JP6315666B2

JP6315666B2 - エンジンの燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP6315666B2
Application number: JP2014031452A
Authority: JP
Inventors: 浩司大岩; 博志秋山
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: JP2015155678A

Description

本発明は、気筒内に燃料を噴射するエンジンの燃料噴射制御装置に関する。

従来、自動車等の車両のエンジンにおいては、燃料供給システムとして、所定の圧力の燃料を噴射する燃料噴射システムが採用されている。特に、気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射型エンジンでは、燃料圧力が高圧であるため、燃料圧力が噴射量に与える影響が大きく、適正な噴射量とするためには燃料圧力に応じた補正が必要となる。

例えば、特許文献１には、燃料噴射弁の噴射パルスの立ち上がりから所定期間の燃料圧力をサンプリングすると共に、内燃機関の運転状態を検出し、検出された運転状態が所定の定常状態である場合、サンプリングされた燃料圧力の平均値を算出すると共に、所定周期前に算出した燃料圧力の平均値に基づいて、燃料噴射弁の燃料噴射期間を補正することで、誤差の少ない燃料噴射量とする技術が開示されている。

特開２００４−３４６８５２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術では、燃料噴射期間の補正は、実際に燃料が噴射される前の燃料圧力の平均値に基づく補正であるため、実際の燃料噴射時の燃料圧力が必ずしも反映されるとは限らず、噴射時の燃料配管内の圧力変動等によって燃料噴射量が不適正となる虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料圧力に応じた燃料噴射量の補正を行う際に、燃料噴射時の圧力変動を考慮した補正を行って燃料噴射量を適正化することのできるエンジンの燃料噴射制御装置を提供することを目的としている。

本発明によるエンジンの燃料噴射制御装置は、エンジン運転状態に基づく要求噴射量を燃料圧力に応じて補正し、補正した噴射量の燃料を燃料レールに介装したインジェクタから噴射するエンジンの燃料噴射制御装置において、前記要求噴射量を、前記燃料レールの平均圧力に基づいて補正するための平均圧力補正値を算出する平均圧力補正値算出部と、前記要求噴射量を、前記燃料レールの平均圧力と瞬時圧力との差に応じて補正するための瞬時圧力変動補正値を算出する瞬時圧力変動補正値算出部と、前記要求噴射量を前記平均圧力補正値と前記瞬時圧力変動補正値との双方を用いて補正し、前記インジェクタを駆動する噴射パルス幅を算出する噴射パルス幅算出部とを備え、前記瞬時圧力変動補正値算出部は、前記瞬時圧力変動補正値を、前記燃料レールの平均圧力と瞬時圧力との差に補正係数を乗算して算出するとともに、前記補正係数は、前記燃料レールの瞬時圧力が平均圧力よりも低い領域では前記燃料レールの瞬時圧力が平均圧力よりも高い領域よりも補正が強くなる値に設定される。

本発明によれば、燃料圧力に応じた燃料噴射量の補正を行う際に、燃料噴射時の圧力変動を考慮した補正を行って燃料噴射量を適正化することができる。

燃料噴射系の概略構成図燃料圧力と実噴射時間との関係を示す説明図平均圧力補正の説明図瞬時圧力変動補正の説明図噴射による圧力降下の要因を示す説明図瞬時圧力の分布を示す説明図燃料圧力と噴射パルス幅との関係を示す説明図噴射パルス幅算出処理のフローチャート

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１において、符号１はエンジンであり、本実施の形態においては、筒内に燃料を直接噴射して火花放電により着火・燃焼させる筒内噴射エンジンである。エンジン１のピストン２の上部には燃焼室３が形成され、この燃焼室３に、吸気ポートを開閉する吸気バルブ４と排気ポートを開閉する排気バルブ５とが介装されている。

また、各気筒の燃焼室３内には、吸気バルブ４と排気バルブ５との間の燃焼室３頂部に配設された点火プラグ６先端の放電電極が臨まされると共に、吸気バルブ４近傍に配設されたインジェクタ７の先端の噴射ノズル７ａが臨まされている。尚、点火プラグ６には、イグナイタを内蔵する点火コイルが接続されており、点火コイルの通電を断続するイグナイタの作動が電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって制御され、最適な点火タイミングに制御される。

インジェクタ７は、高圧燃料を貯留する燃料レール８に接続されており、ＥＣＵ５０により駆動され、燃料レール８内の燃料を先端の噴射ノズル７ａから燃焼室３内に噴射する。尚、図示を省略するが、燃料レール８には、他の気筒も含めて複数のインジェクタが接続されている。

燃料レール８の上流側は、圧力レギュレータ１１を介して高圧燃料ポンプ１２の吐出側に連通されている。高圧燃料ポンプ１２は、例えばエンジン駆動式のポンプであり、ポンプ吸入側に低圧燃料ライン１３を介して図示しない低圧燃料ポンプが接続されている。そして、図示しない燃料タンクから低圧燃料ポンプを介して低圧燃料ライン１３に燃料が供給され、低圧燃料ライン１３の燃料が更に高圧燃料ポンプ１２で昇圧されて圧力レギュレータ１１で調圧された後、燃料レール８に供給される。

圧力レギュレータ１１は、例えば高圧燃料ポンプ１２と一体的に形成され、圧力調整値を電子的に制御可能なレギュレータとして構成されている。この圧力レギュレータ１１の圧力調整値がＥＣＵ５０により可変制御され、圧力センサ１０で検出した燃料レール８内の圧力が目標圧力となるように制御される。

ＥＣＵ５０は、マイクロコンピュータを中心として、入出力インターフェースや各種周辺回路を備えて構成される制御ユニットである。ＥＣＵ５０の入力側には、上述の圧力センサ１０や運転状態を検出するセンサ類が接続され、出力側には、上述のインジェクタ７、点火プラグ６に接続される点火コイル（図示せず）をＯＮ，ＯＦＦするイグナイタや各種制御弁等のアクチュエータ類が接続されている。

更に、ＥＣＵ５０は、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信プロトコルに基づく車内ネットワーク（図示せず）に接続され、この車内ネットワークに接続される他の複数のＥＣＵ、例えば変速機を制御するトランスミッションＥＣＵやブレーキを制御するブレーキＥＣＵ等の他の複数のＥＣＵと相互にデータを送受信し、各種情報の授受を行う。

ＥＣＵ５０は、エンジン運転状態を検出する各種センサ類からの信号、車内ネットワークを介して入力される各種制御情報に基づいて、燃料噴射制御や点火時期制御等の各種制御量を演算する。そして、これらの制御量に基づいて各種アクチュエータ類を駆動し、エンジンの筒内燃焼を最適化しつつ出力トルクを制御する。

ＥＣＵ５０による燃料噴射制御においては、燃焼に必要な要求噴射量Ｑを、インジェクタ７の流量特性（流量−駆動パルス幅特性）に基づいて対応する噴射パルス幅Δｔに変換し、この噴射パルス幅Δｔの駆動信号を運転状態に応じたタイミングで出力する。要求噴射量Ｑから噴射パルス幅Δｔへの変換は、基本的には、インジェクタ７内の圧力と筒内圧力との差が流量の平方根に比例するというベルヌーイの定理に基づいて、以下の（１）式に示すように、要求噴射量Ｑを、燃料レール８内の平均圧力から求めた平均圧力補正値Ｐxを用いて補正することで変換することができる。尚、（１）式中のｋは、インジェクタ７の特性定数である。
Δｔ＝ｋ×Ｑ×Ｐx …（１）

（１）式における平均圧力補正値Ｐxは、インジェクタ７の噴射前に計測した燃料レール８内の圧力（平均圧力）に基づく補正値である。しかしながら、実際にインジェクタ７から燃料を噴射するときには、図２に示すように、実噴射期間で燃料レール８内の圧力降下が発生する。このため、噴射時の実効圧力が低下し、補正が不十分となる虞がある。この圧力降下幅は流量や脈動等によって変化するため、単なる圧力の関数にはならず、平均圧力補正値Ｐxのみでは補正が不十分となる虞がある。

このため、ＥＣＵ５０は、燃料噴射に係る制御機能として、要求噴射量算出部５１、平均圧力補正値算出部５２、瞬時圧力変動補正値算出部５３、噴射パルス幅算出部５４を備えており、燃料レール８の平均圧力による補正（上述の平均圧力補正値Ｐxによる補正）に対して瞬時圧力変動による補正（以下に説明する瞬時圧力変動補正値Ｐyによる補正）を加えることで、実際の噴射時の圧力変動を考慮した補正として燃料噴射量を適正化するようにしている。各部の機能は、以下の通りである。

要求噴射量算出部５１は、エンジン運転状態に基づいて燃焼に必要な要求噴射量Ｑを算出する。例えば、アクセルペダルの踏込量からドライバの要求するエンジントルク（目標エンジントルク）を算出し、この目標エンジントルクを実現する吸入空気量に対応する燃料噴射量を、要求噴射量Ｑとして算出する。

平均圧力補正値算出部５２は、燃料レール８内の平均圧力に基づいて、（１）式における圧力補正値Ｐxを算出する。具体的には、圧力センサ１０によって計測した燃料レール８内の瞬時圧力を平均した平均圧力（目標圧力）Ｐaveと、要求噴射量Ｑとをパラメータとするマップに平均圧力補正値Ｐxを格納しておき、マップ参照によって平均圧力補正値Ｐxを求める。この平均圧力補正値Ｐxは、図３に示すように、同一噴射量では、燃料圧力（平均圧力）Ｐaveが高圧になるほど小さくなる特性を有しており、燃料圧力（平均圧力）Ｐaveが高圧になるほど噴射パルス幅Δｔが短くされる。

瞬時圧力変動補正値算出部５３は、噴射時の燃料レール８内の瞬時圧力変動に対する補償として、瞬時圧力変動補正値Ｐyを算出する。この瞬時圧力変動補正値Ｐyは、燃料レール８内の瞬時圧力Ｐiと平均圧力Ｐaveとの差に応じて算出される補正値であり、本実施の形態においては、図４に示すように、平均圧力Ｐaveに対してＰi＞Ｐaveの高圧側の領域と、Ｐi＜Ｐaveの低圧側の領域とで異なる値に設定されている。

この場合、燃料レール８の圧力変動を招く要因としては、主として、以下の（ａ），（ｂ）に示すような要因が考えられる。これらの要因を考慮して、平均圧力より低圧側の領域の瞬時圧力変動補正値Ｐy_lと、平均圧力より高圧側の領域の瞬時圧力変動補正値Ｐy_hとが設定される。

（ａ）噴射による圧力降下
図５に示すように、燃料レール８を弾性体と考えると、噴射による圧力降下ΔＰは、燃料レール８の容積変化量ΔＶに略比例すると考えられる。燃料レール８の容積Ｖは燃料圧力Ｐが高圧になると大きくなり、インジェクタ７から容積ΔＶの燃料が噴射されると燃料レール８の容積ＶはΔＶだけ小さくなる。噴射量を一定とすると、燃料レール８の平均圧力Ｐaveが低いと容積が小さくなり、結果、圧力降下ΔＰが大きくなる。つまり、平均圧力Ｐaveが低いほど、相対的に圧力降下ΔＰが大きくなる。勿論、噴射量が多くても圧力降下は大きくなる。

（ｂ）他のインジェクタ及び燃料ポンプの影響
燃料圧力が瞬間的に増減する理由として、他のインジェクタが開弁していると、上述の（ａ）の要因で燃料レール８の圧力降下がさらに大きくなる。また、燃料レール８内の圧力は高圧燃料ポンプ１２により上昇するが、圧力レギュレータ１１により目標圧力から上には上がらない。尚、燃圧の脈動は、音速で伝わるため時定数が短く、増と減が同じ振幅で噴射期間中に何度も波がくるため平均化され、影響は小さい。

以上の要因（ａ），（ｂ）を総じて考えると、燃料レール８を中心とする燃料供給系は、圧力が下がり易いが上がり難い構成であると考えられる。よって、燃料レール８内の瞬時圧力Ｐiは、図６に示すように、平均圧力（目標圧力）Ｐaveよりも低圧側に裾野が広い確率密度（頻度）の分布になるものと考えられる。このため、平均圧力Ｐaveに対して低圧側の領域ほど、瞬時圧力変動補正値Ｐyの値を大きくして補正を強くする。

具体的には、瞬時圧力変動補正値Ｐyは、以下の（２）式に示すように、瞬時圧力Ｐiと平均圧力Ｐaveとの差圧(Ｐi−Ｐave)に補正係数Ｐmを乗算して算出される。補正係数Ｐmは、平均圧力Ｐaveと要求噴射量Ｑとをパラメータとして、Ｐi＜Ｐaveの低圧側の領域と、Ｐi＞Ｐaveの高圧側の領域とで異なるマップに格納され、低圧側の補正係数Ｐm_lによる瞬時圧力変動補正値Ｐy_lが、高圧側の補正係数Ｐm_hによる瞬時圧力変動補正値Ｐy_hよりも大きい値とされ、低圧側でより強く補正されるように設定されている。
Ｐy＝(Ｐi−Ｐave)×Ｐm …（２）

噴射パルス幅算出部５４は、前述の(１)式による平均圧力補正値Ｐxのみによる噴射パルス幅に対して、以下の（３）式に示すように、平均圧力補正値算出部５２で算出した平均圧力補正値Ｐxと瞬時圧力変動補正値算出部５３で算出した瞬時圧力変動補正値Ｐyとを用いて要求噴射量Ｑを補正し、噴射パルス幅Δｔを算出する。
Δｔ＝ｋ×Ｑ×(Ｐx＋Ｐy) …（３）

すなわち、図７に示すように、燃料レール８内の平均圧力Ｐaveに基づく平均圧力補正値Ｐxによる静的な圧力補正に対して、図中に太線で示すように、平均圧力Ｐaveと瞬時圧力Ｐiとのズレに基づく瞬時圧力変動補正値Ｐyによる動的な圧力補正を加えることにより、実際の噴射時の圧力変動を考慮した噴射パルス幅Δｔとすることができ、燃料噴射量の適正化を図ることができる。尚、図７は、同一噴射量に対する圧力補正ラインを示している。

次に、以上の各部の機能を実現するＥＣＵ５０のプログラム処理について、図８に示す噴射パルス幅算出処理の処理のフローチャートを用いて説明する。

この噴射パルス幅算出処理では、最初のステップＳ１０１において、現在のエンジン運転状態を読み込み、ステップＳ１０２でエンジン運転状態に基づいて要求噴射量Ｑを算出する。次いで、ステップＳ１０３へ進み、圧力センサ１０を介してサンプリングした燃料レール８内の瞬時圧力Ｐiを読み込み、ステップＳ１０４で瞬時圧力Ｐiを時系列で記録する。

その後、ステップＳ１０５へ進み、瞬時圧力Ｐiの過去数サイクル分のサンプリングデータから平均圧力Ｐaveを算出する。尚、平均圧力Ｐaveは、瞬時圧力Ｐiの時系列データから算出する以外に、燃料レール８に圧力センサ１０とは別にサンプリング周期の長い圧力センサやオリフィス、サージタンク等を設けて計測したデータを用いるようにしても良い。

次に、ステップＳ１０５からステップＳ１０６へ進み、平均圧力Ｐaveと要求噴射量Ｑとをパラメータとしてマップを参照して平均圧力補正値Ｐxを算出する。更に、ステップＳ１０７で、瞬時圧力Ｐiと平均圧力Ｐaveとの差の正負によって補正係数Ｐmのマップを選択し、選択したマップを平均圧力Ｐaveと要求噴射量Ｑとにより参照して補正係数Ｐmを算出する。そして、前述の（２）式に従い、瞬時圧力Ｐiと平均圧力Ｐaveとの差圧(Ｐi−Ｐave)、補正係数Ｐmを用いて瞬時圧力変動補正値Ｐyを算出する。

その後、ステップＳ１０８へ進み、前述の（３）式に従い、要求噴射量Ｑを、平均圧力補正値Ｐxと瞬時圧力変動補正値Ｐyとの双方で補正して噴射パルス幅Δｔに変換し、本処理を抜ける。これにより、噴射時の圧力変動を考慮して補正された噴射パルス幅Δｔの信号でインジェクタ７が駆動され、噴射パルス幅Δｔに対応した開弁時間で適正な量の燃料が噴射される。

このように本実施の形態においては、エンジン運転状態に基づく要求噴射量Ｑを、燃料レール８の平均圧力に基づく平均圧力補正値Ｐxと、燃料レール８の平均圧力と瞬時圧力との差に基づく瞬時圧力変動補正値Ｐyとの双方を用いて補正し、噴射パルス幅Δｔに変換するため、実際の燃料噴射時の圧力変動を考慮した適正な燃料噴射量とすることができる。

１エンジン
７インジェクタ
８燃料レール
１０圧力センサ
５０電子制御ユニット
５１要求噴射量算出部
５２平均圧力補正値算出部
５３瞬時圧力変動補正値算出部
５４噴射パルス幅算出部
Ｐave 平均圧力
Ｐi 瞬時圧力
Ｐx 平均圧力補正値
Ｐy 瞬時圧力変動補正値
Ｐm 補正係数
Ｑ要求噴射量
Δｔ噴射パルス幅

Claims

エンジン運転状態に基づく要求噴射量を燃料圧力に応じて補正し、補正した噴射量の燃料を燃料レールに介装したインジェクタから噴射するエンジンの燃料噴射制御装置において、
前記要求噴射量を、前記燃料レールの平均圧力に基づいて補正するための平均圧力補正値を算出する平均圧力補正値算出部と、
前記要求噴射量を、前記燃料レールの平均圧力と瞬時圧力との差に応じて補正するための瞬時圧力変動補正値を算出する瞬時圧力変動補正値算出部と、
前記要求噴射量を前記平均圧力補正値と前記瞬時圧力変動補正値との双方を用いて補正し、前記インジェクタを駆動する噴射パルス幅を算出する噴射パルス幅算出部と
を備え、
前記瞬時圧力変動補正値算出部は、前記瞬時圧力変動補正値を、前記燃料レールの平均圧力と瞬時圧力との差に補正係数を乗算して算出するとともに、前記補正係数は、前記燃料レールの瞬時圧力が平均圧力よりも低い領域では前記燃料レールの瞬時圧力が平均圧力よりも高い領域よりも補正が強くなる値に設定される
ことを特徴とするエンジンの燃料噴射制御装置。