JP5360999B2 - バイオ燃料特定装置及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、バイオ燃料特定装置及び制御装置に関する。

近年、サトウキビ、とうもろこし、小麦、パーム椰子、菜種、ひまわり種、ココナッツ、大豆等の植物資源からなるバイオマス原料は、化石燃料の代替燃料としての利用が期待されている。

特に、自動車産業においては、再生可能なエネルギーであるバイオマス燃料（以下、バイオ燃料という）は、二酸化炭素（ＣＯ_２）の発生量を抑制する効果があるうえ、廃棄物としてのバイオマスを有効利用できることから、地球温暖化対策の一つとして、その利用が拡大される傾向にある。

しかし、バイオ燃料は空気中の酸素によって酸化され易く、燃料タンク内の酸素で酸化されて、酸化劣化してしまうといったおそれがある。特に、パーム椰子、菜種、ひまわり種、ココナッツ、大豆等を原料とする脂肪酸メチルエステル（ＦＡＭＥ）などのバイオ燃料（バイオディーゼル燃料）は、酸化が起こると有機酸を生成し、燃料供給系統の金属腐食や目詰まりを引き起こす等のおそれがある。

例えば、軽油にバイオ燃料を混合したバイオ燃料混合軽油を使用した場合に、そのバイオ燃料濃度（軽油へのバイオ燃料の混合割合）が高い場合には酸化劣化し易くなるため、ディーゼル車両の燃料供給系部品の金属、ゴム材をアタックしてデポジットの要因になる物質を生成し易くなり、精密加工を施したインジェクタや燃料フィルタ等を閉塞し、車両性能・運転性・排気性能等を低下させるというおそれがある。

このようなことから、特許文献１では、燃料タンク内を窒素で満たすことでバイオ燃料の酸化劣化を防止するようにした装置が提案されている。

特開２００８−２８６０３３号公報

しかし、特許文献１に記載の装置によれば、ある程度の酸化劣化を防止することができるが、本発明者が行った種々の検討・実験によれば、バイオ燃料混合軽油をディーゼル機関の燃料に利用する場合には、以下のような別の新たな事情を考慮する必要があることが確認された。

すなわち、バイオ燃料は、軽油に比べて発熱量が小さいため、軽油に混合されたバイオ燃料の割合が所定以上大きくなると同一燃料供給量であっても出力が小さくなるため、運転特性延いてはエンジンに悪影響を及ぼすおそれがある。

また、ディーゼル機関においては、排気中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質＝主に黒煙（スス）、ＳＯＦと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分を含む）を捕集して大気中への放出を抑制するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ：のフィルタ）を介装することが行われているが、捕集したＰＭによりディーゼルパティキュレートフィルタが目詰まりして、排気抵抗が所定以上に大きくならないように、例えば、所定の運転時間が経過した場合や、所定の排圧に至った場合に、この捕集したＰＭを燃焼（酸化）除去してディーゼルパティキュレートフィルタを再生する必要がある。

ディーゼルパティキュレートフィルタの再生の際には、排気温度を上昇させて効率良くＰＭを燃焼させることができるように、例えば、エンジン側を制御して、いわゆる燃料ポスト噴射（１回の燃焼のうち、メイン噴射後に行う噴射で、筒内で燃焼させずに排気と共に未燃の炭化水素ＨＣをディーゼルパティキュレートフィルタに供給することを狙った燃料噴射）を行わせることで、未燃の炭化水素を排気と共にディーゼルパティキュレートフィルタに供給してディーゼルパティキュレートフィルタに担持されている触媒上で反応させ、その反応熱を利用してＰＭを効率良く燃焼（酸化）させることなどが行われている。

しかし、このポスト噴射により噴射された燃料は、燃焼せずにそのまま燃焼室壁面に到達して付着することになるため、このような燃料によってシリンダ壁面に付着している潤滑油は希釈されることになる。

ここで、バイオ燃料は軽油に比べて揮発し難い性質があるため、軽油に混合されたバイオ燃料の割合が所定以上大きい場合にはバイオ燃料の潤滑油への希釈量も多くなるため、潤滑油の機能が低下してエンジンに大きなダメージを与えてしまうといったおそれもある。

このようなことから、軽油に混合されるバイオ燃料の割合（混合率とも称する）は所定に制限されることが求められる。

しかしながら、これまでの実情としては、軽油に対するバイオ燃料の混合率は、ブレンド業者しか知り得ないものであった。

また、通常の軽油と略同等に取り扱える混合率は法規制上も現状では５％までであり、それを超えるような混合率のバイオ燃料混合軽油の使用に対して注意を喚起すべく、実際の混合率を検出して、例えばユーザーに警告を発したり、更にはエンジン制御等を介して上述したような各種の悪影響からエンジンを保護することなども考えられる。

更に、混合されているバイオ燃料の種類によって発熱量や酸化劣化特性などが異なるため、混合されているバイオ燃料の種類を特定することも望まれる。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたものであり、比較的簡単かつ安価な構成でありながら、バイオ燃料混合軽油におけるバイオ燃料の混合率（バイオ燃料混合率）や種類を特定することができるバイオ燃料特定装置を提供することを目的とする。また、特定された内容に基づいて内燃機関等の運転を制御する制御装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係るバイオ燃料特定装置は、
燃焼装置に供給される燃料中の酸素濃度を検出する燃料中酸素濃度検出手段と、
１行程当りの燃料による発熱量を取得する発熱量取得手段と、
を備え、
燃料中の酸素濃度と、少なくとも１種類のバイオ燃料の軽油に対する混合率と、の関係と、
燃料の発熱量と、少なくとも１種類のバイオ燃料の軽油に対する混合率と、の関係と、
に基づいて、
検出された燃料中酸素濃度に基づくバイオ燃料種に応じた混合率と、取得された燃料の発熱量に基づくバイオ燃料種に応じた混合率と、を比較して、両混合率が略一致するバイオ燃料種を、使用中のバイオ燃料種として特定すると共に、その混合率をバイオ燃料混合軽油におけるバイオ燃料の混合率として特定することを特徴とする。

本発明において、前記燃料の発熱量は、質量当りの発熱量であることを特徴とすることができる。

本発明において、前記発熱量は、燃焼室内圧力に基づき取得されることを特徴とすることができる。

本発明に係る制御装置は、本発明のバイオ燃料特定装置により特定された内容に基づいて、パティキュレートフィルター再生の際の燃料のポスト噴射を制限或いは禁止することを特徴とする。

本発明によれば、比較的簡単かつ安価な構成でありながら、バイオ燃料混合軽油におけるバイオ燃料の混合率（バイオ燃料混合率）や種類を特定することができるバイオ燃料特定装置を提供することができる。

また、本発明によれば、特定された内容に基づいて内燃機関の運転を制御にするようにしたので、例えば、パティキュレートフィルター再生の際のポスト噴射における（噴射量、噴射回数など）に制限を加える、或いはポスト噴射を禁止するような制御を行うことで、バイオ燃料の混合率が所定以上である場合における悪影響から内燃機関を保護することなどが可能となる。

本発明の一実施の形態に係るバイオ燃料特定装置を備えた内燃機関１の全体構成を概略的に示した図である。 同上実施の形態に係るバイオ燃料特定装置が実行するバイオ燃料特定制御を説明するためのフローチャートの一例である。 同上実施の形態に係るバイオ燃料特定装置が実行するバイオ燃料特定制御において利用されるテーブル及びそのルックアップ方法を説明するための図である。 バイオ燃料種（ＦＡＭＥ種）による性状（密度、発熱量、酸素含有率（酸素濃度））の相違を例示した図である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施の形態に係るバイオ燃料特定装置を備えた内燃機関の概略構成を示している。
内燃機関１は、コモンレール方式の燃料噴射装置及びターボチャージャ式過給機を備えたディーゼル機関を例として説明する。この内燃機関１の燃料噴射装置は、図示しないＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：エンジンコントロールユニット）により、運転状態（回転速度や負荷など）に応じて燃料噴射タイミングや燃料噴射率などが制御可能となっている。

燃料（ここでは、例えば所定の混合率でバイオ燃料が混合された軽油（バイオ燃料混合軽油））が貯留される燃料タンク１０には内燃機関１のコモンレール式燃料噴射装置へ燃料を供給するための燃料供給通路１１が接続されると共に、この燃料供給通路１１には燃料タンク１０から燃料を吸い上げて内燃機関１のコモンレール式燃料噴射装置へ燃料を圧送供給するための燃料ポンプ１２が介装されている。なお、コモンレール式燃料噴射装置は、燃料ポンプ１２から供給された高圧燃料をコモンレール内に所定圧力に蓄圧し、各燃料噴射弁に分配する。各燃料噴射弁は、電磁開閉弁を含んで構成され、内燃機関１の各燃焼室内に所定のタイミングで所定期間、燃料を噴射供給するようになっている。

ここで、本実施の形態においては、燃料供給通路１１に、燃料供給通路１１内の燃料の密度を計測する燃料密度センサ２０が介装されると共に、燃料中の酸素濃度を計測する燃料中酸素濃度センサ３０が介装されている。また、燃料供給通路１１には燃料の温度を計測する燃料温度センサ４０も介装されている。

なお、燃料密度センサ２０、燃料中酸素濃度センサ３０、燃料温度センサ４０は、公知で入手容易なものを利用することができる。燃料中酸素濃度センサ３０の一例としては、例えば、Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ社製のＮｅｏＦｏｘ（光学式酸素濃度測定システム）（参考ＵＲＬ：http://www.optosirius.co.jp/OceanOptics/products/neofox.html）などを利用することができる。

更に、本実施の形態では、内燃機関１の少なくとも１気筒に燃焼圧力を測定可能な燃焼圧力センサ（筒内圧センサ）５０が取り付けられている。なお、燃焼圧力センサ（筒内圧センサ）５０については、後述するが、例えばピエゾ式の圧力センサを用いることができる。

そして、このような構成を備えた本実施の形態の内燃機関では、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）により、以下のような制御が行われる。
ステップ（以下、Ｓと記す）１では、燃料密度センサ２０の出力に基づいて、燃料の密度を取得する。

Ｓ２では、燃料中酸素濃度センサ３０の出力に基づいて、燃料中の酸素濃度を取得する。

Ｓ３では、１気筒当たりの燃料噴射量（燃料供給量）（質量）を見積もる。例えば、Ｓ１において、光学式計測手法により燃料の密度を計測するような場合には、燃料温度センサ４０により取得された燃料温度に従って、計測した燃料密度に対して温度補償処理を施し、これに基づいて、燃料の体積供給量（体積噴射量）を質量供給量（質量噴射量）に換算することができる。

Ｓ４では、燃焼圧力センサ（筒内圧センサ）５０の出力及びクランク回転角度センサ６０の出力に基づいて、熱発生量を演算により取得することで、燃料の質量当たりの発熱量を推定する。
より詳細には、例えば、燃焼圧力センサ（筒内圧センサ）５０により筒内圧（シリンダ内圧力）Ｐの履歴をクランク回転角度情報と関連付けて取得する。クランク回転角度毎の筒内瞬時体積Ｖをクランク回転角度情報及びエンジン諸元などに基づいて求める。
そして、１サイクル（行程）当たりの仕事を算出する。
∫ＰｄＶを求め（筒内圧Ｐを瞬時体積Ｖにて圧縮・膨張行程の間で積分して求めることができる）、シリンダ壁面からの熱損失等Ｑｌｏｓｓを、Ｗｏｓｃｈｎｉの式等に従って推定（水温の関数になるので、ある程度データベースを持たせておく）により求める。
∫ＰｄＶ＋Ｑｌｏｓｓが、１サイクル当たりにおける燃料の燃焼による仕事＝燃料の総発熱量Ｑｆｕｅｌ（単位はＪ）である。
また、燃料噴射量から単位体積当たりの発熱量を求める。
例えば、コモンレール式の燃料噴射装置では開閉弁の作動時間で流量（噴射量）を管理しており、すなわち、1サイクル・1気筒当たりの燃料流量Ｖｆｕｅｌ（ｍｍ^３）は密度等が変わってもＥＣＵの指示流量から大きくは変わらない。
Ｑｆｕｅｌ／Ｖｆｕｅｌから、実際に使用している燃料の単位体積当たりの発熱量（Ｊ／ｍｍ^３）が求まる。
そして、Ｓ３で取得した内容に従って、燃料の体積供給量（体積噴射量）を質量供給量（質量噴射量）に換算して、燃料の質量当たりの発熱量を推定する。

Ｓ５では、Ｓ２にて取得した燃料中の酸素濃度と、Ｓ４にて取得した燃料発熱量と、に基づいて、使用しているバイオ燃料混合軽油に混合されているバイオ燃料の混合率と種類を特定する。

具体的には、例えば、以下のようにして特定する。
燃料中酸素濃度は、バイオ燃料（ＦＡＭＥ）の混合率の増加に応じて線形的に変化するといった特性があり、例えば軽油のみの場合には燃料中酸素濃度は０（ゼロ）で、バイオ燃料（ＦＡＭＥ）１００％では１０〜１４％まで線形的に増加するといった特性がある（例えば、図３（Ａ）等参照）。

また、燃料の総発熱量は、バイオ燃料（ＦＡＭＥ）の混合率の増加に応じて線形的に変化するといった特性があり、例えば軽油のみの場合は４２（ＭＪ／ｋｇ）程度であるのに対し、バイオ燃料（ＦＡＭＥ）１００％では３５〜３７（ＭＪ／ｋｇ）まで線形的に減少するといった特性がある（例えば、図３（Ｂ）等参照）。

この一方、バイオ燃料の原材料の種類によって酸素濃度と発熱量はそれぞれ固有であるため（図４参照）、バイオ燃料混合軽油の混合率（軽油に対するバイオ燃料の混合率）と、燃料中酸素濃度或いは燃料の発熱量と、の関係において、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、原材料の種類（ＦＡＭＥ種）毎に傾向の異なる検定線、すなわち原材料の種類（ＦＡＭＥ種）を特定可能な検定線が引けることになる。

そこで、本実施の形態では、取得した実際の燃料中酸素濃度に基づいて図３（Ａ）を参照することにより予測されるバイオ燃料混合軽油の混合率と、取得した実際の燃料熱発生量に基づいて図３（Ｂ）を参照することにより予測されるバイオ燃料混合軽油の混合率と、を比較して、両方の混合率が略一致するバイオ燃料の原材料の種類（ＦＡＭＥ種）を、図３（Ａ）、（Ｂ）から抽出する。

これにより、現在使用中のバイオ燃料混合軽油におけるバイオ燃料の混合率と、混合されているバイオ燃料の種類（ＦＡＭＥ種）と、が特定されることになる。

そして、Ｓ６において、例えば、軽油に混合されているバイオ燃料の種類や混合率をユーザに報知したり、ＥＣＵ内のメモリに記憶して修理やメンテナンス等の際に情報として作業者等に知らせることができるようにする。

また、所定以上に混合率が高い場合（例えば混合率５％を超えるような場合）には、例えば、コモンレール式の燃料噴射装置を制御して噴射タイミング、噴射率、噴射量などを変更し、発熱量の低下に伴う出力低下を補うような制御を行わせたり、燃料の交換をユーザに促したり、内燃機関１の出力に制限を加えて内燃機関１の保護を図るような制御を行わせることができる。

更に、所定以上に混合率が高い場合（例えば混合率５％を超えるような場合）には、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタの再生の際のポスト噴射（１回の燃焼のうち、メイン噴射後に行う噴射で、筒内で燃焼させずに排気と共に未燃の炭化水素ＨＣをディーゼルパティキュレートフィルタに供給することを狙った燃料噴射）によって、揮発し難いバイオ燃料が潤滑油を希釈して潤滑油の機能を低下させ内燃機関１に大きなダメージを与えてしまうことがないように、ポスト噴射における（噴射量、噴射回数など）に制限を加える、或いはポスト噴射を禁止するようにすることができる。

このように、本実施の形態によれば、
燃料中の酸素濃度と、バイオ燃料の原材料の種類（ＦＡＭＥ種）に応じたバイオ燃料の混合率と、の関係（図３（Ａ）参照）と、
燃料の発熱量と、バイオ燃料の原材料の種類（ＦＡＭＥ種）に応じたバイオ燃料の軽油に対する混合率と、の関係（図３（Ｂ）参照）と、
に基づいて、
実際に検出された燃料中酸素濃度に基づくバイオ燃料種に応じた混合率と、実際に取得された燃料の発熱量に基づくバイオ燃料種に応じた混合率と、を比較して、両混合率が略一致するバイオ燃料種を、使用中のバイオ燃料種（ＦＡＭＥ種）として特定すると共に、その混合率をバイオ燃料混合軽油におけるバイオ燃料の混合率として特定することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、現在使用しているバイオ燃料混合軽油が、当該特定された種類のバイオ燃料が前記略同一となった混合率で軽油に混合されたバイオ燃料混合軽油であることを知ることができる。

従って、本実施の形態によれば、比較的簡単かつ安価な構成としながら、バイオ燃料混合軽油におけるバイオ燃料の混合率（バイオ燃料混合率）や種類を特定することができるバイオ燃料特定装置を提供することができ、更には所定以上の混合率のバイオ燃料混合軽油の使用に対して、例えばユーザに警告を発して注意を喚起したり、内燃機関１の燃料供給制御等を介して各種の悪影響から内燃機関を保護することなどが可能となる。

なお、燃焼室に臨んで配設される燃焼圧力センサ（筒内圧センサ）５０としては、例えばピエゾ素子を用いた圧力センサを利用することができるが、例えば、ＢＥＲＵ ＡＧ社製の”Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｇｌｏｗ Ｐｌｕｇ（ＰＳＧ） ｆｏｒ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ”（参考ＵＲＬ：http://www.beru.com/english/produkte/psg.php）などを利用することができる。但し、これに限定されるものではなく、所定クランク回転角度毎に燃焼室内圧力を測定することができ、所定精度で熱発生量を算出することができるセンサであれば利用することができる。

ところで、Ｓ３における演算処理などにおいては、使用している軽油の性状が予め判明している場合にはユーザがデータ入力したり、予め設定されているマップから近いマップを選択するなどして演算処理に用いる軽油の性状データを付与することができる。また、使用している軽油の性状が不明である場合には市場における平均的なデータを用いて、Ｓ３における演算処理を実行させるようにすることができる。

本実施の形態では、燃料としてバイオ燃料混合軽油を使用したが、本発明は、これに限定されるものではなく、バイオ燃料単体の場合やバイオ燃料を含む他の燃料（例えば、バイオ燃料混合ガソリン等）にも適用可能である。

また、内燃機関１はディーゼル機関に限定されるものではなく、例えば、ガソリンエンジンその他の内燃機関の他、外燃機関とすることもでき、燃焼方式に拘わらず、あらゆる移動式・定置式の燃焼装置に本発明は適用可能である。

本実施の形態では、燃料の体積供給量（体積噴射量）を質量供給量（質量噴射量）に換算することで、バイオ燃料の特定精度を高めた例について説明したが、使用状況や要求精度などによっては、燃料の体積供給量（体積噴射量）を用いてバイオ燃料を特定するようにすることもできる。

本発明は、上述した発明の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内において、種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明に係るバイオ燃料特定装置は、比較的簡単かつ安価な構成でありながら、バイオ燃料混合軽油におけるバイオ燃料の混合率や種類を特定することができ有益である。

１ 内燃機関
１０ 燃料タンク
１１ 燃料供給通路
１２ 燃料ポンプ
２０ 燃料密度センサ
３０ 燃料中酸素濃度センサ（燃料中酸素濃度検出手段の一部を構成）
４０ 燃料温度センサ
５０ 燃焼圧力センサ（筒内圧センサ）（発熱量取得手段の一部を構成）
６０ クランク回転角度センサ（発熱量取得手段の一部を構成）

Claims (4)

1. 燃焼装置に供給される燃料中の酸素濃度を検出する燃料中酸素濃度検出手段と、
   １行程当りの燃料による発熱量を取得する発熱量取得手段と、
   を備え、
   燃料中の酸素濃度と、少なくとも１種類のバイオ燃料の軽油に対する混合率と、の関係と、
   燃料の発熱量と、少なくとも１種類のバイオ燃料の軽油に対する混合率と、の関係と、
   に基づいて、
   検出された燃料中酸素濃度に基づくバイオ燃料種に応じた混合率と、取得された燃料の発熱量に基づくバイオ燃料種に応じた混合率と、を比較して、両混合率が略一致するバイオ燃料種を、使用中のバイオ燃料種として特定すると共に、その混合率をバイオ燃料混合軽油におけるバイオ燃料の混合率として特定することを特徴とするバイオ燃料特定装置。
2. 前記燃料の発熱量は、質量当りの発熱量であることを特徴とする請求項１に記載のバイオ燃料特定装置。
3. 前記発熱量は、燃焼室内圧力に基づき取得されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバイオ燃料特定装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１つに記載のバイオ燃料特定装置により特定された内容に基づいて、パティキュレートフィルター再生の際の燃料のポスト噴射を制限或いは禁止することを特徴とする制御装置。

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