JP2689721B2 - 内燃機関の燃料圧力制御装置 - Google Patents

内燃機関の燃料圧力制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は燃料のリザーバタンクを有した直接燃料噴
射内燃機関に適した燃料圧力制御装置に関する。
〔従来の技術〕
特開昭62-645号は燃料リザーバタンクを有したディー
ゼル機関を提案している。燃料タンクからの燃料は低圧
ポンプ及び高圧ポンプを介して燃料リザーバタンクに供
給され、このリザーバタンクに蓄積された高圧の燃料が
燃料インジェクタより筒内に噴射される。リザーバタン
クの圧力は圧力センサによって検出され、同圧力が所定
値となるように高圧ポンプの作動が制御される。
燃料タンクが空(ガス欠状態)になった場合高圧ポン
プが回り続けることによってリザーバタンク内に気泡が
形成される。この気泡は燃料充填後にも即座には排出さ
れないので、始動時にリザーバタンクの圧力は容易には
上がらず、エンジンの始動に時間を要する問題点があっ
た。
〔発明が解決しようとする課題〕
エンジンの始動に時間を要する問題点を解消するため
に燃料タンク内残量が少なくなったことを検知して高圧
ポンプの停止を行いかつインジェクタの作動の停止を行
うことが考えられる。ところが、ドライバの意思に反
し、燃料噴射を突然停止すると、ドライバがその異常状
態に即座に対応できないおそれがある。
〔課題を解決するための手段〕
この発明によれば、第1図に示すように、燃料インジ
ェクタ14へ供給される燃料を蓄積するためのリザーバタ
ンク16と、 リザーバタンク16への燃料の供給を行う高圧ポンプ22
と、 高圧ポンプ22によってリザーバタンク16へ供給される
燃料を蓄積する燃料タンク18と、 燃料タンク18の燃料残量が少なくなった状態を検出す
る燃料タンク残量検出手段Aと、 前記燃料タンク残量検出手段Aにより燃料タンク18の
燃料残量が少なくなった状態を検出した場合において高
圧ポンプ22を停止する高圧ポンプ停止手段Bと、 を具備した内燃機関の燃料圧力制御装置において、特
徴とするのは、 燃料タンク18内の燃料残量が少なくなった状態が前記
燃料タンク残量検出手段Aにより検出された後に、エン
ジンの作動を継続させるに充分な量の燃料がリザーバタ
ンク16内に残留しているか否かを検出するリザーバタン
ク残量検出手段Cと、 エンジンの作動を継続させるに充分な量の燃料がリザ
ーバタンク16内に残留していないと前記リザーバタンク
残量検出手段Cにより検出後にインジェクタ14の作動を
停止するインジェクタ停止手段Dと、 を具備させたことにある。
〔作用〕
リザーバタンク残量検出手段Cは燃料タンク18内の燃
料残量が少なくなった状態が検出された後に、エンジン
の作動を継続させるに充分な量の燃料がリザーバタンク
16内に残留しているか否かを検出する。
インジェクタ作動停止手段Dはエンジンの作動を継続
させるに充分な量の燃料がリザーバタンク16内に残留し
ていないと前記リザーバタンク残量検出手段Cにより検
出後にインジェクタ14の作動を停止する。
〔実施例〕
以下この発明の原理を筒内ガソリン直接噴射式火花点
火内燃機関に応用した実施例について説明する。筒内ガ
ソリン直接噴射式火花点火内燃機関については特開平2-
169834公報に一般的な記載がある。第2図において、10
は内燃機関の本体、12は気筒、14は各気筒に配置された
燃料インジェクタ、16は燃料リザーバタンク、18は燃料
タンク、19はディストリビュータである。燃料タンク18
は低圧ポンプ20、高圧ポンプ22を介してリザーバタンク
16に接続される。低圧ポンプ20の出口にリリーフ通路24
及びこのリリーフ通路24上にリリーフ弁26が設けられ、
低圧ポンプ20の出口圧、換言すれば高圧ポンプ22の入口
圧を所定値に制御する。
リザーバタンク16は各燃料通路30を介して各気筒の燃
料インジェクタ14に燃料を供給する。第3図は燃料イン
ジェクタ14の縦断面図を示しており、エンジン本体10の
シリンダヘッドに固定されるノズル本体32内にニードル
34が配置され、ニードル34の上端に加圧ロッド36の下端
が接触し、加圧ロッド36の上端に可動プランジャ38が接
触している。ニードル34はスプリング40によって通常は
ノズル口42を閉鎖するように付勢している。ピエゾ圧電
素子44はその下端が加圧ピストン46を構成し、加圧ピス
トン46と可動プランジャ38との間に加圧室48が形成され
る。ニードル加圧室50は燃料通路52を介してリザーバタ
ンク16からの燃料通路30と接続される。ニードル34には
加圧室48の圧力による力と、スプリング40の弾性力によ
る力との和である下方力と、ニードル加圧室50における
燃料圧力による上方力とが作用する。ピエゾ圧電素子44
に電荷が溜められた状態ではピエゾ圧電素子44は伸長
し、加圧室48の圧力は高くなる。そのため、下方力と上
方力とのバランスは前者が上回り、結果としてニードル
34はノズル口42を閉じている。ピエゾ圧電素子44の電荷
を解放するとピエゾ圧電素子44は収縮し、加圧室48の圧
力は低くなる。そのため、上方力が下方力を上回り、そ
の結果としてニードル34はリフトされ、燃料噴射が行わ
れる。
高圧ポンプ22はその縦断面図を第4図に示す。高圧ポ
ンプ22は一対のプランジャ60を備える。第4図には一本
のみ示され、第4図の紙面垂直方向にもう一つのプラン
ジャがある(同様の高圧ポンプのより詳細な構造は実開
昭63-138438号に示されている)。プランジャ60の下端
にタペット62が設けられ、タペット62にカムホォロワロ
ーラ64が設けられる。内燃機関のクランク軸(図示せ
ず)にタイミングベルト等によって駆動連結されるカム
シャフト66上にカム68が設けられ、スプリング70はロー
ラ64がカム68に接触するようにプレート72を介してタペ
ット62を下方に付勢している。プランジャ60の上側に加
圧室74が形成され、カム68の回転によってタペット62が
上下することによって加圧室74の容積が増減し、加圧室
74への燃料の吸入、及び加圧室74からの燃料の吐出が行
われる。加圧室74はチェック弁76、通路78を介して、第
2図の低圧ポンプ20からの燃料を受ける燃料受け口80に
接続される。また、加圧室74はチェック弁82、通路84を
介して、溢流弁90の上流の位置で図示しないチェック弁
を介して第2図のリザーバタンク16への通路86に接続さ
れる。溢流弁90は高圧ポンプ22を迂回するバイパス通路
92(第2図も参照)を通路84に対して選択的に開閉する
ことでリザーバタンク16への燃料吐出量を制御し、リザ
ーバタンク16の圧力を所定の値に制御する。バイパス通
路92はスプリング室94に開口し、このスプリング室94は
通路96、リリーフ口98より高圧ポンプ22の入口側に接続
される。溢流弁90はスプリング100によって第4図の下
方に、バイパス通路92に接続される燃料溢流室102を燃
料通路84に対して遮断する位置に向かって付勢されてい
る。加圧ピン104はピエゾ圧電素子106によって昇降駆動
される。即ち、ピエゾ圧電素子106の上端に加圧ピスト
ン108が設けられ、その上側に加圧室110が形成される。
皿スプリング112は加圧ピストン108をピエゾ圧電素子10
6に向けて図の下方に付勢する。
ピエゾ圧電素子106に電荷が溜められた状態ではピエ
ゾ圧電素子106は伸長し、加圧ピストン108は皿スプリン
グ112に抗して図の上方に偏位され、加圧室110の圧力は
高くなり、ピン104は図の上方に偏位し、溢流弁90はス
プリング100に抗して上方に偏位され、バルブポート114
は閉鎖される。そのため、燃料通路84から燃料溢流室10
2への燃料の溢流が禁止され、そのため、燃料通路84か
らの燃料は第2図の燃料通路86を介してリザーバタンク
16に供給され、同リザーバタンク16の圧力を高めること
ができる。一方、ピエゾ圧電素子106に溜められた電荷
が放置されるとピエゾ圧電素子106は収縮し、皿スプリ
ング112によってピストン108は下方偏位せしめられ、加
圧室110の圧力は低下され、スプリング100の付勢力によ
ってピストン104は図の下方に偏位し、溢流弁90は同様
に下方に偏位され、バルブポート114は燃料通路84を溢
流室102に接続するように位置する。かくして、燃料通
路84から溢流室102への燃料の燃料の溢流が可能とな
り、燃料通路84からの燃料はバルブポート114、溢流室1
02、バイパス通路92、スプリング室94、燃料通路96を介
してポンプの入口側に戻され、リザーバタンク16への供
給は停止される。
第2図において制御回路120はマイクロコンピュータ
システムとして構成され、各センサからの機関運転条件
信号に応じて燃料インジェクタ14及び高圧ポンプ22の作
動制御を行う。センサとして第1クランク角度センサ12
2はディストリビュータ19の回転(図示せず)に対向し
てに設けられ、クランク角度30°毎のパルス信号を発生
する。また、第2クランク角度センサ124はクランク角
度720°毎のパルス信号を発生する。第1の圧力センサ1
26は低圧ポンプ20の出口に設けられ、低圧ポンプ20の出
口圧力P1に応じた信号を発生する。第2圧力センサ128
はリザーバタンク16に設けられ、リザーバタンク16の圧
力P2に応じた信号を発生する。また、負荷センサ130は
アクセルペダルの踏み込み量等の負荷因子に応じた信号
を発生する。更に、制御回路120は警報ランプ131に接続
される。
以下、制御回路120の動作を第5図から第8図のフロ
ーチャートによって説明する。第5図はクランク軸が30
°回転する毎に実行され、燃料インジェクタ14からの燃
料噴射量の制御を行うと共に、高圧ポンプ22の吐出量制
御を実行する。第5図のルーチンは第1クランク角度セ
ンサ122からの30°CAパルスの到来毎に実行されるクラ
ンク角度割り込みルーチンである。ステップ200からス
テップ208は高圧ポンプ22の吐出制御ルーチンを示す。
ステップ200では高圧ポンプ22の吐出開始タイミングか
否か判別される。第9図の(イ)は高圧ポンプ22の制御
信号を模式的に示しており、クランク角度で180°毎にO
N信号が所定時間出力される。即ち、その間だけ高圧ポ
ンプ22のピエゾ圧電素子106に電荷がチェージされ、溢
流弁90が閉鎖されるため、高圧ポンプ22からリザーバタ
ンク16への燃料吐出が許可される。前に説明したよう
に、高圧ポンプ22は180°回転位相が異なった直列に二
つのプランジャ60を有し、クランク軸の回転により1対
1で駆動される。そのため、ポンプ吐出特性としては第
9図(ロ)で示すようにクランク軸が180°回転する毎
に山が出現される。そして、(イ)のポンプ制御信号の
開始タイミングはポンプの吐出特性における各山の開始
時点に一致するように設定される。ステップ200のタイ
ミングの判定は周知のように30°CA信号の到来毎にイン
クリメントされ、720°CA信号の到来によってクリヤさ
れるカウンタの数によって判別することができる。
ステップ200で高圧ポンプ22の吐出開始を行うタイミ
ング(クランク角度で180°毎)と判別したときはステ
ップ202に進み、フラグF1=1か否かの判別を行う。こ
のフラグF1は高圧ポンプ22の作動禁止フラグであり、こ
のフラグがセットされているとき(後述のように燃料タ
ンクの燃料残量が些少になった場合)にリザーバタンク
16内の気泡の発生を避けるため高圧ポンプ22の作動が禁
止される。F1=0、即ち高圧ポンプ22の作動が禁止され
ていない場合はステップ202よりステップ204に進み、タ
イマにポンプ制御信号におけるオン時間DTが入れられ
る。このタイマは溢流弁90の閉鎖時間を計測するソフト
ウエア的なタイマである。DTはポンプ制御信号の1サイ
クル(180°CA)におけるデューティ比に相当してい
る。ステップ208では溢流弁90を閉鎖するためピエゾ圧
電素子106の駆動信号が印加される。そのため、高圧ポ
ンプ22からリザーバタンク16に燃料が吐出され、リザー
バタンク16内の圧力は溢流弁90が閉鎖している間は第9
図の(ニ)のl1に示すように増大する。タイマによって
計測される時間=DTとなると、第6図の時刻一致割り込
みルーチンが実行開始される。ステップ302では、第2
圧力センサ128によって計測されるリザーバタンク圧力P
2が制御範囲内の上限値(例えば200Kg/cm2)より大きい
か否か判別される。ステップ304ではリザーバタンク圧
力P2が制御範囲内の下限値(例えば195Kg/cm2)より小
さいか否か判別される。P2>上限値のときはステップ30
8に進みDTがδtだけデクリメントされ、P2<下限値の
ときはステップ306に進みDTがδtだけインクリメント
される。下限値≦P2≦上限値が成立するときはステップ
306,308は迂回される。このようにして算出されたDTの
値が次のポンプ吐出制御によいて使用される。この結
果、リザーバタンク16の圧力はエンジンの負荷、回転数
に係わらず所定の値に制御される。ステップ310では高
圧ポンプ22のピエゾ圧電素子106のオフ信号が出力さ
れ、溢流弁90が開放されるため高圧ポンプ22からの燃料
の吐出が停止され、リザーバタンク16の圧力は第9図の
(ニ)のl2に示すように所定値に制御される。
第5図において、210以下は燃料噴射ルーチンを示
す。ステップ210ではフラグF2=0か否か判別される。F
2は燃料噴射禁止フラグであり、F2=0、即ち燃料噴射
許可されているときはステップ212,214,216,218に進
み、各気筒の燃料噴射タイミングか否か判別される。第
9図の(ハ)において燃料噴射タイミングは4気筒の独
立燃料噴射であるため180°CA毎であり、リザーバタン
ク16の圧力が所定値に到達した後に燃料噴射が行われる
設定となっている。燃料噴射はこの実施例のように筒内
に直接燃料噴射を行う火花点火内燃機関では特開平2-16
9834のようにエンジン低負荷時には圧縮行程に燃料噴射
が行われ、高負荷時には吸入行程及び圧縮行程において
行われるのが好ましい。ステップ212,214,216,218の判
断は周知のように第1クランク角度センサ122からの30
°CAパルス信号の到来毎にインクリメントされ、第2ク
ランク角度センサ124からの720°CAパルス信号の到来で
クリヤされるカウンタの値より判別することができる。
燃料噴射タイミング、例えば、第1気筒の燃料噴射タイ
ミングのときはステップ218よりステップ220に進み、燃
料噴射量TAUの算出が行われる。TAUはそのときのエンジ
ン運転状態、即ち、回転数と負荷に応じた燃料噴射量を
得る燃料インジェクタ14の開弁時間として算出される。
即ち、回転数と負荷に対する燃料噴射量のマップが格納
されており、その回転数及び負荷に対する燃料噴射量TA
Uが補間演算により算出される。ステップ222ではTAUで
定まる時間の間だけ燃料インジェクト14が開弁されるよ
うに信号が燃料インジェクタ14のピエゾ圧電素子44に印
加される。即ち、前述のように燃料インジェクタ44はピ
エゾ圧電素子44が充電される間は閉鎖され、ピエゾ圧電
素子44の電荷が開放される間開放される。ステップ222
では燃料インジェクタの開弁信号が出力され、TAUに相
当する時間が到来するとピエゾ圧電素子44に対するチェ
ージが再開され、燃料インジェクタ14は閉弁される。他
の気筒の燃料噴射タイミングのときの燃料噴射量の算
出、燃料インジェクタ14の制御は独立に行われるが、ス
テップ220,222と同様であるので説明は省略する。
第7図は、ガス欠状態の検出ルーチンであり、低圧ポ
ンプ20の出口圧力が小さくなった状態をガス欠状態とし
て捉え、高圧ポンプ22を停止すると共に、燃料噴射を禁
止するものである。このルーチンはイグニッションキー
スイッチがONと同時に起動され、その間繰り返し実行さ
れるメインルーチンの中で実行される。ステップ400で
は、エンジン回転数NEがエンジンアイドル回転数より幾
分小さい所定回転数(例えば400RPM)より大きいか否か
判別される。NE<400RPMのときは低圧ポンプ20の出口圧
力による燃料タンク18内の残量判別に適当でないため以
下のステップを迂回する。NE≧400RPMのときはステップ
402に進み第1圧力センサ126によって計測される低圧ポ
ンプ20の出口圧力P1が所定値(例えば0.5Kg/cm2)より
小さいか否か判別される。P1>0.5Kg/cm2)のときは燃
料タンク18から必要な量の燃料が吸引されていること、
即ち、燃料タンク18に十分な量の燃料が残っていること
を示し、このときは以下のルーチンを迂回する。P1≦0.
5Kg/cm2のときは燃料タンク18から必要な量の燃料が吸
引されないこと、即ち、燃料タンク18の残量が少なくな
ったことを意味し、ステップ404に進み、警報ランプ131
が点灯される。ステップ406では高圧ポンプ作動禁止フ
ラグF1がセットされる。F1=1とセットされることによ
り第5図のステップ202でステップ203に進み、タイマが
OFFされる。そのため、溢流弁90は開放状態に維持され
るため、高圧ポンプ22からリザーバタンク16への吐出が
行われない。燃料タンク18が空の状態で高圧ポンプ22の
回転を継続するとリザーバタンク16内に気泡が形成され
るため、燃料の充填後次に始動するとき気泡を追い出す
のに時間がかかり、中々始動けいないことがあるが、燃
料タンク16が空になった場合に高圧ポンプ22からの吐出
を停止することにより気泡がリザーバタンク16内に形成
されるのが防止され、再始動性の向上を図ることができ
る。
ステップ408ではリザーバタンク16の圧力P2が所定値
(例えば10Kg/cm2)より小さいか否か判別される。P2
10Kg/cm2のとき、即ち、リザーバタンク16内に燃料がま
だ残っているときはステップ410に進み、燃料噴射禁止
フラグF2=0とリセットされる。そのため、第5図のス
テップ210でステップ212以下に進むため、燃料噴射が継
続される。P2≦10Kg/cm2のとき、即ち、リザーバタンク
16内に燃料がなくなったときはステップ412に進み、燃
料噴射禁止フラグF2=1とセットされる。そのため、第
5図のステップ210でステップ212以下を迂回し、ステッ
プ211に進み、燃料噴射量TAU=0とされる。そのため、
燃料噴射は停止される。F1,F2はバッテリでバックアッ
プされた不揮発メモリに格納されているため、タンクが
空になって給油のためイグニッションキースイッチをOF
Fした後もF1=1,F2=1というデータは消失することな
く残っている。この実施例のようにガス欠状態において
最初にリザーバタンク16への燃料の供給を停止し、リザ
ーバタンク16内に圧力が残っている状態ではインジェク
タ14からの燃料噴射を継続することによって、リザーバ
タンク16の圧力が徐々に小さくなるのでエンジンの発生
トルクは小さくなり、運転者に異常を知らしめ、燃料の
充填を促すことになる。
第8図は再始動時のフラグ制御ルーチンである。この
ルーチンも第7図と同様イグニッションキースイッチの
ONにより起動され、繰り返し実行されるメインルーチン
の中に位置している。ステップ500ではスタータがONか
否か、即ち、始動時か否か判別される。始動時にはステ
ップ500よりステップ502に進み低圧ポンプ20の出口圧力
P1≧0.5Kg/cm2か否か判別される。P1<0.5Kg/cm2、即
ち、低圧ポンプ20の出口圧力が上がっていない場合はス
テップ504に進み、高圧ポンプ22の作動禁止フラグF1
1の状態は維持される。逆に、P1≧0.5Kg/cm2、即ち、
低圧ポンプ20の出口圧力が上がっている場合はステップ
506に進み、高圧ポンプ22の作動禁止が解除され、フラ
グF1=0となり、第5図のステップ202よりステップ204
に進むことができるため、高圧ポンプ22からのリザーバ
タンク16への燃料吐出が許可される。ステップ508では
リザーバタンク圧力P2≧10Kg/cm2か否か判別され、P2
10Kg/cm2の場合はステップ510が迂回され、フラグF2
1の状態が維持されるため、燃料噴射作動の禁止は継続
される。P2≧10Kg/cm2の場合はステップ510に進み、F2
=0となるため燃料噴射は許可される。
以上の実施例では燃料タンク18の燃料残量を検出する
ため低圧ポンプ20の出口圧力を見ていたが、この代わり
の手段としてフロート型燃料残量センサをポテンショメ
ータとし、ある抵抗値以下でガス欠状態を判断したり、
低圧ポンプ20を駆動するモータの回転数の上昇若しくは
電流値の減少を検出したり、低圧ポンプ20のリリーフ弁
26の振動を検出したり、同リリーフ弁26のリフト量を検
出したりする、等の代替手段が色々考えられる。
〔効果〕
この発明によれば燃料タンク内残量が少なくなり高圧
ポンプを停止させた後に、リザーバタンク16内に充分な
量の燃料が残留しているか否か検出し、リザーバタンク
16内に充分な量の燃料が残留していると判断されたとき
にはインジェクタの作動を継続している。そのため、高
圧ポンプの停止後にリザーバタンク16の圧力が徐々に下
降するためにエンジンの出力が徐々に低下され、運転者
に異常を感じさせ、ドライバに給油等の対応を促すこと
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の構成を示す機能ブロック図。 第2図はこの発明のガソリン直接噴射火花点火内燃機関
の全体概略図。 第3図は燃料インジェクタの縦断面図。 第4図は高圧ポンプの縦断面図。 第5図から第8図は制御回路の作動を説明するフローチ
ャート。 第9図は制御回路の作動を説明するタイミング図。 10……エンジン本体、12……気筒、14……燃料インジェ
クタ、16……リザーバタンク、19……ディストリビュー
タ、18……燃料タンク、20……低圧ポンプ、22……高圧
ポンプ、30……燃料通路、32……ノズル本体、34……ニ
ードル、38……加圧ピストン、42……ノズル口、44……
ピエゾ圧電素子、48……加圧室、60……プランジャ、62
……タペット、66……カムシャフト、68……カム、74…
…加圧室、84……燃料通路、90……溢流弁、92……バイ
パス通路、102……溢流室、106……ピエゾ圧電素子、11
0……加圧室、120……制御回路、126,128……圧力セン
サ、130……負荷センサ、131……警報ランプ。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料インジェクタへ供給される燃料を蓄積
    するためのリザーバタンクと、 リザーバタンクへの燃料の供給を行う高圧ポンプと、 高圧ポンプによってリザーバタンクへ供給される燃料を
    蓄積する燃料タンクと、 燃料タンクの燃料残量が少なくなった状態を検出する燃
    料タンク残量検出手段と、 燃料タンクの燃料残量が少なくなった状態を前記燃料タ
    ンク残量検出手段により検出した場合において高圧ポン
    プを停止する高圧ポンプ停止手段と、 を具備した内燃機関の燃料圧力制御装置において、 前記燃料タンク残量検出手段により燃料タンク内の燃料
    残量が少なくなった状態が検出された後に、エンジンの
    作動を継続させるに充分な量の燃料がリザーバタンク内
    に残留しているか否かを検出するリザーバタンク残量検
    出手段と、 エンジンの作動を継続させるに充分な量の燃料がリザー
    バタンク内に残留していないと前記リザーバタンク残量
    検出手段により検出後にインジェクタの作動を停止する
    インジェクタ停止手段と、 を具備する内燃機関の燃料圧力制御装置。
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