JP5525760B2 - 内燃機関の高圧燃料供給装置 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

特開平１０−１７６５８７号公報においては、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。

また、特開２０００−１３０２３０号公報においては、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。

特開平１０−１７６５８７号公報 特開２０００−１３０２３０号公報

このような従来技術の特開平１０−１７６５８７号公報および特開２０００−１３０２３０号公報においては、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。

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。

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。

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。

前記目的を達成すべく、本発明にかかる燃料供給装置は、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、火花点火式の筒内噴射型内燃機関に用いられ、前記燃料蓄圧室の圧力に逆らって開弁して前記燃料蓄圧室の燃料を燃焼室へ噴射し、かつ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可能な燃料噴射弁と、を有する燃料供給装置であって、前記蓄圧室には前記蓄圧室内の異常時最高燃料圧力を前記開弁限界圧以
下となるように調整する圧力調整弁が備えられ、前記異常時最高燃料圧力は前記圧力調整弁が開弁する開弁圧よりも高い構成とする。

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。

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。

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１の内燃機関制御装置の内部構成図。 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。 圧力調整弁の流量特性を示す図。 図１に示した高圧燃料ポンプの一実施例を示す図。 本発明の一実施例の制御フローチャート。 ステップ６０４の詳細説明図。 高圧燃料ポンプの流量特性を示す図。 本発明の一実施例の制御フローチャート。 図５に示した高圧燃料ポンプの作動図。 図５に示した高圧燃料ポンプの流量特性。 本発明の一実施例の説明図。 本発明の一実施例の説明図。 本発明の一実施例の説明図。 従来例の基本タイムチャート。 本発明の一実施例の基本タイムチャート。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 (4)

1. 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、火花点火式の筒内噴射型内燃機関に用いられ、前記燃料蓄圧室の圧力に逆らって開弁して前記燃料蓄圧室の燃料を燃焼室へ噴射し、かつ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可能な燃料噴射弁と、を有する燃料供給装置であって、
   前記蓄圧室には前記蓄圧室内の異常時最高燃料圧力を前記開弁限界圧以下となるように
   調整する圧力調整弁が備えられ、前記異常時最高燃料圧力は前記圧力調整弁が開弁する開弁圧よりも高いことを特徴とする燃料供給装置。
2. 請求項１に記載の燃料供給装置であって、
   前記圧力調整弁は、異常時の前記燃料ポンプ吐出容量と前記圧力調整弁の流量特性とに基づき算出された前記開弁圧からの圧力上昇値と、前記開弁限界圧と、に基づいて、前記圧力調整弁の開弁圧を設定、もしくは、
   異常時の前記燃料ポンプの吐出容量が前記圧力調整弁に流れた場合の前記開弁圧からの圧力上昇値が、前記開弁限界圧と前記圧力調整弁の開弁圧との差以下と設定することにより、
   前記蓄圧室内の燃料圧力を前記開弁限界圧以下に調整することを特徴とする燃料供給装置。
3. 燃料ポンプから圧送される燃料を蓄える燃料蓄圧室の圧力に逆らって開弁して前記燃料
   蓄圧室の燃料を燃焼室へ噴射し、かつ前記燃料蓄圧室内の燃料圧力が、開弁限界圧以下の
   場合に開弁可能な燃料噴射弁を有する火花点火式の筒内噴射型内燃機関に備えられた、前記燃料蓄圧室内の燃料圧力を開放する圧力調整弁であって、
   前記蓄圧室内の異常時最高燃料圧力が前記開弁限界圧以下となるように前記燃料蓄圧室
   内の燃料圧力を調整するように設定されており、前記異常時最高燃料圧力は前記圧力調整弁が開弁する開弁圧よりも高いことを特徴とする圧力調整弁。
4. 請求項３に記載の圧力調整弁において、異常時の前記燃料ポンプ吐出容量と前記圧力調整弁の流量特性とに基づき算出された前記開弁圧からの圧力上昇値と、前記開弁限界圧と、に基づいて、前記開弁圧を設定、もしくは、
   異常時の前記燃料ポンプの吐出容量が前記圧力調整弁に流れた場合の前記開弁圧からの圧力上昇値が、前記開弁限界圧と前記圧力調整弁の開弁圧との差以下と設定することにより、
   前記蓄圧室内の燃料圧力を前記開弁限界圧以下に調整することを特徴とする圧力調整弁。

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