JP5565373B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、アルコール燃料、炭化水素燃料、またはアルコール燃料と炭化水素燃料との混合燃料の供給を受ける車両に搭載される内燃機関を制御するうえで好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、アルコール混合燃料を使用可能な内燃機関の燃料噴射量制御装置が開示されている。この従来の燃料噴射量制御装置では、給油直後において酸素センサが活性化するまでの間は、予め設定された高濃度アルコール含有率での燃料噴射量の制御プログラムに基づいて燃料噴射量を補正するようにしている。また、酸素センサの活性後においては、当該酸素センサの出力とエンジン冷却水温度とに基づいて、排気ガスの空燃比を理論空燃比とするための燃料補正値を算出するようにしている。そして、当該燃料補正値に基づいて、燃料タンク内に補給された燃料のアルコール濃度を推定したうえで、推定されたアルコール濃度に基づく燃料噴射量の制御を行うようにしている。

特開２００７−９９０３号公報 実開平１−１０８３６５号公報 特開２００９−２９３５８４号公報

排気ガスの空燃比は、アルコール濃度変化以外の要因で常に変動する。このため、給油に伴って燃料のアルコール濃度が変化した際に、空燃比センサの出力を利用して燃料のアルコール濃度の推定値を更新するためには、時間を要することとなる。また、給油に伴うアルコール濃度変化が発生した際に、当該アルコール濃度変化に応じた適切なエンジン制御を行ううえでは、インジェクタから噴射される燃料のアルコール濃度を推定できるようになっていることが望ましい。しかしながら、様々なばらつきを考慮して正確な噴射燃料のアルコール濃度を検出することは困難である。

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、給油に伴う燃料のアルコール濃度変化が生じたことで噴射燃料のアルコール濃度変化を正確に検出することが困難な場合であっても、噴射燃料のアルコール濃度の推定値のばらつきを許容しつつ（高い推定精度を要求することなく）、内燃機関の制御性悪化を最小限に留めることのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の制御装置であって、
アルコール燃料、炭化水素燃料、または、アルコール燃料と炭化水素燃料との混合燃料の供給を受ける燃料タンクと、
前記燃料タンク内の燃料をインジェクタに供給するための燃料供給通路の途中に配置され、燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサと、
前記アルコール濃度センサの出力の変化に追従して変化するように、前記インジェクタから噴射される燃料のアルコール濃度を、変動幅を持たせた態様で推定する噴射燃料濃度推定手段と、
前記インジェクタから噴射される燃料のアルコール濃度に応じた値に制御されるようになっている燃料噴射量の目標値を、前記噴射燃料濃度推定手段により推定されるアルコール濃度の前記変動幅の中で、前記内燃機関のドライバビリティが最適値となるアルコール濃度値に対応する値に設定する噴射量目標値設定手段と、
を備え、
前記噴射量目標値設定手段は、燃料噴射量の目標値を、前記変動幅の中で最も高いアルコール濃度値に適した値に設定することを特徴とする。

第１の発明によれば、給油に伴う燃料のアルコール濃度変化が生じたことで噴射燃料のアルコール濃度変化を正確に検出することが困難な場合であっても、噴射燃料のアルコール濃度の推定値のばらつきを許容しつつ（高い推定精度を要求することなく）、内燃機関の制御性悪化を最小限に留めることが可能となる。また、アルコール濃度変化が認められる場合のアルコール濃度センサの出力は、燃料の混合具合によっても変化していく。本発明によれば、アルコール濃度センサでのアルコール濃度の検出変動をも考慮に入れることができる。このため、内燃機関の制御性を向上させることができる。さらに、本発明によれば、燃料噴射量の目標値を、推定されるアルコール濃度の変動幅の中で最も高いアルコール濃度値に適した値に設定しておくことにより、実際の噴射燃料のアルコール濃度が当該変動幅内のどのような値であっても、内燃機関の安定した燃焼が得られるようにすることができる。このため、内燃機関のドライバビリティの悪化を抑制することができる。

燃料供給装置に関する構成を中心として、本発明の実施の形態１の内燃機関の構成を説明するための図である。 インジェクタから噴射される燃料のエタノール濃度の推定手法を説明するための図である。 エタノール濃度センサの出力に基づく噴射燃料のエタノール濃度の推定値を利用した他のエンジン制御を説明するための図である。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成の説明］
図１は、燃料供給装置１２に関する構成を中心として、本発明の実施の形態１の内燃機関１０の構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、火花点火式の内燃機関１０を備えている。より具体的には、内燃機関１０は、アルコール燃料（ここでは、一例としてエタノール）、炭化水素燃料（ここでは、一例としてガソリン）、更には、任意の割合でエタノールが混合したガソリンを燃料として使用することができるＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicle）用の内燃機関である。

内燃機関１０に備えられた燃料供給装置１２は、各気筒の吸気ポート（もしくは筒内）に燃料を噴射するためのインジェクタ１４と、燃料を貯留する燃料タンク１６とを備えている。燃料タンク１６は、エタノール、ガソリン、またはエタノールとガソリンとの混合燃料の供給を受けるものである。燃料タンク１６には、燃料タンク１６内の燃料を各気筒のインジェクタ１４に供給するための燃料供給通路１８の一端が挿入されている。燃料供給通路１８は、より具体的には、各気筒のインジェクタ１４に燃料を分配するためのデリバリパイプ１８ａと、燃料タンク１６とデリバリパイプ１８ａとを接続するメイン通路１８ｂとを備えている。

燃料タンク１６の近傍のメイン通路１８ｂには、燃料タンク１６側から順に、燃料ポンプ２０およびエタノール濃度センサ２２が取り付けられている。燃料ポンプ２０は、燃料タンク１６内の燃料を汲み上げてインジェクタ１４に向けて圧送するためのポンプである。エタノール濃度センサ２２は、当該センサ２２が配置された部位においてメイン通路１８ｂ内を流れる燃料の性状（ここでは、エタノール濃度）を検出するためのセンサである。

図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)２４を備えている。ＥＣＵ２４の入力側には、上述したエタノール濃度センサ２２が接続されており、ＥＣＵ２４の出力側には、上述したインジェクタ１４および燃料ポンプ２０が接続されている。更に、ＥＣＵ２４の入力側には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ、エンジン回転数を検出するためのクランク角センサ、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ、およびエンジン冷却水温度を検出するための水温センサ等の内燃機関１０の運転状態を検出するための図示省略するセンサ類が接続されている。更に、ＥＣＵ２４の出力側には、混合気に点火するための点火プラグ２６、更には、吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ、および吸気弁や排気弁の開閉時期を調整するための可変バルブタイミング機構等の内燃機関１０の運転を制御するための図示省略するアクチュエータ類が接続されている。ＥＣＵ２４は、上述した各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御するものである。

［実施の形態１におけるエンジン制御］
（噴射燃料のエタノール濃度の推定手法）
図２は、インジェクタ１４から噴射される燃料のエタノール濃度の推定手法を説明するための図である。より具体的には、図２（Ａ）は、給油前よりも燃料のエタノール濃度が高くなるエタノール濃度変化が生じた場合のものであり、図２（Ｂ）は、給油前よりも燃料のエタノール濃度が低くなるエタノール濃度変化が生じた場合のものである。

図２の各図の横軸は、インジェクタ１４から噴射（消費）される燃料の積算燃料噴射量Ｑである。より具体的には、インジェクタ１４から噴射される燃料噴射量は、インジェクタ１４の単位開弁時間当たりの燃料噴射量（既知の値）に燃料噴射時間（基本燃料噴射時間に対して各種の補正噴射時間や無効噴射時間を考慮して得た値）を乗じた値として算出することができるものであり、上記積算燃料噴射量Ｑは、そのようにして算出可能な燃料噴射量の積算値として、ＥＣＵ２４によって算出される値である。尚、以下の明細書中においては、インジェクタから噴射される燃料のことを、単に「噴射燃料」と称することとする。

燃料タンク１６内の燃料と異なるエタノール濃度の燃料が給油された場合には、噴射燃料のエタノール濃度は、エタノール濃度センサ２２がエタノール濃度の変化を検知した時から、エタノール濃度センサ２２の取り付け部位からインジェクタ１４の取り付け部位までの燃料通路容積Ｖｄ分相当の量の燃料が積算でインジェクタ１４から噴射された後に、変化し始めることになる。そこで、本実施形態では、エタノール濃度センサ２２の出力と、燃料供給通路１８内の燃料の移動量（燃料噴射量）とに基づいて、噴射燃料のエタノール濃度の変化を推定するようにしている。

より具体的には、燃料供給通路１８のうちで、通路径が比較的小さなメイン通路１８ｂについては、通路内部での燃料の混合の影響を無視することができる。従って、インジェクタ１４による燃料噴射に伴って当該メイン通路１８ｂを流れる燃料は、エタノール濃度センサ２２により検知されたものと同じエタノール濃度で、インジェクタ１４による燃料噴射量と同量にて移動するものとみなすことができる。一方、通路径の比較的大きなデリバリパイプ１８ａについては、エタノール濃度センサ２２により検知されたエタノール濃度の燃料での単純な移動とはならず、通路内部での燃料の混合の影響を考慮する必要がある。すなわち、インジェクタ１４による燃料噴射に伴ってデリバリパイプ１８ａを流れる燃料の移動は、燃料の混合の影響でエタノール濃度センサ２２により検知された値に対する変化を伴ったエタノール濃度で、インジェクタ１４による燃料噴射量と同量にて移動するものとみなすことができる。

そこで、本実施形態では、噴射燃料のエタノール濃度を、燃料通路容積Ｖｄ分の積算燃料噴射量Ｑｓの燃料の噴射前の時点におけるエタノール濃度センサ２２の検出値に対して、デリバリパイプ１８ａ内での燃料の混合の影響分を補正する所定の補正係数Ｋを乗じて得た値として、所定の単位積算燃料噴射量毎にＥＣＵ２４によって算出するようにしている。この補正係数Ｋは、例えば、予め実験等により設定された値を用いることができる。

図２（Ａ）および（Ｂ）中に実線で示された噴射燃料のエタノール濃度推定値の波形は、単位開弁時間当たりの燃料噴射量がインジェクタ１４の部品公差の中央値であるインジェクタ（以下、便宜上「基準インジェクタ」と称する）１４が使用された場合の値である。ここで、インジェクタ１４の単位開弁時間当たりの燃料噴射量のばらつき等の要因によって、噴射燃料の実際のエタノール濃度の変化が、基準インジェクタ１４を想定したエタノール濃度推定値の変化に対して早い場合（燃料の移動量が基準インジェクタ１４の使用を想定して算出される燃料噴射量よりも多い場合）と遅い場合（燃料の移動量が基準インジェクタ１４の使用を想定して算出される燃料噴射量よりも少ない場合）とが考えられる。より具体的には、単位開弁時間当たりの燃料噴射量が部品公差の中央値よりも多いインジェクタ１４が使用されている場合には、基準インジェクタ１４の使用時の積算燃料噴射量Ｑｓよりも少ない積算燃料消費量ＱがＥＣＵ２４によって算出されたタイミングにおいて、実際の積算燃料噴射量が燃料通路容積Ｖｄ分に相当する燃料量に達し、噴射燃料のエタノール濃度変化が開始することになる。逆に、単位開弁時間当たりの燃料噴射量が部品公差の中央値よりも少ないインジェクタ１４が使用されている場合には、基準インジェクタ１４の使用時の積算燃料噴射量Ｑｓよりも多い積算燃料消費量ＱがＥＣＵ２４によって算出されたタイミングにおいて、実際の積算燃料噴射量が燃料通路容積Ｖｄ分に相当する燃料量に達し、噴射燃料のエタノール濃度変化が開始することになる。

そこで、本実施形態では、図２（Ａ）および（Ｂ）中に破線で示すように、噴射燃料のエタノール濃度変化を、インジェクタ１４の燃料噴射量の上記ばらつき等を考慮して、基準インジェクタ１４の使用時の実線の推定値に対する変動幅を持たせた態様で推定するようにしている。より具体的には、図２（Ａ）および（Ｂ）中において破線で示された噴射燃料のエタノール濃度の値は、基準インジェクタ１４の使用時の積算燃料噴射量Ｑｓに所定のばらつき分ΔＱを加算もしくは減算して得られた値（Ｑｓ＋ΔＱ、もしくはＱｓ−ΔＱ）分の燃料の噴射前の時点におけるエタノール濃度センサ２２の検出値に対して、上記補正係数Ｋを乗じて得た値として、所定の単位積算燃料噴射量毎にＥＣＵ２４によって算出することができる。尚、当該ばらつき分ΔＱは、所定の安全率をもって、インジェクタ１４の燃料噴射量の上記ばらつき等の影響を噴射燃料のエタノール濃度の推定に反映させるための所定値である。

以上のような噴射燃料のエタノール濃度の推定手法によれば、燃料のエタノール濃度変化を伴う給油後に、噴射燃料のエタノール濃度を、エタノール濃度センサ２２によるエタノール濃度の検出値の変化に追従して変化する値として推定することができる。また、上記推定手法によれば、噴射燃料のエタノール濃度を、インジェクタ１４の燃料噴射量の上記ばらつき等の影響を考慮した変動幅を持たせた態様で推定することができる。

（噴射燃料のエタノール濃度の推定値を利用したエンジン制御）
上述したように、本実施形態では、エタノール濃度センサ２２の出力の変化が認められた場合には、図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように変動幅を持たせた態様で噴射燃料のエタノール濃度が推定されるようになっている。そのうえで、本実施形態では、実際の噴射燃料のエタノール濃度が推定値の変動幅内の何れの値であっても、内燃機関１０の燃焼が安定するようにエンジン制御を実施する点に特徴を有している。

先ず、内燃機関１０の制御パラメータとして燃料噴射量を対象とした本実施形態のエンジン制御について説明する。
内燃機関１０の運転中の燃料噴射量は、噴射燃料のエタノール濃度に応じた値に制御されるようになっている。より具体的には、エタノールの方がガソリンよりも理論空燃比が小さい（リッチ側の値となる）。このため、ＥＣＵ２４は、噴射燃料のエタノール濃度が高いほど、燃料噴射量を多くするという基本設定を有している。ＥＣＵ２４がこのような基本設定を有している場合において、本実施形態では、変動幅を持たせた態様で噴射燃料のエタノール濃度が推定された場合に、燃料噴射量の目標値を、当該変動幅の中で最も高いアルコール濃度値（図２（Ａ）においては左側の破線の値、図２（Ｂ）においては右側の破線の値）に適した値に設定するようにしている。

以上のような本実施形態の燃料噴射量の制御によれば、エタノール濃度センサ２２の出力変化が認められた場合には、燃料噴射量の目標値が、推定された噴射燃料のエタノール濃度の変動幅の中で最も高いアルコール濃度値（当該変動幅の上限値）に適した値に設定される。これにより、実際の噴射燃料のエタノール濃度が上記変動幅の上限値もしくはそれに近い値であった場合には、実際のエタノール濃度に適した燃料噴射量に制御することができる。一方、実際の噴射燃料のエタノール濃度が上記変動幅の下限値側の値であった場合には、実際のエタノール濃度に適した燃料噴射量よりも多量の燃料（狙いよりも空燃比をリッチとする量の燃料）が供給されることになる。しかしながら、このような場合であっても、これと逆の設定を有していながら逆の結果となった場合（すなわち、燃料噴射量の目標値が上記変動幅の下限値に適した値に設定している状況下で実際のエタノール濃度が上記変動幅の上限値側の値であった場合）において実際のエタノール濃度に適した燃料噴射量よりも少量の燃料（狙いよりも空燃比をリーンとする量の燃料）が供給されることになる場合と比べ、内燃機関１０の安定した燃焼が可能となるといえる。このため、内燃機関１０のドライバビリティの悪化を抑制することができる。

次に、内燃機関１０の制御パラメータとして点火時期を対象とした本実施形態のエンジン制御について説明する。
噴射燃料のエタノール濃度が高いほど、混合気の燃焼速度が高くなる。このため、燃焼速度の観点においては、噴射燃料のエタノール濃度が高いほど、最適点火時期（ＭＢＴ）は遅角側の値となる。一方、噴射燃料のエタノール濃度が高いほど、燃料のオクタン価が高くなるので、ノッキングが起こりにくくなる。このため、オクタン価の観点で耐ノック性を確保するうえでは、噴射燃料のエタノール濃度が低いほど、点火時期を遅角側の値とすることが望ましいといえる。これらの知見などを考慮して、ＥＣＵ２４には、エタノール濃度との関係で点火時期を定めた設定が記憶されている。尚、エタノール濃度に対する点火時期の具体的な設定は、個別の内燃機関の仕様次第で異なるものとなる。本実施形態では、変動幅を持たせた態様で噴射燃料のエタノール濃度が推定された場合に、点火時期の目標値を、当該変動幅の中で点火時期を最も遅角側の値に定めたエタノール濃度値に対応する値に設定するようにした。

以上のような本実施形態の点火時期の制御によれば、エタノール濃度センサ２２の出力変化が認められた場合には、点火時期の目標値が、推定された噴射燃料のエタノール濃度の変動幅の中で点火時期を最も遅角側の値に定めたエタノール濃度値に対応する値に設定される。これにより、実際の噴射燃料のエタノール濃度が上記変動幅の中のどのような値であっても、想定されるエタノール濃度の中で最も遅角側となる点火時期が選択されているので、内燃機関１０の安定した燃焼が可能となり、ノッキングの発生を良好に回避することができる。

以上説明したように、本実施形態のエンジン制御によれば、給油に伴う燃料のエタノール濃度変化が生じたことで噴射燃料のエタノール濃度変化を正確に検出することが困難な場合であっても、噴射燃料のエタノール濃度の推定値のばらつきを許容しつつ（高い推定精度を要求することなく）、内燃機関１０の制御性悪化を最小限に留めることが可能となる。

また、本実施形態の噴射燃料のエタノール濃度の推定手法によれば、上述したように、燃料のエタノール濃度変化を伴う給油後に、噴射燃料のエタノール濃度を、エタノール濃度センサ２２によるエタノール濃度の検出値の変化に追従して変化する値として推定することができる。エタノール濃度変化が認められる場合のエタノール濃度センサ２２の出力は、燃料の混合具合によっても変化していく。本推定手法によれば、エタノール濃度センサ２２でのエタノール濃度の検出変動をも考慮に入れることができる。このため、本推定手法を利用した本実施形態のエンジン制御によれば、内燃機関１０の制御性を向上させることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、噴射燃料のエタノール濃度の推定値を利用したエンジン制御の対象となる制御パラメータとして、燃料噴射量と点火時期とを例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明の適用対象となる制御パラメータは、これらの制御パラメータに限定されるものではなく、例えば、吸気弁および排気弁の少なくとも一方の開き時期および閉じ時期の少なくとも一方であってもよく、或いは、圧縮比であってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、エタノール濃度センサ２２が前記第１の発明における「アルコール濃度センサ」に、相当している。また、ＥＣＵ２４が、上記図２に示す手法に従って噴射燃料のエタノール濃度を推定することにより前記第１の発明における「噴射燃料濃度推定手段」が、燃料噴射量を制御パラメータとして上記エンジン制御を実行することにより前記第１の発明における「噴射量目標値設定手段」が、それぞれ実現されている。

［その他の制御］
上述した実施の形態１の噴射燃料のエタノール濃度の推定値を利用したエンジン制御としては、上述した制御に代え、以下に示す制御を行うようにしてもよい。尚、ここでは、図１に示すハードウェア構成を対象とした制御例について説明する。

図３は、エタノール濃度センサ２２の出力に基づく噴射燃料のエタノール濃度の推定値を利用した他のエンジン制御を説明するための図である。より具体的には、図３（Ａ）は、給油前よりも燃料のエタノール濃度が高くなるエタノール濃度変化が生じた場合のものであり、図３（Ｂ）は、給油前よりも燃料のエタノール濃度が低くなるエタノール濃度変化が生じた場合のものである。

図３（Ａ）および（Ｂ）中に実線で示す噴射燃料のエタノール濃度の推定値の算出手法自体は、上述した実施の形態１の手法と同様である。そのうえで、本手法では、図３の各図に示すように、噴射燃料のエタノール濃度の推定値の変化の開始から終了までの区間を両側に拡張して得た噴射燃料エタノール濃度変化区間を、インジェクタ１４の燃料噴射量のばらつき等を考慮してエタノール濃度が変化する可能性のある区間として設定するようにしている。

そのうえで、本手法は、エタノール濃度センサ２２の出力変化が検知されてからの積算燃料噴射量Ｑに基づいて、現在の噴射燃料が噴射燃料のエタノール濃度変化が予想される上記噴射燃料エタノール濃度変化区間内のものであると判断された場合には、現在の噴射燃料のエタノール濃度推定値（実線上の値）に適した燃料噴射量および点火時期に比べて、燃料噴射量の増量および点火時期の遅角をそれぞれ行うというものである。

以上説明した他のエンジン制御手法によっても、給油に伴う燃料のエタノール濃度変化が生じたことで噴射燃料のエタノール濃度変化を正確に検出することが困難な場合であっても、噴射燃料のエタノール濃度の推定値のばらつきを許容しつつ（高い推定精度を要求することなく）、内燃機関１０の制御性悪化を最小限に留めることが可能となる。

１０ 内燃機関
１２ 燃料供給装置
１４ インジェクタ
１６ 燃料タンク
１８ 燃料供給通路
１８ａ 燃料供給通路のデリバリパイプ
１８ｂ 燃料供給通路のメイン通路
２０ 燃料ポンプ
２２ エタノール濃度センサ
２４ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
２６ 点火プラグ

Claims (1)

1. アルコール燃料、炭化水素燃料、または、アルコール燃料と炭化水素燃料との混合燃料の供給を受ける燃料タンクと、
   前記燃料タンク内の燃料をインジェクタに供給するための燃料供給通路の途中に配置され、燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサと、
   前記アルコール濃度センサの出力の変化に追従して変化するように、前記インジェクタから噴射される燃料のアルコール濃度を、変動幅を持たせた態様で推定する噴射燃料濃度推定手段と、
   前記インジェクタから噴射される燃料のアルコール濃度に応じた値に制御されるようになっている燃料噴射量の目標値を、前記噴射燃料濃度推定手段により推定されるアルコール濃度の前記変動幅の中で、前記内燃機関のドライバビリティが最適値となるアルコール濃度値に対応する値に設定する噴射量目標値設定手段と、
   を備え、
   前記噴射量目標値設定手段は、燃料噴射量の目標値を、前記変動幅の中で最も高いアルコール濃度値に適した値に設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images