JP4058301B2 - 内燃機関の高圧燃料供給装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に搭載される内燃機関の装置に係り、特に高圧燃料ポンプを備えた内燃機関の高圧燃料供給装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガソリンエンジン等の火花点火式エンジンにおいて、燃料をポンプにより圧送して高圧化した燃料を燃焼室内に直接噴射することにより、点火プラグ近傍に可燃混合気を層状に生成して成層燃焼を行い、これにより空燃比を大幅にリーンとした燃焼を可能として機関の燃費・排出ガス性能を大きく改善した技術が開発されている。
【0003】
このような成層燃焼を行うにあたり、高圧化された燃料を取り扱うため、高圧燃料供給装置およびその制御装置が必要となり、これらに異常が発生した場合における技術が提案されている。
【0004】
特開平10−176587号においては、内燃機関の高圧燃料供給装置において、燃料圧力検出用のセンサに異常ありと診断すると前記高圧ポンプの燃料圧力が最高となるように吐出制御弁を強制制御し、吐出制御弁に異常有りと診断すると高圧ポンプの燃料圧力が最低となるように吐出制御弁を強制制御することをその趣旨としている。
【0005】
また、特開2000−130230号においては、高圧燃料供給装置およびその制御系に異常が発生した場合、高圧燃料ポンプによる加圧を停止し、フィードポンプによる燃料圧力にて燃料噴射弁からの燃料噴射を行う。このとき、燃料噴射量が燃料噴射を完了することのできる許容最大噴射量よりも大きければ、エンジンの電子制御ユニットがフューエルカットするようにしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術の特開平10−176587号および特開2000−130230号においては、高圧燃料供給装置およびその制御系に異常が発生した場合において、高圧燃料ポンプを最高吐出あるいは加圧停止に制御可能であることを前提としている。
【0007】
しかし、内燃機関制御装置の故障等で、例えば、高圧燃料ポンプが制御不可能の状態のまま、燃料噴射弁から噴射される燃料量より高圧燃料ポンプによる吐出量が多い状態になった場合は、燃料圧力が上昇して燃料噴射弁の開弁限界圧以上となり、燃料噴射制御が不能となる場合がある。このため燃料圧力が燃料噴射弁の開弁限界圧以上にならないような高圧燃料供給装置が必要である。
【0008】
また、燃料噴射制御が不能になることによって、燃焼室内の供給燃料量が要求値に達しなくなって混合気の空燃比が適正値よりもリーンになる。この状態で混合気を燃焼させようとしても空燃比が適正値よりもリーンであるため、混合気への着火性が低下して失火が生じるおそれがある。失火が生じた場合、燃費・排気・運転性の悪化を招くこととなる。
【0009】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、高圧燃料ポンプおよびその制御系に異常が発生し燃料蓄圧室内の圧力が上昇したときに、燃料圧力が燃料噴射弁の開弁限界圧以上にならない高圧燃料供給装置の提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る高圧燃料供給装置は、燃料タンクから燃料を高圧燃料ポンプの低圧側に供給する低圧燃料ポンプと、前記低圧ポンプにより供給された燃料を加圧して燃料蓄圧室に供給する高圧燃料ポンプと、前記高圧燃料ポンプの制御装置と、前記高圧燃料ポンプにより供給された燃料を蓄積する燃料蓄圧室と、前記燃料蓄圧室内の圧力が所定値以上に上昇した際に自動的に開弁し、燃料を前記高圧燃料ポンプの低圧側に戻すことによって圧力を調整する圧力調整弁と、燃料蓄圧室内の燃料を内燃機関内に噴射する燃料噴射弁と、を有し、燃料噴射弁の開弁限界圧または高圧燃料ポンプ制御不能時の燃料蓄圧室内の最高圧力を調整することにより、前記高圧燃料ポンプまたは前記高圧燃料ポンプの制御装置に異常が発生し、前記燃料蓄圧室内の圧力が上昇したときでも、燃料蓄圧室内の圧力が燃料噴射弁の開弁限界圧を超えない装置構成とする。
【0011】
または、前記高圧燃料供給装置において、前記燃料蓄圧室内の圧力が燃料噴射弁の開弁限界圧を超えない許容内燃機関回転数上限値を算出し、内燃機関回転数をこの値以下に制限する手段を設ける。なお前記内燃機関回転数の制限は、燃料噴射量,吸入空気量の少なくとも一つを制限することによって行い、前記許容内燃機関回転数上限値の算出は燃料噴射量を使用して行う。
【0012】
さらに、前記高圧燃料供給装置およびその制御系において、前記燃料蓄圧室内の圧力が上昇する異常の検出は、前記燃料蓄圧室内の圧力,前記高圧燃料ポンプへの制御信号,前記高圧燃料ポンプへの通電電流のいずれかを用いて行う。
【0013】
前記の如く構成された本発明に係る高圧燃料供給装置は、燃焼室内の燃料量が要求値に達しなくなって混合気の空燃比が適正値よりもリーンになることを防ぐ。このことにより、安定した燃焼と排出ガス性能改善に貢献する。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の高圧燃料供給装置の一実施形態について説明する。
【0015】
図1は、本実施形態の内燃機関101の装置全体構成を示したものである。前記装置は高圧燃料ポンプ102を備えている。シリンダ101bに導入される吸入空気は、エアクリーナ103の入口部103aから取り入れられ、内燃機関の運転状態計測手段の一つであるエアフロセンサ104を通り、吸気流量を制御する電制スロットル弁105aが収容されたスロットルボディ105を通ってコレクタ106に入る。前記エアフロセンサ104からは、前記吸気流量を表す信号が内燃機関制御装置であるコントロールユニット107に出力されている。
【0016】
また、前記スロットルボディ105には、電制スロットル弁105aの開度を検出する内燃機関の運転状態計測手段の一つであるスロットルセンサ108が取り付けられており、その信号もコントロールユニット107に出力されるようになっている。
【0017】
なお、図には示していないが、内燃機関の回転数計測手段からの情報もコントロールユニット107に入力されている。
【0018】
前記コレクタ106に吸入された空気は、内燃機関101の各シリンダ101bに接続された各吸気管109に分配された後、前記シリンダ101bの燃焼室101cに導かれる。
【0019】
一方、ガソリン等の燃料は、燃料タンク110から低圧燃料ポンプ111により一次加圧されて燃料圧力レギュレータ112により一定の圧力(例えば3kg/cm2)に調圧されるとともに、高圧燃料ポンプ102でより高い圧力に二次加圧(例えば50kg/cm2)されて蓄圧室118へ圧送される。蓄圧室118には、燃料噴射弁113,圧力調整弁119,圧力センサ120が装着されている。燃料噴射弁113は、内燃機関の気筒数にあわせて装着されており、内燃機関のコントロールユニット107の信号にて噴射の制御が行われている。また圧力調整弁119は、蓄圧室118内の圧力が所定値を超えた際開弁し、配管系の破損を防止する。
【0020】
前記高圧燃料は、燃料噴射弁113から燃焼室101cに噴射される。前記燃焼室101cに噴射された燃料は、点火コイル114で高電圧化された点火信号により点火プラグ115で着火される。
【0021】
また、排気弁のカムシャフト124に取り付けられたカム角センサ116は、カムシャフトの位相を検出するための信号をコントロールユニット107に出力する。ここで、カム角センサは吸気弁側のカムシャフト125に取り付けてもよい。また、内燃機関のクランクシャフトの回転と位相を検出するためにクランク角センサ117をクランクシャフト軸上に設け、その出力をコントロールユニット107に入力する。
【0022】
さらに、排気管121中の触媒122の上流に設けられた空燃比センサ123は、排気ガスを検出し、その検出信号をコントロールユニット107に出力する。
【0023】
前記コントロールユニット107の主要部は、図2に示すように、MPU203,EP−ROM202,RAM204及びA/D変換器を含むI/OLSI201等で構成され、内燃機関の運転状態を計測(検出)する手段の一つであるエアフロセンサ104,燃料圧力センサ120を含む各種のセンサ等からの信号を入力として取り込み、所定の演算処理を実行し、この演算結果として算定された各種の制御信号を出力し、制御対象である前記各燃料噴射弁113,点火コイル114等に所定の制御信号を供給して燃料供給量制御,点火時期制御及び燃料供給ポンプによる燃料圧力制御を実行するものである。
【0024】
図3に、高圧燃料ポンプおよびその制御系に異常が発生し、燃料噴射弁から噴射する燃料量より高圧ポンプによる吐出量が多くなった場合の蓄圧室内の燃料圧力挙動について示す。燃料圧力は上昇するが、高圧ポンプの吐出量および燃料噴射量は変化しないとすると、圧力調整弁の開弁圧からある地点で燃料圧力上昇は止まる。これは図4に示すように圧力調整弁流量つまり(ポンプ吐出量−燃料噴射量)と、圧力調整弁開弁圧からの圧力上昇値は、圧力調整弁の特性により一定の関係を持つためである。
【0025】
よって、高圧燃料ポンプおよびその制御系に異常が発生し、高圧燃料ポンプが全吐出を行う一方で、燃料噴射弁が燃料を噴射していない状態の燃料圧力が異常時の最高燃料圧力となり、この燃料圧力になっても蓄圧室に据え付けられた燃料噴射弁に対してコントロールユニット107が噴射量制御できる装置、つまり燃料噴射弁の開弁限界圧が異常時の最高燃料圧力以上に設計された装置を提供しなければならない。
【0026】
まず、装置の設計,設定によって目的を達する実施例について説明する。
【0027】
第1の実施形態は、異常時最高燃料圧力以上の開弁圧を有する燃料噴射弁を選定することである。
【0028】
第2の実施形態を図12に示す。ポンプ全吐出容量と圧力調整弁流量特性より圧力調整弁開弁圧からの圧力上昇値を算出する。燃料噴射弁開弁限界圧と圧力上昇値との差を前記圧力調整弁開弁圧と設定することにより、異常時最高燃料圧力が燃料噴射弁開弁限界圧以上にならないようにする。
【0029】
第3の実施形態を図13に示す。ポンプ全吐出容量が圧力調整弁に流れたとした場合、開弁圧からの圧力上昇値が(燃料噴射弁開弁限界圧−圧力調整弁開弁圧)以下となるように圧力調整弁流量特性を設定し、異常時最高燃料圧力が燃料噴射弁開弁限界圧以上にならないようにする。
【0030】
第4の実施形態を図14に示す。(燃料噴射弁開弁限界圧−圧力調整弁開弁圧)によって許容できる最大圧力上昇値を算出し、前記最大圧力上昇値を引数とし圧力調整弁流量特性からポンプ全吐出容量の最大値を算出する。前記全吐出容量最大値以下にポンプ全吐出容量を設定することによって、異常時の最高燃料圧力を下げ、異常時最高燃料圧力が燃料噴射弁開弁限界圧以上にならないようにする。
【0031】
次に制御によって目的を達する実施例について説明する。
【0032】
図5に高圧燃料ポンプ構造例を示す。ポンプ本体1には、燃料吸入通路10,燃料吐出通路11,加圧室12が形成されている。加圧室12にはプランジャ2が摺動可能に保持されている。燃料吸入通路10及び燃料吐出通路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5a,6a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、ソレノイド80がポンプ本体1に保持されており、ソレノイド80には、係合部材81,ばね82が配されている。係合部材81は、ソレノイド80の通電がOFF時は、ばね82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82の付勢力は、吸入弁ばね5aの付勢力より大きくなっているため、ソレノイド80の通電がOFF時は、吸入弁5は開弁状態となっている。燃料は、燃料タンク110から低圧燃料ポンプ111にてポンプ本体1の燃料吸入通路へと、燃料圧力レギュレータ112にて一定の圧力に調圧されて、導かれている。その後、ポンプ本体1にて加圧され、燃料吐出通路11を経て蓄圧室118に圧送される。以上の構成により、動作を以下説明する。
【0033】
プランジャ2の下端に設けられたリフタ3は、ばね4にてカム100に圧接されている。プランジャ2は、内燃機関の吸気弁または排気弁の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の圧縮工程中に吸入弁5が閉弁すると、加圧室12内圧力が上昇し、これにより吐出弁6が自動的に開弁し、燃料を蓄圧室118に圧送する。
【0034】
吸入弁5は、加圧室12の圧力が燃料吸入通路10の圧力より低くなると自動的に開弁するが、閉弁に関しては、ソレノイド80の動作により決定される。図10にソレノイド80をONした場合の動作について示す。ソレノイド80がON(通電)状態を保持した際は、ばね82の付勢力以上の電磁力を発生させ、係合部材81をソレノイド80側に引き寄せるため、係合部材81と吸入弁5は分離される。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、圧縮工程中は、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を押し開き蓄圧室118へ圧送される。
【0035】
ソレノイド80がOFF(無通電)状態を保持した際は、ばね82の付勢力により、係合部材81は吸入弁5に係合し、吸入弁5を開弁状態に保持する。従って、圧縮工程時においても、加圧室12の圧力は燃料吸入通路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と通り燃料吸入通路10側へ戻される。よって、圧送燃料量は0となる。一方、圧縮工程の途中で、ソレノイド80をON状態とすれば、このときから、蓄圧室118へ燃料圧送される。また、一度圧送が始まれば、加圧室12内の圧力は上昇するため、その後、ソレノイド80をOFF状態にしても、吸入弁5は閉塞状態を維持し、吸入工程の始まりと同期して自動開弁する。図11にプランジャ圧縮工程におけるソレノイド80のONタイミングと吐出量の関係を示す。圧縮工程におけるソレノイド80のONタイミングにより、吐出量を調節することができる。
【0036】
図6に、本発明の第五の実施形態である内燃機関の制御装置の制御フローチャートを示す。
【0037】
まずステップ601では割込み処理が始まる。この割込み処理は、例えば10ms毎のような時間同期でも、例えばクランク角度180deg毎のように回転周期でもよい。次にステップ602では高圧燃料供給装置およびその制御系の異常を検出する。異常とは、例えば係合部材81がソレノイド80側に引き寄せられた状態のままになり、高圧ポンプが全吐出状態になるような場合が想定される。この異常は、燃料蓄圧室内の圧力が目標燃料圧力よりも高い、ソレノイド80への通電信号がON状態のままである、ソレノイド80に電流が流れているままである、等を認識することによって検出可能である。
【0038】
ステップ602で異常と判定された場合、ステップ603において、内燃機関負荷(燃料噴射量と同義)を読み込み、ステップ604において、読み込んだ内燃機関負荷を用いて許容内燃機関回転数上限値を算出する。ここで図7に許容内燃機関回転数上限値の算出方法を示す。図7より、圧力調整弁開弁圧,燃料噴射弁作動限界圧および圧力調整弁流量特性から、燃料圧力が燃料噴射弁作動限界圧を超えないための最大リリーフ燃料量を算出することができる。すなわちこの値まで、(高圧燃料ポンプ吐出量−燃料噴射量)の値を許容することが可能である。
【0039】
また図8に示すように、ポンプ全吐出故障時の吐出流量は、ポンプ容量と内燃機関回転数に比例することから、許容内燃機関回転数上限値を算出することができる。具体的には、内燃機関コントロールユニット内において、例えば内燃機関負荷を軸としたテーブルを使用する、または、最悪条件である低負荷における許容内燃機関回転数上限値をすべての運転条件の回転数上限値として設定する、等により実現可能である。
【0040】
続いてステップ605において内燃機関回転数を読み込み、ステップ606において許容回転数以上か判定する。ここで許容回転数以上の場合、ステップ607において許容回転数以下になるように燃料噴射量制限手段の一つである燃料カットを行う。
【0041】
図9に、本発明の第六の実施形態である内燃機関制御装置の制御フローチャートを示す。図9において、ステップ606までは第五の実施形態と同様の操作を行い、ステップ606において内燃機関回転数が許容内燃機関回転数上限値以上か判定する。ここで許容回転数以上の場合、本実施形態ではステップ902において、内燃機関回転数が許容回転数以上にならないように吸入空気量の制限を行う。吸入空気量の制限は、例えばスロットル弁開度の制限で行う。続いてステップ903では、制限された吸入空気量に対して、失火が発生しない空燃比になるように燃料噴射量についても制限を行う。
【0042】
本発明による効果を、図15,図16により述べる。図15は従来例の場合の高圧燃料供給装置およびその制御系に異常が発生した場合の燃料圧力と失火回数のタイムチャートであり、図16は本発明の場合の高圧燃料供給装置およびその制御系に異常が発生した場合の燃料圧力と失火回数のタイムチャートである。
【0043】
まず、図15では、燃料圧力が燃料噴射弁作動限界圧を超えるため燃料噴射制御が不能となり、燃焼室内の供給燃料量が要求値に達しなくなって混合気の空燃比が適正値よりもリーンになり失火が発生する。
【0044】
一方、図16では燃料圧力が燃料噴射弁作動限界圧を超えない燃料供給装置および制御装置を提供するため、失火は発生せず、安定した燃焼と排出ガス性能改善に貢献する。
【0045】
【発明の効果】
本発明により、高圧燃料ポンプまたは高圧燃料ポンプの制御装置に異常が発生し、燃料噴射弁から噴射する燃料噴射量より前記高圧燃料ポンプによる吐出量が多い状態になったときでも、燃料蓄圧室内の圧力が燃料噴射弁の開弁限界圧を超えないような高圧燃料供給装置を提供できる。よって、燃焼室内の燃料量が要求値に達しなくなって混合気の空燃比が適正値よりもリーンになることを防ぎ、安定した燃焼と排出ガス性能改善に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の筒内噴射内燃機関制御システム全体構成図。
【図2】図1の内燃機関制御装置の内部構成図。
【図3】高圧燃料供給装置およびその制御系に異常が発生した場合の燃料圧力挙動の一例を示す図。
【図4】圧力調整弁の流量特性を示す図。
【図5】図1に示した高圧燃料ポンプの一実施例を示す図。
【図6】本発明の一実施例の制御フローチャート。
【図7】ステップ604の詳細説明図。
【図8】高圧燃料ポンプの流量特性を示す図。
【図9】本発明の一実施例の制御フローチャート。
【図10】図5に示した高圧燃料ポンプの作動図。
【図11】図5に示した高圧燃料ポンプの流量特性。
【図12】本発明の一実施例の説明図。
【図13】本発明の一実施例の説明図。
【図14】本発明の一実施例の説明図。
【図15】従来例の基本タイムチャート。
【図16】本発明の一実施例の基本タイムチャート。
【符号の説明】
1…ポンプ本体、2…プランジャ、3…リフタ、4,82…ばね、5…吸入弁、6…吐出弁、10…燃料吸入通路、11…燃料吐出通路、12…加圧室、80…ソレノイド、81…係合部材、100…カム、101…内燃機関、101a…ピストン、101b…シリンダ、101c…燃焼室、102…高圧燃料ポンプ、103…エアクリーナ、104…エアフロセンサ、105…スロットルボディ、106…コレクタ、107…コントロールユニット、108…スロットルセンサ、109…吸気管、110…燃料タンク、111…低圧燃料ポンプ、112…燃料圧力レギュレータ、113…燃料噴射弁、114…点火コイル、115…点火プラグ、116…カム角センサ、117…クランク角センサ、118…蓄圧室、119…圧力調整弁、120…圧力センサ、121…排気管、122…触媒、123…空燃比センサ、124…排気弁のカムシャフト、125…吸気弁のカムシャフト、201…I/O LSI、202…EP−ROM、203…MPU、204…RAM、601,901…割込み発生ステップ、602…異常検出ステップ、604…許容内燃機関回転数上限値算出ステップ、605…内燃機関回転数読込みステップ、606…回転数判定ステップ、607…燃料カットステップ、608,904…リターンステップ、902…吸入空気量制限ステップ、903…燃料噴射量制限ステップ。
Claims (2)
- 燃料ポンプと、前記燃料ポンプから圧送される燃料を蓄える燃料蓄圧室と、前記燃料蓄圧室内の燃料圧力が、開弁限界圧以下の場合に開弁する燃料噴射弁と、を有する燃料供給装置の制御装置において、
前記制御装置は、前記燃料ポンプが全吐出故障した場合の前記蓄圧室内の燃料圧力が、前記開弁限界圧以下となるように内燃機関の回転数を制御することを特徴とする制御装置。 - 燃料噴射量,吸入空気量の少なくとも一つを制御することにより前記内燃機関の回転数を制御することを特徴とする請求項1記載の制御装置。
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