JP2010196576A - 燃料温度制御装置及び燃料温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の温度制御において、燃料に与えるエネルギーを最適化する。
【解決手段】内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する噴射口に連なる流路を加熱するヒータ２１を加熱する際に、ヒータ２１に供給される第１のエネルギーを算出し、ヒータの温度を、このヒータにより加熱される燃料が目標温度に達するときの制御温度まで昇温させるために必要な第３のエネルギーを算出し、第１のエネルギーと第２のエネルギーと第３のエネルギーとのエネルギー収支に基づいて第３のエネルギーを算出し、この第３のエネルギーからヒータ２１の制御温度を求め、ヒータ２１の温度が制御温度になったタイミングでヒータの加熱をオフするコントローラ１０を有する燃料温度制御システム１００を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内に噴射される燃料の温度を制御する燃料温度制御装置及び燃料温度制御方法に関する。

燃料を超臨界状態にして内燃機関の燃焼室内に噴射するインジェクタが知られている（特許文献１参照）。

特開平１０−１４１１７０号公報

しかしながら、従来の技術では、燃料を目標温度まで加熱するのに必要なエネルギーが運転状態や燃料の状態によって変動するにもかかわらず、この点が考慮されていないため、燃料の加熱条件を最適化することができないという問題があった。

本発明は、燃料を加熱するヒータに外部から供給される第１のエネルギーと、噴射する燃料を目標温度まで昇温させるために必要な第２のエネルギーと、ヒータの温度を、燃料が目標温度に達するときの制御温度まで昇温させるために必要な第３のエネルギーとのエネルギー収支に基づいてヒータの加熱時間を制御することにより上記課題を解決する。

本発明によれば、燃料の加熱に係るエネルギー収支に基づいて燃料を目標温度まで昇温させるために必要なエネルギーを導くことができるので、余分なエネルギーを消費することなく、燃料の加熱条件を最適化することができる。

図１は、本実施形態の燃料温度制御システム１００のブロック構成図である。 図２は、本実施形態の燃料温度制御システム１００が燃料温度の制御を行うヒータ２１を備える燃料噴射装置２０の先端部の構成を説明するための図である。 図３は、図２に示す燃料噴射装置２０の領域Ａを拡大して示す図である。 図４は、燃料の加熱に係るエネルギー収支を説明するための図である。外部から供給される第１のエネルギーと、燃料及びヒータ２１の昇温のために消費される第２のエネルギー及び第３のエネルギーの収支を示す。 図５は、本実施形態のヒータ２１に外部から供給される第１のエネルギーの変化を示す図である。 図６は、本実施形態のヒータ２１の加熱パルス信号と、燃料温度と、ヒータ２１の温度との関係を示す図である。 図７は、圧力・温度状態図に示す、本実施形態の燃料温度の昇温パターンの一例を示す図である。 図８は、本実施形態の燃料温度の制御処理を説明するためのフローチャート図である。 図９は、本実施形態の燃料温度制御システム１００による温度制御のタイムチャート図であり、噴射パルスと、加熱パルスと、燃料温度と、ヒータ２１の温度との関係を示す図である。

以下、図面に基づいて、本実施形態に係る燃料温度制御システム１０

０について説明する。本実施形態の燃料温度制御システム１００は、内燃機関に燃料を供給する燃料噴射装置２０に関する装置であり、燃料噴射装置２０内の燃料を加熱するヒータ２１の動作を制御して、燃料を所望の温度まで昇温させる装置である。

図１は、本実施形態の燃料温度制御システム１００のブロック構成図である。図１に示すように、本実施形態の燃料温度制御システム１００は、燃料噴射装置２０とコントローラ１０とを有する。燃料噴射装置２０は、噴射する燃料を加熱するヒータ２１と噴射する燃料の圧力を検出する燃料圧力センサ２２とを備える。

この燃料噴射装置２０の先端部の構成を図２及び図３に示す。図２は、燃料噴射装置２０の燃料噴射弁２００を示す図であり、図３は、図２に示す破線領域Ａを拡大して示す図である。

図２及び図３に示すように、本実施形態の燃料噴射装置２０は、燃料噴射弁２００は筐体１０１で覆われており、その先端にはテーパ状の噴霧口１０６が設けられている。また、噴霧口１０６を開閉する針弁１０５と筐体１０１の間には燃料用流路１０４を設け、この燃料用流路１０４と接触するように、燃料加熱用のヒータ２１を設置する。ヒータ２１は、燃料用流路１０４を通過する燃料を過渡加熱する。ヒータ２１は、この過渡加熱において、燃料の噴射直前における数ｍsec間という短時間内で燃料を目標温度（例えば超臨界温度）まで急速加熱をする。

また、本実施形態のヒータ２１は、面状ヒータであり、燃料用流路１０４の外側を覆う。ヒータ２１の位置は特定されず、燃料用流路１０４の全体を囲むように設置してもよいし、燃料用流路１０４の一部を囲むように設置してもよい。さらに、ヒータ２１と筐体１０１の間に第１断熱材１０２を介設する。また、針弁１０５の表面を第２断熱材１０７で覆う。具体的に、本実施形態の燃料噴射弁２００では、筐体１０１の内壁側に断熱材１０２を配し、この断熱材１０２を介して、薄膜状のヒータ２１を配設する。つまり、ヒータ２１と燃料用流路１０４とは外部から断熱されており、外部からヒータ２１に供給されたエネルギーはヒータ２１の昇温と燃料の昇温に消費される。また、ヒータ２１と燃料用流路１０４を通過する燃料は相互に熱交換をする。

本実施形態において、ヒータ２１は薄膜状の面状ヒータとする。これにより、ヒータ２１の抵抗値を配線抵抗値よりも大きくすることができるので、通電時における配線からの発熱を低減させることができる。また、ヒータ２１を薄膜状にすると、ヒータ２１の熱容量を小さくすることができるので、ヒータ２１の加熱の応答性をよくすることができる。

また、ヒータ２１の抵抗材料は加熱通電できる材料を用いる。本実施形態においては、抵抗温度係数(ＴＣＲ： Temperature Coefficient of Resistance)が正の温度特性を示す材料を、ヒータ２１の抵抗材料とする。具体的に、本実施形態のヒータ２１の抵抗材料としては、Ｐｔ、Ｎｉなどの単体金属を用いる。

なお、ヒータ２１の形成手法は特に限定されないが、本実施形態のヒータ２１は、断熱材１０２の上から部分メッキをして形成するか、又はすでに薄膜として形成された金属を断熱材１０２と接合させて形成する。

さらに、ヒータ２１は、このヒータ２１の温度を測定する温度センサ２１１と、ヒータ２１の電圧を測定する電圧センサ２１２と、ヒータ２１の抵抗値を測定する抵抗センサ２１３とを備える。本実施形態の温度センサ２１１は、抵抗温度係数 (ＴＣＲ：Temperature Coefficient of Resistance)を用いて温度を検出するＴＣＲ温度センサである。

また、図２に示すスプリング１３０は、針弁１０５を噴霧口１０６方向（図中下方向）に付勢する。この状態で、針弁１０５の先端は噴霧口１０６に当接し、燃料の流れを遮断する。また、アクチュエータ１２０は、針弁１０５をその軸線方向に往復運動させる。アクチュエータ１２０に通電が行われると、針弁１０５はスプリング１３０の付勢に抗して図の上方向（噴霧口１０６の反対側）へ移動し、燃料の流れの遮断を解除する。

そして、燃料噴射弁２００の上流側で加圧された燃料は、この燃料用流路１０４を通り、噴霧口１０６を介して内燃機関の燃焼室に噴射される。燃料は、燃料用流路１０４を通過するときに、ヒータ２１により加熱され所望の目標温度に昇温される。

次に、コントローラ１０について説明する。本実施形態のコントローラ１０は、燃料を加熱するヒータ２１の動作を制御する。

本実施形態のコントローラ１００は、ヒータ２１の動作制御を実行するためのプログラムが格納されたＲＯＭ（Read Only Memory ）１２と、このＲＯＭ１２に格納されたプログラムを実行することで、燃料温度制御システム１００として機能する動作回路としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）１１と、アクセス可能な記憶装置として機能するＲＡＭ（Random Access Memory）１３と、を備える。なお、動作回路としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１に代えて又はこれとともに、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いることができる。

このコントローラ１０は、加熱時においてヒータ２１に供給される第１のエネルギー（Ｅin）を算出する機能と、燃焼室に噴射する燃料を目標温度まで昇温させるために必要な第２のエネルギー（Ｅf）を算出する機能と、ヒータ２１の温度を燃料が目標温度に達するときの制御温度まで昇温させるために必要な第３のエネルギー（Ｅh）を算出する機能と、第１のエネルギーと第２のエネルギーと第３のエネルギーとのエネルギー収支に基づいてヒータ２１の動作を制御する機能とを有する。コントローラ１０は、機能を実現するためのソフトウェアと、上述したハードウェアの協働により各機能を実行する。

ここで、本実施形態の燃料温度の制御に用いられる、第１のエネルギー（Ｅin）と、第２のエネルギー（Ｅf）と、第３のエネルギー（Ｅh）の収支について説明する。

図２、図３に基づいて説明したように、ヒータ２１と燃料用流路１０４は、その筐体１０１側の周囲を断熱材１０２に覆われ、その針弁１０５側を断熱材１０７により覆われている。このため、ヒータ２１と燃料用流路１０４のエネルギーロスはほとんど無視できる。

すなわち、加熱時においてヒータ２１に外部から供給される第１のエネルギー（Ｅin）は、燃焼室に噴射する燃料を目標温度まで昇温させるために必要な第２のエネルギー（Ｅf）と、ヒータ２１の温度を燃料が目標温度に達するときの制御温度まで昇温させるために必要な第３のエネルギー（Ｅh）として消費される。

つまり、第１のエネルギー（Ｅin）と、第２のエネルギー（Ｅf）と、第３のエネルギー（Ｅh）の収支は、Ｅin ＝Ｅh ＋Ｅf と表現することができる。このエネルギー収支の概要を図４に示す。図４に示すように、外部から供給された第１のエネルギー（Ｅin）は、ヒータ２１自身の温度を昇温させるとともに、燃料用流路１０４を通過する燃料の温度を昇温させるために消費される。

ところで、実際の車両等の駆動時において、エンジン始動時にヒータ２１に運ばれる燃料温度は低いが、暖機運転後や高回転時では、燃料配管や燃料噴射弁からの放熱で予熱さる為、ある程度加熱された温かい燃料がヒータの加熱ゾーン（燃料用流路）に運ばれる。つまり、運転状態によって加熱対象となる燃料の初期温度が変動するため、燃料を目標温度まで加熱するのに必要なエネルギーは、常に変動する。燃料の加熱時において、この燃料の初期温度を考慮しなければ、燃料を過加熱し、エネルギーを無駄に消費してしまう。また、燃料圧力は常に一定ではなく、エンジンをスタートさせてから徐々に加圧される。燃料の比熱や密度は温度依存性及び圧力依存性を有する為、燃料を目標温度まで加熱するのに必要なエネルギーは噴射ごとに変動する。燃料の加熱時において、この燃料の物性の変動を考慮しなければ、燃料に適切なエネルギーを与えることができない。

本実施形態の燃料温度制御システム１００では、供給に係る第１のエネルギー（Ｅin）と、消費に係る第２のエネルギー（Ｅf）及び第３のエネルギー（Ｅh）との収支（Ｅin ＝Ｅh ＋Ｅf）に基づいて、ヒータ２１の加熱時間を制御するので、燃料の加熱条件を最適化することができる。

以下、本実施形態の燃料温度制御システム１００のコントローラ１０の各機能を説明する。

まず、燃料温度制御システム１００の第１のエネルギー（Ｅin）を算出する機能について説明する。第１のエネルギー（Ｅin）は、加熱時においてヒータ２１に外部から供給されるエネルギーの総量である。

図５は、ヒータ２１に供給される第１のエネルギーの変化を示す図である。本実施形態では、コンデンサを用いて加熱を行う。このコンデンサ電圧Ｖcは一定である。しかし、ヒータ２１自身が通電加熱可能な金属から形成されているため、抵抗が正の温度特性を有し、その抵抗値は温度により変化する。また、ヒータ２１の温度は、その温度特性を利用するＴＣＲセンサ（温度センサ）２１１により検知できる。しかし、一定電圧でヒータ２１を加熱すると、温度上昇（加熱時間の時間経過）と共に、ヒータ２１の抵抗値が上昇し、それにつれて印加電力が下がる。このため、図５に示すように、温度上昇（加熱時間の時間経過）と共に、ヒータ２１に外部から供給される第１のエネルギー（Ｅin）の量が変化する。

本実施形態では、図５に示すように変化する第１のエネルギー（Ｅin）を、式（１）により算出する。

ただし、Ｖc（一定）はコンデンサ電圧、Ｒ（T）はヒータ抵抗値とする。

ヒータ抵抗値Ｒ(T)と時間ｔの関係は、燃料温度等の環境によって異なるため定式化できないが、ヒータ抵抗値R(T)を常時モニタすることにより、加熱時（Ｔ＝０→Ｔ＝ｔ）における第１のエネルギー（Ｅin（ｔ））を算出することができる。つまり、コントローラ１０は、ヒータ２１の抵抗値R(T)に基づいて第１のエネルギー（Ｅin（ｔ））を算出することができる。

次に、燃料温度制御システム１００の第２のエネルギー（Ｅf）を算出する機能について説明する。第２のエネルギー（Ｅf）は、燃焼室に噴射する燃料を目標温度まで昇温させるために必要なエネルギーである。

第２のエネルギー（Ｅf）は、燃料体積に密度・比熱の圧力・温度依存性を考慮して加熱開始温度から目標温度までを積分することにより求めることができる。本実施形態において、燃料の目標温度は、その圧力における臨界温度より高い超臨界温度である。具体的に、第２のエネルギー（Ｅｆ）は、式（２）により求めることができる。

ただし、Vｆ はヒータが加熱される量の燃料体積、ρ（T,P1）は燃料密度、Cｆ（T,P1）は燃料の比熱であり、P1は加熱開始時点のタイミング（後述する図９に示す加熱パルスが立ち上がるタイミング）における燃料圧力とする。

また、上述したように、燃料の加熱開始温度は運転状態によって異なるため、加熱開始時における燃料の加熱開始温度を検知することが好ましい。燃料圧力が超臨界圧以上か以下かに関わらず、加熱を開始するタイミングは噴射開始点よりもｔmax前に設定する。ここでｔmaxは、燃料温度が低い場合でも予熱を経た後に、本加熱（本実施形態の燃料温度制御の下における加熱）することにより、燃料温度が目標温度（超臨界温度）まで昇温させるために必要な時間である。ｔmaxの時間の長さは、噴射タイミング間の時間（噴射周期）未満とする。余分な供給エネルギーを減らす観点から、ｔmaxは可能な限り短く設定し、加熱パルスが終わったタイミングで同時に噴射するのが理想的である。
本実施形態では、加熱開始時におけるヒータ２１の温度を加熱開始時における燃料の温度（加熱開始温度）として検出し、検出された加熱開始時における燃料の温度から超臨界温度などの目標温度まで昇温するために必要なエネルギーを第２のエネルギーとして算出する。

ちなみに、ヒータ２１を通電加熱するときに、ヒータ２１の抵抗値を抵抗センサ２１３によりモニタすることで、ヒータ２１の温度センサ２１１（ＴＣＲセンサ）からヒータ２１の温度をリアルタイムに検出することができる。先述したように互いに接する燃料用流路１０４とヒータ２１とは断熱材１０２及び１０７に覆われているため、両者の温度はほぼ等しいと考えることができる。つまり、ヒータ２１の温度は、燃料用流路１０４において加熱される燃料の温度として扱うことができる。

また、燃料の加熱は噴射ごとに繰り返されるので、前回の加熱による余熱が次回の噴射対象となる燃料を加熱する。本実施形態では、前回噴射した後のヒータ２１の余熱と今回噴射する燃料が持つ熱を熱交換させた後、加熱開始前の燃料の温度を検知する。このため、熱交換後におけるヒータ２１の温度を温度センサ２１１（ＴＣＲセンサ）から検知し、このヒータ２１の温度を加熱開始時の燃料の温度として扱う。これにより、燃料を加熱開始温度から目標温度まで昇温させるために必要なエネルギーを算出することができる。

続いて、燃料温度制御システム１００の第３のエネルギー（Ｅh）を算出する機能について説明する。第３のエネルギー（Ｅh）は、ヒータ２１の温度を燃料が目標温度に達するときの制御温度まで昇温させるために必要なエネルギーである。

図６は、本実施形態のヒータ２１の加熱パルス信号と、燃料温度とヒータ２１の温度の関係を示す図である。ここで燃料温度は混合平均温度とする。図６に示すように、まずヒータ２１の加熱パルスがＯＮになるとヒータ２１の温度が上昇し、それに伴い燃料温度も上昇する。ここで、ヒータ２１の温度は、先述したようにヒータ２１が備えるＴＣＲセンサ２１１により検知することができる。ヒータ２１の温度変化を観察することにより、ヒータ２１の昇温に使われたエネルギーを求めることができる。ヒータ２１に使われた第３のエネルギー（Ｅh）はヒータ２１の熱容量をヒータ２１の温度で積分して、式３により算出することができる。

ただし、Mhはヒータ質量、Ch（T）はヒータ比熱とする。

ここで、Ｔ２は、燃料を目標温度（例えば超臨界温度）に昇温させたときのヒータ２１の温度である。言い換えると、Ｔ２は、燃料を目標温度（例えば超臨界温度）に昇温させるためのヒータ２１の制御温度である。

次に、ヒータ２１の動作の制御機能について説明する。
コントローラ１０は、算出された第１のエネルギーと第２のエネルギーと第３エネルギーの収支に基づいて、ヒータ２１の動作を制御する。
上述したとおり、コントローラ１０は、ヒータ抵抗値R(T)を常時モニタすることにより第１のエネルギー（Ｅin）と第３のエネルギー（Ｅh）を算出することができ、加熱開始時の燃料圧力、燃料温度を検知することにより第２のエネルギー（Ｅf）を算出することができる。

本実施形態のコントローラ１０は、第１のエネルギーから第３のエネルギーを差し引いた値が第２のエネルギー以上となるときの第３のエネルギーを算出し、つまり、Ｅin −Ｅh≧Ｅf の関係にある第３のエネルギーとなる温度を制御温度とし、ヒータ２１の温度がこの制御温度になったタイミングでヒータの加熱をオフする。
コントローラ１０は、ＴＣＲセンサ２１１により検出されるヒータ２１の温度が制御温度Ｔ２になったタイミングでヒータ２１の加熱をオフすれば、燃料を目標温度に昇温させたタイミングで加熱を停止することができる。つまり、燃料を目標温度の昇温後に必要以上のエネルギーを投入することを防止することができる。

また、本実施形態のコントローラ１０は、加熱開始時における燃料の圧力が超臨界圧力未満である場合は、燃料の目標温度を、燃料の圧力におけるこの燃料の飽和温度未満、すなわち沸点未満とする。つまり、燃料の圧力が超臨界圧に満たない場合、その圧力時の飽和温度未満で燃料の加熱を停止させる。これにより、燃料を気化させないようにし、ヒータ２１の異常昇温を回避する。その結果、ヒータ２１の面の損傷を防ぐことができる。また、燃料を飽和温度（沸点）未満とすることにより、エンジン始動時等の排気中のＮＯｘを低減することができる。

図７は、P-T線を示す状態図内における燃料の状態の変動を示す。図７の（Ａ）で示す点は超臨界圧Ｐｃ未満の状態であり、一定圧の下で昇温させ、気体になる直前で加熱をやめる。気化をさせないようにするのは、気化することによるヒータ２１の異常昇温を避けるためである。排気性能がある程度良好な燃料温度レベルであり、気化の発生に対応できる場合は、気化開始の前後所定時間内に燃料の加熱を停止すればよい。また、図７の（Ｂ）で示す点は超臨界圧Ｐｃ以上の状態であり、一定圧の下で昇温させ、超臨界状態に遷移したタイミングで加熱をストップさせる。

続いて、図８及び図９に基づいて、本実施形態の燃料温度制御システム１００の制御手順を説明する。図９は、本実施形態の燃料温度の制御処理を説明するためのフローチャート図であり、図８は、本実施形態の燃料温度制御システム１００による温度制御のタイムチャート図である。

以下、フローチャート図とタイムチャート図に基づいて、燃料制御の手順を説明する。

まず、ステップＳ１０１において、コントローラ１０は、新しい燃料が投入されたことを検知する。

ステップ１０２において、投入された新しい燃料は、前回投入された燃料を加熱したヒータ２１の余熱と熱交換する。これにより、燃料は加熱前に予熱される。

続く、ステップＳ１０３において、コントローラ１０は、ヒータ２１の温度センサ（ＴＣＲセンサ）２１１から、図９のタイミングＣにおけるヒータ２１の温度を取得する。このヒータ２１の温度は余熱された燃料の加熱開始時における温度Ｔ１として扱う。また、コントローラ１０は、同じタイミング（図９のＣ）において燃料圧力センサ２２から加熱開始時における燃料の圧力を取得する。

ちなみに、この燃料圧力と燃料温度（燃料温度とみなされるヒータ２１の温度）を取得するタイミングＣ（図９のＣ）は、新しい燃料が投入されてから次の噴射パルスがオンとなるタイミングから時間ｔｍａｘ前のタイミングとする。このｔｍａｘは数十ｍsec 程度あり、予め定義される。このｔｍａｘの間にヒータ２１と燃料との熱交換が行われる。針弁１０５とヒータ２１との距離すなわち燃料用流路１０４における燃料の流量が少なければ、ｔｍａｘ内に熱交換できる。このｔｍａｘを設定し、新たな燃料が供給されてから所定時間が経過したときに燃料の温度と圧力を検知するので、熱交換後における燃料温度とヒータ２１の温度を略等しい値とすることができる。

続いて、ステップＳ１０４において、コントローラ１０は、加熱開始直前のタイミングＣ（図９のＣ）において検出された燃料の圧力が超臨界圧以上か否かを判断する。もし、燃料の圧力が超臨界圧以上である場合は、ステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０５において、コントローラ１０は、加熱開始直前のタイミングＣ（図９のＣ）における燃料の温度Ｔ１、燃料の圧力Ｐ１、予め記憶された燃料の物性及び状態値に基づいて、上述した式２を用いて燃料を超臨界温度Ｔｃまで昇温させるために必要な第２のエネルギーＥfを算出する。

そして、ステップＳ１０６において、コントローラ１０は、ヒータ２１の加熱動作をオンとし、燃料の加熱を開始する。ヒータ２１の加熱が開始されることにより、ヒータ２１の温度及び燃料の温度が上昇する。

ステップＳ１０７において、コントローラ１０は、ヒータ２１の温度センサ２１１の検出値、ヒータ２１の抵抗値センサ２１３の検出値に基づいて、上述した式１を用いて加熱時においてヒータ２１に供給される第１のエネルギーＥinと、上述した式３を用いてヒータ２１の温度をある温度にまで昇温させるために必要な第３のエネルギーＥh を算出する。この時、加熱開始後、ヒータ２１の温度Tをモニタしておくことで、供給される第１のエネルギーとヒータ２１の昇温に消費される第３のエネルギーがリアルタイムで算出される。

続くステップＳ１０８において、コントローラ１０は、第１のエネルギーＥinからヒータ２１の温度をある温度にまで昇温させるために必要な第３のエネルギーＥh を差し引いた分、すなわちΔＥ＝Ｅin −Ｅh が、燃料を超臨界温度に昇温させるのに必要な加熱分Ｅf 以上となった時点を判断する。コントローラ１０は、第１のエネルギーＥinから第３のエネルギーＥh を差し引いた値（ΔＥ）が第２のエネルギーＥf 以上となる収支が成立するときの第３のエネルギーＥh を算出し、この第３のエネルギーＥh が導出されるときの温度（制御温度）を求め、ヒータ２１の温度がこの制御温度になったタイミングを求める。図９に示すタイミングＤにおいて、ヒータ２１の温度がＴ２であるとき、燃料の温度がＴｃとなる。このタイミングが、上記エネルギー収支の関係を満たすタイミングである。

ステップＳ１０９において、コントローラ１０は、ステップＳ１０８でＥin(t)-Ｅh(T)≧Ｅf のエネルギー収支が成立すると判断されたタイミングで、ヒータ２１をオフ（加熱停止）とする。図９に示すように、加熱開始からタイミングＤまでの時間ｔａがヒータ２１による加熱時間となる。

その後、ステップＳ１１０において、コントローラ１０は、燃料の噴射のタイミングを取得する。

ステップＳ１０４に戻り、エンジン始動時など、燃料の圧力が超臨界圧より低い場合は、ステップＳ１１１へ進む。

ステップＳ１１１において、コントローラ１０は、加熱開始直前のタイミングＣ（図９のＣ）における燃料の温度Ｔ１、燃料の圧力Ｐ１、予め記憶された燃料の物性及び状態値に基づいて、燃料を飽和温度未満（沸点未満）まで昇温させるために必要な第２のエネルギーＥf´を算出する。この場合は、燃料を気化させないように、その時の燃料圧力における飽和温度まで加熱させる。

そして、ステップＳ１１２において、コントローラ１０は、ヒータ２１の加熱動作をオンとし、燃料の加熱を開始する。ヒータ２１の加熱が開始されることにより、ヒータ２１の温度及び燃料の温度が上昇する。

ステップＳ１１３において、コントローラ１０は、ヒータ２１の温度センサ２１１の検出値、ヒータ２１の抵抗値センサ２１３の検出値に基づいて、上述した式１を用いて加熱時においてヒータ２１に供給される第１のエネルギーＥinと、上述した式３を用いてヒータ２１の温度をある温度にまで昇温させるために必要な第３のエネルギーＥh を算出する。この時、加熱開始後、ヒータ２１の温度Tをモニタしておくことで、第１のエネルギー、ヒータ２１の温度をある温度にまで昇温させるために必要な第３のエネルギーがリアルタイムで算出できる。

続くステップＳ１１４において、コントローラ１０は、第１のエネルギーＥinからヒータ２１の温度をある温度にまで昇温させるために必要な第３のエネルギーＥh を差し引いた分、すなわちΔＥ＝Ｅin −Ｅh が、燃料を飽和温度（沸点）に昇温させるのに必要な加熱分Ｅf´以上となった時点を判断する。コントローラ１０は、第１のエネルギーＥinから第３のエネルギーＥh を差し引いた値（ΔＥ）が第２のエネルギーＥf´以上となる収支が成立するときの第３のエネルギーＥh を算出し、この第３のエネルギーＥh が導出されるときの温度（制御温度）を求め、ヒータ２１の温度がこの制御温度になったタイミングを求める。

続くステップＳ１０９において、コントローラ１０は、ステップＳ１１４でＥin(t)-Ｅh(T)≧Ｅf´のエネルギー収支が成立すると判断されたタイミングで、ヒータ２１をオフ（加熱停止）とする。

その後、ステップＳ１１０において、コントローラ１０は、燃料の噴射のタイミングを取得する。

噴射が終わると、次の燃料がヒータ２１近傍に流入し、ヒータ２１の余熱との熱交換がされる。以上のように、運転中における燃料の温度は継続的に制御される。

なお、本実施形態では、内燃機関の圧縮工程時に噴射するケースを使って説明したが、ここは吸気工程時に噴射するケースでも、加熱の時期が早くなるだけで制御手法は共通する。

本発明は以上のように構成され、以上のように作用するので、以下の効果を奏する。

本実施形態の燃料温度制御システム１００によれば、余分なエネルギーを消費することなく、燃料の加熱条件を最適化することができる。

すなわち、本実施形態の燃料温度制御システム１００は、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する噴射口に連なる燃料用流路を加熱するヒータ２１に供給される第１のエネルギーと、燃焼室に噴射する燃料を目標温度まで昇温させるために必要な第２のエネルギーと、ヒータの温度を制御温度まで昇温させるために必要な第３のエネルギーとのエネルギー収支に基づいてヒータ２１の動作を制御するので、余分なエネルギーを消費することなく、燃料の加熱条件を最適化することができる。

ところで、燃料噴射装置２０内の燃料は高圧状態であり、スペースがほとんどないため、温度センサ等を用いて燃料温度を直接測定する事は困難である。たとえ温度センサを設置できたとしても、燃料を過渡昇温させるので燃料の温度に勾配ができるため、燃料噴射装置２０の燃料の混合平均温度を測定することは困難である。このように、噴射される燃料の温度を高い精度で管理することは困難であったため、従来は、燃料を所望の温度に昇温させるために必要なエネルギーを正確に把握することができず、過剰なエネルギーを与えていた。

しかし、本実施形態の燃料温度制御システム１００によれば、エネルギー収支の関係を用いることで、燃料を所望の温度に昇温するために必要なエネルギーを高い精度で予測することできるので、必要なエネルギーを過不足なく与えることができる。しかも、噴射毎という非常に短い時間内において必要エネルギーを過不足なく与える事ができる。

さらに、運転状態や運転開始からの時間によって変化する燃料の圧力、燃料の圧力や燃料温度によって変化する燃料の密度や比熱の影響を排除して、燃料の加熱条件を最適化することができる。つまり、運転状態や運転開始からの時間に応じた、適切な加熱条件（加熱時間）を求めることができる。

また、本実施形態の燃料温度制御システム１００は、第１のエネルギーから第３のエネルギーを差し引いた値が第２のエネルギー以上となるときの第３のエネルギーを算出し、この第３のエネルギーから制御温度を求め、ヒータ２１の温度が制御温度になったタイミングでヒータ２１の加熱をオフするので、上述の効果を奏する。

また、本実施形態の燃料温度制御システム１００は、加熱開始時におけるヒータ２１の温度を加熱開始時における燃料の温度として第２のエネルギーを算出するため、実際に計測することが困難な燃料の温度に代えてヒータ２１の温度から第２のエネルギー求めることができる。

また、燃料の目標温度を燃料の超臨界温度とするので、噴射時に完全に気化する事ができ、ＮＯxを低減させるなど排気性能を向上さることができる。
さらに、加熱開始時における燃料の圧力が超臨界圧力未満である場合は、燃料の目標温度を、燃料の圧力におけるその燃料の飽和温度未満とするので、燃料の気化を起こさせないようにし、ヒータ２１の異常昇温を回避し、ヒータ２１の面が損傷することができる。また、燃料を飽和温度（沸点）まで加熱することにより、エンジン始動時等のＮＯxを低減させるなど排気を改善することができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

すなわち、本明細書では、本発明に係る燃料温度制御装置の制御手段の一態様として燃料温度制御システム１００のコントローラ１０を例にして説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、本明細書では、本発明に係る燃料温度制御装置の制御手段の一態様として、ＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３を含むコントローラ１０を一例として説明するが、これに限定されるものではない。

また、本明細書では、本発明に係るヒータの一態様として、ヒータ２１を一例として説明するが、これに限定されるものではない。

１００…燃料温度制御システム
１０…コントローラ
１１…ＣＰＵ
１２…ＲＯＭ
１３…ＲＡＭ
２０…燃料噴射装置
２１…ヒータ
２１１…温度センサ，ＴＣＲセンサ
２１２…電圧センサ
２１３…抵抗センサ
２２…燃料圧力センサ
１０１…筐体
１０２…第１断熱材
１０４…流路
１０５…針弁
１０６…噴霧口
１０７…第２断熱材

Claims (6)

1. 内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する噴射口に連なる燃料用流路を加熱するヒータに外部から供給される第１のエネルギーを算出し、前記噴射する燃料を目標温度まで昇温させるために必要な第２のエネルギーを算出し、前記ヒータの温度を、前記燃料が目標温度に達するときの制御温度まで昇温させるために必要な第３のエネルギーを算出し、前記第１のエネルギーと第２のエネルギーと第３のエネルギーとのエネルギー収支に基づいて、前記ヒータの動作を制御する制御手段を備える燃料温度制御装置。
2. 請求項１に記載の燃料温度制御装置において、
   前記制御手段は、前記第１のエネルギーから前記第３のエネルギーを差し引いた値が前記第２のエネルギー以上となるときの第３のエネルギーを算出し、前記第３のエネルギーから前記制御温度を求め、前記ヒータの温度が前記制御温度になったタイミングでヒータの加熱をオフする燃料温度制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の燃料温度制御装置において、
   前記制御手段は、前記加熱開始時におけるヒータの温度を前記加熱開始時における燃料の温度として検出し、前記検出された加熱開始時における燃料の温度から前記目標温度まで昇温するために必要なエネルギーを前記第２のエネルギーとして算出する燃料温度制御装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料温度制御装置において、
   前記燃料の目標温度は、前記燃料の超臨界温度である燃料温度制御装置。
5. 請求項４に記載の燃料温度制御装置において、
   前記加熱開始時における燃料の圧力が超臨界圧力未満である場合は、前記燃料の目標温度を、前記燃料の圧力における当該燃料の飽和温度未満とする燃料温度制御装置。
6. 内燃機関の燃焼室に噴射される燃料をヒータで加熱する際の燃料温度制御方法であって、
   前記ヒータによる加熱を開始した後、
   前記加熱時において前記ヒータに外部から供給される第１のエネルギーと、前記噴射する燃料を目標温度まで昇温させるために必要な第２のエネルギーと、前記ヒータの温度を、前記燃料が目標温度に達するときの制御温度まで昇温させるために必要な第３のエネルギーとのエネルギー収支に基づいて、前記ヒータの動作を制御する燃料温度制御方法。

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