JP2005201178A

JP2005201178A - 多種燃料機関

Info

Publication number: JP2005201178A
Application number: JP2004009613A
Authority: JP
Inventors: Akio Yasuda; 彰男安田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】良好な始動性を得ながら、液体燃料による運転時間を低減する。
【解決手段】始動動作の開始の際に（Ｓ２０）液体燃料を供給すると共に（Ｓ３０）、その液体燃料の供給量を、燃焼室１０５がシールされる程度の所定量に対応する所定噴射回数（基準値Ａ）とする。液体燃料の供給量をきわめて少なくすることができ、これによってエミッション（排気ガス特性）を改善することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体燃料と気体燃料とを切替えて動作する多種燃料機関に関する。

近年、自動車等においては、エミッションの改善および省資源の観点から、ガソリンや軽油等の液体燃料に代えて圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Compressed Natural Gas）等の気体燃料が注目されている。しかし、ＣＮＧの場合は、ガソリン等に比べてそのエネルギー密度が小さいので、ＣＮＧを使用するエンジンを搭載した車両は、ガソリンを使用するエンジンを搭載した車両に比べて航続距離が短い。また、インフラ整備の遅れから、その充填ステーションの数も十分ではなく、長距離の移動に不安が残っている。そこで、かかる気体燃料と液体燃料とを共通の燃焼室に供給可能な二元燃料エンジン、すなわちバイフューエルエンジンが提案されている。

かかるバイフューエルエンジンでは、例えば、通常運転時は機関に気体燃料を供給すると共に液体燃料の供給を停止し、残存気体燃料量が下限しきい値よりも少なくなったときに、機関に液体燃料を供給すると共に気体燃料の供給を停止することが主に想定されている。

ところで、このようなバイフューエルエンジンにおける燃料の切替えに、他の基準を採用したものもある。例えば特許文献１では、液体燃料に比して気体燃料が気化性に優れている点に着目して、エンジン始動時には気体燃料を選択し、触媒の温度が所定の活性化温度に達した場合に、所定条件下で液体燃料に切替えることとしている。

また、逆に特許文献２では、寒冷時に気体燃料供給手段であるレギュレータのゴム製ダイヤフラムが硬化して作動不良を起こしうる点、および気体燃料が液体燃料に比べ燃焼時に発生する水分が多くこれが寒冷時に電極の氷結を生じさせうる点に着目して、エンジン始動時には液体燃料を選択し、エンジン温度が所定値を超えた場合に、気体燃料に切替えることとしている。
特開２００１−１９３５１１号公報特開２００１−２７１６６９号公報

ところで、ＨＣやＮＯｘを低減しエミッション（排気ガス特性）を良好にするには、液体燃料による運転時間はできるだけ短いことが好ましい。

他方、本発明者は気体燃料による場合の始動不良について鋭意研究の結果、気体燃料による始動の際にはピストンリング周りからの吹き抜けが液体燃料による場合より大きく、十分な圧縮と爆発トルクとが得られないこと、および液体燃料による始動の際には液体燃料による燃焼室内のシール（特に、ピストンリング、ピストンおよびシリンダの各間隙の密封）が、良好な圧縮に大きく寄与していることを知見した。

そこで本発明は、かかる課題および新知見に基づいてなされたものであり、その目的は、多種燃料機関において良好な始動性を得ながら、液体燃料による運転時間を低減することにある。

第１の本発明は、液体燃料を燃焼室に供給する液体燃料供給手段と、気体燃料を前記燃焼室に供給する気体燃料供給手段と、前記液体燃料供給手段および前記気体燃料供給手段を制御する制御手段と、を備えた多種燃料機関であって、前記制御手段は、始動動作の開始の際に、前記燃焼室がシールされるような所定量だけ前記液体燃料供給手段に液体燃料を供給させることを特徴とする多種燃料機関である。

第１の本発明では、液体燃料の供給量を燃焼室がシールされる程度の所定量としたので、液体燃料の供給量をきわめて少なくすることができ、これによってエミッション（排気ガス特性）を改善することができる。なお、この所定量は所定の誤差範囲および余裕範囲を含む。

第２の本発明は、請求項１に記載の多種燃料機関であって、前記制御手段は、前記所定量の液体燃料の供給後、機関の状態を示す物理量が所定の暖機実行条件を満たさなくなるまでに亘り、前記気体燃料供給手段に気体燃料を供給させることを特徴とする多種燃料機関である。

第２の本発明では、前記所定量の液体燃料の供給後、機関の状態を示す物理量が所定の暖機実行条件を満たさなくなるまでに亘り、気体燃料が供給されるので、これによってエミッション（排気ガス特性）を更に改善することが可能となる。

第２の本発明における物理量は、第３の本発明のように機関の温度としたり、あるいは第４の本発明のように触媒温度とするのが好適である。

以下に、本発明の実施形態につき添付図面を参照しつつ説明する。
まず、図１を参照して、本発明が適用されるバイフューエルエンジン１００の概要を説明する。１０１はエンジン本体、１０２はシリンダブロック、１０３はシリンダヘッド、１０４はピストン、１０５は燃焼室、１０６は吸気ポート、１０７は排気ポート、１０９は燃焼室１０５内の頂部に配置された点火栓をそれぞれ示している。吸気ポート１０６は吸気マニフォルド１１０を介してサージタンク１１１に接続され、サージタンク１１１は吸気ダクト１１２を介してエアクリーナ１１３に接続されている。吸気ダクト１１２内にはステップモータ１１４により駆動されるスロットル弁１１５が配置されている。

図１のエンジン１００は、気体燃料供給系と液体燃料供給系とを具備しており、気体燃料としてＣＮＧを用い、液体燃料としてガソリンを用いている。気体燃料供給系は、筒内の燃焼室１０５に噴射可能に配置されたＣＮＧ筒内噴射弁１２０を具備し、このＣＮＧ筒内噴射弁１２０は、ＣＮＧ供給ライン１２２を介し車載された気体燃料容器としてのＣＮＧボンベ１２４に接続されている。なお、ＣＮＧ供給ライン１２２内には、図示しない燃料遮断弁および高圧レギュレータ１２６が配置されている（なお、ここでいう高圧とは、後述する低圧との相対差を意味するためで、絶対的意味で用いるものではない）。

ＣＮＧボンベ１２４内に、充填圧力ＰＦ（例えば、２０ＭＰa）で充填されているＣＮＧは、高圧レギュレータ１２６により一定の高調節圧ＰＨ（例えば、５ＭＰa）まで減圧され、通常のエンジン制御状態では、この高調節圧ＰＨでもってＣＮＧ筒内噴射弁１２０から筒内に圧縮行程で噴射される。この高調節圧ＰＨは、運転状態にかかわらず常に圧縮行程で筒内噴射が可能な圧力である。

同様に、液体燃料供給系は、吸気マニフォルド１１０内の吸気通路に噴射可能に配置されたガソリン噴射弁１３０を具備し、このガソリン噴射弁１３０は、ガソリン供給ライン１３２を介し車載された液体燃料容器としてのガソリンタンク１３４に接続されている。さらに、ガソリン供給ライン１３２内には、燃料ポンプ１３３が配置されている。これらのＣＮＧ筒内噴射弁１２０およびガソリン噴射弁１３０は、それぞれ、電子制御ユニット３００からの出力信号に基づいて制御される。

電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）３００はデジタルコンピュータからなり、周知の如く、双方向性バスを介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、常時電源に接続されているＢ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）、入力ポート、および出力ポート等を具備している。

また、吸気マニフォルド１１０に接続されたサージタンク１１１には、サージタンク１１１内の絶対圧に比例した出力電圧を発生する圧力センサ１４０が取り付けられている。ＣＮＧボンベ１２４の出口のＣＮＧ供給ライン１２２内には、ＣＮＧボンベ１２４内の残存ＣＮＧ量、すなわち、残圧に比例した出力電圧を発生するＣＮＧ残圧センサ１４１および燃料温度（高圧）センサ１５１が配置され、ガソリンタンク１３４には、ガソリンタンク１３４内の残存ガソリン量に比例した出力電圧を発生するガソリン残量センサ１４２が配置されている。また、ＣＮＧ供給ライン１２２の高圧レギュレータ１２６の下流には、燃料圧力（低圧）センサ１５２、燃料温度（低圧）センサ１５３が配置され、これらによって正確な燃料量が算出される。これらセンサ１４０、１４１、１４２、１５１、１５２および１５３の出力電圧は、それぞれ、対応するＡＤ変換器を介してＥＣＵ３００の入力ポートに入力される。さらに、入力ポートには、エンジン回転数Ｎを表す出力パルスを発生する回転数センサ１４３、スロットル弁１１５の回動角度を検出するスロットル開度センサ１４４、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ１４５、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ等が接続されている。一方、ＥＣＵ３００の出力ポートは、それぞれ、対応する駆動回路を介して、点火栓１０９、ステップモータ１１４、ＣＮＧ筒内噴射弁１２０、燃料ポンプ１３３およびガソリン噴射弁１３０等に接続されている。

以上のとおり構成された本実施形態の動作の一例について説明する。図２は、本実施形態のＥＣＵ３００において実行される始動時燃料噴射制御ルーチンを示す。この制御ルーチンは、イグニッションスイッチがＯＮされ、且つスタータの作動によりクランキングが開始されたことを条件に、予め定められた設定クランク角毎の割込みによって実行される。

まず、ステップＳ１０において、水温センサ１５０の検出値に基づいて、現在のエンジン温度が所定の冷間始動温度領域（例えば−１０°Ｃ以下の領域）にあるかが判断される。エンジン温度が冷間始動温度領域外である場合には、本発明に係る制御の対象外として否定され、通常の燃料噴射制御、例えば始動および通常運転をＣＮＧの供給によって行い、残存気体燃料量が下限しきい値よりも少なくなった場合に液体燃料の供給に切替える制御が行われる（Ｓ６０）。この場合における残存気体燃料量は、ＣＮＧ残圧センサ１４１の出力電圧に基づいて検出される。

現在のエンジン温度が冷間始動温度領域内にある場合には、次に、始動開始から現在までの燃料噴射回数が、所定の基準値Ａと比較される（Ｓ２０）。この基準値Ａは、燃焼室１０５がシールされるような所定量に対応する噴射回数の値に、予め設定しておく。基準値Ａは例えば１回あるいは数回とすることができ、その具体的な値は実験によって容易に定めることができる。

そしてステップＳ２０における比較の結果、始動開始から現在までの燃料噴射回数が基準値Ａを下回っている場合には、ＥＣＵ３００はガソリン噴射弁１３０を制御して、液体燃料を噴射させる（Ｓ３０）。したがって液体燃料の噴射は、始動開始からの燃料噴射回数が基準値Ａに達するまでの間に亘って、繰り返し実行される。

始動開始から現在までの燃料噴射回数が基準値Ａに達した場合には、ステップＳ２０において否定され、次に、暖機実行条件が成立しているかが判断される（Ｓ４０）。ここでは、水温センサ１５０によって検出されるエンジン水温が所定の基準温度（例えば４０°Ｃ）を下回っていることが暖機実行条件として用いられる。

ステップＳ４０において暖機実行条件が成立している場合には、ＥＣＵ３００はＣＮＧ筒内噴射弁１２０を制御して、気体燃料を噴射させる（Ｓ５０）。したがって気体燃料の噴射は、暖機実行条件が不成立となるまでの間に亘って、繰り返し実行される。

そして暖機実行条件が不成立になると、制御はステップＳ６０に移行し、以後は通常の燃料噴射制御が行われ、これによってエンジン１００が運転されることになる。

以上のとおり、本実施形態では、始動動作の開始の際に（Ｓ２０）最初に液体燃料を供給すると共に（Ｓ３０）、その液体燃料の供給量を、基準値Ａに対応する燃料量、すなわち燃焼室１０５がシールされる程度の所定量とした。本発明による改良前の構成、特に上述した特許文献２のように、冷間始動時に最初に液体燃料を供給し、これを機関や触媒が暖機されるまで継続する構成では、液体燃料の量が過剰であって、液体燃料の燃焼に伴うエミッションの悪化の問題に加え、液体燃料によるオイルの希釈化・粘度低下に起因する各摺動部の磨耗促進や、プラグの濡れによるくすぶり（着火性の低下）という問題も生じてしまう。これに対し本実施形態では、液体燃料の供給量を燃焼室１０５がシールされる程度にとどめた結果、−１０°Ｃ以下、例えば−２０°Ｃといった極寒冷時であっても良好な始動性を得ることができ、始動時における液体燃料の供給量をきわめて少なくすることができるため、従来技術の上記問題点をも解消することができる。

また、本実施形態では、所定量の液体燃料の供給後、機関の状態を示す物理量が所定の暖機実行条件を満たさなくなる、すなわち暖機が終了するまでに亘って（Ｓ４０）気体燃料を供給（Ｓ５０）することとしたので、液体燃料の使用時間の短縮によって液体燃料の使用量を抑制し、エミッション（排気ガス特性）を更に改善することが可能となる。なお、燃焼開始が遅い場合であって、始動初期における液体燃料の噴射期間に比べて燃焼開始までの期間が長い場合には、始動初期における少量の液体燃料の供給に続いて燃焼開始前の数サイクルの間に気体燃料が供給されることになるが、その間には燃焼が開始されていないため、液体燃料によるシールが燃焼によって失われるおそれもない。

なお、本実施形態では、冷間始動時に最初に供給される液体燃料の供給量を燃料噴射回数によって制御し、噴射回数を基準値Ａ未満とすることで、供給される液体燃料量を燃焼室１０５がシールされる程度の量に限定することとしたが、１回あたりの燃料噴射量が他の制御・経年変化あるいは外的条件によって変動する場合も考えられる。したがって本発明では、例えば１回あたりの液体燃料噴射量の変動に応じて液体燃料の噴射回数を変更し、これによって全体の液体燃料の供給量の変動を抑制してもよい。

また、本実施形態ではＣＮＧ燃料につき筒内直噴式とする一方で液体燃料につき所謂ポート噴射式としたが、本発明では各燃料の供給方式はいずれも任意であって、液体・気体の双方を筒内直噴式あるいはポート噴射式としたり、さらには少なくともいずれか一方をキャブレター式やミキサ式とすることも可能である。

また、本実施形態では、暖機実行条件すなわち気体燃料による暖機を実行するか否かの判定に用いられる物理量として、水温センサ１５０によって検出されたエンジン水温を用いたが、エンジン温度は他の手段（例えばシリンダに設けた不図示の温度センサ）によって検出してもよい。また、エンジン温度を用いる構成に代えて、排気系の触媒装置の近傍に設けられた触媒温度センサ等によって検出される触媒温度が所定の基準温度（例えば２００°Ｃ）を下回っていることを条件としてもよく、その他にもエンジン１００の状態を示す各種の物理量であって暖機状態ないし始動確立状態が反映されうるものを用いることができる。

また、上記実施形態では気体燃料としてＣＮＧを用い、液体燃料としてガソリンを用いた例につき説明した。しかしながら、気体燃料として、例えば、一次燃料である天然ガスおよび石油ガス、或いは二次燃料である石炭転換ガスおよび石油転換ガス、水素、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）等を用いることができる。また、液体燃料としてイソオクタン、ヘキサン、ヘプタン、軽油、灯油のような炭化水素、或いは液体の状態で保存しうるブタン、プロパンのような炭化水素、或いはメタノールを用いることができることはいうまでもない。

本発明が適用されるバイフューエルエンジンの概要と実施形態を示す全体線図である。本発明の実施形態における始動時燃料噴射制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１００バイフューエルエンジン
１２０ＣＮＧ筒内噴射弁
１２１ＣＮＧ吸気通路噴射弁
１２４ＣＮＧボンベ
１３０ガソリン噴射弁
１３４ガソリンタンク
１４１ＣＮＧ残圧センサ
１４２ガソリン残量センサ
１５０水温センサ
３００電子制御ユニット

Claims

液体燃料を燃焼室に供給する液体燃料供給手段と、
気体燃料を前記燃焼室に供給する気体燃料供給手段と、
前記液体燃料供給手段および前記気体燃料供給手段を制御する制御手段と、
を備えた多種燃料機関であって、
前記制御手段は、始動動作の開始の際に、前記燃焼室がシールされるような所定量だけ前記液体燃料供給手段に液体燃料を供給させることを特徴とする多種燃料機関。
請求項１に記載の多種燃料機関であって、
前記制御手段は、前記所定量の液体燃料の供給後、機関の状態を示す物理量が所定の暖機実行条件を満たさなくなるまでに亘り、前記気体燃料供給手段に気体燃料を供給させることを特徴とする多種燃料機関。
請求項２に記載の多種燃料機関であって、
前記物理量が機関の温度であることを特徴とする多種燃料機関。
請求項２に記載の多種燃料機関であって、
前記物理量が機関の触媒温度であることを特徴とする多種燃料機関。