JP2005171895A - 内燃機関のコモンレール式燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コモンレール式燃料噴射装置においてコモンレール圧力のうねりを軽減することである。
【解決手段】 コモンレール１４に燃料を圧送するポンプ１３の回転周期が、ポンプ１３への燃料流量を調整する電磁弁のＰＷＭ駆動の駆動周期の整数倍の近傍の値をとるときに、コモンレール圧力のうねりが強く現れる、との知見に基づき、前記ポンプ制御手段１５を、エンジン回転数センサ１７より知られるポンプ１３の回転周期が前記ＰＷＭ駆動の駆動周期の整数倍の近傍に設定した所定の範囲内にあるときとその他のときとで、前記電磁弁に供給する電流の電流指令値のフィードバック演算を切換え自在な構成とする。これにより、コモンレール圧力のうねりを効果的に軽減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関のコモンレール式燃料噴射装置に関する。

今日、内燃機関には、複雑な態様の燃料噴射を自在に実現することのできるコモンレール式燃料噴射装置が広く用いられている。コモンレール式燃料噴射装置は、各気筒のインジェクタに共通のコモンレール内にインジェクタに供給する加圧燃料を蓄えておくようにしたもので、インジェクタを開閉弁することで前記コモンレール内の燃料圧力と略等しい噴射圧にて燃料を噴射する。コモンレールには機関回転動力により作動するポンプより燃料が圧送される。ポンプは、圧送に供する低圧燃料の流量の調整を、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動で給電され電流値に応じて開度調整自在な電磁弁により行うようになっており、前記電磁弁に供給する電流は、ポンプ制御手段が、前記コモンレール内の実圧力が目標圧力となるようにフィードバック制御する（特許文献１等）。
特開２００１−３７９１号公報

ところで、内燃機関の出力性能や排気の清浄度などは、インジェクタから噴射された燃料の噴霧の微粒化の程度や噴霧貫通力といった燃料噴霧の特性に左右されるが、燃料噴霧の特性は燃料の噴射圧、したがってコモンレール内の圧力で大きく規定される。したがって、コモンレール内の圧力の制御の高精度化は不可欠であり、さらなる改良が要請されている。

本発明は前記実情に鑑みなされたもので、コモンレール圧力制御のさらなる高精度化を図ることのできるコモンレール式燃料噴射装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、燃料を筒内に噴射するインジェクタと、該インジェクタに供給する加圧燃料を蓄えるコモンレールと、機関回転動力により前記コモンレールに燃料を圧送し、圧送に供する低圧燃料の流量の調整を、ＰＷＭ駆動で給電され電流値に応じて開度調整自在な電磁弁により行うポンプと、前記コモンレール内の実圧力が目標圧力となるように前記電磁弁に供給する電流をフィードバック制御により調整するポンプ制御手段とを有する内燃機関のコモンレール式燃料噴射装置において、
前記ポンプの回転周期を検出する回転周期検出手段を具備せしめ、
前記ポンプ制御手段は、前記ポンプの回転周期が、前記ＰＷＭ駆動の駆動周期の整数倍の近傍に設定した所定の範囲内にあるときとその他のときとで、前記電磁弁に供給する電流の電流指令値のフィードバック演算を切換え自在とする。

発明者らの実験研究によれば、前記電磁弁への電流供給がＰＷＭ駆動でなされる構成のものでは、コモンレール内の圧力にＰＷＭ駆動の駆動周期に比して比較的長い周期の脈動（以下，適宜、圧力のうねりという）が生じることが分かった。また、圧力のうねりはポンプの回転周期がＰＷＭ駆動の駆動周期の整数倍の近傍で最も顕著に現れ，ポンプの回転周期がＰＷＭ駆動の駆動周期の整数倍となる周期から離れるほど目立たなくなる。前記ポンプの回転周期が、前記ＰＷＭ駆動の駆動周期の整数倍の近傍に設定した所定の範囲内にあるときとその他のときとで、前記電磁弁に供給する電流の電流指令値のフィードバック演算を切換え自在とすることで、圧力のうねりを効果的に除去することができる。

請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記ポンプ制御手段には、前記コモンレール内の実圧力と目標圧力との圧力偏差を入力として制御量としての前記電流指令値を演算する制御量演算手段と、前記ポンプの回転周期が前記所定の範囲内にあるときに前記制御量演算手段に加算する補正値を演算する補正値演算手段とを具備せしめる。

圧力のうねりが顕著に現れる、前記ポンプの回転周期が、前記ＰＷＭ駆動の駆動周期の整数倍の近傍に設定した所定の範囲内のときに、電流指令値が補正されることで，圧力のうねりを抑制することができる。基本的な電流指令値を演算するための制御量演算手段は従来の装置のものと同じでよいので、実施が容易である。

請求項３記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記ポンプ制御手段には、前記コモンレール内の実圧力と目標圧力との圧力偏差を入力として少なくとも比例項を含む制御量としての前記電流指令値を演算する制御量演算手段を具備せしめ、該制御量演算手段には、前記ポンプの回転周期が前記所定の範囲内にあるときに前記比例項のゲインを補正する比例ゲイン補正手段を具備せしめる。

圧力のうねりが顕著に現れる、前記ポンプの回転周期が、前記ＰＷＭ駆動の駆動周期の整数倍の近傍に設定した所定の範囲内のときに、比例項のゲインが補正されることで，圧力のうねりを抑制することができる。基本的な電流指令値を演算するための制御量演算手段は従来の装置のものと同じでよいので、実施が容易である。

図１に本発明の内燃機関の燃料制御装置を適用したディーゼルエンジン（以下，適宜、単にエンジンという）の構成を示す。本実施形態は例えば自動車に適用したものである。図例のエンジンは４気筒のもので、エンジン本体１の各気筒に１対１に対応してインジェクタ１１が設けてあり、開弁時には燃料を噴射する。燃料は各気筒共通のコモンレール１４から供給される。コモンレール１４には、ポンプである高圧ポンプ１３から燃料タンク１２の燃料が供給される。高圧ポンプ１３は燃料をコモンレール１４に圧送供給し、コモンレール１４が高圧に保持されている。高圧ポンプ１３の構造については後述する。コモンレール１４内の燃料の圧力（以下，適宜、コモンレール圧力という）はインジェクタ１１の噴射圧力を規定しており、ポンプ制御手段であるＥＣＵ１５が高圧ポンプ１３を制御することにより調整される。

ＥＣＵ１５は前記インジェクタ１１や高圧ポンプ１３など、エンジン各部を制御する。ＥＣＵ１５は、かかるエンジン各部の制御のため、エンジン各部に設けられてエンジンの運転状態を検出するセンサ類の出力信号が入力している。コモンレール１４にはコモンレール圧力を検出する圧力センサ１６が取付けてある。また、エンジンの動力を出力するクランクシャフトの回転を検出する回転周期検出手段である回転数センサ１７が設けてあり、ＥＣＵ１５でクランクシャフトの回転速度（エンジン回転数）が知られるようになっている。その他にも図示はしないが、ディーゼルエンジンとして一般的なセンサ類を備えているのは勿論である。

ＥＣＵ１５は各種の信号処理回路や演算回路からなり、例えばマイクロコンピュータを中心に構成される。

次に本発明の特徴部分であるＥＣＵ１５における高圧ポンプ１３の制御について説明する。高圧ポンプ１３は前記のごとくＥＣＵ１５により制御され、ＥＣＵ１５は、圧力センサ１６から知られるコモンレール圧力の実圧力と目標圧力とに基づいて実圧力が目標圧力となるように高圧ポンプ１３を制御する。前記目標圧力は、スロットルバルブ開度やエンジン回転数などの運転状態に対応した適正な圧力値が随時、設定される。

高圧ポンプ１３はコモンレール式燃料噴射装置に採用される公知の構造のもので、これを図２に示す。高圧ポンプ１３にはエンジン動力を受けるポンプ回転軸２１が設けられ、ポンプ回転軸２１に所定の減速比で伝達されるエンジン動力（機関回転動力）により、燃料タンク１２から燃料を吸い上げるフィードポンプ１３２およびコモンレール１４に燃料を圧送する燃料圧送部１３４が作動するようになっている。燃料圧送部１３４はポンプ回転軸２１にリングカム４１が配設され、カム４１の外周に前記ポンプ回転軸２１の径方向に長さ方向をとってシリンダ４０１が形成されている。シリンダ４０１は前記ポンプ回転軸２１の周方向に等間隔に複数配置され、各シリンダ４０１には、それぞれプランジャ４２が摺動自在に保持されている。ポンプ回転軸２１はその中心軸から偏心したカム山を有し、カム山上昇時にリングカム４１を介しプランジャ４２を押圧するようになっている。

プランジャ４２を挟んでリングカム４１とは反対側にプランジャ４２とシリンダ４０１とで形
成される空間はプランジャ４２の変位により拡縮する圧力室４０２としてある。圧力室４０２には、圧力室４０２への流入方向を順方向とする逆止弁により構成された吸入弁１３５を通過する加圧前の燃料が供給され、前記カム山の上昇に伴ってプランジャ４２が燃料を圧縮し、加圧された燃料が圧力室４０２からの流出方向を順方向とする逆止弁により構成された吐出弁１３６を介してコモンレール１４へと供給される。

圧力室４０への燃料の供給は、燃料タンク１２からの燃料が調圧用のレギュレートバルブ１３１を介してフィードポンプ１３２により吸上げられ、フィードポンプ１３２から燃料調量弁（以下，適宜、ＳＣＶという）１３３および前記吸入弁１３５を介してなされるようになっている。

ＳＣＶ１３３は、棒状のバルブボディ３１の縦穴に挿置した弁体３２の変位量により開度（以下，適宜、ＳＣＶ開度という）を変えて燃料の流量を調整する電磁弁で、ＳＣＶ開度が開側ほど圧力室４０２への燃料供給量が増えて吐出量が増え、これがコモンレール圧力を上昇せしめる。ＳＣＶ１３３からの燃料はカム山が下降する期間に圧力室４０２へと吸入される。

弁体３２の変位はソレノイド３３による電磁駆動でなされ、変位量はソレノイド３３への電流量を調整することでなされる。ソレノイド３３への電流駆動方法は、一般的なＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動であり、例えば電流指令値に応じたデューティ比のオンオフ時間をソフトで制御する方法が採用し得る。これにより、電流指令値に応じたデューティ比でＳＣＶ１３３のソレノイド３３に電流が流れる。なお、ソレノイド３３に対する電流駆動の駆動周期（以下，適宜、ＳＣＶ駆動周期という）は予めＥＣＵ１５に記憶しておく。

図３はＳＣＶ１３３のソレノイド３３に流す駆動電流（以下，適宜、ＳＣＶ駆動電流という）の平均電流と高圧ポンプ１３の吐出量との関係を示す特性線の一例である。図例は平均電流が大きいほど開度が小さくなるＳＣＶのものであり、所定の電流値でＳＣＶ開度が０になり吐出量も０となる。平均電流が小さいほどＳＣＶ開度が大きくなって吐出量が増大する。平均電流に対して吐出量が漸増する電流域では、吐出量はＳＣＶ開度およびポンプ回転軸２１のカム山が下降し圧力室４０２が拡大方向となる期間の長さに略比例する。低電流領域で吐出量が一定値をとるのは、ＳＣＶ開度が大きい低電流域では、吐出量がプランジャ４２のストロークで規定されるからである。このとき、エンジン回転数が低いほど圧力室４０２が拡大方向となる期間の長さが長くなるので、特性線の傾きが急になり、吐出量が一定値をとる電流域の上限が高電流域側に伸びる。ＥＣＵ１５は要求される吐出量に対して、制御対象であるコモンレール圧力を調整するための制御量として、電流指令値を演算する。電流指令値の演算にあたっては、前記のごとく吐出量に対する依存性を有するエンジン回転数が考慮される。

図４はＥＣＵ１５で実行される高圧ポンプ１３の制御を機能ブロックで表している。コモンレール圧力の目標圧力と実圧力との圧力偏差を入力としてＰＩＤ演算部１５１を有しており、比例項、積分項、および微分項を加算するＰＩＤ演算を実行する。演算では電流指令値が求められる。また、前記圧力偏差を入力として、補正値演算部１５２を有しており、その演算出力により前記ＰＩＤ演算部１５１の演算出力が加算補正されるようになっている。加算補正される補正値は、圧力偏差に所定の係数を乗じることで求める。係数は、エンジン回転数、燃料の噴射量およびコモンレール圧力などに基づいて設定される。

補正値演算部１５２では、エンジン回転数をポンプ回転軸２１の回転周期（以下，適宜、ポンプ回転周期という）Ｔpに換算し、ポンプ回転周期ＴpがＳＣＶ駆動周期Ｔsの整数倍(Ｔs×ｎ)となる周期の近傍に設定した所定範囲外では補正値を０とし、ＰＩＤ演算部１５１の演算出力に対し実質的に補正は行わない。また、前記係数は前記エンジン回転数などの運転状態の検出値を入力とするマップを予め記憶しておき、マップを参照して決定するのがよい。

本コモンレール式燃料噴射装置の作動を説明する。図５にＳＣＶ１３３の開口面積（以下，適宜、ＳＣＶ開口面積という）および吐出量を時系列的に示す。開口面積はＳＣＶ１３３において弁体３２の変位量に応じて変わる燃料流量を規定する通路断面積である。吐出量はポンプ回転周期Ｔpあたりの吐出量で表している。これは、実質的に、ポンプ回転周期Ｔpの長さの期間におけるＳＣＶ開口面積の積分値に比例する。吐出量としてポンプ回転周期Ｔpの異なる２つの場合を示している。第１の場合はポンプ回転周期Ｔp（Ａ）の場合で、ポンプ回転周期Ｔp（Ａ）はＳＣＶ駆動周期Ｔsの整数倍(Ｔs×ｎ)の近傍の値をとる。図例ではポンプ回転周期ＴpがＳＣＶ駆動周期Ｔsの１．１２５倍程度に設定してある。ポンプ回転周期Ｔpの異なる２つの場合のうちの第２の場合は、ポンプ回転周期Ｔp（Ｂ）の場合で、ポンプ回転周期Ｔp（Ｂ）はＳＣＶ駆動周期Ｔsの近傍から離れた値をとる。図例ではポンプ回転周期ＴpがＳＣＶ駆動周期Ｔsの０．５倍程度に設定してある。

さて、ＳＣＶ１３３はＰＷＭ駆動で電流を制御するため、ＳＣＶ開口面積は図例のごとくＳＣＶ駆動周期Ｔsと同じ周期で変動が生じる。ポンプ回転周期がSCV駆動周期の整数倍の近傍にある時、ポンプ1回転当たりの吐出量は徐々に増減する。これが吐出量のうねりとなり、これに基因してコモンレール圧力にうねりが生じる。また、ポンプ1回転当たりの吐出量の変化率は、SCV駆動周期の整数倍の近傍から遠ざかるにつれて大きくなり、吐出量の脈動は短周期の小刻みなものになり、コモンレール圧力にうねりが生じない。ポンプ回転周期ＴpがＳＣＶ駆動周期Ｔsの近傍の値であるポンプ回転周期Ｔp（Ａ）の例では、吐出量にうねりが生じている。一方、ポンプ回転周期Ｔpが（Ｔs×１／２）であるポンプ回転周期（Ｂ）の例では、ＳＣＶ駆動周期Ｔsと同じ周期の脈動が生じるのみである。この場合には吐出量の脈動は短周期の小刻みな振動であり、吐出量やコモンレール圧力において、うねり現象は顕在化しない。

したがって、本コモンレール式燃料噴射装置では、ポンプ回転周期ＴpがＳＣＶ駆動周期の整数倍(Ｔs×ｎ)の近傍の値をとるときに制御量としてのＳＣＶ１３３の電流指令値が補正されるので、図６に示すように、コモンレール圧力のうねりを効果的に低減せしめることができる。

なお、前記のごとく、ポンプ回転周期ＴpがＳＣＶ駆動周期の整数倍(Ｔs×ｎ)に近いほど圧力のうねりの周期は長くなるから、ＰＩＤ演算部１５１の演算出力に対して実質的な補正を行うポンプ回転周期Ｔpの所定範囲は、ポンプ回転周期ＴpがＳＣＶ駆動周期の整数倍(Ｔs×ｎ)の近傍の範囲に設定することになるが、その範囲を規定する、（Ｔs×ｎ）に近い側の限界値と（Ｔs×ｎ）から遠い側の限界値は、要求される圧力うねり抑制作用に応じて設定する。

また、前記係数のマップは、前記のごとく、パラメータとなる前記運転状態として燃料噴射量やコモンレール圧力を含めているが、これは、燃料噴射量によって、目標圧力を維持すべく要求される吐出量も変化し、また、吐出弁１３６の出口側の圧力であるコモンレール圧力によって、吐出圧が変化するので、運転状態によって、コモンレール圧力のうねりの山の高さが変化するからである。

（第２実施形態）
図７に本発明の第２実施形態になるコモンレール式燃料噴射制御装置のＥＣＵにおける高圧ポンプの制御を機能ブロックで示す。第１実施形態において、電流指令値を別の方法で演算するようにしたものである。第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して第１実施形態との相違点を中心に説明する。

圧力偏差を入力とする制御量演算手段であるＰＩＤ演算部１５１Ａは比例項演算部１５１１、積分項演算部１５１２、および微分項演算部１５１３を有しており、各演算出力を加算して制御量としてのＳＣＶ１３３の電流指令値が求められる。比例項演算部１５１１、積分項演算部１５１２、および微分項演算部１５１３は一般的なもので、比例項演算部１５１１は圧力偏差に比例ゲインを乗じ、積分項演算部１５１２は圧力偏差の積分値に積分ゲインを乗じ、微分項演算部１５１３は圧力偏差の微分値に微分ゲインを乗じる。

ＰＩＤ演算部１５１Ａにはまた、前記比例ゲインを補正する比例ゲイン補正手段であるゲイン補正部１５１４が設けられており、比例項演算部１５１１で用いられる比例ゲインが前記補正により更新される。比例ゲインに対して実質的な補正を行うポンプ回転周期Ｔpの所定範囲は、ポンプ回転周期ＴpがＳＣＶ駆動周期の整数倍(Ｔs×ｎ)の近傍の範囲に設定することになる。また、比例ゲインの補正は、第１実施形態と同様にエンジン回転数、噴射量、およびコモンレール圧力などを入力とするマッを参照してなされる。

本実施形態によってもコモンレール圧力のうねりの現象を効果的に低減し得る。

また、前記各実施形態において、ＰＩＤ演算部１５１や比例項演算部１５１１、積分項演算部１５１２、および微分項演算部１５１３は従来の装置のものと同じでよいので、実施が容易である。

本発明のコモンレール式燃料噴射装置を備える内燃機関の構成図である。 前記コモンレール式燃料噴射装置を構成する高圧ポンプの断面図である。 前記高圧ポンプの特性図である。 前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵで実行される本発明の第1の制御内容を示すブロック図である。 前記高圧ポンプの作動を説明するタイミングチャートである。 前記コモンレール式燃料噴射装置と従来のコモンレール式燃料噴射装置とを比較するタイミングチャートである。 前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵで実行される本発明の第２の制御内容を示すブロック図である。

符号の説明

１１ インジェクタ
１２ 燃料タンク
１３ 高圧ポンプ（ポンプ）
１３２ フィードポンプ
１３３ ＳＣＶ（電磁弁）
１３４ 燃料圧送部
１３６ 吐出弁
１４ コモンレール
１５ ＥＣＵ（ポンプ制御手段）
１５１，１５１Ａ ＰＩＤ演算部（制御量演算手段）
１５２ 補正演算部（補正量演算手段）
１５１１ 比例項演算部
１５１２ 積分項演算部
１５１３ 微分項演算部
１５１４ 比例ゲイン補正部（比例ゲイン補正手段）
１７ エンジン回転数センサ（回転周期検出手段）

Claims (3)

1. 燃料を筒内に噴射するインジェクタと、該インジェクタに供給する加圧燃料を蓄えるコモンレールと、機関回転動力により前記コモンレールに燃料を圧送し、この圧送に供する低圧燃料の流量の調整を、ＰＷＭ駆動で給電され電流値に応じて開度調整自在な電磁弁により行うポンプと、前記コモンレール内の実圧力が目標圧力となるように前記電磁弁に供給する電流をフィードバック制御により調整するポンプ制御手段とを有する内燃機関のコモンレール式燃料噴射装置において、
   前記ポンプの回転周期を検出する回転周期検出手段を具備せしめ、
   前記ポンプ制御手段は、前記ポンプの回転周期が、前記ＰＷＭ駆動の駆動周期の整数倍の近傍に設定した所定の範囲内にあるときとその他のときとで、前記電磁弁に供給する電流の電流指令値のフィードバック演算を切換え自在としたことを特徴とする内燃機関のコモンレール式燃料噴射装置。
2. 請求項１記載の内燃機関のコモンレール式燃料噴射装置において、前記ポンプ制御手段には、前記コモンレール内の実圧力と目標圧力との圧力偏差を入力として制御量としての前記電流指令値を演算する制御量演算手段と、前記ポンプの回転周期が前記所定の範囲内にあるときに前記制御量演算手段に加算する補正値を演算する補正値演算手段とを具備せしめた内燃機関のコモンレール式燃料噴射装置。
3. 請求項１記載の内燃機関のコモンレール式燃料噴射装置において、前記ポンプ制御手段には、前記コモンレール内の実圧力と目標圧力との圧力偏差を入力として少なくとも比例項を含む制御量としての前記電流指令値を演算する制御量演算手段を具備せしめ、該制御量演算手段には、前記ポンプの回転周期が前記所定の範囲内にあるときに前記比例項のゲインを補正する比例ゲイン補正手段を具備せしめた内燃機関のコモンレール式燃料噴射装置。

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