JP3798614B2 - 高圧燃料供給系の圧力制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧燃料供給系の圧力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高圧燃料ポンプから共通の蓄圧室（コモンレール）に燃料を供給し、この蓄圧室に各気筒毎の燃料噴射弁を接続して蓄圧室内の高圧燃料を各気筒に噴射する、いわゆるコモンレール式の燃料噴射装置が知られている。
コモンレール式燃料噴射装置では、燃料噴射弁からの燃料噴射率がコモンレール内圧力に応じて変わるため、機関運転状態に応じて最適な燃料噴射率が得られるようにコモンレール圧力を精度良く制御する必要がある。
【０００３】
コモンレール圧力制御は、一般にコモンレールに燃料を圧送する高圧燃料供給ポンプの吐出量（圧送量）を制御することにより行われている。また、高圧燃料供給ポンプとしては一般にプランジャ式ポンプが使用される。
コモンレール式燃料噴射装置では、コモンレール内に貯留した高圧燃料を各気筒の燃料噴射弁から噴射するため、燃料噴射毎にコモンレール内の圧力が低下する。このため、燃料ポンプの制御装置は燃料噴射時期により定まるタイミングで燃料ポンプからコモンレールに必要量の燃料を圧送してコモンレール内圧力を目標値に維持する必要がある。
【０００４】
また、実際の運転においては機関運転状態が急激に変化する過渡運転時には、運転状態の変化に応じてコモンレール目標圧力も急激かつ広範囲に変化するため燃料ポンプの制御装置は燃料ポンプの圧送量を、コモンレール圧力が目標圧力に追従してオーバーシュートやアンダーシュートを生じないように、すなわちコモンレール圧力の制御性が良好になるように制御する必要がある。
【０００５】
コモンレール圧力の目標圧力への追従性を向上させた燃料ポンプ圧送量の制御装置の例としては、例えば特開平５−１０６４９５号公報に記載されたものがある。同公報の装置は、実際のコモンレール圧力とコモンレール目標圧力との偏差に制御ゲインを乗じた値に基いて燃料ポンプの圧送量を制御する際に、過渡運転時における瞬時コモンレール圧力の変化量からコモンレール圧力のオーバーシュートが生じることを予測し、オーバーシュートが生じる場合には上記制御ゲインを低下させてオーバーシュートを未然に防止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特開平５−１０６４９５号公報の燃料ポンプ制御装置では、過渡運転時におけるコモンレール圧力のオーバーシュートは小さくなるものの、オーバーシュートを全くなくすことはできず、しかもオーバーシュートが生じた場合のコモンレール燃料圧力のピーク値については何ら考慮されていないため、問題が生じる場合がある。
【０００７】
通常、コモンレールには燃料圧力の過大な上昇により燃料系の機器の破損などが生じることを防止するために、燃料圧力を各燃料系機器の設計圧力以下に制限するプレッシャリミッタ（圧力制限手段）が設けられている。たとえば、プレッシャリミッタとしては、コモンレール内の燃料圧力が設定値以上になったときに開弁し、コモンレール内の燃料を低圧部（燃料タンク）に放出することによりコモンレール内圧力を低下させる圧力制御弁または安全弁が使用される。
【０００８】
このようなプレッシャリミッタをコモンレールに備えている場合には、コモンレール圧力の目標値が高くなっていると、オーバーシュート自体の幅が小さい場合でもオーバーシュートが生じるとコモンレール圧力がプレッシャリミッタの設定圧力を越えてしまい、プレッシャリミッタが作動してしまう場合がある。
一旦プレッシャリミッタが作動すると、コモンレール圧力は急激に低下するため、大きな騒音が発生する場合がある。また、コモンレール圧力が目標値より大幅に低くなるため運転条件に応じた燃料噴射率が得られなくなり、機関性能が低下するとともに、再度コモンレール圧力が目標圧力に制御されるまでに多少の時間を要する問題が生じてしまう。
【０００９】
上記特開平５−１０６４９５号公報の装置では、過渡運転時にコモンレール圧力制御の制御ゲインを低下させることによりオーバーシュート幅は低減されるものの、オーバーシュート時のピーク圧力については全く考慮されていないため、プレッシャリミッタを備えたコモンレール式燃料噴射装置に同公報の制御装置を使用すると、プレッシャリミッタが作動してコモンレール圧力の急激な低下を生じる問題がある。
【００１０】
特に、燃料圧送行程が開始される前に燃料ポンプからの次回の燃料圧送量が設定される吐出量調節装置を有する燃料ポンプを使用したような場合には、燃料圧送量を決定する時点と実際に燃料がコモンレールに供給される時点との間に比較的大きな遅れが生じるため、過渡運転時には上記特開平５−１０６４９５号公報のような燃料圧力制御を行なった場合でもオーバーシュートが生じやすくなり、プレッシャリミッタが作動する確率が大きくなる。
【００１１】
このような場合にも、たとえばプレッシャリミッタの設定圧力を十分に高く設定して、コモンレール圧力が高い状態の過渡運転時に多少のオーバーシュートが発生してもプレッシャリミッタが作動しないようにすれば良い。しかし、プレッシャリミッタの設定圧力を高く設定するためには、コモンレールや燃料系の各要素の設計圧力をプレッシャリミッタの設定圧力に応じて高くする必要があり、装置全体の製作コストが増大する問題が生じる。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑み、過渡運転時における燃料圧力のオーバーシュートのピーク圧力を小さく設定することにより、装置コストの増大を伴うことなく簡易に、プレッシャリミッタの作動を防止することが可能な高圧燃料噴射系の圧力制御装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関に所定のタイミングで燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁が接続される、加圧燃料を貯留する蓄圧室と、前記蓄圧室に所定のタイミングで燃料を圧送する燃料ポンプと、前記蓄圧室内の燃料圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段で検出した燃料圧力に基いて、蓄圧室内の燃料圧力が目標燃料圧力になるように前記燃料ポンプの燃料圧送量をフィードバック制御する圧送量制御手段と、前記蓄圧室内の燃料圧力が予め定めた上限圧力以上になった時に作動して、蓄圧室内の燃料圧力を前記上限圧力以下に維持する圧力制限手段と、を備えた圧力制御装置において、前記圧送量制御手段は更に、前記圧力検出手段で検出した燃料圧力と前記上限圧力とに基いて、前記圧力制限手段を非作動状態に維持することが可能な最大燃料圧送量である圧送量制限値を算出する制限値算出手段を備え、前記燃料ポンプの実際の燃料圧送量が前記圧送量制限値以下になるように制限する、高圧燃料供給系の圧力制御装置が提供される。
【００１４】
すなわち、請求項１の発明では、圧送量制御手段は圧力検出手段で検出した燃料圧力と圧力制限手段の作動する上限圧力とに基いて、燃料圧送後の圧力上昇によっても圧力制限手段が作動しない範囲で蓄圧室に供給可能な最大燃料圧送量である圧送量制限値を算出する制限値算出手段を備えており、例えば、蓄圧室圧力に基くフィードバック制御により制御される燃料ポンプ圧送量が、出した圧送量制限値を越える場合には、実際の圧送量を上記圧送量制限値に設定することにより、燃料ポンプの実際の圧送量を上記圧送量制限値以下に制限する。このため、燃料ポンプからの実際の燃料圧送量は過渡運転時にも、常に蓄圧室燃料圧力が圧力制限手段が作動する圧力より低くなるように制御されるため、オーバーシュートによる圧力制限手段の作動が効果的に防止される。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、前記燃料ポンプは、燃料圧送を開始する前に圧送量が決定される吐出量調節装置を備え、前記圧送量制御手段は燃料ポンプからの燃料圧送開始前に前記圧力検出手段で検出した燃料圧力に基いて燃料圧送量をフィードバック制御し、前記制限値算出手段は燃料ポンプからの燃料圧送開始前に検出された前記燃料圧力と前記上限圧力とに基いて前記圧送量制限値を算出する、請求項１に記載の圧力制御装置が提供される。
【００１６】
すなわち、請求項２の発明では、請求項１の燃料ポンプは燃料圧送量の設定時点と実際の燃料圧送開始時点との間に比較的大きな遅れが生じる吐出量調節装置を備えている。本発明では、このような場合にも、例えば燃料圧送量の設定時点における蓄圧室の燃料圧力と上限圧力とに基いて圧送量制限値を算出することにより、蓄圧室燃料圧力を圧力制限手段が作動する圧力より常に低く維持することが可能となり、オーバーシュートによる圧力制限手段の作動が効果的に防止される。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、前記制限値算出手段は、燃料ポンプからの燃料圧送開始前に検出された前記燃料圧力と、前記上限圧力と、燃料ポンプからの燃料圧送終了までに前記蓄圧室から流出する燃料量の予測値と、燃料ポンプの前回の燃料圧送時の燃料圧送量とに基いて前記圧送量制限値を算出する、請求項２に記載の圧力制御装置が提供される。
【００１８】
すなわち、請求項３の発明では、請求項２の発明において、制限値算出手段は、さらに、燃料圧送が終了するまでに蓄圧室から流出する燃料量の予測値と、前回燃料圧送時の燃料圧送量とに基いて圧送量制限値を算出する。たとえば、吸入調量式の吐出量調節装置を備えた燃料ポンプでは、次回の燃料圧送量を設定する時点では、未だ前回の燃料圧送が行われていない。このため、今回設定する量の燃料の圧送が終了する時点では、今回の燃料圧送量に加えて、前回の燃料圧送量として設定した量の燃料が蓄圧室に流入していることになる。また、今回の燃料圧送が終了するまでには、燃料噴射弁からの燃料噴射やリーク等により蓄圧室から流出する燃料量が存在する。本発明では、これらの燃料量を考慮して、今回の燃料圧送終了時に蓄圧室内の燃料圧力が上限圧力以下になるように燃料圧送量制限値を算出するようにしたため、確実にオーバーシュートによる圧力制限手段の作動を防止することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用ディーゼル機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
図１において、１は内燃機関１０（本実施形態では４気筒ディーゼル機関）の各気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁、３は各燃料噴射弁１が接続される共通の蓄圧室（コモンレール）を示す。コモンレール３は、後述する高圧燃料供給ポンプ５（以下「燃料ポンプ」という）から供給される加圧燃料を貯留し、各燃料噴射弁１に分配する機能を有する。
【００２０】
また、図１において７は機関１０の燃料（本実施形態では軽油）を貯留する燃料タンク、９は燃料ポンプに低圧配管１３を介して燃料を供給する低圧フィードポンプを示している。
また、燃料ポンプ５から吐出された燃料は、高圧配管１７を通ってコモンレール３に供給され、コモンレール３から各燃料噴射弁１を介して内燃機関の各気筒内に噴射される。
【００２１】
図１に３３で示すのは、コモンレール３に設けられたプレッシャリミッタである。プレッシャリミッタ３３は例えば、コモンレール３内の燃料圧力が予め定めた設定値以上に上昇した場合に開弁する安全弁が使用され、コモンレール３内の燃料圧力が設定値以上に上昇した場合にコモンレール内の燃料油をリターン配管１９を介して低圧部（燃料タンク７）に放出することによりコモンレール３の過大な圧力上昇と、それによる高圧燃料系の各機器の損傷を防止するものである。リターン配管１９には、各燃料噴射弁１からのリターン燃料を燃料タンク７に戻すリーク配管１９ａが接続されている。燃料噴射弁からのリターン燃料（動的リーク燃料及び静的リーク燃料）については後述する。
【００２２】
図１に２０で示すのは、機関の制御を行う電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ２０は、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の構成のマイクロコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ２０は、後述するように燃料ポンプ５の吸入調量弁５ａの開閉動作を制御してポンプ５からコモンレール３に圧送される燃料量を調整し、コモンレール３内の燃料圧力を機関負荷、回転数等に応じて制御する燃料圧力制御を行う。また、ＥＣＵ２０は、燃料噴射弁１の開弁時間を制御して気筒内に噴射される燃料量を制御する燃料噴射制御を行う。
【００２３】
上記制御のため、ＥＣＵ２０の入力ポートには、コモンレール３に設けた燃料圧力センサ３１からコモンレール３内の燃料圧力に対応する電圧信号がＡＤ変換器３４を介して入力されている他、機関アクセルペダル（図示せず）に設けたアクセル開度センサ３５からアクセルペダルの操作量（踏み込み量）に対応する信号が同様にＡＤ変換器３４を介して入力されている。
【００２４】
更に、ＥＣＵ２０の入力ポートには、機関のクランク軸近傍（図示せず）に設けたクランク角センサ３７から、クランク軸が基準回転位置（例えば第１気筒の上死点）になったときに発生する基準パルス信号と、クランク軸一定回転角毎に発生する回転パルス信号との２つの信号が入力されている。
ＥＣＵ２０は、上記の回転パルス信号の間隔からクランク軸回転速度を算出するとともに、基準パルス信号入力後に入力する回転パルス信号を計数することによりクランク軸の回転角（位相）ＣＡを検出する。
【００２５】
また、ＥＣＵ２０の出力ポートは、駆動回路４０を介して燃料噴射弁１に接続され、各燃料噴射弁１の作動を制御している他、駆動回路４０を介して燃料ポンプ５の吸入調量弁５ａの開閉を制御するソレノイドアクチュエータに接続され、ポンプ５の圧送量を制御している。
本実施形態では、燃料ポンプ５は２つのシリンダを有するプランジャポンプの形式とされている。ポンプ５の各シリンダ内のプランジャは、ポンプ内のプランジャ駆動軸に形成されたカムに押圧されてシリンダ内を往復運動する。また、各シリンダの吸入ポートには、ソレノイドアクチュエータにより開閉駆動される吸入調量弁が設けられている。本実施形態ではプランジャ駆動軸は機関１０のクランク軸（図示せず）により駆動され、クランク軸と同期してクランク軸の２分の１の速度で回転する。また、ポンプ５のプランジャ駆動軸には、それぞれのプランジャと係合する部分にリフト部を１つ持つカムが形成されており、ポンプ５のプランジャは機関１０の各気筒のストロークに同期して燃料を吐出するようになっている。本実施形態では、ポンプ１０の２つのシリンダはクランク軸が７２０度回転する間にそれぞれ１回、機関回転に同期してコモンレール３に燃料を圧送する。すなわち、本実施形態では機関１０のクランク軸が７２０度回転する間に燃料ポンプ５から２回の燃料圧送が行われ、１回の燃料圧送で２気筒分（２回の）燃料噴射が行われることになる。
【００２６】
また、本実施形態では、いわゆる吸入調量式の燃料ポンプ吐出量制御が行われれており、ＥＣＵ２０はポンプの各シリンダのプランジャの下降（吸入）行程における吸入調量弁５ａの閉弁時期を変化させることにより燃料ポンプ５の圧送行程における燃料油吐出流量を制御する。すなわち、本実施形態ではＥＣＵ２０は各シリンダがカムリフト頂部を通過して吸入行程が開始されると、吸入行程開始後所定の期間吸入調量弁５ａのソレノイドアクチュエータに通電を行い、吸入調量弁５ａを開弁保持する。これにより、プランジャの下降とともに燃料がシリンダに流入する。また、ＥＣＵ２０は上記所定期間が経過するとソレノイドアクチュエータの通電を停止して吸入調量弁５ａを閉弁する。これにより、その後の吸入行程中はシリンダには燃料が供給されなくなり、プランジャは下降を停止したまま保持され、カムとプランジャとは離間する。そして、再度圧送行程が開始されてカムのリフト部が上記により下降停止位置に保持されたプランジャに接触する位置まで回転するとプランジャがカムに押動されるようになり、実際に燃料ポンプ５から燃料が吐出され、逆止弁１５を通ってコモンレール３に供給される。この場合、各シリンダからは吸入行程でポンプ室に吸入された量だけの燃料しかコモンレール３には圧送されないため、吸気弁５ａの開弁時間を制御することによりコモンレール３に供給する燃料量を制御する事が可能となる。
【００２７】
本実施形態では、ＥＣＵ２０は機関負荷、回転数に応じて予めＲＯＭに格納した関係に基づいて目標コモンレール燃料圧力を設定するとともに、後述するように燃料圧力センサ３１で検出したコモンレール燃料圧力が設定した目標コモンレール燃料圧力になるようにポンプ５の吐出量をフィードバック制御する。また、ＥＣＵ２０は機関負荷、回転数に応じて予めＲＯＭに格納した関係に基づいて燃料噴射弁１の開弁時間（燃料噴射時間）を制御する。
【００２８】
本実施形態ではコモンレール３の燃料圧力を機関運転条件に応じて変化させることにより、燃料噴射弁１の噴射率を運転条件に応じて調節し、燃料圧力と燃料噴射時間とを変化させることにより燃料噴射量を運転条件に応じて調節している。このため、本実施形態のようなコモンレール式燃料噴射装置では、コモンレール内の燃料圧力は機関の運転条件（負荷、回転数）に応じて極めて広い範囲で（例えば、１０ＭＰａから１５０ＭＰａ程度までの範囲で）変化することになる。
【００２９】
次に、本実施形態における燃料圧送量の算出について説明する。
前述したように、本実施形態では燃料ポンプ５からコモンレール３への燃料圧送量は、コモンレール燃料圧力がＥＣＵ２０により設定されたコモンレールの目標圧力になるように圧力センサ３１で検出した燃料圧力に基いてフィードバック制御されている。
【００３０】
図２は、燃料ポンプ５の幾何学的送油率（プランジャの単位クランク角当たり移動量とシリンダ断面積との積）を示すタイミング図であり、図２の横軸はクランク角ＣＡで表してある。
図２は燃料ポンプ５の１行程サイクル（機関１０のクランク回転角で７２０度）における変化を示しており、この期間では燃料ポンプ５の２つのシリンダ（＃１及び＃２シリンダ）では各１回の燃料圧送行程が行われる。図２の斜線を付した領域は各シリンダから実際にコモンレールに圧送される燃料量を表わしている。また図２において、横軸の上側部分は各シリンダの圧送行程、下側は吸入行程をあらわしている。本実施形態では４気筒機関が使用されているため、合計４回の燃料噴射が行われる。このため、燃料ポンプ５の各圧送行程では２回の燃料噴射が行われる。図２にＦＪ１、ＦＪ２、及びＦＪ３、ＦＪ４で示すのは各圧送行程における燃料噴射タイミングである。図２に示すように、燃料噴射は各シリンダ＃１、＃２のそれぞれの圧送行程の前半（ＦＪ１、ＦＪ３）と後半（ＦＪ２、ＦＪ４）にそれぞれ１回ずつ行われる。
【００３１】
本実施形態では、吸入調量式の燃料ポンプ吐出量制御が行なわれるため、燃料ポンプの吐出量(コモンレール３への圧送量）は、各シリンダの吸入行程が開始される前に決定される。つまり、図２において＃２シリンダの圧送量は図２においてａ点またはそれ以前に決定されることになる（本実施形態では、説明を簡単にするために＃２シリンダの吐出量算出時期を仮にａ点であるとする）。つまり、＃２シリンダからの燃料圧送量は、ａ点におけるコモンレール３の目標圧力とセンサ３１で検出した実際の圧力とに基いて決定されることになる。
【００３２】
ところが、本実施形態では、ａ点で決定された量の燃料のコモンレールへの供給が実際に完了するのは、＃２の圧送行程が完了する時点、すなわち図２のｂ点になる。すなわち、圧送量の決定時点(ａ点)から決定した量の燃料のコモンレール３への供給が完了するまでにクランク角にして７２０度の時間遅れが存在する。しかも、この間には、＃１シリンダの圧送行程があるため、コモンレールには＃１シリンダから燃料が流入し、一方４回の燃料噴射（ＦＪ１からＦＪ４）によりコモンレールから燃料が流出する。また、燃料噴射以外にも燃料噴射弁の動作に伴うリークや定常的に存在するリークによってコモンレールから流出する燃料が存在する。
【００３３】
従って、ａ点では、これらの流入燃料と流出燃料との両方を考慮に入れた上で圧送行程終了時（ｂ点）にコモンレールの実際の燃料圧力が目標燃料圧力に一致するように＃２シリンダの圧送量を決定する必要がある。
本実施形態では、上記を考慮して以下に示す（１）式を用いて＃２シリンダの圧送量ＱＰ２を算出する。
ＱＰ２＝ΣＱＩｉ＋ΣＱＩＤｉ＋ＱＩＳ−ＱＰ１＋ＫＰ×（Ｐtr−Ｐca）+ＱＳ
……（１）
ここで、ΣＱＩｉはａ点からｂ点までの間に燃料噴射ＦＪ１からＦＪ４により噴射される燃料量の合計であり、
ΣＱＩｉ＝ＱＩ１＋ＱＩ２＋ＱＩ３＋ＱＩ４
で表される（ＱＩ１からＱＩ４は、それぞれＦＪ１からＦＪ４の各燃料噴射燃料噴射量）。
【００３４】
また、ΣＱＩＤｉは各燃料噴射弁の燃料噴射動作に伴う動的リーク量の和であり、ΣＱＩＤｉ＝ＱＩＤ１＋ＱＩＤ２＋ＱＩＤ３＋ＱＩＤ４で表される（ＱＩＤ１からＱＩＤ４は、それぞれＦＪ１からＦＪ４の各燃料噴射における動的リーク量）。
例えば、燃料噴射弁の形式によっては燃料噴射弁の開弁動作を燃料油の圧力を利用して行うため燃料噴射動作に伴って燃料噴射条件から定まる一定量の燃料油が燃料タンクに返戻される形式のものがある。より詳細には、このような形式の弁では、閉弁時には弁体の下部（噴孔側）と上部との両方に燃料圧力を作用させることにより燃料圧力により弁体に加わる力をバランスさせ、スプリングの力で弁体を弁座に押圧している。一方、燃料噴射時には弁体上部の燃料油を電磁弁を経由してリターン配管に逃がすことにより弁体上部に作用する圧力を低下させる。これにより、弁体下部に作用する燃料油圧力により弁体がスプリングに抗して押し上げられ噴孔が開放され噴射が行われる。すなわち、この形式の燃料噴射弁では開弁（燃料噴射）期間中に燃料噴射条件から定まる量の燃料がコモンレールから燃料噴射弁のリーク配管１９ａを経由してリターン配管１９に流出する。本実施形態では、燃料噴射以外に各燃料噴射弁の燃料噴射動作に伴ってコモンレールから流出する燃料量を動的リーク量と呼んでいる。
【００３５】
各燃料噴射弁からの動的リーク量ＱＩＤｉは、各燃料噴射弁１回の燃料噴射においてコモンレール３からリターン配管１９に流出する燃料の量で表され、燃料噴射弁の弁体上部油圧を逃がす電磁弁の通電時間（燃料噴射時間）と燃料噴射直前の燃料油圧力との関数になる。本実施形態では、予め燃料圧力と燃料噴射時間とを変えて１回の燃料噴射期間に燃料タンクに戻されるリターン燃料量を実測し、ＥＣＵ２０のＲＯＭに燃料圧力と燃料噴射時間とを用いた数値マップとして記憶してある。
【００３６】
一方、上記（１）式におけるＱＩＳは、ａ点からｂ点までの期間における静的リーク量を表している。コモンレールからは、燃料噴射弁の摺動部クリアランスなどを通って常時リークしている燃料油があり、これらのリーク燃料もリターン配管１９を通って燃料タンクに戻される。本実施形態では、燃料噴射弁の燃料噴射動作と関係なく常時コモンレールから流出するリターン燃料の量を静的リーク量と呼んでいる。
【００３７】
静的リーク量ＱＩＳは、燃料噴射弁の各クリアランス部からのリーク燃料の量であり、ａ点からｂ点までの間にコモンレール３からリークする燃料の総量で表される。このため、ＱＩＳは燃料圧力と燃料温度（燃料粘度）、機関回転数ＮＥ（ａ点からｂ点までの経過時間）の関数となる。本実施形態では、ＱＩＳについても予め燃料圧力、温度、機関回転数の組合せを変化させて静的リーク量を実測し、燃料圧力、温度、機関回転数を用いた数値マップとしてＥＣＵ２０のＲＯＭに格納してある。実際の運転時には静的リーク量ＱＩＳは、燃料圧力、温度、機関回転数を用いて、このマップから算出される。
【００３８】
また、（１）式において、ＫＰ×（Ｐtr−Ｐca）はフィードバック比例項を表し、ＫＰは比例定数、Ｐtrはコモンレール３の燃料圧力の目標値、Ｐcaはａ点において圧力センサ３１で検出した実際の燃料圧力である。
また、ＱＳはフィードバック積分項を表し、例えばＱＳ＝ＫＳ×Σ（Ｐtr−Ｐca）として算出される。ここで、Σ（Ｐtr−Ｐca）は今回までの圧送量算出時毎の目標圧力と実際のコモンレール圧力との偏差の積算値であり、ＫＳは定数（積分定数）である。
【００３９】
すなわち、（１）式において、ａ点で決定される＃２シリンダの圧送量は、ａ点からｂ点までの間に実際にコモンレールから流出する燃料量（すなわち、燃料噴射量と動的及び静的リーク量の合計から＃１シリンダからの圧送によりコモンレールに流入する燃料量ＱＰ１を差し引いた値）を補って、更に現在のコモンレール燃料圧力Ｐcaを目標燃料圧力Ｐtrまで上昇させるのに必要な量（ＫＰ×（Ｐtr−Ｐca）＋ＱＳ）として算出される。なお、上記は＃２シリンダの場合について説明したが、＃１シリンダについても（１）式でＱＰ１とＱＰ２とを入れ替えることにより、同様に圧送量が算出される。
【００４０】
また、（１）式の各項のうち、例えば燃料噴射量、動的リーク量などについては、ａ点では未だ確定していないものがある。例えば、ａ点においては、ＦＪ１の燃料噴射における噴射量ＱＩ１は確定しており、動的リーク量ＱＩＤ１も燃料噴射量に基いて算出可能である。また、静的リーク量ＱＩＳ、及び＃１シリンダの圧送量ＱＰ１も確定している。更に、比例項ＫＰ×（Ｐtr−Ｐca）及び積分項ＱＳも目標圧力Ｐtrとａ点におけるコモンレールの実際の圧力Ｐcaとに基いて算出可能である。しかし、ＦＪ２からＦＪ４の燃料噴射量及び動的リーク量はａ点では未だ算出されておらず未確定である。そこで、本実施形態では、＃２シリンダの圧送量算出時には、ａ点からｂ点までの間に燃料噴射量が大きく変化しないと仮定して、ＱＩ２＝ＱＩ３＝ＱＩ４＝ＱＩ１、及びＱＩＤ２＝ＱＩＤ３＝ＱＩＤ４＝ＱＩＤ１と置いてＱＰ２を算出している。
【００４１】
上記（１）式により各シリンダの圧送量を算出することにより運転状態が急激に変化しない場合には、コモンレール圧力は応答性良好に目標圧力に維持される。しかし、急減速などのような過渡運転時には、図２ａ点で＃２シリンダの圧送量を決定してから、実際に燃料圧送が完了（図２ｂ点）までの間にコモンレール目標圧力と燃料噴射量とが急激に変化すると、コモンレール圧力のオーバーシュートが生じる問題がある。
【００４２】
図３は、過渡運転時のコモンレール圧力のオーバーシュートを説明するタイミング図であり、図３（Ａ）は、図２と同様な燃料ポンプの幾何学的圧送量を示す図、図３（Ｂ）はアクセル開度の変化、図３（Ｃ）はアクセル開度変化に伴う燃料噴射量の変化を、図３（Ｄ）は、実際のコモンレール圧力の変化とコモンレール目標圧力の変化を、それぞれ示している。
【００４３】
例えば、急減速などにより、ａ点で圧送量を決定した後のａ１点で急激にアクセル開度が減少した場合（図３（Ｂ））を考える。この場合には、アクセル開度の低下に伴って燃料噴射量（図３（Ｃ））とコモンレール目標圧力（図３（Ｄ））も急激に低下する。
ところが、この時点では、＃１シリンダと＃２のシリンダの圧送量は、アクセル開度が低下する前の、すなわち減少する前の燃料噴射量とコモンレール目標圧力とに基いて既に設定されてしまっている。このため、実際にはＦＪ２からＦＪ４の燃料噴射では燃料噴射量が大幅に減少しているにもかかわらず、減少前の燃料噴射ＦＪ１の燃料噴射量に基いた量の燃料が＃１と＃２のシリンダからコモンレールに供給されることになる。このため、過剰な量の燃料がコモンレールに流入し、コモンレール圧力は目標圧力を越えて大幅に上昇することになる（図３（Ｄ））。このように、過渡運転時にコモンレール圧力が目標圧力を越えて大幅に増大しても、（１）式により圧送量を算出していれば、短時間でコモンレール圧力は目標圧力に復帰する。しかし、図３（Ｄ）のような一時的なコモンレール圧力の大幅な上昇、すなわちオーバーシュートが発生すると問題が生じる。
【００４４】
前述したように、コモンレール３には燃料系の各機器の保護のためにプレッシャリミッタ３３が設けられている。このため、オーバーシュートによる一時的な圧力上昇がプレッシャリミッタの設定圧力に到達するとプレッシャリミッタ３３が開弁する場合が生じてしまうのである。プレッシャリミッタ３３が開弁すると、コモンレール３内の燃料はプレッシャリミッタを通って燃料タンク７に放出されるため、コモンレール３の燃料圧力は急激に低下する。このため、圧力の急低下による騒音や、燃料噴射率の低下による機関性能の低下などが生じる問題がある。
【００４５】
通常、オーバーシュートによりプレッシャリミッタが開弁することを防止するために、前述したようにプレッシャリミッタの設定圧力を通常のコモンレール圧力変動範囲より高く設定する必要がある。このため、従来コモンレールをはじめとする各燃料系の機器の設計圧力はオーバーシュートのピーク圧力に合わせて高く設定されており、各機器の本来必要のない製造コストの増大を招いていた。
【００４６】
本実施形態では、以下に説明する方法により過渡運転時のコモンレール圧力のオーバーシュートを防止することにより、プレッシャリミッタの設定圧力を低くすることを可能としている。
本実施形態では、各シリンダの圧送量算出時点（＃２シリンダでいえば、図２、図３のａ点）で各シリンダの圧送量を算出するとともに、算出時点における実際の燃料圧力Ｐcaとプレッシャリミッタ３３の開弁圧力の下限値（プレッシャリミッタの設定圧力の公差によるばらつきの範囲の下限値、すなわちプレッシャリミッタを確実に非作動状態に維持できるコモンレール上限圧力）とに基いて圧送量制限値ＱＰmaxを算出する。ここで、圧送量制限値ＱＰmaxは、圧送完了時（図２、図３、ｂ点）のコモンレール圧力がプレッシャリミッタが開弁しないコモンレール上限圧力になるのに必要な圧送量である。すなわち、（１）式で算出された圧送量ＱＰ２またはＱＰ１が制限値ＱＰmax以下であれば、圧送完了時にプレッシャリミッタが作動することが確実に防止される。
【００４７】
本実施形態では、圧送量制限値ＱＰmaxは、以下の（２）式により算出される。
ＱＰmax＝ΣＱＩｉ＋ΣＱＩＤｉ＋ＱＩＳ−ＱＰ１＋（Ｖ／Ｋ）×（Ｐmax−Ｐca）-ＱＭ ……（２）
なお、上記（２）式は＃２シリンダの場合を示しているが、＃１シリンダの場合には（２）式のＱＰ１をＱＰ２に置き換えることで同様に算出可能である。
【００４８】
ここで、上記（２）式の（ΣＱＩｉ＋ΣＱＩＤｉ＋ＱＩＳ−ＱＰ１）項は、前述の（１）式の場合と同様に、圧送完了までの期間にコモンレールから流出する燃料量を表している。また、（２）式のＶはコモンレール３とそれに付随する高圧燃料系（逆止弁１５からコモンレール３までの高圧燃料配管１７等）の容積、Ｋは燃料油の体積弾性係数、Ｐmaxはプレッシャリミッタ３３の開弁圧力の下限値（すなわちコモンレールの上限圧力）、Ｐcaは現在の（制限値ＱＰmax算出時点の）圧力センサ３１で検出したコモンレール燃料圧力である。また、ＱＭは各値の誤差（例えば燃料噴射量の噴射量誤差、吸入調量弁５ａの閉弁時期の誤差等）の総計を表す。
【００４９】
すなわち、上記（２）式は、圧送完了までにコモンレールから流出する燃料量に、更に現在のコモンレール圧力Ｐcaを圧力上限値Ｐmaxまで上昇させるのに要する燃料量となる。すなわち、実際の燃料ポンプの圧送量が（２）式で算出したＱＰmax以下の場合には、圧送完了時にもコモンレール圧力は上限値Ｐmaxまでは上昇せず、プレッシャリミッタ３３が開弁することはない。
【００５０】
ところで、圧送量算出式（１）で説明したように、上記制限値ＱＰmax算出時点（図２、図３、ａ点）では、（２）式において、ＱＩ１、ＱＩＤ１、ＱＩＳ、ＱＰ１、Ｖ、Ｋ、Ｐmax、Ｐca、ＱＭの各値は既知となっているが、ＦＪ２からＦＪ４の燃料噴射における燃料噴射量ＱＩ２からＱＩ４、及び動的リーク量ＱＩＤ２からＱＩＤ４は未確定である。本実施形態では、プレッシャリミッタ３３の開弁をより確実に防止できるように、（２）式のＱＰmax算出の際には、ＱＩ２＝ＱＩ３＝ＱＩ４＝０、ＱＩＤ２＝ＱＩＤ３＝ＱＩＤ４＝０と置いている。また、同様に体積弾性係数Ｋの値も、燃料油の温度、圧力とともに変動するため機関運転中のコモンレール燃料温度と圧力の変化範囲内で最大になる体積弾性係数Ｋの値を使用する。また、誤差の総計ＱＭも各値の誤差の最大値を集計したものを使用している。
【００５１】
本実施形態では、次回の圧送量を決定する際に（１）式で算出された圧送量と（２）式で算出された圧送量制限値ＱＰmaxとを比較して、制限値が算出された圧送量より小さい場合には、（１）式で算出された圧送量を燃料ポンプ５の実際の圧送量に設定し、逆に制限値ＱＰmaxが（１）式で算出された圧送量より小さい場合には（２）式で算出された圧送量制限値ＱＰmaxを燃料ポンプ５の実際の圧送量に設定する。図３（Ｄ）の点線は、上記のように（１）式で算出された圧送量を（２）で算出された圧送量制限値ＱＰmaxにより制限した場合の過渡運転時のコモンレール圧力の変化を示している。図３（Ｄ）に示すように、本実施形態では運転状態が急激に変化した場合にもコモンレール圧力のオーバーシュートが抑制されるため、プレッシャリミッタの作動を確実に防止することが可能となっている。
【００５２】
図４は、本実施形態の燃料ポンプの圧送量制御操作を説明するフローチャートである。本操作は一定クランク角毎（例えば、燃料ポンプの各シリンダの吸入行程開始直前）に実行される。
図４の操作がスタートすると、ステップ４０１では、クランク角センサ３７のパルス信号から別途図示しない操作により算出された現在の機関回転数ＮＥと圧力センサ３１で検出した現在のコモンレール燃料圧力Ｐcaとが読み込まれ、次いでステップ４０３では現在確定している次回の燃料噴射量ＱＩiが読み込まれる。燃料噴射量ＱＩi（例えば＃２シリンダの圧送量算出の場合は、図２の燃料噴射ＦＪ１の燃料噴射量、＃１シリンダの圧送量算出の場合は、図２の燃料噴射ＦＪ３の燃料噴射量）は、圧送量算出タイミングより早い時期に機関回転数とアクセル開度とに基いて、ＥＣＵ２０のＲＯＭに格納した数値テーブルから算出されている。
【００５３】
また、ステップ４０５では、コモンレール燃料圧力Ｐcaと、ステップ４０３で算出した次回の燃料噴射量ＱＩiとを用いて次回の燃料噴射における動的リーク量ＱＩＤiが算出される。前述したように、本実施形態ではＱＩiの値は、ＥＣＵ２０のＲＯＭに燃料噴射量と燃料圧力とを用いた数値テーブルの形で予め格納されている。
【００５４】
次いで、ステップ４０７では、圧送行程開始（図２、ａ点）から完了（図２、ｂ点）までの間の静的リーク量ＱＩＳが算出される。前述したように、本実施形態では、静的リーク量ＱＩＳの値は、燃料圧力、温度、機関回転数を用いた数値テーブルの形でＥＣＵ２０のＲＯＭに格納されている。
また、ステップ４０９では、前回の操作実行時に算出したもう一方のシリンダの圧送量ＱＰi-1（すなわち、＃２シリンダ圧送量算出時には前回の＃１シリンダの圧送量、＃１シリンダ圧送量算出時には前回の＃２シリンダの圧送量）が読み込まれる。
【００５５】
そして、ステップ４１１では、上記により読み込んだＱＩｉ、ＱＩＤｉ、ＱＩＳ、ＱＰ１とＰcaの値を用いて、前述の（１）式から次回の圧送量ＱＰが算出される。なお、前述したように、本実施形態では（１）式の計算において、燃料噴射量の総和ΣＱＩｉと動的リークの総和ΣＱＩＤｉはそれぞれ、ΣＱＩｉ＝４×ＱＩｉ、ΣＱＩＤｉ＝４×ＱＩＤｉとして算出される。
【００５６】
次いで、ステップ４１３では、同様にＱＩｉ、ＱＩＤｉ、ＱＩＳ、ＱＰ１とＰcaの値を用いて、（２）式からオーバーシュート時のピーク圧力をプレッシャリミッタの設定圧力以下に維持することが可能な最大圧送量である圧送量制限値ＱＰmaxが算出される。前述したように、ＱＰmax算出の際には、圧送量ＱＰ算出の場合とは異なり、燃料噴射量の総和ΣＱＩｉと動的リークの総和ΣＱＩＤｉはそれぞれ、ΣＱＩｉ＝ＱＩｉ、ΣＱＩＤｉ＝ＱＩＤｉとして算出される。
【００５７】
ステップ４１１とステップ４１３とで圧送量ＱＰと圧送量制限値ＱＰmaxを算出後、ステップ４１５ではステップ４１３で算出した制限値ＱＰmaxがステップ４１１で算出した圧送量ＱＰ以下になっているか否かが判定される。
ステップ４１５でＱＰmax≦ＱＰであった場合には、ステップ４１１で算出した圧送量をそのまま実際に圧送すると、オーバーシュートが生じ圧送完了時にコモンレール燃料圧力がプレッシャリミッタの設定値Ｐmaxを越えてしまい、プレッシャリミッタが作動する可能性があるため、ステップ４１７で圧送量ＱＰの値をＱＰmaxに置き換える。そして、ステップ４１９ではこの圧送量ＱＰに応じて燃料ポンプ５の調量弁５ａをセットする。これにより、燃料ポンプ５の吸入行程では、ＱＰの量の燃料がシリンダに吸入され、圧送量はＱＰに一致するようになる。
【００５８】
一方、ステップ４１５でＱＰmax＞ＱＰであった場合には、ステップ４１１で算出した圧送量をそのまま実際に圧送しても圧送完了時にコモンレール燃料圧力がプレッシャリミッタ設定圧力まで上昇することはないので、ステップ４１９ではステップ４１１で算出したＱＰの値をそのまま用いて調量弁５ａがセットされる。
【００５９】
これにより、本実施形態では過渡運転時にもコモンレール圧力のオーバーシュートのピーク圧力は常にプレッシャリミッタの作動圧力より低く維持されるようになるため、プレッシャリミッタの設定圧力を低く設定することが可能となる。
【００６０】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、燃料圧送量に制限値を設け、過渡運転時における燃料圧力のオーバーシュートのピーク圧力を低下させることにより、装置コストの増大を伴うことなく簡易に、プレッシャリミッタの作動を効果的に防止可能となるため、高圧燃料系の機器の製作コストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用ディーゼル機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】燃料ポンプの送油率を示すタイミング図である。
【図３】過渡運転時のコモンレール圧力のオーバーシュートを説明するタイミング図である。
【図４】図１の実施形態の燃料ポンプ圧送量の制御操作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料噴射弁
３…コモンレール
５…燃料ポンプ
２０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１…コモンレール圧力センサ
３３…プレッシャリミッタ

Claims (3)

1. 内燃機関に所定のタイミングで燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   該燃料噴射弁が接続される、加圧燃料を貯留する蓄圧室と、
   前記蓄圧室に所定のタイミングで燃料を圧送する燃料ポンプと、
   前記蓄圧室内の燃料圧力を検出する圧力検出手段と、
   該圧力検出手段で検出した燃料圧力に基いて、蓄圧室内の燃料圧力が目標燃料圧力になるように前記燃料ポンプの燃料圧送量をフィードバック制御する圧送量制御手段と、
   前記蓄圧室内の燃料圧力が予め定めた上限圧力以上になった時に作動して、蓄圧室内の燃料圧力を前記上限圧力以下に維持する圧力制限手段と、を備えた圧力制御装置において、
   前記圧送量制御手段は更に、
   前記圧力検出手段で検出した燃料圧力と前記上限圧力とに基いて、前記圧力制限手段を非作動状態に維持することが可能な最大燃料圧送量である圧送量制限値を算出する制限値算出手段を備え、前記燃料ポンプの実際の燃料圧送量が前記圧送量制限値以下になるように制限する、高圧燃料供給系の圧力制御装置。
2. 前記燃料ポンプは、燃料圧送を開始する前に圧送量が決定される吐出量調節装置を備え、前記圧送量制御手段は燃料ポンプからの燃料圧送開始前に前記圧力検出手段で検出した燃料圧力に基いて燃料圧送量をフィードバック制御し、前記制限値算出手段は燃料ポンプからの燃料圧送開始前に検出された前記燃料圧力と前記上限圧力とに基いて前記圧送量制限値を算出する、請求項１に記載の圧力制御装置。
3. 前記制限値算出手段は、燃料ポンプからの燃料圧送開始前に検出された前記燃料圧力と、前記上限圧力と、燃料ポンプからの燃料圧送終了までに前記蓄圧室から流出する燃料量の予測値と、燃料ポンプの前回の燃料圧送時の燃料圧送量とに基いて前記圧送量制限値を算出する、請求項２に記載の圧力制御装置。

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