JP2006112291A

JP2006112291A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2006112291A
Application number: JP2004299736A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ito; 泰志伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-10-14
Also published as: JP4552590B2

Abstract

【課題】水素添加内燃機関の制御装置に関し、水素を有効に利用しながらＨＣやＣＯの発生を抑制できるようにする。
【解決手段】排気通路４０に設けられた酸素センサ７２の出力がリッチを示すときには筒内空燃比がリーンとなるように各インジェクタ５０，６０からの燃料の噴射量を補正し、酸素センサ７２の出力がリーンを示すときには筒内空燃比がリッチとなるように各インジェクタ５０，６０からの燃料の噴射量を補正する。その際、酸素センサ７２の出力がリッチを示すときには、酸素センサ７２の出力がリーンを示すときよりも水素の添加割合を増加させるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガソリンと水素を燃料として運転可能な水素添加内燃機関の制御装置に関し、特に、空燃比フィードバック制御中のＨＣ及びＣＯの発生を抑制する技術に関する。

従来、例えば特許文献１に記載されるように、ガソリンとともに水素を燃料として使用可能な内燃機関（水素添加内燃機関）が知られている。水素を添加し、その分、ガソリンの噴射量を減量することによって、ＨＣやＣＯのような有害物質の発生を低減することができる。また、水素は燃焼性に優れているため、ガソリンに水素を添加することでノッキングを抑制して出力や燃費を向上させることもできる。
特開２００４−１１６３９８号公報特開平８−１１４１３８号公報

ところで、内燃機関では、排気通路に配置された酸素センサの出力の変化に基づいて燃料噴射量のフィードバック制御（空燃比フィードバック制御）を行っている。このとき、燃焼室から排出される排気ガスの排気空燃比は理論空燃比を中心にして周期的に変化しているが、排気空燃比がリッチになっているときには排気ガス中にＨＣやＣＯが含まれている。これらＨＣやＣＯは排気通路に配置された三元触媒において酸化されて無害化されるものの、始動時のように触媒が十分に暖機されていない場合や触媒が劣化している場合には大気中に放出されてしまうおそれがある。

前述のように、水素添加内燃機関であれば、ガソリンとともに水素を使用することで、ＨＣやＣＯの発生を抑制することができる。このため、単純には、ガソリンを減らして水素の添加割合を大きくすればよい。しかし、気体燃料である水素は液体燃料であるガソリンに比較して車両への搭載量が限られる。このため、車両の航続距離を考慮するならば、水素の添加割合をあまりに大きく設定することはできない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、水素を有効に利用しながらＨＣやＣＯの発生を抑制できるようにした水素添加内燃機関の制御装置を提供す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、ガソリンと水素を燃料として運転可能な水素添加内燃機関において、排気通路に設けられた酸素センサの出力がリッチを示すときには筒内空燃比がリーンとなるように各燃料の噴射量を補正し、前記酸素センサの出力がリーンを示すときには筒内空燃比がリッチとなるように各燃料の噴射量を補正する前記内燃機関の制御装置であって、
前記酸素センサの出力がリッチを示すときには前記酸素センサの出力がリーンを示すときよりも水素の添加割合を増加させる水素添加割合制御手段を備えることを特徴としている。

第２の発明は、上記第１の発明において、前記内燃機関は吸気通路に排気ガスを導入するＥＧＲ手段を有し、
前記水素添加割合制御手段は、前記ＥＧＲ手段が作動している場合に、前記の水素の添加割合を増加させる制御を実行することを特徴としている。

第１の発明によれば、ＨＣやＣＯが発生しやすいリッチ時に水素の添加割合が増加されるので、燃焼を促進してＨＣやＣＯの発生を抑制することができる。また、空燃比がリーンのときはリッチのときよりも水素の添加割合が抑えられるので、その分、水素の消費を抑えることができるとともに、水素の添加により燃焼速度が増大してＮＯｘの発生量が増大してしまうことを防止することもできる。

また、第２の発明によれば、燃焼が不安定になりやすいＥＧＲの導入時において筒内空燃比がリッチの時の燃焼を安定させることができ、ＨＣやＣＯの発生を効果的に抑制することができる。

実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は本発明の実施の形態１としての制御装置が適用された内燃機関の概略構成を示す図である。内燃機関２は内部にピストン８が配置されたシリンダブロック６と、シリンダブロック６に組み付けられたシリンダヘッド４を備えている。ピストン８の上面からシリンダヘッド４までの空間は燃焼室１０を形成しており、この燃焼室１０に連通するように吸気ポート１８と排気ポート２０がシリンダヘッド４に形成されている。吸気ポート１８と燃焼室１０との接続部には、吸気ポート１８と燃焼室１０との連通状態を制御する吸気バルブ１２が設けられ、排気ポート２０と燃焼室１０との接続部には、排気ポート２０と燃焼室１０との連通状態を制御する排気バルブ１４が設けられている。また、シリンダヘッド４には、燃焼室１０の頂部から燃焼室１０内に突出するように点火プラグ１６が取り付けられている。

シリンダヘッド４の吸気ポート１８には、新気を燃焼室１０内に導入するための吸気通路３０が接続されている。吸気通路３０の上流端にはエアクリーナ３２が設けられ、新気はエアクリーナ３２を介して吸気通路３０内に取り込まれる。吸気通路３０の下流部は気筒毎（吸気ポート１８毎）に分岐しており、その分岐部にはサージタンク３４が設けられている。吸気通路３０のサージタンク３４の上流には電子制御式のスロットルバルブ３６が配置されている。

一方、シリンダヘッド４の排気ポート２０には、燃焼室１０内での燃焼により生成された燃焼ガスを排気ガスとして排出するための排気通路４０が接続されている。排気通路４０には、排気ガスを浄化するための三元触媒４２が設けられている。三元触媒４２の上流には三元触媒４２に流入する排気ガスの空燃比（排気空燃比）を検出するためのＯ₂センサ（酸素センサ）７２が配置されている。Ｏ₂センサ７２は、排気空燃比に対し理論空燃比を基準にしてリッチ側とリーン側とで出力が急変するいわゆるＺ特性を示すセンサである。また、排気通路４０には、排気通路４０から排気ガスを分流するためのＥＧＲ通路４６が接続されている。ＥＧＲ通路４６の他方の端部は吸気通路３０のサージタンク３４の上流に接続されている。ＥＧＲ通路４６と吸気通路３０との接続部には、ＥＧＲ通路４６と吸気通路３０との連通状態を制御するＥＧＲバルブ４４が設けられている。排気ガスの一部はＥＧＲ通路４６を通って吸気通路３０内に供給され、燃焼室１０に再循環される。燃焼室１０内へ吸入される総空気量中の排気ガスの再循環量の割合（ＥＧＲ率）は、ＥＧＲバルブ４４の開度によって調整される。

吸気通路３０の吸気ポート１８の近傍には燃料を噴射するための２つのインジェクタ５０，６０が気筒毎に設けられている。一方のインジェクタ６０はガソリンインジェクタであり、通電制御により開閉駆動されてガソリンを噴射する電磁弁である。ガソリンインジェクタ６０は、ガソリン通路６４を介してガソリンタンク６２に接続されている。ガソリン通路６４にはガソリンポンプ６６が配置され、ガソリンタンク６２内のガソリンはガソリンポンプ６６によって圧縮されてガソリンインジェクタ６０に供給される。もう一方のインジェクタ５０は水素インジェクタであり、通電制御により開閉駆動されて水素を噴射する電磁弁である。水素インジェクタ５０は、水素通路５４を介して水素タンク５２に接続されている。水素通路５４には水素ポンプ５６が配置され、水素タンク５２内の水素は水素ポンプ５６によって圧縮されて水素インジェクタ５０に供給される。

また、内燃機関２には、その制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０が備えられている。ＥＣＵ７０の出力側には前述のガソリンインジェクタ６０，水素インジェクタ５０，スロットルバルブ３６，ＥＧＲバルブ４４，点火プラグ１６等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ７０の入力側には前述のＯ₂センサ７２や図示しないエアフローメータ，スロットルセンサ，アクセルポジションセンサ，クランク角センサ等の種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ７０は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムに従って各機器を駆動するようになっている。

ＥＣＵ７０は、内燃機関２の制御の一つとして、筒内空燃比を理論空燃比にするための空燃比フィードバック制御を実施している。この空燃比フィードバック制御による内燃機関２の運転をストイキ運転という。本実施形態では、空燃比フィードバック制御による「ストイキ運転中、Ｏ₂センサ７２により検出される排気空燃比が目標空燃比になるように各インジェクタ５０，６０からの燃料噴射量が制御される。

ガソリンインジェクタ６０からのガソリン噴射量は、ガソリンインジェクタ６０の開弁時間ＴＡＵ１により決まる。空燃比フィードバック制御において、開弁時間ＴＡＵ１は、次の（１）式によって算出される。
ＴＡＵ１＝ＴＰ１ × （ＦＷ１＋ＦＡＦ１）・・・（１）
上記（１）式中、ＴＰ１は基本開弁時間、ＦＷ１は水温補正係数、ＦＡＦ１は空燃比補正係数である。水温補正係数ＦＷ１は内燃機関２の冷却水温に応じて設定される。空燃比補正係数ＦＡＦ１はＯ₂センサ７２の出力に基づいて設定される。

また、水素インジェクタ５０からの水素噴射量は、水素インジェクタ５０の開弁時間ＴＡＵ２により決まる。空燃比フィードバック制御において、開弁時間ＴＡＵ２は、次の（２）式によって算出される。
ＴＡＵ２＝ＴＰ２ × （ＦＷ２＋ＦＡＦ２）・・・（２）
上記（２）式中、ＴＰ２は基本開弁時間、ＦＷ２は水温補正係数、ＦＡＦ２は空燃比補正係数である。水温補正係数ＦＷ２は内燃機関２の冷却水温に応じて設定される。空燃比補正係数ＦＡＦ２はＯ₂センサ７２の出力に基づいて設定される。

ガソリンインジェクタ６０の基本開弁時間ＴＰ１と、水素インジェクタ５０の基本開弁時間ＴＰ２は、ガソリンと水素のそれぞれが分担する負荷率（内燃機関２の負荷状態を数値で表したものであり、無負荷のときに０％となり全負荷のときに１００％となる）を用い、それぞれ次の（３）式、（４）式によって算出される。
ＴＰ１＝ガソリン負荷率 × ｋ１・・・（３）
ＴＰ２＝水素負荷率 × ｋ２・・・（４）
上記の（３）式、（４）式において、ｋ１、ｋ２は係数であり、それぞれ各インジェクタの単位開弁時間当たりの燃料噴射量や各燃料の単位量当たりの発熱量等から決定されている。これら係数は固定値でもよく変数でもよい。ただし、ｋ２に関しては、温度や圧力による水素の体積変化を考慮して水素通路５４を流れる水素の温度や圧力によって決まる変数とするのが好ましい。

水素負荷率及びガソリン負荷率は、それぞれ次の（５）式、（６）式によって算出される。
水素負荷率＝目標負荷率 × 水素添加割合・・・（５）
ガソリン負荷率＝目標負荷率 − 水素負荷率・・・（６）
上記の（５）式、（６）式において、目標負荷率は内燃機関２全体の負荷率の目標値であり、現在のアクセル開度（或いは吸入空気流量）と機関回転数に応じた目標負荷率がマップから読み出される。水素添加割合はガソリンと水素を合わせた燃料全体の総発熱量に対する水素の発熱量の比であり、以下に説明する水素添加割合制御ルーチンによってその値が決定される。

図２は、ＥＣＵ７０により実行される水素添加割合制御ルーチンについて示すフローチャートである。本ルーチンは、一定クランク角毎に周期的に実行される。水素添加割合制御ルーチンの最初のステップ１００では、現在、空燃比フィードバック制御中か否か判定される。空燃比フィードバック制御中ではない場合には、ステップ１０８においてオープンループ時における水素添加割合の設定が行われる。本発明においてはオープンループ時における水素添加割合の設定には限定はない。したがって、ここではその詳細な説明は省略する。

空燃比フィードバック制御中の場合は、ステップ１０２において、Ｏ₂センサ７２の出力がリッチ側にあるかリーン側にあるか判定される。判定の結果、Ｏ₂センサ７２の出力がリッチ側にあるときには、ステップ１０４においてリッチ中における水素添加割合の設定が行われる。一方、Ｏ₂センサ７２の出力がリーン側にあるときには、ステップ１０６においてリーン中における水素添加割合の設定が行われる。つまり、本実施形態では、水素添加割合の設定は、Ｏ₂センサ７２の出力がリッチを示すときとリーンを示すときとで異なる設定が行われる。

図３は、Ｏ₂センサ７２の出力に応じた水素添加割合の設定例を示す図である。図３のチャート（Ａ）は、Ｏ₂センサ７２の出力に応じて立てられるリッチ，リーンの判定フラグを示し、図３のチャート（Ｂ）は、判定フラグに応じて設定される水素添加割合の大きさを示している。この図に示すように、水素添加割合は、Ｏ₂センサ７２の出力がリッチを示すときには、リーンを示すときよりも大きな値に設定される。なお、リッチ中の水素添加割合、リーン中の水素添加割合は、アクセル開度（或いは吸入空気流量）と機関回転数から定まる水素添加割合の基本値をリッチ、リーンに応じて補正することにより設定することができる。或いは、アクセル開度と機関回転数をパラメータとするマップをリーン用とリッチ用とで別々に用意し、リッチ、リーンに応じて各マップから水素添加割合を読み出すようにしてもよい。

上記の水素添加割合制御ルーチンによれば、ＨＣやＣＯが発生しやすいリッチ時にはリーン時よりも水素の噴射量が増加されるので、燃焼を促進してＨＣやＣＯの発生を抑制することができる。なお、空燃比がリーンのときには燃焼速度の増大に伴ってＮＯｘが発生しやすくなっている。このため、空燃比フィードバック制御の全域で水素添加割合を増加させると、水素の消費量が増大するだけでなく、リーン時の燃焼速度がより増大してＮＯｘの発生量が増大してしまう可能性がある。この点に関し、上記の水素添加割合制御ルーチンによれば、空燃比がリーンのときはリッチのときよりも水素添加割合が抑えられるので、その分、水素の消費を低減できるだけでなく、リーン時の燃焼速度の増大によってＮＯｘ発生量が増大してしまうことを防止することもできる。

実施の形態２.
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本発明の実施の形態２としての制御装置は、実施の形態１において、ＥＣＵ７０に、図２の水素添加割合制御ルーチンに代えて図４の水素添加割合制御ルーチンを実行させることにより実現することができる。本実施形態にかかる水素添加割合制御ルーチンは、ＥＧＲ率を考慮して水素添加割合を設定することを特徴としている。以下、図４にフローチャートで示す水素添加割合制御ルーチンについて説明する。なお、本ルーチンも一定クランク角毎に周期的に実行される。

図４に示す水素添加割合制御ルーチンの最初のステップ２００では、現在、空燃比フィードバック制御中か否か判定される。空燃比フィードバック制御中ではない場合には、ステップ２１２においてオープンループ時における水素添加割合の設定が行われる。ここでもその詳細な説明は省略する。

空燃比フィードバック制御中の場合は、さらにステップ２０２において、現在のＥＧＲ率が所定の基準値よりも大きいか否か判定される。ＥＧＲ率が基準値に達していない場合には、ステップ２１０において、水素を添加してストイキ運転を行う際の通常の方法（本発明によらない方法）で水素添加割合の設定が行われる。つまり、ステップ２１０では、Ｏ₂センサ７２の出力がリッチ側にあるかリーン側にあるかに関係なく、水素添加割合は現在のアクセル開度と機関回転数に応じた所定の値に設定される。

一方、ステップ２０２の判定でＥＧＲ率が基準値よりも大きい場合には、ステップ２０４において、Ｏ₂センサ７２の出力がリッチ側にあるかリーン側にあるか判定される。判定の結果、Ｏ₂センサ７２の出力がリッチ側にあるときには、ステップ２０６においてリッチ中における水素添加割合の設定が行われる。一方、Ｏ₂センサ７２の出力がリーン側にあるときには、ステップ２０８においてリーン中における水素添加割合の設定が行われる。

ステップ２０６で設定される水素添加割合は、同条件（アクセル開度、機関回転数）でステップ２０８で設定される水素添加割合よりも大きな値をとるようになっている。つまり、本実施形態でも、ＥＧＲ率が基準値よりも大きい場合には、水素添加割合はリーン時よりもリッチ時のほうが大きな値に設定される。なお、ステップ２０８で設定されるリーン時の水素添加割合は、同条件でステップ２１０で設定される水素添加割合と同じ値でよい。アクセル開度と機関回転数をパラメータとして水素添加割合を決定するマップは、ステップ２０６、ステップ２０８、ステップ２１０のそれぞれで別々に用意してもよく、共通のマップを用いてステップ２０６での設定時のみ水素添加割合を増加側に補正するようにしてもよい。

上記の水素添加割合制御ルーチンによれば、燃焼が不安定になりやすいＥＧＲの導入時、ＥＧＲ率が基準値を超えたときには、ＨＣやＣＯが発生しやすいリッチ時において水素の噴射量がリーン時よりも増加される。これにより、ＥＧＲの導入によって不安定になりがちなリッチ時の燃焼を安定させることができ、ＨＣやＣＯの発生を効果的に抑制することができる。その結果、ＥＧＲ率の上限を拡大して内燃機関２のポンピング損失を低減することが可能になる。また、ＥＧＲ率が基準値を超えるまではリッチ時の水素添加割合の増加は行われず、水素添加割合は通常の値に設定されるので、水素の消費をより低減することもできる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上記実施の形態では、ＥＧＲ率が基準値を超えたらリッチ時における水素添加割合をリーン時よりも増加させるようにしているが、ＥＧＲ率が大きくなるほどリッチ時における水素添加割合を大きく設定するようにしてもよい。また、同条件におけるリッチ時の水素添加割合を超えない範囲において、ＥＧＲ率の大きさに応じてリーン時における水素添加割合も変更するようにしてもよい。

本発明においては、Ｏ₂センサ７２の出力がリッチを示すときにはＯ₂センサ７２の出力がリーンを示すときよりも水素添加割合が増加していればよい。したがって、Ｏ₂センサ７２の出力にかかわらずガソリン噴射量は一定にして、水素の噴射量のみによって空燃比フィードバック制御を行うようにしてもよい。これによれば、筒内空燃比のリッチ，リーンは水素の噴射量で決まることになり、Ｏ₂センサ７２の出力がリッチを示しているときには、リーンを示しているときよりも水素の噴射量は大きくなる。その結果、ガソリン噴射量は一定であることから、見かけの水素添加割合はリッチ時のほうがリーン時よりも大きくなる。

また、図１の構成では、ガソリンインジェクタ６０を吸気ポート１８に配置することとしているが、その配置はこれに限定されるものではない。すなわち、ガソリンインジェクタ６０は、燃焼室１０内に直接、ガソリンを噴射できるようにシリンダヘッド４に組み込んでもよい。水素インジェクタ５０に関しても同様であり、燃焼室１０内に直接、水素を噴射できるようにシリンダヘッド４にガソリンインジェクタ６０を組み込んでもよい。

本発明の実施の形態１としての制御装置が適用された内燃機関の概略構成を示す図である。本発明の実施の形態１において実行される水素添加割合制御ルーチンについて示すフローチャートである。水素添加割合制御ルーチンにおいて設定される水素添加割合とＯ₂センサの出力との関係を説明するための図である。本発明の実施の形態２において実行される水素添加割合制御ルーチンについて示すフローチャートである。

符号の説明

２内燃機関
４シリンダヘッド
１０燃焼室
１２吸気弁
１４排気弁
１８吸気ポート
２０排気ポート
３０吸気通路
４０排気通路
４２三元触媒
４４ＥＧＲバルブ
４６ＥＧＲ通路
５０水素インジェクタ
５２水素タンク
６０ガソリンインジェクタ
６２ガソリンタンク
７０ＥＣＵ
７２Ｏ₂センサ

Claims

ガソリンと水素を燃料として運転可能な水素添加内燃機関において、排気通路に設けられた酸素センサの出力がリッチを示すときには筒内空燃比がリーンとなるように各燃料の噴射量を補正し、前記酸素センサの出力がリーンを示すときには筒内空燃比がリッチとなるように各燃料の噴射量を補正する前記内燃機関の制御装置であって、
前記酸素センサの出力がリッチを示すときには前記酸素センサの出力がリーンを示すときよりも水素の添加割合を増加させる水素添加割合制御手段を備えることを特徴とする水素添加内燃機関の制御装置。
前記内燃機関は吸気通路に排気ガスを導入するＥＧＲ手段を有し、
前記水素添加割合制御手段は、前記ＥＧＲ手段が作動している場合に、前記の水素の添加割合を増加させる制御を実行す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。