WO2017051543A1 - 車載エンジンの燃料流量検知方法 - Google Patents

車載エンジンの燃料流量検知方法 Download PDF

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デリシャット アブラ
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Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting the fuel flow rate of an in-vehicle engine that uses gasoline, liquefied gas, gas or the like as fuel and adopts a spark ignition system.
  • the fuel flow rate of the in-vehicle engine is a very important measurement value for expressing the performance of the engine, for example, when determining the normal operation of the engine and the fuel consumption of the engine.
  • a correction coefficient (Kd) is used to cancel out that the injection flow rate of the injector tends to increase due to the pressure, or that the injection flow rate of the injector tends to decrease due to the fuel temperature as shown in FIG.
  • the correction (Ts) shown in FIG. 6 is also necessary to correct this.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2000-328999 proposes an invention for obtaining fuel consumption (fuel flow rate) (Qf) and fuel consumption (FE) from the intake air flow rate (Qa) of the engine and the excess air ratio ( ⁇ ). .
  • the invention presented in the above publication uses the directly detected air flow rate (Qa) and the excess air ratio ( ⁇ ) detected from the excess air ratio sensor as input information. Since only the ratio between the air-fuel ratio and the actual air-fuel ratio is known, if there is a fluctuation in the fuel composition (for example, in the case of a liquefied petroleum gas fuel in a gas engine, the fluctuation in the theoretical air-fuel ratio due to a change in the propane / butane ratio), the excess air ratio There is a problem that it is difficult to accurately estimate the air-fuel ratio only by information, which causes an error factor when calculating the fuel flow rate.
  • the present invention has been made to solve the problems in the conventional vehicle-mounted engine, and is also applicable to a spark ignition engine employing a carburetor or gas mixer type fuel system other than a fuel injection system equipped with an injector. Needless to say, an accurate fuel flow rate can be detected even when there is a variation in fuel composition without using direct detection values such as air flow rate and excess air ratio sensor as input information. It is an object of the present invention to provide a method for detecting the fuel flow rate of a vehicle-mounted engine.
  • the present invention which has been made to solve the above-mentioned problems, is a fuel flow detection method for an in-vehicle engine that uses gasoline, liquefied gas, gas or the like as a fuel and adopts a spark ignition method, and detects a detected intake air flow rate (Qa).
  • the fuel flow rate is calculated from the air-fuel ratio (R) after combustion and the oxygen ratio (RO).
  • the intake air flow rate is estimated intake air flow rate or throttle valve opening, atmospheric pressure calculated from information of an intake manifold pressure sensor provided downstream of the throttle valve of the engine, information of an air temperature sensor, and information of an engine speed.
  • the estimated intake air flow rate information calculated from the air temperature information is used.
  • the fuel flow rate (Qf) is set to 0 when the engine stop or the fuel supply stop is controlled.
  • the fuel flow rate mounted in the electronic control unit (ECU) of the in-vehicle engine may be obtained, or the fuel flow rate may be determined by an electronic control unit (ECU) different from the electronic control unit (ECU) of the in-vehicle engine. Can also be detected.
  • the fuel consumption can be calculated by dividing the value of the fuel flow rate obtained by the present invention by the vehicle speed.
  • the fuel flow rate calculation method using the air excess ratio sensor information that only knows the ratio of the theoretical air-fuel ratio and the actual air-fuel ratio, which has been known in the past, fuel composition fluctuations (for example, in the case of liquefied petroleum gas fuel in a gas engine, If there is a change in the stoichiometric air-fuel ratio due to a change in the propane / butane ratio), it is difficult to accurately estimate the air-fuel ratio, which causes an error factor when calculating the fuel flow rate.
  • the fuel type is determined from other information (generally called fuel learning value information) and the theoretical air-fuel ratio is estimated, more accurate air-fuel ratio information can be obtained, and fuel injection equipped with an injector Needless to say, it can also be applied to a spark ignition engine using a carburetor or gas mixer type fuel system other than the system. Even if there is a variation in fuel composition without using direct detection values such as air flow rate and excess air ratio sensor as input information, it is possible to detect an accurate fuel flow rate without causing an error. .
  • FIG. 2 is a correlation diagram between the calculation result of the fuel flow rate of the present invention and the actually measured fuel flow rate in the electronically controlled fuel injection system shown in FIG.
  • FIG. 2 is a relationship diagram with various factors used for fuel flow rate / fuel consumption calculation in the electronically controlled fuel injection system shown in FIG. 1.
  • FIG. 1 shows an electronically controlled fuel injection system for an in-vehicle engine 1 that is preferable for implementing the fuel flow detection method for an in-vehicle engine according to the present invention.
  • air flow information detected for engine control is used as the air flow rate (Qa).
  • the estimated air flow rate information calculated from the engine speed obtained from the intake manifold pressure sensor 4 and the crankshaft rotation sensor 9 installed downstream of the intake throttle valve 2, the intake air temperature detected by the fuel temperature sensor 15, or the intake air is used.
  • the oxygen ratio (RO) is information indicating the state of the air-fuel ratio in the current engine operating state, and is calculated from the detection signal of the oxygen concentration sensor 16 attached to the engine exhaust pipe. Further, in a system in which only an O 2 sensor is attached, only information in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio is known, and therefore information estimated as the theoretical air-fuel ratio may be used during feedback control.
  • the sensor uses the value of the oxygen concentration sensor 16 at that time within the detectable range, and if it exceeds the sensor range, Control target air-fuel ratio information and the like are handled as estimated oxygen ratio information.
  • Ke represents a correction coefficient, and is a coefficient that absorbs the difference between the fuel flow rate obtained by estimation and the actual measurement value.
  • the fuel flow rate (Qf) obtained by each process can be divided by the vehicle speed (Vsd) in the same manner as the conventional process to calculate the fuel consumption (FE [kg / km]).
  • FIG. 3 shows a correlation diagram between the fuel flow rate (Qf) calculated based on the fuel flow rate detection method of the on-vehicle engine according to the present invention and the measured fuel flow rate according to the embodiment of the present invention.
  • the calculated flow rate and the actually measured flow rate are highly correlated, and it can be seen that the fuel flow rate can be estimated with high accuracy.
  • FIG. 4 is a relationship diagram with various factors used in the fuel flow rate / fuel consumption calculation in the embodiment using the electronically controlled fuel injection system of the in-vehicle engine 1 shown in FIG. 1 of the present invention, and the intake air flow rate (Qa) is The oxygen concentration (OC) was detected from the oxygen concentration sensor 16, estimated by the intake manifold pressure detected by the pressure sensor 4 of the intake manifold 3.
  • the flow rate (Qf) shows a change in the flow rate with a tendency similar to that of the air flow rate (Qa).
  • the fuel flow rate (Qf) also changes with the same tendency as the air flow rate (Qa) due to acceleration and deceleration.
  • the fuel flow rate (Qf) indicates zero.
  • the fuel flow rate (Qf) also increases and the fuel flow rate (Qf) is detected in real time.
  • the present invention calculates the fuel flow rate from the detected intake air flow rate (Qa) and the air-fuel ratio after combustion (R) or the oxygen ratio (RO), so that the fuel can be calculated from the fuel injection time of the conventional injector.
  • the fuel flow rate can be calculated relatively easily, and it is robust against disturbance factors and deterioration of the injector over time, and a system that does not use an injector (for example, a gas mixer) However, it is possible to detect the fuel flow rate and fuel consumption.
  • fuel consumption information embedded in an electronic control unit (ECU) program can be transmitted to an external device using a communication means such as CAN, or in a device different from the engine electronic control unit (ECU). It can be controlled by being mounted on a vehicle and displaying fuel consumption information on the main unit or by transmitting it to an external device using a communication means such as CAN.
  • the present invention is equipped with a vehicle equipped with a vehicle speed sensor and an engine speed sensor, an intake air flow meter, an oxygen concentration sensor for measuring the excess air ratio in the exhaust, and a data collection arithmetic unit.
  • the vehicle speed (Vsd) and the engine speed obtained from the vehicle speed sensor and the engine speed sensor, and the outputs of the intake air flow meter and the oxygen concentration sensor when the vehicle is traveling on the road surface.
  • the fuel consumption rate is obtained from the intake air amount and the oxygen ratio (RO) in the exhaust
  • the fuel consumption (fuel consumption: FE) is obtained from the obtained fuel consumption rate and the vehicle speed
  • the fuel supply weight is obtained
  • the vehicle average shaft effective pressure is obtained from the relationship between the obtained fuel supply weight and the shaft average effective pressure
  • the obtained shaft flatness is obtained. It is possible to obtain the engine output using the effective pressure.

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Abstract

入力情報に空気流量と空気過剰率センサのような直接検出の値を用いることなく燃料組成の変動がある場合であっても正確な燃料流量を検出することが可能な車載エンジンの燃料流量検知方法を提供する。ガソリン、液化ガス、ガスなどを燃料として用い、火花点火方式を採用する車載エンジンの燃料流量検知方法であって、検出した吸入空気流量（Ｑａ）と燃焼後の空燃比（Ｒ）または酸素比率（ＲＯ）とから燃料流量を算出する。

Description

車載エンジンの燃料流量検知方法
　本発明はガソリン、液化ガス、ガスなどを燃料として用い、火花点火方式を採用する車載エンジンの燃料流量検知方法に関するものである。
　車載エンジンの燃料流量は、例えばエンジンの正常な運転、エンジンの燃費などを求める際など、エンジンの性能を表する上できわめて重要な測定値である。
　従来、燃料流量の実測定手段として、図５に示すようにインジェクタの噴射時間（Ｔｉ）と燃料流量（Ｑｆｐ）に相関があることに着目して燃料流量を検知することが知られており、たとえば図１に示したＬＰＧ燃料を用いた電子制御燃料噴射システムの実施例において、図６に示したように噴射時間（Ｔｉ）の情報に加え、エンジン回転数（Ｎｅ）情報、バッテリ電圧（ＶＢ）情報、燃料噴射圧力（Ｐｆ）情報、燃料温度（Ｔｆ）情報、インテークマニホールド圧力（Ｐｉ）情報などの数多くの情報から燃料流量（Ｑｆ）を算出するものである。
　従って、従来の燃料流量（Ｑｆ）の算出方法では、燃料噴射量が多くの要因により影響を受けるため噴射情報以外の要因を考慮することが必要であり、例えば、図７に示すように燃料噴出圧力によりインジェクタの噴射流量が増加傾向を示したり、図８に示すように燃料温度によりインジェクタの噴射流量が低下傾向を示したりすることを相殺するため図６に示したように補正係数（Ｋｄ）によって補正する必要があり、また、電子制御燃料噴射システムに用いられるインジェクタは一般に磁気回路によって構成されるため、図５に示すように低パルス部分に不感帯があり、この不感帯部分はバッテリ電圧（ＶＢ）などによって影響を受けるため、これを補正するために図６に示した補正（Ｔｓ）も必要となる。更に、燃料流量の計算値と実測値のかい離を補正するため、エンジン回転数（Ｎｅ）と負荷情報（例えばインテークマニホールド圧力など）による二次元補間マップなどによって補正を行う必要がある。
　加えて、図９に示すようにインジェクタは経時劣化とともに噴射流量が変化するため、燃料流量の精度が変化するなど、正確な燃料流量を求めることが難しい問題があり、殊に、燃料噴射時間から計算する従来の方法では、インジェクタを搭載した燃料噴射システム以外では燃料流量、燃費を算出することができず、キャブレターやガスミキサー方式の燃料システムでは燃料流量、燃費の検知はできないという問題があった。
　そこで、特開２０００－３２８９９９号公報に、エンジンの吸入空気流量（Ｑａ）と空気過剰率（λ）から燃料消費量（燃料流量）（Ｑｆ）、燃費（ＦＥ）を求める発明が提示されている。
　しかしながら、前記公報に提示されている発明は、入力情報に直接検出の空気流量（Ｑａ）と空気過剰率センサから検知した空気過剰率（λ）を用いるものであり、空気過剰率センサ情報では理論空燃比と実際空燃比の比率しかわからないため、燃料組成の変動（例えばガスエンジンで液化石油ガス燃料の場合、プロパン／ブタン比率が変わることによる理論空燃比の変動）がある場合、空気過剰率の情報だけでは正確な空燃比の推定が困難であり、燃料流量算出の際に誤差要因となる、という問題がある。
特開２０００－３２８９９９号公報
　本発明は、前記従来の車載エンジンにおける問題点を解決するためになされたものであり、インジェクタを搭載した燃料噴射システム以外のキャブレターやガスミキサー方式の燃料システムを採用した火花点火式エンジンにおいても適用できることはいうまでもなく、また、入力情報に空気流量と空気過剰率センサのような直接検出の値を用いることなく燃料組成の変動がある場合であっても正確な燃料流量を検出することが可能な車載エンジンの燃料流量検知方法を提供することを課題とする。
　前記課題を解決するためになされた本発明は、ガソリン、液化ガス、ガスなどを燃料として用い、火花点火方式を採用する車載エンジンの燃料流量検知方法であって、検出した吸入空気流量（Ｑａ）と燃焼後の空燃比（Ｒ）または酸素比率（ＲＯ）とから燃料流量を算出することを特徴とする。
　また、前記吸入空気流量が、エンジンのスロットルバルブ下流に設けたインテークマニホールド圧力センサの情報と空気温度センサの情報、エンジン回転数の情報から算出される推定吸入空気流量またはスロットルバルブ開度、大気圧力、空気温度の情報から算出される推定吸入空気流量情報を用いる。
　更に、前記燃料流量を次の（１）式を用いて計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　特に、エンジン停止または燃料供給停止を制御しているときに燃料流量（Ｑｆ）を０とする。
　また、本発明は、車載エンジンの電子制御ユニット（ＥＣＵ）に搭載した燃料流量を求めてもよく、或いは、車載エンジンの電子制御ユニット（ＥＣＵ）とは別の電子制御ユニット（ＥＣＵ）により燃料流量を検知することも可能である。
　勿論、本発明により求められた燃料流量の値を車速で割り算することにより燃費を算出可能である。
　本件発明によると、従来知られている理論空燃比と実際空燃比の比率しかわからない空気過剰率センサ情報を用いる燃料流量算出方法では、燃料組成の変動（例えばガスエンジンで液化石油ガス燃料の場合、プロパン／ブタン比率が変わることによる理論空燃比の変動）がある場合、正確な空燃比の推定が困難であり、燃料流量算出の際に誤差要因となるのに対して、空燃比フィードバック制御情報やその他の情報（一般的に燃料学習値情報と呼ばれる）などから燃料種類を判定し、理論空燃比を推定するため、より正確な空燃比情報を得られることが可能となり、インジェクタを搭載した燃料噴射システム以外のキャブレターやガスミキサー方式の燃料システムを採用した火花点火式エンジンにおいても適用できることはいうまでもなく、入力情報に空気流量と空気過剰率センサのような直接検出の値を用いることなく燃料組成の変動がある場合であっても誤差を生じることなしに正確な燃料流量を検出することが可能である。
従来例および本件発明を実施するための好ましい車載エンジンの電子制御燃料噴射システムのブロック回路図である。 前記図１に示した電子制御燃料噴射システムにおける本件発明の燃料流量の計算方法を示す説明図である。 前記図１に示した電子制御燃料噴射システムにおける本件発明の燃料流量の計算結果と実測燃料流量との相関図である。 前記図１に示した電子制御燃料噴射システムにおける燃料流量・燃費計算に用いる各種要因との関係図である。 従来方式の燃料流量検出の原理を示す相関図である。 従来方式の燃費・燃料流量の計算方法を示す説明図である。 従来方式において燃料噴射圧力が燃料噴射流量に及ぼす影響を示す関係図である。 従来方式において、燃料温度が燃料噴射流量に及ぼす影響を示す関係図である。 従来方式において、インジェクタの経時劣化が燃料噴射流量に及ぼす影響を示す関係図である。
　図１は本発明である車載エンジンの燃料流量検知方法を実施するのに好ましい車載エンジン１の電子制御燃料噴射システムを示すものであり、本発明では、図２に示すように、入力情報として空気流量（Ｑａ）、酸素比率（ＲＯ）の情報を元に、「燃料流量（Ｑｆ）＝空気流量（Ｑａ）／酸素比率（ＲＯ）×Ｋ」として燃料流量（Ｑｆ）を計算するものである。
　ここで、空気流量（Ｑａ）はエンジン制御のために検知した空気流量情報を用いる。具体的には、吸気スロットルバルブ２の下流に設置したインテークマニホールド圧力センサ４とクランク軸回転センサ９から求めるエンジン回転数、燃料温度センサ１５により検知した吸気温度から算出した推定空気流量情報、或いは吸気スロットルバルブ２のスロットル開度と前記エンジン回転数、吸気温度、大気圧力から求める推定空気流量情報を用いる。
　そして、酸素比率（ＲＯ）は現在のエンジン運転状態の空燃比の状態を示す情報であり、エンジン排気管に取り付けられた酸素濃度センサ１６の検知信号より演算して求める。また、Ｏ2センサしか取り付けられないシステムにおいては理論空燃比近傍の情報しかわからないため、フィードバック制御しているとき理論空燃比と推定した情報を用いてもよい。
　また、運転状況によって空気過剰率をエンリッチ側、リーン側に制御したときは、センサは検知できる範囲においてはそのときの酸素濃度センサ１６の値を用い、センサの範囲を超えれば、ＥＣＵ演算内部の制御目標空燃比情報などを推定酸素比率情報として取り扱う。
　尚、前記「燃料流量（Ｑｆ）＝空気流量（Ｑａ）／酸素比率（ＲＯ）×Ｋ」の計算式で「Ｋ」は変換係数であり、「Ｋ＝Ｋａｆ×Ｋｅ」として算出する。
　ここで、「Ｋａｆ」は理論空燃比を示し、使用する燃料によって定まるものであり、例えばガソリンではＫａｆ＝１４．７、天然ガスではＫａｆ＝１６．８である。また、「Ｋｅ」は、補正係数を示し、推定によって求めた燃料流量と実測値のかい離を吸収する係数であり、クランク軸回転センサ９からのエンジン回転数情報と例えばインテークマニホールド３に設置した圧力センサ４の負荷情報などの二次元補間マップで構成され、実機適合実験によって設定する。
　加えて、エンジン停止や燃料カットの状況では燃料が流れないため、「燃料流量（Ｑｆ）＝０」の処理を行う。
　そして、前記各処理によって求められた燃料流量（Ｑｆ）は、従来の処理と同じように車速（Ｖｓｄ）で割り算して燃費（ＦＥ［ｋｇ／ｋｍ］）を算出することができる。
　図３は本発明の実施の形態について本発明である車載エンジンの燃料流量検知方法に基づいて計算した燃料流量（Ｑｆ）と実測燃料流量との相関図を示すものであり、この図から解るように、計算流量と実測流量は高い相関性が見られ、燃料流量が精度よく推測できていることがわかる。なお、この結果は「補正なし」として補正係数Ｋｅ＝１．０で計算した結果であり、この補正係数を活用して各エンジン運転条件において補正を施せば、更に精度を向上させることが可能である。
　図４は、本発明の図１に示した車載エンジン１の電子制御燃料噴射システムを用いた実施例における燃料流量・燃費計算に用いる各種要因との関係図であり、吸入空気流量（Ｑａ）はインテークマニホールド３の圧力センサ４により検知されたインテークマニホールド圧力などによって推定され、酸素濃度（ＯＣ）は酸素濃度センサ１６から検出した。
　更に説明すると、吸気スロットルバルブ２が開いてエンジン１が加速するにしたがって空気流量（Ｑａ）が上昇し、酸素濃度（ＯＣ）はほぼ一定の値を示しており、本発明により推定計算された燃料流量（Ｑｆ）は空気流量（Ｑａ）とほぼ同じような傾向で流量変化を示す。
　その後、加速減速によって、燃料流量（Ｑｆ）も空気流量（Ｑａ）とほぼ同じような傾向で変化することがわかる。そして、吸気スロットルバルブ２を戻して燃料カット状態になったときは、燃料流量（Ｑｆ）は０を示す。その後、急加速して空燃比をエンリッチ側に制御しているときは燃料流量（Ｑｆ）も増加し、燃料流量（Ｑｆ）をリアルタイムで検知していることがわかる。
　以上のように本発明は、検出した吸入空気流量（Ｑａ）と燃焼後の空燃比（Ｒ）または酸素比率（ＲＯ）とから燃料流量を算出することで、従来のインジェクタの燃料噴射時間から燃料流量を計算する方法に比べて、比較的容易に燃料流量を算出することができ、また、外乱要因やインジェクタの経時劣化に対してロバストになり、また、インジェクタを用いないシステム（例えば、ガスミキサーなど）でも燃料流量や燃費を検知する事が可能になる。
　また、本発明は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）プログラム内部に組込み燃費情報はＣＡＮなどの通信手段を用いて外部装置に伝えることができ、またはエンジンの電子制御ユニット（ＥＣＵ）とは別の装置で車両に搭載し、燃費情報を本体装置にて表示すること、もしくは、ＣＡＮなどの通信手段を用いて外部装置に伝えることにより制御することができる。
　更に、本発明は、車速センサおよびエンジン回転数センサを備えている車両に、吸入空気流量計、排気中の空気過剰率を測定する酸素濃度センサおよびデータ収集演算装置を搭載し、前記車両が実際に路面上を走行しているときに前記車速センサおよびエンジン回転数センサから得られる車速（Ｖｓｄ）およびエンジン回転数、並びに、前記吸入空気流量計および酸素濃度センサの出力を前記データ収集演算装置に入力し、吸入空気量と排気中の酸素比率（ＲＯ）とから燃料消費率を求め、この求めた燃料消費率と車速とから燃料消費量（燃費：ＦＥ）を求め、この燃料消費量（燃費：ＦＥ）と前記エンジン回転数とから燃料供給重量を求め、この求めた燃料供給重量と軸平均有効圧の関係から車両の軸平均有効圧を求め、その求めた軸平均有効圧を用いてエンジン出力を求めることができる。
　１　エンジン、２　吸気スロットルバルブ、３　インテークマニホールド、４　圧力センサ、５　インジェクタ、６　点火装置、７　カム軸回転センサ、８　燃焼室、９　クランク軸回転センサ、１０　冷却水温度センサ、１１　排気ガス処理装置、１２　電子制御装置（ＥＣＵ）、１３　燃料圧力制御装置（レギュレータ）、１４　燃料噴射圧力センサ、１５　燃料温度センサ、１６　酸素濃度センサ

Claims (6)

  1. 　ガソリン、液化ガス、ガスなどを燃料として用い、火花点火方式を採用する車載エンジンの燃料流量検知方法であって、検出した吸入空気流量（Ｑａ）と燃焼後の空燃比（Ｒ）または酸素比率（ＲＯ）とから燃料流量を算出することを特徴とする車載エンジンの燃料流量検知方法。
  2. 　前記吸入空気流量が、エンジンのスロットルバルブ下流に設けたインテークマニホールド圧力センサの情報と空気温度センサの情報、エンジン回転数の情報から算出される推定吸入空気流量またはスロットルバルブ開度、大気圧力、空気温度の情報から算出される推定吸入空気流量情報を用いることを特徴とする請求項１記載の車載エンジンの燃料流量検知方法。
  3. 　前記燃料流量を次の（１）式を用いて計算することを特徴とする請求項１または２記載の車載エンジンの燃料流量検知方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  4. 　エンジン停止または燃料供給停止を制御しているときに燃料流量（Ｑｆ）を０とすることを特徴とする請求項１，２または３記載の車載エンジンの燃料流量検知方法。
  5. 　車載エンジンの制御ユニットとは別の制御ユニットにより燃料流量を検知することを特徴とする請求項１，２，３または４記載の車載エンジンの燃料流量検知方法。
  6. 　前記燃料流量を車速で除法することにより燃費を算出可能としたことを特徴とする請求項１，２または３記載の車載エンジンの燃料流量検知方法。
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