JPWO2010050017A1 - 燃料制御システム - Google Patents

Abstract

本発明の燃料制御システムは、燃料の燃焼を理論空燃比に制御して内燃機関の噴射燃料量を制御する燃料制御システムにおいて、上記噴射燃料量の体積を燃料の屈折率測定値から推定して制御することを特徴とするものである。

Description

本発明は燃料性状に応じて内燃機関の燃料噴射量を制御する燃料制御システム、例えばアルコールを混合した燃料を使用する内燃機関において、含有アルコール量に応じて燃料噴射量を最適に制御する燃料制御システムに関する。

近年、自動車等の内燃機関に、ガソリンにアルコールを混合した混合燃料を使用するＦＦＶの開発がなされ、既に一部実用化が始まっている。混合燃料においては、ガソリンの重質度と屈折率との間に存在する相関関係がアルコール濃度に応じて変化してしまうため、混合燃料において理論空燃比を実現するためには、混合燃料に含まれるガソリンの重質度とアルコール濃度とを正確に把握し、これに応じて燃料噴射量を制御することが必要である。

このため、従来、光屈折率を測定し、この光屈折率からガソリンの重質度を検出してガソリン性状補正係数Fgasを決定し、その補正係数により燃料噴射量を制御する技術が提案されている。（特許文献１を参照）
また、アルコール濃度指標となる光透過率と、密度（重質度）指標となる屈折率を光学系センサにより測定することによって、重質度と屈折率との相関関係をアルコール濃度に応じて補正することが提案されている（特許文献２を参照）。

しかしながら、これらのものは重質度と屈折率の二つの独立した変数の計測が必要となり、計測システムが複雑、高価とならざるを得ない。また、光学系センサを使用するものは、反射板上に滞留するガソリン、主としてゼル成分やタール成分が付着して測定精度に影響が及ぶという構造的問題があった。

一方、従来システムとして、容量およびコンダクタンスを測定することによりアルコール含有量を求めるようにしたものがある。（特許文献３を参照）
しかしながら、この方法では密度を一定と仮定しているため精度が悪く、また感度を上げるために電極の表面積を広くする必要があり、そのため形状が大きくなると共に、表面が汚れて特性に影響を及ぼすという問題があった。

特開平６―１７６９３号公報 特開２００８―１０７０９８号公報 特開平５―８７７６４号公報

従来の燃料制御システムにおける燃料噴射量の制御アプローチが全て、理論空燃比制御（Ａ/Ｆ制御）を実現することを前提としている関係上、吸入空気量の重さに対する燃料量を重量で決める必要があるため、燃料の密度（重質度）を仮定あるいは実測する必要があった。本発明は、この点に鑑みてなされたもので、燃料の密度（重質度）を仮定あるいは実測する必要をなくし、燃料の屈折率のみを測定することにより精度良く燃料噴射量の制御が可能となる新規な燃料制御システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料制御システムは、燃料の燃焼を理論空燃比に制御して内燃機関の噴射燃料量を制御する燃料制御システムにおいて、燃料の屈折率測定値から上記噴射燃料量の体積を算定し、上記噴射燃料量の体積に基づいて理論空燃比制御を行うことを特徴とするものである。

この発明に係る燃料制御システムは、燃料の屈折率のみを測定することにより、燃料の性状に応じた噴射量を精度良く得ることができ、燃料の密度（重質度）を仮定あるいは実測する必要をなくして燃料噴射量制御を簡単なシステムで実現することができる。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１による燃料制御システムを図１に基づいて説明する。
エンジン１は混合燃料により動作するＦＦＶ（フレキシブル・フュアル・ビヒクル）に搭載されるものとし、燃料タンク２に収容されている混合燃料を燃料ポンプ３によりインジェクタ４に分配されると共に、外部からエアクリーナ５を介して吸入された空気は図示しないアクセルペダルにより開閉制御されるスロットルバルブ６によりコントロールされて上記燃料と混合されて各気筒内に噴射される周知の構成である。なお、エンジン１からの排気ガスは排気系７により触媒８を通して清浄化処理を施した後外部へ排出される。

上記燃料をエンジン１まで送給する燃料パイプ９には燃料の屈折率を測定する屈折率センサ１０が設置されており、また、上記エアクリーナ５を介して吸入される空気路には吸入空気量を測定するエアフローセンサ１１が、排気系７には燃焼状態を測定するＯ２センサ１２がそれぞれ設置されている。更に、本システムは通常ＥＣＵと呼ばれるコンピュータ１３を備えており、上記各種センサ１０〜１２等からの信号を入力し所定の計算処理を行った後、各種アクチュエータへの信号を作成している。

上記コンピュータ１３はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等で構成される周知のもので、後で説明する屈折率と要求噴射量との間の関係を表すデータ（屈折率/要求噴射量データ）をマップあるいは計算式の形で保存している。この屈折率/要求噴射量データは理論空燃費制御指示（通常は自動的になされる）に基づいて用いられて必要な要求噴射量を決めるものである。図２は理論空燃費制御によるコンピュータ１３のルーチンをフローチャートで示したものであり、以下これについて説明する。

例えば図示していないキースイッチが入ったときや、燃料タンク２に燃料を供給したときなどをトリガー信号として、ルーチンがスタート（S20）する。屈折率センサ１０による屈折率計測(S21)の値から、あらかじめ決まっている理論空燃比制御指示(S22)により屈折率/要求噴射量データを読み込み(S23)、同時にエアフローセンサ１１による吸入空気量計測(S24)の値とで車の運転状態に応じた実質要求噴射量を体積（cc）で決定し(S25)、これに基づいてインジェクタ４の開弁時間を決定する(S26)。なお、噴射された燃料はエンジン１で爆発燃焼され、排気系７にあるＯ２センサ１２で燃焼状態がモニターされ、最適燃焼が実現するようにフィードバック制御がなされる。

なお、上記混合燃料はベースガソリンに例えばアルコールを適宜の含有率で含有させたものを利用するものとする。以下、重質度に応じた３種類のガソリンを想定し、アルコールとしてエタノールを各種混合比で使用した混合ガソリンを使用した場合について、屈折率から発熱量（Ｊ/cc）をベースに要求噴射量（＠air=10g）を算出するシミュレーション結果について説明する。

図３は屈折率から総発熱量（Ｊ/cc）をベースに要求噴射量（@air=10g）を算出するシミュレーション図で、各種ガソリンの屈折率、密度、理論空燃比、単位重さあたりの総発熱量（J/g）、単位体積あたりの総発熱量（J/cc)、空気10gに対して理論空燃比で燃焼した場合の総発熱量(J)、空気10gに対して理論空燃比で燃焼した場合の要求噴射量(ccおよびg)を図表化したものである。ここでは理論空燃比がベースガソリンの重質度依存性なしと仮定し、総発熱量（J/g）が理論空燃比（＝酸素量）に比例すると仮定している。総発熱量(J)の値としては低位発熱量を採用している。ここで用いた要求噴射量とは、空気10gに対して理論空燃比で燃焼させるのに必要となる燃料量の意味である。まず、エタノールの密度、理論空燃比、単位重さあたりの総発熱量(J/g)は、既知の数値を用いるものとする。

図中、ガソリンＡ〜Ｃの屈折率と密度は、軽質から重質までの市販ガソリンのばらつき範囲で想定される値を仮定した。それぞれ、ガソリンＡが軽質、ガソリンＢが平均的、ガソリンＣが重質という想定である。ガソリンＡ〜Ｃの理論空燃比、単位重さあたりの総発熱量(J/g)は、ガソリン性状に対してのばらつきが小さいと考えられるので、市販ガソリンの平均的な数値、すなわち理論空燃比14.7と単位重さあたりの総発熱量45000（J/g)を共通して用いている。

各種エタノール含有ガソリンの屈折率、密度、理論空燃比、単位重さあたり総発熱量(J/g)については各エタノール含有成分の体積比を用いてそれぞれ比例平均した数値である。エタノール濃度は、ガソリンＡ〜Ｃの全てに対して25%、50%、75%の３種類の濃度とする。
単位体積あたりの総発熱量(J/cc)は、単位重さあたり総発熱量(J/g)と密度を用いて、
総発熱量(J/cc)＝総発熱量(J/g)×密度
として換算される。
各種エタノール含有ガソリンの空気10gあたりの要求噴射量体積(cc)は、比例平均により得られた理論空燃比と密度から、
要求噴射量(cc)＝10／理論空燃比／密度
として算出される。

また、各種エタノール含有ガソリンの空気10gあたりの要求噴射量重量(g)は、比例平均により得られた理論空燃比から、
要求噴射量(g)＝10／理論空燃比
として算出される。
空気10gに対して理論空燃比で燃焼した場合の総発熱量(J)は、
総発熱量(J)＝総発熱量（J/cc)×要求噴射量(cc)＝総発熱量(J/g)×10／理論空燃比
として算出される。

以下では、本発明の実施の形態１を上記シミュレーション結果に基づいて説明する。
図３の密度と屈折率の関係を、ガソリンＡ〜Ｃおよびそれらとエタノールの混合燃料（E75、E50、E25、E0)に対してプロットしたのが図４である。ベースガソリン(エタノール含有量０すなわちE0)では密度と屈折率が正の比例関係にあり、屈折率が大きいほど密度も大きくなる傾向がある。エタノールはベースガソリンより小さい屈折率と大きい密度を有するため、エタノール濃度が大きいほど密度は大きくなり、屈折率が小さくなる。すなわち、エタノール濃度に対して密度と屈折率とは逆の相関となる。またガソリンの性状ばらつきＡ〜Ｃにより、同じエタノール濃度に対して屈折率と密度の分布があることが分かる。エタノールは単一成分であるため、エタノール濃度が高くなるほど屈折率と密度のばらつきが小さくなっている。従って屈折率測定値からエタノール濃度を推定しようとする場合、屈折率ばらつきを反映したエタノール濃度推定誤差が生じることになる。

次に、空気10gに対して理論空燃比で燃焼させるのに必要となる燃料量の重さで定義した要求噴射量(g)と屈折率の関係をガソリンＡ〜Ｃおよびそれらとエタノールの混合燃料に対してプロットしたのが図５である。同じベースガソリンのエタノール混合燃料に対しては、屈折率が小さいほど要求噴射量(g)が単調に増大する。図では、３種類のベースガソリンＡ〜Ｃで理論空燃比を一定と仮定したので、エタノール濃度が同じ場合には屈折率によらず同一の要求噴射量(g)の大きさになっている。一方、ベースガソリンごとに屈折率は異なるので、エタノールを混合した場合の燃料屈折率にもばらつきが生じる。そのため、屈折率測定値から要求噴射量(g)を推定しようとする場合に、エタノール濃度推定の場合と同様の誤差が生じる。

図６は、エタノールとベースガソリンＡ〜Ｃの混合燃料について、横軸を屈折率、縦軸を要求噴射量体積(cc)としてプロットしたものである。同じエタノール濃度でベースガソリンが異なる場合のデータが屈折率によらない一定値ではなく、密度の違いを反映して屈折率依存性を有することが分かる。その結果、図５と比較すると、屈折率に対する要求噴射量(cc)のばらつきが減少しており、ベースガソリンの密度差により屈折率ばらつきが補正された結果となっていることが分かる。このように、ベースガソリンによるばらつきを平均した要求噴射量(cc)を屈折率に対してプロットした較正曲線を用いれば、屈折率測定値から要求噴射量(cc)を良好に推定できることが分かる。

これは、ベースガソリンの密度が小さいほど理論空燃比を実現するための燃料体積が大きく屈折率が小さくなることと、エタノール濃度が高いほど理論空燃比を実現するための燃料体積が大きく屈折率が小さくなること、との間に同傾向の屈折率依存性があることに由来している。このことから、屈折率を知るだけで燃料のエタノール濃度を精密に測定することなく、理論空燃比を実現するための燃料体積を簡便に推定することが可能になるものである。
以上のシミュレーション結果から、屈折率を計測し、あらかじめ決められたデータから上記屈折率に見合った最適燃料噴射量の体積を算出し、インジェクターバルブの開弁時間で制御すれば、理論空燃比制御が簡便に達成できることが分かる。

次に、実際のガソリンおよびエタノール混合ガソリンで屈折率と密度を測定した。
ベースガソリンとして屈折率の差の大きいガソリンＤ、Ｅを選定し、それぞれにエタノールを所定の体積比で混合した結果が図７に示すとおりである。このデータに基づき、ガソリンの性状によらず理論空燃比が変わらないとの前提で、各種エタノール含有ガソリンの空気10g当たりの要求噴射量体積(cc)を、
要求噴射量(cc)＝10／理論空燃比／密度
として算出し、これをプロットした結果を図８に示す。

図８は図６のシミュレーション結果と同様に屈折率に対して要求噴射量体積(cc)が単調に変化していることが確認できる。このデータをフィッティングして得られる曲線を較正用データとして用いることで、未知のエタノール濃度のエタノール混合燃料に対しても、屈折率測定値から要求噴射量体積(cc)を推定することができるのが確認できる。
屈折率測定には、コアにグレーティングを形成した光ファイバを利用し、このグレーティングのクラッドモードスペクトルがクラッド周囲の液体屈折率に応じて変化することを利用して、上記光ファイバグレーティングの透過光量変化を検知する方式の光ファイバ式屈折率センサを用いると高精度な屈折率測定値が得られる。（WO2006/126468A1を参照）
なお、屈折率を測定する手段はこれに限らず、斜入射させた光の屈折角の変化を位置検出型光検出器により検出することで屈折率を測定する公知の手段を利用できることはもちろんである。

なお、容量式センサを用いた、エタノールとベースガソリンの比誘電率差に基づくエタノール濃度計測を行う方式では、エタノール濃度を検知することができるので要求噴射量重量(g)を推定することができる。しかし、エタノール混合燃料の密度がベースガソリンの密度ばらつきを反映してばらつくため、インジェクターバルブの開弁時間で制御して所定の燃料体積を噴射する場合に、密度ばらつきによる理論空燃比からのずれが発生してしまう。

また、エタノールとベースガソリンの吸光度差に基づいてエタノール濃度を検知する方式のセンサを使用した場合にも、同様に密度ばらつきによる理論空燃比からのずれが発生してしまう。燃料の屈折率を検知するセンサを併用することにより燃料密度を推定して、上記の理論空燃比からのずれを低減させる方式が検討されているが、複数のセンサを使用するため、構成が複雑になりコストが増大する問題が生じる。
一方、本発明では、屈折率センサのみで要求噴射量体積(cc)を推定して制御するため、構成を簡易にでき、コストを低減できる利点がある。

本発明に係る実施の形態１における燃料制御システムを示す全体構成図、 図１に示すコンピュータのルーチンを説明するフローチャート、 上記実施の形態１における屈折率から発熱量をベースに要求噴射量を算出するシミュレーション図、 図３から密度と屈折率の関係を、ガソリンＡ〜Ｃおよびそれらとエタノールの混合燃料（E75、E50、E25、E0)に対してプロットしたもの、 同じく図３から要求噴射量(g)と屈折率の関係を、ガソリンＡ〜Ｃおよびそれらとエタノールの混合燃料に対してプロットしたもの、 同じく図３から屈折率と要求噴射量体積(cc)との関係を、エタノールとベースガソリンＡ〜Ｃの混合燃料に対してプロットしたもの、 実際のガソリンＤ、Ｅおよびそれらとエタノール混合ガソリンで測定した実測値を示す表、 図７から屈折率と要求噴射量体積(cc)との関係を、エタノールとベースガソリンＤ、Ｅの混合燃料に対してプロットしたものである。

符号の説明

１ エンジン、 ２ 燃料タンク、
３ 燃料ポンプ、 ４ インジェクタ、
５ エアクリーナ、 ６ スロットルバルブ、
７ 排気系、
８ 触媒、
９ 燃料パイプ、
１０ 屈折率センサ、
１１ エアフローセンサ、 １２ Ｏ２センサ、
１３ コンピュータ。

Claims (9)

1. 燃料の燃焼を理論空燃比に制御して内燃機関の噴射燃料量を制御する燃料制御システムにおいて、燃料の屈折率測定値から上記噴射燃料量の体積を算定し、上記噴射燃料量の体積に基づいて理論空燃比制御を行うことを特徴とする燃料制御システム。
2. 上記内燃機関に使用する燃料はガソリンとアルコールとの混合燃料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料制御システム。
3. 上記アルコールはエタノールとし燃料中に含有される量は体積比で０〜１００％であることを特徴とする請求項２に記載の燃料制御システム。
4. 上記燃料はベースガソリンとアルコールとを含有する混合燃料であって、
   上記燃料の屈折率がベースガソリン密度およびアルコール濃度のそれぞれに対して比例関係にあり、ベースガソリン密度およびアルコール濃度が異なる種々の混合燃料に対して、理論空燃比で燃焼させるために要求される燃料量として定義される要求噴射量の体積を燃料の屈折率測定値から推定して制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料制御システム。
5. 燃料タンクから内燃機関に供給される混合燃料の屈折率を測定する屈折率センサと、前記内燃機関への吸入空気量を測定するエアフローセンサと、屈折率/要求噴射量に関するデータを保存するメモリ手段と、前記屈折率センサの出力を読み込み、前記屈折率/要求噴射量に関する保存データから単位空気量当たりの要求噴射量を決定する手段と、前記エアフローセンサの出力を読み込み、前記要求噴射量を実質要求噴射量に変換する手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料制御システム。
6. 上記屈折率センサによる屈折率計測の値から、あらかじめ決まっている理論空燃比制御により前記屈折率/要求噴射量データを読み込み、同時に前記エアフローセンサによる吸入空気量計測の値とで車の運転状態に応じた実質要求噴射量を体積で決定し、これに基づいてインジェクタの開弁時間を決定するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の燃料制御システム。
7. 上記要求噴射量は、一定重量の空気量に対して理論空燃比で燃焼させるのに必要となる燃料量から決定されることを特徴とする請求項５あるいは６に記載の燃料制御システム。
8. 上記屈折率の計測に光ファイバーを用いたことを特徴とする請求項１に記載の燃料制御システム。
9. 上記光ファイバーはグレーティングを形成したコアとクラッドとを備えこの光ファイバーに光を入射する光源とこの光源から上記光ファイバーに入射し上記グレーティングを透過した光の総光強度を検出する受光素子とを備えたことを特徴とする請求項８に記載の燃料制御システム。

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