JP2012057471A - 内燃機関の燃料制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数種類の燃料を使用可能な内燃機関において、ヒートロスによる熱効率の悪化を抑制すること。
【解決手段】本内燃機関の燃料制御装置は、第1燃料(CNG)と、第1燃料より圧縮着火性の高い第2燃料(軽油)とを混合して使用可能な内燃機関の燃料制御装置であって、第1燃料及び第2燃料が燃焼される燃焼室内の圧力を取得する燃焼圧取得手段と、燃焼室内における燃料時の最大圧力に基づいて、使用燃料中における第1燃料の割合を変更する燃料制御手段と、を備える。本構成によれば、燃料噴射系に対し燃焼圧に基づくフィードバックをリアルタイムに行い、使用燃料中における第1燃料の割合を適宜変更することで、ヒートロス及びそれに起因する熱効率の悪化を抑制することができる。また、燃焼速度が大きくなりすぎないように燃料噴射を制御することにより、燃焼時の騒音を抑制し、NOx等の排出量を低減することができる。
【選択図】図4

Description

本発明は、複数種類の燃料を使用可能な内燃機関の燃料制御装置に関する。
従来から、複数種類の燃料(例えば、ガス燃料とオイル燃料)を混合して使用可能な内燃機関が知られている。また、複数の燃料の配分率に応じて燃料噴射時期を補正し、燃焼時の最高圧力Pmaxを等投入熱量で最大にすることで、燃焼効率を向上させた内燃機関が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
実開昭62−119445号公報
燃焼時の圧力最大値(Pmax)を等投入熱量で最大にする上記の方法では、燃焼時における熱発生率の勾配が急峻となり、ヒートロスが増大して熱効率が悪化してしまう場合があった。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、複数種類の燃料を使用可能な内燃機関において、ヒートロスによる熱効率の悪化を抑制することを目的とする。
本内燃機関の燃料制御装置は、第1燃料と、前記第1燃料より圧縮着火性の高い第2燃料とを混合して使用可能な内燃機関の燃料制御装置であって、前記第1燃料及び前記第2燃料が燃焼される燃焼室内の圧力を取得する燃焼圧取得手段と、前記燃焼室内における燃料時の最大圧力に基づいて、使用燃料中における前記第1燃料の割合を変更する燃料制御手段と、を備える。
上記構成において、前記燃料制御手段は、前記最大圧力が予め定められた閾値より大きい場合に、前記使用燃料中における前記第1燃料の割合を増加させる構成とすることができる。
上記構成において、前記燃焼室内の圧力に基づいて、燃焼時における熱発生率パターンを取得する熱発生率パターン取得手段と、前記熱発生率パターンを予め定められた理想熱発生率パターンと比較する熱発生率パターン比較手段と、を備え、前記燃料制御手段は、前記熱発生率パターン比較手段における比較結果に基づき、前記使用燃料中における前記第1燃料の割合を補正する構成とすることができる。
上記構成において、前記燃料制御手段は、前記比較結果に基づき、前記熱発生率パターンと前記理想熱発生率パターンとのずれを補正するために必要とされる前記第2燃料の噴射時期の補正量を算出する噴射時期補正量算出手段と、前記噴射時期の補正量を、前記使用燃料中における前記第1燃料の割合の補正量に変換する補正量変換手段と、を含む構成とすることができる。
上記構成において、前記熱発生率パターン比較手段は、前記熱発生率パターンと前記理想熱発生率パターンとの比較時において、熱発生率の立ち上がり時期及び立ち上がり後の傾斜角をそれぞれ比較する構成とすることができる。
上記構成において、前記燃焼圧取得手段は、前記燃焼室内に設けられた燃焼圧センサを含む構成とすることができる。
上記構成において、前記第1燃料は天然ガスを含み、前記第2燃料は軽油を含む構成とすることができる。
本発明によれば、複数種類の燃料を使用可能な内燃機関において、ヒートロスによる熱効率の悪化を抑制することができる。
図1は、実施例1に係る内燃機関の全体構成を示す図である。 図2は、燃焼室の詳細な構成を示す図である。 図3は、燃料中におけるCNGの割合と、最大燃焼圧との関係を示すグラフである。 図4は、実施例1に係る燃料噴射の補正制御を示すフローチャートである。 図5は、燃料噴射時期と関連パラメータとの関係を示すグラフである。 図6は、燃料噴射時期と熱発生率パターンとの関係を示すグラフである。 図7は、熱発生率パターンの理想値と実測値とのズレを示すグラフである。 図8は、実施例2に係る燃料噴射の補正制御を示すフローチャートである。 図9は、燃料噴射時期の補正量を示すグラフである。 図10は、燃料噴射時期の補正量と燃料中におけるCNG割合の補正量との関係を示すグラフである。
図1は、実施例1に係る内燃機関の全体構成を示す図である。内燃機関100は、主燃料としてのCNG(Compressed Natural Gas)及び副燃料としての軽油を混合して燃焼可能なデュアルフューエルの内燃機関であり、例えば直列4気筒のエンジンブロック10を備える。エンジンブロック10における燃焼室12内には、軽油インジェクタ20が設けられている。軽油インジェクタ20には、軽油燃料タンク32から高圧ポンプ33及びコモンレール34を介し軽油燃料が供給されている。
燃焼室12に連通する吸気ポート42には、CNGインジェクタ22が設けられている。CNGインジェクタ22には、CNG燃料タンク37からレギュレータ38及びCNGデリバリ39を介してCNG燃料が供給されている。
エンジンブロック10の吸気通路40には、下流側から順に、吸気ポート42、流量調節用のスロットルバルブ44、インタークーラー46、ターボチャージャー48、及びエアクリーナ49が設けられている。エンジンブロック10の排気通路50には、上流側から順に、排気ポート52、ターボチャージャー48、及び排気浄化用の触媒が内蔵されたスタートコンバーター54が設けられている。
また、内燃機関100は、制御手段としてのECU60(Engine Control Unit)を有する。ECU60は、スロットルバルブ44の開度及びエンジン回転数を示すセンサ等(図示せず)の出力に基づき、内燃機関100の運転条件(運転負荷及びエンジン回転数)を取得する。また、燃焼室12に設けられた燃焼圧センサ62の出力に基づき、燃焼時における圧力(燃焼圧)を取得する。ECU60は、取得された燃焼圧に基づいて、軽油インジェクタ20及びCNGインジェクタ22における燃料噴射制御を行う。
図2は、燃焼室12付近の詳細な構成を示す図である。シリンダ14、ピストン15及びシリンダヘッド16により、燃焼室12が区画されている。燃焼室12の上部には、軽油インジェクタ20が設けられている。燃焼室12の吸気側は、吸気バルブ17を介して吸気ポート42に連通している。吸気ポートの上流部42aは、全ての燃焼室12に共有される空間となっており、吸気ポートの下流部42bは、エンジンブロック10内のそれぞれの燃焼室12に対して個別に形成された通路となっている。燃焼室12の排気側は、排気バルブ18を介して排気ポート52に連通している。
燃焼時には、軽油インジェクタ20により燃焼室12内に軽油が噴射されると共に、CNGインジェクタ22から金属パイプ27を介して吸気ポートの下流部42bにCNGが噴射される。これにより、軽油及びCNGが燃焼室内に供給され、予混合気が形成される。CNGは圧縮着火性が低いため、単独で燃焼させることができないが、圧縮着火性が高い軽油と混合させることで、軽油を火種としてCNGを燃焼させることができる。使用燃料中に含まれるCNG及び軽油の割合は、ECU60が軽油インジェクタ20及びCNGインジェクタ22からの燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御することにより適宜変更することができる。
ここで、燃費効率を向上させるために、燃焼室12内の燃焼最大圧力(Pmax)を等投入熱量で最大にする考え方がある。しかし、最大燃焼圧Pmaxを大きくすると、熱発生率の勾配が急峻となり、ヒートロスが増大して熱効率が悪化してしまう場合がある。噴射燃料の最大燃焼圧Pmaxが変化する要因としては、CNG中に含まれるメタン割合の変化、機器によるばらつき、噴射系の異常等様々な場合が考えられる。
本実施例では、内燃機関100が着火性の異なる2種類の燃料を用いることを利用して、上記のヒートロスによる熱効率の悪化を抑制する。以下、この点について詳細に説明する。
図3は、使用燃料中における等エネルギー中のCNG割合の増量と、最大燃焼圧Pmaxの減少量との関係を示すグラフである。CNGは、火炎伝播速度が遅く燃焼が緩慢なメタンを含むため、軽油に比べて圧縮着火性が低い。従って、使用燃料中におけるCNGの割合が増加するにつれ、最大燃焼圧Pmaxの減少量が大きくなる。換言すれば、最大燃焼圧Pmaxが上昇し過ぎてしまった場合に、使用燃料中におけるCNGの割合を増加させることで、最大燃焼圧Pmaxを低減し、熱発生率の勾配を緩やかにすることができる。
図4は、実施例1に係る燃料噴射の補正制御を示すフローチャートである。最初に、燃料制御手段としてのECU60が、最大燃焼圧Pmaxを取得する(ステップS10)。最大燃焼圧Pmaxは、燃焼圧センサ62により取得することができる。次に、ECU60は、取得した最大燃焼圧Pmaxを予め定められた閾値Pthと比較する(ステップS12)。閾値Pthが最大燃焼圧Pmax以上である場合、ECU60はCNG割合の補正量を「0」とする(ステップS14)。閾値Pthが最大燃焼圧Pmaxより小さい場合、ECU60は燃焼を抑制するために必要なCNG割合の補正量を算出する(ステップS16)。ECU60は、ステップS14またはS16で算出されたCNG割合の補正量を記憶する(ステップS18)。ECU60は、ステップS18で記憶されたCNG割合の補正量に基づいて、使用燃料中におけるCNG割合を変更し、当該変更後のCNG割合に基づいた燃料噴射を実行する(ステップS20)。
実施例1に係る内燃機関100の燃料制御装置によれば、燃料制御手段としてのECU60が、燃焼時の最大燃焼圧Pmaxに基づいて、使用燃料中におけるCNG(低着火性燃料)の割合を変更し、燃焼速度を調整する。これにより、燃料噴射系に対し燃焼圧に基づくフィードバックをリアルタイムに行い、ヒートロス及びそれに起因する熱効率の悪化を抑制することができる。また、燃焼速度が大きくなりすぎないように燃料噴射を制御することにより、燃焼時の騒音を抑制し、NOx等の排出量を低減することができる。
実施例2は、燃焼時における熱発生率パターンに基づいて燃料噴射制御を行う例である。実施例2に係る内燃機関の構成は実施例1(図1)と同様であり、詳細な説明を省略する。
図5は、燃料噴射時期と関連パラメータとの関係を示すグラフである。各グラフの横軸は、圧縮着火性の高い軽油燃料の噴射時期(クランク角[°CA])を示すものであり、目盛りの0はTDC(Top Dead Center)を示す。各グラフの縦軸については、図5(a)は正味の熱効率を、図5(b)はNOx排出量を、図5(c)はHC排出量を、図5(d)はスモーク排出量を、図5(e)は騒音の大きさを、図5(f)はトルク変動量をそれぞれ示す。
ここで、軽油噴射時期がTDCから一定量進角したG点の近傍において、各パラメータの値が好ましい値となっている(各グラフ中の円で囲まれた領域を参照)。具体的には、正味熱効率が大きく(図5(a))、NOx排出量、HC排出量、スモーク排出量、騒音、及びトルク変動が小さくなっている(図5(b)〜(f))。従って、軽油燃料の噴射時期は図中のG点近傍とすることが好ましい。
図6は、燃料噴射時期と熱発生率パターンとの関係を示すグラフである。グラフの横軸はクランク角を、縦軸は熱発生率をそれぞれ示し、グラフ中の曲線は軽油燃料の噴射時期を様々に変更した場合の熱発生率パターンを示す。軽油の噴射時期は、Aが最も遅く、B、C、D、E、F、G(図5のGと同じ)、Hの順に早くなって(進角して)いる。燃料噴射時期が早まるにつれ、AからDの間では熱発生率の立ち上がり時期が進角し、立ち上がり時の傾斜も徐々に急になっている。反対に、EからHの間では、燃料噴射時期が早まるにつれ熱発生率の立ち上がり時期は遅角し、立ち上がり時の傾斜も徐々に緩やかになっている。ECU60は、燃料噴射に関連するパラメータが好ましい値となるGの曲線を、理想の熱発生率パターンとして記憶する。
図7は、熱発生率パターンの理想値と実測値とのズレを示すグラフである。点線は図6のグラフGと同じ理想熱発生率パターンを、実線は燃焼圧センサ62により取得された熱発生率パターンをそれぞれ示す。熱発生率パターンの実測値は、燃焼圧センサ62の出力に基づいて算出することができる。図示するように、理想値と実測値とでは、熱発生率パターンの立ち上がり位置(a)及び立ち上がり時の傾斜(b)にズレが生じている。ECU60は、燃焼時における熱発生率パターンが理想熱発生率パターンに近づくように燃料噴射制御を行う。以下、この点について詳しく説明する。
図8は、実施例2に係る燃料噴射の補正制御を示すフローチャートである。最初に、ECU60が、燃焼圧センサ62の出力に基づいて現運転時の熱発生率パターンを取得する(ステップS30)。続いて、ECU60は、レファレンスとなる理想熱発生率パターンを読み込む(ステップS32)。次に、ECU60は、2つの熱発生率パターンにおける熱発生率の立ち上がり位置(クランク角[°CA])を比較する(ステップS34)。具体的には、2つの熱発生率パターンにおける立ち上がり位置のズレ量(ΔQ)を取得し、所定の閾値(Qth)と比較する。
実測値が理想値に比べて閾値(Qth)より大きく進角している場合、ECU60は進角側のズレ量ΔQを記憶する(ステップS36)。実測値が理想値に比べて閾値(Qth)より大きく遅角している場合、ECU60は遅角側のズレ量ΔQを記憶する(ステップS38)。実測値と理想値とのズレ量が閾値(Qth)未満の場合、ECU60はズレ量0を記憶する(ステップS40)。ECU60は、ステップS36、S38、S40のいずれかにおいて記憶されたズレ量を、立ち上がり位置の補正量Qとして記憶する(ステップS42)。
次に、ECU60は、2つの熱発生率パターンにおける熱発生率の立ち上がり傾斜角(傾斜角[J/(°CA)])を比較する(ステップS44)。具体的には、2つの熱発生率パターンにおける傾斜角のズレ量(ΔR)を取得し、所定の閾値(Rth)と比較する。
実測値が理想値に比べて閾値(Rth)より大きく緩勾配となっている場合、ECU60は、傾斜角のズレを修正するために必要な遅角量である勾配補正遅角量Rを算出し、記憶する(ステップS46)。実測値が理想値に比べて閾値(Rth)より大きく急勾配となっている場合、ECU60は、傾斜角のズレを修正するために必要な進角量である勾配補正進角量Rを算出し、記憶する(ステップS48)。実測値と理想値との傾斜角のズレ量が閾値(Rth)未満の場合、ECU60は勾配補正量0を記憶する(ステップS50)。ECU60は、ステップS46、S48、S50のいずれかにおいて記憶された勾配補正量(燃料噴射時期の進角量または遅角量)を、傾斜角の補正量Rとして記憶する(ステップS52)。
さらにECU60は、ステップS42における立ち上がり位置の補正量Qと、ステップS52における傾斜角の補正量Rとを合わせたものを、総補正量Sとして算出する(ステップS54)。この総補正量Sは、熱発生率パターンのズレを燃料噴射時期の進角または遅角により修正するための補正量であり、現在の燃料噴射時期に対する進角量(または遅角量)を示すものである。
次に、ECU60は、ステップS54において算出された総補正量を、CNG割合の補正量に換算する(ステップS56)。ECU60は、ステップS56で算出されたCNG割合の補正量に基づいて、使用燃料中におけるCNG割合を変更し、当該変更後のCNG割合に基づいた燃料噴射を実行する(ステップS58)。このステップは、実施例1(図4)におけるステップS28と同様である。
図9は、図8のステップS42及びS52における燃料噴射時期の補正量を示すグラフである。図9(a)は、熱発生率パターンの立ち上がり位置のズレに対する補正量を、図9(b)は、立ち上がり時の傾斜角のズレに対する補正量をそれぞれ示す。図9(a)に示すように、立ち上がり位置のズレが所定の閾値(Qth)未満の範囲にある間は、補正量の値は0である。熱発生率パターンの実測値における立ち上がり時期のズレが、理想値に比べてプラス側に大きくなると、補正量は進角側に大きくなる。反対に、実測値のズレが理想値に比べてマイナス側に大きくなると、補正量は遅角側に大きくなる。これは、図6のグラフにおいてGの曲線を基準として考えた場合に、軽油燃料噴射時期がGより早くなると(H)立ち上がり位置は遅角し、軽油燃料噴射時期がGより遅くなると(F、E)立ち上がり位置は進角するためである。
図9(b)でも同様に、傾斜角のズレが所定の閾値(Rth)未満の範囲にある間は、補正量の値は0である。熱発生率パターンの実測値における傾斜角のズレが、理想値に比べてプラス側に大きくなると、補正量は進角側に大きくなる。反対に、実測値のズレが理想値に比べてマイナス側に大きくなると、補正量は遅角側に大きくなる。これは、図6のグラフにおいてGの曲線を基準として考えた場合に、軽油燃料噴射時期がGより早くなると(H)立ち上がり傾斜角は緩やかになり、軽油燃料噴射時期がGより遅くなると(F、E)立ち上がり傾斜角は急になるためである。
図10は、燃料噴射時期の補正量と燃料中におけるCNG割合の補正量との関係を示すグラフである。横軸はステップS54において算出された燃料噴射時期の総補正量を、縦軸は使用燃料中に含まれるCNG燃料の割合の補正量をそれぞれ示す。燃料噴射時期の総補正量が0の場合、CNG割合の補正量も0となる。燃料噴射時期の補正量が進角側に大きくなると、CNG割合の補正量は正の側に大きくなる(燃料中に含まれるCNG割合が大きくなる)。反対に、燃料噴射時期の補正量が遅角側に大きくなると、CNG割合の補正量は負の側に大きくなる(燃料中に含まれるCNG割合が小さくなる)。
実施例1にて説明したように、使用燃料中におけるCNGの割合が増加して燃焼速度が遅くなると、熱発生率パターンにおける立ち上がり時期が遅角し、傾斜角が緩やかになる(曲線Gから曲線H側のパターンに移行する)。反対に、使用燃料中におけるCNGの割合が減少して燃焼速度が速くなると、熱発生率パターンにおける立ち上がり時期が進角し、傾斜角が急になる(曲線Gから曲線F、E側のパターンに移行する)。このように、燃料噴射時期の総補正量は、CNG割合の補正量に換算することが可能であり、使用燃料中におけるCNG割合を変更することにより、熱発生率パターンを理想の形状に近づけることができる。
実施例2に係る内燃機関の燃料制御装置によれば、燃料制御手段としてのECU60が、燃焼時における熱発生率パターンに基づいて、使用燃料中におけるCNG(低着火性燃料)の割合を変更する。これにより、熱発生率パターンを理想の形状に近づけることができるため、ヒートロスを抑制し熱効率を向上させることができる。また、熱発生率パターンを理想の形状に近づけることで、図5(b)〜(f)にて示したように、有害物質の排出を抑制すると共に、騒音及びトルク変動の低減を図ることができる。
なお、ステップS54において総補正量Sを算出した後は、CNG割合の補正量への変換及びCNG割合の変更を行わずに、代わりに燃料噴射時期を変更(進角または遅角)してもよい。燃料噴射時期は、燃料噴射時期の総補正量Sに基づいて定めることができる。この場合でも、実施例2と同様に熱発生率パターンを理想の形状に近づけることができる。
実施例2において、ECU60は、燃焼時における熱発生率パターンを取得する熱発生率パターン比較手段、及び取得された熱発生率パターンを理想熱発生率パターンと比較する熱発生率パターン比較手段として機能する。熱発生率パターン比較手段としてのECU60は、具体的には熱発生率の立ち上がり時期及び立ち上がり後の傾斜角をそれぞれ比較する。さらに、燃料制御手段としてのECU60は、熱発生率パターンにおける実測値と理想値とのズレを補正するために必要とされる軽油燃料噴射時期の補正量を算出する噴射時期補正量算出手段、及び当該噴射時期補正量を使用燃料中におけるCNG割合の補正量に変換する補正量変換手段としても機能する。
以上のように、実施例1では、燃焼時の最大圧力Pmaxに基づいて燃料の使用割合を変更する方法について説明し、実施例2では、燃焼時の熱発生率パターンに基づいて燃料の使用割合を変更する方法について説明した。燃料噴射制御の際には、上記の方法のうち片方のみを実施してもよいし、2つの方法を同時に用いてもよい。最大圧力Pmax及び熱発生率パターンは、共に燃焼圧センサ62により取得することができるが、燃焼圧センサ62以外の手段により最大圧力Pmax及び熱発生率パターンを取得してもよい。
また、実施例1〜2では、第1燃料としてCNGを用い、第2燃料として軽油を用いる例について説明したが、上記以外の燃料を用いてもよい。このとき、第2燃料は、第1燃料よりも圧縮着火性(セタン価)の高い燃料であることが好ましい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10 エンジンブロック
12 燃焼室
20 軽油インジェクタ
22 CNGインジェクタ
40 吸気通路
50 排気通路
60 ECU
62 燃焼圧センサ

Claims (7)

  1. 第1燃料と、前記第1燃料より圧縮着火性の高い第2燃料とを混合して使用可能な内燃機関の燃料制御装置であって、
    前記第1燃料及び前記第2燃料が燃焼される燃焼室内の圧力を取得する燃焼圧取得手段と、
    前記燃焼室内における燃料時の最大圧力に基づいて、使用燃料中における前記第1燃料の割合を変更する燃料制御手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の燃料制御装置。
  2. 前記燃料制御手段は、前記最大圧力が予め定められた閾値より大きい場合に、前記使用燃料中における前記第1燃料の割合を増加させることを特徴とする請求項1に記載の燃料制御装置。
  3. 前記燃焼室内の圧力に基づいて、燃焼時における熱発生率パターンを取得する熱発生率パターン取得手段と、
    前記熱発生率パターンを予め定められた理想熱発生率パターンと比較する熱発生率パターン比較手段と、を備え、
    前記燃料制御手段は、前記熱発生率パターン比較手段における比較結果に基づき、前記使用燃料中における前記第1燃料の割合を補正することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料制御装置。
  4. 前記燃料制御手段は、
    前記比較結果に基づき、前記熱発生率パターンと前記理想熱発生率パターンとのずれを補正するために必要とされる前記第2燃料の噴射時期の補正量を算出する噴射時期補正量算出手段と、
    前記噴射時期の補正量を、前記使用燃料中における前記第1燃料の割合の補正量に変換する補正量変換手段と、
    を含むことを特徴とする請求項3に記載の燃料制御装置。
  5. 前記熱発生率パターン比較手段は、前記熱発生率パターンと前記理想熱発生率パターンとの比較時において、熱発生率の立ち上がり時期及び立ち上がり後の傾斜角をそれぞれ比較することを特徴とする請求項3または4に記載の燃料制御装置。
  6. 前記燃焼圧取得手段は、前記燃焼室内に設けられた燃焼圧センサを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の燃料制御装置。
  7. 前記第1燃料は天然ガスを含み、前記第2燃料は軽油を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の燃料制御装置。
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