JP5074448B2 - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に係り、特に、燃料噴射量精度を改善し、燃料噴射量のダイナミックレンジを向上することのできる燃料噴射制御装置に関する。

内燃機関には、運転状態に応じた適切な燃料量を、燃料噴射弁の噴射時間に変換する演算を行い、燃料を供給する燃料噴射弁を前記噴射時間に渡って駆動する燃料噴射制御装置が備えられている。燃料噴射弁は、コイルに流れる電流により発生する磁気力によって燃料噴射弁を構成している可動弁の開閉を行い、燃料の噴射を行う。噴射される燃料量は、主に燃料の供給圧力と燃料噴射弁の噴口部外周の雰囲気圧力との差圧、および弁体を開いた状態に維持して燃料を噴射する時間（期間）により決定される。

近年、エミッションの向上、燃料消費量の低減という観点から、内燃機関のアイドル回転数の低下が求められている。このため、燃料噴射弁の噴射可能な最小噴射量の低減に関する要求は増加傾向にある。

また、燃料消費量低減のため、内燃機関の出力が不要な場合に燃料の噴射を行わない燃料カットを行う機会が増加し、このため燃料の噴射を再開する頻度も増加している。燃料噴射を再開する際には無負荷相当の少ない燃料量を噴射する必要がある。また、出力の増加や排気性能の向上を目的として、分割噴射が行われている。分割噴射は本来１回の噴射に必要な燃料を複数回に分割して、適切な時期に噴射することで内燃機関の性能を向上させようとするものであり、分割噴射では１回の噴射当たりの燃料噴射量をより少なくすることが求められている。

また、内燃機関においては、排気量のダウンサイジングにより車両搭載時の燃料消費量を減少させる試みも実施されている。この場合には、過給等により比出力の向上が求められるため、最小噴射量を増加させることなく、あるいは減少させた上で、最大噴射量を増加させることが求められている。このため、燃料噴射弁に求められるダイナミックレンジ（最大噴射量を最小噴射量で除算した値）は増加する傾向にある。

特許文献１には、内燃機関の運転状態が、制御可能な最小燃料噴射量特性（Ｑｍｉｎ特性）が重要な領域である場合、複数の異なる電流波形のうち小さな保持電流の一つに切換えて供給することにより、インジェクタのソレノイドのインダクタンスが小さい場合においても、インジェクタを最適に制御でき、最小燃料噴射量特性を良好に維持することができるインジェクタ制御装置が示されている。

特許第４０３７６３２号明細書

燃料噴射弁から適切な量の燃料噴射を精度良く行うには、燃料噴射弁の可動弁の開弁時間、閉弁時間を安定させる必要がある。しかし個々の燃料噴射弁には製作上避けられない電磁的なばらつき、例えば、コイルの抵抗値、インダクタンス値等にばらつきがあり、更に、抵抗値は、環境温度により変化する。

燃料噴射弁の開弁時には、この電磁的なばらつきが、電流立上り特性のばらつきや、可動弁の開弁応答ばらつきを発生させ、結果として噴射量にばらつきが発生する。

この噴射量のばらつきにより、Qmin特性を低減できず、ダイナミックレンジが低下し、エミッション特性が悪化し、更に燃費低減を図ることもできない。無理に低い噴射量を使用しようとすると、運転性能の悪化等の跳ね返りも懸念される。

前記特許文献１に記載の方法では、このような燃料噴射量精度に対する要求に十分に対応することはできない。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、燃料噴射量ばらつきを低減し、燃料噴射弁のダイナミックレンジを拡大させることができる燃料噴射制御装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

ソレノイドを有する燃料噴射装置と、内燃機関の運転状態を検出する手段と、検出した内燃機関の運転状態に基づき前記燃料噴射装置に供給する燃料噴射パルスのパルス幅を調節する燃料噴射制御手段とを備え、前記燃料噴射制御手段は、前記燃料噴射パルス幅に基づき、前記ソレノイドに高電圧の開弁電圧を所定の高電圧開弁期間供給して開弁電流を供給する手段と、前記所定の高電圧開弁期間が終了した後は、前記ソレノイドに低電圧の開弁電圧を印加して開弁状態を保持する保持電流をソレノイドに供給する手段とを備え、前記ソレノイドに高電圧の開弁電圧を前記所定の高電圧開弁期間供給したときの開弁電流のピーク値を予め設定した目標値と比較し、開弁電流のピーク値が目標値と一致するように前記高電圧の開弁電圧をフィードバック制御する。

本発明は、以上の構成を備えるため、燃料噴射量ばらつきを低減し、燃料噴射弁のダイナミックレンジを拡大させることができる。

実施形態にかかる燃料噴射制御装置を説明する図である。 燃料噴射弁の構造を説明する図である。 燃料噴射弁に流れる電圧、電流、可動弁位置の変化の推移を説明する図である。 燃料噴射弁に流れる電圧、電流、可動弁位置の変化の推移を説明する図である。 燃料噴射制御装置の構成を示す図である。

以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態にかかる燃料噴射制御装置を説明する図である。図１に示すように、燃料噴射制御装置２７は、エンジンの状態に適応した最適な燃料噴射を行うために、回転数、Boost（吸入管負圧）、吸入空気量、吸気温度、水温、燃料圧力等を検出可能なセンサを備え、センサが検出したセンサ値（測定値）をＥＣＵ(Engine Control Unit)１９に取り込む。ＥＣＵ１９は各センサで検知された測定値をもとに最適な噴射量を演算する噴射量演算装置、および前記演算の結果をもとに噴射時間を演算する噴射時間演算装置を備え、該演算装置は噴射パルス幅Ｔｉを算出する。

算出された噴射パルス幅Ｔｉに対応して、噴射弁制御装置２７では燃料噴射弁１の可動弁７を磁気力で吸引して開弁する。このために、燃料噴射制御装置２７は、例えば予め規定された通電時間Ｔｈに渡って開弁電圧ＶＨを印加し、その後予め設定された保持電流値が供給できる保持電圧ＶＢを印加する。

このとき、予め燃圧条件毎に設定された開弁電圧通電時間Ｔｈで開弁電圧ＶＨを印加したとき、得られるピーク電流Ｉｐを検出し、開弁電流目標値Ｉｐｅａｋと比較し、（１）Ｉｐ＞Ｉｐｅａｋの場合、（ＶＨをＶＨ−Ｖｒ）とし、（２）Ｉｐ＜Ｉｐｅａｋの場合、（ＶＨをＶＨ＋Ｖｒ）〔Ｖｒ：規定の可変電圧単位〕として、開弁電圧ＶＨをフィードバック制御し、予め規定された通電時間Ｔｈで開弁電流Ｉｐが目標ピーク電流Ｉｐｅａｋに等しくなるように開弁電圧ＶＨを制御する。これにより、コイルの抵抗等の電磁特性にばらつきのある燃料噴射弁においても、開弁電流の立上り特性を揃えることが可能となる。

図２は、燃料噴射弁の構造を説明する図である。燃料噴射弁１には、燃料ポンプ（図示せず）から加圧された燃料が供給される。可動弁７と、ノズル３側に形成された弁座面（シート面）１０との間で燃料通路の開閉を行い、オリフィス１１からの燃料噴射を制御する。オリフィス１１と弁座面１０は、オリフィスプレート１２に形成されている。

可動弁７はプランジャ６の先端に取付けられており、可動弁７に駆動力を発生する手段として、燃料噴射弁にはコイル２が具備されている。コイル２が通電されず吸引力が無い場合には、プランジャ６及び可動弁７を弁座面１０に押し付けて閉弁するようにばね部材であるリターンスプリング９が設けられている。

コイル２が通電されると磁束が発生し、該磁束はコア４、ヨーク５、プランジャ６を通り、コア４、ヨーク５、プランジャ６の間に磁気吸引力を発生する。これによりプランジャ６及び可動弁７が弁座面１０から離れる方向に（図の上側）変位し、オリフィス１１から燃料が噴射される。

通常リターンスプリング９と燃料圧力によって、可動弁７は弁座面１０に押し付けられている。このため、素早く開弁させるためには大きな電磁力を素早く発生させる必要がある。このため、開弁用の供給電圧ＶＨはバッテリ電圧ＶＢより高く設定し、開弁した後は、可動弁７をバッテリ電圧ＶＢで断続的に駆動して、一定の保持電流値Ｉｈｏｌｄを流すように制御する。

図３は、演算された噴射パルス幅Ｔｉが、最小制御噴射量を発生するパルス幅より充分に大きい場合について、燃料噴射弁に流れる電圧、電流、可動弁位置の変化の推移を説明する図である。なお、図３において、図３（Ａ）は噴射パルスＴｉを示し、図３（Ｂ）は、噴射弁駆動電圧Ｖを示し、図３（Ｃ）は、駆動電流Ｉを示し、図３（Ｄ）は、燃料噴射弁の可動弁弁体位置を示している。

ここで、図５は燃料噴射制御装置の構成を示す図である。図５において、５０．５１，５２はスイッチング素子、５６は燃料噴射弁駆動ＩＣである。後述するように燃料噴射弁駆動ＩＣ５６はＥＣＵ１９が演算した噴射パルス幅Ｔｉを受信し、受信した噴射パルス幅Ｔｉにおいてスイッチング素子５０と５２をＴｈ時間駆動した後、スイッチング素子５１と５２を断続駆動する。

まず、図３（Ａ）に示すように、時点ｔ０において、ＥＣＵ１９の噴射量演算回路と噴射パルス演算回路により計算された噴射パルスＴｉは駆動ＩＣ５６に送信される。駆動ＩＣ５６は、駆動パルスＴｉの信号の立ち上がり時に、図５に示した燃料噴射制御装置２７のスイッチング素子５０、５２を同時にＯＮして、図３（Ｂ）に示す開弁電圧ＶＨを供給し、図３（Ｃ）に示すように、燃料噴射弁５３に迅速な開弁に必要な開弁電流を供給する。 このとき、燃料噴射弁１には、高電圧電源ＶＨが印加され、開弁電流が供給される。実線が標準的な電磁特性の電流挙動を示す。

図３（Ｃ）に示すように、時点ｔ０からＴｈ時間経過後、時点ｔ２において電流が目標値Ｉｐｅａｋに到達すると、駆動ＩＣ５６はスイッチング素子５０をＯＦＦにする。目標ピーク電流Ｉｐｅａｋは、例えば、１１Ａである。このとき燃料噴射弁に供給されていた電流はダイオード５９、燃料噴射弁のコイル２を循環し、エネルギは熱として散逸される。

時点ｔ３において、電流値が燃料噴射弁１の開弁を維持できる第２の目標値Ｉｈｏｌｄに達すると、駆動ＩＣ５６は、スイッチング素子５１，５２をＯＮとし、低電圧源ＶＢから燃料噴射弁１に通電する。このとき電流値は、開弁を維持できる程度の第２の目標値Ｉｈｏｌｄに保つように、スイッチング素子５１をＯＮ，ＯＦＦする。例えば、第２の目標値Ｉｈｏｌｄは３Ａである。

時点ｔ４において、駆動パルスＴｉの信号の立ち下がりと同時に、燃料噴射弁への電流の供給は停止される。

ところで、燃料噴射弁の開弁および閉弁は、燃料噴射制御装置２７内部の回路や、燃料噴射弁１までのハーネスに起因する電流の応答遅れ、発生する磁力に対する弁体の応答遅れによって、燃料噴射制御装置２７が真に開弁および閉弁させたい時間ｔ０、ｔ４よりも遅れる。

図３（Ｄ）に示すように、開弁時は、応答遅れ時間（ｔ２０−ｔ０）後に燃料噴射弁１の可動弁７が完全に開弁位置（ｏｐｅｎ）に移動し、閉弁時は、応答遅れ時間（ｔ５−ｔ４）後に燃料噴射弁１の可動弁７が完全に閉弁位置（ｃｌｏｓｅ）に移動する。ここで、実線が標準的な電磁特性の可動弁挙動を示す。なお、可動弁の挙動を表す線で囲まれた面積が概ね噴射量とみなせる。

図３（Ｃ）に電磁的なばらつきによる開弁電流の変動を示し、図３（Ｄ）に開弁電流の変動に伴う燃料噴射弁の可動弁挙動を示す。ここでは長い破線が噴射弁のコイル抵抗が小のときの挙動、短い破線が噴射弁のコイル抵抗が大のときの挙動を示す。

実線で示した標準的な電磁特性のピーク電流到達点（Ｉｐｅａｋ）および可動弁挙動に対して、抵抗が小のときは、ピーク電流値はＩｐ１まで上昇し、可動弁の開弁開始時点が早くなるとともに開弁完了時間も早くなる。このため燃料噴射量は増加方向にばらつく。

また、抵抗が大の時には、ピーク電流値はＩｐ２と低く、可動弁の開弁開始時間が遅いと共に開弁完了時間も遅いため、燃料噴射量は減少方向にばらつく。

すなわち、電磁特性のばらつきにより、開弁電流立上り特性、可動弁の開弁挙動ひいては燃料噴射量のばらつきが発生する。このため、開弁電流の立上り特性を合わせることができれば、噴射量のばらつきを低減することが可能となる。

ここで、図３（Ｂ）に示すコイル２に供給する開弁電圧Ｖを可変とし、規定時間Ｔｈ印加したときピーク電流Ｉｐｅａｋが得られるように前記開弁電圧Ｖをフィードバック制御する。例えば、図３（Ｃ）において、Ｉｐ１＞Ｉｐｅａｋである場合には、開弁供給電圧ＶＨに対して、ある規定の電圧Ｖｒを減算し、ＶＨ＝ＶＨ−Ｖｒとし、Ｉｐ１＝Ｉｐｅａｋとなるまで、繰り返しフィードバック制御を行う。

またＩｐ１＜Ｉｐｅａｋである場合には、開弁供給電圧ＶＨに対して、ある規定の電圧Ｖｒを加算し、ＶＨ＝ＶＨ＋Ｖｒとし、Ｉｐ１＝Ｉｐｅａｋとなるまで、繰り返しフィードバック制御を行う。

このように、噴射パルス幅Ｔｉが通常の値（パルス幅Ｔｉが、最小制御噴射量を発生するパルス幅より充分に大きい場合）である場合において、噴射量ばらつきを低減することが可能である。なお、開弁電圧のフィードバック値がある閾値を超えるときは装置の異常状態であるからこの処理は中止するのが好ましい。

ところで、噴射パルス幅Ｔｉの短い領域（最小制御噴射量領域）では、噴射量ばらつきの影響度が大きくなる。

図４は、噴射パルス幅Ｔｉが短い領域における燃料噴射弁に流れる電圧、電流、可動弁位置の変化の推移を説明する図である。

図３の場合と同様に、図４（Ａ）は噴射パルスＴｉを示し、図４（Ｂ）は、噴射弁駆動電圧Ｖを示し、図４（Ｃ）は、電流Ｉを示し、図４（Ｄ）は、燃料噴射弁の可動弁弁体位置を示している。

低電圧電源ＶＢによる保持電流制御に移行する直前に噴射パルスＴｉが終了するような最小制御噴射量の領域では、図４（Ｃ）の時点ｔ４で噴射パルスが切れた位置での電流値がばらつく。このため、図４（Ｄ）の可動弁の開弁側における挙動のばらつきに加え、閉弁における挙動にもばらつが発生する。

図４（Ｄ）に示す可動弁の挙動に関して、図４（Ｃ）において電流がＩｐ１に到達する場合、噴射量は（ｔ１１、ｔ２１、ｔ３１、ｔ５１）で囲まれる台形面積で示され、図４（Ｃ）において電流がＩｐ２になる場合には、噴射量は（ｔ１２、ｔ２２、ｔ３２、ｔ５２）で囲まれる台形面積で示される。

このように、噴射パルス幅Ｔｉが短い領域では、開弁電流波形の立上り特性のばらつきの噴射量への影響度が極端に増加することがわかる。すなわち、開弁電流の立上り特性を合わせることにより、可動弁の挙動を合わせることができる。これにより、噴射量ばらつきおよび制御可能な最小噴射領域を低減することができ、ダイナミックレンジを拡大することができる。なお、燃料噴射制御装置は各気筒毎に配置することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料噴射弁へ供給する開弁電流立上り特性を、供給電圧を制御することによりあわせることができる。このため、燃料噴射量のばらつきを低減し、燃料噴射弁のダイナミックレンジを拡大させることができる。

１ 燃料噴射弁
２ コイル
３ ノズル
４ コア
５ ヨーク
６ プランジャ
７ 可動弁
８ プランジャガイド部材
９ リターンスプリング
１０ 弁座面
１１ オリフィス
１２ オリフィスプレート
１３ Ｏリング
１４ フィルタ
１５ コネクタモールド
１６ アジャスタ
１７ スペーサ
１９ ＥＣＵ（Engine Control Unit）
５０〜５２ スイッチング素子
５３ 燃料噴射弁
５４ ＥＣＵ‐駆動ＩＣ通信線
５５ 駆動パルス送信線
５６ 燃料噴射弁駆動ＩＣ
５８、５９ ダイオード
６０ 電流検出抵抗

Claims (1)

1. ソレノイドを有する燃料噴射装置と、
   内燃機関の運転状態を検出する手段と、
   検出した内燃機関の運転状態に基づき前記燃料噴射装置に供給する燃料噴射パルスのパルス幅を調節する燃料噴射制御手段とを備え、
   前記燃料噴射制御手段は、前記燃料噴射パルス幅に基づき、前記ソレノイドに高電圧の開弁電圧を所定の高電圧開弁期間供給して開弁電流を供給する手段と、
   前記所定の高電圧開弁期間が終了した後は、前記ソレノイドに低電圧の開弁電圧を印加して開弁状態を保持する保持電流をソレノイドに供給する手段とを備え、
   前記ソレノイドに高電圧の開弁電圧を前記所定の高電圧開弁期間供給したときの開弁電流のピーク値を予め設定した目標値と比較し、開弁電流のピーク値が目標値と一致するように前記高電圧の開弁電圧をフィードバック制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。

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