JP2020094526A - 内燃機関システム、車両および燃料供給方法 - Google Patents

内燃機関システム、車両および燃料供給方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ポンピングロスを低減しつつ、ノッキングの発生を防止して、燃費を向上させることが可能な内燃機関システム、車両および燃料供給方法を提供する。【解決手段】内燃機関システムは、圧縮天然ガスを燃料として気筒に供給して燃焼させる内燃機関システムにおいて、相異なる複数の温度の燃料を前記気筒に供給可能な燃料供給部と、内燃機関が第1の負荷である場合に気筒に供給する燃料の温度を、内燃機関が第1の負荷より高い第2の負荷である場合に気筒に供給する燃料の温度より高くするように、燃料供給部を制御する制御部と、を備える。【選択図】図1

Description

本開示は、内燃機関システム、車両および燃料供給方法に関する。
従来、圧縮天然ガス(Compressed Natural Gas :CNG)を減圧し、これを燃料として用いるCNG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る。CNGは、高圧ガスタンクから燃料供給系統へ導かれ、減圧されてインテークマニホールド内へ供給される。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(例えば、特許文献1を参照)。
CNGエンジンには、例えば、ガソリンエンジンと同じ燃焼サイクル(オットーサイクル)が採用されている。
特開2011−214542号公報
ところで、オットーサイクルエンジンでは、負荷調整のために吸気スロットルバルブが設けられている。
エンジンが低負荷である場合では、吸気スロットルバルブが閉じているか、またはわずかに開いている状態であるため、シリンダー内に負圧が生じる。これにより、ポンピングロスが発生し、燃費の悪化につながる。
また、エンジンが高負荷である場合においては、吸気の温度や燃料の温度が高くなると、ノッキングが発生しやすい。ノッキングを発生させないために点火タイミングを遅角させると、燃費の悪化を招くという問題点があった。
本開示の目的は、ポンピングロスを低減しつつ、ノッキングの発生を防止して、燃費を向上させることが可能な内燃機関システム、車両および燃料供給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、
圧縮天然ガスを燃料として気筒に供給して燃焼させる内燃機関システムにおいて、
相異なる複数の温度の燃料を前記気筒に供給可能な燃料供給部と、
内燃機関が第1の負荷である場合に前記気筒に供給する燃料の温度を、内燃機関が第1の負荷より高い第2の負荷である場合に前記気筒に供給する燃料の温度より高くするように、前記燃料供給部を制御する制御部と、
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。
本開示における燃料供給方法は、
圧縮天然ガスを燃料として内燃機関の気筒に供給する燃料供給方法であって、
内燃機関が第1の負荷である場合に前記気筒に供給する燃料の温度を、内燃機関が前記第1の負荷より高い第2の負荷である場合に前記気筒に供給する燃料の温度より高くする。
本開示によれば、ポンピングロスを低減しつつ、ノッキングの発生を防止して、燃費を向上させることができる。
本発明の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。 エンジン回転数および負荷と、高温用遮断弁および低温用遮断弁の開閉状態との関係を示す図である。 燃料供給方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の変形例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(不図示)が設けられている。ピストンは、クランク軸(不図示)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、吸気供給部20と、燃料供給部30と、制御部50(エンジンコントロールユニット)と、吸気を過給するターボチャージャ60(過給器)と、排気側から排気の一部を取り出し、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気を、EGRガスをいう。
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。
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。
吸気供給部20は、吸気管21、吸気スロットルバルブ22(本開示の「吸気供給切換部」に対応)、インタークーラー23、および、吸気スロットルバルブ24を備えている。吸気管21は、コンプレッサ62とインテークマニホールド25とを接続する。吸気管21は、冷却通路21a(本開示の「低温吸気供給経路」に対応)およびバイパス通路21b(本開示の「高温吸気供給経路」に対応)を有する。エンジン10への吸気の圧力はコンプレッサ62で上昇する。その結果、吸気の温度は上昇する。コンプレッサ62で温度上昇した吸気は、冷却通路21a又はバイパス通路21bを通過する。冷却通路21a又はバイパス通路21bを通過した吸気は、インテークマニホールド25に流入する。インテークマニホールド25に流入した吸気は、気筒11c毎に設けられたフューエルインジェクタ26からの燃料と混合されて気筒11c内に導入され、点火プラグ16により発火燃焼される。
冷却通路21aには、コンプレッサ62で温度上昇した吸気を冷却するインタークーラー23が設けられる。バイパス通路21bは、冷却通路21aと並列に配置される。吸気スロットルバルブ22は、バイパス通路21bの吸気量を調整する。コンプレッサ62で温度上昇した吸気は、吸気スロットルバルブ22によりバイパス通路21bが閉じられることで、冷却通路21aに送られ、インタークーラー23により冷却されて、インテークマニホールド25に流入する。また、コンプレッサ62で温度上昇した吸気は、吸気スロットルバルブ22によりバイパス通路21bが開かれることで、バイパス通路21bに送られ、インタークーラー23により冷却されることなく、インテークマニホールド25に流入する。
吸気スロットルバルブ24は、吸気管21における冷却通路21aとバイパス通路21bとの合流位置より下流側に、かつ、インテークマニホールド25より上流側に設けられている。吸気スロットルバルブ24は、インテークマニホールド25に流入する吸気量を調整する。
吸気管21における冷却通路21aとバイパス通路21bとの合流位置には、吸気の圧力を検出する吸気圧力センサ41が配置されている。吸気管21におけるインテークマニホールド25と吸気スロットルバルブ24との間には、吸気の温度を検出する吸気温度センサ42が配置されている。インテークマニホールド25には、吸気の圧力を検出する吸気圧力センサ43が配置されている。これらセンサ41,42,43の検出値は、制御部50に入力される。
気筒11cからの排気は、排気弁(不図示)を介してエキゾーストマニホールド27に排出される。エキゾーストマニホールド27に排出された排気の一部は、EGR通路71に流入し、残りは、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29に供給され、三元触媒29で、排気中の一酸化炭素(CO),炭化水素(HC)、窒素酸化物(NOx)を浄化し、消音器(不図示)を通して大気に排出される。
排気管28には、エキゾーストマニホールド27から排出された排気の一部を分流させることにより排気のタービン61への流入量を調整するウエストゲート29aが設けられている。
また、排気管28には、エキゾーストマニホールド27から排出された排気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。
燃料供給部30は、CNG供給経路31、高圧レギュレータ32(減圧装置)、燃料供給経路切換部33を備えている。
高圧レギュレータ32は、高圧ガスタンク(不図示)に貯蔵されるCNGを一定の圧力に減圧する。CNGは、高圧レギュレータ32で減圧膨張して低温となる。
CNG供給経路31は、高温燃料供給経路31aと低温燃料供給経路31bとを有する。高圧レギュレータ32で減圧された燃料は、高温燃料供給経路31a又は低温燃料供給経路31bを通って、コモンレール34に送られ、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。
高温燃料供給経路31aは、熱交換器35を有している。熱交換器35は、燃料とエンジン10の冷却水との間で熱交換を行う。例えば、冷却水は、エンジン10の下流側から導入管36を介して熱交換器35へ送り込まれる。また、冷却水は、熱交換器35から導出管37を介してウオーターポンプ(不図示)の入口側へ送り出される。燃料と冷却水との間の熱交換において、燃料は、冷却水からの熱を受熱する。これにより、燃料の温度は上昇する。
低温燃料供給経路31bは、高温燃料供給経路31aと並列に配置される。
燃料供給経路切換部33は、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bを有する。
高温用遮断弁33aは、高温燃料供給経路31aを開閉する。低温用遮断弁33bは、低温燃料供給経路31bを開閉する。
高温用遮断弁33aが開状態であり、かつ、低温用遮断弁33bが閉状態である場合、熱交換器35により温度上昇した燃料(高温の燃料)がコモンレール34に送られる。高温用遮断弁33aが閉状態であり、かつ、低温用遮断弁33bが開状態である場合、温度上昇しない燃料(低温の燃料)がコモンレール34に送られる。また、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bが開状態の場合、高温の燃料と低温の燃料とが混合されて中温となり、中温の燃料がコモンレール34に送られる。コモンレール34には、燃料の温度を検出する燃料温度センサ47が配置されている。
制御部50は、エンジン回転数および負荷に基づいて、燃料供給制御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に記憶された燃料供給制御プログラム等をRAMに展開して、実行することにより実現される。本実施の形態では、エンジン回転数はクランクアングルセンサー(不図示)から検出される。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42により検出される吸気温度、制御部50に設けられた大気圧センサー(不図示)により検出される空気圧、および、エンジン回転数に基づいて求められる。
図2は、エンジン回転数および負荷と、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bの開閉状態との関係を示す図である。図2の列方向にエンジン回転数(rpm)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、“0”は、高温用遮断弁33aが開状態であり、かつ、低温用遮断弁33bが閉状態である場合を示す。“1”は、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bが開状態である場合を示す。“2”は、高温用遮断弁33aが閉状態であり、かつ、低温用遮断弁33bが開状態である場合を示す。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、エンジン回転数および1ストローク当たりの燃料噴射時間に基づき、図2に示すマップに表された開閉状態になるように、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bを制御する。なお、図2に、エンジン回転数N,N,N,…,Nm−1,N(N<N<N<…<Nm−1<N)(mは自然数)を示す。また、燃料噴射時間t,t,t,…,t(t<t<t<…<t)(nは自然数)を示す。
図2に示すように、エンジン10が低負荷(燃料噴射時間t,t)である場合、制御部50は、高温用遮断弁33aが開状態に、かつ、低温用遮断弁33bが閉状態になるように、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bを制御する。これにより、高圧レギュレータ32で減圧膨張されて低温となった燃料は、熱交換器35で温度上昇し、コモンレール34に送られる。結果的に、コモンレール34に送られる燃料の密度は低くなる。また、制御部50は、吸気がバイパス通路21bを通るように吸気スロットルバルブ22を制御する。これにより、コンプレッサ62で温度上昇した吸気は、インタークーラー23により冷やされることなく、インテークマニホールド25に供給される。結果的に、インテークマニホールド25に供給される吸気の密度は、低くなる。同じ出力であれば、燃料の密度および吸気の密度が低い場合における吸気スロットルバルブ24は、燃料の密度および吸気の密度が高い場合における吸気スロットルバルブ24より、開くため、ポンピングロスを低減することができる。これにより、燃費を向上することができる。
これに対して、図2に示すように、エンジン10が高負荷(燃料噴射時間t等)である場合、制御部50は、高温用遮断弁33aが閉状態に、かつ、低温用遮断弁33bが開状態になるように、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bを制御する。これにより、高圧レギュレータ32で減圧膨張されて低温となった燃料は、熱交換器35で温度上昇することなく、コモンレール34に送られる。また、制御部50は、吸気が冷却通路21aを通るように吸気スロットルバルブ22を制御する。これにより、コンプレッサ62で温度上昇した吸気は、インタークーラー23により冷却されて、インテークマニホールド25に供給される。以上のように、エンジン10が高負荷である場合、燃料の温度および吸気の温度が高くならないため、ノッキングの発生を防止することができる。これにより、燃費を向上することができる。
また、図2に示すように、エンジン10が中負荷(燃料噴射時間t等)である場合、制御部50は、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bが開状態になるように、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bを制御する。これにより、熱交換器35で温度上昇した燃料(高温の燃料)と、高圧レギュレータ32で減圧膨張されて低温となった燃料(低温の燃料)とが混合されて中温となる。中温の燃料がコモンレール34に送られる。その結果、コモンレール34に送られる中温の燃料の密度は、低温の燃料の密度より低くなる。また、制御部50は、吸気がバイパス通路21bを通るように吸気スロットルバルブ22を制御する。これにより、吸気は、インタークーラー23により冷やされることなく、インテークマニホールド25に供給される。その結果、インテークマニホールド25に供給される吸気の密度は低くなる。同じ出力であれば、燃料の密度および吸気の密度が低い場合における吸気スロットルバルブ24は、燃料の密度および吸気の密度が高い場合における吸気スロットルバルブ24より、開くため、ポンピングロスを低減することができる。また、エンジン10が中負荷である場合、中温の燃料と高温の吸気とが混合されて、吸気の温度が高くならないため、ノッキングの発生を防止することができる。これにより、燃費を向上することができる。
次に、燃料供給方法について図3を参照して説明する。図3は、燃料供給方法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の始動操作により開始される。
先ず、ステップS100において、制御部50は、エンジン回転数を取得する。
次に、ステップS110において、制御部50は、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、エンジン回転数および燃料噴射時間に基づいて、エンジン10が低負荷であるか否かについて判定する。エンジン10が低負荷である場合(ステップS120:YES)、処理は、ステップS130に遷移する。エンジン10が低負荷でない場合(ステップS120:NO)、処理は、ステップS150に遷移する。
ステップS130において、制御部50は、高温用遮断弁33aが開状態に、かつ、低温用遮断弁33bが閉状態になるように、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bを制御する。
次に、ステップS140において、制御部50は、エンジン10の停止操作がされたか否かについて判断する。エンジン10の停止操作がされた場合(ステップS140:YES)、図3に示す処理は終了する。エンジン10の停止操作がさない場合(ステップS140:NO)、処理は、ステップS100の前に戻る。
次に、ステップS150において、制御部50は、エンジン回転数および燃料噴射時間に基づいて、エンジン10が高負荷であるか否かについて判定する。エンジン10が高負荷である場合(ステップS150:YES)、処理は、ステップS160に遷移する。エンジン10が高負荷でない場合(ステップS150:NO)、処理は、ステップS170に遷移する。
ステップS160において、制御部50は、高温用遮断弁33aが閉状態に、かつ、低温用遮断弁33bが開状態になるように、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bを制御する。その後、処理は、ステップS140に遷移する。
ステップS170において、制御部50は、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bが開状態になるように、高温用遮断弁33aおよび低温用遮断弁33bを制御する。その後、処理は、ステップS140に遷移する。
上記実施の形態における内燃機関システム100によれば、相異なる複数の温度の燃料を気筒11cに供給可能な燃料供給部30と、エンジン10が低負荷である場合に気筒11cに供給する燃料の温度を、エンジン10が高負荷である場合に気筒11cに供給する燃料の温度より高くするように、燃料供給部30を制御する制御部50と、を備える。これにより、エンジン10が低負荷である場合、燃料の温度が上昇し、燃料の密度が低くなることで、吸気スロットルバルブ24がより開くため、ポンピングロスを低減することが可能となる。また、エンジン10が高負荷である場合、燃料の温度が高くならないことで、ノッキングの発生を防止することが可能となる。
また、上記実施の形態における内燃機関システム100によれば、燃料と混合される相異なる複数の温度の吸気を、気筒11cに供給可能な吸気供給部20を備え、制御部50は、エンジン10が低負荷である場合に気筒11cに供給する吸気の温度を、エンジン10が高負荷である場合に気筒11cに供給する吸気の温度より高くするように、吸気供給部20を制御する。これにより、エンジン10が低負荷である場合、吸気の温度が上昇し、吸気の密度が低くなることで、吸気スロットルバルブ24がより開くため、ポンピングロスを低減することが可能となる。また、エンジン10が高負荷である場合、吸気の温度が高くならないことで、ノッキングの発生を防止することが可能となる。
次に、本実施の形態の変形例について図4を参照して説明する。図4は、本実施の形態の変形例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。なお、変形例においては、上記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符号を付してその説明を省略する。
変形例における燃料供給部30は、図4に示すように、冷却水量調整弁33cおよびCNG流量調整弁33dを備えている。CNG流量調整弁33dは、コモンレール34に供給される燃料流量を調整する。
冷却水量調整弁33cは、熱交換器35へ流入するエンジン10の冷却水の流量を調整する。
制御部50は、エンジン10の負荷(例えば、燃料噴射時間)およびエンジン回転数に応じて、冷却水量調整弁33cの弁開度を調整する。具体的には、制御部50は、エンジン10が低負荷である場合、弁開度が大きくなるように冷却水量調整弁33cを制御する。これにより、燃料と冷却水との間で熱交換される熱量が増大し、高圧レギュレータ32で減圧膨張して低温となった燃料の温度が上昇し、燃料の温度が高温となる。また、制御部50は、エンジン10が高負荷である場合、弁開度が小さくなるように弁冷却水量調整弁33cを制御する。これにより、燃料と冷却水との間で熱交換される熱量が減少し、高圧レギュレータ32で減圧膨張して低温となった燃料の温度上昇が抑えられ、燃料の温度が低温を維持する。
変形例における内燃機関システム100においては、弁冷却水量調整弁33cの弁開度を0%から100%までの間で、細かに制御することで、気筒11cに供給される燃料の温度を、微調整することが可能となる。
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、ポンピングロスを低減しつつ、ノッキングの発生を防止して、燃費を向上させることが要求される内燃機関システムを備えた車両に好適に利用される。
10 エンジン
20 吸気供給部
21 吸気管
21a 冷却通路
21b バイパス通路
22 吸気スロットルバルブ
30 燃料供給部
31 CNG供給経路
31a 高温燃料供給経路
31b 低温燃料供給経路
33 燃料供給経路切換部
35 熱交換器
50 制御部
60 ターボチャージャ
70 EGR装置
100 内燃機関システム

Claims (7)

  1. 圧縮天然ガスを燃料として気筒に供給して燃焼させる内燃機関システムにおいて、
    相異なる複数の温度の燃料を前記気筒に供給可能な燃料供給部と、
    内燃機関が第1の負荷である場合に前記気筒に供給する燃料の温度を、内燃機関が第1の負荷より高い第2の負荷である場合に前記気筒に供給する燃料の温度より高くするように、前記燃料供給部を制御する制御部と、
    を備える内燃機関システム。
  2. 前記燃料と混合される相異なる複数の温度の吸気を、気筒に供給可能な吸気供給部をさらに備え、
    前記制御部は、内燃機関が前記第1の負荷である場合に前記気筒に供給する吸気の温度を、内燃機関が前記第2の負荷である場合に前記気筒に供給する吸気の温度より高くするように、前記吸気供給部を制御する、
    請求項1に記載の内燃機関システム。
  3. 前記燃料供給部は、前記燃料と内燃機関の冷却水との間で熱交換可能な熱交換器を有する高温燃料供給経路と、前記高温燃料供給経路と並列に配置される低温燃料供給経路と、燃料供給経路切換部と、を備え、
    前記制御部は、内燃機関が前記第1の負荷である場合、前記高温燃料供給経路により燃料が供給されるように、前記燃料供給経路切換部を制御し、内燃機関が前記第2の負荷である場合、前記低温燃料供給経路により燃料が供給されるように前記燃料供給経路切換部を制御する、
    請求項1または2に記載の内燃機関システム。
  4. 前記燃料供給部は、前記燃料と内燃機関の冷却水との間で熱交換可能な熱交換器と、前記熱交換器へ流入する前記冷却水の流量を調整する流量調整部と、を備え、
    前記制御部は、内燃機関が前記第1の負荷である場合の前記冷却水の流量を、内燃機関が前記第2の負荷である場合の前記冷却水の流量より多くなるように、前記流量調整部を制御する、
    請求項1または2に記載の内燃機関システム。
  5. 前記吸気供給部は、前記吸気を冷却するインタークーラーを有する低温吸気供給経路と、前記低温吸気供給経路と並列に配置される高温吸気供給経路と、吸気供給経路切換部と、を備え、
    前記制御部は、内燃機関が前記第1の負荷である場合、前記高温吸気供給経路により吸気が供給されるように、前記吸気供給経路切換部を制御し、内燃機関が前記第2の負荷である場合、前記低温吸気供給経路により吸気が供給されるように、前記吸気供給経路切換部を制御する、
    請求項2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. 圧縮天然ガスを燃料として内燃機関の気筒に供給する燃料供給方法であって、
    内燃機関が第1の負荷である場合に前記気筒に供給する燃料の温度を、内燃機関が前記第1の負荷より高い第2の負荷である場合に前記気筒に供給する燃料の温度より高くする、
    燃料供給方法。
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