JP2020090906A - 内燃機関システム、車両および点火プラグの点火時期補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンに導入される燃料の燃焼特性の変化がエンジン性能へ及ぼす影響を抑制することが可能な内燃機関システム、車両および点火プラグの点火時期補正方法を提供する。【解決手段】内燃機関システムは、天然ガスを燃料として気筒に供給し、点火プラグにより発火燃焼させる内燃機関システムにおいて、前記点火プラグによる点火時期を、燃料の温度に基づいて補正する制御部を備える。例えば、燃料の温度を検出する燃料温度センサをさらに備え、制御部は、燃料温度センサにより検出された燃料の温度に基づいて点火時期を補正する。【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関システム、車両および点火プラグの点火時期補正方法に関する。

従来、圧縮天然ガス（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ：ＣＮＧ）や液化天然ガス（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ：ＬＮＧ）といった天然ガスを燃料として用いる、天然ガスエンジンが知られている。

ＣＮＧは、車両に備えられた高圧ガスタンクに貯蔵され、この高圧ガスタンクから燃料供給系統へ導かれ、減圧されてエンジンのインテークマニホールドへ供給される。このようにインテークマニホールドへ供給されたＣＮＧは、インテークマニホールドに流入した吸気と混合されて各気筒内に導入され、点火プラグにより発火燃焼される。

また、ＬＮＧは、車両に備えられたＬＮＧタンク内に、液体状態を維持可能な低温下で貯蔵され、このＬＮＧタンクから燃料供給系統へ導かれ、燃料供給系統に設けられた気化器で気化されてエンジンのインテークマニホールドへ供給される。このようにインテークマニホールドへ供給されたＬＮＧは、インテークマニホールドに流入した吸気と混合されて各気筒内に導入され、点火プラグにより発火燃焼される。

例えば、ガソリンを燃料として用いるガソリンエンジンにおいては、エンジンの回転速度、負荷、または、冷却水の温度に応じて、点火時期を決定する技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００２−２５７０２０号公報

ところで、天然ガスの主成分であるメタンは、温度および圧力に応じて燃焼特性が変化する。これにより、天然ガスを燃料として用いる天然ガスエンジンは、ガソリンエンジンに比べ、メタンの燃焼特性を考慮する必要がある。

例えば、高圧ガスタンクにＣＮＧが貯蔵される場合においては、ＣＮＧの貯蔵量に応じて高圧ガスタンク内の圧力が変化する。高圧ガスタンク内の圧力が変化すると、エンジンに導入される減圧後の燃料の温度が変わり、燃料の燃焼特性が変わって、エンジン性能に影響を与えるという問題点があった。
また、ＬＮＧタンクにＬＮＧが貯蔵される場合においても、液体で貯蔵されたＬＮＧを気化器で熱交換してエンジンに供給する際に、ＬＮＧタンク内の気体も共にエンジンに供給されるため、ＬＮＧタンク内の各種成分の量や比率が変化すると、エンジンに導入される気化後の燃料の温度が変わり、燃料の燃焼特性が変わって、エンジン性能に影響を与えるという問題点があった。

本開示の目的は、エンジンに導入される燃料の燃焼特性の変化がエンジン性能へ及ぼす影響を抑制することが可能な内燃機関システム、車両および点火プラグの点火時期補正方法を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における内燃機関システムは、
天然ガスを燃料として気筒に供給し、点火プラグにより発火燃焼させる内燃機関システムにおいて、
前記点火プラグによる点火時期を、前記燃料の温度に基づいて補正する制御部を備える。

本開示における車両は、
上記内燃機関システムを備える。

本開示における点火プラグの点火時期補正方法は、
天然ガスを燃料として気筒に供給し、点火プラグにより発火燃焼させる内燃機関システムにおける点火プラグの点火時期補正方法であって、
前記点火プラグによる点火時期を、前記燃料の温度に基づいて補正する。

本開示によれば、エンジンに導入される燃料の燃焼特性の変化がエンジン性能へ及ぼす影響を抑制することができる。

本発明の第１実施の形態における内燃機関システムの構成を概略的に示すブロック図である。 燃料温度および負荷と、点火時期の補正値との関係を示す図である。 バルブタイミング、燃料温度が低い場合における点火時期等、および、燃料温度が高い場合における点火時期等の一例を示すタイミングチャートである。 点火プラグの点火時期補正処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施の形態における内燃機関システムの構成を概略的に示すブロック図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施の形態における内燃機関システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。

図１に示すように、内燃機関システム１００は、ＣＮＧエンジン１０（以下、エンジン）を備える。エンジン１０のシリンダブロック１１には、気筒１１ｃ毎にピストン１２が設けられている。ピストン１２は、クランク軸１３にコンロッド１４を介して連結される。ピストン１２は、クランク軸１３の回転に応じて上下動する。シリンダブロック１１上のシリンダヘッド１５には、気筒１１ｃ毎に点火プラグ１６が設けられている。

また、内燃機関システム１００は、吸気を過給するターボチャージャ６０（過給器）と、排気側から排ガスの一部を取り出し、吸気側へ戻すＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる排気再循環装置７０（以下、ＥＧＲ装置）とを備える。なお、吸気側へ戻される排ガスを、ＥＧＲガスという。

ターボチャージャ６０は、排気で駆動されるタービン６１と、タービン６１の駆動力で駆動され吸気を圧縮するコンプレッサ６２とを備える。コンプレッサ６２とインテークマニホールド２５との間の吸気管２３には、吸気を冷却するインタークーラ６３が設けられる。バイパス通路２３ａには、バイパス通路２３ａの吸気量を調整する吸気スロットルバルブ２３ｂが設けられている。

ＥＧＲ装置７０は、エンジン１０の排気側と吸気側とを接続する排気再循環通路７１（以下、ＥＧＲ通路）と、ＥＧＲ通路７１に設けられ、ＥＧＲガスを冷却する排気再循環クーラ７２（以下、ＥＧＲクーラ）と、ＥＧＲ通路７１に設けられ、排気再循環量（以下、ＥＧＲ量）を調整するための排気再循環バルブ７３（以下、ＥＧＲバルブ）とを備える。

エンジン１０への吸気は、エアクリーナ２２から吸気管２３又はバイパス通路２３ａを通過する。吸気管２３を通過した吸気は、コンプレッサ６２で圧縮され、インタークーラ６３で冷却される。吸気管２３又はバイパス通路２３ａを通過した吸気は、排気再循環通路７１からのＥＧＲガスと共に、インテークマニホールド２５に流入し、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（ＣＮＧ）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。

エンジン１０の吸気側には、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と、吸気の圧力を検出する吸気圧力センサ４２、４３と、吸気の温度を検出する吸気温度センサ４４，４５とが設けられている。これらセンサ４１，４２，４３、４４，４５の検出値は、制御部５０（エンジンコントロールユニット）に入力される。

気筒１１ｃからの排気は、排気弁１８を介してエキゾーストマニホールド２７に排気された後、一部がＥＧＲ通路７１に流入し、残りの一部がタービン６１を介して、排気管２８に供給される。排気は、排気管２８から三元触媒３０に供給され、三元触媒３０で、ＣＯ、非メタン炭化水素（ｎｏｎ−ｍｅｔｈａｎｅ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ：ＮＭＨＣ）、ＮＯｘが除去され、消音器３１を通して大気に排気される。

排気管２８には、エキ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に基づいて空燃比を検出する空燃比センサ４６（ランダムセンサ）が配置される。空燃比センサ４６の検出値が制御部５０に入力される。制御部５０は、空燃比センサ４６の検出値に基づいて、燃焼が安定するように空燃比制御を行う。

ＣＮＧは、高圧ガスタンク３２に貯蔵される。ＣＮＧは、高圧ガスタンク３２から高圧レギュレータ３７（減圧装置）に供給され、高圧レギュレータ３７にて一定の圧力に減圧されてエンジン１０の燃料として用いられる。燃料は、フューエルインジェクタ２６にてエンジン１０のインテークマニホールド２５に供給される。供給された燃料は、インテークマニホールド２５に流入した吸気と混合されて各気筒１１ｃ内に導入され、点火プラグ１６により発火燃焼される。制御部５０は、点火プラグ１６の点火時期を補正するように一次側点火システム１７を制御する。以下の説明において、「燃料」という場合は、減圧された後のＣＮＧを言い、減圧される前のＣＮＧを言わない。したがって、燃料の温度又は燃料温度という場合は、減圧された後のＣＮＧの温度を言い、減圧される前のＣＮＧの温度を言わない。

高圧ガスタンク３２には、タンク内の圧力を検出するタンク圧力センサ３８（ＣＮＧ圧力センサ）が配置されている。高圧ガスタンク３２から高圧レギュレータ３７にＣＮＧを供給するＣＮＧ供給経路には、ＣＮＧの温度を検出するＣＮＧ温度センサ３９が配置されている。高圧レギュレータ３７からインテークマニホールド２５に燃料を供給する燃料供給経路３５には、燃料の温度及び圧力を検出する温度圧力センサ４０（本開示の「燃料温度センサ」に対応する）が配置されている。なお、燃料の温度及び圧力は、それぞれ検出する複数のセンサで検出しても、また、例えば、圧力から温度を算出（間接的に算出）するようにしてもよい。それぞれのセンサ３８、３９，４０の検出値は、制御部５０に入力される。

制御部５０は、点火プラグ１６の点火時期補正等の各種制御を行うもので、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、出力ポート等を備えている。制御部５０の各種機能は、制御部５０のＣＰＵがＲＯＭに記憶された点火時期補正プログラムをＲＡＭに展開して、実行することにより実現される。制御部５０は、燃料温度およびエンジン１０の負荷に基づいて、点火プラグ１６の点火時期を補正する。なお、本実施の形態では、燃料温度には、温度圧力センサ４０により検出された燃料温度が用いられる。また、エンジン１０の負荷には、１ストローク当たりの燃料噴射時間（ｍｓ）が用いられる。１ストローク当たりの燃料噴射時間は、エンジン１０の吸気量とインジェクター係数から計算された燃料量に基づいて求められる。エンジン１０の吸気量は、例えば、吸気圧力センサ４３により検出される吸気圧力、吸気温度センサ４５により検出される吸気温度、大気圧センサー（図示せず）により検出される気圧、および、クランクアングルセンサー（図示せず）から検出されるエンジン回転数に基づいて求められる。

図２は、燃料温度および負荷と、点火時期の補正値との関係を示す図である。図２の列方向に燃料温度（℃）を示し、行方向に１ストローク当たりの燃料噴射時間（ｍｓ）を示す。ここで、補正値とは、点火時期に対する進角値Δθ（°）をいう。図２に示す関係は、マップとして、例えば、制御部５０のＲＯＭに記憶される。マップは、実験結果や、シミュレーションにより作成することが可能である。

制御部５０は、燃料温度および１ストローク当たりの燃料噴射時間に基づき、図２に示すマップを参照して進角値Δθを求め、求めた進角値Δθにより点火プラグ１６の点火時期を補正する。なお、図２に、燃料温度Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３，…、Ｔ_ｎ−１，Ｔ_ｎ（Ｔ_１＜Ｔ_２＜Ｔ_３＜…＜Ｔ_ｎ−１＜Ｔ_ｎ）を示す。また、燃料噴射時間ｔ_ａ，ｔ_ｂ，ｔ_ｃ，…，ｔ_ｚ（ｔ_ａ＜ｔ_ｂ＜ｔ_ｃ＜…＜ｔ_ｚ）を示す。また、Δθ_１，Δθ_２，Δθ_３（Δθ_１＜Δθ_２＜Δθ_３）を示す。

図２に示すように、燃料噴射時間がｔ_ａである場合、燃料温度に拘わらず進角値Δθは０である。つまり、制御部５０は、燃料噴射時間がｔ_ａで、燃料温度が高くなった場合でも、点火時期の補正を行わない。

これに対して、図２に示すように、燃料噴射時間がｔ_ｂである場合、燃料温度がＴ_ｎ−１では、進角値Δθは０であり、燃料温度がＴ_ｎでは、進角値Δθは−Δθ_１である。つまり、制御部５０は、燃料噴射時間がｔ_ｂで、燃料温度がＴ_ｎである場合、点火時期を−Δθ_１補正する（Δθ_１遅角する）。

また、図２に示すように、燃料噴射時間がｔ_ｃである場合、燃料温度がＴ_ｎ−１では、進角値Δθは−Δθ_１であり、燃料温度がＴ_ｎでは、進角値Δθは−Δθ_２である。つまり、制御部５０は、燃料噴射時間がｔ_ｃで、燃料温度がＴ_ｎ−１である場合、点火時期を−Δθ_１補正し（Δθ_１遅角し）、燃料温度がＴ_ｎである場合、点火時期を−Δθ_２補正する（Δθ_２遅角する）。

また、図２に示すように、燃料噴射時間がｔ_ｚである場合、燃料温度がＴ_ｎ−１では、進角値Δθは−Δθ_２であり、燃料温度がＴ_ｎでは、進角値Δθは−Δθ_３である。つまり、制御部５０は、燃料噴射時間がｔ_ｚで、燃料温度がＴ_ｎ−１である場合、点火時期を−Δθ_２補正し（Δθ_２遅角し）、燃料温度がＴ_ｎである場合、点火時期を−Δθ_３補正する（Δθ_３遅角する）。

以上のように、制御部５０は、燃料温度が所定温度より高くなった場合、点火時期を、所定温度時における点火時期より遅くするように補正する。

図３は、バルブタイミング、燃料温度が低い場合における点火時期等、および、燃料温度が高い場合における点火時期等の一例を示すタイミングチャートである。図３の横軸にクランク角（°）を示す。図３に示すように、排気工程は、１８０°近傍位置（排気弁１８の開き動作開始位置）から３６０°近傍位置（排気弁１８の閉じ動作終了位置）までの間に行われる。燃料噴射は３６０°以前に行われる。吸気工程は、３６０°近傍位置（吸気弁１９の開き動作開始位置）から５４０°近傍位置（吸気弁１９の閉じ動作終了位置）までの間に行われる。燃料と吸気との混合気を圧縮する圧縮工程は、５４０°近傍位置から開始される。点火時期においては、圧縮行程で圧縮した混合気に点火プラグ１６が点火する。

図３に示すように、燃料温度が高い場合における点火時期は、燃料温度が低い場合における点火時期より遅い（遅角化している）。

次に、点火プラグ１６の点火時期補正処理について図４を参照して説明する。図４は、点火プラグ１６の点火時期補正処理の一例を示すフローチャートである。本フローは、エンジン１０の始動操作に応じて開始される。

ステップＳ１００において、制御部５０は、温度圧力センサ４０から燃料温度を取得する。

次に、ステップＳ１１０において、制御部５０は、１ストローク当たりの燃料噴射時間を取得する。

次に、ステップＳ１２０において、制御部５０は、燃料温度および１ストローク当たりの燃料噴射時間に基づいて、図２に示すマップを参照して、点火時期を補正する。

次に、ステップＳ１３０において、制御部５０は、エンジン１０の停止操作があった否かについて判断する。エンジン１０の停止操作があった場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、処理は、終了する。エンジン１０の停止操作がない場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、処理は、ステップＳ１００の前に戻る。

上記実施の形態における内燃機関システム１００では、減圧されたＣＮＧを燃料として吸入空気と共に気筒１１ｃに供給し、点火プラグ１６により発火燃焼させる内燃機関システム１００において、点火プラグ１６による点火時期を、燃料の温度に基づいて補正する制御部５０を備える。これにより、例えば、ＣＮＧが貯蔵される高圧ガスタンク３２内の圧力が変化して、エンジン１０に導入される燃料の燃焼特性が変化した場合でも、燃料温度に応じて点火時期を補正するため、エンジン性能に影響を与えないようにすることが可能となる。

なお、上記実施の形態においては、温度圧力センサ４０により検出された燃料温度に基づいて点火プラグ１６の点火時期を補正したが、本発明はこれに限らない。例えば、タンク圧力センサ３８により検出されたＣＮＧの圧力、および、ＣＮＧ温度センサ３９により検出されたＣＮＧの温度に基づいて、燃料温度を推定する温度推定部を備え、制御部５０が温度推定部により推定された燃料温度に基づいて、点火プラグ１６の点火時期を補正するようにしてもよい。さらに、温度圧力センサ４０により検出された燃料温度と、温度推定部により推定された燃料温度に基づいて、点火時期を補正するようにしてもよい。これにより、点火時期をより適確に補正することが可能となる。

また、上記実施の形態においては、エンジン１０の負荷を１ストローク当たりの燃料噴射時間として、１ストローク当たりの燃料噴射時間に基づいて点火時期を補正する。

次に、燃料として気化されたＬＮＧを用いる第２実施の形態について説明する。図５は、本発明の第２実施の形態における内燃機関システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。なお、第２実施の形態の説明においては、第１実施の形態と異なる構成について主に説明し、同じ構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

ＬＮＧは、車両に備えられたＬＮＧタンク８２内に、液体状態を維持可能な低温下で貯蔵される。ＬＮＧは、ＬＮＧ圧力調整器８８で減圧されてＬＮＧタンク８２からＬＮＧ供給経路８５へ導かれ、ＬＮＧ供給経路８５に設けられたＬＮＧ気化器８６で気化され、さらに、ＬＮＧレギュレータ８７で減圧・調圧されてエンジン１０の燃料として用いられる。気化され、減圧・調整された燃料は、フューエルインジェクタ２６にてエンジン１０のインテークマニホールド２５に供給される。供給された燃料は、インテークマニホールド２５に流入した吸気と混合されて各気筒１１ｃ内に導入され、点火プラグ１６により発火燃焼される。制御部５０は、点火プラグ１６の点火時期を補正するように一次側点火システム１７を制御する。以下の説明において、「燃料」という場合は、気化された後のＬＮＧを言い、気化される前のＬＮＧを言わない。したがって、燃料の温度又は燃料温度という場合は、気化された後のＬＮＧの温度を言い、気化される前のＬＮＧの温度を言わない。

ＬＮＧ供給経路８５には、ＬＮＧの温度を検出するＬＮＧ温度センサ４０Ａが配置されている。ＬＮＧ温度センサ４０Ａの検出値は、制御部５０に入力される。制御部５０は、燃料温度およびエンジン１０の負荷に基づいて、点火プラグ１６の点火時期を補正する。燃料温度には、ＬＮＧ温度センサ４０Ａにより検出された燃料温度が用いられる。なお、制御部５０による点火時期の補正については、第１実施の形態と同様であるため、その説明を省略する。

第２実施の形態における内燃機関システム１００では、気化されたＬＮＧを燃料として吸入空気と共に気筒１１ｃに供給し、点火プラグ１６により発火燃焼させる内燃機関システム１００において、点火プラグ１６による点火時期を、燃料の温度に基づいて補正する制御部５０を備える。これにより、例えば、ＬＮＧタンク８２内の各種成分の量や比率が変化して、エンジン１０に導入される気化後の燃料温度が変わる場合でも、気化後の燃料温度に応じて点火時期を補正するため、エンジン性能に影響を与えないようにすることが可能となる。

なお、第２実施の形態においては、ＬＮＧ温度センサ４０Ａにより検出された燃料温度に基づいて点火プラグ１６の点火時期を補正したが、本発明はこれに限らない。例えば、ＬＮＧ気化の熱源となるＬＮＧ気化器８６のエンジン冷却水入口、出口温度とフューエルインジェクタ２６のパルス幅から計算される燃料流量から燃料温度を推定する温度推定部を備え、制御部５０が温度推定部により推定された燃料温度に基づいて、点火プラグ１６の点火時期を補正するようにしてもよい。さらに、ＬＮＧ温度センサ４０Ａにより検出された燃料温度と、温度推定部により推定された燃料温度に基づいて、点火時期を補正するようにしてもよい。これにより、点火時期をより適確に補正することが可能となる。

また、上記実施の形態においては、燃料温度に基づいて点火プラグの点火時期を補正する構成を、燃料を吸入空気と共に気筒１１ｃに供給し、点火プラグ１６により点火燃焼させるエンジン１０に適用したが、燃料を気筒１１ｃ内に直接噴射する直噴エンジンに適用してもよい。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示は、エンジンに導入される燃料の燃焼特性が変化した場合でも、エンジン性能へ影響を与えないようにすることが要求される内燃機関システムを搭載した車両に好適に利用される。

１０ エンジン
１１ｃ 気筒
１６ 点火プラグ
３２ 高圧ガスタンク
３７ 高圧レギュレータ
３８ タンク圧力センサ
３９ ＣＮＧ温度センサ
４０ 温度圧力センサ
４０Ａ ＬＮＧ温度センサ
５０ 制御部（エンジンコントロールユニット）
８２ ＬＮＧタンク
８５ ＬＮＧ供給経路
８６ ＬＮＧ気化器
８７ ＬＮＧレギュレータ
８８ ＬＮＧ圧力調整器
１００ 内燃機関システム

Claims (7)

1. 天然ガスを燃料として気筒に供給し、点火プラグにより発火燃焼させる内燃機関システムにおいて、
   前記点火プラグによる点火時期を、前記燃料の温度に基づいて補正する制御部を備える、内燃機関システム。
2. 前記燃料の温度を検出する燃料温度センサをさらに備え、
   前記制御部は、前記燃料温度センサにより検出された前記燃料の温度に基づいて前記点火時期を補正する、
   請求項１に記載の内燃機関システム。
3. 前記燃料が、減圧された圧縮天然ガスである内燃機関システムであって、
   前記圧縮天然ガスの温度を検出するＣＮＧ温度センサと、
   前記圧縮天然ガスの圧力を検出するＣＮＧ圧力センサと、
   前記ＣＮＧ温度センサにより検出された前記圧縮天然ガスの温度、および、前記ＣＮＧ圧力センサにより検出された前記圧縮天然ガスの圧力から、前記燃料の温度を推定する温度推定部と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記温度推定部により推定された前記燃料の温度に基づいて前記点火時期を補正する、
   請求項１または２に記載の内燃機関システム。
4. 前記燃料が、気化された液化天然ガスである内燃機関システムであって、
   前記液化天然ガスを気化の熱源となる気化器のエンジン冷却水入口、出口温度とインジェクターパルス幅から計算される燃料流量から、前記燃料の温度を推定する温度推定部とを、さらに備え、
   前記制御部は、前記温度推定部により推定された前記燃料の温度に基づいて前記点火時期を補正する、
   請求項１または２に記載の内燃機関システム。
5. 前記制御部は、さらに、内燃機関の負荷に基づいて、前記点火時期を補正する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関システムを備える、
   車両。
7. 天然ガスを燃料として気筒に供給し、点火プラグにより発火燃焼させる内燃機関システムにおける点火プラグの点火時期補正方法であって、
   前記点火プラグによる点火時期を、前記燃料の温度に基づいて補正する、点火プラグの点火時期補正方法。
   

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