JP6330678B2 - 減圧弁制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、コモンレールの燃料圧力を減圧弁で減圧する技術に関する。

燃料供給ポンプから供給される燃料をコモンレールで蓄圧し、蓄圧された燃料を燃料噴射弁から噴射する燃料噴射システムが知られている。燃料噴射システムにおいて、コモンレール内の燃料圧力であるレール圧が目標レール圧よりも上昇すると、減圧弁を開弁させてコモンレール内の燃料を低圧の燃料流路に排出し、レール圧を減圧する技術が公知である（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−１９０１４８号公報

減圧弁を開弁してコモンレールに蓄圧された高圧燃料を低圧の燃料流路に排出すると、燃料流路に圧力脈動が生じる。圧力脈動が燃料噴射システムの各部に伝わると、種々の問題が生じることがある。

例えば、燃料供給ポンプのシャフトの周囲をシールするオイルシールに低圧の燃料流路から燃料が潤滑のために供給されている構成においては、オイルシールに圧力脈動が伝わるとオイルシールがシャフトに押し付けられるために、シャフトが摩耗する。その結果、オイルシールとシャフトとの間から燃料が漏れるおそれがある。

また、燃料噴射弁のノズルニードルのリフトを制御室の燃料圧力で制御する構成においては、ノズルニードルをリフトさせて燃料を噴射させるときに制御室の圧力が低圧側に開放される。開放時に低圧側の燃料流路から圧力脈動が伝わると制御室の圧力が変動するので、ノズルニードルの作動タイミングがずれることがある。その結果、噴射制御の精度が低下するおそれがある。

また、燃料流路のシール部および接合部に圧力脈動が伝わると、シール部および接合部に負荷が加わるおそれがある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、減圧弁が開弁するときに発生する圧力脈動を低減する技術を提供することを目的とする。

本発明の減圧弁制御装置は、燃料を蓄圧するコモンレールと、開弁することによりコモンレール内の燃料を低圧側に排出しコモンレール内の燃料圧力であるレール圧を減圧する減圧弁と、コモンレールに燃料を供給する燃料供給ポンプと、内燃機関の各気筒に設置されコモンレールで蓄圧された燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備える燃料噴射システムに適用される減圧弁制御装置であって、圧力取得手段と、判定手段と、駆動決定手段と、を備えている。

圧力取得手段はレール圧を取得する。判定手段は、圧力取得手段が取得するレール圧が減圧弁に対する開弁駆動を開始するときの駆動電流を切り替える判定条件を満たしているか否かを判定する。

駆動決定手段は、レール圧が判定条件を満たしていないと判定手段が判定すると、第１駆動電流よりも電流値の低い第２駆動電流で減圧弁に対する開弁駆動を開始することを決定し、レール圧が判定条件を満たしていると判定手段が判定すると、第１駆動電流で減圧弁に対する開弁駆動を開始することを決定する。

第１駆動電流よりも電流値の低い第２駆動電流で減圧弁に対する開弁駆動を開始すると、減圧弁が開弁するときの開弁速度は、第１駆動電流で減圧弁に対する開弁駆動を開始するときの開弁速度よりも遅くなる。これにより、第１駆動電流よりも第２駆動電流で減圧弁に対する開弁駆動を開始する方が、減圧弁が開弁しコモンレール内の高圧燃料が低圧側に排出されることにより発生する圧力脈動は小さくなる。

一方、第１駆動電流で減圧弁に対する開弁駆動を開始すると、第２駆動電流で減圧弁に対する開弁駆動を開始するよりもレール圧を速やかに減圧できる。
したがって、レール圧の変化がレール圧を速やかに減圧する必要がない場合には、第２駆動電流で減圧弁に対する開弁駆動を開始することにより、低圧側に発生する圧力脈動を低減できる。

尚、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態の燃焼噴射システムを示すブロック図。 レール圧制御処理を示すフローチャート。 減圧弁制御処理を示すフローチャート。 減圧開弁時の低圧側の圧力変化を示すタイムチャート。 駆動電流の切り替えによるバルブリフトと圧力の変化を示すタイムチャート。 減圧弁に対する駆動電流の切り替えによる通電時間と吐出量との関係を示す特性図。 第２実施形態の燃焼噴射システムを示すブロック図。 第３実施形態の燃焼噴射システムを示すブロック図。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示す本実施形態の蓄圧式の燃料噴射システム１０では、例えば４気筒のディーゼルエンジン２の気筒内に燃料噴射弁８０から燃料を噴射する。

燃料フィルタ２２は燃料供給ポンプ３０が燃料タンク２０から吸い上げる燃料中の異物を除去する。燃料フィルタ２２で異物を除去された燃料は、燃料流路２１０を通り燃料供給ポンプ３０に供給される。

燃料供給ポンプ３０は、図示しないフィードポンプと調量弁４０と高圧ポンプ５０とを備えており、フィードポンプが燃料タンク２０から吸い上げる燃料を高圧ポンプ５０で加圧する。

調量弁４０は、エンジン運転状態に基づいて開度が制御される電磁弁である。調量弁４０の開度が制御されると、高圧ポンプ５０に吸入される燃料吸入量が調整され、高圧ポンプ５０が吐出する燃料吐出量が調整される。

燃料流路２１２は、調量弁４０の閉弁時に調量弁４０から漏れる燃料を低圧側に排出する。また、燃料流路２１４は、燃料供給ポンプ３０が吸い上げる燃料の一部を、高圧ポンプ５０のカム室およびカムシャフト５２のシール部に潤滑油として供給する。

高圧ポンプ５０のプランジャ５６は、カムシャフト５２とともにカム５４が回転することにより往復運動し、加圧室に吸入した燃料を加圧する。プランジャ５６は、例えばカムシャフト５２を挟んで径方向反対側に２個設置されている。

吸入弁６０は、調量弁４０から加圧室に燃料が吸入されるときに開弁し、加圧室から燃料が吐出されるときに閉弁する。一方、吐出弁６２は、調量弁４０から加圧室に燃料が吸入されるときに閉弁し、加圧室から燃料が吐出されるときに開弁する。

高圧ポンプ５０から吐出された燃料は、燃料流路２１６を通りコモンレール７０に供給される。コモンレール７０は、高圧ポンプ５０から供給された燃料を蓄圧する。減圧弁７２は、コモンレール７０内の燃料圧力である実レール圧と目標レール圧との圧力差が所定値１以上になると、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）９０からの駆動信号により開弁し、コモンレール７０内の燃料を低圧の燃料流路２２０から燃料タンク２０に排出する。これにより、レール圧は減圧する。

ＥＣＵ９０は、圧力センサ７４の出力信号から実レール圧を取得し、アクセル開度とエンジン回転数とが表わすエンジン運転状態に基づいて目標レール圧を設定する。
燃料流路２２０には、高圧ポンプ５０から漏れ出た燃料、ならびに燃料噴射弁８０のノズルニードルを開弁するときにノズルニードルのリフトを制御する制御室から排出される燃料も排出される。

圧力センサ７４は、コモンレール７０に設置されており、レール圧に対応する信号をＥＣＵ９０に出力する。
コモンレール７０で蓄圧された燃料は、ディーゼルエンジン２の各気筒に設置された燃料噴射弁８０から気筒内に噴射される。

ＥＣＵ９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等を中心とするマイクロコンピュータを搭載している。そして、ＥＣＵ９０は、圧力センサ７４、アクセル開度（Ａｃｃｐ）センサ、エンジン回転数（ＮＥ）センサを含む各種センサから出力信号を入力し、エンジン運転状態を制御する。

例えば、ＥＣＵ９０は、調量弁４０への通電量を制御して高圧ポンプ５０の燃料吐出量を調量したり、減圧弁制御装置として減圧弁７２を開弁してコモンレール７０内の燃料を低圧側に排出したりすることにより、実レール圧が目標レール圧に一致するように制御する。また、ＥＣＵ９０は、燃料噴射弁８０の燃料噴射量、燃料噴射時期等の噴射制御を実行する。

［１−２．処理］
（１）レール圧制御処理
図２のフローチャートに基づいて、ＥＣＵ９０が実行するレール圧制御処理について説明する。図２のフローチャートは、例えば所定のクランク角度タイミングで実行される。図２および後述する図３において「Ｓ」はステップを表わしている。

Ｓ４００において、ＥＣＵ９０は、圧力センサ７４の出力信号から実レール圧を取得する。
実レール圧と目標レール圧との圧力差が所定値１以上の場合（Ｓ４０２：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、フィードバック制御ではレール圧を速やかに減圧できないと判断し、減圧弁７２を開弁してレール圧を減圧する（Ｓ４０４）。減圧弁７２を開弁駆動するときの駆動電流については、図３に基づいて後述する。

実レール圧と目標レール圧との圧力差が所定値１未満の場合（Ｓ４０２：Ｎｏ）、ＥＣＵ９０は、実レール圧と目標レール圧との圧力差に基づいて調量弁４０を制御し、実レール圧が目標レール圧に一致するように燃料供給ポンプ３０の吐出量をフィードバック制御する（Ｓ４０６）。

（２）減圧弁制御処理
図３のフローチャートに基づいて、ＥＣＵ９０が実行する減圧弁制御処理を説明する。図３のフローチャートは、例えば図２のフローチャートの前で常時実行される。図３の減圧弁制御処理において、ＥＣＵ９０は減圧弁７２に対する開弁駆動を開始するときの電流値を決定する。

ＥＣＵ９０は、圧力センサ７４の出力信号から実レール圧を取得し（Ｓ４１０）、第２駆動電流で減圧弁７２に対する開弁駆動を開始することを一旦決定する（Ｓ４１２）。第２駆動電流で減圧弁７２に対する開弁駆動を開始する場合、駆動電流は第２駆動電流に維持される。この減圧弁７２に対する制御を第２制御という。

次に、ＥＣＵ９０は、実レール圧と目標レール圧との圧力差ΔＰを算出し（Ｓ４１４）、今回のΔＰと前回のΔＰとの変動量を算出する（Ｓ４１６）。
図４の時間Ｔ１におけるΔＰの変動量のように、ΔＰの変動量として増加量が所定値２以上であれば（Ｓ４１８：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、第２駆動電流に代えて、第２駆動電流よりも電流値の高い第１駆動電流で減圧弁７２に対する開弁駆動を開始し、所定時間経過後に第１駆動電流から第２駆動電流に切り替えることを決定する（Ｓ４２０）。この減圧弁７２に対する制御を第１制御という。

図４の時間Ｔ２におけるΔＰの変動量のように、ΔＰの増加量が所定値２未満であれば（Ｓ４１８：Ｎｏ）、ＥＣＵ９０は、Ｓ４１２で決定したとおり、第２駆動電流で減圧弁７２に対する開弁駆動を開始することを決定する。つまり、ΔＰの変動量として増加量が所定値２以上であることは、第２制御を第１制御に切り替える判定条件である。

Ｓ４１２またはＳ４２０で決定された駆動電流にしたがって、図２のＳ４０４で減圧弁７２が開弁駆動される。
図５に、第１制御を実線で示し、第２制御を点線で示す。第１制御では、第２駆動電流よりも電流値の高い第１駆動電流で減圧弁７２に対する開弁駆動を開始するので、減圧弁７２のバルブが速やかにリフトして減圧弁７２が開弁する。その結果、図６において、符号２００で示す第１制御の方が符号２０２で示す第２制御よりも減圧弁７２から吐出して燃料流路２２０に排出する燃料量は多くなる。

次式（１）に示すように、流量Ｑが多くなると流速Ｖが上昇する。第２制御の方が第１制御よりも減圧弁７２から排出する燃料量が少なく、レール圧を減圧するために要する時間が長くなるので、図５において、第２制御の方が第１制御よりも駆動信号の長さは長くなる。式（１）において、Ｃ：流出係数、Ａ：流路面積である。

Ｑ＝Ｃ・Ａ・Ｖ ・・・（１）
そして、次式（２）に示すように、流速Ｖが上昇すると圧力Ｐが上昇する。式（２）において、ρ：燃料密度である。

Ｖ＝（２・Ｐ／ρ）^１／２ ・・・（２）
第２制御よりも第１制御の方が減圧弁７２に対する開弁駆動を開始するときに排出される燃料量が多く、図５に示すように排出される燃料により燃料流路２２０の圧力が速やかに上昇するので、燃料流路２２０に発生する圧力脈動は大きくなる。

一方、第１制御よりも第２制御の方が減圧弁７２に対する開弁駆動を開始するときに排出される燃料量が少なく、図５に示すように排出される燃料により燃料流路２２０の圧力が緩やかに上昇するので、燃料流路２２０に発生する圧力脈動は小さくなる。

そこで、ΔＰの増加量が所定値２未満である場合、つまり実レール圧と目標レール圧との圧力差の増加量が所定値２未満であり、レール圧を緩やかに低下させても実レール圧を目標レール圧に制御できる場合、第２制御を行う。

一方、ΔＰの増加量が所定値２以上である場合、つまり実レール圧と目標レール圧との圧力差の増加量が所定値２以上であり、レール圧を速やかに低下させて実レール圧を目標レール圧に制御する必要のある場合、第１制御を行う。

尚、レール圧が高いほど減圧弁７２から排出される燃料により発生する圧力脈動により燃料噴射システム１０の各部に加わる負荷が大きくなるので、レール圧が高いほど所定値２を大きくしてもよい。これにより、レール圧が高いほど第１制御よりも第２制御を実行することを決定しやすくなるので、レール圧が高いときの圧力脈動を低減できる。

レール圧の高低に応じて所定値２を可変に設定するのではなく、所定値２を予め設定された固定値にしてもよい。
［１−３．効果］
以上説明した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。

燃料供給ポンプ３０の吐出量をフィードバック制御することにより、実レール圧と目標レール圧との圧力差の変動量は、通常、所定値２未満であると考えられるので、減圧弁７２に対する開弁駆動として第２制御を実行することが決定される。したがって、通常時においては、減圧弁７２に対する開弁駆動を第２制御で実行することにより、圧力脈動を低減できる。

その結果、例えば、カムシャフト５２の周囲をシールするオイルシールに加わる圧力脈動が低減するので、オイルシールと接触するカムシャフト５２の摩耗を低減できる。また、燃料噴射弁８０の制御室が低圧側に開放されるときに制御室に伝わる圧力脈動が低減するので、燃料噴射弁８０のノズルニードルの作動タイミングのずれを低減できる。これにより、燃料噴射弁８０に対する燃料噴射制御を高精度に行うことができる。

さらに、燃料流路２２０の各所に伝わる圧力脈動を低減できるので、燃料流路２２０のシール部および接合部に加わる負荷を低減できる。
［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
図７に示す第２実施形態の燃料噴射システム１２では、低圧の燃料流路２２０が燃料タンク２０に燃料を排出する下流側にオリフィス２４を備えている点で、第１実施形態の燃料噴射システム１０と異なっている。

オリフィス２４は、例えば鞍式の燃料タンクの一方から他方に燃料を吸い上げるために負圧を発生させるものである。減圧弁７２に対する制御処理は、第１実施形態の図３に示す処理と実質的に同一である。

［２−２．効果］
第２実施形態では、減圧弁７２から燃料を排出する燃料流路２２０がオリフィス２４を備えているので、減圧弁７２から燃料を排出すると圧力脈動が発生しやすい構成である。しかし、ΔＰの増加量が所定値２未満である場合、減圧弁７２に対する開弁駆動を第２駆動電流で開始する第２制御を行うので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

［３．第３実施形態］
［３−１．構成］
図８に示す第２実施形態の燃料噴射システム１４では、低圧の燃料流路２２０が燃料タンク２０に燃料を排出する下流側に、オリフィス２４に加え、オリフィス２４により流路面積が絞られるためにオリフィス２４の上流側の燃料流路２２０の圧力が所定圧以上になることを防止するリリーフ弁２６を備えている点で、第２実施形態の燃料噴射システム１２と異なっている。減圧弁７２に対する制御処理は、第１実施形態の図３に示す処理と実質的に同一である。

オリフィス２４の上流側の燃料流路２２０の圧力が所定圧以上になると、リリーフ弁２６が開弁し、オリフィス２４を迂回して燃料流路２２０の燃料を燃料タンク２０に排出する。

［３−２．効果］
第３実施形態では、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
［４．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、以下の種々の形態を取り得る。

（１）上記実施形態では、実レール圧と目標レール圧との圧力差の変動量に基づいて、減圧弁７２に対して第１制御を実行するか第２制御を実行するかを決定した。これに対し、実レール圧と目標レール圧との圧力差に基づいて、減圧弁７２に対して第２制御を第１制御に切り替えるか否かを決定してもよい。

例えば、実レール圧と目標レール圧との圧力差が上記の所定値１以上の場合であって、さらに所定値１よりも大きい所定値３未満の場合には第２制御を実行することを決定し、所定値３以上の場合には第２制御から第１制御に切り替える減圧弁制御処理を採用してもよい。

（２）上記実施形態における一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換してもよい。尚、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（３）上述した減圧弁制御装置の他、当該減圧弁制御装置を構成要素とする燃料噴射システム、当該減圧弁制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した記録媒体、減圧弁制御方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。

２：ディーゼルエンジン（内燃機関）、１０、１２、１４：燃料噴射システム、２４：オリフィス、２６：リリーフ弁、３０：燃料供給ポンプ、７０：コモンレール、７２：減圧弁、８０：燃料噴射弁、９０：ＥＣＵ（減圧弁制御装置、圧力取得手段、判定手段、駆動決定手段、所定値設定手段）

Claims (6)

1. 燃料を蓄圧するコモンレール（７０）と、開弁することにより前記コモンレール内の燃料を低圧側に排出し前記コモンレール内の燃料圧力であるレール圧を減圧する減圧弁（７２）と、前記コモンレールに燃料を供給する燃料供給ポンプ（３０）と、内燃機関の各気筒に設置され前記コモンレールで蓄圧された燃料を噴射する燃料噴射弁（８０）と、を備える燃料噴射システム（１０、１２、１４）に適用される減圧弁制御装置（９０）であって、
   前記レール圧を取得する圧力取得手段（Ｓ４１０）と、
   前記圧力取得手段が取得する前記レール圧が前記減圧弁に対する開弁駆動を開始するときの駆動電流を切り替える判定条件を満たしているか否かを判定する判定手段（Ｓ４１８）と、
   前記レール圧が前記判定条件を満たしていないと前記判定手段が判定すると、第１駆動電流よりも電流値の低い第２駆動電流で前記減圧弁に対する開弁駆動を開始することを決定し、前記レール圧が前記判定条件を満たしていると前記判定手段が判定すると、前記第１駆動電流で前記減圧弁に対する開弁駆動を開始することを決定する駆動決定手段（Ｓ４１２、Ｓ４２０）と、
   を備えることを特徴とする減圧弁制御装置。
2. 請求項１に記載の減圧弁制御装置であって、
   前記判定手段は、前記レール圧の実圧と目標圧との圧力差の今回値と前回値との変動量が所定値以上であることを前記判定条件とし、
   前記駆動決定手段は、前記変動量が前記所定値未満の場合、前記第２駆動電流で前記減圧弁に対する開弁駆動を開始することを決定し、前記変動量が所定値以上の場合、前記第１駆動電流で前記減圧弁に対する開弁駆動を開始することを決定する、
   ことを特徴とする減圧弁制御装置。
3. 請求項２に記載の減圧弁制御装置であって、
   前記レール圧が高いほど前記所定値を大きくする所定値設定手段（Ｓ４１８）を備える、
   ことを特徴とする減圧弁制御装置。
4. 請求項２または３に記載の減圧弁制御装置であって、
   前記駆動決定手段（Ｓ４２０）は、前記減圧弁を開弁駆動するとき、前記第１駆動電流で前記減圧弁に対する開弁駆動を開始してから前記第２駆動電流に電流値を切り替えることを決定する、
   ことを特徴とする減圧弁制御装置。
5. 燃料を蓄圧するコモンレールと、
   開弁することにより前記コモンレール内の燃料を低圧側に排出し前記コモンレール内の燃料圧力であるレール圧を減圧する減圧弁と、
   前記コモンレールに燃料を供給する燃料供給ポンプと、
   内燃機関の各気筒に設置され前記コモンレールで蓄圧された燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記減圧弁が開弁して前記コモンレール内の燃料を排出する燃料流路に設置され前記燃料流路の流路面積を絞るオリフィス（２４）と、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の減圧弁制御装置と、
   を備えることを特徴とする燃料噴射システム（１２）。
6. 請求項５に記載の燃料噴射システムであって、
   前記オリフィスにより燃料圧力が所定圧以上になると開弁して前記オリフィスを迂回して燃料を排出するリリーフ弁（２６）を備える、
   ことを特徴とする燃料噴射システム（１４）。

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