JP2006144564A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素を燃料として使用可能な内燃機関の制御装置に関し、噴射した水素の自着火を防止できるようにする。
【解決手段】 液体燃料と水素とを共に吸気ポートに、若しくは共に燃焼室内に噴射する際、水素に先立ち液体燃料の噴射が開始されるように液体燃料と水素のそれぞれの噴射開始時期を設定する。液体燃料の後から噴射される水素は、液体燃料の気化潜熱によって冷却された雰囲気に噴射されることになる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水素を燃料として運転可能な内燃機関の制御装置に関し、特に、水素の自着火を防止する技術に関する。

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。一方、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。
特開２００４−１１６３９８号公報 特開平５−３２１６８９号公報

ところで、水素には、ガソリンのような液体燃料に比較して可燃範囲が広く、且つ、最小点火エネルギーが小さいという特徴がある。例えば、ガソリンの可燃範囲が体積率で1.3〜7.1vol％であるのに対し、水素の可燃範囲は4〜75vol％と広い。また、ガソリンの最小点火エネルギーが0.25mJであるのに対し、水素の可燃範囲は最小点火エネルギーは0.02mJと小さい。このため、水素はガソリンに比較して自着火しやすく、水素が噴射される雰囲気に高温部分があるとそこで自着火してしまうおそれがある。水素を吸気ポートに噴射する内燃機関では、水素が高温になっている吸気ポート壁面に触れたり、燃焼室から吹き返される高温の燃焼ガスに触れたりすることで水素の自着火が起きる可能性がある。筒内に直接水素を噴射する内燃機関では、水素が高温になっている点火プラグの先端や排気バルブに触れることで水素の自着火が起きる可能性がある。

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、噴射した水素の自着火を防止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、液体燃料インジェクタと水素インジェクタとを備え、液体燃料と水素とを共に吸気ポートに、若しくは共に燃焼室内に噴射可能な内燃機関の制御装置であって、
水素に先立ち液体燃料の噴射が開始されるように液体燃料と水素のそれぞれの噴射開始時期を設定する設定手段と、
設定された各噴射開始時期に基づいて前記液体燃料インジェクタ及び水素インジェクタのそれぞれの作動を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、上記の目的を達成するため、吸気ポートに水素を噴射する水素インジェクタと、吸気バルブのバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構とを備える内燃機関の制御装置であって、
前記吸気ポート内の圧力よりも燃焼室内の圧力が低くなってから前記吸気バルブが開弁するように前記吸気バルブの開弁時期を設定する設定手段と、
設定された開弁時期に基づいて前記可変バルブタイミング機構の作動を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

第１の発明によれば、水素に先立って噴射される液体燃料の気化潜熱によって水素が噴射される雰囲気を冷却することができるので、水素インジェクタから吸気ポート或いは筒内に噴射された水素が点火前に自着火してしまうことは防止される。

また、第２の発明によれば、吸気ポート内の圧力よりも燃焼室内の圧力が低くなってから吸気バルブが開弁することにより燃焼室から吸気ポートへの高温の燃焼ガスの吹き戻しを回避することができるので、水素インジェクタから吸気ポートに噴射された水素が点火前に自着火してしまうことは防止される。

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、燃焼室１０の頂部には、図示していない点火プラグが取り付けられている。

吸気ポート１８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。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。

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等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ７０の入力側にはエアフローメータ、アクセルポジションセンサ、クランク角センサ、吸気温センサ、冷却水温センサ、空燃比センサ等の種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ７０は、各センサから供給される情報（吸入空気量、アクセル開度、機関回転数、吸入空気温度、冷却水温、排気空燃比等）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。燃料噴射量制御では、先ず、各センサから供給される情報から内燃機関２の運転状態について判断される。そして、予め用意されたマップから内燃機関２の運転状態に応じた目標負荷率と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の噴射量が算出される。

各燃料の噴射量が決まると、その噴射量を得るのに必要な各インジェクタ５０，６０の開弁時間が算出される。また、予め用意されたマップから内燃機関２の運転状態に応じた各燃料の噴射終了時期が読み出される。ガソリンインジェクタ６０の開弁時間とその噴射終了時期が決まることで、ガソリン噴射開始時期は自ずと決定される。また、水素インジェクタ５０の開弁時間とその噴射終了時期が決まることで、水素噴射開始時期も自ずと決定される。

ところで、前述のように、水素はガソリンに比較して高温雰囲気下において自着火しやすい。本実施形態のように水素インジェクタ５０から吸気ポート１８に水素が噴射される構造では、高温の吸気ポート壁面に水素が触れることで吸気ポート１８内での水素の自着火（バックファイヤー）が起きる可能性がある。そこで、ＥＣＵ７０は、水素の自着火を防止するため、燃料噴射制御の実施時には以下に説明するバックファイヤー防止制御ルーチンを実行している。

図２は本実施形態においてＥＣＵ７０により実行されるバックファイヤー防止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。最初のステップ１００では、内燃機関２の運転状態に応じて各燃料の噴射量が決定され、続いて各燃料の噴射開始時期が決定される。次のステップ１０２では、現在の内燃機関２の運転状態が水素の自着火領域、つまり、水素が吸気ポート１８内で自着火する運転領域内にあるか否か判定される。自着火領域内か否かは、例えば、水素噴射量と機関負荷（アクセル開度と機関回転数から算出）との関係で判断することができる。水素噴射量が水素の可燃範囲にある場合や、機関負荷から想定される吸気ポート１８の壁面温度が水素の最小点火エネルギーを得られる温度である場合には、水素の自着火が起きる可能性が高い。

ステップ１０２の判定の結果、現在の内燃機関２の運転状態が水素の自着火領域外である場合には、ステップ１０８の処理に進む。ステップ１０８では、クランク角センサの信号から各燃料の噴射開始時期が到来したか否か判定される。ここで判定の対象となる各燃料の噴射開始時期は、ステップ１００で決定された噴射開始時期である。ステップ１０８の判定において水素の噴射開始時期が到来したときには、ステップ１１０において水素インジェクタ５０の駆動により水素の噴射が開始される。また、ガソリンの噴射開始時期が到来したときには、ステップ１１０においてガソリンインジェクタ６０の駆動によりガソリンの噴射が開始される。

一方、ステップ１０２の判定の結果、現在の内燃機関２の運転状態が水素の自着火領域内にある場合には、ステップ１０４の判定が実行される。ステップ１０４では、ステップ１００で決定された水素の噴射開始時期とガソリンの噴射開始時期とが比較される。比較の結果、水素噴射開始時期がガソリン噴射開始時期よりも早い場合には、ステップ１０６の処理が実行される。ステップ１０６では、図３に示すように、水素に先立ってガソリンの噴射が開始されるように、ガソリンの噴射開始時期が水素の噴射開始時期よりも所定の時間差ΔＴだけ早められる。水素に先立ってガソリンが噴射されることで、ガソリンが気化する際の気化潜熱によって吸気ポート１８内は冷却され、吸気ポート１８の壁面温度は低下することになる。これにより、ガソリンの後から噴射される水素は高温部分に触れることがなくなり、水素が吸気ポート１８内で自着火してしまうことは防止される。

ステップ１０６の処理後はステップ１０８の判定に進む。ここで判定の対象となる各燃料の噴射開始時期は、ステップ１０６で修正された噴射開始時期である。ステップ１０８の判定において、先ず、ガソリンの噴射開始時期が到来したときには、ステップ１１０においてガソリンインジェクタ６０の駆動によりガソリンの噴射が開始され、続いて水素の噴射開始時期が到来したときには、ステップ１１０において水素インジェクタ５０の駆動により水素の噴射が開始される。

ステップ１１０で決定された水素噴射開始時期がガソリン噴射開始時期よりも遅い場合、つまり、水素に先立ってガソリンの噴射が開始されるようになっている場合には、ステップ１０６の処理はパスされる。各燃料の噴射開始時期を変更せずとも現状の設定でガソリンによる冷却効果を得ることができるためである。したがって、この場合はそのままステップ１０８，１１０に進み、ステップ１００で決定された各燃料の噴射開始時期に従って各インジェクタ５０，６０の駆動が行われる。

以上説明したバックファイヤー防止制御ルーチンが実行されることで、本実施形態の内燃機関の制御装置によれば、水素インジェクタ５０から吸気ポート１８内に噴射された水素が高温になっている壁面に触れて吸気ポート１８内で自着火（バックファイヤー）してしまうことは防止され、安定した燃焼が実現される。

なお、上記実施の形態では、ＥＣＵ７０により図２のバックファイヤー防止制御ルーチンが実行されることで、第１の発明の「設定手段」及び「制御手段」が実現されている。

実施の形態２.
次に、図４乃至図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図４は本発明の実施の形態２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。図４中、実施の形態１にかかる内燃機関２と同一の部位については同一の符号を付している。図４に示すように、本実施形態にかかる内燃機関２′は、吸気バルブ１２のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構８０を備えている。また、燃焼室１０の頂部には、燃焼室１０内の圧力（燃焼室圧）を検出する筒内圧センサ７６が取り付けられ、吸気ポート１８に接続される図示しない吸気管には、吸気管内の圧力（吸気管圧）を検出する吸気管圧センサ７８が取り付けられている。可変バルブタイミング機構８０はＥＣＵ７０の出力側に接続され、筒内圧センサ７６と吸気管圧センサ７８はＥＣＵ７０の入力側に接続されている。

ＥＣＵ７０は、実施の形態１で説明したように、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を実施している。その際、実施の形態１では、吸気ポート１８に噴射された水素が高温の吸気ポート壁面に触れることで起きる水素の自着火を防止すべく、図２のフローチャートに示すバックファイヤー防止制御ルーチンが実行されている。しかし、吸気ポート１８に噴射された水素は、吸気バルブ１２が開いたときの燃焼室１０からの高温の燃焼ガスの吹き返しによって自着火する可能性もある。そこで、本実施形態では、燃焼ガスの吹き返しによる水素の自着火を防止するため、燃料噴射制御の実施時には以下に説明するバックファイヤー防止制御ルーチンが実行される。

図５は本実施形態においてＥＣＵ７０により実行されるバックファイヤー防止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。最初のステップ２００では、内燃機関２の運転状態に応じて各燃料の噴射量が決定され、また、内燃機関２の運転状態に応じて吸気バルブ１２のバルブタイミングの進角量（ＶＶＴ進角量）が決定される。次のステップ２０２では、ステップ２００で決定された燃料噴射量から決まる噴射タイミングで各燃料の噴射が実行される。なお、本実施形態では、少なくとも水素に関しては吸気バルブ１２が閉じている時に噴射されるようその噴射期間が設定されている。

次のステップ２０４では、現在の内燃機関２′の運転状態が水素の自着火領域、つまり、水素が吸気ポート１８内で自着火する運転領域内にあるか否か判定される。自着火領域内か否かは、水素噴射量と機関負荷との関係で判断することができる。

ステップ２０４の判定の結果、現在の内燃機関２′の運転状態が水素の自着火領域外である場合には、本ルーチンは終了する。吸気バルブ１２のバルブタイミングは変更されることなく、ステップ２００で決定されたタイミングに維持される。

一方、ステップ２０４の判定の結果、現在の内燃機関２′の運転状態が水素の自着火領域内にある場合には、ステップ２０６の判定が実行される。ステップ２０６では、ステップ２００で決定された吸気バルブ１２のバルブタイミングで吸気バルブ１２が開いたときに、燃焼室１０から吸気ポート１８に高温の燃焼ガスが吹き返されるか否か判定される。この判定は、筒内圧センサ７６で検出される燃焼室圧と吸気管圧センサ７８で検出される吸気管圧との比較によって行なわれる。吸気バルブ１２の開時期における吸気管圧が燃焼室圧よりも高ければ、吸気バルブ１２が開いたときにガスは吸気ポート１８から燃焼室１０へ流れることになるので吹き返しは起こらない。逆に燃焼室圧が吸気管圧よりも高ければ、ガスは燃焼室１０から吸気ポート１８へ流れることになって燃焼ガスの吹き返しが起こることになる。

ステップ２０６の判定の結果、現在の吸気バルブ１２の開時期では燃焼室圧が吸気管圧よりも高く、燃焼ガスの吹き返しが起こると判定された場合には、ステップ２０８の処理が実行される。ステップ２０８では、筒内圧センサ７６で検出される燃焼室圧と吸気管圧センサ７８で検出される吸気管圧とが比較され、燃焼室圧が吸気管圧よりも低くなる時期まで吸気バルブ１２の開時期が遅角される。図６に示すように、通常、吸気バルブ１２の開時期はＴＤＣ前に設定されているが、可変バルブタイミング機構８０を操作し、ピストン８の下降により燃焼室１０内の圧力が低下し始めるＴＤＣ後まで吸気バルブ１２の開時期を遅角することで、吸気バルブ１２が開いたときの燃焼室圧を吸気管圧よりも下げることができる。燃焼室圧が吸気管圧よりも低くなってから吸気バルブ１２が開かれることで、燃焼室１０から吸気ポート１０への高温の燃焼ガスの吹き返しは防止される。これにより、吸気ポート１８内の水素が高温の燃焼ガスに触れることがなくなり、水素が吸気ポート１８内で自着火してしまうことは防止される。

ステップ２０６の判定において、ステップ２００で決定された吸気バルブ１２の開時期では燃焼ガスの吹き返しが起こらないと判定された場合、つまり、吸気バルブ１２の開時期における吸気管圧が燃焼室圧よりも高い場合には、ステップ２０８の処理はパスされる。そして、ステップ２００で決定されたバルブタイミングに従って吸気バルブ１２が開かれる。

以上説明したバックファイヤー防止制御ルーチンが実行されることで、本実施形態の内燃機関の制御装置によれば、水素インジェクタ５０から吸気ポート１８内に噴射された水素が高温の燃焼ガスに触れて吸気ポート１８内で自着火（バックファイヤー）してしまうことは防止され、安定した燃焼が実現される。

なお、上記実施の形態では、ＥＣＵ７０により図５のバックファイヤー防止制御ルーチンが実行されることで、第２の発明の「設定手段」及び「制御手段」が実現されている。

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。

実施の形態１では、吸気ポート１８内に各燃料を噴射するように各インジェクタ５０，６０を吸気管に配置することとしているが、燃焼室１０内に直接、各燃料を噴射できるようにシリンダヘッド４に各インジェクタ５０，６０を組み込んでもよい。その場合も、水素に先立ちガソリンの噴射が開始されるようにガソリンと水素のそれぞれの噴射開始時期を設定する。水素に先立って燃焼室１０内へのガソリンの噴射を開始することで、ガソリンが気化する際の気化潜熱によって点火プラグの先端や排気バルブ１４等の高温部分を冷却することができる。これにより、ガソリンの後から燃焼室１０内に噴射される水素は高温部分に触れることがなくなり、水素の過早期着火を防止することができる。

また、実施の形態１では、図３に示すようにガソリンを連続して噴射しているが、ガソリンの噴射は複数回に分けて噴射されてもよい。例えば、吸気バルブ１２の閉じている時に噴射する非同期噴射と、吸気バルブ１２の開いている時に噴射する同期噴射の二段噴射を用いてもよい。この場合、最初の噴射である同期噴射の開始時期よりも後に水素の噴射が開始されるようになっていればよい。

実施の形態１では、ステップ１１０で決定された水素噴射開始時期がガソリン噴射開始時期よりも早い場合、ガソリンの噴射開始時期を水素の噴射開始時期よりも所定の時間差ΔＴだけ早めるようにしているが、水素の噴射開始時期をガソリンの噴射開始時期よりも所定の時間差ΔＴだけ遅らせるようにしてもよい。また、実施の形態１では、ガソリンの噴射開始時期と水素の噴射開始時期の時間差ΔＴは固定値としているが、水素噴射量や機関負荷に応じてΔＴを変更してもよい。つまり、水素の自着火が起こりやすい状況ほど、時間差ΔＴを大きく設定するようにする。さらに、ステップ１１０で決定された水素噴射開始時期がガソリン噴射開始時期よりも遅い場合であっても、その時間差が基準値であるΔＴよりも短ければ、基準値ΔＴ以上の時間差が得られるように各燃料の噴射開始時期を調整するのが望ましい。

また、実施の形態１では、液体燃料としてガソリンを使用する内燃機関に本発明を適用しているが、他の液体燃料、例えば軽油を使用する内燃機関に本発明を適用することも可能である。

さらに、実施の形態１では内燃機関２の運転状態が水素の自着火領域内にある場合に、各燃料の噴射開始時期の設定によるバックファイヤー防止制御を実行しているが、内燃機関の運転状態によらず全ての運転領域で上記制御を実行するようにしてもよい。

実施の形態２では、ガソリンインジェクタ６０を水素インジェクタ５０とともに吸気管に配置しているが、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。さらに、本発明は、ガソリンインジェクタ６０を備えない内燃機関、つまり、水素インジェクタ５０のみを吸気管に備える内燃機関にも適用可能である。

また、実施の形態２では、吸気管圧と燃焼室圧をそれぞれセンサ７６，７８で検出しているが、機関負荷、回転数、アクセル開度、吸入空気量、吸気温度等の内燃機関２′の運転状態に関する情報に基づいて吸気管圧と燃焼室圧を算出するようにしてもよい。

さらに、実施の形態２では内燃機関２′の運転状態が水素の自着火領域内にある場合に、バルブタイミングの設定によるバックファイヤー防止制御を実行しているが、内燃機関の運転状態′によらず全ての運転領域で上記制御を実行するようにしてもよい。

実施の形態１にかかる各燃料の噴射開始時期の設定によるバックファイヤー防止制御と、実施の形態２にかかるバルブタイミングの設定によるバックファイヤー防止制御とは組み合わせて実行することも可能である。

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バックファイヤー防止制御ルーチンについて示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１において実行されるバックファイヤー防止制御ルーチンの内容を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態２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２において実行されるバックファイヤー防止制御ルーチンについて示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行されるバックファイヤー防止制御ルーチンの内容を説明するための説明図である。

符号の説明

２，２′ 内燃機関
１０ 燃焼室
１２ 吸気弁
１４ 排気弁
１８ 吸気ポート
２０ 排気ポート
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（Electronic Control Unit）
７６ 筒内圧センサ
７８ 吸気管圧センサ
８０ 可変バルブタイミング機構

Claims (2)

1. 液体燃料インジェクタと水素インジェクタとを備え、液体燃料と水素とを共に吸気ポートに、若しくは共に燃焼室内に噴射可能な内燃機関の制御装置であって、
   水素に先立ち液体燃料の噴射が開始されるように液体燃料と水素のそれぞれの噴射開始時期を設定する設定手段と、
   設定された各噴射開始時期に基づいて前記液体燃料インジェクタ及び水素インジェクタのそれぞれの作動を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 吸気ポートに水素を噴射する水素インジェクタと、吸気バルブのバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構とを備える内燃機関の制御装置であって、
   前記吸気ポート内の圧力よりも燃焼室内の圧力が低くなってから前記吸気バルブが開弁するように前記吸気バルブの開弁時期を設定する設定手段と、
   設定された開弁時期に基づいて前記可変バルブタイミング機構の作動を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
   

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