(57)【要約】【課題】ベースカムよりも、カム１回転当たりのプランジャの総ストローク量を増大させたカムプロフィールとして、エンジンの始動時に早期に圧縮行程噴射を開始させる。【解決手段】高圧燃料ポンプ（５）からの高圧燃料を開弁時にエンジンの燃焼室内に直接的に供給する燃料噴射弁（１３）を備えるエンジンの燃料供給装置において、高圧燃料ポンプはエンジンのカム（７）により駆動され、カム（７）はエンジン要求最大燃料流量を供給するためのカム山に加えて小作動のカム山をさらに有するプロフィールである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧燃料を吐出する高圧燃料ポンプと、
この高圧燃料ポンプからの高圧燃料を開弁時にエンジンの燃焼室内に直接的に供給する燃料噴射弁と
を備えるエンジンの燃料供給装置において、
前記高圧燃料ポンプはエンジンのカムにより駆動され、
前記カムはエンジン要求最大燃料流量を供給するためのカム山に加えて小作動のカム山をさらに有するプロフィールである
ことを特徴とするエンジンの燃料供給装置。
【請求項２】
前記エンジン要求最大燃料流量を供給するためのカム山を１８０度離れた対向位置に設け、その山の中間に前記小作動のカム山を設けることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料供給装置。
【請求項３】
高圧燃料を吐出する高圧燃料ポンプと、
この高圧燃料ポンプからの高圧燃料を開弁時にエンジンの燃焼室内に直接的に供給する燃料噴射弁と
を備えるエンジンの燃料供給装置において、
前記高圧燃料ポンプはエンジンのカムにより駆動されるプランジャポンプであり、
前記カムは、エンジン要求最大燃料流量を供給するためのカムプロフィールを有するベースカムと、カム１回転当たりのプランジャの総ストローク量を前記ベースカムより増大させた始動用カムとの２つのカムで構成し、
この２つのカムを切換可能なカム切換機構を有させ、
エンジンの始動時に前記始動用カムにより前記プランジャが往復動するように前記カム切換機構を切換えることを特徴とするエンジンの燃料供給装置。
【請求項４】
エンジンの始動時より所定期間が経過した後またはエンジンの暖機完了後に前記ベースカムにより前記プランジャが往復動するように前記カム切換機構を切換えることを特徴とする請求項３に記載のエンジンの燃料供給装置。
【請求項５】
前記始動用カムのプロフィールを、エンジン要求最大燃料流量を供給するためのカム山と、小作動のカム山とを設けたプロフィールとすることを特徴とする請求項３に記載のエンジンの燃料供給装置。
【請求項６】
前記エンジン要求最大燃料流量を供給するためのカム山を１８０度離れた対向位置に設け、その山の中間に前記小作動のカム山を設けることを特徴とする請求項５に記載のエンジンの燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジンの燃料供給装置、特にエンジンにより駆動される高圧燃料ポンプから吐出した燃料を燃焼室に臨んで設けた燃料噴射弁に供給するようにした筒内直接噴射式エンジンに適用されるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動の低圧ポンプにより供給される燃料をエンジン駆動の高圧燃料ポンプで高圧にして蓄圧室に蓄えておき、この蓄圧室より各気筒の燃料噴射弁に燃料を分配するようにしたものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−８９４０１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、始動時、特に冷間始動時には早期に圧縮行程噴射を開始して理論空燃比に近い空燃比で成層燃焼を行わせたほうが、ＨＣの排出量を低減できる。これは、混合気にムラのある状態で燃焼させることになり、未燃燃料であるＨＣの燃焼が吸気行程噴射による場合よりも促進されるためである。
【０００５】
ここで、圧縮行程噴射を行うためには、燃焼室に臨んでいる燃料噴射弁により圧縮行程での燃焼室内圧力に打ち勝って燃焼室内に燃料噴射を行わなければならないので、圧縮行程噴射許可燃圧が予め定められており、蓄圧室の実際の燃圧がこの圧縮行程噴射許可燃圧まで上昇したときに圧縮行程噴射が許可されることになる。
【０００６】
この場合、上記従来装置では、高圧燃料ポンプはプランジャポンプであり、プランジャ駆動カムをエンジン回転の１／２で回転させている。このため、エンジンの始動時にはプランジャ駆動カムのカム１回転当たりのプランジャの総ストローク量とクランキング回転速度とにより定まる吐出量に応じてしか蓄圧室の実際の燃圧が上昇してゆかない。
【０００７】
このため、蓄圧室の実際の燃圧が圧縮行程噴射許可燃圧に達する前には吸気行程噴射を行うしかないのが現状であり、このため圧縮行程噴射に切換わるまでの間でＨＣ排出量が増加してしまう。
【０００８】
そこで本発明は、従来のプランジャ駆動カムをベースカムとすると、このベースカムよりも、カム１回転当たりのプランジャの総ストローク量を増大させたカムプロフィールとして、エンジンの始動時に早期に圧縮行程噴射を開始させることができるエンジンを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高圧燃料ポンプからの高圧燃料を開弁時にエンジンの燃焼室内に直接的に供給する燃料噴射弁を備えるエンジンの燃料供給装置において、前記高圧燃料ポンプはエンジンのカムにより駆動され、前記カムはエンジン要求最大燃料流量を供給するためのカム山に加えて小作動のカム山をさらに有するプロフィールであるか、または、前記高圧燃料ポンプはエンジンのカムにより駆動されるプランジャポンプであり、前記カムはエンジン要求最大燃料流量を供給するためのカムプロフィールを有するベースカムと、カム１回転当たりのプランジャの総ストローク量を前記ベースカムより増大させた始動用カムとの２つのカムで構成し、この２つのカムを切換可能なカム切換機構を有させ、エンジンの始動時に前記始動用カムにより前記プランジャが往復動するように前記カム切換機構を切換える。
【００１０】
【発明の効果】
本発明では、高圧燃料ポンプを駆動するカムを、エンジン要求最大燃料流量を供給するためのカム山に加えて小作動のカム山を設けたプロフィールとしたので、カム１回転当たりのプランジャの総ストローク量が増大し、これにより高圧燃料ポンプからの吐出量が増し、実燃圧が素早く立ち上がり圧縮行程噴射許可燃圧に速やかに達する。すなわち、エンジンの始動時に圧縮行程噴射を行うに必要な燃圧への早期昇圧が可能となり、これにより始動当初からの圧縮行程噴射による成層燃焼を実現でき、特に冷間始動時のＨＣ排出量を大幅に低減することができる。
【００１１】
また、第２の発明では、エンジンの始動時にカム１回転当たりのプランジャの総ストローク量をベースカムより増大させた始動用カムによりプランジャが往復動するようにカム切換機構を切換えるので、実燃圧が圧縮行程噴射許可燃圧へと早期に達して圧縮行程噴射を開始できるタイミングが早まり、これによりＨＣ排出量をベースカムの場合より低減できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態の燃料供給装置の概略構成図で、電子制御スロットル装置、頂面に点火プラグ位置を考慮したキャビティの形成されるピストン、スワールコントロールバルブなどを備える筒内直接噴射式火花点火エンジン（図示しない）に適用されている。また、当該エンジンは図示しない車両に搭載されている。
【００１４】
燃料タンク１内の燃料は低圧燃料ポンプ２により低圧燃料供給通路３を介して、高圧燃料ポンプ５に供給される。
【００１５】
高圧燃料ポンプ５は図示しない加圧室、加圧室を開閉する弁機構、往復動するプランジャ６、プランジャ駆動カム７から構成される単筒プランジャポンプであり、カム７はエンジンの回転力により駆動される。例えばエンジンのカムシャフトのようにエンジン回転の１／２で回転するようにしている。
【００１６】
この高圧燃料ポンプ５では供給される低圧燃料をさらに燃圧を高めて高圧燃料供給通路１１に吐出する。高圧燃料供給通路１１は蓄圧室としての直管状燃料ギャラリー１２と連通しており、この燃料ギャラリー１２からの高圧燃料が燃料噴射弁１３に供給されている。
【００１７】
燃料ギャラリー１２は燃料タンク１へのリターン通路４とつながる連絡通路１６と連通され、この連絡通路１５にリリーフバルブ１６が設けられている。このリリーフバルブ１６は、燃料ギャラリー１２内の燃圧が規定圧以上になると開いて燃料ギャラリー１２内の高圧燃料を燃料タンク１へのリターン通路４へと戻すためのものである。
【００１８】
上記の燃料噴射弁１３は気筒毎に図示しないエンジンの燃焼室に臨んで設けられ、エンジンコントローラ２１からの信号を受けて所定の時期に開かれ、その開弁時間と燃料噴射弁１３に作用する燃料ギャラリー１２内の燃圧とに比例した燃料を燃焼室内に直接的に噴射供給する。
【００１９】
ここで、燃料ギャラリー１２内の要求燃圧は運転条件（負荷と回転速度）に応じて定められ、負荷一定であればエンジン回転速度が大きくなるほど高くなり、また回転速度一定であれば負荷が大きくなるほど高くなる値である。要求燃圧の最小値は例えば０．５ＭＰａ程度、要求燃圧の最大値は例えば１１ＭＰａ程度であり、その圧力範囲は広い。要求燃圧を全ての運転条件で一定としたときには、大きく変化する要求燃料量に対応させて燃料噴射弁１３の開弁時間を長くしたり短くしたりしなければならず、燃料噴射弁１３に対する仕様（ダイナミックレンジの拡大）が厳しくなることも考え得るのであるが、このように、回転速度一定であれば高負荷ほど要求燃圧を高めることで、燃料噴射弁１３の開弁時間を長くしなくても要求燃料量を供給できることになり、燃料噴射弁１３に対する仕様が厳しくならないようにすることができる。
【００２０】
高圧燃料ポンプ５の内部には吐出燃料をリターン通路４へと逃す通路にデューティ制御可能な制御弁８を備えており、この制御弁８へのＯＮデューティ値（制御量）を大きくするほどリターン通路４に逃される吐出燃料が多くなる。エンジンコントローラ２１では燃圧センサ２２により検出される燃料ギャラリー１２内の実際の燃圧がそのときの運転条件に応じた要求燃圧と一致するように制御弁８に与えるＯＮデューティ値をフィードバック制御する。
【００２１】
こうした燃料供給装置を備える筒内直接噴射式火花点火エンジンを前提として本実施形態では、図２に示したようにカム７のプロフィールを形成している。すなわち、従来のカムをベースカム３１とすると、このベースカム３１には細実線で示したようにエンジン要求最大燃料流量を供給するために必要十分なカム山３２、３３が１８０度離れて対向する左右の位置に１つずつ設けられているのであるが、本実施形態ではベースカム３１のそれらカム山３２、３３のちょうど中間の対向する位置（上下の位置）に１つずつカム山３２、３３よりもリフト量、作動角が共に小さなカム山（小作動のカム山）３４、３５を追加して設ける。
【００２２】
ただし、大作動のカム山３２、３３からこの小作動のカム山３４、３５へと移る際、あるいはこの逆へと移る際にプランジャ６が運動限界を逸脱して飛び跳ねることがないようにカムプロフィールを改めて設定し直す（図２太実線参照）。
【００２３】
このため、本実施形態によればカム７のリフト特性は図３に示したように大きなリフトの中間に小さなリフトが生じるものとなり、これによりカム１回転当たりのプランジャ６の総ストローク量がベースカムより増大している。
【００２４】
ここで、プランジャ６の総ストローク量は、大作動のカム山３２、３３をさらに大きくするのではなく、小作動のカム山３４、３５を追加することによって増大しているので、プランジャ６の最大ストロークを大きくする必要がなく、高圧燃料ポンプの大型化を招来することがない。また、大作動のカム山３２、３３をさらに大きくすることによるプランジャ６のカム山に対する追従性の悪化を招くことも防止できる。
【００２５】
本実施形態の作用を図４、図５を参照しながら説明すると、図４はエンジンの始動時から燃料ギャラリー１２内の実燃圧がどのように変化するのかを示すタイミングチャート、図５はこれに加えて燃料の噴射時期、ＨＣ排出量の変化を示すタイミングチャートである。ただし、図４には燃料ギャラリー１２内の実際の燃圧の変化を、図５最上段には燃料ギャラリー１２内の実燃圧の変化をモデル的に示している。
【００２６】
破線で示したベースカム３１による場合には、ｔ１でスタータモータによりクランキングが開始されると、ｔ３のタイミングまで実燃圧が圧縮行程噴射許可燃圧に達しないので、吸気行程での噴射で始動を開始し、燃焼室の全域を均質的な混合気で満たし、理論空燃比付近の混合気による均質燃焼を行う必要がある。
【００２７】
そして、この吸気行程噴射により発生するエンジントルクによりエンジンが自立運転に入り、このときの回転速度に応じて実燃圧が上昇してゆき、やがて実燃圧が圧縮行程噴射許可燃圧に達すると、ｔ３のタイミングでようやく吸気行程噴射より圧縮行程噴射に切換えることができる。このように、破線で示したベースカム山３１による場合、始動時から圧縮行程での燃料の噴射を行うことができないので、特に冷間での始動の場合、ＨＣの排出量を低減することが難しい。
【００２８】
これに対して、本実施形態のカム７によると、カム１回転当たりのプランジャ６の総ストローク量がベースカム３１による場合より増大するため、同じクランキングを行っても、高圧燃料ポンプ５からの吐出量が増える。このため、図４実線、図５最上段実線で示したように、ｔ１からベースカム３１の場合より急激な傾きで実燃圧が上昇し、ｔ２ですでに実燃圧が圧縮行程噴射許可燃圧に達することから、ｔ２のタイミングで早くも圧縮行程噴射を開始することができる。すなわち、図５中段にも示すように、ベースカムによる場合には圧縮行程噴射を開始できるタイミングがｔ３であったものが（図５中段の破線参照）、本実施形態のカム７によれば圧縮行程噴射を開始できるタイミングがｔ２まで早まり（図５中段の実線参照）、これにより図５下段に示したようにＨＣ排出量をベースカム３１の場合より低減できる。特にこのＨＣ排出量の低減は冷間での始動の場合に顕著である。
【００２９】
図６は第２実施形態のベースカム４２と始動用カム４３との２つのカムの設けられるカムシャフト４１の平面図である。
【００３０】
第１実施形態では、１つのカム７に対して、カム１回転当たりのプランジャ６の総ストローク量が増大する工夫をしたが、第２実施形態はベースカム３１の他に始動用カム４３を別体で設け、いずれかのカム４２、４３を切換可能に構成すると共に、エンジンの冷間始動時には始動用カム４３によりプランジャ６を、これに対してエンジンの始動時より所定期間の経過後やエンジンの暖機完了後になるとベースカム３１によりプランジャ６を往復動させるようにしたものである。すなわち、図６に示したようにカムシャフト４１にはベースカム３１と始動用カム４３との２つのカムが並んで設けられている。
【００３１】
ここで、ベースカム３１のプロフィールは、前述したように図２の細実線で示したものである。これに対して、始動用カム４３のプロフィールは図７に示すように、第１実施形態のカム７のプロフィールと同様に、１８０度離れた左右の対向位置に大作動のカム山４４、４５を、またこの大作動のカム山４４、４５の間であって同じく１８０度離れた上下の対向位置に小作動のカム山４６、４７をそれぞれ設けたものである。なお、カムシャフト４１は第１実施形態と同じにエンジンのカムシャフトのようにエンジン回転の１／２で回転するようにしている。
【００３２】
２つのカム３１、４３を切換可能なカム切換機構としては特開平８−７４５３７号公報に記載の機構を流用すればよい。機構そのものは公知であるので、図８、図９を参照して簡単に説明すると、図８はベースカム３１によりポンプ５のプランジャ６を駆動しているときの、図９は始動用カム４３によりポンプ５のプランジャ６を駆動しているときのカム切換機構の概略構成図である。
【００３３】
メインロッカアーム５５は、ロッカシャフト５２により直接支持されるのではない。すなわち、メインロッカアーム５５は両端が出っ張った形状のハウジング５３がロッカシャフト５２に固定されており、このハウジング５３の一方の端にロッカシャフト５２に対して偏心して設けたシャフト５４により回動可能に支持されている。
【００３４】
ロッカシャフトの下方に横たわるように位置しているメインロッカアーム５５は左端上面でプランジャ６に、また中央より左側の下面でベースカム３１の側面に当接している。このため、メインロッカシャフト５５はベースカム３１のプロフィールに応じシャフト５４を支点にして揺動し、これを受けてプランジャ６が図で上下方向に往復動する。
【００３５】
一方、メインロッカアーム５５の手前にあるサブロッカアーム５６も、右端でシャフト５４により回動可能に支持されると共に、ロッカシャフトの下方に横たわるように位置している。このサブロッカアーム５６の中央位置上部にはピストン５８とロストモーションスプリング５９とからなるロストモーション機構５７が設けられ、このロストモーションスプリング５９の付勢力でピストン５８をハウジング５３の下面に当接し、その反作用でサブロッカアーム５６を、その左端下面において始動用カム４３の側面に当接させている。このため、始動用カム４３のプロフィルに従いサブロッカアーム５６がシャフト５４を支点として揺動するとき、その動きはロストモーション機構５７に吸収され、始動用カム４３、サブロッカアーム５６の動きがプランジャ６の動きに寄与することはない。
【００３６】
ハウジング５３の左端近くには別のシャフト６１に支持されて回動可能なレバー６２が設けられ、このレバー６２の上端６２ａは、図示しないスプリングの付勢力により、ハウジング５３の左端に設けられた油圧ピストン７１と常時当接している。油圧ピストン７１の油圧室７２には常時は高圧の作動油が供給されていないが、図示しない電動油圧ポンプとロッカシャフト５２の内部に設けた油路７３とをつなぐ油通路の切換弁が、エンジンコントローラ２１からの信号を受けて開かれたとき、電動油圧ポンプにより吐出される高圧の作動油が、油路７３、この油路７２との連通路７４を介して油圧室７２に供給される。この油圧供給を受けると、油圧ピストン７１がスプリングに抗してレバー６２を図で反時計方向に回動する（図９参照）。この場合に、図８に示したようにベースカム３１のリフト域にあるときにはレバー６２の下端６２ｂはサブロッカアーム５６の左端側面５６ａに当接するだけであるが、ベースカム３１がベースサークル域にきたとき、図９のようにレバー６２の下端６２ｂがサブロッカアーム５６の左端上面に設けた係合部５６ｂにはまり込み、この係合状態ではメインロッカアーム５５とサブロッカアーム５６とが一体で動く。
【００３７】
このときには、一体動する２つのロッカアーム５５、５６は２つのカム３１、４３のうちのリフトの高いほう、つまり始動用カム４３のプロフィールに従って要することになる。すなわち、切換弁が開かれたときには始動用カム４３のプロフィールに従いメインロッカシャフト５２がシャフト５４を支点にして揺動し、これを受けてプランジャ６が上下方向に往復動する。
【００３８】
上記の切換弁は、エンジンの始動時より所定期間が経過したときあるいはエンジンの暖機完了後に全閉する。切換弁が閉じられると、油圧室７２内の油圧が低下しスプリングの付勢力が打ち勝ったとき、いずれのカム３１、４３もベースサークル域にあればレバー６２が図で時計方向に回動され、レバー６２の下端６２ｂがサブロッカアーム５６の係合部５６ｂから外れる。このときには、メインロッカアーム５５は再びベースカム３１に従って揺動する。すなわち、従来装置と同様となる。
【００３９】
このように、ベースカム３１の他に始動用カム４３を別体で設け、これら２つのカム３１、４３を切換可能に構成し、エンジンの冷間始動時には始動用カム側に切り換えてポンププランジャを駆動するようにした第２実施形態では、エンジンの冷間始動時に第１実施形態と同様の作用効果が生じる。すなわち、始動用カム４３によればカム１回転当たりのプランジャ６の総ストローク量がベースカム３１による場合より増大するため、実燃圧が圧縮行程噴射許可燃圧へと早期に達して圧縮行程噴射を開始できるタイミングが早まり、これによりＨＣ排出量をベースカム３１の場合より低減できる。
【００４０】
また、第１実施形態では１つのカム７で全ての回転速度域をカバーすることになるため、最大限に冷間始動時の圧縮行程噴射許可燃圧への昇圧期間を短縮しようとカム７のプロフィールを定めた場合に、高回転速度域でプランジャ６が運動限界を逸脱して飛び跳ねることが考え得るのであるが、第２実施形態では、エンジンの冷間始動時より所定期間が経過した後あるいはエンジンの暖機完了後の高回転速度域であればプランジャ６はベースカム３１により駆動されるので、高回転速度域においてもプランジャ６が運動限界を逸脱することを避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料供給装置の概略構成図。
【図２】第１実施形態のプランジャ駆動カムの正面図。
【図３】プランジャ駆動カムのリフト特性図。
【図４】エンジンの始動時からの実燃圧の変化を示すタイミングチャート。
【図５】エンジンの始動時からの実燃圧の変化に加えて噴射時期、ＨＣ排出量の変化を示すタイミングチャート。
【図６】第２実施形態のカムシャフトの要部平面図。
【図７】第２実施形態の始動用カムの正面図。
【図８】カム切換機構のベースカム駆動時の概略構成図。
【図９】カム切換機構の始動用カム駆動時の概略構成図。
【符号の説明】
５  高圧燃料ポンプ
６  プランジャ
７  カム
１２  燃料ギャラリー
１３  燃料噴射弁
３２、３３  大作動のカム山
３４、３５  小作動のカム山
４１  カムシャフト
４２  ベースカム
４３  始動用カム
４４、４５  大作動のカム山
４６、４７  小作動のカム山
【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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