JP2005233105A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 液化石油ガスを燃料とするエンジンにおいて、適切なKCS遅角初期値を算出する。
【解決手段】 エンジンECUは、燃料タンク内の燃圧を検知するステップ(S100)と、タンク内の燃温を検知するステップ(S110)と、検知されたタンク内燃圧とタンク内燃温とプロパン比率マップとに基づいて、燃料のプロパン比率を算出するステップ(S120)と、算出されたプロパン比率とKCS遅角初期値マップとに基づいて、KCS遅角初期値を算出するステップと、KCS遅角初期値をノッキングの発生があると遅角量を大きくして、ノッキングの発生がないと遅角量を小さくして点火時期を進角させるように演算するステップを含むプログラムを実行する。
【選択図】 図6
【解決手段】 エンジンECUは、燃料タンク内の燃圧を検知するステップ(S100)と、タンク内の燃温を検知するステップ(S110)と、検知されたタンク内燃圧とタンク内燃温とプロパン比率マップとに基づいて、燃料のプロパン比率を算出するステップ(S120)と、算出されたプロパン比率とKCS遅角初期値マップとに基づいて、KCS遅角初期値を算出するステップと、KCS遅角初期値をノッキングの発生があると遅角量を大きくして、ノッキングの発生がないと遅角量を小さくして点火時期を進角させるように演算するステップを含むプログラムを実行する。
【選択図】 図6
Description
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、燃料として、たとえば液化石油ガス(LPG)等、組成や状態が変化する燃料を用いる内燃機関に好適な制御装置に関する。
液化石油ガスを燃料とする内燃機関を搭載した車両が実用化されている。このような車両は、スモッグの元凶となる黒煙等の排出がなく、またNOx(窒素酸化物)の排出も少量であるため環境に対する負荷が少ない。また、こうした車両に搭載された内燃機関にあっても、内燃機関に対する燃料供給構造自体は、基本的にガソリンを燃料とする内燃機関とほぼ同等となっている。
この液化石油ガスは、プロパンや(C3H8)やブタン(C4H10)を主成分とする軽質炭化水素であって、この混合比は、冬燃料ほどプロパンが、夏燃料ほどブタンが多くなるように設定される。この場合、プロパンが多くなるほど、空燃比(A/F)はリーンになり、オクタン価は高くなり、沸点は低くなる。一方、ブタンが多くなるほど、空燃比(A/F)はリッチになり、オクタン価は低くなり、沸点は高くなる。このオクタン価の高低は、エンジンにおけるノッキング(異常燃焼による振動発生)と密接な関係がある。
このノッキングの発生を抑制するには、エンジンの点火時期を基本点火時期より遅角側に補正することが有効であることはよく知られている。このため、ノッキングの発生を精度よく検出して、KCS(Knock Control System)によりノッキングが発生しないように、点火時期を制御することが、ノッキングの抑制に不可欠である。KCSは、エンジンの点火時期を最適に制御するシステムであって、予め設定された点火時期の初期値から点火時期を進角させてシリンダブロックに取り付けられたノックセンサがノッキングを検知すると、点火時期を遅角させて、ノッキングが止まるとノッキングが発生するまで点火時期を進めることを繰り返し行なうフィードバック制御を実行する。
このようなKCSにより、液化石油ガスを燃料とするエンジンにおいても、ノッキングが防止されている。特に、オクタン価が異なる成分を含む燃料を用いた場合にノッキングを防止する場合には、ガソリンエンジンとは異なる技術を必要とする。
1997年11月28日発行のトヨタ技術公開集の発行番号7050(非特許文献1)は、ガス燃料機関の制御装置を開示する。この非特許文献1に開示されたガス燃料機関の制御装置は、ガス燃料の燃料成分を判別する判別手段と、その判別された燃料成分に基づいてガス燃料機関を制御する制御手段とを備える。この制御手段は、燃料成分に基づいて、始動時制御または点火時期制御を行なう手段を含む。
この非特許文献1に開示されたガス燃料機関の制御装置によると、判別手段により、成分マップ、燃料温度およびタンク内圧力に基づいて燃料成分を判別する。制御手段は、プロパンに基づく点火時期Aとブタンに基づく点火時期Bとを求める。制御手段は、判別された燃料成分に基づいて、プロパンとブタンとの混合比(プロパンの割合をP1、ブタンの割合をP2)である燃料成分に応じた点火時期Tを、T=A・P1+B・P2+補正値として算出する。これによると、プロパンが多いほど、点火時期が進角される。したがって、このガス燃料機関の制御装置によると、点火制御時期をLPG燃料の燃料成分に従って行なうので、エンジンの最適な性能を発揮させることができるとともに、燃費の向上を図ることができる。
トヨタ技術公開集(発行番号7050)
トヨタ技術公開集(発行番号7050)
しかしながら、KCSにおいては、予め設定された初期値から、ノックセンサがノッキングを検知するまで点火時期を進角させるが、燃料成分に関わらずKCSの初期値が同じであると、以下のような問題点が発生する。すなわち、オクタン価が高いプロパンが多く含まれノッキングが発生しにくい場合においても、予め設定されたKCSの初期値から、ノッキングが発生するまで点火時期が進角される。このとき、KCSの初期値が、ブタンが多く含まれノッキングが発生しやすい燃料に適合されていると、プロパンが多い場合にはKCSの初期値から実際にノッキングが発生するまでに時間がかかり、その間(ノッキングしない程度に進角されるまで)の性能向上(出力向上)や燃費向上の効果を見込むことができない。このような問題点を非特許文献1に開示されたガス燃料機関の制御装置では解決し得ない。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、良好な特性を発現することができる、液化石油ガスを燃料とする内燃機関の制御装置を提供することである。
第1の発明に係る内燃機関の制御装置は、実質的に2種類の炭化水素の混合物から構成される低温液化ガスを燃料とする内燃機関を制御する。この制御装置は、燃料の組成比を検知するための検知手段と、組成比に基づいて、遅角量の初期値を算出するための算出手段と、内燃機関において発生するノッキングを検知するための検知手段と、遅角量の初期値からノッキングが検知されるまで内燃機関の点火時期を進角側に移行させるとともに、ノッキングが検知されると内燃機関の点火時期を遅角側に移行させるように、内燃機関の点火時期を制御するための制御手段とを含む。
第1の発明によると、たとえば、オクタン価が異なるプロパンとブタンとを含む低温液化ガスを燃料とする内燃機関において、KCSの初期値(遅角量)を、その低温液化ガスの組成比(プロパン含有率)に基づいて設定することができる。たとえば、組成比に基づいて、低温液化ガスにプロパンが多く含まれるほどノッキングが発生しにくいので、KCSの初期値である遅角量を少なめに設定する。このように初期値を設定すると、点火時期を初期値である遅角量から進角させるKCSにおいて、初期値から実際にノッキングが発生するまでに時間が短くなり、点火時期が進角側の状態でエンジンが運転される時間が長くできる。これにより、性能向上(出力向上)や燃費向上の効果を見込むことができる。その結果、良好なエンジン特性を発現することができる、液化石油ガスを燃料とする内燃機関の制御装置を提供することができる。
第2の発明に係る内燃機関の制御装置においては、第1の発明の構成に加えて、検知手段は、燃料タンク内の燃料温度を検知するための手段と、燃料タンク内の燃料圧力を検知するための手段と、燃料温度と燃料圧力との関係に基づいて、少なくとも1種類の炭化水素の組成比を検知するための手段とを含む。
第2の発明によると、プロパンとブタンとを含む低温液化ガスを燃料とする場合において、それらの蒸気圧線図が異なるので、燃料タンク内の燃料温度と燃料圧力とを検知して、検知した燃料温度と燃料圧力との関係に基づいて、プロパンの組成比を算出することができる。その組成比に基づいて、KCSで用いる遅角量の初期値を算出することができる。
第3の発明に係る内燃機関の制御装置においては、第2の発明の構成に加えて、2種類の炭化水素は、プロパンおよびブタンであり、少なくとも1種類の炭化水素は、プロパンであるものである。
第3の発明によると、プロパンおよびブタンを成分とする低温液化ガスを燃料とする内燃機関において、KCSの初期値である遅角量を適切に設定することができる。
第4の発明に係る内燃機関の制御装置においては、第1〜3のいずれかの発明の構成に加えて、算出手段は、組成比および予め記憶されたマップに基づいて、遅角量の初期値を算出するための手段を含む。
第4の発明によると、プロパンとブタンとの組成比およびマップに基づいて、KCSの初期値である遅角量を適切に設定することができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。なお、以下の説明においては、液化石油ガスを燃料としたエンジンであってレギュレータを有さないで液相状態の燃料をエンジンに供給するエンジンを制御する制御装置について説明するが、本発明はこのようなエンジンに限定されて適用されるものではない。たとえば、液相の液化石油ガスをヒータやレギュレータを用いて減圧・気化して、燃料噴射弁からエンジンに供給するものであってもよい。
図1を参照して、本実施の形態にかかるエンジンの制御装置について説明する。なお、図1は、液化石油ガス(LPG)を燃料とするエンジンおよびそのエンジンの制御装置の全体構成について示している。また、本実施の形態に係るエンジンにおいては、液化石油ガスとしてプロパンとブタンとを構成成分とするものを使用している。
図1に示すように、このエンジン100は、吸気通路110を通じて導入される吸入空気と燃料噴射弁200から噴射される燃料との混合気の燃焼室120内での爆発、燃焼に基づいてその出力軸であるクランクシャフト130の回転を得る。なお、燃焼後の排出ガスは排気通路140を通じて外部に排出される。
ここで、吸気通路110には、吸入空気の調量機構であるスロットルバルブ150が備えられ、図示しないアクセルペダルの踏み込み量等に応じてこのスロットルバルブ150の開度が調整され、吸入空気量が調量される。また、この調量される吸入空気量がエアフローメータ160を通じて検出される。
一方、燃料である液化石油ガスは、燃料タンク210に物性上の飽和状態(液相および気相共存状態)で貯留されている。この貯留された液化石油ガスはその液相部が燃料ポンプ220によって燃料経路230へ圧送されつつ、フィルタ240を介してデリバリパイプ250と燃料噴射弁200とにより構成される燃料噴射機構260へ供給される。そして、この燃料噴射機構260に供給された液化石油ガスは、電子制御装置(以下、ECU(Electronic Control Unit)と記載する)300による燃料噴射弁200の開弁制御を通じて燃料噴射弁200から吸気通路110へ噴射される。なお、このとき燃料噴射弁200から噴射される燃料量は、エアフローメータ160による吸入空気量の検出値や、クランクシャフト130の回転速度を検出する回転速度(NE)センサ132による検出値に基づき、ECU300によって決定される。すなわち、ECU300は、各検出値に応じた基本燃料噴射時間を算出し、さらに内燃機関100の運転状態等に応じてこの噴射時間に補正を加えた時間を最終的に燃料噴射時間として、燃料噴射弁200の開弁時間を制御する。そして、このときの燃料噴射弁200の開弁時間に応じた量の液化石油ガスが吸気通路110へ噴射供給される。
また、本実施の形態に係るエンジンの制御装置においては、燃料タンク210内の液化石油ガスの温度であるタンク燃温TTおよび圧力であるタンク燃圧TPを、それぞれタンク燃温センサ212およびタンク燃圧センサ214により検出する。また、デリバリパイプ250内の液化石油ガスの温度である噴射機構燃温VTおよび圧力である噴射機構燃圧VPについてもこれを、それぞれ噴射機構燃温センサ262および噴射機構燃圧センサ264により検出する。そして、これらの検出値をECU300が取り込む。
ECU300においては、これらの検出値に基づき、燃料タンク210や燃料噴射機構260での液化石油ガスの状態を推定し、この推定した状態に応じて燃料噴射弁200による液化石油ガスの噴射時間を補正する。
また、ECU300においては、これらの検出値に基づき、燃料タンク210や燃料噴射機構260での液化石油ガスの状態を推定し、この推定した状態に応じて、エンジン点火装置(図示しない)によるエンジン点火時期を補正する。
また、ECU300は、KCSによりノッキングを防止する機能を有する。以下、このKCSに関係する、エンジン100の点火システムについて説明する。
エンジンの点火プラグには、ディストリビュータを介してイグナイタからの高電圧が印加され、この印加タイミングによって点火時期が決定される。なお、ディストリビュータは、イグナイタで発生した高電圧を各気筒の点火プラグに分配するためのもので、このディストリビュータには、たとえば1回転に24個のパルス信号を出力する回転速度センサが設けられている。
さらに、エンジン100には、ノッキングを検出するためのセンサとして、シリンダブロックにノッキングセンサ122が設けられる。なお、このノッキングセンサ122は、機関振動を電気信号に変換する圧電体や磁歪体等で構成されており、このノッキングセンサ122からはシリンダブロックの振動状態(振動レベル)が検出される。
ノッキングセンサ122からの検出信号は、ECU300に入力される。ECU300は、マイクロコンピュータを中心とする論理演算回路を有して構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従ってエンジン100を制御するための各種演算処理を実行するCPU(Central Processing Unit)と、CPUで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROM(Read Only Memory)と、同じくCPUで各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAM(Random Access Memory)と、ノッキングセンサ122から信号が入力される入力処理回路と、CPUでの演算結果に応じて燃料噴射弁200およびイグナイタ等に駆動信号を出力する出力処理回路とを含む。
このような構成を有するECU300によって、エンジン100の運転状態に応じて燃料噴射弁200およびイグナイタが制御されて、KCS機能により、点火時期が制御される。
エンジン点火時期の変化(遅角、進角)に対する、エンジンの各種状態量の変化を説明する。ノッキング発生域は、エンジン点火時期を進角側にするとノックが発生する傾向が強くなる。なお、このノッキング発生域は、エンジン100の状態によって異なる。また、点火時期の進角とは、上死点(TDC)手前方向への点火時期変化を表わし、遅角とは上死点(TDC)経過方向への点火時期の変化を示している。また、エンジン100の発生トルクは、特定の点火時期において最大トルクとなり、点火時期が遅角側に移行しても進角側に移行してもその発生トルクは低下する。この発生トルクと相反する関係にあるのが燃費である。また、排気温は、点火時期が遅角側になるほど高くなる。これは、点火時期が遅角側(TDC経過後)になるため燃焼直後の排気ガスが排気バルブから排気通路140に排出されるためである。
本実施の形態に係るエンジンの制御装置であるエンジンECU300は、このKCSの初期値(初期遅角量)を、燃料の成分の比率(プロパン比率)に基づいて算出することを1つの特徴としている。以下、この特徴について詳細に説明する。
図2を参照して、燃料の成分であるプロパンとブタンとのガス密度およびオクタン価の比較表を示す。プロパンのガス密度は、1.8954(kg/m3)であって、ブタンのガス密度は2.5379(kg/m3)である。このため、プロパンはブタンに比べてガス密度が低いので、プロパンはその分燃料噴射量を増やす必要がある。
また、図2に示すように、プロパンのオクタン価は111.4であって、ブタンのオクタン価は94.0である。このため、プロパンはオクタン価が高いので、ノッキングが発生しにくくエンジン100の点火時期を進角側に設定することが可能となる。図2に示すような特性を有するプロパンとブタンとから構成される燃料の組成比率を、燃料タンク210に設けられたタンク燃温センサ212と、タンク燃圧センサ214とにより検知された燃温と燃圧とにより算出する。
図3(A)に、横軸を燃温として縦軸を燃圧として、プロパン比率をパラメータとした場合の蒸気圧線図を、図3(B)に、プロパン比率マップを示す。
図3(A)に示すように、プロパン比率が異なると、蒸気圧線図が異なる。したがって、燃料タンク210に設けられたタンク燃温センサ212により燃温を検知し、タンク燃圧センサ214により燃圧を検知し、それらの燃温および燃圧と、蒸気圧線図とに基づいて、プロパンの比率を算出することができる。このため、図3(B)に示すようなプロパン比率マップを作成し、エンジンECU300内のメモリに記憶させておく。
図4に、このプロパン比率マップの具体例を示す。たとえば図4に示すように、燃圧が高くなるほどプロパン比率が高くなるようなマップとなっている。
図5に、エンジンECU300のメモリに記憶されるKCS遅角初期値マップについて説明する。
図5に示すように、このKCS遅角初期値マップには、プロパン比率に基づいてKCS遅角初期値が記憶されている。プロパン比率が100%であるときをKCS遅角初期値をゼロとして、プロパン比率が低くなるに従ってKCS遅角初期値が大きくなるように設定されている。また、KCS遅角初期値はプロパン比率のみによって一義的に定めるのではなく、エンジン回転数やエンジン負荷により補正を行なうようにした方が精度が良好となるので好ましい。
図6を参照して、エンジンECU300で実行されるプログラムのフローチャートについて説明する。図6に示すフローチャートは、プロパン比率算出ルーチンを表わしている。このプロパン比率算出ルーチンは、予め定められたサイクルタイム(たとえば1秒)毎に実行される。
ステップ(以下、ステップをSと略す。)100にて、エンジンECU300は、タンク内燃圧(PT)を検知する。このとき、エンジンECU300は、燃料タンク210に設けられたタンク燃圧センサ214から入力された信号に基づいて、タンク内燃圧(PT)を検知する。
S110にて、エンジンECU300は、タンク内燃温(TT)を検知する。このとき、エンジンECU300は、燃料タンク210に設けられたタンク燃温センサ212から入力された信号に基づいてタンク内燃温(TT)を検知する。
S120にて、エンジンECU300は、図4に示したプロパン比率マップより、燃料のプロパン比率(PR)を算出する。
図7を参照して、エンジンECU300で実行されるプログラムの制御構造について説明する。図7に示すフローチャートは、KCS遅角初期値算出ルーチンを表わしている。このKCS遅角初期値算出ルーチンは、燃料噴射毎またはエンジン点火毎の直前に実行される。
S200にて、エンジンECU300は、KCS遅角初期値(eakcs)を、算出されたプロパン比率と、図5に示すKCS遅角初期値マップとに基づいて算出する。
S210にて、エンジンECU300は、遅角量(eakcs)=(eakcs)+ノック有無×大きさとして、遅角量を算出する。すなわち、遅角量は、その初期値が、図5に示すKCS遅角初期値によりプロパン比率に基づいて算出されるとともに、遅角量は、ノックが発生している場合であってそのノックが大きいほど遅角量が大きくなるように、ノックが発生していないと遅角量が小さくして点火時期が進角側に移行するように演算される。
以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係るエンジンの制御装置であるエンジンECU300のKCS遅角初期値算出の動作について説明する。
KCS遅角初期値を算出するにあたり、燃料のプロパン比率算出ルーチンが実行する。たとえば1秒毎に、タンク内燃圧(PT)を検知するとともに、タンク内燃圧(TT)が検知される(S100、S110)。検知されたタンク内燃圧(PT)およびタンク内燃温(TT)と、プロパン比率マップとに基づいて、プロパン比率(PR)が算出される(S120)。
燃料噴射毎またはエンジン点火毎の直前のタイミングにおいて、算出されたプロパン比率(PR)と、KCS遅角初期値マップとに基づいて、KCS遅角初期値(eakcs)が算出される(S200)。
このとき、図5に示すように、燃料におけるプロパン比率に基づいてKCS遅角初期値が算出される。プロパン比率が多いほど遅角初期値が小さく、プロパン比率が少ないほどKCS遅角初期値が大きく設定されている。これは、プロパンのオクタン価が高く、ノッキングが発生しにくいためである。そのためプロパン比率が大きいときはKCS遅角初期値を小さく設定しておき、プロパン比率が小さいときはKCS遅角初期値を大きく設定しておく。これにより、プロパン比率が高い燃料の場合には、KCS遅角初期値が大きな遅角量として算出されなく、ノッキングが発生するまで進角される間の時間が短くすることができる。その結果、エンジンの点火時期を進角側にすることにより発生する好ましい影響を発現させることができ、エンジンの性能を最大限に引出すことができる。
以上のようにして、オクタン価が異なるプロパンとブタンとを含む低温液化ガスを燃料とするエンジンにおいて、KCS遅角初期値を、その低温液化ガスの組成比(プロパン含有率)に基づいて設定する。プロパン比率が高いほどノッキングが発生しにくいので、KCS遅角初期値を小さく設定する。このように遅角初期値を設定すると、KCSにおいて、点火時期を遅角初期値から進角させる場合において、遅角初期値から実際にノッキングが発生するまでに時間が短くなり、点火時期が進角側の状態でエンジンが運転される時間が長くできる。これにより、性能向上(出力向上)や燃費向上の効果を見込むことができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
100 エンジン、110 吸気通路、120 燃料噴射弁、122 ノッキングセンサ、210 燃料タンク、212 タンク燃温センサ、214 タンク燃圧センサ、220 燃料ポンプ、250 デリバリパイプ、260 燃料噴射機構、262 噴射機構燃温センサ、264 噴射機構燃圧センサ、300 ECU。
Claims (4)
- 実質的に2種類の炭化水素の混合物から構成される低温液化ガスを燃料とする内燃機関の制御装置であって、
前記燃料の組成比を検知するための検知手段と、
前記組成比に基づいて、遅角量の初期値を算出するための算出手段と、
前記内燃機関において発生するノッキングを検知するための検知手段と、
前記遅角量の初期値からノッキングが検知されるまで前記内燃機関の点火時期を進角側に移行させるとともに、ノッキングが検知されると前記内燃機関の点火時期を遅角側に移行させるように、前記内燃機関の点火時期を制御するための制御手段とを含む、内燃機関の制御装置。 - 前記検知手段は、
燃料タンク内の燃料温度を検知するための手段と、
燃料タンク内の燃料圧力を検知するための手段と、
前記燃料温度と前記燃料圧力との関係に基づいて、少なくとも1種類の炭化水素の組成比を検知するための手段とを含む、請求項1に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記2種類の炭化水素は、プロパンおよびブタンであり、
前記少なくとも1種類の炭化水素は、プロパンである、請求項2に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記算出手段は、前記組成比および予め記憶されたマップに基づいて、前記遅角量の初期値を算出するための手段を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
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JP2010138825A (ja) * | 2008-12-12 | 2010-06-24 | National Traffic Safety & Environment Laboratory | 燃料組成判定方法及び燃料組成判定装置 |
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