JPH0972246A - 気体燃料エンジンの燃料噴射方法 - Google Patents
気体燃料エンジンの燃料噴射方法Info
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Abstract
射時期を決定する。 【解決手段】 燃料の噴射終わり時期を、吸気弁の開き
始め以降に設定したことを特徴とする。 【効果】 吸気弁開時期の前半部で噴射が終る場合;噴
射期間が、吸気弁開前の吸気管内正圧部にかかるために
体積効率ηvが低下し、出力も下がる。吸気弁開時期の
後半部で噴射が終る場合;噴射期間が、吸気弁開前半部
の吸気管内負圧部にかかるために体積効率ηvが向上
し、出力も上がる。そこで、この谷のところへ燃料を噴
射して、体積効率を上げ、エンジン出力を数%向上させ
る。
Description
燃料噴射方法に関する。
や軽油を燃料とするディゼルエンジンの代替エンジンと
して、天然ガス(Natural Gas、略号「N
G」)やLPGを燃料とする気体燃料エンジンが実用に
供されている。この気体燃料エンジンにおける燃料供給
装置には次のものがある。 特開昭59−138763号公報「気体燃料エンジ
ン」などに示される装置であり、旧来の気化器の代りに
ミキサーを設け、このミキサーで低圧の燃料ガスと適量
のエアとを混合する。このミキサー方式は現在は主とし
てタクシーに採用されている。
やガソリンエンジンで採用されている燃料噴射技術を応
用したもので、吸気マニホールドに適量の気体燃料を噴
射するというものである。この噴射はインジェクタで行
ない、燃料噴射量は、エンジン回転数、吸気負圧、スロ
ットル開度、エンジン冷却水温度、排気中の酸素濃度等
の情報に基づいてECU(エンジン制御ユニット)で最
適値を計算する。
射時期の例を示すグラフであり、横軸は噴射終り時期を
クランク角度で表わしたものである。ガソリンエンジン
では、吸気弁が開いているときに燃料を噴射すると、液
体燃料の蒸発の時間が稼げないこと、そのために混合が
不完全になりやすいことなどの理由から、一般に吸気弁
が開いている時期を避けて噴射する。そこで、図に示す
通り、吸気弁が370゜〜570゜で開くとすると、例
えばクランク角度180゜で噴射を開始し、270゜で
噴射を終了する。
熱量当りの燃料の体積が大幅に異なる。ガソリン1.0
に対してNGは600となる。従って、NGの場合、燃
料の体積は大きくなる。図13は従来の気体燃料エンジ
ンの燃料噴射時期の例を示すグラフであり、前記ガソリ
ンエンジンをベースにしたものである。燃料の体積が大
幅に増加したため、本例では燃料の噴射時間はクランク
角度約200゜分であり、クランク角度70゜で噴射を
開始し、270゜で噴射を終了する。
では、ミキサーがベンチュリーなどを備えた一種の絞り
機構であり、絞りの程度に応じて圧力損失が発生する。
このため、吸入空気の量が減り、体積効率ηvが小さく
なる。この課題を回避するために、ミキサーや吸気マニ
ホールドなどをサイズアップすると、エンジンが大型化
して、エンジンルームの拡大、車両の大型化に繋がり、
又、出力特性や部分負荷域の燃焼に悪影響を及ぼし、燃
費やエミッション、ドライバビリティ上焼好ましくな
い。
る悪影響はない。しかし、NGの場合、混合気に占める
燃料の体積割合は約10%に達し、H2の場合、混合気
に占める燃料の体積割合は約30%に達する。燃料が多
い分だけ吸入空気の割合が減ることとなり、ガソリンエ
ンジンやディゼルエンジンに比較して、吸入空気の量が
減り、体積効率ηvが小さくなる。また、図13に示し
た通り、ガソリンエンジンの燃料噴射技術をベースにし
ているが、NG特有の要素、具体的には燃料体積の点、
蒸発を必要としない点などを充分に検討していない面が
ある。
にマッチした気体燃料エンジンを確立すること、及び既
存のエンジンをそれ程大きくすることなしに所定の体積
効率ηvを得ることのできる技術を提供することにあ
る。
に、請求項1の燃料噴射方法は、燃料の噴射終わり時期
を、吸気弁の開き始め以降に設定したことを特徴とす
る。噴射期間が、吸気弁開前半部の吸気管内負圧部にか
かるために体積効率ηvが向上し、出力も上がる。
が0゜のときに上死点で且つ点火するものとして、燃料
の噴射終わり時期を、クランク角度が480〜690゜
の範囲に入るように設定したことを特徴とする。クラン
ク角度が480〜690゜の範囲でノック余裕度が他よ
り大きくなり、この範囲に噴射終り時期を合せることに
より燃焼を安定させることができ、体積効率並びにエン
ジン出力の向上が図れる。
に分けて実施し、これらの噴射期間を吸気ボート圧力が
谷状に下がった区間に合せたことを特徴とする。噴射期
間が、吸気弁開前半部の吸気管内負圧部にかかるために
体積効率ηvが向上し、出力も上がる。また、大量の燃
料が必要となる高負荷運転時には噴射時間が前記谷の区
間をオーバすることがある。そこで、複数回に分割して
噴射すれば谷に収まり、高負荷運転時に高出力が得られ
る。
づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見る
ものとする。図1は本発明に係る気体燃料エンジンの燃
料供給系統図である。高圧燃料タンク1,2に充填され
た高圧NGは、配管3,4、タンクガス検知部5、配管
6、第1電磁弁7、一次レギュレータ8及び二次レギュ
レータ9を介してインテーク・マニホールド11に送給
され、インジェクタ12・・・(・・・は複数個を示す。以下
同様。)で吸気ポート13へ噴射される。この吸気ポー
ト13で気体燃料と吸入空気とが混合し、この混合気が
シリンダへ供給される。インジェクタ12・・・を各シリ
ンダに対応させたところの、マルチポイントインジェク
ション(MPI)方式である。
リリーフバルブ、19は温度センサ、21は圧力センサ
であり、タンクガス検知部5にて常時残圧とそれの温度
とを検出する。23は第2温度センサ、24は第2圧力
センサであり、これらセンサ19,21,23,24の
情報に基づいてECUは、例えば圧力が一定以下に下が
った時に遮断弁7を閉止する等の処置を講じる。さら
に、26はスロットルバルブ、27は脈動用圧力センサ
である。
ールド廻りの機器レイアウト図である。(a)は実質的
には図1の要部拡大図であり、燃料の流れに沿って電磁
弁7、、一次レギュレータ8、二次レギュレータ9、イ
ンテーク・マニホールド11及びインジェクタ12・・・
を配置したものである。図1に示した通り、電磁弁7か
らインテーク・マニホールド11までの距離は比較的大
きい。電磁弁7を閉じてもこの間に溜まった燃料がイン
ジェクタ12・・・から洩れでることになる。(b)はイ
ンテーク・マニホールド11の1次側に第2電磁弁29
を加えたものであり、必要な時にこの第2電磁弁29を
閉じることにより、この第2電磁弁29の1次側に燃料
を貯めておくことができ、その分だけインジェクタ12
からリークする燃料の量が少なくなる。
ールド廻りの機器レイアウト図である。(a)はインテ
ーク・マニホールド11とインジェクタ12との間に第
2電磁弁12・・・を介設したものである。(b)はイン
ジェクタ12に第2電磁弁29を一体的に組込んだもの
である。(a),(b)ともにインジェクタ12からリ
ークする燃料の量が少なくなる。
収集及び本発明方法を実施した。図4(a),(b)は
気体燃料エンジンを用いて実施した基礎データグラフで
あり、横軸は噴射終り時期をクランク角度で表記し、縦
軸は体積効率ηv又はエンジン出力であり、又、排気弁
開時期と吸気弁開時期はグラフに示す通りである。エン
ジンの回転数は4000rpmであり、スロットルバル
ブ26(図1参照)は全開とした。(a)において、c
に示す通り、例えば噴射時間をクランク角度240゜分
とし、その噴射終わり時期が300゜の条件で噴射を実
施したときに得られた体積効率ηvを小丸dで表わし
た。以下、同様に噴射終わり時期を30゜ずつずらして
体積効率ηvを求めそのときの値を小丸で表わし、小丸
同士を直線で結んだものである。グラフによればクラン
ク角度450゜付近で大きな谷が認められる。
゜の範囲における体積効率ηvの平均的値である。この
水平線eを延長したときに、少なくとも480〜690
゜の範囲が平均以上となる。この450〜480゜を注
目すると、この450〜480゜が吸気弁開時期の中間
に当り、これより前は体積効率ηvが下降傾向にあり、
後は上昇傾向にある。このことを考察すると次の様にな
る。 吸気弁開時期の前半部で噴射が終る場合;噴射期間が、
吸気弁開前の吸気管内正圧部にかかるために体積効率η
vが低下し、出力も下がる。 吸気弁開時期の後半部で噴射が終る場合;噴射期間が、
吸気弁開前半部の吸気管内負圧部にかかるために体積効
率ηvが向上し、出力も上がる。そこで本発明者等は、
谷の部分で集中的に噴射をすることで体積効率ηv及び
出力を上げることができるとの知見するに至った分けで
ある。
したものであり、ほぼ(a)のカーブに近似し、クラン
ク角度450゜付近で大きな谷が認められる。
000rpmにおいて一段噴射したときの例(第1実施
例という)の吸気ポート内脈動波形図であり、横軸はク
ランク角度、縦軸は吸気ポートの圧力であり、横軸に付
記したTDCは上死点、BDCは下死点である。また、
爆発時は0゜である(以下同様)。第1実施例では45
0゜の大きな谷をカバーするべく、クランク角度340
゜で噴射を始め、クランク角度560゜で噴射を終わる
ようにした。
たときの例(第2実施例という)の吸気ポート内脈動波
形図であり、横軸はクランク角度、縦軸は吸気ポートの
圧力である。第2実施例では280゜の谷と450゜の
大きな谷をカバーするべく、先ずクランク角度240゜
で噴射を始め、クランク角度350゜で噴射を終わら
せ、次にクランク角度400゜で噴射を始め、クランク
角度515゜で噴射を終わらせるようにした。前記図5
で1回で済ませていた噴射を2回に分けたため、当然1
回当りの噴射時間は短くなる。また、図から明らかなよ
うにクランク角度110゜の谷でも噴射することは差支
えなく、適宜多段に噴射すればよい。
例1とを比較したグラフであり、縦軸はエンジンの出力
である。比較例1は図13に記載した条件で実施した場
合の出力であり、第1実施例は前記図5に示した一段噴
射、第2実施例は前記図6に示した多段噴射(二段噴
射)での出力である。比較例を100とすれば、実施例
1は102、実施例2は103でそれぞれ2%,3%の
出力増加が達成できた。
たときの例(第3実施例という)の吸気ポート内脈動波
形図であり、横軸はクランク角度、縦軸は吸気ポートの
圧力である。第3実施例では450゜の大きな谷をカバ
ーするべく、クランク角度260゜で噴射を始め、クラ
ンク角度630゜で噴射を終わるようにした。
たときの例(第4実施例という)の吸気ポート内脈動波
形図であり、横軸はクランク角度、縦軸は吸気ポートの
圧力である。第4実施例では180゜の谷と450゜の
大きな谷をカバーするべく、先ずクランク角度80゜で
噴射を始め、クランク角度270゜で噴射を終わらせ、
次にクランク角度400゜で噴射を始め、クランク角度
595゜で噴射を終わらせるようにした。
較例2とを比較したグラフであり、縦軸はエンジンの出
力である。比較例2は図13の条件で実施した場合の出
力であり、第3実施例は前記図8に示した一段噴射、第
4実施例は前記図9に示した多段噴射(二段噴射)での
出力である。比較例を100とすれば、実施例1は10
0.4、実施例2は102でそれぞれ0.3%,2%の
出力増加が達成できた。
の関係を示すグラフであり、横軸は噴射終わり時期をク
ランク角度で表わしたものであり、縦軸は次に定義する
ノック余裕度(゜)である。グラフ中の小丸は図4と同
様の噴射終り点である。 ノック余裕度=ノック発生角度−MBT ノック発生角度及びMBTはBTDC(上死点前)にお
けるクランク角度である。MBT(Minimun a
dvance for the Best Torqu
e)は出力,燃料消費率が最良となる点火時期を意味す
る。ノック余裕度が大きいほどノッキング現象は起こり
にくくなる。クランク角度420〜690゜の範囲、特
に480〜630゜の範囲でノック余裕度が大きくなる
ので、この範囲で噴射が終るように噴射を制御すればよ
いことになる。
余裕度(好ましい範囲420〜690゜)の点からも説
明できる。従って、本発明における好ましい噴射終り時
期は480〜690゜の範囲とする。
においてエンジンからの回転数、スロットルバルブ2次
側圧力、クランク角度、排気中の酸素濃度、クランクパ
ルス、TDCパルス、気筒判別信号などの情報をECU
に送る。ECUはROMに予めエンジン回転数、スロッ
トルバルブ2次側圧力に対応した噴射タイミング計算式
やテーブル、マップなどを記憶しており、前記情報に基
づく噴射タイミングを計算し、各気筒のインジェクタ駆
動電流あるいはインジェクタドライバ駆動電流を制御す
る。
を読取り、吸気弁開時期中の脈動波の最低部(谷の底)
クランク角度を算出する。各種信号から算出されたその
ときの噴射終り時期が、クランク角度690゜を越える
ときには噴射期間を前にずらして対処させる。なお、上
記制御手順は一例を示したものであり、本発明方法を実
現するためにその手順、情報の数と種類を変更すること
は差支えない。
する。請求項1の燃料噴射方法は、燃料の噴射終わり時
期を、吸気弁の開き始め以降に設定したことを特徴とす
る。噴射終わり時期を、吸気弁開前半部の吸気管内負圧
部にかかるようにしために体積効率を上げ、エンジン出
力を数%向上させることができる。
が0゜のときに上死点で且つ点火するものとして、燃料
の噴射終わり時期を、クランク角度が480〜690゜
の範囲に入るように設定したことを特徴とする。クラン
ク角度が480〜690゜の範囲でノック余裕度が他よ
り大きくなり、この範囲に噴射終り時期を合せることに
より燃焼を安定させることができ、体積効率並びにエン
ジン出力の向上が図れる。
に分けて実施し、これらの噴射期間を吸気ボート圧力が
谷状に下がった区間に合せたことを特徴とする。噴射終
わり時期を、吸気弁開前半部の吸気管内負圧部にかかる
ようにしために体積効率を上げ、エンジン出力を数%向
上させることができる。また、大量の燃料が必要となる
高負荷運転時には噴射時間が前記谷の区間をオーバする
ことがある。そこで、複数回に分割して噴射すれば谷に
収まり、高負荷運転時に高出力が得られる。
図
ト図
ト図
グラフ
(第1実施例)の吸気ポート内脈動波形図
(第2実施例)の吸気ポート内脈動波形図
較したグラフ
(第3実施例)の吸気ポート内脈動波形図
(第4実施例)の吸気ポート内脈動波形図
比較したグラフ
すグラフ
を示すグラフ
を示すグラフ
ルド、12…インジェクタ、13…吸気ポート、27…
脈動用圧力センサ。
Claims (3)
- 【請求項1】 吸気ポートに気体燃料を噴射する形式の
エンジンにおいて、このエンジンは燃料の噴射終わり時
期を、吸気弁の開き始め以降に設定したことを特徴とす
る気体燃料エンジンの燃料噴射方法。 - 【請求項2】 吸気ポートに気体燃料を噴射する形式の
エンジンにおいて、このエンジンはクランク角度が0゜
のときに上死点で且つ点火するものとして、燃料の噴射
終わり時期を、クランク角度が480〜690゜の範囲
に入るように設定したことを特徴とする気体燃料エンジ
ンの燃料噴射方法。 - 【請求項3】 吸気ポートに気体燃料を噴射する形式の
エンジンにおいて、このエンジンは前記噴射を複数回に
分けて実施し、これらの噴射期間を吸気ボート圧力が谷
状に下がった区間に合せたことを特徴とする気体燃料エ
ンジンの燃料噴射方法。
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