JP5796465B2

JP5796465B2 - 内燃機関の燃料噴射装置

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Publication number: JP5796465B2
Application number: JP2011248945A
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Inventors: 亮道川内
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Priority date: 2011-11-14
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Publication date: 2015-10-21
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Also published as: JP2013104361A

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に関する。

従来の技術においては、燃焼室に連通する吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射型の内燃機関が知られている。吸気ポート内に空気が流入すると共に燃料が噴射されることにより混合気が生成されて燃焼室に供給される。

内燃機関の燃料としては、液体燃料の他に常温および常圧で気体の状態である気体燃料を使用できることが知られている。気体燃料は、加圧された状態で燃料噴射弁に供給される。ポート噴射型の内燃機関では、燃料噴射弁から吸気ポートの内部に気体燃料が噴射される。気体燃料としては、単一の成分から構成される燃料の他に、複数の成分から構成される混合気体燃料を用いることができる。例えば水素と天然ガスとを含む混合気体燃料を用いることができる。

特開２００３−０９０２４３号公報においては、吸気行程中のピストン速度が最も速い時に、噴射ピークの燃料ガスがインジェクタと吸気ポートの間を流れているように、燃料噴射の開始時期及び噴射期間を設定するガス機関の燃料噴射制御方法が開示されている。この燃料噴射制御方法では、最も流動の激しい時に空気と燃料ガスとをインジェクタから吸気ポート間に流すことになるので、短い混合経路でも均一に空気と燃料ガスを混合できることが開示されている。

特開２００３−０９０２４３号公報

気体燃料を用いる内燃機関において、気体燃料は液体燃料と同様に燃料タンクに貯留することができる。ところが、気体燃料を補給する地域や社会情勢等により、燃料タンクに補給される気体燃料の成分が変化する場合がある。例えば、気体燃料に水素と天然ガスとが含まれる場合には、補給される燃料の水素比率および天然ガス比率が変化する場合がある。この場合には、燃料タンクに貯留されている気体燃料の混合比率が変化し、燃料噴射弁から噴射される燃料の混合比率が変化する。

ところで、ポート噴射型の内燃機関において、吸気ポートに配置された燃料噴射弁から気体燃料を噴射した場合には、噴射された気体燃料が吸気ポートを進行する。気体燃料は、空気と混合されて、所望の濃度にて燃焼室に供給されることが好ましい。また、混合気が燃焼室に流入したときに、燃焼室内において所望の燃料の濃度分布を形成することが好ましい。

燃料噴射弁から燃料を噴射したときに、気体燃料が吸気弁の近傍に到達する時期が所望の時期よりも早いと、吸気弁が開いた時に、吸気弁の近傍には所望の濃度よりも高い濃度の混合気が形成されている。このため、燃焼室には、過濃な混合気が供給される。一方で、気体燃料が吸気弁の近傍に到達する時期が所望の時期よりも遅いと、吸気弁が開いた時に、吸気弁の近傍には所望の濃度よりも低い濃度の混合気が形成されている。このため、燃焼室には、希薄な混合気が供給される。

ところで、燃料噴射弁から吸気ポート内に噴射される燃料の混合比率が変化すると、吸気弁が開いたときに気体燃料が到達している位置が変化し、燃焼室に流入する混合気が不均一になる場合があった。所望の濃度よりの希薄な混合気が燃焼室に供給されたり、所望の濃度よりも過濃な混合気が燃焼室に供給されたりする場合があった。この結果、燃焼変動が増大する場合があった。または、燃焼室において空燃比を大きくした状態で燃焼を行なうリーンバーンエンジン等の場合には、点火プラグの近傍に所望の濃度よりも高い濃度の混合気が供給されると、燃焼室から排出されるＮＯ_Ｘ量が増加する場合があった。

更に、燃焼室から吸気ポートへの混合気の吹き返しや、燃焼室に吸入されずに残留した混合気が濃度の高い状態で吸気弁の近傍に残留した場合には、次の燃焼サイクルにおいて、過濃な混合気が燃焼室に吸入される場合があった。

本発明は、複数の燃料成分を含む気体燃料を燃料にする内燃機関の燃料噴射装置であって、燃焼室に供給する混合気の均一性を向上させることを目的とする。

本発明の内燃機関の燃料噴射装置は、複数の燃料成分を含む気体燃料を機関吸気通路に噴射する燃料噴射弁と、気体燃料の燃料成分の混合比率を取得する混合比率取得手段とを備える。気体燃料は、混合比率が変化することにより燃料噴射弁から噴射したときの気体燃料の運動量が変化する特性を有している。気体燃料の混合比率を取得し、取得した混合比率に基づいて、燃料噴射弁の気体燃料の噴射開始時期および噴射圧力のうち少なくとも一方を設定する。

上記発明においては、気体燃料は、水素および炭化水素を含み、気体燃料の水素比率が高くなるほど噴射開始時期を進角側に設定することができる。

上記発明においては、気体燃料は、水素および炭化水素を含み、気体燃料の水素比率が高くなるほど噴射圧力を高く設定することができる。

上記発明においては、燃料噴射弁に供給する気体燃料の圧力を検出する圧力検出器を備え、燃料噴射弁に供給する気体燃料の圧力を検出し、検出した圧力が高くなるほど噴射開始時期を遅く設定することができる。

本発明によれば、複数の燃料成分を含む気体燃料を燃料にする内燃機関の燃料噴射装置であって、燃焼室に供給する混合気の均一性を向上させることができる。

実施の形態における内燃機関の概略図である。実施の形態における気体燃料の水素比率と気体燃料の噴射開始時期との関係を説明するグラフである。実施の形態における燃料噴射装置の第１の制御のフローチャートである。実施の形態における燃料噴射装置の第１の制御における気体燃料の噴射開始時期の補正値を設定するフローチャートである。実施の形態における気体燃料の水素比率と気体燃料の噴射圧力との関係を説明するグラフである。実施の形態における燃料噴射装置の第２の制御のフローチャートである。

図１から図６を参照して、実施の形態における内燃機関の燃料噴射装置について説明する。本実施の形態の内燃機関は、気体燃料を用いている。

図１に、本実施の形態における内燃機関の概略図を示す。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、各気筒の燃焼室２を備える。本実施の形態においては、それぞれの気筒には点火栓７が配置されている。機関本体１は、燃焼室２に連通する機関吸気通路を含み、機関吸気通路は吸気ポート１１を有する。機関本体１は、燃焼室２に連通する機関排気通路を含み、機関排気通路は排気ポート１２を有する。機関本体１は、機関吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁３を含む。本実施の形態における燃料噴射弁３は、それぞれの気筒の吸気ポート１１に気体燃料を噴射する。

機関本体１は、吸気ポート１１に接続された吸気マニホールド４と排気ポート１１に接続された排気マニホールド５とを含む。吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して吸入空気量検出器８に連結されている。吸入空気量検出器８は、エアクリーナ９に連結されている。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置されている。一方、排気マニホールド５は、排気管５１を介して排気処理装置としての排気浄化触媒５５に連結されている。

本実施の形態における排気浄化触媒５５は、三元触媒により構成されている。機関吸気通路、燃焼室または排気浄化触媒５５よりも上流の排気通路内に供給された排気の空気および燃料（炭化水素）の比を排気の空燃比と称すると、三元触媒は、排気の空燃比を、ほぼ理論空燃比にすることにより、排気に含まれる炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯおよび窒素酸化物ＮＯ_Ｘを同時に浄化する機能を有する。本実施の形態の排気浄化装置においては、排気浄化触媒５５の上流の機関排気通路に、排気浄化触媒５５に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するための空燃比センサ５６が配置されている。排気処理装置としては、三元触媒の他に排気を浄化する任意の装置を採用することができる。たとえば、酸化触媒またはＮＯ_Ｘ還元触媒等を採用することができる。

排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路５２が配置されている。ＥＧＲ通路５２の途中には電子制御式のＥＧＲ制御弁５３が配置されている。また、ＥＧＲ通路５２の途中には、ＥＧＲ通路５２内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置５４が配置されている。

本実施の形態における内燃機関の燃料噴射装置は、燃料噴射弁３と、燃料噴射弁３に加圧した燃料を供給する燃料供給装置とを備える。本実施の形態における燃料供給装置は、燃料タンク６１および圧力調整弁６２を含む。それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管６３を介して燃料タンク６１に接続されている。

燃料供給装置は、加圧した燃料を供給するように形成されている。本実施の形態においては、燃料タンク６１には気体燃料が加圧されて貯蔵されている。燃料タンク６１に貯蔵されている燃料は、圧力調整弁６２により減圧される。圧力調整弁６２により減圧された燃料は、燃料供給管６３を介して、それぞれの燃料噴射弁３に供給される。圧力調整弁６２から燃料噴射弁３に燃料を供給する流路には、燃料噴射弁３に供給する燃料の圧力を検出する圧力センサ６４が配置されている。圧力調整弁６２の上流側及び下流側には、温度センサ６５，６６が配置されている。温度センサ６５，６６は、後述するように燃料タンク６１から供給される気体燃料の燃料成分の混合比率を取得する混合比率取得手段として機能する。燃料タンク６１には、内部の圧力を検出する圧力センサ６７が配置されている。

本実施の形態における内燃機関は、電子制御ユニット３０を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータにより構成されている。電子制御ユニット３０は、双方性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を備える。ＲＯＭ３２には、制御を行なうために必要なマップ等の情報が予め記憶されている。ＣＰＵ３４は、任意の演算や判断を行なうことができる。ＲＡＭ３３は、読み書きが可能な記憶装置である。

吸入空気量検出器８の出力信号は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、温度センサ６５，６６、圧力センサ６４，６７、および空燃比センサ５６等のセンサの出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

アクセルペダル４０には、アクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力により要求トルクを検出することができる。負荷センサ４１の出力信号は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数やクランク角度を検出することができる。

一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して、点火栓７、スロットル弁１０の駆動用ステップモータおよびＥＧＲ制御弁５３に接続されている。また、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して圧力調整弁６２に接続されている。

本実施の形態における気体燃料は、水素と炭化水素とを含む混合気体燃料が用いられている。炭化水素としては、天然ガスやバイオマスガスなどを例示することができる。

燃料噴射弁から噴射された気体燃料は、空気と混合しながら吸気ポートを進行する。燃焼室には、所望の濃度の混合気が供給されることが好ましい。すなわち、所望の燃焼時の空燃比にて燃料を燃焼させることが好ましい。このために、燃料噴射弁から噴射された気体燃料が、所望の時期に吸気弁の近傍に到達するように制御することが好ましい。例えば、吸気弁が開く直前に吸気弁の近傍に気体燃料が到達することが好ましい。また、気体燃料の到達時期は、燃焼室内において形成される気体燃料の濃度分布にも影響を与える。燃焼室内においては、所望の燃料の濃度分布が形成されることが好ましい。

ところで、燃料タンクに貯留されている気体燃料が少なくなってきて補給を行う時に、補給を行う地域等により補給する気体燃料に含まれる水素と炭化水素との混合比率が異なる場合がある。燃料タンクに残存している気体燃料とは異なる混合比率を有する気体燃料が補給される場合がある。この結果、燃料タンク内の気体燃料の混合比率が変化し、燃料噴射弁に供給される気体燃料の混合比率が変化する場合がある。ここで、気体燃料の燃料成分の混合比率が変化すると、燃料噴射弁から気体燃料を噴射したときの気体燃料の貫徹力が変化してしまう。このために、気体燃料が吸気弁の近傍に到達する時期が変化する。

本実施の形態における内燃機関の燃料噴射装置は、燃料噴射弁から気体燃料を噴射したときの気体燃料の運動量に基づいて、燃料噴射時期および燃料噴射圧力のうち少なくとも一方を設定する。本実施の形態における気体燃料の運動量は、気体燃料の密度と気体燃料を噴射したときの速度の積として定めることができる。燃料噴射弁から噴射した気体燃料の運動量が大きくなるほど、貫徹力が増大し噴射された気体燃料が吸気弁の近傍に到達するまでの時間が短くなる。

例えば、気体燃料の密度が大きくなると（単位体積当りの質量が大きくなる）と、噴射された気体燃料の貫徹力、即ちペネトレーションが増大し、噴射された気体燃料が吸気弁の近傍に到達する時期が早くなる。また、燃料噴射弁から噴射される気体燃料の速度が高くなると、噴射された気体燃料が吸気弁の近傍に到達する時期が早くなる。気体燃料を噴射してから吸気弁の近傍に到達するまでの時間は、燃焼室に供給する混合気の濃度や燃焼室における気体燃料の濃度分布に影響を与える。

ところで、気体燃料の密度は、気体燃料に含まれる燃料成分の混合比率に依存する。複数の気体燃料の成分の平均分子量が小さいほど、同一の圧力および同一の温度では密度が小さくなる。本実施の形態においては、気体燃料の水素比率が高くなるほど、気体燃料の密度が小さくなる。また、燃料噴射弁から噴射されるときの気体燃料の速度は、気体燃料に含まれる燃料成分の混合比率に依存する。本実施の形態の水素と炭化水素とを含む気体燃料においては、燃料噴射弁に供給される気体燃料の圧力が一定の場合には、気体燃料の水素比率が大きくなるほど、噴射されたときの気体燃料の速度が速くなる。

ここで、気体燃料の水素比率が増加したときには、噴射されたときの気体燃料の運動量は、噴射される速度が増加する効果よりも密度が小さくなる効果が大きくなる。このために、気体燃料の水素比率を高くするほど燃料を噴射したときの気体燃料の運動量が小さくなる。すなわち、気体燃料の水素比率が高くなるほど、気体燃料の貫徹力が低下し、燃料噴射弁から噴射された気体燃料が吸気弁の近傍に到達するまでに長い時間がかかるという特性を有する。このように、気体燃料の混合比率は、燃料噴射弁から気体燃料を噴射したときの気体燃料の運動量に影響を与える特性を有している。

本実施の形態の燃料噴射装置の第１の制御においては、気体燃料の混合比率を取得し、気体燃料の混合比率に基づいて気体燃料の噴射開始時期を設定する制御を行う。本実施の形態における気体燃料では、気体燃料の水素比率が高くなるほど気体燃料の貫徹力が低下するために噴射開始時期を進角側に設定する制御を行う。すなわち、噴射開始時期を早くする制御を行う。

図１を参照して、燃料噴射装置は、気体燃料の燃料成分の混合比率を取得する混合比率取得手段としての混合比率推定装置を含む。本実施の形態における混合比率推定装置は、圧力調整弁６２と、温度センサ６５，６６とを含む。温度センサ６５，６６の出力により、圧力調整弁６２の上流側と下流側との温度差を検出することができる。燃料タンク６１からは加圧された気体燃料が供給されて圧力調整弁６２にて減圧される。気体燃料の減圧時には、気体燃料が膨張するために温度が低下する。このときの温度低下量は、気体燃料の比熱に依存する。このために、圧力調整弁６２を流通したときの温度低下量は、燃料成分の混合比率に依存する。

本実施の形態の気体燃料においては、炭化水素よりも水素の方が減圧膨張時の吸熱量が小さくなる。水素比率が高くなるほど圧力調整弁６２を流通したときの温度低下量が小さくなる。本実施の形態における混合比率推定装置は、所定の内燃機関の運転状態において、圧力調整弁６２を流通したときの温度低下量を検出し、検出した温度低下量に基づいて水素比率を推定している。更に本実施の形態における混合比率推定装置は、圧力センサ６７により圧力調整弁６２に流入する気体燃料の圧力を検出する。圧力センサ６４により圧力調整弁６２から流出する気体燃料の圧力を検出する。圧力センサ６４，６７の出力に基づいて圧力調整弁６２の上流側と下流側との圧力差を算出する。

次に、圧力調整弁６２の上流側と下流側との圧力差と、圧力調整弁６２の上流側と下流側との温度差に基づいて、気体燃料の水素比率を推定する。本実施の形態においては、圧力調整弁６２の上流側と下流側との圧力差と、圧力調整弁６２の上流側と下流側との温度差とを関数にする気体燃料の水素比率のマップを電子制御ユニット３０に記憶させている。圧力調整弁６２の上流側と下流側との圧力差および温度差を検出することにより、気体燃料の水素比率を推定することができる。

図２に、本実施の形態における第１の制御における気体燃料の水素比率と燃料噴射弁の噴射開始時期との関係を説明するグラフを示す。縦軸の噴射開始時期は、クランク角度で示されている。図２に示す例では、クランク角度θＩＢＯにおいて吸気弁が開いている。気体燃料の水素比率が高くなるほど、燃料噴射弁から噴射されるときの燃料の運動量が減少するため、第１の制御においては、気体燃料の水素比率が大きくなるほど噴射開始時期を進角側に設定する。

図３に、本実施の形態における燃料噴射装置の第１の制御のフローチャートを示す。本実施の形態においては、基準噴射開始時期を設定し、燃料タンクに貯留する気体燃料の混合比率を取得し、気体燃料の混合比率に基づいて噴射開始時期の補正値を設定し、基準噴射開始時期を補正値にて補正して最終的な噴射開始時期を設定する制御を行う。図３に示す第１の制御は、例えば予め定められた時間間隔や所定の燃焼サイクル数ごとに繰り返して行なうことができる。

始めに、ステップ１０１においては、それぞれの気筒に供給する燃料噴射量を設定する。燃料噴射量としては、例えば、内燃機関の要求負荷と機関回転数とに基づいて設定することができる。図１を参照して、要求負荷と機関回転数とを関数にする燃料噴射量のマップを、予め電子制御ユニット３０に記憶させておくことができる。負荷センサ４１の出力から要求負荷を検出し、クランク角度センサ４２の出力から機関回転数を検出することができる。検出した要求負荷と機関回転数とに基づいて燃料噴射量を設定することができる。

ステップ１０２においては、燃料噴射期間を設定する。本実施の形態における燃料噴射弁３は、一定の気体燃料の圧力において開弁しているときには、燃料の噴射流量がほぼ一定になるように形成されている。ステップ１０１において設定した燃料噴射量から燃料噴射弁を開弁している期間（時間長さ）を算出する。

ステップ１０３において、基準となる基準噴射開始時期θＦＳＢを設定する。基準噴射開始時期は、予め定められた吸気弁の開弁時期と、ステップ１０２において算出された燃料噴射期間とに基づいて設定することができる。

ステップ１０４においては、噴射開始時期の補正値θαを読み込む。本実施の形態において、噴射開始時期の補正値θαは、気体燃料の水素比率が高くなるほど噴射開始時期が早くなるように設定される。ここで、噴射開始時期の補正値θαを設定する制御について説明する。

図４に、本実施の形態の第１の制御における噴射開始時期の補正値を設定するフローチャートを示す。本実施の形態においては、燃料タンクに気体燃料を補給する毎に噴射開始時期の補正値を設定している。図４に示す制御は、例えば、予め定められた時間間隔ごとに繰り返して行うことができる。

ステップ１１１においては、燃料タンクに気体燃料が補給されたか否かを判別する。図１を参照して、本実施の形態においては、燃料タンク６１に取り付けられた圧力センサ６７の出力により、気体燃料が補給されたことを検出する。本実施の形態においては、今回の燃料タンク６１の内部の圧力が、前回の圧力に比べて予め定められた判定値よりも大きく上昇した場合に気体燃料が補給されたと判別している。気体燃料の補給の有無の判別については、この形態に限られず、任意の装置および制御により行なうことができる。

ステップ１１１において、燃料タンクに気体燃料が補給された場合にはステップ１１２に移行する。ステップ１１１において、燃料タンクに気体燃料が補給されていない場合には、この制御を終了する。

ステップ１１２においては、気体燃料の水素比率を取得する。燃料に含まれる水素比率は、前述の混合比率推定装置により推定することができる。なお、気体燃料の混合比率の取得は、前述の混合比率推定装置に限られず、たとえば、混合比率を直接検出する混合比取得センサにより取得しても構わない。または、燃料が補給されたときに運転者等が混合比率を電子制御ユニットに入力しても構わない。

次に、ステップ１１３においては、噴射開始時期の補正値θαを設定する。図２を参照して、噴射開始時期の補正値θαは、水素比率が高くなるほど噴射開始時期が早くなる（進角側になる）ように設定される。例えば、水素比率を関数にした噴射開始時期の補正値θαを電子制御ユニット３０に予め記憶させておくことができる。このように、気体燃料を補給する度に噴射開始時期の補正値を設定することができる。設定された噴射開始時期の補正値θαは、電子制御ユニット３０に記憶させておくことができる。

図３を参照して、ステップ１０４において噴射開始時期の補正値θαを読み込んだ後に、ステップ１０５において補正後の噴射開始時期θＦＳを設定する。本実施の形態においては、基準噴射開始時期θＦＳＢに、補正値θαを加算することにより、補正後の噴射開始時期θＦＳを設定している。なお、補正方法については、この形態に限られず、噴射開始時期の補正係数を設定し、補正係数を乗じる等の任意の補正方法を採用することができる。

次に、ステップ１０６においては、設定した噴射開始時期θＦＳに基づいて気体燃料の噴射を行う。

本実施の形態における内燃機関の燃料噴射装置は、気体燃料の混合比率に基づいて噴射開始時期を設定するために、気体燃料の貫徹力に起因する燃料噴射弁から吸気弁の近傍まで到達する時間の変動を補正することができる。所望の時期に吸気弁の近傍に気体燃料が到達するように、気体燃料を噴射することができる。燃焼室に供給される気体燃料の濃度の均一性を向上させることができる。また、燃焼室において気体燃料の所望の濃度分布を形成することができる。このために、燃焼サイクル毎に燃焼室に供給される気体燃料の濃度が異なることに起因する燃焼変動を抑制したり、内燃機関がリーンバーンエンジンの場合にはＮＯ_Ｘの増加を抑制したりすることができる。

次に、本実施の形態における第２の制御について説明する。本実施の形態の第２の制御においては、気体燃料の混合比率に基づいて、燃料噴射弁における気体燃料の噴射圧力を設定する。燃料噴射弁における噴射圧力が高くなるほど、燃料噴射弁から噴射される気体燃料の速度が大きくなる。すなわち、燃料噴射弁から噴射される気体燃料の運動量が大きくなる。

図５に、本実施の形態の第２の制御における気体燃料の水素比率と、燃料噴射弁における気体燃料の噴射圧力との関係を説明するグラフを示す。燃料噴射弁からの噴射圧力が一定の場合には、気体燃料の水素比率が高くなるほど、燃料噴射弁から噴射されるときの燃料の運動量が減少する。このために、第２の制御においては、気体燃料の水素比率が高くなるほど、燃料噴射弁から気体燃料を噴射する時の噴射圧力を高くする制御を行う。本実施の形態においては、気体燃料の水素比率が高くなるほど、燃料噴射弁に供給する気体燃料の圧力を高くする制御を行う。図１を参照して、本実施の形態の燃料噴射装置においては、燃料噴射弁３に供給する気体燃料の圧力は、圧力調整弁６２により変更することができる。

図６に、本実施の形態における第２の制御のフローチャートを示す。図６に示す制御は、例えば予め定められた時間間隔や所定の燃焼サイクル数ごとに繰り返して行なうことができる。本実施の形態の第２の制御においては、燃料タンクに気体燃料を補給するごとに、燃料タンクに貯留する気体燃料の混合比率を取得し、気体燃料の混合比率に基づいて燃料噴射弁から噴射する燃料の噴射圧力を設定し、燃料噴射弁に供給する気体燃料の圧力を調整する。

ステップ１２１においては、燃料タンクに気体燃料が補給されたか否かを判別する。ステップ１２１において燃料タンクに気体燃料が補給された場合には、ステップ１２２に移行する。ステップ１２１において、燃料タンクに気体燃料が補給されていない場合には、この制御を終了する。

ステップ１２２においては、気体燃料の水素比率を取得する。水素比率の取得は、本実施の形態における第１の制御と同様に、混合比率推定装置により推定することができる。

ステップ１２３においては、気体燃料を噴射する時の噴射圧力を設定する。気体燃料の水素比率が高くなるほど噴射圧力を高く設定している。図５を参照して、本実施の形態においては、気体燃料の水素比率を関数にする燃料の噴射圧力の値が、予め電子制御ユニットに記憶されている。推定した気体燃料の水素比率に基づいて、燃料噴射弁から噴射する時の噴射圧力を設定することができる。

次に、ステップ１２４においては、設定された燃料噴射弁の噴射圧力に基づいて、燃料噴射弁に供給する気体燃料の圧力を調整する。図１を参照して、本実施の形態においては、設定された気体燃料の噴射圧力になるように、圧力調整弁６２により燃料噴射弁３に供給する気体燃料の圧力を調整する。

このように、本実施の形態の第２の制御においては、燃料タンクに燃料が補給されるごとに、燃料噴射弁における気体燃料の噴射圧力を調整している。本実施の形態おける第２の制御においても、気体燃料の混合比率に起因する気体燃料の運転量の変動を補正することができる。燃焼室に供給する混合気の均一性を向上させることができる。また、気体燃料が燃焼室に流入したときに、燃焼室内において所望の気体燃料の濃度分布を形成することができる。このために、複数の燃焼サイクル間における混合気の気体燃料の濃度のばらつきを抑制し、燃焼変動を抑制することができる。または、例えば、リーンバーンエンジンにおいては、排出されるＮＯ_Ｘ量の増加を抑制することができる。

更に、本実施の形態における燃料噴射装置は、燃料噴射弁に供給する気体燃料の圧力を検出する圧力検出器を備え、燃料噴射弁３に供給する気体燃料の圧力を検出し、検出した圧力が高くなるほど噴射開始時期を遅く設定する制御を行うことができる。図１を参照して、本実施の形態においては、燃料供給管６３に取り付けられている圧力センサ６４が燃料噴射弁３に供給する気体燃料の圧力を検出する圧力検出器として機能する。燃料噴射弁３に供給する気体燃料の圧力は、燃料噴射弁３の噴射圧力に相等する。例えば、上記の第１の制御において、圧力センサ６４により検出した気体燃料の圧力に基づいて、設定した噴射開始時期を更に補正することができる。

気体燃料を用いる内燃機関は、液体燃料を用いる内燃機関よりも燃料噴射量に対する噴射圧力の影響が大きくなる。このために、燃料噴射弁に供給する圧力に基づいて噴射開始時期を設定することにより、より正確に所望の時期に気体燃料を吸気弁の近傍に供給することができる。

本実施の形態の混合比率取得手段は、圧力調整弁の上流側と下流側との温度差に基づいて、気体燃料の水素比率を推定しているが、この形態に限られず、気体燃料の混合比率を取得可能な任意の手段を採用することができる。

たとえば、混合比率取得手段は、排気に含まれる酸素濃度を推定し、推定した酸素濃度に基づいて気体燃料の混合比率を推定しても構わない。図１を参照して、本実施の形態における内燃機関は、機関排気通路に燃焼室２から流出する排気の空燃比を検出する空燃比センサ５６が配置されている。空燃比センサ５６の出力により、排気に含まれる酸素濃度を推定することができる。排気は、気体燃料の水素比率が高いほど酸素濃度が高くなる。すなわち、気体燃料の水素比率が高いほど排気の空燃比はリーン側の値になる。このために、たとえば、予め定められた内燃機関の運転状態において、空燃比センサ５６の出力により排気の酸素濃度を推定し、推定した酸素濃度に基づいて、気体燃料の水素比率を推定することができる。

または、本実施の形態における排気浄化触媒５５は三元触媒から構成されており、排気浄化触媒５５に流入する排気の空燃比がほぼ理論空燃比になるようにフィードバック制御が行われている。本実施の形態における内燃機関では、空燃比センサ５６により排気の空燃比を検出し、排気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように、気体燃料の噴射量および吸入空気量のうち少なくとも一方を調整している。フィードバック制御を行うときの調整量は、気体燃料の水素比率に依存する。このために、混合比率取得手段は、フィードバック制御を行うときの調整量に基づいて、気体燃料の水素比率を推定しても構わない。

本実施の形態の第１の制御および第２の制御においては、噴射開始時期または噴射圧力のいずれか一方を変更しているが、この形態に限られず、燃料の運動量に基づいて噴射時期および噴射圧力の両方を変更しても構わない。

本実施の形態においては、気体燃料として、水素と炭化水素との混合気体を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、複数の燃料成分を含む任意の気体燃料を噴射する燃料噴射弁を備える燃料噴射装置に本発明を適用することができる。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。

２燃焼室
３燃料噴射弁
６吸気ダクト
１１吸気ポート
３０電子制御ユニット
５１排気管
５５排気浄化触媒
５６空燃比センサ
６１燃料タンク
６２圧力調整弁
６３燃料供給管
６４圧力センサ
６５，６６温度センサ
６７圧力センサ

Claims

複数の燃料成分を含む気体燃料を機関吸気通路に噴射する燃料噴射弁と、
気体燃料の燃料成分の混合比率を取得する混合比率取得手段とを備え、
気体燃料は、混合比率が変化することにより燃料噴射弁から噴射したときの気体燃料の運動量が変化する特性を有しており、
気体燃料の混合比率を取得し、取得した混合比率に基づいて、燃料噴射弁の気体燃料の噴射圧力を設定し、
気体燃料は、水素および炭化水素を含み、
気体燃料の水素比率が高くなるほど噴射圧力を高く設定することを特徴とする、内燃機関の燃料噴射装置。
複数の燃料成分を含む気体燃料を機関吸気通路に噴射する燃料噴射弁と、
気体燃料の燃料成分の混合比率を取得する混合比率取得手段とを備え、
気体燃料は、混合比率が変化することにより燃料噴射弁から噴射したときの気体燃料の運動量が変化する特性を有しており、
気体燃料の混合比率を取得し、取得した混合比率に基づいて、燃料噴射弁の気体燃料の噴射開始時期を設定し、
気体燃料は、水素および炭化水素を含み、
気体燃料の水素比率が高くなるほど噴射開始時期を進角側に設定することを特徴とする、内燃機関の燃料噴射装置。
さらに、前記取得した混合比率に基づいて、燃料噴射弁の気体燃料の噴射開始時期を設定し、
気体燃料の水素比率が高くなるほど噴射開始時期を進角側に設定する、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
燃料噴射弁に供給する気体燃料の圧力を検出する圧力検出器を備え、
燃料噴射弁に供給する気体燃料の圧力を検出し、検出した圧力が高くなるほど噴射開始時期を遅く設定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射装置。