JP2011214542A - ガス燃料エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス燃料エンジンにおいて燃焼の悪化を抑制することができる制御装置を提供する。
【解決手段】ガス燃料の燃焼により運転されるガス燃料エンジンの制御装置であって、前記ガス燃料エンジンにガス燃料を噴射供給する燃料噴射手段と、前記ガス燃料エンジンの気筒内のガス燃料と空気の混合気に点火する点火手段と、前記燃料噴射手段から噴射されるガス燃料の温度を検出する燃料温度検出手段と、前記点火手段による点火時期を制御する点火時期制御手段と、を備え、前記点火時期制御手段は、前記燃料温度検出手段により検出されるガス燃料の温度が所定の基準温度以下の場合に、そうでない場合と比較して点火時期を進角させる点火時期補正手段を含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガス燃料エンジンの制御装置に関する。

ガス燃料として圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）を利用する自動車用エンジンが開発されている。ＣＮＧエンジンに関する技術として、特許文献１には、気筒内にＣＮＧを直接噴射供給する筒内直噴式のＣＮＧエンジンにおいて、最大燃焼圧と燃料噴射圧との差圧が限界差圧以下に低下した場合に、点火時期や空燃比を変更して燃焼圧を目標燃焼圧に低下させることにより、筒内噴射インジェクタのシール性を確保することを図る技術が記載されている。

ＣＮＧ等のガス燃料は、ガソリンや軽油等の液体燃料として温度による体積変化（密度変化）が大きいため、ガス燃料の温度に応じた噴射量（噴射時間）の補正が行われる。

特開２００５−１１３６９８号公報 特開２００５−２４０５８１号公報 特開２０００−０８７７７１号公報

ガス燃料は液体燃料と比較して体積が大きいため、ガス燃料の温度が混合気全体の温度に大きく影響する。そのため、ガス燃料の温度は混合気の燃焼性に影響を与える。例えば、ガス燃料の温度が低下した場合、燃焼速度が遅くなり、また、空気との混合も良好に行われなくなるため、燃焼が悪化し、排気性能や燃費性能が低下する原因となる可能性がある。ガソリンや軽油等の液体燃料は状態変化（気化）する際に潜熱により空気の温度を低下させるものの、燃料温度自体が混合気全体の温度に与える影響は小さいため、これはガス燃料エンジンに特有の現象である。

ところで、ガス燃料を利用するエンジンでは、ガスタンクに高圧で貯蔵されているガス燃料をレギュレータによって減圧してからデリバリーパイプを介して燃料噴射弁に供給する。この減圧時の断熱膨張によりガス燃料の温度が低下するため、噴射時のガス燃料の温度はガスタンクの温度より低くなる。この噴射時のガス燃料の温度は元圧値（ガスタンク内の温度）や流量などの条件によって異なり、場合によっては上記の理由で燃焼が悪化する可能性がある。

本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、ガス燃料エンジンにおいて燃焼の悪化を抑制することができる制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、
ガス燃料の燃焼により運転されるガス燃料エンジンの制御装置であって、
前記ガス燃料エンジンにガス燃料を噴射供給する燃料噴射手段と、
前記ガス燃料エンジンの気筒内のガス燃料と空気の混合気に点火する点火手段と、
前記燃料噴射手段から噴射されるガス燃料の温度を検出する燃料温度検出手段と、
前記点火手段による点火時期を制御する点火時期制御手段と、
を備え、
前記点火時期制御手段は、前記燃料温度検出手段により検出されるガス燃料の温度が所定の基準温度以下の場合に、そうでない場合と比較して点火時期を進角させる点火時期補正手段を含むことを特徴とするガス燃料エンジンの制御装置である。

この発明によれば、ガス燃料の温度が基準温度以下の場合には、点火時期が進角側に補正されるので、燃焼が悪化する可能性があるほどガス燃料の温度が低下した場合であっても、燃焼の悪化を抑制することができる。また、ガス燃料の温度として、混合気の温度に直接的な影響がある、燃料噴射弁から噴射されるガス燃料の温度を用いるので、点火時期の進角補正の実行要否を適切に判断でき、燃焼悪化を好適に抑制できる。

例えば、ガス燃料を所定圧力で蓄圧し前記燃料噴射手段に分配するデリバリーパイプと、前記ガス燃料を貯蔵するタンクから取り出されたガス燃料を前記所定圧力まで減圧して前記デリバリーパイプに供給するレギュレータと、を備えたガス燃料エンジンに適用する場合、前記燃料温度検出手段は、前記デリバリーパイプのガス燃料の温度を検出するようにすれば良い。

これにより、レギュレータによる減圧時の断熱膨張でガス燃料の温度が低下した場合でも、当該ガス燃料の温度が燃料温度検出手段により検出され、検出されたガス燃料温度が基準温度以下の場合には点火時期の進角補正が行われることになるので、燃焼悪化が生じることを好適に抑制することが可能になる。

上記構成において、所定の基準温度は、燃焼の悪化が生じないと判断できるガス燃料温度の下限値に基づいて定められる値であり、要求される排気性能や燃費性能も考慮して実験的に決定される。基準温度はある一定値としても良いし、エンジンの運転条件（例えば噴射量や回転数）に応じた可変値であっても良い。この場合、前記点火時期補正手段は、前記基準温度を前記ガス燃料エンジンの運転状態に応じた値に設定する基準温度設定手段を含むようにすれば良い。

また、点火時期補正手段による点火時期の進角量は、ガス燃料温度が基準温度以下の場合に燃焼の悪化を抑制できるように決定される値である。この進角量はある一定値であっても良いし、エンジンの運転条件や検出したガス燃料温度に応じた可変値であっても良い。この場合、前記点火時期補正手段は、前記点火時期の進角量を前記ガス燃料エンジンの運転状態と前記燃料温度検出手段により検出されるガス燃料の温度とに応じた値に設定する進角量設定手段を含むようにすれば良い。

本発明は、吸気ポートにガス燃料を噴射供給するポート噴射弁を備えたガス燃料エンジンにも適用することができる。また、気筒内に直接ガス燃料を噴射供給する筒内直噴噴射弁を備えたガス燃料エンジンにも適用することができる。また、ガス燃料及び／又はガソリンを燃料として運転可能なバイフューエルエンジンにも適用することができる。この場合、ガス燃料エンジンの吸気ポート及び／又は気筒内にガソリンを噴射供給するガソリン燃料噴射手段を備え、前記点火手段は、気筒内のガス燃料とガソリンと空気の混合気に点火可能な構成とすれば良い。

本発明によれば、ガス燃料エンジンにおいて燃焼の悪化を抑制することができる制御装置を提供することが可能になる。

実施例に係るガス燃料エンジン、燃料システム、吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。 実施例に係るガス燃料エンジンの点火時期制御の実行手順を表すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

本実施例は、ガス燃料として圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を用いるガス燃料エンジンに本発明を適用した例である。なお、本発明は液化石油ガス（ＬＰＧ）などのように一次燃料である天然ガスおよび石油ガスや二次燃料である石炭転換ガスおよび石油転換ガスを用いる内燃機関に本発明を適用することもできる。

図１は、本実施例に係るガス燃料エンジン、燃料システム、吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。エンジン１は、ガソリン及び圧縮天然ガス（以下、ＣＮＧと称する）を燃料として使用する車両駆動用のエンジンである。エンジン１は４つの気筒２を有している。各気筒２には点火プラグ３（点火手段）が設けられている。

エンジン１には、インテークマニホールド４およびエキゾーストマニホールド５が接続されている。インテークマニホールド４には吸気通路６が接続されている。エキゾーストマニホールド５には排気通路７が接続されている。インテークマニホールド４の４つの吸気ポートは各気筒２にそれぞれ接続されている。各吸気ポートには、ガソリンを噴射するガソリンインジェクタ８（ガソリン燃料噴射手段）及びＣＮＧを噴射するＣＮＧインジェクタ９（燃料噴射手段）が設けられている。

各ガソリンインジェクタ８はガソリン用デリバリーパイプ１０に接続されている。ガソリン用デリバリーパイプ１０にはガソリン供給通路１２の一端が接続されており、該ガソリン供給通路１２の他端はガソリンタンク１３に接続されている。ガソリン供給通路１２にはフィードポンプ１４が設置されている。ガソリンタンク１３からガソリン供給通路１２を介してガソリン用デリバリーパイプ１０にガソリンが供給され、さらにガソリン用デリバリーパイプ１０から各ガソリンインジェクタ８にガソリンが供給される。

各ＣＮＧインジェクタ９はＣＮＧを所定圧力で蓄圧するＣＮＧ用デリバリーパイプ１１に接続されている。ＣＮＧ用デリバリーパイプ１１にはＣＮＧ供給通路１５の一端が接続されており、ＣＮＧ供給通路１５の他端はＣＮＧタンク１６に接続されている。ＣＮＧ供給通路１５にはＣＮＧタンク１６から取り出されたＣＮＧを減圧するレギュレータ１７が設置されている。ＣＮＧタンク１６内に高圧で貯蔵されるＣＮＧは、レギュレータ１７により減圧され、ＣＮＧ供給通路１５を介してＣＮＧ用デリバリーパイプ１１にＣＮＧが供給される。ＣＮＧ用デリバリーパイプ１１内のＣＮＧは各ＣＮＧインジェクタ９に分配される。

ＣＮＧ用デリバリーパイプ１１には、該ＣＮＧ用デリバリーパイプ１１内のＣＮＧの圧力を検出する圧力センサ２３及び該ＣＮＧの温度を検出する温度センサ２４（燃料温度検出手段）が設けられている。また、ＣＮＧ供給通路１５におけるレギュレータ１７より上流側にも、該ＣＮＧ供給通路１５内のＣＮＧの圧力を検出する圧力センサ２５及び該ＣＮＧの温度を検出する温度センサ２６が設けられている。

吸気通路６には、上流側からエアクリーナ１８、エアフローメータ２２及びスロットル弁１９がこの順番で設置されている。排気通路７には、排気の空燃比を検出するＡ／Ｆセ
ンサ２７が設けられる。Ａ／Ｆセンサ２７より下流側には三元触媒等によって構成される排気浄化触媒２１が設置されている。

エンジン１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されている。このＥＣＵ２０はエンジン１の運転状態等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、エアフローメータ２２、圧力センサ２３、２５、温度センサ２４、２６及びＡ／Ｆセンサ２７が電気的に接続されている。さらに、ＥＣＵ２０には、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ２８も電気的に接続されている。各センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。ＥＣＵ２０は、クランク角センサ２８の出力信号に基づいてエンジン１の機関回転速度を導出する。

また、ＥＣＵ２０には、各ガソリンインジェクタ８、各ＣＮＧインジェクタ９、フィードポンプ１４、レギュレータ１７及びスロットル弁１９が電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ２０によってこれらが制御される。

尚、本発明に係る点火システムは、上記のような構成のエンジン以外にも適用可能である。例えば、ＣＮＧのみを燃料として運転されるエンジンにも適用でき、また、気筒内に燃料を直接噴射する筒内直噴型のエンジンにも適用できる。

気体燃料であるＣＮＧは液体燃料であるガソリンと比較して体積が大きいため、ＣＮＧの温度が気筒２内に形成される混合気全体の温度に大きく影響する。そのため、ＣＮＧインジェクタ９から噴射されるＣＮＧの温度は混合気の燃焼性に影響を与える。例えば、ＣＮＧインジェクタ９から噴射されるＣＮＧの温度が低下した場合、燃焼速度が遅くなり、また、空気との混合も良好に行われなくなるため、燃焼が悪化し、排気性能や燃費性能が低下する原因となる可能性がある。一方、液体燃料であるガソリンは状態変化（気化）する際に潜熱により空気の温度を低下させるものの、ガソリンインジェクタ８から噴射されるガソリンの温度自体が混合気全体の温度に与える影響は小さい。

上記のように、ＣＮＧインジェクタ９に供給されるＣＮＧは、ＣＮＧタンク１６に高圧で貯蔵されていたＣＮＧがレギュレータ１７によって減圧されたものである。この減圧時の断熱膨張によりＣＮＧの温度が低下するため、ＣＮＧインジェクタ９から噴射されるＣＮＧの温度は元圧値（ＣＮＧタンク１６内の温度）より低くなる。このＣＮＧインジェクタ９からの噴射時のＣＮＧの温度は元圧値や流量等の条件によって異なり、場合によっては燃焼が悪化する可能性がある。

そこで、本実施例のガス燃料エンジンでは、温度センサ２４によって検出されるＣＮＧ用デリバリーパイプ１１内のＣＮＧの温度が所定の基準温度以下の場合に、そうでない場合と比較して点火プラグ３による点火時期を進角側に補正するようにした。ＣＮＧ用デリバリーパイプ１１内のＣＮＧの温度は、点火時期を進角側に補正することにより、ＣＮＧの温度低下に起因して混合気全体の温度が低下してしまった場合でも、良好な燃焼性を確保することが可能になり、燃焼不良による排気エミッションの悪化や燃費の悪化を抑制することが可能になる。

ここで、基準温度は、燃焼の悪化が生じないと判断できるＣＮＧ温度の下限値に基づいて定められる値であり、要求される排気性能や燃費性能も考慮して実験的に決定される。基準温度はある一定値（例えば０°Ｃ）に設定しても良いし、エンジン１の運転状態（噴射量や回転数）に応じて基準温度を定めるマップ又は演算式をＥＣＵ２０に記憶しておき、取得したエンジン１の運転状態に応じた可変値に設定するようにしても良い。

また、点火時期補正による点火時期の進角量は、ＣＮＧ温度が基準温度以下の場合に燃
焼の悪化を抑制できるように決定される値である。この進角量は一定値（例えば２°ＣＡ）に設定しても良いし、エンジン１の運転状態（噴射量や回転数）に応じて進角量を定めるマップ又は演算式をＥＣＵ２０に記憶しておき、取得したエンジン１の運転状態に応じた可変値に設定するようにしても良い。

図２は、本実施例に係るガス燃料エンジンの点火時期制御の実行手順を表すフローチャートである。このフローチャートの処理はＥＣＵ２０によってエンジン１の運転中所定の間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ２０はエンジン１の運転状態を取得する。例えば、エンジン１の回転数、ＣＮＧ及びガソリンの噴射量をエンジン１の運転状態を表す指標として取得することができる。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ２０は基本点火時期を設定する。基本点火時期は、ＣＮＧの温度が基準温度より高い通常の状態において、要求される排気性能や燃費性能を満たすように予め定められた点火時期である。基本点火時期は、エンジン１の回転数及び噴射量から基本点火時期を定めるマップとしてＥＣＵ２０に記憶しておき、ステップＳ１０１で取得して回転数及び噴射量に基づいてマップから基本点火時期を算出することができる。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ２０はＣＮＧ用デリバリーパイプ１１内のＣＮＧの温度を取得する。ＣＮＧの温度は温度センサ２４によって検出する。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ２０は基準温度を取得する。基準温度は、上述したように、ある一定値又はステップＳ１０１で取得したエンジン１の回転数及び噴射量に基づいてマップ又は演算式により求められる。本ステップの処理を行うＥＣＵ２０が本発明の基準温度設定手段として機能する。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ２０はステップＳ１０３で取得したＣＮＧの温度がステップＳ１０４で取得した基準温度以下であるか否か判定する。ＣＮＧの温度が基準温度以下であると判断した場合、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１０６に進み、ＣＮＧの温度が基準温度より高いと判断した場合、ＥＣＵ２０はステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ２０は点火時期の進角量を取得する。進角量は、上述したように、ある一定値又はステップＳ１０１で取得したエンジン１の回転数及び噴射量に基づいてマップ又は演算式により求められる。本ステップの処理を行うＥＣＵ２０が本発明の進角量設定手段として機能する。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ２０は点火時期を進角補正する。すなわち、ステップＳ１０２で設定した基本点火時期に対して、ステップＳ１０６で取得した進角量だけ進角させた時期を、点火制御のための点火時期として設定する。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ２０は点火時期の補正を行わず、ステップＳ１０２で設定した基本点火時期を、点火制御のための点火時期として設定し、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ２０はステップＳ１０７又はステップＳ１０８で設定された点火時期に従って点火プラグ３による点火を行う点火制御を実行する。

以上の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明における点火時期制御手段として機能する
。特に、ステップＳ１０５からステップＳ１０８の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明における点火時期補正手段として機能する。

本実施例に係るＣＮＧエンジンの点火時期制御によれば、ＣＮＧの温度が燃焼悪化をもたらし得るほど低下していると判断された場合には、点火時期が進角補正されるので、燃焼悪化が起こることを抑制できる。従って、ＣＮＧタンク１６内のＣＮＧの温度がレギュレータ１７における減圧時に低下することが避けられない本実施例のような構成のＣＮＧエンジンにあっても、良好な燃焼性を確保することが可能になり、排気性能や燃費性能の悪化を好適に抑制することが可能になる。

以上、インテークマニホールド４の吸気ポートにＣＮＧ及びガソリンが噴射供給されるバイフューエルエンジンに本発明を適用した実施例を説明したが、本発明はＣＮＧをインテークマニホールド４の吸気ポートに噴射するポート噴射弁のみを備えたポート噴射式ＣＮＧエンジンや、ＣＮＧを各気筒２内に直接噴射する筒内直噴噴射弁のみを備えた筒内直噴式ＣＮＧエンジンに適用することができる。また、ＣＮＧ及びガソリンを燃料とするバイフューエルエンジンに本発明を適用する場合、ＣＮＧのみ筒内直噴式、ＣＮＧ及びガソリンが筒内直噴式、ガソリンのみ筒内直噴式のいずれでも良い。

１・・・エンジン
２・・・気筒
３・・・点火プラグ
４・・・インテークマニホールド
５・・・エキゾーストマニホールド
６・・・吸気通路
７・・・排気通路
８・・・ガソリンインジェクタ
９・・・ＣＮＧインジェクタ
１０・・ガソリン用デリバリーパイプ
１１・・ＣＮＧ用デリバリーパイプ
１２・・ガソリン供給通路
１３・・ガソリンタンク
１４・・フィードポンプ
１５・・ＣＮＧ供給通路
１６・・ＣＮＧタンク
１７・・レギュレータ
１８・・エアクリーナ
１９・・スロットル弁
２０・・ＥＣＵ
２１・・排気浄化触媒
２２・・エアフローメータ
２３・・圧力センサ
２４・・温度センサ
２５・・圧力センサ
２６・・温度センサ
２７・・Ａ／Ｆセンサ
２８・・クランク角センサ

Claims (7)

1. ガス燃料の燃焼により運転されるガス燃料エンジンの制御装置であって、
   前記ガス燃料エンジンにガス燃料を噴射供給する燃料噴射手段と、
   前記ガス燃料エンジンの気筒内のガス燃料と空気の混合気に点火する点火手段と、
   前記燃料噴射手段から噴射されるガス燃料の温度を検出する燃料温度検出手段と、
   前記点火手段による点火時期を制御する点火時期制御手段と、
   を備え、
   前記点火時期制御手段は、前記燃料温度検出手段により検出されるガス燃料の温度が所定の基準温度以下の場合に、そうでない場合と比較して点火時期を進角させる点火時期補正手段を含むことを特徴とするガス燃料エンジンの制御装置。
2. 請求項１において、
   前記点火時期補正手段は、前記基準温度を前記ガス燃料エンジンの運転状態に応じた値に設定する基準温度設定手段を含むことを特徴とするガス燃料エンジンの制御装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記点火時期補正手段は、前記点火時期の進角量を前記ガス燃料エンジンの運転状態と前記燃料温度検出手段により検出されるガス燃料の温度とに応じた値に設定する進角量設定手段を含むことを特徴とするガス燃料エンジンの制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項において、
   前記燃料噴射手段は、前記ガス燃料エンジンの吸気ポートにガス燃料を噴射供給するポート噴射弁を含むことを特徴とするガス燃料エンジンの制御装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項において、
   前記燃料噴射手段は、前記気筒内に直接ガス燃料を噴射供給する筒内直噴噴射弁を含むことを特徴とするガス燃料エンジンの制御装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項において、
   ガス燃料を所定圧力で蓄圧し前記燃料噴射手段に分配するデリバリーパイプと、
   前記ガス燃料を貯蔵するタンクから取り出されたガス燃料を前記所定圧力まで減圧して前記デリバリーパイプに供給するレギュレータと、
   を備え、
   前記燃料温度検出手段は、前記デリバリーパイプのガス燃料の温度を検出することを特徴とするガス燃料エンジンの制御装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項において、
   前記ガス燃料エンジンは、ガス燃料及びガソリンの燃焼により運転可能なバイフューエルエンジンであって、
   前記ガス燃料エンジンの吸気ポート及び／又は気筒内にガソリンを噴射供給するガソリン燃料噴射手段を備え、
   前記点火手段は、気筒内のガス燃料とガソリンと空気の混合気に点火可能であることを特徴とするガス燃料エンジンの制御装置。

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