JP3677590B2

JP3677590B2 - 火花点火直噴式内燃機関

Info

Publication number: JP3677590B2
Application number: JP10163896A
Authority: JP
Inventors: 肇細谷; 尚己冨澤; 正之安岡
Original assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: JPH09287540A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用燃料ポンプの吐出量を推定する技術に関し、特に高圧燃料ポンプで吐出された燃料を燃焼室に直接噴射する火花点火直噴式機関において始動時に燃料噴射量を補正するため、高圧燃料ポンプの吐出量を精度良く推定するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガソリン機関等の火花点火式機関においても、燃料噴射弁の噴孔を燃焼室内に臨ませて設置し、該燃料噴射弁によって燃料を燃焼室内に直接噴射する方式が研究されており、該火花点火式直噴内燃機関によれば、吸気ポートに燃料噴射弁を備えた予混合式の火花点火機関に比較して、燃料の輸送遅れによる過渡運転特性の悪化や排気組成の悪化を抑制できるという利点がある。
【０００３】
この種の機関では、燃料の微粒化効果を高めるため燃料噴射圧力を高める方法として、燃料供給通路の途中に高圧用の燃料ポンプを備えている (特開平５−３２１７８３号等参照) 。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記内燃機関の高圧用燃料ポンプでは、始動時に燃料圧力が昇圧する際に燃料圧力の変動が激しいため、燃料ポンプの吐出量と燃料噴射弁からの燃料噴射量とに基づいて、燃料ポンプの昇圧特性を予測して、燃料噴射量を補正することが試みられている。
【０００５】
その場合、前記燃料ポンプの吐出量はポンプ回転速度のみに基づいて推定されていたが、該吐出量は燃料の状態によっても変わってくるため、十分高精度に推定できていなかった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもので、内燃機関用燃料ポンプの吐出量を高精度に推定することを目的とする。
【０００６】
また、特にガソリン機関等の火花点火機関で燃料を燃焼室内に直接噴射する機関において、燃料の微粒化促進のため用いられる高圧用ポンプの機関始動時の吐出量を高精度に推定することを目的とする。
また、前記のように燃料ポンプの吐出量を高精度に推定して昇圧特性を予測することによって、機関始動時の燃料噴射量を補正して高精度に設定することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、図１に示すように、相対的に低圧で燃料を吐出する第１の燃料ポンプと、機関の回転により駆動され、前記第１の燃料ポンプから吐出された燃料を相対的に高圧で吐出する第２の燃料ポンプと、該第２の燃料ポンプから吐出された高圧燃料を一定圧力に調整する燃料圧力調整手段と、を備え、前記一定圧力に調整された燃料を燃料噴射弁によって機関の燃焼室内に噴射する火花点火直噴式内燃機関において、前記第２の燃料ポンプの回転速度を検出するポンプ回転速度検出手段と、前記燃料の粘度と密度を推定する燃料特性推定手段と、検出された第２の燃料ポンプの回転速度と推定された燃料の粘度と密度とを考慮して第２の燃料ポンプの吐出量を推定する吐出量推定手段と、を含んで構成し、機関始動時に、推定された前記第２の燃料ポンプの吐出量に基づいて前記第２の燃料ポンプの昇圧特性を予測し、該昇圧特性に基づいて前記燃料噴射弁からの燃料噴射量を補正することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、図１中破線で示すように、機関の燃料温度を検出する燃料温度検出手段と、燃料の性状を判定する燃料性状判定手段と、を更に備え、前記燃料特性推定手段は、前記検出された燃料温度と判定された燃料性状とに基づいて、燃料の粘度と密度を推定することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は、前記燃料温度検出手段は、燃料温度を直接検出し、若しくは機関温度、外気温度、機関負荷の検出値に基づいて推定することを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、火花点火式直噴機関では、空燃比のリーン化促進のために燃料微粒化する必要があるので高圧用の燃料ポンプが用いられているが、該高圧用の燃料ポンプは機関のクランク軸やカム軸により直接又はギアやベルトを介して間接的に駆動されるので、始動時の燃圧変動が激しく、その昇圧特性を予測して燃料噴射量を補正する必要性が大きい。したがってこの種の機関において燃料ポンプの吐出量を高精度に推定することにより、前記昇圧特性を高精度に予測でき、ひいては始動時の機関性能を高める効果が大きい。
ここで、燃料ポンプの吐出量は、基本的には該燃料ポンプの回転速度に比例的であるので、第２の燃料ポンプの回転速度を基本とし、吐出量に与える影響が大きい燃料の粘度と密度とを加味して高精度な推定を行うことができる。
そして、高精度に推定したポンプ吐出量に基づいて、モデルにより第２の燃料ポンプの始動時における昇圧特性を予測し、該昇圧特性に基づいて燃料噴射量を噴射することにより、始動時の性能を向上させることができる。
【００１３】
また、請求項２に係る発明によれば、燃料の粘度と密度とを、直接検出することは困難であるが、燃料温度と燃料の性状とに基づいて推定することができる。
【００１４】
また、請求項３に係る発明によれば、燃料温度を、直接検出する場合は高精度に検出でき、また、機関温度，外気温度，機関負荷の検出値に基づいて推定すれば、専用の燃料温度センサを用いることなく、低コストで済む。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図２は、本発明の一実施形態の全体システム構成を示す。
図２において、機関１は、電磁式の燃料噴射弁２を、その噴孔を燃焼室３内に臨ませて配置し、吸気ポート４及び吸気弁５を介して燃焼室３内に吸引した新気に対して前記燃料噴射弁２から燃料を噴射して混合気を形成させ、該混合気を点火栓６による火花点火によって着火させる火花点火式直噴機関である。
【００１７】
前記機関１の排気は、排気弁７及び排気ポート８を介して燃料室３から排出され、図示しない排気浄化触媒及びマフラーを介して大気中に放出される。
燃料タンク９内の燃料は、第１の燃料ポンプ10により相対的に低圧で燃料が吐出され、低圧側燃料通路11Ａに介装されたフィルタ12によってろ過された後、フィルタ12下流側の低圧側燃料通路11Ｂにバイパスして設けられた低圧レギュレータ13により一定の低圧に調整された燃料が高圧用の第２の燃料ポンプ14に送られる。
【００１８】
この高圧用の第２の燃料ポンプ14は、機関１のクランク軸やカム軸により直接又はギアやベルトを介して間接的に駆動され、前記低圧の燃料を高圧に加圧して吐出する。該第２のポンプ14から吐出した燃料は、高圧側燃料通路15にバイパスして設けられた高圧レギュレータ16により高圧一定の燃圧に調整される。
そして、マイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニット17から所定噴射タイミングで送られる機関運転状態に応じた所定幅のパルス信号に応じて、前記燃料噴射弁２が開制御され、前記所定燃圧に調整された燃料を燃焼室３内に噴射供給する。
【００１９】
前記コントロールユニット17には、前記燃料噴射制御のため、機関回転速度検出用であると共に、前記第２の燃料ポンプ14の回転速度検出用でもあるクランク角センサ18、吸入空気流量検出用のエアフローメータ19、機関冷却水温度を検出すると共に、該水温によって燃料温度を推定する機能も有する水温センサ20等の各種センサからの検出信号が入力されるようになっている。
【００２０】
ここで、コントロールユニット17は、前記噴射パルス信号のパルス幅を制御すると共に、前記噴射パルス信号の出力開始タイミング、即ち、燃料噴射弁2による燃料噴射期間を制御するようになっている。また、燃料タンク9からの蒸発燃料を吸気系に吸入して燃焼処理するための蒸発燃料処理装置が備えられている。
【００２１】
即ち、図３に示すように、前記燃料タンク９には、蒸発燃料通路21の一端が接続されており、該蒸発燃料通路21の他端はキャニスタ22に接続される。前記キャニスタ22は、燃料タンク９内で発生した蒸発燃料を一時的に吸着捕集するものである。
前記蒸発燃料通路21は、途中で二股に分岐した後に合流してキャニスタ22に至るよう形成されており、前記分岐配管部分の一方21ａには機械式のチェックバルブ23が、他方21ｂには電磁式のチェックバルブバイパスバルブ24が介装されている。尚、チェックバルブ23は所定以上の加圧状態で開弁する。
【００２２】
また、前記チェックバルブ23及びチェックバルブバイパスバルブ24と、キャニスタ22との間の蒸発燃料通路21には、該蒸発燃料通路21における圧力、即ち、燃料タンク９内圧力を検出する圧力センサ25が設けられている。前記キャニスタ22には、新気を導入するための大気導入路27が接続されており、この大気導入路27には新気導入を選択的に遮断するための電磁式のドレインカットバルブ28が介装されている。
【００２３】
一方、前記キャニスタ22に一時的に吸着捕集された蒸発燃料を、吸気マニホールドの吸気コレクタ部29に供給するためのパージ通路30が、キャニスタ22と吸気コレクタ部29との間に延設されており、かかるパージ通路30の途中には、電磁式のパージカットバルブ31及びパージコントロールバルブ32が直列に介装されている。前記パージカットバルブ31は、前記パージ通路30をＯＮ・ＯＦＦ的に開閉する電磁弁であり、また、パージコントロールユニットバルブ32はその開度が調整される流量調整弁である。
【００２４】
前記パージカットバルブ31及びパージコントロールバルブ32、更に、ドレインカットバルブ28が開かれている状態では、パージ通路30を介してキャニスタ22内に導入される新気と共に、キャニスタ22から離脱 (パージ) された蒸発燃料が吸気コレクタ部29内に吸引され、機関１における燃焼に供されることになる。
前記チェックバルブバイパスバルブ24，ドレインカットバルブ28，パージカットバルブ31，パージコントロールバルブ32は、前記コントロールユニット17によって開閉制御されるようになっている。
【００２５】
このようなシステム構成において、機関始動時における前記高圧用の第２の燃料ポンプの昇圧特性を予測するために吐出量を推定するルーチンを、図４に基づいて説明する。
ステップ１では、燃料温度を前記水温センサ20によって検出された機関の冷却水温度から推定する。なお、燃料通路に燃温センサを設けて直接検出してもよく、高精度に燃料温度を検出できるが、本実施形態のように推定によれば、燃温センサを用いなくてよいので、低コストで済む。
【００２６】
ステップ２では、燃料の性状 (重軽質) を判定する。これは、燃料通路に重軽質センサを設けて燃料の重軽質を直接検出してもよいが、本実施形態では、後述するように蒸発燃料の圧力に基づいて推定する。
ステップ３では、前記推定された燃料温度と燃料の性状とに基づいて、燃料の粘度と密度を演算により又はマップからの検索により推定する。
【００２７】
ステップ４では、第２の燃料ポンプ14の回転速度Ｎｐを算出する。該第２の燃料ポンプ14は、前述したように機関駆動されるので、該ポンプ14の回転速度Ｎｐは、クランク角センサ18により検出される機関回転速度Ｎｅと同一か、比例した値として求めることができる。
ステップ５では、前記ポンプ回転速度Ｎｐを基本として得られる吐出量を、前記推定された燃料の粘度と密度とにより補正して吐出量を算出する。
【００２８】
このようにして燃料の物理的特性であり吐出量への影響が大きい粘度と密度とで補正して高精度に算出された第２の燃料ポンプ14の吐出量と、燃料噴射弁６からの燃料噴射量と、燃料を蓄えるアキュームレータの容量と、に基づいて、モデルにより第２の燃料ポンプ14の始動時における昇圧特性を予測し、該昇圧特性に基づいて燃料噴射量を補正する。
【００２９】
このようにすれば、第２の燃料ポンプ14の吐出量を高精度に推定しているので、昇圧特性も高精度に予測でき、最終的に燃料噴射量を高精度に補正して機関の始動時の性能を向上させることができる。
次に、前記各種バルブの開閉制御によって、キャニスタパージを制御する一方、図５のフローチャートに示すように燃料タンク内の蒸発燃料圧力に基づいて燃料の性状を判定する。
【００３０】
ステップ21では、前記パージカットバルブ31を閉、パージコントロールバルブ32を全閉、ドレインカットバルブ28を閉、チェックバルブバイパスバルブ24を開に夫々セットする。ステップ22では、当該初期状態で前記圧力センサ７による圧力つまり燃料タンク9内の蒸発燃料圧力の検出値ＥＶＰＲＥＳを初期値ＥＶＰＩＮＴとして読み込む。
【００３１】
次に、ステップ23では、前記各バルブをパージ処理時の状態に制御してパージ処理を行う。この間、機関は暖機されていき、それに応じて燃料温度も上昇していく。パージ処理時の各バルブの具体的な状態は、前記パージカットバルブ31を開、パージコントロールバルブ32を機関運転状態に基づいて設定されたパージ率(パージ混合気流量／吸入空気流量) となる開度、ドレインカットバルブ28を開、チェックバルブバイパスバルブ24を閉に夫々セットする。
【００３２】
ステップ24では、始動後、所定時間が経過したか否かを判定する。経過後はステップ25へ進んで、パージ処理を停止し、前記各バルブをステップ22と同一の状態にセットする。かかるパージ処理停止直後の状態では燃料タンク２内の蒸発燃料圧力は負圧となっている。
ステップ26では、前記各バルブのリセット状態からの経過時間を測定するためのタイマを起動する。
【００３３】
ステップ27では、前記圧力センサ25によって検出される燃料タンク9内の圧力が、前記ステップ23で検出されたパージ処理前の初期値より所定値Ｃ以上大きいか否かを判定し、所定値Ｃ以上となるのを待ってからステップ28へ進む。ここで、同一性状の燃料使用時でも始動時の燃料温度が低いときほど初期圧力と暖機後の飽和圧力との格差が増大するため、図６に示すように、前記所定値Ｃは始動時の燃料温度が低いときほど大きい値となるように可変に設定する。
【００３４】
そして、ステップ28では、前記燃料タンク31内の圧力ＥＶＰＲＥＳがパージ処理前の初期値ＥＶＰＩＮＴから所定値Ｃ以上となるまでの経過時間ＴＭＶＰが所定時間Ｄ以上であるか否かを判定し、所定時間Ｄ以上のときは、ステップ29へ進んで燃料が重質であると判別し、経過時間が所定値未満のときはステップ30へ進んで燃料が軽質であると判別する。ここで、同一性状の燃料使用時でも燃料温度の増大速度ΔＴが大きい場合は、圧力上昇速度も増大するため、燃料温度の増大速度ΔＴを演算し、図７に示すように、該燃料温度の増大速度ΔＴが小さいときほど前記所定時間Ｄを大きくなるように可変に設定する。
【００３５】
即ち、燃料性状が重質であれば、揮発性が低いので蒸発燃料の暖機後の飽和圧力が低く、圧力上昇速度も低いので初期値との格差が所定値Ｃ以上となるのに時間を要するが、燃料性状が軽質であれば、揮発性が高いので蒸発燃料の暖機後の飽和圧力，圧力上昇速度が低く、初期値との格差が短時間で所定値Ｃ以上となるので、重質と軽質とを判別することができる。
【００３６】
また、以上の実施形態では、燃料の性状を重質と軽質との２種類に判別するものを示したが、重軽質のレベルをリニアに検出し、重軽質の度合いに応じて空燃比リーン制御の空燃比初期値を設定するようにしてもよく、より極め細かい制御を行える。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る吐出量推定のフローチャートを示し、図４のフローチャートに示す第１の実施形態に係る吐出量推定と異なるのは、燃料温度と燃料の性状とから燃料粘度と密度との推定を介することなく、第２の燃料ポンプの回転速度Ｎｐと共に、ステップ11で直接マップからの検索又は演算により吐出量を推定するようにしたものである。このようにすれば、演算処理が短縮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成・機能を示すブロック図。
【図２】本発明の一実施形態の全体システム構成を示す図。
【図３】同じく蒸発燃料処理装置の構成を示す図。
【図４】同じく燃料ポンプの吐出量を推定するルーチンのフローチャート。
【図５】同じく燃料性状推定ルーチンを示すフローチャート。
【図６】同じく始動時燃料温度に対する所定値の関係を示す図。
【図７】同じく燃料温度増大速度に対する所定時間の関係を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料ポンプの吐出量を推定するルーチンのフローチャート。
【符号の説明】
１内燃機関
２燃料噴射弁
３燃焼室
９燃料タンク
10 第１の燃料ポンプ
14 第２の燃料ポンプ
17 コントロールユニット
21 蒸発燃料通路
22 キャニスタ
23 チェックバルブ
24 チェックバイパスバルブ
25 圧力センサ
27 大気圧導入路
28 ドレインカットバルブ
30 パージ通路
31 パージカットバルブ
32 パージコントロールバルブ

Claims

相対的に低圧で燃料を吐出する第１の燃料ポンプと、機関の回転により駆動され、前記第１の燃料ポンプから吐出された燃料を相対的に高圧で吐出する第２の燃料ポンプと、該第２の燃料ポンプから吐出された高圧燃料を一定圧力に調整する燃料圧力調整手段と、を備え、前記一定圧力に調整された燃料を燃料噴射弁によって機関の燃焼室内に噴射する火花点火直噴式内燃機関において、
前記第２の燃料ポンプの回転速度を検出するポンプ回転速度検出手段と、
前記燃料の粘度と密度を推定する燃料特性推定手段と、
検出された第２の燃料ポンプの回転速度と推定された燃料の粘度と密度とを考慮して第２の燃料ポンプの吐出量を推定する吐出量推定手段と、
を含んで構成し、
機関始動時に、推定された前記第２の燃料ポンプの吐出量に基づいて前記第２の燃料ポンプの昇圧特性を予測し、該昇圧特性に基づいて前記燃料噴射弁からの燃料噴射量を補正することを特徴とする火花点火直噴式内燃機関。
機関の燃料温度を検出する燃料温度検出手段と、
燃料の性状を判定する燃料性状判定手段と、を更に備え、
前記燃料特性推定手段は、前記検出された燃料温度と判定された燃料性状とに基づいて、前記燃料の粘度と密度を推定することを特徴とする請求項１記載の火花点火直噴式内燃機関。
前記燃料温度検出手段は、燃料温度を直接検出し、若しくは機関温度、外気温度、機関負荷の検出値に基づいて推定することを特徴とする請求項２記載の火花点火直噴式内燃機関。