JP2005180222A

JP2005180222A - アルコール混合燃料エンジン

Info

Publication number: JP2005180222A
Application number: JP2003418737A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Taniguchi; 聡谷口; Yukihiro Tsukasaki; 之弘塚▲崎▼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】ガソリンとアルコールとを混合してなるアルコール混合燃料を用いるエンジンにおいて、燃料中のベーパの発生を抑制する。
【解決手段】アルコール混合燃料の性状と温度とに基づいて、高圧ポンプ１２の下流側におけるアルコール混合燃料がベーパ化しないように目標高圧圧力を定め（Ｓ３０）、燃料の圧力が目標高圧圧力と一致するように高圧ポンプ１２を制御する（Ｓ３４）。デリバリ管内におけるベーパの発生を抑制することができ、アルコール混合燃料の調量精度を向上させて適正な燃料噴射量を得ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガソリンとアルコールとを混合してなるアルコール混合燃料を燃焼室内で燃焼させて動力を発生するアルコール混合燃料エンジンに関する。

従来から、ガソリンとアルコールとを混合してなるアルコール混合燃料を、燃焼室内で燃焼させて動力を発生するアルコール混合燃料エンジンが提案されている。特に、アルコール混合燃料におけるアルコールとガソリンとの混合比については規定が確立されておらず、地域などによって燃料の性状が異なるのが現状であるため、アルコール濃度に応じた運転を行うようにしたエンジンも種々提案されている。

例えば特許文献１は、アルコール混合燃料中のアルコール濃度に応じて燃料噴射タイミングや点火タイミングを可変する技術を開示している。特許文献２は、吸気ポートに設けられたインジェクタと、燃焼室に設けられたいわゆる筒内直噴用のインジェクタとを備え、両者をアルコール濃度に応じて切替えて使用する技術を開示している。特許文献３および特許文献４は、アルコール濃度に応じて燃料噴射量を可変する技術を開示している。

実開平３−４５４４６号公報特開平３−６１６４２号公報実開平５−４２６５７号公報特許第２９０７５９４公報

しかし、アルコールの蒸気圧はガソリン単体に比べて高く、また、ガソリンとアルコールとの共沸により、飽和蒸気圧が両者の単体より高くなる可能性もあるから、一般にアルコール混合燃料ではベーパが発生しやすいといえる。ベーパの発生は、体積効率の低下、燃料噴射式エンジンの場合の昇圧不良や昇圧ポンプの焼き付きを起こさせる可能性があるため、その抑制がアルコール混合燃料エンジンでは特に要請されるということができる。

そこで本発明の目的は、アルコール混合燃料におけるベーパの発生を抑制できるようなアルコール混合燃料エンジンを提供することにある。

第１の本発明は、ガソリンとアルコールとを混合してなるアルコール混合燃料を燃焼室内で燃焼させて動力を発生するアルコール混合燃料エンジンにおいて、アルコール混合燃料を貯留する燃料タンクと、アルコール混合燃料を噴射可能なインジェクタと、前記燃料タンクと前記インジェクタとの間に配置され、アルコール混合燃料を昇圧させて前記インジェクタに供給する高圧ポンプと、アルコール混合燃料の性状および前記高圧ポンプの下流側におけるアルコール混合燃料の温度に基づいて、前記下流側にてアルコール混合燃料がベーパ化しないように目標高圧圧力を定め、前記下流側におけるアルコール混合燃料の圧力と前記目標高圧圧力とが一致するように前記高圧ポンプを制御する制御手段とを備えることを特徴とするアルコール混合燃料エンジンである。

図４に示されるとおり、液体燃料は一般に低圧・高温であるほど気化し易いため、ベーパ化を抑制するには、液体燃料をその温度に応じた高い圧力にする必要がある。そこで第１の本発明では、アルコール混合燃料の性状と温度とに基づいて、高圧ポンプの下流側におけるアルコール混合燃料がベーパ化しないように目標高圧圧力を定め、燃料の圧力が目標高圧圧力と一致するように高圧ポンプを制御するので、ベーパの発生を抑制することができる。

第２の本発明は、請求項１に記載のアルコール混合燃料エンジンであって、前記燃料タンクと前記高圧ポンプとの間に設置され、前記燃料タンクからアルコール混合燃料を送出する低圧ポンプを更に備え、前記制御手段は、アルコール混合燃料の性状および前記低圧ポンプと前記高圧ポンプとの間の流路上の所定箇所におけるアルコール混合燃料の温度に基づいて、前記所定箇所にてアルコール混合燃料がベーパ化しないように目標低圧圧力を定め、前記低圧ポンプが送出するアルコール混合燃料の圧力と前記目標低圧圧力とが一致するように前記低圧ポンプを制御することを特徴とするアルコール混合燃料エンジンである。

第２の本発明では、燃料タンクと高圧ポンプとの間に低圧ポンプを更に備えた場合に、この低圧ポンプと高圧ポンプとの間の流路上でのベーパの発生を抑制することができる。

以下、図面と共に本発明によるアルコール混合燃料エンジンの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明によるアルコール混合燃料エンジンを示す概略構成図である。同図に示されるアルコール混合燃料エンジン１は、ガソリンとアルコールとを混合してなるアルコール混合燃料を用いる直列４気筒エンジンとして構成されており、車両の走行駆動源として用いられると好適なものである。このアルコール混合燃料エンジン１は、シリンダブロックに形成された複数の燃焼室２を有し、各燃焼室２の内部でアルコール混合燃料を燃焼させてピストン３を往復移動させることにより動力を発生する。

アルコール混合燃料エンジン１は、それぞれ対応する燃焼室２の内部に臨むようにシリンダヘッドに配設された複数のインジェクタ４と複数の点火プラグ（図示省略）とを有する。また、アルコール混合燃料エンジン１の各ピストン３は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部３ａが形成されている。そして、このアルコール混合燃料エンジン１では、各燃焼室２内に空気を吸入させた状態で、各インジェクタ４から各燃焼室２内のピストン３の凹部３ａに向けてアルコール混合燃料が直接噴射される。

これにより、アルコール混合燃料エンジン１では、図示されない点火プラグの近傍にアルコール混合燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）される。この結果、アルコール混合燃料エンジン１では、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。なお、本実施形態のアルコール混合燃料エンジン１は、いわゆる直噴エンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明が吸気管（吸気ポート）噴射式のエンジンにも適用され得ることはいうまでもない。

また、アルコール混合燃料エンジン１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁と、排気ポートを開閉する排気弁とが各燃焼室２ごとに配設されている。これらの吸気弁および排気弁は、例えば可変バルブタイミング機能を有する図示されない動弁機構によって開閉させられる。そして、各燃焼室２の吸気ポートは、それぞれ吸気管（吸気マニホールド）５に接続され、吸気管５には、例えばドライブバイワイヤ式のスロットルバルブ６が設置されている。一方、各燃焼室２の排気ポートは、排気管（排気マニホールド）７にそれぞれ接続されている。

更に、上述のような成層希薄燃焼運転が実行されると、アルコール混合燃料エンジン１からの排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）が増加することを踏まえて、排気管７には、三元触媒を含む前段触媒装置８に加えて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置９が接続されている。これにより、各燃焼室２から各排気弁を介して排出される排気ガス中のＮＯｘは、後段触媒装置９のＮＯｘ吸蔵還元触媒によって吸蔵される。ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯｘは、後段触媒装置９に対して所定のタイミングで実行される還元処理によって還元される。

さて、アルコール混合燃料エンジン１では、アルコール混合燃料が燃料タンク１０の内部に液相状態で貯留され、性能の確保に必要な空気量を十分に確保する等の観点から、アルコール混合燃料は上述の各インジェクタ４から各燃焼室２の内部に液相状態で噴射される。そして、アルコール混合燃料を各燃焼室２の内部に噴射するために、アルコール混合燃料エンジン１は、燃料タンク１０に接続された低圧ポンプ１１と、低圧ポンプ１１と各インジェクタ４との間に配された高圧ポンプ１２とを含む。

本実施形態では、低圧ポンプ１１および高圧ポンプ１２として、デューティ制御可能な電動ポンプが採用される。そして、低圧ポンプ１１の吐出口は、低圧配管１４を介して高圧ポンプ１２の吸入口に接続されている。また、高圧ポンプ１２の吐出口は、デリバリ管（分配管）１５に接続されており、このデリバリ管１５には、各インジェクタ４の燃料入口が接続されている。これにより、液相状態のアルコール混合燃料は、低圧ポンプ１１によって燃料タンク１０から吸い出されて高圧ポンプ１２へと送り出され、更に、高圧ポンプ１２によって昇圧されてデリバリ管１５を介して各インジェクタ４へと供給されることになる。

また、図１に示されるように、燃料タンク１０又はデリバリ管１５には、その内部のアルコール混合燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサＣｔが備えられている。アルコール濃度センサＣｔとしては、例えば、筒状の外周電極の内側に先端閉塞の筒状の内側電極を配置して両電極間の静電容量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。更に、低圧ポンプ１１と高圧ポンプ１２とを結ぶ低圧配管１４の高圧ポンプ１２の近傍には、その内部を流通するアルコール混合燃料の圧力を検出する圧力センサＰｐと、その内部を流通するアルコール混合燃料の温度を検出する温度センサＴｐとが備えられている。同様に、各インジェクタ４の燃料入口が接続されているデリバリ管１５には、その内部に存在するアルコール混合燃料の圧力を検出する圧力センサＰｄと、その内部に存在するアルコール混合燃料の温度を検出する温度センサＴｄとが備えられている。

そして、上述のように構成されるアルコール混合燃料エンジン１は、制御手段として機能する電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０を含む。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。図１に示されるように、低圧配管１４の圧力センサＰｐおよび温度センサＴｐ、ならびにデリバリ管１５の圧力センサＰｄおよび温度センサＴｄは、それぞれＥＣＵ２０の入出力ポートに接続されている。各圧力センサＰｐ，Ｐｄならびに各温度センサＴｐ，Ｔｄは、それぞれ検出値を示す信号をＥＣＵ２０に与える。

また、ＥＣＵ２０の入出力ポートには、上述の低圧ポンプ１１および高圧ポンプ１２、更には、上述の各インジェクタ４、スロットルバルブ６、点火プラグ（イグナイタ）、動弁機構、アクセル位置センサや回転数センサといった各種センサ類等が接続される。ＥＣＵ２０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に、各種センサの検出値等に基づいて、アルコール混合燃料エンジン１が所望の出力を発生するように、低圧ポンプ１１および高圧ポンプ１２の動作、インジェクタ４の開弁タイミング、スロットルバルブ６の開度、更には、各吸気弁および各排気弁の開閉動作等を制御する。

また、ＥＣＵ２０のＲＯＭにおける別の所定の記憶領域には、図２に例示されるベーパ未発生圧力特定マップが記憶されている。このベーパ未発生圧力特定マップは、アルコール混合燃料の性状（アルコール濃度）および温度と、アルコール混合燃料がベーパ化しない圧力との関係を規定するものであり、予め実験やシミュレーション等に基づいて作成されている。

次に、図３を参照しながら、上述のように構成されるアルコール混合燃料エンジン１の動作について説明する。

まず、ユーザによりアルコール混合燃料エンジン１が始動されると、ＥＣＵ２０は、アルコール濃度センサＣｔから受け取った信号より、燃料タンク１０内のアルコール混合燃料の燃料性状の値としてアルコール濃度を取得する（Ｓ１０）。

次にＥＣＵ２０は、低圧配管１４の温度センサＴｐから受け取った信号より、低圧配管１４内のアルコール混合燃料の温度を取得する（Ｓ１２）。ＥＣＵ２０は次に、記憶装置から図２に例示されたベーパ未発生圧力特定マップを読み出し、このベーパ未発生圧力特定マップの参照により、Ｓ１０にて取得した燃料性状と、低圧配管１４内のアルコール混合燃料の温度とに対応するベーパ未発生圧力を求める（Ｓ１４）。

Ｓ１４の処理を実行した後、ＥＣＵ２０は、Ｓ１４にて求めたベーパ未発生圧力と、予めデフォルトとして設定されている低圧ポンプ１１の最低吐出圧力とを比較する（Ｓ１６）。そして、ＥＣＵ２０は、ベーパ未発生圧力が低圧ポンプ１１の最低吐出圧力を上回っている場合には、Ｓ１４にて求めたベーパ未発生圧力を目標圧力として設定する（Ｓ１８）。すなわち、アルコール混合燃料エンジン１の通常運転時には、基本的に、燃料タンク１０内の燃料の性状と、低圧配管１４内のアルコール混合燃料の温度とに基づいて、高圧ポンプ１２に吸い入れられるアルコール混合燃料がベーパ化しないように低圧ポンプ１１の目標圧力が定められることになる。

Ｓ１８にて目標圧力を定めると、ＥＣＵ２０は、低圧配管１４の圧力センサＰｐの検出値、すなわち、高圧ポンプ１２に吸い入れられるアルコール混合燃料の圧力と、目標圧力とが一致するように低圧ポンプ１１をフィードバック制御する（Ｓ２２）。

一方、Ｓ１６にて上述のベーパ未発生圧力が低圧ポンプ１１の最低吐出圧力以下であると判断した場合、ＥＣＵ２０は、低圧ポンプ１１の最低吐出圧力を目標圧力として設定した後（Ｓ２０）、上述のＳ２２における処理を実行する。すなわち、アルコール混合燃料エンジン１では、目標圧力が低圧ポンプ１１の最低吐出圧力を下回ってしまうような場合、Ｓ２０にて、最低吐出圧力が目標圧力として定められることになる。これにより、低圧ポンプ１１が不安定に制御されてしまうことを抑制可能となる。

次にＥＣＵ２０は、デリバリ管１５の温度センサＴｄから受け取った信号より、デリバリ管１５内のアルコール混合燃料の温度を取得する（Ｓ２４）。ＥＣＵ２０は次に、先に読み出したベーパ未発生圧力特定マップから、Ｓ１０にて取得した燃料性状と、デリバリ管１５内のアルコール混合燃料の温度とに対応するベーパ未発生圧力を求める（Ｓ２６）。

Ｓ２６の処理を実行した後、ＥＣＵ２０は、Ｓ２６にて求めたベーパ未発生圧力と、予めデフォルトとして設定されている高圧ポンプ１２の最低吐出圧力とを比較する（Ｓ２８）。そして、ＥＣＵ２０は、ベーパ未発生圧力が高圧ポンプ１２の最低吐出圧力を上回っている場合には、Ｓ２６にて求めたベーパ未発生圧力を目標圧力として設定する（Ｓ３０）。すなわち、アルコール混合燃料エンジン１の通常運転時には、基本的に、燃料タンク１０内の燃料の性状と、デリバリ管１５内のアルコール混合燃料の温度とに基づいて、デリバリ管１５内のアルコール混合燃料がベーパ化しないように目標圧力が定められることになる。

Ｓ３０にて目標圧力を定めると、ＥＣＵ２０は、デリバリ管１５の圧力センサＰｄの検出値、すなわち、デリバリ管１５内のアルコール混合燃料の圧力と、目標圧力とが一致するように高圧ポンプ１２をフィードバック制御する（Ｓ３４）。

一方、Ｓ２８にて上述のベーパ未発生圧力が高圧ポンプ１２の最低吐出圧力以下であると判断した場合、ＥＣＵ２０は、高圧ポンプ１２の最低吐出圧力を目標圧力として設定した後（Ｓ３２）、上述のＳ３４における処理を実行する。すなわち、アルコール混合燃料エンジン１では、目標圧力が高圧ポンプ１２の最低吐出圧力を下回ってしまうような場合、Ｓ３２にて、最低吐出圧力が目標圧力として定められることになる。これにより、高圧ポンプ１２が不安定に制御されてしまうことを抑制可能となる。

そしてＥＣＵ２０は、目標圧力と一致するように制御されるデリバリ管１５内の圧力に適合するように、各インジェクタ４の噴射量（噴射期間）を補正する。ここでは、本実施形態に係る低圧配管１４やデリバリ管１５の圧力の制御とは別途に、車速・エンジン回転数・アクセル操作量などに応じて設定される噴射量とデリバリ管１５内の圧力のデフォルト値とに基づいて設定される噴射期間が、デリバリ管１５内の目標圧力に応じて補正される。このようにして補正された開弁時間は、別途の燃料噴射処理において現実の開弁時間として用いられ、補正された開弁時間にわたるインジェクタ４のオープンにより、燃料噴射が行われることになる。なお、この補正ではデリバリ管１５内の目標圧力に代えて、圧力センサＰｄによって検出される実際の圧力を用いてもよい。

以上の一連の処理は、アルコール混合燃料エンジン１の通常運転中、ＥＣＵ２０により、繰り返し実行される。

以上のとおり、本実施形態では、アルコール混合燃料の性状と温度とに基づいて、高圧ポンプ１２の下流側におけるアルコール混合燃料がベーパ化しないように目標高圧圧力を定め（Ｓ３０）、燃料の圧力が目標高圧圧力と一致するように高圧ポンプ１２を制御するので（Ｓ３４）、デリバリ管１５内におけるベーパの発生を抑制することができ、アルコール混合燃料の調量精度を向上させて適正な燃料噴射量を得ることができる。

また本実施形態では、アルコール混合燃料の性状および低圧配管１４におけるアルコール混合燃料の温度に基づいて、低圧配管１４にてアルコール混合燃料がベーパ化しないように目標低圧圧力を定め（Ｓ１８）、低圧ポンプ１１が送出するアルコール混合燃料の圧力と前記目標低圧圧力とが一致するように低圧ポンプ１１を制御することとしたので（Ｓ２２）、低圧ポンプ１１を備えた構成において低圧配管１４でのベーパの発生を抑制することができ、ベーパに起因するアルコール混合燃料の昇圧不良や、高圧ポンプ１２の焼き付きといったトラブルを抑制することが可能となる。特に、高圧ポンプ１２の昇圧部よりも上流側でＬＰＧ燃料がベーパ化していなければ、一般に数ＭＰａ以上になる高圧ポンプ１２の昇圧部よりも下流側のデリバリ管１５の内部や各インジェクタ４においてＬＰＧ燃料がベーパ化してしまうおそれは極めて少なくなるので、低圧配管１４における圧力の制御は燃料供給経路全体におけるベーパ化の抑制に寄与するところが大きいということができる。

なお、上記実施形態では、燃料タンク１０に設けたアルコール濃度センサＣｔを用いて、燃料性状としてのアルコール濃度を取得することとしたが、このような構成に代えて、燃料タンク１０に圧力センサおよび温度センサを設け、これらからの信号により取得された燃料タンク１０の内部圧力および内部温度に基づいて、所定のマップを参照し、これによって燃料タンク１０の内部圧力と内部温度とに対応する燃料性状の値（アルコール濃度）を求める構成としてもよい。

本発明の実施形態のアルコール混合燃料エンジンを示す概略構成図である。ベーパ未発生圧力を特定するために用いられるマップを説明するための図表である。実施形態のアルコール混合燃料エンジンの動作を説明するためのフローチャートである。温度・圧力とアルコール混合燃料の性状を示す蒸気圧線図である。

符号の説明

１アルコール混合燃料エンジン
２燃焼室
４インジェクタ
５吸気管
７排気管
１０燃料タンク
１１低圧ポンプ
１２高圧ポンプ
１４低圧配管
１５デリバリ管
２０ＥＣＵ
Ｃｔアルコール濃度センサ
Ｐｄ，Ｐｐ圧力センサ
Ｔｄ，Ｔｐ温度センサ

Claims

ガソリンとアルコールとを混合してなるアルコール混合燃料を燃焼室内で燃焼させて動力を発生するアルコール混合燃料エンジンにおいて、
アルコール混合燃料を貯留する燃料タンクと、
アルコール混合燃料を噴射可能なインジェクタと、
前記燃料タンクと前記インジェクタとの間に配置され、アルコール混合燃料を昇圧させて前記インジェクタに供給する高圧ポンプと、
アルコール混合燃料の性状および前記高圧ポンプの下流側におけるアルコール混合燃料の温度に基づいて、前記下流側にてアルコール混合燃料がベーパ化しないように目標高圧圧力を定め、前記下流側におけるアルコール混合燃料の圧力と前記目標高圧圧力とが一致するように前記高圧ポンプを制御する制御手段とを備えることを特徴とするアルコール混合燃料エンジン。
請求項１に記載のアルコール混合燃料エンジンであって、
前記燃料タンクと前記高圧ポンプとの間に設置され、前記燃料タンクからアルコール混合燃料を送出する低圧ポンプを更に備え、
前記制御手段は、アルコール混合燃料の性状および前記低圧ポンプと前記高圧ポンプとの間の流路上の所定箇所におけるアルコール混合燃料の温度に基づいて、前記所定箇所にてアルコール混合燃料がベーパ化しないように目標低圧圧力を定め、前記低圧ポンプが送出するアルコール混合燃料の圧力と前記目標低圧圧力とが一致するように前記低圧ポンプを制御することを特徴とするアルコール混合燃料エンジン。