JP4148145B2 - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の燃料供給装置に関する。

自動車などに搭載される内燃機関の燃料供給装置には、燃料ポンプが備えられて燃料を高圧化し、燃料が噴霧状態でインジェクタから噴射されるようにしている。近年、インジェクタに供給する燃料を、予め高圧化した状態で蓄えるコモンレールを備えたコモンレール式の内燃機関が広く知られており、このものでは、燃料は燃料ポンプからコモンレールに圧送される。かかる燃料供給装置は、下記特許文献１、特許文献２などに開示されている。

燃料ポンプは、機関動力で容積が拡縮する圧力室を有し、圧力室内には比較的、低圧の燃料が導入される。導入された燃料は圧力室が縮小する縮小過程で排出されていき、所定の時期に開閉バルブを閉弁することで燃料を圧力室内に閉じ込め、その後、圧力室の容積の縮小に伴って圧力室内の燃料を圧送するようになっている。圧力室は通常、複数設けられ、互いに異なるタイミングで拡縮するようになっている。前記開閉バルブは制御装置により制御され、要求される燃料の圧送量に応じて閉弁する時期が設定される。閉弁時期を早めて圧力室容積が大きいときに燃料を圧力室に閉じ込めると圧送量は増え、閉弁時期を遅らせて圧力室容積が小さくなってから燃料を圧力室に閉じ込めると圧送量は減少する。例えば前記コモンレール式のものでは、コモンレール内の燃料圧を検出して検出圧が目標圧になるように燃料の要求圧送量を設定する。

圧力室容積の拡縮は通常、機関動力で作動するカムによりなされ、圧力室容積の縮小速度がカム山の形状に依存する。一般的に、圧力室容積が縮小する縮小過程の後半において、縮小速度がピークとなる。
特開平９−２２２０５６号公報 特開２０００−１８０５２号公報

前記コモンレール式の内燃機関などにおいて、燃料圧送の高精度化は勿論であるが、内燃機関の機関出力の負荷としての燃料ポンプの駆動トルクの低減、消費エネルギーの低減が要請されている。このため、鋭意、燃料供給装置の構造改良が進められているが、必ずしも十分ではない。

本発明は前記実情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、構造改良によらずに制御上の工夫により簡単に駆動トルクを低減するとともに消費エネルギーを低減することのできる内燃機関の燃料供給装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、機関動力で容積が拡縮する圧力室であって拡縮するタイミングが異なる複数の圧力室と、該複数の圧力室と１対１に対応して設けられ、圧力室を開閉する複数の開閉バルブとを有し、前記圧力室内に貯留する燃料を前記開閉バルブの閉弁により前記圧力室内に閉じ込め、前記圧力室の容積の縮小に伴い前記圧力室内の燃料を圧送する燃料ポンプと、要求される燃料の圧送量に応じて前記開閉バルブを閉弁する時期を設定する制御手段とを有する内燃機関の燃料供給装置において、
前記制御手段は、前記開閉バルブの制御を、前記複数の圧力室のすべてが順次、燃料圧送する通常制御と、前記複数の開閉バルブのうち、一部の開閉バルブの閉弁を休止して前記圧力室内の燃料を非加圧状態とすることにより燃料の圧送を間引く間引き制御とのいずれかに切替え自在とする。

燃料ポンプの圧力室の容積が縮小する縮小過程において縮小速度のピークが縮小過程の後半にあり、このとき駆動トルクも大きなものとなる。間引き制御では、複数の圧力室のうちの一部について燃料の圧送を間引き、その分を、燃料の圧送が間引かれない圧力室に負担させる。これに伴って、燃料の圧送が間引かれない圧力室では、開閉バルブの閉弁時期が進められることになり、燃料圧送において、その一部に駆動トルクが大きな期間に代えて、駆動トルクが相対的に小さな期間を利用することができる。一方、燃料の圧送が間引かれる圧力室では駆動トルクは実質的に０である。したがって、駆動トルクを低減することができる。

また、開閉バルブの作動頻度を減じることができるので、消費エネルギーを低減することができる。また、長寿命化することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記間引き制御から前記通常制御に切替った直後の期間においては、燃料圧送が間引かれていた圧力室の開閉バルブの閉弁時期を最初は遅らせて少量の燃料圧送から開始し、漸次閉弁時期を早めて燃料の圧送量を増加せしめる過渡制御を実行するように設定する。

通常制御から間引き制御への切替えをスムーズに行い得る。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記通常制御から前記間引き制御に切替わる直前の期間においては、燃料の圧送を間引く圧力室の開閉バルブの閉弁時期を漸次遅らせて燃料の圧送量を漸次、減少せしめる別の過渡制御を実行するように設定する。

間引き制御から通常制御への切替えをスムーズに行い得る。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、前記制御手段は、内燃機関の運転状態に基づいて現在および直後における燃料圧送の要求の程度を判断し、燃料圧送の要求の程度が弱い運転状態のときには前記間引き制御を選択するように設定する。

現在および直後における燃料圧送の要求の程度が低いものであれば、間引き制御を行っても燃料の圧送に不足が生じることはない。間引き制御を適正な運転状態のときに行うことができる。

図１に本発明の内燃機関の燃料供給装置を適用した圧縮着火式の内燃機関であるディーゼルエンジン（以下，適宜、単にエンジンという）の構成を示す。本実施形態はエンジンを自動車に搭載したものとして説明する。複数の気筒を有するエンジン本体１０の各気筒に１対１に対応してインジェクタ１１，１２，１３，１４が設けてあり、ＥＣＵ３１の制御で、所定の時期に所定時間、開弁して燃料を噴射する。インジェクタ１１〜１４はそれぞれに設けられた駆動用の電磁弁１１１，１２１，１３１，１４１を駆動することにより開弁する。駆動時間と略対応する期間、燃料が噴射される。エンジン本体１０は一般的な構成のもので、各気筒ごとに設けられた吸排気弁など図示しない構成を備えている。

インジェクタ１１〜１４への燃料供給はコモンレール２４からなされる。コモンレール２４には燃料ポンプが高圧燃料供給配管２３を介して接続され、燃料タンク２１から吸い上げられた低圧燃料をコモンレール２４に圧送するようになっている。コモンレール２４内の燃料圧力（以下、適宜、コモンレール圧力という）はインジェクタ１１〜１４の噴射圧を規定する。

燃料ポンプ２２は燃料タンク２１から燃料を吸い上げるフィードポンプ部２２１と、コモンレール２４に燃料を圧送する燃料圧送部２２２とを備えている。燃料圧送部２２２の構成を図２、図３により説明する。燃料圧送部２２２は２組のポンプ４ａ，４ｂを備えている（以下、ポンプ４ａを第１のポンプ４ａと、ポンプ４ｂを第２のポンプ４ｂという）。第１のポンプ４ａと第２のポンプ４ｂとは実質的に同等の構成のもので、ポンプ４ａ，４ｂの構造について、第１のポンプ４ａの断面を示す図３を中心に説明する。各ポンプ４ａ，４ｂは長さ方向を上下にとって配置されたシリンダ４１ａにプランジャ４２ａが摺動自在に保持されてなり、シリンダ４１ａのボア面とプランジャ４２ａの上端面とで画される圧力室４０２ａが形成される。プランジャ４２ａの下端には、摺動子５４ａおよびカムローラ５３ａが設けてある。

ポンプ４ａ，４ｂのシリンダ４１ａは水平方向に配置され、その下方には、シリンダ４１ａの配置方向に伸びるポンプ回転軸５１が設けてある。ポンプ回転軸５１は、プランジャ４２ａを上下往復動せしめるためのカム５２ａと一体で、ポンプ回転軸５１に所定の減速比で伝達される機関動力によりプランジャ４２ａが上下往復動し、圧力室４０２ａの容積が拡縮する。カム５２ａはポンプ回転軸５１の１２０°間隔で３つのカム山を有しており、ポンプ回転軸５１の１２０°を１周期として、プランジャ４２ａが上下往復動する。そして、第１のポンプ４ａ用のカム５２ａと第２のポンプ用のカムとでポンプ回転軸５１の６０°の位相差が設定してあり、第１のポンプ４ａのプランジャ４２ａと第２のポンプ４ｂのプランジャ４２ｂとが交互に上下往復動する。なお、ポンプ回転軸５１により燃料圧送部２２２に加えて前記フィードポンプ２２１の駆動用の動力も伝達される。

フィードポンプ２２１により吸い上げられた燃料は図示しない外付けのフィルタを通り、入口４０１から圧力室４０２ａ内に導入される。

シリンダ４１ａの上端位置で圧力室４０２ａに臨んで開閉弁であるＰＣＶ４３ａ，４３ｂがポンプ４ａ，４ｂと１対１に対応して設けられており、開弁時には圧力室４０２ａと燃料タンク２１とを連通して、カム５２ａのカム山の上昇に応じてプランジャ４２ａが上昇するに伴い、圧力室４０２ａ内の燃料がリターン通路４０４ａに排出され、リターン出口４０５ａから燃料タンク２１に戻される。ＰＣＶ４３ａ，４３ｂの閉弁時には圧力室４０２ａ内に燃料を閉じ込める。ＰＣＶ４３ａ，４３ｂの閉弁時に圧力室４０２ａ内に貯留し閉じ込められている燃料が圧送される燃料となる。プランジャ４２ａにより加圧された燃料は吐出流路４０３ａからチェックバルブ４４ａへと流出する。チェックバルブ４４ａは出口側で高圧燃料供給配管２３と連通し、圧力室４０２ａからコモンレール２４に向かう方向を順方向とする逆止弁である。チェックバルブ４４ａは吐出圧を規定するスプリング４４１ａが内蔵されている。

ＰＣＶ４３ａ，４３ｂは電磁弁で、制御手段であるＥＣＵ３１による制御で開閉する。

燃料の圧送期間は、ＰＣＶ４３ａ，４３ｂの閉弁からプランジャ４２ａが上死点に達するまでであるが、ＰＣＶ４３ａ，４３ｂの閉弁時期が早くなるほど燃料の圧送期間が長くなり、閉弁時期が遅くするほど燃料の圧送期間が短くなる。ここで、ＰＣＶ４３ａ，４３ｂの閉弁時期を最も早くした最長圧送期間における駆動トルクの変化特性は、プランジャ４２ａの上昇速度に依存し、プランジャ４２ａの上昇速度はカム５２ａのカム山の形状により規定される。カム山の形状により規定されるプランジャ４２ａの上昇速度は、プランジャ４２ａの上死点近傍にピークがあり、前記駆動トルクの変化特性が、概略、カム５２ａのカム山の上昇期間（以下、適宜、カム上昇期間という）の初期において低く、終期が近くなると増大する特性となる。したがって、閉弁時期が遅く圧送量が少量の場合には、駆動トルクが相対的に大きな期間を使って燃料圧送を行うことになる。

ＥＣＵ３１は、インジェクタ１１〜１４などのエンジン各部の制御を、エンジン各部に設けられたセンサ類によって知られる運転状態に基づいて実行する。かかるセンサ類として、機関回転数（以下，適宜、エンジン回転数という）を検出する回転数センサ３２、吸気スロットルバルブの開度（以下，適宜、スロットル開度という）を検出するスロットルポジションセンサ３３が設けられる。また、前記コモンレール２４にはコモンレール圧力を検出する圧力センサ３４が取付けられる。また、図示のもの以外に一般的なエンジンに取付けられるセンサが設けられる。

ＥＣＵ３１は、マイクロコンピュータを中心に構成されたもので、スロットル開度を含む運転状態に基づいて目標噴射量を演算し、インジェクタ１１〜１４の開弁時間を規定する前記通電時間を設定する。ここで、本エンジンはオートクルーズ制御が可能であり、運転者によりオートクルーズモードが選択されると、車速が設定速度となるように目標噴射量が設定される。また、ＥＣＵ３１は、圧力センサ３４の検出圧力が目標圧力となるように必要な燃料の圧送量を演算し、該圧送量を要求圧送量として、燃料ポンプ２２のＰＣＶ４３ａ，４３ｂを制御する。目標圧力は前記センサ類から知られる運転状態に基づいて演算される。

図４にＰＣＶ４３ａ，４３ｂの制御を示すフローチャートを示す。本ルーチンは所定のクランク角ごとに起動する。ステップＳ１０１では、燃料の噴射量Ｑが基準値ＱLMT以下か否かを判定する。噴射量Ｑはエンジン本体１０の気筒の１ストローク当りの噴射量で、例えば噴射量指令値に基づいて演算し得る。肯定判断されると、ステップＳ１０２で噴射量Ｑの変化量（以下、適宜、噴射量変化量という）ΔＱが基準値ΔＱLMT以下か否かを判定する。ここで、噴射量変化量という）ΔＱは前回の噴射量Ｑと今回の噴射量Ｑとの差分である。

ステップＳ１０２が肯定判断されるとステップＳ１０４で間引き制御である減筒制御を選択する。ステップＳ１０２が否定判断されるとステップＳ１０５で通常制御を選択する。減筒制御および通常制御の詳細については後述する。

一方、燃料の噴射量Ｑが基準値ＱLMT以下か否かを判定するステップＳ１０１が否定判断されると、ステップＳ１０３でオートクルーズ制御中か否かを判定する。肯定判断されると、前記ステップＳ１０２に進み、否定判断されるとステップＳ１０５に進む。

通常制御と減筒制御について説明する。図５（Ａ）、図５（Ｂ）はＰＣＶ４３ａ，４３ｂへの通電指令とポンプ４ａ，４ｂのカムリフトを示すもので、カムリフトの中の塗りつぶし範囲が燃料の圧送期間を表している。図５（Ａ）が通常制御時のもので、図５（Ｂ）が減筒制御時のものである。カムリフトは前記のごとく第１のポンプ４ａと第２のポンプ４ｂとで逆相で作動する。これにより、圧力室４２ａの容積が交互に拡縮することになる。通常制御では、いずれのポンプ４ａ，４ｂでもカムリフトが上昇する期間のいずれかでＰＣＶ４３ａ，４３ｂが閉弁し、燃料圧送がなされる。なお、図中、ＰＣＶ４３ａ，４３ｂの通電終了が圧送期間の途中で行われているのは、ＰＣＶ４３ａ，４３ｂは圧力室４０２ａの内側にリフトして開弁する外開弁であり、圧力室４０２ａ内の燃料圧が所定値を超えると閉弁状態を保持するからである。

一方、減筒制御は、図例では第２ＰＣＶ４３ｂに通電がなされず、燃料圧送は第１ポンプ４ａでのみなされる。したがって、その分、第１ポンプ４ａの圧送量が増加するようになっている。例えば、要求される圧送量が通常制御時と同じであれば、減筒制御では第１ポンプ４ａの圧送量が基本的に２倍になり、ＰＣＶ４３ａの閉弁時期が早くなる。

前記のごとく、カム上昇期間の初期は駆動トルクが終期に比して小さいため、減筒制御では、駆動トルクが大きいカム上昇期間の終期側の期間に代えて、駆動トルクが小さい初期側の期間を燃料圧送で使うから駆動トルクを低減することができる。また、第２ＰＣＶ４３ｂには通電しないので、消費エネルギーを低減することができる。本実施形態では、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の実行により運転状態に応じて適宜、減筒制御に切替えることで、駆動トルクを低減し、エネルギー消費を抑制することができる。

ここで、減筒制御が選択されるのは、図５より知られるように、噴射量Ｑが基準値ＱLMT以下で、かつ、噴射量変化量ΔＱが基準値ΔＱLMT以下の場合である。これは、現在、２つのポンプ４ａ，４ｂを要するほど燃料圧送が必要ではなく、しかも、急加速などで燃料圧送の要求が急に高まるという状態にもないとみなせる現在および直後において燃料圧送の要求の低い運転状態であり、減筒制御を選択する利益が大きい。ここで、基準値ＱLMTを例えばアイドリング時とそうでない状態とを区別するのに適当な値に設定するのがよい。アイドリング時には、燃料圧送の要求は強くなく、一定しているからである。

また、噴射量Ｑが基準値ＱLMT以上でも、オートクルーズ制御時には、噴射量変化量ΔＱが基準値ΔＱLMT以下であることを条件として減筒制御を選択する。オートクルーズ制御時は比較的、燃料圧送に対する要求は低く、車両が受ける抵抗や路面の勾配などで燃料噴射量が増大し、燃料圧送の要求が強まることが予見される場合を除き、減筒制御を選択する利益が大きいからである。

かかる運転状態以外のときには、２つのポンプ４ａ，４ｂにより燃料圧送を分担して、いずれかのポンプ４ａ，４ｂに燃料圧送による負担が偏らないようにするのが望ましく、通常制御が選択される。

また、減筒制御が選択されると、その旨のフラグをセットする。前記フラグがセットされた状態で通常制御が選択された場合、すなわち、減筒制御から通常制御に戻る場合には通常制御への復帰直後に次の過渡制御を実行する。これを図６に戻す。実線が切替った直後で、破線が時間が経過した後のものを段階的に示している。通常制御に切替ったことで、図より知られるように第２ＰＣＶ４３ｂに通電はなされるのであるが、図例のごとく切替った直後は第２ＰＣＶ４３ｂの通電時期は遅く、燃料の圧送量は少量である。そして、徐々に図中矢印のごとく圧送を繰り返すごとに第２ＰＣＶ４３ｂの通電時間が長くなって第２ポンプ４ｂでの圧送量が増える。これに呼応して第１ＰＣＶ４３ａの通電時間が短くなって第１ポンプ４ａでの圧送量が減っていく。そして、最後には図５（Ａ）のような燃料圧送が実質的に第１ポンプ４ａと第２ポンプ４ｂとに均等に割り振られる基本的な状態となる。なお、フラグは過渡制御が終了した時点でリセットされる。

このように通常制御への復帰時に、第１ポンプ４ａと第２ポンプ４ｂとの圧送量の比率が、第２ポンプ４ｂが０である減筒制御の状態から第２ポンプ４ｂの比率が漸次増大する過渡制御を設けることで、駆動トルクの急な増大によるショックなどの機関回転への影響を防止することができる。

なお、通常制御から減筒制御に切替わるときに、ＰＣＶ４３ａ，４３ｂのいずれかを非通電とするに先立って、第１ポンプ４ａと第２ポンプ４ｂとの圧送量の比率が漸次、一方のポンプ（例えば第１ポンプ４ａ）の方に偏るようにし、一定の過渡期間を経て、燃料圧送が間引かれる他方のポンプ（例えば第２ポンプ４ｂ）のＰＣＶ４３ｂを非通電状態とする別の過渡制御を実行するのもよい。

ここで、通常制御から減筒制御に切替わるときの過渡制御と、減筒制御から通常制御に切替るときの別の過渡制御とのいずれかを省略してもよい。一方のみを行うとすれば、過渡制御は減筒制御から通常制御に切替るときに実行するのがよい。この切替えはエンジンの負荷が増大する方向の切替えだからである。また、要求される仕様によっては、簡単にいずれの過渡制御も非実行とするのも勿論よい。

また、前述の説明では減筒制御において第２ＰＣＶ４３ｂが閉弁を休止するとして説明したが、ＰＣＶ４３ａ，４３ｂのうち閉弁を休止するＰＣＶが一方に偏らないように、第１ＰＣＶ４３ａと第２ＰＣＶ４３ｂとで交互に休止されるようにするのがよい。

本発明の内燃機関の燃料供給装置を適用したディーゼルエンジンの構成図である。 前記内燃機関の燃料供給装置を構成する燃料ポンプの側面図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う図である。 前記内燃機関の燃料供給装置を構成するＥＣＵで実行される制御を示すフローチャートである。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ前記内燃機関の燃料供給装置の作動を示すタイミングチャートである。 前記内燃機関の燃料供給装置の作動を示す別のタイミングチャートである。

符号の説明

１０ エンジン本体
１１，１２，１３，１４ インジェクタ
２２ 燃料ポンプ
２２１ フィードポンプ
２２２ 燃料圧送部
２４ コモンレール
３１ ＥＣＵ（制御手段）
３２ 回転数センサ
３３ スロットルポジションセンサ
３４ 圧力センサ
４ａ，４ｂ ポンプ
４０２ａ 圧力室
４１ａ シリンダ
４２ａ プランジャ
４３ａ，４３ｂ ＰＣＶ
４４ａ チェックバルブ
５１ ポンプ回転軸
５２ａ カム

Claims (4)

1. 機関動力で容積が拡縮する圧力室であって拡縮するタイミングが異なる複数の圧力室と、該複数の圧力室と１対１に対応して設けられ、圧力室を開閉する複数の開閉バルブとを有し、前記圧力室内に貯留する燃料を前記開閉バルブの閉弁により前記圧力室内に閉じ込め、前記圧力室の容積の縮小に伴い前記圧力室内の燃料を圧送する燃料ポンプと、要求される燃料の圧送量に応じて前記開閉バルブを閉弁する時期を設定する制御手段とを有する内燃機関の燃料供給装置において、
   前記制御手段は、前記開閉バルブの制御を、前記複数の圧力室のすべてが順次、燃料圧送する通常制御と、前記複数の開閉バルブのうち、一部の開閉バルブの閉弁を休止して前記圧力室内の燃料を非加圧状態とすることにより燃料の圧送を間引く間引き制御とのいずれかに切替え自在としたことを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の燃料供給装置において、前記間引き制御から前記通常制御に切替った直後の期間においては、燃料圧送が間引かれていた圧力室の開閉バルブの閉弁時期を最初は遅らせて少量の燃料圧送から開始し、漸次閉弁時期を早めて燃料の圧送量を増加せしめる過渡制御を実行するように設定した内燃機関の燃料供給装置。
3. 請求項１または２いずれか記載の内燃機関の燃料供給装置において、前記通常制御から前記間引き制御に切替わる直前の期間においては、燃料の圧送を間引く圧力室の開閉バルブの閉弁時期を漸次遅らせて燃料の圧送量を漸次、減少せしめる別の過渡制御を実行するように設定した内燃機関の燃料供給装置。
4. 請求項１ないし３いずれか記載の内燃機関の燃料供給装置において、前記制御手段は、内燃機関の運転状態に基づいて現在および直後における燃料圧送の要求の程度を判断し、燃料圧送の要求の程度が弱い運転状態のときには前記間引き制御を選択するように設定した内燃機関の燃料供給装置。

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