(57)【要約】【課題】クランキングから完爆後の持続運転までの運転範囲において、所要の高い燃料圧力での燃料噴射を行う。【解決手段】高圧燃料ポンプ３を備え、該高圧燃料ポンプ３によって昇圧された燃料をインジェクタ２から機関燃焼室内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置において、高圧燃料ポンプ３を補助駆動する電動モータ４を設け、機関始動時には電動モータ４によって高圧燃料ポンプ３の駆動あるいは駆動トルクのアシストを行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧燃料ポンプを備え、該高圧燃料ポンプによって昇圧された燃料をインジェクタから機関燃焼室内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置であって、
前記高圧燃料ポンプと駆動連結された補助動力手段を有し、
前記内燃機関の始動時には前記補助動力手段によって前記高圧燃料ポンプの駆動あるいは駆動トルクのアシストを行うことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項２】
前記補助動力手段は、電動モータであることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項３】
前記電動モータを前記内燃機関のカムシャフトにより回転駆動し、電動モータをモータジェネレータとして使用することを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項４】
前記カムシャフトと前記高圧燃料ポンプとがワンウェイクラッチによって接続されていることを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項５】
前記高圧燃料ポンプのポンプ回転軸と前記補助動力手段の出力軸とが動力伝動機構によって駆動連結されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項６】
前記補助動力手段と前記高圧燃料ポンプとの間に、該両者の接続、切り離しを行うクラッチ手段を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項７】
前記内燃機関の始動完了を判定する始動完了判定手段を有し、
前記内燃機関の始動時には前記始動完了判定手段によって内燃機関の始動完了が判定されるまで前記クラッチ手段によって前記補助動力手段と前記高圧燃料ポンプとを接続し、前記補助動力手段を運転して当該補助動力手段によって前記高圧燃料ポンプを駆動し、前記始動完了判定手段により始動完了と判定されれば、前記クラッチ手段によって前記補助動力手段と前記高圧燃料ポンプとを切り離し、前記補助動力手段の運転を停止することを特徴とする請求項６に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項８】
前記始動判定手段は、機関冷却水温度、油温あるい機関排気系の触媒温度に基づいて前記内燃機関の始動判定を行うものであり、前記始動判定手段が始動完了と判定する温度より高い状態で前記内燃機関を始動する場合には、前記補助動力手段を利用せず、前記内燃機関の始動直後から前記高圧燃料ポンプを前記カムシャフトで駆動することを特徴とする請求項７に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項９】
前記内燃機関の暖機状態を検出する暖機状態検出手段を有し、前記暖機状態検出手段により検出される前記内燃機関の暖機状態が所定の暖機状態に達していない冷間時に限って前記補助動力手段を用いて高圧燃料ポンプの駆動あるいは駆動トルクのアシストを行うことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項１０】
前記内燃機関のスタータスイッチがオンすることにより、前記補助動力手段が始動することを特徴とする請求項請求項１〜９の何れか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項１１】
前記内燃機関のイグニッションスイッチがオンすることにより、前記補助動力手段が始動することを特徴とする請求項請求項１〜９の何れか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項１２】
運転者が前記内燃機関を始動させるまでに行う動作を検出するセンサを備え、前記センサからの検出信号に基づき前記内燃機関の始動に先立って前記補助動力手段により前記高圧燃料ポンプを駆動することを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項１３】
前記内燃機関は自動車等の車両用のものであり、運転者の動作を検出する前記センサは、車両のドアロック解除を検出するドアロック解除センサ、車両のドアの開閉を検出するドア開閉センサ、運転者が車両の運転席に着座したことを検出する着座センサの何れかであることを特徴とする請求項１２に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項１４】
運転者の動作を検知する前記センサの検出信号が入力されてから、所定時間が経過しても前記内燃機関のスタータスイッチがオンにならない場合には、前記補助動力手段により高圧燃料ポンプを駆動を停止することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項１５】
運転者の動作を検知する前記センサの検出信号が入力されてから、所定時間が経過した後に、前記スタータスイッチがオンになった場合には、前記カムシャフトによって前記高圧燃料ポンプを駆動すると共に、前記補助動力手段によっても前記高圧燃料ポンプを駆動することを特徴とする請求項１４に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項１６】
前記スタータスイッチのオン後の前記補助動力手段による前記高圧燃料ポンプの駆動は、前記内燃機関の暖機状態が所定の暖機状態に達していない冷間時に限って行い、前記内燃機関の暖機状態が所定の暖機状態に達した時点で、前記補助動力手段による前記高圧燃料ポンプの駆動を停止することを特徴とする請求項１５に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項１７】
燃料タンクから燃料を汲み上げる低圧燃料ポンプを有し、前記高圧燃料ポンプは前記低圧燃料ポンプより燃料を与えることを特徴とする請求項１〜１６の何れか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項１８】
燃料タンクから燃料を汲み上げる低圧燃料ポンプと、前記低圧燃料ポンプより燃料を与えられ、前記低圧燃料ポンプよりの燃料を昇圧してインジェクタへ供給する高圧燃料ポンプとを備え、当該高圧燃料ポンプによって昇圧された燃料をインジェクタから機関燃焼室内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置であって、
前記高圧燃料ポンプが電動モータにより駆動される電動ポンプであることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置。
【請求項１９】
高圧燃料ポンプを備え、該高圧燃料ポンプによって昇圧された燃料をインジェクタから機関燃焼室内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料供給方法であって、
前記高圧燃料ポンプを前記カムシャフトとは別に補助動力手段と駆動連結し、前記内燃機関の始動時には前記補助動力手段によって高圧燃料ポンプの駆動あるいは駆動トルクのアシストを行うことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料供給方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機関燃焼室に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関における燃料供給装置および方法に関し、特に、自動車用ガソリンエンジン等として用いられる火花点火方式の筒内噴射式内燃機関における燃料供給装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火花点火方式の内燃機関において、燃料（ガソリン燃料）をインジェクタによって各気筒の燃焼室内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関では、筒内噴射に必要な所要の燃料圧力を確保するために、給排気弁駆動用のカムシャフトに駆動連結された高圧燃料ポンプを用い、カムシャフトの動力で高圧燃料ポンプを直結駆動し、高圧燃料ポンプによって昇圧された燃料をインジェクタに供給する（例えば、特許文献１）。
【０００３】
カムシャフトの回転を高圧燃料ポンプの動力源としている場合、機関始動時のクランキング回転中は、内燃機関のクランク軸回転数が低く、これに伴いカムシャフトの回転が低いため、高圧燃料ポンプを所要回転数で駆動することができず、インジェクタに供給する燃料圧力を機関始動時に要求される燃料圧力に到達させることができない。
【０００４】
このため、機関クランキング時には、十分な燃料圧力で燃料を燃焼室に噴射ができない。このことにより、噴射された燃料噴霧の微粒化が不十分になり、燃料噴霧の粗大液滴が燃焼室壁面に液膜付着し、この液膜付着燃料が未燃燃料（ＨＣ）として、燃焼室から大量に排出される。また、完爆後の持続運転中においても、内燃機関が冷機状態（冷間状態）にあると、液膜付着した燃料は、ＨＣとして燃焼室から排出され易い。これらのことは、内燃機関のエミッション性能を悪化する原因になる。
【０００５】
この課題を克服するために開発された直接筒内噴射式火花点火機関用の燃料供給系として、高圧燃料ポンプが増速可能な可変速器を介して内燃機関のカムシャフトと接続されたものがある（例えば、特許文献２）。
【０００６】
この燃料供給系では、内燃機関のスタータスイッチ、燃料圧力センサ、クランク角センサ等からの検出信号に基づいて可変速器のアクチュエータを作動させて可変速器を増速側に切り換え、高圧燃料ポンプを増速回転させることにより燃料圧力を昇圧する。燃料圧力が所定値以上に昇圧し、始動完了判定手段によって内燃機関の始動が完了と判定されれば、アクチュエータを作動させ、高圧燃料ポンプの回転数がカムシャフトの回転数と一致する等速側に可変速器を切り換える。
【０００７】
また、機関始動に先立って運転者の動作に伴って発生する力を利用して高圧燃料ポンプとは別の始動用補助ポンプを機械的に動作させ、予め噴射されるべき燃料を昇圧するものがある（例えば、特許文献３）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平４−３９３１５２号公報
【特許文献２】
特開平１０−９０７４号公報
【特許文献３】
特開平１１−１３２１２４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献２に示されているような燃料供給系では、可変速器のない従来の駆動方式に比べて、燃料圧力が所定値に到達するまでの時間を短縮することは図れるが、内燃機関のスタータスイッチと連動して高圧燃料ポンプの回転を増速させるために、クランキング時における要求燃料圧力が、例えば、１０ＭＰａ以上のように非常に高圧の場合、スタータスイッチ・オンから最初の燃料噴射までの燃料圧力を短時間に目標値まで昇圧することは困難である。また、可変速器を含めた高圧燃料ポンプの構成は、複雑で、コストの高くなるという課題がある。
【００１０】
特許文献３に示されているような燃料供給系では、クランキング時の燃料圧力は十分に要求値に達成させることは可能であると考えられるが、機関始動に先立った運転者の動作によって発生する力には制限があるため、燃料圧力を要求値に保つ時間制限があり、完爆以降の持続運転領域では、ＨＣ排出の要因である燃焼室壁面の液膜付着燃料を抑制することは困難である。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであって、その目的とするところは、内燃機関のクランキングから完爆後の持続運転までの運転範囲において、所要の高い燃料圧力での燃料噴射を実現でき、ＨＣ排出量の増加によるエミッション性能の悪化を回避できる筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置および制御方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置は、高圧燃料ポンプを備え、該高圧燃料ポンプによって昇圧された燃料をインジェクタから機関燃焼室内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置において、前記高圧燃料ポンプと駆動連結された補助動力手段を有し、前記内燃機関の始動時には前記補助動力手段によって前記高圧燃料ポンプの駆動あるいは駆動トルクのアシストを行う。
【００１３】
このように、本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置によれば、内燃機関の始動時には補助動力手段によって高圧燃料ポンプの駆動、あるいは駆動トルクのアシストをすることにより、内燃機関のクランキング時から完爆後の持続運転までの運転範囲を所定の燃料圧力（高圧）に保つことが可能となり、燃料噴霧の気化促進による燃焼室壁面への液膜付着燃料抑制の効果によって始動時に内燃機関から排出されるＨＣを大幅に低減できる。
【００１４】
本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置は、好ましくは、前記補助動力手段が電動モータにより構成されている。補助動力手段が電動モータの場合、これを内燃機関のカムシャフトにより回転駆動し、高圧燃料ポンプの補助動力手段である電動モータをモータジェネレータとして使用することもできる。
【００１５】
本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置は、好ましくは、前記カムシャフトと前記高圧燃料ポンプとがワンウェイクラッチによって接続されており、カムシャフトが回転していない機関停止状態時にも、補助動力手段によって高圧燃料ポンプを駆動できる。
【００１６】
本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置は、前記高圧燃料ポンプのポンプ回転軸と前記補助動力手段の出力軸とが動力伝動機構によって駆動連結、あるいは前記補助動力手段と前記高圧燃料ポンプとの間に、該両者の接続、切り離しを行うクラッチ手段を有する構造にすることがことできる。これにより、補助動力手段によって高圧燃料ポンプを駆動していない状態時には、補助動力手段を高圧燃料ポンプより切り離し、補助動力手段の耐久性を確保することができる。
【００１７】
本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置は、更に、前記内燃機関の始動完了を判定する始動完了判定手段を有し、前記内燃機関の始動時には前記始動完了判定手段によって内燃機関の始動完了が判定されるまで前記クラッチ手段によって前記補助動力手段と前記高圧燃料ポンプとを接続し、前記補助動力手段を運転して当該補助動力手段によって前記高圧燃料ポンプを駆動し、前記始動完了判定手段により始動完了と判定されれば、前記クラッチ手段によって前記補助動力手段と前記高圧燃料ポンプとを切り離し、前記補助動力手段の運転を停止する。これにより、内燃機関の始動完了により、補助動力手段による高圧燃料ポンプの駆動が停止し、無駄な電力（エネルギ）を消費することなく効率よく課題をクリアできる。
【００１８】
内燃機関を一時的に停止した場合、内燃機関や機関排気系の触媒を含めた装置全体が活性化状態に保たれているため、機関再始動の際には、燃焼室内の壁面温度が高く液膜付着燃料が低減し、機関から排出されるＨＣが抑制されることに加えて、排出されたＨＣは排気管の途中に配置された触媒によって十分に浄化されて車両から排出される。したがって、内燃機関の始動完了は、触媒温度、すなわち触媒の活性化状態や、内燃機関の冷却水温度、油温）によって判定することがのが望ましい。
【００１９】
したがって、前記始動判定手段は、好ましくは、機関冷却水温度、油温あるい機関排気系の触媒温度に基づいて前記内燃機関の始動判定を行うものであり、前記始動判定手段が始動完了と判定する温度より高い状態で前記内燃機関を始動する場合には、前記補助動力手段を利用せず、前記内燃機関の始動直後から前記高圧燃料ポンプを前記カムシャフトで駆動する。これにより無駄な電力を消費することなく効率よく課題をクリアできる。
【００２０】
また、本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置は、前記内燃機関の暖機状態を検出する暖機状態検出手段を有し、前記暖機状態検出手段により検出される前記内燃機関の暖機状態が所定の暖機状態に達していない冷間時に限って前記補助動力手段を用いて高圧燃料ポンプの駆動あるいは駆動トルクのアシストを行う。これにより無駄な電力を消費することなく効率よく課題をクリアできる。
【００２１】
本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置は、前記内燃機関のスタータスイッチがオンすることにより、あるいは前記内燃機関のイグニッションスイッチがオンすることにより、前記補助動力手段が始動する。これにより、補助動力手段の始動タイミングをスタータスイッチ・オン時あるいはイグニッションスイッチ・オン時の何れかに設定でき、特に、イグニッションスイッチ・オンにより補助動力手段が始動する場合、その後のスタータスイッチ・オンによる内燃機関のクランキング時には燃料圧力を充分に高めてこくことができる。
【００２２】
また、本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置は、運転者が前記内燃機関を始動させるまでに行う動作を検出するセンサを備え、前記センサからの検出信号に基づき前記内燃機関の始動に先立って前記補助動力手段により前記高圧燃料ポンプを駆動する。
【００２３】
この発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置によれば、内燃機関のクランキングから完爆に到るまでの時間の制約に捕われることなくクランキング時には確実に燃料圧力を所定値に到達させることができる。これにより、ユーザの要求として、内燃機関のクランキングから完爆に到るまでの時間に制約があるから、内燃機関の始動時には所定値まで燃料圧力を昇圧することとクランキングから完爆に到るまでの時間に対する要求を両立することができる。
【００２４】
前記内燃機関が自動車等の車両用のものである場合、運転者の動作を検出する前記センサは、車両のドアロック解除を検出するドアロック解除センサ、車両のドアの開閉を検出するドア開閉センサ、運転者が車両の運転席に着座したことを検出する着座センサの何れかで、簡便に構成することができる。
【００２５】
また、運転者の動作を検知する前記センサの検出信号が入力されてから、所定時間が経過しても前記内燃機関のスタータスイッチがオンにならない場合には、前記補助動力手段により高圧燃料ポンプを駆動を停止する。これにより、内燃機関の始動に先立って高圧燃料ポンプを始動しものの、結果的に運転者が内燃機関を始動しなかった場合には、自動的に高圧燃料ポンプは停止されることになる。
【００２６】
更には、運転者の動作を検知する前記センサの検出信号が入力されてから、所定時間が経過した後に、前記スタータスイッチがオンになった場合には、前記カムシャフトによって前記高圧燃料ポンプを駆動すると共に、前記補助動力手段によっても前記高圧燃料ポンプを駆動する。このように、内燃機関と補助動力手段によって高圧燃料ポンプを駆動することにより、燃料圧力を短時間に昇圧させることができ、クランキングまでには、料圧力をより確実に目標値に到達させることができる。
【００２７】
更に、前記スタータスイッチのオン後の前記補助動力手段による前記高圧燃料ポンプの駆動は、前記内燃機関の暖機状態が所定の暖機状態に達していない冷間時に限って行い、前記内燃機関の暖機状態が所定の暖機状態に達した時点で、前記補助動力手段による前記高圧燃料ポンプの駆動を停止する。これにより無駄な電力を消費することなく効率よく課題をクリアできる。
【００２８】
また、本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置は、従来のものと同様に、燃料タンクから燃料を汲み上げる低圧燃料ポンプを有し、前記高圧燃料ポンプは前記低圧燃料ポンプより燃料タンクから汲み上げられた燃料を与えられる。
【００２９】
また、上述の目的を達成するために、本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置は、筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置は、燃料タンクから燃料を汲み上げる低圧燃料ポンプと、前記低圧燃料ポンプより燃料を与えられ、前記低圧燃料ポンプよりの燃料を昇圧してインジェクタへ供給する高圧燃料ポンプとを備え、当該高圧燃料ポンプによって昇圧された燃料をインジェクタから機関燃焼室内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置において、前記高圧燃料ポンプが電動モータにより駆動される電動ポンプである。
【００３０】
本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置によれば、高圧燃料ポンプの駆動が内燃機関の全運転域に亘って電動ポンプにより行われ、電動ポンプの運転制御だけで、燃料圧力制御を高い自由度をもって最適に行うことができる。
【００３１】
また、上述の目的を達成するために、本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給方法は、内燃機関の給排気弁駆動用のカムシャフトによって駆動される高圧燃料ポンプを備え、当該高圧燃料ポンプによって昇圧された燃料をインジェクタから機関燃焼室内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料供給方法において、前記高圧燃料ポンプを前記カムシャフトとは別に補助動力手段と駆動連結し、前記内燃機関の始動時には前記補助動力手段によって高圧燃料ポンプの駆動あるいは駆動トルクのアシストを行う。
【００３２】
この発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給方法によれば、内燃機関の始動時には補助動力手段によって高圧燃料ポンプの駆動、あるいは駆動トルクのアシストをすることにより、内燃機関のクランキング時から完爆後の持続運転までの運転範囲を所定の燃料圧力（高圧）に保つことが可能となり、燃料噴霧の気化促進による燃焼室壁面への液膜付着燃料抑制の効果によって始動時に内燃機関から排出されるＨＣを大幅に低減できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面に基づき説明する。
図１は本発明の実施形態１における筒内噴射式内燃機関の装置全体構成の概略を示す。
【００３４】
内燃機関１は、図示されていない燃焼室に燃料（ガソリン燃料）を直接噴射するインジェクタ２を各気筒毎に有している。本実施形態では、４気筒内燃機関であるので、インジェクタ２は４個設けられている。
【００３５】
内燃機関１は、ダブルオーバヘッドカムシャフト（ＤＯＨＣ）型の火花点火機関であり、クランク軸１Ａによって回転駆動されて図示されていない吸気弁、排気弁を開閉する吸気カムシャフト５と排気カムシャフト６を有する。また、内燃機関１には、機関始動、すなわち、クランキングを行うスタータ９が取り付けられている。
内燃機関１は、インジェクタ２に燃料を供給する燃料供給装置として、低圧燃料ポンプ７と、高圧燃料ポンプ３が設けられている。
【００３６】
低圧燃料ポンプ７は、燃料噴射式内燃機関の燃料供給系で使用される電動式燃料ポンプと同じものであり、燃料タンク８より燃料を汲み上げる。高圧燃料ポンプ３は、低圧燃料ポンプ７によって燃料タンク８より汲み上げられた燃料の圧力を昇圧し、燃料デリバリパイプ等による高圧燃料配管１０を介してインジェクタ２に高圧燃料を供給する。
高圧燃料配管１０の途中にはインジェクタ２に供給する高圧燃料の燃料圧力を監視する燃料圧力センサ１１が設けられている。
【００３７】
内燃機関全体を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）２０は、マイクロコンピュータ式のものであり、運転者のキー操作によって開閉される内燃機関１のイグニッションスイッチ２１の開閉に応じてバッテリ２２から電力を供給される。
【００３８】
機関始動時には、運転者のキー操作によって内燃機関１のスタータスイッチ２３が閉じられることにより、スタータ９が駆動される。このスタータ９の駆動によって内燃機関１のクランク軸１Ａが回転することで、内燃機関１に取り付けられたクランク角センサ２４の検出信号に基づいてＥＣＵ２０から燃料噴射パルス信号が出力される。この信号は、昇圧回路（ＤＵ）２５によってインジェクタ２の動作に必要な電圧レベルに昇圧され、インジェクタ２に入力される。
【００３９】
排気カムシャフト６の一端部にはワンウェイクラッチ１２を介し高圧燃料ポンプ３が連結されている。高圧燃料ポンプ３には電磁クラッチ１３を介して補助動力手段である高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４が駆動連結されている。電磁クラッチ１３は、電動モータ４と高圧燃料ポンプ３との間に設けられ、締結、開放により、電動モータ４と高圧燃料ポンプ３の接続、切り離しを行う。
【００４０】
なお、本実施形態では、高圧燃料ポンプ３は排気カムシャフト６側に設けられているが、吸気カムシャフト５に可変機構の装備など支障がない限り、高圧燃料ポンプ３を吸気カムシャフト５側に配置しても問題はない。
つぎに、本発明の実施形態１における高圧燃料ポンプ３の始動時動作例（１）、（２）を図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
【００４１】
始動時動作例（１）
内燃機関１のイグニッションスイッチ２１のオンにより、内燃機関１のクランキングに先立って、低圧燃料ポンプ７を始動すると共に、図２（ａ）に示されているように、電磁クラッチ１３を締結して高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４と高圧燃料ポンプ３とを接続し、電動モータ４によって高圧燃料ポンプ３を駆動する。
【００４２】
排気カムシャフト６と高圧燃料ポンプ３の間にはワンウェイクラッチ１２が配置されているから、クランキング前で、内燃機関１が停止していて、排気カムシャフト６が回転できない状態にあっても、高圧燃料ポンプ３は高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４の動力によって駆動される。この高圧燃料ポンプ３の駆動によって高圧燃料配管１０およびインジェクタ２に高圧の燃料を供給することができる。
【００４３】
始動時動作例（２）
内燃機関１のスタータスイッチ２３に連動したスタータ９の始動、低圧燃料ポンプ７の始動と共に、電磁クラッチ１３を締結して高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４を始動する。この場合には、図２（ｂ）に示されているように、排気カムシャフト６からの回転動力による高圧燃料ポンプ３の駆動に加えて、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４からの動力によって高圧燃料ポンプ３の駆動がトルクアシストされる。
【００４４】
これにより、従来のカムシャフトのみによる駆動の場合に比べて、大きな動力を高圧燃料ポンプ３に発生させることが可能となり、短時間で急速に燃料圧力を昇圧させることができる。
【００４５】
ＥＣＵ２０は、クランキング開始後、所定時間が経過したことを計時する内蔵タイマ２０Ａ、あるいは、始動完了判定部２０Ｂを備えている。始動判定部２０Ｂは、たとえば、水温センサ２６、油温センサ２７、排気系の触媒温度センサ２８により検出される機関冷却水温度、機関油温度、触媒温度に基づいて内燃機関１の始動完了を判定する。また、これらの温度センサは、内燃機関１の暖機状態を検出する暖機状態検出手段としても機能する。
【００４６】
ＥＣＵ２０は、始動時動作例（１）、（２）の何れの場合も、内蔵タイマ２０Ａによる時間計測によってクランキング開始後、所定時間が経過、あるいは、始動完了判定部２０Ｂにより始動完了と判定された場合には、図３に示されているように、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４の運転を停止すると共に電磁クラッチ１３を開放して電動モータ４と高圧燃料ポンプ３とを切り離し、高圧燃料ポンプ３の駆動を排気カムシャフト６に切り換える。
これにより、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４の小型化や耐久性を確保することができる。
【００４７】
また、始動完了判定部２０Ｂが始動完了と判定する温度より高い状態で内燃機関１を始動する場合には、補助動力手段である電動モータ４を利用せず、内燃機関１の始動直後から高圧燃料ポンプ３を排気カムシャフト６によって駆動する。これにより、無駄な電力を消費することがなくなる。
【００４８】
図４は、本発明の実施形態２における筒内噴射式内燃機関の装置全体構成の概略を示す。なお、図４において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００４９】
実施形態２では、低圧燃料ポンプ７および高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４を、運転者が自動車等の車輌の内燃機関１を始動させるまでに行う動作を感知するセンサ３０の検出信号に連動して始動する。
【００５０】
機関始動前の運転者の動作とは、例えば、自動車のドアロック解除、ドアの開閉あるいはシートへの着座などであり、その他、運転者が始動前に必ず行う動作であれば、特に制約はない。これらの動作を感知するセンサ（ドアロック解除センサ３１、ドア開閉センサ３２、着座センサ３３等）の検出信号によって、センサスイッチ３４がオンとなることで、低圧燃料ポンプ７および高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４、すなわち高圧燃料ポンプ３は始動する。
【００５１】
これにより、従来のイグニッションスイッチ連動方式で問題であった燃料圧力の目標到達時間の制限はなくなり、内燃機関１の始動時には、確実に燃料圧力を目標値に到達させることができる。
【００５２】
したがって、高い燃料圧力の状態でインジェクタ２から燃料を噴射することが可能となり、燃料噴霧の微粒化による燃料気化促進の効果によって、課題の冷機始動時におけるＨＣ排出の主要因である燃焼室壁面への液膜付着燃料量を抑制することができる。
【００５３】
実際には、内燃機関１から排出されるＨＣは、排気管の途中に配置された触媒の活性化状況や機関の燃焼室壁面温度によって大きく影響を受ける。すなわち、内燃機関１が一旦停止してから短時間で再始動する場合で、触媒が活性化状態に保持されていると判断される時や、燃焼室壁面が所定温度以上の時においては、従来通り始動時からカムシャフトによって高圧燃料ポンプ３を駆動しても問題はないと考えられる。
【００５４】
高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４の耐久性や劣化を考慮すると、このように機関の暖機状態によって始動方法を選択するのが望ましい。触媒の活性化状況や機関の燃焼室壁面温度は、例えば、熱電対等によって触媒温度を直接検出してもよいし、あるいは機関冷却水の温度、油温によっても推定することができる。
つぎに、機関始動前の運転者の動作がドアロック解除の場合を例として、具体的な制御手順を、図５のフローチャートを用いて説明する。
【００５５】
まず、運転者による自動車のドア開錠をドアロック解除センサ３１で検出し、センサスイッチ３４をオンにする（ステップＳ１）。センサスイッチ３４のオンにより低圧燃料ポンプを始動する（ステップＳ２）。
【００５６】
つぎに、その時（ドア開錠時）の水温（機関冷却水温度）が所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。水温センサ２７によって検出される水温が所定値以上であれば（ステップＳ３肯定）、触媒温度および機関の燃焼室壁面温度が所定温度（暖機完了温度）に保持されていると判断し、水温が所定値以下にならない限りスタータスイッチ２３のオンを監視する（ステップＳ４）。そして、スタータスイッチ２３のオンがすれば、始動から、電動モータ４によらずに、排気カムシャフト６によって高圧燃料ポンプ３を駆動する（ステップＳ５）。
【００５７】
これに対し、水温が所定値以上でないと判断された場合には（ステップＳ３否定）、高圧燃料ポンプ３と高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４との間に配置した電磁クラッチ１３を締結し（ステップＳ６）、同時に高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４を始動する（ステップＳ７）。これにより、高圧燃料ポンプ３が電動モータ４によって駆動される。そして、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４の始動直後から経過時間のカウントを開始する（ステップＳ８）。
【００５８】
以後、スタータスイッチ２３がオフであれば、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ始動時からの経過時間を継続してカウントする（ステップＳ８）。高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ始動時から所定の経過時間内にスタータスイッチがオンなった場合には（ステップＳ９否定）、内燃機関１の始動と同時に燃料噴射を開始し（ステップＳ１１）、クランキングから完爆へと導く。
【００５９】
これに対し、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ始動から所定の経過時間までの間にスタータスイッチ２３がオンされなかった場合には、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４を停止し、電磁クラッチ１３を開放する（ステップＳ１２）。その後、ドアが施錠されない場合には（ステップＳ１３否定）、スタータスイッチ２３の監視する（ステップＳ１４）。
【００６０】
スタータスイッチ２３がオンされると（ステップＳ１４肯定）、即座に電磁クラッチ１３を締結し（ステップＳ１５）、排気カムシャフト６による高圧燃料ポンプ３の駆動に加えて、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４を始動し、高圧燃料ポンプ３の駆動をトルクアシストする（ステップＳ１６）。
【００６１】
スタータスイッチ２３がオフである間は（ステップＳ１４否定）、ドアが施錠されるまでステップＳ１３〜ステップＳ１４を繰り返す。スタータスイッチ２３がオンされず、ドアが施錠されると（ステップＳ１３肯定）、これと同時に低圧燃料ポンプ７の駆動を停止し（ステップＳ１７）、終了する。なお、ステップＳ１３の判定については、その他の運転者の動作であっても特に問題はない。
【００６２】
つぎに、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４を用いて高圧燃料ポンプ３を駆動して内燃機関１を始動した場合において、高圧燃料ポンプ３の動力源を電動モータ４から排気カムシャフト６へ切り換える制御について説明する。
【００６３】
図５のＡ（ステップＳ１１の後行程）で機関が始動した場合には、機関冷却水温度に応じて高圧燃料ポンプ３の駆動、あるいはトルクアシストをしている高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４の運転を停止（電断）し、高圧燃料ポンプ３の駆動を排気カムシャフト６のみに切り換える。
【００６４】
図６は、この高圧燃料ポンプ３の動力源切換時のフローチャートを示す。
水温センサ２７によって検出される水温が所定値以上でない場合には（ステップＳ２０否定）は、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４による高圧燃料ポンプ３の駆動を継続する（ステップＳ２１）。水温が上昇し、水温が所定値以上となった場合には（ステップＳ２０肯定）、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４の運転を停止し（ステップＳ２２）、高圧燃料ポンプ３の駆動を排気カムシャフト６による駆動に切り換える。その後、高圧燃料ポンプ３と高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４とを連結している電磁クラッチ１３を開放する（ステップＳ２３）。これにより、高圧燃料ポンプ３の動力源の切換が完了する。
【００６５】
図７は、機関始動時の水温が所定値以下である場合の機関始動後の各スイッチの開閉と機関状態およびアクチュエータ動作の経過履歴を示すタイムチャートである。
【００６６】
時点Ｔ１で、ドアロックが解除されたことがドアロック解除センサ３１によって検出されると、センサスイッチ３４がオンされ、センサスイッチ３４のオンに同期して低圧燃料ポンプ７始動すると共に電磁クラッチ１３が締結される。そして、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４が始動する。
【００６７】
通常、運転者が駐車中の自動車のドアを開錠してから車内のスタータスイッチ２３をオン（時点Ｔ３）するまでには最低５秒程度は必要と考えると、高圧燃料ポンプ３をドア開錠と同時に電動モータ４によって駆動してからスタータスイッチ２３がオンされるまでの間に、例えば、時点Ｔ２でインジェクタ２に供給する燃料の圧力を目標燃圧に到達させることが充分可能である。
【００６８】
内燃機関１は、時点Ｔ３で、スタータスイッチ２３のオンによってスタータ９が駆動されることにより、始動、すなわち、クランキングされる。そして、内燃機関１は、完爆、さらにはアイドリング状態へと移行する。
【００６９】
機関燃焼によって時間が経過すると共に内燃機関１の冷却水温度が上昇し、時点Ｔ４で、水温が所定の温度に到達すると、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４の運転を停止し、高圧燃料ポンプ３と高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４とを連結する電磁クラッチ１３を開放する。したがって、この動作以降の高圧燃料ポンプ３の駆動は排気カムシャフト６の回転によるのみとなる。
【００７０】
図８は、本発明の実施形態３における筒内噴射式内燃機関の装置全体構成の概略を示す。なお、図８において、図１、図４に対応する部分は、図１、図４に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００７１】
本実施形態では、高圧燃料ポンプ３のポンプ回転軸３Ａと高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４の出力軸４Ａとが駆動ベルト１４によって連結され、高圧燃料ポンプ３と高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４とが排気カムシャフト６にワンウェイクラッチ１２を介して互いに並列の関係で接続されている。
【００７２】
実施形態１、２の場合には、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４を停止する際に電磁クラッチ１３を開放するため、内燃機関１の動力は、電動モータ４側には伝達されない。
【００７３】
しかしながら、高圧燃料ポンプ３と高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４を駆動ベルト１４で連結する実施形態３においては、図９（ａ）に示されているように、冷機始動時には、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４によって高圧燃料ポンプ３を駆動する。そして、実施形態１、２と同様に、例えば、水温が所定値に到達すると、高圧燃料ポンプ３の動力源を排気カムシャフト６に切り換える。この状態下では、図９（ｂ）に示されているように、内燃機関１からの動力がワンウェイクラッチ１２を介して高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４に伝達される。
【００７４】
これにより、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４をモータジェネレータとして動作させることができ、機関始動時以外は、エネルギを回生してバッテリ２２に充電しておき、この回生エネルギを補機類の駆動に利用することが可能である。なお、この実施形態でも、機関始動時の基本的な制御は図５〜図７に示されている実施形態２のものと同様である。
【００７５】
なお、実施形態１〜３において、高圧燃料ポンプ３の補助動力手段を電動モータ４とすることは一例であり、それ以外にも、例えば、圧縮空気等を利用する空気圧モータ等の補助動力手段によって高圧燃料ポンプを駆動することもできる。
【００７６】
図１０は、本発明の実施形態４における筒内噴射式内燃機関の装置全体構成の概略を示す。なお、図１０においても、図１、図４に対応する部分は、図１、図４に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００７７】
実施形態４では、高圧燃料ポンプ３を、カムシャフトによらずに、電動モータ４によって完全に独立駆動する。したがって、この実施形態では、高圧燃料ポンプ３は、全運転領域において、高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４によって駆動されることになる。
【００７８】
このような構成にすることにより、高圧燃料ポンプ３を全く自由に始動することができ、内燃機関１の始動クランキングまでに燃料圧力を目標値に到達させることが可能である。
【００７９】
しかしながら、この構成においては、内燃機関１が回転している間、常に高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ４を駆動することになり、そのため非常に大きな電動モータ４が必要となる。その課題をクリアできれば、燃料圧力制御の自由度を考えると、この構成が最も望ましいと考えられる。
【００８０】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置および方法によれば、内燃機関の始動時には、電動モータ等による補助動力手段によって高圧燃料ポンプの駆動、あるいは駆動トルクのアシストが行われるから、内燃機関のクランキング時から完爆後の持続運転までの運転範囲を所定の燃料圧力に保つことが可能となり、燃料噴霧の気化促進による燃焼室壁面への液膜付着燃料抑制の効果によって始動時に内燃機関から排出されるＨＣを大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置の実施形態１における筒内噴射式内燃機関の装置全体の構成図。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、図１のにおける筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置の高圧燃料ポンプの始動時の動作説明図。
【図３】図２の高圧燃料ポンプの駆動源切換後の動作説明図。
【図４】本発明の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置の実施形態２における筒内噴射式内燃機関の装置全体の構成図。
【図５】図４の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置における機関始動するまでのフローチャート。
【図６】図４の高圧燃料ポンプの動力源切換時のフローチャート。
【図７】図４の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置の機関始動後の各スイッチの開閉と機関状態およびアクチュエータ動作の経過履歴を示すタイムチャート。
【図８】本発明の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置の実施形態３における筒内噴射式内燃機関の装置全体の構成図。
【図９】（ａ）、（ｂ）は図８の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置の実施形態３における高圧燃料ポンプの始動時および駆動源切換後の動作説明図。
【図１０】本発明の筒内噴射式内燃機関の燃料供給装置の実施形態４における筒内噴射式内燃機関の装置全体の構成図。
【符号の説明】
１  内燃機関
２  インジェクタ
３  高圧燃料ポンプ
４  高圧燃料ポンプ駆動用電動モータ
５  吸気カムシャフト
６  排気カムシャフト
７  低圧燃料ポンプ
８  燃料タンク
９  スタータ
１０  高圧燃料配管
１１  燃料圧力センサ
１２  ワンウェイクラッチ
１３  電磁クラッチ
１４  駆動ベルト
２０  電子制御装置（ＥＣＵ）
２１  イグニッションスイッチ
２３  スタータスイッチ
３０  運転者が始動前に行う動作を感知するセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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