JP7369532B2

JP7369532B2 - エンジン

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Publication number: JP7369532B2
Application number: JP2019043856A
Authority: JP
Inventors: 泰宜足利; 宏樹相場
Original assignee: E&s Du
Current assignee: E&s Du
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2039-03-11
Also published as: JP2020148096A

Description

本開示は、エンジンに関する。

エンジンには、高圧のＬＰＧを主燃料として燃焼室に直接噴射するものがある。例えば、特許文献１に記載のエンジンでは、ディーゼル燃料をパイロット燃料として燃焼室に噴射して着火させる。これにより、燃焼室に噴射された高圧のＬＰＧに火炎が伝播する。

特表２００３－５２２８７７号公報

上記のＬＰＧやアンモニアなど、高圧で液化する主燃料を用いる場合、主燃料のインジェクタ周辺は、主燃料が供給されることで冷却される。しかし、エンジンの停止などによって主燃料の供給が停止すると、インジェクタ周辺の温度が高くなる場合がある。このとき、主燃料を噴射させると、主燃料が噴射前に気化してしまうおそれがある。そうすると、燃料噴射が不安定化してしまう可能性があった。

本開示は、このような課題に鑑み、燃料噴射の不安定化を抑制することが可能なエンジンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るエンジンは、燃焼室に主燃料を噴射する主燃料噴射部と、燃焼室に液体燃料を噴射する液体燃料噴射部と、主燃料を噴射せず液体燃料を噴射する一種噴射モードと、主燃料と液体燃料を噴射する二種噴射モードとを選択して遂行可能な燃料制御部と、燃焼室の内圧を検出する圧力センサと、を備え、燃料制御部は、二種噴射モードにおいて、遷移制御と通常制御とを遂行し、遷移制御は、通常制御よりも、液体燃料の噴射量に対する主燃料の噴射量の比率である噴射比率が抑えられる制御であり、一種噴射モードから二種噴射モードに遷移したときに遂行され、通常制御は、遷移制御の遂行後に遂行され、燃料制御部は、遷移制御において、内圧の振動に基づいてノッキングが検出されること、および、内圧に基づいて導出される平均有効圧が閾値未満であること、の少なくとも一方を噴射異常として検出し、噴射異常が検出されると、現時点の噴射量を基準として主燃料の噴射量を減らし液体燃料の噴射量を増やすことによって、噴射比率を下げる。

燃料制御部は、平均有効圧が閾値以上であると、平均有効圧が閾値に近づくように、現時点の噴射量を基準として主燃料の噴射量を増やし液体燃料の噴射量を減らすことによって、噴射比率を上げてもよい。

燃料制御部は、一種噴射モードで、エンジン回転数の変動が所定の安定条件を満たすと、二種噴射モードに遷移してもよい。

本開示によれば、燃料噴射の不安定化を抑制することが可能となる。

エンジンの概略的な構成を示す図である。エンジンの制御系を説明するための機能ブロック図である。燃料制御部の制御の流れを示すフローチャートである。二種噴射モードの処理の流れを示すフローチャートである。平均有効圧と燃料噴射量の関係を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、エンジン１００の概略的な構成を示す図である。図１に示すように、エンジン１００は、シリンダブロック１０２、シリンダヘッド１０４、ピストン１０６を備える。シリンダブロック１０２にシリンダ１０２ａが形成される。シリンダ１０２ａの内周面は、シリンダブロック１０２の内部に圧入または鋳込まれたシリンダライナ（スリーブ）によって形成されてもよい。シリンダ１０２ａには、ピストン１０６が収容される。

燃焼室１０８は、シリンダ１０２ａ内部に形成される。燃焼室１０８は、シリンダブロック１０２（シリンダ１０２ａ）、シリンダヘッド１０４、および、ピストン１０６の冠面１０６ａによって囲繞される。

シリンダヘッド１０４には、吸気ポート１０４ａおよび排気ポート１０４ｂが形成される。吸気ポート１０４ａおよび排気ポート１０４ｂは、燃焼室１０８に開口する。吸気ポート１０４ａから燃焼室１０８に空気が供給される。排気ガスは、燃焼室１０８から排気ポート１０４ｂに排出される。吸気ポート１０４ａは、吸気弁１１０ａにより開閉される。排気ポート１０４ｂは、排気弁１１０ｂにより開閉される。

シリンダヘッド１０４には、インジェクタ（主燃料噴射部１１２、液体燃料噴射部１１４）が設けられる。主燃料噴射部１１２、液体燃料噴射部１１４それぞれの先端部は、燃焼室１０８内に突出する。

主燃料噴射部１１２の先端部から燃焼室１０８に、主燃料が噴出する。主燃料は、例えば、ＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）である。主燃料は、例えば、不図示の高圧タンクにおいて高圧下で液化された状態で蓄えられる。また、高圧タンクは冷却されてもよい。また、主燃料としては、高圧で液化して用いられる低沸点燃料であればよく、例えば、アンモニアであってもよい。液体燃料噴射部１１４の先端部から燃焼室１０８に、液体燃料が噴出する。液体燃料は、着火補助用のＡ重油などのパイロット燃料である。

圧力センサＳａは、燃焼室１０８の圧力を検出する。圧力センサＳａは、シリンダ１０２ａの圧力を示す信号を後述する制御装置１２０に出力する。圧力センサＳａは、例えば、シリンダブロック１０２に設けられる。ただし、圧力センサＳａは、燃焼室１０８の圧力を検出できれば、シリンダヘッド１０４などの他の部位に設けられてもよい。

エンジン１００は、例えば、４サイクルエンジンである。吸気行程において、ピストン１０６が下死点に向かい、空気が吸気ポート１０４ａから燃焼室１０８に流入する。圧縮行程において、ピストン１０６が上死点に向かう。ピストン１０６によって圧縮された空気に主燃料、液体燃料が噴射される。燃焼行程において、液体燃料が着火すると、主燃料まで火炎が伝播して燃焼する。燃焼室１０８における燃焼圧によって、ピストン１０６が下死点側に押圧される。排気行程において、ピストン１０６が上死点に向かう。排気ガスは、排気ポート１０４ｂを通って燃焼室１０８から排出される。

図２は、エンジン１００の制御系を説明するための機能ブロック図である。図２に示すように、エンジン１００は、上記の圧力センサＳａ、クランク角センサＳｂ、制御装置１２０を含む。なお、ここでは、主燃料噴射部１１２、液体燃料噴射部１１４の制御に関する構成を主に挙げ、それ以外の構成は省略する。

クランク角センサＳｂは、例えば、クランクシャフトに設けられる。クランク角センサＳｂは、クランク角を特定するための信号を制御装置１２０に出力する。

制御装置１２０（例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit））は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、エンジン１００全体を制御する。また、制御装置１２０は、燃料制御部１２２としても機能する。

燃料制御部１２２は、主燃料噴射部１１２、液体燃料噴射部１１４を制御する。燃料制御部１２２は、クランク角センサＳｂからの信号に応じ、予め設定された第１クランク角において、主燃料噴射部１１２から主燃料を噴射させる。また、燃料制御部１２２は、クランク角センサＳｂからの信号に応じ、予め設定された第２クランク角において、液体燃料噴射部１１４から液体燃料を噴射させる。第１クランク角は、例えば、第２クランク角と異なる。

また、燃料制御部１２２は、主燃料噴射部１１２、液体燃料噴射部１１４それぞれについて、燃料噴射期間を変えることで、主燃料の噴射量と液体燃料の噴射量を変更する。すなわち、燃料制御部１２２は、主燃料と液体燃料との噴射比率を変更する。

燃料噴射量（噴射される燃料のエネルギー量、発熱量）は、エンジン負荷に応じて設定される。ただし、同じエンジン負荷であっても、主燃料と液体燃料との噴射比率は可変となる。通常時（後述する通常制御時）、液体燃料は、主燃料を着火させるためのパイロット燃料として用いられる。

このとき、主燃料噴射部１１２、および、主燃料噴射部１１２に主燃料を供給する配管（不図示）などは、主燃料によって冷却される。しかし、エンジン１００の停止などによって主燃料の供給が停止すると、冷却されなくなった主燃料噴射部１１２周辺の温度が高くなる場合がある。この状態でエンジン１００が始動し、主燃料噴射部１１２に主燃料を噴射させると、主燃料が噴射前に気化し、燃料の噴射が不安定となるおそれがある。

そこで、燃料制御部１２２は、主燃料噴射部１１２、液体燃料噴射部１１４を制御して、噴射異常（異常燃焼）を抑制する。以下、フローチャートを参照しながら、燃料制御部１２２の制御について詳述する。

図３は、燃料制御部１２２の制御の流れを示すフローチャートである。図３に示す処理は、所定の周期で繰り返し実行される。

（Ｓ２００）
燃料制御部１２２は、一種噴射モードであるか否かを判定する。一種噴射モードは、主燃料を噴射せず液体燃料を噴射するモードである。すなわち、一種噴射モード中、主燃料噴射部１１２は駆動しない。

例えば、上記のエンジン１００の始動時、一種噴射モードが選択される。一種噴射モードでは、主燃料が用いられないため、噴射異常が抑制される。また、熱帯などで外気温が高過ぎるために噴射異常を回避する措置など、他の目的のために、一種噴射モードが選択されてもよい。

一種噴射モードであれば、Ｓ２０２に処理を移す。一種噴射モードでなければ、Ｓ２０６に処理を移す。

（Ｓ２０２）
燃料制御部１２２は、エンジン回転数の変動が所定の安定条件を満たすか否かを判定する。安定条件は、例えば、予め設定された回転数（例えば、アイドル回転数）に対する実際のエンジン回転数の偏差が、予め設定された偏差閾値より小さいことである。エンジン回転数は、例えば、複数サイクルに亘って測定される。ただし、エンジン回転数が安定しているか否かを判定できれば、他の条件が安定条件として設定されてもよい。

エンジン回転数の変動が所定の安定条件を満たせば、Ｓ２０６に処理を移す。エンジン回転数の変動が所定の安定条件を満たさなければ、Ｓ２０４に処理を移す。

（Ｓ２０４）
燃料制御部１２２は、一種噴射モードを遂行する。すなわち、主燃料噴射部１１２は主燃料を噴射せず、液体燃料噴射部１１４は液体燃料を噴射する。

（Ｓ２０６）
燃料制御部１２２は、二種噴射モードを遂行する。二種噴射モードは、主燃料と液体燃料の双方を噴射するモードである。すなわち、主燃料噴射部１１２は主燃料を噴射し、液体燃料噴射部１１４は液体燃料を噴射する。二種噴射モードについて、図４を参照しながら詳述する。

図４は、二種噴射モードの処理の流れを示すフローチャートである。図４に示す処理は、二種噴射モードが選択されている間、予め設定された複数サイクル（以下、対象期間という）ごとに行われる。また、図４に示す処理は、例えば、エンジン負荷の変化を契機として行われてもよい。

（Ｓ３００）
燃料制御部１２２は、対象期間中にノッキングを検出しているか否かを判定する。具体的に、燃料制御部１２２は、圧力センサＳａからの信号から、燃焼室１０８の内圧の波形をハイパスフィルタに通す。こうして、燃料制御部１２２は、ノッキングの際に生じる燃焼室１０８の内圧の瞬間的な変化（振動）を検出することで、ノッキングを検出する。

ノッキングを検出している場合、Ｓ３０６に処理を移す。ノッキングを検出していない場合、Ｓ３０２に処理を移す。

（Ｓ３０２）
燃料制御部１２２は、平均有効圧が、予め設定された閾値Ａ未満であるか否かを判定する。具体的に、燃料制御部１２２は、燃焼室１０８の内圧およびクランク角から、１サイクル当たりの仕事量を導出し、行程容積で除算して平均有効圧を導出する。

図５は、平均有効圧と燃料噴射量の関係を示す図である。図５において、縦軸は、平均有効圧を示す。横軸は、燃料噴射量を示す。図５に示すように、平均有効圧には、閾値Ａ、閾値Ｂが設定される。閾値Ａ、閾値Ｂは、燃料噴射量（すなわち、エンジン負荷）に比例する。閾値Ｂは、閾値Ａよりも大きい。

エンジン１００において噴射異常が生じると、効率が低下して仕事量が小さくなる。その結果、平均有効圧が小さくなる。このことから、燃料制御部１２２は、平均有効圧が閾値Ａ未満であれば（不安定領域）、噴射異常が生じていると判定する。閾値Ａは、燃料噴射量に対して、噴射異常がなければ発生すると推定される平均有効圧の下限値である。

また、燃料噴射量に対して、どんなに効率的に燃焼が行われても生じ得ない仕事量の上限値もある。閾値Ｂは、この仕事量の上限値を行程容積で除算した平均有効圧の上限値である。燃料制御部１２２は、平均有効圧が閾値Ｂ以上であると（センサ異常領域）、圧力センサＳａに異常があると判定する。この場合、燃料制御部１２２は、例えば、不図示の警報装置などで異常を報知する。

また、燃料制御部１２２は、平均有効圧が閾値Ａ以上閾値Ｂ未満であれば、噴射異常が生じ難い適正領域にあると判定する。

ここで、平均有効圧で検出される噴射異常としては、例えば、過早着火が挙げられる。ノッキングによって効率が大幅に落ちる場合、平均有効圧でノッキングも検出される。

対象期間において、平均有効圧が閾値Ａ未満である割合が、予め設定された所定割合以上であるとする。この場合、燃料制御部１２２は、対象期間全体として、平均有効圧が、予め設定された閾値Ａ未満であると判定する。

また、対象期間において、平均有効圧が閾値Ａ未満である割合が、予め設定された所定割合未満であるとする。この場合、燃料制御部１２２は、対象期間全体として、平均有効圧が、予め設定された閾値Ａ以上であると判定する。

このように、複数サイクルに亘って検出された燃焼室１０８の内圧値が用いられる。そのため、閾値を跨いで頻繁に制御が切り換わる所謂ハンチングが抑制される。

平均有効圧が、予め設定された閾値Ａ未満である場合、Ｓ３０６に処理を移す。平均有効圧が、予め設定された閾値Ａ未満でない場合、Ｓ３０４に処理を移す。

（Ｓ３０４）
噴射異常が生じていないため、燃料制御部１２２は、平均有効圧が閾値Ａに近づくように、主燃料の噴射比率を上げる。主燃料の噴射比率は、例えば、予め設定された増加率（増加量）分、上げられる。そのため、主燃料の噴射量が増え、主燃料噴射部１１２が主燃料により迅速に冷却される。

（Ｓ３０６）
噴射異常が検出されているため、燃料制御部１２２は、主燃料の噴射比率を下げる。主燃料の噴射比率は、例えば、予め設定された減少率（減少量）分、下げられる。こうして、噴射異常が抑制される。また、主燃料により僅かずつでも主燃料噴射部１１２が冷却される。そのため、後のサイクルにおいて、上記のＳ３０４に遷移し、噴射異常が生じない範囲で徐々に、主燃料の噴射比率が高められる。

燃料制御部１２２は、主燃料の噴射比率を上げる場合、噴射された燃料の発熱量が同じとなるように、液体燃料の噴射比率を下げる。また、燃料制御部１２２は、主燃料の噴射比率を下げる場合、噴射された燃料の発熱量が同じとなるように、液体燃料の噴射比率を上げる。

上記の二種噴射モードは、遷移制御および通常制御に分けられる。遷移制御は、一種噴射モードから二種噴射モードに遷移したときに遂行される。遷移制御は、通常制御よりも、主燃料の噴射比率が抑えられ、液体燃料の噴射比率が高い制御である。

遷移制御においてＳ３０４が繰り返されて、主燃料の噴射比率が上がり上限値となると、通常制御となる。通常制御では、液体燃料は、主燃料を着火させるためのパイロット燃料としてのみ用いられる。液体燃料の噴射量は最小限に抑えられる。

上述したように、燃料制御部１２２は、平均有効圧（すなわち、燃焼室１０８の内圧）に応じ、主燃料と液体燃料との噴射比率を変更する。そのため、噴射異常が生じない範囲で主燃料が供給され、主燃料噴射部１１２が冷却される。その結果、噴射前の燃料の気化が抑制される。また、燃料制御部１２２は、燃焼室１０８の内圧に応じた制御を行うため、他の指標値に応じた制御に比べて、噴射異常を高精度に抑制できる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、燃料制御部１２２は、燃焼室１０８の内圧の振動に基づいてノッキングが検出されると、主燃料の噴射比率を下げる場合について説明した。この場合、ノッキングの抑制が可能となる。ただし、燃焼室１０８の内圧の振動に基づいたノッキングの検出処理は、必須の構成ではない。

また、上述した実施形態では、燃料制御部１２２は、燃焼室１０８の内圧に基づいて導出される平均有効圧が閾値未満であると、主燃料の噴射比率を下げる場合について説明した。この場合、過早着火の抑制が可能となる。ただし、平均有効圧に基づいた上記の処理は、必須の構成ではない。

また、上述した実施形態では、燃料制御部１２２は、平均有効圧が閾値Ａに近づくように、主燃料の噴射比率を上げる場合について説明した。この場合、上記のように、主燃料噴射部１１２が主燃料により迅速に冷却される。ただし、平均有効圧が閾値Ａに近づくように、主燃料の噴射比率を上げる処理は、必須の構成ではない。

また、上述した実施形態では、燃料制御部１２２は、一種噴射モードで、エンジン回転数の変動が所定の安定条件を満たすと、二種噴射モードに遷移する場合について説明した。この場合、エンジン回転数が安定化するまで、一種噴射モードが適用されて、噴射異常が抑制される。ただし、一種噴射モードから二種噴射モードへの遷移は、エンジン回転数の安定化以外の指標が契機となってもよい。

また、上述した実施形態では、エンジン１００は、直噴エンジンである場合について説明した。この場合、ポート噴射に比べてエンジン１００の燃焼効率が向上する。また、直噴エンジンでは、ポート噴射に比べて主燃料噴射部１１２の温度が上昇し易いことから、上記の制御による冷却効果が大きい。ただし、エンジン１００は、ポート噴射を行ってもよい。すなわち、主燃料噴射部１１２は、吸気ポート１０４ａに主燃料を噴射してもよい。

本開示は、エンジンに利用することができる。

１００エンジン
１０８燃焼室
１１２主燃料噴射部
１１４液体燃料噴射部
１２２燃料制御部
Ａ閾値

Claims

燃焼室に主燃料を噴射する主燃料噴射部と、
前記燃焼室に液体燃料を噴射する液体燃料噴射部と、
前記主燃料を噴射せず前記液体燃料を噴射する一種噴射モードと、前記主燃料と前記液体燃料を噴射する二種噴射モードとを選択して遂行可能な燃料制御部と、
前記燃焼室の内圧を検出する圧力センサと、
を備え、
前記燃料制御部は、前記二種噴射モードにおいて、遷移制御と通常制御とを遂行し、
前記遷移制御は、前記通常制御よりも、前記液体燃料の噴射量に対する前記主燃料の噴射量の比率である噴射比率が抑えられる制御であり、前記一種噴射モードから前記二種噴射モードに遷移したときに遂行され、
前記通常制御は、前記遷移制御の遂行後に遂行され、
前記燃料制御部は、前記遷移制御において、前記内圧の振動に基づいてノッキングが検出されること、および、前記内圧に基づいて導出される平均有効圧が閾値未満であること、の少なくとも一方を噴射異常として検出し、前記噴射異常が検出されると、現時点の噴射量を基準として前記主燃料の噴射量を減らし前記液体燃料の噴射量を増やすことによって、前記噴射比率を下げるエンジン。
前記燃料制御部は、前記平均有効圧が閾値以上であると、前記平均有効圧が前記閾値に近づくように、現時点の噴射量を基準として前記主燃料の噴射量を増やし前記液体燃料の噴射量を減らすことによって、前記噴射比率を上げる請求項１に記載のエンジン。
前記燃料制御部は、前記一種噴射モードで、エンジン回転数の変動が所定の安定条件を満たすと、前記二種噴射モードに遷移する請求項１または２に記載のエンジン。