JP2011047282A - 水素エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気系の触媒上流側に空燃比センサを備えた水素エンジンの制御装置において、複数の空燃比センサやカバー等を設けることなく、被水による素子割れを抑制する。
【解決手段】排気通路３９の三元触媒５１上流側にヒータ５３ｂを有するリニア空燃比センサ５３を備えた、水素を燃料とする水素エンジン５の制御装置である。ＰＣＭ３は、水温センサ５９により検出されたエンジン水温Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１未満のときは、目標空燃比をリーン空燃比に設定する一方、第１基準温度Ｔｗ１以上且つ第２基準温度Ｔｗ２未満のときは、目標空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比に設定する。
【選択図】図９

Description

本発明は、排気系の触媒上流側に素子加熱用ヒータを有する空燃比センサを備えた、水素を燃料とする水素エンジンの制御装置に関するものである。

従来から、排気通路に排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサを配設し、この空燃比センサの出力に基づいて燃焼室に供給する混合気の空燃比をフィードバック制御することが行われている。この種の空燃比センサとしては、酸素濃度に応じた起電力を出力する素子と、当該素子を加熱する素子加熱用ヒータとを有していて、エンジン始動時に素子加熱用ヒータに通電することにより、素子を速やかに活性させ、十分な起電力を確保するものが多い。

また、エンジン始動時などには、エンジンの駆動状態は不安定なため、それに対処すべくフィードバック制御の応答性は極力良好であることが要求されるが、触媒下流側で酸素濃度を検出したのではタイムラグが大きくなって応答性のよい空燃比制御が困難なことから、空燃比センサは触媒上流側に設けられることが多い。

しかしながら、水素エンジンを搭載した車両では、空燃比センサを触媒上流側に設けた場合には、以下のような問題がある。すなわち、水素エンジンにおいては、水素の燃焼により多量の水分が発生し、この水分により触媒上流側で空燃比センサの素子が被水するおそれがある。このように素子が被水した状態でヒータが通電されると、被水部分が温度上昇し難いため、素子の熱応力が不均一となり、素子に歪が生じて素子割れが発生するという問題がある。

このような素子割れの発生を抑えるために、例えば、特許文献１には、触媒上流に配設され、ヒータを有する第１空燃比センサと、触媒中又は触媒下流に配設された第２空燃比センサとを備え、第１空燃比センサが所定の活性温度に達するまでは、ヒータへの通電を制限するとともに、第２空燃比センサの出力に基づいて空燃比制御を行う水素エンジンの空燃比制御装置が開示されている。

また、素子の被水を抑制するために、素子を覆うようにカバーを設けた構造も提案されている。

特開２００７−１９８１５８号公報

しかしながら、上記特許文献１のもののように空燃比センサを複数用いるものや、素子を覆うようにカバーを設けたものでは、部品点数が増加するのに伴い、組立工数が増加したり、コストが上昇したりするという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気系の触媒上流側に素子加熱用ヒータを有する空燃比センサを備えた水素エンジンの制御装置において、複数の空燃比センサやカバー等を設けることなく、素子の被水による素子割れを抑制する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明では、目標空燃比を制御することにより、極冷間時には、水分の発生自体を抑えるように、また極冷間時よりも高温の冷間時には、暖機を促進して発生した水分を蒸発させるようにしている。

第１の発明は、排気系の触媒上流側に素子加熱用ヒータを有する空燃比センサを備え、水素を燃料とする水素エンジンの制御装置であって、上記エンジンに関連する温度を検出する温度検出手段と、上記温度検出手段により検出された温度に応じて、目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、をさらに備え、上記目標空燃比設定手段は、上記温度検出手段により検出された温度が、第１基準温度未満の極冷間時には、目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定する一方、第１基準温度以上且つ当該第１基準温度よりも高い第２基準温度未満の冷間時には、目標空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりも小さいリッチ空燃比に設定することを特徴とするものである。

第１の発明によれば、水素を燃料とすることから、排気系の触媒等が活性化されていない場合でも、ガソリン等に比べてエミッション性能の低下が抑えられる。

ここで、極めて温度が低い状態で燃料として水素を用いると、排気ガス中に含まれる水分が冷やされて、排気系に設けられた空燃比センサが被水するおそれがあるが、温度検出手段により検出されたエンジンに関連する温度が第１基準温度未満の極冷間時には、目標空燃比設定手段が目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定するので、排気系における水分の発生が抑えられる。これにより、素子の被水が抑えられるので、素子加熱用ヒータの加熱による素子割れの発生を抑制することができる。

一方、温度検出手段により検出された温度が第１基準温度以上且つ第２基準温度未満の冷間時には、目標空燃比設定手段が目標空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりも小さいリッチ空燃比に設定するので、暖機が促進されて、暖機完了までの時間が短縮される。これにより、発生した水分が蒸発して、素子の被水が抑えられるので、素子加熱用ヒータの加熱による素子割れの発生を抑制することができる。

以上のように、検出されたエンジンに関連する温度に応じて目標空燃比を切換えることで、複数の空燃比センサやカバー等を設けることなく、素子の被水による素子割れを抑制することができる。よって、部品点数の増加を抑えて、組立工数の増加やコストの上昇を抑えることができる。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記エンジンは、当該エンジンにより回転駆動されて発電する発電機を有しており、リーン空燃比によるリーン運転時に、エンジンに負荷をかけるように上記発電機を制御する発電機制御手段をさらに備えていることを特徴とするものである。

第２の発明によれば、発電機制御手段は、リーン空燃比によるリーン運転時に、発電機を発電させることによってエンジンに負荷をかけるので、排気系における水分の発生を抑えつつ、暖機完了の早期化を図ることができる。また、エンジンに負荷をかけることによってエンジンの暖機を促進するので、単純にエンジン回転数を上昇させることでエンジンの暖機を促進する場合に比べて、乗員に違和感を与えるのを抑えることができる。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記発電機による発電電力を充放電可能なバッテリのＳＯＣを検出するＳＯＣ検出手段をさらに備え、上記発電機制御手段は、上記ＳＯＣ検出手段により検出された上記バッテリのＳＯＣが第１基準値以下のときは、上記発電機による発電電力を当該バッテリに充電させることを特徴とするものである。

ところで、エンジンに関連する温度が低いときは、バッテリの温度が低いことが多い。そうして、バッテリの温度が極端に低い場合には、バッテリから大きな電力を引き出せないおそれがある。

ここで、第３の発明によれば、発電機制御手段は、ＳＯＣ検出手段により検出されたバッテリのＳＯＣが第１基準値以下のときは、発電機による発電電力を当該バッテリに充電させるので、バッテリのＳＯＣを高めることができる。また、このようにバッテリに電流を流すことで、バッテリの内部抵抗により熱を発生させて、バッテリを内部から暖めるのでバッテリの暖機を促進できる。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記発電機制御手段は、上記バッテリのＳＯＣが、第１基準値よりも低い第２基準値に達するまで、当該バッテリの電力を用いて車両に搭載された電気部品を作動させる制御と、当該バッテリのＳＯＣが第１基準値に達するまで、上記発電機による発電電力を当該バッテリに充電させる制御を交互に実行することを特徴とするものである。

第４の発明によれば、ＳＯＣの第１基準値と第２基準値との間で、電気部品の作動によるバッテリの放電と発電機によるバッテリの充電とを交互に行うので、極冷間時であってもバッテリの暖機をさらに促進することができる。

第５の発明は、上記第１〜４のいずれか１つの発明において、上記目標空燃比設定手段は、上記温度検出手段により検出された温度が、エンジンの暖機完了温度として設定された第２基準温度以上の温間時には、目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定することを特徴とするものである。

第５の発明によれば、エンジンの暖機が完了したときは、目標空燃比設定手段が目標空燃比をリーン空燃比に設定するので、エミッション性能及び暖機完了後の燃費を向上させることができる。

本発明に係る水素エンジンの制御装置によれば、極冷間時には、目標空燃比設定手段が目標空燃比をリーン空燃比に設定するので、排気系における水分の発生が抑えられて素子の被水が抑えられることから、素子加熱用ヒータの加熱による素子割れの発生を抑制することができる。

一方、冷間時には、目標空燃比設定手段が目標空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比に設定するので、暖機完了までの時間が短縮され、発生した水分の蒸発により素子の被水が抑えられることから、素子加熱用ヒータの加熱による素子割れの発生を抑制することができる。

以上のように、検出されたエンジンに関連する温度に応じて目標空燃比を切換えることで、複数の空燃比センサやカバー等を設けることなく、素子の被水による素子割れを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る水素エンジンの制御装置を搭載したハイブリッド車両の概略構成図である。 エンジンの運転領域を設定したエンジン制御マップの一例を示す図である。 エンジンの制御装置の概略構成図である。 リニア空燃比センサの回路図である。 極冷間始動時におけるエンジン制御のタイムチャートであり、同図（ａ）はエンジン水温の時間変化を、同図（ｂ）は目標空燃比の時間変化を、同図（ｃ）はバッテリ温度の時間変化を、同図（ｄ）はバッテリＳＯＣの時間変化をそれぞれ示す図である。 極冷間始動時におけるエンジン制御のタイムチャートであり、同図（ａ）はエンジン水温の時間変化を、同図（ｂ）は目標空燃比の時間変化を、同図（ｃ）はバッテリ温度の時間変化を、同図（ｄ）はバッテリＳＯＣの時間変化をそれぞれ示す図である。 冷間始動時におけるエンジン制御のタイムチャートであり、同図（ａ）はエンジン水温の時間変化を、同図（ｂ）は目標空燃比の時間変化を、同図（ｃ）はバッテリ温度の時間変化を、同図（ｄ）はバッテリＳＯＣの時間変化をそれぞれ示す図である。 温間始動時におけるエンジン制御のタイムチャートであり、同図（ａ）はエンジン水温の時間変化を、同図（ｂ）は目標空燃比の時間変化を、同図（ｃ）はバッテリ温度の時間変化を、同図（ｄ）はバッテリＳＯＣの時間変化をそれぞれ示す図である。 ＰＣＭの制御フローチャートである。 発電電力消費制御サブルーチンの制御内容を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る水素エンジンの制御装置を搭載したハイブリッド車両の概略構成図である。この車両１は、エンジン５並びに第１及び第２モータ７，９を動力源として備え、このエンジン５は発電にのみ使用して、車両１が動くための動力は全てモータ７，９に頼る所謂シリーズハイブリッド車両である。車両１は、エンジン５並びに第１及び第２モータ７，９の他に、パワートレインコントロールモジュール（ＰＣＭ）３と、電流及び電圧センサ６１が設けられ、第１モータ（発電機）７及び第２モータ（走行用モータ）９による発電電力を充放電可能なバッテリ１１と、当該バッテリ１１と第１モータ７とに接続されている第１インバータ１７と、当該第１インバータ１７とバッテリ１１と第２モータ９とに接続されている第２インバータ１９とを備えている。

このエンジン５は、ロータリーエンジンであるとともに、使用燃料をガソリンと、ガソリンに比べて触媒未活性時における排気エミッションが少ない水素との間で選択的に切り替えて駆動可能なデュアルフューエルエンジンとされている。そうして、燃料切換スイッチ６３（図３参照）の操作によって水素が選択されると、水素タンク１３内の水素が水素噴射用のインジェクタ３３（図３参照）に供給される一方、ガソリンが選択されると、ガソリンタンク１５内のガソリンがガソリン噴射用のインジェクタ３５に供給される。なお、排気エミッションとは、触媒通過後の排ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等）のことをいう。

エンジン５の出力軸は第１モータ７の出力軸と連結されており、第１モータ７は、エンジン５により回転駆動されて発電する。第１モータ７にて発電された交流発電電力は、第１インバータ１７で直流電力に変換されてバッテリ１１に充電されたり、第２インバータ１９に供給されたりする。

一方、第２インバータ１９は、バッテリ１１の放電により供給された直流電力や第１インバータ１７から供給された直流電力を交流電力に変換して、第２モータ９へ供給するとともに、第２モータ９からの回生電力をバッテリ１１に充電する。

第２モータ９は、前後左右の４つの車輪２１ａ，２１ａ，２１ｂ，２１ｂのうち左右の前輪（駆動輪）２１ａ，２１ａにディファレンシャルギア２３を介して連結されていて、図２に示す制御マップに従ってＰＣＭ３により制御される。すなわち、第２モータ９は、車両１の定速運転時等のように当該第２モータ９に要求される出力トルクが低い低トルク運転時や車両始動時にはバッテリ１１から供給される電力により駆動され（図２の領域Ａ）、中トルク運転時にはエンジン５により駆動される第１モータ７から供給される電力によって駆動され（図２の領域Ｂ）、急加速時等の出力トルクが高い高トルク運転時には当該第１モータ７及びバッテリ１１の双方から供給される電力により駆動される（図２の領域Ｃ）。ただし、冷間始動時等にはエンジン５の暖機のため、また、バッテリ１１のＳＯＣ（State Of Charge）が低いときには、例外的に、全領域（領域Ａ、領域Ｂ及び領域Ｃ）でエンジン５を駆動させる。

なお、ＳＯＣとはバッテリ１１の充電状態を表す量であり、満充電状態をＳＯＣが１００％と表す一方、充電量がゼロの状態をＳＯＣが０％とを表す。また、バッテリ１１の開放電圧(無負荷時の電圧)とバッテリ１１のＳＯＣとは一対一の対応関係にあることから、バッテリ１１の電圧及び電流を計測することによりＳＯＣを求めることができる。

上記エンジン５は、図３に示すように、トロコイド内周面を有する繭状のロータハウジングとサイドハウジングとに囲まれたロータ収容室（気筒）２５，２５に概略三角形状のロータ２７，２７が収容されて構成されており、その外周側には３つの作動室が区画されている。このエンジン５は、図示は省略するが、２つのロータハウジングを３つのサイドハウジングの間に挟み込むようにして一体化し、その間に形成される２つの気筒２５，２５にそれぞれロータ２７，２７を収容した２ロータタイプのものであり、図３では、その２つの気筒２５，２５を展開した状態で図示している。

ロータ２７は、外周の３つの頂部にそれぞれ配設されたシール部が各々ロータハウジングのトロコイド内周面に当接した状態でエキセントリックシャフト２９の周りを自転しながら、当該エキセントリックシャフト２９の軸心の周りに公転する。そして、ロータ２７が１回転する間に、当該ロータ２７の各頂部間にそれぞれ形成された作動室が周方向に移動しながら、吸気、圧縮、膨張（燃焼）及び排気の各行程を行い、これにより発生する回転力がロータ２７を介してエキセントリックシャフト２９から出力される。

エンジン５の各気筒２５，２５には、２つの点火プラグ３１，３１が設けられており、この２つの点火プラグ３１，３１はそれぞれ、ロータハウジングの短軸近傍に配設されている一方、各気筒２５，２５には、水素タンク１３から供給された水素を筒内に直接噴射する、２つの水素噴射用のインジェクタ３３が設けられており（図３では各気筒に１つのみ示す）、２つの水素噴射用インジェクタ３３はそれぞれ、ロータハウジングの長軸近傍に、エキセントリックシャフト２９の軸方向に並んで配置されている。

また、各気筒２５，２５には、吸気行程にある作動室に連通するように吸気通路３７が連通しているとともに、排気行程にある作動室に連通するように排気通路（排気系）３９が連通している。これら吸気通路３７と排気通路３９とは、ＥＧＲ通路４１で接続されており、当該ＥＧＲ通路４１に設けられたＥＧＲ弁４３の開度を制御するＥＧＲ弁アクチュエータ４５の操作により、排気通路３９の排気ガスの一部が吸気通路３７に還流されるようになっている。

吸気通路３７の上流側には、吸気量を検出するエアフローセンサ６７とステッピングモータ等のアクチュエータ４９により駆動されて吸気通路３７の断面積を調節するスロットル弁４７とが配設されているとともに、吸気通路３７の下流側には、ガソリンタンク１５から供給されるガソリンを吸気通路３７内に噴射するためのガソリン噴射用のインジェクタ３５が配設されている。また、排気通路３９には、排気を浄化するための排気浄化触媒としての三元触媒（触媒）５１が配設されている。

この三元触媒５１の上流側には排気ガス中の酸素濃度を検出するリニア空燃比センサ（空燃比センサ）５３が配設されている。このリニア空燃比センサ５３にはヒータ（素子加熱用ヒータ）５３ｂが備えられており、このヒータ５３ｂにより素子部５３ａを加熱して所定温度に維持するように構成されている。より詳しくは、このリニア空燃比センサ５３は、図４に示すように、酸素濃度検出用素子部（素子）５３ａと、この素子部５３ａを加熱するヒータ５３ｂと、素子部５３ａに対する通電及び検出信号出力のためのセンサ回路５３ｃと、ヒータ５３ｂへの通電のためのヒータ通電回路５３ｄとを備えている。

素子部５３ａは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質部材からなる一対の素子５３ｅ，５３ｆを有している。この両素子５３ｅ，５３ｆは、それぞれ酸素濃度比測定用電池素子５３ｅ及び酸素ポンプ素子５３ｆとして機能するものであり、それぞれの両側面には電極層５３ｅ’，５３ｅ’，５３ｆ’，５３ｆ’が形成されている。両素子間５３ｅ，５３ｆには、排気通路３９から排気ガスを拡散層５３ｇを介して一定の拡散速度で導入する拡散室５３ｈが形成され、また、酸素濃度比測定用電池素子５３ｅの片側には、一定酸素濃度（例えば大気と同程度の酸素濃度）に保たれた比較酸素濃度室５３ｉが形成されている。また、素子部５３ａに接続されるセンサ回路５３ｃは、オペアンプ５３ｊ、抵抗５３ｋ等を含み、出力端子５３ｍから信号を出力するようになっている。

このリニア空燃比センサ５３は、具体的には次のようにして排気ガス中の酸素濃度を検出する。すなわち、両素子５３ｅ，５３ｆを構成する酸素イオン伝導性固体電解質部材は、酸素分圧が異なる２室間に配置されたとき、その両室の酸素分圧の比に応じた酸素イオンが素子内を移動することで起電力を生じて電池として機能し、また、両電極間に電圧が印加されたときは片側から酸素を取り込んで反対側に酸素を放出する酸素ポンプとして機能する。

そして、拡散室５３ｈ内の排気ガス中の酸素が多くなると酸素ポンプ素子５３ｆにより拡散室５３ｈから外部に酸素が汲み出され、拡散室５３ｈ内の排気ガス中の酸素が不足すると酸素ポンプ素子５３ｆにより拡散室５３ｈに外部から酸素が取り込まれて、拡散室５３ｈ内が理論空燃比相当状態に保たれるように、酸素濃度比測定用電池素子５３ｅに生じる電圧の変化に応じオペアンプ５３ｊを介して酸素ポンプ素子５３ｆに加わる電圧が調節され、これに伴って酸素ポンプ素子５３ｆに流れる電流に応じた出力が抵抗から取り出され、出力端子５３ｍから出力される。

これら点火プラグ３１，３１、ＥＧＲ弁アクチュエータ４５、スロットル弁４７のアクチュエータ４９、水素及びガソリン噴射用の各インジェクタ３３，３５、第１及び第２モータ７，９、第１及び第２インバータ１７，１９、リニア空燃比センサ５３等は、制御手段としてのＰＣＭ３によって作動制御される。

このＰＣＭ３には、本実施形態に係る制御に必要な信号として、少なくとも、車両１の速度を検出する車速センサ５５、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ５７、エンジン５に関連する温度、具体的にはエンジン水温Ｔｗを検出する水温センサ（温度検出手段）５９、上記電流センサ６１ａ及び電圧センサ６１ｂ、上記燃料切換スイッチ６３、バッテリ１１の温度Ｔｂａｔを検出するバッテリ温度センサ６５、上記エアフローセンサ６７、並びに、上記リニア空燃比センサ５３の各出力信号が入力される。

本実施形態における水素エンジンの制御装置においては、ＰＣＭ３の制御により、水素使用時は水素噴射用インジェクタ３３から水素が、ガソリン使用時はガソリン噴射用インジェクタ３５からガソリンが、エンジン５に対し供給されて当該エンジン５が駆動される。また、水素使用時及びガソリン使用時のそれぞれにおいて、ＰＣＭ３により空燃比制御が実行される。つまり、リニア空燃比センサ５３からの出力信号に基づいて、三元触媒５１の上流側の空燃比が目標空燃比となるように、スロットル開度及びエンジン回転数を制御するフィードバック制御が実行される。

ここで、水素を燃料として用いる場合には、水素の燃焼により多量の水分が発生し、この水分により三元触媒５１の上流側でリニア空燃比センサ５３の素子部５３ａが被水するおそれがある。そうして、素子部５３ａが被水した状態でヒータ５３ｂが通電されると、被水部分が温度上昇し難いため、素子部５３ａの熱応力が不均一となり、素子部５３ａに歪が生じて素子割れが発生するおそれがある。このような素子部５３ａの被水は、排気ガス中に含まれる水分が冷やされる、極めてエンジン５の温度が低いときほど生じやすい。また、このように極めてエンジン５の温度が低いときは三元触媒５１が未活性であることから、エンジン５の温度が高いときに比べて、排気エミッションが多くなる。

このため、本実施形態の水素エンジンの制御装置においては、リニア空燃比センサ５３の素子部５３ａの割れ防止及び水素使用時における排気エミッションの低減化を図るために、目標空燃比を極冷間始動時、冷間始動時及び温間始動時に分けて設定する。

より詳しくは、ＰＣＭ３は、水温センサ５９により検出されたエンジン水温Ｔｗが、第１基準温度Ｔｗ１未満の極冷間時には、目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定する一方、水温センサ５９により検出されたエンジン水温Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１以上且つ第１基準温度Ｔｗ１よりも高い第２基準温度Ｔｗ２未満の冷間時には、目標空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりも小さいリッチ空燃比に設定する。さらに、ＰＣＭ３は、水温センサ５９により検出されたエンジン水温Ｔｗが、エンジン５の暖機完了温度として設定された第２基準温度Ｔｗ２以上のときは、目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定する。このことで、ＰＣＭ３は、検出されたエンジン水温Ｔｗに応じて、目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段を構成することになる。

以下、燃料として水素が用いられる場合における、極冷間始動時、冷間始動時及び温間始動時の制御をタイムチャートを用いて説明する。

−極冷間始動時−
図５（ａ）に示すように、水温センサ５９により検出されたエンジン水温Ｔｗが、第１基準温度Ｔｗ１未満の極冷間時には、水温センサ５９からの信号を受けたＰＣＭ３が、水素の燃焼により多量の水分が発生するのを抑えるために、図５（ｂ）に示すように、目標空燃比をリーン空燃比に設定する。

また、ＰＣＭ３は、リーン空燃比によるリーン運転時には、エンジン５に負荷をかけるために、第１モータ７がエンジン５の駆動力によって発電するように実行指令を出力する。このことで、ＰＣＭ３は、リーン空燃比によるリーン運転時に、エンジン５に負荷をかけるように第１モータ７を制御する発電機制御手段を構成することになる。このように、エンジン５に負荷をかけることで、エンジン５の暖機が促進され、図５（ａ）に示すように、エンジン水温Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１以上となる。

そうして、エンジン水温Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１以上且つ第２基準温度Ｔｗ２未満の冷間時には、エンジン５の暖機をさらに促進するために、図５（ｂ）に示すように、目標空燃比をリッチ空燃比（理論空燃比でもよい）に設定する。これにより、エンジン５の暖機が促進され、図５（ａ）に示すように、エンジン水温Ｔｗが第２基準温度Ｔｗ２以上となる。

エンジン水温Ｔｗが第２基準温度Ｔｗ２以上の温間時には、エミッション性能及び暖機完了後の燃費を向上させるために、図５（ｂ）に示すように、目標空燃比を再びリーン空燃比に設定する。

ここで、エンジン水温Ｔｗが低いときは、バッテリ１１の温度Ｔｂａｔが低いことが多い。そうして、バッテリ１１の温度Ｔｂａｔが極端に低い場合には、バッテリ１１から大きな電力を引き出せず、大電流を第２モータ９に流せなくなるおそれがある。

このため、ＰＣＭ３は、バッテリ１１の内部抵抗により熱を発生させて、バッテリ１１を内部から暖めるために、検出したバッテリ１１のＳＯＣが第１基準値（たとえば、１０℃）未満のときは、第１モータ７による発電電力を当該バッテリ１１に充電させるように構成されている。

すなわち、図５（ｃ）に示すように、バッテリ温度Ｔｂａｔが、バッテリ１１の暖機完了温度として設定された基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１未満の場合、バッテリ温度センサ６５からの信号を受けたＰＣＭ３が、電流センサ６１ａ及び電圧センサ６１ｂにより検出されたバッテリ１１の電流及び電圧値に基づいて、バッテリ１１のＳＯＣを算出する。このことで、ＰＣＭ３は、電流センサ６１ａ及び電圧センサ６１ｂと共に、バッテリのＳＯＣを検出するＳＯＣ検出手段を構成することになる。そうして、図５（ｄ）に示すように、バッテリ１１のＳＯＣが第１基準値ＳＯＣ１以下であれば、ＰＣＭ３は、第１モータ７による発電電力を第１インバータ１７を介して当該バッテリ１１に充電させる。

ここで、仮にバッテリ１１のＳＯＣが第１基準値ＳＯＣ１に達するまでに、バッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１以上に、すなわち、バッテリ１１の暖機が完了すればよいが、そうでない場合に、第１モータ７による発電電力を当該バッテリ１１に充電させ続ければ、バッテリ温度Ｔｂａｔが許容範囲（例えば、１０℃〜３０℃）を超えることになる。

このため、ＰＣＭ３は、バッテリ１１のＳＯＣが、第１基準値ＳＯＣ１よりも低い第２基準値ＳＯＣ２に達するまで、当該バッテリ１１の充電電力を用いて車両１に搭載された電気部品を作動させる制御と、当該バッテリ１１のＳＯＣが第１基準値ＳＯＣ１に達するまで、第１モータ７による発電電力を当該バッテリ１１に充電させる制御を交互に実行するように構成されている。

具体的には、第１基準値ＳＯＣ１に達したバッテリ１１のＳＯＣが第２基準値ＳＯＣ２に達するまで、当該バッテリ１１の充電電力を用いて車両１に搭載された電気部品（不図示のヒータやフロントウインドウの熱線等）を作動させる。そうして、バッテリ１１のＳＯＣが第２基準値ＳＯＣ２に達すると、今度は逆に、バッテリ１１のＳＯＣがＳＯＣ１に達するまで、第１モータ７による発電電力を第１インバータ１７を介して当該バッテリ１１に充電させる。ＰＣＭ３は、図５（ｃ）及び（ｄ）に示すように、このよう電気部品の作動によるバッテリ１１の放電と第１モータ７によるバッテリ１１の充電とを、バッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１以上になるまで繰り返す。

一方、図６（ａ）及び図６（ｃ）に示すように、エンジン水温Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１未満で、且つ、バッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１よりも極めて小さい場合にも、ＰＣＭ３は、図６（ｄ）に示すように、第１モータ７によるバッテリ１１の充電と電気部品の作動によるバッテリ１１の放電とを繰り返すが、バッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１以上になる前に、エンジン水温Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１以上になることがある。この場合には、図６（ｂ）に示すように、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されるので、エンジン５に負荷をかける必要がないことから、ＰＣＭ３は、第１モータ７の発電が制限し、図６（ｄ）に示すように、バッテリ温度Ｔｂａｔが第１基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１以上になるまで、当該バッテリ１１の充電電力を放電させる。

なお、バッテリ１１の暖機が完了した後は、第１モータ７による発電電力をバッテリ１１に充電させることなく電気部品に用いるので、図５（ｄ）及び図６（ｄ）に示すように、バッテリ１１のＳＯＣは変動しない。

−冷間始動時−
図７（ａ）に示すように、水温センサ５９により検出されたエンジン水温Ｔｗが、第１基準温度Ｔｗ１以上且つ第２基準温度Ｔｗ２未満の冷間時には、水温センサ５９からの信号を受けたＰＣＭ３が、エンジン５の暖機を促進するために、図７（ｂ）に示すように、目標空燃比をリッチ空燃比（理論空燃比でもよい）に設定する。

そうして、エンジン５の暖機が促進され、図７（ａ）に示すように、水温センサ５９により検出されたエンジン水温Ｔｗが第２基準温度Ｔｗ２以上になると、エミッション性能及び暖機完了後の燃費を向上させるために、図５（ｂ）に示すように、目標空燃比をリーン空燃比に設定する。

また、図７（ｃ）に示すように、バッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１未満の場合、ＰＣＭ３は、図７（ｄ）の実線に示すように、バッテリ温度Ｔｂａｔが第１基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１以上になるまで、当該バッテリ１１の充電電力を放電させる。このように、バッテリ１１の内部抵抗により熱を発生させる制御を、バッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１以上になるまで繰り返す。なお、図７（ｄ）の破線に示すように、バッテリ１１の充電電力を放電させた後、第１モータ７による発電電力を当該バッテリ１１に充電させてもよい。

−温間始動時−
図８（ａ）に示すように、水温センサ５９により検出されたエンジン水温Ｔｗが、第２基準温度Ｔｗ２以上の温間時には、水温センサ５９からの信号を受けたＰＣＭ３が、エミッション性能及び燃費を向上させるために、図８（ｂ）に示すように、目標空燃比をリーン空燃比に設定する。

また、図８（ｃ）に示すように、バッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１よりも僅かに低い場合、ＰＣＭ３は、図８（ｄ）の実線に示すように、バッテリ温度Ｔｂａｔが第１基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１以上になるまで、当該バッテリ１１の充電電力を放電させる。このように、バッテリ１１の内部抵抗により熱を発生させる制御を、バッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１以上になるまで繰り返す。なお、図８（ｄ）の破線に示すように、バッテリ１１の充電電力を放電させた後、第１モータ７による発電電力を当該バッテリ１１に充電させてもよい。

−制御装置の処理動作−
ここで、制御装置の処理動作について、図９に示すフローチャートに基づいて説明する。

先ず、最初のステップＳＡ１では、水温センサ５９により検出されたエンジン水温Ｔｗと、燃料切換スイッチ６３の操作によって選択された燃料と、車速センサ５５により検出された車速と、アクセル開度センサ５７により検出されたアクセル開度と、バッテリ温度センサ６５により検出されたバッテリ温度Ｔｂａｔと、電流センサ６１ａにより検出されたバッテリ１１の電流及び電圧センサ６１ｂにより検出されたバッテリ１１の電圧値と、をＰＣＭ３が読み込み、しかる後にステップＳＡ２に進む。

次のステップＳＡ２では、ＰＣＭ３が、バッテリ１１の電流及び電圧値に基づいて、バッテリ１１のＳＯＣを算出し、しかる後にステップＳＡ３に進む。次のステップＳＡ３では、エンジン水温Ｔｗが第２基準温度Ｔｗ２未満か否かを判定する。このステップＳＡ３の判定がＮＯであるとき、すなわち温間始動であると判定されたときは、ステップＳＡ４に進む。

次のステップＳＡ４では、ステップＳＡ２で算出されたバッテリ１１のＳＯＣに基づいて、バッテリ放電走行が可能か否かを判定する。このステップＳＡ４の判定がＹＥＳであるとき、すなわちバッテリ１１から供給される電力のみにより走行が可能であると判定されたときは、ステップＳＡ５に進み、上記図２に示す制御マップに従って制御を行い、しかる後にリターンする。一方、ステップＳＡ４の判定がＮＯであるときは、ステップＳＡ６に進む。

次のステップＳＡ６では、燃料切換スイッチ６３の操作によって水素が選択されたか否かを判定する。このステップＳＡ６の判定がＮＯであるときは、ステップＳＡ７に進み、燃料としてガソリンを選択し、次のステップＳＡ８で目標空燃比を理論空燃比（λ＝１）に設定する。

次のステップＳＡ９では、三元触媒５１の上流側の空燃比が理論空燃比となるように、ステップＳＡ１で読み込んだ車速及びアクセル開度に基づいてスロットル開度及びエンジン回転数Ｎを決定するフィードバック制御が実行され、しかる後にステップＳＡ１０に進む。

次のステップＳＡ１０では、ステップＳＡ１で読み込まれたバッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１未満か否かを判定する。このステップＳＡ１０の判定がＮＯであるとき、すなわち、バッテリ１１の暖機が完了しているときは、そのままリターンする。一方、ステップＳＡ１０の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ１１に進み、バッテリ１１の充電電力を放電させる放電制御、又は、バッテリ１１の充電電力を放電させた後、第１モータ７による発電電力を当該バッテリ１１に充電させる充放電制御を実行することで、バッテリ１１の暖機を行い、しかる後にリターンする。

これに対し、ステップＳＡ６の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ１２に進み、燃料として水素を選択し、次のステップＳＡ１５で目標空燃比をリーン空燃比（λ＞１）に設定する。一方、ステップＳＡ３の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ１３に進んで、強制的に燃料として水素を選択し、しかる後にステップＳＡ１４に進む。次のステップＳＡ１４では、エンジン水温Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１未満か否か、すなわち極冷間時か否かを判定する。このステップＳＡ１４の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ１５に進んで、目標空燃比をリーン空燃比（λ＞１）に設定する。このように、エンジン水温Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１未満の場合も、エンジン水温Ｔｗが第２基準温度Ｔｗ２以上の場合も共に、水素が燃料として用いられるときには、ステップＳＡ１５で、目標空燃比をリーン空燃比に設定し、しかる後にステップＳＡ１６に進む。

次のステップＳＡ１６では、エンジン５の運転条件が、スロットル弁４７がほぼ全閉状態となっているアイドル運転か否かを判定する。このステップＳＡ１６の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ１７に進む。

次のステップＳＡ１７では、ステップＳＡ３と同様に、エンジン水温Ｔｗが第２基準温度Ｔｗ２未満か否かを判定する。このステップＳＡ１７の判定がＹＥＳであるとき、すなわち極冷間であると判定されたときは、ステップＳＡ１８に進んで、スロットル弁４７がほぼ全閉となっている状態から、第１モータ７を発電機として機能させるトルクが得られるようなスロットル開度でアイドル回転制御を実行し、しかる後にステップＳＡ１９に進む。

次のステップＳＡ１９では、ＰＣＭ３が、第１モータ７を発電させることによってエンジン５に負荷をかけるように当該第１モータ７を制御して、エンジン５の暖機を促進し、しかる後にステップＳＡ２０に進み、後述する発電電力消費制御を行った後、リターンする。

一方、ステップＳＡ１７の判定がＮＯであるとき、すなわちエンジン５の暖機が完了していると判定されたときは、ステップＳＡ２１に進んで、スロットル弁４７がほぼ全閉となっている状態からスロットル弁４７を全開にしてアイドル回転制御を実行し、しかる後にステップＳＡ２４に進む。

次のステップＳＡ２４では、ステップＳＡ１で読み込まれたバッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１未満か否かを判定する。このステップＳＡ２４の判定がＮＯであるとき、すなわち、バッテリ１１の暖機が完了しているときは、そのままリターンする。一方、ステップＳＡ２４の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ２５に進み、バッテリ１１を放電、又は、バッテリ１１を充放電させた後リターンする。

これに対し、ステップＳＡ１６の判定がＮＯであるとき、すなわちエンジン５の運転条件がアイドル運転ではないと判定されたときは、ステップＳＡ２３に進む。次のステップＳＡ２３では、三元触媒５１の上流側の空燃比がリーン空燃比となるように、車速及びアクセル開度に基づいてスロットル開度及びエンジン回転数Ｎを決定するフィードバック制御が実行され、しかる後にステップＳＡ２４に進む。

次のステップＳＡ２４では、バッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１未満か否かを判定し、このステップＳＡ２４の判定がＮＯであるときは、そのままリターンする。一方、ステップＳＡ２４の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ２５に進み、バッテリ１１を放電、又は、バッテリ１１を充放電させた後リターンする。

一方、ステップＳＡ１４の判定がＮＯであるときは、ステップＳＡ２２に進んで、目標空燃比を理論空燃比（λ＝１）又はリッチ空燃比（λ＜１）に設定し、しかる後にステップＳＡ２３に進む。

次のステップＳＡ２３では、三元触媒５１の上流側の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比となるように、目標空燃比、車速及びアクセル開度に基づいてスロットル開度及びエンジン回転数Ｎを決定するフィードバック制御が実行され、しかる後にステップＳＡ２４に進む。

次のステップＳＡ２４では、バッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１未満か否かを判定し、このステップＳＡ２４の判定がＮＯであるときは、そのままリターンする。一方、ステップＳＡ２４の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ２５に進み、バッテリ１１を放電、又は、バッテリ１１を充放電させた後リターンする。

次に、発電電力消費制御（ステップＳＡ２０）サブルーチンについて、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。

先ず、最初のステップＳＢ１では、ステップＳＡ１で読み込まれたバッテリ温度Ｔｂａｔが基準バッテリ温度Ｔｂａｔ１未満か否かを判定する。このステップＳＢ１の判定がＮＯであるとき、すなわち、バッテリ１１の暖機が完了しているときは、ステップＳＢ２に進む。次のステップＳＢ２では、バッテリ１１の暖機が完了していることから、第１モータ７による発電電力をバッテリ１１に充電させることなく電気部品に用いて、発電電力を消費し、しかる後にエンドする。

一方、ステップＳＢ１の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＢ３に進む。次のステップＳＢ３では、ステップＳＡ２で算出されたバッテリ１１のＳＯＣが第１基準値ＳＯＣ１以下か否かを判定する。このステップＳＢ３の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＢ４に進み、バッテリ１１の暖機を促進させつつバッテリ１１のＳＯＣを高めるために、第１モータ７による発電電力を第１インバータ１７を介して当該バッテリ１１に充電させ、しかる後にエンドする。

これに対し、ステップＳＢ３の判定がＮＯであるとき、すなわち、バッテリ１１のＳＯＣが第１基準値ＳＯＣ１よりも高いときは、ステップＳＢ５に進み、バッテリ１１の充電電力を用いて車両１に搭載された電気部品を作動させ、しかる後にステップＳＢ６に進む。

次のステップＳＢ６では、電流及び電圧センサ６１により検出された、充電電力を電気部品の作動に用いた後のバッテリ１１の電流及び電圧値をＰＣＭ３が読み込み、次のステップＳＢ７では、ＰＣＭ３が、ステップＳＢ６で読み込まれたバッテリ１１の電流及び電圧値に基づいて、バッテリ１１のＳＯＣを算出し、しかる後にステップＳＢ８に進む。

次のステップＳＢ８では、ステップＳＢ７で算出されたバッテリ１１のＳＯＣが第２基準値ＳＯＣ２以下か否かを判定する。このステップＳＢ８の判定がＹＥＳであるときはエンドする一方、ＮＯであるときは再びＳＢ５に戻り、バッテリ１１の充電電力を用いて車両１に搭載された電気部品を作動させる。つまり、ステップＳＢ８の判定がＹＥＳになるまで、すなわち、バッテリ１１のＳＯＣが第２基準値ＳＯＣ２以下になるまで、バッテリ１１の充電電力を用いて車両１に搭載された電気部品を作動させる。

−効果−
本実施形態によれば、水素を燃料とすることから、排気通路３９の三元触媒５１が活性化されていない場合でも、ガソリン等に比べてエミッション性能の低下が抑えられる。

また、水温センサ５９により検出されたエンジン水温Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１未満の極冷間時には、ＰＣＭ３が目標空燃比をリーン空燃比に設定するので、排気通路３９における水分の発生が抑えられる。これにより、素子部５３ａの被水が抑えられるので、ヒータ５３ｂの加熱による素子割れの発生を抑制することができる。

一方、水温センサ５９により検出された温度が第１基準温度Ｔｗ１以上且つ第２基準温度Ｔｗ２未満の冷間時には、ＰＣＭ３が目標空燃比をリッチ空燃比に設定するので、暖機が促進されて、暖機完了までの時間が短縮される。これにより、発生した水分が蒸発して、素子部５３ａの被水が抑えられるので、ヒータ５３ｂの加熱による素子割れの発生を抑制することができる。

以上のように、検出されたエンジン水温Ｔｗに応じて目標空燃比を切換えることで、複数のリニア空燃比センサやカバー等を設けることなく、素子部５３ａの被水による素子割れを抑制することができる。よって、部品点数の増加を抑えて、組立工数の増加やコストの上昇を抑えることができる。

さらに、ＰＣＭ３は、リーン空燃比によるリーン運転時には、第１モータ７を発電させることによってエンジン５に負荷をかけるので、排気通路３９における水分の発生を抑えつつ、暖機完了の早期化を図ることができる。また、エンジン５に負荷をかけることによってエンジン５の暖機を促進するので、単純にエンジン回転数を上昇させることでエンジン５の暖機を促進する場合に比べて、乗員に違和感を与えるのを抑えることができる。

さらに、ＰＣＭ３は、バッテリ１１のＳＯＣが第１基準値ＳＯＣ１以下のときは、第１モータ７による発電電力を当該バッテリ１１に充電させるので、バッテリ１１のＳＯＣを高めることができる。また、このようにバッテリ１１に電流を流すことで、バッテリ１１の内部抵抗により熱を発生させて、バッテリ１１を内部から暖めるのでバッテリ１１の暖機を促進できる。

また、ＰＣＭ３は、ＳＯＣの第１基準値ＳＯＣ１と第２基準値ＳＯＣ２との間で、電気部品の作動によるバッテリ１１の放電と第１モータ７によるバッテリ１１の充電とを交互に行うので、極冷間時であってもバッテリ１１の暖機をさらに促進することができる。

さらに、エンジン５の暖機が完了したときは、ＰＣＭ３が目標空燃比をリーン空燃比に設定するので、エミッション性能及び暖機完了後の燃費を向上させることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

上記実施形態では、車両１を、使用燃料をガソリンと水素との間で選択的に切り替えて駆動可能なデュアルフューエルエンジンを搭載したハイブリッド車両としたが、これに限らず、水素を燃料とするエンジンである限り、単にロータリーエンジンを搭載した車両としてもよい。

また、上記実施形態では、バッテリ温度Ｔｂａｔ１の許容範囲として、１０℃〜３０℃を例示したが、これに限らず、バッテリの容量等に合わせて適宜決定してもよい。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

以上説明したように、本発明は、排気系の触媒上流側に素子加熱用ヒータを有する空燃比センサを備えた、水素を燃料とする水素エンジンの制御装置等について有用である。

１ 車両
３ ＰＣＭ（目標空燃比設定手段）（発電機制御手段）（ＳＯＣ検出手段）
５ エンジン（水素エンジン）
７ 第１モータ（発電機）
１１ バッテリ
３９ 排気通路（排気系）
５１ 三元触媒（触媒）
５３ リニア空燃比センサ（空燃比センサ）
５３ｂ ヒータ（素子加熱用ヒータ）
５９ 水温センサ（温度検出手段）
６１ａ 電流センサ（ＳＯＣ検出手段）
６１ｂ 電圧センサ（ＳＯＣ検出手段）

Claims (5)

1. 排気系の触媒上流側に素子加熱用ヒータを有する空燃比センサを備え、水素を燃料とする水素エンジンの制御装置であって、
   上記エンジンに関連する温度を検出する温度検出手段と、
   上記温度検出手段により検出された温度に応じて、目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、をさらに備え、
   上記目標空燃比設定手段は、上記温度検出手段により検出された温度が、第１基準温度未満の極冷間時には、目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定する一方、第１基準温度以上且つ当該第１基準温度よりも高い第２基準温度未満の冷間時には、目標空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりも小さいリッチ空燃比に設定することを特徴とする水素エンジンの制御装置。
2. 請求項１記載の水素エンジンの制御装置において、
   上記エンジンは、当該エンジンにより回転駆動されて発電する発電機を有しており、
   リーン空燃比によるリーン運転時に、エンジンに負荷をかけるように上記発電機を制御する発電機制御手段をさらに備えていることを特徴とする水素エンジンの制御装置。
3. 請求項２記載の水素エンジンの制御装置において、
   上記発電機による発電電力を充放電可能なバッテリのＳＯＣを検出するＳＯＣ検出手段をさらに備え、
   上記発電機制御手段は、上記ＳＯＣ検出手段により検出された上記バッテリのＳＯＣが第１基準値以下のときは、上記発電機による発電電力を当該バッテリに充電させることを特徴とする水素エンジンの制御装置。
4. 請求項３記載の水素エンジンの制御装置において、
   上記発電機制御手段は、上記バッテリのＳＯＣが、第１基準値よりも低い第２基準値に達するまで、当該バッテリの電力を用いて車両に搭載された電気部品を作動させる制御と、当該バッテリのＳＯＣが第１基準値に達するまで、上記発電機による発電電力を当該バッテリに充電させる制御を交互に実行することを特徴とする水素エンジンの制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の水素エンジンの制御装置において、
   上記目標空燃比設定手段は、上記温度検出手段により検出された温度が、エンジンの暖機完了温度として設定された第２基準温度以上の温間時には、目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定することを特徴とする水素エンジンの制御装置。

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