JP6302710B2 - 内燃機関の燃料供給装置及び燃料供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の運転状態に応じて燃料ポンプの吐出流量及び燃料噴射圧力を制御する内燃機関の燃料供給装置及び燃料供給方法に関する。

内燃機関の運転状態に応じて燃料ポンプの吐出流量及び燃料噴射圧力を制御する、いわゆる可変燃圧システムでは、冷機始動時に燃圧（燃料圧力）を高くして噴射燃料を微粒子化することでＨＣ（Hydrocarbon）を低減し、機関暖機後には燃圧を低くして燃料ポンプの消費電力を削減することで燃費を稼いでいる。
また、例えば特許文献１には、エンジンの再始動時に燃圧がある程度高い状態から燃料噴射制御を開始させことで、噴霧状態を良好にして排気エミッションを低減するエンジン制御装置が開示されている。再始動時の燃圧を高めた分、燃料を余計に噴く必要がなくなるので燃費も向上できる。

特開２００６−３４８９０８号公報

ところで、可変燃圧システムにあっては、機関暖機後の燃圧をより低くすることで燃費の向上が図れる。しかし、燃圧を下げすぎるとアイドルストップ中にベーパーが発生する虞があるため、燃圧を下げるのには限界がある。
一方、特許文献１のように、エンジン停止後の燃圧を高めることで、ベーパーの発生を抑制できるが、再始動時に燃圧が低い状態から燃料噴射を再開することを課題としており、機関作動中の燃圧や燃費の向上については考慮されておらず、まだ改良の余地がある。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、機関暖機後の燃圧を低くして燃費の向上を図りつつ、アイドルストップ期間中にベーパーの発生を抑制できる内燃機関の燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することにある。

本発明の内燃機関の燃料供給装置は、電動式燃料ポンプから燃料噴射弁に向けて圧送される燃料の圧力を、内燃機関の作動状態に応じて可変制御する内燃機関の燃料供給装置において、前記内燃機関が暖機完了後の状態で機関作動するときに、電動式燃料ポンプから燃料噴射弁に、機関暖機完了後の状態で燃料が気化する所定圧力よりも低い第１燃料圧力で燃料を供給し、前記内燃機関を暖機完了後に停止させるときに、前記燃料噴射弁による燃料噴射を停止した後、所定期間、前記電動式燃料ポンプの駆動を継続し、燃料配管内を前記所定圧力よりも高い第２燃料圧力に上昇させ、前記内燃機関を暖機完了後の状態で再始動するときに、前記電動式燃料ポンプを、前記燃料配管内が前記第２燃料圧力となるように駆動し、前記内燃機関が耐熱温度条件のときに、前記電動式燃料ポンプを、前記燃料配管内が前記第２燃料圧力よりも高い第３燃料圧力となるように駆動するコントロールモジュールを備える、ことを特徴とする。
また、本発明の内燃機関の燃料供給方法は、電動式燃料ポンプから燃料噴射弁に向けて圧送される燃料の圧力を、内燃機関の作動状態に応じて可変制御する内燃機関の燃料供給方法において、前記内燃機関が暖機完了後の状態では、暖機完了後の状態で燃料が気化する所定圧力よりも低い第１燃料圧力で前記燃料噴射弁に燃料を供給し、前記内燃機関を暖機完了後に停止させるときは、前記燃料噴射弁による燃料噴射を停止させた後、所定期間、前記電動式燃料ポンプの駆動を継続し、燃料配管内を前記所定圧力よりも高い第２燃料圧力に上昇させ、前記内燃機関を暖機完了後の状態で再始動するときは、前記電動式燃料ポンプを、前記燃料配管内が前記第２燃料圧力となるように駆動し、前記内燃機関が耐熱温度条件のときには、前記電動式燃料ポンプを、前記燃料配管内が前記第２燃料圧力よりも高い第３燃料圧力となるように駆動する、ことを特徴とする。

本発明によれば、機関暖機後の燃料圧力を低くして燃費の向上を図りつつ、アイドルストップ期間中に、燃料噴射弁による燃料噴射を停止した後、所定期間、電動式燃料ポンプの駆動を継続して燃料配管内をベーパー対策用の燃料圧力に上昇させることで、ベーパーの発生を抑制できる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の燃料供給装置のシステム構成図である。 図１における電動式燃料ポンプの構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の燃料供給方法における、各運転状態での燃圧及び電動式燃料ポンプの吐出量について説明するための図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の燃料供給方法における、アイドルストップから再始動する際の制御動作を示すフローチャートである。 図４の制御動作について説明するためのタイミングチャートである。 燃圧に対するベーパーの発生温度について説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の燃料供給装置のシステム構成図である。このシステムは、ＥＣＭ（Engine control module）３、ＦＣＭ（Fuel control module）４、電動式燃料ポンプ（ＦＰＭ：Fuel Pomp module）５、燃料噴射弁（インジェクタ）６、燃圧センサ７及び燃料配管８等を含んで構成される。

ＥＣＭ３は、自動車（車両）１のエンジン２を制御する主制御装置であり、各種の演算処理を実行するマイクロコンピュータ、各種の制御演算プログラムやデータを格納したＲＯＭ、演算過程の数値やフラグが格納されるＲＡＭ、演算処理の結果などが格納されるＥＥＰＲＯＭ、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ、及び各種のデジタル信号が入出力される入出力インタフェース回路等を備え、これら各機器がそれぞれバスラインで相互に接続されてデータの授受を行う。

ＥＣＭ３には、燃料配管８内の燃圧を検出する燃圧センサ７の出力が供給され、ＦＣＭ４に電動式燃料ポンプ５を目標燃圧に設定するための制御信号を供給する。また、燃料噴射弁６に噴射タイミングを設定するための制御信号を供給して燃料噴射を制御する。ＦＣＭ４は、電動式燃料ポンプ５の回転数を無段階制御し、供給燃料量を変更する。そして、電動式燃料ポンプ５から燃料配管８を介して燃料噴射弁６に燃料を供給し、燃料噴射弁６からエンジン２の各気筒のシリンダ内、あるいは吸気配管内に燃料を噴射する。この際、電動式燃料ポンプ５から燃料噴射弁６に向けて圧送される燃料の圧力を、ＦＣＭ４によりエンジン２の運転状態に応じて可変制御する。

図２は、上記図１における電動式燃料ポンプ５の構成例を示している。電動式燃料ポンプ５は、モータで回転駆動され、燃料タンク内に配置される。電動式燃料ポンプ５は、フューエルポンプ（Ｆ／Ｐ）１１、リリーフバルブ１２、チェックバルブ１３、ジェットポンプ１４、移送用ジェットポンプ１５、フューエルフィルタ（Ｆ／Ｆ）１６、プレッシャーレギュレータ１７及びオリフィス１８等を備えている。

電動式燃料ポンプ５の吐出口には燃料配管８の一端が接続される。燃料配管８には、フューエルフィルタ１６が介装され、このフューエルフィルタ１６で燃料がろ過される。フューエルフィルタ１６が介装される燃料配管８から分岐して燃料戻し配管１９が延設され、上流側から順に、プレッシャーレギュレータ１７、オリフィス１８及びジェットポンプ１４が介装されている。燃料戻し配管１９の他端は、燃料タンク内に開口される。ジェットポンプ１４には、燃料移送配管２０の一端が接続され、該燃料移送配管２０には移送用ジェットポンプ１５が介装される。この燃料移送配管２０の他端は、燃料タンク内に開口される。

本例は、燃料タンクが、内部空間の底側を２領域に仕切る凸部が底面から突出形成されたいわゆる鞍型形状のものに用いる場合の構成であり、燃料戻し配管１９は第１領域内に開口し、燃料移送配管は第２領域内に開口するように構成している。ジェットポンプ１５は、燃料戻し配管１９を介して第１領域側に戻される燃料の流れによって、燃料移送配管２０内に負圧を作用させ、燃料移送配管２０が開口する第２領域内の燃料を、第１領域側に移送させる。
従って、燃料タンクが鞍型形状でない場合には、移送用ジェットポンプ１５及び燃料移送配管２０は省略することができる。

フューエルポンプ１１内には、吐出側の圧力が最大許容圧を超えたときに開弁し、燃料を燃料タンク内にリリーフする機械式のリリーフバルブ１２と、フューエルポンプ１１から燃料噴射弁６側に向けた燃料の流れのみを許容し、燃料噴射弁６側からフューエルポンプ１１に向かう燃料の逆流を阻止する機械式のチェックバルブ１３とが並列に設けられている。なお、リリーフバルブ１２及びチェックバルブ１３は、フューエルポンプ１１の下流側に介装させる構成であってもよい。

プレッシャーレギュレータ１７は、燃料戻し配管１９を開閉する弁体と、該弁体を燃料戻し配管１９の上流側の弁座に向けて押圧する弾性部材とから概略構成されており、燃料噴射弁６に供給される燃料圧力の最小圧力を補償するものである。すなわち、プレッシャーレギュレータ１７は、燃料噴射弁６に供給される燃料圧力（噴射圧、フューエルポンプ１１の吐出側圧）が上記最小圧力以下であるときは閉弁し、最小圧力よりも高くなると開弁する構成となっている。

図３は、上述した内燃機関の燃料供給装置における、エンジン２の各運転状態での燃圧及び燃料ポンプの吐出量と、固定燃圧及び従来の可変燃圧システムにおける燃圧と電動式燃料ポンプの吐出量とを比較して示している。図３において、破線３１ａ，３１ｂは固定燃圧の場合、実線３２ａ，３２ｂは可変燃圧システムの場合の燃圧及び燃料ポンプの吐出量をそれぞれ示している。
固定燃圧では、破線３１ａで示すように、エンジンが始動すると燃圧は一定値（３５０ｋＰａ程度）となる。また、破線３１ｂで示すように、フューエルポンプの吐出流量は、エンジンが始動すると一定値であり、エンジンの停止時にはゼロになる。

従来の可変燃圧システムでは、実線３２ａで示すように、機関冷機時にはエンジンが始動すると燃圧を６５０ｋＰａ程度まで上昇させ、エンジンが停止するまで燃圧を維持する（始動、ファーストアイドル、定常）ことで、燃圧の高圧化により燃料を微粒子化し、ＨＣを削減する。一方、機関暖機後にエンジンが停止すると、燃圧を２００ｋＰａ程度まで低下させて燃料密度を低減する。アイドル状態の初期では、一時的に燃圧を６５０ｋＰａ程度まで上昇させるが、所定時間後に３００ｋＰａ程度まで燃圧を低下させる。そして、定常状態、過渡状態（減速、加速）では、３００ｋＰａ程度の燃圧を維持する。このように、燃圧を低圧化することにより燃費を低減する。

エンジンに高負荷がかかるＷＯＴ（Wide Open Throttle）状態では、燃圧を６５０ｋＰａ程度まで上昇させることで、充填効率を高めると共にノック耐性を改善する。耐熱状態でエンジンを停止させた場合には、３００ｋＰａ程度まで燃圧を低下させ、エンジンが再始動すると燃圧を６５０ｋＰａ程度まで上昇させる。このように、高圧化することにより、ベーパーを除去し且つ始動性を確保する。

フューエルポンプの吐出量は、機関冷機時にエンジンが始動すると多くなり、ファーストアイドルでは低下し、定常状態では始動とファーストアイドルの中間レベルとなる。そして、機関暖機後にエンジンが停止すると、吐出量はほぼゼロとなり、アイドル状態の初期で一時的に吐出量を上昇させ、所定時間後に吐出量を低下させる。吐出量は、アイドル、定常状態、過渡状態（減速、加速）で、それぞれに適した低い値とする。ＷＯＴ（Wide Open Throttle）状態では、吐出量を最大値まで上昇させる。更に、耐熱状態でエンジンを停止させた場合には、吐出量はゼロとなり、エンジンが再始動すると固定燃圧よりも低い吐出量まで上昇させる。このように、機関暖機状態において、フューエルポンプの吐出流量を最適化することで、燃費を低減すると共にタンク燃温を低下させることができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の燃料供給装置では、上述した従来の可変燃圧システムに対して、斜線を付した領域３３ａに示すように、機関暖機後のアイドル状態、定常状態、過渡状態（減速、加速）において、通常の可変燃圧システムより更に燃圧を下げることにより、フューエルポンプ１１の低消費電力化を図ることで低燃費化を図っている。また、フューエルポンプ１１の吐出量は、斜線を付した領域３３ｂに示すように、機関暖機後のアイドル状態、定常状態、過渡状態（減速、加速）においてより更に低くなっている。この燃圧では、エンジン２が停止するとベーパーが発生する可能性がある。

次に、上述した燃料供給装置及び燃料供給方法において、アイドルストップ期間中の制御動作について詳しく説明する。図４は、アイドルストップから再始動する際の制御動作を示すフローチャート、図５は、図４の制御動作について説明するためのタイミングチャートである。まず、例えば油温や水温などからアイドルストップ後（機関暖機状態）でのエンジン２の再始動か否かを判定し（ステップＳ１）、再始動であれば目標燃圧と実際の燃圧の値を元に、電動式燃料ポンプ５の駆動指示値を決定し、第１燃圧（低燃圧モード）に設定する（ステップＳ２）。この第１燃圧は、暖機完了温度で燃料が気化する２２０ｋＰａよりも低く、例えば１５０ｋＰａ程度であり、暖機完了後には１５０ｋＰａ程度まで燃圧を下げても燃焼が悪化しないことを実験により確認している。

一方、ステップＳ１で再始動ではないと判定された場合には、アイドルストップ状態か否かを判定する（ステップＳ３）。アイドルストップ状態であると判定されると、ＥＣＭ３により目標燃圧と実際の燃圧の値を元に燃料噴射弁６の駆動を停止させた後、ＦＣＭ４で電動式燃料ポンプ５の駆動停止を遅らせ、所定時間駆動させて燃料配管８内の燃圧を上げて第２燃圧（高燃圧モード）に設定する（ステップＳ４）。電動式燃料ポンプ６の駆動停止は、燃料噴射弁６の作動停止後、燃料配管８内の実際の燃圧が所定圧力となるまで継続する。上記第２燃圧は、２２０ｋＰａよりも高く、通常圧力、例えば２５０ｋＰａ程度である。
また、ステップＳ３でアイドルストップ状態ではないと判定された場合には、ＥＣＭ３により目標燃圧と実際の燃圧の値を元に電動式燃料ポンプ５の駆動指示値を決定し、ＦＣＭ４で第１燃圧（低燃圧モード）に設定する（ステップＳ５）。この第１燃圧は、２２０ｋＰａよりも低く、例えば１５０ｋＰａ程度である。

図５のタイミングチャートに示すように、車速が低下して時刻ｔ０にアイドルストップし、時刻ｔ２に再始動する場合には、時刻ｔ０に燃料噴射弁６の駆動電圧が「０Ｖ」となり、時刻ｔ２に所定電圧となる点は、一点鎖線で示す従来の可変燃圧システムと実線で示す本発明の内燃機関の燃料供給装置で同様である。しかし、電動式燃料ポンプ５の駆動指示値は、従来の可変燃圧システムでは時刻ｔ０にゼロになるのに対し、本発明の内燃機関の燃料供給装置は時刻ｔ０から所定時間経過した時刻ｔ１にゼロになる。

すなわち、従来の可変燃圧システムでは時刻ｔ０に燃料噴射弁６と電動式燃料ポンプ５を停止させていたのに対し、本発明の内燃機関の燃料供給装置では時刻ｔ０に電動式燃料ポンプ５を停止させた後、所定時間遅れた時刻ｔ１に電子式燃料ポンプ５を停止させている。
これによって、燃圧は、従来の可変燃圧システムでは時刻ｔ０に低下を始め、通常の圧力に低下した後、時刻ｔ２に再び上昇するのに対し、本発明の場合には、時刻ｔ０に上昇を始め、通常の圧力に上昇した後、時刻ｔ２に再び低下することになる。従って、フューエルポンプ１１（電動式燃料ポンプ５）による消費電力は、時刻ｔ０〜ｔ１間では本発明の方が高いものの、時刻ｔ０以前及び時刻ｔ１以降は本発明の方が低くなり、低消費電力化が図れる。

次に、上述したように、機関暖機後のアイドル状態、定常状態、過渡状態（減速、加速）において燃圧を下げることにより発生しやすくなるベーパーの抑制動作について、図６により詳しく説明する。
図６は、燃圧と燃料の沸点との関係（燃圧に対するベーパーの発生温度）を示している。機関暖機後のアイドルストップ状態において、燃温の最大値が７０℃と仮定すると、燃料であるガソリンは実線３４よりも上の領域が気体、下の領域が液体となる。

燃圧が２２０ｋＰａ以下の第１燃圧の領域では、定常運転での低燃圧化を電動式燃料ポンプ５の駆動制御で行う。また、燃圧が２２０ｋＰａ以上の第２、第３燃圧の領域は、従来の定常運転の燃圧である。これらの領域を比較すれば明らかなように、燃圧が第２、第３燃圧領域では、燃温が７０℃以下であれば燃料が気体になることはない。これに対し、燃圧が第１燃圧領域では、燃圧が下がるに従って沸点が下がり、気化しやすくなる。

上述したように、本発明では、エンジン２が暖機状態では、暖機完了温度で燃料が気化する所定圧力（２２０ｋＰａ程度）よりも低い第１燃料圧力（例えば１５０ｋＰａ）で燃料噴射弁６に燃料を供給し、暖機状態でエンジン２を停止させるときは、燃料噴射弁６による燃料噴射を停止させた後、所定期間、電動式燃料ポンプ５の駆動を継続し、燃料配管８内を上記所定圧力よりも高いベーパー対策用の第２燃料圧力（例えば２５０ｋＰａ）に上昇させる。従って、機関暖機後の定常運転時の燃圧は、従来の可変燃圧システムにおける燃圧（ベーパーが発生しない）よりも低い燃圧で制御することになる。
また、エンジン２が暖機状態で再始動するときは、燃料配管８内が第２燃料圧力となるように電動式燃料ポンプ５を駆動する。更に、エンジン２が暖機温度よりも高い耐熱温度条件、すなわちＷＯＴ状態では、第３燃料圧力（例えば６５０ｋＰａ程度）まで燃料圧力を上昇させる。

このような構成並びに制御方法によれば、燃料噴射弁６の駆動を停止させたときに、電動式燃料ポンプ５を所定時間駆動して電動式燃料ポンプ５の駆動を止めるのを遅らせることによって、燃料配管８に燃料噴射弁６で栓がされているので、燃料配管８内の圧力を上げて、ベーパーが発生しない燃圧まで上げることができる。従って、機関暖機後の燃圧を低くして燃費の向上を図りつつ、アイドルストップ期間中に、燃料噴射弁から燃料を噴射した後に電動式燃料ポンプを停止させて、ベーパー対策用の燃料圧力に上昇させることでベーパーの発生を抑制できる。

１…自動車（車両）、２…エンジン（内燃機関）、３…ＥＣＭ、４…ＦＣＭ、５…電動式燃料ポンプ（ＦＰＭ）、６…燃料噴射弁（インジェクタ）、７…燃圧センサ、８…燃料配管

Claims (5)

1. 電動式燃料ポンプから燃料噴射弁に向けて圧送される燃料の圧力を、内燃機関の作動状態に応じて可変制御する内燃機関の燃料供給装置において、
   前記内燃機関が暖機完了後の状態で機関作動するときに、電動式燃料ポンプから燃料噴射弁に、機関暖機完了後の状態で燃料が気化する所定圧力よりも低い第１燃料圧力で燃料を供給し、
   前記内燃機関を暖機完了後に停止させるときに、前記燃料噴射弁による燃料噴射を停止した後、所定期間、前記電動式燃料ポンプの駆動を継続し、燃料配管内を前記所定圧力よりも高い第２燃料圧力に上昇させ、
   前記内燃機関を暖機完了後の状態で再始動するときに、前記電動式燃料ポンプを、前記燃料配管内が前記第２燃料圧力となるように駆動し、
   前記内燃機関が耐熱温度条件のときに、前記電動式燃料ポンプを、前記燃料配管内が前記第２燃料圧力よりも高い第３燃料圧力となるように駆動するコントロールモジュールを備える、ことを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
2. 電動式燃料ポンプから燃料噴射弁に向けて圧送される燃料の圧力を、内燃機関の作動状態に応じて可変制御する内燃機関の燃料供給方法において、
   前記内燃機関が暖機完了後の状態では、暖機完了後の状態で燃料が気化する所定圧力よりも低い第１燃料圧力で前記燃料噴射弁に燃料を供給し、
   前記内燃機関を暖機完了後に停止させるときは、前記燃料噴射弁による燃料噴射を停止させた後、所定期間、前記電動式燃料ポンプの駆動を継続し、燃料配管内を前記所定圧力よりも高い第２燃料圧力に上昇させ、
   前記内燃機関を暖機完了後の状態で再始動するときは、前記電動式燃料ポンプを、前記燃料配管内が前記第２燃料圧力となるように駆動し、
   前記内燃機関が耐熱温度条件のときには、前記電動式燃料ポンプを、前記燃料配管内が前記第２燃料圧力よりも高い第３燃料圧力となるように駆動する、ことを特徴とする内燃機関の燃料供給方法。
3. 前記内燃機関を暖機完了後の状態で停止させるときに、前記燃料噴射弁の作動停止後、前記電動式燃料ポンプの駆動を、前記燃料配管内の実際の燃料圧力が前記第２燃料圧力となるまで継続する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃料供給方法。
4. 前記内燃機関が耐熱温度条件のときに、前記電動式燃料ポンプの駆動を、前記燃料配管内の実際の燃料圧力が前記第３燃料圧力よりも低い所定圧力となるまで継続する、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の燃料供給方法。
5. 前記内燃機関の暖機完了後の状態の停止は、アイドルストップを含む、ことを特徴とする請求項２乃至４いずれか１つの項に記載の内燃機関の燃料供給方法。