JP2021042733A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料性状の変化による排気エミッションの悪化を抑制する。【解決手段】燃料が天然ガスである内燃機関１を制御するための制御装置は、燃料のメタン価を検出する検出ユニット１００と、検出ユニットにより検出されたメタン価に応じて燃料噴射量を補正するように構成された制御ユニット１００とを備える。制御ユニットは、検出されたメタン価が所定の基準メタン価より小さくなるほど、燃料噴射量を減量側に補正する。【選択図】図１

Description

本開示は内燃機関の制御装置に係り、特に、燃料が天然ガスである内燃機関を制御するための制御装置に関する。

燃料として天然ガスを使用する内燃機関では、燃料を液化天然ガス（ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas））として燃料タンク内に貯留している。

特開２０１８−１６２７６９号公報

ところで燃料タンク内では、長期経過等によりＬＮＧ中のメタン濃度が減少し、ＬＮＧの組成が変わり、燃料が重質化するウェザリング現象なるものが発生する。この燃料性状の変化を無視し、何等対策を施さなければ、排気エミッションが悪化する虞がある。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、燃料性状の変化による排気エミッションの悪化を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
燃料が天然ガスである内燃機関を制御するための制御装置であって、
燃料のメタン価を検出する検出ユニットと、
前記検出ユニットにより検出されたメタン価に応じて燃料噴射量を補正するように構成された制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、検出されたメタン価が所定の基準メタン価より小さくなるほど、燃料噴射量を減量側に補正する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置が提供される。

好ましくは、前記制御ユニットは、フューエルカット制御またはリーン制御から復帰するときに燃料噴射量を減量側に補正する。

好ましくは、前記制御装置は、前記内燃機関の排気通路に設けられたラムダセンサをさらに備え、
前記制御ユニットは、前記ラムダセンサの検出値に基づき燃料噴射量をフィードバック制御すると共に、前記ラムダセンサにより検出された実際の空気過剰率と所定の目標空気過剰率との差に基づき、燃料噴射量を補正するための補正値を算出し、
前記検出ユニットは、算出された前記補正値に基づき、燃料のメタン価を検出する。

本開示によれば、燃料性状の変化による排気エミッションの悪化を抑制することができる。

本実施形態に係る内燃機関とその制御装置を示す概略図である。 燃料噴射量制御ルーチンのフローチャートである。 燃料噴射量制御で使用するマップおよび関係を示すグラフである。 燃料のメタン価と補正係数の関係を示すグラフである。 メタン価検出ルーチンのフローチャートである。 復帰時増量制御のルーチンのフローチャートである。 減量補正用補正係数を算出するためのマップを示す。 空気過剰率とラムダフィードバック制御補正係数との変化の一例を示すタイムチャートである。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

図１は、本実施形態に係る内燃機関とその制御装置を示す概略図である。内燃機関（エンジンともいう）１は、天然ガスを燃料とし、車両、特にトラック等の大型車両に動力源として使用される。但しエンジンの用途は任意であり、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に適用されるものであってもよい。またエンジンは、移動体に搭載されたものでなくてもよく、定置式のものであってもよい。燃料は図示しない燃料タンク内にＬＮＧとして貯留される。

エンジン１の排気通路２には排気浄化用の触媒３が設けられる。触媒３は例えば三元触媒により形成される。エンジン１の吸気通路４には、上流側から順にエアクリーナ５と吸気スロットルバルブ６が設けられる。エンジン１は多気筒エンジンであり、気筒毎の燃料噴射用インジェクタ７と点火プラグ８とを備える。なおエンジン１にターボチャージャが設けられてもよい。

このエンジン１を制御するための制御装置は、制御ユニットとしての電子制御ユニット（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）という）１００を備える。また制御装置は、回転センサ２１、アクセル開度センサ２２、ラムダセンサ２３および流量センサ２４を備える。これらセンサはＥＣＵ１００に電気的に接続されている。ＥＣＵ１００はこれらセンサの検出値に基づき、インジェクタ７、点火プラグ８および吸気スロットルバルブ６を制御するように構成され、プログラムされている。

回転センサ２１はエンジンの回転速度、具体的には毎分当たりの回転数（ｒｐｍ）を検出するためのセンサである。アクセル開度センサ２２は、運転手により増減されるアクセル開度を検出するためのセンサである。

ラムダセンサ２３は、触媒３の上流側の排気通路２に設けられ、排気の空気過剰率を検出する。なおここでは空気過剰率に基づいて制御を行うが、空燃比に基づいて制御を行ってもよい。これら空気過剰率と空燃比はいずれも燃料と空気の混合割合を示す指標値であるから、空気過剰率といった場合、空燃比が概念的に含まれるものとする。

流量センサ２４は、エアクリーナ５の下流側かつ吸気スロットルバルブ６の上流側の吸気通路４に設けられ、吸気の流量、すなわち単位時間当たりの吸入空気量を検出する。

加えて制御装置は、燃料のメタン価を検出する検出ユニットを備える。なお検出には推定もしくは算出が含まれるものとする。検出ユニットとしてＥＣＵ１００が兼用されるが、検出ユニットはＥＣＵ１００と別体のユニットであってもよい。また検出ユニットは、燃料のメタン価を直接検出するセンサを含むものであってもよい。

次に、ＥＣＵ１００により実行される本実施形態の制御について説明する。

まずＥＣＵ１００は、通常時に、ベースとなる通常制御を実行する。この通常制御の際、ＥＣＵ１００は、図２に示すルーチンに従って、インジェクタ７から噴射される燃料噴射量を制御する。このときＥＣＵ１００は、ラムダセンサ２３により検出された実際の空気過剰率に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する。これをラムダフィードバック制御という。図２のルーチンは、１エンジンサイクル（＝７２０°ＣＡ）毎に繰り返し実行される。

ここで燃料噴射量とは、１エンジンサイクル中で１気筒当たりに噴射される燃料の量のことをいう。実際上は、インジェクタ７がオンされて燃料噴射が実行されている時間、すなわち噴射時間もしくは噴射幅により制御がなされるため、燃料噴射量は噴射時間もしくは噴射幅と言い換えることもできる。

まずステップＳ１０１で、ＥＣＵ１００は、回転センサ２１および流量センサ２４によりそれぞれ検出されたエンジン回転数Ｎｅおよび吸気流量Ｇａを取得する。

次にステップＳ１０２で、ＥＣＵ１００は、取得したエンジン回転数Ｎｅおよび吸気流量Ｇａに基づき、図３（Ａ）に示すようなマップ（関数でもよい。以下同様）に従って、燃料噴射量の基本値である基本噴射量Ｑｂを算出する。マップは予め試験等を通じて作成され、ＥＣＵ１００に記憶されている。

次にステップＳ１０３で、ＥＣＵ１００は、ラムダセンサ２３により検出された空気過剰率λを取得する。

そしてステップＳ１０４で、ＥＣＵ１００は、検出された実際の空気過剰率λと、所定の目標空気過剰率λｔとの差である過剰率差Δλを算出する。過剰率差Δλは式：Δλ＝λｔ−λから算出される。目標空気過剰率λｔは例えば１である。

ステップＳ１０５で、ＥＣＵ１００は、過剰率差Δλに基づき、燃料噴射量を補正するための補正値である補正係数αを算出する。そしてステップＳ１０６で、ＥＣＵ１００は、基本噴射量Ｑｂに補正係数αを乗じて最終噴射量Ｑｆを算出する（Ｑｆ＝α×Ｑｂ）。最後にステップＳ１０７で、ＥＣＵ１００は、最終噴射量Ｑｆに等しい量の燃料をインジェクタ７から噴射させる。具体的には、最終噴射量Ｑｆに相当する噴射時間もしくは噴射幅だけ、インジェクタ７をオンする。

図３（Ｂ）に、過剰率差Δλと補正係数αの関係を示す。過剰率差Δλがゼロのとき補正係数αは１であり、実質的に補正はなされない。過剰率差Δλがゼロより大きいとき、実際の空気過剰率λは目標空気過剰率λｔより小さく、排気空燃比は、目標空気過剰率λｔ相当の空燃比（例えば理論空燃比）よりリッチである。従って基本噴射量Ｑｂを減量側に補正すべく、１より小さい補正係数αが算出される。但しα＞０である。過剰率差Δλの値が大きくなるほど、補正係数αの値は小さくなる。

逆に、過剰率差Δλがゼロより小さいとき、実際の空気過剰率λは目標空気過剰率λｔより大きく、排気空燃比は、目標空気過剰率λｔ相当の空燃比よりリーンである。従って基本噴射量Ｑｂを増量側に補正すべく、１より大きい補正係数αが算出される。過剰率差Δλの値が小さくなるほど、補正係数αの値は大きくなる。

こうした補正係数αの算出は、例えば公知のＰＩＤ制御の手法に従って行うことができる。あるいは、図３（Ｂ）に示した過剰率差Δλと補正係数αの関係を、マップの形でＥＣＵ１００に予め記憶しておき、この関係から、過剰率差Δλに対応した補正係数αを算出するようにしてもよい。

このようにして基本噴射量Ｑｂは過剰率差Δλに基づき補正され、実際の空気過剰率λは目標空気過剰率λｔに近づけられる。そして触媒３ができるだけ効率的に作動するよう燃料噴射量が制御される。

ところで、燃料をＬＮＧとして貯留する燃料タンク内では、長期経過等によりＬＮＧ中のメタン濃度が減少し、ＬＮＧの組成が変わり、燃料が重質化するウェザリング現象なるものが発生する。この燃料性状の変化を無視し、何等対策を施さなければ、排気エミッションが悪化する虞がある。

そこで本実施形態のＥＣＵ１００は、検出されたメタン価に応じて燃料噴射量を補正する。特にＥＣＵ１００は、検出されたメタン価が所定の基準メタン価より小さくなるほど、燃料噴射量を減量側に補正する。以下、この点について説明する。

燃料タンク内の燃料は、最初は、基準メタン価Ｍｂを有する基準燃料である。例えば、基準燃料は一般的な都市ガスの種類である１３Ａであり、基準メタン価Ｍｂは６４である。しかし、長期経過等により燃料のメタン濃度が次第に減少し、燃料は重質化する。この重質化が起こると、燃料の単位体積当たりの発熱量が増加し、燃料としては空気過剰率が低下するリッチ方向に組成が変化する。すると、重質化がないときと同一の燃料噴射量としたのでは、ＣＯ，ＨＣ等の未燃成分がより多く排出され、排気エミッションが悪化する虞がある。

そこで本実施形態では、検出されたメタン価が基準メタン価Ｍｂより小さくなるほど、燃料噴射量を減量側に補正する。これによりリッチ方向への組成変化分を補償し、燃料性状の変化による排気エミッションの悪化を抑制することができる。

特に本実施形態では、フューエルカット制御から復帰するときに燃料噴射量を減量側に補正する。フューエルカット制御とは、車両の減速時等に燃料噴射量をゼロにする制御であり、検出されたアクセル開度Ａｃがアクセル全閉相当の値（例えばゼロ）であり、かつ、検出されたエンジン回転数Ｎｅが所定の復帰回転数Ｎｅｓより高いという条件（フューエルカット実行条件という）が成立したときに実行される。一方、フューエルカット実行条件が成立から非成立に切り替わったとき、フューエルカット制御は終了され、制御はフューエルカット制御から通常制御に復帰される。

フューエルカット制御中には燃料噴射が行われない。この影響で、フューエルカット制御からの復帰直後、すなわち燃料噴射の再開直後には、筒内空燃比が一時的に極端にリーンとなるリーンスパイクが起こる傾向にある。このリーンスパイクが起こると、筒内からのＮＯｘ排出量が著しく増加する。こうしたリーンスパイクによるＮＯｘ排出を抑制するため、フューエルカット制御からの復帰直後には、燃料噴射量を一時的に増加する復帰時増量制御が行われる。

しかし、燃料が重質化したときには、燃料増加量が過剰となり、排気空燃比が著しくリッチとなり、ＣＯ，ＨＣ等の未燃成分の排出量が増加する場合があることが判明した。そこで本実施形態では、フューエルカット制御からの復帰直後に燃料噴射量を減量側に補正することで、燃料増加量が過剰になることを抑制している。

ところで燃料のメタン価は、専用のセンサにより検出可能であるが、こうするとセンサのためのコストが増加してしまう。よって本実施形態では燃料のメタン価をＥＣＵ１００と既存のセンサにより推定し、コストを抑制している。

特に本発明者らは、鋭意研究の結果、燃料のメタン価と、ラムダフィードバック制御の補正係数αとの間に相関性があることを見出し、この新たな知見に基づいて、燃料性状の指標値であるメタン価を検出することを創案するに至った。

図４は、本発明者らが知得した燃料のメタン価Ｍと補正係数αの関係を示す。一般に補正係数αは、エンジン運転状態の変化等に応じて変化する。しかし、エンジン運転状態が一定の定常運転中だと、補正係数αは、燃料のメタン価Ｍに応じた一定値に収束する傾向がある。よって本実施形態では、エンジンの定常運転中に補正係数αを取得し、この補正係数αに対応したメタン価Ｍを図示の関係から取得することで、燃料のメタン価Ｍを検出する。図示の関係は試験等を通じて予め定められ、マップの形でＥＣＵ１００に記憶される。

図４に点Ｂで示すように、燃料が、基準メタン価Ｍｂの基準燃料であるとき、補正係数はαｂである（これを基準補正係数という）。αｂは例えば１であり、Δλがゼロのときの補正係数に等しい。基準メタン価Ｍｂおよび基準補正係数αｂは、それぞれメタン価Ｍおよび補正係数αに関する所定の基準値に該当する。

燃料のメタン価Ｍが基準メタン価Ｍｂから低下し、燃料の重質化が進む（重質度が大になる）につれ、補正係数αの値はαｂから小さくなる。メタン価Ｍと補正係数αは比例関係にある。従って、取得した補正係数αの値がαｂより低下した場合には、基準燃料が重質化し、燃料性状が変化したこと、すなわち燃料のメタン価Ｍが基準メタン価Ｍｂより低下したことを検出できる。

ところで、補正係数αの値は、エンジンのハード上のバラツキによっても変化する。そこでこうしたバラツキ要因と区別するため、算出した補正係数αが、基準補正係数αｂに対し所定値ｄα以上低下したときに限り、問題視する程にメタン価Ｍが低下した、あるいは燃料が重質化したと判定するのが好ましい。言い換えれば、補正係数αが基準補正係数αｂに対し所定値ｄα以上低下してない場合には燃料が重質化してないと判定するのが好ましい。これにより、バラツキ要因と区別して燃料の重質化を精度良く検出できる。所定値ｄαは、バラツキ要因によって生じる基準補正係数αｂからの低下量の最大値より僅かに大きい低下量とされる。

なお、基準補正係数αｂから所定値ｄαだけ低下した補正係数はαｓである。ｄαおよびαｓに対応したメタン価Ｍに関する値はｄＭおよびＭｓである。

本実施形態のメタン価検出ルーチンを図５を参照して説明する。図５のルーチンもＥＣＵ１００により１エンジンサイクル（＝７２０°ＣＡ）毎に繰り返し実行される。

ステップＳ２０１で、ＥＣＵ１００は、エンジンが定常運転中であるか否かを判断する。例えば、エンジン回転数Ｎｅおよび吸気流量Ｇａの検出値がそれぞれ所定時間以上、所定の変動幅に収まっているとき、定常運転中と判断される。

ＥＣＵ１００は、定常運転中でないと判断したとき、ルーチンを終了する一方、定常運転中であると判断したときには、ステップＳ２０２に進んで、ステップＳ１０５で算出された補正係数αの値を取得する。

次いでステップＳ２０３で、ＥＣＵ１００は、取得した補正係数αが前述の所定の閾値αｓ以下か否かを判断する。ＥＣＵ１００は、閾値αｓより大きいと判断したとき、ルーチンを終了する一方、閾値αｓ以下と判断したときには、ステップＳ２０４に進む。

ステップＳ２０４で、ＥＣＵ１００は、補正係数αに対応するメタン価Ｍを図４のマップから算出する。これにより燃料のメタン価Ｍが実質的に検出される。補正係数αが閾値αｓ以下のときのみメタン価Ｍを検出するので、バラツキ要因と区別して検出精度を向上できる。

なお、ステップＳ２０３を省略し、補正係数αが閾値αｓ以下か否かに拘わらずメタン価Ｍを検出してもよい。

次に、復帰時増量制御のルーチンを図６を参照して説明する。図６のルーチンもＥＣＵ１００により実行される。

ステップＳ３０１で、ＥＣＵ１００は、フューエルカット制御（Ｆ／Ｃと表記）が終了したか否かを判断する。具体的にはＥＣＵ１００は、フューエルカット実行条件が成立から非成立に切り替わったか否かを判断する。

ＥＣＵ１００は、フューエルカット制御が終了してないと判断したとき、ルーチンを終了する一方、フューエルカット制御が終了したと判断したときには、ステップＳ３０２に進んで、ステップＳ２０４で算出されたメタン価Ｍの値を取得する。

次にステップＳ３０３で、ＥＣＵ１００は、取得したメタン価Ｍに基づき、燃料噴射量を減量補正するための補正係数Ｋを、図７に示すようなマップから算出する。マップにおいて、メタン価Ｍが基準メタン価Ｍｂ以上であるときの補正係数Ｋは１である。そしてメタン価Ｍが基準メタン価Ｍｂから低下するほど、補正係数Ｋの値は１から減少する。従って燃料噴射量はより減量側に補正される。補正係数Ｋは実質的に燃料噴射量減量量の大きさを表す。

次にステップＳ３０４で、ＥＣＵ１００は、算出された補正係数Ｋを式：Ｑｆ＝Ｋ×γ×Ｑｂに適用して最終噴射量Ｑｆを算出する。そしてステップＳ３０５で、ＥＣＵ１００は、この最終噴射量Ｑｆの燃料をインジェクタ７から噴射させる。

γは、１より大きい所定の復帰時増量補正係数であり、例えば一定値である。通常であれば、この増量補正係数γを基本噴射量Ｑｂに乗じた値が最終噴射量Ｑｆとされる。しかし、燃料のメタン価Ｍが基準メタン価Ｍｂより小さいと、γ×Ｑｂを噴射した場合に増量補正量が過剰となって未燃成分排出量が増加する虞がある。そこで本実施形態では、γにＫを乗じることで増量補正量を減少する。これにより、増量補正量を適量として未燃成分排出量を抑制することができる。

図８には、空気過剰率λとラムダフィードバック制御補正係数αとの変化の一例を示す。横軸は時間ｔである。

時刻ｔ１より前の期間Ｔ１と、時刻ｔ２より後の期間Ｔ３とでは通常制御が実行され、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間Ｔ２ではフューエルカット制御が実行されている。図中の実線は基準メタン価Ｍｂの基準燃料を使用した場合を示し、破線は、基準メタン価Ｍｂより低いメタン価（例えば０．５Ｍｂ）の重質化した燃料を使用した場合を示す。いずれの線も、本実施形態の減量補正を適用しない場合を示す。

まず、基準燃料を使用した場合を説明する。実線で示すように、期間Ｔ１ではラムダフィードバック制御が実行され、空気過剰率λは目標空気過剰率λｔを中心に変動し、補正係数αは基準補正係数αｂを中心に変動する。期間Ｔ２ではフューエルカット制御が実行され、空気過剰率λは無限大となり、補正係数αはラムダフィードバック制御の停止により算出されない。

期間Ｔ３に入った直後に復帰時増量制御が行われると、空気過剰率λは一旦目標空気過剰率λｔを下回り、その後、目標空気過剰率λｔに向かって徐々に上昇する。そして空気過剰率λが目標空気過剰率λｔの±Ｒ％以内の幅に入った時点ｔ３で、ラムダフィードバック制御が再開され、補正係数αの算出が開始される。なおＲは所定値である。

一方、重質化した燃料を使用した場合だと、破線で示すように、復帰時増量制御が行われたときの空気過剰率λが過剰にリッチとなる。すなわち基準燃料使用時に比べ、空気過剰率λは目標空気過剰率λｔを大きく下回り、目標空気過剰率λｔへの上昇が遅れ、ラムダフィードバック制御の再開タイミングが時刻ｔ４へと遅れる。そのため未燃成分排出量が増加する。

しかし、図示しないが、本実施形態の減量補正を適用すると、重質化した燃料を使用した場合でも、期間Ｔ２中に空気過剰率λが目標空気過剰率λｔを下回る量を、基準燃料使用時と同等に抑えることができ、また、ラムダフィードバック制御再開タイミングを基準燃料使用時と同等にすることができる。よって未燃成分排出量を抑制することができる。

このように本実施形態によれば、検出されたメタン価Ｍが基準メタン価Ｍｂより小さくなるほど、燃料噴射量を減量側に補正するので、燃料性状の変化による排気エミッションの悪化を抑制することができる。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。

（１）例えば、燃料噴射量をゼロにするフューエルカット制御ではなく、燃料噴射量をゼロより大きい所定値まで減少するリーン制御から復帰するときに、メタン価に応じた減量補正を行ってもよい。

（２）メタン価に応じた減量補正を行う際、補正係数Ｋを乗じる代わりに補正量を減算して補正を行ってもよい。

（３）上記実施形態では、メタン価に応じた減量補正の補正対象を、エンジン回転数Ｎｅと吸気流量Ｇａに応じて変化するγ×Ｑｂとしたが、その代わりに、エンジン回転数Ｎｅのみに応じて変化する所定の燃料噴射量としてもよい。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関
２ 排気通路
２３ ラムダセンサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (3)

1. 燃料が天然ガスである内燃機関を制御するための制御装置であって、
   燃料のメタン価を検出する検出ユニットと、
   前記検出ユニットにより検出されたメタン価に応じて燃料噴射量を補正するように構成された制御ユニットと、
   を備え、
   前記制御ユニットは、検出されたメタン価が所定の基準メタン価より小さくなるほど、燃料噴射量を減量側に補正する
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御ユニットは、フューエルカット制御またはリーン制御から復帰するときに燃料噴射量を減量側に補正する
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記内燃機関の排気通路に設けられたラムダセンサをさらに備え、
   前記制御ユニットは、前記ラムダセンサの検出値に基づき燃料噴射量をフィードバック制御すると共に、前記ラムダセンサにより検出された実際の空気過剰率と所定の目標空気過剰率との差に基づき、燃料噴射量を補正するための補正値を算出し、
   前記検出ユニットは、算出された前記補正値に基づき、燃料のメタン価を検出する
   請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。

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