JP2007187113A - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ポンプの吐出量と操作量との相関がリニア特性を示さない低流量域であっても、燃料圧力の変動を抑制しつつ、燃料圧力を補正制御できるようにする。
【解決手段】内燃機関の燃料消費量・目標燃圧から燃料ポンプの基本駆動電流（基本操作量）を演算する。次いで、前記基本駆動電流と設定値とを比較することで、燃料ポンプの吐出量と操作量との相関がリニア特性を示さない低流量域であるか否かを判別する。前記基本駆動電流が前記設定値以上であって、リニア特性領域であるときには、実際の燃圧と目標値とから前記駆動電流をフィードバック制御する。一方、前記基本駆動電流が前記設定値未満であって、非リニア特性領域であるときには、実際の燃圧と目標値とから電磁リリーフ弁の開度を制御することで、燃料圧送経路からの燃料の排出量をフィードバック制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁に対して燃料タンク内の燃料を燃料ポンプによって圧送する内燃機関の燃料供給装置に関する。

特許文献１には、燃料噴射弁の目標制御量に基づく燃料量に応じて燃料ポンプの駆動電流を算出すると共に、燃料噴射弁に圧送される燃料の圧力に応じて燃料噴射弁の噴射時間を補正する燃料供給装置が開示されている。
特開平１１−３１５７６８号公報

ところで、内燃機関の燃料供給装置に用いられるタービン型の燃料ポンプにおいては、一般に、操作量（駆動電流・駆動電圧）の変化に対して吐出量が比例的に変化するリニア特性を有するが、低流量側でリニア特性を確保することが困難であり、実際には、低流量側で流量が急激に落ち込む非リニア特性を示すことがあり、非リニア特性を示す低流量域では、操作量の変化に対して吐出量の変化に大きなばらつきが発生してしまう。

このため、例えば、燃圧センサで検出される実際の燃圧と目標燃圧との偏差に応じて、燃料ポンプの操作量をフィードバック補正する場合、低流量域（非リニア特性域）で操作量をフィードバック補正すると、燃料圧力の変動が大きくなってしまう。
そして、燃料圧力が大きく変動すると、燃料噴射弁から噴射される燃料の計量精度が悪化して空燃比がばらつき、排気性能・運転性が悪化してしまうという問題が生じる。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、燃料ポンプの吐出量と操作量との相関がリニア特性を示さない低流量域であっても、燃料圧力の変動を抑制しつつ、燃料圧力を精度良く目標に向けて補正制御することができる内燃機関の燃料供給装置を提供することを目的とする。

そのため請求項１記載の発明は、燃料噴射弁に対して燃料タンク内の燃料を圧送する燃料ポンプと、前記燃料噴射弁に対する燃料の圧送経路内からの燃料の排出を制御するリリーフ手段と、前記燃料ポンプの操作量を制御することで前記圧送経路内の圧力を補正する第１補正手段と、前記リリーフ手段による燃料の排出量を制御することで前記圧送経路内の圧力を補正する第２補正手段と、運転条件に応じて前記第１補正手段と第２補正手段との中から作動させる補正手段を切り換える切り換え手段と、を備えたことを特徴とする。

かかる構成によると、燃料ポンプの操作量（駆動電流・駆動電圧）を制御することで燃料圧力を補正する手段の他に、圧送経路内からの燃料の排出を制御することで燃料圧力を補正する手段を備え、運転条件に応じて作動させる補正手段を切り換える。
従って、燃料ポンプの操作量の制御によっては燃料圧力を安定的に補正することができない条件下で、圧送経路内からの燃料の排出を制御することで燃料圧力を安定して補正させることが可能となり、燃料噴射量の変動を抑制して排気性能・運転性を向上させることができると共に、燃料ポンプの操作量の制御による燃料圧力の補正を行わせる場合には、燃料ポンプを必要最小限に駆動して燃費の向上などを図れる。

請求項２記載の発明は、前記切り換え手段が、燃料ポンプの操作量に応じて、作動させる補正手段を切り換えることを特徴とする。
かかる構成によると、燃料ポンプの操作量（駆動電流・駆動電圧）に基づいて、燃料ポンプの操作量の制御によっては燃料圧力を安定的に補正することができない運転条件であるか否かを判断して、作動させる補正手段を決定することができる。

従って、第１補正手段で燃圧を制御させた場合の燃料圧力の変動を回避しつつ、燃料ポンプを必要最小限に駆動して燃費の向上などを図れる。
請求項３記載の発明では、前記切り換え手段が、燃料ポンプの吐出量と操作量との相関がリニア特性を示す領域であるか否かに基づいて、作動させる補正手段を切り換えることを特徴とする。

かかる構成によると、燃料ポンプの吐出量と操作量との相関がリニア特性を示す領域であれば、燃料ポンプの吐出量の制御によって燃圧を安定的に補正制御できると判断でき、逆に、前記相関がリニア特性を示さない領域（非リニア領域）であれば、燃料ポンプの吐出量の制御によっては燃圧を安定的に補正制御できないと判断し、この判断結果に基づいて作動させる補正手段を決定する。

従って、第１補正手段で燃圧を補正制御させた場合の燃料圧力の変動を回避しつつ、燃料ポンプを必要最小限に駆動して燃費の向上などを図れる。
請求項４記載の発明では、前記第２補正手段を作動させるときに、燃料ポンプを吐出量と操作量との相関がリニア特性を示す領域内で作動させることを特徴とする。
かかる構成によると、燃料の排出量を制御して燃料圧力を補正するときには、燃料ポンプを吐出量と操作量との相関がリニア特性を示す領域内で作動させる。

従って、燃料の排出量を制御して燃圧を制御するときに、吐出量が急激な変化を示すことを回避でき、排出量の制御によって安定した燃圧制御を行えると共に、非リニア領域の要求流量であるときには、要求よりも多い燃料が燃料ポンプから吐出されることになり、燃料の排出量を制御して燃圧を制御するときに、目標を下回る燃圧を早期に回復させることができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関の燃料供給装置の構成図である。
図１において、燃料タンク１は、内燃機関１０の燃料であるガソリンを貯留するタンクであり、例えば車両の後部座席の下などに配置される。
前記燃料タンク１には、給油キャップ２で閉塞される給油口３が開口されており、給油キャップ２を外して前記給油口３から燃料が補給される。

前記燃料タンク１内には、図示省略したブラケットによって電動式の燃料ポンプ４が設置されている。
前記燃料ポンプ４は、燃料タンク１内のガソリンを吸い込み口から吸い込んで吐出口から吐き出す、例えばタービン式のポンプであり、前記吐出口には、燃料パイプ５ａの一端が接続されている。

前記燃料パイプ５ａの他端には、燃料ポンプ４から後述する燃料噴射弁９に向かう燃料の流れを通過させ、前記燃料噴射弁９から燃料ポンプ４に向かう流れ（逆流）を阻止する逆止弁７の入り口側が接続される。
前記逆止弁７の出口には、燃料パイプ５ｂの一端が接続され、前記燃料パイプ５ｂの他端は、燃料ギャラリーパイプ８に接続される。

前記燃料パイプ５ａ，燃料パイプ５ｂ及び燃料ギャラリーパイプ８によって、燃料ポンプ４から燃料噴射弁９に向けた圧送経路が形成される。
前記燃料ギャラリーパイプ８には、その延設方向に沿って気筒数（本実施形態は４気筒）と同じ数の噴射弁接続部８ａが設けられ、各噴射弁接続部８ａには、電磁式の燃料噴射弁９の燃料取り入れ口がそれぞれ接続される。

前記燃料噴射弁９は、電磁コイルへの通電によって磁気吸引力が発生すると、スプリングによって閉弁方向に付勢されている弁体がリフトして開弁し、燃料を噴射する。
前記燃料噴射弁９は、内燃機関１０の各気筒の吸気ポート部にそれぞれ設置され、各気筒に燃料をそれぞれ噴射供給する。
また、前記燃料ギャラリーパイプ８内と燃料タンク１内とを連通させるリリーフパイプ１２が設けられて、前記リリーフパイプ１２の途中には、電磁リリーフ弁１３（リリーフ手段）が介装されている。

前記電磁リリーフ弁１３は、通電されることで開弁し、非通電時には閉弁状態を保持するよう構成される。
前記電磁リリーフ弁１３が開弁すると、前記リリーフパイプ１２を介して前記燃料ギャラリーパイプ８内の燃料が前記燃料タンク１内に排出され、前記電磁リリーフ弁１３の開度制御によって、前記燃料ギャラリーパイプ８内の燃料圧力の降下を制御できるようになっている。

マイクロコンピュータを内蔵する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１１は、前記燃料噴射弁９それぞれに対して個別に開弁制御パルス信号を出力して、各燃料噴射弁９による燃料噴射量及び噴射時期を制御する。
更に、前記電子制御ユニット１１は、前記燃料ポンプ４への通電のオン・オフをデューティ制御することで駆動電流（駆動電圧）を変化させ、燃料ポンプ４の吐出量を制御すると共に、前記電磁リリーフ弁１３への通電のオン・オフをデューティ制御することで前記電磁リリーフ弁１３の開度を制御し、前記燃料ギャラリーパイプ８内からの燃料の排出量を制御する。

前記電子制御ユニット１１には、各種センサからの検出信号が入力される。
前記各種センサとしては、内燃機関１０の吸入空気流量を検出するエアフローメータ２１、所定クランク角位置毎に検出信号を出力するクランク角センサ２２、内燃機関１０の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ２３、前記燃料ギャラリーパイプ８内における燃料の圧力を検出する燃圧センサ２４、前記燃料ギャラリーパイプ８内における燃料の温度を検出する燃温センサ２５などが設けられている。

また、前記電子制御ユニット１１には、図示省略したスタータモータへの電源投入をスイッチングするスタータスイッチ２６のオン・オフ信号が入力される。
そして、前記電子制御ユニット１１は、クランク角センサ２２からの信号に基づいて内燃機関１０の回転速度Ｎｅを演算し、エアフローメータ２１で検出された吸入空気流量Ｑａと前記機関回転速度Ｎｅとに基づいて基本燃料噴射量Ｔｐを演算する。

更に、前記基本燃料噴射量Ｔｐを、そのときの運転条件（負荷・回転・水温など）から決定される目標空燃比などに応じて補正することで最終的な燃料噴射量Ｔｉを設定し、更に、燃圧センサ２４で検出される実際の燃圧で前記燃料噴射量Ｔｉに対応する量の燃料を噴射させるための開弁時間である噴射パルス幅を求める。
そして、各気筒の燃料噴射タイミングを前記クランク角センサ２２からの信号に基づいて検出して、前記噴射タイミングに合わせて前記噴射パルス幅の噴射パルス信号を該当する気筒の燃料噴射弁９に出力する。

また、前記電子制御ユニット１１は、燃料噴射量Ｔｉ及び機関回転速度Ｎｅから内燃機関１０における燃料消費量を求め、該燃料消費量と目標燃圧とから、前記燃料ポンプ４の駆動電流をフィードフォワード制御する一方、前記燃圧センサ２４で検出される実際の燃圧が前記目標燃圧に近づくように、前記燃料ポンプ４の駆動電流（操作量）をフィードバック補正する機能（第１補正手段）と、前記燃圧センサ２４で検出される実際の燃圧が前記目標燃圧に近づくように、前記電磁リリーフ弁１３の開度をフィードバック制御する機能（第２補正手段）とを備える。

そして、前記電子制御ユニット１１は、図２のフローチャートに示すようにして、前記２つのフィードバック補正機能の作動を切り換える（切り換え手段）。
図２のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１では、内燃機関１０における燃料消費量と目標燃圧とから、前記燃料ポンプ４の基本駆動電流（基本操作量）を算出する。
次のステップＳ１０２では、前記ステップＳ１０１で算出した基本駆動電流が、予め記憶された設定値を下回る低流量域に該当しているか否かを判断する。

本実施形態の燃料ポンプ４は、図３に示すように、中高流量域では、駆動電流（操作量）の変化に対して比例して吐出量が変化するリニア特性を示すのに対し、低流量域になると、駆動電流の減少変化に対する吐出量の変化速度が、流量が少なくなるほど急激になる非リニア特性となる。
そして、前記設定値は、図３に示すように、燃料ポンプ４の駆動電流（操作量）と吐出量との相関がリニア特性を示す領域と非リニア特性を示す領域との境界に相当する駆動電流若しくは境界の駆動電流よりも若干大きな値として、予め求められている。

ここで、非リニア特性を示す領域内で、実際の燃圧が前記目標燃圧に近づくように燃料ポンプ４の駆動電流をフィードバック補正すると、駆動電流の変化に対する吐出量変化のばらつきによって、燃料圧力が大きく変動してしまう。
一方、リニア特性を示す領域内で、実際の燃圧が前記目標燃圧に近づくように燃料ポンプ４の駆動電流をフィードバック補正すれば、駆動電流の変化に対する吐出量変化が略一定であるため、燃料圧力を安定して目標燃圧付近に収束させることができる。

また、実際の燃圧が前記目標燃圧に近づくように燃料ポンプ４の駆動電流をフィードバック補正すれば、燃料ポンプ４から必要量だけを吐出させることになるので、燃料ポンプ４を必要最小限だけ駆動させることになる。
そこで、ステップＳ１０２で、基本駆動電流が設定値以上であってリニア特性を示す領域内であると判断されたときには、ステップＳ１０３へ進み、前記基本駆動電流を、実際の燃圧と目標燃圧との差に基づいてフィードバック補正することで、燃圧を補正制御させる（第１補正手段）。

具体的には、前記実際の燃圧と目標燃圧との差に基づく、比例・積分・微分動作でフィードバック補正値を決定し、該補正値で前記基本駆動電流を補正し、該補正結果を最終的な駆動電流とする。
前記フィードバック制御においては、目標燃圧よりも実際の燃圧が高い場合には、駆動電流を減らして燃料ポンプ４の吐出量を減らし、目標燃圧よりも実際の燃圧が低い場合には、駆動電流を増大させて燃料ポンプ４の吐出量を増やす。

尚、目標燃圧よりも実際の燃圧が所定以上に高い場合に、駆動電流を減らして燃料ポンプ４の吐出量を減らすと共に電磁リリーフ弁１３を開くか、或いは、駆動電流を減らして燃料ポンプ４の吐出量を減らす代わりに、電磁リリーフ弁１３を開くようにすることができる。
燃料ポンプ４の駆動電流（操作量）と吐出量との相関がリニア特性を示す領域であれば、制御偏差に対する駆動電流の変化によって所期の吐出量変化を生じさせて、実際の燃圧を目標燃圧付近に安定して制御できる。

そして、高い収束性で目標燃圧付近に制御できれば、燃料噴射弁９の噴射量がばらつくことを回避でき、空燃比制御性を維持して排気性能・運転性能の悪化を回避できる。
更に、燃料ポンプ４の駆動電流を目標燃圧に基づいてフィードバック制御すれば、燃料ポンプ４を必要最小限に駆動させることになり、燃費性能の向上に寄与できる。
一方、ステップＳ１０２で、基本駆動電流が設定値未満であって、燃料ポンプ４の吐出量が非リニア特性を示す領域内であると判断されたときには、ステップＳ１０４へ進み、電磁リリーフ弁１３の開度を、実際の燃圧と目標燃圧との差に基づいてフィードバック補正することで、燃圧を補正制御させる（第２補正手段）。

前記フィードバック制御においては、目標燃圧よりも実際の燃圧が高い場合には、電磁リリーフ弁１３の開度を増やして燃料のリリーフ量を増やし、目標燃圧よりも実際の燃圧が低い場合には、電磁リリーフ弁１３の開度を絞ることで燃圧の上昇を図る。
前記ステップＳ１０４へ進んだときには、前記燃料ポンプ４は、前記ステップＳ１０１で算出された基本駆動電流を最終的な駆動電流として駆動される。

燃料ポンプ４の駆動電流（操作量）と吐出量との相関が非リニア特性を示す領域で、燃圧の制御偏差に対して駆動電流をフィードバック補正すると、制御偏差に対して発生する吐出量の変化が大きくばらつき、燃圧が大きく変動することになってしまう。
これに対し、電磁リリーフ弁１３の開度を制御することで燃圧を補正する制御は、燃料ポンプ４の非リニア特性に影響されることがなく、開度補正によって排出量を精度良く制御できるので、目標燃圧付近に安定的に収束させることができる。

従って、燃料ポンプ４が低流量域でリニア特性を示さない場合であっても、前記低流量域を含む全流量域で目標燃圧付近に安定的に収束させることができ、これによって、空燃比制御性を維持して排気性能・運転性能の悪化を回避でき、かつ、リニア特性を示す領域では、燃料ポンプ４を必要最小限に駆動させて燃費性能の向上を図れる。
図４のフローチャートは、フィードバック補正機能の作動切り換えの第２実施形態を示す。

図４のフローチャートにおいて、ステップＳ２０１では、内燃機関１０における燃料消費量と目標燃圧とから、前記燃料ポンプ４の基本駆動電流（基本操作量）を算出する。
次のステップＳ２０２では、前記ステップＳ２０１で算出した基本駆動電流が、予め記憶された設定値（図３参照）を下回る低流量域に該当しているか否かを判断する。
ステップＳ２０２で、基本駆動電流が設定値以上であってリニア特性を示す領域内であると判断されたときには、ステップＳ２０３へ進み、前記基本駆動電流を、実際の燃圧と目標燃圧との差に基づいてフィードバック補正することで、燃圧を補正制御させる（第１補正手段）。

一方、ステップＳ２０２で、基本駆動電流が設定値未満であって非リニア特性を示す領域内であると判断されたときには、ステップＳ２０４へ進む。
ステップＳ２０４では、前記ステップＳ２０１で算出された基本駆動電流を、リニア特性を示す領域内の値に制限し、該制限が加えられた駆動電流によって燃料ポンプ４を駆動する。

即ち、ステップＳ２０４では、前記ステップＳ２０１で算出された基本駆動電流が、リニア特性を示す領域と非リニア特性を示す領域との境界に相当する駆動電流を下回るときには、前記境界に相当する駆動電流に置き換える。
次のステップＳ２０５では、電磁リリーフ弁１３の開度を、実際の燃圧と目標燃圧との差に基づいてフィードバック補正することで、燃圧を補正制御する（第２補正手段）。

電磁リリーフ弁１３の開度を制御することで燃圧を補正制御するときに、燃料ポンプ４を、リニア特性を示す比較的流量の多い駆動電流で駆動させれば、基本的に燃料ポンプ４の吐出量が過剰な状態において、リリーフ量の制御によって目標燃圧に制御することになるので、実際の燃圧が目標燃圧を下回ったときの燃圧の回復を速やかに行わせることができる。

また、リニア領域内では、駆動電流の変動に対する吐出量の変化が、非リニア領域に比べて小さいので、燃料ポンプ４の吐出量が変化しても、リリーフ量の制御によって安定して燃圧を制御することが可能となる。
ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。
（イ）請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置において、
前記リリーフ手段が、前記圧送経路と燃料タンク内とを連通させるリリーフパイプを開閉する電磁リリーフ弁であることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。

かかる構成によると、電磁リリーフ弁を開制御すると、圧送経路内から燃料が排出され、リリーフパイプを介して燃料タンク内に戻されることで、圧送経路内における燃料圧力が低下するので、前記電磁リリーフ弁の開度を制御して圧送経路内からの燃料の排出量を制御することで、圧送経路内における燃料圧力を補正できる。
（ロ）請求項２記載の内燃機関の燃料供給装置において、
前記切り換え手段が、前記燃料ポンプの操作量が設定値を下回るときに、前記第２補正手段を作動させ、前記燃料ポンプの操作量が設定値以上であるときに、前記第１補正手段を作動させることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。

かかる構成によると、燃料ポンプの操作量が設定値を下回る低流量域であって、操作量変化に対する吐出量変化がリニア特性を示さない領域を含む場合には、圧送経路内からの燃料の排出量を制御することで、圧送経路内における燃料圧力を補正する。
一方、燃料ポンプの操作量が設定値以上の中高流量域であって、操作量変化に対する吐出量変化がリニア特性を示す領域では、燃料ポンプの操作量を制御することで、圧送経路内における燃料圧力を補正する。

従って、操作量変化に対する吐出量変化がリニア特性を示さない低流量域において、燃圧が大きく変動することを防止できると共に、操作量変化に対する吐出量変化がリニア特性を示す中高流量域においては、燃料ポンプを必要最小限駆動して、燃費性能の向上を図ることができる。
（ハ）請求項３記載の内燃機関の燃料供給装置において、
前記切り換え手段が、前記相関がリニア特性を示す領域では、第１補正手段を作動させ、前記相関がリニア特性を示さない領域では、第２補正手段を作動させることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。

かかる構成によると、操作量変化に対する吐出量変化がリニア特性を示さない領域では、圧送経路内からの燃料の排出量を制御することで、圧送経路内における燃料圧力を補正し、操作量変化に対する吐出量変化がリニア特性を示す領域では、燃料ポンプの操作量を制御することで、圧送経路内における燃料圧力を補正する。
従って、操作量変化に対する吐出量変化がリニア特性を示さない領域において、燃圧が大きく変動することを防止できると共に、操作量変化に対する吐出量変化がリニア特性を示す領域においては、燃料ポンプを必要最小限駆動して、燃費性能の向上を図ることができる。
（ニ）請求項１〜４記載の内燃機関の燃料供給装置において、
前記第１補正手段を作動させるときに、実際の燃圧が目標燃圧よりも所定以上に大きくなったときに、前記第２補正手段を作動させることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。

かかる構成によると、燃料ポンプの操作量を制御して燃圧を補正しているときに、実際の燃圧が目標を大きく上回ると、圧送経路内から燃料を排出させて速やかな燃圧の降下を図ることができる。

実施形態における内燃機関の燃料供給装置のシステム図。 燃圧制御の第１実施形態を示すフローチャート。 実施形態における燃料ポンプの吐出量と操作量との相関を示すグラフ。 燃圧制御の第２実施形態を示すフローチャート。

符号の説明

１…燃料タンク、４…燃料ポンプ、５ａ，５ｂ…燃料パイプ、７…逆止弁、８…燃料ギャラリーパイプ、９…燃料噴射弁、１０…内燃機関、１１…電子制御ユニット、１２…リリーフパイプ、１３…電磁リリーフ弁、２４…燃圧センサ、２５…燃温センサ

Claims (4)

1. 内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁に対して燃料タンク内の燃料を圧送する燃料ポンプと、
   前記燃料噴射弁に対する燃料の圧送経路内からの燃料の排出を制御するリリーフ手段と、
   前記燃料ポンプの操作量を制御することで前記圧送経路内の圧力を補正する第１補正手段と、
   前記リリーフ手段による燃料の排出量を制御することで前記圧送経路内の圧力を補正する第２補正手段と、
   運転条件に応じて前記第１補正手段と第２補正手段との中から作動させる補正手段を切り換える切り換え手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
2. 前記切り換え手段が、前記燃料ポンプの操作量に応じて、作動させる補正手段を切り換えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料供給装置。
3. 前記切り換え手段が、前記燃料ポンプの吐出量と操作量との相関がリニア特性を示す領域であるか否かに基づいて、作動させる補正手段を切り換えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料供給装置。
4. 前記第２補正手段を作動させるときに、前記燃料ポンプを吐出量と操作量との相関がリニア特性を示す領域内で作動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。

Images