JPH0783130A - 可燃ガスの理論空燃比計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パージガスを構成する各成分の濃度が特定さ
れていないときでも、該パージガスの燃焼理論空燃比を
計測できるようにする。 【構成】 ガス組成記憶部２００には被測定ガス中の仮
想炭化水素の組成が格納されている。濃度算出部３００
では、前記密度計測部１００で測定された密度と前記仮
想炭化水素の組成から、所定の関係式によりパージガス
濃度つまりパージガス中の前記仮想炭化水素濃度を算出
する。理論空燃比算出部４００では、前記濃度算出部３
００で算出された濃度のパージガスを完全燃焼させるた
めの空気Ａとパージガスとの比κ＝Ａ／（ＨＣｉ＋Ａ
´）Ａつまり燃焼理論空燃比を所定の燃焼化学式を使用
して算出する。符号Ｆはパージガスの質量、符号ＨＣｉ
は質量Ｆ中の仮想炭化水素（ＨＣ）の質量、符号Ａ´は
質量Ｆ中の空気質量を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は可燃ガスの理論空燃比計
測装置に関するものであり、特に、内燃エンジンに付設
される燃料タンク内で、燃料から発生し、内燃エンジン
の吸気系へ供給される燃料蒸気の理論空燃比を知ること
ができる可燃ガスの理論空燃比計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、燃料タンク内で燃料から発生
した蒸気が大気中に放出されるのを防止するようにした
燃料蒸気排出抑止装置が用いられている。この装置で
は、蒸発燃料がキャニスタに一時貯えられ、この貯えら
れた蒸発燃料は内燃エンジンの吸気系へ放出される。以
下、吸気系に放出される前記蒸発燃料をパージガスとい
う。パージガスが吸気系に放出されると、エンジンに供
給される混合気の空燃比が変動し、燃料噴射量制御に影
響を与えるようになる。

【０００３】したがって、パージガスの発生量に応じて
燃料噴射弁による燃料噴射量を補正する必要が生じる。
例えば特開平５−５９９７７号公報に記載された内燃機
関の蒸発燃料処理装置では、パージガス中のガソリン蒸
気量と空気量とをそれぞれ算出する手段を設け、このガ
ソリン蒸気量と空気量との配分（パージガス空燃比）が
理論空燃比よりリーン側にあるかリッチ側にあるかによ
って燃料噴射弁からの燃料噴射量を増減させるようにし
ている。

【０００４】ところで、前記蒸発燃料処理装置では、燃
料温度の変化と燃料タンクの空間容積からマップに基づ
いてガソリン蒸発量を演算する一方、これとは別にマッ
プによりパージガス発生量を求める。そして、該パージ
ガス発生量と前記ガソリン蒸気発生量との差からパージ
ガス中の空気量を求めるようにしている。つまり、純粋
なガソリン蒸気量と空気量との配分を、実験で決定した
マップによって推定している。

【０００５】換言すれば、パージガス中の純粋なガソリ
ン蒸気量（パージガス濃度）を間接的に測定し、その測
定結果に基づいて燃料噴射量を増減する制御を行ってい
る。このように前記装置では、パージガス濃度の測定を
間接的に行っているので、測定誤差が含まれ、正確な濃
度情報に基づく空燃比制御を行うことができないことが
ある。

【０００６】一方、直接的にガスの濃度を測定する装置
として、超音波を利用したガス濃度検出装置が知られて
いる。例えば、特開平２−１９８３５７号公報に記載さ
れた測定装置では、予定距離をおいて配置された超音波
送信子および受信子間の超音波パルスの伝播速度を検出
し、その結果に基づいて前記送信子および受信子間に導
入されたガスの濃度を検出するようにしている。この装
置は、ガスの種類、濃度および温度等によって、そのガ
ス中における超音波の伝播速度が決定されることに着目
してなされているものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の装置には次のよ
うな問題点があった。すなわち前記蒸発燃料処理装置で
扱われる混合ガスは複合した蒸発燃料であって、それぞ
れのガスにより燃焼時の反応が異なるため、間接的に測
定された濃度では、内燃機関の運転にとって重要な空燃
比つまり燃料と空気との比率が最適値からはずれて、内
燃機関の始動時における安定性に問題となる場合があっ
た。

【０００８】また、始動時における安定性等一部の不具
合が、条件の補正等によって解決されたとしても、すべ
ての運転条件で補正を行うことは困難であった。

【０００９】本発明の目的は、上記の問題点を解消し、
混合ガスの濃度を測定し、その測定結果に基づいて該パ
ージガスの理論空燃比を知るのに最適な可燃ガスの理論
空燃比計測装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決し、目
的を達成するための本発明は、複数種類の可燃ガスおよ
び空気が混合している被測定ガスの密度係数を測定する
密度係数測定手段と、前記被測定ガスを仮想可燃ガスに
モデル化した組成情報を格納した記憶手段と、前記被測
定ガスの密度係数および前記組成情報に基づいて空気中
の被測定ガスの濃度を演算する濃度演算手段と、前記濃
度および前記組成情報に基づき、燃焼反応化学式を用い
て被測定ガスの燃焼理論空燃比を算出する理論空燃比演
算手段とを具備した点に特徴がある。

【００１１】

【作用】上記の構成を有する本発明によれば、被測定ガ
スは、その密度の平均値として前記仮想可燃ガスに置換
される。したがって、前記濃度演算手段によって、前記
仮想可燃ガスの分子量と前記密度とから仮想燃料濃度が
演算できる。さらに、濃度が求められれば、その結果を
燃焼化学式に当てはめることによって該仮想燃料の燃焼
理論空燃比が算出される。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。図１は本発明の一実施例に係る理論空燃比測定装置
の要部機能を示すブロック図である。同図において、密
度計測部１００では、被測定ガスとして導入されるパー
ジガスの密度（ρ）が測定される。該密度計測部１００
としては、例えば、被測定ガス中の音波の速度に基づい
て密度を測定する周知の装置が使用できる。この装置
は、被測定ガスの密度に応じて該ガス中を伝播する音波
の速度が変化することから、この音速に着目して密度を
測定するように構成したものである。

【００１３】ガス組成記憶部２００には、モデル化され
た仮想可燃ガスとしての仮想炭化水素の組成が格納され
ている。つまり、被測定ガスとしてのパージガスは多種
の炭化水素と空気の混合ガスで構成されていることが既
知であるから、標準的なパージガスから空気を除いた残
余を仮想炭化水素としてモデル化する。そして、この仮
想炭化水素の組成つまり炭素（Ｃ）および水素（Ｈ）の
数をあらかじめ実験によって決定し、ガス組成記憶部２
００に記憶する。以下、水素数は符号ｘ、炭素数は符号
ｙで表す。つまり、仮想炭化水素はＨｘＣｙで定義され
る。なお、前記水素数ｘ、炭素数ｙの決定方法について
は後述する。

【００１４】濃度算出部３００では、前記密度計測部１
００で測定された密度（ρ）と前記仮想炭化水素の組成
から、次に示す関係式(1) を使用してパージガス濃度つ
まりパージガス中の前記仮想炭化水素濃度を算出する。
但し、関係式(1) において、符号Ｐは圧力、ρは密度、
Ｒは気体定数、Ｔは温度、Ｄ（０≦Ｄ≦１）は濃度、Ｍ
A は空気の分子量、ＭHCは仮想炭化水素の分子量であ
る。Ｐ／ρ＝Ｒ・Ｔ／ＭA(１−Ｄ）＋ＭHC・Ｄ……(1) 理論空燃比算出部４００ではパージガスの理論空燃比が
算出される。つまり、ここでは前記濃度算出部３００で
算出された濃度の仮想炭化水素すなわち被測定ガスまた
はパージガスを完全燃焼させるための空気Ａと被測定ガ
スとの比つまり燃焼理論空燃比κ＝Ａ／ＨＣ＝Ａ／（Ｈ
Ｃｉ＋Ａ´）を、関係式(2) を使用して算出する。ここ
で、符号Ｆはパージガスの質量を示し、符号ＨＣｉは前
記質量Ｆ中の仮想炭化水素（ＨＣ）の質量を示し、符号
Ａ´は前記質量Ｆ中の空気質量を示している。

【００１５】κ＝ＭA ｛（Ｄ／ｋ）×（ｘ＋（ｙ／４）
＋ｋ）−１｝／｛Ｄ（ＭHC／ＭA ）＋ＭA ｝……(2) 該
関係式(2) において、符号ｋは空気の酸素分圧比であ
る。

【００１６】なお、本実施例では、濃度算出部３００で
の濃度算出のため、パージガスの密度（ρ）を測定して
該濃度算出部３００に供給するようにしたが、必ずしも
密度に限らず、密度を代表する値または密度の関数（本
明細書では密度係数と呼ぶ）であってもよい。この密度
係数に基づいて濃度を算出する場合は、前記算出式(1)
は、該密度係数をどのように設定するかによって変形す
ることはもちろんである。

【００１７】次に、前記仮想炭化水素の水素数ｘ、炭素
数ｙを決定する方法を説明する。まず、標準燃料に関
し、ガスクロマトグラフ等の分析装置を用いてパージガ
スの構成物質つまり各種炭化水素（１，２，３，…）と
その構成比（Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，…）とを特定する。そ
して、各炭化水素の蒸気圧を（ｐ１，ｐ２，ｐ３，
…）、分子数比を（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，…）とすると、
Ｎ１：Ｎ２：Ｎ３＝Ｋ１・ｐ１：Ｋ２・ｐ２：Ｋ３・ｐ
３の関係が成立するため、各炭化水素の分子数比（Ｎ
１，Ｎ２，Ｎ３，…）を特定することができる。

【００１８】さらに、各炭化水素の１分子あたりの炭素
数を（ｘ１，ｘ２，ｘ３，…）、水素数を（ｙ１，ｙ
２，ｙ３，…）とすれば、パージガスの平均炭素数ｘと
平均水素数ｙとは次式(3) ，(4) によって計算できる。
ｘ＝（ｘ１・Ｎ１＋ｘ２・Ｎ２＋ｘ３・Ｎ３）／（Ｎ１
＋Ｎ２＋Ｎ３）……(3) 、ｙ＝（ｙ１・Ｎ１＋ｙ２・Ｎ
２＋ｙ３・Ｎ３）／（Ｎ１＋Ｎ２＋Ｎ３）……(4) この炭素数ｘ、水素数ｙは燃料の性状によって次のよう
に補正するのが望ましい。例えば、蒸気圧は、地域、季
節、またはタンク内での滞留時間によって変動する。従
って蒸気圧検知手段を設けて補正するのがよい。一般に
蒸気圧が高い場合には、パージガスは比較的小さい分子
量の炭化水素の割合が大きくなるため、ｘおよびｙの値
は小さくなり、ｘ／ｙの値も小さくなる傾向がある。

【００１９】また、蒸気圧による影響とは逆に、燃料の
温度が上昇すると、比較的分子量の大きい炭化水素の割
合が大きくなる。したがって温度検知手段を設けて、こ
の温度の影響を補正するのがよい。

【００２０】続いて、本発明の理論空燃比測定装置を自
動車の燃料供給制御装置に適用した例を説明する。図２
は燃料供給制御装置の構成を示すブロック図である。同
図において、内燃エンジン１の吸気管２の途中にはスロ
ットル弁３が設けられ、その開度は開度センサ４で検出
され、開度に応じた電気信号θThが電子制御ユニット
（ＥＣＵ）５に供給される。

【００２１】燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁
３との間で、かつ吸気管２の図示しない吸気弁の上流側
に、例えば、各気筒毎に設けられ、燃料ポンプ７を介し
て燃料タンク８に接続されている。燃料噴射弁６の開弁
時間は前記ＥＣＵ５からの指令値（基準開弁時間）Ｔｉ
によって決定される。

【００２２】前記スロットル弁３のすぐ下流には吸気管
内圧力（ＰＢ）センサ９が設けられ、検出された圧力信
号はＥＣＵ５に供給される。エンジン回転数（ＮＥ）セ
ンサ１０はエンジン１の図示しないカム軸周囲またはク
ランク軸周囲に取付けられ、予定のクランク角度位置で
信号（ＴＤＣ）パルスを出力し、このＴＤＣ信号パルス
はＥＣＵ５に供給される。排気管１１にはＯ₂ センサ１
２が装着され、排気ガス中の酸素濃度を検出し、その濃
度に応じた信号をＥＣＵ５に供給する。

【００２３】密閉された前記燃料タンク８の上部とスロ
ットルセンサ３の下流の吸気管２との間には、２ウェイ
バルブ１３、キャニスタ１４、パージガスの密度を検出
するための密度測定装置１５、およびパージ制御弁１６
を備える。パージ制御弁１６はソレノイドを有したリニ
ア制御弁であり、ＥＣＵ５から供給されるパージ制御信
号に従って開度がリニアに変化するように付勢される。

【００２４】なお、図１における密度計測部１００は密
度測定装置１５に対応し、他の構成要素２００、３０
０、４００はＥＣＵ５内の機能に対応する。

【００２５】次に、図３の機能ブロック図を参照して、
燃料噴射時間を決定するための前記ＥＣＵ５の機能を説
明する。以下の説明では、燃料噴射弁６から供給される
燃料の理論空燃比と前記理論空燃比算出部４００で算出
されるパージガスの理論空燃比とを区別するため、前者
を燃料理論空燃比κ０、後者を理論空燃比κ１という。
図３において、噴射時間算出部２０では、ＴＤＣパルス
信号に同期して燃料噴射弁６の開弁時間Ｔｏｕｔが演算
される。開弁時間Ｔｏｕｔは、エンジン回転数ＮＥと吸
気管内絶対圧ＰＢＡに応じて予め設定されたマップから
読取られる基準開弁時間Ｔｉに、種々の補正係数が加算
ないし乗算された値である。

【００２６】本実施例では、燃料と空気しを過不足なく
燃焼させることを目標とする場合は、さらに、理論空燃
比κ１とパージガス制御弁開度信号とに基づいて決定さ
れる補正係数が基準開弁時間Ｔｉに乗算される。理論空
燃比κ＞０であればリッチ信号を補正値算出部２３に出
力し、理論空燃比κ＜０であればリーン信号を補正値算
出部２３に出力する。前記リッチ信号およびリーン信号
は、理論空燃比の大きさに応じた値をとるように設定す
る。

【００２７】さらに、パージガス制御弁開度検出部２４
では、前記パージ制御弁１６の開度を前記パージ制御信
号に基づいて検出し、その開度信号を前記補正値算出部
２３に出力する。補正値算出部２３では、前記リーン信
号またはリッチ信号、ならびに開度信号に応じ、噴射時
間を補正するための補正係数を算出する。パージ制御弁
１６の開度が大きい場合は、吸気管２に放出されるパー
ジガスの量は多くなるので、前記補正係数の算出に際し
て、前記リーン信号またはリッチ信号は、開度信号の大
小に応じて増減するように補正される。

【００２８】噴射時間算出部２０では、補正値算出部２
３から供給される補正係数で前記基準時間Ｔｉを補正し
た値を開弁時間Ｔｏｕｔとして駆動部２５に出力する。
駆動部２５は供給された開弁時間Ｔｏｕｔに基づいて燃
料噴射弁６に駆動信号を出力する。

【００２９】なお、前記リーン信号またはリッチ信号を
前記パージ制御弁１６の開度に応じて補正するようにし
たが、パージガスの流量を測定する測定装置をパージ制
御弁１６の近傍に設置し、パージガス流量によって前記
リーン信号またはリッチ信号を補正するようにしてもよ
い。

【００３０】また、本実施例では、パージガスの可燃成
分を仮想炭化水素としたが、これに代えて広義のアルコ
ールＣｘＨｙ（ＯＨ）ｚを定義し、このアルコールの組
成ｘ，ｙ，ｚによってパージガスの仮想炭化水素の濃度
および理論空燃比を算出するようにしてもよい。

【００３１】以上のように、本実施例では、パージガス
を構成する個々の構成成分の濃度が特定されていない場
合でも、標準燃料を決定するための燃料の種類さえ分か
れば、測定した密度と仮想炭化水素の組成とからパージ
ガス濃度を算出でき、かつそのパージガス濃度と仮想炭
化水素の組成とからこの仮想炭化水素と空気とを含むパ
ージガスの理論空燃比を算出できる。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、被測定ガスの密度ないし密度係数と仮想可燃
成分の組成とに基づいて被測定ガス濃度を算出し、理論
空燃比を算出するようにした。したがって、被測定ガス
を構成する個別のガスの濃度測定ないし計算を必要とし
ないで、可燃ガス成分と空気とからなるガスの燃焼理論
空燃比を計測できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例としての理論空燃比計測装
置の要部機能を示すブロック図である。

【図２】 燃料供給制御装置のハード構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】 燃料供給制御装置の要部機能を示すブロック
図である。

【符号の説明】

６…燃料噴射弁、 １００…密度計測部、 ２００…濃
度算出部、 ３００…ガス組成記憶部、 ４００…理論
空燃比算出部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数種類の可燃ガスおよび空気が混合し
   ている被測定ガスの密度係数を測定する密度係数測定手
   段と、 前記被測定ガスを仮想可燃ガスにモデル化した組成情報
   を格納した記憶手段と、 前記被測定ガスの密度係数および前記組成情報に基づい
   て空気中の被測定ガスの濃度を演算する濃度演算手段
   と、 前記濃度および前記組成情報に基づき、燃焼反応化学式
   を用いて被測定ガスの燃焼理論空燃比を算出する理論空
   燃比演算手段とを具備したことを特徴とする可燃ガスの
   理論空燃比計測装置。
2. 【請求項２】 前記被測定ガスを仮想炭化水素にモデル
   化したことを特徴とする請求項１記載の可燃ガスの理論
   空燃比計測装置。
3. 【請求項３】 前記被測定ガスを仮想アルコールにモデ
   ル化したことを特徴とする請求項１記載の可燃ガスの理
   論空燃比計測装置。