JP3873956B2 - 内燃機関の燃料性状判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関において、使用燃料の性状（重軽質）を判定する装置に関する。

特許文献１には、所定クランキング時期（例えばクランキング回転速度300rpm）となってから、所定サイクル（例えば機関１／２回転）毎に回転速度偏差を検出し、当該偏差の積算値が所定値以上となったときに、それまでの経過サイクル数が所定値以上であるか否かに基づいて、使用燃料の性状（重軽質）を判定することが記載されている。
特開平９−１５１７７７号公報

しかしながら、特許文献１のように、初爆後しばらくたってから燃料性状を判定したのでは、時間的にフィードバックが遅くなるのみならず、判定精度の低下を招く恐れがあった。
本発明は、始動時により速やかに精度良く燃料性状を判定できるようにすることを目的とする。

本発明は、吸気通路に各気筒毎に燃料噴射弁を有する内燃機関では、燃料噴射開始から一巡目内は、噴射した燃料が吸気ポートに壁流として付着し、気化率の悪い重質燃料では多くの燃料が吸気ポートに壁流として残ることから、燃料性状の差により筒内流入燃料量に差が出て、回転速度変化度合（上昇度合）に大きな差が現れることに着目した。
そこで、始動時の最初の燃料噴射気筒の膨張行程から一巡目の最後の燃料噴射気筒の膨張行程までの間での回転速度変化度合に基づき、所定のしきい値との比較により、使用燃料の重軽質を判定する。そして、前記しきい値は、機関の温度状態に応じて変更する。

本発明によれば、始動時に燃料噴射が一巡するまでという極めて短い時間で使用燃料の重軽質を精度良く判定でき、特に機関の温度状態に応じて重軽質判定用のしきい値を変更することで更に判定精度を向上できる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（以下エンジンという）のシステム図である。
エンジン１の各気筒のピストン２により画成される燃焼室３には、点火栓４を囲むように、吸気弁５及び排気弁６を備えている。７は吸気通路、８は排気通路である。
吸気通路７には、吸気マニホールドの上流側に、スロットル弁９が設けられている。吸気通路７にはまた、吸気マニホールドの各ブランチ部（シリンダヘッド側の吸気ポートに臨む位置）に、各気筒毎に、電磁式の燃料噴射弁１０が設けられており、吸気弁５に向けて燃料を噴射するようになっている。

ここにおいて、燃料噴射弁１０の作動は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１１により制御され、このＥＣＵ１１には、気筒判別用のカム角センサ１２、エンジン回転に同期してクランク角信号を出力しこれによりクランク角位置と共にエンジン回転速度Ｎｅを検出可能なクランク角センサ１３、吸気通路７のスロットル弁９上流にて吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１４、エンジン冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１５等から、信号が入力されている。

ＥＣＵ１１による燃料噴射弁１０の燃料噴射の制御については、吸入空気量Ｑａとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を演算し、これに各種補正を施して、最終的な燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ・ＣＯＥＦ（ＣＯＦＦは各種補正係数）を定め、このＴｉに相当するパルス幅の駆動パルス信号をエンジン回転に同期した所定のタイミングで各気筒の燃料噴射弁１０に出力して、燃料噴射を行わせる。

ここで、前記各種補正係数ＣＯＥＦは、次式のように、始動時及び始動後の燃料増量のための増量補正係数（以下始動後増量補正係数という）ＫＡＳを含んでいる。
ＣＯＥＦ＝１＋ＫＡＳ＋・・・
また、この始動後増量補正係数ＫＡＳは、次式により算出される。
ＫＡＳ＝ＭＴＫＡＳ×ＴＭＫＡＳ
ＭＴＫＡＳは、エンジン冷却水温Ｔｗに応じたテーブル値（水温増量率）で、低水温時に大きく、水温の上昇と共に小さな値となる。そして、重質燃料の場合と軽質燃料の場合とで異なるテーブルが用いられる。図２は水温増量率（ＭＴＫＡＳ）テーブルの概略図である。水温Ｔｗの低いところでは重質燃料と軽質燃料とで燃料気化率に大きな差があるが、水温Ｔｗの高いところでは差が縮まる。よって、燃料別に水温Ｔｗに応じて図示のように増量率ＭＴＫＡＳを設定している。

ＴＭＫＡＳは、始動後経過時間に応じたテーブル値（時間補正係数）で、始動後の時間経過と共に小さな値となる。
本発明は、上記のように始動後増量補正係数ＫＡＳの設定のための水温増量率（ＭＴＫＡＳ）テーブルを燃料性状により切換えるなど、燃料噴射量を燃料性状により補正する場合の燃料性状判定装置を提供するものである。

本発明に係る燃料性状判定装置は、ＥＣＵ１２にて、所定のプログラムを実行することにより実現されるので、以下、フローチャートに従って説明する。
図３は燃料性状判定ルーチンのフローチャートである。尚、本実施形態は４気筒エンジンとする。
Ｓ１では、高温状態での始動時（ホットリスタート）か否かを判定する。具体的には、始動直前の冷却水温Ｔｗを検出し、これが所定値Ｔｗｈ以上か否かによって、ホットリスタートか否かを判定する。エンジン温度を表すものであれば、冷却水温Ｔｗに代えて、燃温、油温等を用いてもよい。又は、始動前のエンジン停止時間（前回のエンジン停止から今回の始動までの時間）を計測し、エンジン停止時間が所定値以下か否かによって、ホットリスタートか否かを判定してもよい。

ホットリスタート時の場合は、回転速度変化度合に基づく重軽質判定を禁止し、重軽質判定不能であるとして、処理を終了する。
ホットリスタート時でない場合は、Ｓ２へ進む。
Ｓ２では、初回噴射気筒を判定する。すなわち、気筒別の燃料噴射制御のため、気筒判別を行って、各気筒がいずれの行程にあるかを判別しており、気筒判別結果に従って各気筒への燃料噴射を行っているので、初回噴射気筒（最初に燃料噴射を行って最初に膨張行程を迎える気筒）を判定する。尚、通常は各気筒の排気行程にて燃料噴射を行うが、より速やかな始動のため、初回噴射気筒については吸気行程にて燃料噴射を行うので、初回噴射気筒への燃料噴射と２回目の噴射気筒への燃料噴射は同時に行われる。

初回噴射気筒（最初に燃料噴射を行って最初に膨張行程を迎える気筒）が判定されると、最初の燃料噴射気筒からの気筒数を示すＮｃを１として、Ｓ３へ進む。
Ｓ３では、初回噴射気筒（Ｎｃ＝１）について、圧縮上死点（ＴＤＣ）時の角速度ω１（deg/s ）を検出する。すなわち、圧縮ＴＤＣのときに角速度ωを検出し、これを圧縮ＴＤＣ時角速度ω１とする。

Ｓ４では、初回噴射気筒（Ｎｃ＝１）について、膨張行程での最大角速度ω２（deg/s ）を検出する。
具体的には、図４のサブルーチンにより算出する。図４のサブルーチンは、圧縮上死点（ＴＤＣ）時の角速度ω１を検出した後に実行され、Ｓ３１でωmax を初期化（ωmax ＝０）した後、Ｓ３２で例えばクランク角１０°毎のサンプリング間隔で角速度ωを検出する。そして、Ｓ３３で検出したωとωmax とを比較し、ω＞ωmax の場合にＳ３４でωmax ＝ωとして、ωmax を更新する。そして、Ｓ３５で膨張行程が終了する下死点（ＢＤＣ）付近に達したか否かを判定し、達しない場合は、Ｓ３２へ戻ってサンプリングを続ける。ＢＤＣ付近に達した場合は、Ｓ３６へ進んで現時点でのωmax を膨張行程最大角速度ω２とする。

尚、膨張行程での最大角速度を検出する他、膨張行程での最大角速度近傍の値として、膨張行程の中間位置付近の角速度を検出したり、膨張行程の下死点（ＢＤＣ）付近の角速度を検出するようにしてもよい。
Ｓ５では、圧縮ＴＤＣ時角速度ω１と膨張行程最大角速度ω２とから、角加速度Δω＝ω２−ω１を算出する。より正確に、角加速度Δω＝（ω２−ω１）／ｄｔとして算出してもよい。ｄｔはω１の検出時からω２の検出時までの時間である。

Ｓ６では、初爆判定を行う。初爆判定は、各気筒毎の回転速度変化度合である角加速度Δωと、予め定めたしきい値ΔωＳとの比較に基づいて行い、Δω≧ΔωＳとなったときに初爆と判定する。
初爆判定がなされなかった場合（Δω＜ΔωＳの場合）は、Ｓ７へ進む。
Ｓ７では、Ｎｃ＝４（初回噴射気筒から４番目、すなわち４気筒の場合の一巡目の最後の噴射気筒）か否かを判定し、ＮＯであれば、Ｓ８で気筒数Ｎｃを１アップした後、Ｓ３〜Ｓ５を実行することで、次の気筒についての、圧縮ＴＤＣ時角速度ω１と膨張行程最大角速度ω２とから、角加速度Δωを算出し、Ｓ６で再度初爆判定を行う。

Ｎｃ＝１からＮｃ＝４まで初爆判定を繰り返しても、初爆と判定されず、Ｓ７での判定で、Ｎｃ＝４となった場合、すなわち、一巡目が終了しても初爆判定がなされない場合は、重軽質判定不能であるとして、処理を終了する。尚、このとき、一巡目内で初爆に至らないのは、燃料気化率が悪いからであるとして、重質と判定するようにしてもよい。
Ｓ６で一巡目内に初爆判定がなされた場合は、Ｓ９へ進む。

Ｓ９では、冷却水温Ｔｗに応じて、重軽質判定用の回転速度変化度合のしきい値ΔωＬを設定する。しきい値ΔωＬは、予め定めた図５に示すようなテーブルを参照し、低水温時に小さく、水温が高いほど大きく設定する。この後、Ｓ１０へ進む。エンジン温度を表すものであれば、冷却水温Ｔｗに代えて、燃温、油温等を用いてもよい。
Ｓ１０では、Ｓ５（又は後述するＳ１５）にて算出された各気筒毎の回転速度変化度合である角加速度Δωと、Ｓ９にて設定したしきい値ΔωＬ（＞ΔωＳ）とを比較し、Δω≧ΔωＬとなったか否かを判定する。

Δω＜ΔωＬの場合は、Ｓ１１へ進む。
Ｓ１１では、Ｎｃ＝４（初回噴射気筒から４番目、すなわち４気筒の場合の一巡目の最後の噴射気筒）か否かを判定し、ＮＯであれば、Ｓ１２で気筒数Ｎｃを１アップした後、Ｓ３〜Ｓ５と同様、Ｓ１３〜Ｓ１５を実行することで、次の気筒についての、圧縮ＴＤＣ時角速度ω１と膨張行程最大角速度ω２とから、角加速度Δωを算出し、Ｓ１０で再度Δω≧ΔωＬか否かの判定を行う。

この結果、Ｓ１０での判定で一巡目内でΔω≧ΔωＬとなった場合は、その時点で、Ｓ１６へ進み、軽質と判定して、処理を終了する。
これに対し、Ｓ１０での判定でいずれの気筒についてもΔω＜ΔωＬのまま、Ｓ１１での判定でＮｃ＝４となった場合、すなわち、一巡目内にΔω≧ΔωＬとならなかった場合は、Ｓ１１からＳ１７へ進み、重質と判定して、処理を終了する。

図６（ａ）は、気筒判別後の膨張行程の回数でみて、２回目の膨張行程開始から６回目の膨張行程終了までのクランク角度を横軸として、角速度ω（deg/s ）の変化の例を示している。
図６（ｂ）は、気筒判別後の膨張行程の回数を横軸として、図６（ａ）の横軸と対応させ、図６（ａ）の角速度ωの変化から算出される各気筒毎（膨張行程毎）の角加速度Δω（deg/s2）を示している。

また、図６（ａ）及び（ｂ）で実線は重質燃料の場合であり、点線は軽質燃料の場合である。
この例では、膨張行程回数３の気筒が初回噴射気筒である。いずれの燃料の場合も、初回噴射気筒（膨張行程回数３）にて圧縮ＴＤＣ時角速度ω１と膨張行程最大角速度（膨張行程中間位置での角速度）ω２とから算出される角加速度Δω＝（ω２−ω１）／ｄｔに基づく判定で、初爆と判定される。軽質燃料の場合は、初爆判定と同時に、Δω≧ΔωＬとなって、軽質と判定される。重質燃料の場合は、一巡目（膨張行程回数で３〜６）内に、Δω≧ΔωＬとならず、重質と判定される。

図７は本発明での燃料性状判定を用いて燃料噴射量制御用に重質設定又は軽質設定を行う燃料噴射量制御用重軽質設定ルーチンのフローチャートであり、エンジンキースイッチの投入と同時に実行される。
Ｓ１０１では、初期設定として、重質設定を行う。これにより、図２の軽質燃料用テーブルと重質燃料用テーブルとのうち、重質燃料用テーブルが使用されるようになる。重質燃料を使用している場合に、軽質設定とすると、始動性が悪化するからである。

Ｓ１０２では、重軽質判定（図３の燃料性状判定ルーチン）が終了したか否かを判定し、終了するのを待って、Ｓ１０３へ進む。
Ｓ１０３では、重軽質判定の結果に基づいて、分岐する。重質と判定された場合は、初期設定を変更する必要はないので処理を終了する。軽質と判定された場合は、軽質設定に変更する。これにより、図２の軽質燃料用テーブルと重質燃料用テーブルとのうち、軽質燃料用テーブルが使用されるようになり、燃費を向上できる。重軽質不定の場合（図３のＳ１の判定でＹＥＳ、又はＳ７の判定でＹＥＳとなり、処理を終了した場合）は、始動性及び始動後の安定性を重視して初期設定（重質設定）のままとして処理を終了する。

本実施形態によれば、吸気通路に各気筒毎に燃料噴射弁を有するエンジンにおいて、始動時の最初の燃料噴射気筒から一巡目内は、吸気ポートが濡れておらず、噴射した燃料が壁流として付着し、気化率の悪い重質燃料ほど吸気ポートに壁流として残ることから、筒内流入燃料量に差が出て、回転速度変化度合（上昇度合）に大きな差が現れることに鑑み、最初の燃料噴射気筒の膨張行程から一巡目の最後の燃料噴射気筒の膨張行程までの間での回転速度変化度合（Δω）に基づき、所定のしきい値（ΔωＬ）との比較により、使用燃料の重軽質を判定することにより、始動時に燃料噴射が一巡するまでという極めて短い時間で使用燃料の重軽質を精度良く判定できる。

また、始動時のエンジンの温度が高いほど、筒内流入燃料量が多くなると共に、燃料性状の差による筒内流入燃料の差が縮小することから、これが誤判定の要因となるが、エンジンの温度状態（冷却水温Ｔｗ）に応じて前記しきい値（ΔωＬ）を変更することにより、判定精度を高く維持することができる。
また、本実施形態によれば、回転速度変化度合は、少なくとも１つの気筒についての、膨張行程開始時（圧縮上死点付近）の角速度ω１と、膨張行程での最大角速度（若しくはその近傍の値）ω２との差（ω２−ω１）に基づいて算出することにより、回転速度変化度合を的確にとらえることができる。尚、膨張行程での最大角速度近傍の値として、膨張行程の中間位置付近の角速度、又は、膨張行程の下死点付近の角速度を検出することより、検出を容易にすることができる。特に膨張行程の中間位置付近の角速度を用いれば、絶対差が大きいところなので検知が容易になる。膨張行程の下死点付近の角速度を用いれば、膨張行程の仕事量を安定して検知できる。

また、本実施形態によれば、回転速度変化度合（Δω）は、各気筒毎に算出し、各気筒毎に得られる回転速度変化度合（Δω）としきい値（ΔωＬ）との比較を繰り返すことにより、より精度良く判定できる。
また、本実施形態によれば、一巡目内のいずれかの気筒の回転速度変化度合（Δω）がしきい値（ΔωＬ）を超えたときに、軽質と判定することにより、より速やかに判定できる。

また、本実施形態によれば、一巡目内の全ての気筒の回転速度変化度合（Δω）がしきい値（ΔωＬ）を超えないときに、重質と判定することにより、精度良く判定できる。
また、本実施形態によれば、エンジンの温度状態（冷却水温Ｔｗ）に応じて、重軽質判定用のしきい値（ΔωＬ）を、温度が高いほど大きくするように、変更することにより、的確に判定精度を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、重軽質判定用のしきい値（ΔωＬ）を変更するエンジンの温度状態を、冷却水温Ｔｗとすることにより、特別なセンサを追加することなく実施できる。
また、本実施形態によれば、高温状態での始動時（ホットリスタート時）に、回転速度変化度合に基づく重軽質判定を禁止することにより、誤判定を防止できる。すなわち、エンジンの温度状態（冷却水温Ｔｗ）に応じ、これが高くなるほど、重軽質判定用のしきい値（ΔωＬ）を大きくすることで、判定精度を確保できるが、ある温度以上に達すると、燃料性状の差による回転速度変化度合の差が出にくくなるので、重軽質判定を禁止することで誤判定を防止できる。

また、本実施形態によれば、初爆判定を行い、一巡目内に初爆判定がなされなかった場合、回転速度変化度合に基づく重軽質判定を禁止することにより、誤判定を防止することができる。
また、本実施形態によれば、初爆判定は、各気筒毎の回転速度変化度合（Δω）と、予め定めた回転速度変化度合の第２のしきい値（ΔωＳ）との比較に基づいて行うことにより、重軽質判定と同じパラメータを用いて初爆判定を実行できる。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 水温増量率テーブルの概略図 燃料性状判定ルーチンのフローチャート 膨張行程最大角速度検出サブルーチンのフローチャート しきい値テーブルの概略図 気筒判別後の膨張行程回数に対する角速度及び角加速度の変化を示す図 燃料噴射量制御用重軽質設定ルーチンのフローチャート

符号の説明

１ エンジン
７ 吸気通路
１０ 燃料噴射弁
１１ ＥＣＵ
１２ カム角センサ
１３ クランク角センサ
１５ 水温センサ

Claims (12)

1. 吸気通路に各気筒毎に燃料噴射弁を有する内燃機関において、
   始動時の最初の燃料噴射気筒の膨張行程から一巡目の最後の燃料噴射気筒の膨張行程までの間での回転速度変化度合に基づき、所定のしきい値との比較により、使用燃料の重軽質を判定する一方、
   機関の温度状態に応じて前記しきい値を変更することを特徴とする内燃機関の燃料性状判定装置。
2. 回転速度変化度合は、少なくとも１つの気筒についての、膨張行程開始時の角速度と、膨張行程での最大角速度若しくはその近傍の値との差に基づいて算出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. 膨張行程での最大角速度近傍の値として、膨張行程の中間位置付近の角速度を検出することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
4. 膨張行程での最大角速度近傍の値として、膨張行程の下死点付近の角速度を検出することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
5. 回転速度変化度合は、各気筒毎に算出し、各気筒毎に得られる回転速度変化度合としきい値との比較を繰り返すことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
6. 一巡目内のいずれかの気筒の回転速度変化度合がしきい値を超えたときに、軽質と判定することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
7. 一巡目内の全ての気筒の回転速度変化度合がしきい値を超えないときに、重質と判定することを特徴とする請求項５又は請求項６記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
8. 機関の温度状態に応じて、重軽質判定用のしきい値を、温度が高いほど大きくするように、変更することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
9. 重軽質判定用のしきい値を変更する機関の温度状態を、冷却水温とすることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
10. 高温状態での始動時に、回転速度変化度合に基づく重軽質判定を禁止することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
11. 初爆判定を行い、一巡目内に初爆判定がなされなかった場合、回転速度変化度合に基づく重軽質判定を禁止することを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
12. 初爆判定は、各気筒毎の回転速度変化度合と、予め定めた回転速度変化度合の第２のしきい値との比較に基づいて行うことを特徴とする請求項１１記載の内燃機関の燃料性状判定装置。

Images