JP5565435B2 - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁から燃料を噴射させることに伴い生じる燃料圧力の変化に基づいて、対象噴射での噴射状態を把握して燃料噴射弁の作動を制御する燃料噴射制御装置に関する。
内燃機関の出力トルク及びエミッション状態を精度良く制御するには、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射量及び噴射開始時期等、その噴射状態を精度良く制御することが重要である。そこで特許文献1には、噴孔に至るまでの燃料供給経路内で噴射に伴い生じる燃料圧力の変化を燃圧センサで検出することで、実際の噴射での噴射率波形(噴射状態)を検出している。そして、この噴射率波形に基づき次回からの噴射指令信号を設定することで、噴射状態を所望する状態に精度良く制御することを図っている。
特開2010−3004号公報
ところで、1燃焼サイクルあたりに燃料噴射を複数回行う多段噴射を実施する場合には次の点に留意する必要がある。すなわち、多段噴射を実施している時に燃圧センサにより検出された圧力波形(多段噴射時検出波形)には、対象噴射よりも前段の噴射に起因して生じる波形成分の余波が重畳している。
そこで上記特許文献1では、前段噴射を単段で実施している時の圧力波形を数式で表したモデル波形を予め記憶させておき、上記の多段噴射時検出波形からモデル波形を差し引くことで、対象噴射に起因した圧力波形(対象波形)を抽出している。そして、その抽出した対象波形に基づいて、実際の噴射状態を検出している。
しかしながら、本発明者が各種試験を実施したところ、対象波形に基づき算出した最大噴射率と実際の最大噴射率とにずれが生じることが分かった。すなわち、対象波形は、モデル波形を基準とした相対的な圧力変化を示すため、対象波形とは別にモデル波形が最大噴射率に及ぼす影響が打ち消されることとなる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、多段噴射のうち2段目以降のいずれかの噴射を対象噴射とし、その対象噴射での最大噴射率を高精度で算出することのできる燃料噴射制御装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
請求項1に記載の発明は、内燃機関で燃焼させる燃料を噴孔(11b)から噴射する燃料噴射弁(10)と、前記噴孔に至るまでの燃料供給経路(42b、11a)内の燃料圧力を検出する燃圧センサ(20)と、を備えた燃料噴射システムに適用される燃料噴射制御装置であって、前記内燃機関の1燃焼サイクル中に燃料を複数回噴射する多段噴射を実施している時に、前記燃圧センサにより検出される前記燃料圧力の変化を示す圧力波形を、多段噴射時検出波形として取得する検出波形取得手段と、前記多段噴射のうち2段目以降のいずれかの噴射を対象噴射とした場合に、前記対象噴射を実施することなく前記対象噴射よりも前段の噴射を実施した時の、前記圧力波形の規範となるモデル波形(Wm)を記憶しているモデル波形記憶手段と、前記モデル波形を前記多段噴射時検出波形から差し引いて、前記対象噴射に起因した圧力波形を対象波形(Wt)として抽出する対象波形抽出手段と、前記対象波形において前記燃料噴射弁による噴射が実施されていない時の燃料圧力に基づいて、基準圧力(Pbase)を算出する基準圧力算出手段と、前記対象波形において前記対象噴射の実施に伴い前記基準圧力から燃料圧力が下降した度合いを示す第1パラメータ(ΔPγ、ΔP)と、前記対象噴射を実施している時の前記モデル波形の燃料圧力を反映する第2パラメータ(ΔPdif)とに基づいて、前記対象噴射での最大噴射率(Rmax)を算出する最大噴射率算出手段と、を備えることを特徴とする。
上記構成によれば、燃料噴射弁により燃料の噴射が実施された時に、燃圧センサにより、噴孔に至るまでの燃料供給経路内の燃料圧力が検出される。そして、多段噴射を実施している時に、燃圧センサにより検出される燃料圧力の変化を示す圧力波形が、多段噴射時検出波形として取得される。
モデル波形記憶手段には、多段噴射のうち2段目以降のいずれかの噴射を対象噴射とした場合に、対象噴射を実施することなく対象噴射よりも前段の噴射を実施した時の、圧力波形の規範となるモデル波形が記憶されている。そして、モデル波形が多段噴射時検出波形から差し引かれることで、対象噴射に起因した圧力波形が対象波形として抽出される。また、対象波形において燃料噴射弁による噴射が実施されていない時の燃料圧力に基づいて、基準圧力が算出される。
そして、対象波形において対象噴射の実施に伴い基準圧力から燃料圧力が下降した度合いを示す第1パラメータと、対象噴射を実施している時のモデル波形の燃料圧力を反映する第2パラメータとに基づいて、対象噴射での最大噴射率が算出される。ここで、対象波形において対象噴射の実施に伴い基準圧力から燃料圧力が下降した度合いを示す第1パラメータは、対象噴射での最大噴射率と強い相関がある。また、対象噴射を実施している時のモデル波形の燃料圧力を反映する第2パラメータは、対象波形とは別にモデル波形が最大噴射率に及ぼす影響を反映する。このため、対象噴射での最大噴射率と強い相関のある第1パラメータに加えて、モデル波形が最大噴射率に及ぼす影響を反映する第2パラメータにも基づいて、最大噴射率が算出される。その結果、対象波形に基づいて対象噴射での最大噴射率を算出する場合に、最大噴射率を高精度で算出することができる。
請求項4に記載の発明は、内燃機関で燃焼させる燃料を噴孔(11b)から噴射する燃料噴射弁(10)と、前記噴孔に至るまでの燃料供給経路(42b、11a)内の燃料圧力を検出する燃圧センサ(20)と、を備えた燃料噴射システムに適用される燃料噴射制御装置であって、前記内燃機関の1燃焼サイクル中に燃料を複数回噴射する多段噴射を実施している時に、前記燃圧センサにより検出される前記燃料圧力の変化を示す圧力波形を、多段噴射時検出波形として取得する検出波形取得手段と、前記多段噴射のうち2段目以降のいずれかの噴射を対象噴射とした場合に、前記対象噴射を実施することなく前記対象噴射よりも前段の噴射を実施した時の、前記圧力波形の規範となるモデル波形(Wm)を記憶しているモデル波形記憶手段と、前記モデル波形を前記多段噴射時検出波形から差し引いて、前記対象噴射に起因した圧力波形を対象波形(Wt)として抽出する対象波形抽出手段と、前記多段噴射時検出波形において前記燃料噴射弁による噴射が実施されていない時の燃料圧力である第1パラメータ(Pi、Pc)と、前記対象噴射を実施している時の前記モデル波形の燃料圧力を反映する第2パラメータ(ΔPdif)とに基づいて、前記対象噴射での最大噴射率(Rmax)を算出する最大噴射率算出手段と、を備えることを特徴とする。
上記構成によれば、多段噴射時検出波形において燃料噴射弁による噴射が実施されていない時の燃料圧力である第1パラメータと、対象噴射を実施している時のモデル波形の燃料圧力を反映する第2パラメータとに基づいて、対象噴射での最大噴射率が算出される。ここで、多段噴射時検出波形において燃料噴射弁による噴射が実施されていない時の燃料圧力である第1パラメータは、対象噴射での最大噴射率と強い相関がある。また、対象噴射を実施している時のモデル波形の燃料圧力を反映する第2パラメータは、対象波形とは別にモデル波形が最大噴射率に及ぼす影響を反映する。このため、対象噴射での最大噴射率と強い相関のある第1パラメータに加えて、モデル波形が最大噴射率に及ぼす影響を反映する第2パラメータにも基づいて、最大噴射率が算出される。その結果、対象噴射での最大噴射率を高精度で算出することができる。
燃料噴射制御装置が適用された燃料噴射システムの概略を示す模式図。 噴射指令信号に対応する噴射率及び燃圧の変化を示すタイムチャート。 図1のECUの機能のうち、燃料噴射弁に対する噴射指令信号の設定等の機能を説明するブロック図。 噴射率パラメータを算出する手順を示すフローチャート。 噴射時燃圧波形、非噴射時燃圧波形、噴射波形を示すタイムチャート。 前段噴射から対象噴射までの噴射間隔と実噴射量との関係を示すグラフ。 実噴射率、多段噴射時検出波形、対象波形を示すタイムチャート。 噴射指令信号、多段噴射時検出波形、対象波形を示すタイムチャート。 モデル圧力差の変形例を示すタイムチャート。
以下、燃料噴射制御装置を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の燃料噴射制御装置は、車両用のエンジン(内燃機関)に搭載されたものであり、このエンジンには、複数の気筒#1〜#4について高圧燃料を噴射して圧縮自着火燃焼させるディーゼルエンジンを想定している。
図1は、上記エンジンの各気筒に搭載された燃料噴射弁10、各々の燃料噴射弁10に搭載された燃圧センサ20、及び車両に搭載された電子制御装置であるECU30等を示す模式図である。
まず、燃料噴射弁10を含むエンジンの燃料噴射システムについて説明する。燃料タンク40内の燃料は、燃料ポンプ41によりコモンレール42(蓄圧容器)に圧送されて蓄圧され、各気筒の燃料噴射弁10(#1〜#4)へ分配供給される。複数の燃料噴射弁10(#1〜#4)は、予め設定された順番で燃料の噴射を順次行う。
なお、燃料ポンプ41にはプランジャポンプが用いられているため、プランジャの往復動に同期して燃料は圧送される。そして、燃料ポンプ41はエンジン出力を駆動源としてクランク軸により駆動するので、1燃焼サイクル中に決められた回数だけ燃料ポンプ41から燃料を圧送することとなる。
燃料噴射弁10は、以下に説明するボデー11、ニードル形状の弁体12及びアクチュエータ13等を備えて構成されている。ボデー11は、内部に高圧通路11aを形成するとともに、燃料を噴射する噴孔11bを形成する。弁体12は、ボデー11内に収容されて噴孔11bを開閉する。
ボデー11内には弁体12に背圧を付与する背圧室11cが形成されており、高圧通路11a及び低圧通路11dは背圧室11cと接続されている。高圧通路11a及び低圧通路11dと背圧室11cとの連通状態は、制御弁14により切り替えられる。電磁コイルやピエゾ素子等のアクチュエータ13へ通電して制御弁14を図1の下方へ押し下げ作動させると、背圧室11cが低圧通路11dと連通して背圧室11c内の燃料圧力は低下する。その結果、弁体12へ付与される背圧が低下して、弁体12がリフトアップ(開弁作動)する。これにより、弁体12のシート面12aがボデー11のシート面11eから離れて、噴孔11bから燃料が噴射される。
一方、アクチュエータ13への通電をオフして制御弁14を図1の上方へ作動させると、背圧室11cが高圧通路11aと連通して背圧室11c内の燃料圧力は上昇する。その結果、弁体12へ付与される背圧が上昇して、弁体12はリフトダウン(閉弁作動)する。これにより、弁体12のシート面12aがボデー11のシート面11eに当接して、噴孔11bからの燃料噴射が停止される。
したがって、ECU30がアクチュエータ13への通電を制御することで、弁体12の開閉作動が制御される。これにより、コモンレール42から高圧通路11aへ供給された高圧燃料は、弁体12の開閉作動に応じて噴孔11bから噴射される。
燃圧センサ20は、全ての燃料噴射弁10に搭載されており、以下に説明するステム21(起歪体)及び圧力センサ素子22等を備えて構成されている。ステム21はボデー11に取り付けられており、ステム21に形成されたダイヤフラム部21aが高圧通路11aを流通する高圧燃料の圧力を受けて弾性変形する。圧力センサ素子22はダイヤフラム部21aに取り付けられており、ダイヤフラム部21aで生じた弾性変形量に応じて圧力検出信号をECU30へ出力する。
ECU30は、アクセルペダルの操作量やエンジン負荷、エンジン回転速度NE等に基づき目標噴射状態(例えば噴射段数、噴射開始時期、噴射終了時期、噴射量等)を算出する。例えば、エンジン負荷及びエンジン回転速度に対応する最適噴射状態を、噴射状態マップにして記憶させておく。そして、現状のエンジン負荷及びエンジン回転速度に基づき、噴射状態マップを参照して目標噴射状態を算出する。そして、算出した目標噴射状態に対応する噴射指令信号t1、t2、Tq(図2(a)参照)を、後に詳述する噴射率パラメータtd,te,Rα,Rβ,Rmaxに基づき設定し、燃料噴射弁10へ出力することで燃料噴射弁10の作動を制御する。ECU30(モデル波形記憶手段)は、多段噴射のうち2段目以降のいずれかの噴射を対象噴射とした場合に、対象噴射を実施することなく対象噴射よりも前段の噴射を実施した時の、圧力波形の規範となるモデル波形を記憶している。このモデル波形は数式で表されて記憶されている。
次に、燃料噴射弁10からの燃料の噴射を制御する噴射制御の手法について、図2〜図5を用いて以下に説明する。
燃圧センサ20の検出値に基づいて、噴射に伴い生じた燃料圧力の時間に対する変化を示す圧力波形(図2(c)参照)を検出する。検出した圧力波形に基づいて、時間に対する噴射率の変化を示す噴射率波形(図2(b)参照)を算出する。そして、算出した噴射率波形(噴射状態)を特定する噴射率パラメータRα,Rβ,Rmaxを学習するとともに、噴射指令信号(パルスオン時期t1及びパルスオン期間Tq)と噴射状態との相関関係を特定する噴射率パラメータtd,teを学習する。
具体的には、圧力波形のうち、噴射開始に伴い燃圧が下降を開始する変曲点P1から下降が終了する変曲点P2までの下降波形を、最小二乗法等により直線に近似した下降近似直線Lαを算出する。そして、下降近似直線Lαのうち、燃圧が基準値Bαとなる時期(LαとBαとが交わる交点時期LBα)を算出する。この交点時期LBαと噴射開始時期R1とは相関が強いことに着目し、交点時期LBαに基づき噴射開始時期R1を算出する。例えば、交点時期LBαよりも所定の遅れ時間Cαだけ前の時期を噴射開始時期R1として算出すればよい。
また、圧力波形のうち、噴射終了に伴い燃圧上昇を開始する変曲点P3から上昇が終了する変曲点P5までの上昇波形を、最小二乗法等により直線に近似した上昇近似直線Lβを算出する。そして、上昇近似直線Lβのうち、燃圧が基準値Bβとなる時期(LβとBβとが交わる交点時期LBβ)を算出する。この交点時期LBβと噴射終了時期R4とは相関が強いことに着目し、交点時期LBβに基づき噴射終了時期R4を算出する。例えば、交点時期LBβよりも所定の遅れ時間Cβだけ前の時期を噴射終了時期R4として算出すればよい。
次に、下降近似直線Lαの傾きと噴射率上昇の傾きとは相関が強いことに着目し、図2(b)に示す噴射率波形のうち噴射率上昇を示す直線Rαの傾きを、下降近似直線Lαの傾きに基づき算出する。例えば、Lαの傾きに所定の係数を掛けてRαの傾きを算出すればよい。同様にして、上昇近似直線Lβの傾きと噴射率下降の傾きとは相関が強いので、噴射率波形のうち噴射率下降を示す直線Rβの傾きを、上昇近似直線Lβの傾きに基づき算出する。
次に、噴射率波形の直線Rα,Rβに基づき、噴射終了を指令したことに伴い弁体12がリフトダウンを開始する時期(閉弁作動開始時期R23)を算出する。具体的には、両直線Rα,Rβの交点を算出し、その交点時期を閉弁作動開始時期R23として算出する。また、噴射開始時期R1の噴射開始指令時期t1に対する遅れ時間(噴射開始遅れ時間td)を算出する。また、閉弁作動開始時期R23の噴射終了指令時期t2に対する遅れ時間(噴射終了遅れ時間te)を算出する。
また、下降近似直線Lα及び上昇近似直線Lβの交点に対応した圧力を交点圧力Pαβとして算出し、後に詳述する基準圧力Pbaseと交点圧力Pαβとの圧力差ΔPγを算出する。圧力差ΔPγ(第1パラメータ)は、圧力波形(対象波形)において対象噴射の実施に伴い基準圧力Pbaseから燃料圧力が下降した度合いを示す。この圧力差ΔPγと最大噴射率Rmaxとは相関が強いことに着目し、圧力差ΔPγに基づき最大噴射率Rmaxを算出する。具体的には、圧力差ΔPγに相関係数Cγを掛けることで最大噴射率Rmaxを算出する。圧力差ΔPγが大きいほど、最大噴射率Rmaxは大きく算出される。但し、圧力差ΔPγが所定値ΔPγth未満である小噴射の場合には上述の如くRmax=ΔPγ×Cγとする一方で、ΔPγ≧ΔPγthである大噴射の場合には燃圧に応じて予め設定しておいた値(設定値Rγ)を最大噴射率Rmaxとして算出する。
なお、上記「小噴射」とは、噴射率がRγに達する前に弁体12がリフトダウンを開始する態様の噴射を想定している。このときには、燃料噴射弁10の高圧通路11a内を流通する燃料が、シート面11e,12aにより絞られることで最大噴射率Rmaxが決定される。一方、上記「大噴射」とは、噴射率がRγに達した後に弁体12がリフトダウンを開始する態様の噴射を想定している。このときには、高圧通路11a内を流通する燃料が、噴孔11bにより絞られることで最大噴射率Rmax(設定値Rγ)が決定される。要するに、噴射指令期間Tqが十分に長く、設定値Rγに達した以降も開弁状態を継続させる大噴射の場合においては、噴射率波形は台形となる(図2(b)の実線参照)。一方、設定値Rγに達する前に閉弁作動を開始させる小噴射の場合には、噴射率波形は三角形となる(図2(b)の点線参照)。
以上により、圧力波形から噴射率パラメータtd,te,Rα,Rβ,Rmaxを算出することができる。そして、これらの噴射率パラメータtd,te,Rα,Rβ,Rmaxの経時変化を加味した学習値に基づき、噴射指令信号(図2(a)参照)に対応した噴射率波形(図2(b)参照)を算出することができる。なお、このように算出した噴射率波形の面積(図2(b)中の網点ハッチ参照)は噴射量に相当するので、噴射率パラメータに基づき噴射量を算出することもできる。例えば、算出した噴射量と噴射指令期間Tqとの関係を、噴射率パラメータとして算出(学習)してもよい。
図3は、これら噴射率パラメータの学習、及び燃料噴射弁10へ出力する噴射指令信号の設定等の概要を示すブロック図である。同図に基づいて、ECU30により機能する各部31,32,33,34について以下に説明する。噴射率パラメータ算出部31は、燃圧センサ20により検出された圧力波形に基づき、先述したように噴射率パラメータtd,te,Rα,Rβ,Rmaxを算出する。
学習部32は、算出した噴射率パラメータをECU30のメモリに記憶更新して学習する。なお、噴射率パラメータは、その時の供給燃圧(コモンレール42内の圧力)および噴射量に応じて異なる値となる。そのため、後述する基準圧力Pbase(図2(c)参照)や供給燃圧等の燃圧と、噴射率波形の面積から算出される噴射量Qや噴射指令期間Tq等の噴射量とに関連付けて、噴射率パラメータを学習させている。図3の例では、噴射量Qに対する噴射率パラメータの値を噴射率パラメータマップM1〜M5に記憶させている。そして、これらのマップM1〜M5は、燃圧の代表値(例えば30MPa,50MPa,100MPa・・・等)毎に異なるマップとして設定されている。
補間部33は、現時点での要求噴射量および燃圧に対応する噴射率パラメータを、噴射率パラメータマップM1〜M5に記憶されている噴射率パラメータの学習値を補間して算出する。
設定部34は、補間部33により算出した噴射率パラメータに基づき、目標噴射状態(要求噴射量および要求噴射開始時期)に対応する噴射指令信号(噴射開始指令時期t1、噴射指令期間Tq)を設定する。そして、このように設定した噴射指令信号にしたがって燃料噴射弁10を作動させた時の圧力波形を、燃圧センサ20により検出する。そして、検出した圧力波形に基づいて、噴射率パラメータ算出部31は噴射率パラメータtd,te,Rα,Rβ,Rmaxを算出する。
要するに、噴射指令信号に対する実際の噴射状態(つまり噴射率パラメータtd,te,Rα,Rβ,Rmax)を検出して学習し、その学習値に基づき、目標噴射状態に対応する噴射指令信号を設定する。そのため、実際の噴射状態に基づき噴射指令信号がフィードバック制御されることとなり、実噴射状態が目標噴射状態に一致するよう燃料噴射状態を高精度で制御できる。特に、実噴射量が目標噴射量となるように、噴射率パラメータに基づき噴射指令期間Tqを設定するようフィードバック制御することで、実噴射量を目標噴射量に一致させることができる。
次に、検出した圧力波形(図2(c)参照)から噴射率パラメータtd,te,Rα,Rβ,Rmax(図2(b)参照)を算出することで噴射状態を解析する手順について、図4のフローチャートを用いて説明する。なお、図4に示す処理は、ECU30が有するマイコンにより繰り返し実行される。
まず、ステップS10において、以下に説明する噴射波形Wbを燃圧センサ20の検出値に基づき算出する。以下の説明では、燃料噴射中の気筒を噴射気筒、噴射気筒で燃料を噴射している時に噴射を停止させている気筒を非噴射気筒と称す。また、噴射気筒の燃料噴射弁10に搭載されている燃圧センサ20を噴射時センサ、非噴射気筒の燃料噴射弁10に搭載されている燃圧センサ20を非噴射時センサと称す。
ステップS10では、噴射時センサにより所定のサンプリング周期で検出した複数の検出値を取得し、これらの検出値に基づき、噴射に伴い生じた噴射時センサでの燃圧変化を表す燃圧波形Wa(図5(a)参照)を生成する。次に、非噴射時センサにより所定のサンプリング周期で検出した複数の検出値を取得し、これらの検出値に基づき、噴射に伴い生じた非噴射時センサでの燃圧変化を表す燃圧波形Wu(図5(b)参照)を生成する。
ちなみに、燃料ポンプ41からコモンレール42へ燃料を圧送するタイミングと噴射タイミングとが重複した場合には、燃圧波形Wuは図5(b)の実線に示すように、全体的に圧力が高くなった波形となる。一方、このようなポンプ圧送が燃料噴射中に行われなかった場合には、燃料を噴射した直後は、その噴射分だけ噴射システム内全体の燃圧が低下する。そのため、燃圧波形Wu’は図5(b)中の点線に示すように、全体的に圧力が低くなった波形となる。
このような燃圧波形Wu,Wu’の成分は燃圧波形Waにも含まれている。換言すれば、燃圧波形Waには、噴射による燃圧変化を表した噴射波形Wb(図5(c)参照)と、燃圧波形Wu,Wu’の成分とが含まれている。そこでステップS10では、噴射気筒での燃圧波形Waから非噴射気筒での燃圧波形Wu,Wu’を差し引くことで、噴射波形Wbを抽出する処理を行う(Wb=Wa−Wu)。
次に、図4のステップS11において、以下に説明するうねり除去処理を行う。すなわち、多段噴射を実施する場合には、前段噴射の終了後に残る圧力波形の脈動である前段うねり成分Wc(図2(c)参照)が、燃圧波形Waに重畳する。特に、前段噴射と対象噴射とのインターバルが短い場合には、対象噴射の燃圧波形Waは前段うねり成分Wcの影響を大きく受ける。そこで上記ステップS11では、このような前段うねり成分Wcを噴射波形Wbから差し引くうねり除去処理を実施する。なお、前段うねり成分Wc(モデル波形)については、前段の噴射状態から推測することができる。
続くステップS12では、前記うねり除去処理を施した噴射波形Wb(対象波形)のうち、噴射開始に伴い燃圧が下降を開始するまでの期間に対応する部分の波形である基準波形に基づき、その基準波形の平均燃圧を基準圧力Pbaseとして算出する。例えば、噴射開始指令時期t1から所定時間が経過するまでの期間TAに対応する部分を、基準波形として設定すればよい。或いは、下降波形の微分値に基づき変曲点P1を算出し、噴射開始指令時期t1から変曲点P1よりも所定時間前までの期間に相当する部分を基準波形として設定すればよい。すなわち、基準波形は、うねり除去処理を施した噴射波形Wbにおいて、燃料噴射弁10による噴射が実施されていない時の圧力波形、詳しくは前段噴射が実施される直前の圧力波形である。
続くステップS13では、噴射波形Wbのうち、噴射率増大に伴い燃圧が下降していく期間に対応する部分の波形である下降波形に基づき、その下降波形の近似直線Lαを算出する。例えば、噴射開始指令時期t1から所定時間が経過した時点からの所定期間TBに対応する部分を、下降波形として設定すればよい。或いは、下降波形の微分値に基づき変曲点P1,P2を算出し、これら変曲点P1,P2の間に相当する部分を下降波形として設定すればよい。そして、下降波形を構成する複数の燃圧検出値(サンプリング値)から、最小二乗法により近似直線Lαを算出すればよい。或いは、下降波形のうち微分値が最小となる時点における接線を、近似直線Lαとして算出すればよい。
続くステップS14では、噴射波形Wbのうち、噴射率下降に伴い燃圧が上昇していく期間に対応する部分の波形である上昇波形に基づき、その上昇波形の近似直線Lβを算出する。例えば、噴射終了指令時期t2から所定時間が経過した時点からの所定期間TCに対応する部分を、上昇波形として設定すればよい。或いは、上昇波形の微分値に基づき変曲点P3,P5を算出し、これら変曲点P3,P5の間に相当する部分を上昇波形として設定すればよい。そして、上昇波形を構成する複数の燃圧検出値(サンプリング値)から、最小二乗法により近似直線Lβを算出すればよい。或いは、上昇波形のうち微分値が最大となる時点における接線を、近似直線Lβとして算出すればよい。
続くステップS15では、基準圧力Pbaseに基づき基準値Bα,Bβを算出する。例えば、基準圧力Pbaseより所定量だけ低い値を基準値Bα,Bβとして算出すればよい。なお、両基準値Bα,Bβを同じ値に設定する必要はない。また、前記所定量は基準圧力Pbaseの値や燃料温度等に応じて可変設定してもよい。
続くステップS16では、近似直線Lαのうち、燃圧が基準値Bαとなる時期(LαとBαの交点時期LBα)を算出する。この交点時期LBαと噴射開始時期R1とは相関が強いことに着目し、交点時期LBαに基づき噴射開始時期R1を算出する。例えば、交点時期LBαよりも所定の遅れ時間Cαだけ前の時期を噴射開始時期R1として算出すればよい。
続くステップS17では、近似直線Lβのうち、燃圧が基準値Bβとなる時期(LβとBβの交点時期LBβ)を算出する。この交点時期LBβと噴射終了時期R4とは相関が強いことに着目し、交点時期LBβに基づき噴射終了時期R4を算出する。例えば、交点時期LBβよりも所定の遅れ時間Cβだけ前の時期を噴射終了時期R4として算出すればよい。なお、上記遅れ時間Cα,Cβは、基準圧力Pbaseの値や燃料温度等に応じて可変設定してもよい。
続くステップS18では、近似直線Lαの傾きと噴射率上昇の傾きとは相関が強いことに着目し、図2(b)に示す噴射率波形のうち噴射率上昇を示す直線Rαの傾きを、近似直線Lαの傾きに基づき算出する。例えば、Lαの傾きに所定の係数を掛けてRαの傾きを算出すればよい。なお、ステップS16で算出した噴射開始時期R1とステップS18で算出したRαの傾きに基づき、噴射指令信号に対する噴射率波形の上昇部分を表した直線Rαを特定することができる。
さらにステップS18では、近似直線Lβの傾きと噴射率下降の傾きとは相関が強いことに着目し、噴射率波形のうち噴射率下降を示す直線Rβの傾きを、近似直線Lβの傾きに基づき算出する。例えば、Lβの傾きに所定の係数を掛けてRβの傾きを算出すればよい。なお、ステップS17で算出した噴射終了時期R4とステップS18で算出したRβの傾きに基づき、噴射指令信号に対する噴射率波形の下降部分を表した直線Rβを特定することができる。なお、上記所定の係数は、基準圧力Pbaseの値や燃料温度等に応じて可変設定してもよい。
続くステップS19では、ステップS18で算出した噴射率波形の直線Rα,Rβに基づき、噴射終了を指令したことに伴い弁体12がリフトダウンを開始する時期(閉弁作動開始時期R23)を算出する。具体的には、両直線Rα,Rβの交点を算出し、その交点時期を閉弁作動開始時期R23として算出する。
続くステップS20では、ステップS16で算出した噴射開始時期R1の噴射開始指令時期t1に対する遅れ時間(噴射開始遅れ時間td)を算出する。また、ステップS19で算出した閉弁作動開始時期R23の噴射終了指令時期t2に対する遅れ時間(噴射終了遅れ時間te)を算出する。なお、噴射終了遅れ時間teとは、噴射終了を指令した時期t2から、制御弁14の作動を開始する時期までの遅れ時間のことである。要するにこれらの遅れ時間td,teは、噴射指令信号に対する噴射率変化の応答遅れを表すパラメータであり、他にも、噴射開始指令時期t1から最大噴射率到達時期R2までの遅れ時間、噴射終了指令時期t2から噴射率低下開始時期R3までの遅れ時間、噴射終了指令時期t2から噴射終了時期R4までの遅れ時間等が挙げられる。
続くステップS21では、基準圧力Pbaseと交点圧力Pαβとの圧力差ΔPγ(第1パラメータ)が所定値ΔPγth未満であるか否かを判定する。ΔPγ<ΔPγthと判定された場合(S21:YES)には、次のステップS22において、上述したモデル波形が最大噴射率Rmaxに及ぼす影響を加味するために圧力差ΔPγを補正する。この処理については後述する。そして、この場合には小噴射であるとみなして、次のステップS23において、補正された圧力差ΔPγに基づき最大噴射率Rmaxを算出する(Rmax=ΔPγ×Cγ)。
一方、ΔPγ≧ΔPγthと判定された場合(S21:NO)には、次のステップS24において、燃料噴射弁10に供給される燃料の圧力に応じて予め設定しておいた値(設定値Rγ)を、最大噴射率Rmaxとして算出する。燃料噴射弁10に供給される燃料の圧力(第1パラメータ)としては、コモンレール42内の燃圧Pcや、上記噴射波形Wbにおいて燃料噴射弁10による噴射が実施されていない時の燃圧Piを用いることができる。第1パラメータが大きいほど、最大噴射率Rmaxは大きく算出される。そして、この場合には大噴射であるとみなして、次のステップS25において、上述したモデル波形が最大噴射率Rmaxに及ぼす影響を加味するために最大噴射率Rmax(設定値Rγ)を補正する。この処理については後述する。
そして、この一連の処理を一旦終了する(END)。なお、ステップS10の処理が検出波形取得手段としての処理に相当し、ステップS11の処理が対象波形抽出手段としての処理に相当し、ステップS12の処理が基準圧力算出手段としての処理に相当し、ステップS22,23の処理及びステップS24,25の処理がそれぞれ最大噴射率算出手段としての処理に相当する。
図6は、図4のステップS22,S25の処理を行っていない場合について、前段噴射から対象噴射までの噴射間隔と実噴射量との関係を示すグラフである。ここでは、同一のエンジン負荷及びエンジン回転速度(エンジン運転状態)に基づいて、目標噴射状態(噴射量の目標値を含む)を算出している。そして、算出した目標噴射状態に対応する噴射指令信号t1、t2、Tqを、上述した噴射率パラメータtd,te,Rα,Rβ,Rmaxに基づき設定して、燃料噴射弁10の作動を制御している。なお、噴射量の目標値に対する実噴射量のフィードバック制御は行っていない。
同図に示すように、噴射間隔に応じて実噴射量は周期的に変化しており、噴射量の目標値と実噴射量とにずれが生じている。特に、一点鎖線の囲みで示すように、噴射間隔が短い場合において、目標値と実噴射量とのずれが大きくなっている。
次に、このような目標値と実噴射量とのずれが生じる理由を説明する。図7は、(a)実噴射率、(b)多段噴射時検出波形、(c)対象波形を示すタイムチャートである。ここでは、前段噴射から対象噴射までの噴射間隔のみを変化させて小噴射を実施し、噴射率を実際に測定した結果を示している。対象波形Wtは、多段噴射時検出波形から前段噴射による圧力脈動(モデル波形Wm)を差し引いたものである。なお、同図中の各符号は、図2中の各符号と対応しており、噴射間隔が最も短い噴射(実線の波形)には「1」の添字、噴射間隔が最も長い噴射(一点鎖線の波形)には「2」の添字を付している。
(a),(b)に示すように、実噴射率波形と多段噴射時検出波形とでは、最大噴射率Rmaxの変化(Rmax1〜Rmax2)と圧力差ΔPγの変化(ΔPγ1〜ΔPγ2)とが相関している。一方、(a),(c)に示すように、実噴射率波形と対象波形Wtとでは、最大噴射率Rmaxの変化(Rmax1〜Rmax2)と圧力差ΔPγの変化(ΔPγ1〜ΔPγ2)とが相関していない。このため、対象波形Wtに基づいて最大噴射率Rmaxを算出すると、実際の最大噴射率Rmaxとずれることとなる。
その理由は、(b)に示されるように、噴射間隔の相違により噴射開始時(変曲点P1)での燃圧はそれぞれ相違するが、(c)に示されるように、対象波形Wtでは噴射開始時での燃圧の相違が打ち消されることによる。すなわち、対象波形Wtでは、噴射開始時のモデル波形Wmの燃圧を基準として交点圧力Pαβが算出されるため、噴射開始時のモデル波形Wmの燃圧が噴射間隔に応じて変化しても、その変化が最大噴射率Rmaxの算出に反映されない。しかしながら、(a),(b)に示すように、実噴射率は噴射開始時の燃圧や、噴射中の燃圧により影響を受けるため、対象波形Wtに基づき算出された最大噴射率Rmaxが実際の最大噴射率Rmaxとずれることとなる。
また、大噴射の場合にも、実噴射率は噴射開始時の燃圧や、噴射中の燃圧により影響を受けるため、最大噴射率Rmaxの算出に際してこれらを考慮する必要がある。
そこで、本実施形態では、こうした最大噴射率Rmaxのずれを補正すべく、図4のステップS22,23、及びステップS24,25において以下の処理を行っている。図8は、(a)駆動噴射指令、(b)多段噴射時検出波形、(c)対象波形を示すタイムチャートである。
ステップS22では、対象波形Wtでの圧力差ΔPγ(第1パラメータ)を、対象噴射を実施している時のモデル波形Wmの燃圧を反映するモデル圧力差ΔPdif(第2パラメータ)に基づいて補正する。詳しくは、モデル圧力差ΔPdifは、モデル波形Wmにおける対象噴射の開始時期t1の燃料圧力P11と、対象噴射の実施に伴い対象波形Wtの燃料圧力が最低になる時期t12(又は交点圧力Pαβに対応する時期)のモデル波形Wmの燃料圧力P12との差である。そして、モデル圧力差ΔPdifに補正係数Km1を掛けたものを圧力差ΔPγに加算して、それを補正後の圧力差ΔPγとする。補正係数Km1は、一定値でもよいし、コモンレール42内の燃圧Pcや、多段噴射時検出波形において燃料噴射弁10による噴射が実施されていない時(前段噴射の直前)の燃圧Piに応じて、可変としてもよい。そして、ステップS23では、上述したように、補正された圧力差ΔPγに基づき最大噴射率Rmaxを算出する(Rmax=ΔPγ×Cγ)。
また、ステップS24では、上述したように、燃料噴射弁10に供給される燃料の圧力(第1パラメータ)に応じて予め設定しておいた値(設定値Rγ)を、最大噴射率Rmaxとして算出する。そして、ステップS25では、最大噴射率Rmax(設定値Rγ)を、上記モデル圧力差ΔPdif(第2パラメータ)に基づいて補正する。詳しくは、モデル圧力差ΔPdifに補正係数Km2を掛けたものを最大噴射率Rmaxに加算して、それを補正後の最大噴射率Rmaxとする。又は、圧力差ΔPγにモデル圧力差ΔPdifを加えたもの(ΔPγR)と圧力差ΔPγとの比(或いはその比に補正係数Km2を掛けたもの)を最大噴射率Rmaxに掛けて、それを補正後の最大噴射率Rmaxとする。補正係数Km2は、一定値でもよいし、コモンレール42内の燃圧Pcや、多段噴射時検出波形において燃料噴射弁10による噴射が実施されていない時(前段噴射の直前)の燃圧Piに応じて、可変としてもよい。
以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。
・小噴射では、対象波形Wtにおいて対象噴射の実施に伴い基準圧力Pbaseから燃料圧力が下降した度合いを示す交点圧力Pαβ(第1パラメータ)と、対象噴射を実施している時のモデル波形Wmの燃料圧力を反映するモデル圧力差ΔPdif(第2パラメータ)とに基づいて、対象噴射での最大噴射率Rmaxが算出される。ここで、交点圧力Pαβは、対象噴射での最大噴射率Rmaxと強い相関がある。また、モデル圧力差ΔPdifは、対象波形Wtとは別にモデル波形Wmが最大噴射率Rmaxに及ぼす影響を反映する。このため、対象噴射での最大噴射率Rmaxと強い相関のある交点圧力Pαβに加えて、モデル波形Wmが最大噴射率Rmaxに及ぼす影響を反映するモデル圧力差ΔPdifにも基づいて、最大噴射率Rmaxが算出される。その結果、対象波形Wtに基づいて対象噴射での最大噴射率Rmaxを算出する場合に、最大噴射率Rmaxを高精度で算出することができる。
・大噴射では、多段噴射時検出波形において燃料噴射弁10による噴射が実施されていない時の燃圧Pi(第1パラメータ)と、対象噴射を実施している時のモデル波形Wmの燃料圧力を反映するモデル圧力差ΔPdif(第2パラメータ)とに基づいて、対象噴射での最大噴射率Rmax(設定値Rγ)が算出される。ここで、燃圧Piは、対象噴射での最大噴射率Rmaxと強い相関がある。また、モデル圧力差ΔPdifは、対象波形Wtとは別にモデル波形Wmが最大噴射率Rmaxに及ぼす影響を反映する。このため、対象噴射での最大噴射率Rmaxと強い相関のある燃圧Piに加えて、モデル波形Wmが最大噴射率Rmaxに及ぼす影響を反映するモデル圧力差ΔPdifにも基づいて、最大噴射率Rmaxが算出される。その結果、対象噴射での最大噴射率Rmaxを高精度で算出することができる。
・モデル波形Wmにおける対象噴射の開始時期t11の燃料圧力P11と、対象噴射の実施に伴い対象波形Wtの燃料圧力が最低になる時期t12(又は交点圧力Pαβに対応する時期)におけるモデル波形Wmの燃料圧力P12との差であるモデル圧力差ΔPdifを、第2パラメータとしている。このため、対象噴射での最大噴射率Rmaxを、より高精度で算出することができる。
なお、上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変形して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。
・図4のステップS22,23の処理を以下のように変更してもよい。すなわち、ステップS22では、対象波形Wtでの圧力差ΔPγ(第1パラメータ)に基づいて、最大噴射率Rmaxを算出する。そして、ステップS23では、最大噴射率Rmaxを、上記モデル圧力差ΔPdif(第2パラメータ)に基づいて補正する。詳しくは、上述した図4のステップS25と同様に、最大噴射率Rmaxを補正すればよい。
・図4のステップS24,25の処理を以下のように変更してもよい。すなわち、ステップS24では、燃料噴射弁10に供給される燃圧Pi(第1パラメータ)を、対象噴射を実施している時のモデル波形Wmの燃圧を反映するモデル圧力差ΔPdif(第2パラメータ)に基づいて補正する。詳しくは、モデル圧力差ΔPdifに補正係数Km1を掛けたものを燃圧Piに加算して、それを補正後の燃圧Piとする。補正係数Km1は、一定値でもよいし、コモンレール42内の燃圧Pcや、多段噴射時検出波形において燃料噴射弁10による噴射が実施されていない時(前段噴射の直前)の燃圧Piに応じて、可変としてもよい。そして、ステップS25では、補正後の燃圧Piに基づいて、最大噴射率Rmaxを算出する。
・図9に示すように、モデル圧力差ΔPdif(第2パラメータ)として、モデル波形Wmにおける対象噴射の開始時期t1の燃料圧力P11と、モデル波形Wmにおいて燃料噴射弁10による噴射が実施されていない時(前段噴射の直前)の燃料圧力P13との差を採用することもできる。この場合のモデル圧力差ΔPdifは、図8に示したモデル圧力差ΔPdifとは、誤差圧力ΔPerだけ相違することとなるが、その傾向は概ね同様となる。こうした構成によれば、簡易な構成により、対象噴射での最大噴射率Rmaxを高精度で算出することができる。
・図2,7に示すように、第1パラメータとして、基準圧力Pbaseと対象波形Wtにおける変曲点P2,P23の燃料圧力との圧力差ΔPを用いることもできる。この圧力差ΔPも、対象波形Wtにおいて対象噴射の実施に伴い基準圧力Pbaseから燃料圧力が下降した度合いを示す。
・上記実施形態では、燃圧センサ20を燃料噴射弁10に搭載しているが、燃圧センサはコモンレール42の吐出口42aから噴孔11bに至るまでの燃料供給経路内の燃圧を検出するよう配置された燃圧センサであればよい。よって、例えばコモンレール42と燃料噴射弁10とを接続する高圧配管42bに燃圧センサを搭載してもよい。つまり、コモンレール42及び燃料噴射弁10を接続する高圧配管42bと、ボデー11内の高圧通路11aとが「燃料供給経路」に相当する。
10…燃料噴射弁、11a…高圧通路、11b…噴孔、20…燃圧センサ、30…ECU、31…噴射率パラメータ算出部、32…学習部、33…補間部、34…設定部、42…コモンレール、42b…高圧配管。

Claims (8)

  1. 内燃機関で燃焼させる燃料を噴孔(11b)から噴射する燃料噴射弁(10)と、前記噴孔に至るまでの燃料供給経路(42b、11a)内の燃料圧力を検出する燃圧センサ(20)と、を備えた燃料噴射システムに適用され、
    前記内燃機関の1燃焼サイクル中に燃料を複数回噴射する多段噴射を実施している時に、前記燃圧センサにより検出される前記燃料圧力の変化を示す圧力波形を、多段噴射時検出波形として取得する検出波形取得手段と、
    前記多段噴射のうち2段目以降のいずれかの噴射を対象噴射とした場合に、前記対象噴射を実施することなく前記対象噴射よりも前段の噴射を実施した時の、前記圧力波形の規範となるモデル波形(Wm)を記憶しているモデル波形記憶手段と、
    前記モデル波形を前記多段噴射時検出波形から差し引いて、前記対象噴射に起因した圧力波形を対象波形(Wt)として抽出する対象波形抽出手段と、
    前記対象波形において前記燃料噴射弁による噴射が実施されていない時の燃料圧力に基づいて、基準圧力(Pbase)を算出する基準圧力算出手段と、
    前記対象波形において前記対象噴射の実施に伴い前記基準圧力から燃料圧力が下降した度合いを示す第1パラメータ(ΔPγ、ΔP)と、前記対象噴射を実施している時の前記モデル波形の燃料圧力を反映する第2パラメータ(ΔPdif)とに基づいて、前記対象噴射での最大噴射率(Rmax)を算出する最大噴射率算出手段と、
    を備えることを特徴とする燃料噴射制御装置。
  2. 前記第1パラメータは、前記基準圧力と、前記対象波形において前記対象噴射の実施に伴って、燃料圧力が下降する部分を近似した直線(Lα)と燃料圧力が上昇する部分を近似した直線(Lβ)との交点に対応する燃料圧力(Pαβ)と、の圧力差(ΔPγ)である請求項1に記載の燃料噴射制御装置。
  3. 前記最大噴射率算出手段は、前記圧力差が大きいほど前記最大噴射率を大きく算出する請求項2に記載の燃料噴射制御装置。
  4. 内燃機関で燃焼させる燃料を噴孔(11b)から噴射する燃料噴射弁(10)と、前記噴孔に至るまでの燃料供給経路(42b、11a)内の燃料圧力を検出する燃圧センサ(20)と、を備えた燃料噴射システムに適用され、
    前記内燃機関の1燃焼サイクル中に燃料を複数回噴射する多段噴射を実施している時に、前記燃圧センサにより検出される前記燃料圧力の変化を示す圧力波形を、多段噴射時検出波形として取得する検出波形取得手段と、
    前記多段噴射のうち2段目以降のいずれかの噴射を対象噴射とした場合に、前記対象噴射を実施することなく前記対象噴射よりも前段の噴射を実施した時の、前記圧力波形の規範となるモデル波形(Wm)を記憶しているモデル波形記憶手段と、
    前記モデル波形を前記多段噴射時検出波形から差し引いて、前記対象噴射に起因した圧力波形を対象波形(Wt)として抽出する対象波形抽出手段と、
    前記多段噴射時検出波形において前記燃料噴射弁による噴射が実施されていない時の燃料圧力である第1パラメータ(Pi、Pc)と、前記対象噴射を実施している時の前記モデル波形の燃料圧力を反映する第2パラメータ(ΔPdif)とに基づいて、前記対象噴射での最大噴射率(Rmax)を算出する最大噴射率算出手段と、
    を備えることを特徴とする燃料噴射制御装置。
  5. 前記最大噴射率算出手段は、前記第1パラメータが大きいほど前記最大噴射率を大きく算出する請求項4に記載の燃料噴射制御装置。
  6. 前記第2パラメータは、前記モデル波形における前記対象噴射の開始時の燃料圧力(P11)と、前記対象噴射の実施に伴い前記対象波形の燃料圧力が最低になる時の前記モデル波形の燃料圧力(P12)との差である請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料噴射制御装置。
  7. 前記第2パラメータは、前記モデル波形における前記対象噴射の開始時の燃料圧力(P11)と、前記モデル波形において前記燃料噴射弁による噴射が実施されていない時の燃料圧力(P13)との差である請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料噴射制御装置。
  8. 前記最大噴射率算出手段は、前記第2パラメータに基づいて前記最大噴射率を増減させる請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料噴射制御装置。
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