説明

筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置

【課題】 高圧燃料ポンプ(プランジャポンプ)での圧損を低減する。
【解決手段】 プランジャポンプ9は、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の吐出行程にてポンプ室12の燃料を吐出側一方向弁14を介して吐出する。ソレノイド15は、通電により発生する電磁力により吸入側一方向弁13を開弁状態に保持することができる。ここにおいて、ソレノイド15の通電開始時期を吸入行程初期とし、吸入行程にて吸入側一方向弁13を開弁状態に保持して、圧損を低減する。その後、吐出行程の任意の時期までソレノイド15に通電して、通電終了時期の制御により、吐出量を制御する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【特許文献1】特開2007−032323号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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、吸入行程初期とする構成とする。
【発明の効果】
【0007】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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)。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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)。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】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
【図2】高圧燃料ポンプの具体的構造を示す図
【図3】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
【図4】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
【図5】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】
【0049】
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

【特許請求の範囲】
【請求項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、吸入行程初期としたことを特徴とする筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項2】
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したことを特徴とする請求項1記載の筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項3】
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ることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項4】
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請求項1〜請求項3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。
【請求項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、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〜請求項3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。
【請求項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〜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。
【請求項7】
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6記載の筒内直噴式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項8】
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〜請求項7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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2009−185622(P2009−185622A)
【公開日】平成21年8月20日(2009.8.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−23806(P2008−23806)
【出願日】平成20年2月4日(2008.2.4)
【出願人】(000003997)日産自動車株式会社 (16,386)
【Fターム(参考)】