JP3814913B2 - Control device for gas fuel internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス燃料内燃機関の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば実開平6−80825号公報に示されるようなガス燃料内燃機関では通常、アクセルペダルの踏込み量に応じてスロットル開度が定められ、スロットル開度に応じて定まる吸入空気量に対し最適な量のガス燃料が機関に供給されるようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガス燃料はその産地や産出時期、季節などによってガス組成にバラツキがあることが知られている。しかしながら、ガス組成にバラツキがあるとガス燃料単位体積当りの発熱量にバラツキが生ずることになり、したがってたとえ吸入空気量に対し最適な量のガス燃料量を供給したとしても機関の出力にバラツキが生ずることになるという問題点がある。言い換えると、機関出力に過不足が生ずることになり、したがって良好なドライバビリティを確保することができない。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために1番目の発明によれば、ガス燃料のガス組成が基準ガス組成のときに機関出力トルクを要求トルクに一致させるのに必要なスロットル開度である基準ガス組成基本スロットル開度をアクセルペダルの踏込み量に基づいて算出する手段と、機関出力トルクを検出する手段と、ガス燃料のガス組成が基準ガス組成のときの機関出力トルクである基準ガス組成出力トルクを算出する手段と、機関出力トルクと基準ガス組成出力トルクとに基づいてガス組成補正係数を算出する手段と、基準ガス組成基本スロットル開度をガス組成補正係数により補正することによりスロットル開度を算出する手段と、スロットル開度に応じて定まる吸入空気量に応じて燃料噴射量を算出する手段と、を具備したガス燃料内燃機関の制御装置が提供される。
【0005】
【発明の実施の形態】
図1を参照すると、1はシリンダブロック、2はピストン、3はシリンダヘッド、4は燃焼室、5は吸気弁、6は排気弁、7は吸気ポート、8は排気ポート、9は燃焼室4内に配置された点火栓をそれぞれ示す。各吸気ポート7はそれぞれ対応する吸気枝管10を介して共通のサージタンク11に接続され、サージタンク11は吸気ダクト12を介してエアクリーナ13に接続される。各吸気枝管10内には対応する吸気枝管10内に、ガス燃料としての圧縮天然ガス(以下CNGと称する)を噴射する燃料噴射弁14が配置される。また、吸気ダクト12内には例えばステップモータからなるアクチュエータ15aにより駆動されるスロットル弁15が配置される。一方、排気ポート8は共通の排気マニホルド16を介して三元触媒17を収容した触媒コンバータ18に接続され、触媒コンバータ18は排気管19に接続される。
【0006】
電子制御ユニット20はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス21を介して相互に接続されたROM(リードオンリメモリ)22、RAM(ランダムアクセスメモリ)23、CPU(マイクロプロセッサ)24、入力ポート25、および出力ポート26を具備する。各吸気枝管10には吸気圧に比例した出力電圧を発生する吸気圧センサ27が取り付けられる。シリンダヘッド3には筒内圧に比例した出力電圧を発生する筒内圧センサ28が取り付けられ、排気マニホルド16の集合部には空燃比を検出するための空燃比センサ29が取り付けられる。また、アクセルペダル30にはその踏み込み量に比例した出力電圧を発生する踏み込み量センサ31が接続される。これら吸気圧センサ27、筒内圧センサ28、空燃比センサ29、および踏み込み量センサ31の出力電圧はそれぞれ対応するAD変換器32を介して入力ポート25に入力される。さらに入力ポート25にはクランクシャフトが例えば30度回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ33が接続される。CPU24では吸気圧センサ27の出力信号に基づいて吸入空気量が算出され、クランク角センサ33の出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート26はそれぞれ対応する駆動回路34を介して各点火栓9、各燃料噴射弁14、およびアクチュエータ15aに接続される。
【0007】
ところで、図1の内燃機関では次式に基づいてスロットル弁15の開度、すなわちスロットル開度TAが算出される。
TA=TABS・KTA
ここでTABSは基準ガス組成基本スロットル開度を、KTAはガス組成補正係数をそれぞれ示している。
【0008】
基準ガス組成基本スロットル開度TABSはCNGのガス組成が後述する基準ガス組成のときに機関の出力トルクを、アクセルペダル30の踏み込み量DEPに応じて定まる要求トルクに一致させるのに必要なスロットル開度であって、予め実験により求められている。このTABSは図2に示されるようにアクセルペダル30の踏み込み量DEPが大きくなるにつれて大きくなる。このTABSはDEPの関数として図2に示すマップの形で予めROM22内に記憶されている。
【0009】
ガス組成補正係数KTAはCNGのガス組成に応じて基準ガス組成基本スロットル開度TABSを補正するためのものである。補正する必要がないとき、すなわちCNGのガス組成が基準ガス組成のときにはKTA=1となる。
一方、図1の内燃機関では次式に基づいて燃料噴射時間TAUが算出される。
TAU=TBS・FAF・KK
ここでTBSは基準ガス組成基本燃料噴射時間を、FAFはフィードバック補正係数を、KKは補正係数をそれぞれ示している。
【0010】
基準ガス組成基本燃料噴射時間TBSはCNGのガス組成が基準ガス組成のときに空燃比を目標空燃比、例えば理論空燃比に一致させるのに必要な噴射時間であって予め実験により求められている。このTBSは機関負荷Q/N(吸入空気量Q/機関回転数N)と機関回転数Nとの関数として図3に示されるマップの形で予めROM22内に記憶されている。
【0011】
フィードバック補正係数FAFは空燃比センサ29の出力信号に基づいて空燃比を理論空燃比に一致させるためのものである。なお、フィードバック補正係数FAFは1.0を中心として変動する。
補正係数KKは暖機時増量補正係数や、加速時増量補正係数などを一まとめにして表したもので、補正する必要がないときには1.0とされる。
【0012】
このようにアクセルペダル30の踏み込み量DEPに応じてスロットル開度TAを制御し、このスロットル開度TAに応じて定まる吸入空気量Qに応じて燃料噴射時間TAUを算出しているのでCNGのガス組成が基準ガス組成である限り、機関の出力トルクを要求トルクに一致させることができる。すなわち、実際の出力トルクに過不足が生ずることがなく、したがって良好なドライバビリティが確保される。
【0013】
ところで、冒頭で述べたようにCNGのガス組成にはバラツキがある。ところがこのようにCNGのガス組成にバラツキがあるとCNGの発熱量にバラツキが生ずることになる。すなわち、図1の内燃機関のCNGは概ねメタン、エタン、プロパン、およびブタンの四成分からなるが、図4に示されるように各成分毎に単位混合気体積当たりの発熱量が異なっている。したがって、CNGのガス組成にバラツキがあると単位CNG体積当たりの発熱量にバラツキが生ずることになる。一方、機関出力トルクは燃焼室4内に供給されたガス燃料の総発熱量に比例する。したがって、CNGの発熱量にバラツキがあると燃料噴射時間TAUが同一であっても機関出力トルクにバラツキが生ずることになる。言い換えると、アクセルペダル30の踏み込み量DEPが同一であっても出力トルクにバラツキが生じ、すなわち実際の出力トルクがアクセルペダル30の踏み込み量DEPに応じて定まる要求トルクに対し過不足を生ずることになる。この場合、例えば加速時に出力トルクが不足すると良好な車両加速フィーリングを得ることができず、斯くして良好なドライバビリティを確保することができない。
【0014】
一方、スロットル開度TAを制御することにより機関出力トルクを制御することができる。そこで、本発明による実施態様では、CNGの発熱量を代表する代表値を求めてこの代表値に応じガス組成補正係数KTAを算出し、このKTAでもって基準ガス組成基本スロットル開度TABSを補正するようにしている。その結果、CNGのガス組成に関わらず実際の出力トルクを要求トルクに一致させることができ、したがって良好なドライバビリティを確保することができる。
【0015】
次に、ガス組成補正係数KTAの算出方法について説明する。
内燃機関の正味熱効率がCNGのガス組成に依らずほぼ一定であることを考えると同一の機関回転数N、同一の燃料噴射時間TAUに対して次式が成立する。
a・N・TRQ/QEX=a・N・TRQS/QEXS
ここで、aは仕事の熱当量などを一まとめにして表した定数を、TRQは或るガス組成における出力トルクを、QEXは或るガス組成における機関に供給されたCNGの総発熱量を、TRQSは基準ガス組成における出力トルク(以下では基準ガス組成出力トルクという)を、QEXSは基準ガス組成における機関に供給されたCNGの総発熱量をそれぞれ表している。したがって次の関係が得られる。
【0016】
QEX=TRQ・QEXS/TRQS
すなわち、CNGの発熱量は機関出力トルクTRQにより表される。そこで、本発明による実施態様では機関出力トルクTRQを検出し、検出された出力トルクTRQに基づいてガス組成補正係数KTAを算出するようにしている。
図5はガス組成補正係数KTAを示している。図5に示されるように検出された出力トルクTRQが基準ガス組成出力トルクTRQSよりも小さいとき、すなわちTRQ/TRQS<1のときにはガス組成補正係数KTAは1よりも大きく、TRQ/TRQSが小さくなるにつれて大きくなる。したがって、TRQ/TRQS<1のときにはスロットル開度TAは増大補正され、斯くして出力トルクが増大せしめられる。一方、TRQ/TRQS>1のときにはガス組成補正係数KTAは1よりも小さく、TRQ/TRQSが大きくなるにつれて小さくなる。したがってTRQ/TRQS>1のときにはスロットル開度TAは減少補正され、斯くして出力トルクが減少せしめられる。
【0017】
このようにするとCNGのガス組成に関わらず実際の出力トルクを要求トルクに一致させることができ、したがって出力トルクに過不足が生ずるのを阻止することができる。その結果、CNGのガス組成に関わらず良好なドライバビリティを確保することができる。
CNGの基準ガス組成にはどのようなものを用いてもよいが、本実施態様では都市ガス13Aのガス組成を基準ガス組成としている。この基準ガス組成は概ね以下の通りである。
メタン:87.5%
エタン:7.6%
プロパン:2.3%
ブタン:2.6%
また、出力トルクTRQをどのように求めてもよいが、本実施態様では特公平7−89090号公報に記載されているように筒内圧センサ28により検出される筒内圧に基づいて出力トルクTRQを算出するようにしている。しかしながら、クランクシャフトにトルクセンサを取り付けてもよく、或いは例えば特公平7−33809号公報に記載されているようにクランクシャフトの角速度に基づいて出力トルクを求めるようにすることもできる。
【0018】
図6はスロットル開度を制御するためのルーチンを示している。このルーチンは例えば繰返し実行されるメインルーチン内で実行される。
図6を参照すると、まず初めにステップ40では図2のマップを用いて基準ガス組成基本スロットル開度TABSが算出される。続くステップ41では筒内圧センサ28の出力信号に基づいて出力トルクTRQが検出される。続くステップ42では基準ガス組成出力トルクTRQSが算出される。基準ガス組成出力トルクTRQSは予め実験により求められており、図7に示すように機関負荷Q/Nおよび機関回転数Nの関数として図7に示すマップの形で予めROM22内に記憶されている。続くステップ43ではTRQ/TRQSと図5のマップを用いてガス組成補正係数TKAが算出される。続くステップ44では基準ガス組成基本スロットル開度TABSとガス組成補正係数KTAの積としてスロットル開度TAが算出される。続くステップ45では実際のスロットル開度がTAとなるようにアクチュエータ15aが駆動せしめられる。
【0019】
図8は燃料噴射時間TAUの算出ルーチンを示している。このルーチンは例えば繰返し実行されるメインルーチン内で実行される。
図8を参照すると、まず初めにステップ50では基準ガス組成基本燃料噴射時間TBSが図3のマップを用いて算出される。続くステップ51では空燃比センサ29の出力信号に基づいてフィードバック補正係数FAFが算出される。続くステップ52では補正係数KKが算出される。続くステップ53では次式に基づいて燃料噴射時間TAUが算出される。
【0020】
TAU=TBS・FAF・KK
燃料噴射弁14からはTAUだけCNGが噴射される。
なお、ガス燃料には、CNGの他、例えば液化石油ガス(LPG)などのように一次燃料である天然ガスおよび石油ガスや二次燃料である石炭転換ガスおよび石油転換ガスを用いることができる。また、液体燃料ではなるがその組成にバラツキがあり得るメタノールなどを燃料とする内燃機関にも本発明を適用することができる。
【0021】
【発明の効果】
ガス燃料のガス組成に関わらず機関出力に過不足が生ずるのを阻止することができるので良好なドライバビリティを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】基準ガス組成基本スロットル開度を示す線図である。
【図3】基準ガス組成基本燃料噴射時間を示す線図である。
【図4】CNGの各成分の単位体積当たりの発熱量を示す線図である。
【図5】ガス組成補正係数を示す線図である。
【図6】スロットル開度を制御するためのフローチャートである。
【図7】基準ガス組成出力トルクを示す線図である。
【図8】燃料噴射時間を算出するためのフローチャートである。
【符号の説明】
4…燃焼室
7…吸気ポート
14…燃料噴射弁
15…スロットル弁
15a…アクチュエータ
28…筒内圧センサ
30…アクセルペダル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a gas fuel internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
For example, in a gas fuel internal combustion engine as disclosed in Japanese Utility Model Laid-Open No. 6-80825, the throttle opening is usually determined according to the amount of depression of the accelerator pedal, and the optimum amount for the intake air amount determined according to the throttle opening. The gas fuel is supplied to the engine.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, it is known that the gas composition of gas fuel varies depending on the production area, production time, season, and the like. However, if the gas composition varies, the calorific value per unit volume of the gas fuel will vary. Therefore, even if the optimal amount of gas fuel is supplied to the intake air amount, the engine output will vary. There is a problem that it will occur. In other words, excess or deficiency occurs in the engine output, and thus good drivability cannot be ensured.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above SL problem, reference gas composition base is the throttle opening required to match the engine output torque to the required torque when the gas composition of the gas fuel is the reference gas composition Means for calculating the throttle opening based on the accelerator pedal depression amount, means for detecting the engine output torque, and calculating the reference gas composition output torque that is the engine output torque when the gas composition of the gas fuel is the reference gas composition Means for calculating the gas composition correction coefficient based on the engine output torque and the reference gas composition output torque, and calculating the throttle opening by correcting the reference gas composition basic throttle opening by the gas composition correction coefficient And a control device for a gas fuel internal combustion engine, comprising: means for calculating a fuel injection amount in accordance with an intake air amount determined in accordance with a throttle opening It is provided.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Referring to FIG. 1, 1 is a cylinder block, 2 is a piston, 3 is a cylinder head, 4 is a combustion chamber, 5 is an intake valve, 6 is an exhaust valve, 7 is an intake port, 8 is an exhaust port, and 9 is a combustion chamber 4. Each of the spark plugs arranged inside is shown. Each
[0006]
The
[0007]
By the way, in the internal combustion engine of FIG. 1, the opening degree of the
TA = TABS / KTA
Here, TABS represents a reference gas composition basic throttle opening, and KTA represents a gas composition correction coefficient.
[0008]
The reference gas composition basic throttle opening degree TABS is the throttle opening required for making the engine output torque coincide with the required torque determined according to the depression amount DEP of the
[0009]
The gas composition correction coefficient KTA is for correcting the reference gas composition basic throttle opening degree TABS according to the gas composition of CNG. When no correction is required, that is, when the gas composition of CNG is the reference gas composition, KTA = 1.
On the other hand, in the internal combustion engine of FIG. 1, the fuel injection time TAU is calculated based on the following equation.
TAU = TBS / FAF / KK
Here, TBS indicates a reference gas composition basic fuel injection time, FAF indicates a feedback correction coefficient, and KK indicates a correction coefficient.
[0010]
The reference gas composition basic fuel injection time TBS is an injection time required to make the air-fuel ratio coincide with the target air-fuel ratio, for example, the stoichiometric air-fuel ratio when the gas composition of the CNG is the reference gas composition, and is obtained in advance by experiments. . This TBS is stored in advance in the
[0011]
The feedback correction coefficient FAF is for making the air-fuel ratio coincide with the stoichiometric air-fuel ratio based on the output signal of the air-
The correction coefficient KK is a summary of the warm-up increase correction coefficient, the acceleration increase correction coefficient, and the like, and is set to 1.0 when correction is not necessary.
[0012]
Thus, the throttle opening TA is controlled according to the depression amount DEP of the
[0013]
By the way, as described at the beginning, the gas composition of CNG varies. However, if there is a variation in the gas composition of CNG in this way, the amount of heat generated by CNG will vary. That is, the CNG of the internal combustion engine of FIG. 1 is generally composed of four components of methane, ethane, propane, and butane, but the calorific value per unit mixture volume varies for each component as shown in FIG. Therefore, if there is a variation in the gas composition of CNG, the amount of heat generated per unit CNG volume will vary. On the other hand, the engine output torque is proportional to the total calorific value of the gas fuel supplied into the combustion chamber 4. Therefore, if the amount of heat generated by CNG varies, even if the fuel injection time TAU is the same, the engine output torque varies. In other words, even if the depression amount DEP of the
[0014]
On the other hand, the engine output torque can be controlled by controlling the throttle opening degree TA. Therefore, in the embodiment according to the present invention, a representative value representative of the heat generation amount of CNG is obtained, the gas composition correction coefficient KTA is calculated according to this representative value, and the reference gas composition basic throttle opening degree TABS is corrected by this KTA. I am doing so. As a result, the actual output torque can be matched with the required torque regardless of the gas composition of CNG, and thus good drivability can be ensured.
[0015]
Next, a method for calculating the gas composition correction coefficient KTA will be described.
Considering that the net thermal efficiency of the internal combustion engine is substantially constant regardless of the gas composition of CNG, the following equation holds for the same engine speed N and the same fuel injection time TAU.
a · N · TRQ / QEX = a · N · TRQS / QEXS
Here, a is a constant that collectively represents the heat equivalent of work, TRQ is the output torque at a certain gas composition, QEX is the total calorific value of CNG supplied to the engine at a certain gas composition, TRQS represents output torque at the reference gas composition (hereinafter referred to as reference gas composition output torque), and QEXS represents the total calorific value of CNG supplied to the engine at the reference gas composition. Therefore, the following relationship is obtained.
[0016]
QEX = TRQ ・ QEXS / TRQS
That is, the amount of heat generated by CNG is represented by the engine output torque TRQ. Therefore, in the embodiment according to the present invention, the engine output torque TRQ is detected, and the gas composition correction coefficient KTA is calculated based on the detected output torque TRQ.
FIG. 5 shows the gas composition correction coefficient KTA. As shown in FIG. 5, when the detected output torque TRQ is smaller than the reference gas composition output torque TRQS, that is, when TRQ / TRQS <1, the gas composition correction coefficient KTA is larger than 1, and TRQ / TRQS is smaller. As it grows. Therefore, when TRQ / TRQS <1, the throttle opening degree TA is corrected to be increased, and thus the output torque is increased. On the other hand, when TRQ / TRQS> 1, the gas composition correction coefficient KTA is smaller than 1, and decreases as TRQ / TRQS increases. Therefore, when TRQ / TRQS> 1, the throttle opening degree TA is corrected to decrease, and thus the output torque is decreased.
[0017]
In this way, it is possible to make the actual output torque coincide with the required torque regardless of the gas composition of CNG, and therefore it is possible to prevent the output torque from being excessive or insufficient. As a result, good drivability can be ensured regardless of the gas composition of CNG.
Any reference gas composition of CNG may be used, but in this embodiment, the gas composition of the city gas 13A is used as the reference gas composition. The reference gas composition is generally as follows.
Methane: 87.5%
Ethane: 7.6%
Propane: 2.3%
Butane: 2.6%
The output torque TRQ may be obtained in any way. In this embodiment, the output torque TRQ is calculated based on the in-cylinder pressure detected by the in-
[0018]
FIG. 6 shows a routine for controlling the throttle opening. This routine is executed in a main routine that is repeatedly executed, for example.
Referring to FIG. 6, first, at
[0019]
FIG. 8 shows a routine for calculating the fuel injection time TAU. This routine is executed in a main routine that is repeatedly executed, for example.
Referring to FIG. 8, first, at step 50, the reference gas composition basic fuel injection time TBS is calculated using the map of FIG. In the following
[0020]
TAU = TBS / FAF / KK
CNG is injected from the
In addition to CNG, natural gas and petroleum gas which are primary fuels, such as liquefied petroleum gas (LPG), etc., and coal conversion gas and petroleum conversion gas which are secondary fuels can be used as gas fuel. In addition, the present invention can be applied to an internal combustion engine that uses methanol or the like, which is a liquid fuel, but whose composition may vary.
[0021]
【The invention's effect】
Regardless of the gas composition of the gas fuel, it is possible to prevent the engine output from being excessive or deficient, so that good drivability can be ensured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine.
FIG. 2 is a diagram showing a reference gas composition basic throttle opening.
FIG. 3 is a diagram showing a reference gas composition basic fuel injection time.
FIG. 4 is a diagram showing a calorific value per unit volume of each component of CNG.
FIG. 5 is a diagram showing a gas composition correction coefficient.
FIG. 6 is a flowchart for controlling the throttle opening.
FIG. 7 is a diagram showing a reference gas composition output torque.
FIG. 8 is a flowchart for calculating a fuel injection time.
[Explanation of symbols]
4 ...
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