JP2006144560A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体燃料に気体燃料を添加して運転可能な内燃機関の制御装置に関し、液体燃料に比較して容積当たりの搭載量に劣る気体燃料の無駄な消費を抑制できるようにする。
【解決手段】 減速時、燃料カットの実行が禁止されたときには、気体燃料の添加割合を減少させるか、若しくはゼロに設定する。そして、このように補正された気体燃料の添加割合で各燃料の噴射量を制御し、触媒に流入するガスの空燃比がリーンになることを防止する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体燃料に気体燃料を添加して運転可能な内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、減速時に所定の条件下では燃料カットの実行が禁止される内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、ガソリンとともに水素を燃料として使用する水素添加内燃機関が知られている。水素はガソリンに比較して燃焼性に優れている特性を有している。このため、低負荷時には、ガソリンに水素を添加することで内燃機関のリーンバーン領域を拡大することができ、燃費の向上やＮＯｘ排出量の低減といった顕著な効果を得られるようになる。高負荷時には、ガソリンに水素を添加することでノッキングを抑制することができ、出力を向上させて車両の加速性能を維持することができる。

ところで、車載用の内燃機関の排気通路には触媒が備えられるが、この触媒は高温で且つ空燃比がリーンなほど熱劣化しやすいという特性がある。一般に、車両の減速時には燃費の向上を目的として燃料供給の一時的なカット（以下、燃料カット）が行われるが、このような燃料カット時には燃焼室からは空気のみが排出され、結果的に空燃比はリーンになる。このため、触媒温度が高温のときに燃料カットが実行されると、触媒は高温且つリーンな雰囲気にさらされることになって熱劣化が進行してしまう。そこで、従来の内燃機関では、例えば、特許文献２に開示されるように、触媒の熱劣化を抑制するため、触媒温度が高温の場合には減速時の燃料カットの実行が禁止されるようになっている。
特開２００４−１１６３９８号公報 特開２００４−５２５５８号公報

特許文献１に開示されるような水素添加内燃機関においても、触媒の熱劣化は可能な限り回避したい。このため、水素添加内燃機関においても、触媒温度が高温のときには燃料カットの実行を禁止することが望ましい。しかしながら、減速時に燃料カットの禁止に伴って供給される燃料は、触媒の雰囲気がリーンになるのを防止するためのものであって出力に寄与するものではない。特に、水素を添加する場合にはリーンバーン領域の拡大やノッキングの抑制等の様々な利点を得ることが可能であるが、減速時の燃料供給はこのような水素の特性が活かされるような用途ではない。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ため、その有効利用が求められている。

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、液体燃料に比較して容積当たりの搭載量に劣る気体燃料の無駄な消費を抑制できるようにした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、排気通路に触媒を備えるとともに液体燃料に気体燃料を添加して運転可能な内燃機関において、前記内燃機関の運転状態に応じて決定された割合で各燃料の噴射量を制御する前記内燃機関の制御装置であって、
減速時、燃料カットを実行するか否か判定する判定手段と、
前記判定手段の判定により燃料カットの実行が禁止されたときには、気体燃料の添加割合を減少させるか、若しくはゼロに設定する添加割合補正手段と、
前記添加割合補正手段により補正された気体燃料の添加割合で各燃料の噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
を備えることを特徴としている。

また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記燃料噴射量制御手段は、減速時、前記触媒に供給されるガスの空燃比がストイキ或いはストイキ近傍になるように各燃料の噴射量を制御することを特徴としている。

第１の発明によれば、気体燃料の特性を活かすことができない減速時に燃料の供給が行われる場合には、気体燃料の添加割合は減少されるか、若しくはゼロに設定されるので、液体燃料に比較して容積当たりの搭載量に劣る気体燃料の無駄な消費を抑えることができる。

また、第２の発明によれば、補正された気体燃料の添加割合に基づいて、触媒に供給されるガスの空燃比がストイキ或いはストイキ近傍になるように各燃料の噴射量が制御されるので、気体燃料の無駄な消費を抑えつつ触媒の熱劣化を抑制することができる。

以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態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。エアクリーナ３２の下流には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ７４が取り付けられている。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触媒４２が設けられている。触媒４２にはその温度を検出するための温度センサ７６が取り付けられている。また、触媒４２の上流には触媒４２に流入する排気ガスの空燃比（排気空燃比）を検出するための空燃比センサ７２が配置されている。

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によって水素インジェクタ５０に供給される。なお、水素タンク５２を高圧貯蔵タンクとし、調圧弁を介して水素インジェクタ５０に水素を供給してもよい。

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，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、空燃比センサ７２、エアフローメータ７４、温度センサ７６、アクセルポジションセンサ７８の他、図示しないクランク角センサ，スロットルセンサ等の種々のセンサ類が接続されている。アクセルポジションセンサ７８はアクセルペダルの踏み込み量に応じた信号を出力するセンサである。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により実施される内燃機関２の制御の一つとして、ガソリンインジェクタ６０からのガソリン噴射量、及び水素インジェクタ５０からの水素噴射量を決定する燃料噴射量制御がある。本実施形態にかかる燃料噴射制御では、以下に説明するように、車両の減速状態や触媒４２の温度を考慮した制御が行われる。図２は、ＥＣＵ７０により実行される燃料噴射量制御の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、一定のクランク角毎に周期的に実行される。

図２に示すルーチンの最初のステップ１００では、車両が減速状態にあるか否か判定される。エンジン回転数がアイドル時の設定回転数よりも高く、且つ、アクセルポジションセンサ７８からの信号によってアクセルオフが検出された場合に、車両は減速状態にあると判定することができる。車両が減速状態にない場合には、ステップ１０８の通常処理が実行される。ステップ１０８では、予め用意されたマップから現在の内燃機関２の運転状態に応じた目標負荷率、水素添加割合が読み出され、目標負荷率と水素添加割合からガソリンと水素のそれぞれが負担する負荷率が算出される。そして、ガソリン負荷率からガソリン噴射量が算出され、水素負荷率から水素噴射量が算出される。

一方、車両が減速状態にある場合には、さらにステップ１０２の判定が行われる。ステップ１０２の判定は燃料カットを禁止するか否かの判定であり、温度センサ７６により検出される触媒温度と所定の基準温度との比較によって行われる。比較の結果、触媒温度が基準温度以下の場合には燃料カットは禁止されず、ステップ１０６においてガソリン噴射と水素噴射のそれぞれがカットされる。基準温度は、触媒４２の周囲雰囲気がリーンになったときの触媒４２の熱劣化状況に基づいて設定されている。

ステップ１０２での比較の結果、触媒温度が基準温度を超える場合には、触媒４２に流入するガスの空燃比がリーンにならないように燃料カットの実行は禁止されてステップ１０４の処理が実行される。ステップ１０４では、水素の添加割合がゼロに設定されるとともに、空燃比センサ７２で検出される排気空燃比がストイキ或いはストイキ近傍になるように、エアフローメータ４２で検出される吸入空気量に基づいてガソリン噴射量が設定される。つまり、本ルーチンでは、減速時の燃料カットが禁止される場合にはガソリンのみが噴射され、水素の噴射はカットされる。

前述のように、減速時の燃料噴射は触媒４２に流入するガスの空燃比がリーンにならないようにするためのものであって、内燃機関２の出力に寄与するものではない。このため、減速時に水素を噴射したとしても水素が有する種々の特性を活かすことはできない。上記の本実施形態にかかる燃料噴射量制御ルーチンによれば、減速時に行われる燃料噴射では水素の添加割合はゼロに設定されるので、ガソリンに比較して容積当たりの搭載量に劣る水素の無駄な消費を抑えることができる。節約された水素は、その特性を十分に生かせる用途において有効に活用することができる。また、本実施形態にかかる燃料噴射量制御ルーチンによれば、減速時の燃料カットが禁止される場合、水素噴射はカットされるがガソリン噴射は実行されるので、触媒４２の周囲雰囲気がリーンになることを防止して触媒４２の熱劣化を抑制することができる。

上記実施の形態では、ＥＣＵ７０により図２の燃料噴射量制御ルーチンが実行されることで、第１の発明の「判定手段」、「添加割合補正手段」及び「燃料噴射量制御手段」が実現されている。

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。

図１の構成では、水素インジェクタ５０を吸気通路３０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、水素インジェクタ５０は、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に組み込んでもよい。ガソリンインジェクタ６０に関しても同様であり、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にガソリンインジェクタ６０を組み込んでもよい。

また、図１の構成では、燃料として使用する水素を水素タンク５２に貯留しているが、内燃機関２に燃料改質器を備え、ガソリンを燃料改質器で改質して水素を得るようにしてもよい。この場合も水素タンク５２に貯留された水素を利用する場合と同様、利用可能な水素量は限られるので、上記実施の形態のように燃料カット禁止時は水素添加割合をゼロに設定することによって、水素の無駄な消費を抑えて水素を有効に活用することが可能になる。

また、上記実施の形態では、減速時に燃料カットの実行が禁止されるときには水素添加割合をゼロに設定しているが、水素添加割合は必ずしもゼロに設定する必要はない。ステップ１０８の通常処理で設定される水素添加割合よりも小さな値に補正するだけでも、その分、水素の噴射量は減量されるので、水素の無駄な消費を抑えることができる。

また、上記実施の形態では、ガソリンと水素を燃料とする内燃機関に本発明を適用しているが、本発明は他の液体燃料と気体燃料を使用する内燃機関にも適用可能であり、同様の効果を得ることができる。本発明が適用される内燃機関で使用可能な液体燃料としては、ガソリン以外にも例えば軽油が使用可能である。また、気体燃料としては、水素以外にも例えばメタン、ＣＮＧ、ガソリンの改質ガス（ＣＯ、水素、アセチレン等の混合ガス）等が使用可能である。

また、上記実施の形態では、触媒４２の温度を温度センサ７６によって直接検出しているが、触媒４２に流入する排気ガスの温度やその履歴から触媒温度を推定してもよい。或いは、内燃機関２の運転状態やその履歴から触媒温度を推定することもできる。

本発明の実施の形態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において実行される燃料噴射量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
１０ 燃焼室
１２ 吸気弁
１４ 排気弁
１６ 点火プラグ
１８ 吸気ポート
２０ 排気ポート
３０ 吸気通路
４０ 排気通路
４２ 触媒
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
７０ ＥＣＵ
７２ 空燃比センサ
７４ エアフローメータ
７６ 温度センサ
７８ アクセルポジションセンサ

Claims (2)

1. 排気通路に触媒を備えるとともに液体燃料に気体燃料を添加して運転可能な内燃機関において、前記内燃機関の運転状態に応じて決定された割合で各燃料の噴射量を制御する前記内燃機関の制御装置であって、
   減速時、燃料カットを実行するか否か判定する判定手段と、
   前記判定手段の判定により燃料カットの実行が禁止されたときには、気体燃料の添加割合を減少させるか、若しくはゼロに設定する添加割合補正手段と、
   前記添加割合補正手段により補正された気体燃料の添加割合で各燃料の噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料噴射量制御手段は、減速時、前記触媒に供給されるガスの空燃比がストイキ或いはストイキ近傍になるように各燃料の噴射量を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
   

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