JPWO2013008322A1

JPWO2013008322A1 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JPWO2013008322A1
Application number: JP2013523745A
Authority: JP
Inventors: 哲哉佐久間
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2015-02-23
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: EP2733334A4; JP5590242B2; EP2733334A1; WO2013008322A1

Abstract

ＥＣＵ（１Ａ）は複数の気体燃料を燃料として使用し、噴射する燃料の圧力を調整可能なレギュレータ（６０Ａ）を燃料供給経路（ＦＲ）に備える内燃機関（５０）に対して設けられる。ＥＣＵ（１Ａ）はレギュレータ（６０Ａ）における調圧時の燃料の変動熱量に基づき、内燃機関（５０）の燃焼制御を行う。ＥＣＵ（１Ａ）は調圧時の燃料の変動熱量に基づき使用燃料の混合割合を推定するとともに、推定した使用燃料の混合割合に基づき内燃機関（５０）の燃焼制御を行う。そしてこれにより、調圧時の燃料の変動熱量に基づき内燃機関（５０）の燃焼制御を行う。

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

複数の気体燃料を燃料として使用する内燃機関が知られている。特許文献１では、液化石油ガスとジメチルエーテルの混合燃料を燃料とするバイフューエルエンジンおよびその混合燃料の混合比率推定方法が開示されている。このほか本発明と関連性があると考えられる技術として、液体燃料と気体燃料とを使用するにあたり、燃料が液体燃料なのか気体燃料なのかを判定する内燃機関の制御装置が特許文献２で開示されている。

特開２００５−６１４０１号公報特開２０１０−１９６６６７号公報

複数の気体燃料を燃料として使用する内燃機関では、燃料補給のたびに使用燃料の混合割合が変化することが想定される。しかしながら、内燃機関で適切な燃焼を行うには使用燃料の混合割合を把握する必要がある。使用燃料の混合割合を把握するには、例えば専用品であるが故に高価になり易い検出機器を利用することによるコストの上昇を抑制できることや、使用燃料の混合割合を把握するために必要な構成全体としてのコンパクト性を確保できることが望まれる。

本発明は上記課題に鑑み、複数の気体燃料を燃料として使用する内燃機関において、使用燃料の混合割合に応じた適切な燃焼を好適に実現可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は複数の気体燃料を燃料として使用し、噴射する燃料の圧力を調整可能な圧力調整部を燃料供給経路に備える内燃機関に対して設けられ、前記圧力調整部における調圧時の燃料の変動熱量に基づき、前記内燃機関の燃焼制御を行う制御部を備える内燃機関の制御装置である。

本発明は前記圧力調整部における調圧時の燃料の変動熱量に基づき、使用燃料の混合割合を推定する推定部をさらに備え、前記制御部が、前記推定部が推定した使用燃料の混合割合に基づき、前記内燃機関の燃焼制御を行うことで、前記圧力調整部における調圧時の燃料の変動熱量に基づき前記内燃機関の燃焼制御を行う構成とすることができる。

本発明によれば、複数の気体燃料を燃料として使用する内燃機関において、使用燃料の混合割合に応じた適切な燃焼を好適に実現できる。

内燃機関および関連する構成の概略構成図である。実施例１の燃料供給経路の要部を示す図である。ＥＣＵの概略構成図である。移動熱量と混合割合との関係を示す図である。第１の制御動作をフローチャートで示す図である。実施例２の燃料供給経路の要部を示す図である。第２の制御動作をフローチャートで示す図である。

図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１は内燃機関５０および関連する構成の概略構成図である。吸気系１０はエアクリーナ１１とエアフロメータ１２と電子制御スロットル１３と吸気マニホルド１４とを備えている。エアクリーナ１１は吸入空気を濾過する。エアフロメータ１２は内燃機関５０の吸入空気量ＧＡを計測する。電子制御スロットル１３は吸入空気量ＧＡを調節する。電子制御スロットル１３はスロットル開度センサ１３ａを備えている。吸気マニホルド１４は吸入空気を内燃機関５０の各気筒に分配する。吸気マニホルド１４には吸気温センサ７１が設けられている。

内燃機関５０はシリンダブロック５１とシリンダヘッド５２とピストン５３と吸気弁５４と排気弁５５と点火プラグ５６と燃料噴射弁５７と吸気側ＶＶＴ（ＩｎＶＶＴ）５８と排気側ＶＶＴ（ＥｘＶＶＴ）５９とを備えている。内燃機関５０には冷却水温ＴＨＷを検出するための水温センサ７２や、クランク角度を検出するためのクランク角センサ７３が設けられている。

シリンダブロック５１には、シリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内にはピストン５３が収容されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室Ｅはシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２およびシリンダ５３に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には、燃焼室Ｅに吸入空気を導く吸気ポート５２ａと、燃焼室Ｅからガスを排気する排気ポート５２ｂとが形成されている。またシリンダヘッド５２には、吸気ポート５２ａを開閉する吸気弁５４と、排気ポート５２ｂを開閉する排気弁５５とが設けられている。

点火プラグ５６は燃焼室Ｅの中央上部に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２に設けられている。燃料噴射弁５７は燃焼室Ｅに噴孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２に設けられている。燃料噴射弁５７はシリンダヘッド５２のうち、吸気ポート５２ａとシリンダブロック５１との間の部分に設けられている。燃料噴射弁５７は燃焼室Ｅに燃料を直接噴射する。燃料噴射弁５７の配置はこれに限られず、例えば吸気ポート５２ａに燃料を噴射できるように配置されてもよい。燃料噴射弁５７には内燃機関５０に燃料を供給する燃料供給経路ＦＲが接続されている。

シリンダヘッド５２には、吸気側ＶＶＴ５８と排気側ＶＶＴ５９とが設けられている。吸気側ＶＶＴ５８は吸気弁５４のバルブ特性（例えばバルブタイミングや作用角）を可変にする可変動弁機構であり、排気側ＶＶＴ５９は排気弁５５のバルブ特性を可変にする可変動弁機構である。ＶＶＴ５８、５９には制御状態を検出するための状態検出センサ５８ａ、５９ａが設けられている。

図２は燃料供給経路ＦＲの要部を示す図である。内燃機関５０は燃料供給経路ＦＲに噴射する燃料の圧力を調整可能な圧力調整部であるレギュレータ６０Ａを備えている。レギュレータ６０Ａは燃料流通部６１と加温部６２Ａとを備えている。燃料流通部６１は燃料供給経路ＦＲに組み込まれており、燃料を流通させる。加温部６２Ａは熱媒体を循環させる熱媒体循環経路Ｃに組み込まれており、流通する熱媒体で燃料流通部６１を流通する燃料を加温する。

燃料供給経路ＦＲにおいて、レギュレータ６０Ａの前後には燃料の温度を検出するための入口側燃料温度計８１および出口側燃料温度計８２が設けられている。また、燃料の圧力を検出するための入口側燃料圧力計８３および出口側燃料圧力計８４が設けられている。レギュレータ６０Ａの出口側には、燃料の流量を検出するための燃料流量計８５が設けられている。

燃料供給経路ＦＲには複数の気体燃料が流通する。この点、内燃機関５０は複数の気体燃料を燃料として使用する内燃機関となっている。燃料として使用される複数の気体燃料は混合した状態で燃料供給経路ＦＲを流通することができる。複数の気体燃料には各気体燃料の種類が判明している一方で、各気体燃料の混合割合が不明な燃料を適用できる。複数の気体燃料は具体的にはここでは混合割合が不明な水素およびＣＮＧとなっている。

熱媒体循環経路Ｃにおいて、レギュレータ６０Ａの前後には熱媒体の温度を検出するための入口側熱媒体温度計８６および出口側熱媒体温度計８７が設けられている。また、レギュレータ６０Ａの出口側には熱媒体の流量を検出するための熱媒体流量計８８が設けられている。熱媒体循環経路Ｃには具体的には例えば水を流通させることができる。熱媒体は例えば内燃機関５０の冷却水であってもよい。

図３はＥＣＵ１Ａの概略構成図である。ＥＣＵ１Ａは内燃機関の制御装置に相当する電子制御装置であり、ＣＰＵ２、ＲＯＭ３、ＲＡＭ４等からなるマイクロコンピュータと入出力回路５、６とを備えている。これらＣＰＵ２、ＲＯＭ３、ＲＡＭ４、および入出力回路５、６は互いにバス７で接続されている。

ＥＣＵ１Ａには各種のセンサ・スイッチ類を含むセンサ群Ｓが電気的に接続されている。また、電子制御スロットル１３や燃料噴射弁５７やＶＶＴ５８、５９が制御対象として電気的に接続されている。センサ群Ｓはエアフロメータ１２や、スロットル開度センサ１３ａや、状態検出センサ５８ａ、５９ａや、吸気温センサ７１や、水温センサ７２や、クランク角センサ７３や、入口側燃料温度計８１や、出口側燃料温度計８２や、入口側燃料圧力計８３や、出口側燃料圧力計８４や、燃料流量計８５や、入口側熱媒体温度計８６や、出口側熱媒体温度計８７や、熱媒体流量計８８を含んでいる。

ＲＯＭ３はＣＰＵ２が実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。ＣＰＵ２がＲＯＭ３に格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭ４の一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ＥＣＵ１Ａでは例えば以下に示す制御部や変動熱量推定部や混合割合推定部など各種の機能部が実現される。

制御部はレギュレータ６０Ａにおける調圧時の燃料の変動熱量に基づき、内燃機関５０の燃焼制御を行う。調圧時の燃料の変動熱量は加温部６２Ａから燃料への移動熱量によって把握することができる。これは、調圧時の燃料の変動熱量に応じて、加温部６２Ａから燃料への移動熱量が変化するためである。変動熱量推定部は調圧時の燃料の変動熱量を推定する推定部である。変動熱量推定部は具体的には熱媒体の比熱、レギュレータ６０Ａ前後における熱媒体の温度および流量に基づき、加温部６２Ａから燃料へ移動する単位時間あたりの移動熱量を推定することで、調圧時の燃料の変動熱量を推定する。

混合割合推定部は使用燃料の混合割合を推定する推定部である。混合割合推定部は具体的にはレギュレータ６０Ａにおける調圧時の燃料の変動熱量に基づき、使用燃料の混合割合を推定する。これは使用燃料の混合割合に応じて調圧時の燃料の変動熱量が異なってくることから、かかる性質を利用して使用燃料の混合割合を推定するものである。

図４は移動熱量と混合割合との関係を示す図である。縦軸は加温部６２Ａから燃料への移動熱量、横軸は混合割合を示す。混合割合はＣＨＧに対する水素の混合割合を示しており、燃料に含まれる水素が多い場合ほど混合割合は大きくなる。図４に示すように移動熱量は混合割合が大きい場合ほど小さくなる傾向があることがわかる。

図４に示す関係はＥＣＵ１Ａにおいてマップデータで予め用意されている。この点、図４に示す関係はレギュレータ６０Ａ前後の燃料の圧力、レギュレータ６０Ａの入口側における燃料の温度および燃料の流量が予め設定および想定されている条件下にある場合の関係を示す。ＥＣＵ１Ａは必要に応じてレギュレータ６０Ａ前後の燃料の圧力、レギュレータ６０Ａの入口側における燃料の温度および燃料の流量に応じて、移動熱量と混合割合との関係を規定したマップデータを複数備えている。マップデータはこれらに応じて、移動熱量と混合割合との関係を多次元的に規定した一つのマップデータであってもよい。

調圧時の燃料の変動熱量に基づき、使用燃料の混合割合を推定するにあたり、混合割合推定部は具体的にはレギュレータ６０Ａの前後における燃料の圧力、レギュレータ６０Ａの入口側における燃料の温度および燃料の流量を検出する。そして、検出した燃料の圧力、温度および流量に基づき、対応するマップデータを特定する。さらに特定したマップデータから変動熱量推定部が推定した移動熱量に対応する混合割合を読み込むことで、使用燃料の混合割合を推定する。

この点、調圧時の燃料の変動熱量に基づき、内燃機関５０の燃焼制御を行うにあたり、制御部はさらに具体的には混合割合推定部が推定した使用燃料の混合割合に基づき、内燃機関５０の燃焼制御を行う。内燃機関５０の燃焼制御を行うにあたり、制御部は例えば電子制御スロットル１３や燃料噴射弁５７やＶＶＴ５８、５９を制御することができる。

次に第１の制御動作であるＥＣＵ１Ａの動作を図５に示すフローチャートを用いて説明する。ＥＣＵ１Ａはレギュレータ６０Ａ前後における熱媒体の温度および流量を検出する（ステップＳ１）。また、レギュレータ６０Ａの前後における燃料の圧力、レギュレータ６０Ａの入口側における燃料の温度および燃料の流量を検出する（ステップＳ２）。続いてＥＣＵ１ＡはステップＳ１における検出結果および熱媒体の比熱に基づき、移動熱量を推定する（ステップＳ３）。また、ステップＳ２における検出結果およびステップＳ３で推定した移動熱量に基づき、使用燃料の混合割合を推定する（ステップＳ４）。さらに推定した使用燃料の混合割合に基づき、内燃機関５０の燃焼制御を行う（ステップＳ５）。

次にＥＣＵ１Ａの作用効果について説明する。ＥＣＵ１Ａはレギュレータ６０Ａにおける調圧時の燃料の変動熱量に基づき、内燃機関５０の燃焼制御を行う。また、これにあたってはレギュレータ６０Ａにおける調圧時の燃料の変動熱量に基づき、使用燃料の混合割合を推定する。この点、調圧時の燃料の変動熱量は例えばレギュレータ６０Ａに加温部６２Ａを設けることで、推定可能にすることができる。

このため、ＥＣＵ１Ａは内燃機関５０において使用燃料の混合割合に応じた適切な燃焼を実現するにあたり、例えばガス分析装置など専用品であるが故に高価になり易い検出機器を利用しないで済むことから、低コストを実現し易くすることができる。また、調圧時の燃料の変動熱量を推定するにあたり、レギュレータ６０Ａに加温部６２Ａを組み込む構成を採用できることから、使用燃料の混合割合を把握するために必要となる構成全体のコンパクト性を確保し易くすることもできる。そしてこれらの点で、使用燃料の混合割合に応じた適切な燃焼を好適に実現できる。

図６は燃料供給経路ＦＲ´の要部を示す図である。燃料供給経路ＦＲ´はレギュレータ６０Ａの代わりにレギュレータ６０Ｂが設けられている点以外、燃料供給経路ＦＲと実質的に同一である。レギュレータ６０Ｂは加温部６２Ａの代わりに加温部６２Ｂを備えている点以外、レギュレータ６０Ａと実質的に同一である。加温部６２Ｂは電熱回路Ｈに組み込まれている。電熱回路Ｈには加温部６２Ｂのほか、電源装置９０と電圧計９１と電流計９２とが設けられている。電圧計９１は加温部６２Ｂにかかる電圧を、電流計９２は加温部６２Ｂを流れる電流を検知する。加温部６２Ｂは例えば抵抗器であり、電熱を発生させることで燃料流通部６１を流通する燃料を加温する。

内燃機関５０の燃焼を制御するにあたり、本実施例ではＥＣＵ１Ａの代わりにＥＣＵ１Ｂが用いられる。ＥＣＵ１Ｂは入口側熱媒体温度計８６、出口側熱媒体温度計８７および熱媒体流量計８８の代わりに電圧計９１および電流計９２が電気的に接続される点と、変動熱量推定部が以下に示すように実現される点以外、ＥＣＵ１Ａと実質的に同一である。このためＥＣＵ１Ｂについては図示省略する。ＥＣＵ１Ｂでは、変動熱量推定部が加温部６２Ｂにかかる電圧および加温部６２Ｂを流れる電流に基づき、加温部６２Ｂから燃料へ移動する単位時間あたりの移動熱量を推定することで、調圧時の燃料の変動熱量を推定する。

次に第２の制御動作であるＥＣＵ１Ｂの動作について図７に示すフローチャートを用いて説明する。図７に示すフローチャートはステップＳ１の代わりにステップＳ１´が設けられている点以外、図５に示すフローチャートと同じである。このため、ここでは特にこれらについて説明する。ステップＳ１´で、ＥＣＵ１Ｂは加温部６２Ｂにかかる電圧および加温部６２Ｂを流れる電流を検出する。なお、ステップＳ３ではステップＳ１´における検出結果に基づき燃料の変動熱量が推定される。

次にＥＣＵ１Ｂの作用効果について説明する。ここで、調圧時の燃料の変動熱量を推定するにあたっては、例えば加温部６２Ｂを用いることもできる。そして、加温部６２Ｂに適応したＥＣＵ１ＢでもＥＣＵ１Ａと同様、低コストを実現し易くすることができる点や、構成全体のコンパクト性を確保し易くすることができる点で、使用燃料の混合割合に応じた適切な燃焼を好適に実現できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば圧力調整部における調圧時の燃料の変動熱量は、変動熱量推定部によって圧力調整部の前後における燃料の温度に基づき推定されてもよい。この場合、加温部をレギュレータに特段設けることなく、使用燃料の混合割合に応じた適切な燃焼を実現できる点で、低コストの実現や構成全体のコンパクト化にとってさらに有利である。

ＥＣＵ１Ａ、１Ｂ
内燃機関５０
レギュレータ６０Ａ、６０Ｂ
燃料流通部６１
加温部６２Ａ、６２Ｂ

【０００２】
課題を解決するための手段
［０００６］
本発明は複数の気体燃料を燃料として使用し、燃料噴射弁に前記燃料を供給する燃料供給経路に前記燃料噴射弁が噴射する前記燃料の圧力を調整可能な圧力調整部を備えるとともに、前記圧力調整部は前記燃料供給経路を流通する前記燃料を加熱する加温部を備えた内燃機関に対して設けられ、前記圧力調整部における調圧時の前記加温部から前記燃料供給経路を流通する前記燃料へ移動する単位時間当たりの移動熱量を推定し、推定された前記移動熱量に基づいて使用燃料の混合割合を推定する推定部と、推定された前記混合割合に基づき、前記内燃機関の燃焼制御を行う制御部と、を備える内燃機関の制御装置である。
［０００７］
上記構成において、前記内燃機関は、前記内燃機関を冷却する水が循環する循環経路をさらに備え、前記循環経路の一部は前記圧力調整部を通過しており、前記加温部は、前記循環経路の前記圧力調整部を通過している部分である構成とすることができる。上記構成において、前記加温部は、電熱を発生させる抵抗器である構成とすることができる。
発明の効果
［０００８］
本発明によれば、複数の気体燃料を燃料として使用する内燃機関において、使用燃料の混合割合に応じた適切な燃焼を好適に実現できる。
図面の簡単な説明
［０００９］
［図１］内燃機関および関連する構成の概略構成図である。
［図２］実施例１の燃料供給経路の要部を示す図である。
［図３］ＥＣＵの概略構成図である。
［図４］移動熱量と混合割合との関係を示す図である。
［図５］第１の制御動作をフローチャートで示す図である。
［図６］実施例２の燃料供給経路の要部を示す図である。
［図７］第２の制御動作をフローチャートで示す図である。
発明を実施するための形態
［００１０］
図面を用いて本発明の実施例について説明する。
実施例１
［００１１］
図１は内燃機関５０および関連する構成の概略構成図である。吸気系１０はエアクリーナ１１とエアフロメータ１２と電子制御スロットル１３と吸気マニホルド１４とを備えている。エアクリーナ１１は吸入空気を濾過する。

シリンダブロック５１には、シリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内にはピストン５３が収容されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室Ｅはシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２およびピストン５３に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には、燃焼室Ｅに吸入空気を導く吸気ポート５２ａと、燃焼室Ｅからガスを排気する排気ポート５２ｂとが形成されている。またシリンダヘッド５２には、吸気ポート５２ａを開閉する吸気弁５４と、排気ポート５２ｂを開閉する排気弁５５とが設けられている。

Claims

複数の気体燃料を燃料として使用し、噴射する燃料の圧力を調整可能な圧力調整部を燃料供給経路に備える内燃機関に対して設けられ、
前記圧力調整部における調圧時の燃料の変動熱量に基づき、前記内燃機関の燃焼制御を行う制御部を備える内燃機関の制御装置。
請求項１記載の内燃機関の制御装置であって、
前記圧力調整部における調圧時の燃料の変動熱量に基づき、使用燃料の混合割合を推定する推定部をさらに備え、
前記制御部が、前記推定部が推定した使用燃料の混合割合に基づき、前記内燃機関の燃焼制御を行うことで、前記圧力調整部における調圧時の燃料の変動熱量に基づき、前記内燃機関の燃焼制御を行う内燃機関の制御装置。