WO2016042700A1 - 内燃機関の燃料供給制御装置 - Google Patents

Abstract

　エンジン（１０）の燃料供給系において、燃料タンク（２２）とインジェクタ（１９）とを接続する燃料配管（２１）には、電力供給により発熱する発熱体としてのヒータ素子（２５）が設けられている。ＨＣＵ（５０）は、発熱体の温度及び該温度に相関するパラメータの少なくともいずれかである発熱体温度パラメータを検出するパラメータ検出部を備える。また、発熱体の通電開始後に、該パラメータ検出部により検出した発熱体温度パラメータの単位時間当たりの変化量に基づいて、発熱体の通電制御を実施する。

Description

内燃機関の燃料供給制御装置 関連出願の相互参照

　本出願は、２０１４年９月１６日に出願された日本出願番号２０１４－１８７４６１号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、内燃機関の燃料供給制御装置に関するものであり、詳しくは、燃料タンクと燃料噴射弁とを接続する燃料通路に、燃料を加熱する発熱体が設けられた内燃機関の燃料供給制御装置に関するものである。

　アルコール燃料を単独で、あるいはガソリン燃料などの他の燃料と混合することで内燃機関の燃料として使用することが行われている。アルコール燃料は、ガソリン燃料に比べて揮発性が低く、特に冷間始動時における内燃機関の始動性が低い。アルコール燃料を燃焼用の燃料として使用する内燃機関において、燃料を加熱して内燃機関に供給する燃料加熱システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に記載の燃料加熱システムには、バッテリから通電されて発熱するヒータが燃料供給路に設けられている。

　ヒータなどの発熱体によって燃料を加熱する場合、発熱体の過加熱によって発熱体の周辺に空気層が形成される（膜沸騰）。また、燃料が膜沸騰状態になると、燃料気泡に起因する燃料噴射弁のエア吸い込みや、発熱体表面のデポジット付着などが生じることが懸念される。

特開２０１３－１０８５０８号公報

　本開示は、燃料噴射弁に供給される燃料の過加熱を抑制することができる内燃機関の燃料供給制御装置を提供することを目的とする。

　本開示は、燃料タンクと燃料噴射弁とを接続する燃料通路に、電力供給により発熱する発熱体が設けられた内燃機関の燃料供給システムに適用される内燃機関の燃料供給制御装置に関する。燃料供給制御装置は、前記発熱体の温度及び該温度に相関するパラメータの少なくともいずれかである発熱体温度パラメータを検出するパラメータ検出部と、前記発熱体の通電開始後に前記パラメータ検出部により検出した前記発熱体温度パラメータの単位時間当たりの変化量に基づいて、前記発熱体の通電制御を実施する通電制御部と、を備える。

　発熱体による燃料の加熱を継続すると、やがて燃料温度が沸点まで上昇し、燃料が沸騰状態となる。また、燃料の沸騰状態は発熱体の温度に応じて変化し、発熱体が高温になるに従って燃料が核沸騰状態から膜沸騰状態へと移行する。本発明者は、発熱体の温度又は温度に相関するパラメータである発熱体温度パラメータ（例えば、発熱体に流れる電流値、発熱体にかかる電圧、抵抗値、発熱体温度など）の変化によって燃料の沸騰状態を捉えることが可能であることに着目し、発熱体温度パラメータの単位時間当たりの変化量に基づいて発熱体の通電制御を実施する構成とした。こうした構成によれば、発熱体による燃料の加熱期間において燃料の沸騰状態を把握することができることから、燃料が過加熱する前に発熱体の出力を制限することが可能となる。

図１は、エンジン制御システムの全体概略を示す構成図。 図２は、燃料の加熱時間の変化によるヒータ電流の変化を表す図。 図３は、ヒータ通電制御の処理手順を示すフローチャート。 図４は、傾き積算値算出処理の処理手順を示すフローチャート。 図５は、ヒータ通電制御の具体的態様を示すタイムチャート。 図６は、ヒータ再通電処理の処理手順を示すフローチャート。 図７は、燃料カット実施時のヒータ通電制御を示すタイムチャート。 図８は、空焚き時の具体的態様を示すタイムチャート。 図９は、空焚き判定処理の処理手順を示すフローチャート。 図１０は、ヒータ素子の正常時と劣化時とを比較したタイムチャート。 図１１は、ヒータ劣化判定処理の処理手順を示すフローチャート。

　以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、ガソリン燃料及びアルコール燃料（例えばエタノールなど）をそれぞれ単独で又は混合して使用する車載エンジン（内燃機関）に適用されるエンジン制御システムとして具体化している。該制御システムでは、エンジン電子制御ユニット（ＥＣＵ）が燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。このエンジン制御システムの全体概略構成図を図１に示す。

　図１に示すエンジン１０において、吸気管１１にはスロットルバルブ１２が設けられている。スロットルバルブ１２は、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１３によって開度調節される。スロットルバルブ１２の下流側は、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１４が接続されており、吸気マニホールド１４において各気筒の吸気ポートに接続されている。エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートには、それぞれ吸気バルブ１５及び排気バルブ１６が設けられている。この吸気バルブ１５の開動作により吸気通路内の空気が燃焼室１７内に導入され、排気バルブ１６の開動作により燃焼後の排ガスが排気管１８に排出される。

　エンジン１０は、各気筒に燃料を噴射供給する燃料噴射部としてのインジェクタ１９を備えている。本実施形態では吸気ポート噴射式エンジンを採用しており、インジェクタ１９は吸気ポート近傍に設けられている。なお、吸気ポート噴射式に代えて、インジェクタ１９が各気筒のシリンダヘッド等に設けられる直噴式としてもよい。

　インジェクタ１９は、燃料配管２１を介して燃料タンク２２に接続されている。燃料タンク２２には、ガソリン燃料又はアルコール燃料が単独で充填されるか、あるいはガソリン燃料とアルコール燃料との混合燃料が充填される。燃料タンク２２内の燃料は、フィードポンプ２３により汲み上げられることで各気筒のインジェクタ１９に供給される。

　燃料配管２１には、インジェクタ１９に供給される燃料を一時的に蓄える燃料加熱室２４が設けられている。この燃料加熱室２４には、発熱体としてのヒータ素子２５が、素子先端部を突出させた状態で取り付けられている。ヒータ素子２５は例えば金属製のヒータ素子であり、絶縁基体と該絶縁基体に埋設される発熱抵抗体とを有する。ヒータ素子２５は、ヒータ電子制御ユニット（ＨＣＵ）５０に接続されており、ＨＣＵ５０によってバッテリ２６からヒータ素子２５への供給電力が制御されることで、その供給電力に応じた発熱量で燃料加熱室２４内の燃料を加熱する。ヒータ素子２５の発熱抵抗体は、ヒータ素子温度に相関のある抵抗値を示し、ヒータ素子温度が上昇すると抵抗値が大きくなる特性を有している。

　エンジン１０のシリンダヘッドには、点火プラグ２７が気筒毎に取り付けられている。点火プラグ２７には、点火コイル等よりなる点火装置（図示略）を通じて、所望とする点火時期に高電圧が印加される。この高電圧の印加により各点火プラグ２７の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室１７内の混合気が着火され燃焼に供される。

　排気管１８には、排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒等の触媒３１が設けられている。また、触媒３１の上流側には、排ガスを検出対象として混合気の空燃比（酸素濃度）を検出するための排気センサ３２，３３が設けられている。その他、エンジン１０には、冷却水温を検出する冷却水温センサ３４や、エンジンの所定クランク角毎に矩形状の信号を出力するクランク角度センサ３５などが取り付けられている。

　ＥＣＵ４０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。すなわち、ＥＣＵ４０のマイクロコンピュータは、前述した各種センサなどから各々検出信号を入力し、それらの各種検出信号に基づいて燃料噴射量や点火時期等を演算する。そして、その演算結果に基づいてインジェクタ１９や点火プラグ２７の駆動を制御する。

　次に、ＨＣＵ５０について説明する。ＨＣＵ５０は、スイッチング素子を有するスイッチ部５１と、スイッチング素子のオン／オフを切り替え制御する制御部５２とを備えている。制御部５２は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成されている。また、制御部５２には、ヒータ素子２５に流れる電流（ヒータ電流Ｉｈ）を検出する電流検出回路５３と、ヒータ素子２５の印加電圧（ヒータ電圧Ｖｈ）を検出する電圧検出回路５４とがそれぞれ電気的に接続されており、所定の検出タイミング毎にヒータ電流Ｉｈ及びヒータ電圧Ｖｈが入力される。

　ＨＣＵ５０は、予め定めたエンジン始動要求に関する動作が検出され、かつ所定のヒータ通電条件が成立している場合に、燃料加熱室２４内の燃料を上昇させるべくヒータ通電信号をオフからオンに切り替え、ヒータ素子２５に通電する。エンジン始動要求に関する動作としては、例えば車両ドアが閉状態から開状態に切り替わったこと、エンジン１０の始動スイッチ（ＩＧスイッチ）がオンされたこと、エンジン１０の始動装置（スタータ）が駆動されたこと等が挙げられる。本実施形態では車両ドアが閉状態から開状態に切り替わったことが検出された場合に、エンジン始動要求に関する動作有りと判定することとしている。ヒータ通電条件としては、始動時エンジン水温が所定値ＴＨＷ１未満（例えば２０℃未満）であること、及び燃料タンク２２内の燃料のアルコール濃度が所定値ＤＥ１以上（例えば８０％以上）であることを含む。

　ヒータ素子２５の通電制御は電力ディーティ比によって行われる。本実施形態では、エンジン始動要求に関する動作の検知後、所定時間Ｔ１が経過するまでの期間（プレヒート期間）内では最大デューティ比Ｄ２を設定する。これにより、ヒータ素子２５による加熱によって燃料加熱室２４内の燃料を速やかに昇温させ、エンジン始動性を確保する。また、エンジン１０の始動完了後では、エンジン始動完了の判定タイミングから所定時間Ｔ２が経過するまでの期間（始動後ヒータ通電期間）、エンジン回転速度及び燃料噴射量に基づいてデューティ比を所定範囲内（例えば７～１００％）で可変設定する。これにより、燃料の気化を促進させ、エミッション低減を図るようにしている。なお、エンジン始動完了したことの判定は、例えばエンジン１０の燃焼開始後におけるエンジン回転速度が所定の始動回転速度以上になったか否かによって行う。

　プレヒート期間及び始動後ヒータ通電期間について本実施形態では、始動時エンジン水温及び燃料のアルコール濃度に応じて可変に設定する。具体的には、始動時エンジン水温が低いほど、プレヒート期間及び始動後ヒータ通電期間が長く設定される。また、燃料のアルコール濃度が高いほど、プレヒート期間及び始動後ヒータ通電期間が長く設定する。

　燃料の沸騰状態は熱伝導面と燃料との温度差に応じて変化し、該温度差が増加するにつれて燃料は核沸騰状態から遷移沸騰状態へ移行し、さらに膜沸騰状態へと移行する。また、燃料が膜沸騰状態になると、ヒータ素子２５の熱伝導面の全体が、沸騰した燃料の蒸気の膜で覆われた状態になる。この状態でヒータ通電を継続した場合、空焚きによって生じたデポジットによってインジェクタ詰まりが生じたり、あるいは燃料気泡によるインジェクタ１９のエア吸い込みが生じたり、最悪の場合、ヒータ損傷に至ることが懸念される。こうした点を考慮すると、始動性向上のための燃料の加熱の際には、燃料の沸騰状態が膜沸騰に至る前にヒータ出力を制限することが望ましい。

　また、始動要求に関する動作が繰り返し行われた場合、具体的には、車両ドアが何回も開け閉めされたり、あるいはＩＧスイッチやスタータスイッチが複数回オンオフされたりした場合、それらの動作が検出される度にヒータ素子２５の通電がオンオフされる。このとき、ヒータ素子２５による燃料の加熱時間として、ヒータ通電開始から予め定めた所定時間が設定されるシステムでは、ヒータ通電の積算時間が長くなることに起因して燃料の過加熱が起こることが懸念される。

　本発明者は、ヒータ素子２５による燃料の加熱時には、燃料の沸騰状態に応じてヒータ周辺（熱伝導面）の気泡の大きさ及び数が変化し、これにより熱伝導率が変化することでヒータ素子温やヒータ電流Ｉｈの変化に影響を与えると推測した。具体的には、ヒータ素子温が高くなり燃料の沸騰状態が進行するほど、ヒータ周辺の気泡の大きさ及び数が増加し、これに伴い熱伝導率が小さくなる。また、熱伝導率が小さくなると、ヒータ素子温が上昇してヒータ抵抗値が高くなり、その結果ヒータ電流Ｉｈが小さくなる。こうした事象に着目し、本発明者は、燃料加熱時におけるヒータ素子温やヒータ電流Ｉｈの変化によって燃料の沸騰状態を検出可能かについて検討した。

　図２に、燃料の加熱時間の変化によるヒータ電流Ｉｈの変化を追跡した結果を示す。図２に示すように、時刻ｔ１０でヒータ通電を開始してから所定時間（例えば１～２秒）が経過し、電流値が安定した後では、加熱時間が長くなるにつれてヒータ電流Ｉｈが徐々に低下していく。そして、燃料が核沸騰から膜沸騰に移行する間の遷移領域では、ヒータ電流Ｉｈが大きく低下し、やがてヒータ電流Ｉｈは０又はその近傍の値となる（ｔ１１）。この結果によれば、ヒータ素子温の変化やヒータ電流Ｉｈの変化によって燃料の沸騰状態を捉えることが可能であると言える。

　そこで本実施形態では、ヒータ素子温及びヒータ素子温に相関するパラメータの少なくともいずれか（ヒータ素子温パラメータ）を検出し、その検出したヒータ素子温パラメータの単位時間当たりの変化量に基づいてヒータ通電制御を実施することとしている。

　特に本実施形態では、ヒータ通電開始後におけるヒータ電流Ｉｈの単位時間当たりの変化量（ヒータ電流傾きＡｏ）を積分し、その積分値（傾き積算値Ｉｎｔ）を用いて燃料の沸騰状態を検出する構成としている。ヒータ電流Ｉｈは、ヒータ抵抗ばらつきや、バッテリ電圧の変動、インジェクタ１９からの燃料噴射量の変化等の種々の要因によって変動する。そのため、ヒータ電流Ｉｈの傾きで燃料の沸騰状態を検出しようとすると、ヒータ電流Ｉｈの傾きの変化が燃料の沸騰状態の変化によるものか、それとも別の要因によるものか判別しにくく、燃料の沸騰状態の誤検出を招くおそれがある。こうした点に鑑み、本実施形態では、傾き積算値Ｉｎｔを用いて燃料の沸騰状態を検出することとしている。

　＜ヒータ通電制御＞
　次に、本システムのヒータ通電制御について図３のフローチャートを用いて説明する。この処理は、エンジン始動要求に関する動作（本実施形態では車両ドアの開への切り替え）が検出された場合に、ＨＣＵ５０の制御部５２により所定周期毎に実行される。

　図３において、ステップＳ１０１では、アルコール濃度の学習値を読み込む。アルコール濃度学習値は従来公知の学習方法により取得し、例えば排気センサ３２，３３の検出値による推定値に基づき学習した値を取得する。あるいは、燃料供給系にアルコール濃度センサを設けておき、アルコール濃度センサの検出値に基づき学習した値を読み込む構成としてもよい。続くステップＳ１０２では、ヒータ通電条件が成立しているか否かを判定する。ヒータ通電条件が不成立の場合にはそのまま本ルーチンを終了し、ヒータ通電条件が成立している場合にはステップＳ１０３へ進む。

　ステップＳ１０３では、アルコール濃度に基づいて沸騰検出判定値ＴＨ１を設定する。沸騰検出判定値ＴＨ１は、燃料の沸騰状態が膜沸騰に至る前の所定の沸騰進行状態であるか否かを判定するための閾値である。所定の沸騰進行状態としては、核沸騰状態、あるいは核沸騰状態から膜沸騰状態に移行する途中の状態（遷移領域）が設定される。本実施形態では、アルコール濃度と沸騰検出判定値ＴＨ１との関係が予め設定されており、この関係に基づき沸騰検出判定値ＴＨ１を設定する。具体的には、アルコール濃度が低いほど、沸騰検出判定値ＴＨ１が負側に大きい値が設定される。

　なお、本明細書では、ヒータ電流Ｉｈが減少傾向を示している場合のヒータ電流傾きＡｏを負の値とし、ヒータ電流Ｉｈが増加傾向を示している場合のヒータ電流傾きＡｏを正の値とする。沸騰検出判定値ＴＨ１としては負の値が設定される。

　続くステップＳ１０４ではヒータ通電を開始する。ステップＳ１０５ではヒータ電流Ｉｈを取得し、ステップＳ１０６でヒータ電流Ｉｈの時間微分によりヒータ電流傾きＡｏを算出する。ステップＳ１０７では、ヒータ通電を開始してからのヒータ電流傾きＡｏを積算することにより傾き積算値Ｉｎｔを算出する（傾き積算値算出処理）。

　図４は、傾き積算値算出処理を示すサブルーチンである。図４において、ステップＳ２０１では、ヒータ電流傾きＡｏが負の値か否かを判定する。ヒータ電流傾きＡｏが負の値の場合にはステップＳ２０２へ進み、変数Ｘに、ステップＳ１０６で算出したヒータ電流傾きＡｏを設定する。その後、ステップＳ２０３で、下記式（１）により傾き積算値Ｉｎｔを算出する。
 
　Ｉｎｔ［ｉ］＝Ｉｎｔ［ｉ－１］＋Ｘ・Δｔ　　…（１）
 
　Ｉｎｔ［ｉ］は傾き積算値の今回値、Ｉｎｔ［ｉ－１］は傾き積算値の前回値、Δｔは計算周期を示す。

　ヒータ電流傾きＡｏが正の値である場合には、ステップＳ２０１で否定判定されてステップＳ２０４へ進む。ステップＳ２０４では、傾き積算値の前回値Ｉｎｔ［ｉ－１］が負の値か否かを判定する。前回値Ｉｎｔ［ｉ－１］が負の値である場合にはステップＳ２０２及びＳ２０３の処理を実行する。一方、前回値Ｉｎｔ［ｉ－１］が正の値である場合にはステップＳ２０５へ進み、変数Ｘに０を設定し、ステップＳ２０３の処理を実行する。つまり、ヒータ電流傾きＡｏが負の値の場合には、常時ヒータ電流傾きＡｏを足し込むのに対し、ヒータ電流傾きＡｏが正の値の場合には、傾き積算値の前回値Ｉｎｔ［ｉ－１］が負の値であることを条件にヒータ電流傾きＡｏの足し込みを行う。これにより、傾き積算値Ｉｎｔを０で上限ガードする。

　ステップＳ１０８では、傾き積算値の今回値Ｉｎｔ［ｉ］が沸騰検出判定値ＴＨ１よりも小さいか否か（沸騰検出判定値ＴＨ１よりも負側に大きいか否か）を判定する。傾き積算値が沸騰検出判定値ＴＨ１よりも大きい場合にはステップＳ１０９へ進み、沸騰検出フラグに０をセットし、今現在設定されているデューティ比のままヒータ通電を継続する。一方、傾き積算値が沸騰検出判定値ＴＨ１よりも小さい（負側に大きい）場合にはステップＳ１１０へ進み、沸騰検出フラグに１をセットし、ヒータ出力を制限する。本実施形態では、傾き積算値が沸騰検出判定値ＴＨ１よりも負側に大きいと判定された直後の所定時間では、ヒータ出力を低下させて通電を行い、その後、ヒータ通電を停止する。

　次に、ヒータ通電制御の具体的態様を図５のタイムチャートを用いて説明する。図中、（ａ）はヒータ通電信号の推移、（ｂ）は沸騰検出フラグの推移、（ｃ）はヒータｄｕｔｙの推移、（ｄ）は燃料加熱室２４内の燃料温度の推移、（ｅ）はヒータ素子温の推移、（ｆ）はヒータ電流Ｉｈの推移、（ｇ）はエンジン回転速度の推移、（ｈ）はヒータ電流傾きＡｏの推移、（ｉ）は傾き積算値Ｉｎｔの推移をそれぞれ示している。図５では、ユーザが、停車中の車両の運転を開始しようとしている場合を想定している。

　図５において、車両ドアが閉状態から開状態に切り替えられた時刻ｔ２１では、始動時エンジン水温が所定値ＴＨＷ１未満であって、かつ燃料タンク２２内の燃料のアルコール濃度が所定値ＤＥ１以上であることを条件にヒータ通電が開始される。ヒータ通電の開始直後では、まずディーティ比Ｄ１で通電し、その後最大デューティ比Ｄ２に変更される。

　なお、ＩＧスイッチのオン時には、ヒータ電流Ｉｈが一時的に上昇し、その後低下して安定する（図５の（ｆ））。本実施形態では、この時の電流変化による誤検出を回避するために、ヒータ通電開始当初の所定時間（例えば、ヒータ電流Ｉｈが安定するまでの１～２秒程度）では、ヒータ電流Ｉｈの変化に基づく燃料の沸騰状態の判定を実施しないこととしている。車両ドアが開状態に切り替えられた後、ＩＧスイッチがオンされ、さらにスタータスイッチがオンされることにより、エンジン１０のクランキングが開始される（時刻ｔ２２）。

　燃料加熱室２４内の燃料温度が燃料の沸点Ｔｂまで上昇し、ヒータ素子周辺の気泡の大きさ及び数が次第に増加するにつれてヒータ素子温が上昇傾向を示す（時刻ｔ２３）。また、ヒータ素子温の上昇に伴いヒータ電流Ｉｈが低下傾向を示し、傾き積算値Ｉｎｔとしては負の値が積算されていく。そして、傾き積算値Ｉｎｔが沸騰検出判定値ＴＨ１よりも小さくなった（負側に大きくなった）と判定されると、その時刻ｔ２４でヒータ素子２５の通電デューティ比がＤ２からＤ３に低下され、その後、時刻ｔ２５でヒータ出力が０にセットされる。この通電制限により、燃料加熱室２４内の燃料温度の過上昇が抑制される（図５の（ｄ）及び（ｅ）の実線）。一方、傾き積算値Ｉｎｔに基づくヒータ通電制限を実施せず、時刻ｔ２４以降もヒータ通電を継続した場合には、図５の（ｄ）及び（ｅ）に一点鎖線で示すように、燃料加熱室２４内の燃料温度が過上昇する。

　なお、燃料の沸騰中に燃料噴射量の増加があった場合、燃料加熱室２４内の燃料温度の低下によりヒータ素子温が低下することで、ヒータ電流Ｉｈが増加傾向を示す（時刻ｔ２３～ｔ２４の間）。この場合、ヒータ電流傾きＡｏは正の値を示す。本実施形態では、ヒータ電流傾きＡｏが正の値を示している場合には、傾き積算値Ｉｎｔの前回値が負の値であることを条件に、ヒータ電流傾きＡｏを傾き積算値Ｉｎｔの前回値に対して足し込むことで傾き積算値Ｉｎｔを算出する。

　＜ヒータ再通電処理＞
　エンジン１０の始動が完了した後にヒータ素子２５による燃料の加熱を行う場合、燃料噴射量の増加があった等の理由により燃料加熱室２４内の燃料温度が低下することがある。また、燃料カット中では燃料の過熱防止のため、ヒータ通電を停止させる制御を実施することがあるが、ヒータ素子２５の通電停止期間が長くなると、燃料加熱室２４内の燃料温度が低下することが考えられる。一方、燃料温度が低下した状態で燃料噴射を実施した場合、燃料変動に伴うドライバビリティの悪化や、エミッションの悪化を招くことが懸念される。そこで本実施形態では、燃料加熱室２４内の燃料温度の低下がヒータ電流傾きＡｏの変化として現れることに着目し、ヒータ通電の停止後、ヒータ電流傾きＡｏに基づいてヒータ再通電を実施することとしている。

　図６は、ヒータ再通電処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、ＨＣＵ５０の制御部５２により所定周期毎に実行される。

　図６において、ステップＳ３０１では、エンジン１０の始動完了から所定時間Ｔ２が経過するまでの始動後ヒータ通電期間内であるか否かを判定する。始動後ヒータ通電期間内であると判定された場合には、ステップＳ３０２へ進み、燃料カットを実施中であるか否かを判定する。燃料カットの実施中であればステップＳ３０３へ進み、ヒータ素子２５の通電中か否かを判定する。そして、ヒータ素子２５の通電中である場合にはステップＳ３０４へ進み、ヒータ通電を停止する。

　一方、ステップＳ３０３でヒータ通電の実施中でないと判定された場合には、ステップＳ３０５へ進み、ヒータ電流傾きＡｏに基づいて、ヒータ素子２５が所定の低温状態であるか否かを判定する。ここでは、ヒータ電流傾きＡｏが正側の値である状態が所定時間Ｔ３以上継続した場合に、ヒータ素子２５が所定の低温状態であるものと判定する。ステップＳ３０５で否定判定された場合にはステップＳ３０６へ進み、ヒータ通電を停止させたままにしておく。一方、ステップＳ３０５で肯定判定された場合にはステップＳ３０７へ進み、ヒータ再通電する。ヒータ再通電時のデューティ比は、例えばエンジン回転速度及び燃料噴射量に基づいて設定する。

　図７は、燃料カット実施時のヒータ通電制御の具体的態様を示すタイムチャートである。図７中、（ａ）～（ｉ）については図５と同じである。

　図７において、車両ドアが閉状態から開状態に切り替えられると、ヒータ通電条件が成立していることを条件にヒータ通電が開始される（時刻ｔ３１）。その後、ＩＧスイッチがオンされ、さらにスタータスイッチがオンされることによりエンジン１０のクランキングが開始され（時刻ｔ３２）、エンジン１０が始動される。

　車両走行中に燃料カットが実施された場合、燃料カット開始の時刻ｔ３３でヒータ通電が停止される。ヒータ通電停止直後の暫くの期間では、余熱で燃料温度が上昇するものの、やがて燃料温度が低下し始め、ヒータ電流Ｉｈが上昇する。そして、ヒータ電流傾きＡｏが正の値の状態が所定時間Ｔ３以上継続すると、ヒータ通電が再開される（時刻ｔ３５）。

　＜空焚き判定処理＞
　ヒータ周辺に燃料が存在しない状態として、例えば燃料系の部品（燃料配管２１やインジェクタ１９、フィードポンプ２３、燃料加熱室２４、燃料フィルタなど）の交換を行った際に燃料加熱室２４内に空気が混入し、燃料加熱室２４内が空の状態になることが想定される。この状態でヒータ素子２５による燃料の加熱を実施すると、ヒータ素子２５の表面に燃料によるデポジットが付着したり、ヒータ素子２５の劣化又は溶損を引き起こしたりすることが懸念される。

　図８は、燃料加熱室２４内が空の状態でヒータ素子２５の通電を行った場合を示すタイムチャートである。図中、（ａ）はヒータ通電信号の推移、（ｂ）はヒータｄｕｔｙの推移、（ｃ）は燃料加熱室２４内の燃料温度の推移、（ｄ）はヒータ素子温の推移、（ｅ）はヒータ電流Ｉｈの推移、（ｆ）はヒータ電流傾きＡｏの推移、（ｇ）は傾き積算値Ｉｎｔの推移、（ｈ）は空焚き判定フラグの推移をそれぞれ示している。図８では、ユーザが、停車中の車両の運転を開始しようとしている場合を想定している。なお、図８中、実線は燃料加熱室２４内の燃料が空の状態でヒータ通電された空焚き時を示し、一点鎖線は燃料加熱室２４内に燃料が充填されている通常時を示している。

　図８において、車両ドアが閉状態から開状態に切り替えられると、ヒータ通電条件が成立していることを条件にヒータ通電が開始される（時刻ｔ４１）。このとき、燃料加熱室２４内に燃料が入っておらず空焚き状態となっている場合には、ヒータ通電開始後の比較的早い段階で、燃料加熱室２４内の温度（図８の（ｃ））及びヒータ素子温が急上昇する。また、ヒータ素子温の急上昇に伴い、ヒータ電流Ｉｈが大きく低下する。そのため、燃料加熱室２４内に燃料が有ればヒータ電流Ｉｈの変化がさほど生じない期間において、ヒータ電流傾きＡｏ及び傾き積算値Ｉｎｔが負側の値を示すこととなる。

　そこで本実施形態では、ヒータ素子２５の通電開始から所定時間Ｔ１が経過する前のプレヒート期間内において、該期間でのヒータ電流傾きＡｏに基づいて、ヒータ周辺に燃料が存在しない空焚き状態か否かを判定する（空焚き判定部）。そして、空焚き状態であると判定された場合には、ヒータ素子２５の通電を停止する。特に本実施形態では、ヒータ通電制御の場合と同じくノイズの影響を極力小さくするべく、ヒータ電流傾きＡｏの積算値である傾き積算値Ｉｎｔに基づいて空焚き判定を実施することとしている。

　図９は、空焚き判定処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、ＨＣＵ５０の制御部５２により所定周期毎に実行される。

　図９において、ステップＳ４０１では、ヒータ通電開始から所定時間Ｔ１が経過する前か否か、つまりプレヒート期間内か否かを判定する。所定時間Ｔ１の経過前であることを条件にステップＳ４０２へ進み、傾き積算値Ｉｎｔが空焚き防止判定値ＴＨ２よりも負側の値であるか否かを判定する。空焚き防止判定値ＴＨ２は、沸騰検出判定値ＴＨ１よりも負側に大きい値に設定されており、本実施形態では、燃料によるデポジットがヒータ素子表面に成長する前であることを検出可能な値に設定されている。

　傾き積算値Ｉｎｔが空焚き防止判定値ＴＨ２よりも正側に大きい値である場合には、ステップＳ４０２で否定判定され、ステップＳ４０３へ進み、空焚き判定フラグを０にする。一方、傾き積算値Ｉｎｔが空焚き防止判定値ＴＨ２よりも負側に大きい値である場合には、ステップＳ４０２で肯定判定されてステップＳ４０４へ進み、空焚き判定フラグに１をセットし、ヒータ素子２５の通電を停止する。

　＜ヒータ劣化判定処理＞
　ヒータ素子２５の劣化が進むと、ヒータ部分が細くなることに伴いヒータ抵抗値が小さくなり、ヒータ電力が低下する。また、ヒータ電力が低下することで、ヒータ電流Ｉｈ及びヒータ電圧Ｖｈの値がヒータ正常時よりも小さくなる。この点に着目し、本実施形態では、ヒータ素子２５の通電を開始してから所定時間Ｔ１が経過する前のプレヒート期間において、該期間でのヒータ電流傾きＡｏに基づいて、ヒータ素子２５の劣化状態を判定する（劣化判定部）。特に本実施形態では、ヒータ通電制御の場合と同じく、ヒータ電流Ｉｈに現れるノイズの影響を極力小さくするべく、ヒータ電流傾きＡｏの積算値である傾き積算値Ｉｎｔに基づいてヒータ素子２５の劣化を判定することとしている。

　図１０は、ヒータ素子２５の正常時と劣化時との相違を表すタイムチャートである。図中、（ａ）はヒータ通電信号の推移、（ｂ）はヒータｄｕｔｙの推移、（ｃ）は燃料加熱室２４内の燃料温度の推移、（ｄ）はヒータ素子温の推移、（ｅ）はヒータ電流Ｉｈの推移、（ｆ）はヒータ電流傾きＡｏの推移、（ｇ）は傾き積算値Ｉｎｔの推移、（ｈ）はヒータ劣化判定フラグの推移をそれぞれ示している。なお、図１０中、実線はヒータ劣化時を示し、一点鎖線はヒータ正常時を示している。

　図１０において、車両ドアが開状態に切り替えられたことに伴いヒータ通電が開始された場合、ヒータ正常時では、一点鎖線で示すように、燃料加熱室２４内の燃料温度が速やかに燃料の沸点Ｔｂまで上昇する。また、燃料温度が沸点Ｔｂまで上昇した後では、ヒータ素子温が上昇傾向を示し、ヒータ電流Ｉｈが低下傾向を示す。これにより、傾き積算値Ｉｎｔが時間経過に伴い負側に大きくなる。

　これに対し、ヒータ劣化時では、実線で示すように、燃料加熱室２４の燃料温度の上昇が正常時に比べて緩慢となる。そのため、正常時であれば傾き積算値Ｉｎｔが負側に十分に大きい値を示す時刻ｔ５２以降でも、ヒータ素子２５が劣化している場合には、傾き積算値Ｉｎｔに変化が生じないままか、又はその変化の程度が小さい。そこで本実施形態では、ヒータ通電開始から所定時間Ｔ４が経過した後の傾き積算値Ｉｎｔと判定値ＴＨ３とを比較し、傾き積算値Ｉｎｔが判定値よりも正側に大きい場合にヒータ素子２５が劣化している旨判定する。

　図１１は、ヒータ劣化判定処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、ＨＣＵ５０の制御部５２により所定周期毎に実行される。

　図１１において、ステップＳ５０１では、ヒータ通電開始から所定時間Ｔ１が経過する前か否か、つまりプレヒート期間内か否かを判定する。プレヒート期間内であればステップＳ５０２へ進み、エンジン始動要求に関する動作からのヒータ通電時間が所定時間Ｔ４以上となったか否かを判定する。ここで、所定時間Ｔ４は、プレヒート期間Ｔ１よりも短い時間であって、かつヒータ正常時において燃料温度が沸点Ｔｂまで上昇するのに要する時間よりも長い時間が設定されている。ヒータ通電時間が所定時間Ｔ４となる前であれば、ステップＳ５０２で否定判定され、一旦本ルーチンを終了する。

　一方、ヒータ通電時間が所定時間Ｔ４以上になると、ステップＳ５０３へ進み、今現在の傾き積算値Ｉｎｔが劣化判定値ＴＨ３よりも正側に大きい値か否かを判定する。傾き積算値Ｉｎｔが劣化判定値ＴＨ３よりも負側に大きい値である場合にはステップＳ５０４へ進み、ヒータ劣化判定フラグに０をセットする。一方、傾き積算値Ｉｎｔが劣化判定値ＴＨ３よりも正側に大きい値である場合にはステップＳ５０５へ進み、ヒータ劣化判定フラグに１をセットし、ヒータ通電を停止する。

　以上詳述した本実施形態によれば、次の効果が得られる。

　ヒータ素子温パラメータとしてのヒータ電流Ｉｈを検出し、その検出したヒータ素子温パラメータの単位時間当たりの変化量に基づいてヒータ通電制御を実施する構成とした。こうした構成によれば、ヒータ素子２５による燃料の加熱期間において、燃料の沸騰状態を間接的に捉えることができることから、燃料が過加熱する前にヒータ出力を制限することができる。これにより、燃料の過加熱による不都合、例えばヒータ素子２５の劣化や損傷、デポジットの付着、インジェクタ１９のエア吸い込み等を抑制することができる。

　ヒータ素子２５による燃料の加熱期間では、例えば製品個体差によるヒータ抵抗ばらつきや、バッテリ電圧の変動、インジェクタ１９からの燃料噴射等の種々の要因によってヒータ電流Ｉｈが変動する。そのため、ヒータ電流Ｉｈの傾きで燃料の沸騰状態を検出しようとすると、ヒータ電流Ｉｈの傾きの変化が燃料の沸騰状態の変化によるものか、それとも別の要因によるものかを判別しにくく、燃料の沸騰状態の誤検出を招くおそれがある。こうした点に鑑み、本実施形態では、ヒータ電流Ｉｈの時間微分を積算することにより傾き積算値Ｉｎｔを算出し、その算出した傾き積算値Ｉｎｔを用いて燃料の沸騰状態を検出する構成とした。こうした構成によれば、傾き積算値Ｉｎｔによってヒータ電流Ｉｈの変化を連続的にモニタことから、ノイズの影響に起因して燃料の沸騰状態を誤検出することを抑制することができる。また、燃料の沸騰状態の変化に対するヒータ電流Ｉｈの変化を増幅することが可能となり、検出精度を高めることができる。

　ヒータ電流傾きＡｏの積算値が負側に大きくなるほど燃料の沸騰が進行し、膜沸騰状態に近付いていく。この点に鑑み、本実施形態では、傾き積算値Ｉｎｔと沸騰検出判定値ＴＨ１とを比較し、傾き積算値Ｉｎｔが沸騰検出判定値ＴＨ１よりも負側に大きくなった場合には燃料が所定の沸騰進行状態になったものと判定し、ヒータ通電を制限する構成とした。この構成によれば、ヒータ電流Ｉｈの傾きの積算処理という比較的簡単な制御によって燃料の沸騰状態を精度良く判別することができる。

　ヒータ素子温パラメータとしてヒータ電流Ｉｈを検出し、ヒータ電流Ｉｈの時間微分の積算値Ｉｎｔにより燃料の沸騰状態を検出する構成とした。この構成によれば、ヒータ素子温を直接検出せずに燃料の沸騰状態が所定の沸騰進行状態か否かを検出することができる。

　エンジン１０の燃料カットに伴うヒータ通電停止後において、ヒータ素子温パラメータの単位時間当たりの変化量としてのヒータ電流傾きＡｏに基づいて、ヒータ素子２５が所定の低温状態になったことが検出された場合にヒータ通電を再開する構成とした。こうした構成によれば、燃料カット中では燃料の過加熱を抑制でき、また通電停止に伴いヒータ素子温が低下した場合には再加熱を実施することにより、燃焼変動に伴うドライバビリティの悪化やエミッション悪化を抑制することができる。

　ヒータ通電開始から所定時間Ｔ１が経過する前のプレヒート期間中に、該プレヒート期間中におけるヒータ電流傾きＡｏに基づいて、ヒータ素子周辺に燃料が存在しない空焚き状態か否かを判定する空焚き判定部を備え、空焚き状態であることが判定された場合にヒータ通電停止する構成とした。燃料加熱室２４内の燃料が空の状態でヒータ素子２５による燃料の加熱を実施した場合、ヒータ表面へのデポジット付着やヒータ素子２５の劣化が促進されることが懸念される。この点、上記構成とすることにより、空焚きによる不都合を抑制することができる。

　ヒータ通電開始から所定時間Ｔ１が経過する前のプレヒート期間中に、該プレヒート期間中におけるヒータ電流傾きＡｏに基づいてヒータ劣化判定を実施する構成とした。ヒータ素子２５の劣化が進むとヒータ部分が細くなり、燃料の沸騰状態に対応するヒータ電流Ｉｈの変化が生じないか又は該変化の程度が小さくなる。この点に鑑み、上記構成とすることにより、ヒータ素子２５が劣化したことを判定することができる。

　（他の実施形態）
　本開示は上記実施形態に限定されず、例えば次のように行ってもよい。

　上記実施形態では、ヒータ電流傾きＡｏが正の値を示した場合には、ヒータ電流傾きＡｏの今回値を傾き積算値Ｉｎｔの前回値に対して足し込むことで、傾き積算値Ｉｎｔの今回値を算出する構成とした。これを変更し、傾き積算値Ｉｎｔを算出する際には、ヒータ電流傾きＡｏの負の値のみを足し込み、正の値は無効化する構成としてもよい。

　上記実施形態において、傾き積算値Ｉｎｔを算出する際、ヒータ電流傾きＡｏが正の値を所定時間継続して示した場合に、ヒータ電流傾きＡｏの今回値を傾き積算値Ｉｎｔの前回値に対して足し込む構成としてもよい。

　上記実施形態では、ヒータ電流傾きＡｏが正側の値である状態が所定時間Ｔ３以上継続した場合に、ヒータ素子２５が所定の低温状態にあるものと判定し、該判定によりヒータ再通電を実施する構成とした。ヒータ電流傾きＡｏに基づいてヒータ素子２５が所定の低温状態であるか否かを判定する構成はこれに限定されない。例えば、ヒータ電流傾きＡｏが正の値となってからのヒータ電流傾きＡｏの時間微分により傾き積算値Ｉｎｔを算出し、該算出した傾き積算値Ｉｎｔが判定値よりも正側に大きくなった場合にヒータ通電を再開する構成としてもよい。

　燃料カットに伴うヒータ通電停止後において、ヒータ通電停止の期間中にドライバのアクセル操作が検出された場合には、ヒータ電流傾きＡｏの変化に関わらず、ヒータ通電を再開する構成としてもよい。こうした構成とすることにより、燃料噴射量の増加が起きる場面において速やかに燃料を加熱することができ、エミッション悪化を好適に抑制することができる。

　上記実施形態では、ヒータ素子温及び該温度に相関するパラメータの少なくともいずれかであるヒータ素子温パラメータとしてヒータ電流Ｉｈを採用する構成としたが、ヒータ電流Ｉｈ以外のパラメータ、例えばヒータ電圧Ｖｈ、ヒータ抵抗値又はヒータ素子温を用いてもよい。具体的には、ヒータ素子温に基づきヒータ通電制御を実施する場合、ヒータ素子温の挙動がヒータ電流Ｉｈの挙動に対して上昇及び低下が反転することを考慮し（図５及び図７参照）、ヒータ通電開始後におけるヒータ素子温の時間微分の積算値が判定値よりも正側に大きくなったタイミングでヒータ通電を停止する構成とする。

　また、ヒータ電圧Ｖｈに基づきヒータ通電制御を実施する場合には、燃料の沸騰状態が進むにつれてヒータ電流Ｉｈが低下し、これに伴いヒータ電圧Ｖｈが回復することを考慮し、ヒータ通電開始後におけるヒータ電圧Ｖｈの時間微分の積算値が判定値よりも正側に大きくなったタイミングでヒータ通電を停止する構成とする。また、ヒータ抵抗値については、燃料の沸騰状態が進むにつれてヒータ抵抗値が大きくなることを考慮し、ヒータ通電開始後におけるヒータ抵抗値の時間微分の積算値が判定値よりも正側に大きくなったタイミングでヒータ通電を停止する構成とする。なお、ヒータ素子温については、ヒータ素子温を検出するセンサを設け、該センサにより検出する構成が挙げられる。ヒータ抵抗値については、ヒータ電流Ｉｈ及びヒータ電圧Ｖｈの検出値により算出する構成が挙げられる。

　上記実施形態では、ヒータ素子温パラメータとしてヒータ電流Ｉｈのみを用いてヒータ通電制御を実施したが、２種類以上のヒータ素子温パラメータを用いてヒータ通電制御してもよい。例えば、ヒータ電流Ｉｈ及びヒータ素子温を用いる場合、ヒータ通電の開始後において、ヒータ電流Ｉｈの時間微分の積算値Ｉｎｔが沸騰検出判定値ＴＨ１よりも負側に大きく、かつヒータ素子温の時間微分の積算値が判定値よりも正側に大きい場合にヒータ通電を停止する構成とする。

　上記実施形態では、ヒータ素子温パラメータの単位時間当たりの変化量に基づいてヒータ通電制御を実施する構成として、該変化量の積算値を用いる構成としたが、ヒータ素子温パラメータの単位時間当たりの変化量に基づく制御であれば上記構成に限定しない。例えば、燃料の沸騰状態が核沸騰から膜沸騰に移行する際にはヒータ素子温パラメータの変化が大きくなる（例えば、図２の時刻ｔ１１の直後）点に着目し、ヒータ通電開始後において、ヒータ素子温パラメータの単位時間当たりの変化量と判定値とを比較し、該変化量（絶対値）が判定値よりも大きくなった場合にヒータ通電を停止する構成とする。より具体的には、例えばヒータ素子温パラメータとしてヒータ電流Ｉｈを用いる場合であれば、ヒータ電流傾きＡｏの負側への変化量（＞０）が判定値よりも大きい場合にヒータ通電を停止する。

　上記実施形態では、アルコール濃度に応じて沸騰検出判定値ＴＨ１を可変に設定したが、ヒータ通電制御の電力デューティ比に応じて沸騰検出判定値ＴＨ１を可変に設定してもよい。電力デューティ比が小さいほどヒータ素子温パラメータのノイズが大きくなる傾向にあり、燃料の沸騰状態の検出精度が低下する傾向にある。この点に鑑み上記構成とすることにより、燃料の沸騰状態の誤検出を抑制することができる。例えばヒータ素子温パラメータをヒータ電流Ｉｈとし、ヒータ電流Ｉｈの時間微分の積算値Ｉｎｔにより燃料の沸騰状態を検出する場合であれば、電力デューティ比が小さいほど、沸騰検出判定値ＴＨ１を負側に大きい値に設定することが好ましい。なお、沸騰検出判定値ＴＨ１を、アルコール濃度及び電力デューティ比に応じて可変に設定してもよい。

　沸騰検出判定値ＴＨ１について、アルコール濃度や電力デューティ比に応じて可変に設定する構成に代えて、予め定めた一定値を用いる構成としてもよい。

　上記実施形態では、ＥＣＵ４０及びＨＣＵ５０を別個に備え、ＨＣＵ５０がヒータ素子２５の通電制御を実施するシステムに適用する場合について説明したが、ＥＣＵ４０及びＨＣＵ５０を１つの装置として備えるシステムに適用してもよい。

　上記実施形態では、アルコール燃料が使用される車載エンジンに適用される場合について説明したが、予め加熱してエンジン１０に供給されることが想定される燃料であればアルコール燃料に限らず、例えば液化石油ガスなどのガス燃料が使用される車載エンジンに適用してもよい。また、ガソリン燃料とアルコール燃料との混合燃料を使用する場合について説明したが、軽油とアルコール燃料との混合燃料を使用する場合に適用してもよい。

 

Claims (7)

1. 　燃料タンク（２２）と燃料噴射弁（１９）とを接続する燃料通路（２１）に、電力供給により発熱する発熱体（２５）が設けられた内燃機関（１０）の燃料供給システムに適用され、
   　前記発熱体の温度及び該温度に相関するパラメータの少なくともいずれかである発熱体温度パラメータを検出するパラメータ検出部と、
   　前記発熱体の通電開始後に前記パラメータ検出部により検出した前記発熱体温度パラメータの単位時間当たりの変化量に基づいて、前記発熱体の通電制御を実施する通電制御部と、を備えることを特徴とする内燃機関の燃料供給制御装置。
2. 　前記通電制御部は、前記パラメータ検出部により検出した発熱体温度パラメータの単位時間あたりの変化量の積算値を算出し、該算出した積算値に基づいて前記発熱体の通電制御を実施する請求項１に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
3. 　前記通電制御部は、前記積算値と判定値との比較結果に基づいて前記燃料の沸騰状態が膜沸騰に至る前の所定の沸騰進行状態にあるか否かを判定し、前記所定の沸騰進行状態にあると判定された場合に前記発熱体の通電を制限する請求項２に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
4. 　前記パラメータ検出部は、前記発熱体温度パラメータとして、前記発熱体に流れる電流、前記発熱体の印加電圧及び前記発熱体の抵抗のうちの少なくともいずれかを検出する請求項１～３のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
5. 　前記通電制御部は、前記内燃機関の運転開始後における前記発熱体の通電制御として、前記内燃機関の燃料カットの開始に伴い前記発熱体の通電を停止する通電停止処理と、前記通電停止処理による前記発熱体の通電停止後に前記パラメータ検出部により検出した前記発熱体温度パラメータの単位時間当たりの変化量に基づいて、前記発熱体が所定の低温状態になったことが検出された場合に、前記発熱体の通電を再開する通電再開処理と、を実施する請求項１～４のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
6. 　前記発熱体の通電開始から所定時間が経過する前の期間内に前記パラメータ検出部により検出した前記発熱体温度パラメータの単位時間当たりの変化量に基づいて、前記発熱体の周辺に燃料が存在しない空焚き状態か否かを判定する空焚き判定部を備え、
   　前記通電制御部は、前記空焚き判定部により空焚き状態であると判定された場合に、前記発熱体の通電を停止する請求項１～５のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
7. 　前記発熱体の通電開始から所定時間が経過する前の期間内に前記パラメータ検出部により検出した前記発熱体温度パラメータの単位時間当たりの変化量に基づいて、前記発熱体の劣化状態を判定する劣化判定部を備える請求項１～６のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
   
    

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