JP4218496B2 - 内燃機関の噴射量制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関において噴射量学習を実行する噴射量制御装置に関する。
従来、ガソリン機関やディーゼル機関等の噴射量制御として、噴射燃料の燃焼によって生じるエンジン回転数の変動量から噴射量(もしくは噴射によって発生したトルク)を見積もって補正する制御法(噴射量学習)が知られている。
エンジン回転数の変動量(回転数変動量)は、例えば、図1(f)に示す様に、TDC(時刻t10)の回転数ωtと、ATDC90°CA(時刻t11)の回転数ωcを比較、あるいは、予め決めておいた所定値とATDC90°CAの回転数ωcを比較して算出する方法が公知である(特許文献1、2参照)。なお、図中のωa、ωb、ωc、ωdは、それぞれATDC90°CAの位置(時刻t3、t8、t11、t14)で検出される回転数であり、例えば、時刻t3での回転数ωaは、時刻t2〜t4の所要時間から算出される。
特公平6−50077号公報 特公平7−59911号公報
噴射がエンジン回転数に与える影響とは、噴射燃料の燃焼によって発生した熱で筒内圧が高まり、それがピストン及びコネクティングロッドを介してクランクシャフトを回転させることであるため、高まった筒内圧が噴射しなかった場合と同レベルになるまでは、噴射によって発生したトルクがクランクシャフトに作用していると考えられる。
従って、ATDC90°CAの位置では、図1(a)の筒内圧グラフに示す様に、噴射によって高まった筒内圧(Sp1+Sp2)のうち、Sp2部に発生するトルクが回転数上昇に寄与する前に回転数を検出していることになる。
このため、ATDC90°CAの位置で検出される回転数ωcと、TDCの位置で検出される回転数ωtとを比較しても、噴射燃料の燃焼によるエネルギの全てがクランクシャフトの回転に寄与している訳ではないので、噴射によって生じる回転数変動量を正確に検出することができない。その結果、実際に噴射された燃料量(もしくは噴射によって発生したトルク)を正確に推定することができないという問題があった。
更に、回転数センサによって検出される回転数変動量は、次気筒の圧縮(コンプレッション)の影響を受けるため、噴射による回転数変動量から次気筒の圧縮による回転数変動量を差し引いた量しか検出できない。実際、ATDC90°CAの位置で検出される回転数ωcと、TDCの位置で検出される回転数ωtとを比較すると、両者の差はδaであり、噴射による回転数変動量δapから次気筒のコンプレッションによる回転数変動分δamを差し引いたものが検出されている。このため、同じ噴射を行っても(噴射による回転数変動量δapが同じでも)、次気筒のコンプレッションによる回転数変動分δamのばらつきが、検出される回転数変動量δaに影響し、ひいては噴射量の学習精度に影響する。
仮に、ωcとωtとの差であるδaに、次気筒のコンプレッションによる回転数変動分δamを加算したとしても、それによって検出される値は、図1(d)に示す様に、噴射によって回転数が上昇している途中の回転数変動量δapとなり、噴射によって生じる回転数変動量を正確に検出できないことは明白である。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、噴射量学習を実行する際に、単発噴射の実施によって生じる内燃機関の回転数変動量を正確に検出できると共に、次気筒のコンプレッションによる回転数変動の影響を排除することにより、噴射量学習を高精度に実行できる内燃機関の噴射量制御装置を提供することにある。
(請求項1の発明)
本発明は、回転数センサによって検出される内燃機関の回転速度を機関回転数として取り込み、その機関回転数を基に推定した単発噴射を実施しなかった場合の機関回転数と、単発噴射実施時に取り込まれた機関回転数との差を、単発噴射によって生じる内燃機関の回転数変動量として検出する回転数変動量検出手段を備え、これによって検出された回転数変動量を基に、単発噴射に対する指令噴射量を増量または減量すべき補正量を算出し、その補正量に応じて指令噴射量を増減補正する内燃機関の噴射量制御装置であって、
回転数変動量検出手段は、排気弁が開いてから、次気筒の上死点が検出されるまでの間(図1中のt1位相(タイミング)と#1の膨張行程の終端位相との間)に、回転数センサによって検出された機関回転数(ω3)を取り込んで、回転数変動量を検出することを特徴とする。
上記の構成によれば、単発噴射によって上昇した筒内圧が、単発噴射を実施しなかった場合の筒内圧と略同レベルまで低下した時点(すなわち、単発噴射によって発生したトルクが仕事をしきった時点)で、回転数センサによって検出された機関回転数を取り込み、その機関回転数を基に回転数変動量を検出しているので、単発噴射によって発生したトルクが回転数を上昇させた量(回転数変動量)を正確に検出できる。
また、回転数変動量検出手段は、単発噴射が実施された時に、次気筒の圧縮行程によって生じる内燃機関の回転数変動量(図1中のδ′m)を、圧縮行程に伴う回転数変動量として推定する推定手段を有し、回転数センサにより検出される機関回転数を基に、単発噴射の前後(図1中のω2−ω3間)に生じる回転数変動量を実回転数変動量(図1中のδn)として算出し、この実回転数変動量と圧縮行程に伴う回転数変動量とに基づいて、単発噴射によって生じる内燃機関の回転数変動量を検出することを特徴とする。
換言すると、図1中のt1位相(タイミング)と、#1の膨張行程の終端位相との間にて、エンジン回転数(図1中のω3)を検出する。次いで、単発噴射が実施されない時の成り行きの回転数の軌跡を予想し、その予想軌跡上の回転数検出位置を、ω3の取り込みクランク位相と同じ位置として(図1中の)ω′3の回転数を検出する。このω3とω′3との回転数差が、単発噴射によって生じる内燃機関の回転数変動量を表すものとすることを特徴とする。
上記の構成によれば、単発噴射が実施された時に、次気筒の圧縮行程によって生じる内燃機関の回転数変動量を推定することにより、次気筒の圧縮行程に伴う回転数変動量の影響を排除でき、単発噴射によって生じる内燃機関の回転数変動量を、より正確に検出できる。
(請求項の発明)
請求項に記載した内燃機関の噴射量制御装置において、推定手段は、学習条件が成立している状態で、単発噴射が実施される前に、回転数センサによって検出される機関回転数の変動量より、単発噴射が実施された時の圧縮行程に伴う回転数変動量を推定することを特徴とする。
単発噴射が実施される前であれば、特定気筒の圧縮行程によって生じる回転数変動量(回転数の落ち込み)を、回転数センサによって検出される機関回転数より求めることができる。従って、特定気筒の圧縮行程によって生じる回転数変動量より、単発噴射が実施された時に生じる次気筒の圧縮行程に伴う回転数変動量を推定できる。
(請求項の発明)
請求項1または2に記載した内燃機関の噴射量制御装置において、例えば、単発噴射によって生じる内燃機関の回転数変動量と、単発噴射に対する指令噴射量との相関を予めマップ化して記憶することにより、回転数変動量検出手段によって検出された回転数変動量と、マップから得られる目標値との誤差を算出し、その誤差に応じて補正量を算出することが可能である。
(請求項の発明)
請求項1または2に記載した内燃機関の噴射量制御装置において、例えば、単発噴射によって生じる内燃機関の回転数変動量(回転数変動量検出手段によって検出された回転数変動量)を基に、単発噴射によって実際に噴射された燃料量を算出し、その燃料量と単発噴射に対する指令噴射量との誤差に応じて補正量を算出することが可能である。
(請求項の発明)
請求項1〜に記載した何れかの内燃機関の噴射量制御装置において、学習条件には、少なくとも、インジェクタに指令する指令噴射量がゼロ以下となる無噴射時であることが含まれる。これにより、単発噴射によって生じる内燃機関の回転数変動量を正確に検出でき、噴射量学習を高精度に実行できる。
なお、インジェクタに指令する指令噴射量がゼロ以下となる無噴射時とは、例えば、シフトチェンジ時あるいは減速時等のフューエルカット状態である。
本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。
図2はディーゼル機関の制御システムを模式的に示したシステム構成図である。
本実施例の内燃機関は、例えば、4気筒のディーゼル機関(以下、エンジン1と呼ぶ)であり、以下に説明する蓄圧式の燃料噴射システムを備えている。
その燃料噴射システムは、図2に示す様に、高圧燃料を蓄えるコモンレール2と、燃料タンク3から汲み上げた燃料を加圧してコモンレール2に供給する燃料ポンプ4と、コモンレール2より供給される高圧燃料をエンジン1の気筒内(燃焼室1a)に噴射するインジェクタ5と、本システムを電子制御する電子制御ユニット(以下ECU6と呼ぶ)とを備えている。
コモンレール2は、ECU6により目標レール圧が設定され、燃料ポンプ4から供給された高圧燃料を目標レール圧まで蓄圧する。このコモンレール2には、燃料圧力を検出してECU6に出力する圧力センサ7と、レール圧が予め設定された上限値を超えないように制限するプレッシャリミッタ8が取り付けられている。
燃料ポンプ4は、エンジン1に駆動されて回転するカム軸9と、このカム軸9に駆動されて燃料タンク3から燃料を汲み上げるフィードポンプ10と、カム軸9の回転に同期してシリンダ11内を往復運動するプランジャ12と、フィードポンプ10からシリンダ11内の加圧室13に吸入される燃料量を調量する電磁調量弁14などを有している。
この燃料ポンプ4は、プランジャ12がシリンダ11内を上死点から下死点に向かって移動する際に、フィードポンプ10より送り出された燃料が電磁調量弁14で調量され、吸入弁15を押し開いて加圧室13に吸入される。その後、プランジャ12がシリンダ11内を下死点から上死点へ向かって移動する際に、プランジャ12によって加圧室13の燃料が加圧され、加圧室13から吐出弁16を押し開いてコモンレール2に圧送される。
インジェクタ5は、エンジン1の気筒毎に取り付けられ、高圧配管17を介してコモンレール2に接続されている。このインジェクタ5は、ECU6からの指令に基づいて作動する電磁弁5aと、この電磁弁5aへの通電時に燃料を噴射するノズル5bとを備える。 電磁弁5aは、コモンレール2の高圧燃料が供給される圧力室(図示せず)から低圧側に通じる低圧通路(図示せず)を開閉するもので、通電時に低圧通路を開放し、通電停止時に低圧通路を遮断する。
ノズル5bは、噴孔を開閉するニードル(図示せず)を内蔵し、圧力室の燃料圧力がニードルを閉弁方向(噴孔を閉じる方向)に付勢している。従って、電磁弁5aへの通電により低圧通路が開放されて圧力室の燃料圧力が低下すると、ニードルがノズル5b内を上昇して開弁する(噴孔を開く)ことにより、コモンレール2より供給された高圧燃料を噴孔より噴射する。一方、電磁弁5aへの通電停止により低圧通路が遮断されて、圧力室の燃料圧力が上昇すると、ニードルがノズル5b内を下降して閉弁することにより、噴射が終了する。
ECU6は、エンジン回転数(1分間当たりの回転数)を検出する回転数センサ18と、アクセル開度(エンジン負荷)を検出するアクセル開度センサ(図示せず)、及びレール圧を検出する圧力センサ7等が接続され、これらのセンサで検出された情報に基づいて、コモンレール2の目標レール圧と、エンジン1の運転状態に適した噴射時期及び噴射量等を演算し、その演算結果に従って、燃料ポンプ4の電磁調量弁14及びインジェクタ5の電磁弁5aを電子制御する。
また、ECU6は、例えば、メイン噴射の前に実施されるパイロット噴射等の微小噴射に対する精度を向上させる目的で、以下に説明する噴射量学習を実行する。
噴射量学習は、例えば、パイロット噴射に対する指令噴射量と、その指令噴射量(噴射指令パルス)を受けて実際にインジェクタ5より噴射された燃料量(以下、実噴射量と呼ぶ)との誤差を検出し、その誤差量に応じて指令噴射量を補正するものである。なお、ECU6は、本発明に係わる判定手段、単発噴射指令手段、回転数変動量検出手段、補正量算出手段、噴射量補正手段等の機能を有している。
続いて、噴射量学習を実行するECU6の処理手順を図3に示すフローチャートに基づいて説明する。
ステップ10…噴射量学習を実行するための学習条件が成立しているか否かを判定する。学習条件には、インジェクタ5に指令する指令噴射量がゼロ以下となる無噴射時(例えば、シフトチェンジ時や減速時等でフューエルカット状態の時)であること、所定のレール圧が維持されていること等が含まれる。この判定結果がYESの時は、次のステップ20へ進み、判定結果がNOの時は、本処理を終了する。
ステップ20…エンジン1の特定気筒に対し、学習用の単発噴射を実施する(図1(a)参照)。この単発噴射は、特定気筒(図1では第1気筒:#1)のTDC付近で着火する様に、TDC直前に実施される。また、単発噴射により噴射される燃料量は、パイロット噴射量に相当する。
ステップ30…単発噴射の実施によって発生するエンジントルク(発生トルク)に比例した特性値(トルク比例量)を検出する。この特性値の検出方法は、後に詳述する。
ステップ40…特性値を検出するまでの処理が狙った条件下(ステップ10に示した条件下)で実施されたか否かを判定する。この処理は、特性値を検出する間に、噴射が復帰したり、レール圧が変化したりすることなく、ステップ10に示された学習条件が守られていたか否かを判定している。この判定結果がYESの時は、次のステップ50へ進み、判定結果がNOの時は、ステップ60へ進む。
ステップ50…ステップ30で検出した特性値をメモリに保存する。
ステップ60…ステップ30で検出した特性値を廃棄して本処理を終了する。
ステップ70…メモリに保存された特性値(トルク比例量)より補正量を算出する。
ステップ80…ステップ70で算出された補正量に応じて、インジェクタ5に指令する指令噴射量を補正する。
続いて、上記ステップ30で行う特性値(トルク比例量)の算出方法を、図4に示すフローチャートを基に説明する。
ステップ31…回転数センサ18の信号を取り込んでエンジン回転数ωを検出する。
本実施例の4気筒エンジン1では、図1(f)に示す様に、クランクシャフトが2回転(720°CA)する間に4回(各気筒に1回ずつ)、エンジン回転数ω(時系列順にω1、ω2、ω3、ω4…)が検出される。
但し、エンジン回転数ωの検出期間は、排気弁が開いてから、次気筒のTDCが検出されるまでの間に設定され、その間に検出される回転数を、その気筒での回転数と定義する。また、排気弁の開弁位置は、ATDC130°CAに設定されている。
図1の横軸に示されるt6、t9、t13、t15は、それぞれエンジン回転数ω1、ω2、ω3、ω4の検出時刻を表しており、例えば、時刻t6のエンジン回転数ω1は、排気弁の開弁時刻t5から次気筒TDCの検出時刻t7までの所要時間より算出される。
ステップ32…単発噴射実施後に回転数変動量δを気筒毎に(気筒数分)算出し、その平均値δxを求める。
回転数変動量δは、単発噴射を実施しなかった場合のエンジン回転数ω′(推定値)と、単発噴射の実施によって上昇したエンジン回転数ω(回転数センサ18の検出値)との差として求められる。例えば、図1(f)にて説明すると、単発噴射直後の回転数変動量δ1は、ω3(図1では#3での回転数)とω′3との差として求められる。
ステップ33…ステップ32で算出したδxと、単発噴射を実施した時のエンジン回転数ωtとの積をトルク比例量Tpとして算出する。このTpは、単発噴射によって発生するエンジン1の発生トルクに比例した量となっている。即ち、エンジン1の発生トルクTは、下記の数式(1)によって求められるので、δxとωtとの積であるTpは、Tに比例した量となる。
T=K・δx・ωt……………………………………………(1)
K:比例定数
(実施例1の効果)
本実施例では、エンジン回転数ωの検出位置を、排気弁が開いてから、次気筒のTDCが検出されるまでの間に設定しているので、単発噴射直後のエンジン回転数ω3は、図1に示される様に、単発噴射によって上昇した筒内圧(Sp1+Sp2)が、単発噴射を実施しなかった場合の筒内圧と略同レベルまで低下してから検出される。言い換えると、単発噴射の実施により上昇した筒内圧によって発生するトルクが、全て回転数上昇に変換される時刻t12以降に検出される。その結果、図1(d)に示す様に、単発噴射によって発生したトルクが回転数を上昇させた量(回転数変動量δ1)を正確に検出することができる。
本実施例では、実施例1のステップ32に記載した回転数変動量δの算出方法を具体的に説明する。
この回転数変動量δ(図1ではδ1)は、回転数センサ18によって直接検出することができない。実際に検出できるのは、δn(ω2とω3との差)であるが、このδnは、噴射による回転数変動のみでなく、次気筒(図1では#3)の圧縮行程による回転数変動の影響を受けたものである。そこで、次気筒の圧縮行程に伴う回転数変動量を推定し、その推定値δ′mと、単発噴射の前後に回転数センサ18によって検出されるδnとを加算すれば、噴射のみによる回転数変動量δ(δ1)を求めることができる。
また、上記δ′mとω2から、単発噴射を実施しなかった場合のω′3が推定できるので、ステップ32で算出される回転数変動量δは、単発噴射を実施しなかった場合のω′(推定値)と、回転数センサ18によって検出されるエンジン回転数ωとの差として求められる。
次気筒のコンプレッションに伴う回転数変動量δ′mは、無噴射時(学習条件が成立している時)の回転数変動量より容易に推定できる。つまり、無噴射時には、図1(e)に示す様に、次気筒のコンプレッションに伴う回転数変動量が略同等に減少していくため、単発噴射が実施される前(但し、学習条件が成立している時)に検出されるエンジン回転数ω1とω2から、両者の差δmを算出し、そのδmより、次気筒のコンプレッションに伴う回転数変動量δ′mを推定できる。
これにより、次気筒のコンプレッションによる回転数変動の影響を排除できるので、噴射量学習を高精度に実行することが可能である。
実施例1では、気筒毎に算出した回転数変動量δの平均値δxを求め、そのδxと、単発噴射を実施した時のエンジン回転数ωtとの積をトルク比例量Tp(特性値)として算出しているが、以下の方法によってトルク比例量Tpを算出することもできる。
図5に示す作動説明図と図6に示すフローチャートを基に、トルク比例量Tpを算出する処理手順を説明する。
ステップ31…回転数センサ18の信号を取り込んで、エンジン回転数ωを検出する。 但し、エンジン回転数ωの検出は、実施例1と同じである。即ち、排気弁が開いてから、次気筒のTDCが検出されるまでの間に行われる。
ステップ34…単発噴射の前後に検出されるエンジン回転数ωより、気筒毎に回転数変動量δ1を算出する。例えば、図5に示す様に、#3の場合は、ω3(i)とω3(i+1)との差Δω3を算出する。
ステップ35…単発噴射による回転数上昇量δを気筒毎に算出し、その平均値δxを求める。回転数上昇量δは、単発噴射を実施しなかった場合のΔω(推定値)と、ステップ34で算出されたΔωとの差として求められる。なお、単発噴射を実施しなかった場合のΔωは、無噴射時において単調に減少するので、単発噴射以前のΔω、または回転数上昇前後のΔωから容易に推定できる。
ステップ36…ステップ35で算出したδxと単発噴射を実施した時のエンジン回転数ωtとの積をトルク比例量Tpとして算出する。このTpは、単発噴射によって発生するエンジン1の発生トルクに比例した量となっている。
(変形例)
実施例1では、パイロット噴射に対する噴射量学習の一例を記載したが、パイロット噴射を実施しない通常噴射(同一気筒に対し燃焼1行程の間に1回だけ噴射する)に対する噴射量学習、あるいはパイロット噴射後のメイン噴射やメイン噴射後のアフタ噴射に対する噴射量学習にも本発明を適用できる。
また、実施例1では、トルク比例量Tpを算出する際に、気筒毎に算出した回転数変動量δの平均値δxを用いているが、平均値ではなく、何れか一つの気筒にて算出した回転数変動量δを使用しても良い。同様に、実施例3でも、トルク比例量Tpを算出する際に、気筒毎に求めた回転数上昇量δの平均値δxではなく、何れか一つの気筒にて算出した回転数上昇量δを使用しても良い。
実施例1のステップ70に記載した補正量の算出方法は、例えば、トルク比例量Tpから算出されるエンジン1の発生トルクより実噴射量を推定し、その実噴射量と、単発噴射に対する指令噴射量との差として求めることができる。あるいは、単発噴射によって生じるエンジンの回転数変動量δと、その目標値との差として求めることもできる。なお、回転数変動量δの目標値は、予め指令噴射量と適合させて、マップに保存しておくことができる。
本発明のエンジン1は、実施例1に記載した蓄圧式(コモンレール式)の燃料噴射システム以外にも、例えば電磁スピル弁を有する分配型燃料噴射ポンプを備えた燃料噴射システムにも適用できる。
エンジンの運転状態(筒内圧、発生トルク、回転数変動量、エンジン回転数等)を表すグラフである。 ディーゼル機関の制御システムを模式的に示したシステム構成図である。 噴射量学習を実行するECUの処理手順を示すフローチャートである(実施例1)。 特性値(トルク比例量)の算出手順を示すフローチャートである(実施例1)。 噴射量学習の作動説明図である(実施例3)。 特性値(トルク比例量)の算出手順を示すフローチャートである(実施例3)。
符号の説明
1 エンジン(ディーゼル機関)
5 インジェクタ
6 ECU(噴射量制御装置)
18 回転数センサ

Claims (5)

  1. 噴射量学習を実施するための学習条件が成立しているか否かを判定する判定手段と、
    前記学習条件が成立している時に、内燃機関の特定気筒に対してインジェクタより学習用の単発噴射を実施する単発噴射指令手段と、
    回転数センサによって検出される前記内燃機関の回転速度を機関回転数として取り込み、その機関回転数を基に推定した単発噴射を実施しなかった場合の機関回転数と、単発噴射実施時に取り込まれた機関回転数との差を、前記単発噴射によって生じる前記内燃機関の回転数変動量として検出する回転数変動量検出手段と、
    検出された前記内燃機関の回転数変動量を基に、前記インジェクタに指令する指令噴射量を増量または減量すべき補正量を算出する補正量算出手段と、
    算出された補正量に応じて前記指令噴射量を増減補正する噴射量補正手段とを備え、
    前記回転数変動量検出手段は、排気弁が開いてから、次気筒の上死点が検出されるまでの間に、前記回転数センサによって検出された機関回転数を取り込んで、前記回転数変動量を検出する内燃機関の噴射量制御装置であって、
    前記回転数変動量検出手段は、前記単発噴射が実施された時に、前記次気筒の圧縮行程によって生じる前記内燃機関の回転数変動量を、圧縮行程に伴う回転数変動量として推定する推定手段を有し、
    前記回転数センサにより検出される機関回転数を基に、前記単発噴射の前後に生じる回転数変動量を実回転数変動量として算出し、
    この実回転数変動量と前記圧縮行程に伴う回転数変動量とに基づいて、前記単発噴射によって生じる前記内燃機関の回転数変動量を検出することを特徴とする内燃機関の噴射量制御装置。
  2. 請求項1に記載した内燃機関の噴射量制御装置において、
    前記推定手段は、前記学習条件が成立している状態で、前記単発噴射が実施される前に、前記回転数センサによって検出される機関回転数の変動量より、前記単発噴射が実施された時の前記圧縮行程に伴う回転数変動量を推定することを特徴とする内燃機関の噴射量制御装置。
  3. 請求項1または2に記載した内燃機関の噴射量制御装置において、
    前記補正量算出手段は、前記単発噴射に対する指令噴射量から前記回転数変動量の目標値を算出し、この目標値と、前記回転数変動量検出手段によって検出された前記回転数変動量との差を誤差量として算出し、その誤差量に応じて前記補正量を算出することを特徴とする内燃機関の噴射量制御装置。
  4. 請求項1または2に記載した内燃機関の噴射量制御装置において、
    前記補正量算出手段は、前記回転数変動量検出手段によって検出された前記内燃機関の回転数変動量を基に、前記単発噴射によって実際に噴射された燃料量を算出し、その燃料量と、前記単発噴射に対する指令噴射量との差を誤差量として算出し、その誤差量に応じて前記補正量を算出することを特徴とする内燃機関の噴射量制御装置。
  5. 請求項1〜に記載した何れかの内燃機関の噴射量制御装置において、
    前記学習条件には、少なくとも、前記インジェクタに指令する指令噴射量がゼロ以下となる無噴射時であることが含まれることを特徴とする内燃機関の噴射量制御装置
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