JP2015187397A - エンジンシステム、及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デュアルフュエル燃焼方式で着火用燃料を二段噴射するものにおいて、主燃料をメタンを主成分とするガスとし、着火用燃料を軽油を主成分とする場合に、燃焼室における燃焼状態の安定化と共に排気特性の向上とを図る。【解決手段】燃焼用空気Ａにメタンを主成分とする主燃料Ｇ１を噴射して予混合気を形成する第１燃料噴射手段１４と、燃焼室２４に軽油を主成分とする着火用燃料Ｇ２を噴射する第２燃料噴射手段２３と、主燃料Ｇ１と着火用燃料Ｇ２との総供給熱量に対する着火用燃料Ｇ２の供給熱量を２０％以下に設定した状態で、第１燃料噴射手段１４にて燃料の噴射を実行した後に、第２燃料噴射手段２３にて着火用燃料Ｇ２の一段目の噴射と二段目の噴射とを順に実行する制御手段Ｓとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、主燃料を噴射する第１燃料噴射手段と、燃焼室に着火用燃料を二度噴射する第２燃料噴射手段とを備え、前記第１燃料噴射手段により噴射する主燃料と前記第２燃料噴射手段により噴射する着火用燃料とを圧縮着火燃焼するエンジンシステム、及びその制御方法に関する。

一般に、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンでは、燃焼室内に供給された燃料及び空気の混合気に点火プラグを用いて点火し、燃焼させる方式がとられている。しかしながら、当該燃焼方式では、燃焼室内でその周縁部に存在する未燃ガスが点火プラグの点火による主燃焼の火炎伝播が到達する前に自己着火する、所謂、ノッキングが発生し高負荷での運転が制限される。
そこで、近年、着火用燃料を燃焼室へ噴射し、その着火用燃料の燃焼（初期燃焼）により主燃料の燃焼（主燃焼）を誘発させるデュアルフュエル燃焼方式が提案されている。これにより、主燃焼は体積的に発生し、燃焼速度が上昇するため、燃焼室内の周縁部の未燃ガスの自己着火を抑制することができる。
当該デュアルフュエル燃焼方式の燃焼状態の安定と排気特性の向上のため、例えば、特許文献１に開示の技術では、負荷に応じて主燃料と着火用燃料の供給割合を変更することが提案されている。しかしながら、着火用燃料を一回供給する単段噴射では、着火時期と、着火用燃料の分散度合いによる主燃焼の燃焼速度とを、同時に精密に制御することは難しい。
そこで、特許文献２に開示の技術では、主燃料の供給に加えて、着火用燃料を二回に分けて供給する技術が提案されている。

特許４４３３６８５号公報 特許４２１４７７４号公報

上記特許文献２に開示の技術は、主燃料として着火性の低いガソリンを用い、着火用燃料として着火性の高い軽油を用いるものにおいて、燃焼状態の安定と排気特性の向上を図るものであり、本願の発明者らが目指す、主燃料をメタンを主成分とするガス（例えば、天然ガス）とし、着火用燃料を軽油とする構成において、主燃料と着火用燃料との供給時期や供給量に関し、具体的に開示及び示唆するものではなかった。
例えば、特許文献２に開示の技術では、主燃料と着火用燃料との供給量に関しては、着火用燃料の供給量は、主燃料の供給量の体積比率で２０％以下とすることが好ましいという記載があるのみである。当該燃料供給量の関係を、主燃料をメタン主成分とする天然ガスと、着火用燃料を軽油を主成分とする燃料との関係に当てはめると、天然ガスと軽油では、天然ガスは、分子量が軽油の１／１０以下であり、体積当たりの発熱量は軽油の約１／９〜１／１０となるから、体積比率で２０％の軽油を供給すると、軽油の供給熱量が、天然ガスの供給熱量を超えてしまい、軽油が過度に混合気内に分散して適切な燃焼が確保できなくなる。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、デュアルフュエル燃焼方式で着火用燃料を二段噴射するものにおいて、主燃料をメタンを主成分とするガスとし、着火用燃料を軽油を主成分とする場合に、燃焼室における燃焼状態の安定化と共に排気特性の向上とを図ることができるエンジンシステム、及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明のエンジンシステムは、
主燃料を噴射する第１燃料噴射手段と、燃焼室に着火用燃料を二度噴射する第２燃料噴射手段とを備え、前記第１燃料噴射手段により噴射する主燃料と前記第２燃料噴射手段により噴射する着火用燃料とを圧縮着火燃焼するエンジンシステムであって、その特徴構成は、
燃焼用空気にメタンを主成分とする主燃料を噴射して予混合気を形成する前記第１燃料噴射手段と、
前記燃焼室に軽油を主成分とする着火用燃料を噴射する前記第２燃料噴射手段と、
主燃料と着火用燃料との総供給熱量に対する着火用燃料の供給熱量の割合を２０％以下に設定した状態で、前記第１燃料噴射手段にて燃料の噴射を実行した後に、前記第２燃料噴射手段にて着火用燃料の一段目の噴射と二段目の噴射とを順に実行する制御手段とを備える点にある。

また、上記目的を達成するための本発明のエンジンシステムの制御方法は、
主燃料を噴射する第１燃料噴射手段と、燃焼室に着火用燃料を二度噴射する第２燃料噴射手段とを備え、前記第１燃料噴射手段により噴射する主燃料と前記第２燃料噴射手段により噴射する着火用燃料とを圧縮着火燃焼するエンジンシステムの制御方法であって、その特徴構成は、
前記第１燃料噴射手段により、燃焼用空気にメタンを主成分とする主燃料を噴射して予混合気を形成すると共に、前記第２燃料噴射手段により、前記燃焼室に軽油を主成分とする着火用燃料を噴射し、
主燃料と着火用燃料との総供給熱量に対する着火用燃料の供給熱量を２０％以下に設定した状態で、前記第１燃料噴射手段にて主燃料の噴射を実行した後に、前記第２燃料噴射手段にて着火用燃料の一段目の噴射と二段目の噴射とを順に実行する点にある。

上記特徴構成によれば、主燃料としてメタンを主成分とする燃料（例えば、天然ガス）を噴射すると共に、着火用燃料として軽油を主成分とする燃料を噴射する構成において、制御手段が、主燃料と着火用燃料との総供給熱量に対する着火用燃料の供給熱量の割合を２０％以下に設定することで、軽油が適度に燃焼室の内部に分散する状態での着火を実現できるから、安定した燃焼を確保できる。

本発明のエンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御手段は、前記第２燃料噴射手段による着火用燃料の一段目の噴射時期と二段目の噴射時期とを、圧縮行程の後期に設定する点にある。

上記特徴構成によれば、着火用燃料の一段目と二段目の噴射時期の双方を、圧縮行程の後期に設定することで、着火用燃料を微量に噴射する場合であっても、当該着火用燃料が燃焼室へ過度に分散することを防止でき、安定した燃焼を確保できる。

本発明のエンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御手段は、着火用燃料の総供給熱量は一定に保った状態で、負荷の増加に伴って、前記第２燃料噴射手段による着火用燃料の一段目の供給熱量を増加させると共に、前記第２燃料噴射手段による着火用燃料の二段目の供給熱量を減少させる点にある。

上記特徴構成によれば、例えば、低負荷の場合、着火用燃料の一段目と二段目との供給熱量割合を、一段目が少なく、二段目が多くなる割合に制御するから、二段目の供給熱量割合が多くすることで、混合気中に局所的に燃料濃度の高い領域を作ることができ、初期燃焼の十分な着火性を確保でき、一段目の供給熱量割合を少なくすることで、主燃焼のピーク位置を遅らせることができ、これにより燃焼後期の燃焼速度を上昇させて失火を抑制できる。
一方、高負荷の場合、着火用燃料の一段目と二段目との供給熱量割合を、一段目が多く、二段目が少なくなる割合に制御するから、二段目の供給熱量割合を少ない割合として（最小限の噴射量を噴射して）、着火を確保しつつ、初期燃焼によるＮＯｘの排出を抑制でき、一段目の供給熱量割合を多い割合として、混合気中に分散する軽油の量を多くして主燃焼の燃焼速度を高め、高効率な運転を可能とする。
しかも、制御手段は、着火用燃料に係る総供給熱量を一定に保った状態で行うから、着火用燃料に係る総当量比を維持した状態で、上述の如く燃焼状態を制御できる。

本発明のエンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御手段は、高負荷において、前記第２燃焼噴射手段による着火用燃料の二段噴射を維持する点にある。

従来、特許文献２に示されるように、燃焼が安定する高負荷域では、第２燃料噴射手段による二段噴射を単段噴射へ変更する制御が成されていた。しかしながら、当該制御にあっては、二段噴射から単段噴射へ変更するタイミングで燃焼が不安定にある虞がある。また、単段噴射により着火を確保しようとすると、燃焼温度が上昇してＮＯｘ排出量が増大する虞があった。
上記特徴構成によれば、高負荷においても、第２燃料噴射手段による着火用燃料の二段噴射を実行するから、安定した着火性を維持する。
尚、着火用燃料の一段目と二段目の噴射割合については、上述したように、一段目が多く二段目が少なくなるように制御することで、着火性の確保と低ＮＯｘ化の両立を図ることができる。

本発明のエンジンシステムの更なる特徴構成は、
着火用燃料を昇圧する昇圧ポンプと、当該昇圧ポンプにて昇圧された着火用燃料を貯留する蓄圧室とを備え、
前記第２燃料噴射手段は、前記蓄圧室に貯留される高圧の着火用燃料を噴射可能に構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、第２燃料噴射手段は、比較的高圧に昇圧され蓄圧室に貯留された着火用燃料を噴射するように構成されているから、例えば、エンジンを高回転で働かせている状態において、圧縮行程の後期等で比較的短い期間であっても、噴射時期及び噴射量を微調整でき、二段噴射を良好に実行できる。

本発明に係るエンジンシステムの概略構成図 負荷の変動に伴う主燃料及び着火用燃料の供給量の変化を示すグラフ図 着火用燃料の噴射時期・噴射量と初期燃焼及び主燃焼の燃焼状態の関係を示すグラフ図 一段目の着火用燃料の噴射時期を固定した場合で、一段目の着火用燃料と二段目の着火用燃料の供給熱量割合を変化させたときの初期燃焼及び主燃焼の熱発生率を示すグラフ図 一段目と二段目の着火用燃料の供給熱量割合と初期燃焼及び主燃焼の燃焼状態の関係を示すグラフ図 二段目の着火用燃料の噴射時期を固定した場合で、一段目の着火用燃料の噴射時期を変化させたときの初期燃焼及び主燃焼の熱発生率を示すグラフ図

本発明のエンジンシステム１００、及びその制御方法は、デュアルフュエル燃焼方式で、着火用燃料を二段噴射するものにおいて、主燃料としてメタンを主成分とする天然ガスを用いると共に、着火用燃料として軽油（主成分が炭素数１０〜２０のアルカンであり、セタン価が１５〜１００の値をとるもの）を主成分とするガスを用いる場合に、燃焼室における燃焼状態の安定化と共に排気特性の向上とを図ることができるものに関する。
以下、本発明に係るエンジンシステム１００、及びその制御方法を、図１〜６に基づいて説明する。

エンジン２０は、シリンダ２１とその内部を摺動自在に設けられるピストン２２と、シリンダ２１とピストン２２とに囲まれる燃焼室２４に吸気ポート１０ａを介する状態で接続される吸気路１０と、燃焼室２４に排気ポート３０ａを介する状態で接続される排気路３０とを備えて構成されている。吸気ポート１０ａには、当該吸気ポート１０ａを開閉する吸気弁１３が設けられており、排気ポート３０ａには、当該排気ポート３０ａを開閉する排気弁３１が設けられている。
当該吸気路１０には、上流側から順に、吸気路１０を通流する燃焼用空気Ａの流量を調整可能なスロットルバルブ１２、吸気ポート１０ａに主燃料Ｇ１を噴射する第１燃料噴射弁１４（第１燃料噴射手段の一例）とが設けられている。シリンダ２１のシリンダヘッドには、燃焼室２４に着火用燃料Ｇ２を直接噴射する第２燃料噴射弁２３（第２燃料噴射手段の一例）が設けられる。

エンジンシステム１００は、外部からの負荷投入されることにより、投入された負荷にエンジン出力が追従するように、制御装置Ｓにより、スロットルバルブ１２の開度が調整されると共に、第１燃料噴射弁１４による主燃料Ｇ１の噴射量及び噴射時期、第２燃料噴射弁２３による着火用燃料Ｇ２の噴射量及び噴射時期が、制御装置Ｓとしての記憶部（図示せず）に記憶されている値に調整されることにより、吸気行程において、吸気ポート１０ａから燃焼用空気Ａを主燃料Ｇ１との混合気が燃焼室２４に吸気され、圧縮行程の後期において第２燃料噴射弁２３から着火用燃料Ｇ２が燃焼室２４の予混合気に噴射されて拡散し、膨張行程において、予混合気が体積的に拡散燃焼する形態で膨張し、排気行程において、排ガスＥが排気路３０から排出される形態で、４ストローク運転が実行される。当該運転は、通常のデュアルフュエル燃焼方式が採用されるエンジンと変わるところがなく、ノッキングを好適に抑制できる。

更に、本発明のエンジンシステム１００は、第２燃料噴射弁２３が、圧縮行程の後期の比較的短時間に、着火用燃料Ｇ２を二段で噴射すると共に、二段の噴射時期、及び一段目と二段目の燃料供給熱量の割合を微調整するべく、コモンレールシステム４０を採用している。
当該コモンレールシステム４０は、着火用燃料Ｇ２を貯留するフューエルタンク４３と、着火用燃料Ｇ２を昇圧して外部に供給するサプライポンプ４２と、当該サプライポンプ４２にて昇圧された着火用燃料Ｇ２を高圧状態で貯留する蓄圧室４１とを備えており、当該蓄圧室４１から高圧の着火用燃料Ｇ２が第２燃料噴射弁２３に供給される。尚、図示は省略するが、通常、蓄圧室４１は、多気筒の夫々に設けられる燃料噴射弁のすべてに、高圧の燃料を供給するコモンレールとして構成される。

本発明にあっては、主燃料Ｇ１としてメタンを主成分とする天然ガスを採用し、着火用燃料Ｇ２として軽油を主成分とする燃料を採用した場合に、安定した燃焼を確保すると共に、低ＮＯｘ化を図り排気特性の向上を実現すべく、以下のように制御される。

制御装置Ｓは、図２に示すように、低負荷から高負荷までのすべての負荷領域において、主燃料Ｇ１と着火用燃料Ｇ２との総供給熱量（Ｑ＋ｑ１＋ｑ２）に対する着火用燃料Ｇ２の供給熱量（ｑ１＋ｑ２）の割合を２０％以下（図２は２０％を図示）に設定している。これにより、着火用燃料Ｇ２が燃焼室２４の内部で混合気に適度に分散する状態を実現する。

当該制御に関し、図３（ａ）に基づいて、説明を追加すると、発明者らは、着火用燃料Ｇ２の供給熱量に関し、圧縮行程の後期（−９０ｄｅｇＡＴＤＣ〜０ｄｅｇＡＴＤＣ）において、一段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量ｑ１を多くし、二段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量ｑ２を少なくする（図３（ａ）の下部に実線で示す供給状態から破線で示す供給状態へ移行する）ことで、初期燃焼ＦＢに対応する熱発生率のピーク値を低下させる（初期燃焼ＦＢを緩慢にする）ことができる。このとき主燃焼ＭＢに対応する熱発生率のピーク位置は遅れる傾向にあるという知見を見出した。
図４は、主燃料Ｇ１と着火用燃料Ｇ２との総括当量比φを０．５とし、一段目の着火用燃料Ｇ２の噴射時期θ２を−４０ｄｅｇＡＴＤＣとし、二段目の着火用燃料Ｇ２の噴射時期θ２を−２０ｄｅｇＡＴＤＣとした場合で、一段目の着火用燃料Ｇ２に対する二段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量割合を変化させたときの初期燃焼ＦＢ及び主燃焼ＭＢの熱発生率の変化を示すものである。
図４から、一段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量ｑ１を多くし、二段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量ｑ２を少なくすることで、初期燃焼ＦＢに対応する熱発生率のピーク値を低下させる（初期燃焼ＦＢを緩慢にする）ことができ、このとき主燃焼ＭＢに対応する熱発生率のピーク位置は遅れていることがわかる。
即ち、図５に示すように、二段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量割合の増加に伴って、初期燃焼ＦＢの発生時期（及びピーク位置）は略一定に保たれ、初期燃焼ＦＢの熱発生率のピーク値は徐々に増加し、主燃焼ＭＢのピーク位置は徐々に早くなる傾向にある。

本発明にあっては、当該知見に基づき、着火用燃料Ｇ２の供給熱量に関し、制御装置Ｓは、図２に示すように、着火用燃料Ｇ２の一段目と二段目の総供給熱量は一定に保った状態で、負荷の増加に伴って、一段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量ｑ１を増加させると共に、二段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量ｑ２を減少させる制御を実行する。
当該制御により、低負荷の場合、着火用燃料Ｇ２の一段目と二段目との供給熱量割合を、一段目の供給熱量ｑ１が少なく、二段目の供給熱量ｑ２が多くなるから、特に、二段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量ｑ２が多くなることにより、混合気中に局所的に着火用燃料Ｇ２の濃度の高い領域を作り、初期燃焼ＦＢの十分な着火性を確保する。また、一段目にも最小限の量の着火用燃料Ｇ２を供給することで、燃焼後期の燃焼速度を上昇させて失火を抑制する。
一方、高負荷の場合、着火用燃料Ｇ２の一段目と二段目との供給熱量割合を、一段目の供給熱量ｑ１が多く、二段目の供給熱量ｑ２が少なくなるから、特に、二段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量割合を少ない割合として（最小限の噴射量を噴射して）、着火を確保しつつ、初期燃焼ＦＢによるＮＯｘの排出を抑制すると共に、一段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量割合を多い割合として、混合気中に分散する着火用燃料Ｇ２の量を多くして主燃焼ＭＢの燃焼速度を高め、高効率な運転を可能とする。

更に、発明者らは、図３（ｂ）に示すように、一段目の着火用燃料Ｇ２の噴射時期θ１を、圧縮行程の後期に進角化（図３（ｂ）の下部にて破線で示す供給状態から一点鎖線で示す供給状態への移行）又は遅角化（図３（ｂ）の下部にて一点鎖線で示す供給状態から破線で示す供給状態への移行）することで、主燃焼ＭＢのピーク位置を制御できるという知見を得た。
図６は、主燃料Ｇ１と着火用燃料Ｇ２との総括当量比φを０．５とし、二段目の着火用燃料Ｇ２の噴射時期θ２を−１５ｄｅｇＡＴＤＣに固定し、一段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量ｑ１と二段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量ｑ２との比（ｑ１／ｑ２）を３／２に固定した場合に、一段目の着火用燃料Ｇ２の噴射時期θ１を変化させたときの主燃焼ＭＢの熱発生率のピーク位置の変化を示す試験結果である。
当該試験結果により、一段目の着火用燃料Ｇ２の噴射時期θ１を、圧縮行程の後期において進角化するほど、主燃焼ＭＢの熱発生率のピーク位置が遅くなっていることがわかる。
本発明にあっては、当該知見に基づき、一段目の着火用燃料Ｇ２と二段目の着火用燃料Ｇ２の供給熱量の割合の変化に伴って変化する主燃焼ＭＢの熱発生率のピーク位置（例えば、図３（ａ）で実線から変化した破線のピーク位置）をより理想的なピーク位置（例えば、図３（ｂ）で一点鎖線で示すピーク位置）へ調整するべく、一段目の着火用燃料Ｇ２の噴射時期θ１を補助的に制御（図３（ｂ）で、一段目の噴射時期を遅角化）する。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態にあっては、主燃料として天然ガスを用いる例を示したが、別に、メタンを主成分とするガスであれば、どのようなガスでも用いることができる。
また、軽油を主成分とする着火用燃料に関しても、軽油以外の着火性の高い燃料を含んでいても良い。

本発明のエンジンシステム及びその制御方法は、デュアルフュエル燃焼方式で着火用燃料を二段噴射するものにおいて、主燃料をメタンを主成分とするガスとし、着火用燃料を軽油を主成分とする場合に、燃焼室における燃焼状態の安定化と共に排気特性の向上とを図ることができるエンジンシステム、及びその制御方法として、有効に利用可能である。

１０ ：吸気路
１４ ：第１燃料噴射弁
２０ ：エンジン
２３ ：第２燃料噴射弁
２４ ：燃焼室
３０ ：排気路
４１ ：蓄圧室
４２ ：サプライポンプ
１００ ：エンジンシステム
Ａ ：燃焼用空気
Ｅ ：排ガス
ＦＢ ：初期燃焼
Ｇ１ ：主燃料
Ｇ２ ：着火用燃料
Ｓ ：制御装置

Claims (6)

1. 主燃料を噴射する第１燃料噴射手段と、燃焼室に着火用燃料を二度噴射する第２燃料噴射手段とを備え、前記第１燃料噴射手段により噴射する主燃料と前記第２燃料噴射手段により噴射する着火用燃料とを圧縮着火燃焼するエンジンシステムにおいて、
   燃焼用空気にメタンを主成分とする主燃料を噴射して予混合気を形成する前記第１燃料噴射手段と、
   前記燃焼室に軽油を主成分とする着火用燃料を噴射する前記第２燃料噴射手段と、
   主燃料と着火用燃料との総供給熱量に対する着火用燃料の供給熱量の割合を２０％以下に設定した状態で、前記第１燃料噴射手段にて燃料の噴射を実行した後に、前記第２燃料噴射手段にて着火用燃料の一段目の噴射と二段目の噴射とを順に実行する制御手段とを備えるエンジンシステム。
2. 前記制御手段は、前記第２燃料噴射手段による着火用燃料の一段目の噴射時期と二段目の噴射時期とを、圧縮行程の後期に設定する請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 前記制御手段は、着火用燃料の総供給熱量は一定に保った状態で、負荷の増加に伴って、前記第２燃料噴射手段による着火用燃料の一段目の供給熱量を増加させると共に、前記第２燃料噴射手段による着火用燃料の二段目の供給熱量を減少させる請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
4. 前記制御手段は、高負荷において、前記第２燃焼噴射手段による着火用燃料の二段噴射を維持する請求項３に記載のエンジンシステム。
5. 着火用燃料を昇圧する昇圧ポンプと、当該昇圧ポンプにて昇圧された着火用燃料を貯留する蓄圧室とを備え、
   前記第２燃料噴射手段は、前記蓄圧室に貯留される高圧の着火用燃料を噴射可能に構成されている請求項１〜４の何れか一項に記載のエンジンシステム。
6. 主燃料を噴射する第１燃料噴射手段と、燃焼室に着火用燃料を二度噴射する第２燃料噴射手段とを備え、前記第１燃料噴射手段により噴射する主燃料と前記第２燃料噴射手段により噴射する着火用燃料とを圧縮着火燃焼するエンジンシステムの制御方法において、
   前記第１燃料噴射手段により、燃焼用空気にメタンを主成分とする主燃料を噴射して予混合気を形成すると共に、前記第２燃料噴射手段により、前記燃焼室に軽油を主成分とする着火用燃料を噴射し、
   主燃料と着火用燃料との総供給熱量に対する着火用燃料の供給熱量を２０％以下に設定した状態で、前記第１燃料噴射手段にて主燃料の噴射を実行した後に、前記第２燃料噴射手段にて着火用燃料の一段目の噴射と二段目の噴射とを順に実行する制御方法。

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