JP2005233135A

JP2005233135A - 多種燃料機関

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Publication number: JP2005233135A
Application number: JP2004045171A
Authority: JP
Inventors: Akio Yasuda; 彰男安田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】多種燃料機関において触媒の暖機を迅速化する。
【解決手段】暖機実行条件が成立、つまりエンジン水温から推定される触媒温度が暖機終了の基準値未満の場合には（Ｓ２０）、ＣＮＧに比して未燃成分による触媒温度上昇能力の高いガソリンを燃料として選択する（Ｓ３０）。ガソリンの供給が暖機実行条件が成立しなくなるまで継続されるので、これによって触媒装置における触媒物質の暖機を促進することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数種類の燃料を切替えて動作する多種燃料機関に関する。

近年、自動車等においては、エミッションの改善および省資源の観点から、ガソリンや軽油等の液体燃料に代えて圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Compressed Natural Gas）等の気体燃料が注目されている。しかし、ＣＮＧの場合は、ガソリン等に比べてそのエネルギー密度が小さいので、ＣＮＧを使用するエンジンを搭載した車両は、ガソリンを使用するエンジンを搭載した車両に比べて航続距離が短い。また、インフラ整備の遅れから、その充填ステーションの数も十分ではなく、長距離の移動に不安が残っている。そこで、かかる気体燃料と液体燃料とを共通の燃焼室に供給可能な二元燃料エンジン、すなわちバイフューエルエンジンが提案されている。

かかるバイフューエルエンジンでは、一般的には、通常運転時は機関に気体燃料を供給すると共に液体燃料の供給を停止し、残存気体燃料量が下限しきい値よりも少なくなったときに、機関に液体燃料を供給すると共に気体燃料の供給を停止することが想定されている（例えば特許文献１）。また、液体燃料が始動性に優れる点に着目して始動時に液体燃料を供給する場合や、液体燃料が出力特性に優れる点に着目して高負荷時に液体燃料を供給する場合もある。

ところで、特許文献２では、液体燃料に比して気体燃料が気化性に優れている点に着目して、エンジン始動時には気体燃料を選択し、触媒の温度が活性温度に達した場合に、所定条件下で液体燃料に切替えることとしている。

特開２００２−３８９８６号公報特開２００１−１９３５１１号公報

しかし一般に、気体燃料としてＣＮＧやＬＰＧを使用する場合には、触媒の温度が暖機を終了すべき温度に達するまでに長時間を要する。これは、ＣＮＧを使用する場合に排出される未燃ＨＣの主成分であるメタンや、ＬＰＧを使用する場合に排出される未燃のＨＣの主成分であるプロパン、ブタンが、触媒に対する反応性において特に低く、これが触媒の温度上昇の遅延を招いているためである。この点、特許文献２の構成では触媒が活性温度を超えガソリンが供給されていても、暖機中であるにも拘らず他の条件によりガソリンの供給が停止されＣＮＧの供給に切替えられるおそれがあり、暖機所要時間の短縮を図る上で適切でない。
そこで本発明の目的は、多種燃料機関において触媒の暖機を迅速化することにある。

第１の本発明は、第１の燃料と、前記第１の燃料に比して未燃成分による触媒温度上昇能力の高い第２の燃料と、を切替えて動作する多種燃料機関であって、前記第１および第２の燃料のうちいずれかを選択する選択手段を備えた多種燃料機関において、前記選択手段は、所定の触媒活性条件と、所定の暖機実行条件とが成立している場合に、前記第２の燃料を選択することを特徴とする多種燃料機関である。

第１の本発明では、第２の燃料の供給が暖機実行条件が成立しなくなるまで継続されるので、これによって触媒の暖機を促進することができる。

第２の本発明は、請求項１に記載の多種燃料機関であって、燃料の未燃成分を増量する未燃成分増量手段を更に備え、当該未燃成分増量手段は、前記触媒活性条件と前記暖機実行条件とが成立している場合に、未燃成分を増量することを特徴とする多種燃料機関である。

第２の本発明では、未燃成分増量手段が未燃成分を増量することにより、触媒の暖機を更に促進できる。

本発明における暖機実行条件は、第３の本発明のように機関の温度が所定値以下であることとするのが好適である。また本発明における触媒活性条件は、第４の本発明のように触媒の温度が所定値以上であることとするのが好適である。

以下に、本発明の実施形態につき添付図面を参照しつつ説明する。
まず、図１を参照して、本発明が適用されるバイフューエルエンジン１００の概要を説明する。１０１はエンジン本体、１０２はシリンダブロック、１０３はシリンダヘッド、１０４はピストン、１０５は燃焼室、１０６は吸気ポート、１０７は排気ポート、１０９は燃焼室１０５内の頂部に配置された点火栓をそれぞれ示している。吸気ポート１０６は吸気マニフォルド１１０を介してサージタンク１１１に接続され、サージタンク１１１は吸気ダクト１１２を介してエアクリーナ１１３に接続されている。吸気ダクト１１２内にはステップモータ１１４により駆動されるスロットル弁１１５が配置されている。

図１のエンジン１００は、気体燃料供給系と液体燃料供給系とを具備しており、気体燃料としてＣＮＧを用い、液体燃料としてガソリンを用いている。気体燃料供給系は、筒内の燃焼室１０５に噴射可能に配置されたＣＮＧ筒内噴射弁１２０を具備し、このＣＮＧ筒内噴射弁１２０は、ＣＮＧ供給ライン１２２を介してＣＮＧボンベ１２４に接続されている。なお、ＣＮＧ供給ライン１２２内には、図示しない燃料遮断弁および高圧レギュレータ１２６が配置されている。

ＣＮＧボンベ１２４内に、充填圧力ＰＦ（例えば、２０ＭＰa）で充填されているＣＮＧは、高圧レギュレータ１２６により一定の高調節圧ＰＨ（例えば、５ＭＰa）まで減圧され、通常のエンジン制御状態では、この高調節圧ＰＨでもってＣＮＧ筒内噴射弁１２０から筒内に圧縮行程で噴射される。この高調節圧ＰＨは、運転状態にかかわらず常に圧縮行程で筒内噴射が可能な圧力である。

同様に、液体燃料供給系は、吸気マニフォルド１１０内の吸気通路に噴射可能に配置されたガソリン噴射弁１３０を具備し、このガソリン噴射弁１３０は、ガソリン供給ライン１３２を介し車載された液体燃料容器としてのガソリンタンク１３４に接続されている。さらに、ガソリン供給ライン１３２内には、燃料ポンプ１３３が配置されている。これらのＣＮＧ筒内噴射弁１２０およびガソリン噴射弁１３０は、それぞれ、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）３００からの出力信号に基づいて制御される。

排気ポート１０７は、排気マニフォルド１４６を介して触媒装置１４７に接続され、触媒装置１４７の排気側は不図示の消音器を介して外部に開放している。触媒装置１４７としてはＰｔ系三元触媒、またはＰｄ系三元触媒を用いるのが好適である。

ＥＣＵ３００はデジタルコンピュータからなり、周知の如く、双方向性バスを介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、常時電源に接続されているＢ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）、入力ポート、および出力ポート等を具備している。

また、吸気マニフォルド１１０に接続されたサージタンク１１１には、サージタンク１１１内の絶対圧に比例した出力電圧を発生する圧力センサ１４０が取り付けられている。ＣＮＧボンベ１２４の出口のＣＮＧ供給ライン１２２内には、ＣＮＧボンベ１２４内の残存ＣＮＧ量、すなわち、残圧に比例した出力電圧を発生するＣＮＧ残圧センサ１４１および燃料温度（高圧）センサ１５１が配置され、ガソリンタンク１３４には、ガソリンタンク１３４内の残存ガソリン量に比例した出力電圧を発生するガソリン残量センサ１４２が配置されている。また、ＣＮＧ供給ライン１２２の高圧レギュレータ１２６の下流には、燃料圧力（低圧）センサ１５２、燃料温度（低圧）センサ１５３が配置され、これらによって正確な燃料量が算出される。

また車室内には、使用する燃料の種類を運転者の操作により選択するためのマニュアルスイッチ１６０が設置されており、このマニュアルスイッチ１６０からはその「ＣＮＧ」または「ガソリン」の操作位置に応じた信号が出力される。センサ１４０、１４１、１４２、１５０、１５１、１５２、１５３およびスイッチ１６０の出力電圧は、それぞれ、対応するＡＤ変換器を介してＥＣＵ３００の入力ポートに入力される。

さらに、入力ポートには、エンジン回転数Ｎを表す出力パルスを発生する回転数センサ１４３、スロットル弁１１５の回動角度を検出するスロットル開度センサ１４４、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ１４５、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ１５０等が接続されている。一方、ＥＣＵ３００の出力ポートは、それぞれ、対応する駆動回路を介して、点火栓１０９、ステップモータ１１４、ＣＮＧ筒内噴射弁１２０、燃料ポンプ１３３およびガソリン噴射弁１３０等に接続されている。

以上のとおり構成された本実施形態の動作の一例について説明する。図２は、本実施形態のＥＣＵ３００において実行される始動時燃料噴射制御ルーチンを示す。この制御ルーチンは、イグニッションスイッチがＯＮされ、且つスタータの作動によりクランキングが開始されたことを条件に、予め定められた設定クランク角毎の割込みによって実行される。

まず、各センサの検出値が読み込まれると（Ｓ１０）、水温センサ１５０の検出値に基づいて、触媒暖機実行条件が成立中かが判断される（Ｓ２０）。

本実施形態では、水温センサ１５０によって検出されるエンジン温度が所定の基準値Ｔｆ以下であることが、触媒暖機実行条件として用いられる。そして触媒暖機実行条件が成立中、つまりエンジン温度が基準値Ｔｆ以下の場合には、ガソリン噴射弁１３０の駆動によりガソリンが噴射される（Ｓ３０）。このガソリンの噴射は、触媒暖機実行条件が成立しなくなるまで、つまりエンジン温度が基準値Ｔｆを超えるまでの間、繰り返し実行される。

このステップＳ３０におけるガソリン噴射では、別途の処理ルーチンに従い、吸入空気量の増大とこれに応じた燃料噴射量の増大、および点火タイミングの遅角とが行われる。吸入空気量の増大は、予めマップで持たせたエンジン水温等から求められる暖機スロットル開度を、スロットル弁１１５のベース開度に反映させる処理によって行われる。この吸入空気量の増大に応答して、また別途の処理である通常の燃料噴射制御、すなわち吸入空気量に応じた燃料噴射量を実現すべくガソリン噴射弁１３０を駆動する一連の制御により、燃料噴射量が増大される。点火タイミングの遅角は、予めマップで持たせた暖機遅角量、すなわちエンジン回転速度、空気量、バルブタイミング量、エンジン水温等から求められる暖機遅角量を、点火栓１０９のベース点火時期に反映させる処理によって行われる。これらの処理の結果、燃焼室１０５からの排ガスにおける未燃ＨＣが、これら燃料噴射量の増大および点火タイミングの遅角を行わない場合に比して増量されることになる。

ステップＳ２０において、触媒暖機実行条件が成立しなくなる、つまりエンジン温度が基準値Ｔｆを超えると、否定判断を受けて、処理は通常の燃料噴射に移行する（Ｓ４０）。

通常の燃料噴射は、図３の処理ルーチンに従って行われる。まず、ＣＮＧ残圧センサ１４１の検出値に基づいて、ＣＮＧ残量が所定値以下かが判断され（Ｓ４０−１）、所定値以下の場合には、ガソリンが噴射される（Ｓ４０−２）。ＣＮＧ残量が所定値を上回る場合には、マニュアルスイッチ１６０から入力される操作状態に基づいて、ＣＮＧが選択されているかが判断され（Ｓ４０−３）、肯定の場合にはＣＮＧが（Ｓ４０−４）、否定の場合にはガソリンが（Ｓ４０−２）、それぞれ噴射される。すなわち通常の噴射制御では、ＣＮＧ残量に余裕があるうちは運転者の意志に従った燃料が選択され、ＣＮＧ残量が少なくなると、ガソリンが強制的に選択されることになる。

以上の処理の結果、本実施形態では、触媒活性条件が成立している場合であっても、所定の暖機実行条件が成立している場合には、ＣＮＧに比して未燃成分による触媒温度上昇能力の高いガソリンが燃料として選択される結果、ガソリンの供給が暖機実行条件が成立しなくなるまで継続されるので、これによって触媒装置１４７における触媒物質の暖機を促進することができる。

また本実施形態では、未燃ＨＣ量を、燃料噴射量の増大および点火タイミングの遅角を行わない場合に比して増量することとしたので、これにより触媒の暖機を更に促進できる。

次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、触媒の温度の情報を運転方式の切替えの基準として利用したものである。なお、第２実施形態の機械的構成は上記第１実施形態と同様であって、その制御処理が以下のように異なるのみであるため、その詳細な説明は省略する。

第２実施形態の動作の一例について説明する。図４は、本実施形態のＥＣＵ３００において実行される始動時燃料噴射制御ルーチンを示す。この制御ルーチンは、イグニッションスイッチがＯＮされ、且つスタータの作動によりクランキングが開始されたことを条件に、予め定められた設定クランク角毎の割込みによって実行される。

まず、各センサの検出値が読み込まれると（Ｓ１１０）、水温センサ１５０の検出値と所定の基準温度Ｔａ（この値より高い温度であれば、未燃ＨＣの反応による触媒温度上昇が見込めるような温度）との比較に基づいて、触媒活性条件に到達しているか、すなわち触媒装置１４７における触媒温度が所定の活性温度に到達しているかが判断される（Ｓ１１２）。否定の場合、つまり触媒温度が活性温度より低い場合には、ＣＮＧ筒内噴射弁１２０の駆動によりＣＮＧが噴射される（Ｓ１１４）。このＣＮＧの噴射は、触媒活性条件が成立しなくなるまで、つまりエンジン水温から推定される触媒温度が活性温度を超えるまでの間、繰り返し実行される。

以下の処理は、上記第１実施形態におけるステップＳ２０ないしＳ４０の処理と同様である。すなわち、水温センサ１５０の検出値に基づいて、触媒暖機実行条件が成立中かが判断され（Ｓ１２０）、触媒暖機実行条件が成立中、つまりエンジン温度が基準値Ｔｆ以下の場合には、ガソリン噴射弁１３０の駆動によりガソリンが噴射され（Ｓ１３０）、このガソリン噴射では別途の処理ルーチンに従って、未燃ＨＣが増量される。また触媒暖機実行条件が成立しなくなる、つまりエンジン温度が基準値Ｔｆを超えると、処理は通常の燃料噴射に移行する（Ｓ１４０）。通常の燃料噴射に係る処理も、上記第１実施形態における図３の処理と同様である。

なお、本実施形態における触媒活性条件の基準値Ｔａ、触媒暖機実行条件の基準値Ｔｆ、および触媒物質のＨＣ浄化率の関係は、概略的には図５に示すとおりであり、基準値Ｔａは基準値Ｔｆより十分に低い値である。

以上の処理の結果、本実施形態では、エンジン水温が基準値Ｔａに達するまでの間はＣＮＧが選択され、基準値Ｔａに達してから基準値Ｔｆに達するまではガソリンが選択され、基準値Ｔｆに達してからは、通常の燃料噴射制御に従ってＣＮＧまたはガソリンが選択されることになる。

以上のとおり、本実施形態では、エンジン水温から推定される触媒温度が活性温度より低い場合には（Ｓ１１２）、ＣＮＧが燃料として選択される（Ｓ１１４）。ＣＮＧはガソリンに比してＨＣ等のエミッション特性が良好であるところ、触媒温度が活性温度より低い場合には、ＣＮＧとガソリンとのいずれによっても未燃ＨＣによる触媒の昇温がほとんど期待できないため、本実施形態によれば、その期間のガソリンの使用を抑制することによって、始動時などにおけるエミッションを改善することができる。

なお、上記各実施形態では、触媒暖機実行条件および触媒活性条件が成立しているか否かの判断を、水温センサ１５０の検出値に基づいて行うこととしたが、このような構成に代えて、触媒装置１４７の近傍に設置された触媒温度センサ、エンジンのオイルパンなどに設置された油温センサ、あるいは排気管に設置された排気温度センサ等の検出値を、触媒暖機実行条件や触媒活性条件が成立しているか否かの判断に用いてもよい。

また、上記実施形態では第１の燃料としてＣＮＧを用い、第２の燃料としてガソリンを用いた例につき説明した。しかしながら、本発明は未燃成分による触媒温度上昇能力に差のある複数種類の燃料を用いる場合に広く適用でき、特に第２の燃料としてはガソリンや軽油のほかイソオクタン、ヘキサン、ヘプタン、軽油、灯油のような炭化水素、或いは液体の状態で保存しうるブタン、プロパンのような炭化水素、或いはメタノールなどの液体燃料、さらには一次燃料である天然ガスおよび石油ガス、或いは二次燃料である石炭転換ガスおよび石油転換ガス、水素、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）等の気体燃料を用いることができる。また触媒物質としては各種の三元触媒のほか酸化触媒など、機関の未燃成分による昇温を図ることができる各種の物質を選択することができる。

また、上記各実施形態ではＣＮＧ燃料につき筒内直噴式とする一方でガソリンにつき所謂ポート噴射式としたが、本発明では各燃料の供給方式はいずれも任意であって、液体・気体の双方を筒内直噴式あるいはポート噴射式としたり、さらには少なくともいずれか一方をキャブレター式やミキサ式とすることも可能である。

本発明が適用されるバイフューエルエンジンの概要と実施形態を示す全体線図である。本発明の第１実施形態における始動時燃料噴射制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。第１実施形態の始動時燃料噴射制御における通常の燃料噴射処理を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態における始動時燃料噴射制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。触媒活性温度、暖機終了温度およびＨＣ浄化率の関係を示すグラフである。

符号の説明

１００バイフューエルエンジン
１２０ＣＮＧ筒内噴射弁
１２４ＣＮＧボンベ
１３０ガソリン噴射弁
１３４ガソリンタンク
１５０水温センサ
３００電子制御ユニット

Claims

第１の燃料と、前記第１の燃料に比して未燃成分による触媒温度上昇能力の高い第２の燃料と、を切替えて動作する多種燃料機関であって、前記第１および第２の燃料のうちいずれかを選択する選択手段を備えた多種燃料機関において、
前記選択手段は、所定の触媒活性条件と、所定の暖機実行条件とが成立している場合に、前記第２の燃料を選択することを特徴とする多種燃料機関。
請求項１に記載の多種燃料機関であって、
燃料の未燃成分を増量する未燃成分増量手段を更に備え、当該未燃成分増量手段は、前記触媒活性条件と前記暖機実行条件とが成立している場合に、未燃成分を増量することを特徴とする多種燃料機関。
請求項１または２に記載の多種燃料機関であって、
機関の温度が所定値以下であることを前記暖機実行条件としたことを特徴とする多種燃料機関。
請求項１ないし３のいずれかに記載の多種燃料機関であって、
触媒の温度が所定値以上であることを前記触媒活性条件としたことを特徴とする多種燃料機関。