(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ポンプによって送り出された燃料を蓄圧状態に貯留するコモンレール、前記コモンレールから燃料供給管を通じて供給される燃料を燃焼室に噴射するインジェクタ、前記コモンレールに接続された前記各燃料供給管の接続部に配設されてコモンレール出口圧力を検出する圧力センサ、前記インジェクタから燃料を噴射するための噴射指令信号を出力するコントローラを備え、前記コントローラは、前記コモンレール出口圧力の変化率が予め定められた閾値とクロスした時期から算出した実際の燃料噴射開始時期に基づいて前記噴射指令信号を制御することから成るエンジンの燃料噴射装置。
【請求項２】
前記コントローラは、前記コモンレール出口圧力の前記変化率が前記閾値とクロスした時期から、前記インジェクタから前記接続部まで油撃が伝播することを考慮した時間だけ遡った時期を、前記実際の燃料噴射開始時期として算出することから成る請求項１に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項３】
前記コントローラは、連続する所定のサンプル数の圧力データを平均した移動平均値の変化率を前記コモンレール出口圧力の前記変化率として算出し、前記変化率が燃料噴射の開始に対応して一度だけクロスする値を前記閾値として、前記所定のサンプル数に対応して設定することから成る請求項１又は２に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項４】
前記コントローラは、前記エンジンの運転状態に基づいて前記インジェクタから燃料を噴射する目標噴射開始時期を求め、前記実際の燃料噴射開始時期が前記目標噴射開始時期と一致するように前記噴射指令信号の噴射開始指令時期を制御することから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項５】
燃料ポンプによって送り出された燃料を蓄圧状態に貯留するコモンレール、前記コモンレールから燃料供給管を通じて供給される燃料を燃焼室に噴射するインジェクタ、前記コモンレールに接続された前記各燃料供給管の接続部に配設されてコモンレール出口圧力を検出する圧力センサ、前記インジェクタから燃料を噴射するための噴射指令信号を出力するコントローラを備え、前記コントローラは、前記コモンレール出口圧力の変化率が予め定められた閾値とクロスした時期から算出した実際の燃料噴射開始時期と実際の燃料噴射終了時期とに基づいて前記噴射指令信号を制御することから成るエンジンの燃料噴射装置。
【請求項６】
前記コントローラは、前記コモンレール出口圧力の前記変化率が前記閾値とクロスした時期から、前記インジェクタから前記接続部まで油撃が伝播することを考慮した時間だけ遡った時期を、前記実際の燃料噴射開始時期と前記実際の燃料噴射終了時期として算出することから成る請求項５に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項７】
前記コントローラは、連続する所定のサンプル数の圧力データを平均した移動平均値の変化率を前記コモンレール出口圧力の前記変化率として求め、前記変化率が燃料噴射の開始と終了とに対応してそれぞれ一度だけクロスする値を前記閾値として、前記所定のサンプル数に対応して設定することから成る請求項５又は６に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項８】
前記コントローラは、前記エンジンの運転状態に基づいて前記インジェクタから燃料を噴射する目標噴射期間を求め、前記実際の燃料噴射開始時期から前記実際の燃料噴射終了時期までの期間を実際の燃料噴射期間として求め、前記実際の燃料噴射期間が前記目標噴射期間に一致するように前記噴射指令信号の噴射指令期間を制御することから成る請求項５〜７のいずれか１項に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項９】
前記コントローラは、前回の燃料噴射における前記目標噴射期間と前記実際の燃料噴射期間とに基づいて求められた補正項によって今回の燃料噴射において求められた前記噴射指令信号の噴射指令期間を補正して最終目標噴射指令期間を求めることから成る請求項８に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、コモンレールに蓄圧状態で貯留された燃料をインジェクタから燃焼室内に噴射するエンジンの燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの燃料噴射に関して、噴射圧力の高圧化を図り、燃料の噴射タイミング及び噴射量等の噴射条件をエンジンの運転状態に応じて最適に制御する方式として、コモンレール燃料噴射システムが知られている。コモンレール燃料噴射システムは、燃料ポンプによって所定圧力に加圧された燃料をコモンレール内に蓄圧状態に貯留し、貯留された加圧燃料をエンジンの運転状態に応じてコントローラが求めた最適な噴射量及び噴射時期等の噴射条件で各インジェクタから対応する燃焼室内に噴射するシステムである。コモンレールから燃料供給管を通じて各インジェクタの噴孔に至る燃料流路内には、常時、噴射圧力相当の燃料圧が作用しており、各インジェクタは燃料供給管を通じて供給される燃料を通過又は遮断するように作動する電磁弁を備えている。コントローラは、加圧燃料が各インジェクタにおいてエンジンの運転状態に対して最適な噴射条件で噴射されるように、コモンレールの圧力と各インジェクタの電磁弁の作動とを制御している。
【０００３】
図５は、コモンレール燃料噴射システムの概要を示す図である。コモンレール燃料噴射システムにおいて、燃料タンク４内の燃料は、フィルタ５及びフィードポンプ６を経た後、燃料管７を通じて、例えばプランジャ式の可変容量式高圧ポンプである燃料ポンプ８に供給される。燃料ポンプ８は、エンジン出力によって駆動されるものであり、燃料を要求される所定圧力に昇圧し、燃料管９を通じてコモンレール２に供給する。燃料ポンプ８には、コモンレール２における燃料圧を所定圧力に維持するため流量制御弁１４が配設されている。燃料ポンプ８からリリーフされた燃料は、戻し管１０を通じて燃料タンク４に戻る。コモンレール２内の燃料は、燃料供給管３を通じて複数のインジェクタ１に供給される。燃料供給管３からインジェクタ１に供給された燃料のうち、燃焼室への噴射に費やされなかった燃料は、戻し管１１を通じて燃料タンク４に戻る。
【０００４】
電子制御ユニットであるコントローラ１２には、エンジンの気筒判別センサ、エンジン回転数や上死点（ＴＤＣ）を検出するためのクランク角センサ、アクセルペダル踏込み量を検出するためのアクセル開度センサ、冷却水温度を検出するための水温センサ、吸気管内圧力を検出するための吸気管内圧力センサ等の、エンジンの運転状態を検出するための各種センサからの信号が入力される。コモンレール２には圧力センサ１３が設けられており、圧力センサ１３によって検出されたコモンレール２内の燃料圧の検出信号もコントローラ１２に入力される。コントローラ１２は、これらの信号に基づいて、エンジン出力が運転状態に即した最適出力になるように、インジェクタ１による燃料の噴射条件、即ち、燃料の噴射時期（噴射開始時期と期間）及び噴射量等を制御する。インジェクタ１が燃料を噴射することで燃料が消費されると、コモンレール２内の燃料圧は低下するが、コントローラ１２は、コモンレール２内の燃料圧が一定となるように或いはエンジンの運転状態に応じて必要とされる燃料噴射圧力を得るため、燃料ポンプ８の吐出側に配設された流量制御弁１４によって吐出量を制御することにより、コモンレール圧力を制御している。
【０００５】
図６は、コモンレール式燃料噴射システムに用いられるインジェクタの一例を示す縦断面図である。インジェクタ１は、図示が省略されたシリンダヘッド等のベースに設けられた穴部にシール部材によって密封状態に取付けられる。インジェクタ１の上側側部には、燃料入口継手２０を介して燃料供給管３が接続されている。インジェクタ１の本体内部には燃料通路２１，２２が形成されており、燃料供給管３及び燃料通路２１，２２によって燃料流路が構成されている。燃料流路を通じて供給された燃料は、燃料溜まり２３及び針弁２４の周囲の通路を通じて噴孔２５が形成された噴射ノズル先端部に供給され、針弁２４のリフト時に開く噴孔２５から燃焼室内に噴射される。
【０００６】
インジェクタ１には、針弁２４のリフトを制御するため、バランスチャンバ式の針弁リフト機構が設けられている。インジェクタ１の最上部には電磁アクチュエータ２６が設けられており、コントローラ１２のコマンドパルスに応じた制御電流が信号線２７を通じて電磁アクチュエータ２６のソレノイド２８に送られる。ソレノイド２８が励磁されると、アーマチュア２９が上昇して燃料路３１の端部に設けられた開閉弁３２を開くので、燃料流路からバランスチャンバ３０に供給された燃料の燃料圧が燃料路３１を通じて解放される。インジェクタ１の本体内部に形成された中空穴３３内には、コントロールピストン３４が昇降可能に設けられている。バランスチャンバ３０内の低下した圧力に基づく力とリターンスプリング３５のばね力とによってコントロールピストン３４に働く押下げ力よりも、燃料溜まり２３に臨むテーパ面３６に作用する燃料圧に基づいてコントロールピストン３４を押し上げる力が勝るため、コントロールピストン３４は上昇する。その結果、針弁２４がリフトし、噴孔２５から燃料が噴射される。燃料噴射時期は針弁２４のリフト時期によって定められ、燃料噴射量は燃料流路内の燃料圧と針弁２４のリフト（リフト量、リフト期間）とによって定められる。
【０００７】
一般に、エンジンの運転状態、即ち、エンジン回転数Ｎｅとアクセルペダル踏込み量Ａｃとから目標燃料噴射量Ｑｔが決められ、エンジン回転数Ｎｅと目標燃料噴射量Ｑｔとから燃料圧（コモンレール２内の燃料圧力、以下「レール圧力」という）Ｐｒが決められ、更に、目標燃料噴射量Ｑｔと検出されたレール圧力とからコマンドパルスＣｐのパルス幅Ｐｗが決められる。これらの諸量の間の関係は、それぞれ特性マップによって予め決められている。例えば、目標燃料噴射量Ｑｔとエンジン回転数Ｎｅとの間には、アクセルペダル踏込み量Ａｃをパラメータとして一定の関係が基本噴射量特性マップとして予め与えられており、燃焼サイクル毎の目標燃料噴射量はエンジンの運転状態に応じて基本噴射量特性マップから求められる。また、レール圧力Ｐｒを一定とすると、パルス幅Ｐｗが大きいほど燃料噴射量は多くなり、また、同じパルス幅Ｐｗであっても、レール圧力Ｐｒが大であるほど燃料噴射量は大きくなる。一方、実際の燃料噴射は、コマンドパルスＣｐの立ち下がり時刻と立ち上がり時刻に対応してそれぞれ遅れ時間を伴って開始又は停止されるので、コマンドパルスＣｐがオン又はオフとなる時期を制御することによって、噴射タイミング及び期間を制御することが可能である。
【０００８】
従来のコモンレール式燃料噴射システムにおいては、燃料噴射開始時期は、予め設定されたクランク角度（例えば、ＴＤＣ）からの位相差をクランク角センサで算出し、所定の時期に燃料が噴射されるようにインジェクタ１の電磁アクチュエータ２６への駆動電流を定めるコマンドパルスをコントローラ１２が出力することによって制御されている。ところで、コマンドパルスの噴射開始指令時期からインジェクタ１が作動するまでの時間間隔、即ち、燃料の噴射遅れ時間は、どのインジェクタ１においても各作動部分の摩耗等を原因とするメカニカルなタイムラグによって次第に大きくなる傾向があり、目標噴射開始時期と実際の燃料噴射開始時期がずれることに起因して排気ガス中のスモークの悪化を招いていた。また、インジェクタ１の個体差により噴射遅れ時間が異なるので、各気筒における噴射開始時期が異なり各気筒相互の燃焼のバランスが崩れるのでエンジンの回転変動、騒音及び振動の原因を生じていた。
【０００９】
コモンレール式燃料噴射システムが適用されたエンジンの燃料噴射装置において、特に、燃料の噴射開始時期を精度良く制御する方策の一つとして、以下の提案がなされている。この提案によれば、エンジンの運転状態に応じてコモンレールの圧力が制御されるが、コモンレールに設けられている圧力センサが検出した圧力データから、インジェクタからの燃料噴射に起因してコモンレール内のレール圧力が降下する降下開始時期を検出し、この時期に対して噴射ノズルからコモンレールへの圧力波の伝播時間を遡ることにより実際の燃料噴射の開始時期を算出し、この算出された燃料噴射の開始時期と燃料噴射の開始時期の目標値との差に基づいて、次回の燃料噴射時の目標噴射開始時期を補正している（特開平１０−４７１３７号公報参照）。
【００１０】
インジェクタからの燃料噴射が開始されてからコモンレールに配設されている圧力センサがレール圧力の降下を検出するまでには、圧力変化がインジェクタから燃料を伝播して圧力センサに到達するまでのタイムラグ、即ち、圧力降下遅れがある。上記提案においては、圧力波の伝播遅れであるこの圧力降下遅れ時間を考慮して、実際の燃料噴射開始時期を推定し、推定した燃料噴射開始時期に基づいて目標噴射開始時期がフィードバック制御されている。この制御方式によれば、各気筒毎にリフトセンサを配設することなく、各気筒の開弁時期が計測され、燃料噴射開始時期の制御が行われる。
【００１１】
このような、コモンレールの圧力降下から実際の燃料噴射開始時期を求める燃料噴射時期制御では、コモンレール内にはサプライポンプから送り出される燃料の圧送脈動や、気筒数に対応した数の各インジェクタから燃料噴射に起因した油撃に基づく圧力脈動が生じているのに対して、圧力センサはコモンレール内に１個のみ配設されており、且つ各インジェクタから圧力センサまでの圧力伝播距離も異なるので、各インジェクタからの燃料噴射に起因して生じる圧力降下開始時期にバラツキがある。
【００１２】
また、分配型燃料噴射装置における燃料噴射開始時期検出装置が、特開平６−６６１９３号公報に開示されている。この燃料噴射開始時期検出装置によれば、インジェクタに相当する各燃料噴射ノズルには、ポンプから各燃料噴射ノズルに圧送されてくる燃料の圧力を検出する圧力センサが設けられている。圧力センサが検出した燃料圧力のデータから燃料圧力の変化率が演算され、燃料圧力の変化率の演算結果に基づいて、燃料圧力が増加する過程でその燃料圧力の増加率が最初に正から負に変化する時点が、燃料噴射開始時期として求められている。
【００１３】
上記の燃料噴射開始時期検出装置は、ポンプによって圧送され且つコモンレールに蓄圧状態に貯留された燃料がコモンレールから燃料供給管を通じて各インジェクタに供給されるコモンレール式の燃料噴射装置に適用されているのではなく、燃料がポンプから直接に個別の燃料管路を通じて各燃料噴射ノズルに分配される分配型燃料噴射装置に適用されている。上記の燃料噴射開始時期検出装置をコモンレール式の燃料噴射装置に適用した場合には、コモンレール式燃料噴射装置の特徴として、インジェクタの燃料噴射に関して低下した燃料圧力がポンプの送り出し圧力によって直ちに補給されるため、正確な燃料噴射時期を算出するための燃料の圧力変化が明確に表れ難いという現象がある。
【００１４】
インジェクタの燃料噴射に際して実際に作動する構成部品、例えばニードルにセンサを配設して、燃料噴射の開始時期と終了時期とを正確に検出することも考えられる。しかし、この方法は、気筒の数だけリフトセンサを配設する必要があり、直ちに燃料噴射装置としてのコスト上昇を招くので、現実的でない。また、電子制御式のコントローラにおいてセンサ入力部が気筒の数だけ増加するので、コントローラの入出力部には大幅な仕様変更が強いられる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
コモンレール式燃料噴射システムにおいて、コモンレール内に圧力センサを設けた場合、圧力センサはコモンレール内に生じる様々な圧力変化ノイズを検出する。また、検出すべき圧力変動がコモンレールという一つの空間内で緩衝され、コモンレール内に配設された圧力センサでは、燃料噴射に関連した圧力の微妙な変化を検出することが困難である。そこで、各インジェクタからの燃料噴射毎に関連してコモンレールから燃料供給管を通じてインジェクタへ燃料が供給開始及び供給終了される時期に、燃料噴射に起因して生じる燃料圧力の大きな変化を捉えて、燃料噴射時期（燃料噴射開始時期、又は燃料噴射開始時期と燃料噴射終了時期）を明確に且つ精度良く算出し、更に燃料噴射時期又は燃料噴射期間を精度良く制御する点で解決すべき課題がある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、コモンレール式燃料噴射システムにおいて、圧力センサを配置する以外特別な装置や機器の追加や仕様の変更を招くことなく、燃料噴射に起因して生じる変化の大きい燃料圧力を検出し、検出された燃料圧力のデータを処理することで、インジェクタからの実際の燃料噴射開始時期、又は実際の燃料噴射開始時期と実際の燃料噴射終了時期とを正確に求め、更に実際の燃料噴射時期に基づいて求められる燃料噴射期間を目標の燃料噴射期間に一致させる制御をして、エンジンの運転状態に則した燃料噴射制御を行うことができるエンジンの燃料噴射装置を提供することである。
【００１７】
この発明は、燃料ポンプによって送り出された燃料を蓄圧状態に貯留するコモンレール、前記コモンレールから燃料供給管を通じて供給される燃料を燃焼室に噴射するインジェクタ、前記コモンレールに接続された前記各燃料供給管の接続部に配設されてコモンレール出口圧力を検出する圧力センサ、前記インジェクタから燃料を噴射するための噴射指令信号を出力するコントローラを備え、前記コントローラは、前記コモンレール出口圧力の変化率が予め定められた閾値とクロスした時期から算出した実際の燃料噴射開始時期に基づいて前記噴射指令信号を制御することから成るエンジンの燃料噴射装置に関する。
【００１８】
このエンジンの燃料噴射装置によれば、コントローラが出力する噴射指令信号のオンの時刻から、噴射開始遅れ時間の後に実際の燃料噴射が開始され、噴射指令信号のオフの時刻から噴射終了遅れ時間の後に実際の燃料噴射が終了する。燃料供給管のコモンレールに対する接続部に配設された圧力センサは、この期間の前後に渡ってコモンレールの出口における燃料圧力を検出する。圧力センサによって検出されたコモンレール出口圧力の変化率が予め定められた閾値とクロスした時期から、実際の燃料噴射開始時期が求められる。コントローラは、実際の燃料噴射開始時期に基づいて前記噴射指令信号を制御する。例えば、コントローラは、燃料噴射開始時期をエンジンの運転状態に応じて求められた目標値に一致する制御を行う。実際の燃料噴射開始時期は、コモンレール出口圧力の変化率が予め定められた閾値とクロスした時期と、閾値とクロスする時期までの遅れ時間とを考慮して求められる。
【００１９】
前記コントローラは、前記コモンレール出口圧力の前記変化率が前記閾値とクロスした時期から、前記インジェクタから前記接続部まで油撃が伝播することを考慮した時間だけ遡った時期を、前記実際の燃料噴射開始時期として算出する。コモンレール出口圧力の変化は、インジェクタの先端に形成されている噴孔から燃料が噴射されることによる圧力降下の変化がインジェクタのノズル先端部から燃料供給管内の燃料を伝播して圧力センサ設置位置まで伝播することによって生じると考えられるので、コモンレール出口圧力の変化率から圧力変化が検出された時期から油撃が伝播することを考慮した時間だけ遡った時期が、燃料噴射時期として算出される。油撃伝播時間は、例えば、燃料供給管の長さや燃料の粘度等を考慮して予め求められている。
【００２０】
前記コントローラは、連続する所定のサンプル数の圧力データを平均した移動平均値の変化率を前記コモンレール出口圧力の前記変化率として求め、前記変化率が燃料噴射の開始に対応して一度だけクロスする値を前記閾値として、前記所定のサンプル数に対応して設定している。サンプル数の多少によって、移動平均値の変化率の変動幅が大きく変わるので、閾値には、サンプル数の多少によって、各燃料噴射に対して前記変化率が燃料噴射の開始に対応してそれぞれ一度だけクロスする値と成るように設定される。
【００２１】
前記コントローラは、前記エンジンの運転状態に基づいて前記インジェクタから燃料を噴射する目標噴射開始時期を求め、前記実際の燃料噴射開始時期が前記目標噴射開始時期と一致するように前記噴射指令信号の噴射開始指令時期を制御する。
【００２２】
またこの発明は、燃料ポンプによって送り出された燃料を蓄圧状態に貯留するコモンレール、前記コモンレールから燃料供給管を通じて供給される燃料を燃焼室に噴射するインジェクタ、前記コモンレールに接続された前記各燃料供給管の接続部に配設されてコモンレール出口圧力を検出する圧力センサ、前記インジェクタから燃料を噴射するための噴射指令信号を出力するコントローラを備え、前記コントローラは、前記コモンレール出口圧力の変化率が予め定められた閾値とクロスした時期から算出した実際の燃料噴射開始時期と実際の燃料噴射終了時期とに基づいて前記噴射指令信号を制御することから成るエンジンの燃料噴射装置に関する。
【００２３】
このエンジンの燃料噴射装置によれば、コントローラが出力する噴射指令信号のオンの時刻から、噴射開始遅れ時間の後に実際の燃料噴射が開始され、噴射指令信号のオフの時刻から噴射終了遅れ時間の後に実際の燃料噴射が終了する。燃料供給管のコモンレールに対する接続部に配設された圧力センサは、この期間の前後に渡ってコモンレールの出口における燃料圧力を検出する。圧力センサによって検出されたコモンレール出口圧力の変化率が予め定められた閾値とクロスした時期が、実際の燃料噴射開始時期と実際の燃料噴射終了時期として求められる。コントローラは、実際の燃料噴射開始時期と実際の燃料噴射終了時期とに基づいて前記噴射指令信号を制御する。例えば、コントローラは、燃料噴射期間をエンジンの運転状態に応じて求められた目標値に一致する制御を行う。また、実際の燃料噴射開始時期と実際の燃料噴射終了時期とは、燃料噴射の開始に伴う圧力降下時期と燃料噴射の終了に伴う圧力降下時期と各圧力降下時期までの遅れ時間とを考慮して求められる。
【００２４】
前記コントローラは、前記コモンレール出口圧力の前記変化率が前記閾値とクロスした時期から、前記インジェクタから前記接続部まで油撃が伝播することを考慮した時間だけ遡った時期を、前記実際の燃料噴射開始時期及び前記実際の燃料噴射終了時期として算出する。コモンレール出口圧力の変化は、インジェクタの先端に形成されている噴孔から燃料が噴射されることによる圧力降下の変化がインジェクタのノズル先端部から燃料供給管内の燃料を伝播して圧力センサ設置位置まで伝播することによって生じると考えられるので、コモンレール出口圧力の変化率から圧力変化が検出された時期から油撃が伝播することを考慮した時間だけ遡った時期が、実際の燃料噴射時期として算出される。
【００２５】
前記コントローラは、連続する所定のサンプル数の圧力データを平均した移動平均値の変化率を前記コモンレール出口圧力の前記変化率として求め、前記変化率が燃料噴射の開始と終了とに対応してそれぞれ一度だけクロスする値を前記閾値として、前記所定のサンプル数に対応して設定する。サンプル数の多少によって、移動平均値の変化率の変動幅が大きく変わる。従って、閾値には、各燃料噴射に対して前記変化率が燃料噴射の開始と終了とに対応してそれぞれ一度だけクロスする値と成るように、サンプル数の多少によって異なる値が設定される。
【００２６】
前記コントローラは、前記エンジンの運転状態に基づいて前記インジェクタから燃料を噴射する目標噴射期間を求め、前記実際の燃料噴射開始時期から前記実際の燃料噴射終了時期までの期間を実際の燃料噴射期間として求め、前記実際の燃料噴射期間が前記目標噴射期間に一致するように前記噴射指令信号の噴射指令期間を制御する。この場合、前記コントローラは、前回の燃料噴射における前記目標噴射期間と前記実際の燃料噴射期間とに基づいて求められた補正項によって今回の燃料噴射において求められた前記噴射指令信号の噴射指令期間を補正して最終目標噴射指令期間を求める。噴射指令信号は、最終目標噴射指令期間を噴射指令期間として出力される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明によるエンジンの燃料噴射装置の実施例を説明する。この発明によるエンジンの燃料噴射装置に用いられるインジェクタについては、図６に示したインジェクタをそのまま用いることができるので、実施例の説明において再度の詳細な説明を省略する。図１はこの発明によるエンジンの燃料噴射装置が適用されるコモンレール式燃料噴射システムの概略を示すシステム図であり、図２は図１に示されたエンジンの燃料噴射装置において、コモンレールの出口圧力を検出する圧力センサが配置されているコモンレールと燃料供給管の接続部を示す断面図であり、図３は燃焼サイクルの圧縮上死点前の一定期間に渡って変化する、コマンドパルスＣｐ、圧力センサが検出したコモンレールの出口圧力Ｐｅとその変化率Ｄｐ、及びインジェクタから燃焼室への燃料を噴射する燃料噴射率ｑを示すグラフである。
【００２８】
図１に示すコモンレール式燃料噴射システムは、各燃料供給管３のコモンレール２に対する接続部１８にコモンレール２の出口圧力を検出する圧力センサ１５を配置した点を除き、図５に示したコモンレール式燃料噴射システムと同様の構成を有しているので、共通する構成については重複する説明を省略する。各圧力センサ１５が検出したコモンレール２の出口圧力Ｐｅについての検出信号は、それぞれコントローラ１２に入力される。
【００２９】
図２に示すように、圧力センサ１５は、燃料供給管３のコモンレール２に対する接続部１８に取り付けられている。圧力センサ１５においては、領域Ｂにおける燃料圧力を取り入れることができるように、受圧面１６が通路１７を通じて領域Ｂに臨んでいる。例えば、インジェクタ１から燃料が噴射されてコモンレール２内に貯留されていた燃料が燃料供給管３を通じてインジェクタ１に向かって流れようとすると、コモンレール２の出口において、即ち、コモンレール２から各燃料供給管３に流れ込む部分において燃料通路断面積は急激な変化をする。燃料の流れは、コモンレール２から燃料供給管３へ通路の壁面に沿って滑らかに形成されず、実際に燃料の流れが存在する部分は燃料供給管３の管径よりも小さくなって、所謂、縮流Ａとなる。各燃料噴射に関連して最初に縮流Ａが生じる時には、縮流Ａの外側で且つ燃料供給管３の内側の領域Ｂに燃料圧力の大幅な低下を生じることが観測される。燃料噴射終了時期については、燃料噴射開始時期ほど明確に表れないが、燃料圧力の比較的大きな低下を生じることが観測される。
【００３０】
図３のグラフに示すように、エンジン回転数とアクセル操作量等のエンジンの運転状態から、予め作成されているマップに基づいて、例えば、上死点前に遡るべき指令値ΔＴｂを求めることにより目標噴射開始時期ｔb が設定される。コマンドパルスＣｐが立ち下がる（コマンドパルスＣｐがオン）噴射開始指令時期ｔ0 から実際の燃料噴射開始時期ｔ1 までの噴射開始遅れ時間Δｔ1 、及びコマンドパルスＣｐが立ち上がる（コマンドパルスＣｐがオフ）噴射終了指令時期ｔ3 から実際の燃料噴射終了時期ｔ4 までの噴射終了遅れ時間Δｔ4 は、通常、インジェクタ１毎に異なる値を示す。
【００３１】
圧力センサ１５によって、コモンレール２の出口圧力Ｐｅが逐次検出されている。圧力センサ１５が検出した出口圧力Ｐｅのデータから、その変化率Ｄｐを算出し、変化率Ｄｐを予め設定した閾値Ｄｓと比較することによって、出口圧力Ｐｅの第１圧力降下時期ｔ2 及び第２圧力降下時期ｔ5 が求められる。圧力検出値についてはそのまま用いてもよいが、ノイズを含んでいるのが常であるので、例えば、連続するサンプリング値の移動平均を取ってノイズの影響を少なくすることが好ましい。移動平均値はサンプリング数を多くするほど一般にはノイズの影響が少ない値となるが、算出した移動平均を用いた制御は応答性が悪化する傾向にあるので、サンプリング数としては、例えば５，１０，１５程度の数が採用される。第１圧力降下時期ｔ2 は実際の燃料噴射開始時期ｔ1 に対応しており、第２圧力降下時期ｔ5 は実際の燃料噴射終了時期ｔ4 にそれぞれ対応している。
【００３２】
移動平均を取ることでノイズの影響がある程度取り除かれた出口圧力Ｐｅと、隣接する時刻における移動平均データとに対して差分処理を施すことにより、出口圧力Ｐｅの微分値が、変化率Ｄｐとして算出される。図３には、移動平均を取るための出口圧力Ｐｅのサンプルデータ個数を５，１０，１５としたときの出口圧力Ｐｅの変化率Ｄｐが、それぞれ、一点鎖線、破線、又は実線で描かれている。図示されているように、移動平均を取るサンプル数が少ない程、出口圧力Ｐｅの変化率Ｄｐの変動も顕著に表れる。
【００３３】
出口圧力Ｐｅの移動平均及びその変化率Ｄｐを算出するため、出口圧力Ｐｅに関する大量のデータ量を短い処理時間に処理することができるＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）がＣＰＵと並列処理可能に配設されている。ＤＳＰによる出口圧力Ｐｅのデータのバッファリングは、インジェクタ１のコマンドパルスＣｐのオン（立ち下がり）を検出した時（事実上ｔ0 ）に開始され、その後、例えば、１００ＫＨｚ周期（１０μｓｅｃ毎）でサンプリングされて、コントローラ１２内のメモリに蓄積され、出口圧力Ｐｅの充分な回復が確認されるまでの間、実行される。
【００３４】
図３に示すグラフにおいて、各気筒について、上死点前の時刻ｔ0 においてコマンドパルスＣｐが立ち下がる（オン）ことによって噴射指令信号が出力され、コントローラ１２からインジェクタ１に対して燃料噴射を行わせる駆動信号が送られる。インジェクタ１に備わる電磁アクチュエータ２６のソレノイド２８には駆動電流が流れ、バランスチャンバ３０内の作動流体の圧力が解放されて、針弁２４がリフトし、インジェクタ１の先端に形成されている噴孔２５から燃料が噴射される。実際の燃料噴射は、燃料噴射率ｑが立ち上がることから分かるように、噴射開始指令時期ｔ0 から噴射開始遅れ時間Δｔ1 後の時刻ｔ1 （燃料噴射開始時期）に開始され、コマンドパルスＣｐのパルス幅Ｐｗに応じて、噴射終了遅れ時間Δｔ4 後の時刻ｔ4 （燃料噴射終了時期）まで燃料噴射期間ΔＴi に渡って行われる。圧力センサ１５が検出するコモンレール２の出口圧力Ｐｅは、インジェクタ１からの燃料噴射が開始されても直ちに低下を示さず、第１圧力降下時期時刻ｔ2 で降下し始め、その後、燃料噴射の進行と共に上昇と下降とを繰り返しながら全体として次第に降下する。噴射開始遅れ時間Δｔ1 と噴射終了遅れ時間Δｔ4 とを定めるパラメータは、それぞれ第１圧力降下時期ｔ2 又は第２圧力降下時期ｔ5 それ自体の値（圧力降下時期ｔ2 , ｔ5 が遅いほど、噴射遅れ時間Δｔ1 ，Δｔ4 も大きい傾向にある）、レール圧力Ｐｒの大きさ（圧力伝播速度の影響）等である。
【００３５】
燃料噴射の開始に伴って生じるコモンレール２の出口における縮流Ａが最も大規模であり、また、燃料噴射終了に伴って生じるコモンレール２の出口における圧力降下も比較的大きい。即ち、１回の燃料噴射に関連して、出口圧力Ｐｅの変化率Ｄｐの極小値のうち、最も小さい極小値（最小値）が燃料噴射の開始に対応した値であり、その次に小さい極小値が燃料噴射の終了に対応した値であることがわかる。図３に示す例では、サンプルデータ個数５に対して閾値Ｄｓが設定されている。出口圧力Ｐｅの変化率Ｄｐがグラフ上で閾値Ｄｓとクロスした時刻、即ち、変化率Ｄｐは燃料噴射の開始に伴って始めに大きく下振れするので、変化率Ｄｐが負の値として予め定められている閾値Ｄｓを初めて下回る時刻が、燃料噴射の開始に対応した第１圧力降下時期ｔ2 として求められる。出口圧力Ｐｅの変化率Ｄｐが次に閾値Ｄｓを下回る時刻が、燃料噴射終了に対応した第２圧力降下時期ｔ5 として求められる。なお、閾値Ｄｓは、出口圧力Ｐｅの変化率Ｄｐの最小の及びその次に小さい極小値を検出することができるように、移動平均を求めるためのサンプル数が少ないほど、変化率Ｄｐが大きな負の値に設定されている。
【００３６】
レール圧力Ｐｒそれ自体も、エンジンの運転状態に対応してコントローラ１２が予め作成されているマップ等のデータに基づいて算出された目標レール圧力に一致するように、燃料ポンプ８と流量制御弁１４とが制御される。コモンレール２のレール圧力Ｐｒの圧力は、燃料供給管３のコモンレール２への接続部１８に配設された圧力センサ１５が検出した出口圧力Ｐｅを用いて制御してもよいが、本発明の実施例においては、レール圧力Ｐｒは、コモンレール２に専用に配設された圧力センサ１３が検出した圧力データに基づいて制御されている。
【００３７】
噴射開始に関連した、実際の燃料噴射開始時期ｔ1 から第１圧力降下時期ｔ2 までの第１圧力降下遅れ時間Δｔs 、及び噴射終了に関連した、実際の燃料噴射終了時期ｔ4 から第２圧力降下時期ｔ5 までの第２圧力降下遅れ時間Δｔe （実質的にΔｔs に同じ）が、それぞれインジェクタ１から圧力センサ１５が配設されているコモンレール２の出口近傍までの経路を燃料の油撃が伝播することを考慮した時間として求められる。このようにして求められた実際の燃料噴射開始時期ｔ1 をエンジンの運転状態から求められた目標燃料噴射開始時期ｔb と比較し、両者の時間差に基づいて実際の燃料噴射開始時期ｔ1 が目標燃料噴射開始時期ｔb と一致するようにコマンドパルスＣｐの立ち下がり時刻ｔ0 が決定される。
【００３８】
図１に示す例では、実際の燃料噴射開始時期ｔ1 から噴射開始遅れ時間Δｔ1 を遡った時期が噴射指令信号（コマンドパルスＣｐ）の噴射開始指令時期ｔ0 として求められ、実際の燃料噴射終了時期ｔ4 から噴射終了遅れ時間Δｔ4 を遡った時期が噴射指令信号（コマンドパルスＣｐ）の立ち上がり（オフ）噴射終了指令時期ｔ3 として求められる。燃料噴射の開始に関しては、例えば、補正前の噴射開始指令時期ｔ0 に対して（ｔ1 −ｔb ）の時間間隔の全部又は一部からなる補正項に基づいて早めた時期が、次回の燃料噴射におけるコマンドパルスＣｐの最終的な立ち下がり（オン）噴射開始指令時期ｔ0 として決定される。コントローラ１２は、このようにして決定された噴射開始指令時期にコマンドパルスＣｐを出力し、このコマンドパルスＣｐに基づいて目標燃料噴射開始時期ｔb に燃料を噴射すべく、インジェクタ１の電磁アクチュエータ２６のソレノイド２８に駆動電流を供給し、燃料噴射開始時期のフィードバック制御を行う。
【００３９】
コモンレール式燃料噴射装置の上記実施例の作動を、図４に示すフローチャートに基づいて説明する。図４は、この発明によるコモンレール式燃料噴射装置の実施例において、コマンドパルスのパルス幅を求めるフロー部分（左側）と、コマンドパルスのパルス幅の補正項を求めるフロー部分（右側）とから成るフローチャートである。コマンドパルスのパルス幅を求めるフロー部分は、燃焼サイクル毎に且つ各インジェクタ１毎に処理が実行される。このフロー部分では、エンジンの運転状態であるエンジン回転数Ｎｅとアクセルペダル踏込み量Ａｃとから目標燃料噴射量Ｑｔが決められ（ステップ１）、目標燃料噴射量Ｑｔと検出した実際のレール圧力Ｐｒとから目標燃料噴射期間を求め、目標燃料噴射期間に対応したコマンドパルスＣｐの目標パルス幅Ｐｗｔが決められる（ステップ２）。ステップ１及び２は、予め用意されているそれぞれのマップデータを用いて実行される。ステップ２において決められたコマンドパルスＣｐの目標パルス幅Ｐｗｔは後述する補正項により補正されて、修正パルス幅Ｐｗａが求められ（ステップ３）、コマンドパルスの立ち下がり時期ｔ0 と立ち上がり時期ｔ3 との期間が最終目標パルス幅Ｐｗａとして設定される（ステップ４）。
【００４０】
図４のコマンドパルスのパルス幅の補正項を求めるフロー部分も、燃焼サイクル毎に且つ各インジェクタ１毎であって、更に左側のフロー部分に対応して処理が実行される。パルス幅の補正項を求めるフロー部分において、コモンレール２に対する燃料供給管３の接続部１９に配設された圧力センサ１５が検出するコモンレールの出口圧力Ｐｅが検出され（ステップ１０）、検出した出口圧力Ｐｅを算術処理して出口圧力Ｐｅの変化率Ｄｐが求められ（ステップ１１）、出口圧力Ｐｅの変化率Ｄｐが予め決められた所定の閾値Ｄｓと比較されて、燃料噴射の開始に対応した第１圧力降下時期ｔ2 と燃料噴射の終了に対応した第２圧力降下時期ｔ5 とが求められ（ステップ１２）、第１及び第２の圧力降下時期ｔ2 ，ｔ5 とから各遅れ時間Δｔs ，Δｔe を考慮して求められた実際の燃料噴射開始時期ｔ1 と実際の燃料噴射終了時期ｔ4 との間の期間が実際の燃料噴射期間Ｔi として求められ（ステップ１３）、次回の燃料噴射においてステップ３で最終目標パルス幅Ｐｗａを求めるため、今回の燃料噴射においてコントローラがエンジンの運転状態に応じて既に算出していた目標噴射期間とステップ１３において求められた実際の燃料噴射期間Ｔi とに基づいて、コマンドパルスＣｐの目標パルス幅Ｐｗｔを補正する補正項が求められる（ステップ１４）。補正項としては、例えば、前回の燃料噴射における、目標噴射期間と実際の燃料噴射期間Ｔi との噴射期間偏差ΔＴi の全部又は一部とした補正定数、或いは実際の燃料噴射期間Ｔi に対する目標噴射期間の比としての補正係数が考えられる。このようにして、次回の燃料噴射における燃料噴射期間のフィードバック制御が行われる。
【００４１】
コモンレール式燃料噴射システムでは、一般には図２に示すようにインジェクタ１は複数個設けられており、コントローラ１２は、インジェクタ１毎に実際の燃料噴射開始時期ｔ1 と実際の燃料噴射終了時期ｔ4 を求め、実際の燃料噴射開始時期ｔ1 及び実際の燃料噴射終了時期ｔ4 からそれぞれ噴射開始遅れ時間Δｔ1 又は噴射終了遅れ時間Δｔ4 を遡った時期をコマンドパルスＣｐの指令時期、即ち、オン又はオフの時期として決定している。この発明によるエンジンの燃料噴射装置は、特に、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射システムに好適であるが、直接噴射式のガソリンエンジン等の同様の構造を有する他の燃料噴射システムにも適用可能であることは言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
この発明によるエンジンの燃料噴射装置は、上記のように構成されているので、次のような効果を奏する。即ち、この発明によるエンジンの燃料噴射装置によれば、コントローラが出力する噴射指令信号のオン又はオフの時刻から、噴射開始遅れ時間又は噴射終了遅れ時間の後に実際の燃料噴射が開始又は終了され、更に燃料供給管のコモンレールに対する接続部に配設された圧力センサが圧力変化を検出する。圧力センサによって検出されたコモンレール出口圧力の変化率が予め定められた閾値とクロスした時期が燃料噴射の開始又は開始と終了とに伴う圧力降下時期として求められる。各圧力降下時期から遅れ時間を考慮して求めた実際の燃料噴射開始時期、又は燃料噴射期間としての実際の燃料噴射開始時期と実際の燃料噴射終了時期との間と期間が目標燃料噴射期間に対応するように、コントローラから出力されるインジェクタへの噴射指令信号が制御される。従って、コモンレール式燃料噴射システムにおいて、特別な装置や機器の追加、及び仕様の変更を招くことなく、インジェクタからの実際の燃料の噴射開始時期又は燃料噴射期間とを正確に定めることができる。
【００４３】
エンジンの運転状態に応じて求められた目標噴射開始時期と目標噴射期間とで燃料が噴射されるようにインジェクタの作動をフィードバック制御する場合には、常に精度良く目標噴射開始時期に燃料の噴射を開始し、目標噴射期間に渡って実際の燃料噴射を行うことができる。また、インジェクタごとの噴射遅れ時間のバラツキや、同じインジェクタであってもメカニカルな遅れや径年変化により、エンジン毎は勿論のこと、同じエンジンでも各気筒において順次行われる燃焼時期の乱れによって、スモークの発生等の排気ガス性能の悪化やエンジンの騒音や振動が生じていたが、各インジェクタにおける燃料噴射は、常に、コマンドパルスの立ち下がり時刻、目標噴射時期、及びコモンレールの出口圧力の降下時期から遡って求められる実際の燃料噴射開始時期とが判明しているので、常に、実際の燃料噴射時期が目標噴射時期に一致するようにコマンドパルスのオン・オフ時刻が決定される。燃料噴射はエンジンの運転状態に基づいて定められる最適な目標噴射時期に行われ、エンジンの排気ガス性能の悪化及びエンジンの騒音や振動を防止することができる。更に、燃料噴射開始時期の決定のために、針弁のリフトを検出するリフトセンサは必要でなく、圧力センサを利用して検出データを処理することで、燃料噴射開始時期が適正に補正されるので、装置のコストの抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による燃料噴射装置が適用されたコモンレール式燃料噴射システムを示す概略図である。
【図２】図１に示すコモンレール式燃料噴射システムにおけるコモンレールと燃料供給管との接続部を示す拡大断面図である。
【図３】この発明による燃料噴射装置における噴射指令信号、燃料噴射率、及びコモンレール出口圧力の時間の経過に伴う変化を説明するグラフである。
【図４】この発明による燃料噴射装置における燃料噴射の制御手順を示すフローチャートである。
【図５】従来のコモンレール式燃料噴射システムを示す概略図である。
【図６】図５に示すコモンレール式燃料噴射システムに用いられるインジェクタの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１    インジェクタ
２    コモンレール
８    燃料ポンプ
１２  コントローラ
１３  圧力センサ
１５  圧力センサ
２４  針弁
２５  噴孔
Ｐｅ      コモンレールの出口圧力
Ｄｐ      コモンレールの出口圧力の変化率
Ｄｓ      閾値
ｑ        燃料噴射率
ｔb       目標噴射開始時期
ｔ0       噴射指令信号の噴射開始指令時期
ｔ1       実際の燃料噴射開始時期
ｔ2       第１圧力降下時期
ｔ3       噴射指令信号の噴射終了指令時期
ｔ4       実際の燃料噴射終了時期
ｔ5       第２圧力降下時期
Δｔ1     噴射開始遅れ時間
Δｔ4     噴射終了遅れ時間
Δｔs     第１圧力降下遅れ時間
Δｔe     第２圧力降下遅れ時間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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