JP2015161297A - 燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下での始動性及び始動後の燃焼安定性を改善する為の制御の要否を的確に判断し得る燃料供給装置を提供する。
【解決手段】燃料供給装置は、内燃機関１の筒内に液体燃料を噴射する燃料噴射弁７と、燃料噴射弁７が取り付けられるコモンレール５と、燃料タンク２から液体燃料を吸い上げる低圧燃料ポンプ３と、内燃機関１に駆動され、低圧燃料ポンプ３が吸い上げた液体燃料を昇圧してコモンレール５に供給する高圧燃料ポンプ４と、コモンレール５内の圧力を検出するコモンレール圧力センサ６と、高圧燃料ポンプ４の吐出量を制御することによって、コモンレール５内の圧力を制御するコントローラ８と、内燃機関１の冷却水温を検出する水温センサ９と、を含んで構成される。そして、コントローラ８は、冷却水温が所定値以下の低温状態で、コモンレール５内の圧力を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料供給装置に関する。

内燃機関は、低温になるほどフリクションが増大するので、外気温度が低くなるほど始動性や始動後の燃焼安定性が悪化する。これに対し特許文献１には、内燃機関の停止時に外気温度が所定値以下の極低温であれば、燃料噴射弁にかかる燃料圧力（燃圧）を低下させる制御を実行する燃料供給装置が開示されている。この燃料供給装置によれば、燃圧を低下させることによって燃料噴射弁を開くために必要な力が小さくなるので、燃料噴射弁が速やかに開弁するようになり始動性が改善される。また、燃料噴射弁を開く為に必要な力が小さくなることで、フリクションの大きい低温状態での燃焼安定性も改善される。なお、上記文献では外気温度として吸気温度センサで検出した温度、つまり吸入空気温度を用いている。

特開２０００−２７４３１２号公報

ところで、内燃機関のフリクションは内燃機関本体や部品の温度に依存し、上記文献ではこれらの温度と相関のある温度として吸入空気温度を用いて、燃圧を低下させる制御の要否を判断している。

しかしながら、吸入空気温度センサの検出値は走行風の影響を受け易いので、内燃機関本体の温度が同じであっても走行条件によって値が変動してしまう。このため、走行開始後は上記文献の判断手法では燃圧を低下させる制御の要否を的確に判断出来なくなる。例えば、機関始動後のアイドル運転により燃圧を低下させる制御が不要な程度まで部品温度が上昇していても、走行開始によって吸気温度センサの検出値が低下したために、燃圧を低下させる制御が必要であると判断してしまうおそれがある。

そこで本発明では、低温環境下での始動性を改善し、かつ、始動後に燃焼安定性を改善する為の制御の要否を的確に判断し得る、車両用の内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、内燃機関の筒内に液体燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁が取り付けられるコモンレールと、燃料タンクから液体燃料を吸い上げる低圧燃料ポンプと、内燃機関に駆動され、低圧燃料ポンプが吸い上げた液体燃料を昇圧してコモンレールに供給する高圧燃料ポンプと、を備える燃料供給装置が提供される。燃料供給装置は、コモンレール内の圧力を検出するコモンレール圧力センサと、高圧燃料ポンプの吐出量を制御することによって、コモンレール内の圧力を制御するコントローラと、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサと、をさらに含んで構成される。そして、コントローラは、冷却水温が所定値以下の低温状態でコモンレール内の圧力を低下させる。

上記態様によれば、始動性及び始動後の燃焼安定性の改善に効果のある、コモンレール内の圧力を低下させる制御を実行するか否かを、内燃機関のフリクションに相関のある冷却水温に基づいて判定しているので、当該制御の実行の要否を的確に判断することができる。

図１は、本発明の実施形態にかかる燃料供給装置の概略構成図である。 図２は、高圧燃料ポンプの構成を示す図である。 図３は、通常燃圧マップの一例を示す図である。 図４は、燃圧制御ルーチンを示すフローチャートである。 図５は、低温用燃圧マップの一例を示す図である。 図６は、冷却水温、燃料温度、及び内燃機関本体の温度の相関を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、実施形態に係る燃料供給装置及びその周辺機器の概略構成図である。燃料供給装置は、内燃機関１に液体燃料を供給するものである。内燃機関１は車両に搭載されて車両の駆動源等として機能する。なお、図１は直列４気筒の内燃機関１について示しているが、本実施形態は直列３気筒やＶ型６気筒等、他の形式にも同様に適用可能である。

燃料供給装置は、内燃機関１に取り付けられたコモンレール５、燃料噴射弁７、及び高圧燃料ポンプ４と、車両のトランクや後部座席等の下部に配置された燃料タンク２と、を含んで構成される。

燃料タンク２には、低圧燃料ポンプ３と、低圧燃料ポンプ３の吐出側で燃料をろ過する燃料フィルタ１２と、低圧燃料ライン１０の圧力を調整する低圧プレッシャレギュレータ１３と、が内蔵されている。低圧プレッシャレギュレータ１３は、低圧燃料ポンプ３から吐出された燃料の一部を燃料タンク２に戻すことで、低圧燃料ライン１０を一定圧力、例えば０．３−０．５ＭＰａ程度に調整する。なお、低圧燃料ポンプ３は図示しない電動モータにより駆動される。

低圧燃料ポンプ３により圧送される燃料は、低圧燃料ライン１０を介して高圧燃料ポンプ４に供給される。

なお、内燃機関１を冷却する冷却水は、ヒータコア１４も循環する。

図２は、高圧燃料ポンプ４の詳細な構成を示す図である。高圧燃料ポンプ４は主にプランジャポンプ２０により構成されている。プランジャポンプ２０は、内燃機関１の排気カムシャフトに設けられたカム２４によってプランジャ２５をスプリング２８の付勢力に抗して往復動させることにより、ポンプ室２９の容積を変化させる。プランジャ２５の吸入行程では、吸入側一方向弁２３を介してポンプ室２９に燃料が吸入され、プランジャ２５が下死点を通過して上昇する吐出行程では、吐出側一方向弁２６を介してポンプ室２９の燃料を吐出する。

高圧燃料ポンプ４の吐出側は、高圧燃料ライン１１を介して蓄圧室としてのコモンレール５に接続されている。コモンレール５には、内燃機関１の各気筒の燃焼室に臨む燃料噴射弁７が接続されている。したがって、高圧燃料ポンプ４から吐出された燃料は、コモンレール５に流入し、そこから内燃機関１の各気筒に設けられた燃料噴射弁７を介して筒内に噴射される。また、コモンレール５には、コモンレール５内の圧力（燃圧）を検出するコモンレール圧センサ６が取り付けられている。コモンレール圧センサ６の検出信号は、コントローラ８に読み込まれ、コントローラ８にて圧力値に変換される。

コントローラ８には、コモンレール圧センサ６の他に、内燃機関１の冷却水温を検出する水温センサ９、図示しないクランク角センサ、スロットルポジションセンサ、アクセル開度センサ、バッテリセンサ等の各種検出信号が読み込まれる。なお、コントローラ８は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ８を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

高圧燃料ポンプ４は、さらにソレノイド２２を含んでいる。ソレノイド２２は、吸入側一方向弁２３を挟んでプランジャポンプ２０と反対側に設けられ、通電することにより発生する電磁力によって、ポンプ室２９の圧力にかかわらず、吸入側一方向弁２３を開弁状態に保持することができる。したがって、コントローラ８がプランジャポンプ２０の吐出行程のいずれのタイミングでソレノイド２２への通電を終了するかによって、プランジャポンプ２０の吐出動作の開始時期、すなわち吐出量を制御することができる。

また、吐出側一方向弁２６とコモンレール５との間の高圧燃料ライン１１は、分岐してリターン配管３１となる。リターン配管３１にはリリーフバルブ２７が介装されており、高圧燃料ライン１１の圧力が、例えば１５ＭＰａ程度の所定圧力を超えると、リリーフバルブ２７が開弁し、燃料の一部を燃料ダンパ２１とソレノイド２２との間に戻す。これにより、コモンレール５内の圧力が所望の圧力を超えて高圧になることを防止できる。つまり、燃圧の上限値を制限することができる。

ここで、コモンレール５内の圧力制御（燃圧制御）について説明する。

コントローラ８は、ソレノイド２２の通電終了タイミング、つまり吐出行程における吸入側一方向弁２３の閉弁タイミングを制御して、高圧燃料ポンプ４の吐出量を制御することによって、燃圧を目標燃圧に一致させる。具体的には、運転状態に応じた燃料噴射量での運転中に、コモンレール圧センサ６の検出値と目標燃圧との乖離がなくなるように、ポンプ吐出量をフィードバック制御する。

目標燃圧は、コントローラ８が運転条件、つまり機関回転速度及び負荷に応じて設定する。コントローラ８は、例えば図３に示すような、内燃機関１の負荷が高くなるほど、また、機関回転速度が高くなるほど、目標燃圧が高く設定されたマップを予め記憶しておき、これを参照することで設定する。

なお、図３のマップの「負荷」は、基本燃料噴射量、または基本燃料噴射パルスに置き換えてもよい。

燃料噴射弁７からの燃料噴射量の目標値（目標燃料噴射量）は、コントローラ８が運転条件に応じて設定する。そして、コントローラ８は目標燃料噴射量を目標燃圧のもとで噴射するための噴射時間を算出し、算出された噴射時間に応じて燃料噴射弁７の開弁時間を制御する。例えば、目標燃料噴射量が同じでも、目標燃圧が高いほど噴射時間は短く、逆に目標燃圧が低いほど噴射時間は長くなる。

次に、冷機始動時における燃料供給装置の制御について説明する。

内燃機関１は、低温になるほどクランクシャフト、カムシャフト、ピストン、高圧燃料ポンプ４等といった各部のクリアランスが狭くなり、また、潤滑油は低温になるほど粘度が高くなる。このため、冷機始動時には暖機始動時よりも内燃機関１の駆動に要するフリクション（以下、単に「フリクション」ともいう）が大きくなる。また、低温になるほど燃料の霧化特性が悪化するので、所望の燃焼状態が得られず発生トルクが減少してしまう。このようなフリクションの増大と発生トルクの減少は、始動性の低下、及び始動後の燃焼安定性の低下を招く。

本実施形態では、フリクションを低減させるために、燃圧、つまりコモンレール圧を低下させる。これは、コモンレール圧を低下させるとプランジャポンプ２０の吐出量が低減して、高圧燃料ポンプ４の駆動フリクションが低減するという特性を利用して、内燃機関１のフリクションのうち高圧燃料ポンプ４に起因するフリクションを低減させるものである。

ただし、燃圧を低下させるほど、燃料噴射弁７から噴射される燃料の粒径が大きくなって燃料が霧化しにくくなり、また、噴射された燃料のペネトレーションが弱まって筒内の燃料噴霧の均質度が低下する。これら霧化特性の悪化や均質度の低下は、内燃機関１の始動性の低下や燃焼安定性の低下につながる。また、燃料の霧化特性が悪化すると、シリンダ壁面に付着する燃料量が増加するので、シリンダブロック下部のオイルパンに流れ込む燃料量が増加し、いわゆるオイル希釈が促進される。

そこで、燃圧を低下させる場合には、高圧燃料ポンプ４の駆動フリクションの低下による効果と、燃料の霧化特性の悪化及び均質度の低下の程度とを比較考量して、内燃機関１の始動性及び燃焼安定性が向上する燃圧を設定する必要がある。

ところで、燃料の霧化特性は燃料温度によっても変化し、同じ燃圧であっても燃料温度が低くなるほど霧化し難くなる。すなわち、燃圧を低下させる場合には、燃料温度を考慮する必要がある。

また、燃料温度は内燃機関１本体の温度との相関があるため、燃圧を低下させるか否かを、燃料温度に基づいて判断することができる。

上記のように、燃料温度を用いて、始動性及び燃焼安定性の低下を抑制するために燃圧を低下させる必要があるか否かの判断、及び、低下させる場合の燃圧の設定をすることができる。しかしながら、燃料温度を検出するためのセンサは既存の車両には搭載されていないことが多い。また、燃料温度と同視し得る温度として燃料噴射弁７の温度があるが、これを検出するセンサも既存の車両には搭載されていないことが多い。したがって、燃料温度または燃料噴射弁７の温度を検出するためには、新たにセンサを設けることとなり、コストの増大を招く。

そこで、燃料温度や燃料噴射弁温度を検出することなく、冷機始動時の始動性の向上、及び始動後の燃焼安定性の向上を実現するために、コントローラ８は以下に説明する制御を実行する。

図４は、コントローラ８が実行する燃圧制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、イグニッションスイッチがオンになった後、例えば１０ミリ秒程度の短い間隔で繰り返し実行される。以下、ステップにしたがって説明する。

コントローラ８は、ステップＳ１００において水温センサ９で検出した冷却水温を読み込み、ステップＳ１１０において、冷却水温が−３０℃以下であるか否かを判定する。

判定の結果、コントローラ８は、冷却水温が−３０℃以下であればステップＳ１２０の処理を実行し、冷却水温が−３０℃より高温であればステップＳ１３０の処理を実行し、ステップＳ１２０またはステップＳ１３０の処理が終了したら本ルーチンを終了する。

上記ステップＳ１１０は、燃圧を低下させる必要があるか否か、つまり、内燃機関１が始動性等の悪化する程度の極低温状態であるか否かを判定するものである。上述したように、当該判定は燃料温度に基づいて行うことが望ましいが、燃料温度を検出するために新たにセンサを設けるとコスト増大を招く。そこで、本実施形態では冷却水温に基づいて当該判定を行なうこととした。燃料温度は内燃機関１本体の温度と相関があり、冷却水温も内燃機関１本体の温度と相関がある。したがって、冷却水温と燃料温度とにも相関があることとなるので、冷却水温と燃料温度との相関について予め調べておくことで、冷却水温に基づいて燃圧を低下させる必要があるか否かを的確に判定することができる。なお、−３０℃という判定用の閾値は一例に過ぎず、例えばこれより高い温度であってもかまわない。

コントローラ８は、ステップＳ１２０では低温用の燃圧マップを用いた燃圧制御（低温用燃圧マップ制御ともいう）を実行し、ステップＳ１３０では通常燃圧マップを用いた燃圧制御（通常燃圧マップ制御ともいう）を実行する。

通常燃圧マップとは、内燃機関１が極低温状態ではない場合に使用する燃圧マップであり、上述した図３に示すように、高負荷・高回転速度になるほど高い燃圧が設定されている。

これに対して、低温用の燃圧マップとは、内燃機関１が極低温状態にある場合に使用する燃圧マップであり、通常燃圧マップにおける同運転条件での燃圧に比べて低い燃圧が設定されている。

図５は、低温用燃圧マップの一例であり、負荷・機関回転速度にかかわらず一定値が設定されている。ここでの「一定値」は、通常燃圧マップにおける最小燃圧よりも小さい値である。なお、全運転条件の燃圧を一定値とせずに、運転条件毎に燃圧上限値を設けるようにしてもかまわない。

上述した制御ルーチンによれば、極低温状態での機関始動時には、低温用燃圧マップ制御により高圧燃料ポンプ４の駆動フリクションが低減され。そして、機関始動後も内燃機関１が極低温状態の間は低温用燃圧マップ制御が実行され、運転時間の経過にともなって内燃機関１が極低温状態を脱したら通常燃圧アップ制御に切り替わる。

なお、本実施形態の制御ルーチンでは、燃圧を低下させることによる効果が特に大きい極低温（例えば−３０℃以下）の場合に、低温用の燃圧制御を実行することになっているが、いわゆる低温状態（例えば０℃程度）であっても、燃圧を低下させることによる効果は得られる。したがって、ステップＳ１１０の判定に用いる閾値を−３０℃よりも高い値（例えば０〜５℃程度）にしてもよい。

図６は、上述した冷却水温、燃料温度、及び内燃機関１本体の温度の相関を示す図である。なお、比較の為に吸気温度の変化についても示している。

図６では、車両はタイミングＴ０で機関始動し、タイミングＴ１で冷却水温が−３０℃に達し、タイミングＴ２で走行開始してタイミングＴ３まで加速し、タイミングＴ３からタイミングＴ４まで一定速度で走行し、タイミングＴ４からタイミングＴ６で減速して停車している。なお、図中の「オイル希釈限界」は、オイル希釈の程度が許容し得る範囲となる下限の温度である。

冷却水温、燃料温度、及び内燃機関１の温度は、いずれも機関始動後に上昇を開始している。冷却水温が上昇するのは、機関始動によって内燃機関１本体の温度が上昇し、内燃機関１の内部を流れる冷却水が内燃機関１から熱を受け取るからである。燃料温度が上昇するのは、内燃機関１に取り付けられたコモンレール５が内燃機関１から熱を受け取ることで温度上昇し、コモンレール５内の燃料が温められるからである。走行開始後も、冷却水温及び燃料温度は、内燃機関１本体の温度の上昇に伴って上昇している。図６では、タイミングＴ１で冷却水温が−３０℃に到達しているので、タイミングＴ１以前は低温用燃圧マップ制御を実行しており、タイミングＴ１を過ぎると通常燃圧マップ制御に切り替わっている。燃料温度を用いて低温用燃圧マップ制御の要否を判断する場合も、同様である。

これに対して吸気温度は、機関始動に伴うエンジンルーム内の温度上昇によって上昇するものの、車両が走行を開始すると走行風の影響によりいったん大きく低下している。このため、タイミングＴ１で判定用閾値に到達して低温用燃圧マップ制御から通常燃圧マップ制御へ切り替わるが、走行風の影響により判定用閾値を下回った時点で再び低温用燃圧マップ制御に切り替わってしまう。

さらに、吸気温度はいったん低下した後で再び上昇するが、一定車速の間は上昇の傾きが停車時に比べて小さく、減速を開始すると一定車速のときより温度上昇の傾きが大きくなる。すなわち、吸気温度は、内燃機関１本体の温度と相関が冷却水温及び燃料温度に比べて弱い。また、吸気温度が再び判定用閾値に到達するのはタイミングＴ５である。

上記のように、吸気温度を用いて低温用燃圧マップ制御の要否を判断すると、低温用燃圧マップ制御が不要な状態でも低温用燃圧マップ制御を実行することになってしまう。これに対し、本実施形態のように冷却水温を用いて低温用燃圧マップ制御の要否を判断すれば、同判断に吸気温度を用いるよりも、的確な判断が可能となる。

なお、燃料温度または燃料噴射弁７の温度を検出するセンサが搭載されている場合や、他の制御にも検出値を使用する等の理由で新たに搭載することを許容し得る場合には、図４のＳ１１０の判定を燃料温度または燃料噴射弁７の温度に基づいて行うようにしてもかまわない。

また、燃料温度と相関のある温度としては、冷却水温の他に内燃機関１本体（シリンダヘッド、シリンダブロック）の温度、コモンレール５の温度、及びヒータコア温度がある。これらの温度を検出するセンサも、既存の車両には搭載されていないことが多いが、搭載されている場合や、新たに搭載することが許容される場合には、これらの温度のいずれかに基づいて図４のＳ１１０の判定を行なうようにしてもかまわない。

次に、上述した制御ルーチンを実行することによる効果について説明する。

（１）本実施形態では、極低温か否か、つまり通常燃圧マップ制御または低温用燃圧マップ制御のいずれを実行するかを、冷却水温に基づいて判定する。これにより、新たなセンサを設けることなく、低温用燃圧マップ制御の要否を精度よく判定することができるので、低コストで始動性及び燃焼安定性の向上を図ることができる。

（２）本実施形態では、通常燃圧マップ制御または低温用燃圧マップ制御のいずれを実行するかを、燃料温度、燃料噴射弁の温度、シリンダヘッド温度、シリンダブロック温度、またはヒータコア温度のいずれかに基づいて判定してもよい。この場合も、低温用燃圧マップ制御の要否を精度よく判定し、始動性及び燃焼安定性の向上を図ることができる。また、上記各温度を検出するセンサを備えている場合や、他の制御でも使用する等の理由により新たに搭載することが許容される場合には、コスト増大の問題も生じない。

（３）本実施形態では、コントローラ８が低温用燃圧マップと通常燃圧マップとを予め記憶しており、極低温状態か否かの判定結果に応じて、燃圧制御に使用するマップを切り換える。このため、簡単な制御により始動性及び燃焼安定性を向上させることができる。

また、低温用燃圧マップを作成するにあたり、霧化特性の悪化や均質度の低下等の影響を考慮した燃圧を設定することで、始動性及び燃焼安定性を向上させるための制御を実行した場合のオイル希釈の促進を抑制できる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 内燃機関
２ 燃料タンク
３ 低圧燃料ポンプ
４ 高圧燃料ポンプ
５ コモンレール
６ コモンレール圧センサ
７ 燃料噴射弁
８ コントローラ
９ 水温センサ
１４ ヒータコア
２０ プランジャポンプ
２５ プランジャ

Claims (3)

1. 内燃機関の筒内に液体燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁が取り付けられるコモンレールと、
   燃料タンクから前記液体燃料を吸い上げる低圧燃料ポンプと、
   前記内燃機関に駆動され、前記低圧燃料ポンプが吸い上げた前記液体燃料を昇圧して前記コモンレールに供給する高圧燃料ポンプと、
   前記コモンレール内の圧力を検出するコモンレール圧力センサと、
   前記高圧燃料ポンプの吐出量を制御することによって、前記コモンレール内の圧力を制御するコントローラと、
   前記内燃機関の冷却水温を検出する水温センサと、
   を含んで構成される燃料供給装置において、
   前記コントローラは、判定用の温度として前記冷却水温を用いて、前記冷却水温が所定値以下の低温状態では、前記コモンレール内の圧力を前記冷却水温が所定値より高い場合に比べて低下させることを特徴とする燃料供給装置。
2. 内燃機関の筒内に液体燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁が取り付けられるコモンレールと、
   燃料タンクから前記液体燃料を吸い上げる低圧燃料ポンプと、
   前記内燃機関に駆動され、前記低圧燃料ポンプが吸い上げた前記液体燃料を昇圧して前記コモンレールに供給する高圧燃料ポンプと、
   前記コモンレール内の圧力を検出するコモンレール圧力センサと、
   前記高圧燃料ポンプの吐出量を制御することによって、前記コモンレール内の圧力を制御するコントローラと、
   前記内燃機関の冷却水温、前記内燃機関のシリンダヘッド温度、前記内燃機関のシリンダブロック温度、前記コモンレール内の温度、前記燃料噴射弁の温度、又はヒータコアの温度を検出または推定する手段と、
   を含んで構成される燃料供給装置において、
   前記コントローラは、判定用の温度として前記冷却水温、前記シリンダヘッド温度、前記シリンダブロック温度、前記コモンレール内の温度、前記燃料噴射弁の温度、または前記ヒータコアの温度のいずれかを用いて、当該判定用の温度が判定用所定値以下の低温状態では、前記コモンレール内の圧力を低下させることを特徴とする燃料供給装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料供給装置において、
   コントローラは、前記判定用の温度が前記判定用所定値以下の場合の前記コモンレール内の圧力を設定した低温用燃圧マップと、前記判定用の温度が前記判定用所定値より高い場合の前記コモンレール内の圧力を設定した通常燃圧マップと、を予め記憶しており、前記判定用の温度が前記判定用所定値以下か否かの判定結果に応じて、前記低温用燃圧マップまたは前記通常燃圧マップのいずれを使用するかを決定することを特徴とする燃料供給装置。

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