JP2008088941A - アルコール混合燃料エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷間始動時であっても燃焼悪化や失火による排気エミッションの悪化を低減することのできるアルコール混合燃料エンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】アルコール混合燃料を供給する燃料供給手段を備えるエンジンにおいて、筒内において、アルコール混合燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出手段と、該アルコール濃度検出手段により検出されたアルコール濃度に対応させて、供給燃料量および／または点火時期を制御する制御手段とを備え、アルコール濃度検出手段は、筒内に臨む受圧面にアルコール官能膜６４が配設された受圧部材６１と、受圧部材との間で圧力が伝達される圧電素子６３と、圧電素子６３を所定の周波数で励振させる励振手段と、圧電素子６３の出力信号の変化に基づきアルコール濃度を判別するアルコール濃度判別手段とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジンの制御装置、特に、ガソリンまたはガソリンとアルコールとを混合したアルコール混合燃料を用いるいわゆるフレキシブルフュエル車両に搭載されるアルコール混合燃料エンジンの制御装置に関する。

石油燃料に対する代替燃料の１つとしてアルコール燃料が有望視されており、ガソリンとアルコールとを混合した、いわゆるアルコール混合燃料として一部では実用化されている。ところが、このアルコール混合燃料はガソリン１００％の燃料に比べ、その発熱量や気化特性が異なると共に、ガソリンに対する混合割合を示すそのアルコール濃度によっても特性が異なるので、ガソリン１００％の燃料の使用を前提とするエンジンにそのままアルコール混合燃料を使用すると、制御空燃比が理論空燃比から外れ、排気成分が変化したり、運転性が悪化したりすることになる。

そこで、例えば、特許文献１には、燃料の比誘電率の変化でアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出センサをガソリンタンク内、ガソリンポンプの上流または下流に配設することにより、アルコール濃度を検出するガソリンの液種識別装置が開示されている。

また、例えば、特許文献２には、始動開始から筒内圧を検出し、検出された筒内圧の演算値(図示平均有効圧力の積算値)が所定時点でどのレベルにあるのかに基づき、使用燃料の性状(重軽質)を検出する内燃機 関の燃料性状検出装置が開示されている。

特開２００４−１２５４６５号公報 特開平９−１４４５９１号公報

ところで、特許文献１に開示されている、ガソリンタンク内、ガソリンポンプの上流または下流に配設されたアルコール濃度検出センサを用いた場合には、該センサで検出される燃料性状と実際にエンジンに噴射供給される燃料性状とが異なることがあり、正確な制御ができないことがある。すなわち、例えば、インジェクタに至る燃料経路内に燃料が残留した状態で、新たな異なるアルコール濃度の燃料が補給されたような場合には、エンジンに実際に噴射供給される直前の燃料のアルコール濃度は検出できないのである。従って、特に厳しい着火条件が要求される冷間始動時等においては、このアルコール濃度が不明のために燃焼悪化や失火が発生し易く排気エミッションの悪化を招くおそれがある。

また、特許文献２に開示の技術は、検出された筒内圧の演算値(図示平均有効圧力の積算値)に基づき、使用燃料の性状(重軽質)を検出するものであり、実際に燃焼により発生した筒内圧に依存している。従って、使用燃料の性状を検出するためには、所定時間ないしは所定数の運転サイクルを要するものであり、始動時の燃焼開始時点での燃料性状を検出することはできない。この結果、エンジンに実際に噴射供給され燃焼前の燃料のアルコール濃度は検出できず、特許文献１に開示の技術と同様に、特に厳しい着火条件が要求される冷間始動時等において、このアルコール濃度が不明のために燃焼悪化や失火が発生し易く排気エミッションの悪化を招くおそれがあるのである。

そこで、本発明の目的は、冷間始動時であっても燃焼悪化や失火による排気エミッションの悪化を低減することのできるアルコール混合燃料エンジンの制御装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一形態に係るアルコール混合燃料エンジンの制御装置は、アルコール混合燃料を供給する燃料供給手段を備えるエンジンにおいて、筒内において、アルコール混合燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出手段と、該アルコール濃度検出手段により検出されたアルコール濃度に対応させて、供給燃料量および／または点火時期を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、前記アルコール濃度検出手段は、筒内に臨む受圧面にアルコール官能膜が配設された受圧部材と、該受圧部材との間で圧力が伝達される圧電素子と、該圧電素子を所定の周波数で励振させる励振手段と、該圧電素子の出力信号の変化に基づきアルコール濃度を判別するアルコール濃度判別手段と、を備えることを特徴とする。

また、前記アルコール濃度検出手段は、少なくともエンジンの始動時において、圧縮行程にある気筒の圧電素子に対する励振手段を所定のクランク角で作動させることを特徴とする。

上記本発明の一形態によれば、アルコール混合燃料のアルコール濃度が、筒内においてアルコール濃度検出手段により検出される。この結果、エンジンに実際に供給された燃焼前の燃料のアルコール濃度が検出され、このアルコール濃度検出手段により検出されたアルコール濃度に対応させて、制御手段により供給燃料量および／または点火時期が制御される。従って、例えば始動時においては、初回の点火時期および／または２回目の供給燃料量が、検出されたアルコール濃度に対応させて設定できるので、燃焼悪化や失火の発生を招くおそれが低減される。

ここで、前記アルコール濃度検出手段が、筒内に臨む受圧面にアルコール官能膜が配設された受圧部材と、該受圧部材との間で圧力が伝達される圧電素子と、該圧電素子を所定の周波数で励振させる励振手段と、該圧電素子の出力信号の変化に基づきアルコール濃度を判別するアルコール濃度判別手段と、を備える形態によれば、燃料供給手段により供給されたアルコール混合燃料は受圧部材に配設されたアルコール官能膜に吸着される。アルコール混合燃料を吸着したアルコール官能膜が配設された受圧部材は、そのアルコール吸着量に応じて質量が変化する。そこで、励振手段により所定の周波数で圧電素子を励振させると、受圧部材が強制振動されるが、その振動周波数はアルコール吸着量に応じた質量変化に対応して変化する。この受圧部材の振動周波数の変化が圧電素子の出力信号の変化として表れるので、アルコール濃度判別手段は圧電素子の出力信号の変化に基づきアルコール濃度を判別することができる。

また、前記アルコール濃度検出手段が、少なくともエンジンの始動時において、圧縮行程にある気筒の圧電素子に対する励振手段を所定のクランク角で作動させる形態によれば、少なくともエンジンの始動時においては、圧縮行程にある気筒の圧電素子に対する励振手段が所定のクランク角で作動されるので、受圧部材の振動周波数の変化による圧電素子の出力信号の変化に基づき、確実に、エンジンに実際に供給された燃焼前の燃料のアルコール濃度が検出される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき詳述する。

図１は、本実施形態に係るアルコール混合燃料エンジンの制御装置のシステム構成図である。図示のエンジン（内燃機関）１は、いわゆる直噴式の車両用火花点火式エンジンであり、好ましくは多気筒エンジンである（１気筒のみ図示）。気筒毎に、シリンダ３１内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁としてのインジェクタ１１が設けられている。このエンジン１に使用される燃料は、本実施形態では、アルコールとしてのエタノールとガソリンとの混合燃料、すなわち、エタノール混合燃料である。従って、以下の説明においては、アルコール濃度の表現の代わりにエタノール濃度を用いることもある。

エアクリーナ（図示せず）から吸入された空気は、吸気通路５を介して各気筒のシリンダ内燃焼室に分配供給される。吸気通路５は、上流側から順に配置された吸気管５１、吸気マニホールド５２及び吸気ポート４１により区画形成される。吸気マニホールド５２は、上流側に位置された集合部としてのサージタンク４と、サージタンク４に一端が接続され他端が各気筒の吸気ポート４１にそれぞれ接続された気筒毎の枝管５３とからなる。吸気管５１にはエアフローメータ２と電子制御式スロットル弁３とが設けられている。

インジェクタ１１は、吸気行程及び圧縮行程のいずれか一方又は両方で燃料噴射を行うよう、制御手段としての電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）１００により制御される。圧縮行程噴射の場合、上昇してくるピストン４３の頂部の凹部４４に向けて燃料を噴射し、凹部４４内面に沿って巻き上がるタンブル状の流れを生成する過程で燃料と空気とを混合させ、点火プラグ７付近に比較的リッチな混合気層を、その周りに比較的リーンな混合気層を形成する。インジェクタ１１は、ＥＣＵ１００から出力されるオン信号により開弁し、燃料を噴射し、ＥＣＵ１００から出力されるオフ信号により閉弁し、燃料噴射を停止する。

エンジン１からの排気は排気通路８を通じて排出される。排気通路８は、エンジン１のシリンダヘッドに気筒毎に形成された排気ポート４５と、これら排気ポート４５に接続される排気マニホールド５４と、排気マニホールド５４の下流側に接続された排気浄化用の触媒９と、触媒９の下流側に接続された排気管５５とにより構成される。排気マニホールド５４は、各気筒の排気ポート４５にそれぞれ接続された気筒毎の枝管と、枝管の下流側に位置された集合部とからなる。

吸気ポート４１及び排気ポート４５がそれぞれ吸気弁４２及び排気弁４６により開閉される。吸気弁４２及び排気弁４６は、それぞれ吸気弁用カムシャフト１２及び排気弁用カムシャフト１３によって開閉駆動される。なおこれら吸気弁４２及び排気弁４６の開閉時期を可変にするための可変バルブタイミング機構が設けられてもよい。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサ類からの出力信号に基づいて所定の演算処理を行い、インジェクタ１１、点火プラグ７及びスロットル弁３の駆動モータ１９等を制御し、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期及び吸入空気量等を制御する。

前記センサ類には前述のエアフローメータ２が含まれる。エアフローメータ２は、これを通過する吸入空気の流量に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。ＥＣＵ１００は、エアフローメータ２の出力値に基づきエンジンの負荷率を算出する。また、前記センサ類にはクランク軸２３の角度を検出するクランクポジションセンサ２４が含まれる。クランクポジションセンサ２４は、所定のクランク角度間隔でパルス信号を出力する。このパルス信号に基づいてＥＣＵ１００はエンジン１の実際のクランク角度を検出すると共に、回転速度を算出する。

また、アクセルペダルの踏込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ２７、スロットル弁３の開度を検出するスロットルポジションセンサ２８、エンジン１の冷却水温度（以下単に水温という）を検出する水温センサ２９、排気ガスの酸素濃度を検出する空燃比センサ３０が前記センサ類に含まれる。

スロットル弁３の開度はＥＣＵ１００によって制御される。即ち、ＥＣＵ１００は、通常、スロットルポジションセンサ２８の出力値がアクセル開度センサ２７の出力値に応じた値となるように駆動モータ１９を制御する。

また、筒内情報、特にシリンダ３１内における燃焼室の圧力（筒内圧）を検出するための筒内圧センサが設けられている。筒内圧センサは、筒内圧に応じた電圧信号をＥＣＵ１００に出力する。ＥＣＵ１００は、筒内圧センサから得られた信号に基づいて筒内圧を算出する。

本実施形態における筒内圧センサは、エタノール混合燃料のエタノール濃度を検出するエタノール濃度センサと兼用可能に設けられている。よって、以下の説明では、これを筒内圧およびエタノール濃度センサ６と称することにする。筒内圧およびエタノール濃度センサ６は、その先端部に設けられた受圧部材の受圧面をシリンダ３１内に臨ませてシリンダヘッド３３に配置されている。

この筒内圧およびエタノール濃度センサ６は、例えば図２に示す如く構成されている。筒内圧およびエタノール濃度センサ６は、シリンダ内に臨む受圧面を有する受圧部材６１を先端に有する小径部６Ａと、基端側に位置する大径部６Ｂと、これら小径部６Ａと大径部６Ｂとの間に位置する段部ないしはショルダ部６Ｃとを備えている。本実施形態におけるショルダ部６Ｃは、先細りの環状をなす円錐面にて形成されている。なお、筒内圧およびエタノール濃度センサ６は、自身に加えられた力に応じた信号を出力する圧電素子６３と、受圧部材６１に加えられた圧力を圧電素子６３に伝達する伝達部材６２と、受圧部材６１の受圧面に配設されたエタノール官能膜６４を備えて構成されている。受圧部材６１は、金属製のダイアフラムからなり、加えられる圧力に応じてセンサ軸方向に変形可能である。圧電素子６３は、例えば圧電結晶からなり、自身に加えられる力学的な力に応じて電圧を変化させたり、自身に加えられる電圧に応じて力学的な力を生じさせたりする。圧電素子６３の電極にはＥＣＵ１００内に構成される後述する励振手段およびエタノール濃度判別手段が接続されている。なお、伝達部材６２は受圧部材６１と圧電素子６３との間に介設され、受圧部材６１に加えられた力を圧電素子６３に伝達すると共に、圧電素子６３に発生された振動を受圧部材６１に伝達し、さらに受圧部材６１の熱を圧電素子６３に伝達させぬよう断熱機能も有する。

ここで、エタノール官能膜６４とは混合燃料中のエタノールを吸着する機能を有する薄膜であり、このエタノール官能膜６４としては、Ｆｅ／ＣｏクラスターまたはＣｏ／Ｍｏクラスター等を用いることができる。そして、これらは周知の方法、例えば、音速ジェット法、レーザ蒸発法、スパッタリング法または溶液法等によって受圧部材６１の受圧面に配設され得る。

この筒内圧およびエタノール濃度センサ６では、シリンダ内の圧力が受圧部材６１に加えられると、受圧部材６１がたわむことで伝達部材６２が圧縮力を受け、この圧縮力が圧電素子６３に伝達される。これにより圧電素子６３も圧縮され、その結果、圧電素子６３からは筒内圧に応じて変化する電圧信号がＥＣＵ１００に出力される。ＥＣＵ１００はこの出力信号に基づいて筒内圧を検知することになる。一方、後で詳述するが、受圧部材６１の振動周波数の変化による圧電素子の出力信号の変化に基づき、エタノール濃度が検出される。

一方、シリンダヘッド３３に形成される筒内圧センサ装着穴３５は、一端が燃焼室に開口し、筒内圧およびエタノール濃度センサ６の小径部６Ａに対して非接触状態でこれを取り囲む小径孔部３５Ａと、筒内圧およびエタノール濃度センサ６の大径部６Ｂを収容する大径孔部３５Ｂと、これら小径孔部３５Ａと大径孔部３５Ｂとの間に位置し、筒内圧およびエタノール濃度センサ６のショルダ部６Ｃが当接する段部３５Ｃとを有している。本実施形態による段部３５Ｃは、筒内圧およびエタノール濃度センサ６のショルダ部６Ｃと対応した先細りの環状をなす円錐面にて形成されている。

なお、筒内圧センサ装着穴３５は段部３５Ｃを有する段付穴であり、筒内圧およびエタノール濃度センサ６のショルダ部６Ｃが該段部３５Ｃに当接されてシールされる、いわゆる、ショルダシール方式とされている。

次に、上記システム構成になる実施形態において、ＥＣＵ１００により行われるエタノール濃度判別ないしは算出ルーチンの一例を、図３に示すフローチャートを参照して説明する。

この算出ルーチンは、所定時間（例えば、１０ｍｓ）毎に実行される。まず、エンジン１が始動される際のステップＳ３０１において、エンジン１がクランキング中であるか否かが判定される。クランキング中であるときはステップＳ３０２に進み、始動時の運転条件が取得される。本実施の形態では、例えば、水温センサ２９による水温とクランクポジションセンサ２４によるエンジン回転数と必要に応じてバッテリー電圧とが取得される。そして、次のステップＳ３０３において所定気筒が判別される。この所定気筒とは燃料が噴射供給されるべき気筒を意味し、例えば、始動のためにクランキングが開始されたときは、その最初に燃料が噴射供給されるべき気筒であり、それ以降では、順に、その次に燃料が噴射供給されるべき気筒である。

次に、ステップＳ３０４では、ステップＳ３０３において判別された所定気筒に対し、吸気行程または圧縮行程の初期のいずれかに所定量の燃料が噴射供給される。このときの燃料噴射量は、上述の始動時の運転条件に対応させて予め設定されてマップに保管されており、この燃料噴射量に見合う噴射時間、インジェクタ１１が開弁される。

そして、次のステップＳ３０５において、燃料が噴射供給された所定気筒における筒内圧およびエタノール濃度センサ６の圧電素子６３が、その圧縮行程における所定のクランク角で、ＥＣＵ１００に構成された励振手段により所定の周波数で励振される。ここで、インジェクタ１１により噴射供給されたエタノール混合燃料は筒内でスワール流やタンブル流の吸入空気と共に混合気を形成して、そのエタノール成分が筒内圧およびエタノール濃度センサ６の受圧部材６１に配設されたエタノール官能膜６４に吸着される。エタノール混合燃料のエタノール濃度に応じた量のエタノール成分を吸着したエタノール官能膜６４が配設されている受圧部材６１は、そのエタノール吸着量に応じて質量が変化する。すなわち、励振手段により所定の周波数で圧電素子６３を励振させると、伝達部材６２を介して受圧部材６１も強制振動されるが、その振動周波数はエタノール吸着量に応じた質量変化に対応して変化する。

この一例を、図４に示す。図４において、実線で示す振動波形Ａは、受圧部材６１に配設されたエタノール官能膜６４にエタノールが吸着されていないとき、すなわち、エタノール官能膜６４を含む受圧部材６１の質量が小さいときであり、破線で示す振動波形Ｂは、受圧部材６１に配設されたエタノール官能膜６４に所定量のエタノールが吸着されているとき、すなわち、エタノール官能膜６４を含む受圧部材６１の質量が比較的大きいときを表している。なお、図示はしないが、エタノールの吸着量が前述の所定量よりも少ないときは、振動波形Ｂよりも高い周波数の振動波形となる。このように、エタノールの吸着量に応じてエタノール官能膜６４を含む受圧部材６１の質量が大きくなるように変化すると、共振周波数が低下する振動波形となるのである。

そこで、この受圧部材６１の振動周波数の変化が圧電素子６３の出力信号の変化として表れるので、次のステップＳ３０６において、ＥＣＵ１００に構成されたエタノール濃度検出手段は圧電素子６３の出力信号の変化に基づきエタノール濃度を判別ないしは検出する。すなわち、エタノール濃度検出手段は、所定のエタノール濃度に対応する圧電素子６３の出力信号に関連付けて、予め実験により求められた判別値をマップの形態で保管しており、この判別値と圧電素子６３の出力信号とを対比することにより、エタノール濃度を判別することによりエタノール混合燃料のエタノール濃度を検出するのである。

そして、ステップＳ３０６においてエタノール濃度が検出されると、次のステップＳ３０７に進み、得られたエタノール濃度に最適な点火時期が設定されることになる。すなわち、例えばエタノール濃度が高いときは、始動時の固定進角に対し濃度に応じて点火時期を進角させ、燃焼性ないしは着火性を向上させるのである。なお、上述のエタノール濃度判別ないしは算出ルーチンとは別に実行される、エンジン１の運転実行ルーチンで実際に点火されて筒内で燃焼が生じると、受圧部材６１に配設されたエタノール官能膜６４に吸着されていたエタノール成分は焼失し、エタノール官能膜６４は初期状態にリセットされる。

上述のステップＳ３０２ないしステップＳ３０７は、始動時のクランキング中において、点火順序に対応して気筒毎に実行される。

一方、ステップＳ３０１における判定でクランキング中でないとき、すなわち、始動時でない通常の運転状態のときは、ステップＳ３０８に進み、通常時の筒内圧検出制御が行なわれる。すなわち、シリンダ内の圧力が受圧部材６１に加えられると、受圧部材６１がたわむことで伝達部材６２が圧縮力を受け、この圧縮力が圧電素子６３に伝達される。これにより圧電素子６３も圧縮され、その結果、圧電素子６３からは筒内圧に応じて変化する電圧信号がＥＣＵ１００に出力される。ＥＣＵ１００はこの出力信号に基づいて筒内圧を検知し、この気筒毎の筒内情報に基づいて点火時期及び燃料噴射量等を最適値に制御するのである。なお、この筒内圧検出制御は、燃焼開始後の、例えば膨張行程における筒内圧を検出することにより、クランキング中に行なうこともできる。

なお、上記説明においては、ガソリンに対しアルコールとしてのエタノールが混合されたエタノール混合燃料の場合について説明したが、本発明は燃料としてエタノールのみを用いる場合にも適用可能であることは云うまでもない。かかる観点から、本明細書において、エタノール混合燃料とはエタノールが１００％の場合も含む意味で用いられている。

本発明に係るアルコール混合燃料エンジンの制御装置の一実施形態に係るシステム構成を示す側面概略図である。 本発明の一実施形態に係る筒内圧およびエタノール濃度センサを示す一部断面図である。 本発明の一実施形態におけるエタノール濃度算出ルーチンの一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態における筒内圧およびエタノール濃度センサの受圧部材の振動周波数が、エタノール吸着量による質量変化に対応して変化する様子を示すグラフである。

符号の説明

１ アルコール混合燃料エンジン
６ 筒内圧およびエタノール濃度センサ
６Ａ 小径部
６Ｂ 大径部
６Ｃ ショルダ部
７ 点火プラグ
１１ インジェクタ
６１ 受圧部材
６２ 伝達部材
６３ 圧電素子
６４ エタノール官能膜
１００ ＥＣＵ（電子制御ユニット）

Claims (3)

1. アルコール混合燃料を供給する燃料供給手段を備えるエンジンにおいて、
   筒内において、アルコール混合燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出手段と、
   該アルコール濃度検出手段により検出されたアルコール濃度に対応させて、供給燃料量および／または点火時期を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするアルコール混合燃料エンジンの制御装置。
2. 前記アルコール濃度検出手段は、筒内に臨む受圧面にアルコール官能膜が配設された受圧部材と、該受圧部材との間で圧力が伝達される圧電素子と、該圧電素子を所定の周波数で励振させる励振手段と、該圧電素子の出力信号の変化に基づきアルコール濃度を判別するアルコール濃度判別手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のアルコール混合燃料エンジンの制御装置。
3. 前記アルコール濃度検出手段は、少なくともエンジンの始動時において、圧縮行程にある気筒の圧電素子に対する励振手段を所定のクランク角で作動させることを特徴とする請求項２に記載のアルコール混合燃料エンジンの制御装置。

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