JP4515487B2 - 燃料噴射器用制御装置及び燃料噴射器を作動する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一つの燃料噴射器用制御装置及び一つの燃料噴射器を作動する方法に関する。更に詳細には、本発明は、パイロット燃料噴射事象の一貫性を改善するため、一つの圧電作動式燃料噴射器を作動する方法に関する。

内燃エンジンに関し、燃料噴射器によって燃料をエンジンのシリンダに送出することは周知である。燃料の送出を正確に計量できる、一つのこのような種類の燃料噴射器は、いわゆる「圧電噴射器」である。

図１を参照すると、圧電噴射器２は、圧電アクチュエータ４を含む。この圧電アクチュエータ４は、噴射器バルブニードル６の位置をバルブニードル座８に対して制御するように作動できる。圧電アクチュエータ４に加わる駆動電圧分布「Ｖ」に応じて、バルブニードル６を、バルブニードル座８と係合した状態から外すか或いは、バルブニードル座８と係合させるかのいずれかである。バルブニードル座８と係合した状態から外れた場合には、燃料が、一組のノズル出口１０を通って、関連した燃焼室（図示せず）内に送出される。バルブニードル座８と係合させた場合には、燃料の送出が阻止される。

圧電噴射器は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）２２の一体の部分を形成する噴射器制御ユニット（ＩＣＵ）２０によって制御される。ＥＣＵ２２は、複数のエンジンパラメータ２４を監視し、エンジン出力要求信号をＩＣＵ２０に供給する。ＩＣＵ２０は、必要な噴射事象順序を（プロセッサ２１を使用して）計算し、必要な出力をエンジンに提供し、電圧パルス分布２５を噴射器駆動回路２６に出力する。噴射器駆動回路２６は、高圧側電圧信号Ｖ_ＨＩ及び低圧側電圧信号Ｖ_ＬＯを介して電圧駆動分布２５を噴射器に印加する。

噴射を開始するため、駆動回路２６により、Ｖ_ＨＩとＶ_ＬＯとの間の差動電圧を、燃料の送出が行われない場合の高電圧（代表的には２５０Ｖ）から、燃料の送出を開始する比較的低い電圧（代表的には５０Ｖ）まで変化する。

この駆動波形に応答する噴射器を「消勢噴射」噴射器と呼ぶ。

このような燃料噴射器は、一回の噴射事象内で一回又はそれ以上の燃料噴射を送出するように作動できる。例えば、噴射事象は、一回又はそれ以上のいわゆる「予備」噴射又は「パイロット」噴射、主噴射、及び一回又はそれ以上の「後」噴射が含まれていてもよい。一般的には、一回の噴射事象内での幾つかのこのような噴射を行うことは、エンジンの燃焼効率を向上するため、好ましい。

噴射事象中に噴射器に印加される代表的な噴射器駆動電圧分布を図２に示し、対応する理想的送出量分布を図３に示す。

噴射器駆動電圧分布は、第１及び第２のパイロット放電パルスＰ１及びＰ２と、単一の主噴射放電パルスＰＭＡＩＮとを含む。パイロット放電パルスＰ１、Ｐ２の大きさ及び持続時間は、実質的に同じである。従って、各パイロット噴射Ｐ１、Ｐ２の各々についての送出量は実質的に等しく、及びかくして送出された燃料の容積（距離の下の面積）は、パイロット噴射間で一貫している。

しかしながら、同じ電圧放電分布についてのパイロット噴射間の実際の送出量は大幅に変化することが観察された。例えば、図４は、実際に観察された燃料送出量分布を示し、この分布では、第２パイロット噴射について送出された燃料が、第１パイロット噴射中に送出された燃料よりも多い。

パイロット噴射の目的は、燃焼プロセスを徐々に開始するため、主噴射前に正確な量の燃料を燃焼室に送出することである。従って、パイロット噴射間で燃料送出量が変化することは望ましくない。これは、燃焼プロセスの制御性を低下するためである。従って、パイロット噴射間に送出される燃料の容積を調節する方法が必要とされている。

本発明の目的は、パイロット噴射間に送出される燃料の容積を調節するための、一つの燃料噴射器用制御装置及び一つの燃料噴射器を作動する方法を提供することである。

以上に鑑み、本発明の第１の特徴は、圧電アクチュエータを持つ燃料噴射器の作動を制御するための制御装置であって、アクチュエータは、アクチュエータに電圧駆動分布を印加することによって作動できる、制御装置において、一つ又はそれ以上のエンジンパラメータに関するデータを受け入れるための入力部と、アクチュエータを一つ又はそれ以上のエンジンパラメータに応じて制御するため、電圧駆動分布を決定するためのプロセッサであって、電圧駆動分布は、噴射事象を開始する作動電圧成分と、噴射事象を終了する作動停止電圧成分とを含むように構成されており、作動電圧成分及び作動停止電圧成分は、時間間隔Ｔ_ＯＮによって分離されている、プロセッサと、プロセッサによって決定された電圧駆動分布をアクチュエータに出力するための出力部とを備えており、プロセッサは、時間間隔Ｔ_ＯＮを、噴射器内の圧力波サイクルの所定の圧力波期間（Ｔ_Ｐ）よりも大きいか或いは等しいように設定するように構成されている、制御装置を提供することである。

本発明は、その一つの噴射器内での圧力波効果を補償することによって、噴射事象間の燃料送出の一貫性を改良するという利点を提供する。噴射器「オン」時間（放電開始と充電開始との間の時間間隔）を、圧力波（噴射事象中にバルブニードルが係合解除し、及び再係合することによって生じる）が噴射器内の燃料通路まで移動し、反射されて噴射器チップに戻るのに要する時間よりも大きいか或いは等しいように増大することによって、続いて行われる噴射事象に及ぼされる圧力波の作用を低減できる。

適切には、噴射器オン期間は、圧力波期間よりも長い。好ましくは、噴射器オン期間は、圧力波期間の倍数であるように選択される。

噴射器オン期間が長くなったことにより、噴射器によって噴射される燃料が増大する。適切には、燃料供給レベルを維持するのが望ましい場合には、制御装置は、任意の所与のエンジン作動条件で噴射された燃料を一定量に維持するため、アクチュエータに送出される電圧駆動分布のピーク電圧レベルを低下できる。

適切には、制御装置は、記憶された記録即ち圧力波期間を、様々なエンジン作動条件に応じて維持する。

好ましくは、制御装置は、エンジンの作動パラメータに応じて変化する圧力波期間の機能マップを含み、噴射器用のバルブをオンタイムで設定する場合に機能マップを参照する。機能マップは、適切には、制御装置内の又は制御装置と関連したデータ記憶装置に記憶されていてもよい。

本発明の第１の特徴の制御装置は、適切には、車輛のエンジン制御ユニット内に組み込まれていてもよい。

本発明の第２の特徴によれば、圧電アクチュエータを持つ燃料噴射器を作動する方法であって、圧電アクチュエータは、作動電圧レベルをアクチュエータに印加することによって噴射事象を開始し、作動停止電圧をアクチュエータに印加することによって噴射事象を終了するように作動できる、方法において、噴射事象を開始するように、アクチュエータに作動電圧を印加する工程と、所定の時間間隔（Ｔ_ＯＮ）の経過後、噴射を終了するように、アクチュエータに作動停止電圧を印加する工程とを含み、所定の時間間隔は、噴射器内の圧力波サイクルの所定の圧力波期間（Ｔ_Ｐ）よりも大きいか或いは等しい、方法が提供される。

所定の圧力波期間は、二つの方法のうちの一方で決定してもよい。通常のエンジンの使用前に期間を試験装置（試験リグ）で物理的に計測でき、計測した値を、後に使用するために（例えば機能マップに）記憶する。別の態様では、燃料送出システムの周知の寸法及び形状に基づいて期間を計算できる。

更に、本発明の第１の態様の好ましい特徴を、本発明の第２の態様に適用してもよい。

次に、本発明を添付図面を参照して単なる一例として説明する。

図５を参照すると、パイロット噴射電圧放電パルスの一時的分離により、噴射間の送出エラーが周期的に変化することが観察された。この現象の原因は、噴射事象中にバルブニードル６がバルブニードル座８と係合した状態から外れるとき及び再係合するときに生じる噴射器２内の圧力波効果である。バルブニードル６がバルブニードル座８と係合した状態から外れてパイロット噴射を開始するとき、圧力波が発生し、この圧力波が噴射器２内の内部燃料通路まで移動する。次いで、圧力波は、反射して噴射器２のチップに戻る。高圧波面がバルブニードル座８からのバルブニードル６の持ち上げと一致した場合には、この効果により、第２パイロット噴射中にノズル出口１０を通る燃料の送出量を増大する。逆に、低圧波面がバルブニードル座８からのバルブニードル６の持ち上げと一致した場合には、この効果により、第２パイロット噴射中にノズル出口１０を通る燃料の送出容積が減少する。

本出願人は、パイロット噴射電圧放電波形を変化させることによって、噴射器２における圧力波効果を補償でき、パイロット噴射間の大きな変化に対して保護できるということを発見した。

以下に提案する解決策は、送出容積の変化を小さくし、放電分布の二つの態様を制御することである。即ち、
i)両パイロット噴射に対してピーク電圧放電レベルの大きさを小さくすること、及び
ii)放電の開始と充電の開始との間の時間間隔（本明細書中下文において、「噴射器オン時間」と言う）を長くし、圧力波期間よりも長いか或いはほぼ等しくなるようにすることである。

以上の二つの態様を図６（ａ）及び（ｂ）に示す。これらの図は、パイロット噴射Ｐ１及びＰ２についての電圧放電分布及び対応する燃料送出量を示す。

以上の工程の結果、第２パイロット噴射Ｐ２中のバルブニードルの開放の持続時間は、単一の圧力振動についての期間とほぼ等しい。かくして、ノズル出口での燃料の圧力は、比較的高い圧力にまで上昇し、同じパイロット送出期間中は比較的低圧である。その結果、第２パイロット噴射送出分布（領域Ｂ）の下の面積は、第１パイロット噴射送出分布（領域Ａ）の下の面積とほぼ等しい。換言すると、全送出容積には、噴射器ノズルの定在波セットアップ及びパイロット噴射分離の悪影響が実質的に及ぼされない。

上側の電圧放電波形は、「消勢噴射」噴射器に適用できる。しかしながら、本発明は、いわゆる「賦勢噴射」噴射器にも適用できるということは理解されるべきである。このような噴射器では、電圧放電パルスでなく、電圧充電パルスをアクチュエータに印加することによって噴射事象を開始する。

換言すると「消勢噴射」の場合、電圧駆動分布の「作動電圧成分」は電圧放電パルスであり、「作動停止電圧成分」は電圧充電パルスである。「賦勢噴射」の場合には、電圧駆動分布の「作動電圧成分」は電圧充電パルスであり、「作動停止電圧成分」は電圧放電パルスである。

「噴射器オン時間」Ｔ_ＯＮは、圧力波期間と等しくなるように選択される必要はないということは理解されるべきである。別の実施形態では、噴射器オン時間Ｔ_ＯＮは、圧力波期間よりも大きくなるように選択してもよい。

本発明の効果は、図５に示す送出エラーを減少しようとすることであるということに着目されたい。換言すると、本発明の方法及び制御装置を作動すると、図５の繰り返し変化のピーク振幅が減少するのである。

圧力波期間は、燃料噴射システムの形状及び寸法を参照して計算してもよいし、別の態様では、試験装置で計測できる。いずれの場合でも、所与のエンジン作動パラメータについての圧力波期間は、適切には、制御装置２０内の機能マップ３０に記憶されていてもよい（図１参照）。変形例として、機能マップ３０は、ＥＣＵ又は車輛内のどこかのいずれかのデータ記憶装置３２に記憶されていてもよい。

上文中に説明した実施形態は、単なる例であって、本発明を限定しようとするものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定義されるということは理解されよう。更に、上述の実施形態は、個々に使用してもよいし、組み合わせて使用してもよいということは理解されよう。

図１は、制御手段を関連して備えた圧電噴射器の概略図である。 図２は、噴射器に加えるための周知の駆動電圧分布のグラフである。 図３は、周知の駆動電圧分布と対応する理想的噴射送出量のグラフである。 図４は、周知の駆動電圧分布と対応する実際の噴射送出量のグラフである。 図５は、パイロット噴射事象間の燃料送出容積の差（以下、「送出エラー」と呼ぶ）の、パイロット電圧放電パルスの一時的分離に対するグラフである。 （ａ）は、本発明の一実施形態による第１及び第２のパイロット噴射器についての電圧放電分布のグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の電圧放電分布と対応する第１及び第２のパイロット噴射の送出量分布のグラフである。

符号の説明

２ 噴射器
４ アクチュエータ
６ バルブニードル
８ バルブニードル座
１０ ノズル出口
２０ 噴射器制御ユニット（ＩＣＵ）
２２ エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
２４ エンジンパラメータ
２５ 電圧パルス分布
２６ 噴射器駆動回路
３０ 機能マップ
３２ データ記憶装置

Claims (13)

1. 一つの圧電アクチュエータ（４）を持つ一つの燃料噴射器（２）の作動を制御するための制御装置（２０）であって、前記アクチュエータは、当該アクチュエータに電圧駆動分布を印加することによって作動できる、制御装置において、
   一つ又はそれ以上のエンジンパラメータに関するデータ（２４）を受け入れるための入力部と、
   前記アクチュエータ（４）を前記一つ又はそれ以上のエンジンパラメータ（２４）に応じて制御するために、電圧駆動分布（２５）を決定するためのプロセッサ（２１）であって、前記電圧駆動分布は、噴射事象を開始する作動電圧成分と、噴射事象を終了する作動停止電圧成分とを含むように構成されており、前記作動電圧成分及び前記作動停止電圧成分は、時間間隔Ｔ_ＯＮによって分離されている、プロセッサ（２１）と、
   前記プロセッサによって決定された前記電圧駆動分布（２５）を前記アクチュエータに出力するための出力部とを備えており、
   前記プロセッサ（２１）は、時間間隔Ｔ_ＯＮを、前記噴射器内の圧力波サイクルの所定の圧力波期間Ｔ _Ｐ よりも大きいか或いは等しいように設定すべく構成される、制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置において、
   Ｔ_ＯＮ＞Ｔ_Ｐである、制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の制御装置において、
   Ｔ_ＯＮ＝ｎＴ_Ｐであり、ここで、ｎ＝１、２、３、・・・である、制御装置。
4. 請求項１、２、又は３に記載の制御装置において、
   前記プロセッサは、前記噴射器（２）を通る燃料送出量を一定に維持するように、Ｔ_ＯＮが変化する際の前記電圧パルス分布内のピーク電圧レベルを低下するように構成される、制御装置。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の制御装置において、
   前記一つ又はそれ以上のエンジンパラメータに応じて変化する所定の圧力波期間の値が、前記制御装置（２０）に記憶される、制御装置。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の制御装置において、更に、
   エンジンパラメータに応じて変化するＴ_Ｐの機能マップを備えており、前記制御装置は、Ｔ_ＯＮを設定するとき、前記機能マップ（３０）を参照するように構成される、制御装置。
7. 請求項６に記載の制御装置において、更に、
   前記機能マップ（３０）を記憶するためのデータ記憶装置（３２）を備える、制御装置。
8. 請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の制御装置を含む車輛用エンジン制御ユニット（２２）。
9. 一つの圧電アクチュエータ（４）を持つ一つの燃料噴射器（２）を作動する方法であって、前記圧電アクチュエータは、作動電圧レベルを前記アクチュエータに印加することによって噴射事象を開始し、作動停止電圧を前記アクチュエータに印加することによって噴射事象を終了するように作動できる、方法において、
   所定の時間間隔Ｔ _ＯＮ の経過後に、噴射事象を開始するように、前記アクチュエータに作動電圧（２５）を印加する工程と、
   噴射を終了するように、前記アクチュエータに作動停止電圧（２５）を印加する工程とを含み、
   前記所定の時間間隔Ｔ _ＯＮ は、前記噴射器内の圧力波サイクルの所定の圧力波期間Ｔ _Ｐ よりも大きいか或いは等しい、方法。
10. 請求項９に記載の方法において、
    前記第１印加工程の前に、前記噴射器内の圧力波サイクルの前記圧力波期間を試験装置で計測する、方法。
11. 請求項９に記載の方法において、
    前記第１印加工程の前に、前記噴射器内の圧力波サイクルの前記圧力波期間を、前記燃料噴射器及び関連した燃料噴射システムの寸法に基づいて計算する、方法。
12. 請求項１０又は１１に記載の方法において、
    前記圧力波期間は、所定範囲のエンジン作動条件について計測され、又は計算され、計測された又は計算された期間を機能マップ（３０）に記憶する、方法。
13. 請求項９乃至１２のうちのいずれか一項に記載の方法を実施すべく、制御装置又はエンジン制御ユニットを制御するために、コンピュータ読取可能なコードを記憶するための記憶媒体。

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