JP5310413B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に係り、特に、車両に搭載され、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas：圧縮天然ガス）を燃料として使用する内燃機関において燃料噴射量を制御するのに好適な内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、燃料タンクに貯蔵されたＣＮＧを燃料として使用する内燃機関が知られている。

特開平７−２１７４８５号公報 特表２００７−５２４０６５号公報

ところで、上述した内燃機関において、燃料タンクにはＣＮＧ以外にＣＯ_２が混合される場合がある。ＣＯ_２の相状態は温度・圧力によって変化する。ＣＯ_２は燃焼しないため、燃料ガス中にＣＯ_２が含まれるか否かは空燃比制御に大きな影響を与え、性能やエミッションを悪化させる可能性がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料タンクに混合されたＣＯ_２が相変化する場合であっても、性能やエミッションの悪化を防止できる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
ＣＮＧ（圧縮天然ガス）とＣＯ_２とを含む燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクから供給される前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料タンクに貯蔵された前記燃料の温度を検出する温度センサと、
前記燃料タンクに貯蔵された前記燃料の圧力を検出する圧力センサと、
前記温度センサに検出された温度と前記圧力センサに検出された圧力とに基づいて、前記燃料に含まれるＣＯ_２の相状態を判定するＣＯ_２相状態判定手段と、
前記燃料に含まれるＣＯ_２の相状態が液体と気体との間で相変化したことを判定するＣＯ_２相変化判定手段と、
前記燃料に含まれるＣＯ_２の相状態が液体から気体へ相変化したと判定された場合に、燃料噴射量の設定を、ＣＮＧのみを噴射して目標空燃比を達成する第１噴射量よりも多量な第２噴射量に変更する噴射量変更手段と、
設定された前記燃料噴射量に基づいて、前記燃料噴射弁に燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料噴射量は基本噴射量と補正量とを含み、前記噴射量変更手段は前記補正量を変更することで、燃料噴射量の設定を前記第２噴射量に変更することを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
内燃機関の排気通路に配置される排気ガスセンサと、
前記排気ガスセンサの出力から求められる実空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて、前記補正量を学習する補正量学習手段と、を備え、
前記噴射量変更手段は、ＣＯ_２の相状態が液体から気体へ相変化したと判定された場合に、前記補正量をクリアして前記第２噴射量に応じた初期値をセットすることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料タンク内のＣＯ_２が液体から気体へ相変化して、燃料噴射弁に供給される燃料ガスが燃焼しないＣＯ_２とＣＮＧとの混合ガスとなる場合には、燃料噴射量の設定を、燃料ガスがＣＮＧのみの場合よりも多くなるように変更することができる。このため、本発明によれば、燃料の性状変化に迅速に対応して、目標空燃比に応じた燃料噴射を行うことができ、機関性能やエミッションの悪化を防止することができる。

第２の発明によれば、補正量を変更することで燃料噴射量の設定を変更することができる。このため、本発明によれば、運転条件に対応して予め設定されている基本噴射量を変更することなく、燃料の性状変化に迅速に対応して燃料噴射量を変更することができる。

第３の発明によれば、燃料タンク内のＣＯ_２が液体から気体へ相変化した場合に、補正量を第２噴射量に応じた初期値に初期化することができる。そして、この初期値から新たな補正量の学習を始めることができる。このため、本発明によれば、急激な燃料の性状変化に伴う燃料噴射量の学習の追従遅れを低減することができる。また、補給される燃料のＣＯ_２濃度にばらつきがある場合であっても、目標空燃比を満たすように燃料噴射量を補正することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１の制御において用いられる、ＣＯ_２相状態マップについて説明するための状態図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は直列に並んだ４つの気筒１２を有している。図１に示す内燃機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明において、気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

各気筒１２の吸気ポートは、吸気マニホールド１４に接続されている。吸気マニホールド１４から吸気通路（図示略）の上流に向かって、スロットル（図示略）、エアフローメータ（図示略）が順次設けられている。エアフローメータ側から新気が取り入れられ、吸気マニホールド１４を介して各気筒１２に供給される。スロットルの開度は、後述するＥＣＵ５０により任意に制御可能になっている。なお、本発明は、スロットルを備えないディーゼル機関にも適用可能である。

吸気マニホールド１４には、各気筒１２の吸気ポートに向けてＣＮＧ（Compressed Natural Gas：圧縮天然ガス）インジェクタ１６が１つずつ設けられている。各ＣＮＧインジェクタ１６は、ＣＮＧ用デリバリパイプ１８に接続されている。ＣＮＧ用デリバリパイプ１８は、燃料配管２０を介して燃料タンク２２に接続されている。燃料配管２０にはレギュレータ２４が設けられている。レギュレータ２４の燃料タンク２２側上流には、圧力センサ２６及び温度センサ２８が設けられている。燃料タンク２２には燃料３０としてＣＮＧが高圧貯蔵されている。燃料３０は、燃料ガスとして燃料配管２０からＣＮＧ用デリバリパイプ１８を介してＣＮＧインジェクタ１６に供給される。

各気筒１２の排気ポートは、排気マニホールド３２に接続されている。排気マニホールド３２は排気通路３３に接続されている。排気通路３３には触媒３４が配置されている。触媒３４として例えば三元触媒が用いられる。触媒３４の上流には、空燃比センサ３６（又は、酸素センサ）が設けられている。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述の圧力センサ２６、温度センサ２８、空燃比センサ３６、エアフローメータの他、クランク角センサ、吸気温センサ、冷却水温センサ、吸気圧センサ等が電気的に接続されている。ＥＣＵ５０の出力側には、ＣＮＧインジェクタ１６、スロットル等が電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。

ＥＣＵ５０には、エアフローメータが検出した吸入空気量と、上述のクランク角センサ、吸気温センサ、冷却水温センサ、吸気圧センサ等の出力を運転状態を示すパラメータとして、目標空燃比（例えば、理論空燃比１４．６）に対応する燃料噴射量（以下、基本噴射量ともいう。）を定めた噴射量適合マップが予め記憶されている。基本噴射量は、例えばＣＮＧのみ（ＣＮＧ１００％のガス）が燃料ガスとして噴射される場合に適合させて運転状態毎に定められている。

本実施形態のシステムでは、運転状態に応じて上述の噴射量適合マップから基本噴射量が取得される。そして、基本噴射量に基づいてＣＮＧインジェクタ１６から燃料３０を噴射させる燃料噴射制御がなされる。

さらに、本実施形態のシステムでは、空燃比センサ３６の出力に基づいて燃料噴射量の空燃比フィードバック制御が実施される。具体的には、燃料噴射量は、上述の基本噴射量と補正量とからなり、排気通路３３に流入する排気ガスの実空燃比と目標空燃比とが一致するようにその偏差を補正量に反映して燃料噴射量を補正する。そして、補正された燃料噴射量に基づいて上述の燃料噴射制御がなされる。

［実施の形態１における特徴的制御］
上述したシステム構成では、燃料タンク２２に燃料３０としてＣＮＧが貯蔵される。しかしながら、貯蔵される燃料３０にはＣＯ_２が混合される場合がある。混合されるＣＯ_２の濃度は国・地域によって規定されている。ＣＯ_２は燃焼しないため、ＣＯ_２が燃料ガスに含まれているか否かは空燃比制御に多大な影響を与える。即ち、燃料ガスがＣＮＧのみである場合と、ＣＮＧとＣＯ_２との混合ガスである場合とでは、目標空燃比を達成するための燃料噴射量が大きく異なる。そのため、上述した空燃比フィードバック制御により燃料噴射量を補正する場合であっても制御が追従するまでに時間を要してしまいエミッションが悪化する。

そこで、本実施形態のシステムでは、ＣＯ_２の相変化を判定し、ＣＯ_２が液体の場合と気体の場合とに応じて燃料噴射量の設定を変更することとした。

（ＣＯ_２相状態マップ）
より具体的な制御の概要について図２を用いて説明する。図２は、ＣＯ_２の相状態を定めた「ＣＯ_２相状態マップ」について説明するための図である。図２に示す境界線６０は、ＣＯ_２の圧力と温度との関係に応じたＣＯ_２の三態の境界を表している。図２に示す通り、圧力が低く温度が高いほど気体になりやすい。ＣＯ_２の圧力と温度との関係が境界線６０の値を上回る場合には、ＣＯ_２は固体（領域Ａ）又は液体（領域Ｂ）である。一方、ＣＯ_２の圧力と温度との関係が境界線６０を下回る場合にはＣＯ_２は気体（領域Ｃ）である。

図２に示す矢印は、相変化の一例を示しており、ある温度・圧力において液体であったＣＯ_２が、圧力低下により気体に変化することを示している。本実施形態のシステムにおいては、内燃機関１０が運転され燃料タンク２２内の燃料３０が消費されると、燃料タンク２２内の圧力が低下するためＣＯ_２が液体から気体に相変化する。

次に、上述したＣＯ_２相状態マップを用いた本実施形態における制御について説明する。燃料タンク２２内の燃料３０の温度と、燃料３０に含まれるＣＯ_２の分圧とが、境界線６０を上回っている場合には、ＣＯ_２は液体（領域Ｂ）であると推定することができる。ＣＯ_２が液体の場合には、ＣＮＧインジェクタ１６に供給されるガス燃料には、ＣＯ_２が含まれず、噴射される燃料はＣＮＧのみである。よって、この場合には上述した噴射量適合マップから運転状態に応じた基本噴射量を取得し、基本噴射量に基づいた燃料噴射を行うことで、性能やエミッションの好適な運転を実現することができる。

一方、境界線６０を下回っている場合には、ＣＯ_２は気体（領域Ｃ）であると推定することができる。ＣＯ_２が気体の場合には、ＣＮＧインジェクタ１６に供給されるガス燃料にＣＯ_２が混入されることとなる。ＣＯ_２は燃焼しないため、空燃比制御に大きく影響する。よって、この場合には、上述したＣＯ_２が液体の場合よりも燃料噴射量を増大させる。これにより、迅速に目標空燃比を達成でき、性能やエミッションの悪化を防止することができる。

（制御ルーチン）
図３は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンは、車両のＩＧスイッチがＯＮとされることにより開始される（ステップ１００）。ここで、ＥＣＵ５０は、後述するＣＯ_２気体フラグ及び学習値の初期状態を設定する。ＣＯ_２気体フラグはＯＦＦに設定される。学習値は後述する第１学習値に設定される。

ステップ１１０において、ＥＣＵ５０は、燃料タンク２２内の燃料３０の温度を温度センサ２８により計測する。同時に、燃料タンク２２内の燃料３０の圧力を圧力センサ２６により計測する。そして、計測された温度と圧力とに基づいて図２に示すＣＯ_２相状態マップからＣＯ_２の相状態を判定する。具体的には、検出された圧力に、国・地域に応じて規定される燃料中のＣＯ_２の濃度を乗じてＣＯ_２の分圧を算出する。その後、ＣＯ_２の分圧と温度との関係が図２に示す境界線６０を上回るか否かを判定する。上回る場合には、ＣＯ_２は液体又は固体であると判断する。下回る場合には、ＣＯ_２は気体であると判断する。

次に、ステップ１２０において、ＣＯ_２の相状態が前回の状態（前回ルーチンのステップ１１０において判断したＣＯ_２の相状態）から変化しているか否かを判定する。ＣＯ_２気体フラグがＯＦＦ（上述した初期状態を含む）時にステップ１１０においてＣＯ_２が気体であると判断された場合や、ＣＯ_２気体フラグがＯＮ時にステップ１１０においてＣＯ_２が液体であると判定された場合には、ＣＯ_２の相状態が変化したと判断する。

ＣＯ_２の相状態が変化したと判定された場合には、次にステップ１３０において、目標空燃比に基づく噴射量制御の学習値をクリアする。学習値とは、運転状態に基づいて噴射量適合マップから取得される基本噴射量を補正する補正量に相当する値である。

続いて、スキップ１４０において、ＣＯ_２の相状態が液体であるか否かを判定する。具体的には、ステップ１１０における判断結果に基づいてＣＯ_２の相状態が液体であるか否かを判定する。ＣＯ_２の相状態が液体であると判定された場合には、ステップ１２０における判断結果と合わせてＣＯ_２は気体から液体に相変化している。この場合には、ステップ１５０において学習値の初期値として第１学習値を設定する。第１学習値は、噴射量適合マップがＣＮＧ１００％で適合されている場合には０である。

上記設定された学習値を初期値として、上述した空燃比フィードバック制御に基づく学習が実施される（ステップ１６０）。具体的には、触媒３４上流に設けられた空燃比センサ３６の出力から求められる実空燃比と目標空燃比との偏差を０とするように学習値を補正する。

一方、ステップ１４０において、ＣＯ_２の相状態が液体であると判定された場合には、ステップ１２０における判断結果と合わせてＣＯ_２は気体から液体に相変化している。この場合には、ステップ１７０において学習値の初期値として第２学習値を設定する。第２学習値は、国・地域毎に規定されるＣＯ_２混合比中央の燃料に適合させて、目標空燃比を満たすように定めた学習値であり、第１学習値よりも高い値である。

その後、上述したステップ１６０と同様に、設定された学習値を初期値として、空燃比フィードバック制御に基づく学習が実施される。

また、上述したステップ１２０においてＣＯ_２に相変化がないと判定された場合には、前ルーチンのステップ１６０において学習された学習値に対して、空燃比フィードバック制御に基づく学習が継続される（ステップ１６０）。

ステップ１８０において、ＣＯ_２の相状態を記憶する。具体的には、ステップ１１０においてＣＯ_２が液体又は固体であると判定された場合には、ＣＯ_２気体フラグをＯＦＦに設定する。一方、ステップ１１０においてＣＯ_２が気体であると判定された場合には、ＣＯ_２気体フラグをＯＮに設定する。設定されたＣＯ_２気体フラグは次ルーチンにおけるステップ１２０の処理において用いられる。

ステップ１９０において、ＩＧスイッチがＯＦＦであるか否かを判定する。ＩＧスイッチがＯＮであると判定された場合は未だ運転中であり、ステップ１１０から次ルーチンを開始する。ＩＧスイッチがＯＦＦであると判定された場合には本ルーチンを終了する。

以上説明したように、図３に示すルーチンによれば、燃料タンク２２内のＣＯ_２が相変化する場合であっても、学習値の初期値を切替えて、目標空燃比を達成するように燃料噴射量を変更することができる。このため、本実施例のシステムによれば、急激な燃料の性状変化に伴う補正量の学習の追従遅れを低減して、機関性能・エミッションの悪化を防止することができる。

また、本実施例のシステムによれば、燃料ラインは高圧で燃料３０の性状を検知するセンサを設けることは難しいところ、レギュレータ２４の上流に設けられた圧力センサ２６と温度センサ２８の出力に基づき燃料タンク２２内の燃料３０の性状を推定することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、ＣＯ_２が相変化した場合の燃料噴射量の設定を、学習値の初期値を変更することで切替えることとしているが、燃料噴射量の設定方法はこれに限定されるものではない。ステップ１３０、１５０〜１７０の処理に換えて、ＣＮＧのみの燃料ガスに適合して目標空燃比を達成する噴射量を定めた第１噴射量適合マップと、ＣＮＧとＣＯ_２との混合ガスに適合して目標空燃比を達成する噴射量を定めた第２噴射量適合マップとを用意して、ＣＯ_２が相変化した場合に使用する噴射適合マップを切替えることで、燃料噴射量の設定を変更することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、内燃機関１０を、ＣＮＧを使用するエンジンとしているが、ＣＮＧとガソリンを燃料とを使用するバイフューエルエンジンであってもよい。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、吸気マニホールド１４に吸気ポートに向けたＣＮＧインジェクタ１６を設けてポート噴射することとしているが、筒内にインジェクタを設けて直接噴射することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、燃料タンク２２が前記第１の発明における「燃料タンク」に、ＣＮＧインジェクタ１６が前記第１の発明における「燃料噴射弁」に、温度センサ２８が前記第１の発明における「温度センサ」に、圧力センサ２６が前記第１の発明における「圧力センサ」に、ＥＣＵ５０による燃料噴射制御が前記第１の発明における「燃料噴射制御手段」に、空燃比センサ３６が前記第３の発明における「排気ガスセンサ」にそれぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「ＣＯ_２相状態判定手段」が、上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第１の発明における「ＣＯ_２相変化判定手段」が、上記ステップ１７０の処理を実行することにより前記第１乃至第３の発明における「噴射量変更手段」が、上記ステップ１６０の処理を実行することにより前記第３の発明における「補正量学習手段」が、それぞれ実現されている。
更に、実施の形態１においては、上記ステップ１７０において設定される第２学習値が前記第３の発明における「初期値」にそれぞれ対応している。

１０ 内燃機関
１２ 気筒
１４ 吸気マニホールド
１６ ＣＮＧインジェクタ
１８ ＣＮＧ用デリバリパイプ
２０ 燃料配管
２２ 燃料タンク
２４ レギュレータ
２６ 圧力センサ
２８ 温度センサ
３０ 燃料
３２ 排気マニホールド
３３ 排気通路
３４ 触媒
３６ 空燃比センサ
５０ ＥＣＵ
６０ 境界線

Claims (3)

1. ＣＮＧ（圧縮天然ガス）とＣＯ_２とを含む燃料を貯蔵する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから供給される前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料タンクに貯蔵された前記燃料の温度を検出する温度センサと、
   前記燃料タンクに貯蔵された前記燃料の圧力を検出する圧力センサと、
   前記温度センサに検出された温度と前記圧力センサに検出された圧力とに基づいて、前記燃料に含まれるＣＯ_２の相状態を判定するＣＯ_２相状態判定手段と、
   前記燃料に含まれるＣＯ_２の相状態が液体と気体との間で相変化したことを判定するＣＯ_２相変化判定手段と、
   前記燃料に含まれるＣＯ_２の相状態が液体から気体へ相変化したと判定された場合に、燃料噴射量の設定を、ＣＮＧのみを噴射して目標空燃比を達成する第１噴射量よりも多量な第２噴射量に変更する噴射量変更手段と、
   設定された前記燃料噴射量に基づいて、前記燃料噴射弁に燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記燃料噴射量は、基本噴射量と補正量とを含み、
   前記噴射量変更手段は、前記補正量を変更することで、燃料噴射量の設定を前記第２噴射量に変更すること、
   を特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 内燃機関の排気通路に配置される排気ガスセンサと、
   前記排気ガスセンサの出力から求められる実空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて、前記補正量を学習する補正量学習手段と、を備え、
   前記噴射量変更手段は、ＣＯ_２の相状態が液体から気体へ相変化したと判定された場合に、前記補正量をクリアして前記第２噴射量に応じた初期値をセットすること、
   を特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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