JP5146544B2

JP5146544B2 - 内燃機関の燃料劣化検出装置

Info

Publication number: JP5146544B2
Application number: JP2010544102A
Authority: JP
Inventors: 聡谷口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: US8471693B2; EP2341333A1; EP2341333A4; US20120206253A1; WO2011052052A1; EP2341333B1; JPWO2011052052A1

Description

この発明は、内燃機関の燃料劣化検出装置に関する。より詳細には、バイオマス燃料の酸価劣化度合いを検出可能な内燃機関の燃料劣化検出装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、サトウキビ、とうもろこし、パーム椰子、なたね、ココナッツ、大豆等の植物資源からなるバイオマス燃料の酸化による劣化度合いを検出する検出手段と、検出した劣化度合いが閾値を超えた場合に、運転者に対して警告する警告手段とを備えた燃料劣化検出装置が開示されている。脂肪酸エステル系のバイオマス燃料は、空気中の酸素と反応して酸を遊離することがある。この遊離した酸は、車両のエンジン部品の金属腐食等の発生要因となる。このため、特許文献１の装置では、燃料タンク内の酸価を測定し、測定した酸価が閾値を超えた場合に、警告灯を点灯させる。これにより、エンジン部品の金属腐食等が発生する前に、何らかの対策を講ずべきことを運転者に知らせることができる。

日本特開２００８−２８１４８６号公報日本特開２００９−１６７８５３号公報日本特開２００９−０７９９７８号公報

ところで、遊離酸は、バイオマス燃料中にイオンの状態で存在すると考えられる。このため、上記特許文献１のように、遊離酸のイオン量を監視すれば、金属腐食等の発生を防止できる。しかしながら、この遊離酸が、金属イオンと結合した場合、金属塩に変化することが考えられる。金属塩に変化した場合、フィルターといった燃料供給系の目詰まりや、デポジット等の発生要因となる可能性がある。この問題は、遊離酸が金属塩に急激に変化するような場合、一層顕著となる可能性が高い。したがって、遊離酸が金属塩に変化した場合、遊離酸のイオン量が閾値よりも低い状態であるにも関らず、燃料供給系の目詰まりや、燃費の悪化、エミッションの低下が起こる可能性があった。

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、バイオマス燃料由来の金属塩の発生を検出可能な内燃機関の燃料劣化検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の燃料劣化検知装置であって、
内燃機関にバイオマス燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料供給手段に蓄えられているバイオマス燃料の酸化による劣化度合いを表す劣化指数を定期的に取得する劣化指数取得手段と、
定期的に取得した前記劣化指数の予め定めた設定期間における減少率を取得する減少率取得手段と、
前記減少率が予め定めた第１の閾値よりも大きい場合に、バイオマス燃料由来の金属塩が増加していると判定する減少率判定手段と、
バイオマス燃料の劣化又は金属塩の増加と判定した場合に、運転者に対して警告を発する警告手段と、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、
前記劣化指数が予め定めた第２の閾値よりも高い場合に、バイオマス燃料が劣化していると判定する劣化指数判定手段と、を備え、
前記減少率取得手段は、前記劣化指数が前記第２の閾値よりも低い場合に、前記減少率を取得することを特徴とする。

第１の発明によれば、減少率が予め定めた第１の閾値よりも大きい場合に、バイオマス燃料由来の金属塩が増加していると判定できる。したがって、金属塩の急激な増加に伴う燃料供給系の目詰まりや、燃費の悪化、エミッションの低下を防止できる。

第２の発明によれば、劣化指数が第２の閾値よりも低い場合に、劣化指数の設定期間における減少率を取得できる。したがって、遊離酸のイオン量が閾値よりも低い状態であるにも関らず、燃料供給系の目詰まりや、燃費の悪化、エミッションの低下に繋がるという問題を確実に解消できる。

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。酸イオン量の経時変化を示す図である。誘電率と酸イオン量との関係を示したマップの例である。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。

１０ディーゼルエンジン
１２燃料タンク
１４燃料パイプ
１８誘電率センサ
２０レベルセンサ
２２インストルメントパネル
２４表示部

実施の形態１．
［システム構成の説明］
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に示すシステムは、車両に搭載される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、軽油とバイオマス燃料との混合燃料が給油されるものとする。

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、燃料フィルター１６が設置されている。燃料フィルター１６を通過した燃料は、燃料ポンプ（図示せず）によって加圧され、高圧状態でコモンレール（図示せず）内に貯留され、このコモンレールから、各気筒の燃料噴射弁（図示せず）へ分配される。

燃料タンク１２には、燃料タンク１２内の遊離酸のイオン（以下、単に「酸イオン」という。）の量を検出できる誘電率センサ１８が設置されている。誘電率センサ１８の設置箇所は、燃料タンク１２に限定されるものではなく、例えば、燃料パイプ１４の途中といった燃料供給経路でもよい。燃料タンク１２は、更に、燃料タンク１２の液面のレベルを検知できるレベルセンサ２０が配置されている。

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２２には、酸イオンの量が許容値を超えたと判定された場合や、酸イオンの量が連続して低下したと判定された場合に、その状況の発生やオイル交換の必要性などを運転者に知らせるための表示部（警告灯）２４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)３０を更に備えている。ＥＣＵ３０には、上述した誘電率センサ１８、レベルセンサ２０の他に、フューエルリッドの開閉センサ２６や、ディーゼルエンジン１０の運転状態を検出するための各種のセンサが接続されている。また、ＥＣＵ３０には、ディーゼルエンジン１０の運転状態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、ＥＣＵ３０には、表示部２４が接続されている。

ところで、脂肪酸メチルエステルといった脂肪酸エステル系のバイオマス燃料は、二重結合を有するその構造から酸価安定性が悪いという特徴がある。したがって、バイオマス燃料を用いる場合には、酸価度合いのバロメータである酸イオンの発生を考慮する必要がある。発生したこの酸イオンのバイオマス燃料中における量について、図２（Ａ）を用いて説明する。バイオマス燃料と酸素との反応は、一般に、時間が経つほど進行する。このため、例えば、車両が長期間稼動されなかった場合や、長期間給油されなかった場合には、燃料タンク１２内にバイオマス燃料が長期間貯留される。このような場合、長期間に亘りバイオマス燃料と酸素が反応するので、図２（Ａ）に示すように、燃料タンク１２内の酸イオン量は、経時的に増加する。

酸イオンは、車両のエンジン部品の金属腐食等の発生要因となる。このため、図２（Ａ）に示す限界値（Ｃ）を実験等により予め求めておき、燃料タンク１２内の酸イオン量が図２（Ａ）に示す限界値（Ｃ）を超えた場合に、表示部２４に運転者に対する警告を表示する。これにより、酸イオンを含む燃料がディーゼルエンジン１０に供給されること等を回避できるので、上記金属腐食等の発生を防止できる。

しかし、本発明者は、燃料中の酸イオン量の増加を監視するだけでは不十分であることに着目した。ディーゼルエンジン１０の燃料供給系には各種の金属材料が用いられている。このため、これらの金属が何らかの要因でイオン化した場合には、酸イオンと結合することが考えられる。金属イオンと酸イオンが結合した場合、酸イオンは金属塩に変化する。金属塩は、フィルターといった燃料供給系の目詰まりや、デポジット等の発生要因となる可能性がある。したがって、酸イオンが金属塩に変化した状態で燃料中に存在する場合、燃料中の酸イオン量は低いにも関らず、燃料供給系の目詰まり等の問題が起こるおそれがあった。

上述した現象について、図２（Ｂ）を用いて詳細に説明する。長期間に亘りバイオマス燃料と酸素が反応する場合、燃料タンク１２内の酸イオン量は、経時的に増加する。しかし、何らかの要因で金属イオンが生じ、酸イオンが金属塩に変化する方向に反応が進んだ場合、燃料タンク１２内の酸イオン量の増加速度が緩やかになる。仮に、金属塩の生成反応が急激に進行した場合には、酸イオン量が減少に転じる場合もある。このような場合であっても、酸素イオン量が限界値（Ｃ）よりも低い場合、運転者に対する警告が表示されない。したがって、燃料中の酸イオン量の増加を監視する以外の対策を講じる必要がある。

そこで、本実施の形態では、燃料中の酸イオンの金属塩への変化を検出することとした。給油によって新たな燃料が供給されない限り、燃料中の酸イオンの減少は、金属塩への変化と考えることができる。したがって、燃料中の酸イオン量の減少を監視すれば、金属塩の発生を検出できる。これにより、金属塩の生成反応が進行することで発生する燃料供給系の目詰まり等を未然に防止できる。

燃料中の酸イオン量は、誘電率センサ１８の出力により取得できる。燃料中の金属塩は、イオン状態のときに比べて電気的特性が小さくなるため、センサ出力への影響は極めて小さい。このため、誘電率センサ１８の出力を取得すれば燃料中の酸イオン量を推定できる。ＥＣＵ３０の内部には、燃料中の酸イオン量と、誘電率センサ１８の出力との関係を示した特性マップが格納されている。図３にこのような特性マップの一例を示す。特性マップは、別途実験等により作成することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図４は、本実施の形態においてＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がＯＮとされたタイミングに開始される。また、本ルーチンは、例えば１時間といった時間内で、繰り返し実行される。

図４に示すルーチンによれば、まず、燃料が給油されたか否かが判定される（ステップ１００）。上述したように、本システムは、燃料タンク１２の液面のレベルを検知できるレベルセンサ２０を有する。このため、レベルセンサ２０の出力により、燃料が給油されたか否かを判定できる。具体的には、車両の前回停止時における燃料の量（ＢＦ）に対応するレベルセンサ２０の出力と、現在の燃料の量（ＮＦ）に対応するレベルセンサ２０の出力との差（＝ＮＦ−ＢＦ）が、例えば５Ｌを超えていれば、燃料が供給されたと判定する。

ステップ１００で燃料が給油されたと判定された場合には、表示部２４の警告表示をＯＦＦにし（ステップ１１０）、ステップ１２０へ進む。一方、ステップ１００で燃料が給油されていないと判定された場合には、そのままステップ１２０へ進む。

ステップ１２０では、誘電率センサ１８の出力値Ａ（ｎ）が取得される。その後、出力値Ａ（ｎ）と閾値Ｃとの比較がされる（ステップ１３０）。閾値Ｃは、図２で説明した限界値（Ｃ）に対応する値である。出力値Ａ（ｎ）＜閾値Ｃの場合には、ステップ１４０へ進む。一方、出力値Ａ（ｎ）≧閾値Ｃの場合には、ステップ１５０へ進む。

ステップ１４０では、誘電率センサ１８の出力値が連続して前回出力値を下回るか否かが判定される。具体的には、今回の出力値Ａ（ｎ）が、前回の出力値Ａ（ｎ−１）よりも低く、同時に、前回の出力値Ａ（ｎ−１）が、前々回の出力値Ａ（ｎ−２）よりも低いか否かが判定される。誘電率センサ１８の出力値が、連続して前回出力値よりも低くなる場合、燃料中の酸イオンが金属塩に変化していると判断できる。このため、誘電率センサ１８の出力値が連続して前回出力値を下回る場合、表示部２４の警告表示をＯＮにする。これにより、運転者に対し、燃料の給油をすること、残燃料をなるべく早期に消費すること、残燃料を抜き取り新しい燃料に交換すること等の措置を促す。一方、誘電率センサ１８の出力値が、連続して前回出力値よりも低くならない場合、ステップ１２０へ戻り、誘電率センサ１８の出力値Ａ（ｎ＋１）が取得される。

以上説明した通り、図４に示すルーチンによれば、酸イオンを含む燃料がディーゼルエンジン１０に供給されること等を回避できるので、金属腐食等による弊害の発生を未然に防止できる。また、酸イオンの金属塩への変化を検出できるので、燃料中の酸イオン量が低いにも関らず、燃料供給系の目詰まり等の問題が発生することを未然に防止できる。

ところで、本実施の形態では、酸イオン量を誘電率センサ１８により取得しているが、酸イオン量を検出可能な他のセンサ類や、滴定といった各種方法によって酸イオン量を検出してもよい。他のセンサ類として、全酸価を検出することができるセンサ、酸素量の大小により酸化が分かる光学式センサを挙げることができる。

また、本実施の形態では、誘電率センサ１８の出力値が連続して２回、前回値を下回る場合に、燃料中の酸イオンが金属塩に変化していると判断したが、この判断に要する回数は２回に限定されない。例えば、判定精度を向上させるために２回よりも多くしてよいし、より早期に判定を完了させるために少なくしてもよい。また、本実施の形態は、センサ出力値の回数に基づいた判断に限られず、図４のルーチンの実行時に、燃料中の酸イオン量が低下したことを判断可能な方法について、あらゆる変形が可能である。

また、本実施の形態では、ＩＧがＯＮとされている場合のレベルセンサ２０の出力により、燃料が給油されたか否かを判定した。しかし、本システムは、フューエルリッドの開閉センサ２６をも有する。このため、ＩＧがＯＦＦとされている場合に、開閉センサ２６の出力により、燃料が給油されたか否かを簡易的に判定してもよい。更に、開閉センサ２６の出力と、レベルセンサ２０の出力とを組み合わせて燃料が給油されたか否かを判定してもよい。

Claims

内燃機関にバイオマス燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料供給手段に蓄えられているバイオマス燃料の酸化による劣化度合いを表す劣化指数を定期的に取得する劣化指数取得手段と、
定期的に取得した前記劣化指数の予め定めた設定期間における減少率を取得する減少率取得手段と、
前記減少率が予め定めた第１の閾値よりも大きい場合に、バイオマス燃料由来の金属塩が増加していると判定する減少率判定手段と、
バイオマス燃料の劣化又は金属塩の増加と判定した場合に、運転者に対して警告を発する警告手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の燃料劣化検知装置。
前記劣化指数が予め定めた第２の閾値よりも高い場合に、バイオマス燃料が劣化していると判定する劣化指数判定手段と、を備え、
前記減少率取得手段は、前記劣化指数が前記第２の閾値よりも低い場合に、前記減少率を取得することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料劣化検知装置。