(57)【要約】【課題】エタノールを含む燃料を使用する内燃機関の空燃比制御装置において、短い時間で燃料中のエタノール濃度を直接的に推定できるようにし、それにより迅速に空燃比がストイキとなるように適切な燃料噴射を行うことを可能とした内燃機関の空燃比制御装置を提供する。【解決手段】複数の排ガスセンサと燃料噴射制御手段とからなるエタノールを含む燃料を使用する内燃機関の空燃比制御装置であって、空燃比制御装置は、排ガスセンサとして、Ｈ２浄化触媒を備えない第１のＡ／Ｆセンサ２３とＨ２浄化触媒を備える第２のＡ／Ｆセンサ２４とＣＯセンサ２５を備える。第１と第２のＡ／Ｆセンサの出力差から排ガス中のＨ２濃度を算出する。算出したＨ２濃度とＣＯセンサから得られるＣＯ濃度の比Ｈ２／ＣＯから、マップを参照して、燃料中のエタノール濃度を推定する。燃料噴射制御手段は、エタノール濃度の推定値に基づき、適切な燃料噴射量を設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の排ガスセンサと燃料噴射制御手段とからなるエタノールを含む燃料を使用する内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記空燃比制御装置は、排ガスセンサとして、Ｈ２浄化触媒を備えない第１のＡ／ＦセンサとＨ２浄化触媒を備える第２のＡ／ＦセンサとＣＯセンサを備えて、さらに、前記第１と第２のＡ／Ｆセンサの出力差から排ガス中のＨ２濃度を算出する手段と、算出したＨ２濃度と前記ＣＯセンサから得られるＣＯ濃度の比Ｈ２／ＣＯから燃料中のエタノール濃度を推定するエタノール濃度推定手段とを備え、前記燃料噴射制御手段は、前記エタノール濃度推定手段の推定値に基づき適切な燃料噴射量を設定することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に、エタノールを含む燃料を使用する内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料性状の異なる複数種類の燃料を用いることにより、それぞれの短所を補って長所を相互補完させる多種燃料内燃機関が知られるようになり、一般に、このような多種燃料内燃機関が搭載された車両は、フレキシブル燃料車（ＦＦＶ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｆｕｅｌ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）と呼ばれている。このＦＦＶでは、ガソリン、エタノールのようなアルコールとガソリンとの混合燃料、またはアルコールのみの燃料が使用され、使用される燃料のアルコール濃度（含有率）を０％（ガソリンのみ）から１００％（アルコールのみ）の間で変化させて使用される。
【０００３】
ＦＦＶのようなガソリンとアルコール燃料の両方を許容するシステムにおいて、燃料中のアルコール濃度を精度高く算出することは重要な課題となる。そのための手段の一例として、特許文献１には、アルコール濃度をより精度良く推定できる手段を備えた内燃機関の空燃比制御装置が記載されている。そこにおいては、装置は、排気通路にＡ／ＦセンサまたはサブＯ２センサとを備え、フューエルカット復帰判定後、Ａ／ＦセンサまたはサブＯ２センサにより出力されるＡ／Ｆセンサ値またはサブＯ２センサ値の目標値と実測値との差を所定時間にわたって積算し、その積算量からアルコール濃度を算出するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−５２４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１に記載される空燃比制御装置は、フューエルカット終了後にＡ／Ｆセンサ、サブＯ２センサの少なくとも何れか一方のセンサにより算出される目標値と実測値との差の積算量からアルコール濃度を算出することで、アルコール濃度をより精度良く推定することが可能となる。しかし、やや複雑なアルゴリズムを使用しており、アルコール濃度を算出するまでの演算が複雑であって、処理に長い時間を必要とする不都合がある。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、エタノールを含む燃料を使用する内燃機関の空燃比制御装置において、短い時間で燃料中のエタノール濃度を直接的に推定することができ、それにより迅速に空燃比がストイキとなるように適切な燃料噴射を行うことを可能とした内燃機関の空燃比制御装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による内燃機関の空燃比制御装置は、複数の排ガスセンサと燃料噴射制御手段とからなるエタノールを含む燃料を使用する内燃機関の空燃比制御装置であって、前記空燃比制御装置は、排ガスセンサとして、Ｈ２浄化触媒を備えない第１のＡ／ＦセンサとＨ２浄化触媒を備える第２のＡ／ＦセンサとＣＯセンサを備えて、さらに、前記第１と第２のＡ／Ｆセンサの出力差から排ガス中のＨ２濃度を算出する手段と、算出したＨ２濃度と前記ＣＯセンサから得られるＣＯ濃度の比Ｈ２／ＣＯから燃料中のエタノール濃度を推定するエタノール濃度推定手段とを備え、前記燃料噴射制御手段は、前記エタノール濃度推定手段の推定値に基づき適切な燃料噴射量を設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、次のような本発明者らが得た新たな知見に基づいている。すなわち、ガソリンの水素と炭素の含有比Ｈ／Ｃは１．８前後であるが、エタノールの前記Ｈ／Ｃ比は３であり、エタノールを含むガソリン（燃料）において、エタノールの濃度が増えると、当該燃料のＨ／Ｃ比が大きくなる。この関係から、エタノールを含む燃料を使用する内燃機関からの排ガス中のＨ２とＣＯの比Ｈ２／ＣＯはエタノール濃度とリニアな関係にあるという第１の知見と、排ガス中のＨ２とＣＯの比Ｈ２／ＣＯは、空燃比がリッチ〜リーンの広い範囲でエタノール濃度により一義的に決定されるという第２の知見と、それにより、排ガス中のＨ２／ＣＯ比を検出することで、そこから逆に、使用しているエタノールを含む燃料のエタノール濃度を検知することができ、燃料噴射制御手段はストイキ制御のための燃料噴射量を得られたエタノール濃度から直接決定することができるという第３の知見である。
【０００９】
本発明によれば、排ガスセンサの情報から演算される排ガス中の水素濃度とＣＯ濃度から燃料中のエタノール濃度を直接推定することが可能であり、その推定値に基づき燃料噴射制御手段は適切な燃料噴射量を直接決定することができるので、空燃比制御装置としての構成を簡素化することが可能となり、また、複雑なアルゴリズムを使わなくとも始動時などの排ガスレベルを早期に低いレベルにすることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による空燃比制御装置を適用した内燃機関の構成を示す概略構成図。
【図２】作動を説明するためのフローチャート。
【図３】燃料によるＨ２濃度とＣＯ濃度の関係を示すグラフ。
【図４】エタノール濃度と排ガス中のＨ２／ＣＯの相関を示すグラフ。
【図５】Ａ／Ｆセンサ電流と水素濃度との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。最初に、図１を参照して本発明による空燃比制御装置を適用した内燃機関であるエンジンの概略を説明する。
【００１２】
エンジン１０は、エタノールを含む燃料が使用可能なエンジンであり、シリンダブロック１１内でピストン１２が往復動する形態である。シリンダブロック１１の上にはシリンダヘッド１３が位置し、シリンダヘッド１３には点火プラグ１４が取り付けられている。シリンダヘッド１３には、吸気ポート１５および排気ポート１６が設けられており、吸気ポート１５には吸気弁１７が、排気ポート１６には排気弁１８が、それぞれ取り付けられている。吸気弁１７および排気弁１８は、それぞれピストン１２の往復動に同期して、開閉する。吸気ポート１５にはインジェクタ１９が配置されており、エンジン制御装置であるＥＣＵ３０からの指令により、燃料の噴射を行う。
【００１３】
排気ポート１６には排気通路２０が接続しており、排気通路２０には、上流側から順に、排ガスを浄化するための触媒として、前段触媒Ｓ／ｃ２１と後段触媒Ｕ／Ｆ２２とが直列に配置されている。なお、これら触媒は、例えば、特開２０１０−３１７９８号公報などに示されるように、既に知られたものである。
【００１４】
本発明において、前記排気通路２０における排気弁１６とＳ／ｃ２１との間には、水素浄化触媒を備えない第１のＡ／Ｆセンサ２３と、水素浄化触媒付の第２のＡ／Ｆセンサ２４の２つのＡ／Ｆセンサ（空燃比センサ）が配置されており、さらに、ＣＯセンサ２５が配置されている。これらのセンサからの信号はＥＣＵ３０に送られ、処理される。なお、これらのセンサ自体は知られたものであり、水素浄化触媒を備えない第１のＡ／Ｆセンサ２３は例えば特開２００７−２４８３５１号公報に、水素浄化触媒付の第２のＡ／Ｆセンサ２４は例えば特開２０１３−０１５３９８号公報に記載されたものであってよく、ＣＯセンサ２５は例えば特開２００４−１５０８１１号公報に記載されるようなジルコニアを主体とし水素を選択的に酸化する触媒層を備えたＣＯセンサであってよい。
【００１５】
本発明による空燃比制御装置において、上記ＥＣＵ３０が燃焼噴射量を決定する作動プロセスを説明する。エタノール混合ガソリンの排ガスにおいて、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）は、図３の燃料によるＨ２濃度とＣＯ濃度との関係のグラフに示すように、λ=０．７８〜１．１の広い範囲で一定の比で存在し（なお、図３ではλ＝１．１での測定値が狭い領域に重複することから、単に作図上の都合でλ＝１．１でのプロットを省略している）、その比Ｈ２／ＣＯは、図４に示すエタノール濃度と排ガス中のＨ２／ＣＯの関係に示すように、エタノール含有量増加により、高い相関で増加することがわかった。なお、図３において、Ｅｎはガソリン中のエタノール濃度体積率を示しており、Ｅ０はガソリン中のエタノール体積率０％であること、Ｅ２０はガソリン中のエタノール体積率２０％であることをそれぞれ示し、以下、順次大きくなり、Ｅ１００はエタノール１００％であることを示している。
【００１６】
図４の特性、すなわち、排ガス中でのＨ２／ＣＯの値とエタノール濃度が高い相関を示すことは、前記したように、ガソリンの水素と炭素の含有比Ｈ／Ｃは１．８程度であるのに対して、エタノールの前記Ｈ／Ｃ比は３であり、燃焼の結果生成する排ガス中におけるＨ２とＣＯの比が、燃料の組成を示すＨ／Ｃと密接に関係していることを示している。
【００１７】
一方、燃料としてガソリンにエタノールを混入して使用するフレキシブル燃料車（ＦＦＶ）では、ストイキ時のＡ／Ｆ（空燃比）が、図３で説明したＥ０では１４．６であるのに対して、Ｅ１００では９であり、吸入空気量に対し、使用する燃料でのエタノール混合率により、燃料噴射量を変化させないと、正常に運転ができないこととなる。
【００１８】
本発明は、上記の知見に基づくものであって、排ガス中の水素と一酸化炭素の比Ｈ２／ＣＯから、図４に示すマップを参照して、当該燃料中のエタノール濃度を簡便に推定することが可能となり、それに基づいて、適正な燃料噴射量を決定できるようになる。すなわち、本発明による空燃比制御装置は、排ガスセンサとして、Ｈ２浄化触媒を備えない第１のＡ／Ｆセンサ２３とＨ２浄化触媒を備える第２のＡ／Ｆセンサ２４とＣＯセンサ２５とを備えており、ＥＣＵ３０は、燃料噴射制御手段３１と、前記第１と第２のＡ／Ｆセンサの出力差から排ガス中のＨ２濃度を算出するＨ２濃度算出手段３２と、算出したＨ２濃度と前記ＣＯセンサから得られるＣＯ濃度の比Ｈ２／ＣＯから燃料中のエタノール濃度を推定するエタノール濃度推定手段３３とを備え、燃料噴射制御手段３１は、エタノール濃度推定手段３３の推定値に基づき適切な燃料噴射量を決定する。
【００１９】
具体的な処理を図２において説明する。図１に示したエンジン１０のユニットにおいて、ＥＣＵ３０は、Ｈ２浄化触媒を備えない第１のＡ／Ｆセンサ２３とＨ２浄化触媒を備える第２のＡ／Ｆセンサ２４のセンサ電圧を設定する（Ｓ１）。Ｈ２浄化触媒を備える第２のＡ／Ｆセンサ２４の出力は、Ｈ２浄化触媒を備えない第１のＡ／Ｆセンサ２３の出力に比べて、Ｈ２の浄化率分リーン側にシフトする。触媒は浄化率一定で浄化するので、Ｈ２浄化触媒を備える第２のＡ／Ｆセンサ２４の浄化率があらかじめ分かっていれば、Ｈ２濃度算出手段３２は、その差分を取ることで排ガス中のＨ２濃度が検知可能となる（Ｓ２）。図５のグラフは、ＣＯ濃度＝０％、Ｃ３Ｈ８＝０．４％であるＮ２バランスガスに水素を加えていった実験における、Ａ／Ｆセンサ電流と水素濃度の関係の一例を示しており、水素濃度が大きくなると２つのセンサの出力差ａが大きくなっていくのがわかる。
【００２０】
また、Ｓ３で、ＥＣＵ３０は、ＣＯセンサ２５からの信号を受けて、排ガス中のＣＯ濃度を検知する。そして、ＥＣＵ３０はそのエタノール濃度推定手段３３によって、Ｓ２で得られた水素濃度とＳ３で得られたＣＯ濃度から排ガス中のＨ２／ＣＯ比を演算し、図４に示した排ガス中の水素と一酸化炭素の比Ｈ２／ＣＯとエタノール濃度（％）の関係マップからエタノール濃度を推定する。そして、推定したエタノール濃度から当該燃料の性状を計算する（Ｓ４）。ＥＣＵ３０は、計算された燃料性状を参照して、適切な燃焼噴射量を決定し（Ｓ５）、燃料噴射制御手段３１にその指令を送る。
【００２１】
上記のように、本発明によれば、前記特許文献１に記載のようにフューエルカット終了後にＡ／Ｆセンサ、サブＯ２センサの少なくとも何れか一方のセンサにより算出される目標値と実測値と差の積算量からアルコール濃度を算出することでアルコール濃度を推定するシステムや、燃料供給系に燃料性状センサを設けるシステムと比較して、燃料中のエタノール濃度を、排気通路２０に設けた複数の排ガスセンサの値から直接推定することが可能となり、複雑な補正計算等を行わなくても、精度のよいエタノール濃度検知が可能となる。
【符号の説明】
【００２２】
１０…エンジン、
１１…シリンダブロック、
１２…ピストン、
１３…シリンダヘッド、
１４…点火プラグ、
１５…吸気ポート、
１６…排気ポート、
１７…吸気弁、
１８…排気弁、
１９…インジェクタ、
２０…排気通路、
２１…前段触媒Ｓ／ｃ、
２２…後段触媒Ｕ／Ｆ、
２３…水素浄化触媒を備えない第１のＡ／Ｆセンサ、
２４…水素浄化触媒付の第２のＡ／Ｆセンサ、
２５…ＣＯセンサ、
３０…エンジン制御装置（ＥＣＵ）、
３１…燃料噴射制御手段、
３２…第１と第２のＡ／Ｆセンサの出力差から排ガス中のＨ２濃度を算出するＨ２濃度算出手段、
３３…算出したＨ２濃度とＣＯセンサから得られるＣＯ濃度の比Ｈ２／ＣＯから燃料中のエタノール濃度を推定するエタノール濃度推定手段。
【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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