JP2009520909A - 燃料の揮発度のオンボード測定方法 - Google Patents

Abstract

燃料の揮発度のオンボード測定方法。燃料システム制御ユニット（ＦＳＣＵ）により制御されかつ圧力センサーと温度センサーと燃料レベルセンサーとを含む燃料システムの一部である燃料タンクに貯蔵された燃料の揮発度を測定する方法であって、これによれば、ＦＳＣＵは、理想気体の法則と、燃料の蒸留曲線および／または運転性指数（ＤＩ）を予測するためにセンサーにより行われる測定と、を使用する。自動車の内燃機関の混合チャンバー内に噴射される燃料の量を調整するための前記方法の使用。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００５年１２月２２日出願の米国仮特許出願第６０／７５３３６１号明細書および２００５年１２月２２日出願の欧州特許出願第０５１１２７１３．２号明細書に基づく特典を請求する。

本発明は、燃料の揮発度のオンボード測定方法に関する。

良好な運転性に重要なガソリン特性が揮発度であることは、自動車エンジン関連業界で公知である。エンジンの始動時は揮発度がとくに重要である。なぜなら、液体ガソリンを蒸発させて空気と混合することにより可燃性混合気を形成しなければならないからである。添加（蒸発）されるガソリンが少なすぎるとエンジンが始動せず、燃焼開始に必要とされるよりも多くのガソリンが添加（蒸発）されると、ガソリンの未燃焼部分に由来する余分の炭化水素が排気ガス中に見いだされることになるので、以上に論述された揮発度は、エンジンシリンダー内に噴射される空燃比に直接影響を及ぼす。任意の燃料を用いて任意の条件でエンジンを確実に始動させるために、現用のエンジンは、過剰量の燃料（１４．７：１の空燃比である化学量論値に対して）を用いて、すなわち「リッチ」混合気（約１１．５：１の空燃比）を用いて、始動される。

乗物の冷間始動および暖機運転性に及ぼすガソリン揮発度の影響を記述するために、運転性指数（ＤＩ）が開発されている。ＤＩは、異なる揮発度のガソリンタイプがいかにエンジン性能に影響を及ぼすかについての予測を支援するために開発された揮発度の尺度であり、どの程度の頻度でエンジンがストップしたり、スタンブルしたり、サージしたり、またはヘジテイトしたりするかに相関付けられる。

エタノールやメチル第三級ブチルエーテル（ＭＴＢＥ）のようなオキシジェネートを含有していないガソリンの場合、ＤＩの定義は、サンプルの温度を上昇させながらガソリンのサンプルを蒸留する実験室試験（米国材料試験協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）Ｄ８６）に基づく。この試験では、温度の関数として蒸留画分が測定され、次に、次式：
ＤＩ＝１．５Ｔ_１０＋３Ｔ_５０＋Ｔ_９０ （１）
に従ってＤＩが計算される。式中、Ｔ_ｘは、ガソリンサンプルのｘ％が蒸留される華氏度単位の温度である。これらの３つの温度は、実際には、燃料の蒸留曲線上で取得される。

含酸素燃料の場合、新しい運転性指数（ＮＤＩ）がエンジン性能に対するより良好な相関を与えることが見いだされており、それは次式：ＮＤＩ＝ＤＩ＋４３．２δ（ＭＴＢＥ）＋８６．２δ（ＥＴＯＨ）（２）に相等する。式中、δ（ＭＴＢＥ）およびδ（ＥＴＯＨ）は、それぞれ約１５％ＭＴＢＥまたは１０％エタノールが存在するときは１に等しく、それ以外のときはゼロに等しい。

実用上、エンジンの冷間始動性能を改良するためにＤＩ（すなわち蒸留曲線の３点）を知る必要はない。すなわち、Ｔ_１０が実用上約１０４°Ｆ（４０℃）に等しいので、燃料の蒸留曲線の下側部分がわかれば十分である。さらに、曲線のこの部分は直線に非常に近いので、実際上、２つの異なる低温度における燃料の揮発度がわかれば十分である。実際の曲線と線形表現との差は、非常に小さい。エンジンの機械的効率の悪さがこの事象に含まれる場合、２つの曲線の差は、さらに目立たなくなる。

先行技術
（特許文献１）には、１つの温度における燃料の揮発度の測定と特定のアルゴリズムとに基づいて燃料の揮発度の近似値を決定するためのオンボードのシステムおよび方法が明らかにされている。前記システム／方法では、インターディジットタイプの専用容量式センサーが使用されるので、乗物燃料システムの経費がかさむ。
米国特許第６，８８０，３９２号明細書

この問題を解決するために、出願人の発明は、既存の技術を用いるシステム、すなわち、追加のセンサーやデバイスを何ら必要としない乗物内電流センサーに関する。それは、乗物の通常の日々の運転に対して追加のデバイス、容積、変更を何ら必要としない。インテリジェント燃料システムまたはＩＦＳ（すなわち、燃料システム制御ユニット（ＦＳＣＵ）とデータネットワーク接続とを含む燃料システム）の支援を受けて、燃料充填時に蒸発画分の第１の測定を行うことが可能であり（曲線の第１の点を得る）、次に、タンクを密閉し、しばらく運転した後、より高い圧力および温度で第２の測定を行う（曲線の第２の点を得る）。ＤＩ値を予測できるので、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）を校正してこれまで可能であったよりもリーンな状態で（すなわち、より少ない燃料過剰率で）運転を行うことが可能になる。

したがって、本発明は、燃料システム制御ユニット（ＦＳＣＵ）により制御されかつ圧力センサー、温度センサー、および燃料レベルセンサーを含む燃料システムの一部である燃料タンクに貯蔵された燃料の揮発度を測定する方法に関する。これによれば、ＦＳＣＵは、理想気体の法則と、燃料の蒸留曲線および／または運転性指数（ＤＩ）を予測するためにセンサーにより行われる測定と、を使用する。

より特定的には、本発明は、少なくとも１つのベントバルブを利用して燃料タンクに連通するベントラインと再充填事象センサーとを含む燃料システムを特徴とする方法に関する。前記方法は、
ａ．再充填事象センサーを用いて再充填事象の終了を感知する工程と、
ｂ．ガスが燃料タンクから逃散できないようにベントバルブを閉じる工程と、
ｃ．ＦＳＣＵを用いて温度、圧力、および燃料レベルの測定および記録を行う工程と、
ｄ．以上の測定値とＦＳＣＵ内に記憶されたアルゴリズムとを用いて再充填温度（Ｔ０）における蒸発燃料のモル数（ｎ０）を計算し蒸留曲線の第１の点を得る工程と、
ｅ．燃料がより高い温度（Ｔ１）に達したときかつエンジンが非パージ事象で動作しているときに温度、圧力、および燃料レベルの測定および記録を再度行う工程と、
ｆ．前記より高い温度（Ｔ１）における蒸発燃料のモル数（ｎ１）を計算し蒸留曲線の第２の点を得る工程と、
ｇ．２つの測定点／計算点（すなわち（ｆ０，Ｔ０）および（ｆ１，Ｔ１））を用いて貯蔵燃料の蒸留曲線（Ｔｘの関数としてのｆｘ、ただし、ｆｘは温度Ｔｘにおける蒸発燃料の画分である）の少なくとも一部を計算する工程と、
ｈ．前記曲線を記憶する工程と、
を含む。

本発明に係る燃料タンクは、好ましくは、燃料タンク内で発生した燃料蒸気の排出を制御することを目的とする蒸発ガス制御システムを含む燃料システムの一部である。このシステムは、一般的には、パージバルブを介してエンジン吸気システムに後続的に供給される燃料蒸気を捕獲する燃料蒸気キャニスターと、少なくとも１つのベントバルブ（一般的にはロールオーバーバルブ）を備えかつ燃料タンクを燃料蒸気キャニスターに連通させるベントラインと、パージバルブと、を含む。パージバルブ（ノーマルクローズ型）は、キャニスターとエンジンとの間に位置し、エンジン吸気システム内への吸入のためにキャニスターから蒸気を吸引するように調整される。

好ましくは、ベントバルブおよびパージバルブはいずれも、ＦＳＣＵにより制御されるソレノイドバルブである。

一般的には、燃料システムは、燃料タンク壁中の開口を介して燃料タンクから燃料を吸引し燃料タンクから燃料を排出する燃料ポンプのような他の構成要素を含む。

ＦＳＣＵは、燃料システム（好ましくはすべてのその構成要素）の動作条件および機能パラメーターを管理することが可能である。ＦＳＣＵは、一般的には
・燃料システムの機能を制御する手段を有し、
・少なくとも１つ（好ましくはすべて）の燃料システム構成要素に接続され前記少なくとも１つの燃料システム構成要素に対して信号の送信または信号の受信を行い、
・エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）に信号を送信する少なくとも１つのセンサーに接続され、
・電子的かつ双方向にＥＣＵに導通するように適合化される。

ＦＳＣＵは、好ましくは、ＥＣＵと異なりかつＥＣＵから燃料システムの制御を引き継いだスタンドアロンコントローラーである（すなわち、ＥＣＵは、燃料システムを直接制御しない）。ＦＳＣＵは、限られた数のワイヤーまたはバス（すなわち、ＣＡＮ、ＬＩＮ）を介してＥＣＵをはじめとする複数の乗物制御システムに対して情報の受信および情報の送信を行うことが可能である。ＦＳＣＵとＥＣＵとの間で交換される情報としては、たとえば、燃料タンク内の燃料の量（燃料レベルセンサーから返信される）、インジェクターパルス幅（どの程度の量の燃料を噴射させるべきかを示す）、キャニスターのパージ条件が満たされているかを示す信号などが挙げられる。

ＦＳＣＵは、好ましくは、エンジンの通常動作状態時および過渡動作状態時における燃料システム内に組み込まれたすべての構成要素の動作を制御し、動作パラメーターに関するデータを受信し、かつ情報を送信し、構成要素を機能させる。一般的には、この制御は、これまではＥＣＵによりまたは構成要素専用の電子式コントローラーにより行われていた（たとえば、燃料ポンプ管理用の特定のコントローラーが存在する）。

本発明によれば、ＦＳＣＵは、燃料システム内に組み込まれたセンサーに電子的に接続される。燃料システムセンサーに包含されるのは、一般的には、電子式燃料レベルセンサー、温度センサー、アナログ圧力センサー、炭化水素蒸気センサーである。他のタイプのセンサーがこのリストの一部であることもありうる。それらは、適切な電線によりＦＳＣＵに接続され、センサーは、この電線を介してＦＳＣＵにデータを伝送する。

本発明によれば、ＦＳＣＵは、燃料タンクの燃料補給事象の指標、より特定的には燃料補給（再充填）事象の終了の指標を提供するセンサーを含む。このセンサーは、燃料レベルゲージでありうる。好ましくは、前記センサーは、フューエルドア上および／またはもしあればキャップレスフィラーヘッド上にスイッチまたはリレーを含む。それは、好ましくは、エンジン点火状態センサーをも含む。

燃料補給事象（または充填事象）の終了を感知した後（プロセスの工程ａ．の後）、タンクを密閉する（すなわち、ガスがタンクから逃散できないようにベントバルブを閉める）（プロセスの工程ｂ．）。次に、本発明によれば、ＦＳＣＵは、温度、圧力、および燃料レベルの測定および記憶を行う（プロセスの工程ｃ．）。次に、ＦＳＣＵは、燃料タンク内の温度をモニターしてそれがより高い温度（Ｔ１）に達しかつエンジンが非パージ事象を行うときに、タンク内の温度、圧力、および燃料レベルの測定および記憶を再度行う（プロセスの工程ｅ．）。

本発明によれば、ＦＳＣＵは、
・充填温度Ｔ０における蒸発燃料のモル数ｎ０（工程ｂ．の直後または工程ｆと一緒に行われうるプロセスの工程ｃ．）と、
・燃料が温度Ｔ１に達したときの蒸発燃料のモル数ｎ１（プロセスの工程ｆ．）と、
を計算する。

これらの計算に基づいて、ＦＳＣＵは、燃料の蒸留曲線（すなわち、Ｔｘの関数としてのｆｘ、ただし、ｆｘは温度Ｔｘにおける蒸発燃料の画分である）の少なくとも一部を予測し、そのメモリーに前記曲線を記憶する（プロセスの工程ｇ．およびｈ．）。

好ましくは、以上に挙げた温度および圧力は、蒸気ドーム内のものである。

すべての計算の基礎は、実際には、理想気体の法則：ｐＶ＝ｎＲＴである。それに関連して、注目に値する点として、ｎＲがシステム内で一定であると仮定すると、燃料レベルの間接値が計算可能になり、結果的にタンク内事象の計算をより制御された形で行うことが可能になる。

以上に記載の方法では、タンクを密閉する必要がある。その理由は２つあり、第１の理由は、蒸気の発生がより高速化し平衡状態に達することであり、第２の理由は、エンジンが実際に消費に利用している燃料をより正確に測定するのに役立つことである。たとえば、燃料のライトエンドはすべて、すでに気化されてカーボンキャニスター中に存在する。燃料供給事象時、タンクは密閉されない。しかも、カーボンキャニスターのポートは開放状態である。そこに蒸気が流入する。この事象の直後、タンクが閉じられ時間点ゼロにおける測定が行われる。タンクを閉じてベントを停止すると、閉じ込められた「蒸気トラップ」が形成される。この状況では、理想気体の法則を計算に利用することが可能であるとともに、燃料消費量を知ることによりいかなる体積変化をも把握することが可能である。２つの測定間のモル数（ｎ）の変化は、ＤＩおよび／または蒸留曲線の計算に役立つ。

本発明の好ましい実施形態によれば、蒸留曲線は、利用可能な２点の直線補外により計算される。これは、多くの場合、冷間始動時のエンジンの性能向上を支援するのに十分である。

実際上、異なる蒸留曲線およびＤＩを有する３種類の燃料、すなわち、夏用および冬用の従来型燃料ならびに含酸素燃料が主に利用可能である。したがって、各種類の燃料のマスター曲線をシステム内に記憶し、本発明の好ましい実施形態によれば、補外蒸留曲線を前記マスター蒸留曲線と比較し、それに基づいてＦＳＣＵがＤＩ値を予測する。先に説明したように、温度の関数としての燃料の揮発度（すなわち蒸留曲線）またはＤＩを知る目的は、適正量の燃料をエンジンシリンダーに供給できるようにすることである（混合チャンバーまたは噴射チャンバーを介して；これは、かつてはキャブレターであったが、現代の自動車では一般に噴射システム内のチャンバーである）。

したがって、本発明はまた、自動車の内燃機関の混合チャンバー内に噴射される燃料の量を調整する方法に関する。前記方法は、
・以上に記載の方法を用いて燃料の蒸留曲線および／またはＤＩを測定する工程と、
・前記蒸留曲線および／またはＤＩに基づいて混合チャンバー内の温度の関数として混合チャンバー内に噴射される燃料の量を調整する工程と、
を含む。

本発明のこの態様によれば、ＦＳＣＵは、有利には、記憶した揮発度情報をＥＣＵに提供すべくＥＣＵに導通する。この導通は、好ましくは、ビークルバス（すなわち、ＣＡＮ、ＬＩＮ）を介して行われる。なぜなら、この導通媒体は、電子的欠陥の影響をそれほど受けないからである。

ＦＳＣＵから燃料の揮発度に関する情報を受信しエンジンに供給される所要の空燃比がわかれば、ＥＣＵは、混合チャンバー内に噴射される燃料の量を前記混合チャンバー内の温度の関数として計算することが可能である。

本発明の一実施形態によれば、ＦＳＣＵは、低ＤＩ燃料（１）、公称ＤＩ燃料（２）、および高ＤＩ燃料（３）にそれぞれ対応する３つの燃料種類（燃料タイプ１、２、または３）のうちの１つに燃料を分類する。一例として、ＤＩの計算結果が約８５０〜９７５の値を有するのであれば、それは値１であり、９７６〜１１２５であれば値２であり、そして１１２６〜１４００であれば値３である。この値は、ＥＣＵに送信され、次に、ＥＣＵは、これに基づいて燃料供給曲線を改変する。したがって、値２（公称）の場合、それは始動時の空燃比約１３：１の曲線を利用する。値３（高ＤＩ、点火がより困難）の場合、それは空燃比約１２．５：１の曲線を利用する。

Claims (7)

1. 燃料システム制御ユニット（ＦＳＣＵ）により制御されかつ圧力センサーと温度センサーと燃料レベルセンサーとを含む燃料システムの一部である燃料タンクに貯蔵された燃料の揮発度を測定する方法であって、前記ＦＳＣＵが、理想気体の法則と、前記燃料の蒸留曲線および／または運転性指数（ＤＩ）を予測するために前記センサーにより行われる測定と、を使用する、方法。
2. 前記燃料システムが、少なくとも１つのベントバルブを利用して前記燃料タンクに連通するベントラインと再充填事象センサーとを含み、前記方法が、
   ａ．前記再充填事象センサーを用いて再充填事象の終了を感知する工程と、
   ｂ．ガスが前記燃料タンクから逃散できないように前記ベントバルブを閉じる工程と、
   ｃ．前記ＦＳＣＵを用いて温度、圧力、および燃料レベルの測定および記録を行う工程と、
   ｄ．以上の測定値と前記ＦＳＣＵ内に記憶されたアルゴリズムとを用いて再充填温度（Ｔ０）における蒸発燃料のモル数（ｎ０）を計算し前記蒸留曲線の第１の点を得る工程と、
   ｅ．前記燃料がより高い温度（Ｔ１）に達したときかつエンジンが非パージ事象で動作しているときに温度、圧力、および燃料レベルの測定および記録を再度行う工程と、
   ｆ．前記より高い温度（Ｔ１）における蒸発燃料のモル数（ｎ１）を計算し前記蒸留曲線の第２の点を得る工程と、
   ｇ．２つの測定点／計算点（すなわち（ｆ０，Ｔ０）および（ｆ１，Ｔ１））を用いて前記貯蔵燃料の蒸留曲線（Ｔｘの関数としてのｆｘ、ただし、ｆｘは温度Ｔｘにおける蒸発燃料の画分である）の少なくとも一部を計算する工程と、
   ｈ．前記曲線を記憶する工程と、
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記蒸留曲線が、利用可能な２点の直線補外により計算されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記蒸留曲線が、前記ＦＳＣＵ内に記憶されたマスター蒸留曲線と比較され、かつそれに基づいて前記ＦＳＣＵがＤＩ値を予測することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 自動車の内燃機関の混合チャンバー内に噴射される燃料の量を調整する方法であって、
   ・請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法を用いて前記燃料の蒸留曲線および／またはＤＩを測定する工程と、
   ・前記蒸留曲線および／またはＤＩに基づいて前記混合チャンバー内の温度の関数として前記混合チャンバー内に噴射される燃料の量を調整する工程と、
   を含む、方法。
6. 前記エンジンが、前記エンジンに供給される所要の空燃比を計算する制御ユニット（ＥＣＵ）を有し、しかも前記混合チャンバー内に噴射される燃料の量が、前記混合チャンバー内の温度の関数としてかつ前記ＦＳＣＵから受信される前記蒸留曲線および／またはＤＩに関する情報に基づいて前記ＥＣＵにより適合化される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ＦＳＣＵが、低ＤＩ燃料（１）、公称ＤＩ燃料（２）、および高ＤＩ燃料（３）にそれぞれ対応する３つの燃料種類（燃料タイプ１、２、または３）のうちの１つに前記燃料を分類し、かつこの情報が前記ＥＣＵに送信され、前記ＥＣＵがこの情報に基づいて燃料供給曲線を改変する、請求項５または６に記載の方法。