JP6095484B2 - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料供給装置に関する。より詳しくは、分離膜を利用してタンクに貯留された燃料から高オクタン価燃料を分離する内燃機関の燃料供給装置に関する。

内燃機関の燃料として、さとうきび、とうもろこし、じゃがいもなど多くの作物から製造できるアルコール燃料が注目されている。特に近年では、アルコール燃料をガソリンに添加した混合燃料が流通しており、今後さらに普及すると予測されている。なお、アルコール燃料にはエタノールやメタノールなど様々な種類があるが、以下では、アルコール燃料として最も多く普及しているエタノールを例として説明する。

このような混合燃料の普及とあわせて、外部から給油された混合燃料を、車両上で高ガソリン濃度の燃料と高エタノール濃度の燃料に再び分離する分離装置に関する研究も進められている。ガソリンとエタノールとでは、例えばオクタン価や発熱量など燃料物性において様々な異なる点があるため、外部から給油された混合燃料をそのまま利用するよりも、車両上で再び分離し、用途に応じてガソリンとエタノールとを使い分けた方が好ましい場合がある。

特許文献１には、高オクタン価燃料を選択的に透過させる分離膜を用いたパーベーパレーション法によって、混合燃料を低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とに分離する技術が記載されている。また特許文献１の技術では、分離前の原料燃料と分離後の低オクタン価燃料との間で熱交換し、分離前の原料燃料を昇温することによって、高オクタン価燃料の透過率（すなわち、分離効率）を向上させている。

特許第４２２９７７３号公報

特許文献１に記載されているように、分離効率を向上するためには分離膜に供給される燃料の温度（以下、単に「膜前燃料温度」ともいう）を好ましい温度に制御することが重要である。

ところで、上記のような分離膜を備えた燃料分離システムでは、分離によって得られた低オクタン価燃料及び高オクタン価燃料をそれぞれ別々のタンクに貯留するが、これら燃料をタンクに回収する前にある程度冷却する必要がある。このため燃料分離システムでは、分離後の燃料を冷却するためのラジエータや凝縮器等の燃料クーラが分離前の原料燃料を加熱する燃料ヒータと組み合わせて用いられる。したがって膜前燃料温度が高くなるほど、燃料クーラに求められる冷却性能は高くなり、ひいては燃料分離システム全体のサイズが大きくなる。

この点、特許文献１の技術では、膜前燃料温度の好ましい範囲は約８０〜１２５℃としており温度幅が広い。上記の通り燃料分離システム全体のサイズは膜前燃料温度の最高温度で定まることから、低温側では相対的に過剰なシステムサイズとなってしまう。このような課題を解決するため、電気式ヒータを利用して膜前燃料温度を高い精度で制御することが考えられる。しかしながらこの場合、ヒータを駆動するための電力が必要となるため、車両全体の燃費が悪化するおそれがあり、またコストや重量も増加するおそれもある。

本発明は、電気式ヒータを用いることなく分離膜に流入する燃料の温度を高い精度で一定に制御できる内燃機関の燃料供給装置を供給することを目的とする。

（１）本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン２）の燃料を貯留する燃料タンク（例えば、後述の主タンク１０）と、前記燃料タンクから供給された燃料から高オクタン価燃料を透過させる分離膜（例えば、後述の分離膜１２２）と、前記機関の冷却水が流れる冷却水流路（例えば、後述の冷却水流路８１）に設けられ、当該冷却水と前記分離膜に供給される燃料との間で熱交換を行う燃料ヒータ（例えば、後述の熱交換器８２）と、前記冷却水流路に設けられた制御弁（例えば、後述の流量制御弁８３）と、前記冷却水の温度（TW）、前記燃料ヒータに供給される前の燃料の温度（T_tank_f）、前記燃料ヒータに供給される燃料の流量（Q_f）、外気の温度（TA）、及び前記分離膜に供給される前の燃料の温度に相当する膜前燃料温度に対する目標温度（T_memb_f）に基づいて、前記膜前燃料温度が前記目標温度になるような冷却水の流量（Q_LLC_want）を算出し、当該算出した冷却水の流量に基づいて前記制御弁の開度を制御する膜前燃料温度制御装置（例えば、後述のＥＣＵ６）と、を備える内燃機関の燃料供給装置を提供する。

（２）この場合、前記燃料供給装置は、前記分離膜に供給される燃料の温度を検出する燃料温度センサ（例えば、後述の膜前温度センサ９２）をさらに備え、前記膜前燃料温度制御装置は、前記燃料温度センサの検出値（T_memb_f）と前記目標温度（T_memb_f_want）との偏差がなくなるように、前記膜前燃料温度が前記目標温度になるような前記冷却水の流量、当該冷却水の流量を算出するために必要となる物理量、又は前記制御弁の開度に対する補正値（V_fb,Q_LLC_fb,H_fb）を算出するフィードバック制御器（例えば、後述のＰＩＤ演算部６３，６３Ａ，６３Ｂ）を備えることが好ましい。

（３）この場合、前記燃料ヒータは、冷却水の温度に応じて開閉するサーモスタット（例えば、後述のサーモスタット７５）が設けられた冷却水の冷却水循環流路（例えば、後述の冷却回路７）のうち、前記サーモスタットより上流側と下流側とを接続するバイパス流路（例えば、後述の冷却水流路８１）に設けられることが好ましい。

（４）この場合、前記膜前燃料温度制御装置は、前記膜前燃料温度が前記目標温度になるように算出された冷却水の流量と、前記機関の回転数と、前記冷却水の温度とに基づいて、前記制御弁の開度を制御することが好ましい。

（１）本発明では、内燃機関の冷却水流路に燃料ヒータを設け、この燃料ヒータによって内燃機関の排熱で暖められた冷却水と分離膜に供給される燃料との間で熱交換を行う。これにより本発明では、内燃機関の排熱を利用して分離膜に供給される燃料を昇温できるので、燃料を暖めるための電気式ヒータを追加して設ける必要がない。また本発明では、冷却水の温度、燃料ヒータに供給される前の燃料の温度、燃料ヒータに供給される燃料の流量、外気の温度、膜前燃料温度に対する目標温度など、燃料ヒータを通過し分離膜に供給される燃料の温度を上下させる複数の因子に基づいて、膜前燃料温度が所定の目標温度になるような冷却水の流量を算出し、算出した冷却水の流量に基づいて冷却水流路に設けられた制御弁の開度を制御する。これにより、電気式ヒータと比べれば応答性の低い本発明の燃料ヒータであっても、膜前燃料温度をシステム全体のサイズに応じて予め定められた最適な目標温度に高い精度で制御することができる。換言すると、本発明によればシステム全体のサイズを膜前燃料温度の目標温度に応じた大きさに最適化することができる。

（２）本発明は、分離膜に供給される燃料の温度を検出する温度センサと、燃料温度センサの検出値と膜前燃料温度の目標温度との偏差がなくなるように、上記複数の因子に応じて定められた冷却水の流量、当該冷却水の流量を算出するために必要となる物理量、又は制御弁の開度に対する補正値を算出するフィードバック制御器と、をさらに備える。本発明では、このような燃料温度センサとフィードバック制御器とを利用することにより、実際の膜前燃料温度を目標温度に速やかに収束させかつ定常偏差が発生するのを防止できる。これにより、膜前燃料温度を目標温度にさらに精度良く制御できるので、システム全体のサイズに応じた機能を十分に発揮できる。

（３）例えば、内燃機関の始動直後であって冷却水の温度が規定の温度に達していない場合、サーモスタットは閉じている。このため、燃料ヒータをサーモスタットと直列に設けると、内燃機関の始動直後から分離膜に供給される燃料を昇温することができず、分離を開始できない場合がある。これに対し本発明では、サーモスタットが設けられた冷却水循環流路のうち、サーモスタットより上流側と下流側とを接続するバイパス流路に燃料ヒータを設けることにより、サーモスタットの状態によらず内燃機関の始動直後から分離膜に供給される燃料の温度を制御することができる。

（４）上述のように、本発明では、内燃機関の冷却水を流用して膜前燃料温度を上昇させる。ところが、内燃機関の冷却水は、一般的には、内燃機関のクランクシャフトの回転から得た動力を利用して循環するようになっている。また、サーモスタットが設けられていると、冷却水の温度が変化するとその開度も変わる。このため、燃料ヒータに供給される冷却水の基流量は、制御弁の開度だけでなく、機関の回転数や冷却水の温度によって変化する。本発明では、このような基流量を変化させる因子を考慮し、上述のようにして膜前燃料温度が目標温度になるように算出された冷却水の流量と、機関の回転数と、冷却水の温度とに基づいて、制御弁の開度を制御する。これにより、膜前燃料温度を目標温度にさらに精度良く制御できる。

本発明の第１実施形態に係るエンジン及びその燃料供給装置の構成を示す図である。 エンジンの冷却回路の構成を示す図である。 燃料ヒータユニットの流量制御弁の目標開度を設定する演算の手順を示すブロック図である。 伝熱演算部における具体的な演算手順を示す図である。 要求冷却水流量、エンジン回転数、及び冷却水温度に基づいて流量制御弁に目標開度に対する基本開度を決定するマップの具体例である。 本発明の第２実施形態に係る流量制御弁の目標開度を設定する演算の手順を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る流量制御弁の目標開度を設定する演算の手順を示すブロック図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関（以下、単に「エンジン」という）２と、その燃料供給装置３の構成を示す図である。

エンジン２は、複数のシリンダ２３を備えた多気筒エンジンである。図１には、このうちの１つを代表的に示す。エンジン２は、シリンダ２３が形成されたシリンダブロックと、シリンダヘッドとを組み合わせて構成される。シリンダ２３内には、ピストン２４が摺動可能に設けられる。ピストン２４の頂面とシリンダヘッドのシリンダ２３側の面により、エンジン２の燃焼室２０が形成される。ピストン２４は、コンロッドを介して図示しないクランクシャフトに連結されている。すなわち、シリンダ２３内におけるピストン２４の往復動に応じて図示しないクランクシャフトが回転する。

エンジン２には、点火プラグ２９が設けられている。エンジン２は、後述の燃料噴射システム５及び燃料蒸気処理システム４から供給された燃料とスロットル弁２８を介して供給された空気とで形成された混合気を点火プラグ２９で点火することによって燃焼する。

燃料供給装置３は、外部から給油されたガソリンとエタノールの混合燃料を低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とに分離する燃料分離システム１と、燃料蒸気を処理する燃料蒸気処理システム４と、分離した燃料をエンジン２に噴射する燃料噴射システム５と、これらの電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）６と、を備える。以下、各システム１，４，５の構成及び機能について順に説明する。

＜燃料分離システム１＞
燃料分離システム１は、主タンク１０と、燃料ヒータユニット８と、分離器１２と、ラジエータ１３と、凝縮器１４と、バッファタンク１５と、副タンク１６と、真空ポンプ１７と、圧力制御弁１８と、を備える。この燃料分離システム１は、分離器１２に設けられた後述の分離膜１２２において、主タンク１０と燃料ヒータユニット８とラジエータ１３とからなり主に低オクタン価燃料が流通する１次側装置と、凝縮器１４とバッファタンク１５と副タンク１６と真空ポンプ１７と圧力制御弁１８からなり主に高オクタン価燃料が流通する２次側装置とに分けられる。

始めに、燃料分離システム１の１次側装置の構成について説明する。
主タンク１０は、図示しない外部給油口から供給されたエタノールとガソリンの混合燃料を貯留する。本実施形態では、混合燃料として、最も普及しているエタノール含有率が１０％の混合燃料が好ましく使用される。

燃料ヒータユニット８は、エンジン２の冷却水が流れる冷却水流路８１と、この冷却水流路８１に冷却水の流路の一部として設けられた熱交換器８２と、を備える。熱交換器８２は、冷却水流路８１を流れる冷却水を熱源として、第１燃料循環路１０１から供給された燃料との間で熱交換を行う。これにより熱交換器８２は、分離器１２の分離膜１２２に供給される燃料を、燃料の分離に最適な所定の目標温度まで加熱する。また、冷却水流路８１には、熱交換器８２に流入する冷却水の流量、ひいては熱交換器８２における加熱効率を調整する流量制御弁８３が設けられている。流量制御弁８３は、図示しない駆動装置を介してＥＣＵ６に接続されている。ＥＣＵ６は、後に図３等を参照して説明する手順に従って流量制御弁８３の目標開度を設定し、駆動装置は設定された目標開度になるように流量制御弁８３を駆動する。

図２は、エンジン２の冷却回路７の構成を示す図である。図２に示すように、燃料ヒータユニット８は、エンジン２の冷却回路７の一部として組み込まれている。
冷却回路７は、エンジン２のウォータジャケットを流路に含む主循環流路７１と、エンジン２のクランクシャフトの回転から得た動力によって主循環流路７１内で冷却水を圧送するウォータポンプ７２と、主循環流路７１に設けられ冷却水を冷却するラジエータ７３及びラジエタファン７４と、主循環流路７１に設けられ冷却水の温度に応じて開閉するサーモスタット７５と、燃料ヒータユニット８と、を備える。

図２に示すように、燃料ヒータユニット８の冷却水流路８１は、主循環流路７１に対し、ラジエータ７３より上流側とサーモスタット７５より下流側とを接続するバイパス流路となっている。これにより、例えば、冷却水の温度が低くサーモスタット７５が閉じた状態であっても、流量制御弁８３を開くことによって熱交換器８２を独立して稼働させることができる。また、冷却回路７には、冷却水流路８１と並列にして複数のバイパス流路７６が設けられており、冷却水が他のデバイス７７へ適宜導かれるようになっている。

図１に戻って、分離器１２は、熱交換器８２により加熱された混合燃料を、浸透気化法（パーベーパレーション法）によって該混合燃料よりエタノール濃度が高くオクタン価の高い高オクタン価燃料と、よりエタノール濃度が低くオクタン価の低い低オクタン価燃料とに分離する。

分離器１２は、混合燃料中の高オクタン価成分であるエタノールを選択的に透過させる分離膜１２２と、この分離膜１２２により区画された１次側の高圧室１２３及び２次側の低圧室１２４と、を備える。高圧室１２３は、第２燃料循環路８４を介して熱交換器８２に接続される。低圧室１２４は、２次側装置の後述の凝縮器１４に接続される。

分離器１２では、高圧室１２３に熱交換器８２によって加熱された燃料を流通させ、低圧室１２４内を真空ポンプ１７によって負圧にすると、気体状態にある高オクタン価成分のエタノール及び芳香族が分離膜１２２を選択的に透過し、高オクタン価燃料として低圧室１２４内に浸出する。一方、高圧室１２３内には、低オクタン価燃料が残留する。これにより、主タンク１０から供給された混合燃料は、分離器１２において高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とに分離される。この分離器１２における分離効率は、分離膜１２２に供給される燃料の温度及び流量や、低圧室１２４内の負圧の大きさ等によって変化する。

ラジエータ１３は、第３燃料循環路１２５を介して分離器１２から供給された低オクタン価燃料を冷却し、第４燃料循環路１３１を介して主タンク１０へ供給する。ラジエータ１３には、例えばフィン１３３と図示しない冷却ファンとを備えた空冷式のものが用いられるが、本発明はこれに限らない。ラジエータ１３は、例えば水冷式でもよい。なお、第４燃料循環路１３１には、燃料ヒータ１１からラジエータ１３までの燃料高温区間内で燃料が沸騰するのを防止するため、当該高温区間内の燃料圧力を規定値以上にするレギュレータ１３２が設けられている。

以上のように、燃料分離システム１の１次側循環流路は、主タンク１０、第１燃料循環路１０１、熱交換器８２、第２燃料循環路８４、分離器１２の高圧室１２３、第３燃料循環路１２５、ラジエータ１３、及び第４燃料循環路１３１によって形成される。すなわち、燃料分離システム１では、主タンク１０に設けられた循環ポンプ１０２によって主タンク１０に貯留されている混合燃料を１次側循環流路で循環させながら、分離器１２によってこの循環燃料を高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とに分離し続けることにより、主タンク１０内に当初貯留されていた混合燃料から高オクタン価燃料が徐々に除かれるので、主タンク１０内には低オクタン価燃料が残留する。

次に、燃料分離システム１の２次側装置の構成について説明する。
凝縮器１４は、第１燃料排出路１２６を介して分離器１２の低圧室１２４に接続され、低圧室１２４内に浸出した気体状態の高オクタン価燃料を凝縮する。凝縮器１４には、プレート状の複数のフィン１４１と、図示しない冷却ファンとを備えた空冷式のものが用いられるが、本発明はこれに限らない。凝縮器１４は、例えば水冷式でもよい。

バッファタンク１５は、第２燃料排出路１４２を介して凝縮器１４に接続され、凝縮器１４によって凝縮された高オクタン価燃料を負圧下で一時的に貯留する。バッファタンク１５の鉛直方向上部のうち、第２燃料排出路１４２の近傍は、空気排出路１５１を介して真空ポンプ１７及び副タンク１６と接続されている。バッファタンク１５の鉛直方向下部は、第３燃料排出路１５２を介して副タンク１６に接続されている。また、第２燃料排出路１４２には、バッファタンク１５側から凝縮器１４側へ燃料が逆流するのを防止する第１逆止弁１４３が設けられている。第３燃料排出路１５２には、副タンク１６側からバッファタンク１５側へ燃料が逆流するのを防止する第２逆止弁１５３が設けられている。

副タンク１６は、バッファタンク１５から排出された高オクタン価燃料を貯留する。副タンク１６は、後述するようにキャニスタ４１を介して大気と連通している。したがって、副タンク１６の内部は、基本的には大気圧とほぼ等しい。なお、以上のように構成された２次側装置のうち、分離器１２と、凝縮器１４と、バッファタンク１５と、副タンク１６とは、鉛直方向に沿って上方から下方へ向かってこの順で設けられるのが好ましい。これにより、分離器１２において分離された高オクタン価燃料は、その自重を利用して副タンク１６内に回収される。

空気排出路１５１は、バッファタンク１５の鉛直方向上部から、副タンク１６内のうち高オクタン価燃料が溜まる底部に至る。真空ポンプ１７は、空気排出路１５１に設けられ、バッファタンク１５側から副タンク１６側へ空気を圧送することによって分離器１２の低圧室１２４、凝縮器１４及びバッファタンク１５の内部を負圧にする。

また空気排出路１５１のうち、真空ポンプ１７よりバッファタンク１５側には、大気圧解放管１５４が分岐して設けられている。大気圧解放管１５４は、空気排出路１５１から副タンク１６内のうち大気と連通する上部に至る。圧力制御弁１８は、大気圧解放管１５４に設けられる。

次に、以上のように構成された燃料分離システム１の２次側装置によって、混合燃料から高オクタン価燃料を分離し、これを副タンク１６内に貯留させるまでの手順について説明する。この２次側装置の制御手順は、（ａ）混合燃料から高オクタン価燃料を分離する分離ステップと、（ｂ）分離した高オクタン価燃料を副タンク１６に回収する回収ステップとの２つの手順に分けられる。

（ａ）分離ステップでは、１次側装置によって混合燃料を循環させた状態で、圧力制御弁１８を閉じ、さらに真空ポンプ１７を所定の出力で駆動する。真空ポンプ１７を駆動すると、バッファタンク１５、凝縮器１４、及び分離器１２の低圧室１２４内の空気が副タンク１６へ排出される。この際、圧力制御弁１８は閉じているので、大気圧解放管１５４を介して副タンク１６内の空気がバッファタンク１５側へ流れることはない。また、バッファタンク１５と副タンク１６との間には第２逆止弁１５３が設けられているので、第３燃料排出路１５２を介して副タンク１６内の燃料や空気がバッファタンク１５側へ流れることもない。したがって、真空ポンプ１７を所定の出力で駆動し続けると、分離器１２の低圧室１２４、凝縮器１４、及びバッファタンク１５の内部は、負圧になる。

低圧室１２４の内部が負圧になると、分離膜１２２の機能により高圧室１２３から低圧室１２４側へエタノール及び芳香族からなる気体状態の高オクタン価燃料が浸出する。気体状態で浸出した高オクタン価燃料は、凝縮器１４によって凝縮され、バッファタンク１５の底部に溜まる。分離ステップでは、バッファタンク１５内にある程度の量の高オクタン価燃料が溜まるまで真空ポンプ１７を駆動し続ける。そして、バッファタンク１５内にある程度の量の高オクタン価燃料が溜まると、次の回収ステップへ移る。

ところで、以上のような分離ステップにおいて、バッファタンク１５の上部には凝縮しきれなかった気体状態の高オクタン価燃料、すなわち燃料蒸気が溜まる。以下では、このような高オクタン価燃料由来の燃料蒸気は、主タンク１０内で発生する低オクタン価燃料由来の燃料蒸気と区別するため、分離蒸気という。また、主タンク１０内で発生する低オクタン価燃料由来の燃料蒸気は、上記分離蒸気と区別するため、ガソリン蒸気という。このバッファタンク１５の上部に溜まった分離蒸気は、真空ポンプ１７によって副タンク１６の底部へ供給される。したがって、副タンク１６内に凝縮した高オクタン価燃料が既に溜まっている場合、真空ポンプ１７によって副タンク１６の底部に圧送された分離蒸気は、この凝縮した高オクタン価燃料内で再凝縮が促される。本実施形態では、このように分離蒸気の凝縮を促すことにより、できるだけ副タンク１６内に分離蒸気が発生しないようにしている。

（ｂ）回収ステップでは、真空ポンプ１７を停止するとともに、圧力制御弁１８を開くことにより、大気圧解放管１５４を介してバッファタンク１５と副タンク１６とを連通させる。これにより、バッファタンク１５の内部の圧力は、副タンク１６とほぼ等しい大気圧まで上昇する。また、バッファタンク１５の内部の圧力が上昇すると、その底部に溜まっていた高オクタン価燃料は、その自重により副タンク１６内に回収される。以上のようにしてバッファタンク１５内の高オクタン価燃料が副タンク１６内に回収された後は、再び上記分離ステップを実行する。なお、この回収ステップでは、バッファタンク１５よりも上方の凝縮器１４及び分離器１２の低圧室１２４の内部は、燃料の分離進行分の負圧低下があるのみでありバッファタンク１５よりも負圧が維持される。したがって回収ステップ中も、分離膜１２２における分離は継続される。

２次側装置では、以上のような分離ステップと回収ステップとを繰り返し実行することにより、副タンク１６内に高オクタン価燃料が回収される。

燃料分離システム１には、ＥＣＵ６においてその運転状態を把握するために複数のセンサ９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７が設けられている。水温センサ９１は、冷却水の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。膜前温度センサ９２は、第２燃料循環路８４を流れ、分離器１２の分離膜１２２に供給される前の燃料の温度（以下、「膜前燃料温度」という）を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。タンク温度センサ９３は、第４燃料循環路１３１を流れ、主タンク１０に戻される燃料の温度（以下、「タンク燃料温度」という）を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。入口温度センサ９６は、主タンク１０から熱交換器８２に至る第１燃料循環路１０１を流れ、熱交換器８２に流入する直前の燃料の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。

外気温度センサ９４は、外気の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。クランク角センサ９５は、エンジン２のクランクシャフトに固定されたパルサの回転に応じて所定のクランク角ごとにパルス信号をＥＣＵ６へ出力する。エンジン２の回転数は、ＥＣＵ６では、クランク角センサ９５の出力に基づいてエンジン２の回転数が把握される。負圧センサ９７は、低圧室１２４内における負圧、すなわち大気圧と低圧室１２４内の圧力との差を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。

＜燃料蒸気処理システム４＞
燃料蒸気処理システム４は、キャニスタ４１と、キャニスタ４１と主タンク１０とを接続する主蒸気流路４２と、キャニスタ４１と副タンク１６とを接続する副蒸気流路４３と、キャニスタ４１とエンジン２の吸気ポート２７とを接続するパージ通路４５と、パージ通路４５を開閉するパージバルブ４６と、を備える。

主タンク１０内で発生した燃料蒸気であるガソリン蒸気は、二方弁４７が設けられた主蒸気流路４２を介してキャニスタ４１へ導入される。また、副タンク１６内で発生した燃料蒸気である分離蒸気は、二方弁４９が設けられた副蒸気流路４３を介してキャニスタ４１へ導入される。

キャニスタ４１は、大気通路４８を介して大気と連通しており、その内部はほぼ大気圧と等しくなっている。またキャニスタ４１は、活性炭素等の吸着剤を内蔵しており、この吸着剤にガソリン蒸気及び分離蒸気を吸着して保持させることによって、これら燃料蒸気が大気に放出されるのを防止する。エンジン２の運転中にパージバルブ４６を開くと、キャニスタ４１の吸着剤に保持されていた燃料は、大気通路４８を介して導入された空気によって脱離し、負圧状態となっている吸気ポート２７へ向けてパージ通路４５を介して導入され、燃焼される。

＜燃料噴射システム５＞
燃料噴射システム５は、エンジン２のシリンダ２３内に臨んで設けられたダイレクトインジェクタ５１と、エンジン２の吸気ポート２７内に臨んで設けられたポートインジェクタ５２と、主燃料通路５５を介して主タンク１０内に貯留された燃料をダイレクトインジェクタ５１へ圧送する主ポンプ５３と、副燃料通路５６を介して副タンク１６内に貯留された燃料をポートインジェクタ５２へ圧送する副ポンプ５４と、を備える。

ダイレクトインジェクタ５１は、主ポンプ５３によって供給された比較的低オクタン価の燃料を、エンジン２のシリンダ２３内に直接噴射する。ポートインジェクタ５２は、副ポンプ５４によって供給された比較的高オクタン価の燃料を、エンジン２の吸気ポート２７内に噴射する。

図３は、燃料ヒータユニットの流量制御弁の目標開度を設定する演算の手順を示すブロック図である。図３に示す演算は、１次側装置において燃料を循環させている間、すなわち燃料分離システムによって燃料を分離している間、ＥＣＵ６において実行される。なお、流量制御弁は、１次側装置において燃料を循環させていない間は全閉にされ、他のデバイス（図２参照）への冷却水の流量の低下を防止する。

図３に示すように、流量制御弁の目標開度V_wantは、伝熱演算部６１及び流量−開度演算部６２において膜前燃料温度に相関のある複数の因子に基づいて決定されたフィードフォワード入力V_ffと、ＰＩＤ演算部６３において膜前温度センサの出力に基づいて算出されたフィードバック補正V_fbとを合算することによって算出される。以下、各演算部６１〜６３における機能について説明する。

伝熱演算部６１は、膜前燃料温度に相関のある複数の因子に基づいて、膜前燃料温度が予め定められた目標温度T_memb_f_wantになるような冷却水の流量（以下、「要求冷却水流量」という）Q_LLC_wantを算出する。ここで、膜前燃料温度に相関のある複数の因子としては、例えば、冷却水の温度と、熱交換器に供給される燃料の温度と、熱交換器に供給される燃料の流量と、外気温度と、上記膜前燃料温度に対する目標温度の５つが挙げられる。

冷却水の温度は、熱交換器における燃料の加熱効率に相関がある。膜前燃料温度は、冷却水の温度が高くなるほど上昇する傾向がある。この冷却水の温度には、例えば水温センサの出力値TWが用いられる。
熱交換器に供給される燃料の温度は、熱交換器を通過した後の膜前燃料温度を目標温度にするために熱交換器において燃料に与えるべき熱量を把握するために必要な因子である。この熱交換器に供給される燃料の温度としては例えばタンク温度センサの出力値T_tank_f、すなわち熱交換器に供給される前の燃料であって、主タンク内に貯留されている燃料の温度が用いられる。

熱交換器に供給される燃料の流量は、熱交換器における燃料の加熱効率に相関がある。膜前燃料温度は、熱交換器に供給される燃料の流量が小さくなるほど高くなる傾向がある。この熱交換器に供給される燃料の流量には、例えば、熱交換器に燃料を圧送する循環ポンプの出力に基づいて推定された値Q_fが用いられる。
外気温度は、熱交換器における燃料の加熱効率の他、燃料が流れる配管内の燃料の放熱に相関がある。膜前燃料温度は、外気温度が高くなるほど上昇する傾向がある。この外気温度には、例えば外気温度センサの出力値TAが用いられる。
膜前燃料温度に対する目標温度は、熱交換器において燃料に与えるべき熱量を把握するために必要な因子である。この目標温度は、基本的には燃料分離システムを構成する装置の大きさに加えて、燃料分離システムを搭載した車両の状態及び外環境等に応じて図示しない処理によって定められる。より具体的には、目標温度は、例えば７０℃程度である。

伝熱演算部６１は、これら５つの入力(冷却水温度TW、タンク燃料温度T_tank_f、燃料流量Q_f、外気温度TA、目標温度T_memb_f_want)に基づいて予め定められたマップを検索することによって、実膜前燃料温度が目標温度T_memb_f_wantになるような要求冷却水流量Q_LLC_wantを決定する。

図４は、伝熱演算部における具体的な演算手順を示す図である。
伝熱演算部は、燃料流量Q_fを所定の基本流量Q_f_bsとし、外気温度TAを所定の基本外気温度TA_bsとした場合におけるタンク燃料温度T_tank_f及び冷却水温度TWと要求冷却水流量の基本値Q_LLC_want_bsとを関連付ける基本マップ（図４中、左側参照）を、目標温度T_memb_f_wantごとに備える。伝熱演算部は、複数の基本マップの中から、図示しない処理によって定められた目標温度T_memb_wantに対応するものを選択し（図４に示す例では、目標温度T_memb_f_want=X1℃とした、第１基本マップを選択した場合を示す）、この目標温度T_memb_f_wantに応じて選択した基本マップに基づいて、タンク燃料温度T_tank_f及び冷却水温度TWに応じた要求冷却水流量の基本値Q_LLC_want_bsを算出する。

伝熱演算部は、燃料流量Q_fと基本流量Q_f_bsとの差、及び外気温度TAと基本外気温度TA_bsとの差に基づいて、要求冷却水流量の基本値Q_LLC_want_bsを補正し、最終的な要求冷却水流量Q_LLC_wantを算出する。図４において、右側の上段に示すように、燃料流量Q_fが基本流量Q_f_bsより大きくなるほど、要求冷却水流量Q_LLC_wantは、基本値Q_LLC_want_bsより大きな値に補正される。また、燃料流量Q_fが基本流量Q_f_bsより小さくなるほど、要求冷却水流量Q_LLC_wantは、基本値Q_LLC_want_bsより小さな値に補正される。さらに、図４において右側の下段に示すように、外気温度TAが基本外気温度TA_bsより高くなるほど、要求冷却水流量Q_LLC_wantは、基本値Q_LLC_want_bsより小さな値に補正される。また、外気温度TAが基本外気温度TA_bsより低くなるほど、要求冷却水流量Q_LLC_wantは、基本値Q_LLC_want_bsより大きな値に補正される。

以上のようなタンク燃料温度T_tank_f及び冷却水温度TWと要求冷却水流量の基本値Q_LLC_want_bsとの関係を定めた基本マップの値や、燃料流量Q_f及び外気温度TAに応じた補正値の具体的な値は、膜前燃料温度に対する目標温度を具体的に定めた上で、予め実験を行うことによって定められる。

図３に戻って、流量−開度演算部６２は、エンジンの回転数NE及び冷却水温度TWに基づいて予め定められたマップを検索することにより、要求冷却水流量Q_LLC_wantを達成するために必要な流量制御弁の開度を算出し、これを基本開度V_ffとする。

図５は、要求冷却水流量Q_LLC_want、エンジン回転数NE、及び冷却水温度TWからなる３つの入力に基づいて基本開度V_ffを決定するマップの具体例である。
冷却回路において、冷却水を圧送するウォータポンプの出力は、エンジン回転数NEに概ね比例する。したがって、要求冷却水流量Q_LLC_wantに対しエンジン回転数NEが大きくなるほど、基本開度V_ffは小さくなる。

また、図５において一点鎖線で示すように、熱交換器が設けられた冷却水流路を流れる冷却水の基流量（流量制御弁の全開時における冷却水の流量）は、サーモスタットの状態や他のデバイスへの冷却水の流入状態、すなわち冷却水温度TWに応じて変化する。そこで流量−開度演算部では、図５に示すように、冷却水温度TWを４つの区間に分け、区間ごとに異なった態様で冷却水温度TWに応じた基本開度V_ffを算出する。第１区間は、サーモスタットが完全に閉じた状態に相当する。冷却水温度TWがこの第１区間内である場合、他の区間と比較して基流量が最も多くなる。第２区間は、サーモスタットが作動している過渡的な状態に相当する。第３区間は、サーモスタットが完全に開いた状態に相当する。第４区間は、サーモスタットが完全に開いた後であって、キャビテーションによって基流量が低下した状態に相当する。

図３に戻って、ＰＩＤ演算部６３は、ＰＩＤ演算によって膜前温度センサの出力値T_memb_fと膜前燃料温度の目標温度T_memb_f_wantとの偏差がなくなるような流量制御弁の開度に対する補正値V_fbを算出する。

目標開度V_wantは、以上のように膜前燃料温度に相関のある５つの因子に基づいて算出した基本開度V_ffと、膜前温度センサの出力に基づいて算出された補正値V_fbとを合算することによって算出される。これにより、実際の膜燃料温度を目標温度に速やかに収束させかつ目標温度との間で定常偏差が発生するのを防止できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。
例えば、図３の伝熱演算部６１における演算では、タンク温度センサの出力値T_tank_fを熱交換器へ供給される燃料の温度としたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、タンク温度センサ９３に替えて入口温度センサ９６の出力値を熱交換器へ供給される燃料の温度として、図３等の伝熱演算部６１の演算を行ってもよい。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、第１実施形態と同じ構成については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図６は、本実施形態に係るＥＣＵ６Ａにおいて、流量制御弁の目標開度を設定する演算の手順を示すブロック図である。

図６に示すように、ＰＩＤ演算部６３Ａは、ＰＩＤ演算によって膜前温度センサの出力値T_memb_fと膜前燃料温度の目標温度T_memb_f_wantとの偏差がなくなるような冷却水流量に対する補正値Q_LLC_fbを算出し、この補正値Q_LLC_fbと伝熱演算部６１の出力Q_LLC_ffとを合算したものを要求冷却水流量Q_LLC_wantとして流量−開度演算部６２に入力する。このように、ＰＩＤ演算部６３Ａによって補正する値を変えても、第１実施形態とほぼ同等の効果を得ることができる。

＜第３実施形態＞
次に本発明の第３実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、第１実施形態と同じ構成については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図７は、本実施形態に係るＥＣＵ６Ｂにおいて、流量制御弁の目標開度を設定する演算の手順を示すブロック図である。

上述のように第１実施形態の伝熱演算部６１では、予め定められたマップを利用することにより、５つの入力(冷却水温度TW、タンク燃料温度T_tank_f、燃料流量Q_f、外気温度TA、目標温度T_memb_f_want)に基づいて直接、実膜前燃料温度が目標温度T_memb_f_wantになるような要求冷却水流量Q_LLC_wantを決定した（図３及び４参照）。これに対し、図７に示す本実施形態の伝熱演算部６１Ｂでは、要求冷却水流量Q_LLC_wantを算出するステップを２つに分ける。

伝熱演算部６１Ｂは、始めに４つの入力(タンク燃料温度T_tank_f、燃料流量Q_f、外気温度TA、目標温度T_memb_f_want)に基づいて、予め設定されたマップや演算式を利用することにより、熱交換器に流入する燃料の温度をタンク燃料温度T_tank_fから目標温度T_memb_f_wantまで上昇させるために、熱交換器において燃料に与えるべき熱量（以下、「必要熱量」という）の基本値H_ffを算出する。

伝熱演算部６１Ｂは、次に算出した必要熱量の基本値H_ffと、後述のＰＩＤ演算部６３Ｂにおいて算出された必要熱量に対する補正値H_fbとを加算することによって、必要熱量H_wantを算出する。次に伝熱演算部６１Ｂは、算出した必要熱量H_wantと冷却水温度TWとに基づいて、予め定められたマップや演算式を利用することにより、熱交換器において冷却水から燃料へ必要熱量H_wantが与えられるような冷却水の流量を算出し、これを要求冷却水流量Q_LLC_wantとする。

ＰＩＤ演算部６３Ｂは、上述のように要求冷却水流量Q_LLC_wantを算出する過程において必要となる物理量である必要熱量に対する補正値H_fbを、膜前温度センサの出力値T_memb_fと目標温度T_memb_f_wantとの偏差に基づいて算出し、上述のように伝熱演算部６１Ｂへ入力する。以上のように、ＰＩＤ演算部６３Ｂによって補正する値を変えても、第１実施形態とほぼ同等の効果を得ることができる。

１…燃料分離システム
１０…主タンク（燃料タンク）
１２…分離器
１２２…分離膜
２…エンジン（内燃機関）
３…燃料供給装置
６，６Ａ，６Ｂ…ＥＣＵ（膜前燃料温度制御装置）
６３，６３Ａ，６３Ｂ…ＰＩＤ演算部（フィードバック制御器）
７…冷却回路（冷却水循環流路）
７５…サーモスタット
８…燃料ヒータユニット
８１…冷却水流路（バイパス流路）
８２…熱交換器（燃料ヒータ）
８３…流量制御弁（制御弁）
９２…膜前温度センサ（燃料温度センサ）

Claims (4)

1. 内燃機関の燃料を貯留する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから供給された燃料から高オクタン価燃料を透過させる分離膜と、
   前記機関の冷却水が流れる冷却回路に設けられ、当該冷却水と前記分離膜に供給される燃料との間で熱交換を行う燃料ヒータと、を備えた内燃機関の燃料供給装置であって、
   前記冷却回路は、前記機関を流路に含む主循環流路と、前記主循環流路に設けられた冷却水の温度に応じて開閉するサーモスタットと、前記主循環流路のうち前記サーモスタットより上流側と下流側とを接続するバイパス流路と、を備え、
   前記バイパス流路には、前記燃料ヒータと制御弁とが設けられ、
   前記冷却水の温度、前記燃料ヒータに供給される前の燃料の温度、前記燃料ヒータに供給される燃料の流量、外気の温度、及び前記分離膜に供給される前の燃料の温度に相当する膜前燃料温度に対する目標温度に基づいて、前記膜前燃料温度が前記目標温度になるような冷却水の流量を算出し、当該算出した冷却水の流量に基づいて前記制御弁の開度を制御する膜前燃料温度制御装置と、をさらに備えることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
2. 前記分離膜に供給される燃料の温度を検出する燃料温度センサをさらに備え、
   前記膜前燃料温度制御装置は、前記燃料温度センサの検出値と前記目標温度との偏差がなくなるように、前記膜前燃料温度が前記目標温度になるような前記冷却水の流量、当該冷却水の流量を算出するために必要となる物理量、又は前記制御弁の開度に対する補正値を算出するフィードバック制御器を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置。
3. 前記膜前燃料温度制御装置は、前記膜前燃料温度が前記目標温度になるように算出された冷却水の流量と、前記機関の回転数と、前記冷却水の温度とに基づいて、前記制御弁の目標開度を算出する目標開度算出手段を備え、
   前記目標開度算出手段は、前記冷却水の温度が所定温度より高い場合には当該温度が前記所定温度以下である場合よりも前記目標開度を小さくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料供給装置。
4. 前記所定温度は、前記サーモスタットが完全に閉じた状態から開き始める温度に相当することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料供給装置。

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