JP2020084767A - Internal combustion engine system - Google Patents
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Abstract
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。 The present disclosure relates to an internal combustion engine system that uses compressed natural gas (CNG) as a fuel.
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。
BACKGROUND ART Conventionally, an internal combustion engine that uses CNG as fuel has been known (for example, see Patent Document 1).
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。
However, the internal combustion engine described in
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。 An object of the present disclosure is to provide an internal combustion engine system that can improve the combustibility of compressed natural gas, which is a fuel for combustion, when the engine load is low.
本開示の一態様に係る内燃機関システムは、軽油と圧縮天然ガスとを燃焼室で混合燃焼させる内燃機関システムであって、吸気通路と前記燃焼室との間に設けられた吸気弁と、前記吸気弁の開閉タイミングを内燃機関の機関負荷に応じて制御する制御部と、を備え、前記制御部は、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の場合には、前記機関負荷が前記所定の機関負荷より高い場合よりも、前記吸気弁を閉じるタイミングを遅くする、内燃機関システムである。 An internal combustion engine system according to an aspect of the present disclosure is an internal combustion engine system in which light oil and compressed natural gas are mixed and burned in a combustion chamber, and an intake valve provided between an intake passage and the combustion chamber, A control unit that controls the opening/closing timing of the intake valve in accordance with the engine load of the internal combustion engine; and the control unit, when the engine load of the internal combustion engine is a predetermined engine load or less, An internal combustion engine system that delays the timing of closing the intake valve as compared with the case where the engine load is higher than the predetermined engine load.
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。 According to the internal combustion engine system of the present disclosure, it is possible to improve the combustibility of compressed natural gas that is a fuel for combustion when the engine load is low.
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。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The embodiment described below is an example, and the present disclosure is not limited to this embodiment.
(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。
(First embodiment)
An internal
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。
The
インジェクタ15は、例えばピエゾ式のインジェクタであり、着火用の燃料である軽油を気筒12内に噴射する。インジェクタ15からの軽油の噴射は、制御部70(後述する)によって制御される。
The
吸気弁16は、可変バルブタイミング機構を備えている。吸気弁16の開弁タイミングおよび閉弁タイミングは、制御部70によって制御される。排気弁17は、可変バルブタイミング機構を備えている。排気弁17の開弁タイミングおよび閉弁タイミングは、制御部70によって制御される。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。
The
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内において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。
The air supplied to the
CNGは、タンク40から供給経路50を通ってインテークマニホルド20内に供給される。供給経路50は、配管51、レギュレータ52、配管53、および、インジェクタ54を含む。配管51は、タンク40とレギュレータ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、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内を通ってレギュレータ52に供給される。
CNG is supplied from the
レギュレータ52は、タンク40から供給されたCNGの圧力を所定の圧力に減少させる。配管53は、レギュレータ52とインジェクタ54とを接続する。配管53の第一端は、レギュレータ52に接続されている。配管53の第二端は、インジェクタ54に接続されている。レギュレータ52で所定の圧力に減圧されたCNGは、配管53内を通ってインジェクタ54に供給される。
The
インジェクタ54は、レギュレータ52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。インジェクタ54からのCNGの噴射は、制御部70によって制御される。なお、インジェクタ54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、インジェクタ54は、CNGを燃焼室19に供給している。
The injector 54 injects the CNG supplied from the
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。
The internal
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。
A
また、制御部70には、インジェクタ15、吸気弁16、排気弁17、およびインジェクタ54が電気的に接続されている。制御部70は、インジェクタ15からの軽油の噴射、吸気弁16の開閉、排気弁17の開閉、および、インジェクタ54からのCNGの噴射を制御する。
The
インジェクタ15、吸気弁16、排気弁17、およびインジェクタ54は、内燃機関10の機関回転数NEおよび機関負荷QEに基づいて、制御部70が有する記憶部に予め記憶された制御マップに従って制御される。
The
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。そこで、本実施形態では、内燃機関10の機関負荷が低い場合と、低くない場合とで、吸気弁16の開閉タイミングを変更するようにしている。これにより、内燃機関10の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。
When the engine load of the
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。
The operation of the
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。
In step S1, the
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QE0以下か否かを判定する。なお、所定の機関負荷QE0は、CNGを確実に燃焼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。
In step S2 following step S1, the
ステップS2で、機関負荷QEが所定の機関負荷QE0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、吸気弁16の開閉パターンを第1開閉パターンに設定して、処理を終了する。
When it is determined in step S2 that the engine load QE is less than or equal to the predetermined engine load QE 0 (step S2: YES), the process proceeds to step S3. Then, in step S3, the
ステップS2で、機関負荷QEが所定の機関負荷QE0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、吸気弁16の開閉パターンを第2開閉パターンに設定して、処理を終了する。
When it is determined in step S2 that the engine load QE is not equal to or less than the predetermined engine load QE 0 (step S2: NO), the process proceeds to step S4. Then, in step S4, the
図3を参照して、第1開閉パターンおよび第2開閉パターンについて説明する。まず、第2開閉パターンについて説明する。第2開閉パターンは、上述のとおり、機関負荷QEが所定の機関負荷QE0以下でないと判定された場合に設定される。 The first opening/closing pattern and the second opening/closing pattern will be described with reference to FIG. First, the second opening/closing pattern will be described. As described above, the second opening/closing pattern is set when it is determined that the engine load QE is not less than or equal to the predetermined engine load QE 0 .
排気弁17は、燃焼行程において、ピストン13が下死点に至るよりも前のタイミング(時刻t1)で開かれる。排気弁17は、排気行程では開かれたままとされ、吸気行程において、ピストン13が上死点から下降し始めた直後のタイミング(時刻t5)で閉じられる。
The
吸気弁16は、排気行程において、ピストン13が上死点に至る前のタイミング(時刻t3)で開かれる。よって、時刻t3から時刻t5までは、吸気弁16および排気弁17の両方が開いた状態となる。吸気弁16は、吸気行程では開かれたままとされ、圧縮行程において、ピストン13が下死点から上昇し始めた後のタイミング(時刻t6)で閉じられる。
The
インジェクタ54は、排気行程において、吸気弁16が開かれる直前のタイミング(時刻t2)から、ピストン13が上死点に至るタイミング(時刻t4)まで、CNGをインテークマニホルド20内に噴射する。インテークマニホルド20内に噴射されたCNGは、空気と混合されて混合気を形成する。混合気は、ピストン13の下降に伴って、吸気弁16を介して気筒12内に導入される。ピストン13が下死点に達した後、上述のとおり吸気弁16が閉じられ、ピストン13の上昇に伴って、燃焼室19内の混合気は圧縮される。
In the exhaust stroke, the injector 54 injects CNG into the
インジェクタ15は、圧縮行程において、ピストン13が上死点に至る直前のタイミング(時刻t7〜t8)で、軽油を気筒12内に噴射する。気筒12内に噴射された軽油が着火元となり、CNGが燃焼する。そして、上述のとおり、燃焼行程の終盤において排気弁17が開かれ、ピストン13の上昇に伴って、排気は排気弁17を介して気筒12内から排出される。
In the compression stroke, the
次に、第1開閉パターンについて説明する。第1開閉パターンは、上述のとおり、機関負荷QEが所定の機関負荷QE0以下であると判定された場合に設定される。 Next, the first opening/closing pattern will be described. As described above, the first opening/closing pattern is set when it is determined that the engine load QE is less than or equal to the predetermined engine load QE 0 .
排気弁17の開閉タイミングは、第2開閉パターンと同様である。すなわち、排気弁17は、燃焼行程において、ピストン13が下死点に至るよりも前のタイミング(時刻t1)で開かれ、吸気行程において、ピストン13が上死点から下降し始めた直後のタイミング(時刻t5)で閉じられる。
The opening/closing timing of the
吸気弁16は、吸気行程において、排気弁17が閉じられてから所定時間経過後のタイミング(時刻t9)で開かれる。吸気弁16は、圧縮行程において、ピストン13が下死点と上死点との略中間位置に達したタイミング(時刻t11)で閉じられる。
The
インジェクタ54からのCNGの噴射タイミングは、第2開閉パターンと同様である。すなわち、インジェクタ54は、排気行程において、吸気弁16が開かれる直前のタイミング(時刻t2)から、ピストン13が上死点に至るタイミング(時刻t4)まで、CNGをインテークマニホルド20内に噴射する。インテークマニホルド20内に噴射されたCNGは、空気と混合されて混合気を形成する。
The injection timing of CNG from the injector 54 is the same as the second opening/closing pattern. That is, the injector 54 injects CNG into the
混合気は、吸気弁16が開かれた後、ピストン13の下降に伴って、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の温度は、ピストン13および内壁18との熱交換によって上昇する(図3における「熱交換行程」)。
The air-fuel mixture is introduced into the
上述のとおり、第1開閉パターンでは、吸気弁16は、圧縮行程においてピストン13が下死点と上死点との略中間位置に達したタイミング(時刻t11)までは開かれたままである。そのため、ピストン13が下死点に達したタイミング(時刻t10)から、ピストン13が下死点と上死点との略中間位置に達するタイミング(時刻t11)までの間、混合気はインテークマニホルド20内に戻される(図3における「吸気戻し行程」)。インテークマニホルド20内に戻されず、燃焼室19内に残った混合気は、吸気弁16が閉じられ、ピストン13が上昇することで圧縮される。
As described above, in the first opening/closing pattern, the
インジェクタ15からの軽油の噴射タイミングは、第2開閉パターンと同様である。すなわち、圧縮行程において、ピストン13が上死点に至る直前のタイミング(時刻t7〜t8)で、軽油を気筒12内に噴射する。気筒12内に噴射された軽油が着火元となり、CNGが燃焼する。そして、上述のとおり、燃焼行程の終盤において排気弁17が開かれ、ピストン13の上昇に伴って、排気は排気弁17を介して気筒12内から排出される。
The injection timing of the light oil from the
インテークマニホルド20内に戻された高温の混合気は、他の気筒において行われる吸気行程において気筒12内に導入され、燃焼に用いられる。このようにして、n回目の圧縮行程でインテークマニホルド20内に戻された高温の混合気を、n+1回目の燃焼に用いることで、機関負荷が低い時に、圧縮天然ガスの燃焼性を向上させることができる。なお、nは自然数である。
The high-temperature air-fuel mixture returned to the
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、軽油と圧縮天然ガスとを燃焼室19で混合燃焼させる内燃機関システム1であって、インテークマニホルド20と燃焼室19との間に設けられた吸気弁16と、吸気弁16の開閉タイミングを内燃機関10の機関負荷に応じて制御する制御部70と、を備え、制御部70は、内燃機関10の機関負荷が予め定められた所定の機関負荷QE0以下の場合には、機関負荷が所定の機関負荷QE0より高い場合よりも、吸気弁16を閉じるタイミングを遅くする、内燃機関システム1である。
As described above, the internal
これにより、燃焼室19内でピストン13および内壁18との熱交換により高温となった混合気をインテークマニホルド20内に戻すことができる。
As a result, the air-fuel mixture that has become hot due to heat exchange with the
そのため、n回目の圧縮行程でインテークマニホルド20内に戻された高温の混合気を、他の気筒におけるn+1回目の燃焼に用いることができ、機関負荷が低い時に、圧縮天然ガスの燃焼性を向上させることができる。
Therefore, the high temperature air-fuel mixture returned to the
また、第1実施形態では、制御部70は、機関負荷が所定の機関負荷QE0より高い場合には、吸気弁16を、排気行程において燃焼室19とエキゾーストマニホルド30との間に設けられた排気弁17が開いている間に開き、かつ、圧縮行程においてピストン13が下死点から上死点に至る途中で閉じるように制御し、機関負荷が所定の機関負荷QE0以下の場合には、吸気弁16を、吸気行程において排気弁17が閉じた後に開き、かつ、圧縮行程において機関負荷が所定の機関負荷QE0より高い場合よりも遅いタイミングで閉じるように制御する。
Further, in the first embodiment, when the engine load is higher than the predetermined engine load QE 0 , the
これにより、燃焼室19内でピストン13および内壁18との熱交換により高温となった混合気は、ピストン13が下死点に達したタイミング(時刻t10)から、ピストン13が下死点と上死点との略中間位置に達するタイミング(時刻t11)までの間、インテークマニホルド20内に戻される。
As a result, the air-fuel mixture that has become hot due to heat exchange with the
そのため、高温の混合気をインテークマニホルド20内により確実に戻すことができ、機関負荷が低い時に、圧縮天然ガスの燃焼性をより向上させることができる。
Therefore, the hot air-fuel mixture can be reliably returned to the inside of the
なお、第1実施形態では、内燃機関10の機関負荷に応じて吸気弁16の開閉タイミングを変更するものを例に説明を行ったが、これに限定されない。吸気弁16の開閉タイミングの変更に加えて、排気弁17の開閉タイミング、インジェクタ15からの軽油の噴射タイミング、またはインジェクタ54からのCNGの噴射タイミング等を変更してもよい。
In the first embodiment, the case where the opening/closing timing of the
(第2実施形態)
図4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4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。
(Second embodiment)
An internal
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4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、インジェクタ154、吸気弁116および排気弁117が設けられている。
The
インジェクタ115は、例えばピエゾ式のインジェクタであり、着火用の燃料である軽油を気筒112内に噴射する。インジェクタ115からの軽油の噴射は、制御部170(後述する)によって制御される。
The
吸気弁116は、可変バルブタイミング機構を備えている。吸気弁116の開弁タイミングおよび閉弁タイミングは、制御部170によって制御される。排気弁117は、可変バルブタイミング機構を備えている。排気弁117の開弁タイミングおよび閉弁タイミングは、制御部170によって制御される。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、燃焼室119が形成される。
The
内燃機関110に供給される空気は、エアクリーナおよびインテークマニホルド(「吸気管」の一例)を通り、吸気弁116を介して気筒112内に導入される。気筒112内に導入された空気は、気筒112内においてインジェクタ154から噴射されたCNGと混合されて混合気を形成する。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。
Air supplied to the
CNGは、タンク140から供給経路150を通って気筒112内に供給される。供給経路150は、配管151、レギュレータ152、配管153、および、インジェクタ154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。
CNG is supplied from the
レギュレータ152は、タンク140から供給されたCNGの圧力を所定の圧力に減少させる。配管153は、レギュレータ152とインジェクタ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、インジェクタ154に接続されている。レギュレータ152で所定の圧力に減圧されたCNGは、配管153内を通ってインジェクタ154に供給される。
The
インジェクタ154は、レギュレータ152から供給されたCNGを、気筒112内に噴射する。すなわち、インジェクタ154は、CNGを燃焼室119に供給している。インジェクタ154からのCNGの噴射は、制御部170によって制御される。
The
なお、本実施形態では、軽油をインジェクタ115から気筒112内に噴射し、かつ、圧縮天然ガスをインジェクタ154から気筒112内に噴射するものを例に説明を行うが、これに限定されない。例えば、軽油および圧縮天然ガスを共通のインジェクタから気筒112内に噴射するものでもよい。
In addition, in the present embodiment, an example is described in which light oil is injected from the
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。
The internal
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。
A
また、制御部170には、インジェクタ115、吸気弁116、排気弁117、およびインジェクタ154が電気的に接続されている。制御部170は、インジェクタ115からの軽油の噴射、吸気弁116の開閉、排気弁117の開閉、および、インジェクタ154からのCNGの噴射を制御する。
The
インジェクタ115、吸気弁116、排気弁117、およびインジェクタ154は、内燃機関110の機関回転数NEおよび機関負荷QEに基づいて、制御部170が有する記憶部に予め記憶された制御マップに従って制御される。
The
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。そこで、本実施形態では、内燃機関110の機関負荷が低い場合と、低くない場合とで、吸気弁116の開閉タイミング、インジェクタ115から軽油を噴射するタイミング、および、インジェクタ154から圧縮天然ガスを噴射するタイミングを変更するようにしている。これにより、内燃機関110の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。
When the engine load of the
図5を参照して、制御部170の動作について説明する。図5は、制御部170の動作を示すフローチャートである。図5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。
The operation of the
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。
In step S11, the
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QE0以下か否かを判定する。なお、所定の機関負荷QE0は、CNGを確実に燃焼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。
In step S12 following the step S11, the
ステップS12で、機関負荷QEが所定の機関負荷QE0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。そして、ステップS13において、制御部170は、吸気弁116の開閉パターンを第3開閉パターンに設定する。
When it is determined in step S12 that the engine load QE is less than or equal to the predetermined engine load QE 0 (step S12: YES), the process proceeds to step S13. Then, in step S13,
ステップS13に続くステップS14において、制御部170は、インジェクタ115からの軽油の噴射およびインジェクタ154からのCNGの噴射のパターンを、第1噴射パターンに設定する。ステップS14の処理の後、処理は終了する。
In step S14 subsequent to step S13, the
ステップS12で、機関負荷QEが所定の機関負荷QE0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S15に進む。そして、ステップS15において、制御部170は、吸気弁116の開閉パターンを第4開閉パターンに設定する。
When it is determined in step S12 that the engine load QE is not equal to or less than the predetermined engine load QE 0 (step S12: NO), the process proceeds to step S15. Then, in step S15,
ステップS15に続くステップS16において、制御部170は、インジェクタ115からの軽油の噴射およびインジェクタ154からのCNGの噴射のパターンを、第2噴射パターンに設定する。ステップS16の処理の後、処理は終了する。
In step S16 subsequent to step S15, the
図6を参照して、第3開閉パターン、第4開閉パターン、第1噴射パターンおよび第2噴射パターンについて説明する。まず、第4開閉パターンおよび第2噴射パターンについて説明する。第4開閉パターンおよび第2噴射パターンは、上述のとおり、機関負荷QEが所定の機関負荷QE0以下でないと判定された場合に設定される。 The third opening/closing pattern, the fourth opening/closing pattern, the first injection pattern, and the second injection pattern will be described with reference to FIG. 6. First, the fourth opening/closing pattern and the second injection pattern will be described. As described above, the fourth opening/closing pattern and the second injection pattern are set when it is determined that the engine load QE is not equal to or less than the predetermined engine load QE 0 .
排気弁117は、燃焼行程において、ピストン113が下死点に至るよりも前のタイミング(時刻t21)で開かれる。排気弁117は、排気行程では開かれたままとされ、吸気行程において、ピストン113が上死点から下降し始めた直後のタイミング(時刻t23)で閉じられる。
The
吸気弁116は、排気行程において、ピストン113が上死点に至る前のタイミング(時刻t22)で開かれる。よって、時刻t22から時刻t23までは、吸気弁116および排気弁117の両方が開いた状態となる。吸気弁116は、吸気行程では開かれたままとされ、圧縮行程において、ピストン113が下死点から上昇し始めた後のタイミング(時刻t24)で閉じられる。
The
インジェクタ154は、圧縮行程において、ピストン113が下死点から上死点に至る途中であり、かつ、吸気弁116および排気弁117がともに閉じた状態であるタイミング(時刻t25)から、燃焼行程の途中のタイミング(時刻t28)まで、CNGを気筒112内に噴射する。空気が圧縮された状態で気筒112内に噴射されたCNGは、空気と混合されて混合気を形成する。また、圧縮行程においてピストン113が下死点から上死点に至る途中のタイミング(時刻t26〜t27)で軽油がインジェクタ115から噴射されることで、軽油を着火元としてCNGが燃焼する。
The
次に、第3開閉パターンおよび第1噴射パターンについて説明する。第3開閉パターンおよび第1噴射パターンは、上述のとおり、機関負荷QEが所定の機関負荷QE0以下であると判定された場合に設定される。 Next, the third opening/closing pattern and the first injection pattern will be described. As described above, the third opening/closing pattern and the first injection pattern are set when the engine load QE is determined to be equal to or less than the predetermined engine load QE 0 .
排気弁117の開閉タイミングは、第4開閉パターンと同様である。すなわち、排気弁117は、燃焼行程において、ピストン113が下死点に至るよりも前のタイミング(時刻t21)で開かれ、吸気行程において、ピストン113が上死点から下降し始めた直後のタイミング(時刻t23)で閉じられる。
The opening/closing timing of the
吸気弁116は、吸気行程において、排気弁117が閉じられてから所定時間経過後のタイミング(時刻t29)で開かれる。吸気弁116は、圧縮行程において、ピストン113が下死点と上死点との略中間位置に達したタイミング(時刻t31)で閉じられる。
The
第1噴射パターンでは、インジェクタ154からのCNGの噴射は、2回に分けて行われる。インジェクタ154は、吸気行程において、ピストン113が上死点から下降し始めたタイミング(時刻t32)から、吸気弁116が開かれる直前のタイミング(時刻t33)まで、気筒112内にCNGの1回目の噴射を行う。
In the first injection pattern, the injection of CNG from the
気筒112内に噴射されたCNGは、吸気弁116が開かれることで気筒112内に導入される空気と混合されて混合気を形成する。さらに、混合気の温度は、ピストン113および内壁118との熱交換によって上昇する(図6における「熱交換行程」)。
The CNG injected into the
上述のとおり、第3開閉パターンでは、吸気弁116は、圧縮行程においてピストン113が下死点と上死点との略中間位置に達したタイミング(時刻t31)までは開かれたままである。そのため、ピストン113が下死点に達したタイミング(時刻t30)から、ピストン113が下死点と上死点との略中間位置に達するタイミング(時刻t31)までの間、混合気はインテークマニホルド120内に戻される(図6における「吸気戻し行程」)。インテークマニホルド120内に戻されず、燃焼室119内に残った混合気は、吸気弁116が閉じられ、ピストン113が上昇することで圧縮される。
As described above, in the third opening/closing pattern, the
インジェクタ115は、圧縮行程において、ピストン113が上死点に至る直前のタイミング(時刻t34〜t35)で、軽油を気筒112内に噴射する。気筒112内に噴射された軽油が着火元となり、CNGが燃焼する。
In the compression stroke, the
さらに、軽油が気筒112内に噴射された後、燃焼行程において、ピストン113が上死点から下降し始めた直後のタイミング(時刻t36〜t37)で、インジェクタ154からCNGが噴射される。これにより、噴射されたCNGが燃焼する。そして、上述のとおり、燃焼行程の終盤において排気弁117が開かれ、ピストン113の上昇に伴って、排気は排気弁117を介して気筒112内から排出される。
Further, after the light oil is injected into the
インテークマニホルド120内に戻された高温の混合気は、他の気筒において行われる吸気行程において気筒112内に導入され、燃焼に用いられる。このようにして、n回目の圧縮行程でインテークマニホルド120内に戻された高温の混合気を、n+1回目の燃焼に用いることで、機関負荷が低い時に、圧縮天然ガスの燃焼性を向上させることができる。
The high-temperature air-fuel mixture returned to the
また、CNGを気筒112内に直接噴射する第2実施形態では、インテークマニホルド120内に混合気を戻した後、吸気弁116が閉じている状態で、燃焼室119内に再びCNGを噴射することができる。そのため、高温の混合気をインテークマニホルド120内に戻しつつ、燃焼に用いられるCNGの量を十分に確保することができる。
In the second embodiment in which CNG is directly injected into the
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、軽油と圧縮天然ガスとを燃焼室119で混合燃焼させる内燃機関システム101であって、インテークマニホルド120と燃焼室119との間に設けられた吸気弁116と、吸気弁116の開閉タイミングを内燃機関110の機関負荷に応じて制御する制御部170と、を備え、制御部170は、内燃機関110の機関負荷が予め定められた所定の機関負荷QE0以下の場合には、機関負荷が所定の機関負荷QE0より高い場合よりも、吸気弁116を閉じるタイミングを遅くする、内燃機関システム101である。
As described above, the internal
これにより、燃焼室119内でピストン113および内壁118との熱交換により高温となった混合気をインテークマニホルド120内に戻すことができる。
As a result, the air-fuel mixture that has become hot due to heat exchange with the
そのため、n回目の圧縮行程でインテークマニホルド120内に戻された高温の混合気を、他の気筒におけるn+1回目の燃焼に用いることができ、機関負荷が低い時に、圧縮天然ガスの燃焼性を向上させることができる。
Therefore, the high-temperature air-fuel mixture returned to the
また、第2実施形態では、制御部170は、機関負荷が所定の機関負荷QE0より高い場合には、吸気弁116を、排気行程において燃焼室119とエキゾーストマニホルド130との間に設けられた排気弁117が開いている間に開き、かつ、圧縮行程においてピストン113が下死点から上死点に至る途中で閉じるように制御し、機関負荷が所定の機関負荷QE0以下の場合には、吸気弁116を、吸気行程において排気弁117が閉じた後に開き、かつ、圧縮行程において機関負荷が所定の機関負荷QE0より高い場合よりも遅いタイミングで閉じるように制御する。
Further, in the second embodiment, the
これにより、燃焼室119内でピストン113および内壁118との熱交換により高温となった混合気は、ピストン113が下死点に達したタイミング(時刻t30)から、ピストン113が下死点と上死点との略中間位置に達するタイミング(時刻t31)までの間、インテークマニホルド120内に戻される。
As a result, the temperature of the air-fuel mixture in the
そのため、高温の混合気をインテークマニホルド120内により確実に戻すことができ、機関負荷が低い時に、圧縮天然ガスの燃焼性をより向上させることができる。
Therefore, the hot air-fuel mixture can be reliably returned to the inside of the
また、第2実施形態では、圧縮天然ガスを燃焼室119内に噴射するインジェクタ154と、軽油を燃焼室119内に噴射するインジェクタ115と、を備え、制御部170は、負荷が所定の負荷QE0以下である場合、吸気行程の開始直後および燃焼行程の開始直後にインジェクタ154から圧縮天然ガスを噴射させ、圧縮行程の終了直前にインジェクタ115から軽油を噴射させる。
Further, in the second embodiment, an
これにより、インテークマニホルド120内に混合気を戻した後、吸気弁116が閉じている状態で、燃焼室119内に再びCNGが噴射される。
As a result, after returning the air-fuel mixture into the
そのため、高温の混合気をインテークマニホルド120内に戻しつつ、燃焼に用いられるCNGの量を十分に確保することができる。
Therefore, the amount of CNG used for combustion can be sufficiently secured while returning the high temperature air-fuel mixture into the
なお、第2実施形態では、内燃機関110の機関負荷に応じて吸気弁116の開閉タイミング、インジェクタ115からの軽油の噴射タイミング、およびインジェクタ154からのCNGの噴射タイミングを変更するものを例に説明を行ったが、これに限定されず、排気弁117の開閉タイミングについても変更可能である。
In the second embodiment, an example is described in which the opening/closing timing of the
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。 Although the embodiments of the present disclosure have been described above, the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and may be appropriately modified and implemented without departing from the spirit of the present disclosure.
上述の各実施形態では、機関負荷に応じて、吸気弁の開閉タイミングが2つのパターンで変更されるものを例に説明を行ったが、これに限定されない。制御部は、例えば、機関負荷に応じて吸気弁の開閉タイミングを3以上の複数のパターンで変更するようにしてもよい。また、制御部は、例えば、機関負荷が低いほど、吸気弁の閉弁タイミングを遅らせるように、無段階に制御してもよい。 In each of the above-described embodiments, the case where the opening/closing timing of the intake valve is changed in two patterns according to the engine load has been described as an example, but the present invention is not limited to this. The control unit may change the opening/closing timing of the intake valve in a plurality of patterns of three or more according to the engine load, for example. Further, for example, the control unit may perform stepless control so that the closing timing of the intake valve is delayed as the engine load is lower.
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。 According to the internal combustion engine system of the present disclosure, when the engine load is low, the combustibility of compressed natural gas, which is a fuel for combustion, can be improved, and its industrial applicability is great.
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、150 供給経路
51、53、151、153 配管
52、152 レギュレータ
54、154 インジェクタ
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
1, 101 Internal
Claims (4)
吸気通路と前記燃焼室との間に設けられた吸気弁と、
前記吸気弁の開閉タイミングを内燃機関の機関負荷に応じて制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、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の場合には、前記機関負荷が前記所定の機関負荷より高い場合よりも、前記吸気弁を閉じるタイミングを遅くする、
内燃機関システム。 An internal combustion engine system for mixing and burning light oil and compressed natural gas in a combustion chamber,
An intake valve provided between the intake passage and the combustion chamber,
A control unit that controls the opening/closing timing of the intake valve according to the engine load of the internal combustion engine;
When the engine load of the internal combustion engine is less than or equal to a predetermined engine load, the control unit delays the timing of closing the intake valve as compared with the case where the engine load is higher than the predetermined engine load. ,
Internal combustion engine system.
前記機関負荷が前記所定の機関負荷より高い場合には、前記吸気弁を、排気行程において前記燃焼室と排気通路との間に設けられた排気弁が開いている間に開き、かつ、圧縮行程において前記内燃機関のピストンが下死点から上死点に至る途中で閉じるように制御し、
前記機関負荷が前記所定の機関負荷以下の場合には、前記吸気弁を、吸気行程において前記排気弁が閉じた後に開き、かつ、前記圧縮行程において前記機関負荷が前記所定の機関負荷より高い場合よりも遅いタイミングで閉じるように制御する、
請求項1に記載の内燃機関システム。 The control unit is
When the engine load is higher than the predetermined engine load, the intake valve is opened during the exhaust stroke while the exhaust valve provided between the combustion chamber and the exhaust passage is open, and the compression stroke In, the piston of the internal combustion engine is controlled to close on the way from bottom dead center to top dead center,
When the engine load is equal to or lower than the predetermined engine load, the intake valve is opened after the exhaust valve is closed in the intake stroke, and the engine load is higher than the predetermined engine load in the compression stroke. Control to close at a later time,
The internal combustion engine system according to claim 1.
前記制御部は、前記排気行程の途中から終了まで前記第1のインジェクタから前記圧縮天然ガスを噴射させ、前記圧縮行程において前記吸気弁が閉じているタイミングで前記第2のインジェクタから前記軽油を噴射させる、
請求項2に記載の内燃機関システム。 A first injector for injecting the compressed natural gas into the intake passage, and a second injector for injecting the light oil into the combustion chamber,
The control unit injects the compressed natural gas from the first injector from the middle to the end of the exhaust stroke, and injects the light oil from the second injector at a timing when the intake valve is closed in the compression stroke. Let
The internal combustion engine system according to claim 2.
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、前記吸気行程において前記吸気弁が開く前のタイミングで前記第3のインジェクタから前記圧縮天然ガスを噴射させ、前記圧縮行程において前記吸気弁が閉じているタイミングで前記第4のインジェクタから前記軽油を噴射させた後、燃焼行程で再び前記第3のインジェクタから前記圧縮天然ガスを噴射させる、
請求項2に記載の内燃機関システム。 A third injector for injecting the compressed natural gas into the combustion chamber, and a fourth injector for injecting the light oil into the combustion chamber,
When the engine load is equal to or less than the predetermined engine load, the control unit causes the third injector to inject the compressed natural gas at a timing before the intake valve opens in the intake stroke, and in the compression stroke. After injecting the light oil from the fourth injector at a timing when the intake valve is closed, the compressed natural gas is again injected from the third injector in a combustion stroke.
The internal combustion engine system according to claim 2.
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