(57)【要約】【課題】  ガス燃料エンジンにおいて噴射圧力の制御性を高めることのできる新規な手段を提供する。【解決手段】  ヒータ２０によってデリバリパイプ１３を加熱する。デリバリパイプ１３内のＣＮＧ燃料を膨張させ、これによってＣＮＧ燃料の圧力を上昇させることができるので、ＣＮＧエンジン１０における噴射圧力の制御性を高めることができる。燃料タンク１２の燃圧が所定の目標燃圧を下回った場合に、ヒータ２０を加熱側に制御することにより、燃料の残量が少ない場合や要求噴射量が大きい場合に好適に利用できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス燃料を加圧状態で貯蔵する燃料タンクと、前記ガス燃料を噴射するための燃料噴射弁と、前記燃料タンクから吐出されるガス燃料を前記燃料噴射弁に分配するためのデリバリパイプと、を備えたガス燃料エンジンであって、
前記デリバリパイプを加熱するためのヒータを更に備えたことを特徴とするガス燃料エンジン。
【請求項２】
前記ヒータを制御する制御手段と、
前記燃料タンク内のタンク燃圧を検出するタンク燃圧検出手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記タンク燃圧が所定の目標燃圧を下回った場合に前記ヒータを加熱側に制御することを特徴とする請求項１に記載のガス燃料エンジン。
【請求項３】
前記ヒータを制御する制御手段と、
前記ガス燃料エンジンに対する要求噴射量が所定値以上かを判定する判定手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記要求噴射量が所定値以上である場合に前記ヒータを加熱側に制御することを特徴とする請求項１に記載のガス燃料エンジン。
【請求項４】
前記デリバリパイプ内の圧力を検出するデリバリ圧検出手段と、
検出されたデリバリパイプ内の圧力と所定の目標噴射量とに基づいて噴射時間を算出する手段と、
前記目標噴射量と所定の噴射終了時期とに基づいて噴射開始時期を算出する手段と、を更に備え、
算出された噴射開始時期から前記目標噴射量のガス燃料を噴射する請求項1ないし３のいずれかに記載のガス燃料エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス燃料を利用した内燃機関に関し、特に燃料噴射圧力の制御性を高めたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車用内燃機関の燃料としてＣＮＧ（Compressed Natural Gas;圧縮天然ガス）、水素、ＬＰＧ（Liquid Petrol Gas;液体石油ガス）等のガス燃料を利用するために、各種のガス燃料エンジンが提案されている。
【０００３】
ところで、このようなガス燃料エンジンでは、燃料タンク内の燃料の残量が低下すると燃料噴射が困難となり、一回の燃料補給で走行可能な航続距離が短くなるという課題がある。
【０００４】
このような課題を解決するために、種々の技術が提案されている。例えば、筒内直噴式のガス燃料エンジンにおいて、ＣＮＧ燃料圧力が基準圧力よりも小さい場合に、吸気弁の開弁時期を早め、吸気行程または圧縮行程前半に燃料を筒内に噴射する技術（特許文献１）や、ＣＮＧ燃料圧力が規定圧力よりも低下した場合に、吸気行程における筒内噴射に切り替える技術（特許文献２）等である。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３２８９９７号公報
【特許文献２】特開２００３−２８００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これらの方法によっても、燃料タンク内の燃料圧力より高圧で燃料を噴射することはできず、噴射圧力の制御性を高める手段が要請される。
【０００７】
そこで本発明の目的は、ガス燃料エンジンにおいて噴射圧力の制御性を高めることのできる新規な手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の本発明は、ガス燃料を加圧状態で貯蔵する燃料タンクと、前記ガス燃料を噴射するための燃料噴射弁と、前記燃料タンクから吐出されるガス燃料を前記燃料噴射弁に分配するためのデリバリパイプと、を備えたガス燃料エンジンであって、前記デリバリパイプを加熱するためのヒータを更に備えたことを特徴とするガス燃料エンジンである。
【０００９】
第１の本発明では、ヒータによってデリバリパイプを加熱することにより、デリバリパイプ内のガス燃料を膨張させ、これによってガス燃料の圧力を上昇させることができるので、ガス燃料エンジンにおける噴射圧力の制御性を高めることができる。
【００１０】
第２の本発明は、前記ヒータを制御する制御手段と、前記燃料タンク内のタンク燃圧を検出するタンク燃圧検出手段と、を更に備え、前記制御手段は、前記タンク燃圧が所定の目標燃圧を下回った場合に前記ヒータを加熱側に制御することを特徴とする請求項１に記載のガス燃料エンジンである。
【００１１】
第２の本発明では、タンク燃圧が所定の目標燃圧を下回った場合にヒータを加熱側に制御するので、燃料の残量が少ない場合などに本発明を好適に利用できる。
【００１２】
第３の本発明は、前記ヒータを制御する制御手段と、前記ガス燃料エンジンに対する要求噴射量が所定値以上かを判定する判定手段と、を更に備え、前記制御手段は、前記要求噴射量が所定値以上である場合に前記ヒータを加熱側に制御することを特徴とする請求項１に記載のガス燃料エンジンである。
【００１３】
第３の本発明では、要求噴射量が所定値以上である場合にヒータを加熱側に制御するので、要求噴射量が高い領域などにおいて本発明を好適に利用でき、噴射圧力のダイナミックレンジを拡張することも可能になる。
【００１４】
第４の本発明は、前記デリバリパイプ内の圧力を検出するデリバリ圧検出手段と、検出されたデリバリパイプ内の圧力と所定の目標噴射量とに基づいて噴射時間を算出する手段と、前記目標噴射量と所定の噴射終了時期とに基づいて噴射開始時期を算出する手段と、を更に備え、算出された噴射開始時期から前記目標噴射量のガス燃料を噴射する請求項1ないし３のいずれかに記載のガス燃料エンジンである。
【００１５】
第４の本発明では、デリバリパイプの加熱による昇圧を、燃料噴射時間の短縮に利用でき、これによって、本発明を筒内直噴式のガス燃料エンジンに適用する場合にも、吸気行程噴射の短縮ないし回避により充填効率の低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。なお、以下に示される実施形態やその変形はあくまで例示にすぎず、これらにより本発明が限定されるわけではない。
【００１７】
図１は、この発明の第１実施形態に係るＣＮＧエンジン１０の概略構成を示す断面図である。ＣＮＧエンジン１０は、インジェクタ（筒内噴射用インジェクタ）１７によってＣＮＧ燃料を燃焼室１０ａに直接噴射する筒内直噴式の内燃機関である。
【００１８】
燃焼室１０ａは、シリンダボアと不図示のシリンダヘッド、およびシリンダボア内に往復動自在に配設されたピストンとによって構成されている。なおピストンの上面の吸気側部分には、成層燃焼を成立させるために凹状のキャビティが形成されている。この燃焼室１０ａのほぼ中央には、点火プラグが配設されている。また、燃焼室１０ａに臨む吸気ポートには吸気弁が配設され、排気ポートには排気弁が配設されている。インジェクタ１７は燃焼室１０ａの吸気弁の近傍に配設されている。なお、排気系統の構成は図示を省略してある。
【００１９】
ＣＮＧエンジン１０は、基本的には通常の直噴式のガソリンエンジンと同様の構成となっているが、ＣＮＧ燃料を供給できるようにするために、燃料供給系統の構成がガソリンエンジンの場合と異なっている。
【００２０】
ＣＮＧ燃料タンク１２は、ＣＮＧ燃料を高圧（例えば、最大２０ＭＰａ程度）の加圧状態で貯蔵するためのボンベである。ＣＮＧ燃料タンク１２には、その内部の圧力を検出する圧力センサ１２ａと、温度を検出する温度センサ１２ｂとが設けられている。
【００２１】
デリバリパイプ１３は、後述する高圧レギュレータ１５を経て圧送されてきたＣＮＧ燃料を各インジェクタ１７に分配するためのものであり、当該デリバリパイプ１３内の圧力を検出する圧力センサ１３ａと、温度を検出する温度センサ１３ｂとを備えている。
【００２２】
ＣＮＧ燃料タンク１２とデリバリパイプ１３とは、燃料供給パイプ１４によって接続されている。燃料供給パイプ１４の中途には、高圧レギュレータ１５が設けられており、これによって、ＣＮＧ燃料タンク１２から圧送されたＣＮＧ燃料の圧力が所定のレギュレータ圧Ｐａ（例えば、５ＭＰａ程度）まで減圧される。燃料供給パイプ１４には、ＣＮＧ燃料タンク１２からデリバリパイプ１３に向かう方向（図中Ａ方向）にのみ燃料を流通できる逆止弁２３が設置されている。
【００２３】
デリバリパイプ１３には、これを加熱するためのヒータ２０が設置されている。ヒータ２０には、ＰＴＣヒータなどの急速加熱が可能なものが好適である。ヒータ２０には、これに給電するための電圧供給回路２１が接続されている。電圧供給回路２１は、バッテリ２２からの直流電圧を昇圧して任意の電圧値およびタイミングでヒータ２０に給電するものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を含んで構成されている。
【００２４】
デリバリパイプ１３には、該デリバリパイプ１３内が所定のリリーフ圧を超えないように圧力を制御するためのリリーフ弁２４が設置され、また、リリーフ弁２４からの燃料を燃料供給パイプ１４に戻すためのリリーフ管路２５が接続されている。リリーフ弁２４の設定圧力ＰＲは、レギュレータ圧Ｐａより充分に高く、かつ部品等が耐えられるような値に設定されている（ＰＲ＝Ｐａ＋α）。リリーフ管路２５には、デリバリパイプ１３から燃料供給パイプ１４に向かう方向（図中Ｂ方向）にのみ燃料を流通できる逆止弁２６が設置されている。リリーフ管路２５の出口と燃料供給パイプ１４との接続点は、逆止弁２３に対してデリバリパイプ１３の側である。
【００２５】
エンジン電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよび入出力インターフェイスを備えたワンチップマイクロプロセッサである。エンジンＥＣＵ３０の入力側には、デリバリパイプ１３の圧力センサ１３ａおよび温度センサ１３ｂ、ＣＮＧ燃料タンク１２の圧力センサ１２ａおよび温度センサ１２ｂのほか、車室内に設けられたイグニッションスイッチ３１、ＣＮＧエンジン１０のクランク軸の近傍に設けられたクランク角センサ３２、駆動輪の近傍に設けられた車速センサ３３、アクセルペダルの近傍に設けられたアクセル開度センサ３４等の各種センサが接続されている。エンジンＥＣＵ３０の出力側には、インジェクタ１７および高圧レギュレータ１５のほか、点火栓を制御する給電回路などが接続されている。エンジンＥＣＵ３０は、エンジンＥＣＵ３０は、ＲＯＭに格納されたプログラムおよび各種のマップに従って、各種センサからの信号を入力し、その入力信号に基づいて演算処理を実行し、その演算結果に基づき各種アクチュエータ用の制御信号を出力することにより、以下に述べる燃料噴射制御処理のほか、本発明とは別途に行われる点火時期制御等を実行する。
【００２６】
以上のとおり構成された第１実施形態における燃料噴射制御処理について、以下に説明する。図２において、まず、ＣＮＧエンジン１０が動作中かが判定される（Ｓ１０）。この判定は、イグニッションスイッチ３１やクランク角センサ３２からの信号に基づいて行われる。
【００２７】
ＣＮＧエンジン１０が動作中の場合には、次に、デリバリパイプ１３内の圧力が、高圧レギュレータ１５の設定圧力に所定の安全係数を乗じた値と比較され、前者が後者より低いかが判定される（Ｓ２０）。この場合の安全係数は、正常バラツキ時との明確な区別が出来、燃料の圧力があまり低下しないうちに加熱処理を開始するために、１よりわずかに小さい値とする。ここで否定の場合には、通常の燃焼制御が行われる（Ｓ３０）。ここでの通常の燃焼制御は、アクセル開度センサ３４からの信号に基づいて算出されるアクセルペダルの踏み込み量と、クランク角センサ３２からの信号に基づいて算出される現在のエンジン回転数、および車速センサ３３からの信号に基づいて算出される車速などに基づいて、要求噴射量を算出すると共に、その要求噴射量と燃料圧力・燃料温度とに基づいて、実際の燃料噴射量が要求噴射量に一致するようにインジェクタ１７を制御する一連の処理であり、特に本実施形態では、後述するデリバリパイプ１３の加熱に伴う補正（Ｓ８０）や、燃料残少時の処理（Ｓ１１０）が行われていないものをいう。
【００２８】
ステップＳ２０で肯定の場合、つまりデリバリパイプ１３内の圧力が低下している場合には、まず、運転者に対して燃料残量が少ない旨の警告出力が行われる（Ｓ４０）。この警告出力は、例えば車室内に設けられた警告灯の点灯によって行うのが好適である。
【００２９】
次に、ヒータ２０への通電がオンされる（Ｓ５０）。この通電によってデリバリパイプ１３が加熱され、デリバリパイプ１３内のＣＮＧ燃料の膨張によって燃料圧力が上昇させられる。
【００３０】
次に、デリバリパイプ１３内の温度および圧力が、温度センサ１３ｂおよび圧力センサ１３ａからの信号に基づいて検出される（Ｓ６０）。そして、デリバリパイプ１３内の圧力が、通常燃焼制御範囲内かが判定される（Ｓ７０）。ここにいう通常燃焼制御範囲とは、燃料が不足でない状態であって、いわゆる均質燃焼と成層燃焼とを実現するための燃料供給が可能なデリバリパイプ１３内の燃料圧力範囲をいい、制御範囲外とは、燃料の残圧が極端に少なくなり、本制御での圧力上昇によっても圧力が低すぎて均質燃焼と成層燃焼とを実現するための燃料供給が困難と考えられる場合をいう。制御範囲外の場合には、燃料残少時の制御に切り替えられ（Ｓ１１０）、例えば吸気行程噴射など、高い燃料圧力を必要としない動作方式によって運転が継続される。この燃料残少時の制御では、それ以前の通常の運転制御の場合に比べて、燃費や出力が抑制されることになる。
【００３１】
デリバリパイプ１３内の圧力が、通常燃焼制御範囲内である場合には、デリバリパイプ１３内の温度・圧力による噴射量の補正のみが実施され、通常の燃焼制御（均質燃焼、成層燃焼）が行われる（Ｓ８０）。
【００３２】
次に、デリバリパイプ１３内の圧力が、リリーフ弁２４が設定するリリーフ圧に近いか（すなわち、リリーフ圧から所定の余裕値だけ低い値を上回るか）が判断され（Ｓ９０）、肯定の場合には、ヒータ２０による加熱が停止される（Ｓ１００）。また、デリバリパイプ１３内の圧力がリリーフ圧に近くない場合には、ヒータ２０の通電がオン（Ｓ５０）されてからの経過時間（加熱処理開始からの累積加熱時間）が所定の規定時間と比較され（Ｓ１２０）、規定時間に達した場合にはヒータ２０による加熱が停止される（Ｓ１００）。このようにして、ステップＳ６０ないしＳ８０の処理は、デリバリパイプ１３内の圧力がリリーフ圧を超えないように、且つ規定時間が経過するまでの間、繰り返し実行される。
【００３３】
以上のとおり、本実施形態では、ヒータ２０によってデリバリパイプ１３を加熱することにより（Ｓ５０）、デリバリパイプ１３内のＣＮＧ燃料を膨張させ、これによってＣＮＧ燃料の圧力を上昇させることができるので、ＣＮＧエンジン１０における噴射圧力の制御性を高めることができる。
【００３４】
また本実施形態では、燃料タンク１２の燃圧が所定の目標燃圧を下回った場合に（Ｓ２０）ヒータ２０を加熱側に制御するので、燃料の残量が少ない場合に本発明の構成を好適に利用できる。
【００３５】
また本実施形態では、燃料供給パイプ１４に、ＣＮＧ燃料タンク１２からデリバリパイプ１３に向かう方向にのみ燃料を流通できる逆止弁２３を設けたので、デリバリパイプ１３内の圧力を効率よく上昇させることができる。
【００３６】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。ガス燃料噴射用のインジェクタは一般に、アイドリング時のＱmin（最小燃料流量）を満足している一方、ＷＯＴ（全負荷）時のような高噴射流量側において、燃料の全量を圧縮行程噴射できるだけのダイナミックレンジは確保されていない場合が少なくない。このようなインジェクタを使用する場合、要求噴射量が大きいときには、燃料噴射時間を長くするため、噴射時間を吸気弁の閉弁後の圧縮行程中だけでなく、吸気弁の閉弁前の吸気行程中から開始する必要が生じうる。しかし、吸気行程中の燃料噴射では、噴射される燃料の体積に応じて吸入空気量が減少するため、充填効率ダウンによる出力不足（燃費不足）を招いてしまう。
【００３７】
そこで第２実施形態は、要求噴射量が所定値以上である場合にヒータ２０を加熱側に制御することで、ダイナミックレンジの不足を高噴射流量側で補おうとするものである。
【００３８】
噴射終了時期と点火時期との間にある程度のインターバルがないと、噴射された燃料と空気とが十分に混合されない。本実施形態では、このようなミキシングに必要な点火−噴射終了の時間を回転数と燃料量とに応じてエンジンに固有の値として定義した最小インターバルマップ（図４参照）を予め用意し、エンジンＥＣＵ３０の記憶領域に記憶させておく。なお、第２実施形態の機械的構成は上記第１実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
【００３９】
第２実施形態における燃料噴射制御処理について説明する。図３において、まず、ＣＮＧエンジン１０が動作中かが判定される（Ｓ２１０）。この判定は、上記第１実施形態におけるものと同様に、イグニッションスイッチ３１やクランク角センサ３２からの信号に基づいて行われる。
【００４０】
エンジンが動作中の場合には、次に、加熱補正制御の運転領域かが判定される（Ｓ２２０）。この運転領域は、高噴射領域かつ均質燃焼領域であって、かつインジェクタ１７のダイナミックレンジ不足により噴射開始時期が吸気行程になり、結果的に充填効率ダウンによる出力不足（燃費不足）を招くような領域である。
【００４１】
肯定の場合には、ヒータ２０への通電がオンされる（Ｓ２４０）。この通電によってデリバリパイプ１３が加熱され、デリバリパイプ１３内のＣＮＧ燃料の膨張によって燃料圧力が上昇させられる。なお、高噴射量の際にはデリバリパイプ１３内の温度が比較的低くなる傾向があるため、この加熱処理はそれだけ有効に作用するものと考えられる。
【００４２】
ヒータ２０への通電後、デリバリパイプ１３内の温度および圧力が、温度センサ１３ｂおよび圧力センサ１３ａからの信号に基づいて検出され（Ｓ２５０）、温度および圧力により噴射期間（噴射量）が再算出される（Ｓ２６０）。
【００４３】
次に、上述した点火−噴射完了の最小インターバルマップの参照により、噴射終了時期を決定し（Ｓ２７０）、この噴射終了時期から上記ステップＳ２６０で再算出した噴射期間を減ずることで噴射開始時期を再定義する（Ｓ２８０）。ここで再定義された噴射開始時期から実際の燃料噴射が行われることになる。
【００４４】
次に、デリバリパイプ１３内の圧力が、リリーフ弁２４が設定するリリーフ圧に近いか（すなわち、リリーフ圧から所定の余裕値だけ低い値を上回るか）が判断され（Ｓ２９０）、肯定の場合には、ヒータ２０による加熱が停止される（Ｓ３００）。また、デリバリパイプ１３内の圧力がリリーフ圧に近くない場合には、ヒータ２０の通電がオン（Ｓ２４０）されてからの経過時間（加熱処理開始からの累積加熱時間）が所定の規定時間と比較され（Ｓ３１０）、規定時間に達した場合にはヒータ２０による加熱が停止される（Ｓ１００）。このようにして、ステップＳ２４０ないしＳ２８０の処理は、デリバリパイプ１３内の圧力がリリーフ圧を超えないように、且つ規定時間が経過するまでの間、繰り返し実行される。
【００４５】
以上のとおり、本実施形態では、要求噴射量が所定値以上である場合にヒータ２０を加熱側に制御するので（Ｓ２４０）、要求噴射量が高い領域において本発明の構成を好適に利用でき、噴射圧力のダイナミックレンジを実質的に拡張することも可能になる。
【００４６】
また本実施形態では、デリバリパイプ１３の加熱による昇圧を、全体の燃料噴射時間の短縮に利用でき、これによって、吸気行程における噴射時間の短縮ないし回避により充填効率の低下を抑制できる。
【００４７】
なお、上記第１実施形態における燃料残量に基づくヒータの加熱制御と、上記第２実施形態における要求噴射量に基づくヒータの加熱制御とを単一のエンジンについて併用してもよい。また、上記各実施形態ではヒータ２０としてＰＴＣヒータを利用したが、本発明におけるヒータとしては他の種類の電熱式ヒータを利用してもよく、さらに、冷却水や排気などのエンジンの排熱を利用したヒータを加熱手段として利用してもよい。
【００４８】
また、上記各実施形態では均質燃焼と成層燃焼とを切り替える機能を有するＣＮＧエンジン１０に本発明を適用した例について説明したが、本発明はエンジンの燃焼方式にかかわらず適用できる。また上記各実施形態では、圧縮行程噴射と吸気行程噴射とを行うＣＮＧエンジン１０に本発明を適用した例について説明したが、本発明はいずれか一方のみを行うエンジンにも適用できる。また、上記各実施形態では筒内直噴式のエンジンについて本発明を適用した例について説明したが、本発明は筒内直噴式のエンジンに限らずポート噴射式のエンジンにも適用できる。さらに、上記各実施形態ではＣＮＧ機関について本発明を適用した例について説明したが、本発明はＬＰＧ機関等の他の種類の気体燃料エンジンについても広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係るＣＮＧエンジンの全体概要図である。
【図２】本発明の第１実施形態における燃料噴射制御処理を示すフロー図である。
【図３】本発明の第２実施形態における燃料噴射制御処理を示すフロー図である。
【図４】噴射−点火終了の時間を定義した最小インターバルマップを示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１              ガス燃料エンジン
１２            ＣＮＧ燃料タンク
１３            デリバリパイプ
１７            インジェクタ
２０            ヒータ
２３，２６      逆止弁
２４            リリーフ弁
３０            電子制御装置（ＥＣＵ）
【図１】
2005163728.tif 000003
【図２】
2005163728.tif 000004
【図３】
2005163728.tif 000005
【図４】
2005163728.tif 000006