(57)【要約】【課題】燃料圧力と燃料温度を計測し、これらに基づいて燃料の成分比率と燃料密度を算出し、更に噴射弁の噴射時間を求める燃料供給装置において、エタンとペンタンが含有される場合でも空燃比を効果的に制御する。【解決手段】燃圧センサ４０と燃温センサ４１で検出した燃圧と燃温に基づき、ＥＣＵ５０に記憶している蒸気圧曲線を用いてプロパンとブタンの比率をエタン含有率０と仮定して推定する。この推定値に基づき、燃料密度も算出して噴射時間を算出し、噴射弁２７を制御する。空燃比センサの信号からＥＣＵ５０で空気過剰率を計算し、リーンであればエタン成分比率を０から一定量ずつ上げて噴射時間を補正し、これを繰り返して空燃比を理想空燃比に収束させる。【選択図】          図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁を備えた液化石油ガス内燃機関の燃料供給装置において、燃料圧力と燃料温度を測定し、燃料中のエタン成分を零と仮定した条件で、前記の測定した燃料圧力と燃料温度に基づいてプロパンとブタンの成分比率と燃料密度を算出して、更に噴射時間を求め、該噴射時間で噴射弁を制御するとともに、内燃機関の空燃比を測定し、測定した空燃比の理論空燃比からのずれがエタンの混入によるものとして燃料密度を補正して噴射時間を補正し、空燃比を理論空燃比に近づけるように制御することを特徴とする液化石油ガス内燃機関の燃料供給装置。
【請求項２】
燃料噴射弁を備えた液化石油ガス内燃機関の燃料供給装置において、燃料圧力と燃料温度を測定し、燃料中のペンタン成分を零と仮定した条件で、前記の測定した燃料圧力と燃料温度に基づいてプロパンとブタンの成分比率と燃料密度を算出して、更に噴射時間を求め、該噴射時間で噴射弁を制御するとともに、内燃機関の空燃比を測定し、測定した空燃比の理論空燃比からのずれがペンタンの混入によるものとして燃料密度を補正して噴射時間を補正し、空燃比を理論空燃比に近づけるように制御することを特徴とする液化石油ガス内燃機関の燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液化石油ガス（以下ＬＰＧと略記する）を用いる内燃機関の燃料供給装置、特に燃料圧力と液比重の変化に対応して制御される燃料噴射弁を備えた内燃機関へのＬＰＧの燃料供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＰＧの燃料蒸気圧力と温度を計測してその燃料組成と液比重を算出し燃料噴射弁の開弁時間を上記圧力と液比重及び燃料組成により補正制御するようにしたＬＰＧ内燃機関の燃料供給装置が公知である（例えば特許文献１及び２参照）。
【０００３】
この従来技術（特許文献１）は、ＬＰＧの成分がプロパンとブタンの２成分からなるものとして説明している。この従来技術を、図１〜図４にしたがって以下に説明する。
【０００４】
図１において、内燃機関１の吸気管２、絞弁３の下流又は上流に燃料噴射弁４が設けられている。噴射弁４には燃料タンク５から燃料管６を経て液状ＬＰＧ燃料が送られている。
【０００５】
燃料タンク５内のＬＰＧ燃料の温度及び燃料蒸気圧力は各々燃温センサ７、及び燃圧センサ８により測定される。これら燃温センサ、燃圧センサの電気アナログ信号はアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器９によりデジタル信号に変換され、コンピュータ（ＣＰＵ）１０で演算処理し、駆動回路１１を介して燃料噴射弁４の開弁時間を制御することにより、燃料噴射量を制御する。
【０００６】
プロパンとブタンの燃料蒸気圧線図が図２のように知られているため、上述のように測定した燃料蒸気圧力とＬＰＧ液温により、次のように燃料組成と液比重を判定する。
【０００７】
例えば、ＬＰＧ液温が２０℃、燃料蒸気圧がＸｋｇ／ｃｍ２Ｇの測定値が出ると、図２における２０℃のプロパンとブタンの燃料蒸気圧ＡｘとＢｘより、プロパンの割合ｙ％は次式により算出される。
Ｘ＝Ａｘ×ｙ×０．０１＋Ｂｘ×（１００−ｙ）×０．０１  …（１）
【０００８】
プロパンとブタンの割合（燃料組成）が求まると、図３に示すＬＰＧ液温と液比重の関係により、ある組成［プロパンｙ％、ブタン（１００−ｙ）％］の液比重Ｅは、例えば前述の２０℃点において、次の（２）式により算出され、また、図４により、燃料組成より理論空燃比の変化が分かる。
Ｅ＝Ｃ×ｙ×０．０１＋Ｄ×（１００−ｙ）×０．０１  …（２）
【０００９】
上記計算式及びテーブルをＣＰＵ１０内のＲＯＭに記憶させておき、燃料蒸気圧と液温の測定により液比重及び燃料組成変化に伴う理論空燃比の変化による補正係数Ｒを求める。
【００１０】
開弁時間Ｔの燃料噴射弁からの燃料噴射量Ｑ（重量）は、
Ｑ＝Ａ・［２ｇγ（Ｐ−Ｐ１）１／２・Ｂ・Ｔ  …（３）
で表される。ここでＡは弁形状等による定数、ｇ：重力加速度、γ：燃料液比重、Ｐ：燃料蒸気圧、Ｐ１：燃料噴射部の雰囲気、Ｂ：燃料組成による補正係数、Ｔ：開弁時間である。
【００１１】
基準燃料蒸気圧をＰ０、基準比重量をγ０としたときの基準開弁時間ＴＢとすると、理論空燃比を得るための燃料噴射弁開弁時間Ｔは、ＴＢに（Ｐ０・γ０／Ｐ・γ）１／２・Ｒ＝βとなる補正係数を乗じて求められる。基準開弁時間ＴＢは内燃機関の回転数と吸入管負圧により求める方式、又は上記回転数と吸入空気流量より求める方法などガソリンを燃料とする内燃機関と同じである。
【００１２】
【特許文献１】
実開昭５９−４３６５９号公報
【特許文献２】
特開昭５９−２０８１５２号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術では、雰囲気温度変化に伴うＬＰＧ液温変化による燃料蒸気圧力及び液比重の変化や、燃料組成変化による燃料蒸気圧力及び液比重の変化に対して、燃料噴射弁の開弁時間を制御するため、常に一定の要求された空気過剰率になるように、すべての条件の中において、容易に正確な制御ができるとしている。
【００１４】
ところが、プロパンとブタンの２成分の飽和蒸気圧線図から燃料組成を判別して液比重を算出しているので、これら２成分と異なる他の成分が含有されている自動車用ＬＰＧ燃料では、空燃比制御が狙いに対してずれてしまい、要求された一定の空気過剰率になるように制御することができないという問題点があった。
【００１５】
自動車用ＬＰＧ燃料では、プロパンを主成分とする燃料の場合、プロパンやブタンに比べ低密度のエタンが数％混在する地域がある。プロパンの精製過程において、エタンが混入することがあり得るからである。
【００１６】
前記従来の技術では、エタンが含まれてないとして液比重を算出しているため、エタンが混在するプロパンを主成分とするＬＰＧ燃料を用いる場合には、空燃比が狙いに対してリーンとなってしまう傾向にある。
【００１７】
仮に、ＬＰＧ燃料に６％のエタンが含有されていると、２５℃の時、液密度の計算値は０．４９０９ｇ／ｍ３となり、実際の液密度０．４８００ｇ／ｍ３と異なった値となる。
【００１８】
ところで、自動車用ＬＰＧ燃料では、ブタンを主成分とする燃料の場合、ブタンやプロパンに比べ高密度のペンタンが数％混在する地域がある。そのため、前記従来の技術では、ブタンやプロパン以外のペンタンが含まれていないとして液比重を算出しているため、ペンタンが混在するブタンを主成分とするＬＰＧ燃料を用いる場合には、空燃比が狙いに対してずれてしまうという問題点があった。
【００１９】
上記に鑑み、本発明はエタンとペンタンが含有されているＬＰＧ燃料を用いる内燃機関において、噴射弁の開弁時間を、要求された空気過剰率になるように、正確に制御できる液化石油ガス内燃機関の燃料供給装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、燃料噴射弁を備えた液化石油ガス内燃機関の燃料供給装置において、燃料圧力と燃料温度を測定し、燃料中のエタン成分を零と仮定した条件で、前記の測定した燃料圧力と燃料温度に基づいてプロパンとブタンの成分比率と燃料密度を算出して、更に噴射時間を求め、該噴射時間で噴射弁を制御するとともに、内燃機関の空燃比を測定し、測定した空燃比の理論空燃比からのずれがエタンの混入によるものとして燃料密度を補正して噴射時間を補正し、空燃比を理論空燃比に近づけるように制御することを特徴とする液化石油ガス内燃機関の燃料供給装置である。
【００２１】
そして、請求項２記載の発明は、燃料噴射弁を備えた液化石油ガス内燃機関の燃料供給装置において、燃料圧力と燃料温度を測定し、燃料中のペンタン成分を零と仮定した条件で、前記の測定した燃料圧力と燃料温度に基づいてプロパンとブタンの成分比率と燃料密度を算出して、更に噴射時間を求め、該噴射時間で噴射弁を制御するとともに、内燃機関の空燃比を測定し、測定した空燃比の理論空燃比からのずれがペンタンの混入によるものとして燃料密度を補正して噴射時間を補正し、空燃比を理論空燃比に近づけるように制御することを特徴とする液化石油ガス内燃機関の燃料供給装置である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図面の実施例に従って説明する。
【００２３】
〔実施例１〕
図５は本発明の装置を搭載した内燃機関の略平面図で、エアクリーナ２１から吸入した空気は、スロットルボデー２２、吸気管２３におけるエンジンの各気筒に連通する吸気ダクト２４，２４，２４，２４を通じてエンジン２５に供給され、エンジン２５の排気は排気管２６から排出される。
【００２４】
各吸気ダクト２４には、燃料噴射弁に相当する液噴インジェクタ２７が備えられており、燃料デリバリパイプ（以下単にデリバリという）２８を通じて燃料を各液噴インジェクタ２７から各吸気ダクト２４内に噴射供給するようになっている。
【００２５】
吸気管２３に設けた吸入空気量センサ２９は吸入空気量を検出して電気信号に変換し、後述するＥＣＵ５０に伝える。エンジン２５に設けたＮｅセンサ３０はエンジン回転数を検出して電気信号に変換し、後述するＥＣＵ５０に伝える。
【００２６】
排気管２６に設けた空燃比センサ３１は空燃比を検出して電気信号に変換して後述するＥＣＵ５０に伝える。空燃比センサ３１は、周知のＯ２センサ又は広帯域リーンセンサを用いることもできる。
【００２７】
次に前記図５に示す内燃機関への燃料供給装置（燃料供給系）について図６により説明する。
【００２８】
燃料タンク３２の底部と前記デリバリ（デリバリパイプ）２８とは、燃料タンク３２の液相部３３の液相燃料を取り出して前記デリバリ２８へ供給する液相燃料供給用の液相配管３４で接続されている。該液相配管３４には、燃料タンク３２から燃料を加圧送出する燃料ポンプ３５と、燃料ポンプ３５の下流側に配設した燃料フィルタ３６が設けてある。
【００２９】
還流通路３７は前記燃料通路の途中から分岐して前記燃料タンク３２に燃料を還流するように、その上流端はデリバリ２８に連通し、下流端は燃料タンク３２の上部気相部３８に開口している。そして還流通路３７の下流端には周知のプレッシャレギュレータ３９が設けてある。
【００３０】
燃料タンク３２の底部に設けた燃圧センサ４０と燃温センサ４１はそれぞれ燃料圧力（タンク圧ともいう）と燃料温度（タンク温ともいう）を検出して電気信号に変換し、ＥＣＵ５０に伝える。ＥＣＵ５０には前記吸入空気センサで検出した吸入空気量やＮｅセンサで検出したエンジン回転数も入力されている。また、デリバリ２８に設けた第２の燃圧センサ４２はデリバリ圧を検出して電気信号に変換し、ＥＣＵ５０に伝える。
【００３１】
次にＥＣＵ５０による燃料噴射弁（液噴インジェクタ２７）の開弁時間制御について、図７のフローチャートにしたがって説明する。なお、この実施例１では、エタンを含むＬＰＧ燃料を用いている。
【００３２】
ステップ１０１の初期設定において、エタン成分比率Ｒｅを０％と仮定する。ステップ１０３でタンク温とタンク圧を取り込み、ステップ１０５でプロパン成分比率Ｒｐとブタン成分比率Ｒｂを推定する。この推定は、従来技術で図２の温度・蒸気圧特性を用いてプロパンとブタンの成分比率（割合）を算出したと同じ計算で行う。
【００３３】
次にステップ１０７でタンク内の燃料液密度ρｉを計算する。エタン液密度をρｅ、プロパン液密度をρｐ、ブタン液密度をρｂと表すと、計算式は、
ρｉ＝Ｒｅ・ρｅ＋Ｒｐ・ρｐ＋Ｒｂ・ρｂ  …（４）
となる。なお、このとき、ステップ１０１でエタン比率Ｒｅを０と仮定しているので、使用する計算式は（４）式の右辺第１項を０とした次の（５）式である。
［ρｉ］Ｒｅ＝０＝Ｒｐ・ρｐ＋Ｒｂ・ρｂ  …（５）
【００３４】
次にステップ１０９でデリバリ圧、エンジン回転数、吸入空気量を取り込み、燃料成分がプロパンとブタンの２成分と仮定した条件での理想空燃比とする噴射時間τｉを計算する（ステップ１１１）。そして、この算出した噴射時間で液噴インジェクタ２７を開弁制御する。
【００３５】
次にステップ１１３で、空気過剰率λｉを取り込む。これは、空燃比センサからの空燃比信号に基づいて空気過剰率λｉを算出して取り込む。したがって、実際に燃料成分がプロパンとブタンの２成分で、エタンが含有されていなければλｉ＝１となるが、実際の燃料に何％かのエタンが含有されていると、ステップ１０１でエタン比率Ｒｅを０と仮定しているので、ステップ１１３で空燃比信号から算出した空気過剰率λｉは１以上になる。つまりリーンとなる。
【００３６】
次にステップ１１５で、空気過剰率λｉが１であるか判断し、ＹＥＳならばストイキオメトリックの状態にあって理想空燃比であるとし、ステップ１１７に移り、三成分の比率Ｒｅ：Ｒｐ：Ｒｂを決定する。ステップ１１５でλｉ＝１でないときには、ステップ１１９でλｉ＞１か、すなわちリーンであるか判断して、ＹＥＳの時はステップ１２１へ、ＮＯのときはステップ１２３へ移る。
【００３７】
ＹＥＳの時は、エタン成分があると判断されるので、ステップ１２１でエタン成分比率Ｒｅに一定値α％を加算し、プロパン成分比率Ｒｐから一定値α％を減算する。ブタン成分比率Ｒｂは変らない。なお、このとき各成分の比率は単に成分率と略記している。
【００３８】
ステップ１１９の判断がＮＯの時は、リッチということになるので、ステップ１２３でエタン成分率Ｒｅから任意の前記一定値α％を減産し、プロパン成分率Ｒｐに一定値α％を加算する。なお一定値αは、この実施例では例えば０．１、すなわちα％＝０．１％としている。
【００３９】
そして、ステップ１２５に移って、先にステップ１２１又は１２３で算出した各成分の比率Ｒｅ，Ｒｐ，Ｒｂの比率Ｒｅ：Ｒｐ：ＲｂをＥＣＵ５０のＲＡＭに記憶している。
【００４０】
この後、ステップ１０７に移り、新しい成分比率Ｒｅ，Ｒｐ，Ｒｂに基づいて噴射時間τｉを計算し（ステップ１１１）、液噴インジェクタ２７を開閉制御する。そして、ステップ１１５で空気過剰率λｉが１であるか、またステップ１１９で１以上か（リーンか）判断して、リーンであれば更にα％だけエタンとプロパンの成分比率を修正する制御動作を図７の制御ルーチンにしたがって繰り返すことで、空気過剰率λｉを１に限りなく近づけ、空燃比を理想空燃比にする。
【００４１】
インジェクタ噴射圧、すなわち（デリバリ液圧）−（吸気管圧）をΔＰ、燃料の密度をρ、流量をＶ、体積流量をＱ、重量流量をＧ、インジェクタ噴射量（重量）をｇ、噴射時間（開弁時間）をτ１とすると、
ΔＰ∝ρ・Ｖ２∝ρ・Ｑ２  …（６）
Ｇ＝ρ・Ｑなので、
ΔＰ∝ρ・（Ｇ／ρ）２＝Ｇ２／ρ  …（７）
これを変形すると、
Ｇ∝（ρ・ΔＰ）１／２  …（８）
したがって、
ｇ＝Ｇ・τ∝（ρ・ΔＰ）１／２・τ  …（９）
となる。ΔＰ、ρ、ｇ、τの各文字に、エタン含有率０％のときに添字０をつけ、エタン含有率が０％を越えるときに添字１を付けると、
ｇ０∝（ρ０・ΔＰ０）１／２・τ０  …（１０）
ｇ１∝（ρ１・ΔＰ１）１／２・τ１  …（１１）
となる。したがって、
ｇ１／ｇ０＝（ρ１／ρ０）１／２・（ΔＰ１／ΔＰ０）１／２・（τ１／τ０）…（１２）
となる。理論空燃比を維持するにはｇ１／ｇ０＝１であればよい。したがって、噴射時間（開弁時間）τ１は、τ０に補正係数を乗じて、
τ１∝（ρ０／ρ１）１／２・（ΔＰ１／ΔＰ０）１／２・τ０…（１３）
とあらわされる。
【００４２】
なお、噴射時間τ１は、実際には（１３）式で計算するわけではなく、図７のフローチャートを実行することで、クローズドループの制御系が構成され、空燃比は自動的に理論空燃比に収束する。つまり空気過剰率が１に収束する。
【００４３】
〔実施例２〕
ＬＰＧ燃料にペンタンが混入している場合、例えばブタンを主成分とするＬＰＧ燃料に、ブタンやプロパンに比べ高密度のペンタンが数％混入している燃料を用いる第２発明の場合も、前記実施例１の場合とほぼ同様にして、液噴インジェクタ２７の開弁時間を制御して、空燃比を理論空燃比に収束させて、空気過剰率を１に収束させることができる。この場合の詳細は前記実施例１の場合のエタンの代わりにペンタンが混入している点が異なるものの、ほぼ類似の制御系で、類似のフローによって制御されるため、容易に理解されるので、説明を省略する。なお、この場合は、図７のステップ１０１でペンタン比率を０％と仮定するので、ステップ１１３で空燃比信号から算出した空気過剰率は、実施例１とは逆に１以下になる。つまり、リッチになる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の燃料供給装置は、上述のように構成されているので、エタン成分比率又はペンタン成分比率の判別が可能となり、したがって、燃料組成の判別精度が向上するから、噴射時間の制御を正確にでき、エタン又はペンタンの何れかが混入しているＬＰＧ燃料を用いる場合の空燃比制御の精度が向上する。したがって、自動車の燃費が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の系統図。
【図２】プロパンとブタンの燃料蒸気圧線図。
【図３】プロパンとブタンの温度と液比重の関係線図。
【図４】燃料組成と理論空燃比の関係線図。
【図５】本発明の装置を搭載した内燃機関の略平面図。
【図６】本発明の燃料系統を示す図。
【図７】本発明の実施例の動作を説明するフローチャート。
【符号の説明】
２５    エンジン
２７    噴射弁（噴射インジェクタ）
２８    燃料デリバリパイプ（デリバリ）
２９    吸入空気量センサ
３０    Ｎｅセンサ
３１    空燃比センサ
３２    燃料タンク
４０    燃圧センサ
４１    液温センサ
５０    ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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