JP2006105088A - 水素添加内燃機関 - 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、吸気管または筒内への水素の噴射を最適に行う。
【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１０であって、吸気ポート１８又は筒内に水素ガスを噴射する水素燃料ポート噴射弁２８と、水素燃料ポート噴射弁２８から噴射される水素量が少ないほど水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素ガスの圧力を低下させるレギュレータ４４と、を備える。水素燃料ポート噴射弁２８から噴射される水素量に応じて水素ガスの圧力を調整するため、水素燃料ポート噴射弁２８から噴射される水素量が一定しない不安定領域を使用することがなくなり、水素噴射量を正確に制御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、水素インジェクタとガソリンインジェクタを備え、水素とガソリンを所定の割合で筒内へ噴射する内燃機関が開示されている。

特開２００４−１１６３９８号公報 特開平６−２００８０５号公報

水素インジェクタ、ガソリンインジェクタなどのインジェクタは、弁を所定時間だけ開くことで所望の量の燃料を噴射するように構成されている。しかしながら、開弁時間が短くなると、インジェクタ自体が安定して燃料を噴射することが困難となる。この現象は、弁が開き始めてから最大リフトに達するまでの時間、または燃料の慣性、粘度、密度などの性質等に起因して、開弁後、燃料が実際にインジェクタから噴射されるまでの間に時間的な遅れが生じることなどが要因となっている。この場合、開弁時間と噴射量との関係が非線形になるため、開弁時間に基づいて燃料噴射量を制御することが困難となり、燃料噴射量の制御性が低下する。

特にインジェクタの開弁時間が非常に短い場合は、弁が開き始めてから最大リフトに達するまでの時間が開弁時間の全体に占める割合が大きくなり、また燃料噴射の時間的な遅れが全噴射量に与える影響が大きくなるため、開弁時間と噴射量との関係が非線形になり易くなる。

また、ガソリンに加えて水素ガスを供給する内燃機関では、水素インジェクタとガソリンインジェクタの双方から燃料を供給するため、一方のインジェクタから噴射される燃料量は通常の１燃料の機関に比べて少なくなる。従って、低負荷域などでインジェクタの開弁時間が非常に短くなる。また、水素はガソリンなどの液体燃料に比べて単位体積当たりの燃焼エネルギーが小さいため、所望の燃料量を噴射するためには、インジェクタにかかる水素圧力をより高く設定する必要があるが、水素圧力を高くすると、インジェクタの駆動時間に対する噴射量が増加するため、やはり低負荷域などでインジェクタの開弁時間が短くなるという問題が生じる。

また、ガソリンに加えて水素ガスを供給する内燃機関において、圧縮行程において水素インジェクタから筒内に直接水素を噴射するようにした場合、圧縮行程では筒内の圧力が非常に高くなるため、インジェクタにかかる水素圧力が低いと筒内に十分に水素を噴射できない場合が想定される。

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、吸気管または筒内への水素の噴射を最適に行うことを目的とする。

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であって、吸気管又は筒内に水素ガスを噴射する水素噴射弁と、前記水素噴射弁から噴射される水素量が少ないほど前記水素噴射弁にかかる水素ガスの圧力を低下させる圧力調整手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記水素噴射弁が前記水素ガスを噴射する際の開弁時間を取得する開弁時間取得手段を備え、前記圧力調整手段は、前記開弁時間が所定のしきい値以下である場合に水素ガスの圧力を低下させることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、機関の運転状態を取得する運転状態取得手段と、
水素ガスの温度を取得する水素温度取得手段と、前記水素噴射弁にかかる水素ガスの圧力を取得する水素圧力取得手段と、を備え、前記開弁時間取得手段は、前記運転状態、前記水素ガスの温度、及び前記水素ガスの圧力に基づいて前記開弁時間を算出することを特徴とする。

第４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であって、筒内に水素ガスを噴射する水素噴射弁と、機関の運転状態を取得する運転状態取得手段と、前記運転状態に応じて、圧縮行程で前記水素噴射弁から水素ガスを噴射する第１のモードと、吸気行程で前記水素噴射弁から水素ガスを噴射する第２のモードと、を切り換えて機関を運転する制御手段と、前記第１のモードで前記水素噴射弁にかかる水素ガスの圧力が、前記第２のモードで前記水素噴射弁にかかる水素ガスの圧力よりも高くなるように調整する圧力調整手段と、を備えたことを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明において、前記第１のモードは、高負荷域で炭化水素燃料に水素ガスを添加して機関を運転するモードであり、前記第２のモードは低負荷〜中負荷域で炭化水素燃料に水素ガスを添加して機関を運転するモードであることを特徴とする。

第１の発明によれば、水素噴射弁から噴射される水素量が少ないほど水素噴射弁にかかる水素ガスの圧力を低下させるようにしたため、水素噴射弁から噴射される水素量が一定しない不安定領域を使用することがなくなり、水素噴射量を正確に制御することが可能となる。従って、炭化水素燃料と水素の両方を使用したリーンバーン燃焼において、燃焼状態を最適にすることができる。

第２の発明によれば、水素噴射弁の開弁時間が所定のしきい値以下である場合は水素ガスの圧力を低下させるようにしたため、水素噴射弁の開弁時間と水素噴射量との関係がほぼ線形となる領域で水素を噴射することができる。従って、水素噴射量が少ない場合であっても高精度に水素噴射量を制御することが可能となる。

第３の発明によれば、運転状態、水素ガスの温度、及び水素ガスの圧力に基づいて水素噴射弁の開弁時間を算出するようにしたため、開弁時間を高精度に求めることが可能となる。

第４の発明によれば、第１のモードで水素噴射弁にかかる水素ガスの圧力が、第２のモードで水素噴射弁にかかる水素ガスの圧力よりも高くなるようにしたため、圧縮行程で筒内に直接水素を噴射することが可能となる。従って、出力を低下させることなく、筒内に水素を添加することができる。

第５の発明によれば、第１のモードを高負荷域で炭化水素燃料に水素ガスを添加して機関を運転するモードとしたため、高負荷域でのノッキング抑制、および排気温度の低減を達成できる。また、第２のモードを低負荷〜中負荷域で炭化水素燃料に水素ガスを添加して機関を運転するモードとしたため、リーンバーンにより燃費、効率を向上させることができ、また、ＮＯ_Ｘの排出を抑えることができるため、エミッションを向上させることができる。

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。なお、ガソリン噴射弁、水素燃料噴射弁は、内燃機関１０の筒内に直接燃料を噴射するように設けても良い。

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、水素燃料ポート噴射弁２８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、温度センサ４６、燃圧センサ４８が配置されている。温度センサ４６は、水素燃料ポート噴射弁２８に供給される水素の温度に応じた出力を発するセンサである。また、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、温度センサ４６、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温度、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、上述した温度センサ４６、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、ＮＯ_Ｘの排出量を低減させることができる。

上述したように、水素燃料ポート噴射弁２８は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。水素噴射量が比較的多い場合は、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間（開弁時間）と水素燃料ポート噴射弁２８から噴射される実際の水素噴射量との関係はほぼ線形となる。しかし、水素噴射量がある所定値よりも小さくなると、駆動時間と水素噴射量との関係が非線形になる場合がある。これは、弁が開き始めてから最大リフトに達するまでの時間、または燃料の慣性、粘度、密度などの物性等に起因して、開弁後、燃料が実際にインジェクタから噴射されるまでの間に時間的なタイムラグが生じることなどが要因となっている。

図２は、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間（開弁時間）と、水素噴射量との関係を示す特性図である。図２に示すように、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間が時間Ａより長い場合は、駆動時間と水素噴射量との関係はほぼ線形の特性となる。この場合、図２中に破線で示される線形の特性をＥＣＵ５０等に記憶させておくことで、駆動時間に基づいて水素噴射量を制御することができる。しかし、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間が時間Ａ以下の場合は、駆動時間と水素噴射量との関係が非線形となり、図２中に破線で示される線形の特性に基づく制御では、水素噴射量を精度良く制御することは困難である。

例えば水素噴射量が少ない運転状態において、水素噴射量を図２に示す目標値Ｖに調整したい場合、図２中に破線で示される線形の特性に基づいて制御を行うと水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間はｔ１となる。この場合、実際の水素噴射量はＶ_１となるため、目標値Ｖに対して実際の水素噴射量Ｖ_１が少なくなる。ガソリンと水素の両方を使用してリーンバーン燃焼を行う場合、水素の噴射量が目標値に対して低下すると燃焼状態が不安定になる。

図３は、図２と同様に水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間と水素噴射量との関係を示す特性図であって、図２に示した特性（特性Ａ）と、特性Ａよりも水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素圧力（水素燃圧）を低下させた場合の特性（特性Ｂ）を共に示している。

図３に示すように、水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素圧力を低下させると、同一駆動時間に対する水素噴射量が減少する。しかし、線形の特性と非線形の特性の境界である時間Ａは、水素圧力に影響を受けることなく一定している。従って、特性Ａから特性Ｂへ水素圧力を低下させると、水素噴射量が小さい場合であっても線形の特性の領域で水素を噴射することができる。

具体的には、上述の目標値Ｖに水素噴射量を調整したい場合は、水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素圧力を特性Ｂに対応する水素圧力まで低下させて、水素燃料ポート噴射弁２８を駆動時間ｔ２だけ駆動する。これにより、線形の特性の領域で水素燃料ポート噴射弁２８を駆動することができ、水素噴射量を目標値Ｖに正確に制御することが可能である。

一方、水素噴射量の目標値が十分に大きい場合は、水素圧力を低下させておくと、特に高負荷域において水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間が長期化し、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動負荷（消費電力）が大きくなる。また、噴射時間が長期化するとバックファイアが発生することが懸念される。従って、水素噴射量の目標値が十分に大きい場合は、水素圧力を高圧側（特性Ａに対応する圧力）に設定する。これにより、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動負荷を低減することができる。また、高負荷域においても水素を吸気行程中に全て噴射できるため、バックファイアを確実に回避できる。従って、機関の効率低下を抑止することができる。

このように、本実施形態では、水素噴射量が少なく、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間が短い場合は、水素燃料ポート噴射弁２８に加わる水素圧力を低下させることで、駆動時間を長くするようにしている。これにより、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間と水素噴射量との関係が線形となる領域で水素を噴射することができ、水素噴射量を正確に制御することが可能となる。

特にガソリンと水素の両方を使用してリーンバーン燃焼を行う場合、水素の噴射量が目標値に対して低下すると燃焼状態が不安定になる。本実施形態によれば、水素燃料ポート噴射弁２８からの水素噴射量が一定しない不安定領域を使用することがなくなり、水素噴射量を正確に制御することが可能となるため、ガソリンと水素の両方を使用したリーンバーン燃焼において、燃焼状態を最適にすることができる。

次に、図４に基づいて本実施形態のシステムの運転モードを説明する。図４は、機関回転数、負荷に応じて設定される各運転モードを示す模式図である。本実施形態のシステムは、ガソリンのみを使用して内燃機関１０を運転するガソリン燃焼領域と、ガソリンと水素の両方を使用してリーンバーン燃焼により内燃機関１０を運転する水素添加リーンバーン領域の２種類のモードを備えている。

図４に示すように、アイドリング〜常用回転域では水素添加リーンバーン領域で運転が行われる。また、水素添加リーンバーン領域よりも高負荷、高回転域では、ガソリン燃焼領域で運転が行われる。水素添加リーンバーン領域の運転では、リーンバーンにより燃費、効率を向上させることができ、また、ＮＯ_Ｘの排出を抑えることができるため、エミッションを向上させることができる。

水素噴射量が少なく、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間が図２及び図３に示す時間Ａよりも短くなる状態は、機関回転数、負荷がともに小さい軽負荷の運転状態であり、水素添加リーンバーン領域で発生する。従って、本実施形態では、水素添加リーンバーン領域を、水素圧力が低く設定される水素低燃圧設定領域と、水素圧力が高く設定される水素高燃圧設定領域の２つに分けている。そして、水素低燃圧設定領域では、水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素圧力が図３の特性Ｂに対応する圧力に設定される。また、水素高燃圧設定領域では、水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素圧力が図３の特性Ａに対応する圧力に設定される。これにより、機関回転数、負荷が小さい軽負荷の運転状態では、特性Ｂに従って水素を噴射することができ、水素噴射量が微小値であっても正確に水素噴射量を制御することができる。

次に、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Ｓ１では、現在の運転状態を取得するため、機関回転数、アクセル開度（負荷）を検出する。次のステップＳ２では、ステップＳ１で取得した機関回転数、アクセル開度に基づいて、現在の運転状態がガソリンに水素を添加して運転を行う水素添加リーンバーン領域の運転であるか否かを判定する。ステップＳ２で現在の運転状態が水素添加リーンバーン領域ではないと判定された場合、すなわち、現在の運転状態がガソリン燃焼領域と判定された場合は、水素燃料ポート噴射弁２８から水素を噴射する必要がないため、処理を終了する(RETURN)。

一方、ステップＳ２で現在の運転状態が水素添加リーンバーン領域と判定された場合は、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、温度センサ４６、燃圧センサ４８の出力値から、水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素の燃圧、水素の温度を検出する。

次のステップＳ４では、ステップＳ１で取得した機関回転数、アクセル開度、ステップＳ３で検出した水素燃圧、水素温度に基づいて、現在の運転状態に応じた水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間τをマップから算出する。

次のステップＳ５では、ステップＳ４で算出した駆動時間τと所定のしきい値（図２及び図３に示す時間Ａ）との大小関係を比較し、τ＜Ａであるか否かを判定する。

ステップＳ５でτ＜Ａの場合はステップＳ６へ進む。この場合、駆動時間τが時間Ａよりも短いため、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間をτに設定して水素を噴射すると、駆動時間τに対する水素噴射量の線形性が得られなくなり、水素噴射量を正確に制御することが難しくなる。

このため、ステップＳ６では、水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素の燃圧を図３の特性Ｂに対応する圧力（例えば０．３ＭＰａ未満の所定値）に設定する。これにより、水素噴射量が少なく、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間が非常に短い場合においても、駆動時間と水素噴射量との関係が線形となる領域で水素を噴射することができる。

一方、ステップＳ５でτ≧Ａの場合はステップＳ７へ進む。この場合は、駆動時間τが時間Ａ以上であるため、水素燃圧を低下させなくても駆動時間と水素噴射量との関係が線形となる領域で水素を噴射することができる。従って、この場合は、水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素の燃圧を図３の特性Ａに対応する圧力（例えば０．３ＭＰａ以上、０．６ＭＰａ以下の所定値）に設定する。このように、駆動時間τが時間Ａよりも長い場合は、水素の燃圧を高くすることで、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間が長期化してしまうことを回避でき、水素燃料ポート噴射弁２８を開弁する際の駆動負荷を軽減することができる。

ステップＳ６，Ｓ７の後はステップＳ８へ進む。ステップＳ８では、ステップＳ６，Ｓ７で設定した水素燃圧に基づいてレギュレータ４４のアクチュエータを駆動し、水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素燃圧がステップＳ６，Ｓ７で設定した値となるように制御する。

次のステップＳ９では、レギュレータ４４のアクチュエータを駆動した後の水素燃圧を燃圧センサ４８から検出し、検出した水素燃圧と目標燃圧（ステップＳ６，Ｓ７で設定した値）との偏差Ｐｄを求める。そして、Ｐｄ＜Ｂであるか否かを判定し、偏差Ｐｄが所定のしきい値Ｂの範囲内にあるか否かを判定する。

ステップＳ９でＰｄ＜Ｂの場合は、ステップＳ１０へ進む。この場合、偏差Ｐｄがしきい値Ｂよりも小さいため、水素燃圧が目標値に制御されたものと判断する。そして、温度センサ４６、燃圧センサ４８の出力値から、水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素の燃圧、水素の温度を検出し、これに基づいて水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間を補正し、最終的な駆動時間を求める。

ステップＳ１０の後はステップＳ１１へ進み、ステップＳ１０で求めた最終的な駆動時間に基づいて、水素燃料ポート噴射弁２８に噴射信号を発進する。これにより、ステップＳ１０で求めた駆動時間の間、水素燃料ポート噴射弁２８が開弁される。

一方、ステップＳ９でＰｄ≧Ｂの場合は、偏差Ｐｄがしきい値Ｂ以上であるため、水素燃圧が目標値に制御されていないと判断する。この場合はステップＳ８へ戻り、水素燃圧が目標値となるようにレギュレータ４４による調整を再度行う。

図５の処理によれば、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間τが所定のしきい値Ａよりも短い場合は、水素燃圧が低燃圧に設定されるため、駆動時間τと水素噴射量との関係が線形となる領域で水素を噴射することができる。従って、水素噴射量が少ない場合であっても水素噴射量を正確に制御することが可能となる。

また、水素は気体燃料であるため、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間が同じであっても水素の温度、圧力によって噴射量が大きく変動する。図５の処理によれば、水素の温度、圧力を考慮して駆動時間τを求め、駆動時間τに基づいて水素燃料ポート噴射弁２８にかかる圧力を設定しているため、内燃機関１０の運転状態（回転数、負荷）に基づいて圧力を設定する場合に比べて、より高い精度で水素燃料ポート噴射弁２８にかかる圧力を設定できる。従って、水素燃料ポート噴射弁２８からの水素噴射量が一定しない不安定領域で水素が噴射されることを確実に回避できる。更に、最終的な駆動時間を求めるステップＳ１０においても、水素の燃圧、水素の温度に基づいて水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間を補正しているため、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間を高い精度で制御できる。

以上説明したように実施の形態１によれば、水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間が短い場合は、水素燃圧を低下させるようにしたため、駆動時間と水素噴射量との関係がほぼ線形となる領域で水素を噴射することができる。従って、水素噴射量が少ない場合であっても、高精度に水素噴射量を制御することが可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図６は、実施の形態２に係る水素添加内燃機関１０を備えたシステムの構成を示す模式図である。図６に示すように、実施の形態２では、図１における水素燃料ポート噴射弁２８の代わりに、水素添加内燃機関１０の筒内に直接水素を噴射する水素燃料筒内噴射弁３０を設けている。実施の形態２のシステムの他の構成は図１と同様である。

図７は、実施の形態２のシステムの運転モードを示す模式図である。実施の形態２においても、アイドリング〜常用回転域では水素添加リーンバーン領域で運転が行われ、水素添加リーンバーン領域よりも高負荷、高回転域ではガソリン燃焼領域で運転が行われる。

ところで、より高回転側、高負荷側で運転が行われると、排気温度が上昇し、排気損失が大きくなるため、効率が低下する場合がある。また、低回転、高負荷の条件で運転が行われるとノッキングが発生する場合がある。

このため実施の形態２では、図７に示すように、ガソリン燃焼領域よりも更に高回転、高負荷側となる領域、およびガソリン燃焼領域の低回転、高負荷側の領域のそれぞれに水素添加領域を設定している。そして、水素添加領域では、ガソリン噴射弁２６から筒内へガソリンを供給するとともに、水素燃料筒内噴射弁３０から筒内へ水素を噴射するようにしている。これにより、筒内の燃焼速度を速くすることができ、燃焼状態を良好にすることができる。従って、ノッキングの発生、および排気温度の上昇に伴う効率低下を確実に抑えることができる。

水素添加領域で水素を噴射する場合、吸気行程で水素を噴射すると、筒内への吸入空気量が減少してしまい、本来、水素添加領域で必要とされている高出力を得ることができなくなる。本実施形態では、筒内に水素を直接噴射する水素燃料筒内噴射弁３０を設けているため、圧縮行程で筒内に水素を噴射することができる。従って、水素噴射による吸入空気量の減少を回避することができ、高負荷域において出力を低下させることなく水素を添加することが可能である。

水素添加リーンバーン領域では、水素添加領域に比べて吸入空気量が少ないため、吸気行程〜圧縮行程の前半で水素を噴射しても出力の低下は生じない。また、水素添加リーンバーン領域では、リーンバーン運転を行うため、できるだけ早く水素をガソリン混合気に混ぜるために吸気行程中に水素を噴射することが好適である。従って、水素添加リーンバーン領域では、吸気行程〜圧縮行程の前半で水素を噴射する。

これにより、水素添加領域ではノッキングの発生、および排気温度の上昇に伴う効率低下を確実に抑えることができ、水素添加リーンバーン領域ではリーンバーン運転による燃費、エミッションの向上を達成できる。

このように、実施の形態２では、水素添加領域と水素添加リーンバーン領域の双方で水素を添加するようにしているが、水素添加領域で水素を添加する場合と、水素添加リーンバーン領域で水素を添加する場合とでは、水素燃料筒内噴射弁３０にかかる水素燃圧を可変することが好適である。

圧縮行程で筒内に水素を噴射する場合、筒内の圧力が上昇しているため、筒内に高圧力で水素を噴射する必要がある。このため、水素添加領域では、水素燃料筒内噴射弁３０にかかる水素燃圧を高圧力に設定しておく必要がある。

一方、水素添加リーンバーン領域では、吸気行程〜圧縮行程の前半での筒内圧力が圧縮行程に比べて低いため、水素燃圧を低圧力側に設定することができる。これにより、水素燃料筒内噴射弁３０の駆動時間の長期化を回避することができ、水素燃料筒内噴射弁３０の駆動負荷を低減することができる。また、低負荷〜中負荷域において低圧で吸気行程噴射を行うことができるため、水素タンク３８内の水素を有効に使用することができる。更に、水素燃圧を低圧力側に設定することで、システムが高圧水素ボンベを有していない場合は、加圧のための圧縮器の負荷を低減することができる。

なお、本実施形態では、水素添加リーンバーン領域の全域において水素圧力を低圧側に一律に設定しているが、実施の形態１と同様の方法で、水素噴射量が一定しない不安定領域で噴射が行われることを回避するため、水素添加リーンバーン領域の低回転、低負荷側に水素圧力がより低圧となる領域を設定しても良い。

次に、図８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Ｓ２１では、現在の運転状態を取得するため、機関回転数、アクセル開度（負荷）を検出する。次のステップＳ２２では、ステップＳ２１で取得した機関回転数、アクセル開度に基づいて、現在の運転状態が水素添加リーンバーン領域、又は水素添加領域の運転であるか否かを判定する。ステップＳ２２で現在の運転状態が水素添加リーンバーン領域、又は水素添加領域のいずれにも該当しないと判定された場合、すなわち、現在の運転状態がガソリン燃焼領域と判定された場合は、水素燃料ポート噴射弁２８から水素を噴射する必要がないため、処理を終了する(RETURN)。

一方、ステップＳ２２で現在の運転状態が水素添加リーンバーン領域、又は水素添加領域と判定された場合は、ステップＳ２３へ進む。ステップＳ２３では、温度センサ４６、燃圧センサ４８の出力値から、水素燃料筒内噴射弁３０にかかる水素の燃圧、水素の温度を検出する。

次のステップＳ２４では、ステップＳ２１で取得した機関回転数、アクセル開度に基づいて、現在の運転状態が水素添加リーンバーン領域の運転であるか否かを判定する。

ステップＳ２４で現在の運転状態が水素添加リーンバーン領域と判定された場合は、ステップＳ２５へ進む。ステップＳ２５へ進む。この場合、吸気行程〜圧縮行程の前半で水素燃料筒内噴射弁３０から水素を噴射するため、水素燃圧を高く設定する必要はない。従って、ステップＳ２５では、水素燃料筒内噴射弁３０にかかる水素の燃圧を低燃圧（例えば１．０ＭＰａ未満の所定値）に設定する。

一方、ステップＳ２４で現在の運転状態が水素添加リーンバーン領域と判定されなかった場合は、ステップＳ２６へ進む。この場合、現在の運転状態が水素添加領域であり、圧縮行程中に筒内に水素を噴射する必要があるため、水素燃料筒内噴射弁３０にかかる水素の燃圧を高燃圧（例えば０．３ＭＰａ以上、０．６ＭＰａ以下の所定値）に設定する。

ステップＳ２５，Ｓ２６の後はステップＳ２７へ進む。ステップＳ２７では、ステップＳ２５，Ｓ２６で設定した水素燃圧に基づいてレギュレータ４４のアクチュエータを駆動し、ガソリンに水素を添加して運転を行うにかかる水素燃圧がステップＳ２５，Ｓ２６で設定した値となるように制御する。

次のステップＳ２８では、レギュレータ４４のアクチュエータを駆動した後の水素燃圧を燃圧センサ４８から検出し、検出した水素燃圧と目標燃圧（ステップＳ２５，Ｓ２６で設定した値）との偏差Ｐｄを求める。そして、Ｐｄ＜Ｂであるか否かを判定し、偏差Ｐｄが所定のしきい値Ｂの範囲内にあるか否かを判定する。

ステップＳ２８でＰｄ＜Ｂの場合は、ステップＳ２９へ進む。この場合、偏差Ｐｄがしきい値Ｂよりも小さいため、水素燃圧が目標値に制御されたものと判断する。そして、温度センサ４６、燃圧センサ４８の出力値から、水素燃料ポート噴射弁２８にかかる水素の燃圧、水素の温度を検出し、これに基づいて水素燃料ポート噴射弁２８の駆動時間を補正し、最終的な駆動時間を求める。

ステップＳ２９の後はステップＳ３０へ進み、ステップＳ２９で求めた最終的な駆動時間に基づいて、水素燃料ポート噴射弁２８に噴射信号を発進する。これにより、ステップＳ２９で求めた駆動時間の間、水素燃料ポート噴射弁２８が開弁される。

一方、ステップＳ２８でＰｄ≧Ｂの場合は、偏差Ｐｄがしきい値Ｂ以上であるため、水素燃圧が目標値に制御されていないと判断する。この場合はステップＳ２７へ戻り、水素燃圧が目標値となるようにレギュレータ４４による調整を再度行う。

図８の処理によれば、水素添加領域で水素を噴射する場合は、水素燃料筒内噴射弁３０にかかる水素の燃圧を高燃圧に設定するため、圧縮行程で筒内に直接水素を噴射することが可能となる。従って、出力を低下させることなく、筒内に水素を添加することが可能である。

以上説明したように実施の形態２によれば、ノッキング抑制、または排気温度の低下を目的として水素添加領域で水素を噴射する場合は、水素燃料筒内噴射弁３０にかかる水素の燃圧を高燃圧に設定するようにしたため、圧縮行程で筒内に直接水素を噴射することが可能となる。従って、出力を低下させることなく、筒内に水素を添加することが可能となり、ノッキングの発生、または排気温度の上昇による効率低下を抑止することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る水素添加内燃機関を備えたシステムの構成を示す模式図である。 水素燃料ポート噴射弁の駆動時間（開弁時間）と、水素噴射量との関係を示す特性図である。 水素燃料ポート噴射弁の駆動時間と水素噴射量との関係を示す特性図であって、図２の特性（特性Ａ）と、特性Ａよりも水素圧力を低下させた場合の特性（特性Ｂ）を共に示す特性図である。 実施の形態１の運転モードを示す模式図である。 実施の形態１のシステムにおける処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る水素添加内燃機関を備えたシステムの構成を示す模式図である。 実施の形態２の運転モードを示す模式図である。 実施の形態２のシステムにおける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
２８ 水素燃料ポート噴射弁
３０ 水素燃料筒内噴射弁
４４ レギュレータ
４６ 温度センサ
４８ 燃圧センサ
５０ ＥＣＵ

Claims (5)

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であって、
   吸気管又は筒内に水素ガスを噴射する水素噴射弁と、
   前記水素噴射弁から噴射される水素量が少ないほど前記水素噴射弁にかかる水素ガスの圧力を低下させる圧力調整手段と、
   を備えたことを特徴とする水素添加内燃機関。
2. 前記水素噴射弁が前記水素ガスを噴射する際の開弁時間を取得する開弁時間取得手段を備え、
   前記圧力調整手段は、前記開弁時間が所定のしきい値以下である場合に水素ガスの圧力を低下させることを特徴とする請求項１記載の水素添加内燃機関。
3. 機関の運転状態を取得する運転状態取得手段と、
   水素ガスの温度を取得する水素温度取得手段と、
   前記水素噴射弁にかかる水素ガスの圧力を取得する水素圧力取得手段と、を備え、
   前記開弁時間取得手段は、前記運転状態、前記水素ガスの温度、及び前記水素ガスの圧力に基づいて前記開弁時間を算出することを特徴とする請求項２記載の水素添加内燃機関。
4. 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であって、
   筒内に水素ガスを噴射する水素噴射弁と、
   機関の運転状態を取得する運転状態取得手段と、
   前記運転状態に応じて、圧縮行程で前記水素噴射弁から水素ガスを噴射する第１のモードと、吸気行程で前記水素噴射弁から水素ガスを噴射する第２のモードと、を切り換えて機関を運転する制御手段と、
   前記第１のモードで前記水素噴射弁にかかる水素ガスの圧力が、前記第２のモードで前記水素噴射弁にかかる水素ガスの圧力よりも高くなるように調整する圧力調整手段と、
   を備えたことを特徴とする水素添加内燃機関。
5. 前記第１のモードは、高負荷域で炭化水素燃料に水素ガスを添加して機関を運転するモードであり、前記第２のモードは低負荷〜中負荷域で炭化水素燃料に水素ガスを添加して機関を運転するモードであることを特徴とする請求項４記載の水素添加内燃機関。

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