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技術 エンジンの燃料噴射量制御装置

出願人 日産自動車株式会社
発明者 上原哲也糸山浩之
出願日 1999年10月22日 (19年2ヶ月経過) 出願番号 1999-301323
公開日 2001年5月8日 (17年8ヶ月経過) 公開番号 2001-123864
状態 未査定
技術分野 燃料噴射装置 内燃機関に供給する空気・燃料の電気的制御
主要キーワード 惰性力 充填オリフィス 概略一定 増加特性 放出オリフィス 噴射量域 初期燃料噴射 閉弁保持
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図面 (11)

課題

低噴射量領域における燃料噴射量の制御精度を高める。

解決手段

気筒に設けたインジェクタ1に高圧燃料を供給し、インジェクタ1のアクチュエータ10の作動時間に応じて燃料噴射量を制御する。各燃料圧力毎目標噴射量とするアクチュエータ10の作動時間を設定したマップであって、所定の切換噴射量よりも低噴射量領域と高噴射量領域とに分けて形成された複数のマップを備え、噴射量に基づいていずれかのマップを切換選択し、選択されたマップから求めた作動時間に基づいてアクチュエータ10の作動を制御する。

概要

背景

概要

低噴射量領域における燃料噴射量の制御精度を高める。

気筒に設けたインジェクタ1に高圧燃料を供給し、インジェクタ1のアクチュエータ10の作動時間に応じて燃料噴射量を制御する。各燃料圧力毎目標噴射量とするアクチュエータ10の作動時間を設定したマップであって、所定の切換噴射量よりも低噴射量領域と高噴射量領域とに分けて形成された複数のマップを備え、噴射量に基づいていずれかのマップを切換選択し、選択されたマップから求めた作動時間に基づいてアクチュエータ10の作動を制御する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
3件

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請求項1

気筒に設けたインジェクタ高圧燃料を供給し、インジェクタのアクチュエータの作動時間に応じて燃料噴射量を制御するエンジン燃料噴射量制御装置において、各燃料圧力毎目標噴射量とするアクチュエータの作動時間を設定したマップであって、所定の切換噴射量よりも低噴射量領域高噴射量領域とに分けて形成された複数のマップと、運転状態に応じて要求される噴射量に基づいていずれかのマップを切換選択する手段と、選択されたマップから燃料圧力と噴射量にしたがって求めた作動時間に基づいて前記アクチュエータの作動を制御する手段とを備えることを特徴とするエンジンの燃料噴射量制御装置。

請求項2

前記所定の切換噴射量は、前記インジェクタからの噴射量がアクチュエータ作動時間の増加に対して略一定または減少する領域における噴射量から設定される請求項1に記載のエンジンの燃料噴射量制御装置。

請求項3

前記所定の切換噴射量は、前記インジェクタからの噴射量がアクチュエータ作動時間の増加に対して略一定または減少する領域における極大値極小値の間の値に設定される請求項2に記載のエンジンの燃料噴射量制御装置。

請求項4

前記所定の切換噴射量は、前記インジェクタからの噴射量がアクチュエータ作動時間の増加に対して減少する領域において略極小値となる付近の値に設定される請求項3に記載のエンジンの燃料噴射量制御装置。

請求項5

前記所定の切換噴射量は前記燃料圧力が高くなるほど大きくなるように設定される請求項1〜4のいずれか一つに記載のエンジンの燃料噴射量制御装置。

技術分野

0001

この発明は加圧された燃料エンジンの各気筒に設けたインジェクタから噴射する燃料噴射量制御装置に関するものである。

0002

ディーゼルエンジン畜圧式燃料噴射装置のインジェクタとして、特開平10−18934号公報に示されるようなものがある。

0003

図5によってこれを説明すると、高圧燃料を蓄える図示しない畜圧室(以下コモンレールという)からの燃料は、各気筒に設けられるインジェクタ1の油路2により油だまり室3に導かれると共に、ノズル針弁4と中間部材5を介して連動する油圧ピストン6の油圧室7に充填オリフィス8を介して導かれる。油圧ピストン6の受圧面積はノズル針弁4の受圧面積よりも大きく、電磁弁10が閉じているときは、燃料圧力の作用により油圧ピストン6がノズル針弁4を押し下げ噴孔11を閉じている。

0004

電磁弁10に通電されて開弁すると、放出オリフィス9を介して油圧室7の燃料が低圧室12側に排出され、油圧室7の圧力が低下し、ノズル針弁4が油だまり室3の圧力によりリフトし、燃料が噴孔11から噴射される。なお、電磁弁10は通電によりストッパ10aに当たるまでリフトし、通電をオフするとリターンスプリング10bにより閉弁する。

0005

電磁弁10への通電を停止すると電磁弁10が閉じ、充填オリフィス8を介して油圧室7に供給される高圧燃料により油圧室7の圧力が上昇し、油圧ピストン6がノズル針弁4を押し下げ、燃料の噴射が終了する。

0006

リターンスプリング13はエンジン停止時などノズル針弁4を閉弁保持し、油だまり室3の燃料が燃焼室内に漏れるのを防ぐ。

0007

このインジェクタでは電磁弁に対する燃料噴射信号により自由に燃料の噴射時期噴射回数を制御することができ、燃料のパイロット噴射あるいはポスト噴射などを行うのに適している。

0008

ところで、このインジェクタの電磁弁通電(開弁)時間と燃料噴射量の関係を示すと図6のようになる。(a)は全体的な燃料噴射領域についての特性図、(b)は低噴射領域を拡大して表す図である。

0009

図は燃料噴射圧力(以下レール圧という)が異なる場合の特性をそれぞれ表し、全般的には電磁弁の通電時間が長くなるほど燃料噴射量が増加するが、電磁弁通電時間が短い微少噴射領域(上記したパイロット噴射あるいはポスト噴射のときなど)では、通電時間と燃料噴射量は単調増加の関係にはならない。

0010

レール圧が高圧中圧のときは、通電時間が所定値を越えると燃料の噴射が始まり、通電時間t0でいったん極大値をとり、通電時間の増加に伴い噴射量が減少し、通電時間t1で極小値となった後には、再び通電時間の増加に伴い噴射量が増加していく。

0011

このような特性となる原因について図7によって説明する。

0012

図7には噴射量が極大となる通電時間t0の場合の電磁弁とノズル針弁のリフト特性太線)と、それよりも通電時間が長いにもかかわらず噴射量の少ない通電時間t1の場合の電磁弁とノズル針弁のリフト特性(細線)を示す。

0013

電磁弁は通電により開弁方向にリフトし、通電を終了したときに閉弁するが、閉弁するときの時間遅れについては、通電終了直前の電磁弁のリフト位置によって相違してくる。

0014

通電時間t0の場合は、電磁弁がフルリフトしてストッパに当たるよりも前に通電をオフしており、このため通電を終了してもいったんそのまま惰性でリフトを継続し、その後に電磁弁のリターンスプリングにより押し戻されて着座、閉弁する。

0015

これに対して通電時間t1の場合は、電磁弁がフルリフトしてストッパに当たってから通電を終了しているため、通電終了とともに電磁弁はリターンスプリングにより速やかに押し戻される。ストッパに当たる前に通電を終了するときのように惰性力が働かず、速やかに電磁弁が閉じるのである。

0016

この結果、通電時間t1の場合は通電時間t0よりも通電時間が長いにもかかわらず、実際に電磁弁が開弁している期間は短く、そのためノズル針弁の開弁期間も短くなり、燃料噴射量が減ってしまうのである。

0017

低レール圧のときに通電時間t1のような短い通電時間でこのような現象が生じないのは、電磁弁がフルリフトしてストッパと当たらないような短い通電時間ではノズル針弁をリフトさせるだけの圧力差が生ぜず、燃料を噴射しないためである。

0018

なお、燃料噴射量が減少する、あるいは概略一定となるときの噴射量レベルは図のように、レール圧が高いときほど高くなる。また、同じレール圧であってもこの噴射量レベルは、インジェクタの油圧室の容積、充填オリフィス、放出オリフィスの径、あるいは油圧ピストンの受圧面積などに応じて変化する。

0019

上記した特開平10−18934号公報では、主噴射に先立つパイロット噴射あるいは主噴射の後に行うポスト噴射のときに、電磁弁通電時間に対して噴射量が略一定あるいは減少している噴射領域を利用することにより、これら微少な噴射量の制御を容易かつ安定させるようにしている。

0020

しかしながらパイロット噴射あるいはポスト噴射の要求噴射量は常に一定ではなく、運転条件によって変動し、このため前記したようにレール圧とインジェクタのスペックにより決まる噴射量では、この運転条件により異なる要求噴射量に対応しきれない。

0021

ところで、燃料噴射量の制御方法としては、目標噴射量Qとレール圧Prとから電磁弁の通電時間を検索するために、図8のようなマップを設定、記憶しておき、圧力センサによりレール圧を検出して要求噴射量となる通電時間をマップにしたがって決定するのが一般的である。

0022

このためのマップに記憶させる噴射量と通電時間との特性の一例(太線)と、実際の噴射特性(細線)とを図9に示す。

0023

図示するようにマップではそのときのレール圧により、目標噴射量に対する通電時間が一意に決まるのに対して、実際の特性では異なる通電時間であるにもかかわらず噴射量が等しくなる二値をもつことがある。

0024

例えば、高レール圧の場合に、噴射量Q4を実現するための通電時間としては3つの通電時間が存在することになり、実特性とマップ特性とが一致せずに目標通りの噴射量とならない領域がでてくる。

0025

これに対して、通電時間に対して噴射特性が略一定もしくは減少する領域付近で、図10に示すように、噴射量格子を増やし、細分化することにより、実特性とマップ特性とを近づけることは可能ではあるが、完全には一致させることはできない。また、噴射量特性が略一定または減少する場合の噴射量レベルがそのときのレール圧によっても異なるため、各レール圧での特性を合わせるには、噴射量の格子点の数が非常に多くなり(図示例では高、中、低圧の3種類に過ぎないが、実際には要求に応じてもっと多くなる)、この場合にはコントロールユニットメモリ容量が不足することもある。

0026

このような問題を解決するための全く別の手法として、噴射量が略一定または減少する領域が生じないようにすることも考えられる。電磁弁の応答性をあげるあるいは応答性の高いアクチュエータを用いればよいが、これはコストアップつながり、ノズル針弁のシート径を大きくして、電磁弁への通電開始から噴射始めまでの時間を長くすることも考えられるが、これでは低レール圧での噴射ができなくなる。また油圧室の容積を大きくとり、通電開始から噴射開始までの時間を長くすることもできるが、充填オリフィスと放出オリフィスによる初期燃料噴射率のマッチング自由度が低くなり、最適な燃料噴射率特性を得にくい場合があるという問題がある。

0027

本発明は燃料の低噴射領域における燃料噴射量の制御精度を高められるようにすることを目的とする。

課題を解決するための手段

0028

第1の発明は、各気筒に設けたインジェクタに高圧の燃料を供給し、インジェクタのアクチュエータの作動時間に応じて燃料噴射量を制御するエンジンの燃料噴射量制御装置において、各燃料圧力毎に目標噴射量とするアクチュエータの作動時間を設定したマップであって、所定の切換噴射量よりも低噴射量領域高噴射量領域とに分けて形成された複数のマップと、運転状態によって要求される噴射量に基づいていずれかのマップを切換選択する手段と、選択されたマップから燃料圧力と噴射量にしたがって求めた作動時間に基づいて前記アクチュエータの作動を制御する手段とを備える。

0029

第2の発明は、第1の発明において、前記所定の切換噴射量は、前記インジェクタからの噴射量がアクチュエータ作動時間の増加に対して略一定または減少する領域における噴射量から設定される。

0030

第3の発明は、第2の発明において、前記所定の切換噴射量は、前記インジェクタからの噴射量がアクチュエータ作動時間の増加に対して略一定または減少する領域における極大値と極小値の間の値に設定される。

0031

第4の発明は、第3の発明において、前記所定の切換噴射量は、前記インジェクタからの噴射量がアクチュエータ作動時間の増加に対して減少する領域において略極小値となる付近の値に設定される。

0032

第5の発明は、第1から第4の発明において、前記所定の切換噴射量は前記燃料圧力が高くなるほど大きくなるように設定される。

0033

第1〜第5の発明において、ある切換噴射量を境にして低噴射量領域と高噴射量領域とでマップを切換え、選択されたマップから要求噴射量に対応するアクチュエータの作動時間を決定しているので、アクチュエータの作動時間に対して燃料噴射量が一意に増加しない領域があっても、マップを分けることにより、この領域から作動時間が決定されることのないようにすることができ、したがって目標噴射量と実噴射量との差が少なくなり、精度の高い燃料噴射量制御ができる。

0034

アクチュエータの作動時間の増加に対して噴射量が一意に増加しない領域は、噴射量の微少な領域にあることが多く、したがって燃料噴射量の微少制御が要求されるパイロット噴射やポスト噴射での制御精度を飛躍的に向上させることが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0035

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

0036

図1において、ディーゼルエンジンの各気筒に設置されるインジェクタ1へ燃料噴射信号を出力するためのコントロールユニット21が備えられる。

0037

このコントロールユニット21にはエンジン運転状態を代表する各種の信号、例えば、回転速度信号負荷信号冷却水温信号、コモンレール圧信号などが入力され、これらに基づいて燃料噴射量、噴射時期を決定し、また燃料のメイン噴射に対するパイロット噴射、ポスト噴射の是非、及びそれらの噴射量等を演算し、これらを燃料噴射信号としてインジェクタ1のアクチュエータである電磁弁10に出力する。

0038

なお、インジェクタ1の具体的な構成については、前述した図5の構成と同一のため詳細な説明は省くことにする。

0039

コントロールユニット21では、各レール圧について、電磁弁10の通電時間が変化しても噴射量が略一定または減少する所定の噴射量を境に、それ以上と以下とで異なった噴射特性に設定した2つの通電時間のマップを備え、燃料噴射量によってマップを切り換えて用いることにより、目標噴射量に対する電磁弁通電時間を一意的に決定し、目標通りの噴射量が得られるようになっている。

0040

いま図2にあるレール圧における噴射量特性を示す(細線)。電磁弁10の通電時間が短い低噴射領域において、噴射量特性が極大値をとる噴射量をQh、極小値をとる噴射量をQlとして、これらQhとQlの間において適当な大きさの噴射量Qsを設定する。

0041

噴射量がQsよりも小さい領域と大きい領域とで、異なる噴射特性、つまり低噴射量側特性と高噴射量側特性とのそれぞれに対応した通電時間マップを設定、記憶(太線)する。低噴射量側のマップは極大値までの実噴射量に沿った特性に設定され、また高噴射量側のマップは、極小値よりも大きい領域で実噴射量に沿った一意的な増加特性に設定する。

0042

噴射量がQsよりも小さいときは、低噴射量側のマップを選択し、噴射量がQsよりも大きいときは高噴射量側のマップを選択して電磁弁10の通電時間を決める。これらのマップは、例えば図8のようにして各レール圧Prについて噴射量Qに応じてそれぞれ通電時間を設定して構成する。

0043

図3には、レール圧Prについてのマップ切り換えのための噴射量Qsの特性を示す。レール圧Prが低いときは電磁弁通電時間に対して噴射量が極大値と極小値をとる値は小さく、レール圧Prが大きくなるにしたがって大きくなるため、これら極大値と極小値との間の値で設定されるQsはレール圧Prが高くなるのに応じて大きくなる。

0044

次にコントロールユニットで実行される制御内容について図4フローチャートにしたがって説明する。

0045

まず、ステップS1で目標噴射量を検索し、そのときのレール圧を検出する。ステップS2で目標噴射量が、現在のレール圧におけるマップ切り換え噴射量Qsよりも大きいかどうか判定する。

0046

もし目標噴射量がQs以上であるならば、ステップS3に進んで高噴射量側マップを選択し、目標噴射量とするために必要な電磁弁通電時間を検索する。これに対して、目標噴射量がQsよりも小さいと判定されたときはステップS5に進み、低噴射量側マップを選択し、目標噴射量とするのに必要な電磁弁通電時間を検索する。

0047

このようにしていずれかのマップにしたがって電磁弁通電時間を検索したら、ステップS4でインジェクタ1の電磁弁10に所定の噴射タイミングにおいて検索した通電時間だけ通電し、燃料を噴射させる。

0048

以上のようにして、電磁弁通電時間を増やしたときにインジェクタ1からの燃料噴射量がいったん減少するような場合、その噴射量域の前後で電磁弁通電時間を設定するマップを切り換えている。

0049

このため、例えば、図2に示すように、マップ切り換え噴射量Qsよりも小さい噴射量域では低噴射量側マップが、またQsよりも大きい領域では高噴射量側マップが選択され、目標噴射量に対して通電時間が2値をもつ通電時間t2とt3の間の通電時間領域は使用されることがなく、目標噴射量に対する通電時間を一意に決定でき、目標通りの噴射量に精度よく制御することができる。

0050

したがって、燃料のメイン噴射に比較して微少な噴射量となるパイロット噴射、ポスト噴射などにおいても、目標噴射量と実噴射量との差が少ない高精度の燃料噴射制御が可能となり、エンジンの性能を向上させられる。

0051

次に、マップ切り換え噴射量Qsを極大値Qhと極小値Qlの間のどの値に設定するかについて説明する。

0052

一般的に通電時間に対する燃料噴射量の変化率、つまり感度鈍い方が噴射量の制御精度が確保しやすい。したがってQsはなるべく変化率の小さいQlに近づけることが望ましい。ただし、図2にもあるように、噴射量がQlとなる時点から通電時間を増やしていくと直線的ではなく、小さな曲率で噴射量が増加していくため、Qs=Qlとして全レール圧領域、全噴射量領域で、燃料の噴射量の実特性とマップ特性を一致させるには、マップ上の必要な噴射量軸格子点が多くなってしまう。したがって実際に使用するレール圧と噴射量の領域、許容できる噴射量誤差を考慮しつつ、できるだけQlに近い小さい値をQsとして設定することが好ましい。

0053

上記の実施形態では、電磁弁通電時間に対して噴射量が増加した後、いったん減少し、その後に再び増加していくものに本発明を適用した場合について説明したが、これに限られるわけではなく、例えば、通電時間に対して噴射量の増加がいったん停止し、つまり略一定となり、その後に再び増加していくものなどにも、略一定となる噴射量をマップ切り換え噴射量として、本発明を適用することが可能である。

0054

また、上記の説明において、インジェクタのアクチュエータとして電磁弁を用いているが、圧電素子などからなるピエゾアクチュエータ等、他のアクチュエータを用いる場合にも同様な効果を生じる。また、インジェクタの構造として、例えば電磁弁等により直接的にノズル針弁を駆動するものであっても、弁体がストッパに当たる前後の通電時間領域において本発明の制御が適用できることは言うまでもない。

0055

また、本発明が適用されるエンジンは、必ずしもディーゼルエンジンに限らず、燃料を燃焼室内に直接的に噴射するインジェクタをもつガソリンエンジンなどにも適用可能である。

0056

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

図面の簡単な説明

0057

図1本発明の実施形態を示す概略構成図である。
図2噴射量制御用のマップの特性を示す説明図である。
図3マップ切り換え噴射量とレール圧の関係を示す説明図である。
図4本発明の制御内容を示すフローチャートである。
図5従来のインジェクタの構成を示す断面図である。
図6燃料噴射量と電磁弁通電時間の関係を示す図で、(a)は全噴射量領域を示し、(b)は低噴射量領域の拡大図である。
図7電磁弁通電時間と電磁弁リフト並びにノズル針弁リフトの関係を示す説明図である。
図8燃料噴射量に対して各レール圧における電磁弁の通電時間を割り振ったマップである。
図9マップ噴射量特性と実噴射量特性を示す説明図である。
図10同じくマップ噴射量特性と実噴射量特性を示す説明図である。

--

0058

1インジェクタ
4ノズル針弁
6油圧ピストン
10電磁弁
21 コントロールユニット

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