JPS63117147A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

〔従来の技術〕

ディーゼルエンジンの燃料噴射装置は従来から燃料噴射
ポンプと燃料噴射弁とを含み、燃料噴射ポンプが所定の
タイミングで燃料を加圧して特定のデリバリポートから
供給し、そのデリバリポートに連結された燃料噴射弁が
その燃料の圧力で自動的に開弁して機関シリンダに燃料
を高圧で噴射するようになっている。このように従来の
燃料噴射装置は燃料噴射装置が燃料の加圧と燃料噴射時
期の双方の作用を行うものであった。燃料噴射量や燃料
噴射時期は燃料噴射ポンプの機械的な作動により制御さ
れていたために、燃料噴射量や燃料噴射時期を機関作動
状態に応じて細かく変化させるような精密な制御ができ
ず、必ずしも満足できる装置とは言えなかった。

これを改善するためにコモンレールシステムと呼ばれる
燃料噴射装置が提案されている。このような燃料噴射装
置は例えば特開昭５７−６８５８２号公報に記載されて
いる。この燃料噴射装置では、燃料ポンプが燃料を高圧
で供給するだけの機能を有し、この燃料ポンプから供給
された高圧燃料は蓄圧器に保持され、この蓄圧器から各
燃料噴射弁に分配されるようにしたものである。そして
、蓄圧器と各燃料噴射弁との間に回転式制御弁が配置さ
れ、これが燃料噴射時期を制御するようになっている。

また、燃料噴射ポンプはコントロールラックを備えた可
変容量式のものであり、蓄圧器内の燃料の圧力が機関作
動状態に応じて定められた目標燃料圧になるように吐出
量を調節されるようになっている。蓄圧器内の燃料の圧
力を目標燃料圧にフィードバック制御するために、蓄圧
器には圧力センサが取りつけられている。このような装
置によって、燃料噴射圧や燃料噴射時期等が最適に制御
でき、燃費や騒音の低下を達成できるようになっている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記公報に記載されているように可変容量式の燃料ポン
プを用いて燃料を供給すれば蓄圧器内の燃料の圧力を自
在に制御でき、機関高負荷時には短時間のうちに高圧で
多量の燃料を噴射し、低負荷時には長い時間をかけて少
量の燃料を少量ずつ噴射することができる。このように
燃料ポンプの吐出量を制御することによって燃料噴射圧
を制御することは、所望の燃料噴射パターンを得ること
ができるばかりでなく、機関低負荷時にはロスなく燃料
ポンプ自体の負荷をも低下することができるので、かな
り有利である。しかしながら、このような装置には機関
運転の過渡時に問題があった。

例えば、加速時には、燃料は低圧状態から高圧状態に移
行しながら供給されなければならないが、このときに燃
料ポンプの吐出量が実際に燃料噴射弁で消費される燃料
量に追従できずに、高圧状態になるのに遅れを生じる。

また、逆に急減速時には、燃料は高圧状態から低圧状態
に移行されなければならないが、このときには燃料の消
費が少ないので減圧に遅れを生じる。自動車の走行では
かなりの部分が過渡状態を占めるため、燃料の圧力が目
標値から外れる割合がおおくなる。これらのうちで、減
速時の燃料の減圧の遅れは、過剰の燃料が噴射されるこ
とを意味し、スモークの発生等の原因になり、是非解決
しなければならない問題である。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、本発明による内燃機関の
燃料噴射制御装置は、燃料タンクと燃料噴射弁との間に
可変容量燃料ポンプと該可変容量燃料ポンプから供給さ
れた燃料を保持するための一定の容積の燃料蓄圧器とを
配置し、且つ機関作動状態に応じて目標燃料圧を定める
手段と前記蓄圧器の燃料の圧力を検出する圧力センサと
を設けて検出された燃料圧が目標燃料圧に対応するよう
に前記可変容量燃料ポンプの吐出量を制御するとともに
、前記蓄圧器に燃料溢流通路を連結してそこに電磁弁を
配置し、検出された燃料圧が目標燃料圧よりも所定値以
上大きくなったときに、前記可変容量燃料ポンプの吐出
量を最低にするとともに前記電磁弁を開くようにしたこ
とを特徴とするものである。

〔実施例〕

第１図は過給機１０を備えたディーゼル機関本体１２を
示し、機関本体１２は第２図に示されるように公知のよ
うにシリンダブロック１４とシリンダヘッド１６により
形成されたシリンダにピストン１８が挿入されているも
のである。燃焼室２０はピストン１８の頂面に形成され
たキャビティにより形成されている。過給機１ｏには吸
気マニホールド２２が連結され、その各枝管がシリンダ
ヘッド１６の吸気ボート２４に連通される。吸気ボート
２４には吸気弁２６が配置され、一方、排気ボート２８
には排気弁３ｏが配置される。ディーゼル機関では、燃
料噴射弁３２が燃焼室２゜に直接向くようにシリンダヘ
ッド１６に取りつけられる。

第１図に示されるように、燃料タンク３４と燃料噴射弁
３２との間には、可変容量燃料ポンプ３６と、この可変
容量燃料ポンプ３６がら供給された燃料を保持するため
の一定の容積の燃料蓄圧器３８とが配置される。尚°、
実施例においては可変容量燃料ポンプ３６の手前にフィ
ードポンプ４０が配置されている。燃料蓄圧器３８は各
燃料噴射弁３２に対して共通であり、バイブ４２によっ
てそれぞれに連結されている。各燃料噴射弁３２からは
リターンバイブ４４が燃料タンク３４に延びる。さらに
、燃料蓄圧器３８と燃料タンク３４とを連結して燃料溢
流バイブ４６が設けられ、この燃料溢流バイブ４６の途
中には電磁弁４８が配置される。

燃料噴射弁３２、可変容量燃料ポンプ３６、及び電磁弁
４８は制御装置（ＥＣＵ）５０により制御される。制御
装置５０はマイクロコンピュータとシテ構成され、第３
図に示されるように、演算と制御の機能を有する中央処
理装置（ＣＰＵ）　５２と、プログラムを記憶させたリ
ードオンリメモリ（ＲＯＭ）　５４と、データ等を記憶
させるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）　５６とを備
え、これらはバス５８によって相互に接続されるととも
に、入出力インターフェース６０を介して、各センサか
らの検出値が入力されるとともに、燃料噴射弁３２、可
変容量燃料ポンプ３６、及び電磁弁４８に制御信号が出
力される。機関の作動状態を検出するセンサは、機関の
負荷を検出するためにアクセルペダルの開度を検出する
負荷センサ６２、クランクシャフトの回転数を検出する
回転数センサ６４、及び燃料蓄圧器３８内の燃料の圧力
を検出する圧力センサ６６が特に重要である。その他の
センサ、例えば、水温センサ６８や過給圧センサ７０を
設けることもできる。

第４図は燃料噴射弁３２の詳細図である。燃料噴射弁３
２は弁本体７２とノズル本体７４とを有し、これらはノ
ズルホルダ７６によって一体化される。ノズル本体７４
にはニードル弁７８が挿入され、先端の噴口８０を開閉
可能になっている。

弁本体７２の上端部には燃料人口８２が形成され、この
燃料人口８２は弁本体７２の中心を通るボア８４に通じ
るとともに、ボア８４と平行に延びる燃料通路８６に通
じている。燃料通路８６はノズル本体７４の環状燃料溜
まり８６ａに通じ、そこでニードル弁７８のテーパ一部
７８ａに作用してニードル弁７８を持ち上げる力を及ぼ
すとともに先端の噴口８０にも通じるようになっている
。また、ニードル弁７８の頂部にはプレッシャビン８８
が当接し、プレッシャピン８８はスフ゛リング９０によ
ってニードル弁７８が閉弁する方向に付勢されている。

弁本体７２の中心を通るボア８４には制御ロッド９２が
挿入され、制御ロッド９２はその上方から供給された燃
料の圧力を受けるとともに、その下端がプレッシャビン
８８に当接している。従って、ニードル弁７８は、その
上方から供給された燃料の圧力とスプリング９０の圧力
とによる下向き力を受け、その下方からはテーパー７８
ａに作用する燃料の圧力による上向き力を受けるが、下
向き力の方が大きいので、ニードル弁７８は通常は閉弁
している。ニードル弁７８が開弁するのは制御ロッド９
２を介して伝えられる下向きの燃料の圧力がなくなった
ときである。このために、弁本体７２にはボア８４と直
交する通路９４が設けられ、この通路９４で発生した圧
力が制御ロッド９２のテーパ一部９２ａに作用するよう
になっている。さらに、この通路９４の延長としてシリ
ンダボア９６が形成され、このシリンダボア９６には制
御ピストン９８が配置される。制御ピストン９８の後方
にはアクチュエータケース１ｏｏが取りつけられ、その
中には積層体からなるピエゾアクチュエータ１０２が挿
入されている。ピエゾアクチュエータ１０２は電歪素子
からなり、供給された電圧に比例したひずみをしめすも
のである。従って、ピエゾアクチュエータ１０２に電圧
を供給することによってそれが伸長し、よって制御ピス
トン９８を押して通路９４の体積を圧縮し、よって制御
ロッド９２を持上げる圧力を生成する。ピエゾアクチュ
エータ１０２の供給電圧がなくなるとそれが縮退し、リ
ターンスプリング１０４によって元の位置に戻される。

従って、ピエゾアクチュエータ１０２に電圧を供給する
ことによってニードル弁７８が開弁じて燃料噴射が行わ
れ、ピエゾアクチュエータ１０２の電圧供給を停止する
ことによって燃料噴射が終了する。尚、燃料噴射弁３２
の燃料入口８２には、燃料ポンプ３６から供給され、燃
料蓄圧器３８内に保持されていた高圧の燃料が常時供給
されている。また、通路９４にはボア８４及び環状燃料
溜まり８６ａの燃料のリークがあり、よって通路９４に
は常時燃料が充填されている。また、制御ピストン９８
には、第５図に示されるように、その前後を貫通する小
孔１０８が設けられ、燃料がアクチュエータケース１０
０内に流入してピエゾアクチュエータ１０２を冷却する
ことができるようになっている。小孔１０８の前端には
逆止弁１０日が配置され、制御ピストン９８の前方加圧
ストロークでのリークを防止している。

第６図はラジアルプランジャポンプにより構成した可変
容量燃料ポンプ３６の詳細な一例を示す図である。この
可変容量燃料ポンプ３６はポンプケーシング１１０と、
ポンプケーシング１１０に固定された中心軸１１２と、
固定中心軸１１２の周りで回転可能なロータ１１４と、
ロータ１１４に放射状に且つ摺動可能に支持された複数
のプランジャ１１６と、プランジャ１１６の先端に取り
つけられたシュー１１６ａと、シュー１１６ａを内接さ
せるリング１１８と、リング１１８をベアリング１１９
により回転可能に支持するステータ１２０とから構成さ
れる。ステータ１２０は１本のピボットピン１２２によ
って旋回可能に支持されており、直径方向対向部にはア
ーム１２４を有している。このアーム１２４は制御レバ
ー１２６の傾斜溝１２８に挿入されており、制御レバー
１２６を軸線方向に駆動することによって、ステータ１
２０がピボットビン１２２のまわりで旋回するようにな
る。これは、ロータ１１４の軸線とステータ１２０の軸
線との偏心の程度が変化することを意味し、それによっ
てポンプの容量が変化せしめられる。即ち、ポンプ作用
は、プランジャ１１６の内端部に形成されるポンプ作動
空間１３０をプランジャ１１６が圧縮することによって
行われ、前述したロータ１１４の軸線とステータ１２０
の軸線との偏心の程度の変化は同ポンプ作動空間１３０
の有効容積を変化させることになるからである。このよ
うに、制御レバー１２６によって容量制御が可能である
。

尚、この作動空間１３０は固定中心軸１１２の直径方向
で対向するように軸線方向に延びる吸入ポート１３２と
吐出ボート１３４に交互に出会うようになっている。

第７図はアキシャルプランジャポンプにより構成した可
変容量燃料ポンプ３６の一例を示す図である。これは回
転可能なシリンダブロック１３６内に円周上に配置され
たピストン１３８と、シリンダブロック１３６の端部を
閉じるように配置された固定の弁板１４０と、シリンダ
ブロック１３６の軸線に対して傾斜した斜板１４２とか
らなり、弁板１４０には半円周ずつの吸入及び吐出：ａ
（図示せず）が設けられたものである。斜板１４２の傾
斜角度は制御レバー１４４により変えられることができ
、それによって容量制御ができる。そして、制御レバー
１２６、または１４４はステップモータ等の適切なアク
チュエータによって電気的に制御されることができる。

このように、本発明においては、燃料噴射弁３２、燃料
ポンプ３６、及び電磁弁４８が電気的に制御可能であり
、その制御は第３図に示したコンビ二−タ制御装Ｒ５０
によって実行されるものである。第８図は燃料噴射弁３
２の制御のためのフローチャートであり、ステップ１５
０において、機関負荷及び回転数に基づいて燃料噴射量
の計算を行う、燃料噴射量（Ｔ）は第９図に示されるよ
うにマツプとしてＲＯＭ　５４内に記憶しておくことが
できる。次にステップ１５１において、燃料噴射開始時
期の計算を行う。次いでステップ１５２において、計算
された燃料噴射量と燃料蓄圧器３Ｂ内の圧力に応じた燃
料噴射期間を計算する。この燃料噴射期間も燃料噴射量
と圧力との関数として記憶されている。この燃料噴射期
間は機関作動条件が同じであれば燃料の圧力が高いほど
短くなる。かくして、ステップ１５３において、燃料噴
射開始時期と噴射期間とから噴射終了時期を計算する。

前述したように、ステップ１５１において計算された燃
料噴射開始時期がくると燃料噴射弁３２のピエゾアクチ
ュエータ１０２に通電され、ステップ１５３において計
算された噴射終了時期がくると通電が停止される。尚、
燃料噴射時期の計算に際しては水温等による補正を行う
ことができる。

第１１図は燃料の圧力を制御するための燃料ポンプ３６
及び電磁弁４８の制御フローチャートである。ステップ
１６０において機関作動状態をあられす機関回転数Ｎｅ
ｓ機関負荷Ｑ、及び燃料蓄圧器３８の燃料の圧力Ｐ、Ｉ
を読む。燃料蓄圧器３８の燃料の圧力Ｐ、は圧力センサ
６６によって検出されたものであり、以後これを実圧力
Ｐ、と呼ぶ。

次に、ステップ１６２　、１６３において燃料ポンプ３
６の基本容量制御値Ｒ８及び目標燃料圧Ｐをそれぞれ機
関回転数Ｎｅ及び機関負荷Ｑの関数として計算する。こ
れらは例えば第１０図に示すようにマツプとしてＲＯＭ
　５４に記憶してお（ことができる。続いてステップ１
６３において、目標圧力Ｐと実圧力ＰＲの差圧ΔＰを計
算する。さらにステップ１６４において、差圧ΔＰの絶
対値が第１の所定値に、よりも大きいかどうかを判定す
る。

ここで、第１２図を参照して燃料の圧力の変化について
説明する。第１０図は時間ａからｄの間で加速があり、
時間ｄからｅの間定常走行を行い、時間ｅからｈの間で
減速があると仮定して示されている。目標圧力Ｐは破線
で示され、実圧力（検出圧力）ＰＲは実線で示されてい
る。加速に伴い、燃料の圧力は上昇するように制御され
、減速に伴って低下するように制御される。最初に述べ
たように、加速時には多量の燃料が消費されるので、目
標圧力Ｐに対して実圧力（検出圧力）ＰＲの上昇は遅れ
る傾向がある。逆に、減速時には燃料がなかなか消費さ
れないので実圧力（検出圧力）ＰＲの低下が遅れる傾向
がある。このようにして、第１の所定値に、は燃料の上
昇の遅れ、または燃料の低下の遅れを検出するためのパ
ラメータとして使用されるものである。

第１１図に戻って、ステップ１６４の判定がイエスであ
ればステップ１６５に進み、ノーであればステップ１７
１に進む。ステップ１６５はステップ１６４の判定がイ
エスなので過渡状態であると判断して、フラグｆをセッ
トする。続いてステップ１６６において燃料ポンプ３６
のフィードバック補正値ΔＲを０にする。さらにステッ
プ１６７において、差圧ΔＰが正かどうかを判定する。

これは加速中か減速中かを判定するものである。イエス
であれば加速中と判定してステップ１７０に進み、燃料
ポンプ３６の容量制御値Ｒを機関作動状態に係わらず最
大値ＲＭＡにする。このときにはステップ１７８を通っ
て電磁弁４８を閉じたままにする。従って、加速中には
、第１２図に示されるようにポンプ吐出量を最大にして
燃料の上昇遅れを瞬時のうちに回復する。

ステップ１６７でノーのときには減速中と判断してステ
ップ１６８へ進み、燃料ポンプ３６の容量制御値Ｒ４−
０にする。これによって燃料の供給が行われなくなるが
、このときには燃料の消費が非常に少ないので燃料蓄圧
器３８内の燃料の圧力は容易に低下しない。因みに、燃
料蓄圧器３８内の燃料の圧力は機関作動状態に応じて例
えば２００〜８００ｋｇ／−の範囲で制御され、減速時
に８００ｋｇ／ｃｄから２００ｋｇ／ｃｆｆｌに低下さ
せることを考えれば、燃料ポンプ３６からの燃料供給を
停止しても直ぐには圧力が低下しないことが分かるであ
ろう。そのために応答遅れが生じることになる。本発明
においては、差圧ΔＰが第１の所定値に、よりも大きく
なったときには、燃料ポンプ３６の燃料供給を停止する
とともに、ステップ１６９に進んで電磁弁４８を開くよ
うにしている。電磁弁、４８を開くことによって、燃料
蓄圧器３８内の燃料が燃料噴射弁３２で消費されるのと
平行して燃料タンク３４に放出されることになり、燃料
蓄圧器３８内の燃料の圧力を急激に低下させることがで
きる。本発明において重要なことは、電磁弁４８の開放
が燃料ポンプ３６の吐出量を最低にしても尚燃料の圧力
低下が遅れるときに限られるということである。

もし、電磁弁４８がその他の条件でも適当にオンオフさ
れると、これは燃料ポンプ３６で汲み上げた燃料を洩ら
すことになるので燃料ポンプ駆動のロスを招くことにな
り、好ましくない。

加速中に燃料ポンプ３６の吐出量を最大にし、或いは減
速中に燃料ポンプ３６の吐出量をＯにして電磁弁４８を
開放した状態でコンピュータのサイクルが何回かまわる
と、やがて遅れがなくなって目標圧力Ｐと実圧力Ｐ、の
差圧ΔＰが小さくなり、ステップ１６４の判定がノーに
なるであろう。

このときにはステップ１７１を通り、フラグｆがセット
されているかどうかを判定する。今説明した状態ではス
テップ１６５でフラグｆがセットされたままなので、ス
テップ１７１の判定はイエスである。

かくしてステップ１７２に進み、差圧ΔＰの絶対値が第
２の所定値に、よりも大きいかどうかを判定する。この
第２の所定値に、は第１２図から分かるように上述した
過渡状態の判定を解除する基準として使用され、差圧Δ
Ｐの絶対値が第２の所定値に、よりも大きい間はステッ
プ１６５以下に進んで前記制御を続け、差圧ΔＰの絶対
値が第２の所定値に、よりも初めて小さくなったときに
ステップ１７３に進んでフラグｆをリセットする０次回
のステップ１７１の判定はノーであり、ステップ１７３
の後と同様にステップ１７４に進む。フラグｆがリセッ
トされたことは機関が定常運転に入ったことを意味し、
このときには燃料の圧力はステップ１６２で計算した目
標圧力Ｐとなるようにフィードバック制御が行われる。

このために、ステップ１７４においてフィードバック補
正量ΔＲ＝ΔＲ＋に３の計算を行う０次にステップ１７
５において差圧ΔＰが正かどうかを判定する。イエスで
あればステップ１７６に進んで、燃料ポンプ３６の容量
制御値Ｒを、ステップ１６１で計算した基本容量制御値
Ｒ１にステップ１７４で計算したフィードバック補正量
ΔＲを加えることによって求める。最後にステップ１７
８を通り、電磁弁４８を閉に維持する。

ステップ１７５でノーであれば、ステップ１７７に進ん
で、燃料ポンプ３６の容量制御値Ｒを、ステップ１６１
で計算した基本容量制御値Ｒ，からステップ１７４で計
算したフィードバック補正量ΔＲを引くことによって求
める。このようにして、燃料蓄圧器３８の燃料の圧力を
目標圧力になるようにする。

第１３図は電磁弁４８の制御の別の例を示している。第
１１図及び第１２図の例では電磁弁４８は時点ｆで開放
され、時点ｇで閉弁され、燃料ポンプ４８は時点ｇから
フィードバック制御されていた。第１３図においても、
電磁弁４８は差圧ΔＰが大きい時点ｆで全開され、時点
ｇで閉弁されることは同様であるが、実圧力Ｐ、が目標
圧力Ｐに近づいた時点ｇ（これは必ずしも第１２図の時
点ｇと同じである必要はない）でデユーティ制御に切換
えられ、オーバーシュートやアンダーシュートを少なく
してその後のフィードバック制御に支障なく接続できる
ようにしたものである。このデユーティ制御においては
、デユーティ比を差圧ΔＰに応じて変えることができ、
また同じ差圧ΔＰに対しても圧力のレベルに応じて変え
るようにすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、減速時のように
目標燃料圧力が急激に低下した場合であっても実際の燃
料圧力を速やかに目標燃料圧力に追従させることができ
、常時最適な燃焼を確保することができる。また、燃料
ポンプの吐出量を必要ないときにカットできるためにポ
ンプ駆動損失を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による内燃機関の燃料噴射制御装置の構
成図、第２図は第１図の内燃機関の垂直断面図、第３図
は制御装置の構成図、第４図は燃料噴射弁を示す断面図
、第５図は第４図の制御ピストンの拡大図、第６図は可
変容量燃料ポンプの一例を示す図、第７図は可変容量燃
料ポンプの他の例を示す図、第８図は燃料噴射弁の制御
のフローチャート、第９図は燃料噴射量を計算するため
のマツプを示す図、第１０図は目標燃料圧力を計算する
ためのマツプを示す図、第１１図は燃料の圧力制御のた
めのフローチャート、第１２図は第１１図のフローチャ
ートの作用を説明するためのタイミングチャート、第１
３図は電磁弁の別の作用を説明する図である。 １２・・・機関本体、　　２２・・・吸気マニホールド
、３２・・・燃料噴射弁、　３４・・・燃料タンク、３
６・・・燃料ポンプ、　３８・・・燃料蓄圧器、４６・
・・燃料溢流パイプ、 ４８・・・電磁弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料タンクと燃料噴射弁との間に可変容量燃料ポンプと
   該可変容量燃料ポンプから供給された燃料を保持するた
   めの一定の容積の燃料蓄圧器とを配置し、且つ機関作動
   状態に応じて目標燃料圧を定める手段と前記蓄圧器の燃
   料の圧力を検出する圧力センサとを設けて検出された燃
   料圧が目標燃料圧に対応するように前記可変容量燃料ポ
   ンプの吐出量を制御するとともに、前記蓄圧器に燃料溢
   流通路を連結してそこに電磁弁を配置し、検出された燃
   料圧が目標燃料圧よりも所定値以上大きくなったときに
   、前記可変容量燃料ポンプの吐出量を最低にするととも
   に前記電磁弁を開くようにしたことを特徴とする内燃機
   関の燃料噴射制御装置。