JP4415275B2 - 燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の燃料ポンプを直列に接続して内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置に関する。

従来、内燃機関に供給する燃料供給装置として、特許文献１、２に開示されるものが知られている。特許文献１では、燃料噴射弁に供給する燃料圧力をプレッシャレギュレータで調圧する構成において、プレッシャレギュレータの背圧室であるスプリング室の圧力を吸気管圧力または大気圧のいずれかに切り換えることにより、プレッシャレギュレータの設定圧を変更している。

また、特許文献２では、燃料噴射弁に供給される燃料圧力を検出し、検出圧力と目標圧力との差圧に基づいて燃料ポンプに印加する電圧を制御している。
しかしながら、特許文献１では、プレッシャレギュレータのスプリング室の圧力を切り換えて内燃機関に供給する燃料供給圧を調圧しても、プレッシャレギュレータが調圧可能な範囲は、大気圧と吸気管最大負圧との差という狭い範囲である。つまり、スプリング室の圧力が切り換わりプレッシャレギュレータの設定圧が変更されても、燃料ポンプの負荷が変化する範囲は小さいので、燃料ポンプが消費する電力の変化範囲も小さい。その結果、スプリング室の圧力が切り換わりプレッシャレギュレータの設定圧が変更されても、内燃機関の運転状態が高圧燃料を必要としない場合には、燃料ポンプは大きな電力を消費する恐れがある。

これに対し、特許文献２においては、検出圧力と目標圧力との差圧に基づいて燃料ポンプに印加する電圧が制御されるので、内燃機関の運転状態に応じて燃料ポンプの消費電力が増減する。したがって、燃料ポンプの消費電力を低減できる。
しかしながら、一般に電動式の燃料ポンプは、最大印加電圧で燃料ポンプの効率が最適になるように設計されているので、燃料ポンプに印加する電圧が低下すると、燃料ポンプの効率は低下する。燃料ポンプの効率は、燃料ポンプの電気駆動部に供給する駆動電流をＩ、印加する電圧をＶ、燃料ポンプが吐出する燃料の吐出圧をＰ、燃料吐出量をＱとすると、（燃料ポンプの効率）＝（Ｐ×Ｑ）／（Ｉ×Ｖ）で表される。したがって、特許文献２においては、検出圧力と目標圧力との差圧に基づいて燃料ポンプに印加する電圧を制御することにより、燃料ポンプの消費電力は低減するが、燃料ポンプの効率が低下するという問題がある。

ところで、内燃機関から排出される排ガス中の未燃成分の低減、あるいは低温時または高温時における内燃機関の始動性の向上の為に、燃料噴射弁から噴射する燃料噴霧を微粒化することが求められている。燃料噴霧を微粒化するためには、例えば噴孔形状等の燃料噴射弁自体の改良だけでなく、燃料噴射弁に供給する燃料圧力を高圧化することが考えられる。前述した特許文献１、２においても、燃料ポンプを大型化することにより燃料ポンプの吐出圧が上昇すれば、燃料噴射弁に供給する燃料圧力を高圧化できる。

しかしながら、燃料ポンプを大型化することにより、前述した特許文献１、２の問題はさらに顕著になる。
そこで、特許文献３に開示されるように、２個の燃料ポンプを直列に接続することにより、燃料ポンプを大型化することなく、内燃機関に供給する燃料圧力を高圧化することが考えられる。しかしながら、特許文献３では、直列に接続された２個の燃料ポンプが両方駆動された状態で燃料を供給する構成である。したがって、燃料ポンプを大型化する必要はないが、直列に接続された各燃料ポンプにおいて、前述した特許文献１、２の問題は解消されないままである。

特開平５−３９７６３号公報 特開平７−２９３３９７号公報 特開２００３−２９３８８３号公報

本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、燃料ポンプを大型化することなく燃料供給圧を高圧化するとともに、電力消費量を低減し、燃料ポンプの効率の低下を防止する燃料供給装置を提供することを目的とする。

請求項１から２に記載の発明によると、複数の燃料ポンプを直列に接続しているので、上流側の燃料ポンプから下流側の燃料ポンプに向けて燃料吐出圧が上昇する。したがって、各燃料ポンプを大型化することなく、内燃機関に供給する燃料供給圧を高圧化できる。
また、開閉手段は、直列に接続された複数の燃料ポンプのうち、下流側の燃料ポンプが停止しているときに下流側の燃料ポンプよりも上流側の燃料ポンプから内燃機関に燃料を供給する燃料通路を開き、下流側の燃料ポンプが駆動されているときに前述した燃料通路を閉じる。例えば直列に接続された複数の燃料ポンプがすべて駆動されているときには、下流側の燃料ポンプから最大圧力の燃料が内燃機関に供給され、下流側の燃料ポンプが停止しているときには、駆動されている上流側の燃料ポンプから、最大圧力よりも低圧の燃料が内燃機関に供給される。つまり、各燃料ポンプに供給する電力を制御することなく、内燃機関の運転状態に応じて下流側の燃料ポンプへの通電をオン、オフすることにより、内燃機関に供給する燃料の圧力を調圧できる。したがって、直列に接続された各燃料ポンプの効率の低下を防止できる。

また、内燃機関の運転状態に応じて下流側の燃料ポンプへの通電をオン、オフすることにより、燃料ポンプを直列に接続した燃料供給装置の電力消費量を低減できる。
ここで、前述した開閉手段の構成は、例えば、燃料ポンプ同士の接続箇所に三方電磁弁を使用することにより実現することはできる。しかしながら、開閉手段として三方電磁弁を使用すると、燃料供給装置が大型化するとともに、三方電磁弁への通電を制御する必要が生じる。

これに対し、請求項１に記載の発明のように、逆止弁により開閉手段を構成すれば、開閉手段を簡単な構成で実現でき、開閉手段の制御も不要である。
請求項２に記載の発明によると、複数の燃料ポンプのそれぞれの吐出圧を圧力制御手段が制御するので、下流側の燃料ポンプの駆動をオン、オフすることにより、燃料供給装置の燃料供給圧を各圧力制御手段が制御する所望の値に設定できる。

以下、本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による燃料供給装置を図１に示す。燃料供給装置１０は、図示しない燃料タンクの燃料を燃料レール２に供給する。燃料レール２には、内燃機関６の各気筒毎に燃料噴射弁４が取り付けられている。

（燃料供給装置１０の構成）
燃料供給装置１０の２個の燃料ポンプ２０、３０は、燃料ポンプ２０の燃料吐出口２２と燃料ポンプ３０の燃料吸入口３１とが配管２００で接続されることにより直列に接続されており、燃料タンク内に設置されている。燃料ポンプ２０、３０は、例えば、電気駆動部であるモータによりインペラを回転し、吸入した燃料を昇圧するタービン式の電動ポンプである。

燃料ポンプ２０は、燃料吸入口２１から吸入した燃料タンクの燃料を昇圧し、燃料吐出口２２から吐出する。燃料ポンプ２０が吐出する燃料の圧力は、圧力制御手段としてのプレッシャレギュレータ２４により調圧される。燃料ポンプ３０は、燃料ポンプ２０の下流側に接続されており、プレッシャレギュレータ２４で調圧された燃料ポンプ２０の吐出燃料を燃料吸入口３１から吸入して昇圧し、燃料吐出口３２から吐出する。燃料ポンプ３０が吐出する燃料の圧力は、圧力制御手段としてのプレッシャレギュレータ３４により調圧される。プレッシャレギュレータ３４の設定圧は、プレッシャレギュレータ２４の設定圧よりも高い。

配管２１０は、燃料ポンプ３０の燃料吐出口３２と燃料レール２とを接続している。配管２００と配管２１０とは配管２０２により接続されている。開閉手段としての逆止弁２６は、配管２０２に設置されている。逆止弁２６は、燃料ポンプ２０の吐出側である配管２００から内燃機関６側である配管２１０への燃料流れを許容し、配管２１０から配管２００への燃料流れを規制する。逆止弁２６としては、例えば、配管２１０から配管２００への燃料流れを規制する方向にスプリングがボールに荷重を加える公知の機械弁を使用する。

制御手段としてのエンジン制御装置（ＥＣＵ）１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭから構成されている。ＥＣＵ１００は、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムをＣＰＵが実行することにより、内燃機関６の運転状態に応じて燃料ポンプ３０への通電をオン、オフする。つまり、ＥＣＵ１００は、内燃機関６の運転状態に応じて、燃料ポンプ３０の停止、駆動を切り換える。またＥＣＵ１００は、内燃機関６の始動時から停止時までの間、燃料ポンプ２０への通電をオンする。つまり、ＥＣＵ１００は、燃料ポンプ２０を常時駆動する。

（燃料供給装置１０の作動）
燃料ポンプ２０、３０の運転状態と、燃料供給装置１０が燃料レール２に供給する燃料の圧力との関係について説明する。
前述したように、上流側の燃料ポンプ２０は、内燃機関６の始動時から停止時までＥＣＵ１００から通電をオンされ常時駆動されている。上流側の燃料ポンプ２０が駆動されている状態で、下流側の燃料ポンプ３０への通電がオフされ燃料ポンプ３０が停止している場合、逆止弁２６は燃料ポンプ２０の吐出圧により開弁し、配管２０２の燃料通路を開く。燃料ポンプ２０が吐出する燃料はプレッシャレギュレータ２４により調圧され、逆止弁２６から配管２０２、２１０を通って燃料レール２に供給される。

上流側の燃料ポンプ２０が駆動されている状態で、下流側の燃料ポンプ３０への通電がオンされ燃料ポンプ３０が駆動されている場合、下流側の燃料ポンプ３０は上流側の燃料ポンプ２０が吐出しプレッシャレギュレータ２４により調圧された燃料を配管２００を通して燃料吸入口３１から吸入する。そして燃料ポンプ３０は、燃料吸入口３１から吸入した燃料を昇圧し、燃料吐出口３２から吐出する。燃料ポンプ３０は燃料ポンプ２０が昇圧した燃料をさらに昇圧するので、燃料ポンプ３０が吐出する燃料圧力は燃料ポンプ２０の吐出圧よりも高圧になっている。燃料ポンプ３０が吐出する燃料は、プレッシャレギュレータ３４により調圧される。プレッシャレギュレータ３４の設定圧は、例えばプレッシャレギュレータ３４のスプリング荷重を大きくすることにより、プレッシャレギュレータ２４の設定圧よりも高くなっている。このようにして、燃料ポンプ３０は、燃料ポンプ２０よりも高圧の燃料を配管２１０を通り燃料レール２に供給する。

燃料ポンプ３０から燃料が吐出されると、燃料ポンプ２０と燃料ポンプ３０との吐出圧の差により逆止弁２６が閉弁するので、配管２０２の燃料通路は逆止弁２６により閉じられる。したがって、燃料ポンプ２０が吐出する燃料は配管２１０に供給されない。
次に、図２および図３に示すフローチャートに基づいて、燃料供給装置１０の作動についてさらに説明する。図２は内燃機関６の始動時および運転時の処理を示し、図３は内燃機関６の停止時の処理を示すフローチャートである。図２、図３に示すフローチャートの処理は、具体的にはＥＣＵ１００のＲＯＭに記憶されている制御プログラムをＥＣＵ１００のＣＰＵが実行することにより行われる。

（内燃機関６の始動時および運転時）
図２に示すように、ＥＣＵ１００は、ステップ３００において、検出した内燃機関６の運転状態に応じて、燃料噴射弁４が噴射する燃料の圧力を高圧または低圧のいずれにするかを設定する。例えば、内燃機関６を始動するときに、低温時には燃料噴霧の微粒化を促進するために、高温時には燃料噴霧の微粒化を促進するとともに燃料中にベーパが発生することを防止するために、燃料噴射弁４に供給される燃料の圧力を高圧にすることが望ましい。また、車両の定速走行時のように内燃機関６の負荷が低い場合には、燃料噴射弁４に供給される燃料の圧力は低圧でもよい。

ステップ３０２においてＥＣＵ１００は、設定した燃圧が低圧か高圧かを判定する。燃圧設定が低圧であれば、ステップ３０４においてＥＣＵ１００は、下流側の燃料ポンプ３０の運転状態を判定する。燃圧設定が低圧であり、燃料ポンプ３０への通電がオフされ燃料ポンプ３０が停止している場合、ＥＣＵ１００は、ステップ３００に処理を移行する。一方、燃圧設定が低圧であり、燃料ポンプ３０への通電がオンされ燃料ポンプ３０が駆動されている場合、ＥＣＵ１００は、燃料供給装置１０から燃料レール２に供給する燃料圧力を低圧にするために、ステップ３０６において下流側の燃料ポンプ３０への通電をオフし燃料ポンプ３０を停止させる。そして、ステップ３００に処理を移行する。

燃圧設定が高圧であれば（ステップ３０２）、ＥＣＵ１００は、ステップ３０８において下流側の燃料ポンプ３０の運転状態を判定する。燃圧設定が高圧であり、燃料ポンプ３０への通電がオンされ燃料ポンプ３０が駆動されている場合、ＥＣＵ１００は、ステップ３００に処理を移行する。一方、燃圧設定が高圧であり、燃料ポンプ３０への通電がオフされ燃料ポンプ３０が停止している場合、ＥＣＵ１００は、燃料供給装置１０から燃料レール２に供給する燃料圧力を高圧にするために、ステップ３１０において下流側の燃料ポンプ３０への通電をオンし燃料ポンプ３０を駆動させる。そして、ステップ３００に処理を移行する。

このように、内燃機関６の運転状態に応じて下流側の燃料ポンプ３０への通電をオン、オフすることにより、内燃機関６で高圧燃料が必要なときには下流側の燃料ポンプ３０への通電をオンし、内燃機関６で高圧燃料が不要なときには下流側の燃料ポンプ３０への通電をオフしている。したがって、常時燃料ポンプ２０、３０を駆動する構成に比べ、燃料供給装置１０の電力消費量を低減できる。

また、ＥＣＵ１００は、燃料ポンプ２０、３０に印加する電圧を可変制御するのではなく、燃料ポンプ２０、３０に一定の最大印加電圧を印加する。最大印加電圧は、燃料ポンプ２０、３０の効率をほぼ最適にする電圧値であるから、印加電圧を可変制御する場合に比べ、燃料ポンプ２０、３０の効率が向上する。

（内燃機関６の停止時）
次に、内燃機関６を停止するときの燃料ポンプ２０、３０の停止順序を、図３に基づいて説明する。
ＥＣＵ１００は、ステップ３２０において、内燃機関６を停止するか否かを判定する。内燃機関６を停止する場合、ＥＣＵ１００は、ステップ３２２において下流側の燃料ポンプ３０の運転状態を判定する。

内燃機関６を停止するときに、下流側の燃料ポンプ３０への通電がオンされ燃料ポンプ３０が駆動されている場合、ＥＣＵ１００は、ステップ３２４において燃料ポンプ３０への通電をオフし燃料ポンプ３０を停止させる。燃料ポンプ３０が停止すると、逆止弁２６は燃料ポンプ２０の吐出圧により開弁する。その結果、燃料ポンプ２０の吐出燃料が燃料レール２に供給されるので、燃料レール２内の燃料圧力は低下する。そして、ＥＣＵ１００は、燃料ポンプ３０への通電をオフしてから所定時間待機した後、ステップ３２６において、上流側の燃料ポンプ２０への通電をオフし燃料ポンプ２０を停止させる。

内燃機関６を停止するときに、すでに下流側の燃料ポンプ３０への通電がオフされ燃料ポンプ３０が停止している場合、ＥＣＵ１００は、ステップ３２６に処理を移行し、上流側の燃料ポンプ２０への通電をオフし燃料ポンプ２０を停止させる。
このように、内燃機関６を停止するときに、燃料ポンプ２０、３０の両方が駆動されている場合、上流側の燃料ポンプ２０よりも下流側の燃料ポンプ３０を先に停止させ、燃料レール２に供給する燃料の圧力を低下させることにより、内燃機関６が停止するときに燃料レール２内の燃料圧力が低下する。したがって、内燃機関６の停止中に燃料レール２の高圧燃料のために燃料噴射弁４から燃料が漏れることを防止できる。

また、本実施形態では、下流側の燃料ポンプ３０が駆動されているときに、燃料ポンプ３０よりも上流側の燃料ポンプ２０から燃料レール２に燃料を供給する配管２０２の燃料通路を閉じ、下流側の燃料ポンプ３０が停止しているときに、配管２０２の燃料通路を開く開閉手段として逆止弁２６を採用しているので、開閉手段を簡単な構成で実現できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図４に示す。尚、第１実施形態と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
図４に示す第２実施形態の燃料供給装置１２では、燃料吐出口２２と燃料吸入口３１とが配管２００で接続され、燃料吐出口３２と燃料吸入口４１とが配管２０４で接続されることにより、３個の燃料ポンプ２０、３０、４０がこの順番で上流側から直列に接続されている。燃料ポンプ４０の燃料吐出口４２は、配管２１０に接続されている。逆止弁３６は、配管２０４と配管２１０とを接続する配管２０６に設置されている。逆止弁３６は、配管２０４と配管２１０との差圧に応じて配管２０６の燃料通路を開閉する。プレッシャレギュレータ２４、３４、４４の設定圧は、（プレッシャレギュレータ４４の設定圧）＞（プレッシャレギュレータ３４の設定圧）＞（プレッシャレギュレータ２４の設定圧）となるように設定されている。

最も上流側の燃料ポンプ２０が駆動され下流側の燃料ポンプ３０、４０が停止しているときには、逆止弁２６は開弁し、逆止弁３６は閉弁する。したがって、燃料ポンプ２０が吐出しプレッシャレギュレータ２４により調圧された燃料が燃料レール２に供給される。
また、２個の燃料ポンプ２０、３０が駆動され、最も下流側の燃料ポンプ４０が停止しているときには、逆止弁２６は燃料ポンプ２０と燃料ポンプ３０との吐出圧の差により閉弁し、逆止弁３６は開弁する。したがって、燃料ポンプ３０が吐出しプレッシャレギュレータ３４により調圧された燃料が燃料レール２に供給される。

また、３個の燃料ポンプ２０、３０、４０がすべて駆動されているときには、逆止弁２６、３６は、燃料ポンプ２０、３０と燃料ポンプ４０との吐出圧の差により閉弁する。したがって、燃料ポンプ４０が吐出し、圧力制御手段としてのプレッシャレギュレータ４４により調圧された燃料が燃料レール２に供給される。
内燃機関６が停止するときには、第１実施形態と同様に、最も下流側の燃料ポンプ４０から燃料ポンプ３０、２０の順番に運転を停止することにより、内燃機関６の停止中における燃料レール２の圧力を低下できる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図５に示す。尚、第１実施形態と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
図５に示す燃料供給装置１４では、第１実施形態の構成において、燃料ポンプ３０の燃料吐出口３２の近傍に逆止弁３８を設置している。逆止弁３８は、燃料ポンプ３０から燃料レール２側に燃料が流れるときに開弁し、燃料レール２側から燃料ポンプ３０に燃料が流れるときに閉弁する。これにより、燃料ポンプ３０の気密性が低く、燃料ポンプ３０から僅かに燃料が漏れる場合にも、内燃機関６の停止中において、燃料レール２の燃料が燃料ポンプ３０から漏れて燃料レール２の燃料圧力が低下することを防止できる。燃料ポンプ２０からの漏れは、開閉手段としての逆止弁２６が防止する。

（他の実施形態）
上記実施形態では、２個または３個の燃料ポンプを直列に接続したが、４個以上の燃料ポンプを直列に接続してもよい。
また、上記実施形態では、下流側の燃料ポンプが駆動されているときに、駆動されている燃料ポンプよりも上流側の燃料ポンプから燃料レール２に燃料を供給する配管の燃料通路を閉じ、下流側の燃料ポンプが停止しているときに、停止している燃料ポンプよりも上流側の燃料ポンプから燃料レール２に燃料を供給する配管の燃料通路を開く開閉手段として逆止弁２６、３６を採用したが、他の開閉手段として、三方電磁弁を使用し、ＥＣＵ１００により三方電磁弁を切換制御してもよい。

また、上記実施形態では、各燃料ポンプの吐出圧をプレッシャレギュレータで調圧したが、プレッシャレギュレータで燃料ポンプの吐出圧を調圧せず、燃料ポンプが吐出する燃料をそのまま燃料レール２に供給してもよい。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

第１実施形態による燃料供給装置を示す模式的構成図。 内燃機関の運転状態に応じた下流側の燃料ポンプの駆動制御を示すフローチャート。 内燃機関を停止するときの燃料ポンプの停止順序を示すフローチャート。 第２実施形態による燃料供給装置を示す模式的構成図。 第３実施形態による燃料供給装置を示す模式的構成図。

符号の説明

４：燃料噴射弁、６：内燃機関、１０、１２、１４：燃料供給装置、２０、３０、４０：燃料ポンプ、２１、３１、４１：燃料吸入口、２２、３２、４２：燃料吐出口、２４、３４、４４：プレッシャレギュレータ（圧力制御手段）、２６、３６：逆止弁（開閉手段）、１００：ＥＣＵ（制御手段）

Claims (2)

1. 内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置において、
   互いの燃料吸入口と燃料吐出口とが直列に接続されている複数の電動式の燃料ポンプと、
   複数の前記燃料ポンプのうち、下流側の前記燃料ポンプが停止しているときに前記下流側の前記燃料ポンプよりも上流側の前記燃料ポンプから前記内燃機関に燃料を供給する燃料通路を開き、前記下流側の前記燃料ポンプが駆動されているときに前記燃料通路を閉じる開閉手段と、
   を備え、
   前記開閉手段は、前記下流側の前記燃料ポンプが駆動されているときに、前記下流側の前記燃料ポンプの吐出圧と前記上流側の前記燃料ポンプの吐出圧との差圧により前記燃料通路を閉じる逆止弁である燃料供給装置。
2. 複数の前記燃料ポンプのそれぞれの吐出圧を制御する圧力制御手段をさらに備える請求項１に記載の燃料供給装置。

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