JP5694404B2

JP5694404B2 - 燃料圧力制御装置

Info

Publication number: JP5694404B2
Application number: JP2013034879A
Authority: JP
Inventors: 謙太郎三河
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: JP2013108503A

Description

本発明は、燃料圧力を制御する燃料圧力制御装置に関する。

燃料噴射弁に供給される燃料圧力が目標燃料圧力に近づくように、目標燃料圧力とセンサにより検出した実際の燃料圧力との偏差に基づいて燃料ポンプをフィードバック制御する燃料圧力制御装置が知られている。かかる燃料圧力制御装置においては、燃料噴射弁からの燃料噴射などに伴って燃料圧力に脈動が生じる。そして、燃料圧力の脈動を抑制するためのフィードバック制御で過大な制御信号（操作量）が出力され、例えば、消費電力の増加による燃費低下、駆動回路及びモータの発熱などを来たしてしまう。

このため、特開２０００−２８２９３７号公報（特許文献１）に記載されるように、センサにより検出した実際の燃料圧力に対してフィルタを適用して平滑化し、この値と目標燃料圧力との偏差に基づいて燃料ポンプをフィードバックする燃料圧力制御装置が提案されている。

特開２０００−２８２９３７号公報

しかしながら、フィルタにより平滑化された燃料圧力は、実際の燃料圧力に対して位相が遅れるため、この値を燃料ポンプのフィードバック制御に用いると、過渡期の応答性及び収束性などの制御性能が損なわれるおそれがあった。
そこで、本発明は、従来技術の問題点に鑑み、過渡期の制御性能を改善した燃料圧力制御装置を提供することを目的とする。

燃料圧力制御装置は、燃料供給配管を介して燃料ポンプから燃料噴射弁に供給される燃料の圧力が機関運転状態に応じた目標燃料圧力となるように、燃料ポンプの駆動を制御する。また、燃料圧力制御装置は、燃料供給配管における実際の燃料圧力が目標燃料圧力に近づくようにするフィードバック操作量を演算し、このフィードバック操作量を、平滑化係数を変更可能なデジタルフィルタで平滑化する。このとき、燃料圧力制御装置は、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射間隔が短くなるほど、フィルタのカットオフ周波数特性を高くする。そして、燃料圧力制御装置は、平滑化されたフィードバック操作量に基づいて、燃料ポンプの駆動をフィードバック制御する。

センサにより検出した実際の燃料圧力が平滑化されないため、過渡期の応答性及び収束性などの制御性能を改善することができる。また、フィードバック操作量が平滑化されるため、フィードバック操作量が過大となることも抑制できる。

燃料供給システムの一例を示す概略図である。燃料圧力制御に係る機能ブロック図である。フィードバック操作量を演算するＰＩ制御の説明図である。フィードバック操作量を平滑化するデジタルフィルタの説明図である。燃料圧力制御処理の一例を示すフローチャートである。

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１は、本実施形態を組み込んだ燃料供給システムの一例を示す。
燃料タンク１０は、エンジン（内燃機関）１２に供給されるガソリンなどの燃料を貯蔵するタンクであって、例えば、車両の後部座席の下などに配置される。燃料タンク１０には、着脱可能な給油キャップ１４により閉塞される給油口１０Ａが形成されており、給油キャップ１４を取り外して給油口１０Ａから燃料が補給される。

燃料タンク１０の内部には、図示省略するブラケットを介して、電動式の燃料ポンプ１６が取り付けられている。燃料ポンプ１６は、燃料タンク１０に貯蔵された燃料を吸込口から吸い込んで吐出口から吐き出す、例えば、タービン式のポンプであって、その吐出口に燃料パイプ１８の一端が接続されている。
燃料パイプ１８の他端は、燃料ギャラリーパイプ２０に接続されている。燃料パイプ１８には、燃料ポンプ１６から燃料ギャラリーパイプ２０へと向かう燃料の流れを通過させる一方、燃料ギャラリーパイプ２０から燃料ポンプ１６へと向かう燃料の流れ（逆流）を阻止する逆止弁２２が配設されている。燃料ギャラリーパイプ２０には、その延設方向に沿って気筒数（図示する燃料供給システムでは４気筒）と同数の噴射弁接続部２０Ａが形成されており、各噴射弁接続部２０Ａに燃料噴射弁２４の燃料取入口が接続されている。

燃料噴射弁２４は、電磁コイルへの通電によって磁気吸引力が発生すると、スプリングによって閉弁方向に付勢されている弁体がリフトして開弁し、燃料を噴射する、電磁式の噴射弁である。燃料噴射弁２４は、例えば、エンジン１２の各気筒の吸気ポートに夫々設置され、各吸気ポート内に燃料を夫々噴射供給する。
ここで、燃料パイプ１８及び燃料ギャラリーパイプ２０は、燃料ポンプ１６から燃料噴射弁２４に燃料を供給する燃料供給配管の一例として挙げられる。

マイクロコンピュータを内蔵した電子制御ユニット（ＥＣＵ）２６には、エンジン１２の運転状態を検出する各種センサからの検出信号が入力される。各種センサとしては、負荷を検出する負荷センサ２８，回転速度を検出する回転速度センサ３０，冷却水温度（水温）を検出する水温センサ３２，排気中の空燃比を検出する空燃比センサ３４，燃料ギャラリーパイプ２０における燃料圧力（燃圧）を検出する燃圧センサ３６などが設けられている。ここで、エンジン１２の負荷としては、例えば、吸気流量，吸気負圧，スロットル開度，過給圧力など、エンジン１２のトルクと密接に関連する状態量を用いることができる。

電子制御ユニット２６は、燃圧センサ３６により検出される実際の燃圧（検出燃圧）が目標燃圧に近づくように、燃料ポンプ１６の通電制御デューティ（操作量）をフィードフォワード制御及びフィードバック制御することで、燃料ギャラリーパイプ２０における燃圧を可変制御する。
また、電子制御ユニット２６は、負荷センサ２８，回転速度センサ３０，水温センサ３２，空燃比センサ３４及び燃圧センサ３６からの各出力信号に基づいて、目標空燃比の混合気を形成する燃料に見合った噴射パルス幅を演算する。そして、電子制御ユニット２６は、各燃料噴射弁２４に対して個別に、噴射パルス幅に相当する開弁制御パルスを適宜出力することで、燃料噴射弁２４による燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御する。このとき、電子制御ユニット２６は、燃圧センサ３６の検出燃圧において要求燃料量が噴射されるように、噴射パルス幅（噴射時間）を演算する。

次に、電子制御ユニット２６が実行する、燃料圧力制御について説明する。
電子制御ユニット２６は、燃圧センサ３６の検出燃圧を平滑化する代わりに、目標燃圧と検出燃圧との偏差に応じたフィードバック操作量を平滑化する。そして、電子制御ユニット２６は、平滑化されたフィードバック操作量に基づいて、燃料ポンプ１６の駆動をフィードバック制御する。

このようにすれば、燃圧センサ３６の検出燃圧が平滑化されないため、その位相が遅れることがなく、過渡期の応答性及び収束性などの制御性能を改善することができる。また、フィードバック制御量が平滑化されるため、フィードバック制御量が過大となることが抑制され、例えば、消費電力の増加による燃費低下、駆動回路及び燃料ポンプ１６の発熱などを抑制することもできる。

ところで、燃圧の脈動因子は、燃料ポンプ１６の駆動によるものと、燃料噴射弁２４の駆動によるものと、に大別できる。燃料ポンプ１６の駆動による脈動因子は、ポンプ回転速度によるものと、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）周波数によるものと、に更に細分化できる。また、燃料噴射弁２４の駆動による脈動因子は、噴射パルス幅によるものと、実燃圧によるものと、噴射気筒によるものと、噴射間隔によるものと、に更に細分化できる。

各脈動因子について、燃圧脈動の振幅及び周波数の感度解析を行うと、実燃圧が燃圧脈動の振幅に影響が大きく、また、噴射間隔が燃圧脈動の周波数に影響が大きいことが解析できた。即ち、燃料ポンプ１６のポンプ回転速度及びＰＷＭ周波数による脈動因子は、燃料パイプ１８により減衰するため、燃圧脈動には影響が小さい。また、燃料噴射弁２４の噴射パルス幅及び噴射気筒による脈動要因は、低感度であるため、燃圧脈動には影響が小さい。

従って、実燃圧又は噴射間隔に応じて、後述するように、フィルタによる平滑化のゲイン特性又はカットオフ周波数特性を切り換えることで、過渡期の制御性能を改善する効果の実効を図ることができる。
電子制御ユニット２６は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などのフラッシュメモリに記録された制御プログラムを実行することで、図２に示すように、目標燃圧演算部Ａ，フィードフォワード操作量演算部Ｂ，規範燃圧演算部Ｃ，偏差演算部Ｄ，フィードバック操作量演算部Ｅ，平滑化係数演算部Ｆ，平滑化部Ｇ，操作量演算部Ｈ及びポンプ制御部Ｉを夫々具現化する。

ここで、規範燃圧演算部Ｃが規範燃料圧力演算手段の一例、偏差演算部Ｄ及びフィードバック操作量演算部Ｅが操作量演算手段の一例、平滑化係数演算部Ｆ及び平滑化部Ｇが平滑化手段の一例、ポンプ制御部Ｉが制御手段の一例として挙げられる。
目標燃圧演算部Ａは、エンジン運転状態としての負荷，回転速度及び水温などに基づいて、目標燃圧を演算する。

フィードフォワード操作量演算部Ｂは、目標燃圧に対してデジタルフィルタ、例えば、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタを適用することで、高応答性を発揮するフィードフォワード操作量を演算する。
規範燃圧演算部Ｃは、目標燃圧に対してデジタルフィルタを適用することで、燃料ポンプ１６を所定の特性で応答させるための規範燃圧を演算する。規範燃圧を演算する理由としては、規範燃圧によって燃圧速度変化を規定することが可能となり、燃圧変化による空燃比の変化が抑制されることから、排気エミッションの低下を抑制することができるためである。

偏差演算部Ｄは、規範燃圧と検出燃圧との偏差（規範燃圧―検出燃圧）を演算する。
フィードバック操作量演算部Ｅは、偏差に対して、図３に示すようなＰＩ制御を施すことで、その偏差がなくなるようにするためのフィードバック操作量を演算する。ここで、図３において、「ＰＧ」は比例ゲイン、「ｚ^-1」は１サンプル時前の偏差、「ＳＴ」は制御周期、「ＩＧ」は積分ゲインを示す。

平滑化係数演算部Ｆは、検出燃圧及び回転速度に基づいて、フィードバック操作量をフィルタで平滑化するための平滑化係数、具体的には、デジタルフィルタの分母係数及び分子係数を演算する。ここで、回転速度は、燃料噴射弁２４の噴射間隔と密接に関連する状態量であって、この状態量に応じて噴射間隔を把握することができる。なお、平滑化係数の詳細については後述する。

平滑化部Ｇは、平滑化係数を適用したデジタルフィルタにより、フィードバック操作量を平滑化した平滑化操作量を演算する。
操作量演算部Ｈは、フィードフォワード操作量及び平滑化操作量に基づいて、燃料ポンプ１６を制御するための操作量を演算する。具体的には、操作量演算部Ｈは、フィードフォワード操作量と平滑化操作量とを加算し、その加算値を操作量とする。

ポンプ制御部Ｉは、燃料ポンプ１６の操作量に基づいて、燃料ポンプ１６を制御する。なお、ポンプ制御部Ｉは、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを明確に区別して、燃料ポンプ１６を制御してもよい。
ここで、フィードバック操作量を平滑化するデジタルフィルタの平滑化係数及びその演算方法の一例について説明する。

フィードバック操作量を平滑化するデジタルフィルタは、図４に示すように、分母係数ａ₁及びａ₂、分子係数ｂ₀，ｂ₁及びｂ₂により定義される。デジタルフィルタにおける変数ｚは、遅延演算子（遅延要素）を示し、その上付き添え字ｎ（−１又は−２）は、ｎサンプル時前の信号値を示している。また、分子係数ｂ₀は、定数である。
平滑化係数である分母係数及び分子係数は、前述したように、検出燃圧（実燃圧）又は回転速度（噴射間隔）に応じて、次のように演算される。
［実燃圧に応じた平滑化係数］
実燃圧が所定圧力以上の高圧領域では、燃圧の脈動振幅が大きく、かつ、その後の燃圧変化が降圧である可能性が高いため、フィルタのゲイン特性を強めることで、過大な操作量によるフィードバック制御が行われることを抑制する。一方、実燃圧が所定圧力未満の低圧領域では、燃圧の脈動振幅が小さく、かつ、その後の燃圧変化が昇圧である可能性が高いため、フィルタのゲイン特性を弱めることで、過渡期の制御性能を改善する。要するに、実燃圧が高くなるほど、フィルタのゲイン特性を強くする。

フィルタのゲイン特性は、具体的には、次のいずれかの方法で変化させる。
（１）フィルタを有効又は無効に切り換える
実燃圧が高圧領域にあるときには、デジタルフィルタが有効になるように、その分母係数ａ₁及びａ₂、並びに、分子係数ｂ₁及びｂ₂に所定値を夫々設定する。一方、実燃圧が低圧領域にあるときには、デジタルフィルタが無効になるように、その分母係数ａ₁及びａ₂、並びに、分子係数ｂ₁及びｂ₂に０（ゼロ)を夫々設定する。
（２）フィルタの次数を変化させる
実燃圧が高圧領域にあるときには、デジタルフィルタの次数が２次になるように、その分母係数ａ₁及びａ₂、並びに、分子係数ｂ₁及びｂ₂に所定値を夫々設定する。一方、実燃圧が低圧領域にあるときには、デジタルフィルタの次数が１次になるように、その分母係数ａ₁及びａ₂、並びに、分子係数ｂ₂に０（ゼロ）を夫々設定する。
（３）フィルタの減衰係数を変化させる
実燃圧が高圧領域にあるときには、デジタルフィルタの減衰係数が大きくなるように、その分母係数ａ₁及びａ₂、並びに、分子係数ｂ₁及びｂ₂に所定値を夫々設定する。一方、実燃圧が低圧領域にあるときには、デジタルフィルタの減衰係数が小さくなるように、その分母係数ａ₁及びａ₂、並びに、分子係数ｂ₁及びｂ₂に所定値を夫々設定する。
［噴射間隔に応じた平滑化係数］
噴射間隔が所定間隔より短いときには、燃圧の脈動周波数が大きいため、フィルタのカットオフ周波数特性を高くすることで、過大なフィードバック制御が行われることを抑制する。一方、噴射間隔が所定間隔より長いときには、燃圧の脈動周波数が小さいため、フィルタのカットオフ周波数特性を低くすることで、過渡期の制御性能を改善する。要するに、噴射間隔が短くなるほど、フィルタのカットオフ周波数特性を高くする。

具体的には、噴射間隔に関連する回転速度が所定速度以上のとき（噴射間隔：短い）ときには、デジタルフィルタのカットオフ周波数特性が高くなるように、その分母係数ａ₁及びａ₂、並びに、分子係数ｂ₁及びｂ₂に所定値を夫々設定する。一方、噴射間隔に関連する回転速度が所定速度未満のとき（噴射間隔：長い）ときには、デジタルフィルタのカットオフ周波数特性が低くなるように、その分母係数ａ₁及びａ₂、並びに、分子係数ｂ₁及びｂ₂に所定値を夫々設定する。

なお、フィルタのゲイン特性及びカットオフ周波数特性は、燃圧が高圧領域若しくは低圧領域、又は、噴射間隔が短い若しくは長いかの２段階に限らず、線形又は非線形で連続的に変化する特性、３段階以上の圧力領域又は噴射間隔でステップ的に変化させるようにしてもよい。また、デジタルフィルタは、ＩＩＲフィルタに限らず、他の公知のフィルタを適用してもよい。さらに、規範燃圧演算部Ｃを設けず、偏差演算部Ｄは、目標燃圧演算部Ａが演算した目標演算部と検出燃圧との偏差を演算するようにしてもよい。

図５は、イグニッションスイッチがオンになったことを契機として、電子制御ユニット２６の目標燃圧演算部Ａ，フィードフォワード操作量演算部Ｂ，規範燃圧演算部Ｃ，偏差演算部Ｄ，フィードバック操作量演算部Ｅ，平滑化係数演算部Ｆ，平滑化部Ｇ，操作量演算部Ｈ及びポンプ制御部Ｉが所定時間ごとに繰り返し実行する燃料圧力制御処理の一例を示す。なお、所定時間としては、エンジン運転状態を検出する各種センサのサンプリング時間とすればよい。

ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、目標燃圧演算部Ａ，偏差演算部Ｄ及び平滑化係数演算部Ｆが各種センサからの出力信号を読み込む。即ち、目標燃圧演算部Ａは、負荷センサ２８，回転速度センサ３０及び水温センサ３２から、エンジン運転状態としての負荷，回転速度及び水温を夫々読み込む。偏差演算部Ｄは、燃圧センサ３６の検出燃圧を読み込む。平滑化係数演算部Ｆは、回転速度センサ３０から回転速度を読み込むと共に、燃圧センサ３６の検出燃圧を読み込む。

ステップ２では、目標燃圧演算部Ａが、エンジン運転状態としての負荷，回転速度及び水温に基づいて、機関運転状態に応じた目標燃圧を演算する。ここで、目標燃圧は、例えば、エンジン１２の負荷，回転速度及び水温に対応した目標燃圧が設定されたマップを参照して演算すればよい。
ステップ３では、フィードフォワード演算部Ｂが、目標燃圧に対して、例えば、所定特性を有するデジタルフィルタを適用することで、燃料ギャラリーパイプ２０における燃圧を目標燃圧とするためのフィードフォワード操作量を演算する。

ステップ４では、規範燃圧演算部Ｃが、目標燃圧に対して、例えば、所定特性を有するデジタルフィルタを適用することで、燃料ポンプ１６を所定の特性で応答させるための規範燃圧を演算する。
ステップ５では、偏差演算部Ｄが、規範燃圧から検出燃圧を減算することで、規範燃圧と検出燃圧との偏差を演算する。

ステップ６では、フィードバック操作量演算部Ｅが、偏差に対して、例えば、所定特性を有するデジタルフィルタを適用することで、その偏差がなくなるようにするフィードバック操作量を演算する。
ステップ７では、平滑化係数演算部Ｆが、前述した方法で、検出燃圧又は回転速度（噴射間隔）に基づいて、フィルタのゲイン特性又はカットオフ周波数特性を変化させるための平滑化係数、要するに、デジタルフィルタの分母係数及び分子係数を演算する。

ステップ８では、平滑化部Ｇが、デジタルフィルタに平滑化係数を代入して、フィードバック操作量を平滑化した平滑化操作量を演算する。
ステップ９では、操作量演算部Ｈが、フィードフォーワード操作量と平滑化操作量とを加算した、燃料ポンプ１６の操作量を演算する。
ステップ１０では、ポンプ制御部Ｉが、燃料ポンプ１６の操作量に基づいて、燃料ポンプ１６を制御する。

このような燃料供給システムによれば、エンジン運転状態としての負荷，回転速度及び水温に応じた目標燃圧が演算され、燃料ギャラリーパイプ２０における燃圧を目標燃圧とするためのフィードフォワード操作量が演算される。また、エンジン運転状態に応じた目標燃圧に対して、燃料ポンプ１６を所定の特性で応答させるための規範燃圧が演算され、規範燃圧と検出燃圧との偏差をなくすようにするフィードバック操作量が演算される。

そして、検出燃圧又は回転速度に応じた平滑化係数を代入したデジタルフィルタにより、フィードバック操作量を平滑化した平滑化操作量を演算し、フィードバック操作量と平滑化操作量との加算値に応じて燃料ポンプ１６が制御される。このとき、平滑化係数は、過大なフィードバック制御を抑制、又は、過渡期の制御性能を改善するように、フィルタのゲイン特性又はカットオフ周波数特性を演算する。

従って、燃圧脈動の振幅及び周波数と密接に関連する実燃圧又は噴射間隔に応じて、フィルタのゲイン特性又はカットオフ周波数特性が動的に変化することから、過大なフィードバック制御の抑制と過渡期の制御性能を両立させることができる。
ここで、前記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。

（イ）前記平滑化手段は、前記フィルタを有効又は無効に切り換えることで、前記フィルタのゲイン特性を変化させることを特徴とする請求項２に記載の燃料圧力制御装置。
この発明によれば、フィルタを有効又は無効に切り換えることで、フィルタのゲイン特性を変化させることができる。
（ロ）前記平滑化手段は、前記フィルタの次数を変化させることで、前記フィルタのゲイン特性を変化させることを特徴とする請求項２に記載の燃料圧力制御装置。
この発明によれば、フィルタの次数を変化させることで、フィルタのゲイン特性を変化させることができる。
（ハ）前記平滑化手段は、前記フィルタの減衰係数を変化させることで、前記フィルタのゲイン特性を変化させることを特徴とする請求項２に記載の燃料圧力制御装置。
この発明によれば、フィルタの減衰係数を変化させることで、フィルタのゲイン特性を変化させることができる。
（ニ）前記目標燃料圧力に対して、前記燃料ポンプを所定の特性で応答させるための規範燃料圧力を演算する規範燃料圧力演算手段を更に有し、前記操作量演算手段は、前記燃料配管における実際の燃料圧力が前記規範燃料圧力に近づくようにするフィードバック操作量を演算することを特徴とする請求項１〜請求項３、（イ）〜（ハ）のいずれか１つに記載の燃料圧力制御装置。

この発明によれば、燃料ポンプを所定の特性で応答させることができる。また、排気エミッションの低下を抑制することもできる。

１２エンジン
１６燃料ポンプ
１８燃料パイプ
２０燃料ギャラリーパイプ
２４燃料噴射弁
２６電子制御ユニット
３０回転速度センサ
３６燃圧センサ
Ａ目標燃圧演算部
Ｂフィードフォワード操作量演算部
Ｃ規範燃圧演算部
Ｄ偏差演算部
Ｅフィードバック操作量演算部
Ｆ平滑化係数演算部
Ｇ平滑化部
Ｈ操作量演算部
Ｉポンプ制御部

Claims

燃料供給配管を介して燃料ポンプから燃料噴射弁に供給される燃料の圧力が機関運転状態に応じた目標燃料圧力となるように、前記燃料ポンプの駆動を制御する燃料圧力制御装置において、
前記燃料供給配管における実際の燃料圧力が前記目標燃料圧力に近づくようにするフィードバック操作量を演算する操作量演算手段と、
前記フィードバック操作量を、平滑化係数を変更可能なデジタルフィルタで平滑化する平滑化手段と、
前記平滑化されたフィードバック操作量に基づいて、前記燃料ポンプの駆動をフィードバック制御する制御手段と、
を有し、
前記平滑化手段は、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射間隔が短くなるほど、前記フィルタのカットオフ周波数特性を高くする、
ことを特徴とする燃料圧力制御装置。