JP2010216430A

JP2010216430A - 燃料供給装置

Info

Publication number: JP2010216430A
Application number: JP2009066484A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Saruwatari; 匡行猿渡
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】吸気弁のリフト量を可変とする可変リフト機構を備えた筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置において、吸入空気量の変化に対する燃料噴射量の応答性を向上させる。
【解決手段】吸気弁７のリフト量を変更する可変リフト機構（ＶＥＬ）１６を備えた筒内直噴式内燃機関１の燃料噴射弁６に、シリンダ４７内を往復動するプランジャ４９により燃料を吸引吐出する燃料ポンプ（高圧ポンプ）４１によって、燃料を供給する燃料供給装置であって、可変リフト機構（ＶＥＬ）１６と連係し、吸気弁７のリフト量の変更に応じてプランジャ４９の往復動のストローク量を変更する可変ストローク機構７１を配設する構成とした。
【選択図】図７

Description

本発明は、吸気弁のリフト量を変更する可変リフト機構を備えた筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置に関する。

筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置（高圧ポンプ）として特許文献１に記載のものでは、シリンダと、シリンダ内に往復動可能に嵌合されたプランジャと、によって、燃料噴射弁に供給される燃料の加圧室が画成されている。そして、内燃機関のカム軸に設けられた高圧ポンプ駆動用のカムの回転駆動によりプランジャを往復動させ、このプランジャの往復動に伴う加圧室の容量変化により、燃料噴射弁に燃料を供給している。

ここにおいて、運転条件に応じてパルスモータを駆動させることで、加圧室内の燃料圧力が開放されるときの加圧室の容量（プランジャの位置、即ち有効ストローク量）を変更し、燃料噴射弁への燃料供給量制御を行っている。

特開昭６１−２６１６５３号公報

ところで、吸気弁のリフト量を可変とする可変リフト機構を備えた筒内直噴式内燃機関においても、吸入空気量（吸気弁のリフト量）に応じて所望量の燃料を燃料噴射弁から噴射することができるように、燃料噴射弁への燃料供給量制御を行いたい。

しかしながら、特許文献１に記載のもののようにパルスモータの駆動による燃料供給量制御を行った場合、パルスモータの応答性が低いため、吸入空気量の変化に対する燃料噴射量の応答性が低下する。

本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、吸気弁のリフト量を可変とする可変リフト機構を備えた筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置において、吸入空気量の変化に対する燃料噴射量の応答性を向上させることを目的とする。

このため本発明は、
吸気弁のリフト量を変更する可変リフト機構を備えた筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁に、シリンダ内を往復動するプランジャにより燃料を吸引吐出する燃料ポンプによって、燃料を供給する燃料供給装置であって、
前記可変リフト機構と連係し、前記吸気弁のリフト量の変更に応じて前記プランジャの往復動のストローク量を変更する可変ストローク機構を配設する構成とした。

本発明によれば、可変ストローク機構が可変リフト機構と連係するため、吸気弁のリフト量（吸入空気量）の変化に対するプランジャのストロークの応答性を向上させることができる。ここで、プランジャのストロークに応じて燃料噴射弁の燃料噴射量が定まることから、吸入空気量の変化に対する燃料噴射弁の燃料噴射量の応答性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態のシステム構成図。本発明の第１実施形態に用いられる可変リフト機構の要部斜視図。図２のＡ矢視図。Ａは前記可変リフト機構の最小リフト量時の開弁状態を示す作用説明図。Ｂは最小リフト時における閉弁状態を示す作用説明図。Ａは前記可変リフト機構の最大リフト量時の開弁状態を示す作用説明図。Ｂは最大リフト時における閉弁状態を示す作用説明図。本発明の第１実施形態における高圧ポンプの配置を示す図。本発明の第１実施形態における高圧ポンプの構成を示す図。本発明の第１実施形態における高圧ポンプの他の配置を示す図。本発明の第１実施形態における高圧ポンプの他の配置を示す図。本発明の第２実施形態における可変ストローク機構の概要図。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態にかかる内燃機関のシステム構成を示す図である。
内燃機関１の吸気通路２には、吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ３が設けられ、その下流側には、吸入空気量Ｑを制御するスロットル弁４が設けられている。

また、吸気通路２下流の各気筒の燃焼室５内に燃料を噴射する燃料噴射弁６が設けられ、前記燃料噴射弁６より噴射された燃料と、前記スロットル弁４から吸気弁７を介して吸入された空気との混合気は、前記燃焼室５内でピストン８により圧縮され、前記燃焼室５内部に設けられた点火プラグ９による火花点火によって着火される。

内燃機関１の排気は、排気弁１０を介して燃焼室５から排気通路１１に排出され、前記排気通路１１の下流に設けられた排気浄化触媒１２を介して大気中に排出される。
前記吸気弁７及び排気弁１０は、クランク軸１３を動力源として、各々吸気側カム軸１４及び排気側カム軸１５を嵌挿させたカムの揺動により開閉駆動される。

吸気側には、前記吸気弁７のリフト量及び作動角を連続的に可変制御する多節リンク状の機構で構成される可変リフト機構（以下、ＶＥＬという）１６が、吸気側カム軸１４の外周に設けられる。

また、ＶＥＬ１６には、吸気弁７のリフト量及び作動角を検出するＶＥＬ作動角センサ１７が併設されている。なお、ＶＥＬ１６の詳細な構造は、後に説明する。
同じく吸気側には、前記クランク軸１３と吸気側カム軸１４との回転位相差を連続的に可変制御して、吸気弁７のバルブタイミング（弁開閉タイミング）を進遅角する機構で構成される可変バルブタイミング機構（以下、ＶＴＣという）１８が吸気側カム軸１４の一端に設けられる。

また、前記吸気側カム軸１４の他端には、該吸気側カム軸１４の回転位置を検出するための吸気側カム角センサ１９が併設されている。
エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵという）２０は、前記エアフローメータ３からの出力信号や、前記クランク軸１３に設けられて回転位置を検出するクランク角センサ２１から出力されるクランク角信号に基づいて機関負荷および機関回転速度を求め、燃料噴射量、ＶＥＬ１６の目標リフト量、及びＶＴＣ１８の目標バルブタイミングを各々演算する。また、ＥＣＵ２０は、ＶＥＬ作動角センサ１７より出力される作動角信号に基づき、ＶＥＬ１６の実際のリフト量が前記目標リフト量に収束するようＶＥＬ１６にフィードバック制御信号を与える。同様にして、ＥＣＵ２０は、吸気側カム角センサ１９からの出力信号とクランク角センサ２１より出力されるクランク角信号との位相差からＶＴＣ１８の実際のバルブタイミングを求め、このＶＴＣ１８の実際のバルブタイミングが目標バルブタイミングに収束するようにＶＴＣ１８にフィードバック制御信号を与える。

次に前記ＶＥＬ１６について図２及び図３に基づいて説明する。
ＶＥＬ１６の制御軸２３は吸気側カム軸１４と平行に配置され、両端は図示しないシリンダブロック（又は後述のシリンダヘッド４０）に固定された軸受２４により軸支される。

制御カム２５は、前記制御軸２３より外径の大きい略円筒形状をなし、前記制御軸２３に軸心を所定量αだけ偏心させた状態で配設されている。
ロッカーアーム２６は、略菱形の形状をなし、中央に貫通した孔に前記制御カム２５の外周が摺動自由に挿入されている。

リンクロッド２７は、略三日月形状をなし、一端が前記ロッカーアーム２６の一端部にピン２８を介して回動自由に連結されると共に、他端が吸気側カム軸１４の軸心から偏心した位置にピン２９を介して回動自由に連結される。

駆動カム３０は、外径が大きな円筒形状をなすカム本体３０ａと、前記カム本体３０ａの一端に隣接して設けられた外径が小さな円筒形状をなす筒状部３０ｂとからなり、前記筒状部３０ｂの中心部には軸孔３０ｃが貫通して形成され、該軸孔３０ｃ内に、前記吸気側カム軸１４が摺動自由に挿入される。また、前記筒状部３０ｂの軸心は前記吸気カム軸１４の軸心Ｘと一致しているが、前記カム本体３０ａの軸心Ｙは、前記吸気カム軸１４の軸心Ｘより所定量だけ偏心している。

リンクアーム３１は、前記駆動カム３０より外周の大きな円環形状をなし、中心部を貫通して形成された孔に、前記駆動カム３０のカム本体３０ａの外周がベアリング３２を介して摺動自由に挿入される。また、前記リンクアーム３１の外径方向に突出した端部は、前記ロッカーアーム２６の他端にピン３３を介して回動自由に連結される。

吸気カム３４は、雨滴形状をなし、基端部３４ａを貫通する軸孔３４ｂに前記吸気側カム軸１４が嵌挿して固定される一方、前記基端部から外径方向に突出する端部側に位置するカムノーズ部３４ｃにピン孔３４ｄが貫通して形成され、該ピン孔３４ｄに前記ピン２９を嵌挿させて、前記リンクロッド２７に回動自由に連結されている。

バルブリフタ３５は、有蓋円筒形状をなし、上面には前記吸気カム３４のカム面３４ｅが揺動位置に応じて所定位置に当接する一方、下部に吸気弁７が固定される。
電動アクチュエータ３６は、駆動軸端部に固定されたウォームギア３７が前記制御軸２３の一端部に固定されたギアと噛み合い、ＥＣＵ２０より出力される駆動信号により制御軸２３を一定の範囲内で回動させる。

また、制御軸２３の一端には、ＶＥＬ作動角センサ１７が設けられており、制御軸２３の回転量よりＶＥＬ１６のリフト量を検出し、ＥＣＵ２０へ検出信号を出力する。
次にＶＥＬ１６の作動原理を説明する。

図４（Ａ）、（Ｂ）は最小リフト量制御を行う時のＶＥＬの開弁状態を表しており、ＥＣＵ２０からの駆動信号を受けて、リフト量を最小に制御すべく制御軸２３に時計周りの回転を与えると、制御カム２５の肉厚部２５ａが上方に移動し、これに同期してロッカーアーム２６も上方へ移動する。

この時、吸気カム３４のカムノーズ部３４ｃがリンクロッド２７を介して上方へ持ち上げられる。このため、吸気側カム軸１４の回転によりバルブリフタ３５に当接する吸気カム３４のカム面３４ｅは基端部３４ａ近傍となり、リフト量は図中Ｌ１に示す小さなリフト量に制御される。

一方、図５（Ａ）、（Ｂ）は最大リフト量制御を行う時のＶＥＬの開弁状態を表しており、ＥＣＵ２０からの駆動信号を受けて、リフト量を最大にすべく制御軸２３に反時計周りの回転を与えると、制御カム２５の肉厚部２５ａが下方に移動し、これに同期してロッカーアーム２６も下方へ移動する。

この時、吸気カム３４のカムノーズ部３４ｃがリンクロッド２７を介して下方へ押し下げられる。このため、吸気側カム軸１４の回転によりバルブリフタ３５に当接する吸気カム３４のカム面３４ｅはカムノーズ部３４ｃの先端から基端部３４ａまでの間となり、リフト量は図中Ｌ２に示す大きなリフト量に制御される。

ところで、本実施形態では、吸気側カム軸１４により駆動されて燃料噴射弁６に燃料を圧送する高圧ポンプ４１が設けられている。高圧ポンプ４１には、低圧ポンプ４３を介して燃料タンク４５内の燃料が供給される。

図６は、高圧ポンプ４１の配置を示し、図７は、高圧ポンプ４１の構成を示す。
図６に示すように、高圧ポンプ４１は、本体４１ａからプランジャ４９を図示上方（ピストン８が下死点から上死点へ向かう方向）へ突出させた状態で、シリンダヘッド４０に取り付けられている。なお、図６では、シリンダヘッド４０に取り付けられたシリンダヘッドカバー４２と、バルブリフタ３５に対して吸気カム３４に当接するように付勢力を付与するスプリング４６と、が示されている。

本体４１ａ内では、図７に示すように、プランジャ４９がシリンダ４７内に往復動可能に嵌合され、シリンダ４７とプランジャ４９とによって、燃料の加圧室５１が画成されている。

また、低圧ポンプ４３から吐出された燃料を加圧室５１へ吸い込む吸込油路５３と、加圧室５１から吐出された燃料を燃料噴射弁６側へ供給する吐出油路５５と、が形成されている。

さらに、吸込油路５３には、高圧ポンプ４１の燃料吐出量調整用として電磁弁５７により開弁可能な吸込弁５９が配設され、吐出油路５５には、吐出弁６１が配設されている。吸込弁５９及び吐出弁６１は、低圧ポンプ４３側から燃料噴射弁６側への燃料の流動を許容する逆止弁で構成されている。

また、吐出弁６１よりも燃料噴射弁６側の吐出油路５５と、吸込弁５９よりも低圧ポンプ４３側の吸込油路５３と、を結んで、リリーフ油路６３が形成されている。このリリーフ油路６３には、リリーフ弁６５が介装されている。このリリーフ弁６５は、吐出油路５５側から吸込油路５３側への燃料の流動を許容する逆止弁で構成され、リリーフ弁６５の開弁により、吐出油路５５から吸込油路５３へ燃料を逃がし、吐出油路５５における燃料圧力の異常な上昇を防止することができる。

さらに、リリーフ弁６５よりも低圧ポンプ４３側のリリーフ油路６３には、吸込油路５３の燃料脈動を減衰させるパルセーションダンパ６７が配設されている。
かかる高圧ポンプ４１において、プランジャ４９が加圧室５１の容量を増加させる吸込行程では、低圧燃料が吸込油路５３を介して加圧室５１内に吸い込まれる。一方、プランジャ４９が加圧室５１の容量を減少させる吐出行程では、加圧室５１内の燃料が昇圧されつつ吐出油路５５を介して燃料噴射弁６側へ吐出、供給される。

ここにおいて、プランジャ４９の往復動のストロークを連続的に可変制御する多節リンク状の機構で構成される可変ストローク機構７１が、吸気側カム軸１４の外周に設けられる。この可変ストローク機構７１は、ＶＥＬ１６と同様の構成とされ、制御軸７３、制御カム７５、ロッカーアーム７６、リンクロッド７７、駆動カム８０、リンクアーム８１、ポンプ用カム８４（ＶＥＬ１６では吸気カム１４に相当する）、を含んで構成されている。

プランジャ４９は、スプリング８７の付勢力によって吸気側カム軸１４に設けられたポンプ用カム８４に対して当接し、このポンプ用カム８４の回転駆動によりシリンダ４７内で往復動する。

ここで、制御軸７３はＶＥＬ１６の制御軸２３と同軸かつ一体に形成され、可変ストローク機構７１はＶＥＬ１６と機械的に連動（連係）するように構成されている。
即ち、吸気弁７のリフト量（吸入空気量）を増加させるべくＶＥＬ１６の制御軸２３に対して図３における反時計周りの回転が与えられると、同時に制御軸７３に対しても図７における反時計周りの回転が与えられ、プランジャ４９の往復動のストロークが増加するようになっている。

一方、吸気弁７のリフト量を減少させるべくＶＥＬ１６の制御軸２３に対して図３における時計周りの回転が与えられると、同時に制御軸７３に対しても図７における時計周りの回転が与えられ、プランジャ４９の往復動のストロークが減少するようになっている。

本実施形態の可変ストローク機構７１によれば、吸気弁７のリフト量（吸入空気量）を増加させるのと同時にプランジャ４９の往復動のストロークが増加する。したがって、吸入空気量の増加後迅速に高圧ポンプ４１の加圧室５１から吐出油路５５へ吐出される燃料が増加し、吸入空気量の増加に対して良好な応答性で燃料噴射弁６の燃料噴射量を増加させることができる。

一方、吸気弁７のリフト量（吸入空気量）を減少させるのと同時にプランジャ４９の往復動のストロークが減少する。したがって、吸入空気量の減少後迅速に高圧ポンプ４１の加圧室５１から吐出油路５５へ吐出される燃料が減少し、吸入空気量の減少に対して良好な応答性で燃料噴射弁６の燃料噴射量を減少させることもできる。

このように、吸入空気量の変化後、良好な応答性で吸入空気量に応じた所望量の燃料を燃料噴射弁６から噴射させることができる。
また、従来の高圧ポンプに対してＶＥＬ１６と同様の構成の可変ストローク機構７１を追加し、かつ、制御軸７３をＶＥＬ１６の制御軸２３と同軸かつ一体に形成するだけであるから、部品点数の増加及びコストの増加を抑えることができる。

高圧ポンプ４１の配置は、図６に示すものに限られず、図８又は図９に示すもののようにしてもよい。
図８（ａ）では、高圧ポンプ４１の本体４１ａが、プランジャ４９を図示下方（ピストン８が上死点から下死点へ向かう方向。以下同様）へ突出させた状態で、シリンダヘッドカバー４２に取り付けられている。

図８（ｂ）では、高圧ポンプ４１の本体４１ａが、プランジャ４９を図示下方へ突出させた状態で、シリンダヘッド４０に取り付けられている。
図８（ｃ）では、高圧ポンプ４１の本体４１ａが、プランジャ４９を図示下方へ突出させた状態で、介装部材８６を介してシリンダヘッド４０に取り付けられている。介装部材８６の内部空間にポンプ用カム８４を配置し、かつ、介装部材８６をシリンダヘッド４０に対して着脱可能に構成することで、容易に吸気側カム軸１４又はポンプ用カム８４のメンテナンスを行うことができる。

図９（ａ）では、高圧ポンプ４１の本体４１ａが、プランジャ４９を図示左方向（吸気側から排気側へ向かう方向。以下同様）へ突出させた状態で、シリンダヘッド４０に取り付けられている。なお、図９には、排気側カム軸１５に設けられた排気カム４８が示されている。

図９（ｂ）では、高圧ポンプ４１の本体４１ａが、プランジャ４９を図示左方向へ突出させた状態で、シリンダヘッド４０と一体形成されている。
図１０は、本発明の第２実施形態における可変ストローク機構の概要図である。

図１０では、ポンプ用カム８４を吸気カム３４に対して結合させる結合部材８８（可変ストローク機構）を設け、この結合部材８８を介してポンプ用カム８４を吸気カム３４と一体回動させる構成としている。結合部材８８は、例えば、吸気側カム軸１４を嵌挿された筒状に形成することができる。

かかる構成においても、吸気カム３４とポンプ用カム８４とが同時に制御されるため、ＶＥＬ１６による吸気弁７のリフト量の変更と同時に、プランジャ４９の往復動のストローク量も変更される。

また、従来の高圧ポンプに対して結合部材８８を追加するだけであるから、省スペースであると共に、より簡易な構成によって部品点数の増加及びコストの増加を一層抑えることができる。

１内燃機関
６燃料噴射弁
７吸気弁
１６ＶＥＬ（可変リフト機構）
２３制御軸（制御軸）
４１高圧ポンプ（燃料ポンプ）
４７シリンダ
４９プランジャ
７１可変ストローク機構
８８結合部材（可変ストローク機構）

Claims

吸気弁のリフト量を変更する可変リフト機構を備えた筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁に、シリンダ内を往復動するプランジャにより燃料を吸引吐出する燃料ポンプによって、燃料を供給する燃料供給装置であって、
前記可変リフト機構と連係し、前記吸気弁のリフト量の変更に応じて前記プランジャの往復動のストローク量を変更する可変ストローク機構を配設したことを特徴とする燃料供給装置。
前記可変ストローク機構は、前記可変リフト機構を作動させるように回転駆動する制御軸を介して、該可変リフト機構と連係することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
前記可変ストローク機構の前記可変リフト機構との連係は、前記吸気弁のリフト量が大のときほど前記プランジャの往復動のストローク量が大となるような連係であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料供給装置。