JP5207058B2 - 燃料組成判定方法及び燃料組成判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばプロパン及びブタンを主成分とするＬＰＧ（液化石油ガス）燃料や含酸素系炭化水素燃料などのように互いにオクタン価の異なる略二種の燃料を混合した「混合燃料」を供給するＬＰＧエンジンやＦＦＶ（フレキシブルフェール車）に搭載されるエンジン(以下、「混合燃料エンジン」という)」における燃料組成判定方法及び燃料組成判定装置に関するものである。

ＬＰＧエンジンに供給されるＬＰＧは、プロパン及びブタンを主成分とする混合燃料であり、これらの組成比は、地域、製造者、製造した季節等により異なるのが一般的である。また、プロパンはブタンに比べてオクタン価は高く単位体積当たりの密度が低い。そのため、ＬＰＧの燃料成分が異なる場合、エンジン運転制御に重要な最適な点火時期や燃料噴射量にも影響を及ぼす結果となる。

ところが、車両に搭載される従来のＬＰＧエンジンにおいては、使用されるプロパンとブタンの組成比に対して最適化された点火時期及び燃料噴射量による制御を実行しておらず、標準的な所定の比率を前提としてこれらの設定がなされているのが通常である。そのため、想定された標準品と組成比が異なるＬＰＧを使用した場合、車両の燃費や排出ガス性能の改善余地を残した状態で運転することになり、結果的にこれらの性能を悪化させることに繋がっていた。

また、ＬＰＧを液体状態で吸気管または吸気ポートに噴射するＬＰＧエンジンにおいては、インジェクタ内部のＬＰＧを液体状態に保つために、ポンプ等の昇圧装置を用いてＬＰＧを蒸気圧以上の圧力に保持する必要がある。しかし、昇圧する際の目標圧力は、最も蒸気圧が高くなるプロパンを主成分としたＬＰＧがエンジンに供給される場合に備えて、十分に高い目標圧力にする必要があり、これによりポンプ等の昇圧装置の仕事量が増大し、燃費が悪化してしまう。このため、燃料組成を判定することで使用しているＬＰＧの蒸気圧を推定し、必要最小限の目標燃料圧力とする必要がある。

これに対し、特開昭６１−２７５５５５号公報や特開２００４―３２４５０９号公報に記載されているように、ＬＰＧ噴射制御装置がＬＰＧを貯留する燃料タンク内の燃料温度と気相燃料圧力を検知して、これに基づき所定のデータテーブル等を使用することにより使用ＬＰＧのプロパンとブタンとの組成比を求めて燃料組成を判定し、基準燃料噴射量や基準点火時期等を補正することが一般的に行われている。

しかしながら、このような燃料組成判定方法を実施するには、燃料タンク内に新規に圧力センサや温度センサを設けることが必要となるところ、斯かる圧力センサ等は比較的高価な部品であるために、システムのコストアップが避けられないという問題がある。

また、ＦＦＶ（フレキシブルフェール車）に搭載されるエンジンのように燃料にガソリンまたはガソリンに比べてオクタン化が高いエタノールを混合して使用するエンジンにおいては、ガソリンとエタノールの混合比率が異なると燃料の発熱量が変化するため、燃料の噴射量を変化させる必要があり、エタノールの高オクタン価特性を利用することで点火時期を最適な条件にすることも可能となる。

そこで、従来、火花点火式エンジンにおいて広い範囲の自着火性（オクタン価やセタン価に代表される着火性を表す特性）を判定して正常な燃焼を行わせる目的で、混合燃料 でのノッキング限界点火時期に基づいて、混合燃料の自着火性を推定し、混合燃料の自着火性と、基準燃料の自着火性と、前記比率とに基づいて、被判定燃料の自着火性を推定する手段が特開２００８−２２３５６７号公報に提示されている。

この公報に提示されている自着火性の判定手段は、特開２００５−２９１４号公報に提示されているようなノッキング判定結果に基づいてオクタン価の大きく異なる２種類の燃料の混合割合を算出する手段に比べて広い範囲の自着火性を判断することができる利点を有しているが、主タンク内の被判定燃料を燃料噴射弁より噴射し、副タンク内に備蓄した自着火性が既知の基準燃料を燃料噴射弁より噴射するものであり、余分な設備が必要であるばかりか実用的でない。
特開昭６１−２７５５５５号公報 特開２００４―３２４５０９号公報 特開２００８−２２３５６７号公報 特開２００５−２９１４号公報

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、ＬＰＧエンジンやＦＦＶに搭載されるエンジンのように主として二種類のオクタン価の異なる燃料を混合した混合燃料を供給する混合燃料エンジンについて、エンジン運転制御に通常使用している既設のセンサ類を利用することにより、コストアップを伴うことなく使用する混合の燃料組成を判定できるようにすることを課題とする。

そこで、本発明は、所定位置に付設した各種の運転状態検出手段からの検出値を用いてエンジンの運転状態に応じたエンジン制御を実行するエンジン制御システムを有する混合燃料エンジンにおける燃料組成判定方法であって、 前記エンジンの点火時期を変化させる制御を行うことにより意図的に発生させたノッキング状態をノック検出手段により検出して得られるノッキング発生点火時期と、前記エンジン運転状態検出手段による検出値から推定したエンジン運転状態と、混合される燃料の混合比の違いによりオクタン価が異なることを用いた判定手段により使用している混合燃料の組成比を求めることを特徴とする。

プロパン成分の多いＬＰＧはオクタン価が高いためにノッキング状態となる点火時期が進角側になり、ブタン成分の多いＬＰＧはノッキング状態となる点火時期が遅角側になることから、この性質を利用して意図的に点火時期を変化させる制御を行うことによりノッキング状態となった点火時期とそのときのエンジン運転状態を基にして、プロパンとブタンの比率を逆に推定できるため、既設のエンジン運転状態検出手段である各種のセンサ類を使用して使用ＬＰＧの燃料組成を判定することが可能となる。

また、エタノールが混合されたガソリンにおいても、上記同様エタノールが多い場合はオクタン価が高く、ノッキング状態となる点火時期が進角側になり、上記燃料の混合比率を判定することが可能となる。

この場合、その判定手段として、ノッキング状態となったときの点火時期情報及びそのときのエンジン運転状態情報を、予め作成しておいた燃料組成判定用参照情報に適用することにより、使用する混合燃料の燃料組成を推定することで、簡易な手順で精度の高い判定が行いやすいものとなる。

また、前述の燃料組成判定方法において、前記点火時期の操作は、エンジンの高負荷運転時に点火時期を徐々に進角側にするものとすれば、比較的容易にノッキングを発せさせることができるとともに、的確な燃料組成の判定を行いやすいものとなる。

さらに、前述の燃料組成判定方法において、ノック検出手段に加えて、前記エンジン運転状態検出手段として、エンジン回転数検出手段、エンジン負荷推定手段、吸入空気温度検出手段、冷却水温検出手段であるものとすれば、混合燃料エンジンに一般的に付設されている既設のエンジン運転状態検出手段である各種のセンサ類を使用してＬＰＧの燃料組成を判定することができる。

さらにまた、前述のエンジン運転状態検出手段及びノック検出手段を備えた混合燃料エンジンの制御システムに配置されて使用する混合燃料の燃料組成を判定する燃料組成判定装置であって、前述の混合燃料エンジンの燃料組成判定方法を実施するための制御プログラムが格納されている、ことを特徴とする混合燃料エンジンの燃料組成判定装置とすれば、これをシステムに配設するだけで、前述の燃料組成判定方法を容易に実現できるものとなる。

この場合、その混合燃料エンジンの燃料組成判定装置が、エンジン制御装置を兼ねているとともに判定した燃料組成に適合するエンジン制御に切り換える操作を行う、ことを特徴とするものとすれば、使用ＬＰＧの燃料組成に応じて的確なエンジン制御を実行できるものとなる。

混合燃料の混合される燃料のオクタン価の違いを利用してノッキング状態の発生点火時期から使用混合燃料の燃料組成を判定する本発明によると、エンジン運転制御に通常用いられる既設のセンサ類を利用することにより、コストアップを伴うことなく使用する混合燃料の燃料組成を判定することができる。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本実施の形態である例えばＬＰＧ燃料やガソリンと含酸素系炭化水素燃料との混合燃料のように主としてオクタン価の異なる二種類の燃料を混合した混合燃料を供給するエンジンの燃料組成判定方法の実施主体となる燃料組成判定装置１の構成・動作を説明するための機能ブロック図を示すものであり、本発明は、混合燃料エンジンを搭載した車両においてエンジン運転制御に通常用いられている既設のエンジン運転状態検出手７段である各種のセンサ類を利用し、新たなセンサ類を追加することなく安価なシステムで使用する混合燃料の燃料組成を正確に検出することを目的としたものである。

そして、本実施の形態の燃料組成判定装置１は、混合燃料エンジンの燃料噴射や点火時期の制御を行う通常のエンジン制御装置が機能的に兼ねる構成でもよく、また、専用のハードを追加することなくインストールされた制御プログラムにより図１の機能ブロック図の内容を機能的に実行するものであれば、コスト的に一層有利なものとなる。

この燃料組成判定装置１には、既設のエンジン運転状態検出手段である、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段１１、エンジンの負荷状態を検出するエンジン負荷検出手段１２、エンジンの吸入空気温度を検出する吸入空気温度検出手段１３、エンジン冷却水温度を検出する冷却水温度検出手段１４のセンサ類から延設された出力信号線が接続されており、各出力信号（データ）が入力されるようになっている。

また、燃料組成判定装置１には、ニ種燃料混合エンジンにおける燃料燃焼時のノッキング状態を検出するノック検出手段１５からの出力信号線が接続されており、ノッキング検出信号が入力されるようになっている。このノック検出手段１５としては、加速度検出式のノックセンサ、燃料の燃焼中に発生するイオンを検出するイオン電流検出装置、筒内圧力センサ等を使用すればよい。一方、エンジン負荷検出手段１２としては、スロットルボディで使用しているスロットルセンサやインテークマニホルドに設けた圧力センサ、または吸気間に設けたエアフローメータの信号およびエンジン回転数からの推定方法等を使用することができる。

さらに、燃料組成判定装置１には、エンジン運転状態推定手段３０、燃料組成判定手段１０が機能的に設けられているとともに、予め作成した燃料組成判定用参照データベース２０がその記憶手段に記憶されている。そして、エンジン運転状態を示す各センサ信号を基にエンジン運転推定手段３０がエンジン運転状態を推定し、ノッキング状態を検出した時のノッキング発生点火時期とそのときのエンジン運転状態とを、燃料組成判定用参照データベース２０からの情報に照らし合わせること等により、燃料組成判定手段１０が使用ＬＰＧの燃料組成を判定するようになっている。

記憶しておく燃料組成判定用データベース２０の実施例としては、例えば予め実験的に求めたノッキング発生点火時期と燃料組成の関係を示すマップを、エンジン運転状態毎に複数記憶しておく等が考えられる。また、最もオクタン価が高くノッキングが発生しにくい燃料の場合と、最もオクタン価が低くノッキングが発生しやすい燃料の場合の二通りのマップをエンジンエンジン運転状態毎に記憶し、これらニ種燃料が混合している燃料に対してはこれらを比例補間することでマップデータ量を最小限にすることも可能である。

次に、この燃料組成判定装置１が行う燃料組成判定方法の一例を図２のフローチャートを用いながら、本実施の形態を詳細に説明する。

燃料組成の判定が開始されると、先ず、エンジン高負荷運転状態を検知することにより、点火時期を徐々に進角するように制御システムを操作する（Ａ１）、もしくはノッキング状態から点火時期を徐々に遅角するように制御システムを操作する、ノック検出手段１５にて検出したノッキング検出信号からノッキング発生点火時期を検知し（Ａ２）、このノッキング発生点火時期と、上記エンジン回転数検出手段１１、エンジン負荷検出手段１２、吸入空気温度検出手段１３、冷却水温度検出手段１４によるエンジン回転数、エンジン負荷、吸入空気温度、冷却水温度のデータからエンジン運転状態推定手段３０により推定したエンジン運転状態情報とを、燃料組成判定手段１０が燃料組成判定用参照データベース２０から入手した燃料組成判定用参照情報に照らし合わせることにより、使用する混合燃料の燃料組成を推定して判定する（Ａ３）。また、この判定結果を基に、使用する混合燃料の組成に応じて点火時期制御や燃料噴射制御について切り換え操作を行う。

このような手順で、混合燃料の燃料組成を判定するようにしたのは次の理由による。即ち、一般的にプロパン成分の多いＬＰＧはオクタン価が高いためノッキングが発生する点火時期が進角側になるのに対し、ブタンはプロパンよりもオクタン価が低いためにブタン成分の多いＬＰＧはノッキングが発生する点火時期が遅角側になることが知られているためである。また、一般的にエタノール成分の多いエタノール混合ガソリンは同様にオクタン価が高いためノッキングが発生する点火時期が進角側になるのに対し、ガソリンはエタノールよりもオクタン価が低いためにガソリンの多いエタノール混合ガソリンはノッキングが発生する点火時期が遅角側になることが知られているためである。

そのため、上記のように意図的にノッキング状態を発生させることにより、このような現象が明確に判別でき、ノッキング状態となった点火時期から混合燃料の混合比を逆に推定することが可能となるのである。これにより点火時期制御や燃料噴射制御について、判定した混合燃料の燃料組成に対応した制御に切り換えることが可能となり、結果的に使用燃料の持っている燃費及び排ガス性能のポテンシャルを有効に引き出すことが可能なものとなる。

また、前述の手順の燃料組成判定方法を実施するにあたり、ハード的にはエンジン運転状態を検出するための既設のセンサ類をそのまま用いることができるため、新たなセンサ類を追加する必要がなく、エンジンの制御装置である電子制御ユニットにソフト的に追加するだけで実施可能であることから、使用ＬＰＧの組成に応じて的確な制御を実行するシステムを、比較的低コストで実現することができる。

以上、述べたように、互いにオクタン価の異なる燃料を混合した混合燃料を供給する混合燃料エンジンについて、本発明によりエンジン運転制御に通常用いられている既存のエンジン運転状態検出手段である各種のセンサ類を用いながら、コストアップを伴うことなく使用する混合燃料の燃料組成を判定することができる。

本発明の実施の形態を示す機能ブロック図。 図１の燃料組成判定装置の動作を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１０ 燃料組成判定手段、１１ エンジン回転数検出手段、１２ エンジン負荷検出手段、１３ 吸入空気温度検出手段、１４ 冷却水温度検出手段、１５ ノック検出手段、２０ 燃料組成判定用参照データベース、３０ エンジン運転状態推定手段

Claims (3)

1. 所定位置に付設した各種のエンジン運転状態検出手段からの検出値を用いてエンジンの運転状態に応じたエンジン制御を実行するエンジン制御システムを有し、互いにオクタン価の異なる燃料を混合した混合燃料を供給するエンジンにおける燃料組成判定方法であって、意図的に発生させたノッキング状態をノック検出手段により検出して得られるノッキング発生点火時期と、前記エンジン運転状態検出手段による検出値から推定したエンジン運転状態と、供給される混合燃料に混合されている混合比の違いによりオクタン価が異なることを用いた判定手段により使用している燃料の混合比を求める混合燃料エンジンにおける燃料組成判定方法において、前記意図的なノッキングの発生時におけるエンジン運転状態を、車両の発進時に変速機の変速比を低くすることでエンジン回転数を低回転に、エンジン負荷を高負荷にするようにしたことを特徴とする混合燃料エンジンにおける燃料組成判定方法。
2. 前記判定手段が、前記ノッキング状態が発生したときの点火時期情報及びノッキング状態の発生時における前記エンジン運転状態情報を、予め作成しておいた燃料組成判定用参照情報に適用することにより使用する混合燃料の燃料組成を推定する混合燃料エンジンにおける燃料組成判定方法において、前記意図的なノッキングの発生時におけるエンジン運転状態を、車両の発進時に変速機の変速比を低くすることでエンジン回転数を低回転に、エンジン負荷を高負荷にするようにした請求項１に記載した混合燃料エンジンにおける燃料組成判定方法。
3. エンジン制御装置を兼ねているとともに判定した燃料組成に適合するエンジン制御に切り換える操作を行うことを特徴とする請求項１または２に記載した混合燃料エンジンにおける燃料組成判定装置。

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