JP7303764B2 - 高圧燃料ポンプの制御装置 - Google Patents
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Description
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
なお、本発明を適用した第1~第3の実施の形態に係る制御装置について説明する前に、各実施の形態に共通する高圧燃料ポンプ及び制御装置の構成及び動作の例について、図1~図7を参照して説明する。
図1は、直噴内燃機関10の概略構成を示す図である。
直噴内燃機関10では、燃料タンク101に蓄えられた燃料はフィードポンプ102で0.4MPa程度に加圧され、低圧配管111を経由して高圧燃料ポンプ103に流入する。そして、高圧燃料ポンプ103にて、燃料がさらに数十MPaに加圧される。加圧された燃料は、高圧配管104を経由し、直噴インジェクタ105から直噴内燃機関10の気筒106に噴射される。
図2は、高圧燃料ポンプ103の構造例を示す図である。
図2に示す高圧燃料ポンプ103はノーマルオープン型の高圧燃料ポンプと呼ばれ、本実施の形態ではノーマルオープン型について説明するが、開弁と閉弁を置き換えればノーマルクローズ型にも適用可能である。
図3は、高圧燃料ポンプ103の動作を説明するタイムチャートである。また、タイムチャートの下側には、タイミングt1,t4,t6,t8における高圧燃料ポンプ103の動作の様子が示される。
LdI/dt=V-RI・・・(1)
式(1)中のLは、ソレノイド205のインダクタンスを表し、Rは、配線の抵抗を表す。電流Iの増加に伴い、固定部206がアンカ204を吸引する磁気吸引力Fmagも増加する。
ここで、電磁アクチュエータ制御装置113が高圧燃料ポンプ103を駆動するために、ソレノイド205に通電される電流について説明する。
上述したように、高圧燃料ポンプ103を駆動する電流は大まかに、ピーク電流Iaと保持電流Ibがある。ピーク電流Iaを、図3に示したタイミングt1~t3の期間で積分するとピーク電流積分値IIが算出される。ピーク電流積分値IIは、図3に示したピーク電流Iaの供給開始のタイミングt1からピーク電流Iaの低減が開始するタイミングt3までにソレノイド205に通電される電流Iの積分値で定義される。
ところで、吸入弁203が閉弁する限界のピーク電流積分値IIは、高圧燃料ポンプ103の個体特性に依存するという問題がある。ここでは、個体差の中でも支配的な第1スプリング209の個体差(スプリング力Fsp)に依存して、閉弁させるために最小のピーク電流積分値IIが変わることについて、図4を参照して説明する。図4の横軸にピーク電流積分値IIをとり、縦軸に吸入弁203の平均速度v_aveをとる。
そこで、閉弁成功しているときにピーク電流積分値IIを徐々に低減し、閉弁失敗した
らピーク電流積分値IIを大きくする、という制御を繰り返すことで、閉弁限界の付近で
吸入弁203の閉弁を制御するという方法が考えられる。しかし、この方法では、ある頻
度で閉弁失敗が起こってしまう。
ピーク電流積分値IIと閉弁完了直前速度vel_Tbとの関係に不感帯500があることが分かったので、図5の横軸をピーク電流積分値IIから閉弁完了タイミングTbに置き換えてみる。閉弁完了タイミングTbとは、吸入弁203が固定部206に衝突するタイミングのことであるが、これに僅かに遅れるアンカ204が固定部206に衝突するタイミングのほうが検出しやすいので、こちらを便宜的に閉弁完了タイミングTbとする。
図7は、閉弁完了タイミングTbと、閉弁完了直前速度vel_Tbとの関係を示す図である。
第1の実施の形態に係る制御装置800(図8を参照)は、ソレノイド205に通電する電流Iを、静止状態の吸入弁203に閉弁を開始するための勢いをつけるピーク電流Iaと、吸入弁203を閉弁状態で保持するためにピーク電流Iaの最大値より低い電流の範囲でスイッチングする保持電流Ibとによって、高圧燃料ポンプ103を制御する。そして、ピーク電流Iaのピーク電流印加量を、高圧燃料ポンプ103を閉弁させるのに十分な値から低減すると、ある印加量までは吸入弁203の閉弁速度が小さくなり、ピーク電流印加量がある印加量より小さくなると吸入弁203の閉弁速度が飽和するピーク電流Iaの電流印加量の飽和範囲が存在する。制御装置800は、この飽和範囲に収まるようにピーク電流Iaの電流印加量を制御する。
言い換えれば、制御装置800は、ピーク電流積分値IIが不感帯500の範囲内に収まるように制御することで、吸入弁203の閉弁の勢いを制御する。
電流印加量記憶部801は、閉弁速度を飽和させるためのピーク電流Iaの電流印加量の範囲を記憶する。この範囲は、制御装置800が、ピーク電流積分値IIを、高圧燃料ポンプ103を閉弁させるのに十分な値から低減した時に、吸入弁203の閉弁の勢い、及び、閉弁時の振動と騒音が飽和する範囲(例を図5の不感帯500に示す)である。電流印加量記憶部801は、図2に示した記憶素子305の機能に対応する。電流印加量記憶部801は、例えば、図5に示したピーク電流積分値IIと閉弁完了直前速度vel_tbとの関係をマップ情報等で記憶する。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る高圧燃料ポンプの制御装置の構成例及び動作例について説明する。本実施の形態で制御対象とする高圧燃料ポンプは、第1の実施の形態で制御対象とされた高圧燃料ポンプと同じである。また、第2の実施の形態に係る制御装置が、高圧燃料ポンプの弁開閉をピーク電流Iaと保持電流Ibによって制御することも第1の実施の形態に係る制御装置で行われる制御と同じである。ただし、第1の実施の形態に係る高圧燃料ポンプの制御装置は、図5に示したように電流印加量が電流印加量限界値より小さくなるようにピーク電流積分値IIを制御したのに対し、第2の実施の形態に係る高圧燃料ポンプの制御装置は、図7に示したように閉弁完了タイミングTbが飽和領域Trの範囲内になるように制御する点が異なる。
後述する図14に示すように、ピーク電流積分値IIを高圧燃料ポンプ103を閉弁させるのに十分大きな値から低減すると、あるピーク電流積分値IIminまでは閉弁完了タイミングTbは一定値Tb_minを保ち、電流印加量がIIminより小さくなると閉弁完了タイミングTbは遅くなる閉弁完了タイミングの一定値Tb_minを、飽和閉弁タイミング記憶部1001は記憶する。飽和閉弁タイミング記憶部1001は、図2に示した記憶素子305の機能に対応する。
次に、本発明の第3の実施の形態に係る高圧燃料ポンプの制御装置の構成例及び動作例について説明する。本実施の形態で制御対象とする高圧燃料ポンプは、第1の実施の形態で制御対象とされた高圧燃料ポンプと同じである。また、第3の実施の形態に係る制御装置が、高圧燃料ポンプの弁開閉をピーク電流Iaと保持電流Ibによって制御することも第1の実施の形態に係る制御装置で行われる制御と同じである。第1の実施形態では、閉弁完了直前速度vel_Tbの不感帯に関する情報を記憶しておく必要があったが、第3の実施形態では、ピーク電流積分値IIを変化させたときに検知される閉弁完了タイミングTbの変化に基づいて制御するので、不感帯に関する記憶は不要である。具体的には、不感帯のピーク電流積分値IIの最大値よりピーク電流積分値IIが大きいと、ピーク電流積分値IIが変化しても閉弁完了タイミングTbは一定であるが、不感帯のピーク電流積分値IIの最大値よりピーク電流積分値IIが小さいと、ピーク電流積分値IIの変化によって閉弁完了タイミングTbも変化することに基づき制御する。閉弁するのに必要なピーク電流積分値IIより十分大きなピーク電流積分値IIからピーク電流積分値IIを徐々に減少していったときに、閉弁完了タイミングTbが変化し始める点を不感帯の端点として認識する。
図14は、ステップS1301で算出されたピーク電流積分値IIと、ステップS1302で検出された閉弁完了タイミングTbとの関係を示す図である。図14の横軸はピーク電流積分値IIをとり、縦軸は閉弁完了タイミングTbをとる。
初期値II0は、高圧燃料ポンプを閉弁させるのに十分大きな値に設定する。初期値Tb0は電流印加量をII0としたときの閉弁タイミングである。
初回のステップS1301,S1302の後、変化率算出部1202は、予め設定したステップ幅ΔThだけピーク保持時間Thを増加し、ステップS1301,S1302を再実行してピーク電流積分値IIと、閉弁完了タイミングTbとを算出する。
ここまで第1~第3の実施の形態に係る制御装置が適切なタイミングでピーク電流制御及び保持電流制御を実行することで、高圧燃料ポンプ103の静音化を実現できることを説明した。ただし、各実施の形態に係る制御装置が、閉弁完了タイミングTbを共通の飽和領域Trの範囲内に保つ制御を実現するには、閉弁完了タイミングTbを正確に検出する必要がある。ここからは、図2に示した電磁アクチュエータ制御装置113の各回路が、ソレノイド205に通電される電流I(保持電流Ib)から閉弁完了タイミングTbを検出する方法について、図15~図23を参照して説明する。
L×dI/dt=V+-RI・・・式(2)
L×dI/dt=V--RI・・・式(3)
式(2)は、電流Iの立ち上り時における、スイッチング電圧V+と電流Iとの関係を示す。式(3)は、電流Iの立下り時における、スイッチング電圧V-と電流Iとの関係を示す。スイッチング制御時の電流Iの範囲は限定されるので、式(2)、式(3)の右辺はほぼ一定であると考えられる。閉弁によりアンカ204が固定部206に接近すると、インダクタンスLが小さくなるので、dI/dt=(V-RI)/Lの絶対値は大きくなる。これにより電流Iの傾きは急になり、周波数が高くなる。これが、スイッチング周波数が変化している理由である。通常の高圧燃料ポンプ103の制御では、V+はバッテリ電圧で14V、V-はグランド電圧で0Vである。
図16は、ソレノイド205に流れる電流Iのスイッチング周波数の変化から閉弁完了タイミングTbを検出するまでの流れを示す図である。
微分回路302は、電流測定回路301によって変換された電圧信号を微分する(S1601)。微分回路302が電圧信号を微分した結果は、図16のグラフ(2)に示すような波形で表される。
絶対値回路303は、入力信号の絶対値を出力する回路である。絶対値回路303が出力する微分結果の絶対値は、図16のグラフ(3)に示すような波形で表される。
図19は、フィルタ310の周波数-ゲイン特性を示す図である。
図20は、フィルタ310に入力した電流Iの信号(「スイッチング電流信号」)の変化の様子を示す図である。
g_bef>g_aft・・・式(4)
a_bef>a_aft・・・式(5)
上述した通り、フィルタ310のゲインが衝突前後で異なるので、同じ振幅の信号をフィルタ310に入力すれば、ゲインの差が出力の差となるため、式(5)に示す関係が現れる。このため、電流Iの振幅を抽出すると、図20のグラフ(3)に示す出力信号の変化が現れる(S2002)。
g_bef<g_aft・・・式(6)
図21は、アンカ204が固定部206に衝突する前後の周波数と、ゲインとの関係を示す図である。
図22は、閉弁完了タイミングTbを検出する閉弁完了タイミング検出部1002Aの構成例を示すブロック図である。
閉弁完了タイミング検出部1002Aは、上述した第2及び第3の実施の形態に係る閉弁完了タイミング検出部1002の代わりに、各実施の形態に係る制御装置に設けられる構成としてよい。この閉弁完了タイミング検出部1002Aは、電流計測部2201と、フィルタ310と、振幅抽出部2202とを備える。
フィルタ310は、吸入弁203が閉弁状態に移行する前後に計測される電流のスイッチング周波数に対して、ゲインが異なる特性を持つ。例えば、フィルタ310は、可動子(アンカ204)が固定部206に衝突するタイミングの前後の電流Iの周波数に対して、異なるゲイン特性をもつ。
次に、電流計測部2201により計測されたソレノイド205に流れる電流Iの電流信号を、閉弁後の周波数と閉弁前の周波数で異なるゲインをもつフィルタ310でフィルタリングする(S2302)。
そして、振幅抽出部2202は、フィルタリング結果からスイッチング電流信号の成分を抽出する(S2303)。
例えば、上述した各実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ここで説明した実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることは可能であり、さらにはある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
Claims (5)
- プランジャの往復運動に同期してソレノイドに通電することで、加圧室へ燃料が流入する流入口を開閉する吸入弁を制御する高圧燃料ポンプの制御装置において、
前記ソレノイドに通電される電流は、静止状態の前記吸入弁に閉弁を開始するための勢いをつけるピーク電流と、
前記吸入弁を閉弁状態で保持するために前記ピーク電流の最大値より低い範囲でスイッチングする保持電流とからなり、
前記ピーク電流の電流印加量を、前記高圧燃料ポンプを閉弁させるのに十分な値から低減すると、前記電流印加量が所定値になるまでは、前記吸入弁の閉弁が完了する閉弁完了タイミングが一定値であり、前記電流印加量が前記所定値以下になると前記閉弁完了タイミングが遅くなる関係が存在し、
前記閉弁完了タイミングの前記一定値を飽和閉弁タイミングとして記憶する飽和閉弁タイミング記憶部と、
前記閉弁完了タイミングを検出する閉弁完了タイミング検出部と、
前記閉弁完了タイミングを前記一定値よりも遅くするように制御し、前記閉弁完了タイミングが、前記飽和閉弁タイミング記憶部に記憶される前記飽和閉弁タイミングよりも遅く設定した目標値より遅くなると、前記電流印加量を増加して前記閉弁完了タイミングを早め、前記閉弁完了タイミングが前記目標値より早くなると前記電流印加量を減少して前記閉弁完了タイミングを遅くする電流制御部と、を備える
高圧燃料ポンプの制御装置。 - 前記閉弁完了タイミング検出部は、
前記電流を電圧に変換して電圧信号を出力する電流測定回路と、
前記電圧信号を微分する微分回路と、
前記微分回路の出力の絶対値をとる絶対値回路と、
前記絶対値回路の出力を、前記電流のスイッチング周波数に基づく周期より長い時定数で平滑化する平滑化回路と、を含み、
前記平滑化回路の出力の変化点を前記閉弁完了タイミングとして検出する
請求項1に記載の高圧燃料ポンプの制御装置。 - 前記閉弁完了タイミング検出部は、
前記電流を計測する電流計測部と、
前記吸入弁が前記閉弁状態に移行する前後に計測される前記電流のスイッチング周波数に対して、ゲインが異なるフィルタと、
前記電流が入力した前記フィルタから得られる出力の振幅を抽出し、前記振幅の変化点を前記閉弁完了タイミングとして検出する振幅抽出部と、を含む
請求項1に記載の高圧燃料ポンプの制御装置。 - 前記高圧燃料ポンプは、
アンカと、
前記プランジャと、
前記加圧室と、
前記電流が通電されて電磁力を発生する前記ソレノイドと、
前記アンカを前記電磁力により吸引する固定コアと、
前記固定コアにより前記アンカが吸引されることで前記流入口を開閉する前記吸入弁と、を有し、
前記電流制御部は、前記固定コアに吸引される前記アンカが、前記固定コアに衝突するタイミングより前に前記ピーク電流を低減させる
請求項1~3のいずれか一項に記載の高圧燃料ポンプの制御装置。 - 前記電流印加量は、前記ピーク電流の通電開始から所定期間で積分したピーク電流積分値、前記ピーク電流の最大電流値が供給されてから前記ピーク電流が打ち切られるまでの時間幅で積分した前記ピーク電流の積分値、前記ピーク電流の通電開始から所定期間で積分した前記ピーク電流の2乗の積分値、又は、前記ソレノイドに通電される電流と前記ソレノイドに印加される電圧との積の積分値のいずれかで規定される
請求項1~4のいずれか一項に記載の高圧燃料ポンプの制御装置。
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