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公開番号2024042444
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-28
出願番号2022147169
出願日2022-09-15
発明の名称内燃機機関・内部残留燃料量算出システム、内燃機機関の内部残留燃料量を算出する演算装置、及び内燃機機関の内部残留燃料量算出方法
出願人株式会社エー・アンド・デイ
代理人個人,個人,個人
主分類F02D 45/00 20060101AFI20240321BHJP(燃焼機関;熱ガスまたは燃焼生成物を利用する機関設備)
要約【課題】内燃機関のサイクルあたりの内部残留燃料量を算出すること。
【解決手段】内燃機関・内部残留燃料量算出システムWであって、排ガスのサイクル毎のTHC濃度、CО濃度及びCО₂濃度を計測する高応答分析計24と、演算装置100とを有し、演算装置100は、内燃機関に過渡パターンの運転動作をさせている最中に高応答分析計24が計測したサイクル毎のTHC濃度、CО濃度及びCО₂濃度を取得し、取得した計測値を用いて、ファイアリング運転の後の定常モータリング運転をしている際のCО濃度及びCО₂濃度の減衰率を算出し、サイクル毎のTHC濃度及び減衰率を用いて、内燃機関の内部に未燃燃料成分が付着も蒸発をしないと仮定した場合のサイクル毎のTHC予測濃度を求め、サイクル毎のTHC濃度及びTHC予測濃度からサイクル毎の蒸発THC濃度を算出する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
内燃機関試験装置に設置された内燃機関の内部残留燃料量を算出する内燃機関・内部燃料量出システムであって、
前記内燃機関の排気管に接続され該排気管に排出される排ガスのサイクル毎のＴＨＣ濃度、ＣО濃度及びＣО
２
濃度を計測する高応答分析計と、
前記内燃機関の内部残留燃料量を算出する演算装置とを有し、
前記演算装置は、
前記内燃機関試験装置が前記内燃機関に燃料を燃焼させない定常モータリング運転をさせ、次に、該内燃機関に所定サイクル数だけ燃料を噴射し燃焼させるファイアリング運転をさせ、その後、内燃機関に前記定常モータリング運転させる過渡パターンの運転動作をさせている最中に、前記高応答分析計が計測したサイクル毎のＴＨＣ濃度、ＣО濃度及びＣО
２
濃度を取得し、
前記取得したサイクル毎のＣО濃度及びＣО
２
濃度を用いて、前記ファイアリング運転の後の定常モータリング運転をしている際のＣО濃度及びＣО
２
濃度の減衰率を算出し、前記取得したサイクル毎のＴＨＣ濃度及び前記減衰率を用いて、前記内燃機関の内部に未燃燃料成分が付着も蒸発をしないと仮定した場合の前記ファイアリング運転の後の定常モータリング運転をしている際のサイクル毎のＴＨＣ予測濃度を求め、サイクル毎の前記ＴＨＣ濃度と、サイクル毎のＴＨＣ予測濃度との差分から前記内燃機関の内部に付着した未燃燃料成分から蒸発したサイクル毎の蒸発ＴＨＣ濃度を算出することを特徴とする内燃機関・内部残留燃料量算出システム。
続きを表示（約 3,000 文字）【請求項２】
前記演算装置は、
前記ファイアリング運転から前記定常モータリング運転への切り替えの際に計測されたサイクル毎のＣО濃度及びＣО
２
濃度の合計値、及び前記ファイアリング運転の後に行った前記定常モータリング運転をしている最中に計測したサイクル毎のＣО濃度及びＣО
２
濃度の合計値から前記減衰率を算出し、
前記ファイアリング運転から前記定常モータリング運転への切り替えの際に計測されたＴＨＣ濃度、及び前記ファイアリング運転の後に行った前記定常モータリング運転をしている最中に計測したサイクル毎のＴＨＣ濃度と前記減衰率からサイクル毎の前記ＴＨＣ予測濃度を求めることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関・内部残留燃料量算出システム。
【請求項３】
前記演算装置は、前記算出したサイクル毎の蒸発ＴＨＣ濃度が０に漸近するまでの期間の該蒸発ＴＨＣ濃度を重量換算して総和し、この総和が前記燃料の噴射停止時点のＴＨＣ蓄積分の重量である蓄積ＴＨＣ重量になっていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関・内部残留燃料量算出システム。
【請求項４】
前記内燃機関の吸気管に流入されるサイクル毎の吸気流量を計測する高応答流量計を有し、
前記演算装置は、
排気分子量、Ｃ原子の分子量及び燃料中のＣ原子質量組成比を記憶しており、
前記内燃機関を前記過渡パターンの運転動作をさせている最中に、前記高応答流量計が計測したサイクル毎の吸気流量を取得し、
前記算出したサイクル毎の蒸発ＴＨＣ濃度と、前記取得したサイクル毎の吸気流量と、前記排気分子量と、前記Ｃ原子の分子量と、前記燃料中のＣ原子質量組成比とを用いて、サイクル毎の蒸発ＴＨＣ重量を算出することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関・内部残留燃料量算出システム。
【請求項５】
前記内燃機関試験装置は、前記内燃機関に前記ファイアリング運転のサイクル数が異なる、複数通りの前記過渡パターンの運転動作をさせ、該運転動作をさせている最中に、前記高応答分析計にサイクル毎のＴＨＣ濃度、ＣО濃度及びＣО
２
濃度を計測させるとともに前記高応答流量計にサイクル毎の吸気流量を計測させ、
前記演算装置は、
前記複数通りの前記過渡パターンの運転動作をさせている最中に前記高応答分析計が計測したサイクル毎のＴＨＣ濃度、ＣО濃度及びＣО
２
濃度を取得するとともに、前記高応答流量計が計測したサイクル毎の吸気流量を取得し、
前記取得した各計測値及び前記記憶している排気分子量、Ｃ原子の分子量及び燃料中のＣ原子質量組成比を用いて、前記複数通りの前記過渡パターンの運転動作毎に、それぞれのファイアリング運転のサイクル数のときの蒸発ＴＨＣ重量を算出し、
前記取得した各計測値を用いて、前記複数通りの前記過渡パターンの運転動作毎に、それぞれのファイアリング運転のサイクル数のときの蓄積ＴＨＣ重量を算出し、
前記ファイアリング運転のサイクル数と前記算出した蒸発ＴＨＣ重量との関係を示す情報、及び、前記ファイアリング運転のサイクル数と前記算出した蓄積ＴＨＣ重量との関係を示す情報を生成し、これらの情報から燃焼に寄与せずに前記内燃機関の内部の壁面に付着して液膜を形成するサイクル毎の付着ＴＨＣ重量を算出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関・内部残留燃料量算出システム。
【請求項６】
前記内燃機関に投入するサイクル毎の燃料噴射量を計測する燃料流量計を有し、
前記演算装置は、前記内燃機関が前記過渡パターンの運転動作をしている最中に、前記燃料流量計が計測したサイクル毎の燃料噴射量を取得し、前記算出したサイクル毎の蒸発ＴＨＣ重量及び付着ＴＨＣ重量と、前記取得したサイクル毎の燃料噴射量及び空気流入量とを用いて、サイクル毎の実効空燃比の推定値を算出することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関・内部残留燃料量算出システム。
【請求項７】
内燃機関の内部残留燃料量を算出する演算装置であって、
前記内燃機関に燃料を燃焼させない定常モータリング運転をさせ、次に、該内燃機関に所定サイクル数だけ燃料を噴射し燃焼させるファイアリング運転をさせ、その後、内燃機関に前記定常モータリング運転させる過渡パターンの運転動作をさせている最中に、前記内燃機関の排気管を流れる排ガスのサイクル毎のＴＨＣ濃度、ＣО濃度及びＣО
２
濃度を計測した計測値の入力を受け付けるデータ取得部と、
前記受け付けたサイクル毎のＣО濃度及びＣО
２
濃度を用いて、前記ファイアリング運転の後の定常モータリング運転をしている際のＣО濃度及びＣО
２
濃度の減衰率を算出し、前記取得したサイクル毎のＴＨＣ濃度及び前記減衰率を用いて、前記内燃機関の内部に未燃燃料成分が付着も蒸発をしないと仮定した場合の前記ファイアリング運転の後の定常モータリング運転をしている際のサイクル毎のＴＨＣ予測濃度を求め、サイクル毎の前記ＴＨＣ濃度と、サイクル毎のＴＨＣ予測濃度との差分から前記内燃機関の内部に付着した未燃燃料成分から蒸発したサイクル毎の蒸発ＴＨＣ濃度を算出する残留燃料量算出部とを有していることを特徴とする内燃機関の内部残留燃料量を算出する演算装置。
【請求項８】
内燃機関の内部残留燃料量算出方法であって、
内燃機関試験装置に設置された内燃機関の排気管には、排ガスのサイクル毎のＴＨＣ濃度、ＣО濃度及びＣО
２
濃度を計測する高応答分析計が設置されており、
前記内燃機関試験装置により、前記内燃機関に燃料を燃焼させない定常モータリング運転をさせ、次に、該内燃機関に所定サイクル数だけ燃料を噴射し燃焼させるファイアリング運転をさせ、その後、内燃機関に前記定常モータリング運転させる過渡パターンの運転動作をさせている最中に、前記高応答分析計に前記排気管の排ガスのサイクル毎のＴＨＣ濃度、ＣО濃度及びＣО
２
濃度を計測させるステップと、
演算装置に、前記高応答分析計が計測した排ガスのサイクル毎のＴＨＣ濃度、ＣО濃度及びＣО
２
濃度を取得させ、該取得させたサイクル毎のＣО濃度及びＣО
２
濃度を用いて、前記ファイアリング運転の後の定常モータリング運転をしている際のＣО濃度及びＣО
２
濃度の減衰率を算出させ、前記取得したサイクル毎のＴＨＣ濃度及び前記減衰率を用いて、前記内燃機関の内部に未燃燃料成分が付着も蒸発をしないと仮定した場合の前記ファイアリング運転の後の定常モータリング運転をしている際のサイクル毎のＴＨＣ予測濃度を求め、サイクル毎の前記ＴＨＣ濃度と、サイクル毎のＴＨＣ予測濃度との差分から前記内燃機関の内部に付着した未燃燃料成分から蒸発したサイクル毎の蒸発ＴＨＣ濃度を算出させるステップと、を有することを特徴とする内燃機関の内部残留燃料量算出方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン等の内燃機関の内部残留燃料量を算出する内燃機関・内部残留燃料量算出システム、内燃機関の内部残留燃料量を算出する演算装置、及び内燃機関の内部残留燃料量算出方法に関する。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、エンジンの筒内の残留燃料量を計測する筒内残留燃料量計測システムが開示されている。特許文献１に記載の筒内残留燃料量計測システムでは、以下の手順で筒内残留燃料量を算出している。この筒内残留燃料量計測システムでは、先ず、所定状態になるまでエンジンを運転させた後、燃料噴射を停止させてモーターリング状態にする。次に、筒内残留燃料量計測システムは、モーターリング状態において、排気工程を繰り返し、各排気工程に同期して筒内ガスをサンプリング抽出し、抽出したガスからＨＣ濃度を求め、ＨＣ濃度と排ガス流量から当該排気工程の燃料量を算出するようになっている。また、筒内残留燃料量計測システムは、各排気工程において、ＨＣ濃度が大気と同じレベルであるか否かを判定し、ＨＣ濃度が大気と同じレベルになると、排気工程を止めて、これまでの各排気工程で算出した燃料量を合計し、合計した値を、筒内残留燃料量としている。
【０００３】
なお、特許文献１に記載の発明では、白煙の量が排出される未燃焼燃料の量と高い相関関係を有している点に着目し、白煙の量を示す指標として、エンジンの筒内残留燃料量を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開平１０－１８４４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図９に示すように、ガソリンエンジンなどの内燃機関では、噴射された燃料が全て即座に気化して燃焼するわけではなく、一部は壁面に付着して液膜として残り、燃焼に寄与しないものがある。一方、液膜として壁面に付着した燃料が、サイクルが進むごとに蒸発していき、それが後の各サイクルにおいて燃焼に寄与してしまう。
このことは、例えば、内燃機関の加速時のトルクの応答遅れや、始動時のＣО、ＨＣ排出増の原因になる。特に内燃機関が低温状態にある冷間始動時においては、エミッション性能に重大な影響を及ぼす。すなわち、現状の内燃機関は、冷間始動時等において、吸気ポートや筒内に残る未燃残留燃料の影響により、加速時のトルクの応答遅れが生じたり、エミッション性能に重大な影響を及ぼすという課題を有している。
【０００６】
本願発明者は、上記課題について研究を重ねているなかで、内燃機関の内部（内燃機関の筒内に限らず、吸気ポート壁面も含む）に付着している残留未燃燃料の量、内燃機関の内部のサイクルあたりの燃料付着量及び蒸発量を把握できれば、冷間始動を始めとする過渡燃焼を最適に制御でき、エミッションを大きく改善させられることができ、上記の課題を解決できることを着想した。
なお、上述した特許文献１に記載の発明は、エンジンを停止させた状態において、エンジン内の残留燃料量を算出しているものであり、エンジンのサイクル毎の燃料付着量及び蒸発量を算出するものではない。そもそも、特許文献１に記載の発明は、白煙の量を示す指標を算出するものであり、冷間始動を始めとする過渡運転の際の燃焼を最適に制御するという技術では無い。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、内燃機関のサイクルあたりの内部残留燃料量を算出する内燃機関・内部残留燃料量算出システム、内燃機関のサイクルあたりの内部残留燃料量算出する演算装置、及び内燃機関のサイクルあたりの内部残留燃料量算出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明は、内燃機関試験装置に設置された内燃機関の内部残留燃料量を算出する内燃機関・内部燃料量出システムであって、前記内燃機関の排気管に接続され該排気管に排出される排ガスのサイクル毎のＴＨＣ濃度、ＣО濃度及びＣО
２
濃度を計測する高応答分析計と、前記内燃機関の内部残留燃料量を算出する演算装置とを有し、前記演算装置は、前記内燃機関試験装置が前記内燃機関に燃料を燃焼させない定常モータリング運転をさせ、次に、該内燃機関に所定サイクル数だけ燃料を噴射し燃焼させるファイアリング運転をさせ、その後、内燃機関に前記定常モータリング運転させる過渡パターンの運転動作をさせている最中に、前記高応答分析計が計測したサイクル毎のＴＨＣ濃度、ＣО濃度及びＣО
２
濃度を取得し、前記取得したサイクル毎のＣО濃度及びＣО
２
濃度を用いて、前記ファイアリング運転の後の定常モータリング運転をしている際のＣО濃度及びＣО
２
濃度の減衰率を算出し、前記取得したサイクル毎のＴＨＣ濃度及び前記減衰率を用いて、前記内燃機関の内部に未燃燃料成分が付着も蒸発をしないと仮定した場合の前記ファイアリング運転の後の定常モータリング運転をしている際のサイクル毎のＴＨＣ予測濃度を求め、サイクル毎の前記ＴＨＣ濃度と、サイクル毎のＴＨＣ予測濃度との差分から前記内燃機関の内部に付着した未燃燃料成分から蒸発したサイクル毎の蒸発ＴＨＣ濃度を算出することを特徴とする。
【０００９】
また、前記演算装置は、前記ファイアリング運転から前記定常モータリング運転への切り替えの際に計測されたサイクル毎のＣО濃度及びＣО
２
濃度の合計値、及び前記ファイアリング運転の後に行った前記定常モータリング運転をしている最中に計測したサイクル毎のＣО濃度及びＣО
２
濃度の合計値から前記減衰率を算出し、前記ファイアリング運転から前記定常モータリング運転への切り替えの際に計測されたＴＨＣ濃度、及び前記ファイアリング運転の後に行った前記定常モータリング運転をしている最中に計測したサイクル毎のＴＨＣ濃度と前記減衰率からサイクル毎の前記ＴＨＣ予測濃度を求めることが望ましい。
【００１０】
上記のように構成しているのは、以下の理由による。
ファイアリング運転後の定常モータリング運転をしている際のサイクル毎のＣО濃度及びＣО
２
濃度は、サイクルが進むにしたがい、各サイクルの吸入新気によって一定割合ずつ希釈される。
一方、ＴＨＣ（未燃燃料成分）は、内燃機関の内部（内燃機関の筒内に限らず、吸気ポート壁面も含む）の壁面に液膜として付着した状態で残存しており、サイクルが進むにしたがい、付着している液膜から蒸発してくる。すなわち、ファイアリング運転後の定常モータリング運転をしている際のサイクル毎のＴＨＣ濃度の計測値には、付着した液膜からの蒸発分が含まれている。
本願発明者は、このＴＨＣ（未燃燃料成分）が、仮に内燃機関の内部に付着も蒸発もしないとすると、ファイアリング運転後に行う定常モータリング運転をしている際に、ＴＨＣ濃度が、ＣО濃度及びＣО
２
濃度と同じ推移で減衰することを着想した。
そこで、本発明の内燃機関・内部残留燃料量算出システムでは、ファイアリング運転の後に行う定常モータリング運転をしている際のサイクル毎のＣО濃度及びＣО
２
濃度の減衰率を算出し、サイクル毎のＴＨＣ濃度（測定値）及び減衰率を用いて、内燃機関の内部に付着も蒸発をしない場合のＴＨＣ濃度の予測値（ＴＨＣ予測濃度）を求め、サイクル毎のＴＨＣ濃度の計測値とＴＨＣ予測濃度の差分から、内燃機関の内部に付着した未燃燃料成分から蒸発したサイクル毎の蒸発ＴＨＣ濃度を算出する構成を採用した。
すなわち、本発明を用いることにより、例えば、サイクル毎に内燃機関の蒸発ＴＨＣ濃度を考慮した上で、最適な燃料噴射量の予測制御をすることができる。また、最適な燃料噴射量の予測制御ができれば、燃費や排ガスの改善が期待できる。また、最適な燃料噴射量の予測制御ができれば、例えば、内燃機関の性能試験において、内燃機関の種々の解析に活用することもできる。
（【００１１】以降は省略されています）

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