JP2009013884A - 内燃機関の燃料劣化検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、内燃機関の燃料劣化検出装置に関し、バイオ燃料の酸化劣化を精度良く検出することを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の燃料劣化検出装置は、バイオ燃料で運転可能な内燃機関１０と、バイオ燃料中の水分濃度を検出する水分濃度センサ２２と、水分濃度センサ２２により検出された水分濃度に基づいて、バイオ燃料の酸化劣化度合いを判定する燃料劣化判定手段とを備える。燃料劣化判定手段は、検出された水分濃度が所定の判定値より大きい場合、バイオ燃料が酸化劣化していると判定する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の内燃機関の燃料劣化検出装置は、バイオ燃料で運転可能な内燃機関１０と、バイオ燃料中の水分濃度を検出する水分濃度センサ２２と、水分濃度センサ２２により検出された水分濃度に基づいて、バイオ燃料の酸化劣化度合いを判定する燃料劣化判定手段とを備える。燃料劣化判定手段は、検出された水分濃度が所定の判定値より大きい場合、バイオ燃料が酸化劣化していると判定する。
【選択図】図１
Description
本発明は、内燃機関の燃料劣化検出装置に関する。
特開平１０−３０５５１７号公報には、酸化劣化したガソリンやアルコールなどに対する高耐食性を有する燃料容器用鋼板が開示されている。
近年、バイオマスから生産される燃料を含むバイオ燃料を自動車用エンジンの燃料として用いる動きが広まっている。一般に、バイオ燃料は、化石燃料と比べ、酸化し易い性質がある。酸化劣化したバイオ燃料は、金属等を腐食させ易くなる。このため、酸化劣化したバイオ燃料は、燃料容器の鋼板に対してだけではなく、燃料パイプや燃料インジェクタなどの燃料系部品に対しても悪影響を及ぼすおそれがある。
車両が長期間稼動しなかったために燃料タンク内でバイオ燃料の酸化が進んだ場合や、質の悪い規格外のバイオ燃料が給油されたような場合には、酸化劣化したバイオ燃料がエンジンに供給されるおそれがある。このため、バイオ燃料を用いる車両においては、バイオ燃料の酸化劣化を自動的に検知して、上記のような悪影響を確実に回避することが望まれる。しかしながら、従来、バイオ燃料の酸化劣化を精度良く検出する技術は確立されていない。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、バイオ燃料の酸化劣化を精度良く検出することのできる内燃機関の燃料劣化検出装置を提供することを目的とする。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の燃料劣化検出装置であって、
バイオマスから生産されるバイオマス由来燃料を含むバイオ燃料で運転可能な内燃機関と、
前記バイオ燃料中の水分濃度を検出する水分濃度検出手段と、
前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度に基づいて、前記バイオ燃料の酸化劣化度合いを判定する燃料劣化判定手段と、
を備えることを特徴とする。
バイオマスから生産されるバイオマス由来燃料を含むバイオ燃料で運転可能な内燃機関と、
前記バイオ燃料中の水分濃度を検出する水分濃度検出手段と、
前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度に基づいて、前記バイオ燃料の酸化劣化度合いを判定する燃料劣化判定手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料劣化判定手段は、前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度が所定の判定値より大きい場合、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定することを特徴とする。
前記燃料劣化判定手段は、前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度が所定の判定値より大きい場合、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定することを特徴とする。
また、第３の発明は、第１の発明において、
給油を検知する給油検知手段と、
給油が検知された場合に、その給油後に前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度を給油時の水分濃度として記憶する記憶手段と、
を備え、
前記燃料劣化判定手段は、前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度と前記給油時の水分濃度との差が所定の判定値より大きい場合に、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定することを特徴とする。
給油を検知する給油検知手段と、
給油が検知された場合に、その給油後に前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度を給油時の水分濃度として記憶する記憶手段と、
を備え、
前記燃料劣化判定手段は、前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度と前記給油時の水分濃度との差が所定の判定値より大きい場合に、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定することを特徴とする。
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記燃料劣化判定手段により、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定された場合に、その旨を運転者に報知する報知手段を備えることを特徴とする。
前記燃料劣化判定手段により、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定された場合に、その旨を運転者に報知する報知手段を備えることを特徴とする。
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記燃料劣化判定手段により、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定された場合に、燃料噴射圧力を通常時より高くする制御と、燃料噴射量指示値を通常時より大きくする制御と、前記内燃機関に供給される燃料を加熱する制御との少なくとも一つを実行する燃焼状態補償手段を備えることを特徴とする。
前記燃料劣化判定手段により、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定された場合に、燃料噴射圧力を通常時より高くする制御と、燃料噴射量指示値を通常時より大きくする制御と、前記内燃機関に供給される燃料を加熱する制御との少なくとも一つを実行する燃焼状態補償手段を備えることを特徴とする。
第１の発明によれば、バイオ燃料中の水分濃度に基づいて、バイオ燃料の酸化劣化度合いを判定することができる。本発明者らの知見によれば、バイオ燃料が酸化して酸が生成されると、バイオ燃料中の金属成分等やバイオ燃料と接触している金属等がその酸と化学反応することにより、バイオ燃料中に水が生成される。よって、バイオ燃料の酸化劣化度合いが大きくなるほど、バイオ燃料中の水分濃度は上昇すると言える。第１の発明によれば、このような現象を利用することにより、バイオ燃料の酸化劣化を高精度に検出することができる。
第２の発明によれば、バイオ燃料中の水分濃度が所定の判定値より大きい場合に、バイオ燃料が酸化劣化していると判定することができる。バイオ燃料の酸化劣化度合いの指標となる酸価と、バイオ燃料中の水分濃度とは、精度良く相関する。このため、第２の発明によれば、バイオ燃料の酸化劣化を高精度に検出することができる。
第３の発明によれば、検出されたバイオ燃料中の水分濃度を、給油時の水分濃度と比較することにより、バイオ燃料の酸化劣化を検出することができる。バイオ燃料の種類によっては、初めから水分が含まれている場合もある。第３の発明によれば、そのような種類のバイオ燃料が使用された場合であっても、酸化劣化を高精度に検出することができる。
第４の発明によれば、バイオ燃料が酸化劣化していると判定された場合に、その旨を運転者に報知することができる。このため、燃料の交換等の対策を講ずることを運転者に確実に促すことができるので、燃料系部品等がダメージを受けることを回避し、燃料系部品を確実に保護することができる。
第５の発明によれば、バイオ燃料が酸化劣化していると判定された場合に、燃料噴射圧力を通常時より高くする制御と、燃料噴射量指示値を通常時より大きくする制御と、内燃機関に供給される燃料を加熱する制御との少なくとも一つを実行することができる。バイオ燃料は、酸化劣化すると、粘度が上昇する性質がある。粘度が高くなると、燃料インジェクタから燃料を噴射しにくくなるため、噴射量が低下したり、噴霧が悪化したりするおそれがある。第５の発明によれば、上記の制御を実施することにより、噴射量の低下や噴霧の悪化による燃焼状態の悪化を回避することができる。
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、車両に搭載された内燃機関１０と、燃料タンク１２と、内燃機関１０を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)１４とを備えている。本実施形態では、内燃機関１０は、ディーゼルエンジンであるものとする。
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、車両に搭載された内燃機関１０と、燃料タンク１２と、内燃機関１０を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)１４とを備えている。本実施形態では、内燃機関１０は、ディーゼルエンジンであるものとする。
内燃機関１０は、化石燃料由来の燃料（本実施形態では、軽油とする）に、バイオマスから生産されるバイオマス由来燃料（本実施形態では、脂肪酸メチルエステルとする）を混合した燃料（以下「バイオ燃料」という）で運転可能になっている。脂肪酸メチルエステルの場合には、例えば菜種、廃食油等のバイオマスから生産することができる。
燃料タンク１２内のバイオ燃料は、燃料パイプ１６を通り、燃料ポンプ１８によって加圧された上で、内燃機関１０に供給される。内燃機関１０に供給されたバイオ燃料は、各気筒に設けられた燃料インジェクタ（図示せず）によって筒内に噴射される。内燃機関１０に供給されたバイオ燃料の一部は、燃料リターンパイプ２０を通って燃料タンク１２に戻される。
燃料タンク１２には、燃料タンク１２内のバイオ燃料中の水分濃度を検出可能な水分濃度センサ２２が設置されている。この水分濃度センサ２２の具体的構成は特に限定されるものではなく、例えば、燃料の光透過率に基づいて水分濃度を検出する光学式センサや、燃料の電気伝導率に基づいて水分濃度を検出する電磁式センサなどを用いることができる。また、水分濃度センサ２２の設置箇所は、燃料タンク１２に限定されるものではなく、例えば燃料パイプ１６の途中などに設置してもよい。
燃料ポンプ１８、燃料インジェクタ等の各種アクチュエータや、水分濃度センサ２２等の各種センサは、ＥＣＵ１４と電気的に接続されている。更に、ＥＣＵ１４には、運転席のインストルメントパネル２４内の表示装置が電気的に接続されている。
［実施の形態１の特徴］
以下に説明するように、本発明者らは、バイオ燃料中の水分濃度を検出することにより、バイオ燃料の酸化劣化の度合いを高精度に判定することができることを見出した。そこで、本実施形態では、水分濃度センサ２２によって検出されるバイオ燃料中の水分濃度に基づいて、バイオ燃料の酸化劣化を検出することとしている。
以下に説明するように、本発明者らは、バイオ燃料中の水分濃度を検出することにより、バイオ燃料の酸化劣化の度合いを高精度に判定することができることを見出した。そこで、本実施形態では、水分濃度センサ２２によって検出されるバイオ燃料中の水分濃度に基づいて、バイオ燃料の酸化劣化を検出することとしている。
バイオ燃料は、不飽和結合（二重結合）を有するバイオマス由来燃料を含んでいるなどの理由から、酸化劣化し易いという性質がある。例えば脂肪酸メチルエステルの場合、この酸化劣化の反応は、本発明者らの知見によれば、次式で表すことができる。
上記のような酸化反応が進むと、バイオ燃料中に酸が生成されるため、バイオ燃料と接触する燃料系の金属部品（燃料インジェクタ、燃料パイプ等）が腐食され易くなる。このため、バイオ燃料を用いる車両においては、燃料タンク１２内のバイオ燃料が酸化劣化している場合には、そのことを検知し、燃料系の金属部品を保護するために燃料を入れ換えるなどの措置を講ずることが望まれる。
本発明者らは、上記の酸化反応によりバイオ燃料中に酸（カルボン酸）が生成されると、その酸と、バイオ燃料中に含まれる金属成分や有機物、あるいはバイオ燃料が接触している金属等とが反応して、塩（カルボン酸塩）と水とが生成することを見出した。本発明者らの知見によれば、この反応は、次式で表すことができる。
バイオ燃料の酸化劣化が進むほど、上記（１）式および（２）式で表される反応が進行する。このため、バイオ燃料の酸化劣化が進むにつれて、バイオ燃料中に生成される水分量が多くなっていく。よって、バイオ燃料の酸化劣化度合いが大きくなるほど、バイオ燃料中の水分濃度が上昇していく。
バイオ燃料の酸化劣化度合いの指標としては、酸価を用いることができる。図２は、バイオ燃料の酸価と、バイオ燃料中の水分濃度との関係を示す図である。上述したように、バイオ燃料の酸化劣化度合いが大きくなるほどバイオ燃料中の水分濃度が高くなる。よって、酸価と水分濃度との間には図２に示すような関係が成り立つ。
そこで、バイオ燃料の酸価の許容値が図２中のＡであるとした場合には、図２中Ｂで示される水分濃度を判定値として、バイオ燃料の酸化劣化を判定することができる。すなわち、水分濃度センサ２２によって検出された水分濃度が判定値Ｂより小さい場合には、燃料タンク１２中のバイオ燃料は酸化劣化していない（許容限度内である）と判定でき、判定値Ｂを超えている場合には、燃料タンク１２中のバイオ燃料は酸化劣化している（許容限度を超えている）と判定することができる。
［実施の形態１における具体的処理］
図３は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ１４が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、車両のイグニションスイッチがオンされたときに実行されるものとする。図３に示すルーチンによれば、まず、水分濃度センサ２２により検出されたセンサ値Ｘが読み込まれ、そのセンサ値Ｘと、上記判定値Ｂに対応するしきい値ＸBとが比較される（ステップ１００）。
図３は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ１４が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、車両のイグニションスイッチがオンされたときに実行されるものとする。図３に示すルーチンによれば、まず、水分濃度センサ２２により検出されたセンサ値Ｘが読み込まれ、そのセンサ値Ｘと、上記判定値Ｂに対応するしきい値ＸBとが比較される（ステップ１００）。
そして、センサ値Ｘがしきい値ＸB以下である場合には、燃料タンク１２中のバイオ燃料は酸化劣化していないと判定される。これに対し、センサ値Ｘがしきい値ＸBを超えている場合には、燃料タンク１２中のバイオ燃料は酸化劣化していると判定される。
燃料タンク１２中のバイオ燃料が酸化劣化していると判定された場合には、その旨を運転者に報知するための警告表示がインストルメントパネル２４に表示される（ステップ１０２）。この警告表示により、何らかの対策（例えば、燃料タンク１２内の残燃料を抜き取って新しい燃料に交換すること、残燃料をなるべく早期に消費すること、燃料を給油することによって残燃料を希釈すること等）を取ることを運転者に促すことができる。このため、酸化劣化したバイオ燃料によって燃料系部品がダメージを受けることを回避し、燃料系部品を確実に保護することができる。
なお、バイオ燃料の種類によっては、初めから水分が含まれている場合もある。この場合には、給油直後の水分濃度をＥＣＵ１４に記憶しておき、その値と比べた場合の水分濃度増加分を判定値と比較するようにしてもよい。すなわち、給油直後に水分濃度センサ２２で検出されたセンサ値Ｘ0を記憶しておき、上記ステップ１００において、水分濃度センサ２２により検出されたセンサ値Ｘと給油直後のセンサ値Ｘ0の差（Ｘ−Ｘ0）と、しきい値ＸBとを比較するようにしてもよい。この場合、給油直後のセンサ値Ｘ0は、給油の度にリセットする。給油がなされたかどうかを検知する方法は、特に限定されないが、例えば、燃料タンク１２の残量計に基づいて検知することができる。
ところで、バイオ燃料は、酸化劣化すると、粘度が上昇する性質がある。粘度が高くなると、燃料インジェクタから燃料を噴射しにくくなるため、噴射量が低下したり、噴霧が悪化したりするおそれがある。そこで、バイオ燃料が酸化劣化したことが検出された場合に、燃料の交換等の措置が講じられるまでの間、噴射量の低下や噴霧の悪化による影響を補償するための制御として、以下に説明するような燃焼状態補償制御を実施することとしてもよい。
（１）燃料噴射圧力増大制御
本制御は、検出された水分濃度増加分に応じて、指示噴射圧力に燃圧補正係数を乗ずることにより、燃料噴射圧力が増大するように燃料ポンプ１８等を制御するものである。図４は、水分濃度増加分に応じて燃圧補正係数を算出するマップの一例を示す図である。このマップを用いた場合には、例えば、水分濃度増加分が５％であるとしたときに、通常時に燃料噴射圧力を８０ＭＰａとする運転条件では、燃圧補正係数として１．１を乗じた８８ＭＰａが燃料噴射圧力となるように制御される。このような燃料噴射圧力増大制御を実施することにより、噴霧の悪化を防止することができるので、燃焼状態が悪化することを回避することができる。
本制御は、検出された水分濃度増加分に応じて、指示噴射圧力に燃圧補正係数を乗ずることにより、燃料噴射圧力が増大するように燃料ポンプ１８等を制御するものである。図４は、水分濃度増加分に応じて燃圧補正係数を算出するマップの一例を示す図である。このマップを用いた場合には、例えば、水分濃度増加分が５％であるとしたときに、通常時に燃料噴射圧力を８０ＭＰａとする運転条件では、燃圧補正係数として１．１を乗じた８８ＭＰａが燃料噴射圧力となるように制御される。このような燃料噴射圧力増大制御を実施することにより、噴霧の悪化を防止することができるので、燃焼状態が悪化することを回避することができる。
（２）燃料噴射量指示値増大制御
本制御は、検出された水分濃度増加分に応じて、燃料噴射量指示値に噴射量補正係数を乗ずることにより、燃料噴射量指示値を増大させる制御である。図５は、水分濃度増加分に応じて噴射量補正係数を算出するマップの一例を示す図である。このマップを用いた場合には、例えば、水分濃度増加分が５％であるとしたときに、通常時に燃料噴射量指示値を１０ｍｍ3／ｓｔとする運転条件では、噴射量補正係数として１．１を乗じた１１ｍｍ3／ｓｔが燃料噴射量指示値とされる。このような燃料噴射量指示値増大制御を実施することにより、実際の燃料噴射量が低下することを防止することができるので、エンジントルクが低下することを回避することができる。
本制御は、検出された水分濃度増加分に応じて、燃料噴射量指示値に噴射量補正係数を乗ずることにより、燃料噴射量指示値を増大させる制御である。図５は、水分濃度増加分に応じて噴射量補正係数を算出するマップの一例を示す図である。このマップを用いた場合には、例えば、水分濃度増加分が５％であるとしたときに、通常時に燃料噴射量指示値を１０ｍｍ3／ｓｔとする運転条件では、噴射量補正係数として１．１を乗じた１１ｍｍ3／ｓｔが燃料噴射量指示値とされる。このような燃料噴射量指示値増大制御を実施することにより、実際の燃料噴射量が低下することを防止することができるので、エンジントルクが低下することを回避することができる。
（３）燃料加熱制御
本制御は、内燃機関１０に供給されるバイオ燃料を加熱し、温度を上昇させることで、バイオ燃料の流動性を向上させる制御である。これにより、粘度の上昇による影響を補償することができ、噴霧の悪化を防止することができる。バイオ燃料を加熱する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、燃料パイプ１６や燃料インジェクタ等にヒータを設置する方法や、燃料リターンパイプ２０を通る温度の高い燃料と燃料パイプ１６を通る燃料とを熱交換させる方法などが挙げられる。
本制御は、内燃機関１０に供給されるバイオ燃料を加熱し、温度を上昇させることで、バイオ燃料の流動性を向上させる制御である。これにより、粘度の上昇による影響を補償することができ、噴霧の悪化を防止することができる。バイオ燃料を加熱する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、燃料パイプ１６や燃料インジェクタ等にヒータを設置する方法や、燃料リターンパイプ２０を通る温度の高い燃料と燃料パイプ１６を通る燃料とを熱交換させる方法などが挙げられる。
上記（１）〜（３）の燃焼状態補償制御は、何れか一つを実施しても良く、２つ以上を組み合わせて実施しても良い。
上述した実施の形態１においては、水分濃度センサ２２が前記第１の発明における「水分濃度検出手段」に、ＥＣＵ１４が前記第３の発明における「記憶手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ１４が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「燃料劣化判定手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第４の発明における「報知手段」が、それぞれ実現されている。
なお、前述した化学式（２）から分かるように、バイオ燃料が酸化劣化するほど、バイオ燃料中の水分濃度だけでなく、バイオ燃料中のカルボン酸塩の濃度も上昇する。従って、バイオ燃料中の水分濃度を検出することに代えて、バイオ燃料中のカルボン酸塩の濃度を検出することによっても、バイオ燃料の酸化劣化度合いを検出することが可能である。
１０ 内燃機関
１２ 燃料タンク
１４ ＥＣＵ
１６ 燃料パイプ
１８ 燃料ポンプ
２０ 燃料リターンパイプ
２２ 水分濃度センサ
２４ インストルメントパネル
１２ 燃料タンク
１４ ＥＣＵ
１６ 燃料パイプ
１８ 燃料ポンプ
２０ 燃料リターンパイプ
２２ 水分濃度センサ
２４ インストルメントパネル
Claims (5)
- バイオマスから生産されるバイオマス由来燃料を含むバイオ燃料で運転可能な内燃機関と、
前記バイオ燃料中の水分濃度を検出する水分濃度検出手段と、
前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度に基づいて、前記バイオ燃料の酸化劣化度合いを判定する燃料劣化判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の燃料劣化検出装置。 - 前記燃料劣化判定手段は、前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度が所定の判定値より大きい場合、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料劣化検出装置。
- 給油を検知する給油検知手段と、
給油が検知された場合に、その給油後に前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度を給油時の水分濃度として記憶する記憶手段と、
を備え、
前記燃料劣化判定手段は、前記水分濃度検出手段により検出された水分濃度と前記給油時の水分濃度との差が所定の判定値より大きい場合に、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料劣化検出装置。 - 前記燃料劣化判定手段により、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定された場合に、その旨を運転者に報知する報知手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の燃料劣化検出装置。
- 前記燃料劣化判定手段により、前記バイオ燃料が酸化劣化していると判定された場合に、燃料噴射圧力を通常時より高くする制御と、燃料噴射量指示値を通常時より大きくする制御と、前記内燃機関に供給される燃料を加熱する制御との少なくとも一つを実行する燃焼状態補償手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の燃料劣化検出装置。
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