JPS62645A - ディーゼル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〕

燃料噴射弁を燃料供給通路を介して燃料供給ポンプに連
結すると共に燃料供給通路内に蓄圧室を設け、燃料供給
ポンプによって蓄圧室内に蓄積された燃料を燃料噴射弁
から噴射するようにしたディーゼル機関が公知である（
例えば米国特許第３５８７５４７号明細書参照）。この
ディーゼル機関においては機関の運転状態に応じて燃料
噴射時期および燃料噴射量を制御するようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながらこのように燃料噴射時期および燃料噴射量
のみを制御しても良好な機関の運転を確保するのは困難
である。即ち、ディーゼル機関においては高負荷運転時
には短時間のうちに多量の燃料を噴射させることが必要
であり、低負荷運転時には長い時間をかけて少量の燃料
を少しずつ噴射させることが必要であるが燃料噴射時期
および燃料噴射量のみを制御すると低負荷運転時におい
ても短時間のうちに多量の燃料が噴射されることになり
、その結果低負荷運転時に騒音が発生し、出力が低下し
、燃料消費量が増大するという問題がある。

〔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れば燃料噴射弁
を燃料供給通路を介して吐出圧制御可能な燃料供給ポン
プに連結すると共に燃料供給通路内に一定容積の蓄圧室
を設け、燃料供給通路内に燃料圧センサを配置し、燃料
圧センサの出力信号に基いて燃料供給通路内の圧力が機
関の運転状態に応じた予め定められた圧力となるように
燃料供給ポンプの吐出圧を制御するようにしている。

〔実施例〕

第１図および第２図を参照すると、ｌはディーゼル機関
本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４
はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は排気弁、８
は燃焼室５内に配置された燃料噴射弁、９は吸気マニホ
ルドを夫々示し、吸気マニホルド９の入口部は過給機下
に接続される。

燃料噴射弁８は燃料供給管１０を介して各気筒に共通の
燃料蓄圧管１１に連結される。燃料蓄圧管１１はその内
部に容積一定の蓄圧室１２を有し、この蓄圧室１２内の
燃料が燃料供給管１０を介して燃料噴射弁８に供給され
る。一方、蓄圧室１２は燃料供給管１３を介して吐出圧
制御可能な燃料供給ポンプ１４の吐出口に連結される。

燃料供給ポンプ１４の吸込口は燃料ポンプ１５の吐出口
に連結され、この燃料ポンプ１５の吸込口は燃料リザー
バタンク１６に連結される。また、各燃料噴射弁８は燃
料返戻導管１７を介して燃料リザーバタンク１６に連結
される。燃料ポンプ１５は燃料リザーバタンク１６内の
燃料を燃料供給ポンプ１４内に送り込むために設けられ
ており、燃料ポンプ１５がなくても燃料供給ポンプ１４
内に燃料を吸込むことが可能な場合には燃料ポンプ１５
を特に設ける必要はない。これに対して燃料供給ポンプ
１４は高圧の燃料を吐出するために設けられており、燃
料供給ポンプ１４から吐出された高圧の燃料は蓄圧室１
２内に蓄、積され着。

第３図に燃料噴射弁８の側面断面図を示す。第３図を参
照すると、２０は燃料噴射弁本体、２工はノズル、２２
はスペーサ、２３はノズル２１およびスペーサ２２を燃
料噴射弁本体２０に固定するためのノズルホルダ、２４
は燃料流入口、２５はノズル２ｔの先端部に形勢された
ノズル孔を夫々示す、燃料噴射弁本体２０は、スペーサ
２２、ノズル２３内には互いに直列に配置された制御ロ
フト２６、加圧ビン２７およびニードル２８が摺動可能
に挿入される。制御ロンド２６の上方には燃料室２９が
形成され、この燃料室２９は燃料流入口２４および燃料
供給管１０を介して蓄圧室１２に（第２図）に連結され
る。従って燃料室２９内には蓄圧室２９内の燃料圧が加
わっており、燃料室２９内の燃料圧が制御ロンド２６の
上面に作用する。ニードル２８は円錐状をなす受圧面３
０を有し、この受圧面３０の周りにニードル加圧室３０
が形成される。ニードル加圧室３１は一方では燃料通路
３２を介して燃料室２９に連結され、他方ではニードル
２８の周りに形成された環状の燃料通路３３を介してノ
ズル孔２５に連結される。燃料噴射弁本体２０内には加
圧ビン２７を下方に向けて付勢する圧縮ばね３４が挿入
され、ニードル２８はこの圧縮ばね３４によって下方に
押圧される。制御ロンド２６はその中間部に円錐状をな
す受圧面３５を存し、この受圧面３５の周りに制御ロン
ド加圧室３６が形成される。加圧室３６は燃料噴射弁本
体２０内に形成されたシリンダ３７内に連通せしめられ
、このシリンダ３７内には油圧ピストン３８が摺動可能
に挿入される。

この油圧ピストン３８には０リング３９が取付けられて
いる。

一方、燃料噴射弁本体２０には油圧ピストン３８を駆動
するための駆動装置４０が取付けられる。この駆動装置
４０は燃料噴射弁本体２０に固締されたケーシング４１
と、ピストン３８およびケーシング４０間に挿入された
ピエゾ圧電素子４２からなる。このピエゾ圧電素子４２
は薄板状の圧電素子を多数枚積層した積層構造をなして
おり、このピエゾ圧電素子４２に電圧を印加するとピエ
ゾ圧電素子４２は電歪効果によって長手方向の歪を生ず
る。即ち長手方向に伸びる。この伸び量は例えば５０μ
ｍ程度の少量であるが応答性が極めて良好であり、電圧
を印加してから伸びるまでの応答時間は８０μｓｅｃ程
度である。電圧の印加を停止すればピエゾ圧電素子４２
はただちに縮む。第３図に示されるように油圧ピストン
３８と燃料噴射弁本体２０間には皿ばね４３が挿入され
、この皿ばね４３のばね力によって油圧ピストン３８は
ピエゾ圧電素子４２に向けて押圧される。

第４図に示すように油圧ピストン３８内には燃料通路４
４が形成され、この燃料通路４４内には逆止弁４５が挿
入される。ケーシング４１とピエゾ圧電素子４２間には
ピエゾ圧電素子４２を冷却するために図示しない装置に
よって燃料が循環せしめられ、制御ロフト加圧室３６内
の燃料が漏洩するとケーシング４１内の燃料が燃料通路
４４および逆止弁４５を介して制御ロンド加圧室３６内
に補給される。

制御ロンド加圧室３６内の燃料が加圧されていない場合
にはニードル２８には制御ロンド２６の上面に作用する
下向きの力と、圧縮ばね３４による下向きの力と、ニー
ドル２８の受圧面３０に作用する上向きの力が加わる。

このとき下向きの力の総和が上向きの力よりも若干大き
くなるように制御ロンド２６の径、圧縮ばね３４のばね
力およびニードル２８の受圧面３０の面積が設定されて
いる。従って通常ニードル２８には下向きの力が作用し
ており、斯して通常ニードル２８はノズル孔２５を閉鎖
している０次いでピエゾ圧電素子４２に電圧が印加され
るとピエゾ圧電素子４２が伸びるために油圧ピストン３
８が左方に移動し、その結果制御ロンド加圧室３６内の
圧力が上昇する。このとき制御ロフト２６の受圧面３５
に上向きの力が作用するために制御ロンド２６が上昇し
、斯してニードル２８が上昇するためにノズル孔２５か
ら燃料が噴射される。このときの応答性は上述したよう
に８０μｓｅｃ程度であって極めて速い、一方、ピエゾ
圧電素子４２への電圧の印加が停止せしめられるとピエ
ゾ圧電素子４２は縮み、その結果制御ロンド加圧室３６
内の燃料圧が低下するために制御ロンド２６およびニー
ドル２８が下降して燃料噴射が停止せしめられる。この
ときの応答性も８０μｓｅｃ程度であって極めて速い。

なお、上述したように制御ロンド加圧室３Ｇ内の燃料が
加圧されていない場合にニードル２８に作用する下向き
の力の総和は上向きの力よりも若干大きくなるように制
御ロンド２６の径、圧縮ばね３４のばね力およびニード
ル２８の受圧面３０の２８を上昇させることができる。

即ち、ニードル２８を上昇させるために昇圧すべき制御
ロンド加圧室３６内の燃料圧は小さくてすみ、斯くして
ピエゾ圧電素子４２に加えるべき電力も小電力で足りる
。

第５図および第６図は吐出圧制御可能な燃料供給ポンプ
１４の一例を示す。第５図を参照すると燃料供給ポンプ
１４はポンプケーシング５０により固定支持された固定
軸５１と、固定軸５１回りで回転するロータ５２と、ピ
ボットピン５３を介してポンプケーシング５０に揺動可
能に取付けられたステータ５４と、ステータ５４内にお
いて軸受５５を介して回転可能に支持されたリング５６
とを有する。ロータ５２は放射状に配置された多数個の
ラジアルピストン５７を具備し、各ラジアルピストン５
７とリング５６との間にはラジアルピストン５７と共に
回転するシュー５８が挿入される。ロータ５２が回転す
るとそれに伴なってラジアルピストン５７も回転し、こ
のときシュー５８がリング５６の内周面を摺動すると共
にシュー５８との摩擦力によってリング５６も回転する
。

固定軸５１には吸込口５９と吐出口６０とが形成され、
吸込口５９は燃料ポンプ１５（第１図）へ、吐出口６０
は蓄圧室１２（第１図）へ夫々連結される。各ラジアル
ピストン５７のシリンダ室６１は吸込口５９および吐出
口６０と交互に連通ずる。

シリンダ室６１が吸込口５９と連通したときにラジアル
ピストン５７が半径方向外方に移動するためにシリンダ
室６１内に燃料が吸込まれ、シリンダ室６１が吐出口６
０と連通したときに圧縮された燃料がシリンダ室６１か
ら吐出口６０に排出される。吐出口６０に排出される燃
料の圧力はラジアルピストン５７のストロークに依存し
ており、ラジアルピストン５７のストロークはステータ
５４の位置によって定まる。従ってステータ５４をピボ
ットピン５３回りに揺動せしめることによって燃料供給
ポンプ１４の吐出圧を制御することができる。

第５図および第６図を参照するとポンプケーシング５０
の下部には固定軸５１の軸線方向に摺動可能な制御レバ
ー６２が配置される。この制御レバー６２は制御レバー
６２の軸線に対して傾斜した長溝６３を有し、この長溝
６３内にステータ５４の下部に形成されたアーム６４が
摺動可能に挿入される。従って制御レバー６２をその軸
線方向に移動させるとステータ５４が揺動し、それによ
って燃料供給ポンプ１４の吐出圧が制御される。

制御レバー６２は減速機構６５を介して駆動装置６６に
連結される。この実施例では駆動装置６６はステップモ
ータから形成されるが必ずしもステップモータを使用す
る必要はなく、例えば駆動装置６６としてリニアソレノ
イドその他の手段を用いることができる。駆動装置６６
により制御レバー６２はその軸線方向に移動せしめられ
、従って燃料供給ポンプ１４の吐出圧は駆動装置６６に
よって制御される。

再び第１図を参照すると、燃料噴射弁８および駆動装置
６６を制御するための電子制御ユニット７０が設けられ
る。この電子制御ユニッ）７０はディジタルコンピュー
タからなり、双方向性バス７１によって相互に接続され
たＲＯＭ　（リードオンメモリ）？２、ＲＡＭ　（ラン
ダムアクセスメモリ）７３、ＣＰＵ　（マイクロプロセ
ッサ）７４、入力ポードア５および出力ポードア６を具
備する。

第１図に示されるように燃料蓄圧管１１の端部には蓄圧
室１２内の燃料圧を検出する燃料圧センサ８０が取付け
られる。燃料圧センサ８０は蓄圧室１２内の燃料圧に比
例した出力電圧を発生し、この燃料圧センサ８０はＡＤ
変換器８１を介して入力ポードア５に接続される。一方
、吸気マニホルド９内には吸気マニホルド９内の過給圧
を検出する過給圧センサ８２が取付けられる。過給圧セ
ンサ８２は吸気マニホルド９内の圧力に比例した出力電
圧を発生し、この過給圧センサ８２はＡＤ変換器８３を
介して入力ポードア５に接続される。

また、機関本体１には機関冷却水温を検出する水温セン
サ８４が取付けられる。水温センサ８４は機関冷却水温
に比例した出力電圧を発生し、この水温センサ８４はＡ
Ｄ変換器８５を介して入力ポードア５に接続される。ま
た、アクセルペダル８６にはアクセルペダル８６の踏込
み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ８７が取
付けられる。この負荷センサ８７はＡＤ変換器８８を介
して入力ポードア５に接続される。また、機関クランク
シャフトには一対のディスク８９　、９０が取付けられ
、これらディスク８９　、９０の歯付外周面に対向して
一対のクランク角センサ９１　、９２が配置される。一
方クランク角センサ９１は例えば１番気筒が吸気上死点
にあることを示す出力パルスを発生し、従ってこのクラ
ンク角センサ９１の出力パルスからいずれの気筒の燃料
噴射弁８を作動せしめるかを決定することができる。他
方のクランク角センサ９２はクランクシャフトが一定角
度回転する毎に出力パルスを発生し、従ってクランク角
センサ９２の出力パルスから機関回転数を計算すること
ができる。これらのクランク角センサ９１　、９２は入
力ポードア５に接続される。一方、出力ポードア６は駆
動回路９３を介してステップモータからなる駆動装置６
６に接続され、駆動回路９４を介して対応する燃料噴射
弁８のピエゾ圧電素子４２に接続される。

次に第７図から第１１図を参照して本発明による燃料噴
射制御装置の作動について説明する。

第７図はメインルーチンを示しており、このメインルー
チンは一定のクランク角度毎の割込みによって実行され
る。第７図を参照するとまず始めにステップ１００にお
いて機関回転数Ｎを表わすクランク角センサ９２の出力
信号、アクセルペダルの踏込み量りを表わす負荷センサ
８７の出力信号、過給圧Ｂを表わす過給圧センサ８２の
出力信号、機関冷却水温Ｔを表わす水温センサ８４の出
力信号、および蓄圧室１２内の燃料圧Ｐを表わす、燃料
圧センサ８０の出力信号がＣＰＵ　７４内に順次入力さ
れ、クランク角センサ９２の出力信号から機関回転数Ｎ
が計算される。これらの機関回転数Ｎ、アクセルペダル
の踏込み量し、過給圧Ｂ、水温Ｔおよび燃料圧ＰはＲＡ
Ｍ　７３内に記憶される。次いでステップ２００では噴
射量τの計算が行なわれ、ステップ３００では噴射時期
の計算が行なわれ、ステップ４００では燃料圧Ｐの制御
が行なわれる。ステップ２００における噴射量τの計算
は第８図に示され、ステップ３００における噴射時期の
計算は第９図に示され、ステップ４００における燃料圧
Ｐの制御は第１０図に示されている。

第８図は燃料噴射量τを計算するためのフローチャート
を示す。第８図を参照すると、まず始めにステップ２０
】においてアクセルペダルの踏込み量、即ち負荷りから
基本燃料噴射量τ。が計算される。第１１図（ａ）は基
本燃料噴射量τ。と負荷りとの関係を示しており、この
関係は予めＲＯＭ　７２内に記憶されている。次いでス
テップ２０２では過給圧Ｐから過給補正係数に、が計算
される。第１１図（ｂｌに示すように過給補正係数に１
は過給圧Ｐが高くなるにつれて太き（なる、第１１図（
ｂ）に示す関係は予めＲＯＭ　？２内に記憶されている
。次いでステップ２０３では噴射量τ＝に、　　・τ。

が計算される０次いでステップ２０４では水温Ｔから最
大噴射量ＭＡＸが計算される。第１１図（Ｃ）に示す如
（白煙の発生を防止するために最大噴射量ＭＡＸは水温
Ｔが高くなるにつれて小さくなる。次いでステップ２０
５では噴射量τが最大噴射量ＭＡＸよりも大きいか否か
が判別さ、れる、τ＞ＭＡＸであればステップ２０６に
進んでτ−ＭＡＸとされる。従って最大噴射量ＭＡＸは
水温Ｔによって制限されることになる。

第９図は燃料噴射期間を計算するためのフローチャート
を示す、第９図を参照すると、まず始めにステップ３０
１において機関回転数Ｎと負荷りから噴射開始時期τ、
が計算される。第１１図（ｄ）に示すように噴射開始時
期で１１、・・・τ、７と機関回転数Ｎ、負荷りとの関
係はマツプの形で予めＲＯＭ　７２内に記憶されており
、このマツプから噴射開始時期τ１が計算される０次い
でステップ３０２では水温Ｔから水温補正係数Ｋｔが計
算される。水温補正係数に、は第１１図（ｆ）に示すよ
うに水温Ｔが高くなると小さくなり、第１１図（ｆ）に
示す関係は予めＲＯＭ　７２内に記憶されている０次い
でステップ３０３では過給圧Ｐから過給補正係数に３が
計算される。過給圧補正係数に、は第１１図（ｅ）に示
すように過給圧Ｐが高くなると大きくなり、第１１図（
ｅｌに示す関係は予めＲＯＭ　？２内に記憶されている
。

次いでステップ３０４ではステップ３０１で求められた
噴射開始時期τ、に補正係数Ｋｔ、Ｋｓが加算されて実
際の噴射開始時期τ１が求められる。実際の噴射開始時
期τ、はＫｔ、Ｋｓが増大するにつれて大きくなる。即
ち速められる。次いでステップ３０５では第８図に示す
ルーチンにおいて計算された噴射量τと、実際の噴射開
始時期τ、から噴射完了時期τ１が計算される。斯くし
て得られた噴射開始時期τ１および噴射完了時期τ、は
ステップ３０６において出力ポードア６に出力され、こ
れらτ、、τ１に従って各燃料噴射弁８の噴射制御が行
なわれる。

第１０図は燃料圧Ｐの、制御を行なうためのフローチャ
ートを示す、第１０図を参照すると、まず始めにステッ
プ４０１において機関回転数Ｎと負荷りから基準燃料圧
Ｐ、が計算される。第１１図（幻に示すように基準燃料
圧ｐＨ’・・Ｐｏと機関回転数Ｎ、負荷りとの関係はマ
ツプの形で予めＲＯＭ　７２内に記憶されており、この
マツプから基準燃料圧Ｐｏが計算される０次いでステッ
プ４０２では水温Ｔから水温補正係数に４が計算される
。水温補正係数に４は第１１図（ｉ）に示すように水温
Ｔが高くなるようにつれて大きくなり、第１１図（１）
に示す関係は予めＲＯＭ　？２内に記憶されている。次
いでステップ４０３では過給圧Ｐから過給圧補正係数Ｋ
。

が計算される。過給圧補正係数に、は第１１図（ｈｌに
示すように過給圧Ｐが高くなるにつれて大きくなり、第
１１図（ｈ）に示す関係は予めＲＯＭ　７２内に記憶さ
れている０次いでステップ４０４ではステップ４０１で
求められた基準燃料圧Ｐ０に補正係数に４１Ｋｓを乗算
することにより目標とする基準燃料圧ＰＯ１即ち目標燃
料圧Ｐ０が求められる。この目標燃料圧Ｐ０は水温Ｔが
高くなるほど太き（なり、過給圧Ｐが高くなるほど大き
くなる０次いでステップ４０５では目標燃料圧Ｐ０と現
在の燃料圧Ｐとの差の絶対値がΔＰよりも小さいか否か
が判別される。ｉｐ、−ｐｌ≧ΔＰのときはステップ４
０６に進んでｐ＞ｐ、であるか否かが判別される。

Ｐ＞ＰＯのときはステップ４０７に進んで駆動装置６６
、即ちステップモータ６６のステップ位置ＳＴから一定
ステップ数Ａが減算される。その結果燃料供給ポンプ１
４の制御レバー６２（第５図、第６図）が燃料供給ポン
プ１４の吐出圧を減少する方向に移動せしめられるため
に蓄圧室１２内の燃料圧はただちに減少する。一方、Ｐ
≦Ｐ、のときはステップ４０８に進んでステップモータ
６６のステップ位置ＳＴにく一定ステップ数Ａが加算さ
れる。その結果燃料供給ポンプ１４の制御レバー６２が
燃料供給ポンプ１４の吐出圧を増大する方向に移動せし
められるために蓄圧室１２内の燃料圧はただちに上昇す
る。一方、ステップ４０５においてＩＰ・−ｐｌ＜ΔＰ
であると判別されたときは処理ルーチンを完了し、この
ときステップモータ６６は静止状態に保持される。この
ようにして蓄圧室１２内の燃料圧Ｐが目標燃料圧Ｐ０に
維持される。

〔発明の効果〕

蓄圧室内の燃料圧を制御することにより燃料噴射弁から
噴射される燃料の噴射率を機関の運転状態に応じた最適
の噴射率に制御することができる。

その結果機関運転状態にかかわらずに常時最適な燃焼を
確保するこ４ができ、従って騒音の発生を抑制し、出力
および燃料消費量を向上することができる。また、燃料
供給ポンプの吐出圧を制御するのに大きな力を必要とせ
ず、小型の駆動装置を用いることができるので吐出圧制
御のために小電力しか必要としないという利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はディーゼル機関を図解的に示した平面図、第２
図はディーゼル機関の側面断面図、第３図は燃料噴射弁
の側面断面図、第４図は第３図の油圧ピストンの拡大平
面断面図、第５図は燃料供給ポンプの側面断面図、第６
図は第５図の制御レバーおよびその駆動装置の平面図、
第７図はメインルーチンを示すフローチャート、第８図
は噴射量の計算を実行するためのフローチャート、第９
図は噴射期間の計算を実行するためのフローチャート、
第１θ図は燃料圧の制御を実行するためのフローチャー
ト、第１１図は補正係数等を示す線図である。 ８・・・燃料噴射弁、　　ｉｏ　、　１３・・・燃料供
給管、１２・・・蓄圧室、　　　１４・・・燃料供給ポ
ンプ、第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）（ｄ）　　
　　　　　　　　　　　（ｅ）（ｇ）　　　　　　　　
　　　　（ｈ）第１１図 （Ｃ） ■ （ｆ） ■ （ｊ） 手続補正書（自発） 昭和６０年８月７２日 特許庁長官　宇　賀　道　部　殿 １、事件の表示 昭８７６０年特許願第１３８９９０号 ２、発明の名称 内燃機関の燃料噴射制御装置 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 名称　（３２０）　　）ヨタ自動車株式会社４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番１０号５、
補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄 ６、　　ｍ正の内容 （イ）明細書の第１０頁２０行目「圧力」を「量ｊに補
正します。 （ｏ）　　明細書の第１１頁５行目「吐出圧」を「吐出
量ｊに補正します。 （４明細書の第１１頁６行目「できる。」を「でき、そ
れによって燃料供給ポンプ１４の吐出圧が制御される。 Ｊに補正します。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　燃料噴射弁を燃料供給通路を介して吐出圧制御可能な
   燃料供給ポンプに連結すると共に該燃料供給通路内に一
   定容積の蓄圧室を設け、該燃料供給通路内に燃料圧セン
   サを配置し、該燃料圧センサの出力信号に基いて燃料供
   給通路内の圧力が機関の運転状態に応じた予め定められ
   た圧力となるように燃料供給ポンプの吐出圧を制御する
   ようにした内燃機関の燃料噴射制御装置。