JP2021131054A - Fuel property detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は燃料性状検出装置に係り、特に、LNG(液化天然ガス:Liquefied Natural Gas)タンクから供給された天然ガスである内燃機関の燃料の性状を検出するための燃料性状検出装置に関する。 The present disclosure relates to a fuel property detection device, and more particularly to a fuel property detection device for detecting the properties of fuel of an internal combustion engine, which is a natural gas supplied from an LNG (Liquefied Natural Gas) tank.
燃料として天然ガスを使用する内燃機関が知られており、こうした内燃機関を動力源として搭載する車両、すなわち天然ガス自動車が知られている。 An internal combustion engine that uses natural gas as a fuel is known, and a vehicle equipped with such an internal combustion engine as a power source, that is, a natural gas vehicle is known.
天然ガスである燃料が、液体の状態で、すなわちLNGとして燃料タンクに貯留される場合がある。この場合、長期経過等によりLNG中のメタン濃度が減少し、LNGの組成が変わり、燃料が重質化するウェザリング現象なるものが発生する。この燃料性状の変化を無視し、何等対策を施さなければ、内燃機関の稼働に支障を来す虞がある。 Fuel, which is a natural gas, may be stored in a fuel tank in a liquid state, that is, as LNG. In this case, the methane concentration in LNG decreases due to a long period of time or the like, the composition of LNG changes, and a weathering phenomenon occurs in which the fuel becomes heavy. If this change in fuel properties is ignored and no measures are taken, the operation of the internal combustion engine may be hindered.
よって燃料性状を検出してその結果を制御に反映させることが望ましいが、好適な燃料性状検出装置が見当たらないのが実状である。 Therefore, it is desirable to detect the fuel property and reflect the result in the control, but the actual situation is that a suitable fuel property detection device cannot be found.
そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、燃料性状を好適に検出することができる燃料性状検出装置を提供することにある。 Therefore, the present disclosure was devised in view of such circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a fuel property detection device capable of suitably detecting fuel properties.
本開示の一の態様によれば、
LNGタンクから供給された天然ガスである内燃機関の燃料の性状を検出するための燃料性状検出装置であって、
天然ガスをCNGとして貯留するCNGタンクと、
前記LNGタンクおよび前記CNGタンクに切替可能に接続された燃料通路と、
前記燃料通路に設けられ、天然ガスの流量を検出するように構成されたセンサと、
前記燃料通路に所定流量のCNGタンクからの天然ガスが流れているときの前記センサの第1出力値と、前記燃料通路に前記所定流量の前記LNGタンクからの天然ガスが流れているときの前記センサの第2出力値とに基づき、燃料の重質度を推定するように構成された推定ユニットと、
を備えたことを特徴とする燃料性状検出装置が提供される。
According to one aspect of the present disclosure
It is a fuel property detection device for detecting the properties of the fuel of an internal combustion engine, which is a natural gas supplied from an LNG tank.
A CNG tank that stores natural gas as CNG,
A fuel passage switchably connected to the LNG tank and the CNG tank,
A sensor provided in the fuel passage and configured to detect the flow rate of natural gas,
The first output value of the sensor when the natural gas from the CNG tank of the predetermined flow rate is flowing in the fuel passage, and the said when the natural gas from the LNG tank of the predetermined flow rate is flowing in the fuel passage. An estimation unit configured to estimate the fuel severity based on the second output value of the sensor, and
The fuel property detection device is provided.
好ましくは、前記推定ユニットは、前記センサの第1出力値と第2出力値との差に基づき、燃料の重質度を推定する。 Preferably, the estimation unit estimates the fuel severity based on the difference between the first and second output values of the sensor.
好ましくは、前記燃料通路の下流端は、前記内燃機関の吸気通路に接続されている。 Preferably, the downstream end of the fuel passage is connected to the intake passage of the internal combustion engine.
好ましくは、前記燃料通路には、前記内燃機関のフューエルカット時以外のときに天然ガスが流される。 Preferably, natural gas is flowed through the fuel passage at a time other than when the internal combustion engine is fuel-cut.
好ましくは、前記CNGタンクからの天然ガスは、前記内燃機関の燃料として使用される。 Preferably, the natural gas from the CNG tank is used as fuel for the internal combustion engine.
好ましくは、前記燃料性状検出装置は、前記推定ユニットによって推定された燃料の重質度に基づき点火時期および燃料噴射量の少なくとも一方を制御する制御ユニットを備える。 Preferably, the fuel property detection device includes a control unit that controls at least one of the ignition timing and the fuel injection amount based on the fuel severity estimated by the estimation unit.
本開示によれば、燃料性状を好適に検出することができる。 According to the present disclosure, fuel properties can be suitably detected.
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the present disclosure is not limited to the following embodiments.
図1は、本実施形態に係る内燃機関を示す概略図である。内燃機関(エンジンともいう)1は、天然ガスを燃料とし、車両、特にトラック等の大型車両に動力源として搭載される。但しエンジンの用途は任意であり、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に適用されるものであってもよい。またエンジンは、移動体に搭載されたものでなくてもよく、定置式のものであってもよい。燃料は、超低温状態の燃料タンク(図示せず)内にLNGとして貯留される。 FIG. 1 is a schematic view showing an internal combustion engine according to the present embodiment. The internal combustion engine (also referred to as an engine) 1 uses natural gas as fuel and is mounted on a vehicle, particularly a large vehicle such as a truck, as a power source. However, the use of the engine is arbitrary, and it may be applied to a moving body other than a vehicle, for example, a ship, a construction machine, or an industrial machine. Further, the engine does not have to be mounted on a moving body, and may be a stationary engine. The fuel is stored as LNG in a fuel tank (not shown) in an ultra-low temperature state.
エンジン1は、エンジン本体2と、エンジン本体2に接続された吸気通路3および排気通路4と、燃料噴射装置5とを備える。エンジン本体2は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。吸気と排気の流れをそれぞれ白抜き矢印と黒塗り矢印で示す。
The
燃料噴射装置5は、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ7と、各気筒のインジェクタ7に共通に接続されたフューエルレール8とを備える。インジェクタ7は吸気ポートまたはシリンダ9内に燃料を噴射する。フューエルレール8には、燃料供給通路13を通じて送られてきた燃料が気体状態で貯留される。
The
各気筒には、シリンダ9内の混合気に点火するための点火プラグ6が設けられる。
Each cylinder is provided with a
吸気通路3は、エンジン本体2(特にシリンダヘッド)に接続された吸気マニホールド10と、吸気マニホールド10の上流端に接続された吸気管11とにより主に画成される。吸気管11には、上流側から順に、エアクリーナ12、ターボチャージャ14のコンプレッサ14C、インタークーラ15、および電子制御式の吸気スロットルバルブ16が設けられる。
The
排気通路4は、エンジン本体2(特にシリンダヘッド)に接続された排気マニホールド20と、排気マニホールド20の下流側に配置された排気管21とにより主に画成される。排気管21、もしくは排気マニホールド20と排気管21の間には、ターボチャージャ14のタービン14Tが設けられる。タービン14Tより下流側の排気管21には三元触媒22が設けられる。タービン14Tをバイパスするバイパス通路23が設けられ、これにはウエストゲート弁24が設けられる。
The exhaust passage 4 is mainly defined by an
エンジン1はEGR装置30も備える。EGR装置30は、排気通路4内(特に排気マニホールド20内)の排気の一部(EGRガスという)を吸気通路3内(特に吸気マニホールド10内)に還流させるためのEGR通路31と、EGR通路31を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラ32と、EGRガスの流量を調節するためのEGR弁33とを備える。
The
エンジン1を制御するための制御装置が車両に搭載される。制御装置は、制御ユニット、回路要素(circuitry)もしくはコントローラをなす電子制御ユニット(ECU(Electronic Control Unit)という)100を備える。本実施形態の場合、ECU100が特許請求の範囲にいう推定ユニットを構成する。ECU100は、演算機能を有するCPU(Central Processing Unit)、記憶媒体であるROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)、入出力ポート、ならびにROMおよびRAM以外の記憶装置等を含む。
A control device for controlling the
制御装置は以下のセンサ類も備える。すなわち、エンジンの回転速度(具体的には毎分当たりの回転数(rpm))を検出するための回転速度センサ40と、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ41と、三元触媒22の入口部における排気の空気過剰率を検出するためのラムダセンサ42と、吸気スロットルバルブ16の下流側における吸気の温度および圧力を検出するための吸気温センサ43および吸気圧センサ44とを備える。ECU100は、これらセンサ類の出力に基づき前述の各種デバイス、すなわちインジェクタ7、点火プラグ6、吸気スロットルバルブ16、ウエストゲート弁24、EGR弁33を制御する。
The control device also includes the following sensors. That is, a
エンジンの基本的制御に関し、ECU100は、回転速度センサ40、吸気温センサ43および吸気圧センサ44によりそれぞれ検出されたエンジン回転数Ne、吸気温Tおよび吸気圧Pに基づき、所定のマップ(関数でもよい。以下同様)に従って、吸気流量Gaを計算もしくは推定する。なお代替的に、吸気通路3に設けた吸気流量センサにより吸気流量Gaを直接的に検出してもよい。
Regarding the basic control of the engine, the ECU 100 has a predetermined map (also as a function) based on the engine speed Ne, the intake air temperature T, and the intake pressure P detected by the
またECU100は、検出および推定されたエンジン回転数Neおよび吸気流量Gaに基づき、図2(A)に示すようなマップに従って、インジェクタ7から噴射される燃料噴射量の基本値である基本噴射量Qibを算出する。
Further, the
またECU100は、検出および推定されたエンジン回転数Neおよび吸気流量Gaに基づき、図2(B)に示すようなマップに従って、点火プラグ6における点火時期の基本値である基本点火時期θigbを算出する。
Further, the
またECU100は、アクセル開度センサ41により検出されたアクセル開度Acがアクセル全閉相当の値であり、かつ、回転速度センサ40により検出されたエンジン回転数Neが所定の復帰回転数Nesより高いという条件(フューエルカット実行条件という)が成立したとき、インジェクタ7による燃料噴射を停止するフューエルカット制御を実行する。一方、ECU100は、フューエルカット実行条件が成立から非成立に切り替わったとき、フューエルカット制御を終了し、通常制御に復帰する。復帰回転数Nesは、所定のアイドル回転数Niより若干高い値に設定されている。
Further, in the
またECU100は、ラムダセンサ42により検出された実際の空気過剰率λが所定の目標空気過剰率λtに近づくよう、燃料噴射量をフィードバック制御する。これをラムダフィードバック制御という。目標空気過剰率λtは、例えば理論空燃比相当の1とされる。なお、空気過剰率は燃料と空気の混合割合を表す指標値である。こうした指標値として、空気過剰率の代わりに空燃比を用いてもよい。
Further, the
ECU100は、検出されたアクセル開度Acに基づき吸気スロットルバルブ16の開度を制御する。具体的には、アクセル開度Acが増大するほど吸気スロットルバルブ16の開度が増大するように吸気スロットルバルブ16の開度を制御する。
The
さて、前述したように、燃料をLNGとして貯留する燃料タンク内では、長期経過等によりLNG中のメタン濃度が減少し、LNGの組成が変わり、燃料が重質化するウェザリング現象なるものが発生する。例えば、燃料タンクに補充された直後の新品の燃料、すなわち基準燃料は、13A都市ガスと同じ組成を有し、主成分である90%のメタンと、それ以外のエタン、プロパン、ブタンを含む。しかし、燃料タンク内への入熱によりLNGが蒸発すると、メタンが優先的にボイルオフガスとして気化、排出され、LNGのメタン濃度が低下し、重質化する。燃料が重質化すると燃料のメタン価は減少し、密度は増大する。 As described above, in the fuel tank that stores fuel as LNG, the methane concentration in LNG decreases due to a long period of time, the composition of LNG changes, and a weathering phenomenon occurs in which the fuel becomes heavy. .. For example, a new fuel immediately after being refilled in a fuel tank, that is, a reference fuel, has the same composition as 13A city gas and contains 90% methane as a main component and other ethane, propane and butane. However, when LNG evaporates due to heat input into the fuel tank, methane is preferentially vaporized and discharged as boil-off gas, and the methane concentration of LNG decreases and becomes heavy. As the fuel becomes heavier, the methane value of the fuel decreases and the density increases.
この燃料性状の変化を無視し、何等対策を施さなければ、内燃機関の制御に支障を来す虞がある。特に、燃料が重質化するとオクタン価が低下し、ノッキングが起き易くなる。よってエンジン保護のため、燃料性状の変化に合わせて点火時期および燃料噴射量の少なくとも一方を補正するのが好ましい。 If this change in fuel properties is ignored and no measures are taken, there is a risk that the control of the internal combustion engine will be hindered. In particular, when the fuel becomes heavier, the octane number decreases and knocking is more likely to occur. Therefore, in order to protect the engine, it is preferable to correct at least one of the ignition timing and the fuel injection amount according to the change in fuel properties.
そこで本実施形態では、燃料性状検出装置を設け、これにより燃料性状、特に燃料の重質度を検出(具体的には推定)するようにしている。そして、検出した燃料の重質度に応じて点火時期および燃料噴射量を補正し、ノッキングを未然に回避するようにしている。なお、燃料の重質度とは燃料の重質化の度合いを意味する。以下、本実施形態の燃料性状検出装置を詳細に説明する。 Therefore, in the present embodiment, a fuel property detection device is provided to detect (specifically, estimate) the fuel property, particularly the severity of the fuel. Then, the ignition timing and the fuel injection amount are corrected according to the detected fuel severity to avoid knocking. The fuel severity means the degree of fuel severity. Hereinafter, the fuel property detection device of the present embodiment will be described in detail.
図3には、エンジン1に燃料を供給するための燃料供給装置FSを示す。燃料供給装置FSは、燃料をLNGとして貯留する燃料タンク、すなわちLNGタンク50と、LNGタンク50をフューエルレール8に接続する燃料供給通路13とを備える。本実施形態ではLNGタンク50が複数(具体的には二つ)設けられ、具体的には第1LNGタンク50Aと第2LNGタンク50Bが並列に設けられる。燃料供給通路13は、これら二つのLNGタンク50をフューエルレール8に接続する。
FIG. 3 shows a fuel supply device FS for supplying fuel to the
燃料供給通路13は、第1LNGタンク50Aの底部から液体燃料(液体の天然ガス)を抽出し送り出す第1LNG通路51Aと、第2タンク50Bの底部から液体燃料を抽出し送り出す第2LNG通路51Bと、第1LNG通路51Aおよび第2LNG通路51Bの合流点52に上流端が接続された第3通路53とを備える。この第3通路53の下流端がフューエルレール8に接続される。
The
第1LNG通路51Aには、液体燃料を気化させる第1ベーパライザ54Aと、第1ベーパライザ54Aの出口を開閉する遮断弁55Aとが設けられる。遮断弁55Aは電磁弁によって構成される。第1LNGタンク50A外で、第1ベーパライザ54Aの上流側と、第1LNGタンク50Aの上面部とを接続する第1ガス通路56Aが設けられる。第1ガス通路56Aには第1エコノマイザー57Aが設けられる。
The
第1LNGタンク50A内で、LNG中のメタンが気化し、ボイルオフガスが発生すると、タンク内圧力が上昇する。このタンク内圧力が所定値以上となったとき、第1エコノマイザー57Aがリリーフ弁の如く開弁し、ボイルオフガスを下流側に排出する。これによりタンク内圧力が低下され、同時にLNGの重質化が進行する。なお第1エコノマイザー57Aは、タンク内圧力が所定値未満のとき閉弁される。
When methane in LNG vaporizes in the first LNG tank 50A and boil-off gas is generated, the pressure in the tank rises. When the pressure in the tank becomes equal to or higher than a predetermined value, the
これとは別に、第1LNGタンク50Aの上面部には第1ベント通路58Aが接続され、第1ベント通路58Aには第1タンクベントバルブ59Aが設けられる。第1タンクベントバルブ59Aは一種の安全弁であり、タンク内圧力が、第1エコノマイザー57Aの開弁圧より高い所定圧力以上となったとき開弁し、タンク内のボイルオフガスを大気に放出することでタンク内を減圧する。
Separately from this, a
第1LNGタンク50Aには、タンク内の液体燃料の残量を検出するための第1残量計60Aが設けられる。
The first LNG tank 50A is provided with a
以上の構成は、第2LNGタンク50B側でも同様であるので説明を省略する。第2LNGタンク50B側の各要素を「第2・・・B」のように改称する。例えば、第1ベーパライザ54Aは第2ベーパライザ54Bに改称される。
Since the above configuration is the same on the second LNG tank 50B side, the description thereof will be omitted. Each element on the second LNG tank 50B side is renamed as "second ... B". For example, the
両タンク50A,50Bは共通の充填口61に接続され、この充填口61から両タンク50A,50B内にLNGが充填ないし補充される。
Both tanks 50A and 50B are connected to a common filling
第3通路53には、上流側から順に、圧力センサ62と、遮断弁63と、LNG用レギュレータ64と、遮断弁65とが設けられる。遮断弁63,65は電磁弁によって構成される。LNG用レギュレータ64は、上流側から送られてきた気体燃料を減圧および調圧して下流側に送る。
A
一方、本実施形態の燃料供給装置FSは、天然ガスを高圧の気体状態で、すなわちCNG(圧縮天然ガス:Compressed Natural Gas)として貯留する燃料タンク、すなわちCNGタンク70も備えている。このCNGタンク70から供給されるCNG由来の天然ガスは、本実施形態の場合、エンジン1の燃料として使用される。
On the other hand, the fuel supply device FS of the present embodiment also includes a fuel tank, that is, a
CNG由来の天然ガスは、その組成が安定しており重質化せず、また、重質化してないLNG由来の燃料と実質的に同じ組成を有する。 The CNG-derived natural gas has a stable composition, does not become heavy, and has substantially the same composition as the non-heavy LNG-derived fuel.
燃料供給装置FSは、CNGタンク70を燃料供給通路13ひいてはフューエルレール8に接続するための第4通路71を備える。第4通路71の上流端はCNGタンク70に接続され、第4通路71の下流端は、合流点72で第3通路53に接続される。
The fuel supply device FS includes a
第4通路71には、上流側から順に、遮断弁73と、圧力センサ74と、遮断弁75と、CNG用レギュレータ76と、遮断弁77とが設けられる。遮断弁73,75,77は電磁弁によって構成される。CNG用レギュレータ76も、上流側から送られてきた気体燃料を減圧および調圧して下流側に送る。
The
上記遮断弁を適宜切り替えることにより、第1LNGタンク50A、第2LNGタンク50BおよびCNGタンク70からの燃料(第1LNG燃料、第2LNG燃料およびCNG燃料という)を適宜切り替えてエンジン1に供給することができる。
By appropriately switching the shutoff valve, fuels (referred to as first LNG fuel, second LNG fuel, and CNG fuel) from the first LNG tank 50A, the second LNG tank 50B, and the
次に、燃料性状検出装置CDについて説明する。燃料性状検出装置CDは、第3通路53および第4通路71に接続された燃料抽出通路81を備える。燃料抽出通路81は、その上流側部分が分岐点84で二股状に分岐され、一方の上流端が分岐点82で第3通路53に接続され、他方の上流端が分岐点83で第4通路71に接続される。分岐点82は、第3通路53におけるLNG用レギュレータ64の下流側、かつ遮断弁65の上流側に位置される。分岐点83は、第4通路71におけるCNG用レギュレータ76の下流側、かつ遮断弁77の上流側に位置される。
Next, the fuel property detection device CD will be described. The fuel property detection device CD includes a
燃料抽出通路81の下流端は、エアクリーナ12より下流側かつコンプレッサ14Cより上流側の吸気通路3ないし吸気管11に接続されている(図1参照)。これにより、燃料抽出通路81を流れた後の気体燃料を吸気通路3に環流させ、大気への放出を防止できる。燃料抽出通路81は、特許請求の範囲にいう燃料通路をなす。
The downstream end of the
燃料抽出通路81において、分岐点82と分岐点84の間の位置に遮断弁85が設けられ、分岐点83と分岐点84の間の位置に遮断弁86が設けられ、分岐点84と下流端の間の位置に遮断弁87が設けられる。
In the
燃料抽出通路81において、遮断弁87の下流側には、天然ガスの流量を検出するように構成されたセンサすなわち燃料センサ88が設けられる。この燃料センサ88の詳細については後述する。
In the
上述の各遮断弁55A,55B,63,65,73,75,77,85,86,87は、ECU100に接続され、ECU100によって開閉制御される。また第1および第2残量計60A,60Bと圧力センサ62,74と燃料センサ88も、ECU100に接続され、各出力をECU100に送る。
Each of the above-mentioned
第1LNG燃料によりエンジンを運転するときには、遮断弁55A,63,65が開、遮断弁55B,73,75,77が閉とされ、第1LNG燃料がフューエルレール8に送られる。このとき同時に、燃料センサ88の出力値を検出する場合には、遮断弁85,87が開、遮断弁86が閉とされ、第1LNG燃料が燃料抽出通路81を流されると共に燃料センサ88を通過させられる。燃料センサ88の出力値を検出しない場合には遮断弁85,86,87が閉とされる。
When the engine is operated by the first LNG fuel, the
以下同様に、第2LNG燃料によりエンジンを運転するときには、遮断弁55B,63,65が開、遮断弁55A,73,75,77が閉とされ、第2LNG燃料がフューエルレール8に送られる。このとき同時に、燃料センサ88の出力値を検出する場合には、遮断弁85,87が開、遮断弁86が閉とされ、第2LNG燃料が燃料抽出通路81を流されると共に燃料センサ88を通過させられる。燃料センサ88の出力値を検出しない場合には遮断弁85,86,87が閉とされる。
Similarly, when the engine is operated by the second LNG fuel, the
CNG燃料によりエンジンを運転するときには、遮断弁73,75,77が開、遮断弁55A,55B,63,65が閉とされ、CNG燃料がフューエルレール8に送られる。このとき同時に、燃料センサ88の出力値を検出する場合には、遮断弁86,87が開、遮断弁85が閉とされ、CNG燃料が燃料抽出通路81を流されると共に燃料センサ88を通過させられる。燃料センサ88の出力値を検出しない場合には遮断弁85,86,87が閉とされる。
When the engine is operated by CNG fuel, the
こうして燃料抽出通路81は、第1LNGタンク50A、第2LNGタンク50BおよびCNGタンク70に切替可能に接続される。
In this way, the
燃料センサ88は、天然ガス(具体的には13A都市ガス)の体積流量検出用として構成されたセンサである。燃料センサ88の出力特性は図4に実線aで示す通りである。天然ガスの体積流量Q(l/min)が増加するほど、センサの出力値すなわち出力電圧VA(V)は増加する。燃料センサ88としては、例えば、MEMSセンサーを用いたガス密度固定値の体積流量計を使用することができる。Q=0のときの出力電圧はVA0である。
The
燃料センサ88の直前に位置する遮断弁87に燃料が送られてきた場合、この遮断弁87は、閉弁時には燃料の流れを遮断するが、開弁時には、一定の所定流量Qs(例えば2(l/min))の燃料を下流側に送る。従って遮断弁87の開弁時には、所定流量Qsの燃料が燃料センサ88を通過させられる。
When fuel is sent to the
次に、ECU100における燃料重質度推定方法を説明する。
Next, a method for estimating the fuel severity in the
図4の実線aは、燃料センサ88にCNG燃料を流したときの体積流量Qと、燃料センサ88の出力電圧VAとの関係を示す。
The solid line a in FIG. 4 shows the relationship between the volumetric flow rate Q when CNG fuel is passed through the
一方、重質化してない新品の第1LNG燃料または第2LNG燃料(総称してLNG燃料という)、すなわち基準LNG燃料は、CNG燃料と実質的に同じ組成を有し、そのメタン価および密度もCNG燃料と実質的に等しい。よって、燃料センサ88に基準LNG燃料を流したとき、燃料センサ88の出力特性は実線aの如くなる。
On the other hand, a new non-heavy-weighted first LNG fuel or second LNG fuel (collectively referred to as LNG fuel), that is, a reference LNG fuel has substantially the same composition as CNG fuel, and its methane value and density are also CNG. Substantially equal to fuel. Therefore, when the reference LNG fuel is passed through the
しかし、LNG燃料が基準LNG燃料から重質化していくと、燃料センサ88の出力特性は一点鎖線b1,b2,b3,b4の如く次第に変化していくことが判明した。すなわち、出力電圧VAは次第に増加し、体積流量Qの増加に対する出力電圧VAの増加率(傾き)も次第に増加する。
However, it was found that as the LNG fuel becomes heavier than the standard LNG fuel, the output characteristics of the
従って、体積流量Qが一定の所定流量Qsであるときの、任意の破線(例えばb3)と、実線aとの出力電圧の差ΔVは、LNG燃料の重質度を反映するパラメータに他ならない。よって本実施形態では、出力差ΔVに基づいてLNG燃料の重質度を推定する。 Therefore, the difference ΔV between the output voltage of an arbitrary broken line (for example, b3) and the solid line a when the volumetric flow rate Q is a constant predetermined flow rate Qs is nothing but a parameter that reflects the severity of the LNG fuel. Therefore, in the present embodiment, the severity of the LNG fuel is estimated based on the output difference ΔV.
すなわち、ECU100は、燃料抽出通路81に所定流量QsのCNG燃料が流れているときの燃料センサ88の第1出力値すなわち第1出力電圧Vaと、燃料抽出通路81に所定流量QsのLNG燃料が流れているときの燃料センサ88の第2出力値すなわち第2出力電圧Vbとの出力差ΔV(=Vb−Va)に基づき、LNG燃料の重質度を推定するように構成されている。
That is, in the
図5に示すように、本実施形態では簡便のため、燃料の重質度を重質化指数Xという値で表す。LNG燃料が基準LNG燃料のとき、出力差ΔVはΔVb=0であるが、このときの重質化指数XをX0とする。LNG燃料の重質度が基準LNG燃料より大きくなるほど、重質化指数XもX0より大きくなるものとする。本実施形態の場合、X0=0である。 As shown in FIG. 5, for the sake of simplicity in this embodiment, the severity of the fuel is represented by a value called the severity index X. When the LNG fuel is the reference LNG fuel, the output difference ΔV is ΔVb = 0, but the weighting index X at this time is X0. It is assumed that the heaviness index X becomes larger than X0 as the severity of the LNG fuel becomes larger than that of the reference LNG fuel. In the case of this embodiment, X0 = 0.
出力差ΔVと重質化指数Xの関係を表す図示の如きマップがECU100に予め記憶される。ECU100は、出力差ΔVに対応した重質化指数Xをマップから算出し、これにより燃料の重質度を推定する。マップによれば、出力差ΔVが増大するほど大きな重質化指数Xが得られる。
A map as shown in the figure showing the relationship between the output difference ΔV and the weighting index X is stored in the
ECU100は、エンジンがCNG燃料で運転されているとき、前述の如く燃料センサ88に所定流量QsのCNG燃料を流し、第1出力電圧Vaを検出、取得する。そしてこの値を記憶ないし学習し、その後の重質度推定に使用する。
When the engine is operated with CNG fuel, the
第1出力電圧Vaを後述する適宜なタイミングで検出し、これとの出力差ΔVによりLNG燃料の重質度を推定するので、第1出力電圧Vaを不変の固定値とする場合に比べ、重質度推定精度を向上できる。すなわち、第1出力電圧Vaを固定値とすると、センサ劣化等により燃料センサ88の出力がずれた場合にそのずれの影響を排除できない。しかし、本実施形態によればそれが可能である。
Since the first output voltage Va is detected at an appropriate timing described later and the severity of the LNG fuel is estimated from the output difference ΔV from this, it is heavier than the case where the first output voltage Va is set to an invariant fixed value. The quality estimation accuracy can be improved. That is, if the first output voltage Va is set to a fixed value, the influence of the deviation cannot be eliminated when the output of the
重質度推定は、第1LNG燃料と第2LNG燃料に対し個別に行われる。但しその方法は同じなので、便宜上、第1LNG燃料の方のみを考慮しても差し支えない。 Severity estimation is performed separately for the first LNG fuel and the second LNG fuel. However, since the method is the same, for convenience, only the first LNG fuel may be considered.
燃料センサ88による各燃料の検出は、各燃料でエンジンが運転されているときに同時に行われる。LNG燃料が主燃料である一方、CNG燃料は予備的燃料であり、例えば、LNG燃料が全量消費されたとき、LNG燃料が過度に重質化して使用不能となったとき、CNG燃料を使用する方が好ましい運転状態(例えばアイドリング)であるときなどに使用される。
The detection of each fuel by the
第1LNG燃料および第2LNG燃料は、第1残量計60Aおよび第2残量計60Bで検出されるそれらの残量ができるだけ均等になるよう、交互に使用される。つまり、エンジンにLNG燃料を供給する第1LNGタンク50Aと第2LNGタンク50Bが、タンク内残量が所定値減少する度に、定期的に交互に切り替えられる。重質度推定は、この切替直後に行われる。具体的には切替時から、燃料センサ88を通過する燃料成分が安定するようになる所定時間(例えば数分)の経過後に行われる。この他、重質度推定を行うタイミングとしては、エンジンの始動直後、タンクへの新品LNG燃料の補充直後、燃料噴射量の積算値が所定値になるタイミング毎などが挙げられる。
The first LNG fuel and the second LNG fuel are used alternately so that the remaining amounts detected by the first remaining
また、燃料センサ88によるLNG燃料の検出は、圧力センサ62により検出された圧力が所定値以下のとき行われる。前述したように、例えば第1LNGタンク50Aのタンク内圧力が所定値以上に達すると、第1エコノマイザー57Aが開弁し、タンク内のボイルオフガスを排出する。すると、高圧のボイルオフガスが下流側に一気に流され、その影響で、燃料センサ88を通過する流量が所定流量Qsからずれ、重質度推定精度が悪化する虞がある。よって本実施形態では、こうしたボイルオフガスの排出がない、圧力センサ62の検出圧力が所定値以下の場合に限って、LNG燃料を検出し、重質度推定精度が悪化するのを回避している。
Further, the LNG fuel is detected by the
なお、他方の圧力センサ74の検出圧力は主にCNGタンク70内の残量検出に使用される。
The detection pressure of the
燃料抽出通路81の下流端はコンプレッサ14Cより上流側の吸気通路3に接続されている。そのため、燃料抽出通路81を流れた後の燃料はコンプレッサ14Cより上流側の吸気通路3に排出される。一般に、コンプレッサ14Cの下流側や吸気スロットルバルブ16の下流側では吸気圧が変動し易いが、コンプレッサ14Cの上流側では吸気圧が大気圧付近で安定している。そのため、コンプレッサ14Cより上流側の吸気通路3に燃料を排出することで、燃料抽出通路81の出口圧の影響を受けることなく、燃料を安定して排出することができる。
The downstream end of the
燃料抽出通路81には、エンジンのフューエルカット時以外のときに、燃料センサ88による検出を行うべく、LNG燃料またはCNG燃料(すなわち天然ガス)が流される。燃料抽出通路81に天然ガスが流されると、燃料抽出通路81を流れた後の天然ガスは吸気通路3に排出される。フューエルカット時にこうした排出が行われると、排出された天然ガスがシリンダ9内で点火されず未燃のまま排気通路4に排出されてしまう。これを防止するため、フューエルカット時には天然ガスを燃料抽出通路81に流さないようにしている。
LNG fuel or CNG fuel (that is, natural gas) is flowed through the
なお、仮に燃料抽出通路81の下流端が吸気通路3に接続されていない場合でも、フューエルカット時以外のときに天然ガスを流すのが好ましい。燃料抽出通路81に天然ガスを流すこととフューエルカットとは相反する行為と考えられるからである。
Even if the downstream end of the
次に図6を参照して、重質度推定の手順を説明する。 Next, the procedure for estimating the severity will be described with reference to FIG.
まずステップS101において、燃料抽出通路81に所定流量QsのCNG燃料を流したときの燃料センサ88の第1出力電圧Vaと、燃料抽出通路81に所定流量QsのLNG燃料を流したときの燃料センサ88の第2出力電圧Vbとが検出される。前述したように、第1出力電圧Vaは、CNG燃料でエンジンが運転されているときに遮断弁86,87を開、遮断弁85を閉とすることで検出される。また第2出力電圧Vbは、LNG燃料(第1LNG燃料および第2LNG燃料の何れか一方)でエンジンが運転されているときに遮断弁85,87を開、遮断弁86を閉とすることで検出される。
First, in step S101, the first output voltage Va of the
第1出力電圧Vaを検出する際、燃料抽出通路81にCNG燃料を所定時間流し、その間の第1出力電圧Vaの平均値を最終的な第1出力電圧Vaの検出値としてもよい。第2出力電圧Vbについても同様である。
When detecting the first output voltage Va, CNG fuel may be allowed to flow through the
第1出力電圧Vaの検出後、その値は学習値としてECU100に記憶される。
After the detection of the first output voltage Va, the value is stored in the
次に、ステップS102において、これら出力電圧の差である出力差ΔV=Vb−VaがECU100により算出される。
Next, in step S102, the output difference ΔV = Vb−Va, which is the difference between these output voltages, is calculated by the
そしてステップS103において、出力差ΔVに対応した重質化指数Xが図5に示したマップからECU100により算出される。これにより実質的に、現在のLNG燃料の性状すなわち重質度を好適に検出することができる。この算出された重質化指数Xも、学習値としてECU100に記憶される。
Then, in step S103, the weighting index X corresponding to the output difference ΔV is calculated by the
最後に、ステップS104において、算出された重質化指数Xに基づき、点火時期θigと燃料噴射量QiがECU100により算出される。以下、その内容を説明する。
Finally, in step S104, the ignition timing θig and the fuel injection amount Qi are calculated by the
まず点火時期θigに関し、ECU100は、図7(A)に示すような所定のマップから、重質化指数Xに対応した点火時期補正量Δθigを算出する。点火時期補正量Δθigは、重質化指数Xがゼロ(=X0)、すなわち燃料が重質化してないときにはゼロであり、重質化指数Xが増大するにつれ増大する。
First, regarding the ignition timing θig, the
次いでECU100は、点火時期θigを式f1:θig=θigb−Δθigから算出する。点火時期θigは、その値が大きくなるほど進角側とされる。よって重質度が増大するほど、点火時期θigを遅角化することができ、ノッキングを好適に抑制することができる。
Next, the
次に燃料噴射量Qiに関し、ECU100は、図7(B)に示すような所定のマップから、重質化指数Xに対応した燃料補正量ΔQiを算出する。燃料補正量ΔQiは、重質化指数Xがゼロ、すなわち燃料が重質化してないときにはゼロであり、重質化指数Xが増大するにつれ増大する。
Next, regarding the fuel injection amount Qi, the
次にECU100は、燃料噴射量Qiを式f2:Qi=Qib+Qifb+ΔQiから算出する。
Next, the
Qifbは、ラムダセンサ42により検出された実際の空気過剰率λと、目標空気過剰率λtとの差に基づいて算出されるラムダフィードバック補正量である。
Qifb is a lambda feedback correction amount calculated based on the difference between the actual excess air ratio λ detected by the
燃料が重質化したときに正の燃料補正量ΔQiを加算する理由は次の通りである。燃料が重質化すると、ラムダセンサ42により検出される空気過剰率λの検出値が、真の値よりもリッチ側にずれることが判明した。すると制御は、燃料噴射量を減量補正しようとする方向に働く。その結果、何等対策を施さないと燃料量が不足し、空気過剰率がリーン側にずれて制御されてしまう。そのため、こうしたセンサのリッチずれを解消する目的で、正の燃料補正量ΔQiを加算する。これにより、空気過剰率のリーン側へのずれを好適に抑制することができる。
The reason for adding the positive fuel correction amount ΔQi when the fuel becomes heavy is as follows. It was found that when the fuel became heavier, the detected value of the excess air ratio λ detected by the
このように算出された点火時期θigと燃料噴射量Qiに従って実際の点火時期と燃料噴射量がECU100により制御される。これにより、燃料の重質度を制御に反映させ、燃料が重質化したときでもノッキング等の不具合を抑制すると共に、排気エミッションの悪化を抑制することができる。
The actual ignition timing and fuel injection amount are controlled by the
なお、燃料抽出通路81にLNG燃料またはCNG燃料を流している最中には、燃料噴射量Qiを式f2’:Qi=Qib+Qifb−Qid+ΔQiから算出するのが好ましい。Qid(>0)は、燃料抽出通路81経由でシリンダ9に供給される燃料量を減算するための減算量である。Qidは、燃料抽出通路81における燃料流量Qsに基づいて計算される。このように燃料抽出通路81経由の燃料を考慮することでインジェクタ7からの燃料噴射量Qiを好適に算出できる。
While the LNG fuel or CNG fuel is flowing through the
重質度に基づく燃料噴射量制御に関し、重質度に応じて燃料噴射量に上限ガード値を設けてもよい。例えば、重質化指数Xが所定値以上のときだけ、燃料噴射量Qiに上限ガード値を設定してもよい。あるいは、重質化指数Xの増大に応じて増大する上限ガード値を設定してもよい。こうすると、燃料が重質化したときに燃料噴射量Qiを上限ガード値に制限することができ、ノッキング抑制に有利である。 Regarding the fuel injection amount control based on the severity, an upper limit guard value may be set for the fuel injection amount according to the severity. For example, the upper limit guard value may be set for the fuel injection amount Qi only when the weighting index X is equal to or higher than a predetermined value. Alternatively, an upper limit guard value that increases as the weighting index X increases may be set. By doing so, the fuel injection amount Qi can be limited to the upper limit guard value when the fuel becomes heavy, which is advantageous in suppressing knocking.
燃料抽出通路81にCNG燃料を流したときの第1出力電圧Vaと、第1LNG燃料を流したときの第2出力電圧Vbと、第2LNG燃料を流したときの第2出力電圧Vbとの検出タイミングは、それぞれ異なり、まちまちである。従って、出力差ΔVおよび重質化指数Xの算出は、それら出力電圧が検出される度に、最新の値に基づいて行われる。これにより常に最新の燃料性状を検出可能である。
Detection of the first output voltage Va when CNG fuel is flowed through the
なお当然に、第1LNG燃料の使用時には、第1LNG燃料を流したときの第2出力電圧Vbに基づいて算出された重質化指数Xが制御に使用される。第2LNG燃料の使用時も同様である。 As a matter of course, when the first LNG fuel is used, the weighting index X calculated based on the second output voltage Vb when the first LNG fuel is flown is used for control. The same applies when the second LNG fuel is used.
次に、第1変形例を説明する。 Next, a first modification will be described.
前述したように、燃料抽出通路81にLNG燃料を流して行う第2出力電圧Vbの検出は、圧力センサ62の検出圧力が所定値以下のとき行われる。しかしながら、LNG燃料がガス燃料であるため、その圧力は依然として不安定であり、燃料抽出通路81に供給される燃料の圧力が変動することがある。そしてこの圧力変動に起因して燃料センサ88の出力電圧VAが変動し、最終的に推定される重質度、すなわち重質化指数Xの値が変動することがある。
As described above, the detection of the second output voltage Vb performed by flowing LNG fuel through the
図8はこのときの様子を示す。横軸は時間tである。図示するように、重質化指数Xの値が変動したとしても、重質化指数Xの値は総じて、重質化に伴い増大する傾向にある。よって各点c1〜c3で示されるように、重質化指数Xが最大値を更新する度にその値を学習していけば、燃料の重質度を極めて容易かつ正確に推定することができる。また、こうした最大値に基づいてエンジン制御を行えば、最も安全側の制御となり、ノッキング等の不具合をできるだけ招かないで済む。 FIG. 8 shows the state at this time. The horizontal axis is time t. As shown in the figure, even if the value of the aggravation index X fluctuates, the value of the aggravation index X generally tends to increase with the aggravation. Therefore, as shown by the points c1 to c3, if the weighting index X learns the value every time the maximum value is updated, the fuel weight can be estimated extremely easily and accurately. .. Further, if the engine is controlled based on such a maximum value, the control is on the safest side, and problems such as knocking can be avoided as much as possible.
よって本変形例では、かかる観点に基づいて重質度推定を行う。以下、図9を参照して、本変形例の重質度推定の手順を説明する。 Therefore, in this modification, the severity is estimated based on this viewpoint. Hereinafter, the procedure for estimating the severity of this modification will be described with reference to FIG.
本変形例の手順において、ステップS201〜S204は前述の基本実施形態(図6)のステップS101〜S104と同じである。ステップS203とステップS204の間にステップS203A,203Bが追加されている点が異なる。 In the procedure of this modification, steps S201 to S204 are the same as steps S101 to S104 of the above-mentioned basic embodiment (FIG. 6). The difference is that steps S203A and 203B are added between step S203 and step S204.
ECU100は、ステップS203で重質化指数Xを算出した後、ステップS203Aにおいて、算出された重質化指数Xが、既に記憶済みの学習値Xmaxより大きいか否かを判断する。
After calculating the weighting index X in step S203, the
大きい場合には、ステップS203Bにおいて、算出された重質化指数Xを学習値Xmaxに置き換え、学習値Xmaxを更新する。これにより重質化指数Xが学習値Xmaxを超える度に、学習値Xmaxが更新され、重質化指数Xは現時点までの最大値に実質的に固定される。 If it is large, in step S203B, the calculated weighting index X is replaced with the learning value Xmax, and the learning value Xmax is updated. As a result, every time the weighting index X exceeds the learning value Xmax, the learning value Xmax is updated, and the weighting index X is substantially fixed to the maximum value up to the present time.
ステップS204では、学習値Xmaxに基づいて点火時期θigと燃料噴射量Qiを算出する。これにより、重質化指数Xが変動する場合でもその影響を排除して好適に点火時期θigと燃料噴射量Qiを制御できる。 In step S204, the ignition timing θig and the fuel injection amount Qi are calculated based on the learning value Xmax. As a result, even when the weighting index X fluctuates, the influence can be eliminated and the ignition timing θig and the fuel injection amount Qi can be preferably controlled.
他方、ステップS203Aにおいて重質化指数Xが学習値Xmax以下のときには、ステップS203Bをスキップして学習値Xmaxを更新することなくステップS204に進む。 On the other hand, when the weighting index X is equal to or less than the learning value Xmax in step S203A, step S203B is skipped and the process proceeds to step S204 without updating the learning value Xmax.
なお学習値Xmaxは、例えばLNGタンク50に新品燃料が補充されたときなど、適宜のタイミングで初期値X0(図5参照)に初期化される。 The learning value Xmax is initialized to the initial value X0 (see FIG. 5) at an appropriate timing, for example, when the LNG tank 50 is replenished with new fuel.
以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。 Although the embodiments of the present disclosure have been described in detail above, various other embodiments and modifications of the present disclosure can be considered.
(1)例えば前記実施形態では、燃料センサ88の出力値として出力電圧Va,Vbを用いたが、これに限らず、例えば出力電圧Va,Vbを換算して得られる体積流量を用いてもよい。
(1) For example, in the above embodiment, the output voltages Va and Vb are used as the output values of the
(2)重質度を表すパラメータないし指標値は重質化指数Xに限らず、任意の指標値とすることができる。例えば、出力差ΔVとしてもよい。また燃料が基準燃料のときの重質化指数X0を1としてもよい。 (2) The parameter or index value representing the severity is not limited to the severity index X, and can be any index value. For example, the output difference may be ΔV. Further, the weighting index X0 when the fuel is the reference fuel may be set to 1.
(3)前記実施形態では、出力電圧Va,Vbの差ΔVに基づいて重質度を推定したが、これに限らず、例えば出力電圧Va,Vbの比(Vb/Va)に基づいて重質度を推定してもよい。 (3) In the above embodiment, the severity is estimated based on the difference ΔV between the output voltages Va and Vb, but the severity is not limited to this, and is not limited to this, for example, the severity is estimated based on the ratio (Vb / Va) of the output voltages Va and Vb. The degree may be estimated.
(4)CNGタンク70からの天然ガスは、エンジンの燃料として使用されなくてもよい。すなわち、出力電圧Vaの検出専用として用いられてもよい。
(4) Natural gas from the
(5)前記実施形態では、重質化指数Xに基づき点火時期θigおよび燃料噴射量Qiの両方を制御したが、いずれか一方を制御するようにしてもよい。 (5) In the above embodiment, both the ignition timing θig and the fuel injection amount Qi are controlled based on the weighting index X, but either one may be controlled.
(6)前記実施形態では、燃料抽出通路81を二股状にしてその上流端をフューエルレール8より上流側の第3通路53および第4通路71に接続したが、これに限らない。例えば、燃料抽出通路81を直管状にしてその上流端を、合流点72より下流側の第3通路53、またはフューエルレール8に接続してもよい。この場合、遮断弁85,86を省略できる。
(6) In the above embodiment, the
前述の各実施形態および各変形例の構成は、特に矛盾が無い限り、部分的にまたは全体的に組み合わせることが可能である。本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。 The configurations of the above-described embodiments and modifications can be combined partially or wholly, unless otherwise inconsistent. The embodiments of the present disclosure are not limited to the above-described embodiments, and all modifications, applications, and equivalents included in the ideas of the present disclosure defined by the claims are included in the present disclosure. Therefore, this disclosure should not be construed in a limited way and may be applied to any other technique that falls within the scope of the ideas of this disclosure.
1 内燃機関(エンジン)
3 吸気通路
50 LNGタンク
70 CNGタンク
81 燃料抽出通路
88 燃料センサ
100 電子制御ユニット(ECU)
CD 燃料性状検出装置
1 Internal combustion engine (engine)
3 Intake passage 50
CD fuel property detector
Claims (6)
天然ガスをCNGとして貯留するCNGタンクと、
前記LNGタンクおよび前記CNGタンクに切替可能に接続された燃料通路と、
前記燃料通路に設けられ、天然ガスの流量を検出するように構成されたセンサと、
前記燃料通路に所定流量のCNGタンクからの天然ガスが流れているときの前記センサの第1出力値と、前記燃料通路に前記所定流量の前記LNGタンクからの天然ガスが流れているときの前記センサの第2出力値とに基づき、燃料の重質度を推定するように構成された推定ユニットと、
を備えたことを特徴とする燃料性状検出装置。 It is a fuel property detection device for detecting the properties of the fuel of an internal combustion engine, which is a natural gas supplied from an LNG tank.
A CNG tank that stores natural gas as CNG,
A fuel passage switchably connected to the LNG tank and the CNG tank,
A sensor provided in the fuel passage and configured to detect the flow rate of natural gas,
The first output value of the sensor when the natural gas from the CNG tank of the predetermined flow rate is flowing in the fuel passage, and the said when the natural gas from the LNG tank of the predetermined flow rate is flowing in the fuel passage. An estimation unit configured to estimate the fuel severity based on the second output value of the sensor, and
A fuel property detection device characterized by being equipped with.
請求項1に記載の燃料性状検出装置。 The fuel property detection device according to claim 1, wherein the estimation unit estimates the severity of fuel based on the difference between the first output value and the second output value of the sensor.
請求項1または2に記載の燃料性状検出装置。 The fuel property detection device according to claim 1 or 2, wherein natural gas is flowed through the fuel passage at a time other than when the internal combustion engine is fuel-cut.
請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料性状検出装置。 The fuel property detection device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a control unit that controls at least one of the ignition timing and the fuel injection amount based on the fuel severity estimated by the estimation unit.
請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料性状検出装置。 The fuel property detection device according to any one of claims 1 to 4, wherein the downstream end of the fuel passage is connected to the intake passage of the internal combustion engine.
請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料性状検出装置。 The fuel property detection device according to any one of claims 1 to 5, wherein the natural gas from the CNG tank is used as a fuel for the internal combustion engine.
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