JP5375271B2

JP5375271B2 - 燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP5375271B2
Application number: JP2009087529A
Authority: JP
Inventors: 雅里池本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010236492A

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

燃焼室内に燃料を直接噴射するためのインジェクタを備えた内燃機関（例えば、ディーゼルエンジン）が知られている。ここで、インジェクタの噴孔周辺にデポジットが堆積すると、トルクの低下等が生じる。そこで、インジェクタの噴孔部に付着したデポジットを除去する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１を参照）。

特開２００６−２６２９号公報

インジェクタ噴孔部のデポジットを完全に除去することは難しい場合がある。本発明は、デポジットの除去が十分でない場合であっても、適切な燃料噴射を実現することのできる燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料噴射制御装置は、内燃機関の運転状態を示すエンジン回転数及び燃料噴射量を検出する運転状態検出手段と、インジェクタの噴孔部におけるデポジットの堆積を検出するデポジット検出手段と、前記運転状態検出手段及び前記デポジット検出手段の検出結果に基づいて、燃料噴射期間延長制御及び燃料噴射時期遅角制御の少なくとも一方を行う制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記運転状態検出手段が検出するエンジン回転数及び燃料噴射量に対し、前記燃料噴射期間延長制御のみを行う第１領域、前記燃料噴射時期遅角制御のみを行う第２領域、及び前記燃料噴射期間延長制御及び前記燃料噴射時期遅角制御の両方を行う第３領域、がそれぞれ定められたマップに基づいて、燃料噴射期間延長制御及び燃料噴射時期遅角制御をそれぞれ行うか否かを決定し、前記第１領域は、エンジン回転数に対する燃料噴出量の限界値に対し、前記運転状態検出手段が検出する燃料噴射量の差が所定値以内となる領域であり、前記第２領域は、前記運転状態検出手段が検出するエンジン回転数及び燃料噴出量に対し、スモーク排出量が所定値以上となる領域であり、前記第３領域は、エンジン回転数及び燃料噴射量の双方の限界値に対し、前記運転状態検出手段が検出するエンジン回転数及び燃料噴出量の差が共に所定値以内となる領域であることを特徴とする。この構成によれば、トルクを確保するための燃料噴射期間延長制御と、スモークを改善するための燃料噴射時期遅角制御とを、内燃機関の運転状態に基づいて切り替えるため、デポジットの堆積に起因するトルクの低下を抑制すると共にスモークの発生を抑制することができる。

上記構成において、前記デポジット検出手段の検出結果に基づいてスモーク排出量の増加量を算出すると共に、当該スモーク排出量の増加量に基づいて前記燃料噴射時期遅角制御における遅角量を算出する算出手段を更に備える構成とすることができる。この構成によれば、スモーク改善のために必要な遅角量を精度良く求めることができる。その結果、燃料噴射時期を遅角することによるトルクの低下を最小限に抑制することができる。

上記構成において、前記算出手段は、前記デポジット検出手段により検出されたデポジット量が多いほど、前記燃料噴射遅角制御における遅角量を大きくする構成とすることができる。

本発明によれば、スモークの発生を抑制すると共にトルクの低下を抑制することができる。

図１は、実施例１に係る燃料噴射制御装置を搭載した燃料噴射装置の構成を示した図である。図２は、デポジットの堆積により生じる課題の関係を示した図である。図３は、実施例１に係る燃料噴射制御装置の動作の一例を示したフローチャートである。図４は、デポジットの堆積と燃費との関係を示したグラフである。図５は、デポジットの堆積とスモーク排出量との関係を示したグラフである。図６は、燃料噴射時期の遅角量とスモーク排出量との関係を示したグラフである。図７（ａ）及び（ｂ）は、燃料噴射時期遅角制御を具体的に説明するための図である。図８は、運転状態とスモーク排出量との関係を示したマップである。図９は、運転状態と燃料噴射制御装置が行う制御との関係を示したマップである。

以下、図面を用い本発明に係る実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る燃料噴射制御装置としてのＥＣＵ２０を搭載した燃料噴射装置１００の全体構成を示した図である。燃料タンク１０には、燃料噴射装置１００で使用される燃料（例えば、軽油等）が蓄えられている。高圧ポンプ１２は、燃料タンク１０から燃料を汲み上げ、高圧状態にしてコモンレール１４へと供給する。コモンレール１４は、高圧ポンプ１２から供給される燃料を高圧状態で蓄え、高圧燃料通路１６を介してピエゾインジェクタ１８に供給する。コモンレール１４に蓄えられた燃料の一部は、リターン通路１９を介して燃料タンク１０へと戻される。ピエゾインジェクタ１８は、燃料噴射装置１００の燃焼室（図示せず）に対し、所定のタイミングにて所定の期間燃料の噴射を行う。噴射されなかった燃料は、ピエゾインジェクタ１８に接続されたリターン通路１９により、燃料タンク１０へと戻される。

ＥＣＵ２０は、マイクロコンピュータやメモリ等を備えて構成され、燃料噴射装置１００内に設けられた各種センサの出力に基づいて運転状態を検知し、燃料噴射制御を行う。具体的には、ＥＣＵ２０がピエゾインジェクタ１８に対し所定の駆動信号を送信することにより、燃料の噴射時期及び噴射期間を制御する。

本実施例の燃料噴射制御装置（ＥＣＵ２０）は、特にピエゾインジェクタ１８の噴孔部１８ａにおけるデポジットの堆積に起因する、トルクの低下及びスモークの悪化を抑制することを目的とする。

図２は、デポジットの堆積と、それにより生じる課題との関係を示した図である。デポジットが堆積すると（Ａ）、噴孔面積が低減して燃料の噴射量が低下するため（Ｂ）、トルクが低下する（Ｃ）。また、デポジットの堆積により噴霧が悪化し（Ｄ）、スモークの排出量が増加する（Ｅ）。これは、デポジットが噴孔部の周辺に均一に付着せず、噴孔の形が歪になることで噴射される燃料の微粒化が妨げられるためと考えられる。また、噴霧が悪化することにより燃費が悪化するため（Ｆ）、トルクは低下する（Ｃ）。トルクの低下を補うためには、実際に燃焼室に供給される燃料量を増加させるため、燃料噴射期間の延長制御を行うことが有効である。また、スモークの排出を抑制するためには、燃料噴射時期の遅角制御を行うことが有効である。これらの対策の詳細については後述する。

図３は、ＥＣＵ２０の動作を示したフローチャートである。最初に、ＥＣＵ２０が、インジェクタ噴孔におけるデポジットの堆積を検出する（ステップＳ１０）。デポジット堆積の検出（より具体的には、デポジット堆積量の取得）は、従来から知られている方法により行うことができる。例えば、噴孔部に設置されたセンサにより燃料中の金属（Ｚｎ、Ｍｎ等）の濃度を測定すると共に、ノズル先端部の温度を温度センサ等により測定し、デポジットの堆積量を推定することができる。

次に、ＥＣＵ２０は、噴孔部へのデポジットの堆積による燃料噴射量の低下量を算出する（ステップＳ１２）。燃料噴射量の変化量をΔＱ、流量係数をＣｏ、噴孔部１８ａの断面積をＡ、噴射圧力をＰｉｎｊ、雰囲気圧力をＰｏ、燃料の密度をρとすると、具体的な算出式は以下の通りである。

なお、噴孔部断面積Ａは、ステップＳ１０において検出されたデポジットの堆積量から算出することができる。

次に、ＥＣＵ２０は、燃料噴射期間の延長制御が可能であるかを判定し（ステップＳ１４）、可能であればステップＳ１２で算出された燃料噴射量の変化量（ΔＱ）に基づいて、燃費の悪化量を推定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１４の判定については後述する。

図４は、デポジットの堆積に起因する噴射量の変化（ΔＱｖ）と、正味燃料消費率（ＢＳＦＣ：ＢｒａｋｅＳｐｅｃｉｆｉｃＦｕｅｌＣｏｍｓｕｍｐｔｉｏｎ）との関係を示したグラフである。図示するように両者はほぼ線形の関係にあり、デポジットの堆積量が増加するほどＢＳＦＣが増加し、燃費が悪化することが分かる。

ＥＣＵ２０は、図４のグラフに基づいて燃費の悪化量を推定し（ステップＳ１６）、それをもとにトルクの低下量を推定する（ステップＳ１８）。ＥＣＵ２０は、得られたトルクの低下量を補うために必要な燃料量を算出し（ステップＳ２０）、燃料の供給に必要な分だけ燃料噴射期間を延長する（ステップＳ２２）。燃料噴射期間の延長は、ピエゾインジェクタ１８への指令通電期間を延長することにより実現することができる。

次に、ＥＣＵ２０は、燃料噴射期間の延長制御が可能であるかを判定し（ステップＳ２４）、可能であればステップＳ１２で算出された燃料噴射量の変化量（ΔＱ）に基づいて、スモーク排出量の増加量を推定する（ステップＳ２６）。ステップＳ２４の判定については後述する。

図５は、デポジットの堆積に起因する噴射量の変化（ΔＱｖ）と、スモーク排出量と関係を示したグラフである。図示するように、噴射量の変化（デポジットの堆積）及びスモークの排出量はほぼ線形の関係にあり、デポジットの堆積量が増加するほどスモークの排出量が増加することが分かる。

ＥＣＵ２０は、図５のグラフに基づいてスモーク排出量の増加量を推定し（ステップＳ２６）、それをもとにスモーク排出量を低減するために必要な噴射時期の遅角量を算出する（ステップＳ２８）。ＥＣＵ２０は、ステップＳ２８で得られた遅角量だけ、燃料の噴射時期を遅角する（ステップＳ３０）。

図６は、燃料噴射時期の遅角量とスモークの排出量との関係を示したグラフである。図示するように、燃料の噴射時期を早めるほどスモークの排出量は増加し、逆に燃料の噴射時期を遅角することによりスモークの排出量は減少する。ＥＣＵ２０は、図６のグラフに基づいて、所望のスモーク排出量を得るための噴射時期の遅角量を算出することができる。

図７（ａ）及び（ｂ）は、具体的なスモーク遅角量の算出方法を示した図である。図７（ａ）に示すように、最初にデポジットの堆積に起因する燃料噴射量の変化（ΔＱ）により、スモーク排出量が基準量の何倍に増加したかを算出する（増加量をＸ倍とする）。次に、図７（ｂ）に示すように、基準となるスモーク排出曲線（実線で図示）をＸ倍した曲線（点線で図示）を描き、所望のスモーク排出量を得るために、どれくらい噴射時期を遅角すればよいか（ΔＴ）を算出する。なお、ここでは燃料噴射時期の遅角により、基準量（１）と同じスモーク排出量を得る例を示している。

以上のように、トルクの低下は燃料噴射期間の延長により、スモークの悪化は燃料噴射時期の遅角によりそれぞれ抑制することができる。しかし、インジェクタの噴孔部におけるデポジットの堆積により噴霧が悪化する場合には、燃料噴射期間を長くするとかえってスモーク排出量は増加する。一方、スモーク改善のために燃料噴射時期の遅角制御を行うと、燃費が低下するためトルクが低下する。従って、燃料噴射期間延長制御と燃料噴射時期遅角制御とは互いに相反する効果をもたらすものであり、両者を状況に応じて使い分ける必要がある。

図８は、横軸にエンジン回転数を、縦軸に燃料噴射量を取り、運転状態（負荷）に対応するスモークの排出量を描いたマップである。グラフ中において楕円で囲まれた領域は、スモーク排出量が多い領域であり、色の濃い部分はより排出量が多いことを示す。スモーク排出量はマップの中央付近が最も多く、当該領域を中心として右肩上がりの楕円を描く傾向にある。

図９は、図８に基づいて燃料噴射期間延長制御及び燃料噴射時期遅角制御制御を行う領域を定めたマップである。図中にＡ１で示す領域は、燃料噴射期間延長制御が可能な領域であり、運転状態がこの中にあるときは、図３のステップＳ１４にてＹＥＳと判定する。図中にＡ２で示す領域は、燃料噴射時期遅角制御が可能な領域であり、運転状態がこの中にあるときは、図３のステップＳ２４にてＹＥＳと判定する。

ユーザがアクセル操作等により燃料噴射量を増加させることが可能な領域では、燃料噴射期間延長制御によりトルクの低下を補う必要はない。従って、燃料噴射期間延長制御が可能な領域は、エンジン回転数に対する燃料噴出量の限界付近の所定領域（Ａ１）に限定することが好ましい。なお、燃料噴射量の限界付近であっても、エンジン回転数が小さいうちはサージの危険があるため、燃料噴射量を増加する制御は行わないことが好ましい（図中の斜線領域）。

スモークの改善に関しては、図８のスモーク排出量のマップをもとに、特にスモーク排出量が多い領域（Ａ２）に限定して燃料噴射時期の遅角制御を可能とし、その他の領域では遅角制御を行わないことによる燃費の向上（トルクの確保）を優先させることが好ましい。また、エンジン回転数が高く全負荷に近い領域（Ａ１及びＡ２の重複する領域）では、燃料噴射期間延長制御と燃料噴射時期遅角制御の両方を行うことが好ましい。

本実施例の燃料噴射制御装置によれば、ＥＣＵ２０が各種センサからの入力信号に基づいて運転状態及びデポジットの堆積状態を検出し、当該検出結果に基づいて燃料噴射期間延長制御及び燃料噴射時期遅角制御の少なくとも一方を行う。図９に示すように、ＥＣＵ２０がトルク不足を検出した領域（Ａ１）では燃料噴射期間延長制御を行い、ＥＣＵ２０がスモークの悪化を検出した領域（Ａ２）では燃料噴射時期遅角制御を行う。これにより、運転状態に合った燃料噴射制御を行うことができるため、トルクの確保とスモーク排出量の低減をバランスよく両立させることができる。

また、図３〜図７で説明したように、ＥＣＵ２０が検出したデポジットの堆積からスモークの増加量を算出し、それをもとに必要な遅角量を算出している。これにより、必要な遅角量を精度良く算出し、燃料噴射時期遅角制御を行うことによる燃費の悪化を最小限に抑制することができる。その結果、トルクの低下も最小限に抑制されるため、必要なトルクを確保しつつスモークの低減を図ることがさらに容易となる。

本実施例では、燃料噴射用のインジェクタとしてピエゾインジェクタ１８を例に説明を行ったが、燃料の噴射期間及び噴射時期が可能なインジェクタであれば、他の（例えば、従来から知られている油圧式の）インジェクタを用いてもよい。

また、本実施例では燃料噴射期間の延長制御（図３ステップＳ１４〜Ｓ２２）に続き、燃料噴射時期の遅角制御（図３ステップＳ２４〜Ｓ３０）を行う例について説明したが、これらの制御を行う順番は逆であってもよいし、２つの制御を並行して行ってもよい。

なお、上述したように、本実施例のＥＣＵ２０は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段、インジェクタの噴孔部におけるデポジットの堆積を検出するデポジット検出手段、検出結果に基づいて燃料噴射期間延長制御及び燃料噴射時期遅角制御の少なくとも一方を行う制御手段、及びデポジット検出手段の検出結果に基づいてスモーク排出量の増加量を算出すると共に、当該スモーク排出量の増加量に基づいて燃料噴射時期遅角制御における遅角量を算出する算出手段に相当する。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０燃料タンク
１２高圧ポンプ
１４コモンレール
１８ピエゾインジェクタ
２０ＥＣＵ

Claims

内燃機関の運転状態を示すエンジン回転数及び燃料噴射量を検出する運転状態検出手段と、
インジェクタの噴孔部におけるデポジットの堆積を検出するデポジット検出手段と、
前記運転状態検出手段及び前記デポジット検出手段の検出結果に基づいて、燃料噴射期間延長制御及び燃料噴射時期遅角制御の少なくとも一方を行う制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記運転状態検出手段が検出するエンジン回転数及び燃料噴射量に対し、前記燃料噴射期間延長制御のみを行う第１領域、前記燃料噴射時期遅角制御のみを行う第２領域、及び前記燃料噴射期間延長制御及び前記燃料噴射時期遅角制御の両方を行う第３領域、がそれぞれ定められたマップに基づいて、燃料噴射期間延長制御及び燃料噴射時期遅角制御をそれぞれ行うか否かを決定し、
前記第１領域は、エンジン回転数に対する燃料噴出量の限界値に対し、前記運転状態検出手段が検出する燃料噴射量の差が所定値以内となる領域であり、
前記第２領域は、前記運転状態検出手段が検出するエンジン回転数及び燃料噴出量に対し、スモーク排出量が所定値以上となる領域であり、
前記第３領域は、エンジン回転数及び燃料噴射量の双方の限界値に対し、前記運転状態検出手段が検出するエンジン回転数及び燃料噴出量の差が共に所定値以内となる領域であることを特徴とする燃料噴射制御装置。
前記デポジット検出手段の検出結果に基づいてスモーク排出量の増加量を算出すると共に、当該スモーク排出量の増加量に基づいて前記燃料噴射時期遅角制御における遅角量を算出する算出手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射制御装置。