JP2008151004A - 燃料含水率検出方法およびこれを用いたヒータ通電開始時期設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料含水率を検出する場合、従来は燃料中のアルコール濃度を検出するだけのためのセンサを組み込んでおり、そのためのコストが嵩む。
【解決手段】本発明による燃料含水率検出装置は、燃焼室１４内の圧力Ｐを検出する筒内圧センサ２０と、燃焼室１４への燃料の供給量を設定する燃料噴射量設定部３９と、クランク角位相を検出するクランク角センサ３７と、筒内圧センサ２０によって燃焼室１４内の圧力Ｐが検出された時点における燃焼室１４の容積Ｖを算出する燃焼室容積算出部４１と、燃料の供給量，燃焼室１４の圧力Ｐおよび容積Ｖから燃料の発熱量に関する制御パラメータを算出する低位発熱量指標算出部４３と、予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、算出された制御パラメータの値の割合から使用燃料の含水率Ｗを算出する燃料含水率算出部４４とを具える。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンに供給される燃料の含水率を検出する方法およびエンジンの排気通路に配されたセンサを加熱するためのヒータに対する通電開始時期の設定方法に関する。

近年、資源枯渇および環境への懸念からエタノール燃料が注目されている。このエタノール燃料は、セルロース，トウモロコシ，天然ガスなどから比較的容易に生産できる安価で現実的な環境保全燃料であり、このような燃料に対応したＦＦＶ（Flex Fuel Vehicle:フレキシブル燃料自動車）の開発が急がれている。

一方、エタノールは周知のような吸湿性を有しているため、生産地や製造工場によって品質が変動しやすく、Ｅ１００（エタノール１００％）の燃料であっても、その生成過程における水分の混入によるある程度の含水率を有することを免れない。通常、燃料中の含水率が高くなるほど排気ガスに含まれる水分量が多くなるため、熱衝撃に弱いジルコニアなどのセラミックスを用いたＯ_２センサやＡ/Ｆセンサにおいては、その使用時に被水割れなどの事故に対する注意が必要となる。すなわち、これらセンサの検出素子が活性化する温度は６００℃以上であることから、エンジンの始動時にセンサも早く活性化させる必要上、検出素子を加熱するためのヒータがこれらのセンサに組み込まれている。エンジンの冷態始動時に、特に寒冷地においては排気管の内壁に凝縮した水滴がヒータにより加熱中のセンサの検出素子に触れると、熱衝撃によって検出素子にクラックが発生する、いわゆる被水割れを起こす可能性がある。

特許文献１には、燃料供給経路の途中にアルコール濃度センサを組み込んで燃料中のアルコール濃度を検出し、これに基づいて排気ガス中に含まれる水分量を推定し、排気通路に配されたセンサのヒータに対する通電開始時期を制御する技術が開示されている。これによると、水分量が多いほど通電開始時期を遅らせて排気通路内の水滴をより確実に蒸発させ、検出素子が被水割れすることによるセンサの破損事故を抑制することができる。

特開２００５−３４４５５０号公報

特許文献１では、燃料中のアルコール濃度を検出するだけのためのセンサを組み込んでいるため、そのためのコストアップを避けることができない。

本発明の主たる目的は、燃料の性状を検出するための専用のセンサを用いることなく、燃料の含水率を検出し得る方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、エンジンの排気通路に配され、ヒータを用いて加熱することにより活性化するセンサに対し、エンジンの始動後におけるヒータへの通電開始時期を先の燃料含水率検出方法を利用して設定し得る方法を提供することにある。

エンジンの燃焼の１サイクルにおける熱発生量は、エンジンに供給された燃料の燃焼成分（ＣnＨmＯ）における炭素と水素との分率に完全に比例する。従って、例えば水を５％含むＥ９５のアルコール燃料の熱発生量は、他の不純物を考慮しない場合、Ｅ１００のアルコール燃料を使用した場合の熱発生量よりも５％低い値となる。つまり、Ｅ１００のアルコール燃料における熱発生量が予め判っている場合、エンジンに供給された燃料の熱発生量を求めることによって、その含水率を推定することが可能となる。

本発明はかかる知見に鑑みてなされたものであり、その第１の形態は、エンジンの燃焼室内の圧力を検出するステップと、検出された燃焼室内の圧力に基づいてエンジンに供給された燃料の含水率を推定するステップとを具えたことを特徴とする燃料含水率検出方法にある。

本発明の第１の形態による燃料含水率検出方法において、燃料の含水率を推定するステップが、検出された燃焼室の圧力とこの時の燃焼室の容積とから燃料の熱発生量に関する制御パラメータを算出するステップと、予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、算出された制御パラメータの値の割合を算出するステップとを含むものであってよい。この場合、エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定するステップをさらに具え、ここでエンジンの運転状態が定常状態にあると判断した場合に燃料の含水率を推定するステップを実行することが好ましい。

燃料の含水率を推定するステップは、検出された燃焼室の圧力，この時の燃焼室の容積および燃焼室に対して設定された燃料の供給量から燃料の発熱量に関する制御パラメータを算出するステップと、予め設定された所定含水率の場合における制御パラメータの値に対し、算出された制御パラメータの値の割合を算出するステップとを含むものであってよい。

燃焼室内の圧力を検出するステップが燃焼室内の最大圧力を複数回の燃焼サイクルにおける平均値として算出するステップを含み、含水率を推定するステップは、予め設定された所定含水率における燃焼室内の最大圧力に対し、算出された燃焼室内の平均最大圧力の割合を算出するステップを含むものであってよい。この場合、エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定するステップをさらに具え、ここでエンジンの運転状態が定常状態にあると判断した場合に燃焼室内の最大圧力を検出するステップを実行することが好ましい。

何れの場合においても、予め設定された所定含水率の燃料は、エンジンに供給されるべき公称含水率の燃料であることが有効であり、特に吸湿性の高いアルコール燃料において好適であると言える。

本発明の第２の形態は、エンジンの燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサと、この筒内圧センサによって検出された燃焼室内の圧力に基づいてエンジンに供給された燃料の含水率を推定する含水率推定手段とを具えたことを特徴とする燃料含水率検出装置にある。

本発明の第２の形態による燃料含水率検出装置において、エンジンのクランク角位相を検出するクランク角センサをさらに具え、含水率推定手段が、このクランク角センサからの検出信号に基づき、筒内圧センサによって燃焼室内の圧力が検出された時点における燃焼室の容積を算出する燃焼室容積算出手段と、この燃焼室容積算出手段によって算出された燃焼室の容積および筒内圧センサによって検出された燃焼室内の圧力から燃料の熱発生量に関する制御パラメータを算出するパラメータ算出手段と、予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、パラメータ算出手段にて算出された制御パラメータの値の割合から使用燃料の含水率を算出する含水率算出手段とを有するものであってよい。この場合、エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段をさらに具え、この運転状態判定手段にてエンジンの運転状態が定常状態にあると判断された場合、含水率算出手段により燃料含水率を算出することが好ましい。

運転状態判定手段は、吸気通路の途中に配されたスロットル弁の開度を検出するスロットル開度センサまたは吸気通路内の吸気の流量を検出するエアフローセンサを含み、このスロットル開度センサ/エアフローセンサからの検出情報と、前記クランク角センサからの検出情報とに基づいてエンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定するものであってよい。

燃焼室への燃料の供給量を設定する燃料供給量設定手段と、エンジンのクランク角位相を検出するクランク角センサとをさらに具え、含水率推定手段が、クランク角センサからの検出信号に基づき、筒内圧センサによって燃焼室内の圧力が検出された時点における燃焼室の容積を算出する燃焼室容積算出手段と、燃料供給量設定手段にて設定された燃料の供給量，筒内圧センサによって検出された燃焼室の圧力および燃焼室容積算出手段によって算出された燃焼室の容積から燃料の発熱量に関する制御パラメータを算出するパラメータ算出手段と、予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、パラメータ算出手段にて算出された制御パラメータの値の割合から使用燃料の含水率を算出する含水率算出手段とを有するものであってよい。

パラメータ算出手段が燃焼室内の最大圧力を複数回の燃焼サイクルにおける平均値として算出する平均化手段を含み、含水率推定手段は、予め設定された所定含水率における燃焼室内の最大圧力に対し、平均化手段にて算出された燃焼室内の平均最大圧力の割合から使用燃料の含水率を算出する含水率算出手段を含むことができる。この場合、エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段をさらに具え、この運転状態判定手段判定手段にてエンジンの運転状態が定常状態にあると判断された場合、含水率算出手段により燃料含水率を算出することが好ましい。

何れの場合においても、予め設定された所定含水率の燃料は、エンジンに供給されるべき公称含水率の燃料であることが有効であり、特に吸湿性の高いアルコール燃料において好適である。

本発明の第３の形態は、排気通路に臨むように配されたセンサに組み込まれたヒータに対する通電開始時期をエンジンの再始動後に制御するための方法であって、本発明による燃料含水率検出方法によって燃料中に含まれる含水率を推定するステップと、推定された燃料含水率に基づき、エンジンの再始動後におけるヒータに対する通電開始時期を設定するステップとを具えたことを特徴とするものである。

本発明の第３の形態によるヒータ通電開始時期設定方法において、燃料中の水分率が大きいほどヒータに対する通電開始時期が遅くなるように設定することが望ましい。

本発明の第４の形態は、排気通路に臨むように配されたセンサに組み込まれたヒータに対する通電開始時期をエンジンの再始動後に制御するための装置であって、本発明による燃料含水率検出装置と、この燃料含水率検出装置によって推定された燃料含水率に基づき、エンジンの再始動後におけるヒータに対する通電開始時期を設定する通電開始時期設定手段とを具えたことを特徴とするものである。

本発明の第１の形態の燃料含水率検出方法によると、エンジンの燃焼室内の圧力を検出し、検出された燃焼室内の圧力に基づいてエンジンに供給された燃料の含水率を推定するようにしたので、アルコール濃度センサなどの特別なセンサを使用することなく、燃料含水率を推定することができる。

燃料の含水率を推定するに際し、検出された燃焼室の圧力とこの時の燃焼室の容積とから燃料の熱発生量に関する制御パラメータを算出し、予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、算出された制御パラメータの値の割合を算出する場合、より高精度に燃料含水率を推定することができる。特に、エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定し、ここでエンジンの運転状態が定常状態にあると判断した時に燃料の含水率を推定するようにした場合、燃料含水率をさらに高精度に推定することができる。

燃料の含水率を推定するに際し、検出された燃焼室の圧力，この時の燃焼室の容積および燃焼室に対して設定された燃料の供給量から燃料の発熱量に関する制御パラメータを算出し、予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、算出された制御パラメータの値の割合を算出するようにした場合、エンジンが加減速時などの過渡的な運転状態にあっても燃料含水率を推定することができる。

燃焼室内の圧力を検出する際に燃焼室内の最大圧力を複数回の燃焼サイクルにおける平均値として算出し、含水率を推定する際に予め設定された所定含水率における燃焼室内の最大圧力に対し、算出された燃焼室内の平均最大圧力の割合を算出する場合、燃料含水率を極めて簡便に推定することができる。特に、エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定し、ここでエンジンの運転状態が定常状態にあると判断した時に燃焼室内の最大圧力を検出する場合、より高精度に燃料含水率を推定することができる。

本発明の第２の形態の燃料含水率検出装置によると、エンジンの燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサと、この筒内圧センサによって検出された燃焼室内の圧力に基づいてエンジンに供給された燃料の含水率を推定する含水率推定手段とを具えているので、アルコール濃度センサなどの特別なセンサを使用することなく、燃料含水率を推定することができる。

エンジンのクランク角位相を検出するクランク角センサをさらに具え、含水率推定手段が、このクランク角センサからの検出信号に基づき、筒内圧センサによって燃焼室内の圧力が検出された時点における燃焼室の容積を算出する燃焼室容積算出手段と、この燃焼室容積算出手段によって算出された燃焼室の容積および筒内圧センサによって検出された燃焼室内の圧力から燃料の熱発生量に関する制御パラメータを算出するパラメータ算出手段と、予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、パラメータ算出手段にて算出された制御パラメータの値の割合から使用燃料の含水率を算出する含水率算出手段とを有する場合、より高精度に燃料含水率を推定することができる。特に、エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段をさらに具え、この運転状態判定手段にてエンジンの運転状態が定常状態にあると判断された時に含水率算出手段によって燃料含水率を算出する場合、燃料含水率をさらに高精度に推定することができる。

燃焼室への燃料の供給量を設定する燃料供給量設定手段と、エンジンのクランク角位相を検出するクランク角センサとをさらに具え、含水率推定手段が、クランク角センサからの検出信号に基づき、筒内圧センサによって燃焼室内の圧力が検出された時点における燃焼室の容積を算出する燃焼室容積算出手段と、燃料供給量設定手段にて設定された燃料の供給量および筒内圧センサによって検出された燃焼室の圧力ならびに燃焼室容積算出手段によって算出された燃焼室の容積から燃料の発熱量に関する制御パラメータを算出するパラメータ算出手段と、予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、パラメータ算出手段にて算出された制御パラメータの値の割合から使用燃料の含水率を算出する含水率算出手段とを有する場合、エンジンが加減速時などの過渡的な運転状態にあっても燃料含水率を推定することができる。

燃焼室内の最大圧力を複数回の燃焼サイクルにおける平均値として算出する平均化手段をパラメータ算出手段が含み、予め設定された所定含水率における燃焼室内の最大圧力に対し、平均化手段にて算出された燃焼室内の平均最大圧力の割合から使用燃料の含水率を算出する含水率算出手段を含水率推定手段が有する場合、燃料含水率を極めて簡便に推定することができる。特に、エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段をさらに具え、この運転状態判定手段判定手段にてエンジンの運転状態が定常状態にあると判断された時に含水率算出手段によって燃料含水率を算出する場合、より高精度に燃料含水率を推定することができる。

本発明の第３の形態のヒータ通電開始時期設定方法によると、本発明の燃料含水率検出方法により燃料中に含まれる含水率を推定し、推定された燃料含水率に基づき、エンジンの再始動後におけるヒータに対する通電開始時期を設定するので、アルコール濃度センサなどの特別なセンサを使用することなく、エンジンの始動後におけるヒータに対する通電開始時期を設定してセンサの被水割れによる損傷事故を低減させることができる。

ヒータに対する通電開始時期を設定するに際し、燃料中の水分率が大きいほどヒータの通電開始時期が遅くなるように設定した場合、センサの被水割れによる損傷事故をより確実に低減させることができる。

本発明の第４の形態のヒータ通電開始時期設定装置によると、本発明による燃料含水率検出装置と、この燃料含水率検出装置によって推定された燃料含水率に基づき、エンジンの再始動後におけるヒータに対する通電開始時期を設定する通電開始時期設定手段とを具えているので、アルコール濃度センサなどの特別なセンサを使用することなく、エンジンの始動後におけるヒータに対する通電開始時期を設定してセンサの被水割れによる損傷事故を低減させることができる。

本発明を排気通路内にＡ/Ｆセンサが組み込まれた火花点火式内燃機関に対して応用した実施形態について、図１〜図９を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこのような実施形態のみに限らず、必要に応じてこれらの実施形態の一部を相互に組み合わせたり、本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも応用することができる。

本実施形態におけるエンジンシステムの概念を図１に示し、その制御ブロックを図２に示す。本実施形態におけるエンジン１０は、燃料であるＥ１００のアルコール燃料（無水エタノール）を燃料噴射弁１１から吸気ポート１２内に噴射し、点火プラグ１３によって着火させる型式のものである。

燃焼室１４にそれぞれ臨む吸気ポート１２および排気ポート１５が形成されたシリンダヘッド１６には、吸気ポート１２を開閉する吸気弁１７および排気ポート１５を開閉する排気弁１８を含む動弁機構が組み込まれている。先の燃料噴射弁１１や、燃焼室１４内の混合気を着火させる点火プラグ１３およびこの点火プラグ１３に火花を発生させるイグニッションコイル１９の他に、燃焼室１４内の圧力を検出するための筒内圧センサ２０もシリンダヘッド１６に搭載されている。筒内圧センサ２０によって検出された信号は、ＥＣＵ２１に出力される。

吸気ポート１２に連通するようにシリンダヘッド１６に連結されて吸気ポート１２と共に吸気通路２２を画成する吸気管２３の上流端側には、大気中に含まれる塵埃などを除去して吸気通路２２に導くためのエアクリーナ２４が設けられている。このエアクリーナ２４よりも下流側に位置する吸気管２３の部分には、運転者によって操作される図示しないアクセルペダルの踏み込み量に基づき、吸気通路２２の開度が調整されるスロットル弁２５が組み込まれている。また、このスロットル弁２５にはその開度を検出するためのスロットル開度センサ２６が付設され、その検出情報がＥＣＵ２１に出力されるようになっている。本実施形態では、アクセルペダルとスロットル弁２５とを機械的に連結しているが、アクセルペダルの踏み込み動作と、スロットル弁２５の開閉動作とを切り離し、アクチュエータを用いてスロットル弁２５の開閉動作を電気的に制御できるようにしたものであってもよい。

スロットル弁２５とエアクリーナ２４との間の吸気管２３の途中には、サージタンク２７が形成され、このサージタンク２７とエアクリーナ２４との間の吸気管２３の途中には、吸気通路２２内を流れる吸気流量を検出してこれをＥＣＵ２１に出力するエアフローメータ２８が取り付けられている。吸気管２３におけるエアフローメータ２８の取り付け位置は、スロットル弁２５の取り付け位置よりも上流側であればよく、図１の如き位置に限定されるものではない。

排気ポート１５に連通するようにシリンダヘッド１６に連結されて排気ポート１５と共に排気通路２９を画成する排気管３０の途中には、燃焼室１４内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための三元触媒３１が組み込まれている。なお、この三元触媒３１を排気通路２９に沿って直列に複数個組み込むことも有効である。三元触媒３１と排気ポート１５との間の排気管３０の途中には、排気通路２９内を流れる排気ガス中の空燃比を検出してＥＣＵ２１に出力するＡ/Ｆセンサ３２が設けられている。本実施形態におけるＡ/Ｆセンサ３２は、ジルコニアを検出素子として用いているため、その活性化を促進させるヒータ３２ａがＡ/Ｆセンサ３２に組み込まれている。ヒータ３２ａは、ＥＣＵ２１から電力を受けて検出素子をその活性化温度まで迅速に上昇させる。

従って、エアクリーナ２４を通って吸気管２３から燃焼室１４内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から吸気ポート１２内に噴射される燃料と混合気を形成し、点火プラグ１３の火花により着火して燃焼し、これによって生成する排気ガスが三元触媒３１を通って排気管３０から大気中に排出される。

ピストン３３が往復動するシリンダブロック３４には、連接棒３５を介してピストン３３が連結されるクランク軸３６の回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ２１に出力するクランク角センサ３７が取り付けられている。

ＥＣＵ２１は、イグニッションキースイッチ３８からの信号や、上述したセンサ２０，２６，３２，３７およびエアフローメータ２８からの検出情報などに基づき、予め設定されたプログラムに従って円滑なエンジン１０の運転がなされるように、燃料噴射弁１１，イグニッションコイル１９，Ａ/Ｆセンサ３２のヒータ３２ａなどの作動を制御するようになっている。また、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量などに基づき、スロットル弁２５の開度に応じた吸気量に対して所定の割合となるように、ＥＣＵ２１内に組み込まれた本発明における燃料供給量設定手段としての燃料噴射量設定部３９にて設定される。さらに、イグニッションコイル１９に対する通電時期は、スロットル開度センサ２６およびクランク角センサ３７などからの情報に基づいてＥＣＵ２１の点火時期設定部４０にて設定される。

本実施形態におけるＥＣＵ２１は、燃料中の含水率を推定し、これに基づいてヒータ３２ａに対する通電開始時期を設定する機能も具えている。このため、先の燃料噴射量設定部３９の他に、燃焼室容積算出部４１と、熱発生量指標算出部４２と、本発明におけるパラメータ算出手段としての低位発熱量指標算出部４３と、燃料含水率算出部４４と、比較部４５と、通電開始時期算出部４６と、記憶部４７とを有する。

燃焼室容積算出部４１は、筒内圧センサ２０によって燃焼室１４内の圧力が検出された時点における燃焼室１４の容積Ｖをクランク角センサ３７からの情報に基づいて算出し、これを熱発生量指標算出部４２に出力する。燃焼室１４内の圧力Ｐが検出された時点における燃焼室１４の容積Ｖは、クランク角センサ３７によって検出されるクランク角位相から自ずと求めることができ、本実施形態における燃焼室容積算出部４１は、マップ化したデータとしてこれを有している。

熱発生量指標算出部４２は、燃焼室１４内の圧力、つまり筒内圧Ｐと、この筒内圧Ｐの検出時における燃焼室１４の容積Ｖを所定の指数κで累乗した値との積ＰＶ^κを筒内圧Ｐの検出時における瞬時熱発生量ｈに関する制御パラメータ、つまり熱発生量指標として算出する。筒内圧Ｐおよびこの筒内圧Ｐの検出時における燃焼室１４の容積Ｖを指数κで累乗した値Ｖ^κの積（以下、これを熱発生量パラメータと呼称する）ＰＶ^κと、瞬時熱発生量ｈとが相関を有する、つまりｈ∽ＰＶ^κとなることは、特開２００５−３６７５４号公報などで詳述されており、周知である。この熱発生量指標算出部４２にて算出された熱発生量パラメータＰＶ^κは、低位発熱量指標算出部４３に出力される。

低位発熱量指標算出部４３は、熱発生量パラメータＰＶ^κを燃料噴射量設定部３９にて設定された１つの気筒への１サイクル当たりの燃料の供給量（以下、これを設定噴射量と呼称する）τで除算した値を、燃料中に含まれた水の潜熱を考慮しない真の燃料の発熱量である低位発熱量Ｑに関する制御パラメータ、つまり低位発熱量指標ｈ/τとして算出する。低位発熱量Ｑは、瞬時熱発生量ｈを設定噴射量τで除算したものであるが、上述したｈ∽ＰＶ^κの関係から、Ｑ∽ＰＶ^κ/τとして表すことができる。

低位発熱量Ｑは、燃料含水率Ｗが高くなるほど少なくなる傾向があり、図３に示すような右下がりのグラフとなる。なお、燃料含水率Ｗが所定値Ｗ_ＲＨ以上となる領域は、実際にあり得ない領域であり、燃料含水率Ｗが０〜Ｗ_ＲＨ％の範囲において、燃料含水率Ｗと低位発熱量Ｑとが比例関係にあることが理解されよう。従って、予め燃料含水率Ｗが０％、つまりＥ１００の燃料における低位発熱量Ｑ_Ｅ１００を求めておくことにより、低位発熱量指標算出部４３にて算出された低位発熱量指標ｈ/τの値から、比例関係を利用して対応する燃料含水率ＷをＱ＝αＷ＋Ｑ_Ｅ１００（ただし、α＜０）の関係を利用してＷ＝(Ｑ−Ｑ_Ｅ１００)/αから求めることができる。燃料含水率算出部４４は、図３に示すグラフをマップとして記憶しており、低位発熱量指標算出部４３にて算出された低位発熱量指標ｈ/τから燃料含水率Ｗを推定し、これを比較部４５に出力する。

なお、エンジン１０の運転状態が定常状態、すなわちエンジン回転数およびスロットル弁開度がほぼ一定の範囲に収まっている場合、上述した低位発熱量指標ｈ/τを算出せずとも熱発生量指標ＰＶ^κから燃料含水率Ｗを推定することも可能である。具体的には、エンジン１０の運転状態が定常状態の場合における熱発生量指標ＰＶ^κを複数回算出してその平均値ＰＶ^κ _ｍを制御パラメータとして求め、予め算出しておいたＥ１００の燃料における熱発生量Ｈ_Ｅ１００に対する熱発生量指標ＰＶ^κの平均値ＰＶ^κ _ｍの割合から、対応する燃料含水率ＷをＷ＝１−(ＰＶ^κ _ｍ/Ｈ_Ｅ１００)により算出することができる。

しかしながら、本実施形態のように熱発生量指標ＰＶ^κと設定燃料噴射量τとに基づいて低位発熱量指標ｈ/τを算出することにより、エンジン１０の運転状態が定常状態ではなく、加減速時などの過渡状態であっても、燃料含水率Ｗを正確に算出することができる利点を有する。

比較部４５は、燃料含水率算出部４４にて算出された燃料含水率Ｗが予め設定された所定値Ｗ_ＲＨ未満であるか否かを判定し、所定値Ｗ_ＲＨ未満であると判断した場合、燃料含水率算出部４４にて算出された燃料含水率Ｗを通電開始時期算出部４６に出力する。しかしながら、燃料含水率Ｗが所定値Ｗ_ＲＨ以上の場合、燃料含水率算出部４４にて算出された燃料含水率Ｗはあり得ない値であるので、この値をキャンセルして通電開始時期算出部４６へは出力しない。

通電開始時期算出部４６は、比較部４５から出力された燃料含水率Ｗに基づき、エンジン１０を再始動した後のＡ/Ｆセンサ３２のヒータ３２ａに対する通電開始時期Ｔを算出し、これを記憶部４７に出力する。通電開始時期Ｔは燃料含水率Ｗが高いほど遅くなる傾向があり、図４に示すような関係を持つ。通電開始時期算出部４６は図４に示すグラフをマップとして記憶しており、このようなマップは実験などから経験的に求められる。なお、燃料含水率Ｗが予め設定された所定値Ｗ_ＲＬ以下となる領域は、Ａ/Ｆセンサ３２のヒータ３２ａに対する通電開始時期Ｔをエンジン１０の始動時から遅延させる効果を認められない領域である。つまり、Ａ/Ｆセンサ３２のヒータ３２ａに対する通電をエンジン１０の始動と同時に行っても、被水割れの事故発生確率が変化しないので、燃料含水率Ｗが所定値Ｗ_ＲＬ以下の場合には、エンジン１０の始動と同時にＡ/Ｆセンサ３２のヒータ３２ａに対する通電を行い、燃焼のフィードバック制御を直ちに行うようにすることが有効である。

記憶部４７は、エンジン１０の停止直前に通電開始時期算出部４６にて算出された通電開始時期Ｔを記憶するものであり、エンジン１０の再始動時におけるＡ/Ｆセンサ３２のヒータ３２ａに対する通電開始時期をここで記憶された通電開始時期Ｔに設定する。

なお、ＥＣＵ２１におけるエンジン１０の停止判定は、イグニッションキースイッチ３８がオフとなっているか、あるいはエンジン回転数がアイドル回転数よりも低い所定値以下の状態が所定時間継続した場合、エンジン１０が停止したと判断される。また、エンジン１０の始動判定は、イグニッションキースイッチ３８がオン状態にてエンジン回転数がアイドル回転数以上の状態が所定時間継続した場合、エンジン１０が始動したと判断される。

このような本実施形態によるＡ/Ｆセンサ３２のヒータ３２ａに対する通電開始時期Ｔの設定手順について図５を参照しつつ説明する。まず、Ｓ１１のステップにて熱発生量指標ＰＶ^κを熱発生量指標算出部４２にて算出し、Ｓ１２のステップにて低位発熱量指標ｈ/τを低位発熱量指標算出部４３にて算出し、Ｓ１３のステップにて燃料含水率Ｗを燃料含水率算出部４４にて算出する。次に、Ｓ１４のステップにて算出された燃料含水率Ｗがあり得ない設定値Ｗ_ＲＨよりも小さいか否かを比較部４５にて判定する。

Ｓ１４のステップにて燃料含水率Ｗが設定値Ｗ_ＲＨ以上である、つまり算出された燃料含水率Ｗが実際にあり得ない値であると判断した場合には、何らかのエラーが考えられるので、Ｓ１１のステップに戻り、再び燃料含水率Ｗを算出し直す。一方、Ｓ１４のステップにて燃料含水率Ｗが設定値Ｗ_ＲＨ未満であると比較部４５が判断した場合には、Ｓ１５のステップに移行して通電開始時期Ｔを通電開始時期算出部４６にて算出した後、Ｓ１６のステップにてエンジン１０が停止しているか否かを判定する。

ここで、エンジン１０が停止していないと判断した場合には、Ｓ１１のステップに戻って再度通電開始時期Ｔを算出する。また、Ｓ１６のステップにてエンジン１０が停止しているとＥＣＵ２１が判断した場合には、Ｓ１７のステップに移行してＳ１５のステップにて算出された最新の通電開始時期Ｔを記憶部４７に記憶する。

このように、エンジン１０が停止するまでは常に通電開始時期Ｔの算出を繰り返し、最新の通電開始時期Ｔが記憶部４７に記憶更新される。

エンジン１０の始動後におけるＡ/Ｆセンサ３２のヒータ３２ａに対する通電は、図６に示した手順に従って行われる。すなわち、Ｓ２１のステップにてエンジン１０が始動しているか否かを判定し、エンジン１０が始動していない場合には何もせずに終了する。また、このＳ２１のステップにてエンジン１０が始動しているとＥＣＵ２１が判断した場合には、Ｓ２２のステップにてタイマのカウントアップを開始し、Ｓ２３のステップにて記憶部４７に記憶されている通電開始時期Ｔを読み出す。さらに、Ｓ２４のステップにてタイマのカウント値ＴCが読み出された通電開始時期Ｔ以上であるか否かを判定し、タイマのカウント値ＴCが通電開始時期Ｔ以上となるまでタイマのカウントアップを続ける。そして、タイマのカウント値ＴCが通電開始時期Ｔ以上となった時点で、Ｓ２５のステップに移行し、Ａ/Ｆセンサ３２のヒータ３２ａに対する通電を行う。

このように、タイマのカウントアップを行っている間に、排気通路２９内に凝結した水滴を高温の排気ガスの流動に伴って気化させ、Ａ/Ｆセンサ３２の素子に水滴が付着したとしてもこれを確実に気化させる。このため、ヒータ３２ａに対する通電を開始して素子を活性化温度に上昇させたとしても、被水割れなどの事故をより確実に防止することができる。また、エンジン１０の始動後にＡ/Ｆセンサ３２を用いたフィードバック制御をいたずらに遅らせることなく、これを開始させることができる。

ところで、筒内圧の最大値Ｐ_Ｘは、燃料の性状によって相違するので、筒内圧の最大値Ｐ_Ｘから燃料の含水率Ｗを予測することも可能である。図７は、Ｅ１００（実線）およびＥ９５（破線）の燃料を使用した場合のクランク角位相に応じた筒内圧Ｐの変化を示しており、燃料含水率Ｗが高いほど筒内圧の最大値Ｐ_Ｘが低下することを認識されよう。このような原理に基づく本発明の別な実施形態の制御ブロックを図８に示し、その制御の手順を図９に示すが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。

本実施形態におけるＥＣＵ２１は、先の燃料噴射量設定部３９，燃料含水率算出部４４，比較部４５，通電開始時期算出部４６，記憶部４７の他に、定常状態判定部４８と、最大圧力検出部４９と、平均最大圧力算出部５０と、カウンタ５１とを有する。

定常状態判定部４８は、エンジン１０の運転状態が定常状態にあるか否かをスロットル弁開度センサ２６およびクランク角センサ３７からの検出信号に基づいて判定する。具体的には、スロットル弁開度の変化率およびエンジン回転数の変化率が所定期間に亙ってそれぞれ所定範囲内にある場合、エンジン１０の運転状態が定常状態にあると判断する。この判定結果は、最大圧力検出部４９およびカウンタ５１に出力される。

最大圧力検出部４９は、筒内圧センサ２０からの検出信号に基づき、１サイクル毎の最大圧力Ｐ_Ｘを算出してこれを平均最大圧力算出部５０に算出する。

上述した最大圧力検出部４９と共に本発明におけるパラメータ算出手段として機能する平均最大圧力算出部５０は、最大圧力検出部４９から出力されるｎサイクル分の筒内圧の最大圧力Ｐ_Ｘの平均値Ｐ_Ｘｍを算出し、これを燃料含水率算出部４４に出力する。

カウンタ５１は、最大圧力検出部４９での筒内圧の最大圧力Ｐ_Ｘの検出回数をカウントする。

本発明における含水率推定手段としての燃料含水率算出部４４は、予め設定された含水率０％の燃料を使用した場合における燃焼室１４内の最大圧力Ｐ_{ＸＥ１００}に対し、平均最大圧力算出部５０にて算出された燃焼室１４内の平均最大圧力Ｐ_Ｘｍの割合に基づき、使用燃料の含水率ＷをＷ＝１−(Ｐ_Ｘｍ/Ｐ_Ｅ１００)から算出する。

このような本実施形態によるＡ/Ｆセンサ３２のヒータ３２ａに対する通電開始時期Ｔの設定手順について図９を参照しつつ説明する。まず、Ｓ３１のステップにてエンジン１０の運転状態が定常状態にあるか否かを定常状態判定部４８にて判定し、エンジン１０が定常状態にない、すなわち加減速などの過渡状態にあると判断した場合には、正確な燃料含水率Ｗを算出できないので、Ｓ３２のステップに移行してカウンタ５１のカウント値Ｃ_ｎを０にリセットし、このフローを終了する。

一方、エンジン１０の運転状態が定常状態にあると判断した場合には、Ｓ３３のステップに移行してカウンタ５１のカウントアップを行い、Ｓ３４のステップにて最大圧力検出部４９が筒内圧センサ２０からの情報に基づいて最大圧力Ｐ_Ｘを検出し、これを平均最大圧力算出部５０に出力する。そして、Ｓ３５のステップにてカウンタ５１のカウント値Ｃ_ｎが所定値ＣRに達しているか否かを判断するが、最初は所定値ＣRよりも小さいのでＳ３１のステップに戻り、最大圧力Ｐ_Ｘの検出データを平均最大圧力算出部５０に蓄積させる。このようにして、Ｓ３５のステップにてカウンタ５１のカウント値Ｃ_ｎが所定値ＣRに達したと判断した場合には、Ｓ３６のステップに移行して平均最大圧力算出部５０にて平均最大圧力Ｐ_Ｘｍを算出し、これを燃料含水率算出部４４に出力する。そして、Ｓ３７のステップにてカウンタ５１のカウント値Ｃ_ｎを０にリセットし、さらにＳ３８のステップにて燃料含水率算出部４４にて燃料含水率Ｗを算出する。

しかる後、算出された燃料含水率Ｗが所定値Ｗ_ＲＬよりも大きいか否かをＳ３９のステップにて判定し、燃料含水率Ｗが所定値Ｗ_ＲＬ以下である、つまり算出された燃料含水率Ｗが通電開始時期Ｔの遅延による影響を与えない領域にあると比較部４５が判断した場合には、Ｓ４０のステップにて通電開始時期Ｔを０に設定し、さらにＳ４１のステップに移行してエンジン１０が停止しているか否かを判定する。また、Ｓ３９のステップにて燃料含水率Ｗが所定値Ｗ_ＲＬよりも大きいと比較部４５が判断した場合には、Ｓ４２のステップに移行して通電開始時期算出部４６が通電開始時期Ｔを算出した後、先のＳ４１のステップに移行してエンジン１０が停止しているか否かをＥＣＵ２１が判定する。

このＳ４１のステップにてエンジン１０が停止していないと判断した場合には、Ｓ３１のステップに戻ってエンジン１０が停止していると判断するまで通電開始時期Ｔを算出し直す。また、Ｓ４１のステップにてエンジン１０が停止していると判断した場合にはＳ４３のステップに移行し、通電開始時期算出部４６にて算出された最新の通電開始時期Ｔを記憶部４７に記憶させる。

このように、エンジン１０が停止するまでは常に通電開始時期Ｔの算出を繰り返し、最新の通電開始時期Ｔを記憶部４７に記憶させる。

上述した実施形態においては、Ｅ１００のアルコール燃料を使用する場合の燃料含水率Ｗを算出するようにしている。しかしながら、ガソリンとアルコールとの混合燃料などを使用した場合においても、予めガソリンに対するアルコールの基準となる混合割合が判っている限り、その制御パラメータ値を比較部４５に予め読み込んでおくことによって本発明を適用させることが可能である。また、上述したＡ/Ｆセンサ３２の他に、ヒータ３２ａに対する通電によって被水割れによる事故を起こす可能性があるＯ_２センサやＮＯ_Ｘセンサなどを排気通路２９に組み込んだエンジンシステムにおいても本願発明は適用可能であり、圧縮点火式内燃機関に対しても同様に適用できることは言うまでもない。

このように、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。

本発明を火花点火式内燃機関に適用した一実施形態の概念図である。 図１に示した実施形態における制御ブロック図である。 燃料含水率と低位発熱量指標との関係を表すグラフである。 燃料含水率とヒータに対する通電開始時期との関係を表すグラフである。 図１に示した実施形態におけるヒータに対する通電開始時期の設定手順を表すフローチャートである。 ヒータに対する通電操作の手順を表すフローチャートである。 エンジンのクランク角位相と筒内圧との関係を模式的に表すグラフである。 本発明の他の実施形態における制御ブロック図である。 図８に示した実施形態におけるヒータに対する通電開始時期の設定手順を表すフローチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
１１ 燃料噴射弁
１２ 吸気ポート
１３ 点火プラグ
１４ 燃焼室
１５ 排気ポート
１６ シリンダヘッド
１７ 吸気弁
１８ 排気弁
１９ イグニッションコイル
２０ 筒内圧センサ
２１ ＥＣＵ
２２ 吸気通路
２３ 吸気管
２４ エアクリーナ
２５ スロットル弁
２６ スロットル開度センサ
２７ サージタンク
２８ エアフローメータ
２９ 排気通路
３０ 排気管
３１ 三元触媒
３２ Ａ/Ｆセンサ
３２ａ ヒータ
３３ ピストン
３４ シリンダブロック
３５ 連接棒
３６ クランク軸
３７ クランク角センサ
３８ イグニッションキースイッチ
３９ 燃料噴射量設定部
４０ 点火時期設定部
４１ 燃焼室容積算出部
４２ 熱発生量指標算出部
４３ 低位発熱量指標算出部
４４ 燃料含水率算出部
４５ 比較部
４６ 通電開始時期算出部
４７ 記憶部
４８ 定常状態判定部
４９ 最大圧力検出部
５０ 平均最大圧力算出部
５１ カウンタ
Ｐ 燃焼室内の圧力（筒内圧）
Ｐ_Ｘ 最大筒内圧
Ｐ_Ｘｍ 平均最大筒内圧
Ｖ 筒内圧の検出時における燃焼室の容積
ｈ 筒内圧の検出時における瞬時熱発生量
Ｑ 燃料の低位発熱量
Ｗ 燃料含水率
Ｔ ヒータに対する通電開始時期
κ 指数
τ 設定噴射量

Claims (14)

1. エンジンの燃焼室内の圧力を検出するステップと、
   検出された燃焼室内の圧力に基づいてエンジンに供給された燃料の含水率を推定するステップと
   を具えたことを特徴とする燃料含水率検出方法。
2. 燃料の含水率を推定するステップは、
   検出された燃焼室の圧力と、この時の燃焼室の容積とから燃料の熱発生量に関する制御パラメータを算出するステップと、
   予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、算出された制御パラメータの値の割合を算出するステップと
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料含水率検出方法。
3. エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定するステップをさらに具え、ここでエンジンの運転状態が定常状態にあると判断した場合に燃料の含水率を推定するステップが実行されることを特徴とする請求項２に記載の燃料含水率検出方法。
4. 燃料の含水率を推定するステップは、
   検出された燃焼室の圧力と、この時の燃焼室の容積と、燃焼室に対して設定された燃料の供給量とから燃料の発熱量に関する制御パラメータを算出するステップと、
   予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、算出された制御パラメータの値の割合を算出するステップと
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料含水率検出方法。
5. 燃焼室内の圧力を検出するステップは、燃焼室内の最大圧力を複数回の燃焼サイクルにおける平均値として算出するステップを含み、
   含水率を推定するステップは、予め設定された所定含水率における燃焼室内の最大圧力に対し、算出された燃焼室内の平均最大圧力の割合を算出するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料含水率検出方法。
6. エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定するステップをさらに具え、ここでエンジンの運転状態が定常状態にあると判断した場合に燃焼室内の最大圧力を検出するステップが実行されることを特徴とする請求項５に記載の燃料含水率検出方法。
7. エンジンの燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサと、
   この筒内圧センサによって検出された燃焼室内の圧力に基づいてエンジンに供給された燃料の含水率を推定する含水率推定手段と
   を具えたことを特徴とする燃料含水率検出装置。
8. エンジンのクランク角位相を検出するクランク角センサをさらに具え、前記含水率推定手段は、このクランク角センサからの検出信号に基づき、前記筒内圧センサによって燃焼室内の圧力が検出された時点における燃焼室の容積を算出する燃焼室容積算出手段と、
   この燃焼室容積算出手段によって算出された燃焼室の容積と、前記筒内圧センサによって検出された燃焼室内の圧力とから燃料の熱発生量に関する制御パラメータを算出するパラメータ算出手段と、
   予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、前記パラメータ算出手段にて算出された制御パラメータの値の割合から使用燃料の含水率を算出する含水率算出手段とを有することを特徴とする請求項７に記載の燃料含水率検出装置。
9. エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段をさらに具え、この運転状態判定手段にてエンジンの運転状態が定常状態にあると判断された場合、前記含水率算出手段により燃料含水率が算出されることを特徴とする請求項８に記載の燃料含水率検出装置。
10. 燃焼室への燃料の供給量を設定する燃料供給量設定手段と、
    エンジンのクランク角位相を検出するクランク角センサと
    をさらに具え、前記含水率推定手段は、
    前記クランク角センサからの検出信号に基づき、前記筒内圧センサによって燃焼室内の圧力が検出された時点における燃焼室の容積を算出する燃焼室容積算出手段と、
    前記燃料供給量設定手段にて設定された燃料の供給量および前記筒内圧センサによって検出された燃焼室の圧力ならびに前記燃焼室容積算出手段によって算出された燃焼室の容積から燃料の発熱量に関する制御パラメータを算出するパラメータ算出手段と、
    予め設定された所定含水率における制御パラメータの値に対し、前記パラメータ算出手段にて算出された制御パラメータの値の割合から使用燃料の含水率を算出する含水率算出手段と
    を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料含水率検出装置。
11. 前記パラメータ算出手段は、燃焼室内の最大圧力を複数回の燃焼サイクルにおける平均値として算出する平均化手段を含み、
    前記含水率推定手段は、予め設定された所定含水率における燃焼室内の最大圧力に対し、前記平均化手段にて算出された燃焼室内の平均最大圧力の割合から使用燃料の含水率を算出する含水率算出手段を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料含水率検出装置。
12. エンジンの運転状態が定常状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段をさらに具え、この運転状態判定手段判定手段にてエンジンの運転状態が定常状態にあると判断された場合、前記含水率算出手段により燃料含水率が算出されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料含水率検出装置。
13. 排気通路に臨むように配されたセンサに組み込まれたヒータに対する通電開始時期をエンジンの再始動後に制御するための方法であって、
    請求項１から請求項６の何れかに記載の燃料含水率検出方法により、燃料中に含まれる含水率を推定するステップと、
    推定された燃料含水率に基づき、エンジンの再始動後におけるヒータに対する通電開始時期を設定するステップと
    を具えたことを特徴とするヒータ通電開始時期設定方法。
14. 排気通路に臨むように配されたセンサに組み込まれたヒータに対する通電開始時期をエンジンの再始動後に制御するための装置であって、
    請求項７から請求項１２の何れかに記載の燃料含水率検出装置と、
    この燃料含水率検出装置によって推定された燃料含水率に基づき、エンジンの再始動後におけるヒータに対する通電開始時期を設定する通電開始時期設定手段と
    を具えたことを特徴とするヒータ通電開始時期設定装置。

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