11は、先端部に弁体12が着座する弁座17b、および燃料を噴射する噴孔17aが形成された噴孔体17を有して構成されている。噴孔17aは、ボデー11の内側から外側に向けて放射状に複数設けられている。噴孔17aを通じて、高圧の燃料が燃焼室2内に噴射される。
弁体12の本体部は、円柱形状である。弁体12の先端部は、本体部の噴孔17a側先端から噴孔17aに向けて延びる円錐形状である。弁体12のうち弁座17bに着座する部分がシート面12aである。シート面12aは、弁体12の先端部に形成されている。
シート面12aを弁座17bに着座させるよう弁体12を閉弁作動させると、燃料通路11aが閉鎖されて噴孔17aからの燃料噴射が停止される。シート面12aを弁座17bから離座させるよう弁体12を開弁作動させると、燃料通路11aが開放されて噴孔17aから燃料が噴射される。
電磁コイル13は、可動コア15に開弁方向の磁気吸引力を付勢する。電磁コイル13は、樹脂製のボビン13aに巻き回して構成され、ボビン13aと樹脂材13bにより封止されている。つまり、電磁コイル13、ボビン13aおよび樹脂材13bにより、円筒形状のコイル体が構成されている。固定コア14は、磁性材料にて円筒形状に形成され、ボデー11に固定されている。固定コア14の円筒内部には、燃料通路14aが形成されている。
さらに、電磁コイル13を封止する樹脂材13bの外周面は、ハウジング16により覆われている。ハウジング16は、金属製の磁性材料にて円筒形状に形成されている。ハウジング16の開口端部には、金属製の磁性材料にて形成される蓋部材18が取り付けられている。これにより、コイル体は、ボデー11、ハウジング16および蓋部材18により取り囲まれることとなる。
可動コア15は、弁体12の駆動方向に相対変位可能に弁体12に保持される。可動コア15は、金属製の磁性材料にて円盤形状に形成され、ボデー11の内周面に挿入されている。ボデー11、弁体12、コイル体、固定コア14、可動コア15およびハウジング16は、各々の中心線が一致するように配置されている。そして、可動コア15は、固定コア14に対して噴孔17aの側に配置されており、電磁コイル13への非通電時には固定コア14と所定のギャップを有するよう、固定コア14に対向配置されている。
前述のように、コイル体を取り囲むボデー11、ハウジング16、蓋部材18および固定コア14は、磁性材料により形成されるため、電磁コイル13への通電により生じた磁束の通路となる磁気回路を形成することとなる。固定コア14、可動コア15および電磁コイル13等の部品は、弁体12を開弁作動させる電気アクチュエータEAに相当する。
図1に示すように、ボデー11のうちハウジング16よりも噴孔17a側に位置する部分の外周面は、取付け穴4の下方側内周面4bに接触している。またハウジング16の外周面は、取付け穴4の上方側内周面4aとの間に隙間を形成している。
可動コア15には貫通孔15aが形成されており、この貫通孔15aに弁体12が挿入配置されることで、弁体12は可動コア15に対して摺動して相対移動可能に組み付けられている。弁体12の図2の上方側である反噴孔側端部には、本体部から拡径した係止部12dが形成されている。可動コア15が固定コア14に吸引されて上方側に移動する際には、係止部12dが可動コア15に係止された状態で移動するので、可動コア15の上方への移動に伴い弁体12も移動する。可動コア15が固定コア14に接触した状態であっても、弁体12は可動コア15に対して相対移動してリフトアップすることが可能である。
弁体12の反噴孔側にはメインスプリングSP1が配置され、可動コア15の噴孔17a側にはサブスプリングSP2が配置されている。メインスプリングSP1の弾性力は、調整パイプ101からの反力として弁体12へ図2の下方側である閉弁方向に付与される。サブスプリングSP2の弾性力は、ボデー11の凹部11bからの反力として可動コア15へ吸引方向に付与される。
要するに、弁体12は、メインスプリングSP1と弁座17bとの間に挟まれており、可動コア15は、サブスプリングSP2と係止部12dとの間に挟まれている。そして、サブスプリングSP2の弾性力は、可動コア15を介して係止部12dに伝達され、弁体12へ開弁方向に付与されることとなる。したがって、メイン弾性力からサブ弾性力を差し引いた弾性力が、弁体12へ閉弁方向に付与されているとも言える。
ここで、燃料通路11a内の燃料の圧力は弁体12の表面全体にかかっているが、閉弁側に弁体12を押す力の方が、開弁側に弁体12を押す力よりも大きい。よって、燃圧により弁体12は閉弁方向へ押し付けられる。弁体12のうちシート面12aよりも下流側部分の面については、閉弁時には燃圧がかからない。そして、開弁とともに、先端部に流れ込む燃料の圧力が徐々に上昇して、先端部を開弁側に押す力が増大する。したがって、開弁とともに先端部近傍の燃圧が上昇し、その結果、燃圧閉弁力が低下していく。以上の理由により、燃圧閉弁力の大きさは、閉弁時が最大であり、弁体12の開弁移動量が大きくなるに連れて徐々に小さくなっていく。
次に電磁コイル13への通電による挙動に関して説明する。電磁コイル13へ通電して固定コア14に電磁吸引力を生じさせると、この電磁吸引力により可動コア15が固定コア14に引き寄せられる。電磁吸引力は電磁力ともいう。その結果、可動コア15に連結されている弁体12は、メインスプリングSP1の弾性力および燃圧閉弁力に抗して開弁作動する。一方、電磁コイル13への通電を停止させると、メインスプリングSP1の弾性力により、弁体12は可動コア15とともに閉弁作動する。
次に、燃料噴射制御装置20の構成に関して説明する。燃料噴射制御装置20は、電子制御装置(略称ECU)によって実現される。燃料噴射制御装置20は、制御回路21、昇圧回路22、電圧検出部23、電流検出部24およびスイッチ部25を含んで構成される。制御回路21は、マイクロコンピュータとも呼ばれる。燃料噴射制御装置20は、各種のセンサからの情報を取得する。たとえば燃料噴射弁10への供給燃圧は、図1に示すように、デリバリパイプ30に取り付けられた燃圧センサ31により検出され、燃料噴射制御装置20に検出結果が与えられる。燃料噴射制御装置20は、燃圧センサ31の検出結果に基づいて、高圧ポンプ40の駆動を制御する。
制御回路21は、中央演算装置、不揮発性メモリ(ROM)および揮発性メモリ(RAM)等を有して構成され、内燃機関Eの負荷および機関回転速度に基づき、燃料の要求噴射量および要求噴射開始時期を算出する。ROMおよびRAMなどの記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムおよびデータを非一時的に格納する非遷移的実体的記憶媒体である。制御回路21は、噴射制御部として機能し、通電時間Tiと噴射量Qとの関係を示す噴射特性を予め試験してROMに記憶しておき、その噴射特性にしたがって電磁コイル13への通電時間Tiを制御することで、噴射量Qを制御する。制御回路21は、電磁コイル13への通電を指令するパルス信号である噴射指令パルスを出力し、このパルス信号のパルスオン期間(パルス幅)により、電磁コイル13への通電時間が制御される。
電圧検出部23および電流検出部24は、電磁コイル13に印加された電圧および電流を検出し、検出結果を制御回路21に与える。電圧検出部23は、電磁コイル13のマイナス端子電圧を検出する。電磁コイル13に供給される電流を遮断すると、電磁コイル13にフライバック電圧が生じる。さらに電磁コイル13には、電流を遮断して弁体12および可動コア15が閉弁方向に変位することによる誘導起電力が生じる。したがって、電磁コイル13への通電オフに伴い、誘導起電力による電圧がフライバック電圧に重畳した値の電圧が電磁コイル13に生じる。よって、電圧検出部23は、電磁コイル13に供給される電流を遮断して弁体12および可動コア15が閉弁方向に変位することによる誘導起電力の変化を電圧値として検出していると言える。さらに電圧検出部23は、弁座17bと弁体12とが接触してから可動コア15が弁体12に対して相対変位することによる誘導起電力の変化を電圧値として検出する。閉弁検出部54は、検出された電圧を用いて、弁体12が閉弁する閉弁タイミングを検出する。閉弁検出部54は、気筒毎の燃料噴射弁10に対して閉弁タイミングの検出を実施する。
制御回路21は、充電制御部51、放電制御部52、電流制御部53、閉弁検出部54、噴射量推定部55および電流傾き検出部56を有する。昇圧回路22およびスイッチ部25は、制御回路21から出力された噴射指令信号に基づき作動する。噴射指令信号は、燃料噴射弁10の電磁コイル13への通電状態を指令する信号であり、要求噴射量および要求噴射開始時期を用いて設定される。
昇圧回路22は、昇圧したブースト電圧を電磁コイル13に印加する。昇圧回路22は、昇圧コイル、コンデンサおよびスイッチング素子を備え、バッテリ102のバッテリ端子から印加されるバッテリ電圧が昇圧コイルにより昇圧(ブースト)されて、コンデンサに蓄電される。このように昇圧されて蓄電された電力の電圧がブースト電圧に相当する。
放電制御部52は、昇圧回路22が放電するように所定のスイッチング素子をオン作動させると、燃料噴射弁10の電磁コイル13へブースト電圧が印加される。放電制御部52は、電磁コイル13への電圧印加を停止させる場合には、昇圧回路22の所定のスイッチング素子をオフ作動させる。
電流制御部53は、電流検出部24の検出結果を用いて、スイッチ部25のオンオフを制御して、電磁コイル13に流れる電流を制御する。スイッチ部25は、オン状態になるとバッテリ電圧または昇圧回路22からのブースト電圧を電磁コイル13に印加し、オフ状態になると印加を停止する。電流制御部53は、たとえば噴射指令信号により指令される電圧印加開始時期に、スイッチ部25をオンにしてブースト電圧を印加して通電を開始する。すると、通電開始に伴いコイル電流が上昇する。電流検出部24の検出結果に基づきコイル電流検出値が目標値Ith(図8、図9参照)に達したことが検知されると、電流制御部53はブースト電圧による通電をオフさせる。要するに、初回の通電によるブースト電圧印加により、目標値Ithまでコイル電流を上昇させるように制御する。また電流制御部53は、ブースト電圧を印加後は目標値Ithよりも低い値に設定された値にコイル電流が維持されるように、バッテリ電圧による通電を制御する。
図3に示すように、噴射指令パルス幅と噴射量との関係を表わす噴射特性マップは、噴射指令パルス幅が比較的長くなるフルリフト領域と、噴射指令パルス幅が比較的短くなるパーシャルリフト領域とに区分される。フルリフト領域では、弁体12のリフト量がフルリフト位置、すなわち可動コア15が固定コア14に突き当たる位置に到達するまで弁体12が開弁作動し、その突き当たった位置から閉弁作動を開始する。しかしパーシャルリフト領域では、弁体12のリフト量がフルリフト位置に到達しないパーシャルリフト状態、すなわち可動コア15が固定コア14に突き当たる手前の位置まで弁体12が開弁作動し、パーシャルリフト位置から閉弁作動を開始する。
燃料噴射制御装置20は、フルリフト領域では弁体12のリフト量がフルリフト位置に到達する噴射指令パルスで燃料噴射弁10を開弁駆動するフルリフト噴射を実行する。また燃料噴射制御装置20は、パーシャルリフト領域では弁体12のリフト量がフルリフト位置に到達しないパーシャルリフト状態となる噴射指令パルスで燃料噴射弁10を開弁駆動するパーシャルリフト噴射を実行する。
次に、閉弁検出部54の検出方式に関して、図4を用いて説明する。図4の上のグラフでは、電磁コイル13への通電をオンからオフにした後の電磁コイル13のマイナス端子電圧の波形を示しており、通電をオフにしたときのフライバック電圧の波形を拡大して示している。フライバック電圧は、負の値であるので、図4では上下を反転して示している。換言すると、図4では電圧の正負を逆転した波形を示している。
閉弁検出部54は、パーシャルリフト噴射を実施した場合の、実際に噴射された噴射量(実噴射量)と相関のある物理量を検出する。閉弁検出部54は、後述するタイミング検出方式で閉弁タイミングを検出するタイミング検出部54aと、後述する起電力量検出方式で閉弁タイミングを検出する起電力量検出部54bと、いずれかの検出方式を選択して切り替える選択切替部54cと、を有する。閉弁検出部54は、両方の検出方式で同時に閉弁タイミングを検出することはできず、いずれか一方の検出方式を用いて弁体12が閉弁した閉弁タイミングを検出する。
まず、起電力量検出方式に関して説明する。
概略、起電力量検出方式では、誘導起電力の積算値が所定量に達したタイミング(積算タイミング)を、実噴射量と相関のある物理量として検出する方式である。実際に弁体12が弁座17bに着座して閉弁したタイミング(実閉弁タイミング)と積算タイミングとは相関が高い。そして、実際に弁体12が弁座17bから離座して開弁したタイミング(実開弁タイミング)は、通電開始タイミングと相関が高いため、既知のタイミングとみなすことができる。したがって、実閉弁タイミングと相関の高い積算タイミングを検出すれば、実際に噴射した期間(実噴射期間)を推定でき、ひいては実噴射量を推定できると言える。つまり、積算タイミングは、実噴射量と相関のある物理量であると言える。
さて、図4に示すように、噴射指令パルスのオフした時刻t1後に誘導起電力によってマイナス端子電圧が変化する。検出した電圧波形(符号L1参照)と、仮に誘導起電力が生じなかった場合の電圧波形(符号L2参照)とを比べると、検出した電圧波形では、図4の斜線で示す誘導起電力の分だけ、電圧が増加していることがわかる。誘導起電力は、閉弁作動を開始してから閉弁を完了するまでの間に、可動コア15が磁界を通過するときに発生する。
弁体12の閉弁タイミングで、弁体12の変化速度および可動コア15の変化速度が比較的大きく変化して、マイナス端子電圧の変化特性が変化するので、閉弁タイミング付近でマイナス端子電圧の変化特性が変化する。つまり、電圧波形は、閉弁タイミングで変曲点(電圧変曲点)が現れる形状となる。そして、電圧変曲点が現れるタイミングと積算タイミングとは相関が高い。
このような特性に着目して、起電力量検出部54bは、閉弁タイミングと相関の高い積算タイミングに関連する情報として、電圧変曲点時間を次のようにして検出する。起電力量検出部54bは、パーシャルリフト噴射の噴射指令パルスのオフ後に、燃料噴射弁10のマイナス端子電圧Vmを第1のローパスフィルタでフィルタ処理(なまし処理)した第1のフィルタ電圧Vsm1を算出する。第1のローパスフィルタは、ノイズ成分の周波数よりも低い第1の周波数をカットオフ周波数とする。さらに閉弁検出部54は、燃料噴射弁10のマイナス端子電圧Vmを第1の周波数よりも低い第2の周波数をカットオフ周波数とする第2のローパスフィルタでフィルタ処理(なまし処理)した第2のフィルタ電圧Vsm2を算出する。これにより、マイナス端子電圧Vmからノイズ成分を除去した第1のフィルタ電圧Vsm1と電圧変曲点検出用の第2のフィルタ電圧Vsm2を算出することができる。
さらに、起電力量検出部54bは、第1のフィルタ電圧Vsm1と第2のフィルタ電圧Vsm2との差分Vdiff(=Vsm1−Vsm2)を算出する。さらに閉弁検出部54は、所定の基準タイミングから差分Vdiffが変曲点となるタイミングまでの時間を電圧変曲点時間Tdiffとして算出する。この際、図5に示すように、差分Vdiffが所定の閾値Vtを越えるタイミングを、差分Vdiffが変曲点となるタイミングとして電圧変曲点時間Tdiffを算出する。つまり、所定の基準タイミングから差分Vdiffが所定の閾値Vtを越えるタイミングまでの時間を電圧変曲点時間Tdiffとして算出する。差分Vdiffは、誘導起電力の積算値に相当し、閾値Vtが所定の基準量に相当する。差分Vdiffが閾値Vtに達したタイミングが積算タイミングに相当する。本実施形態では、基準タイミングは、差分が発生した時刻t2として電圧変曲点時間Tdiffを算出する。閾値Vtは、固定値であるか、燃圧や燃温等に応じて制御回路21が算出した値である。
燃料噴射弁10のパーシャルリフト領域では、燃料噴射弁10のリフト量のばらつきによって噴射量が変動すると共に閉弁タイミングが変動するため、燃料噴射弁10の噴射量と閉弁タイミングとの間には相関関係がある。さらに、燃料噴射弁10の閉弁タイミングに応じて電圧変曲点時間Tdiffが変化するため、電圧変曲点時間Tdiffと噴射量との間には相関関係がある。このような関係に着目して、燃料噴射制御装置20は、電圧変曲点時間Tdiffに基づいてパーシャルリフト噴射の噴射指令パルスを補正する。
次に、タイミング検出方式に関して説明する。
概略、起電力量検出方式では、誘導起電力の積算値が所定量に達したタイミング(積算タイミング)を、実噴射量と相関のある物理量として検出する方式である。タイミング検出部54aは、誘導起電力の単位時間当りの増加量が減少し始めるタイミングを閉弁タイミングとして検出する。
弁体12が開弁状態から閉弁作動を開始し、弁座17bと接触した瞬間に、可動コア15が弁体12から離間するので、弁座17bに接触した瞬間に可動コア15の加速度が変化する。タイミング検出方式では、可動コア15の加速度の変化を、電磁コイル13に発生する誘導起電力の変化として検出することによって、閉弁タイミングを検出する。可動コア15の加速度の変化は、電圧検出部23が検出した電圧の2階微分値で検出することができる。
具体的には、図4に示すように、時刻t1にて電磁コイル13への通電が停止された後、弁体12と連動して可動コア15が上方への変位から下方の変位に切り替わる。そして弁体12が閉弁後に、可動コア15が弁体12から離間すると、これまで弁体12を介して可動コア15に働いていた閉弁方向の力すなわちメインスプリングSP1による荷重と燃料圧力による力がなくなる。したがって可動コア15には、サブスプリングSP2の荷重が開弁方向の力として働く。弁体12が閉弁位置に到達して可動コア15に作用する力の向きが閉弁方向から開弁方向へ変化すると、これまで緩やかに増加していた誘導起電力の増加が減少し、閉弁した時刻t3で電圧の2階微分値が減少に転ずる。このマイナス端子電圧の2階微分値が最大値となるタイミングをタイミング検出部54aが検出することで、弁体12の閉弁タイミングを精度よく検出することが可能である。
起電力量検出方式と同様に、通電オフから閉弁タイミングまでの閉弁時間と噴射量との間には相関関係がある。このような関係に着目して、燃料噴射制御装置20は、閉弁時間に基づいてパーシャルリフト噴射の噴射指令パルスを補正する。
図6に示すように、要求噴射量によって噴射時間が異なる。そしてパーシャルリフト領域において、起電力量検出方式の検出範囲とタイミング検出方式の検出範囲Wとは異なる。具体的には、タイミング検出方式の検出範囲Wは、パーシャルリフト領域において、要求噴射量が基準割合よりも大きい側となる。起電力量検出方式は、最小噴射量τminから最大噴射量τmaxの近傍の値までである。したがって起電力量検出方式の検出範囲は、タイミング検出方式の検出範囲Wを含み、タイミング検出方式の検出範囲Wよりも広い。しかし閉弁タイミングの検出精度は、タイミング検出方式の方が優れる。要するに、起電力量検出方式はタイミング検出方式に比べて検出範囲が広く、タイミング検出方式は起電力量検出方式に比べて検出精度が高い、との知見を本発明者らは得ている。この知見に基づき、いずれの検出方式に切り替えるかを選択切替部54cは選択する。
噴射量推定部55は、閉弁検出部54の検出結果に基づき実噴射量を推定する。例えばタイミング検出方式の場合、タイミング検出部54aの検出結果、つまりマイナス端子電圧の2階微分値が最大値となるタイミングに基づき、噴射量推定部55は実噴射量を推定する。具体的には、2階微分値が最大値となるタイミング、通電時間および供給燃圧と、実噴射量との関係を予めタイミング検出マップとして記憶させておく。そして噴射量推定部55は、タイミング検出部54aの検出値、燃圧センサ31で検出される供給燃圧および通電時間に基づき、タイミング検出マップを参照して実噴射量を推定する。
また、例えば起電力量検出方式の場合、起電力量検出部54bの検出結果、つまり電圧変曲点時間に基づき、噴射量推定部55は実噴射量を推定する。具体的には、電圧変曲点時間、通電時間および供給燃圧と、実噴射量との関係を予め起電力量検出マップとして記憶させておく。そして噴射量推定部55は、起電力量検出部54bの検出値、燃圧センサ31で検出される供給燃圧および通電時間に基づき、起電力量検出マップを参照して実噴射量を推定する。
制御回路21が有するプロセッサは、以下に説明する学習処理を実行する。この学習処理では、後述する図7のステップS11で用いる学習値、つまり要求噴射量を補正する補正値である実噴射補正値を取得する。具体的には、閉弁検出部54の検出結果に基づき推定された実噴射量と、その実噴射に係る指令通電時間に対応する噴射量つまり補正後の要求噴射量とのズレ量に基づき、要求噴射量に対する実噴射補正値を算出して学習する。本実施形態では、実噴射量に対する要求噴射量の割合を実噴射補正値としている。したがって、実噴射量が要求噴射量より多い場合には、次回の要求噴射量を減らすべく実噴射補正値が1未満の値となり、実噴射量が要求噴射量より少ない場合には、次回の要求噴射量を増やすべく実噴射補正値が1より大きい値となる。
なお、図6に示す先述の知見を鑑みて、選択切替部54cは、要求噴射量が基準量以上である場合にはタイミング検出方式に切り替え、基準量以上でない場合には起電力量検出方式に切り替える。これにより、要求噴射量が基準量以上である場合には、タイミング検出部54aの検出結果で推定された実噴射量に基づき上記学習を行い、基準量以上でない場合には、起電力量検出部54bの検出結果で推定された実噴射量に基づき上記学習を行う。
電流傾き検出部56は、電磁コイル13への通電開始に伴い電磁コイル13を流れる電流が上昇する速度を検出する。この電流上昇速度は、図8および図9の上段に示す電流波形の符号ΔIに示す電流波形の傾きに相当する。具体的には、電磁コイル13への通電開始から所定値に達するまでの所要時間を電流傾き検出部56は検出し、その所要時間を電流上昇速度とみなす。上記所定値は、電流制御部53が用いる先述の目標値Ithである。つまり、電流傾き検出部56は、噴射指令パルスのオンタイミングから、電流検出部24によりコイル電流が目標値Ithに達したことが検知されるまでの所要時間を検出する。
図7は、制御回路21が有するプロセッサが、制御回路21が有するメモリに記憶されたプログラムを所定周期で繰り返し実行する手順を示すフローチャートである。図7に示す噴射制御の処理では、先ずステップS10において、内燃機関Eの負荷および機関回転速度に基づき要求噴射量を算出する。続くステップS11では、先述した学習処理で得られた学習値を用いて、ステップS10で算出した要求噴射量に対する実噴射補正値を設定する。本実施形態では、要求噴射量に乗算する係数値を実噴射補正値とし、実噴射補正値を要求噴射量に乗算して補正しているが、実噴射量と要求噴射量とのズレ量を実噴射補正値とし、その実噴射補正値を要求噴射量に加減算して補正してもよい。
続くステップS12では、電流傾き検出部56により検出された電流上昇速度に基づき、温度特性用の補正係数(温特用補正係数)を設定する。例えば、電流上昇速度と温特用補正係数との関係を予めマップ化して記憶させておき、その補正係数マップを参照して電流上昇速度に基づき温特用補正係数を設定する。なお、電流上昇速度に加えて燃料噴射弁10への供給燃圧とも関連付けて補正係数マップを作成しておき、電流上昇速度および供給燃圧に基づき補正係数マップを参照して温特用補正係数を設定してもよい。
続くステップS13では、電流傾き検出部56により検出された電流上昇速度に基づき、温度特性用のオフセット補正量を設定する。例えば、電流上昇速度と温特用オフセット補正量との関係を予めマップ化して記憶させておき、そのオフセット補正量マップを参照して電流上昇速度に基づき温特用オフセット補正量を設定する。なお、電流上昇速度に加えて供給燃圧とも関連付けてオフセット補正量マップを作成しておき、電流上昇速度および供給燃圧に基づきオフセット補正量マップを参照して温特用オフセット補正量を設定してもよい。
続くステップS14では、ステップS11、S12、S13で設定された実噴射補正値、温特用補正係数および温特用オフセット補正量で、ステップS10で算出した要求噴射量を補正する。具体的には、実噴射補正値および温特用補正係数を要求噴射量に乗算するとともに、温特用オフセット補正量を要求噴射量に加算して補正する。
ここで、通電時間と噴射量との関係を表した噴射特性マップが、制御回路21には予め記憶されている。そしてステップS15では、この噴射特性マップを参照して、ステップS14で算出した補正後の要求噴射量に対応する通電時間を算出する。噴射特性マップは、燃圧センサ31で検出される供給燃圧に応じて複数記憶されており、その時々の供給燃圧に応じた噴射特性マップを参照して通電時間は算出される。続くステップS16では、ステップS15で算出された通電時間に基づき電磁コイル13へ通電する。具体的には、噴射指令パルスのパルス幅を、算出された通電時間の長さに設定する。
なお、ステップS12、S13の処理を実行している時の制御回路21は、電流上昇速度に基づき、要求噴射量に対する補正値を算出する「補正値算出部」に相当する。特に、ステップS13の処理時の制御回路21は、オフセット補正量を補正値として算出する「オフセット補正量算出部」に相当し、ステップS12の処理時の制御回路21は、補正係数を補正値として算出する「補正係数算出部」に相当する。また、ステップS15の処理を実行している時の制御回路21は、要求噴射量に対応する電磁コイル13への通電時間を算出する「通電時間算出部」に相当する。
次に、温特用オフセット補正量および温特用補正係数で補正することの技術的意義について、図8、図9および図10を用いて説明する。
通電開始直後のコイル電流の上昇速度は、電磁コイル13の温度に応じて異なってくる。その結果、噴射特性が変化することは先述した通りである。図8および図9中の実線は、常温時の電流波形および噴射率波形を示し、点線は、高温時の電流波形および噴射率波形を示す。噴射率とは、単位時間当りに噴孔17aから噴射される量のことである。そして、噴射率を積算した値、つまり噴射率波形と横軸とで囲まれた面積は、1回の開弁による噴射量を示す。
図8に示す例では、高温時の方が常温時に比べて噴射量が減少する。その理由は、高温時には電流波形の傾きΔIが小さくなることに起因して、開弁作動を開始させる値にまで吸引力が上昇するのに時間を要するため、開弁開始時期が遅れるからである。一方、図9に示す例では、図8の場合に比べて通電時間Tiが僅かに長い。そして図9の例では、高温時の方が常温時に比べて噴射量が増加する。その理由は、高温時には電流波形の傾きΔIが小さくなることに起因して、渦電流発生によるエネルギ損失が少なく、弁体12の開弁速度が速いからである。それ故、高温時には開弁開始時期が遅れるものの、開弁速度が速いため、通電時間Tiが所定以上に長ければ、低温時に比べて噴射率波形の面積が大きくなり、噴射量が増加することとなる。
要するに、高温時には、開弁開始時期が遅くなり、通電開始から開弁作動開始までの無効噴射期間が長くなる一方で、高温時には、電磁コイル13へ供給する電気エネルギの損失が少なくなる。そのため、図10に示すように、通電時間Tiが所定以上に長ければ、一点鎖線や点線に示す高温時の方が、実線に示す常温時に比べて噴射量は多くなる。但し、通電時間Tiが所定未満であれば、一点鎖線や点線に示す高温時の方が、実線に示す常温時に比べて噴射量は少なくなる。なお、図10は供給燃圧を20MPaにした場合の例であり、電磁コイル13の電気抵抗は、点線の場合は実線に比べて0.25Ω高く、一点鎖線の場合は実線に比べて0.75Ω高い値である。
ここで、噴射特性線Lには、通電時間の増大に伴って噴射特性線Lの傾きが徐々に増大して所定傾きに達するまでの第1領域A1と、第1領域A1よりも通電時間が長い側の領域であって噴射特性線Lの傾きが一定の直線となる第2領域A2とが含まれている。例えば、常温時の噴射特性線Lのうち、第2領域A2での傾きをΔQとし、高温時の噴射特性線Laのうち、第2領域A2での傾きをΔQaとする。常温時の傾きΔQに対する高温時の傾きΔQaの比率が、温特用補正係数に相当する。先述したように、高温であるほどエネルギ損失が少なくなることに起因して、図10に示すように、高温時の傾きΔQaの方が常温時の傾きΔQに比べて大きくなっている。つまり、高温であるほど、温特用補正係数は大きい値に設定される。
そして、第2領域における噴射特性線の傾きと電流上昇速度とは相関が高いので、第2領域における噴射特性線の傾きと電流上昇速度との関係を予め試験して取得しておくことができ、その噴射特性線の傾きが温特用補正係数として用いられている。或いは、上記傾きに所定の定数を加算あるいは所定の係数を乗算して温特用補正係数とする。したがって、先述した補正係数マップは、上記試験結果に基づき作成されている。
また、第2領域A2での噴射特性線は傾きが一定の直線形状であり、その直線を延長させた仮想直線Lv上の値のうち、噴射量がゼロとなる通電時間の値を仮想時間Tvとする。この仮想時間Tvは、先述した無効噴射期間に相当する。常温時の仮想時間Tvと高温時の仮想時間Tvaとの時間差Taに所定の係数を乗算した値が、温特用オフセット補正量に相当する。先述したように、高温であるほど無効噴射期間が長くなることに起因して、図10に示すように、高温時の仮想時間Tvaの方が常温時の仮想時間Tvに比べて長くなっている。つまり、高温であるほど、温特用オフセット補正量は大きい値に設定される。
そして、無効噴射期間である仮想時間Tvaと電流上昇速度とは相関が高いので、仮想時間Tvaと電流上昇速度との関係を予め試験して取得しておくことができ、その仮想時間Tvaに基づき温特用オフセット補正量が算出される。例えば、常温時の仮想時間Tvに対する仮想時間Tvaの差分が温特用オフセット補正量として用いられている。或いは、上記差分に所定の定数を加算あるいは所定の係数を乗算して温特用オフセット量とする。したがって、先述したオフセット補正量マップは、上記試験結果に基づき作成されている。
要するに、高温であるほどエネルギ損失が少なくなる第1の現象については、温特用補正係数に反映させ、高温であるほど無効噴射期間が長くなる第2の現象については、温特用オフセット補正量に反映させている。第1の現象は、高温であるほど噴射量を多くさせるものであり、第2の現象は、高温であるほど噴射量を少なくさせるものである。このように相反する2種類の現象は、温特用オフセット補正量および温特用補正係数の各々に区分けされた上で、補正値として反映される。
以上説明したように、本実施形態では、パーシャルリフト噴射を実施する場合に電流上昇速度を検出する電流傾き検出部56と、ステップS12、S13による補正値算出部と、ステップS15による通電時間算出部とを備える。補正値算出部は、検出された電流上昇速度に基づき要求噴射量に対する補正値を算出し、通電時間算出部は、補正値で補正された要求噴射量に基づき、パーシャルリフト噴射を実施する場合の通電時間を算出する。そして、温度に応じた噴射特性の変化は電流上昇速度と相関性が高いので、本実施形態によれば、パーシャルリフト噴射を実施するにあたり、温度に応じて変化する噴射特性に適した通電時間で制御できる。よって、パーシャルリフト噴射での燃料噴射量を高精度で制御することが可能となる。
さらに本実施形態では、補正値算出部は、ステップS13によるオフセット補正量算出部、およびステップS12による補正係数算出部を有する。オフセット補正量算出部は、電流上昇速度に基づき、要求噴射量に対して加減算して補正するオフセット補正量を算出する。補正係数算出部は、電流上昇速度に基づき、要求噴射量に対して乗算して補正する補正係数を算出する。これによれば、図8〜図10を用いて先述したように、2種類の現象が、温特用オフセット補正量および温特用補正係数の各々に区分けされた上で、補正値として反映される。そのため、パーシャルリフト噴射での燃料噴射量を、より一層高精度で制御できる。特に、燃料噴射弁10の種類毎に噴射特性は大きく異なってくるが、機種の違いにより噴射特性が大きく異なる場合であっても、同様にして高精度で制御でき、噴射特性の機種の違いに対する制御のロバスト性を向上できる。
さらに本実施形態では、補正係数算出部は、電流上昇速度との相関関係から推定される、噴射特性線Laの第2領域A2における傾きΔQaに基づき、温特用補正係数を算出する。そのため、先述した、高温であるほどエネルギ損失が少なくなるといった第1の現象の度合いが、温特用補正係数に反映されるので、要求噴射量に対する補正の精度を向上できる。
さらに本実施形態では、噴射特性線Lの第2領域A2における直線を延長させた仮想直線Lv上の値であって、噴射量がゼロとなる通電時間の値を仮想時間Tvとする。そして、オフセット補正量算出部は、電流上昇速度との相関関係から推定される仮想時間Tvに基づき、温特用オフセット補正量を算出する。そのため、先述した、高温であるほど無効噴射期間が長くなるといった第2の現象の度合いが、温特用オフセット補正量に反映されるので、要求噴射量に対する補正の精度を向上できる。
さらに本実施形態では、電流傾き検出部56は、電磁コイル13への通電開始から、電磁コイル13を流れる電流が所定値(例えば目標値Ith)に達するまでの所要時間を検出することで、電流上昇速度を取得する。これによれば、電磁コイル13への通電状態を電流制御部53が制御することに用いられる情報であって、コイル電流が目標値Ithに達したか否かといった情報を用いて、電流上昇速度が取得される。よって、補正値を算出する専用の回路を用いることなく電流上昇速度を取得できるので、燃料噴射制御装置の回路構成を簡素化できる。
ここで、先述した通り、タイミング検出方式および誘導起電力検出方式には一長一短がある。そのため、両方の検出方式で閉弁タイミングを同時に検出することが望ましい。しかし両方の検出方式を同時に実施可能にするためには、制御回路21の処理能力を高める必要があり、燃料噴射制御装置20の実装規模が大型化するという問題がある。この点を鑑み、本実施形態に係る閉弁検出部54は、タイミング検出方式のタイミング検出部54aと、誘導起電力検出方式の起電力量検出部54bと、両方式のいずれかを選択して切り替える選択切替部54cと、を有する。そのため、閉弁検出部54は、両方式の長所が発揮されるように切り替えることが可能となり、両方式を同時実施する構成よりも小型化することができる。
(その他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。前述の実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
前述の第1実施形態では、電流傾き検出部56は、電磁コイル13への通電開始から、コイル電流が所定値に達するまでの時間を検出することで、電流上昇速度を取得している。この検出手法に替えて、電磁コイル13への通電開始から所定時間が経過するまでの電流上昇量を検出することで、電流上昇速度を取得してもよい。
前述の第1実施形態では、温特用補正係数および温特用オフセット補正量を電流上昇速度に基づき別々に算出し、温特用補正係数および温特用オフセット補正量の各々で、要求噴射量を補正している。これに対し、電流上昇速度に基づき、乗算用の補正係数および加算用の補正量のいずれかを算出し、算出された補正係数または補正量で要求噴射量を補正してもよい。
前述の第1実施形態では、燃料噴射弁10は弁体12と可動コア15とが別体の構成であったが、弁体12と可動コア15とが一体に構成であってもよい。一体であると、可動コア15が吸引されると、弁体12も可動コア15と一緒に開弁方向に変位して開弁する。
前述の第1実施形態では、燃料噴射弁10は、可動コア15の移動開始と同時に弁体12も移動を開始するように構成されているがこのような構成に限るものではない。たとえば可動コア15の移動を開始しても弁体12は開弁を開始せず、可動コア15が所定量移動した時点で可動コア15が弁体12に係合して開弁を開始する構成であってもよい。
前述の第1実施形態では、電圧検出部23は、電磁コイル13のマイナス端子電圧を検出しているが、プラス端子電圧を検出しても良いし、プラス端子とマイナス端子との端子間電圧を検出しても良い。
前述の第1実施形態では、閉弁検出部54は、実噴射量と相関のある物理量として、電磁コイル13の端子電圧を検出する。そして噴射量推定部55は、検出された電圧の変化を表わす波形に基づき閉弁タイミングを推定して実噴射量を推定している。これに対し、実噴射量と相関のある物理量として供給燃圧を検出し、検出された燃圧の変化を表わす波形に基づき閉弁タイミングを推定して実噴射量を推定してもよい。或いは、実噴射量と相関のある物理量としてエンジン回転数を検出し、エンジン回転数の変化を表わす波形に基づき実噴射量を推定してもよい。
前述の第1実施形態において、燃料噴射制御装置20によって実現されていた機能は、前述のものとは異なるハードウェアおよびソフトウェア、またはこれらの組み合わせによって実現してもよい。制御装置は、たとえば他の制御装置と通信し、他の制御装置が処理の一部または全部を実行してもよい。制御装置が電子回路によって実現される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路によって実現することができる。
10…燃料噴射弁、12…弁体、17a…噴孔、20…燃料噴射制御装置、S12、S13…補正値算出部、S15…通電時間算出部、56…電流傾き検出部(検出部)、EA…電気アクチュエータ。

Claims (5)

  1. 燃料を噴射する噴孔(17a)を開閉させる弁体(12)と、
    電磁コイル(13)および前記電磁コイルへの通電により生じた電磁力により吸引されて移動する可動コア(15)を有し、前記弁体を開弁作動させる電気アクチュエータ(EA)と、
    を備える燃料噴射弁(10)に適用され、
    前記電磁コイルへの通電時間を制御することで、前記弁体の開弁時間を制御して、前記弁体の1回の開弁で噴射される噴射量を制御する燃料噴射制御装置において、
    前記弁体が開弁作動を開始してから最大開弁位置に達する前に閉弁作動を開始することとなるパーシャルリフト噴射を実施する場合に、前記電磁コイルへの通電開始に伴い前記電磁コイルを流れる電流が上昇する速度を検出する検出部(56)と、
    前記検出部により検出された電流上昇速度に基づき、要求されている前記噴射量である要求噴射量に対する補正値を算出する補正値算出部(S12、S13)と、
    前記補正値で補正された前記要求噴射量に基づき、前記パーシャルリフト噴射を実施する場合の前記電磁コイルへの前記通電時間を算出する通電時間算出部(S15)と、
    を備える燃料噴射制御装置。
  2. 前記補正値算出部は、
    前記電流上昇速度に基づき、前記要求噴射量に対して加減算して補正するオフセット補正量を算出するオフセット補正量算出部(S13)と、
    前記電流上昇速度に基づき、前記要求噴射量に対して乗算して補正する補正係数を算出する補正係数算出部(S12)と、
    を有する請求項1に記載の燃料噴射制御装置。
  3. 前記パーシャルリフト噴射における、前記通電時間と前記噴射量との関係を表した噴射特性線には、前記通電時間の増大に伴って噴射特性線の傾きが徐々に増大して所定傾きに達するまでの第1領域と、前記第1領域よりも前記通電時間が長い側の領域であって前記噴射特性線の傾きが一定の直線となる第2領域とが含まれており、
    前記補正係数算出部は、前記電流上昇速度との相関関係から推定される、前記第2領域における前記噴射特性線の傾きに基づき、前記補正係数を算出する請求項2に記載の燃料噴射制御装置。
  4. 前記パーシャルリフト噴射における、前記通電時間と前記噴射量との関係を表した噴射特性線には、前記通電時間の増大に伴って噴射特性線の傾きが徐々に増大して所定傾きに達するまでの第1領域と、前記第1領域よりも前記通電時間が長い側の領域であって前記噴射特性線の傾きが一定の直線となる第2領域とが含まれており、
    前記直線を延長させた仮想直線上の値であって、前記噴射量がゼロとなる前記通電時間の値を仮想時間とし、
    前記オフセット補正量算出部は、前記電流上昇速度との相関関係から推定される前記仮想時間に基づき、前記オフセット補正量を算出する請求項2または3に記載の燃料噴射制御装置。
  5. 前記検出部は、前記電磁コイルへの通電開始から、前記電磁コイルを流れる電流が所定値に達するまでの所要時間を検出することで、前記電流上昇速度を取得する請求項1〜4のいずれか1つに記載の燃料噴射制御装置。
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