JPH06264821A

JPH06264821A - Ｃｎｇエンジンの燃料供給装置

Info

Publication number: JPH06264821A
Application number: JP4949293A
Authority: JP
Inventors: Eiji Inada; 英二稲田; Kyugo Hamai; 九五浜井; Mitsunori Ishii; 光教石井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1994-09-20

Abstract

(57)【要約】【目的】ミキサーをバイパスして燃料と空気をスロッ
トル弁下流の吸気管に導く通路を設け、このバイパス通
路に設けた制御弁を特別の運転条件で開くことにより、
運転性を改善する。【構成】ＣＮＧタンク１から供給される燃料圧力をレ
ギュレータ３が一定圧まで減圧し、レギュレータ３で減
圧された燃料と吸入空気をミキサー４が混合する。バイ
パス通路２１はレギュレータ３の二次室３ｃとミキサー
４とをバイパスしてスロットル弁下流の吸気管６に燃料
を導き、このバイパス燃料通路２１を制御弁２３が開閉
する。バイパス通路２５はミキサー上流からバイパスし
てベンチュリー４ｃおよびスロットル弁４ｄの下流の吸
気管６に吸入空気を導き、このバイパス空気通路２５を
制御弁２７が開閉する。２つの制御弁２３，２７を制御
手段３１がエンジンの始動時、加速時などの特別の運転
条件で開かせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はＣＮＧエンジンの燃料
供給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンの代替燃料として用いられるＣ
ＮＧ（圧縮天然ガス）は、天然ガスからＬＰＧ（液化石
油ガス）として用いられるプロパンやブタンを除いた残
りの、メタンを主成分とするもので、ＮＯｘやＣＯ₂の
低減の点でＣＮＧが優れていることから、国内外でＣＮ
Ｇエンジンの開発が行われている。その中に、ＣＮＧを
燃料とする燃料供給装置として図１１に示すようなもの
がある（実開昭６３−１２５１５６号、実開昭６３−１
２５１５５号、実開昭６３−１２６５４７号公報参
照）。

【０００３】これを説明すると、１はＣＮＧボンベ、３
はボンベからの高圧の燃料圧力を一定圧まで減圧するレ
ギュレータ、４はレギュレータで減圧された燃料と吸入
空気を混合するミキサーで、ミキサー４により理論空燃
比となるように混合された混合気がエンジンに供給され
る。

【０００４】ミキサーのメイン通路４ａをバイパスして
補助通路４ｅが設けられ、この補助通路４ｅのデューテ
ィ制御弁４ｆを用いて空燃比のフィードバック補正が行
われる。排気中に含まれるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣといった
有害成分は排気管８に設けた三元触媒９で浄化されるの
であるが、この三元触媒９の転化効率を最も効率よくす
るため、実際の空燃比が理論空燃比付近にくるように、
Ｏ₂センサ１０からの実空燃比信号にもとづいて、コン
トロールユニット３１が制御弁４ｆを制御するわけであ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来装置では、、スロットル弁４ａと吸気弁７のあいだ
の吸気管容積による燃料供給遅れだけでなく、レギュレ
ータ３からミキサー４までの配管容積による燃料供給遅
れもあるため、この燃料供給遅れでエンジンの始動時に
は始動までに長い時間クランキングを行わなければなら
ず、また加速のために急にスロットル弁４ｄを開いて
も、混合気が一時的に薄くなって速やかに加速できな
い。

【０００６】一方、ミキサー４からの燃料と空気の流量
は、冷却水温に関係なく一定であるため、低温時に流量
が不足してエンジンが不安定になり、またミキサー４か
らの燃料流量は日常の使用状態を考慮して燃料消費が最
良になるようにセットされていることから、スロットル
弁を全開にしての登坂、高速走行時などのとき出力が十
分といえない。

【０００７】このようにエンジンの始動時など特別の運
転条件なると、運転性が悪くなるのである。

【０００８】そこでこの発明は、ミキサーをバイパスし
て燃料と空気をスロットル弁下流の吸気管に導く通路を
設け、このバイパス通路に設けた制御弁を特別の運転条
件で開くことにより、運転性を改善することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、高圧のＣ
ＮＧを蓄えるタンクと、このタンクから供給される燃料
圧力を一定圧まで減圧するレギュレータと、燃料流量を
計量するアジャストスクリューと燃料を負圧を利用して
吸気管に吸い出すベンチュリーとベンチュリーに作用す
る負圧を調整するスロットル弁とからなり前記レギュレ
ータで減圧された燃料と吸入空気を混合するミキサー
と、前記レギュレータとミキサーとをバイパスしてスロ
ットル弁下流の吸気管に燃料を導く通路と、このバイパ
ス燃料通路を開閉する制御弁と、前記ミキサー上流から
バイパスしてベンチュリーおよびスロットル弁の下流の
吸気管に吸入空気を導く通路と、このバイパス空気通路
を開閉する制御弁と、前記２つの制御弁をエンジンの始
動時、加速時、低温時、前記スロットル弁の全開時のう
ちいずれか１つの条件で開かせる制御手段とを設けた。

【００１０】第２の発明は、高圧のＣＮＧを蓄えるタン
クと、複数の減圧室とからなり前記タンクから供給され
る燃料圧力を一定圧まで段階的に減圧するレギュレータ
と、燃料流量を計量するアジャストスクリューと燃料を
負圧を利用して吸気管に吸い出すベンチュリーとベンチ
ュリーに作用する負圧を調整するスロットル弁とからな
り前記レギュレータで減圧された燃料と吸入空気を混合
するミキサーと、前記レギュレータの複数の減圧室のう
ち最も高圧の減圧室と最も低圧の減圧室とを除いた残り
の減圧室の１つからミキサーをバイパスしてスロットル
弁下流の吸気管に燃料を導く通路と、このバイパス燃料
通路を開閉する制御弁と、前記ミキサー上流からバイパ
スしてベンチュリーおよびスロットル弁の下流の吸気管
に吸入空気を導く通路と、このバイパス空気通路を開閉
する制御弁と、前記２つの制御弁をエンジンの始動時、
加速時、低温時、前記スロットル弁の全開時のうちいず
れか１つの条件で開かせる制御手段とを設けた。

【００１１】

【作用】ミキサーだけで燃料供給を行うときは、スロッ
トル弁と吸気弁のあいだの吸気管容積による燃料供給遅
れやレギュレータからミキサーまでの配管容積による燃
料供給遅れがあるため、エンジンの始動時にはクランキ
ング時間が長くなり、また加速時には混合気が一時的に
薄くなって速やかに加速できない。

【００１２】これに対して、第１の発明でミキサーをバ
イパスして燃料と空気とを吸気管に導くバイパス通路が
設けられ、このバイパス通路の各制御弁が運転条件に応
じて制御される。２つの制御弁が、たとえばエンジン始
動時や加速時に開かれると、バイパス燃料およびバイパ
ス空気がエンジンに応答よく供給される。ほとんどがメ
タンであるＣＮＧは通常のエンジン使用域で気体である
ため、ガソリンのように気化の必要はない。これによっ
て始動性や加速性が向上する。

【００１３】一方、第１の発明で２つの制御弁が低温時
やスロットル弁の全開時に開かれると、燃料と空気の流
量が増加補正され、これによって低温域でのエンジンが
安定し、全開出力時に十分な出力が得られる。

【００１４】第２の発明で、レギュレータの複数の減圧
室のうち最も高圧の減圧室と最も低圧の減圧室とを除い
た残りの減圧室の１つにバイパス燃料通路が開口される
と、バイパス燃料通路に設けた制御弁による流量調整が
精度よく行われる。

【００１５】

【実施例】図１において、数個のＣＮＧボンベ１からの
ＣＮＧは、燃料供給通路２を介しレギュレータ３に供給
され、ここで一定圧にまで減圧される。レギュレータ３
は、３つの減圧室（圧力の高い順に高圧室３ａ、一次室
３ｂ，二次室３ｃ）からなる多段減圧式のもので、２０
０ｋｇ／ｃｍ²という高いボンベ圧力が高圧室３ａで５
０ｋｇ／ｃｍ²に、一次室３ｂで１０ｋｇ／ｃｍ²に、二
次室３ｃで０．３ｋｇ／ｃｍ²にまで減圧される。ここ
では、減圧室の数やボンベ圧力、減圧室圧力を具体的に
例示したが、これらはシステムにより異なり、例示のも
のに限定されない。なお、レギュレータ３の上流の燃料
供給通路２には、燃料カット弁１１と緊急遮断弁１２と
が設けられている。

【００１６】レギュレータ３で０．３ｋｇ／ｃｍ²とい
う低圧にまで減圧されたＣＮＧ燃料は、ミキサー４でエ
アクリーナ５からの吸入空気と混合され、吸気弁７が開
いたときに吸気管６からエンジンのシリンダに供給され
る。

【００１７】ミキサー４は、二次室３ｃに連通するメイ
ン通路４ａ、ＣＮＧ流量を計量するアジャストスクリュ
ー４ｂ、ＣＮＧを吸気管に吸い出すベンチュリー４ｃ、
ベンチュリー４ｃのすぐ下流にあって吸入空気流量を調
整するスロットル弁４ｄから構成される。ミキサーは、
気化器と同様に、スロットル弁４ｄの前後に生じる圧力
差がベンチュリー部の流量に比例することを利用するも
のである。空気流量に比例して生じる圧力の低下（負
圧）をそのままメイン通路４ａに設けたアジャストスク
リュー４ｂとよばれる絞りに作用させることで、空気流
量にほぼ正比例したＣＮＧを空気の流れの中に吸い出す
わけである。

【００１８】シリンダに吸入される混合気の空燃比は、
理論空燃比（ＣＮＧでは１６．７）となるように、アジ
ャストスクリュー４ｂによりメイン通路４ａの通路面積
が調整されている。

【００１９】なお、アジャストスクリュー４ｂをバイパ
スする補助通路４ｅに設けられるデューティ制御弁４ｆ
は、空燃比のフィードバック補正に必要となるものであ
る。エンジンからの排気中に含まれるＮＯｘ、ＣＯ、Ｈ
Ｃといった有害成分は排気管８に設けた三元触媒９で浄
化されるのであるが、この三元触媒９の転化効率を最も
効率よくするため、実際の空燃比が理論空燃比付近にく
るように、Ｏ₂センサ１０からの実空燃比信号にもとづ
いて、コントロールユニット３１が制御弁４ｆを制御す
るのである。

【００２０】上記レギュレータ３の一次室３ｂからは、
ミキサー４をバイパスしてＣＮＧをスロットル弁４ｄ下
流の吸気管６に導くバイパス燃料通路２１が設けられ、
このバイパス燃料通路２１にバイパス燃料流量を計量す
るオリフィス２２と、バイパス燃料通路の通路面積を可
変に調整可能な燃料制御弁２３とが設けられる。

【００２１】吸入空気についても、ミキサー４の上流か
らミキサーのベンチュリー４ｃとスロットル弁４ｄとを
バイパスしてミキサー４下流の吸気管６に導くバイパス
空気通路２５が設けられ、この通路２５にもバイパス空
気流量を計量するオリフィス２６と、バイパス空気通路
の通路面積を可変に調整可能な空気制御弁２７とが設け
られる。

【００２２】なお、バイパス燃料流量についてと同様の
構成で、バイパス空気流量を可変に調整することもでき
る。図２で示したように、バイパス空気通路２５をメイ
ン通路２５ａとサブ通路２５ｂに分岐し、メイン通路２
５ａにアジャストスクリュー３５を、サブ通路２５ｂに
デューティ制御弁３６を設けるわけである。３７は遮断
弁である。

【００２３】上記の燃料制御弁２３と空気制御弁２７と
はいずれも、コントロールユニット３１からの一定周期
のパルス信号により駆動され、デューティ（一定周期の
ＯＮ時間割合）が大きくなるほど弁開度が増していく。
つまり、制御弁２３と２７の各デューティを制御するこ
とで、ミキサー４で作られる混合気（燃料と空気）とは
全くかかわりなく、エンジンに対して任意の流量のＣＮ
Ｇと空気が供給される。メイン燃料系統であるミキサー
４とは別に第２の燃料系統が構成されたわけで、この第
２の燃料系統を、後述するように気化器でいう始動燃料
系統、加速燃料系統、パワー燃料系統などとして用いる
のである。

【００２４】ところで、ミキサー４のバイパス空気とバ
イパス燃料の流量比が理論空燃比となるように、各バイ
パス通路に設けたオリフィス面積比を定めると、２つの
制御弁２３，２７は同一のデューティ仕様でよくなり、
１つのデューティマップを共通に使って２つの制御弁２
３，２７を制御できる。ＣＮＧの理論空燃比は１６．７
であるから、バイパス燃料通路２１のオリフィス面積Ａ
１を１としてバイパス空気通路２５のオリフィス面積Ａ
２を１６．７倍にすればよいわけである。実際には、流
量に圧力（バイパス空気圧力Ｐ１とバイパス燃料圧力Ｐ
２）が関係するので、バイパス空気流量／バイパス燃料流量＝１６．７より、（Ａ１／Ｐ１）／（Ａ２／Ｐ２）＝１６．７となるように、オリフィス面積比Ａ１／Ａ２（＝（Ｐ１
／Ｐ２）×１６．７）を定めなければならない。

【００２５】マイクロコンピュータからなるコントロー
ルユニット３１には、スロットル開度（スロットル弁４
ｄの開度のこと）を検出するセンサ３２、エンジン回転
数を検出するセンサ３３、冷却水温を検出するセンサ３
４からの信号が入力され、コントロールユニット３１で
は図３、図５、図７などにしたがって２つの制御弁２
３、２７に出力するパルス信号のデューティを制御す
る。

【００２６】図３、図５、図７は２つの制御弁２３，２
７を用いて、それぞれエンジンの始動時、水温低温時、
加速時に行う燃料増量のフローチャートで、これらの増
量補正の内容は、ガソリンエンジンに対して行われる公
知の燃料増量補正とほぼ変わらない。

【００２７】ただし、エンジンの始動時と低温時の空燃
比を理論空燃比としている点が、ガソリンエンジンと相
違している。

【００２８】〈１〉始動および始動後増量補正スタータスイッチのＯＮで燃料カット弁１１を開く（図
３のステップ１，２）。センサ３４からの冷却水温Ｔｗ
を読み込み、Ｔｗから図４を内容とするテーブルを参照
して制御弁２３，２７の始動時デューティをそれぞれ求
める（図３のステップ３，４，５）。始動を判定する
と、各始動時デューティを対応する制御弁２３，２７に
出力する（図３のステップ６，７）。

【００２９】図４はエンジン始動後初めての各デューテ
ィだけを示しており、その直後からは、０となるまで各
デューティをエンジンの所定回転ごとに減量していく。

【００３０】図４に示したように、低温になるほどデュ
ーティを大きくしている。水温Ｔｗが違っても空燃比を
理論空燃比にするのであるが、低温であるほど流量を増
やすことによって始動性を良くしているわけである。

【００３１】図４において、空気制御弁のほうがデュー
ティが大きくなっているのは、スペースの制約などから
バイパス空気とバイパス燃料の流量比が理論空燃比とな
るようにバイパス通路のオリフィス面積比を定めること
ができなかったため、空気制御弁２７のほうを燃料制御
弁２３より多めに開くことで、バイパス空気とバイパス
燃料の流量比が理論空燃比となるようにしているためで
ある。もちろん、バイパス空気とバイパス燃料の流量比
が理論空燃比となるようにオリフィス面積比を定めるこ
とができれば、空気制御弁２７に対しても燃料制御弁２
３についてのデューティと同じデューティを出力すれば
よい。

【００３２】〈２〉水温増量補正図５に示したように始動時とほぼ同様である（図５のス
テップ１１〜１４）。冷間始動後の低水温時などは、図
６のようにバイパス流量を多くして燃焼を安定させるわ
けである。

【００３３】〈３〉加速増量補正図７に示したように、単位時間あたりのスロットル弁開
度の変化量ΔＴＶＯ／Δｔが所定値Ｋより大きくなる
と、スロットル開度ＴＶＯとエンジン回転数Ｎｅから図
８と図９を内容とするマップを参照して加速時のデュー
ティを求め、これを出力する（図７のステップ２１〜２
５）。

【００３４】ＣＮＧのときは理論空燃比よりややリッチ
側の空燃比で最大トルクが得られるため、そのリッチ側
の空燃比が得られるように図８と図９のデューティを割
り付けておくのである。このときの各デューティはその
後一定割合で０になるまで減量する。

【００３５】〈４〉全開出力増量補正加速時と同様に、スロットル弁の全開時にも理論空燃比
よりややリッチ側の空燃比となるように２つの制御弁２
３，２７を開いて一定量の燃料増量を行う。

【００３６】ここで、この例の作用を説明する。

【００３７】ミキサー４だけで燃料供給を行うときは、
スロットル弁４ａと吸気弁７のあいだの吸気管容積によ
る燃料供給遅れだけでなく、レギュレータ３からミキサ
ー４までの配管容積による燃料供給遅れがあるため、こ
の燃料供給遅れでエンジンの始動時に長い時間クランキ
ングを行わなければならず、また加速のために急にスロ
ットル弁４ｄを開いても、混合気が一時的に薄くなって
速やかに加速できない。

【００３８】これに対して、この例では、ミキサー４を
バイパスして燃料と空気とを吸気管６に導くバイパス通
路２１，２５が設けられ、このバイパス通路の各制御弁
２３，２７が運転条件に応じて制御される。２つの制御
弁２３，２７が、エンジン始動時にイグニッション信号
の入力と同時に開かれ、また加速時やスロットル弁が全
開になったタイミングで開かれると、バイパス燃料およ
びバイパス空気がエンジンのシリンダに瞬時に供給され
る。ほとんどがメタンであるＣＮＧは通常のエンジン使
用域で気体であるため、ガソリンのように気化の必要は
ない。これによってチョーク弁機構を設けることなく始
動性を高めることができ、また加速性や全開出力が向上
するのである。

【００３９】一方、ミキサー４からの燃料と空気の流量
は、冷却水温に関係なく一定であるが、この例で２つの
制御弁２３，２７が冷却水温に応じて開かれ、低水温時
に燃料と空気の流量が増加補正されると、低水温域での
エンジンが安定する。また、ミキサー４からのメイン燃
料流量は日常の使用状態を考慮して燃料消費が最良にな
るようにセットされているため、スロットル弁を急開あ
るいは全開にしての登坂、高速走行時などのときは出力
が十分といえない。この場合に、この例で２つの制御弁
２３，２７がともに開かれ、燃料と空気の流量が増加補
正されると、十分な出力が得られる。

【００４０】さらに、バイパス燃料通路２１はレギュレ
ータの一次室３ｂに開口することで、制御弁２３による
バイパス燃料流量の調整を精度よく行うことができる。
高圧室３ｂやその上流の燃料供給通路２に開口したので
は燃料圧力が高すぎるため、微小な流量調整が困難とな
り、この逆に二次室３ｃに開口したときは、流量調整は
容易となるが、燃料圧力が低すぎてミキサー４と同じよ
うに燃料供給遅れが生じるのである。

【００４１】図１０は他の実施例である。ＣＮＧボンベ
１の燃料残圧が低くなり、レギュレータ３からミキサー
４への燃料供給が停止してしまうと、通常はボンベを交
換することによってＣＮＧをあらたに充填しなければ走
行できない。しかし、万一の緊急時を考え、たとえば運
転席のコントロールパネル上にあるエマージェンシース
イッチ（図示しない）をＯＮにした場合に、圧力センサ
４１で検出される燃料残圧がエマージェンシー残圧設定
値以下であるときは、レギュレータ３の上流とバイパス
燃料通路２１とを連通する通路４２に設けたエマージェ
ンシーバルブ４３が開かれるようにしたものである。

【００４２】緊急時にはタンクの燃料残圧から配管とバ
ルブの圧力損失を差し引いた分の圧力の燃料をエンジン
に供給できるようになるので、通常走行を行うことがで
きなくなった後にも、車を移動させることが可能とな
り、非常時の対策がとれるのである。

【００４３】

【発明の効果】第１の発明では、ミキサーをバイパスし
て燃料と空気をスロットル弁下流の吸気管に導く通路を
設け、このバイパス通路に設けた制御弁をエンジンの始
動時、加速時、低温時、前記スロットル弁の全開時など
特別の運転条件で開くように構成したため、特別の運転
条件での運転性が向上する。

【００４４】第２の発明は、レギュレータの複数の減圧
室のうち最も高圧の減圧室と最も低圧の減圧室とを除い
た残りの減圧室の１つにバイパス燃料通路を開口したた
め、バイパス燃料通路に設けた制御弁による流量調整を
精度よく行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例のシステム図である。

【図２】空気制御弁についての他の実施例の概略図であ
る。

【図３】始動時増量を説明するための流れ図である。

【図４】２つの制御弁２３，２７の始動時デューティの
特性図である。

【図５】水温増量を説明するための流れ図である。

【図６】２つの制御弁２３，２７の水温に対するデュー
ティの特性図である。

【図７】加速増量を説明するための流れ図である。

【図８】燃料制御弁用のデューティの特性図である。

【図９】空気制御弁用のデューティの特性図である。

【図１０】他の実施例のシステム図である。

【図１１】従来装置のシステム図である。

【符号の説明】

１ＣＮＧボンベ２燃料供給通路３レギュレータ３ａ高圧室３ｂ一次室３ｃ二次室４ミキサー４ａメイン通路４ｂアジャストスクリュー４ｃベンチュリー４ｄスロットル弁６吸気管２１バイパス燃料通路２３燃料制御弁２５バイパス空気通路２７空気制御弁３１コントロールユニット３２スロットルセンサ（エンジン負荷センサ）３３エンジン回転数センサ３４水温センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｎ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高圧のＣＮＧを蓄えるタンクと、このタ
ンクから供給される燃料圧力を一定圧まで減圧するレギ
ュレータと、燃料流量を計量するアジャストスクリュー
と燃料を負圧を利用して吸気管に吸い出すベンチュリー
とベンチュリーに作用する負圧を調整するスロットル弁
とからなり前記レギュレータで減圧された燃料と吸入空
気を混合するミキサーと、前記レギュレータとミキサー
とをバイパスしてスロットル弁下流の吸気管に燃料を導
く通路と、このバイパス燃料通路を開閉する制御弁と、
前記ミキサー上流からバイパスしてベンチュリーおよび
スロットル弁の下流の吸気管に吸入空気を導く通路と、
このバイパス空気通路を開閉する制御弁と、前記２つの
制御弁をエンジンの始動時、加速時、低温時、前記スロ
ットル弁の全開時のうちいずれか１つの条件で開かせる
制御手段とを設けたことを特徴とするＣＮＧエンジンの
燃料供給装置。
【請求項２】高圧のＣＮＧを蓄えるタンクと、複数の
減圧室とからなり前記タンクから供給される燃料圧力を
一定圧まで段階的に減圧するレギュレータと、燃料流量
を計量するアジャストスクリューと燃料を負圧を利用し
て吸気管に吸い出すベンチュリーとベンチュリーに作用
する負圧を調整するスロットル弁とからなり前記レギュ
レータで減圧された燃料と吸入空気を混合するミキサー
と、前記レギュレータの複数の減圧室のうち最も高圧の
減圧室と最も低圧の減圧室とを除いた残りの減圧室の１
つからミキサーをバイパスしてスロットル弁下流の吸気
管に燃料を導く通路と、このバイパス燃料通路を開閉す
る制御弁と、前記ミキサー上流からバイパスしてベンチ
ュリーおよびスロットル弁の下流の吸気管に吸入空気を
導く通路と、このバイパス空気通路を開閉する制御弁
と、前記２つの制御弁をエンジンの始動時、加速時、低
温時、前記スロットル弁の全開時のうちいずれか１つの
条件で開かせる制御手段とを設けたことを特徴とするＣ
ＮＧエンジンの燃料供給装置。