JP4602294B2 - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気バルブの上流側に燃料噴射弁を備えると共に、バルブオーバーラップを可変とする可変動弁機構及び前記燃料噴射弁に送る燃料の圧力を可変とする燃圧可変装置を備えた内燃機関の燃料供給装置に関する。

特許文献１には、燃料噴射弁に送る燃料の圧力を燃料温度が高いほど高くし、また、機関負荷が高いほど高くする燃料供給装置が開示されている。
特開平８−１７７５９０号公報

ところで、機関の高負荷時に、吸気行程噴射とし、かつ、燃料噴射弁に送る燃料の圧力を高くして燃料噴霧の貫通力を高めることで、燃料の気化熱で燃焼室を冷却して充填効率を高め、機関出力トルクを向上させることができる。
しかし、同じ高負荷運転時であってもバルブオーバーラップの大きい条件では、高い燃圧で吸気行程において燃料噴射を行わせても、燃料が吸気ポート内で気化してしまい、燃焼室の冷却を充分に行わせることができなくなる。

このため、バルブオーバーラップの大きい状態では、燃料圧力を高めてもそれに見合う出力向上効果が得られず、逆に、高圧の燃料を送るために燃料ポンプの負荷が大きく、これが燃費性能を低下させるという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、高負荷域での出力トルクの向上を図りつつ、燃費性能を改善できる内燃機関の燃料供給装置を提供することを目的とする。

そのため請求項１記載の発明は、内燃機関の高負荷域において、バルブオーバーラップが大きい場合には、バルブオーバーラップが小さい場合に比べて、燃料噴射弁に送る燃料の圧力を低下させることを特徴とする。
上記発明によると、高負荷域において、バルブオーバーラップが小さい条件であれば、高い燃圧で燃料噴射を行わせるが、バルブオーバーラップが大きくなると、燃圧を低下させる。

バルブオーバーラップが小さいときには、高い燃圧で噴射された燃料が燃焼室で気化することで、出力トルクを向上させることができるが、バルブオーバーラップが大きいと、高い燃圧で燃料を噴射させても燃料が吸気ポートで気化してしまい、燃焼室を充分に冷却させることができなくなる。
そして、燃焼室を充分に冷却できないのに高い燃圧にすることは、燃料ポンプの負荷の増大による燃費悪化を招くので、バルブオーバーラップが大きい場合には、燃圧を低下させることで、燃料ポンプの負荷を低下させ、燃費性能を改善する。

請求項２記載の発明は、高負荷域では、燃料噴射弁による燃料噴射を吸気行程で行わせ、低負荷域では、燃料噴射弁による燃料噴射を排気行程で行わせることを特徴とする。
上記発明によると、低負荷域では、排気行程で燃料噴射を行わせることで、燃料の気化時間を確保する一方、高負荷域では、吸気行程での燃料噴射によって燃焼室内で燃料が気化し、燃焼室が冷却されるようにする。

従って、低負荷域では、燃料の気化を充分に促進させることができ、高負荷域では、燃焼室の冷却によって出力トルクの向上を図ることができる。
請求項３記載の発明は、低負荷域では、燃料の温度が高いほど燃料噴射弁に送る燃料の圧力を高くすることを特徴とする。
上記発明によると、低負荷域では、燃料の温度が高くベーパが発生し易いときほど、燃圧を高くする。

従って、燃料ベーパの発生を効果的に抑えることができ、かつ、過剰に高い燃圧の設定によって燃料ポンプ負荷が増え、燃費性能が低下することを防止する。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関のシステム構成図である。
図１において、内燃機関１０１（ガソリンエンジン）の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装される。

そして、前記電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。
各気筒の吸気バルブ１０５上流側の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１がそれぞれ設けられている。
前記燃料噴射弁１３１は、コントロールユニット１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。

前記燃焼室１０６内に空気と混合して吸引された燃料は、図示省略した点火プラグによる火花点火によって着火燃焼する。
燃焼室１０６内の燃焼排気は、排気バルブ１０７を介して排気管に排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記吸気バルブ１０５及び排気バルブ１０７は、それぞれ吸気側カムシャフト１１１，排気側カムシャフト１１０に設けられたカムによって開閉駆動される。

ここで、前記吸気側カムシャフト１１１には、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１１１の回転位相を変更することで、吸気バルブ１０５の作動角の中心位相を進・遅角変化させる可変動弁機構としての可変バルブタイミング機構１１２が備えられている。
上記可変バルブタイミング機構１１２によって吸気バルブ１０５の開時期ＩＶＯを早めると、バルブオーバーラップが増え、逆に、吸気バルブ１０５の開時期ＩＶＯを遅くすると、バルブオーバーラップが減少することになる。

但し、可変動弁機構を上記の可変バルブタイミング機構１１２に限定するものではなく、吸気バルブ１０５及び／又は排気バルブ１０７の開特性（作動角・中心位相）を変更することでバルブオーバーラップを変化させ得る公知の機構を用いることができ、例えば、バルブリフトを作動角と共に連続的に変化させる機構や、駆動カムを切り換える機構などを用いることができる。

燃料タンク１３５には、電動式の燃料ポンプ１３６が内蔵され、この燃料ポンプ１３６を駆動することで燃料タンク１３５内の燃料（ガソリン）が前記燃料噴射弁１３１に向けて圧送される。
また、前記燃料ポンプ１３６から吐出された燃料を各燃料噴射弁１３１に分配する分配管１３７から燃料タンク１３５内に燃料をリリーフするリリーフ通路１４０が設けられると共に、前記リリーフ通路１４０を開閉する電磁弁であるリリーフバルブ１４１が設けられている。

更に、前記分配管１３７には、燃圧センサ１３８が設けられており、該燃圧センサ１３８で検出される燃圧、即ち、燃料噴射弁１３１に送られる燃料の圧力が目標圧になるように、前記コントロールユニット１１４は、前記燃料ポンプ１３６の吐出量（駆動電圧）及び前記リリーフバルブ１４１の開度をフィードバック制御する。
上記のように、燃料ポンプ１３６，リリーフバルブ１４１及びコントロールユニット１１４によって燃圧可変装置が構成され、リリーフバルブ１４１の開度を制御することで、燃圧を応答良く低下させることが可能である。

前記コントロールユニット１１４はマイクロコンピュータを内蔵し、前述のようにして前記燃料ポンプ１３６及びリリーフバルブ１４１を制御すると共に、各種センサからの検出信号に基づく演算処理によって、前記電子制御スロットル１０４，燃料噴射弁１３１，可変バルブタイミング機構１１２を制御する。
尚、燃料ポンプ１３６を駆動制御するための専用のコントロールユニットを備える構成とすることができる。

また、燃圧が閾値以上になったときに開弁して燃料を燃料タンク１３５内に戻す機械式のプレッシャレギュレータを備えると共に、該プレッシャレギュレータのリリーフ経路にオリフィスを介装し、前記オリフィスを介して燃料タンク１３５に戻される燃料を利用するジェットポンプによって、燃料タンク１３５内の仕切られる貯蔵領域の間で燃料を移送させることができる。

前記各種センサとしては、前記燃圧センサ１３８の他、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ１１６、機関１０１の吸入空気流量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランクシャフト１２０の回転位置を検出するクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、機関１０１の冷却水温度を検出する水温センサ１１９、前記フロント触媒１０８の上流側での排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサ１２１、前記分配管１３７内における燃料の温度を検出する燃温センサ１３９等が設けられている。

前記コントロールユニット１１４は、前記可変バルブタイミング機構１１２を機関負荷及び機関回転速度に応じて制御するようになっており、例えば、低中速度・高負荷域では、前記バルブタイミングを早め（バルブオーバーラップを大きくし）、それ以外の運転条件では、相対的にバルブタイミングを遅らせる（バルブオーバーラップを小さくする）ことで、各運転条件で高い吸入効率が得られるようにする。

また、前記コントロールユニット１１４は、前記燃料噴射弁１３１による燃料噴射量を演算すると共に、前記燃料噴射弁１３１に送られる燃料の圧力（以下、燃圧という）の目標値、及び、前記燃料噴射弁１３１の噴射タイミングを可変に設定する機能を有している。
前記燃料噴射量の演算においては、吸入空気流量Ｑと機関回転速度Ｎｅとから基本燃料噴射パルス幅Ｔｐを算出し、該基本燃料噴射パルス幅Ｔｐを、冷却水温度や空燃比の検出値に基づいて補正すると共に、そのときの燃圧に応じて補正し、最終的な燃料噴射パルス幅Ｔｉを得る。

そして、前記燃料噴射パルス幅Ｔｉの噴射パルス信号を各気筒の噴射タイミングに合わせて各燃料噴射弁１３１に出力する。
また、コントロールユニット１１４による前記目標燃圧及び噴射タイミングの設定処理は、図２のフローチャートに示すようにして行われる。
ステップＳ１０１では、各種センサの信号を読み込む。

ステップＳ１０２では、機関１０１が始動後の回転状態であるか否かを、クランク角センサ１１７の信号に基づいて判断する。
そして、機関１０１が始動後の回転状態でない場合には、ステップＳ１０３へ進み、始動状態（クランキング中）であるか否かを判断する。
クランキングが開始される前（機関の停止状態）であれば、ステップＳ１０４へ進み、そのときの燃料温度に応じた燃料圧力Ｐ１を目標燃圧に設定する。

前記燃料圧力Ｐ１は、図３に示すように、所定の圧力範囲（例えば１００〜３５０kPa）内で、燃料温度が高く燃料の粘性が小さくなるほど低い圧に設定され、機関１０１の停止中に燃料配管の接続部や燃料噴射弁１３１の噴孔から漏れ出る燃料量の低減を図る。
一方、クランキング中の場合には、ステップＳ１０３からステップＳ１０５へ進み、燃料温度が閾値ＴＦ１を超えているか否かを判別する。

ここで、燃料温度が閾値ＴＦ１を超えている場合には、ステップＳ１０７へ進み、燃料圧力の目標値として予め記憶される高燃圧（例えば７００kPa）を設定することで、ベーパを除去し、ベーパによる始動性の悪化を回避する。
また、燃料温度が閾値ＴＦ１以下であれば、ステップＳ１０６へ進み、燃料温度が閾値ＴＦ３（＜ＴＦ１）よりも低いか否かを判断する。

そして、燃料温度が閾値ＴＦ３よりも低い場合には、燃料温度が閾値ＴＦ１を超えている場合と同様に、ステップＳ１０７へ進み、燃料圧力の目標値として予め記憶される高燃圧を設定することで、燃料噴霧の微粒化を図る。
一方、燃料温度が閾値ＴＦ３以上である場合には、ベーパ除去及び微粒化促進のための高燃圧は不要と判断し、ステップＳ１０８へ進んで、燃料圧力の目標値として予め記憶される標準圧（例えば３５０kPa）を設定する。

また、ステップＳ１０２で機関１０１が始動後の回転状態であると判断されると、ステップＳ１０９へ進み、機関負荷（基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ）が所定値を超えているか否かを判断することで、高負荷域で運転されているか低負荷域で運転されているかを判別する。
機関負荷が前記所定値以下であって、低負荷域で運転されている場合には、ステップＳ１１０へ進み、水温が所定値未満であるか否かを判断することで、機関１０１が暖機状態であるか否かを判別する。

水温が所定値未満である暖機状態であれば、ステップＳ１１２へ進み、燃料圧力の目標値として前記高燃圧を設定することで、燃料噴霧の微粒化を図る。
また、水温が所定値以上である完機状態であれば、ステップＳ１１１へ進み、燃料温度が閾値ＴＦ２（ＴＦ３＜ＴＦ２＜ＴＦ１）を超えているか否かを判断する。
燃料温度が閾値ＴＦ２を超えている場合には、ステップＳ１１２へ進み、燃料圧力の目標値として前記高燃圧を設定することで、ベーパ発生を抑制する。

また、燃料温度が閾値ＴＦ２以下であれば、ステップＳ１１３へ進んで、燃料温度が低いほど燃圧を低くして（図４参照）、燃料ポンプ１３６の負荷を軽減して、燃費向上を図る。
ステップＳ１１２又はステップＳ１１３で燃料圧力を設定すると、ステップＳ１１４へ進み、燃料の噴射タイミングを排気行程中に設定する。

前記排気行程中の噴射タイミングとは、吸気バルブ１０５の開弁前に燃料噴射が略完了する噴射タイミングであり、例えば、吸気バルブ１０５の開弁前に設定される噴射終了タイミングにおいて燃料噴射が完了するように、前記噴射終了タイミングから噴射パルス幅だけ遡った時期を噴射の開始タイミングとすることで実現できる。
尚、始動時においては、例えば、最初に全気筒同時噴射を行った後で、気筒毎に排気行程中（吸気バルブ１０５の開弁前）に燃料を噴射させる。

一方、ステップＳ１０９で機関負荷が所定値を超えていると判断された場合、即ち、機関１０１の高負荷運転時には、ステップＳ１１５へ進む。
ステップＳ１１５では、そのときのバルブオーバーラップ（吸気バルブ１０５のバルブタイミングの進角量）が所定値よりも小さいか否かを判別する。
そして、バルブオーバーラップが所定値よりも小さい場合には、ステップＳ１１６へ進んで、燃料圧力の目標値として前記高燃圧を設定する。

また、バルブオーバーラップが所定値以上である場合には、ステップＳ１１７へ進んで、燃料圧力の目標値として前記標準圧を設定する。
ステップＳ１１６又はステップＳ１１７で目標燃圧を設定すると、ステップＳ１１８へ進み、燃料の噴射タイミングを吸気行程中に設定する。
前記吸気行程中の噴射タイミングとは、燃料噴射が主に吸気バルブ１０５の開弁中に行われる噴射タイミングであり、例えば、吸気バルブ１０５の開弁直前又は直後に設定される噴射開始タイミングから燃料噴射を開始させる。

機関１０１の高負荷時に、吸気行程中に高い燃圧で燃料噴射を行わせると、燃料噴霧が高い貫通力を持つことから、燃焼室内で燃料噴霧が気化し、これによって燃焼室が冷却されて充填効率が高まり、出力トルクを向上させることができる。
しかし、バルブオーバーラップが大きい条件では、吸気行程中に高い燃圧で燃料噴射を行わせても、吸気ポート内で気化する燃料が多くなって、低圧で燃料を噴射させた場合と変わらない出力トルクしか得られなくなってしまう（図５参照）。

従って、バルブオーバーラップが大きいときに高い燃圧に制御しても、それに見合う効果が得られず、逆に、高い燃圧を実現すべく燃料ポンプ１３６を駆動することは、ポンプ負荷によって燃費性能を低下させることになってしまう。
そこで、本実施形態では、高負荷時においてバルブオーバーラップが所定値以上であるか否かを判断し、バルブオーバーラップが所定値よりも小さい場合には、燃料圧力を高圧に設定することで出力トルクの向上を図る一方、バルブオーバーラップが所定値以上である場合には、燃圧を高くしても出力トルクの向上を図ることができないので、燃圧を標準圧として、燃費向上を図る。

従って、高負荷運転時に、機関１０１の出力トルクをなるべく高くすることができる一方、過剰に高い燃圧目標の設定によって燃費性能が低下することを防止できる。
尚、バルブオーバーラップが連続的に変化する場合に、バルブオーバーラップが大きくなるほど、燃料圧力の目標を低下させるようにすることができる。
また、燃料温度はセンサによって直接的に検出する他、外気温度・吸気温・水温・機関負荷・機関回転速度のうちの少なくとも１つから推定させることができる。

次に、上記の実施形態から把握し得る請求項に記載以外の発明について、以下にその作用効果と共に記載する。
（イ）前記燃圧可変機構が、前記燃料噴射弁に燃料を送る燃料ポンプと、前記燃料噴射弁に送られる燃料を途中から燃料タンクに戻す経路を開閉するリリーフバルブと、前記燃料ポンプの吐出量及び前記リリーフバルブの開度を制御するコントロールユニットとから構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。

上記発明によると、燃料ポンプの吐出量を多くすることで、燃圧を上昇させることができる一方、前記リリーフバルブを開くことで、燃圧を応答良く低下させることができる。
（ロ）バルブオーバーラップが所定値よりも小さい場合には、所定の高燃圧を目標圧に設定し、バルブオーバーラップが所定値以上である場合には、前記高燃圧よりも低い標準圧を目標圧に設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。

上記発明によると、高負荷時に、バルブオーバーラップと所定値とを比較し、バルブオーバーラップが所定値よりも小さい場合には、高燃圧に制御して、燃料噴霧の貫通力を高め、燃焼室の冷却を図る一方、バルブオーバーラップが所定値以上である場合には、高燃圧にしても燃焼室の冷却効果を充分に得られないので、燃圧を低く抑えることで、燃料ポンプの負荷を低下させ、燃費性能を改善する。
（ハ）前記低負荷域において、燃料の温度及び機関の冷却水温度に応じて燃料の圧力を設定することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の燃料供給装置。

上記発明によると、機関の冷却水温度から暖機中であるか暖機後であるかを判断し、暖機中であれば、燃料噴霧の微粒化を図るべく、燃圧を高くすることができる一方、暖機後はそのときの燃料温度に応じて燃圧を変えて耐熱条件でのベーパ抑止などを図る。
（ニ）前記可変動弁機構が、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで機関バルブの作動角の中心位相を変化させる機構であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。

上記発明によると、高負荷運転時に、機関バルブの作動角の中心位相が変化することで、バルブオーバーラップが変化すると、これに応じて燃料圧力が変更され、出力トルクの向上と燃費性能の確保とを両立させる。
（ホ）前記機関の停止時に、燃料温度が高いほど燃料圧力を低下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。

上記発明によると、燃料温度が高く粘性が低いために燃料漏れが発生し易い条件下では、燃料圧力を低くして、燃料漏れの発生を抑止することができる。

本発明の実施形態における内燃機関のシステム図。 本発明の実施形態における燃料圧力及び噴射タイミングの設定処理を示すフローチャート。 本発明の実施形態における機関停止時における目標燃圧と燃料温度との相関を示す線図。 本発明の実施形態における機関の低負荷運転時における目標燃圧と燃料温度との相関を示す線図。 本発明の実施形態におけるバルブオーバーラップと出力トルクとの相関を燃圧毎に示す線図。

符号の説明

１０１…エンジン、１０４…電子制御スロットル、１１２…可変バルブタイミング機構（可変動弁機構）、１１４…コントロールユニット、１２１…空燃比センサ、１３１…燃料噴射弁、１３５…燃料タンク、１３６…燃料ポンプ、１３８…燃圧センサ、１３９…燃温センサ、１４０…リリーフ通路、１４１…リリーフバルブ

Claims (3)

1. 吸気バルブの上流側に燃料噴射弁を備えると共に、バルブオーバーラップを可変とする可変動弁機構及び前記燃料噴射弁に送る燃料の圧力を可変とする燃圧可変装置を備えた内燃機関の燃料供給装置であって、
   前記内燃機関の高負荷域において、バルブオーバーラップが大きい場合には、バルブオーバーラップが小さい場合に比べて、前記燃料噴射弁に送る燃料の圧力を低下させることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
2. 前記高負荷域では、前記燃料噴射弁による燃料噴射を吸気行程で行わせ、低負荷域では、前記燃料噴射弁による燃料噴射を排気行程で行わせることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料供給装置。
3. 前記低負荷域では、燃料の温度が高いほど前記燃料噴射弁に送る燃料の圧力を高くすることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の燃料供給装置。

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