JP2005233135A - 多種燃料機関 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
100 バイフューエルエンジン
120 CNG筒内噴射弁
124 CNG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
120 CNG筒内噴射弁
124 CNG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 (4)
- 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。
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JP2004045171A JP2005233135A (ja) | 2004-02-20 | 2004-02-20 | 多種燃料機関 |
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2004
- 2004-02-20 JP JP2004045171A patent/JP2005233135A/ja active Pending
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