JP2018021541A - 直接噴射システム用の燃料ポンプを制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧ポンプの温度上昇を抑制する。【解決手段】コモンレールを備える直接噴射システム用の燃料ポンプ４を制御する方法である。この方法は、コモンレール内部で所望の圧力値を持つために高圧ポンプ４によってその時々にコモンレールへ供給するべき目標燃料流量Ｍrefを計算するステップと、目標燃料流量Ｍrefを高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍmaxと比較するステップと、目標燃料流量Ｍrefと高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍmaxとの間の比較に基づいて、送出できる最大流量Ｍmaxによる高圧ポンプの作動サイクルと高圧ポンプ４のアイドル作動サイクルを交番させるように高圧ポンプ４を制御するステップと、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、直接噴射システム用の燃料ポンプを制御する方法に関する。好ましくは（必ずではないが）、制御方法は、ガソリン又はこれと同様の燃料で作動する火花点火式内燃機関において直接噴射システムに使用される。

既知のように、内燃熱機関用のコモンレール式燃料（この具体的事例においては、ガソリン）直接噴射システムは、複数の噴射器と、噴射器へ与圧燃料を供給するコモンレールと、コモンレールへ燃料を供給し流量調節装置を備える高圧ポンプと、コモンレール内部の燃料圧力を所望の値（概略的にエンジン作動条件の関数として時間によって変化する）に等しくする制御ユニットと、供給ダクトによってタンクから高圧ポンプへ燃料を供給する低圧ポンプと、を備える。

制御ユニットは、コモンレールにおいて所望の圧力値を持つために必要な量の燃料がその時々にコモンレールへ供給されるように、高圧ポンプの流量を制御するために流量調節装置に結合される。特に、制御ユニットは、フィードバック制御によって高圧ポンプの流量を調節する。フィードバック制御は、フィードバック変数としてコモンレール内部の燃料圧力値を使用する。

高圧ポンプの作動サイクルは、実質的に３つの段階、即ち、高圧ポンプのポンプ室の中へ流れる燃料の通過を許容する取入れ段階、ポンプ室から低圧回路へ向かって流れる燃料が通過する還流段階、及びポンプ室内部の燃料圧力がポンプ室からコモンレールへ向かって燃料が流れるようにする値に達するポンピング段階、を含む。

実験の結果は、ポンピング段階において高圧ポンプ４の温度が著しく上昇することを示している。特に、２０ＭＰａ（２００バール）から６０ＭＰａ（６００バール）への圧力上昇があるとき、温度の変動は、高圧ポンプの様々な点で３０℃〜５０℃の範囲であり、６０ＭＰａ（６００バール）から８０ＭＰａ（８００バール）への圧力上昇がある場合、温度変動はずっと大きい値であり、８０℃の範囲である。３０℃〜５０℃の範囲の温度変動は、高圧ポンプの場合空洞現象の問題を引き起こしかねないが、８０℃の範囲の温度変動の場合、高圧ポンプは明らかに不安定となりほとんど信頼できない。

ポンピング段階における高圧ポンプの温度上昇を抑制しようと、様々な解決法が提案された。

例えば、提案された１つの解決法においては、高圧ポンプの中へ流れるときに燃料圧力を上昇させる。言い換えると、低圧ポンプは、タンクから高圧ポンプへ、より高い圧力値（現在の０．５５ＭＰａ（５．５バール）に比べて）で燃料を供給しなければならないが、この解決法は、低圧ポンプに関してエネルギー効率の点でマイナス効果を持つという特徴がある。

又は、ある特許文献では、コモンレール内部で所望の圧力値を持つために高圧ポンプによってその時々にコモンレールへ供給するべき目標燃料流量を計算するステップと、燃料ポンプが取り入れる燃料の流れを閉塞するために遮断弁の開閉を制御して、遮断弁の開閉時間と閉鎖時間との間の比率を変動させることによって燃料ポンプが取り入れる燃料の流量を調節するステップと、を含む、コモンレールを備える直接噴射システム用の燃料ポンプを制御する方法について説明する（例えば、特許文献１参照。）。

又は、提案される別の解決法においては、高圧ポンプは、既にディーゼル噴射システムにおいて使用される燃料循環回路を備える。燃料循環回路は、燃料の一部をポンプ室からタンクへ移送する排出管を備える。これによって、ポンピング段階に発生する熱は、高圧ポンプから流れ出る燃料の流れを介して排出される。しかし、この技術的解決法は、噴射システムの全体的寸法の点で重大な欠点があり、コスト高でもある。

欧州特許第２０３９９２０号明細書

本発明の目的は、直接噴射システム用の燃料ポンプを制御する方法を提供することであり、方法は、先行技術が持つ欠点を持たず、同時に、実施が容易かつ安価である。

本発明によれば、請求項に従った直接噴射システム用の燃料ポンプを制御する方法が提供される。

次に、本発明について、その非限定的実施形態を示す添付図面を参照して説明する。

コモンレール式の燃料直接噴射システムの概略図であり、より明確にするために細部をいくつか除いている。 図１の直接噴射システムの高圧燃料ポンプの長手断面図であり、より明確にするために細部をいくつか除いている。 図２の高圧燃料ポンプ内部の温度の経時展開を示す。 図２の高圧燃料ポンプ内部の温度の経時展開を示す。

図１において、参照番号１は、全体として、特に燃料としてガソリンを使用する内燃機関ＩＣＥ用のコモンレール式燃料直接噴射システムを示す。

直接噴射システム１は、複数の噴射器２と、噴射器２へ与圧燃料を供給するコモンレール３と、供給ダクト５によってコモンレール３へ燃料を供給しかつ流量調節装置６を備える高圧ポンプ４と、コモンレール３内部の燃料圧力を所望の値（概ねエンジンの作動条件の関数として時間と共に変動する）に等しくする制御ユニット７と、供給ダクト１０によってタンク９から高圧ポンプ４へ燃料を供給する低圧ポンプ８と、を備える。

制御ユニット７は、コモンレールにおいて所望の圧力値を持つために必要な量の燃料がその時々にコモンレール３に供給されるように、高圧ポンプ４の流量を制御するために流量調節装置６に結合される。特に、制御ユニット７は、フィードバック制御によって高圧ポンプ４の流量を調整する。フィードバック制御は、フィードバック変数として、コモンレール３内部の燃料圧力値（圧力センサ１１によってリアルタイムに検出される圧力値）を使用する。

図２に概略的に示すように、高圧ポンプ４は、長手軸１３を有しかつ内部に円筒形ポンプ室１４を形成する本体１２を備える。ピストン１５はポンプ室１４内部に据え付けられて、滑動する。ピストンが、カムシャフト１６＊のローブ１６の作用によってピストンが長手軸１３に沿って前後に滑動するとき、ピストンはポンプ室１４の容積を周期的に変化させる。ピストン１５の下側部分は、ばね（図示せず）に結合され、ばねは、一方の側でポンプ室１４の最大容量を生じる位置へ向かってピストン１５を押し、他方の側でカムシャフト１６＊に結合される。カムシャフトは、エンジンの駆動軸（図示せず）によって回転されて、周期的にピストン１５を上向きに移動してばね１６を圧縮する。

取入れ流路１７はポンプ室１４の側壁を起源とする。取入れ流路１７は、供給ダクト１０よって低圧ポンプ８に接続され、ポンプ室１４のエリア内に配置される吸込み弁１８によって調節される。吸込み弁１８は、通常、圧力制御され、外部干渉がない場合、ポンプ室１４の燃料圧力が取入れ流路１７内の燃料圧力より高いとき閉鎖され、ポンプ室１４内の燃料圧力が取入れ流路１７内の燃料圧力より低いとき開放される。

送出流路１９は、取入れ流路１７の反対側のポンプ室１４の側壁を起源とする。送出流路１９は、供給ダクト５によってコモンレール３に接続され、一方向送出弁２０によって調節される。送出弁はポンプ室１４のエリア内に配置され、燃料がポンプ室１４から流出することのみを許容する。送出弁２０は、通常、圧力制御され、ポンプ室１４内の燃料圧力が送出流路１９内の燃料圧力より高いとき開放され、ポンプ室１４内の燃料圧力が送出流路１９内の燃料圧力より低いとき閉鎖される。

流量調節装置６は、必要なときピストン１５の還流段階ＲＰにおいて制御ユニット７が吸込み弁１８を開放したままにして、燃料がポンプ室１４から取入れ流路１７を通過して流れ出せるようするために（下でさらに説明するように）、吸込み弁１８に機械的に結合される。

流量調節装置６は制御棒２１を備え、制御棒は、吸込み弁１８に結合されかつ吸込み弁１８を閉鎖できるようにしてポンプ室１４と取入れ流路１７との間の流体流通が遮断される受動位置と、吸込み弁を閉鎖できなくしてポンプ室１４と取入れ流路１７との間の流体流通を可能にする能動位置との間で移動可能である。流量調節装置６は、更に、制御棒２１を能動位置と受動位置との間で移動するように制御棒２１に結合される電磁アクチュエータを備える。

電磁アクチュエータ２２は、制御棒２１を能動位置に保持するばね２３と、制御ユニット７によって制御されかつ強磁性アンカー２５を磁力で引き付けることによって制御棒２１を受動位置へ移動するように設計される電磁石２４と、を備える。アンカーは制御棒２１と一体的である。電磁石２４にエネルギーが与えられると、制御棒２１は、受動位置へ後退し、吸込み弁１８を閉鎖することによって、取入れ流路１７とポンプ室１４との間の流通を遮断できる。電磁石２４は、コイルによって取り囲まれる固定磁気アーマチュア２６（又は磁気ベース）を備える。電流がコイルを通過して流れると、コイルは磁場を生じ、地場は磁力によってアンカー２５を磁気アーマチュア２６へ向かって引き付ける。制御棒２１とアンカー２５は一緒に、流量調節装置６の可動器具を形成し、常に電磁アクチュエータ２２の制御を受けて、能動位置と受動位置との間を軸方向に移動する。磁気アーマチュア２６は、ばね２３を収容できる中央の空間を持つように、中央穴を持つ環状形であることが好ましい。

好ましい実施形態によれば、電磁アクチュエータ２２は、一方向液圧ブレーキを備える。ブレーキは、制御棒２１と一体的であり、かつ可動器具が能動位置へ向かって移動するときのみ可動器具（即ち制御棒２１及びアンカー２５）の移動を減速するように設計される（即ち、液圧ブレーキは、可動器具が受動位置へ向かって移動するときは可動器具の移動を減速しない）。

電磁アクチュエータ２２は、制御ユニット７によって制御され、かつ高圧ポンプの上死点と実質的に同期の電流曲線で電力供給を受ける。特に、制御ユニット７は、電流パルスを送信し、パルスの長さは、内燃機関の作動点に応じて即ちその速度に応じて変動でき、一方、前記電流パルスのタイミングは、ポンプ室から流れ出る燃料の流量に応じて変動できる。

高圧ポンプ４の作動サイクルは、実質的に３つの段階を含む。高圧ポンプ４の作動サイクルは、カムシャフト１６＊のローブ１６の各々によって識別される。カムシャフトは、ポンプ室１４の容積の周期的変化を決定づける。

取入れ段階（図２ａに示す）は、高圧ポンプ４の上死点（ＰＴＤＣ）のエリアにおいて開始する。取入れ段階において、ピストン１５は、長手軸１３に沿って下向きに移動し、吸込み弁１８は開放されて、制御棒２１は、燃料が取入れ流路１７を通過してポンプ室の中へ流れ込めるように、能動位置に在る。

還流段階（図２ｂに示す）は高圧ポンプの取入れ段階ＳＰの後に続き、高圧ポンプ３の下死点のエリアにおいて開始する。還流段階において、ピストン１５は、長手軸１３に沿って上向きに移動し、吸込み弁１８は開放されたままであり、制御棒２１は能動位置に在る。このようにして、ポンプ室１４から流れ出る燃料は、取入れ流路１７を通過して低圧回路へ向かって流れる。

また、ポンピング段階（図２ｃに示す）は、高圧ポンプ４の還流段階の後に続く。高圧ポンプ４のポンピング段階は、電流パルスで電磁アクチュエータ２２を作動する制御ユニット７のコマンドのエリアにおいて開始する。吸込み弁１８はポンプ室１４から取入れ流路１７を通過して低圧回路へ向かって流れる燃料の還流によって閉鎖される。吸込み弁１８が閉鎖された後、ポンプ室１４内部の燃料圧力は、一方向送出弁２０を開放させる値に達する。一方向送出弁は、ポンプ室１４のエリア内に配置され、燃料がポンプ室１４から流出できるようにする。言い換えると、一方向送出弁２０の開放は、ポンプ室１４内部の燃料圧力が送出流路１９内の燃料圧力より高いときに生じる。

使用時に、流量調節装置６の可動器具（即ち制御棒２１及びアンカー２５）が受動位置へ向かって移動して、能動位置から離れて、コモンレール３へ与圧燃料を供給し始めるために吸込み弁１８を閉鎖できるようにするとき、受動位置へ向かう移動は、高圧ポンプ４の作動に対して実質的な効果を持つので、制御を容易にしかつ改良するためにできる限り迅速でなければならない。磁気アーマチュアに衝突するときの可動器具の運動エネルギーは速度の二乗の関数なので、この運動エネルギーは実質的に大きい。

実験の結果は、ポンピング段階において、高圧ポンプ４の温度の著しい上昇があることを示している。

特に、図４のグラフは、高圧ポンプ４の４つの点のエリアにおいて検出された温度の経時変動を示す。より詳細には、ＩＮＬＥＴは、取入れ流路１０のエリアにおいて計測された温度の経時変動を示し、ＯＵＴＬＥＴは、送出流路１９のエリアにおいて計測された温度の経時変動を示し、ＤＡＭＰＥＲは、流路１７のエリアにおいて計測された温度の経時変動を示し、ＦＩＸＴＵＲＥは、高圧ポンプ４の支持体２７エリアにおいて計測された温度の経時変動を示す。

高圧ポンプ４の様々な点のエリアにおいて検出された温度の３つの展開は、実質的に類似しており、２０ＭＰａ（２００バール）から６０ＭＰａ（６００バール）への圧力上昇Δｐのエリア及び６０ＭＰａ（６００バール）から８０ＭＰａ（８００バール）への圧力上昇Δｐのエリアにおいて２つの急激な変動がある。

特に、図３によれば、吸込み弁１８の閉鎖後２０ＭＰａ（２００バール）から６０ＭＰａ（６００バール）への圧力上昇Δｐがある場合、温度変動ΔＴは、高圧ポンプ４の様々な点のエリアにおいて３０から５０℃の範囲である。他方、吸込み弁１８の閉鎖後、６０ＭＰａ（６００バール）から８０ＭＰａ（８００バール）への圧力上昇Δｐがある場合、温度変動ΔＴはより大きい値であり８０°の範囲である。３０から５０℃の範囲の温度変動ΔＴは、高圧ポンプ４において空洞現象の問題を引き起こす可能性があるが、８０℃の範囲の温度変動ΔＴの場合、高圧ポンプは、明らかに不安定になりほとんど信頼できなくなる。

この現象は、高圧ポンプが全負荷で作動しない場合、即ちコモンレール３内部で所望の圧力値を持つために必要でかつ高圧ポンプによって供給される燃料の量が高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍ_maxより小さい場合、悪化することが証明されている。

高圧ポンプ４が全負荷で作動する場合（即ち、コモンレール３内部で所望の圧力値を持つために必要でかつ高圧ポンプ４によって供給される燃料の量が、高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍ_maxに等しい場合）、ポンピング段階に発生する熱は、高圧ポンプ４から流れ出る燃料の流量によって排出される。

したがって、制御ユニット７は、ポンピング段階に高圧ポンプ４において発生する温度変動ΔＴを抑制する（contain）ために高圧ポンプ４を制御するように設計される。

以下に、ポンピング段階に高圧ポンプ４において発生する温度変動ΔＴを抑制するように高圧ポンプ４を制御するために制御ユニット７によって実現される戦略について説明する。

まず、戦略として、コモンレール３内部で所望の圧力値を持つために高圧ポンプ４がその時々にコモンレール３へ供給すべき目標燃料流量Ｍ_refを計算する。

次に、制御ユニット７は、目標燃料流量Ｍ_refを高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍ_maxと比較するように設計される。目標流量Ｍ_refと高圧ポンプによって送出できる最大流量Ｍ_maxとの間の差異が取るに足りない場合（又は、いずれにしても、制御ユニット７のセットアップ段階において調節できる閾値ＴＶより低い場合）、ポンピング段階に高圧ポンプ４において発生する温度変動ΔＴを抑制するように高圧ポンプ４を制御するための戦略は一切実施されない。

目標燃料流量Ｍ_refと高圧ポンプによって送出できる最大流量Ｍ_maxとの間の差異が無視できず、特に調節可能な閾値ＴＶを上回る場合、ポンピング段階に高圧ポンプ４において発生する温度変動ΔＴを抑制するための戦略が実施される。

制御ユニット７は、高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍ_maxを処理するために高圧ポンプ４の流量を調節するように設計される。言い換えると、制御ユニット７は、高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍ_maxを高圧ポンプ４が処理する作動サイクルとアイドル作動サイクルの交番（alternation）を制御するように設計される。

特に、制御ユニット７は、専ら、２つの作動サイクル即ち高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍ_maxを高圧ポンプ４が処理する作動サイクルとアイドル作動サイクルの交番を制御するように設計される。

例えば、コモンレール３内部で所望の圧力値を持つために高圧ポンプ４によってその時々にコモンレール３へ供給すべき目標燃料流量Ｍ_refが高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍ_maxの半分に等しい場合、制御ユニット７は、高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍ_maxによる高圧ポンプ４の１作動サイクル及び高圧ポンプ４のアイドル作動サイクルを実施するように設計される。こうすることによって、高圧ポンプ４は、２つの作動サイクルにおいて同じ燃料流量（高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍ_maxに等しい）を処理できるが、高圧ポンプ４のアイドル作動サイクルにおいて発生する熱は、送出可能な最大流量Ｍ_maxによる高圧ポンプ４の作動サイクルにおいて高圧ポンプ４から流れ出る燃料流量によって排出される。

概略的に、コモンレール３内部で所望の圧力値を持つために高圧ポンプ４によってその時々にコモンレール３へ供給すべき目標燃料流量Ｍ_refが、高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍ_maxの１／ｎに等しい場合、制御ユニット７は、高圧ポンプ４のｎ作業サイクル毎に１回、高圧ポンプ４によって送出できる最大流量Ｍ_maxによる高圧ポンプ４の１作動サイクルを実施し、残りの作動サイクル（ｎ−１）は高圧ポンプ４のアイドル作動サイクルである。

したがって、制御ユニット７は、フィードバック制御（フィードバック変数として、好ましくはリアルタイムで圧力センサ１１によって検出されたコモンレール３内部の燃料圧力値を使用する）及び高圧ポンプによって送出できる最大流量Ｍ_maxとコモンレール３内部で所望の圧力値を持つために高圧ポンプ４によってその時々にコモンレール３へ供給するべき目標燃料流量Ｍ_refとの間の比較によって、高圧ポンプ４を制御するように設計される。

図４に示すグラフは、上述の高圧ポンプ４の制御戦略を実施する高圧ポンプ４の４つの点のエリアにおいて検出された温度の経時変動を示す。より詳細には、ＩＮＬＥＴは、取入れ流路１０のエリアにおいて計測された温度の経時変動を示し、ＯＵＴＬＥＴは、送出流路１９のエリアにおいて計測された温度の経時変動を示し、ＤＡＭＰＥＲは、流路１７のエリアにおいて計測された温度の経時変動を示し、ＦＩＸＴＵＲＥは、高圧ポンプ４の支持体２７のエリアにおいて計測された温度の経時変動を示す。

高圧ポンプ４の様々な点のエリアにおいて検出された温度の４つの展開は、実質的に類似しており、２０ＭＰａ（２００バール）から６０ＭＰａ（６００バール）への圧力上昇Δｐのエリア及び６０ＭＰａ（６００バール）から８０ＭＰａ（８００バール）への圧力上昇Δｐのエリアにおいて２つの僅かな変動がある。特に、図４によれば、吸込み弁１８の閉鎖後、２０ＭＰａ（２００バール）から６０ＭＰａ（６００バール）への圧力上昇Δｐがある場合、温度変動ΔＴは、高圧ポンプ４の様々な点のエリアにおいて３０から４０℃の範囲である。一方、吸込み弁１８の閉鎖後に６０ＭＰａ（６００バール）から８０ＭＰａ（８００バール）への圧力上昇Δｐがある場合、温度変動ΔＴはもっと高い値であり、いずれにしても５０℃より低い。

高圧ポンプ４を制御するために制御ユニット７によって実施される（既述の）戦略は、いくつかの利点を持つ。特に、コストの点で有利なだけでなく、実施が容易かつ安価である。特に、上述の方法は、制御ユニット７のために過剰な計算負担を伴わず、同時に、ポンピング段階に高圧ポンプ４において発生する温度変動ΔＴを制限しながら、コモンレール３内部の燃料圧力目標値を維持できる。

Claims (4)

1. コモンレール（３）を備える直接噴射システム用の燃料ポンプ（４）を制御する方法において、
   前記コモンレール（３）内部で所望の圧力値を持つために前記高圧ポンプ（４）によってその時々に前記コモンレール（３）へ供給すべき目標燃料流量（Ｍ_ref）を計算するステップと、
   前記目標燃料流量（Ｍ_ref）を、前記高圧ポンプ（４）によって送出できる最大流量（Ｍ_max）と比較するステップと、
   前記目標燃料流量（Ｍ_ref）と前記高圧ポンプ（４）によって送出できる前記最大流量（Ｍ_max）との間の比較に基づいて、専ら、送出できる前記最大流量（Ｍ_max）による前記高圧ポンプ（４）の作動サイクルと前記高圧ポンプ（４）のアイドル作動サイクルを交番させるように前記高圧ポンプ（４）を制御するステップとを含む、方法。
2. 更に、前記コモンレール（３）内部の前記所望の圧力値をリアルタイムに検出するステップと、前記コモンレール（３）内部で検出された圧力値に基づいて前記高圧ポンプ（４）を制御するステップと、を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記高圧ポンプ（４）によって送出できる前記最大流量（Ｍ_max）と前記目標燃料流量（Ｍ_ref）との間の差異が閾値（ＴＶ）を上回った場合のみ、送出できる前記最大流量（Ｍ_max）による前記高圧ポンプ（４）の作動サイクルと前記高圧ポンプ（４）のアイドル作動サイクルを交番させるように前記高圧ポンプ（４）を制御する更なるステップを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記目標燃料流量（Ｍ_ref）が前記高圧ポンプ（４）によって送出できる前記最大流量（Ｍ_max）の１／ｎに等しい場合、前記方法が、更に、送出できる前記最大流量（Ｍ_max）による前記高圧ポンプ（４）の１作動サイクル及び前記高圧ポンプ（４）の（ｎ−１）アイドル作動サイクルを制御する更なるステップを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。