JP2022150185A - 推定装置および内燃機関制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化しつつ燃料の性質の変化を適切に推定する推定装置および内燃機関制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関に延びる吸気通路に配置され、内燃機関に供給される燃料を吸気通路に吐出する燃料吐出部と、吸気通路において燃料吐出部の下流側に配置され、吸気通路の空気と燃料とが混合された混合気の空燃比を検出する空燃比検出部と、空燃比検出部で検出される空燃比に基づいて、燃料の性質の変化を推定する推定部とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、推定装置および内燃機関制御装置に関する。

従来から、内燃機関に供給される燃料の性質の変化を推定する推定装置が提案されている。例えば、液化天然ガスを燃料とする内燃機関では、液化天然ガス中の軽い成分が時間の経過に伴って放出されて、燃料が重質化する、いわゆるウェザリング現象を引き起こすおそれがある。このため、燃料の性質の変化を適切に推定することが求められている。

そこで、燃料の性質の変化を適切に推定する技術として、例えば、特許文献１には、運転中に燃料の性状を把握できる内燃機関が開示されている。この内燃機関は、天然ガスの２つのガス成分を検出して、ガス成分の全体構成を推定するため、燃料の性質の変化を適切に推定することができる。

特開２０１９－１８３８０１号公報

しかしながら、特許文献１の内燃機関は、ガス成分検出センサでガス成分を検出するものである。一般的に、成分を検出するセンサは、大型に構成されているため、装置が大型化するおそれがある。また、２つのガス成分検出センサを配置するなど、その検出精度を向上するためにはセンサの数を増やす必要があり、装置がさらに大型化するおそれがある。

本開示は、小型化しつつ燃料の性質の変化を適切に推定する推定装置および内燃機関制御装置を提供することを目的とする。

本開示に係る推定装置は、内燃機関に延びる吸気通路に配置され、内燃機関に供給される燃料を吸気通路に吐出する燃料吐出部と、吸気通路において燃料吐出部の下流側に配置され、吸気通路の空気と燃料とが混合された混合気の空燃比を検出する空燃比検出部と、空燃比検出部で検出される空燃比に基づいて、燃料の性質の変化を推定する推定部とを備えるものである。

本開示に係る内燃機関制御装置は、上記の推定装置と、推定装置の推定部で推定された燃料の性質の変化に基づいて内燃機関を制御する内燃機関制御部とを備える。

本開示によれば、小型化しつつ燃料の性質の変化を適切に推定することが可能となる。

本開示の実施の形態に係る推定装置を備えた車両の構成を示す図である。 実施の形態の動作を示すフローチャートである。

以下、本開示に係る実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に、本開示の実施の形態に係る推定装置を備えた車両の構成を示す。車両は、内燃機関１と、燃料タンク２と、吸気通路３と、内燃機関制御装置４とを有する。なお、車両としては、例えば、トラックおよびバンなどが挙げられる。

内燃機関１は、車両を駆動するためのもので、図示しない供給路を介して燃料タンク２に接続され、燃料タンク２に収容されたガス燃料が順次供給される。燃料タンク２から供給されるガス燃料は、吸気通路３から供給される空気と所定の比率で混合されて内燃機関１の気筒内に導入され、点火プラグの点火により燃焼される。この熱エネルギーにより、車両が駆動されることになる。

ガス燃料としては、例えば、液化天然ガス（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ：ＬＮＧ）および圧縮天然ガス（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ：ＣＮＧ）などが挙げられる。

燃料タンク２は、内燃機関１に供給される燃料を収容するもので、例えばガス燃料を液体状態で収容するように低温容器から構成することができる。ガス燃料は、燃料タンク２から放出された後、図示しない供給路内で気化されて、所定の圧力で内燃機関１に供給される。また、燃料タンク２は、調圧弁２ａを介して内燃機関制御装置４の燃料吐出部１０にも接続されており、燃料吐出部１０に燃料を供給する。

吸気通路３は、外部から内燃機関１に延びるように形成され、外部から取り入れた空気を内燃機関１に供給する。吸気通路３は、バイパス通路３ａを有し、このバイパス通路３ａが、吸気通路３に配置された吸気スロットル５を避けて迂回するように形成されている。

内燃機関制御装置４は、推定装置６と、内燃機関制御部７とを有する。また、推定装置６は、ミキシングルーム８と、流入部９と、燃料吐出部１０と、上流側圧力検出部１１と、ルーム内圧力検出部１２と、空燃比検出部１３と、下流側圧力検出部１４と、推定部１５とを有する。

ここで、上流側圧力検出部１１、ルーム内圧力検出部１２、空燃比検出部１３および下流側圧力検出部１４が推定部１５に接続され、この推定部１５が燃料吐出部１０および内燃機関制御部７にそれぞれ接続されている。また、内燃機関制御部７は、内燃機関１および吸気スロットル５にそれぞれ接続されている。

ミキシングルーム８は、吸気通路３を流通する空気と燃料吐出部１０から吐出される燃料とを混合して混合気を形成するためのもので、バイパス通路３ａに設けられている。ミキシングルーム８は、バイパス通路３ａから流入する空気が燃料と十分に混合した後で下流側のバイパス通路３ａに流出するように、バイパス通路３ａに対して大きく拡張するように形成されている。

流入部９は、吸気スロットル５が閉状態とされたときに、バイパス通路３ａからミキシングルーム８内へ所定の流量で空気が流入するように形成されたもので、例えばオリフィスなどから構成されている。流入部９には、所定の質量流量で空気が流入するように所定の径を有する流入口９ａが形成されている。このとき、流入口９ａは、吸気通路３を吸気スロットル５で閉じた状態において、空気を音速領域で噴射するように微小な径で形成されている。

燃料吐出部１０は、燃料を吐出するもので、ミキシングルーム８に配置されている。また、燃料吐出部１０は、燃料タンク２に調圧弁２ａを介して接続されており、内燃機関１に供給される燃料をミキシングルーム８内に一定のパルス幅で吐出する。ここで、燃料吐出部１０は、燃料を噴射するために、例えば吐出部分にオリフィスが配置されており、その吐出口１０ａが極小に形成されている。このとき、燃料吐出部１０は、燃料を音速領域で噴射するように形成されている。

また、燃料吐出部１０は、流入部９の流入口９ａが開く方向に対して交差する方向、具体的にはほぼ９０度で交差する方向から燃料を吐出するように配置されている。すなわち、吐出口１０ａは、流入口９ａに対して９０度ずれた方向に開くように形成されている。

上流側圧力検出部１１は、バイパス通路３ａにおいてミキシングルーム８の上流側に配置され、バイパス通路３ａからミキシングルーム８に流入する空気の圧力を検出する。上流側圧力検出部１１は、例えば、圧力センサから構成することができる。

ルーム内圧力検出部１２は、ミキシングルーム８内に配置され、ミキシングルーム８内の混合気の圧力を検出する。ルーム内圧力検出部１２は、例えば、圧力センサから構成することができる。

空燃比検出部１３は、ミキシングルーム８の下流側に延びるバイパス通路３ａに配置されて、バイパス通路３ａを流通する混合気の空燃比を検出する。空燃比検出部１３は、例えば、空燃比センサから構成することができる。

下流側圧力検出部１４は、吸気通路３において吸気スロットル５および空燃比検出部１３の下流側に配置され、その下流部分における吸気の圧力を検出する。下流側圧力検出部１４は、例えば、圧力センサから構成することができる。

推定部１５は、下流側圧力検出部１４で検出される圧力に基づいて吸気スロットル５が閉状態か否かを判定し、吸気スロットル５が閉状態の場合に燃料を吐出するように燃料吐出部１０を制御する。ここで、推定部１５には、流入部９からミキシングルーム８内に流入する所定の流量の空気に応じて予め設定された設定吐出量で燃料を吐出するように燃料吐出部１０を制御する。このとき、設定吐出量は、所定の流量の空気と設定吐出量の基準燃料とを混合した基準混合気が所定の空燃比となるように設定されている。また、推定部１５は、上流側圧力検出部１１で検出される圧力に基づいて所定の流量を補正し、その補正量に応じて設定吐出量を調整する。
なお、基準燃料としては、例えば、１００％メタンの燃料、および、燃料タンク２に入れた直後の燃料などが挙げられる。また、所定の空燃比は、例えば、ストイキ空燃比（空気過剰率＝１）などに設定することができる。

また、推定部１５は、空燃比検出部１３で検出される混合気の空燃比に基づいて、燃料の性質の変化を推定する。すなわち、推定部１５は、基準燃料を混合した混合気の空燃比に対して、空燃比検出部１３で検出される空燃比の変化を算出し、その空燃比の変化に基づいて燃料の性質の変化を推定することができる。ここで、燃料の性質の変化としては、例えば、メタン価および重質化の度合などに起因するものが挙げられる。
また、推定部１５は、ルーム内圧力検出部１２で検出される圧力に基づいて、空燃比および燃料の吐出量などを補正することができる。

なお、内燃機関制御部７および推定部１５の機能は、コンピュータプログラムにより実現させることもできる。例えば、コンピュータの読取装置が、内燃機関制御部７および推定部１５の機能を実現するためのプログラムを記録した記録媒体からそのプログラムを読み取り、記憶装置に記憶させる。そして、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）が、記憶装置に記憶されたプログラムをＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）にコピーし、そのプログラムに含まれる命令をＲＡＭから順次読み出して実行することにより、内燃機関制御部７および推定部１５の機能を実現することができる。

次に、本実施の形態の動作について、図２のフローチャートを参照して説明する。

まず、図１に示すように、内燃機関制御部７が内燃機関１を制御して車両が駆動される。このとき、推定部１５が、ステップＳ１で、下流側圧力検出部１４で検出される圧力に基づいて吸気スロットル５が閉状態か否かを判定する。推定部１５は、吸気スロットル５が閉状態と判定されるまでステップＳ１の処理を繰り返す。

ここで、内燃機関制御部７が、例えば内燃機関１をアイドリングさせるために、吸気通路３を閉じるように吸気スロットル５を制御する。吸気スロットル５が閉状態とされると、吸気通路３の空気がバイパス通路３ａを介して流通し、ミキシングルーム８内に空気が順次供給されることになる。また、吸気スロットル５に対して下流側の圧力が上流側の圧力より低下し、その圧力が下流側圧力検出部１４で検出される。

下流側圧力検出部１４で検出された圧力は、推定部１５に出力され、推定部１５が、下流側圧力検出部１４で検出された圧力の低下に基づいて、吸気スロットル５が閉状態にされたと判定する。なお、推定部１５は、吸気スロットル５を制御する内燃機関制御部７の制御信号に基づいて、吸気スロットル５が閉状態か否かを判定してもよい。

このようにして、推定部１５は、吸気スロットル５が閉状態にされたと判定すると、ステップＳ２に進んで、流入部９からミキシングルーム８内に流入する空気に向かって、予め設定された設定吐出量で燃料を吐出するように燃料吐出部１０を制御する。なお、設定吐出量は、ミキシングルーム８内に所定の質量流量で流入する空気と、設定吐出量で吐出した基準燃料とを混合した場合に、その基準混合気が所定の空燃比、例えばストイキ空燃比となるように設定されている。

ここで、流入部９は、吸気スロットル５が閉状態とされることで、バイパス通路３ａからミキシングルーム８に所定の質量流量で空気が流入するように形成されている。このため、燃料と空気の混合比が変動するのを抑制することができ、混合気を高精度に形成することができる。また、空気の流入量を制御する必要がなく、ミキシングルーム８に所定の流量の空気を容易に流入させることができる。

また、内燃機関１がアイドリング中に流入部９からミキシングルーム８内に空気を流入させるため、流入部９から所定の流量の空気を安定して流入させることができ、混合気をより高精度に形成することができる。

また、燃料吐出部１０が、吸気スロットル５が閉状態の場合に燃料を吐出して混合気を形成するため、少ない空気の流量で混合気を形成することができ、内燃機関１の空燃比に与える影響を抑制することができる。

また、推定部１５が、流入部９からミキシングルーム８内に流入する空気の流量に応じて予め設定された設定吐出量で燃料を吐出するように燃料吐出部１０を制御する。このため、燃料の吐出量を容易に制御して混合気を形成することができる。

また、推定部１５は、上流側圧力検出部１１で検出される圧力に基づいて、流入部９から流入する空気の流量（所定の流量）を補正する。例えば、上流側圧力検出部１１で検出される圧力が、予め設定された基準圧力に対して低下した場合には、その低下量に応じて流入部９から流入する空気の流量も低下するため、その低下量に応じて所定の流量を補正する。そして、推定部１５は、所定の流量の補正量に応じて、燃料吐出部１０から吐出される燃料の設定吐出量を調整する。これにより、燃料と空気の混合比が変動することを抑制し、混合気を高精度に形成することができる。ここで、基準圧力は、ミキシングルーム８の上流側の圧力に基づいて設定されるものであり、例えば大気圧に設定することができる。

なお、ミキシングルーム８の上流側に温度センサを上流側圧力検出部１１に隣接して配置することが好ましい。これにより、上流側圧力検出部１１で検出される圧力に加えて、温度センサで検出される温度に基づいて、流入部９から流入する空気の流量を高精度に補正することができる。
また、推定部１５は、吸気通路３を流通する空気の流量、または、吸気スロットル５に対して吸気通路３の上流側と下流側との圧力差などに基づいて、流入部９から流入する空気の流量を補正することもできる。

また、推定部１５は、上流側圧力検出部１１で検出される圧力と、ルーム内圧力検出部１２で検出される圧力とに基づいて、燃料吐出部１０からの燃料の吐出量の変動を算出することができる。これにより、例えば、燃料吐出部１０からの燃料の吐出量を調節することで、混合気をより高精度に形成することができる。
なお、ミキシングルーム８内に温度センサを配置することが好ましい。これにより、ルーム内圧力検出部１２で検出される圧力に加えて、温度センサで検出される温度に基づいて、燃料吐出部１０からの燃料の吐出量の変動を高精度に算出することができる。

このようにして、燃料吐出部１０から吐出された燃料が、流入部９から流入する空気とミキシングルーム８で混合されて混合気が形成される。
このとき、ミキシングルーム８は、バイパス通路３ａに対して大きく拡張するように形成されている。一般的に、メタンなどのガス燃料は、比較的軽く且つ安定した成分であるため、空気と混合し難い性質を有する。そこで、ミキシングルーム８を大きく拡張するように形成することで、燃料と空気を確実に混合させることができる。

また、燃料吐出部１０は、流入部９の流入口９ａが開く方向に対して交差する方向から燃料を吐出するように配置されているため、燃料と空気を速やかに混合することができる。このとき、燃料吐出部１０は、流入口９ａが開く方向に対してほぼ９０度で交差する方向から燃料を吐出するため、燃料と空気をより速やかに混合することができる。

また、流入口９ａが、空気を音速領域で噴射するように微小な径で形成されているため、燃料と空気を速やかに混合することができる。また、燃料吐出部１０が、燃料を音速領域で噴射するように形成されているため、燃料と空気を速やかに混合することができる。

このようにして、ミキシングルーム８で形成された混合気は、下流側のバイパス通路３ａに流入して、そのままバイパス通路３ａを内燃機関１に向かって流通する。そして、バイパス通路３ａを流通する混合気の空燃比が、空燃比検出部１３で検出される。
このとき、空燃比検出部１３は、バイパス通路３ａに配置されているため、ミキシングルーム８で十分に混合された混合気の空燃比を検出することができ、その空燃比を高精度に検出することができる。特に、空燃比は、空気と燃料の混合比が数値に直接的に影響するため、十分に混合された混合気の空燃比を検出することで、空燃比の変動を確実に抑制することができる。

なお、推定装置６は、吸気スロットル５が閉状態のときに混合気を形成するため、内燃機関１の空燃比に影響を与えない程度の空気の流入量および燃料の吐出量で混合気を形成することができる。このとき、空燃比検出部１３が、混合気の空燃比を直接検出しているため、その空燃比が高いか否かを速やかに判断することができ、内燃機関１の空燃比に与える影響を確実に抑制することができる。

続いて、推定部１５が、ステップＳ３で、空燃比検出部１３で検出された混合気の空燃比に基づいて、燃料の性質の変化を推定する。例えば、燃料タンク２に収容された燃料の性質が基準燃料から変化した場合に、その変化に応じて燃料の質量も変化する。このとき、推定部１５が、基準燃料で基準混合気を形成した場合に所定の空燃比、例えばストイキ空燃比となるように空気と燃料の混合比を制御している。このため、燃料の性質が基準燃料から変化すると、その変化が空燃比の値に反映されることになる。具体的には、燃料のメタン価が低下すると重質化するため、混合気の空燃比が低下してリッチ空燃比、すなわちストイキ空燃比より低い空燃比を示すことになる。

このように、推定部１５は、空燃比検出部１３で検出される混合気の空燃比に基づいて、燃料の性質の変化を推定する。このため、推定装置６を小型化しつつ燃料の性質の変化を適切に推定することができる。
また、推定部１５は、混合気の空燃比に基づいて推定するため、複雑な演算を必要とせず、燃料の性質の変化を容易に推定することができる。

また、推定部１５は、燃料のメタン価を具体的に推定することもできる。例えば、推定部１５は、複数の燃料成分について混合気をそれぞれ形成し、その複数の混合気の空燃比の分布を示すテーブルを補完式と共に予め設定することができる。例えば、メタン、エタン、プロパンおよびブタンなどの燃料成分で混合気を形成し、これらの混合気の空燃比に基づいてテーブルを設定することができる。そして、推定部１５は、空燃比検出部１３で検出された空燃比に基づいて、補完式に従ってテーブルを参照し、例えば燃料を構成する成分の割合を算出して燃料のメタン価を推定することができる。
このように、推定部１５は、複数の燃料成分からそれぞれ形成された複数の混合気の空燃比の分布を示すテーブルに基づいて燃料のメタン価を推定するため、燃料の性質の変化を詳細に推定することができる。

推定部１５は、推定された燃料の性質の変化を内燃機関制御部７に出力する。そして、内燃機関制御部７が、ステップＳ４で、推定部１５で推定された燃料の性質の変化に基づいて内燃機関１を制御する。

例えば、内燃機関制御部７は、推定部１５で推定された燃料の空燃比の変化に基づいて、内燃機関１を制御、すなわち空燃比を直接用いて内燃機関１を制御することができる。例えば、内燃機関制御部７は、混合気の空燃比が基準混合気に対して低下している場合には、その空燃比の低下量に応じて点火タイミングを基準燃料より遅らせるように制御する。これにより、内燃機関１のノッキングを抑制することができる。

また、内燃機関制御部７は、推定部１５で推定された燃料のメタン価に基づいて、内燃機関１を制御することもできる。例えば、内燃機関制御部７は、燃料のメタン価が基準燃料より低い場合には、メタン価の低下量に応じて点火タイミングを基準燃料より遅らせるように制御する。これにより、内燃機関１のノッキングを高精度に抑制することができる。

本実施の形態によれば、推定部１５は、空燃比検出部１３で検出される混合気の空燃比に基づいて、燃料の性質の変化を推定する。このため、推定装置６を小型化しつつ燃料の性質の変化を適切に推定することができる。

なお、上記の実施の形態では、燃料吐出部１０は、ミキシングルーム８に配置されたが、吸気通路３に配置されていればよく、これに限られるものではない。
また、上記の実施の形態では、空燃比検出部１３は、バイパス通路３ａに配置されたが、吸気通路３において燃料吐出部１０の下流側に配置され、吸気通路３の空気と燃料とが混合された混合気の空燃比を検出できればよく、これに限られるものではない。

また、上記の実施の形態では、推定部１５は、ガス燃料の性質の変化を推定したが、燃料の性質の変化を推定できればよく、これに限られるものではない。

また、上記の実施の形態では、推定装置６は、車両に配置されたが、吸気通路３において混合気の空燃比を検出できればよく、これに限られるものではない。例えば、推定装置６は、船舶、産業機械または定置式内燃機関を設置した工場などに配置することができる。

その他、上記の実施の形態は、何れも本発明の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明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、本発明はその要旨、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。例えば、上記の実施の形態で説明した各部の形状や個数などについての開示はあくまで例示であり、適宜変更して実施することができる。

本開示に係る推定装置は、内燃機関に供給される燃料の性質の変化を推定する装置に利用できる。

１ 内燃機関
２ 燃料タンク
２ａ 調圧弁
３ 吸気通路
３ａ バイパス通路
４ 内燃機関制御装置
５ 吸気スロットル
６ 推定装置
７ 内燃機関制御部
８ ミキシングルーム
９ 流入部
９ａ 流入口
１０ 燃料吐出部
１０ａ 吐出口
１１ 上流側圧力検出部
１２ ルーム内圧力検出部
１３ 空燃比検出部
１４ 下流側圧力検出部
１５ 推定部

Claims (7)

1. 内燃機関に延びる吸気通路に配置され、前記内燃機関に供給される燃料を前記吸気通路に吐出する燃料吐出部と、
   前記吸気通路において前記燃料吐出部の下流側に配置され、前記吸気通路の空気と前記燃料とが混合された混合気の空燃比を検出する空燃比検出部と、
   前記空燃比検出部で検出される空燃比に基づいて、前記燃料の性質の変化を推定する推定部とを備える推定装置。
2. 前記吸気通路において吸気スロットルを避けるように形成されたバイパス通路に設けられ、前記混合気を形成するためのミキシングルームをさらに有し、
   前記燃料吐出部は、前記ミキシングルームに燃料を吐出するように配置され、
   前記空燃比検出部は、前記ミキシングルームの下流側に延びる前記バイパス通路に配置されて、前記バイパス通路を流通する前記混合気の空燃比を検出する請求項１に記載の推定装置。
3. 前記バイパス通路から前記ミキシングルームに所定の流量で空気を流入させるように形成された流入部をさらに有し、
   前記推定部は、前記所定の流量に応じて予め設定された設定吐出量で燃料を吐出するように前記燃料吐出部を制御する請求項２に記載の推定装置。
4. 前記バイパス通路から前記ミキシングルームに流入する空気の圧力を検出する上流側圧力検出部をさらに有し、
   前記推定部は、前記上流側圧力検出部で検出される圧力に基づいて前記所定の流量を補正し、前記所定の流量の補正量に応じて前記設定吐出量を調整する請求項３に記載の推定装置。
5. 前記燃料吐出部は、前記吸気スロットルが閉状態の場合に燃料を吐出する請求項２～４のいずれか一項に記載の推定装置。
6. 前記燃料吐出部は、前記バイパス通路から前記ミキシングルームに空気を流入する流入口が開く方向に対して交差する方向から燃料を吐出する請求項２～５のいずれか一項に記載の推定装置。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の推定装置と、
   前記推定装置の推定部で推定された前記燃料の性質の変化に基づいて内燃機関を制御する内燃機関制御部とを備える内燃機関制御装置。

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