JP2020084766A - 内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】機関負荷が低い時に、燃焼用の燃料である圧縮天然ガスの燃焼性を向上させることができる内燃機関システムを提供すること。【解決手段】圧縮天然ガスが燃料として燃焼室に供給される内燃機関システムであって、圧縮天然ガスの第１供給経路に設けられ、圧縮天然ガスの圧力を減少させる第１減圧弁と、第１減圧弁で減圧された圧縮天然ガスを加熱する加熱装置と、加熱装置よりも第１供給経路の下流に設けられ、第１減圧弁で減圧された圧縮天然ガスを燃焼室に供給する第１インジェクタと、を備え、圧縮天然ガスは、内燃機関の機関負荷が予め定められた所定の機関負荷以下である場合に、加熱装置で加熱されて第１インジェクタから前記燃焼室に供給される、内燃機関システム。【選択図】図１

Description

本開示は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Compressed Natural Gas）を燃料として用いる内燃機関システムに関する。

従来、ＣＮＧを燃料として用いる内燃機関が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１には、着火用の燃料である軽油を筒内に噴射して着火させ、燃焼用の燃料であるＣＮＧを燃焼させる内燃機関が開示されている。

特開２０１２−１４９５３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関では、機関負荷が低い時に、燃焼用の燃料であるＣＮＧを確実に燃焼させることができず、燃費の悪化および不燃燃料の排出等を招くという問題があった。なお、このような問題に対処するために、機関負荷が低い時に、着火用の燃料を燃焼に用いる手法が考えられるが、このような手法は、燃費の面で改善の余地がある。

本開示の目的は、機関負荷が低い時に、燃焼用の燃料である圧縮天然ガスの燃焼性を向上させることができる内燃機関システムを提供することである。

本開示の一態様に係る内燃機関システムは、圧縮天然ガスが燃料として燃焼室に供給される内燃機関システムであって、前記圧縮天然ガスの第１供給経路に設けられ、前記圧縮天然ガスの圧力を減少させる第１減圧弁と、前記第１減圧弁で減圧された前記圧縮天然ガスを加熱する加熱装置と、前記加熱装置よりも前記第１供給経路の下流に設けられ、前記第１減圧弁で減圧された前記圧縮天然ガスを前記燃焼室に供給する第１インジェクタと、を備え、前記圧縮天然ガスは、前記内燃機関の機関負荷が予め定められた所定の機関負荷以下である場合に、前記加熱装置で加熱されて前記第１インジェクタから前記燃焼室に供給される、内燃機関システムである。

本開示に係る内燃機関システムによれば、機関負荷が低い時に、燃焼用の燃料である圧縮天然ガスの燃焼性を向上させることができる。

図１は、第１実施形態に係る内燃機関システムを示す図である。 図２は、制御部の動作を示すフローチャートである。 図３は、第２実施形態に係る内燃機関システムを示す図である。 図４は、制御部の動作を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は一例であり、本開示はこの実施形態により限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態に係る内燃機関システム１について説明する。図１は、第１実施形態に係る内燃機関システム１を示す図である。内燃機関システム１は、内燃機関１０と、その燃料供給系および吸排気系とを含む。

内燃機関１０のシリンダブロック１１には、複数の気筒１２が設けられている。なお、図１では、ひとつの気筒１２のみが示されている。気筒１２には、ピストン１３が設けられている。ピストン１３は、クランク軸にコンロッドを介して連結されており、クランク軸の回転に応じて気筒１２内を上下動する。シリンダブロック１１の上部を覆うシリンダヘッド１４には、気筒１２ごとに、インジェクタ１５、吸気弁１６および排気弁１７が設けられている。気筒１２の内壁１８、ピストン１３およびシリンダヘッド１４に囲まれた空間により、燃焼室１９が形成される。

内燃機関１０に供給される空気は、エアクリーナ（不図示）を通り、インテークマニホルド（「吸気管」の一例）２０においてＣＮＧと混合されて混合気を形成する。混合気は、吸気弁１６を介して気筒１２内に導入される。気筒１２内に導入された混合気は、気筒１２内において圧縮される。この状態でインジェクタ１５から軽油が噴射されると、当該軽油が着火元となって、ＣＮＧが燃焼する。内燃機関１０からの排気は、排気弁１７を介してエキゾーストマニホルド３０に排出され、排気浄化装置、消音装置等（不図示）を通って外部に排出される。

内燃機関１０の機関負荷が低い場合、インジェクタ１５から噴射される軽油の量が少ない。そのため、気筒１２内でＣＮＧを十分に燃焼させることが困難となる。また、燃焼用の燃料であるＣＮＧは、その温度によって、燃焼性が変化する。換言すると、ＣＮＧの温度は、燃焼性に影響を及ぼす。

本実施形態では、ＣＮＧは、タンク４０から第１供給経路５０または第２供給経路６０を通ってインテークマニホルド２０に供給される。タンク４０に貯留されたＣＮＧの圧力は、Ｐ_０である。また、タンク４０に貯留されたＣＮＧの温度は、Ｔ_０である。なお、内燃機関システム１０は、第１供給経路５０用の第１タンクと第２供給経路６０用の第２タンクとを別個に有していてもよい。

第１供給経路５０は、配管５１、第１レギュレータ５２（「第１減圧弁」の一例）、配管５３、熱交換器５４（「加熱装置」の一例）、配管５５、および、第１インジェクタ５６を含む。

配管５１は、タンク４０と第１レギュレータ５２とを接続する。配管５１の第一端は、タンク４０に接続されている。配管５１の第二端は、第１レギュレータ５２に接続されている。タンク４０に貯留されたＣＮＧは、配管５１内を通って第１レギュレータ５２に供給される。

第１レギュレータ５２は、タンク４０から供給されたＣＮＧの圧力を減少させる。第１レギュレータ５２で減圧された後のＣＮＧの圧力は、Ｐ_１１（＜Ｐ_０）である。また、第１レギュレータ５２による減圧によって、ＣＮＧの温度も低下する。第１レギュレータ５２で減圧された後のＣＮＧの温度は、Ｔ_１１（＜Ｔ_０）である。

配管５３は、第１レギュレータ５２と熱交換器５４とを接続する。配管５３の第一端は、第１レギュレータ５２に接続されている。配管５３の第二端は、熱交換器５４に接続されている。第１レギュレータ５２で減圧されたＣＮＧは、配管５３内を通って熱交換器５４に供給される。

熱交換器５４は、内燃機関１０を冷却するための冷却水との熱交換によって、第１レギュレータ５２から供給されたＣＮＧの温度を上昇させる。熱交換器５４で昇温された後のＣＮＧの温度は、Ｔ_１２（＞Ｔ_１１）である。また、熱交換器５４による昇温によって、ＣＮＧの圧力はほとんど変化しない。熱交換器５４で昇温された後のＣＮＧの圧力は、Ｐ_１２（≒Ｐ_１１）である。

熱交換器５４で用いられる熱媒体としては、内燃機関１０の冷却に用いられて高温となった冷却水が好適に用いられる。熱交換器５４でのＣＮＧとの熱交換により冷却された冷却水は、例えば冷却水循環ポンプの吸入口付近に戻される。なお、図１には、冷却水の流れが実線の矢印で示されている。

配管５５は、熱交換器５４と第１インジェクタ５６とを接続する。配管５５の第一端は、熱交換器５４に接続されている。配管５５の第二端は、第１インジェクタ５６に接続されている。熱交換器５４で昇温されたＣＮＧは、配管５５内を通って第１インジェクタ５６に供給される。

第１インジェクタ５６は、熱交換器５４から供給されたＣＮＧを、インテークマニホルド２０内に噴射する。第１インジェクタ５６は、第１噴射口５７を有する。第１噴射口５７の開口面積は、Ａ_１１である。

また、第１インジェクタ５６から噴射された後のＣＮＧの温度は、Ｔ_１３（＜Ｔ_１２）である。なお、第１インジェクタ５６は、ＣＮＧをインテークマニホルド２０内に噴射するものであるが、インテークマニホルド２０は燃焼室１９と接続されているため、インテークマニホルド２０内に噴射されたＣＮＧは燃焼室１９に供給される。すなわち、第１インジェクタ５６は、ＣＮＧを燃焼室１９に供給している。

第２供給経路６０は、配管６１、第２レギュレータ６２（「第２減圧弁」の一例）、配管６５、および、第２インジェクタ６６を含む。

配管６１は、タンク４０と第２レギュレータ６２とを接続する。配管６１の第一端は、タンク４０に接続されている。配管６１の第二端は、第２レギュレータ６２に接続されている。タンク４０に貯留されたＣＮＧは、配管６１内を通って第２レギュレータ６２に供給される。

第２レギュレータ６２は、タンク４０から供給されたＣＮＧの圧力を減少させる。第２レギュレータ６２の設定圧力は、第１レギュレータ５２の設定圧力より高い。第２レギュレータ６２で減圧された後のＣＮＧの圧力は、Ｐ_２１である。なお、Ｐ_０＞Ｐ_２１＞Ｐ_１１である。また、第２レギュレータ６２による減圧によって、ＣＮＧの温度も低下する。第２レギュレータ６２で減圧された後のＣＮＧの温度は、Ｔ_２１である。なお、Ｔ_０＞Ｔ_２１＞Ｔ_１１である。

配管６５は、第２レギュレータ６２と第２インジェクタ６６とを接続する。配管６５の第一端は、第２レギュレータ６２に接続されている。配管６５の第二端は、第２インジェクタ６６に接続されている。第２レギュレータ６２で減圧されたＣＮＧは、配管６５内を通って第２インジェクタ６６に供給される。

第２インジェクタ６６は、第２レギュレータ６２から供給されたＣＮＧを、インテークマニホルド２０内に噴射する。第２インジェクタ６６は、第２噴射口６７を有する。第２噴射口の開口面積は、Ａ_２１（＞Ａ_１１）である。

また、第２インジェクタ６６から噴射された後のＣＮＧの温度は、Ｔ_２３（＜Ｔ_２１）である。なお、第２インジェクタ６６は、ＣＮＧをインテークマニホルド２０内に噴射するものであるが、インテークマニホルド２０は燃焼室１９と接続されているため、インテークマニホルド２０内に噴射されたＣＮＧは燃焼室１９に供給される。すなわち、第２インジェクタ６６は、ＣＮＧを燃焼室１９に供給している。

ここで、第１インジェクタ５６から噴射されるＣＮＧの温度Ｔ_１３と、第２インジェクタ６６から噴射されるＣＮＧの温度Ｔ_２３とを比較すると、Ｔ_１３＞Ｔ_２３である。すなわち、第１供給経路５０を通って第１インジェクタ５６から噴射されるＣＮＧの温度は、第２供給経路６０を通って第２インジェクタ６６から噴射されるＣＮＧの温度よりも高い。

内燃機関システム１は、制御部７０を備える。制御部７０は、ハードウェアとして、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を有する。以下において説明する制御部７０の各機能は、ＣＰＵがＲＯＭから読み出したコンピュータプログラムをＲＡＭ上で実行することにより実現される。

制御部７０には、クランク角センサ７１およびアクセル開度センサ７２が電気的に接続されている。クランク角センサ７１は、内燃機関１０のクランク角を検出する。アクセル開度センサ７２は、内燃機関１０が搭載された車両のアクセル開度を検出する。制御部７０には、クランク角センサ７１からのクランク角信号と、アクセル開度センサ７２からのアクセル開度信号が入力される。制御部７０は、クランク角信号に基づいて内燃機関１０の機関回転数ＮＥを算出する。また、制御部７０は、アクセル開度信号に基づいて内燃機関１０の機関負荷ＱＥを算出する。

また、制御部７０には、第１インジェクタ５６、第２インジェクタ６６、インジェクタ１５、吸気弁１６および排気弁１７が電気的に接続されている。制御部７０は、第１インジェクタ５６からのＣＮＧの噴射、および、第２インジェクタ６６からのＣＮＧの噴射をそれぞれ制御する。制御部７０は、さらに、インジェクタ１５からの軽油の噴射、吸気弁１６の開閉、および、排気弁１７の開閉を制御する。

図２を参照して、制御部７０の動作について説明する。図２は、制御部７０の動作を示すフローチャートである。図２に示すフローチャートは、所定の周期で繰り返し実行される。

ステップＳ１で、制御部７０は、クランク角センサ７１から入力されたクランク角信号に基づいて、内燃機関１０の機関回転数ＮＥを算出する。また、制御部７０は、アクセル開度センサ７２から入力されたアクセル開度信号に基づいて、内燃機関１０の機関負荷ＱＥを算出する。

ステップＳ１に続くステップＳ２で、制御部７０は、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０以下か否かを判定する。なお、所定の機関負荷ＱＥ_０は、ＣＮＧの燃焼性を向上させるための制御を実行するか否かを判断するための閾値として、実験、シミュレーション等により予め求められ、制御部７０が有する記憶部に記憶されている。なお、所定の機関負荷ＱＥ_０は、機関回転数ＮＥに応じて可変とされてもよく、例えば、所定の機関負荷ＱＥ_０は、機関回転数ＮＥが高いほど低い値とされてもよい。

ステップＳ２で、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０以下であると判定された場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、処理はステップＳ３に進む。そして、ステップＳ３において、制御部７０は、第１インジェクタ５６から燃料を噴射させて、処理を終了する。

ステップＳ２で、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０以下でないと判定された場合（ステップＳ２：ＮＯ）、処理はステップＳ４に進む。そして、ステップＳ４において、制御部７０は、第２インジェクタ６６から燃料を噴射させて、処理を終了する。

以上説明したように、第１実施形態に係る内燃機関システム１は、ＣＮＧが燃料として燃焼室１９に供給される内燃機関システム１であって、ＣＮＧの第１供給経路５０に設けられ、ＣＮＧの圧力を減少させる第１レギュレータ５２と、第１レギュレータ５２で減圧されたＣＮＧを加熱する熱交換器５４と、熱交換器５４よりも第１供給経路５０の下流に設けられ、第１レギュレータ５２で減圧されたＣＮＧを燃焼室１９に供給する第１インジェクタ５６と、を備え、ＣＮＧは、内燃機関１０の機関負荷ＱＥが予め定められた所定の機関負荷ＱＥ_０以下である場合に、熱交換器５４で加熱されて第１インジェクタ５６から燃焼室１９に供給される、内燃機関システム１である。

これにより、内燃機関１０の機関負荷が低い時に、高温のＣＮＧを燃焼室１９内に供給することができる。機関負荷が低い場合、インジェクタ１５から噴射される軽油の量が少ない。そのため、ＣＮＧを十分に燃焼させることが困難となる。また、燃焼用の燃料であるＣＮＧは、その温度によって、燃焼性が変化する。換言すると、ＣＮＧの温度は、燃焼性に影響を及ぼす。本実施形態によれば、内燃機関１０の機関負荷が低い時に、高温のＣＮＧを燃焼室１９内に供給することで、ＣＮＧの燃焼性を向上させることができる。

また、第１実施形態に係る内燃機関システム１において、第１レギュレータ５２は、ＣＮＧの圧力を第１圧力Ｐ_１１に減圧する。また、内燃機関システム１は、ＣＮＧの第２供給経路６０に設けられ、前記圧縮天然ガスの圧力を前記第１圧力よりも高い第２圧力Ｐ_２１に減圧する第２レギュレータ６２と、第２レギュレータ６２で減圧されたＣＮＧを燃焼室１９に供給する第２インジェクタ６６と、第１インジェクタ５６および第２インジェクタ６６を制御する制御部７０と、をさらに備え、制御部７０は、機関負荷が所定の機関負荷ＱＥ_０以下である場合に、ＣＮＧを第１インジェクタ５６から燃焼室１９に供給させ、機関負荷が所定の機関負荷ＱＥ_０よりも大きい場合に、ＣＮＧを第２インジェクタ６６から燃焼室１９に供給させる。

これにより、第１インジェクタ５６および第２インジェクタ６６のいずれか一方から燃料を噴射させるという簡単な制御で、内燃機関１０の機関負荷が低い時に、高温のＣＮＧを燃焼室１９に供給することができる。また、ＣＮＧの噴射を行うインジェクタを切り替えるという構成のため、燃焼室１９に供給されるＣＮＧの温度の切り替えの応答性を向上させることができる。

また、これにより、以下に示す作用・効果を得ることができる。内燃機関１０の機関負荷が低い場合、燃焼室１９に供給されるＣＮＧの量は少量である。すなわち、少量のＣＮＧをインテークマニホルド２０内に噴射することが要求される。本実施形態では、内燃機関１０の機関負荷が低い場合には、第１インジェクタ５６に供給された低圧のＣＮＧが、第１インジェクタ５６からインテークマニホルド２０内に噴射される。

インジェクタに供給される燃料の圧力が低圧であれば、インジェクタからの燃料噴射量を細かく制御することが可能となる。そのため、内燃機関１０の機関負荷が低い場合に、少量のＣＮＧを高精度にインテークマニホルド２０内に噴射することができる。よって、内燃機関１０の機関負荷が低い場合の燃費を向上させることができる。

また、内燃機関１０の機関負荷が高い場合、燃焼室１９に供給されるＣＮＧの量は多量である。すなわち、多量のＣＮＧをインテークマニホルド２０内に噴射することが要求される。本実施形態では、内燃機関１０の機関負荷が高い場合には、第２インジェクタ６６に供給された高圧のＣＮＧが、第２インジェクタ６６からインテークマニホルド２０内に噴射される。

インジェクタに供給される燃料の圧力が高圧であれば、インジェクタから多量の燃料を噴射することが可能となる。よって、内燃機関１０の機関負荷が高い場合に、供給すべき多量のＣＮＧを確実にインテークマニホルド２０内に噴射することができる。

また、インジェクタに供給される燃料の圧力が高圧であれば、インジェクタから噴射された後のＣＮＧの減圧の程度が大きくなり、これに伴い、インジェクタから噴射された後のＣＮＧが、より低温となる。そのため、内燃機関１０の機関負荷が高い場合に、低温のＣＮＧをインテークマニホルド２０内に噴射することができる。機関負荷が高い場合には、ＣＮＧの燃焼性が過度に良好であるとノッキングが発生する可能性があるが、本実施形態によれば、機関負荷が高い場合に、低温のＣＮＧを供給するため、ノッキングをより確実に抑制することができる。

また、第１実施形態に係る内燃機関システム１では、第１インジェクタ５６に設けられた第１噴射口の開口面積Ａ_１１は、第２インジェクタ６６に設けられた第２噴射口の開口面積Ａ_２１より小さい。

これにより、以下に示す作用・効果を得ることができる。上述のとおり、機関負荷が低い場合、少量のＣＮＧをインテークマニホルド２０内に噴射することが要求される。このとき、噴射口の開口面積が大きいと、要求よりも多量のＣＮＧを噴射してしまう可能性がある。本実施形態によれば、機関負荷が低い場合に、開口面積の小さい第１噴射口５７からＣＮＧを噴射するため、少量のＣＮＧを高精度にインテークマニホルド２０内に噴射することができる。さらに、低圧のＣＮＧを開口面積の小さい第１噴射口５７から噴射するため、ＣＮＧをより高精度にインテークマニホルド２０内に噴射することができる。

また、上述のとおり、機関負荷が高い場合、多量のＣＮＧをインテークマニホルド２０内に噴射することが要求される。このとき、噴射口の開口面積が小さいと、要求される噴射量を実現できない可能性がある。本実施形態によれば、機関負荷が高い場合に、開口面積の大きい第２噴射口６７からＣＮＧを噴射するため、多量のＣＮＧをインテークマニホルド２０内に噴射することができる。さらに、高圧のＣＮＧを開口面積の大きい第２噴射口６７から噴射するため、より多量のＣＮＧをインテークマニホルド２０内に噴射することができる。

（第２実施形態）
図３を参照して、第２実施形態に係る内燃機関システム１０１について説明する。図２は、第２実施形態に係る内燃機関システム１０１を示す図である。内燃機関システム１０１は、内燃機関１１０と、その燃料供給系および吸排気系とを含む。

内燃機関１１０のシリンダブロック１１１には、複数の気筒１１２が設けられている。なお、図３では、ひとつの気筒１１２のみが示されている。気筒１１２には、ピストン１１３が設けられている。ピストン１１３は、クランク軸にコンロッドを介して連結されており、クランク軸の回転に応じて気筒１１２内を上下動する。シリンダブロック１１１の上部を覆うシリンダヘッド１１４には、気筒１１２ごとに、インジェクタ１１５、吸気弁１１６および排気弁１１７が設けられている。燃焼室１１９は、気筒１１２の内壁１１８、ピストン１１３およびシリンダヘッド１１４に囲まれた空間により構成される。

内燃機関１１０に供給される空気は、エアクリーナ（不図示）を通り、インテークマニホルド（「吸気管」の一例）１２０においてＣＮＧと混合されて混合気を形成する。混合気は、吸気弁１１６を介して気筒１１２内に導入される。気筒１１２内に導入された混合気は、気筒１１２内において圧縮される。この状態でインジェクタ１１５から軽油が噴射されると、当該軽油が着火元となって、ＣＮＧが燃焼する。内燃機関１１０からの排気は、排気弁１１７を介してエキゾーストマニホルド１３０に排出され、排気浄化装置、消音装置等（不図示）を通って外部に排出される。

内燃機関１１０の機関負荷が低い場合、インジェクタ１１５から噴射される軽油の量が少ない。そのため、気筒１１２内でＣＮＧを十分に燃焼させることが困難となる。また、燃焼用の燃料であるＣＮＧは、その温度によって、燃焼性が変化する。換言すると、ＣＮＧの温度は、燃焼性に影響を及ぼす。

本実施形態では、ＣＮＧは、タンク１４０から供給経路（「第１供給経路」の一例）１５０を通ってインテークマニホルド１２０に供給される。タンク１４０に貯留されたＣＮＧの圧力は、Ｐ_０である。また、タンク１４０に貯留されたＣＮＧの温度は、Ｔ_０である。

供給経路１５０は、配管１５１、レギュレータ１５２（「第１減圧弁」の一例）、配管１５３、熱交換器１５４（「加熱装置」の一例）、配管１５５、および、インジェクタ１５６（「第１インジェクタ」の一例）を含む。

配管１５１は、タンク１４０とレギュレータ１５２とを接続する。配管１５１の第一端は、タンク１４０に接続されている。配管１５１の第二端は、レギュレータ１５２に接続されている。タンク１４０に貯留されたＣＮＧは、配管１５１内を通ってレギュレータ１５２に供給される。

レギュレータ１５２は、タンク１４０から供給されたＣＮＧの圧力を減少させる。本実施形態では、レギュレータ１５２は、減圧後のＣＮＧの圧力（以下、「設定圧力」という場合がある）を第１圧力Ｐ_３１または第２圧力Ｐ_４１に変更することが可能である。なお、Ｐ_０＞Ｐ_４１＞Ｐ_３１である。レギュレータ１５２の設定圧力の変更は、制御部１７０（後述する）からの制御信号に基づいて行われる。また、レギュレータ１５２による減圧によって、ＣＮＧの温度も低下する。レギュレータ１５２で第１圧力Ｐ_３１に減圧された後のＣＮＧの温度は、Ｔ_３１である。また、レギュレータ１５２で第２圧力Ｐ_４１に減圧された後のＣＮＧの温度は、Ｔ_４１である。なお、Ｔ_０＞Ｔ_４１＞Ｔ_３１である。

配管１５３は、レギュレータ１５２と熱交換器１５４とを接続する。配管１５３の第一端は、レギュレータ１５２に接続されている。配管１５３の第二端は、熱交換器１５４に接続されている。レギュレータ１５２で減圧されたＣＮＧは、配管１５３内を通って熱交換器１５４に供給される。

熱交換器１５４は、内燃機関１１０を冷却するための冷却水との熱交換によって、レギュレータ１５２から供給されたＣＮＧの温度を上昇させる。本実施形態では、熱交換器１５４に至る冷却水の流路に、熱交換器１５４の入力側と出力側とをバイパスするバイパス流路１８０と、切替弁１８１とが設けられている。切替弁１８１を第１状態とすることで、冷却水は、熱交換器１５４に供給される。これにより、ＣＮＧは加熱され、ＣＮＧの温度は上昇する。切替弁を第２状態とすることで、冷却水は、熱交換器１５４には供給されず、バイパス流路１８０を通って戻る。これにより、ＣＮＧは加熱されず、ＣＮＧの温度は上昇しない。切替弁１８１の切替は、制御部１７０からの制御信号に基づいて行われる。なお、熱交換器１５４による昇温によって、ＣＮＧの圧力はほとんど変化しない。

熱交換器１５４で用いられる熱媒体としては、内燃機関１１０の冷却に用いられて高温となった冷却水が好適に用いられる。熱交換器１５４でのＣＮＧとの熱交換により冷却された冷却水は、例えば冷却水循環ポンプの吸入口付近に戻される。なお、図３には、冷却水の流れが矢印で示されている。実線の矢印は、冷却水が熱交換器１５４に供給される状態を示している。破線の矢印は、冷却水が熱交換器１５４に供給されない状態を示している。

配管１５５は、熱交換器１５４とインジェクタ１５６とを接続する。配管１５５の第一端は、熱交換器１５４に接続されている。配管１５５の第二端は、インジェクタ１５６に接続されている。熱交換器１５４で昇温されたＣＮＧは、配管１５５内を通ってインジェクタ１５６に供給される。

インジェクタ１５６は、熱交換器１５４から供給されたＣＮＧを、インテークマニホルド１２０内に噴射する。インジェクタ１５６は、噴射口１５７を有する。本実施形態では、噴射口１５７の開口面積は、第１面積Ａ_３１または第２面積Ａ_４１に変更することが可能である。噴射口１５７の開口面積の変更は、制御部１７０からの制御信号に基づいて行われる。

なお、インジェクタ１５６は、ＣＮＧをインテークマニホルド１２０内に噴射するものであるが、インテークマニホルド１２０は燃焼室１１９と接続されているため、インテークマニホルド１２０内に噴射されたＣＮＧは燃焼室１１９に供給される。すなわち、インジェクタ１５６は、ＣＮＧを燃焼室１１９に供給している。

内燃機関システム１０１は、制御部１７０を備える。制御部１７０は、ハードウェアとして、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を有する。以下において説明する制御部１７０の各機能は、ＣＰＵがＲＯＭから読み出したコンピュータプログラムをＲＡＭ上で実行することにより実現される。

制御部１７０には、クランク角センサ１７１およびアクセル開度センサ１７２が電気的に接続されている。クランク角センサ１７１は、内燃機関１１０のクランク角を検出する。アクセル開度センサ１７２は、内燃機関１１０が搭載された車両のアクセル開度を検出する。制御部１７０には、クランク角センサ１７１からのクランク角信号と、アクセル開度センサ１７２からのアクセル開度信号が入力される。制御部１７０は、クランク角信号に基づいて内燃機関１１０の機関回転数ＮＥを算出する。また、制御部１７０は、アクセル開度信号に基づいて内燃機関１１０の機関負荷ＱＥを算出する。

また、制御部１７０には、レギュレータ１５２、切替弁１８１、インジェクタ１５６、インジェクタ１１５、吸気弁１１６および排気弁１１７が電気的に接続されている。制御部１７０は、レギュレータ１５２の設定圧力の変更、切替弁１８１の切り替え、および、噴射口１５７の開口面積の変更を制御する。制御部１７０は、さらに、インジェクタ１５６からのＣＮＧの噴射、インジェクタ１１５からの軽油の噴射、吸気弁１１６の開閉、および、排気弁１１７の開閉を制御する。

図４を参照して、制御部１７０の動作について説明する。図４は、制御部１７０の動作を示すフローチャートである。図４に示すフローチャートは、所定の周期で繰り返し実行される。

ステップＳ１１で、制御部１７０は、クランク角センサ１７１から入力されたクランク角信号に基づいて、内燃機関１１０の機関回転数ＮＥを算出する。また、制御部１７０は、アクセル開度センサ１７２から入力されたアクセル開度信号に基づいて、内燃機関１１０の機関負荷ＱＥを算出する。

ステップＳ１１に続くステップＳ１２で、制御部１７０は、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０以下か否かを判定する。なお、所定の機関負荷ＱＥ_０は、ＣＮＧの燃焼性を向上させるための制御を実行するか否かを判断するための閾値として、実験、シミュレーション等により予め求められ、制御部１７０が有する記憶部に記憶されている。なお、所定の機関負荷ＱＥ０は、機関回転数ＮＥに応じて可変とされてもよく、例えば、所定の機関負荷ＱＥ０は、機関回転数ＮＥが高いほど低い値とされてもよい。

ステップＳ１２で、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０以下であると判定された場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１３に進む。ステップＳ１３で、制御部１７０は、レギュレータ１５２の設定圧力を第１圧力Ｐ_３１とする。続くステップＳ１４で、制御部１７０は、切替弁１８１を第１状態とする。そして、続くステップＳ１５で、制御部１７０は、噴射口１５７の開口面積を第１面積Ａ_３１とする。ステップＳ１５の後、処理は終了する。

ステップＳ１２で、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０以下でないと判定された場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、処理はステップＳ２３に進む。ステップＳ２３で、制御部１７０は、レギュレータ１５２の設定圧力を第２圧力Ｐ_３２とする。続くステップＳ２４で、制御部１７０は、切替弁１８１を第２状態とする。そして、続くステップＳ２５で、制御部１７０は、噴射口１５７の開口面積を第２面積Ａ_３２とする。ステップＳ２５の後、処理は終了する。

以上説明したように、第２実施形態に係る内燃機関システム１０１は、ＣＮＧが燃料として燃焼室１１９に供給される内燃機関システム１０１であって、ＣＮＧの供給経路１５０に設けられ、ＣＮＧの圧力を減少させるレギュレータ１５２と、レギュレータ１５２で減圧されたＣＮＧを加熱する熱交換器１５４と、熱交換器１５４よりも供給経路１５０の下流に設けられ、レギュレータ１５２で減圧されたＣＮＧを燃焼室１１９に供給するインジェクタ１５６と、を備え、ＣＮＧは、内燃機関１１０の機関負荷ＱＥが予め定められた所定の機関負荷ＱＥ_０以下である場合に、熱交換器１５４で加熱されてインジェクタ１５６から燃焼室１１９に供給される、内燃機関システム１０１である。

これにより、内燃機関１１０の機関負荷が低い時に、高温のＣＮＧを燃焼室１１９内に供給することができる。機関負荷が低い場合、インジェクタ１１５から噴射される軽油の量が少ない。そのため、ＣＮＧを十分に燃焼させることが困難となる。また、燃焼用の燃料であるＣＮＧは、その温度によって、燃焼性が変化する。換言すると、ＣＮＧの温度は、燃焼性に影響を及ぼす。本実施形態によれば、内燃機関１１０の機関負荷が低い時に、高温のＣＮＧを燃焼室１１９内に供給することで、ＣＮＧの燃焼性を向上させることができる。

また、第２実施形態では、熱交換器１５４に至る冷却水の流路に、熱交換器１５４の入力側と出力側とをバイパスするバイパス流路１８０と、切替弁１８１とを設け、制御部１７０によって切替弁１８１を第１状態または第２状態に切替可能とした。制御部１７０は、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０以下である場合に、切替弁１８１を第１状態とする。これにより、冷却水が熱交換器１５４に供給され、ＣＮＧが加熱される。また、制御部１７０は、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０より大きい場合に、切替弁１８１を第２状態とする。これにより、冷却水は熱交換器１５４に供給されず、ＣＮＧは加熱されない。

そのため、切替弁１８１を切り替えるという簡単な構造および制御で、内燃機関１１０の機関負荷が低い時に、高温のＣＮＧを燃焼室１１９に供給することができる。

また、第２実施形態では、レギュレータ１５２の設定圧力を、制御部１７０によって第１圧力Ｐ_３１または第１圧力Ｐ_３１よりも高い第２圧力Ｐ_４１に変更可能とした。制御部１７０は、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０以下である場合に、設定圧力を第１圧力Ｐ_３１とする。また、制御部１７０は、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０より大きい場合に、設定圧力を第２圧力Ｐ_４１とする。

これにより、以下に示す作用・効果を得ることができる。内燃機関１１０の機関負荷が低い場合、燃焼室１１９に供給すべきＣＮＧの量は少量である。すなわち、少量のＣＮＧをインテークマニホルド１２０内に噴射することが要求される。本実施形態では、内燃機関１１０の機関負荷が低い場合には、低圧のＣＮＧが、インジェクタ１５６からインテークマニホルド１２０内に噴射される。

インジェクタに供給される燃料の圧力が低圧であれば、インジェクタからの燃料噴射量を細かく制御することが可能となる。そのため、内燃機関１１０の機関負荷が低い場合に、少量のＣＮＧを高精度にインテークマニホルド１２０内に噴射することができる。よって、内燃機関１１０の機関負荷が低い場合の燃費を向上させることができる。

また、内燃機関１１０の機関負荷が高い場合、燃焼室１１９に供給すべきＣＮＧの量は多量である。すなわち、多量のＣＮＧをインテークマニホルド１２０内に噴射することが要求される。本実施形態では、内燃機関１１０の機関負荷が高い場合には、高圧のＣＮＧが、インジェクタ１５６からインテークマニホルド１２０内に噴射される。

インジェクタに供給される燃料の圧力が高圧であれば、インジェクタから多量の燃料を噴射することが可能となる。よって、内燃機関１１０の機関負荷が高い場合に、要求に基づく多量のＣＮＧを確実にインテークマニホルド１２０内に噴射することができる。

また、インジェクタに供給される燃料の圧力が高圧であれば、インジェクタから噴射された後のＣＮＧの減圧の程度が大きくなり、これに伴い、インジェクタから噴射された後のＣＮＧが、より低温となる。そのため、内燃機関１１０の機関負荷が高い場合に、低温のＣＮＧをインテークマニホルド１２０内に噴射することができる。機関負荷が高い場合には、ノッキングが発生する可能性があるが、本実施形態によれば、機関負荷が高い場合に、低温のＣＮＧを供給するため、ノッキングをより確実に抑制することができる。

また、第２実施形態では、インジェクタ１５６の噴射口１５７の開口面積を、制御部１７０によって第１面積Ａ_３１または第１面積Ａ_３１よりも大きい第２面積Ａ_４１に変更可能とした。制御部１７０は、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０以下である場合に、開口面積を第１面積Ａ_３１とする。また、制御部１７０は、機関負荷ＱＥが所定の機関負荷ＱＥ_０より大きい場合に、開口面積を第２面積Ａ_４１とする。

これにより、以下に示す作用・効果を得ることができる。上述のとおり、機関負荷が低い場合、少量のＣＮＧをインテークマニホルド１２０内に噴射することが要求される。このとき、噴射口の開口面積が大きいと、要求されるよりも大量のＣＮＧを噴射してしまう可能性がある。本実施形態によれば、機関負荷が低い場合に、開口面積を小さくするため、少量のＣＮＧを高精度にインテークマニホルド１２０内に噴射することができる。さらに、低圧のＣＮＧを開口面積の小さい噴射口から噴射するため、ＣＮＧをより高精度にインテークマニホルド１２０内に噴射することができる。

また、上述のとおり、機関負荷が高い場合、多量のＣＮＧをインテークマニホルド１２０内に噴射することが要求される。このとき、噴射口の開口面積が小さいと、要求される噴射量を実現できない可能性がある。本実施形態によれば、機関負荷が高い場合に、開口面積の大きくするため、多量のＣＮＧをインテークマニホルド１２０内に噴射することができる。さらに、高圧のＣＮＧを開口面積の大きい噴射口から噴射するため、より多量のＣＮＧをインテークマニホルド１２０内に噴射することができる。

以下、第２実施形態の第１変形例〜第３変形例について説明する。第１変形例では、切替弁１８１を、第１状態と第２状態との間の所定位置に維持可能なものとする。制御部１７０は、機関回転数ＮＥおよび機関負荷ＱＥが低いほど、ＣＮＧが高温となり、かつ、機関回転数ＮＥおよび機関負荷ＱＥが高いほど、ＣＮＧが低温となるように、切替弁１８１を制御する。このようにすれば、ＣＮＧの温度を機関回転数ＮＥおよび機関負荷ＱＥに応じた適切な温度とすることができる。

第２変形例では、レギュレータ１５２の設定圧力を、第１圧力と第２圧力との間の所定圧力に設定可能とする。制御部１７０は、機関回転数ＮＥおよび機関負荷ＱＥが低いほど、ＣＮＧが低圧となり、機関回転数ＮＥおよび機関負荷ＱＥが高いほど、ＣＮＧが高圧となるように、レギュレータ１５２を制御する。このようにすれば、ＣＮＧの圧力を機関回転数ＮＥおよび機関負荷ＱＥに応じた適切な圧力とすることができる。

第３変形例では、インジェクタ１５６の噴射口１５７の開口面積を、第１面積と第２面積との間の所定面積に設定可能とする。制御部１７０は、機関回転数ＮＥおよび機関負荷ＱＥが低いほど、開口面積が小さくなり、機関回転数ＮＥおよび機関負荷ＱＥが高いほど、開口面積が大きくなるように、インジェクタ１５６を制御する。このようにすれば、噴射口の開口面積を機関回転数ＮＥおよび機関負荷ＱＥに応じた適切なものとすることができる。なお、上述の第１〜第３変形例は適宜組み合わせて用いることができる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

上述の実施形態では、インジェクタからインテークマニホルド内にＣＮＧを噴射するものを例に説明を行ったが、これに限定されない。インジェクタは、気筒内にＣＮＧを噴射するものであってもよい。この場合にも、インジェクタから気筒内に噴射されたＣＮＧと、気筒内に供給された空気とによって、混合気が形成される。

また、上述の実施形態では、加熱装置として、エンジン冷却水を用いた熱交換器でＣＮＧを加熱するものを例に説明を行ったが、これに限定されない。熱交換器の熱媒体はエンジン冷却水には限定されない。また、加熱装置として、例えばヒータを用いてもよい。

本開示の内燃機関システムによれば、機関負荷が低い時に、燃焼用の燃料である圧縮天然ガスの燃焼性を向上させることができ、産業上の利用可能性は多大である。

１、１０１ 内燃機関システム
１０、１１０ 内燃機関
１１、１１１ シリンダブロック
１２、１１２ 気筒
１３、１１３ ピストン
１４、１１４ シリンダヘッド
１５、１１５ インジェクタ
１６、１１６ 吸気弁
１７、１１７ 排気弁
１８、１１８ 内壁
１９、１１９ 燃焼室
２０、１２０ インテークマニホルド
３０、１３０ エキゾーストマニホルド
４０、１４０ タンク
５０ 第１供給経路
５１、５３、５５ 配管
５２ 第１レギュレータ
５４ 熱交換器
５６ 第１インジェクタ
５７ 第１噴射口
６０ 第２供給経路
６１、６５ 配管
６２ 第２レギュレータ
６６ 第２インジェクタ
６７ 第２噴射口
７０、１７０ 制御部
７１、１７１ クランク角センサ
７２、１７２ アクセル開度センサ
１５０ 供給経路
１５１、１５３、１５５ 配管
１５２ レギュレータ
１５４ 熱交換器
１５６ インジェクタ
１５７ 噴射口
１８０ バイパス流路
１８１ 切替弁

Claims (9)

1. 圧縮天然ガスが燃料として燃焼室に供給される内燃機関システムであって、
   前記圧縮天然ガスの第１供給経路に設けられ、前記圧縮天然ガスの圧力を減少させる第１減圧弁と、
   前記第１減圧弁で減圧された前記圧縮天然ガスを加熱する加熱装置と、
   前記加熱装置よりも前記第１供給経路の下流に設けられ、前記第１減圧弁で減圧された前記圧縮天然ガスを前記燃焼室に供給する第１インジェクタと、を備え、
   前記圧縮天然ガスは、前記内燃機関の機関負荷が予め定められた所定の機関負荷以下である場合に、前記加熱装置で加熱されて前記第１インジェクタから前記燃焼室に供給される、
   内燃機関システム。
2. 前記第１減圧弁は、前記圧縮天然ガスの圧力を第１圧力に減圧するものであり、
   前記圧縮天然ガスの第２供給経路に設けられ、前記圧縮天然ガスの圧力を前記第１圧力よりも高い第２圧力に減圧する第２減圧弁と、
   前記第２減圧弁で減圧された前記圧縮天然ガスを前記燃焼室に供給する第２インジェクタと、
   前記第１インジェクタおよび前記第２インジェクタを制御する制御部と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記機関負荷が前記所定の機関負荷以下である場合に、前記圧縮天然ガスを前記第１インジェクタから前記燃焼室に供給させ、前記機関負荷が前記所定の機関負荷よりも大きい場合に、前記圧縮天然ガスを前記第２インジェクタから前記燃焼室に供給させる、
   請求項１に記載の内燃機関システム。
3. 前記第１インジェクタに設けられた第１噴射口の開口面積は、前記第２インジェクタに設けられた第２噴射口の開口面積より小さい、
   請求項２に記載の内燃機関システム。
4. 前記第１インジェクタおよび前記第２インジェクタは、前記燃焼室に接続された吸気管内に前記圧縮天然ガスを噴射する、
   請求項２または３に記載の内燃機関システム。
5. 前記加熱装置を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記機関負荷が前記所定の機関負荷以下である場合に、前記圧縮天然ガスを加熱し、かつ、前記機関負荷が前記所定の機関負荷より大きい場合に、前記圧縮天然ガスを加熱しないように、前記加熱装置を制御する、
   請求項１に記載の内燃機関システム。
6. 前記制御部は、前記機関負荷が前記所定の機関負荷以下である場合に、前記圧縮天然ガスの圧力を第３圧力に減圧し、かつ、前記機関負荷が前記所定の機関負荷より大きい場合に、前記圧縮天然ガスの圧力を前記第３圧力よりも高い第４圧力に減圧するように、前記第１減圧弁を制御する、
   請求項５に記載の内燃機関システム。
7. 前記制御部は、前記機関負荷が前記所定の機関負荷以下である場合に、前記第１インジェクタの噴射口の開口面積を第１面積とし、かつ、前記機関負荷が前記所定の機関負荷より大きい場合に、前記第１インジェクタの噴射口の開口面積を前記第１面積よりも大きい第２面積とするように、前記第１インジェクタを制御する、
   請求項５または６に記載の内燃機関システム。
8. 前記第１インジェクタは、前記燃焼室に接続された吸気管内に前記圧縮天然ガスを噴射する、
   請求項５〜７のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
9. 前記加熱装置は、前記内燃機関の冷却水と前記圧縮天然ガスとの間で熱交換を行わせる熱交換器である、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関システム。

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