JP4893253B2 - 内燃機関用の燃料性状判定システム - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関に供給する燃料の燃料性状を判定可能とするための内燃機関用の燃料性状判定システムに関する。

一般にガソリンエンジンの燃料となるガソリンは、軽質、中質、重質といった特定の性状を有するのが普通である。またガソリンは、軽質、中質、重質といった性状を区別することなくガソリンエンジンで使用される。

このため、ガソリンエンジンでは、通常よりも比重が大きい重質のガソリンが使用される場合であって、始動直後のようにエンジン温度が低い冷間時に燃料が特に気化霧化しにくいことから燃焼性が悪化し、最悪の場合エンジンストールを発生するおそれがある。

そこで、従来、ガソリンの噴射を電子制御で行うガソリンエンジンでは、軽質、中質、重質といったガソリン性状によって噴射量を補正制御するものが提案されている。

このようなガソリンエンジンでは、ガソリン性状による補正制御を行うため、燃料の比重が概ね燃料の燃焼性状、すなわち燃焼の難易度を反映するという性質と、燃料の密度が屈折率に比例する性質とを利用して燃料の濃度（比重）を、屈折率を検出する光学式燃料センサによって検出する。

そして、このガソリンエンジンでは、検出した燃料の燃焼性状に基づいてガソリンの噴射量の制御を行い、エンジンの点火爆発状態を最適にし、排ガス対策等に役立てるものである（例えば、特許文献１参照）。

また従来のガソリンエンジンでは、ガソリン性状の差をより正確にエンジン制御に反映させるため、運転条件に合わせてガソリンエンジンの燃料噴射量を制御する制御系に装備されたガソリン性状判別装置が提案されている。

このガソリン性状判別装置は、エンジン始動後、一定期間内に、電圧信号としてガソリン性状検出センサにより屈折率を測定する屈折率検出手段と、屈折率を基に、屈折率変化速度を演算し、演算結果からガソリン性状を判定する屈折率変化速度演算手段と、燃料噴射量を補正する噴射量補正手段とを備える。

このガソリン性状判別装置では、ガソリン性状検出センサで屈折率を電圧として検出し、その値を基に温度を考慮して屈折率変化速度を算出してガソリン性状を判定し、ガソリン噴射量の補正を加える。

ところでガソリンは、揮発性が強く、ガソリンタンクに充填したとしても常温で揮発して成分が変化していき、屈折率も変化して一定時間後にどの性状のガソリンも定常値にほぼ安定する。

この場合の屈折率変化速度は、軽質なガソリンほど大きく、重質なほど小さくなって、その変化はガソリンが新たに充填された直後から一定時間は定量的であるので、温度を考慮した屈折率変化速度からガソリン性状を区別することができる。

よって、このガソリンエンジンでは、このガソリン性状判別装置を用いることにより、判定誤差を少なくして、適切な燃料噴射量で制御し、理想的な空燃比や排気ガス対策を実現しようとしている（例えば、特許文献２参照）。

従来、燃料としての石油の油種の判定を行なう手段の一種として、ガソリンスタンドで扱っているレギュラーガソリン・ハイオクガソリン・軽油・灯油の色が異なる４種類の石油を、光学的な色検出器によって色の違いを測定することで判別し、各種類の石油をタンクローリーから補給する時に誤って異油種のところの貯蔵タンクに補給して混油することを防止する混油防止装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

近年では、内燃機関の燃料として、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）の開発が進んでいる。このＧＴＬは、天然ガス、メタン等の可燃性の炭化水素のガスを原料にし、沸点が高い炭化水素に合成液化した燃料である。

特開平５−２４０８５３号公報 特開平７−２００４７号公報 特開平８−２５９７号公報

一般に、ＧＴＬは、セタン価が高く（着火しやすい）、硫黄分および芳香族分含流量が極微量であるという性質を持つ。そのため、低温始動性の改善や燃焼騒音の低減、ＮＯｘ吸蔵触媒の劣化抑制、ＰＭの低減に有効である。

さらにＧＴＬは、所定の密度、所定のセタン価、所定の発熱量等の所定の燃料性状を呈するように合成液化して製造可能である。

しかし、ＧＴＬは、無色透明な液体燃料であるので、多様な組成のＧＴＬにおける燃料性状を判別する手段がないという問題がある。

このため、例えばＧＴＬを燃料とする内燃機関では、給油されたＧＴＬの密度、セタン価、発熱量等の異なる燃料性状を検知し、これに基づいて内燃機関を所望の運転状態に制御することができないという問題がある。

本発明は上述した点に鑑み、多様な組成の液体燃料における燃料性状を判別可能とし、内燃機関に給油された液体燃料の密度、セタン価、発熱量等の異なる燃料性状を検知し、これに基づいて内燃機関を所望の運転状態に制御可能とする内燃機関用の燃料性状判定システムを新たに提供することを目的とする。

第１に本発明の内燃機関用の燃料性状判定システムは、内燃機関用の液体燃料の複数の燃料性状それぞれの情報を検出する内燃機関用の燃料性状判定システムにおいて、各燃料性状に対応しかつ対応する燃料性状が異なると吸収する光の波長が異なる色の染料が、対応する燃料性状の情報に対応した量添加されて着色された内燃機関用の液体燃料の供給を受けて、前記着色された前記液体燃料の着色状態を検出する光学式検出装置と、前記光学式検出装置で検出した前記液体燃料の着色状態から前記液体燃料の前記複数の燃料性状それぞれの情報を判定する判断手段と、を有することを特徴とする。

上述のように構成することにより、内燃機関では、光学式検出装置によって検知された液体燃料の燃料性状の特性に対応するよう補正した適合値に基づいて、内燃機関を所望の運転状態となるように制御することができる。

第２に、本発明は、第１に記載の内燃機関用の燃料性状判定システムにおいて、前記液体燃料における前記複数の燃料性状それぞれの情報を特定するための前記染料として、基本３原色の内の少なくとも２色の染料を設定し、かつ、前記液体燃料は、各染料の前記液体燃料中の濃度が、各染料が対応する前記燃料性状の前記情報としての度合いとして設定されていることを特徴とする。

上述のように構成することにより、第１に記載の発明の作用、効果に加えて、複数種類の着色された液体燃料が混合された場合でも、各原色の濃度の度合いを検出して、混合された液体燃料独自の燃料性状を特定することができる。

第３に、本発明は、第１又は第２に記載の内燃機関用の燃料性状判定システムにおいて、前記液体燃料における前記燃料性状それぞれの情報を特定するための前記染料として、少なくとも赤外線又は紫外線を吸収する染料を設定していることを特徴とする。

上述のように構成することにより、第１又は第２に記載の発明の作用、効果に加えて、燃料性状を特定するための着色の自由度を拡大できる。

第４に、本発明は、第１に記載の内燃機関用の燃料性状判定システムにおいて、前記光学式検出装置が、検知用の光線を着色された前記液体燃料を透過させるように出射する発光部と、着色された前記液体燃料を透過させた前記検知用の光線を受光し、前記燃料性状それぞれに対応する色ごとに光の成分及び強度を検出する受光部と、を有することを特徴とする。

本発明の内燃機関用の燃料性状判定システムによれば、多様な組成の液体燃料における燃料性状を判別し、内燃機関に給油された液体燃料の密度、セタン価、発熱量等の異なる燃料性状を検知し、これに基づいて内燃機関を所望の運転状態に制御することによって、内燃機関を高い効率で運転し、良好な排気ガス対策を実現できるという効果がある。

本発明の内燃機関用の燃料性状判定システムに関する実施の形態について、図１乃至図４により説明する。

この実施の形態における内燃機関用の燃料性状判定システムでは、液体燃料固有の燃料性状の情報に対応した液体燃料の着色状態を規格化する。

すなわち、この内燃機関用の燃料性状判定システムでは、予め設定した規格に基づいて製造時に、燃料性状の情報に対応した所定波長の光を吸収する染料等を所定量添加して、液体燃料を着色する。

そして、この内燃機関用の燃料性状判定システムでは、着色された液体燃料に光を透過させたときに所定波長の光が、所定量だけ吸収されることにより、透過光の光の波長の分布が呈する所定パターンによって、着色された液体燃料における固有の燃料性状の情報を読み取り可能な状況を作る。

例えば、この液体燃料（ＧＴＬ、石油、アルコール等の天然又は人工の液体燃料であって着色可能なものであればよい）では、基本３原色である赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）（なお、基本３原色は、光の基本３原色である赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）であっても、着色の基本３原色である、シアン、イエロー、マゼンダであっても良い、この明細書で基本３原色というときは、光の基本３原色と着色の基本３原色との両者を含むものとする。）の染料を、それぞれ所定量づつ添加して、燃料性状の情報に対応した着色が施された液体燃料を作る。

なお、この液体燃料は、基本３原色の染料を添加する他に、赤外線を吸収する染料、紫外線を吸収する染料又は液体燃料を透過する光の明度を調整可能な染料等をそれぞれ所定量づつ添加して、燃料性状の情報に対応して所定の波長の光だけが、所定量だけ吸収される、所定パターンの光の吸収特性を呈するように構成しても良い。

また、この内燃機関用の燃料性状判定システムでは、着色された液体燃料を供給される内燃機関側に、着色された液体燃料から燃料性状に対応した光の吸収特性を読み取るための光学式検出装置５（着色検出手段）を設置する。

図２に示すように、この内燃機関用の燃料性状判定システムでは、内燃機関（ディーゼルエンジン又はガソリンエンジン等）１に対して、燃料タンク２から液体燃料Ｌを供給するための燃料配管３の一部に、光学式検出装置５を配置する。

なお、この燃料タンク２では、給油口４から着色された液体燃料Ｌを供給して貯留しておく。この燃料タンク２に貯留されている着色された液体燃料Ｌは、図示しないポンプで汲み上げられて燃料配管３を通り内燃機関１へ送給される。

図２に示す内燃機関用の燃料性状判定システムでは、着色された液体燃料Ｌが燃料配管３内を通過する際に、光学式検出装置５によって検出した色成分とその濃度に関わる情報を、内燃機関の制御装置を兼ねる、燃料性状及びその度合いの判断手段であるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）６へ送信する。

この燃料性状及びその度合いの判断手段であるＥＣＵ６では、光学式検出装置５によって検知された色成分とその濃度に関わる情報から判断した燃料性状及びその度合いの特性に対応するように、内燃機関の運転条件である点火時期、燃料噴射時期等の制御値を補正して適合値を求め、この適合値に基づいて、内燃機関１を所望の運転状態となるように制御する。

着色された液体燃料Ｌの燃料性状を検知するための光学式検出装置５は、図３に示すように、燃料配管３の途中に一体的に形成した密閉容器９の内部に、検知用の光線の発光部７と、検知用の光線の受光部８とを、所定間隔を開けて相対向するように配置して構成する。

すなわち、この光学式検出装置５では、発光部７から出射された検知用の光線を、着色された液体燃料Ｌ中を透過させてから、受光部８で受光するように構成する。

図４に示すように、光学式検出装置５における検知用の光線の発光部７は、透明窓付きの密閉ハウジング１０の内部に、赤色（Ｒ）用のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）１１、青色（Ｂ）用のＬＥＤ１２、緑色（Ｇ）用のＬＥＤ１３と、必要に応じて赤外線（ＩＲ）用のＬＥＤ１４と、紫外線（ＵＶ）用のＬＥＤ１５とを配置する。

この検知用の光線の発光部７は、各ＬＥＤ１１、１２、１３、１４及び１５から出射された光ビームを、複数（図４では４個）のハーフミラー１６を利用して１本の光束に合わせて検知用の光線とし、密閉ハウジング１０の透明窓から出射するように構成する。なお図４では、作図の便宜上５本の線で記載しているが、これら５本の線は、１本の光束を意味する。

また、検知用の光線の発光部７は、各ＬＥＤ１１、１２、１３、１４及び１５から引き出したリード線１８を図示しない光源用電源に接続し、ＥＣＵ６が光源用電源からの電力供給動作を制御することによって、各ＬＥＤ１１、１２、１３、１４及び１５に電力を供給して点灯し又は消灯されるように構成されている。

また、この検知用の光線の発光部７では、赤色（Ｒ）用のＬＥＤ１１、青色（Ｂ）用のＬＥＤ１２及び緑色（Ｇ）用のＬＥＤ１３の代わりに、光の３原色を含んでいる白色光を発光する白色ＬＥＤを用いても良い。

さらに、検知用の光線の発光部７は、可視光の波長を含む光源であれば、種々の発光ダイオード若しくはエレクトロルミネッセンス又はその他の一般に用いられている光源を利用して構成しても良い。

図４に示すように、光学式検出装置５における検知用の光線の受光部８は、透明窓付きの密閉ハウジング１７の内部に、赤色（Ｒ）光受光用の光電管１９、青色（Ｂ）光受光用の光電管２０、緑色（Ｇ）光受光用の光電管２１と、必要に応じて赤外線（ＩＲ）受光用の光電管２２と、紫外線（ＵＶ）受光用の光電管２３とを配置する。

この検知用の光線の受光部８では、密閉ハウジング１７の透明窓から入射した光束を、複数（図４では４個）のハーフミラー２４を利用して複数本（図４では５本）の光ビームに分割して各光電管１９、２０、２１、２２、２３へ入射させるように構成する。

また、各光電管１９、２０、２１、２２、２３には、それぞれの光ビームの入射光路上に、各々対応して赤色光だけを透過する分解フィルタ２５、青色光だけを透過する分解フィルタ２６、緑色光だけを透過する分解フィルタ２７と、必要に応じて赤外線だけを透過する分解フィルタ２８と、紫外線だけを透過する分解フィルタ２９とを配置する。

このように構成した検知用の光線の受光部８では、赤色（Ｒ）光受光用の光電管１９が赤色光の成分及び強度を検出し、青色（Ｂ）光受光用の光電管２０が青色光の成分及び強度を検出し、緑色（Ｇ）光受光用の光電管２１が緑色光の成分及び強度を検出し、必要に応じて赤外線（ＩＲ）受光用の光電管２２が赤外線の成分及び強度を検出し、紫外線（ＵＶ）受光用の光電管２３が紫外線の成分及び強度を検出する。

また、検知用の光線の受光部８は、各光電管１９、２０、２１、２２、２３から引き出した各リード線３０を、図示しない増幅器を介してＥＣＵ６に接続して、各光電管１９、２０、２１、２２、２３による検知信号をＥＣＵ６へ入力させるように構成する。

また、この検知用の光線の受光部８では、赤色（Ｒ）光受光用の光電管１９、青色（Ｂ）光受光用の光電管２０、緑色（Ｇ）光受光用の光電管２１の代わりに、赤色（Ｒ）光成分、青色（Ｂ）光成分、緑色（Ｇ）光成分の受光量を分離して出力可能な、カラー画像用のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を利用して構成しても良い。

なお、この光学式検出装置５では、検知用の光線の発光部７と検知用の光線の受光部８との間で、赤色（Ｒ）用のＬＥＤ１１から赤色（Ｒ）光受光用の光電管１９だけへ光ビームが入射し、青色（Ｂ）用のＬＥＤ１２から青色（Ｂ）光受光用の光電管２０だけへ光ビームが入射し、緑色（Ｇ）用のＬＥＤ１３から緑色（Ｇ）光受光用の光電管２１だけへ光ビームが入射し、必要に応じて赤外線（ＩＲ）用のＬＥＤ１４から赤外線（ＩＲ）受光用の光電管２２だけへ光ビームが入射し、紫外線（ＵＶ）用のＬＥＤ１５から紫外線（ＵＶ）受光用の光電管２３だけへ光ビームが入射するように構成しても良い。

このように構成した場合には、ハーフミラー１６、ハーフミラー２４、分解フィルタ２５、２６、２７、２８、２９を省略して構成を簡素化できる。

図１に示すように、上述した内燃機関用の燃料性状判定システムでは、内燃機関１を運転するため燃料タンク２から燃料配管３を通じて内燃機関１へＧＴＬ等の液体燃料を供給する際、光学式検出装置５が検出した液体燃料の燃料性状の情報をＥＣＵ６へ送信する。

すると、ＥＣＵ６は、給油された液体燃料固有の燃料性状である密度、セタン価、発熱量等に基づいて、内燃機関１の冷間始動時、低負荷運転時、高負荷運転時等の各運転条件に対応した所望の運転状態に内燃機関１を制御し、適切な運転状態を実現する。

次に、上述した内燃機関用の燃料性状判定システムにおける、液体燃料の燃料性状の情報を判別するために行う着色の具体例について、図１により説明する。

この図１に示す液体燃料であるＧＴＬの着色例では、ＧＴＬの密度（ｇ／ｃｍ³）を赤色（Ｒ）で表示するように定める。

これと共にＧＴＬでは、種類が異なっても密度の分布の範囲が０．７（ｇ／ｃｍ³）から０．９（ｇ／ｃｍ³）に納まる場合に、密度の分布を１０段階に等分し、これを１０段階の赤色（Ｒ）の濃さ（光電管から出力された電圧レベル）として設定する。

これにより光学式検出装置５は、赤色（Ｒ）光受光用の光電管１９の出力の度合いによって、この内燃機関１に供給されたＧＴＬの密度を検知できる。

また、図１に示すＧＴＬの着色例では、ＧＴＬのセタン価を青色（Ｂ）で表示するように定める。

これと共にＧＴＬでは、種類が異なってもセタン価の分布の範囲が４２から９０に納まる場合に、セタン価の分布を１０段階に等分し、これを１０段階の青色（Ｂ）の濃さ（光電管から出力された電圧レベル）として設定する。

これにより光学式検出装置５は、青色（Ｂ）光受光用の光電管２０の出力の度合いによって、このＧＴＬのセタン価を検知できる。

さらに図１に示すＧＴＬの着色例では、ＧＴＬの発熱量（Ｍｊ／Ｋｇ）を緑色（Ｇ）で表示するように定める。

これと共にＧＴＬでは、種類が異なっても発熱量の分布の範囲が３８（Ｍｊ／Ｋｇ）から４８（Ｍｊ／Ｋｇ）に納まる場合に、発熱量の分布を１０段階に等分し、これを１０段階の緑色（Ｇ）の濃さ（光電管から出力された電圧レベル）として設定する。

これにより光学式検出装置５は、緑色（Ｇ）光受光用の光電管２１の出力の度合いによって、この内燃機関１に供給されたＧＴＬの発熱量の度合いを検知できる。

また、この内燃機関用の燃料性状判定システムでは、液体燃料の燃料性状を示す動粘度、イオウ濃度、酸素含有割合、Ｔ９０（９パーセント蒸留温度）、Ｈ／Ｃ（水素元素と炭素元素の数量の比）等から選択した所要のものを、光学式検出装置５に設けた、赤外線（ＩＲ）受光用の光電管２２の出力と、紫外線（ＵＶ）受光用の光電管２３の出力とに対応させるように構成することができる。

さらに、この内燃機関用の燃料性状判定システムでは、液体燃料の燃料性状である、密度、セタン価、発熱量、動粘度、イオウ濃度、酸素含有割合、いわゆるＰ９０、いわゆるＨ／ＣＰ等の内から所要複数を選択して、各度合いを、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、赤外線（ＩＲ）又は紫外線（ＵＶ）の内から選択した所要のものの濃度に対応させて構成することができる。

この内燃機関用の燃料性状判定システムでは、着色済みの複数の液体燃料が混合したときに着色剤が混ざって明度が低下する場合に、検知用の光線の受光部８における赤色（Ｒ）光受光用の光電管１９、青色（Ｂ）光受光用の光電管２０及び緑色（Ｇ）光受光用の光電管２１の出力に対する総合的な判断から明度を検出するように構成し、検出した明度の値から混合状態の有無を検知可能に構成してもよい。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、その他種々の構成を採り得ることは勿論である。

本発明の内燃機関用の燃料性状判定システムの実施の形態に係る、液体燃料の燃料性状を特定するための着色例を示す説明図である。 本発明の内燃機関用の燃料性状判定システムの実施の形態に係る、光学式検出装置を備えた内燃機関の要部を示す模式図である。 本発明の内燃機関用の燃料性状判定システムの実施の形態に係る、光学式検出装置部分を取り出して示す概略構成図である。 本発明の内燃機関用の燃料性状判定システムの実施の形態に係る、光学式検出装置の内部に配置した発光部と受光部との部分を取り出して示す概略構成図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 燃料タンク
３ 燃料配管
５ 光学式検出装置
６ ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）
７ 検知用の光線の発光部
８ 検知用の光線の受光部
１１ 赤色（Ｒ）用のＬＥＤ
１２ 青色（Ｂ）用のＬＥＤ
１３ 緑色（Ｇ）用のＬＥＤ
１４ 赤外線（ＩＲ）用のＬＥＤ
１５ 紫外線（ＵＶ）用のＬＥＤ
１９ 赤色（Ｒ）光受光用の光電管
２０ 青色（Ｂ）光受光用の光電管
２１ 緑色（Ｇ）光受光用の光電管
２２ 赤外線（ＩＲ）受光用の光電管
２３ 紫外線（ＵＶ）受光用の光電管

Claims (4)

1. 内燃機関用の液体燃料の複数の燃料性状それぞれの情報を検出する内燃機関用の燃料性状判定システムにおいて、
   各燃料性状に対応しかつ対応する燃料性状が異なると吸収する光の波長が異なる色の染料が、対応する燃料性状の情報に対応した量添加されて着色された内燃機関用の液体燃料の供給を受けて、
   前記着色された前記液体燃料の着色状態を検出する光学式検出装置と、
   前記光学式検出装置で検出した前記液体燃料の着色状態から前記液体燃料の前記複数の燃料性状それぞれの情報を判定する判断手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関用の燃料性状判定システム。
2. 前記液体燃料における前記複数の燃料性状それぞれの情報を特定するための前記染料として、基本３原色の内の少なくとも２色の染料を設定し、かつ、
   前記液体燃料は、各染料の前記液体燃料中の濃度が、各染料が対応する前記燃料性状の前記情報としての度合いとして設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関用の燃料性状判定システム。
3. 前記液体燃料における前記燃料性状それぞれの情報を特定するための前記染料として、少なくとも赤外線又は紫外線を吸収する染料を設定していることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用の燃料性状判定システム。
4. 前記光学式検出装置が、
   検知用の光線を着色された前記液体燃料を透過させるように出射する発光部と、
   着色された前記液体燃料を透過させた前記検知用の光線を受光し、前記燃料性状それぞれに対応する色ごとに光の成分及び強度を検出する受光部と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用の燃料性状判定システム。

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