JP2008069789A

JP2008069789A - 燃料供給装置のコントローラ

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Publication number: JP2008069789A
Application number: JP2007279767A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Tokuo; 健一郎徳尾; Kenji Heiko; 賢二平工; Tadahiko Nogami; 忠彦野上; Kunihiko Takao; 邦彦高尾; Hiroyuki Yamada; 裕之山田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2021-03-15
Also published as: JP4528821B2

Abstract

【課題】
本発明の目的は、可変容量機構であるアクチュエータの応答性を上げる必要なく、プランジャの往復周期が短い場合にも吐出流量制御を可能とする可変容量式高圧燃料ポンプの燃料供給装置を提供することにある。
【解決手段】
可変容量機構を有し燃料噴射弁に燃料を加圧供給する単筒プランジャ式燃料ポンプを備えた燃料供給装置のコントローラであって、前記可変容量機構を制御して燃料供給圧力を調節する燃料供給装置のコントローラにおいて、先の吐出行程から吸入行程を経て次回の吐出行程に至る間に、前記可変容量機構を前記第１の吐出行程における状態に保持するように制御することにより、前記高圧燃料ポンプの前記プランジャが少なくとも２回以上往復動するごとに前記可変容量機構を１回駆動する。
【選択図】図３

Description

本発明は、筒内噴射エンジンの燃料供給装置に係わり、特に吐出流量制御方法に関する。

従来の燃料供給装置は、例えば国際公開番号ＷＯ００／４７８８８に記載されているように、吐出行程毎にアクチュエータに駆動信号を与え、その駆動信号の与えるタイミングを制御することにより吐出流量制御をおこなうものがある。

国際公開番号ＷＯ００／４７８８８

しかしながら、上記従来技術の高圧燃料ポンプでは、駆動信号を与えてからアクチュエータが駆動するまでに応答遅れの時間があり、プランジャの往復周期が短い場合においては、アクチュエータの動作がプランジャの往復動作に追いつかないという問題がある。

実際の自動車において、このような状況は、エンジンの回転数が高い状態でおこり得る。また、排気量が大きなエンジンに燃料を供給する装置では、カム１回転あたりの高圧燃料ポンプの吐出流量を多くするためにカム１回転あたりのプランジャの往復回数を増やす、すなわち駆動するカムの山数を多くした場合にも発生する。

本発明の目的は、可変容量機構であるアクチュエータの応答性を上げる必要なく、プランジャの往復周期が短い場合にも吐出流量制御を可能とする可変容量式高圧燃料ポンプの燃料供給装置を提供することにある。

上記目的は、可変容量機構を有し燃料噴射弁に燃料を加圧供給する単筒プランジャ式燃料ポンプを備えた燃料供給装置のコントローラであって、前記可変容量機構を制御して燃料供給圧力を調節する燃料供給装置のコントローラにおいて、先の吐出行程から吸入行程を経て次回の吐出行程に至る間に、前記可変容量機構を前記第１の吐出行程における状態に保持するように制御することにより、前記高圧燃料ポンプの前記プランジャが少なくとも２回以上往復動するごとに前記可変容量機構を１回駆動することにより達成される。

このとき、前記プランジャは２回往復するごとに１回は前記プランジャの押しのける容積の燃料を全て吐出するようにするとよい。

また、燃料供給量が燃料ポンプの最大吐出流量の概ね５０％以上である場合に、前記第１の吐出行程で吐出流量を制御し、前記次回の吐出行程ではプランジャが押しのける容積の燃料を全て吐出するようにするとよい。

本発明によれば、可変容量機構の応答性を上げることなく、プランジャの往復周期が短い場合でも吐出流量制御ができる高圧燃料ポンプを実現することができる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例を備えた高圧燃料ポンプを用いた燃料供給システムの概略を説明する図である。

図１において、ポンプ本体１には、燃料吸入通路１０、吐出通路１１、加圧室１２が形成されている。加圧室１２には、加圧部材であるプランジャ２が摺動可能に保持されている。吸入通路１０及び吐出通路１１には、吸入弁５、吐出弁６が設けられており、それぞればねにて一方向に保持され、燃料の流通方向を制限する逆止弁となっている。また、アクチュエータ８がポンプ本体１に保持されており、アクチュエータ８はソレノイド９０、ロッド９１、ばね９２で構成される。ロッド９１は、アクチュエータ８に駆動信号が与えられていない時は、ばね９２によって、吸入弁５を開弁する方向に付勢力がかけられている。ばね９２の付勢力は、吸入弁５のばねの付勢力より大きくなっているため、アクチュエータ８に駆動信号が与えられていない時は、図１に示すように、吸入弁５は開弁状態となっている。

燃料は、タンク５０から低圧ポンプ５１にてポンプ本体１の燃料導入口に、プレッシャレギュレータ５２によって一定の圧力に調圧されて導かれる。その後、ポンプ本体１にて加圧され、燃料吐出口からコモンレール５３に圧送される。コモンレール５３には、インジェクタ５４、圧力センサ５６が装着されている。インジェクタ５４は、エンジンの気筒数にあわせて装着されており、コントローラ５７の信号に従って燃料を噴射する。

プランジャ２は、エンジンカムシャフト等により回転されるカム１００により、往復運動して加圧室１２内の容積を変化させる。

プランジャ２の吐出行程中に吸入弁５が閉弁すると、加圧室１２内の圧力が上昇し、これにより吐出弁６が自動的に開弁し、燃料をコモンレール５３に圧送する。

吸入弁５は、加圧室１２の圧力が燃料導入口より低くなると自動的に開弁するが、閉弁に関してはアクチュエータ８の動作によって決定する。

アクチュエータ８に駆動信号を与えて保持すると、ソレノイド９０にばね９２の付勢力以上の電磁力が発生してロッド９１をソレノイド９０側に引き寄せるため、ロッド９１と吸入弁５は分離する。この状態であれば、吸入弁５はプランジャ２の往復運動に同期して開閉する自動弁となる。従って、吐出行程中は、吸入弁５は閉塞し、加圧室１２の容積減少分の燃料は、吐出弁６を押し開きコモンレール５３へ圧送される。よって、ポンプ吐出流量は最大となる。

これに対し、アクチュエータ８に駆動信号を与えないと、ばね９２の付勢力によりロッド９１は吸入弁５を押し上げ、吸入弁５を開弁状態に保持する。従って、吐出行程時においても加圧室１２の圧力は、燃料導入口部とほぼ同等の低圧状態を保つため、吐出弁６を開弁することができず、加圧室１２の容積減少分の燃料は、吸入弁５を通り燃料導入口側へ戻される。よって、ポンプ吐出流量を０とすることができる。

また、吐出行程の途中で、アクチュエータ８に駆動信号を与えると、アクチュエータ８の応答遅れの時間後、コモンレール５３へ燃料が圧送される。一度圧送が始まると加圧室１２内の圧力は上昇するため、その後、アクチュエータ８の駆動信号を切っても吸入弁５は閉塞状態を維持し、吸入行程の始まりと同期して自動開弁する。よって、アクチュエータ８に駆動信号を与えるタイミングによってある吐出行程において、吐出量を０から最大吐出量の範囲で可変に調節することができる。以降、最大吐出量に対する吐出量の割合の時間平均をデューティと呼ぶこととする。

また、圧力センサ５６の信号に基づき、コントローラ５７にて適切な吐出タイミングを演算しロッド９１をコントロールすることにより、コモンレール５３の圧力を略一定値に保つことができる。

次に、本発明の制御方法で高圧燃料ポンプのアクチュエータ８を駆動した例を図２ないし図３を用いて説明する。

図２は、高圧燃料ポンプのデューティが５０％以下で運転された場合の制御タイミングの実施例である。このような運転状態は、例えば自動車の定速走行時や減速時、アイドル運転時など、エンジン負荷が小さい状況で必要とされる。

すなわち、エンジンの出力トルクが必要とされず、エンジンの消費燃料が少ない状態である。その場合の吐出流量制御は、プランジャ２が２回往復動する度に、アクチュエータ８に１回駆動信号を与えることによって行なう。そして、２回の吐出行程のうち、１回は吐出せずに、残りの１回の吐出量を制御して、２回の圧縮行程における平均の吐出量を制御する。吐出量を制御する回の吐出行程では、目標となる吐出開始のタイミングから、アクチュエータ８の応答遅れの時間分だけ早いタイミングでアクチュエータ８に駆動信号を送る。そうしてロッド９１を引き上げ、吸入弁５を自閉させ、目標の吐出開始タイミングで燃料を圧縮、吐出させる。圧縮行程２回分の吐出量は、この１回分の吐出量となる。アクチュエータ８に駆動信号を送るタイミングと長さはコントローラ５７により算出される。

アクチュエータ８に駆動信号を与えると、ソレノイド９０に電圧がかかり、電流はソレノイド９０のインダクタンスにより、１次遅れで立ち上がる。アクチュエータに駆動信号を与えてからソレノイド９０の電磁力がロッド９１を吸引できる電流まで達し、ロッド９１を引き上げるまでにかかる時間が、アクチュエータ８の駆動時の応答遅れ時間である。その時間を以降、引き上げ遅れ時間ｔ₁と呼ぶ。また、駆動信号を切ると、ソレノイド９０のインダクタンスにより電流がロッド９１の保持限界電流まで下がるのに時間がかかる。駆動信号を切ってから、ロッド９１が下がるまでの時間を以降、引き下げ遅れ時間ｔ₂と呼ぶ。

例えば、高圧燃料ポンプの所望のデューティが２５％である場合、ある１回の吐出行程はプランジャ２の押しのける容積の０％（吐出しない）を、他の１回でプランジャ２の押しのける容積の５０％吐出することにより、時間平均のデューティ２５％を得る。吐出をする行程では、コントローラ５７は、プランジャが５０％吐出行程を終了するタイミングから、引き上げ遅れ時間ｔ₁だけ早いタイミングでアクチュエータ８に駆動信号を送る。そうして、次の吐出行程が始まる前にロッド９１が戻るように駆動信号を切る。

このように、吐出流量を制御することのメリットとして、プランジャ２が往復動する度に毎回アクチュエータを駆動していないため、駆動信号と駆動信号の間隔が広くなる。従来の制御方法では、引き上げ遅れ時間ｔ₁と引き下げ遅れ時間ｔ₂の和は少なくともプランジャの往復周期よりも短くないとアクチュエータは吐出流量を制御できなかったが、このように制御することによりプランジャの往復周期の方が短い場合においても吐出流量制御が可能となる。よって、燃料供給装置のアクチュエータの応答速度を上げる必要なく、高速回転するエンジンに燃料を必要な量だけ供給することが可能となる。また、アクチュエータ８の通電回数が減ることにより消費電力低減、発熱量低減を図ることができる。

さらに、プランジャ２を駆動するカム１００の葉数を、図１で用いられている２葉ではなく、それよりも葉数の多い４葉や５葉にした場合においても本制御方法を用いることが可能である。葉数の多いカムを用いるのは、エンジンに大量の燃料を供給する場合、すなわち排気量の大きいエンジンやターボ付きエンジンに燃料を供給する場合などである。

以上の本実施例では、ポンプの吐出流量をデューティの５０％以下の範囲で制御できる。デューティの５０％以上の吐出流量を制御する場合は次に述べる制御方法用いることが可能である。

その前に、自動車においてこのような燃料ポンプの運転状態が必要とされるのは、例えば加速時や登坂時などエンジン負荷が大きい場合である。すなわち、エンジンが高出力トルクを得るために燃料を多く消費する状況である。

この場合も同じく、プランジャ２が２往復するうち、アクチュエータに１回駆動信号を与えて吐出流量を制御する。ただしこの場合、吐出行程２回のうち、１回は吐出するタイミングを制御して吐出量を制御し、他の１回は全吐出することにより吐出行程２回の平均吐出流量を制御する。すなわち、吐出量を制御する行程で、吐出を開始したいタイミングから引き上げ遅れ時間ｔ₁だけ早めに駆動信号を与える。そうしてロッド９１を引き上げ、吸入弁５を自閉させ、吐出を開始したいタイミングに圧縮、吐出させる。その後、次の吐出行程が始まるまでロッド９１が引き下がらないように保持させる。そのためには、駆動信号は最低でも次の吐出行程が始まる時刻より引き下げ遅れ時間ｔ₂だけ前よりは保持する必要がある。次の吐出行程開始時にロッド９１が引き上がったままの状態でいれば、吸入弁５は液圧力とばねの力で自閉し、加圧室内の燃料は加圧される。加圧室が高圧になると、吸入弁には高い背圧がかかり、ロッド９１が下がってきても押し開かれることはない。これにより、次の吐出行程では吐出行程の始まりと同時に吸入弁が閉じ、プランジャ２の押し退ける容積分の燃料が吐出することになる。アクチュエータ８に駆動信号を送りはじめるタイミングと、信号の幅はコントローラ５７により算出される。

例えば、高圧燃料ポンプの所望のデューティが７５％である場合、ある１回の吐出行程は５０％、他の１回は１００％吐出することにより、２回の吐出行程における平均デューティ７５％を得ることができる。５０％吐出をする行程では、コントローラ５７はプランジャが５０％の圧縮行程を終了するタイミングから、引き上げ遅れ時間ｔ₁だけ早いタイミングでアクチュエータ８に駆動信号を送り、次の吐出行程が始まるまでロッド９１が下がらないように次の吐出行程が始まるタイミングより引き下がり時間ｔ₂より前のタイミングまで駆動信号を送り続ける。

このように吐出流量を制御することによって、全吐出する行程が始まる前に駆動信号を切ることができるため、その次の駆動信号が発せられるまでの間隔が長くなる。これによりプランジャの往復周期が短い場合においてもアクチュエータの応答速度を上げる必要なく、高速回転するエンジンに燃料を必要な量だけ供給することが可能となる。また、前述同様、葉数の多いカムを用いることにより排気量の大きいエンジンに燃料を供給することができる。

また、必要とするデューティが５０％以下の場合は、前述の図２の例の制御方法、５０％以下の場合は、前述の図３の制御方法をとるように場合分けして制御することにより、デューティ０〜１００％までの範囲において吐出流量が制御可能となる。

なお、本実施例の構成は吸入弁５とアクチュエータ８が別体であり、吸入弁５は自動で開弁できる構造であるため、図２、および図３の制御方法が可能となる。吸入弁５とアクチュエータ８が常に一体となり動作する構成では、吸入行程、吐出行程に関わらずアクチュエータ８を駆動している間は吸入弁５が閉じた状態でいるため、吸入弁５を自動開閉させることにより、プランジャ１往復分の吐出をさせることを狙った図３の制御方法は実施することができない。吸入弁とアクチュエータが一体の構成でも図２の制御方法を実施することは可能であるが、より広範囲の流量制御をするには本実施例の構成が望ましい。

本実施例では、アクチュエータとして駆動信号を与えるとロッド９１を引き上げるプル型のアクチュエータを用いて説明したが、逆に、駆動信号を与えることによりロッド９１を引き下げるプッシュ型のアクチュエータを用いても、駆動信号のＯＮ、ＯＦＦを逆にすることにより図２ないし図３と同様の吐出流量制御が適用可能である。

本制御方法は、エンジンが低回転の場合にも適用することができるが、プランジャの往復周期が容量制御機構の応答遅れの時間より十分に長い場合は敢えて適用する必要はなく、エンジンの回転数に応じて燃料供給装置の制御方法を切り替えてもよい。

次に、図４示す別の構造の高圧燃料ポンプにおいて、本発明の制御方法を適用したタイミング図を図５ないし図６に示す。

図４において、ポンプは、吸入弁２２を通過して加圧室に燃料を供給する流路と、加圧室の燃料を低圧流路（吸入弁２２の上流側）に逃がす通路と、その流路を開閉する電磁弁８１を有する。吸入弁２２は自動開閉し、電磁弁８１は駆動信号を与えることにより閉弁する。燃料はタンク５０から低圧ポンプ５１にて加圧され、吸入弁２２を通過して加圧室に供給される。吐出行程において、電磁弁８１に駆動信号を与えない場合は燃料は加圧されずに低圧流路に戻される。吐出行程の途中で電磁弁８１に駆動信号を与えると、低圧流路に戻る通路が閉鎖され、加圧室の圧力が上昇し、ポンプから燃料が吐出される。このような構成の高圧燃料ポンプにおいても、図１に示す構成の高圧燃料ポンプと同じく、本発明の制御方法を適用することができる。

図５にデューティ５０％以下の吐出をする場合の制御タイミングの例を示す。

図５において、電磁弁にも図１のアクチュエータと同じく、駆動信号を与えてから動作するまでに遅れの時間があり、以降、駆動信号を与えてから電磁弁が閉じるまでの時間を閉じ遅れ時間ｔ₁'、駆動信号を切ってから弁が開くまでの時間を開き遅れ時間ｔ₂'とよぶこととする。２回の吐出行程のうち、１回は吐出せずに、残りの１回の吐出流量を制御することにより流量を制御する。これによりある時刻で電磁弁８１に駆動信号を切った後、弁が開くまでにかかる開き遅れ時間ｔ₂’後の時刻と、その次の駆動信号が発せられる時刻までに余裕ができる。少ない吐出流量を２回に分けて吐出せずに１回にまとめることにより駆動信号間の時間に余裕をもたせることができる。また、電磁弁８１の通電回数が減ることにより消費電力低減、発熱量低減を図ることができる。

図６にデューティ５０％以上の吐出をする場合の制御タイミングの例を示す。

図６において、前記と同様にプランジャ２往復毎に、電磁弁８１に１回駆動信号を与える。吐出行程２回のうち、１回は吐出するタイミングを制御し、他の１回は全吐出することにより流量を制御する。吐出を開始したいタイミングから閉じ遅れ時間ｔ₁'だけ早めに駆動信号を与え、次の吐出行程が始まるまで電磁弁が閉じないように保持する。燃料は吸入弁２２を通過して加圧室へ供給され、次の吐出行程開始時に吸入弁２２は自閉し、吐出される。２回目の全吐出のときに、電磁弁は閉じた状態のままで保持する必要があるが、電磁弁の弁体は図４に示すような外開き式の場合、加圧室が高圧になると弁に背圧がかかり、駆動信号を切っても開弁しない。よって先の実施例と同じく駆動信号は最低でも次の吐出行程が始まる時刻より開き遅れ時間ｔ₂'より前までかけ続ければよい。図３の例と同じく次の駆動信号を発するまでの時間に余裕ができるため、プランジャの往復周期が短い場合でも吐出流量制御が可能となる。

図４のような構成の燃料供給装置においても、エンジンが低回転の場合にも適用することができるが、プランジャの往復周期が容量制御機構の応答遅れの時間より十分に長い場合は敢えて適用する必要はなく、エンジンの回転数に応じて燃料供給装置の制御方法を切り替えてもよい。

また、図５、図６のタイミング図は、ノーマルオープン型の電磁弁を用いた構成のタイミング図であるが、ノーマルクローズ型の電磁弁を用いた場合においても、駆動信号のＯＮとＯＦＦを逆にすることにより本発明の制御方法を実施することができる。

以上説明したように、本発明によれば、可変容量機構の応答性を上げることなく、プランジャの往復周期が短い場合においても吐出流量制御ができる高圧燃料ポンプを実現することができる。かつ、デューティが小さい場合には可変容量機構の駆動時間が短いため、省電力、低発熱の効果も得られる。

実際の自動車においては、エンジンの高回転領域おいても必要な量の燃料を供給することが可能となる。また、燃料の最大供給量を増やすために、カムの葉数を増やしてプランジャの往復回数を増やした場合でも、アクチュエータの応答性を上げることなく可変容量制御を実現することができる。これにより燃料の消費量の多い大排気量エンジンやターボ付きエンジンにも十分な燃料を供給できる。

１種類の高圧燃料ポンプを、カムの葉数を変えるだけで小排気量エンジンから大排気量エンジンまで共用化できるため、量産効果により製造コストを低減できるという効果もある。また、部品の調達、管理が簡単になる。

本発明を備えた高圧燃料ポンプの概略構成図である。本発明の高圧燃料ポンプの制御例を示すタイミング図である。本発明の高圧燃料ポンプの制御例を示すタイミング図である。他の実施例を備えた高圧燃料ポンプの概略構成図である。図４のシステムにおける制御例を示すタイミング図である。図４のシステムにおける制御例を示すタイミング図である。

符号の説明

１…ポンプ本体、２…プランジャ、５…吸入弁，６…吐出弁、８…アクチュエータ、１０…吸入流路、１１…吐出流路、５７…コントローラ。

Claims

可変容量機構を有し燃料噴射弁に燃料を加圧供給する単筒プランジャ式燃料ポンプを備えた燃料供給装置のコントローラであって、前記可変容量機構を制御して燃料供給圧力を調節する燃料供給装置のコントローラにおいて、
先の吐出行程から吸入行程を経て次回の吐出行程に至る間に、前記可変容量機構を前記第１の吐出行程における状態に保持するように制御することにより、前記高圧燃料ポンプの前記プランジャが少なくとも２回以上往復動するごとに前記可変容量機構を１回駆動することを特徴とする燃料供給装置のコントローラ。
前記プランジャは２回往復するごとに１回は前記プランジャの押しのける容積の燃料を全て吐出することを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置のコントローラ。
燃料供給量が燃料ポンプの最大吐出流量の概ね５０％以上である場合に、前記先の吐出行程で吐出流量を制御し、前記次回の吐出行程ではプランジャが押しのける容積の燃料を全て吐出することを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置のコントローラ。