JP2004353458A - 筒内直噴ｃｎｇエンジンの燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成と制御によってＣＮＧ燃料を有効利用して航続距離を伸ばし、高負荷・高回転域まで成層燃焼を成立させて燃費メリットも引き出すこと。
【解決手段】ＣＮＧ燃料ボンベ１２と、デリバリパイプ１３およびインジェクタ１７と、当該ボンベ１２とデリバリパイプ１３とを接続する燃料供給パイプ１４とを備えたＣＮＧエンジン１０の燃料供給システムにおいて、燃料供給パイプ１４には、燃料圧力を大気圧程度まで減圧させるレギュレータ１５と、このレギュレータ１５で減圧された燃料を昇圧する可変昇圧ポンプ１６とを設け、ＣＮＧエンジン１０の運転条件に基づいて燃料を可変昇圧ポンプ１６で所定噴射圧力まで昇圧するように構成した。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）を筒内に直接噴射し、成層燃焼運転領域を有する筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムに関し、さらに詳しくは、簡易な構成と制御によってＣＮＧ燃料を有効利用して航続距離を伸ばすことができるとともに、高負荷・高回転域まで成層燃焼を成立させ、燃費メリットも引き出すことができる筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギー対策や環境対策等の観点から、自動車用内燃機関の燃料として圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を利用するとともに、その燃費の向上や出力向上を図るべく、筒内にＣＮＧ燃料を燃料噴射弁によって直接噴射する筒内直噴ＣＮＧエンジン（以下、適宜ＣＮＧエンジンと記す）の開発が盛んに行われており、種々の技術が提案されている。
【０００３】
このような筒内直噴ＣＮＧエンジンは、通常、ＣＮＧ燃料を貯蔵するＣＮＧ燃料ボンベと、各気筒内にＣＮＧ燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、ＣＮＧ燃料を蓄圧し各燃料噴射弁に分配するデリバリパイプと、ＣＮＧ燃料ボンベとデリバリパイプとを接続する燃料供給パイプの途中に設けられ、ＣＮＧ燃料を所定圧力に減圧する高圧レギュレータとを備え、成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成されている。
【０００４】
ＣＮＧ燃料は、ＣＮＧ燃料ボンベにおいて高圧（たとえば、最大２０ＭＰａ程度）で蓄圧されているが、このＣＮＧ燃料ボンベから圧送されると、デリバリパイプに供給される前に上記高圧レギュレータによって筒内噴射可能な一定圧力（たとえば、５ＭＰａ程度）に減圧される。
【０００５】
したがって、従来は、上記一定圧力値に対応する燃焼マップが予め設定されており、このマップに基づき、エンジンの回転数と負荷状況等に応じた成層燃焼と均質燃焼とを切り替える制御を行っていた。
【０００６】
すなわち、このような筒内直噴ＣＮＧエンジンは、圧縮行程で燃料噴射することで充填効率等を上げ、性能向上を図ろうとしているので、高圧で燃焼室内に燃料噴射する必要がある。また、ＣＮＧ燃料ボンベ内の残存ガス圧力が、上記一定圧力値以下になると、ＣＮＧ燃料を高圧レギュレータによって調圧供給できなくなるため、航続距離が伸びなくなる。
【０００７】
このため、残存ガス圧力が基準圧力よりも小さいときに、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点近傍に設定して、吸気行程にてガス燃料を噴射する技術（特許文献１参照）や、ガス燃料タンク内の残存ガス圧力が燃料噴射圧力以下になったときに昇圧してタンク内残存燃料を有効に活用する技術（特許文献２参照）が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３２８９９７号公報
【非特許文献１】
トヨタ技術公開集（発行番号１３６５６）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、筒内直噴ＣＮＧエンジンでは、通常燃焼時には燃料供給圧力が高圧であればあるほど、短い噴射期間で多量の燃料を噴射することができ、高負荷・高回転域まで成層燃焼を成立させることができる。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１に係る従来技術にあっては、燃料噴射弁のダイナミックレンジが不足することや、燃圧可変制御が従来の減圧システムでは困難である等の理由から、燃料供給圧力は上記高圧レギュレータにより筒内噴射可能な中圧程度の一定圧力（たとえば、５ＭＰａ程度）に調圧されている。
【００１１】
したがって、このような中圧程度の供給圧力では、成層燃焼の成立領域が制約され、燃費向上メリットを十分に引き出すことができなかった。また、吸気行程噴射に切り替わった後は、エンジン性能が低下していた。
【００１２】
また、上記特許文献２に係る従来技術にあっては、残存ガス圧力が燃料噴射圧力以下になったときの対処のためだけに専用の昇圧システムを設けているので、システムが複雑化しコスト高となるとともに、その切り替え制御も複雑になる虞があった。
【００１３】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成と制御によってＣＮＧ燃料を有効利用して航続距離を伸ばすことができるとともに、高負荷・高回転域まで成層燃焼を成立させ、燃費メリットも引き出すことができる筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムは、ＣＮＧ燃料を貯蔵するＣＮＧ燃料ボンベと、ＣＮＧエンジンの燃焼室内に設けられＣＮＧ燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記ＣＮＧ燃料ボンベと前記燃料噴射弁とを接続する燃料供給ラインとを備えた筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムにおいて、前記ＣＮＧ燃料ボンベから前記燃料噴射弁に至る燃料供給ラインには、前記ＣＮＧ燃料の圧力を大気圧程度まで減圧させるレギュレータと、前記レギュレータによって減圧されたＣＮＧ燃料を昇圧する可変昇圧ポンプとを設け、前記ＣＮＧエンジンの運転条件に基づいて前記ＣＮＧ燃料を前記可変昇圧ポンプによって所定噴射圧力まで昇圧するように構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
したがって、この発明によれば、ＣＮＧ燃料ボンベがほぼ空になるまで運転できる燃料供給システムを構築でき、ＣＮＧ燃料を有効に利用でき、航続距離を伸ばすことができる。
【００１６】
また、通常燃焼時における噴射圧力を高圧にできるので、圧縮行程において短い噴射期間で多量の燃料を噴射することができる。したがって、高負荷・高回転域まで成層燃焼を成立させることができ、この成層燃焼による燃費メリットも引き出すことができる。
【００１７】
また、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムは、前記可変昇圧ポンプによるＣＮＧ燃料の昇圧は、通常の燃料量噴射時には高圧となるように制御され、最小燃料量噴射時には低圧となるように制御されることを特徴とするものである。
【００１８】
したがって、この発明によれば、使用される燃料噴射弁のダイナミックレンジが狭い場合には、可変昇圧ポンプの圧力制御で当該燃料噴射弁のダイナミックレンジ不足を容易に補うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムの実施の形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２０】
図１は、この発明の実施の形態に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムを示す模式図である。図１に示すように、ＣＮＧエンジン１０は、ＣＮＧ燃料をインジェクタ（燃料噴射弁）１７によって燃焼室１０ａに直接噴射する直噴式である。
【００２１】
この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当該ガソリンエンジンの場合と異なっている。なお、排気系統の構成は、図示を省略してある。
【００２２】
ＣＮＧ燃料ボンベ１２は、ＣＮＧ燃料を高圧（たとえば、最大２０ＭＰａ程度）状態で貯蔵するためのものである。なお、図示を省略するが、ＣＮＧ燃料ボンベ１２は、ボンベ内の圧力を検出する圧力センサや、温度を検出する温度センサを備えている。このＣＮＧ燃料ボンベ１２とＣＮＧエンジン１０のデリバリパイプ１３とは、燃料供給パイプ（燃料供給ライン）１４によって接続されている。
【００２３】
このデリバリパイプ１３は、燃料供給パイプ１４で圧送されてきた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や、温度を検出する温度センサ１３ｂを備えている。
【００２４】
また、ＣＮＧ燃料ボンベ１２からインジェクタ１７に至る燃料供給パイプ１４には、ＣＮＧ燃料ボンベ１２から圧送されたＣＮＧ燃料の圧力を大気圧程度（たとえば、０．１ＭＰａ程度）まで減圧させるレギュレータ１５と、このレギュレータ１５によって減圧されたＣＮＧ燃料を必要な噴射圧力まで昇圧する可変昇圧ポンプ１６とが設けられており、この点が、従来の筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムと大きく異なっている。
【００２５】
なお、ＣＮＧエンジン１０、インジェクタ１７、レギュレータ１５、可変昇圧ポンプ１６等は、デリバリパイプ１３の圧力センサ１３ａや温度センサ１３ｂ、ＣＮＧ燃料ボンベ１２の圧力センサや温度センサ（図示せず）等の各種センサの情報に基づいて、図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって制御されている。
【００２６】
つぎに、この燃料供給システムの制御動作およびその効果について説明する。先ず、ＣＮＧ燃料ボンベ１２からの高圧のＣＮＧ燃料をレギュレータ１５によって大気圧程度（たとえば、０．１ＭＰａ程度）まで減圧する。
【００２７】
従来技術では、ＣＮＧ燃料ボンベ１２からの高圧のＣＮＧ燃料を高圧レギュレータによって筒内噴射可能な中圧程度（たとえば、５ＭＰａ程度）に減圧されていたが、この高圧レギュレータの制御は難しく、温度変化や圧力変化の影響を受けて噴射圧が変動しやすい。
【００２８】
しかし、本発明のシステムのように、大気圧程度までの減圧は、レギュレータ１５をほぼ開放するだけでよいので噴射圧が安定しており、かつレギュレータ１５の構造も簡素化することができる。また、大気圧程度まで減圧することが前提であるので、ＣＮＧ燃料ボンベ１２がほぼ空になるまで運転できる燃料供給システムを構築することができ、ＣＮＧ燃料を有効利用して航続距離を伸ばすことができる。
【００２９】
つぎに、レギュレータ１５によって減圧されたＣＮＧ燃料は、ＣＮＧエンジン１０の運転条件に基づいて可変昇圧ポンプ１６によって必要な噴射圧力まで昇圧される。すなわち、デリバリパイプ１３内の圧力が圧力センサ１３ａによりモニターされているので、目標設定圧力との間でフィードバック制御されている。
【００３０】
また、デリバリパイプ１３内の圧力値に対応する複数の燃焼マップが予め設定されている。そして、ＣＮＧエンジン１０の回転数と負荷状況等に応じたマップがこれら複数のマップから選択され、その選択されたマップに基づいて燃料噴射制御が行われ、また、成層燃焼と均質燃焼とを切り替える制御が行われる。
【００３１】
燃焼面での効果としては、通常燃焼時には燃料噴射圧力が高圧であればあるほど、短い噴射期間で多量の燃料を噴射することができるので、高負荷・高回転域まで成層燃焼を成立させることができ、この成層燃焼による燃費メリットも引き出すことができる。
【００３２】
また、吸気行程でＣＮＧ燃料を燃焼室１０ａ内に直接噴射すると、噴射されたＣＮＧ燃料によって新気の吸入が邪魔されて、その分、新気吸入量が減少し、この吸入空気量不足から出力が低下するが、本発明の燃料供給システムによれば、噴射圧力を高くできるので、広範囲で圧縮行程噴射が可能となって吸入空気量を確保することができ、均質燃焼でも出力を向上させることができる。
【００３３】
また、成層燃焼は、使用されるインジェクタ１７のダイナミックレンジが狭い場合には、通常運転の全域で成立させることは難しい。そこで、可変昇圧ポンプ１６を用いて、通常の燃料量噴射時には高圧となるように制御し、アイドル時等の最小燃料量噴射時には低圧となるように制御することで、インジェクタ１７のダイナミックレンジ不足を補うことができる。なお、可変昇圧ポンプ１６の運転による機械損失は、高圧制御となるほど高くなるので、上記制御圧力は燃焼改善による出力向上と当該機械損失とを勘案して適合され設定される。
【００３４】
また、従来技術の燃料供給システムでは、航続距離を伸ばすために残存ガス圧力が小さくなったときの対策として、当該残存ガス圧力を昇圧させるための専用の昇圧システムを設ける等して対処しなければならず、この専用昇圧システムを噴射圧力のダイナミックレンジを広げるために利用することはできなかった。
【００３５】
一方、この実施の形態による燃料供給システムによれば、上述したように、残存ガス圧力が小さいときであっても、可変昇圧ポンプ１６によって必要な噴射圧力まで容易に昇圧できるとともに、この可変昇圧ポンプ１６を噴射圧力のダイナミックレンジを広げるために利用することができる。したがって、燃料供給システム全体を従来よりも簡素化することができる。
【００３６】
また、車種の変更によりＣＮＧエンジン１０の仕様が変化しても、可変昇圧ポンプ１６の制御を当該エンジン１０の運転条件に基づいて適宜変更して対応すればよいので、制御設計に自由度があり、汎用性の高い燃料供給システムを提供できる。
【００３７】
なお、上記実施の形態においては、４気筒のＣＮＧエンジン１０を例にして本発明を適用したが、これに限定されず、４気筒以外の気筒数のＣＮＧエンジンに適用してもよく、上記と同様の効果を期待できる。
【００３８】
また、上記実施の形態においては、レギュレータ１５によって大気圧程度まで減圧されたＣＮＧ燃料を、ＣＮＧエンジン１０の運転条件に基づいて可変昇圧ポンプ１６によって所定噴射圧力まで昇圧制御するものとして説明したが、可変昇圧ポンプ１６による噴射圧力制御を必要に応じて以下のように行うこともできる。
【００３９】
すなわち、ＣＮＧ燃料ボンベ１２内の圧力（残圧）が変動しても、噴射圧力を可変昇圧ポンプ１６によって常に一定（たとえば、筒内噴射可能な中圧程度）に設定することにより、従来の高圧レギュレータを備えた燃料供給システムのように制御することもできる。
【００４０】
この場合には、従来システムの場合と同様に、上記一定圧力値に対応する燃焼マップを予め設定すればよく、このマップに基づいてエンジンの回転数と負荷状況等に応じた成層燃焼と均質燃焼とを切り替える制御を行えばよいため、予め設定すべき燃焼マップ数を簡素化することができ、ソフト面において簡素化することができる。
【００４１】
また上述したように、上記実施の形態に係る燃料供給システムは、従来システムのような制御および構造が複雑な高圧レギュレータを用いておらず、制御および構造が簡易なレギュレータ１５と可変昇圧ポンプ１６を用いているので、従来システムの場合よりもハード面において簡素化されている。
【００４２】
したがって、このハード面において簡素化されている上記実施の形態に係る燃料供給システムを、ＣＮＧ燃料ボンベ１２の残圧変動時にも噴射圧力を一定にするシステム（ソフト面において簡素化されているシステム）に適用することで、ハードおよびソフトの両面において簡素化できるシステムを構築してもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムによれば、レギュレータによって大気圧程度まで減圧されたＣＮＧ燃料を、ＣＮＧエンジンの運転条件に基づいて可変昇圧ポンプによって所定噴射圧力まで昇圧するように構成したので、ＣＮＧ燃料ボンベがほぼ空になるまで運転できる燃料供給システムを構築でき、ＣＮＧ燃料を有効に利用でき、航続距離を伸ばすことができる。
【００４４】
また、通常燃焼時における噴射圧力を高圧にできるので、圧縮行程において短い噴射期間で多量の燃料を噴射することができる。したがって、高負荷・高回転域まで成層燃焼を成立させることができ、この成層燃焼による燃費メリットも引き出すことができる。
【００４５】
また、噴射圧力を高くできるので、広範囲で圧縮行程噴射が可能となって吸入空気量を確保することができ、均質燃焼でも出力を向上させることができる。
【００４６】
さらに、車種の変更によりＣＮＧエンジンの仕様が変化しても、可変昇圧ポンプの制御を当該エンジンの運転条件に基づいて適宜変更して対応すればよいので、制御設計に自由度があり、汎用性の高い燃料供給システムを提供できる。
【００４７】
また、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムによれば、可変昇圧ポンプによるＣＮＧ燃料の昇圧は、通常の燃料量噴射時には高圧となるように制御され、最小燃料量噴射時には低圧となるように制御されるので、使用される燃料噴射弁のダイナミックレンジが狭い場合には、可変昇圧ポンプの圧力制御で当該燃料噴射弁のダイナミックレンジ不足を容易に補うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムを示す模式図である。
【符号の説明】
１０ ＣＮＧエンジン
１０ａ 燃焼室
１２ ＣＮＧ燃料ボンベ
１３ デリバリパイプ
１３ａ 圧力センサ
１３ｂ 温度センサ
１４ 燃料供給パイプ（燃料供給ライン）
１５ レギュレータ
１６ 可変昇圧ポンプ
１７ インジェクタ（燃料噴射弁）

Claims (2)

1. ＣＮＧ燃料を貯蔵するＣＮＧ燃料ボンベと、
   ＣＮＧエンジンの燃焼室内に設けられＣＮＧ燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記ＣＮＧ燃料ボンベと前記燃料噴射弁とを接続する燃料供給ラインと、
   を備えた筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システムにおいて、
   前記ＣＮＧ燃料ボンベから前記燃料噴射弁に至る燃料供給ラインには、前記ＣＮＧ燃料の圧力を大気圧程度まで減圧させるレギュレータと、
   前記レギュレータによって減圧されたＣＮＧ燃料を昇圧する可変昇圧ポンプとを設け、
   前記ＣＮＧエンジンの運転条件に基づいて前記ＣＮＧ燃料を前記可変昇圧ポンプによって所定噴射圧力まで昇圧するように構成したことを特徴とする筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システム。
2. 前記可変昇圧ポンプによるＣＮＧ燃料の昇圧は、通常の燃料量噴射時には高圧となるように制御され、最小燃料量噴射時には低圧となるように制御されることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料供給システム。

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