JP5001706B2 - エンジンの燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子制御ユニットで燃料ポンプを運転制御しながら燃料タンクの燃料をインジェクタに送りエンジンに供給する燃料供給装置に関するものである。

近年、自動車用エンジンにおいて高トルク化・高出力化の要請に加え、排ガス性能等の環境対応や低燃費化の要請が高まっている。殊に、燃料ポンプ制御については、エンジンの制御性能及び信頼性に関連性が高いことから、高速化・高性能化・省エネルギー化が求められるとともに、高い信頼性の確保も求められている。

従来のエンジンの燃料供給制御では、駆動モータで燃料ポンプを駆動させて燃料を加圧するとともにプレッシャーレギュレータで一定圧力を保つものとし、送出した燃料のうちインジェクタから噴射されない余剰分はプレッシャーレギュレータ等を経由した戻し配管で燃料タンクに戻すようにしているのが一般的である。この場合、燃料ポンプの吐出流量はあらゆるエンジン運転条件に対応できるように、インジェクタから噴射される燃料の最大量以上に設定することによって燃料ポンプを常に一定の高回転で運転している。

しかし、例えばアイドリング中や燃料カット時などインジェクタからの燃料噴射量がゼロまたは極めて少ない状況においては、送出燃料の殆どがプレッシャーレギュレータ等から燃料タンクに戻るため、燃料ポンプに与えられたエネルギー（電力）が無駄に消費されることになる。また、余剰燃料が大量に燃料タンクに戻されることでタンク内燃料温度が上昇することがあり、特に、気化しやすい燃料を用いる場合にはタンク内圧力の過剰な上昇が問題となりやすい。さらに、燃料ポンプを常に高回転で運転させることは部品の摩耗等による装置の耐久性低下が問題となる。

この問題に対し、特開平７−５４７２５号公報に記載されているように、ポンプ吐出量を通常運転用とハイゾーン用の二段階に切換えるようにすることで、電力消費量の低減と燃料ポンプの耐久性の確保、及び燃料タンクに戻る余剰燃料を減少させる方法が考えられる。しかしながら、このように粗いポンプ制御ではエンジンの運転状態により細かく或いは大幅に変化する燃料要求流量に的確に対応することができないために余剰燃料を充分に減少させることができず、また消費電力の無駄の削減も充分とは言えない。
特開平７−５４７２５号公報

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、燃料タンクに貯留した燃料を燃料ポンプでインジェクタに送出してエンジンに供給する燃料供給装置について、燃料ポンプの運転によるエネルギーの浪費を最小限にするとともに耐久性に優れたものとすることを課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、燃料タンクから延設され先端側にインジェクタを有する燃料供給管路と、この燃料供給管路に配設された電動モータ駆動式の燃料ポンプと、この電動モータ及びインジェクタを駆動制御するための燃料供給制御プログラムが格納された電子制御ユニットとを備え、燃料ポンプで燃料を加圧し燃料供給管路を通じてインジェクタに送りエンジンに供給するリターンレス式のエンジンの燃料供給装置であって、燃料圧力が燃料噴射圧力に略一致する燃料供給管路の燃料ポンプ下流側所定位置に燃料圧力を検出して電子制御ユニットに出力する圧力センサを配設し、電子制御ユニットが連続的に検知した燃料圧力値を基に目標とする燃料噴射圧力を維持するのに必要な電動モータの最低限の駆動量を連続的に算出して指令することにより、燃料ポンプの運転をフィードバック制御して燃料噴射圧力を略一定に維持するものである。

このように、送出した燃料が燃料タンクに戻らないリターンレス式の燃料供給システムを構成して、電子制御ユニットが燃料ポンプ下流側の燃料圧力をモニタリングしながら所定の燃料噴射圧力を維持するように燃料ポンプの運転を精密にフィードバック制御するようにしたことで、燃料噴射圧力の変動を最小限に抑えながら燃料ポンプの運転量を必要最小限に抑えることができ、電動モータ駆動のためのエネルギー消費量を減少させるとともに燃料ポンプの構成部品の消耗を回避して耐久性を高めることができる。

また、この電子制御ユニットに格納された燃料供給制御プログラムを、電動モータの性能を考慮した燃料ポンプ制御に関する所定の数式モデル、および燃料噴射量の変化に対応してポンプ吐出圧力を算出するための燃料ポンプ下流側の燃料送出管路の容積を考慮した所定の数式モデルを利用して設計することで、電子制御ユニットによる燃料供給制御にモデルベース制御方法を用いることが可能であり、実際に試験を行わなくても精密な制御を実現する燃料供給装置を容易に設計して製作することができ、ポンプ吐出圧力を一定とするためのポンプ回転速度およびポンプ吐出流量を広い範囲で容易且つ適正に制御することができる。

検知した燃料圧力値を基に電子制御ユニットで電動モータの駆動をフィードバック制御して燃料噴射圧力をほぼ一定に維持するリターンレス式の燃料供給方法を実現する本発明によると、燃料ポンプの運転量を必要最小限としてエネルギーの浪費を回避しながら耐久性に優れたものとすることができる。

本発明を実施するための最良の形態について、以下に図面を用いながら詳細に説明する。

図１は、本実施の形態の燃料供給装置を配設したガソリンエンジン用の燃料供給システムの配置図を示しており、燃料タンク２から延設された燃料供給管路９Ａ先端側には電動モータ３ａを有する燃料ポンプ３が配設され、燃料ポンプ３から延設された燃料供給管路９Ｂの先端側がエンジン１の吸気管路４に配設したインジェクタ８に接続されており、インジェクタ８下流側に燃料戻し管路を有しないリターンレス式の燃料供給システムを構成している。

燃料ポンプ３、インジェクタ８、点火栓７は電子制御ユニット１０に電気的に接続されており、エンジン１の運転状態に応じてそれぞれ駆動制御されるようになっている。また、燃料ポンプ３の下流側である燃料供給管路９Ｂのインジェクタ８手前には燃料圧力を検出する圧力センサ１１が配設されており、電子制御ユニット１０に検出信号を出力するようになっている。

この電子制御ユニット１０は、圧力センサ１１の検出信号を連続的にモニタして、燃料噴射圧力に略一致するインジェクタ８直前の実際の燃料圧力と、予め定めた目標とする燃料噴射圧力との偏差を計算し、ポンプ吐出圧力が目標の燃料噴射圧力に一致するように電動モータ３ａの駆動をフィードバック制御するものとされており、モータ回転速度を制御することでポンプ吐出流量、ポンプ吐出圧力をコントロールするようにして、ほぼ一定の燃料噴射圧を維持できるようになっており、この点が本発明の第一の特徴部分となっている。尚、このフィードバック制御は、ＰＩＤ制御や現代制御理論など周知の制御理論を利用した所定の手順・計算方法を実行するための燃料供給制御プログラムを、汎用の電子制御ユニットの記憶手段に記憶させて配設することで実行することができる。

そして、このような電子制御ユニット１０を備えた本発明の燃料供給装置は、下記に示す数式１を用いてシミュレーションを行うことによりモデルベース制御方法を用いてその設計を行った点が本発明の第二の特徴となっている。

・・・（数式１）

数式１は、本発明におけるモデル制御に用いられる電動モータ３ａを含む燃料ポンプ３の制御に関する数式モデルであり、数式１におけるθ"は燃料ポンプの回転速度、Ｕ_aは電機子両端の入力電圧、Ｒ_aは電機子の抵抗、Ｋ_eは誘起電圧定数、Ｎはギヤ比、θはカム角度、θ'はωカム角速度、Ｊは系のポンプクランク軸換算での全慣性モーメント、Ｄは粘性摩擦係数、ｄ_kはクーロン摩擦係数、Ｋ_sはリターンスプリングのばね定数、Ｋ_tはトルク定数、Ｔ_Lは負荷トルクである。

前記数式１は以下のようにして求められる。まず、制御対象の駆動部分である電動モータの電気的な特性を考えると、電機子回路について電機子における電流と電圧の関係はキルヒホッフの法則により以下の数式１−１で表される。

・・・（数式１−１）
ただし、数式１−１におけるｉ_aは電機子電流、Ｕ_aは電機子両端の入力電圧、Ｌは電機子のインダクタンス、Ｒ_aは電機子の抵抗、Ｋ_eは誘起電圧定数、Ｎはギヤ比、θはカム角度である。

次に制御対象の機械的特性を考えると、電機子に加える電磁的なトルク(Ｔ)をＴ＝ＮＫ_tｉ_aとすれば、ニュートンの法則にしたがって最終的に燃料ポンプシステムの運動方程式は以下の数式１−２のようになる。

・・・（数式１−２）
ただし、数式１−２におけるｉ_aは電機子電流、Ｎはギヤ比、θはカム角度、Ｊは系のポンプクランク軸換算での全慣性モーメント、Ｄは粘性摩擦係数、ｄ_kはクーロン摩擦係数、Ｋ_sはリターンスプリングのばね定数、Ｋ_tはトルク定数、Ｔ_Lは負荷トルクである。

そして、モータ電流が遅れなく制御できる、即ち、電機子のインダクタンス成分は無視できると仮定し、数式１−１を数式１−２に代入すると前記数式１が得られる。

次に本発明のモデル制御に用いられる噴射量を変化させたときの入口圧力の変化についての数式モデルについて説明すると、ポンプ容積Ｖ_rは燃料ポンプ３のピストン断面積Ａ_mとピストンストロークｈ_rとによって数式１−３のように計算され、燃料ポンプ３の吐出流量Ｑ_iはポンプ容積Ｖ_rとカム角速度ｘ₂により数式１−４のように計算される。

・・・（数式１−３）

・・・（数式１−４）

そして、ポンプ出口からインジェクタ８までの長さｌ、断面積Ｓ、容積Ｖの燃料供給管路９Ｂの入力圧力（噴射圧力）をＰ、出力圧力（大気圧）Ｐ_aとしたとき、以下の数式２により噴射量を変化させたときの入口圧力Ｐの変化を求めることができる。

・・・（数式２）
ただし、数式２におけるdP(t)/dtは燃料噴射量の変化に対するポンプ入口側吐出圧力、Ｑ_i(t)はポンプ吐出流量[m³/s]、Ｑ_ij(t)は噴射量[m³/s]、ρ_i(t)は流入密度（572.467 [kg/m³]）、ρ(t)は流出密度[kg/m³]、Ｖ(t)は容積[m³]、Ｋ_rは弾性係数[N/m²]である。

尚、前記数式２におけるＱ_ij(t)とρ(t)は、以下の数式２−１，数式２−２として示される。

・・・（数式２−１）
ただし、数式２−１におけるＱ_ij(t)は噴射量[m³/s]、ρ(t)は流出密度[kg/m³]、Ｐ(t)はポンプ吐出圧力[N/m²]、Ｐ_a(t)は大気圧力[N/m²]、Ｃ_nは噴射流量係数、Ａ_nは噴口面積[m²]である。

・・・（数式２−２）
ただし、数式２−２におけるρ(t)は流出密度[kg/m³]、Ｐ(t)はポンプ吐出圧力[N/m²]、ｋ_aおよびｋ_bは圧力計算係数である。

以上の数式を用いて燃料供給装置設計のためのシミュレーションを行うことで、燃料タンク２から延出された燃料供給配管９Ａ、燃料供給配管９Ｂ、インジェクタ８、圧力センサ１１、燃料ポンプ３、電子制御ユニット１０を備えたエンジン１の燃料供給装置の設計、殊に、電子制御ユニット１０に格納する燃料供給制御プログラムについて、モデルベース制御により容易かつ的確に基礎となる各数値を決定することができ、実際に試験を行わなくても的確な制御を実行することのできる燃料供給装置を容易に設計・製作できるようになる。また、このモデルベース制御方法を用いたことにより、燃料供給制御プログラムによる制御はポンプ吐出圧力を一定としながら、ポンプ回転速度およびポンプ吐出流量を広い範囲で容易に制御することができるものとなる。

次に、本実施の形態のエンジンの燃料供給装置による制御に関する実験結果を示す図２乃至図４の各グラフを参照しながら、その作用について説明する。

図２上部はポンプ吐出圧力を示し、下部は負荷トルクを示しており、図３上部はそのときのポンプ吐出流量を示し、下部はインジェクタからの燃料噴射量を示している。また、図４上部はそのときの電動モータへの入力電圧を示しており、中央部はカム角速度、下部はモータ電機子電流を示している。これらの結果より、エンジンがどのような運転状態であっても、ポンプ吐出圧力（燃料噴射圧力）が常に一定の目標圧力（３ＭＰａ）に収束しており、本発明のエンジンの燃料供給装置における燃料供給制御が有効に働いていることが分かる。

従って、従来のエンジンの液燃料供給装置がエンジンの最大要求流量に対応可能とするために、常にそれ以上の燃料流量を確保するポンプ駆動量に設定されて極めて大きな電力消費とポンプ回転速度を維持する必要があったのに対し、本発明では、エンジン回転速度の変動に伴って変動する燃料ポンプ下流側の燃料圧力を少なくとも維持するだけのポンプ吐出流量となっており、必要最低限の入力電圧、モータ電流として必要最小限の電力消費量とすることができる。

即ち、燃料噴射量が変化しても、ポンプ吐出圧力を指定された目標圧力に対し定常誤差がないように制御することが可能となる。また、燃料噴射量が極めて少ない場合や燃料カット中には電動モータ３ａに殆ど電流が流れなくなり、燃料ポンプ３が低回転で運転或いは停止することになり、消費電力を最小限に抑えることが可能となる。また、ポンプ運転量が必要最小限となることは装置寿命を延ばすことに繋がり、長期間に亘って良好な燃料供給能を発揮しやすいものとなるものである。

尚、上述の実施の形態において、本発明の燃料供給装置をガソリンエンジン用の燃料供給システムに適用した場合を説明したが、本発明はガソリンエンジン用に限定されるものではなく、ＬＰＧやＣＮＧなどのガソリンよりも気化しやすい燃料を用いたもの等、他の燃料供給システムにも適用できることは言うまでもない。

本発明の実施の形態を示す配置図。 上部は図１の燃料供給装置によるポンプ吐出圧力のグラフ、下部はそのときの負荷トルクのグラフ。 上部は、図１の燃料供給装置によるポンプ吐出流量のグラフ、下部はそのときの燃料噴射量のグラフ。 上部は、図１の燃料供給装置による電動モータの入力電圧の波形図、中央部はそのときのカム角速度のグラフ、下部はそのときのモータ電流の波形図。

符号の説明

１ エンジン、２ 燃料タンク、３ 燃料ポンプ、３ａ 電動モータ、４ 吸気管路、７ 点火栓、８ インジェクタ、９Ａ，９Ｂ 燃料供給管路、１０ 電子制御ユニット、１１ 圧力センサ

Claims (5)

1. 燃料タンクから延設されて先端側にインジェクタを有する燃料供給管路と、前記燃料供給管路に配設された電動モータ駆動式の燃料ポンプと、前記電動モータ及び前記インジェクタを駆動制御するための燃料供給制御プログラムが格納された電子制御ユニットとを備え、前記燃料ポンプで加圧した燃料を前記燃料供給管路を通じて前記インジェクタに送ってエンジンに供給するリターンレス式の燃料供給装置において、
   前記燃料供給管路は燃料圧力と燃料噴射圧力とが略一致するとともに前記燃料供給管路の燃料ポンプ下流側所定位置に燃料圧力を検出して前記電子制御ユニットに出力する圧力センサが配設され、前記電子制御ユニットにおいて前記圧力センサにより連続的に検知した燃料圧力値を基に目標とする燃料噴射圧力を維持するのに必要な前記電動モータの最低限の駆動量を連続的に算出して指令することにより、前記燃料ポンプの運転をフィードバック制御して燃料噴射圧力を略一定に維持することを特徴とするエンジンの燃料供給装置。
2. 前記電子制御ユニットに格納された燃料供給制御プログラムは、前記電動モータの性能を考慮した燃料ポンプ制御に関する所定の数式モデル、および燃料噴射量の変化に対応してポンプ吐出圧力を算出するための前記燃料ポンプ下流側の前記燃料送出管路の容積を考慮して設計されたものであり、前記電子制御ユニットによる燃料供給制御がモデルベース制御方法を用いていることを特徴とする請求項１に記載したエンジンの燃料供給装置。
3. 前記電子制御ユニットに格納された燃料供給制御プログラムは、前記電動モータの性能を考慮した燃料ポンプ制御に関する下記に示す数式１、および燃料噴射量の変化に対応してポンプ吐出圧力を算出するための前記燃料ポンプ下流側の前記燃料送出管路の容積を考慮して設計されたものであり、前記電子制御ユニットによる燃料供給制御がモデルベース制御方法を用いていることを特徴とする請求項１に記載したエンジンの燃料供給装置。
   

   

   ・・・（数式１）
   （ただし、θ"は燃料ポンプの回転速度、Ｕ_aは電機子両端の入力電圧、Ｒ_aは電機子の抵
   抗、Ｋ_eは誘起電圧定数、Ｎはギヤ比、θはカム角度、θ'はωカム角速度、Ｊは系のポンプクランク軸換算での全慣性モーメント、Ｄは粘性摩擦係数、ｄ_kはクーロン摩擦係数、
   Ｋ_sはリターンスプリングのばね定数、Ｋ_tはトルク定数、Ｔ_Lは負荷トルクである。）
4. 前記電子制御ユニットに格納された燃料供給制御プログラムは、前記電動モータの性能を考慮した燃料ポンプ制御に関する所定の数式モデル、および燃料噴射量の変化に対応してポンプ吐出圧力を算出するための前記燃料ポンプ下流側の前記燃料送出管路の容積を考慮した下記に示す数式２を利用して設計されたものであり、前記電子制御ユニットによる燃料供給制御がモデルベース制御方法を用いていることを特徴とする請求項１に記載したエンジンの燃料供給装置。
   

   

   ・・・（数式２）
   （ただし、dP(t)/dtは燃料噴射量の変化に対するポンプ入口側吐出圧力、Ｑ_i(t)はポンプ吐出流量[m³/s]、Ｑ_ij(t)は噴射量[m³/s]、ρ_i(t)は流入密度（572.467 [kg/m³]）、ρ(t)は流出密度[kg/m³]、Ｖ(t)は容積[m³]、Ｋ_rは弾性係数[N/m²]である。）
5. 前記電子制御ユニットに格納された燃料供給制御プログラムは、前記電動モータの性能を考慮した燃料ポンプ制御に関する下記に示す数式１、および燃料噴射量の変化に対応してポンプ吐出圧力を算出するための前記燃料ポンプ下流側の前記燃料送出管路の容積を考慮した下記に示す数式２を利用して設計されたものであり、前記電子制御ユニットによる燃料供給制御がモデルベース制御方法を用いていることを特徴とする請求項１に記載したエンジンの燃料供給装置。
   

   

   ・・・（数式１）
   

   

   ・・・（数式２）
   （ただし、θ"は燃料ポンプの回転速度、Ｕ_aは電機子両端の入力電圧、Ｒ_aは電機子の抵
   抗、Ｋ_eは誘起電圧定数、Ｎはギヤ比、θはカム角度、θ'はωカム角速度、Ｊは系のポンプクランク軸換算での全慣性モーメント、Ｄは粘性摩擦係数、ｄ_kはクーロン摩擦係数、
   Ｋ_sはリターンスプリングのばね定数、Ｋ_tはトルク定数、Ｔ_Lは負荷トルク、dP(t)/dtは
   燃料噴射量の変化に対するポンプ入口側吐出圧力、Ｑ_i(t)はポンプ吐出流量[m³/s]、Ｑ_ij(t)は噴射量[m³/s]、ρ_i(t)は流入密度（572.467 [kg/m³]）、ρ(t)は流出密度[kg/m³]、Ｖ(t)は容積[m³]、Ｋ_rは弾性係数[N/m²]である。）

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