JP2006057504A

JP2006057504A - 水素燃料エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP2006057504A
Application number: JP2004239116A
Authority: JP
Inventors: Seiji Miyoshi; 誠治三好; Keiji Yamada; 啓司山田; Akihide Takami; 明秀高見
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: JP4380465B2

Abstract

【課題】ＮＯｘ吸蔵触媒からの硫黄放出の際に、Ｈ_２Ｓの発生を抑制すると共に、振動、騒音の発生を抑制できる水素燃料エンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し空燃比が理論空燃比又はリッチのときにＮＯｘを放出するＮＯｘ吸蔵触媒を排気通路内に配置し、燃焼室内に化石燃料を供給する第１燃料供給手段と、燃焼室内に水素を供給する第２燃料供給手段と、運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態に応じて燃料に占める化石燃料と水素との割合を変更する燃料割合変更手段とを有する水素燃料エンジンの制御装置であって、ＮＯｘ吸蔵触媒の硫黄被毒度合いを検出する硫黄被毒度合い検出手段と、所定以上の硫黄被毒度合いを検出したときに空燃比をリッチにする空燃比制御手段とを備え、上記燃料割合変更手段は、空燃比制御手段により空燃比をリッチにするときは、化石燃料の割合を大きくする。
【選択図】図５

Description

本発明は、水素と、ガソリン、軽油、天然ガス等の化石燃料との少なくとも一方を燃料として作動する水素燃料エンジンの制御装置に関し、より詳しくは、ＮＯｘ吸蔵触媒を排気通路に備えた水素燃料エンジンの制御装置に関する技術分野に属する。

一般に、車両用等のエンジンにおいては、排ガス中に含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害成分を除去する装置として三元触媒が用いられる。しかし、近年における燃費性能の向上を目的とした希薄燃焼方式等を採用するエンジンの場合、排ガス中の酸素濃度が高くなるため、ウインドウが理論空燃比近傍の狭い範囲にある従来の三元触媒ではＮＯｘを十分に除去できないという問題が発生する。

これに対処するものとして、排気通路に空燃比がリーン（酸素過剰状態）のときには排ガス中のＮＯｘを吸収し、空燃比がリッチ（酸素不足状態）になれば吸収していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸蔵触媒を配置することが知られている。これによれば、空燃比を適切に制御することにより、リーン状態では、ＮＯｘが上記ＮＯｘ吸蔵触媒に吸収され、またリッチ状態では、ＮＯｘが上記ＮＯｘ吸蔵触媒から放出されて、多量に存在するＣＯ，ＨＣと反応し、やはり有害成分の外部への排出が抑制される。その結果、希薄燃焼方式を採用するエンジンのＮＯｘ排出量を効果的に低減させることが可能となる。

ところで、ＮＯｘ吸蔵触媒には硫黄被毒の問題がある。つまり燃料に含まれる硫黄成分がＳＯｘ等となって、ＮＯｘ吸蔵触媒に付着して該触媒のＮＯｘ吸収を妨害し、ＮＯｘ浄化率を低下させるのである。そのため、定期的にＮＯｘ吸蔵触媒から硫黄を放出除去する必要があり、例えば特許文献１に記載の硫黄放出制御として、ＮＯｘ吸蔵触媒への硫黄付着量を燃料流量や排ガス温度等に基づいて推定し、該推定量が所定量以上となったときに空燃比をリッチ化し、かつ触媒を昇温させるために排ガスを昇温してＮＯｘ吸蔵触媒から硫黄を放出除去させるものがある。

一方、近年、環境保護に対応して、ガソリン、軽油、天然ガス等の化石燃料に代わって水素を燃料とする水素燃料エンジン、あるいは化石燃料と水素とを併用して作動するハイブリッド式の水素燃料エンジンが提案されている。このような水素燃料エンジンの例として特許文献２に記載のエンジンがある。これによるとエンジンは、燃焼室内にガソリンを供給する燃料噴射弁と水素を供給する水素噴射弁とを備えており、運転状況に応じていずれの燃料を使用するかを切換可能に構成されている。

特開平１１−４４２１１号公報特開平７−９７９０６号公報

ところで、上記のように、燃料として水素燃料を使用可能なエンジンにおいて、排気通路にＮＯｘ吸蔵触媒が配設されている場合に、硫黄除去のために燃焼室へ供給する混合気体の空燃比をリッチ化したときは、水素の噴射量が増加することになるが、水素の噴射量が大きくなると、水素の強い還元力又は不完全燃焼により有害なＨ_２Ｓが発生する傾向が大きくなると共に、ノッキングに似た振動、騒音が発生しやすいという問題がある。

そこで、本発明は、ＮＯｘ吸蔵触媒からの硫黄放出の際に、Ｈ_２Ｓの発生を抑制すると共に、振動、騒音の発生を抑制することができる水素燃料エンジンの制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し空燃比が理論空燃比またはリッチのときに吸蔵していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸蔵触媒を排気通路内に配置し、燃焼室内に化石燃料を供給する第１燃料供給手段と、燃焼室内に水素を供給する第２燃料供給手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、エンジンの運転状態に応じて燃焼室に供給する燃料に占める化石燃料と水素との割合を変更する燃料割合変更手段とを有する水素燃料エンジンの制御装置であって、上記ＮＯｘ吸蔵触媒の硫黄被毒度合いに関するパラメータを検出する硫黄被毒度合い検出手段と、該検出手段により所定以上の硫黄被毒度合いが検出されたときに空燃比をリッチにする空燃比制御手段とが備えられていると共に、上記燃料割合変更手段は、該空燃比制御手段により空燃比がリッチにされるときは、化石燃料の割合を大きくするように構成されていることを特徴とする。

そして、請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載の水素燃料エンジンの制御装置において、空燃比制御手段は、燃料割合変更手段により運転状態に応じて設定された燃料に占める化石燃料の比率が大きいときほど、空燃比をリッチにする度合いを大きくすることを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、硫黄被毒度合いが所定以上のときには、空燃比をリッチ化して燃焼を活発化させ、排ガス温度を上昇させてＮＯｘ吸蔵触媒に吸収された硫黄を放出させるが、このときに燃料に占める化石燃料の割合を増加させることにより空燃比のリッチ化を実現させるので、水素の供給量を増加させることによる還元力の増大や不完全燃焼の発生を回避して、Ｈ_２Ｓの発生及び振動・騒音の発生を抑制することができる。さらに、硫黄放出時に燃料に占める化石燃料の割合を１００％にせず、還元力が過大とならず、かつ不完全燃焼が発生しない割合で燃料に水素を含ませることによって、排ガスを昇温させることができるので、硫黄放出の効率化を図ることができる。

一方、空燃比をリッチ化した際に燃料に占める化石燃料の割合を増加させると、水素燃焼により排ガスをより効率的に昇温させるという効果が低下して、触媒昇温に長い時間を要し、実質的な硫黄放出開始が遅れることがある。これに対して、請求項２に記載の発明によれば、燃料に占める化石燃料の割合が大きいほど空燃比のリッチ度合いを大きくするように制御するので、活発な燃焼により排ガスを昇温させることができ、ＮＯｘ吸蔵触媒からの硫黄放出の効率化を図ることができる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。

まず、図１は、エンジン１の全体的な構成について示す。エンジン１は、水素とガソリンとを燃料として併用する水素燃料エンジンであって、複数の気筒２…２（１つのみ図示）が直列に設けられたシリンダブロック３と、該シリンダブロック３上に配設されたシリンダヘッド４とを有し、各気筒２内にはそれぞれピストン５が往復動可能に嵌挿され、該ピストン５冠面とシリンダヘッド４下面との間の気筒２内に燃焼室６が画成されている。ピストン５の往復動はコネクティングロッド７を介してクランク軸８の回転運動に変換される。また、上記シリンダブロック３には、クランク軸８の回転角度を検出する電磁式のクランク角センサ９と、各気筒２毎の燃焼圧の変動に基づいてノッキングを検出するためのノックセンサ１０と、図示しないウォータジャケットの内部に臨んで冷却水の温度（エンジン水温）を検出するエンジン水温センサ１１とが配設されている。

一方、上記シリンダヘッド４には、各気筒２毎に燃焼室６の天井面に臨んで開口するように吸気ポート２０及び排気ポート２１が２つずつ開口し、各ポート２０，２１の燃焼室６側の開口部に吸気弁２２及び排気弁２３が配置されている。これら吸気弁２２及び排気弁２３は、それぞれシリンダヘッド４の内部に軸支された吸気側及び排気側カム軸（図示せず）によって、上記クランク軸８の回転に同期して開閉動作をする。また、吸気側のカム軸には、その回転角度を検出するための電磁式のカム角センサ２４が設けられている。また、各気筒２毎に上記シリンダヘッド４を上下方向に貫通しかつ吸・排気弁２２，２３に取り囲まれるようにして、点火プラグ２５が配設されている。この点火プラグ２５の先端の電極は燃焼室６の天井面から所定距離だけ下方に突出している。また、点火プラグ２５の基端部は、ヘッドカバー２６を貫通するように配設された点火回路（イグナイタ）２７に接続されている。

上記燃焼室６の底部となるピストン５の冠面は、外周側の部位が燃焼室６の天井面とほぼ平行な形状とされる一方、ピストン５の冠面のほぼ中央部には平面視で概略レモン形状の凹部が設けられている。また、燃焼室６の吸気側の周縁部には、墳口を臨ませて燃焼室６内に水素燃料を噴射する水素用インジェクタ２８が配設されている。一方、吸気ポート２０に墳口を臨ませて吸気ポート２０内にガソリン（軽油、天然ガス等の化石燃料を用いてもよい）を噴射するガソリン用インジェクタ２９が配設されている。

上記水素用インジェクタ２８の基端側は全気筒２に共通の水素用燃料分配管３０に接続され、この水素用燃料分配管３０により高圧水素燃料ポンプ３１から吐出される水素燃料が各気筒２毎の水素用インジェクタ２８に分配されるようになっている。そして、水素用インジェクタ２８により圧縮行程で水素が噴射されると、この水素燃料噴霧は燃焼室６内の吸気流動によって減速されて、適度な濃度状態の混合気塊を点火プラグ２５周りに形成する。なお、上記水素用燃料分配管３０には、水素用インジェクタ２８から噴射される水素燃料の圧力状態（燃料噴射圧）を測定するための水素用燃圧センサ３２が配設されている。

一方、上記ガソリン用インジェクタ２９の基端側は全気筒２に共通のガソリン用燃料分配管３３に接続され、このガソリン用燃料分配管３３により高圧燃料ポンプ３４から吐出される燃料が各気筒２に臨む吸気ポート２０毎のガソリン用インジェクタ２９により分配されるようになっている。そして、そのガソリン用インジェクタ２９により吸気行程でガソリンが噴射されると、吸気流動によりガソリンが燃焼室２内に吸入される。なお、上記ガソリン用燃料分配管３３には、ガソリン用インジェクタ２９から噴射されるガソリンの圧力状態（燃料噴射圧）を測定するためのガソリン用燃圧センサ３５が配設されている。

なお、ここでは水素用インジェクタ２８を燃焼室６内への直噴とし、ガソリン用インジェクタ２９を吸気ポート２０への噴射とするように構成しているが、水素用インジェクタ２８を吸気ポート２０への噴射としかつガソリン用インジェクタ２９を燃焼室６内への直噴となるように構成したり、水素及びガソリン用インジェクタ２８，２９の両方を燃焼室６内への直噴、あるいは両方を吸気ポート２０への噴射となるように構成してもよい。なお、水素用インジェクタ２８を吸気ポート２０へ噴射するように構成すると、水素の高い燃焼性により、水素が燃焼室６に導入する前、すなわち吸気ポート２０内で燃焼してしまうことがある。

エンジン１の一側面には（図１の右側の側面）には、各気筒２毎の吸気ポート２０に連通するように吸気通路４０が接続されている。この吸気通路４０は、エンジン１の燃焼室６に対してエアクリーナ４１で濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から下流側に向かって順に、エンジン１への吸入空気量を検出するエアフローセンサ４２と、吸気通路４０の断面積を変更する電気式スロットル弁４３及びその位置を検出するスロットルセンサ４４と、サージタンク４５とが配設されている。スロットル弁４３は、図外のアクセルペダルに対して機械的には連結されておらず、図示しない電動モータにより開閉されるようになっている。また、サージタンク４５には、スロットル弁４３よりも下流の吸気通路４０の圧力を検出するブーストセンサ４６が配設されている。

また、上記サージタンク４５よりも下流側の吸気通路４０は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、該各独立通路の下流端部はさらに２つに分岐してそれぞれ吸気ポート２０に個別に連通する分岐路となっている。この分岐路から独立通路までの間には、燃焼室６内の吸気流動の強さを調節するための絞り弁（ＴｕｍｂｌｅＳｗｉｒｌＣｏｎｔｒｏｌＶａｌｖｅ：以下、ＴＳＣＶという）４７が配設されていて、例えばステッピングモータ等によって開閉作動される。このＴＳＣＶ４７の弁体には一部に切欠きが形成されており、全閉状態ではその切欠き部のみから下流側に流れる吸気が燃焼室６において強い筒内流動を生成する。一方、ＴＳＣＶ４７が開かれるに従い、吸気は切欠き部以外からも流通するようになって、筒内流動の強さは徐々に低下するようになる。

エンジン１の他側面（図１の左側の側面）には、気筒２内の燃焼室６から既燃ガス（排ガス）を排出するための排気通路５０が接続されている。これらの排気通路５０の上流側は、各気筒２毎の吸気ポート２０につながる排気マニホルドにより構成され、該排気マニホルドよりも下流側の排気通路５０には、排ガス中の有害成分であるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための２つの触媒コンバータ５１，５２が直列に配設されている。

上流側の触媒コンバータ５１は、詳細は図示しないが、ケーシング内にハニカム構造の担体を収容したもので、この担体の各貫通孔の壁面にいわゆる三元触媒５３の触媒層が形成されている。この三元触媒５３は、従来より周知の通り、排ガスの空燃比状態がほぼ理論空燃比を含む所定の状態にあるときに、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘをほぼ完全に浄化可能なものである。

また、下流側の触媒コンバータ５２は、１つのケーシング内に２つの担体を直列に収容し、そのうちの上流側の担体の各貫通孔壁面にいわゆるＮＯｘ吸蔵タイプの触媒層を形成して、上流側ＮＯｘ吸蔵触媒５４を構成すると共に、下流側の担体にも同様にＮＯｘ吸蔵タイプの触媒層を形成して、下流側ＮＯｘ吸蔵触媒５５を構成したものである。ここで、上記ＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５は、バリウムを主成分とし、カリウム、マグネシウム、ストロンチウム、ランタン等のアルカリ金属、アルカリ土類金属、或は希土類と、白金等の化学反応触媒作用を有する貴金属とを担持させてなり、排ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーン状態のときに排ガス中のＮＯｘを吸蔵する一方、そのようにして吸蔵したＮＯｘを空燃比のリッチ化に応じて放出し、かつ還元浄化するという機能を有している（ＮＯｘ放出制御）。

また、ＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５はバリウムを含有するので、燃料中の硫黄成分（ＳＯｘ）が触媒に付着するという硫黄被毒の問題がある。硫黄はＮＯｘ放出制御では放出できず、これをそのまま放置するとＮＯｘ浄化能力が低下するから、付着した硫黄を放出させて触媒の浄化能力を回復させるための処理（ＳＯｘ放出制御）、すなわち硫黄被毒解消のためのＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５の昇温が行われる。

このＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５の昇温は、空燃比をリッチ化して燃焼の活発化を図る他、燃料の分割噴射や点火時期の遅角（点火リタード）により排ガス温度を上昇させることで達成することもできる。硫黄被毒は空燃比がリーン状態のときほど進行しやすく、したがって、ＳＯｘ放出制御では空燃比をリッチ化したうえでＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５を昇温して硫黄の放出を促進するように制御される。

ここで、上記ＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５により排ガス中のＮＯｘが吸蔵され、あるいは放出されるメカニズムは、以下のようなものである。まず、図２（ａ）に模式的に示すように、空燃比がリーン状態のときに、酸素過剰雰囲気の排ガス中のＮＯｘ及びＳＯｘが触媒金属上で酸素Ｏ_２と反応してその一部がバリウムと結合しながら、ＮＯｘ及びＳＯｘとして吸蔵される。一方、図２（ｂ）に示すように、空燃比が理論空燃比がそれよりもリッチな状態のときに、リーン状態の場合とは反対に反応が進行し、バリウムから離れたＮＯｘが排ガス中のＨＣ，ＣＯと反応して（還元反応）、窒素Ｎ_２と酸素Ｏ_２とに分解される。このとき、ＳＯｘは放出されずバリウムと結合したままである。

そして、ＮＯｘ放出制御を行う運転においては図２（ａ）と図２（ｂ）との状態を繰り返すことになるが、図２（ｃ）に示すように多量のＳＯｘがバリウムと結合してその表面に残存すると、図２（ａ）のリーン状態のときにＮＯｘを吸蔵できなくなって、ＮＯｘを無害物質に分解せずにそのまま大気中に放出してしまうことになる。

これに対して、ＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５の表面がＳＯｘに覆われてＮＯｘが吸蔵できなくなるタイミングで、図２（ｄ）に示すように、触媒５４，５５を６００〜６５０℃に昇温させると共に空燃比をリッチ化することによって、バリウム表面に結合したＳＯｘを放出して、バリウム表面にＮＯｘを吸着できる領域を確保するようにしている。

ところで、上記エンジン１の排気マニホルドの集合部付近には排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（第１の酸素濃度センサ）５６が配設されており、主にこのセンサ５６からの信号に基づいてエンジン１の空燃比フィードバック制御が行われるようになっている。また、上記２つの触媒コンバータ５１，５２の中間には上流側三元触媒５３の劣化状態を判定するための第２の酸素濃度検出センサ５７と、ＮＯｘ吸蔵触媒５４に流入する排ガスの温度を検出する排気温度検出センサ５８とが配設され、さらに、２つのＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５の中間には第３の酸素濃度センサ５９が配設されている。

また、上記排気マニホルドよりも下流側の排気通路５０には、そこから分岐するようにして排ガスの一部を吸気通路４０に還流させる排気還流通路（以下、ＥＧＲ通路という）６０の上流端が連通している。このＥＧＲ通路６０の下流端は上記サージタンク４５の内部に臨んで開口していて、該下流端近傍のＥＧＲ通路６０にはデューティソレノイド弁からなるＥＧＲ弁６１が配設されている。このＥＧＲ弁６１によってＥＧＲ通路６０における排気の還流量が調節されるようになっている。

上述した点火回路２７、水素及びガソリン用インジェクタ２８，２９、水素及びガソリン用高圧燃料ポンプ３１，３４、スロットル弁４３、ＴＳＣＶ４７、ＥＧＲ弁６１等は、いずれもエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵという）７０によって作動制御される。一方、このＥＣＵ７０には、少なくとも、上記クランク角センサ９、ノックセンサ１０、水温センサ１１、エアフローセンサ４１、スロットルセンサ４４、３つの酸素濃度センサ５６，５７，５９、排気温度センサ５８等からの出力信号がそれぞれ入力され、さらに、アクセルペダルの操作量（以下、アクセル開度という）を検出するアクセル開度センサ７１からの出力信号と、エンジン回転数を検出する回転数センサ７２、車速を検出する車速センサ７３からの出力信号とが入力されるようになっている。

ＥＣＵ７０は、上記各センサから入力される信号に基づいてエンジン１への吸入空気量や各気筒２毎の燃料噴射量、噴射時期及び点火時期を制御し、さらに、気筒２内の吸気流動の強さや排気の還流割合等を制御する。

一方、図３は、ＮＯｘ放出制御時、ＳＯｘ放出制御時、及び加速時を除くリーン運転時（空燃比Ａ／Ｆ＝３０）において、運転モードに応じて設定された領域を示すマップであり、低負荷低回転側には水素メインモード、高負荷高回転側にはガソリンメインモードの領域がそれぞれ設定されている。水素メインモードは、燃焼室６に噴射した水素とガソリンとの体積比が２００：１になるように設定され、この体積比を出力寄与に換算すると８０：２０になり、水素の方がより大きく燃焼に寄与するモードである。一方、ガソリンメインモードは、体積比が１２：１になるように設定され、このとき出力寄与は２０：８０になり、ガソリンの方がより大きく燃焼に寄与するモードである。

図４〜６に示すフローチャートは、上記水素燃料エンジン１のＥＣＵ７０によるＮＯｘ放出制御及びＳＯｘ放出制御の具体的な制御手順を示す。なお、ＮＯｘ放出制御の開始条件としては、前回のＮＯｘ放出からのリーン運転の時間積算値によって算出されたＮＯｘ吸蔵量Ｑが第１所定値Ｑ_１以上となったときと、所定量以上の加速が検出されたときとが設定され、また、ＳＯｘ放出制御の開始条件としては、前回のＳＯｘ放出からの、リーン運転の時間積算値（ＮＯｘ放出制御において算出した時間積算値の５〜１０倍）からＳＯｘ被毒量Ｓを算出して該被毒量Ｓが第２所定値Ｓ_１以上となったときが設定されている。

まず、図４に示すように、ステップＳ１で、水温センサ１１、カム角センサ２４、エアフローセンサ４１、酸素濃度センサ５６，５７，５９、アクセル開度センサ７１、回転数センサ５２等からの各種信号を入力し、さらにＥＣＵ７０のＲＡＭに一時的に保存されているデータを読み込む。続いて、ステップＳ２において、エンジン負荷とエンジン回転数とを用いて、図３に示したマップに基いて運転モードを決定する。

そして、ステップＳ３及びステップＳ４でリーン運転の時間積算値等からＮＯｘ吸蔵量Ｑ及びＳＯｘ被毒量Ｓを計算し、ＥＣＵ７０のＲＡＭに記憶されたこれらの記憶データを更新する。そして、ステップＳ５で、フラグＦ_１が１にセットされているか否かを判断して、フラグＦ_１=０のときにはステップＳ６に進む。ステップＳ６では上記ステップＳ３で計算されたＮＯｘ吸蔵量Ｑが予め設定された所定値Ｑ_１よりも大きいか否かを判定する。ＮＯｘ吸蔵量Ｑが所定量Ｑ_１よりも小さいときは図５のステップＳ２１に進み、ＮＯｘ吸蔵量Ｑが所定値Ｑ_１よりも大きいときはステップＳ７に進んでＮＯｘ放出制御を開始する。

ＮＯｘ放出制御は、まず、ステップＳ７でタイマーＣ_１を設定し、ステップＳ８でフラグＦ_１を１にセットする。次に、ステップＳ９で現在の使用燃料が水素のみ又は水素とガソリンの混合もしくはガソリンのみのいずれかであるかを判定して、現在の使用燃料が水素のみ又は水素とガソリンの混合であればステップＳ１０に進んで燃料をガソリンのみになるように切り換えたのち、ステップＳ１１に進んで目標空燃比Ａ／Ｆがリッチ（Ａ／Ｆ＝１４．７）になるように設定する。また、ステップＳ９で現在の使用燃料がガソリンのみである場合には、そのままステップＳ１１に進み同様に目標空燃比Ａ／Ｆをリッチ化する。次に、ステップＳ１２で、上記ステップＳ１１で設定した目標空燃比Ａ／Ｆと吸入空気量とに基いて目標ガソリン噴射量を算出する。そして、ステップＳ１３でカウントＴ_１に１を加算して、ステップＳ１４において上記ステップＳ１２で算出した目標ガソリン噴射量に基いて燃料噴射を実行し、リターンする。このＮＯｘ放出制御においては、燃料を完全にガソリンに切換えて空燃比Ａ／Ｆをリッチ化することによりＮＯｘ放出を行うようにしている。

また、ステップＳ５でフラグＦ_１が１であるときには、ステップＳ１５でカウントＴ_１がタイマーＣ_１と等しいか否かを判定し、カウントＴ_１がＣ_１と等しくない場合はステップＳ９に進んで使用燃料をガソリンのみに切換えて空燃比のリッチ化を行う。一方、カウントＴ_１がＣ_１と等しい場合は、ＮＯｘ放出制御を終了する。つまり、ステップＳ１６に進んでフラグＦ_１を０にリセットすると共に、ステップＳ１７において上記ステップＳ４で計算したＮＯｘ吸蔵量Ｑを０にリセットし、ステップＳ１８でカウントＴ_１を０にリセットする。そして、ステップＳ１９で目標空燃比Ａ／Ｆを通常のリーン状態（Ａ／Ｆ＝３０）に設定し、ステップＳ２０で目標空燃比Ａ／Ｆと、運転モードに応じた水素・ガソリン比率と、吸入空気量とに基いて、目標ガソリン噴射量及び目標水素噴射量を算出する。次に、ステップＳ１４に進み、算出した目標ガソリン噴射量及び目標水素噴射量に基いて燃料噴射を実行してリターンする。

一方、ステップＳ６でＮＯｘ吸蔵量Ｑが第１所定量Ｑ_１以下であるときには、図５のステップＳ２１に進み、フラグＦ_２が１であるか否かを判定する。フラグＦ_２が１でないときは、ステップＳ２２に進んで、上記ステップＳ４で計算したＳＯｘ被毒量Ｓが所定量Ｓ_１以上であるか否かを判定し、ＳＯｘ被毒量Ｓが所定量Ｓ_１以上であるときにはＳＯｘ放出制御を開始する。

ＳＯｘ放出制御は、まず、ステップＳ２３でタイマーＣ_２を設定する。このとき、排ガス温度が高ければタイマーＣ_２は短く設定される。そして、ステップＳ２４でフラグＦ_２を１にセットし、ステップＳ２５で燃料に占めるガソリン比率に応じてＳＯｘ放出用目標空燃比Ａ／Ｆを設定する。つまり、このＳＯｘ放出用目標空燃比Ａ／Ｆの設定においては、目標空燃比Ａ／Ｆが１１〜１４．７の間の値になるように設定されると共に、この範囲内でガソリン比率が大きいときほどリッチになるように設定される。そして、ステップＳ２６でＳＯｘ放出用目標空燃比Ａ／Ｆの設定前の目標空燃比Ａ／Ｆ、つまり通常のリーン運転時の目標空燃比Ａ／Ｆ＝３０と、運転モードに応じた水素・ガソリン比率と、吸入空気量とに基いて目標水素噴射量を算出する。次に、ステップＳ２７において、ＳＯｘ放出用目標空燃比Ａ／Ｆと、吸入空気量とに基いて、ＳＯｘ放出用目標空燃比Ａ／Ｆを実現するために、上記ステップＳ２６で算出した水素噴射量に追加すべき燃料として目標ガソリン噴射量を算出する。このとき、ステップＳ２６で算出した水素噴射量は通常のリーン運転用のものであるから、上記ステップＳ２５で設定したリッチ状態においては、通常のリーン運転時に比べて燃料に占めるガソリンの割合が大きくなる。

次に、ステップＳ２８でカウントＴ_２に１を加算し、ステップＳ２９において、上記ステップＳ２６で算出した目標水素噴射量及び上記ステップＳ２７で算出した目標ガソリン噴射量に基いて燃料噴射を実行してリターンする。

一方、ステップＳ２１でフラグＦ_２が１のときは、ステップＳ３０に進んでカウントＴ_２がタイマーＣ_２と等しいか否かを判定し、等しくないときにはステップＳ２５に進む。一方、これらが等しいときにはステップＳ３１に進み、ＳＯｘ放出制御を終了する。すなわち、ステップＳ３１でフラグＦ_２を０にリセットすると共に、ステップＳ３２でＳＯｘ被毒量Ｓを０、ステップＳ３３でカウントＴ_２を０にそれぞれリセットする。そして、ステップＳ３４で目標空燃比Ａ／Ｆを３０のリーン状態に設定し、ステップＳ３５で目標空燃比Ａ／Ｆと、運転モードに応じた水素・ガソリン比率と、吸入空気量とに基いて目標ガソリン噴射量及び目標水素噴射量を算出する。次に、ステップＳ２９に進んで上記ステップＳ３５で算出した目標ガソリン噴射量及び目標水素噴射量に基いて燃料噴射を実行してリターンする。

一方、ステップＳ２０でＳＯｘ被毒量Ｓが所定量Ｓ_１以下であるときには、図６のステップＳ３６で加速中か否かを判定する。そして、加速中のときはステップＳ３７で目標空燃比Ａ／Ｆを１４．７のリッチ状態に設定する。そして、ステップＳ３８で目標空燃比Ａ／Ｆと吸入空気量とに基いて目標ガソリン噴射量及び目標水素噴射量を算出する。そして、ステップＳ３９で上記ステップＳ３８で算出した目標ガソリン噴射量及び目標水素噴射量に基いて燃料噴射を実行してリターンする。

一方、ステップＳ３６で加速中でないときは、ステップＳ４０で目標空燃比Ａ／Ｆを３０のリーン状態に設定する。そして、ステップＳ４１で目標空燃比Ａ／Ｆと、運転モードに応じた水素・ガソリン比率と、吸入空気量とに基いて目標ガソリン噴射量及び目標水素噴射量を算出し、ステップＳ３９で上記ステップＳ４１で算出した目標ガソリン噴射量及び目標水素噴射量に基いて燃料噴射を実行してリターンする。

なお、上記ステップ２６、２７では、ＳＯｘ放出用空燃比Ａ／Ｆの実現のために、最初に目標空燃比Ａ／Ｆが３０のときの目標水素噴射量を求めて、不足分の燃料をガソリンで補うことによりリッチ化するようにしたが、予めＳＯｘ放出制御用の水素・ガソリン比率（通常時よりガソリン比率が大）を設定しておき、この比率に基いて目標ガソリン噴射量及び目標水素噴射量を決定するようにしてもよい。

次に、上記の制御を図７に示すタイムチャートを用いて説明する。これによると、空燃比Ａ／Ｆが３０のリーン運転状態で、水素メインモードでスロットル開度を略一定にした状態で運転が行われる場合に、ＮＯｘ吸蔵量Ｑが時間と共に増加し、一定量Ｑ_２までＮＯｘ吸蔵量Ｑが増加したと判断されたとき、時間Ｃ_１が経過するまでの間空燃比Ａ／Ｆを１４．７にリッチ化する制御を行い、ＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５からＮＯｘを放出させる。そして、このＮＯｘ放出制御においては、燃料を完全にガソリンに切り換えるようにしている（ガソリン比率１００％、水素比率０％）。

一方、ＮＯｘ吸蔵量Ｑより緩やかにＳＯｘ被毒量Ｓも増加しており、一定量Ｓ_１までＳＯｘ被毒量Ｓが増加したと判断されたときは、時間Ｃ_２が経過するまでの間空燃比Ａ／Ｆを１４．７にリッチ化する制御を行い、ＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５からＳＯｘを放出させる。このとき、目標水素噴射量は図３に示した通常のリーン運転時の目標空燃比Ａ／Ｆと、運転モードに応じた水素・ガソリン比率と、吸入空気量とに基いて算出されるので、つまりＳＯｘ放出制御用に特別な計算を行わずに通常時と同様に水素噴射量を算出するので、リッチ化したときには水素比率が減少し、同時に、上記ＳＯｘ放出用目標空燃比Ａ／Ｆを実現するためにガソリン噴射量を増量することになるのでガソリン比率は増加する。このとき、燃料中に若干量の水素を含ませてあるので、ある程度排ガスの昇温は図れるのであるが、排ガスを確実に昇温させるために、点火時期をリタードするようにしてもよい。

以上のように、ＳＯｘ被毒量Ｓが所定値Ｓ_１以上のときには、空燃比をリッチ化して燃焼を活発化させ、排ガス温度を上昇させてＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５に吸収された硫黄を放出させるが、このときにガソリン噴射量を増加させることにより空燃比のリッチ化を実現させるので、水素噴射量を増加させることによる還元力の増大や不完全燃焼の発生を回避して、Ｈ_２Ｓの発生及び振動・騒音の発生を抑制することができる。さらに、硫黄放出時に燃料に占めるガソリンの割合を１００％にせず、還元力が過大とならず、かつ不完全燃焼が発生しない割合で燃料に水素を含ませることによって、排ガスを昇温させることができるので、硫黄放出の効率化を図ることができる。

また、図７中破線は、図３に示すガソリンメインモードでの運転時を示し、ＳＯｘ放出制御においてＳＯｘ放出用目標空燃比を１１にして上記水素メインモードのときと比べてリッチ度合いを大きくしている。このときも水素噴射量は上記水素メインモードのときと同様に通常のリーン運転時の目標空燃比Ａ／Ｆに基いて算出され、ガソリンで補うことによってＳＯｘ放出用目標空燃比Ａ／Ｆを実現する。このように、燃料に占めるガソリンの割合が大きいほど空燃比のリッチ度合いを大きくするように制御するので、燃料に占めるガソリンの割合が増大して昇温効果が低下しても、リッチ化による活発な燃焼により排ガスを良好に昇温させることができ、ＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５からの硫黄放出の効率化を図ることができる。

本発明は、ＮＯｘ吸蔵触媒からの硫黄放出の際に、Ｈ_２Ｓの発生を抑制すると共に、振動、騒音の発生を抑制することができる水素燃料エンジンの制御装置を提供する。本発明は、水素と、ガソリン、軽油、天然ガス等の化石燃料との少なくとも一方を燃料として作動する水素燃料エンジンの制御装置に関し、より詳しくは、ＮＯｘ吸蔵触媒を排気通路に備えた水素燃料エンジンの制御装置に関する技術分野に広く好適である。

本発明の実施の形態に係るエンジンのシステム構成図である。ＮＯｘ吸蔵触媒におけるＮＯｘ及びＳＯｘ吸蔵・放出の説明図である。エンジン負荷とエンジン回転数とに応じた運転モードを示すマップである。ＮＯｘ放出制御及びＳＯｘ放出制御手順を示すフローチャートである。同制御手順を示すフローチャートである。同制御手順を示すフローチャートである。同制御による各パラメータの変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１エンジン（水素燃料エンジン）
６燃焼室
２８水素用インジェクタ（第２燃料供給手段）
２９ガソリン用インジェクタ（第１燃料供給手段）
５０排気通路
５４，５５ＮＯｘ吸蔵触媒
７０ＥＣＵ（制御装置、運転状態検出手段、燃料割合変更手段、硫黄被毒度合い検出手段、空燃比制御手段）

Claims

空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し空燃比が理論空燃比またはリッチのときに吸蔵していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸蔵触媒を排気通路内に配置し、燃焼室内に化石燃料を供給する第１燃料供給手段と、燃焼室内に水素を供給する第２燃料供給手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、エンジンの運転状態に応じて燃焼室に供給する燃料に占める化石燃料と水素との割合を変更する燃料割合変更手段とを有する水素燃料エンジンの制御装置であって、上記ＮＯｘ吸蔵触媒の硫黄被毒度合いに関するパラメータを検出する硫黄被毒度合い検出手段と、該検出手段により所定以上の硫黄被毒度合いが検出されたときに空燃比をリッチにする空燃比制御手段とが備えられていると共に、上記燃料割合変更手段は、該空燃比制御手段により空燃比がリッチにされるときは、化石燃料の割合を大きくするように構成されていることを特徴とする水素燃料エンジンの制御装置。
空燃比制御手段は、燃料割合変更手段により運転状態に応じて設定された燃料に占める化石燃料の比率が大きいときほど、空燃比をリッチにする度合いを大きくすることを特徴とする請求項１に記載の水素燃料エンジンの制御装置。