JPH0750099B2

JPH0750099B2 - 内燃機関の燃料性状検出装置

Info

Publication number: JPH0750099B2
Application number: JP62246561A
Authority: JP
Inventors: 翔一鷲野; 悟大久保
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-09-29
Filing date: 1987-09-29
Publication date: 1995-05-31
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: KR890005511A; KR900005615B1; DE3833123C2; DE3833123A1; JPS6488153A; US4905649A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、内燃機関に供給するガソリン中に混入され
たアルコールなどの燃料の性状を検出する内燃機関の燃
料性状検出装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の燃料性状を検出する装置の例としては種々のもの
があるが、それらの大部分はいわゆるアルコールセンサ
を用いる方法である。したがって、後述するこの発明の
ようにアルコールセンサを用いない方法の従来例は、ほ
とんど見当たらない。

そこで、本来は点火時期制御に関する発明であるが、こ
の発明の技術内容に近い燃料性状を検出する方法の例と
して、ここでは、特開昭59−3175号公報、特公昭57−61
897号公報に開示されたものを例にとり説明する。

第７図は、従来の燃料性状検出方法に適用される燃料性
状検出装置のブロック図を示し、第８図は、従来の燃料
性状検出方法に適用される主要構成図を示している。こ
の第８図において、５は機関のシリーダーブロック、22
はシリンダーブロック５に取り付けられたノックセン
サ、11は点火プラグ、24はディストリビュータ、25〜27
はクランク角センサ、15は制御装置、４は吸気マニホー
ルド、12はエアーフローセンサ、23はイグナイタ、10は
燃料噴射弁である。

次に、動作の基本的な部分について説明する。第７図の
機能ブロック図に示すように、機関の燃焼現象により生
ずる振動または燃焼圧力の振動を検出するノックセンサ
Ａと、そのノックセンサＡの検出信号に基づいてノッキ
ング発生の有無を判別するノッキングレベル判別手段Ｂ
と、ノッキング発生時に点火時期を遅角補正する遅角制
御手段Ｃと、ノッキング非発生時に点火時期を進角補正
する進角制御手段Ｄとを有し、点火信号発生手段Ｅによ
る点火信号の発生時期を制御する点火時期制御装置にお
いて、点火時期の進角量に対するノッキング発生レベル
の特性変化を検出する特性変化検出手段Ｆと、この特性
変化検出手段Ｆによって検出される特性変化に応じて遅
角制御手段Ｃによる点火遅角量の最大限度値を演算する
最大遅角限度演算手段Ｇとを設けたもので、その作用は
次のようになる。

すなわち、特性変化検出手段Ｆによって検出される点火
時期の進角量に対するノッキング発生レベルの特性変化
により、例えば、使用するガソリンがレギュラガソリン
かハイオクガソリンかを判別して、最大遅角限度演算手
段Ｇが遅角制御手段Ｃによる点火遅角量の最大限度値を
判別結果に応じた最適値に演算し、ノッキングレベル判
別手段Ｂによってノッキング発生と判別されている間
は、上記最大限度値まで点火時期を遅角させて発生ノッ
クレベルをあるレベルに維持するものである。ここで、
上記点火時期の進角量に対するノッキング発生レベルの
特性変化とは、使用するガソリンがレギュラガソリンか
ハイオクガソリンかによって、例えば、第９図に示すよ
うなものがある。

同図において、破線がレギュラガソリンの場合の点火時
期に対する発生トルクとノックレベルの関係を示したも
ので、実線がハイオクガソリンの場合のそれを示してい
る。

いま、例えば、レギュラガソリンが使用されているとし
よう。予め設定された基本点火時期がＢ点であったとす
ると、そのノックレベルはトレースレベルになる。

しかし、基本点火時期のままでハイオクガソリンが使用
されると、ノックは全く発生せず、点火時期をＣ点まで
進角させて初めてそのノックレベルはトレースレベルに
なる。言い替えれば、点火時期の進角量に対するノッキ
ング発生レベルの特性変化によって、使用するガソリン
がレギュラガソリンかハイオクガソリンかという燃料性
状がわかるのである。

一般に、ガソリン中にアルコールが混入されると、オク
タン価が変化することはよく知られている。

この事実と上記点火時期の進角量に対するノッキング発
生レベルの特性変化とを考え合せれば、ノックセンサ22
によりノックレベルの変化を見ることによってアルコー
ルが混入されているかどうかを、概略知ることができる
ことは容易に考えられる。

すなわち、ノックセンサ22の出力を遮断周波数としてノ
ック周波数またはその高周波の周波数をもつフィルタに
導き、点火時期の進角量に対するその出力の大きさを見
たとき、もしガソリン中にアルコールが混入されている
と、同一点火時期に対するこの出力の大きさが小さくな
る。

したがって、あらかじめ点火時期を、例えば、K1ないし
K2程度のレベルに設定しておけば、ノックレベルの変化
からアルコールが混入されているかどうかを概略知るこ
とができるのである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の燃料性状検出装置は以上の原理に基づいて構成さ
れているので、ノックが発生しないと燃料性状を検出す
ることができず、また、例えばアルコールの含有量を定
量的に検出することができないなどの問題点を有してい
た。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、ノックが発生しなくても燃料性状を検出す
ることができ、アルコールの含有量を定量的に検出する
ことができる内燃機関の燃料性状検出装置を得ることを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る内燃機関の燃料性状を検出する装置は、
１回の点火サイクル内における圧縮および膨脹行程中の
クランク角におけるシリンダ内圧力Ｐ（θ）を検出する
圧力検出手段と、クランク角を検出するクランク角検出
手段と、クランク角θおよびシリンダ溶積Ｖ（θ）の値
から１サイクル内の燃料の実効発熱量Ｑを算出し、かつ
燃料の有効燃焼割合Ｋまたは燃料の低位発熱量Huを算出
して、この有効燃焼割合Ｋまたは低位発熱量Huの少なく
とも一方の値、または燃料噴射パルス幅Tiと低位発熱量
Huの比Ti/Huの値を用いて燃料性状を検出する制御装置
とを設けたものである。

〔作用〕

この発明においては、圧力検出手段で検出したシリンダ
内圧力Ｐ（θ）とクランク角検出手段で検出されたクラ
ンク角とシリンダ容積Ｖ（θ）の値から制御装置は１サ
イクル内の燃料の実効発熱量Ｑを計算するとともに、実
効発熱量Ｑを算出し有効燃焼割合Ｋまたは燃料の低位発
熱量Huを算出し、有効燃焼割合Ｋまたは低位発熱量Huの
少なくとも一方の値、または燃料噴射パルス幅TiとHuの
比Ti/Huの値の大小からアルコール含有量を検出する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の主要構成図、第２図は制御装置10内でア
ルコール含有量を検出するために実施される処理内容が
示されている。

第１図において、１はエアークリーナ、２は吸入空気量
を計測するエアーフローメータ、３はスロットル弁、４
は吸気マニホールド、５はシリンダブロック、６は機関
の冷却水温を検出する水温センサ、７はクランク角セン
サ、８は排気マニホールド、９は排気ガス成分濃度（例
えば酸素濃度）を検出する排気センサ、10は燃料噴射
弁、11は点火プラグ、13はシリンダ内圧力を検出する圧
力センサ、15は制御装置である。

クランク角センサ７は、例えばクランク角の基準位置毎
（４気筒機関では180度毎、６気筒機関では120度毎）に
基準位置パルスを出力し、また単位角度毎（例えば１度
毎）に単位角パルスを出力する。そして、制御装置15内
において、この基準位置パルスが入力された後の単位角
パルスの数を計算することによって、そのときのクラン
ク角を知ることができる。また、単位角パルスの周波数
または周期を計測することによって、機関の回転速度を
知ることもできる。

なお、第１図の例においては、ディストリビュータ内に
クランク角センサ７が設けられている場合を例示してい
る。

この発明における制御装置15では、通常の燃料制御のほ
かに、第２図に示すようなアルコール含有量を検出する
ための実効発熱量Ｑを求める情報処理も行われる。ま
ず、燃料制御の方から説明する。

制御装置15は、例えば、CPU,RAM,ROM、入出力インター
フェースなどからなるマイクロコンピュータで構成さ
れ、上記エアーフローメータ２から与えられる吸入空気
量信号S1、水温センサ６から与えられる水温信号S2、ク
ランク角センサから与えられるクランク角信号S3、排気
センサ９から与えられる排気信号S4、および図示しない
バッテリ電圧信号やスロットル全閉信号などを入力し、
それらの信号に応じた演算を行って機関に供給すべき燃
料噴射量を算出し、噴射信号S5を出力する。この噴射信
号S5によって、燃料噴射弁10が作動し、機関に所定量の
燃料を供給する。

上記の制御装置15内における燃料噴射パルス幅Tiの演算
は、例えば次の式によって行われる。

Ti＝T_P×（１＋Ft＋KMR/100）×β＋Ts ……（１）上記の（１）式において、Tpは基本噴射量であり、例え
ば、吸入空気量をGa、機関の回転速度をＮ、空気燃料比
をA/F、定数をK₀とした場合にTp＝K₀×A/F×Ga×Ｎで求
められる。

また、Ftは、機関の冷却水温に対応した補正係数であ
り、例えば、冷却水温度が低いほど大きな値となる。

KMRは高負荷時における補正係数であり、例えば第４図
に示すごとく、基本噴射量Tpと回転速度Ｎに応じた値と
してあらかじめデータテーブルに記憶されていた値から
テーブル・ルックアップによって読み出して用いる。

Tsは、バッテリ電圧による補正係数であり、燃料噴射弁
10を駆動する電圧の変動を補正するための係数である。
また、βは排気センサ９からの排気信号S4に応じた補正
係数であり、このβを用いることによって混合気の空燃
比を所定の値、例えば理論空燃比14.6近傍の値にフィー
ドバック制御することができる。

但し、この排気信号S4によるフィードバック制御を行っ
ている場合には、常に混合気の空燃比が一定の値となる
ように制御されるので、上記の冷却水温による補正や、
高負荷による補正が無意味になる。

したがって、排気信号S4によるフィードバック制御は、
水温による補正係数Ftや高負荷における補正係数KMRが
零の場合にのみ行われる。

次に、この発明の本質であるアルコール含有量を検出す
るための実効発熱量Ｑを求める情報処理内容を第２図に
より説明する。まず、アルコール含有量の検出原理から
説明する。熱力学の第１法則より次式が成立する。

dQ＝du＋Pdv du＝cvdT（比内部エネルギ）と、Pv＝RT（状態方程
式）、dT＝（Pdv＋vdP）/Rを上式を代入すると次式が得
られる。

ここで、ｋは作動ガスの比熱比である。

これを積分するとすなわち、１サイクル内で作動ガスに供給される正味の
熱量（実効発熱量）Ｑは式（２）で与えられ、クランク
角毎のシリンダ内圧力Ｐ（θ）、シリンダ容積Ｖ（θ）
がわかれば式（２）にしたがって積分することによって
求められる。

一方、１サイクル内で作動ガスに供給される正味の熱量
Ｑは、燃焼によって発生する熱量Qrとシリンダ壁から逃
げていく熱量Qdとの差で与えられるからＱ＝Qr−Qd ……（３）さらに、１サイクルで吸入される空気重量をGa（空気流
量／回転数）、燃空比をF/A、燃料の低位発熱量をHuと
すると、Qr＝Hu×（F/A）×Gaが成立するから、熱ロスQ
dをKd×Hu×（F/A）×Gaで表すと、Ｑ＝（１−Kd）Hu×（F/A）×Ga ＝Ｋ×Hu×（F/A）×Ga ……（３）となり、Ｋは燃焼によって発生する熱のうちどれだけ有
効に使われたかを表す指標、いわば有効燃焼割合ともい
うべきパラメータになり、Kdは、燃焼熱に対して熱ロス
でなくなってしまった熱の割合を表すことになる。

このKd（したがってＫ）は、一般に燃料が変わってもほ
とんど変化しないパラメータと考えることができる。と
いうのは、例えば第１表に示すように、燃料が変わって
も単位体積当りの理論混合気の発熱量Hsはほとんど変化
せず、したがって、燃焼温度も変化せず熱ロスもほとん
ど変化しないと考えることができるからである。ただ、
Ｋは点火時期と機関動作温度（例えば、冷却水温度やシ
リンダ壁温度）によっては変わる可能性がある。

何故なら、パラメータＫは図示燃費率に相当するパラメ
ータであるから、同一機関であっても点火時期や機関動
作温度変化による熱ロス変化によって変わる可能性があ
るからである。

しかし、通常、点火時期は機関の動作点に対して予め設
定されるべきものであり、基本的には燃料が変わっても
変化するものではない。さらに、機関動作温度に対して
は、その温度変化により本来パラメータＫの値は変動す
る。しかし、パラメータＫの値は機関動作点と動作温度
を与えれば、唯一的に決定される。

したがって、機関が与えられれば、予めＫの値を機関動
作点と機関動作温度に対して求めておくことが可能で、
データテーブルに記憶しておくことができる。このと
き、機関動作点として（トルク、機関回転数）または
（吸気管圧力、機関回転数）または（単位回転数当りの
吸入空気流量、機関回転数）のいずれか一つの組合わせ
をとることができるのは言うまでもない。

また、機関動作温度としては冷却水温度やシリンダ壁温
度を採用すればよい。これらのことから、機関に対して
Ｋを求めておけば、A/Fは排気センサから、またGaはエ
アーフローメータと機関回転数から求められるから、前
述したＱの値（式（３））から燃料の低位発熱量Huを計
算することができる。

第４図に示されるように、低位発熱量Huから燃焼した燃
料が何であったかを予め予想することができる。例え
ば、ガソリンとメタノールの場合で考えると、低位発熱
量Huは約半分であり、低位発熱量Huの値から燃焼した燃
料が何であったか、そして、その含有率はいくらであっ
たかを予想することは十分に可能となる。

例えば、次の第５図は、横軸に正規化された低位発熱量
Huの値（Hu/含有率が０のときの低位発熱量Huo）をと
り、縦軸にメタノール含有率をとったときの、メタノー
ル含有率と正規化低位発熱量Huとの関係を示している。
メタノール含有率は、正規化低位発熱量Hu＝１で０％、
正規化低位発熱量Hu＝２で100％であるから、メタノー
ル含有率と正規化低位発熱量Huとの関係はこれら２点を
結んだ直線で与えられる。

したがって、正規化低位発熱量Huの値からメタノール含
有率を定量的に求めることが可能となる。

さらに、精度を上げるためには、Ti/Huを計算すればよ
い。というのは、メタノールの場合、理論空燃比は
「５」であるから、ガソリンに比べて理論空燃比にする
ときのTiは14.6/5＝2.92倍となる。つまり、Huだけでメ
タノール含有率を求める場合に比べ、Ti/Huの値で比較
すると、実に約３倍となるからである。

すなわち、第６図に示すがごとく、メタノール含有率と
正規化されたTi/Huの値との関係は（1,0％）、（1,100
％）の２点を結んだ直線で与えられる。したがって、正
規化低位発熱量Huの値だけでメタノール含有率を求める
場合に比べて３倍精度を上げることが可能となる。

以上述べた原理により、例えば、１度毎のクランク角サ
ンプリングとして、第２図のフローチャートを説明する
と次のようになる。メインルーチンから第２図に示され
るルーチンに入ると、ステップ100でクランク角を取り
込み、取り込んだクランク角がステップ101で圧縮、膨
脹（燃焼）行程にあるかどうかを判断する。「YES」な
らば、シリンダ内圧力Ｐ（θ）を取り込み（ステップ10
2）、「NO」ならばステップ100に戻り、次のクランク角
を待つ。

次にステップ103では、ステップ100で取り込んだクラン
ク角θが圧縮BDCかどうかを調べる。もし、クランク角
θが圧縮BDCならば、いわゆる初期化の過程に入る。

すなわち、ステップ104でＱ＝０、P1＝Ｐ（θ）、V1＝
Ｖ（θ）としステップ100に戻る。

もし、クランク角θが圧縮BDCでないならばステップ105
に進み、クランク角θが燃焼（膨脹）BDCかどうかの判
断をする。

もし、「NO」ならば、ステップ106,107でdQを計算し、
これを積算してステップ100に戻る。

逆に「YES」ならば、第３図に示すルーチンに移り、ス
テップ200で機関動作点の判断を行い、ステップ201で機
関動作点に対応するＫを読み出して、低位発熱量Hu並び
にTi/Huを求める（ステップ202）。

第２図に示した計算は、極めて高速に行われなければな
らないが（例えば、クランク角が１度進む間に第２図の
ルーチンを全部終了する程度）、このような高速計算は
例えばデータ、駆動形プロセッサ（例えば、μPD7281
（日本電気株式会社製）をコプロセッサとして用いれば
可能である。

すなわち、例えば、メインルーチンの計算にはホストプ
ロセッサ（通常のノイマン形プロセッサで可）を用い、
第２図に示した計算をコプロセッサ（データ駆動形プロ
セッサ）を用いて行えばよく、ホストプロセッサのメイ
ンルーチンでは従来の燃料制御演算（燃料噴射パルス幅
Tiの演算や機関動作点の判断など）や、第２図のルーチ
ンへの演算の流れ制御および第３図に示した演算を行え
ばよい。

この部分の状況をもう少し詳しく説明する。すなわち、
データ駆動形プロセッサは、演算がデータによって駆動
される特徴を持っているから、この特徴を利用して第２
図のルーチンに行く演算の流れの制御を次のようにする
ことができる。

例えは、ホストプロセッサにクランク角度の信号が入力
されたとき、ホストプロセッサは、第２図の演算プログ
ラムが格納されたコプロセッサ（データ駆動形プロセッ
サ）に、クランク角度とそのときの筒内圧Ｐ（θ）のデ
ータを送ることで第２図のルーチンに行く演算の流れの
制御が可能となる。

何故なら、データ駆動形プロセッサは、必要なデータが
揃えば自動的に演算を実行するからである。そして、第
２図の演算プログラム中ステップ105で「YES」の場合、
データ駆動形プロセッサは積算結果のＱのデータをホス
トプロセッサに送り返せばよい。そして、このデータを
受け取ったホストプロセッサでは、第３図に示されるル
ーチンに入り、機関動作点に対応するＫを読み出して、
低位発熱量Hu並びにTi/Hu（および、これらの正規化さ
れた値）を計算し、アルコール含有率の判定を第６図や
第５図にしたがって実施する（ステップ203）。

もし、データ駆動形プロセッサが自立形のプロセッサな
らば、上記のようにホストプロセッサやコプロセッサに
分ける必要は無く、このデータ駆動形プロセッサを単に
ホストプロセッサとして用いればよく、すべての演算を
その中で実行すればよい。

もちろん、たとえデータ駆動形プロセッサを用いるにし
ても、第２図のルーチンで、シリンダ容積Ｖ（θ）とそ
の変化分dV（θ）は既知の値であるから、θに関する１
次元のデータテーブルに予め記憶させておき、読み出し
て計算に用いれば演算時間はより短くなることは言うま
でもない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、シリンダ内圧力Ｐ
（θ）とシリンダ容積Ｖ（θ）から１サイクル内の発熱
量Ｑを求め、燃料の低位発熱量HuおよびTi/Huを計算し
アルコール含有量を求めるように構成したので、ノック
を発生させずに、しかも定量的にアルコール含有量を求
めることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による内燃機関の燃料性状
検出装置の主要構成図、第２図は同上実施例による実効
発熱量Ｑを計算するフローチャート、第３図は同上実施
例によるアルコール含有率を求めるフローチャート、第
４図は同上実施例を説明するための高負荷時の補正係数
を示す説明図、第５図は同上実施例を説明するためのア
ルコール含有率と正規化低位発熱量Huの関係を表す特性
図、第６図は同上実施例を説明するためのアルコール含
有率と正規化Ti/Huの関係を表す図、第７図は従来の燃
料性状検出方法に適用される燃料性状検出装置のブロッ
ク図、第８図は従来の燃料性状検出方法に適用される燃
料制御装置の主要構成図、第９図は従来の燃料性状検出
方法を説明するためのノッキング発生レベルの特性変化
図である。１……エアークリーナ、２……エアーフローメータ、３
……スロットル弁、４……吸気マニホールド、５……シ
リンダブロック、６……水温センサ、７……クランク角
センサ、８……排気マニホールド、９……排気センサ、
10……燃料噴射弁、11……点火プラグ、13……圧力セン
サ、15……制御装置。なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸入空気流量と排ガス中の空燃比を計測
し、前記空気流量に応じて燃料の基本噴射量を算出して
燃料を噴射するとともに排ガス中の空燃比に応じて噴射
量をフィードバック補正する内燃機関のシリンダ内圧力
を検出する圧力検出手段と、上記内燃機関のクランク角
を検出するクランク角検出手段と、上記圧力検出手段と
上記クランク角検出手段の両検出の信号を入力とし、１
回の点火サイクル内における圧縮および膨張行程中のク
ランク角におけるシリンダ内圧力Ｐ（θ）、クランク角
θならびにシリンダ容積Ｖ（θ）の値から１サイクル内
の燃料の実効発熱量Ｑを算出するとともに燃料の低位発
熱量Huを算出し、低位発熱量Huの値、または燃料噴射パ
ルス幅Tiと低位発熱量Huの比Ti/Huの値を用いて燃料性
状を検出する制御装置とを備えた内燃機関の燃料性状検
出装置。
【請求項２】上記制御装置は、燃料の低位発熱量Huの値
を、機関の動作点を表す少なくとも二つのパラメータに
対して２次元データ・テーブルを作成することを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の内燃機関の燃料性状検
出装置。
【請求項３】上記内燃機関の動作点を表す二つのパラメ
ータは、トルクと機関回転数または吸気管圧力と機関回
転数あるいは単位回転数当りの吸入空気流量と機関回転
数のいずれか一つの組合わせをとることを特徴とする特
許請求の範囲第２項記載の内燃機関の燃料性状検出装
置。
【請求項４】２次元データ・テーブルは、内燃機関の温
度条件を表すパラメータ毎に作成することを特徴とする
特許請求の範囲第２項記載の内燃機関の燃料性状検出装
置。
【請求項５】内燃機関の温度条件を表すパラメータは内
燃機関冷却水温度や、シリンダ壁の温度の少なくとも一
方をとることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の
内燃機関の燃料性状検出装置。
【請求項６】上記制御装置は１サイクル内の実効発熱量
Ｑの算出において、空気の比熱比をk,シリンダ内圧力を
Ｐ（θ），シリンダ容積Ｖ（θ）として、Ｑ＝k/k−１［ｋ∫Ｐ（θ）dV（θ）＋∫Ｖ（θ）dP（θ）］なる式を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の内燃機関の燃料性状検出装置。
【請求項７】クランク角θに対するシリンダ容積Ｖ
（θ）の値とシリンダ容積Ｖ（θ）のクランク角毎の変
化dV（θ）の値をデータ・テーブルとしてメモリに記憶
させ、実効発熱量Ｑの計算時に読み出すことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の内燃機関の燃料性状検出
装置。