JP6122733B2

JP6122733B2 - 燃料消費量演算装置、燃料消費量演算プログラム及び燃料消費量測定装置

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Publication number: JP6122733B2
Application number: JP2013167426A
Authority: JP
Inventors: 将伸秋田; 中村　博司; 博司中村; 浅野　一朗; 一朗浅野
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-08-12
Also published as: JP2015036623A

Description

本発明は、エンジンの燃料消費量を測定する燃料消費量測定装置に関し、特に燃料消費量を算出する燃料消費量演算装置及び燃料消費量演算プログラムに関するものである。

燃費効率の向上は、車両の研究、開発において重要な課題の１つであり、さらなる改善のためにはエンジンの挙動と関連した瞬時の燃料消費量の計測が重要である。

燃料消費量の瞬時計測には、燃料流量計による直接計測が一般的である。ところが、完成車では、燃料流量計を用いた計測が困難である。また、燃料系の条件を乱すことなく、燃料流路に燃料流量計を設置するのは容易ではない。

このため、例えばＣＶＳ装置で希釈された排ガス中の各排ガス成分濃度から排出質量を求めて、その排出質量から燃料消費量を算出する方法（カーボンバランス法）が用いられている（例えば特許文献１）。ここで、カーボンバランス法は、排ガス中のＣＯ_２、ＣＯ、ＨＣの各成分に含まれる炭素量から燃料消費量を算出するものである。

しかしながら、ＣＶＳ装置で希釈された希釈排ガスをサンプリング流路により排ガス分析装置に導入して、排ガス中のＣＯ_２、ＣＯ、ＨＣの成分濃度を測定するものでは、サンプリング流路を通過して排ガス分析装置に導入されるまでに時間がかかり応答遅れが生じてしまう。例えば、燃料カットや電気駆動への切り替えが頻繁に行われる自動車の燃料消費量測定では、サンプリング流路によるガスのなまりによる応答遅れが特に顕著になるため、瞬時の燃料消費量の計測には適さない場合がある。

特開平２−２３４０２１号公報

ここで、本願発明者は、排ガス流路を流れる排ガスの流量及び当該排ガスの空燃比を直接測定し、それら排ガスの流量及び空燃比から燃料消費量を算出することで、燃料消費量の瞬時計測することを考えている。この燃料消費量の算出には、前記排ガスの流量及び前記空燃比の他に、排ガス密度が用いられる。

ところで、燃料消費量の算出に用いる排ガス密度は燃料の種類によって決まる一定値を用いることが考えられる。なぜなら、空燃比がリーン領域に含まれる場合には排ガス密度が殆ど変化しないため、一定値を用いることによる影響は実用上無視できると考えられているからである。また、エンジンや自動車の燃料消費量測定において、特に定常運転時では、通常、空燃比のほとんどがリーン領域に含まれるからである。

しかしながら、排ガス密度は、空燃比がリッチ領域に含まれる場合には空燃比に伴って変化し、また、エンジンや自動車の燃料消費量測定において負荷条件によっては空燃比がリッチ領域に含まれることがある。この場合において、上記の通り排ガス密度に一定値を用いてしまうと、燃料消費量の測定誤差となってしまう。

そこで、本発明は、排ガス流路を流れる排ガスの流量及び当該排ガスの空燃比を直接測定し、それら排ガスの流量及び空燃比から燃料消費量を算出するものにおいて、燃料消費量の測定誤差を低減することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る燃料消費量演算装置は、エンジンの排ガスが流れる排ガス流路に設けられた流量センサにより得られた排ガス流量と、前記排ガス流路に設けられた空燃比センサにより得られた空燃比とを用いて前記エンジンの燃料消費量を算出するものであり、前記空燃比センサにより得られた空燃比に基づいて、前記燃料消費量の算出に用いる排ガス密度を変更することを特徴とする。
また本発明に係る燃料消費量演算プログラムは、エンジンの排ガスが流れる排ガス流路に設けられた流量センサにより得られた排ガス流量と、前記排ガス流路に設けられた空燃比センサにより得られた空燃比とを用いて前記エンジンの燃料消費量を算出するものであり、前記空燃比センサにより得られた空燃比に基づいて、前記燃料消費量の算出に用いる排ガス密度を変更することを特徴とする。

このようなものであれば、燃料消費量の算出に用いる排ガス密度を、空燃比センサにより得られた空燃比に基づいて変更しているので、エンジンの燃料消費量の測定誤差を低減することができる。また、流量センサ及び空燃比センサにより、排ガス流路を流れる排ガスの流量及び空燃比を直接測定するものであり、従来のサンプリング流路を設けることにより生じていた応答遅れを解消することができる。これらにより、エンジンの燃料消費量を高応答速度且つ高精度で測定することができる。また、直接測定であるため、従来のサンプリング流路を不要にすることで配管構成を簡略化することができる。さらに、ＣＶＳ装置等の希釈装置が不要になるため、測定装置を小型化することができる。その上、これらにより装置のコストを削減することもできる。

空燃比が理論空燃比（ストイキオメトリー）よりも大きい領域（リーン領域）では燃料の種類毎に、排ガス密度は略一定であり、空燃比が理論空燃比よりも小さい領域（リッチ領域）では排ガス密度は空燃比に伴って変化する。このため、前記燃料消費量演算装置又は前記燃料消費量演算プログラムが、前記空燃比がリッチ領域に含まれる場合に、前記排ガス密度を空燃比に基づいて変更し、前記空燃比がリーン領域に含まれる場合に、前記排ガス密度として所定の一定値を用いることが望ましい。

ここで、空燃比がリッチ領域に含まれる場合に排ガス密度の空燃比に基づいて変更する方法としては、（１）リッチ領域における空燃比と排ガス密度との関係式を示す関係式データを演算装置のメモリに格納しておき、前記空燃比センサにより得られた空燃比がリッチ領域であると判断した場合に、当該空燃比を前記関係式に代入して、当該空燃比に対応する排ガス密度を算出する、又は、（２）リッチ領域における各空燃比と当該各空燃比に対応する排ガス密度との一覧表を示す表データを演算装置のメモリに格納しておき、前記空燃比センサにより得られた空燃比がリッチ領域であると判断した場合に、当該空燃比に対応する排ガス密度を前記一覧表から導出する、等が考えられる。

また本発明に係る燃料消費量測定装置は、エンジンの燃料消費量を測定する燃料消費量測定装置であって、前記エンジンから排出される排ガスが流れる排ガス流路に設けられて、当該排ガス流路を流れる排ガスの流量を測定する流量センサと、前記流量センサにより得られた排ガス流量及び前記排ガス流路に設けられた空燃比センサにより得られた空燃比を用いて、前記エンジンの燃料消費量を算出する演算装置とを備え、前記演算装置が、前記空燃比センサにより得られた空燃比に基づいて、前記燃料消費量の算出に用いる排ガス密度を変更することを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、燃料消費量の算出に用いる排ガス密度を、空燃比センサにより得られた空燃比に基づいて変更しているので、燃料消費量の測定誤差を低減することができる。

本実施形態の燃料消費量測定装置の構成を模式的に示す図。同実施形態の具体的な装置構成を示す模式図。同実施形態の整流板の構成を示す正面図及び側面図。本実施形態の燃料消費量測定装置によるリアルタイム計測とダイリュートストリーム法によるリアルタイム計測との結果等を示す図（コールドスタートフェーズの場合）。本実施形態の燃料消費量測定装置によるリアルタイム計測とダイリュートストリーム法によるリアルタイム計測において、０秒〜１００秒までの燃料消費量の計測結果を示す図（コールドスタートフェーズの場合）。本実施形態の燃料消費量測定装置によるリアルタイム計測とダイリュートストリーム法によるリアルタイム計測との結果等を示す図（トランジェントフェーズにて燃料カット直後に急加速した場合）。空燃比と排ガス密度との関係を示すグラフ。変形実施形態の燃料消費量測定装置の構成を模式的に示す図。

以下に本発明に係る燃料消費量測定装置について図面を参照して説明する。

本実施形態の燃料消費量測定装置１００は、エンジンの燃料消費量（例えば燃費又は燃料消費率）を測定するものであり、図１に示すように、エンジンから排出される排ガスを流す排ガス流路Ｒに設けられて、当該排ガス流路Ｒを流れる排ガスの流量Ｑ_ＥＸを直接測定する流量センサ２と、前記排ガス流路Ｒに設けられて、当該排ガス流路Ｒを流れる排ガスの空燃比ＡＦＲを直接測定する空燃比センサ３と、前記流量センサ２により得られた排ガス流量Ｑ_ＥＸ及び前記空燃比センサ３により得られた空燃比ＡＦＲを用いて、エンジンの燃料消費量Ｆｅを算出する燃料消費量演算装置４（以下、単に演算装置４という。）とを備えている。なお、排ガス流路Ｒには、エンジンに接続された排気管（不図示）が接続されており、エンジンから排出される排ガスの全量を受け取るように構成されている。

本実施形態の流量センサ２は、超音波流量センサである。この超音波流量センサ２は、排ガス流路Ｒの流路方向に対して傾斜するように互いに対向して配置された対をなす第１超音波送受信器２１及び第２超音波送受信器２２とを有している。これら対をなす超音波送受信器２１、２２は、排ガス流路Ｒを形成する排ガス流通管Ｒ１の管壁に取り付けられている。なお、超音波送受信器２１、２２の近傍には、排ガス温度を検出する温度センサ６及び排ガス圧力を検出する圧力センサ７が設けられている。

また、超音波流量センサ２は、一方の超音波送受信器２１（又は２２）に送信信号を出力するとともに、他方の超音波送受信器２２（又は２１）から受信信号を取得することで超音波パルスの伝播時間を検出し、排ガス流速及び排ガス流量を算出する演算部２３を備えている。なお、この演算部２３の機能を後述する演算装置４に備えさせても良い。

具体的に演算部２３は、以下の式により、排ガスの流量を算出する。

ここで、ｖ（ｔ）は、排ガス流速［ｍ／ｓ］であり、Ｔ_ｄｎは、下流方向への超音波の伝播時間［ｓ］であり、Ｔ_ｕｐは、上流方向への超音波の伝播時間［ｓ］であり、Ｌは、送受信器間の距離［ｍ］であり、φは、流れ方向と超音波伝播軸との角度［°］である。

このようにして得られた排ガス流速ｖ（ｔ）と排ガス流路Ｒの断面積を用いて、演算部２３は、標準状態におけるガスの体積流量を以下の式により算出する。

ここで、ｑ_ＥＸ（ｔ）は、時間ｔにおける標準状態の排ガス体積流量［ｍ^３／ｍｉｎ］であり、ｋ_{ｐｒｏｆｉｌｅ}は、排ガス流通管Ｒ１内の速度分布による補正係数であり、Ａは、排ガス流通管Ｒ１の断面積［ｍ^２］であり、Ｔ_０は、標準温度（＝２９３．１５）［Ｋ］であり、Ｔ_ＥＸ（ｔ）は、排ガス温度［Ｋ］であり、ｐ_ＥＸ（ｔ）は、排ガス圧力［ｋＰａ］であり、ｐ_０は、標準圧力（＝１０１．３）［ｋＰａ］である。

前記空燃比センサ３は、排ガス流路Ｒにおいて超音波流量センサ２の下流側に挿入して設けられる直挿型のものである。この空燃比センサ３は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）固体電解質体の両面に電極を設け、その両面における酸素濃度差に応じた起電力を検出するジルコニア式センサである。具体的に空燃比センサ３は、前記ジルコニア固体電解質、前記電極及び前記固体電解質を加熱するためのヒータ等が内蔵されたセンシング部３１と、前記起電力から排ガス中の酸素濃度を測定して、当該酸素濃度から空燃比ＡＦＲを算出する演算部３２を備えている。なお、この演算部３２の機能を後述する演算装置４に備えさせても良い。

本実施形態の具体的な装置構成は、図２に示すように、排ガス導入ポートＰ１及び排ガス導出ポートＰ２が設けられた筐体５と、当該筐体５の内部に設けられて、各ポートＰ１、Ｐ２を連通して排ガス流路Ｒを構成する測定用流路Ｒｘとを備えている。

本実施形態では、排ガス導入ポートＰ１、排ガス導出ポートＰ２及び測定用流路Ｒｘが、例えばステンレス製の直管部材８により構成されている。そして、この直管部材８により構成される排ガス導入ポートＰ１は、筐体５の一方の側壁から外部に延出して設けられており、排ガス導出ポートＰ２は、筐体５の他方の側壁から外部に延出して設けられている。また、直管部材８の外周の略全体には、ヒータＨが設けられている。このヒータＨにより、直管部材８を流れる排ガスの温度が一定となるように加熱されて、排ガスに含まれる成分の凝集を防ぎ、超音波流量センサ２により正確に排ガス流量を測定できるように構成している。なお、排ガス導入ポートＰ１には、エンジンに接続された排気管（不図示）が接続されており、エンジンから排出される排ガスの全量を受け取るように構成されている。

そして、筐体５の内部の測定用流路Ｒｘに、前記超音波流量センサ２が設けられている。つまり、超音波流量センサ２は、筐体５の内部に収容されている。具体的には、筐体５の内部において直管部材８の側壁に、超音波流量センサ２の超音波送受信器２１、２２が差し込まれて固定されている。詳細には、直管部材８の側壁に超音波送受信器２１、２２を差し込むための差し込み孔８１が形成されており、超音波送受信器２１、２２が、Ｏリング等の絶縁性を有する樹脂製の絶縁部材９を介して差し込み孔に固定されている。つまり、超音波送受信器２１、２２の外側周面と差し込み孔８１の内側周面との間に前記絶縁部材９が位置している。これにより、超音波送受信器２１、２２と直管部材８とを絶縁させることができ、直管部材８から超音波送受信器２１、２２に電気ノイズが伝わることを防ぐことができ、電気ノイズにより測定誤差を低減することができる。

また、排ガス流路Ｒにおける超音波流量センサ３の上流側に整流板ＦＣが設けられている。具体的には、排ガス導入ポートＰ１又はその近傍の所定範囲に整流板ＦＣが設けられている。この整流板ＦＣは、超音波流量センサ２に流入する排ガスの流れを整流して、超音波流量センサ２に流入する排ガスの流速分布の乱れを解消するものである。整流板ＦＣを設けることで、正確に排ガス流量を測定することができる。

この整流板ＦＣは、図３に示すように、排ガス流路Ｒを周方向に沿って複数に分割する複数の羽根ＦＣ１ｘを有する本体ＦＣ１と、当該本体ＦＣ１の両端面にそれぞれ設けられた端面板ＦＣ２とを備えている。

本体ＦＣ１は、前記複数の羽根ＦＣ１ｘを周方向に等間隔に有している。本実施形態の本体ＦＣ１は、複数の羽根ＦＣ１ｘの一辺部を接続することにより構成されている。また、各羽根ＦＣ１ｘは、概略矩形状をなすものであり、複数の貫通孔ＦＣ１ｈが形成されている。

端面板ＦＣ２は、前記本体ＦＣ１の両端面（上流側端面及び下流側端面）に設けられた概略円形状をなすものである。本実施形態の端面板ＦＣ２は、その周縁部に周方向に沿って規則正しく例えば三角波状をなす凹凸形状が形成されている。

また、排ガス導出ポートＰ２に、前記空燃比センサ３が設けられている。具体的には、空燃比センサ３のセンシング３１が、排ガス導出ポートＰ２の管壁から排ガス流路Ｒの内部に挿入して設けられている。一方、空燃比センサ３の演算部３２は、筐体５の内部に収容されている。そして、センシング部３１から延出されたケーブルＣは、前記筐体５内に収容された演算部３２に接続するための接続コネクタＣ１に接続されている。この接続コネクタＣ１は、筐体５の側壁に設けられている。このように空燃比センサ３が筐体５の外部に設けられており、且つ接続コネクタＣ１により着脱可能に構成されているので、空燃比センサ３の交換作業を容易にすることができる。また、筐体５の側壁には、空燃比センサ３の設定パラメータを入力するための入力パネル等の入力部３３が設けられている。設定パラメータとしては、例えば、空燃比センサ毎に定められるセンサ定数やその他の空燃比測定に必要なパラメータである。このように筐体５の側壁に入力部３３を設けているので、空燃比センサ３を設置又は交換した後に、その場で、空燃比センサ３の設定パラメータを入力することができる。つまり、空燃比センサ３の交換作業及び空燃比センサ３の設定パラメータの入力作業を同一場所で行うことができ、ユーザの使い勝手を向上させることができる。

ここで、超音波流量センサ２を測定用流路Ｒｘに設け、空燃比センサ３を排ガス導出ポートＰ２に設けているので、超音波流量センサ２及び空燃比センサ３が、排ガス流路Ｒにおいて略同一の場所である近距離に設けられているため、それぞれの計測の時間差を生じず、前記排ガスの組成が変化しない範囲内に設けられることになる。つまり、車両のエンジンの排ガス出口付近にも空燃比センサ（不図示）が設けられており、この値を用いて燃料消費量を算出することもできるが、この場合、エンジン下流には触媒などが存在し、排ガスの溜まりが生じるため、テールパイプから排出された排ガスを超音波流量センサ２で計測した排ガス流量値と、車両内部の空燃比センサを用いて計測した空燃比の値との間には時間差が生じることになる。そこで、本実施形態では空燃比センサ３を超音波流量センサ２の近傍に設けることにより時間差を生じることによる計測誤差をなくし、正確な瞬時の燃料消費量を求めることが可能となる。さらに、本実施形態では、超音波流量センサ２の下流側、つまり排ガス導出ポートＰ２に空燃比センサ３を設けることが好ましい。なぜなら、空燃比センサ３を超音波流量センサ２の上流側つまり、排ガス導入ポートＰ１に設ける場合、空燃比センサ３が抵抗体となり、排ガスの流速分布に乱れが生じ、超音波流量センサ２の計測値の誤差要因となってしまう。空燃比センサ３を超音波流量センサ２の下流側に設けることでこのような流速のムラを生じることなく、正確に排ガス流量を測定できる、さらに好ましくは、排ガス流路Ｒの流路径をＤとしたときに、超音波流量センサ２の上流に、その距離（長さ）が１０Ｄ（Ｄの１０倍）以上のまっすぐな直管を設けることが好ましい。なぜなら超音波流量センサ２の上流側の近い場所に曲がった管を設けると、流速分布にムラが生じ、超音波流量センサ２の計測値の誤差要因となるからである。なお、前記直管は、直管部材８により構成されている。

さらに、筐体５の内部には、演算装置４が収容されている。この演算装置４は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス、ＡＤ変換器等を備えた専用乃至汎用のコンピュータである。そして、演算装置４は、メモリに格納された燃料消費量演算プログラムに従って燃料消費量算出部４１及び関係データ格納部４２等の機能を発揮する。

燃料消費量算出部４１は、超音波流量センサ２から排ガス流量Ｑ_ＥＸを示す排ガス流量データを取得するとともに、空燃比センサ３から空燃比ＡＦＲを示す空燃比データを取得する。そして燃料消費量算出部４１は、超音波流量センサ２により得られた排ガス流量Ｑ_ＥＸと空燃比センサ３により得られた空燃比ＡＦＲとを用いて以下の式により、瞬時燃料消費量Ｆｅ（ｔ）を算出する。

ここで、Ｆｅ（ｔ）は、時間ｔにおける燃料消費率［ｇ／ｓ］であり、Ｑ_ＥＸ（ｔ）は、時間ｔにおける標準状態（温度２９３．１５Ｋ、圧力１０１．３ｋＰａ）の排ガス流量［Ｌ／ｍｉｎ］であり、ＡＦＲ（ｔ）は、時間ｔにおける空燃比であり、Ｄ_ＥＸは、排ガス密度［ｋｇ／ｍ^３］である。

なお、燃料消費量算出部４１は、上記の式により算出した瞬時燃料消費量Ｆｅ（ｔ）を表示部（不図示）に表示する、或いは、燃料消費量測定装置１００を制御する上位制御装置に出力する。その他、演算装置４は、燃料消費量算出部４１により得られた瞬時燃料消費量Ｆｅ（ｔ）を紙に印字する等の出力部を有するものであっても良い。

また、本実施形態においては、直管部材８が防振機構１０を介して筐体５に取り付けられている。具体的には、直管部材８を下側から支持する支持部材１１と筐体５との間に防振機構１０が設けられている。この防振機構１０は、支持部材１１の下面と、筐体５の底面との間に設けられた防振ゴム１０１により構成されている。この防振ゴム１０１により、排気管からの振動を受けて直管部材８が振動しても、その振動が筐体５には伝わり難い。これにより、筐体５に取り付けられた演算処理装置（例えば演算部２３、演算部３２及び演算装置４）等の機器に及ぼす振動影響を低減することができる。また、直管部材８は、排気管の振動に対して管全体で振動するので、直管部材８に設けられた超音波流量センサ２の超音波送受信器２１、２２の相対位置関係が変わらず、排ガス流量の測定誤差を抑制することができる。
なお、上記構成により、直管部材８が排気管とともに振動する構成であるため、直管部材８が、振動して筐体５の側壁開口部５１、５２に接触しないように、筐体５の側壁開口部５１、５２の開口径を、直管部材８の外径よりも大きくしている。

さらに、前記防振ゴム１０１が、筐体５と直管部材８との間で絶縁機能を発揮するため、筐体５から直管部材８を介して超音波送受信器２１、２２に電気ノイズが伝わることを防ぐことができ、電気ノイズにより測定誤差を低減することができる。

次に、ＦＴＰ−７５サイクルのコールドスタートフェーズ（Ｃｏｌｄｓｔａｒｔｐｈａｓｅ）における、本実施形態の燃料消費量測定装置１００を用いたリアルタイム計測の結果と、ダイリュートストリーム法により排ガス流量を求め、その値を用いてカーボンバランス法により燃料消費量を求めたリアルタイム計測の結果とを図４及び図５に示す。なお、ダイリュートストリーム法とは、ＣＶＳで希釈したガス濃度と希釈後の流量から排ガス重量（流量）を求める計測手法であり、このダイリュートストリーム法を用いて求めた排ガス流量と、ＣＶＳ装置で希釈した排ガスを排ガス分析装置により連続測定して得られた各成分の濃度値からカーボンバランス法を用いて燃料消費量を求めている。

図４（１）は、ダイリュートストリーム法（従来法）を用いた計測結果を示し、図４（２）は、本実施形態の燃料消費量測定装置を用いた計測結果を示し、図４（３）は、空燃比計により得られたＡＦＲを示し、図４（４）は、車速を示している。また、図５（１）は、従来法における０秒〜１００秒までの燃料消費量の計測結果を示し、図５（２）は、本実施形態における０秒〜１００秒までの燃料消費量の計測結果を示している。

図５（１）から分かるようにダイリュートストリーム法では、始動直後の小流量時にガスの遅れが顕著であり、燃料消費量の立ち上がりがなまっていることが分かる。一方で、図５（２）から分かるように本実施形態の燃料消費量測定装置では、始動直後の小流量時であっても立ち上がりが急峻であり、応答遅れが低減されていることが分かる。また、燃料カット時においては、燃料消費率はほぼゼロになるはずであるが、ダイリュートストリーム法では、応答遅れが表われていることが分かる（図４（１）参照）。一方で、本実施形態の燃料消費量測定装置では、燃料消費率が燃料カット時とほぼ同時にほぼゼロとなっていることが分かる（図４（２）参照）。

次に、ＦＴＰ−７５サイクルのトランジェントフェーズ（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＰｈａｓｅ）にて燃料カット直後に急加速した場合における、本実施形態の燃料消費量測定装置を用いたリアルタイム計測の結果とダイリュートストリーム法（従来法）によるリアルタイム計測の結果とを図６に示す。

図６（１）は、空燃比計により得られたＡＦＲ及びＣＶＳによる希釈前の排ガスに含まれるＣＯ_２計により得られたＣＯ_２濃度を示し、図６（２）は、本実施形態の燃料消費量測定装置を用いた計測結果、及び、ダイリュートストリーム法により排ガス流量を求め、その値を用いてカーボンバランス法により燃料消費量を求めたを用いた計測結果を示し、図６（３）は、エンジンの回転数［ｒｐｍ］を示し、図６（４）は、車速を示している。

この図６は、カーボンバランス法による燃料消費量の算出において、ＣＯ_２重量の寄与度が非常に高く、ひいてはＣＯ_２濃度が大きな影響を及ぼすことを示している。つまり、図６（１）のＡＦＲを見ると、減速時に燃料カットが行われている際は、ＡＦＲが急激に上昇し、リーン状態になっている。エンジン回転数と車速が上昇し始めると燃料カットを停止し、ＡＦＲはストイキ（理論空燃比）状態に戻る。ダイリュートストリーム法では、ガス遅れのために燃料カットが停止されて加速が始まっているにも関わらず、ＣＯ_２濃度が低下したままである。このため、瞬時燃料消費量にもガス応答遅れの影響が現れており、本実施形態の燃料消費量測定装置の間に差異が表われている。そして、本実施形態の燃料消費量測定装置とダイリュートストリーム法とを比較した場合、本実施形態の燃料消費量測定装置の方が、より正確に瞬時燃焼消費量を測定できる。

このように本実施形態では、超音波流量センサ２及び空燃比センサ３により、排ガス流路Ｒを流れる排ガスの流量及び空燃比を直接且つ同時に測定するものであり、従来のサンプリング流路を設けることにより生じていた応答遅れを解消することができ、また、各センサ２、３の遅延時間や応答速度の差を考慮する必要が無い。これにより、エンジンの燃料消費量を高応答速度且つ高精度で測定することができる。また、超音波流量センサ２を用いているので、当該超音波流量センサ２を設けることによる圧力損失が無く、小流量から大流量に亘って計測精度が高く、また、脈動に対しても影響が少ない。これによっても、燃料消費量を高精度に測定することができる。さらに、直接測定であるため、従来のサンプリング流路を不要にすることで配管構成を簡略化することができ、また、ＣＶＳ装置等の希釈装置が不要になるため、測定装置を小型化することができる。その上、これらにより装置のコストを削減することもできる。

しかして本実施形態の燃料消費量算出部４１は、前記空燃比センサ３により得られた空燃比ＡＦＲに基づいて、前記燃料消費量Ｆｅの算出に用いる排ガス密度Ｄ_ＥＸを変更して、燃料消費量Ｆｅを算出する。

ここで、前記排ガス密度Ｄ_ＥＸは、図７に示すように、空燃比ＡＦＲが理論空燃比（ストイキオメトリー）よりも大きい領域（リーン領域）では略一定であり、空燃比ＡＦＲが理論空燃比よりも小さい領域（リッチ領域）では空燃比ＡＦＲに伴って変化する。このため、燃料消費量算出部４１は、前記空燃比ＡＦＲがリッチ領域に含まれる場合に、前記空燃比ＡＦＲに基づいて排ガス密度Ｄ_ＥＸを変更し、前記空燃比ＡＦＲがリーン領域に含まれる場合に、前記排ガス密度Ｄ_ＥＸとして所定の一定値を用いる。

具体的に燃料消費量算出部４１は、空燃比センサ３から得られる空燃比ＡＦＲと理論空燃比とを比較して、前記空燃比ＡＦＲが理論空燃比よりも小さい場合に、当該空燃比ＡＦＲを用いて排ガス密度Ｄ_ＥＸを変更する。

演算装置４の関係データ格納部４２には、リッチ領域における空燃比ＡＦＲと排ガス密度Ｄ_ＥＸとの関係を示す関係データが格納されている。関係データとしては、例えば、（１）リッチ領域における空燃比ＡＦＲと排ガス密度Ｄ_ＥＸとの関係式を示す関係式データ、又は（２）リッチ領域における各空燃比ＡＦＲと当該各空燃比ＡＦＲに対応する排ガス密度Ｄ_ＥＸとの一覧表を示す表データ等が考えられる。これらの関係データは、図示しない入力手段を用いて予め格納される。

なお、リッチ領域における空燃比ＡＦＲと排ガス密度Ｄ_ＥＸとの関係は、燃料の種類によって異なるため、前記関係データ格納部４２には、燃料の種類毎に、前記関係データが格納されている。このように関係データ格納部４２に燃料の種類毎に関係データが格納されている場合、例えば、燃料消費量測定を行うエンジン又は自動車に使用されている燃料の種類を、ユーザが入力手段を用いて入力することによって、燃料消費量算出部４１は、その入力された燃料の種類に対応する関係データを用いて排ガス密度Ｄ_ＥＸを変更する。

このように構成した演算装置４において、燃料消費量算出部４１は、空燃比センサ３により得られた空燃比ＡＦＲがリッチ領域であると判断した場合に、前記関係式又は前記一覧表を用いて前記空燃比ＡＦＲにおける排ガス密度Ｄ_ＥＸ（変数）を決定し、この排ガス密度Ｄ_ＥＸ（変数）と、前記排ガス流量Ｑ_ＥＸと、前記空燃比ＡＦＲとから前記燃焼消費量Ｆｅを算出する。一方、燃料消費量算出部４１は、空燃比センサ３により得られた空燃比ＡＦＲがリーン領域であると判断した場合に、所定の一定値である排ガス密度Ｄ_ＥＸ（定数）と、前記排ガス流量Ｑ_ＥＸと、前記空燃比ＡＦＲとから前記燃焼消費量Ｆｅを算出する。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る燃料消費量測定装置１００によれば、燃料消費量Ｆｅの算出に用いる排ガス密度Ｄ_ＥＸを、空燃比センサ３により得られた空燃比ＡＦＲに基づいて変更しているので、エンジンの燃料消費量Ｆｅの測定誤差を低減することができる。また、超音波流量センサ２及び空燃比センサ３により、排ガス流路Ｒを流れる排ガス流量Ｑ_ＥＸ及び空燃比ＡＦＲを直接且つ同時に測定するものであり、従来のサンプリング流路を設けることにより生じていた応答遅れを解消することができ、また、各センサ２、３の遅延時間や応答速度の差を考慮する必要が無い。これらにより、エンジンの燃料消費量Ｆｅを高応答速度且つ高精度で測定することができる。

また、超音波流量センサ２を用いているので、当該超音波流量センサ２を設けることによる圧力損失が無く、小流量から大流量に亘って計測精度が高く、また、脈動に対しても影響が少ない。これによっても、燃料消費量Ｆｅを高精度に測定することができる。

さらに、直接測定であるため、従来のサンプリング流路を不要にすることで配管構成を簡略化することができ、また、ＣＶＳ装置等の希釈装置が不要になるため、測定装置を小型化することができる。その上、これらにより装置のコストを削減することもできる。

＜その他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、演算装置４が空燃比ＡＦＲがリッチ領域に含まれる場合にのみ排ガス密度Ｄ_ＥＸを変更するものであったが、リーン領域においても排ガス密度Ｄ_ＥＸを空燃比に基づいて変更するものであっても良い。

また、前記実施形態では、関係データ格納部に予め求めた空燃比と排ガス密度との関係データを格納するように構成しているが、燃料消費量算出部４１が、空燃比センサにより得られた空燃比から各成分濃度を推定して排ガス密度を算出し、当該算出した排ガス密度を用いて燃料消費量を算出するように構成しても良い。

また、前記実施形態の流量センサ２は、超音波流量センサであったが、その他、差圧式流量センサ、熱式流量センサ、コリオリ式流量センサ等の種々の流量センサを用いることができる。

さらに、前記実施形態では、空燃比センサ３が、流量センサ２の下流側に設けられているが、流量センサ２の上流側に設けても良い。また、車両のエンジン排気出口付近に備えられている空燃比センサからの信号を演算装置４が受け取り、燃料消費量Ｆｅを算出するようなものであってもよい。

その上、前記実施形態では、空燃比センサが、超音波流量センサの下流側である筐体の排ガス導出ポートに設けられているが、筐体の排ガス導入ポートなどの超音波流量センサの上流側に設けても良い。また、車両のエンジン排気出口付近に備えられている空燃比センサからの信号を演算装置４が受け取り、燃料消費量を算出するようなものであってもよい。

また、前記実施形態では、演算装置４が筐体５内に設けられたものであったが、演算装置４が筐体５の外部に設けられたものであっても良い。この場合、筐体５の内部には、外部に設けられた演算装置４との間でデータの送受信を行う有線又は無線の送受信機器を設けることが考えられる。例えば、送受信機器は、超音波流量センサの検出信号及び空燃比センサの検出信号を演算装置５に送信する。

また、前記実施形態の燃料消費量測定装置が、筐体によりユニット化されたものであったが、ユニット化されていないものであっても良い。

さらに、前記燃料消費量測定装置１００が、図８に示すように、排ガス流路Ｒを流れる排ガスに含まれる所定の測定対象成分を分析する排ガス分析装置１２を備えたものであっても良い。そして、排ガス分析装置１２の演算部が、得られた成分濃度と、超音波流量センサ３により得られた排ガス流量とを用いて、測定対象成分の排出質量を算出する。これならば、超音波流量センサ３を燃料消費量計測及び排出質量計測（マス計測）の両方に兼用することができる。なお、排ガス分析装置１２の演算部では無く、燃料消費量測定装置１００の演算装置４が、排ガス分析装置１２により得られた成分濃度と、超音波流量センサ３により得られた排ガス流量とを用いて、測定対象成分の排出質量を算出しても良い。

ここで、排ガス分析装置１２が、排ガス流路Ｒにおいて超音波流量センサ３の上流側を流れる排ガスに含まれる測定対象成分を測定することが望ましい。具体的には、排ガス流路Ｒを流れる排ガスの一部を採取して排ガス分析装置１２に導入するサンプリング配管１３が、超音波流量センサ３の上流側に接続されている。なお、サンプリング配管１３を用いて排ガスをサンプリングする構成の場合には、演算装置４は、サンプリング配管１３を流れるサンプリング流量を用いて、超音波流量センサ３により得られた排ガス流量を補正することが望ましい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・燃料消費量測定装置
Ｅ・・・エンジン
Ｒ・・・排ガス流路
２・・・流量センサ
３・・・空燃比センサ
４・・・演算装置
４１・・・燃料消費量算出部
４２・・・関係データ格納部

Claims

エンジンの排ガスが流れる排ガス流路に設けられた流量センサにより得られた排ガス流量、前記排ガス流路に設けられた空燃比センサにより得られた空燃比、及び排ガス密度を用いて前記エンジンの燃料消費量を算出するものであり、
前記空燃比センサにより得られた空燃比に基づいて、前記燃料消費量の算出に用いる排ガス密度を変更することを特徴とする燃料消費量演算装置。
前記空燃比がリッチ領域に含まれる場合に、前記排ガス密度を変更し、
前記空燃比がリーン領域に含まれる場合に、前記排ガス密度として所定の一定値を用いる請求項１記載の燃料消費量演算装置。
エンジンの燃料消費量を測定する燃料消費量測定装置であって、
前記エンジンから排出される排ガスが流れる排ガス流路に設けられて、当該排ガス流路を流れる排ガスの流量を測定する流量センサと、
前記流量センサにより得られた排ガス流量、前記排ガス流路に設けられた空燃比センサにより得られた空燃比及び排ガス密度を用いて、前記エンジンの燃料消費量を算出する演算装置とを備え、
前記演算装置が、前記空燃比センサにより得られた空燃比に基づいて、前記燃料消費量の算出に用いる排ガス密度を変更することを特徴とする燃料消費量測定装置。
エンジンの排ガスが流れる排ガス流路に設けられた流量センサにより得られた排ガス流量、前記排ガス流路に設けられた空燃比センサにより得られた空燃比及び排ガス密度を用いて前記エンジンの燃料消費量を算出するものであり、
前記空燃比センサにより得られた空燃比に基づいて、前記燃料消費量の算出に用いる排ガス密度を変更することを特徴とする燃料消費量演算プログラム。