JP4627603B2 - 燃料供給装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射エンジンの燃料供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料供給装置は、例えば、特開平１１−２９４２４３号公報に記載されているように、時々刻々変化する燃料圧力をセンサにより検出し、これを基に各燃料噴射弁（以下インジェクタ）の実燃料噴射量を算出し、実燃料噴射量と目標燃料噴射量とが一致するよう各インジェクタに対する燃料噴射指令値を補正することにより、各気筒の燃料噴射量のバラツキを抑制する方法が知られている。
【０００３】
また、特開平１１−３６９３５号公報には、実際の燃料圧力が目標燃料圧力よりも低ければ、インジェクタの燃料噴射時間を長くし、逆に実際の燃料圧力が高ければ、燃料噴射時間を短くすることにより、燃料噴射量を目標値に一致させる方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の特開平１１−２９４２４３号公報に記載の方法では、早い周期で変化する燃料圧力の変化に合わせ、高速でこれを取込み、演算してインジェクタに信号を出力する必要があるのでコントローラへの負担が大きくなる問題がある。ここで、インジェクタの噴射時間はｍｓ（ミリセコンド）のオーダーであり、これに伴い燃料圧力もｍｓのオーダーで大きく変化する。一方、コントローラの演算周期は一般に数ｍｓ〜１０ｍｓ程度であるため、前記のように高速に変化する燃料圧力を精度よく検出するのは極めて困難であるばかりでなく、高速の演算処理能力を持つ高価なコントローラが必要となるとが推定される。
【０００５】
また、特開平１１−３６９３５号公報に記載の方法では、１個の圧力センサの情報により全てのインジェクタの噴射時間を一様に同時に補正するものであるので、各インジェクタ間の噴射量バラツキを低減することはできない。
【０００６】
本発明の目的は、時々刻々変動する燃料圧力の情報を用いることなく各インジェクタへの噴射指令値を補正して、各気筒間での燃料噴射量のバラツキを低減できるエンジンの燃料供給装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、単筒プランジャの往復動作で容量を可変することによって噴射弁に燃料を供給する燃料ポンプと、前記プランジャを前記噴射弁が２気筒分噴射する間に１往復動をさせる駆動機構と、前記燃料ポンプを制御して燃料供給圧力を調節しながら前記燃料噴射弁の噴射開始時期と噴射時間幅を制御するコントローラとを備えた筒内噴射エンジンの燃料供給装置において、前記コントローラは、前記燃料ポンプの１吐出の間に噴射する２個の前記燃料噴射弁のうち、一方の燃料噴射弁に与える噴射時間幅を長くし、もう一方の燃料噴射弁に与える噴射時間幅を短くすることにより達成される。
【０００８】
また、前記コントローラは、前記高圧燃料ポンプがプランジャの往復動に同期して行う間欠的吐出の吐出開始時期と吐出時間幅を検出し、前記高圧燃料ポンプの吐出期間と前記燃料噴射弁の噴射期間との重なり状態と、前記筒内噴射エンジンの運転状態より演算される前記燃料噴射弁の目標噴射時間幅と、前記燃料供給圧力の平均値とに応じて前記目標噴射時間幅に対して各燃料噴射弁に与える噴射時間幅を補正することにより達成される。
【０００９】
また、ントローラは、前記高圧燃料ポンプの吐出期間と前記燃料噴射弁の噴射期間との位相を比較して前記噴射時間幅の補正の増減方向を決定し、前記目標噴射時間幅と前記燃料供給圧力の平均値より前記噴射時間幅の最大補正時間幅を決定し、前記吐出期間と前記噴射期間との重なり量に応じて各燃料噴射弁に与える補正時間幅を前記最大補正時間幅から短くして出力することにより達成される。
【００１０】
また、ントローラは、前記高圧燃料ポンプの吐出期間と前記燃料噴射弁の噴射期間との重なり状況を検出して、両者が重ならない場合は、前記高圧燃料ポンプの１吐出が終了した後に最初に噴射する燃料噴射弁の噴射時間幅を短く、次に噴射する燃料噴射弁の噴射時間幅を長くし、また、両者が重なる場合は、重なる側の燃料噴射弁の噴射開始時点までに前記高圧燃料ポンプが吐出した量が１吐出における全吐出量の概ね１／４以下の割合であれば、前記重なる側の燃料噴射弁の噴射時間幅を長く、もう一方の燃料噴射弁の噴射時間幅を短くし、前記吐出量の割合が概ね１／４以上であれば、逆に、前記重なる側の燃料噴射弁の噴射時間幅を短く、もう一方の燃料噴射弁の噴射時間幅を長くすることにより達成される。
【００１１】
また、ントローラは、前記燃料噴射弁への燃料供給圧力を検出し、噴射中の燃料供給圧力が低い方の燃料噴射弁の噴射時間幅を長く、燃料供給圧力が高い方の燃料噴射弁の噴射時間幅を短くすることにより達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、可変容量式単筒プランジャポンプを用い、インジェクタが２気筒分噴射する間にポンプが１回吐出するように構成され、ポンプの可変容量制御により燃料供給圧力を略一定に調節するコントローラを備えた燃料供給装置を対象とするものである。
この単筒プランジャポンプは、吸入・吐出が間欠的になるため、吐出圧力の脈動が大きく、インジェクタの噴射量バラツキが大きくなりやすいが、本発明はこれを解消してポンプの低コスト・省エネルギ等の特長を最大に活かしたものである。
【００１３】
本発明による実施例を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の燃料供給装置の一実施例であり、高圧燃料ポンプとして用いる可変容量式単筒プランジャポンプの一例を詳しく示してある。
【００１４】
図１におて、１０１は、高圧燃料ポンプ全体である。ポンプ本体１には、燃料吸入通路１０、吐出通路１１、加圧室１２が形成されている。加圧室１２には、加圧部材であるプランジャ２が摺動可能に保持されている。プランジャ２は、バネによってカム１００に常に押圧されているため、カム１００が回転するとカム１００の外形形状に習って上下動する。カム１００は、エンジンカバー７３内のエンジンカムシャフト７２に取付けられている。吸入通路１０及び吐出通路１１には、吸入弁５、吐出弁６が設けられており、これらの弁５，６それぞれは、ばねにて一方向に保持され、燃料の流通方向を制限する逆止弁となっている。また、ソレノイド２００がポンプ本体１に保持されており、ソレノイド２００には、係合部材２０１、ばね２０２が配されている。係合部材２０１は、ソレノイド２００がＯＦＦ時は、ばね２０２によって、吸入弁５を開弁する方向に付勢力が付加されている。ばね２０２の付勢力は、吸入弁５のばねの付勢力より大きくなっているため、ソレノイド２００がＯＦＦ時には、図１のように、吸入弁５は開弁状態となっている。
【００１５】
燃料は、タンク５０から低圧ポンプ５１にてポンプ本体１の燃料導入口に、プレッシャレギュレータ５２にて一定の圧力に調圧され、低圧配管９を介してポンプ本体１に導かれている。その後、ポンプ本体１にて加圧され、燃料吐出口からコモンレール５３に向けて圧送される。コモンレール５３には、インジェクタ５４、圧力センサ５６が装着されている。インジェクタ５４は、エンジンの気筒数に合わせて装着されており、コントローラ５５の信号にて噴射する。
【００１６】
上記構成を有する高圧燃料ポンプの動作を以下に説明する。
上記の通り、プランジャ２は、エンジンカムシャフト７２により回転するカム１００によって往復運動し、加圧室１２内の容積が変化する。プランジャ２の吐出行程中に吸入弁５が閉弁すると、加圧室１２内の圧力が上昇し、この圧力によって吐出弁６が開弁し、燃料をコモンレール５３に圧送する。
【００１７】
吸入弁５は、加圧室１２の圧力が燃料導入口より低くなると自動的に開弁するが、閉弁に関しては、ソレノイド２００の動作により決定する。
【００１８】
ソレノイド２００がＯＮ（通電）状態を保持すると、ばね２０２の付勢力以上の電磁力がソレノイド２００に発生し、係合部材２０１をソレノイド２０２側に引き寄せるため、係合部材２０１と吸入弁５は分離する。この状態が継続している間は、吸入弁５は、プランジャ２の往復運動に同期して開閉する自動弁となる。
つまり、吐出行程中における吸入弁５は、閉塞し、加圧室１２の容積減少分の燃料は、吐出弁６を押し開きコモンレール５３へ圧送され、ポンプ吐出量は最大となる。
【００１９】
これに対し、ソレノイド２００がＯＦＦ（無通電）を保持すると、ばね２０２の付勢力によって係合部材２０１は吸入弁５を押し上げ、吸入弁５を開弁状態に保持する。この状態が継続している間は、吐出行程時においても、加圧室１２の圧力は燃料導入口部とほぼ同等の低圧状態を保持し、吐出弁６を開弁することができないため、加圧室１２の容積減少分の燃料は、吸入弁５を通り燃料導入口側へ戻される。よって、ポンプ吐出量を０とすることができる。
【００２０】
一方、吐出行程の途中で、ソレノイド２００をＯＮ状態にすると、このときから、コモンレール５３へ燃料圧送が開始する。一度燃料圧送が開始すると、加圧室１２内の圧力は上昇するため、その後、ソレノイド２００をＯＦＦ状態になったとしても、吸入弁５は閉塞状態を維持する。従って、吸入弁５の開弁は、吐出工程が終了し、吸入行程の始まりと同期して開始する。これは、ソレノイド２００のＯＮタイミングにより、吐出量を０〜１００％の範囲で可変に調節することが可能である。
【００２１】
更に、圧力センサ５６の信号に基づき、コントローラ５５にて適切な吐出タイミングを演算しソレノイド２００をコントロールすることにより、コモンレール５３圧力を略一定値に保つことができる。
【００２２】
ところで、以上説明した高圧燃料ポンプ１０１は、ソレノイド２００によって吐出量を可変に制御することができる可変容量式ポンプである。このポンプのように、１本のプランジャでポンプ作用を行う、いわゆる単筒プランジャポンプは、簡単な構成で可変容量化を実現できるため、低コスト・小形等の点で他形式のポンプより優れている反面、吐出が間欠的になるため、コモンレール５３内の脈圧が大きくなって燃料噴射量にバラツキ発生するという問題がある。
【００２３】
このため、図１の直列４気筒のエンジンにおける燃料供給系の一実施例では、カム１００をエンジンカムシャフト７２で回転させ、カムの１回転でプランジャ２が２往復するようにカム１００の形状を２山カムとしたものである。これにより、インジェクタ５４が２気筒分噴射する間にプランジャ２は、１往復動することになり、コモンレール５３内の脈圧と燃料噴射の位相を常に同期させることができる。
脈圧が大きい場合、インジェクタ５４の噴射するタイミングによっては、燃料圧力が高い場合と低い場合がある。この場合、プランジャ変位とインジェクタ噴射タイミングの同期をとらないと噴射毎に燃料圧力が異なり、同じ開弁時間であっても噴射量が噴射の度に毎回変化してしまう恐れがある。
【００２４】
なお、本実施例ではカム１００をエンジンの１／２の回転速度で回るエンジンカムシャフト７２により駆動しているが、カムをエンジンと同じ回転速度で回るクランクシャフト等で駆動して、山数を１山のカムとしても同様のタイミングで構成することができる。
【００２５】
図２は、このように構成した場合のプランジャ変位、ポンプ流量、インジェクタの噴射流量、コモンレール圧力の時間応答波形を示し、ポンプ１回転分（カム１回転、エンジン２回転分）につき示してある。
図２において、カム１００は、１回転する間にプランジャを２往復動させ、この間、エンジンは２回転する。通常の４サイクルエンジンでは、各気筒がエンジン２回転につき１回爆発するので、カム１００が１回転する間に４個のインジェクタが１回ずつ噴射する。これにより、ポンプ１回の吐出量でインジェクタ２本分の噴射量をまかなう構成となる。
なお、直列４気筒エンジンの場合、各インジェクタを図１のように番号付けすると、噴射順は図２に示すように例えば＃１→＃３→＃４→＃２（＃は番号の意）のようになる。この構成によれば、プランジャ変位とインジェクタ噴射タイミングは同期しているものの、後で詳しく述べるように、ポンプの吐出行程で噴射するインジェクタと吸入行程で噴射するインジェクタとに分かれるため、両インジェクタ間で噴射量がバラツキやすい問題が残る。
【００２６】
これを避けるためには、インジェクタの噴射１気筒分につきポンプ吐出１回とするのが理想である。
例えば、直列４気筒エンジン用のカムは、１回転でプランジャを４往復動させる４山カムとすればよい。しかし、仮に最高回転数が毎分８０００回転のエンジンでは、プランジャの往復動は毎秒２５０回以上と非常に速くなるため、ポンプの耐久性・サイズ・効率のあらゆる面で実現が困難となり、６気筒や８気筒、さらに多気筒のエンジンではカムが６山、８山と増える。そのため、プランジャの往復速度が速くなるばかりか、カム自体も非常に大型化するため、よりいっそう実現は困難である。
特に、キャビテーションの問題は深刻で、プランジャ速度の高速化に伴う吸入圧力の低下のためキャビテーションが起こりやすく、キャビテーションが発生するとポンプの効率低下、耐久性低下が著しくなる。また、この対策のためにダンパー等の新たな機器を追加する必要が生じて、コストアップ、サイズアップを余儀なくされる。
【００２７】
このような理由から、本発明の燃料供給装置では、インジェクタの噴射２気筒分につきポンプ吐出１回とする構成とし、プランジャの往復動周波数を低く抑えて、ポンプの小形・低コスト・高効率を容易に実現可能としている。反面、前記したインジェクタの噴射量バラツキは顕著に表れる。
【００２８】
そこで、本発明では、エンジンの運転状態より演算されるインジェクタの目標噴射時間幅に対し、各インジェクタに与える噴射時間幅を補正することにより各気筒間での燃料噴射量バラツキを低減させる手法を提供するものである。
【００２９】
まず、図２により噴射量バラツキの発生メカニズムを詳細に説明する。
図２において、上から２段目のポンプ流量の一点鎖線は、ポンプが１００％吐出を行った場合の流量で、太線で示す実際の吐出流量は、ソレノイドをＯＮした時点（図示せず）から開始され、インジェクタが必要とする量のみを吐出する。従ってハッチングで示すポンプ１吐出当たりの吐出体積Ｖｐは、噴射順が隣り合う２個のインジェクタの噴射体積ＶａとＶｂの和に等しい。
【００３０】
最下段のコモンレール圧力は、平均圧力のＰａｖｅに対し、インジェクタ噴射によって概ねΔＰだけ圧力が低下し、ポンプ吐出によって２×ΔＰだけ圧力が上昇し、再びインジェクタ噴射によってΔＰ低下してＰａｖｅに戻るというサイクルを繰り返してこのような波形となる。このため吐出行程中に噴射する＃１、＃４のインジェクタは、コモンレール圧力が低いところで噴射するため噴射量が少なくなり、逆に吸入行程中で噴射する＃２、＃３のインジェクタの噴射量が多くなる。これが噴射量バラツキの主原因である。なお、○印は、噴射中のコモンレール圧力の平均値であり、噴射順が隣り合うインジェクタ間での平均噴射圧力の差が大きいことがわかる。
【００３１】
図２では、ポンプ吐出とインジェクタ噴射が重ならない場合の例を示したが、後で述べるように、ポンプ吐出とインジェクタ噴射が重なる場合は、更に複雑な圧力波形となる。しかし、後者の場合は、インジェクタ間の平均噴射圧力の差が減少して噴射量バラツキが小さくなる傾向があり、最も圧力差が大きくなる図２のようなモードが噴射量バラツキも最大になる。
本発明では、まず、このバラツキが最大となるポンプ吐出とインジェクタ噴射が重ならない場合を基準として、噴射時間幅を補正する際の最大補正時間幅を決定する。
【００３２】
次に噴射量バラツキの補正方法を説明する。
【００３３】
本発明では圧力が低い側のインジェクタ（この場合＃１、＃４）の噴射時間幅Ｔａを、エンジンの運転状態より演算されるインジェクタの目標噴射時間幅Ｔｒｅｆに対して補正時間幅ΔＴだけ長くとり、逆に圧力が高い側のインジェクタ（この場合＃２、＃３）の噴射時間幅Ｔｂを、ΔＴだけ短くして噴射量の差を補正するものである。関係式は以下となる。
【００３４】
【数１】

【００３５】
【数２】

【００３６】
各インジェクタの噴射流量Ｑａ、Ｑｂは変動する噴射圧力を平均噴射圧力で代表して近似し、以下のように表す。
【００３７】
【数３】

【００３８】
【数４】

【００３９】
ここで、ｃはインジェクタの流量係数、ａは開口面積、ρは燃料の密度である。
【００４０】
１噴射毎の噴射量（噴射体積）Ｖａ、Ｖｂは次式となる。
【００４１】
【数５】

【００４２】
【数６】

【００４３】
Ｖａ＝Ｖｂとなれば噴射量バラツキはなくなる訳なので、Ｖａ＝Ｖｂとするための補正時間幅ΔＴを求める。Ｖａ＝Ｖｂの関係より、
【００４４】
【数７】

【００４５】
上述の式の意味は、図２の噴射流量の波形を見れば一目瞭然である。すなわち平均噴射圧力の差によりＱａ＜Ｑｂとなってしまうので、Ｔａ＞Ｔｂとすることにより、ハッチングで示すＶａ、Ｖｂの面積を等しくすることができる。
【００４６】
（数７）に（数１）〜（数４）を代入し、ΔＴについて解くと次式が得られる。
【００４７】
【数８】

【００４８】
（数８）でΔＴをΔＴｍａｘと記述したが、上述の通り、図２は噴射量バラツキが最大となるモードであり、このときの補正時間幅ΔＴも最大となる。すなわち、この時のΔＴが最大補正時間幅のΔＴｍａｘである。
【００４９】
（数８）より、平均圧力Ｐａｖｅと圧力脈動の半振幅ΔＰがわかれば、最大補正時間幅ΔＴｍａｘを導出できることがわかる。Ｐａｖｅ、ΔＰは圧力センサ信号により運転中に測定が可能であり、センサ信号によるリアルタイムの補正計算も可能であるが、以下に述べるように推定で求めることもできる。
【００５０】
なお、圧力変化の速度は非常に速いので、特にΔＰを正確に検出するにはサンプリング周期を１ｍｓ程度の高速にまで高める必要がある。通常のコントローラのサンプリング・演算周期は数〜１０ｍｓ程度であるので、正確なΔＰの検出は困難である。あるいは高速の演算能力を持つ高価なコントローラが必要になるという問題がある。もしくは、長時間のデータを取込んで、多数のデータ点から最大点と最小点を抽出してΔＰを求めることによりΔＰの精度を高める、というような工夫が必要となり、この場合は制御周期が長くなるので運転条件の変化に対する追従性が悪くなる課題がある。
【００５１】
そこで、本発明ではΔＰをインジェクタの目標噴射時間幅Ｔｒｅｆより、演算にて推定するようにする。燃料の体積弾性係数Ｂとコモンレール容積Ｖｃがわかっているので、インジェクタの噴射体積がわかれば圧縮性の式よりΔＰは計算可能である。１噴射毎の平均噴射体積をＶａｖｅ（＝（Ｖａ＋Ｖｂ）／２）とすると、ΔＰは次式となる。
【００５２】
【数９】

【００５３】
但し、Ｑａｖｅは平均噴射流量であり、次式で与えるものとする。
【００５４】
【数１０】

【００５５】
一方、平均圧力Ｐａｖｅは燃料圧力を一定に制御する際の目標値を用いるか、圧力センサ信号の平均値を用いればよい。これにより、時々刻々変動する燃料圧力を高速に取込んで演算することなくＰａｖｅ、ΔＰを検出して噴射時間幅の補正ができる。
【００５６】
次に、ポンプ吐出とインジェクタ噴射が重なる場合の補正方法について説明する。
図２では、ポンプ吐出とインジェクタ噴射が重ならない場合の例を示したが、ポンプ吐出に対しインジェクタ噴射の位相は様々に変化するため、これによって両者が重なったり、あるいは吐出行程中に噴射するインジェクタと吸入行程中で噴射するインジェクタとが入れ替わったりもする。特に、筒内噴射エンジンの場合はエンジンの負荷状態により燃料をエンジンの吸気行程で噴射する場合と、圧縮行程で噴射する場合があるため、インジェクタ噴射の位相変化が大きくなる。
さらに、エンジンによってはエンジンカムシャフトの位相をアクチュエータにより変化させる可変バルブタイミング機構を備える機種もあり、高圧燃料ポンプのカムをエンジンカムシャフトにより駆動する場合はポンプ吐出の位相もまた変化することになる。従って、このようなポンプ吐出とインジェクタ噴射の大幅な位相変化に対しても、柔軟に対応できる補正手法が必要となる。
【００５７】
図３〜図５にポンプ吐出とインジェクタ噴射が重なる場合の例を示す。
【００５８】
図３は、ポンプ流量に噴射流量が完全に重なった場合の例で、図２の場合と比較してコモンレールの圧力脈動振幅が２×ΔＰ→ΔＰの半分に減っていることがわかる。これはポンプ吐出による圧力上昇がインジェクタ噴射により相殺されたためで、この場合、噴射順が隣り合うインジェクタ間での平均噴射圧力の差は極めて小さくなり、補正を行わなくても噴射量バラツキは十分に小さい。
【００５９】
ここで、ポンプ吐出と重なる側のインジェクタの噴射開始時点までにポンプが吐出した量（体積）を図３に示すようにＶｐｓとし、１吐出当たりの全吐出体積Ｖｐに対する割合をα（＝Ｖｐｓ／Ｖｐ）と定義する。すなわちαはポンプ吐出に対しどのタイミングでインジェクタが噴射するかを表したもので、αの値によってコモンレール圧力がインジェクタ噴射までにどの圧力まで上昇するかが変化する。図３中に示すように、一点鎖線で示す「ポンプ流量と噴射流量が重ならない場合の上昇圧力」＝２×ΔＰに対し、α＝１／２の場合の上昇圧力は半分のΔＰまで、α＝１／４の場合の上昇圧力はさらに半分のΔＰ／２までと変化する。
【００６０】
図３は、αがほぼ１／４の場合を示しており、この時の隣り合うインジェクタ間の平均噴射圧力の差は非常に小さく、噴射量バラツキもごくわずかである。
【００６１】
次に、図４は、αが１／４より大きい場合の一例で、α＝２／３の場合を示してある。この場合はポンプ吐出と重なる側のインジェクタ（この場合＃１、＃４）の平均噴射圧力が重ならない側のインジェクタ（この場合＃２、＃３）に比べて高くなり、噴射流量はＱａ＞Ｑｂとなるため、逆に、前者のインジェクタの噴射時間幅Ｔａを後者のインジェクタの噴射時間幅Ｔｂに対して短くする必要がある。この場合、αが大きくなるほどに図中のΔＰ’分の圧力が大きくなるので、噴射圧力の差は更に大きくなる。
【００６２】
図５は、αが１／４より小さい場合の一例で、α＝０の場合を示してある。図４の場合とは逆に、噴射流量はＱａ＜Ｑｂとなるので、噴射時間幅をＴａ＞Ｔｂとする必要がある。ここで、インジェクタの噴射位相が図示の状態から更に前方にずれるほどに、図中のΔＰ”分の圧力が大きくなるので、噴射圧力の差は更に大きくなる。ところが、Ｖｐｓは常に０であるのでαは０のままである。
すなわち、αだけでは噴射圧力差の大小を表現し切れないことがわかる。そこで、ポンプ吐出と重なる側のインジェクタがポンプ吐出開始時点までに噴射した量（体積）を図５に示すようにＶｉｓとし、ポンプの吐出体積Ｖｐに対する割合をβ（＝Ｖｉｓ／Ｖｐ）と定義する。このβの値によってコモンレール圧力がポンプ吐出までにどの圧力まで低下するかが変化する。
【００６３】
上記のαとβを組合せて用いることにより、隣り合う２個のインジェクタの噴射圧力の大小関係を広範な条件下で表現することが可能になる。これを図６により説明する。
【００６４】
図６は、インジェクタの噴射位相を徐々にずらした場合の、コモンレール圧力、α値、β値、および補正時間幅ΔＴの変化を示した図である。横軸は時間ではないので注意されたい。一番左はポンプ流量と噴射流量が重ならない状態であり、右に行くにしたがって噴射流量の位相が後方にずれてポンプ流量と重なってくる。両矢印で示す隣り合うインジェクタ間の噴射圧力差は一番左の状態で最大になり、右に行くにしたがい徐々に減少して中央付近のα＝１／４の近傍でほぼ０になる。さらに右に行ってαが１／４以上になると噴射圧力差の大小関係が逆転し、かつ、徐々にまた圧力差が大きくなっていく。α値、β値の変化は図示のごとく、αが０の時、βもまた０であり、両者を共に用いることで噴射位相の変化に対する噴射圧力の大小関係の変化を数値として表すことができる。これにより図６中に示すように補正時間幅ΔＴをα、βの関数として次式のように与えることが可能になる。
【００６５】
【数１１】

【００６６】
（数１０）は、ポンプ流量と噴射流量が重ならない場合の補正時間幅を最大のΔＴｍａｘとし、α＝１／４の噴射圧力差がほぼ０となる場合の補正時間幅を０として、この間を直線で結んでα、βの関数として表したものである。α、βという２つのパラメータを導入することにより、補正時間幅の大きさ・方向を同時に決定することができる。
【００６７】
図７に、以上説明した本発明の燃料供給装置における噴射時間の補正方法をフローチャートで示す。
図７において、コントローラは、燃料噴射量制御を開始すると、アクセル開度、クランク角、エンジン回転数等からエンジンの運転状態を検出し、インジェクタの噴射開始タイミングと目標噴射時間幅Ｔｒｅｆを決定する。次にポンプの吐出開始タイミングと吐出時間幅を先のクランク角やエンジン回転数等の情報から算出し、インジェクタの噴射期間とポンプの吐出期間との重なり状況を比較することによりα値、β値を算出する。補正時間幅の演算は、まず目標噴射時間幅Ｔｒｅｆと平均燃料供給圧力Ｐａｖｅの情報より最大補正時間幅のΔＴｍａｘを計算し、これと先のα、βの値より補正時間幅ΔＴを決定する。最後に目標噴射時間幅Ｔｒｅｆにこの補正時間幅ΔＴを加算、または減算することにより実際にインジェクタに与える噴射時間幅Ｔａ、Ｔｂを演算、出力して制御の１サイクルが終了となる。
【００６８】
エンジン気筒数が６気筒、８気筒と増えても、本発明の燃料供給装置によれば全インジェクタ本数の半分はＴａ、残り半分はＴｂと、噴射時間幅は２種類しかないので演算量は変わらず、コントローラの負担が増えることはない。また、エンジン回転数やアクセル開度等のエンジンの運転状態がよほど急激に変化しない限り、例えば図２の＃１インジェクタのＴａ値と＃４インジェクタのＴａ値を変える必要はないので、制御１サイクルの演算周期はポンプ１〜数回転毎で十分であり、コントローラの演算負荷が非常に小さくて済む。
【００６９】
図８に今回のアルゴリズムに従い噴射量バラツキ補正を行った結果を示す。
図８において、代表的な値を用いて計算すると、例えばＴｒｅｆ＝３．５ｍｓに対し、ΔＴ＝０．０３ｍｓと算出される。この場合の補正後のパルス幅は、Ｔａ＝３．５＋０．０３＝３．５３ｍｓ、Ｔｂ＝３．５−０．０３＝３．４７ｍｓとなる。図８に示す如く、この補正により噴射量バラツキを大幅に低減できることを数値シミュレーション等により確認している。
【００７０】
ここで、図１〜図６に至る本発明の燃料供給装置の一実施例では高圧燃料ポンプとして図１に示した構造のものを用いたが、このポンプのように可変容量制御の際、吐出行程の最初は吐出せず途中から吐出するという方式とは逆に、最初に吐出して途中から吐出を止めることにより可変容量制御を行う構造のポンプも存在する。本発明の燃料供給装置では、このような構造の可変容量式単筒プランジャポンプを用いても、同様にして噴射量バラツキの補正を行うことができる。図９にこの一例を示す。
【００７１】
図９は、ポンプ流量と噴射流量が重ならない場合の一例で、図２に示した実施例に比べてポンプ流量の波形が異なっているのがわかる。図２の場合と同様にポンプの吐出が終了した直後に噴射するインジェクタ（この場合＃１、＃４）の平均噴射圧力は続いて噴射するインジェクタ（この場合＃２、＃３）の平均噴射圧力に比べて高くなっているので、噴射流量はＱａ＞Ｑｂとなっている。したがって、噴射時間幅をＴａ＜Ｔｂとなるよう補正することにより噴射量バラツキを補正することができる。補正時間幅の演算方法も、同様に目標噴射時間幅Ｔｒｅｆと平均燃料供給圧力Ｐａｖｅより最大補正時間幅のΔＴｍａｘを決定し、α、βの値より補正時間幅ΔＴを求めればよい。α、βの定義こそ若干変える必要があるものの、本発明のアルゴリズムに沿って同様の補正が可能であるのは明らかである。
【００７２】
なお、以上の実施例では、コントローラが常に噴射時間幅の補正を行う構成としていたが、目標噴射時間幅Ｔｒｅｆが十分に短いときは、（数９）よりわかるように圧力脈動の半振幅ΔＰも小さくなるので、元々の噴射量バラツキ自体十分に小さく、このような場合は補正を省略してもよい。これによりコントローラの演算負荷を抑えることができる。あるいは先のα値が１／４の近傍では、噴射順が隣り合う２個のインジェクタで平均噴射圧力にほとんど差がないので、やはり噴射時間幅の補正をしなくても噴射量バラツキは十分に小さい。また、αが１／４の近傍ではどちらのインジェクタの燃料噴射圧力が高くなるかが運転条件により変わるため判別が難しく、補正を逆方向に行ってかえって噴射量バラツキを悪化させる可能性もある。したがって、αが１／４の近傍では補正を省略することにより、噴射量バラツキを小さく抑えつつ、コントローラの演算負荷を低減する構成としてもよい。
【００７３】
上述の通り、本発明の燃料供給装置の実施例では、噴射時間幅の補正を、インジェクタの「目標噴射時間幅」、「平均燃料供給圧力」、ポンプ吐出期間とインジェクタ噴射期間との「重なり状態」の３つをパラメータにして行っている。これにより、時々刻々変動する燃料圧力を高速に取込んで演算することなく噴射時間幅の補正ができるので、コントローラに演算負荷をかけることなく噴射量バラツキの低減ができる。
【００７４】
一方、燃料圧力の信号が元々高速に得られる場合には、この情報を基に噴射時間幅の補正を行ってもよい。具体的には、噴射中の燃料供給圧力が低い方のインジェクタの噴射時間幅を長く、噴射中の燃料供給圧力が高い方のインジェクタの噴射時間幅を短くするよう構成し、両インジェクタ間の圧力差に応じて補正時間幅の増減を決定することにより噴射量バラツキの低減が可能になる。
【００７５】
以上説明したように、本発明によれば、各気筒間での燃料噴射量のバラツキを小さく抑えることができるので、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）による空燃比の補正が少なくて済み、安定したエンジン制御が可能になる。また、エンジンが要求する燃料噴射量を精密に制御することができるので、最適な燃焼状態を得てエンジンの動力性能、燃費、排気性状を向上できる。また、少ないコモンレール容積でも噴射量バラツキを小さなレベルに維持できるので、燃料圧力の昇圧性・減圧性が向上する。このため、エンジン始動時の昇圧性、および過渡運転時の目標燃料供給圧力の変化に対する圧力変化の応答性を向上することができる。
【００７６】
特に、本発明では可変容量式単筒プランジャポンプを用い、インジェクタが２気筒分噴射する間にポンプが１回吐出するよう構成し、ポンプの可変容量制御により燃料供給圧力を略一定に調節するコントローラを備えた燃料供給装置を対象とする。
【００７７】
単筒プランジャポンプは吸入・吐出が間欠的になるため吐出圧力の脈動が大きく、インジェクタの噴射量バラツキが大きくなりやすいが、本発明はこれを解消してポンプの低コスト・省エネルギ等の特長を活かした燃料供給装置を提供するものである。
【００７８】
本発明を要約すると、エンジンの運転状態より演算されるインジェクタの目標噴射時間幅に対し、各インジェクタに与える噴射時間幅を補正することにより各気筒間での燃料噴射量バラツキを低減させるものである。そこで、ポンプ１吐出の間に噴射する２個のインジェクタのうち、一方のインジェクタに与える噴射時間幅を長く、もう一方のインジェクタに与える噴射時間幅を短くするよう補正することを基本とする。この時、コントローラは、２個のインジェクタのうち、どちらの噴射時間幅を長くしてどちらを短くするかを、ポンプ吐出に対してどのタイミングでインジェクタが噴射するかにより判断する。
【００７９】
例えば、ポンプが１吐出を終えた直後の燃料圧力は平均圧よりも高くなっているので、この時点で噴射するインジェクタの噴射量は多くなる。また、このインジェクタの噴射により燃料圧力は低下するので、次に噴射するインジェクタの燃料噴射量は相対的に少なくなる。従って、この場合は前者のインジェクタの噴射時間幅を短く、後者の噴射時間幅を長くすることにより、噴射量バラツキを低減できるのである。
【００８０】
さらに具体的には、コントローラはポンプの吐出期間とインジェクタの噴射期間との重なり状況を検出して、両者が重ならない場合は、ポンプの１吐出が終了した後に最初に噴射するインジェクタの噴射時間幅を短く、次に噴射するインジェクタの噴射時間幅を長くする。また、両者が重なる場合は、重なる側のインジェクタの噴射開始時点までにポンプが吐出した量が１吐出における全吐出量の概ね１／４以下の割合であれば、重なる側のインジェクタの噴射時間幅を長く、もう一方のインジェクタの噴射時間幅を短くし、前記吐出量の割合が概ね１／４以上であれば、逆に、重なる側のインジェクタの噴射時間幅を短く、もう一方のインジェクタの噴射時間幅を長くする。これはポンプ吐出に対しインジェクタがどのタイミングで噴射するかにより、その時の燃料圧力がもう一方のインジェクタにおける燃料圧力に対し高くなったり低くなったりするためであり、前記吐出量の割合が概ね１／４の位置がその分岐点になるからである。
【００８１】
次に補正時間幅の決定方法であるが、まず、噴射量バラツキは２個のインジェクタ間における燃料噴射圧力の差が大きいほど大きくなり、平均燃料供給圧力の大小によっても変化する。そして、燃料噴射圧力の差はインジェクタの噴射時間幅が大きいほど大きくなる傾向がある。また、上述の通り、ポンプの吐出期間とインジェクタの噴射期間との重なり状況によりインジェクタ間の燃料噴射圧力の差が変化し、ある範囲では圧力差が非常に小さくなる場合がある。逆に言えば、両期間が重ならない場合の圧力差が最大であり、このとき噴射量バラツキも最大になる。
【００８２】
そこで本発明では、この噴射量バラツキが最大となる、両期間が重ならない場合を基準として補正時間幅の最大値（最大補正時間幅）を目標噴射時間幅と平均燃料供給圧力により決定する。そして、吐出期間と噴射期間との重なり量に応じて補正時間幅を最大補正時間幅から短くして出力するよう構成する。これにより、正確な補正量を算出して噴射量バラツキを広い運転条件において低減することが可能になる。
【００８３】
以上、説明したように、噴射時間幅の補正は、ポンプの吐出期間とインジェクタの噴射期間との「重なり状態」、インジェクタの「目標噴射時間幅」、「平均燃料供給圧力」の３つをパラメータにしてコントローラで行うようにする。平均燃料供給圧力は圧力センサの検出値を用いる必要はなく、燃料供給圧力を一定に制御する際の目標値を用いればよい。これにより、時々刻々変動する燃料圧力を高速に取込んで演算することなく噴射時間幅の補正ができるので、コントローラの演算負荷を大幅に低減できる。本方式によれば、コントローラの演算周期はポンプ１〜数回転毎で十分である。
【００８４】
なお、燃料圧力の信号がある程度高速に得られる場合は、この情報を基に噴射時間幅の補正を行うことも可能である。具体的には、噴射中の燃料供給圧力が低い方のインジェクタの噴射時間幅を長く、噴射中の燃料供給圧力が高い方のインジェクタの噴射時間幅を短くするよう構成し、両インジェクタ間の圧力差に応じて補正時間幅を決定することにより噴射量バラツキの低減が可能になる。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、時々刻々変動する燃料圧力の情報を用いることなく各インジェクタへの噴射指令値を補正して、各気筒間での燃料噴射量のバラツキを低減できるエンジンの燃料供給装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を備えた燃料供給装置の概略を説明する構成図である。
【図２】本発明を備えた燃料供給装置による噴射時間補正の一例を示す図である。
【図３】本発明を備えた燃料供給装置による噴射時間補正の一例を示す図である。
【図４】本発明を備えた燃料供給装置による噴射時間補正の一例を示す図である。
【図５】本発明を備えた燃料供給装置による噴射時間補正の一例を示す図である。
【図６】本発明を備えた燃料供給装置におけるインジェクタの噴射位相を徐々にずらした場合の挙動を示す図である。
【図７】本発明を備えた燃料供給装置における噴射時間の補正方法のフローチャート図である。
【図８】本発明を備えた燃料供給装置における噴射時間補正の効果を示すグラフである。
【図９】本発明の別形式を備えた高圧燃料ポンプを用いた時の噴射時間補正の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…ポンプ本体、２…プランジャ、３…リフタ、５…吸入弁、６…吐出弁、９…低圧配管、１０…吸入流路、１１…吐出流路、１２…加圧室、５０…燃料タンク、５１…低圧ポンプ、５２…プレッシャレギュレータ、５３…コモンレール、５４…インジェクタ、５５…コントローラ、５６…圧力センサ、７２…エンジンカムシャフト、７３…エンジンカバー、１００…カム、１０１…高圧燃料ポンプ、２００…ソレノイド、２０１…係合部材、２０２…ばね。

Claims (2)

1. 単筒プランジャの往復動作で容量を可変することによって噴射弁に燃料を供給する燃料ポンプと、前記プランジャを前記噴射弁が２気筒分噴射する間に１往復動をさせる駆動機構と、前記燃料ポンプを制御して燃料供給圧力を調節しながら前記燃料噴射弁の噴射開始時期と噴射時間幅を制御するコントローラとを備えた筒内噴射エンジンの燃料供給装置において、
   前記コントローラは、前記燃料ポンプの１吐出の間に噴射する２個の前記燃料噴射弁のうち、一方の燃料噴射弁に与える噴射時間幅を長くし、もう一方の燃料噴射弁に与える噴射時間幅を短くすると共に、
   前記コントローラは、前記高圧燃料ポンプの吐出期間と前記燃料噴射弁の噴射期間との重なり状況を検出して、両者が重ならない場合は、前記高圧燃料ポンプの１吐出が終了した後に最初に噴射する燃料噴射弁の噴射時間幅を短く、次に噴射する燃料噴射弁の噴射時間幅を長くし、また、両者が重なる場合は、重なる側の燃料噴射弁の噴射開始時点までに前記高圧燃料ポンプが吐出した量が１吐出における全吐出量の概ね１／４以下の割合であれば、前記重なる側の燃料噴射弁の噴射時間幅を長く、もう一方の燃料噴射弁の噴射時間幅を短くし、前記吐出量の割合が概ね１／４以上であれば、逆に、前記重なる側の燃料噴射弁の噴射時間幅を短く、もう一方の燃料噴射弁の噴射時間幅を長くすることを特徴とする燃料供給装置。
2. 前記コントローラは、前記燃料噴射弁への燃料供給圧力を検出し、噴射中の燃料供給圧力が低い方の燃料噴射弁の噴射時間幅を長く、燃料供給圧力が高い方の燃料噴射弁の噴射時間幅を短くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置
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