JP3635393B2 - 内燃機関の燃料噴射圧力制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、目標燃料圧力にフィードバック制御される燃料蓄圧室を備え、該燃料蓄圧室に接続された燃料噴射弁から燃料噴射することにより、燃料噴射圧力を可変に制御する内燃機関の燃料噴射圧力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガソリンエンジン等の火花点火式エンジンにおいて、燃料を燃焼室内に直接噴射し、低・中負荷領域では、燃料を圧縮行程で噴射することにより点火プラグ付近のみに可燃混合気を層状に生成して成層燃焼を行い、これにより、空燃比を大幅にリーンとした燃焼を可能として燃費，排気浄化性能を大きく改善した技術が開発されている。
【０００３】
但し、該成層燃焼を行なうエンジンでも、所定以上の高負荷領域などでは、限られたシリンダ容積で要求トルクを確保するためには、燃料を吸気行程で噴射して均質に混合した混合気を形成し、均質燃焼を行なう必要があり、したがって、成層燃焼と均質燃焼とを運転状態に応じて切り換えるようにしている。
かかる機関では、燃焼方式の切換に応じて燃料噴射時期におけるシリンダ内圧力が異なるため、これに応じて燃料噴射弁からの燃料噴射圧力を切り換える必要がある。また、燃焼方式の切換以外でも機関運転条件に応じて所望の燃料噴射圧力に制御することが要求されている。
【０００４】
この要求を満たすため、燃料ポンプから燃料蓄圧室に供給される毎回の燃料供給量をプレッシャレギュレータで制御することにより、前記燃料蓄圧室内の燃料圧力を目標値に制御しつつ、該燃料蓄圧室内の燃料を燃料噴射弁から機関に供給するようにした燃料噴射圧力制御装置が提案されている。
例えば、燃料タンクからフィードポンプにより供給される燃料をカム駆動されるプランジャにより吸入して吐出する燃料ポンプ（以下単気筒ポンプという) と、燃料吐出口と低圧源（燃料タンク) との間に介装され、該単気筒ポンプの吐出行程の初期又は後期に開弁するプレッシャレギュレータとしての電磁弁を備え、該電磁弁を開弁して吐出燃料を低圧源に戻すシステムにおいて、前記電磁弁の開弁期間を制御して燃料蓄圧室に供給される燃料量を制御することにより、燃料蓄圧室内の燃料圧力を制御するものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この種の燃料噴射圧力制御装置において、燃料蓄圧室内の燃料圧力つまり燃料噴射圧力を制御する場合、燃料蓄圧室内の燃料圧力を燃圧センサによって検出し、機関運転条件に基づいて設定される目標燃料圧力と、前記検出された燃料圧力とに基づいて比例分・積分分・微分分などを用いたフィードバック制御することが一般的な制御方法である。
【０００６】
しかしながら、燃焼方式の切換等により目標燃料圧力が大きく変化した場合、前記通常のフィードバック制御では、応答遅れが大きく、過渡的に燃焼性が悪化することがある。
即ち、目標燃料圧力が変化した場合の応答時間は、燃料噴射量が大きく燃料蓄圧室内から流出する燃料量が大きいときほど、大きくなる。
【０００７】
また、前記フィードバック制御の比例分は、ハンチング防止のため、最大値が制限されているため、目標燃料圧力が大きく変化した場合には、燃料圧力の変化速度が小さく制限されてしまい、応答性が悪化することがあった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、目標燃料圧力変化時の応答性を改善した内燃機関の燃料噴射圧力制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図２（図１は、参考例の構成・機能を示す）に示すように、
燃料ポンプから燃料蓄圧室に供給される毎回の燃料供給量をプレッシャレギュレータで制御することにより、前記燃料蓄圧室内の燃料圧力を目標値に制御しつつ、該燃料蓄圧室内の燃料を燃料噴射弁から機関に供給する内燃機関の燃料噴射圧力制御装置において、
燃料蓄圧室内の燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
機関運転条件に応じて設定された目標燃料圧力と、前記検出された燃料蓄圧室内の燃料圧力と、に基づいて、前記プレッシャレギュレータのフィードバック制御量を設定するフィードバック制御量設定手段と、
前記フィードバック制御量の目標燃料圧力と、検出された燃料蓄圧室内の燃料圧力との偏差に基づいて設定される比例分に加算される、目標燃料圧力の変化に応じたフィードフォワード比例分を設定するフィードフォワード比例分設定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によると、フィードフォワード制御量設定手段は、目標燃料圧力の変化に応じたフィードフォワード比例分を設定し、フィードバック制御量設定手段は、機関運転条件に応じて設定された目標燃料圧力と、燃料圧力検出手段によって検出された燃料蓄圧室内の燃料圧力とに基づいて、両者の偏差に応じて設定される通常の比例分に前記フィードフォワード比例分を加算して比例分を設定し、その他積分分・微分分等の制御定数を用いるなどしてプレッシャレギュレータのフィードバック制御量を設定する。
【００１４】
そして、該フィードバック制御量を用いてプレッシャレギュレータを制御して燃料蓄圧室内の燃料圧力を目標燃料圧力に応答良く近づけ、該燃料蓄圧室内の燃料圧力を燃料噴射圧力とした燃料噴射が行われる。
また、請求項２に係る発明は、
前記フィードフォワード比例分設定手段は、目標燃料圧力と燃料蓄圧室内の燃料圧力との偏差が所定値以下となるまで、該フィードフォワード比例分を設定保持することを特徴とする。
【００１５】
かかる構成によると、目標燃料圧力と燃料蓄圧室内の燃料圧力との偏差が所定値以下となるまでは、該偏差に応じて設定される通常の比例分に前記フィードフォワード比例分に加算してプレッシャレギュレータのフィードバック制御量が設定され、目標燃料圧力と燃料蓄圧室内の燃料圧力との偏差が所定値以下となった後は、前記通常の比例分のみを用いてフィードバック制御量が設定される。
【００１６】
また、請求項３に係る発明は、
前記フィードフォワード比例分設定手段は、目標燃料圧力の変化分だけ燃料蓄圧室内の燃料圧力が変化するのに必要な燃料量が燃料蓄圧室へ供給されるまで、フィードフォワード比例分を設定保持することを特徴とする。
かかる構成によると、目標燃料圧力の変化分だけ燃料蓄圧室内の燃料圧力が変化するのに必要な燃料量が燃料蓄圧室へ供給されるまでは、目標燃料圧力と燃料蓄圧室内の燃料圧力との偏差に応じて設定される通常の比例分に前記フィードフォワード比例分に加算してプレッシャレギュレータのフィードバック制御量が設定され、目標燃料圧力の変化分だけ燃料蓄圧室内の燃料圧力が変化するのに必要な燃料量が燃料蓄圧室へ供給された後は、前記通常の比例分のみを用いてフィードバック制御量が設定される。
【００１９】
請求項１に係る発明によると、
目標燃料圧力の変化時に、ハンチング防止のため制限して設定される通常の比例分に目標燃料圧力の変化に応じて設定されたフィードフォワード比例分を加算した比例分を用いて、フィードバック制御量が設定されるため、目標燃料圧力への変化速度が増大し、燃料蓄圧室内の燃料圧力ひいては燃料噴射圧力を応答良く目標値にフィードバック制御することができる。
【００２０】
請求項２に係る発明によると、
目標燃料圧力と燃料蓄圧室内の燃料圧力との偏差が所定値以下となるまでは、該偏差に応じて設定される通常の比例分に前記フィードフォワード比例分に加算したフィードバック制御量を用いて燃料蓄圧室内の燃料圧力を速やかに目標燃料圧力に近づけ、前記偏差が所定値以下となってからは通常の比例分のみで設定したフィードバック制御量を用いてハンチングを防止しつつ目標燃料圧力近傍に維持するように制御することができる。
【００２１】
請求項３に係る発明によると、
目標燃料圧力の変化分だけ燃料蓄圧室内の燃料圧力が変化するのに必要な燃料量が燃料蓄圧室へ供給されるまでは、目標燃料圧力と燃料蓄圧室内の燃料圧力との偏差に応じて設定される通常の比例分に前記フィードフォワード比例分に加算したフィードバック制御量を用いて燃料蓄圧室内の燃料圧力を速やかに目標燃料圧力に近づけ、前記必要な燃料量が燃料蓄圧室へ供給された後は、通常の比例分のみで設定したフィードバック制御量を用いてハンチングを防止しつつ目標燃料圧力近傍に維持するように制御することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図３は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関の燃料噴射圧力制御装置の全体構成を示す。
図３において、燃料タンク１には、該タンク１内の燃料を圧送する電動式フィードポンプ２が装着され、該フィードポンプ２から吐出された燃料は燃料フィルタ３、燃料ダンパ４、チェックバルブ５を介装した燃料通路６を介して単気筒型の燃料ポンプ７に吸入される。該燃料ポンプ７は、機関回転に連動するカムシャフトにより駆動されて上下動するピストンの下降時に燃料を吸入口側から吸い込み、上昇時に吐出する構造を有している。一方、前記燃料ポンプ７の吐出口と燃料タンク１との間に電磁弁（プレッシャレギュレータ) ８及びチェックバルブ９を介装したリターン通路10が配設されている。前記燃料ポンプ７の吐出口には、チェックバルブ11を介して燃料蓄圧室（コモンレール) 12が接続され、該燃料蓄圧室12から分岐する各分岐管13を介して接続された燃料噴射弁14が図示しない内燃機関の燃焼室に装着されている。前記燃料蓄圧室12には、該蓄圧室12内の燃料圧力を検出する燃圧センサ15が装着されている。なお、燃料ポンプ７をバイパスする２つの燃料通路にそれぞれ逆向きにチェックバルブ16，17が介装され燃料ポンプ７の非作動時に、燃料蓄圧室12内の燃料圧力を所定圧力に維持できるようにしている。
【００２３】
前記電磁弁８は、コントロールユニット18からの制御信号により駆動制御され、該電磁弁８を制御して燃料ポンプ７から燃料蓄圧室11への燃料供給量を制御することにより、該燃料蓄圧室12内の燃料圧力ひいては燃料噴射弁14の燃料噴射圧力が制御される。前記コントロールユニット18は、前記燃圧センサ15から燃料蓄圧室12内の燃料圧力を入力すると共に、機関の各種運転状態を検出するセンサからの信号を入力し、該機関運転条件に基づいて後述するように電磁弁８の制御量を設定する。
【００２４】
前記電磁弁８の動作の概要を説明すると、図４に示すように、前記燃料ポンプ７のピストン上死点（ＴＤＣ) で閉弁し、該上死点から下死点に至るピストン下降中にポンプ７内に燃料が吸入され、ピストンが上昇に転じると電磁弁８が閉弁されている間はリターン通路10が閉じているので、燃料ポンプ７から吐出された燃料はチェックバルブ11を介して燃料蓄圧室12に供給される。電磁弁８が開弁すると、燃料ポンプ７から吐出された燃料は開弁された電磁弁８を介してリターン通路９から燃料タンク１に戻され、燃料蓄圧室12への供給は停止される。したがって、電磁弁８の上死点で閉弁された後、燃料吐出行程での開弁時期θopを制御することにより、燃料が燃料蓄圧室12に供給される期間つまり供給量が制御され、ひいては燃料蓄圧室12内の燃料圧力, つまり燃料噴射圧力が制御される。なお、吸入行程から吐出行程の途中まで開弁し、その後次の吸入行程開始まで閉弁して該吐出行程後期の閉弁期間中に燃料を燃料蓄圧室に供給する構成であってもよい。
【００２５】
図５は、参考例に係る前記燃料蓄圧室11内の燃料圧力、つまり燃料噴射圧力の制御ブロック図を示す。
図において、目標燃料圧力設定部21は、機関の回転速度と負荷（トルク) に基づいて、燃料蓄圧室11の目標燃料圧力をマップテーブルからの検索などにより設定する。
【００２６】
前記目標燃料圧力設定部21からの目標燃料圧力はフィードバック制御量設定部22に入力される。一方、前記燃圧センサ15によって検出された燃料蓄圧室12内の燃料圧力が平滑部23により平滑化された後、前記フィードバック制御量設定部22に入力される。
前記フィードバック制御量設定部22は、前記目標燃料圧力と、検出されかつ平滑化された燃料蓄圧室12内の燃料圧力とに基づいて比例分Ｐ，積分分Ｉ，微分分Ｄを設定し、それらを加算して電磁弁８の開弁角（開弁期間における機関のクランク角度) のフィードバック制御量θFBを設定する。
【００２７】
フィードフォワード制御量設定部24は、燃料噴射量Ｔｉに基づいて燃料蓄圧室12から燃料噴射弁14を介して流出する燃料量に相当する燃料量が、燃料ポンプ７から燃料蓄圧室12へ供給されるような、電磁弁８の開弁角のフィードフォワード制御量θFFを設定する。
第１加算部25は、前記フィードバック制御量設定部22からのフィードバック制御量θFBと、前記フィードフォワード制御量設定部24からのフィードフォワード制御量θFFと、を加算する。
【００２８】
ポンプ効率補正部26は、機関回転速度Ｎｅと、燃料蓄圧室12内の燃料圧力とに基づいて燃料ポンプ７の吐出効率ηP をマップテーブルからの検索等により算出する。
乗算部27は、前記第１加算部25により加算された制御量（θFB＋θFF) に、前記ポンプ効率補正部26で算出された吐出効率ηP を乗算して要求燃料供給量の吐出に要する電磁弁８の有効開弁角θｅを算出する。
【００２９】
無駄時間算出部28は、平滑化された燃料圧力に応じて電磁弁８の開閉過渡時の無駄時間Ｔａを算出し、換算部29によって該無駄時間Ｔａが開弁角θａに換算される。
第２加算部30は、前記有効開弁角θｅに無駄時間相当する開弁角θａを加算して、吐出行程時の開弁角（ポンプピストン下死点から電磁弁８が閉じるまでの開弁角) θｐを算出する。
【００３０】
第３加算部31は、前記吐出行程時の開弁角θｐに、燃料ポンプ７の吸入行程時の電磁弁８の開弁角θｉを加算して、制御開弁角θを算出し、燃料ポンプ７のピストン上死点から前記開弁制御角θの角度だけ電磁弁８を開弁させる。
このようにすれば、電磁弁８のフィードフォワード制御量θFFを与えることにより、常時燃料蓄圧室12から燃料噴射弁15を介して流出する燃料量に相当する燃料量が、燃料ポンプから前記燃料蓄圧室へ供給され、フィードバック制御量θFBとしては、前記燃料蓄圧室内の燃料圧力を燃料流出分を除いて、目標燃料圧力の変化に相当するフィードバック補正分だけを設定すればよいため、燃料蓄圧室12内の燃料圧力を速やかに目標燃料圧力に近づけることができ、ひいては燃料噴射圧力を応答良く目標値にフィードバック制御することができる。
【００３１】
前記参考例では、フィードフォワード制御量を燃料噴射量に基づいて設定する構成としたため、机上の算出値でフィードフォワード制御量を設定したマップテーブルを割り付け設定することができるが、図６の制御ブロック図に示すように、フィードフォワード制御量設定部24’が目標燃料圧力設定と同一パラメータである機関回転速度Ｎｅと負荷（トルク) とに基づいてフィードフォワード制御量を設定する構成としてもよい。但し、フィードフォワード制御量設定用のマップテーブルは機関回転速度Ｎｅと負荷（トルク) とで定まる運転条件に応じた燃料蓄圧室12からの燃料流出量の実測値に基づいて設定する必要がある。
【００３２】
図７は、前記第１及び第２の参考例における各値を示す。このようにしてフィードバック制御量を与えることで、燃料噴射圧力の応答性を改善できるが、通常の方法で設定されたフィードバック制御量では、比例分は目標燃料圧力の偏差と実燃料圧力との偏差に基づいて設定されるが、ハンチング防止のため最大値は制限されている。例えば、目標燃料圧力が増大した場合に該比例分の制限のため、燃料ポンプの吐出量が制限されるので、燃料圧力の変化速度を十分大きくすることができず、なお、応答性改善の余地がある。
【００３３】
そこで、フィードバック制御量についても応答性改善を図った本発明の実施の形態について説明する。図８は第１の実施の形態の制御ブロック図を示し、前記図６の構成にフィードフォワード比例分設定手段41を追加して構成する。なお、フィードフォワード制御量設定部24’は、図５のフィードフォワード制御量設定部24に代えてもよい。
【００３４】
即ち、フィードフォワード比例分設定部41は、目標燃料圧力設定部21からの目標燃料圧力と平滑された燃料蓄圧室12内の燃料圧力とを入力し、両者の偏差が所定レベル以下となるまでの間、次式により算出されたフィードフォワード比例分ＰFFを設定し、フィードバック制御量設定部21で通常に設定される比例分と加算させる。
【００３５】
ＰFF＝（目標燃料圧力−初期燃料圧力) ×（Ｐ分ゲイン) ；初期燃料圧力は、目標燃料圧力の変化直前（若しくは直後) に検出された燃料蓄圧室11内の燃料圧力
これにより、目標燃料圧力が増大した場合は、該増大変化が大きく初期の燃料圧力偏差が大きいときほど大きく設定される正のフィードフォワード比例分ＰFFが通常の比例分に加算されるため、該偏差が所定レベル以内となるまでは、燃料ポンプ７が最大100 ％まで吐出量を増大させつつ、燃料変化速度を十分に高めて目標燃料圧力に速やかに近づけることができる。また、前記偏差が所定レベルに達した後は、フィードフォワード比例分ＰFFの設定が解除され、通常の偏差に比例して設定される比例分のみが用いられるため、ハンチングを生じることなく、目標燃料圧力近傍に安定して制御することができる。
【００３６】
また、目標燃料圧力が減少した場合は、前記フィードフォワード比例分は負の値となり、燃料ポンプ７の吐出量を最小０％（停止状態） まで減少して、燃料蓄圧室12からの燃料流出による燃料圧力の減少速度を大きくすることにより、目標燃料圧力に速やかに近づけることができる。
図９は、前記第１の実施の形態における各値を示す。
【００３７】
次に、フィードバック制御量についても応答性改善を図った別の実施の形態について説明する。図10は第２の実施の形態の制御ブロック図を示し、前記図６の構成にフィードフォワード比例分設定手段51を追加して構成する。なお、フィードフォワード制御量設定部24’は、図５のフィードフォワード制御量設定部24に代えてもよい。
【００３８】
即ち、フィードフォワード比例分設定部51は、目標燃料圧力設定部21からの目標燃料圧力を入力し、該目標燃料圧力の変化量ΔＰに基づいて、該変化量ΔＰだけ燃料蓄圧室12内の燃料圧力が変化するのに要する燃料蓄圧室12への要求燃料供給量を算出する。ここで、前記要求燃料供給量は、燃料蓄圧室12からの燃料流出分を補うようにフィードフォワード制御量が設定されているので、このバランス状態から燃料蓄圧室12内の燃料圧力が目標燃料圧力になるのに必要な燃料供給量として算出され、目標燃料圧力が増大するときは、前記要求燃料供給量は正の値であるが、目標燃料圧力が減少するときには要求燃料供給量は負の値となる。そして、目標燃料圧力が増大するときは、前記正の要求燃料供給量が供給されるまでの値は、フィードフォワード比例分ＰFFを最大限大きい値に設定して燃料ポンプ７を最大吐出量（100 ％) に維持する。なお、要求燃料供給量が供給されたか否かは、燃料ポンプ７からの吐出量の積算値から燃料蓄圧室12からの流出分を減算した値が要求燃料供給量になったかによって判定する。但し、要求燃料供給量が完全に供給されるより少し前で、フィードフォワード比例分ＰFFを小さい値に切り換えることにより、ハンチングを防止するようにしてもよい。また、目標燃料圧力が減少するときは、前記負の要求燃料供給量に相当する量の燃料が燃料蓄圧室12から流出されるまでの間は、フィードフォワード比例分ＰFFを負の最大限大きな値に設定して、燃料ポンプ８の吐出量を０（停止状態) に維持する。なお、負の要求燃料供給量に相当する量の燃料が燃料蓄圧室12から流出されたか否かは、燃料噴射量の積算値が負の要求燃料供給量になったかによって判定する。
【００３９】
これにより、目標燃料圧力の変化分だけ燃料蓄圧室内の燃料圧力が変化するのに必要な燃料量が燃料蓄圧室へ供給され又は燃料蓄圧室から流出するまでは、燃料ポンプ８を最大吐出量で駆動し又は燃料ポンプ８の駆動を停止することにより、燃料変化速度を最大限高めて目標燃料圧力に速やかに近づけることができる。また、前記要求燃料供給量が満たされた後は、フィードフォワード比例分ＰFFの設定が解除され、通常の偏差に比例して設定される比例分のみが用いられるため、ハンチングを生じることなく、目標燃料圧力近傍に安定して制御することができる。
【００４０】
図11は、前記第２の実施の形態における各値を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例に係る発明の構成・機能を示すブロック図。
【図２】請求項１に係る発明の構成・機能を示すブロック図。
【図３】一実施の形態の全体構成を示す図。
【図４】同上実施の形態の燃料ポンプの吐出量制御の様子を示すタイムチャート 。
【図５】第１の参考例に係る制御ブロック図。
【図６】第２の参考例に係る制御ブロック図。
【図７】第１，第２の参考例の各種状態量を示す図。
【図８】第１の実施の形態に係る制御ブロック図。
【図９】第１の実施の形態の各種状態量を示す図。
【図10】第２の実施の形態に係る制御ブロック図。
【図11】第２の実施の形態の各種状態量を示す図。
【符号の説明】
１ 燃料タンク
４ 弁駆動部
７ 燃料ポンプ
８ 電磁弁
12 燃料蓄圧室
14 燃料噴射弁
15 燃圧センサ
18 コントロールユニット

Claims (3)

1. 燃料ポンプから燃料蓄圧室に供給される毎回の燃料供給量をプレッシャレギュレータで制御することにより、前記燃料蓄圧室内の燃料圧力を目標値に制御しつつ、該燃料蓄圧室内の燃料を燃料噴射弁から機関に供給する内燃機関の燃料噴射圧力制御装置において、
   燃料蓄圧室内の燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
   機関運転条件に応じて設定された目標燃料圧力と、前記検出された燃料蓄圧室内の燃料圧力と、に基づいて、前記プレッシャレギュレータのフィードバック制御量を設定するフィードバック制御量設定手段と、
   前記フィードバック制御量の目標燃料圧力と、検出された燃料蓄圧室内の燃料圧力との偏差に基づいて設定される比例分に加算される、目標燃料圧力の変化に応じたフィードフォワード比例分を設定するフィードフォワード比例分設定手段と、
   を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射圧力制御装置。
2. 前記フィードフォワード比例分設定手段は、目標燃料圧力と燃料蓄圧室内の燃料圧力との偏差が所定値以下となるまで、該フィードフォワード比例分を設定保持することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射圧力制御装置。
3. 前記フィードフォワード比例分設定手段は、目標燃料圧力の変化分だけ燃料蓄圧室内の燃料圧力が変化するのに必要な燃料量が燃料蓄圧室へ供給されるまで、フィードフォワード比例分を設定保持することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射圧力制御装置。

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