JP2005525500A - 内燃機関において用いられるダイナミックレンジが改良された定速マルチ圧力燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

燃料噴射システムは実質的に一定のポンプ速度下において作動し、バルブ（３０）を利用して燃料の流れを逸らすことによりマルチ圧力レベルを生成する。燃料圧は１つの一定圧力レベルから他のレベルへオンデマンドで瞬時に切換えられる。これは異なる圧力レベル下のリニア作動レンジ内における典型的な燃料噴射事象に重畳し、それに重なり、燃料噴射ダイナミック・レンジを大幅に増加させる。アイドリング時又は都市走行中のより低い燃料噴射は１マイル走行ごとの燃費を減らし、大都市圏においてスモッグの原因となる排ガスを減少させる。システムはピーク負荷でオンデマンドで瞬時にエンジンへ追加的パワーを送出し、エンジンを円滑に作動させながらアイドリング速度を減らし、燃料タンクの温度を変えず、また、燃料ポンプの寿命を長くすることもできる。

Description

本発明はエンジン、特に、燃料噴射システムを利用してエンジンに使用される燃料システムに関する。

発明の背景

自動車排気等のエンジン排気は、空気汚染を惹起こす最大の原因の１つである。これは、交通渋滞中の大都市圏や多数の飛行機が離陸前に平均２０分から４０分間副滑走路で待機する飛行場の周りにおいて最も見受けられる。エンジンが単に作動状態を維持する以外の目的なしに作動している場合、ＩＣ（内燃）エンジン内におけるアイドリングの減少が燃料を節約する。これはまたスモッグに変わる排ガスの排出を減らす。米国には１億近くの自動車やトラックがあり、これらの殆どは大都市圏に集中しているため、上記問題は大都市圏において最も深刻である。恐らく、汚染減少及びエネルギー改良のより有意義な方法は、如何なる車両が如何なる速度で走行した場合に、１マイルにつきどれくらいの燃料が消費されているかを計測することによりなる。この計測は、消費される燃料及び走行距離において発生する排ガスの量を示す。低速度（又はアイドリング）での燃費のより良い制御が、汚染防止、燃料節約及び都市走行燃費の改善により多くの影響を与えることは明らかである。

低速での燃費制御の改善は、エンジンの性能に悪影響を及ぼしてはならない。例えば、走行車両の運動エネルギーがその質量（又は重量）に正比例することは、物理学において公知である。如何なる速度においても、より重い車両を維持するためには、同じ速度の、より軽い車両よりも多くのエネルギーを要する。一方、１ガロンのガソリンから得られるエネルギー量は定量である。その結果、幹線道路走行においてより重い車両を走らせるためには、より軽い車両よりもより多くの燃料が必要である。車両を直ちに加速するためにも、より多くの燃料が必要である。これらの考察に鑑み、特に、アイドリング中の燃費を減少させると同時に、負荷条件の全般に渡りエネルギー需要を満たすことが望ましい。

エンジン・ピストンは、トルクＴをフライホイールに伝える。これはアイドリング時において、エンジン摩擦や冷却フライホイール・ファン及びジェネレータ等の付属品によるドラグによりバランスされる。一次の近似として、平衡トルクは回転速度Ｒに比例する。回転速度Ｒでフライホイールのアイドリングを維持するために必要なパワーはＴＲである。これは毎秒噴射される燃料Ｑにより供給される。フライホイールの動力エネルギーは、機械的手段を通して走行中の車両に伝達される。

エンジンに１秒当たりに伝えられるエネルギー〜Ｑ〜ＴＲ エンジンによって生み出される馬力（パワー）であり、
そして、Ｑ〜Ｒｑである。
故に、ｑ〜Ｔ〜Ｉａ〜ＭＲ （数式１）
そして、Ｑ〜ｑ² （数式２）
ここに、Ｒはｒｐｓ（又はｒｐｍ／６０）のエンジン速度、Ｍはエンジン・フライホイールの有効質量、Ｔはトルク、ａは角加速度、Ｉはフライホイールの慣性(inertia)の角度モーメント、Ｑは１秒につき噴射される燃料の総量、及びｑ は１パルスにつき噴射される燃料量である。すなわち、１次の近似として、エンジンアイドリング速度Ｒは１パルス当たり噴射される燃料量ｑと正比例し、燃料消費率の総量Ｑは１パルスにつき噴射される燃料量の２乗に比例する。１パルスにつき噴射される燃料の１０％の削減は、アイドリング中における毎秒の燃料消費総量の約１９％を節約する。

燃料噴射器は、以前の燃料供給をキャブレタを通して置換えるべく、今日の自動車において一般に使用されている。燃料システムは一般に燃料タンク中に沈められているか又はタンクの外側に配置されている燃料ポンプを有しており、これは燃料を圧力下において燃料ラインを通し、燃料レール、燃料噴射器内へ供給する。適当なノズル・デザインの燃料噴射器はエンジン・ブロック内のシリンダのエア吸気マニホルドにおいて燃料ミストを噴霧する。適当な割合で空気と結合した燃料ミストは、吸気ストローク中にエンジン・シリンダへ吸込まれる。最適空気及び燃料の混合物は、デトネーション（爆発）をより容易にし、燃焼をより完全なものにする１４．７対１の化学量論比率を有する。燃料噴射器は、高温でエンジン・シリンダの近く（又は内部）に配置されている。電気機械的に制御されるばね負荷されたボールバルブが、燃料噴射器のノズルを封止するために使用される。これは、作動中以外における加圧燃料のエンジン・ブロック内への漏れを防止する。加圧燃料は燃料ライン内の燃料蒸気(fuel vapor)を減らし、これはベーパロック(vapor lock)を最小限に抑える。なお、ベーパロックは高温エンジンのスタートアップに干渉する可能性があるものである。オペレータがアクセルペダルを押すと、ペダルの押しはマイクロプロセッサに送信される電気信号に変わる。様々なセンサからのエンジン作動情報と合わせて、マイクロプロセッサはそれから予め決められた量の燃料を燃料噴射プロセスを通してエンジン・シリンダへ送るために燃料噴射器を起動する。

１パルスにつき噴射される燃料の量ｑは、送信された電気パルスのパルス幅にリニア（線形）に比例している。
ｑ＝ｋ（ｔ−Ｃ）（数式３）であり、
また、
ｋ〜Ｐⁿ（数式４）であり、
ここで、ｋは毎秒の連続噴射量を反映する定数であり、ｔは燃料噴射パルスのパルス幅であり、Ｃは修正定数であり、ｎは定数である。

連続噴射率ｋは燃料圧Ｐの強い関数である。噴霧されたミストの質はまたノズルの形のデザインに左右される。１次の近似として、「ｎ」は約１／２である。実測値は１／２から１／３の間で変動し、後の方の値がより高い圧力に近づく。すなわち、同一の運転条件下において燃料噴射量を２倍にするためには、燃料圧は少なくとも４倍増加されなければならない。車両の大量生産時において、線形性及び再現性は不規則なエンジン運転を避けるためにリニア運転レンジの１％以内に維持されなければならない。マイクロプロセッサは、エンジンの様々なセンサから情報を受信し、必要とされる燃料の量に基づいてパルス幅を決定する。

一連のマルチ・ポート噴射において、燃料噴射器は与えられたエンジン・シリンダへの（又は直接シリンダ内への）燃料吸入ポートに取付けられている。

最大燃料噴射が使用される全速力において、典型的なエンジンは約６０００ｒｐｍで作動している。燃料吸入ストロークは通常、約５ミリ秒間だけ続く。一方、ばね負荷されたボール・バルブを単に物理的に「開閉」するのに、１ミリ秒以上かかる。これはアイドリング中における燃料噴射の最小パルス幅を、２ミリ秒間程に設定する。燃料噴射パルスは、故に、ばね負荷されたボール・バルブを作動するのに必要とされる時間により限定され、その結果、予測不可能な燃料噴射量を有してしまい、不規則なエンジン性能を生じてしまう。様々な異なるＩＣエンジンの燃料噴射器を作動するための典型的なリニアレンジは２ミリ秒から１０ミリ秒の間である。製造業者は、最大パルス幅において最大パワーを達するために、通常、与えられた燃料圧におけるノズルの直径を選ばなければならない。システムパラメータは有効なパルス幅で所望のパワーが得られるように選ばれなければならないため、これは燃料噴出システムの、いわゆる、ダイナミックレンジを限定する。その結果、燃料噴射システムは、しばしばレンジの下端、すなわち、アイドリング中に最小パルス幅のあるところにおいて、余りに多くの燃料を有する。このように、燃料噴射のダイナミックレンジには改善の余地がある。

例えば、アール・イー・ウェーバーに付与された米国特許第５３５５８５９号では、変わり得る燃料圧を生成し維持すべく、燃料ポンプへ適用する電圧を変えている。ジェイ・ダブリュ・ホームズに付与された米国特許第５７６２０４６は燃料ポンプ・コイルと直列に抵抗器を使用している。マイクロプロセッサから制御信号につき直列抵抗器を選択的に通すことにより、燃料ポンプは燃料送出システムのための二重速度を生成するために異なる加電圧を有する。しかしながら、燃料ポンプは通常大きい誘導負荷を有するため、燃料ポンプへ適用される電圧の変動は通常、秒間の燃料圧を安定させない。この燃料ポンプ安定化の遅延は、次にエンジン反応の遅延を惹起こし、円滑な作動を維持するために抵抗器全体の電圧降下を補うための微調整を必要とする。さらに、アイドリング中においてエンジンの作動を維持するためにはごく微小の燃料しか必要ではないため、噴出が適当なリニアレンジ内で作動するのを確実にするため、燃料ポンプは通常非常に低速度で作動されなければならない。燃料ポンプのこのように非常な低速度を得るためには、ポンプに加えられる電圧も通常、これに対応して低くなければならない。このように対応した低い電圧において作動される場合、燃料ポンプはゆっくりと作動し、結果として望ましくない圧力変動が起こる。また、ポンプの寿命がより短くなることもあり、またこのような分散の関連する頻繁且つ突然の加速又は減速を伴う変量速度で走行する場合、信頼性が減少されることもある。

燃料ポンプの速度を変えるために必要な応答時間は、燃料噴射工程に比べて容認し難い程遅い。燃料計測はどれくらいの燃料が燃料ポンプにより送られているのかに左右されるため、燃料噴射パルスが起こっている時点で、通常、望ましくない圧力変動が起こる。上記欠点を対処する技術の試みは、精々、混合した結果を出しただけである。燃料噴射中の圧力変動を最小限に抑えるために、過剰な燃料供給、圧力調整器及び圧力計がしばしば使用される。燃料レールにたまった過剰な燃料を燃料タンクに流出させて戻すために、圧力放出バルブ及び燃料レールからの超過燃料戻りラインもまた取付けられる。燃料タンクに戻った高温燃料は、長時間にわたる運転中、燃料タンク内において温度を上げる。また、燃料システム内の高温燃料蒸気を回復するための注意も必要である。

定速マルチ圧力燃料噴射システムが開発されてきた。燃料システムは、一定の駆動（又は一定速度）で作動すると同時に、多数の圧力レベルが異なった手段により生成されるポンプを有する。これは、システムがより多くの燃料を送ることが可能になるまで安定するのを待つ替わりに、エンジンへオンデマンドへの燃料供給を即座に増加させる機能を提供する。同じシステムは、また、燃料を節約するために、アイドリング時のエンジンの運転を維持するために、より少ない燃料を送ることも可能である。

本発明は、与えられた一定の燃料ポンプ速度において燃料流量を制限することにより、即座にマルチ圧力レベルへオンデマンドで生成することが可能な燃料噴射送出システムの構造及び方法を説明する。これは、燃料噴射のダイナミックレンジを増やし、燃料圧力変動を最小限にする。故に、本発明を組込んだ同じエンジンは以下のことを可能にする：（１）より多くのパワーを最大負荷状態でオンデマンドで即座に送込む、これによって車両を数秒間で静止状態から毎時６０マイルまで加速する；（２）エンジンを円滑に運転させながらアイドリング速度を落とし、これによって燃料を節約し、都市走行燃費を改善し、さらにアイドリング時の排ガスを減らす；（３）エンジンが運転している時間の長さに関係なく、燃料タンクの温度を変えない；及び（４）ポンプは一定の加速又は減速なしに一定速度で作動しているため、燃料ポンプの寿命を長くする。燃料節約及び排ガス制御は、たった１台の車両にとっては大したことではないように思われるが、この蓄積効果は交通渋滞の中や、多数の車両がエンジンを作動したままで徐行する如何なる場所においても見られる。本発明は、自動車、飛行機及びディーゼルエンジンに使用されるＩＣエンジンに適用される。故に、より良い都市走行燃費を得るべく、燃料を節約する。長年運転された既存の車両をも、低いアイドリング速度を得て、また円滑に走行するために、最小限の労力で改良することが可能である。本発明が多数の車両に適用された場合、市民は大都市圏においてよりきれいな空気の蓄積効果を享受することができる。

燃料流量の絞りを調整することにより、燃料噴射システムはさらに広いダイナミックレンジを有する（１秒当たり噴射される燃料の最大量対最小量の比率として定義される）ため、たとえ非常に低速度（又はアイドリング）でもエンジンの円滑な運転を維持するために、１パルスにつき噴射されるごく微小量の燃料を送込むため、即座に非常に低いが一定している燃料圧をもたらすことができる。同じ燃料噴射システムはまた、オペレータが急に加速しなければならない時により多くのパワーを送るために、追加的燃料圧をオンデマンドで即座にもたらすことが可能である。これら全ての機能は、燃料ポンプが一定速度で安定して運転している間に達せられる。

また燃料戻りラインは、予め決められた圧力で燃料システムを安定させるために、少量の燃料の流れの進路をポンプの流出口から（又はメイン・フィルタから）燃料タンクへ逸らす(divert)。すなわち、燃料戻りライン・システムはポンプ計測機能により燃料圧力変動を最小限に抑える。これはまた、燃料レールにおける圧力の蓄積を防ぐために、燃料レールにおける熱い燃料を流出させ、燃料タンクに戻らせる必要性をなくす。タンクに戻る高温燃料がなければ、燃料タンク内の温度は車両の運転時間の長さに関係なく変化しないままである。

オペレータの要求及びこれらに限られてはいないが、エアフロー、エンジン速度、トルク及び温度等のエンジンからのセンサー・シグナル次第で、燃料システムは１つの定常状態から他の新たな圧力レベルにある定常状態へ燃料ポンプの駆動（又は速度）を変えることなくほぼ瞬時に切換えることが可能である。燃料圧力の安定化により、マイクロプロセッサが１パルスにつき所望の量の燃料を送込むための適当な燃料注入パルス幅を予測することが可能になる。これはまた、ディーゼルエンジンにおいて一般に使用されるスプリット注入方式において１パルスにつき提案された燃料量を送込むための推測過程を最小化する。

本発明の重要な目的は、定速度でポンプを運転しながら、燃料圧力を１つの定常状態から他の状態へ瞬時及び正確に変える機能である。各状態における圧力は最小圧力変動により安定している。これはエンジンに送込まれる燃料量のより正確な推定値を確実にする。

本発明のもう１つの目的は、ポンプが適切な電圧において定速度に運転しながら、アイドリング及び低速度での運転に必要な最小限のリップルで通常の運転燃料圧力から非常に低い安定した圧力に即座に変えることを可能にすることである。

本発明のさらなる目的は、瞬時の加速のために、燃料ポンプに加えられた運転電圧を変えることなく、通常の運転圧力からより高い燃料圧力をオンデマンドに即座に切換えることである。

本発明のまたさらなる目的は、一定の燃料圧力を維持し、燃料レールにおける過熱燃料や圧力蓄積を避けるために燃料を燃料戻りラインを通して常に循環させることである。従って、燃料レールからの高温燃料は燃料タンクに戻る必要がなくなり、またタンク内の温度は車両の運転時間の長さに関係なく変化しないままである。一定の燃料圧力はまた１パルスにつき注入される燃料のより予測可能な量を確実にする。

これら上記の目的は、燃料ポンプが一定速度で運転している間（又は燃料ポンプに加えられる駆動電圧が燃料噴射器の適当なリニア作動レンジ内の一定値に設定されている間）に達成されることが可能である。燃料ポンプは頻繁且つ突然の加速又は減速を受けないため、ポンプの寿命は長くなり得る。

後述する図面において、本発明の図面の全頁にわたり各同じ部分につけられた各同じ参照符号を有する１つ又はそれ以上の好ましい実施形態が例示されている。本発明はこの図面中に描かれた実施形態に限定されるものではなく、むしろこの明細書に添付されている請求の範囲及びそれと同等の構造により定められるものである。

発明の実施形態

本明細書は本発明であるとみなされる要旨を特に示し明確に請求する請求の範囲で締めくくられるが、本発明は上記添付図面に関連している実施形態の以下の詳細な説明に基づいて、これからさらに説明される。

本発明の燃料噴射システムの構造は図１及び図２に示されている。その操作及びその特性の図解は両方の図に関連している。これらの図には図示されてないが、マイクロエレクトロニクスの技術専門家には周知であるのは、このシステムを操作するために使用されるマイクロエレクトロニクスのセットアップである。埋込コントローラ、マイクロプロセッサ又はプログラム可能な論理回路を中枢部として使用することができる。これは独立型ユニット、又は車両のメインＣＰＵ（又はＥＣＵ）のサブルーチンであってもよい。プログラムはＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、又はハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、テープ・ドライブ等のようなその他の従来の記憶媒体に埋込まれることが可能である。プログラムはＲＡＭを通してマイクロプロセッサによって実行される。シーケンス及び操作の論理は図５及び図６に示されている。
Ａ．（デュアル(dual)圧力を瞬時に生成する基本的流体システム）

図１は本発明の一実施形態である。本発明の燃料噴射流体システムは、燃料タンク１０；燃料ポンプ１１（燃料タンク内に沈められているか又はタンクの外側に取付けられていてもよい）；メイン燃料フィルタ１３；流体連通におけるシステムの様々な構成部分をつなぐ燃料供給ライン５１、５２、５３、５５；全ての燃料噴射器２０が接続されている燃料レール１７；燃料バイパス・コントロール３０；及び燃料噴射プロセスにおける再利用のために、余分なバイパス燃料をメイン燃料ライン５３から燃料タンク１０へ、又はライン３８を通って燃料吸入ライン５１、そして、燃料ポンプ１１へ供給する燃料バイパスライン３５、３７の部品からなる。燃料ポンプ１１は、ポンプの適当な運転レンジ内で、一定の速度で作動する。

燃料バイパス・コントロール３０は望ましくは電気機械的にコントロールされたバルブ（その作動に応じてノーマリーオープン又はクローズド）を有する。ライン３５、３７及びバイパス・コントロール３０は燃料の進路を部分的にメイン燃料ライン５３から変えるバイパスからなる。燃料バイパス・コントロール３０がノーマリクローズドの場合、燃料ポンプ１１は燃料を燃料噴射器のみに供給する。バイパス・コントロール３０が開いている場合、燃料ポンプ１１はさらなる燃料を燃料ライン３５、３７を通して燃料タンク１０へ（又はライン３８を通り、燃料吸入ライン５１そして燃料ポンプ１１へ）通すように送込む。

上述のバイパス燃料流量には適当な制限がされる。例えば、燃料バイパスライン３５、３７、３８の大きさを選ぶことにより、適当な流量抵抗がもたらされたり、又は他の手段による制限が導入される。流体制御に精通しているものにとっては、この手段は、これらに限られてはいないが、ニードルバルブの使用又は燃料制限のための適当な直径を有する穴を有するダイヤフラム状のプレートの使用を含む。燃料バイパス・コントロール３０の状態（開いているか又は閉じているか）に関係なく、燃料ポンプ１１は一定の電圧駆動（又は一定速度）下において連続的に作動する。一定駆動下において燃料ポンプを通る燃料流量の変化は、燃料供給システムに異なる安定した燃料圧力状態を生成する。

流体システムは電気回路と特定の類似点を有しており、ここで燃料ポンプは電源に相当し、また燃料流量は電気回路の電流に相当する。流体供給システムは全体的に定常状態インピーダンスを提供する。燃料バイパス・コントロールが閉じている（通常運転状態）場合、流体システムは与えられた流体流量Ｆ₁に圧力Ｐ_Hで静止状態に安定される（図３）。燃料バイパス・コントロール３０が追加的燃料Ｆ₂を燃料バイパス・ライン３５、３７を通して燃料タンクに流入させる場合 、さらなる燃料が燃料ポンプを通って供給され、図３に図示のように、より低い圧力Ｐ_Lで新たな静止状態を生成する。同様に、燃料バイパス・コントロールが ノーマリーオープンの場合、燃料バイパス・コントロールを閉じることによりポンプを通って流れる燃料量が減る。これは燃料システムの圧力を静止圧力状態Ｐ_Lからより高い静止圧力状態Ｐ_Hに切換える。静止状態間での切換えは速く、新たな圧力はわずか数ミリ秒で達せられ、これは圧力波が燃料の音速でコントロール・バルブから燃料噴射器へ伝わる時間である。従って、１パルスにつき噴射される必要燃料量を得るための予測をより容易にする。

本発明においては、より高い燃料圧力Ｐ_Hは運転開始及び通常運転に設定されており、また最大パルス幅（約１０ミリ秒）は公称最大パワー（又は僅かに大きいパワー）に設定されている。車両がアイドリングで作動又は低速度で運転している場合、燃料バイパス・コントロールは開弁に切換えられる。これにより燃料ポンプが前と同じ速度で作動する一方、燃料システムをより低い圧力状態Ｐ_Lで 作動することが可能になる。車両がアイドリングしている際、エンジン機能を維持する以外に多くの燃料を必要としないため、製造業者は燃料噴射パルス幅を最小レート（約２ミリ秒）に設定することができ、また最低の燃料圧力Ｐ_Lを得る ために燃料バイパス・ラインに制約を設定することにより、正確な燃料噴射を達成しながらエンジンをそのまま円滑に運転することができる。噴射される燃料の量は非常に少なくてもよいため、エンジンを円滑に運転しながらエンジンの運転をかろうじて維持する。

燃料バイパス・コントロールを開閉する動作は、コントロール・スイッチを入れたり切ったりすることにより手動でなされる。これはまた、制御回路を起動させるために電子信号が送られ、燃料バイパス・コントロール・スイッチのアクチュエータを起動する埋込コントローラを使用することによりコントロールされる。適切なプログラム論理がコントローラにより使われており、このステップは図５及び図６のフローチャートに図示されており、またこの操作は段落Ｄにおいて以下に説明されている。

通常、与えられた静止燃料圧力Ｐ下において、そのリニアレンジ内（典型的パルス幅約２〜１０ミリ秒）で作動する燃料噴射器は、図中の座標によって位置が決定される点によって図４に図示されたダイナミックレンジを有する。２つの異なる燃料圧下における２つのリニア作動レンジの重なりはダイナミック・レンジをさらに幅広くし（これも図４に図示されている）、この場合、最低限可能なパルス幅でより高い圧力Ｐ_H下における１パルスにつき噴射される最少燃料（ｑ_min）_Hは最大パルス幅でより低い燃料圧力ＰＬ下における１パルスにつき噴射され る最高燃料に等しいか、又は少なく、すなわち、（ｑ_min）_H＜（ｑ_max）_Lである。結果として、デザイン・チームはより高い圧力Ｐ_Hを運転開始や通常運転に割 当てることができ、圧力を選択することにより最大基準力が最長の可能パルス幅で成され、また、都市走行やアイドリングのためにより低い圧力Ｐ_Lも割当てる ことができる。圧力Ｐ_Lがアイドリングのために調整されているため、最短可能 なパルス幅下において１パルスにつき噴射される最少燃料（ｑ_min）_Lはエンジンを最低可能速度で運転しながらまた円滑な運転を可能にする。故に、アイドリング中の燃費を減らし燃料噴射のダイナミック・レンジを増やす。１パルスにつき噴射される燃料の所望の量ｑは重複範囲内、即ち（ｑ_max）_L＞ｑ＞（ｑ_min）_H内にあり、与えられたｑには２つのパルス幅の値が存在する。デザイン・チームは、予想される運転状態次第で、また圧力切換の移行中に粗さを感知せずに円滑な移行をするように、より高い圧力Ｐ_H及びより低い圧力Ｐ_Lの間で選択する。この最高水準の技術に精通している者にとっては、ｑ、Ｐ_H、及びＰ_Lの値に、多くの変更及び組合わせをして異なった応用のために選択することができる。燃料ポンプに加えられた電圧はまた、圧力Ｐの異なった組合せを作るために変えられることができる。新たな燃料システム・デザイン及び加電圧の変動の組合せは、燃料噴射の観点からいうと、如何なる車両をも円滑に運転することができる十分な柔軟性を提供する。

図４はデュアル圧力燃料噴射システムにおける１パルスにつき噴射される燃料量対パルス幅の間の典型的関係である。燃料噴射器製造業者による、２．０リットル排気量エンジン用の実際の燃料噴射計測と比較すると、デュアル燃料噴射システムは最大パルス幅（ｑ_max）_Hで１パルスにつき噴射されるより多くの燃料を送出することが可能であり、また、システムは最小パルス幅（ｑ_min）_Lで１パルスにつき噴射されるより少ない燃料を送出することができ、すなわち、（ｑ_max ）_H＞ｑ_max、（ｑ_min）_L＜ｑ_min；及び（ｑ_max）_H／（ｑ_min）_L＞ｑ_max／ｑ_min （数式５）である。

デュアル圧力噴射システムの使用は、実際の単一（シングル）圧力噴射と比較した際、燃料を節約することができる。例えば、図４はアイドリング時のマルチポイント連続噴射において１パルスにつき２５％の燃料の節約を示している（噴射器製造業者からの実際のデータと比較）。これは、数式（２）によると、アイドリング速度における同じ車両は毎秒約４０％少ない燃料を消費することを意味する。これはまた車両が４０％少ない自動車排ガスを生成し、これにより都市走行燃費が改善されることを意味する。燃料節約及び排ガス減少は単一の車両にとっては大したことではないように思われるが、何百から何千という車両が徐行している混雑した幹線道路又は市街路における交通渋滞の間においての蓄積効果の影響は明らかである。これはドライバ、街路上の歩行者、また近所の住人に多大な快適さを提供する。
Ｂ．（燃料ポンプ安定化のための燃料戻りライン、燃料タンク内における温度の安定化、及び瞬時の余剰パワーのオンデマンド供給）

前段落で説明した同じ原理を利用して、図２に図示の追加的燃料戻りを加えることにより、さらに燃料噴射流体システムを改良することができる。燃料戻りライン３１は、燃料ポンプ１１の出口（又はフィルタ１３の流出口）から（ノーマリーオープン）燃料戻りコントロール３２、そして燃料タンク１０へ戻るライン３３へ（又はライン３４を通って燃料ポンプの吸入ライン５１へ）接続されている。ライン３３は、またコスト削減のためにライン３７に接続されてもよい。燃料戻りコントロール３２は、手動又はマイクロプロセッサ又は埋込コントローラを使用して電気的にコントロールされる電子機械バルブであることができる。燃料戻りを通る燃料量は、２つのリニア・ラインが２つの異なる圧力を表している図３に示すように、異なる圧力Ｐ_Hを得るために調整されてもよい。燃料戻りの 流量が燃料噴射の流量よりも多い場合、この構造は燃料システムの圧力がほぼ一定になるように調整する。

この構造は燃料噴射のための正確な燃料量をもたらすための燃料ポンプへの依存を最小化し、圧力の蓄積を防ぐために、未使用の過剰な燃料を燃料レール１７（高温燃料）から燃料タンク１０へ戻らせる必要性をなくす。この構造は、また、多数の高精度機械部品を含む燃料レギュレータへの危険な依存を減らす。故に、燃料戻りライン３１、３３を通る少量の燃料は圧力を安定化し、燃料ポンプの運転を安定させることができる。これは、燃料計測中の振動圧力スパイクを最小化する。如何なる高温燃料も燃料タンクに戻らないため、燃料タンク内の燃料温度は、車両の走行時間の長さに関係なく、不変である。

燃料戻りライン３３により加えられた流量制限は第１静止圧力Ｐ_Hの値を決定する。概して、燃料戻りラインを通流する燃料の量がより少ないほど、静止圧力Ｐ_Hがより高くなる。図３は、異なる燃料戻りの量によ作成された２つの異なる圧力Ｐ_Hを表す座標によって点が決定された２つのラインを有する。また、オペレータが余剰のパワーを急いで得たい場合、ＥＣＵは流量を電気機械的に燃料戻りライン３１、３３及び燃料バイパスライン３５、３７を通して切ることができ、その結果、短時間に燃料圧力が急激に増加し、急な加速のために追加的最大パワーをオンデマンドで瞬時に送出する。電子機械的「オフ又はオン」操作はマイクロプロセッサにより指示されるか又は手動で操作される。燃料圧力状態をコントロールし、噴射される燃料量を決定するために、様々なセンサから信号を取入れる方法の詳細は以下の段落Ｄにおいて説明され、図６のフローチャートに図示されている。
Ｃ．（両方の発明の特色を取入れた燃料噴射システム）

図２は、燃料バイパスコントロール３０（ノーマリークローズド）及び燃料戻りコントロール３２（ノーマリーオープン）を使用している本発明の両方の特徴を取入れた完全な燃料噴射供給システムである。燃料戻りコントロール３２がノーマリーオープンであることにより、燃料ポンプは安定し、また高温燃料を燃料タンクに戻す必要がない。ノーマリークローズドの燃料バイパス・コントロール３０については、燃料噴射システムは、現存のシステムのより限定されたダイナミック・レンジを有する一般的なものよりも、より高い圧力Ｐ_Hで運転するよう に任意にデザインされている以外、現存の燃料噴射供給システムと同様である。標準設定下における作動は現存の車両と同様である。これは運転開始、通常走行、エンジン・ウォームアップ等に使用されるが、エンジンが暖まり車両が都市（都会）走行又はアイドリングに使用される際、燃料バイパス・コントロール３０は電気的に開かれ、燃料圧力をより高い圧力Ｐ_Hからより低い圧力Ｐ_Lに切換える。車両は燃料節約モードで作動し、自動車排気ガスを減らす。上記のように、新システムはより幅広い燃料噴射ダイナミック・レンジを有しているため、同じエンジンがもう少し多いパワーを送出できるようにするためにＰ_Hを僅かに高く設 定することができるが、同じエンジンは、それでもアイドリング時の燃費を減らし、都市走行燃費を改善し燃料排ガス削減を達することができる。

オペレータやシステム・デザイナーが、即時の高出力をオンデマンドで強く要求している場合、システムは急な加速のために、燃料バイパス・コントロール３０及び燃料戻りコントロール３２の両方を閉じることにより応答するように構成される。このような操作はエンジンの最大出力を上回ることもある。故にシステムは、望ましくは、オペレータがこのような操作を緊急事態下及び短時間に出来るようにするか又はそう出来るようににデザインされなければならない。
Ｄ．（マイクロプロセッサでコントロールされた燃料噴射供給システムのフローチャート）

図２に図示のような燃料噴射供給システムにおいては、様々なセンサからインプット情報を集めて、シーケンス操作の実行をするために、マイクロプロセッサが好ましくは使用される。マイクロプロセッサは、独立型ユニット又はより広い範囲の機能を実行するためのマルチプル埋込コントローラ・ユニットであるか、又は燃料噴射サブルーチンを実行するためにメインＣＰＵ（ＥＣＵ又はＥＣＭユニット）と共同でもよい。マイクロプロセッサからのＩ／Ｏポートの１セットは、エンジン温度、エンジン速度、エンジン力及びトルク、燃料圧、スロットル位置、エアフロー及び圧力等に関してセンサ信号を受信するように指定されている。Ｉ／Ｏポートのもう１つのセットはＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ハード・ディスケット、フロッピー・ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶装置につながれている。記憶媒体は、燃料噴射要求のチャート、エンジン作動パラメータ及び燃料噴射コントロール・プロセスを実行するための埋込プログラムを記憶するために用いられる。全ての処理及び計算は、マイクロプロセッサのＩ／Ｏポートの第３セットに同じく取付けられたＲＡＭでなされる。Ｉ／Ｏポートの最後のセットは、コントロール信号出力として指定される。出力信号はバルブ機能コントロールのために作動回路を起動させるために使用される。

図５は、燃料バイパス・コントロールがノーマリークローズドの図１に図示の燃料システムのマイクロプロセッサ電子信号フローチャートである。マイクロプロセッサはエンジンの要求を感知し、エア・マニホルド（図示せず。）及びステップ１０１の燃料レールの間の圧差を測定し、ステップ１０３におけるエンジンが必要とする燃料量Ｑを決定し、ステップ１０５において１パルスｐにつき噴射される必要な燃料量ｑを計算し、ステップ１２０において１パルスｐにつき噴射される燃料のパルス幅を決定する。決定ブロック１１０において、算出されたｑが、低燃料圧状態ｑ＜（ｑ_max）_L下において１パルスにつき噴射された燃料の最大量よりも少なく、エンジンが暖かい場合、決定ブロック１１５によりマイクロプロセッサは燃料バイパス・コントロール・バルブが開弁するように起動させる制御回路を起動させる電子信号を送信する（ステップ１１９）。これは燃料システムをより低い燃料圧力状態Ｐ_Lに切換える。一方、ｑ＞（ｑ_max）_L１１０又は エンジンが冷たい場合、燃料バイパス・コントロールは閉じられたままである。燃料圧は１１７で指示されたとおり、高圧状態Ｐ_Hで保たれる。いずれの圧力状 態においても、マイクロプロセッサは新たな燃料圧を検知し、次の燃料噴射サイクルにおいて１パルスｐにつき噴射する燃料のためのパルス幅を決定する（ステップ１２０）。

当該パルス幅の電子パルスが、予め決められたパルス幅下において燃料噴射器バルブを起動させる制御回路（図５に図示せず）に送信される。実際のエンジン性能のセンサ信号は集められ、予測されたオリジナル・データと比較するために用いられる。マイクロプロセッサは厳密な調整を行い、修正されたパルス幅を決定し、その後コントロール信号の次のラウンドを送信する。

図６は、燃料バイパス・コントロールがノーマリークローズドで、燃料戻りコントロールがノーマリーオープンの図２に図示の燃料システムの電子信号フローチャートである。燃料戻りは、燃料ポンプ運転を安定化させ、燃料システムの圧力変動を最小化するために設置される。燃料戻りコントロールはノーマリーオープンである。故に、燃料バイパスのコントロール・プロセスのフローチャートは図５に図示のものと同様である。しかしながら、オペレータが即時に最大パワーを要求したいという強い願望がある場合、ペダル位置センサからの信号はガソリン・ペダル位置センサからの最大電子信号と比較され、Ｖ_gas＝（Ｖ_gas）_maxは ステップ１５３によりＮ回繰返され、この時Ｎは緊急に必要な場合の有効性を確実にするために３０〜１００の範囲内に予め設定される。１５４においてエンジンが過熱されていない場合、マイクロプロセッサは燃料噴射システムへの如何なるコメントも無効にする(override)ためにフラッグ１５５に送信し、燃料戻りコントロール及び燃料バイパス・コントロールを閉じ、エンジン温度センサ「暖／冷」を無効にし、最大パルス幅信号を燃料噴射器に送る。これは燃料戻りが閉弁するのに起動される唯一の時間であり、追加的な最大パワーのために１パルスごとの追加的燃料量を送出するための追加的燃料圧がシステムに加えられる。同時にマイクロプロセッサは吸入エアがその最大流量で全体に流れるようにスロットル・バルブが開くように作動する。

エンジンが過熱すると、唯一の無効信号(overriding signal)が起こる。この 場合、燃料戻りバルブは開かれたままであり、燃料バイパス・バルブは閉じられている。燃料システムはより高圧状態Ｐ_Hにとどまる。エンジンはその通常の最 大出力を超えて作動するかもしれないため、図６において説明したような作動は短時間、すなわち、ｔ＜ｔ_allowedで作動されなければならない。デザイン・チ ームは可能時間ｔ_allowedを予め設定することができ、この時間は１０〜６０秒 の範囲であってよい。作動時間が予め設定された時間であるｔ＞ｔ_allowed１６ ３を超えると、コントローラは燃料戻り１６４を開ける。全てのプロセス１６５は、図５に図示のフローチャートに続く。
Ｅ．（都市走行燃費の改善及び自動車排ガスの削減を目的とする、既存車両の改造）

単一圧力燃料噴射システムを利用している既に使用されている如何なる車両も、本発明を導入するように簡単に改造することができ、そうすることによってその都市走行燃費を増加させ、燃料を節約し、自動車排ガスを削減することができる。改造は、図１に図示のように、燃料フィルタ１３の流出口（又は燃料ポンプ１１の流出口）から燃料タンク１０へ（又は燃料吸入ライン５１そして燃料ポンプ１１へ）連結している電気機械的燃料バイパス・コントロール３０（ノーマリーオープン）及び燃料バイパス・ライン３５、３７を加える。燃料レールからの高温燃料戻りラインを有する車両においては、より簡単な改造及び経費削減のために、燃料バイパス・ラインが燃料ポンプの出口から高温燃料戻りラインへ連結されてもよい。

燃料バイパス・コントロール３０はノーマリークローズドである。改造は既存の車両の正常運転には影響しない。車両が市街走行に使用されているか又はアイドリングしている場合、燃料バイパスコントロールは開いている。燃料バイパス・ライン３５、３７は燃料ポンプを通して追加的燃料を追加し、結果として一定圧力Ｐ_Lを減らす。故に、同じパルス幅においてより少量の燃料が１パルスにつ き噴射される。これは、エンジンのアイドリング速度を減少させ、燃料を節約し、都市走行燃費を改善し、自動車排ガスを減らす。改善は単純且つ安価である。多数の車両が運転されている大都市圏においては、これらの利点は特に重要である。

本発明は一定の燃料ポンプ速度下において異なる燃料圧力レベルをもたらし、特定のＩＣエンジンに関して説明されてきた。本発明は、しかしながら、如何なる数のＩＣエンジン又は燃料噴射システムを利用している他のエンジンにも適用できる。このように、本発明は、燃料噴射プロセスを使用するディーゼル・エンジン及び航空機エンジンに適用可能である。当業者は、本発明を、容易に他の種のエンジンに適用できるはずである。

追加的利点及び改造はこれらの当業者にとっては明らかであり、これらの改造に加えて技術又は想像力が提案する他のことも、添付の請求の範囲によって定められる発明と均等のものと合わせて、本発明の範囲内にあるものとする。

本発明のデュアル圧力燃料噴射送出システムの概略図。 燃料圧力を安定化するために燃料戻りラインが使用される、本発明のマルチ圧力燃料噴射送出システムの回路図。 本発明の図１及び図２に図示のような燃料システムにおける燃料圧力対定速度で燃料ポンプを通る総燃料流量の典型的関係を示す図。 異なる燃料圧力及び一定ポンプ速度下における１パルスにつき噴射される燃料及びパルス幅間の典型的な燃料噴射事象を示す図。 本発明の二重圧力単一速度燃料噴射送出システムの運転を示すマイクロプロセッサ電子信号実行シーケンスのフローチャート。 オペレータが即時の最大パワーをオンデマンドで要求する場合の本発明の作動を示すフローチャート。

Claims (23)

1. システム用に燃料を蓄えておくための燃料タンク、
   前記燃料タンクと流体連通し予め決められた速度において作動されるようになっていて、入口及び出口を有するる燃料ポンプ、
   前記燃料ポンプにより送込まれる燃料を受けるために前記燃料ポンプの出口に流体連通している少なくとも１つの燃料噴射器、
   前記燃料ポンプの出口に流体連通している一端及び前記燃料ポンプの入口、燃料タンク又は両方に流体連通している他端を有し、それによって前記燃料ポンプが燃料バイパスを通る燃料流量を増やし前記燃料噴射器への燃料量を減らす燃料バイパス、及び
   前記燃料バイパスを開いたり閉じたりする燃料バイパス・コントロールであって、前記バイパスの開閉がシステムの圧力を高圧状態と低圧状態を含む少なくとも２つの状態の間で変える燃料バイパス・コントロールを有してなる、
   エンジンに使用される燃料噴射システム。
2. さらに、前記システムがどのような圧力状態にあるかに関係なく、実質的に定速度に前記燃料ポンプを維持する手段を有する、請求項１のシステム。
3. さらに、燃料のパルスを送込むために前記燃料噴射器をアクチュエートするようにプログラムされたコントローラであって、前記エンジンの作動状態に応答して圧力状態を選択したりダイナミック・レンジにわたって前記パルスの大きさを変えるコントローラを具え、前記ダイナミック・レンジは圧力状態を切換えることによって幅が広げられ、前記コントローラは、或る作動条件下において高圧状態下でパルスを送込み、また他の作動条件下においてより低い圧力状態下でパルスを送込むようになっている、請求項１のシステム。
4. 作動条件が予測される、請求項３のシステム。
5. エンジンが十分に暖かく、要求されている１パルスごとの燃料量が低圧状態下において利用可能な最大パルス量よりも少ないという決定に応答し、前記コントローラが前記燃料バイパス・コントロールを開き、低圧状態を生成するように信号を送るためのプログラミングを含む、請求項３のシステム。
6. 前記燃料バイパスが前記２つの圧力状態が重なる燃料圧作動レンジを有するようになっており、該２つのレンジが前記燃料ポンプを実質的に定速度で作動させながら、広がったダイナミック・レンジを生成する、請求項３のシステム。
7. 前記コントローラがマイクロプロセッサ、プログラム可能なゲート・アレイ及び埋込コントローラからなるグループから選択されるハードウェアからなる、請求項３のシステム。
8. 前記システムが、さらに燃料レールと流体連通しているマルチプル燃料噴射器を有し、前記燃料レールが前記燃料ポンプの出口に流体連通している、自動車エンジンに使用される、請求項１のシステム。
9. さらに、前記燃料ポンプの出口に連通している一端及び燃料タンクの入口又は燃料ポンプに連通している他端を有する燃料戻りライン、及び燃料システムが実質的に自己調整できるように高温の燃料戻りを実質的に排除し燃料ポンプへの圧力を実質的に安定化させるためにエンジンの殆どの作動状態において十分な燃料流量を逸らし、燃料戻りラインを通して流量をコントロールするための手段を有する、請求項１のシステム。
10. 前記コントロール手段がマルチプル高圧状態を生成するために、前記燃料戻りラインを通る流量をコントロールする、請求項９のシステム。
11. 前記コントロール手段が流量絞り構造からなる、請求項９のシステム。
12. 前記コントロール手段が電気機械的バルブ及びエンジンからの増加パワーの要求に応答してバルブをアクチュエートする手段からなる、請求項９のシステム。
13. 実質的に定速度で作動される燃料ポンプ、
    前記燃料ポンプの出口と連通している少なくとも１つの燃料通路、
    前記システム内において異なる燃料圧を生成するためにエンジンの作動状態応答して燃料通路を開いたり閉じたりするコントローラを有してなる、
    燃料供給器からエンジンの燃料噴射器へ燃料を送込む燃料噴射システム。
14. 作動条件が予測される、請求項１３のシステム。
15. 前記コントローラがエンジンからのパワーの要求の変化に応答して燃料通路を開閉するプログラミングを含む、請求項１３のシステム。
16. 前記コントローラがより低い圧力状態を生成するためにアイドリング時に燃料通路を開くプログラミングを含み、前記コントローラがアイドリング時の燃料を節約するためより低い圧力状態に対応する最小パルスを選択する、請求項１３のシステム。
17. 前記コントローラが選択的に燃料圧を安定化して高温の燃料戻りを排除するために前記燃料通路を開閉するプログラミングを含む、請求項１３のシステム。
18. 燃料バイパス及び燃料戻りラインを含む２つの燃料通路を有する、請求項１３のシステム。
19. 前記燃料戻りラインがノーマリーオープンである、請求項１８のシステム。
20. さらに、前記燃料流量を抑制するための手段を有し、該手段が予め決められた直径の穴を有するダイアフラム状のプレート、ニードル・バルブ状の装置、又は様々な燃料器官流量抑制を生成するために燃料バイパス又は燃料戻りラインの１つを圧縮する装置の以上のうちの１つからなる、請求項１８のシステム。
21. 前記コントローラが使用者からの要求パワーに対応して信号を送信し、追加的な利用可能な最大エンジンパワーを生成するために燃料通路を閉じるプログラミングを含む、請求項１９のシステム。
22. 実質的に定速度で作動する燃料ポンプ、
    前記燃料ポンプの出口に連通している少なくとも１つの燃料通路、
    システム内において異なる燃料圧を生成するためにエンジンの作動状態に応答して燃料通路を開閉するコントローラであって、１パルスにつき必要な燃料量を決定する手段と、必要な燃料量がシステム内の１つ又はそれ以上の燃料圧の限度内にあるかを決定する手段、及び、エンジンの作動状態（ａ）及びエンジンパワーの要求（ｂ）の検知の少なくとも一方に応答して適当な１つの燃料圧力を選択するための手段とを有するコントローラを有してなる、
    燃料供給器からエンジンの燃料噴射器へ燃料を送込む燃料噴射システム。
23. 前記燃料通路が燃料バイパスを有し、前記コントローラが第１のより高い圧力状態を生成するために冷たいエンジン作動の間、前記燃料バイパス通路を閉じる手段を有し、前記コントローラがエンジン温度を測定する手段を有し、予め決められたエンジン温度の検知に応答して、第２のより低い圧力状態を生成するために前記燃料バイパス通路を開ける、請求項２２のシステム。
    

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