JP2009257257A - 内燃機関の燃料性状判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の燃料性状判定装置に関し、内燃機関のシステムのコスト増加を招かずに、少なくともバイオ燃料を含む燃料の酸化劣化を正確に判定できるようにすることを目的とする。
【解決手段】燃料給油がされたと判定された場合に（ステップ１００）、空燃比計測用の運転モードに切り替えられたうえで、最新の給油後の空燃比の初期値Ａが測定される（ステップ１０８）。その後、所定時間以上経過した後に、当該運転モードに再度切り替えられたうえで、空燃比の現状値Ｂが測定される（ステップ１１６）。そして、当該現状値Ｂと上記初期値Ａとの差（Ｂ−Ａ）が所定の閾値Ｃよりも大きい場合に、燃料が酸化劣化していると判定し、運転者に燃料交換等を警報する（ステップ１１８、１２０）。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の燃料性状判定装置に係り、特に、少なくともバイオ燃料を含む燃料を使用する内燃機関において燃料の酸化劣化を検出する装置として好適な内燃機関の燃料性状判定装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、植物由来もしくは動物由来の油より生成したバイオ燃料を軽油の代替燃料として用いるディーゼルエンジンのシステムが開示されている。

特開２００７−１９２０６３号公報 特開２００４−２５７３０２号公報 特開平５−１６４００４号公報

ところで、バイオ燃料は、一般的に、軽油などの炭化水素燃料よりも経時的に酸化劣化し易い燃料である。燃料の酸化劣化が進むと、内燃機関の燃料系の金属部品の腐食が生じたり、当該燃料系に詰まりが生じたりしてしまう。しかしながら、そのような酸化劣化を低コストで検出する仕組みが未だ十分に確立されていない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関のシステムのコスト増加を招かずに、少なくともバイオ燃料を含む燃料の酸化劣化を正確に判定できるようにした内燃機関の燃料性状判定装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の燃料性状判定装置であって、
少なくともバイオ燃料を含む燃料を使用する内燃機関の燃料性状判定装置であって、
排気ガスの空燃比を取得する空燃比取得手段と、
所定時間経過前後での空燃比の変化に基づいて、前記燃料の酸化劣化の有無を判定する酸化劣化判定手段と、
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、
燃料給油がされたか否かを判定する給油判定手段を更に備え、
前記酸化劣化判定手段は、燃料給油がされたと判定されたことを受けて取得された空燃比と、当該取得から所定時間経過後の空燃比との間で、空燃比の変化を判断することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記空燃比取得手段は、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサを含み、燃料噴射量が同一となる条件下で空燃比を取得する手段であって、
前記酸化劣化判定手段は、前記所定時間前後での空燃比のリーン側へのずれ量に基づいて、酸化劣化の有無を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、
前記酸化劣化判定手段によって燃料が酸化劣化していると判定された場合に、その状況の発生を警報する警報手段を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、バイオ燃料が酸化劣化すると燃料中の酸素濃度が増加するという特徴を利用して、排気ガスの空燃比の変化に基づいて、少なくともバイオ燃料を含む燃料使用時の経時的な燃料の酸化劣化を判定することができる。また、本発明によれば、空燃比の測定という既存のシステムが有する構成を利用して、内燃機関のシステムのコスト増加を招かずに、燃料の酸化劣化を良好に判定することが可能となる。

第２の発明によれば、最新（直近）の給油後の時点での空燃比の取得値を基準として、次の給油までに酸化劣化がどの程度進行したかが監視されるので、燃料タンク内の燃料中のバイオ燃料濃度が給油に伴って変化する場合であっても、燃料の酸化劣化を正確に判定することが可能となる。

第３の発明によれば、燃料の酸化劣化に伴う空燃比センサの出力のリーン側へのずれ量に基づいて、燃料の酸化劣化を正確に判定することができる。

第４の発明によれば、燃料が酸化劣化していると判定された場合に、その状況の発生を運転者に知らせて、燃料の交換等の対処を促すことができるようになる。

実施の形態１．
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、自動車に搭載されたディーゼルエンジン１０を備えている。ディーゼルエンジン１０の燃料は、燃料タンク１２に貯留されている。燃料タンク１２には、軽油１００％の燃料、或いは、軽油とバイオ燃料との混合燃料が給油されるものとする。尚、このようなバイオ燃料としては、例えば、菜種メチルエステルを用いることができる。

燃料タンク１２内の燃料は、燃料パイプ１４を通ってディーゼルエンジン１０側へ移送される。燃料パイプ１４の途中には、燃料ポンプ１６が設置されている。燃料ポンプ１６によって加圧された高圧の燃料は、コモンレール１８内に貯留され、このコモンレール１８から、各気筒の燃料噴射弁２０へ分配される。また、燃料ポンプ１６によって加圧された高圧の燃料は、排気通路２２に配置される排気燃料添加弁２４にも供給される。

また、燃料タンク１２には、燃料タンク１２内の混合燃料中のバイオ燃料濃度を検出するためのバイオ燃料濃度センサ２６が取り付けられている。このようなバイオ燃料濃度センサ２６としては、例えば、光学式のセンサや炭化水素燃料とバイオ燃料との誘電率が異なる性質を利用した方式のセンサ等を用いることができる。また、燃料タンク１２には、タンク内燃料の液面高さを検出するための液面レベルセンサ２８が取り付けられている。

ディーゼルエンジン１０の排気通路２２におけるターボ過給機３０の下流側には、上流側から順に、ＮＯｘを浄化するためのＮＳＲ（NOx Storage Reduction）触媒３２、ＮＯｘの浄化のための触媒とともに粒子状物質ＰＭを除去するためのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３４ａを含むＤＰＮＲ（Diesel Particulate NOx Reduction）触媒３４、および、酸化触媒３６が配置されている。

また、排気通路２２には、ＮＳＲ触媒３２およびＤＰＮＲ触媒３４の前後差圧を検出するための差圧センサ３８が取り付けられている。この差圧センサ３８は、ＤＰＮＲ触媒３４内のパティキュレートフィルタ３４ａへのＰＭの堆積量を判定するために用いられる。

また、ＤＰＮＲ触媒３４の上流および下流には、排気ガス温度を検出するための排気温度センサ４０、４２がそれぞれ取り付けられている。本実施形態では、これらの排気温度センサ４０、４２による排気ガス温度の測定値に基づいて、ＤＰＮＲ触媒３４の温度を推定するようにしている。更に、ＤＰＮＲ触媒３４の下流には、その位置での排気ガスの空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサ４４が取り付けられている。

また、ディーゼルエンジン１０が搭載される車両のインストルメントパネル４６には、本実施形態において燃料が酸化劣化していると判定された場合に、その状況の発生や燃料交換の必要性などを運転者に知らせるための警告灯４８が組み込まれている。

本実施形態のシステムは、更に、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を更に備えている。ＥＣＵ５０には、バイオ燃料濃度センサ２６、液面レベルセンサ２８、差圧センサ３８、排気温度センサ４０、４２、Ａ／Ｆセンサ４４、およびＩＧスイッチ５２とともに、ディーゼルエンジン１０を制御するための各種のセンサが接続されている。また、ＥＣＵ５０には、燃料ポンプ１６、燃料噴射弁２０、および排気燃料添加弁２４とともに、ディーゼルエンジン１０を制御するための各種のアクチュエータが接続されている。更に、ＥＣＵ５０には、警告灯４８が接続されている。

以上説明したように、本実施形態のシステムでは、軽油とともバイオ燃料の使用が想定されている．バイオ燃料は、軽油に比べて、経時的に酸化劣化し易いという性質を有している。酸化劣化の程度は、燃料種によって異なる。また、酸化劣化は、酸素があり、かつ高温な状態で促進される。

上記の酸化劣化が進行すると、基本的に、燃料中の酸素濃度が増加していく。このため、理論空燃比は、酸化するとリッチ側にずれていくことになる。従って、燃料噴射量が同一となる運転条件下であれば、Ａ／Ｆセンサ４４により測定される空燃比は、酸化劣化の進行に伴いリーン側の値にずれていくことになる。

そこで、本実施形態では、上記の特徴を利用して、給油後の空燃比の変化を定期的に計測して監視するようにし、当該空燃比の経時的な変化量が所定量を超えた場合に、現在の使用燃料が酸化劣化していると判定するようにした。そして、燃料が酸化劣化していると判定した場合に、警告灯４８を用いて、運転者に対して燃料交換等の必要性を警報するようにした。

図２は、上記の機能を実現するために、５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、車両のＩＧスイッチ５２がＯＮとされた際に起動されるものとする。

図２に示すルーチンでは、先ず、液面レベルセンサ２８の出力に基づいて、燃料が給油されたか否かが判別される（ステップ１００）。より具体的には、本ステップ１００では、現在の燃料タンク１２内の燃料量ＮＦと、前回のディーゼルエンジン１０の停止時における燃料タンク１２内の燃料量ＢＦ（記憶値）との差（ＮＦ−ＢＦ）が一定量（例えば、５リットル）を超えている場合に、燃料が給油されたと判断するようにしている。
尚、給油の有無の判定手法は、このような手法に限らない。例えば、フューエルリッドの開閉を検知するためのセンサ（図示省略）を備えるようにしておき、簡易的には、ＩＧオフ中にフューエルリッドが開かれたことが検知されている状況下において、燃料タンク１２内の燃料量が前回値よりも増加していると判断された場合に、燃料が給油されたと判断してもよい。

上記ステップ１００において、燃料が給油されていないと判定された場合には、後述するステップ１１０に進み、一方、燃料が給油されたと判定された場合には、警告灯４８による運転者への警告表示がＯＦＦ（つまり、初期化）される（ステップ１０２）。

次いで、Ａ／Ｆセンサ４４が活性状態に達しているか否かが判別される（ステップ１０４）。尚、Ａ／Ｆセンサ４４が活性状態（活性温度）に達しているか否かは、例えば、当該センサ４４のセンサ素子温度と相関のある素子抵抗値などから判断することができる。

上記ステップ１０４において、Ａ／Ｆセンサ４４が活性状態に達していると判定された場合には、燃料の酸化劣化を計測するための運転モードに切り替え可能な状態か否かが判別される（ステップ１０６）。本ステップ１０６でいう計測用の運転モードとは、酸化劣化の計測がし易く、一時的に切り替えても問題のない運転モードであり、具体的には、例えば、アイドル運転領域でＥＧＲが導入されていないストイキ（理論空燃比）燃焼運転モードが該当する。

上記ステップ１０６において、計測用の上記運転モードに切り替えても問題のない運転状態であると判定された場合には、当該運転モードに切り替えられたうえで、最新（直近）の給油後における空燃比（Ａ／Ｆ）の初期値Ａが、空燃比センサ４４の出力に基づいて測定される（ステップ１０８）。尚、本ルーチンにおける計測用の運転モードでの空燃比の測定は、燃料噴射量が同一となる条件に合わせた状態で行われる。

次に、上記ステップ１０８もしくは下記ステップ１１６における空燃比の測定後から所定時間以上経過したか否かが判別される（ステップ１１０）。本ステップ１１０における所定時間は、一例としては３時間といったように、燃料の酸化劣化の進行を判断するうえで必要最低限なスパンであればよい。尚、当該所定時間を、燃料中のバイオ燃料濃度に応じて変更してもよい。

上記ステップ１１０において、上記所定時間以上経過したと判定された場合には、次いで、上記ステップ１０４および１０６と同様の手法で、Ａ／Ｆセンサ４４が活性状態にあるか否か（ステップ１１２）と、計測用の上記運転モードに切り替え可能か否か（ステップ１１４）とが判別される。

その結果、上記ステップ１１２および１１４の判定が成立する場合には、上記運転モードに切り替えられたうえで、空燃比（Ａ／Ｆ）の現状値Ｂが、空燃比センサ４４の出力に基づいて測定される（ステップ１１６）。

次に、上記ステップ１１６において測定された空燃比の現状値Ｂと、上記ステップ１０８において測定された最新の給油後の空燃比の初期値Ａとの差（Ｂ−Ａ）が、所定の閾値Ｃより大きいか否かが判別される（ステップ１１８）。本ステップ１１８における閾値Ｃは、燃料が所定の限度を超えて酸化劣化したか否かを判断するための空燃比の差（例えば、０．５）である。尚、当該閾値Ｃは、混合燃料中のバイオ燃料濃度に基づいて変更してもよい。

上記ステップ１１８における判定が不成立である場合、すなわち、燃料が未だ酸化劣化していないと判定される場合には、上記所定時間おきに上記ステップ１１０〜１１８の処理が繰返し実行される。

一方、上記ステップ１１８における判定が成立する場合、すなわち、空燃比の上記差（Ｂ−Ａ）が上記閾値Ｃを上回る程度にまで空燃比センサ４４による測定値にリーン側へのずれが認められることで、燃料が所定の限度を超えて酸化劣化していると判定された場合には、燃料交換等を促すべく、警告灯４８による運転者への警告表示がＯＮとされる（ステップ１２０）。

以上説明した図２に示すルーチンによれば、バイオ燃料が酸化劣化すると燃料中の酸素濃度が増加するという特徴を利用して、排気ガスの空燃比の変化に基づいて、バイオ燃料使用時の経時的な燃料の酸化劣化を判定することができる。

また、上記ルーチンの手法によれば、空燃比センサ４４による空燃比の測定という既存のシステムが有する構成を利用して、別途バイオ燃料の酸化劣化を検出するための専用の高コストなセンサを用いることなく、燃料の酸化劣化を良好に判定することが可能となる。

また、燃料タンク１２内に現存する燃料とは異なるバイオ燃料濃度の燃料が給油された場合には、バイオ燃料濃度が変化することで、燃料の理論空燃比が変わってしまうことになる。このような場合であっても、上記ルーチンによれば、最新の給油後の時点での空燃比の初期値Ａを基準として、次の給油までに酸化劣化がどの程度進行したかが監視されるので、給油に伴う燃料タンク１２内の燃料中のバイオ燃料濃度の変化の有無に関わらず、燃料の酸化劣化を正確に判定することが可能となる。

また、上記ルーチンによれば、燃料噴射量が同一となる条件下において、燃料の酸化劣化を判定するための空燃比を取得するようにしている。このため、燃料の酸化劣化に伴う空燃比センサ４４の出力のリーン側へのずれ量に基づいて、燃料の酸化劣化を正確に判定することができる。

また、上記ルーチンによれば、現在使用している燃料が所定の限度を超えて酸化劣化したと判定された場合に、警告灯４８を点灯させることにより、その状況の発生を運転者に知らせて、燃料の交換を促すことができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、最新の給油後の時点での空燃比の初期値Ａを基準として、所定時間経過前後での空燃比の変化量（差（Ｂ−Ａ）に基づいて、燃料の酸化劣化を判定するようにしている。しかしながら、燃料タンク１２に供給される燃料中のバイオ燃料濃度が一定値に固定されている環境下で使用されることが想定されるシステムであれば、最新の給油後の時点での空燃比の初期値Ａを基準とする必要は必ずしもなく、任意の所定時間経過前後での空燃比の変化に基づいて、燃料の酸化劣化を判定するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、バイオ燃料として、菜種から生産される菜種メチルエステルを使用する場合について説明したが、メチルエステルは菜種から生産されるものに限らず、いかなるバイオマスから生産されるものでもよい。更に、バイオ燃料としては、メチルエステルに限らず、他の種類の燃料でもよい。混合される炭化水素燃料（化石燃料）についても、軽油に限らず、他の種類の燃料でもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、Ａ／Ｆセンサ４４が前記第１の発明における「空燃比取得手段」に相当しているとともに、ＥＣＵ５０が上記図２に示すルーチンの一連の処理を実行することにより前記第１の発明における「酸化劣化判定手段」が実現されている。
また、ＥＣＵ５０が上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第２の発明における「給油判定手段」が実現されている。
また、ＥＣＵ５０が上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第４の発明における「警報手段」が実現されている。

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。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ ディーゼルエンジン
１２ 燃料タンク
１６ 燃料ポンプ
２０ 燃料噴射弁
２２ 排気通路
２６ バイオ燃料濃度センサ
２８ 液面レベルセンサ
３２ ＮＳＲ触媒
３４ ＤＰＮＲ触媒
３６ 酸化触媒
４４ 空燃比センサ
４６ インストルメントパネル
４８ 警告灯
５０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (4)

1. 少なくともバイオ燃料を含む燃料を使用する内燃機関の燃料性状判定装置であって、
   排気ガスの空燃比を取得する空燃比取得手段と、
   所定時間経過前後での空燃比の変化に基づいて、前記燃料の酸化劣化の有無を判定する酸化劣化判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の燃料性状判定装置。
2. 燃料給油がされたか否かを判定する給油判定手段を更に備え、
   前記酸化劣化判定手段は、燃料給油がされたと判定されたことを受けて取得された空燃比と、当該取得から所定時間経過後の空燃比との間で、空燃比の変化を判断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判定装置。
3. 前記空燃比取得手段は、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサを含み、燃料噴射量が同一となる条件下で空燃比を取得する手段であって、
   前記酸化劣化判定手段は、前記所定時間前後での空燃比のリーン側へのずれ量に基づいて、酸化劣化の有無を判定することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
4. 前記酸化劣化判定手段によって燃料が酸化劣化していると判定された場合に、その状況の発生を警報する警報手段を更に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性状判定装置。

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