JP4220480B2 - 内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置に係り、特に、筒内噴射を行う燃料噴射弁に圧送する高圧燃料の吐出量を可変調節できる内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置に関する。

現在の自動車用は、環境保全の観点から自動車の排出ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の排出ガス物質の削減が求められており、これらの削減を目的として、筒内噴射内燃機関の開発が行われている。

筒内噴射内燃機関は、燃料噴射弁による燃料噴射を気筒の燃焼室内に直接行うものであり、燃料噴射弁から噴射される燃料（液体燃料）の粒径を小さくすることにより、燃焼室内における噴射燃料の燃焼を促進し、排出ガス物質の削減及びエンジン出力の向上等を図ることができる。

燃料噴射弁から噴射される燃料の粒径を小さくするには、燃料の高圧化を図る手段が必要になる。このため、燃料噴射弁に高圧の燃料を圧送する高圧燃料ポンプの技術が各種提案されている。

内燃機関の高圧燃料供給装置として、カム軸駆動の高圧燃料ポンプのポンプ室に、低圧燃料の流入通路と、コモンレール（燃料リザーバ）に高圧燃料を送る供給通路と、高圧燃料を燃料タンクに戻すスピル通路とが連通され、スピル通路に設けられた電磁式スピル弁の開閉期間を制御することにより、燃料タンクへの燃料スピル量を制御してコモンレールへの高圧燃料の圧送量を調整し、燃料供給能力の向上を図ったものがある（例えば、特許文献１）。

また、電磁スピル弁（電磁リリーフ弁）の電磁コイル温度異常上昇を防ぐ目的で、常閉の電磁スピル弁に与えられる開弁信号を高圧燃料ポンプのプランジャが上死点から下死点に向かう吸入行程中における上死点過ぎの所定の位置において終了するようにしたものがある（例えば、特許文献２）。

従来の高圧燃料供給装置の動作を、図１９に示されているタイミングチャートを参照して説明する。図１９（ｄ）に示されているように、所定カム軸回転角毎に、制御基準点Ｐｂを定め、カム軸回転角度又は時間制御で、電磁式スピル弁のアクチュエータ駆動信号であるソレノイド制御信号（パルス信号）Ｓｓｄが出力される。

時点ｔ１で、ソレノイド制御信号Ｓｓｄを終了しても、図１９（ｅ）に示されているように、電磁コイル（ソレノイド）には、しばらく電流（ソレノイド通電電流値Ｉｓ＞０）が流れるため、図１９（ｆ）に示されているように、ソレノイドは、吸引力Ｗｓを維持したままとなる。

図１９（ａ）に示されているように、時点ｔ２で、少量吐出量要求がなされた場合、ソレノイド制御信号Ｓｓｄはプランジャ上死点付近で出力される。このとき、図１９（ｆ）に示されているように、ソレノイド吸引力Ｗｓが次の吐出行程まで維持されたままとなった場合、高圧燃料ポンプの特性により、高圧燃料ポンプは、図１９（ｃ）に示されているように、全量吐出を行うことになる。

つまり、高圧燃料ポンプは全量吐出を行う一方で、高圧燃料ポンプには少量吐出を要求していることから、図１９（ｂ）に示されているように、計測燃料圧力は目標燃料圧力に追従することが不可能となる。

このことにより、内燃機関の運転条件における最適な燃料圧力を実現することができなくなり、気筒内のピストン表面に燃料が付着する等によって安定した燃焼が得られなくなり、排出ガスの悪化という問題が発生する。

この問題を鑑み、ソレノイド制御信号を終了するタイミングが重要であるという知見を得て、高圧燃料ポンプの吸入弁を強制弁開させる電磁アクチュエータの駆動信号終了タイミングを所定の位相に制限することにより、制御の安定性向上を図った高圧燃料ポンプ制御装置が提案されている（例えば、特許文献３）。

しかし、この高圧燃料ポンプ制御装置では、高回転時においては、制御信号出力終了後に電磁アクチュエータの電磁コイルに流れる電流を考慮すると、ソレノイド制御信号を終了しなければならない角度が制御信号出力開始位置付近となる。

このため、高圧燃料ポンプ付属の電磁アクチュエータの電磁コイルの電気抵抗のばらつきが大きいと、ソレノイドの吸引力持続必要時間を満足することができず、少量吐出を実施することができない可能性がある。

特開平１０−１５３１５７号公報 特開２００１−２４８５１５号公報 特開２００４−１９６３９公報

本発明は、本発明者らによる研究により、可変吐出を行う高圧燃料ポンプの制御は、ソレノイド制御信号の出力および終了タイミングの制御に加えて、運転条件に応じて電磁コイルに流れる電流波形を制御する必要があるとの新たな知見を得て、また、極低回転時のような吸引時間が必要な場合には通電時間を長くする必要があり、ソレノイドの吸引力を発生しつつ電磁コイルの発熱を抑制する制御が必要であるとの知見を得てなされたものであり、高圧燃料ポンプの可変吐出を行うための電磁アクチュエータに備え付けられた電磁コイル（ソレノイド）の電流波形をエンジン運転状態に応じて切換えを実施することにより、制御安定性の向上を図ることである。

本発明による内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置は、内燃機関の各気筒毎に設けられた筒内噴射用の燃料噴射弁に燃料を圧送する高圧燃料ポンプの燃料吐出圧力を電磁アクチュエータによって制御する高圧燃料ポンプ制御装置において、内燃機関の運転状態に応じて前記電磁アクチュエータのソレノイドに通電する電流の電流波形を切替設定する駆動信号出力手段を有する。

本発明による内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置は、好ましくは、前記電磁アクチュエータのソレノイドに対する通電は、ソレノイド制御信号によりオン・オフされるものであり、前記駆動信号出力手段による前記電流波形の切替設定は、前記ソレノイド制御信号がオン状態よりオフ状態に変化した時点よりのソレノイド通電電流の減少特性を異なるものとするものである。

本発明による内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置は、好ましくは、前記ソレノイド通電電流の減少特性は、前記ソレノイド制御信号がオン状態よりオフ状態に変化した時点より緩やかに減少する減少特性と、速やかに減少する減少特性であり、内燃機関の運転状態に応じてその何れかを選択的に設定する。

本発明による内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置は、好ましくは、前記ソレノイド制御信号が、所定周期、所定幅でオン・オフを繰り返し、この時に前記駆動信号出力手段が切替設定する前記電流波形は、前記ソレノイド制御信号がオン状態よりオフ状態に変化した時点より緩やかに減少する減少特性である。

本発明による内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置は、好ましくは、前記駆動信号出力手段が切替設定する前記電流波形が、異なる電源電圧による成分を含む。

本発明による内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置は、好ましくは、前記駆動信号出力手段は、エンジン回転数、ソレノイド制御信号の出力タイミング、バッテリ電圧の少なくとも一つに応じて前記電流波形を切替設定する。

本発明による内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置は、好ましくは、前記駆動信号出力手段は、前記ソレノイド制御信号のオン時間に応じて前記ソレノイドに通電する時間を設定する。

本発明の内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置は、エンジン運転状態に応じて高圧燃料ポンプの吐出制御を行う電磁アクチュエータのソレノイドの電流波形を切換えるから、高回転時においても、燃料圧力を最適に制御することができ、燃焼の安定化及び排出ガス性能の改善に貢献することができる。

本発明による内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置の一実施形態を、図面を参照して説明する。

まず、本発明による高圧燃料ポンプ制御装置が適用される筒内噴射式の内燃機関（エンジン）の全体構成を、図１を参照して説明する。

筒内噴射エンジン５０７は、多気筒エンジン、例えば、４気筒エンジンである。筒内噴射エンジン５０７の各シリンダ（燃焼室）５０７ｂに導入される空気は、エアクリーナ５０２の入口部から取り入れられ、空気流量計（エアフロセンサ）５０３を通り、吸気流量を制御する電制スロットル弁５０５ａが収容されたスロットルボディ５０５を通ってコレクタ５０６に入る。

コレクタ５０６に吸入された空気は、エンジン５０７の各シリンダ５０７ｂに接続された各吸気管５０１に分配された後、ピストン５０７ａ、前記シリンダ５０７ｂ等によって形成される燃焼室５０７ｃに導かれる。

エアフロセンサ５０３からは、吸気流量を表す信号がエンジン制御装置（コントロールユニット）５１５に出力される。スロットルボディ５０５には、電制スロットル弁５０５ａの開度を検出するスロットルセンサ５０４が取り付けられており、その信号もコントロールユニット５１５に出力される。アクセルセンサ５１９は、アクセルペダル９９の踏込量を検出し、その出力信号もコントロールユニット５１５に入力される。エンジン１に取り付けられた水温センサ５１７は、エンジン５０７の冷却水温度を検出し、その出力信号も同じくコントロールユニット５１５に入力される。

ガソリン等の燃料は、燃料タンク５０から電動式の燃料ポンプ（低圧燃料ポンプ）５１により一次加圧され、燃圧レギュレータ５２によって一定の圧力（例えば３ｋｇ／ｃｍ^２ ）に調圧され、更る高圧燃料ポンプ１によって高圧（例えば５０ｋｇ／ｃｍ^２ ）に２次加圧される。

２次加圧された高圧燃料は、コモンレール５３を介して各シリンダ５０７ｂに設けられている筒内噴射仕様のインジェクタ（燃料噴射弁）５４に導かれ、インジェクタから燃焼室５０７ｃに噴射される。

コモンレール５３に設けられた燃圧センサ５６は、２次加圧された燃料圧力を検出し、その出力信号も同じくコントロールユニット５１５に入力される。

燃焼室５０７ｃに噴射された燃料は、点火コイル５２２で高電圧化された点火信号により点火プラグ５０８によって着火される。

エンジン５０７の燃焼室５０７ｃで燃焼したガス、つまり、排気ガスは、排気管２８に導かれ、触媒（図示省略）を介してエンジン５０７外に放出される。
排気管２８に設けられたＡ／Ｆセンサ５１８は、排気ガスの成分から実運転空燃比を検出し、その出力信号も同じくコントロールユニット５１５に入力される。

エンジン５０７のクランク軸５０７ｄに取り付けられたクランク角センサ(以下ポジションセンサと呼ぶ)５１６は、クランク軸５０７ｄの回転位置を表す信号をコントロールユニット５１５に出力する。

また、排気弁５２６のカム軸２９に取り付けられたクランク角センサ(以下フェーズセンサと呼ぶ)５１１は、カム軸２９の回転位置を表す角度信号をコントロールユニット５１５に出力するとともに、高圧燃料ポンプ１のポンプ駆動カム１００の回転位置を表す角度信号をもコントロールユニット５１５に出力する。

コントロールユニット５１５は、本発明による高圧燃料ポンプ制御装置を含むものであり、マイクロコンピュータを含む電子制御式のものである。コントロールユニット５１５の主要部は、図２に示されているように、ＭＰＵ６０３、ＥＰ−ＲＯＭ６０２、ＲＡＭ６０４及びＡ／Ｄ変換器を含むＩ／ＯＬＳＩ６０１等で構成され、ポジションセンサ５１６、フェーズセンサ５１１、水温センサ５１７、並びに燃圧センサ５６を含む各種のセンサ等からの信号を入力として取り込み、所定の演算処理を実行し、この演算結果として算定された各種の制御信号を出力し、電磁アクチュエータである高圧ポンプソレノイド２００、各燃料噴射弁５４及び点火コイル５２２、低圧燃料ポンプ５１、電制スロットル弁５０５ａに所定の制御信号を出力し、燃料吐出量制御、燃料噴射量制御及び点火時期制御、スロット開度制御等を実行する。

燃料供給系および高圧燃料ポンプ１の詳細を、図３、図４を参照して説明する。なお、図３は高圧燃料ポンプ１を備えた燃料系システムの全体構成を、図４は高圧燃料ポンプ１の詳細構造を示している。

高圧燃料ポンプ１は、燃料タンク５０からの燃料を加圧してコモンレール５３に高圧の燃料を圧送するものであり、シリンダ部７と、ポンプ部８と、ソレノイド部９とを有する。シリンダ部７はポンプ部８の下方に配置され、ソレノイド部９はポンプ部８の吸入側に配置されている。

シリンダ部７は、プランジャ（ポンプピストン）２、リフタ３、プランジャ下降ばね４を有している。プランジャ２は、エンジン５０７の排気弁５２６のカム軸２９の回転に伴って回転するポンプ駆動カム１００に圧接されたリフタ３を介して往復動し、ポンプ部８の加圧室１２の容積を変化させ、ピストンポンプをなす。

ポンプ室８は、低圧燃料の吸入通路１０、加圧室１２、高圧燃料の吐出通路１１から構成されている。

吸入通路１０と加圧室１２との間には吸入弁５が設けられている。吸入弁５は、閉弁ばね５ａにより、加圧室１２の側から吸入通路１０の側に向かって閉弁方向に付勢され、燃料の流れ方向を吸入側に制限する逆止弁である。

閉弁ばね５ａは、プランジャ２による加圧室１２内の容積変化により、吸入弁５を挟んで、加圧室１２側の圧力が流入通路１０側の圧力に対して同等、又はそれ以上になった場合には、吸入弁５を閉弁させるように付勢するものである。

加圧室１２と吐出通路１１との間には吐出弁６が設けられている。吐出弁６は、閉弁ばね６ａにより、吐出通路１１の側から加圧室１２の側に向かって閉弁方向に付勢され、燃料の流通方向を制限する逆止弁である。

ソレノイド部９は、電磁アクチュエータであるソレノイド（電磁コイル）２００、吸入弁係合部材２０１、強制弁開ばね２０２から構成されている。

吸入弁係合部材２０１は、その先端が吸入弁５に接離自在に当接するように吸入弁５に相対する位置に配設され、ソレノイド２００に対する通電により、強制弁開ばね２０２のばね力に抗して図４で見て右方へ移動し、吸入弁５より離れて吸入弁５の弁閉を許容する。これに対しソレノイド２００に対する通電が解かれている状態では、吸入弁係合部材２０１は、図４に示されているように、開弁ばね２０２のばね力によって図４で見て左方へ移動し、吸入弁５に当接して吸入弁５を強制開弁させる。

燃料タンク５０から燃料ポンプ５１及び燃圧レギュレータ５２によって一定圧力に調圧（一次加圧）された燃料は、ポンプ室８の吸入通路１０に導かれ、その後、ポンプ室８内の加圧室１２でプランジャ２の往復動により二次加圧され、ポンプ室８の吐出通路１１からコモンレール５３に圧送される。

コモンレール５３には、エンジン５０７の気筒数にあわせて設けられたインジェクタ５４のほか、リリーフ弁５５、燃圧センサ５６が設けられている。なお、リリーフ弁５５は、コモンレール５３内の圧力が所定値を超えた場合に開弁し、配管系破損の防止する。

コントロールユニット５１５は、ポジションセンサ５１６が出力するポジションセンサ信号と、フェーズセンサ５１１が出力するフェーズセンサ信号に基づいてソレノイド２００の駆動信号（ソレノイド制御信号Ｓｓｄ）を出力し、高圧燃料ポンプ１の燃料吐出量の制御をする。

図５は、高圧燃料ポンプ１の動作タイミングチャートを示している。なお、ポンプ駆動カム１００で駆動するプランジャ２の実際のストローク（実位置）は、図６の下段に示すような曲線になるが、上死点と下死点の位置を分かり易くするために、以下、プランジャ２のストロークは、図６の下段に示されているように、直線的に表すこととする。なお、図５では、吸入弁係合部材２０１の位置をロッド位置として表している。

プランジャ２が、カム１００の回転により、プランジャ下降ばね４の付勢力に応じて上死点側から下死点側に移動することにより、吸入行程が行われる。

吸入行程では、ソレノイド制御信号Ｓｓｄはオフ状態で、ソレノイド２００に通電が行われず、吸入弁係合部材２０１が開弁ばね２０２のばね力によって吸入弁５と係合して吸入弁５を開弁方向に移動させており、プランジャ２の降下移動に伴い加圧室１２内の圧力が低下し、流入通路１０より加圧室１２に燃料が吸入される。

次に、プランジャ２が、カム１００の回転により、プランジャ下降ばね４のばね力に抗して下死点側から上死点側に移動すると、圧縮行程が行われる。

圧縮行程では、コントロールユニット５１５から出力されるソレノイド制御信号Ｓｓｄが所定期間に亘ってオン状態になり、その期間、ソレノイド２００に通電される。ソレノイド２００に対する通電により、吸入弁係合部材２０１が開弁ばね２０２のばね力に抗して吸入弁５より離れる方向へ移動し、吸入弁５が閉弁可能になる。これにより、吸入弁５が閉弁ばね５ａのばね力によって閉弁し、加圧室１２内の圧力が上昇する。

吸入弁５が閉弁して加圧室１２内の圧力が高くなると、加圧室１２内の燃料が吐出弁６を開弁方向に押し、吐出弁６が閉弁ばね６ａのばね力に抗して開弁する。これににより、加圧室１２の容積減少分の高圧燃料がコモンレール５３側に吐出される。

なお、ソレノイド２００の駆動信号は、吸入弁５がソレノイド２００側で閉弁されると、その通電が停止（オフ状態）されるが、上記のように、加圧室１２内の圧力が高いため、吸入弁５は閉弁状態で維持されてコモンレール５３側への燃料の吐出が行われる。

また、プランジャ２が、カム１００の回転により、プランジャ下降ばね４の付勢力に応じて上死点側から下死点側に移動すると、再び吸入行程が行われ、加圧室１２内の圧力低下に伴って、吸入弁係合部材２０１が開弁ばね２０２のばね力によって吸入弁５と係合して開弁方向に移動するとともに、吸入弁５がプランジャ２の往復動に同期して開弁し、吸入弁５の開弁状態が保持される。吸入行程では、加圧室１２内の圧力低下が生じていることにより、吐出弁６は開弁しない。以後、前記動作を繰り返す。

よって、プランジャ２が上死点に達する前の圧縮工程の途中で、ソレノイド２００がオン状態にされる場合には、この時から、コモンレール５３への燃料圧送が行われ、また、燃料圧送が一度始まれば、加圧室１２内の圧力は上昇しているので、その後に、ソレノイド２００をオフ状態にしても、吸入弁５は閉塞状態を維持する一方で、吸入工程の始まりに同期して自動開弁することができ、ソレノイド２００のオン信号の出力タイミングにより、コモンレール５３側への燃料の吐出量を調節することができる。

さらに、燃圧センサ５６の信号に基づき、コントロールユニット５１５にて適切な通電オンタイミングを演算し、ソレノイド２００をコントロールすることにより、コモンレール５３の圧力を目標値にフィードバック制御させることができる。

図７は、本発明による高圧燃料ポンプ制御装置を有するコントロールユニット５１５のＭＰＵ６０３が行う高圧燃料ポンプ１の基本制御ブロックを示している。

高圧燃料ポンプ制御装置は、基本角度算出手段７０１と、目標燃料圧力算出手段７０２と、燃料圧力入力処理手段７０３と、ソレノイド２００の駆動信号を算出する手段の一態様であるポンプ制御信号算出手段１５０２から構成される。

基本角度算出手段７０１は、エンジンの運転状態に基づいてソレノイド２００をオン状態にするソレノイド制御信号Ｓｓｄの基本角度ＢＡＳＡＮＧを演算し、基本角度ＢＡＳＡＮＧをポンプ制御信号算出手段１５０２に出力する。

図８は、吸入弁５の閉弁タイミングと高圧燃料ポンプ吐出量の関係を示している。基本角度ＢＡＳＡＮＧ（要求弁閉弁タイミング）は、要求燃料噴射量と高圧燃料ポンプ吐出量が釣り合うように、吸入弁５が閉弁する角度を制御基準点（後述）からの角度に換算して設定する。

目標燃料圧力算出手段７０２は、同じくエンジンの運転状態に基づき、その動作点に最適な目標燃圧Ｐtargetを算出し、目標燃圧Ｐtargetをポンプ制御信号算出手段１５０２に出力する。

燃圧入力処理手段７０３は、燃圧センサ５６の信号をフィルタ処理し、実燃料圧力である計測燃料圧力Ｐrealを検出し、これをポンプ制御信号算出手段１５０２に出力する。

ポンプ制御信号算出手段１５０２は、後述するように、入力信号に基づいてアクチュエータ駆動信号（ソレノイド制御信号Ｓｓｄ）であるポンプ制御信号を演算し、ソレノイド駆動信号出力手段７０７に出力する。ソレノイド駆動信号出力手段７０７は、ソレノイド２００の電流制御を行うものである。

図９は、コントロールユニット５１５の動作タイミングチャートを示している。コントロールユニット５１５は、図９（ａ）のフェーズセンサ５１１からの検出信号（フェーズ信号）と、図９（ｂ）のポジションセンサ５１６からの検出信号(ポジション信号)に基づいて、各気筒のピストン５０７ａの上死点位置を検出し、燃料噴射制御及び点火時期制御を行うとともに、フェーズセンサ５１１からの検出信号（フェーズ信号）とポジションセンサ５１６からの検出信号(ポジション信号)に基づいて、図９（ｃ）に示されているように、プランジャ２のストロークを検出し、高圧燃料ポンプ１の燃料吐出制御であるソレノイド制御を行う。

ソレノイド制御は、タイミング制御であり、基準となる点が必要である。そして、基準点は吸入弁５が高圧燃料ポンプ１の吐出行程中に閉弁するように高圧燃料ポンプ１の吸入行程中にあることが望ましい。

このとき、高圧燃料ポンプ１からの燃料吐出は、ソレノイド制御信号Ｓｓｄの立ち上がりからソレノイド２００の作動遅れ分の所定時間Δｔの経過後に開始される一方で、この燃料吐出は、ソレノイド制御信号Ｓｓｄが終了しても加圧室１２からの圧力によって吸入弁５が押されているので、プランジャストロークが上死点に達するまで続けられる。

図１０は、本発明による高圧燃料ポンプ制御装置の一つの実施形態の詳細を示している。

ポンプ制御信号（ソレノイド制御信号）算出手段１５０２は、ソレノイド２００のオン信号のタイミングを演算する基準角度演算手段７０４と、そのオン信号の幅を算出する通電時間算出手段７０６とを基本的な構成としている。

基準角度演算手段７０４は、基本角度算出手段７０１の基本角度ＢＡＳＡＮＧ、目標燃料圧力算出手段７０２の目標燃圧Ｐtarget、燃料圧力入力処理手段７０３の計測燃料圧力Ｐrealに基づいて、オン信号の出力開始の基準となる基準角度ＲＥＦＡＮＧを演算する。

そして、基準角度ＲＥＦＡＮＧに、ソレノイド作動遅れ補正手段７０５による作動遅れ補正分ＰＵＭＲＥを加えてソレノイド２００のオン信号の出力開始角度ＳＴＡＮＧを計算し、これを示す信号を、ソレノイド２００のオン信号のタイミングとして、ソレノイド駆動信号出力手段７０７に出力する。

ソレノイド作動遅れ補正手段７０５は、ソレノイド２００の電磁力、ひいては作動遅れ時間がバッテリ電圧によって変わることから、バッテリ電圧に基づいてソレノイド作動遅れ補正を算出している。

通電時間算出手段７０６は、運転条件および駆動方法選択手段７０９により決定した電流波形モードＣＵＲＭＯＤＥに基づいて、高圧燃料ポンプ１のソレノイド２００の通電要求時間ＴＰＵＭＫＥを演算し、ソレノイド駆動信号出力手段７０７に出力する。

通電要求時間ＴＰＵＭＫＥの値は、ソレノイド２００の抵抗が大きい、ソレノイド吸引力発生最悪条件においてであっても、加圧室１２の圧力で吸入弁５を閉じられるようになるまで吸入弁係合部材２０１を保持し、確実に吸入弁５を閉弁できる値を設定する。

通電時間算出手段７０６による通電要求時間ＴＰＵＭＫＥの算出例を、図１１を参照して説明する。波形モードＣＵＲＭＯＤＥ（Ｈ’０１、Ｈ’０２、Ｈ’０３Ｈ’０４）毎に、バッテリ電圧と回転数を入力とする通電要求時間のデータマップ１３０１〜１３０４を用意し、駆動方法選択手段７０９により決定した電流波形モードＣＵＲＭＯＤＥの値に応じて使用するデータマップ切換えることにより、通電要求時間ＴＰＵＭＫＥを算出する。

図１０に戻り、通電強制カット信号算出手段７０８は、フェーズセンサおよびポジションセンサから求めた通電強制カット信号をソレノイド駆動信号出力手段７０７に出力する。通電強制カット信号算出手段７０８は、絶対に通電信号をオフしていなければならない制御基準点からの位置を演算の後、通電強制カット信号を出力する。

駆動方法選択手段７０９による電流波形モードの選択ルーチンを、図１２のフローチャートを参照して説明する。

この選択ルーチンは、割込み処理であり、この割込み処理は、例えば１０ｍｓ毎のように時間周期でも、例えばクランク角度１０ｄｅｇ毎のように回転周期でもよい。

ブロック１１０２では、エンジン回転数Ｎｅを読込み、ブロック１１０３では、ポンプ制御信号算出手段１５０２で算出した出力開始角度ＳＴＡＮＧを読込む。

ここで、エンジン回転数Ｎｅ、出力開始角度ＳＴＡＮＧを読込むのは、通電信号オフ後のソレノイド電流波形を決めるため、通電信号オフ後から次の吐出行程までの間隔（時間）を算出することを目的とする。よって、さらに、バッテリ電圧を読込み、ソレノイド制御信号Ｓｓｄ通電時間を概算することにより、時間算出精度を高めることも可能である。

ブロック１１０４では、電流波形モードＣＵＲＭＯＤＥを算出する。ブロック１１０２および１１０３で読込んだ回転数Ｎｅ、出力開始角度ＳＴＡＮＧに応じて場合分けを実施し、電流波形モードＣＵＲＭＯＤＥを求める。本実施形態では、４モードを考え、各モードをＨ’０１〜Ｈ’０４で定義する。ここで、Ｈ’０１＝高電圧＋即低下モード、Ｈ’０２＝即低下モード、Ｈ’Ｏ３＝緩低下モード、Ｈ’０４＝緩低下＋デューティモードとする。

次に、この４モードの選択条件の一例を以下に示す。
（１）極高回転時（Ｎｅ＞ＭＯＤＥ１）且つＳＴＡＮＧ＞Ａ
高電圧＋即低下モードを設定
ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０１
（２）極高回転時（Ｎｅ＞ＭＯＤＥＩ）且つＳＴＡＮＧ＜Ａ
即低下モードを設定
ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０２
（３）高回転時（ＭＯＤＥ１≧Ｎｅ＞ＭＯＤＥ２）且つＳＴＡＮＧ＞Ｂ
即低下モードを設定
ＣＵＲＭＯＤＥ；Ｈ’０２
（４）高回転時（ＭＯＤＥ１２Ｎｅ＞ＭＯＤＥ２）且つＳＴＡＮＧ＜Ｂ
緩低下モードを設定
ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’Ｏ３
（５）通常回転時（ＭＯＤＥ２≧Ｎｅ＞ＭＯＤＥ３）
緩低下モードを設定
ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’Ｏ３
（６）極低回転時（ＭＯＯＥ３≧Ｎｅ）
緩低下＋デューティモードを設定
ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０４

つぎに、上述の各モードにおけるソレノイド制御信号Ｓｓｄ、ソレノイド通電電流値Ｉｓ、ソレノイド吸引力Ｗｓを、図１３を参照して説明する。

ソレノイド吸引力Ｗｓは、ソレノイド通電電流値Ｉｓが一定値Ａ１を超えると吸引力が発生し、一定値Ａ２以下となると吸引力が消滅する性質を持つ。

（１）高電圧＋即低下モード（ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０１）は、ソレノイド２００に供給する電源電圧をバッテリ電圧より大きくし、かつソレノイド制御信号Ｓｓｄのオフ後、つまり、ソレノイド制御信号Ｓｓｄがオン状態よりオフ状態に変化した時点で即時にコイル電流が低下することを組み合わせる。

これにより、ソレノイド制御信号Ｓｓｄに最も追従した動作となる。このため、制御追従性が要求される極高回転に適している。しかし、短所として、通電時間に対する電流値が大きくなるため、電磁コイルの発熱が大きいことが挙げられる。

（２）即低下モード（ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０２）は、ソレノイド２００に供給する電源電圧をバッテリ電圧として、ソレノイド制御信号Ｓｓｄのオフ後に即時にコイル電流が低下することを組み合わせている。これによりソレノイド制御信号Ｓｓｄに追従した動作となるため、高回転に適している。短所として、コイル電流を緩やかに低下する場合と比較して、同一ソレノイド吸引時間を得るためにはソレノイド通電信号時間を長くしなければならず、電流を緩やかに低下する場合と比較して電磁コイルの発熱が大きいことが挙げられる。

（３）緩低下モード（ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０３）は、ソレノイド２００に供給する電源電圧をバッテリ電圧とし、ソレノイド制御信号Ｓｓｄのオフ後に、つまり、ソレノイド制御信号Ｓｓｄがオン状態よりオフ状態に変化した時点より緩やかにコイル電流が低下することを組み合わせている。

（４）緩低下＋デューティモード（ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０４）は、ソレノイド２００に供給する電源電圧をバッテリ電圧として、ソレノイド制御信号Ｓｓｄのオフ後に緩やかにコイル電流が低下することと、ソレノイド制御信号Ｓｓｄを短い周期でオン−オフするデューティ通電を組み合わせている。

ここで、ソレノイド制御信号Ｓｓｄは、初回通電信号でソレノイド通電電流値Ｉｓが一定値Ａ１を超えるような時間出力し、その後のオン−オフの繰り返し中に一定値Ａ２以下とならない制御信号を出力している。このモードは、電流値が高くならないため、発熱が少なく、通電時間の長い極低回転時に適している。短所としてオン−オフ時間の制御精度の高さが必要となる。

よって、高回転時かつ出力開始角度ＳＴＡＮＧが大きい（ポンププランジャ上死点付近で通電開始）場合には、ソレノイド制御信号Ｓｓｄの追従性の高い、ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０１またはＨ’０２を使用し、通常回転時にはＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０３とする。また、極低回転時における要求通電時間が長い場合には、コイルの発熱を抑えるため、ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０４とする。

図１４は、本発明における高圧燃料ポンプ制御装置（エンジンコントロールユニット５１５）の出力部の動作を示している。スイッチＣ（１４０７）がオンした場合には、コントロールユニット５１５に接続されたソレノイド２００に電流が流れ、吸引力が発生する。

スイッチＡ（１４０５）により、ソレノイド２００用の電源をバッテリまたは高電圧電源のどちらかを選択し、スイッチＢ（１４０６）により、即時にコイル電流を低下させるか、あるいは緩やかに低下させるかを選択する。スイッチＣ（１４０７）により、連続的にコイルに通電するか、短い周期でオン−オフ通電（デューティ通電）するかを制御する。

駆動方法選択手段７０９による電流波形モード選択の他の実施形態を、図１５のフローチャートを参照して説明する。

本実施形態では、コントロールユニット５１５内に、電源電圧切換え装置（スイッチＡ：１４０５）および電流低下切換え装置（スイッチＢ：１４０６）を有しない装置の場合となり、緩低下モードＨ’Ｏ３と緩低下＋デューティモードＨ’０４の二つのモードより選択する。

ブロック１１０２でエンジン回転数Ｎｅを読込み、ブロック１１０３ではポンプ制御信号算出手段１５０２で算出した出力開始角度ＳＴＡＮＧを読み込む。

その後、ブロック１９０１において、電流波形モードＣＵＲＭＯＤＥを算出する。ブロック１１０２および１１０３で読込んだエンジン回転数Ｎｅ、出力開始角度ＳＴＡＮＧに応じて場合分けを実施し、電流波形モードＣＵＲＭＯＤＥを求める。

電源電圧切換え装置（スイッチＡ：１４０５）および電流低下切換え装置（スイッチＢ：１４０６）が有しないため、高回転時にはＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０４とし、緩低下＋デューティモードを実施する。これは、前記制御により電流値を一定の値に抑えることが可能であるため、制御信号オフ後の残電流期間を短くすることが可能となるためである。

この実施形態における２モードの選択条件の一例を以下に示す。
（１）高回転時（Ｎｅ＞ＭＯＤＥ２）且つＳＴＡＮＧ＞Ｂ
緩低下＋デューティモードを設定
ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０４
（２）極低回転時（ＭＯＯＥ３≧Ｎｅ）
緩低下＋デューティモードを設定
ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’０４
（３）それ以外
緩低下モードを設定
ＣＵＲＭＯＤＥ＝Ｈ’Ｏ３

図１６は、ソレノイド制御信号Ｓｓｄ、ソレノイド通電電流値ＩｓＩｓおよびソレノイド吸引力Ｗｓの関係を示している。なお、図１６（ａ）はソレノイド制御信号Ｓｓｄを、図１６（ｂ）はソレノイド通電電流値Ｉｓを、図１６（ｃ）はソレノイド吸引力Ｗｓを各々示している。

電流が即時に低下する回路を使用していない場合、通電信号（ソレノイド制御信号Ｓｓｄ）オフ後、ソレノイドには一定期間Ｔａｆに亘って電流が流れ、電流が一定値Ａ２以下に落ちるまで、吸引力Ｗｓは維持される。

この通電信号オフ後のソレノイド２００の吸引力が次の吐出行程まで維持されると、意図しない全吐出が発生し、昇圧を招く。吸引力が維持される期間Ｔａｆはコイル抵抗およびバッテリ電圧に依存する。

そして、駆動方法選択手段７０９により決定した波形モードＣＵＲＭＯＤＥと、出力開始角度ＳＴＡＮＧと、通電時間ＴＰＵＭＫＥと通電強制カット信号からソレノイド２００の駆動を行う。

図１７は、コントロールユニット５１５による燃圧の制御に対するソレノイド制御信号Ｓｓｄの出力開始角度ＳＴＡＮＧ、及び通電時間ＴＰＵＭＫＥ等のパラメータを示したものであり、図９を具体的に説明する図である。

ソレノイド２００のオン信号の出力タイミングである出力開始角度ＳＴＡＮＧは、式（１）のように求めることができる。

ＳＴＡＮＧ＝ＲＥＦＡＮＧ−ＰＵＭＲＥ …（１）
ＲＥＦＡＮＧは、エンジン５０７の運転状態に基づいて基準角度算出手段７０４で算出される。ＰＵＭＲＥはポンプ遅れ角度であり、ソレノイド作動遅れ補正手段７０５で算出され、例えば、バッテリ電圧により変化するアクチュエータ駆動時間、すなわちソレノイド通電に基づいた吸入弁係合部材２０１の作動遅れを表している。

次に、ソレノイド２００のオン信号の幅であるポンプ位相制御信号の通電時間ＴＰＵＭＫＥは、通電時間算出手段７０６により、運転状態に基づいて算出する。

そして、出力開始角度ＳＴＡＮＧによって、あらかじめ定めてある制御基準点から、どれくらいで吸入弁５を閉じさせるソレノイド２００のオン信号を出力するか、すなわちソレノイド制御信号Ｓｓｄの出力タイミングを求める。一方、ポンプ位相制御信号通電時間ＴＰＵＭＫＥによって、ソレノイド制御信号Ｓｓｄをどれくらいの時間で出力し続けるか、すなわちソレノイド制御信号Ｓｓｄの幅を求めている。本実施形態の高圧燃料ポンプ制御装置は、算出されたソレノイド制御信号Ｓｓｄ出力タイミングから算出された時間分通電することを基本とする。

以上のように、本実施形態は、上記の構成によって次の機能を奏するものである。本実施形態のコントロールユニット５１５は、シリンダ５０７ｂに備えられた燃料噴射弁５４と、燃料噴射弁５４に燃料を圧送する高圧燃料ポンプ１とを有する筒内噴射エンジン５０７の高圧燃料ポンプ制御装置であって、高圧燃料ポンプ１は、前記高圧燃料ポンプ１内の燃料を加圧するプランジャ２と、高圧燃料ポンプ１の吐出量又は圧力を可変にするために位相制御されるソレノイド２００と、前記ソレノイド２００のオン信号にて燃料の吸入通路１０を閉弁させる吸入弁５とを有し、制御装置は、ポンプ制御信号算出手段１５０２を有し、ポンプ制御信号算出手段１５０２は、ソレノイド２００への出力手段を複数有しており、次の高圧燃料ポンプ１の吐出行程にソレノイド２００の吸引力が残らないように制御しているので、意図しない燃料量を高圧燃料ポンプが吐出することを防ぎ、燃料圧力を最適かつ迅速に制御することができる。よって、燃焼の安定化及び排出ガス性能の改善を図ることができる。

図１８は、本実施形態による高圧燃料ポンプ制御装置による動作タイミングチャートである。

図１８（ａ）に示されているように、時点ｔ２で、少量吐出量要求がなされると、図１８（ｃ）に示されているように、時点ｔ２で、電流波形モードＣＵＲＭＯＤＥが、緩低下モードＨ’０３より即低下モードＨ’０２に切り替えられる。

これにより、低下モードＨ’０２では、図１８（ｅ）、（ｆ）に示されているように、ソレノイド制御信号Ｓｓｄを終了すると、ソレノイド通電電流値Ｉｓが即座に０になり、これに応じてソレノイド吸引力Ｗｓも、図１８（ｇ）に示されているように、即座に消滅し、ソレノイド吸引力Ｗｓが次の吐出行程まで維持されることがない。

これにより、図１８（ｄ）に示されているように、高圧燃料ポンプ１が全量吐出状態にならずに、吐出量が少量吐出要求に応じて的確に低減する。この結果、図１９（ｂ）に示されているように、計測燃料圧力は目標燃料圧力に追従する。

このように、燃料圧力（二次圧力）を確実に目標燃圧に制御することができ、確実に目標燃圧に制御することにより、失火および気筒内の燃料付着を防ぎ、排出ガスの低減に貢献する。

以下に、本実施形態による効果を要約する。
（１）内燃機関の運転状態に応じてソレノイド２００に通電する電流の電流波形を切替設定するから、高圧燃料ポンプ１の吐出量が吐出要求に応じて的確に制御され、燃焼の安定化及び排出ガス性能の改善に貢献することができる。

（２）電磁アクチュエータのソレノイドに対する通電は、ソレノイド制御信号によりオン・オフされるものであり、ソレノイド２００に通電する電流の電流波形の切替設定は、ソレノイド制御信号がオン状態よりオフ状態に変化した時点よりのソレノイド通電電流の減少特性を異なるもの、たとえば、ソレノイド制御信号がオン状態よりオフ状態に変化した時点より速やかに減少する減少特性と、緩やかに減少する減少特性であり、内燃機関の運転状態に応じてその何れかを選択的に設定するから、ソレノイド吸引力が次の吐出行程まで維持されたままとなって誤って全量吐出状態になることを回避するモードと、コイル発熱を抑制するモードとを使い分けることができる。

（３）ソレノイド制御信号が、所定周期、所定幅でオン・オフを繰り返し、この時に替設定する電流波形は、ソレノイド制御信号がオン状態よりオフ状態に変化した時点より緩やかに減少する減少特性であることにより、コイル発熱が少なく、通電時間が長くなる極低回転時の制御に適している。

（４）切替設定する電流波形が、異なる電源電圧による成分を含むから、高電圧によって制御追従性を要求される極高速回転時に適合でき、低電圧によってコイル発熱を抑制するモードとを使い分けることができる。

（５）エンジン回転数、ソレノイド制御信号の出力タイミング、バッテリ電圧の少なくとも一つに応じて電流波形を切替設定するから、エンジンの全運転域において、高圧燃料ポンプ１の吐出量が吐出要求に応じて的確に制御され、燃焼の安定化及び排出ガス性能の改善に貢献することができる。

（６）ソレノイド制御信号のオン時間に応じて前記ソレノイドに通電する時間を設定するから、高圧燃料ポンプ１の吐出量が吐出要求に応じて的確に制御され、燃焼の安定化及び排出ガス性能の改善に貢献することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態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精神を逸脱することなく設計において種々の変更ができるものである。

例えば、上述の実施形態では、高圧燃料ポンプ１が排気弁５２６のカム軸上に配置されているが、吸入弁５１４のカム軸上に配置、又はシリンダ５０７ｂのクランク軸５０７ｄに同期させたものであってもよい。また上述の実施形態では、高圧燃料ポンプ１はソレノイド制御信号Ｓｓｄオンをトリガーとして吐出行程中においては吸入弁が閉弁する構造であるが、吐出行程中に吸入弁は閉弁しており、ソレノイド制御信号Ｓｓｄオン時に吸入弁が開弁する構造の高圧燃料ポンプであってもよい。

本発明による高圧燃料ポンプ制御装置が適用される筒内噴射式の内燃機関の全体構成を示す図。 本発明による高圧燃料ポンプ制御装置に用いられるコントロールユニットの内部構成およびそれの入出力を示すブロック図。 高圧燃料ポンプを備えた燃料系システムの全体構成を示す図。 高圧燃料ポンプの詳細構造を示す縦断面図。 高圧燃料ポンプの動作タイミングチャート。 図５の動作タイミングチャートの補足説明図。 本発明による高圧燃料ポンプ制御装置の一つの実施形態を示す基本制御ブロック図。 高圧燃料ポンプにおける吸入弁閉弁タイミングと吐出量の関係を示すグラフ。 本発明による高圧燃料ポンプ制御装置の基本動作タイミングチャート。 本発明による高圧燃料ポンプ制御装置の一つの実施形態の詳細を示すブロック図。 本実施形態の通電時間算出手段の一つの実施形態の詳細を示すブロック図。 本実施形態の駆動方法選択手段による電流波形モード選択ルーチンを示すフローチャート。 本実施形態の各電流波形モードにおけるソレノイド制御信号に対するソレノイド通電電流値とソレノイド吸引力の関係を示す図。 本発明による高圧燃料ポンプ制御装置の出力部の一実施形態を示す図。 他の実施形態の駆動方法選択手段による電流波形モード選択ルーチンを示すフローチャート。 高圧燃料ポンプにおけるソレノイド制御信号とソレノイド通電電流値とソレノイド吸引力の関係を示す図。 本実施形態による高圧燃料ポンプ制御装置のソレノイド制御信号の出力タイミングを示す図。 本実施形態による高圧燃料ポンプ制御装置の動作を示すタイミングチャート。 従来の高圧燃料ポンプ制御装置の動作を示すタイミングチャート。

符号の説明

１ 高圧燃料ポンプ
２ プランジャ
５ 吸入弁
１１ 吸入通路
５４ 燃料噴射弁
２００ ソレノイド
５０７ 筒内噴射エンジン
５０７ｂ 気筒
５１５ コントロールユニット
７０１ 基本角度算出手段
７０２ 目標燃圧算出手段
７０３ 燃圧入力処理手段
７０４ 基準角度演算手段
７０５ ソレノイド作動遅れ補正手段
７０６ 通電時間算出手段
７０７ ソレノイド駆動信号出力手段
７０８ 通電強制カット信号算出手段
７０９ 駆動方法選択手段
１５０２ ポンプ制御信号（ソレノイド制御信号）算出手段

Claims (7)

1. 燃料噴射弁に供給する燃料の吐出量を、電磁アクチュエータのソレノイドの通電電流により制御する、筒内噴射式内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置であって、
   該高圧燃料ポンプ制御装置は、ソレノイド制御信号をオン・オフすることにより、前記通電電流を制御し、
   前記ソレノイド制御信号がオン状態からオフ状態に変化するタイミングと前記筒内噴射式内燃機関の運転条件とに基づいて、前記通電電流の電流波形の減少特性を異なるものとすることを特徴とする内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置。
2. 前記高圧燃料ポンプ制御装置は、前記筒内噴射式内燃機関の運転状態に応じて前記通電電流の電流波形を切替設定する駆動信号出力手段を有し、前記駆動信号出力手段による前記電流波形の切替設定が、前記減少特性を異なるものとすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置。
3. 前記ソレノイド通電電流の減少特性は、前記ソレノイド制御信号がオン状態よりオフ状態に変化した時点より緩やかに減少する減少特性と、速やかに減少する減少特性であり、内燃機関の運転状態に応じてその何れかを選択的に設定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置。
4. 前記ソレノイド制御信号が、所定周期、所定幅でオン・オフを繰り返し、この時に前記駆動信号出力手段が切替設定する前記電流波形は、前記ソレノイド制御信号がオン状態よりオフ状態に変化した時点より緩やかに減少する減少特性であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置。
5. 前記駆動信号出力手段が切替設定する前記電流波形が、異なる電源電圧による成分を含むことを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置。
6. 前記駆動信号出力手段は、エンジン回転数、ソレノイド制御信号の出力タイミング、バッテリ電圧の少なくとも一つに応じて前記電流波形を切替設定することを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置。
7. 前記駆動信号出力手段は、前記ソレノイド制御信号のオン時間に応じて前記ソレノイドに通電する時間を設定することを特徴とする請求項２から５の何れか一項に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ制御装置。

Images