JP2007303395A - 燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より簡便な手法で、かつ機関始動直後においても燃料の密度を検出することができる燃料供給装置を提供する。
【解決手段】 機関のクランキング中に燃料圧ＰＦをサンプリングし（Ｓ１７）、高速フーリエ変換を行って、サンプリングした燃料圧ＰＦの周波数成分を求め、燃料供給系内の燃料の脈動固有振動数ｆ０を算出する（Ｓ２１）。脈動固有振動数ｆ０は、燃料密度ρＦが高くなるほど低くなるので、脈動固有振動数ｆ０から燃料密度ρＦが求められる（Ｓ２２）。その際、燃料温度ＴＦを検出し（Ｓ２０）、脈動固有振動数ｆ０から算出される燃料密度を燃料温度ＴＦで補正することにより、基準温度ＴＦＲＥＦにおける燃料密度ρＦが得られる。燃料密度ρＦに応じて燃料の混合比ＲＭＩＸが算出される（Ｓ２３）。
【選択図】 図６

Description

本発明は、内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置に関し、特に使用中の燃料の密度を検出する機能を有するものに関する。

特許文献１には、内燃機関の燃焼制御装置が示されている。この装置によれば、使用中の燃料の密度（比重）が、燃料噴射時間、並びに検出される噴射圧力、燃料の温度、吸入空気量及び空燃比に基づいて算出される。さらに、燃料の密度から燃料の性状が判定され、判定された燃料性状に応じて機関の燃焼制御が行われる。

特開２００４−２３９２３０号公報

上記特許文献１に示された装置では、燃料の密度を算出するためのパラメータとして、燃料噴射時間、並びに検出される噴射圧力、燃料の温度、吸入空気量及び空燃比が用いられる。そのため、使用するセンサの数が多くなり、センサの計測誤差の影響により、燃料密度の算出精度が低下し易い。また機関始動直後においては、空燃比センサが活性化するまでの期間中は燃料密度を算出することができないという課題がある。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、より簡便な手法で、かつ機関始動直後においても燃料の密度を検出することができる燃料供給装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、燃料タンク（９）と、該燃料タンク（９）の燃料を加圧する燃料ポンプ（８ａ）と、燃料を内燃機関（１）の吸気通路または燃焼室内に噴射する燃料噴射手段（６）と、前記燃料タンク（９）と燃料噴射手段（６）とを接続する燃料通路（１０，１１，７）とを備える燃料供給装置において、前記燃料通路内の燃料圧（ＰＦ）を検出する圧力検出手段（１２）と、前記燃料通路内の燃料温度（ＴＦ）を検出または推定する燃料温度取得手段（１３）と、前記圧力検出手段（１２）により検出される燃料圧（ＰＦ）に基づいて、前記燃料通路内の燃料の脈動固有振動数（ｆ０）を算出する固有振動数算出手段と、前記燃料温度（ＴＦ）及び前記脈動固有振動数（ｆ０）に応じて、前記燃料の密度（ρＦ）を算出する燃料密度算出手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料供給装置において、前記燃料の密度（ρＦ）に応じて燃料の種別を判定する燃料判定手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料供給装置において、前記燃料は２種類の燃料の混合燃料であり、前記燃料密度算出手段により算出される密度（ρＦ）に応じて前記２種類の燃料の混合比（ＲＭＩＸ）を算出する燃料混合比算出手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、燃料通路内の燃料圧が検出されるとともに、燃料通路内の燃料温度が検出または推定され、燃料圧に基づいて燃料通路内の燃料の脈動固有振動数が算出され、燃料温度及び脈動固有振動数に応じて燃料の密度が算出される。燃料噴射手段を作動させることにより、燃料通路内の燃料が振動するので、検出される燃料圧から燃料の脈動固有振動数を算出することができる。脈動固有振動数は、燃料の密度が高くなるほど低下するので、脈動固有振動数から燃料密度を求めることができる。したがって従来に比べて、より少ないセンサを用いた簡便な手法で使用中の燃料の密度を検出することができる。特に機関のクランキング中に燃料密度を検出できるので、始動直後の燃焼制御を燃料の性状に適合させることができ、始動直後の排気特性を改善することができる。

請求項２に記載の発明によれば、燃料の密度に応じて燃料の種別が判定される。市場で販売されている燃料の密度は既知であるので、予め参照テーブルを用意しておくことにより、燃料密度から燃料の種別を判定することができる。

請求項３に記載の発明によれば、混合燃料の密度に応じて２種類の燃料の混合比が算出される。密度が既知の２種類の燃料の混合比と、混合燃料の密度との関係を示す参照テーブルを用意しておくことにより、混合燃料の密度から混合比を算出することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその燃料供給装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、４気筒のエンジンであり、吸気管２を有する。吸気管２にはスロットル弁３が設けられている。燃料噴射弁６は、吸気管２の途中であってエンジン１とスロットル弁３との間の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられている。図１には４つの気筒に対応する４つの燃料噴射弁６が示されているが、吸気管２（吸気マニホールドを含む）は、１つの気筒に対応する構成のみ示されている。

燃料噴射弁６は燃料供給管７を介してデリバリパイプ１１に接続され、デリバリパイプ１１は、燃料パイプ１０を介して燃料タンク９内の燃料ポンプユニット８に接続されている。燃料ポンプユニット８は、、燃料ポンプ８ａと、燃料ストレーナ８ｂと、基準圧力を燃料タンク内圧としたプレッシャーレギュレータ８ｃとが一体に構成されたものである。このプレッシャーレギュレータ８ｃにより、燃料噴射弁６に供給される燃料圧ＰＦは、燃料タンク内圧との差圧が、一定圧となるように調整される。

デリバリパイプ１１には、燃料圧ＰＦを検出する燃料圧センサ１２及び燃料温度ＴＦを検出する燃料温度センサ１３が設けられている。これらのセンサの検出信号は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。
燃料噴射弁６はＥＣＵ５に電気的に接続され、該ＥＣＵ５からの駆動信号により開弁時期及び開弁時間が制御される。

エンジン１にはクランク角度位置センサ１４が設けられており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１４は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）でＣＲＫパルスを発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

ＥＣＵ５は、燃料圧センサ１２、燃料温度センサ１３、クランク角度位置センサ１４、及び図示しない他のセンサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６、点火プラグ（図示せず）などに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。ＥＣＵ５は、各種センサの検出信号に基づいて、燃料噴射弁６による燃料噴射制御及び点火時期制御を行うとともに、後述するように使用中の燃料の密度ρＦの検出を行う。

図２は、本実施形態における燃料密度ρＦの検出手法を説明するための図である。同図（ａ）は、エンジン１の作動中に検出される燃料圧ＰＦの周波数成分の分析結果を示す。この図の縦軸は燃料圧ＰＦの脈動振幅ＷＰＦ（対数表示）であり、横軸は周波数ｆである。また破線Ｌ１は、燃料密度ρＦが第１の密度ρＦ１である第１の燃料の周波数成分を示し、一点鎖線Ｌ２は、燃料密度ρＦが第２の密度ρＦ２である第２の燃料の周波数成分を示し、実線Ｌ３は、燃料密度ρＦが第３の密度ρＦ３である第３の燃料の周波数成分を示す。第１〜第３の密度ρＦ１〜ρＦ３は、ρＦ１＞ρＦ２＞ρＦ３という関係を有する。実際には、第１の燃料はガソリン１００％の燃料であり、第２の燃料はエタノールとガソリンとの混合比が５０％の燃料であり、第３の燃料はエタノール１００％の燃料である。

図２（ａ）から明らかなように、第１〜第３燃料密度ρＦ１〜ρＦ３に対応する最大成分（低周波成分を除く）の周波数（「脈動固有振動数」という）がそれぞれそれｆ１，ｆ２，ｆ３となり、脈動固有振動数ｆ１〜ｆ３と、燃料密度ρＦ１〜ρＦ３との関係は、図２（ｂ）に示すようになる。したがって、燃料圧ＰＦから算出される脈動固有振動数によって、燃料の密度ρＦを検出することができる。

図３（ａ）は、エンジン１の始動時の燃料圧ＰＦの推移を示すタイムチャートであり、時刻ｔ０から燃料ポンプの運転が開始され、時刻ｔ１からクランキングが開始され、時刻ｔ４から自立運転が開始された状態が示されている。同図（ｂ）は、クランキング中の時刻ｔ２からｔ３までのサンプリング期間ＴＳ１にサンプリングされた燃料圧ＰＦの周波数成分を示し、同図（ｃ）は、自立運転中の時刻ｔ５からｔ６までのサンプリング期間ＴＳ２にサンプリングされた燃料圧ＰＦの周波数成分を示す。クランキング中及び自立運転中のいずれにおいても、燃料密度ρＦに対応した脈動固有振動数ｆ０を検出することができる。すなわち、本実施形態の手法によれば、クランキング中において燃料密度ρＦを検出することができる。

図４（ａ）は、燃料噴射弁６の閉弁時にサンプリングした燃料圧ＰＦの周波数成分を示し、同図（ｂ）は燃料噴射弁６の開弁時にサンプリングした燃料圧ＰＦの周波数成分を示す。閉弁時では、脈動固有振動数はｆ０であるが、開弁時ではｆ０の成分より大きいｆ０ａの成分が表れる。したがって、サンプルタイミングは、燃料噴射弁６の閉弁中または開弁中のいずれかに固定することが望ましい。

次に脈動固有振動数ｆ０と、燃料密度ρＦとの関係を検討する。燃料噴射弁６、燃料ポンプユニット８、燃料パイプ１０、及びデリバリパイプ１１からなる燃料供給系において、燃料パイプ１０内の燃料の振動は、燃料噴射弁の作動、すなわち燃料噴射を起振源とする振動であり、燃料パイプ１０内の燃料がばね定数ｋで弾性振動するモデルを用いると、脈動固有振動数ｆ０は、燃料パイプ１０内の燃料の質量をｍとして、下記式（１）で与えられる。ここで、質量ｍは、燃料密度ρＦと燃料パイプ１０の容積Ｖの積であるから、燃料密度ρＦと脈動固有振動数ｆ０との関係は、下記式（２）で与えられる。

次に脈動固有振動数ｆ０を正確に求める手法について検討する。
燃料圧センサ１２により検出される信号には、ノイズ成分が含まれるため、脈動振幅ＷＰＦはノイズ成分の影響で変動する。そこで本実施形態では、図５に示すように、脈動固有振動数ｆ０の近傍の所定周波数範囲を、３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃに分割し、各領域の平均脈動振幅Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を算出し、平均脈動振幅Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３及び各領域の中心周波数ν１，ν２，ν３から、脈動固有振動数ｆ０を算出するようにしている。

図５（ａ）は、比較的広い周波数範囲の脈動振幅ＷＰＦを示し、同図（ｂ）は同図（ａ）において楕円で囲んだ、脈動固有振動数ｆ０の近傍の部分を拡大して示す。３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃが設定されており、図中の黒丸がサンプリング点を示す。各領域の平均脈動振幅Ｐ１〜Ｐ３は、下記式（３）〜（５）により算出する。ここでｋは、各領域のサンプリング点の数である。

次に下記式（６）により脈動固有振動数ｆ０を算出する。式（６）のＲ１〜Ｒ３は、下記式（７）〜（９）により算出される比率である。

このようにして脈動固有振動数ｆ０を算出することにより、図５（ｄ）に示すように、破線で示すようにノイズ成分が重畳しているような場合でも正確な脈動固有振動数ｆ０を得ることができる。

図６は、ガソリンとエタノールの混合燃料を使用する場合において、上述した手法により使用中の燃料の燃料密度ρＦを算出し、さらに燃料混合比ＲＭＩＸを算出する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５のＣＰＵで所定サンプリング周期（例えば０．２ミリ秒）で実行される。

ステップＳ１１では、エンジン１の始動中であるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、完爆（自立運転開始）前であるか否かを判別する（ステップＳ１２）。ステップＳ１１またはＳ１２の答が否定（ＮＯ）であるときは、カウンタＰＦＣＯＵＮＴを「０」に設定し（ステップＳ１６）、本処理を終了する。

ステップＳ１２の答が肯定（ＹＥＳ）、すなわちクランキング中であるときは、カウンタＰＦＣＯＵＮＴの値が「０」であるか否かを判別する（ステップＳ１３）。最初はこの答が肯定（ＹＥＳ）であるので、本処理の前回実行時において燃料噴射弁６が閉弁中（Ｔｏｆｆ）であったか否かを判別する（ステップＳ１４）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、さらに本処理の今回実行時において燃料噴射弁６が開弁されている（Ｔｏｎ）か否かを判別する（ステップＳ１５）。ステップＳ１４またはＳ１５の答が否定（ＮＯ）であるときは、前記ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１５の答が肯定（ＹＥＳ）、すなわち燃料噴射弁６の開弁直後であるときは、検出燃料圧ＰＦを読み込み（ステップＳ１７）、カウンタＰＦＣＯＵＮＴの値が所定値ＰＦＣ０（例えば１０００）以上であるか否かを判別する（ステップＳ１８）。最初はこの答が否定（ＮＯ）であるので、ステップＳ１９に進み、カウンタＰＦＣＯＵＮＴを「１」だけインクリメントする。これによりステップＳ１３の答が否定（ＮＯ）となり、ステップＳ１３から直ちにステップＳ１７に進み、検出燃料圧ＰＦを読み込む。

必要なデータの取得が完了し、ステップＳ１８の答が肯定（ＹＥＳ）となると、ステップＳ２０に進む。燃料温度ＴＦを読み込む。次いで、サンプリングされたデータから周波数成分を求める高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を実行するとともに、図５に示した手法により脈動固有振動数ｆ０を算出する。

ステップＳ２２では、脈動固有振動数ｆ０及び燃料温度ＴＦに応じて図７（ａ）に示すρＦ０テーブルを検索し、燃料温度ＴＦが基準温度ＴＦ０（２５℃）に等しいときの基準燃料密度ρＦ０を算出する。実際にはほとんど場合、燃料温度ＴＦは、基準温度ＴＦ０と等しくないので、基準燃料密度ρＦ０を、基準温度ＴＦ０及び検出燃料温度ＴＦに応じて補正することにより、実燃料密度ρＦを算出する。

ステップＳ２３では、実燃料密度ρＦに応じて図７（ｂ）に示すＲＭＩＸテーブルを検索し、燃料の混合比ＲＭＩＸを算出する。本実施形態では、ガソリンにエタノールを混合させたときのエタノールの比率を混合比ＲＭＩＸとしているので、ＲＭＩＸテーブルは、燃料密度ρＦが高くなるほど、混合比ＲＭＩＸが減少するように設定されており、基準温度ＴＦ０における燃料密度ρＦと混合比ＲＭＩＸとの関係に対応するものである。
ステップＳ２４では、カウンタＰＦＣＯＵＮＴの値を「０」に戻し、本処理を終了する。

混合比ＲＭＩＸに応じて、始動時の燃料噴射量を補正することにより、空燃比センサが活性化する前においても、適量の燃料を供給し、エンジン１の燃焼状態及び排気特性を向上させることができる。

以上のように本実施形態では、燃料供給系内の燃料の脈動固有振動数ｆ０を求め、脈動固有振動数ｆ０に応じて燃料密度ρＦを算出するようにしたので、従来に比べて、より少ないセンサを用いた簡便な手法で使用中の燃料の密度を検出することができる。またエンジン１のクランキング中に燃料密度ρＦを検出できるので、始動直後の燃焼制御を燃料の性状に適合させることができ、始動直後の排気特性を改善することができる。

本実施形態では、燃料噴射弁６が燃料噴射手段に相当し、燃料圧センサ１２及び燃料温度センサ１３がそれぞれ圧力検出手段及び燃料温度取得手段に相当し、燃料パイプ１０，デリバリパイプ１１，燃料供給管７が燃料通路に相当し、ＥＣＵ５が固有振動数算出手段、燃料密度算出手段及び燃料混合比算出手段を構成する。具体的には、図６のステップＳ１１〜Ｓ２１が固有振動数算出手段に相当し、ステップＳ２２が燃料密度算出手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、２種類の燃料を混合した混合燃料を使用する例を示したが、上述した特許文献１に示されるように単一の燃料を使用する場合にも本発明を適用することが可能である。その場合には、燃料密度ρＦに応じてオクタン価あるいはセタン価といった燃料性状（燃料の種別）を判定し、判定した燃料性状に応じた燃焼制御を行う。その場合には、ＥＣＵ５が燃料判定手段を構成する。

また上述した実施形態では、燃料温度ＴＦは燃料温度センサ１３により検出するようにしたが、外気温、機関温度などに応じて推定するようにしてもよい。
また上述した実施形態では、燃料を吸気管内に噴射する例を示したが、本発明の燃料供給装置は、エンジン１の燃焼室内に直接噴射するものであってもよい。
また図６の処理では、燃料噴射弁６の開弁中に燃料圧ＰＦをサンプリングするようにしたが、燃料噴射弁６の閉弁中にサンプリングするようにしてもよい。また、クランキング中ではなく自立運転中にサンプリングするようにしてもよい。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンに燃料を供給する燃料供給装置にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその燃料供給装置の構成を示す図である。 燃料密度（ρＦ）の検出手法を説明するための図である。 機関のクランキング中及び自立運転中における燃料圧の脈動振幅の周波数成分を説明するための図である。 燃料噴射弁の開弁中及び閉弁中にサンプリングした燃料圧の脈動振幅の周波数成分を示す図である。 脈動固有振動数ｆ０を算出する手法を説明するための図である。 機関のクランキング中に燃料密度（ρＦ）及び燃料の混合比（ＲＭＩＸ）を算出する処理のフローチャートである。 図６の処理で参照されるテーブルを示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
５ 電子制御ユニット（固有振動数算出手段、燃料密度算出手段、燃料判定手段、燃料混合比算出手段）
６ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
７ 燃料供給管（燃料通路）
８ 燃料ポンプユニット
８ａ 燃料ポンプ
９ 燃料タンク
１０ 燃料通路（燃料通路）
１１ デリバリパイプ（燃料通路）
１２ 燃料圧センサ（圧力検出手段）
１３ 燃料温度センサ（燃料温度取得手段）

Claims (3)

1. 燃料タンクと、該燃料タンクの燃料を加圧する燃料ポンプと、燃料を内燃機関の吸気通路または燃焼室内に噴射する燃料噴射手段と、前記燃料タンクと燃料噴射手段とを接続する燃料通路とを備える燃料供給装置において、
   前記燃料通路内の燃料圧を検出する圧力検出手段と、
   前記燃料通路内の燃料温度を検出または推定する燃料温度取得手段と、
   前記圧力検出手段により検出される燃料圧に基づいて、前記燃料通路内の燃料の脈動固有振動数を算出する固有振動数算出手段と、
   前記燃料温度及び前記脈動固有振動数に応じて、前記燃料の密度を算出する燃料密度算出手段とを備えることを特徴とする燃料供給装置。
2. 前記燃料の密度に応じて燃料の種別を判定する燃料判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
3. 前記燃料は２種類の燃料の混合燃料であり、前記燃料密度算出手段により算出される密度に応じて前記２種類の燃料の混合比を算出する燃料混合比算出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。

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