WO2011111147A1

WO2011111147A1 - 内燃機関の燃料噴射装置

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Publication number: WO2011111147A1
Application number: PCT/JP2010/053767
Authority: WO
Inventors: 千葉　史人; ▲吉▼岡　衛; 崇博塚越; 亮太尾上
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-15
Also published as: JP5218695B2; BR112012022479A2; US20120227720A1; US8521404B2; JPWO2011111147A1; BR112012022479B1

Abstract

　ガソリンとアルコールとの混合燃料を使用する内燃機関において、簡易な構成で混合燃料使用時のエミッション悪化を抑制することのできる内燃機関の燃料噴射装置を提供する。　燃料を貯留する内部空間２６３と燃料を噴射する噴射口２６２とが形成された先端部２６１を有する燃料インジェクタ２６と、内部空間２６３に設置され、ガソリンとアルコールとの混合燃料中のアルコール成分を選択的に吸着可能な吸着材５８と、を有し、燃料インジェクタ２６に供給される混合燃料のアルコール濃度（第１のアルコール濃度）に基づいて、内燃機関１０の空燃比が制御目標空燃比になるように、燃料インジェクタ２６からの噴射量を制御する内燃機関の燃料噴射装置において、内燃機関１０の冷間始動時に、燃料圧力を所定の高燃圧に制御する。この際、吸着材５８に吸着されるアルコールの吸着量を推定し、該アルコール吸着量に基づいて、内燃機関１０の空燃比ズレを補正する。

Description

内燃機関の燃料噴射装置

　本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に関する。

　エタノールあるいはメタノールなどのアルコールをガソリンと混合した混合燃料を用いることのできる内燃機関が知られている。図９は、Ｅ８０（エタノール８０％混合燃料）、Ｅ２０（エタノール２０％混合燃料）およびＥ０（ガソリン１００％）の蒸留割合と温度との関係を示す図である。ガソリンは、多成分からなり、低沸点成分を含むため、低温時においても、気化特性に優れる。一方、アルコールは、単一成分であるために沸点が決まっており、且つその沸点が高い（エタノールの場合には約７８℃）。このため、図９から分かる通り、Ｅ８０などのようにアルコール濃度の高い混合燃料は、アルコールの沸点より低い温度では極めて気化しにくいという欠点がある。なお、Ｅ２０などのようにアルコール濃度が比較的低い混合燃料では、共沸現象により、ガソリン１００％の場合よりも却って気化し易くなる場合もある。

　上述したようなことから、アルコール濃度の高い混合燃料が使用されている場合には、内燃機関の冷間始動時に燃料インジェクタから噴射された混合燃料のうち、気化するのは実質的にガソリン成分のみで、アルコール成分はほとんど気化しない。このため、燃焼に寄与する気化燃料の量が不足し、始動性が悪くなり易いという問題がある。また、噴射された混合燃料のうちのガソリン成分だけに頼って始動を行うようなものであるので、その不足を補うため、始動時に大量の燃料噴射が必要である。そして、燃焼に寄与したガソリン成分の何倍もの量のアルコール成分が気化できずに燃焼しないまま燃焼室を通過し、ＨＣとなって排気通路へ流れる。その結果、冷間始動時に、大気中へのＨＣ排出量が極めて多くなり易いという問題がある。

　日本特開２００８－２４８８４０号公報には、ガソリン及びエタノールの混合燃料が供給されるエンジンにおいて、混合燃料が貯留される燃料タンク内に水を添加し当該混合燃料からエタノール水を分離抽出させ、高負荷運転時には吸気ポート内にアルコール水の噴射を行うようにした内燃機関が開示されている。この内燃機関では、ガソリン噴射弁に連通する主タンクと、エタノール水噴射弁に連通する副タンクと、を備え、水添加後の残留燃料(ガソリン)を主タンクに、分離されたエタノール水を副タンクに、それぞれ貯留することとしている。この内燃機関によれば、ガソリン或いはエタノール水を所望のタイミングで噴射することができるので、上記の問題を解決することは可能である。

日本特開２００８－２４８８４０号公報日本特開２００９－１５０３９７号公報

　しかしながら、上記従来の技術では、燃料インジェクタ、デリバリパイプ、燃料通路などの燃料供給システムが、ガソリン噴射用とアルコール噴射用との二系統分、必要になる。このため、燃料供給システムのコスト、重量および搭載スペースも２倍近く必要になり、大幅なコストアップや、重量増による燃費悪化、搭載性の悪化などを招くという問題がある。

　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガソリンとアルコールとの混合燃料を使用する内燃機関において、簡易な構成で混合燃料使用時のエミッション悪化を抑制することのできる内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。

　第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の燃料噴射装置であって、
　燃料を貯留する内部空間と燃料を噴射する噴射口とが形成された先端部を有する燃料インジェクタと、前記内部空間に設置され、ガソリンとアルコールとの混合燃料中のアルコール成分を選択的に吸着可能な吸着材と、を有し、前記燃料インジェクタに供給される混合燃料のアルコール濃度（以下、第１のアルコール濃度）に基づいて、内燃機関の空燃比が制御目標空燃比になるように、前記燃料インジェクタからの噴射量を制御する内燃機関の燃料噴射装置において、
　前記吸着材は、燃料圧力が低いときにはアルコール吸着量が小さくなり、燃料圧力が高いときにはアルコール吸着量が大きくなる特性を有し、
　前記燃料インジェクタから噴射される燃料のアルコール濃度（以下、第２のアルコール濃度）を、前記第１のアルコール濃度よりも低くする要求の有無を判定する判定手段と、
　前記要求があると判定された場合に、燃料圧力を所定の高燃圧に制御する制御手段と、
　燃料圧力に基づいて、前記吸着材に吸着されるアルコール吸着量を推定する吸着量推定手段と、
　前記アルコール吸着量に基づいて、前記内燃機関の空燃比のズレを補正する補正手段と、
　を備えることを特徴とする。

　第２の発明は、第１の発明において、
　前記吸着量推定手段は、前記内部空間内の燃料圧力および燃料温度に基づいて、前記アルコール吸着量を推定することを特徴とする。

　第３の発明は、第１または第２の発明において、
　前記補正手段は、
　前記アルコール吸着量に基づいて、前記第２のアルコール濃度を推定する濃度推定手段を含み、
　前記第１のアルコール濃度に対する前記第２のアルコール濃度の低下分に相当する空燃比の変化を、前記噴射量の増減により補正することを特徴とする。

　第４の発明は、第３の発明において、
　前記濃度推定手段は、前記アルコール吸着量および前記第１のアルコール濃度に基づいて、前記第２のアルコール濃度を推定することを特徴とする。

　第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
　前記判定手段は、前記内燃機関の水温を取得する手段を含み、前記水温が所定値よりも低い場合に、前記要求があると判定することを特徴とする。

　第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
　前記判定手段は、前記内燃機関の始動時に前記要求があると判定することを特徴とする。

　第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、
　前記アルコール吸着量が飽和量に達したことを判定する飽和判定手段と、
　前記飽和が判定された場合に、前記補正手段の実行を制限する制限手段と、
　を更に備えることを特徴とする。

　本発明の燃料インジェクタは、その先端部の内部空間に、ガソリンとアルコールとの混合燃料中のアルコール成分を選択的に吸着可能な吸着材が設置されている。このため、本発明の燃料インジェクタによれば、噴射される燃料のアルコール濃度を、必要なとき（例えば冷間始動時）に、すぐに低下させることができる。これにより、アルコール専用の燃料インジェクタを設けることなく上記効果が得られるので、燃料供給システムを簡素化でき、コスト低減および重量軽減が図れる。

　第１の発明によれば、燃料インジェクタから噴射される燃料のアルコール濃度を低下させる要求がある場合には、その要求に応じて、アルコール濃度の低下した燃料が噴射される。但し、内燃機関は、燃料インジェクタに供給される混合燃料のアルコール濃度（第１のアルコール濃度）に基づいて、空燃比制御を実行している。このため、燃料インジェクタから噴射される燃料のアルコール濃度（第２のアルコール濃度）が、該第１のアルコール濃度よりも低下すると、内燃機関の空燃比が制御目標空燃比からズレてしまう。また、混合燃料のアルコール濃度が変化すると該混合燃料の理論空燃比も変化してしまう。第１の発明によれば、吸着材に吸着されたアルコール吸着量に基づいて、内燃機関の空燃比ズレが補正される。このため、本発明によれば、アルコール成分をアルコール吸着材へ吸着させた場合であっても、空燃比ズレに起因するエミッションの悪化を有効に抑制することができる。

　第２の発明によれば、吸着材に吸着されるアルコール吸着量は、該吸着材が設置されている内部空間内の燃料圧力および燃料温度と相関を有している。このため、本発明によれば、これらの状態量に基づいて、アルコール吸着量を精度よく推定することができる。

　第３の発明によれば、第２アルコール濃度の低下による空燃比の変化が、燃料噴射量の増減により補正される。このため、本発明によれば、アルコール成分を吸着材へ吸着させた場合であっても、内燃機関の空燃比を制御目標空燃比に制御することができる。

　第４の発明によれば、第２のアルコール濃度は、推定された吸着量および第１のアルコール濃度に基づいて推定される。吸着材へのアルコール吸着量は、燃料圧力および燃料温度によって決定される量であり、第１のアルコール濃度には依存しない。このため、第２のアルコール濃度は、第１のアルコール濃度が低濃度であるほど、その低下割合が大きくなる。このため、本発明によれば、第１のアルコール濃度を考慮することにより、第２のアルコール濃度を精度よく推定することができる。

　第５の発明によれば、内燃機関の水温が所定値よりも低い場合に、第２のアルコール濃度を第１のアルコール濃度よりも低くする要求があると判定される。アルコールは、低温下における気化特性が悪い。このため、本発明によれば、低温下において未燃アルコールが多量に排出されてＨＣエミッションが悪化する事態を効果的に抑制することができる。

　第６の発明によれば、内燃機関の始動時に、第２のアルコール濃度を第１のアルコール濃度よりも低くする要求があると判定される。内燃機関の始動時は、通常時よりも多量の噴射量が必要となる。このため、本発明によれば、アルコール濃度の高い混合燃料が多量に噴射されることにより、ＨＣエミッションが悪化する事態を効果的に抑制することができる。

　第７の発明によれば、吸着材へのアルコール吸着量が飽和量に達した場合に、噴射量の補正が制限される。吸着量が飽和した後は、第２のアルコール濃度は第１のアルコール濃度よりも低くならない。このため、本発明によれば、不要な補正が実行されることによりエミッションが悪化する事態を有効に回避することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。内燃機関に燃料を供給する燃料系統を模式的に示す図である。燃料インジェクタの先端部を拡大して示す断面図である。燃料圧力と、吸着材のアルコール吸着量との関係を示す図である。アルコール濃度と始動時の要求噴射量との関係を説明するための図である。本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。タンク内燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｔａｎｋと噴射燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｉｎｊとの関係を説明するための図である。本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。Ｅ８０、Ｅ２０およびＥ０の蒸留割合と温度との関係を示す図である。

　以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
　図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、例えば車両の動力源として用いられる。本実施形態の内燃機関１０は、直列４気筒型であるものとするが、本発明における内燃機関の気筒数および気筒配置は特に限定されるものではない。図１には、内燃機関１０の一つの気筒の断面が示されている。

　この内燃機関１０は、ガソリンを燃料として運転可能であるとともに、エタノールあるいはメタノールなどのアルコールと、ガソリンとを混合した燃料（以下、「アルコール混合燃料」または「混合燃料」とも呼ぶ）によっても運転可能なものである。この場合、アルコール混合燃料としては、アルコール成分の濃度（アルコール成分の割合）が低濃度（例えば数％程度）のものから高濃度（例えば８０％以上）のものまで、使用可能である。

　内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が接続されている。吸気通路１２には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。エアフローメータ１６の下流には、スロットル弁１８が配置されている。スロットル弁１８の開度は、スロットルモータ２０の作動によって調整される。スロットル弁１８の近傍には、スロットル弁１８の開度を検出するためのスロットルポジションセンサ２２が配置されている。排気通路１４には、排気ガスを浄化するための触媒１５が設置されている。

　内燃機関１０の各気筒には、吸気ポート１１内に燃料を噴射するための燃料インジェクタ２６が配置されている。内燃機関１０の各気筒には、更に、吸気弁２８、点火プラグ３０および排気弁３２が設けられている。

　内燃機関１０のクランク軸３６の近傍には、クランク軸３６の回転角度（クランク角度）を検出可能なクランク角センサ３８が設置されている。クランク角センサ３８によれば、内燃機関１０のクランク角度や機関回転数を検出することができる。

　また、本実施形態のシステムは、内燃機関１０が搭載された車両の運転席のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルポジションセンサ２４と、内燃機関１０の冷却水温を検出する水温センサ４２と、内燃機関１０の始動時にクランク軸３６を回転駆動する電動機を有する始動装置４４と、燃料ポンプ４６と、燃料性状センサ４８と、燃料圧力センサ６０と、燃料温度センサ６２と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０とを備えている。ＥＣＵ５０には、上述したものを含む各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。

　図２は、内燃機関１０に燃料を供給する燃料系統を模式的に示す図である。図２に示すように、本実施形態のシステムは、燃料タンク５２を備えている。燃料タンク５２は、燃料供給通路５４を介して、デリバリパイプ５６に接続されている。燃料供給通路５４の途中には、燃料を加圧する燃料ポンプ４６が設置されている。燃料ポンプ４６の設置箇所はこれに限定されるものではなく、例えば燃料タンク５２内に設置されていてもよい。また、燃料ポンプ４６の下流側には、燃料の圧力を検出するための燃料圧力センサ６０、および燃料の温度を検出するための燃料温度センサ６２が設置されている。

　燃料タンク５２内に貯留された燃料は、燃料ポンプ４６によって加圧され、燃料供給通路５４を通ってデリバリパイプ５６に送られる。そして、デリバリパイプ５６により、各気筒の燃料インジェクタ２６に燃料が分配される。燃料ポンプ４６は、燃料の圧力を、ＥＣＵ５０から指令された圧力に調圧して、デリバリパイプ５６に送ることができるように構成されている。すなわち、本実施形態のシステムでは、燃料ポンプ４６によって、燃料インジェクタ２６内部の燃料圧力（すなわち燃料噴射圧力）を調整可能になっている。

　燃料インジェクタ２６に供給される燃料、すなわち燃料タンク５２内に貯留されている燃料（以下、「タンク内燃料」と称する）のアルコール濃度は、ユーザーが給油を選択した燃料のアルコール濃度に応じて、増減する。本実施形態では、燃料供給通路５４の途中に設けた燃料性状センサ４８によって、タンク内燃料のアルコール濃度を検出可能になっている。燃料性状センサ４８としては、例えば、燃料の誘電率、屈折率などを測定することによってアルコール濃度を検出するものを用いることができる。なお、燃料性状センサ４８の設置位置は、図示の構成に限定されるものではない。例えば、燃料タンク５２またはデリバリパイプ５６に燃料性状センサ４８を設置してもよい。また、本発明では、タンク内燃料のアルコール濃度を検出する方法は、燃料性状センサ４８を用いる方法に限定されるものではない。例えば、空燃比フィードバック制御における学習値から燃料のアルコール濃度を検出（推定）するようにしてもよい。すなわち、ガソリンとアルコールとでは理論空燃比の値が異なるので、アルコール混合燃料の理論空燃比の値は、そのアルコール濃度に応じて異なる。このため、排気通路１４に設けられた空燃比センサ（図示せず）の信号をフィードバックすることによって学習される理論空燃比の値に基づいて、タンク内燃料のアルコール濃度を検出（推定）することが可能である。

　図３は、本実施形態の内燃機関１０が備える燃料インジェクタ２６の先端部を拡大して示す断面図である。図３に示すように、燃料インジェクタ２６は、先端部２６１を有している。先端部２６１には、燃料を噴射する噴射口２６２と、燃料を貯留する（燃料が満たされる）内部空間２６３とが形成されている。内部空間２６３には、噴射弁としてのニードル弁２６４が挿通している。噴射口２６２は、このニードル弁２６４により開閉される。ニードル弁２６４の基端側には、プランジャ２６５が一体的に設けられている。プランジャ２６５の周囲には、ソレノイドコイル２６６が設置されている。ソレノイドコイル２６６に通電すると、プランジャ２６５がソレノイドコイル２６６に吸引されて、プランジャ２６５およびニードル弁２６４が基端側に移動することにより、噴射口２６２が開く。これにより、内部空間２６３にある燃料が噴射口２６２から噴射される。ソレノイドコイル２６６への通電が断たれると、プランジャ２６５およびニードル弁２６４が図示しないバネの付勢力によって元の位置に戻り、噴射口２６２が閉じられ、噴射が停止する。このような燃料インジェクタ２６の内部空間２６３の燃料圧力（以下、単に「燃料圧力」とも呼ぶ）は、前述したように、ＥＣＵ５０から燃料ポンプ４６への指令により、低圧から高圧まで制御可能である。

　燃料インジェクタ２６の先端部２６１の内部空間２６３には、吸着材５８が設置されている。図示の構成では、吸着材５８は、内部空間２６３の内周に沿って筒状に配置されている。すなわち、吸着材５８は、ニードル弁２６４の外周側を取り囲むようにして配置されている。この吸着材５８としては、アルコール混合燃料中のアルコール成分を選択的に吸着することのできる性質を有するものが選択されている。このような吸着材５８の構成材料としては、アルコール分子を取り込むことのできる分子レベルの細孔を有する、親水性の高い多孔質体を用いることができ、代表的にはゼオライトが好ましく用いられる。ゼオライトの中でも、極性の強いものが特に好ましい。極性の強いゼオライトを用いることにより、ガソリン成分が含まれる燃料の中から極性の強いアルコール分子を確実に選択して吸着することができる。また、吸着材５８として用いる多孔質体の骨格構造（ゼオライトであれば、Ａ型、Ｙ型、Ｘ型など）に応じて細孔径などが異なるので、対象となるアルコール分子の大きさなどに応じて最適な骨格構造を選択することにより、良好なアルコール吸着特性を得ることができる。例えば、エタノールを吸着する場合には、Ａ型ゼオライトを特に好ましく用いることができる。

[実施の形態１の動作]
（吸着材におけるアルコール吸着・脱離動作）
　吸着材５８は、周囲の燃料圧力が低いときには、吸着材５８に吸着されるアルコールの量（以下、「アルコール吸着量」と称する）が小さくなり、燃料圧力が高いときには、アルコール吸着量が大きくなるという特性を有している。本実施形態によれば、この特性を利用して吸着材５８へのアルコール吸着量を制御することにより、燃料インジェクタ２６から噴射される燃料のアルコール濃度を、燃料インジェクタ２６に供給された燃料（すなわちタンク内燃料）のアルコール濃度よりも低くすることが可能である。すなわち、アルコール吸着量が小さい低圧状態から、アルコール吸着量が大きい高圧状態へと燃料圧力を上昇させると、内部空間２６３にある混合燃料中のアルコール成分が選択的に吸着材５８に吸着される。このため、内部空間２６３にある混合燃料は、そのアルコール濃度が低下するとともに、ガソリン濃度が高まる。従って、燃料圧力を高圧にして燃料インジェクタ２６から燃料を噴射することにより、燃料インジェクタ２６から噴射される燃料のアルコール濃度をタンク内燃料のアルコール濃度より低くすることができる。

　図４は、燃料圧力と、吸着材５８のアルコール吸着量との関係を示す図である。前述したように、燃料圧力が低いときにはアルコール吸着量は小さくなり、燃料圧力が高いときにはアルコール吸着量は大きくなる。また、図４中の曲線に矢印を付して表すように、アルコール吸着量は、燃料圧力の履歴に対してヒステリシスを有する。すなわち、燃料圧力を低圧から高圧へ上昇させることによって吸着材５８にアルコールを吸着させる過程におけるアルコール吸着量の変化は図４中の右側の曲線で表され、燃料圧力を高圧から低圧へ降下させることによって吸着材５８からアルコールを脱離させる過程におけるアルコール吸着量の変化は図４中の左側の曲線で表される。

　ＥＣＵ５０は、燃料ポンプ４６の設定圧力値を低圧と高圧との間で切り替えて燃料インジェクタ２６の内部空間２６３の燃料圧力を変化させることにより、吸着材５８へのアルコールの吸着を制御したり、吸着材５８からのアルコールの脱離を制御したりすることができる。吸着材５８のアルコール吸着量は、燃料圧力が図４中のＰ２まで上昇した時点で飽和する。このため、吸着材５８にアルコールを吸着させる際には、燃料圧力をＰ２以上に設定することが好ましい。これにより、吸着材５８のアルコール吸着能力を全部引き出すことができる。ただし、図４中のＰ１以上の燃料圧力であれば吸着材５８にアルコールを吸着させることができる。このため、吸着材５８にアルコールを吸着させる際には、燃料圧力を少なくともＰ１より高い値まで上昇させればよい。

　吸着材５８のアルコール吸着量が飽和した状態から燃料圧力を低下させていくと、図４中のＰ３までは、アルコールは吸着材５８からほとんど脱離しない。燃料圧力がＰ３より低くなると、アルコールが吸着材５８から急速に脱離し始め、図４中のＰ４まで下がるとアルコール吸着量はほぼゼロになる。このため、吸着材５８からアルコールを脱離させる際には、燃料圧力をＰ４以下に設定することが好ましい。これにより、吸着材５８に吸着されたアルコールをほぼ全部脱離させることができる。ただし、上述したように、アルコールの脱離はＰ３から開始するので、吸着材５８からアルコールを脱離させる際には、燃料圧力を少なくともＰ３未満の値まで低下させればよい。

（冷間始動時におけるアルコール濃度低減制御）
　次に、図５を参照して、内燃機関１０の冷間始動時動作におけるアルコール濃度低減制御ついて説明する。図５は、アルコール濃度と始動時の要求噴射量との関係を説明するための図である。この図に示すとおり、常温以下（２５℃以下）の温度域においては、アルコール濃度が高濃度であるほど始動時の要求噴射量が増加する。より具体的には、アルコール濃度が５０～６０％となる付近から要求噴射量が急激に増加する。特に、１０℃以下となる低温下においては、この傾向が顕著に現れる。このため、内燃機関１０の冷間始動時においては、高濃度のアルコール燃料が多量に噴射されてしまい、未燃アルコールの排出によるＨＣエミッションの悪化が問題となる。

　そこで、本実施形態では、内燃機関１０の冷間始動時には、上述の機能を利用して、燃料インジェクタ２６から噴射される燃料のアルコール濃度が、タンク内燃料のアルコール濃度よりも低くなるように制御することとした。これにより、タンク内燃料のアルコール濃度が高い場合であっても、冷間始動時には、タンク内燃料よりもアルコール濃度が低く、ガソリン濃度の高い燃料（以下、「アルコール濃度低減燃料」と称する。）を燃料インジェクタ２６から噴射することができる。このため、燃料良好な始動性が得られるとともに、大気中へのＨＣ排出量を十分に低減することができる。

　特に、本装置によれば、噴射口２６２の直前に位置する内部空間２６３において、アルコール濃度低減燃料を生成することができるので、始動時の初回の噴射から、アルコール濃度低減燃料を噴射することができる。これに対し、燃料インジェクタ２６より手前側の位置（例えばデリバリパイプ５６）においてアルコール濃度低減燃料を生成する構成とした場合には、少なくとも燃料インジェクタ２６内の燃料がアルコール濃度低減燃料に置換されるまで燃料噴射を繰り返した後でなければ、アルコール濃度低減燃料を噴射することができない。

　始動時の初回の噴射からアルコール濃度低減燃料を噴射できることは、次のような理由により、大気中へのＨＣ排出量を低減することに対して極めて有効である。冷間始動時の最初のうちは、触媒１５が排気ガスによって暖められておらず、活性していない状態である。このため、内燃機関１０から排出されたＨＣが触媒１５でほとんど浄化されずにそのまま大気中に排出されてしまう。その後、内燃機関１０での燃焼が始まると、排気ガスが触媒１５に流れ始めて触媒１５の温度が上昇し、触媒活性が発現し始めるので、ＨＣが触媒１５で浄化され始める。従って、冷間始動時の大気中へのＨＣ排出量を低減するためには、触媒１５の温度が上昇していない、最初の数サイクルのうちに内燃機関１０から排出されるＨＣの量を低減することが極めて重要となる。この点において、本装置によれば、始動時の初回の噴射からアルコール濃度低減燃料を噴射することができるので、燃焼せずに排気通路１４へ流れるアルコール成分の量を確実に削減することができる。このため、冷間始動時の大気中へのＨＣ排出量を極めて有効に低減することができる。

　なお、吸着材５８のアルコール吸着量が飽和すると、吸着材５８はそれ以上アルコールを吸着することができない。このため、内燃機関１０が始動した後、燃料インジェクタ２６からの燃料噴射が繰り返されることにより、噴射される燃料のアルコール濃度は、元の濃度、すなわちタンク内燃料のアルコール濃度に戻っていく。しかしながら、それまでの間に触媒１５の温度が上昇して活性が発現し、ＨＣが触媒１５で浄化され始める。よって、大気中へのＨＣの排出は十分に抑制される。また、燃料インジェクタ２６から噴射される燃料のアルコール濃度が元の濃度に戻るまでの間に、内燃機関１０の温度も上昇するので、アルコール成分の気化が促進されるようになる。このため、始動後の内燃機関１０の運転安定性の悪化を十分に抑制することができる。

（実施の形態１の特徴的動作）
　次に、本実施の形態１の特徴的動作について説明する。上述したとおり、本実施の形態の装置では、内燃機関１０の冷間始動時に、燃料インジェクタ２６から噴射される燃料のアルコール濃度が、タンク内燃料のアルコール濃度よりも低くなるように制御することとしている。しかしながら、当該アルコール濃度低減制御が実行されると、内燃機関１０の空燃比にズレが生じてしまう。すなわち、内燃機関１０では、タンク内燃料が燃料インジェクタ２６から噴射されることを前提に、燃料噴射量を決定している。このため、燃料インジェクタ２６からアルコール濃度低減燃料が噴射されると、該内燃機関１０の空燃比にズレが生じてしまう。

　そこで、本実施の形態では、アルコール濃度低減制御が実行されている場合に、空燃比の補正制御を実行することとする。より具体的には、燃料インジェクタ２６から噴射されるアルコール濃度低減燃料の濃度を推定し、かかる濃度に応じて、内燃機関１０の空燃比が制御目標空燃比となるように、噴射量を増減補正することとする。これにより過剰な燃料供給を回避することができるので、未燃アルコールの排出によるＨＣエミッションの悪化を有効に抑制することができる。

［本実施の形態の具体的処理］
　次に、図６を参照して、本実施の形態の具体的処理について説明する。図６は、上述した空燃比補正を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンでは、先ず、スターター信号がＯＮか否かが判定される（ステップ１００）。その結果、スターター信号がＯＮでないと判断された場合には、本ルーチンが速やかに終了される。一方、上記ステップ１００において、スターター信号がＯＮと判定された場合には、内燃機関１０の始動時であると判断されて、次のステップに移行し、水温センサ４２により検出される始動時の内燃機関１０の冷却水温Ｔｗが取得される（ステップ１０２）。

　次に、タンク内燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｔａｎｋが取得される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、燃料性状センサ４８により検出されるタンク内燃料のアルコール濃度が取得される。次に、冷却水温が所定値Ａよりも小さいか否かが判定される（ステップ１０６）。その結果、冷却水温Ｔｗ＜所定値Ａの成立が認められない場合には、内燃機関１０の温間始動時であって、噴射燃料のアルコール濃度を低下させなくても、始動性が悪化したり、ＨＣが大気中に排出されたりするおそれはないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

　一方、上記ステップ１０６において、冷却水温Ｔｗ＜所定値Ａの成立が認められた場合には、内燃機関１０の冷間始動時であると判断されて、次のステップに移行し、アルコール濃度ＲＯＨ_Ｔａｎｋが所定値Ｂよりも大きいか否かが判定される（ステップ１０８）。その結果、アルコール濃度ＲＯＨ_Ｔａｎｋ＞所定値Ｂの成立が認められない場合には、タンク内燃料のアルコール濃度を低減させなくても、始動性が悪化したり、ＨＣが大気中に排出されたりするおそれはないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

　一方、上記ステップ１０８において、アルコール濃度ＲＯＨ_Ｔａｎｋ＞所定値Ｂの成立が認められた場合には、タンク内燃料のアルコール濃度を低減する必要があると判断されて、次のステップに移行し、始動時の要求燃料圧力が取得・設定される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、始動時の要求燃料圧力が、燃料インジェクタ２６から噴射される燃料（以下、「噴射燃料」と称する）のアルコール濃度を低下させるための燃料圧力、換言すると、アルコールが吸着材５８に吸着されるための高い燃料圧力（以下、「高燃圧」と称する）に設定される。

　次に、始動時の基本噴射量が算出される（ステップ１１２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０４において取得されたタンク内燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｔａｎｋに基づいて、内燃機関１０の空燃比を制御目標空燃比に制御するための噴射量が演算される。

　次に、内部空間２６３の容積、燃料温度、および燃料圧力に基づいて、吸着材５８へのアルコール吸着量が算出される（ステップ１１４）。ＥＣＵ５０は、アルコール吸着量と、内部空間２６３の容積、燃料温度、および燃料圧力との関係を規定したマップを記憶している。ここでは、具体的には、かかるマップに基づいて、現在の内部空間２６３の状態、すなわち燃料圧力センサ６０および燃料温度センサ６２によって検出された燃料圧力および燃料温度に対応するアルコール脱離量が推定される。

　次に、噴射燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｉｎｊが算出される（ステップ１１６）。図７は、タンク内燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｔａｎｋと噴射燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｉｎｊとの関係を説明するための図である。この図に示すとおり、タンク内燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｔａｎｋが低濃度であるほど、噴射燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｉｎｊの変化量（低下量）が大きくなっている。これは、アルコール吸着量は、内部空間２６３内の温度および圧力が同じ条件であれば、基本的にタンク内燃料のアルコール濃度によらず一定であるためである。ＥＣＵ５０は、ＲＯＨ_ＩｎｊとＲＯＨ_Ｔａｎｋとの関係をアルコール吸着量毎に記憶している。ここでは、具体的には、かかるマップを用いて、上記ステップ１０４において算出されたタンク内燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｔａｎｋ、および上記ステップ１１４において算出されたアルコール吸着量に対応する噴射燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｉｎｊが算出される。

　次に、始動時の補正噴射量が算出される（ステップ１１８）。ここでは、具体的には、上記ステップ１１６において算出された濃度のアルコール濃度低減燃料が噴射された場合に、内燃機関１０の空燃比が制御目標空燃比となるように、基本噴射量が補正される。

　次に、燃料噴射処理が実施される（ステップ１２０）。ここでは、具体的には、上記ステップ１１８において算出された始動時補正噴射量に基づいて、アルコール濃度低減燃料が燃料インジェクタ２６から噴射される。

　次に、始動判定フラグがＯＮか否かが判定される（ステップ１２２）。その結果、未だ始動判定フラグがＯＮでないと判定された場合には、未だアルコール濃度低減燃料を噴射する必要があると判断されて、再度上記ステップ１２０の処理が実行される。一方、本ステップ１２２において、始動判定フラグがＯＮであると判定された場合には、内燃機関１０が暖機されたことにより、タンク内燃料をそのまま用いてもエミッションが悪化するおそれがないと判断されて、本ルーチンは終了される。

　以上説明したとおり、本実施の形態１の装置によれば、内燃機関１０の冷間始動時において、アルコール濃度低減燃料が噴射されることによる空燃比ズレを有効に補正することができる。

　ところで、上述した実施の形態１においては、アルコール低減燃料が噴射される冷間始動時に噴射量の補正を行うこととしているが、かかる補正の実行時期はこれに限られない。すなわち、例えば、他の制御の要求によって燃料圧力が高燃圧に可変された場合であっても、噴射燃料のアルコール濃度が吸着材５８の機能によって低減される。したがって、内燃機関１０の冷間始動時でなくても、燃料圧力が高燃圧に可変された場合には、当該噴射量の補正制御を行うことが好ましい。これにより、内燃機関１０の空燃比を制御目標空燃比に制御することができるので、エミッションの悪化を効果的に抑制することができる。

　また、上述した実施の形態１においては、アルコール吸着量を推定する際に、燃料圧力センサ６０および燃料温度センサ６２により検出された燃料圧力および燃料温度を用いているが、かかる推定に使用される値はこれらの検出値に限られない。すなわち、設定された燃料圧力を内部空間２６３内の燃料圧力として代用してもよいし、他の公知な手法でこれらの状態量を推定することとしてもよい。

　尚、上述した実施の形態１においては、タンク内燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｔａｎｋが前記第１の発明における「第１のアルコール濃度」に、噴射燃料のアルコール濃度ＲＯＨ_Ｉｎｊが前記第１の発明における「第２のアルコール濃度」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００、１０６、または１０８の処理を実行することにより、前記第１の発明における「判定手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「制御手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「吸着量推定手段」が、上記ステップ１２０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。

　また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより、前記第３の発明における「濃度推定手段」が実現されている。

　また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第５の発明における「水温を取得する手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第４の発明における「判定手段」が、実現されている。

　また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第６の発明における「判定手段」が実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
　次に、図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に後述する図８に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

　吸着材５８のアルコール吸着量が飽和すると、吸着材５８はそれ以上アルコールを吸着することができない。このため、内燃機関１０が始動した後、燃料インジェクタ２６からの燃料噴射が繰り返されることにより、噴射される燃料のアルコール濃度は、元の濃度、すなわちタンク内燃料のアルコール濃度に戻っていく。このため、上述した実施の形態１における噴射量補正において、始動判定フラグがＯＮと判定される前に吸着材５８のアルコール吸着量が飽和すると、噴射量補正が実行されることによって、逆に空燃比にズレが発生してしまう。

　そこで、本実施の形態２においては、吸着材５８のアルコール吸着量が飽和した場合に、上述した噴射量補正を禁止することとする。これにより、不要な補正が実行されることによりエミッションが悪化する事態を効果的に回避することができる。

［実施の形態２の具体的処理］
　次に、図８を参照して、本実施の形態の具体的処理について説明する。図８は、上述した機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンでは、先ず、図６に示すルーチンにおけるステップ１００～１１８と同様の処理が実行される。

　次に、噴射量補正実行フラグがＯＮか否かが判定される（ステップ１１９）。噴射量補正実行フラグは、初期値がＯＮに設定されている。このため、次にステップ１２０に移行し、始動時補正噴射量に基づいた燃料噴射処理が実施される。

　次に、ステップ１２２に移行し、始動判定フラグがＯＮか否かが判定される。その結果、始動判定フラグがＯＮであると判定された場合には、内燃機関１０が暖機されたことにより、タンク内燃料をそのまま用いてもエミッションが悪化するおそれがないと判断されて、本ルーチンは終了される。

　一方、上記ステップ１２２において、未だ始動判定フラグがＯＮでないと判定された場合には、未だ内燃機関１０が暖機されていないと判断されて、次のステップに移行し、燃料圧力センサ６０および燃料温度センサ６２により検出されるタンク内燃料の燃料圧力および燃料温度が取得される（ステップ１２４）。次に、内部空間２６３の容積、上記ステップ１２４において取得された燃料圧力および燃料温度に基づいて、吸着材５８へのアルコール吸着量が推定される（ステップ１２６）。

　次に、上記ステップ１２６において取得された推定吸着量が所定値Ｃよりも小さいか否かが判定される（ステップ１２８）。所定値Ｃは、吸着材５８のアルコール吸着量が飽和したか否かを判定するためのしきい値として、予め設定された値が取り込まれる。その結果、推定吸着量＜所定値Ｃの成立が認められた場合には、吸着量が未だ飽和していないと判断されて、次のステップに移行し、噴射量補正フラグがＯＮに設定される（ステップ１３０）。一方、推定吸着量＜所定値Ｃの成立が認められない場合には、吸着量が飽和したと判断されて、次のステップに移行し、噴射量補正フラグがＯＦＦに設定される（ステップ１３２）。

　上記ステップ１３０または１３２の処理が実行されると、再度ステップ１１９に移行し、補正量判定フラグがＯＮか否かが判定される。その結果、噴射量補正フラグがＯＮであると判定された場合には、再びステップ１２０における燃料噴射処理が実行される。一方、上記ステップ１１９において噴射量補正フラグがＯＦＦであると判定された場合には、始動時補正噴射量に基づいた燃料噴射処理を実行すると空燃比にズレが発生すると判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

　以上説明したとおり、本実施の形態２の装置によれば、吸着材５８のアルコール吸着量が飽和した場合に、内燃機関１０の冷間始動時に実行される噴射量補正制御が禁止される。これにより、不要な補正が実行されることによるエミッションの悪化を有効に回避することができる。

　ところで、上述した実施の形態２においては、センサ出力に基づいて燃料圧力および燃料温度を取得しているが、これらの値の取得方法はこれに限られない。すなわち、燃料インジェクタ２６の内部空間２６３内の燃料の圧力および温度が取得できるのであれば、他の状態量や内燃機関１０の要求値等から推定することとしてもよい。

　尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１２８の処理を実行することにより、前記第７の発明における「飽和判定手段」が、上記ステップ１１９の処理を実行することにより、前記第７の発明における「制限手段」が、それぞれ実現されている。

１０　内燃機関
１１　吸気ポート
１２　吸気通路
１４　排気通路
１５　触媒
１６　エアフローメータ
１８　スロットル弁
２４　アクセルポジションセンサ
２６　燃料インジェクタ
２６１　先端部
２６２　噴射口
２６３　内部空間
２６４　ニードル弁
２６５　プランジャ
２６６　ソレノイドコイル
２８　吸気弁
３０　点火プラグ
３２　排気弁
４２　水温センサ
５０　ＥＣＵ
５２　燃料タンク
５４　燃料供給通路
５６　デリバリパイプ
５８　吸着材
６０　燃料圧力センサ
６２　燃料温度センサ

Claims

　燃料を貯留する内部空間と燃料を噴射する噴射口とが形成された先端部を有する燃料インジェクタと、前記内部空間に設置され、ガソリンとアルコールとの混合燃料中のアルコール成分を選択的に吸着可能な吸着材と、を有し、前記燃料インジェクタに供給される混合燃料のアルコール濃度（以下、第１のアルコール濃度）に基づいて、内燃機関の空燃比が制御目標空燃比になるように、前記燃料インジェクタからの噴射量を制御する内燃機関の燃料噴射装置において、
　前記吸着材は、燃料圧力が低いときにはアルコール吸着量が小さくなり、燃料圧力が高いときにはアルコール吸着量が大きくなる特性を有し、
　前記燃料インジェクタから噴射される燃料のアルコール濃度（以下、第２のアルコール濃度）を、前記第１のアルコール濃度よりも低くする要求の有無を判定する判定手段と、
　前記要求があると判定された場合に、燃料圧力を所定の高燃圧に制御する制御手段と、
　前記吸着材に吸着されるアルコール吸着量を推定する吸着量推定手段と、
　前記アルコール吸着量に基づいて、前記内燃機関の空燃比のズレを補正する補正手段と、
　を備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
　前記吸着量推定手段は、前記内部空間内の燃料圧力および燃料温度に基づいて、前記アルコール吸着量を推定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
　前記補正手段は、
　前記アルコール吸着量に基づいて、前記第２のアルコール濃度を推定する濃度推定手段を含み、
　前記第１のアルコール濃度に対する前記第２のアルコール濃度の低下分に相当する空燃比の変化を、前記噴射量の増減により補正することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃料噴射装置。
　前記濃度推定手段は、前記アルコール吸着量および前記第１のアルコール濃度に基づいて、前記第２のアルコール濃度を推定することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の燃料噴射装置。
　前記判定手段は、前記内燃機関の水温を取得する手段を含み、前記水温が所定値よりも低い場合に、前記要求があると判定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の燃料噴射装置。
　前記判定手段は、前記内燃機関の始動時に前記要求があると判定することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の燃料噴射装置。
　前記アルコール吸着量が飽和量に達したことを判定する飽和判定手段と、
　前記飽和が判定された場合に、前記補正手段の実行を制限する制限手段と、
　を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の内燃機関の燃料噴射装置。