JP5614296B2 - デュアルフューエルエンジンの燃料供給システム - Google Patents

Description

本発明は、軽油と圧縮天然ガスとを混合燃焼することが可能なデュアルフューエルエンジンの燃料供給システムに関する。

軽油と圧縮天然ガス（以下、ＣＮＧと称する場合もある）とを混合燃焼することが可能なデュアルフューエルエンジンが開発されている。デュアルフューエルエンジンでは、ＣＮＧと空気とによって予混合気を形成させる。そして、気筒内に直接噴射される軽油を着火元として、軽油とＣＮＧとを混合燃焼させる。

特許文献１には、軽油と、有機廃棄物の嫌気性発酵より発生するバイオガスとを燃料として運転するディーゼルエンジンにおいて、ターボチャージャのコンプレッサよりも上流の吸気管にバイオガスの供給管を連結し、空気とバイオガスとの混合体をターボチャージャで過給する技術が開示されている。

特開２００２−３０９９７９号公報

本発明は、軽油とＣＮＧとを混合燃焼することが可能なデュアルフューエルエンジンにおいて、燃料の気筒配分性及び燃料量変化への追従性の悪化を抑制しつつ排気特性を向上させることを目的とする。

本発明は、軽油と圧縮天然ガスとを混合燃焼することが可能なデュアルフューエルエンジンの燃料供給システムにおいて、ＣＮＧの供給先を、過給機のコンプレッサより上流側の吸気通路とするのか、気筒内又は吸気ポートとするのかを、選択的に切り換えるものである。

より詳しくは、本発明に係るデュアルフューエルエンジンの燃料供給システムは、
軽油と圧縮天然ガスとを混合燃焼することが可能なデュアルフューエルエンジンの燃料供給システムであって、
内燃機関の気筒内に軽油を直接供給する軽油供給装置と、
内燃機関の吸気通路における過給機のコンプレッサより上流側に圧縮天然ガスを供給する第一ＣＮＧ供給装置と、
内燃機関の吸気通路における過給機のコンプレッサより下流側又は内燃機関の気筒内に圧縮天然ガスを供給する第二ＣＮＧ供給装置と、
内燃機関に圧縮天然ガスを供給する装置を、前記第一ＣＮＧ供給装置と前記第二ＣＮＧ供給装置とで切り換える切り換え装置と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ＣＮＧを、過給機のコンプレッサより上流側の吸気通路に供給するのか、過給機のコンプレッサより下流側の吸気通路又は気筒内に供給するのかを、内燃機関の運転状態に応じて選択することができる。そのため、ＣＮＧを内燃機関により好適に供給でき、且つ、ＣＮＧをより好適に燃焼させることが可能となる。よって、燃料の気筒配
分性及び燃料量変化への追従性の悪化を抑制しつつ排気特性を向上させることができる。尚、本発明における「内燃機関の吸気通路における過給機のコンプレッサより下流側」には内燃機関の吸気ポートも含まれる。

本発明においては、内燃機関の機関負荷の単位時間当たりの変化量が所定変化量以下であり、内燃機関の機関負荷が所定負荷以下且つ機関回転速度が所定速度以下のときは、前記切り換え装置によって、内燃機関にＣＮＧを供給する装置を第一ＣＮＧ供給装置に切り換えてもよい。一方、内燃機関の機関負荷の単位時間当たりの変化量が前記所定変化量より大きいとき、又は、内燃機関の機関負荷が前記所定負荷より高い或いは機関回転速度が所定速度より高いときは、前記切り換え装置によって、内燃機関にＣＮＧを供給する装置を第二ＣＮＧ供給装置に切り換えてもよい。

第一ＣＮＧ供給装置を用いることで、ＣＮＧをコンプレッサによって加圧することができる。これにより、気筒内におけるＣＮＧの燃焼性を向上させることができる。一方、第二ＣＮＧ供給装置を用いることで、内燃機関へのＣＮＧ供給量が変化した際の応答性や、各気筒へのＣＮＧの分配性を向上させることができる。従って、第一ＣＮＧ供給装置と第二ＣＮＧ供給装置とを上記のように切り換えることで、燃料の気筒配分性及び燃料量変化への追従性の悪化を抑制しつつ排気特性を向上させることができる。

本発明によれば、軽油とＣＮＧとを混合燃焼することが可能なデュアルフューエルエンジンにおいて、燃料の気筒配分性及び燃料量変化への追従性の悪化を抑制しつつ排気特性を向上させることができる。

実施例に係る内燃機関とその燃料系及び吸排気系の概略構成を示す図である。 実施例に係る、内燃機関の運転状態とＣＮＧの供給位置との関係を示す図である。 実施例に係るＣＮＧ供給位置の切り換え制御のフローを示すフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例＞
［概略構成］
図１は、本実施例に係る内燃機関とその燃料系及び吸排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は、軽油とＣＮＧと混合燃焼することが可能な車両駆動用のデュアルフューエルエンジンである。内燃機関１は圧縮着火式のエンジンである。

内燃機関１は４つの気筒２を有している。各気筒２には、気筒２内に軽油を直接噴射する軽油インジェクタ１０が設けられている。また、内燃機関１には、インテークマニホールド４およびエキゾーストマニホールド５が接続されている。インテークマニホールド４には吸気通路６が接続されている。インテークマニホールド４の４つ枝管は各気筒２の吸気ポート３にそれぞれ接続されている。各気筒２の吸気ポート３には、後述する第二ＣＮＧ供給管２２が４つに分岐することで形成されたＣＮＧ枝管２２ａが挿入されている。吸気通路６には、エアクリーナ７、ターボチャージャのコンプレッサ８及びスロットル弁９
が新気の流れに沿って上流側から順に設置されている。尚、ターボチャージャのタービン（図示せず）は排気通路に設けられている。

各軽油インジェクタ１０は軽油用コモンレール１１に接続されている。軽油用コモンレール１１には軽油供給通路１２の一端が接続されている。軽油供給通路１２の他端は軽油タンク１３に接続されている。軽油供給通路１２にはポンプ１４が設置されている。該ポンプ１４によって軽油タンク１３から軽油供給通路１２を通して軽油用コモンレール１１に軽油が圧送される。そして、軽油用コモンレール１１において加圧された軽油が各軽油インジェクタ１０に供給される。各軽油インジェクタ１０から各気筒２内に軽油が噴射されることで、内燃機関１に軽油が供給される。

ＣＮＧは、第一ＣＮＧ供給管２１又は第二ＣＮＧ供給管２２のいずれかを介して内燃機関１に供給される。第一ＣＮＧ供給管２１の一端は、吸気通路６におけるエアクリーナ７より下流側且つコンプレッサ８より上流側に接続されている。第二ＣＮＧ供給管２２は、上述したように、４つのＣＮＧ枝管２２ａに分岐しており、該ＣＮＧ枝管２２ａが各吸気ポート３にそれぞれ挿入されている。

第一ＣＮＧ供給管２１の他端及び第二ＣＮＧ供給管２２のＣＮＧ枝管２２ａとは反対側の端部は、第三ＣＮＧ供給管２３の一端に接続されている。第一ＣＮＧ供給管２１、第二ＣＮＧ供給管２２、及び第三ＣＮＧ供給管２３の接続部には、切り換え弁２４が設けられている。切り換え弁２４は、第三ＣＮＧ供給管２３を、第一ＣＮＧ供給管２１又は第二ＣＮＧ供給管２２のいずれと連通させるのかを切り換える。

第三ＣＮＧ供給管２３の他端は、ＣＮＧインジェクタ２５に接続されている。ＣＮＧ用加圧室２６に接続されている。ＣＮＧ用加圧室２６には、主ＣＮＧ供給管２７の一端が接続されている。主ＣＮＧ供給管２７の他端はＣＮＧタンク２８に接続されている。主ＣＮＧ供給管２７にはレギュレータ２９が設置されている。該レギュレータ２９によって、ＣＮＧ用加圧室２６内におけるＣＮＧの圧力が調整される。ＣＮＧタンク２８から主ＣＮＧ供給管２７を通してＣＮＧ用加圧室２６にＣＮＧが供給され、ＣＮＧ用加圧室２６において加圧されたＣＮＧがＣＮＧインジェクタ２５に供給される。ＣＮＧインジェクタ２５から第三ＣＮＧ供給管２３内にＣＮＧが噴射される。

そして、切り換え弁２４によって第三ＣＮＧ供給管２３が第一ＣＮＧ供給管２１に連通されると、第一ＣＮＧ供給管２１の一端から吸気通路６内にＣＮＧが噴射される。一方、切り換え弁２４によって第三ＣＮＧ供給管２３が第二ＣＮＧ供給管２２に連通されると、第二ＣＮＧ供給管２２の各ＣＮＧ枝管２２ａの開口部から各吸気ポート３内にＣＮＧが噴射される。

吸気通路６又は吸気ポート３内に噴射されたＣＮＧは空気と混合され予混合気を形成する。該ＣＮＧと空気との予混合気が気筒２内に供給され、該気筒２内において圧縮される。そして、軽油インジェクタ１０から軽油が噴射されると、該軽油が着火元となって、軽油とＣＮＧとが燃焼する。

尚、第二ＣＮＧ供給管２２のＣＮＧ枝管２２ａは各気筒２に直接接続されてもよい。この場合も、ＣＮＧ枝管２２ａから気筒２内に噴射されたＣＮＧと気筒２内に供給された空気とによって予混合気が形成される。

内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されている。ＥＣＵ２０には、クランク角センサ３０及びアクセル開度センサ３１が電気的に接続されている。クランク角センサ３０は内燃機関１のクランク角を検出する。アクセル開度センサ３１は内燃機関
１を搭載した車両のアクセル開度を検出する。各センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。ＥＣＵ２０は、クランク角センサ３０の出力信号に基づいて内燃機関１の機関回転速度を算出し、アクセル開度センサ３１の出力信号に基づいて内燃機関１の機関負荷を算出する。

また、ＥＣＵ２０には、スロットル弁９、軽油インジェクタ１０、ＣＮＧインジェクタ２５、レギュレータ２９、及び切り換え弁２４が電気的に接続されている。ＥＣＵ２０によってこれらの装置が制御される。

［ＣＮＧ供給位置の切り換え制御］
ＣＮＧはそれ自体の着火性が非常に低く、軽油が着火することで発生する火炎伝播によって燃焼する。そのため、軽油とＣＮＧとを混合燃焼させた場合、軽油のみを燃焼させた場合に比べてＨＣの生成量が多くなり易い。ここで、第一ＣＮＧ供給管２１を介してコンプレッサ８より上流側の吸気通路６にＣＮＧを供給した場合、該ＣＮＧをコンプレッサ８によって加圧することができる。そのため、この場合、第二ＣＮＧ供給管２２を介して吸気ポート３にＣＮＧを供給した場合に比べて、気筒２内に供給されるＣＮＧの温度を高くすることができる。さらに、第一ＣＮＧ供給管２１を介してコンプレッサ８より上流側の吸気通路６にＣＮＧを供給した場合、気筒２内に供給される前におけるＣＮＧと空気との混合時間がより長くなる。そのため、ＣＮＧと空気との予混合気の均質性が高くなる。これらの結果、ＣＮＧの燃焼性が向上するため、ＨＣの生成量を低減させることができる。従って、内燃機関１の排気特性を向上させることができる。

しかしながら、第一ＣＮＧ供給管２１を介してコンプレッサ８より上流側の吸気通路６にＣＮＧを供給した場合、第二ＣＮＧ供給管２２を介して吸気ポート３にＣＮＧを供給した場合に比べて、気筒２までのＣＮＧの供給経路が長くなる。そのため、内燃機関１の機関負荷が急激に変化した際のＣＮＧの供給量の変化の応答性が低下する。さらに、第一ＣＮＧ供給管２１を介してコンプレッサ８より上流側の吸気通路６にＣＮＧを供給した場合、第二ＣＮＧ供給管２２を介して吸気ポート３にＣＮＧを供給した場合に比べて、気筒２毎のＣＮＧの供給量が不均一となり易い。即ち、各気筒２へのＣＮＧの分配性が低下する。これらのデメリットが顕著となると、内燃機関１の燃料の気筒配分性及び燃料量変化への追従性の悪化を招く虞がある。

そこで、本実施例においては、燃料の気筒配分性及び燃料量変化への追従性の悪化を抑制しつつ排気特性を向上させるべく、内燃機関１の運転状態に応じてＣＮＧの供給位置を切り換える。図２は、本実施例に係る、内燃機関１の運転状態とＣＮＧの供給位置との関係を示す図である。図２において、縦軸は機関負荷を表しており、横軸は機関回転速度を表している。

内燃機関１の運転状態が、図２における領域Ａのような低負荷低回転領域に属する場合、軽油インジェクタ１０から気筒２内に噴射される軽油の量が少なく且つ気筒２内の温度が低い。そのため、ＣＮＧを十分に燃焼させることがより困難となる。そこで、本実施例では、内燃機関１の暖機終了後であって、急激な機関負荷の変化（即ち、急激な加速運転又は減速運転への移行）がない場合であって、内燃機関１の運転状態が、図２における領域Ａに属するときは、第一ＣＮＧ供給管２１を介してコンプレッサ８より上流側の吸気通路６にＣＮＧを供給する。

これにより、ＣＮＧの燃焼を促進させることができ、以って排気特性を向上させることできる。また、急激な機関負荷の変化がなく且つ低負荷低回転で内燃機関１が運転されている状況では、ＣＮＧの供給量の変化の応答性の低下や各気筒２へのＣＮＧの分配性の低下が内燃機関１の運転に与える影響は非常に小さい。そのため、コンプレッサ８より上流
側の吸気通路６にＣＮＧを供給した場合であっても、燃料の気筒配分性及び燃料量変化への追従性の悪化を抑制することができる。

一方、内燃機関１の運転状態が、図２における領域Ｂのような高負荷領域又は低回転領域に属する場合や、急激に機関負荷が変化している場合は、ＣＮＧの供給量の変化の応答性の低下や各気筒２へのＣＮＧの分配性の低下を招き易い。そこで、本実施例では、内燃機関１の暖機中のとき、急激に機関負荷が変化しているとき、又は、内燃機関１の運転状態が図２における領域Ｂに属するときは、第二ＣＮＧ供給管２２を介して吸気ポート３にＣＮＧを供給する。

これにより、ＣＮＧの供給量の変化の応答性や各気筒２へのＣＮＧの分配性を向上させることができ、以って燃料の気筒配分性及び燃料量変化への追従性の悪化を抑制することができる。また、内燃機関１の運転状態が高負荷領域にある場合は、気筒２内の温度が高くなっている。そのため、コンプレッサ８によってＣＮＧを加圧しなくても、気筒２内においてＣＮＧを十分燃焼させることができる。そのため、吸気ポート３にＣＮＧを供給した場合であっても、ＨＣの生成量を抑制することができる。

図３は、本実施例に係るＣＮＧ供給位置の切り換え制御のフローを示すフローチャートである。本フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、ＥＣＵ２０によって繰り返し実行される。

本フローでは、先ずステップＳ１０１において、内燃機関１の暖機が終了した後であるか否かが判別される。ステップＳ１０１において否定判定された場合、即ち内燃機関１の暖機中であるときは、次にステップＳ１０５の処理が実行される。ステップＳ１０５においては、切り換え弁２４が第二ＣＮＧ供給管２２側に切り換えられる。即ち、第三ＣＮＧ供給管２３と第二ＣＮＧ供給管２２とが連通され、第一ＣＮＧ供給管２１側が遮断される。これによって、ＣＮＧが吸気ポート３に供給されることになる。

ステップＳ１０１において肯定判定された場合、次にステップＳ１０２の処理が実行される。ステップＳ１０２においては、内燃機関１の機関負荷の単位時間当たりの変化量ΔＱｅが所定変化量ΔＱｅ１以下であるか否かが判別される。つまり、ステップＳ１０２においては、機関負荷が急激に変化していないか否かが判別される。ステップＳ１０２において否定判定された場合、即ち内燃機関１の機関負荷の単位時間当たりの変化量ΔＱｅが所定変化量ΔＱｅ１より大きいときは、ステップＳ１０１において否定判定された場合と同様、次にステップＳ１０５の処理が実行される。

ステップＳ１０２において肯定判定された場合、次にステップＳ１０３の処理が実行される。ステップＳ１０３においては、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが所定負荷Ｑｅ１以下であり且つ内燃機関１の機関回転速度Ｎｅが所定速度Ｎｅ１以下であるか否かが判別される。つまり、内燃機関１の運転状態が図２における領域Ａに属しているか否かが判別される。ステップＳ１０３において否定判定された場合、即ち内燃機関１の運転状態が図２における領域Ｂに属しているときは、ステップＳ１０１において否定判定された場合と同様、次にステップＳ１０５の処理が実行される。

ステップＳ１０３において肯定判定された場合、次にステップＳ１０４の処理が実行される。ステップＳ１０４においては、切り換え弁２４が第一ＣＮＧ供給管２１側に切り換えられる。即ち、第三ＣＮＧ供給管２３と第一ＣＮＧ供給管２１とが連通され、第二ＣＮＧ供給管２２側が遮断される。これによって、ＣＮＧがコンプレッサ８より上流側の吸気通路６に供給されることになる。

ここで、所定変化量ΔＱｅ１、所定負荷Ｑｅ１及び所定速度Ｎｅ１は、ＣＮＧをコンプレッサ８より上流側の吸気通路６に供給しても、内燃機関１における燃料の気筒配分性及び燃料量変化への追従性が許容範囲を超えて悪化することはないと判断できる閾値として、実験等に基づいて予め定められた値である。

上記のように、ＣＮＧの供給位置を切り換えることで、燃料の気筒配分性及び燃料量変化への追従性の悪化を抑制しつつ排気特性を向上させることができる。

尚、上記フローにおいて、ステップＳ１０１において否定判定された場合、即ち内燃機関１の暖機中であるときに、切り換え弁２４が第二ＣＮＧ供給管２２側に切り換えられることは、必ずしも必要ではない。つまり、内燃機関１の暖機中は、ＣＮＧがコンプレッサ８より上流側の吸気通路６に供給されてもよい。

また、本実施例において、第二ＣＮＧ供給管２２のＣＮＧ枝管２２ａはインテークマニホールド４の各枝管に挿入されてもよい。また、第二ＣＮＧ供給管２２が、吸気通路６におけるコンプレッサ８より下流側に接続された構成としてもよい。

１・・・内燃機関
２・・・気筒
３・・・吸気ポート
６・・・吸気通路
８・・・コンプレッサ
１０・・軽油インジェクタ
１３・・軽油タンク
２０・・ＥＣＵ
２１・・第一ＣＮＧ供給管
２２・・第二ＣＮＧ供給管
２３・・第三ＣＮＧ供給管
２４・・切り換え弁
２５・・ＣＮＧインジェクタ
２８・・ＣＮＧタンク
３０・・クランク角センサ
３１・・アクセル開度センサ

Claims (1)

1. 軽油と圧縮天然ガスとを混合燃焼することが可能なデュアルフューエルエンジンの燃料供給システムであって、
   内燃機関の気筒内に軽油を直接供給する軽油供給装置と、
   内燃機関の吸気通路における過給機のコンプレッサより上流側に圧縮天然ガスを供給する第一ＣＮＧ供給装置と、
   内燃機関の吸気通路における過給機のコンプレッサより下流側又は内燃機関の気筒内に圧縮天然ガスを供給する第二ＣＮＧ供給装置と、
   内燃機関に圧縮天然ガスを供給する装置を、前記第一ＣＮＧ供給装置と前記第二ＣＮＧ供給装置とで切り換える切り換え装置と、
   を備え、
   内燃機関の機関負荷の単位時間当たりの変化量が所定変化量以下であり、内燃機関の機関負荷が所定負荷以下且つ機関回転速度が所定速度以下のときは、前記切り換え装置によって、内燃機関に圧縮天然ガスを供給する装置を前記第一ＣＮＧ供給装置に切り換え、
   内燃機関の機関負荷の単位時間当たりの変化量が前記所定変化量より大きいとき、又は、内燃機関の機関負荷が前記所定負荷より高い或いは機関回転速度が所定速度より高いときは、前記切り換え装置によって、内燃機関に圧縮天然ガスを供給する装置を前記第二ＣＮＧ供給装置に切り換える
   ことを特徴とするデュアルフューエルエンジンの燃料供給システム。

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