JP2017002864A - Ｃｎｇエンジンにおける燃焼制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】天然ガスの組成、特に不活性ガスを多く含む燃料が貯蔵された場合でも適格な燃焼制御が行えるＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法及び装置を提供する。【解決手段】圧縮天然ガスを減圧し、これを吸入空気と共にＣＮＧエンジン１０に供給して燃焼させるＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法において、不活性ガスが多く含まれるような燃料を気筒１１ｃ内で燃焼する際に、不活性ガスの含有量によって、点火プラグ１６による点火タイミングを進角化させて燃焼させるものである。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を燃料として用いるＣＮＧエンジンに係り、特に、天然ガスの成分に応じて点火時期を適切に制御できるＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法及び装置に関するものである。

圧縮天然ガスを用いたＣＮＧエンジンは、ディーゼルエンジンのように黒煙やＳＯｘが大幅に少ない排ガスクリーン化が達成できることから、普及が進められている。

ＣＮＧエンジンは、空気流量を調節するスロットルバルブで吸気制御された空気がインテークマニホールドに供給され、ＣＮＧ容器からの圧縮天然ガスが、燃料減圧弁で減圧された後、気筒ごとに配置されたフューエルインジェクタを介して供給され、この空気と天然ガスの混合気を、気筒内に吸い込んで、点火プラグによる火花で着火燃焼を行う。このＣＮＧエンジンでは、燃焼系から排気系まで、全ての制御は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）による電子システムによって、ＣＮＧ車の走行状況に応じて空気と燃料との混合比率を最適な状態に制御して排ガスのクリーン化に最適な燃焼状態とする。

このＣＮＧエンジンによる燃焼制御は、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて決定される目標λ値と一致するように、スロットルバルブでの吸入空気量と、フューエルインジェクタからの天然ガスの供給量を増減させて混合比を制御し、エンジン回転数及びエンジン負荷と予め設定された燃料で適合したマップデータとを参照して燃料量比を決定することで、リーン状態で燃焼を行うことができる。

特開２００３−１６６４３９号公報 実開平０５−００６１３６号公報 特開２００４−２２５６８０号公報 特開２００２−２７６５１９号公報

このＣＮＧ容器には、約２０ＭＰａに圧縮した天然ガスが貯蔵されるが、国内では、液化天然ガス由来の天然ガスでガス組成は略一定である。

しかし、天然ガスは、産地により組成が違い、特に、タイなどの東南アジアで採掘された天然ガスは、炭酸ガスや窒素などの不活性ガスが、例えば約１６％と多量に含んでおり、この天然ガスを産地でそのまま圧縮してＣＮＧ容器に貯蔵した燃料の場合、通常の国内で用いる天然ガスを燃料とする場合と違って、空燃比が変わるため、ＣＮＧエンジンを、国内で設定した通常の燃料と同じ制御をすることはできない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、天然ガスの組成、特に不活性ガスを多く含む燃料が貯蔵された場合でも適格な燃焼制御が行えるＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、圧縮天然ガスを減圧し、これを吸入空気と共にＣＮＧエンジンに供給して燃焼させるＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法において、不活性ガスが多く含まれるような燃料を気筒内で燃焼する際に、不活性ガスの含有量によって、点火プラグによる点火タイミングを進角化させて燃焼させることを特徴とするＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法である。

ラムダセンサで、気筒から排気される排ガスの酸素濃度から空燃比を検出し、エンジン回転数とエンジン負荷に応じた目標λ値となるように燃料の供給量が設定されると共に、燃料中に含まれる不活性ガスの含有量に応じて燃料増量分を決定すると共にその燃料増量分を含む燃料を気筒に供給し、その燃料増量分に応じて点火タイミングを進角化させるのが好ましい。

エンジンのノッキングを検出し、進角化させた点火タイミングでノッキングの発生を回避すべく点火タイミングを遅角化させるのが好ましい。

また本発明は、圧縮天然ガスを減圧し、これを燃料として吸入空気と共にＣＮＧエンジンに供給して燃焼させるＣＮＧエンジンにおける燃焼制御装置において、エンジン回転数に応じて吸気空気量を制御するスロットルバルブと、気筒に空気と共に燃料を供給するフューエルインジェクタと、気筒から排気される排ガス中の酸素濃度から空燃比を検出するラムダセンサと、エンジン回転数とエンジン負荷に応じてフューエルインジェクタから供給する燃料量を決定すると共にラムダセンサの検出値より不活性ガスを含む燃料を供給する際に目標λ値となるように燃料給料を増量する燃焼噴射制御手段と、エンジン回転数とエンジン負荷に応じて決定された燃料供給量に応じて点火プラグでの点火時期を決定すると共に不活性ガスを含む燃料で燃料が増量して供給される際に、国内燃料で決定した点火時期を進角化させる点火時期制御手段とを備えたことを特徴とするＣＮＧエンジンにおける燃焼制御装置である。

エンジンブロックの振動を検出するノッキングセンサの検出値が入力され、不活性ガスを多く含む燃料で、点火時期制御手段が点火プラグの点火時期が進角化した際に、連続するノッキングを回避すべく点火時期を遅角化させるノッキング制御手段を備えるのが好ましい。

本発明は、不活性ガスが多く含まれる燃料を用いたときでも、適正に燃焼を制御できるという優れた効果を発揮する。

本発明の一実施の形態を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明のＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法及び装置におけるエンジンシステムを示したものである。

エンジン１０のシリンダブロック１１には、気筒１１ｃ毎に、クランク軸１２からコンロッド１３を介して上下動するピストン１４が設けられる。シリンダブロック１１上のシリンダヘッド１５には、各気筒１１ｃ毎に点火プラグ１６が設けられると共に吸気弁１７と排気弁１８とが設けられる。

エンジン１０への吸気は、エアクリーナ２２から吸気管２３を通り、吸気スロットルバルブ２４を介してインテークマニホールド２５に流入し、エンジン１０の気筒１１ｃ毎に設けられたフューエルインジェクタ２６からの天然ガスと混合されて気筒１１ｃ内に導入され、点火プラグ１６により発火燃焼される。

各気筒１１ｃからの排気は、排気弁１８を介してエギゾーストマニホールド２７に排気された後、排気管２８から排気ブレーキスロットル２９を介して酸化触媒３０に供給され、酸化触媒３０で、ＣＯ、ＮＭＨＣ（非メタン炭化水素）が除去され、消音器３１を通して大気に排気される。

天然ガスは、ＣＮＧ容器３２Ａ、３２Ｂのいずれかから燃料遮断弁３３Ａ、３３Ｂ、流路切替弁３４を介し、燃料供給管３５に供給され、その燃料供給管３５から、燃料遮断弁３６を通し減圧装置（レギュレータ）３７にて一定の圧力に減圧された後、フューエルインジェクタ２６にてインテークマニホールド２５に供給されて吸気と混合されて各気筒１１ｃに供給される。

流路切替弁３４には、燃料圧力センサ３８が設けられ、その検出値が燃料圧力計３９で表示される。また流路切替弁３４には、ＣＮＧ容器３２Ａ、３２Ｂに圧縮天然ガスを充填するガス充填口４０が接続される。

これら燃料遮断弁３３Ａ、３３Ｂ、流路切替弁３４、燃料遮断弁３６は、後述するＣＮＧエンジンコントロールユニット５０により開閉制御される。

吸気管２３には、吸気スロットルバルブ２４の開度を検出するスロットル開度センサ４１が吸気スロットルバルブ２４に一体に設けられ、その吸気スロットルバルブ２４からインテークマニホールド２５間の吸気管２３には、吸気温度センサ４２、吸気圧力センサ４３が設けられ、これらスロットル開度センサ４１、吸気温度センサ４２、吸気圧力センサ４３の検出値が、ＣＮＧエンジンコントロールユニット５０に入力される。

減圧装置３７からフューエルインジェクタ２６に至る燃料供給管３５には、燃料温度センサ４４、燃料圧力センサ４５が設けられ、これら燃料温度センサ４４、燃料圧力センサ４５の検出値がＣＮＧエンジンコントロールユニット５０に入力される。

エンジン１０には、エンジン冷却水温度を検出する冷却水温度センサ４６、シリンダブロック１１の振動からノッキングを検出するノッキングセンサ４７、クランク軸１２のクランク角度を検出するクランク角度センサ４８、吸気弁１７と排気弁１８を開閉動するカム５１の角度から各気筒を判別するカム角度センサ４９が設けられ、これら冷却水温度センサ４６、ノッキングセンサ４７、クランク角度センサ４８、カム角度センサ４９の検出値がＣＮＧエンジンコントロールユニット５０に入力される。

排気管２８には、エギゾーストマニホールド２７から排気された排ガスの酸素濃度から空燃比を検出するラムダセンサ５４が設けられる。ラムダセンサ５４の検出値がＣＮＧエンジンコントロールユニット５０に入力される。

酸化触媒３０による排ガスの浄化は、ＣＮＧエンジンコントロールユニット５０が、ラムダセンサ５４の検出値を基に、燃焼が安定するように目標λ制御を行う。

排気ブレーキスロットル２９は、バキュームエアタンク５７に吸引管５８を介して接続されると共に吸引管５８に排気ブレーキ作動弁５９にてその開度が調整される。

ＣＮＧエンジンコントロールユニット５０には、大気圧センサ６０の検出値が入力され、またアクセル６１の踏み込み量を検出するアクセル開度センサ６２の検出値が入力される。

ＣＮＧエンジンコントロールユニット５０は、各種センサ４２〜４９、５４、６０、６２からの検出値に基づいて、ドライバーユニット５２を介して吸気スロットルバルブ２４とフューエルインジェクタ２６の開度を制御すると共に、点火プラグ１６の点火時期を制御し、排気ブレーキ作動弁５９を制御して排気ブレーキスロットル２９の開度を制御する。

このＣＮＧエンジンコントロールユニット５０には、エンジン回転数とエンジン負荷により、国内燃料に適合したマップデータを基に吸入空気量と燃料供給量を制御すると共に、ラムダセンサ５４の検出値を基に燃料供給量を増減する燃料噴射制御手段６４と、クランク角度センサ４８とカム角度センサ４９の検出値に基づいて点火プラグ１６で火花点火時期を制御する点火時期制御手段６５と、ノッキングセンサ４７の検出値に基づいて点火プラグ１６の点火時期を遅らせてノッキングを回避するノッキング制御手段６６とを備える。

燃料噴射制御手段６４は、アクセル開度センサ６２の検出値に基づいて、ドライバーユニット５２を介して、吸気スロットルバルブ２４の開度を制御すると共に、その開度に基づいてフューエルインジェクタ２６での燃料噴射量を制御するもので、より具体的には、吸気温度センサ４２、吸気圧力センサ４３、大気圧センサ６０の検出値に基づいてインテークマニホールド２５に導入される空気量を算出し、燃料温度センサ４４、燃料圧力センサ４５の検出値に基づいて、算出した空気量にあった天然ガス量を気筒１１ｃに供給すべくフューエルインジェクタ２６を制御する。

この際、燃料噴射制御手段６４は、予め設定された国内燃料で適合したマップデータを参照して燃料噴射量を決定して、フューエルインジェクタ２６を制御する。

しかし燃料組成が異なる場合、すなわち不活性ガスの量が多くなると実質的な燃料量が減少し、酸素量の消費が減少するため、ラムダセンサ５４で検出される空燃比も変化する。

このため燃料噴射制御手段６４は、排ガス中の酸素濃度が、適正燃料と同じ酸素濃度となるよう、すなわち空燃比が目標λ値となるように、フューエルインジェクタ２６から噴射する燃料の増量分（不活性ガス分増量）を決定して、この燃料増量比を異種燃料補正として、フューエルインジェクタ２６を制御する。

点火時期制御手段６５は、クランク角度センサ４８とカム角度センサ４９の検出値に基づいて、点火プラグ１６の点火タイミング時期を各気筒１１ｃの圧縮上死点近傍で点火するように制御するが、上述のように燃料噴射制御手段６４で算出された空気量と燃料量とエンジン回転数から決定し、空気と天然ガスとの混合気を筒内に吸い込んで決定された時期に火花で点火して燃焼させる。

この際、天然ガス中に含まれる不活性ガス量が多くなると、燃焼速度が遅くなるため、国内燃料で最適に設定した点火時期に対して、点火プラグ１６の点火タイミングを進角化させる制御を行う。この進角化の範囲は、不活性ガスが１６％含まれている場合には、国内燃料での点火時期に対してクランク角度（ｄｅｇ）で、２〜３°分進角化させる。

ノッキング制御手段６６は、気筒１１ｃ内で混合気が火花点火されて燃焼する際の燃焼圧力により発生した振動を検出するノッキングセンサ４７の検出値を基に、ノッキングの有無を検出し、点火時期制御手段６５で点火時期を進角化したときに生じるノッキングを回避するために、点火時期制御手段６５で決定した点火時期を補正する。

このノッキング制御において、不活性ガスを多く含む天然ガスは、燃焼速度が遅く、進角化して点火するとその混合気の着火速度が遅いがシリンダー内（気筒内）の温度によっては、点火プラグ１６から遠い場所にある未燃燃料の混合気が、着火し、断熱圧縮により自己着火を起こしてノッキングを発生させ易くなる。そこでノッキングセンサ４７でノッキングの程度をみて進角化した点火タイミングを、ノッキングが連続して生じないように遅角化させるようにする。

この点火時期制御手段６５による進角化とノッキング制御手段６６による遅角化を更に説明する。

先ず燃料噴射制御手段６４は、エンジン回転数とエンジン負荷で供給燃料量を決定するが、エンジン回転数が低い時は目標λが、１．０、１．１、１．２と変化が少なく、エンジン回転数が高いときは目標λが、１．０、１．０、１．２…１．６と、順次大きくなるように設定される。

点火時期制御手段６５は、エンジン負荷の増大で燃料供給量が多くなったとき、目標λが大きい時に進角化させて着火する制御を行う。このエンジン負荷の増大による点火時期制御手段６５の進角化は、国内燃料でノッキングを起こさない最適な値に設定されている。

しかし、不活性ガスを多く含む天然ガスでは、燃焼速度が遅くなるため、適正燃料で設定した進角化した点火時期でも、燃焼が完結しないため、適正燃料で設定した進角値（ｄｅｇ）よりも更に数度（２〜３ｄｅｇ）進角化させることで、燃焼完結させることができるが、シリンダー内の温度によっては、進角化させることでノッキングを発生しやすくなる。

そこで、不活性ガスを多く含む天然ガスを燃料としたときに燃料噴射制御手段６４は、適正燃料に対する燃料増量分を決定し、点火時期制御手段６５は、その燃料増量分を基に、適正燃料でのエンジン回転数とエンジン負荷に基づく進角化を含めて決定した噴射時期に対して、更に進角化（２〜３ｄｅｇ）させて点火プラグ１６で点火を行い、この燃焼で、ノッキング制御手段６６がノッキングの有無を検出して、進角化させた点火時期を、例えば０．５ｄｅｇ刻みで遅角化させて、ノッキングを回避できる最適な点火時期を決定する。

以上説明したように、本発明は、燃料噴射制御手段６４が、エンジン回転数とエンジン負荷で、供給燃料量を決定すると共に空燃比が目標λ値となるように制御する。この際、不活性ガスが多く含まれる燃料を用いたとき、ラムダセンサ５４で検出される空燃比が、適正燃料の空燃比に対して大きく変動するため、燃料噴射制御手段６４は、エンジン回転数とエンジン負荷に応じて設定される目標λ値となるように供給燃料量を増大させる。またこの燃料増大に応じて、点火時期制御手段６５は、その燃料増量分を基に点火プラグ１６の着火時期を進角化させると共にノッキング制御手段６６がノッキングセンサ４７の検出値から点火時期制御手段６５で進角化した点火時期でノッキングが生じないかを判断し、ノッキングが生じる場合には、進角化させた点火時期を、遅角化させて、ノッキングを回避できる適正な点火時期に進角化の角度を補正することが可能となる。

なお、上述の実施例においては、ＥＧＲ回路（排気再循環）は図示していないが、ＥＧＲ回路で排気再循環を行う際にも、空気量が少なくなり空燃比が変わるため、点火時期制御手段６５で点火時期を制御するようにしてもよい。

１０ エンジン
１１ｃ 気筒
１６ 点火プラグ
２６ フューエルインジェクタ
３２Ａ、３２Ｂ ＣＮＧ容器
５０ ＣＮＧエンジンコントロールユニット
５４ ラムダセンサ

Claims (5)

1. 圧縮天然ガスを減圧し、これを吸入空気と共にＣＮＧエンジンに供給して燃焼させるＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法において、不活性ガスが多く含まれるような燃料を気筒内で燃焼する際に、不活性ガスの含有量によって、点火プラグによる点火タイミングを進角化させて燃焼させることを特徴とするＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法。
2. ラムダセンサで、気筒から排気される排ガスの酸素濃度から空燃比を検出し、エンジン回転数とエンジン負荷に応じた目標λ値となるように燃料の供給量が設定されると共に、燃料中に含まれる不活性ガスの含有量に応じて燃料増量分を決定すると共にその燃料増量分を含む燃料を気筒に供給し、その燃料増量分に応じて点火タイミングを進角化させる請求項１記載のＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法。
3. エンジンのノッキングを検出し、進角化させた点火タイミングでノッキングの発生を回避すべく点火タイミングを遅角化させる請求項２記載のＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法。
4. 圧縮天然ガスを減圧し、これを燃料として吸入空気と共にＣＮＧエンジンに供給して燃焼させるＣＮＧエンジンにおける燃焼制御装置において、エンジン回転数に応じて吸気空気量を制御するスロットルバルブと、気筒に空気と共に燃料を供給するフューエルインジェクタと、気筒から排気される排ガス中の酸素濃度から空燃比を検出するラムダセンサと、エンジン回転数とエンジン負荷に応じてフューエルインジェクタから供給する燃料量を決定すると共にラムダセンサの検出値より不活性ガスを含む燃料を供給する際に目標λ値となるように燃料給料を増量する燃焼噴射制御手段と、エンジン回転数とエンジン負荷に応じて決定された燃料供給量に応じて点火プラグでの点火時期を決定すると共に不活性ガスを含む燃料で燃料が増量して供給される際に、国内燃料で決定した点火時期を進角化させる点火時期制御手段とを備えたことを特徴とするＣＮＧエンジンにおける燃焼制御装置。
5. エンジンブロックの振動を検出するノッキングセンサの検出値が入力され、不活性ガスを多く含む燃料で、点火時期制御手段が点火プラグの点火時期が進角化した際に、連続するノッキングを回避すべく点火時期を遅角化させるノッキング制御手段を備えた請求項４記載のＣＮＧエンジンにおける燃焼制御装置。