JP4506366B2 - エンジンのアルコール濃度推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガソリン中にアルコールを混入させたアルコール含有燃料を使用するエンジンにおいて、燃料中のアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定装置に関する。

特許文献１には、アルコール含有燃料を使用するエンジンにおいて、燃料中のアルコール濃度に基づいて燃料噴射量を補正する燃料噴射制御の開示があり、更に、前記アルコール濃度を推定する方法として、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサを備え、該空燃比センサで検出される空燃比に基づいて演算される空燃比フィードバック補正係数と基準値との偏差、即ち、空燃比フィードバック補正なしで得られるベース空燃比の目標空燃比からのずれ量に基づいて燃料中のアルコール濃度を推定する方法が開示されている。
特開平０５−１６３９９２号公報

ところで、アルコール含有燃料では、アルコール濃度が高くなるほど低温時における揮発性がガソリン１００％の燃料よりも悪化する。
このため、始動直後の冷機状態では、揮発性の悪化を補うべく噴射量を大きく増量する必要があって未燃成分の排出が多くなり、これによって排気中の酸素濃度から正しく空燃比を判断することができなくなって、結果的に、アルコール濃度を誤推定し、実際とは大きく異なるアルコール濃度に基づいて燃料噴射量が補正されてしまうことがあった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、アルコール含有燃料の揮発性の低下によってアルコール濃度が誤推定されることを防止し、実際とは大きく異なるアルコール濃度に基づいて燃料噴射量が補正されてしまうことを未然に回避できるエンジンのアルコール濃度推定装置を提供することを目的とする。

このため、本発明では、ガソリン中にアルコールを混入させたアルコール含有燃料を使用し、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁から吸気バルブへ向けて該アルコール含有燃料を噴射するエンジンにおいて、空燃比センサで検出される実際の空燃比に基づいて、燃料中のアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定装置であって、エンジンの冷機状態において前記実際の空燃比に基づくアルコール濃度の推定を禁止する構成とした。より詳しくは、エンジンの始動から所定時間が経過するまでの間は実際の空燃比に基づくアルコール濃度の推定を禁止するとともに、前記所定時間を、エンジン始動時におけるエンジン冷却水温度に応じて可変に設定するようにした。

上記構成によると、エンジンの冷機状態であって、アルコール含有燃料の揮発性が低下することで、空燃比センサの検出結果に基づくアルコール濃度の推定精度が悪化するときに、アルコール濃度の推定が禁止されるから、アルコール濃度が実際値とは大きく異なる値に更新されてしまうことが防止され、エンジンの運転性（排気性状，出力特性）が大きく損なわれることを回避できる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、アルコール含有燃料を使用する車両用エンジンのシステム図である。
図１において、エンジン（内燃機関）１の各気筒には、吸気ダクト２，吸気マニホールド３，吸気バルブ４を介して空気が吸引される。
前記吸気ダクト２には、モータ５によって開閉駆動される電制式スロットル弁６が介装され、該電制式スロットル弁６の開度をモータ５の駆動制御によって制御することで、エンジン１の吸入空気量が調整される。

前記吸気バルブ４上流の吸気ポートには気筒毎に燃料噴射弁７が設けられ、該燃料噴射弁７は、ガソリン中にエタノール（アルコール）を混入させたアルコール含有燃料を各気筒に噴射する。
尚、前記燃料噴射弁７は、前記吸気バルブ４の傘裏に向けてアルコール含有燃料を噴射する。

各気筒の燃焼室内の混合気は、点火プラグ８による火花点火によって着火燃焼し、燃焼ガスは、排気バルブ９，排気マニホールド１０，排気ダクト１１を介して大気中に排出される。
前記点火プラグ８それぞれには、パワートランジスタを内蔵するイグニッションコイル１２が設けられている。

前記排気ダクト１１には、触媒コンバータ１３及びマフラー１４が介装される。
前記電制式スロットル弁６のモータ５，前記燃料噴射弁７，前記パワートランジスタは、マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２１によって制御される。
前記エンジンコントロールユニット２１には、各種センサからの検出信号が入力される。

前記各種センサとしては、前記電制式スロットル弁６の上流側でエンジン１の吸入空気量Ｑａを計測するエアフローメータ２２、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ２３、エンジン１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ２４、触媒コンバータ１３上流の排気ダクト１１に設けられ排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサ２５，アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ２６、前記スロットル弁６の開度を検出するスロットル開度センサ２７などが設けられている。

ここで、前記エンジンコントロールユニット２１は、アクセル開度等に基づいてモータ５（スロットル弁開度）を制御する一方、前記クランク角センサ２３の検出信号に基づいてエンジン回転速度Ｎｅを算出する。
また、エンジン負荷・エンジン回転速度Ｎｅ等に基づいて点火時期を演算し、該点火時期に点火が行われるように前記パワートランジスタのＯＮ期間を制御する。

更に、前記エンジンコントロールユニット２１は、以下に示すようにして、燃料噴射弁７による燃料噴射量（燃料噴射パルス幅）Ｔｉを演算する。
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＣＯ×ＨＯＳＥＴＨＡ×α＋Ｔｓ
前記Ｔｐは基本燃料噴射量（基本燃料噴射パルス幅）であり、吸入空気量Ｑａとエンジン回転速度Ｎｅとから、ガソリン１００％の燃料を噴射するときに理論空燃比の混合気を形成することができる値として演算される。

前記ＣＯは各種補正係数であり、ガソリン１００％の燃料を噴射する状態に適合して、冷機時や加速運転時に燃料噴射量Ｔｉを増量補正する。
前記αは空燃比フィードバック補正係数であり、所定の空燃比フィードバック制御条件が成立するときに、前記空燃比センサ２５で検出される実際の空燃比が目標空燃比である理論空燃比に一致するように例えば比例・積分・微分制御される。

前記Ｔｓは燃料噴射弁７の駆動電源であるバッテリの電圧に応じて設定される補正分である。
更に、前記ＨＯＳＥＴＨＡは、前記燃料噴射弁７が噴射するアルコール含有燃料中のエタノール濃度（アルコール濃度）の推定結果に応じて設定されるエタノール濃度補正係数であり、エタノール濃度の変化による理論空燃比の変化に対応すべく燃料噴射量を補正する。

尚、前記空燃比フィードバック補正係数α及びエタノール濃度補正係数ＨＯＳＥＴＨＡの初期値は、1.0である。
ここで、エンジンコントロールユニット２１によるエタノール濃度の推定処理を、図２のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ１では、冷却水温度Ｔｗが基準温度（例えば８０℃）以下であるか否かを判別する。

本実施形態では、後述するように、空燃比センサ２５で検出される排気空燃比に基づきエタノール濃度（アルコール濃度）を推定するが、冷却水温度Ｔｗが基準温度以下の条件では、アルコール含有燃料がエタノール（アルコール）を多く含む場合に、アルコール含有燃料の揮発性が大きく低下して燃焼性が低下し、未燃成分が多く排出されるために、空燃比センサ２５で検出される排気空燃比がエタノール濃度（アルコール濃度）を正しく反映しなくなる。

従って、冷却水温度Ｔｗが基準温度以下の条件では、エタノール濃度（アルコール濃度）の推定精度が大きく低下する。
そこで、冷却水温度Ｔｗが基準温度以下であるときには、ステップＳ２へ進んで、エタノール濃度の推定処理を禁止し、エタノール濃度を更新せずに本ルーチンを終了させる。
これにより、実際とは大きく異なるエタノール濃度が推定され、誤ったエタノール濃度補正係数ＨＯＳＥＴＨＡに基づいて燃料噴射量Ｔｉが補正されることが回避され、空燃比ずれによるエンジン運転性の悪化を防止できる。

尚、アルコール含有燃料の揮発性が低下するエンジン１の冷機状態を、冷却水温度Ｔｗに基づいて判断する代わりに、潤滑油の温度，シリンダブロックの温度，燃料温度，吸気ポート壁面温度などに基づいて判断させることができる。
ところで、アルコール含有燃料の揮発性は、吸気ポート噴射の場合は特に吸気バルブ４付近の温度に左右されるので、前記冷却水温度Ｔｗ等に基づいて吸気バルブ４の温度を推定するか、又は、吸気バルブ４の温度をセンサで直接検出し、吸気バルブ４の温度が基準温度（例えば７０℃）以下であるときに、エタノール濃度の推定処理を禁止させることができる。

また、エンジン１の温度は、始動からの時間経過に応じて変化するので、始動から所定時間が経過するまでの間で、エタノール濃度の推定処理を禁止させることができる。
更に、始動時の温度条件によって、冷機状態が継続する時間が変化するので、始動からエタノール濃度の推定処理を禁止させる時間を、始動時の冷却水温度に応じて可変に設定することが好ましい。

ステップＳ１で、冷却水温度Ｔｗ（吸気バルブの温度）が基準温度を超えていると判断されたとき（又は、始動から所定時間が経過したと判断されたとき）には、エタノール濃度の推定を行わせるべく、ステップＳ３以降へ進む。
ステップＳ３では、空燃比フィードバック条件が成立しているか否かを判別する。
尚、空燃比フィードバック制御は、始動時，低水温時，エンジン高負荷時，減速時などにおいて、停止（クランプ）されるものとする。

そして、空燃比フィードバック条件が成立している場合には、ステップＳ４へ進む。
ステップＳ４では、空燃比フィードバック補正係数αの最大値αmax及び最小値αminを読み込み、次のステップＳ５では、前記最大値αmax及び最小値αminの平均値、即ち、空燃比フィードバック補正係数αの平均値αaveを算出する。
αave＝（αmax＋αmin）／２
ステップＳ６では、前記平均値αaveと、空燃比フィードバック補正係数αによる補正が実質的に行われないことになる基準値1.0との偏差ΔＭを算出する。

ΔＭ＝αave−1.0
ステップＳ７では、前記偏差ΔＭを変数とする関数に基づいてエタノール濃度EthCを算出する。
ここで、前記ΔＭが大きいほど（ベース空燃比がリーンであるほど）、より大きなエタノール濃度EthCを算出する。

一方、ステップＳ３で空燃比フィードバック条件が成立していないと判断されたとき、即ち、空燃比フィードバック制御のクランプ条件であるときには、ステップＳ８へ進み、そのときの吸入空気量Ｑａと燃料噴射量Ｔｉとから、燃料噴射量Ｔｉの設定上における空燃比（以下、想定空燃比Ａという）を算出する。
次のステップＳ９では、空燃比センサ２５で検出された実際の空燃比Ｂを読み込む。

ステップＳ１０では、前記想定空燃比Ａよりも実際の空燃比Ｂが、所定値ｅ以上に大きいか否か、換言すれば、前記想定空燃比Ａよりも実際の空燃比Ｂが、所定値ｅ以上にリーンであるか否かを判別する。
使用燃料のエタノール濃度が高くなるほど理論空燃比は小さくなるから、ガソリン１００％適合させて噴射させた結果としての空燃比Ｂが想定空燃比Ａよりも大きい場合には、使用燃料中へのエタノールの混入が推定されることになる。

そこで、前記想定空燃比Ａよりも実際の空燃比Ｂが所定値ｅ以上に大きく、所定以上の濃度によるエタノールの混入が推定される場合には、ステップＳ１１へ進む。
ステップＳ１１では、実際の空燃比Ｂと想定空燃比Ａとの比率Ｃを算出する。
Ｃ＝Ｂ／Ａ
ステップＳ１２では、前記比率Ｃに基づいてエタノール濃度EthCを算出する。

ここで、前記比率Ｃが大きいほど、より大きなエタノール濃度EthCが算出される。
一方、ステップＳ１０で、前記想定空燃比Ａと実際の空燃比Ｂとの差が所定値ｅ未満であると判別されたときには、ガソリン中にエタノール（アルコール）の混入があるとしても、その濃度が無視できる程度（例えば１０％以下）に小さいと判断し、ステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３では、エタノール濃度を０％として、前記エタノール濃度補正係数ＨＯＳＥＴＨＡが初期値である1.0に設定されるようにする。
ここで、１０％以下のエタノールの混入による空燃比のずれは、前記空燃比センサ２５の出力に基づく空燃比フィードバック補正で補償される。
尚、上記実施形態では、燃料噴射弁７が吸気ポートに燃料を噴射する構成としたが、燃焼室内に直接燃料を噴射するエンジンにおいても、上記同様に冷機時にエタノール濃度（アルコール濃度）の推定を禁止させることで、同様の効果を発揮する。

また、ガソリンに混入させるアルコールをエタノールに限定するものではなく、他のアルコールが混入される構成であっても良い。
更に、空燃比フィードバック補正係数αの平均値αave、想定空燃比Ａ及び実際の空燃比Ｂに基づくエタノール濃度（アルコール濃度）の推定演算の方式は、上記偏差ΔＭ，比率Ｃを用いる方法に限定されるものではない。

また、エンジン１の目標空燃比がエンジン負荷・エンジン回転速度などに応じて可変に設定されるエンジン１にも適用することが可能である。

実施形態におけるエンジンのシステム図。 実施形態におけるエタノール濃度（アルコール濃度）の推定処理を示すフローチャート。

符号の説明

１…エンジン、４…吸気バルブ、６…スロットル弁、７…燃料噴射弁、８…点火プラグ、９…排気バルブ、２１…エンジンコントロールユニット、２２…エアフローメータ、２３…クランク角センサ、２４…水温センサ、２５…空燃比センサ

Claims (3)

1. ガソリン中にアルコールを混入させたアルコール含有燃料を使用し、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁から吸気バルブへ向けて該アルコール含有燃料を噴射するエンジンにおいて、空燃比センサで検出される実際の空燃比に基づいて、燃料中のアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定装置であって、
   エンジンの始動から所定時間が経過するまでの間は前記実際の空燃比に基づくアルコール濃度の推定を禁止するとともに、前記所定時間を、エンジン始動時におけるエンジン冷却水温度に応じて可変に設定することを特徴とするエンジンのアルコール濃度推定装置。
2. 前記空燃比センサで検出される空燃比に基づいて燃料噴射量を補正するための空燃比フィードバック補正係数を演算し、該空燃比フィードバック補正係数と基準値との偏差に基づいてアルコール濃度を推定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンのアルコール濃度推定装置。
3. 燃料噴射量と吸入空気量とから求められる空燃比と、前記空燃比センサで検出される空燃比との比率に基づいてアルコール濃度を推定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンのアルコール濃度推定装置。

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