JP5126093B2

JP5126093B2 - 内燃機関の燃料供給装置

Info

Publication number: JP5126093B2
Application number: JP2009023511A
Authority: JP
Inventors: 利美柏倉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2029-02-04
Also published as: JP2010180741A

Description

本発明は、燃焼室に燃料を供給する内燃機関の燃料供給装置に関する。

内燃機関の燃料供給装置として、気体溶解タンクにて、燃焼室に供給する液体燃料に対して圧縮気体を供給して混合・溶解させ、燃焼室に噴霧する際に液体燃料の微粒化を促進させるもの（特許文献１参照。）が知られている。その他、燃料に空気を混合させるものとして特許文献２及び３が知られている。

特開２００３−２０４８７号公報特開２００２−３９０２３号公報特開平５−１３３２９２号公報

気体溶解タンクを設ける構成においては、気体を圧縮させる装置を別途設置する必要が生じる。また、気体圧縮度合によって気体混入量にばらつきが生じ、噴霧形状がばらつくおそれがある。一方、低燃圧での空気混合噴射では、燃料に対する空気の溶解量が少なくなりがちで燃料の微粒化にも限界がある。

そこで、本発明は別途気体圧縮装置を設けなくとも高圧下にて燃料と空気との溶解割合を制御可能な内燃機関の燃料供給装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の燃料供給装置は、燃料を加圧して低圧燃料路に吐出する低圧燃料ポンプと、前記低圧燃料路及び空気路とそれぞれ接続される加圧室を有し、プランジャの往復動作により前記低圧燃料路から前記加圧室に燃料を取り込んで圧縮し、高圧燃料路に送り出す高圧燃料ポンプと、前記低圧燃料路と前記加圧室との間を開閉する燃料開閉弁と、前記空気路と前記加圧室との間を開閉する空気開閉弁と、前記燃料開閉弁及び前記空気開閉弁のそれぞれを開閉駆動させることにより前記加圧室内の燃料及び空気の割合を制御する開閉弁制御手段と、を備え、前記低圧燃料路及び前記空気路は、前記加圧室内で取り込んだ燃料及び空気が旋回するように、それらの流れ方向が前記プランジャの接線方向に一致して接続され、前記開閉弁制御手段は、前記プランジャが上死点から前記加圧室の容積が拡大する方向に動作するときに前記空気開閉弁を開き、所定期間後に前記空気開閉弁を閉じ、前記加圧室の減圧後に前記燃料開閉弁を開き、前記プランジャが下死点に到達するときに前記燃料開閉弁を閉じるように駆動を制御するものである（請求項１）。

本発明の燃料供給装置においては、高圧燃料ポンプに空気を取り込む空気開閉弁を設けることで燃料と空気とが加圧室に取り込まれて高圧下にて燃料と空気とが混合され、溶解される。燃料開閉弁及び空気開閉弁の開閉駆動をそれぞれ制御することで、加圧室内の燃料と空気の割合を調整することができ、燃料への気体混入量を管理することができる。従って、高圧燃料ポンプを利用することにより、別途気体圧縮装置を設けなくとも高圧下にて燃料に空気を混合、溶解させることができ、安定した溶融割合を保つことができる。よって、燃料の噴霧形状のばらつきを低減することができる。また、低圧燃料路及び空気路がそれぞれプランジャの接線方向に一致して接続されているので、加圧室に燃料及び空気が取り込まれる力を利用して、加圧室内で燃料及び空気が旋回する。これにより、燃料及び空気を均一に混合することができ、均質な燃料を作製することができる。

本発明の燃料供給装置の一形態において、前記開閉弁制御手段は、内燃機関の始動時には前記燃料開閉弁のみを開くように駆動を制御してもよい（請求項２）。この形態によれば、内燃機関の始動時には、加圧室内に空気が取り込まれないので、燃料の圧力を早期に上昇させることができ、圧縮時間を短縮することができる。

以上、説明したように、本発明の内燃機関の燃料供給装置においては、高圧燃料ポンプに空気を取り込む空気開閉弁を設けることで燃料と空気とが加圧室に取り込まれて高圧下にて燃料と空気とが混合され、溶解される。燃料開閉弁及び空気開閉弁の開閉駆動をそれぞれ制御することで、加圧室内の燃料と空気の割合を調整することができ、燃料への気体混入量を管理することができる。従って、高圧燃料ポンプを利用することにより、別途気体圧縮装置を設けなくとも高圧下にて燃料に空気を混合、溶解させることができ、安定した溶融割合を保つことができる。よって、燃料の噴霧形状のばらつきを低減することができる。

本発明の一形態に係る内燃機関の燃料供給装置に適用される高圧燃料ポンプの概略図。高圧燃料ポンプの上面概略図。各電磁弁のタイミングチャート。ＥＣＵが各電磁弁の動作を制御するために実行する電磁弁開閉制御ルーチンを示すフローチャート。要求燃圧と実燃圧との差と燃圧補正量との関係を示すグラフ。要求燃料量と燃料電磁弁開デューティとの相関関係を表すグラフ。要求空気量と空気電磁弁開デューティとの相関関係を表すグラフ。

図１に本発明の一形態に係る内燃機関の燃料供給装置に適用される高圧燃料ポンプの概略図、図２に図１の上面概略図をそれぞれ示す。燃料供給装置１は、燃料タンク（図示省略）に溜められた燃料を汲み上げて加圧する低圧燃料ポンプ（図示省略）と、その低圧燃料ポンプから送り出された燃料をさらに加圧する高圧燃料ポンプ２とを備え、低圧燃料ポンプの吐出側と高圧燃料ポンプ２の吸込側とは低圧燃料路としての低圧配管３にて接続されている。高圧燃料ポンプ２の吐出側は、高圧燃料路としての高圧配管４を介して内燃機関（以下、エンジンと略称する。）のデリバリパイプ（図示省略）と接続されている。デリバリパイプには、エンジンの気筒数に相当する個数の燃料噴射弁が接続され、エンジンのシリンダ内に直接燃料を噴射するいわゆる筒内噴射型の燃料噴射弁として構成されている。なお、本明細書内で特に説明していない燃料供給装置の構成は、各種の公知技術を利用してもよい。

高圧燃料ポンプ２は、ポンプケース５と、そのポンプケース５の一端側に加圧室としてのポンプ室６が生じるようにしてポンプケース５内に往復運動可能に挿入されたプランジャ７と、ポンプ室６と低圧配管３との間を開閉する燃料開閉弁としての燃料電磁弁８と、ポンプ室６と空気路としての空気配管９との間を開閉する空気開閉弁としての空気電磁弁１０と、ポンプ室６と高圧配管４との間を開閉するチェック弁１１とを備えている。燃料電磁弁８及び空気電磁弁１０は、電磁コイル８ａ、１０ａの励磁により弁体８ｂ、１０ｂを駆動してポンプ室６の各入口を閉じ、電磁コイル８ａ、１０ａの励磁の解除により弁体８ｂ、１０ｂをスプリングで押し込んでポンプ室６の各入口を開く電磁開閉弁である。なお、図１において燃料電磁弁８及び空気電磁弁１０は、紙面に対して手前側と奥側にそれぞれ配置されているため（図２参照）、一つの電磁開閉弁のみを表示しているが実際には二つ存在する。チェック弁１１は、ポンプ室６から高圧配管４に向かう燃料及び空気の流れを許容し、高圧配管４からポンプ室６への燃料及び空気の逆流を阻止するように設けられている。低圧配管３及び空気配管９は、プランジャ７の接線方向に配管が向くように設けられている。このため、各配管３、９の流れ方向とプランジャ７の接線方向とが一致し、ポンプ室６内が円形の筒状に形成されているので取り込まれた燃料及び空気がポンプ室６内で旋回する。本形態では、各配管３、９は、プランジャ７の中心点に対して点対称となるように位置しているが、これに限定されず、一方の配管がポンプ室６内に形成する流れ方向に沿うように他方の配管が配置されていればよい。

高圧燃料ポンプ２のプランジャ７の他端側、つまりポンプ室６に対する反対側は図示しないカムと接している。そのカムの駆動軸がエンジンのクランク軸から取り出された駆動力で回転駆動されることにより、プランジャ７が往復運動する。駆動軸は一例としてエンジンの吸気側又は排気側のカム軸と共用される。図３に各電磁弁８、１０のタイミングチャートの一例を示す。プランジャ７が上死点からポンプ室６の容積が拡大する方向に動作するときに、空気電磁弁１０のみが開き、空気がポンプ室６に取り込まれる。所定のタイミングにて空気電磁弁１０が閉じ、ポンプ室６は減圧される。そして、所定のタイミングにて燃料電磁弁８が開き、ポンプ室６に燃料が取り込まれ、プランジャ７が下死点に到達するタイミングにて燃料電磁弁８が閉じられる。ポンプ室６には、まず、空気が取り込まれてポンプ室６内を旋回し、ついで、燃料が取り込まれてポンプ室６内を旋回するので空気と燃料とを均一に混合させることができる。その後、プランジャ７が下死点から上死点へとポンプ室６の容積を縮小する方向に動作してポンプ室６内を圧縮し、昇圧すると、燃料及び空気がさらに混合、溶解される。プランジャ７が往復運動を繰り返す度に上述のようにして燃料及び空気が混合及び溶解され、高圧配管４からデリバリパイプへと送られる。

燃料供給装置１には、燃料電磁弁８及び空気電磁弁１０の開閉駆動を制御する電磁弁制御手段としての電子制御装置（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）を備えている。ＥＣＵは、マイクロプロセッサを含んだコンピュータユニットとして構成されている。図４は、ＥＣＵが各電磁弁８、１０の動作を制御するために実行する電磁弁開閉制御ルーチンを示すフローチャートである。図４の電磁弁開閉制御ルーチンは、エンジンの運転中に所定の周期で繰り返し実行される。ＥＣＵは、電磁弁開閉制御ルーチンを開始すると、まずステップＳ１にてエンジンが始動時か否かを判別する。エンジンの始動時には、ステップＳ２に進んで、ＥＣＵは、空気電磁弁１０を開かず、燃料電磁弁８のみを開く。この場合の燃料電磁弁８の開デューティは、１００％である。燃料供給装置１は、燃料の圧力を早期に昇圧させるため空気を混合せず、全量燃料圧送を行う。そして、ＥＣＵは、今回の処理を終了する。

一方、ステップＳ１にてエンジンの始動時でない場合には、ＥＣＵは、ステップＳ３に進んで、要求燃料量を算出する。要求燃料量は、要求される噴射量と、図５で示す要求燃圧と実燃圧との差を補正するグラフから得られる燃圧補正量と、燃圧フィードバック量とを加算することにより得られる。ＥＣＵは、図６に示す要求燃料量と燃料電磁弁開デューティとの相関関係を表すグラフに基づいて、得られた要求燃料量から燃料電磁弁８の開デューティを決定する。続いて、ＥＣＵは、ステップＳ４にて、ステップＳ３で得られた要求燃料量に係数（本形態では２）をかけることにより、要求空気量を算出する。なお、要求燃料量に対する係数は、エンジンの状態に応じて適宜変更してもよい。ＥＣＵは、図７に示す要求空気量と空気電磁弁開デューティとの相関関係を表すグラフに基づいて、得られた要求空気量から空気電磁弁１０の開デューティを決定する。ＥＣＵは、得られた各電磁弁８、１０の開デューティ、及び図３のタイミングチャートに基づいて各電磁弁８、１０の開閉駆動を制御する。そして、ＥＣＵは、今回の処理を終了する。

電磁弁開閉制御ルーチンにおいて、ＥＣＵは電磁弁制御手段として機能する。高圧燃料ポンプ２に空気電磁弁１０を設けることで、高圧下にて十分に燃料と空気とを混合、溶解することができる。従って、別途気体圧縮装置を設けなくとも既存の高圧燃料ポンプ２を利用することで、燃料に空気を良好に混合、溶解することができる。燃料電磁弁８及び空気電磁弁１０は、開閉駆動をＥＣＵにて制御されるので、エンジンの状態に応じて燃料に空気を適切に溶解させることができる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本形態では、低圧配管３及び空気配管９は、プランジャ７の接線方向にその流れ方向が一致するように設けられている例で説明したがこれに限定されない。各配管３、９の配管の向きは、内燃機関の設計に応じて適宜変更してもよい。この場合においても、ポンプ室６内が昇圧する際に、燃料及び空気が十分に混合、溶解される。各電磁弁８、１０の制御は、図３のタイミングチャートに限られず、必要に応じて個別に開閉してもよい。図３のように、各電磁弁８、１０のいずれもが閉じた状態を設けなくともよい。また、燃料電磁弁８及び空気電磁弁１０を電磁開閉弁として本形態では説明しているが、これに限られず、各種公知のバルブを利用してもよい。

１燃料供給装置
２高圧燃料タンク
３低圧配管（低圧燃料路）
４高圧配管（高圧燃料路）
６ポンプ室（加圧室）
７プランジャ
８燃料電磁弁（燃料開閉弁）
９空気配管（空気路）
１０空気電磁弁（空気開閉弁）

Claims

燃料を加圧して低圧燃料路に吐出する低圧燃料ポンプと、
前記低圧燃料路及び空気路とそれぞれ接続される加圧室を有し、プランジャの往復動作により前記低圧燃料路から前記加圧室に燃料を取り込んで圧縮し、高圧燃料路に送り出す高圧燃料ポンプと、
前記低圧燃料路と前記加圧室との間を開閉する燃料開閉弁と、
前記空気路と前記加圧室との間を開閉する空気開閉弁と、
前記燃料開閉弁及び前記空気開閉弁のそれぞれを開閉駆動させることにより前記加圧室内の燃料及び空気の割合を制御する開閉弁制御手段と、を備え、
前記低圧燃料路及び前記空気路は、前記加圧室内で取り込んだ燃料及び空気が旋回するように、それらの流れ方向が前記プランジャの接線方向に一致して接続され、
前記開閉弁制御手段は、前記プランジャが上死点から前記加圧室の容積が拡大する方向に動作するときに前記空気開閉弁を開き、所定期間後に前記空気開閉弁を閉じ、前記加圧室の減圧後に前記燃料開閉弁を開き、前記プランジャが下死点に到達するときに前記燃料開閉弁を閉じるように駆動を制御する内燃機関の燃料供給装置。
前記開閉弁制御手段は、内燃機関の始動時には前記燃料開閉弁のみを開くように駆動を制御する請求項１に記載の燃料供給装置。