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JP2004183550A - コモンレール圧検出値のフィルタ処理装置及びコモンレール式燃料噴射制御装置 - Google Patents

コモンレール圧検出値のフィルタ処理装置及びコモンレール式燃料噴射制御装置 Download PDF

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JP2004183550A
JP2004183550A JP2002351175A JP2002351175A JP2004183550A JP 2004183550 A JP2004183550 A JP 2004183550A JP 2002351175 A JP2002351175 A JP 2002351175A JP 2002351175 A JP2002351175 A JP 2002351175A JP 2004183550 A JP2004183550 A JP 2004183550A
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common rail
rail pressure
pressure
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actual
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Koichiro Yomogida
宏一郎 蓬田
Futoshi Nakano
太 中野
Yusuke Saigo
雄介 西郷
Yuji Sasaki
裕二 佐々木
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Isuzu Motors Ltd
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Abstract

【課題】実際のコモンレール圧を制御上好適な値に変換し、コモンレール圧のフィードバック制御をより高精度に実行する。
【解決手段】圧力センサによって検出されたコモンレール圧の検出値を、少なくともサプライポンプの圧送周期ΔTの半分以下のクランク角周期Δtで読み込み、各読み込み時期(例えばt1)において、その読み込み時期から1圧送周期前までの各検出値(例えばS(1),S(0)・・・S(−4))を平均化し、これにより得られた値(例えばPav(1))を実際のコモンレール圧の代表値或いは制御値である平均処理化後コモンレール圧とする。このように移動平均により算出された平均処理化後コモンレール圧の値を用いてコモンレール圧のフィードバック制御を実行する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はディーゼルエンジンに適用されるコモンレール式燃料噴射制御装置に係り、特に、コモンレール圧のフィードバック制御を実行するものにおいて、実際のコモンレール圧を制御に好適な値に変換する装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射制御装置において、エンジンの回転速度や負荷等の運転状態に応じて噴射圧を最適化すべく、コモンレール圧をフィードバック制御するものが周知である。
【0003】
このフィードバック制御においては、実際のコモンレール圧を、エンジンの運転状態に基づいて定まる目標コモンレール圧に一致させるような制御が行われ、より具体的にはこれら圧力の偏差に基づいて制御が実行される。従って、実際のコモンレール圧を圧力センサにより検出することが行われている。一般に、制御では、圧力センサの検出値がそのまま実際のコモンレール圧の代表値として用いられる(例えば、特許文献1、2及び3参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−30150号公報(段落0018)
【特許文献2】
特開昭63−50469号公報(第5頁)
【特許文献3】
特開2000−257478号公報(第5頁)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、コモンレールへの燃料供給がサプライポンプによる所定周期毎の燃料圧送により行われることから、実際のコモンレール圧はサプライポンプの圧送に起因した脈動が生じる。この圧力脈動を図1に「実レール圧」と記されている線図及び図2に「実際圧(従来)」と記されている線図によって示す。なお図2は図1をマクロ的に示した図である。
【0006】
図1に示されるように、この例では、サプライポンプによる燃料圧送がΔT=180CA(180°クランク角、以下同様)周期で行われ、制御装置の制御周期はΔt=30CA(ポンプ圧送周期ΔTの1/6)である。黒丸で示されるように、圧力センサの検出値(センサ検出値)がコントローラに読み込まれるのは制御周期Δt毎であり、通常、コントローラは、このセンサ検出値を実際のコモンレール圧力の代表値として制御を行う。
【0007】
しかし、実際のコモンレール圧の脈動に応じてセンサ検出値も大きく変動する。このためフィードバック制御、特にPID制御においては、目標値と実際値との偏差及びこれに基づいて決定される比例項及び微分項の値が絶えず大きく変化し、結果的にセンサ検出値をそのまま用いると却って制御性を悪化させる虞がある。
【0008】
図2に「微分項(従来)」と記されている線図が、センサ検出値を用いて計算された微分項である。図から分かるように、微分項が絶えず変動しており、この値を用いるのが好ましくないことが分かる。
【0009】
このような変動するセンサ検出値を用いて制御を行おうとする場合、フィードバック制御ゲインを比較的小さな値に設定することが考えられる。しかし、この手法ではフィードバック制御の応答性が悪化してしまう。
【0010】
そこで、所定期間内の複数のセンサ検出値を平均化するフィルタ処理が考えられる。しかし、平均化する期間の設定が不適切だと、それが長すぎる場合は応答遅れを招き、短かすぎる場合は結局変動が消失しないという問題がある。
【0011】
以上の問題に鑑みて創案された本発明の目的は、実際のコモンレール圧を制御に好適に使用し得る値に変換し、コモンレール圧のフィードバック制御をより高精度に実行することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、高圧燃料を蓄圧するコモンレールと、エンジンに同期駆動され上記コモンレールに燃料を一定の圧送周期で圧送するサプライポンプと、実際のコモンレール圧を検出する圧力センサと、該圧力センサによるコモンレール圧の検出値を、少なくとも上記圧送周期の半分以下のクランク角周期で読み込み、各読み込み時期において、その読み込み時期から1圧送周期前までの各検出値を平均化し、これにより得られた値を実際のコモンレール圧の代表値である平均処理化後コモンレール圧とする演算手段とを備えたコモンレール圧検出値のフィルタ処理装置が提供される。
【0013】
また本発明によれば、実際のエンジン運転状態に基づいて目標コモンレール圧を決定する手段と、目標コモンレール圧と実際のコモンレール圧との偏差を算出し、この偏差に基づき実際のコモンレール圧が目標コモンレール圧に一致するようサプライポンプの圧送量をフィードバック制御するポンプ圧送量制御手段とを備えたコモンレール式燃料噴射制御装置において、上記ポンプ圧送量制御手段が、実際のコモンレール圧の代表値として、上記コモンレール圧検出値のフィルタ処理装置により得られた上記平均処理化後コモンレール圧の値を用いるものが提供される。
【0014】
上記ポンプ圧送量制御手段は、実際のコモンレール圧の代表値として、エンジンの回転速度が所定値以上の場合のみ上記平均処理化後コモンレール圧の値を用い、エンジンの回転速度が所定値未満の場合は所定の時間周期毎に上記圧力センサにより検出された検出値をそのまま用いるものであってもよい。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0016】
図3に本実施形態に係るコモンレール式燃料噴射制御装置の全体構成を示す。この装置は車両に搭載された4気筒ディーゼルエンジン(図示せず)の燃料噴射制御を実行するためのものである。
【0017】
エンジンの各気筒にインジェクタ1が設けられ、各インジェクタ1にはコモンレール2に貯留されたコモンレール圧(数10〜数100MPa)の高圧燃料が常時供給されている。コモンレール2への燃料圧送はサプライポンプ3によって行われる。即ち、燃料タンク4の常圧程度の燃料(軽油)が燃料フィルタ5を通じてフィードポンプ6により吸引され、さらにフィードポンプ6からサプライポンプ3へと送られ、サプライポンプ3により加圧された後、コモンレール2へと圧送供給される。
【0018】
フィードポンプ6とサプライポンプ3との間に、サプライポンプ3への燃料供給量を調節するための調量弁(メータリングバルブ)7が介設される。調量弁7は電磁弁からなる。またフィードポンプ6と並列して、フィードポンプ6の出口圧を調節するためのリリーフ弁8が設けられる。
【0019】
サプライポンプ3は、エンジンに同期駆動されるポンプシャフト9と、ポンプシャフト9の外周に嵌装されたカムリング10と、カムリング10の外周に摺接されるタペット11と、タペット11をカムリング10に押し付ける押圧バネ12と、タペット11がカムリング10によってリフトされたときに同時にリフトしてプランジャ室13の燃料を加圧するプランジャ14と、プランジャ室13の入口部及び出口部に設けられたチェック弁15,16とから主に構成される。
【0020】
タペット11、押圧バネ12、プランジャ室13、プランジャ14及びチェック弁15,16は圧送部を構成し、この圧送部はポンプシャフト9の周囲に180°間隔で二つ設けられる。これによりサプライポンプ3はポンプ1回転当たりに2回の燃料圧送を行うようになっている。図では便宜上二つの圧送部を平面的に描いている。
【0021】
サプライポンプ3のポンプシャフト9とフィードポンプ6のポンプシャフト(図示せず)とがチェーン機構、ベルト機構又はギヤ機構等の機械的連結手段17によりエンジンに連結され、これによりサプライポンプ3とフィードポンプ6とがエンジンに同期駆動される。
【0022】
特に、サプライポンプ3は、エンジンのクランクシャフトに1:1の回転比で回転駆動され、即ちクランクシャフト1回転当たりに2回の燃料圧送を周期的に行う。図1は本実施形態の燃料圧送の様子を示し、図示されるように、サプライポンプ3の圧送周期はΔT=180CAである。「実レール圧」と記されるのが実際のコモンレール圧であり、その圧力上昇はサプライポンプの圧送によるものであり、圧力降下はインジェクタからの燃料リークによるものである。前述したようにエンジンは4気筒であり、サプライポンプ3の燃料圧送周期とインジェクタ1の燃料噴射周期とは同期している。
【0023】
本装置における燃料の流れは図3に矢示する通りである。即ち、燃料タンク4の燃料は燃料フィルタ5を通じた後フィードポンプ6に送られ、さらに調量弁7へと送られる。フィードポンプ6からの出口圧はリリーフ弁8により調節され、リリーフ弁8を通過した余剰の燃料はフィードポンプ6の入口側に戻される。調量弁7は、コントローラとしての電子制御ユニット(以下ECUという)18により開度及び開閉タイミングが制御され、その開放時には、開度と開放期間とに応じた量の燃料をサプライポンプ3の圧送部に向けて排出する。
【0024】
この排出された燃料は入口側チェック弁15を押し開けてプランジャ室13に導入される。そしてプランジャ14のリフトにより高圧に加圧され、出口側チェック弁16の開弁圧を越える程度まで圧力上昇したとき出口側チェック弁16を押し開け、コモンレール2に導入される。これによりコモンレール圧が調量弁7からの排出燃料量に見合った分だけ上昇する。コモンレール2の燃料はインジェクタ1に常時供給されており、インジェクタ1が開弁したときコモンレール2の燃料がシリンダ内に噴射される。
【0025】
また、インジェクタ1から排出されるリーク燃料は直接燃料タンク4に戻される。また、管路20を通じてフィードポンプ6の出口側の燃料がサプライポンプ3のケーシング19内に導入され、サプライポンプ3における各摺動部を燃料で潤滑するようになっている。
【0026】
ECU18は本装置を総括的に電子制御するもので、主としてインジェクタ1の開閉制御をエンジンの運転状態(例えばエンジン回転速度、エンジン負荷等)に基づき実行する。インジェクタ1の電磁ソレノイドのON/OFFに応じて燃料噴射が実行・停止される。
【0027】
またECU18は、エンジンの運転状態に応じて調量弁7の開度及び開閉タイミングを制御し、これによりコモンレール圧をフィードバック制御する。即ち、エンジン運転状態に基づく目標コモンレール圧がECU18により決定され、実際のコモンレール圧が目標コモンレール圧に一致するよう、調量弁7がECU18により制御される。例えば、実際のコモンレール圧が目標コモンレール圧より比較的大きく下回っているようなら、調量弁7が大開度及び/又は長い開放期間に制御され、サプライポンプ3からの圧送量が増加される。
【0028】
エンジン及びこれが搭載される車両の運転状態を検出するため各種センサ類が設けられる。これにはエンジンのクランク角を検出するためのクランクセンサ22、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ23、アクセル開度が0か否かを検出するためのアクセルスイッチ24、及び変速機のギヤポジション(ニュートラルを含む)を検出するためのギヤポジションセンサ25等が含まれる。これらセンサ類はECU18に電気的に接続される。なお、ECU18は、クランクセンサ22の出力パルスに基づきエンジン回転速度を演算する。また、コモンレール2に実際のコモンレール圧を検出するための圧力センサ21が設けられ、圧力センサ21もECU18に電気的に接続される。
【0029】
次に、コモンレール圧のフィードバック制御方法を説明する。図1に示すように、制御は制御周期Δt=30CA毎に実行され、各制御タイミング(時期)において、図4及び図5のフローチャートに示される処理がECU18により実行される。
【0030】
図4は、圧力センサ21で検出された実際のコモンレール圧の値(センサ検出値)に対するフィルタ処理の内容を示す。この処理は各制御タイミング毎に繰り返し実行され、各制御タイミング毎にセンサ検出値がECU18に読み込まれる。従ってセンサ検出値の読み込み周期は制御周期Δtと一致する。読み込まれたセンサ検出値は制御上十分な数だけECU18に記憶される。
【0031】
ステップ401では、今回の制御タイミングにおけるセンサ検出値S(n)がECU18に読み込まれる。
【0032】
ステップ402では、次式に基づき、今回から以前のm個(本実施形態ではm=6)のセンサ検出値S(n)、S(n−1)、S(n−2)・・・S(n−(m−1))が平均化され、これにより平均処理化後コモンレール圧Pav(n)が算出される。
【0033】
【数1】
Figure 2004183550
【0034】
mはサプライポンプ3の圧送周期ΔTを読み込み周期Δtで割った値であり、本実施形態では180CA/30CA=6である。つまり1圧送周期ΔT内に6個のセンサ検出値が得られるのであり、これら6個のセンサ検出値を平均化すれば、サプライポンプ3の1圧送による、コモンレール圧変動の1波形をほぼ全て網羅し平均化できる。
【0035】
ステップ403では、ステップ402で得られた平均処理化後コモンレール圧Pav(n)が、今回の実際のコモンレール圧の代表値である実コモンレール圧P(n)に置き換えられる。これにより今回のフィルタ処理が終了する。
【0036】
この処理を図1を用いて説明する。例えばt1の制御タイミングでは、Iで示される範囲の6個のセンサ検出値が平均化され平均処理化後コモンレール圧Pav(1)が算出され、以下同様に、t2の制御タイミングではIIの範囲の6個のセンサ検出値により平均処理化後コモンレール圧Pav(2)が算出され、t3の制御タイミングではIIIの範囲の6個のセンサ検出値により平均処理化後コモンレール圧Pav(3)が算出される。このように、本発明は、移動平均により実際のコモンレール圧の代表値を順次算出していくものである。
【0037】
本発明では、センサ検出値の読み込み周期が少なくともサプライポンプの圧送周期の半分以下のクランク角周期に設定される。なお本実施形態では、読み込み周期がΔt=30CAなので、サプライポンプ3の圧送周期ΔT=180CAの半分90CAより短い周期である。読み込み周期を少なくとも圧送周期の半分以下のクランク角周期とするのは、こうすることによりコモンレール圧の1変動周期内における山側の値と谷側の値とをうまくバランスさせて移動平均化できるからである。
【0038】
なお、本発明ではある読み込み時期から1圧送周期前までの各センサ検出値を読み込むが、ここでいう「1圧送周期前」には「ちょうど1圧送周期前の時期」は含まれない。この時期は2圧送周期前の開始時期ともいえるからである。例えば図1の例では制御タイミングt1のとき、センサ検出値S(1)〜S(−4)を読み込み、ちょうど1圧送周期前のセンサ検出値S(−5)は読み込まない。
【0039】
さて、この処理方法によれば、平均化期間(或いはサンプリング期間)がサプライポンプ3の1圧送周期ΔT、即ち実際のコモンレール圧力の1脈動周期であり、その周期内の各センサ検出値を読み込んで平均化処理を実行するので、徒に平均化期間を長期化せず、且つ1脈動周期内のセンサ検出値を全て網羅して実際値に近い代表値ないし制御値を得ることができる。従って、コモンレール圧フィードバック制御における応答遅れは最小限に抑えられ、且つ制御上使用可能な変動の少ないコモンレール圧力代表値を得ることが可能になる。
【0040】
上記処理方法による効果が図2に示される。コモンレール圧フィードバック制御によれば、図示されるように実際のコモンレール圧(「実際圧」と記される)が目標コモンレール圧(「目標圧」と記される)に追従するが、既に述べたように従来は、制御上のコモンレール圧力値がセンサ検出値そのものであったので、サプライポンプの圧送に基づく実際圧及び微分項の変動が顕著であった。これに対し、「実際圧(本発明)」と記される平均処理化後コモンレール圧Pav(n)(又は実コモンレール圧P(n))では、このような変動が消失され、それ故、この平均処理化後コモンレール圧Pav(n)と目標コモンレール圧との偏差に基づいて決定される微分項の値(「微分項(本発明)」と記される)も、変動が消失され、両者の値を制御上好適に使用できるようになる。
【0041】
次に、上記平均化処理で得られた実コモンレール圧P(n)の値を用いる本実施形態に係るコモンレール圧フィードバック制御方法を図5を用いて説明する。図示されるフローは前記同様に、制御周期Δt毎の制御タイミングでECU18により繰り返し実行され、且つ図4のフローと同一タイミングで実行される。後述する各制御値を算出するためのマップは予め実機試験等に基づき作成され、ECU6に記憶されている。
【0042】
なお、変形例として、図4のフローと図5のフローとを同一タイミングで実行しないものが考えられる。この場合、好ましくは、図5のフローの実行直前で図4のフローによって得られた実コモンレール圧P(n)の値を、図5のフローの実行時に用いる。
【0043】
ステップ501では、クランクセンサ22の出力パルスに基づき計算されたエンジン回転速度Neと、アクセル開度センサ23により検出されたアクセル開度Acと、前述の平均化処理により得られた実コモンレール圧P(n)とが読み込まれる。
【0044】
ステップ502では、エンジン回転速度Neとアクセル開度Acとの値に基づき、目標燃料噴射量算出マップM1及び目標燃料噴射タイミング算出マップM2に従って、目標燃料噴射量Qtar及び目標燃料噴射タイミングTitarが算出される。なお算出される目標燃料噴射量Qtar及び目標燃料噴射タイミングTitarは、エンジン温度や大気圧等による補正が行われたものであっても良い。
【0045】
ステップ503では、エンジン回転速度Neと目標燃料噴射量Qtarとの値に基づき、目標コモンレール圧算出マップM3に従って、目標コモンレール圧Ptarが算出される。
【0046】
ステップ504では、目標コモンレール圧Ptarと実コモンレール圧P(n)との偏差ΔPが式ΔP=Ptar−P(n)により算出される。
【0047】
ステップ505では、偏差ΔPに基づき、比例項算出マップ、積分項算出マップ及び微分項算出マップにそれぞれ従って(これらマップを総括的にM4で示す)、比例項Pp、積分項Pi及び微分項Pdがそれぞれ算出される。
【0048】
ステップ506では、目標コモンレール圧Ptarに比例項Pp、積分項Pi及び微分項Pdがそれぞれ加算されて最終コモンレール圧Pfnl(n)が算出される。
【0049】
ステップ507では、最終コモンレール圧Pfnl(n)に基づき調量弁7が制御され、即ち、最終コモンレール圧Pfnl(n)に相当する量の燃料圧送がサプライポンプ3で行われるように、調量弁7の開度、開放タイミング及び開放期間が制御される。
【0050】
さて、以上のコモンレール圧フィードバック制御方法によれば、実際のコモンレール圧の代表値として、平均化処理後の、圧力脈動の影響が排除された実コモンレール圧P(n)の値を用いるので、制御性が向上し、制御の精度を高めることが可能となる。
【0051】
ところで、上記コモンレール圧フィードバック制御方法では、所定のクランク角周期Δt=30CA毎にセンサ検出値を平均化して平均処理化後コモンレール圧Pav(n)を算出し、この値を用いて制御を行った。しかし、エンジン回転速度が低速のときも同様とすると、制御系のむだ時間が長くなり制御の応答遅れが発生する可能性がある。
【0052】
そこで、このような場合は、エンジン回転速度が所定値未満となる低回転のとき、上記のようなクランク角周期毎に算出された値を用いず、所定の時間周期毎(例えば8msec毎)のセンサ検出値をそのまま用いて制御を行うのがよい。即ち、エンジン回転速度が所定値以上の高回転のときは、クランク角周期Δt=30CAを経過する時間が比較的短いので、上記平均処理化後コモンレール圧Pav(n)の値を用いて制御を行い、逆にエンジン回転速度が所定値未満の低回転のときは、クランク角周期Δt=30CAを経過するのに比較的長時間を要するので、上記平均処理化後コモンレール圧Pav(n)の値を用いず、時間周期毎(例えば8msec毎)のセンサ検出値をそのまま用いて制御を行う。こうすることにより制御系のむだ時間の長期化及び制御の応答遅れを防止することができる。
【0053】
本発明の実施の形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、本実施形態ではサプライポンプ圧送周期ΔT=180CA、センサ検出値の読み込み周期Δt=30CAであったが、これらの値は変更可能である。例えばクランクシャフト1回転当たりに3回の燃料圧送を行うサプライポンプでは1圧送周期ΔT=120CAとなる。また本実施形態では燃料の圧送と噴射とが同期している例であったが、コモンレール式燃料噴射制御装置では圧送と噴射とが非同期の場合もある。例えば6気筒エンジンとクランクシャフト2回転当たり4圧送のサプライポンプとの組合せなどである。このような装置にも本発明は適用可能である。
【0054】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、実際のコモンレール圧を制御に好適に使用し得る値に変換することができ、コモンレール圧のフィードバック制御をより高精度に実行することができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るコモンレール圧検出値のフィルタ処理を説明するための線図である。
【図2】コモンレール圧の代表値及び微分項の変化の様子を比較した線図である。
【図3】本実施形態に係るコモンレール式燃料噴射制御装置のシステム図である。
【図4】本発明の実施形態に係るコモンレール圧のフィルタ処理の内容を示すフローチャートである。
【図5】本発明の実施形態に係るコモンレール圧のフィードバック制御の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
2 コモンレール
3 サプライポンプ
7 調量弁
18 電子制御ユニット
21 圧力センサ
22 クランクセンサ
S(n) センサ検出値
Pav(n) 平均処理化後コモンレール圧
ΔT サプライポンプの圧送周期
Δt 制御周期(読み込み周期)
Ptar 目標コモンレール圧
ΔP 偏差
Neエンジン回転速度

Claims (3)

  1. 高圧燃料を蓄圧するコモンレールと、エンジンに同期駆動され上記コモンレールに燃料を一定の圧送周期で圧送するサプライポンプと、実際のコモンレール圧を検出する圧力センサと、該圧力センサによるコモンレール圧の検出値を、少なくとも上記圧送周期の半分以下のクランク角周期で読み込み、各読み込み時期において、その読み込み時期から1圧送周期前までの各検出値を平均化し、これにより得られた値を実際のコモンレール圧の代表値である平均処理化後コモンレール圧とする演算手段とを備えたことを特徴とするコモンレール圧検出値のフィルタ処理装置。
  2. 実際のエンジン運転状態に基づいて目標コモンレール圧を決定する手段と、目標コモンレール圧と実際のコモンレール圧との偏差を算出し、この偏差に基づき実際のコモンレール圧が目標コモンレール圧に一致するようサプライポンプの圧送量をフィードバック制御するポンプ圧送量制御手段とを備えたコモンレール式燃料噴射制御装置において、上記ポンプ圧送量制御手段が、実際のコモンレール圧の代表値として、請求項1記載のコモンレール圧検出値のフィルタ処理装置により得られた上記平均処理化後コモンレール圧の値を用いることを特徴とするコモンレール式燃料噴射制御装置。
  3. 上記ポンプ圧送量制御手段が、実際のコモンレール圧の代表値として、エンジンの回転速度が所定値以上の場合のみ上記平均処理化後コモンレール圧の値を用い、エンジンの回転速度が所定値未満の場合は所定の時間周期毎に上記圧力センサにより検出された検出値をそのまま用いる請求項2記載のコモンレール式燃料噴射制御装置。
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