JP4240673B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

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    • F02D41/2432Methods of calibration

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸入調量弁を備える燃料供給ポンプを用いて、蓄圧室の燃料圧力を制御する燃料噴射装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン用の燃料噴射システムとして知られるコモンレール式燃料噴射装置では、各気筒に共通の蓄圧室(コモンレール)に高圧燃料を蓄圧し、コモンレールに連通する噴射弁から所定のタイミングで各気筒に燃料を噴射するようになしてある。コモンレールには、吐出量可変の燃料供給ポンプから高圧燃料が圧送され、この圧送量を制御することにより、コモンレール内の燃料圧力をフィードバック制御している。かかる燃料供給ポンプとしては、従来より、プランジャの往復動により燃料を加圧する加圧室と、加圧室への流路を開閉する電磁弁を備えるものが用いられ、吐出時に圧送量の調量を行う、いわゆるプレストローク制御を行っている。これは、加圧室に燃料を吸入した後、プランジャが圧送行程に移っても直ちに電磁弁を閉弁せず、加圧室内の燃料が所定量となるまで開弁を保持して余剰の燃料を排出する方法で、電磁弁の閉弁時期を制御することによって圧送量を制御している。
【0003】
ただし、吐出時調量を行う上記構成の燃料供給ポンプは、電磁弁が圧力室内の燃料圧力を直接受ける構成であるために、高圧耐性が要求され、電磁弁が大型化してコスト高となりやすい。そこで、近年、吸入時に圧送量を決定する吸入調量型の燃料供給ポンプが着目されている。このポンプは、加圧室内に吸入される燃料の量を制御する吸入調量弁を設けるとともに、吸入調量弁から加圧室へ至る流路に逆止弁を配置してなり、吸入調量弁となる電磁弁で予め必要な量の燃料を加圧室内に供給すると、逆止弁により燃料の加圧開始時より圧送終了時まで圧力室への流路が閉鎖される。吸入調量型では、吸入調量弁を通過する際の燃料圧力がせいぜい数百Paであるので、吸入調量弁を小型とすることが可能である。
【0004】
上記吸入調量弁による吸入量の制御方式には、弁体が流路を開放する開口時間を変化させる方式と、流路の開口面積を変化させる絞り弁により流入速度を変化させる方式がある。燃料供給ポンプが交互に加圧される複数の加圧室を有する場合、前者の方式では、加圧室毎に吸入調量弁が必要となるが、後者の方式によると、1つの吸入調量弁で複数の加圧室の吸入量を制御できることから、装置全体の小型化、低コスト化の点で有利である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、開口面積を制御する方式では、吸入調量弁の制御がON−OFF制御ではなく、弁体のリフト量を変化させる位置制御となるために、高精度な制御特性が要求される。例えば、吸入調量弁の開口部形状の製造上のばらつきや、弁体を付勢するばね部材のばね力のばらつき等の機差や、さらに、燃料粘性やコイル吸引力等の温度特性による変化といった種々の要因で、指令吸入量に対する実吸入量が大きくばらついてしまう問題がある。
【0006】
そこで、本発明は上記問題点を鑑み、吸入調量型の燃料噴射装置において、吸入調量弁の調量特性における機差や温度特性の変化によるばらつきを補正し、指令吸入量に対する実吸入量のばらつきを小さくして、燃料圧力の制御性を向上させることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の燃料噴射装置は、高圧燃料が蓄圧される蓄圧室と、該蓄圧室内の高圧燃料を内燃機関の気筒に噴射する噴射弁と、フィードポンプから吸入調量弁を経て加圧室に吸入される燃料を加圧して上記蓄圧室に圧送する燃料供給ポンプと、上記蓄圧室内の燃料圧力を検出する圧力検出器と、該圧力検出器によって検出される燃料圧力を基に上記吸入調量弁を駆動して上記加圧室への吸入量を制御し、上記蓄圧室内の燃料圧力を制御する制御部を備える。上記制御部は、通電により開弁する構成とした上記吸入調量弁を吸入量ゼロが保証される電流で駆動し、その状態から駆動電流を徐々に変化させた時の、上記蓄圧室内の燃料圧力の変化量と燃料噴射量および予想燃料リーク量から、上記吸入調量弁が実際に吸入を開始する吸入開始電流値を算出する吸入開始電流算出手段を有する。
【0008】
上記吸入調量弁の駆動電流と吸入量の関係は、弁の開口部形状やばね定数のばらつき等によってばらつくことがあり、吸入指令量と実吸入量との差が大きくなると、制御性を低下させる問題がある。本発明では、これらのばらつきの影響が、主に、上記吸入調量弁が実際に吸入を開始する吸入開始電流値のずれとして表れる点に着目し、上記吸入調量弁を吸入量ゼロが保証される状態から駆動電流を徐々に変化させ、その際の上記蓄圧室内の燃料圧力の変化量を検出する。この変化量から燃料噴射等の影響を除いた値がゼロより大きければ、上記吸入調量弁が吸入を開始したと判断されるので、この時の駆動電流から吸入開始電流値を知ることができ、これを基に補正を行うことで、上記吸入調量弁の機差等による上記ばらつきを小さくして制御性を向上することができる。
【0009】
請求項2において、上記吸入開始電流算出手段は、上記蓄圧室内の燃料圧力の変化量と燃料噴射量および予想燃料リーク量から上記蓄圧室への燃料の実圧送量を算出し、この実圧送量が所定値を越えた時に吸入開始を判定し、吸入開始を判定した時の実圧送量を基に上記加圧室への実吸入量を算出し、吸入開始を判定した時の駆動電流と上記実吸入量から上記吸入開始電流値を算出する。
【0010】
具体的には、上記燃料圧力の変化量を燃料量に変換し、これに燃料噴射量および予想される燃料リーク量を加算した値から、上記蓄圧室へ実際に圧送された燃料の量を算出することができる。よって、この実圧送量から所定の変換マップを用いて実吸入量を知り、その量が所定値を越えた時点で吸入開始を判定可能である。吸入量ゼロが保証される状態からの駆動電流の変化量がごく小さい場合には、吸入開始判定時点における駆動電流を上記吸入開始電流値と見なすことができ、駆動電流の変化量を大きくとった場合には、吸入開始判定時点における駆動電流値を用いて、駆動電流と吸入量の関係式から、上記吸入開始電流値を算出することができる。
【0011】
請求項3において、上記制御部は、上記吸入開始電流値が算出されるまでの間に、上記蓄圧室内の燃料圧力が所定の下限値以下となった時に、所定の上限値に達するまで上記吸入調量弁を最低吸入量が保証される電流にて駆動する。
【0012】
上記吸入開始電流値を算出するにあたり、上記吸入調量弁を吸入量ゼロが保証される電流で駆動するが、吸入量ゼロの状態が継続することにより、上記蓄圧室内の燃料圧力が低くなりすぎるのを防止するため、所定の下限値以下となった時には、上記吸入調量弁を最低吸入量が保証される電流にて駆動する。これにより、上記蓄圧室内の燃料圧力を所定範囲に保持することができる。
【0013】
請求項4において、上記吸入量ゼロが保証される電流は、具体的には、予め算出された上記吸入調量弁の駆動電流と吸入量の関係に予想されるばらつきを加えた時の、最小の吸入開始電流と同じかそれより小さい値とする。また、上記最低吸入量が保証される電流は、予め算出された上記吸入調量弁の駆動電流と吸入量の関係に予想されるばらつきを加えた時の、所定の最低吸入量に対応する電流の最大値と同じかそれより大きい値とする。これにより、吸入量ゼロないし最低吸入量が保証される状態を実現できる。
【0014】
請求項5において、上記制御部は、上記吸入調量弁を最低吸入量が保証される電流にて駆動する際に、1吸入期間中の一部の期間のみ上記最低吸入量が保証される電流にて駆動する。上記蓄圧室の容積が小さい場合、上記最低吸入量が保証される電流値で上記吸入調量弁が開くと、上記蓄圧室の圧力が急上昇してしまうことがあり、高圧室内の圧力を制御することが難しいが、1吸入期間の一部を上記最低吸入量が保証される電流値で駆動し、残りを上記吸入量ゼロが保証される電流で駆動することで、上記蓄圧室の圧力の急上昇を防止することができる。
【0015】
請求項6において、上記制御部は、上記吸入調量弁が実際に吸入を開始する吸入開始電流値と、上記蓄圧室内の燃料圧力に基づいて算出される吸入指令量および機関の回転数とから、上記吸入調量弁を駆動する駆動電流値を算出する駆動電流算出手段と、上記吸入開始電流算出手段の算出値に基づいて上記吸入開始電流値を学習補正する補正手段を有する。
【0016】
上記吸入調量弁を駆動する駆動電流値は、上記吸入指令量と回転数の関数と、上記吸入開始電流値の和で表すと計算が容易となる。そして、この上記吸入開始電流値を、上記吸入開始電流算出手段で算出した値を基に補正することで、上記吸入調量弁の機差等によるばらつきの影響を小さくすることができる。
【0017】
請求項7では、上記吸入開始電流算出手段による上記吸入開始電流値の算出を始動時またはアイドリング時に行うものとする。始動時またはアイドリング時の吐出量が少ない期間を利用して上記吸入開始電流値の学習補正を行うことで、上記吸入調量弁の調量特性を精度よく把握することができる。
【0018】
請求項8において、上記制御部は、上記吸入開始電流値の算出に先立って、所定期間における予想圧力降下量と実圧力降下量との比較から燃料漏れを検出する手段を有する。システムに何らかの異常により燃料漏れが生じると、上記吸入開始電流値の正確な算出が不可能になるため、燃料漏れがあった時にこれを予め検出できるようにしておくことが望ましい。
【0019】
請求項9は、本発明の課題を解決するための他の構成を示し、上記蓄圧室と、上記噴射弁と、上記燃料供給ポンプと、上記圧力検出器と、上記制御部を備える燃料噴射装置において、上記制御部が、上記吸入調量弁が実際に吸入を開始する吸入開始電流値をIoffset、上記蓄圧室内の燃料圧力に基づく吸入指令量をQin、機関の回転数をNe、補正係数をαとした時に、下記の式
I=Ioffset+f1 (Qin、Ne)×α
により上記吸入調量弁を駆動する駆動電流値Iを算出する駆動電流算出手段と、上記吸入開始電流値および上記補正係数の少なくとも一方を学習補正する補正手段を有している。上記補正手段は、少なくとも2つの安定した運転条件において上記吸入調量弁を駆動した時の、上記駆動電流値と上記吸入指令量および上記回転数の関係を表す上記式に基づいて、上記吸入開始電流値または上記補正係数を算出するものとする。
【0020】
上記吸入調量弁の形状やばね特性のばらつきは、主に上記吸入開始電流値に影響するが、例えば、燃料粘性の温度特性は、上記式中の補正係数に影響する。これは、温度による燃料粘性の変化で流入速度が変化し、開口面積に対する吸入量の比例係数が変動するためである。そこで、本発明では、回転数や燃料圧力等の変動が小さい安定した状態において、異なる2つの運転条件における上記吸入指令量と駆動電流値の関係を表す2つの式を用いて、上記吸入開始電流値(Ioffset)と補正係数(α)を算出する。このようにすると、上記吸入開始電流値と補正係数の両方を算出することができ、これら算出値を基に補正を行うことで、実際の調量特性により近づけ、燃料圧力の制御性をより向上させることができる。
【0021】
請求項10では、上記吸入調量弁を、流路の開口面積を変化させて吸入量を制御する電磁弁とする。開口面積による制御方式では、より高精度な制御特性が要求されるため、本発明を適用することによる効果が高い。
【0022】
請求項11では、上記制御部が、上記吸入調量弁を駆動する駆動電流の制御をデューティ制御で行う。駆動電流の制御を、通電時間の割合(デューティ値)で制御するデューティ制御とすると制御回路を安価にできるが、上記吸入調量弁のコイル内部抵抗の温度特性により、デューティ値と駆動電流の関係が変化して、上記式における上記吸入開始電流値と上記補正係数にずれが生じる。この場合も、本発明を適用することができ、特に、上記請求項9の上記補正手段により、上記吸入開始電流値と上記補正係数の両方の補正が可能で、効果が大きい。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。図1はディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置の全体構成図で、燃料噴射圧に相当する高圧燃料が蓄圧される蓄圧室としてのコモンレール1と、該コモンレール1にそれぞれ接続され、ディーゼルエンジン(図略)の各気筒に燃料を噴射するための複数の燃料噴射弁2を有している。ここでは、4気筒エンジンの1つに対応する燃料噴射弁2のみを示し、他の気筒については図示を省略している。制御部であるECU3は、エンジン状態に応じた最適の噴射時期、噴射量(噴射期間)を決定し、EDU31を介して各燃料噴射弁2を駆動する。
【0024】
コモンレール1に蓄圧される高圧燃料は、高圧流路11を介して燃料供給ポンプ4から供給される。燃料供給ポンプ4は、燃料タンクTからフィルタFを介して吸入される低圧燃料を高圧に加圧して高圧流路11に圧送する。ECU3は、コモンレール1に設けた圧力検出器としての燃料圧センサSからの信号を基に、コモンレール1への吐出量を決定して燃料供給ポンプ4に制御信号を出力し、コモンレール圧力を制御する。この燃料供給ポンプ4の圧送量の制御方法については後述する。
【0025】
コモンレール1は燃料タンクTに連通する低圧流路12への流路13を開閉する減圧弁14を有しており、例えば、減速時等に速やかにコモンレール圧力を減圧可能としてある。また、高圧流路11の途中には、プレッシャリミッタ17が配設されてコモンレール圧力が異常に高くなることを防止する安全弁として機能する。また、燃料噴射弁2からのリーク燃料および燃料供給ポンプ4からのリーク燃料も、それぞれ流路15、16から低圧流路12を経て燃料タンクTにリターンされる。
【0026】
次に、図2、3により燃料供給ポンプ4の詳細について説明する。図中、ポンプハウジング41の上下面にはシリンダヘッド5、6がそれぞれ固定され、各シリンダヘッド5、6内にプランジャ51、61を往復摺動自在に支持している。プランジャ51の上方およびプランジャ61の下方には、プランジャ51、61の端面とシリンダヘッド5、6の内壁面とで形成される燃料の加圧室52、62が設けられ、逆止弁53、63を経て低圧燃料が流入するようになしてある。
【0027】
図2のように、ポンプハウジング41内にはエンジンの1/2の回転と同期して回転駆動されるドライブシャフト42が挿通配置され、ジャーナル43を介して回転自在に支持されている。ドライブシャフト42の中間部外周にはカム44が一体に形成されており、該カム44を挟んで上下の対称位置に、上記プランジャ51、61が配置されている。
【0028】
図3のように、断面円形のカム44はドライブシャフト42に対し偏心して設けられ、その外周に、外形が四角形状のシュー45がブッシュ46を介して摺動自在に保持されている。シュー45の上下端面には、プランジャ51、61と一体のプレート部材55、65が、スプリング56、66の付勢力によって押し付けられている。しかして、ドライブシャフト42と一体のカム44が回転すると、シュー46が所定の円形経路に沿って公転し、プレート部材55、65がシュー45の上下端面上を往復摺動する。これに伴い、プランジャ51、61が上下動して加圧室52、62内の燃料を加圧する。
【0029】
図4(a)は燃料の吸入、圧送経路を示す模式的な図であり、ここでは便宜上、加圧室52への経路のみを示すが、加圧室62についても同様である。燃料供給ポンプ4は、インナギア式フィードポンプ71を内蔵しており、フィードポンプ71は燃料タンクT(図1参照)に連通する燃料導入路72から吸入される燃料を所定の低圧に加圧して燃料流路73より燃料溜まり74に送出する。フィードポンプ71には圧力調整弁75が設けられて、吐出圧力が所定圧を越えないようにしてある。
【0030】
燃料溜まり74内の燃料は、吸入調量弁8および逆止弁53を経て加圧室内に吸入される。燃料溜まり74と逆止弁53へ至る燃料流路76との間に設けられる吸入調量弁8は、ハウジング81内に摺動可能に保持される弁体82と、該弁体82を駆動するコイル83を有し、コイル83の駆動電流はECU3によって制御される。図4(b)に示すように、弁体82の左端部周りには、燃料溜まり74に連通する環状流路74aが、弁体82の左方には燃料流路76に連通する流路74bが形成され、テーパ状の弁体82のリフト量を変化させることにより、開口面積を調整して流入速度を変化させ、加圧室52内への燃料の吸入量を制御することができる。
【0031】
弁体82には、スプリング84により閉弁方向の付勢力が作用しており、コイル83へ通電しない状態で弁体82が閉弁する構成としてある。コイル83に通電すると、弁体82がスプリング84のばね力に抗して開弁し、駆動電流値に応じて弁開度が変化する。ここで、コイル83への駆動電流の制御は、デューティ(DUTY)制御により行うのがよい。通電時間割合(DUTY値)を変化させるDUTY制御を用いることで、高精度なデジタル制御が可能になる。
【0032】
逆止弁53は、燃料流路76と加圧室52の間に配設される。逆止弁53のテーパ状の弁体53aは、通常状態では、スプリング53bによって上方へ付勢され、シート面53cに着座して閉弁している。吸入調量弁8から燃料流路76、流路53dを経て低圧燃料が流入すると、燃料の圧力で弁体53aが開弁し、加圧室52に燃料が吸入される。加圧が開始されると、弁体53aは燃料の圧力で閉弁し、燃料の圧送までこれを保持する。
【0033】
加圧された燃料は、圧送通路57を経て吐出弁77より吐出される。吸入調量弁8は、図2における加圧室62側へも図示しない燃料流路によって連通しており、逆止弁63を経て加圧室62に燃料を供給している。加圧室62にて加圧された燃料は、同様に、圧送通路67を経て吐出弁78より吐出される。吐出弁77、78は、逆止弁としての機能するものでボール弁77a、78aを有し、吐出孔77b、78bから圧送通路57、67方向への燃料の逆流を防止している。吐出孔77b、78bから吐出される高圧燃料は途中で合流し、高圧流路11からコモンレール1に供給される(図1参照)。
【0034】
次に、上記構成の燃料供給ポンプ4の作動について説明する。図3において、ドライブシャフト42の回転に伴いカム44が回転すると、これに伴ってシュー45が公転する。この時、シュー45の上下端面に対してプランジャ51、61のプレート部材55、65が往復摺動することにより、プランジャ51、61がシリンダヘッド5、6内を上下動する。シュー45の公転に伴いプランジャ51、61は交互にリフトし、図示の状態でプランジャ51は上死点に、プランジャ61は下死点にある。上死点にあるプランジャ51が下降すると、加圧室52内の圧力が低下し、燃料の圧力で逆止弁53が開弁して流路53dから加圧室52に燃料が吸入される。プランジャ51が下死点に達した後(図のプランジャ61の状態)、再び上昇を開始すると、逆止弁53が閉弁して燃料圧力が上昇し、吐出弁77を開弁して、コモンレール1に高圧燃料が圧送される。
【0035】
このように、上記燃料供給ポンプ4は、ドライブシャフト42の1回転につき吸入、圧送行程が2サイクル行われるように構成されている。圧送量は、加圧室52、62への燃料の吸入量によって制御され、吸入量の制御は、上述したように、上記吸入調量弁8の弁開度を制御し、開口面積を変化させることによって行うことができる。この方式では吸入調量弁8を複数設ける必要がなく、装置を小型化できる利点があるが、弁体82の制御方式がON−OFF制御ではなく位置制御であることから、高精度な制御特性が要求される。これを図5から図9で説明する。
【0036】
図5(a)〜(c)のように、駆動電流と弁リフト量、弁リフト量と開口面積、開口面積と1圧送期間当たりの吸入量(以下、吸入量という)はそれぞれほぼ比例関係にあり、図5(c)の開口面積と吸入量の関係は傾きが回転数によって変化する。これらの関係から、吸入調量弁8の調量特性(駆動電流と吸入量の関係)は、一般に、図6のように表される。ところが、これら図5(a)〜(c)の関係は、それぞれ機差や温度変化等の影響を受けてばらつきを生じる問題がある。例えば、吸入調量弁8を付勢するスプリング84のばね力にばらつきがあると、リフトを開始する駆動電流値、およびその後のリフト量に影響し(図7(a))、同様に、製作時に生じる開口部形状のばらつきは、開口面積に対する弁リフト量を変化させるため、吸入開始電流値にずれが生じる(図7(b))。また、雰囲気温度が変化すると燃料粘性が変化して流入速度が変化するために、開口面積に対する吸入量にばらつきが生じて(図7(c))、吸入量特性の傾きをばらつかせる原因となる。
【0037】
図8は、コモンレール圧力をフィードバック制御する際のECU3の制御ロジックを示すもので、ECU3には、燃料圧力センサSで検出されるコモンレール1の実燃料圧の他、図示しない各種センサからエンジン回転数、アクセル開度等の種々の情報が随時入力される。圧送指令量は、制御量算出手段にてコモンレール1の実燃料圧が目標圧力に追従するように算出され、これに噴射指令量とリーク予測量を加えたものを圧送指令量とする。吸入弁駆動電流算出手段は、図9のように、圧送量と燃料圧をパラメータとする2次元マップを用いて、圧送指令量を吸入指令量に変換し、さらに、吸入量と回転数をパラメータとする2次元マップを用いて、吸入指令量を駆動電流に変換する。
ここで、吸入調量弁8の駆動電流Iを算出するための関数f(吸入量、回転数)が、上記ばらつきの影響で、実際の吸入調量弁8の調量特性と異なると、吸入指令量に対して実吸入量が大きくばらついてしまうことになる。そこで、本発明では、駆動電流Iを、下記式(1)にて定義し、
I=f(吸入量、回転数)
=Ioffset+f1 (吸入指令量、回転数)×α・・・(1)
開始電流値Ioffset、補正係数αの少なくとも一方を学習補正する補正手段を設けるものとする。
【0038】
ここで、図7(a)、(b)の吸入調量弁8の機差によるばらつきは、主に、調量特性の吸入開始電流値Ioffsetに影響し、傾き、すなわち補正係数αへの影響は少ない。また、図7(c)の燃料粘性の温度特性は、吸入開始電流値Ioffsetには影響せず、吸入量の少ない吸入開始電流値Ioffsetの近傍では、補正係数αによるずれも小さいことから、例えば、始動時において、補正係数αを定数とみなして吸入開始電流値Ioffsetのみを算出することが考えられる。低回転の始動時には、電流変化に対する吸入量変化が大きく吸入開始電流値Ioffsetのずれによる制御性悪化の度合が大きいので、早い段階で補正することによる効果が高い。
【0039】
具体的には、吸入調量弁8を吸入量ゼロが保証される電流で駆動し、その状態から駆動電流Iを徐々に増加または減少させる。そして、圧送周期毎のコモンレール1の燃料圧力の変化量に予想リーク量等の燃料収支を加算して、圧送周期毎に吸入された燃料量を算出し、この算出値と駆動電流Iを用いて、上記式(1)により、吸入開始電流値Ioffsetを算出する。図11に本ロジックに基づき吸入開始電流値Ioffsetを算出するためのフローチャートを示す。なお、補正係数αと吸入開始電流値Ioffsetをαの両方を学習補正する場合については後述する。
【0040】
以下、図11のフローチャートを(i)〜(iv)の4つのブロックに分けて説明する。本ルーチンは、高圧供給ポンプ4のプランジャ51、52の圧送周期毎に起動され、通常のコモンレール圧力のフィードバック(FB)制御を行うルーチンの前に実行される。
(i)ステップ101では、まず、吸入開始電流値Ioffsetの学習補正が必要かどうかを判断する基準となる学習要求フラグがONとなっているかどうかを判定する。学習要求フラグがONであれば、ステップ102で始動時またはアイドリング時であるかどうかを判断する。本ルーチンは、始動時あるいは車両停止中のアイドリング時の、吐出量の少ない期間を利用して行う。特に始動時は、ばらつきが原因で燃料が圧送できない状態となると、エンジンが止まってしまう可能性があるので効果的である。停車時に行う場合には、始動時の学習が不十分であったか、何らかの影響で学習値が利用できなくなった場合に行うのがよい。ステップ102が否定判定された場合には、ステップ103で、安定条件かどうかを判定するためのカウンタA=0、燃料漏れを検出するためのリーク検出フラグOFFとした後、ステップ104に進む。ステップ101で学習要求フラグがOFFであった場合もステップ104に進み、学習補正は不要と判断して、通常のコモンレール圧力のフィードバック(FB)制御を行う。なお、学習要求フラグ、カウンタA、リーク検出フラグOFFの初期値は、それぞれ、学習要求フラグON、カウンタA=0、リーク検出フラグOFFとしてある。
【0041】
(ii)ステップ102で始動時またはアイドリング時であった場合には、吸入開始電流値Ioffsetが算出されるまで、最低吸入量が保証される電流値Imax または吸入量ゼロが保証される電流値Imin で駆動してコモンレール1の燃料圧を所定範囲内(図12(b)の上限値と下限値の間)に保持する。まず、ステップ105において、燃料圧センサSで検出される燃料圧をこれら上限値、下限値と比較する。燃料圧が下限値以下の場合には、昇圧フラグをONとし、燃料圧が上限値以上の場合には、昇圧フラグOFF、カウンタA=0とした後、ステップ106に進む。ステップ106で昇圧フラグがOFFかどうかを判定して、昇圧フラグがOFFでなければ、すなわち、昇圧フラグがONであるとき、ステップ107で駆動電流I=Imax として、本ルーチンを一旦終了する。ここで、Imax は、駆動電流と吸入量の関係が図12(a)のようなばらつきを有しているとした時に、必要な最低吸入量が保証される電流値Fで、最低吸入量となる電流値のなかでばらつきによって考えられる最大の電流値Cと同じかそれより大きい値とする。なお、燃料圧が下限値と上限値との間であるときには、昇圧フラグおよびカウンタAの状態をそのまま維持してステップ106へ進む。
【0042】
(iii )では、吸入量ゼロが保証される電流値Imin で駆動される状態をつくるとともに、システムの異常による燃料漏れを検出する。まず、ステップ108でリーク検出フラグがONかどうかを判定し、リーク検出フラグがOFFであれば、燃料漏れなしの判断がなされていないとして、ステップ109で駆動電流I=Imin とした後、ステップ110以降へ進む。ここで、Imin は、図12(a)において、吸入量ゼロが保証される電流値Dで、ばらつきによって考えられる最小の電流値Aと同じかそれより小さい値とする。図12(b)は、これらステップ105〜109の制御で、燃料圧がどのように推移するかを示したもので、これにより、燃料供給を確保しアイドリング状態を保つ。なお、図12(a)は、上記図4で示したような電流を印加しない時に閉となる吸入調量弁8で示してあるが、電流を印加した時に閉となる吸入調量弁を用いることもでき、この場合、図13のように駆動電流と吸入量の関係が逆となる。なお、以下の説明は、図13の調量特性を有する吸入調量弁8に基づくものとする。
【0043】
このようにして、吸入量ゼロが保証される電流値Imin で吸入調量弁8を駆動し、その期間における予想圧力降下分と実圧力降下分(図12(b)に矢視する部分)の比較から、燃料漏れを検出することができる。ステップ110では、まず、カウンタAがn1 より大きいかどうかを判定する。これは、例えば、図12(b)のa点のように、昇圧フラグがONからOFF、駆動電流IがImax からImin となった直後は、その時点で高圧燃料ポンプ4内に吸入されている燃料が圧送されてコモンレール圧力が変動するおそれがあるために、n1 は圧送量がゼロとなる回数、例えばn1 =2とする。ステップ110でカウンタAがn1 以下であれば、ステップ114でカウンタAをカウンタA+1に置き換えて、本ルーチンを一旦終了する。
【0044】
カウンタAがn1 より大きい場合は、ステップ111で燃料漏れの判定を行う。燃料漏れを検出するための式(2)、(3)を以下に示す。ただし、噴射量、予想リーク量は燃料圧力サンプリング期間内の量とする。
予想燃料放出量=噴射量+予想リーク量・・・(2)
燃料漏れ量=−燃料圧力変化量×高圧部容積/体積弾性係数−予想燃料放出量
・・・(3)
つまり、実際の圧力降下分に相当する燃料量と予想される燃料放出量との差を燃料漏れ量として、これが所定の判定値より大きい場合には、燃料漏れと判定する。この場合は、何らかの異常が生じたと判断して、ステップ115で異常処理を行う。
【0045】
燃料漏れ量が判定値以下であり、燃料漏れがないと判断される場合には、ステップ112でカウンタAがn2 より大きいかどうかを判定する。n2 はステップ111における燃料漏れ判定を所定回数繰り返して燃料漏れなしと判定する値で、例えばn1 =2の時、n2 =5とすると燃料漏れ判定を3回繰り返すことになる。ステップ112でカウンタAがn2 より大きければ、ステップ113でリーク検出フラグをONとし、カウンタAがn2 以下であれば、ステップ116でカウンタAをカウンタA+1に置き換えて、本ルーチンを終了する。
【0046】
(iv)ここでは、吸入量ゼロが保証される電流値Imin で駆動される状態から、徐々に駆動電流を増加(図13の特性の場合は減少)させ、その際のコモンレール1の燃料圧力変化量から、吸入の開始を判定する。この概念図を図14に示し、Imin からΔIずつ駆動電流を増加していくと、吸入開始電流値Ioffsetを越えた時点で、吸入が行われて(図14(a)のG点)、コモンレール圧力が上昇に転ずることになる。
【0047】
まず、ステップ117では、駆動電流IがImin より大きいかどうかを判定する。駆動電流IがImin 以下であれば、ステップ123で駆動電流IをI+ΔIに置き換えて、本ルーチンを終了する。駆動電流IがImin より大きければ、ステップ118に進み、圧送量Qout を下記式(4)により算出する。予想燃料放出量は上記式(2)と同じである。
Qout =燃料圧力変化量×高圧部容積/体積弾性係数+予想燃料放出量
・・・(4)
次に、ステップ119で、吸入開始判定を行い、算出された圧送量Qout が所定の判定値より大きいかどうかを判定する。この判定値はごく小さい値とし、算出された圧送量Qout が判定値より大きければ、燃料の圧送、すなわち吸入がなされたと判断して、吸入開始判定を行う。圧送量Qout が判定値以下であり、吸入開始が判定できない場合には、ステップ123に進み、駆動電流IをI+ΔIに置き換えて、本ルーチンを終了する。
【0048】
吸入開始が判定されたら、続くステップ120で吸入量Qinを算出する。ここでは、予め分かっている吸入量と圧送量の関係式(5)
Qin=g(Qout 、燃料圧)・・・(5)
から、ステップ118で算出された圧送量Qout を用いて、吸入量Qinを算出し、さらに、ステップ121で、算出された吸入量Qinから、式(6)により、吸入開始電流値Ioffsetを算出する。
Ioffset=I−f1 (Qin、回転数)×α・・・(6)
ここで、Iは吸入開始を判定した時の駆動電流であり、補正係数αは定数とする。
【0049】
その後、ステップ122で学習要求フラグをOFFとし、本ルーチンを終了する。このようにして算出された吸入開始電流値Ioffsetを学習値として記憶し、これを基に調量特性の補正を行うことで、吸入指令量と実吸入量のばらつきを小さくし、コモンレール1の圧力の制御性を大幅に改善することができる。
【0050】
なお、上記ステップ107において、最低吸入量が保証される電流値で駆動する場合に、図15に示すように、同一プランジャによる吸入期間のうち一部の期間は最低吸入量が保証される電流値(F)で、残りの期間は吸入量ゼロが保証される電流値(D)で駆動して(図15(b))、同一プランジャによる吸入期間内で吸入面積が変化するように(図15(c))、制御することもできる。最低吸入量が保証される電流値で駆動した場合であっても、吸入調量弁8によっては、フル吐出となるため、例えば、コモンレール1の容積が小さく、吸入調量弁8がフル吐出するとコモンレール圧力が急上昇するようなシステムでは、一圧送毎の圧力上昇量が大きく、所定の範囲内に燃料圧力を制御することが難しい。このようなシステム(例えば、一回の全吐出で20MPa以上の圧力上昇)に上記制御を適用すると、必ず何らかの量の燃料がコモンレール1に供給され、しかも上昇幅を小さくできるので、効果的である。
【0051】
次に、吸入開始電流値Ioffsetと補正係数αの両方を学習補正する場合について説明する。この場合には、2つの安定した運転条件A、Bにおける駆動電流と圧送量の関係を算出する。すなわち、上記(iv)と同様の方法で、燃料圧力変化量から、吸入量QinA、QinBを算出する。その際の回転数をNeA、NeB、駆動電流IA、IBとすると、下記式(7)、(8)が得られ、
IA=Ioffset+f1 (QinA、NeA)×α・・・(7)
IB=Ioffset+f1 (QinB、NeB)×α・・・(8)
これら2式から吸入開始電流値Ioffset、補正係数αを算出するとができる。
【0052】
図16に吸入開始電流値Ioffset、補正係数αを補正するためのフローチャートを示す。本ルーチンは、回転に同期して1圧送周期毎に起動される。ステップ201では、まず、実吸入量XQinの算出を行う。実吸入量XQinの算出は、図17に示すサブルーチンに従って行い、ステップ301で、所定期間内のコモンレール1の圧力変化量XΔP=Pcr−Pcr oldを算出した後、ステップ302で、圧力変化量XΔPと、その所定期間内の噴射量Qfin old 、予想リーク量Qleak oldから、図中の式(9)により実圧送量XQout を算出する。さらにステップ303で、予め分かっている吸入量と圧送量の関係(図中の式(10))により実吸入量XQinを算出する。図中の式(10)では、所定期間内の燃料圧を代表する値として、Pcr old(前回記憶された燃料圧)を用いている。
【0053】
ステップ202では、安定条件の判定を行う。過渡状態では、高圧燃料ポンプ4の圧送遅れや燃料圧センサS出力の安定性等により、吸入量や予想リーク量等の計測誤差が大きくなり、吸入開始電流値Ioffset、補正係数αを誤学習してしまうおそれがあるためである。ここでは、例えば、回転数Ne、燃料圧Pcr、実吸入量XQin、駆動電流Iが、それぞれ安定条件か判定する。具体的には、図18に示すサブルーチンに従い、ステップ401で現在の回転数をNe、前回の回転数をNe oldとした時に、|Ne−Ne old|が許容値TH1(例えば3rpm)未満かどうかを判定する。許容値TH1未満であれば、ステップ402で現在の燃料圧Pcrと前回の燃料圧Pcr oldから|Pcr−Pcr old|が許容値TH2(例えば25MPa)未満かどうかを、ステップ403で、ステップ303で算出した実吸入量XQinと前回の実吸入量XQin oldから|XQin−XQin old|が許容値TH3(例えば20mm3 /st)未満かどうかを、ステップ404で現在の駆動電流Iと前回の駆動電流Iold から|I−I old|が許容値TH4(例えば0.01A)未満かどうかを、順に判定し、いずれも肯定判定されたらステップ405に進む。
【0054】
ステップ405では、カウンタCをカウンタC+1に置換して、ステップ406に進み、カウンタCを判定回数(例えば10)と比較する。カウンタCが判定回数より大きい値であれば、運転状態が安定していると判断し、ステップ407でカウンタCを0とした後、ステップ408で安定判定して、図16のステップ204へ進む。ステップ406でカウンタCが判定回数未満である場合は、安定判定されないため、図16のステップ203へ進み、現在の条件を記憶した後、本ルーチンを終了する。ステップ401〜ステップ404のいずれかが否定判定された場合も、ステップ409でカウンタCを0とした後、ステップ203へ進む。現在の条件の記憶は、図示のように、現在の回転数Ne、燃料圧Pcr、実吸入量XQin、駆動電流I、予想リーク量Qleak、噴射量Qfin を、それぞれNe old、Pcr old、XQin old、I old、Qleak old、Qfin oldに、それぞれ置換することにより行う。
【0055】
ステップ204では補正可能な条件かどうかの判定を行う。本ロジックは、後述するように2つの作動条件から、調量特性の傾きとオフセットを算出するロジックであり、2つの近い作動条件にて算出すると、誤差量が大きくなる可能性がある。従って、2つの作動条件が近い作動条件でないかどうかを判定する。ここでは、前回の学習時に使用した2つの条件のうち、新しい方の条件を駆動電流I hold 、吸入量XQin hold として記憶しておき、その条件と現在の条件が近くないかを判定する。具体的には、図19(a)のステップ501に示すように、駆動電流I hold と現在の駆動電流Iの差の絶対値が判定値TH5(例えば0.05A)より大きいかどうか、あるいは、吸入量XQin hold と現在の吸入量XQinの差の絶対値が判定値TH6(例えば40mm3 /st)より大きいかどうかで判定し、これらのいずれかが肯定判定された場合には、ステップ502で補正可とし、図16のステップ206に進む。これらがいずれかも否定判定された場合には、図17のステップ205へ進み、現在の条件を記憶した後、本ルーチンを終了する。
【0056】
ステップ206では仮の吸入開始電流値であるIoffset’、仮の補正係数であるα’を算出する。前回の駆動電流Iold 、前回補正時の駆動電流I hold は、Ioffset’、α’を用いて下記式(11)、(12)でそれぞれ表される。
I old=Ioffset’+f1 (Qin old、Ne old)×α’・・・(11)
I hold =Ioffset’+f1 (Qin hold 、Ne hold )×α’・・・(12)
これら式(11)、(12)から、図19(b)のステップ601中に示す式(13)が導かれ、これを用いて仮の吸入開始電流値Ioffset’、仮の補正係数α’をそれぞれ算出することができる。その後、ステップ602で、この時用いた駆動電流I old、吸入量XQin oldをI hold 、XQin hold と置換して、図16のステップ207に進む。
【0057】
ステップ207では、ステップ206で算出した仮の吸入開始電流値Ioffset’、仮の補正係数α’から吸入開始電流値Ioffset、補正係数αを補正する。この時、例えば、図19(c)の例1に示すように、式(14)、(15)を用いて、なまし補正するか(例えば、N=5)、
Ioffset=(Ioffset’+(N−1)×Ioffset)/N・・・(14)
α=(α’+(N−1)×α)/N・・・(15)
あるいは、例2に示すように、式(16)、(17)を用いて、積分補正することができる(例えば、K1 =0.1、K2 =0.01)。
Ioffset=Ioffset’+K1 ×(Ioffset’−Ioffset)・・・(16)
α=α’+K2 ×(α’−α)・・・(17)
このようにすると、学習補正により、実吸入量が急激に変化するのを防止できる。
【0058】
その後、ステップ208で現在の条件を記憶し、本ルーチンを終了する。以上のロジックを用いると、燃料圧力の比例積分制御において、精度よく吸入量を制御することができるため、高精度な圧力制御が可能になる。
【0059】
ところで、高圧供給ポンプ4への駆動電流をECU3で制御する場合に、上述したように通電時間割合(DUTY値)にてオープン制御すると、安価な制御回路にて実現できる利点がある。DUTY値によるオープン制御では、図20(a)に示すように、ECU3内にて指令駆動電流から電流/DUTY値変換マップによりDUTY値を算出し、そのDUTY値に基づきDUTYパルスを発生させて吸入調量弁8を制御するもので、電流/DUTY値変換マップは、図20(b)のように表させる。ただし、オープン制御では、吸入調量弁8なる電磁弁のコイル(図20(a))の内部抵抗の温度特性により、駆動電流とDUTY値の関係が大きく変化し(図22(c))、その結果、指令駆動電流と吸入量の関係が大きくばらつき、オフセットのずれと傾きのずれが両方生じてしまう。
【0060】
この問題の対策としては、例えば電流補償回路やコイル温度センサによる補正等が考えられるが、コスト上昇の要因となってしまう。そこで、この場合も、上記図16のフローチャートで示したオフセットと傾きのずれを補正するロジックを用いる。これにより、DUTY制御に伴う吸入開始電流値Ioffsetと補正係数αのずれを補正し、新たな部品を追加することなく、安価にコイル温度特性による性能変化を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料噴射装置の全体構成図である。
【図2】燃料供給ポンプの全体断面図である。
【図3】図2のIII −III 線断面図である。
【図4】(a)は燃料供給ポンプの燃料流路を示す断面図、(b)はその部分拡大図である。
【図5】(a)は駆動電流と弁リフト量、(b)は弁リフト量と開口面積、(c)は開口面積と吸入量の関係をそれぞれ示す図である。
【図6】駆動電流と吸入量の関係を示す図である。
【図7】(a)は駆動電流と弁リフト量、(b)は弁リフト量と開口面積、(c)は開口面積と吸入量の関係におけるばらつきが調量特性に与える影響をそれぞれ示す図である。
【図8】ECUの制御ロジックを示す図である。
【図9】吸入量算出手段の詳細を示す図である。
【図10】(a)は駆動電流と吸入量の一般的な関係を、(b)は吸入開始電流値と補正係数を用いた駆動電流と吸入量の関係をそれぞれ示す図である。
【図11】本発明により吸入開始電流値を算出するためのフローチャートを示す図である。
【図12】(a)はコモンレール圧を所定範囲に保持するための制御方法を説明する図で、(b)はコモンレール圧の変化を示す図である。
【図13】構成の異なる吸入調量弁を用いた場合の調量特性を示す図である。
【図14】(a)は本発明による吸入開始電流値の算出方法を説明するための図で、(b)はコモンレール圧の変化を示す図である。
【図15】(a)は吸入調量弁の調量特性図、(b)は駆動電流の制御方法を示す図、(c)は吸入面積の変化を示す図である。
【図16】本発明により吸入開始電流値および補正係数を算出するためのフローチャートを示す図である。
【図17】図16のフローチャートにおける実吸入量算出の詳細を示す図である。
【図18】図16のフローチャートにおける安定条件判定の詳細を示す図である。
【図19】(a)は図16のフローチャートにおける補正条件判定の詳細を、(b)は仮の吸入開始電流値および補正係数算出の詳細を、(c)は吸入開始電流値および補正係数補正の詳細をそれぞれ示す図である。
【図20】(a)は駆動電流のDUTY制御方法を説明するための図、(b)はDUTY値と指令駆動電流の関係を示す図、(c)はコイル温度によるをDUTY値と実駆動電流の関係と、指令駆動電流に与える影響を示す図である。
【符号の説明】
1 コモンレール(蓄圧室)
2 燃料噴射弁(噴射弁)
3 ECU(制御部)
4 燃料供給ポンプ
51、61 プランジャ
52、62 加圧室
8 吸入調量弁
S 燃料圧センサ(圧力検出器)

Claims (11)

  1. 高圧燃料が蓄圧される蓄圧室と、該蓄圧室内の高圧燃料を内燃機関の気筒に噴射する噴射弁と、フィードポンプから吸入調量弁を経て加圧室に吸入される燃料を加圧して上記蓄圧室に圧送する燃料供給ポンプと、上記蓄圧室内の燃料圧力を検出する圧力検出器と、該圧力検出器によって検出される燃料圧力を基に上記吸入調量弁を駆動して上記加圧室への吸入量を制御し、上記蓄圧室内の燃料圧力を制御する制御部を備える燃料噴射装置において、上記制御部が、通電により開弁する構成とした上記吸入調量弁を吸入量ゼロが保証される電流で駆動し、その状態から駆動電流を徐々に変化させた時の上記蓄圧室内の燃料圧力の変化量と燃料噴射量および予想燃料リーク量から、上記吸入調量弁が実際に吸入を開始する吸入開始電流値を算出する吸入開始電流算出手段を有することを特徴とする燃料噴射装置。
  2. 上記吸入開始電流算出手段が、上記蓄圧室内の燃料圧力の変化量と燃料噴射量および予想燃料リーク量から上記蓄圧室への燃料の実圧送量を算出し、この実圧送量が所定値を越えた時に吸入開始を判定し、吸入開始を判定した時の実圧送量を基に上記加圧室への実吸入量を算出し、吸入開始を判定した時の駆動電流と上記実吸入量から上記吸入開始電流値を算出する請求項1記載の燃料噴射装置。
  3. 上記制御部が、上記吸入開始電流値が算出されるまでの間に、上記蓄圧室内の燃料圧力が所定の下限値以下となった時に、所定の上限値に達するまで上記吸入調量弁を最低吸入量が保証される電流にて駆動する請求項1または2記載の燃料噴射装置。
  4. 上記吸入量ゼロが保証される電流は、予め算出された上記吸入調量弁の駆動電流と吸入量の関係に予想されるばらつきを加えた時の、最小の吸入開始電流と同じかそれより小さい値であり、上記最低吸入量が保証される電流は、予め算出された上記吸入調量弁の駆動電流と吸入量の関係に予想されるばらつきを加えた時の、所定の最低吸入量に対応する電流の最大値と同じかそれより大きい値である請求項3記載の燃料噴射装置。
  5. 上記制御部が、上記吸入調量弁を最低吸入量が保証される電流にて駆動する際に、1吸入期間中の一部の期間のみ上記最低吸入量が保証される電流にて駆動する請求項4記載の燃料噴射装置。
  6. 上記制御部が、上記吸入調量弁が実際に吸入を開始する吸入開始電流値と、上記蓄圧室内の燃料圧力に基づいて算出される吸入指令量および機関の回転数とから、上記吸入調量弁を駆動する駆動電流値を算出する駆動電流算出手段と、上記吸入開始電流算出手段の算出値に基づいて上記吸入開始電流値を学習補正する補正手段を有する請求項1ないしのいずれか記載の燃料噴射装置。
  7. 上記吸入開始電流算出手段による上記吸入開始電流値の算出を始動時またはアイドリング時に行う請求項1ないしのいずれか記載の燃料噴射装置。
  8. 上記制御部が、上記吸入開始電流値の算出に先立って、所定期間における予想圧力降下量と実圧力降下量との比較から燃料漏れを検出する手段を有する請求項1ないし7のいずれか記載の燃料噴射装置。
  9. 高圧燃料が蓄圧される蓄圧室と、該蓄圧室内の高圧燃料を内燃機関の気筒に噴射する噴射弁と、吸入調量弁を経て加圧室に吸入される燃料を加圧して上記蓄圧室に圧送する燃料供給ポンプと、上記蓄圧室内の燃料圧力を検出する圧力検出器と、該圧力検出器によって検出される燃料圧力を基に上記吸入調量弁を駆動して上記加圧室への吸入量を制御し、上記蓄圧室内の燃料圧力を制御する制御部を備える燃料噴射装置において、上記制御部が、上記吸入調量弁が実際に吸入を開始する吸入開始電流値をIoffset、上記蓄圧室内の燃料圧力に基づく吸入指令量をQin、機関の回転数をNe、補正係数をαとした時に、式
    I=Ioffset+f1 (Qin、Ne)×α
    により上記吸入調量弁を駆動する駆動電流値Iを算出する駆動電流算出手段と、上記吸入開始電流値および上記補正係数の少なくとも一方を学習補正する補正手段を有し、上記補正手段が、少なくとも2つの安定した運転条件において上記吸入調量弁を駆動した時の、上記駆動電流値と上記吸入指令量および上記回転数の関係を表す上記式に基づいて、上記吸入開始電流値または上記補正係数を算出することを特徴とする燃料噴射装置。
  10. 上記吸入調量弁が、流路の開口面積を変化させて吸入量を制御する電磁弁である請求項1ないし6のいずれか記載の燃料噴射装置。
  11. 上記制御部が、上記吸入調量弁を駆動する駆動電流値の制御をデューティ制御で行う請求項1ないし10のいずれか記載の燃料噴射装置。
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