JP2006077638A - 内燃機関のガス燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 貯蔵されている水素ガスの圧力が十分に大きいときは水素ガスエンジンの燃費の向上を図るタイミングで水素ガスを噴射し、貯蔵されている水素ガスの圧力が小さくなったときは運転を継続できるタイミングで水素ガスを噴射するようにすること。
【解決手段】 ガス燃料噴射制御装置は、水素ガスの蓄圧タンク４１と、蓄圧タンクの水素ガスを内燃機関１０の気筒内に噴射する筒内噴射弁４７と、蓄圧タンクの水素ガス圧力を検出する水素タンク圧力センサ４３と、を備えている。そして、ガス燃料噴射制御装置は、検出された水素ガス圧力が高側閾値より大きいとき高い噴射圧を必要とする圧縮行程中に水素ガスを噴射し、成層リーン燃焼を行って燃費を向上する。また、検出された水素ガスの圧力が高側閾値より小さいとき水素ガスが噴射できるように筒内圧が小さい吸気行程中に水素ガスを噴射し、均質理論空燃比燃焼を行いながら運転継続を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の気筒（燃焼室）に供給される燃料となるガス（ガス燃料）を噴射するガス燃料噴射制御装置に関する。

従来から、蓄圧タンク（ガスボンベ）に貯蔵されている水素ガス或いは圧縮天然ガス（ＣＮＧ）などのガス燃料を燃焼室に供給し、同燃焼室にて同供給したガスを燃焼させるエンジンが知られている。このようなエンジンに適用される従来のガス燃料噴射制御装置は、ガス燃料を気筒内に直接噴射する筒内噴射弁を備え、圧縮行程にてガス燃料を噴射して所謂「成層リーン燃焼」を行うようになっている（特許文献１を参照。）。
特開２００４−６８７６２号公報（段落番号００１６）

しかしながら、蓄圧タンク内に貯蔵されているガスの量が小さくなって蓄圧タンク内のガスの圧力が低下すると、気筒内の圧力が比較的高圧となる圧縮行程において同ガス燃料を同気筒内に噴射することができなくなる。このため、ガス燃料が機関の運転を続行することができる量だけ蓄圧タンク内に残存していたとしても、ガス燃料を補充しなければならないという問題があった。このような問題は、上記「成層リーン燃焼」を行うために圧縮行程においてガス燃料を噴射する機関のみならず、例えば、吸気行程においてガス燃料を噴射すると空気の充填量が低下してしまうので、圧縮行程においてガス燃料を気筒内に噴射する機関等にも存在する。

本発明による内燃機関のガス燃料噴射制御装置は、上記課題に対処するためになされたものであり、燃料となるガスを貯蔵する蓄圧タンクと、駆動信号に応答して前記蓄圧タンクに貯蔵されているガスを内燃機関の気筒内に直接噴射する筒内噴射弁と、を備えている。

そして、このガス燃料噴射制御装置は、
前記蓄圧タンクのガスの圧力を検出するガス圧検出手段と、
前記検出されたガスの圧力が高側閾値より大きいとき前記機関が圧縮行程にある期間中に前記筒内噴射弁から前記ガスを噴射し、前記検出されたガスの圧力が前記高側閾値より小さいとき前記機関が吸気行程にある期間中に前記筒内噴射弁から前記ガスを噴射するように前記筒内噴射弁に前記駆動信号を送出する噴射制御手段と、
を備えている。

これによれば、検出された蓄圧タンクのガスの圧力が高側閾値より大きい場合、ガス燃料は圧縮行程にある期間中に気筒内に噴射される。従って、成層リーン燃焼が実現されることにより燃費向上が達成され、或いは、燃焼すべきガス燃料及び空気（或いは、酸素及びアルゴンなどの作動ガス）の充填効率が向上する。

一方、検出された蓄圧タンクのガスの圧力が高側閾値より小さくなった場合、ガス燃料は、気筒内の圧力が圧縮行程中よりも低い吸気行程中に気筒内に噴射される。従って、蓄圧タンクのガスの圧力が低下して圧縮行程中に気筒内にガス燃料を噴射できなくなった場合であっても、気筒内にガス燃料を供給することができる。これにより、蓄圧タンク内のガス燃料が更に減少して同蓄圧タンク内のガス圧が更に低下し、その結果、吸気行程中においてもガス燃料の噴射ができなくなるまでは、ガス燃料の補充をすることなく機関の運転を継続することができる。

また、本発明による他のガス燃料噴射制御装置は、
燃料となるガスを貯蔵する蓄圧タンクと、
駆動信号に応答して前記蓄圧タンクに貯蔵されているガスを内燃機関の気筒内に直接噴射する筒内噴射弁と、
駆動信号に応答して前記蓄圧タンクに貯蔵されているガスを前記気筒の吸気ポート内に噴射するポート噴射弁と、
を備えている。

そして、このガス燃料噴射制御装置は、
前記蓄圧タンクのガスの圧力を検出するガス圧検出手段と、
前記検出されたガスの圧力が高側閾値より大きいとき前記機関が圧縮行程にある期間中に前記筒内噴射弁から前記ガスを噴射し、前記検出されたガスの圧力が前記高側閾値より小さいとき前記機関が吸気行程を終了するまでの期間中に前記ポート噴射弁から前記ガスを噴射するように、前記筒内噴射弁及び前記ポート噴射弁に前記駆動信号を送出する噴射制御手段と、
を備えている。

この場合、噴射制御手段は、検出されたガスの圧力が高側閾値より小さいとき、前記機関が吸気行程を終了するまでの期間中に前記ポート噴射弁からガスを噴射することに加え、前記機関が吸気行程にある期間中に前記筒内噴射弁からも同ガスを噴射するように構成してよい。

これによれば、検出された蓄圧タンクのガスの圧力が高側閾値より大きい場合、ガス燃料は圧縮行程にある期間中に筒内噴射弁から気筒内に噴射される。従って、成層リーン燃焼が実現されることにより燃費向上が達成され、或いは、燃焼すべきガス燃料及び空気（或いは、酸素及びアルゴンなどの作動ガス）の充填効率が向上する。

一方、検出された蓄圧タンクのガスの圧力が高側閾値より小さくなった場合、ガス燃料は、前記機関が吸気行程を終了するまでの期間中にポート噴射弁から噴射される。吸気ポートの圧力は圧縮行程期間中の気筒内の圧力よりも十分に小さい。従って、蓄圧タンク内のガス燃料が減少して蓄圧タンクのガスの圧力が低下し、圧縮行程中の気筒内にガス燃料を噴射できなくなった場合であっても、ガス燃料を吸気ポートに噴射することができる。この結果、蓄圧タンク内のガス圧が更に低下して吸気ポートにもガス燃料の噴射ができなくなるまでは、ガス燃料の補充をすることなく機関の運転を継続することができる。

上記何れかのガス燃料噴射制御装置の場合、
指示信号に応じて第１の警報を行う第１の警報手段と、
指示信号に応じて第２の警報を行う第２の警報手段と、
前記検出されたガスの圧力が前記高側閾値又は同高側閾値に所定の微小値を加えた値（１次警報用閾値）より小さくなったとき前記第１の警報手段により前記第１の警報を行い、前記検出されたガスの圧力が前記高側閾値より小さい低側閾値より小さくなったとき前記第２の警報手段により前記第２の警報を行うように前記第１の警報手段及び前記第２の警報手段に前記指示信号を発生する警報制御手段と、
を備えることが好適である。

これによれば、検出されたガスの圧力が「高側閾値」又は「高側閾値に所定の微小値を加えた値」より小さくなったとき、前記第１の警報手段により前記第１の警報が行われる。従って、運転者は、ガス燃料の補充をしなければ、例えば、成層燃焼リーン運転がなされずに燃費率が低下し、或いは、吸気充填効率が低下するので最大発生トルクが低下する場合があることを知ることができる。換言すると、運転者は、現時点が、「ガス燃料を補充しなくても機関を継続して運転することができるけれども、ガス燃料を補充すれば、良好な燃費率にて機関の運転を行い、或いは、機関の発生トルクを高い値とし得る状態にて機関を運転することができる時期である」ということを知ることができる。

更に、検出されたガスの圧力が前記高側閾値より小さい低側閾値より小さくなったとき前記第２の警報手段により前記第２の警報が行われる。従って、運転者は、現時点が「ガス燃料を補充しなければ機関が停止する時期が近づいているので、ガス燃料を補充しなければならない時期となっている」ということを知ることができる。

（第１実施形態）
以下、本発明による内燃機関のガス燃料噴射制御装置の第１実施形態について図１を参照しながら説明する。このガス燃料噴射制御装置は、多気筒内燃機関１０に適用される。内燃機関１０は、燃焼室に対して酸素ガスとガス燃料としての水素ガスと作動ガス（熱膨張体）としてのアルゴンガスとからなる混合ガスを供給し、同混合ガスを点火して燃焼させる形式のエンジンである。更に、内燃機関１０は、アルゴンガスを外部に放出することなく循環させる作動ガス循環型水素ガスエンジンである。なお、図１は、内燃機関１０の特定気筒の断面のみを示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。

内燃機関１０は、シリンダヘッド部が形成するシリンダヘッド１１と、シリンダブロック部が形成するシリンダ１２と、シリンダ１２内において往復運動するピストン１３と、クランク軸１４と、ピストン１３とクランク軸１４とを連結しピストン１３の往復運動をクランク軸１４の回転運動に変換するためのコネクティングロッド１５と、シリンダブロックに連接されたオイルパン１６とを備えている。ピストン１３の側面にはピストンリング１３ａが配設されている。

シリンダヘッド１１、シリンダ１２及びオイルパン１６から形成される空間は、ピストン１３により、ピストン１３の頂面側の燃焼室２１と、クランク軸１４を収容するクランクケース２２と、に区画されている。

シリンダヘッド１１には、燃焼室２１に連通した吸気ポート３１と、燃焼室２１に連通した排気ポート３２とが形成されている。吸気ポート３１には吸気ポート３１を開閉する吸気弁３３が配設され、排気ポート３２には排気ポート３２を開閉する排気弁３４が配設されている。更に、シリンダヘッド１１の略中央部には、イグニッションコイルを含む点火プラグ３５が配設されている。

ガス燃料噴射制御装置は、水素供給部４０、酸素供給部５０、作動ガス循環通路部６０及び電気制御装置７０を備えている。

水素供給部４０は、水素タンク４１、水素ガス通路４２、水素タンク圧力センサ４３、水素ガス圧レギュレータ４４、水素ガス流量計４５、サージタンク４６及び筒内噴射弁（水素噴射弁）４７を備えている。

水素タンク４１はガス燃料としての水素ガスを１０乃至７０ＭＰａの高圧ガス状態にて貯蔵する蓄圧タンクである。水素ガス通路４２は、水素タンク４１と筒内噴射弁４７とを連通する通路（水素ガス管、デリバリパイプ）である。水素ガス通路４２には、水素タンク４１から筒内噴射弁４７に向かう順に水素タンク圧力センサ４３、水素ガス圧レギュレータ４４、水素ガス流量計４５及びサージタンク４６が介装されている。

水素タンク圧力センサ（ガス圧検出手段）４３は、水素タンク４１内の圧力（蓄圧されている水素ガスの圧力、以下、「水素タンク圧力」と言う。）を検出し、水素タンク圧力Ｐtkを表す信号を発生するようになっている。水素ガス圧レギュレータ４４は、水素ガス圧レギュレータ４４よりも下流における水素ガス通路４２内の圧力を指示信号に応じた目標水素圧力PH2tgtに調整する周知の調整圧可変型プレッシャレギュレータである。

水素ガス流量計４５は、水素ガス通路４２を流れる水素ガスの量（水素ガス流量）を計測し、同水素ガス流量を表す信号FH2を発生するようになっている。サージタンク４６は、水素ガス噴射時に水素ガス通路４２内に発生する脈動を低減するようになっている。

筒内噴射弁４７は、駆動信号に応答して燃焼室２１内（気筒内）に水素ガスを直接噴射するように（水素ガスをピストン１３の頂面に向けて噴射するように）シリンダヘッド１１に配設されている。即ち、筒内噴射弁４７は、水素ガスを噴射する筒内噴射弁である。

酸素供給部５０は、酸素タンク（酸素ガスタンク）５１、酸素ガス通路５２、酸素ガス圧レギュレータ５３、酸素ガス流量計５４及び酸素ガスミキサ５５を備えている。

酸素タンク５１は酸素ガスをガス状態にて貯蔵するタンクである。酸素ガス通路５２は、酸素タンク５１と酸素ガスミキサ５５とを連通する通路（管）である。酸素ガス通路５２には、酸素タンク５１から酸素ガスミキサ５５に向かう順に酸素ガス圧レギュレータ５３及び酸素ガス流量計５４が介装されている。

酸素ガス圧レギュレータ５３は、酸素ガス圧レギュレータ５３よりも下流（酸素ガスミキサ５５側）における酸素ガス通路５２内の圧力を指示信号に応じた目標酸素圧力PO2tgtに調整できる周知の調整圧可変型プレッシャレギュレータである。換言すると、酸素ガス圧レギュレータ５３は、指示信号に応答して酸素ガス通路５２を流れる酸素ガス量を調整することができるようになっている。

酸素ガス流量計５４は、酸素ガス通路５２を流れる酸素ガスの量（酸素ガス流量）を計測し、同酸素ガス流量FO2を表す信号を発生するようになっている。酸素ガスミキサ５５は、後述する作動ガス循環通路部６０の第２経路６２と第３経路６３との間に介装されている。酸素ガスミキサ５５は、酸素ガス通路５２を介して供給された酸素と、第２経路６２を介して入口部に供給されるガスとを混合し、その混合したガスを出口部から第３経路６３に排出するようになっている。

作動ガス循環通路部６０は、第１〜３経路（第１〜第３流路形成管）６１〜６３、凝縮器６４及びアルゴンガス流量計６５を備えている。

第１経路６１は、排気ポート３２と凝縮器６４の入口部とを接続している。第２経路６２は、凝縮器６４の出口部と酸素ガスミキサ５５の入口部とを接続している。第２経路６２にはアルゴンガス流量計６５が介装されている。第３経路６３は、酸素ガスミキサ５５の出口部と吸気ポート３１とを接続している。このように、第１〜第３経路６１〜６３は、排気ポート３２から吸気ポート３１へとガスを循環させる閉じられた経路を構成している。

凝縮器６４は、第１経路６１を介して燃焼室２１から排出された排ガスを、その入口部から導入し、内部において冷却水Ｗにより冷却することにより、排ガスに含まれる水蒸気を凝縮液化するようになっている。これにより、凝縮器６４は、排ガスに含まれる水蒸気を非凝縮ガス（この場合、非凝縮ガスはアルゴンガスであり、場合により水素ガス及び／又は酸素ガスを含む。）と分離して水となし、その水を外部に排出するようになっている。更に、凝縮器６４は、前記分離した非凝縮ガスをその出口部から第２経路６２に供給するようになっている。

アルゴンガス流量計６５は、第２経路６２を流れるアルゴンガスの量（アルゴンガス流量）を計測し、同アルゴンガス流量FArを表す信号を発生するようになっている。

電気制御装置７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェースを含む周知のマイクロコンピュータを主体とする電子装置である。電気制御装置７０には、水素タンク圧力センサ４３、水素ガス流量計４５、酸素ガス流量計５４、アルゴンガス流量計６５、アクセルペダル操作量センサ７１、エンジン回転速度センサ７２、酸素濃度センサ７３、水素濃度センサ７４及びサージタンク圧力センサ７５が接続されている。電気制御装置７０は、これらから各測定信号（検出信号）を入力するようになっている。

アクセルペダル操作量センサ７１は、アクセルペダルＡＰの操作量を検出し、同アクセルペダルＡＰの操作量を表す信号Accpを出力するようになっている。エンジン回転速度センサ７２は、クランク軸１４の回転速度に基づいてエンジン回転速度を表す信号ＮＥとクランク角度を表す信号とを発生するようになっている。

酸素濃度センサ７３及び水素濃度センサ７４は、第２経路６２（凝縮器６４の出口部とアルゴンガス流量計６５との間）に配設されている。酸素濃度センサ７３は、配設部位（第２経路６２）を流れるガスの酸素濃度を検出し、酸素濃度を表す信号Voxを発生するようになっている。水素濃度センサ７４は、配設部位（第２経路６２）を流れるガスの水素濃度を検出し、水素濃度を表す信号VH2を発生するようになっている。サージタンク圧力センサ７５は、サージタンク４６内の水素ガスの圧力を検出し、サージタンク内の圧力（サージタンク圧力、即ち、噴射水素ガス圧力）Psgを表す信号を発生するようになっている。

更に、電気制御装置７０は、各気筒の点火プラグ３５、各気筒の筒内噴射弁４７、水素ガス圧レギュレータ４４及び酸素ガス圧レギュレータ５３と接続されていて、これらに駆動信号又は指示信号を送出するようになっている。加えて、電気制御装置７０は、第１の警報を行う第１の警報手段としての１次エンプティランプ７６及び第２の警報を行う第２の警報手段としての２次エンプティランプ７７と接続されていて、これらのランプを点灯及び消灯し得るようになっている。

次に、上記のように構成されたガス燃料噴射制御装置の作動について図２乃至図６を参照しながら説明する。

電気制御装置７０のＣＰＵは、図２のフローチャートにより示した噴射タイミング切替制御ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。いま、水素タンク４１内に十分な量の水素ガスが貯蔵されていて、水素タンク圧力Ｐtkが十分に大きいと仮定して説明を続ける。

ＣＰＵは、所定のタイミングになるとステップ２００から処理を開始し、ステップ２０５に進んで水素タンク圧力Ｐtkを水素タンク圧力センサ４３から読み取る。次いで、ＣＰＵはステップ２１０に進み、水素タンク圧力Ｐtkが高側閾値ＰthHiに所定の微小値αを加えた値（１次警報用閾値、αは０以上の値）より大きいか否か（同値以上であるか否か）を判定する。この高側閾値ＰthHiは、内燃機関１０が最大負荷にて運転される状態（つまり、圧縮行程における燃焼室２１内の最高圧力が最大となる運転状態）においても、筒内噴射弁４７から水素を噴射することができる圧力に設定されている。

前述の仮定に従えば、水素タンク圧力Ｐtkは十分に大きく、「高側閾値ＰthHiに所定の微小値αを加えた値」より大きいので、ＣＰＵはステップ２１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ２１５に進み、フラグＸの値を「１」に設定し、その後、ステップ２９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。フラグＸは、その値が「１」である場合に機関１０の各気筒が圧縮行程にあるときにその圧縮行程中の気筒に水素ガスを噴射することを指示し、その値が「０」である場合に機関１０の各気筒が吸気行程にあるときにその吸気行程中の気筒に水素ガスを噴射することを指示するフラグである。

一方、ＣＰＵは図３にフローチャートにより示した噴射制御ルーチンを、機関のクランク角度が各気筒の排気上死点と一致したときに実行するようになっている。従って、ある気筒のクランク角度がその気筒の排気上死点（吸気行程の開始クランク角度）となると、ＣＰＵはステップ３００から処理を開始してステップ３０５に進み、上述したフラグＸの値が「１」であるか否かを判定する。

現段階においては、前述したステップ２１５により、フラグＸの値は「１」に設定されている。従って、ＣＰＵはステップ３０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ３１０に進み、要求水素量ＳＨ２をその時点のアクセルペダル操作量Accp及びエンジン回転速度ＮＥと関数ｆＬとに基づいて求める。関数ｆＬは、極めて希薄な空燃比（超希薄空燃比）にて成層燃焼（成層リーン燃焼）を行わせたときにアクセルペダル操作量Accp及びエンジン回転速度ＮＥにより定まる要求トルクを得るのに必要な要求水素量ＳＨ２を求めるための予め定められた関数（例えば、ルックアップテーブル）である。

次いで、ＣＰＵはステップ３１５に進み、上記ステップ３１０にて求めた要求水素量ＳＨ２、その時点のサージタンク圧力Psg及びその時点のエンジン回転速度ＮＥと、予め定められた関数ｆＡＳと、に基づいて要求水素量ＳＨ２を筒内噴射弁４７の開弁時間である水素噴射時間Ｔinjに変換する。次に、ＣＰＵはステップ３２０に進み、上記要求水素量ＳＨ２、その時点のサージタンク圧力Psg及びその時点のエンジン回転速度ＮＥと、予め定められた関数ｇＡＳと、に基づいて成層リーン燃焼を行うために適切な噴射開始時期θinjを決定する。この関数ｇＡＳにより求められる噴射開始時期θinjは、圧縮行程中の所定タイミング（例えば、クランク角度において圧縮上死点前４５〜２５度の適切なタイミング）に設定される。

次いで、ＣＰＵはステップ３２５に進み、上記要求水素量ＳＨ２、その時点のサージタンク圧力Psg及びその時点のエンジン回転速度ＮＥと、予め定められた関数ｈＡＳと、に基づいて成層リーン燃焼を行うために適切な点火時期θigを決定する。その後、ＣＰＵはステップ３３０に進み、上記決定した噴射開始時期θinjから上記決定した水素噴射時間Ｔinjだけ筒内噴射弁４７を開弁する駆動信号を対応する気筒の筒内噴射弁４７に送出する設定を行う。次に、ＣＰＵはステップ３３５に進み、上記決定した点火時期θigにて点火が行われるように対応する気筒の点火プラグ３５に駆動信号（点火実行指示信号）を送出する設定を行い、ステップ３９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

以上により、図４に示したように、筒内噴射弁４７は圧縮行程中（吸気弁３３及び排気弁３４の両者が共に閉弁して燃焼室２１内のガスが圧縮されている期間、或いは、圧縮のためにピストン１３が上昇して燃焼室２１の容積が減少している期間）において噴射開始時期θinjから水素噴射時間Ｔinjだけ開弁され、要求水素量ＳＨ２の水素ガスが気筒内に直接噴射される。これにより、噴射された水素ガスはピストン１３の頂面及び燃焼室２１の壁面に沿って移動し、所定のタイミングにて点火プラグ３５の近傍に可燃ガス層を形成する。そして、その可燃ガス層は、点火時期θigにて点火されて燃焼する。この結果、超希薄空燃比での成層リーン燃焼が行われる。

かかる状態において内燃機関１０の運転を継続すると、水素タンク４１内の水素ガスが消費されて行く。このため、水素タンク圧力Ｐtkは次第に低下し、やがて１次警報用閾値（＝高側閾値ＰthHiに所定の微小値αを加えた値）より小さくなる。

このとき、ＣＰＵが図２に示したルーチンを実行すると、ＣＰＵはステップ２１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ２２０に進み、１次エンプティランプ７６を点灯する。これにより、運転者（乗員）は、水素ガスを水素タンク４１に補充しなければ、成層リーン燃焼が終了されて均質理論空燃比燃焼が実行され、燃料消費率が若干低下するようになることを知ることができる。

次に、ＣＰＵはステップ２２５に進み、水素タンク圧力Ｐtkが高側閾値ＰthHiより小さいか否かを判定する。この段階では、水素タンク圧力Ｐtkは、１次警報用閾値（＝高側閾値ＰthHiに所定の微小値αを加えた値）を下回った直後であり、高側閾値ＰthHiより大きい。従って、ＣＰＵはステップ２２５にて「Ｎｏ」と判定してステップ２１５に進み、フラグＸの値を「１」に設定（この場合、確認的に「１」に設定）する。この結果、上述した成層リーン燃焼による運転が継続される。

かかる状態において、水素タンク４１に水素ガスが補充されることなく、内燃機関１０の運転が更に継続されると、水素タンク圧力Ｐtkは高側閾値ＰthHiより小さくなる。このとき、ＣＰＵが図２に示したルーチンを実行すると、ＣＰＵはステップ２１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ２２０に進み、１次エンプティランプ７６を確認的に点灯する。

次いで、ＣＰＵはステップ２２５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ２３０に進み、フラグＸの値を「０」に設定する。そして、ＣＰＵはステップ２３５に進んで、水素タンク圧力Ｐtkが低側閾値ＰthLoより小さいか否かを判定する。この低側閾値ＰthLoは、このまま内燃機関１０の運転を継続すると、間もなく（例えば、内燃機関１０を搭載した車両が５０ｋｍ程度走行したとき）水素タンク４１内に残存している水素ガスが極めて少なくなり、その結果、吸気行程においても水素ガスを噴射することができずに内燃機関１０が停止してしまう圧力値に選択されている。

この段階では、水素タンク圧力Ｐtkは高側閾値ＰthHiを下回った直後であるので低側閾値ＰthLoより大きい。従って、ＣＰＵはステップ２３５にて「Ｎｏ」と判定してステップ２９５に進み本ルーチンを一旦終了する。

このとき、ＣＰＵが図３に示したルーチンを実行すると、ＣＰＵはステップ３０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ３４０に進み、要求水素量ＳＨ２をその時点のアクセルペダル操作量Accp及びエンジン回転速度ＮＥと関数ｆＳとに基づいて求める。関数ｆＳは、理論空燃比（或いは、前記超希薄空燃比よりもリッチな弱希薄空燃比）にて均質理論空燃比燃焼（水素の空間的分布が均一な均質ガスの燃焼）を行わせたときにアクセルペダル操作量Accp及びエンジン回転速度ＮＥにより定まる運転要求トルクを得るのに必要な要求水素量ＳＨ２を求めるための予め定められた関数（例えば、ルックアップテーブル）である。

次いで、ＣＰＵはステップ３４５に進み、上記ステップ３４０にて求めた要求水素量ＳＨ２、その時点のサージタンク圧力Psg及びその時点のエンジン回転速度ＮＥと、予め定められた関数ｆＫＹと、に基づいて要求水素量ＳＨ２を筒内噴射弁４７の開弁時間である水素噴射時間Ｔinjに変換する。次に、ＣＰＵはステップ３５０に進み、上記要求水素量ＳＨ２、その時点のサージタンク圧力Psg及びその時点のエンジン回転速度ＮＥと、予め定められた関数ｇＫＹと、に基づいて均質燃焼を行うために適切な噴射開始時期θinjを決定する。この関数ｇＫＹにより求められる噴射開始時期θinjは、吸気行程中の所定タイミング（例えば、クランク角度において排気上死点後５〜１０度の適切なタイミング）に設定される。

次いで、ＣＰＵはステップ３５５に進み、上記要求水素量ＳＨ２、その時点のサージタンク圧力Psg及びその時点のエンジン回転速度ＮＥと、予め定められた関数ｈＫＹと、に基づいて均質燃焼を行うために適切な点火時期θigを決定する。その後、ＣＰＵは上述したステップ３３０及びステップ３３５に進み、対応する気筒の筒内噴射弁４７を噴射開始時期θinjから噴射時間Ｔinjだけ開弁する駆動信号と同対応する気筒の点火プラグ３５から点火時期θigにて火花を発生させるための駆動信号とを送出する設定を行い、ステップ３９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

以上により、図５に示したように、筒内噴射弁４７は吸気行程中（吸気弁３３が開弁し燃焼室２１内に酸素ガス及びアルゴンガスが吸入されている期間、或いは、吸気のためにピストン１３が下降して燃焼室２１の容積が増大している期間）において噴射開始時期θinjから水素噴射時間Ｔinjだけ開弁され、要求水素量ＳＨ２の水素ガスが気筒内に直接噴射される。これにより、噴射された水素ガスは吸気行程中及び圧縮行程中に均質なガスとなる。そして、そのガスは、点火時期θigにて点火されて燃焼する。この結果、理論空燃比での均質燃焼が行われる。

かかる状態において、水素タンク４１に水素ガスが補充されることなく内燃機関１０の運転が更に継続されると、水素タンク圧力Ｐtkは低側閾値ＰthLoより小さくなる。このとき、ＣＰＵが図２に示したルーチンを実行すると、ＣＰＵはステップ２０５、２１０、２２０、２２５、２３０に続くステップ２３５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ２４０に進んで２次エンプティランプ７７を点灯し、ステップ２９５にて本ルーチンを一旦終了する。

これにより、運転者は、水素ガスを水素タンク４１に補充しなければ、間もなく水素タンク４１内に残存している水素ガスが極めて少なくなって内燃機関１０が停止する（車両を走行できない）状態となることを知ることができる。

更に、ＣＰＵは、所定時間の経過毎に図６にフローチャートにより示したレギュレータ制御ルーチンを実行するようになっている。このルーチンにおいては、フラグＸの値に応じてサージタンク４６の目標水素圧力PH2tgtが切換えられ、サージタンク圧力Psgがその目標水素圧力PH2tgtとなるように水素ガス圧レギュレータ４４が調整される。また、このルーチンにおいては、要求水素量ＳＨ２に応じた量の酸素が燃焼室２１に供給されるように、酸素ガス圧レギュレータ５３が調整される。

具体的に述べると、ＣＰＵは、所定のタイミングになったとき、このルーチンの処理をステップ６００から開始してステップ６０５に進み、フラグＸの値が「１」であるか否かを判定する。このとき、フラグＸの値が「１」であれば、ＣＰＵはステップ６０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ６１０に進み、目標水素圧力PH2tgtを高側目標水素圧力PH2tgtHiに設定する。この高側目標水素圧力PH2tgtHiは、筒内噴射弁４７から水素ガスを圧縮行程中に噴射させて成層燃焼を実行するのに適した圧力値に設定されている。

一方、フラグＸの値が「０」であれば、ＣＰＵはステップ６０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ６１５に進み、目標水素圧力PH2tgtを低側目標水素圧力PH2tgtLoに設定する。低側目標水素圧力PH2tgtLoは、高側目標水素圧力PH2tgtHiよりも小さい圧力値であって、筒内噴射弁４７から水素ガスを吸気行程中に噴射させ得る程度の圧力値に設定されている。

次いで、ＣＰＵはステップ６２０に進み、水素ガス圧レギュレータ４４に対して目標水素圧力PH2tgtに応じた指示信号を出力する。この結果、サージタンク４６内の圧力（水素ガスの噴射圧力）が目標水素圧力PH2tgt近傍の値に調整される。

次に、ＣＰＵはステップ６２５に進み、現時点における要求水素量ＳＨ２の単位時間あたりの平均値ＳＨ２aveを、前述した図３のステップ３１０及びステップ３４０の何れかにより求められる要求水素量ＳＨ２を単位時間に渡って積算することにより算出する。次いで、ＣＰＵはステップ６３０に進んで上記のようにして求められた平均値ＳＨ２aveと関数ｆFO2tgt（例えば、ルックアップテーブル）とに基づいて目標酸素ガス流量FO2tgtを求める。

前述したように、内燃機関１０は水素を燃料として燃焼させる。従って、水素の燃焼により水のみを生成するためには、水素２モルに対して酸素１モルを供給する必要がある。このため、関数ｆFO2tgtは、平均値ＳＨ２aveにより表される水素のモル数の半分のモル数の酸素（実際には、同半分のモル数の酸素量に余裕量を加えた量の酸素）が燃焼室２１に供給されるように、目標酸素ガス流量FO2tgtを決定するようになっている。

次いで、ＣＰＵはステップ６３５に進み、現時点にて検出されている酸素ガス流量FO2が上記目標酸素ガス流量FO2tgt以上であるか否かを判定する。そして、ＣＰＵは、現時点にて検出されている酸素ガス流量FO2が上記目標酸素ガス流量FO2tgt以上であると判定したとき、ステップ６４０に進んで酸素ガス圧レギュレータ５３の目標酸素圧力PO2tgtを正の一定値ａだけ減少させ、続くステップ６４５にて酸素ガス圧レギュレータ５３に対して目標酸素圧力PO2tgtに応じた指示信号を出力する。これにより、酸素ガスミキサ５５に供給される酸素ガス量が減少する。

一方、ＣＰＵは、ステップ６３５において、現時点にて検出されている酸素ガス流量FO2が上記目標酸素ガス流量FO2tgtより小さい判定したとき、ステップ６５０に進んで酸素ガス圧レギュレータ５３の目標酸素圧力PO2tgtを正の一定値ｂだけ増大させ、続くステップ６４５にて酸素ガス圧レギュレータ５３に対して目標酸素圧力PO2tgtに応じた指示信号を出力する。この結果、酸素ガスミキサ５５に供給される酸素ガス量が増大する。以上により、必要十分な量の酸素が酸素ガスミキサ５５を介して燃焼室２１に供給される。次いで、ＣＰＵはステップ６９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。

以上、説明したように、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス燃料噴射制御装置は、蓄圧タンク（４１）と、駆動信号に応答して前記蓄圧タンクに貯蔵されているガスを内燃機関の気筒内に直接噴射する筒内噴射弁（４７）と、を備えるとともに、
前記蓄圧タンクのガスの圧力Ｐtkを検出するガス圧検出手段（４３）と、
前記検出されたガスの圧力Ｐtkが高側閾値ＰthHiより大きいとき前記機関が圧縮行程にある期間中に前記筒内噴射弁から前記ガスを噴射し、前記検出されたガスの圧力Ｐtkが前記高側閾値ＰthHiより小さいとき前記機関が吸気行程にある期間中に前記筒内噴射弁から前記ガスを噴射するように前記筒内噴射弁に前記駆動信号を送出する噴射制御手段（図２のルーチンのステップ２１５、２２５及び２３０並びに図３のルーチン）を備えている。

従って、ガス燃料（水素ガス）が十分に残存していて検出されたガスの圧力Ｐtkが高側閾値ＰthHiより大きいときには、超希薄空燃比による成層リーン燃焼を行って良好な燃費率で機関を運転することができる。また、ガス燃料の残量が少なくなって検出されたガスの圧力Ｐtkが前記高側閾値ＰthHiより小さくなったときには、吸気行程中の噴射に切換えるので、機関を継続して運転することができる。

加えて、第１実施形態に係る内燃機関のガス燃料噴射制御装置は、
指示信号に応じて第１の警報を行う第１の警報手段（７６）と、
指示信号に応じて第２の警報を行う第２の警報手段（７７）と、
前記検出されたガスの圧力Ｐtkが前記高側閾値ＰthHi又は同高側閾値ＰthHiに所定の微小値αを加えた値（ＰthHi＋α）より小さくなったとき前記第１の警報手段により前記第１の警報を行い、前記検出されたガスの圧力Ｐtkが前記高側閾値ＰthHiより小さい低側閾値ＰthLoより小さくなったとき前記第２の警報手段により前記第２の警報を行うように前記第１の警報手段及び前記第２の警報手段に前記指示信号を発生する警報制御手段（図２のルーチンのステップ２１０、２２０、２３５及び２４０）と、を備えている。

これにより、良好な燃費率にて機関の運転を行いたいと望む運転者は第１の警報が発生した段階でガス燃料を補充することができ、ガス燃料の補充をせずに運転の継続を望む運転者は第２の警報が発生した段階でガス燃料を補充することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る内燃機関のガス燃料噴射制御装置について説明する。このガス燃料噴射制御装置は、図７に示したように、ガス燃料（水素ガス）を噴射する弁として、筒内噴射弁４７に加えてポート噴射弁４８を備え、検出されたガスの圧力Ｐtkが高側閾値ＰthHiより大きいとき機関が圧縮行程にある期間中に筒内噴射弁４７から水素ガスを噴射し、検出されたガスの圧力Ｐtkが高側閾値ＰthHiより小さいとき機関が吸気行程を終了するまでの期間中にポート噴射弁４８から水素ガスを噴射するようになっている点のみにおいて、第１実施形態と相違している。

より具体的に説明すると、水素ガスを噴射するポート噴射弁４８は、内燃機関１０の吸気ポート３１に備えられている。ポート噴射弁４８は、吸気ポート３１内であって吸気弁３３の背面に向けて水素ガスを噴射するようになっている。ポート噴射弁４８は、サージタンク４６と接続され、水素ガスが供給されるようになっている。更に、ポート噴射弁４８は、電気制御装置７０と電気的に接続されていて、電気制御装置７０からの駆動信号に応答してサージタンク４６から供給された水素ガスを噴射するようになっている。

電気制御装置７０のＣＰＵは、図３に示した噴射制御ルーチンに代えて図８に示した噴射制御ルーチンを実行するようになっている点のみにおいて、第１実施形態の電気制御装置７０と機能上相違している。なお、図８において図３に示したステップと同一のステップには同一の符合を付し、以下においてはその詳細な説明を省略する。

ＣＰＵは、所定のタイミングになると、図８のステップ８００から処理を開始し、ステップ３０５にて上述したフラグＸの値が「１」であるか否かを判定する。このとき、フラグＸの値が「１」であれば、上述したステップ３１０〜３３５が実行される。これにより、筒内噴射弁４７からの筒内噴射が圧縮行程中に行われ、成層リーン燃焼による運転が達成される。

一方、フラグＸの値が「１」でなければ、ＣＰＵはステップ３０５にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ８０５〜８３０を実行する。ステップ８０５〜８２０は、図３に示したルーチンのステップ３４０〜３５５にそれぞれ対応するステップである。但し、ステップ８０５〜８２０の各ステップにて用いられる関数は、ポート噴射弁４８からのポート噴射に対応した関数（ｆＰＳ、ｆＰ、ｇＰ、ｈＰ）となっている。

即ち、ＣＰＵは、ステップ８０５〜８２０を実行することにより、ポート噴射による均質理論空燃比燃焼に適した要求水素量ＳＨ２、水素噴射時間Ｔinj、噴射開始時期θinj及び点火時期θigを決定する。関数ｇＰにより求められる噴射開始時期θinjは、吸気行程中の所定タイミングに設定される。なお、吸気ポート３１内の圧力は、圧縮行程中の燃焼室２１内の圧力に比べて十分小さいから、噴射開始時期θinjは吸気行程が終了するまでの期間中であって吸気ポート３１に噴射した水素ガスが燃焼室２１内に吸入されるタイミングであればよい。

次いで、ＣＰＵはステップ８２５に進み、ステップ８１５にて決定した噴射開始時期θinjからステップ８１０にて決定した水素噴射時間Ｔinjだけ対応する気筒のポート噴射弁４８を開弁する駆動信号を、そのポート噴射弁４８に送出する設定を行う。次に、ＣＰＵはステップ８３０に進み、ステップ８２０にて決定した点火時期θigにて点火が行われるように対応する気筒の点火プラグ３５に駆動信号を送出する設定を行い、ステップ８９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

以上、説明したように、本発明の第２実施形態に係る内燃機関のガス燃料噴射制御装置は、蓄圧タンク（４１）と、駆動信号に応答して前記蓄圧タンクに貯蔵されているガスを内燃機関の気筒内に直接噴射する筒内噴射弁（４７）と、駆動信号に応答して前記蓄圧タンクに貯蔵されているガスを前記気筒の吸気ポート内に噴射するポート噴射弁（４８）と、を備えるとともに、
前記蓄圧タンクのガスの圧力Ｐtkを検出するガス圧検出手段（４３）と、
前記検出されたガスの圧力Ｐtkが高側閾値ＰthHiより大きいとき前記機関が圧縮行程にある期間中に前記筒内噴射弁から前記ガスを噴射し、前記検出されたガスの圧力が前記高側閾値より小さいとき前記機関が吸気行程を終了するまでの期間中に前記ポート噴射弁から前記ガスを噴射するように、前記筒内噴射弁及び前記ポート噴射弁に前記駆動信号を送出する噴射制御手段（図２のルーチンのステップ２１５、２２５及び２３０並びに図８のルーチン）を備えている。

従って、ガス燃料（水素ガス）が十分に残存していて検出されたガスの圧力Ｐtkが高側閾値ＰthHiより大きいときには、超希薄空燃比による成層リーン燃焼を行って良好な燃費率で機関を運転することができる。また、ガス燃料の残量が少なくなって検出されたガスの圧力Ｐtkが前記高側閾値ＰthHiより小さくなったときには、高圧の噴射圧力を必要としないポート噴射弁４８による噴射に切換えるので、機関を継続して運転することができる。

以上、説明したように、本発明によるガス燃料噴射制御装置の各実施形態は、検出された蓄圧タンク内の水素ガス圧力が高側閾値より大きいとき高い噴射圧を必要とする圧縮行程中に水素ガスを筒内に噴射し、成層リーン燃焼を行って燃費を向上する。また、検出された蓄圧タンク内の水素ガスの圧力が高側閾値より小さいとき水素ガスが噴射できるような条件にて水素ガスを噴射し、均質理論空燃比燃焼を行いながら運転継続を可能とする。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記内燃機関１０は、作動ガスとしてアルゴンガスを使用していたが、不活性ガスであればアルゴン以外のガス（例えば、ＣＯ_２等の３原子ガス、或いは、Ｈｅ等のアルゴン以外の単原子ガス）であってもよい。この場合、窒素原子を含まず、且つ、比熱比が高いガスが好ましく、その意味において単原子ガス、特に、アルゴンは最適な作動ガスである。更に、作動ガス及び酸素ガスに代えて、従来の内燃機関と同様に空気を燃焼室２１に供給するように構成してもよい。

また、上記高側閾値ＰthHiを機関の要求トルク（従って、アクセルペダル操作量Accp及びエンジン回転速度ＮＥ）に基づいて定めてもよい。この場合、要求トルクが大きいほど高側閾値ＰthHiを大きくすることが望ましい。更に、第２実施形態において、検出されたガスの圧力Ｐtkが高側閾値ＰthHiより小さくなったとき、吸気行程期間中に筒内噴射弁４７からも水素ガスを噴射させてよい。加えて、１次エンプティランプ７６を、高側閾値ＰthHiより小さくなったときに点灯させるように構成してもよい。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス燃料噴射制御装置の概略図である。 図１に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。 図１に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。 水素タンク内の水素ガスの圧力が大きいときのガス噴射開始時期を示した図である。 水素タンク内の水素ガスの圧力が小さいときのガス噴射開始時期を示した図である。 図１に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関のガス燃料噴射制御装置の部分概略図である。 本発明の第２実施形態に係る電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。

符号の説明

１０…作動ガス循環型多気筒水素ガスエンジン（内燃機関）、１１…シリンダヘッド、１２…シリンダ、１３…ピストン、２１…燃焼室、３１…吸気ポート、３２…排気ポート、３３…吸気弁、３４…排気弁、３５…点火プラグ、４０…水素供給部、４１…水素タンク、４２…水素ガス通路、４３…水素タンク圧力センサ、４４…水素ガス圧レギュレータ、４５…水素ガス流量計、４６…サージタンク、４７…筒内噴射弁、４８…ポート噴射弁、５０…酸素供給部、５１…酸素タンク、５２…酸素ガス通路、５３…酸素ガス圧レギュレータ、５４…酸素ガス流量計、５５…酸素ガスミキサ、６０…作動ガス循環通路部、６１…第１経路、６２…第２経路、６３…第３経路、６４…凝縮器、６５…アルゴンガス流量計、７０…電気制御装置、７１…アクセルペダル操作量センサ、７２…エンジン回転速度センサ、７３…酸素濃度センサ、７４…水素濃度センサ、７５…サージタンク圧力センサ、７６…１次エンプティランプ、７７…２次エンプティランプ。

Claims (3)

1. 燃料となるガスを貯蔵する蓄圧タンクと、
   駆動信号に応答して前記蓄圧タンクに貯蔵されているガスを内燃機関の気筒内に直接噴射する筒内噴射弁と、
   を備えた内燃機関のガス燃料噴射制御装置であって、
   前記蓄圧タンクのガスの圧力を検出するガス圧検出手段と、
   前記検出されたガスの圧力が高側閾値より大きいとき前記機関が圧縮行程にある期間中に前記筒内噴射弁から前記ガスを噴射し、前記検出されたガスの圧力が前記高側閾値より小さいとき前記機関が吸気行程にある期間中に前記筒内噴射弁から前記ガスを噴射するように前記筒内噴射弁に前記駆動信号を送出する噴射制御手段と、
   を備えたガス燃料噴射制御装置。
2. 燃料となるガスを貯蔵する蓄圧タンクと、
   駆動信号に応答して前記蓄圧タンクに貯蔵されているガスを内燃機関の気筒内に直接噴射する筒内噴射弁と、
   駆動信号に応答して前記蓄圧タンクに貯蔵されているガスを前記気筒の吸気ポート内に噴射するポート噴射弁と、
   を備えた内燃機関のガス燃料噴射制御装置であって、
   前記蓄圧タンクのガスの圧力を検出するガス圧検出手段と、
   前記検出されたガスの圧力が高側閾値より大きいとき前記機関が圧縮行程にある期間中に前記筒内噴射弁から前記ガスを噴射し、前記検出されたガスの圧力が前記高側閾値より小さいとき前記機関が吸気行程を終了するまでの期間中に前記ポート噴射弁から前記ガスを噴射するように、前記筒内噴射弁及び前記ポート噴射弁に前記駆動信号を送出する噴射制御手段と、
   を備えたガス燃料噴射制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のガス燃料噴射制御装置であって、
   指示信号に応じて第１の警報を行う第１の警報手段と、
   指示信号に応じて第２の警報を行う第２の警報手段と、
   前記検出されたガスの圧力が前記高側閾値又は同高側閾値に所定の微小値を加えた値より小さくなったとき前記第１の警報手段により前記第１の警報を行い、前記検出されたガスの圧力が前記高側閾値より小さい低側閾値より小さくなったとき前記第２の警報手段により前記第２の警報を行うように前記第１の警報手段及び前記第２の警報手段に前記指示信号を発生する警報制御手段と、
   を備えたガス燃料噴射制御装置。
   

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