JP6234162B2 - ソレノイド作動入口弁を制御する方法及び装置 - Google Patents

ソレノイド作動入口弁を制御する方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、一般的に燃料ポンプに関し、特にはエンジン騒音を低減するために燃料ポンプのソレノイド作動入口弁を制御する方法及び装置に関する。
直接燃料噴射内燃エンジンは、自動車産業において人気が高まってきた。かかる直接噴射内燃エンジンは、他のタイプの自動車内燃エンジンと対比して、向上した燃費及びエンジン性能を得ている。
直接燃料噴射内燃エンジンにおいて、燃料噴射器は、吸気弁から上流よりもむしろ、エンジンの内燃室に直接開かれる。このように、直接燃料噴射内燃エンジンは、燃焼室への燃料噴射中に内燃室に存在する高圧を克服するために、比較的高い燃料噴射圧力を発生させねばならない。
図1を参照すると、直接噴射エンジンのような、自動車エンジンの従来の先行技術の燃料供給システムが、図式で例示される。燃料供給システム20は、燃料加圧室24を有する燃料ポンプ22を含む。ピストン26は、室24内に相互(相対的に往復運動可能)に取り付けられ、かつエンジン出力軸(図示せず)と同期して回転自在に駆動されるカム28によって相互に駆動される。
燃料タンク30は、入口弁32を介して加圧室24に燃料を提供する。ソレノイド34は、入口弁32と機械的に連結され、かつ通電時に、弁を開放位置に動かし、かつ反対に非通電時に弁32を閉鎖位置に動かす。好ましくはプログラムされたプロセッサを含む弁制御回路36は、ソレノイド34の通電を制御する。
ピストン26の下方ストローク中に、かつ入口弁32が開放位置で、ピストン26は、弁32を介して室24に燃料を導く。反対に、ピストン26の上方行程中に、かつ弁32が閉鎖位置で、ピストン26は、ポンプ室24から一方向出口弁36を介して燃料レール38に燃料を送り出す。
図2は、これら前述の燃料ポンプのタイミング図である。図2に示すように、グラフ40は、上死点(TDC)及び下死点(BDC)位置の間のピストン28の位置を表す。グラフ40の実際の形状は、カム28(図1)の形状に応じて異なるが、一般的にピストン位置のグラフ40は、正弦波形状である。
グラフ42は、ソレノイド34を作動させるための制御回路36からの電圧出力を表す。図2に見られるように、ソレノイド34は、TDC及びBDCの間で通電され、かつBDC及びTDCの間で非通電にされ、レール圧力を維持する。
グラフ44は、閉鎖位置46及び開放位置48の間のポンプ入口弁32の位置を表す。入口弁32の慣性及びソレノイド34に通電又は非通電するために必要な限られた時間が、入口弁32の運動を遅らせるので、入口弁32の位置を表すグラフ44は、ソレノイド34の作動グラフ42の後を正確に辿らない。従って、50に例示したような弁の開放は、グラフ42に示したステップよりも遙かに緩やかである。同様に、52に示すような弁の閉鎖は、ソレノイド34の非通電に続く有限期間にわたって徐々に先細になる。
なおも図2を参照すると、グラフ54は、ポンプ室24内の圧力を表す。入口弁32が開放している間、ポンプ室24内の圧力は、比較的一定の、かつフィード圧と同じ状態に留まる。しかしながら、弁32の閉鎖中に、弁32の閉鎖がポンプ室24から燃料タンク30への燃料の戻りを加速させるので、燃料室24内の圧力は、56に示すように低い値に急速に下降する。次に入口弁32が閉鎖した後、ピストン26の上方ストロークは、ポンプ室24内の圧力を58に示す高い値に急速に上昇させる。
その後、一方向出口弁36の開放は、60に示すように、ポンプ室24内のわずかな圧力低減を直ちに引き起こす。しかしながらピストン26の連続した上方ストロークは、62に示すように燃料室24圧力を最大値に上昇させ続ける。次にピストン26の下方ストロークと連結した1つ以上の燃料噴射器の開放は、64に示すように、ポンプ室24圧力を低点に急速に減少させ、その後直ちに上記プロセスが繰り返される。
グラフ66は、時間に応じた燃料レール38内の圧力を表す。
直接噴射エンジンの一つの不都合な点は、燃料ポンプが特に低いエンジン速度で比較的騒がしいことである。この騒音のかなりの部分は、入口弁32の開閉、及び56及び58に示す、結果として生じる圧力スイングに起因する。これらの急激な圧力変動は、圧力衝撃及びエンジン騒音をもたらす。
本発明の目的は、燃料入口弁の運動に起因するエンジン騒音を低減させる燃料ポンプ室へのソレノイド作動入口弁のアクチュエータを制御する方法及び装置の両方を提供することにある。
燃料ポンプは、ピストンが燃料ポンプ室内に相互に取り付けられ、かつカム軸によって相互に駆動される、図1に示すような燃料ポンプを利用する。燃料入口弁は、燃料タンク及び燃料ポンプ室の間に流動的に位置決めされる。この弁は、通電時に弁を開放位置に動かし、かつ非通電時に閉鎖位置に動かすソレノイドによって制御される。
第1の実施態様において、ソレノイドの非通電に続き、かつ弁がその開放から閉鎖位置に向かって動く間、ソレノイドの制御回路は、短い電圧パルスを発生させる。この短い電圧パルスは、弁の閉鎖を効果的に減速し、それにより弁が閉鎖する際の弁の機械騒音を低減する。弁が閉鎖する間、減速するので、急速に閉鎖する弁の圧力衝撃、及びその付随する騒音に起因する騒音は、同様に低減される。
更なる修正において、圧力衝撃センサが、ポンプに付けられる。この圧力衝撃センサは、弁閉鎖によって引き起こされる圧力衝撃の大きさを表すソレノイドの制御回路への出力信号を発生させる。ソレノイドの制御回路は、次に圧力衝撃センサからの出力を利用し、ソレノイドの非通電に続く、かつ弁閉鎖期間中のソレノイドへの電圧パルスの開始だけでなく、終了も計算する。
更にもう1つの実施態様において、抵抗コンデンサ(RC)回路が、ソレノイドの入力端子に電気的に接続される。抵抗コンデンサ回路はこのようにして、ソレノイドコイルに加えられる、又はソレノイドコイルから取り除かれる電圧を弱める。このことは、次にはRC定数に応じて弁開放時間及び弁閉鎖時間の両方の減速をもたらす。この減速は、次には弁閉鎖並びに弁開放の両方の間に弁からの全体的圧力衝撃を低減させる。
更なる修正として、可変抵抗器が、抵抗コンデンサ回路網内の抵抗器に代わる。抵抗器、及びそれ故にRC定数の大きさは、エンジン速度及び燃料圧力に応じて変動し、かつ制御回路によって制御される。
以下の詳細な説明を参照すれば、添付図面と併せて読まれる時により良い理解が得られるであろう。同様の参照文字は、幾つもの図にわたり、同様の部品を指し示す。
自動車の内燃エンジンの先行技術の燃料ポンプシステムを例示する図表である。 燃料供給システムの動作を例示するタイミング図である。 自動車の内燃エンジンの燃料システムの第1実施態様を例示する図である。 図3の燃料システムの燃料システムタイミングを例示するタイミング図である。 図3に類似するが、その修正を例示する図である。 図5の燃料システムの動作を例示するフローチャートである。 更なる実施態様をなおも例示する燃料システムの図表である。 図7の燃料システムの一部の概略図である。 図7の燃料システムのタイミング図である。 図8の修正を例示する概略図である。 可変抵抗器を例示する略図である。 デューティ比対上昇時間を例示するグラフである。 図10の実施態様の動作を例示するフローチャートである。
最初に図3を参照すると、代表的な燃料ポンプシステム100が、例示される。前述のシステムと同様、燃料システム100は、ポート105及び燃料入口弁104を介してポンプ室106に流体接続される燃料タンク102を含む。ピストン108は、エンジンクランク軸又は出力軸(図示せず)と同期して回転する回転カム110によってポンプ室内で相互(相対的)に駆動される。
プログラムされたプロセッサを好ましくは含んだ電子制御回路112は、入口弁104に機械的に接続されたソレノイド116の入力端子114に電気的に接続される。ソレノイド116を通電すると、ソレノイドが、弁を開放位置に動かす。反対に、ソレノイド116を非通電にすると、ばね118が、弁104を閉鎖位置に戻す。その上、一方向出口弁120は、ポンプ室106を自動車の内燃エンジンの燃料レール122に流体接続する。
燃料システム100の動作中、カム110は、エンジンによって回転自在に駆動され、エンジンは、次にはポンプ室106内でピストン108を相互に駆動する。ピストン108の下降ストローク中に、かつ弁104が開放位置で、ピストン108は、弁口105を介してポンプ室106に燃料を導く。反対に、弁104を閉鎖すると、かつピストン108の上昇ストローク中に、ピストン108は、出口弁120を介して燃料レール122に燃料を送り出す。
ここで図4a〜図4eを参照すると、燃料ポンプシステムのタイミンググラフが、例示される。具体的には、図4aのグラフ130は、プランジャの上死点位置及び下死点位置の間のピストン108の運動を表す。図4aによって表されるようなプランジャの位置は、図2のグラフ40に示したそれと実質的に同一である。
図4bにおいて、グラフ132は、制御回路112によってソレノイド116に加えられる電圧を表す。弁の通電は、時間tで起こり、その時点で電圧がソレノイド116に加えられ、かつ弁開放の開始が始まる。時間tで、ソレノイド116は、ソレノイド116から電圧を取り除くことによって非通電にされる。しかしながら前述の燃料システムと異なり、時間tでのソレノイド116の非通電に続き、かつ弁104の閉鎖中に、電子制御回路112は、バックパルス134を発生させる。このバックパルス134は、弁104の閉鎖を効果的に減速する。従って、図4cにおけるグラフ136によって示すように、バックパルス134によって引き起こされた弁閉鎖の減速により、図4cにおける部分138によって示すように、ポンプ入口弁の移動が閉鎖位置に更にゆっくりと先細りすることになる。この減速は、ハウジングに接触する時に弁142によって与えられる衝撃を低減するだけでなく、ハウジングに対する弁104の衝突によって引き起こされる機械騒音も低減する。
図4dに示したポンプ室圧力グラフ140は、時間tの直後の入口弁閉鎖の減速の正味の影響を明らかにする。更に具体的には、ポンプ室圧力は、時間144で圧力ピークが後に続く、時間142で圧力衝撃を受けないが、時間142での低いポンプ圧及び時間144でのポンプ圧の間の大きさは、バックパルス134のない、図2に示すような時間56及び58の間の圧力スイングよりも遙かに小さい。更には、図4eにおけるレール圧力のグラフ146に対する全体的な影響は、あったとしても、図2におけるグラフ66と比較すると取るに足りない。このことは、ポンプの全体的性能に劣化がないことを明らかにする。
従って、閉鎖中に弁を減速するバックパルス134を提供することによって、エンジン騒音の実質的な低減が、燃料ポンプ性能のいかなる劣化もなしに達成されることが分かる。
ここで図5を参照すると、燃料システム100’に関する修正が示される。図5に例示された燃料システム100’は、図3に例示された燃料システムに類似しており、かつ同様の参照数字が、図3及び図5両方における同様の部品を指し示す。それ故に、図3における燃料システム100の全体的な説明が、図5にも同様に適用され、かつ繰り返されない。
しかしながら、図5は、圧力衝撃センサ150が、いずれかの従来の方法でポンプシステムに機械的に付けられることにおいて図3と異なる。例えば、圧力衝撃センサは、ソレノイド116、弁ハウジング105、又はポンプ室106にも取り付けることができ、燃料システムによって引き起こされた圧力衝撃を検出する。圧力衝撃センサ150は、圧力衝撃を表す出力信号を発生させ、かつこの信号は、ソレノイドコネクタ152を介して制御回路112に戻って電気的に接続される。図5において、圧力衝撃の出力信号は、衝撃センサ150からECU112に独立した信号線153を介して転送される。このために、コネクタ152は、2本がソレノイド116用、かつ1本が衝撃センサ150からの衝撃信号用とする3本のリード線を有しても良い。しかし、これら3本の線は、1又は2本の線にまとめても良い。
圧力衝撃センサ150の使用は、ソレノイド116用の制御回路112が、バックパルス134の開始時間、すなわち時間t(図4)でのソレノイドの非通電に続くバックパルス134の開始の遅延だけでなく、最大のエンジン効率又は最高の騒音低減のためにバックパルスの持続時間も更に正確に計算することを可能にする。バックパルス134の開始及び幅の計算は、衝撃センサ150からの衝撃信号の大きさ、及び燃料ポンプシステム100’の出口での燃料圧力にも応じて変動する。
ここで図6を参照すると、圧力衝撃センサの動作を例示するフォローチャートが示される。このフローチャートは、概して制御回路112内に含まれるマイクロプロセッサによって実行される。プログラムは、最初にステップ154から始まり、次にステップ156に進む。
ステップ156で、制御回路112、概してエンジン用のエンジン制御装置(ECU)は、衝撃センサ150だけでなく、別個の燃料圧力センサ155(図5)からの信号も読み取る。一旦これらの値が得られると、プログラムは、ステップ160に進む。
ステップ160で、プログラムは、ソレノイド116を通電するために使用されるパルス幅変調が停止された後に、衝撃信号の第1最大ピーク値から衝撃強度及び衝撃タイミングを計算する。概して、必要な計算を簡略化するために、ルックアップテーブルがステップ160で使用される。ステップ160は、次にステップ162に進む。
ステップ162で、バックパルス134のパルス幅は、燃料圧力センサ155から決定される燃料圧力の勾配変化から決定される。ステップ162は、次にステップ164に進み、そこでバックパルスの終了タイミングは、次式:
終了タイミング=(衝撃タイミング+圧力タイミング)/2
に従って決定される。ステップ164は、次にステップ166に進む。ステップ166で、プログラムは、衝撃強度を最小限に抑えるために、バックパルスの遅延、すなわちソレノイドコイルの非通電に続く遅延を決定する。この場合も、いずれかの所望の計算を簡略化するために、ルックアップテーブルが使用できる。ステップ166は、次にステップ168に進み、そこでプログラムが終結する。
ここで図7を参照すると、なおも更なる実施態様が示される。図7は、前述の図3に類似しており、かつ図7における同様の参照文字は、図3における同様の部品を指し示す。それ故に、図3の説明が、参照によって組み込まれ、かつ繰り返されない。
前述の実施態様と異なり、図7に示した実施態様は、弁104の閉鎖を減速するためにバックパルスを利用しない。その代わりに、受動上昇時間コントローラ170が、ソレノイド端子104に接続され、弁104の閉鎖を減速し、かつ従って燃料ポンプによって引き大される弁騒音を低下させる。図7において、上昇時間制御信号は、ECU112から受動上昇時間コントローラ170に独立した信号線173を介して転送される。このために、コネクタ152は、2本がソレノイド116用、かつ1本がECU112からの上昇時間制御信号用とする3本のリード線を有しても良い。しかし、これら3本の線は、1又は2本の線にまとめても良い。
一つの代表的な上昇時間コントローラが、ソレノイド端子114を通して、互いに直列に接続される抵抗器172及びコンデンサ174を含むとして、図8に例示される。RC直列要素が、ソレノイド端子114に接続され、ソレノイドを通電すると、電圧は、コンデンサ174及び抵抗器172の両方の値によって決まる速度で電源の電圧まで指数関数的に上昇する。
ここで図9a〜図9eを参照すると、図7の全体的な燃料システムのタイミングチャートが示される。具体的には、図9Aにおけるグラフ180は、図Eのプランジャ位置グラフ4及び図2の40に同様に対応する、プランジャ位置の位置を表す。
図9Bにおけるグラフ182は、電圧端子を通した電圧を表し、かつ以前と同様にソレノイドコイルが時間T1で非通電にされる。しかしながら、グラフ182の部分184に示すように、ソレノイドコイルの非通電後、ソレノイドコイル端子114を通る電圧は、184に示すようにゆっくりと又は指数関数的に減少する。ソレノイド電圧のこの指数関数的減少は、コンデンサ174の放電により引き起こされ、かつ所望の方法で弁104の閉鎖を効果的に減速することに役立つ。
その上、コンデンサ174は、当初制御回路114を一回充電し、ソレノイドコイルに通電するので、ソレノイドの通電に続くtでの上昇時間は、186に示すように指数関数的に起こる。時間tでの通電に続くソレノイドへの電圧出力の段階的上昇は、同様にポンプ騒音を低減する。
図9Cにおけるグラフ190は、それぞれ時間t及びtでの更に緩やかな上下を有する吸気弁104の位置を例示する。このことは、次には図9Dにポンプ圧力出力グラフ192を提供し、図9Dにおいて時間194での低圧、及び時間196での高圧の圧力衝撃の間の大きさは、RC回路網170なしよりも遙かに小さい。50での入口弁移動グラフ190は、図9Cにおいて191に示すように、更に緩やかな上昇を示す。
ここで図10を参照すると、RC回路網170が可変抵抗器202と固定コンデンサ204とを有するRC回路網200に代えられることを除き、図7に示したシステムと本質的に同一である、なおも更なる修正が示される。以前と同様に、RC回路網200は、ソレノイドコイル116の端子114の間に電気的に接続される。
ここで図11を参照すると、2つの抵抗器206及び208が、互いに並列に、かつコンデンサ204と直列に接続される、可変抵抗器202を実装する1つの方法が例示される。しかしながら、1つの抵抗器206は、電界効果トランジスタ(FET)のような、スイッチ210と直列に接続される。スイッチ210への入力は、パルス幅変調(PWM)によるような、いかなる適切な方法によっても制御でき、かつデューティサイクルに応じて、全体的な可変抵抗器202の抵抗を効果的に変動させる。
スイッチ210のパルス幅変調の影響は、図12に例示される。例えば、ゼロデューティサイクルを有するパルス幅変調を想定すると、抵抗器206は、上昇時間が、秒で2.197R208 Cに等しいように、可変抵抗器202から効果的に取り除かれる。反対に、100%デューティサイクルで、スイッチ210のデューティサイクルに応じた上昇時間のグラフ220によって示されるように、抵抗器206は、抵抗器208と直列に効果的に接続される。このように、可変抵抗器202の全体的な抵抗は、2.197R206208/(R206+R208)Cに等しい。従って、RC回路200の上昇時間は、スイッチ210のデューティサイクル又はパルス幅変調を変動させることによって変動させ得るので、ソレノイドに加えられる電圧の上昇時間、並びに非通電時にソレノイド内に存在する電圧の減衰時間は、最小エンジン雑音のために制御できる。
ここで図13を参照すると、スイッチ210の所望のデューティサイクルを決定するための制御回路又はECUによって実行されるフローチャートが例示される。ルーチンは、ステップ222から始まり、次にステップ224に進む。
ステップ224で、制御回路112は、エンジンRPM(毎分回転数)並びに燃料圧力センサ155からの燃料圧力の両方の値を得る。ステップ224は次に、ステップ226に進む。
ステップ226で、制御回路112は、デューティサイクルを計算して、エンジンRPM及び燃料圧力の両方に応じてエンジン騒音を最小限に抑える。ルックアップテーブルを使用し得るステップ226は次に、スイッチ210のパルス幅変調を制御し、それ故にソレノイド端子114に対する電圧の上昇時間及び減衰時間を変動させるために使用できる。
以上のことから、本発明が、燃料ポンプ性能を劣化させずに燃料ポンプ騒音を最小限に抑えるために、燃料ポンプ入口弁の閉鎖を減速する、簡易で、なおかつ効果的な機構を提供することが分かる。しかしながら、我々の発明を記載したので、それに対する多くの修正が、添付した請求項の範囲によって定義される本発明の精神から逸脱せずに、関連する技術分野における当業者に明白になるであろう。
100 燃料ポンプ
102 燃料タンク
104 入口弁
105 ポート
106 ポンプ室
108 ピストン
110 回転カム
112 電子制御回路
114 入力端子
116 ソレノイド
118 ばね
120 出口弁
122 燃料レール
150 圧力衝撃センサ
155 燃料圧力センサ
170 受動上昇時間コントローラ

Claims (13)

  1. 燃料ポンプのポンプ室内に相対運動可能に取り付けられたピストンを有する燃料ポンプのポンプ室へのソレノイド作動入口弁を制御する方法であって、
    前記ピストンの往復運動中に前記ソレノイド作動入口弁の入口弁を開放するために前記ソレノイド作動入口弁のソレノイドに通電するステップと、
    その後に、前記ピストンの往復運動中に前記入口弁の閉鎖を開始するために前記ソレノイドを非通電にする非通電ステップと、
    前記ソレノイドの非通電に続き前記入口弁の閉鎖を減速する減速ステップと
    を含み、
    前記減速ステップは、前記非通電ステップの後に、かつ前記入口弁の閉鎖動作中に、電圧パルスによって前記ソレノイドに再度通電するステップを含み、
    前記非通電ステップの時間間隔が前記電圧パルスのパルス幅よりも短くなるように前記ソレノイドに再度通電される方法。
  2. 前記ソレノイドの機械的衝撃信号を測定するステップと、
    前記機械的衝撃信号に応じて、前記電圧パルスの開始及び停止タイミングを決定するステップとを更に含む請求項に記載の方法。
  3. 前記燃料ポンプから出力後に燃料圧力を測定するステップと、
    前記燃料圧力に応じて、前記電圧パルスの開始及び停止タイミングを決定するステップとを更に含む請求項に記載の方法。
  4. 前記ソレノイドの機械的衝撃信号を測定するステップと、
    前記燃料ポンプから出力後に燃料圧力を測定するステップと、
    前記機械的衝撃信号及び前記燃料圧力に応じて、前記電圧パルスの開始及び停止タイミングを決定するステップとを更に含む請求項に記載の方法。
  5. 前記減速ステップが、前記ソレノイドの通電端子を通して抵抗コンデンサ回路網を接続するステップを含む請求項1に記載の方法。
  6. 前記抵抗コンデンサ回路網を構成する抵抗器及びコンデンサが、前記ソレノイドの前記通電端子の間に直列に接続される請求項に記載の方法。
  7. 前記抵抗コンデンサ回路網を構成する抵抗器が可変抵抗器であり、かつ前記燃料ポンプの出口後の燃料圧力及びポンプピストンの速度に応じて、前記抵抗器の値を変動させるステップを含む請求項に記載の方法。
  8. 燃料ポンプのポンプ室内に相対運動可能に取り付けられたピストンを有する燃料ポンプのポンプ室へのソレノイド作動入口弁を制御する装置であって、
    前記ピストンの往復運動中に前記ソレノイド作動入口弁の入口弁を開放するために前記ソレノイド作動入口弁のソレノイドに通電し、
    前記ピストンの往復運動中に前記入口弁の閉鎖を開始するために前記ソレノイドを非通電にし、かつ
    前記ソレノイドの非通電に続き前記入口弁の閉鎖を減速する出力信号を発生させるように構成されるコントローラを含み、
    前記コントローラは、前記入口弁の閉鎖動作の開始後に電圧パルスによって前記ソレノイドに再度通電する信号を出力することによって前記入口弁の閉鎖を減速するように構成され、
    前記非通電の時間間隔が前記電圧パルスのパルス幅よりも短くなるように前記ソレノイドに再度通電される装置。
  9. 前記ソレノイドの機械的衝撃を表す機械的衝撃信号を出力するように構成される衝撃センサを更に含み、かつ
    前記コントローラが、前記機械的衝撃信号に応じて、前記電圧パルスの開始及び停止タイミングを決定するように更に構成される請求項に記載の装置。
  10. 前記ソレノイドの機械的衝撃を表す機械的衝撃信号を出力するように構成される衝撃センサと、
    前記燃料ポンプの出口で燃料圧力を表す燃料圧力信号を出力するように構成される燃料圧力センサとを更に含み、かつ
    前記コントローラが、前記機械的衝撃信号及び前記燃料圧力信号に応じて、前記電圧パルスの開始及び停止タイミングを決定するように更に構成される請求項に記載の装置。
  11. 前記コントローラが、前記ソレノイドの通電端子を通して電気的に接続される抵抗コンデンサ回路網を含む請求項に記載の装置。
  12. 前記抵抗コンデンサ回路網を構成する抵抗器及びコンデンサが、前記ソレノイドの前記通電端子の間に直列に接続される請求項11に記載の装置。
  13. 前記抵抗コンデンサ回路網を構成する抵抗器が、可変抵抗器であり、かつ前記コントローラが、前記燃料ポンプの出口での燃料圧力及びポンプピストンの速度に応じて、前記抵抗器の値を変動させる請求項11に記載の装置。
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