JP2004124891A - バイフューエル内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

バイフューエル内燃機関の燃料噴射制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】バイフューエル内燃機関の燃料噴射装置は、ガソリン燃料とCNG燃料のそれぞれに必要となるので、従来のガソリン機関の燃料供給装置に比べて、部品点数が多く、構造が複雑になり、かつ、コスト高となる。
【解決手段】液体燃料噴射装置を各気筒に向けて少なくとも一箇所から液体燃料を噴射する噴射弁とガス燃料を噴射するガス燃料弁とを含む燃料噴射装置とする。加えて、吸気管に燃料通路を設けて燃料配管をなくし、吸気管に燃圧調整弁や燃料圧力脈動抑止弁を組み付けて一体化する。更に、吸気管にガス燃料を噴射するガス燃料噴射弁と燃料配管を組み付けて一体化する。
【効果】液体燃料噴射弁の削減,吸気管への燃料通路の一体化、又は、吸気管へのガス燃料噴射弁と燃料配管の一体化により、部品削減,部品統合及び部品廃止が可能となる。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイフューエル内燃機関の燃料噴射装置又は燃料噴射制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
バイフューエル内燃機関は、ガソリン燃料の消費抑制と排気エミッションの低減を主な目的としている。使用燃料は例えば特開2002−38986号,特開平11−294212号に記載のようにガソリンと圧縮天然ガス(CNG:
Conpressed Natural GAS)を組み合わせたものがある。
【0003】
通常運転時は、ガソリン燃料に比べて排出されるNOx,HC,CO等の少ないCNG燃料を供給燃料として使用し、エミッションの低減を行う。この場合、燃料噴射装置はガソリンとCNGそれぞれに必要となることから、一つの内燃機関に対して二つの燃料噴射装置を設けることとなる。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−38986号
【特許文献2】
特開平11−294212号
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、従来の燃料噴射装置で構成されるガソリン機関に比べ、ガス燃料の噴射装置を設けることでバイフューエル燃料供給装置は構成が複雑になるうえにコスト高となるという問題があり、燃料噴射装置の構成の簡易化,単純化,メンテナンスの容易化及びコスト低減の課題がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、液体燃料の噴射装置を1つにし、ガス燃料の噴射装置を各気筒ごと又は所定数の気筒ごとに設けることを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するためには、燃料噴射装置を構成する部品の統合,廃止を行い、噴射弁の数を削減する必要がある。
【0008】
そこで、第1に、液体燃料とガス燃料を噴射する燃料噴射装置の液体燃料噴射部(又は液体燃料噴射装置)は一箇所から燃料を供給するように構成することを特徴とする。
【0009】
第2に、燃料噴射装置の液体燃料噴射部は内燃機関の複数気筒に向けて一箇所から多方向に液体燃料を噴射する液体燃料噴射弁をスロットル弁よりも下流に設けることを特徴とする。
【0010】
第3に、液体燃料噴射部を構成する液体燃料噴射弁,燃圧調整弁,燃料圧力脈動抑止弁及び燃料通路の少なくとも一つと、ガス燃料噴射部(又はガス燃料噴射装置)を構成するガス燃料噴射弁、燃圧調整弁及び燃料通路の少なくとも一つを吸気管に一体化する構成とし、部品点数の削減とそれによるコストを削減した構成とする。
【0011】
第4に、上述の第2の特徴において、液体燃料噴射部を構成する液体燃料噴射弁,燃圧調整弁,燃料圧力脈動抑止弁及び燃料通路の少なくとも一つと、ガス燃料噴射部を構成するガス燃料噴射弁,燃圧調整弁及び燃料通路の少なくとも一つを前記一箇所から多方向に燃料を噴射する液体燃料噴射弁が設けられる吸気管に一体化することを特徴とし、安価な構成とすることを特徴とした。
【0012】
第5に、上述の第3又は第4の特徴にスロットル弁を設置するスロットルボディを加えて一体化することで、さらに安価な構成とすることを特徴とした。
【0013】
第6に、第2から第5の構成に、燃料噴射弁は、内燃機関に近い方にガス燃料噴射弁を、遠い方に液体燃料噴射弁を配置することを特徴とした。これは、液体はガスよりも噴射された燃料の貫通力が大きなため内燃機関から遠くても噴射された燃料が所定の気筒に供給されることによるものである。
【0014】
第7に、第2から第5の特徴において、燃料噴射弁の数は、液体燃料噴射弁の方がガス燃料噴射弁よりも少なくし、安価な構成とすることを特徴とした。
【0015】
第8に、ガス燃料と液体燃料とのうち少なくとも一方を内燃機関に供給するバイフューエルシステムであって、1燃焼行程に必要な液体燃料の噴射量を演算する液体燃料噴射量演算部と1燃焼行程に噴射された液体燃料量を算出する液体燃料量算出部と、1燃焼行程に必要な液体燃料の噴射量と1燃焼行程に噴射された液体燃料量とから燃料量の不足分をガス燃料で補うように補正噴射する燃料噴射量分担部とを有し、各燃料タンク内の残量や運転状態に応じて液体燃料又はガス燃料を内燃機関に供給することを特徴とした。
【0016】
第9に、ガス燃料と液体燃料とのうち少なくとも一方を内燃機関に供給するバイフューエルシステムであって、1燃焼行程に必要なガス燃料の噴射量を演算するガス燃料噴射量演算部と1燃焼行程に噴射されたガス燃料量を算出するガス燃料量算出部と、1燃焼行程に必要な液体燃料の噴射量と1燃焼行程に噴射された液体燃料量とから燃料量の不足分を液体燃料で補うように補正噴射する燃料噴射量分担部とを有し、各燃料タンク内の残量や運転状態に応じて液体燃料又はガス燃料を内燃機関に供給することを特徴とした。
【0017】
第10に、液体燃料噴射区間からガス燃料噴射区間への切り替えは第8の特徴で示される処理又は制御を経てから行うことで、燃料切り替わり時の排気ガス悪化,運転性の悪化を防止したことを特徴とした。
【0018】
第11に、ガス燃料噴射区間から液体燃料噴射区間への切り替えは第9の特徴で示される処理又は制御を経てから行うことで、燃料切り替わり時の排気ガス悪化,運転性の悪化を防止したことを特徴とした。
【0019】
第12に、第11の特徴において、ガス燃料噴射区間から液体燃料噴射区間への切り替えは気筒数の合計―1気筒間ガスと燃料の両方を噴射することでより排気ガスの悪化,運転性の悪化を防止したことを特徴とした。
【0020】
以下本発明の実施例について説明する。図4は本発明を適用するシステムの構成を示す図である。内燃機関1の気筒数は何気筒でも対応可能であるが、ここでは、3気筒を代表にとり実施例の説明を行う。
【0021】
空気はダクトから吸入されエアクリーナ(図示せず),スロットルボディ12に組み付けられたスロットルバルブ4,吸気管2A,2B又は2Cを通り内燃機関1へ供給される。
【0022】
次に液体燃噴射装置とガス燃料噴射装置について簡単に説明を行う。
【0023】
液体燃料噴射装置は、燃料を燃料タンク30内に配置した燃料ポンプ31で配管33に圧送し、燃圧レギュレータ32で所定の燃料圧力にコントロールされ、液体燃料噴射弁3から吸気管(又は吸気通路)2A〜2Cへ噴射するものである。
【0024】
ガス燃料噴射装置は、ガス燃料が高圧で充填されているボンベ50からガス圧力センサ51,ガス燃料を開閉する主止弁52,圧力レギュレータ53が取り付けられている配管55を通り、吸気管2A,2B,2Cに取り付けられたガス燃料噴射弁54A,54B,54Cからそれぞれの吸気管へ噴射するものである。なお、主止弁52は、内燃機関1の運転,停止に応じてガスの開放,遮断を行うもので、圧力レギュレータ53はスロットルボディ12下流側の吸気管圧力に対する差圧を一定に調圧するものである。
【0025】
前記燃料噴射弁の位置関係と数は、気筒間の空燃比のばらつき、燃料の輸送遅れの観点から実機で確認を行った。
【0026】
発明者らは、燃料噴射装置のコスト低減を目的として、燃料噴射弁の数量の削減、即ち1本の燃料噴射弁で成立させることを考えた。図6は、使用した燃料噴射弁の概観形状を示し、図7には噴口部の詳細を示したものである。噴口部には気筒数に応じたオリフィスが設けられている。3気筒の内燃機関1の場合は図6に示したようにオリフィスが301〜303の3個設けてある。
【0027】
液体燃料噴射弁3を一個にする場合では、燃料噴射弁は吸気管の各気筒への分岐部へ取り付ける必要がある。そこで、シミュレーションで空気の流れをスムースにする為の検討を行った。
【0028】
図9は空気の流れを適正化した結果を示したものである。これによれば、図9の(A),(B),(C)部において空気の流れに乱れが生じていることが分る。このシミュレーション結果を踏まえて液体燃料,ガス燃料を噴射し、気筒間の空燃比のばらつきを確認した。
【0029】
図10は、液体燃料を噴射した場合の状態を示すもので、噴射された燃料は貫通力があることから前記シミュレーションでの空気の流れの乱れや、矢印で示した吸気干渉による気筒間の空気の乱れがあるにも関わらず内燃機関の入り口まで燃料が到達している。一方、図11に示すように、ガス燃料を噴射したものでは、特に矢印で示した吸気干渉による気筒間の空気の乱れにより所定の気筒燃料が入らないことが確認できた。
【0030】
液体燃料とガス燃料のそれぞれについて、排気ガス分析計で各気筒の空燃比の測定を行った。その結果を図12に示す。横軸に気筒の番号を、縦軸に空燃比をとりテスト結果を整理したものである。図12において白丸が液体燃料噴射,黒四角がガス燃料噴射の空燃比を示している。図から明らかなように液体燃料噴射においては空燃比のばらつきは0.7 であり、ガス燃料噴射の2.2 に比べてはるかに小さいことが確認できた。以上の結果、液体燃料噴射弁3の数量削減は液体燃料噴射で行うこととした。
【0031】
本システムには、内燃機関1の運転状態を検知するために、図示していないが冷却水温センサ,内燃機関1の回転速度やクランク角度を検知するクランク角センサ,トランスミッションの出力軸の回転数を検出する車速センサ及び排気管8にO センサ9などが配置されている。
【0032】
図4のコントローラ10では、上記のクランク角センサからの信号や、その他の各種センサからの検出信号を取り込み、それらの検出結果に基づいて液体燃料噴射弁3,点火コイル17,ISC(Idle Speed Control)バルブ21,燃料ポンプ32等の制御を行っている。
【0033】
図5はコントローラ10の内部構成を示したものである。コントローラ10は、入力回路191,A/D変化部192,中央演算部193,ROM194,
RAM195、及び出力回路196を含んだコンピュータにより構成されている。
【0034】
入力回路191は、アナログ信号の場合では、例えば、水温センサ9,スロットル開度センサ9等からの信号を受け付けて、これらの信号からノイズ成分の除去等を行い、ノイズ成分が取り除かれた信号をA/D変換部192に出力するためのものである。
【0035】
中央演算部193は、上記のA/D変換の結果を取り込み、ROM194等の媒体に記憶された燃料噴射制御プログラムやその他の制御プログラムを実行またはデータの入出力を行うことによって、前述の各制御及び診断等を実行する機能を備えている。
【0036】
なお、演算結果、及び、前記A/D変換結果は、RAM195に一時保管されるとともに、該演算結果は、出力回路196を通して制御出力信号197として出力され、液体燃料噴射弁3,点火コイル9等の制御に用いられる。
【0037】
前記液体燃料噴射装置とガス燃料噴射装置は、始動は液体燃料噴射装置を使用し、エンジンの状態が、例えば、始動後の時間,冷却水温及び運転状態などの単独或いは組み合わせで切り替え条件を設定し、その条件が満足したらガス燃料噴射装置へ切り替えて使用するものである。図8は前記の一例を示したもので例えば始動時で条件Aが成立すると液体燃料噴射装置、即ちガソリンが内燃機関1へ噴射される。条件Bが成立すると液体燃料であるガソリンの噴射が停止し、ガス燃料が内燃機関1へ噴射される。
【0038】
前記燃料噴射装置の切り替えについてさらに詳細に説明する。図13は液体燃料噴射区間からガス燃料噴射区間への移行状態を示したものである。液体燃料噴射区間では前記したように、一個の燃料噴射弁で各気筒へ燃料を供給することからいわゆる同時噴射モードとなっている。
【0039】
噴射は、1吸気に一回即ち2回転に3回の噴射を行っている。一方、ガス燃料噴射区間ではシーケンシャル噴射を採用している。図13の楕円で囲んだ部分から明らかなように3気筒内燃機関においては、AからDまでの四つのモードが存在する。
【0040】
Aのモードは液体燃料噴射の区間であり、1燃焼に必要な燃料量は3回の噴射(Til)で満足する。図14にこのAモードの状態を示している。
【0041】
Bのモードは、液体燃料噴射(Til)が2回行われているが1回分不足している場合であり、この不足分をガス燃料噴射(Tigc)で補うモードであり、図15はこのBモードの状態を示している。
【0042】
Cモードは、液体燃料噴射(Til)が1回行われているが2回分不足している、この不足分をガス燃料噴射(Tigc)で補うモードである。図16はこのCモードの状態を示したものである。
【0043】
Dのモードは、ガス燃料噴射区間を示す。図17にこのDモードの状態を示す。
【0044】
図18は、ガス燃料噴射区間から液体燃料噴射区間への移行状態を示したもので、前記移行区間の間に、液体燃料噴射区間からガス燃料噴射区間への移行状態と異なり両方から同時に噴射するモードが必要となる。この同時に噴射される回数は図から明らかなように気筒数の合計から1気筒引いた回数行われる。
【0045】
いずれの移行状態においても、1燃焼に必要な燃料量を液体燃料噴射量とガス燃料噴射量とで配分し、精度良く噴射する必要がある。図19は前記を達成するための制御のブロックを示したものである。200は基本噴射量演算部で、基本噴射量Tiは、空気量(Qa)とエンジン回転数(Ne)などにより算出される。201は液体燃料噴射量演算部で、基本噴射量Tiに燃料性状設定係数Kiを積算して算出される。202はガス燃料噴射量演算部で、基本噴射量Tiにガス性状設定係数Kgを積算して算出される。203の燃料噴射量分担部では、206の液体燃料噴射回数カウント部で各気筒何回液体燃料噴射が行われているかを監視しており、この監視結果の信号に基づいて図13から図17で説明したガス燃料噴射量の算出を行うものである。207は噴射指令部で図8に示した条件で、図13或いは図18に示したように液体燃料噴射,ガス燃料噴射の停止,実行の指令を行うものである。204,205は出力部で、205の出力部では決められた気筒へ所定の順番で出力を行うものである。なお、上記の制御での算出では積算処理を行っているが、これ以外の演算などの処理によっても代替できる。
【0046】
次に本発明の液体燃料噴射装置の詳細について説明する。図4は、本発明が適用される燃料噴射装置のシステム構成図を示し、図3は図2の燃料噴射装置の構成を示す要部断面図である。内燃機関1は、3気筒(1A,1B,1C)エンジンであり、この多気筒内燃機関1の吸気ポート(1Aa,1Bb,1Cc)に吸気管2(2A,2B,2C)が連設され、この吸気管2には燃料を噴射する1本の液体燃料噴射弁3が配置されている。その上流にはスロットルボディ12が配置されており、スロットルバルブ4が格納されている。内燃機関1の負荷状態を検知するために、スロットル開度センサ6や吸気管の負圧を検知する圧力センサ7がスロットルボディ12に配置されている。
【0047】
液体燃料噴射弁3は、燃料をその上部から導入し、先端のオリフィスから噴射する構造をしており、該燃料は、電磁力によって上下する可動弁とノズルに設けられた3個のオリフィスとによって計量,噴射される。噴射弁に設けられた3個のオリフィスの向きは内燃機関1の各気筒の吸気口に向かうような構成となっている。
【0048】
図3に示すように液体燃料噴射弁3のオリフィスから噴射された燃料は、内燃機関1の吸気ポート(1Aa,1Bb,1Cc)において、吸気経路の壁面に初めて接するように構成している。換言すると、正規の状態ではオリフィスから噴射された燃料が途中で吸気管2の壁面に接することなく、少なくとも内燃機関1の吸気ポート(1Aa,1Bb,1Cc)まで達するように構成されている。3つの気筒に対する燃料の分配量が、各吸気経路の構成に依らずに、主に液体燃料噴射弁3のオリフィスによる計量によってのみ決定されるようにしたものである。したがって、従来のシングルポイントインジェクション方式のような、燃料の壁面流が多くないため、気筒間の空燃比(A/F)のばらつきを確保することができる。
【0049】
なお噴射制御は、A/Fの分配特性を考慮して、例えば、内燃機関1の1サイクルに対して1乃至3回だけ燃料噴射を行う。
【0050】
図1は本発明の実施例を示したもので液体燃料噴射装置とガス燃料噴射装置を更に安価とする為に後者のガス燃料噴射装置の噴射部を前記図2に示したものに追加,一体化したものである。各気筒にガスを噴射する為のガス燃料噴射弁54A,54B,54Cと燃料配管55を組み付けたものである。
【0051】
このように多気筒内燃機関1に対して液体燃料供給系を1個とすることにより、燃料噴射装置全体を安価な物とすることができる。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば液体燃料噴射装置の液体燃料噴射弁の削減,吸気管への燃料通路の一体化することで燃料配管の廃止,ガス燃料噴射装置の噴射部であるガス燃料噴射弁,燃料配管を吸気管へ一体化など部品削減,統合及び廃止を行うことができるので燃料噴射装置全体を安価なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す図。
【図2】本発明の他の実施例を示す図。
【図3】図2の横及び縦断面を示す図。
【図4】本発明を適用するシステム構成を示す図。
【図5】コントローラのブロック図を示す図。
【図6】燃料噴射弁の概観形状を示す図。
【図7】燃料噴射弁の噴口の詳細を示す図。
【図8】ガス燃料噴射装置と液体燃料噴射装置の切り替えを示す図。
【図9】空気の流れのシミュレーション結果を示す図。
【図10】液体燃料噴射時の説明図。
【図11】ガス燃料噴射時の説明図。
【図12】空燃比確認テスト結果。
【図13】液体燃料噴射からガス燃料噴射への移行モードを示す図。
【図14】液体燃料噴射区間の噴射量を示す図。
【図15】液体燃料噴射からガス燃料噴射への移行モード時の噴射量を示す図(1)。
【図16】液体燃料噴射からガス燃料噴射への移行モード時の噴射量を示す図(2)。
【図17】ガス燃料噴射区間の噴射量を示す図。
【図18】ガス燃料噴射から液体燃料噴射への移行モードを示す図。
【図19】制御ブロックを示す図。
【符号の説明】
2A,2B,2C…吸気管又は吸気通路、3…液体燃料噴射弁、4…スロットルバルブ、7…圧力センサ、10…コントローラ、12…スロットルボディ、
50…ボンベ、51…ガス圧力センサ、52…主止弁、53…圧力レギュレータ、54…ガス燃料噴射弁。

Claims (13)

  1. ガス燃料と液体燃料とのうち少なくとも一方を内燃機関に供給するバイフューエル内燃機関の各気筒に前記ガス燃料を噴射するガス燃料噴射部と前記バイフューエル内燃機関の各気筒に前記液体燃料を噴射する液体燃料噴射部とを有する燃料噴射装置から前記ガス燃料を各気筒に供給する又は前記液体燃料を一箇所から各気筒に供給する制御を行うことを特徴とする燃料噴射制御装置。
  2. 請求項1において、前記液体燃料噴射部は、空気流量を制御するスロットル弁よりも下流に設けられ、前記内燃機関の複数気筒に向けて一箇所から多方向に液体燃料を噴射する液体燃料噴射弁を有し、前記液体燃料噴射弁から前記液体燃料の噴射を制御することを特徴とする燃料噴射制御装置。
  3. 請求項1又は2のいずれか1項において、前記液体燃料噴射部を構成する液体燃料噴射弁,燃圧調整弁,燃料圧力脈動抑止弁及び燃料通路の少なくとも一つと、前記ガス燃料噴射部を構成するガス燃料噴射弁,燃圧調整弁及び燃料通路の少なくとも一つとを空気を取り込む吸気管に一体形成し、前記ガス燃料又は前記液体燃料の噴射を制御することを特徴とする燃料噴射制御装置。
  4. 請求項1又は2において、前記液体燃料噴射部を構成する液体燃料噴射弁,燃圧調整弁,燃料圧力脈動抑止弁及び燃料通路の少なくとも一つと、前記ガス燃料噴射部を構成するガス燃料噴射弁,燃圧調整弁及び燃料通路の少なくとも一つを前記一箇所から多方向に燃料を噴射する液体燃料噴射弁が設けられる吸気管に一体形成し、前記ガス燃料又は前記液体燃料の噴射を制御することを特徴とする燃料噴射制御装置。
  5. 請求項3又は請求項4において、前記スロットル弁が設置されるスロットルボディを加えて前記吸気管に一体形成したことを特徴とする燃料噴射制御装置。
  6. 請求項2乃至5のいずれか1項において、前記燃料噴射装置は、内燃機関に近い方にガス燃料噴射弁を、遠い方に液体燃料噴射弁を配置したことを特徴とする燃料噴射制御装置。
  7. 請求項2乃至5のいずれか1項において、前記液体燃料噴射弁の数は、前記ガス燃料噴射弁の数よりも少ないことを特徴とする燃料噴射制御装置。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項において、前記ガス燃料又は前記液体燃料の噴射の制御は、前記液体燃料の噴射から前記ガス燃料の噴射への切り替え及び前記ガス燃料の噴射から前記液体燃料の噴射への切り替えを含むことを特徴とする燃料噴射制御装置。
  9. 請求項8において、前記ガス燃料の噴射から前記液体燃料の噴射への切り替え期間は、前記液体燃料と前記ガス燃料とを噴射することを特徴とする燃料噴射制御装置。
  10. ガス燃料と液体燃料とのうち少なくとも一方を内燃機関に供給するバイフューエル内燃機関の各気筒に前記ガス燃料を噴射するガス燃料噴射部と前記バイフューエル内燃機関の各気筒に前記液体燃料を噴射する液体燃料噴射部とを有する燃料噴射装置から前記ガス燃料を各気筒に供給する又は前記液体燃料を一箇所から各気筒に供給する制御を行う燃料噴射制御装置であって、前記燃料噴射制御装置は、1燃焼行程に必要な液体燃料噴射量を演算する液体燃料噴射量演算部と、1燃焼行程に噴射された液体燃料量を算出する液体燃料量算出部と、前記液体燃料噴射量と前記液体燃料量に基づいて前記液体燃料の不足分をガス燃料で補正噴射する燃料噴射量分担部を有することを特徴とする燃料噴射制御装置。
  11. 請求項10において、前記ガス燃料又は前記液体燃料の噴射の制御は、前記補正噴射の処理をして前記液体燃料の噴射から前記ガス燃料の噴射への切り替えを行うことを特徴とする燃料噴射制御装置。
  12. ガス燃料と液体燃料とのうち少なくとも一方を内燃機関に供給するバイフューエル内燃機関の各気筒に前記ガス燃料を噴射するガス燃料噴射部と前記バイフューエル内燃機関の各気筒に前記液体燃料を噴射する液体燃料噴射部とを有する燃料噴射装置から前記ガス燃料を各気筒に供給する又は前記液体燃料を一箇所から各気筒に供給する制御を行う燃料噴射制御装置であって、前記燃料噴射制御装置は、1燃焼行程に必要なガス燃料噴射量を演算するガス燃料噴射量演算部と、1燃焼行程に噴射されたガス燃料量を算出するガス燃料量算出部と、前記ガス燃料噴射量と前記ガス燃料量に基づいて前記ガス燃料の不足分を液体燃料で補正噴射する燃料噴射量分担部を有することを特徴とする燃料噴射制御装置。
  13. 請求項12において、前記ガス燃料又は前記液体燃料の噴射の制御は、前記補正噴射の処理をして前記ガス燃料の噴射から前記液体燃料の噴射への切り替えを行うことを特徴とする燃料噴射制御装置。
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