JP2556043B2

JP2556043B2 - 異種燃料混合比率検出装置

Info

Publication number: JP2556043B2
Application number: JP62173714A
Authority: JP
Inventors: 宗義難波; 徹橋本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1987-07-11
Filing date: 1987-07-11
Publication date: 1996-11-20
Anticipated expiration: 2011-11-20
Also published as: JPS6416957A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、異種燃料の混合体を燃料として作動しうる
内燃機関へ供給される異種燃料の混合比率を検出する装
置に関し、特に、例えばガソリンとアルコールとの混合
体を燃料として作動しうる自動車用内燃機関へ供給され
るガソリンとアルコールとの混合比率の変化に応じての
燃料噴射量、燃料噴射タイミングおよび圧縮比等を最適
制御するための検出装置として用いて好敵の異種燃料混
合比率検出装置に関する。

［従来の技術］一般に、自動車用エンジン等では、ガソリンを燃料と
して作動するものが多いが、近年、ガソリンにアルコー
ルを混入させたものを燃料として作動するエンジン（ア
ルコール／ガソリン混合型エンジン）や、ガソリンに替
えてアルコールを燃料として作動するエンジン（アルコ
ール専用エンジン）も開発されている。

ところで、ガソリンの給油施設は広く普及している
が、アルコールの給油施設の普及率は現状では極めて僅
かなものである。したがって、このようなアルコール専
用エンジンの場合には、燃料の給油を確実に行なえずし
ばしば燃料切れを生じる恐れがある。

一方、アルコールをガソリンに混入させたものを燃料
とするアルコール／ガソリン混合型エンジンの場合に
は、アルコールとガソリンとの各種燃料特性が異なるた
め、アルコールとガソリンとの混合比率が変化するとエ
ンジンの適正な状態での作動に支障をきたす恐れが生じ
る。

そこで、アルコールとガソリンとの混合比率が変化し
てもエンジンが適切に作動するように、混合比率に応じ
てエンジンの制御を行なうようにすることが考えられ、
例えば、アルコールとガソリンとの混合比率に応じて、
燃料噴射量、燃料噴射タイミングおよび圧縮比等を最適
なものに制御することが考えられる。

このためには、まず、燃料としてのアルコールとガソ
リンとの混合比率を検出しなくてはならず、従来よりこ
のようなアルコールとガソリンとの混合比率を検出する
異種燃料混合比率検出装置としてのアルコールセンサが
種々考えられている。

このようなアルコールセンサとしては、例えば、アル
コールとガソリンとの混合体において、その混合比率と
光の屈折率との相関関係を利用したものとして、オプテ
ィカルセンサを燃料流路内や燃料タンク内等に設置し
て、混合燃料内での光の屈折率を測定しこれに基づき混
合比率を算出するものが考えられている。

また、他のアルコールセンサとして、その混合比率と
誘電率との相関関係を利用したものとして、静電容量セ
ンサを燃料流路内や燃料タンク内等に設置して、混合燃
料内での誘電率を測定しこれに基づき混合比率を算出す
るものも考えられている。

さらに、他のアルコールセンサとして、その混合比率
とマイクロ波減衰率との相関関係を利用したものとし
て、マイクロ波減衰率検出方式も考えられている。

なお、エンジンが所要の出力を得られるアルコールと
ガソリンとの混合比率（全体量に対するアルコール量の
割合）の範囲としては、例えば０〜85％程度が要求され
ている。

［発明が解決しようとする問題点］ところで、上述の各アルコールセンサでは、それぞれ
検出する物理量、つまり、光の屈折率，誘電率およびマ
イクロ波減衰率が、燃料の温度変化に伴い微妙に変化す
るため、極めて精度の高い燃料温度センサの併設を必要
とする他、この燃料温度センサの検出値に基づく温度補
正手段も要することになる。しかしながら、上述のオプ
ティカルセンサ，静電容量センサおよびマイクロ波減衰
率センサやこの精度の高い燃料温度センサの構造が複雑
であると共に高価であるため、アルコール／ガソリン混
合型エンジンを実用化する上で問題となっている。

本発明は、このような問題点を解決しようとするもの
で、簡素な構造でしかも低コストで製造できアルコール
／ガソリン混合型エンジンをはじめとした異種燃料の混
合体によって作動しうる内燃機関を実用化しうるように
した異種燃料混合比率検出装置を提供することを目的と
する。

［問題点を解決するための手段］このため、本発明の異種燃料混合比率検出装置は、異
種燃料の混合体によって作動しうる内燃機関の燃料供給
路内に設けられて電力供給を受けて発熱する熱線と、同
熱線への供給電流を調節しながら上記熱線の上記燃料供
給路内における温度を一定保持させる供給電流制御手段
と、同供給電流制御手段により制御される上記熱線への
供給電流の大きさに基づき上記混合体が上記熱線の周囲
を通過するに際に同熱線から吸収する吸熱量を算出しこ
の吸熱量情報に基づき上記異種燃料の混合比率を算出す
る混合比率算出手段とが設けられたことを特徴としてい
る。

［作用］上述の本発明の異種燃料混合比率検出装置では、燃料
供給路内において、熱線が電力供給を受けて発熱する
が、同熱線は供給電流を制御されて一定の温度に保持さ
れる。この時、異種燃料の混合体が上記熱線の周囲を通
過する際に同熱線から熱を吸収する。そして、混合比率
算出手段では、上記供給電流制御手段により制御される
上記熱線への供給電流の大きさに基づいて上記混合体が
上記熱線から吸収する吸熱量を算出し、さらにこの算出
された吸熱量情報に基づき上記異種燃料の混合比率を算
出する。

［実施例］以下、図面により本発明の一実施例としての異種燃料
混合比率検出装置について説明すると、第１図はその模
式的な構成図、第２図は本装置を適用したエンジン制御
装置を示す模式的な全体構成図、第３図は本装置を適用
したエンジン制御装置の動作を説明するためのフローチ
ャート、第４図は燃料叶出量の燃料叶出圧および燃料ポ
ンプ駆動電圧との関係を示すグラフである。

さて、本実施例にかかる異種燃料混合比率検出装置
は、アルコールとガソリンとの混入体を燃料とする自動
車用の内燃機関（アルコール／ガソリン混合型エンジ
ン）に適用されるものであり、異種燃料混合比率検出装
置としてのアルコール／ガソリン混合比率検出装置とし
て構成されており、特に、その混合比率に応じてエンジ
ンを制御しうるエンジン制御装置のために用いられるも
のである。

そこで、まず、エンジン制御装置の全体構成を説明す
る。

本制御装置では、主としてインジェクタの作動制御と
点火装置の作動制御を行なうようになっており、第２図
に示すように、燃料タンク12内の燃料12aが、フィルタ1
3を通過した後ヒューエルポンプ（燃料ポンプ）14に駆
動されさらにヒューエルフィルタ15を通過して燃料供給
管１内に送られるように、燃料タンク12が燃料供給管１
に接続されている。また、この燃料供給管１はデリバリ
パイプ10a,10bに接続されている。なお、これらのデリ
バリパイプ10a,10bは連結管17a,17bによって互いに連通
するように接続されていて、燃料供給管１からの燃料が
デリバリパイプ10a,10bを通じて、各インジェクタ9a〜9
fに供給されるようになっている。

なお、デリバリパイプ10bと燃料タンク12との間には
戻りパイプ18a,18bが介装されており、この戻りパイプ1
8a,18bを通じて燃圧レギュレータ11により燃圧調整がで
きるようになっている。

そして、各インジェクタ9a〜9fへは、電子制御ユニッ
ト（ECU）７から作動制御信号がそれぞれ出力されるよ
うになっている。

また、ECU7は、点火装置８へも作動制御信号を出力す
るようになっている。

このようなECU7には、スロットルポジションセンサ，
アクセルポジションセンサ，シフトポジションセンサ，
水温センサ，車速センサ，エアフローセンサ，吸気温セ
ンサ等の各種のセンサからの情報16が入力されるように
なっている。

そして、このECU7へのもう一つの入力情報として、ア
ルコール／ガソリン混合比率（本実施例では燃料の全体
量に対するアルコール量の割合を混合比率とする）が入
力されるようになっている。このために燃料供給管１内
の燃料供給路３にアルコール／ガソリン混合比率検出装
置（以下、混合比率検出装置または混合率センサとい
う）Ｓが設けられている。

この混合比率検出装置（混合率センサ）Ｓは、熱線式
エアフローセンサ（ホットワイヤ式エアフローセンサ）
の原理を利用したもので、第１図に示すように、燃料供
給路３内に設けられ電力供給を受けて発熱する熱線抵抗
（熱線）５と、この熱線抵抗５と並んで設けられた温度
補償抵抗４と、熱線抵抗５を一定の温度に保つように熱
線抵抗５および温度補償抵抗４への供給電流を制御する
供給電流制御手段としての制御回路６と、この制御回路
６から出力される供給電流信号を受けてこの信号に基づ
きアルコールとガソリンとの混合比率K_Bを求めるために
燃料特性値Ａ（この燃料特性値Ａについては後に説明す
る）を算出する演算器２と、ECU7内に設けられ、演算器
２で算出した燃料特性値Ａに基づきアルコールとガソリ
ンとの混合比率K_Bを算出する混合比率算出手段としての
混合比率算出部7aとから構成されている。なお、各抵抗
4,5としては、白金線またはシリコン半導体等が用いら
れている。

制御回路６内には、図示しない調整抵抗，基準抵抗お
よび増幅器等が設けられており、熱線抵抗５および温度
補償抵抗４の設けられた回路Ｃと制御回路６とからブリ
ッジ回路が形成されている。そして、制御回路６では、
このブリッジの不平衡をゼロにするように供給電流を制
御することにより熱線抵抗５を一定の温度の保つように
なっている。

そして、燃料供給路３内を流れる燃料が、熱線抵抗５
に生じる熱量を奪うと、これに応じて回路Ｃ内を流れる
電流Ｉが変化するため、演算器２では、この電流Ｉの値
に基づいて熱線抵抗５で発熱する熱量を算出でき、この
熱線抵抗５で発熱する熱量は燃料供給路３内を流れる燃
料の奪う熱量と等しいため、さらに、この熱線抵抗５で
発熱する熱量として算出される燃料の奪う熱量の値に基
づいて、燃料特性値Ａを算出できるようになっている。

この演算器２における燃料特性値Ａの算出手段につい
て説明すると、まず、熱線抵抗５で発熱する熱量（燃料
の奪う熱量）Ｈは、既知なる値である熱の仕事当量J,回
路Ｃ内を流れる電流I,熱線抵抗５の抵抗値RHに基づい
て、次式により算出される。

Ｈ＝I²・RH/J ……（１）また、燃料の熱伝導率K,燃料の定圧比熱Cp,燃料の温
度T₀,燃料の密度ρ，燃料の流速Ｖ、熱線抵抗５の温度
T,熱線抵抗５の長さL,熱線抵抗５の直径d,定数K₀とする
と、燃料の奪う熱量Ｈは、次式で与えられる。

上式（１）のうち、RH,Jの各値は既知であり、また、
上式（２）のうち、H,L,d,Tの各値は設定された既知の
値であって、燃料の温度T₀も検知可能であるため、Ｖの
値が一定であれば、上式（１），（２）に基づいて次式
が成立する。

そして、燃料特性値Ａとは、Ａ＝（ρ・Cp/K） ……（４）であり、このＡの値が、燃料の各特性値ρ,Cp,Kによっ
て決まるものであるためにＡの値を燃料特性値という。
すると、式（３）はと表すことができ、さらに、Ａ∝K₄・I⁴ ……（６）と表すことができる。したがって、電流値Ｉに基づいて
燃料特性値Ａを求めることができ、この値Ａは、演算器
２から出力されてECU7に入力されるようになっている。

ところで、燃料特性値Ａのファクターである比熱特性
をはじめとした各特性値ρ,Cp,Kは、アルコールとガソ
リンとでは互いに異なるため、例えは、燃料がすべてア
ルコールである場合の燃料特性値ＡをAaおよび燃料がす
べてガソリンである場合の燃料特性値ＡをAgとすると、
これらの値Aa,Agは互いに異なることになる。これらの
値Aa,Agは、実験および計算等によって算出できるもの
であり、ECU7内の混合比率算出部7aのROMには、予めこ
れらのAa,Agの値が書き込まれて記憶されている。

したがって、混合比率算出部7aに燃料特性値Ａが入力
されると、混合比率算出部7aでは、上述の値Aa,Agとこ
の入力される値Ａとに基づいて、混合比率K_Bを算出する
ことができる。

例えば、燃料特性値Ａと混合比率K_Bとがほぼリニアな
関係にあれば、 K_B＝（Aa−Ａ）／（Aa−Ag） ……（７）が成立し、電流Ｉに基づき算出される燃料特性値Ａおよ
び混合比率算出部7aのROMに記憶された基準となる特性
値Aa,Agから、混合比率K_Bが決定する。また、燃料特性
値Ａと混合比率K_Bとがほぼリニアな関係にない場合で
も、予め燃料特性値Ａと混合比率K_Bとの関係を測定して
おきこの関係を記憶しておくことにより、Aa,Ag,Aに基
づいて、混合比率K_Bが決定する。

なお、燃料の流速Ｖを一定のものとして考えてきた
が、燃料の流速Ｖが変化すると、これに応じて混合比率
K_Bを補正する必要がある。

ところで、一般に、燃料の流速Ｖを決定する燃料の叶
出量Ｑは、第４図に示すように、燃料ポンプ14を駆動す
る電圧Ｅと叶出圧Ｐとから決定するが、叶出圧Ｐはイン
ジェクタ9a〜9fの下流に設けられたレギュレータ11によ
って、ほぼ一定に保たれているので、燃料ポンプ14の出
口における叶出圧は、４〜６気圧程度の範囲内でほぼ一
定状態を保持する。

したがって、燃料の叶出量Ｑは、燃料ポンプ14を駆動
する電圧Ｅによって求めることができる。この燃料ポン
プ14を駆動する電圧Ｅは、図示しないバッテリと燃料ポ
ンプ14との間の電位差つまりバッテリ電圧から容易に算
出できる。また、このバッテリ電圧は図示しないセンサ
によって検知されECU7に入力されるようになっている。

そして、ECU7では、バッテリ電圧に基づいて燃料の叶
出量Ｑを算出し、さらに、この叶出量Ｑに基づき混合比
率K_Bを補正し、補正された混合比率K_Bを得られるように
なっている。

また、このようにしてECU7内の混合比率算出部7aで算
出され補正されたアルコールとガソリンとの混合比率K_R
の情報がECU7内のエンジン制御部7bに入力されるよう構
成されている。

なお、ECU7のROMには、全アルコール点火マップおよ
び全ガソリン点火マップがそれぞれ記憶されている。

本発明の一実施例としての異種燃料混合比率検出装置
Ｓは、上述のごとく構成されているので、本検出装置Ｓ
では、温度補償抵抗４の設けられた回路Ｃと制御回路６
とからブリッジ回路において、熱線抵抗５が常に所定の
温度を保つように電力が供給される。そして、この時の
電流Ｉが演算器２に入力され、演算器２において、この
電流Ｉの大きさに基づき式（６）の関係から燃料特性値
Ａが求められ、さらに、この燃料特性値ＡがECU7内の混
合比率算出部7aに入力されて、混合比率算出部7aにおい
てアルコールとガソリンとの混合比率K_Bが算出される。

このような混合比率検出装置Ｓをはじめとして各種セ
ンサからのデータを利用して、電子制御ユニット（EC
U）７において、各種判断，演算および制御信号の出力
等を行ないながらエンジンが制御される。このECU7によ
るエンジンの制御過程を第３図のフローチャートにした
がって説明する。

つまり、例えばアルコールとガソリンとを混合してエ
ンジンに供給する場合、燃料噴射弁５に接近した部分
で、適当な時間間隔で混合燃料の音速が測定され、これ
に基づき混合比率が算出される。

まず、ステップS1でエンジンの運転状態を検出する。
この検出は、各種のセンサからの情報16に基づいてECU7
で行なわれ、エンジンが停止状態（エンスト状態）に有
るか否かが判断される（ステップS2）。このエンスト状
態であることの判断基準の例を以下の表に示す。

つまり、イグニッションスイッチがOFFの時は当然エ
ンスト状態となるが、イグニッションスイッチがONであ
ってもクランキングスイッチのON,OFFにかかわらずエン
ジン回転数Ｎが、Ｎ＜50rpmであれば、エンスト状態と
判断する。

そして、エンスト状態であると判断されると、Ｙ（YE
S）ルートに進み、燃料ポンプ14を停止するとともに
（ステップS17）、インジェクタ9a〜9fを停止する（ス
テップS18）。

一方、エンスト状態ではないと判断されると、Ｎ（N
O）ルートに進み、まず、アルコールとガソリンとの混
合比率Ｋの初期値をECU7に入力し（ステップS3）、つい
で、ECU7によってエンジンが燃圧アップ時にあるか否か
判別する（ステップS4）。なお、混合比率Ｋの初期値の
入力は、混合比率Ｋの仮設定であり、例えばＫ＝0.5
（つまり燃料の全体量に対してアルコールが50％含まれ
ている状態）に設定してもよい。そして、制御時にこの
Ｋに変更があると、常に最も新しいＫの値が用いられ
る。

ステップS4で、燃圧アップ時ではないと判別される
と、Ｎルートに進み、まず、混合率センサ（混合比率検
出装置）４の演算器２から出力される燃料特性値Ａおよ
びROMデータAa,Agに基づいて混合比率（混合率）K_Bを算
出する（ステップS5）。

ついで、ステップS5で算出した混合比率K_Bをバッテリ
電圧に基づいて補正して、新たな混合比率K_Rを算出する
（ステップS6）。この補正は、燃料ポンプ14からの燃料
の叶出圧Ｑが変化すると、この叶出圧Ｑの変化の影響を
燃料特性値Ａが受け、したがって、混合比率K_Bも叶出圧
Ｑの変化の影響を受けるため、この影響を考慮しより適
正な混合比率を得るようにするためのものである。

そして、この補正された混合比率K_Rをエンジン制御用
の混合比率データＫとして（ステップS7）、次のステッ
プS8に進む。

一方、ステップS4で、燃圧アップ時であると判別され
ると、Ｙルートに進み、すでに与えられているＫの値の
まま次のステップS8に進む。

ステップS8では、燃料ポンプ14に作動命令を出力し、
つづいて、吸入空気量データに基づいて、インジェクタ
9a〜9fにおける基本噴射量T_Bを算出する（ステップS
9）。

そして、ステップS9で算出した基本噴射量T_Bを混合比
率データＫに基づいて修正しT_B′を得る（ステップS1
0）。

ついで、修正した基本噴射量T_B′に各種の補正係数を
付加してインジェクタ9a〜9fの駆動時間Tinjを算出する
（ステップS11）。

そして、算出した駆動時間Tinjに基づいてインジェク
タ9a〜9fに駆動信号を発して、インジェクタ9a〜9fを駆
動する（ステップS12）。

つづいて、全アルコール点火マップから運転状態（つ
まりエンジンの付加状態や回転数状態）に応じて、点火
装置８における点火時間データTaを算出する（ステップ
S13）。

さらに、ステップS13と同様に、全ガソリン点火マッ
プから運転状態に応じて、点火装置８における点火時期
データTgを算出する（ステップS14）。

ついで、算出した各点火時期データTa,Tgを混合比率
データＫによって補間して、点火時期データＴを算出す
る（ステップS15）。

そして、この算出された点火時期データＴに基づいて
点火装置８を作動させる（ステップS16）。

このようにして、熱線式エアフローセンサの原理を利
用しながら、簡素な構成によりアルコールとガソリンと
の混合比率（異種燃料混合比率）を検出する異種燃料混
合比率検出装置Ｓを実現できるため、アルコール／ガソ
リン混合型エンジンをはじめとした異種燃料の混合体に
よって作動しうる内燃機関を常に最適に作動するように
制御することが可能となり、異種燃料の混合体によって
作動する内燃機関の実用化に寄与できるという利点があ
る。

特に、本検出装置Ｓは、極めて小型のものにすること
ができ、設置スペース節減やコスト低減の効果が大き
い。また、燃料の比熱比等の比熱特性は温度変化にたい
して影響が少ないため、燃料の温度変化に対する補正を
する必要がなく、この点でも装置の構造をより簡素化で
き、上述の設置スペース面やコスト面での効果を一層大
きいものにしている。

なお、本実施例では、異種燃料混合体としてアルコー
ルとガソリンとの混合体を例に説明したが、本異種燃料
混合比率検出装置は、これらの混合体に限らず他の種々
の燃料の混合体にも適用できるものである。

また、本実施例は、特に自動車用の内燃機関（エンジ
ン）に関して説明したが、本発明は、自動車用の内燃機
関に限らず異種燃料の混合体を燃料とする他の各種機関
にも適用できるものである。

［発明の効果］以上記述したように、本発明の異種燃料混合比率検出
装置によれば、熱線式エアフローセンサの原理を利用し
た簡素な構成により、検出装置を小型のものにできると
ともに検出装置を低コストで製造しうるようになるの
で、アルコール／ガソリン混合型エンジンをはじめとし
た異種燃料混合型機関（エンジン）の実用化に大きく寄
与しうる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は本発明の一実施例としての異種燃料混合比
率検出装置を示すもので、第１図はその模式的な構成
図、第２図は本装置を適用したエンジン制御装置を示す
模式的な全体構成図、第３図は本装置を適用したエンジ
ン制御装置の動作を説明するためのフローチャート、第
４図は燃料叶出量の燃料叶出圧および燃料ポンプ駆動電
圧との関係を示すグラフである。１……燃料供給管、２……演算器、３……燃料供給路、
４……温度補償抵抗、５……熱線抵抗（熱線）、６……
供給電流制御手段としての制御回路、７……演算装置、
7a……混合比率算出部、7b……エンジン制御部、７……
エンジンの電子制御ユニット（ECU）、9a〜9f……イン
ジェクタ、10a,10b……デリバリパイプ、11……燃圧レ
ギュレータ、12……燃料タンク、12a……燃料、13……
フィルタ、14……ヒューエルポンプ（燃料ポンプ）、15
……ヒューエルフィルタ、16……各層のセンサからの情
報、17a,17b……連結管、18a,18b……戻りパイプ、Ｃ…
…回路、Ｓ……異種燃料混合比率検出装置としてのアル
コール／ガソリン混合比率検出装置（混合比率検出装置
または混合率センサ）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】異種燃料の混合体によって作動しうる内燃
機関の燃料供給路内に設けられて電力供給を受けて発熱
する熱線と、同熱線への供給電流を調節しながら上記熱
線の上記燃料供給路内における温度を一定保持させる供
給電流制御手段と、同供給電流制御手段により制御され
る上記熱線への供給電流の大きさに基づき上記混合体が
上記熱線の周囲を通過するに際に同熱線から吸収する吸
熱量を算出しこの吸熱量情報に基づき上記異種燃料の混
合比率を算出する混合比率算出手段とが設けられたこと
を特徴とする、異種燃料混合比率検出装置。