JP7088867B2

JP7088867B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP7088867B2
Application number: JP2019055213A
Authority: JP
Inventors: 芳之北爪; 晃一川戸
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: JP2020153354A

Description

本発明は、ソレノイドコイルへの通電処理によって開弁する燃料噴射弁を備える内燃機関に適用される内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の燃料噴射弁は、弁体の変位が規制部材によって規制されるタイミングにおいて、弁体の跳ね返りが生じ得ることが知られている。そして規制されるタイミングの近傍であるバウンス領域において燃料の噴射が終了する場合には、燃料噴射の制御性が低下する。

そこで、たとえば下記特許文献１には、燃料噴射弁に対する噴射パルス信号の終了タイミングを、予め定められた領域を避けて設定する制御装置が記載されている。

特開２０１６－１４３２３号公報

ところで、バウンス領域は、燃料噴射弁の個体差や経年変化によってばらつく。そのため、燃料噴射弁のソレノイドコイルへの電圧印加時間について、燃料噴射がバウンス領域近傍で終了することとなる噴射不可領域を予め設定する場合、個体差や経年変化を加味して噴射不可領域を広く設定せざるを得ないため、噴射可能領域が狭くなる。

上記課題を解決すべく、内燃機関の制御装置は、ソレノイドコイルへの通電処理によって開弁する燃料噴射弁を備える内燃機関に適用され、前記ソレノイドコイルへの電圧印加時間が、前記燃料噴射弁のノズルニードルの変位が規制部材によって規制され始めるタイミングとなる時間以上であって該時間よりも所定の長さだけ長い時間以下である噴射不可領域となることを避けて前記燃料噴射弁を操作する操作処理と、前記ソレノイドコイルへの電圧印加処理の停止後における前記ソレノイドコイルの誘起電圧の時間変化の変曲点に基づき、前記燃料噴射弁の開弁時間を検出する開弁時間検出処理と、前記ソレノイドコイルへの電圧印加時間を変化させた際の前記開弁時間検出処理によって検出される前記開弁時間の変化に基づき、前記噴射不可領域を学習する学習処理と、を実行する。

ソレノイドコイルへの電圧印加時間に対して開弁時間は単調強増加する傾向があるものの、ノズルニードルの変位が規制部材によって規制される電圧印加時間の最小値の前後においては、電圧印加時間に対して開弁時間が単調強減少する傾向がある。また、ノズルニードルの変位が規制部材によって規制されることによって跳ね返りが生じる現象が収まり、ノズルニードルがフルリフト状態で固定されることとなる電圧印加時間の最小値の前後においては、ソレノイドコイルへの電圧印加時間に対する開弁時間の増加量が特に大きくなる傾向がある。上記構成では、こうした点に鑑み、電圧印加時間を変化させた際の開弁時間の変化に基づき、噴射不可領域を学習する。これにより、噴射不可領域を予め設定する場合と比較すると、マージンを極力小さくすることができることから、噴射可能領域を極力大きくすることができる。

第１の実施形態にかかる制御装置および燃料噴射弁を示す図。同実施形態にかかる制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図。電圧印加時間と噴射量や開弁時間との関係を示す図。（ａ）および（ｂ）は、本実施形態および比較例における噴射不可領域を示すタイムチャート。同実施形態の効果を示す図。第２の実施形態にかかる燃料噴射処理を例示する図。第３の実施形態にかかる制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図。同実施形態の効果を示す図。

＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁１０には、中空構造のボディ１２内にノズルニードル１４が収容されている。ノズルニードル１４は、ノズルニードル１４と一体的に変位して且つ磁性体からなる可動子１６を介して、スプリング１８によって閉弁方向に弾性力を及ぼされている。ボディ１２内において、可動子１６よりも先端側には、空隙ＡＳが設けられており、この空隙ＡＳが、図示しない高圧デリバリパイプから燃料が供給される燃料室となっている。また、燃料噴射弁１０は、ソレノイドコイル２０を備えている。そして、燃料噴射弁１０は、ソレノイドコイル２０による電磁力が可動子１６に作用しない場合には閉弁状態に維持される。一方、燃料噴射弁１０は、ソレノイドコイル２０による電磁力が可動子１６に作用することにより、可動子１６が開弁方向に変位するのに伴ってノズルニードル１４も開弁方向に変位し、開弁する。すなわち、空隙ＡＳと噴射孔Ｃとが連通状態となる。なお、図１においては、可動子１６が規制部材２２に接触している状態を例示している。可動子１６が規制部材２２に接触している状態において、ノズルニードル１４のリフト量が最大な状態（フルリフト状態）となる。

制御装置３０は、バッテリ４２の電圧を昇圧する昇圧回路４０を備えている。昇圧回路４０による昇圧電圧は、スイッチング素子ＳＷ１を介してソレノイドコイル２０の第１端子Ｔ１に印加される。第１端子Ｔ１には、ダイオードＤ１およびスイッチング素子ＳＷ２を介してバッテリ４２の電圧を印加可能となっている。また、第１端子Ｔ１には、ダイオードＤ２のカソードが接続されており、ダイオードＤ２のアノードは接地されている。

ソレノイドコイル２０の第２端子Ｔ２は、スイッチング素子ＳＷ３およびシャント抵抗Ｒを介して接地されている。本実施形態では、ソレノイドコイル２０の第２端子Ｔ２の電位がＡ／Ｄ変換器６０によってデジタルデータに変換される。なお、ソレノイドコイル２０の第２端子Ｔ２は、ダイオードＤ３のアノードに接続されており、ダイオードＤ３のカソードは、昇圧回路４０の出力端子に接続されている。

制御装置３０は、さらに、マイクロコンピュータ（マイコン５０）を備えている。マイコン５０は、ＣＰＵ５２、ＲＯＭ５４、および、電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ５６、および周辺回路５８を備えており、それらがローカルネットワーク５９を介して通信可能となっている。周辺回路５８は、内部の動作を規定するクロック信号を生成する回路や、電源回路、リセット回路等を含む。制御装置３０による制御量の制御は、ＲＯＭ５４に記憶されたプログラムをＣＰＵ５２が実行することにより実現される。

ＣＰＵ５２は、内燃機関の充填効率に応じて１燃焼サイクル内で要求される噴射量である要求噴射量の燃料を噴射すべく、燃料噴射弁１０を操作する。詳しくは、ＣＰＵ５２はまず、スイッチング素子ＳＷ３をオン操作した状態で、スイッチング素子ＳＷ１をオン操作することによって、昇圧回路４０の昇圧電圧をソレノイドコイル２０の第１端子Ｔ１に印加する。これにより、ソレノイドコイル２０に流れる電流を急激に所定のピーク電流に立ち上げ、ピーク電流となることにより、ＣＰＵ５２は、スイッチング素子ＳＷ１をオフ操作する。そして、ＣＰＵ５２は、ソレノイドコイル２０に流れる電流がピーク電流よりも小さい保持電流となるように、スイッチング素子ＳＷ２をオン・オフ操作する。そして、ＣＰＵ５２は、スイッチング素子ＳＷ１をオン状態に切り替えてからの経過時間が、要求噴射量に応じた電圧印加時間となることにより、スイッチング素子ＳＷ３をオフ操作する。

ただし、ＣＰＵ５２は、電圧印加時間がソレノイドコイル２０への電圧の印加開始から可動子１６が規制部材２２に接触するタイミングよりも短い場合、電圧印加時間の上限を、電圧の印加停止後に可動子１６が規制部材２２に接触することなくノズルニードル１４が閉弁する期間の最長時間とする。また、ＣＰＵ５２は、電圧印加期間がソレノイドコイル２０への電圧の印加開始から可動子１６が規制部材２２に接触するタイミングよりも長い場合、電圧印加期間の下限を、電圧の印加開始から可動子１６が規制部材２２に接触するタイミングまでの時間よりも所定時間長い時間とする。すなわち、本実施形態では、実際の電圧印加時間が、上記電圧印加時間の上限および下限によって定まる噴射不可領域内に入ることを回避する。これは、ノズルニードル１４が規制部材２２に接触すると、ノズルニードル１４がその衝撃で跳ね返る現象が生じることに起因して、電圧印加時間が、電圧の印加開始から可動子１６が規制部材２２に接触するタイミングまでの時間に近い場合、燃料噴射量の制御精度が顕著に低下しやすいためである。

本実施形態では、上記噴射不可期間を図２に示す処理によって、学習する。詳しくは、本実施形態では、噴射不可期間の終点をデフォルト値とし、始点を学習値する。
図２は、噴射不可期間の始点であるバウンス下限時間の学習処理の手順を示す。図２に示す処理は、ＲＯＭ５４に記憶されたプログラムをＣＰＵ５２がたとえば所定周期で繰り返し実行することにより実現される。なお、以下では、先頭に「Ｓ」が付与された数字によって、各処理のステップ番号を表現する。

図２に示す一連の処理において、ＣＰＵ５２は、まずバウンス下限時間の学習が未完了であるか否かを判定する（Ｓ１０）。なお、本実施形態では、内燃機関の始動時に、学習の完了の有無の履歴が初期化されることとする。そのため、内燃機関の始動後、未だ学習がなされていない場合には、未完了と判定される。

ＣＰＵ５２は、未完了と判定する場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、電圧印加時間Ｔに初期値Ｔｍｉｎ０を代入する（Ｓ１２）。初期値Ｔｍｉｎ０は、燃料噴射弁１０の個体差や経年変化にかかわらず、ノズルニードル１４が規制部材２２に接触することなく閉弁すると想定される値に設定されている。次にＣＰＵ５２は、電圧印加時間Ｔにわたって電圧を印加する（Ｓ１４）。すなわち、ＣＰＵ５２は、スイッチング素子ＳＷ１をオン状態に切り替えるタイミングからスイッチング素子ＳＷ３をオフ状態に切り替えるタイミングまでの時間を、電圧印加時間Ｔとする。

そしてＣＰＵ５２は、電圧印加時間Ｔが経過した後、燃料噴射弁１０が開弁していた時間である開弁時間Ｘ２を検出する（Ｓ１６）。これは、電圧印加処理の停止後にソレノイドコイル２０に生じる誘起電圧の時間変化の変曲点によって燃料噴射弁１０の閉弁タイミングを検出することによって、実現される。詳しくは、スイッチング素子ＳＷ３をオフ操作すると、ソレノイドコイル２０の誘起電圧によって、ダイオードＤ２、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、ダイオードＤ３、および昇圧回路４０の閉ループ回路に電流が流れ、ソレノイドコイル２０に流れる電流が急激に減少する。その後、たとえばスイッチング素子ＳＷ３をオン操作すると、ダイオードＤ２、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、スイッチング素子ＳＷ３、およびシャント抵抗Ｒの閉ループ回路に電流が流れ、その際の電流の流れや、第２端子Ｔ２の電位には、誘起電圧の時間変化の変曲点が反映される。ＣＰＵ５２は、Ａ／Ｄ変換器６０の出力する第２端子Ｔ２の電位に基づき、上記変曲点となるタイミングである、燃料噴射弁１０の閉弁タイミングを検出することによって開弁時間Ｘ２を検出する。変曲点となるタイミングの検出は、具体的には、たとえば第２端子Ｔ２の電位についての２つの異なるカットオフ周波数を有するローパスフィルタ処理値同士の差に基づき行うことができる。なお、ここでの開弁時間の検出において、開弁開始タイミングは、噴射孔Ｃが空隙ＡＳと連通状態となったタイミングを高精度に検知する必要はなく、たとえば、スイッチング素子ＳＷ１がオン操作されたタイミングとしてもよい。

次に、ＣＰＵ５２は、開弁時間Ｘ２から、前回の開弁時間の検出値である開弁時間Ｘ１を減算した値を所定量ΔＴにて除算した値が閾値Ｒｅｆよりも小さいか否かを判定する（Ｓ１８）。ここで、Ｓ１０の処理において最初に肯定判定された際には、開弁時間Ｘ１は存在しないことから初期値「０」とされている。その場合、ＣＰＵ５２は、閾値Ｒｅｆ以上と判定することとなり（Ｓ１８：ＹＥＳ）、電圧印加時間Ｔに所定量ΔＴを加算した値によって、電圧印加時間Ｔを更新するとともに、開弁時間Ｘ１に開弁時間Ｘ２を代入し（Ｓ２０）、Ｓ１４の処理に戻る。

これに対しＣＰＵ５２は、Ｓ１８の処理において、閾値Ｒｅｆよりも小さいと判定する場合、バウンス下限時間に電圧印加時間Ｔを代入する（Ｓ２２）。すなわち、Ｓ２０の処理を実行する都度、電圧印加時間Ｔは長くなることから、可動子１６が規制部材２２に接触しない限り、Ｓ２０の処理の実行前に対して後には開弁時間Ｘ２が長くなる。ただし、可動子１６が規制部材２２に接触すると、可動子１６が衝撃で跳ね返されてノズルニードル１４に対して閉弁方向に力が及ぼされることから、開弁時間Ｘ２がかえって短くなる。

図３に、電圧印加時間Ｔおよび噴射量の関係と、電圧印加時間Ｔおよび開弁時間の関係とを示す。図３に示すように、電圧印加時間Ｔが、可動子１６が規制部材２２に接触しない電圧印加時間の最大値「Ｔ１」となるまでは、電圧印加時間Ｔが長い場合に短い場合よりも噴射量が大きくなり、開弁時間が長くなるものの、電圧印加時間Ｔが最大値「Ｔ１」を超えると、噴射量や開弁時間が一旦減少する。

Ｓ１８の処理は、電圧印加時間Ｔが所定量ΔＴだけ異なる２つの場合で、可動子１６が規制部材２２に接触するかしないかの２つの場合に分かれるときの電圧印加時間Ｔをとらえる処理である。そのときの電圧印加時間Ｔは、噴射不可領域に入る下限値であると考えられる。

図２に戻り、ＣＰＵ５２は、Ｓ２２の処理が完了する場合や、Ｓ１０の処理において否定判定する場合には、図２に示す一連の処理を一旦終了する。
ここで、本実施形態の作用および効果について説明する。

ＣＰＵ５２は、各気筒について、電圧印加時間Ｔの変化に対する開弁時間の変化に基づき、個別に噴射不可領域の始点を、バウンス下限時間として学習する。これにより、たとえば、内燃機関が４気筒であり、各気筒の燃料噴射弁１０を、「燃料噴射弁Ａ」、「燃料噴射弁Ｂ」、「燃料噴射弁Ｃ」、「燃料噴射弁Ｄ」とすると、図４（ａ）に示すように、各気筒毎に、噴射不可領域が異なる。図４（ａ）に示す例では、「燃料噴射弁Ａ」に限って、要求噴射量の燃料を噴射するための電圧印加時間Ｔが噴射不可領域に入っている。

これに対し図４（ｂ）に示す比較例では、「燃料噴射弁Ａ」、「燃料噴射弁Ｂ」、「燃料噴射弁Ｃ」、「燃料噴射弁Ｄ」の全ての噴射不可領域を包含して且つ経年変化をも考慮して単一の噴射不可領域を予め定めている。そのため、図４（ｂ）に示す例では、「燃料噴射弁Ａ」、「燃料噴射弁Ｂ」、「燃料噴射弁Ｃ」、「燃料噴射弁Ｄ」のいずれにおいても、要求噴射量の燃料を噴射するための電圧印加時間Ｔが噴射不可領域に入っている。

そのため、比較例では、図５にパターン１として示すように、「燃料噴射弁Ａ」、「燃料噴射弁Ｂ」、「燃料噴射弁Ｃ」、「燃料噴射弁Ｄ」の全てにおいて、電圧印加時間Ｔを噴射不可領域の終点よりも長くなるように延長することによって、噴射量が過剰となるおそれがある。また、比較例では、パターン２として示すように、「燃料噴射弁Ａ」、「燃料噴射弁Ｂ」、「燃料噴射弁Ｃ」、「燃料噴射弁Ｄ」の全てにおいて、電圧印加時間Ｔを噴射不可領域の始点（バウンス下限時間）よりも短くなるように短縮することによって、噴射量が過小となるおそれがある。

これに対し、本実施形態では、「燃料噴射弁Ａ」に限って電圧印加時間Ｔをバウンス下限時間よりも短くなるように短縮することによって、要求噴射量に対する実際の噴射量のずれを比較例と比べて小さくすることができる。

＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、噴射不可領域に起因して要求噴射量の燃料の噴射ができない燃料噴射弁１０がある場合、他の燃料噴射弁１０の噴射量をあえて要求噴射量からずらして、全気筒の噴射量の合計を、（要求噴射量）×（気筒数）に近づける。

図６に、本実施形態にかかる噴射量の調整手法を例示する。図６に示す例は、図４（ａ）に示した例に対応している。すなわち、「燃料噴射弁Ａ」に限って、要求噴射量の燃料を噴射するための電圧印加時間Ｔが噴射不可領域に入っている例に対応している。その場合、「燃料噴射弁Ａ」に限って電圧印加時間Ｔをバウンス下限時間よりも短くなるように短縮するのみならず、噴射不可領域が最も短い「燃料噴射弁Ｂ」の噴射量を要求噴射量に対して増量することによって、全気筒の噴射量の合計を、（要求噴射量）×（気筒数）に近づける。

＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、噴射不可領域の終点についても学習する。
図７に、噴射不可期間の終点であるバウンス上限時間の学習処理の手順を示す。図７に示す処理は、ＲＯＭ５４に記憶されたプログラムをＣＰＵ５２がたとえば所定周期で繰り返し実行することにより実現される。なお、図７において、図２に示した処理に対応する処理については、便宜上、同一のステップ番号を付与する。

図７に示す一連の処理において、ＣＰＵ５２は、まずバウンス上限時間の学習が未完了であるか否かを判定する（Ｓ１０ａ）。なお、本実施形態では、内燃機関の始動時に、学習の完了の有無の履歴が初期化されることとする。そのため、内燃機関の始動後、未だ学習がなされていない場合には、未完了と判定される。

ＣＰＵ５２は、未完了と判定する場合（Ｓ１０ａ：ＹＥＳ）、電圧印加時間Ｔに初期値Ｔｍａｘ０を代入する（Ｓ１２ａ）。初期値Ｔｍａｘ０は、燃料噴射弁１０の個体差や経年変化にかかわらず、可動子１６が規制部材２２に接触して跳ね返る現象が収束し、可動子１６が規制部材２２に接触した状態で固定される状態が生じると想定される値に設定されている。次にＣＰＵ５２は、Ｓ１４，Ｓ１６の処理を実行し、前回の開弁時間の検出値である開弁時間Ｘ１から開弁時間Ｘ２を減算した値を所定量ΔＴにて除算した値が閾値Ｒｅｆよりも小さいか否かを判定する（Ｓ１８ａ）。ここで、Ｓ１０ａの処理において最初に肯定判定された際には、開弁時間Ｘ１は存在しないことからＣＰＵ５２は、否定判定することとし、電圧印加時間Ｔから所定量ΔＴを減算した値によって、電圧印加時間Ｔを更新するとともに、開弁時間Ｘ１に開弁時間Ｘ２を代入し（Ｓ２０ａ）、Ｓ１４の処理に戻る。

これに対しＣＰＵ５２は、閾値Ｒｅｆよりも小さいと判定する場合（Ｓ１８ａ：ＹＥＳ）、バウンス上限時間に電圧印加時間Ｔを代入する（Ｓ２２ａ）。すなわち、Ｓ２０ａの処理を実行する都度、電圧印加時間Ｔは短くなることから、Ｓ２０ａの処理の実行前に対して後には開弁時間Ｘ２が短くなる。特に、可動子１６が規制部材２２に接触して跳ね返る現象が収束し、可動子１６が規制部材２２に接触した状態で固定されるための電圧印加時間Ｔの最小値に実際の電圧印加時間Ｔが満たなくなると、開弁時間Ｘ１に対する開弁時間Ｘ２の減少量が顕著となる。Ｓ１８ａの処理は、電圧印加時間Ｔが所定量ΔＴだけ異なる２つの場合で、可動子１６が規制部材２２に接触して跳ね返る現象が収束し、可動子１６が規制部材２２に接触した状態で固定されるための電圧印加時間Ｔの最小値に満たなくなるか否かの２つの場合に分かれるときの電圧印加時間Ｔをとらえる処理である。そのときの電圧印加時間Ｔは、噴射不可領域に入る上限値であると考えられる。

ＣＰＵ５２は、Ｓ２２ａの処理が完了する場合や、Ｓ１０ａの処理において否定判定する場合には、図２に示す一連の処理を一旦終了する。
図８に、本実施形態の噴射不可領域を例示する。図８に示すように、本実施形態によれば、噴射不可領域の始点のみならず終点をも学習することにより、噴射不可領域を極力小さくすることができる。

＜対応関係＞
上記実施形態における事項と、上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項との対応関係は、次の通りである。操作処理は、図５の処理に対応する。開弁時間検出処理は、Ｓ１６の処理に対応し、学習処理は、Ｓ１８，Ｓ２２の処理や、Ｓ１８ａ，Ｓ２２ａの処理に対応する。

＜その他の実施形態＞
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・図７の処理において、電圧印加時間Ｔを所定量ΔＴずつ増加させた際に、今回の開弁時間Ｘ２から前回の開弁時間Ｘ１を減算した値を所定量ΔＴで除算した値が、閾値よりも大きい場合に、「Ｔ－ΔＴ」をバウンス上限値としてもよい。

・Ｓ２２の処理によって算出されるバウンス下限時間の指数移動平均処理値を最終的なバウンス下限時間としたり、Ｓ２２ａの処理によって算出されるバウンス上限時間の指数移動平均処理値を最終的なバウンス上限時間としたりしてもよい。これは、たとえば、指数移動平均処理値を不揮発性メモリ５６に記憶しておき、Ｓ２２の処理や、Ｓ２２ａの処理によって新たに算出された値と記憶されている値とを用いてバウンス下限時間やバウンス上限時間を更新することによって実現できる。

１０…燃料噴射弁、１２…ボディ、１４…ノズルニードル、１６…可動子、１８…スプリング、２０…ソレノイドコイル、２２…規制部材、３０…制御装置、４０…昇圧回路、４２…バッテリ、５０…マイコン、５２…ＣＰＵ、５４…ＲＯＭ、５６…不揮発性メモリ、５８…周辺回路、５９…ローカルネットワーク、６０…Ａ／Ｄ変換器。

Claims

ソレノイドコイルへの通電処理によって開弁する燃料噴射弁を備える内燃機関に適用され、
前記ソレノイドコイルへの電圧印加時間が、前記燃料噴射弁のノズルニードルの変位が規制部材によって規制され始めるタイミングとなる時間以上であって該時間よりも所定の長さだけ長い時間以下である噴射不可領域となることを避けて前記燃料噴射弁を操作する操作処理と、
前記ソレノイドコイルへの電圧印加処理の停止後における前記ソレノイドコイルの誘起電圧の時間変化の変曲点に基づき、前記燃料噴射弁の開弁時間を検出する開弁時間検出処理と、
前記ソレノイドコイルへの電圧印加時間を変化させた際の前記開弁時間検出処理によって検出される前記開弁時間の変化に基づき、前記噴射不可領域を学習する学習処理と、を実行する内燃機関の制御装置。