JP2006500513A - 複数燃料機関の操作方法と装置 - Google Patents

Abstract

２又はそれ以上の燃料の組合せで動く複数燃料機関を作動させる方法及び装置が開示される。電子制御装置(ＥＣＵ)は、複数燃料機関の作動を制御するために、エンジンシステムの既存部品へ連結される。エンジンシステムは、機械式に支配又は電子的に制御される。ＥＣＵは、エンジンシステムの作動特性を入力し、作動特性に基づいて、複数燃料の制御を支配するための特性を決定し、支配するための特性に基づいて、複数燃料機関への第一燃料及び第二燃料の供給量を制御する。望ましい実施例において、二重燃料エンジンは、ディーゼルを第一燃料、天然ガスを第二燃料として使いながら作動する。
作動特性として、エンジン速度、スロットル位置、エンジン排気温度、第二燃料のガス圧力、第二燃料の温度、吸気マニホルドのブースト圧力又はエンジン冷却剤温度を挙げることができる。

Description

この出願は2002年9月24日提出の米国仮特許出願第60/413,269号の利益を要求する。

本発明は電子制御装置(ＥＣＵ)を使った複数燃料機関を作動するための方法および装置に関するものである。この複数燃料システムは機械式および電子制御式のエンジンの双方に応用できるであろう。一実施例として、内燃機関は、二つの燃料を組み合わせて作動する燃料機関システムに改変できる。具体的にはディーゼルを第一燃料に利用し天然ガスを第二燃料に利用するものである。

ガソリンを燃料とする内燃機関とディーゼルオイルを燃料とする内燃機関の運転に特有な大気汚染問題は、周知のことである。このため様々な排ガス制御装置が現在使われており、そして内燃機関による大気への汚染物質放出量を減らすことが連邦規則によって要求されるだろう。しかしながら、これらの排ガス制御装置は汚染物質の一部を取り除くだけであって、時間の経過とともに性能を低下することは免れない。またしばしばエンジンを最高の効率で運転することの妨げにもなっている。

天然ガスも又内燃機関の燃料として使われる。天然ガスは燃焼汚染物質の発生を少なくし、複雑な排気制御装置なしでエンジン運転コストを抑え、その利用により世界の化石燃料消費率を減じることができる。

現在の輸送基幹施設(インフラ)は、広い地域に展開した十分な数の車用天然ガス小売店を備えていないので、天然ガスのような気体燃料だけを燃料とする車を作るのは走行距離の限界を考えれば実用的でない。車にガソリンやディーゼル燃料のような液体燃料を供給することと、補助的に天然ガスのような気体燃料を供給することの両方を具えることが、より実用的である。これを効率的に実行するためには、現存する燃料取り込みのシステムや形状への改良を最小限に抑えることが望ましい。

気体燃料と液体燃料を混合するために、様々なシステムが開発されてきた。例えば気体燃料を、ガス計量弁を通して、ディーゼルエンジンの空気吸引口多岐管へ供給される空気中へ浮遊させて運ぶシステムが設計された。その後この空気と燃料の組み合わせたものは、燃焼前にディーゼル燃料と混ぜ合わされる。この形式のシステムの一例が米国特許第４４６３７３４号に示されている。これらのシステムは、エンジンに入る空気の量で気体燃料の流入を制御するため、直接且つ一定値の気体燃料対ディーゼル燃料比が存在する。しかしながら様々なエンジンスピードによって、異なった負荷条件が起こることがあるために、このタイプのシステムは必ずしも最大限の効率をあげる混合率を提供するとは限らない。

引用をもって本願の一部とする米国特許第５３７００９７号は、効率と出力を上げるために、内燃機関に入る気体燃料と液体燃料とを制御するシステムを開示している。

＜発明の要旨＞
本発明の実施例では、ひとつのエンジンシステムが、２またはそれ以上の数の燃料を組み合わせた燃焼によって作動する複数燃料機関へと改変される。又別の実施例として複数燃料機関は、様々なタイプの乗り物に関して独自の装備として利用される。複数燃料機関は、機械式エンジン又電子式エンジンのいずれにも適用できる。望ましい具体例では、複数燃料機関は、ディーゼルを第一燃料とし、天然ガスを第二燃料として作動する。

本発明の特徴は、複数燃料機関に電子式制御ユニット(ＥＣＵ)を具えることである。ＥＣＵは、エンジンシステムの作動特性を入力すること、それから一つ以上の作動特性に基づきエンジンシステムへの第一及び第二燃料の放出の総量を制御することを可能にする。作動特性には、第二燃料のガス圧力、第二燃料のガス温度、吸気マニホルドのブースト圧力及び／又はエンジン冷却剤温度が含まれる。

本発明のもう一つの特徴は、複数燃料機関への燃料供給量を制御する方法を提供することである。この方法は、ＥＣＵを供給し、エンジンシステムの作動特性を入力し、一つ以上の作動特性に基づきエンジンシステムへの第一及び第二燃料の供給量を制御することを含んでいる。

本発明はさらに、複数燃料機関に対するＥＣＵを較正する方法を提供する。この方法は、エンジンシステムの作動特性をＥＣＵに入力すること、作動特性に基づいて、複数燃料の燃焼を制御するための特性を決定すること、そしてその制御するための特性に基づいてエンジンへの第一及び第二燃料の供給量を制御することが含まれる。

本発明は次に車のエンジンシステムを複数燃料機関に改変させる方法を提供する。この方法とはＥＣＵを装備することを意味する。一実施例として、この方法はさらに第二燃料用貯蔵タンクを搭載し、その第二燃料用貯蔵タンクとエンジンの間に、流通可能に第二燃料ラインを装備することを含む。

この発明はさらに、エンジン、第一燃料用貯蔵タンク、第一燃料用貯蔵タンクとエンジンの間を流通可能に連結する第一燃料ライン、第二燃料用貯蔵タンク、第二燃料用貯蔵タンクとエンジンの間を流通可能に連結する第二燃料ライン、そしてＥＣＵを含む、複数燃料機関を提供する。

この発明はさらに、複数燃料機関を作動させるためのコントロールソフトウェア又は、ランダムアクセスメモリーなど、その他のタイプのコンピュータ読み取りメディアを含む。

これらの、又は他の本発明の特徴は、次の説明から一層明らかとなるであろう。

本発明の実施例は、エンジンシステムを二つ又はそれ以上の燃料の組み合わせで作動する複数燃料機関に改変する方法と装置を提供する。例えば二重燃料機関は「第一燃料」と「第二燃料」を使って作動することが可能になる。二重燃料モードでは、エンジンは第一と第二の燃料を組み合わせて動き、その他の場合には、エンジンは第一燃料だけを使って単式燃料モードで動く。好具体例として、二重燃料機関はディーゼルを第一燃料とし、天然ガスを第二燃料として使いながら作動する。好ましい実施例としては、第１燃料としてディーゼル、第２燃料として天然ガスを用いる二重燃料エンジンがある。ここで示されている好ましい具体例は、ディーゼルと天然ガスの使用に焦点を当てているが、適当な、どのような気体燃料または液体燃料でも、例えば石油系であろうと非石油系であろうと、それらも含めて、いずれか一方の燃料として利用できる。

ここで述べられている具体例は、既存のシステムを複数燃料機関に改変するために電子制御ユニット(ＥＣＵ)を利用することに焦点を当てている。「エンジンシステム」は、ポンプ、燃料タンク、計測器、バルブ、その他複数燃料機関を造るために必要とされ、又ＥＣＵの一部としては含まれていない部品など、存在する全てのエンジン部品を含む。電子制御エンジン用に、エンジンシステムは、下請製造者(ＯＥＭ)制御器も含んでいる。

一般的には、改変処理は実質的には同じ動力とトルク性能を維持し、既存のエンジンを変更しない。その代わりＥＣＵが既存のエンジンシステムに連結されて、広い範囲の作動条件に対して、信頼性のある出力のために燃料供給を管理し、排気制御を行う。例えば、エンジンは、スイッチによって複数燃料モードの必要が示されるまでは１００パーセントディーゼル(第一燃料)で動くようになっている。スイッチが入ると、ＥＣＵが作動して、燃焼を起こすのに必要な最小限の量のディーゼル燃料(つまり天然ガスのパイロット点火に必要な最低量)を使い、エンジンを動かすのに十分な天然ガス(第二燃料)を供給する。エンジンに供給されるディーゼルと天然ガスの量を調整する際、ＥＣＵは性能を最大限にしつつ、その一方で排気を最小限に抑えようとする。

既存のエンジンシステムは機械式に支配され、または電子式に制御されている。機械式のエンジンでは、ＥＣＵはエンジンシステムの『作動特性』を記録する複数センサーを含む。その作動特性は、エンジンスピード(r.p.m.)、エンジン(又は排気)温度、スロットル位置、第二燃料のガス圧力、ディーゼルインジェクターの吸気マニホルドのブースト圧力及び／又はエンジン冷却剤温度が含まれる。電子式エンジンに関しては、ＥＣＵは、このような作動特性のための入力信号を受け取っている。しかしながら、少なくとも作動特性の入力のいくつかは、特定のセンサーのかわりに、既存のＯＥＭコントローラーから直接入る。これらの作動特性に基づいて、ＥＣＵは、「マッピング」として知られているプロセスにおいて、複数燃料機関の「制御特性」を決定することにより、それ自身を較正(calibrate)してもよい。制御特性は、複数燃料システムの動き規定し、各々記録された作動特性に対応するエンジンパラメーターである。そこでエンジンスピードのような所定の作動特性について、ＥＣＵは、二重燃料作動を規定するエンジンスピードのための制御特性をマップする。ＥＣＵは、それから、それぞれの燃料の供給の調節をいつ、どれくらいの量でするかを決定する制御特性を用いる。目標とするべき最大限のロードとトルクの比は、例えば、８０％の天然ガスと２０％ディーゼルである。この目標の比率あたりで、有害ガスが顕著に減少され、目に見える煤煙は事実上除去される。

ＥＣＵは既存の機械調整器を取り除くことなくインストールできる。結果として、スピード調整特性は、スピードを操作する機械調整器に非常に、それよりも高度ではないが、近いものになっている。言い換えればＥＣＵは、複数燃料運転中、図１に示されているように機械調整器のr.p.m.を超えることはないが非常に近いr.p.m.で、エンジンスピードを制御することが望ましい。これは複数燃料運転中、機械調整器がキックイン(駄目になる)し、第一燃料、例えばディーゼルの供給を遮断すること、すなわちエンジンサージとして知られている状態に陥るのを避ける。

図２は機械式に調整されたエンジンから改変された二重燃料エンジンシステムの概略図である。図に示されているように、二重燃料システム１０は、第一燃料(例えばディーゼル燃料)を単独で、又は第二燃料(例えば圧縮天然ガス)と組み合わせて、燃料噴射装置１２を具えているエンジン１１に供給する。燃料噴射装置１２はエンジンのシリンダー中へ直接に燃料を注入する。図２に於いて、第一燃料は第二燃料が圧縮天然ガス(CNG)である間はディーゼルである。しかしながら、適切であればどのような燃料でも、第一燃料又は第二燃料として利用できる。

システム１０は、高圧ガス貯蔵タンク１５を含んでおり、これは天然ガスを、エンジン１１の吸気口へ流れる気流中へ引き込むために搭載されている空気／ガスミキサー１７へ、コンジット１６を通じてＣＮＧを供給するものである。空気/ガスミキサー１７は、ジョージア州リバーデイルのコンバションラブス社製SP4Dモデルのような、従来の任意のミキサーでよい。高圧遮断バルブ１９、圧力調節器２０、低圧遮断バルブ２１及び燃料計量アクチュエーターが、天然ガスの流れを制御するために、タンク１５とミキサー１７の間のコンジット１６へ直列に連結されている。圧力調節器２０は、システム１０と共に使われているエンジンのサイズや形式に応じた適切な圧力まで、天然ガスの圧力を低下させる。燃料計量アクチュエーター２２は、イリノイ州ラブズパークのバーバーコールマン社製DYNK10322-800型のような、適切であれば任意のアクチュエーターでよい。濾過された外界空気が、コンジット２４を経てミキサー１７へ供給される。

システム１０は又、燃料ポンプ２８に連結されたディーゼル燃料貯蔵タンク２７を含んでおり、該燃料ポンプは、コンジット２９を通して、エンジン燃料インジェクター１２へディーゼル燃料を供給している。燃料ポンプ２８は一般的にエンジンによって運転されていて、その出力はエンジンのスピードと相関している。燃料ポンプ２８は従来型の機械調整器(図示せず)、遮断レバー３１及びスロットル３２を具えている。遮断レバー３１は、スロットル３２が行なっているように、ポンプ２８によって送り出されるディーゼル燃料の流れを制限するために使われる。二つのスロットルの効果的な使い方は、エンジンが作動していない時には、ディーゼル燃料がエンジンに入るのを防ぐ場合である。スロットル３２は可動ケーブル３４によってアクセルペダル３３に連結されている。アクセルセンサー３７は足動式アクセルペダル３３のポジションを感知するために使われており、そしてそれによって、スロットル３２を制御する。タンク２７、ポンプ２８、コンジット２９、スロットル３２、遮断レバー３１、アクセルペダル３３そしてケーブル３４は、ディーゼルエンジン搭載の自動車には標準の装備であろう。

既存の部品がＥＣＵ４５の使用によって二重燃料機関へと改変される。エンジン冷却剤温度センサー３８、エンジンスピードすなわちr.p.m.センサー３９、そして排気温度センサー４０は、エンジン１１及びＥＣＵ４５に、各々信号回線４１、４２、４３によって連結される。ガス圧力センサー４６とガス温度センサー４７は、ガス供給１６とＥＣＵ４５に、各々信号回線４８、４９によって連結される。ブースト圧力センサー５０は吸気マニホルドインジェクター１２とＥＣＵ４５に信号回線５１によって連結される。

ＥＣＵ４５は、ディーゼル燃料制御アクチュエーター５２へ信号出力ライン５３とフィードバックライン５４によって連結される。ディーゼル燃料制御アクチュエーター５２は機械的に順次遮断レバー３１へとケーブル５５によって連結される。信号ライン５７によってＥＣＵ４５へ繋がっている２位置燃料セレクター５６が配備されている。ＥＣＵ４５は又、遮断バルブ１９と２１の両方へ制御ライン５７によって、燃料計量アクチュエーター２２へ制御ライン５８とフィードバックライン５９によって、そして最後にアクセルセンサー３７とライン６０によって連結されている。

最初にシステムを較正するために、セレクタースイッチ５６は「オフ」の位置にあり、従ってエンジンはディーゼル燃料のみで作動する。それからエンジンは、エンジンが最高エンジン速度になるように、アクチュエーター５２によって、スロットル３２を全開にし、燃料ポンプ遮断レバー３１を全開にする。次に、例えば通常の動力計のように負荷がエンジンに加えられ、エンジン速度を所定増分量、一般的には約２００r.p.m.低下させる。次にエンジンのトルク、馬力、排気温度が動力計によって決定され、ＥＣＵ４５のメモリーの内部に蓄えられる。エンジン負荷によって作動停止するに至るまで、エンジンは設定増分量で段階的に減速する。エンジンスピードの各増分段階で、結果として生じる最大エンジントルク、馬力、排気温度がＥＣＵ４５メモリーに記録され蓄えられる。これらの作動特性に基づいて、ＥＣＵ４５は二重燃料運転の制御特性を決定する。この手法は、エンジンをマッピングすると呼ばれる。好ましい具体例では、ＥＣＵ４５はr.p.m.の範囲で２５６r.p.m.値まで記憶する。

次にセレクタースイッチ５３がオンになり、エンジンはディーゼル燃料と天然ガスの両方で作動する。エンジンは遮断レバー３１を完全に開けた状態で空転するようになる。それから、遮断レバーはゆっくりアクチュエーター５２の活動により閉じられるが、その結果ディーゼル燃料の流動を制限し、同時にディーゼル燃料の減少を補うために、燃料計量アクチュエーター２２の活動が天然ガスの流入を増加させる。このように、アクチュエーター２２と５２は、ディーゼル燃料の量が燃焼のための最小限以下になって、エンジンスピードが維持できなくなるまで作動する。このディーゼル燃料の最小限量は普通『パイロット燃料』と呼ばれる。アクチュエーター５２とエンジンスピードのポジションは基準値としてＥＣＵ４５に蓄えられる。

遮断レバーはそれから全開位置に戻され、スロットル３２はエンジンスピードを、予め設定された増分量で、予めマップされた次のエンジンスピードにまで増加させるポジションに動かされる。アクチュエーター２２と５２は再び作動して、上で述べたように、この特定のエンジンスピードのために、アクチュエーター５２のパイロット燃料ポジションを決定して記憶する。この過程は、先に記憶されたエンジンスピードごとに、そのエンジンスピードの範囲でずっと繰り返され、そして対応する基準値は記録される。最小限では、パイロット燃料は全燃料の約５％になることが判明した。

各エンジンスピード毎のエンジントルクと馬力のマッピングで予めプログラムされたＥＣＵ４５を使って、ＥＣＵ４５はディーゼル燃料と天然ガスの流れを、エンジンを過剰駆動するマップされた状況を超えないような形で、規制する。言い換えれば二つの燃料の組み合わせは、ディーゼル燃料だけで従来作動しているエンジンによって産出される以上のエンジントルク或いは馬力を生んだりはしない。好具体例では、ＥＣＵ４５はガス温度、ガス圧力、吸気マニホルドブースト圧力を考慮し、変化する環境状況にしたがってディーゼル対ガス比率を調節する。エンジン排気と冷却温度もまた、エンジンが暖かいときにはガスが注入されることが望ましいという理由から、考慮される。エンジン１１の点火装置が切られている状態で、天然ガス遮断バルブ１９と２１そしてディーゼルポンプ遮断レバー３１は、天然ガスもディーゼル燃料もエンジンに入らないように閉じられる。

エンジン１１をディーゼル燃料だけで作動させるためには、セレクター５６がオフ位置にされなければならない。セレクターがこのポジションのとき、遮断バルブ１９と２１は、天然ガスがエンジンに入らないように閉じられたままである。エンジンの点火装置が発動すると、遮断レバー３１が完全に開いて、その結果ディーゼルポンプ２８がディーゼル燃料をコンジット２９経由でエンジンのインジェクター(燃料噴射装置)１２の中へ押し入れる。エンジンに供給されるディーゼル燃料の流動比率は、機械調整器とスロットル３２のポジションによって決まる。ディーゼル燃料との組み合わせの中で使われる空気は、空気/ガスミキサー１７を通してエンジンに入る。

燃料システム１０を二重燃料方式にしてエンジン１１を起動して作動させるために、セレクター５６がオンに選択され、それによってＥＣＵ４５が発動する。エンジンを起動させる間は、天然ガスをエンジンに入れるとは、シリンダー中の圧力によってエンジンを「ロックアップ」させるので、望ましくない。それゆえにr.p.m.センサー３９が、予め選ばれた最低速度以上でエンジンが運転していないことを示すと、ＥＣＵ４５は遮断バルブ１９と２１を閉じたままにするよう信号を送る。いったんエンジンが、予め選ばれた最低速度を超えて運転すると、ＥＣＵ４５がディーゼル燃料制御アクチュエーター５２を作動させ、天然ガスを圧力調節器２０と計量アクチュエータ２２を通して入れるために、遮断バルブ１９と２１を開ける。

エンジンに供給される各燃料の量はＥＣＵ４５によって決定されるのだが、これは燃料計量アクチュエーター２２を通る天然ガスの流動及びポンプ２８からのディーゼル燃料の流動を規制することで、実行される。これはスロットル３２と遮断レバー３１のポジショニングの選択によって決定される。ＥＣＵ４５は、r.p.m.センサー３９とアクセルセンサー３７によって与えられる情報に従って流動を規制することができる。

図３は、機械式エンジンを二重燃料機関システムへ改変するための一般的なＥＣＵ７０の概略図である。示されているように、天然ガスは吸気マニホルドに噴射するインジェクター７１−７６を６個まで使って制御されている。それに替わって、天然ガスを制御するには、プロポーショナルバルブを使ってもよい。ＥＣＵ７０は、要求されているエンジン制御パラメーターの迅速な計算のために、３２ビットマイクロコントローラーのような適切な制御器を内蔵している。ＥＣＵ７０は又、ランダムアクセスメモリーのような適切なメモリーも内蔵している。プログラムはフラッシュメモリーに全部収められ、要求があればフィールドへの置き換えも、アップグレードも可能である。EEPROMメモリーが、較正(キャリブレーション)、データやマップや障害コードなどを収めるのに使われる。１つのサーボモーターアウトプット８０は、ディーゼルパイロットポジショナーの制御に用いられている。アナログ入力は、スロットルポジションセンサー８１、エンジンスピードセンサー８２、ガス圧力センサー８３、マニホルドブースト圧力センサー８４、排気温度センサー８５、冷却剤温度センサー８６などのシステムセンサーの読み取りに使われている。デジタル入力もまた、r.p.m.、スピード、タイミング、バイナリーセンサーやその他、システム形態に応じたロジック信号などを読み取るために含まれてもよい。加えてＥＣＵは、システムエネイブルスイッチ８７とパワーテイクオフ(ＰＴＯ)エネイブルスイッチ８８を含んでもよい。図３は、ガスバルブ８９とシステムオンライト９０に関するシステムを示している。

RS４２２の完全複式ポート(図には示されていない)が、ラップトップコンピュータで起動するプログラミングと分析ソフトウェアとの連絡に提供されてもよい。制御ソフトウェアは、特別な用途での必要にあわせて、般用ソフトウェアからプログラムしたりカスタマイズしたりできる。機械式エンジンのために使われる一般的ソフトウェアは、空転(アイドル)制御、トルクマッピング、エンジンr.p.m.マッピング、ディーゼルパイロットマッピング、ガス圧力補償、マニホルド圧力補償、そしてＰＴＯ制御を含む。このソフトウェアは、各センサーの分析の役割を果たす。センサーに障害が生じた場合はシステムが不能になり、フォールトコードが記録される。そのフォールトコードは、システムトラブルシューティングの間に復旧される。

較正ソフトウェアは、プログラムと分析モニター(PDM)として知られている。このソフトウェアは、一般的ラップトップコンピュータのウィンドウズ(登録商標)のもとで使える。全部のセンサー、使われたガス、ディーゼルパイロットアクチュエーターポジションや様々なステータスフラッグがディスプレイされている。較正データは、スクリーンから又はファイルからＥＣＵに直接アップロードできるし、もし必要があれば、再びダウンロードしてファイルに入れておける。

機械式エンジンに比べて、電子式エンジンは所定の作動特性を測るために、既存のセンサーを含み、又はインターフェイスで連結もできるＯＥＭ制御器を通常は内蔵する。このようにして、本発明のＥＣＵはＯＥＭ制御器と調和して機能し、ＯＥＭ制御器が感知し記録した作動特性を受け取るためにデータリンク信号経由でＯＥＭ制御器と連絡する。ＯＥＭ制御器が感知せず記録しない作動特性については、ＥＣＵは、それ自身のセンサー、例えばガス圧力、ガス温度、ブースト圧力センサーを具えることもできる。機械式エンジンのように、電子式エンジンの作動特性は、エンジンスピード(r.p.m.)、エンジン(又は排気)温度、スロットルポジション、第２燃料のガス圧力、第２燃料のガス温度、インジェクター吸気マニホルドのブースト圧力、及び／又はエンジン冷却剤温度などを含むことができる。

図４は電子制御エンジンから改変された二重燃料エンジンシステム１００の概略図である。いくつかの部品は、図２で機械制御システム用に描かれた部品と一致する。異なっている部品は、下に描かれている。

図４で示されているように既存のＯＥＭ制御器１０１は、エンジンスピードセンサー１０２、冷却剤温度センサー１０３、アクセルセンサー１０４、マニホルド圧力センサー１２３、マニホルド温度センサー１２４、環境圧力センサー１２５、環境温度センサー１２６、車スピードセンサー１３０から、夫々信号回線１０５、１０６、１０７、１４０、１４１、１４２を通じて作動特性を受け取ることができる。

既存の部品は、ＥＣＵ１１０の使用によって、二重燃料機関へと改変される。ガス圧力センサー１１１、ガス温度センサー１１２、ブースト圧力センサー１１３、そしてエンジン排気温度センサー１１４と、それぞれ信号回線１１５、１１６、１１７、１１８を通して連結することができる。ＥＣＵ１１０は又、ガス計測器１１９と信号回線１２０によって連結され、又信号回線１２１を通してエンジンへのガスの流れを規制することができる。加えて、ＥＣＵ１１０はＯＥＭ制御器とデータリンク１４５によって連結することができる。実施例としては、SAEJ１９３９データリンクが使われていることが望ましい。ＥＣＵ１１０はエンジンスピード、冷却剤温度、アクセルポジション、環境温度、環境圧力、マニホルド温度、マニホルド圧力、車の速度の測定値を、データリンク１４５から受け取ることができる。加えて、ＥＣＵ１１０は、トルク制御、r.p.m.制御、パワーテイクオフ(ＰＴＯ)制御、そして車の速度制御に関するＯＥＭ制御器１０１の作動についての情報を、障害分析情報やエンジン構成情報と共に受け取る。

一旦ＥＣＵ１１０が作動特性を受け取ると、つぎにシステムを較正し二重燃料運転のための制御特性を発生させる。ＥＣＵ１１０は、ＯＥＭ制御器１０１に信号を送ることによって、ディーゼル燃料の流れを調節するために、又ガス計測器１１９へ信号を送ることによって、天然ガスの流れを調節するために、制御特性を使う。

図５は、電子式エンジンを二重燃料機関システムへ改変するための一般的なＥＣＵ１５０の概略図である。示されているように、天然ガスは、吸気マニホルドに噴射する６個までのインジェクター１５１−１５６を使って制御されている。替わって、天然ガスを制御するのにプロポーショナルバルブを使うこともできる。吸引マニホルドへの天然ガス噴射ポートを使うこともできる。ＥＣＵ１５０は、要求されているエンジン制御パラメーターの迅速な計算のために、３２ビットマイクロコントローラーのような適切な制御器を内蔵している。ＥＣＵ１５０は又適切なメモリーも内蔵している。プログラムはフラッシュメモリーに全部収められ、要求があればフィールドへの置き換えやアップグレードも可能である。EEPROMメモリーは、較正データやマップやフォールトコードなどを記憶するのに使われる。アナログ入力は、ガス圧力センサー160、マニホルドブースト圧力センサー161、ガス温度センサー１６２、排気温度センサー163などのシステムセンサーの読み取りに使われている。エンジンスピード、冷却剤温度、スロットルポジションは、ＯＥＭ制御器１６５のデータリンク接続から読み取ることができる。ＥＣＵ１５０はまたデータリンク１６５との連絡のためにCANポート１６６を搭載している。加えて、このＥＣＵは、システムエネイブルスイッチ１６７とＰＴＯエネイブルスイッチ１６８を含む。図５はガスバルブ１６９とライト１７０に関するシステムも示している。

RS４２２完全二重ポート(図には示されていない)は、ラップトップコンピュータで作動するプログラミングと分析ソフトウェアとの伝達に供給される。電子式エンジンでは、制御ソフトウェアは、いくつかの作動特性はＥＣＵ専用センサーからではなく、データリンクから得られるという点を除いて、機械式エンジン用ソフトウェアと同じような構造になる。

機械式と電子式のエンジンのＥＣＵハードウェアは本質的には同じである。図６は、一般的ＥＣＵのハードウェア構造を示す概略図を示している。両方のシステムのソフトウェアは、次の情報に説明されているように異なっている。

図７a、７b、７cは機械式エンジンの一般的なＥＣＵソフトウェアのマクロ構造の図解説明である。図７aに示されているように、プログラムは、パワーがオンになっている時は、システムが正常作動の準備に必要な機能を果たす初期化エグゼクティブへと移行される。初期化が完了したらすぐに、バックグランドエグゼクティブが入れられる。このアルゴリズムは非同期式であり、時間が優先されることなく、プロセス処理する時間がある場合に実行される。ひとつのインターラプトドリブンエグゼクティブは、同期式で、図７bで示されているように２ミリ秒毎に動く。この同期式制御エグゼクティブの間、ソフトウェアは電子式制御エンジンのＯＥＭ制御器と連絡する。残りのインターラプトドリブンエグゼクティブは非同時式であり、図７で示されているように様々な内部、外部の事に役立つ。

図８はバックグランドエグゼクティブの一般的な流れのダイアグラムである。ひとつの具体例として、この機能は、まず最初に、EEPROMメモリーから較正データを読み取り、ウォッチドッグタイマーをスタートさせるというようなワンタイムタスクをまず実行し、そしてその後、非同期性ループが入れられる。非同期式機能は、r.p.m.対スロットルポジションの較正、ディーゼル燃料対r.p.m.の較正、分析データの分析モニターへの伝送を初期化すること、そしてウォッチドッグタイマーのストロービング等を含む。

本発明の実施例にしたがって、図９は同時式制御エグゼクティブの流れのダイアグラムである。制御エグゼクティブは、ディーゼル及びガス燃料に関するすべての仕事を実行する。スロットルポジション、排気温度、ガス圧力、ガス温度、r.p.m.、そして車の速度といった様々なエンジンパラメーターが読みとられる。これらの読みとりに基づいて、必要なディーゼルとガスの供給がインジェクターパルス幅とディーゼルパイロットアクチュエーターポジションを使って計算することができる

図１０は一般的なアナログ/デジタル(A/D)変換の流れのダイアグラムである。アナログ入力の変換は、スキャンモードで動いているA/Dコンバーターを使って実行する。変換は一度に４つの入力について実行される。

本発明のもう一つの実施例にしたがって、図１１は機械式エンジンのエンジンスピード変換プロセスを示した流れのダイアグラムである。(電子式エンジンスピードはデータリンクから直接に読み取られる。この実施例においては、エンジンスピードはバッファーのキャプチャーモードで１６ビットのフリーランニングカウンターを使って計測される。外部パルスはカウンターの最新値を検索し、それをキャプチャーレジスターに記憶する。前にキャプチャーレジスターに残っているバリュー(値)はバッファーレジスターに移される。キャプチャーイベントが発生したことを示すフラグが現れる。get rpm( )(図１１に示されている)機能は、バッファーレジスターの前のキャプチャー値、キャプチャーレジスターの新しいキャプチャー値、カウンター周波数、そしてフライフィールの歯を使って、r.p.m.を計算するアルゴリズムを含んでいる。この機能は、２ミリ秒毎に、同期式制御エグゼクティブの中から呼び出される。

エンジン変換アルゴリズムは又、入力信号の周波数が低くなりすぎてカウンターがループしてしまう時間が生じる場合に備えて、障害のある結果に対する保護機能もある。Rpm cap flag(図１１参照)は、キャプチャーイベントが見つかったときに現れるキャプチャーフラッグである。機能が実行され、キャプチャーが見付からないときは、「acm」値は増分される。もしキャプチャーが『acm max』タイム中に見つからない場合は、rpmはゼロと見なされる。フライフィールの１２０歯と、とacm max値が４に設定された場合、最小測定可能rpmは約６０である。

また他の実施例にしたがって、図１２は、ガス制御機能の流れの典型的なダイアグラムを表している。システムが、既存の機械式調整器を取り除くことなくインストールされているため、二重燃料機関のスピード制御特性は、機械式調整器によるものより高くはないが、近い形でプログラムされるのが望ましい。機械式制御特性は、システムが較正されるとき、tps map と呼ばれるＥＣＵマップの中に記憶される。マップはr.p.m.の範囲を通じて複数のバリューを有する。安定性の理由から、オフセットが、図１２に示されている様に、特性に適用される。適用されるオフセットは、通常２０から２００r.p.m.である。別個のアルゴリズムが、低いアイドル(空転)のとき、エンジンを制御する。その機能によって使われるr.p.m.リファレンスは図１２に示されているように設定されるであろう。

異なったPID設定が安定性の理由からＰＴＯモードで使われるであろう。ガス燃料制限はエンジンが燃料超過になるのを防ぐために適用される。燃料制限カーブは３２r.p.m.毎につき１ポイントでEEPROMメモリーに記憶される。バリュー(値)の範囲は普通、インジェクターパルスの０から９０％の範囲に対応して、０から２７０００になる。或るr.p.m.では、プログラムは２つの隣り合う燃料カーブポイントを読みとり、直線内挿のインターポレイションを使って燃料制限を計算する。燃料制限はさらに、ブースト、ガス圧力、ガス温度を考慮に入れて再計算される。最終的には、PID速度制御に加えて、燃料制御特性を規定して、燃料制限はスロットルポジションのパーセンテージを掛け算される。

計算されたバリュー(値)は、一度に１インジェクターの割合で、インジェクターに指定される。もしマニホルドインジェクターが使われるならば、インジェクターは、図１３に示されているように順番に作動する。使用される最大インジェクターパルス幅は９０％である。

図１４は、機械式エンジン用の一般的なディーゼルパイロットマップである。このマップは、ポンプ上のディーゼルパイロットレバーの位置が、エンジンに負荷がない時は低い空転(アイドル)で、エンジンに負荷がある時は高い空転であることを表す。示されているように、ディーゼルの供給は、低い空転ではエンジンストールを避けるために増加し、高い空転では減少する。ディーゼルパイロット制御機能(図９)は、ディーゼル燃料供給は較正の間、EEPROMメモリーの中に記録されているディーゼル燃料マップに従うことを確実にする。ある特別な実施例では、燃料マップは１２８ポイントを持つ。

図１５は電子式エンジン用ＥＣＵソフトウェアの構造を示す。これらのシステムでは、ＥＣＵは、SAEJ１９３９データリンク経由でＯＥＭコントローラーに接続され、既存のセンサーを利用し、ＯＥＭコントローラーを通してディーゼル燃料供給への制御を実行している。

電子式システム用のＥＣＵソフトウェアは機械式ソフトウェア同じ様な構造をしている。しかしながら、車の速度、エンジンスピード、冷却剤温度、環境温度と圧力の如き、いくつかの重要なエンジンパラメーター、そしてマニホルド温度と圧力は、ＥＣＵ専用センサーから読み取ることなくデータリンクから得ることができる。ＥＣＵは必要なディーゼル燃料のパーセンテージを決定し、このレベルにディーゼル燃料を制限するよう要求する。

ＥＣＵの中のCANモジュールは、通信にメールボックスを使う。メールボックスは、次の表に示されているように、様々なJ１９３９のパラメーター群を受信したり伝送するために、ＥＣＵ初期化の間に形成される。ほかのパラメーターもまた、有用性に応じて、受信されている。

複数燃料機関への改変は完成するのに約一日かかる。それはとりわけ、軽量級、中級、重量級のディーゼルとガソリンエンジンであって、オンロードとオフロードの両方に対する改変、市場後の機械式及び電気式エンジンの旧式への適用、または直接噴射のディーゼル又はガソリンエンジンであって、ターボチャージ及び自然噴射の両方に対する改変に、使用されてもよい。

この発明の特別な実施例が図示のため上に述べられているが、技術知識のある人には、本発明の細かい部分の数多くの変更は、添付の請求の範囲に定められているこの発明から外れることなく、作り得ることが明らかであろう。

エンジンスピード(r.p.m.)対機械式エンジンのスロットル位置のグラフである。 機械式エンジンから改変された二重燃料エンジンの概略図である。 機械式エンジンを二重燃料エンジンへ改変するためのＥＣＵの概略図である。 電子式エンジンシステムから改変された二重燃料エンジンの概略図である。 電子式エンジンを二重燃料エンジンへ改変するためのＥＣＵの概略図である。 ＥＣＵのハードウェアの構造を示した概略図である。 機械式エンジンのためＥＣＵソフトウェアの全体構造を表す流れ図である。 機械式エンジンのためＥＣＵソフトウェアの全体構造を表す流れ図である。 機械式エンジンのためＥＣＵソフトウェアの全体構造を表す流れ図である。 機械式エンジン用ＥＣＵソフトウェアのバックグランドエグゼクティブを示す流れ図である。 機械式エンジンのＥＣＵソフトウェアの制御エグゼクティブを示す流れ図である。 機械式エンジン用ＥＣＵソフトウェアのアナログ/デジタル(Ａ／Ｄ)変換を示す流れ図である。 機械式エンジン用エンジンスピードの変換を示す流れ図である。 機械式エンジン用ＥＣＵソフトウェアの気体燃料制御機能を示す流れ図である。 インジェクターパルスを示す流れ図である。 ディーゼル油供給対空転のディーゼルパイロットの説明図である。 電子式エンジン専用のＥＣＵソフトウェアの全体の構造を示す流れ図である。

Claims (45)

1. 第一燃料及び第二燃料を使用する複数燃料機関のための電子制御装置であって、該電子制御装置は、
   ａ．エンジンシステムの作動特性を電子制御装置に入力する手段であって、少なくとも１つの作動特性は、第二燃料のガス圧力、第二燃料のガス温度、吸気マニホルドのブースト圧力又はエンジン冷却剤温度を有しており、及び
   ｂ．作動特性に基づいて、複数燃料機関への第一燃料及び第二燃料の供給量を制御する手段、
   を含んでいる、電子制御装置。
2. ａ．エンジンシステムの作動特性に基づいて、複数燃料の制御を支配するための特徴を決定する手段、及び
   ｂ．支配するための特性に基づいて、複数燃料機関への第一燃料及び第二燃料の供給量を制御する手段、
   をさらに含んでいる、請求項１に記載の電子制御装置。
3. 作動特性には、第二燃料のガス圧力、第二燃料のガス温度、吸気マニホルドのブースト圧力及びエンジン冷却剤温度からなる群から選択される作動特性が少なくとも２つ含まれている、請求項１に記載の電子制御装置。
4. 作動特性には、第二燃料のガス圧力、第二燃料のガス温度、吸気マニホルドのブースト圧力及びエンジン冷却剤温度からなる群から選択される作動特性が少なくとも３つ含まれている、請求項１に記載の電子制御装置。
5. 作動特性には、第二燃料のガス圧力、第二燃料のガス温度、吸気マニホルドのブースト圧力及びエンジン冷却剤温度からなる群から選択される作動特性が少なくとも４つ含まれている、請求項１に記載の電子式ユニット。
6. 少なくとも１つの作動特性は、第二燃料のガス圧力を含んでいる、請求項１に記載の電子制御装置。
7. 少なくとも１つの作動特性は、第二燃料のガス温度を含んでいる、請求項１に記載の電子制御装置。
8. 少なくとも１つの作動特性は、吸気マニホルドのブースト圧力を含んでいる、請求項１に記載の電子制御装置。
9. 少なくとも１つの作動特性は、エンジン冷却剤温度を含んでいる、請求項１に記載の電子制御装置。
10. エンジンシステムは機械式に支配されている、請求項１に記載の電子制御装置。
11. 所定のエンジンスロットル位置について、複数燃料作動中のエンジン速度を、単一燃料制御中の高速エンジン速度未満に維持する手段をさらに含んでいる、請求項１０に記載の電子制御装置。
12. エンジンシステムは電子的に制御されている、請求項１に記載の電子制御装置。
13. 電子制御装置は、データリンクによってエンジンシステムと連通する手段をさらに含んでいる、請求項１２に記載の電子制御装置。
14. 作動特性には、環境温度、環境圧力、マニホルド温度及び／又はマニホルド圧力がさらに含まれている、請求項１２に記載の電子制御装置。
15. 第一燃料にはディーゼルが含まれる、請求項１に記載の電子制御装置。
16. 第一燃料にはガソリンが含まれる、請求項１に記載の電子制御装置。
17. 第二燃料は気体である、請求項１に記載の電子制御装置。
18. 第二燃料には天然ガスが含まれる、請求項１に記載の電子制御装置。
19. 第二燃料にはプロパンが含まれる、請求項１に記載の電子制御装置。
20. 第二燃料は液体である、請求項１に記載の電子制御装置。
21. 第一燃料及び第二燃料を使用する複数燃料機関への燃料供給量を制御する方法であって、該方法は、
    ａ．電子制御装置を提供すること、
    ｂ．エンジンシステムの作動特性を電子制御装置に入力することであって、少なくとも１つの作動特性には、第二燃料のガス圧力、第二燃料のガス温度、吸気マニホルドのブースト圧力又はエンジン冷却剤温度が含まれること、及び
    ｃ．作動特性に基づいて、複数燃料機関への第一燃料及び第二燃料の供給量を制御すること、
    を含んでいる、複数燃料機関への燃料供給量を制御する方法。
22. ａ．エンジンシステムの作動特性に基づいて、複数燃料の制御を支配するための特性を決定すること、及び
    ｂ．作動特性に基づいて、複数燃料機関への第一燃料及び第二燃料の供給量を制御すること、
    をさらに含んでいる請求項２１に記載の方法。
23. エンジンシステムは機械式に支配されている、請求項２１に記載の方法。
24. 所定のエンジンスロットル位置について、複数燃料制御中のエンジン速度を、単式燃料制御中の高速エンジン速度未満に維持することをさらに含んでいる、請求項２３に記載の方法。
25. エンジンシステムは電子的に制御されている、請求項２１に記載の方法。
26. データリンクによってエンジンシステムと連通することをさらに含んでいる、請求項２５に記載の方法。
27. 作動特性には、環境温度、環境圧力、マニホルド温度及び／又はマニホルド圧力がさらに含まれている、請求項２５に記載の方法。
28. 第一燃料及び第二燃料を使用する複数燃料機関のための電子制御装置を較正する方法であって、該方法は、
    ａ．エンジンシステムの作動特性を電子制御装置に入力すること、
    ｂ．エンジンシステムの作動特性に基づいて、複数燃料の制御を支配するための特性を決定する手段、及び
    ｃ．作動特性に基づいて、複数燃料機関への第一燃料及び第二燃料の供給量を制御すること、
    を含んでいる方法。
29. 作動特性の少なくとも１つには、第二燃料のガス圧力、第二燃料のガス温度、吸気マニホルドのブースト圧力又はエンジン冷却剤温度が含まれる、請求項２８に記載の方法。
30. エンジンシステムは機械式に支配されている、請求項２８に記載の方法。
31. 所定のエンジンスロットル位置について、複数燃料制御中のエンジン速度を、単式燃料制御中の高速エンジン速度未満に維持することをさらに含んでいる、請求項３０に記載の方法。
32. エンジンシステムは電子的に制御されている、請求項２８に記載の方法。
33. データリンクによってエンジンシステムと連通することをさらに含んでいる、請求項３２に記載の方法。
34. 作動特性の少なくとも１つには、環境温度、環境圧力、マニホルド温度又はマニホルド圧力がさらに含まれている、請求項２８に記載の方法。
35. 第一燃料にはディーゼルが含まれる、請求項２８に記載の方法。
36. 第一燃料にはガソリンが含まれる、請求項２８に記載の方法。
37. 第二燃料は気体である、請求項２８に記載の方法。
38. 第二燃料には天然ガスが含まれる、請求項２８に記載の方法。
39. 第二燃料にはプロパンが含まれる、請求項２８に記載の方法。
40. 第二燃料は液体である、請求項２８に記載の方法。
41. 車のエンジンシステムを、第一燃料及び第二燃料を使用する複数燃料機関に改変させる方法であって、該方法は、電子制御装置を車に装備することを含み、該電子制御装置は、
    ａ．エンジンシステムの作動特性を電子制御装置に入力する手段であって、少なくとも１つの作動特性には、第二燃料のガス圧力、第二燃料のガス温度、吸気マニホルドのブースト圧力又はエンジン冷却剤温度が含まれる手段、及び
    ｂ．作動特性に基づいて、複数燃料機関への第一燃料及び第二燃料の供給量を制御する手段、を含んでいる、
    複数燃料機関に改変させる方法。
42. 第二燃料用貯蔵タンクを車に搭載すること、及び該第二燃料用貯蔵タンクとエンジンの間に、流通可能に第二燃料ラインを装備することをさらに含んでいる、請求項４１に記載の方法。
43. 第一燃料及び第二燃料を使用する複数燃料エンジンシステムであって、該複数燃料エンジンシステムは、エンジン、第一燃料用貯蔵タンク、第一燃料用タンクとエンジンの間で流通可能となっている第一燃料用タンク、第二燃料用貯蔵タンク、第二燃料用タンクとエンジンの間で流通可能となっている第二燃料用タンク、及び電子制御装置を含み、該電子制御装置は、
    ａ．作動特性を電子制御装置に入力する手段であって、少なくとも１つの作動特性には、第二燃料のガス圧力、第二燃料のガス温度、吸気マニホルドのブースト圧力又はエンジン冷却剤温度が含まれる、及び
    ｂ．少なくとも１つの作動特性に基づいて、複数燃料機関への第一燃料及び第二燃料の供給量を制御する手段、
    を含んでいる、複数燃料エンジンシステム。
44. 指示を含むコンピュータ読取可能メディアであって、該メディアは、プロセッサによって実行されるとき、第一燃料及び第二燃料を使用する複数燃料機関を作動させる方法を実施し、該方法は、
    ｂ．作動特性に基づいて、複数燃料の制御のための作動特性を決定すること、及び
    ｃ．作動特性に基づいて、エンジンへの第一燃料及び第二燃料の供給量を制御すること、を含んでいる、
    指示を含むコンピュータ読取可能メディア。
45. 作動特性の少なくとも１つには、第二燃料のガス圧力、第二燃料のガス温度、吸気マニホルドのブースト圧力又はエンジン冷却剤温度が含まれる、請求項４４に記載のコンピュータ読取可能メディア。
    

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