JP2007315286A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】電力の消費を抑制しつつ、燃料を加圧する。
【解決手段】インジェクタに燃料を供給する高圧ポンプ１１４０は、スプリング１３１０により、流入口１３０６を閉じる方向に付勢されたニードル１３０８を有する電磁スピル弁１３００と、インテークカムシャフトに設けられたカム１１２２により上下方向に摺動されて燃料を加圧するポンププランジャ１３０４とを含む。スプリング１３１０の付勢力は、フィードポンプから供給された燃料の圧力により流入口１３０６が開くように設定される。エンジンの始動時において、インテークカムシャフトが回転するようにＶＶＴ機構の電動モータが駆動される。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、燃料を吐出する第１のポンプと、カムシャフトが回転することにより駆動し、前記第１のポンプから供給された燃料を加圧して吐出する第２のポンプとを有する内燃機関を制御する技術に関する。

従来より、燃料を筒内に直接噴射する直噴エンジンにおいては、燃料タンクからフィードポンプにより吐出された燃料を、高圧ポンプによりさらに加圧して、インジェクタに供給していた。高圧ポンプは、カムシャフトに設けられたカムによりプランジャを昇降させて、燃料を加圧する。そのため、カムシャフトを回転させることができないと、高圧ポンプにより燃料を加圧することができない。したがって、たとえばエンジン始動時においては、燃料の圧力が低く、燃料を微粒化して噴射し難い。そこで、エンジンの始動時において、電動モータによって高圧ポンプの駆動をアシストする技術が提案されている。

特開２００４−３２４４１９号公報（特許文献１）は、高圧燃料ポンプを備え、高圧燃料ポンプによって昇圧された燃料をインジェクタから機関燃焼室内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置を開示する。この燃料供給装置は、高圧燃料ポンプと駆動連結された補助動力部を含む。内燃機関の始動時には補助動力部によって高圧燃料ポンプの駆動あるいは駆動トルクのアシストが行なわれる。補助動力部には、電動モータが用いられる。

この燃料供給装置によれば、内燃機関の始動時には電動モータによって高圧燃料ポンプの駆動、あるいは駆動トルクのアシストをすることにより、内燃機関のクランキング時から完爆後の持続運転までの運転範囲を所定の燃料圧力（高圧）に保つことが可能となり、燃料噴霧の気化促進による燃焼室壁面への液膜付着燃料抑制の効果によって始動時に内燃機関から排出されるＨＣを大幅に低減できる。
特開２００４−３２４４１９号公報

一般的に、高圧ポンプは、カムで駆動され上下に摺動するポンププランジャと、電磁スピル弁とを主な構成部品としている。カムによりポンププランジャが下方向に移動しているときであって電磁スピル弁が開いているときに燃料が導入される（吸い込まれる）。カムによりポンププランジャが上方向に移動しているときに電磁スピル弁を閉じことにより燃料を加圧し、加圧された燃料が吐出される。この電磁スピル弁の開閉作動は、電力を用いて制御される。したがって、特開２００４−３２４４１９号公報に記載の燃料供給装置のように、電動モータを用いて高圧燃料ポンプを作動させる場合においても、電磁スピル弁の作動を制御しなければならない。そのため、電磁スピル弁を作動させるために電力を消費する時間が拡大し、燃費が悪化し得る。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、燃費の悪化を抑制しつつ、燃料を加圧することができる内燃機関を提供することである。

第１の発明に係る内燃機関は、燃料を吐出する第１のポンプと、カムシャフトが回転することにより駆動し、第１のポンプから供給された燃料を加圧して吐出する第２のポンプとを有する。この内燃機関は、インテークバルブおよびエキゾーストバルブのうちの少なくともいずれか一方のバルブが開閉する位相を変更するようにカムシャフトを回転させる回転機構と、内燃機関の始動時において、カムシャフトが回転するように回転機構を制御するための制御手段とを含む。第２のポンプは、第１のポンプから送り出された燃料が第２のポンプ内に流入する流入口を、第１のポンプから吐出された燃料の圧力によって開くとともに第２のポンプから燃料が吐出される際に流入口を閉じるように付勢された弁を含む。

第１の発明によると、回転機構により、カムシャフトが回転せしめられて、インテークバルブおよびエキゾーストバルブのうちの少なくともいずれか一方のバルブが開閉する位相が変更される。この回転機構は、内燃機関の始動時において、カムシャフトが回転するように制御される。これにより、内燃機関が始動しておらず、内燃機関の動力を用いてカムシャフトを回転させることができない場合であっても、第２のポンプを駆動させることができる。この第２のポンプ内に燃料が流入する流入口を開閉する弁は、第１のポンプから吐出された燃料の圧力によって開くとともに第２のポンプから燃料が吐出される際に流入口を閉じるように付勢される。これにより、電力等を用いて弁を制御せずとも、燃料を加圧して第２のポンプから燃料を吐出することができる。そのため、燃費の悪化を抑制しつつ、燃料を加圧することができる内燃機関を提供することができる。

第２の発明に係る内燃機関においては、第１の発明の構成に加え、制御手段は、内燃機関の始動時において、クランキング開始前に、カムシャフトが回転するように回転機構を制御するための手段を含む。

第２の発明によると、内燃機関の始動時において、クランキング開始前に、カムシャフトが回転するように回転機構が制御される。これにより、内燃機関を始動する際において、より早い段階で燃料を加圧することができる。そのため、噴射される燃料の微粒化を促進することができる。

第３の発明に係る内燃機関においては、第１または２の発明の構成に加え、回転機構は、カムシャフトを回転させるように電力で作動するアクチュエータを含む。

第３の発明によると、カムシャフトは電力で作動するアクチュエータにより回転される。これにより、内燃機関の動力が小さい始動時においても、第２のポンプを十分に駆動させることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係る内燃機関であるエンジン１０００について説明する。エンジン１０００は、「Ａ」バンク１０１０と「Ｂ」バンク１０１２とに、それぞれ４つの気筒からなる気筒群が設けられたＶ型８気筒エンジンである。なお、Ｖ型８気筒以外の形式のエンジンを用いるようにしてもよい。

エンジン１０００には、エアクリーナ１０２０から空気が吸入される。吸入空気量は、スロットルバルブ１０３０により調整される。スロットルバルブ１０３０はモータにより駆動される電子スロットルバルブである。

空気は、シリンダ１０４０（燃焼室）において燃料と混合される。シリンダ１０４０には、インジェクタ１０５０から燃料が直接噴射される。すなわち、インジェクタ１０５０の噴射孔はシリンダ１０４０内に設けられている。

燃料は吸気行程において噴射される。なお、燃料が噴射される時期は、吸気行程に限らない。また、本実施の形態においては、インジェクタ１０５０の噴射孔がシリンダ１０４０内に設けられた直噴エンジンとしてエンジン１０００を説明するが、直噴用のインジェクタ１０５０に加えて、ポート噴射用のインジェクタを設けてもよい。

シリンダ１０４０内の混合気は、点火プラグ１０６０により着火され、燃焼する。燃焼後の混合気、すなわち排気ガスは、三元触媒１０７０により浄化された後、車外に排出される。混合気の燃焼によりピストン１０８０押し下げられ、クランクシャフト１０９０が回転する。

シリンダ１０４０の頭頂部には、インテークバルブ１１００およびエキゾーストバルブ１１１０が設けられる。インテークバルブ１１００はインテークカムシャフト１１２０により駆動される。エキゾーストバルブ１１１０はエキゾーストカムシャフト１１３０により駆動される。インテークカムシャフト１１２０とエキゾーストカムシャフト１１３０とは、チェーンやギヤ等により連結され、同じ回転数で回転する。

インテークバルブ１１００は、インテークカムシャフト１１２０に設けられたＶＶＴ（Variable Valve Timing）機構２０００により、位相（開閉タイミング）が制御される。本実施の形態においては、インテークカムシャフト１１２０がＶＶＴ機構２０００により回転されることにより、インテークバルブ１１００の開閉タイミングが制御される。なお、開閉タイミングを制御する方法はこれに限らない。なお、エキゾーストバルブ１１１０の開閉タイミングを制御するようにしてもよい。

ＶＶＴ機構２０００は、電動モータ２００２により作動する。すなわち、電動モータ２００２を駆動することにより、インテークカムシャフト１１２０が回転せしめられる。ＶＶＴ機構２０００には、公知の技術を利用すればよいため、ここではその詳細な説明は繰り返さない。

このエンジン１０００は、始動時においてスタータモータ３０００によりクランキングされる。エンジン１０００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０００により制御される。

ＥＣＵ４０００には、クランク角センサ５０００からクランクシャフト１０９０の回転数およびクランク角を表す信号が入力される。また、ＥＣＵ４０００には、カムポジションセンサ５０１０からインテークカムシャフト１１２０の位相（回転方向におけるカムシャフトの位置）を表す信号が入力される。

さらに、ＥＣＵ４０００には、水温センサ５０２０からエンジン１０００の水温（冷却水の温度）を表す信号が、エアフローメータ５０３０からエンジン１０００の吸入空気量（エンジン１０００に吸入される空気量）を表す信号が入力される。

ＥＣＵ４０００は、これらのセンサから入力された信号、メモリ（図示せず）に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン１０００が所望の運転状態になるように、スロットル開度、点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射量、インテークバルブ１１００の開閉タイミングなどを制御する。

本実施の形態において、ＥＣＵ４０００は、図２に示すように、エンジン回転数ＮＥと吸入空気量ＫＬとをパラメータとしたマップに基づいて、インテークカムシャフト１１２０の位相（インテークバルブ１１００の開閉タイミング）を決定する。インテークカムシャフト１１２０の位相を決定するためのマップは、水温別に複数記憶される。

図１に戻って、「Ａ」バンク１０１０および「Ｂ」バンク１０１２のうち、「Ａ」バンク１０１０には、インジェクタ１０５０に供給される燃料を加圧する高圧ポンプ１１４０が設けられる。

高圧ポンプ１１４０は、「Ａ」バンク１０１０のインテークカムシャフト１１２０により駆動される。「Ａ」バンク１０１０のインテークカムシャフト１１２０に設けられたカムにより、高圧ポンプ１１４０のポンププランジャが上下動せしめられ、燃料が加圧される。

図３に、エンジン１０００の燃料供給システムを示す。燃料供給システムは、燃料タンクに設けられ、低圧（プレッシャーレギュレータ圧力である４００ｋＰａ程度）の吐出圧で燃料を供給するフィードポンプ１１５０と、高圧ポンプ１１４０と、インジェクタ１０５０に高圧燃料を供給するための左右のバンク毎に設けられたデリバリパイプ１１６０と、デリバリパイプ１１６０に設けられた左右のバンク各４個ずつのインジェクタ１０５０とを含む。

燃料タンクのフィードポンプ１１５０の吐出口は、低圧供給パイプ１１７０に接続される。低圧供給パイプ１１７０は、高圧ポンプ１１４０の流入口にそれぞれ接続される。高圧ポンプ１１４０の流入口の手前には、パルセーションダンパ１１８０が設けられ、燃料脈動の低減を図っている。

高圧ポンプ１１４０の吐出口は、高圧デリバリ連通パイプ１１９０に接続され、高圧デリバリ連通パイプ１１９０は、Ｖ型バンクの片方のバンクのデリバリパイプ１１６０に接続される。Ｖ型バンクの片方のバンクのデリバリパイプ１１６０ともう片方のバンクのデリバリパイプ１１６０とは、高圧連通パイプ１２００により接続される。

デリバリパイプ１１６０に設けられたリリーフバルブ１２１０は、高圧デリバリリターンパイプ１２２０を介して高圧燃料ポンプリターンパイプ１２３０に接続される。高圧ポンプ１１４０のリターン口は、高圧燃料ポンプリターンパイプ１２３０に接続される。高圧燃料ポンプリターンパイプ１２３０は、リターンパイプ１２４０に接続され、燃料タンクに接続される。

図４に、図１の高圧ポンプ１１４０付近の拡大図を示す。高圧ポンプ１１４０は、電磁スピル弁１３００と、チェックバルブ１３０２と、インテークカムシャフト１１２０のカム１１２２で駆動され上下に摺動するポンププランジャ１３０４とを主な構成部品としている。

カム１１２２によりポンププランジャ１３０４が下方向に移動しているときであって電磁スピル弁１３００（流入口１３０６）が開いているときに燃料が流入口１３０６から流入する（吸い込まれる）。

カム１１２２によりポンププランジャ１３０４が上方向に移動しているときに電磁スピル弁１３００（流入口１３０６）を閉じるタイミングを変更して、高圧ポンプ１１４０から吐出される燃料量を制御する。ポンププランジャ１３０４が上方向に移動している加圧行程中における電磁スピル弁１３００を閉じる時期が早いほど多くの燃料が吐出され、遅いほど少ない燃料が吐出される。

図５に示すように、電磁スピル弁１３００のニードル１３０８は、スプリング１３１０により、流入口１３０６を閉じる方向に付勢されている。スプリング１３１０の付勢力は、図６に示すように、フィードポンプ１１５０から供給された燃料の圧力により流入口１３０６が開くように設定される。

ニードル１３０８が下がった状態において、電磁スピル弁１３００のコイル１３１２に通電すると、図７に示すように、ニードル１３０８が下がった状態、すなわち流入口１３０６が開いた状態が維持される。この状態では、カム１１２２が回転している限り（エンジンが回転している限り）ポンププランジャ１３０４は上下方向に摺動するが、流入口１３０６が閉じないので、燃料は加圧されない。

電磁スピル弁１３００のコイル１３１２に通電しなければ、カム１１２２によりポンププランジャ１３０４が上方向に移動することに伴なって高圧ポンプ１１４０内の圧力が上昇することにより、図８に示すように、ニードル１３０８が上がる。すなわち、流入口１３０６が閉じる。この状態で、燃料が加圧される。加圧された燃料は、チェックバルブ１３０２（設定圧６０ｋＰａ程度）を押し開けて、高圧ポンプ１１４０から吐出される。

図９を参照して、本実施の形態に係る内燃機関であるエンジン１０００を制御するＥＣＵ４０００が実行するプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、ＥＣＵ４０００は、エンジン１０００の始動要求があるか否かを判別する。たとえば運転者がイグニッションスイッチ（図示せず）をオンにした場合、始動要求があると判別される。エンジン１０００の始動要求があると（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理はＳ２００に移される。もしそうでないと（Ｓ１００にてＮＯ）、処理はＳ１００に戻される。

Ｓ２００にて、ＥＣＵ４０００は、燃料を吐出するようにフィードポンプ１１５０を駆動する。Ｓ３００にて、ＥＣＵ４０００は、電磁スピル弁１３００のコイル１３１２への通電を行なわずに、インテークカムシャフト１１２０が回転するようにＶＶＴ機構２０００の電動モータ２００２を駆動する。

このとき、インテークカムシャフト１１２０の位相が最遅角になる状態と最進角になる状態とを繰り返すように、電動モータ２００２が駆動される。すなわち、高圧ポンプ１１４０のポンププランジャ１３０４が下方向（燃料を吸入する方向）への摺動と上方向（燃料を加圧する方向）への摺動とを繰り返すように、電動モータ２００２が駆動される。

電動モータ２００２の駆動は、たとえば予め定められた時間だけ行なわれる。なお、電動モータ２００２の駆動方法はこれらに限らない。

Ｓ４００にて、ＥＣＵ４０００は、スタータモータ３０００により、エンジン１０００をクランキングするとともに、インジェクタ１０５０からの燃料噴射を開始して、エンジン１０００を始動する。その後、この処理は終了する。

以上のような構造およびフローチャートに基づく本実施の形態に係る内燃機関であるエンジン１０００の動作について説明する。

エンジン１０００の始動要求があると（Ｓ１００にてＹＥＳ）、燃料を吐出するようにフィードポンプ１１５０が駆動される（Ｓ２００）。これにより、前述した図６に示すように、フィードポンプ１１５０から供給された燃料の圧力によりニードル１３０８を下げて流入口１３０６を開き、高圧ポンプ１１４０内に燃料を導入することができる。

この状態で、電磁スピル弁１３００のコイル１３１２への通電を行なわずに、インテークカムシャフト１１２０が回転するように、かつインテークカムシャフト１１２０の位相が最遅角になる状態と最進角になる状態とを繰り返すように、ＶＶＴ機構２０００の電動モータ２００２が駆動される（Ｓ３００）。

このとき、エンジン１０００が停止した際のインテークカムシャフト１１２０の停止位置によって、カム１１２２のリフト量が４つのパターンのうちのいずれかのパターンで変化する。

第１のパターンは、図１０に示すように、進角時にカム１１２２のリフト量が小さくなり遅角時にカム１１２２のリフト量が大きくなるというパターンである。第２のパターンは、図１１に示すように、進角時にカム１１２２のリフト量が大きくなり遅角時にカム１１２２のリフト量が小さくなるというパターンである。

第３のパターンは、図１２に示すように、進角時および遅角時にカム１１２２のリフト量が小さくなって、その後大きくなるというパターンである。第４のパターンは、図１３に示すように、進角時および遅角時にカム１１２２のリフト量が大きくなって、その後小さくなるというパターンである。

いずれのパターンにおいても、ポンププランジャ１３０４を上下方向に摺動せしめることができる。このとき、電磁スピル弁１３００のコイル１３１２への通電を行なわない。そのため、前述した図８に示すように、ポンププランジャ１３０４が上方向に移動することに伴なって高圧ポンプ１１４０内の圧力が上昇することにより、流入口１３０６を閉じ、燃料を加圧することができる。その結果、高い圧力の燃料をインジェクタ１０５０に供給することができる。

燃料の圧力が高められた後、スタータモータ３０００により、エンジン１０００をクランキングするとともに、インジェクタ１０５０からの燃料噴射を開始して、エンジン１０００が始動される（Ｓ４００）。これにより、エンジン１０００の始動時において、燃料の微粒化を促進することができる。そのため、燃料の燃焼性を向上することができる。

以上のように、本実施の形態に係る内燃機関であるエンジンによれば、高圧ポンプの流入口を閉じるように付勢された電磁スピル弁のニードルが、フィードポンプから送り出された燃料の圧力により下降せしめられる。これにより、流入口を開き、燃料を高圧ポンプ内に導入することができる。この状態で、電磁スピル弁のコイルに通電せずに、インテークカムシャフトが回転するように、ＶＶＴ機構の電動モータが駆動される。これにより、ポンププランジャが上方向に移動することに伴なってニードルを上方向に移動させて、流入口を閉じることができる。そのため、電磁スピル弁に通電することなく、高圧ポンプにより加圧した燃料を吐出することができる。その結果、電力の消費を抑えて燃費の悪化を抑制しつつ、燃料を加圧することができる。

なお、本実施の形態においては、イグニッションスイッチがオンにされた場合にＶＶＴ機構２０００の電動モータ２００２を駆動して高圧ポンプ１１４０を作動させていたが、車両のドアが開いた場合に電動モータ２００２を駆動して高圧ポンプ１１４０を作動させるようにしてもよい。

また、エキゾーストカムシャフト１１３０により高圧ポンプを駆動させるとともに、エンジン１０００の始動時に、電動モータを用いたＶＶＴ機構によりエキゾーストカムシャフト１１３０の位相を制御するようにしてもよい。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本実施の形態に係る内燃機関であるエンジンを示す図である。 インテークカムシャフトの位相の目標値を定めたマップを示す図である。 エンジンの燃料供給システムを示す図である。 高圧ポンプを示す図である。 電磁スピル弁の作動状態を示す図（その１）である。 電磁スピル弁の作動状態を示す図（その２）である。 電磁スピル弁の作動状態を示す図（その３）である。 電磁スピル弁の作動状態を示す図（その４）である。 図１のＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示す図である。 インテークバルブのカムのリフト量を示す図（その１）である。 インテークバルブのカムのリフト量を示す図（その２）である。 インテークバルブのカムのリフト量を示す図（その３）である。 インテークバルブのカムのリフト量を示す図（その４）である。

符号の説明

１０００ エンジン、１０５０ インジェクタ、１１００ インテークバルブ、１１１０ エキゾーストバルブ、１１２０ インテークカムシャフト、１１２２ カム、１１３０ エキゾーストカムシャフト、１１４０ 高圧ポンプ、１１５０ フィードポンプ、１１６０ デリバリパイプ、１１７０ 低圧供給パイプ、１１８０ パルセーションダンパ、１１９０ 高圧デリバリ連通パイプ、１２００ 高圧連通パイプ、１２１０ リリーフバルブ、１２２０ 高圧デリバリリターンパイプ、１２３０ 高圧燃料ポンプリターンパイプ、１２４０ リターンパイプ、１３００ 電磁スピル弁、１３０２ チェックバルブ、１３０４ ポンププランジャ、１３０６ 流入口、１３０８ ニードル、１３１０ スプリング、１３１２ コイル、２０００ ＶＶＴ機構、２００２ 電動モータ、３０００ スタータモータ。

Claims (3)

1. 燃料を吐出する第１のポンプと、カムシャフトが回転することにより駆動し、前記第１のポンプから供給された燃料を加圧して吐出する第２のポンプとを有する内燃機関であって、
   インテークバルブおよびエキゾーストバルブのうちの少なくともいずれか一方のバルブが開閉する位相を変更するように前記カムシャフトを回転させる回転機構と、
   前記内燃機関の始動時において、前記カムシャフトが回転するように前記回転機構を制御するための制御手段とを含み、
   前記第２のポンプは、前記第１のポンプから吐出された燃料が前記第２のポンプ内に流入する流入口を、前記第１のポンプから吐出された燃料の圧力によって開くとともに前記第２のポンプから燃料が吐出される際に前記流入口を閉じるように付勢された弁を含む、内燃機関。
2. 前記制御手段は、前記内燃機関の始動時において、クランキング開始前に、前記カムシャフトが回転するように前記回転機構を制御するための手段を含む、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記回転機構は、前記カムシャフトを回転させるように電力で作動するアクチュエータを含む、請求項１または２に記載の内燃機関。

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