JP2019019748A - 内燃機関の燃料比重検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の比重を正確に検出できる内燃機関の燃料比重検出装置を提供する。【解決手段】燃料比重検出装置は、要求される質量の燃料を各気筒に設けられたインジェクタから各燃焼室内に噴射する内燃機関に適用される。燃料比重検出装置は、要求される質量と燃料の比重とに基づいてインジェクタから噴射する燃料の体積を設定するとともに、燃料圧力の変動から実際に噴射された燃料の体積を算出し、その算出結果をフィードバックして設定した体積の燃料を噴射するように燃料の噴射時間を設定する噴射制御部を備える。燃料比重検出装置は、燃料カット中に規定体積の燃料を噴射する検出用燃料噴射を実行し、検出用燃料噴射に伴う機関回転速度の変動量から燃料の比重を検出する燃料比重検出部を備える。噴射制御部は、検出用燃料噴射において、上死点ＴＤＣよりも進角側から噴射を開始して上死点ＴＤＣよりも遅角側に至るまで燃料を噴射する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料性状として燃料の比重を検出する内燃機関の燃料比重検出装置に関する。

特許文献１には、燃料カット中に微少燃料噴射を実行し、当該噴射に伴う機関回転速度の変動量から燃料のセタン価を推定する燃料性状推定装置が開示されている。
また、燃料の性状としてセタン価と比重とが相関していると仮定して、セタン価に基づいた比重の推定が行われることがある。

特開２０１３‐２０９９４２号公報

市場に流通しているディーゼルエンジン用の燃料には、例えば潤滑性向上剤、セタン価向上剤等の添加剤が含まれていることがある。こうした添加剤が加えられていることに限らず、燃料の比重は、各燃料が含有する鎖状の炭化水素と環状の炭化水素との比率に応じても各燃料でそれぞれ異なる。すなわち、セタン価が同一の燃料同士であっても比重がそれぞれ異なっていたり、比重が同一の燃料同士であってもセタン価がそれぞれ異なっていたりする場合がある。したがって、ディーゼルエンジン用の燃料のセタン価と比重とに相関があるとは必ずしも云えない場合があり、セタン価に基づいて推定した比重は、実際の燃料の比重からずれている虞がある。こうした事情によって、セタン価に基づいて推定した比重を用いて要求燃料噴射量（質量）を満たすように噴射制御を実行した場合、噴射される燃料の質量は、推定した比重と実際の比重とのずれに伴って要求燃料噴射量から乖離する虞がある。

上記課題を解決するための内燃機関の燃料比重検出装置は、要求される質量の燃料を各気筒に設けられたインジェクタから各燃焼室内に噴射する内燃機関に適用され、燃料噴射中における前記インジェクタ内の燃料圧力を検出する燃圧検出部と、燃料噴射に伴う機関回転速度の変動量を算出する回転検出部と、前記要求される質量と燃料の比重とに基づいて前記インジェクタから噴射する燃料の体積を設定するとともに、前記燃料圧力の変動から実際に噴射された燃料の体積を算出し、その算出結果をフィードバックして設定した体積の燃料を噴射するように燃料の噴射時間を設定する噴射制御部と、燃料カット中に規定体積の燃料を噴射する検出用燃料噴射を実行し、前記検出用燃料噴射に伴う前記変動量から噴射された燃料の比重を検出する燃料比重検出部と、を備え、前記噴射制御部は、前記検出用燃料噴射において、上死点よりも進角側から噴射を開始して上死点よりも遅角側に至るまで燃料を噴射する。

上死点に近づくほど燃焼室内は高温高圧になるため、燃料の噴射時期が上死点に近いときほど着火性が高くなる。そのため、上死点や上死点近傍ではセタン価が低い燃料も着火しやすくなり、上死点や上死点近傍で燃料を噴射した場合には、セタン価の違いが発生トルクの大きさに影響しにくい。このように燃料噴射に伴う機関回転速度の変動量に燃料のセタン価の影響が現れにくいとき、規定体積の燃料を噴射したときの機関回転速度の変動量は、噴射された燃料の質量が大きいほど大きくなる。すなわち、噴射された燃料の比重が大きいほど機関回転速度の変動量が大きくなる。

上記構成では、セタン価の影響が現れにくい上死点を含む時期の検出用燃料噴射による機関回転速度の変動量に基づいて燃料の比重を検出することができる。したがって、セタン価の影響を抑制してより正確に比重を検出することができる。ひいては、上記構成によって検出した燃料の比重を用いることで、要求される質量（要求燃料噴射量）と実際に噴射される燃料の質量との乖離が生じにくい噴射制御を実現することができる。

一実施形態にかかる内燃機関の燃料比重検出装置と当該装置を搭載する内燃機関を示す模式図。 燃料噴射率の時間波形の一例を示すグラフ。 同燃料比重検出装置で実行される燃料比重検出処理の処理ルーチンを示すフローチャート。 同燃料比重検出装置が実行させる検出用燃料噴射の噴射時期を示す図。 検出用燃料噴射に伴う機関回転速度の変動量と燃料の密度との関係を示すマップ。 試料燃料の密度とセタン価とを示す図。 同試料燃料を噴射した場合の機関回転速度の変動量を示すグラフ。

以下、内燃機関の燃料比重検出装置を燃料比重検出装置１０として適用した一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。燃料比重検出装置１０が適用される内燃機関は、車載用のディーゼルエンジンである。

図１には、燃料比重検出装置１０が適用されるディーゼルエンジンの燃料タンク９１と燃料タンク９１から燃料が供給されるインジェクタ９５とを示している。
燃料タンク９１には、給油通路９３が接続されている。給油通路９３の途中には、燃料タンク９１内の燃料を汲み上げ、加圧して吐出する高圧燃料ポンプ９２が設けられている。そして、給油通路９３の下流端は、加圧された燃料を貯留するコモンレール９４に接続されている。

コモンレール９４には、ディーゼルエンジンの各気筒のインジェクタ９５がそれぞれ接続されている。なお、これらのインジェクタ９５には、内部の燃料圧力を検出する燃圧センサ９６がそれぞれ配設されている。また、各インジェクタ９５には、余剰した燃料を燃料タンク９１に戻すためのリターン通路９７が接続されている。

また、燃料タンク９１には、その内部の燃料の残量を計測する燃料ゲージ９８が配設されている。
図１には、ディーゼルエンジンを制御する制御装置２０を示している。制御装置２０は、エンジン制御にかかる演算処理を行う。制御装置２０には、ディーゼルエンジンの運転状況を検出する各種センサが接続されており、各種センサからの信号が入力される。各種センサとしては、例えば、クランクシャフトの回転角を検出する回転角センサ８１が設けられている。その他のセンサとしては、ディーゼルエンジンの吸気圧を検出する吸気圧センサ、吸気温度を検出する吸気温センサ、冷却水温を検出する水温センサ等がある。また、制御装置２０には、車両の車速を検出する車速センサ、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ等も接続されている。

制御装置２０は、機能部として、燃圧検出部１１と、噴射制御部１２と、燃料比重検出部１３と、回転検出部１４を備えている。
回転検出部１４には、回転角センサ８１からの検出信号が入力される。回転検出部１４は、回転角センサ８１からの検出信号に基づいて、機関回転速度ＮＥとクランク角度を算出する。回転検出部１４は、機関回転速度ＮＥを所定周期毎に取得し、取得した機関回転速度ＮＥと規定周期前に取得された機関回転速度ＮＥとの差を機関回転速度の変動量ΔＮＥとして算出する。

燃圧検出部１１には、各インジェクタ９５が備える各燃圧センサ９６からの検出信号が入力される。燃圧検出部１１は、燃圧センサ９６から入力される検出信号に基づいて燃料圧力を検出する。詳しくは後述するが、燃圧検出部１１は、検出した燃料圧力の変動に基づいて燃料噴射率（単位時間当たりに噴射される燃料の量）の時間波形を形成する。

噴射制御部１２は、インジェクタ９５を制御して燃料の噴射を実行させる。噴射制御部１２は、燃料の噴射量として要求される質量と、燃料の比重とに基づいてインジェクタ９５から噴射する燃料の体積を設定する。また、噴射制御部１２は、燃圧検出部１１が形成した燃料噴射率の時間波形を用いて、実際に噴射された燃料の体積を算出する。そして、噴射制御部１２は、燃料の噴射時間の設定に、実際に噴射された燃料の体積の算出結果をフィードバックすることで、設定した体積の燃料を噴射するようにインジェクタ９５を制御する。

燃料比重検出部１３は、車両が減速しており燃料噴射が停止している燃料カット中において、規定体積の燃料を噴射する検出用燃料噴射を実行する。そして、燃料比重検出部１３は、検出用燃料噴射に伴う機関回転速度の変動量から燃料の比重を検出する。

燃料比重検出装置１０は、制御装置２０の機能部である燃圧検出部１１と噴射制御部１２と燃料比重検出部１３と回転検出部１４とによって構成されている。
図２には、燃圧検出部１１が形成する燃料噴射率の時間波形の一例を示している。

インジェクタ９５における燃料の噴射孔を開閉するニードル弁が噴射孔から離間（リフト）すると、リフト量の増加に伴ってインジェクタ９５内の燃料圧力が低下する。リフト量が減少すると、その減少に伴ってインジェクタ９５内の燃料圧力が上昇する。

したがって、燃圧センサ９６により検出された燃料圧力からは、ニードル弁のリフトの開始時期（開弁駆動開始時期Ｔｏｓ）、燃料噴射率が最大となる時期（最大噴射率到達時期Ｔｏｅ）、燃料噴射率の降下が開始される時期（噴射率降下開始時期Ｔｃｓ）、及びニードル弁のリフトの終了時期（最小リフト量到達時期Ｔｃｅ）を特定することができる。

燃圧検出部１１は、特定した上記各時期から、図２に示すような燃料噴射率の時間波形を形成する。そして、その波形からは、実際の燃料の噴射状況を、すなわち実際に噴射された燃料の体積や噴射時期などを、極めて高い精度で確認することができる。噴射制御部１２は、こうして算出される燃料の体積をフィードバックして噴射制御を実行するため、噴射する燃料の体積の正確さを確保することができる。

図３を参照して、燃料比重検出装置１０が実行する燃料比重検出処理の処理ルーチンについて説明する。本処理は、以下の条件（イ）〜（ハ）のすべてが成立しているときに実行される。いずれか一つでも不成立である場合には、本処理は実行されない。
（イ）車両が減速中であり、インジェクタ９５からの燃料噴射が停止されている燃料カット中である。
（ロ）給油後に実行された燃料噴射における燃料噴射量の総量が、給油通路９３内の燃料が給油後の燃料で置換される規定量以上である。
（ハ）給油後に燃料比重検出をしていない。

本処理ルーチンの実行が開始されると、まずステップＳ１０１において、機関回転速度ＮＥが規定回転速度ＮＥｔｈ以下であるか否かを回転検出部１４が判定する。規定回転速度ＮＥｔｈは、検出用燃料噴射に伴う機関回転速度の変動量を検出できる程度に小さい機関回転速度として設定されている値である。

機関回転速度ＮＥが規定回転速度ＮＥｔｈよりも大きい場合（Ｓ１０１：ＮＯ）、本処理ルーチンが一旦終了される。一方、機関回転速度ＮＥが規定回転速度ＮＥｔｈ以下である場合（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、処理がステップＳ１０２に移行する。

ステップＳ１０２では、噴射制御部１２が検出用燃料噴射の実行を開始する。噴射制御部１２は、検出用燃料噴射の噴射時期を設定して、インジェクタ９５を制御することで検出用燃料噴射を実行する。噴射時期の設定について詳述すると、噴射制御部１２は、一回の検出用燃料噴射において噴射する燃料の体積として予め設定されている規定体積と、燃圧検出部１１が検出した燃圧とを用いて検出用燃料噴射の噴射時間を算出する。一回の検出用燃料噴射当たりの規定体積は、例えば４［ｍｍ^３／回］が設定されている。続いて噴射制御部１２は、算出した噴射時間に基づいて、図４に示すように検出用燃料噴射の噴射期間に上死点を含むように噴射開始時期を設定する。

図４の横軸には、エンジンのある気筒におけるピストンが上死点（ＴＤＣ）に達する位置を０［°ＣＡ］としたときの相対的なクランク角度を表示している。ここでは、検出用燃料噴射は、実線で示すように上死点よりも進角側である−２［°ＣＡ］から噴射が開始される。そして、上記の噴射時間が経過し、規定体積の燃料が噴射されたときに噴射が終了されるように検出用燃料噴射の終了時期が設定されている。上記のように噴射開始時期は、検出用燃料噴射の噴射期間に上死点を含むように設定されている。そのため、検出用燃料噴射の終了時期は上死点よりも遅角側になっている。検出用燃料噴射の実行後、処理がステップＳ１０３に移行する。

ステップＳ１０３では、回転検出部１４によって、検出用燃料噴射による機関回転速度ＮＥの変動が検出され、機関回転速度の変動量ΔＮＥが算出される。その後、処理がステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０４では、図５に示すマップと、ステップＳ１０３において算出された変動量ΔＮＥを用いて燃料比重の算出を燃料比重検出部１３が実行する。図５に示すマップは、燃料比重検出部１３に記憶されている。図５に示すように、変動量ΔＮＥが大きいほど燃料密度が大きく算出される。なお、燃料の密度がわかれば、燃料の比重を算出することが可能である。燃料比重検出部１３は、算出した燃料密度に基づいて燃料比重を算出する。燃料比重検出部１３は、ここで算出した燃料比重の値によって、記憶している燃料比重の値を更新する。なお、燃料比重検出部１３には、平均的な燃料の比重として基本燃料比重が予め記憶されている。基本燃料比重は、燃料比重の算出が一度も行われていない場合に噴射制御に用いられる。燃料比重が更新された後、本処理ルーチンが終了される。

次に、本実施形態にかかる燃料比重検出装置１０の作用とともにその効果について説明する。
図４を用いて説明したように噴射時期を設定して検出用燃料噴射を実行することで、燃料比重を精度よく検出できる。これは、上死点及び上死点近傍では、燃料噴射に伴う機関回転速度の変動量がセタン価の影響を受けにくく、当該変動量が燃料比重が大きいほど増大する傾向があるからである。この点について、図６及び図７を参照して説明する。

図６には、性状の異なる三つの燃料試料を例示している。「〇」で示す試料Ａのセタン価は５４であり、密度は０．８３５［ｇ／ｃｍ^３］である。「□」で示す試料Ｂのセタン価は４５であり、密度は０．８５０［ｇ／ｃｍ^３］である。「△」で示す試料Ｃのセタン価は３９であり、密度は０．８６５［ｇ／ｃｍ^３］である。

図７には、各試料燃料をそれぞれ所定体積噴射したときの機関回転速度の変動量を例示している。例えば噴射開始時期を７［°ＣＡ］として各燃料試料を噴射したときには、試料Ａ、試料Ｂ、試料Ｃの順に変動量ΔＮＥが大きくなっている。すなわち、セタン価が大きい燃料ほど変動量ΔＮＥが大きい。これは、上死点及び上死点近傍の領域を含んでいない噴射時期に検出用燃料噴射を行う（比較例として図４に破線で表示）と、燃焼室内の圧力及び温度が低くなっていく過程で燃料を噴射することになるために、着火性が高い燃料ほど点火時期が早くなり変動量ΔＮＥが大きくなることを示している。

これに対して、噴射開始時期を−２［°ＣＡ］として各燃料試料を噴射したときには、試料Ｃ、試料Ｂ、試料Ａの順に変動量ΔＮＥが大きくなっている。すなわち、このときには比重が大きい燃料ほど変動量ΔＮＥが大きい。これは、図４に実線で示したように上死点及び上死点近傍の領域を含んでいる噴射時期に検出用燃料噴射を行うと、燃焼室内の圧力及び温度が高くなっていく過程で燃料を噴射することになるために、燃料の着火性（セタン価）の大小に関わらず燃料が着火しやすく変動量ΔＮＥの差異に燃料のセタン価の影響が現れにくいことを示している。

本件発明者は、こうした燃料性状と機関回転速度の変動量との関係が示す傾向に着目した。すなわち燃料比重検出装置１０では、燃料の比重を検出するための検出用燃料噴射の噴射時期を上死点よりも進角側に設定するようにしている。そして、検出用燃料噴射が上死点よりも遅角側に至るまで行われるようにしている。これによって、セタン価の影響が少ない上死点近傍の領域を含むように検出用燃料噴射を実行して、燃料の比重を算出することができる。

以上のように、本実施形態の燃料比重検出装置１０によれば、セタン価の違いの影響を抑制した状態で燃料の比重を正確に検出することができる。燃料の比重を正確に検出することができるため、ひいては、目標噴射量と実際の噴射量との乖離を小さくして精度よく噴射制御を実行することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・図３に示す処理ルーチンにおいて、ステップＳ１０１では、機関回転速度ＮＥが規定回転速度ＮＥｔｈ以下である場合に処理をステップＳ１０２に移行した。ステップＳ１０１では、機関回転速度ＮＥが、検出用燃料噴射に伴って機関回転速度の変動が生じたとしても車両の乗員が違和を感じにくい程度に大きい下限回転速度ＮＥｔｈ２以上である場合に処理をステップＳ１０２に移行するようにしてもよい。また、機関回転速度ＮＥが規定回転速度ＮＥｔｈ以下であり、且つ機関回転速度ＮＥが下限回転速度ＮＥｔｈ２以上である場合に処理をステップＳ１０２に移行するようにしてもよい。

・図４に実線で例示した検出用燃料噴射の噴射時期は一例である。燃料比重を検出するための検出用燃料噴射は、上死点よりも進角側から噴射を開始して上死点よりも遅角側に至ると規定体積の燃料噴射が終了するように、噴射開始時期を設定すればよい。

１０…燃料比重検出装置、１１…燃圧検出部、１２…噴射制御部、１３…燃料比重検出部、１４…回転検出部、２０…制御装置、８１…回転角センサ、９１…燃料タンク、９２…高圧燃料ポンプ、９３…給油通路、９４…コモンレール、９５…インジェクタ、９６…燃圧センサ、９７…リターン通路、９８…燃料ゲージ。

Claims (1)

1. 要求される質量の燃料を各気筒に設けられたインジェクタから各燃焼室内に噴射する内燃機関に適用され、
   燃料噴射中における前記インジェクタ内の燃料圧力を検出する燃圧検出部と、
   燃料噴射に伴う機関回転速度の変動量を算出する回転検出部と、
   前記要求される質量と燃料の比重とに基づいて前記インジェクタから噴射する燃料の体積を設定するとともに、前記燃料圧力の変動から実際に噴射された燃料の体積を算出し、その算出結果をフィードバックして設定した体積の燃料を噴射するように燃料の噴射時間を設定する噴射制御部と、
   燃料カット中に規定体積の燃料を噴射する検出用燃料噴射を実行し、前記検出用燃料噴射に伴う前記変動量から噴射された燃料の比重を検出する燃料比重検出部と、を備え、
   前記噴射制御部は、前記検出用燃料噴射において、上死点よりも進角側から噴射を開始して上死点よりも遅角側に至るまで燃料を噴射する
   内燃機関の燃料比重検出装置。