JP4207834B2 - 蓄圧式燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ディーゼル機関用の蓄圧式燃料噴射システムに関する。

従来技術として、例えば特許文献１に記載された蓄圧式燃料噴射システムがある。
この蓄圧式燃料噴射システムは、燃料タンクより燃料を汲み上げるフィードポンプを備えた燃料供給ポンプと、この燃料供給ポンプより圧送された高圧燃料を蓄圧するコモンレールと、内燃機関の気筒毎に取り付けられたインジェクタとを備え、コモンレールに蓄圧された高圧燃料がインジェクタに供給され、ＥＣＵ（電子制御装置）にて演算された所定の噴射タイミングおよび噴射量指令値（噴射パルス幅）に従って、インジェクタから内燃機関の気筒内に燃料噴射するシステムである。
特開２００１−２９５６８５号公報

ところが、上記の蓄圧式燃料噴射システムでは、アイドル運転等の低回転および低負荷時に、フィードポンプが燃料タンクから汲み上げて吸入するポンプ吸入量が少ないため、ポンプ入口の燃料流速が小さくなる。このため、フィードポンプが燃料を汲み上げる際に、燃料タンク等から吸い込まれた空気が、常時少量ずつポンプ内に吸入されるのではなく、燃料フィルタ等に一定量溜まってから、多量の空気が瞬時にポンプ内に吸入される。その結果、燃料供給ポンプから一時的にコモンレールに燃料供給できなくなり、コモンレール内の燃料圧が低下するため、インジェクタからの噴射量が低下して、エンジンストールに至ることがあった。

本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、多量の空気が一度に（瞬時に）ポンプ内に吸入されることを防止して、燃料供給ポンプからコモンレールへの燃料供給を安定させることにより、エンジンストールを防止できる蓄圧式燃料噴射システムを提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、目標レール圧に基づいて高圧燃料を蓄圧するコモンレールと、燃料タンクより燃料を汲み上げるフィードポンプと、このフィードポンプより供給された燃料を加圧してコモンレールに供給する燃料供給ポンプと、コモンレールより供給された高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴射するインジェクタとを備え、コモンレールに蓄圧される高圧燃料が目標レール圧に維持される様に、燃料供給ポンプからコモンレールに供給されるポンプ吐出量を可変すると共に、このポンプ吐出量の変動に応じて、フィードポンプが前記燃料タンクより汲み上げるポンプ吸入量が変動する蓄圧式燃料噴射システムにおいて、コモンレール内の高圧燃料を燃料タンクへ排出できる排出通路と、この排出通路を開閉可能に設けられた減圧弁と、内燃機関の回転速度または負荷が所定値以下の時に、減圧弁を開弁制御する減圧弁制御手段とを備えている。

減圧弁を開弁制御してコモンレール内の燃料圧力を減圧させると、ポンプ吸入量（フィードポンプが燃料タンクより汲み上げて吸入する燃料量）が増大して、ポンプ入口の燃料流速が大きくなる。これにより、燃料タンク等から吸い込まれた空気は、常時少量ずつポンプ内に吸入される。つまり、ポンプ入口の燃料流速が大きくなると、燃料タンクからフィードポンプまでの燃料経路中（例えば燃料フィルタ内）に空気溜まりが形成されることを抑制できるので、多量の空気が一度にポンプ内に吸入されることを防止できる。その結果、燃料供給ポンプからコモンレールへ常に安定して燃料供給を行うことができるので、インジェクタの噴射量低下によるエンジンストールを防止できる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した蓄圧式燃料噴射システムにおいて、減圧弁制御手段は、アイドリング時に減圧弁を開弁制御することを特徴とする。
アイドリング時は、走行時と比較して機関回転速度及び機関負荷が低いので、必然的にポンプ吸入量が少なく、ポンプ入口の燃料流速も遅くなるため、多量の空気が一度にポンプ内に吸入される確率が高い。そこで、アイドリング時には、減圧弁を開弁制御して、コモンレール内の燃料圧力を減圧させる。その結果、ポンプ吸入量が増大して、ポンプ入口の燃料流速が大きくなるため、多量の空気が一度にポンプ内に吸入されることを防止できる。

（請求項３の発明）
本発明は、目標レール圧に基づいて高圧燃料を蓄圧するコモンレールと、燃料タンクより燃料を汲み上げるフィードポンプと、このフィードポンプより供給された燃料を加圧してコモンレールに供給する燃料供給ポンプと、コモンレールより供給された高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴射するインジェクタとを備え、コモンレールに蓄圧される高圧燃料が目標レール圧に維持される様に、燃料供給ポンプからコモンレールに供給されるポンプ吐出量を可変すると共に、このポンプ吐出量の変動に応じて、フィードポンプが前記燃料タンクより汲み上げるポンプ吸入量が変動する蓄圧式燃料噴射システムにおいて、コモンレール内の高圧燃料を燃料タンクへ排出できる排出通路と、この排出通路を開閉可能に設けられた減圧弁と、フィードポンプのポンプ吸入量が、常時所定量以上となる様に、減圧弁を開弁制御する減圧弁制御手段とを備えている。

上記の構成によれば、内燃機関の運転状態に係わらず（つまり、低回転及び低負荷の時でも）、常に所定量以上のポンプ吸入量が確保されるので、多量の空気が一度にポンプ内に吸入されない様に、ポンプ入口の必要流速を確保することが可能である。これにより、燃料タンクからフィードポンプまでの燃料経路中（例えば燃料フィルタ内）に空気溜まりが形成されることを抑制でき、多量の空気が一度にポンプ内に吸入されることを防止できる。その結果、燃料供給ポンプからコモンレールへ常に安定して燃料供給を行うことができるので、インジェクタの噴射量低下によるエンジンストールを防止できる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの蓄圧式燃料噴射システムにおいて、減圧弁制御手段は、減圧弁を開弁制御する際に、その開弁タイミングを、インジェクタの噴射インターバルの間に設定することを特徴とする。
コモンレールに蓄圧される燃料圧力は、インジェクタの噴射圧力に相当する。従って、減圧弁の開弁制御によりコモンレール内の燃料圧力が低下すると、インジェクタの噴射量に影響を与える恐れがある。そこで、減圧弁を開弁制御する時は、その開弁タイミングを、インジェクタの噴射インターバルの間（噴射と噴射との間）に設定することで、インジェクタの噴射量への影響を抑制できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は蓄圧式燃料噴射システム１の全体図である。
この蓄圧式燃料噴射システム１は、例えば、自動車に搭載されるディーゼル機関（以下エンジンと呼ぶ）に適用されるシステムであり、図１に示す様に、噴射圧力に相当する高圧燃料を蓄えるコモンレール２と、このコモンレール２から供給された高圧燃料をエンジンの気筒内に噴射するインジェクタ３と、コモンレール２に高圧燃料を圧送する燃料供給ポンプ４と、本システム１の作動を電子制御するエンジン制御装置（以下ＥＣＵ５と呼ぶ）等を備えている。

コモンレール２は、エンジンの回転速度Ｎｅと負荷（アクセル開度）に応じて設定される目標レール圧に基づいて高圧燃料を蓄圧する。このコモンレール２には、減圧弁６を介して燃料タンク７に通じる排出通路８が接続され、減圧弁６の開弁動作により、コモンレール２内の高圧燃料が排出通路８を通って燃料タンク７へ還流する。
減圧弁６は、ＥＣＵ５によって通電制御される電磁弁であり、例えば、内蔵するソレノイド（図示せず）への通電量がＥＣＵ５によりデューティ比制御され、その通電量に応じて弁体（図示せず）のリフト量（弁開度）が制御される。なお、ソレノイドへの通電停止時には、弁体がスプリング（図示せず）に付勢されて閉弁している。

インジェクタ３は、ＥＣＵ５によって電子制御される電磁弁（図示せず）を内蔵し、この電磁弁の開閉動作に応じて噴射タイミング及び噴射量が決定される。なお、インジェクタ３から噴射されない余剰燃料（リーク燃料）は、排出通路８に接続されるリーク通路９を通って燃料タンク７へ還流する。
燃料供給ポンプ４は、エンジンに駆動されて回転するカム軸１０と、燃料タンク７から燃料を汲み上げるフィードポンプ１１と、カム軸１０に駆動されてシリンダ１２内を往復運動するプランジャ１３等より構成される。

カム軸１０は、軸受１４を介してポンプハウジング（図示せず）に回転自在に支持され、軸上に断面円形のカム１５が設けられている。このカム１５の円形中心は、カム軸１０の回転中心から所定距離だけ偏心した位置に設けられ、カム軸１０が回転すると、そのカム軸１０の回転中心に対してカム１５の円形中心が公転運動する。
カム１５の外周には、メタルブッシュ（図示せず）を介してカムリング１６が相対回転自在に嵌合している。このカムリング１６の外周面には、カム１５の径方向に対向する二つの平面部１６ａが設けられている。

フィードポンプ１１は、例えば、周知のトロコイドポンプであり、カム軸１０により駆動される。フィードポンプ１１により燃料タンク７から汲み上げられた燃料は、燃料フィルタ１７を通ってフィードポンプ１１の内部に吸入された後、そのポンプ内部で加圧され、二方向に分岐して送り出される。一方は、吸入通路１８を通ってシリンダ１２内の加圧室１９に供給され、他方は、潤滑用通路２０を通ってポンプカム室２１（後述する）に供給される。

吸入通路１８には、加圧室１９に吸入される燃料量を調量する電磁調量弁２２と、加圧室１９に燃料を吸入する際に開弁する吸入弁２３が設けられている。電磁調量弁２２は、エンジンの運転状態に応じてＥＣＵ５により電子制御される。
吸入弁２３は、電磁調量弁２２と加圧室１９との間に配置される逆止弁であり、加圧室１９への燃料吸入時に開弁し、加圧室１９から燃料が吐出される燃料吐出時に閉弁する。 潤滑用通路２０には、フィードポンプ１１の入口側に通じる還流通路２４が接続され、この還流通路２４に圧力調整弁２５が設けられている。この圧力調整弁２５は、フィードポンプ１１内の燃料圧力が所定圧以上になると開弁する。

プランジャ１３は、ポンプハウジングに形成されたシリンダ１２内に摺動自在に挿入され、プランジャ１３のカム軸側端部に設けられたプランジャヘッド１３ａがスプリング２６に付勢されてカムリング１６の平面部１６ａに押圧されている。これにより、プランジャ１３は、カム軸１０の回転がカム１５を介してカムリング１６に伝達されると、そのカムリング１６がカム軸１０の回転中心から所定距離だけ偏心した軌道上を公転運動することにより、シリンダ１２内を往復運動する。

加圧室１９は、シリンダ１２内でプランジャ１３の反カム軸側に形成され、プランジャ１３の往復運動に応じて加圧室１９の容積が変化する。即ち、プランジャ１３がシリンダ１２内を上死点から下死点へ向かって移動する吸入行程の際に、フィードポンプ１１より送り出された燃料が吸入通路１８を通って加圧室１９に吸入され、プランジャ１３がシリンダ１２内を下死点から上死点へ向かって移動する圧送行程の際に、加圧室１９で加圧された燃料が吐出通路２７を通ってコモンレール２へ圧送される。

吐出通路２７には、加圧室１９から燃料が吐出される燃料吐出時に開弁する吐出弁２８が設けられている。この吐出弁２８は、燃料吐出時のみ開弁し、加圧室１９に燃料が吸入される燃料吸入時に閉弁する逆止弁である。
ポンプハウジングには、上記のカム１５及びカムリング１６等の摺動部が配設されるポンプカム室２１が形成され、このポンプカム室２１にフィードポンプ１１から潤滑用通路２０を通ってより送り出された燃料の一部が潤滑油として供給されている。なお、ポンプカム室２１より溢れ出た燃料は、排出通路８に接続されるリターン通路２９を通って燃料タンク７へ還流する。

ＥＣＵ５は、図２に示す様に、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン負荷を表すアクセル開度、及びコモンレール２内の燃料圧力Ｐｃ等の情報を入力して、予めメモリに格納された制御プログラムを実行することにより、電磁調量弁２２、インジェクタ３、及び減圧弁６の動作を電子制御する。なお、ＥＣＵ５による電磁調量弁２２及びインジェクタ３の制御方法は、従来より周知であり、ここでの説明は省略する。

以下に、ＥＣＵ５による減圧弁６の制御方法について説明する。
アイドリング等の低回転および低負荷時には、フィードポンプ１１が燃料タンク７から汲み上げて吸入するポンプ吸入量が少なく、ポンプ入口の燃料流速が小さいため、燃料フィルタ１７等に一定量溜まった空気が一度にフィードポンプ１１内に吸入されることがある。この場合、燃料供給ポンプ４から一時的にコモンレール２に燃料供給できなくなり、コモンレール２内の燃料圧力が低下するため、インジェクタ３からの噴射量が低下して、エンジンストールに至る恐れがある。

これに対し、ポンプ入口の燃料流速がある程度大きくなると、燃料タンク７等から吸い込まれた空気が常時少量ずつポンプ内に吸入される、言い換えると、多量の空気が一度にポンプ内に吸入されることがないので、エンジンストールに繋がる様な大きな問題は生じない。
ここで、常時少量ずつの空気がポンプ内に吸入されるために必要な燃料流速を必要流速と呼ぶ時に、一度に多量の空気がポンプ内に吸入されることを防ぐためには、必要流速が得られるだけのポンプ吸入量が確保されれば良い。このポンプ吸入量は、燃料供給ポンプ４から吐出されるポンプ吐出量と、ポンプカム室２１から溢れ出るオーバーフロー流量とを合計した量であり、基本的にはポンプ吐出量の変動に応じてポンプ吸入量が変動する。

また、ポンプ吐出量は、減圧弁６が閉弁している時に、インジェクタ３から噴射される噴射量と、インジェクタ３からリーク通路９へ溢流するリーク量とを合計して求められるが、減圧弁６の開弁時には、コモンレール２から排出通路８へ排出される減圧弁リリーフ量が加算される（図２参照）。従って、減圧弁６を開弁することにより、ポンプ吐出量を簡易的に増大させることができる。

そこで、ＥＣＵ５は、エンジン回転速度Ｎｅ及びエンジン負荷（アクセル開度）が所定値以下の時、具体的にはアイドリング時に、必要流速（必要吸入量）が得られるまで、減圧弁６を開弁制御する（図３参照）。
但し、ＥＣＵ５による減圧弁６の開弁制御は、図４に示す様に、インジェクタ３の噴射インターバルＩｎｔの間（噴射と噴射との間）に行われる。

次に、本システム１の作動を説明する。
カム軸１０がエンジンにより駆動されて回転すると、カム１５の回転運動がカムリング１６により直線運動に変換されてプランジャ１３に伝達されることにより、プランジャ１３がシリンダ１２内を往復運動する。ここで、プランジャ１３がシリンダ１２内を上死点から下死点へ向かって移動する（吸入行程）際に、フィードポンプ１１より送り出された燃料が吸入弁２３を押し開いて加圧室１９に流入する。

その後、下死点に達したプランジャ１３が上死点に向かってシリンダ１２内を移動する（圧送行程）際に、加圧室１９の燃料圧力が上昇して、その燃料圧力が吐出弁２８の開弁圧まで達すると、加圧室１９の燃料が吐出弁２８を押し開いて吐出通路２７より流出し、コモンレール２に圧送される。
コモンレール２内で一定圧（目標レール圧）に保持された高圧燃料は、高圧配管３０を通ってインジェクタ３に供給され、ＥＣＵ５により演算された噴射タイミング及び噴射量指令値（噴射パルス幅）に従って、インジェクタ３からエンジンの気筒内へ噴射される。

また、アイドリング時には、減圧弁６がＥＣＵ５により開弁制御されて、コモンレール２内の高圧燃料が排出通路８を通って燃料タンク７へ排出される。これにより、ポンプ吐出量が増大するため、その分、フィードポンプ１１に吸入されるポンプ吸入量（還流通路２４を通ってフィードポンプ１１に還流する燃料は含まれない）が増大して、図３に示す様に、必要流速（必要吸入量）が確保される。言い換えると、必要流速が確保されるまで、減圧弁６の開弁状態を保持する。

上記の結果、燃料タンク７等から吸い込まれた空気は、燃料フィルタ１７等に滞留することなく、少量ずつ常時フィードポンプ１１の内部に吸入される。これにより、多量の空気が一度にポンプ内に吸入されることはなく、燃料供給ポンプ４からコモンレール２へ常に安定して燃料供給を行うことができるので、実レール圧（コモンレール２に蓄圧されている実際の燃料圧力）の低下によるインジェクタ３の噴射量低下を防ぐことができ、エンジンストールを防止できる。

また、ＥＣＵ５は、減圧弁６の開弁制御をインジェクタ３の噴射インターバルＩｎｔの間（噴射と噴射との間）に行うので、図４に示す様に、減圧弁６の開弁制御によりコモンレール２内の燃料圧力が一時的に低下しても、インジェクタ３の噴射時までに目標レール圧を回復することができる。その結果、エンジンの運転状態に最適な噴射圧力を維持できるので、減圧弁６の開弁制御によってインジェクタ３の噴射量が影響を受けることはなく、所望のインジェクタ噴射量を得ることができる。

（変形例）
上記の実施例１では、アイドリング時（低回転、低負荷）に減圧弁６を開弁制御する例を記載したが、ある程度エンジン負荷が高い時でも、エンジン回転速度Ｎｅが低い時、あるいは、ある程度エンジン回転速度Ｎｅが高くても、エンジン負荷が低い時にも本発明を適用することができる。つまり、アイドリング時以外でも、多量の空気が一度にポンプ内に吸入されることが起こり得る条件下では、上記の実施例１と同様に、減圧弁６を開弁制御してポンプ吸入量を増大させることにより、多量の空気が一度にポンプ内に吸入されることを防止することができる。

また、エンジンの回転速度Ｎｅや負荷に係わらず、ポンプ吸入量が常時所定量以上（必要吸入量以上）となる様に、減圧弁６の開弁動作を制御しても良い。この場合、回転速度Ｎｅやアクセル開度（エンジン負荷）によらず、ポンプ吸入量またはポンプ入口の流入速度をフィードバックして減圧弁６の開弁動作を制御することができる。

蓄圧式燃料噴射システムの全体図である。 本システムの構成図である。 減圧弁の開弁制御の一例を示す制御特性図である。 減圧弁の開弁制御に係わるタイムチャートである。

符号の説明

１ 蓄圧式燃料噴射システム
２ コモンレール
３ インジェクタ
４ 燃料供給ポンプ
５ ＥＣＵ（減圧弁制御手段）
６ 減圧弁
７ 燃料タンク
８ 排出通路
１１ フィードポンプ

Claims (4)

1. 目標レール圧に基づいて高圧燃料を蓄圧するコモンレールと、
   燃料タンクより燃料を汲み上げるフィードポンプと、
   このフィードポンプより供給された燃料を加圧して前記コモンレールに供給する燃料供給ポンプと、
   前記コモンレールより供給された高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴射するインジェクタとを備え、
   前記コモンレールに蓄圧される高圧燃料が前記目標レール圧に維持される様に、前記燃料供給ポンプから前記コモンレールに供給されるポンプ吐出量を可変すると共に、このポンプ吐出量の変動に応じて、前記フィードポンプが前記燃料タンクより汲み上げるポンプ吸入量が変動する蓄圧式燃料噴射システムにおいて、
   前記コモンレール内の高圧燃料を前記燃料タンクへ排出できる排出通路と、
   この排出通路を開閉可能に設けられた減圧弁と、
   前記内燃機関の回転速度または負荷が所定値以下の時に、前記減圧弁を開弁制御する減圧弁制御手段とを備える蓄圧式燃料噴射システム。
2. 請求項１に記載した蓄圧式燃料噴射システムにおいて、
   前記減圧弁制御手段は、アイドリング時に前記減圧弁を開弁制御することを特徴とする蓄圧式燃料噴射システム。
3. 目標レール圧に基づいて高圧燃料を蓄圧するコモンレールと、
   燃料タンクより燃料を汲み上げるフィードポンプと、
   このフィードポンプより供給された燃料を加圧して前記コモンレールに供給する燃料供給ポンプと、
   前記コモンレールより供給された高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴射するインジェクタとを備え、
   前記コモンレールに蓄圧される高圧燃料が前記目標レール圧に維持される様に、前記燃料供給ポンプから前記コモンレールに供給されるポンプ吐出量を可変すると共に、このポンプ吐出量の変動に応じて、前記フィードポンプが前記燃料タンクより汲み上げるポンプ吸入量が変動する蓄圧式燃料噴射システムにおいて、
   前記コモンレール内の高圧燃料を前記燃料タンクへ排出できる排出通路と、
   この排出通路を開閉可能に設けられた減圧弁と、
   前記フィードポンプのポンプ吸入量が、常時所定量以上となる様に、前記減圧弁を開弁制御する減圧弁制御手段とを備える蓄圧式燃料噴射システム。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの蓄圧式燃料噴射システムにおいて、
   前記減圧弁制御手段は、前記減圧弁を開弁制御する際に、その開弁タイミングを、前記インジェクタの噴射インターバルの間に設定することを特徴とする蓄圧式燃料噴射システム。