JP2006046165A - 水素添加内燃機関の制御装置 - Google Patents

水素添加内燃機関の制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 ガソリンとともに水素ガスを供給する内燃機関において、キャニスタに吸着された蒸発燃料をパージする際に、燃焼状態を安定させること。
【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１０の制御装置であって、炭化水素燃料を貯留するタンク３４内で発生する燃料ベーパを吸着するキャニスタ５２と、所定の場合に、燃料ベーパを水素添加内燃機関の吸気ポート１８へパージするパージVSV６６と、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を設定する水素添加割合設定手段と、燃料ベーパを吸気ポート１８へパージしている場合は、水素ガスの添加割合を増加させる水素ガス添加割合可変手段と、を備える。
【選択図】 図２

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において、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（ＮＯＸ）を更に低減することが知られている。例えば、特開２００４−１１６３９８号公報には、ＮＯＸ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、内燃機関がガソリンタンク内での蒸発燃料（燃料ベーパ）を吸着するキャニスタを備えている場合、キャニスタから吸気通路への蒸発燃料のパージ量を正確に制御することができないため、水素ガスを供給した場合であっても燃焼状態が不安定になるという問題がある。
特にキャニスタから吸気通路への蒸発燃料のパージ量が多い場合は、機関筒内における空燃比を正確に制御することが困難となり、空燃比がリーン側またはリッチ側に変動し易くなる。これにより、燃焼状態が不安定になり、エミッション、ドライバビリティが悪化するという問題が生じる。
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、ガソリンとともに水素ガスを供給する内燃機関において、キャニスタに吸着された蒸発燃料をパージする際に、燃焼状態を安定させ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、前記炭化水素燃料を貯留するタンク内で発生する燃料ベーパを吸着するキャニスタと、所定の場合に、前記燃料ベーパを水素添加内燃機関の吸気通路へパージするパージ手段と、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を設定する水素添加割合設定手段と、前記燃料ベーパを前記吸気通路へパージしている場合は、前記水素ガスの添加割合を増加させる水素ガス添加割合可変手段と、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、前記水素ガス添加割合可変手段は、前記燃料ベーパの前記吸気通路へのパージ量が所定値以上の場合に、前記水素ガスの添加割合を増加させることを特徴とする。
第１の発明によれば、燃料ベーパを吸気通路へパージしている場合は、水素ガスの添加割合を増加させるため、燃料ベーパのパージに起因して筒内の燃焼状態が不安定になることを抑止できる。これにより、燃料ベーパのパージ中にエミッション、ドライバビリティを良好にすることが可能となる。
第２の発明によれば、燃料ベーパのパージ量が所定値以上の場合に水素ガスの添加割合を増加させるため、燃料ベーパのパージ量が微小であり燃焼状態への影響が少ない場合には水素ガスが無駄に使用されることを抑止できる。
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。
図１は、本発明の一実施形態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、レギュレータ４４、後述するパージVSV６６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、各種センサの出力に基づいて各アクチュエータを駆動することができる。
図１に示すように、ガソリンタンク３４には、ベーパ通路５０を介してキャニスタ５２が連通している。キャニスタ５２には、上記のベーパ通路５０と接続されるベーパポート５４、大気を導入するための大気ポート５６、および後述するパージ通路５８に連通するパージポート６０が設けられている。また、キャニスタ５２の内部には、ベーパポート５４から流入してくる蒸発燃料を吸着するための活性炭６４が充填されている。図１に示すように、ベーパポート５４とパージポート６０とは、活性炭６４に対して同じ側に設けられている。一方、大気ポート５６は、活性炭６４を挟んで、それらのポート５４，６０の反対側に設けられている。
パージ通路５８は、内燃機関１０の吸気ポート１８に連通する通路である。パージ通路５８の途中には、その導通状態を制御するためのパージVSV６６が設けられている。パージVSV６６はＥＣＵ５０と接続されており、その開閉状態はＥＣＵ５０からの駆動信号に基づいてデューティー（Ｄｕｔｙ）制御される。内燃機関１０の運転中は、内燃機関１０の吸気負圧がパージ通路５８の内部に導かれており、この状態でパージVSV６６が開かれると、その吸気負圧がキャニスタ５２のパージポート６０にまで到達し、その結果、大気ポート５６からパージポート６０へ向かう空気の流れが生ずる。このような空気の流れが生ずると、活性炭６４に吸着されている燃料に脱離が生ずる。このため、本実施形態のシステムによれば、内燃機関１０の運転中にパージVSV６６を適当に開くことにより、キャニスタ５２に吸着されている燃料を適当に内燃機関１０の吸気ポート１８にパージさせることができる。
パージVSV６６を開いて燃料ベーパを吸気ポート１８へパージさせた場合、筒内（燃焼室１６内）へのガソリンの吸入量に変動（バラツキ）が生じるため、筒内の燃焼状態が不安定になる場合がある。このため、特にアイドリング時、軽負荷走行時などにエミッション、ドライバビリティが悪化する場合がある。
このため、本実施形態のシステムでは、パージVSV６６を開いて燃料ベーパを吸気ポート１８へパージさせた場合において、パージ量が所定値よりも多い場合は、水素燃料ポート噴射弁２８からの水素の噴射量を通常よりも増加させるようにしている。これにより、燃料ベーパのパージ中に空燃比変動が生じた場合であっても、水素の添加割合を増加させることにより着火性と火炎伝播を良好にすることができる。従って、燃料ベーパをパージしている最中であっても筒内の燃焼状態を良好にすることが可能となり、ＮＯＸの排出量を低減させることができ、ドライバビリティを良好にすることができる。
以下、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、現在の運転状態において、キャニスタ５２に吸着されている燃料ベーパを吸気ポート１８へパージしているか否かを判定する。具体的には、パージVSV６６の開閉状態に基づいて、吸気ポート１８へ燃料ベーパをパージしているか否かを判定する。燃料ベーパをパージされている場合はステップＳ２へ進み、燃料ベーパをパージしていない場合はステップＳ４へ進む。
ステップＳ２では、燃焼室１６内に流入したガソリン燃料量のうち、キャニスタ５２からのパージに起因する燃料量が所定値以上であるか否かを判定する。すなわち、ここでは、キャニスタ５２からの燃料ベーパのパージ量が所定値以上であるか否かを判定する。燃料ベーパのパージ量は、例えばガソリン噴射弁２６からの燃料噴射量のフィードバック補正値から求めることができる。すなわち、キャニスタ５２から吸気ポート１８への燃料ベーパのパージ量が多い場合は、空燃比フィードバック制御によりガソリン噴射弁２６からの燃料噴射量が通常よりも少ない値に設定される。従って、ガソリン噴射量のフィードバック補正値に基づいてパージ量を求めることができる。
また、燃料ベーパのパージ量は、吸気ポート１８における負圧、およびパージVSV６６を制御するデューティー比に基づいて求めることができる。過渡運転時などにおいては、キャニスタ５２からのパージ量に対して、ガソリン噴射弁２６からの燃料噴射量のフィードバック制御に遅れが生じる場合があるため、上述したフィードバック補正値とともに、吸気ポート１８における負圧、デューティー比を考慮してパージ量を求めることが好適である。
ステップＳ２において、キャニスタ５２から吸気ポート１８への燃料ベーパのパージ量が所定値以上の場合は、ステップＳ３へ進む。一方、燃料ベーパのパージ量が所定値未満の場合はステップＳ４へ進む。
ステップＳ３へ進んだ場合は、燃料ベーパのパージ量が比較的多いため、パージ量と水素添加割合の関係を定めたマップから水素添加割合を算出する。この場合、パージ量が多くなるほど水素添加割合が大きく設定される。これにより、燃料ベーパのパージ中に燃焼状態を安定させることができ、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。
一方、ステップＳ４へ進んだ場合は、燃料ベーパのパージ量が０、またはパージ量が比較的少ない場合であるため、通常のマップから水素添加割合を算出する。なお、ステップＳ３，Ｓ４で算出された水素添加割合は、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Ｓ３，Ｓ４の後はステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、ステップＳ３，Ｓ４で決定した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ステップＳ３，Ｓ４で決定した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本実施形態によれば、キャニスタ５２から吸気ポート１８への燃料ペーパのパージ量が多い場合は、通常よりも水素添加割合を増加させる制御が可能となる。従って、燃料ベーパのパージに起因して筒内の燃焼状態が不安定になることを抑止できる。これにより、燃料ベーパのパージ中にエミッション、ドライバビリティを良好にすることが可能となる。
本発明の一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。 本発明の一実施形態のシステムにおける処理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
１８ 吸気ポート
３４ ガソリンタンク
５０ ＥＣＵ
５２ キャニスタ
６６ パージVSV

Claims (2)

  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、
    前記炭化水素燃料を貯留するタンク内で発生する燃料ベーパを吸着するキャニスタと、
    所定の場合に、前記燃料ベーパを水素添加内燃機関の吸気通路へパージするパージ手段と、
    炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を設定する水素添加割合設定手段と、
    前記燃料ベーパを前記吸気通路へパージしている場合は、前記水素ガスの添加割合を増加させる水素ガス添加割合可変手段と、
    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。
  2. 前記水素ガス添加割合可変手段は、前記燃料ベーパの前記吸気通路へのパージ量が所定値以上の場合に、前記水素ガスの添加割合を増加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の制御装置。
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