JP2006242076A - 水素利用内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な燃焼安定性を確保しつつ燃費を向上させることが可能な水素利用内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】 水素タンク内の水素貯蔵量を算出する（ステップ１００）。次に、算出した水素貯蔵量が所定値よりも大きいか否かを判別する（ステップ１０２）。水素貯蔵量が所定値よりも大きい場合には、冷却水温が３０℃以上であれば（ステップ１０４）、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを許可する（ステップ１０６）。水素貯蔵量が所定値以下である場合には、冷却水温が６０℃以上であれば（ステップ１０８）、水素添加リーンバーン運転への切り替えを許可する（ステップ１０６）。冷却水温が３０℃又は６０℃よりも低い場合には、水素添加リーンバーン運転への切り替えを禁止し（ステップ１１０）、ガソリンのストイキ燃焼による機関暖機運転を継続して行う（ステップ１１２）。
【選択図】 図２

Description

この発明は、非水素燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関の制御装置に関する。

水素添加リーンバーン運転を行う水素利用内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この水素利用内燃機関では、内燃機関の温度が上昇するまでは機関暖機運転が実行され、その後水素添加リーンバーン運転に移行される。
しかし、例えば、水素タンク内の水素貯蔵量が少ない場合のように水素供給能力が低い場合には、非水素燃料に対する水素の添加割合が制限される。機関温度が低い場合には、水素添加割合が低いと燃焼室内で十分な燃焼安定性を得ることができない。この場合、燃焼室内で十分な燃焼安定性を得るため、機関暖機運転の実行時間を長くする必要がある。

特開２００４−１１６３９８号公報

しかしながら、機関暖機運転の実行時間を長くすると、水素添加リーンバーン運転への移行が遅くなる。このため、全体の燃費が悪くなってしまう。このように、従来の水素利用内燃機関は、未だ改良の余地を残すものであった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、十分な燃焼安定性を確保しつつ燃費を向上させることが可能な水素利用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、非水素燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関の制御装置であって、
内燃機関に非水素燃料を供給する非水素燃料供給手段と、
前記内燃機関に水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段の水素供給能力を算出する水素供給能力算出手段と、
検出された水素供給能力に基づいて、非水素燃料の燃焼による内燃機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替え条件を制御する切替条件制御手段とを備え、
前記切替条件制御手段は、水素供給能力が低い場合に比べて水素供給能力が高い場合に、切り替え条件である機関温度の閾値を低く設定するものであることを特徴とする。

また、第２の発明は、非水素燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関の制御装置であって、
内燃機関に非水素燃料を供給する非水素燃料供給手段と、
前記内燃機関に水素を供給する水素供給手段と、
前記内燃機関から排出された排気ガスを浄化する浄化触媒と、
前記水素供給手段の水素供給能力を算出する水素供給能力算出手段と、
前記水素供給能力に基づいて、前記浄化触媒の暖機運転の条件を制御する触媒暖機運転制御手段とを備え、
前記触媒暖機運転制御手段は、水素供給能力が低い場合に比べて水素供給能力が高い場合に、水素の添加割合を高くすると共に点火時期の遅角量を大きくするものであることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記触媒暖機運転制御手段は、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも小さくなるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料或いは前記水素供給手段により水素を供給させると共に、燃焼室で非水素燃料を燃焼させた後の膨張行程又は排気行程において、前記水素供給手段により該燃焼室内に水素を直接供給させるものであることを特徴とする。

また、第４の発明は、第２の発明において、前記触媒暖機運転制御手段は、吸気弁と排気弁が共に開弁時あるいはその直前に、前記水素供給手段により吸気通路に水素を供給させるものであることを特徴とする。

また、第５の発明は、第２の発明において、前記触媒暖機運転制御手段は、複数の気筒のうちの一の気筒では、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも小さくなるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料或いは前記水素供給手段により水素を供給させると共に、他の気筒では、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも大きくなるように、前記水素供給手段により水素を供給させるものであるを特徴とする。

また、第６の発明は、第２の発明において、前記触媒暖機運転制御手段は、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも小さくなるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料或いは前記水素供給手段により水素を供給させるサイクルと、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも大きくなるように、前記水素供給手段により水素を供給させるサイクルを一の気筒で混在させるものであることを特徴とする。

第１の発明によれば、水素供給能力が高い場合には、内燃機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への早期の切り替えが可能であるため、燃費を向上させることができる。また、早期に水素添加リーンバーン運転への切り替えを行った場合でも、水素の供給量を制御することにより、十分な燃焼安定性を得ることができる。

第２の発明によれば、水素供給能力が高い場合には、点火時期の遅角量を大きくすることにより、触媒暖機運転の時間を短くすることができる。点火時期の遅角量を大きくする場合であっても、水素添加割合を高くすることにより、十分な燃焼安定性を得ることができる。

第３の発明によれば、未燃酸素と水素を触媒に供給し、これらを触媒において反応させることにより、触媒の温度を上昇させることができる。よって、触媒暖機時間を短くすることができるため、燃費を向上させることができる。

第４の発明によれば、酸素と水素を触媒に供給し、これらを触媒において反応させることにより、触媒の温度を上昇させることができる。よって、触媒暖機時間を短くすることができるため、燃費を向上させることができる。

第５の発明によれば、一の気筒から触媒に未燃酸素を供給し、他の気筒から触媒に未燃水素を供給することにより、これらを触媒において反応させることができ、触媒の温度を上昇させることができる。よって、触媒暖機時間を短くすることができるため、燃費を向上させることができる。

第６の発明によれば、第１サイクルでは触媒に未燃酸素を供給し、第２サイクルでは触媒に未燃水素を供給することにより、これらを触媒において反応させることができ、触媒の温度を上昇させることができる。よって、触媒暖機時間を短くすることができるため、燃費を向上させることができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。本実施の形態１で説明する内燃機関１０は複数の気筒を有しているが、図１にはそのうちの一気筒のみを示している。

内燃機関１０は、燃焼室１１内に非水素燃料であるガソリンを噴射する燃料噴射弁３６と、燃焼室１１内に水素を噴射する水素噴射弁４４とを備えている。燃料噴射弁３６は、燃料通路３２を介して燃料タンク３０に連通している。燃料通路３２の途中には、ポンプ３４が設けられている。水素噴射弁４４は、水素通路４２を介して水素タンク４０に連通している。水素タンク４０には、圧縮水素が蓄えられている。水素タンク４０と水素通路４２の接続部近傍には、水素タンク４０内の水素の圧力を検出するための圧力センサ４１が設けられている。

内燃機関１０は、燃焼室１１内の混合気に点火するための点火プラグ１８を備えている。また、本実施の形態１のシステムは、内燃機関１０の冷却水の温度に応じて電気信号を出力する冷却水温センサ１９を備えている。

燃焼室１１には、吸気弁１６を介して吸気通路１２が連通している。吸気通路１２の途中には、スロットルバルブ１３が設けられている。スロットルバルブ１３の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットル開度センサ１４が設けられている。吸気通路１２におけるスロットルバルブ１３の上流には、エアフロメータ１５が設けられている。エアフロメータ１５は、内燃機関１０に流入する吸入空気量Gaを検知するように構成されている。

また、燃焼室１１には、排気弁２０を介して排気通路２４が連通している。排気通路２４には浄化触媒であるＮＯｘ触媒（以下単に「触媒」という。）２６が設けられている。触媒２６には、該触媒２６の温度を検出する触媒温度センサ２７が設けられている。触媒２６の上流には、排気空燃比を検出する空燃比センサ２５が設けられている。触媒２６の下流には、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２８が設けられている。

吸気弁１６及び排気弁２０は、それぞれ可変バルブタイミング機構２１，２２により駆動されるものである。可変バルブタイミング機構２１，２２は、吸気弁１６及び排気弁２０のバルブタイミングを変更可能に構成されている。

図１に示すシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。上述したスロットルバルブ１３、スロットル開度センサ１４、エアフロメータ１５、点火プラグ１８、冷却水温センサ１９、可変バルブタイミング機構２１，２２、空燃比センサ２５、ＮＯｘ触媒温度センサ２７、ＮＯｘセンサ２８、ポンプ３４、燃料噴射弁３６及び水素噴射弁４４等はＥＣＵ５０に接続されており、ＥＣＵ５０によりそれぞれ制御されている。ＥＣＵ５０は、燃料噴射制御や点火時期制御のような内燃機関１０の全体の制御を実行する。
また、ＥＣＵ５０は、冷却水温センサ１９により検出された冷却水温に基づいて機関温度を推定することができる。
また、ＥＣＵ５０は、圧力センサ４１により検出された水素の圧力に基づいて、水素タンク４０内の水素貯蔵量を算出することができる。

［実施の形態１の特徴］
次に、本実施の形態１における上記システムの動作について説明する。
上記システムにおいて、水素噴射弁４４から燃焼室１１内に水素を噴射することができ、燃焼噴射弁３６から燃焼室１１内にガソリンを噴射することができる。よって、上記システムによれば、ガソリンによるストイキ運転のほか、水素添加リーンバーン運転を実行することができる。
内燃機関１０の始動後は、内燃機関１０の温度（以下「機関温度」という。）が低い。
低い機関温度で水素添加リーンバーン運転を行う場合でも、非水素燃料に対する水素の添加割合を高くすることにより、十分な燃焼安定性を得ることができる。従って、水素タンク４０内の水素貯蔵量が多い場合には、非水素燃料に対する水素の添加割合を高くすることができるため、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを早期に行うことができる。
しかし、水素タンク４０内の水素貯蔵量が少ない場合には、車輌の走行距離を可能な限り伸ばすことを目的として、水素の添加割合が低く制限されてしまう。この場合、上述したように、水素添加リーンバーン運転への切り替えを早期に行うと、十分な燃焼安定性が得られないため、十分な燃費向上効果が得られない。そこで、機関温度が上昇するまではガソリンのストイキ燃焼による機関暖機運転を実行し、その後水素添加リーンバーン運転に切り替えることにより、十分な燃費向上効果を得ることができる。

そこで、本実施の形態１では、水素タンク４０内の水素貯蔵量が多い場合（すなわち、水素供給能力が高い場合）には、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転に早期に移行する。この場合、水素添加割合を高くすることにより、十分な燃焼安定性を確保することができる。
一方、水素タンク４０内の水素貯蔵量が少ない場合（すなわち、水素供給能力が低い場合）には、機関温度が十分上昇した後、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを行う。この場合、水素添加割合が低くても、機関温度が高いため十分な燃焼安定性が得られる。

［実施の形態１における具体的処理］
図２は、本実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図２に示すルーチンによれば、内燃機関１０の始動後、ＥＣＵ５０は、先ず、水素タンク４０内の水素貯蔵量を算出する（ステップ１００）。

次に、算出された水素吸蔵量が所定値よりも大きいか否かが判別される（ステップ１０２）。このステップ１０２で水素吸蔵量が所定値よりも大きいと判別された場合には、水素供給能力が高いと判断される。一方、水素貯蔵量が所定値以下であると判別された場合には、水素供給能力が低いと判断される。以下に説明するように、本ルーチンでは、この水素供給能力に応じて、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替え条件が制御される。

（水素供給能力が高い場合）
上記ステップ１０２で水素吸蔵量が所定値よりも大きいと判別された場合、冷却水温が３０℃以上であるか否かが判別される（ステップ１０４）。このステップ１０４で冷却水温が３０℃以上であると判別された場合には、水素添加リーンバーン運転に移行しても、水素添加割合を高くすることにより十分な燃焼安定性が得られると判断される。この場合、ＥＣＵ５０は、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを許可する（ステップ１０６）。
一方、ステップ１０４で冷却水温が３０℃未満であると判別された場合には、水素添加割合を高くしても十分な燃焼安定性が得られないと判別される。この場合、ＥＣＵ５０は、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを禁止し（ステップ１１０）、ガソリンのストイキ燃焼による機関暖機運転を継続して実行する（ステップ１１２）。

（水素供給能力が低い場合）
上記ステップ１０２で水素貯蔵量が所定値以下であると判別された場合、冷却水温が６０℃以上であるか否かが判別される（ステップ１０８）。このステップ１０８で冷却水温が６０℃以上であると判別された場合には、水素添加リーンバーン運転に移行しても、低い水素添加割合で十分な燃焼安定性が得られると判断される。この場合、ＥＣＵ５０は、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを許可する（ステップ１０６）。
一方、ステップ１０８で冷却水温が６０℃未満であると判別された場合、ＥＣＵ５０は、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを禁止し（ステップ１１０）、ガソリンのストイキ燃焼による機関暖機運転を継続して実行する（ステップ１１２）。

以上説明したように、図２に示すルーチンによれば、水素貯蔵量に代表される水素供給能力に応じて、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替え条件を制御するようにした。具体的には、水素添加リーンバーン運転への切り替えを許可する冷却水温を、水素供給能力が高い場合には３０℃以上とし、水素供給能力が低い場合には６０℃とした。よって、水素供給能力が高い場合には、水素添加リーンバーン運転への切り替えを早期に実行することができるため、燃費を向上させることができる。水素添加リーンバーン運転への切替を早期に実行した場合でも、水素の添加割合を高くすることにより、十分な燃焼安定性が得られる。
また、水素供給能力が低い場合には、水素添加リーンバーン運転への切り替えを遅くすることにより、機関温度をより上昇させるため、水素の添加割合が低くても十分な燃焼安定性が得られる。

ところで、本実施の形態１ではガソリン及び水素を燃焼室１１内に直接噴射するシステムについて説明したが、ガソリン及び水素を吸気通路１２の吸気ポートに噴射するシステムを用いてもよい。さらに、ガソリンをポート噴射及び筒内噴射可能なシステムを用いてもよい。この場合も、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

また、本実施の形態１では、水素タンク４０から水素を供給するシステムについて説明したが、車上で燃料を改質反応もしくは脱水素反応させることにより水素を生成するシステムを用いてもよい。この場合、ＥＣＵ５０は、水素生成量に基づき水素供給能力を算出することができる。

また、本実施の形態１では、冷却水温に基づいて水素添加リーンバーン運転への切り替えを行うシステムについて説明したが、エンジンオイルや変速機オイルの温度に基づいて切り替えを行うシステムを用いてもよい。
また、本実施の形態１で説明した冷却水温の閾値（３０℃，６０℃）は一例であり、この温度に限定されるものではない。

なお、本実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、ステップ１００の処理を実行することにより第１の発明における「水素供給能力算出手段」が、ステップ１０２，１０４及び１０８の処理を実行することにより第１及び第２の発明における「切替条件制御手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
本実施の形態２のシステムは、図１に示すシステムを用いて、ＥＣＵ５０に、後述する図３に示す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。

［実施の形態２の特徴］
上記実施の形態１では、水素供給能力に基づく機関暖機制御について説明した。本実施の形態２では、水素供給能力に基づく触媒暖機制御について説明する。
内燃機関１０の始動時や、車輌運転中に触媒２６の温度が低下した場合には、触媒２６を活性化するため、触媒２６を暖機する必要がある。内燃機関１０から排出される排気ガスの温度を上昇させることにより、触媒２６の暖機を行うことができる。
排気ガスの温度を上昇させる制御の一例としては、点火プラグ１８の点火時期を遅らせる制御が考えられる。この制御によれば、燃焼により得られた熱エネルギーのうちピストン運動に使われるエネルギーを減少させることができるため、排気ガスの温度を上昇させることができる。しかし、点火時期の遅角量を大きくするほど、排気ガスの温度をより上昇させることができるものの、燃焼安定性が低くなってしまう。

ところで、非水素燃料であるガソリンに対する水素の添加割合を高くすることにより、燃焼安定性を向上させることができる。従って、水素タンク４０内の水素貯蔵量が多い場合には、非水素燃料に対する水素の添加割合を高くすることができるため、点火時期を大幅に遅角することができる。これにより、排気ガスの温度をより上昇させることができるため、触媒暖機を早期に終了させることができるため、燃費を向上させることができる。
一方、水素タンク４０内の水素貯蔵量が少ない場合には、車輌の走行距離を可能な限り伸ばすことを目的として、水素の添加割合が低く制限されてしまう。この場合、上述したように、点火時期を大幅に遅角すると、十分な燃焼安定性が得られない。

そこで、本実施の形態２では、水素タンク４０内の水素貯蔵量が多い場合には、点火時期を大幅に遅角することにより、排気ガスの温度をより上昇させる。この場合、水素添加割合を高くすることにより、十分な燃焼安定性を確保することができる。これにより、早期に触媒暖機を終了させて、通常の水素添加リーンバーン運転に切り替えることができるため、燃費を向上させることができる。
一方、水素タンク４０内の水素貯蔵量が少ない場合には、点火時期の遅角量を少なくすることができる。この場合、水素添加割合が低くても十分な燃焼安定性が得られる。

［実施の形態２における具体的処理］
図３は、本実施の形態２においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンによれば、ＥＣＵ５０は、先ず、触媒２６の温度（以下「触媒床温」という。）が所定値よりも小さいか否かを判別する（ステップ１２０）。このステップ１２０で触媒床温が所定値以上であると判別された場合には、触媒暖機は不要であるため、処理を終了する。一方、触媒床温が所定値より小さいと判別された場合には、水素タンク４０内の水素貯蔵量が所定値よりも大きいか否かが判別される（ステップ１２２）。
ステップ１２２で水素貯蔵量が所定値よりも大きいと判別された場合には、水素供給能力が高いと判断される。一方、水素貯蔵量が所定値以下であると判別された場合には、水素供給能力が低いと判断される。以下に説明するように、本ルーチンでは、この水素供給能力に応じて、触媒暖機運転の条件、具体的には、水素添加割合、点火時期遅角量及び暖機時間が制御される。

水素供給能力が高い場合には、高い水素添加割合が算出され（ステップ１２４）、大きい点火時期遅角量が算出され（ステップ１２６）、短い暖機制御時間が算出される（ステップ１２８）。
一方、水素供給能力が高い場合には、低い水素添加割合が算出され（ステップ１３４）、小さい点火時期遅角量が算出され（ステップ１３６）、長い暖機制御時間が算出される（ステップ１３８）。

その後、算出された水素添加割合、点火時期遅角量及び暖機制御時間で触媒暖機運転が実行される（ステップ１３０）。その後、ステップ１３２で暖機制御時間が経過したと判別されるまで、触媒暖機運転が実行される。

次回以降、本ルーチンが起動されると、触媒床温が所定値以上になるまで、触媒暖機運転が実行される。

以上説明したように、図３に示すルーチンによれば、水素供給能力に応じて、触媒暖機運転の条件を制御するようにした。具体的には、水素供給能力が高い場合には水素供給能力が低い場合に比べて、水素添加割合を高くし、点火時期を大幅に遅角するようにした。これにより、水素供給能力が高い場合には、排気ガスの温度をより上昇させることができる。すなわち、より多くの熱エネルギーを触媒暖機に寄与させることができるため、早期に触媒暖機を終了させることができる。よって、水素添加リーンバーン運転のような高燃費運転に早期に切り替えることができるため、燃費を向上させることができる。
また、水素供給能力が低い場合には、点火時期の遅角量を小さくすることにより、十分な燃焼安定性を確保することができる。

なお、本実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、ステップ１２２，１２４，１２６，１２８又はステップ１２２，１３４，１３６，１３８の処理を実行することにより第３の発明における「触媒暖機制御」が、ステップ１２４，１２６の処理を実行することにより第４の発明における「触媒暖機制御手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態３．
本実施の形態３のシステムは、図１に示すシステムを用いて、ＥＣＵ５０に、後述する図４に示す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。

［実施の形態３の特徴］
上記実施の形態２では、水素タンク４０内の水素貯蔵量が所定値より大きいか否かにより、２つの場合に分け、この２つの場合それぞれに水素添加量、点火時期遅角量及び暖機制御時間を設定するようにした。
本実施の形態３では、マップを参照して、水素貯蔵量に応じた水素添加量を算出し、さらにその算出した水素添加量に応じた点火時期遅角量及び実行時間を算出する。これにより、触媒暖機制御を精度良く行うことができるため、実施の形態２よりも更に燃費を向上させることができる。

［実施の形態３における具体的処理］
図４は、本実施の形態３においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンによれば、ＥＣＵ５０は、実施の形態２と同様に、先ず、触媒床温が所定値よりも小さいか否かを判別する（ステップ１２０）。このステップ１２０で触媒床温が所定値より小さいと判別された場合には、水素タンク４０内の水素貯蔵量を算出する（ステップ１４０）。

次に、図５に示すマップを参照して、触媒暖機時の水素添加割合が算出される（ステップ１４２）。図５は、水素添加割合を算出するためにＥＣＵ５０が記憶しているマップの一例を示す図である。該マップにおいて、水素添加割合は、水素貯蔵量に対応して定められ、さらに触媒床温との関係で定められている。より具体的には、図５に示すマップでは、水素貯蔵量が多いほど、水素添加割合が高くなるように設定されている。

続いて、図６に示すマップを参照して、触媒暖機時の点火時期遅角量が算出される（ステップ１４４）。図６は、点火時期遅角量を算出するためにＥＣＵ５０が記憶しているマップの一例を示す図である。該マップにおいて、点火時期遅角量は、水素添加割合との関係で定められている。より具体的には、図６に示すマップでは、水素添加割合が高いほど、点火時期遅角量が大きくなるように設定されている。

その後、図７に示すマップを参照して、触媒暖機制御の実行時間が算出される（ステップ１４６）。図７は、触媒暖機制御の実行時間を算出するためにＥＣＵ５０が記憶しているマップの一例を示す図である。該マップにおいて、触媒暖機制御の実行時間は、水素添加割合との関係で定められている。より具体的には、図７に示すマップでは、水素添加割合が高いほど、実行時間が短くなるように設定されている。

その後、算出された水素添加割合、点火時期遅角量及び暖機制御時間で触媒暖機運転が実行される（ステップ１３０）。その後、ステップ１３２で暖機制御時間が経過したと判別されるまで、触媒暖機運転が実行される。

次回以降、本ルーチンが起動されると、触媒床温が所定値以上になるまで、触媒暖機運転が実行される。

以上説明したように、図４に示すルーチンによれば、マップを参照して、水素貯蔵量に対応した水素添加割合を算出し、その算出した水素添加割合に対応した点火時期遅角量及び制御実行時間を算出するようにした。よって、上記実施の形態２と比べて、触媒暖機制御をより精度良く実行することができるため、燃費を更に向上させることができる。

なお、本実施の形態３においては、ＥＣＵ５０が、ステップ１４０，１４２，１４４，１４６の処理を実行することにより第３の発明における「触媒暖機制御」が、ステップ１４２，１４４の処理を実行することにより第４の発明における「触媒暖機制御手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態４．
本実施の形態４のシステムは、図１に示すシステムを用いて、ＥＣＵ５０に、後述する図８に示す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。

［実施の形態４の特徴］
上記実施の形態２及び３では、点火時期を遅角することにより排気ガスの温度を上昇させ、その結果として触媒床温を上昇させる制御について説明した。
触媒床温を上昇させる他の制御として、触媒２６において酸素と水素を発熱反応させる制御が考えられる。但し、この制御は、水素の消費量が多いため、水素供給能力が高い場合に行うことが望ましい。この制御を具体的に説明すると、先ず、スロットル開度TA及び燃料噴射量を制御してリーン燃焼を行う。これにより、排気行程時に、燃焼室１１で燃焼しなかった酸素（以下「未燃酸素」という。）が排気通路２４を介して触媒２６に供給される。さらに、この排気行程時に、未燃酸素と反応する量の水素を水素噴射弁４４から燃焼室１１内に直接噴射する。筒内噴射された水素は、燃焼室１１内で燃焼せず触媒２６に供給される。これらの未燃酸素と水素が触媒２６において反応することにより、触媒床温が上昇する。

［実施の形態４における具体的処理］
図８は、本実施の形態４においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンによれば、ＥＣＵ５０は、先ず、触媒床温がｔ１よりも大きくｔ２よりも小さいか否かが判別される（ステップ１５０）。ｔ１は、水素と酸素が反応可能な最低の触媒床温であり、ｔ２は、触媒２６の浄化能力が許容範囲に入る最低の触媒床温である。この温度範囲であれば、未燃酸素と水素の反応による触媒床温昇温制御を実行すべきであると判断される。
ステップ１５０で触媒床温がｔ１よりも大きくｔ２よりも小さいと判断された場合、水素貯蔵量が所定値よりも大きいか否かが判別される（ステップ１５２）。水素貯蔵量が所定値以下であると判別された場合、すなわち、水素供給能力が低いと判断された場合には、これ以上の水素の消費を抑制すべく、本制御を中止する。

水素貯蔵量が所定値よりも大きいと判別された場合、すなわち、水素供給能力が高いと判断された場合には、リーン燃焼となるようにスロットル開度TAと燃料量が算出される（ステップ１５４）。具体的には、アクセル開度と機関回転数とから要求負荷及び目標空燃比が決まり、この要求負荷と目標空燃比から吸入空気量及び燃料量が決まり、この吸入空気量からスロットル開度が決まる。なお、燃料は、ガソリンと水素のどちらでもよい。また、ＥＣＵは、図示しないアクセル開度センサの検出信号に基づきアクセル開度を検出することができ、図示しないクランク角センサの検出信号に基づき機関回転数を算出することができる。
その後、一気筒あたりの排出未燃酸素量が算出され（ステップ１５６）、算出された未燃酸素量と反応させるために供給する水素の量が算出される（ステップ１５８）。さらに、算出された水素供給量に対応する水素噴射弁４４の開弁時間が算出される（ステップ１６０）。

そして、リーン燃焼後の排気行程時に、算出された開弁時間だけ水素噴射弁４４を開弁制御することにより、水素を燃焼室１１内に直接噴射する（ステップ１６２）。
次回以降、本ルーチンが起動されると、触媒床温がｔ２以上になるまで、未燃酸素と水素の反応による触媒床温の昇温制御が実行される。

以上説明したように、図８に示すルーチンによれば、水素供給能力が高い場合には、未燃酸素と水素を触媒２６に供給して、それらを触媒２６上で発熱反応させることにより、触媒床温を昇温させるようにした。上記実施の形態２，３で説明した排気ガスの温度を昇温させる制御よりも短時間で触媒床温を昇温させることができる。よって、早期に触媒暖機を終了させることができ、水素添加リーンバーン運転のような高燃費運転に早期に切り替えることができるため、燃費を向上させることができる。

なお、内燃機関１０の複数の気筒のうち、一部の気筒においてガソリン又は水素によるリーン燃焼を行うことにより未燃酸素を触媒２６に供給するようにし、他の気筒において水素によるリッチ燃焼を行うことにより未燃水素を触媒２６に供給するようにしてもよい。この場合も、酸素と水素を触媒２６上で反応させることができるため、上記実施の形態４と同様の効果が得られる。
また、１つの気筒において、ガソリン又は水素によるリーン燃焼を行うことにより未燃酸素を触媒２６に供給する第１サイクルと、水素によるリッチ燃焼を行うことにより未燃水素を触媒２６に供給する第２サイクルとを混在（１乃至数サイクル毎に切り替え）させてもよい。この場合も、酸素と水素を触媒２６上で反応させることができるため、上記実施の形態４と同様の効果が得られる。

実施の形態５．
本実施の形態５では、図１に示すシステムにおいて、燃焼室１１内に水素を直接噴射する水素噴射弁４４に代えて、吸気通路１２の吸気ポートに水素を噴射する水素ポート噴射弁を設けたシステムを用いる（図示せず）。このシステムを用いて、ＥＣＵ５０に、後述する図９に示すルーチンを実行させることにより、本実施の形態５のシステムを実現することができる。
本実施の形態５においても、上記実施の形態４と同様に、水素供給能力が高い場合に、未燃酸素と水素を触媒２６において発熱反応させることにより、触媒床温を上昇させる制御を実行する。
なお、本実施の形態５の制御は、吸気通路１２の負圧と排気通路２４の圧力とが共に小さいエンジン始動直後に行うことを前提とする。この場合、バルブオーバーラップ期間に吸気通路１２から排気通路２４へガスが流れ得る。

［実施の形態５における具体的処理］
図９は、本実施の形態５においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図９に示すルーチンによれば、ステップ１５８の水素供給量の算出までは、上記実施の形態４と同様の制御を行う。

その後、算出された水素供給量に対応する水素ポート噴射弁の開弁時間が算出される（ステップ１６４）。
次に、可変動弁機構２１，２２によるバルブ開閉タイミングを変更することにより、吸気弁１６と排気弁２０が共に開弁している時間（バルブオーバーラップ期間）を拡大する（ステップ１６６）。

そして、リーン燃焼後のバルブオーバーラップ期間中又はその直前に、算出された開弁時間だけ水素ポート噴射弁を開弁制御することにより、水素を吸気ポートに噴射する。吸気ポートに噴射された水素は、燃焼室１１で燃焼することなく、排気通路２４を介して触媒２６に供給される。触媒２６において、水素と未燃酸素とが発熱反応することにより、触媒床温が昇温する。
次回以降、本ルーチンが起動されると、触媒床温がｔ２以上になるまで、未燃酸素と水素の反応による触媒床温の昇温制御が実行される。

以上説明したように、図９に示すルーチンによれば、上記実施の形態４と同様に、水素供給能力が高い場合には、未燃酸素と水素を触媒２６に供給し、それらを触媒２６上で発熱反応させることにより、触媒床温を昇温させるようにした。よって、上記実施の形態４と同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。 水素添加割合を算出するためにＥＣＵ５０が記憶しているマップの一例を示す図である。 図６は、点火時期遅角量を算出するためにＥＣＵ５０が記憶しているマップの一例を示す図である。 触媒暖機制御の実行時間を算出するためにＥＣＵ５０が記憶しているマップの一例を示す図である。 本発明の実施の形態４においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態５においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１１ 燃焼室
１２ 吸気通路
１３ スロットルバルブ
１４ スロットル開度センサ
１６ 吸気弁
１８ 点火プラグ
１９ 冷却水温センサ
２０ 排気弁
２１，２２ 可変動弁機構
２４ 排気通路
２６ ＮＯｘ触媒
２７ 触媒温度センサ
３０ 燃料タンク
３６ 燃焼噴射弁
４０ 水素タンク
４１ 圧力センサ
４４ 水素噴射弁
５０ ＥＣＵ

Claims (6)

1. 非水素燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関に非水素燃料を供給する非水素燃料供給手段と、
   前記内燃機関に水素を供給する水素供給手段と、
   前記水素供給手段の水素供給能力を算出する水素供給能力算出手段と、
   検出された水素供給能力に基づいて、非水素燃料の燃焼による内燃機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替え条件を制御する切替条件制御手段とを備え、
   前記切替条件制御手段は、水素供給能力が低い場合に比べて水素供給能力が高い場合に、切り替え条件である機関温度の閾値を低く設定するものであることを特徴とする水素利用内燃機関の制御装置。
2. 非水素燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関に非水素燃料を供給する非水素燃料供給手段と、
   前記内燃機関に水素を供給する水素供給手段と、
   前記内燃機関から排出された排気ガスを浄化する浄化触媒と、
   前記水素供給手段の水素供給能力を算出する水素供給能力算出手段と、
   前記水素供給能力に基づいて、前記浄化触媒の暖機運転の条件を制御する触媒暖機運転制御手段とを備え、
   前記触媒暖機運転制御手段は、水素供給能力が低い場合に比べて水素供給能力が高い場合に、水素の添加割合を高くすると共に点火時期の遅角量を大きくするものであることを特徴とする水素利用内燃機関の制御装置。
3. 請求項２に記載の水素利用内燃機関の制御装置において、
   前記触媒暖機運転制御手段は、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも小さくなるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料或いは前記水素供給手段により水素を供給させると共に、燃焼室で非水素燃料を燃焼させた後の膨張行程又は排気行程において、前記水素供給手段により該燃焼室内に水素を直接供給させるものであることを特徴とする水素利用内燃機関の制御装置。
4. 請求項２に記載の水素利用内燃機関の制御装置において、
   前記触媒暖機運転制御手段は、吸気弁と排気弁が共に開弁時あるいはその直前に、前記水素供給手段により吸気通路に水素を供給させるものであることを特徴とする水素利用内燃機関の制御装置。
5. 請求項２に記載の水素利用内燃機関の制御装置において、
   前記触媒暖機運転制御手段は、複数の気筒のうちの一の気筒では、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも小さくなるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料或いは前記水素供給手段により水素を供給させると共に、他の気筒では、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも大きくなるように、前記水素供給手段により水素を供給させるものであることを特徴とする水素利用内燃機関の制御装置。
6. 請求項２に記載の水素利用内燃機関の制御装置において、
   前記触媒暖機運転制御手段は、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも小さくなるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料或いは前記水素供給手段により水素を供給させる第１サイクルと、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも大きくなるように、前記水素供給手段により水素を供給させる第２サイクルを一の気筒で混在させるものであることを特徴とする水素利用内燃機関の制御装置。

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