JP2013537597A - ガス燃料内燃機関の燃料噴射作動時間を求める方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガス燃料内燃機関の燃焼室に直接噴射される燃料を正確に調量するための燃料噴射作動時間を求める方法および装置に関する。燃料噴射作動時間は、それぞれがガス燃料レール圧力および燃料供給量に応じて燃料噴射作動時間を特定する、前もって決められた複数の参照テーブルの中の２つから取得した値間での補間によって求められる。各テーブルは、シリンダ内圧と相関する第３のパラメータの固定値に対応する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの燃焼室に噴射される燃料の量が正確に調量されるように、ガス燃料内燃機関の燃料噴射作動時間を求める方法および装置に関する。本明細書において、「作動時間」とは、燃料が噴射弁を通して燃焼室に噴射される場合に、噴射弁が開いた位置にある時間を意味すると定義される。作動時間は、「パルス幅」と別称されることもある。

現在では、多くの内燃機関が、ディーゼル燃料を燃料とする圧縮点火エンジンである。そのようなエンジンでは、液体燃料が燃焼室に直接噴射されるので、燃料が導入されるときに、いわゆる「シリンダ内圧」に打ち勝つために、燃料は、燃焼室の内部圧力よりも大きい噴射圧力に昇圧されなければならない。ディーゼルエンジンでは、ピークシリンダ内圧は、一般的に２０ＭＰａ（約３，０００ｐｓｉ）未満である。一方、液体燃料のいっそうの噴霧化がより効率の高い燃焼をもたらし得ることから、これを促進するために、噴射圧力をシリンダ内圧よりも遙かに高くすることが望ましい。例えば、少なくとも約１４０ＭＰａ（約２０，０００ｐｓｉ）の噴射圧力を採用することも最新のディーゼルエンジンにとって珍しいことではなく、一部のエンジンは、２２０ＭＰａ（約３２，０００ｐｓｉ）程度のディーゼル噴射圧力を採用している。そのような高い噴射圧力においては、噴射圧力とシリンダ内圧との間の圧力差が非常に大きいので、シリンダ内圧の変動は、燃焼室に噴射される燃料の量にほとんど影響を及ぼさない。

ディーゼル燃料内燃機関は、窒素酸化物（ＮＯｘ）および粒子状物質（ＰＭ）などの、かなりの量の汚染物質を依然として生成するので、排出物を低減するための最近の開発は、ディーゼル燃料の一部を天然ガス、純メタン、エタン、液化石油ガス、より軽質の可燃性炭化水素誘導体、水素、およびそのような燃料の混合物などのガス燃料で置き換えることに向けられている。本明細書では、ガス燃料とは、大気圧および０℃においてガス状である燃料として概略的に定義される。液体燃料とは異なり、ガス燃料は、燃料噴霧化のための余分なエネルギが必要とされないので、低い噴射圧力でエンジンの燃焼室に噴射することができる。

ディーゼル燃料の代わりにガス燃料を使用する利点は、選択されるガス燃料が、ディーゼル燃料よりも低汚染で燃焼するものであり得ることと、ガス燃料が、従来の圧縮点火エンジンでディーゼル燃料を噴射するときと同様のタイミングで、圧縮行程の後半において燃焼室に直接噴射される場合に、通常ディーゼルエンジンに同伴する高効率および高トルクを維持できることである。

ガス燃料の別の利点は、そのような燃料は、資源として世界中により広く分布し、判明している天然ガスの埋蔵量は、判明している石油埋蔵量と比較して遙かに多いことである。

ガス燃料はまた、ごみ集積場および下水処理場からの排出ガスなどの再生可能資源から収集することができる。水素は、風力および水力発電ダム水などの再生可能資源から生成された電気で生成することができる。

上記のように、ガス燃料の噴射圧力は、燃料を噴霧化する余分なエネルギが必要とされないので、液体ディーゼル燃料に通常使用される噴射圧力よりも小さくすることができる。噴射圧力を高くすると、エンジンシステムの寄生負荷が大きくなることからも、ガス燃料の噴射圧力を小さくすることが望ましい。効率的な燃焼を行うためには、ガス燃料の噴射圧力は、十分なエネルギでシリンダ内圧に打ち勝って、燃焼室内にガス燃料を分散させ、望ましい噴射作動時間内に望ましい量の燃料を導入するのに十分でありさえすればよい。様々なエンジンが、様々な圧縮比および様々なシリンダ内圧プロファイルを有するが、一例として、エンジンが、圧縮行程中に約２０ＭＰａ（約３，０００ｐｓｉ）の最大シリンダ内圧を有する場合、望ましい量の燃料を噴射し、効率的な燃焼を行うためには、約３０ＭＰａ（４，３５０ｐｓｉ）の噴射圧力で十分であり得る。しかし、噴射圧力がシリンダ内圧にこのように近い場合、噴射圧力とシリンダ内圧との間の差圧は、ディーゼル燃料エンジンのものと比べて遙かに小さく、シリンダ内圧および噴射圧力の変動が、燃焼室に噴射されるガス燃料の量に影響を及ぼすことがあり、ひいては、燃焼効率、エンジン性能、および動作上の一貫性などの他の要素に影響を及ぼす。

ガス燃料エンジンのシリンダ内圧は、弁の動作の助けとするために、ガス燃料噴射弁が構造上燃料圧力を使用している場合に、燃料供給速度にさらにより強い影響を及ぼすことがある。例えば、内側に開くニードルを有する公知の噴射弁構造では、開放力の一部とするために、燃料噴射弁の内部の燃料圧力が、弁ニードルのショルダ部分に作用するように使用することが一般的である。ディーゼル燃料噴射弁では、ディーゼル燃料の圧力は、シリンダ内圧よりも遙かに大きいので、シリンダ内圧の変化は、そのような噴射弁のニードルが閉じた位置から開いた位置に移動する速度に顕著な影響を及ぼさない。しかし、遙かに低い噴射圧力で導入されるガス燃料用の同様な設計の燃料噴射弁では、シリンダ内圧と燃料圧力との間の差が小さいために、シリンダ内圧の変化は、弁ニードルが閉じた位置から開いた位置に移動する速度に影響を及ぼすことがある。すなわち、ガス燃料噴射弁の場合、より高いシリンダ内圧により、弁開放速度が速くなることがあり、その結果として、所与のガス燃料噴射時間に対する燃料の質量流量が大きくなり得る。同様に、ポペット型弁としても公知の外側に開く弁では、この場合も、燃料圧力とシリンダ内圧との間の差が小さいために、動作力の一部を弁に付与するために燃料圧力が利用される場合に、シリンダ内圧の変動が、弁の動作に影響を及ぼし得る。例えば、これらのタイプの弁では、より高いシリンダ内圧が弁の開放を妨げる可能性があり、その結果、燃焼室に導入される燃料が減る。

共同出願である米国特許出願第２００９／００８４３４８号明細書は、燃料供給目標値から定めた基本パルス幅に少なくとも１つの補正係数を適用することで、補正されたパルス幅を算出する方法について記載している。基本パルス幅は、最初に、噴射を開始するタイミングおよび吸気マニホルド圧力を入力した参照テーブルから求めたシリンダ内圧補正係数を基本パルス幅に乗じることで補正され、次いで、レール圧力補正係数でさらに補正される。シリンダ内圧を直接測定する計測器は存在するが、そのような計測器は高価であり、研究目的により適しており、大口商業用途に対して十分に経済的、実用的、および高信頼性であるとは考えられない。したがって、噴射事象中のシリンダ内圧は通常、吸気マニホルドの圧力および温度、排気マニホルド圧力、エンジン回転数、および噴射開始タイミングなどの、シリンダ内圧と相関するパラメータの間接的な測定値から再現することで概算される。

以前から公知の問題解決手段は、シリンダ内圧が間接的な測定値によって概算されるので、直噴内燃機関の燃焼室に燃料を調量して供給する精度を改善したが、ガス燃料の噴射時間の制御は、噴射作動時間の調整に関連するパラメータ数を増やすことでさらに改善され得る。パラメータをさらに追加することの問題は、これが、エンジンが動作する回転数を所与として、実用的かつ効果的であるためにリアルタイムに素速く行われる必要があるそのような調整の決定をさらに複雑にし得ることである。言い換えると、いくつかのパラメータに基づいて、直噴ガス燃料内燃機関の燃焼室に供給される燃料の噴射作動時間および量をより正確に求めるための効果的かつ効率的な方法が必要である。

エンジンの燃焼室に噴射される燃料の量が正確に調量されるように、燃料噴射作動時間を求める方法が、ガス燃料を燃料とする内燃機関に提供される。本方法は、複数の参照テーブルに所定の噴射作動時間値を格納する第１のステップを含み、各参照テーブル内の噴射作動時間は、ガス燃料レール圧力および燃料供給量によって決まり、各テーブルは、シリンダ内圧と相関する第３のパラメータＰの固定値に対応する。入力データは、エンジンシステムのセンサから、またはディーゼルエンジンコントローラから、前記入力データ値に基づき、ガス燃料レール圧力、燃料供給量、および第３のパラメータを求めるコントローラに送られる。コントローラはさらに、複数の参照テーブルから、入力データから求めた第３のパラメータＰの値に値が最も近い第３のパラメータＰの固定値に対応する２つの参照テーブルを特定し、ガス燃料レール圧力および燃料供給量に応じて、特定した２つの参照テーブルからそれぞれの噴射作動時間値を取得する。コントローラはさらに、前のステップで取得した噴射作動時間値間で補間することで、望ましい噴射作動時間を求める。補間方法は、第３のパラメータＰとして選択されたパラメータに応じて、線形補間、区分定数補間、多項式補間、またはスプライン補間とすることができる。

入力データは、圧縮行程中に収集することができ、それにより、前記圧縮行程中に始まる燃料噴射事象に対する作動時間が求められる。

第３のパラメータＰは、以下のもの、すなわち、噴射開始タイミング、吸気マニホルド圧力、および圧縮圧力の中の１つとすることができる。好ましい方法では、第３のパラメータＰは、シリンダ内圧と相関する少なくとも１つのパラメータの関数として算出することができる。例えば、第３のパラメータＰは、シリンダ内圧と相関する２つのパラメータの積とすることができる。より具体的には、第３のパラメータは、吸気マニホルド圧力と噴射開始タイミングとの積とすることができる。第３のパラメータＰは、シリンダ内圧と相関し、入力データの一部としてコントローラに送られる少なくとも２つのパラメータを含む数式を使用して算出することができる。２つのパラメータは、以下のもの、すなわち、噴射開始タイミング、吸気マニホルド圧力、圧縮圧力、およびガス燃料レール圧力から選択することができる。

本方法の別の実施形態では、第３のパラメータＰは、少なくとも１つがシリンダ内圧と相関する２つのパラメータ間の差として算出することができ、例えば、第３のパラメータＰは、ガス燃料レール圧力と圧縮圧力との間の差としてコントローラで算出することができる。圧縮圧力は、当業者に公知の式に従って、吸気マニホルド圧力、エンジンの圧縮比、およびポリトロープ指数の関数として算出される。この例では、第３のパラメータＰはまた、シリンダ内圧と噴射圧力との間の圧力差と相関する。

本方法は、エンジンの動作状態と相関するエンジンパラメータに関する入力データを受け取ることと、燃料供給量およびエンジンパラメータに応じて補正係数を定めた参照テーブルから取得した補正係数を適用することで噴射作動時間を補正することとをさらに含むことができる。エンジンパラメータは、エンジン回転数であるのが好ましい。

好ましい方法では、複数の参照テーブルには、実験で求めた第３のパラメータＰの最小値に等しい第３のパラメータＰの固定値に対応する第１の参照テーブルと、実験で求めた第３のパラメータＰの最大値に等しいか、または近い前記第３のパラメータの固定値に対応する第２の参照テーブルと、前記実験で求めた第３のパラメータＰの最小値と最大値との間にある前記第３のパラメータの固定値に対応する第３の参照テーブルとが含まれる。最小値と最大値との間の第３のパラメータＰの値の範囲にわたって、第３の参照テーブルに対応する第３のパラメータの固定値は、噴射作動時間を第３のパラメータ値の範囲全体にわたってプロットした曲線の変曲点または極小値または極大値に対応する。第３のパラメータＰが噴射開始タイミングと吸気マニホルド圧力との積である場合、望ましい噴射作動時間は、線形補間によって求めることができる。

本方法は、複数の参照テーブルからコントローラが取得した補正係数を適用することで噴射作動時間を補正することをさらに含むことができる。この場合に、方法は、ガス燃料レール圧力および燃料供給量に応じて取得可能な補正係数値を、前もって決められた複数の補正係数参照テーブルに格納することを含み、各参照テーブルは、第３のパラメータＰとは異なる、シリンダ内圧と相関するパラメータの１つとすることができる第４のパラメータＱの値に対応する。第４のパラメータＱの値を示す入力データはコントローラに送られ、次いで、コントローラは、前もって決められた複数の補正係数参照テーブルから、入力データの第４のパラメータの値に値が最も近い第４のパラメータＱの固定値に対応する２つの補正係数参照テーブルを特定する。コントローラは、前のステップで特定された２つの補正係数参照テーブル間で補間することで、望ましい補正係数を求める。第４のパラメータは、噴射開始タイミング、吸気マニホルド圧力、および圧縮圧力の中の１つとすることができる。コントローラは、望ましい補正係数を取得するために、多項式補間、またはスプライン補間、または線形補間もしくは区分定数補間などのより簡単な補間法などの、様々な補間法を使用することができる。

図１は、本開示の方法を実施するのに使用できる直噴ガス燃料内燃機関システムの概略図である。このシステムは、ガス燃料と、ガス燃料の点火を補助するために使用されるパイロット燃料との分離および独立した噴射を可能にする二重燃料噴射弁を有する。 図２は、本開示の方法を実施するのに使用できる直噴ガス燃料内燃機関システムの別の例の概略図である。このシステムは、グロープラグまたはガス燃料に点火する助けとなる別の点火手段を使用する。 図３は、複数の参照テーブルからガス燃料の噴射作動時間を求めるための開示した方法を示す概略図であり、各参照テーブルは、ガス燃料レール圧力および望ましい燃料供給量に基づき、第３のパラメータの固定値に対して作動時間を定める。 図４は、第３のパラメータの値に対応する燃料噴射作動時間値を表す曲線を示している。 図５は、第４のパラメータと共にガス燃料レール圧力と燃料供給量とを関連付ける複数の参照テーブルから選択された補正係数で、求めた燃料噴射作動時間の値を補正することと、図３に示す方法とを組み合わせてガス燃料の噴射作動時間を求める別の方法を示す概略図である。

図１および図２は、ガス燃料を内燃機関の燃焼室に直接噴射する２つのエンジンシステムの概略図を示している。本明細書では、「直噴」とは、燃料を内燃機関の燃焼室に直接噴射することを指すのに使用され、この直噴は、燃料をエンジンの吸気マニホルド、またはエンジン吸気弁のマニホルド側の吸気ポートに噴射するエンジンとは技術的に異なる手法である。図１および図２に示す概略図は一定の縮尺ではなく、一部の部分は、それらの機能をより良好に示すために、他の部分と比較して大きく示されている。

ディーゼル油の代わりに、燃焼による汚染物の発生が少ない、天然ガスなどのガス燃料を使用する場合に、圧縮点火のみに依存しようとすると、ガス燃料を自動点火するのに遙かに高い温度および圧力が必要になる。実質的に同じ圧縮比とディーゼルエンジンの主要な構成要素とが維持されることとを可能にする、この問題の解決法は、例えば、燃焼室に噴射された後に自動点火する、通常パイロット燃料（例えば、ディーゼル燃料）と呼ばれる自動点火性の高い燃料を少量噴射するなど、点火アシストを採用することである。ガス燃料に点火するための点火アシストの別の例には、グロープラグまたはスパークプラグなどの点火プラグがある。

図１を参照すると、内燃機関システム１００は、内燃機関に噴射されたガス燃料に点火する助けとするためにパイロット燃料を使用する直噴ガス燃料エンジンの例示的な実施形態を示している。この例では、システムは、ガス燃料を液化ガスとしてガス貯蔵タンク１１１に貯蔵し、ガス燃料およびパイロット燃料の両方を燃料噴射弁１４１から燃焼室に直接噴射する。燃料が貯蔵される態様は、開示する方法にとって重要ではなく、燃料は、圧縮ガスとして圧縮容器に貯蔵することも動かない用途に対しては、燃料は、パイプラインから供給し、必要とされる圧力に圧縮することもできる。

内燃機関システム１００は通常、ガス燃料供給サブシステム１１０、パイロット燃料供給サブシステム１２０、燃料噴射サブシステム１４０、およびコントローラ１５０を含む。これらの各サブシステムは、ガス燃料を燃焼させることができる燃焼室にガス燃料を導入するために、各サブシステムが互いに協働する態様についての説明と併せて下記にさらに詳細に説明される。

ガス燃料供給サブシステム１１０は、貯蔵タンク１１１、ポンプ１１２、ガス燃料供給管１１３、気化器１１４、アキュムレータ容器１１５、ガス燃料レール１１６、ガス燃料レール用圧力センサ１１７、および圧力調整弁１１８を含む。動力車に使用するエンジンの場合、燃料を担持するための車載空間が限定されることがあるので、燃料のエネルギ密度を高めて貯蔵容積を小さくするという理由から、天然ガスおよび水素などのガス燃料を極低温の液化した形態で貯蔵するのが望ましい。ポンプ１１２は、吸入口が貯蔵タンク１１１の寒剤空間の内側に配置されて示されているが、ポンプ１１２は、駆動シャフトが寒剤空間から延び、寒剤空間の外に配置された駆動ユニットに連結された状態で、寒剤空間に浸漬することも、またはポンプ１１２は、断熱されたパイプがポンプを貯蔵タンクに接続した状態で、貯蔵タンク１１１の完全な外側とすることもできる。開示する方法は、ガスの形態で貯蔵された、例えば、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）として圧力容器（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｒａｔｅｄ ｖｅｓｓｅｌ）に貯蔵されたガス燃料を用い、さらに、ガス燃料圧力を噴射圧力まで引き上げるために、ポンプの代わりにコンプレッサを用いて、実施することもできる。

パイロット燃料供給サブシステム１２０は、貯蔵タンク１２１、調量弁１２２、ポンプ１２３、パイロット燃料レール１２４、逆止弁１２５、パイロットレール圧力センサ１２６、およびパイロット燃料管１２７を含む。図示した実施形態では、調量弁１２２は、ポンプ１２３に供給されるパイロット燃料の量を制御することで、パイロット燃料レール１２４内のパイロット燃料圧力を制御する。パイロット燃料管１２７は、圧力調整弁１１８の制御チャンバで終端しており、それにより、パイロット燃料レール１２４内のパイロット燃料圧力に応じて、ガス燃料レール１１６内の燃料圧力を制御するように、圧力調整弁１１８の弁部材を動作させる。この構成を通じて、ガス燃料圧力が、パイロット燃料圧力により制御される。本方法はまた、パイロット燃料レール圧力およびガス燃料レール圧力を別々に制御する他の構成を含むシステムにも適用される。

好ましい実施形態では、図１に示すエンジンシステムは、ガス燃料供給レール１１６が燃料を複数の噴射弁に供給する多気筒エンジンで使用されるが、装置の図解を分かりやすくするために、１つの燃料噴射弁および１つの燃焼室だけが示されている。

燃料噴射弁１４１は、シリンダ１４３、ピストン１４４、およびシリンダヘッドによって画定される燃焼室１４２に燃料を直接噴射する。吸気弁１４５は、吸気行程中に開いて給気が燃焼室１４２に導入されるのを可能にする。吸気弁１４５は、それ以外の場合は閉じている。給気は、空気だけか、またはエンジンが排気ガス再循環システム（図示せず）を装備している場合は、空気および再循環排気ガスを含むことができる。吸気行程中に、排気弁１４６は閉じたままである。圧力センサ１４７は、吸気マニホルド圧力とも呼ばれる給気の圧力を測定するために、吸気マニホルド１４８内に配置されている。給気は、燃焼室に至る途中で吸気マニホルド１４８を通って流れ、圧力センサ１４７は、吸気マニホルド圧力を示す信号をコントローラ１５０に送る。

図１に破線で示すように、コントローラ１５０は、例えば、吸気マニホルド圧力、ガス燃料レール圧力、およびパイロット燃料レール圧力などの測定されたエンジンパラメータをセンサから受け取るために複数の構成要素と通信し、例えば、燃料噴射弁１４１、ポンプ１１２、およびポンプ１２３などのエンジン構成要素のアクチュエータに信号を送る。コントローラ１５０は、エンジンコントローラ自体とすることができるし、またはガス燃料を主燃料として動作するように改造される前にエンジンで使用された従来のディーゼルエンジンコントローラと情報を交換する別のコントローラとすることもできる。コントローラ１５０が従来のディーゼルエンジンコントローラと情報を交換するときに、コントローラ１５０は、例として、噴射開始タイミング、燃料供給量、および、例えば、エンジン回転数などのエンジンの動作状態を示すパラメータに関連する値を示す他の入力データなどの入力データをディーゼルエンジンコントローラから受け取ることができる。本明細書において、「燃料供給量」とは、所望のエンジン効率および燃焼を達成するための、直噴ガス燃料エンジンの燃焼室に導入されるガス燃料の目標量を意味すると定義される。コントローラ１５０は、センサおよび／またはディーゼルエンジンコントローラから、上記の様々なパラメータに関連する値を示す入力データを受け取り、本方法で使用できる他のパラメータを算出するようにプログラムされている。例えば、コントローラ１５０は、下記にさらに詳述するように、噴射開始タイミング、吸気マニホルド圧力、圧縮圧力、およびガス燃料レール圧力の少なくとも２つを含む数式を使用して、パラメータを算出するようにプログラムすることができる。好ましい実施形態では、コントローラ１５０は、燃料レール圧力、望ましい燃料供給量、およびシリンダ内圧と相関する第３のパラメータから噴射作動時間を求めるようにプログラムされる。

図１に示すエンジンシステムは、車両の排出物をさらに制御するための排気ガス後処理システムなどの補助装備をさらに含むことができる。そのような後処理システムは通常、微粒子フィルタ（図示せず）を含むことができる。

図２を参照すると、内燃機関システム２００は、燃焼室内に直接噴射されたガス燃料に点火する助けとするために、燃焼室内の高温面を使用する直噴ガス燃料内燃機関システムの実施形態を示している。グロープラグ２４０によって生じた加熱面などの高温面を、圧縮行程中に供給燃料の圧縮により発生した熱と併用することで、ガス燃料が点火し、燃焼室２４４全体にわたって燃え広がる。

システムは、タンク２５２内にガス燃料を貯蔵し、燃料噴射弁２２０から燃焼室２４４にガス燃料を供給する。燃料は、燃料噴射弁２２０の燃料噴射ポートを通って霧散する。参照番号２４６は、燃料噴霧を概略的に表す線を示している。ガス燃料は、グロープラグ２４０などの点火装置の助けを借りて点火される。燃焼室に導入されるガス燃料に点火するためのグロープラグ２４０の代わりに、スパークプラグなどの他の点火手段を使用することもできる。燃料噴射弁２２０およびグロープラグ２４０のそれぞれの先端は、燃焼室２４４内に延びている。燃料噴射弁２２０の少なくとも１つの燃料噴射ポートは、燃料噴霧の１つをグロープラグ２４０の方に送るように向けられ、図示した実施形態では、グロープラグ２４０は、燃料噴射弁２２０のノズルに向かって傾斜している。

共有レール２５０での２０ＭＰａ（３，０００ｐｓｉ）〜３０ＭＰａ（４，３５０ｐｓｉ）のガス燃料レール圧力が、試験をしたエンジンに適していると分かったが、当然ながら、異なる圧力を採用することもできる。ガス燃料レール内の圧力は、ガス燃料レール圧力センサ２５６で測定される。また、吸気マニホルド内の圧力は、圧力センサ２４８で測定される。

内燃機関システム２００はまた、例えば、吸気マニホルド圧力およびガス燃料レール圧力などの測定されたエンジンパラメータを受け取るために、複数のセンサと通信するコントローラ２６０を含む。コントローラ２６０はまた、例えば、燃料噴射弁２２０およびコンプレッサ２５４などのエンジン構成要素のアクチュエータに信号を送る。図１に示す実施形態を参照して説明したのと同様に、図２に示す実施形態において、コントローラ２６０は、エンジンコントローラ自体でとすることも、または、コントローラ２６０は、別のエンジンコントローラ（図示せず）に接続とすることもでき、コントローラ２６０は、例えば、エンジン回転数などのエンジン動作状態を示すパラメータに関連する値を示す入力データ、および、例えば、噴射開始タイミングもしくは燃料供給量などの他の入力データをエンジンコントローラから受け取る。好ましい実施形態では、コントローラ２６０は、燃料レール圧力、望ましい燃料供給量、およびシリンダ内圧と相関する第３のパラメータから噴射作動時間を算出するようにプログラムされる。例えば、コントローラ２６０は、下記にさらに詳述するように、噴射開始タイミング、吸気マニホルド圧力、圧縮圧力、およびガス燃料レール圧力の少なくとも２つを利用する数式を使用して、第３のパラメータを求めるようにプログラムすることができる。

図１に示すような、ガス燃料の点火の助けとなるパイロット燃料を含むエンジンシステムと同様に、図２に示すエンジンシステムは、微粒子フィルタ（図示せず）を含む、車両の排出物をさらに改善する後処理システムなどの補助装備をさらに含むことができる。

図１および図２に示すエンジンシステムは、圧縮行程の後半でガス燃料を燃焼室に直接噴射するエンジンを示している。例として開示した燃料噴射圧力を有するこのようなエンジンシステムは、目標噴射作動時間を調整することで、望ましい量のガス燃料を燃焼室にさらに正確に噴射するための開示する方法から利益を受けることができるが、当然ながら、開示する方法は、これらの実施形態だけに適用を限定されるものではない。開示する方法は、ガス燃料を燃焼室に直接噴射し、燃料噴射圧力とシリンダ内圧との間の差圧が小さいために、噴射作動時間中に導入される燃料の量が、そのようなシステムの通常の動作で発生するシリンダ内圧および燃料レール圧力の変動によって大きく影響されることがある任意のエンジンに適用することができる。

以下に開示する方法は、既存の方法よりも多数のパラメータによって、噴射作動時間を算出するアルゴリズムをあまり複雑にすることなく燃料噴射作動時間を求める。これは、噴射作動時間を正確に求め、直噴ガス燃料内燃機関の燃焼室に噴射されるガス燃料の量を間接的な形で正確に調量するための、実用的であり、効率的であり、かつ高速な方法を可能にするのに重要である。

図３は、複数の参照テーブル３００からガス燃料の望ましい燃料噴射作動時間を求めるための本方法を示す概略図を示している。各参照テーブルは、ガス燃料レール圧力および燃料供給量に応じて燃料噴射作動時間値を特定し、各テーブルは、「Ｐ」として表される第３のパラメータの固定値に対応している。例えば、テーブル３０２、３０４、３０６を含む、実験で得られたこの複数のテーブル３００は、図１に示すコントローラ１５０、または図２に示すコントローラ２６０などのコントローラのメモリに格納することができる。開示する方法の以下の説明において、図１のコントローラ１５０についての言及は、図２のコントローラ２６０、または、より一般的に、ガス燃料の燃焼室への直接噴射を採用するエンジン用のコントローラにも当てはまると理解すべきである。

現在開示している方法によれば、コントローラ１５０は、コントローラのメモリに格納された複数の参照テーブル３００から燃料噴射作動時間を求める。各テーブルは、シリンダ内圧と相関するパラメータ、例えば、噴射開始タイミング、吸気マニホルド圧力、または圧縮圧力である第３のパラメータＰの固定値に対応している。すなわち、第３のパラメータＰは、シリンダ内圧の見積もり値とすることができるが、好ましい実施形態では、第３のパラメータは、単に、シリンダ内圧と相関し、シリンダ内圧と相関する少なくとも２つのパラメータから算出される計算値である。この方法の利点は、シリンダ内圧の代わりに第３のパラメータＰを計算する方が容易であり得ると同時に、第３のパラメータＰは、それでもなお、選択された噴射作動時間の精度を改善するのに必要とされる情報を提供することである。例えば、パラメータＰは、吸気マニホルド圧力と噴射開始タイミングとの積とすることができる。別の実施形態では、第３のパラメータＰは、シリンダ内圧と相関するパラメータと組み合わせたガス燃料レール圧力を考慮に入れることもでき、その場合に、ガス燃料レール圧力とシリンダ内圧との間の圧力差と相関する。例えば、第３のパラメータＰの計算には、ガス燃料レール圧力と圧縮圧力との間の差を計算することを含むことができる。少なくとも１つのパラメータがシリンダ内圧と相関し、より好ましくは、シリンダ内圧と相関する少なくとも２つのパラメータを含む、２つ以上のパラメータを使用する数式でパラメータＰを定義することによって、２つ以上のパラメータがパラメータＰで表され、かつパラメータＰの対象となるので、噴射作動時間の計算には、少なくとも３つのパラメータ（ガス燃料レール圧力、燃料供給量、およびパラメータＰを算出するのに使用される個々のパラメータ）が要素として入る。

コントローラ１５０は、エンジンコントローラから入力データを受け取るか、または、例えば、吸気マニホルド圧力および燃料噴射開始タイミングなどのシリンダ内圧と相関するパラメータを測定するセンサから直接的に入力データを受け取る。例えば、吸気マニホルド圧力は、センサ１４７によって測定され、測定された値はコントローラ１５０に入力され、燃料噴射開始タイミングは、エンジン負荷およびエンジン回転数に応じて、コントローラ１５０によって定めることができる。コントローラ１５０が、エンジンコントローラ（図示せず）と情報を交換するコントローラである場合、コントローラ１５０は、燃料噴射開始タイミングおよび望ましい燃料供給量を表す入力データをエンジンコントローラから受け取ることができる。コントローラ１５０はまた、圧力センサ１１７によって測定されたガス燃料レール圧力を表す入力データを受け取る。コントローラ１５０はまた、入力されたデータを利用して、吸気マニホルド圧力、エンジンの圧縮比、およびポリトロープ指数に基づく圧縮圧力の値などのパラメータを当業者に公知の数式に従って計算するようにプログラムされ得る。

参照テーブルに格納されたデータ、およびシリンダ内圧と相関するパラメータに関する受信入力データに基づいて、この方法は、コントローラのメモリに格納された参照テーブルから直接か、または下記にさらに説明するように、２つの参照テーブル間で補間するかのいずれかで望ましい噴射作動時間を求めることができる。

コントローラ１５０は、ガス燃料レール圧力、燃料供給量、およびシリンダ内圧と相関するパラメータの値を示す入力データを受け取った後、上記の所定の式を使用して、第３のパラメータＰの値を求め、第３のパラメータＰのこの値は、噴射作動時間を求めるために本方法で使用される。より具体的には、第３のパラメータＰの計算値に基づき、方法は、複数の参照テーブル３００を参照して、望ましい噴射作動時間値をさらに求める。第３のパラメータＰの計算値が、コントローラのメモリに格納された参照テーブルに対応する第３のパラメータの固定値と一致する値である場合、開示する方法は、ガス燃料レール圧力および燃料供給量として受け取ったデータ入力に基づいて噴射作動時間を選択することで、その参照テーブルから望ましい燃料噴射作動時間を求める。第３のパラメータＰの計算値が、コントローラのメモリに格納された参照テーブルに対応する第３のパラメータＰの固定値のいずれとも一致しない場合、コントローラは、計算した（シリンダ内圧と相関する入力パラメータから求めた）第３のパラメータＰの値に値が最も近い第３のパラメータＰの固定値に対応する２つの参照テーブルを特定する。次いで、コントローラは、同じガス燃料レール圧力および燃料供給量に対して、これらの２つの参照テーブルから求めた２つの作動時間値間で補間することにより、望ましい燃料噴射作動時間を求める。多項式補間およびスプライン補間などの様々な補間方法を使用することができるが、一実施形態において、第３のパラメータＰに最も近い固定値を有する２つのテーブル間の単純な線形補間を採用するのが効果的であると判明した。

一実施形態では、第３のパラメータＰが吸気マニホルド圧力と噴射開始タイミングとの積である場合、コントローラのメモリに格納された複数の参照テーブルは、わずか３つの参照テーブルを含むことができる。第１の参照テーブル３０２は、実験で求めた第３のパラメータＰの最小固定値Ｐｍｉｎに対応し、別の参照テーブル３０６は、実験で求めた第３のパラメータＰの最大固定値Ｐｍａｘに対応し、第３の参照テーブル３０４は、最小値よりも大きく、最大値よりも小さい、実験で求めた第３のパラメータＰの中間固定値Ｐｉに対応する。中間固定値は、ＰｍｉｎからＰｍａｘまで第３のパラメータＰの値の範囲全体にわたってプロットされた燃料噴射作動時間を表す曲線の極小値、または極大値に対応するように選択することができるし、または、例えば、中間固定値は、そのような曲線の変曲点に対応することもできる。すなわち、中間固定値は、第３のパラメータＰの値の範囲全体にわたって噴射作動時間をプロットした曲線を定義する関数の一次導関数がゼロである（極小値または極大値に対応する）か、またはそのような曲線を定義する関数の二次導関数がゼロである（変曲点に対応する）そのような曲線上の点に対応することができ、あるいは、別の例では、中間固定値は、曲率が最大である曲線上の点とすることができる。別の実施形態では、中間固定値は、例えば、選択したエンジン回転数の値に対応する曲線上の点など、他の基準に従って選択することができる。

図４は、複数の参照テーブル間の補間を使用して噴射作動時間を求める方法の例を示している。曲線Ｃは、第３のパラメータＰの値の範囲にわたってプロットした、一定のガス燃料レール圧力および燃料供給量に対する燃料噴射作動時間値を示している。値Ｐｍｉｎ、Ｐｉ、Ｐｍａｘは、それぞれテーブル３０２、３０４、３０６の第３のパラメータＰの固定値に対応する。点Ｐｍｉｎ、Ｐｉ、Ｐｍａｘでの噴射作動時間値（それぞれＦＯＮ１、ＦＯＮ３、ＦＯＮ２）は実験で得ることができる。すなわち、曲線Ｃは、Ｐ軸上の各値に対して、燃料噴射作動時間に相当する軸上でＦＯＮとして示された燃料噴射作動時間を対応付ける。例えば、Ｐｍｉｎの場合、テーブル３０２から取得した対応する値は、図４でＦＯＮ１として示され、Ｐｍａｘの場合、テーブル３０６から取得した対応する値はＦＯＮ２として示され、Ｐｉの場合、テーブル３０４から取得した対応する値はＦＯＮ３として示されている。上記のように、Ｐｉは、この場合、曲線Ｃの極小値に対応するように選択された第３のパラメータＰの固定値である。曲線Ｃが、より複雑な形状であると判明した場合、パラメータＰの固定値に対応するテーブル間での補間によって噴射作動時間をより正確に求めるために、その形状を特定するのに寄与する、曲線に沿った点に対するパラメータＰの固定値にそれぞれが対応するいくつかの中間参照テーブルを使用することができる。

さらに図４を参照すると、本方法によれば、Ｐｃは、コントローラに送られた入力データから算出された第３のパラメータＰの値であり、望ましい噴射作動時間は、Ｐｍｉｎ、Ｐｉ、およびＰｍａｘに対応する、格納された噴射作動時間間での補間によって算出される。一般的な補間技術を使用すると、ＰｃがＰｍｉｎ、Ｐｉ、またはＰｍａｘの１つに等しいか、または近い場合、Ｐｃの値に対応する噴射作動時間は、テーブル３０２、テーブル３０４、またはテーブル３０６から求められる（区分定数補間によっても同じ結果が得られることになる）。Ｐｃは、Ｐｍｉｎ、Ｐｉ、およびＰｍａｘのうちの２つの値間にある値を有する可能性の方が高く、この場合、望ましい燃料噴射作動時間は、例えば、Ｐｃに最も近い第３のパラメータＰの固定値に対応する２つのテーブルから取得した作動時間値間での線形補間によって求めることができる。例えば、図４に示すように、計算値ＰｃがＰｍｉｎよりも大きく、Ｐｉよりも小さい場合、燃料噴射作動時間の値ＦＯＮ５は、ガス燃料レール圧力および燃料供給量の値に応じて、テーブル３０２、３０４から求めた値ＦＯＮ１、ＦＯＮ３間での補間によって求められる。図４に示した例では、ＦＯＮ５は、値ＦＯＮ１、ＦＯＮ３間での線形補間によって求められている。ＦＯＮ５は、曲線Ｃ上で第３のパラメータＰの計算値Ｐｃに対応する燃料噴射作動時間値であるＦＯＮ４とは値が異なることがあると見て分かる。値ＦＯＮ４、ＦＯＮ５間の差は、噴射作動時間のより高速な計算を可能にする線形補間の単純性と、中間参照テーブルがより多くなるようデータを格納することで、および／または多項式補間もしくはスプライン補間などのより複雑な形態の補間を使用することで得ることができる噴射作動時間のさらにより正確な算出との間の折衷案によるものである。線形補間は、十分に速い計算時間とともに十分な精度をもたらすと分かったが、コントローラのデータ処理速度は、引き続き向上すると予測されるので、将来的には、十分に速い計算時間と併せて、より複雑な形態の補間および／またはより多くの参照テーブルを採用できるであろう。計算値Ｐｃが第３のパラメータＰの固定値の１つに非常に近い場合、本方法は、燃料噴射作動時間を求めるのに「区分定数補間」法を使用することができる。本明細書において、「区分定数補間」とは、計算値Ｐｃが、複数の参照テーブル３００に格納された参照テーブルに対する第３のパラメータＰの固定値の１つに等しい状況を含むことを意味する。

一部の実施形態では、望ましい燃料噴射作動時間は、シリンダ内圧と相関する要素とは異なるが、それにもかかわらず、やはり、望ましい噴射作動時間に影響を及ぼすことができる要素を補正してさらに調整することができる。例えば、補正係数は、エンジン回転数などのエンジンの動作状態を示すパラメータに応じて適用することができる。そのような補正係数は、燃料供給量とエンジン動作状態を示すパラメータとに応じて補正係数を特定する参照テーブル（図示せず）から取得することができる。

図５は、（図３に示す方法の実施形態で説明した複数の参照テーブル３００と同様な）複数の参照テーブル４００からガス燃料の噴射作動時間を求めることを含む本方法の別の実施形態の概略図である。図５に示す方法は、同様にシリンダ内圧と相関する、「Ｑ」として示した第４のパラメータに応じて定まる補正係数を適用することで、求めた噴射作動時間を補正することをさらに含む。第３のパラメータＰを使用して望ましい噴射作動時間を求める場合と同様に、各１つが第４のパラメータＱの固定値に対応する別の複数の参照テーブル５００が、ガス燃料レール圧力および燃料供給量に応じて補正係数の値を格納する。

図５では、（図１に示す）コントローラ１５０は、例えば、テーブル４０２、４０４、４０６を含む参照テーブル４００に格納されたデータをメモリから取得し、各テーブルは、第３のパラメータＰの固定値に対応するガス燃料レール圧力および燃料供給量に応じて燃料噴射作動時間値を特定する。コントローラ１５０はまた、ガス燃料レール圧力および燃料供給量に応じて補正係数の値を特定し、それぞれが第４のパラメータＱの固定値に対応する、例えば、テーブル５０２、５０４を含む参照テーブル５００内に格納されたデータをメモリから取得する。第３のパラメータＰと同様に、第４のパラメータＱも、例えば、噴射開始タイミング、吸気マニホルド圧力、および圧縮圧力などの、シリンダ内圧と相関するパラメータである。第４のパラメータＱは、第３のパラメータＰに対して選択されたものとは異なるパラメータであるように選択される。第４のパラメータＱに基づいて補正係数を定める態様は、基本的に、第３のパラメータＰに基づいて望ましい噴射作動時間を定める態様と同じである。すなわち、入力データから求めた第４のパラメータＱの値を使用して、テーブル５００に格納された補正係数間で補間する。望ましい噴射作動時間に適用される補正係数を定めるために、方法に第４のパラメータＱを含めることで、シリンダ内圧と相関するより多くのパラメータが、望ましい燃料噴射作動時間を最終的に定めるために使用され、これは、調量されて燃焼室に導入される燃料の量の精度をさらに向上させることができる。例えば、第３のパラメータＰが噴射開始タイミングと相関する場合、第４のパラメータＱは、吸気マニホルド圧力と相関するように選択することができる。この方法はまた、第３のパラメータＰが、シリンダ内圧と相関するいくつかのパラメータを結びつける数式に基づいて算出される場合に適用することができ、例えば、第３のパラメータＰが、噴射開始タイミングと吸気マニホルド圧力との積である場合、第４のパラメータＱは、圧縮圧力とすることができ、または第３のパラメータＰが、ガス燃料レール圧力と圧縮圧力との間の差である場合、第４のパラメータＱは、噴射開始タイミングとすることができる。

好ましい実施形態では、参照テーブルは、コントローラのメモリ内か、またはコントローラにアクセス可能なメモリ内に格納され、参照テーブル内のデータは、各エンジン状態に対する所望の性能、燃焼効率、および排気ガスレベルを達成するようにエンジンを試験して収集された、実験で得られたデータに基づいている。

本発明が、いくつかの例示的な実施形態に関連して説明された。しかし、特許請求の範囲で定義した本発明の範囲から逸脱することなく、開示した実施形態に対して変形または修正を行うことが可能であることが当業者には明らかであろう。

Claims (18)

1. 燃料噴射弁を通して燃焼室に直接噴射されるガス燃料を燃料とする内燃機関の燃料噴射作動時間を求める方法において、
   ａ．複数の参照テーブルに所定の噴射作動時間値を格納することであって、各参照テーブル内の作動時間は、ガス燃料レール圧力および燃料供給量に応じ、各テーブルは、シリンダ内圧と相関する第３のパラメータの固定値に対応することと、
   ｂ．入力データをコントローラに送ることと、
   ｃ．前記コントローラが、前記ガス燃料レール圧力、前記燃料供給量、および前記第３のパラメータの各値を前記入力データから求めることと、
   ｄ．前もって決められた前記複数の参照テーブルから、ステップ（ｃ）で求めた前記第３のパラメータの値に値が最も近い前記第３のパラメータの前記固定値と対応する２つの参照テーブルを特定することと、
   ｅ．ガス燃料レール圧力および燃料供給量に応じて、ステップ（ｄ）で特定された前記２つの参照テーブルからそれぞれの燃料作動時間を取得することと、
   ｆ．ステップ（ｃ）で求めた前記第３のパラメータの値に基づき、ステップ（ｅ）で取得した噴射作動時間値間で補間することで、望ましい噴射作動時間を求めることと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、圧縮行程中に前記入力データを収集することと、前記圧縮行程中に始まる燃料噴射事象に対する前記望ましい噴射作動時間を求めることとをさらに含むことを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記第３のパラメータは、シリンダ内圧と相関する少なくとも１つのパラメータの関数として算出されることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記第３のパラメータは、シリンダ内圧と相関する２つのパラメータの積であることを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、前記２つのパラメータは、吸気マニホルド圧力および噴射開始タイミングであることを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法において、前記第３のパラメータは、
   ｉ．噴射開始タイミングと、
   ｉｉ．吸気マニホルド圧力と、
   ｉｉｉ．圧縮圧力と、
   の中の１つであることを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法において、前記第３のパラメータは、シリンダ内圧と相関し、前記入力データの一部として、前記コントローラに送られる少なくとも２つのパラメータを含む数式を使用して算出され、前記少なくとも２つのパラメータは、以下のもの、すなわち、
   ｉ．噴射開始タイミングと、
   ｉｉ．吸気マニホルド圧力と、
   ｉｉｉ．圧縮圧力と、
   ｉｖ．ガス燃料レール圧力と、
   から選択されることを特徴とする方法。
8. 請求項１に記載の方法において、前記第３のパラメータは、少なくとも１つがシリンダ内圧と相関する２つのパラメータ間の差として前記コントローラによって算出されることを特徴とする方法。
9. 請求項１に記載の方法において、前記第３のパラメータは、前記ガス燃料レール圧力と圧縮圧力との間の差として前記コントローラによって算出されることを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法において、前記圧縮圧力は、吸気マニホルド圧力、前記エンジンの圧縮比、およびポリトロープ指数の関数として算出されることを特徴とする方法。
11. 請求項１に記載の方法において、前記第３のパラメータはまた、シリンダ内圧と噴射圧力との間の圧力差と相関することを特徴とする方法。
12. 請求項１に記載の方法において、前記入力データには、エンジンの動作状態と相関するエンジンパラメータがさらに含まれ、そのため前記方法は、前記燃料供給量および前記エンジンパラメータに応じて補正係数を定めた参照テーブルから取得した前記補正係数を適用することで、前記噴射作動時間を補正することをさらに含むことを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、前記エンジンパラメータは、エンジン回転数であることを特徴とする方法。
14. 請求項１に記載の方法において、前記複数の参照テーブルは、
    ａ．実験で求めた前記第３のパラメータの最小値に等しいか、または近い前記第３のパラメータの固定値に対応する第１の参照テーブルと、
    ｂ．実験で求めた前記第３のパラメータの最大値に等しいか、または近い前記第３のパラメータの固定値に対応する第２の参照テーブルと、
    ｃ．前記実験で求めた前記第３のパラメータの最小値と最大値との間にある前記第３のパラメータの固定値に対応する第３の参照テーブルと、
    を含むことを特徴とする方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、前記最小値と前記最大値との間にある、前記第３のパラメータの値の範囲にわたって、前記第３の参照テーブルに対応する前記第３のパラメータの前記固定値は、前記範囲の全体にわたって噴射作動時間をプロットした曲線の変曲点、極小値、または極大値に対応することを特徴とする方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、前記第３のパラメータは、噴射開始タイミングと吸気マニホルド圧力との積であり、前記望ましい噴射作動時間は線形補間によって求められることを特徴とする方法。
17. 請求項１に記載の方法において、
    ａ．前記ガス燃料レール圧力および前記燃料供給量に応じて取得可能な補正係数値を、前もって決められた複数の補正係数参照テーブルに格納することであって、各テーブルは、前記第３のパラメータとは異なる、シリンダ内圧と相関する前記パラメータの１つである第４のパラメータの値に対応することと、
    ｂ．前記第４のパラメータの値を示す入力データを前記コントローラに送ることと、
    ｃ．前記前もって決められた複数の補正係数参照テーブルから、前記入力データの前記第４のパラメータの値に値が最も近い前記第４のパラメータの固定値に対応する２つの補正係数参照テーブルを特定することと、
    ｄ．前記２つの補正係数参照テーブル間で補間することで、望ましい補正係数を求めることと、
    ｅ．前記望ましい補正係数を適用することで、前記噴射作動時間を補正することと、
    をさらに含むことを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載の方法において、前記第４のパラメータは、
    ａ．噴射開始タイミングと、
    ｂ．吸気マニホルド圧力と、
    ｃ．圧縮圧力と、
    の中の１つであることを特徴とする方法。

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