本発明は、気体燃料噴射制御装置に関する。

バイフューエル型のエンジン(内燃機関)を用いる車両など、エンジンの燃料として気体燃料を用いる車両において、気体燃料の噴射タイミングを制御するための幾つかの技術が提案されている。 例えば、特許文献1では、気体燃料噴射弁が管状部材を介して吸気管に接続されている場合でも、高精度な気体燃料噴射制御を行うことのできる技術が示されている。 また、特許文献2では、ガソリン代替燃料としてLPGを用いる場合に、噴射遅れを防止して空燃比の適正化を図るための技術が示されている。

特開2012−211524号公報

特開2004−150411号公報

気体燃料の最適な噴射タイミングは、エンジン内のレイアウトにより異なる。エンジンのレイアウトが異なる毎に気体燃料の噴射タイミングの制御アルゴリズムを設定することは、エンジン制御の設計者にとって負担となる。

本発明は、様々なレイアウトのエンジンにおける気体燃料の噴射タイミングの制御に適用可能な気体燃料噴射制御装置を提供する。

本発明の一態様によれば、気体燃料噴射制御装置は、気体燃料を燃焼させるエンジンの1サイクルを分割した期間であるステージをシリンダ毎に算出するステージ算出部と、気体燃料噴射弁からシリンダに向けての気体燃料の噴射の終了タイミングと、前記エンジンの回転数と、シリンダに向けての気体燃料の噴射時間とに基づいて、気体燃料の噴射を開始するステージと、当該ステージ開始から当該気体燃料の噴射開始までの時間とを算出する、気体燃料噴射開始タイミング算出部と、を具備する。

前記エンジンは、複数のシリンダを有し、液体燃料または気体燃料をシリンダで燃焼させるエンジンであり、前記ステージ算出部は、各シリンダにおけるガソリンの噴射終了タイミングで前記1サイクルを分割して前記ステージを算出する、ようにしてもよい。

上記した気体燃料噴射制御装置によれば、当該気体燃料噴射制御装置を、様々なレイアウトのエンジンにおける気体燃料の噴射タイミングの制御に適用することができる。

本発明の一実施形態におけるバイフューエルシステム(Bi-Fuel System)の機能構成を示す概略構成図である。

同実施形態における第二エンジン制御ユニットがガスの噴射タイミングを制御する際の、処理タイミングの例を示す説明図である。

同実施形態において、ステージ算出部がシリンダ毎にステージを算出する処理手順の例を示すフローチャートである。

同実施形態において、気体燃料噴射開始タイミング算出部が、ガスの噴射を開始するステージと、当該ステージ開始からガスの噴射開始までの時間とを算出する処理手順の例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 図1は、本発明の一実施形態におけるバイフューエルシステム(Bi-Fuel System)の機能構成を示す概略構成図である。同図において、バイフューエルシステム1は、ガソリンタンク10と、ガスタンク20と、レギュレータ30と、エンジン40と、第一エンジン制御ユニット(1st−ECU、液体燃料噴射制御装置)100と、第二エンジン制御ユニット(2nd−ECU、気体燃料噴射制御装置)110とを具備する。エンジン40は、シリンダユニット50−1〜4を具備する。シリンダユニット50−i(iは、1≦i≦4の正整数)は、シリンダ(気筒)51−iと、ピストン52−iと、クランク53−iと、吸気マニホールド(Intake Manifold)54−iと、ガソリンインジェクタ55−iと、ガスインジェクタ56−iと、吸気バルブ57−iと、排気バルブ58−iと、点火プラグ59−iとを具備する。第二エンジン制御ユニット110は、ステージ算出部111と気体燃料噴射開始タイミング算出部112とを具備する。 なお、シリンダユニット50−1〜50−4を総称してシリンダユニット50と表記する。同様に、総称としてシリンダ51、ピストン52、クランク53、吸気マニホールド54、ガソリンインジェクタ55、ガスインジェクタ56、吸気バルブ57、排気バルブ58、点火プラグ59と表記する。

バイフューエルシステム1は、液体燃料または気体燃料を燃焼させて動力を生成する。本実施形態では、液体燃料としてガソリンを用い、気体燃料として圧縮天然ガス(Compressed Natural Gas;CNG)を用いる場合を例に説明するが、これに限らず様々な液体燃料および気体燃料を用いることができる。なお、以下では、圧縮天然ガスを単に「ガス」と称する。 ガソリンタンク10は、ガソリンを貯蔵し、当該ガソリンをエンジン40に供給する。ガスタンク20は、ガスを貯蔵し、当該ガスを、レギュレータ30を介してエンジン40に供給する。レギュレータ30は、ガスタンク20から出力されるガスを減圧してエンジン40に供給する。

エンジン40は、バイフューエル型の4気筒4サイクルエンジンである。シリンダユニット50−1において、ガソリンインジェクタ55−1は、ガソリンタンク10から供給されるガソリンを、第一エンジン制御ユニット100の制御に従ってシリンダ51−1内へ向けて噴射する。ガスインジェクタ56−1は、ガスタンク20から供給されレギュレータ30で減圧されたガスを、第二エンジン制御ユニット110の制御に従ってシリンダ51−1内へ向けて噴射する。ガスインジェクタ56は、気体燃料噴射弁の例に該当する。

具体的には、ガソリンインジェクタ55−1は、ガソリンを吸気マニホールド54−1に噴射し、ガスインジェクタ56−1は、ガスを吸気マニホールド54−1に噴射する。吸気マニホールド54−1では、ガソリンインジェクタ55−1から噴射されたガソリンまたはガスインジェクタ56−1から噴射されたガスが空気と混合される。混合されたガソリンやガスや空気は、吸気バルブ57−1が開いた際に、吸気マニホールド54−1からシリンダ51−1内へ流入する。

シリンダ51−1は、ガソリンやガスの燃焼室として用いられる。ピストン52−1は、ガソリンやガスの燃焼およびクランク53−1の回転運動により、シリンダ51−1内の往復を繰り返す。クランク53−1は、ピストン52−1から供給される動力(ガソリンやガスの燃焼による膨張力)により回転し、動力をピストン52−1に供給する。 吸気バルブ57−1は、吸気バルブ57−1自らが開くことで、混合されたガソリンやガスや空気を吸気マニホールド54−1からシリンダ51−1内へ流入させる。排気バルブ58−1は、排気バルブ58−1自らが開くことで、シリンダ51−1内でのガソリンやガスの燃焼による排気ガスを、シリンダ51−1内から流出させる。また、吸気バルブ57−1自らが閉じることや、排気バルブ58−1自らが閉じることで、シリンダ51−1における気体等の流入や流出が遮断される。

より具体的には、吸入行程(吸気行程)にて、吸気バルブ57−1が開いた状態となり、また、ピストン52−1がクランク53−1に引っ張られて移動することで、混合されたガソリンやガスや空気が吸気マニホールド54−1からシリンダ51−1内へ流入する。なお、排気バルブ58−1は閉じた状態となっている。 次に、圧縮行程にて、吸気バルブ57−1が閉じた状態となり、また、ピストン52−1がクランク53−1に押されて移動することで、混合されたガソリンやガスや空気がシリンダ51−1内で圧縮される。

次に、膨張行程(燃焼行程)にて、点火プラグ59−1がガソリンやガスに点火して燃焼させる。燃焼による気体の膨張力でピストン52−1が押される。気体からのピストン52−1に対する押圧力(膨張力)は、クランク53−1に伝達されて回転力となる。 次に、排気行程にて、排気バルブ58−1が開いた状態となり、また、ピストン52−1がクランク53−1に押されて移動することで、ガソリンやガスの燃焼にて生じた排気ガスが、シリンダ51−1内からエンジン40の外部へ流出する。 シリンダユニット50−2〜50−4についても、シリンダユニット50−1について説明したのと同様である。但し、シリンダユニット50−1〜50−4毎に、上述した行程がずれて実行される。

なお、以下では、上述した吸入行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程の繰り返しを、エンジン40のサイクルと称する。従って、エンジン40の1サイクルは、吸入行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程の1回りである。 また、以下では、吸入行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程のそれぞれに要する時間は同じであるとみなして、エンジン40の1行程に要する時間と称する。

第一エンジン制御ユニット100は、ガソリンインジェクタ55がガソリンを噴射するタイミングおよび噴射時間を制御する。第一エンジン制御ユニット100は、例えばマイコン(Microcomputer)を含んで構成され、マイコンのCPU(Central Processing Unit、中央処理装置)が、マイコンの記憶デバイスからプログラムを読み出して実行することで、処理を行う。 第二エンジン制御ユニット110は、ガスインジェクタ56がガスを噴射するタイミングおよび噴射時間を制御する。第二エンジン制御ユニット110は、例えばマイコンを含んで構成され、マイコンのCPUが、マイコンの記憶デバイスからプログラムを読み出して実行することで、処理を行う。第二エンジン制御ユニット110は、気体燃料噴射制御装置の例に該当する。

ステージ算出部111は、エンジン40の1サイクルを分割した期間であるステージをシリンダ51毎に算出する。特に、ステージ算出部111は、各シリンダ51におけるガソリンの噴射終了タイミングでエンジン40の1サイクルを分割してステージを算出する。すなわち、ステージ算出部111は、各シリンダ51におけるガソリンの噴射終了タイミングを検出することで、ステージの切り替わりを算出する。 気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、ガスインジェクタ56からシリンダ51に向けてのガスの噴射の終了タイミングと、エンジン40の回転数と、シリンダ51に向けてのガスの噴射時間とに基づいて、ガスの噴射を開始するステージと、当該ステージ開始からガスの噴射開始までの時間とを算出する。なお、ガスの噴射の終了タイミングは、エンジン40内のレイアウトに応じて予め設定されている。あるいは、第二エンジン制御ユニット110がガスの噴射の終了タイミングを機械学習するようにしてもよい。 ステージ算出部111や、気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、例えば、マイコンが実行するプログラムのモジュールとして構成される。

図2は、第二エンジン制御ユニット110がガスの噴射タイミングを制御する際の、処理タイミングの例を示す説明図である。同図において、第二エンジン制御ユニット110の各々について、ガソリンインジェクタ55の停止/噴射のタイミングおよびガスインジェクタ56の停止/噴射のタイミングが示されている。

図2(A)は、ガスの噴射時間が1ステージ内に収まる場合の、第二エンジン制御ユニット110の処理タイミングの例を示している。ガソリンインジェクタ55のいずれかがガソリンの噴射を終了する毎に、ステージ算出部111が、シリンダ51毎にステージを算出する。また、ガソリンインジェクタ55のいずれかがガソリンの噴射を終了する毎に、気体燃料噴射開始タイミング算出部112が、ガスの噴射を開始するステージと、当該ステージ開始からガスの噴射開始までの時間とを算出する。これらの処理のタイミングは、図2においてハッチングされた四角で示されている。

図2の例では、エンジン40が4気筒エンジンであることから、ステージ算出部111は1サイクルを4分割(ほぼ4等分)してステージを算出する。

また、ステージ算出部111が算出する行程の開始毎に、第二エンジン制御ユニット110は、気体燃料噴射開始タイミング算出部112が算出したステージ、および、当該ステージ開始からガスの噴射開始までの時間に基づいて、ガス噴射開始タイミングを制御するためのタイマ設定を行う。図2(A)の例では、ガスの噴射時間が1行程内に収まることから、気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、ガスの噴射を開始するステージをステージ3と算出する。そして、第二エンジン制御ユニット110は、ステージ3の開始となるシリンダ51についてタイマを設定する。 例えば、ステージ算出部111が、シリンダ51−1(第二エンジン制御ユニット110−1)におけるガソリンの噴射終了にてステージの切り替わりを算出した際、点火順序で次のシリンダ51であるシリンダ51−2(第二エンジン制御ユニット110−2)のステージ3が始まる。そこで、シリンダ51−2に向けてガスインジェクタ56−2にガスの噴射を開始させるタイミングとして、第二エンジン制御ユニット110は、気体燃料噴射開始タイミング算出部112が算出したステージ開始からガスの噴射開始までの時間のカウントを開始する。当該時間が経過すると、第二エンジン制御ユニット110は、ガスインジェクタ56−2を制御してガスを噴射させる。

一方、図2(B)は、ガスの噴射時間が2ステージにかかる場合の、第二エンジン制御ユニット110の処理タイミングの例を示している。この場合、気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、ガスの噴射を開始するステージをステージ2(排気行程)と算出する。そして、第二エンジン制御ユニット110は、ステージ2の開始となるシリンダ51についてタイマを設定する。 例えば、ステージ算出部111が、シリンダ51−1(第二エンジン制御ユニット110−1)におけるガソリンの噴射終了にてステージの切り替わりを算出した際、点火順序で2つ後のシリンダ51であるシリンダ51−3(第二エンジン制御ユニット110−3)のステージ2が始まる。そこで、シリンダ51−3に向けてガスインジェクタ56−3にガスの噴射を開始させるタイミングとして、第二エンジン制御ユニット110は、気体燃料噴射開始タイミング算出部112が算出したステージ開始からガスの噴射開始までの時間のカウントを開始する。当該時間が経過すると、第二エンジン制御ユニット110は、ガスインジェクタ56−3を制御してガスを噴射させる。

ここで、ガスの噴射時間が1行程以内の時間から2行程にかかる時間に変化する(長くなる)過渡期においてガソリンの噴射が終了したシリンダ51の次の点火順序のシリンダ51では、ステージ算出部111がステージの切り替わりを算出した際に、既にステージ2を通過しステージ3が開始している。これにより当該シリンダ51に向けてのガスの噴射が行われなくなると、バイフューエルシステム1を搭載する車両の乗り心地や運転性能が悪化する可能性がある。そこで、第二エンジン制御ユニット110は、ガスの噴射時間が1行程以内の時間から2行程にかかる時間に変化したことを算出すると、ガソリンの噴射が終了したシリンダ51の次の点火順序のシリンダ51に向けて、ガスインジェクタ56にガスの噴射を開始させる。そして、第二エンジン制御ユニット110は、ガスの噴射終了時間の間、ガスインジェクタ56にガスの噴射を行わせる。 これにより、シリンダ51へのガスの供給が欠落することを回避でき、もって、車両の乗り心地や運転性能の悪化を防止または低減させることができる。

次に、図3および図4を参照して、第二エンジン制御ユニット110の動作について説明する。 図3は、ステージ算出部111がシリンダ51毎にステージを算出する処理手順の例を示すフローチャートである。ステージ算出部111は、シリンダ51毎に同図の処理を行う。同図の処理において、ステージ算出部111は、各シリンダ51について、ガソリンの噴射終了の有無を判定する(ステップS101)。例えば、ステージ算出部111は、第一エンジン制御ユニット100からガソリンインジェクタ55の各々への電流(ガソリンの噴射を指示する信号)を測定し、電流のオンからオフへの切り替わりを検出すると、ガソリンの噴射終了が発生したと判定する。 次に、ステージ算出部111は、ステージ算出対象となっているシリンダ51についてガソリンの噴射終了をステップS101で検出したか否かを判定する(ステップS102)。当該噴射終了を検出したと判定した場合(ステップS102:YES)、ステージ算出部111は、ステージ番号を0に設定する(ステップS111)。その後、ステップS101へ戻る。

一方、ステップS102において、ステージ算出対象となっているシリンダ51についてガソリンの噴射終了を検出していないと判定した場合(ステップS102:NO)、ステージ算出部111は、他のシリンダ51についてガソリンの噴射終了をステップS101で検出したか否かを判定する(ステップS121)。 当該噴射終了を検出したと判定した場合(ステップS121:YES)、ステージ算出部111は、ステージ番号に1を加算する(ステップS131)。その後、ステップS101へ戻る。 一方、ステップS131において、他のシリンダ51についてガソリンの噴射終了を検出していないと判定した場合(ステップS121:NO)、ステップS101へ戻る。

図4は、気体燃料噴射開始タイミング算出部112が、ガスの噴射を開始するステージと、当該ステージ開始からガスの噴射開始までの時間とを算出する処理手順の例を示すフローチャートである。気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、いずれかのシリンダ51についてガソリンの噴射が終了する毎に、同図の処理を行う。 図4の処理において、気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、ガスの噴射時間を決定する(ステップS201)。例えば、気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、ガソリンの噴射時間に応じたガスの噴射時間に決定する。 次に、気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、ステップS101で決定したガスの噴射時間の、エンジン40の1サイクルに要する時間に対する割合を算出する(ステップS202)。例えば、気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、エンジン40の回転数から1サイクルに要する時間を算出し、ガスの噴射時間を1サイクルに要する時間で除算して割合を算出する。

次に、気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、ガス噴射開始のステージを算出する(ステップS203)。例えば、気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、ステップS202で算出した割合を、1/4(1サイクルに対する1ステージの時間の割合)で除算した商の整数部分により、ステージ3から何ステージ前かを算出する。 そして、気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、ステップS203で算出したステージの開始からガス噴射開始タイミングまでの時間を算出する(ステップS204)。その後、図4の処理を終了する。 第二エンジン制御ユニット110は、ステージ算出部111が、ステージの切り替わりを算出する毎に、気体燃料噴射開始タイミング算出部112が算出したステージ、および、ステージの開始からガス噴射開始タイミングまでの時間に基づいて、図2を参照して説明したように、ガスの噴射を制御する。

以上のように、ステージ算出部111は、シリンダ51毎にステージを算出する。そして、気体燃料噴射開始タイミング算出部112は、ガスインジェクタ56からシリンダ51に向けてのガスの噴射の終了タイミングと、エンジン40の回転数と、シリンダ51に向けてのガスの噴射時間とに基づいて、ガスの噴射を開始するステージと、当該ステージ開始からガスの噴射開始までの時間とを算出する。 これにより、第二エンジン制御ユニット110では、エンジン40内のレイアウトに応じてガスの噴射の終了タイミングを設定しておけば、ガスの噴射開始タイミングを算出して噴射の制御を行う。従って、第二エンジン制御ユニット110は、様々なレイアウトのエンジンにおける気体燃料の噴射タイミングの制御に適用可能である。

また、ステージ算出部111は、各シリンダ51におけるガソリンの噴射終了タイミングでエンジン40の1サイクルを分割してステージを算出する。これにより、第二エンジン制御ユニット110では、例えばクランクアングルを検出するセンサなど、シリンダ51における行程を検出するためのセンサを設ける必要無しに、ガスの噴射タイミングを制御することができる。この点において、第二エンジン制御ユニット110の構成を簡単化することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

1…バイフューエルシステム 10…ガソリンタンク 20…ガスタンク 30…レギュレータ 40…エンジン 50…シリンダユニット 51…シリンダ 52…ピストン 53…クランク 54…吸気マニホールド 55…ガソリンインジェクタ 56…ガスインジェクタ 57…吸気バルブ 58…排気バルブ 59…点火プラグ 100…第一エンジン制御ユニット 110…第二エンジン制御ユニット 111…ステージ算出部 112…気体燃料噴射開始タイミング算出部