JP2006132406A - エンジン制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 異常燃焼を抑制しつつ、高出力を実現できるエンジン制御装置を提供することができる。
【解決手段】 燃焼室内に水素を直接供給して燃焼させる水素エンジンを制御するためのエンジン制御装置であって、水素エンジンが所定の回転数を超える高回転領域においては、１サイクル中、予混方式のインジェクタを用いて、吸気行程で一部の水素を供給した後、直噴方式のインジェクタから、更に圧縮行程で残りの水素を供給するように制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水素エンジンを制御する装置に関する。

従来から、水素ガスを燃焼させるエンジンが提案されているが、水素エンジンにおいては、水素ガスの性質上、ガソリンエンジンとは異なる様々な制御が必要となる。低出力運転時にはＮＯｘ低減のため、予混方式の燃焼を行ない、高出力運転時にはバックファイヤの防止のため直噴方式の燃焼を行なうように切り替えるエンジンが特許文献１に開示されている。
特開平７−１３３７３１号公報

しかしながら、実際には、直噴方式でもプリイグニッションという異常燃焼問題が起こる。これは、水素ガスと空気とのミキシングが悪く、塊状化した水素ガスが自然発火し、プラグによる点火前に爆発が起こる現象である。特に、高回転になるほど水素ガスと空気とのミキシング時間が少なくなり、直噴方式によるプリイグニッション現象が顕著になる。そして、プリイグニッションが発生すると燃焼圧力が高く圧縮行程初期（吸気ポートがまだ少し開いている状態）に燃焼ガスが吸気ポートに流れ、次のサイクルで燃料が噴射されるとバックファイヤが生じる。なお、吸気行程において水素を供給すると、水素のミキシング時間を長く確保でき、プリイグニッション、バックファイヤを抑制できるが、水素ガスの体積が大きく、その水素ガス分空気量が減少しトルクが低下してしまう。従って、単に高出力運転時に直噴方式を採用した特許文献１では問題が残る。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、異常燃焼を抑制しつつ、高出力を実現できるエンジン制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る装置は、吸気通路に水素を供給する第１供給手段と、燃焼室内に水素を直接供給する第２供給手段と、を備えたエンジンを制御するためのエンジン制御装置であって、高回転領域において、１サイクル中、前記第１供給手段により水素を供給した後、第２供給手段で更に水素を供給するように制御することを特徴とする。この構成によれば、高回転領域において、全て直噴で水素を供給する場合に比べて水素のミキシングが向上するためバックファイヤを抑制でき、かつ、全て予混で水素を供給する場合に比べて高出力化が可能となる。

前記高回転領域において、前記第１供給手段で供給する水素量は、前記第２供給手段で供給する水素量に比べて多いことを特徴とする。これにより、バックファイヤを十分に抑制した状態でトルクを高めることができる。

前記高回転領域よりも回転数の低い中回転領域では、前記第２供給手段のみにより、吸気行程において水素を供給することを特徴とする。中回転領域では、高回転領域に比べて、ミキシング時間を長く確保できるため、比較的バックファイヤの問題が起こりにくいので、予混方式ではなく、完全直噴方式とすることによって高出力化を実現する。また、吸気行程において水素を供給するので、ミキシング時間が長くなりバックファイヤ現象をより低減できる。

前記中回転領域よりも回転数の低い低回転領域では、前記第２供給手段のみにより、圧縮行程において水素を供給することを特徴とする。低回転領域では、中回転領域に比べて、更にミキシング時間を長く確保できるため、更にバックファイヤの問題が起こりにくい。そのため、吸気行程ではなく、圧縮行程において直噴方式で水素ガスを供給することによってより吸気充填率を上げ、高出力化を実現できる。

本発明によれば、異常燃焼を抑制しつつ、高出力を実現できるエンジン制御装置を提供することができる。

以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（構成）
本発明の実施形態に係るエンジン制御装置は、水素ガスを燃焼室内に直接噴射て燃焼させるロータリエンジンを制御するものである。図１は、この種のロータリエンジン１００の全体構成を示す図である。このロータリエンジン１００は、２ロータのロータリエンジンであり、不図示のインターミディエイトハウジングを挾んだ両側にロータハウジング１１１、１２１が設けられている。それぞれのロータハウジング１１１、１２１の内方にはロータ１１３、１２３が配置されている。図１では作図の便宜上、２つのロータハウジング１１１、１２１を展開して示している。

ロータハウジング１１１、１２１の内方には、３つの作動室を隔成する略三角形状のロータ１１３、１２３を備え、このロータ１１３、１２３が回転軸１１２、１２２を中心に偏心回転することにより、各作動室が容積変化し、オットーサイクルを行うようになっている。

サイドハウジングには、空気を供給する吸気ポート１１８、１２８が、吸気行程の燃焼室に臨む位置に設けられている。この吸気ポート１１８、１２８には吸気通路１３０を介して空気が導かれ、吸気通路１３０には、ステップモータ等のアクチュエータ１３２によって作動されるスロットル弁１３１が設けられている。また、ロータハウジング１１１、１２１の、排気行程の燃焼室に臨む位置においては不図示の排気ポートが形成され、その排気ポートに排気通路が接続されている。ロータハウジング１１１の、点火行程の燃焼室に臨む位置においては、点火プラグ１１４、１１５が取付けられており、ロータハウジング１２１の、点火行程の作動室に臨む位置においては、点火プラグ１２４、１２５が取付けられている。

また、加圧された水素ガスをシリンダ内に供給するため、ロータハウジング１１１、１２１のそれぞれには、燃焼室内に開口する第２供給手段としての水素インジェクタ１１６、１２６が設けられている。この水素インジェクタ１１６、１２６は、吸気行程から圧縮行程まで燃焼室に開口するような位置に設けられている。この水素インジェクタ１１６、１２６に対しては、水素貯蔵タンクである不図示のメタルハイドライドタンク（以下ＭＨタンクという）から燃料供給通路を介して水素ガスが供給されるようになっている。水素インジェクタ１１６、１２６には、タイミング弁が内設されており、噴射する水素ガスの量を自由にコントロール可能となっている。燃焼室に対して直接水素ガスを供給する位置に、水素インジェクタ１１６、１２６を設けたのは、燃焼室に空気を十分に供給した上で圧縮行程中に噴射することによって、十分なトルクを得ることを目的としたものである。

一方、吸気ポート１１８、１２８にも、第２供給手段としての水素インジェクタ１１７、１２７が設けられており、予混方式で水素を供給する際には、水素インジェクタ１１７、１２７から水素ガスを噴射させ、吸気ポート１１８、１２８の内部で水素と空気を混合してから燃焼室内に供給する。

また、このようなロータリエンジン１００をコントロールするエンジン制御装置として、ＰＣＭ（パワートレインコントロールユニット）１０６が設けられている。図１に示すように、ＰＣＭ１０６は、回転数センサ１０１、車速センサ１０２、負荷センサ１０３、などから信号を入力し、点火プラグ１１４、１１５、１２４、１２５、水素インジェクタ１１６、１２６、及びスロットル弁１３１のアクチュエータ１３２等に対して制御信号を出力している。

なお、回転数センサ１０１は、エンジンの回転数を検出するセンサであり、車速センサ１０２は、車両の速度を検出するセンサである。また、負荷センサ１０３は、エンジンにかかる負荷を検出するためのセンサである。

（制御）
図２は、直噴圧縮行程での水素供給と、直噴吸気行程での水素供給と、予混方式での水素供給とをどのような条件でどのように行なうかを示す図である。

基本的には、高出力化を図るために、水素インジェクタ１１６、１２６を駆動して直噴圧縮行程で１００パーセントの水素を供給することが望ましい。ところが、エンジン回転数がＡ（例えば約３０００回転）を超えると、プリイグニッション現象の問題が生じるため、直噴圧縮行程から、よりミキシング時間を長く確保できる直噴吸気行程に切り替える。

ところが、直噴吸気行程でも、エンジン回転数がＢ（例えば約６０００回転）を超えると、やはりミキシング時間が足りずに過早着火してバックファイヤが発生する。そこで、約６０００回転以上では、水素インジェクタ１１７、１２７を駆動して、予混方式で水素を供給する。予混方式では、ミキシング時間を長く確保できるため、高回転領域においても、プリイグニッションやバックファイヤの問題が生じにくい。ところが、全ての水素を予混方式で供給したのでは、やはり、出力が低くなってしまう。そこで、予混方式で部分的に（７０％〜８０％）水素を供給した後、更に直噴方式で残りの（２０％〜３０％）水素を供給することによって、バックファイヤを起こすことなく高出力化を図る。直噴方式で、どの程度の水素を供給するのかは、実験によって求めればよいが、通常、予混方式１００％の場合に対し、直噴方式の供給水素を増やしていくと、同じ空燃比でも出力が向上していくが、直噴方式の水素供給がある割合を超えると、今度はバックファイヤの問題が生じて逆に出力は低下する。

本発明者等の実験結果によれば、直噴方式の割合を約３０％以下にすれば、バックファイヤの問題を生じないことが確認できた。

図３は、ＰＣＭ１０６において行なわれる燃料噴射制御方法について説明するためのフローチャートである。

まず、ステップＳ６０１において、回転数センサ１０１の検出値を読出す。次に、ステップＳ６０２において、そのエンジン回転数が、低回転数（Ａ以下）か、中回転数（Ａより大きくＢ以下）か、高回転数（Ｂよりおおきい）かを判定する。

そして、ステップＳ６０２で低回転数と判断すると、ステップＳ６０３に進んで、直噴方式によって圧縮行程で水素を供給する。ステップＳ６０２で、中回転数と判断すると、ステップＳ６０４に進んで、直噴方式によって、吸気行程で水素を供給する。ステップＳ６０２で高回転数と判断すると、ステップＳ６０５に進んで、予混方式で、吸気行程において水素を供給した後、更に、一部の水素を、直噴方式により圧縮行程で供給する。

以上のような制御を行なうことにより、異常燃焼を抑制しつつ、高出力を実現できるエンジン制御装置を提供することができる。

なお、本発明はロータリピストンエンジンに限らず、レシプロエンジンにも適用することができる。

本発明に係るエンジン制御装置の実施形態としてのＰＣＭの周辺構成を示すブロック図である。 エンジン回転数と水素供給方式の関係について示す図である。 水素供給方式の切替制御について示すフローチャートである。

符号の説明

１００ ロータリエンジン
１０１ アクセル開度センサ
１０２ 車速センサ
１０３ エアフロメータ
１０４ 残圧センサ
１０５ スロット開度センサ
１０６ ＰＣＭ（パワートレインコントロールユニット）
１１１、１２１ ロータハウジング
１１２、１２２ 回転軸
１１３、１２３ ロータ
１１４、１１５、１２４、１２５ 点火プラグ
１１６、１１７、１２６、１２７ 水素インジェクタ
１１８、１２８ 吸気ポート
１３０ 吸気通路
１３１ スロットル弁
１３２ アクチュエータ

Claims (4)

1. 吸気通路に水素を供給する第１供給手段と、燃焼室内に水素を直接供給する第２供給手段と、を備えたエンジンを制御するためのエンジン制御装置であって、
   高回転領域において、１サイクル中、
   前記第１供給手段により吸気行程において水素を供給すると共に、第２供給手段により圧縮行程において水素を供給するように制御することを特徴とするエンジン制御装置。
2. 前記高回転領域において、前記第１供給手段で供給する水素量は、前記第２供給手段で供給する水素量に比べて多いことを特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置。
3. 前記高回転領域よりも回転数の低い中回転領域では、前記第２供給手段のみにより、吸気行程において水素を供給することを特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置。
4. 前記中回転領域よりも回転数の低い低回転領域では、前記第２供給手段のみにより、圧縮行程において水素を供給することを特徴とする請求項３に記載のエンジン制御装置。

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