JP5040692B2 - 筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置に関し、特に高圧燃料ポンプでの圧損低減技術に関する。

従来、筒内直噴式内燃機関においては、燃料噴射弁（インジェクタ）への高圧燃料の供給のため、特許文献１に示されるような高圧燃料ポンプを使用している。
この高圧燃料ポンプは、カム駆動によるプランジャの往復動によりポンプ室の容積を変化させ、プランジャの吸入行程にて吸入側一方向弁を介してポンプ室に燃料を吸入し、プランジャの吐出行程にてポンプ室の燃料を吐出側一方向弁を介して吐出するプランジャポンプと、前記吸入側一方向弁に対し設けられ、通電により発生する電磁力によりポンプ室内の圧力にかかわらず前記吸入側一方向弁を開弁状態に保持することができるソレノイドと、を備えている。

そして、前記プランジャの吐出行程の任意の時期まで前記ソレノイドに通電して、前記吸入側一方向弁を開弁状態に保持し、前記ソレノイドへの通電終了後に前記吸入側一方向弁を閉弁させて、吐出動作を開始させるようにし、前記ソレノイドの通電終了時期の制御により、前記吸入側一方向弁の閉弁時期（吐出行程における閉弁期間）を制御することで、前記プランジャポンプの吐出量を制御するようにしている。
特開２００７−０３２３２３号公報

ところで、筒内直噴式内燃機関においては、燃料圧力が噴射許可燃圧に達するまで燃料噴射できないため、始動性向上のため、高圧燃料ポンプの昇圧特性を改善することが求められている。

そこで、本発明では、従来の高圧燃料ポンプでは、プランジャの吸入行程にて、ポンプ室内の圧力低下により生じた吸引力により、吸入側一方向弁を開弁させつつ、燃料を吸入しており、吸入行程の間、一方向弁のスプリングのセット荷重の分の圧力損失を生じていることに着目し、この圧力損失を低減することにより、高圧燃料ポンプの昇圧特性を改善することを目的とする。

このため、本発明では、プランジャポンプの吐出量を制御するために、吸入側一方向弁に設けられているソレノイドの通電開始時期を、運転条件に応じ、吸入行程初期と吸入行程後期とに切換え、ソレノイドの通電開始時期を吸入行程初期とする運転条件を、少なくとも吐出側の燃料圧力が所定値より低いときとする構成とする。

本発明によれば、吸入行程初期からソレノイドへの通電を開始して、吸入側一方向弁を開弁保持することにより、吸入行程において吸入側一方向弁をソレノイドにより開弁保持している間、電磁力で一方向弁のスプリングのセット荷重に対抗できるため、その分の圧力損失を低減できる。これにより、始動時の昇圧特性を改善できる他、ポンプ室内でのベーパ発生にも対処可能となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置の構成図である。
この内燃機関は、特に筒内直噴火花点火式内燃機関であり、運転モード（燃焼モード）には、均質運転モードと成層運転モードとがある。均質運転モードでは、吸気行程にて燃料噴射を行い、燃焼室の全体に均質な混合気を形成することで、ストイキ又はリーン空燃比（Ａ／Ｆ＝２０〜３０）での均質燃焼を行わせる。これに対し、成層運転モードでは、圧縮行程にて燃料噴射を行い、点火プラグの周囲に成層化された混合気塊を形成することで、全体として極めてリーンな空燃比（Ａ／Ｆ＝３０〜４０）で成層燃焼を行わせる。

この内燃機関への燃料供給装置について説明する。
燃料タンク１内に、低圧燃料ポンプ２が設けられている。詳しくは、燃料タンク１内の燃料を圧送する電動式の低圧燃料ポンプ２と、その吐出側で燃料をろ過する燃料フィルタ３と、余剰燃料を燃料タンク１へ戻すことで吐出側圧力を一定圧力（通常０．３〜０．５ＭＰａ程度）に調整する低圧プレッシャレギュレータ４とが設けられている。

低圧燃料ポンプ２により圧送される燃料は、低圧燃料通路５により、燃料フィルタ６及び燃料ダンパ７を介して、高圧燃料ポンプ８へ供給される。
高圧燃料ポンプ８は、主にプランジャポンプ９により構成されている。プランジャポンプ９は、カム１０駆動によるプランジャ１１の往復動によりポンプ室１２の容積を変化させ、プランジャ１１の吸入行程にて吸入側一方向弁１３を介してポンプ室１２に燃料を吸入し、プランジャ１１の吐出行程にて吐出側一方向弁１４を介してポンプ室１２内の燃料を吐出する。尚、ポンプ駆動カム１０はエンジンカムシャフトに連結されている。

高圧燃料ポンプ８は、更に、ソレノイド１５を含んで構成されている。ソレノイド１５は、吸入側一方向弁１３に対し設けられ、通電により発生する電磁力により、ポンプ室１２内の圧力にかかわらず、吸入側一方向弁１３を開弁状態に保持することができる。

図２は高圧燃料ポンプ８の具体的構造を示している。
吸入側吐出弁（その弁体）１３は、プランジャポンプ９の吸入側通路に設けられて、スプリング１３ｓにより閉弁方向に付勢され、ポンプ室１２内の負圧によりスプリング１３ｓに抗して開弁する一方、ソレノイド１５への通電によりポンプ室１２内の圧力にかかわらず開弁する構成となっている。すなわち、ソレノイド１５への非通電時には吸入方向への一方向弁として機能し、ソレノイド１５への通電時にはいずれの方向へも全開状態に保持される。

吐出側一方向弁（その弁体）１４は、プランジャポンプ９の吐出側通路に設けられて、スプリング１４ｓにより閉弁方向に付勢され、ポンプ室１２内の正圧によりスプリング１４ｓに抗して開弁する構成となっている。すなわち、吐出方向への一方向弁として機能する。

ここにおいて、プランジャ１１の吐出行程の任意の時期までソレノイド１５に通電して、吸入側一方向弁１３を開弁状態に保持し、ソレノイド１５への通電終了後に吸入側一方向弁１３を閉弁させて、吐出動作を開始させるようにし、ソレノイド１５の通電終了時期の制御により、吸入側一方向弁１３の閉弁時期（吐出行程における閉弁期間）を制御することで、プランジャポンプ９の吐出量を制御するようにしている（図３（Ａ）参照）。

高圧燃料ポンプ８（プランジャポンプ９）の吐出側（吐出側一方向弁１４の出口側）は、オリフィス付きの高圧燃料通路１６により、燃料蓄圧室（コモンレール）１７に接続されている。

燃料蓄圧室１７には、これから分岐する分岐管１８を介して気筒数分の燃料噴射弁１９が接続され、これらの燃料噴射弁１９はエンジンの各気筒の燃焼室に臨んでいる。
また、燃料蓄圧室１７には、該蓄圧室１７内の燃圧を検出する燃圧センサ２０が取付けられ、その信号はＥＣＵ１００に入力されている。

更に、燃料蓄圧室１７との連通路２１にリリーフ弁２２の一端側を接続し、リリーフ弁２２の他端側を、リターン通路２３により、高圧燃料ポンプ８の吸入側の低圧燃料通路５に接続している。このリリーフ弁２２は、燃料蓄圧室１７内の燃圧が過大に上昇したときに開弁して圧力を逃がすためのものである（開弁圧は１８ＭＰａ程度）。

ここにおいて、燃料噴射弁１９より噴射する燃料圧力を制御するため、燃料蓄圧室１７内の燃圧を制御するが、この燃圧は、ＥＣＵ１００からの信号により、ソレノイド１５の通電終了時期（吐出行程における吸入側一方向弁１３の閉弁時期）を制御して、高圧燃料ポンプ８（プランジャポンプ９）の吐出量を制御することにより、ポンプ吐出量と燃料噴射量との流量収支のバランスで、任意の目標燃圧（通常３〜１５ＭＰａ程度）にフィードバック制御する。尚、目標燃圧は、運転条件（回転数及び負荷）に応じて、高回転・高負荷側ほど大きく、低回転・低負荷側ほど小さく、設定されている。

次にソレノイド１５の通電開始時期について図３（Ａ）、（Ｂ）により説明する。
図３（Ａ）は通常制御時のプランジャポンプの吸入・吐出動作（及びソレノイドの通電開始時期）を示している。

プランジャ１１が上死点（ＴＤＣ）から下降する吸入行程においては、ポンプ室１２内の負圧により、吸入側一方向弁１３が開き、ポンプ室１２内に燃料が吸入される。
その後、プランジャ１１が下死点（ＢＤＣ）に達する直前に、ソレノイドＯＮ信号を立ち上げ、ソレノイド１５に通電する。これは、下死点（ＢＤＣ）までに吸入側一方向弁１３をポンプ室１２内の圧力にかかわらず閉弁状態に保持するためである。従って、ソレノイド１５の通電開始時期は、吸入行程後期で、遅くとも、電磁力により吸入側一方向弁１３が下死点（ＢＤＣ）までに開弁するようなタイミングである。これは従来より一般的に用いられていた通電開始時期である。

プランジャ１１が下死点（ＢＤＣ）に達した後、上昇して、吐出行程に入るが、ソレノイド１５により吸入側一方向弁１３が開状態に保持されているため、プランジャ１１の上昇によりポンプ室１２内の燃料は吸入側へ逆流し、その結果、ポンプ室１２内の圧力は上昇せず、吐出側一方向弁１４は閉弁状態に保持されたままで、吐出動作はなされない。

その後、吐出行程の任意の時期にソレノイドＯＮ信号を終了させて、ソレノイド１５への通電を終了させる。すると、吸入側一方向弁１３が閉じ、その後はプランジャ１１の上昇によってポンプ室１２内の圧力が上昇し、ポンプ室１２内の燃料が吐出側一方向弁１４を介して吐出する。従って、ソレノイド１５への通電終了による吸入側一方向弁１３の閉弁時期、詳しくは、吐出行程における吸入側一方向弁１３の閉弁期間に対応した量の燃料が吐出される。

図３（Ｂ）は圧損低減制御時のプランジャポンプの吸入・吐出動作（及びソレノイドの通電開始時期）を示している。
通常制御時と異なる点は、ソレノイド１５の通電開始時期を吸入行程初期、特に上死点（ＴＤＣ）とする。すなわち、吸入行程初期、特に上死点（ＴＤＣ）にてソレノイドＯＮ信号を立ち上げ、ソレノイド１５への通電を開始する。これより、吸入行程初期から吸入側一方向弁１３が電磁力によって開弁状態に保持される。

このようにすると、プランジャ１１の吸入行程の間、ソレノイド１５の電磁力で吸入側一方向弁１３を強制的に開くため、流体力により開弁するための圧力損失がなくなり、圧力損失を低減できる。

従って、図３（Ｂ）の通電開始時期が圧損低減のための通電開始時期である。但し、通電時間が長くなることから、消費電力が増大するので、運転条件により、圧損低減制御が特に必要なときに限って、図３（Ｂ）の圧損低減制御に切換え、それ以外は、図３（Ａ）の通常制御とする。

図４は通常制御と圧損低減制御との切換制御のフローチャートである。
Ｓ１では、始動時か否か、すなわち、始動時か、それ以外の通常運転時かを判定する。
始動時の場合は、Ｓ２へ進み、極低温（−３０〜−４０℃程度）の均質始動時か否か、すなわち、極低温の均質始動時か、それ以外の成層始動時かを判定する。

尚、本実施形態の筒内直噴火花点火式内燃機関では、成層燃焼（圧縮行程噴射）にて始動するが、極低温時は成層燃焼での始動が困難となるため、極低温時のみ均質燃焼（吸気行程噴射）にて始動するようにしている。

極低温の均質始動時は、Ｓ５へ進み、圧損低減制御とすべく、フラグＦ＝１とする。極低温の均質始動時（吸気行程噴射時）は、要求噴射量が高圧燃料ポンプの最大吐出量を上回り、吐出行程の全域で吸入側一方向弁１３を閉弁させて、低圧燃料ポンプ２からの低圧燃料をそのまま吐出させる状態となるので、高圧燃料ポンプでの吸入行程での圧損を極力低減することが望ましいからである。

通常の成層始動時の場合は、Ｓ３へ進み、冷却水温度（水温）を検出し、第１の所定値（例えば１１０℃）以上か否かを判定する。これは、ホットリスタートで、燃料温度（燃温）がベーパ発生温度より高いか否かを、燃温の代わりにこれと相関のある水温を用いて判定している。

水温が１１０℃以上の場合は、ベーパの発生が考えられるため、Ｓ５へ進み、圧損低減制御とすべく、フラグＦ＝１とする。ベーパの発生に対処し、圧力の下がり代を減らすためである。

水温が１１０℃未満の場合は、Ｓ４へ進み、燃料圧力（燃圧）を検出し、燃圧が成層始動（圧縮行程噴射）での噴射許可燃圧（例えば３ＭＰａ）より低いか否かを判定する。
燃圧が噴射許可燃圧より低い場合は、昇圧特性を向上させるため、Ｓ５へ進み、圧損低減制御とすべく、フラグＦ＝１とする。より速やかな燃圧上昇を図り、より早期に噴射（圧縮行程噴射）を可能とするためである。

燃圧が噴射許可燃圧より高い場合（すなわち、成層始動時で、水温からベーパ発生の恐れもなく、燃圧が噴射許可燃圧より高い場合）は、Ｓ６へ進み、通常制御とすべく、フラグＦ＝０とする。

一方、Ｓ１での判定で、通常運転時の場合は、Ｓ７へ進む。
Ｓ７では、冷却水温度（水温）を検出し、第２の所定値（例えば１００℃）以上か否かを判定する。これは、燃料温度（燃温）がベーパ発生温度より高いか否かを、燃温の代わりにこれと相関のある水温を用いて判定している。但し、水温と燃温との相関が始動時と通常運転時とで異なることから、始動時の判定水温（１１０℃）に比べ、通常運転時の判定水温（１００℃）を低くしている。

水温が１００℃以上の場合は、ベーパの発生が考えられるため、Ｓ８へ進み、圧損低減制御とすべく、フラグＦ＝１とする。ベーパーの発生に対処し、圧力の下がり代を減らすためである。

水温が１００℃未満の場合は、Ｓ９へ進み、通常制御とすべく、フラグＦ＝０とする。
図５はソレノイドの通電開始時期（通電開始角）及び通電終了時期（通電終了角）の制御のフローチャートである。

Ｓ１１では、フラグＦの値を判定し、Ｆ＝１（圧損低減制御要求有り）か否かを判定する。
Ｆ＝０で、圧損低減制御要求無しの場合、すなわち通常制御の場合は、Ｓ１２へ進み、エンジン回転数Ｎｅと要求燃料噴射量Ｑｆとから、マップを参照し、通電開始角を設定する。ここで設定される通電開始角は、吸入行程後期で、遅くとも、電磁力により吸入側一方向弁１３が下死点（ＢＤＣ）までに開弁するようなタイミングである。

Ｆ＝１で、圧損低減制御要求有りの場合、すなわち圧損低減制御の場合は、Ｓ１３へ進み、通電開始角を吸入行程初期、特に上死点（ＴＤＣ）とする。
Ｓ１２又はＳ１３で通電開始角を設定した後は、Ｓ１４（１）〜（３）へ進む。

Ｓ１４（１）では、エンジン回転数Ｎｅと要求燃料噴射量Ｑｆとから、マップを参照し、基本通電終了角（通電終了角の基本値）を設定する。
Ｓ１４（２）では、目標燃圧と実燃圧との差分に所定のゲインＧを乗じて、フィードバック分（ＦＢ分）を算出する。

ＦＢ分＝（目標燃圧−実燃圧）×Ｇ
Ｓ１４（３）では、基本通電終了角とＦＢ分とから、通電終了角を設定する。
通電終了角＝基本通電終了角−ＦＢ分
通電開始角及び通電終了角が設定されると、これらに基づいて、ソレノイド１５の通電が制御される。

以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、吸入側一方向弁１３に設けられているソレノイド１５の通電開始時期を、吸入行程初期とすることにより、吸入側一方向弁１３を電磁力で強制的に開くことで、吸入側一方向弁１３の開弁のための圧損を低減でき、始動時の昇圧特性を改善できる他、ポンプ室１２内でもバーパの発生にも対処可能となる。

また、本実施形態によれば、ソレノイド１５の通電開始時期を、プランジャ１１の上死点（ＴＤＣ）とすることにより、吐出動作を阻害する恐れなく、吸入行程の全域で圧損を低減でき、最大限の圧損低減効果が得られる。

また、本実施形態によれば、ソレノイド１５の通電開始時期を、運転条件に応じ、吸入行程初期（ＴＤＣ近傍）と、吸入行程後期（ＢＤＣ近傍）とに切換えることにより、圧損低減と電力消費量低減とを両立させることが可能となる。

また、本実施形態によれば、ソレノイド１５の通電開始時期を吸入行程初期とする運転条件を、少なくとも、吐出側の燃圧が所定値（噴射許可燃圧）より低いときとすることにより、低燃圧時に、より速やかな燃圧上昇を図り、より早期に噴射可能とすることができる。

また、本実施形態によれば、ソレノイド１５の通電開始時期を吸入行程初期とする運転条件を、少なくとも、成層燃焼による始動時で、かつ吐出側の燃圧が所定値（噴射許可燃圧）より低いときとすることにより、成層始動時に、より速やかな燃圧上昇を図り、より早期に噴射して始動可能とすることができる。

また、本実施形態によれば、ソレノイド１５の通電開始時期を吸入行程初期とする運転条件を、少なくとも、燃温が所定値（ベーパ発生温度）より高いときとすることにより、ベーパの発生に対処して、圧力の下がり代を減らすことができる。よって、ベーパ発生時の吐出量の減少を抑制できると共に、ベーパの発生自体も抑制できる。

また、本実施形態によれば、燃温の代わりに水温を用いる場合、ソレノイド１５の通電開始時期を吸入行程初期とする運転条件を、始動時は、水温が第１の所定値（１１０℃）より高いとき、通常運転時は、水温が第２の所定値（１００℃）より高いときとし、前記第１の所定値（１１０℃）より前記第２の所定値（１００℃）の方が低い設定とすることにより、水温と燃温との相関が始動時と通常運転時とで異なることに的確に対処できる。

また、本実施形態によれば、ソレノイド１５の通電開始時期を吸入行程初期とする運転条件を、少なくとも、均質燃焼により始動する低温始動時とすることにより、要求噴射量が高圧燃料ポンプの最大吐出量を上回り、低圧燃料ポンプからの低圧燃料をそのまま吐出させる状態において、高圧燃料ポンプでの吸入時の圧損を低減して、始動性の向上につなげることができる。

本発明の一実施形態を示す内燃機関の燃料供給装置の構成図 高圧燃料ポンプの具体的構造を示す図 通常制御時（Ａ）及び圧損低減制御時（Ｂ）のソレノイドの通電開始時期を示すタイムチャート 通常制御と圧損低減制御との切換制御のフローチャート ソレノイドの通電開始時期及び通電終了時期の制御のフローチャート

符号の説明

１ 燃料タンク
２ 低圧燃料タンク
３ 燃料フィルタ
４ 低圧プレッシャレギュレータ
５ 低圧燃料通路
６ 燃料フィルタ
７ 燃料ダンパ
８ 高圧燃料ポンプ
９ プランジャポンプ
１０ ポンプ駆動カム
１１ プランジャ
１２ ポンプ室
１３ 吸入側一方向弁
１３ｓ スプリング
１４ 吐出側一方向弁
１４ｓ スプリング
１５ ソレノイド
１６ 高圧燃料通路
１７ 燃料蓄圧室
１８ 分岐管
１９ 燃料噴射弁
２０ 燃圧センサ
２１ 連通路
２２ リリーフ弁
２３ リターン通路
１００ ＥＣＵ

Claims (6)

1. プランジャの往復動によりポンプ室の容積を変化させ、プランジャの吸入行程にて吸入側一方向弁を介してポンプ室に燃料を吸入し、プランジャの吐出行程にてポンプ室の燃料を吐出側一方向弁を介して吐出するプランジャポンプと、
   前記吸入側一方向弁に対し設けられ、通電により発生する電磁力によりポンプ室内の圧力にかかわらず前記吸入側一方向弁を開弁状態に保持することができるソレノイドと、
   を備え、
   前記プランジャの吐出行程の任意の時期まで前記ソレノイドに通電して、前記吸入側一方向弁を開弁状態に保持し、前記ソレノイドへの通電終了後に前記吸入側一方向弁を閉弁させて、吐出動作を開始させるようにし、前記ソレノイドの通電終了時期の制御により、前記吸入側一方向弁の閉弁時期を制御することで、前記プランジャポンプの吐出量を制御するようにした筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置において、
   前記ソレノイドの通電開始時期を、運転条件に応じ、吸入行程初期と、吸入行程後期とに切換え、
   前記ソレノイドの通電開始時期を吸入行程初期とする運転条件は、少なくとも、吐出側の燃料圧力が所定値より低いときであることを特徴とする筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置。
2. 前記ソレノイドの通電開始時期を吸入行程初期とする運転条件は、少なくとも、成層燃焼による始動時で、かつ吐出側の燃料圧力が所定値より低いときであることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置。
3. 前記ソレノイドの通電開始時期を吸入行程初期とする運転条件は、少なくとも、燃料温度が所定値より高いときであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置。
4. 前記燃料温度の代わりに冷却水温度を用いる場合、前記ソレノイドの通電開始時期を吸入行程初期とする運転条件は、始動時は、冷却水温度が第１の所定値より高いとき、通常運転時は、冷却水温度が第２の所定値より高いときとし、前記第１の所定値より前記第２の所定値の方が低いことを特徴とする請求項３に記載の筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置。
5. 前記ソレノイドの通電開始時期を吸入行程初期とする運転条件は、少なくとも、均質燃焼により始動する低温始動時であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置。
6. 前記ソレノイドの通電開始時期を吸入行程初期とするときに、前記ソレノイドの通電開始時期を前記プランジャの上死点とすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置。

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