JP2007239610A - エンジンの目標燃圧設定装置及び目標燃圧設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン駆動される燃料ポンプによって高圧化された燃料が供給されるエンジンにおいて、エンジンの運転状態にかかわらず燃料量の不足を生じさせないように目標燃圧を設定する目標燃圧設定装置及び目標燃圧設定方法を提供する。
【解決手段】エンジン駆動される燃料ポンプによって高圧化された燃料が供給されるエンジンの目標燃圧を設定する目標燃圧設定装置であって、エンジンの運転状態に基づいて目標燃圧を設定する目標燃圧設定手段(ステップＳ５)と、燃圧がその目標燃圧のもとで、燃料ポンプの吐出可能な燃料量が、エンジンの必要とする燃料量に不足するときに、目標燃圧を低下させる目標燃圧変更手段(ステップＳ１〜Ｓ４)とを有することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

この発明は、エンジン駆動される燃料ポンプによって高圧化された燃料が供給されるエンジンの目標燃圧を設定する目標燃圧設定装置及び目標燃圧設定方法に関する。

シリンダ内に燃料を直接噴射する筒内直噴式エンジンにおいては、非常に高い燃料圧力(以下「燃圧」という)が要求されるので、モータ駆動のフィードポンプ(低圧ポンプ)が吐出した燃料を、エンジン駆動のプランジャポンプ(高圧ポンプ)で高圧化してエンジンに供給する。

エンジン気筒内の圧力は、エンジンの運転状態、例えばエンジンの回転数や負荷に応じて変わる。そこで従来から、エンジンの運転状態に応じて燃圧を可変制御してエンジンに供給している。例えば、高速域および高負荷域では比較的高圧にし、低速低負荷域では比較的低圧にし、残りの中速域および中負荷域では、中間の燃圧とするように、運転状態に応じた燃圧にしている。

このようなエンジンでは燃料温度(以下「燃温」という)が異常に高温になると、燃料の粘性が低下し、摺動部分での潤滑油膜が不足し、フリクションが増加し、燃費の悪化や極端な場合は摺動部分が摩耗するおそれがあった。そこで特許文献１では燃温が異常高温であるときには燃圧を下げることで燃料ポンプの各摺動部分に加わる面圧を低下させることで摺動部分における油膜厚さを増大させることでフリクション増加を防止している。
特開２０００−１１０６２１号公報

ところで発明者らの最近の研究によれば、燃圧をさらに精緻に制御し、また負荷の増大に応じてさらに高燃圧に制御することで、燃費や燃焼安定性を向上できる。しかし、そのように高燃圧に制御する場合、エンジンの運転状態によっては燃料量が不足し、燃焼安定性が悪化し、リーン失火するおそれがあることが知見された。

本発明は、発明者らのこのような知見に基づいてなされたものであり、エンジン駆動される燃料ポンプによって高圧化された燃料が供給されるエンジンにおいて、エンジンの運転状態にかかわらず燃料量の不足を生じさせないように目標燃圧を設定する目標燃圧設定装置及び目標燃圧設定方法を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、エンジン駆動される燃料ポンプ(２１)によって高圧化された燃料が供給されるエンジンの目標燃圧を設定する目標燃圧設定装置であって、エンジンの運転状態に基づいて目標燃圧を設定する目標燃圧設定手段(ステップＳ５)と、燃圧が前記目標燃圧のもとで、前記燃料ポンプの吐出可能な燃料量が、エンジンの必要とする燃料量に不足するときに、目標燃圧を低下させる目標燃圧変更手段(ステップＳ１〜Ｓ４)とを有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料ポンプの吐出可能な燃料量が、エンジンの必要とする燃料量に不足することを判定したときには、目標燃圧を低下させるようにした。このような目標燃圧に基づいてエンジンを制御すれば吐出性能が高いプランジャポンプを必要とせず、コストアップを抑えることができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１は、本発明による燃料噴射制御装置の一実施形態を示す図である。

燃料噴射装置１は、燃料圧送部１０と、燃料高圧化部２０と、高圧燃料噴射部３０とを備える。

燃料圧送部１０は、フィードポンプ(低圧ポンプ)１１と、プレッシャレギュレータ１２と、燃料フィルタ１３と、燃料タンク１４とを備える。

燃料タンク１４は、燃料を貯留するとともに、フィードポンプ１１、プレッシャレギュレータ１２を収納する。フィードポンプ１１は、電動モータ１１ａで駆動され、燃料タンク１４内の燃料を燃料供給通路１５を介して燃料高圧化部２０に供給する。燃料フィルタ１３はフィードポンプ１１の上流及び下流にそれぞれ配置される。プレッシャレギュレータ１２は、燃料供給通路１５から分岐するリターン通路１６に設けられ、フィードポンプ１１の吐出圧が一定圧以上にならないように、燃料タンク１４に余剰燃料を戻す。また燃料供給通路１５にはダンパ１７が設けられる。このダンパ１７は燃料供給通路１５の圧力脈動を抑制する。

燃料高圧化部２０は、プランジャポンプ(高圧ポンプ)２１と、吸入チェックバルブ２２と、スピル調整ソレノイド２３と、吐出チェックバルブ２４とを備える。

プランジャポンプ２１は、シリンダ２１ａと、プランジャ２１ｂと、スプリング２１ｃとを有する。プランジャ２１ｂはシリンダ２１ａ内を往復動する。プランジャ２１ｂは、ポンプ駆動カム(板カム)２５の周面に従動する。ポンプ駆動カム２５は、吸気バルブ用カムシャフト２６に一体に形成されている。吸気バルブ用カムシャフト２６はチェーン又はベルトを介してクランクシャフトによって駆動される。スプリング２１ｃはプランジャ２１ｂをカム２５の周面に向けて付勢する。

吸入チェックバルブ２２はシリンダ２１ａの吸入側に設けられている。吸入チェックバルブ２２は、燃料がシリンダ２１ａから燃料圧送部１０に逆流することを防止する。

スピル調整ソレノイド２３は、スピルシャフト２３ａを制御する。スピルシャフト２３ａは、吸入チェックバルブ２２を強制的に開放する。吸入チェックバルブ２２がスピルシャフト２３ａによって強制的に開放されると、シリンダ２１ａ内の燃料は、スピル通路２７を通って燃料タンク１４に戻される。

吐出チェックバルブ２４はシリンダ２１ａの吐出側に設けられている。吐出チェックバルブ２４は、燃料が高圧燃料噴射部３０からシリンダ２１ａに逆流することを防止する。

プランジャ２１ｂがポンプ駆動カム２５の周面に従動して下降するときに、フィードポンプ１１からの低圧燃料が吸入チェックバルブ２２を介してシリンダ２１ａに充満する。そしてプランジャ２１ｂがポンプ駆動カム２５の周面に従動して上昇するときに、シリンダ２１ａの燃料の圧力が上昇して吐出チェックバルブ２４が開き、高圧の燃料がオリフィス２８を介してデリバリパイプ３１に供給され、デリバリパイプ３１内が高圧化する。なお、プランジャポンプ２１の吐出量は、スピル調整ソレノイド２３によってコントロールされる。すなわち、プランジャ２１ｂが上昇するときに、スピルシャフト２３ａによる吸入チェックバルブ２２の開放時間を長くすれば、スピル通路２７を通って燃料タンク１４に戻される燃料量が増大し、プランジャポンプ２１の吐出量、すなわちデリバリパイプ３１への燃料供給量は減少する。反対にスピルシャフト２３ａによる吸入チェックバルブ２２の開放時間を短くすれば、スピル通路２７を通って燃料タンク１４に戻される燃料量が少なくなり、プランジャポンプ２１の吐出量、すなわちデリバリパイプ３１への燃料供給量は増大する。

高圧燃料噴射部３０は、デリバリパイプ３１と、高圧燃料噴射弁３２ａ〜３２ｄとを備える。

デリバリパイプ３１は、プランジャポンプ２１から吐出される高圧燃料を蓄える。デリバリパイプ３１に蓄えられた高圧燃料は、高圧燃料噴射弁３２ａ〜３２ｄからエンジンのシリンダ内に直接噴射される。

デリバリパイプ３１は、安全弁３３を備える。この安全弁３３はデリバリパイプ３１内の燃料圧力が許容圧力を超えたときに開いて、デリバリパイプ３１内の高圧燃料の一部を燃料タンク１４に戻す。すなわちこの安全弁３３の開閉によってデリバリパイプ３１内の燃料圧力を調整する。

デリバリパイプ３１内の燃料の温度及び圧力は、温度圧力センサ５１によって検出される。なおセンサは温度及び圧力をそれぞれ検出する複数のセンサで検出しても、また例えば圧力から温度を算出(間接的に検出)するようにしてもよい。

コントローラ５０は温度圧力センサ５１、クランク角センサ５２、アクセルペダル踏込量センサ５３の信号を入力し、電動モータ１１ａ、スピル調整ソレノイド２３、高圧燃料噴射弁３２ａ〜３２ｄを制御する。コントローラ５０はクランク角センサ５２の信号に基づいてエンジン回転速度を算出する。コントローラ５０はアクセルペダル踏込量センサ５３の信号に基づいて負荷を算出する。コントローラ５０は中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ５０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。

ここで本発明の解決課題を確認する。

フィードポンプ(低圧ポンプ)１１で圧送された燃料は、プランジャポンプ(高圧ポンプ)２１で高圧化され、デリバリパイプ３１に一旦貯留されて高圧燃料噴射弁から噴射される。このときの噴射圧力を、エンジンの運転状態に応じて変化させることで、燃費や燃焼安定性を向上できる。

ところが実際に噴射される燃料量は、エンジンの運転状態(燃料の温度圧力)によって変化する。そのため目標燃料量を設定しても、実際には目標通りの燃料量を供給することができず、燃料量が不足するおそれのあることが分かった。

これについて図２を参照して説明する。図２はプランジャポンプ(高圧ポンプ)の吐出可能燃料量とエンジンの必要燃料量との関係を示す図である。図中太線は通常燃温通常燃圧であるときにプランジャポンプから吐出可能な燃料量を示す。細線は高燃温高燃圧であるときのプランジャポンプから吐出可能な燃料量を示す。破線は或る一定負荷のときにエンジンが必要とする燃料量を示す。

プランジャポンプは、エンジンのクランクシャフトによって駆動されるので、プランジャポンプの吐出量はエンジン回転数に比例する。

燃料が高燃温高燃圧の状態になると、通常燃温通常燃圧の状態に比べてプランジャポンプから吐出可能な燃料量が減少し(グラフの傾きが緩やかである)、エンジンの要求燃料量に不足する領域(図中の斜線領域)が存在することとなる。図２ではエンジン回転数がＮe0(三千数百ｒｐｍ程度)からＮe1(六千ｒｐｍ程度)の範囲で吐出量の不足する領域がある。

このようになる理由についての発明者らの見解について図３を参照して説明する。図３は燃温及び燃圧を変えたときのプランジャポンプの吐出効率を示す図である。図３の菱形は燃圧が５ＭＰａであり、四角は燃圧が１０ＭＰａであり、円は燃圧が１０ＭＰａである。また黒塗り及び細線は、燃温が常温(例えば４０〜５０℃程度)であり、白抜き及び太線は、燃温が高温(例えば８０〜９０℃程度)であることを示す。

ここで吐出効率について補足する。

プランジャポンプ２１は、上述のようにプランジャ２１ｂがシリンダ２１ａ内を往復動することによって燃料を吐出する。このときプランジャ２１ｂの移動容積が理論上の吐出量である。ところが実際の吐出量(実吐出量)は理論吐出量に満たない。この比が吐出効率である。すなわち吐出効率は以下の式で表される。

なお理論吐出量は以下の式で表される。

図３を見ると、燃温が一定の場合には、燃温が常温で一定の場合でも、燃温が高温で一定の場合でも、燃圧が５ＭＰａ→１０ＭＰａ→１５ＭＰａと上昇するにつれて吐出効率が低下していることが分かる。

また燃圧が一定の場合には、燃圧が５ＭＰａで一定のときも、燃圧が１０ＭＰａで一定のときも、燃圧が１５ＭＰａで一定のときも、燃温が常温→高温と上昇するにつれて吐出効率が低下していることが分かる。

以上から、高燃温高燃圧のときに吐出効率が低いことが分かる。理論吐出量は一定であるので、吐出効率は実吐出量に比例する。したがって高燃温高燃圧のときに吐出効率が低いのは、実吐出量が低下しているためである。

ここで高燃温高燃圧のときに実吐出量が低下する理由について説明する。

まず燃温が上昇するにつれて実吐出量が低下することについて説明する。

プランジャポンプ２１は、上述のようにプランジャ２１ｂがシリンダ２１ａ内を往復動することによって燃料を吐出する。したがってプランジャ２１ｂの移動容積が理論上の吐出量である。ところで燃料の密度は燃温が高くなるほど低くなる。燃温が１０℃上昇すると、密度が１％程度低下することが発明者らの知見である。そこで燃温が高温になるほど、プランジャ２１ｂの往復動によって実際に吐出される燃料量は減少する。

次に燃圧が上昇するにつれて実吐出量が低下することについて説明する。

プランジャポンプ２１は、上述のようにプランジャ２１ｂがシリンダ２１ａ内を往復動することによって燃料を吐出する。したがってプランジャ２１ｂの移動容積が理論上の吐出量になる。ところが、図４に示すように、そのうちの一部が燃圧の昇圧分に消費され、残りが実際の吐出量になる。したがって、燃圧が高圧になり、昇圧分が大きくなればなるほど、実際に吐出される燃料量が少なくなる。
また燃圧が高圧になると燃温も上昇する。これによっても実吐出量が減少するのである。

このようにプランジャポンプの実吐出量は、燃料温度が高温になればなるほど、また燃料圧力が高圧になればなるほど、低下し、吐出効率が下がる。そして図２に示すようにエンジンの運転状態によっては必要燃料量に不足する事態が発生するのである。このような場合でも目標燃料量を高いままエンジン制御を行っては、実際に望まれる制御を実行できない。そこで本発明ではそのようなときには目標値を変更するようにしたのである。すなわち、燃料温度や燃料圧力を下げることができれば吐出効率がアップする。燃料温度は容易に下げることができない。そこで本発明では、目標燃料圧力を下げるようにし、この目標燃料圧力に基づいてエンジンを制御するようにしたのである。

このように目標燃料圧力を下げれば燃費の低下は低下する可能性がある。しかしこのような制御の必要な運転範囲は限定的である。すなわち図２ではエンジン回転数がＮe0(三千数百ｒｐｍ程度)からＮe1(六千ｒｐｍ程度)の範囲であって高燃温高燃圧のときにのみ吐出量が不足するからである。

エンジンがそのような運転範囲よりも低速のときは、図３に示すように吐出効率は低い。ところが必要な燃料量も少ないので、図２に示すように実際に供給可能な燃料量が必要燃料量に対して不足しない。

またエンジンが高速のときは、図３に示すようにエンジンの回転数が上がるほど吐出効率が低下する。ところが燃温燃圧違いによる吐出効率の差異は少なくなり、燃温燃圧にかかわらず、吐出効率は略同じになる。したがってエンジン回転数の上昇による吐出効率の低下を考慮して目標燃料量を増量補正することで、図２に示すように実際に供給可能な燃料量が必要燃料量に対して不足しない。

ところが図２のエンジン回転数がＮe0(三千数百ｒｐｍ程度)からＮe1(六千ｒｐｍ程度)の範囲では、燃温燃圧違いによって吐出効率は変わる。また必要な燃料量自体の量も多い。そのためエンジンの運転状態によっては燃料量が不足するのである。

このような運転範囲において目標燃料量を増量補正することも考えられる。しかしそのためには吐出能力の高いプランジャポンプが必要となる。エンジン回転数が所定範囲であって、かつ燃料が高燃温高燃圧であるという限られた運転状態のために、高性能なポンプを使用してコストアップを招くことは望ましくない。

そこで本発明では、吐出効率の低下することで吐出量が不足する運転範囲を検出し、このような範囲では、燃費向上よりもポンプ性能を優先して目標燃圧を低下するようにしたのである。このような目標燃圧に基づいてエンジンを制御すれば吐出性能が高いプランジャポンプを必要とせず、コストアップを抑えることができるのである。

以下ではコントローラ５０の具体的な制御ロジックについて図５のフローチャートに沿って説明する。

ステップＳ１において、コントローラ５０は、燃料温度を検出し、その燃料温度が規定温度よりも高温であるか否かを判定する。なお規定温度はあらかじめ実験を通じて設定され、ＲＯＭに格納されている。高温であればステップＳ２に処理を移行し、そうでなければステップＳ５に処理を移行する。

ステップＳ２において、コントローラ５０は、エンジン負荷が規定負荷よりも高負荷であるか否かを判定する。なお規定負荷はあらかじめ実験を通じて設定され、ＲＯＭに格納されている。高負荷であればステップＳ３に処理を移行し、そうでなければステップＳ５に処理を移行する。

ステップＳ３において、コントローラ５０は、エンジン回転速度が規定回転速度よりも高回転であるか否かを判定する。なお規定回転速度はあらかじめ実験を通じて設定され、ＲＯＭに格納されている。高回転であればステップＳ４に処理を移行し、そうでなければステップＳ５に処理を移行する。

ステップＳ４において、コントローラ５０は、燃圧マップとして図６(Ｂ)に示す高水温時の目標燃圧マップを使用して燃圧制御を行う。

ステップＳ５において、コントローラ５０は、燃圧マップとして図６(Ａ)に示す通常時の目標燃圧マップを使用して燃圧制御を行う。

ここで図６に示した燃圧マップについて説明する。

図６(Ａ)は通常時に使用する目標燃圧マップであり、図６(Ｂ)は高燃温時に使用する目標燃圧マップである。これらのマップはあらかじめ実験を通じて設定され、ＲＯＭに格納されている。

燃圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６は、以下の関係にある。

プランジャポンプの実吐出量は、燃料温度が高温になればなるほど、また燃料圧力が高圧になればなるほど、低下し、吐出効率が下がる。そしてエンジンの運転状態によっては必要燃料量に不足する事態が発生する。このような場合でも目標燃料量を高いままエンジン制御を行っては、実際に望まれる制御を実行できない。そこで本発明ではそのようなときには目標値を変更するようにしたのである。すなわち、燃料温度や燃料圧力を下げることができれば吐出効率がアップする。燃料温度は容易に下げることができない。そこで本発明では、目標燃料圧力を下げるようにし、この目標燃料圧力に基づいてエンジンを制御するようにしたのである。

このように目標燃料圧力を下げれば燃費は低下する可能性がある。しかしこのような制御の必要な運転範囲は限定的である。すなわちエンジン回転数が所定範囲であって高燃温高燃圧のときにのみ吐出量が不足するからである。

このような運転範囲において目標燃料量を増量補正することも考えられる。しかしそのためには吐出能力の高いプランジャポンプが必要となる。エンジン回転数が所定範囲であって、かつ燃料が高燃温高燃圧であるという限られた運転状態のために、高性能なポンプを使用してコストアップを招くことは望ましくない。

そこで本発明では、プランジャポンプの吐出効率が低下することで吐出量が不足する運転範囲を検出し、このような範囲では、燃費向上よりもポンプ性能を優先して目標燃圧を低下するようにしたのである。このような目標燃圧に基づいてエンジンを制御すれば吐出性能が高いプランジャポンプを必要とせず、コストアップを抑えることができるのである。

またそのような稀なエンジン運転領域以外では燃費及び燃焼安定性を向上できる。したがってトータルとして優れた燃費及び燃焼安定性を得ることができるのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

本発明による燃料噴射制御装置の一実施形態を示す図である。 プランジャポンプ(高圧ポンプ)の吐出可能燃料量とエンジンの必要燃料量との関係を示す図である。 燃温及び燃圧を変えたときのプランジャポンプの吐出効率を示す図である。 プランジャポンプの理論吐出量と実吐出量との関係を示す図である。 コントローラの具体的な制御ロジックを説明するフローチャートである。 燃圧マップの一例を示す図である。

符号の説明

１１ フィードポンプ(低圧ポンプ)
２１ プランジャポンプ(高圧ポンプ)
２１ａ シリンダ
２１ｂ プランジャ
ステップＳ１〜Ｓ３ 不足判定手段
ステップＳ４ 目標燃圧変更手段
ステップＳ５ 目標燃圧設定手段

Claims (6)

1. エンジン駆動される燃料ポンプによって高圧化された燃料が供給されるエンジンの目標燃圧を設定する目標燃圧設定装置であって、
   エンジンの運転状態に基づいて目標燃圧を設定する目標燃圧設定手段と、
   燃圧が前記目標燃圧のもとで、前記燃料ポンプの吐出可能な燃料量が、エンジンの必要とする燃料量に不足するときに、目標燃圧を低下させる目標燃圧変更手段と、
   を有することを特徴とするエンジンの目標燃圧設定装置。
2. 燃圧が前記目標燃圧のもとで、前記燃料ポンプの吐出可能な燃料量が、エンジンの必要とする燃料量に不足するか否かを、燃温に基づいて判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの目標燃圧設定装置。
3. 燃圧が前記目標燃圧のもとで、前記燃料ポンプの吐出可能な燃料量が、エンジンの必要とする燃料量に不足するか否かを、負荷に基づいて判定する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの目標燃圧設定装置。
4. 燃圧が前記目標燃圧のもとで、前記燃料ポンプの吐出可能な燃料量が、エンジンの必要とする燃料量に不足するか否かを、エンジン回転速度に基づいて判定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエンジンの目標燃圧設定装置。
5. 燃圧が前記目標燃圧のもとで、前記燃料ポンプの吐出可能な燃料量が、エンジンの必要とする燃料量に不足するか否かを、エンジン回転速度及び負荷が所定範囲内にあり、燃温が規定温度よりも高温であることに基づいて判定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のエンジンの目標燃圧設定装置。
6. エンジン駆動される燃料ポンプによって高圧化された燃料が供給されるエンジンの目標燃圧を設定する目標燃圧設定方法であって、
   エンジンの運転状態に基づいて目標燃圧を設定する目標燃圧設定工程と、
   燃圧が前記目標燃圧のもとで、前記燃料ポンプの吐出可能な燃料量が、エンジンの必要とする燃料量に不足するときに、目標燃圧を低下させる目標燃圧変更工程と、
   を有することを特徴とするエンジンの目標燃圧設定方法。