JP5472191B2 - 内燃機関の燃料供給システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料供給システムに関し、詳しくは、インジェクタから噴射される燃料の性状を推定するための燃料性状センサを備える燃料供給システムに関する。

今日実用化されている一部の内燃機関では、性状の異なる複数種類の燃料を使用することができる。しかし、使用される燃料の性状は必ずしも既知ではなく、また、常に一定の性状であるとは限らない。例えばアルコール混合ガソリンの場合、市販されているアルコール混合ガソリンにはアルコール濃度の異なるものが複数種類あるため、燃料タンク内の燃料とは異なるアルコール濃度の燃料が給油により足される場合もある。このため、性状の異なる複数種類の燃料の使用が想定される内燃機関では、使用されている燃料の性状を知るための手段が必要となる。

上記の手段としては燃料性状センサを用いることができる。特開２００９−１３３２７３号公報には、燃料性状センサの一種であるアルコール濃度センサを備えた燃料供給システムが開示されている。同公報に開示されたシステムでは、燃料ポンプとデリバリパイプとを接続する燃料パイプにアルコール濃度センサが配置されている。このシステムによれば、燃料ポンプによってデリバリパイプに供給された燃料、すなわち、暫くの後にインジェクタから筒内に噴射されることになる燃料のアルコール濃度を測定することができる。

特開２００９−１３３２７３号公報 特開２０１０−２２３１３０号公報

しかし、上記公報に開示されているシステムでは、燃料性状センサのために高いコストがかかってしまう。燃料パイプを流れる燃料は加圧されて高圧になっているため、燃料パイプに配置される燃料性状センサには高いシール性と低い圧力損失とが求められるからである。

そこで考えられるのが、低圧環境であるリターンパイプへの燃料性状センサの配置である。リターンパイプにはプレッシャレギュレータにより燃料タンクへ戻される燃料が流れている。この燃料は燃料パイプによってインジェクタに運ばれている燃料と同じ燃料であるため、リターンパイプに燃料性状センサを取り付ければ、その出力値からインジェクタから噴射される燃料の性状を推定することができる。

ただし、燃料性状センサを配置する位置によっては、給油により燃料タンク内で燃料性状に変化があった場合に、性状が変化した燃料がインジェクタから噴射される前にその変化を検出することができないおそれがある。燃料性状の変化の検出に遅れが生じる場合には、インジェクタから噴射される燃料の性状を精度良く推定することはできない。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、リターンパイプに配置された燃料性状センサによってインジェクタから噴射される燃料の性状を精度良く推定することのできる燃料供給システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料タンクから燃料を吸い上げる燃料ポンプと、前記燃料ポンプの吐出口に接続されたプレッシャレギュレータと、各気筒のインジェクタが取り付けられたデリバリパイプと、前記デリバリパイプと前記プレッシャレギュレータとを接続する燃料パイプと、前記プレッシャレギュレータから排出される燃料を前記燃料タンクに戻すためのリターンパイプとを有する内燃機関の燃料供給システムにおいて、前記リターンパイプに配置された燃料性状センサと、前記燃料性状センサの出力値に基づいて前記インジェクタから噴射される燃料の燃料性状を推定する燃料性状推定手段とを備え、前記燃料性状センサは、任意の時点において前記プレッシャレギュレータから前記燃料パイプに流れた燃料が前記デリバリパイプに到達するまでの時間よりも、同時点において前記プレッシャレギュレータから前記リターンパイプに流れた燃料が前記燃料性状センサに到達するまでの時間のほうが短くなる位置に配置されていることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、前記プレッシャレギュレータから前記燃料性状センサまでのパイプ容積をＶs、前記プレッシャレギュレータから前記デリバリパイプまでのパイプ容積をＶd、各インジェクタの燃料噴射によるセンサ出力取得間隔あたりの最大燃料消費量をΔｑmax、最大燃料消費時のセンサ出力取得間隔あたりのポンプ吐出量をΔＱmとすると、前記燃料性状センサは、Ｖs／（ΔＱm−Δｑmax）÷Ｖd／Δｑmax＜１、を満たす位置に配置されていることを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記燃料性状推定手段は、前記燃料パイプを容積の等しい複数のセルに仮想的に分割した場合の各セルに対応する複数の記憶部を有し、同記憶部のそれぞれに、対応するセルにおける燃料性状パラメータ値を記憶する手段と、所定の時間間隔で前記燃料性状センサの出力値を取得し、同出力値から燃料性状パラメータ値を計算する手段と、前記燃料ポンプの吐出量と燃料噴射による燃料消費量とに基づいて前記燃料性状センサの設置位置における燃料と同じ燃料が流れているセルを特定する手段と、前記インジェクタによる燃料噴射によって前記セルの容積分の燃料消費があった場合に、各記憶部が記憶しているパラメータ値をそれぞれ１つ先のセルに対応する記憶部にシフトさせて更新するとともに、前記プレッシャレギュレータから前記特定したセルまでの各セルに対応する記憶部には前記燃料性状センサの出力値から得られる最新の燃料性状パラメータ値を記録する手段と、前記デリバリパイプに最も近いセルに対応する記憶部が記憶している燃料性状パラメータ値を用いて前記デリバリパイプ内の燃料の燃料性状を推定する手段とを有することを特徴としている。

本発明によれば、燃料タンク内で燃料性状に変化があった場合に、性状の変化した燃料がデリバリパイプに到達するよりも前にその変化を燃料性状センサによって検出することができる。さらに、第３の発明によれば、プレッシャレギュレータからデリバリパイプまでの間の燃料性状の分布を精度良く得ることができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の燃料供給システムの構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態において採られている燃料性状センサの出力値から噴射燃料の性状を推定する方法と、本発明の実施の形態において燃料性状センサを配置する位置について説明するための図である。

本実施の形態の燃料供給システムは、ガソリンのみならずアルコール混合ガソリンも使用可能なＦＦＶ用内燃機関に適用される。図１は、本実施の形態の内燃機関の燃料供給システムの構成を示す概略図である。

図１に示す燃料供給システムでは、燃料タンク２の内部に電動式の燃料ポンプ４が設けられている。燃料ポンプ４の吐出口にはプレッシャレギュレータ１２が設けられている。プレッシャレギュレータ１２は燃料パイプ６によってデリバリパイプ８に接続されている。デリバリパイプ８には各気筒のインジェクタ１０が取り付けられている。また、プレッシャレギュレータ１２の排出側にはリターンパイプ１４が接続されている。リターンパイプ１４には、燃料性状センサとしてのアルコール濃度センサ１６が配置されている。アルコール濃度センサ１６が配置される位置については追って詳細に説明する。なお、アルコール濃度センサ１６のセンシングの方法には限定はない。例えば、静電容量、屈折率、透過率、比重、或いは密度等からアルコール濃度を計測するセンサを用いることができる。アルコール濃度センサ１６の出力値は他の各種センサのセンサ出力値とともに内燃機関の制御装置であるＥＣＵ２０に取り込まれる。

ＥＣＵ２０が有する機能には、インジェクタ１０から噴射されている燃料の性状を推定する機能が含まれている。ここでいう燃料性状とはアルコール濃度センサ１６の出力値を用いて判定できる燃料性状であり、具体的には、燃料のアルコール濃度を指す。アルコール濃度センサ１６の出力値はアルコール濃度の変化に対して連続的な変化を示すため、その出力値から燃料のアルコール濃度を測定することができる。つまり、本実施の形態では、燃料性状に関連するパラメータとしてアルコール濃度を使用し、アルコール濃度センサ１６の出力値からその値を測定する。使用されている燃料のアルコール濃度が分かれば、インジェクタ１０の燃料噴射量を適切な量に調整することができる。

インジェクタ１０の燃料噴射量を適切な量に調整するためには、インジェクタ１０から噴射される燃料のアルコール濃度を知る必要がある。燃料タンク２内の燃料が燃料ポンプ４によって燃料パイプ６に送り出され、それがインジェクタ１０に到達するまでにはある程度の時間を要する。このため、給油によって燃料タンク２内のアルコール濃度に変化があった場合、アルコール濃度センサ１６の出力値から判定されるアルコール濃度と、インジェクタ１０から噴射される燃料のアルコール濃度との間には、少なくとも一時的にずれが生じることになる。そこで、ＥＣＵ２０は、以下に説明する方法によってインジェクタ１０から噴射される燃料のアルコール濃度を推定し、その推定値を用いてインジェクタ１０の燃料噴射量を決定する。

図２は、本実施の形態において採られているアルコール濃度センサ１６の出力値から噴射燃料のアルコール濃度を推定する方法について説明するための図である。この図に示すように、ＥＣＵ２０が有する噴射燃料のアルコール濃度の推定機能によれば、プレッシャレギュレータ１２からデリバリパイプ８までの間の燃料パイプ６は容積の等しいｎ個のセルに仮想的に分割される。ＥＣＵ２０は、これらｎ個のセルに対応して合計ｎ個の記憶部を有している。各記憶部には、対応するセルにおけるアルコール濃度の値が記憶される。

セルの個数ｎには、アルコール濃度センサ１６のセンサ出力取得間隔（ルーチン間隔）ｔrとの関係において以下のような制約がある。まず、セルの個数ｎによって１セル当たりの容積（以下、セル容積）Ｑcellが決まる。プレッシャレギュレータ１２からデリバリパイプ８までのパイプ容積をＶdとすると、セル容積Ｑcellは、Ｑcell＝Ｖd/ｎで表すことができる。燃料パイプ６内のアルコール濃度の分布を精度良く求めるためには、センサ出力取得間隔ｔrあたりの最大燃料消費量をΔｑmaxとすると、セルの個数ｎから決まるセル容積Ｑcellは、Ｑcell／Δｑmax＞ｔr×α、という関係を満たしている必要がある。αは係数であって１よりも大きい値の固定値である。本実施の形態では、余裕をとってα＝２に設定されている。最大燃料消費量Δｑmaxは、最大負荷最大回転数のときのインジェクタ１０の噴射量から算出される。

ここで、アルコール濃度センサ１６が配置される位置について詳しく説明する。燃料ポンプ４によって送り出された燃料は、一部がプレッシャレギュレータ１２からリターンパイプ１４に排出され、残りは燃料パイプ６へと送り出される。このとき、燃料パイプ６へ流れた燃料がデリバリパイプ８に到達するよりも前に、リターンパイプ１４に排出された燃料がアルコール濃度センサ１６に到達するならば、アルコール濃度センサ１６の出力値から噴射燃料のアルコール濃度を精度良く推定することが可能となる。そのためには、プレッシャレギュレータ１２からアルコール濃度センサ１６までのパイプ容積Ｖsは、以下の関係を満たしている必要がある。なお、ΔＱmは最大燃料消費時のセンサ出力取得間隔ｔrあたりのポンプ吐出量である。βは係数であって１よりも小さい値の固定値である。本実施の形態では、余裕をとってβ＝１／２に設定されている。

Ｖs／（ΔＱm−Δｑmax）÷Ｑcell／Δｑmax＜ｎ×β

アルコール濃度センサ１６が上記の関係を満たす位置に配置されているならば、任意の時点においてプレッシャレギュレータ１２から燃料パイプ６に流れた燃料がデリバリパイプ８に到達するまでの時間よりも、同時点においてプレッシャレギュレータ１２からリターンパイプ１４に流れた燃料がアルコール濃度センサ１６に到達するまでの時間のほうが短くなる。これによれば、給油によって燃料タンク２内の燃料のアルコール濃度に変化があった場合には、アルコール濃度の変化した燃料がデリバリパイプ８に到達するよりも前にその変化をアルコール濃度センサ１６によって検出することができる。

図２には、ある時点における燃料パイプ６内のアルコール濃度Ｅの分布を示している。“i”はセルごとに付けられた番号であり、“0”がプレッシャレギュレータ１２に最も近いセル、“n-1”がデリバリパイプ８に最も近いセルに対応している。したがって、Ｅ0はプレッシャレギュレータ１２に最も近いセルのアルコール濃度であり、Ｅn-1はデリバリパイプ８に最も近いセルのアルコール濃度である。デリバリパイプ８に最も近いセルのアルコール濃度Ｅn-1は、デリバリパイプ８内のアルコール濃度の推定に用いられる。本実施の形態ではデリバリパイプ８内のアルコール濃度は一様であって、各インジェクタ１０から噴射される燃料のアルコール濃度はデリバリパイプ８内のアルコール濃度に等しいものとする。

その後、インジェクタ１０による燃料噴射によってセル容積Ｑcell分の燃料消費が行なわれると、各記憶部が記憶しているアルコール濃度の値はそれぞれ１つ先のセルに対応する記憶部にシフトされる。例えば、i番目のセルに対応する記憶部には、i-1番目のセルに対応する記憶部に格納されていたアルコール濃度Ｅi-1の値が格納される。そして、i+1番目のセルに対応する記憶部には、i番目のセルに対応する記憶部に格納されていたアルコール濃度Ｅiの値が格納される。

一方、アルコール濃度センサ１６の出力値から得られたアルコール濃度は、次のようにして燃料パイプ６内のアルコール濃度の分布に反映される。まず、各インジェクタ１０の燃料噴射量からセンサ出力取得間隔ｔrあたりの燃料消費量Δｑが算出される。また、センサ出力取得間隔ｔrあたりのポンプ吐出量ΔＱが燃料ポンプ４の運転状態に基づいて算出される。ポンプ吐出量ΔＱと燃料消費量Δｑとの差分は、プレッシャレギュレータ１２からリターンパイプ１４へのセンサ出力取得間隔ｔrあたりの燃料排出量を意味する。そして、パイプ容積Ｖsと燃料排出量ΔＱ−Δｑとの比を計算することによって、プレッシャレギュレータ１２からリターンパイプ１４に排出された燃料がアルコール濃度センサ１６に到達するまでの所要時間ｔdi（ｔdi＝Ｖs／（ΔＱ−Δｑ））が算出される。

１．所要時間ｔdiが、ｔdi＜ｔr、という関係を満たす場合
この場合は、プレッシャレギュレータ１２の出口におけるアルコール濃度は、アルコール濃度センサ１６の出力値から得られるアルコール濃度に等しいとされる。

２．所要時間ｔdiが、ｔr≦ｔdi＜Ｑcell／Δｑ×２、という関係を満たす場合
Ｑcell／Δｑは燃料が１つのセルを通過するのに要する時間を意味する。上記の関係が満たされる場合、１番目のセルにはアルコール濃度センサ１６の設置位置における燃料と同じ燃料が充填されている。したがって、この場合は、アルコール濃度センサ１６の出力値から得られるアルコール濃度の最新値が１番目のセルに対応する記憶部に記憶される。

３．所要時間ｔdiが、Ｑcell／Δｑ×２＜ｔdi、という関係を満たす場合
この場合は、所要時間ｔdiと燃料の１セルあたりの通過時間Ｑcell／Δｑとの比の値（自然数）ｋが算出される。このｋは、アルコール濃度センサ１６の設置位置における燃料と同じ燃料が充填されているセルの番号である。したがって、この場合は、アルコール濃度センサ１６の出力値から得られるアルコール濃度の最新値が１番目からｋ番目の各セルに対応する記憶部に記憶される。

ＥＣＵ２０は、以上のような方法にて内燃機関の運転時における燃料パイプ６内のアルコール濃度分布の変化を時々刻々と計算し、それを用いてインジェクタ１０から噴射される燃料のアルコール濃度を推定している。これによれば、燃料タンク２内のアルコール濃度に変化があった場合や、燃料消費量やポンプ吐出量が変化する場合であっても、プレッシャレギュレータ１２からデリバリパイプ８までの間のアルコール濃度分布を精度良く得ることができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施の形態ものから種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態では、燃料性状センサとしてアルコール濃度センサを用いているが、どのようなセンサを用いるかは使用される燃料に応じて決定すればよい。例えば、ガソリン機関において使用されるガソリンの質にばらつきがあるのであれば、燃料が重質か軽質かを検知するセンサや、オクタン価を検知するセンサを燃料性状センサとして用いてもよい。

２ 燃料タンク
４ 燃料ポンプ
６ 燃料パイプ
８ デリバリパイプ
１０ インジェクタ
１２ プレッシャレギュレータ
１４ リターンパイプ
１６ アルコール濃度センサ
２０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 燃料タンクから燃料を吸い上げる燃料ポンプと、前記燃料ポンプの吐出口に接続されたプレッシャレギュレータと、各気筒のインジェクタが取り付けられたデリバリパイプと、前記デリバリパイプと前記プレッシャレギュレータとを接続する燃料パイプと、前記プレッシャレギュレータから排出される燃料を前記燃料タンクに戻すためのリターンパイプとを有する内燃機関の燃料供給システムにおいて、
   前記リターンパイプに配置された燃料性状センサと、
   前記燃料性状センサの出力値に基づいて前記インジェクタから噴射される燃料の燃料性状を推定する燃料性状推定手段とを備え、
   前記燃料性状センサは、任意の時点において前記プレッシャレギュレータから前記燃料パイプに流れた燃料が前記デリバリパイプに到達するまでの時間よりも、同時点において前記プレッシャレギュレータから前記リターンパイプに流れた燃料が前記燃料性状センサに到達するまでの時間のほうが短くなる位置に配置されていることを特徴とする内燃機関の燃料供給システム。
2. 前記プレッシャレギュレータから前記燃料性状センサまでのパイプ容積をＶs、前記プレッシャレギュレータから前記デリバリパイプまでのパイプ容積をＶd、各インジェクタの燃料噴射によるセンサ出力取得間隔あたりの最大燃料消費量をΔｑmax、最大燃料消費時のセンサ出力取得間隔あたりのポンプ吐出量をΔＱmとすると、
   前記燃料性状センサは、Ｖs／（ΔＱm−Δｑmax）÷Ｖd／Δｑmax＜１、を満たす位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給システム。
3. 前記燃料性状推定手段は、
   前記燃料パイプを容積の等しい複数のセルに仮想的に分割した場合の各セルに対応する複数の記憶部を有し、同記憶部のそれぞれに、対応するセルにおける燃料性状パラメータ値を記憶する手段と、
   所定の時間間隔で前記燃料性状センサの出力値を取得し、同出力値から燃料性状パラメータ値を計算する手段と、
   前記燃料ポンプの吐出量と燃料噴射による燃料消費量とに基づいて前記燃料性状センサの設置位置における燃料と同じ燃料が流れているセルを特定する手段と、
   前記インジェクタによる燃料噴射によって前記セルの容積分の燃料消費があった場合に、各記憶部が記憶しているパラメータ値をそれぞれ１つ先のセルに対応する記憶部にシフトさせて更新するとともに、前記プレッシャレギュレータから前記特定したセルまでの各セルに対応する記憶部には前記燃料性状センサの出力値から得られる最新の燃料性状パラメータ値を記録する手段と、
   前記デリバリパイプに最も近いセルに対応する記憶部が記憶している燃料性状パラメータ値を用いて前記デリバリパイプ内の燃料の燃料性状を推定する手段と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料供給システム。

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