JPH0772511B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

〔従来の技術〕

ディーゼルエンジンの燃料噴射装置は従来から燃料噴射
ポンプと燃料噴射弁とを含み、燃料噴射ポンプが所定の
タイミングで燃料を加圧して特定のデリバリーポートか
ら供給し、そのデリバリーポートに連結された燃料噴射
弁がその燃料の圧力で自動的に開弁して機関シリンダに
燃料を高圧で噴射するようになっている。このように従
来の燃料噴射装置は燃料噴射ポンプが燃料の加圧と燃料
噴射時期制御の双方の作用を行うものであった。燃料噴
射量や燃料噴射時期は燃料噴射ポンプの機械的な作動に
より制御されていたために、燃料噴射量や燃料噴射時期
を機関作動状態に応じて細かく変化させるような精密な
制御ができず、必ずしも満足できる装置とは言えなかっ
た。

これを改善するためにコモンレールシステムと呼ばれる
燃料噴射装置が提案されている。このような燃料噴射装
置は例えば特開昭57-68532号公報に記載されている。こ
の燃料噴射装置では、燃料ポンプが燃料を高圧で供給す
るだけの機能を有し、この燃料ポンプから供給された高
圧燃料は蓄圧器に保持され、この蓄圧器から各燃料噴射
弁に分配されるようにしたものである。そして、蓄圧器
と各燃料噴射弁との間は回転式制御弁が配置され、これ
が燃料噴射時期を制御するようになっている。また、燃
料ポンプはコントロールラックを備えた可変容量式のも
のであり、蓄圧器内の燃料の圧力が機関作動状態に応じ
て定められた目標燃料圧になるように吐出量を調節され
るようになっている。蓄圧器内の燃料の圧力を目標燃料
圧にフィードバック制御するために、蓄圧器には圧力セ
ンサが取りつけられている。このような装置によって、
燃料噴射圧や燃料噴射時期等が最適に制御でき、燃費や
騒音の低下を達成できるようになっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記公報に記載されているように可変容量式の燃料ポン
プを用いて燃料を供給すれば蓄圧器内の燃料の圧力を自
在に制御でき、機関高負荷時には短時間のうちに高圧で
多量の燃料を噴射し、低負荷時には長い時間をかけて少
量の燃料を少量ずつ噴射することができる。このように
燃料ポンプの吐出量を制御することによって燃料噴射圧
を制御することは、所望の燃料噴射パターンを得ること
ができるばかりでなく、機関低負荷時にはロスなく燃料
ポンプ自体の負荷をも低下することができるので、かな
り有利である。しかしながら、このような装置には機関
運転の過渡時に問題があった。例えば、加速時には、燃
料は低圧状態から高圧状態に移行しながら供給されなけ
ればならないが、このときに燃料ポンプの吐出量が実際
に燃料噴射弁で消費される燃料量に追従できずに、高圧
状態になるのに遅れを生じる。また、逆に急減速時に
は、燃料は高圧状態から低圧状態に移行されなければな
らないが、このときには燃料の消費が少ないので減圧に
遅れを生じる。自動車の走行ではかなりの部分が過渡状
態を占めるため、燃料の圧力が目標値から外れる割合が
おおくなる。これらのうちで、減速時の燃料の減圧の遅
れは、過剰の燃料が噴射されることを意味し、スモーク
の発生等の原因になり、是非解決しなければならない問
題である。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、本発明による内燃機関の
燃料噴射制御装置は、燃料タンクと燃料噴射弁との間に
可変容量燃料ポンプと該可変容量燃料ポンプから供給さ
れた燃料を保持するための一定の容積の燃料蓄圧器とを
配置し、且つ機関作動状態に応じて目標燃料圧を定める
手段と前記蓄圧器の燃料の圧力を検出する圧力センサと
を設けて検出された燃料圧が目標燃料圧に対応するよう
に前記可変容量燃料ポンプの吐出量を制御するととも
に、前記蓄圧器に燃料溢流通路を連結してそこに電磁弁
を配置し、検出された燃料圧が目標燃料圧よりも所定値
以上大きくなったときに、前記可変容量燃料ポンプの吐
出量を最低にするとともに前記電磁弁を開くようにした
ことを特徴とするものである。

〔実施例〕

第１図は過給機10を備えたディーゼル機関本体12を示
し、機関本体12は第２図に示されるように公知のように
シリンダブロック14とシリンダヘッド16により形成され
たシリンダにピストン18が挿入されているものである。
燃焼室20はピストン18の頂面に形成されたキャビティに
より形成されている。過給機10には吸気マニホールド22
が連結され、その各枝管がシリンダヘッド16の吸気ポー
ト24に連通される。吸気ポート24には吸気弁26が配置さ
れ、一方、排気ポート28には排気弁30が配置される。デ
ィーゼル機関では、燃料噴射弁32が燃焼室20に直接向く
ようにシリンダヘッド16に取りつけられる。

第１図に示されるように、燃料タンク34と燃料噴射弁32
との間には、可変容量燃料ポンプ36と、この可変容量燃
料ポンプ36から供給された燃料を保持するための一定の
容積の燃料蓄圧器38とが配置される。尚、実施例におい
ては可変容量燃料ポンプ36の手前にフィードポンプ40が
配置されている。燃料蓄圧器38は各燃料噴射弁32に対し
て共通であり、パイプ42によってそれぞれに連結されて
いる。各燃料噴射弁32からはリターンパイプ44が燃料タ
ンク34に延びる。さらに、燃料蓄圧器38と燃料タンク34
とを連結して燃料溢流パイプ46が設けられ、この燃料溢
流パイプ46の途中には電磁弁48が配置される。

燃料噴射弁32、可変容量燃料ポンプ36、及び電磁弁48は
制御装置（ECU）50により制御される。制御装置50はマ
イクロコンピュータとして構成され、第３図に示される
ように、演算と制御の機能を有する中央処理装置（CP
U）52と、プログラムを記憶させたリードオンリメモリ
（ROM）54と、データ等を記憶させるランダムアクセス
メモリ（RAM）56とを備え、これらはバス58によって相
互に接続されるとともに、入出力インターフェース60を
介して、各センサからの検出値が入力されるとともに、
燃料噴射弁32、可変容量燃料ポンプ36、及び電磁弁48に
制御信号が出力される。機関の作動状態を検出するセン
サは、機関の負荷を検出するためにアクセルペダルの開
度を検出する負荷センサ62、クランクシャフトの回転数
を検出する回転数センサ64、及び燃料蓄圧器38内の燃料
の圧力を検出する圧力センサ66が特に重要である。その
他のセンサ、例えば、水温センサ68や過給圧センサ70を
設けこともできる。

第４図は燃料噴射弁32の詳細図である。燃料噴射弁32は
弁本体72とノズル本体74とを有し、これらはノズルホル
ダ76によって一体化される。ノズル本体74にはニードル
弁78が挿入され、先端の噴口80を開閉可能になってい
る。弁本体72の上端部には燃料入口82が形成され、この
燃料入口82は弁本体72の中心を通るボア84に通じるとと
もに、ボア84と平行に延びる燃料通路86に通じている。
燃料通路86はノズル本体74の環状燃料溜まり86aに通
じ、そこでニードル弁78のテーパー部78aに作用してニ
ードル弁78を持ち上げる力を及ぼすとともに先端に噴口
80にも通じるようになっている。また、ニードル弁78の
頂部にはプレッシャピン88が当接し、プレッシャピン88
はスプリング90によってニードル弁78が閉弁する方向に
付勢されている。

弁本体72の中心を通るボア84には制御ロッド92が挿入さ
れ、制御ロッド92はその上方から供給された燃料の圧力
を受けるとともに、その下端がプレッシャピン88に当接
している。従って、ニードル弁78は、その上方から供給
された燃料の圧力とスプリング90の圧力とによる下向き
力を受け、その下方からテーパー78aに作用する燃料の
圧力による上向き力を受けるが、下向き力の方が大きい
ので、ニードル弁78は通常は閉弁している。ニードル弁
78が開弁するのは制御ロッド92を介して伝えられる下向
きの燃料の圧力がなくなったときである。このために、
弁本体72にはボア84と直交する通路94が設けられ、この
通路94で発生した圧力が制御ロッド92のテーパー部92a
に作用するようになっている。さらに、この通路94の延
長としてシリンダボア96が形成され、このシリンダボア
96には制御ピストン98が配置される。制御ピストン98の
後方にはアクチュエータケース100が取りつけられ、そ
の中には積層体からなるピエゾアクチュエータ102が挿
入されている。ピエゾアクチュエータ102は電歪素子か
らなり、供給された電圧に比例したひずみをしめすもの
である。従って、ピエゾアクチュエータ102に電圧を供
給することによってそれが伸長し、よって制御ピストン
98を押して通路94の体積を圧縮し、よって制御ロッド92
を持上げる圧力を生成する。ピエゾアクチュエータ102
の供給電圧がなくなるとそれが縮退し、リターンスプリ
ング104によって元の位置に戻される。従って、ピエゾ
アクチュエータ102に電圧を供給することによってニー
ドル弁78が開弁して燃料噴射が行われ、ピエゾアクチュ
エータ102の電圧供給を停止することによって燃料噴射
が終了する。尚、燃料噴射弁32の燃料入口82には、燃料
ポンプ36から供給され、燃料蓄圧器38内に保持されてい
た高圧の燃料が常時供給されている。また、通路94には
ボア84及び環状燃料溜まり86aの燃料のリークがあり、
よって通路94には常時燃料が充填されている。また、制
御ピストン98には、第５図に示されるように、その前後
を貫通する小孔108が設けられ、燃料がアクチュエータ
ケース100内に流入してピエゾアクチュエータ102を冷却
することができるようになっている。小孔108の前端に
は逆止弁108が配置され、制御ピストン98の前方加圧ス
トロークでのリークを防止している。

第６図はラジアルプランジャポンプにより構成した可変
容量燃料ポンプ36の詳細な一例を示す図である。この可
変容量燃料ポンプ36はポンプケーシング110と、ポンプ
ケーシング110に固定された中心軸112と、固定中心軸11
2の周りで回転可能なロータ114と、ロータ114に放射状
に且つ摺動可能に支持された複数のプランジャ116と、
プランジャ116の先端に取りつけられたシュー116aと、
シュー116aを内接させるリング118と、リング118をベア
リング119により回転可能に支持するステータ120とから
構成される。ステータ120は１本のピボットピン122によ
って旋回可能に支持されており、直径方向対向部にはア
ーム124を有している。このアーム124は制御レバー126
の傾斜溝128に挿入されており、制御レバー126を軸線方
向に駆動することによって、ステータ120がピボットピ
ン122のまわりで旋回するようになる。これは、ロータ1
14の軸線とステータ120の軸線との偏心の程度が変化す
ることを意味し、それによってポンプの容量が変化せし
められる。即ち、ポンプ作用は、プランジャ116の内端
部に形成されるポンプ作動空間130をプランジャ116が圧
縮することによって行われ、前述したロータ114の軸線
とステータ120の軸線との偏心の程度の変化は同ポンプ
作動空間130の有効容積を変化させることになるからで
ある。このように、制御レバー126によって容量制御が
可能である。尚、この作動空間130は固定中心軸112の直
径方向で対向するように軸線方向に延びる吸入ポート13
2と吐出ポート134に交互に出会うようになっている。

第７図はアキシャルプランジャポンプにより構成した可
変容量燃料ポンプ36の一例を示す図である。これは回転
可能なシリンダブロック136内に円周上に配置されたピ
ストン138と、シリンダブロック136の端部を閉じるよう
に配置された固定の弁板140と、シリンダブロック136の
軸線に対して傾斜した斜板142とからなり、弁板140には
半円周ずつの吸入及び吐出溝（図示せず）が設けられた
ものである。斜板142の傾斜角度は制御レバー144により
変えられることができ、それによって容量制御ができ
る。そして、制御レバー126、または144はステップモー
タ等の適切なアクチュエータによって電気的に制御され
ことができる。

このように、本発明においては、燃料噴射弁32、燃料ポ
ンプ36、及び電磁弁48が電気的に制御可能であり、その
制御は第３図に示したコンピュータ制御装置50によって
実行されるものである。第８図は燃料噴射弁32の制御の
ためのフローチャートであり、ステップ150において、
機関負荷及び回転数に基づいて燃料噴射量の計算を行
う。燃料噴射量（Ｔ）は第９図に示されるようにマップ
としてROM54内に記憶しておくことができる。次にステ
ップ151において、燃料噴射開始時期の計算を行う。次
いでステップ152において、計算された燃料噴射量と燃
料蓄圧器38内の圧力に応じた燃料噴射期間を計算する。
この燃料噴射期間も燃料噴射量と圧力との関数として記
憶されている。この燃料噴射期間は機関作動条件が同じ
であれば燃料の圧力が高いほど短くなる。かくして、ス
テップ153において、燃料噴射開始時期と噴射期間とか
ら噴射終了時期を計算する。前述したように、ステップ
151において計算された燃料噴射開始時期がくると燃料
噴射弁32のピエゾアクチュエータ102に通電され、ステ
ップ153において計算された噴射終了時期がくると通電
が停止される。尚、燃料噴射時期の計算に際しては水温
等による補正を行うことができる。

第11図は燃料の圧力を制御するための燃料ポンプ36及び
電磁弁48の制御フローチャートである。ステップ160に
おいて機関作動状態をあらわす機関回転数Ne、機関負荷
Ｑ、及び燃料蓄圧器38の燃料の圧力P_Rを読む。燃料蓄圧
器38の燃料の圧力P_Rは圧力センサ66によって検出された
ものであり、以後これを実圧力P_Rと呼ぶ。次に、ステッ
プ162,163において燃料ポンプ36の基本容量制御値R_B及
び目標燃料圧Ｐをそれぞれ機関回転数Ne及び機関負荷Ｑ
の関数として計算する。これらは例えば第10図に示すよ
うにマップとしてROM54に記憶しておくことができる。
続いてステップ163において、目標圧力Ｐと実圧力P_Rの
差圧ΔＰを計算する。さらにステップ164において、差
圧ΔＰの絶対値が第１の所定値k₁よりも大きいかどうか
を判定する。

ここで、第12図を参照して燃料の圧力の変化について説
明する。第12図は時間ａからｄの間で加速があり、時間
ｄからｅの間定常走行を行い、時間ｅからｈの間で減速
があると仮定して示されている。目標圧力Ｐは破線で示
され、実圧力（検出圧力）P_Rは実線で示されている。加
速に伴い、燃料の圧力は上昇するように制御され、減速
に伴って低下するように制御される。最初に述べたよう
に、加速時には多量の燃料が消費されるので、目標圧力
Ｐに対して実圧力（検出圧力）P_Rの上昇は遅れる傾向が
ある。逆に、減速時には燃料がなかなか消費されないの
で実圧力（検出圧力）P_Rの低下が遅れる傾向がある。こ
のようにして、第１の所定値k₁は燃料の上昇の遅れ、ま
たは燃料の低下の遅れを検出するためのパラメータとし
て使用されるものである。

第11図に戻って、ステップ164の判定がイエスであれば
ステップ165に進み、ノーであればステップ171に進む。
ステップ165はステップ164の判定がイエスなので過渡状
態であると判断して、フラグｆをセットする。続いてス
テップ166において燃料ポンプ36のフィードバック補正
値ΔＲを０にする。さらにステップ167において、差圧
ΔＰが正かどうかを判定する。これは加速中か減速中か
を判定するものである。イエスであれば加速中と判定し
てステップ170に進み、燃料ポンプ36の容量制御値Ｒを
機関作動状態に係わらず最大値Rmaxにする。このときに
はステップ178を通って電磁弁48を閉じたままにする。
従って、加速中には、第12図に示されるようにポンプ吐
出量を最大にして燃料の上昇遅れを瞬時のうちに回復す
る。

ステップ167でノーのときには減速中と判断してステッ
プ168へ進み、燃料ポンプ36の容量制御値Ｒを０にす
る。これによって燃料の供給が行われなくなるが、この
ときには燃料の消費が非常に少ないので燃料蓄圧器38内
の燃料の圧力は容易に低下しない。因みに、燃料蓄圧器
38内の燃料の圧力は機関作動状態に応じて例えば200〜8
00kg/cm²の範囲で制御され、減速時に800kg/cm²から200
kg/cm²に低下させることを考えれば、燃料ポンプ36から
の燃料供給を停止しても直ぐには圧力が低下しないこと
が分かるであろう。そのために応答遅れが生じることに
なる。本発明においては、差圧ΔＰが第１の所定値k₁よ
りも大きくなったときには、燃料ポンプ36の燃料供給を
停止するとともに、ステップ169に進んで電磁弁48を開
くようにしている。電磁弁48を開くことによって、燃料
蓄圧器38内の燃料が燃料噴射弁32で消費されるのと平行
して燃料タンク34に放出されることになり、燃料蓄圧器
38内の燃料の圧力を急激に低下させることができる。本
発明において重要なことは、電磁弁48の開放が燃料ポン
プ36の吐出量を最低にしても尚燃料の圧力低下が遅れる
ときに限られるということである。もし、電磁弁48がそ
の他の条件でも適当にオンオフされると、これは燃料ポ
ンプ36で汲み上げた燃料を洩らすことになるので燃料ポ
ンプ駆動のロスを招くことになり、好ましくない。

加速中に燃料ポンプ36の吐出量を最大にし、或いは減速
中に燃料ポンプ36の吐出量を０にして電磁弁48を開放し
た状態でコンピュータのサイクルが何回かまわると、や
がて遅れがなくなって目標圧力Ｐと実圧力P_Rの差圧ΔＰ
が小さくなり、ステップ164の判定がノーになるであろ
う。このときにはステップ171を通り、フラグｆがセッ
トされているかどうかを判定する。今説明した状態では
ステップ165でフラグｆがセットされたままなので、ス
テップ171の判定はイエスである。かくしてステップ172
に進み、差圧ΔＰの絶対値が第２の所定値k₂よりも大き
いかどうかを判定する。この第２の所定値k₂は第12図か
ら分かるように上述した過渡状態の判定を解除する基準
として使用され、差圧ΔＰの絶対値が第２の所定値k₂よ
りも大きい間はステップ165以下に進んで前記制御を続
け、差圧ΔＰの絶対値が第２の所定値k₂よりも初めて小
さくなったときにステップ173に進んでフラグｆをリセ
ットする。次回のステップ171の判定はノーであり、ス
テップ173の後と同様にステップ174に進む。フラグｆが
リセットされたことは機関が定常運転に入ったことを意
味し、このときには燃料の圧力はステップ162で計算し
た目標圧力Ｐとなるようにフィードバック制御が行われ
る。このために、ステップ174においてフィードバック
補正量ΔＲ＝ΔＲ＋k₃の計算を行う。次にステップ175
において差圧ΔＰが正かどうかを判定する。イエスであ
ればステップ176に進んで、燃料ポンプ36の容量制御値
Ｒを、ステップ161で計算した基本容量制御値R_Bにステ
ップ174で計算したフィードバック補正量ΔＲを加える
ことによって求める。最後にステップ178を通り、電磁
弁48を閉に維持する。ステップ175でノーであれば、ス
テップ177に進んで、燃料ポンプ36の容量制御値Ｒを、
ステップ161で計算した基本容量制御値R_Bからステップ1
74で計算したフィードバック補正量ΔＲを引くことによ
って求める。このようにして、燃料蓄圧器38の燃料の圧
力を目標圧力になるようにする。

第13図は電磁弁48の制御の別の例を示している。第11図
及び第12図の例では電磁弁48は時点ｆで開放され、時点
ｇで閉弁され、燃料ポンプ48は時点ｇからフィードバッ
ク制御されていた。第13図においても、電磁弁48は差圧
ΔＰが大きい時点ｆで全開され、時点ｇで閉弁されるこ
とは同様であるが、実圧力P_Rが目標圧力Ｐに近づいた時
点ｇ（これは必ずしも第12図の時点ｇと同じである必要
はない）でデューティ制御に切換えられ、オーバーシュ
ートやアンダーシュートを少なくしてその後のフィード
バック制御に支障なく接続できるようにしたものであ
る。このデューティ制御においては、デューティ比を差
圧ΔＰに応じて変えることができ、また同じ差圧ΔＰに
対しても圧力のレベルに応じて変えるようにすることが
できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、減速時のように
目標燃料圧力が急激に低下した場合であっても実際の燃
料圧力を速やかに目標燃料圧力に追従させることがで
き、常時最適な燃焼を確保することができる。また、燃
料ポンプの吐出量を必要ないときにカットできるために
ポンプ駆動損失を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による内燃機関の燃料噴射制御装置の構
成図、第２図は第１図の内燃機関の垂直断面図、第３図
は制御装置の構成図、第４図は燃料噴射弁を示す断面
図、第５図は第４図の制御ピストンの拡大図、第６図は
可変容量燃料ポンプの一例を示す図、第７図は可変容量
燃料ポンプの他の例を示す図、第８図は燃料噴射弁の制
御のフローチャート、第９図は燃料噴射量を計算するた
めのマップを示す図、第10図は目標燃料圧力を計算する
ためのマップを示す図、第11図は燃料の圧力制御のため
のフローチャート、第12図は第11図のフローチャートの
作用を説明するためのタイミングチャート、第13図は電
磁弁の別の作用を説明する図である。 12……機関本体、22……吸気マニホールド、32……燃料
噴射弁、34……燃料タンク、36……燃料ポンプ、38……
燃料蓄圧器、46……燃料溢流パイプ、48……電磁弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料タンクと燃料噴射弁との間に可変容量
   燃料ポンプと該可変容量燃料ポンプから供給された燃料
   を保持するための一定の容積の燃料蓄圧器とを配置し、
   且つ機関作動状態に応じて目標燃料圧を定める手段と前
   記蓄圧器の燃料の圧力を検出する圧力センサとを設けて
   検出された燃料圧が目標燃料圧に対応するように前記可
   変容量燃料ポンプの吐出量を制御するとともに、前記蓄
   圧器に燃料溢流通路を連結してそこに電磁弁を配置し、
   検出された燃料圧が目標燃料圧よりも所定値以上大きく
   なったときに、前記可変容量燃料ポンプの吐出量を最低
   にするとともに前記電磁弁を開くようにしたことを特徴
   とする内燃機関の燃料噴射制御装置。