JP2009041407A - 内燃機関の燃料性状検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用燃料のアルコール濃度を少ない誤差で推定する。
【解決手段】基準燃料のストイキよりもリッチ側及びリーン側の目標空燃比１４．１，１５．１に空燃比を制御したときの実際のリッチ側空燃比補正量Ｋｆｒ及びリーン側空燃比補正量Ｋｆｌを取得し、これら補正量と、基準燃料のストイキ相当の基準補正量１．０との差、並びに、基準燃料を前提とした場合の目標空燃比相当のリッチ側補正量Ｋｆｒｇ及びリーン側補正量Ｋｆｌｇと前記基準補正量との差の比率Ｚｒ＝｜Ｋｆｒ−１｜／｜Ｋｆｒｇ−１｜、Ｚｌ＝｜Ｋｆｌ−１｜／｜Ｋｆｌｇ−１｜を算出し、これらリッチ側及びリーン側比率Ｚｒ，Ｚｌに基づき燃料のアルコール濃度を推定する。リッチ側及びリーン側の両方の比率に基づきアルコール濃度を推定するので推定誤差を少なくできる。
【選択図】図７

Description

本発明は内燃機関の燃料性状検出装置に係り、特に、内燃機関における使用燃料のアルコール濃度を推定する装置に関する。

近年、ガソリンエンジンに対して、基準燃料としてのガソリンにアルコール（主にエタノール）を混合した燃料（以下、「アルコール燃料」という）が、使用される例がしばしば見受けられる。かかるアルコール燃料の使用を想定した場合、燃料中のアルコール濃度を検出しておくことが、好適な燃料噴射量制御等を行う上で好ましい。

特許文献１にはエンジンのアルコール濃度推定装置が開示されている。これによれば、アルコール非含有燃料の理論空燃比よりもリッチ側またはリーン側の目標空燃比を設定し、使用燃料の実空燃比を検出し、目標空燃比と検出された実空燃比との比率に基づいて使用燃料のアルコール濃度を算出するようにしている。

特開２００５−４８６２５号公報

これによれば、アルコール非含有燃料の理論空燃比よりもリッチ側またはリーン側の一方の目標空燃比のみを基準として目標空燃比と実空燃比との比率を算出し、この比率に基づいて使用燃料のアルコール濃度を算出している。よって、吸入空気量及び空燃比の検出値や、燃料噴射量及び燃料噴射圧力等にズレやばらつきがあった場合に、その影響を強く受けて結果的にアルコール濃度の推定誤差が大きくなる可能性がある。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、使用燃料のアルコール濃度を少ない誤差で推定可能な内燃機関の燃料性状検出装置を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスの酸素濃度に基づいて当該排気ガスの実空燃比を検出する空燃比センサと、
前記空燃比センサにより検出された実空燃比を所定の目標空燃比に一致させるべく、実空燃比と基準燃料のストイキとの偏差に基づく補正量に基づいて空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記目標空燃比を基準燃料のストイキよりもリッチ側及びリーン側に設定する目標空燃比設定手段と、
前記目標空燃比が基準燃料のストイキよりもリッチ側及びリーン側に設定され、前記実空燃比が前記目標空燃比に一致するよう制御されているときの、実際のリッチ側補正量及びリーン側補正量を取得し、これら実際のリッチ側補正量及びリーン側補正量と、基準燃料のストイキ相当の基準補正量との差、並びに、基準燃料を前提とした場合の前記目標空燃比相当のリッチ側補正量及びリーン側補正量と前記基準補正量との差の比率を算出し、これらリッチ側比率及びリーン側比率に基づき燃料のアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料性状検出装置が提供される。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記アルコール濃度推定手段は、前記リッチ側比率及びリーン側比率の平均値に基づき燃料のアルコール濃度を推定する
ことを特徴とする。

本発明の第３の形態は、前記第１又は第２の形態において、
前記排気通路に触媒が配置され、該触媒の上流側に前記空燃比センサが配置され、前記触媒の下流側に別の空燃比センサが配置され、
前記目標空燃比設定手段は、前記別の空燃比センサの出力が基準燃料のストイキに対しリーン側及びリッチ側に反転する毎に、前記目標空燃比を基準燃料のストイキに対しリッチ側及びリーン側に切り替える
ことを特徴とする。

本発明の第４の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスの酸素濃度に基づいて当該排気ガスの実空燃比を検出する空燃比センサと、
基準燃料使用時に前記空燃比センサにより検出された実空燃比が所定の目標空燃比に一致するような目標噴射率に実際の噴射率を制御する噴射率制御手段と、
前記目標噴射率を基準燃料のストイキよりもリッチ側及びリーン側に設定する目標噴射率設定手段と、
前記目標噴射率が基準燃料のストイキよりもリッチ側及びリーン側に設定され、前記実際の噴射率がリッチ側及びリーン側の目標噴射率に制御されているときの、前記空燃比センサによって検出された実際のリッチ側空燃比及びリーン側空燃比を取得し、これら実際のリッチ側空燃比及びリーン側空燃比と、リッチ側及びリーン側の目標空燃比との偏差を算出し、これらリッチ側偏差及びリーン側偏差に基づき燃料のアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料性状検出装置が提供される。

本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、
前記アルコール濃度推定手段は、前記リッチ側偏差及びリーン側偏差の平均値に基づき燃料のアルコール濃度を推定する
ことを特徴とする。

本発明の第６の形態は、前記第４又は第５の形態において、
前記排気通路に触媒が配置され、該触媒の上流側に前記空燃比センサが配置され、前記触媒の下流側に別の空燃比センサが配置され、
前記目標噴射率設定手段は、前記別の空燃比センサの出力が基準燃料のストイキに対しリーン側及びリッチ側に反転する毎に、前記目標噴射率を基準燃料のストイキに対しリッチ側及びリーン側に切り替える
ことを特徴とする。

本発明によれば、使用燃料のアルコール濃度を少ない誤差で推定可能な内燃機関の燃料性状検出装置を提供することができるという、優れた効果が発揮される。

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説明する。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストンを往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態の内燃機関１は自動車用の多気筒内燃機関であり、より具体的には並列４気筒の火花点火式内燃機関、即ち、ガソリンを基準燃料とするガソリンエンジンである。

図示しないが、内燃機関１のシリンダヘッドには吸気ポートを開閉する吸気弁と、排気ポートを開閉する排気弁とが気筒ごとに配設されており、各吸気弁および各排気弁はカムシャフトによって開閉させられる。シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管４を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式のスロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁の開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストンで圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。

一方、各気筒の排気ポートは排気マニフォールド１４に接続される。排気マニフォールド１４は、その上流部をなす気筒毎の枝管１４ａと、その下流部をなす排気集合部１４ｂとからなる。排気集合部１４ｂの下流側には排気管６が接続されている。排気ポート、排気マニフォールド１４及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には三元触媒からなる触媒１１が取り付けられている。触媒１１の上流側及び下流側にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設置されている。これら触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８は、触媒１１の直前及び直後の位置の排気通路に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。触媒前センサ１７が本発明にいう空燃比センサをなし、触媒後センサ１８が本発明にいう別の空燃比センサをなす。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１６、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。

触媒１１は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが基準燃料であるガソリンの理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）近傍のときに、排気中の有害成分であるＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。また触媒１１は酸素吸蔵能（Ｏ₂ストレージ能）を有しており、流入排気ガスの空燃比がストイキよりも大きくなると、即ちリーンになると排気ガス中に存在する過剰酸素を吸着保持し、流入排気ガスの空燃比がストイキよりも小さくなると、即ちリッチになると吸着保持された酸素を放出する。

ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒１１に流入する排気ガスの空燃比即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒをストイキに一致させるように空燃比を制御する。具体的にはＥＣＵ２０は、ストイキに等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、触媒前センサ１７により検出された実空燃比としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがストイキに一致するように、インジェクタ１２から噴射される燃料噴射量をフィードバック制御する。

より具体的には、触媒前センサ１７は図２に示すように、排気中の酸素濃度に比例し且つ広範囲に亘る空燃比に対応した信号Ｖｆを出力する。所謂広域空燃比センサである。そしてガソリン１００％の燃料が用いられているときのストイキ（ガソリンストイキ）相当のセンサ出力値Ｖｒｅｆｆが予め定められ、実際のセンサ出力Ｖｆがストイキ相当のセンサ出力値Ｖｒｅｆｆに一致するように空燃比がフィードバック制御される。センサ出力値Ｖｆは、ＥＣＵ２０において空燃比の値に換算される。

ここで、燃料にアルコールが混入されたときにも同様に、実際のセンサ出力Ｖｆがガソリンストイキ相当のセンサ出力値Ｖｒｅｆｆに一致するように空燃比がフィードバック制御される。アルコールが酸素を含むので、その分燃料噴射量が増加し、数値上の理論空燃比はガソリン燃料使用時の値（１４．６）より小さな値となるが、結果として空燃比は実際に使用されているアルコール燃料のストイキ（例えば１２．０等）に制御される。後述するアクティブ空燃比制御において、空燃比がガソリンストイキよりリーン側又はリッチ側に制御されたときも同様である。要は、アルコール燃料使用時にはガソリン燃料使用時と比べて数値上の空燃比が違うだけで、排気中酸素濃度及びセンサ出力については同一であり、結果的に同じガス状態（リーン、ストイキ、リッチ）が実現されることとなる。

触媒後センサ１８は所謂Ｏ₂センサからなり、ガソリンストイキを境に出力値が急変する特性を持つ。図３には触媒後センサ１８の出力特性を示す。図示するように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒはストイキを境に過渡的に変化し、検出した排気空燃比がストイキよりリーンのときには０．１Ｖ程度の低い電圧を示し、検出した排気空燃比がストイキよりリッチのときには０．９Ｖ程度の高い電圧を示す。これらのほぼ中間の電圧Ｖｒｅｆｒ＝０．４５Ｖをストイキ相当値とし、センサ出力電圧がＶｒｅｆｒより高いときには排気空燃比はストイキよりリッチ、センサ出力電圧がＶｒｅｆｒより低いときには排気空燃比はストイキよりリーンというように、排気空燃比を検出している。

以下、通常運転時のストイキフィードバック空燃比制御について説明する。この空燃比制御は、触媒前センサ１７によって検出された排気空燃比をストイキ（ガソリンストイキ＝１４．６）に一致させるような主空燃比制御と、触媒後センサ１８によって検出された排気空燃比をストイキに一致させるような補助空燃比制御とからなる。

図４に空燃比制御ルーチンを示す。このルーチンはＥＣＵ２０により１エンジンサイクル（＝７２０°クランク角）毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、燃焼室内混合気の空燃比をストイキとするような基本の燃料噴射量即ち基本噴射量Ｑｂが算出される。基本噴射量Ｑｂは例えば、エアフローメータにより検出された吸入空気量Ｇａに基づき、式：Ｑｂ＝Ｇａ／１４．６により算出される。

ステップＳ１０２では触媒前センサ１７の出力Ｖｆが取得される。ステップＳ１０３では、このセンサ出力Ｖｆとストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆ（図２参照）との差、即ち触媒前センサ出力差ΔＶｆ＝Ｖｆ−Ｖｒｅｆｆが算出される。

ステップＳ１０４では、この触媒前センサ出力差ΔＶｆに基づき、例えば図５に示したようなマップ（関数でもよい、以下同様）から主空燃比補正量（補正係数）Ｋｆが算出される。なおここでは補正量の設定の仕方を簡略化して示すが、実際には公知のＰＩＤ制御に基づいて比例項、積分項及び微分項がそれぞれ設定される。そしてステップＳ１０５では、図示しない別ルーチンで設定された補助空燃比補正量Ｋｒの値が取得される。最後に、ステップＳ１０６にて、インジェクタ１２から噴射すべき最終的な燃料噴射量即ち最終噴射量Ｑｆｎｌが式：Ｑｆｎｌ＝Ｋｆ×Ｑｂ＋Ｋｒにより算出される。

図５のマップから分かるように、触媒前センサ出力Ｖｆがストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆより大きい（ΔＶｆ＞０）ほど、即ち実際の触媒前空燃比がストイキからリーン側に離れるほど、１に対しより大きな補正量Ｋｆが得られ、基本噴射量Ｑｂは増量補正される。反対に、触媒前センサ出力Ｖｆがストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆより小さい（ΔＶｆ＜０）ほど、即ち実際の触媒前空燃比がストイキからリッチ側に離れるほど、１に対しより小さな補正量Ｋｆが得られ、基本噴射量Ｑｂは減量補正される。

ところで、触媒前センサ１７の劣化等の理由で主空燃比フィードバック制御を実行してもその結果がストイキからズレることがある。このズレを補正する目的で、補助空燃比補正量Ｋｒに基づく補助空燃比制御が実行される。触媒後センサ１７の出力Ｖｒとストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒ（図３参照）との差、即ち触媒後センサ出力差ΔＶｒ＝Ｖｒｅｆｒ−Ｖｒが所定時間積算され、この触媒後センサ出力差の積算値ΔＶｒに基づき、図６に示したようなマップから、補助空燃比補正量Ｋｒが算出及び更新記憶される。補助空燃比補正量Ｋｒの更新は１エンジンサイクルより遙かに長い周期で行われる。

ステップＳ１０６で得られた最終噴射量Ｑｆｎｌの値は、全気筒に対し一律に用いられる。即ち、１エンジンサイクルの間、最終噴射量Ｑｆｎｌに等しい量の燃料が各気筒のインジェクタ１２から順次噴射され、次のエンジンサイクルでは新たに計算された最終噴射量Ｑｆｎｌの燃料が各気筒のインジェクタ１２から順次噴射される。

なお、周知のように、最終噴射量Ｑｆｎｌの算出に当たっては他の補正（水温補正、バッテリ電圧補正等）を追加することも可能である。

次に、本実施形態におけるアルコール濃度の推定について説明する。

本実施形態におけるアルコール濃度の推定に際しては、前述のストイキフィードバック空燃比制御は行われず、代わりに空燃比をガソリンストイキよりリッチ側及びリーン側に強制的に制御するアクティブ空燃比制御が行われる。そしてリッチ側及びリーン側に制御するに際しては主空燃比補正係数Ｋｆが基準値１．０よりも大きな値及び小さな値に制御され、これによって空燃比のリッチ状態及びリーン状態を実現している。

このときの空燃比Ａ／Ｆと主空燃比補正係数Ｋｆとの関係を図７に示す。なお横軸にはガソリン燃料を前提とした空燃比の値を示す。

まず、実線で示すガソリン燃料の場合、補正係数Ｋｆはストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．６）時の１．０を基準として空燃比に対し比例関係にある。例えば、目標空燃比をストイキよりリーンの例えば１５．１に設定してアクティブ空燃比制御を実行すると、補正係数Ｋｆは１．０より小さい値Ｋｆｇ_15.1となり、目標空燃比をストイキよりリッチの例えば１４．１に設定してアクティブ空燃比制御を実行すると、補正係数Ｋｆは１．０より大きい値Ｋｆｇ_14.1となる。

一方、破線で示すアルコール燃料の場合だと、補正係数Ｋｆがストイキ時の１．０を基準として空燃比に対し比例関係にある点は同じだが、その変化率或いは勾配が異なる。即ち、目標空燃比を１５．１に設定してアクティブ空燃比制御を実行すると、補正係数Ｋｆはガソリン燃料使用時の値Ｋｆｇ_15.1より小さい値Ｋｆａ_15.1となり、燃料はより少なくなるように減量補正される。また、目標空燃比を１４．１に設定してアクティブ空燃比制御を実行すると、補正係数Ｋｆはガソリン燃料使用時の値Ｋｆｇ_14.1より大きい値Ｋｆａ_14.1となり、燃料はより多くなるように増量補正される。つまり、目標空燃比がストイキからズレたときの補正係数Ｋｆの基準値１．０からのズレ量は大きくなる。これを第１の特性という。燃料中のアルコール濃度が増えるほど変化率或いは勾配は大きくなり、かかる傾向は強くなる。

一方、見方を変えると、ガソリン燃料使用時の空燃比１５．１相当の補正係数Ｋｆｇ_15.1で燃料噴射量を制御しても、アルコール燃料使用時にはガソリン１５．１相当の空燃比には至らず、それよりも小さな（リッチ側の）空燃比Ｘｌしか得られない。また、ガソリン燃料使用時の空燃比１４．１相当の補正係数Ｋｆｇ_14.1で燃料噴射量を制御しても、アルコール燃料使用時にはガソリン１４．１相当の空燃比には至らず、それよりも大きな（リーン側の）空燃比Ｘｒしか得られない。これを第２の特性という。燃料中のアルコール濃度が増えるほどこのような傾向は強くなる。

そこでこれらの特性を利用し、本実施形態では以下のようにして燃料のアルコール濃度を推定する。まず、第１の特性を利用する第１の態様を説明する。

図８にアクティブ空燃比制御の様子を示す。（Ａ）図において、破線が目標空燃比Ａ／Ｆｔ、実線が触媒前センサ１７の出力（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒへの換算値）を示す。（Ｂ）図において、実線が触媒後センサ１８の出力（出力電圧Ｖｒ）を示す。

図示されるように、目標空燃比Ａ／Ｆｔが、ガソリンストイキよりもリッチ側及びリーン側に交互に設定され、実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがガソリンストイキよりもリッチ側及びリーン側に強制的に（アクティブに）制御される。本実施形態ではリーン側の目標空燃比を１５．１、リッチ側の目標空燃比を１４．１とし、ストイキに対し対称的に同一振幅となるようにされている。

例えば時刻ｔ１より前では目標空燃比がリーンとされ、触媒１１にはリーンガスが流入されている。このとき触媒１１では酸素を吸蔵ないし吸収するが（吸蔵サイクル）、飽和状態即ち満杯まで酸素を吸収した時点でそれ以上酸素を吸収できなくなり、リーンガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後センサ１８の出力Ｖｒがリーン側に反転し、当該出力Ｖｒがストイキ相当のしきい値Ｖｒｅｆｒに達した時点（ｔ１）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチに切り替えられる。このように触媒後センサ１８の出力Ｖｒが反転する毎に目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられる。

そして今度は触媒１１にリッチガスが流入される。このとき触媒１１では、それまで吸蔵されていた酸素を放出し続ける（放出サイクル）。やがて触媒１１から全ての吸蔵酸素が放出され尽くすとその時点で酸素を放出できなくなり、リッチガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後センサ１８の出力Ｖｒがリッチ側に反転し、当該出力Ｖｒがしきい値Ｖｒｅｆｒに達した時点（ｔ２）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンに切り替えられる。

再び、触媒１１にリーンガスが流入され、触媒１１が満杯まで酸素を吸収し、触媒後センサ１８の出力Ｖｒがリーン側に反転した時点（ｔ３）で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチに切り替えられる。

このように、触媒１１からリーンガス或いはリッチガスが流出した時点で直ちに目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられるので、触媒１１からのリーンガス或いはリッチガスの流出を抑えられ、エミッションの悪化を防止できる。

ところで、例えば目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチに切り替えられると（ｔ１）、実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒもやや遅れて目標空燃比Ａ／Ｆｔと同じ値に到達、収束する。この収束時点で、使用燃料がガソリンなら図７に示したように主空燃比補正係数ＫｆはＫｆｇ_14.1であるが、使用燃料がアルコールを含むアルコール燃料であると主空燃比補正係数ＫｆはＫｆｇ_14.1より大きな値Ｋｆａ_14.1となる。そして、これら補正係数Ｋｆｇ_14.1、Ｋｆａ_14.1と基準補正係数１．０との差（特にその絶対値）の比率Ｚ＝｜Ｋｆａ_14.1−１｜／｜Ｋｆｇ_14.1−１｜は、燃料のアルコール濃度に相関する値となる。よって当該比率Ｚを求めることで燃料のアルコール濃度を推定することが可能である。

同様に、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンに切り替えられると（ｔ２）、実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒもやや遅れて目標空燃比Ａ／Ｆｔと同じ値に到達、収束する。この収束時点で、使用燃料がガソリンなら図７に示したように主空燃比補正係数ＫｆはＫｆｇ_15.1であるが、使用燃料がアルコールを含むアルコール燃料であると主空燃比補正係数ＫｆはＫｆｇ_15.1より小さな値Ｋｆａ_15.1となる。そして、これら補正係数Ｋｆｇ_15.1、Ｋｆａ_15.1と基準補正係数１．０との差（特にその絶対値）の比率Ｚ＝｜Ｋｆａ_15.1−１｜／｜Ｋｆｇ_15.1−１｜は、燃料のアルコール濃度に相関する値となる。よって当該比率Ｚを求めることで燃料のアルコール濃度を推定することが可能である。

ところで、リッチ側及びリーン側の一方のみでアルコール濃度を推定すると、吸入空気量及び空燃比の検出値や、燃料噴射量及び燃料噴射圧力等にズレやばらつきがある場合（特に触媒前センサ１７にストイキずれがある場合）に、その影響を強く受けて結果的にアルコール濃度の推定誤差が大きくなる可能性がある。そこで本実施形態ではかかる推定誤差をできるだけ少なくするため、リッチ側及びリーン側の両方の比率Ｚに基づきアルコール濃度を推定することとし、また、ストイキからリッチ側及びリーン側に対称的に離れた少なくとも２点でのデータに基づきアルコール濃度を推定することとしている。

以下、具体的なアルコール濃度推定処理の手順を図９を参照しつつ説明する。図示の処理はＥＣＵ２０により実行される。

まずステップＳ２０１において、処理を実行するための所定条件が成立しているか否かが判断される。例えば以下の条件が全て満たされたときに条件成立となる。
１）触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が活性温度にある。
２）触媒１１が活性温度にある。
３）エンジンが定常運転中である。例えば、吸入空気量及びエンジン回転速度の検出値がほぼ一定である。
なお３）の条件は含めるのが好ましいが省略も可能である。

所定条件不成立のときは処理が即座に終了となる。他方、所定条件成立のときは、ステップＳ２０２に進んで、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリッチに制御される。即ち、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチな値（１４．１）に設定されると共に、触媒前センサ１７により検出された実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するように空燃比が制御される。

実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに到達して安定したら、ステップＳ２０３において、そのときの補正係数（リッチ側補正係数）Ｋｆｒが取得され、同時に取得したリッチ側補正係数Ｋｆｒと、基準補正係数１．０との差の絶対値｜Ｋｆｒ−１｜が算出される。

次に、ステップＳ２０４において、触媒後センサ１８の出力がリッチ側に反転したか否かが判断される。反転していない場合は反転するまで待機し、反転したらステップＳ２０５に進んで触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリーンに制御される。即ち、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンな値（１５．１）に切替設定されると共に、触媒前センサ１７により検出された実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するよう、空燃比が制御される。

実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに到達して安定したら、ステップＳ２０６において、そのときの補正係数（リーン側補正係数）Ｋｆｌが取得され、同時に取得したリーン側補正係数Ｋｆｌと、基準補正係数１．０との差の絶対値｜Ｋｆｌ−１｜が算出される。

次に、ステップＳ２０７において、触媒後センサ１８の出力がリーン側に反転したか否かが判断される。反転していない場合は反転するまで待機し、反転したらステップＳ２０８に進んでデータの取得が完了したか否かが判断される。即ち、本実施形態では、｜Ｋｆｒ−１｜、｜Ｋｆｌ−１｜のデータを所定数（例えば３）ずつ取得するようにされており、この所定数ずつの取得を終えたらデータ取得完了としている。

データ取得が完了していなければステップＳ２０２に進んでステップＳ２０２〜Ｓ２０７を繰り返す。他方、データ取得が完了したならばステップＳ２０９に進んで、所定数ずつの｜Ｋｆｒ−１｜、｜Ｋｆｌ−１｜の平均値｜Ｋｆｒ−１｜ａｖ、｜Ｋｆｌ−１｜ａｖが算出される。｜Ｋｆｒ−１｜ａｖ、｜Ｋｆｌ−１｜ａｖは本来等しい値となるはずである。

そして、ステップＳ２１０において、ガソリン燃料使用時に空燃比がリッチ側及びリーン側の目標空燃比（１４．１，１５．１）に制御されたときの補正係数即ち基準燃料使用時補正係数Ｋｆｒｇ、Ｋｆｌｇが取得される。これら基準燃料使用時補正係数Ｋｆｒｇ、Ｋｆｌｇの値は、図７に示したＫｆｇ_14.1、Ｋｆｇ_15.1と等しく、予めＥＣＵ２０に記憶されている。

この後ステップＳ２１１において、リッチ側比率Ｚｒ及びリーン側比率Ｚｌがそれぞれ式：Ｚｒ＝｜Ｋｆｒ−１｜／｜Ｋｆｒｇ−１｜及びＺｌ＝｜Ｋｆｌ−１｜／｜Ｋｆｌｇ−１｜によって算出される。

続くステップＳ２１２で、これらリッチ側比率Ｚｒ及びリーン側比率Ｚｌの平均値である最終的な比率Ｚが式：Ｚ＝（Ｚｒ＋Ｚｌ）／２により算出される。

最後に、ステップＳ２１３において、最終的な比率Ｚに基づき、図１０のマップに従って、燃料のアルコール濃度ＡＬが算出、推定される。

次に、前記第２の特性を利用した第２の態様を説明する。図１１に図８と同様なアクティブ空燃比制御の様子を示す。（Ａ）図では噴射率なる値が示され、これは単に空燃比の逆数（Ｆ／Ａ）である。空燃比の場合とは逆に、燃料噴射量の増加につれ噴射率は増加する。燃料噴射量ではなく噴射率の値を用いるのは、エンジン運転状態が変化しても目標値が変化しない制御を行うためである。（Ａ）図に破線で示す目標噴射率Ｆ／Ａｔ及び実線で示す実際の触媒前噴射率Ｆ／Ａｆｒは、単に、目標空燃比Ａ／Ｆｔ及び触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒの逆数からなる値である。（Ｂ）図には図８同様に触媒後センサ１８の出力（出力電圧Ｖ）を実線で示す。

ここでのアクティブ空燃比制御では、例えば目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ（１４．１）に設定されたとき（ｔ１〜ｔ２）、使用燃料がガソリンである場合にその目標空燃比Ａ／Ｆｔに等しいリッチ空燃比が実際に得られるような噴射率で燃料が噴射される。つまり図７に示したＫｆｇ_14.1に補正係数Ｋｆが設定され、燃料噴射量はストイキ時の１．０３４倍とされる。こうした場合、使用燃料がアルコール燃料であると、燃料量は自ずと不足し、実際の噴射率は目標噴射率に至らない。即ち、実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒは目標空燃比Ａ／Ｆｔよりリーンな値となる（図１１のＹ参照）。これら実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒと目標空燃比Ａ／Ｆｔとの偏差（特にその絶対値）である空燃比差Ｙ＝｜Ａ／Ｆｆｒ−Ａ／Ｆｔ｜は、燃料のアルコール濃度に相関する値となる。よって当該空燃比差Ｙを求めることで燃料のアルコール濃度を推定することが可能である。なお後述するように、この第２の態様でもリッチ側及びリーン側の両方の空燃比差Ｙに基づきアルコール濃度を推定し、推定誤差をできるだけ少なくするようにしている。

以下、第２の態様に係るアルコール濃度推定処理の手順を図１２を参照しつつ説明する。図示の処理はＥＣＵ２０により実行される。

まずステップＳ３０１において、前記ステップＳ２０１と同様、処理を実行するための所定条件が成立しているか否かが判断される。所定条件不成立のときは処理が即座に終了となる。他方、所定条件成立のときは、ステップＳ３０２に進んで、噴射率がリッチ側の目標噴射率に制御される。即ち、補正係数Ｋｆが図７に示したＫｆｇ_14.1に設定され、ガソリン燃料使用時に実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリッチ側目標空燃比（１４．１）に等しくなるように、実際の噴射率が制御される。

実際の噴射率が安定したら、ステップＳ３０３において、そのときに触媒前センサ１７により検出された実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒｒの値が取得され、同時に取得した触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒｒと、リッチ側目標空燃比Ａ／Ｆｔｒとの差の絶対値即ちリッチ側空燃比差｜Ａ／Ｆｆｒｒ−Ａ／Ｆｔｒ｜が算出される。

次に、ステップＳ３０４において、触媒後センサ１８の出力がリッチ側に反転したか否かが判断される。反転していない場合は反転するまで待機し、反転したらステップＳ３０５に進んで噴射率がリーン側の目標噴射率に制御される。即ち、補正係数Ｋｆが図７に示したＫｆｇ_15.1に設定され、ガソリン燃料使用時に実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリーン側目標空燃比（１５．１）に等しくなるように、実際の噴射率が制御される。なおこのとき燃料噴射量はストイキ時の０．９６６倍とされる。

実際の噴射率が安定したら、ステップＳ３０６において、そのときに触媒前センサ１７により検出された実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒｌの値が取得され、同時に、取得した触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒｌと、リーン側目標空燃比Ａ／Ｆｔｌとの差の絶対値即ちリーン側空燃比差｜Ａ／Ｆｆｒｌ−Ａ／Ｆｔｌ｜が算出される。

次に、ステップＳ３０７において、触媒後センサ１８の出力がリーン側に反転したか否かが判断される。反転していない場合は反転するまで待機し、反転したらステップＳ３０８に進んでデータの取得が完了したか否かが判断される。本実施形態では、｜Ａ／Ｆｆｒｒ−Ａ／Ｆｔｒ｜、｜Ａ／Ｆｆｒｌ−Ａ／Ｆｔｌ｜のデータを所定数（例えば３）ずつ取得するようにされており、この所定数ずつの取得を終えたらデータ取得完了としている。

データ取得が完了していなければステップＳ３０２に進んでステップＳ３０２〜Ｓ３０７を繰り返す。他方、データ取得が完了したならばステップＳ３０９に進んで、所定数ずつの｜Ａ／Ｆｆｒｒ−Ａ／Ｆｔｒ｜、｜Ａ／Ｆｆｒｌ−Ａ／Ｆｔｌ｜の平均値｜Ａ／Ｆｆｒｒ−Ａ／Ｆｔｒ｜ａｖ、｜Ａ／Ｆｆｒｌ−Ａ／Ｆｔｌ｜ａｖが、最終的なリッチ側空燃比差Ｙｒ及びリーン側空燃比差Ｙｌとして算出される。｜Ａ／Ｆｆｒｒ−Ａ／Ｆｔｒ｜ａｖ、｜Ａ／Ｆｆｒｌ−Ａ／Ｆｔｌ｜ａｖは本来等しい値となるはずである。

そして、ステップＳ３１０において、これらリッチ側空燃比差Ｙｒ及びリーン側空燃比差Ｙｌの平均値が、最終的な空燃比差Ｙとして算出される。即ちＹ＝（Ｙｒ＋Ｙｌ）／２である。

最後に、ステップＳ３１１において、最終的な空燃比差Ｙに基づき、図１３のマップに従って、燃料のアルコール濃度ＡＬが算出、推定される。なお図１３中、実線が本実施形態のように目標空燃比をガソリンストイキから±０．５だけ変えた場合を示すが、破線は、目標空燃比をガソリンストイキから±１．０だけ変えた場合を示す。このように目標空燃比の変化幅が増加するほど、同一空燃比差Ｙに対するアルコール濃度ＡＬは小さくなる傾向にある。

なお、本実施形態には、推定誤差が少なくなるばかりでなく、特別なセンサや装置を用いずにアルコール濃度を推定できるという利点もある。

他の好適実施形態として次のようなものも考えられる。例えば、アルコール濃度の推定を燃料給油後の最初の所定時期（例えば給油後３トリップ経過時）と、その後の所定時期（例えば給油後１０トリップ毎）とに分けて実施し（但し、最初の所定時期とその後の所定時期との間で給油は無いものとする）、その間で推定アルコール濃度に変化があれば、センサ類（主に触媒前センサ１７）の異常として検出することが可能である。

また、目標空燃比及び目標噴射率の切替を触媒後センサ１８の反転と同期させないで、その反転時期より遅い時期に切り替える方法もある。例えば触媒１１が劣化してくると、その酸素吸蔵容量が少なくなり早い周期で触媒後センサ１８が反転し、実際の空燃比及び噴射率が安定する前に目標空燃比及び目標噴射率が切り替えられてしまう場合がある。そこでかかる安定を確保できるような所定の時間周期で目標空燃比及び目標噴射率を切り替えるのも好ましい。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば上述の内燃機関は吸気ポート（吸気通路）噴射式であったが、直噴式エンジンや両噴射方式を兼ね備えたデュアル噴射式エンジンにも、本発明は適用可能である。また、比較的高いアルコール濃度の燃料をも使用可能なエンジンを搭載する車両、所謂ＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicle）にも本発明は適用可能である。前記実施形態では触媒前センサ１７として広域空燃比センサを用い、触媒後センサ１８としてＯ₂センサを用いたが、例えば触媒後に広域空燃比センサを用いたり、触媒前にＯ₂センサを用いてもよい。これら広域空燃比センサ及びＯ₂センサを含め、広く、排気の空燃比を検出するためのセンサを本発明にいう空燃比センサというものとする。

本発明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発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明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。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略図である。 触媒前センサの出力特性を示すグラフである。 触媒後センサの出力特性を示すグラフである。 ストイキフィードバック空燃比制御のルーチンを示すフローチャートである。 主空燃比補正係数の算出マップである。 補助空燃比補正係数の算出マップである。 アルコール濃度推定に際しての空燃比と主空燃比補正係数との関係を示すグラフである。 アルコール濃度推定の第１の態様に係るアクティブ空燃比制御の様子を示すタイムチャートである。 アルコール濃度推定の第１の態様に係る処理手順を示すフローチャートである。 アルコール濃度推定の第１の態様に係るアルコール濃度推定マップである。 アルコール濃度推定の第２の態様に係るアクティブ空燃比制御の様子を示すタイムチャートである。 アルコール濃度推定の第２の態様に係る処理手順を示すフローチャートである。 アルコール濃度推定の第２の態様に係るアルコール濃度推定マップである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
６ 排気管
１１ 触媒
１２ インジェクタ
１４ 排気マニフォールド
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスの酸素濃度に基づいて当該排気ガスの実空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記空燃比センサにより検出された実空燃比を所定の目標空燃比に一致させるべく、実空燃比と基準燃料のストイキとの偏差に基づく補正量に基づいて空燃比を制御する空燃比制御手段と、
   前記目標空燃比を基準燃料のストイキよりもリッチ側及びリーン側に設定する目標空燃比設定手段と、
   前記目標空燃比が基準燃料のストイキよりもリッチ側及びリーン側に設定され、前記実空燃比が前記目標空燃比に一致するよう制御されているときの、実際のリッチ側補正量及びリーン側補正量を取得し、これら実際のリッチ側補正量及びリーン側補正量と、基準燃料のストイキ相当の基準補正量との差、並びに、基準燃料を前提とした場合の前記目標空燃比相当のリッチ側補正量及びリーン側補正量と前記基準補正量との差の比率を算出し、これらリッチ側比率及びリーン側比率に基づき燃料のアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料性状検出装置。
2. 前記アルコール濃度推定手段は、前記リッチ側比率及びリーン側比率の平均値に基づき燃料のアルコール濃度を推定する
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料性状検出装置。
3. 前記排気通路に触媒が配置され、該触媒の上流側に前記空燃比センサが配置され、前記触媒の下流側に別の空燃比センサが配置され、
   前記目標空燃比設定手段は、前記別の空燃比センサの出力が基準燃料のストイキに対しリーン側及びリッチ側に反転する毎に、前記目標空燃比を基準燃料のストイキに対しリッチ側及びリーン側に切り替える
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の燃料性状検出装置。
4. 内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスの酸素濃度に基づいて当該排気ガスの実空燃比を検出する空燃比センサと、
   基準燃料使用時に前記空燃比センサにより検出された実空燃比が所定の目標空燃比に一致するような目標噴射率に実際の噴射率を制御する噴射率制御手段と、
   前記目標噴射率を基準燃料のストイキよりもリッチ側及びリーン側に設定する目標噴射率設定手段と、
   前記目標噴射率が基準燃料のストイキよりもリッチ側及びリーン側に設定され、前記実際の噴射率がリッチ側及びリーン側の目標噴射率に制御されているときの、前記空燃比センサによって検出された実際のリッチ側空燃比及びリーン側空燃比を取得し、これら実際のリッチ側空燃比及びリーン側空燃比と、リッチ側及びリーン側の目標空燃比との偏差を算出し、これらリッチ側偏差及びリーン側偏差に基づき燃料のアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料性状検出装置。
5. 前記アルコール濃度推定手段は、前記リッチ側偏差及びリーン側偏差の平均値に基づき燃料のアルコール濃度を推定する
   ことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の燃料性状検出装置。
6. 前記排気通路に触媒が配置され、該触媒の上流側に前記空燃比センサが配置され、前記触媒の下流側に別の空燃比センサが配置され、
   前記目標噴射率設定手段は、前記別の空燃比センサの出力が基準燃料のストイキに対しリーン側及びリッチ側に反転する毎に、前記目標噴射率を基準燃料のストイキに対しリッチ側及びリーン側に切り替える
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の内燃機関の燃料性状検出装置。

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