WO2015029314A1 - Engine control device - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to an engine control device, and more particularly, to an engine control device applied to an engine capable of supplying gaseous fuel and liquid fuel.
- Patent Document 1 discloses fuel injection control of a bi-fuel engine using gaseous fuel and liquid fuel.
- This disclosure is intended to provide an engine control device capable of achieving both high output and improved emission during engine operation using gaseous fuel.
- GNG fuel such as CNG is low in fuel cost and excellent in emission, and is useful as an engine fuel.
- the octane number is higher than that of liquid fuels such as gasoline and alcohol, and knocking is less likely to occur, high-efficiency combustion at the optimal ignition timing is possible.
- the gaseous fuel has a lower energy density than the liquid fuel, there is a characteristic that during high load operation, the torque is lower than when the liquid fuel is used due to a decrease in the intake air amount. Therefore, when performing a high load operation using gaseous fuel, it is conceivable that the intake valve closing timing is brought close to the intake bottom dead center of the engine, and the effective compression ratio of the engine is increased to improve the torque.
- the fuel supply in one combustion cycle of the engine is changed to the injection of gaseous fuel.
- the configuration is implemented by injecting liquid fuel. That is, in an engine operating state in which valve overlap occurs, part of the fuel used is replaced with liquid fuel that is heavier than gaseous fuel and has a high degree of freedom in setting the injection timing. As a result, it is possible to suppress blowout of unburned fuel during the valve overlap period, and it is possible to achieve both high output and improved emission even during engine operation using gaseous fuel.
- the block diagram which shows the outline of the fuel-injection system of an engine.
- the timing chart in the case of injecting gaseous fuel independently when the intake valve closing timing approaches the intake bottom dead center.
- the timing chart which shows the specific aspect in the case of injecting gaseous fuel and liquid fuel when the intake valve closing timing approaches the intake bottom dead center.
- the figure which shows the relationship between the amount of advance of intake valve closing timing, and the quantity of unburned fuel in exhaust_gas
- the flowchart which shows the process sequence of engine control.
- FIG. 1 shows an overall schematic diagram of a fuel injection system of a bi-fuel engine that uses compressed natural gas (CNG) as a gaseous fuel and gasoline as a liquid fuel.
- CNG compressed natural gas
- the intake system 11 is an inline three-cylinder spark ignition engine, and an intake system 11 and an exhaust system 12 are connected to an intake port and an exhaust port, respectively.
- the intake system 11 has an intake manifold 13 and an intake pipe 14.
- the intake manifold 13 has a plurality of (the number of cylinders of the engine 10) branch pipe portions 13a connected to the intake port of the engine 10 and a collective portion 13b connected to the intake pipe 14 on the upstream side.
- the intake pipe 14 is provided with a throttle valve 15 as air amount adjusting means.
- the throttle valve 15 is configured as an electronically controlled throttle valve whose opening degree is adjusted by a throttle actuator 15a such as a DC motor.
- the opening of the throttle valve 15 (throttle opening ⁇ t) is detected by a throttle opening sensor 15b incorporated in the throttle actuator 15a.
- the exhaust system 12 has an exhaust manifold 16 and an exhaust pipe 17.
- the exhaust manifold 16 has a plurality of (the number of cylinders of the engine 10) branch pipe portions 16a connected to the exhaust port of the engine 10 and a collective portion 16b connected to the exhaust pipe 17 on the downstream side. Yes.
- the exhaust pipe 17 is provided with an exhaust sensor for detecting exhaust components and a catalyst 19 for purifying the exhaust.
- an air-fuel ratio sensor 18 that detects the air-fuel ratio from the oxygen concentration in the exhaust is provided.
- the intake port and exhaust port of the engine 10 are provided with an intake valve 25 and an exhaust valve 26 as engine valves, respectively.
- the air / fuel mixture is introduced into the cylinder 24 by the opening operation of the intake valve 25, and the exhaust gas after combustion is discharged into the exhaust passage by the opening operation of the exhaust valve 26.
- Each of the intake valve 25 and the exhaust valve 26 is provided with an intake valve drive mechanism 28 and an exhaust valve drive mechanism 29 as variable valve mechanisms that make the valve opening periods of the valves 25 and 26 variable.
- Each valve drive mechanism 28, 29 adjusts the advance amount (phase angle) of the intake cam shaft or the exhaust cam shaft with respect to the crankshaft of the engine 10.
- a spark plug 20 is provided in each cylinder 24 of the engine 10.
- a high voltage is applied to the ignition plug 20 at a desired ignition timing through an ignition device 20a having an ignition coil. By applying this high voltage, a spark discharge is generated between the opposing electrodes of each spark plug 20, and the fuel introduced into the cylinder 24 (combustion chamber) is ignited and used for combustion.
- the present system also includes a first injection valve 21 that injects gaseous fuel (CNG) and a second injection valve 22 that injects liquid fuel (gasoline) having a lower octane number than the gaseous fuel.
- the first injection valve 21 injects fuel into the branch pipe portion 13 a of the intake manifold 13.
- the second injection valve 22 directly injects fuel into the cylinder 24.
- the gaseous fuel supply unit 40 that supplies gas fuel to the first injection valve 21 and the liquid fuel supply unit 70 that supplies liquid fuel to the second injection valve 22 will be described.
- the gaseous fuel supply unit 40 is provided with a gas pipe 41 that connects the gas tank 42 and the first injection valve 21.
- the gas pipe 41 is provided with a regulator 43 that adjusts the pressure of the gaseous fuel supplied to the first injection valve 21 to reduce the pressure.
- the regulator 43 is configured so that gaseous fuel in a high pressure state (for example, a maximum of 20 MPa) stored in the gas tank 42 is a predetermined set pressure (for example, in a range of 0.2 to 1.0 MPa) that is an injection pressure of the first injection valve 21. The pressure is adjusted to be constant.
- the gaseous fuel after the decompression adjustment is supplied to the first injection valve 21 through the gas pipe 41.
- the interface 85 includes a throttle opening sensor 15b, an air-fuel ratio sensor 18, pressure sensors 46a and 46b, temperature sensors 47a and 47b, and other sensors (crank angle sensor, cam angle sensor, air flow meter, intake pipe pressure sensor, cooling).
- a water temperature sensor, a vehicle speed sensor, an accelerator sensor, etc. are electrically connected, and outputs (detection signals) from these sensors are transmitted to the CPU 81.
- the interface 85 is electrically connected to the throttle actuator 15a, the ignition device 20a, and the drive units of the injection valves 21 and 22, and outputs the drive signal sent from the CPU 81 to the drive unit. Drive the drive unit.
- the intake side valve drive mechanism 28 determines the intake valve 25 closing timing (intake valve closing timing) as the intake bottom dead center of the engine 10. It is conceivable to increase the effective compression ratio (actual compression ratio) of the engine 10 (see FIG. 2).
- the injection start timing corresponding to each fuel injection amount is calculated with reference to the preset injection end timing. Further, the energization control of the first injection valve 21 is performed so that the gaseous fuel is injected from the first injection valve 21 at the calculated injection start timing.
- the injection end timing of the first injection valve 21 is set at or near the intake top dead center.
- the intake valve closing timing When the intake valve closing timing is retarded from the intake bottom dead center, the intake valve closing timing is advanced to approach the intake bottom dead center, thereby increasing the effective compression ratio of the engine 10.
- the mechanism advances the intake valve opening timing (opening timing of the intake valve 25) in accordance with the advance angle of the intake valve closing timing. Therefore, if the effective compression ratio is to be increased, the period TVL in which the valve opening period of the intake valve 25 and the valve opening period of the exhaust valve 26 overlap is increased. In such a case, there is a concern that blowout of unburned fuel that has been injected before or during the valve overlap period increases, leading to deterioration in emissions and engine output.
- gaseous fuel when using gaseous fuel during high-load operation, the engine output decreases due to a decrease in the intake air amount accompanying the injection of the gaseous fuel, and an attempt is made to increase the effective compression ratio of the engine 10 to compensate for this output decrease.
- the emission of unburned fuel during the valve overlap period causes deterioration of emissions and engine output.
- gaseous fuel has a smaller inertia (lighter) than liquid fuel, and therefore, fuel blowout easily occurs during a valve overlap period in a high load region where intake pressure is high.
- it is effective to inject fuel after compression top dead center or after the end of the valve overlap period. The time is long and the degree of freedom in setting the injection timing is small.
- the present inventors have attempted to replace part of the gaseous fuel injected in one combustion cycle of the engine 10 with liquid fuel. Further, according to this attempt, during high load operation using gaseous fuel, the intake valve closing timing is brought close to the intake bottom dead center to increase the effective compression ratio of the engine 10, and the fuel within one combustion cycle of the engine 10 is increased.
- the structure (refer FIG. 3) which implements supply of this by the injection of the gaseous fuel by the 1st injection valve 21, and the injection of the liquid fuel by the 2nd injection valve 22 was examined. According to such a configuration, it has been found that it is possible to achieve both high output of the engine 10 and emission improvement even during engine high load operation using gaseous fuel.
- FIG. 4 is a diagram showing a result of confirmation that the effect of reducing the unburned fuel in the exhaust gas can be obtained by using the gaseous fuel and the liquid fuel when the intake valve closing timing is brought close to the intake bottom dead center.
- the horizontal axis of FIG. 4 represents the advance amount [deg. CA] of the intake valve closing timing when the intake valve closing timing approaches the intake bottom dead center, and the vertical axis represents the advance of the intake valve closing timing.
- the amount of change in HC in the exhaust is shown.
- FIG. 4 shows the results of an experiment under the conditions of WOT using CNG as the gaseous fuel and gasoline as the liquid fuel. At this time, as shown in FIG.
- This processing is performed when the engine is operated using gaseous fuel, for example, when the use of gaseous fuel is selected by the fuel selection switch, or when the gaseous fuel is selected by the CPU 81. This is executed by the CPU 81 at predetermined intervals.
- the control unit 80 reads the parameter X related to the engine operating state.
- the parameter X includes at least one of the accelerator opening degree ⁇ a, the throttle opening degree ⁇ t, the intake air amount Ga, the intake pipe pressure Pim, the maximum in-cylinder pressure Pmax, the engine rotational speed Ne, and the shaft torque Tq.
- the accelerator opening ⁇ a is detected by an accelerator sensor
- the intake air amount Ga is detected by an air flow meter.
- the intake pipe pressure Pim is detected by an intake pipe pressure sensor
- the engine rotational speed Ne is detected by a crank angle sensor.
- the maximum in-cylinder pressure Pmax may be detected directly by attaching a sensor for detecting the in-cylinder pressure, or may be estimated by calculation.
- the shaft torque Tq may be directly detected by attaching a torque sensor, for example, or may be estimated by calculation.
- the control unit 80 determines whether or not there is a compression ratio increase request for changing the compression ratio of the engine 10 to the increase side based on the read parameter X (request determination unit).
- the parameter X is compared with the determination value to determine whether or not there is a request to place the engine 10 in a predetermined high load state or a predetermined high rotation state.
- the control unit 80 determines that there is a compression ratio increase request when the parameter X exceeds the determination value, and determines that there is no compression ratio increase request when the parameter X is equal to or less than the determination value.
- the compression ratio is determined by comparing the time differential value of the parameter X with the determination value, or comparing the amount of change of the parameter X per unit angle and the determination value. It may be configured to determine whether or not there is an increase request.
- it includes at least one of the case where the remaining amount of liquid fuel in the fuel tank 72 is below a predetermined value and the case where an abnormality occurs in any of the liquid fuel supply units 70.
- the advance angle of the intake valve closing timing IVC toward the intake bottom dead center is limited (advance angle is prohibited).
- step S103 When the advance angle of the intake valve closing timing is selected in step S103, the process proceeds to step S104, and the control unit 80 sends a drive command to advance the valve opening period of the intake valve 25 to the intake side valve drive mechanism 28. Output. As a result, the intake valve closing timing is advanced by the intake side valve drive mechanism 28, and the intake valve closing timing approaches the intake bottom dead center.
- step S105 fuel injection control (subroutine in FIG. 8) for injecting gaseous fuel and liquid fuel is performed.
- FIG. 6 is an experimental result showing a transition of change in the shaft torque [Nm] when the supply ratio (mass ratio) [%] of the gaseous fuel with respect to the total supply amount of fuel in one combustion cycle is changed.
- FIG. 6 shows the result of an experiment under the conditions of WOT (Wide Open Throttle) using CNG as the gaseous fuel and gasoline as the liquid fuel.
- WOT Wide Open Throttle
- the gaseous fuel is injected with the vicinity of the intake top dead center as the injection end timing, and the liquid fuel is injected after the valve overlap period and the intake valve is opened (see FIG. 3).
- the axial torque gradually increases as the gaseous fuel supply ratio is decreased from 100 mass%, and the axial torque becomes maximum when the gaseous fuel supply ratio is about 50 mass%.
- the shaft torque tends to decrease with the decrease of the supply ratio of the gaseous fuel.
- the larger the valve overlap amount the lower the gaseous fuel supply ratio ⁇ g (the higher the liquid fuel supply ratio).
- the gaseous fuel is 100%
- both gaseous fuel and liquid fuel are injected.
- the supply ratio of the gaseous fuel is set between the lower limit value RC2 (40% by mass in the present embodiment) and the upper limit value RC1 (100% by mass in the present embodiment), and the valve overlap amount is large. Accordingly, the supply ratio ⁇ g of the gaseous fuel is converged to the lower limit value RC2.
- step S201 the control unit 80 calculates the valve overlap amount VOL after the compression ratio is increased based on the engine operating state.
- the higher the engine rotation speed or the higher the engine load the more the engine effective compression ratio is set to the increasing side, thereby setting the valve overlap amount VOL to a larger value.
- step S202 based on the calculated valve overlap amount VOL, the control unit 80 calculates the supply ratio ⁇ g of gaseous fuel with respect to the total supply amount of fuel in one combustion cycle.
- the map of FIG. 7 is stored in the ROM 82 in advance, and the controller 80 calculates the supply ratio ⁇ g corresponding to the valve overlap amount VOL using the map.
- step S203 the control unit 80 calculates the injection times of the first injection valve 21 and the second injection valve 22 based on the calculated supply ratio ⁇ g of the gaseous fuel, and based on the calculated injection time, The injection start timing and the injection end timing of the first injection valve 21 and the second injection valve 22 are respectively calculated.
- the injection end timing corresponding to each fuel injection amount is calculated with reference to a predetermined injection start timing.
- the liquid fuel injection start timing is set behind the gaseous fuel injection end timing and is set after the end of the valve overlap period. Therefore, as shown in FIG. 3, in one combustion cycle, the first fuel injection is first performed by the first injection valve 21, and after the end of the valve overlap period after the end of the injection of the gaseous fuel, the second Liquid fuel is injected by the injection valve 22.
- FIG. 9 shows a specific aspect of the configuration in which the injection timing is retarded when the intake valve closing timing IVC is advanced toward the intake bottom dead center.
- broken lines (b) and (c) indicate a case where the intake valve closing timing is not changed to the advance side, and a solid line indicates a case where the intake valve closing timing is advanced.
- the injection end timing of the gaseous fuel is set to a predetermined reference end timing (in FIG. 9, the intake top dead center). Or the vicinity thereof). At that time, it is desirable that the gaseous fuel injection start timing be after the end of the valve overlap period or after the intake top dead center.
- an electromagnetic drive type pressure adjustment mechanism (regulator 43) is provided as an injection rate adjustment means, and gas in a high pressure state (for example, 20 MPa at maximum) is stored in the gas tank 42 by energization control to the electromagnetic drive unit of the regulator 43.
- the fuel is depressurized and the injection pressure of the first injection valve 21 is variably adjusted.
- FIG. 10 shows a specific mode of the gaseous fuel injection mode when the intake valve closing timing IVC is advanced toward the intake bottom dead center.
- the broken line (c) indicates the injection timing when the gaseous fuel is injected at the first injection rate ⁇ 1, which is the injection rate during normal travel (when the compression ratio is not changed to the increasing side), and is a solid line Indicates the injection timing when the gaseous fuel is injected at a second injection rate ⁇ 2 higher than the first injection rate ⁇ 1.
- the gaseous fuel injection end timing is set to a predetermined reference end timing (for example, intake top dead center or The gas fuel is injected at the second injection rate ⁇ 2 while being changed to the retard side from the vicinity thereof. Liquid fuel is injected after the end of the valve overlap period during the intake valve opening period. This makes it possible to avoid fuel injection during the valve overlap period.
- the fuel supply ratio may be made variable based on the engine speed. . Specifically, the higher the engine speed, the higher the liquid fuel supply ratio relative to the total fuel supply amount within one combustion cycle of the engine. In general, knocking is likely to occur in a low rotation and high load region, and knocking is less likely to occur as the rotation speed increases. On the other hand, the higher the rotation speed, the longer the crank period required for injection, and the more difficult it is to avoid fuel blow-through.
- the supply ratio of the gaseous fuel is set to be high, knocking is unlikely to occur, and the fuel In the high rotation range where it is difficult to avoid the blow-through of the fuel, the liquid fuel supply ratio is set high.
- the map of FIG. 7 is stored in the ROM. Then, using the map, the gas fuel supply ratio ⁇ g and the liquid fuel supply ratio are calculated based on the valve overlap amount and the engine speed when the intake valve closing timing IVC is close to the intake bottom dead center. The configuration.
- valve overlap amount after advance is larger than a predetermined amount
- injection of two fuels, gaseous fuel and liquid fuel is performed, otherwise, single injection of gaseous fuel is performed.
- both fuels may be injected even when the valve overlap amount is a predetermined amount or less.
- the exhaust side valve drive mechanism 29 causes the valve closing timing EVC of the exhaust valve 26 to be advanced. While changing, it is good also as a structure which injects both fuel of gaseous fuel and liquid fuel.
- the valve overlap amount can be reduced by the advance angle of the exhaust valve closing timing EVC, and blowout of unburned fuel can be reduced.
- the intake side valve drive mechanism 28 is configured to adjust the intake valve closing timing by variably controlling the phase angle of the opening / closing timing of the intake valve 25.
- the intake valve closing timing may be adjusted by variably controlling the operating angle (lift amount) of the intake valve 25.
- the exhaust valve 26 when the intake valve closing timing IVC is advanced toward the intake bottom dead center, the exhaust valve 26 The valve overlap amount may be reduced by changing the lift amount.
- FIG. 12 shows a timing chart when the valve overlap amount is reduced by changing the lift amount of the exhaust valve 26.
- the broken line in (a) indicates the valve opening period before the lift amount change
- the solid line indicates the valve opening period after the lift amount change.
- the second injection valve 22 is a direct injection type, but may be a port injection type.
- the gas fuel is CNG, but other gas fuels that are gaseous in the standard state can also be used.
- the liquid fuel may be any fuel that has a lower knock resistance than the gaseous fuel, and examples thereof include alcohol in addition to gasoline.
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Abstract
Description
本開示は、2013年9月2日に出願された日本出願番号2013-181637号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。 This disclosure is based on Japanese Patent Application No. 2013-181637 filed on September 2, 2013, the contents of which are incorporated herein by reference.
本開示は、エンジン制御装置に関し、詳しくは 気体燃料及び液体燃料を供給可能なエンジンに適用されるエンジン制御装置に関する。 The present disclosure relates to an engine control device, and more particularly, to an engine control device applied to an engine capable of supplying gaseous fuel and liquid fuel.
圧縮天然ガス(CNG)等の気体燃料を燃焼させて駆動するエンジンが知られている。気体燃料は、ガソリンなどの液体燃料と燃料性状が相違する。例えば、CNGとガソリンとを比較した場合、CNGはガソリンに比べてエネルギ密度が小さいが、ノッキングが発生しにくいといった特性を有する。このような燃料性状の違いを考慮し、特許文献1には気体燃料と液体燃料とを用いるバイフューエルエンジンの燃料噴射制御が開示されている。
Engines that are driven by burning gaseous fuel such as compressed natural gas (CNG) are known. Gaseous fuel is different in fuel properties from liquid fuel such as gasoline. For example, when CNG and gasoline are compared, CNG has a characteristic that the energy density is smaller than gasoline, but knocking hardly occurs. In consideration of such differences in fuel properties,
特許文献1に開示された燃料噴射制御では、エンジン回転速度が設定回転速度未満の運転域で液体燃料を使用する場合には、エンジン高負荷時において気体燃料の有効圧縮比を低下させることにより、圧縮上死点近傍における気筒内温度の上昇を抑えて、ノッキングを抑制するようにしている。一方、出力の確保が難しい気体燃料の使用時には、相対的に高い有効圧縮比とすることによって出力の確保を図るようにしている。
In the fuel injection control disclosed in
気体燃料と液体燃料とを使用可能なバイフューエルエンジンにおいては、通常は燃料コストが安く、かつエミッションにも優れた気体燃料を優先的に使用して運転することが望ましい。その一方で、吸気閉弁時期の進角に合わせて吸気開弁時期が進角される構成では、気体燃料の使用時に吸気閉弁時期を吸気下死点に向けて進角させることによってエンジンの有効圧縮比を高める場合、有効圧縮比を増大しようとするとバルブオーバーラップ期間が増加する。かかる場合、オーバーラップ期間中に未燃燃料の吹き抜けが増加し、エミッション悪化やエンジン出力低下を招く可能性がある。 In a bi-fuel engine that can use gaseous fuel and liquid fuel, it is usually desirable to operate by using gaseous fuel with low fuel cost and excellent emission. On the other hand, in the configuration in which the intake valve opening timing is advanced in accordance with the advance angle of the intake valve closing timing, the intake valve closing timing is advanced toward the intake bottom dead center when using gaseous fuel. When the effective compression ratio is increased, the valve overlap period increases when the effective compression ratio is increased. In such a case, blowout of unburned fuel increases during the overlap period, which may cause emission deterioration and engine output reduction.
本開示は、気体燃料を使用してのエンジン運転時において、高出力化とエミッション改善とを両立させることができるエンジン制御装置を提供することを目的とする。 This disclosure is intended to provide an engine control device capable of achieving both high output and improved emission during engine operation using gaseous fuel.
本開示の一態様によれば、エンジン制御装置は、気体燃料を噴射する第1噴射手段と、前記気体燃料よりも耐ノック性が低い液体燃料を噴射する第2噴射手段と、吸気弁の開弁期間を可変とし吸気閉弁時期の進角に合わせて吸気開弁時期を進角させる可変動弁機構と、を備えるエンジンに適用される。エンジン制御装置は、エンジンの運転状態に基づいて、前記エンジンの圧縮比を増大側に変更する圧縮比増大要求があるか否かを判定する要求判定手段と、前記要求判定手段により前記圧縮比増大要求ありと判定された場合に、前記吸気弁の閉弁時期を前記エンジンの吸気下死点に向けて進角させる吸気進角手段と、前記吸気進角手段による吸気閉弁時期の進角により前記吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とのオーバーラップが生じる場合に、前記エンジンの1燃焼サイクル内での燃料の供給を、前記第1噴射手段による前記気体燃料の噴射と前記第2噴射手段による前記液体燃料の噴射とにより実施する噴射制御手段と、を備える。 According to one aspect of the present disclosure, an engine control device includes: a first injection unit that injects gaseous fuel; a second injection unit that injects liquid fuel having a knock resistance lower than that of the gaseous fuel; and an intake valve that opens. The present invention is applied to an engine provided with a variable valve mechanism that varies the valve period and advances the intake valve opening timing in accordance with the advance angle of the intake valve closing timing. The engine control device is configured to determine whether or not there is a compression ratio increase request for changing the compression ratio of the engine to an increase side based on an operating state of the engine, and to increase the compression ratio by the request determination unit. When it is determined that there is a request, an intake advance means for advancing the closing timing of the intake valve toward the intake bottom dead center of the engine, and an advance of the intake valve closing timing by the intake advance means When there is an overlap between the valve opening period of the intake valve and the valve opening period of the exhaust valve, the supply of fuel in one combustion cycle of the engine is performed by the injection of the gaseous fuel by the first injection means and the fuel injection. Injection control means implemented by injection of the liquid fuel by the second injection means.
CNGなどの気体燃料は、燃料コストが安くかつエミッションにも優れており、エンジンの燃料として有用である。また、ガソリンやアルコールなどの液体燃料よりもオクタン価が高く、ノッキングが生じにくいため、最適点火時期による高効率燃焼が可能である。その一方で、気体燃料は液体燃料に比べてエネルギ密度が低いため、高負荷運転時では、吸入空気量の減少に起因して、液体燃料の使用時に比べてトルクが低下するといった特性がある。そこで、気体燃料を使用して高負荷運転を行う場合には、吸気閉弁時期をエンジンの吸気下死点に近付け、エンジンの有効圧縮比を高めてトルク向上を図ることが考えられる。 GNG fuel such as CNG is low in fuel cost and excellent in emission, and is useful as an engine fuel. In addition, since the octane number is higher than that of liquid fuels such as gasoline and alcohol, and knocking is less likely to occur, high-efficiency combustion at the optimal ignition timing is possible. On the other hand, since the gaseous fuel has a lower energy density than the liquid fuel, there is a characteristic that during high load operation, the torque is lower than when the liquid fuel is used due to a decrease in the intake air amount. Therefore, when performing a high load operation using gaseous fuel, it is conceivable that the intake valve closing timing is brought close to the intake bottom dead center of the engine, and the effective compression ratio of the engine is increased to improve the torque.
ところが、吸気閉弁時期を進角させて吸気下死点に近付け、これによりエンジンの有効圧縮比を高める場合、吸気閉弁時期の進角に合わせて吸気開弁時期が進角される構成では、有効圧縮比を増大しようとするとバルブオーバーラップ期間が増加する。かかる場合、バルブオーバーラップ期間前又はその期間中に噴射した未燃燃料の吹き抜けが生じ、これによりエミッション悪化やエンジン出力低下を招くことが懸念される。特に、気体燃料は、液体燃料に比べて軽量であるため、吸気圧が高い高負荷域のバルブオーバーラップ期間中において未燃燃料の吹き抜けが生じやすい。また、液体燃料に比べて噴射時間が長く、噴射時期の設定自由度が小さい。これらの点を考慮し、本開示の一態様では、吸気閉弁時期を吸気下死点に向けて進角させる場合に、エンジンの1燃焼サイクル内での燃料の供給を、気体燃料の噴射と液体燃料の噴射とにより実施する構成とした。すなわち、バルブオーバーラップが生じるエンジン運転状態において、使用燃料の一部を、気体燃料よりも重くかつ噴射時期の設定自由度が高い液体燃料に置き換える。これにより、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けを抑制することが可能となり、気体燃料を用いてのエンジン運転時にも、高出力化とエミッション改善との両立を図ることができる。 However, when the intake valve closing timing is advanced to approach the intake bottom dead center, thereby increasing the effective compression ratio of the engine, the intake valve opening timing is advanced in accordance with the intake valve closing timing advance. If the effective compression ratio is increased, the valve overlap period increases. In such a case, there is a concern that unburned fuel injected before or during the valve overlap period may be blown out, thereby causing emission deterioration and engine output reduction. In particular, gaseous fuel is lighter than liquid fuel, so that unburned fuel is likely to blow through during a valve overlap period in a high load region where intake pressure is high. Moreover, the injection time is longer than that of liquid fuel, and the degree of freedom in setting the injection timing is small. In view of these points, in one aspect of the present disclosure, when the intake valve closing timing is advanced toward the intake bottom dead center, the fuel supply in one combustion cycle of the engine is changed to the injection of gaseous fuel. The configuration is implemented by injecting liquid fuel. That is, in an engine operating state in which valve overlap occurs, part of the fuel used is replaced with liquid fuel that is heavier than gaseous fuel and has a high degree of freedom in setting the injection timing. As a result, it is possible to suppress blowout of unburned fuel during the valve overlap period, and it is possible to achieve both high output and improved emission even during engine operation using gaseous fuel.
本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。
気体燃料である圧縮天然ガス(CNG)と、液体燃料であるガソリンとを使用するバイフューエルエンジンの燃料噴射システムの全体概略図を図1に示す。 FIG. 1 shows an overall schematic diagram of a fuel injection system of a bi-fuel engine that uses compressed natural gas (CNG) as a gaseous fuel and gasoline as a liquid fuel.
図1に示すエンジン10は直列3気筒の火花点火式エンジンよりなり、その吸気ポート及び排気ポートには吸気系統11、排気系統12がそれぞれ接続されている。吸気系統11は、吸気マニホールド13と吸気管14とを有している。吸気マニホールド13は、エンジン10の吸気ポートに接続される複数(エンジン10の気筒数)の分岐管部13aと、その上流側であって吸気管14に接続される集合部13bとを有している。吸気管14には、空気量調整手段としてのスロットル弁15が設けられている。このスロットル弁15は、DCモータ等のスロットルアクチュエータ15aにより開度調節される電子制御式のスロットル弁として構成されている。スロットル弁15の開度(スロットル開度θt)は、スロットルアクチュエータ15aに内蔵されたスロットル開度センサ15bにより検出される。
1 is an inline three-cylinder spark ignition engine, and an
排気系統12は、排気マニホールド16と排気管17とを有している。排気マニホールド16は、エンジン10の排気ポートに接続される複数(エンジン10の気筒数)の分岐管部16aと、その下流側であって排気管17に接続される集合部16bとを有している。排気管17には、排気の成分を検出する排気センサと、排気を浄化する触媒19とが設けられている。排気センサとしては、排気中の酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサ18が設けられている。
The
エンジン10の吸気ポート及び排気ポートには、機関バルブとしての吸気弁25及び排気弁26がそれぞれ設けられている。そして、吸気弁25の開動作により空気と燃料との混合気が気筒24内に導入され、排気弁26の開動作により燃焼後の排気が排気通路に排出される。また、吸気弁25及び排気弁26のそれぞれには、各弁25,26の開弁期間を可変とする可変動弁機構として吸気バルブ駆動機構28及び排気バルブ駆動機構29が設けられている。各バルブ駆動機構28,29は、エンジン10のクランク軸に対する吸気カム軸又は排気カム軸の進角量(位相角)を調整する。この吸気バルブ駆動機構28によれば、吸気弁25の開閉タイミングが変更されることにより、その開弁期間が進角側又は遅角側に変更される。また、排気バルブ駆動機構29によれば、排気弁26の開閉タイミングが変更されることにより、その開弁期間が進角又は遅角される。なお、可変動弁機構は、吸気弁25のみに設けられていてもよい。
The intake port and exhaust port of the
エンジン10の各気筒24には点火プラグ20が設けられている。点火プラグ20には、点火コイルを有する点火装置20aを通じて、所望とする点火時期に高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ20の対向電極間に火花放電が発生し、気筒24内(燃焼室内)に導入された燃料が着火され燃焼に供される。
A
また、本システムは、気体燃料(CNG)を噴射する第1噴射弁21と、該気体燃料よりも低オクタン価の液体燃料(ガソリン)を噴射する第2噴射弁22とを有している。第1噴射弁21は、吸気マニホールド13の分岐管部13aに燃料を噴射する。第2噴射弁22は、気筒24内に燃料を直接噴射する。
The present system also includes a
各噴射弁21,22は、電磁駆動部が電気的に駆動されることで弁体が閉位置から開位置にリフトされる開閉タイプの制御弁である。制御部80から電磁駆動部へオン/オフ式の駆動信号が送信される。各噴射弁21,22は、通電により開弁し、通電遮断により閉弁することにより、通電時間に応じた量の燃料を噴射する。本実施形態では、第1噴射弁21の先端部に噴射管23が接続されており、第1噴射弁21から噴出された気体燃料は、噴射管23を介して吸気マニホールド13の分岐管部13aに噴射されるようになっている。
Each of the
次に、第1噴射弁21に対して気体燃料を供給する気体燃料供給部40と、第2噴射弁22に対して液体燃料を供給する液体燃料供給部70とについて説明する。気体燃料供給部40には、ガスタンク42と第1噴射弁21とを接続するガス配管41が設けられている。ガス配管41には、第1噴射弁21に供給される気体燃料の圧力を減圧調整するレギュレータ43が設けられている。レギュレータ43は、ガスタンク42内に貯蔵された高圧状態(例えば最大20MPa)の気体燃料が、第1噴射弁21の噴射圧である所定の設定圧(例えば0.2~1.0MPaの範囲内の一定圧)になるように減圧調整するものである。減圧調整後の気体燃料は、ガス配管41を通って第1噴射弁21に供給される。
Next, the gas
ガス配管41には更に、ガスタンク42の燃料出口の付近に配置されたタンク主止弁44と、レギュレータ43の燃料入口に配置された遮断弁45とが設けられている。これら各弁44,45によって、ガス配管41における気体燃料の流通が許容及び遮断される。タンク主止弁44及び遮断弁45はいずれも電磁式の開閉弁であり、非通電時において気体燃料の流通が遮断され、通電時において気体燃料の流通が許容される常閉式である。また、ガス配管41において、レギュレータ43の上流側及び下流側には、燃料圧力を検出する圧力センサ46a,46b、燃料温度を検出する温度センサ47a,47bがそれぞれ設けられている。
The
液体燃料供給部70では、燃料配管71を介して燃料タンク72と第2噴射弁22とが接続されている。燃料配管71には、燃料タンク72内の液体燃料を第2噴射弁22に給送する燃料ポンプ73が設けられている。なお、図示はされないが、本システムには吸気を過給する過給機が設けられている。
In the liquid
制御部80は、CPU81と、ROM82と、RAM83と、バックアップRAM84と、インターフェース85と、双方向バス86とを備えている。CPU81、ROM82、RAM83、バックアップRAM84及びインターフェース85は、双方向バス86によって互いに接続されている。
The
CPU81は、本システムにおける各部の動作を制御するためのルーチン(プログラム)を実行する。ROM82には、CPU81が実行するルーチン、及びこのルーチン実行の際に参照されるマップ、テーブル、関係式、パラメータ等の各種データが予め格納されている。RAM83は、CPU81がルーチンを実行する際に、必要に応じてデータを一時的に格納する。バックアップRAM84は、電源が投入された状態でCPU81の制御下でデータを適宜格納するとともに、この格納されたデータを電源遮断後も保持する。
The
インターフェース85は、スロットル開度センサ15b、空燃比センサ18、圧力センサ46a,46b、温度センサ47a,47bや、その他のセンサ類(クランク角センサ、カム角センサ、エアフロメータ、吸気管圧力センサ、冷却水温センサ、車速センサ、アクセルセンサ等)と電気的に接続されており、これらのセンサからの出力(検出信号)をCPU81に伝達する。また、インターフェース85は、スロットルアクチュエータ15a、点火装置20a、各噴射弁21,22の駆動部と電気的に接続されており、CPU81から送出された駆動信号を駆動部に向けて出力することによりこれら駆動部を駆動させる。
The
制御部80は、タンク内の燃料残量や、図示しない燃料選択スイッチからの入力信号に応じて、エンジン10の供給する燃料を選択的に切り替えている。具体的には、ガスタンク42内の気体燃料の残存量が所定値を下回った場合又は燃料選択スイッチにより液体燃料の使用が選択されている場合には、基本的には第2噴射弁22により液体燃料がエンジン10燃焼室に噴射される。燃料タンク72内の液体燃料の残存量が所定値を下回った場合又は燃料選択スイッチにより気体燃料の使用が選択されている場合には、基本的には第1噴射弁21により気体燃料がエンジン10の燃焼室に噴射される。
The
CNGのような高オクタン価の気体燃料は、燃料コストが安くかつエミッションにも優れている。また、気体燃料は、CNGよりも低オクタン価の液体燃料(ガソリンやアルコール)に比べてノッキングが生じにくい。このため、気体燃料を使用してエンジン運転を行う場合には、最適点火時期による高効率燃焼が可能である。したがって、基本的には、気体燃料100%で運転することが望ましい。その一方で、気体燃料は液体燃料に比べてエネルギ密度が低く、噴射された燃料が吸気ポート中に占める体積が大きい。そのため、気体燃料を用いてのエンジン運転時(特に高負荷運転時)には吸入空気量が減少し、この吸入空気量の減少に起因して、液体燃料の使用時に比べてトルクが低下するといった特性がある。このような特性に鑑み、気体燃料を使用して高負荷運転を行う場合には、吸気側バルブ駆動機構28によって吸気弁25の閉弁時期(吸気閉弁時期)をエンジン10の吸気下死点に近付け、エンジン10の有効圧縮比(実圧縮比)を高めることが考えられる(図2参照)。
A high octane gas fuel such as CNG is low in fuel cost and excellent in emission. In addition, gas fuel is less likely to knock than liquid fuel (gasoline or alcohol) having a lower octane number than CNG. For this reason, when engine operation is performed using gaseous fuel, high-efficiency combustion at the optimum ignition timing is possible. Therefore, it is basically desirable to operate with 100% gaseous fuel. On the other hand, gaseous fuel has a lower energy density than liquid fuel, and the volume occupied by the injected fuel in the intake port is large. Therefore, the amount of intake air decreases during engine operation using gas fuel (particularly during high load operation), and the torque decreases compared to when liquid fuel is used due to the decrease in intake air amount. There are characteristics. In view of such characteristics, when high load operation is performed using gaseous fuel, the intake side
なお、第1噴射弁21による気体燃料の噴射制御では、予め設定した噴射終了時期を基準にして、都度の燃料噴射量に応じた噴射開始時期が算出される。また、その算出された噴射開始時期で第1噴射弁21から気体燃料が噴射されるよう第1噴射弁21の通電制御が実施される。なお、図2では、吸気上死点又はその近傍に第1噴射弁21の噴射終了時期が設定されている場合を想定している。燃料が気体状態の場合、燃料と空気とが混ざりにくいため、できるだけ早い時期に噴射を終了させることにより、ミキシング向上を図ることが可能となる。
In addition, in the injection control of the gaseous fuel by the
吸気閉弁時期が吸気下死点よりも遅角側にあるときに、吸気閉弁時期を進角させて吸気下死点に近付け、これによりエンジン10の有効圧縮比を高める場合、可変動弁機構は、吸気閉弁時期の進角に合わせて吸気開弁時期(吸気弁25の開弁時期)を進角させる。そのため、有効圧縮比を増大しようとすると、吸気弁25の開弁期間と排気弁26の開弁期間とがオーバーラップする期間TVLが増加する。かかる場合、バルブオーバーラップ期間の前又はその期間中に噴射した未燃燃料の吹き抜けが増加し、エミッション悪化やエンジン出力低下を招くことが懸念される。つまり、高負荷運転時において気体燃料を使用する場合、気体燃料の噴射に伴う吸入空気量の減少によってエンジン出力が低下し、この出力低下を補償するべくエンジン10の有効圧縮比を増大させようとすると、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けによってエミッション悪化やエンジン出力低下が生じてしまう。特に、気体燃料は、液体燃料に比べて慣性が小さい(軽い)ため、吸気圧が高い高負荷域のバルブオーバーラップ期間中に燃料の吹き抜けが発生しやすい。また、燃料の吹き抜けを回避するためには、圧縮上死点以降か又はバルブオーバーラップ期間の終了後に燃料を噴射することが有効であるが、気体燃料の場合、噴射する燃料体積が大きいため噴射時間が長く、噴射タイミングの設定自由度が小さい。
When the intake valve closing timing is retarded from the intake bottom dead center, the intake valve closing timing is advanced to approach the intake bottom dead center, thereby increasing the effective compression ratio of the
本発明者らは、上記の問題を解決するべく、エンジン10の1燃焼サイクル内で噴射する気体燃料のうちの一部を液体燃料に置き換えることを試みた。また、この試みに従って、気体燃料を用いた高負荷運転時において、吸気閉弁時期を吸気下死点に近付けてエンジン10の有効圧縮比を増大させるとともに、エンジン10の1燃焼サイクル内での燃料の供給を、第1噴射弁21による気体燃料の噴射と、第2噴射弁22による液体燃料の噴射とにより実施する構成(図3参照)について検討した。こうした構成によれば、気体燃料を用いてのエンジン高負荷運転時にも、エンジン10の高出力化とエミッション改善との両立を図ることができることが分かった。
In order to solve the above problems, the present inventors have attempted to replace part of the gaseous fuel injected in one combustion cycle of the
図4は、吸気閉弁時期を吸気下死点に近付ける場合において、気体燃料と液体燃料の使用によって排気中の未燃燃料の低減効果を得ることができたことの確認結果を示す図である。図4の横軸は、吸気閉弁時期を吸気下死点に近付けたときの吸気閉弁時期の進角量[deg.CA]を示し、縦軸は、吸気閉弁時期の進角に伴う排気中のHCの変化量を示す。この図4では、気体燃料としてCNG、液体燃料としてガソリンを用い、WOTの条件下で実験した結果を示している。このとき、図3に示したように、気体燃料については、吸気上死点付近を噴射終了時期として噴射を実施し、液体燃料の噴射については、バルブオーバーラップ期間の終了後であって吸気開弁期間中に噴射を実施した。また、図4中、丸印は気体燃料を単独で使用した場合の結果であり、四角印は、1燃焼サイクル内で使用する燃料を気体燃料及び液体燃料とした場合の結果である。この図4によれば、気体燃料を単独で使用する場合よりも、気体燃料と液体燃料とを併用した場合の方が、排気中の未燃HCを少なくすることができることが分かる。 FIG. 4 is a diagram showing a result of confirmation that the effect of reducing the unburned fuel in the exhaust gas can be obtained by using the gaseous fuel and the liquid fuel when the intake valve closing timing is brought close to the intake bottom dead center. . The horizontal axis of FIG. 4 represents the advance amount [deg. CA] of the intake valve closing timing when the intake valve closing timing approaches the intake bottom dead center, and the vertical axis represents the advance of the intake valve closing timing. The amount of change in HC in the exhaust is shown. FIG. 4 shows the results of an experiment under the conditions of WOT using CNG as the gaseous fuel and gasoline as the liquid fuel. At this time, as shown in FIG. 3, for the gaseous fuel, the injection is performed with the vicinity of the intake top dead center as the injection end timing, and for the liquid fuel injection, the intake air is opened after the end of the valve overlap period. Injection was performed during the valve period. In FIG. 4, circles indicate results when gaseous fuel is used alone, and squares indicate results when fuel used in one combustion cycle is gaseous fuel and liquid fuel. According to FIG. 4, it can be seen that the unburned HC in the exhaust gas can be reduced when the gaseous fuel and the liquid fuel are used in combination, compared with the case where the gaseous fuel is used alone.
次に、気体燃料を用いてのエンジン制御の処理手順について図5のフローチャートを用いて説明する。この処理は、気体燃料を用いてエンジン運転を行う場合、例えば、燃料選択スイッチにより気体燃料の使用が選択されている場合や、CPU81によって気体燃料の使用が選択されている場合に、制御部80のCPU81により所定周期毎に実行される。
Next, the engine control processing procedure using gaseous fuel will be described with reference to the flowchart of FIG. This processing is performed when the engine is operated using gaseous fuel, for example, when the use of gaseous fuel is selected by the fuel selection switch, or when the gaseous fuel is selected by the
ステップS101では、制御部80は、エンジン運転状態に関するパラメータXを読み込む。ここで、パラメータXは、アクセル開度θa、スロットル開度θt、吸入空気量Ga、吸気管圧力Pim、最大筒内圧Pmax、エンジン回転速度Ne及び軸トルクTqの少なくとも1つを含む。これらのうち、アクセル開度θaはアクセルセンサにより検出され、吸入空気量Gaはエアフロメータにより検出される。また、吸気管圧力Pimは吸気管圧力センサにより検出され、エンジン回転速度Neはクランク角センサにより検出される。最大筒内圧Pmaxは、気筒内圧力を検出するセンサを取り付けて直接検出してもよいし、あるいは演算により推定してもよい。軸トルクTqは、例えばトルクセンサを取り付けて直接検出してもよいし、あるいは演算により推定してもよい。
In step S101, the
続くステップS102では、制御部80は、読み込んだパラメータXに基づいて、エンジン10の圧縮比を増大側に変更する圧縮比増大要求があるか否かを判定する(要求判定手段)。ここでは、パラメータXと判定値とを比較し、エンジン10を所定の高負荷状態又は所定の高回転状態にする要求があるか否かを判定する。具体的には、制御部80は、パラメータXが判定値を上回る場合に圧縮比増大要求ありと判定し、パラメータXが判定値以下の場合に圧縮比増大要求なしと判定する。なお、パラメータXと判定値との比較に基づく判定方法に代えて、パラメータXの時間微分値と判定値との比較、又はパラメータXの単位角度あたりの変化量と判定値との比較によって圧縮比増大要求があるか否かを判定する構成としてもよい。
In subsequent step S102, the
ステップS102で圧縮比増大要求なしと判定されると、ステップS106へ進み、制御部80は、気体燃料の単独使用による燃料噴射制御を実施する。一方、圧縮比増大要求ありと判定されると、ステップS103へ進み、制御部80は、パラメータXに応じた吸気閉弁時期の進角を選択するか否かを判定する。このとき、吸気閉弁時期の進角を選択しない場合には、ステップS106へ進む。ここで、「吸気閉弁時期の進角を選択しない場合」としては、第1噴射弁21による気体燃料の噴射と第2噴射弁22による液体燃料の噴射とを実施できない場合を含む。例えば燃料タンク72内の液体燃料の残存量が所定値を下回った場合、及び液体燃料供給部70のいずれかに異常が生じている場合の少なくともいずれかを含む。この場合には、圧縮比増大要求ありの場合でも、吸気閉弁時期IVCの吸気下死点に向けての進角を制限する(進角を禁止する)。
If it is determined in step S102 that there is no request for increasing the compression ratio, the process proceeds to step S106, and the
ステップS103で吸気閉弁時期の進角を選択する場合には、ステップS104へ進み、制御部80は、吸気弁25の開弁期間を進角させる旨の駆動指令を吸気側バルブ駆動機構28に出力する。これにより、吸気側バルブ駆動機構28によって吸気閉弁時期が進角され、吸気閉弁時期が吸気下死点に近付く。また、ステップS105では、気体燃料と液体燃料とを噴射する燃料噴射制御(図8のサブルーチン)を実施する。
When the advance angle of the intake valve closing timing is selected in step S103, the process proceeds to step S104, and the
ここで、本発明者らが実験を行ったところ、吸気閉弁時期を吸気下死点に向けて進角させた場合の気体燃料と液体燃料とを噴射する燃料噴射制御において、燃料の供給割合に応じてトルクが変化することを確認した。 Here, when the inventors conducted an experiment, in the fuel injection control for injecting the gaseous fuel and the liquid fuel when the intake valve closing timing is advanced toward the intake bottom dead center, the fuel supply ratio It was confirmed that the torque changed according to
図6は、1燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する気体燃料の供給割合(質量比)[%]を変化させた場合の軸トルク[Nm]の変化の推移を表す実験結果である。この図6では、気体燃料としてCNG、液体燃料としてガソリンを用い、WOT(Wide Open Throttle)の条件下で実験した結果を示している。なお、図6に示す実験では、吸気上死点付近を噴射終了時期として気体燃料を噴射し、バルブオーバーラップ期間の終了後であって吸気開弁中に液体燃料を噴射した(図3参照)。図6に示す実験よれば、気体燃料の供給割合を100質量%から減少させるにつれて軸トルクが徐々に大きくなり、気体燃料の供給割合を50質量%前後としたところで軸トルクが最大となる。ただし、気体燃料の供給割合を更に減少させると、今度は気体燃料の供給割合の減少に伴い軸トルクが小さくなる傾向を示す。 FIG. 6 is an experimental result showing a transition of change in the shaft torque [Nm] when the supply ratio (mass ratio) [%] of the gaseous fuel with respect to the total supply amount of fuel in one combustion cycle is changed. FIG. 6 shows the result of an experiment under the conditions of WOT (Wide Open Throttle) using CNG as the gaseous fuel and gasoline as the liquid fuel. In the experiment shown in FIG. 6, the gaseous fuel is injected with the vicinity of the intake top dead center as the injection end timing, and the liquid fuel is injected after the valve overlap period and the intake valve is opened (see FIG. 3). . According to the experiment shown in FIG. 6, the axial torque gradually increases as the gaseous fuel supply ratio is decreased from 100 mass%, and the axial torque becomes maximum when the gaseous fuel supply ratio is about 50 mass%. However, if the supply ratio of the gaseous fuel is further decreased, the shaft torque tends to decrease with the decrease of the supply ratio of the gaseous fuel.
この図6の実験結果に鑑み、本実施形態では、エンジン有効圧縮比の増大に伴い液体燃料と気体燃料を使用する場合に、エンジン10の1燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する気体燃料の供給割合を、気体燃料の供給割合の増加に伴い軸トルクが増加傾向を示す所定範囲内(本実施形態では40質量%以上の範囲内)に設定することとしている。また、この実験結果に基づき、本実施形態では、圧縮比増大のための吸気閉弁時期の進角後におけるバルブオーバーラップ量に基づいて、エンジン10の1燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する気体燃料の供給割合αgを可変に制御している。図7に示すように、バルブオーバーラップ量が大きいほど、気体燃料の供給割合αgを低くする(液体燃料の供給割合を高くする)ようにしている。具体的には、バルブオーバーラップ量が所定量以下では気体燃料を100%とし、バルブオーバーラップ量が所定量よりも大きい場合に、気体燃料及び液体燃料の両燃料を噴射するようにしている。また、気体燃料の供給割合は、下限値RC2(本実施形態では40質量%)と上限値をRC1(本実施形態では100質量%)との間に設定されており、バルブオーバーラップ量が大きくなるにつれて、気体燃料の供給割合αgを下限値RC2に収束させるようにしている。
In view of the experimental results of FIG. 6, in the present embodiment, when liquid fuel and gaseous fuel are used as the engine effective compression ratio increases, the gaseous fuel relative to the total amount of fuel supplied in one combustion cycle of the
なお、圧縮比増大の要求が高いほど高出力を実現する必要があるが、バルブオーバーラップ量が大きくなるほど未燃燃料の吹き抜けが多くなる。一方、図6に示すように、気体燃料の供給割合が所定範囲内(40~100質量%の範囲内)では、気体燃料の供給割合を低くするほど、吸入空気量が増加することで軸トルクが大きくなる。したがって、図7のように、バルブオーバーラップ量が大きいほど、つまりエンジン10の有効圧縮比が高いほど気体燃料の供給割合αgを低くすることにより、圧縮比増大の要求に見合うエンジン出力を確保することが可能となる。また、気体燃料の噴射時間が短縮されるため、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けを抑制することが可能となる。
In addition, it is necessary to realize a higher output as the demand for increasing the compression ratio is higher. However, as the valve overlap amount increases, the unburned fuel blows out more. On the other hand, as shown in FIG. 6, when the supply ratio of the gaseous fuel is within a predetermined range (within a range of 40 to 100% by mass), the lower the supply ratio of the gaseous fuel, the more the intake air amount increases. Becomes larger. Therefore, as shown in FIG. 7, the larger the valve overlap amount, that is, the higher the effective compression ratio of the
次に、気体燃料と液体燃料との両燃料の併用による燃料噴射制御について、図8のフローチャートを用いて説明する。ステップS201では、エンジン運転状態に基づいて、圧縮比増大後のバルブオーバーラップ量VOLを制御部80が算出する。ここでは、エンジン回転速度が高いほど又はエンジン負荷が高いほど、エンジン有効圧縮比が増大側に設定され、これによりバルブオーバーラップ量VOLが大きい値に設定される。続くステップS202では、算出したバルブオーバーラップ量VOLに基づいて、1燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する気体燃料の供給割合αgを制御部80が算出する。本実施形態では、図7のマップがROM82に予め格納されており、同マップを用いて、バルブオーバーラップ量VOLに対応する供給割合αgを制御部80が算出する。
Next, fuel injection control using a combination of gaseous fuel and liquid fuel will be described with reference to the flowchart of FIG. In step S201, the
ステップS203では、算出した気体燃料の供給割合αgに基づいて、制御部80は第1噴射弁21及び第2噴射弁22の噴射時間をそれぞれ算出するとともに、その算出した噴射時間に基づいて、第1噴射弁21及び第2噴射弁22の噴射開始時期及び噴射終了時期をそれぞれ算出する。なお、第2噴射弁22による液体燃料の噴射制御では、予め定められた噴射開始時期を基準にして、都度の燃料噴射量に応じた噴射終了時期が算出される。このとき、本実施形態では、液体燃料の噴射開始時期が、気体燃料の噴射終了時期よりも遅角側であって、かつバルブオーバーラップ期間の終了後に設定される。したがって、図3に示すように、1燃焼サイクルにおいて、まず第1噴射弁21による気体燃料の噴射が実施され、気体燃料の噴射終了後であってバルブオーバーラップ期間の終了後に、続いて第2噴射弁22による液体燃料の噴射が実施されるようになっている。
In step S203, the
ステップS204では、制御部80は第1噴射弁21の噴射開始時期となったタイミングで気体燃料の噴射指令を出力する。また、ステップS205では、制御部80は第2噴射弁22の噴射開始時期となったタイミングで液体燃料の噴射指令を出力する。
In step S204, the
以上詳述した本実施形態によれば、次の優れた効果が得られる。 According to the embodiment described above in detail, the following excellent effects can be obtained.
吸気閉弁時期IVCを吸気下死点に向けて進角させてエンジン圧縮比を高める場合に、エンジン10の1燃焼サイクル内での燃料の供給を、気体燃料の噴射と液体燃料の噴射とにより実施する構成とした。吸気閉弁時期IVCを進角させて吸気下死点に近付け、これによりエンジン10の有効圧縮比を高める場合、吸気閉弁時期IVCの進角に合わせて吸気開弁時期IVOが進角される構成では、有効圧縮比を増大しようとするとバルブオーバーラップ期間TVLが増加する。かかる場合、未燃燃料の吹き抜けが増加し、エミッション悪化やエンジン出力低下を招くことが懸念される。この点を考慮し、上記構成とすることにより、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けを低減することができ、その結果、エンジンの高出力化とエミッション改善との両立を図ることができる。
When the intake valve closing timing IVC is advanced toward the intake bottom dead center to increase the engine compression ratio, the fuel is supplied within one combustion cycle of the
本発明者らの実験結果によると、気体燃料の供給割合αgを所定範囲(40~100質量%の範囲内)とした時には、吸気閉弁時期の進角後におけるバルブオーバーラップ量が大きいほど軸トルクTqが大きくなるといった特性があることが判明した。そして、この実験結果に鑑み、バルブオーバーラップ量に基づいて気体燃料の供給割合αgを可変とする構成とした。エンジン10の圧縮比を高くするほどバルブオーバーラップ量が大きくなり、燃料の吹き抜け増加による出力低下が生じやすくなるが、こうした構成とすることにより、燃料の吹き抜けが生じやすい状況であるほど燃料の噴射時間が短縮される。よって、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けを好適に抑制することが可能となる。その結果、圧縮比の増大要求に見合うエンジン出力を確保することができる。また、液体燃料の使用を最小限とすることができ、燃料コストやエミッションの点でも好適である。
According to the experimental results of the present inventors, when the supply ratio αg of the gaseous fuel is set within a predetermined range (within a range of 40 to 100% by mass), the larger the valve overlap amount after the advancement of the intake valve closing timing, the greater the shaft. It has been found that there is a characteristic that the torque Tq is increased. In view of the experimental results, the gaseous fuel supply ratio αg is made variable based on the valve overlap amount. As the compression ratio of the
本実施形態では、吸気弁25と排気弁26とのオーバーラップ期間が終了した後の吸気開弁期間中に液体燃料を噴射する構成とした。こうした構成によれば、バルブオーバーラップ期間中での燃料の噴射量を低減させることができ、未燃燃料の吹き抜けを極力回避するようにすることができる。また、液体燃料の噴射形式を直噴式としたため、バルブオーバーラップ期間終了後に噴射時期を設定しても燃料と空気とが十分に混合され、エミッション悪化を抑制することが可能である。
In the present embodiment, the liquid fuel is injected during the intake valve opening period after the overlap period between the
気体燃料を用いてのエンジン運転時において、エンジン10の圧縮比増大要求があり、その要求に従って吸気閉弁時期IVCを吸気下死点に向けて進角させた場合、図7に示す様に、進角後のバルブオーバーラップ量が所定量よりも大きい場合に、気体燃料及び液体燃料の両燃料の噴射を実施する。そうでない場合には気体燃料の単独噴射を実施する構成とした。こうした構成とすることにより、燃料の吹き抜けに伴うエミッション悪化等の不都合を抑えつつ、できるだけ気体燃料の単独使用による運転を実施することができる。
When operating the engine using gaseous fuel, there is a request to increase the compression ratio of the
本実施形態では、圧縮比増大要求ありと判定された場合でも、第1噴射弁21による気体燃料の噴射と第2噴射弁22による液体燃料の噴射とを実施できない場合には、吸気閉弁時期の進角を制限する構成とした。この構成によれば、バルブオーバーラップに対応した噴射制御が実施できない場合には、動弁系の制御で対処してバルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けを極力回避するようにすることができる。
In the present embodiment, even when it is determined that there is a request to increase the compression ratio, when the gaseous fuel injection by the
(他の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the description of the above embodiment, and may be implemented as follows, for example.
気体燃料を用いての高負荷運転時に吸気閉弁時期を吸気下死点に向けて進角させてエンジン10の圧縮比を増大させる場合の噴射終了時期を、吸気閉弁時期の進角を実施しない場合の噴射終了時期に対して遅角側に変更する構成としてもよい。こうした構成とすることにより、バルブオーバーラップ期間中に噴射される燃料量を極力少なくすることができる。このとき、バルブオーバーラップ期間中の未燃燃料の吹き抜けの抑制効果をより高くできる点で、バルブオーバーラップ期間の終了後又は吸気上死点以降に第1噴射弁21による気体燃料の噴射を実施することが望ましい。
Implementation of the intake end timing when the intake valve closing timing is advanced toward the intake bottom dead center and the compression ratio of the
図9に、吸気閉弁時期IVCを吸気下死点に向けて進角させた場合に、噴射時期を遅角させる構成の具体的態様を示す。なお、図中、(b)及び(c)の破線は、吸気閉弁時期を進角側に変更しない場合を示し、実線は、吸気閉弁時期の進角を実施する場合を示す。図9では、吸気閉弁時期IVCを吸気下死点に向けて進角させて圧縮比を増大させる際、気体燃料の噴射終了時期を、予め定めた基準終了時期(図9では吸気上死点又はその近傍)よりも遅角側に変更する。その際、気体燃料の噴射開始時期については、バルブオーバーラップ期間の終了後又は吸気上死点以降になるようにすることが望ましい。 FIG. 9 shows a specific aspect of the configuration in which the injection timing is retarded when the intake valve closing timing IVC is advanced toward the intake bottom dead center. In the figure, broken lines (b) and (c) indicate a case where the intake valve closing timing is not changed to the advance side, and a solid line indicates a case where the intake valve closing timing is advanced. In FIG. 9, when the intake valve closing timing IVC is advanced toward the intake bottom dead center to increase the compression ratio, the injection end timing of the gaseous fuel is set to a predetermined reference end timing (in FIG. 9, the intake top dead center). Or the vicinity thereof). At that time, it is desirable that the gaseous fuel injection start timing be after the end of the valve overlap period or after the intake top dead center.
第1噴射弁21による気体燃料の噴射率を調整する噴射率調整手段を設け、気体燃料を用いての高負荷運転時に圧縮比を増大させる場合に、同制御を実施しない場合に比べて、噴射率調整手段により噴射率を増大側に変更して気体燃料の噴射を実施する構成としてもよい。こうした構成とすることにより、気体燃料の噴射時間を短くでき、バルブオーバーラップ期間と燃料噴射期間とが重複する期間を少なくすることが可能となる。また、当該重複する期間を短くできることで、未燃燃料の吹き抜けを抑制することができる。本システムでは、噴射率調整手段として電磁駆動式の圧力調整機構(レギュレータ43)を備え、レギュレータ43の電磁駆動部に対する通電制御により、ガスタンク42内に貯蔵された高圧状態(例えば最大20MPa)の気体燃料を減圧して第1噴射弁21の噴射圧を可変調整するものとなっている。
An injection rate adjusting means for adjusting the injection rate of the gaseous fuel by the
図10に、吸気閉弁時期IVCを吸気下死点に向けて進角させた場合の気体燃料の噴射態様についての具体的態様を示す。なお、図中、(c)の破線は、通常走行時(圧縮比を増大側に変更しない場合)の噴射率である第1噴射率β1で気体燃料を噴射する場合の噴射時期を示し、実線は、第1噴射率β1よりも高い第2噴射率β2で気体燃料を噴射する場合の噴射時期を示す。図10では、吸気閉弁時期IVCを吸気下死点に向けて進角させて圧縮比を増大させる際、気体燃料の噴射終了時期を、予め定めた基準終了時期(例えば、吸気上死点又はその近傍)よりも遅角側に変更するとともに、第2噴射率β2で気体燃料を噴射する。また、液体燃料については、吸気開弁期間中のバルブオーバーラップ期間の終了後に噴射する。これにより、バルブオーバーラップ期間での燃料の噴射を回避することが可能となる。 FIG. 10 shows a specific mode of the gaseous fuel injection mode when the intake valve closing timing IVC is advanced toward the intake bottom dead center. In the figure, the broken line (c) indicates the injection timing when the gaseous fuel is injected at the first injection rate β1, which is the injection rate during normal travel (when the compression ratio is not changed to the increasing side), and is a solid line Indicates the injection timing when the gaseous fuel is injected at a second injection rate β2 higher than the first injection rate β1. In FIG. 10, when the compression ratio is increased by advancing the intake valve closing timing IVC toward the intake bottom dead center, the gaseous fuel injection end timing is set to a predetermined reference end timing (for example, intake top dead center or The gas fuel is injected at the second injection rate β2 while being changed to the retard side from the vicinity thereof. Liquid fuel is injected after the end of the valve overlap period during the intake valve opening period. This makes it possible to avoid fuel injection during the valve overlap period.
上記実施形態では、気体燃料の噴射終了時期よりも遅角側に液体燃料の噴射開始時期を設定し、気体燃料の噴射期間と液体燃料の噴射期間とが重複しない構成としたが、気体燃料の噴射期間と液体燃料の噴射期間とが重複していてもよい。具体的には、液体燃料の噴射開始時期が気体燃料の噴射終了時期よりも進角側であってもよいし、気体燃料の噴射終了時期と液体燃料の噴射終了時期とが同じであってもよいし、液体燃料の噴射終了時期が気体燃料の噴射終了時期よりも進角側であってもよい。なお、燃料と空気とのミキシング向上や燃料の輸送遅れを考慮して、気体燃料の噴射開始時期を液体燃料の噴射開始時期よりも進角側とするとよい。 In the above embodiment, the liquid fuel injection start timing is set to the retard side of the gaseous fuel injection end timing, and the gaseous fuel injection period and the liquid fuel injection period are not overlapped. The injection period and the liquid fuel injection period may overlap. Specifically, the liquid fuel injection start timing may be an advance side of the gaseous fuel injection end timing, or the gaseous fuel injection end timing may be the same as the liquid fuel injection end timing. Alternatively, the liquid fuel injection end timing may be on the more advanced side than the gaseous fuel injection end timing. In consideration of improvement in mixing of fuel and air and delay in transportation of the fuel, it is preferable to set the gas fuel injection start timing to the advance side of the liquid fuel injection start timing.
上記実施形態では、バルブオーバーラップ量に応じて気体燃料の供給割合αgを可変にする構成としたが、バルブオーバーラップ量に関わらず気体燃料の供給割合αgを一定としてもよい。この場合にも、気体燃料の供給割合αgを40~100質量%の範囲内とすることが望ましい。 In the above embodiment, the gaseous fuel supply rate αg is made variable according to the valve overlap amount, but the gaseous fuel supply rate αg may be constant regardless of the valve overlap amount. Also in this case, it is desirable that the gaseous fuel supply ratio αg be in the range of 40 to 100% by mass.
吸気閉弁時期IVCを吸気下死点に近付けて圧縮比を増大した場合に気体燃料及び液体燃料を噴射するシステムにおいて、エンジン回転速度に基づいて、燃料の供給割合を可変にする構成としてもよい。具体的には、エンジン回転速度が高いほど、エンジンの1燃焼サイクル内での燃料の全供給量に対する液体燃料の供給割合を高くする。一般に、低回転高負荷域ではノッキングが発生しやすく、高回転になるにしたがってノッキングが発生しにくくなる。一方、高回転になるほど、噴射に要するクランク期間は長くなり、燃料の吹き抜けを回避しにくくなる。これらのことを考慮し、本実施形態では、ノッキングが発生しやすく、かつ燃料の吹き抜けを回避しやすい低回転域では、気体燃料の供給割合を高めに設定し、ノッキングが発生しにくく、かつ燃料の吹き抜けを回避しにくい高回転域では、液体燃料の供給割合を高めに設定するようにしている。こうした構成によれば、エンジン運転領域の全域にわたり望ましい運転条件を実現可能となる。具体的には、図7のマップに代えて、例えば図11のマップをROMに格納しておく。そして、同マップを用い、吸気閉弁時期IVCを吸気下死点に近付けた時のバルブオーバーラップ量とエンジン回転速度とに基づいて、気体燃料の供給割合αg及び液体燃料の供給割合を算出する構成とする。 In a system for injecting gaseous fuel and liquid fuel when the intake valve closing timing IVC is brought close to the intake bottom dead center and the compression ratio is increased, the fuel supply ratio may be made variable based on the engine speed. . Specifically, the higher the engine speed, the higher the liquid fuel supply ratio relative to the total fuel supply amount within one combustion cycle of the engine. In general, knocking is likely to occur in a low rotation and high load region, and knocking is less likely to occur as the rotation speed increases. On the other hand, the higher the rotation speed, the longer the crank period required for injection, and the more difficult it is to avoid fuel blow-through. In consideration of these points, in this embodiment, in a low rotation range where knocking is likely to occur and fuel blow-off is easily avoided, the supply ratio of the gaseous fuel is set to be high, knocking is unlikely to occur, and the fuel In the high rotation range where it is difficult to avoid the blow-through of the fuel, the liquid fuel supply ratio is set high. According to such a configuration, it is possible to realize desirable operating conditions over the entire engine operating region. Specifically, instead of the map of FIG. 7, for example, the map of FIG. 11 is stored in the ROM. Then, using the map, the gas fuel supply ratio αg and the liquid fuel supply ratio are calculated based on the valve overlap amount and the engine speed when the intake valve closing timing IVC is close to the intake bottom dead center. The configuration.
図7に示す様に、進角後のバルブオーバーラップ量が所定量よりも大きい場合に、気体燃料及び液体燃料の二燃料の噴射を実施し、そうでない場合には気体燃料の単独噴射を実施する構成としたが、バルブオーバーラップ量が所定量以下の場合にも両燃料を噴射する構成としてもよい。 As shown in FIG. 7, when the valve overlap amount after advance is larger than a predetermined amount, injection of two fuels, gaseous fuel and liquid fuel, is performed, otherwise, single injection of gaseous fuel is performed. However, both fuels may be injected even when the valve overlap amount is a predetermined amount or less.
排気側バルブ駆動機構29を備えるシステムでは、吸気閉弁時期IVCを吸気下死点に向けて進角させる場合に、排気側バルブ駆動機構29により排気弁26の閉弁時期EVCを進角側に変更するとともに、気体燃料及び液体燃料の両燃料を噴射する構成としてもよい。排気閉弁時期EVCの進角によりバルブオーバーラップ量を少なくすることができ、未燃燃料の吹き抜けを低減させることが可能となる。
In a system including the exhaust side
上記実施形態では、吸気側バルブ駆動機構28につき、吸気弁25の開閉タイミングの位相角を可変制御することにより吸気閉弁時期を調整する構成とした。吸気弁25の作用角(リフト量)を可変制御することにより吸気閉弁時期を調整する構成としてもよい。また、排気弁26の作用角(リフト量)を可変制御する排気側バルブ駆動機構29を備えるシステムにおいて、吸気閉弁時期IVCを吸気下死点に向けて進角させる場合に、排気弁26のリフト量を変更することによってバルブオーバーラップ量を少なくする構成としてもよい。図12に、排気弁26のリフト量の変更によってバルブオーバーラップ量を少なくする場合のタイミングチャートを示す。図中、(a)の破線は、リフト量変更前の開弁期間を示し、実線は、リフト量変更後の開弁期間を示す。本実施形態では、図12に示すように、吸気閉弁時期IVCを吸気下死点に向けて進角させた場合に、排気弁26のリフト量の変更によって排気閉弁時期を進角させる。これにより、バルブオーバーラップ量が少なくなり、未燃燃料の吹き抜けを少なくすることが可能となる。
In the above embodiment, the intake side
上記実施形態では、第2噴射弁22を直噴式としたが、ポート噴射式としてもよい。 In the above embodiment, the second injection valve 22 is a direct injection type, but may be a port injection type.
上記実施形態では、気体燃料をCNGとしたが、標準状態で気体のその他のガス燃料を用いることもでき、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、水素、ジメチルエーテルなどを主成分とする燃料を用いる構成としてもよい。また、液体燃料としては、気体燃料よりも耐ノック性が低い燃料であればよく、ガソリンの他、例えばアルコールなどが挙げられる。
In the above embodiment, the gas fuel is CNG, but other gas fuels that are gaseous in the standard state can also be used. For example, a configuration using a fuel mainly composed of methane, ethane, propane, butane, hydrogen, dimethyl ether, or the like. It is good. The liquid fuel may be any fuel that has a lower knock resistance than the gaseous fuel, and examples thereof include alcohol in addition to gasoline.
Claims (10)
前記エンジンの運転状態に基づいて、前記エンジンの圧縮比を増大側に変更する圧縮比増大要求があるか否かを判定する要求判定手段(S102)と、
前記要求判定手段により前記圧縮比増大要求ありと判定された場合に、前記吸気弁の閉弁時期を前記エンジンの吸気下死点に向けて進角させる吸気進角手段(S104)と、
前記吸気進角手段による吸気閉弁時期の進角により前記吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とのオーバーラップが生じる場合に、前記エンジンの1燃焼サイクル内での燃料の供給を、前記第1噴射手段による前記気体燃料の噴射と前記第2噴射手段による前記液体燃料の噴射とにより実施する噴射制御手段(80)と、
を備えることを特徴とするエンジン制御装置。 The opening period of the first injection means (21) for injecting gaseous fuel, the second injection means (22) for injecting liquid fuel having a knock resistance lower than that of the gaseous fuel, and the intake valve (25) are made variable. And a variable valve mechanism (28) that advances the intake valve opening timing in accordance with the intake valve closing timing, and is applied to an engine (10).
Request determination means (S102) for determining whether there is a compression ratio increase request for changing the compression ratio of the engine to the increase side based on the operating state of the engine;
Intake air advance means (S104) for advancing the closing timing of the intake valve toward the intake bottom dead center of the engine when it is determined by the request determination means that the compression ratio increase is requested;
In the case where an overlap between the valve opening period of the intake valve and the valve opening period of the exhaust valve occurs due to the advance of the intake valve closing timing by the intake advance angle means, the fuel is supplied within one combustion cycle of the engine. Injection control means (80) implemented by injection of the gaseous fuel by the first injection means and injection of the liquid fuel by the second injection means;
An engine control device comprising:
前記噴射制御手段は、前記吸気進角手段による吸気閉弁時期の進角により前記オーバーラップが生じる場合に、前記噴射率調整手段により前記噴射率を増大側に変更して前記第1噴射手段による前記気体燃料の噴射を実施する請求項1~4のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。 An injection rate adjusting means (43) for adjusting an injection rate of the gaseous fuel by the first injection means;
When the overlap occurs due to the advance of the intake valve closing timing by the intake advance angle means, the injection control means changes the injection rate to the increasing side by the injection rate adjustment means and causes the first injection means to The engine control device according to any one of claims 1 to 4, wherein the gaseous fuel is injected.
前記第2噴射手段が前記エンジンの気筒内に燃料を直接噴射する直噴式である請求項1~9のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。
The first injection means is a port injection type in which fuel is injected into an intake port of the engine;
The engine control apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the second injection unit is a direct injection type in which fuel is directly injected into a cylinder of the engine.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 14840345 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 14840345 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |