JP2017002865A - Ｃｎｇエンジンにおける燃焼制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】天然ガスの体積と温度を考慮して適正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】天然ガス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１０における燃焼制御方法において、吸入空気圧と吸入空気温度とエンジン回転数を基に空気量を算出すると共にその空気量に基づいて燃料量を決定し、その決定した燃料量での体積を温度とに基づいて実空気量を求め、その実空気量に基づいて空気量又は燃料量を制御するものである。【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、天然ガスと空気の混合比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、ストイキ状態で燃焼を行うことができる。

特開２０１４−１９６７３６号公報 特開２００５−１４００４０号公報 特開２０１３−１５１８８０号公報 特開２０１０−１９６６６６号公報

ところで、ＣＮＧエンジンでは、吸入空気量はガソリンエンジンと同じ計算式で求めている。この吸入空気量は、吸気スロットルの下流に設けた吸入圧力センサと吸気温度センサの検出値で求め、この求めた空気量に対して天然ガスをインテークマニホールドに噴射して混合している。

しかし、天然ガスの体積は、ガソリンの８６７倍位あるため、スピードデンシティで空気量を計算した場合、計算値に対して、実際の空気量は少なくなってしまう問題がある。

また、吸入空気に対して天然ガスの体積を考慮するにしても、天然ガスの体積は温度により変化するため、ラムダセンサで空燃比を制御するにしても、空燃比が、燃料性状でずれたのか、燃料温度でずれたのかの判断も行えない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、天然ガスの体積と温度を考慮して適正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、天然ガス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方法において、吸入空気圧と吸入空気温度とエンジン回転数を基に空気量を算出すると共にその空気量に基づいて燃料量を決定し、その決定した燃料量での体積を温度とに基づいて実空気量を求め、その実空気量に基づいて空気量又は燃料量を制御す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。

算出した空気量を基に、天然ガスの理論空燃比を基に燃料量を決定すると共に燃料温度と圧力を基に燃料量を、フューエルインジェクタの開閉のパルス幅を補正して、前記空気量に対して燃料流量を制御し、前記算出した空気量から前記燃料流量での体積を減算して実空気量を求め、その実空気量を基に吸入空気量を制御するのが好ましい。

また本発明は、天然ガス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、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燃焼噴射制御手段と、吸入空気圧と吸入空気温度とエンジン回転数を基に空気量を算出すると共に、その算出した空気量から燃料量での体積を減じて実空気量を求め、吸入空気量又は燃料量を制御して燃焼を制御する空燃比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。

本発明は、吸入空気量に対して燃料の体積と温度を考慮して天然ガスの供給量を制御するため、適正な空燃比に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を介して三元触媒３０に供給され、三元触媒３０でＮＯｘ、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、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、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、三元触媒３０の下流側には酸素センサ５５が設けられる。ラムダセンサ５４と酸素センサ５５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。

三元触媒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、酸素センサ５５の検出値を基に、燃焼を適宜リーン燃焼とリッチ燃焼に切り替えてＮＯｘを吸着除去する制御を行う。

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４２〜４６、４８、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、空燃比マップデータを基に吸入空気量と燃料供給量を決定すると共に、ラムダセンサ５４の検出値を基に燃料供給量を制御する燃料噴射制御手段６４と、吸気温度センサ４２、吸気圧力センサ４３の検出値を基に吸入空気量を算出する空気量算出手段６５と、空気量算出手段６５で算出された空気量から燃料供給量での燃料体積を減じて実空気量を求めると共に吸入空気量又は燃料供給量を制御して適正な燃焼となるように空気と燃料の混合比を制御する空燃比制御手段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、その開度に基づいた空気量に対してフューエルインジェクタ２６の開閉パルス幅を制御して燃料噴射量を制御するものである。

空気量算出手段６５は、スピードデンシティで空気量を算出するもので、エンジン回転数、吸気温度センサ４２と吸気圧力センサ４３の検出値と大気圧センサ６０の検出値を基に吸入空気量を算出する。

空燃比制御手段６６は、燃料噴射制御手段６４で設定された燃料供給量から燃料分の体積を求め、この体積分を空気量算出手段６５で算出した空気量から減じて実空気量を求め、空気量又は燃料供給量の一方又は両方を制御して空気と燃料の混合比を設定の空燃比となるように制御する。

以下に、空気量算出手段６５と空燃比制御手段６６による空気量の計算を説明する。

ＣＮＧの空気量の計算は、ＣＮＧ燃料が気体で、燃料の温度が体積で変わり、かつガソリン用の制御を使っていたため、燃料温度によって、補正がずれてしまい、燃焼が目標λ値にならないとき、この原因が、燃料性状でずれたのか、燃料温度でずれたのかの切り分けができなかった。

ここで吸入空気量（Ｑａ）指数算出方法を説明すると、
Ｑａ指数＝Ｑａ指数変換係数×吸入空気量
吸入空気＝（吸入管圧力［ｋＰａ］×エンジン回転数［ｒｐｍ］×充填効率）／吸気温度［Ｋ］）×スピードデンシティ係数×大気圧補正係数
スピードデンシティ係数＝（60×行程容積）／（空気のガス定数×1000×2）
大気圧補正係数（大気圧に応じた値（テーブル）［％］とする。）
となる。

上記の式は、ガソリンエンジンで用いる圧力から空気流量を割り出す式である。

ガソリンエンジンでは下表に示すように、燃料を空気内に噴射しても、無視できるほどの体積でしかない。しかし、ＣＮＧでは噴射するものは気体であるため、空気の充填効率を変化させるほどの体積があり、噴射する燃料分の減算が必要になる。
ＣＮＧ ガソリン 空気
理論空燃比 １６．８ １４．８
密度（g/l） ０．８４１ ８６０ １．２９３
理論空気体積（l） １０．９５ ９５０００．３９
理論体積比 １：１０．９５ １：９５００
ガソリン体積比 ８６７．８８ １

ガソリンに対して理論混合比で運転した場合、燃料体積はガソリンの８６７倍位あるため、スピードデンシティで空気量を計算した場合、計算値に対し、実際の空気は少なくなる。

よって、燃料ボリュームを減算する計算式が必要となり、下記の計算式で求める。
Ｑａ指数＝Ｑａ指数変換係数×（吸入空気量−インジェクターパルス幅から燃料温度、圧力を補正した燃料流量）
Ｑａ指数変換係数：インジェクターパルス幅から燃料温度、圧力を補正した燃料流量（以下、燃料流量）

燃料温度補正は気体のため影響が大きいため、燃料量の体積の計算に燃料温度と圧力を加えて燃料流量を求め、この燃料流量分を算出した空気量から減じてＱａ指数とする。

上記のようにＣＮＧの空燃比は、１６．８であり、ＣＮＧと空気の理論体積比は１対約１１であり、Ｑａ指数を求めることで、空燃比に基づいた、空気量と燃料量とＱａ指数で求めることで、空気量と燃料量を求めることができ、これに基づい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を制御することで気筒内での適正な燃焼が行えるようになる。

空燃比制御手段６６は、上記のＱａ指数を基に燃料量と空気量のいずれかを制御すべく、燃料噴射制御手段６４を介して、或いは直接吸気スロットルバルブ２４とフューエルインジェクタ２６を制御する。このフューエルインジェクタ２６の制御は、予め設定された開閉のパルス幅を、燃料温度と圧力を基に補正して、空気量に対して適正な燃料流量となるように燃料をインテークマニホールド２５に噴射する。また吸気を制御する場合には、設定された開度に対し吸気スロットルバルブ２４の開度をスロットル開度センサ４１の検出値を基に制御する。

これにより、空気と燃料の空燃比がエンジン回転数と負荷に基づいて適正に制御され、燃焼を目標λ値に一致させたストイキ燃焼が可能となる。

なお、上述の実施の形態では、ＣＮＧエンジンの例で説明したがＬＮＧ（液化天然ガス）でも燃焼性制御は同じであり、本発明を適用できることは勿論である。

１０ ＣＮＧエンジン
１１ｃ 気筒
２４ 吸気スロットルバルブ
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 (3)

1. 天然ガス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方法において、吸入空気圧と吸入空気温度とエンジン回転数を基に空気量を算出すると共にその空気量に基づいて燃料量を決定し、その決定した燃料量での体積を温度とに基づいて実空気量を求め、その実空気量に基づいて空気量又は燃料量を制御す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. 算出した空気量を基に、天然ガスの理論空燃比を基に燃料量を決定すると共に燃料温度と圧力を基に燃料量を、フューエルインジェクタの開閉のパルス幅を補正して、前記空気量に対して燃料流量を制御し、前記算出した空気量から前記燃料流量での体積を減算して実空気量を求め、その実空気量を基に吸入空気量を制御する請求項１記載のＣＮＧエンジンにおける燃焼制御方法。
3. 天然ガス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、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燃焼噴射制御手段と、吸入空気圧と吸入空気温度とエンジン回転数を基に空気量を算出すると共に、その算出した空気量から燃料量での体積を減じて実空気量を求め、吸入空気量又は燃料量を制御して燃焼を制御する空燃比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。