JP2005083280A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷運転時であっても排気温度を低下でき、出力と燃費を向上できる内燃機関の制御装置を提供すること。
【解決手段】燃焼室１０ａに主燃料であるガソリンと補助燃料である水素を供給可能なエンジン１０の制御装置であり、ガソリンはガソリンポート噴射用インジェクタ２５により吸気ポート１５内に噴射され、水素は水素直噴用インジェクタ２３により燃焼室１０ａ内に噴射される。水素は、エンジン１０の高負荷運転時、たとえば触媒温度が所定値まで高くなると、吸気弁１６が閉じた後に燃焼室１０ａ内に直接噴射される。水素を供給している間は、全燃料は理論空燃比から出力空燃比近傍の間で噴射される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、さらに詳しくは、高負荷運転時であっても排気温度を低下でき、出力と燃費を向上できる内燃機関の制御装置に関する。

通常のガソリン機関では、スロットル全開時に高出力を得るために空燃比を１２．５〜１２．７程度の出力空燃比に制御する。しかし、高回転側（たとえば、４０００ｒｐｍ程度以上の高回転）では、排気温度がかなり増加してしまい、触媒が溶損する等のダメージを受ける。

これは、高回転域では燃焼室内での燃焼が遅く、燃焼の際の等容度が小さくなり、爆発のエネルギーが軸仕事に変換される割合が少ないため、排気に捨てられるエネルギーが大きくなり、排気温度が増加してしまうからである。

そこで、空燃比を高くして排気温度を下げる手段が採られていた。すなわち、空燃比を最も燃焼温度の高いストイキより遠ざける手段が採られていた。

なお、関連する従来技術として、排気温度が過熱状態となる場合に燃料増量補正を実行して排気温度の低下を図るものが提案されている（たとえば、特許文献１）。

特開平７−３４９２４号公報

しかしながら、従来の内燃機関の制御装置は、空燃比を最も燃焼温度の高いストイキより遠ざけて排気温度を下げていたので、最高出力が上げられないだけでなく、燃費も悪くなるという課題があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高負荷運転時であっても排気温度を低下でき、出力と燃費を向上できる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項１に係る内燃機関の制御装置は、燃焼室に主燃料と水素を供給可能な内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の高負荷運転時に前記燃焼室に前記水素を供給することを特徴とするものである。

高負荷運転時に水素を添加供給することにより、燃焼速度が増加する。そして、水素の噴射により筒内ガス量が増加するとともに、燃焼が促進するため、爆発時の等容度が増加する。この結果、軸出力が増加し、排気へのエネルギー損失が減少するので、排気温度が低下する。

また、この発明の請求項２に係る内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の発明において、触媒温度が所定値になると前記水素を供給し、当該水素を供給している間は、全燃料は理論空燃比から出力空燃比近傍の間で噴射されることを特徴とするものである。

したがって、主燃料であるガソリンを増量しなくても、触媒がダメージを受ける温度まで過熱されるのを抑制し、たとえば出力が最大の出力空燃比のままで運転できる。

また、この発明の請求項３に係る内燃機関の制御装置は、請求項１または２に記載の発明において、前記水素は、吸気弁が閉じた後に前記燃焼室内に直接噴射されることを特徴とするものである。

吸気弁が閉じてから水素が噴射されるので、新気の流れが水素で妨げられ減少することがない。したがって、最大の充填効率で運転でき、出力低下を抑制できる。

この発明に係る内燃機関の制御装置（請求項１）によれば、高負荷運転時であっても排気温度を低下でき、出力と燃費を向上できる。

また、この発明に係る内燃機関の制御装置（請求項２）によれば、主燃料であるガソリンを増量しなくても、触媒がダメージを受ける温度まで過熱されるのを抑制でき、たとえば出力が最大の出力空燃比のままで運転できる。

また、この発明に係る内燃機関の制御装置（請求項３）によれば、新気の流れが水素で妨げられ減少することがなく、最大の充填効率で運転できるとともに、出力低下を抑制できる。

以下に、この発明に係る内燃機関の制御装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

先ず、本発明を適用するエンジン（内燃機関）の概略構成について図１に基づいて説明する。ここで、図１は、この発明の実施例１に係るエンジンの概略構成を示す断面図である。

図１に示すように、エンジン１０の燃焼室１０ａは、シリンダボア１１とシリンダヘッド１３とシリンダボア１１内に往復動自在に配設されたピストン１２とによって構成されている。この燃焼室１０ａのほぼ中央には、混合気に点火するための点火プラグ１４が配設されている。また、燃焼室１０ａを臨む吸気ポート１５には吸気弁１６が配設され、燃焼室１０ａを臨む排気ポート１８には排気弁２０が配設されている。

このエンジン１０は、主燃料であるガソリンをガソリンポート噴射用インジェクタ２５によって吸気ポート１５に噴射可能に構成されているとともに、補助燃料である水素を水素直噴用インジェクタ２３によって燃焼室１０ａ内に直接噴射可能に構成されている。この水素直噴用インジェクタ２３は、燃焼室１０ａの吸気弁１６近傍に配設されている。なお、図中の符号２３ａは、水素直噴用デリバリパイプを示し、符号２５ａは、ガソリンポート噴射用デリバリパイプを示している。

また、水素直噴用インジェクタ２３による水素噴射圧は、燃焼時の最大筒内圧に耐えられるように高圧に設定されている。更に水素直噴用インジェクタ２３は、筒内に水素が均質に噴射されるように設定されており、たとえば、ほぼ円錐状の噴霧を燃焼室１０ａの中央に噴射するように構成することができる。

また、水素直噴用インジェクタ２３による水素の噴射タイミングは、吸気弁１６が閉じてからである（図２のステップＳ１８，Ｓ１９参照）。これは、吸気弁１６が閉じる前に水素を噴射すると、吸入する新気の流れが妨げられ、空気量が減少して出力が低下するか
らである。

なお、図示しない排気ラインに設けられた触媒装置等、その他の構成は公知のガソリン機関の構成と同様であり、各構成要素は図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）によって制御される。

つぎに制御方法について図２に基づいて説明する。ここで、図２は、燃料噴射制御方法を示すフローチャートである。この制御では、全負荷状態（ＷＯＴ）時等の高負荷運転時を前提としている。

先ず、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）とスロットル開度を検出する（ステップＳ１０）。水素が添加されていない場合（以下、この場合に符号名称に「初期」を付記する）の初期ガソリンインジェクタ駆動時間τ0（ｍｓ）から、初期ガソリン噴射量Ａａ（ｃｃ／ｓｔ）を算出する（ステップＳ１１）。初期ガソリン供給熱量Ｆａ（Ｊ／ｓｔ）は、この初期ガソリン噴射量Ａａと、既知のガソリン低位発熱量Ｈｇとの積として求めることができる（Ｆａ＝Ａａ×Ｈｇ）。すなわち、この初期ガソリン供給熱量Ｆａが、水素を添加する前の全体供給熱量となる。

つぎに、全負荷（ＷＯＴ）時における空気と燃料との混合比率Ａ／Ｆ（たとえば、Ａ／Ｆ＝１２．５）、初期ガソリンのみの場合のＭＢＴ点火時期ＩＴ0（°ＢＴＤＣ）からマップ等に基づいて触媒床温の推定値を算出し、この触媒床温が、触媒に溶損等のダメージが発生する温度未満の基準温度として定義された基準触媒床温Ｔｃａｔ（℃）よりも高いか否かを判断する（ステップＳ１２）。

触媒床温が基準触媒床温Ｔｃａｔ（℃）よりも高いならば（ステップＳ１２肯定）、水素添加制御に移行し（ステップＳ１３）、触媒床温が基準触媒床温Ｔｃａｔ（℃）よりも高くないならば（ステップＳ１２否定）、触媒にダメージは発生しないので制御を終了する。

ステップＳ１３における水素添加制御では、ステップＳ１１で算出された全体供給熱量Ｆａ（Ｊ／ｓｔ）と、水素供給熱量Ｆｈ（Ｊ／ｓｔ）と、水素添加時におけるガソリン供給熱量Ｆｇ（Ｊ／ｓｔ）と、ガソリンに対する水素添加割合ＲH2（％）との間には、次式（１）および（２）に示す関係があるので、この関係式を用いて以下のステップＳ１４以降の水素噴射制御およびガソリン噴射制御を行う。
Ｆｈ＋Ｆｇ＝Ｆａ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１）
Ｆｈ／Ｆｇ＝ＲH2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）

検出されたエンジン回転数Ｎｅと負荷に応じて予めマップ等により定められたガソリンに対する水素添加割合ＲH2（％）を固定する（ステップＳ１４）。上記全体供給熱量Ｆａと水素添加割合ＲH2の値が定まれば、上式（１）および（２）から、水素供給熱量Ｆｈ（Ｊ／ｓｔ）と水素添加時におけるガソリン供給熱量Ｆｇ（Ｊ／ｓｔ）とを算出することができる（ステップＳ１５）。

つぎに、水素低位発熱量Ｈｈ（Ｊ／ｃｃ）とガソリン低位発熱量Ｈｇ（Ｊ／ｃｃ）は、既知であるので、上記ステップＳ１５で算出した水素供給熱量Ｆｈとガソリン供給熱量Ｆｇをそれぞれ用い、水素供給量Ａｈ（ｃｃ／ｓｔ）を次式（３）から算出し、ガソリン供給量Ａｇ（ｃｃ／ｓｔ）を次式（４）から算出する（ステップＳ１６）。
Ａｈ＝Ｆｈ／Ｈｈ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
Ａｇ＝Ｆｇ／Ｈｇ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （４）

つぎに、検出された水素直噴用デリバリパイプ２３ａ内での水素ライン内圧力Ｐｈ（ＭＰａ）とエンジン回転数Ｎｅに基づいて、予め定められたマップから水素直噴用インジェクタ２３の駆動時間である水素インジェクタ駆動時間τｈ（ｍｓ）と噴射クランク角を算出し、噴射終了時期を算出する。たとえば、噴射開始クランク角を算出する（ステップＳ１７）。

また、これと同様に、検出されたガソリンポート噴射用デリバリパイプ２５ａ内でのガソリンライン内圧力Ｐｇ（ＫＰａ）とエンジン回転数Ｎｅに基づいて、予め定められたマップからガソリンポート噴射用インジェクタ２５の駆動時間であるガソリンインジェクタ駆動時間τｇ（ｍｓ）と噴射クランク角を算出して噴射終了時期を算出（たとえば、噴射開始クランク角を算出）し、当該ガソリンポート噴射用インジェクタ２５を駆動する（ステップＳ１７）。

つぎに、吸気弁１６が閉じているか否かを判断し（ステップＳ１８）、吸気弁１６が閉じてから水素直噴用インジェクタ２３を駆動する（ステップＳ１８肯定、ステップＳ１９）。これは前述したように、吸気弁１６が閉じる前に水素を噴射すると、吸入する新気の流れが妨げられ、空気量が減少して出力が低下するからである。

続いて、ガソリンに対する水素添加割合ＲH2の時のＭＢＴ点火時期ＩＴ_RH2（°ＢＴＤＣ）を設定する（ステップＳ２０）。このＭＢＴ点火時期ＩＴ_RH2は、ステップＳ１４において水素添加割合ＲH2が固定されているので、図３に示されるように、予め定められたマップから求めることができる。ここで、図３は、水素添加割合ＲH2とＭＢＴ点火時期との関係を示すマップである。

つぎに、上記条件下で算出される触媒床温が基準触媒床温Ｔｃａｔ（℃）よりも高いか否かを判断する（ステップＳ２１）。触媒床温が基準触媒床温Ｔｃａｔ（℃）よりも高いならば（ステップＳ２１肯定）、ガソリンに対する水素添加割合ＲH2に所定の水素割合増量係数αを乗じたものを新たな水素添加割合ＲH2として（ステップＳ２２）、ステップＳ１４に移行する。すなわち、触媒床温が所定値よりも高い場合には、水素供給量を若干増量してフィードバック制御し、排気温度が低下するように制御するものである。一方、触媒床温が基準触媒床温Ｔｃａｔ（℃）よりも高くないならば（ステップＳ２１否定）、触媒にダメージは発生しないので制御を終了する。

以上のように水素を添加して制御することにより、Ａ／Ｆと排気温度および発生トルクは、図４に示すような関係になる。ここで、図４は、水素を添加した場合におけるＡ／Ｆと排気温度および発生トルクの関係を示すグラフである。

図４に示すように、水素を添加しない通常のガソリン機関の場合（図中の細線で示すグラフ）では、排気温度の上限（触媒許容排気温度）が決まっており、Ａ／Ｆを出力空燃比で運転すると、点Ｐで示すように触媒許容排気温度を超えてしまうため、Ａ／Ｆを点Ａのところで運転する。これにより、排気温度は点Ｂとなり、触媒許容排気温度よりも低くなるが、そこで得られるトルクは点Ｃとなり、出力空燃比の場合（点Ｋ）よりも低下する。

一方、本発明に係る水素を添加したガソリン機関の場合（図中の太線で示すグラフ）では、図５に示すように水素添加割合が増加すると排気温度が下がるため、出力空燃比で運転しても排気温度は点Ｄとなり、触媒許容排気温度以下に収まる。この時のトルクは点Ｅとなる。ここで、図５は、水素添加割合と排気温度との関係を示すグラフである。

この結果、排気温度を許容温度よりも低く抑制したまま、トルクは、出力空燃比で運転できる分（点Ｋでのトルク−点Ｃでのトルク）と、水素添加による向上分（点Ｅでのトル
ク−点Ｋでのトルク）との合計分だけ向上する。すなわち、トルクは、（点Ｅでのトルク−点Ｃでのトルク）分だけ向上することとなる。

また、図６に示すように水素を添加した場合（図６中の太線で示すグラフ）では、水素を添加していない場合（図６中の細線で示すグラフ）に比べてＭＢＴ点火時期が遅角側に推移し、発生トルクが向上することが分かる。ここで、図６は、ＭＢＴ点火時期と発生トルクとの関係において水素を添加した場合にトルクが向上している様子を示すグラフである。

以上のように、この実施例１に係る内燃機関の制御装置によれば、高負荷運転時に水素を添加することにより、燃焼速度が増加する。そして、水素の噴射により筒内ガス量が増加するとともに、燃焼が促進するため、爆発時の等容度が増加する。この結果、軸出力が増加し、排気へのエネルギー損失が減少するので、排気温度が低下する。したがって、ガソリン燃料を増量しなくても、触媒がダメージを受ける温度まで過熱されるのを抑制でき、出力が最大のＡ／Ｆ（出力空燃比）のままで運転できる。

なお、上記実施例１においては、水素添加の開始条件（高負荷条件）として、触媒床温の推定値を算出したが、これに限定されず、たとえば、車速やエンジン１０の冷却水温等から触媒床温が基準値以上であることを推定してこれを水素添加の開始条件としてもよく、また触媒床温を実測して当該開始条件を判断してもよい。

また、上記実施例１においては、水素を供給している間は、全燃料（ガソリンおよび水素）は、出力空燃比で噴射されるものとして説明したが、これに限定されず、理論空燃比（ストイキ）から出力空燃比近傍の間で噴射されるように制御してもよく、これにより上記と同様の効果を期待できる。

また、上記実施例１においては、ガソリンを吸気ポート噴射とし、水素を筒内直接噴射するものとして説明したが、これに限定されず、たとえばガソリンを筒内直接噴射としてもよい。また、水素は吸気ポート噴射であってもよいが、筒内直接噴射が好ましい。

また、水素直噴用インジェクタ２３を燃焼室１０ａの吸気弁１６近傍に配設するものとして説明したが、これに限定されず、燃焼室１０ａの中央部付近あるいは排気弁２０の近傍に配設することもできる。

本実施例２は、図７に示すように、上記実施例１の制御（図２参照）に、後述するステップＳ２３〜ステップＳ２６を付加したものである。ここで、図７は、この発明の実施例２に係る制御方法を示すフローチャートである。

ところで、実際に車載できる水素量は限られており、航続距離の観点から一定量以上の水素を筒内に供給することは好ましくない。そこで、水素供給量を若干増量するステップＳ２２の後に、水素供給量が所定の限界量、換言すれば、限界水素供給熱量Ｆｏ（Ｌ／ｍｉｎ）を超えた場合に（ステップＳ２３肯定）、水素供給量をこの限界水素供給熱量Ｆｏに設定するとともに（図示せず）、ガソリン供給熱量Ｆｇに所定のガソリン増量係数βを乗じてガソリン供給量を増量する（ステップＳ２４）。

そして、ガソリンを増量した場合のＭＢＴ点火時期ＩＴzouを設定することにより点火時期も適正化する（ステップＳ２５）。このＭＢＴ点火時期ＩＴzouも予め定められたマップに基づいて設定することができる。

つぎに、上記条件下で算出される触媒床温が基準触媒床温Ｔｃａｔ（℃）よりも高いか否かを判断する（ステップＳ２６）。触媒床温が基準触媒床温Ｔｃａｔ（℃）よりも高いならば（ステップＳ２６肯定）、ステップＳ２４に移行し、ガソリン供給熱量Ｆｇを設定し直す。すなわち、触媒床温が所定値よりも高い場合には、ガソリン供給量を更に若干増量してフィードバック制御し、排気温度が低下するように制御するものである。以上の制御により、出力は若干低下するが、供給水素量を一定量に抑えることができる。一方、触媒床温が基準触媒床温Ｔｃａｔ（℃）よりも高くないならば（ステップＳ２６否定）、触媒にダメージは発生しないので制御を終了する。

以上のように、この実施例２に係る内燃機関の制御装置によれば、ガソリンの増量を行っているが、水素を添加して排気温度を低下させているので、ガソリンのみを供給する場合（従来の場合）と比較すると、排気温度低下のためのガソリンの増量幅は少なくて済み、全体として燃費を向上することができる。

以上のように、この発明に係る内燃機関の制御装置は、高負荷運転時であっても排気温度を低下でき、出力と燃費を向上できる内燃機関に有用であり、特に、ガソリン燃料を増量しなくても、触媒がダメージを受ける温度まで過熱されるのを抑制でき、出力が最大のＡ／Ｆ（出力空燃比）のままで運転できる内燃機関に適している。

この発明の実施例１に係るエンジンの概略構成を示す断面図である。 燃料噴射制御方法を示すフローチャートである。 水素添加割合ＲH2とＭＢＴ点火時期との関係を示すマップである。 水素を添加した場合におけるＡ／Ｆと排気温度および発生トルクの関係を示すグラフである。 水素添加割合と排気温度との関係を示すグラフである。 ＭＢＴ点火時期と発生トルクとの関係において水素を添加した場合にトルクが向上している様子を示すグラフである。 この発明の実施例２に係る制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ エンジン（内燃機関）
１０ａ 燃焼室
１１ シリンダボア
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 吸気弁
１８ 排気ポート
２０ 排気弁
２３ 水素直噴用インジェクタ
２３ａ 水素直噴用デリバリパイプ
２５ ガソリンポート噴射用インジェクタ
２５ａ ガソリンポート噴射用デリバリパイプ
Ｎｅ エンジン回転数
τ0 初期ガソリンインジェクタ駆動時間
Ａａ 初期ガソリン噴射量
Ｆａ 初期ガソリン供給熱量
Ｈｇ ガソリン低位発熱量
Ｈｈ 水素低位発熱量
Ｔｃａｔ 基準触媒床温
ＩＴ0 初期ガソリンのみの場合のＭＢＴ点火時期
Ｆｈ 水素供給熱量
Ｆｇ ガソリン供給熱量
Ｆｏ 限界水素供給量
ＲH2 ガソリンに対する水素添加割合
Ａｈ 水素供給量
Ａｇ ガソリン供給量
Ｐｈ 水素ライン内圧力
Ｐｇ ガソリンライン内圧力
τｈ 水素インジェクタ駆動時間
τｇ ガソリンインジェクタ駆動時間
ＩＴ_RH2 水素添加割合ＲH2の時のＭＢＴ点火時期
ＩＴzou ガソリンを増量した場合のＭＢＴ点火時期
α 水素割合増量係数
β ガソリン増量係数

Claims (3)

1. 燃焼室に主燃料と水素を供給可能な内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の高負荷運転時に前記燃焼室に前記水素を供給することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 触媒温度が所定値になると前記水素を供給し、当該水素を供給している間は、全燃料は理論空燃比から出力空燃比近傍の間で噴射されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記水素は、吸気弁が閉じた後に前記燃焼室内に直接噴射されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。

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