JP3836290B2

JP3836290B2 - ガスエンジン制御装置

Info

Publication number: JP3836290B2
Application number: JP2000039309A
Authority: JP
Inventors: 茂之草野; 善博中瀬; 賢治金原; 彰男安田; 匡彦増渕; 聡谷口
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2020-02-17
Also published as: JP2001227380A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスエンジン制御装置に関し、特にガスエンジンの始動性能の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス状の燃料（以下、ガス燃料という）を用いるガスエンジンは、ガソリン等の液状の燃料を用いるエンジンに比して低温下でも混合気の形成が容易である反面、燃料の占める体積割合が大きく液状燃料を用いるエンジンに比して体積効率が低い。このため、例えば、低温になるにしたがってエンジンオイルの粘性の増大等でエンジン自身のフリクションが増大すると相対的にトルクが不足することとなる。その結果、エンジン回転の上昇が遅れて始動時間が長期化したりエンジンストールを引き起こすおそれがあり、必ずしも始動性が十分であるとはいえない。そこで、始動開始時のスロットル開度をエンジン温度が低いほど大きく設定して吸入空気量の増大によりトルク不足の解消を図ったものがある（特開平９−１１２３０６号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平９−１１２３０６号公報記載の技術では、始動失敗を回避する一定の効果があるものの、吸入空気量の過剰によりエンジン回転がオーバーシュートするおそれがあり、スロットル開度を適正値に設定して適正な始動を安定的に行うのが困難である。
【０００４】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、適正な始動を安定的に行うことのできるガスエンジン制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ガスエンジン制御装置を、吸気管圧力を検出する吸気管圧力検出手段と、完爆までの期間で、検出された上記吸気管圧力が予め設定したしきい値よりも低いときにスロットル開度を開側に補正するスロットル開度補正手段とを具備する構成とする。
【０００６】
低温でエンジン自身のフリクションが大きくともスロットル開度の開側補正による吸入空気量の増大によりトルクの不足が回避される。しかも、スロットル開度の開側補正が、吸気管圧力が低下し吸入空気量が不足する時点において行われるから吸入空気量が過剰となることはない。しかして始動を適正にかつ安定的に行うことができる。
【０００７】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、上記ガスエンジンの温度を検出する温度検出手段と、クランキング開始時のスロットル開度を設定するクランキング開始時開度設定手段とを具備せしめる。さらに、該クランキング開始時開度設定手段を、検出された上記ガスエンジン温度が低いほど上記クランキング開始時スロットル開度を開側に設定する構成とする。
【０００８】
エンジン自身のフリクションが大きい低温側ほどクランキング開始時のスロットル開度が開側に調整されるので、低温時の始動失敗を回避することができる。
【０００９】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、上記ガスエンジンの温度を検出する温度検出手段と、完爆後におけるエンジン回転数の目標値を設定する回転数目標値設定手段とを具備せしめる。さらに、該回転数目標値設定手段を、検出された上記ガスエンジン温度が低いほど上記目標値が大きくなるように上記目標値を設定する構成とする。
【００１０】
暖機が進みエンジン自身のフリクションが減少するにしたがって徐々にエンジン回転数を下げるから、低温時においても完爆後のエンジンストールを回避することができる。
【００１１】
請求項４記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、完爆までの期間における燃料噴射時期を上記ガスエンジンの吸気弁が開状態の期間内に設定する燃料噴射時期設定手段を具備せしめる。
【００１２】
吸気行程において空気の吸入時にガス燃料を噴射するから、空気吸入時の空気流動を利用して効率よく筒内に供給され、燃料不足によるトルク不足を回避することができる。
【００１３】
請求項５記載の発明では、ガスエンジン制御装置を、上記ガスエンジンの暖機状態を検出する暖機状態検出手段と、検出された上記暖機状態が所定の暖機状態に達する前には、イグニッションを一時留保するイグニッションオフ留保手段とを具備する構成とする。
【００１４】
所定の暖機状態に達するまではドライバーによりイグニッションスイッチがオフされてもイグニッションオフを禁止することで、燃焼ガス中に含まれる水分により低温時に吸気弁や排気弁の着座部が氷結して燃焼室の密閉性が低下するのを回避し、再始動時においても適正な始動を安定的に行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明のガスエンジン制御装置を付設したガスエンジンを示す。ガスエンジンはシリンダブロック１１に形成されたシリンダ１１１内にピストン１３が摺動自在に保持され、ピストン１３の上方には、シリンダヘッド１２で画成される内側に燃焼室１００が形成されている。燃焼室１００において燃料と空気との混合気の燃焼が行われ、その爆発力によりピストン１３が上下往復動しクランクシャフトを回転駆動せしめる。混合気への点火はシリンダヘッド１２を貫通し燃焼室１００内に突出して設けられた点火プラグ１４により行われる。
【００１６】
混合気を形成する空気は吸気ポート１０１と連通する吸気管１８から導入され、混合気を形成するガス燃料はシリンダヘッド１２に取り付けられたインジェクタ１７から吸気ポート１０１に向けて噴射される。
【００１７】
シリンダヘッド１２には、吸気ポート１０１と燃焼室１００との間の連通と遮断とを切り換える吸気バルブ１５、排気ポート１０２と燃焼室１００との間の連通と遮断とを切り換える排気バルブ１６が取り付けられている。
【００１８】
吸気ポート１０１は吸気管１８と連通しており、吸気管１８内にはフラップ状のスロットルバルブ１９が設けられてその開度に応じて各気筒の吸気ポート１０１を通過し燃焼室１００に流入する空気量を調整する。
【００１９】
ガスエンジン制御装置２は、ＥＣＵ２１とこれに入力するセンサ類２２，２３，２４，２５等で構成される。ＥＣＵ２１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等からなる一般的な構成のもので、上記センサ類２２〜２５からの検出信号等から知られる運転状態に基づいて上記点火プラグ１４、インジェクタ１７、スロットルバルブ１９等に制御信号を出力して燃料噴射制御、吸気制御、点火制御等の制御を行うようになっており、混合気を適正な空燃比に制御するとともに適正なタイミングで点火する。
【００２０】
上記センサ類２２〜２５について説明する。吸気圧検出手段たる吸気圧センサ２２は吸気管１８の途中のサージタンク１８１に設けられ、サージタンク１８１内の負圧を吸気圧として検出するようになっている。吸気圧センサ２２を圧力脈動のないサージタンク１８１に設けることで正確に筒内吸気圧を検出することができる。温度検出手段たる水温センサ２３からはエンジンの冷却水の温度が知られ、これによりエンジン温度を代表することができる。クランク角センサ２５からはクランク角が知られる。エンジン回転数センサ２４からはエンジン回転数が知られる。その他、ＥＣＵ２１にはアクセル４の操作量等、エンジンの制御用として知られる一般的なセンサ信号が入力している。
【００２１】
また、ＥＣＵ２１はスロットル開度設定手段２１１、スロットル開度補正手段２１２、エンジン回転数目標値設定手段２１３を備えており、これらはＥＣＵ２１で実行されるソフトウェア上で実現される。
【００２２】
また、始動は、ドライバーがイグニッションスイッチ３１をオンすると図略のクランクシャフトと歯合するスタータ３２がＥＣＵ２１による通電駆動で作動して開始される。
【００２３】
図２は始動時のＥＣＵ２１における制御内容の一部を示しており、これにより本ガスエンジン制御装置の作動を説明する。本フローはドライバーによりイグニッションスイッチ３１がオンされると開始される。
【００２４】
ステップＳ０１はスロットル開度設定手段２１１の作動で、ステップＳ０１にて上記水温センサ２３からの出力信号に基づいて冷却水温度を取り込み、冷却水温度に基づいてクランキング開始時のスロットル開度を決定する。決定は冷却水温度を入力とする一次元マップに従い決定する。このマップは予めＥＣＵ２１のメモリに記憶され、スロットル開度が冷却水温度に対し漸次減少、例えば直線的に減少するように与えられる。
【００２５】
ステップＳ０２では、スタータ３２をオンしクランキングが開始される。
【００２６】
ステップＳ０３，Ｓ０４はスロットル開度補正手段２１２の作動で、先ずステップＳ０３では、吸気圧センサ２２からの出力信号に基づいて吸気管圧力を取り込み、上記吸気管圧力を予め設定した規定圧力と比較し、吸気管圧力が規定圧力よりも低ければステップＳ０４に進みスロットル開度を増加する。増加量は例えば一定量でもよいし、または吸気管圧力と規定圧力との差に応じて、該差が大きいほど増加量が大きくなるように設定してもよい。スロットル開度増加後はステップＳ０５に進む。ステップＳ０３で吸気管圧力が規定圧力よりも高ければそのままステップＳ０５に進む。
【００２７】
ステップＳ０５ではエンジン回転数センサ２４からの出力信号に基づいてエンジン回転数を取り込み、エンジン回転数が予め設定した規定回転数に達したか否かを判断する。ここで規定回転数は完爆とみなせる下限回転数に設定される。エンジン回転数が規定回転数に達していなければ上記ステップＳ０３に戻る。
【００２８】
すなわち、エンジン回転数が規定回転数に達するまで、すなわち完爆するまでステップＳ０３，Ｓ０４が繰り返され、その間にエンジン回転数が上昇して吸気管圧力が低下すると、スロットル開度が増大して吸入空気量が増量される。スロットル開度の増大により吸気管圧力は回復する。
【００２９】
エンジン回転数が規定回転数に到達するとステップＳ０５からステップＳ０６に進みスタータ３１をオフする。そしてステップＳ０７以降の完爆後の手順を実行する。
【００３０】
ステップＳ０７ではドライバーがアクセル操作を行ったか否かを判断し、行っていなければステップＳ０８に進む。
【００３１】
ステップＳ０８はエンジン回転数目標値設定手段２１３の作動で、エンジン回転数が要求エンジン回転数となるようにスロットル開度をフィードバック制御する。ここで、要求エンジン回転数は上記水温センサ２３からの出力信号に基づいて冷却水温度を取り込み、冷却水温度に基づいて決定する。決定は図３に示す冷却水温度を入力とする一次元マップによる。このマップは予めＥＣＵ２１のメモリに記憶され、要求エンジン回転数が冷却水温度に対し漸次減少するように与えられる。図例では冷却水温度が複数のレンジに割られ各レンジに対応して要求回転数が段階的に設定される。また、マップは、要求エンジン回転数がエンジンに要求される耐寒温度（例えば−３０°Ｃ）からエンジンが冷間状態を脱したと判断し得る、ある程度の暖機状態に到達したと判断し得る冷却水温度までの温度範囲において設定可能なように作成する。そして要求エンジン回転数は上記温度範囲の低温側においては略完爆回転数に、高温側では略所定のアイドル回転数に設定する。
【００３２】
エンジン回転数が冷却水温度に応じた要求エンジン回転数になるとステップＳ０９に進む。ステップＳ０９では冷却水温度が規定温度に到達したか否かを判断する。ここで、規定温度は上記の、エンジンが冷間状態を脱したと判断し得る冷却水温度に設定する。冷却水温度が規定温度に到達していなければステップＳ０７に戻る。すなわち、ドライバーがアクセル４の操作をしない限り、冷却水温度が規定温度に到達するまでステップＳ０８が実行され、冷却水温度が上昇する間にエンジン回転数が所定アイドル回転数に向けて漸次、低下していく。
【００３３】
冷却水温度が規定温度に到達する（ステップＳ０９）と本フローを終了する。すなわち始動時制御を抜け通常制御に入り、いわゆるアイドリング状態となる。
【００３４】
なお、冷却水温度が規定温度に到達する前にドライバーがアクセル４の操作をした時も（ステップＳ０７）、始動時制御を抜け通常制御に入る。
【００３５】
図４に上記フローに示した始動時制御を実行時のガスエンジン各部の作動を示すタイミングチャートを示す。先ず、クランキングに先立ちクランキング開始時のスロットル開度を冷却水温度に基づいて設定し、トルク不足による始動失敗に対する耐性を高める。そして、エンジン回転数上昇により吸気管圧力が低下するとスロットル開度が増大して吸入空気量不足を補い、低温時にエンジンのフリクションが増大していても燃焼トルクを十分に確保してエンジンストールを回避し、エンジン回転数を上昇せしめる。吸気管圧力が低下し吸入空気量の不足状態が現出してからスロットル開度を開側に補正するので、過剰な吸入空気量が与えられることが回避される。
【００３６】
そして、エンジン回転数が規定回転数に達しスタータ３２をオフすると、エンジン回転数を所定のアイドル回転数まで低下する制御が行われる。冷却水温度が高くなるほどエンジン回転数要求回転数が低く設定され、暖機が進むにつれてスロットル開度が漸次絞られ、エンジン回転数が所定のアイドル回転数に向けて低下していく。このように、始動完了後エンジン回転数を急にアイドル回転数まで下げるのではなく徐々に下げるようにするので、低温時にエンジンのフリクションが増大していてもエンジンストールは生じない。
【００３７】
なお、上記フローにおいて上記冷却水温度を検出しこれを規定温度と比較しているが、冷却水温度に限らずガスエンジンの温度を代表できるものであればよく、例えばエンジンオイルの温度を用いることができる。
【００３８】
また、始動性能に対して要求される仕様によっては、クランキング開始時のスロットル開度を冷却水温度にしたがって設定する点、ならびに完爆後の要求回転数を冷却水温度にしたがって設定する点は省略してＥＣＵの制御負担を軽減するのもよい。
【００３９】
（第２実施形態）
図５に本ガスエンジン制御装置の第２実施形態を示す。第１実施形態においてＥＣＵを別の設定に代えたものである。ガスエンジン制御装置２ＡのＥＣＵ２１Ａは基本的な構成は第１実施形態のＥＣＵと同じもので、噴射時期設定手段２１４を備えた点が第１実施形態と相違し、この相違点を中心に説明する。噴射時期設定手段２１４はＥＣＵ２１Ａで実行されるソフトウェア上で実現され、始動時における燃料噴射時期を設定する。
【００４０】
図６はＥＣＵ２１Ａにおいて設定される始動時制御の燃料の噴射時期を通常制御の噴射時期とともに示すもので、通常制御では吸気バルブ１５が閉じている燃焼行程中に吸気ポート１０１に予め噴射しておくのに対し、始動時は噴射時期を吸気バルブ１５が開いている吸気行程中に設定し、図５に示すように燃料噴射を吸気行程において吸気バルブ１５が開弁中に行うようになっており、筒内流入時の空気流動を利用して噴射燃料が輸送遅れを生じることなくインジェクタ１７からの噴射燃料がすべて筒内に流入し、始動時における噴射燃料不足を生じない。これにより始動性を高めることができる。
【００４１】
（第３実施形態）
図７に本ガスエンジン制御装置の第３実施形態を示す。第１実施形態においてＥＣＵを別の設定に代えたものである。ガスエンジン制御装置２ＢのＥＣＵ２１Ｂはイグニッションオフ留保手段２１５を備えており、この相違点を中心に説明する。イグニッションオフ留保手段２１５はＥＣＵ２１Ｂで実行されるソフトウェア上で実現され、所定の条件下のときイグニッションオフを留保する。
【００４２】
イグニッションオフ留保手段２１５は、暖機状態検出手段たる水温センサ２３により検出された冷却水温度を取り込むとともにその冷却水温度が予め設定した規定温度を越えるまでは、ドライバーによってイグニッションスイッチ３１がオフされイグニッションオフ信号が入力してもイグニッションオフを一時留保する。ここで、上記規定温度は所定の暖機状態に達したとみなせる温度すなわちガスエンジンが冷間状態を脱したとみなせる温度（例えば５０°Ｃ）に設定する。
【００４３】
図８はエンジンが始動してからの冷却水温度の経時変化を示すもので、イグニッションスイッチ３１がオフに切り換わっても冷却水温度が上記規定温度以下であればその時点ではエンジンは停止せず、暖機期間を経て冷却水温度が規定温度に達した時点で停止する。
【００４４】
本実施形態ではかかる構成となっているので、次の効果を奏する。ガスエンジンの燃料は水素原子を多く含むので、燃焼ガスとして水を多量に発生する。このため低温時には始動直後にイグニッションスイッチ３１をオフすると、吸排気バルブ１５，１６やバルブシート１０１ａ，１０２ａが氷結しやすく、再始動時に閉弁不良のおそれが生じ、燃焼トルクの不足等で始動性が低下する。
【００４５】
これに対して本ガスエンジン制御装置２Ｂでは始動完了直後のイグニッションオフを留保するので、イグニッションオフの時期が早いか遅いかにかかわらずエンジン停止時にはエンジン温度はある程度上昇しており、吸排気バルブ１５，１６やバルブシート１０１ａ，１０２ａが氷結することが回避され、再始動時に閉弁不良は生じず、良好に始動することができる。
【００４６】
所定の暖機状態に到達したか否かを検出し到達していないときイグニッションオフを留保する構成として次の構成を採用することもできる。ＥＣＵで実行されるソフトウェアを、上記ガスエンジンの始動後の経過時間をカウントし、規定時間が経過するまではドライバーによってイグニッションスイッチ３１がオフに切り換わりイグニッションオフ信号が入力してもイグニッションオフを留保するように設定する。ここで、上記規定時間はガスエンジンが所定の暖機状態まで暖機されたとみなせる時間に設定すればよく、イグニッションオフはイグニッションスイッチ３１がオフに切り換わってもなされず、上記規定時間後になされる。
【００４７】
かかる構成でも、低温時の再始動時に閉弁不良は生じず、良好に始動することができる。
【００４８】
本実施形態の特徴部分は、第１実施形態の特徴部分であるクランキング開始からアイドリング状態に移行するまでの制御を実行する制御に追加するのもよい。この場合も、始動成功後、エンジン回転数を徐々に所定アイドル回転数まで下げていく途中でイグニッションスイッチ３１がオフに切り換わっても冷却水温度が規定温度に達していなければイグニッションオフを禁止することで、低温再始動時の閉弁不良を防止することができるから、さらに適正な始動を安定的に行うようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスエンジン制御装置を付設したガスエンジンの要部の構成を示す図である。
【図２】上記ガスエンジン制御装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すフローチャートである。
【図３】上記ガスエンジン制御装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すデータマップである。
【図４】上記ガスエンジン制御装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の別のガスエンジン制御装置を付設したガスエンジンの要部の構成を示す図である。
【図６】上記ガスエンジン制御装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示す図である。
【図７】本発明のさらに別のガスエンジン制御装置を付設したガスエンジンの要部の構成を示す図である。
【図８】上記ガスエンジン制御装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すグラフである。
【符号の説明】
１００燃焼室
１０１吸気ポート
１０２排気ポート
１５吸気バルブ
１６排気バルブ
１７インジェクタ
１８吸気管
１８１サージタンク
１９スロットルバルブ
２，２Ａ，２Ｂガスエンジン制御装置
２１，２１Ａ，２１ＢＥＣＵ
２１１クランキング開始時開度設定手段
２１２スロットル開度補正手段
２１３回転数目標値設定手段
２１４燃料噴射時期設定手段
２１５イグニッションオフ留保手段
２２吸気圧センサ（吸気管圧力検出手段）
２３水温センサ（冷却水温度検出手段、暖機状態検出手段）
２５クランク角センサ

Claims

ガス燃料と吸入空気とで混合気を形成するガスエンジンを制御するガスエンジン制御装置において、上記ガスエンジンの吸気管圧力を検出する吸気管圧力検出手段と、完爆までの期間で、検出された上記吸気管圧力が予め設定したしきい値よりも低いときにスロットル開度を開側に補正するスロットル開度補正手段とを具備せしめたことを特徴とするガスエンジン制御装置。
請求項１記載のガスエンジン制御装置において、上記ガスエンジンの温度を検出する温度検出手段と、クランキング開始時のスロットル開度を設定するクランキング開始時開度設定手段とを具備せしめ、該クランキング開始時開度設定手段を、検出された上記ガスエンジン温度が低いほど上記クランキング開始時スロットル開度を開側に設定する構成としたガスエンジン制御装置。
請求項１または２いずれか記載のガスエンジン制御装置において、上記ガスエンジンの温度を検出する温度検出手段と、完爆後におけるエンジン回転数の目標値を設定する回転数目標値設定手段とを具備せしめ、該回転数目標値設定手段を、検出された上記ガスエンジン温度が低いほど上記目標値が大きくなるように上記目標値を設定する構成としたガスエンジン制御装置。
請求項１ないし３いずれか記載のガスエンジン制御装置において、完爆までの期間における燃料噴射時期を上記ガスエンジンの吸気バルブが開状態の期間内に設定する燃料噴射時期設定手段を具備せしめたガスエンジン制御装置。
ガス燃料と吸入空気とで混合気を形成するガスエンジンを制御するガスエンジン制御装置において、上記ガスエンジンの暖機状態を検出する暖機状態検出手段と、検出された上記暖機状態が所定の暖機状態に達する前には、イグニッションを一時留保するイグニッションオフ留保手段とを具備することを特徴とするガスエンジン制御装置。