JP2008121690A - 水素添加内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼の燃料としてガソリンと共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関において、ガソリンの性状等の要因が変化した場合であっても、燃焼状態を良好にすること。
【解決手段】燃焼の燃料として炭化水素燃料と共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関の制御装置であって、始動直後の機関回転数の低下量、始動直後の点火時期進角のフィードバック補正値、又は始動直後の炭化水素燃料の噴射量増大のフィードバック補正値を取得する手段と、その取得された値が所定値以上の場合に、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を増加させる添加割合増加手段と、を備える。これにより、筒内の燃焼状態が悪化している場合に、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を増加させることで、燃焼状態の悪化を抑止することができる。従って、エミッション、ドライバビリティを良好にすることが可能となる。
【選択図】図５

Description

この発明は、水素添加内燃機関の制御装置に関する。

燃料としてガソリンを用いる内燃機関では、ガソリンに加えてさらに水素ガスを供給することによって、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の更なる低減が可能となることが知られている。例えば、特開２００４−１１６３９８号公報には、ＮＯ_Ｘの排出量が少なくなるように水素添加割合を決定し、決定した割合に従ってガソリン、水素を噴射して内燃機関を運転する技術が記載されている。

特開２００４−１１６３９８号公報 特開平６−２００８０５号公報

しかしながら、上記従来の技術ではガソリンの性状を考慮していないため、ガソリンの性状が変動した場合は、筒内の燃焼が悪化することがある。特に冷間始動時にガソリンの性状が重質であると、筒内でのガソリンの霧化の度合いが低下するため、冷間ヘジテーションが発生し易くなり、加速のもたつき、機関停止などドライバビリティが悪化するという問題が生じる。また、ガソリンの性状に起因して燃焼状態が悪化すると、エミッションが悪化するという問題も生じる。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃焼の燃料としてガソリンと共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関において、ガソリンの性状等の要因が変化した場合であっても、燃焼状態を良好にすることを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃焼の燃料として炭化水素燃料と共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関の制御装置であって、
始動直後の機関回転数の低下量、始動直後の点火時期進角のフィードバック補正値、又は始動直後の炭化水素燃料の噴射量増大のフィードバック補正値を取得する手段と、
前記機関回転数の低下量、前記点火時期進角のフィードバック補正値、又は前記炭化水素燃料の噴射量増大のフィードバック補正値が所定値以上の場合に、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を増加させる添加割合増加手段と、
を備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、始動直後の機関回転数の低下量、点火時期進角のフィードバック補正値、又は前記炭化水素燃料の噴射量増大のフィードバック補正値が所定値以上の場合は、筒内の燃焼状態が悪化していると判断できるため、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を増加させることで、燃焼状態の悪化を抑止することができる。従って、エミッション、ドライバビリティを良好にすることが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素添加内燃機関１０を備えたシステムの構成を説明するための図である。内燃機関１０の筒内には、その内部を往復運動するピストン１２が設けられている。また、内燃機関１０は、シリンダヘッド１４を備えている。ピストン１２とシリンダヘッド１４との間には、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６には、吸気ポート１８および排気ポート２０が連通している。吸気ポート１８および排気ポート２０には、それぞれ吸気弁２２および排気弁２４が配置されている。

吸気ポート１８には、ポート内にガソリン（炭化水素燃料）を噴射するガソリン噴射弁２６が配置されている。また、吸気ポート１８には、ポート内に水素を噴射する水素燃料ポート噴射弁２８が配置されている。

ガソリン噴射弁２６には、ガソリン供給管３２を介してガソリンタンク３４が連通している。ガソリン供給管３２は、ガソリン噴射弁２６とガソリンタンク３４との間に、ポンプ３６を備えている。ポンプ３６は、ガソリン噴射弁２６に所定の圧力でガソリンを供給することができる。このため、ガソリン噴射弁２６は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量のガソリンを吸気ポート１８内に噴射することができる。

本実施形態のシステムは、気体状態にある水素を高圧で貯留するための水素タンク３８を備えている。水素タンク３８には、水素供給管４０が連通している。水素供給管４０は、水素燃料ポート噴射弁２８に連通している。尚、本実施形態のシステムでは、水素燃料ポート噴射弁２８に供給される水素燃料として、外部から水素タンク３８内に充填される水素ガスを使用しているが、これらの噴射弁に供給される水素燃料はこれに限定されるものではなく、車両上で生成、あるいは外部より供給される高濃度の水素を含む水素リッチガスを使用するものであってもよい。

水素供給管４０には、レギュレータ４４が配置されている。このような構成によれば、水素燃料ポート噴射弁２８には、レギュレータ４４により減圧された所定の圧力で、水素タンク３８内にある水素が供給される。このため、水素燃料ポート噴射弁２８は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の水素を吸気ポート１８内に噴射することができる。

また、水素供給管４０には、レギュレータ４４と水素燃料ポート噴射弁２８との間に、燃圧センサ４８が配置されている。燃圧センサ４８は、水素燃料ポート噴射弁２８に供給される水素の圧力に応じた出力を発するセンサである。本実施形態のシステムでは、燃圧センサ４８が発する出力に基づいてレギュレータ４４を制御することとしている。このため、水素タンク３８から供給される水素の圧力が変動する場合であっても、水素燃料ポート噴射弁２８に安定した圧力で水素を供給することができる。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述した燃圧センサ４８に加え、内燃機関１０の運転状態を把握すべく、ノッキングの発生を検知するKCSセンサや、スロットル開度、機関回転数、排気温度、冷却水温度、潤滑油温度、触媒床温度などを検出するための各種センサ（不図示）が接続されている。また、ＥＣＵ５０には、上述したガソリン噴射弁２６、水素燃料ポート噴射弁２８、ポンプ３６などのアクチュエータが接続されている。このような構成によれば、ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の運転状態に応じて、燃料噴射を実行する噴射弁を任意に選択することができる。

従って、内燃機関１０の運転状態に応じて水素燃料ポート噴射弁２８から水素を噴射することで、筒内（燃焼室１６内）の燃焼状態を良好にすることができ、ＮＯＸの排出量を低減させることができる。

ところで、ガソリンの性状にはバラツキがあり、ガソリンの性状は筒内の燃焼状態に影響を与える。特に、ガソリンの性状が重質の場合、ガソリン噴射弁２６から噴射されたガソリンが吸気ポート１８の壁面または筒内壁面に付着し易くなり、ガソリンの霧化の度合いが低下して燃焼状態が不安定になる場合がある。

このため、本実施形態のシステムでは、ガソリンの性状を判別し、ガソリンの性状が重質の場合は水素燃料ポート噴射弁２８からの水素の噴射量を増加するようにしている。これにより、ガソリンの性状が重質の場合であっても、燃焼状態を良好にすることが可能となる。

なお、ガソリンの性状に起因するエミッション、ドライバビリティの悪化は主として始動直後のファーストアイドル時に発生するため、水素ガスの増量はファーストアイドル時に行うことが好適であるが、ファーストアイドル時以降のアイドリング時、又は通常の運転時に水素ガスを増量することによっても重質燃料に起因する燃焼状態の悪化を抑えることができる。

ガソリンの性状判定は、例えば始動直後の機関回転数に基づいて行う。ガソリンの性状が重質の場合、通常の性状に比べて始動直後の機関回転数が低下する。従って、重質判定のためのしきい値を予め定めておき、始動直後の機関回転数がしきい値よりも低下した場合は、ガソリンの性状が重質であると判定する。

また、始動直後の機関回転数が低下した場合は、点火時期を進角させる制御、またはガソリンの噴射量を増大させる制御によってフィードバック補正が行われる。従って、点火時期の補正量、またはガソリン噴射量の補正量に基づいてガソリンの性状を判定しても良い。

ガソリンの性状が重質と判定された場合は、重質度合いに基づいて水素の添加量を決定する。このとき、冷却水温に応じて筒内の燃焼状態は変動するため、冷却水温を考慮に入れて水素の添加量を決定することが好適である。

次に、図２のフローチャートに基づいて、本実施形態のシステムにおける処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ１では、始動直後の機関回転数に基づいてガソリンの性状を判定する。このとき、上述したように点火時期、またはガソリン噴射量のフィードバック補正量に基づいてガソリンの性状を判定しても良い。

ステップＳ１でガソリンの性状が重質であると判定された場合は、ステップＳ２へ進む。ステップＳ２では、ガソリンの性状の重質度合い、および冷却水温などの運転状態を表すパラメータに基づいて、目標水素添加割合を算出する。ここでは、重質のガソリンに対応したマップを用い、マップに重質度合い、及び冷却水温などのパラメータを当てはめて目標水素添加割合を算出する。このとき、ガソリンの性状が重質であるほど目標水素添加割合が高く設定される。また、冷却水温が低いほど燃焼状態が低下するため、目標水素添加割合が高く設定される。

一方、ステップＳ１でガソリンの性状が重質と判定されず、通常の性状と判定された場合は、ステップＳ３へ進む。この場合は、通常の性状のガソリンに対応したマップを用いて、マップに冷却水温などの運転状態を表すパラメータを当てはめて目標水素添加割合を算出する。なお、ステップＳ２，Ｓ３で算出された目標水素添加割合は、機関の負荷率に対して水素ガスの燃焼のエネルギーが負担する割合を表している。

ステップＳ２，Ｓ３の後はステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、ステップＳ２，Ｓ３で決定した目標水素添加割合に基づいて、実際に水素燃料ポート噴射弁２８から噴射する水素添加量を決定する。具体的には、アクセル開度と機関回転数から求めた負荷率に目標水素添加割合を乗算し、更に所定の係数を乗算することで水素添加量が決定される。そして、決定した水素添加量によって内燃機関１０が運転される。

以上説明したように実施の形態１によれば、ガソリンの性状が重質と判定された場合は、水素ガスの添加量を増加することができる。従って、重質燃料に起因する燃焼状態の悪化を確実に抑えることができ、エミッション、ドライバビリティを良好にすることが可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２におけるシステム構成は図１に示したものと同様である。実施の形態２は、特に始動直後のファーストアイドル時に、エミッション、ドライバビリティの悪化を抑制するものである。

ガソリンの性状が重質の場合、ガソリンが吸気ポート１８の壁面、筒内の壁面に付着するため、特に冷間始動時に冷間ヘジテーションが発生し易くなり、エミッション、ドライバビリティが悪化する場合がある。このため、実施の形態２では、ファーストアイドル時に水素添加割合の初期値を高く設定して水素の添加量を増大させるようにしている。そして、ファーストアイドル時を経過した後は、ガソリンの性状に応じた下限値まで水素の添加量を減少させる制御を行う。

このように、水素添加割合の初期値を一律に高い値に設定することで、ファーストアイドル時の燃焼がガソリンの性状に影響を受けてしまうことを抑止することができる。これにより、アイドル回転数を低い値に設定することができ、ファーストアイドル時の燃費を向上させることができ、エミッション、ドライバビリティを良好にすることができる。また、ファーストアイドル時以降は必要なレベルまで水素添加量を減少させるため、水素の使用量を最小限に抑えることができ、システム効率を高めることが可能となる。

次に、図３及び図４のフローチャートに基づいて、実施の形態２のシステムにおける処理の手順を説明する。ここで、図３のフローチャートは、ファーストアイドル時に水素添加割合を高く設定し、ファーストアイドル時以降は水素添加割合を下限値まで減少させる処理を示している。また、図４のフローチャートは、ファーストアイドル時以降に水素添加割合を減少させる際の下限値を、ガソリンの重質度合いに基づいて算出する処理を示している。

最初に、図３の処理について説明する。先ず、ステップＳ１１では、始動直後から２秒が経過しているか否かを判定し、現在の運転がファーストアイドル時の運転であるか否かを判定する。始動直後から２秒以内の場合はファーストアイドル時の運転であるため、ステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２では、水素添加割合の初期値を設定する。水素添加割合の初期値は冷却水温に基づいてマップ算出される値であって、ガソリンの性状に関わらず燃焼が良好となるように十分に大きな値に設定されている。これにより、ファーストアイドル時の燃焼状態を常に良好にすることができ、安定してアイドリングを行うことが可能となる。従って、燃料の性状に起因してファーストアイドル時にエミッション、ドライバビリティが悪化してしまうことを確実に抑止できる。

一方、ステップＳ１１で始動後から２秒を超えている場合は、ステップＳ１３へ進む。この場合、ステップＳ１２の処理によって既にファーストアイドル時のアイドリングは安定した状態に維持されている。従って、必要量の水素ガスのみを供給するため、ステップＳ１３以降の処理では水素添加割合を減少させる処理を行う。

すなわち、ステップＳ１３では、現在の水素添加割合が下限値よりも大きいか否かを判定する。ここで、水素添加割合の下限値は、後で図４のフローチャートで説明するようにガソリンの性状の重質度合いを表す重質指数から定められる。

ステップＳ１３で現在の水素添加割合が下限値よりも大きい場合は、ステップＳ１４へ進み、水素添加割合を所定値だけ減少させる処理を行う。一方、ステップＳ１３で現在の水素添加割合が下限値以下の場合は、ステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１２，Ｓ１４の後はステップＳ１５へ進む。ステップＳ１５では、ステップＳ１２，Ｓ１４で決定した目標水素添加割合に基づいて、実際に水素燃料ポート噴射弁２８から噴射する水素添加量を決定する。具体的には、アクセル開度と機関回転数から求めた負荷率に目標水素添加割合を乗算し、更に所定の係数を乗算することで水素添加量が決定される。そして、決定した水素添加量によって内燃機関１０が運転される。

次に、図４に基づいて図３のステップＳ１３で使用する水素添加割合の下限値を算出する処理を説明する。先ず、ステップＳ２１では、始動直後から２秒が経過しているか否かを判定し、現在の運転がファーストアイドル時の運転であるか否かを判定する。始動後から２秒以内の場合はファーストアイドル時の運転であるため、ステップＳ１２へ進む。一方、始動後から２秒を超えている場合は、処理を終了する(RETURN)。

ステップＳ２２へ進んだ場合、図３のステップＳ１２〜Ｓ１５の処理によって、水素添加割合の初期値に基づいて水素ガスが添加されている。ステップＳ２２では、水素添加割合の初期値に基づいて水素が添加されている状態で、ガソリン噴射量を増減することによってアイドリング回転数を制御する。

次のステップＳ２３では、アイドリング回転数が所望の値に安定した時点で、このときのガソリン噴射量の増加量Δｆを求める。ガソリンの性状が重質の場合、ガソリンの霧化の度合いが低いため、ファーストアイドル時におけるΔｆの値は通常よりも大きくなる。

次のステップＳ２４では、ステップＳ２３で求めた増加量Δｆに基づいて、増加量Δｆとガソリンの性状の重質度合い（重質指数）との関係を規定したマップから重質指数を算出する。ここで、増加量Δｆが大きいほど重質度合いが高いため、重質指数の値は大きくなる。

次のステップＳ２５では、重質指数と冷却水温に基づいて、水素添加割合の下限値を算出する。ここで、重質指数が大きいほどガソリンの性状の重質度合いが高く、水素の添加量を多くして燃焼を安定させる必要があるため、下限値は大きな値に設定される。また冷却水温が低いほど、水素の添加量を多くして燃焼を良好にする必要があるため、下限値は大きな値に設定される。ステップＳ２５の後は処理を終了する。

図４の処理によれば、ファーストアイドル時のガソリン噴射量の増加量Δｆに基づいて水素添加割合の下限値を求めることができる。そして、求めた水素添加割合の下限値には、ガソリンの性状が考慮されているため、図３の処理によりファーストアイドル時以降は下限値以上の水素を添加することで、ガソリンの性状に起因して燃焼が不安定になることを抑止できる。従って、エミッション、ドライバビリティを良好にすることが可能となる。

以上説明したように実施の形態２によれば、ファーストアイドル時に水素添加割合の初期値を高く設定して水素の添加量を増大させるようにしたため、ファーストアイドル時の燃焼状態がガソリンの性状によって悪化してしまうことを抑止できる。これにより、安定したアイドリングを行うことが可能となり、エミッション、ドライバビリティを良好にすることができる。また、ファーストアイドル時以降は必要なレベルまで水素添加量を減少させるため、水素の使用量を最小限に抑えることができ、システム効率を高めることが可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３は、ガソリンの性状に起因して始動直後の燃焼状態が不安定になった場合の他、その他の要因で始動直後の燃焼が不安定になった場合に、水素の添加量を増加することで筒内の燃焼状態を良好にするものである。なお、実施の形態３におけるシステム構成は図１に示したものと同様である。

ガソリンの性状以外の要因で始動時の燃焼が不安定になる場合として、例えば点火プラグに液滴状のガソリンが付着して燃料への着火性が低下した場合が挙げられる。また、高温時などに、ガソリン噴射弁２６による噴射前のガソリンに気泡が生じ、ガソリン噴射弁２６から噴射されるガソリンの量が指示値よりも減少した場合にも、やはり燃焼が不安定になる。

実施の形態３は、ガソリンの性状、または上記の要因を含む他の要因によって筒内の燃焼が不安定になった場合に、水素ガスの添加量を増加することで燃焼状態を良好にするものである。

以下、図５のフローチャートに基づいて、本実施形態のシステムにおける処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ３１では、始動直後の機関回転数に基づいて筒内の燃焼状態を判定する。ガソリンの性状による要因、または上述した要因で筒内の燃焼状態が悪化している場合は、始動直後の機関回転数が低下するため、ステップＳ３１では、燃焼状態を判定するためのしきい値を予め定めておき、始動直後の機関回転数がしきい値よりも低下した場合は筒内の燃焼状態が悪化しているものと判定する。

また、筒内の燃焼状態の悪化に起因して始動直後の回転数が低下した場合は、点火時期を進角させる制御、またはガソリンの噴射量を増大させる制御によってフィードバック補正が行われる。従って、ステップＳ３１では、点火時期の補正量、またはガソリン噴射量の補正量に基づいて筒内の燃焼状態を判定してもよい。

ステップＳ３１で燃焼状態が悪化していると判定された場合は、ステップＳ３２へ進む。ステップＳ３２では、燃焼状態の悪化の度合い、および冷却水温など運転状態を表すパラメータに基づいて、目標水素添加割合を算出する。具体的には、燃焼状態が悪化している場合に使用するマップを用いて、機関回転数の低下量、点火時期の補正量、またはガソリン噴射量の補正量と、冷却水温などの運転状態を表すパラメータをマップに当てはめて目標水素添加割合を算出する。このとき、機関回転数の低下量又は上記補正量が大きいほど目標水素添加割合が高く設定される。また、冷却水温が低いほど燃焼状態が低下するため、目標水素添加割合は高く設定される。

一方、ステップＳ３１で燃焼状態が正常と判定された場合は、ステップＳ３３へ進む。この場合は、通常のマップを用いて、マップに冷却水温などの運転状態を表すパラメータを当てはめて目標水素添加割合を算出する。

ステップＳ３２，Ｓ３３の後はステップＳ３４へ進む。ステップＳ３４では、ステップＳ３２，Ｓ３３で決定した目標水素添加割合に基づいて、実際に水素燃料ポート噴射弁２８から噴射する水素添加量を決定する。具体的には、アクセル開度と機関回転数から求めた負荷率に目標水素添加割合を乗算し、更に所定の係数を乗算することで水素添加量が決定される。そして、決定した水素添加量によって内燃機関１０が運転される。

以上説明したように実施の形態３によれば、始動直後の機関回転数の低下量、点火時期の補正量、またはガソリン噴射量の補正量が所定値を超えている場合は、水素ガスの添加量を増加することができる。従って、始動時における燃焼状態の悪化を確実に抑えることができ、エミッション、ドライバビリティを良好にすることが可能となる。

本発明の各実施形態に係る水素添加内燃機関のシステムを示す模式図である。 実施の形態１の処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態２の処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態２の処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態３の処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 水素添加内燃機関
２６ ガソリン噴射弁
２８ 水素燃料ポート噴射弁
５０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 燃焼の燃料として炭化水素燃料と共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関の制御装置であって、
   始動直後の機関回転数の低下量、始動直後の点火時期進角のフィードバック補正値、又は始動直後の炭化水素燃料の噴射量増大のフィードバック補正値を取得する手段と、
   前記機関回転数の低下量、前記点火時期進角のフィードバック補正値、又は前記炭化水素燃料の噴射量増大のフィードバック補正値が所定値以上の場合に、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を増加させる添加割合増加手段と、
   を備えたことを特徴とする水素添加内燃機関の制御装置。

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