JP2009228465A - 液化燃料エンジンにおける燃料圧力制御法 - Google Patents

液化燃料エンジンにおける燃料圧力制御法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料ポンプ駆動モータの無駄な高回転によるモータにおける負荷の増加により生じる燃費の悪化、モータやモータドライバにおける温度の上昇を防止して耐久性を向上させる液化燃料エンジンにおける燃料圧力制御法を提供する。
【解決手段】燃料タンク２に貯留した液化ガス燃料を燃料ポンプ３で加圧して燃料供給管路９Ａ，９Ｂを介してインジェクタ８に送りエンジン１に供給する液化燃料エンジンにおける燃料噴射圧力制御方法であって、エンジン回転数と吸入空気圧力のデータから得られる数式モデルをベースにシミュレーションを行い、最適な制御パラメータを決定し、この決定した制御パラメータを用いて燃料供給装置に備えた電子制御ユニット１０において求まるエンジン１の要求する燃料噴射量に応じて必要とする燃料噴射圧力を決定する可変目標燃料噴射圧力制御法を導入した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＰＧやＤＭＥのようにガソリンに比べて気化しやすい液体燃料を液体のまま燃料タンクからインジェクタに圧送しエンジンに噴射、供給する液化燃料エンジンにおける可変目標燃料噴射圧力制御方法に関するものである。
ＬＰＧやＤＭＥのようにガソリンよりも気化しやすい液体燃料をインジェクタで計量噴射して液体のままエンジンに供給する燃料噴射制御方式のエンジンシステムは周知であり、自動車などに搭載されているが、近頃、高トルクや高出力の要請とともに、環境への対応や低燃費、低排気ガス、省エネルギーなどの要請が強い。特に、燃料噴射制御は、エンジン制御性能および排気に大きな影響を与えることから、省エネルギー化、高速化、高精度化、高信頼性が強く望まれている。
ところで、従来、燃料噴射制御方式のエンジンシステムでは、あらゆる運転条件にも対応可能とするために燃料噴射圧力を燃料噴射量の多少に拘わらず常に一定の高い圧力で制御が行われている。そのため、インジェクタからの噴射量がきわめて多いエンジン高負荷状態では燃料ポンプ駆動モータの回転数が高くなり、モータの負荷が増加し、モータに大電流が流れる結果、燃費が悪くなってしまう。また、燃料ポンプ駆動モータに長時間にわたって大電流が流れるのでモータやモータドライバの温度が上昇して耐久性が悪くなるという問題がある。
そこで、図２に示すように、燃料タンク２に貯留された液化ガス燃料をＤＣモータ等で駆動される電動式燃料ポンプ３で常に一定量の燃料を燃料供給管路９に圧送し、リリーフバルブ４０で燃料供給管路内の圧力を一定に調整した上で燃料供給管路９を経由しインジェクタ８からエンジン要求流量の燃料を供給して、余剰の燃料はプレッシャーレギュレータ４１を経由して燃料戻し管路９Ｃで燃料タンク２に戻すリターン式の燃料供給システムが知られている。
このような従来の燃料供給システムでは、あらゆるエンジンの運転条件にも対応可能とするために電動式燃料ポンプ３の吐出流量をインジェクタ８から噴射される最大燃料量以上に設定している。しかし、例えばアイドリング中や燃料カット時などインジェクタ８の燃料噴射量が極めて少ない状況下においては、送出燃料がプレッシャーレギュレータ４１から燃料タンク２に戻るため、電動式燃料ポンプ３に与えられたエネルギー（電力量）が無駄に消費されることになる。また、エンジン１の近傍を通って高温となった余剰燃料が大量に燃料タンク２に戻されるとタンク内燃料温度を上昇させてしまい、燃料蒸気が生じてポンプ吐出量を不安定にし、排気に悪影響を与える、という不都合を生じる。
そこで、特開平７−５４７２５号公報、特開２００１−２３４８２９号公報、特開２００３−２３２２３４号公報などに記載されているように、電動式燃料ポンプの吐出量を通常運転用とハイゾーン用の二段階に切換える二段階切換式とすることにより電力消費量と燃料タンクに戻る余剰燃料を減少させる方法が考えられる。しかしながら、このように粗い燃料ポンプ制御ではエンジンの運転状態により細かく或いは大幅に変化するエンジンの運転状態に適した燃料要求流量に的確に対応することができないため、余剰燃料を充分に減少させることができないとともに無駄となる消費電力の低減も充分とは言えない。また、前記リターン式や二段階切換式の場合には制御装置ならびに制御方法が複雑となり製造が容易でなく価格が高くなるばかりか保守や修理の面でも不利である。
特開平７−５４７２５号公報 特開２００１−２３４８２９号公報 特開２００３−２３２２３４号公報
本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、燃料タンクから延出された燃料供給管路先端側のエンジンに付設したインジェクタと、前記燃料供給管路に配設された燃料ポンプと、前記燃料ポンプ駆動モータ及び前記インジェクタを駆動制御する電子制御ユニットとを備え、全ての運転状況に対応する燃料噴射量に応じて必要な燃料噴射圧力を制御することにより従来の無駄な高い圧力での制御における問題点である燃料ポンプ駆動モータの無駄な高回転によるモータにおける負荷の増加により生じる燃費の悪化、モータやモータドライバにおける温度の上昇を防止して耐久性を向上させる液化燃料エンジンにおける燃料圧力制御方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明は、燃料タンクから延出された先端側にインジェクタを有する燃料供給管路と、前記燃料供給管路に配設された燃料ポンプと、前記インジェクタおよび燃料ポンプを駆動制御する電子制御ユニットとを有する燃料供給装置を備え、前記燃料タンクに貯留した液化ガス燃料を前記燃料ポンプで加圧して前記燃料供給管路を介して前記インジェクタに送りエンジンに供給する液化燃料エンジンにおける燃料噴射圧力制御方法であって、前記燃料供給装置に付設した各種センサによる実測値であるエンジン回転数と吸入空気圧力のデータから得られる前記燃料供給装置の有する物理的関係を表す数式モデルを作成し、この作成した数式モデルを用いて実際に測定できない運転状態についてのシステムパラメータを推定し、その数式モデルをベースにシミュレーションを行い、最適な制御パラメータを決定し、この決定した制御パラメータを用いて前記燃料供給装置に備えた前記電子制御ユニットにおいて求まるエンジンの要求する燃料噴射量に応じて必要とする燃料噴射圧力を決定する可変目標燃料噴射圧力制御法を導入することとした。
ＬＰＧ液体噴射システムにおいては、全ての運転条件において燃料噴射圧力がその目標圧力となるように燃料噴射圧力を制御することを可能にすることにより、噴射量がきわめて少ない場合には燃料が気化し易いので燃料噴射圧力を高く設定し、燃料噴射量が多い場合には燃料が気化し難いので燃料噴射圧力を高く設定する必要がないという理論通りの制御を可能にすることにより燃料ポンプを駆動するポンプ駆動電動モータの消費電力を抑えてポンプ駆動モータおよびモータドライバの耐久性を向上させる。
また、燃料噴射圧力に応じて燃料噴射時間を補正することにより、燃料噴射圧力が変化し、インジェクタなどの作動特性の影響で排気が悪くなるおそれを解消する。
尚、本発明における目標燃料噴射圧力を求めるための数式モデルはエンジン回転数と吸入空気圧力により決定される次の関係式（１）が含まれている。
Figure 2009228465
また、本発明において、目標燃料噴射圧力に応じて自動的に燃料噴時間の補正を行う際に次の関係式を用いる。

Figure 2009228465
本発明によると、リターン式や複数の燃料系統を備えるような複雑な構成を必要とすることがなく、製造価格や維持費も廉価であり、特に、全ての運転状況において燃料噴射量に応じて必要な燃料噴射圧力を制御することにより燃料ポンプ駆動モータの無駄な高回転によるモータにおける負荷の増加により生じる燃費の悪化、モータやモータドライバにおける温度の上昇を防止して耐久性を向上させるとともに、良好な排気を得ることができる。
次に、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明である燃料噴射圧力制御方法を実施するための液化燃料エンジンの配置図を示すものであり、燃料タンク２から延出された燃料送出管路９Ａの出口寄りには電動モータ３ａにより駆動する燃料ポンプ３が配設され、燃料ポンプ３から燃料圧力センサ１１を介して延設された燃料供給管路９Ｂの先端側がエンジン１の吸気管路４に配設したインジェクタ８に接続されており、インジェクタ８の下流側に燃料戻し管路を有していないリターンレス式の燃料供給システムを構成している。
また、燃料ポンプ３を駆動するポンプ駆動電動モータ、インジェクタ８、点火栓７はそれぞれ電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０に電気的に接続されており、エンジン１の運転状態に応じてそれぞれ駆動制御される。さらに、燃料ポンプ３の下流側である燃料供給管路９Ｂにおけるインジェクタ８の手前には燃料圧力を検出する燃料圧力センサ１１が、エンジン１にはエンジン回転数を検出するクランク角センサ１３それぞれが配置されており、それぞれから出力される検出信号が電子制御ユニット１０に送られ、電子制御ユニット１０では、エンジンの要求する燃料噴射量に応じて必要とする燃料噴射圧力を決定して前記電動モータ３ａ、インジェクタ８、点火栓７などを制御する。
尚、図面中、符号１２は吸気管路４に配置された吸気圧力センサ、符号１４は、吸気管路４に配置された開閉弁、符号１６は排気管路１５に配置された酸素ガスセンサである。
そして、本実施の形態により、燃料噴射圧力制御を行うには、まず、本実施の形態であるエンジン１を始動して、前記吸気管路４に配置された吸気圧力センサ１２からの吸気管路４内の吸入空気圧力、クランク角センサ１３からのエンジン回転数、吸入空気圧力などの運転状態について複数データから得られる燃料供給装置の有する物理的関係を表す数式モデルを作成する。
次の関係式（１）は前記物理的関係を表す数式モデルを示すものである。
Figure 2009228465
次に、前記数式モデルを示す式（１）を用いて電子制御ユニット１０において実際に測定できない運転状態についてのシステムパラメータを推定し、その数式モデルをベースにシミュレーションを行い、最適な制御パラメータを決定し、この決定した制御パラメータを用いて前記燃料供給装置に備えた前記電子制御ユニットにおいてエンジン回転数と吸入空気圧力で求まるエンジンの要求する燃料噴射量に応じて必要とする燃料噴射圧力を決定し、全ての運転条件において燃料噴射圧力がその目標圧力となるように燃料ポンプ３のポンプ吐出圧力をリアルタイムに制御する。
具体的には、本実施の形態では、電子制御ユニット１０は、実際の燃料噴射圧力になると考えられるインジェクタ８直前に配置した燃料圧力センサ１１の検出信号をフィードバックし、前記目標燃料噴射圧力に応じて自動的に燃料噴射時間の補正を行う際に次の関係式（２），（３）を用いて電子制御ユニット１０のマイクロコンピュータによって燃料噴射量補正時間と最終燃料噴射時間の計算を行い、実際の噴射圧力がその目標噴射圧力と一致するように燃料噴射時間補正制御を行うことにより燃料噴射圧力の変化によって生じる排気状態が悪化するのを防ぐことができる。
Figure 2009228465
以上のように、本実施の形態によれば、制御目的である目標燃料噴射圧力が燃料温度や燃料噴射流量などによって変化する非線形である燃料供給システムにおいては従来のリターン式機械的制御の適用が困難であったところ、前記燃料供給装置に付設した各種センサによる実測値である複数のデータから得られる前記燃料供給装置の有する物理的関係を表す数式モデルを作成し、この作成した数式モデルを用いて実際に測定できない運転状態についてのシステムパラメータを推定し、その数式モデルをベースにシミュレーションを行い、最適な制御パラメータを決定し、この決定した制御パラメータを用いて前記燃料供給装置に備えた前記電子制御ユニットにおいて求まるエンジンの要求する燃料噴射量に応じて必要とする燃料噴射圧力を決定する可変目標燃料噴射圧力制御法を導入することにより、従来方式のように常に燃料圧力を高圧にしておく必要がなくなり、燃料ポンプの劣化を防ぐことができ、排気も良好になる。
本発明の実施の形態を実施するための液化燃料エンジンを示す配置図。 従来例を示す配置図。
符号の説明
１ エンジン、２ 燃料タンク、３ 燃料ポンプ、３ａ 電動モータ、４、吸気管路、７ 点火栓、８ インジェクタ、９Ａ 燃料送出管、９Ｂ 燃料供給管路、１０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）、１１ 燃料圧力センサ、１２ 吸気圧力センサ、１３ クランク角センサ、１４ 開閉弁、１５ 排気管路、１６ 酸素ガスセンサ

Claims (4)

  1. 液化燃料エンジンにおいて燃料タンクから延出された先端側にインジェクタを有する燃料供給管路と、前記燃料供給管路に配設された燃料ポンプと、前記インジェクタおよび燃料ポンプを駆動制御する電子制御ユニットとを有する燃料供給装置を備え、前記燃料タンクに貯留した液化ガス燃料を前記燃料ポンプで加圧して前記燃料供給管路を介して前記インジェクタに送りエンジンに供給する液化燃料エンジンにおける燃料噴射圧力制御法であって、前記燃料供給装置に付設した各種センサによる実測値であるエンジン回転数と吸入空気圧力のデータから得られる前記燃料供給装置の有する物理的関係を表す数式モデルを作成し、この作成した数式モデルを用いて実際に測定できない運転状態についてのシステムパラメータを推定し、その数式モデルをベースにシミュレーションを行い、最適な制御パラメータを決定し、この決定した制御パラメータを用いて前記燃料供給装置に備えた前記電子制御ユニットにおいて求まるエンジンの要求する燃料噴射量に応じて必要とする燃料噴射圧力を決定する可変目標燃料噴射圧力制御法。
  2. 前記数式モデルには次の関係式（１）が含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載した液化燃料エンジンにおける燃料噴射圧力制御法。
    Figure 2009228465
  3. 前記燃料供給装置の燃料圧力センサからの燃料圧力信号をフィードバックし、前記エンジン回転数と燃料噴射圧力に応じて計算された目標燃料噴射圧力と実測した燃料圧力信号との偏差を前記電子制御ユニットにおいて計算し、実際の燃料噴射圧力がその目標燃料噴射圧力と一致するように燃料噴射圧力制御を行うと同時に、目標燃料噴射圧力に応じて自動的に燃料噴射時間の補正を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の液化燃料エンジンにおける燃料噴射圧力制御法。
  4. 前記目標燃料噴射圧力に応じて自動的に燃料噴射時間の補正を行う際、次の関係式（２），（３）を用いることを特徴とする請求項３に記載の液化燃料エンジンにおける燃料噴射圧力制御方法。
    Figure 2009228465
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