JP4654952B2 - 内燃機関の出力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の出力制御装置に関する。

アルコールとガソリンとを混合して用いる内燃機関において、スロットル開度等のパラメータに基づいて成層燃焼可能な運転領域を設定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、複数の燃料を混合して用いる内燃機関では、ガソリン機関を基にして改造を行い、混合燃料を使用可能としていることがある。

ここで、例えばアルコールはオクタン価が高く、また燃焼速度も速いので、アルコール濃度が高いほど高回転高負荷での運転が可能となるため、機関出力を大きくすることができる。

しかし、機関出力が大きくなりすぎると、前記ガソリン機関を基にした内燃機関では、該内燃機関の耐久性が低下するおそれがある。そのため、内燃機関の出力を制限することが考えられる。例えば点火時期の進角を制限したり空燃比のリッチ化したりして内燃機関の出力を制限することができる。しかし、これらを行なうと燃焼状態が悪化して未燃ＨＣが多く排出されるおそれがある。

一方、アルコールはガソリンと比較して発熱量が小さいため、ガソリンと同じトルクを発生させるためには、より多くの量が必要となる。すなわち、ガソリン１００％のときと同じトルクを発生させるためには、アルコール濃度が高いほど燃料供給量を多くしなければならない。このように燃料供給量を多くすると、同じトルクを発生させるために、アルコール濃度が高いほどＨＣの排出量が大きくなるおそれがある。これに、前記した燃焼状態の悪化が加わると、更にＨＣの排出量が増加してしまう。
特開２００５−２２０８２０号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の出力制御装置において、燃焼状態を良好に保ちつつ出力の抑制を図ることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の出力制御装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の出力制御装置は、
複数の燃料を混合して用いる内燃機関の出力制御装置であって、
前記内燃機関に供給される燃料中の所定の種類の燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、
前記燃料濃度検出手段により検出される濃度に基づいて、前記燃料の最大供給量を制限する燃料供給量制限手段と、
を具備することを特徴とする。

前記内燃機関は、複数の燃料を混合したものを混合燃料として使用する。そうすると、混合燃料中の夫々の燃料の燃焼速度、燃焼温度、または点火時期が異なることがある。し
たがって、燃料の混合割合により内燃機関の最大出力が異なることがある。そして、この最大出力が大きすぎると内燃機関の耐久性が低下するため、内燃機関の最大出力を抑制して該耐久性の低下を抑制する。

そのために、燃料供給量制限手段は、燃料の最大供給量を制限する。ここで、燃料の最大供給量とは、その濃度の燃料で供給され得る燃料量の最大値であり、この最大供給量よりも多くの燃料が供給されないように燃料供給量が制限される。これにより内燃機関の最大出力が制限されるので、内燃機関の耐久性の低下を抑制できる。

ここで、前記燃料濃度検出手段は燃料性状を検出する燃料性状検出手段であっても良く、この場合、燃料供給量制限手段は、燃料性状に基づいて燃料の最大供給量を制限することができる。

また、本発明においては、前記内燃機関は、少なくともアルコールを含む複数の燃料を混合して用い、
前記燃料濃度検出手段は、前記内燃機関に供給される燃料中のアルコールの濃度を検出し、
前記燃料供給量制限手段は、前記燃料濃度検出手段により検出されるアルコールの濃度が所定濃度よりも高い場合に、燃料の最大供給量を制限することができる。

アルコールはガソリン等と比較してオクタン価が高く、また燃焼速度が速いため、一般に、アルコールの濃度が高いほど機関出力を大きくし得る。すなわち、そのときのアルコール濃度において内燃機関の最大出力を得ようとした場合に、アルコール濃度が高いほど最大出力が大きくなる。そのため、アルコール濃度が高いほど、内燃機関の耐久性が低下するおそれがある。

そして、例えば内燃機関の耐久性の低下を抑制し得る機関発生トルクを予め設定しておき、該トルクよりも機関発生トルクが高くなるおそれのあるアルコール濃度の燃料を用いた場合には、該トルクよりも機関発生トルクが高くならないように燃料供給量を制限する。すなわち、前記所定濃度とは、機関出力が最大となったときであっても内燃機関の耐久性の低下を抑制し得るアルコール濃度の上限値とすることができる。これにより、機関出力が制限されるので、内燃機関の耐久性の低下を抑制することができる。

本発明においては、前記内燃機関の気筒内の圧力を検出する圧力検出手段を更に備え、前記燃料供給量制限手段は、気筒内の圧力が所定圧力よりも高い場合に、燃料の最大供給量を制限することができる。

内燃機関の耐久性は、気筒内の圧力によっても変化する。すなわち、気筒内の圧力が所定圧力よりも高くなると内燃機関の耐久性が低下するおそれがある。これに対し、燃料供給量制限手段は気筒内の圧力が所定圧力よりも高くならないように燃料の最大供給量を制限する。これにより、気筒内の圧力の最大値を低減することができるので、内燃機関の耐久性を向上させることができる。

本発明においては、前記内燃機関は、吸入空気量に応じた燃料が供給され、前記燃料供給量制限手段は、吸入空気量を制限することにより燃料の最大供給量を制限することができる。

このような内燃機関では、吸入空気量に応じて内燃機関の運転状態が最適となるように燃料の供給量が決定される。このように吸入空気量に応じて燃料の供給量が決定されるので、吸入空気量を低減することにより、燃料供給量も低減される。すなわち、吸入空気量
を低減することにより、機関出力が制限される。

本発明によれば、燃料の最大供給量を制限することにより、燃焼状態を良好に保ちつつ出力の抑制を図ることができる。

以下、本発明に係る内燃機関の出力制御装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の出力制御装置を適用する内燃機関１、並びにその吸気系および排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクルエンジンである。内燃機関１は、ガソリンおよびアルコールを任意の割合で混合した混合燃料を用いることができる。

内燃機関１には、気筒２へ通じる吸気通路３が接続されている。この吸気通路３の途中には、内燃機関１の吸入空気量を測定するエアフローメータ４が取り付けられている。また、エアフローメータ４よりも内燃機関１側の吸気通路３には、スロットル５が設けられている。このスロットル５には、該スロットル５を開閉駆動するアクチュエータ５１が取り付けられ、後述するＥＣＵ１０によりスロットル５の開度が制御される。

また、スロットル５には、該スロットル５の開度に応じた信号を出力するスロットル開度センサ５２が取り付けられている。このスロットル開度センサ５２の出力信号により内燃機関１の負荷を検出することができる。そして、エアフローメータ４またはスロットル開度センサ５２の出力信号に基づいて内燃機関１に供給する燃料量が算出される。

スロットル５よりも内燃機関１側の吸気通路３には、該吸気通路３内に燃料を噴射する燃料噴射弁６が取り付けられている。燃料噴射弁６には、燃料供給管６１が接続され該燃料供給管６１内には燃料が流れている。また、燃料供給管６１には、該燃料供給管６１内を流れる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６２が取り付けられている。なお、本実施例ではアルコール濃度センサ６２が、本発明における燃料濃度検出手段に相当する。

一方、内燃機関１には、気筒２へ通じる排気通路７が接続されている。排気通路７の途中には、排気浄化触媒８が設けられている。排気浄化触媒８には、例えば三元触媒、酸化触媒、またはＮＯｘ触媒を挙げることができる。この排気浄化触媒８よりも下流の排気通路７には、該排気通路７を流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ９が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御する。ＥＣＵ１０には前記センサの他、機関回転数に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ１１が電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号が入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１０には、燃料噴射弁６が電気配線を介して接続され、この燃料噴射弁６はＥＣＵ１０により制御される。

また、本実施例では、内燃機関１に供給される燃料量は、エアフローメータ４により測定される吸入空気量又はスロットル５の開度に基づいて決定される。このときに、例えば
内燃機関１の出力が最大となったり、または燃費が最高となったりするように、燃料噴射量が決定される。また、例えばエアフローメータ４により測定される吸入空気量に対して、理論空燃比となるように燃料噴射量が決定される。また、目標空燃比となるように、空燃比センサ９により得られる空燃比に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御してもよい。

ここで、混合燃料中のアルコールの濃度が高くなるほど、オクタン価が高くなり、また燃焼速度が速くなるため、ノッキングの発生が抑制される。そのため、より高負荷高回転で運転することが可能となる。すなわち、機関出力を大きくすることができる。しかし、機関出力が大きくなりすぎると、内燃機関１の許容出力を超えて該内燃機関１の耐久性が低下するおそれがある。

ここで図２は、機関回転数と機関発生トルクとの関係をアルコール濃度毎に示した図である。線（１）はアルコール濃度が０％のとき、すなわちガソリン燃料のみのときを示し、線（２）はアルコール濃度が１００％のとき、すなわちアルコール燃料のみのときを示している。そして、一点鎖線（１０）は、内燃機関１の耐久性を鑑みて設定される機関発生トルクの限界値（以下、許容限界トルクという。）を示している。この許容限界トルクをよりも機関発生トルクが高くなると、内燃機関１の耐久性が低下するおそれがある。線（３）および（４）はアルコール濃度が０％よりも高く１００％よりも低い場合を夫々示している。仮に、線（３）をアルコール濃度Ａ％の場合とし、線（４）をアルコール濃度Ｂ％の場合とする。また、線（３）よりも線（４）の場合のほうが、アルコール濃度が高い。このように、アルコール濃度が高いほど機関発生トルクが高くなる。

そして、アルコール濃度Ａ％のときの発生トルクの最大値は、前記許容限界トルクと等しい。すなわち、アルコール濃度がＡ％よりも高くなると、機関発生トルクの最大値が許容限界トルクを超えてしまう。そこで、本実施例では、機関発生トルクの最大値が許容限界トルクを超える場合には、その限界トルクを超える前にスロットル５を閉じ側として機関発生トルクを許容限界トルク以下に抑制する。

ここで、図３は、前記アルコール濃度Ａ％が５０％であると仮定したときの機関回転数とアルコール濃度とスロットル開度との関係を示した図である。スロットル開度は、全開を１００％とし全閉を０％としたときのそのときの開度を％で示している。すなわち、アルコール濃度５０％の燃料を使用した場合には、機関発生トルクを抑制するためのスロットル操作は行なわず、それよりもアルコール濃度が高くなるとスロットル５の開度が図３に示す開度に制限される。これにより、吸入空気量が制限される。そして、燃料噴射弁６からの燃料噴射量は、エアフローメータ４により検出される吸入空気量に基づいて、目標空燃比（例えば理論空燃比）となるように決定される。そのため、吸入空気量が抑制されることにより、燃料噴射量もこれに併せて抑制されるので、気筒２内の発熱量が低下し、以て内燃機関１の出力が制限される。

なお、許容限界トルクは内燃機関１の強度等により異なるため、予め実験等により設定される。また、スロットル５の開度により制限を設けるのではなく、吸入空気量（質量）に応じた制限を設けるようにしてもよい。

次に、本実施例に係る燃料噴射量制御のフローについて説明する。図４は、本実施例に係る出力抑制制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、アルコール濃度が読み込まれる。本ステップでは、燃料のアルコール濃度がアルコール濃度センサ６２により検出され、その値がＥＣＵ１０に記憶され
る。なお、アルコール濃度センサ６２を用いずに、空燃比センサ９により検出される空燃比に基づいた燃料供給量のフィードバック制御時のフィードバック値からアルコール濃度を推定してもよい。

ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で読み込まれたアルコール濃度が出力抑制対象濃度であるか否か判定される。出力抑制対象濃度とは、機関発生トルクの最大値が許容限界トルクを超えるアルコール濃度である。すなわち、図２に示したアルコール濃度Ａ％よりも、ステップＳ１０１で読み込まれたアルコール濃度のほうが高いか否か判定される。許容限界トルクを超えることがなければ内燃機関１の出力を抑制する必要はないので、スロットル操作は行なわれない。

ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０３では、スロットル５の開度の最大値が、図３に示したスロットル開度となるように制限される。すなわち、内燃機関１の高負荷側の吸入空気量が制限されることにより、出力の最大値が低下される。なお、本実施例ではステップＳ１０３の処理を行なうＥＣＵ１０が、本発明における燃料供給量制限手段に相当する。

このようにして、アルコール濃度に応じて内燃機関１の高負荷側のスロットル開度が制限されるので、機関発生トルクの最大値を許容限界トルク以下に抑制することができる。これにより、内燃機関１の耐久性を向上させることができる。

また、機関発生トルクの抑制を、点火時期の遅角や空燃比のリッチ化ではなく、燃料噴射量または吸入空気量の制限により行なっているため、燃焼状態の悪化を抑制することができる。これにより、ＨＣの排出量を低減させることができる。また、燃費の悪化を抑制することができる。さらに、ＨＣの排出量が低減することにより、排気浄化触媒を小型化することができる。また、スロットル５の開度以外は最適な状態に制御されるため、内燃機関１の耐久性が向上した場合にはスロットル開度の制限を外すことにより容易に最適な状態を得ることができる。

本実施例では、気筒２内の圧力が所定の圧力を超えないようにスロットル５の開度を制限する。この所定の圧力は、内燃機関１の耐久性を鑑みて設定される気筒内圧力の限界値（以下、許容限界圧力という。）である。そのため、本実施例では、気筒２内の圧力を測定する気筒内圧力センサ１２が内燃機関１に取り付けられている。その他は実施例１と同様であるため、説明を省略する。

本実施例のように、気筒２内の圧力に基づいてスロットル５の開度を制限することにより、実施例１の図３に示されるマップを省略することができる。また、スロットル５の開度の制限をするために、アルコール濃度を検出する必要もない。すなわち、汎用性が高い。また、気筒２内の圧力は内燃機関１の耐久性に大きく関わっているため、該気筒２内の圧力を用いて内燃機関１の出力を制限することにより、該内燃機関１の耐久性の低下をより確実に抑制することができる。

次に、本実施例に係る出力抑制制御のフローについて説明する。図５は、本実施例に係る出力抑制制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ２０１では、気筒２内の最大圧力が測定され、その値が記憶される。気筒２
内の圧力は、気筒内圧力センサ１２により常時測定され、その中の最大値が本ステップで読み込まれる。

ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１で読み込まれた最大圧力が安全最大筒内圧を超えたか否か判定される。安全最大筒内圧とは、前記許容限界圧力よりも低い圧力であり、該許容限界圧力に対して余裕を持って設定される値である。すなわち、気筒２内の最大圧力が安全最大筒内圧を超えてからスロットル５が操作されるため、気筒２内の圧力が安全最大圧力を超えてから更に圧力が上昇するおそれがあるため、ある程度の余裕をもって安全最大筒内圧が設定される。この値は、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。

ステップＳ２０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０３へ進み、一方否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ２０３では、スロットル５の開度を所定角度だけ閉じ側へ変更する。所定開度は、予め設定されている。そして、気筒２内の圧力が安全最大圧力以下となるまで、スロットル５の開度が繰り返し閉じ側へ変更される。なお、本実施例ではステップＳ２０３の処理を行なうＥＣＵ１０が、本発明における燃料供給量制限手段に相当する。

このようにして、気筒２内の圧力が許容限界圧力以下に制限されるため、内燃機関１の耐久性を向上させることができる。

また、機関発生トルクの抑制を、点火時期の遅角や空燃比のリッチ化ではなく、燃料噴射量または吸入空気量の制限により行なっているため、燃焼状態の悪化を抑制することができる。これにより、ＨＣの排出量を低減させることができる。また、燃費の悪化を抑制することができる。さらに、ＨＣの排出量が低減することにより、排気浄化触媒を小型化することができる。また、スロットル５の開度以外は最適な状態に制御されるため、内燃機関１の耐久性が向上した場合にはスロットル開度の制限を外すことにより容易に最適な状態を得ることができる。

なお、本実施例では、アルコール濃度センサ６２により測定されるアルコール濃度が所定濃度よりも高い場合にのみ、気筒２内の圧力が許容限界圧力以下に制限されるようにスロットル５の開度を制御してもよい。

実施例に係る内燃機関の出力制御装置を適用する内燃機関、並びにその吸気系および排気系の概略構成を示す図である。 機関回転数と機関発生トルクとの関係をアルコール濃度毎に示した図である。 アルコール濃度Ａ％が５０％であると仮定したときの機関回転数とアルコール濃度とスロットル開度との関係を示した図である。 実施例１に係る出力抑制制御のフローを示したフローチャートである。 実施例２に係る出力抑制制御のフローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気通路
４ エアフローメータ
５ スロットル
６ 燃料噴射弁
７ 排気通路
８ 排気浄化触媒
９ 空燃比センサ
１０ ＥＣＵ
１１ クランクポジションセンサ
１２ 気筒内圧力センサ
５１ アクチュエータ
５２ スロットル開度センサ
６１ 燃料供給管
６２ アルコール濃度センサ

Claims (2)

1. 複数の燃料を混合して用いる内燃機関の出力制御装置であって、
   前記内燃機関に供給される燃料中の所定の種類の燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、
   前記燃料濃度検出手段により検出される濃度に基づいて、前記燃料の最大供給量を制限する燃料供給量制限手段と、
   を具備し、
   前記内燃機関は、少なくともアルコールを含む複数の燃料を混合して用い、
   前記燃料濃度検出手段は、前記内燃機関に供給される燃料中のアルコールの濃度を検出し、
   前記燃料供給量制限手段は、前記燃料濃度検出手段により検出されるアルコールの濃度が所定濃度よりも高い場合に、燃料の最大供給量を制限することを特徴とする内燃機関の出力制御装置。
2. 複数の燃料を混合して用いる内燃機関の出力制御装置であって、
   前記内燃機関に供給される燃料中の所定の種類の燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、
   前記燃料濃度検出手段により検出される濃度に基づいて、前記燃料の最大供給量を制限する燃料供給量制限手段と、
   を具備し、
   前記内燃機関は、吸入空気量に応じた燃料が供給され、前記燃料供給量制限手段は、吸入空気量を制限することにより燃料の最大供給量を制限することを特徴とする内燃機関の出力制御装置。

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