JP4064465B2 - 低セタン価品質燃料を使用する内燃エンジンの燃料噴射タイミング制御 - Google Patents
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Description
発明の技術分野
本発明は、燃料源として水性燃料エマルジョン等の低セタン価品質燃料を使用する内燃エンジン用の燃料制御システムに関する。更に詳しくは、本発明は、燃料が水・燃料（水に燃料を含ませた）エマルジョン等の低セタン価品質燃料である場合の圧縮点火エンジンのエミッション（排出物）と性能を最適化する方法とシステムに関する。
背景技術
近年の燃料の発展により、本質的に炭素ベースの燃料と、水と、潤滑油、界面活性剤、腐食抑制剤、セタン改良剤等の色々の添加物とからなる多数の水性燃料エマルジョンができた。界面活性剤は、水分子を炭素ベースの燃料と分離しないで結合するように働く。これらの水性燃料エマルジョンは、内燃エンジンのコスト有効性がある方法を見出すのに重要な役割を果たす。例えば、圧縮点火エンジン（即ちディーゼルエンジン）でエンジン、燃料システム、又は現存の燃料配送インフラストラクチャーの重大な改変をせずにエミッションを指定されたレベル以下に下げることが含まれるが、これに限らない。
水性燃料エマルジョンは、エンジン中で燃料が燃える方法を変えることにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）と微粒子（即ち、すすと炭化水素の化合物）の形成を減らすか又はなくす傾向があり有利である。特に、燃料エマルジョンは水が存在するので、同等の非水性燃料よりいくらか低い温度で燃焼する。ピーク燃焼温度が高いほど、一般にエンジン排気中により多くのＮＯｘが生じることを理解すると、水性燃料エマルジョンを使用する利点を容易に理解できるであろう。
従って、水性燃料を使用してＮＯｘを減少させることができる主な理由は、水性燃料エマルジョンはピーク燃焼温度が低いからである。しかし、実際にどのくらい減少できるかは、燃料エマルジョンの組成（例えば燃料と水の比）、エンジン／点火技術、エンジン作動条件等の色々の要因による。さらに、ピーク燃焼温度が低いことは、必ずしも炭化水素燃料のある量について、合計のエネルギーが少ない又は仕事量が少ないことにはならない。むしろ、水を添加することは、同等の仕事量を達成するために、射出する水性燃料の体積を比例して増加させるだけでよい。しかし、射出する燃料の体積が増加するので、エンジン性能の考慮すべきことが変わる。例えば、同じ仕事量を達成するためには、水性燃料の追加の体積が要求されるので、圧縮点火エンジンの燃料配送システム、燃料制御システム、燃料保管システム、及び他の関連システムに、追加の制約と他の設計上考慮すべきことが課せられる。
水性燃料エマルジョンで作動するエンジンの作動は、基本的にはエンジンシリンダーへ送られる燃料の量を変えることと、圧縮行程でピストンが上死点に着く時に対してシリンダー内へ燃料噴射の時を設定することにより制御される。一般に、エンジンへ送られる燃料の量は、エンジンの速度を制御し、燃料噴射のタイミングは、燃料の燃焼効率と、エンジンの作動と、排気中エミッションとに影響する。
ある限度内でタイミングを進めると、燃料転換効率が向上し、ＮＯｘエミッションが増加する。逆に、エンジンのタイミングを遅らせると、燃料転換効率が減少し、ＮＯｘエミッションもまた減少する。従って、要するにエンジンタイミングの積極的な制御は、燃料転換効率を考慮して、ＮＯｘエミッションを釣り合わせる技術である。それゆえ、ＮＯｘエミッションと燃料転換効率の間の最適の釣り合いを達成するため、水性燃料エマルジョン用のエンジンタイミングを制御する改善された方法とシステムの必要性がある。
また、水性燃料エマルジョンは、燃焼品質が限界で、エンジン性能が悪くなる点まで、燃料の点火品質を低下させることが知られている。これは特に、軽荷重条件、エンジン始動条件、エンジンウォーミングアップ条件に関連する。さらに、エンジン性能が悪いことは、排気中エミッションの一酸化炭素をモニターすることにより検出することが出来る。点火品質が悪化すると、一酸化炭素エミッションが増加する。燃焼が悪いことによる一酸化炭素エミッションの増加は、噴射のタイミングを進めることにより減少させることができるが、これはＮＯｘエミッションには不利である。従って、軽荷重条件、ウォーミングアップ条件、他の特定のエンジン作動条件で、水性燃料エマルジョン又は他の低セタン価品質燃料を使用するエンジンにおいて、エンジン性能とエンジンエミッションの最適の釣り合いをとる燃料制御システムと技術の必要性がある。
最小のエンジン性能のために、エミッションレベルを犠牲にすることになる他の問題は、フレックス燃料システムを使用するエンジンに特有である。水・燃料エマルジョンを利用できる多くのエンジンの設計では、より通常の他の燃料も利用することが出来る。１種類より多い燃料を使用できるエンジンは、広くフレックス燃料エンジンと言われている。安全上の理由により、フレックス燃料システムでは燃料を変えられるので、実際に使用する燃料に関わらず、全ての燃料でエンジン性能が許容可能であるように、燃料噴射タイミングを十分に進めることが要求される。しかし、燃料噴射タイミングを進めると、ＮＯｘエミッションは増加する。従って、多くの従来のフレックス燃料システムにおいて、許容可能なエンジン性能を達成するため、一般にＮＯｘエミッションのレベルについては妥協してきた。従って、フレックス燃料エンジンにおいて、エンジン性能とエンジンエミッションとの間の最適の釣り合いを達成する燃料制御システムを提供する必要性がある。
発明の概要
本発明は、水性燃料エマルジョン等の低セタン価品質燃料を使用する圧縮点火エンジンの燃料噴射タイミングを制御する方法とシステムを提供することにより、上述の問題と他の必要性とを取り扱う。開示したシステムは、水性燃料エマルジョンの規定の供給を受取る圧縮点火エンジンを含む。燃料の規定の供給は、燃料システム制御ユニットにより、１つ又はそれ以上のエンジン作動パラメータの関数として求めるのが好ましい。開示したシステムはまた、エンジン排気の近くに配置された排気センサーを備え、エンジン排気中の一酸化炭素等の選択した排気生成物の存在とレベルを検出する。センサーで測定した一酸化炭素又は他の排気生成物のレベルは、エンジン制御ユニットの入力となり、該制御ユニットで他のエンジン作動パラメータと共に処理されて、規定の燃料噴射タイミング信号を発生し、その信号が燃料噴射タイミングを作動的に制御する。
従って、水性燃料制御システムのこの実施例の重要な態様は、エンジンの排気中に存在する一酸化炭素レベルに応じて水性燃料の噴射タイミングを有効に制御する制御ユニットにより提供される。
【図面の簡単な説明】
本発明の上述した又他の態様、特徴、利点は、次のより詳細な説明と図面を参照すれば、より明らかになるであろう。
図１は、本発明の１実施例による水性燃料エマルジョンを使用する圧縮点火エンジン用水性燃料制御システムの概略図である。
図２は、規定のエンジン作動条件で、排気中の一酸化炭素のレベルの関数であるエンジンタイミング計画の図である。
図３は、１つの燃料が水性燃料であるフレックス燃料の使用に特に適した本燃料制御システムの他の実施例の概略図である。
図４は、水性燃料エマルジョンを使用する圧縮点火エンジンの排気中に存在する一酸化炭素のレベルの関数として、燃料噴射タイミングを制御する好適な方法を示すブロック線図である。
幾つかの図を通じて対応する参照番号は対応する部品を示す。
発明の詳細な説明
次の記述は、本発明を実行するため現在考えられる最良の形態である。この記述は制限する意図はなく、本発明の一般的原則を記述する目的である。本発明の範囲は、請求の範囲を参照して決めるべきである。
図１は、水性燃料エマルジョンを使用する内燃エンジン12用の燃料制御システム10の１実施例による概略図である。図１のシステムは、圧縮点火エンジン12用であり、該エンジンは、燃料タンク18からポンプ21と燃料ライン20を通って水性燃料エマルジョン16の規定の供給を受ける複数の燃料インジェクター14を備える。燃料インジェクター14に供給される規定の燃料の量は、制御ユニット20により、１つ又はそれ以上のエンジン作動パラメータの関数として決められるのが好ましい。例えば、エンジンの実際の速度25と、エンジンの所望の速度27と、温度センサー38を使用して測定したエンジンの作動温度29と、一般に当業者に知られている他のエンジン作動と制御パラメータとである。エンジン12に供給され消費されない余分の燃料は、一般に戻り導管24を通って燃料ライン20又は燃料タンク18へ戻る。
例示した図では、エンジン排気32中の選択した排気生成物存在とレベルを検出するため、エンジン排気32の近くにセンサー30が配置される。センサー30で測定した選択した排気生成物のレベルは、エンジン制御ユニット22の入力となる。エンジン制御ユニット22は、排気センサー入力34を他のエンジン作動パラメータ25,27,29と共に処理し、規定の燃料タイミング噴射信号36を発生し、その信号が水性燃料の噴射タイミングを作動的に制御する。
一酸化炭素は、全体のエンジン性能の良い指標である。排気中の一酸化炭素の存在が劇的に増加すると、一般にエンジン性能は容認出来ない。同様に、エンジンシリンダーを出る排気の流れ内の一酸化炭素のレベルの急な減少は、ＮＯｘレベルが高いことの指標である。しかし、エンジン排気中に存在する一酸化炭素のレベルが、許容可能な所定の範囲内にあれば、エンジン性能とＮＯｘエミッションレベルは一般に許容可能とと考えられる。
従って、好適な実施例では、水性燃料の噴射タイミングの実際の制御は、排気中に検出される測定された一酸化炭素のレベルに基いて積極的に行われる。理想的には、水性燃料の噴射タイミングの制御は、ＮＯｘエミッションを考慮してエンジン性能を最適化する又は釣り合いをとるように行うべきである。
特に、燃料制御システムの開示された実施例は、エンジン排気中の一酸化炭素のレベルを測定し、一酸化炭素が一酸化炭素のある最小しきい値（例えば、800ｐｐｍ）より低ければ、燃料噴射タイミングを遅らせるようになっている。可能な最も低いＮＯｘレベルを達成し、しかも許容可能なエンジン性能を有するため、排気中の一酸化炭素レベルが増加し始めるまで噴射タイミングを遅らせるべきである。こうすると、排気中のＮＯｘレベルは比較的低く、しかも許容可能なエンジン性能（即ち、検知可能な不点火が無く、よい過渡応答）を維持することが出来る。
逆に、エンジン排気中の一酸化炭素レベルが一酸化炭素の所定の最大しきい値（例えば、1000ｐｐｍ）より高ければ、燃料噴射タイミングを進める。許容可能な一酸化炭素のレベルは、規定の最小レベルと許容される最大レベルを含めて、特定のエンジンに合わせて調整するのが好ましく、また予想される作動環境と、使用される特定の用途とにより大きく変わる。
図２は、規定のエンジン作動条件で、排気中の一酸化炭素のレベルとエンジン作動速度の関数であるエンジンタイミング計画の図である。例示の図では、タイミングカーブ40は、第１エンジン作動速度と特定の水性燃料エマルジョンについて、エンジンタイミングをエンジン排気中の一酸化炭素のレベルの関数として表す。例えば、ある所望のエンジン速度で、一酸化炭素が一酸化炭素のある最小しきい値レベル、点Ａ（例えば、800ｐｐｍ）より低ければ、燃料噴射タイミングを規定量又は割合で遅らせる。逆に、エンジン排気中の一酸化炭素レベルが一酸化炭素の他の所定の最大しきい値レベル、点Ｂ（例えば、1000ｐｐｍ）より高ければ、燃料噴射タイミングを進める。しかし、規定の燃料種類とエンジン速度である条件で作動する特定のエンジンにおいて、エンジン排気中の一酸化炭素レベルが許容可能な範囲（即ち、点Ａと点Ｂの間）内であれば、燃料噴射タイミングを調節する必要はない。
言い換えると、所望のエンジンタイミングの計画は、エンジン排気中に存在する一酸化炭素のレベルにより変わる。エンジンタイミングをエンジン排気中に存在する一酸化炭素のレベルの関数として変えることができると、水性燃料エマルジョン等の低セタン価品質燃料を使用するとき、広い範囲のエンジン作動が可能になり、しかもエンジン性能とエンジンエミッションの要求に合う。
水性燃料エマルジョンを使用する内燃エンジン用の燃料エマルジョン制御システムの他の実施例は、フレックス燃料システムでの燃料噴射タイミングの制御に焦点を合わせる。この実施例を記述する前に、フレックス燃料システムでの水性燃料の使用に関する背景技術を概観するのが有用であろう。水性燃料組成物の最も有利な利点は、燃料を有効に使用するために、選択したディーゼルエンジンで比較的少数のエンジンの改変しか要求されないことである。殆どの改変は、燃料システムの周りに集中する。特に、ディーゼルエンジンの色々の改変は、通常のディーゼル燃料より低いセタン価品質を有する燃料組成物に対して補償するように考慮するべきである。歴史的には、どの燃料を使用してもエンジン性能が許容可能となるように、燃料噴射タイミングは規定量だけ進められてきた。しかし、フレックス燃料システムで燃料噴射タイミングを進めると、ＮＯｘエミッションの増加によりエミッションがかなり不利になる場合が多い。
フレックス燃料システムで燃料噴射タイミングを進めることによるＮＯｘエミッションの増加を最小にしようとして、本発明の燃料制御システムは、排気中のエミッションの含有量に応じて燃料噴射のタイミングを積極的に制御し、それがある程度エンジン性能全体と相関する。それゆえ、本実施例の燃料制御システムは、フレックス燃料システムのエンジン排気中のエミッションを最適にするよう機能し、しかも使用する燃料に関わらずいつも許容可能なエンジン性能を保持する。
前述のことを心に留め、図３の実施例は圧縮点火エンジン12用のフレックス燃料システム11であり、該エンジンは、１つ又は２つの燃料源16,17から規定の燃料16の供給を受ける複数の燃料インジェクター14を備える。フレックス燃料システム11の各燃料源は、１つ又はそれ以上の燃料ライン20を通ってエンジン12に結合する別のタンク18,19内にある。実際にエンジン12へ送られる燃料は、燃料制御ユニット22により、１つまたはそれ以上のエンジンパラメータの関数として制御されるのが好ましい。又は、エンジン12で使用する実際の燃料は、エンジンの運転者が選択するか又は決めることが出来る。エンジン12に供給され消費されない余分の燃料は、一般に戻り導管24を通って燃料ライン20へ戻る。
例示した図では、エンジン12の上流の燃料ライン20に沿って燃料種類センサー42が配置され、燃料制御ユニット22と作動的に結合する。燃料種類センサー42は、エンジン12内でどの燃料又は燃料混合物が燃焼したかを求める。さらに、エンジン排気32中の選択した排気生成物の存在とレベルを検出するため、エンジン排気32の近くに排気ガスセンサー30が配置される。エミッション信号34即ち排気ガスセンサー30で測定した選択した排気生成物のレベルは、燃料センサー42を使用して求めた燃料の種類44と共に、エンジン制御ユニット22の入力となる。エンジン制御ユニット22は、これらの入力を他のエンジンの設計及び作動パラメータ25,27,29と共に処理し、適当な信号36,46を発生し、その信号が燃料バルブ48と燃料噴射のタイミングを作動的に制御する。
上述したように、一酸化炭素は、全体のエンジン性能の良い指標である。従って、開示したフレックス燃料の実施例では、燃料噴射のタイミングの実際の制御は、一部は排気中に検出された測定した一酸化炭素のレベルに基づいて積極的に行われる。エンジン排気中の一酸化炭素のレベルが一酸化炭素のある最小しきい値より低ければ、どの燃料を使用しているかに関わらず燃料噴射タイミングを遅らせる。しかし、エンジン排気中の一酸化炭素レベルが一酸化炭素の他の所定の最大しきい値レベルより高ければ、使用する燃料によるある割合で燃料噴射タイミングを進める。許容可能な一酸化炭素のレベルは、規定の最小レベルと許容される最大レベルを含めて、エンジン構成と、エンジン作動条件と、使用する燃料の種類又は濃度とによる。エンジン構成と、エンジン作動条件と、使用する燃料の種類又は濃度とは、燃料制御ユニットでモニターし、容易に得られる情報である。、
図４に示すように、１方又は両方の開示した実施例では、エンジン制御ユニットは、エンジンタイミングを燃料の種類と色々のエンジン作動パラメータ、及びエンジン排気の含有量の関数として制御するための複数の「タイミングマップ」を備える。より詳しくは、エンジン制御ユニットは、「低温走行マップ」、「軽荷重マップ」、「定常状態マップ」、「過渡状態マップ」の少なくとも４つのタイミングマップを備え、これらは使用する燃料と排気中の一酸化炭素のレベルを与えられて、適当な作動条件でエンジンタイミングを制御するのに使用される。
図４に示すように、エンジン制御ユニットは、読出し専用メモリー（ＲＯＭ）を備え、そこにエンジン運転パラメータと、燃料の種類と、エンジン排気中の一酸化炭素レベルとの色々の組合せについて、複数の所定のエンジンタイミング制御信号が記憶される。タイミング制御信号の実際の値は、エンジンの種別について（その種別のエンジンの）試験を行い、エンジン作動条件と燃料の色々の組合せについて、エンジンタイミングの最適値のスケジュールをコンパイルすることにより経験的に求められ、こうするとエンジンがエミッション性能とエンジン性能の間の最適な釣り合いで作動することが出来る。このエンジンタイミングスケジュールが完成した後、読出し専用メモリーの色々のセルに値がプログラムされる。エンジンの動作中に実際のエンジン作動条件と排気ガス信号がマップに適用され、エンジン制御ユニットが、現存する燃料と、エンジン作動条件と、エンジン排気中に存在する一酸化炭素のレベルとについて、所望の値を有するエンジン出力信号を出力し、それが積極的にエンジン作動のタイミングを調節し設定する。
図４は、水性燃料エマルジョンを使用する内燃エンジンの燃料噴射タイミングを制御する好適な方法を示す。ここに示すように、好適な方法の最初のステップは、噴射する所望の燃料量と他の選択したエンジン作動パラメータの関数として、燃料インジェクターのための燃料噴射信号を発生する（ブロック70）。次のステップは、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）エミッションの所望の範囲を求める（ブロック72）。所望の範囲は、一部エンジン構成とエンジン作動条件に基づく所定の最小ＣＯしきい値レベルと所定の最大ＣＯしきい値レベルとを含む。同時に又は続いて、好ましくはエンジン排気の流れに近くに配置した一酸化炭素検出器を使用して、エンジン排気中の一酸化炭素エミッションの実際のレベルを求める即ち確かめる（ブロック74）。エンジン排気中の一酸化炭素の実際の即ち測定したレベルと、エンジン排気中の一酸化炭素の所望の範囲を使用して、次のステップでは一酸化炭素エミッションのレベルの変動量、即ち誤差を求める（ブロック76）。このステップは、一酸化炭素エミッションの測定したレベルを所定の最小ＣＯしきい値レベル及び所定の最大ＣＯしきい値レベルと比較することにより行うのが好ましい。
次のステップは、もし変動量が一酸化炭素エミッションの実際のレベルが所定の最大しきい値レベルを超えていることを示せば、燃料噴射制御信号の燃料噴射タイミングを規定量だけ進める（ブロック78）。逆に、もし一酸化炭素の変動量が一酸化炭素エミッションの実際のレベルが所定の最小しきい値レベルより低いことを示せば、燃料噴射タイミングを遅らせる（ブロック80）。最後に、一酸化炭素の変動量が一酸化炭素エミッションの測定した即ち実際のレベルが所定の最小しきい値レベルと所定の最大しきい値レベルとの間にあることを示せば、調節は不要である（ブロック82）。とにかく、燃料噴射タイミングの調節は、燃料インジェクターのタイミング曲線が、所定の最大燃料噴射タイミングの曲線を超えず、所定の最小燃料噴射タイミングの曲線より下に下がらないように制限するのが好ましい。最後に、調節した燃料噴射制御信号が燃料インジェクターへ送られ、それにより排気の流れ中の一酸化炭素レベルの関数として、燃料噴射タイミングの制御を行う（ブロック84）。
燃料噴射のタイミングを制御する上述の方法は、単独でも又は他の燃料システム制御技術と組合せて使用することも出来る。さらに、ここに記述した好適なプロセスに含まれる各特定のステップは、特定のエンジンの特有の作動要求及びエンジンを使用すると予想される作動環境に合うように容易に修正又は調整することができる。
前述のことから、本発明は水性燃料エマルジョン等の低セタン価品質燃料を使用する圧縮点火エンジンの燃料噴射タイミングを制御する方法とシステムを提供することが分かるであろう。ここに開示した発明は特定の実施例とその方法について記述してきたが、当業者は、本発明の範囲から離れず、又実際的な利点を損なうことなく、色々の改変と修正を行うことができる。
本発明は、燃料源として水性燃料エマルジョン等の低セタン価品質燃料を使用する内燃エンジン用の燃料制御システムに関する。更に詳しくは、本発明は、燃料が水・燃料（水に燃料を含ませた）エマルジョン等の低セタン価品質燃料である場合の圧縮点火エンジンのエミッション（排出物）と性能を最適化する方法とシステムに関する。
背景技術
近年の燃料の発展により、本質的に炭素ベースの燃料と、水と、潤滑油、界面活性剤、腐食抑制剤、セタン改良剤等の色々の添加物とからなる多数の水性燃料エマルジョンができた。界面活性剤は、水分子を炭素ベースの燃料と分離しないで結合するように働く。これらの水性燃料エマルジョンは、内燃エンジンのコスト有効性がある方法を見出すのに重要な役割を果たす。例えば、圧縮点火エンジン（即ちディーゼルエンジン）でエンジン、燃料システム、又は現存の燃料配送インフラストラクチャーの重大な改変をせずにエミッションを指定されたレベル以下に下げることが含まれるが、これに限らない。
水性燃料エマルジョンは、エンジン中で燃料が燃える方法を変えることにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）と微粒子（即ち、すすと炭化水素の化合物）の形成を減らすか又はなくす傾向があり有利である。特に、燃料エマルジョンは水が存在するので、同等の非水性燃料よりいくらか低い温度で燃焼する。ピーク燃焼温度が高いほど、一般にエンジン排気中により多くのＮＯｘが生じることを理解すると、水性燃料エマルジョンを使用する利点を容易に理解できるであろう。
従って、水性燃料を使用してＮＯｘを減少させることができる主な理由は、水性燃料エマルジョンはピーク燃焼温度が低いからである。しかし、実際にどのくらい減少できるかは、燃料エマルジョンの組成（例えば燃料と水の比）、エンジン／点火技術、エンジン作動条件等の色々の要因による。さらに、ピーク燃焼温度が低いことは、必ずしも炭化水素燃料のある量について、合計のエネルギーが少ない又は仕事量が少ないことにはならない。むしろ、水を添加することは、同等の仕事量を達成するために、射出する水性燃料の体積を比例して増加させるだけでよい。しかし、射出する燃料の体積が増加するので、エンジン性能の考慮すべきことが変わる。例えば、同じ仕事量を達成するためには、水性燃料の追加の体積が要求されるので、圧縮点火エンジンの燃料配送システム、燃料制御システム、燃料保管システム、及び他の関連システムに、追加の制約と他の設計上考慮すべきことが課せられる。
水性燃料エマルジョンで作動するエンジンの作動は、基本的にはエンジンシリンダーへ送られる燃料の量を変えることと、圧縮行程でピストンが上死点に着く時に対してシリンダー内へ燃料噴射の時を設定することにより制御される。一般に、エンジンへ送られる燃料の量は、エンジンの速度を制御し、燃料噴射のタイミングは、燃料の燃焼効率と、エンジンの作動と、排気中エミッションとに影響する。
ある限度内でタイミングを進めると、燃料転換効率が向上し、ＮＯｘエミッションが増加する。逆に、エンジンのタイミングを遅らせると、燃料転換効率が減少し、ＮＯｘエミッションもまた減少する。従って、要するにエンジンタイミングの積極的な制御は、燃料転換効率を考慮して、ＮＯｘエミッションを釣り合わせる技術である。それゆえ、ＮＯｘエミッションと燃料転換効率の間の最適の釣り合いを達成するため、水性燃料エマルジョン用のエンジンタイミングを制御する改善された方法とシステムの必要性がある。
また、水性燃料エマルジョンは、燃焼品質が限界で、エンジン性能が悪くなる点まで、燃料の点火品質を低下させることが知られている。これは特に、軽荷重条件、エンジン始動条件、エンジンウォーミングアップ条件に関連する。さらに、エンジン性能が悪いことは、排気中エミッションの一酸化炭素をモニターすることにより検出することが出来る。点火品質が悪化すると、一酸化炭素エミッションが増加する。燃焼が悪いことによる一酸化炭素エミッションの増加は、噴射のタイミングを進めることにより減少させることができるが、これはＮＯｘエミッションには不利である。従って、軽荷重条件、ウォーミングアップ条件、他の特定のエンジン作動条件で、水性燃料エマルジョン又は他の低セタン価品質燃料を使用するエンジンにおいて、エンジン性能とエンジンエミッションの最適の釣り合いをとる燃料制御システムと技術の必要性がある。
最小のエンジン性能のために、エミッションレベルを犠牲にすることになる他の問題は、フレックス燃料システムを使用するエンジンに特有である。水・燃料エマルジョンを利用できる多くのエンジンの設計では、より通常の他の燃料も利用することが出来る。１種類より多い燃料を使用できるエンジンは、広くフレックス燃料エンジンと言われている。安全上の理由により、フレックス燃料システムでは燃料を変えられるので、実際に使用する燃料に関わらず、全ての燃料でエンジン性能が許容可能であるように、燃料噴射タイミングを十分に進めることが要求される。しかし、燃料噴射タイミングを進めると、ＮＯｘエミッションは増加する。従って、多くの従来のフレックス燃料システムにおいて、許容可能なエンジン性能を達成するため、一般にＮＯｘエミッションのレベルについては妥協してきた。従って、フレックス燃料エンジンにおいて、エンジン性能とエンジンエミッションとの間の最適の釣り合いを達成する燃料制御システムを提供する必要性がある。
発明の概要
本発明は、水性燃料エマルジョン等の低セタン価品質燃料を使用する圧縮点火エンジンの燃料噴射タイミングを制御する方法とシステムを提供することにより、上述の問題と他の必要性とを取り扱う。開示したシステムは、水性燃料エマルジョンの規定の供給を受取る圧縮点火エンジンを含む。燃料の規定の供給は、燃料システム制御ユニットにより、１つ又はそれ以上のエンジン作動パラメータの関数として求めるのが好ましい。開示したシステムはまた、エンジン排気の近くに配置された排気センサーを備え、エンジン排気中の一酸化炭素等の選択した排気生成物の存在とレベルを検出する。センサーで測定した一酸化炭素又は他の排気生成物のレベルは、エンジン制御ユニットの入力となり、該制御ユニットで他のエンジン作動パラメータと共に処理されて、規定の燃料噴射タイミング信号を発生し、その信号が燃料噴射タイミングを作動的に制御する。
従って、水性燃料制御システムのこの実施例の重要な態様は、エンジンの排気中に存在する一酸化炭素レベルに応じて水性燃料の噴射タイミングを有効に制御する制御ユニットにより提供される。
【図面の簡単な説明】
本発明の上述した又他の態様、特徴、利点は、次のより詳細な説明と図面を参照すれば、より明らかになるであろう。
図１は、本発明の１実施例による水性燃料エマルジョンを使用する圧縮点火エンジン用水性燃料制御システムの概略図である。
図２は、規定のエンジン作動条件で、排気中の一酸化炭素のレベルの関数であるエンジンタイミング計画の図である。
図３は、１つの燃料が水性燃料であるフレックス燃料の使用に特に適した本燃料制御システムの他の実施例の概略図である。
図４は、水性燃料エマルジョンを使用する圧縮点火エンジンの排気中に存在する一酸化炭素のレベルの関数として、燃料噴射タイミングを制御する好適な方法を示すブロック線図である。
幾つかの図を通じて対応する参照番号は対応する部品を示す。
発明の詳細な説明
次の記述は、本発明を実行するため現在考えられる最良の形態である。この記述は制限する意図はなく、本発明の一般的原則を記述する目的である。本発明の範囲は、請求の範囲を参照して決めるべきである。
図１は、水性燃料エマルジョンを使用する内燃エンジン12用の燃料制御システム10の１実施例による概略図である。図１のシステムは、圧縮点火エンジン12用であり、該エンジンは、燃料タンク18からポンプ21と燃料ライン20を通って水性燃料エマルジョン16の規定の供給を受ける複数の燃料インジェクター14を備える。燃料インジェクター14に供給される規定の燃料の量は、制御ユニット20により、１つ又はそれ以上のエンジン作動パラメータの関数として決められるのが好ましい。例えば、エンジンの実際の速度25と、エンジンの所望の速度27と、温度センサー38を使用して測定したエンジンの作動温度29と、一般に当業者に知られている他のエンジン作動と制御パラメータとである。エンジン12に供給され消費されない余分の燃料は、一般に戻り導管24を通って燃料ライン20又は燃料タンク18へ戻る。
例示した図では、エンジン排気32中の選択した排気生成物存在とレベルを検出するため、エンジン排気32の近くにセンサー30が配置される。センサー30で測定した選択した排気生成物のレベルは、エンジン制御ユニット22の入力となる。エンジン制御ユニット22は、排気センサー入力34を他のエンジン作動パラメータ25,27,29と共に処理し、規定の燃料タイミング噴射信号36を発生し、その信号が水性燃料の噴射タイミングを作動的に制御する。
一酸化炭素は、全体のエンジン性能の良い指標である。排気中の一酸化炭素の存在が劇的に増加すると、一般にエンジン性能は容認出来ない。同様に、エンジンシリンダーを出る排気の流れ内の一酸化炭素のレベルの急な減少は、ＮＯｘレベルが高いことの指標である。しかし、エンジン排気中に存在する一酸化炭素のレベルが、許容可能な所定の範囲内にあれば、エンジン性能とＮＯｘエミッションレベルは一般に許容可能とと考えられる。
従って、好適な実施例では、水性燃料の噴射タイミングの実際の制御は、排気中に検出される測定された一酸化炭素のレベルに基いて積極的に行われる。理想的には、水性燃料の噴射タイミングの制御は、ＮＯｘエミッションを考慮してエンジン性能を最適化する又は釣り合いをとるように行うべきである。
特に、燃料制御システムの開示された実施例は、エンジン排気中の一酸化炭素のレベルを測定し、一酸化炭素が一酸化炭素のある最小しきい値（例えば、800ｐｐｍ）より低ければ、燃料噴射タイミングを遅らせるようになっている。可能な最も低いＮＯｘレベルを達成し、しかも許容可能なエンジン性能を有するため、排気中の一酸化炭素レベルが増加し始めるまで噴射タイミングを遅らせるべきである。こうすると、排気中のＮＯｘレベルは比較的低く、しかも許容可能なエンジン性能（即ち、検知可能な不点火が無く、よい過渡応答）を維持することが出来る。
逆に、エンジン排気中の一酸化炭素レベルが一酸化炭素の所定の最大しきい値（例えば、1000ｐｐｍ）より高ければ、燃料噴射タイミングを進める。許容可能な一酸化炭素のレベルは、規定の最小レベルと許容される最大レベルを含めて、特定のエンジンに合わせて調整するのが好ましく、また予想される作動環境と、使用される特定の用途とにより大きく変わる。
図２は、規定のエンジン作動条件で、排気中の一酸化炭素のレベルとエンジン作動速度の関数であるエンジンタイミング計画の図である。例示の図では、タイミングカーブ40は、第１エンジン作動速度と特定の水性燃料エマルジョンについて、エンジンタイミングをエンジン排気中の一酸化炭素のレベルの関数として表す。例えば、ある所望のエンジン速度で、一酸化炭素が一酸化炭素のある最小しきい値レベル、点Ａ（例えば、800ｐｐｍ）より低ければ、燃料噴射タイミングを規定量又は割合で遅らせる。逆に、エンジン排気中の一酸化炭素レベルが一酸化炭素の他の所定の最大しきい値レベル、点Ｂ（例えば、1000ｐｐｍ）より高ければ、燃料噴射タイミングを進める。しかし、規定の燃料種類とエンジン速度である条件で作動する特定のエンジンにおいて、エンジン排気中の一酸化炭素レベルが許容可能な範囲（即ち、点Ａと点Ｂの間）内であれば、燃料噴射タイミングを調節する必要はない。
言い換えると、所望のエンジンタイミングの計画は、エンジン排気中に存在する一酸化炭素のレベルにより変わる。エンジンタイミングをエンジン排気中に存在する一酸化炭素のレベルの関数として変えることができると、水性燃料エマルジョン等の低セタン価品質燃料を使用するとき、広い範囲のエンジン作動が可能になり、しかもエンジン性能とエンジンエミッションの要求に合う。
水性燃料エマルジョンを使用する内燃エンジン用の燃料エマルジョン制御システムの他の実施例は、フレックス燃料システムでの燃料噴射タイミングの制御に焦点を合わせる。この実施例を記述する前に、フレックス燃料システムでの水性燃料の使用に関する背景技術を概観するのが有用であろう。水性燃料組成物の最も有利な利点は、燃料を有効に使用するために、選択したディーゼルエンジンで比較的少数のエンジンの改変しか要求されないことである。殆どの改変は、燃料システムの周りに集中する。特に、ディーゼルエンジンの色々の改変は、通常のディーゼル燃料より低いセタン価品質を有する燃料組成物に対して補償するように考慮するべきである。歴史的には、どの燃料を使用してもエンジン性能が許容可能となるように、燃料噴射タイミングは規定量だけ進められてきた。しかし、フレックス燃料システムで燃料噴射タイミングを進めると、ＮＯｘエミッションの増加によりエミッションがかなり不利になる場合が多い。
フレックス燃料システムで燃料噴射タイミングを進めることによるＮＯｘエミッションの増加を最小にしようとして、本発明の燃料制御システムは、排気中のエミッションの含有量に応じて燃料噴射のタイミングを積極的に制御し、それがある程度エンジン性能全体と相関する。それゆえ、本実施例の燃料制御システムは、フレックス燃料システムのエンジン排気中のエミッションを最適にするよう機能し、しかも使用する燃料に関わらずいつも許容可能なエンジン性能を保持する。
前述のことを心に留め、図３の実施例は圧縮点火エンジン12用のフレックス燃料システム11であり、該エンジンは、１つ又は２つの燃料源16,17から規定の燃料16の供給を受ける複数の燃料インジェクター14を備える。フレックス燃料システム11の各燃料源は、１つ又はそれ以上の燃料ライン20を通ってエンジン12に結合する別のタンク18,19内にある。実際にエンジン12へ送られる燃料は、燃料制御ユニット22により、１つまたはそれ以上のエンジンパラメータの関数として制御されるのが好ましい。又は、エンジン12で使用する実際の燃料は、エンジンの運転者が選択するか又は決めることが出来る。エンジン12に供給され消費されない余分の燃料は、一般に戻り導管24を通って燃料ライン20へ戻る。
例示した図では、エンジン12の上流の燃料ライン20に沿って燃料種類センサー42が配置され、燃料制御ユニット22と作動的に結合する。燃料種類センサー42は、エンジン12内でどの燃料又は燃料混合物が燃焼したかを求める。さらに、エンジン排気32中の選択した排気生成物の存在とレベルを検出するため、エンジン排気32の近くに排気ガスセンサー30が配置される。エミッション信号34即ち排気ガスセンサー30で測定した選択した排気生成物のレベルは、燃料センサー42を使用して求めた燃料の種類44と共に、エンジン制御ユニット22の入力となる。エンジン制御ユニット22は、これらの入力を他のエンジンの設計及び作動パラメータ25,27,29と共に処理し、適当な信号36,46を発生し、その信号が燃料バルブ48と燃料噴射のタイミングを作動的に制御する。
上述したように、一酸化炭素は、全体のエンジン性能の良い指標である。従って、開示したフレックス燃料の実施例では、燃料噴射のタイミングの実際の制御は、一部は排気中に検出された測定した一酸化炭素のレベルに基づいて積極的に行われる。エンジン排気中の一酸化炭素のレベルが一酸化炭素のある最小しきい値より低ければ、どの燃料を使用しているかに関わらず燃料噴射タイミングを遅らせる。しかし、エンジン排気中の一酸化炭素レベルが一酸化炭素の他の所定の最大しきい値レベルより高ければ、使用する燃料によるある割合で燃料噴射タイミングを進める。許容可能な一酸化炭素のレベルは、規定の最小レベルと許容される最大レベルを含めて、エンジン構成と、エンジン作動条件と、使用する燃料の種類又は濃度とによる。エンジン構成と、エンジン作動条件と、使用する燃料の種類又は濃度とは、燃料制御ユニットでモニターし、容易に得られる情報である。、
図４に示すように、１方又は両方の開示した実施例では、エンジン制御ユニットは、エンジンタイミングを燃料の種類と色々のエンジン作動パラメータ、及びエンジン排気の含有量の関数として制御するための複数の「タイミングマップ」を備える。より詳しくは、エンジン制御ユニットは、「低温走行マップ」、「軽荷重マップ」、「定常状態マップ」、「過渡状態マップ」の少なくとも４つのタイミングマップを備え、これらは使用する燃料と排気中の一酸化炭素のレベルを与えられて、適当な作動条件でエンジンタイミングを制御するのに使用される。
図４に示すように、エンジン制御ユニットは、読出し専用メモリー（ＲＯＭ）を備え、そこにエンジン運転パラメータと、燃料の種類と、エンジン排気中の一酸化炭素レベルとの色々の組合せについて、複数の所定のエンジンタイミング制御信号が記憶される。タイミング制御信号の実際の値は、エンジンの種別について（その種別のエンジンの）試験を行い、エンジン作動条件と燃料の色々の組合せについて、エンジンタイミングの最適値のスケジュールをコンパイルすることにより経験的に求められ、こうするとエンジンがエミッション性能とエンジン性能の間の最適な釣り合いで作動することが出来る。このエンジンタイミングスケジュールが完成した後、読出し専用メモリーの色々のセルに値がプログラムされる。エンジンの動作中に実際のエンジン作動条件と排気ガス信号がマップに適用され、エンジン制御ユニットが、現存する燃料と、エンジン作動条件と、エンジン排気中に存在する一酸化炭素のレベルとについて、所望の値を有するエンジン出力信号を出力し、それが積極的にエンジン作動のタイミングを調節し設定する。
図４は、水性燃料エマルジョンを使用する内燃エンジンの燃料噴射タイミングを制御する好適な方法を示す。ここに示すように、好適な方法の最初のステップは、噴射する所望の燃料量と他の選択したエンジン作動パラメータの関数として、燃料インジェクターのための燃料噴射信号を発生する（ブロック70）。次のステップは、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）エミッションの所望の範囲を求める（ブロック72）。所望の範囲は、一部エンジン構成とエンジン作動条件に基づく所定の最小ＣＯしきい値レベルと所定の最大ＣＯしきい値レベルとを含む。同時に又は続いて、好ましくはエンジン排気の流れに近くに配置した一酸化炭素検出器を使用して、エンジン排気中の一酸化炭素エミッションの実際のレベルを求める即ち確かめる（ブロック74）。エンジン排気中の一酸化炭素の実際の即ち測定したレベルと、エンジン排気中の一酸化炭素の所望の範囲を使用して、次のステップでは一酸化炭素エミッションのレベルの変動量、即ち誤差を求める（ブロック76）。このステップは、一酸化炭素エミッションの測定したレベルを所定の最小ＣＯしきい値レベル及び所定の最大ＣＯしきい値レベルと比較することにより行うのが好ましい。
次のステップは、もし変動量が一酸化炭素エミッションの実際のレベルが所定の最大しきい値レベルを超えていることを示せば、燃料噴射制御信号の燃料噴射タイミングを規定量だけ進める（ブロック78）。逆に、もし一酸化炭素の変動量が一酸化炭素エミッションの実際のレベルが所定の最小しきい値レベルより低いことを示せば、燃料噴射タイミングを遅らせる（ブロック80）。最後に、一酸化炭素の変動量が一酸化炭素エミッションの測定した即ち実際のレベルが所定の最小しきい値レベルと所定の最大しきい値レベルとの間にあることを示せば、調節は不要である（ブロック82）。とにかく、燃料噴射タイミングの調節は、燃料インジェクターのタイミング曲線が、所定の最大燃料噴射タイミングの曲線を超えず、所定の最小燃料噴射タイミングの曲線より下に下がらないように制限するのが好ましい。最後に、調節した燃料噴射制御信号が燃料インジェクターへ送られ、それにより排気の流れ中の一酸化炭素レベルの関数として、燃料噴射タイミングの制御を行う（ブロック84）。
燃料噴射のタイミングを制御する上述の方法は、単独でも又は他の燃料システム制御技術と組合せて使用することも出来る。さらに、ここに記述した好適なプロセスに含まれる各特定のステップは、特定のエンジンの特有の作動要求及びエンジンを使用すると予想される作動環境に合うように容易に修正又は調整することができる。
前述のことから、本発明は水性燃料エマルジョン等の低セタン価品質燃料を使用する圧縮点火エンジンの燃料噴射タイミングを制御する方法とシステムを提供することが分かるであろう。ここに開示した発明は特定の実施例とその方法について記述してきたが、当業者は、本発明の範囲から離れず、又実際的な利点を損なうことなく、色々の改変と修正を行うことができる。
Claims (9)
- 水性燃料エマルジョン(16)を使用する圧縮点火エンジン(12)用燃料制御システム(10)において、前記燃料制御システム(10)が、
前記燃料を燃焼のためエンジンシリンダー内へ射出する１つ又はそれ以上の燃料インジェクター(14)、
前記燃料インジェクター(14)と作動的に組み合わさり、前記エンジンシリンダーへ導入される燃料の量と、前記燃料インジェクター(14)による燃料噴射のタイミングとを作動的に制御する燃料配送制御信号(36)を発生する制御ユニット(22)、及び、
前記エンジン(12)からの排気の流れ(32)と作動的に組み合わさるように配置され、前記排気の流れ(32)中に存在する選択した排気生成物のレベルを求める排気ガスセンサー(30)、を備え、
前記排気ガスセンサー(30)は前記制御ユニット(22)に結合し、燃料の量と燃料噴射のタイミングの前記制御は、前記排気の流れ(32)中に存在する前記選択した排気生成物のレベルの関数であることを特徴とするシステム。 - 請求の範囲第１項に記載した燃料制御システム(10)であって、前記排気ガスセンサー(30)で求めた前記選択した排気生成物は、一酸化炭素を含むシステム。
- 請求の範囲第２項に記載した燃料制御システム(10)であって、前記排気ガスセンサー(30)は一酸化炭素検出器であるシステム。
- 請求の範囲第２項に記載した燃料制御システム(10)であって、前記排気の流れ(32)中に存在する一酸化炭素のレベルが規定の最小しきい値より低ければ、燃料噴射タイミングを遅らせるシステム。
- 請求の範囲第２項に記載した燃料制御システム(10)であって、前記排気の流れ(32)中に存在する一酸化炭素のレベルが規定の最大しきい値より高ければ、燃料噴射タイミングを進ませるシステム。
- 低セタン価品質燃料を使用する圧縮点火エンジン(12)の燃料の量と燃料噴射タイミングを制御する方法において、
(a) 前記燃料インジェクター(14)を制御する燃料噴射制御信号(36)を発生し、前記燃料噴射制御信号(36)は、噴射する所望の燃料の量の関数であり、前記燃料は水性燃料エマルジョン(16)であり、
(b) 前記エンジン(12)の排気の流れ(32)中の一酸化炭素エミッションレベルの所望の範囲を求め、
(c) 前記エンジン(12)の前記排気の流れ(32)中の一酸化炭素エミッションの実際のレベルを求め、
(d) 一酸化炭素エミッションの前記実際のレベルが、一酸化炭素エミッションレベルの前記所望の範囲外であれば、前記燃料噴射制御信号(36)の燃料の量とタイミングを調節し、
(e) 前記調節された燃料噴射制御信号(36)を前記燃料インジェクター(14)へ送り、前記調節された燃料噴射制御信号(36)は前記排気の流れ(32)中の一酸化炭素レベルの関数である、
ステップを備えることを特徴とする方法。 - 請求の範囲第６項に記載した方法であって、前記燃料噴射制御信号(36)のタイミングを調節するステップは、
(d1) 一酸化炭素エミッションの前記実際のレベルが、一酸化炭素レベルの前記所望の範囲を超えていれば、前記燃料噴射制御信号(36)の前記燃料噴射タイミングを進ませ、
(d2) 一酸化炭素エミッションの前記実際のレベルが、一酸化炭素レベルの前記所望の範囲より低ければ、前記燃料噴射制御信号(36)の前記燃料噴射タイミングを遅らせる、
ステップを備えることを特徴とする方法。 - 請求の範囲第６項に記載した方法であって、前記エンジン(12)の前記排気の流れ(32)中の一酸化炭素エミッションの実際のレベルを確かめるステップは、一酸化炭素検出器(30)を使用して、前記排気の流れ(32)中の一酸化炭素のレベルを測定するステップを備える方法。
- 請求の範囲第６項に記載した方法であって、前記エンジン(12)は、フレックス燃料エンジンであり、前記調節された燃料噴射制御信号(36)は、噴射される燃料の種類と量、及び前記排気の流れ(32)中に存在する一酸化炭素レベルの関数である方法。
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