JP2009180085A - 内燃機関の燃料供給制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力化に対応するために、高回転・高負荷側の所定のポンプ併用領域でのみサブ燃料ポンプを併用する場合に、サブ燃料ポンプの異常や、燃料供給量の不足による排気温度上昇などの不具合を抑制する。
【解決手段】バッテリ２５からの印加電圧により作動する電動式のメイン燃料ポンプ２１及びサブ燃料ポンプ２２を備える。所定の単独ポンプ領域ではメイン燃料ポンプ２１のみを作動し、単独ポンプ領域よりも高回転・高負荷側の所定のポンプ併用領域では、両ポンプ２１，２２を作動する。バッテリ電圧からサブ燃料ポンプ２２の上流電圧を除算した電圧降下分を用いてサブ燃料ポンプ２２の断線による異常を検出し、この異常時には、例えばスロットル開度を制限することによってポンプ併用領域の使用を制限する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動式のメイン燃料ポンプとサブ燃料ポンプとを備えた内燃機関の燃料供給制御装置に関する。

従来より、内燃機関の燃料噴射弁に燃料を供給する燃料ポンプを複数設けたものが知られている。このように複数の燃料ポンプを設ける理由は、多くの場合、特許文献１にも記載されているように、作動中の燃料ポンプに異常を認めると、その燃料ポンプに代えて他の燃料ポンプを作動状態とすることにより、燃料ポンプの異常に対して優れたフェールセーフ機能を実現するためである。また、上記の特許文献１では、燃料ポンプの切換の際に車両振動を生じることのないようにスロットル開度を調整することが記載されている。
特開平１０−３３９２３３号公報

これに対し、燃料ポンプを複数設け、通常の運転領域では一つのメイン燃料ポンプのみを使い、これよりも高回転・高負荷側の所定のポンプ併用領域でのみ、サブ燃料ポンプを併用する、つまり複数の燃料ポンプを同時に作動させることで、特別な高出力型の燃料ポンプを用いることなく、既存の燃料ポンプを複数用いた簡素な構造で、燃料の供給量・吐出量を大幅に増加して高出力化に対応することを本出願人は検討している。このように複数の燃料ポンプを同時に駆動する使い方については、上述した特許文献１などでは考慮されていない。

但し、このように高回転・高負荷側のポンプ併用領域でのみサブ燃料ポンプを併用するものでは、断線や故障などによりサブ燃料ポンプが正常に作動しなくなっても、その異常に気づき難く、またメイン燃料ポンプにより燃料の供給は維持されるために、ポンプ併用領域での運転も可能であり、このようなポンプ併用領域での運転が継続されると、サブ燃料ポンプの不作動による燃料供給量の不足分、空燃比が徐々にリーン化し、ノッキングや排気温度の上昇などの不具合を招いてしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、電源からの印加電圧により作動して燃料噴射弁へ燃料を供給する電動式のメイン燃料ポンプ及びサブ燃料ポンプを備える内燃機関の燃料供給制御装置において、所定の単独ポンプ領域ではメイン燃料ポンプのみを作動し、上記単独ポンプ領域よりも高回転・高負荷側の所定のポンプ併用領域では、メイン燃料ポンプとサブ燃料ポンプの双方を作動するポンプ切換手段と、上記サブ燃料ポンプの異常を検出する異常検出手段と、この異常検出手段によりサブ燃料ポンプの異常が検出された場合に、上記ポンプ併用領域の使用を制限する制限手段と、を有することを特徴としている。

高回転・高負荷側のポンプ併用領域では、メイン燃料ポンプとサブ燃料ポンプの双方を併用することで、同じ燃料ポンプを一つだけ用いる場合に比して、燃料吐出量を大幅に増加して高出力化に対応することができる。また、既存の燃料ポンプを複数設けることで高出力化に対応することができ、高出力化のために特別な高出力型の燃料ポンプを新たに追加する必要がないために、既存の内燃機関への適用も容易である。また、作動する燃料ポンプの個数を切り換えることで、不必要な燃料の供給・吐出を抑制し、燃料温度上昇の抑制や消費電力の抑制を図ることができる。

そして、サブ燃料ポンプの異常を検出すると、ポンプ併用領域の使用を制限しているために、上述したようなサブ燃料ポンプが異常であるにもかかわらずポンプ併用領域での運転が継続されることを回避し、これによるノッキングの発生や排気温度の上昇などの不具合が生じることを防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関１０の燃料供給システムを簡略的に示している。この内燃機関１０は、Ｖ型６気筒式のものであり、各気筒にそれぞれ燃料噴射弁１１が設けられ、各燃料噴射弁１１により各気筒の燃焼室や吸気ポートに燃料が噴射・供給される。この燃料供給システムは、いわゆるリターン方式のものであり、各バンクの３つの気筒に対応して３つの燃料噴射弁１１が接続する一対のフューエルレール１２，１３と、両者１２，１３を連通する連通管１４と、一方の第１フューエルレール１２に接続する燃料供給配管１５と、他方の第２フューエルレール１３に接続する燃料戻り配管１６と、を有している。この燃料戻り配管１６には、フューエルレール内の燃圧を調整するプレッシャレギュレータ１７とリリーフバルブ１８とが設けられている。燃料は燃料供給配管１５を介してフューエルレール１２，１３に供給されて、燃料噴射弁１１により燃料が噴射・供給され、余剰の燃料が燃料戻り配管１６により燃料タンク２０に戻される。燃料タンク２０内には、本実施例の要部であるメイン燃料ポンプ２１及びサブ燃料ポンプ２２の他、ジェットポンプ２３などが設けられている。メイン燃料ポンプ２１及びサブ燃料ポンプ２２は、上記の燃料供給配管１５の上流側に並列に接続されている。ジェットポンプ２３は、周知のように、プロペラシャフトを迂回するために燃料タンク２０内がサブ側とメイン側に分かれている場合に、サブ側の燃料をメイン側に送り込むためのものである。

図２は、燃料ポンプ２１，２２の制御回路を簡略的に示しており、図中、太線が電源としてのバッテリ２５からの高い電圧が印加される高電圧ラインＳＶを示し、符号ＳＬ１〜ＳＬ４等の細線が制御用の信号ラインを示している。２つの燃料ポンプ２１，２２は、いずれもバッテリ２５からの印加電圧により作動するモータを備えた電動式のもので、この実施例では同じものが用いられており、高電圧ラインＳＶによりバッテリ２５に対して並列に接続されている。高電圧ラインＳＶには、機関始動・停止時のイグニッションキー操作によりＯＮ・ＯＦＦされるイグニッションリレー２６が設けられるとともに、個々の燃料ポンプ２１，２２に対して過電流を防止するフューズ２７，２８が設けられている。

メイン燃料ポンプ２１への印加電圧はメイン燃料ポンプ制御部３０により多段階に切換制御され、サブ燃料ポンプ２２への印加電圧はサブ燃料ポンプリレー３１によりＯＮ・ＯＦＦに切り換えられる。機関制御部３２には、第１の信号ラインＳＬ１を介してバッテリの電圧Ｖｂと、第２の信号ラインＳＬ２を介してサブ燃料ポンプ２２へ印加される上流側の上流電圧（端子電圧）Ｖｓと、第３の信号ラインＳＬ３を介してサブ燃料ポンプ２２の下流側の電圧と、がそれぞれ入力されている。機関制御部３２は、これらの電圧などに基づいて、後述するようにメイン燃料ポンプ制御部３０やサブ燃料ポンプリレー３１の動作を制御する。また、メイン燃料ポンプ制御部３０と機関制御部３２とを接続する２本の信号ラインＳＬ４は、一方がメイン燃料ポンプ制御部３０を制御する（所定電圧［Ｖ］で燃料ポンプを駆動するかを指令する）ための制御線であり、他方がメイン燃料ポンプ制御部３０が異常を起こしたときの故障状況を通信する信号ラインである。

図３を参照して、燃料ポンプ２１，２２が正常に作動している通常運転時における燃料ポンプ２１，２２への印加電圧について説明する。図中のポンプ数切換ラインＬ１よりも低回転・低負荷側（図の左下側）の単独ポンプ領域Ｒｓでは、サブ燃料ポンプ２２を作動することなくメイン燃料ポンプ２１のみを作動し、かつ、機関回転数と機関負荷（あるいは、機関負荷に対応する燃料噴射量Ｐｉなど）に応じて、メイン燃料ポンプ２１への印加電圧が３段階に切換えられる。具体的には、この単独ポンプ領域Ｒｓの中で、最も低回転・低負荷側の領域Ｒｓ１では、印加電圧が最小値（例えば８．５Ｖ）とされ、最も高回転・高負荷側の領域Ｒｓ３では、印加電圧が最大値（例えば１４Ｖ＝バッテリ電圧）とされ、中間の領域Ｒｓ２では、印加電圧が最小値と最大値の中間の値（例えば１０Ｖ）とされる。また、上記ポンプ数切換ラインＬ１よりも高回転・高負荷側（図の右上側）のポンプ併用領域Ｒｄでは、２つの燃料ポンプ２１，２２をともに作動させる。つまり、双方の燃料ポンプ２１，２２に最大電圧（＝バッテリ電圧）を印加する。なお、電圧の切換が過度に行われることのないように、実際の切換制御においては適宜なヒステリシスが与えられる。

このように、内燃機関の機関回転数や機関負荷に応じて燃料ポンプ２１，２２の個数及びその印加電圧を調整することにより、不必要な燃料の供給・吐出を抑制し、燃料温度上昇の抑制や消費電力の抑制を図ることができるとともに、複数の燃料ポンプ２１，２２を同時に作動させることで、燃料流量を大幅に増加して高出力化に対応することができる。しかも、比較的小型の既存の燃料ポンプを複数用いることで高い燃料流量を確保しており、特別な大型の燃料ポンプを別途用意する必要がなく、既存の内燃機関への適用も容易である。

なお、本実施例では簡略的にサブ燃料ポンプ２２の印加電圧をリレー３１によりＯＮ・ＯＦＦする構成としているが、メイン燃料ポンプ２１と同様に多段階に印加電圧を調整することで、全体の印加電圧を更に細かく調整するようにしても良い。

このように所定のポンプ併用領域Ｒｄでのみサブ燃料ポンプ２２を使用する構成では、機関運転状況などによっては長期間にわたってサブ燃料ポンプ２２が使われないこともあり、ポンプモータのロータの固着・ロックや、断線など、サブ燃料ポンプ２２が正常に作動しない異常を招くことがあり、かつ、その異常を検知する機会が少ない。しかも、仮にサブ燃料ポンプ２２が異常となってもメイン燃料ポンプ２１からの燃料供給は行われているために、サブ燃料ポンプ２２の異常に気づき難く、この状態での運転、特に、排気温度の上昇抑制などのために燃料を増量する全開付近の燃料増量域Ｒｍａｘ（図３参照）での運転が継続すると、燃料吐出量の不足に伴って空燃比が徐々にリーン化していき、ひいてはノッキングの発生や排気温度の上昇などの不具合を招いてしまう。

そこで本実施例では、サブ燃料ポンプ２２の異常を検出し、この異常を検出したときには、ポンプ併用領域Ｒｄでの使用を制限し、少なくとも燃料増量域Ｒｍａｘでの運転を回避している。図４は、このような異常診断の制御の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１では、バッテリ電圧Ｖｂや上流電圧Ｖｓなどの各種信号を読み込む。ステップＳ２では、所定の診断許可条件が成立しているかを判定する。この条件は、例えば下記の（１）〜（３）などである。
（１）スタータスイッチＯＦＦ
（２）サブ燃料ポンプリレー３１のＯＮ後所定時間経過
（３）バッテリ電圧Ｖｂが所定電圧範囲内
ステップＳ３では、サブ燃料ポンプ２２の異常の検出の有無を判定する。サブ燃料ポンプ２２の異常を検出したときには、ステップＳ３からステップＳ４へ進み、この異常を警告音や警告ランプにより報知するとともに、サブ燃料ポンプ２２の作動（電圧印加）を禁止し、かつ、このサブ燃料ポンプ２２を用いるべきポンプ併用領域Ｒｄの使用を制限する。この制限は少なくとも燃料増量域Ｒｍａｘの運転が禁止されるように設定されており、例えば図３に示すように、制限ラインＬ２より高回転・高負荷側で内燃機関が運転されることのないように、スロットル開度や燃料噴射量などが制限される。なお、この例では制御の簡素化のために制限ラインＬ２を一次式で表される直線状のものとしているが、より正確に制限ラインＬ２に沿う曲線状のものとしてもよい。スロットル開度による制限として、機関回転数が所定回転数以上に上昇しないようにスロットル開度を制限しても良く、あるいは所定体積効率以上とならないようにスロットル開度を制限しても良い。あるいは図７に示すように、より簡易的にスロットル開度を所定値ＳＨ３以下に制限しても良い。また、スロットル開度による制限に代えて、燃料カット制御、あるいは可変動弁機構を用いる内燃機関の場合には、バルブリフト特性による吸気量を制限するようにしても良い。

サブ燃料ポンプ２２が異常となる主要な要因として、上述したように、ポンプモータの固着・ロックによるものと、断線によるものとが挙げられる。ポンプモータの固着・ロックについては、例えば上記の信号ラインＳＬ３からのサブ燃料ポンプ２２の下流側の電圧に基づいて検知することができるものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

上記のサブ燃料ポンプ２２の断線による異常の検出手法について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、サブ燃料ポンプ２２の断線時と断線していない正常時の電流の流れを模式的に示している。信号ラインＳＬ２が接続するサブ燃料ポンプ２２の上流電圧Ｖｓの測定点までを［Ａ］，それ以降を［Ｂ］とすると、それぞれの電圧降下はバッテリ電圧Ｖｂと各［Ａ］，［Ｂ］の抵抗値とにより定まる。ここで、［Ａ］での電圧降下分、つまりバッテリ電圧Ｖｂとサブ燃料ポンプ２２の上流電圧Ｖｓとの差（Ｖｂ−Ｖｓ）について考察すると、機関制御部３２側の抵抗はサブ燃料ポンプ２２側の抵抗よりも十分に大きいため、断線時における［Ａ］での電圧降下分は非常に小さな値、すなわちほぼ０（ゼロ）となる。一方、バッテリ２５とサブ燃料ポンプ２２とを繋ぐ高電圧ラインＳＶには上述したイグニッションリレー２６，フューズ２８及びサブ燃料ポンプリレー３１などが設けられており、かつ、車載状態で車両前方のエンジンルーム内に配置されるバッテリ２５と、車両後方の後部座席下方近傍に配置される燃料タンク２０内のサブ燃料ポンプ２２と、を繋ぐ高電圧ラインＳＶが比較的長くなることから、正常時には［Ａ］での上流電圧Ｖｓは断線時に比して大きなものとなる。但し、図６の上段に示すように、正常時と断線時における上流電圧Ｖｓそのものの変動は小さいことから、上流電圧Ｖｓや電圧降下分（Ｖｂ−Ｖｓ）の値で正常時と断線時との差異を正確に識別することは難しい。

これに対し、上流電圧と電圧降下分との電圧比Ｖｓ／（Ｖｂ−Ｖｓ）をとると、図６の下段に示すように、断線時と正常時とで大きく値が変動するものとなり、断線時には正常時に比して十分に大きな値となる。そこで、本実施例では、下式（１）に示すように、この電圧比が所定の判定値ＳＨ１以上の状態が所定時間（例えば５秒）以上継続すると、断線状態と判定している。但し、上述したように正常時における電圧降下分（Ｖｂ−Ｖｓ）は非常に小さい値（ほぼ０）となることから、上記のＶｓ／（Ｖｂ−Ｖｓ）が過度に大きな値となって演算できなくなることのないように、電圧降下分（Ｖｂ−Ｖｓ）が所定値ＳＨ２（例えば、８０ｍＶ（Ｖｂの１ｂｉｔ分））以上の条件を付加している。

ＳＨ１≧Ｖｓ／（Ｖｂ−Ｖｓ） 但し（Ｖｂ−Ｖｓ）≧ＳＨ２ …（１）
なお、上記のステップＳ３の異常診断においては、下記の（１）〜（５）などのように、サブ燃料ポンプ２２が停止した場合に生じる機関運転状態の変化に基づく判定も適宜併用しても良い。
（１）失火診断による検知
（２）ノック診断による検知
（３）空燃比センサ学習値の異常ずれによる検知
（４）空燃比フィードバック制御に用いるλ値からの検知
（５）燃圧センサによる検知
次に、本発明の特徴的な構成及び作用効果について、上記実施例を参照して列記する。但し、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例では２つの燃料ポンプを併用する場合について説明してきたが、３つ以上の燃料ポンプを併用する構成としても良い。また、上記実施例では燃料供給システムをリターン方式のものとしているが、これに限らず、リターンレス方式のものであっても良い。

（１）バッテリ２５などの電源からの印加電圧により作動して燃料噴射弁１１へ燃料を供給する電動式のメイン燃料ポンプ２１及びサブ燃料ポンプ２２を備える内燃機関の燃料供給制御装置において、所定の単独ポンプ領域Ｒｓではメイン燃料ポンプ２１のみを作動し、上記単独ポンプ領域Ｒｓよりも高回転・高負荷側の所定のポンプ併用領域Ｒｄでは、メイン燃料ポンプ２１とサブ燃料ポンプ２２の双方を作動するポンプ切換手段（サブ燃料ポンプリレー３１，機関制御部３２）と、上記サブ燃料ポンプ２２の異常を検出する異常検出手段（ステップＳ３）と、この異常検出手段によりサブ燃料ポンプ２２の異常が検出された場合に、上記ポンプ併用領域Ｒｄの使用を制限する制限手段（ステップＳ４）と、を有している。

このように、複数の燃料ポンプ２１，２２を複数用い、高回転・高負荷側の所定のポンプ併用領域Ｒｄでは双方の燃料ポンプ２１，２２を同時に作動させることで、特別な大型の燃料ポンプを追加することなく、燃料流量を増加して高出力化への対応を容易に実現することができる。また、使用するポンプの数を切り換えることで、不必要な燃料吐出を抑制し、燃料温度上昇の抑制や消費電力の抑制を図ることができる。

そして、サブ燃料ポンプ２２の異常を検出した場合には、ポンプ併用領域Ｒｄの使用を制限し、つまりメイン燃料ポンプ２１だけで燃料供給が補える運転領域までにスロットル開度などを制限することで、サブ燃料ポンプ２２が異常であるにもかかわらずポンプ併用領域Ｒｄ、特にその燃料増量域Ｒｍａｘでの運転が継続されることを回避し、これによるノッキングの発生や排気温度の上昇などを防止し、フェールセーフ性を高めることができる。

（２）また、サブ燃料ポンプ２２の断線による異常に関しては、電源の電圧Ｖｂからサブ燃料ポンプ２２の上流電圧Ｖｓを除算した電圧降下分（Ｖｂ−Ｖｓ）が断線時と正常時とで異なることに着目し、この電圧降下分を用いてサブ燃料ポンプ２２の異常を検出している。これにより、別途燃料ポンプの吐出圧を検知する燃圧センサなどを敢えて用いる必要のない簡素な構成で、サブ燃料ポンプ２２の断線による異常を検出することができる。

（３）断線時と正常時での上流電圧Ｖｓや電圧降下分（Ｖｂ−Ｖｓ）そのものの値の変動分は比較的小さい値となるために、上記の実施例では、更に、上流電圧Ｖｓと電圧降下分（Ｖｂ−Ｖｓ）との電圧比Ｖｓ／（Ｖｂ−Ｖｓ）を用いて、サブ燃料ポンプ２２の異常を検出している。この電圧比Ｖｓ／（Ｖｂ−Ｖｓ）は断線時と正常時とでその値が大きく変動することから、より容易かつ正確に断線による異常を判定することが可能となる。

（４）特に、電源が車両前方のエンジンルーム内に配置されるバッテリ２５であり、上記サブ燃料ポンプ２２が車両後方の燃料タンク２０内に配置されていると、バッテリ２５とサブ燃料ポンプ２２とを繋ぐ高電圧ラインＳＶが比較的長いものとなり、かつ、この高電圧ラインＳＶに、イグニッションキー操作によりＯＮ・ＯＦＦされるイグニッションリレー２６と、上記ポンプ切換手段（機関制御部３２）によりＯＮ・ＯＦＦされるサブ燃料ポンプリレー４１と、が設けられているものでは、断線時と正常時とで電圧降下分の偏差が大きくなることとなり、上述した電圧降下分や電圧比を用いた断線による異常判定の精度が高いものとなる。

（５）上記制限手段としては、例えば簡易的に、サブ燃料ポンプ２２の異常が検出されたときに、スロットル開度を所定値以下に制限するものであっても良い。

（６）更に好ましくは、単独ポンプ領域Ｒｓにおけるメイン燃料ポンプ２１への印加電圧を、運転領域Ｒｓ１〜Ｒｓ３に応じて多段階に切換えることで、不必要な燃料吐出をより適切に抑制し、燃料温度上昇の抑制や消費電力の抑制の更なる向上を図ることができる。

本発明の一実施例が適用された内燃機関の燃料供給システムを簡略的に示す構成図。 燃料ポンプの制御回路を簡略的に示す構成図。 機関回転数と機関負荷に応じた単独ポンプ領域やポンプ併用領域などを示す特性図。 本実施例に係るサブ燃料ポンプの異常診断の制御の流れを示すフローチャート。 サブ燃料ポンプの断線時と正常時における電流の流れを示す説明図。 サブ燃料ポンプの断線時と正常時での電圧や電圧比の変化を示す説明図。 異常時にスロットル開度を所定値以下に制限する例を示すタイミングチャート。

符号の説明

１０…内燃機関
１１…燃料噴射弁
２０…燃料タンク
２１…メイン燃料ポンプ
２２…サブ燃料ポンプ
２５…バッテリ（電源）
２６…イグニッションリレー
３０…メイン燃料ポンプ制御部
３１…サブ燃料ポンプリレー
３２…機関制御部

Claims (6)

1. 電源からの印加電圧により作動して燃料噴射弁へ燃料を供給する電動式のメイン燃料ポンプ及びサブ燃料ポンプを備える内燃機関の燃料供給制御装置において、
   所定の単独ポンプ領域ではメイン燃料ポンプのみを作動し、上記単独ポンプ領域よりも高回転・高負荷側の所定のポンプ併用領域では、メイン燃料ポンプとサブ燃料ポンプの双方を作動するポンプ切換手段と、
   上記サブ燃料ポンプの異常を検出する異常検出手段と、
   この異常検出手段によりサブ燃料ポンプの異常が検出された場合に、上記ポンプ併用領域の使用を制限する制限手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の燃料供給制御装置。
2. 上記異常検出手段は、上記電源の電圧から上記サブ燃料ポンプの上流電圧を除算した電圧降下分を用いて、上記サブ燃料ポンプの異常を検出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
3. 上記異常検出手段は、上記サブ燃料ポンプの上流電圧と電圧降下分との電圧比を用いて、上記サブ燃料ポンプの異常を検出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
4. 上記電源が車両前方のエンジンルーム内に配置されるバッテリであり、上記サブ燃料ポンプが車両後方の燃料タンク内に配置され、
   かつ、上記バッテリとサブ燃料ポンプとを繋ぐ高電圧ラインに、イグニッションキー操作によりＯＮ・ＯＦＦされるイグニッションリレーと、上記ポンプ切換手段によりＯＮ・ＯＦＦされるサブ燃料ポンプリレーと、が設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
5. 上記制限手段は、上記サブ燃料ポンプの異常が検出されたときに、スロットル開度を所定値以下に制限することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
6. 上記ポンプ切換手段は、単独ポンプ領域におけるメイン燃料ポンプへの印加電圧を多段階に切り換えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の燃料供給制御装置。

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