JP2012207629A - 燃料供給システム及び燃料噴射制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】キックパイロット構造の遮断弁を用いた場合において、遮断弁通電後の燃料噴射開始時期を適切に制御し、以って燃料供給不足の発生を回避可能な燃料供給システムを提供する。
【解決手段】気体燃料タンクからレギュレータに至る燃料供給経路に配置され、通電時に先行して開弁する第1の弁体及びその開弁後に上流下流間の差圧低下によって開弁する第2の弁体を有する遮断弁を備える燃料供給システムであって、前記遮断弁の上流側の燃料圧力を第1燃料圧力として検出する第1圧力センサと、前記遮断弁の下流側の燃料圧力を第2燃料圧力として検出する第2圧力センサと、前記第1燃料圧力及び前記第2燃料圧力がそれぞれ閾値未満の場合、前記遮断弁の通電開始から予め設定された遅延時間の経過後に気体燃料噴射を開始する燃料噴射制御装置とを備える、というシステム構成を採用する。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料供給システム及び燃料噴射制御装置に関する。
近年では、車両の燃費性能及び環境保護性能を向上させる技術として、ガソリン等の液体燃料と圧縮天然ガス(CNG)等の気体燃料とを選択的に切替えて単一エンジンに供給するバイフューエルエンジンシステムの導入が進んでいる。このバイフューエルエンジンシステムでは、気体燃料を使用する場合、ガスタンクに充填された高圧の気体燃料をレギュレータによって所望の圧力まで減圧した後、気体燃料専用の燃料噴射弁に供給することが一般的である。
ガスタンクからレギュレータに至る燃料供給経路には電磁式の遮断弁が介挿されており、この遮断弁の開閉状態を制御装置によって制御することで、気体燃料の供給開始と停止の切替えが可能である。例えば、下記特許文献1には、2つの圧力センサを用いて遮断弁前後の圧力差を検出し、その検出結果に応じて遮断弁を開弁させる電流値を制御することで、エンジンに対する気体燃料の供給タイミングを適切に制御する技術が開示されている。
特開2002−256980号公報
ところで、遮断弁の構造として、図3に示すようなキックパイロット構造が知られている。このキックパイロット構造の遮断弁では、非通電時において、プランジャ101がスプリング102によって押圧されて、プランジャ101に一体的に設けられたパイロットバルブ103が、メインバルブ104に設けられたパイロット弁座105と接触した状態となる。つまり、非通電時において、パイロットバルブ103及びメインバルブ104は共に閉弁状態となり、上流側(ガスタンク側)流路106から下流側(レギュレータ側)流路107への気体燃料の流通が遮断される(図3(a)参照)。
一方、遮断弁の通電によって、スプリング102の反発力より強い吸引力がプランジャ101に作用すると、この吸引力によるプランジャ101の移動によってパイロットバルブ103がパイロット弁座105から離れ(つまり開弁し)、気体燃料が上流側流路106から下流側流路107へ流通し始める(図3(b)参照)。この時点では、未だ上流側流路106と下流側流路107との差圧が大きいため、メインバルブ104は閉弁状態のままである(プランジャ101の移動もストップする)。
そして、パイロットバルブ103の開弁後、上流側流路106と下流側流路107との差圧が小さくなると、通電による吸引力が上回った時点でプランジャ101は再び移動を開始すると共に、このプランジャ101の移動によってメインバルブ104が開弁し、最大流量で気体燃料が上流側流路106から下流側流路107へ流通し始める(図3(c)参照)。
このようなキックパイロット構造の遮断弁を用いた場合において、遮断弁の通電後、メインバルブ104が開弁する前に燃料噴射を開始すると、メインバルブ104の上流下流間の差圧が小さくならず、メインバルブ104が閉弁状態のままとなる虞、つまり燃料供給不足に陥る虞がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、いわゆるキックパイロット構造の遮断弁を用いた場合において、遮断弁通電後の燃料噴射開始時期を適切に制御し、以って燃料供給不足の発生を回避可能な燃料供給システム及び燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明では、燃料供給システムに係る第1の解決手段として、気体燃料タンクからレギュレータに至る燃料供給経路に配置され、通電時に先行して開弁する第1の弁体及びその開弁後に上流下流間の差圧低下によって開弁する第2の弁体を有する遮断弁を備える燃料供給システムであって、前記遮断弁の上流側の燃料圧力を第1燃料圧力として検出する第1圧力センサと、前記遮断弁の下流側の燃料圧力を第2燃料圧力として検出する第2圧力センサと、前記第1燃料圧力及び前記第2燃料圧力がそれぞれ閾値未満の場合、前記遮断弁の通電開始から予め設定された遅延時間の経過後に気体燃料噴射を開始する燃料噴射制御装置と、を備えることを特徴とする。
また、本発明では、燃料供給システムに係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記燃料噴射制御装置は、前記遮断弁の通電開始から前記遅延時間が経過するまで、他の燃料の噴射制御を行うことを特徴とする。
また、本発明では、燃料噴射制御装置に係る第1の解決手段として、気体燃料タンクからレギュレータに至る燃料供給経路に配置され、通電時に先行して開弁する第1の弁体及びその開弁後に上流下流間の差圧低下によって開弁する第2の弁体を有する遮断弁の通電制御、及び気体燃料の噴射制御を行う燃料噴射制御装置であって、前記遮断弁の上流側の第1燃料圧力及び前記遮断弁の下流側の第2燃料圧力がそれぞれ閾値未満の場合、前記遮断弁の通電開始から予め設定された遅延時間の経過後に気体燃料噴射を開始することを特徴とする。
また、本発明では、燃料噴射制御装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記遮断弁の通電開始から前記遅延時間が経過するまで、他の燃料の噴射制御を行うことを特徴とする。
本発明によれば、遮断弁の上流側の燃料圧力(第1燃料圧力)及び遮断弁の下流側の燃料圧力(第2燃料圧力)がそれぞれ閾値未満の場合、前記遮断弁の通電開始から予め設定された遅延時間の経過後に気体燃料噴射を開始することにより、遮断弁通電後の燃料噴射開始時期を適切に制御することができ、遮断弁(特に第2の弁体)の開弁不能による燃料供給不足の発生を回避することができる。
本実施形態に係るバイフューエルシステム(燃料供給システム)の概略構成図である。 (a)は2nd−ECU4がエンジン始動時に実施する圧力検出処理を表すフローチャートであり、(b)は2nd−ECU4がエンジン始動時に実施する始動時ガス燃料噴射制御を表すフローチャートである。 キックパイロット構造の遮断弁の内部構成例である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、本発明に係る燃料供給システムとして、ガソリン等の液体燃料と圧縮天然ガス(CNG)等の気体燃料とを選択的に切替えて単一エンジンに供給するバイフューエルエンジンシステムを例示して説明する。また、本発明に係る燃料噴射制御装置として、そのバイフューエルエンジンシステムで使用されるECU(Electronic Control Unit)を例示して説明する。
図1は、本実施形態に係るバイフューエルシステムの概略構成図である。本バイフューエルシステムは、ガソリン燃料とガス燃料とを選択的に切替えて単一エンジン(図示省略)に供給するシステムであり、液体燃料供給系1、気体燃料供給系2、1st−ECU3、2nd−ECU4(燃料噴射制御装置)、燃料切替スイッチ5、バッテリ6及びイグニションスイッチ7から構成されている。
液体燃料供給系1は、ガソリンタンク11、ガソリン供給パイプ12及びガソリンインジェクタ(液体燃料噴射弁)13から構成されている。ガソリンタンク11は、液体燃料としてガソリン燃料を貯蔵する耐腐食性容器であり、ガソリン燃料を吸い上げてガソリン供給パイプ12へ送出するポンプ及びレギュレータ(図示省略)を内蔵している。
ガソリン供給パイプ12は、ガソリンタンク11からガソリンインジェクタ13へガソリン燃料を配送するための配管である。ガソリンインジェクタ13は、エンジンの吸気ポートに向けて噴射口が露出するように吸気管に装着された電磁弁(例えばソレノイドバルブ等)であり、2nd−ECU4から入力されるガソリン用通電パルス信号に応じてガソリン燃料を噴射口から噴射する。
気体燃料供給系2は、ガスタンク21(気体燃料タンク)、高圧ガス供給パイプ22、遮断弁23、第1圧力センサ24、レギュレータ25、低圧ガス供給パイプ26、ガスインジェクタ(気体燃料噴射弁)27、第2圧力センサ28及びリリーフバルブ29から構成されている。ガスタンク21は、気体燃料として高圧の圧縮天然ガス(CNG)が充填された高耐圧容器である。高圧ガス供給パイプ22は、ガスタンク21からレギュレータ24へ高圧のガス燃料を配送するための高耐圧配管である。
遮断弁23は、高圧ガス供給パイプ22の途中に介挿されたキックパイロット構造の遮断弁であり、2nd−ECU4から供給される遮断弁駆動信号に応じて開弁動作及び閉弁動作を行うことで、ガスタンク21からの気体燃料の供給開始と停止を切替える役割を担っている。なお、このようなキックパイロット構造の遮断弁23は、図3を用いて説明したように、通電時に先行して開弁するパイロットバルブ103(第1の弁体)と、その開弁後に上流下流間の差圧低下によって開弁するメインバルブ104(第2の弁体)とを有している。
第1圧力センサ24は、遮断弁23の上流側の燃料圧力をタンク圧力(第1燃料圧力)として検出し、その検出結果を示すタンク圧力信号を2nd−ECU4に出力する。レギュレータ25は、遮断弁23の下流側に配置された調圧弁であり、遮断弁23の開弁時にガスタンク21から供給される高圧のガス燃料を所望の圧力まで減圧して低圧ガス供給パイプ26へ送出する。低圧ガス供給パイプ26は、レギュレータ25からガスインジェクタ27へ低圧のガス燃料を配送するための低耐圧配管である。
ガスインジェクタ27は、エンジンの吸気ポートに向けて噴射口が露出するように吸気管に装着された電磁弁であり、2nd−ECU4から入力されるガス用通電パルス信号に応じてガス燃料を噴射口から噴射する。第2圧力センサ28は、レギュレータ25の下流側の燃料圧力をデリパイ圧力(第2燃料圧力)として検出し、その検出結果を示すデリパイ圧力信号を2nd−ECU4に出力する。リリーフバルブ29は、低圧ガス供給パイプ26から分岐する配管に介挿された安全弁であり、低圧ガス供給パイプ26の内部圧力が設定圧力を越えた場合に開弁してガス燃料を外部に排出する。
1st−ECU3は、エンジン状態を検出する各種センサ(図示省略)から入力される各種センサ信号に基づいて、ガソリン燃料噴射量及びガソリン燃料噴射タイミングを算出し、その算出結果に応じてガソリン用通電パルス信号を生成して2nd−ECU4へ出力する。具体的には、ガソリン燃料噴射量に応じてガソリン用通電パルス信号のパルス幅が設定され、ガソリン燃料噴射タイミングに応じてガソリン用通電パルス信号の立上がりタイミングが設定される。
なお、1st−ECU3に入力される各種センサ信号には、少なくとも、クランク軸が一定角度回転する時間を1周期とするクランクパルス信号、ピストンが上死点(TDC)に到達する時間を1周期とするTDCパルス信号、吸気温度を示す吸気温度信号、吸気圧力を示す吸気圧力信号、冷却水温を示す冷却水温信号が含まれている。
1st−ECU3は、クランクパルス信号からエンジン回転数を算出し、エンジン回転数及び吸気温度(冷却水温でも良い)を基にガソリン燃料噴射量を算出し、さらに当該ガソリン燃料噴射量からガソリン燃料噴射タイミング(ガソリン燃料を噴射すべきクランク軸角度)を算出する。なお、これらガソリン燃料噴射量及びガソリン燃料噴射タイミングの算出手法は従来と同様であるので詳細な説明は省略する。
2nd−ECU4は、第1圧力センサ24から入力されるタンク圧力信号と、第2圧力センサ28から入力されるデリパイ圧力信号と、1st−ECU3から入力されるガソリン用通電パルス信号と、燃料切替スイッチ5から入力される燃料選択信号とに基づいて、ガソリンインジェクタ13、ガスインジェクタ26及び遮断弁23の通電制御を行う。
具体的には、2nd−ECU4は、燃料切替スイッチ5から入力される燃料選択信号を基にガソリン燃料が選択されていることを検知した場合、ガソリン燃料噴射モードとなり、1st−ECU3から入力されるガソリン用通電パルス信号と同一のパルス幅、立上がりタイミング、立下りタイミングを有するパルス信号、すなわちガソリン用通電パルス信号をガソリンインジェクタ13へ出力する。
また、2nd−ECU4は、燃料切替スイッチ5から入力される燃料選択信号を基にガス燃料が選択されていることを検知した場合、ガス燃料噴射モードとなり、遮断弁23を開弁させてガスタンク21からのガス燃料の供給を開始すると共に、1st−ECU3から入力されるガソリン用通電パルス信号を基にガス用通電パルス信号を生成してガスインジェクタ26に出力する。なお、ガソリン用通電パルス信号からガス用通電パルス信号を生成する手法は従来と同様であるので詳細な説明は省略する。
燃料切替スイッチ5は、手動操作による燃料の切替えを可能とするスイッチであり、そのスイッチの状態、つまりエンジンで使用する燃料としてガソリン燃料が選択されているのか、ガス燃料が選択されているのかを示す燃料選択信号を2nd−ECU4に出力する。
バッテリ6は、正極端子がイグニションスイッチ7を介して1st−ECU3及び2nd−ECU4に接続され、負極端子が車体アースされた2次電池である。イグニションスイッチ7は、手動動作によるエンジン始動を可能とするスイッチである。このイグニションスイッチ7のオン時に、バッテリ6から1st−ECU3及び2nd−ECU4や不図示のセルモータへ電源電圧が供給されてエンジンが始動する。
次に、上記のように構成されたバイフューエルシステムの動作、特に2nd−ECU4のガス燃料噴射モード時の動作について説明する。
2nd−ECU4は、エンジン始動時、つまりイグニションスイッチ7がオンになった時、燃料切替スイッチ5から入力される燃料選択信号を基にガス燃料が選択されていることを検知した場合、ガス燃料噴射モードとなり、図2(a)に示すフローチャートに従って圧力検出処理を行うと共に、図2(b)に示すフローチャートに従って始動時ガス燃料噴射制御を行う。
図2(a)に示すように、2nd−ECU4は、圧力検出処理として、まず、イグニションスイッチ7がオンか否かを判定する(ステップS1)。2nd−ECU4は、このステップS1にて「Yes」の場合、第1圧力センサ24から入力されるタンク圧力信号を基にタンク圧力Ptを検出し(ステップS2)、さらに、第2圧力センサ28から入力されるデリパイ圧力信号を基にデリパイ圧力Pfを検出する(ステップS2)。
一方、2nd−ECU4は、上記ステップS1にて「No」の場合、タンク圧力Pt及びデリパイ圧力Pfの検出を行わずに圧力検出処理を終了する。
また、図2(b)に示すように、2nd−ECU4は、始動時ガス燃料噴射制御として、まず、エンジン始動時か(所定回転数以下か)否かを判定し(ステップS11)、「No」の場合には始動時ガス燃料噴射制御を終了する一方、「Yes」の場合には、燃料切替スイッチ5から入力される燃料選択信号を基にガス燃料が選択されているか否かを判定する(ステップS12)。
2nd−ECU4は、上記ステップS12にて「No」の場合(ガソリン燃料が選択されている場合)には始動時ガス燃料噴射制御を終了する一方、「Yes」の場合には、遮断弁23の通電を開始する(ステップS13)。そして、2nd−ECU4は、圧力検出処理で検出したタンク圧力Ptが所定の閾値Pt_th未満か否かを判定し(ステップS14)、「No」の場合(タンク圧力Ptが閾値Pt_th以上の場合)には後述のステップS19の処理に移行する一方、「Yes」の場合には、圧力検出処理で検出したデリパイ圧力Pfが所定の閾値Pf_th未満か否かを判定する(ステップS15)。
2nd−ECU4は、上記ステップS15にて「No」の場合(デリパイ圧力Pfが閾値Pf_th以上の場合)には後述のステップS19の処理に移行する一方、「Yes」の場合には、ディレイ時間のタイマセットが未完了か否かを判定する(ステップS16)。2nd−ECU4は、ステップS16にて「No」の場合、後述のステップS18の処理に直接移行する一方、「Yes」の場合には、予め設定されたディレイ時間のタイマセットを行い(ステップS17)、タイマのカウント値からディレイ時間が経過したか否かを判定する(ステップS18)。
2nd−ECU4は、上記ステップS18にて「No」の場合(ディレイ時間が経過していない場合)には始動時ガス燃料噴射制御を終了する一方、「Yes」の場合(ディレイ時間が経過した場合)には、ガス燃料の噴射(つまりガスインジェクタ27の通電制御)を開始する(ステップS19)。
ここで、タンク圧力Ptの閾値Pt_th、デリパイ圧力Pfの閾値Pf_th、及びディレイ時間は以下のようにして予め設定されている。
例えば、エンジン始動時のクランキング回転数が200rpmであると仮定した場合、エンジン始動(クランキング開始)から初回の燃料噴射までの最短時間は、0.3秒(=60/200rpm)となる。この場合、エンジン始動から初回の燃料噴射までの最短時間である0.3秒以内に遮断弁23が開弁状態(パイロットバルブ103及びメインバルブ104の両方が開弁した状態)となれば、何ら問題なく初回のガス燃料噴射を実施できることになる。
一方、通電開始から遮断弁23が開弁状態となるまでの時間(開弁時間)は、エンジン始動時のタンク圧力Pt(遮断弁23の上流側のガス燃料圧力)とデリパイ圧力Pf(レギュレータ25の下流側のガス燃料圧力)に依存して変化する。そこで、エンジン始動時のタンク圧力Pt及びデリパイ圧力Pfと遮断弁23の開弁時間との関係データ(遮断弁応答データ)を実機試験或いはシミュレーションによって予め求めておく。
そして、前述の遮断弁応答データに基づいて、通電開始から0.3秒以内に遮断弁23が開弁状態となるタンク圧力Pt及びデリパイ圧力Pfの上限値を閾値Pt_th及びPf_thとして設定する。つまり、エンジン始動時(クランキング開始時)のタンク圧力Ptが閾値Pt_th以上で且つデリパイ圧力Pfが閾値Pf_th以上であれば、エンジン始動時の通電開始から0.3秒以内に遮断弁23が開弁状態となり、何ら問題なく初回のガス燃料噴射を実施できるため、ディレイ時間をセットする必要はない(図2参照)。
一方、エンジン始動時(クランキング開始時)のタンク圧力Ptが閾値Pt_th未満で且つデリパイ圧力Pfが閾値Pf_th未満であれば、エンジン始動時の通電開始から0.3秒以内に遮断弁23が完全に開弁状態とならず、燃料供給不足に陥って初回のガス燃料噴射を正常に実施することができないため、ディレイ時間をセットして通電開始からディレイ時間の経過後に初回のガス燃料噴射を行う必要がある(図2参照)。言い換えれば、ディレイ時間は、通電開始から遮断弁23が完全に開弁状態となるまでの時間が設定されており、これにより、初回のガス燃料噴射時における燃料供給不足を回避できる。
以上説明したように、本実施形態によれば、エンジン始動時にタンク圧力Ptが閾値Pt_th未満で且つデリパイ圧力Pfが閾値Pf_th未満の場合に、遮断弁23の通電開始から予め設定されたディレイ時間の経過後に初回のガス燃料噴射を開始することにより、遮断弁23の通電後の燃料噴射開始時期を適切に制御することができ、遮断弁23(特にメインバルブ104)の開弁不能による燃料供給不足の発生を回避することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
(1)上記実施形態では、ガソリン燃料の噴射制御を行う1st−ECU3と、ガス燃料の噴射制御及び遮断弁23の通電制御を行う2nd−ECU4とを別個に備えたバイフューエルシステムを例示したが、これら2つのECUの機能を1つのECUに統合するような構成を採用しても良い。
(2)上記実施形態では、本発明に係る燃料供給システムとして、バイフューエルシステムを例示して説明したが、本発明はこれに限定されず、ガス燃料のみを単一エンジンに供給するモノフューエルシステムであっても、本発明を適用することができる。
(3)図3に示した遮断弁23のキックパイロット構造はあくまで一例であり、通電時に先行して開弁する第1の弁体と、その開弁後に上流下流間の差圧低下によって開弁する第2の弁体とを有する遮断弁であれば、本発明を適用することができる。
(4)前記遮断弁23の下流側の圧力は、他の制御でも用いるレギュレータ25の下流側のデリパイ圧力、第2圧力センサ28で検出しているが、遮断弁23の下流側の圧力を検出する圧力センサを別途設ける構成でもよい
1…液体燃料供給系、2…気体燃料供給系、3…1st−ECU、4…2nd−ECU(燃料噴射制御装置)、5…燃料切替スイッチ、6…バッテリ、7…イグニションスイッチ、23…遮断弁、24…第1圧力センサ、28…第2圧力センサ、103…パイロットバルブ(第1の弁体)、104…メインバルブ(第2の弁体)

Claims (4)

  1. 気体燃料タンクからレギュレータに至る燃料供給経路に配置され、通電時に先行して開弁する第1の弁体及びその開弁後に上流下流間の差圧低下によって開弁する第2の弁体を有する遮断弁を備える燃料供給システムであって、
    前記遮断弁の上流側の燃料圧力を第1燃料圧力として検出する第1圧力センサと、
    前記遮断弁の下流側の燃料圧力を第2燃料圧力として検出する第2圧力センサと、
    前記第1燃料圧力及び前記第2燃料圧力がそれぞれ閾値未満の場合、前記遮断弁の通電開始から予め設定された遅延時間の経過後に気体燃料噴射を開始する燃料噴射制御装置と、
    を備えることを特徴とする燃料供給システム。
  2. 前記燃料噴射制御装置は、前記遮断弁の通電開始から前記遅延時間が経過するまで、他の燃料の噴射制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の燃料供給システム。
  3. 気体燃料タンクからレギュレータに至る燃料供給経路に配置され、通電時に先行して開弁する第1の弁体及びその開弁後に上流下流間の差圧低下によって開弁する第2の弁体を有する遮断弁の通電制御、及び気体燃料の噴射制御を行う燃料噴射制御装置であって、
    前記遮断弁の上流側の第1燃料圧力及び前記遮断弁の下流側の第2燃料圧力がそれぞれ閾値未満の場合、前記遮断弁の通電開始から予め設定された遅延時間の経過後に気体燃料噴射を開始することを特徴とする燃料噴射制御装置。
  4. 前記遮断弁の通電開始から前記遅延時間が経過するまで、他の燃料の噴射制御を行うことを特徴とする請求項3に記載の燃料噴射制御装置。
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