JP2014190180A

JP2014190180A - 内燃機関の燃料噴射装置

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Publication number: JP2014190180A
Application number: JP2013064356A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Suzuki; 宏昌鈴木; Susumu Suda; 享須田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】部品点数やコストの増加を抑制しながら燃圧脈動伝達を抑制することが可能な内燃機関の燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】この内燃機関の燃料噴射装置１は、低圧燃料ポンプ７で加圧された燃料を吸気通路内用燃料噴射機構３に供給する低圧通路８ａ及び８ｂと、低圧通路８ａ及び８ｂから分岐し、高圧燃料ポンプ９で加圧された燃料を気筒内用燃料噴射機構４に供給する高圧通路１０ａと、低圧通路８ａ及び８ｂと高圧通路１０ａとが分岐する分岐点Ｐにおいて、低圧燃料ポンプ７からの燃料の供給圧（圧力波）と高圧燃料ポンプ９からの燃料の供給圧（圧力波）とが逆位相となるように制御する噴射制御部５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に関し、特に、内燃機関に燃料を供給する低圧燃料供給装置及び高圧燃料供給装置を備える内燃機関の燃料噴射装置に関する。

従来、内燃機関に燃料を供給する低圧燃料供給装置及び高圧燃料供給装置を備える内燃機関の燃料噴射装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

乗用車やトラック等の車両に搭載されるガソリンエンジンなどの内燃機関に燃料を供給する方法としては、内燃機関の気筒内に空気を供給する吸気通路に燃料を噴射する吸気通路内噴射と、内燃機関の気筒内に直接燃料を噴射する気筒内噴射と、上記の２つの方法により内燃機関の運転状態に応じて吸気通路内噴射と気筒内噴射とを切り替える吸気通路内／気筒内噴射とがある。

上記特許文献１に開示された内燃機関の燃料噴射装置は、低圧ポンプにより加圧された燃料を低圧燃料供給装置に供給する低圧燃料配管と、低圧燃料配管から分岐するとともに低圧ポンプで加圧された燃料を内燃機関の運転状態に応じて駆動する高圧ポンプによりさらに加圧された燃料を高圧燃料供給装置に供給する高圧燃料配管とを備えている。

この内燃機関の燃料噴射装置では、高圧ポンプから低圧燃料供給装置までの配管長さは、高圧ポンプから低圧燃料供給装置に伝播する脈動が大きくなる内燃機関の回転数（共鳴回転数）が常用域回転数から外れるような長さに設定されている。これにより、脈動を低減している。

特開２００７−０１６７９５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の内燃機関の燃料噴射装置では、共鳴回転数を常用域回転数から外すため、高圧ポンプから低圧燃料供給装置までの配管長さが長くなるという不都合がある。また、高圧ポンプで発生した脈動が低圧燃料供給装置において反射した後に、高圧ポンプで次に発生した脈動と共鳴し、脈動が増幅するため、脈動を抑制するためのダンパーが必要になるという不都合もある。

これらの結果、共鳴回転数を常用域回転数から外すために配管長さが長くなることや脈動を抑制するためのダンパーが必要となるため、部品点数やコストが増加するという問題点がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、部品点数やコストの増加を抑制しながら燃圧脈動の伝達を抑制することが可能な内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的としている。

上述の課題を解決するための手段として、本発明による内燃機関の燃料噴射装置は、以下のように構成されている。

すなわち、本発明による内燃機関の燃料噴射装置は、低圧燃料ポンプで加圧された燃料を低圧燃料供給装置に供給する低圧燃料配管と、前記低圧燃料配管から分岐し、高圧燃料ポンプで加圧された燃料を高圧燃料供給装置に供給する高圧燃料配管と、前記低圧燃料配管と前記高圧燃料配管とが分岐する分岐点において、前記低圧燃料ポンプからの燃料の供給圧と前記高圧燃料ポンプからの燃料の供給圧とが逆位相となるように制御する制御部とを備えることを特徴とするものである。

かかる構成を備える内燃機関の燃料噴射装置によれば、低圧燃料配管と高圧燃料配管とが分岐する分岐点において、低圧燃料ポンプからの燃料の供給圧と高圧燃料ポンプからの燃料の供給圧とが逆位相となるように制御する。これにより、低圧燃料配管と高圧燃料配管とが分岐する分岐点において、高圧燃料ポンプからの燃圧脈動（圧力波）と低圧燃料ポンプからの燃料の供給圧（圧力波）とを相殺することによって、高圧燃料ポンプから低圧燃料供給装置側への燃圧脈動の伝達を抑制することができる。また、燃圧脈動の伝達を抑制するためのダンパーなどの部材が不要となるので、部品点数やコストの削減を図ることができる。

本発明の具体的な構成として、以下の複数のものが挙げられる。

本発明による内燃機関の燃料噴射装置において、好ましくは、前記制御部は、前記分岐点において前記低圧燃料ポンプからの燃料の供給圧と前記高圧燃料ポンプからの燃料の供給圧とが逆位相となるように、前記低圧燃料ポンプを駆動する駆動電圧を制御することを特徴とする。このように構成すれば、低圧燃料ポンプから供給する圧力を能動的に変化させることができるので、低圧燃料配管と高圧燃料配管とが分岐する分岐点において、高圧燃料ポンプから発生する燃圧脈動の増幅を抑制することができる。

また、本発明による内燃機関の燃料噴射装置において、好ましくは、前記制御部は、前記高圧燃料ポンプから前記分岐点に伝播する脈動の周波数と、前記脈動の前記高圧燃料ポンプから前記分岐点に到達する時間とに基づいて、前記低圧燃料ポンプを駆動する駆動電圧を制御する。このように構成すれば、高圧燃料の脈動の周波数と到達時間とに基づいて、容易に高圧燃料ポンプから低圧燃料供給装置側への燃圧脈動の伝達を抑制することができる。

上記のように、本発明による内燃機関の燃料噴射装置では、部品点数やコストの増加を抑制しながら燃圧脈動の伝達を抑制することができる。

本発明の一実施形態による燃料噴射装置の構成例を示す概略図である。燃料噴射装置を備える内燃機関の気筒の構成例を示す断面図である。高圧燃料ポンプから発生する圧力波（脈動）を示す図である。低圧燃料ポンプから発生する圧力波（脈動）を示す図である。分岐点Ｐにおける圧力波（脈動）を示す図である。低圧燃料ポンプの駆動電圧の波形を示す図である。

以下、本発明に係るエンジンの制御装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

以下に説明する燃料供給装置あるいはこの燃料供給装置を含む燃料噴射装置は、乗用車やトラックなどの車両に搭載されるガソリンエンジン又はディーゼルエンジン等の内燃機関であるエンジンに燃料を供給する装置である。

なお、以下の実施例では、４つの気筒を直列に備える直列４気筒エンジンにおける燃料供給装置を有する燃料噴射装置について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、６つの気筒を直列に備える直列６気筒エンジン、３つの気筒を１つの気筒群とするＶ型６気筒エンジン、又は、４つの気筒を１つの気筒群とするＶ型８気筒エンジン等に用いることも可能である。

本実施形態による燃料噴射装置１は、図１に示すように、燃料供給装置２と、吸気通路内用燃料噴射機構３と、気筒内用燃料噴射機構４と、噴射制御部５とにより構成されている。なお、吸気通路内用燃料噴射機構３は、本発明の「低圧燃料供給装置」の一例であり、気筒内用燃料噴射機構４は、本発明の「高圧燃料供給装置」の一例であり、噴射制御部５は、本発明の「制御部」の一例である。

燃料供給装置２は、燃料を貯留する燃料タンク６と、低圧燃料ポンプ７と、低圧燃料供給系８と、高圧燃料ポンプ９と、高圧燃料供給系１０とを備えている。

低圧燃料ポンプ７は、噴射制御部５により駆動電圧Ｖが制御されることによって、燃料タンク６内の燃料を所定圧力（低圧）まで加圧した後に、吸気通路内用燃料噴射機構３に供給する電動式の低圧ポンプである。

低圧燃料供給系８は、低圧燃料ポンプ７により加圧された燃料を吸気通路内用燃料噴射機構３に供給する低圧通路８ａ及び８ｂを含んでいる。なお、低圧通路８ａ及び８ｂは、本発明の「低圧燃料配管」の一例である。

高圧燃料ポンプ９は、気筒内用燃料噴射機構４に所定圧力（高圧）の燃料を供給する機能を有している。具体的には、図示しないエンジンのクランクシャフトに連結されたカム９ａが回転することによって、高圧燃料ポンプ９内の図示しないプランジャが往復運動する。このプランジャの往復運動により、低圧燃料ポンプ７により加圧された燃料が所定圧力（高圧）までさらに加圧された後に、気筒内用燃料噴射機構４に供給される。すなわち、高圧燃料ポンプ９は、内燃機関であるエンジンの運転状態に応じて駆動するように構成されている。

高圧燃料供給系１０は、低圧燃料ポンプ７により加圧された燃料を低圧燃料供給系８の低圧通路８ａと低圧通路８ｂとの分岐点Ｐを介して高圧燃料ポンプ９に供給する高圧通路１０ａを含んでいる。なお、高圧通路１０ａは、本発明の「高圧燃料配管」の一例である。

レギュレータ７ａは、低圧燃料供給系８を構成する低圧通路８ａ（８ｂ）内の燃料の圧力が所定圧力（低圧）よりも高くなった際に、低圧燃料ポンプ７から吐出された燃料の一部を燃料タンク６に戻し、低圧通路８ａ（８ｂ）内及び高圧燃料ポンプ９に供給する燃料の圧力を一定に保つ機能を有している。

吸気通路内用燃料噴射機構３は、図２に示すように、直列４気筒エンジンの各気筒２０ａ（２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）のそれぞれに対応する吸気通路内用インジェクタ３ａ（３ｂ、３ｃ、３ｄ）を備えている。気筒内用燃料噴射機構４は、直列４気筒エンジンの各気筒２０ａ〜２０ｄのそれぞれに対応する気筒内用インジェクタ４ａ（４ｂ、４ｃ、４ｄ）を備えている。

これらの吸気通路内用インジェクタ３ａ〜３ｄ、及び、気筒内用インジェクタ４ａ〜４ｄは、電磁弁により構成されているとともに、噴射制御部５（図１参照）により噴射タイミングや電磁弁に対する通電時間に基づく噴射量が制御される。

また、吸気通路内用燃料噴射機構３は、図１に示すように、低圧燃料供給系８の低圧通路８ａ（８ｂ）から供給された燃料を各吸気通路内用インジェクタ３ａ〜３ｄに分配する燃料分配配管３ｅを備えている。気筒内用燃料噴射機構４は、高圧燃料供給系１０の高圧通路１０ａから供給された燃料を各気筒内用インジェクタ４ａ〜４ｄに分配する燃料分配配管４ｅを備えている。

吸気通路内用燃料噴射機構３及び気筒内用燃料噴射機構４は、エンジンの各気筒２０ａ〜２０ｄ（図２参照）のそれぞれに対応するように、吸気通路内用インジェクタ３ａ〜３ｄ及び気筒内用インジェクタ４ａ〜４ｄを備えている。例えば、４気筒エンジンの場合、吸気通路内用燃料噴射機構３及び気筒内用燃料噴射機構４は、それぞれ４個の吸気通路内用インジェクタと気筒内用インジェクタを有することとなる。

エンジンの各気筒２０ａ〜２０ｄは、図２に示すように、シリンダブロック２１と、ピストン２２と、シリンダブロック２１に固定されたシリンダヘッド２３と、ピストン２２とシリンダヘッド２３との間に形成される燃焼室２４と、吸気弁２５と、排気弁２６と、吸気ポート２７と、排気ポート２８と、点火プラグ２９とを備えている。

吸気通路内用燃料噴射機構３の吸気通路内用インジェクタ３ａ〜３ｄは、吸気ポート２７と連通する吸気通路３０内に燃料を噴射することが可能に設けられている。気筒内用燃料噴射機構４の気筒内用インジェクタ４ａ〜４ｄは、シリンダヘッド２３に固定され、燃焼室２４内に燃料を直接噴射することが可能に設けられている。

ピストン２２の頂部に形成された凹部２２ａは、気筒内用インジェクタ４ａ〜４ｄから噴射された燃料を点火プラグ２９近傍に導くように構成されている。

噴射制御部５は、図１に示すように、上記入力信号や出力信号の入出力を行うインターフェース部５ａと、吸気通路内用燃料噴射機構３の吸気通路内用インジェクタ３ａ〜３ｄや気筒内用燃料噴射機構４の気筒内用インジェクタ４ａ〜４ｄの噴射タイミングや噴射量などを算出する処理部５ｂと、予め計算や実験などにより取得されたマップなどを記憶する記憶部５ｃとにより構成されている。なお、噴射制御部５は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよい。

噴射制御部５は、エンジンの各所に取り付けられたセンサから、例えばエンジン回転数やアクセル開度などの入力信号や、記憶部５ｃに記憶されている各種マップに基づいて、吸気通路内用燃料噴射機構３の吸気通路内用インジェクタ３ａ〜３ｄや気筒内用燃料噴射機構４の気筒内用インジェクタ４ａ〜４ｄの噴射タイミングや噴射量、低圧燃料ポンプ７の駆動／停止などを制御する出力信号を出力するものである。

処理部５ｂは、メモリ及びＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等により構成されている。記憶部５ｃは、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）のような読み出しのみが可能な揮発性のメモリ、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）のような読み書きが可能な揮発性のメモリ、又は、これらの組み合わせにより構成することが可能である。

次に、図１及び図３〜図６を参照して、噴射制御部５による高圧燃料ポンプ９から発生する圧力波（脈動）を抑制する制御内容について説明する。なお、図３〜図５では、横軸に時間経過を示しており、縦軸に圧力波の大きさを示している。図６では、横軸に時間経過を示しており、縦軸に低圧燃料ポンプ７に供給（印加）する駆動電圧の大きさを示している。

図１に示すように、高圧燃料ポンプ９が燃料を吸入する際や吐出する際には、高圧通路１０ａ内に脈動が発生する。この脈動は、高圧燃料供給系１０の高圧通路１０ａ、低圧燃料供給系８の低圧通路８ａ及び８ｂにおける燃料の圧力（燃圧）を変動させることとなる。そして、このような燃圧変動は、吸気通路内用燃料噴射機構３及び低圧燃料ポンプ７に伝達（伝播）する。

ここで、本実施形態では、高圧燃料ポンプ９から発生する圧力波（脈動）と低圧燃料ポンプ７から発生する圧力波（脈動）とが、分岐点Ｐにおいて相対的に逆位相となるように、低圧燃料ポンプ７の駆動電圧Ｖが制御される。これにより、高圧燃料ポンプ９から発生する圧力波（脈動）と低圧燃料ポンプ７から発生させる圧力波（脈動）とが、分岐点Ｐにおいて相互に干渉して相殺されることによって、低圧通路８ａや吸気通路内用燃料噴射機構３の燃圧変動が抑制されることとなる。なお、図１の高圧通路１０ａ及び低圧通路８ｂに示す斜線波形部分は、それぞれの通路内に発生する圧力波（脈動）を模式的に示したものである。

例えば、図３に示すように高圧燃料ポンプ９から発生する圧力波（脈動）の大きさをＡとし、図４に示すように低圧燃料ポンプ７から発生する圧力波の大きさをＢとした場合（本実施形態では、ＢはＡより小さいものとする場合）に、分岐点Ｐ（図１参照）において、高圧燃料ポンプ９から発生する圧力波（脈動）と低圧燃料ポンプ７から発生する圧力波（脈動）とが相対的に逆位相となるように制御されることによって、図５に示すように分岐点Ｐにおける圧力波（脈動）の大きさをＣまで減少（抑制）させ、燃圧変動の振幅を小さくすることが可能となる。

低圧燃料ポンプ７から発生させる圧力波（脈動）は、図６に示すように、低圧燃料ポンプ７に供給（印加）される駆動電圧Ｖを標準値（所定の駆動電圧）に対して＋側又は−側に増減させることにより制御される。

また、低圧燃料ポンプ７に供給（印加）される駆動電圧Ｖは、高圧燃料ポンプ９が燃料を吸入／吐出する際の周波数（脈動の周波数）と、高圧燃料ポンプ９から分岐点Ｐへの圧力波（脈動）の到達時間と、低圧燃料ポンプ７から分岐点Ｐへの圧力波（脈動）の到達時間とから、記憶部５ｃに記憶されているマップに基づいて制御される。

高圧燃料ポンプ９が燃料を吸入／吐出する際の周波数は、エンジンのクランクシャフトの回転数から得られる。すなわち、エンジンのクランクシャフトに連結されたカム９ａ（図１参照）が回転することによって、高圧燃料ポンプ９内の図示しないプランジャの往復運動により燃料が吸入／吐出されるので、エンジンの回転数から高圧燃料ポンプ９の吸入／吐出脈動の周波数が得られることとなる。

高圧燃料ポンプ９から分岐点Ｐへの圧力波（脈動）の到達時間は、高圧通路１０ａの長さと、圧力波の伝播速度とから得られる。高圧燃料ポンプ９から発生する圧力波の伝播速度は、高圧通路１０ａの長さ、高圧通路１０ａの内径（断面積）、及び、高圧通路１０ａ内を流れる燃料の密度等から得られる。

低圧燃料ポンプ７から分岐点Ｐへの圧力波（脈動）の到達時間は、低圧通路８ｂの長さと、圧力波の伝播速度とから得られる。低圧燃料ポンプ７から発生させる圧力波の伝播速度は、低圧通路８ｂの長さ、低圧通路８ｂの内径（断面積）、及び、低圧通路８ｂ内を流れる燃料の密度等から得られる。

以上説明したように、本実施形態による内燃機関の燃料噴射装置１によれば、以下に列記するような効果が得られる。

本実施形態では、上記のように、低圧通路８ａ（８ｂ）と高圧通路１０ａとが分岐する分岐点Ｐにおいて、低圧燃料ポンプ７からの燃料の供給圧（圧力波）と高圧燃料ポンプ９からの燃料の供給圧（圧力波）とが逆位相となるように制御する。これにより、低圧通路８ａ（８ｂ）と高圧通路１０ａとが分岐する分岐点Ｐにおいて、高圧燃料ポンプ９からの燃圧脈動（圧力波）と低圧燃料ポンプ７からの燃料の供給圧（圧力波）とを相殺することによって、高圧燃料ポンプ９から吸気通路内用燃料噴射機構３側への燃圧脈動の伝達を抑制することができる。また、燃圧脈動の伝達を抑制するためのダンパーなどの部材が不要となるので、部品点数やコストの削減を図ることができる。

また、分岐点Ｐの圧力波は、レギュレータ７ａの開弁量の変化として吸収されるので、圧力波の低圧通路８ａへの伝達を減衰させることが可能となる。また、分岐点Ｐの圧力波によるレギュレータ７ａの開弁の急変が抑制されるので、脈動吸収の効果を向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、上記のように、噴射制御部５は、分岐点Ｐにおいて低圧燃料ポンプ７からの燃料の供給圧（圧力波）と高圧燃料ポンプ９からの燃料の供給圧（圧力波）とが逆位相となるように、低圧燃料ポンプ７を駆動する駆動電圧を制御する。これにより、低圧燃料ポンプ７から供給する圧力を能動的に変化させることができるので、分岐点Ｐにおいて、高圧燃料ポンプ９から発生する燃圧脈動の増幅を抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、噴射制御部５は、高圧燃料ポンプ９から分岐点Ｐに伝播する脈動の周波数と、脈動の高圧燃料ポンプ９から分岐点Ｐに到達する時間とに基づいて、低圧燃料ポンプ７を駆動する駆動電圧を制御する。これにより、高圧燃料の脈動の周波数と到達時間とに基づいて、容易に高圧燃料ポンプ９から吸気通路内用燃料噴射機構３側への燃圧脈動の伝達を抑制することができる。

−他の実施形態−
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記実施形態では、低圧燃料ポンプの駆動電圧を制御することによって、分岐点Ｐにおいて低圧燃料ポンプからの燃料の供給圧（圧力波）と高圧燃料ポンプからの燃料の供給圧（圧力波）とが逆位相となるように制御する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、分岐点Ｐにおいて低圧燃料ポンプからの燃料の供給圧（圧力波）と高圧燃料ポンプからの燃料の供給圧（圧力波）とが逆位相となるように制御することが可能であれば、低圧燃料ポンプの駆動電圧を制御する以外の方法であってもよい。

また、上記実施形態では、高圧燃料ポンプが燃料を吸入／吐出する際の周波数（脈動の周波数）と高圧燃料ポンプ及び低圧燃料ポンプから分岐点Ｐへの圧力波（脈動）の到達時間とに基づいて低圧燃料ポンプの駆動電圧を決定する例を示したが、本発明はこれに限られない。例えば、脈動周波数や圧力波の到達時間以外のパラメータに基づいて低圧燃料ポンプの駆動電圧を制御してもよい。

本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に利用することができ、さらに詳しくは、内燃機関に燃料を供給する低圧燃料供給装置及び高圧燃料供給装置を備える内燃機関の燃料噴射装置に利用することができる。

１燃料噴射装置
２燃料供給装置
３吸気通路内用燃料噴射機構（低圧燃料供給装置）
４気筒内用燃料噴射機構（高圧燃料供給装置）
５噴射制御部（制御部）
６燃料タンク
７低圧燃料ポンプ
８低圧燃料供給系
８ａ、８ｂ低圧通路（低圧燃料配管）
９高圧燃料ポンプ
１０高圧燃料供給系
１０ａ高圧通路（高圧燃料配管）

Claims

低圧燃料ポンプで加圧された燃料を低圧燃料供給装置に供給する低圧燃料配管と、
前記低圧燃料配管から分岐し、高圧燃料ポンプで加圧された燃料を高圧燃料供給装置に供給する高圧燃料配管と、
前記低圧燃料配管と前記高圧燃料配管とが分岐する分岐点において、前記低圧燃料ポンプからの燃料の供給圧と前記高圧燃料ポンプからの燃料の供給圧とが逆位相となるように制御する制御部とを備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置において、
前記制御部は、前記分岐点において前記低圧燃料ポンプからの燃料の供給圧と前記高圧燃料ポンプからの燃料の供給圧とが逆位相となるように、前記低圧燃料ポンプを駆動する駆動電圧を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射装置において、
前記制御部は、前記高圧燃料ポンプから前記分岐点に伝播する脈動の周波数と、前記脈動の前記高圧燃料ポンプから前記分岐点に到達する時間とに基づいて、前記低圧燃料ポンプを駆動する駆動電圧を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。