JP2006299989A - 水素エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮漏れに起因する早期着火を防止する。
【解決手段】水素を燃料とするエンジン１を始動するために作動されるスタータモータ４７の消費電流を検出することにより圧縮圧力が検出されて，検出された圧縮圧力が工場出荷時における初期時の圧縮圧力よりも低下しているときに，ガスシール８，９が摩耗して圧縮漏れが生じていると判断される。圧縮漏れが生じているときは，例えば空燃比のリーン化，点火時期の遅角，ＥＧＲ量の増大等の早期着火抑制の制御が実行される。早期着火抑制の制御は高負荷時のみに行ってもよく，圧縮漏れの度合いに応じて早期着火抑制の制御の度合いを変更することもできる。
【選択図】 図１０

Description

本発明は気筒内に供給された水素燃料を点火プラグにより着火させるようにした水素エンジンの制御装置に関するものである。

水素エンジンでは，気筒内に供給された水素燃料を点火プラグにより着火させるようになっており，特許文献１に示すように，水素燃料を気筒内に直接噴射することも一般に行われている。
特開平７−１９７８２２号公報

ところで，水素燃料は着火性が極めて良好であり，このため，所望の点火時期前に着火されてしまう早期着火の現象が，ガソリンを燃料とするエンジンに比して生じ易いものとなる。とりわけ，エンジンの経年変化によってガスシールが摩耗して圧縮漏れが生じると，高温，高圧の既燃ガスの影響を受けて，早期着火が生じやすいものとなる。すなわち，ロータリピストンエンジンにあっては，アペックスシール等の摩耗によって，圧縮行程にある所定の作動室に対して，爆発行程あるいは排気行程にある隣の作動室から高温，高圧の既燃ガスが漏れ出て，上記所定の作動室内に供給されている水素燃料が早期着火されてしまう可能性が高くなる。また，往復動型エンジンにあっては，ピストンリングのうちガスリングが経年変化によって摩耗すると，排気行程において既燃ガスを十分に排気することが不可能となって，気筒内に排気しきれなかった高温の既燃ガスが多量に残留することとなり，この残留既燃ガスによって，気筒内に供給される水素燃料が早期着火されてしまう可能性が高くなる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、早期着火を未然に防止できるようにした水素エンジンの制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
気筒内に供給された水素燃料を点火プラグにより着火させるようにした水素エンジンの制御装置において，
エンジンの圧縮漏れを検出する漏れ検出手段と，
前記漏れ検出手段により圧縮漏れが検出されたとき，気筒内での水素燃料の着火性に関連するパラメータを補正して，圧縮漏れに起因する早期着火を抑制する早期着火抑制手段と，
を備えているようにしてある。上記解決手法によれば，圧縮漏れが検出されたときは，水素燃料の着火性に関連するパラメータを早期着火を抑制する方向に補正するので，早期着火を未然に防止することができる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち，
前記早期着火抑制手段は，エンジンの高負荷時のみ作動される，ようにすることができる（請求項２対応）。この場合，特に早期着火を生じ易い高負荷時のみ早期着火の抑制の制御を行うことにより，高負荷時での早期着火を未然に防止しつつ，低負荷時では早期着火を抑制する補正を行わないことにより，低負荷時でのエンジンの良好な運転性確保等の上で好ましいものとなる。

前記早期着火抑制手段は，圧縮漏れの度合いが大きいときは圧縮漏れの度合いが小さいときに比して前記パラメータの補正量を大きくする，ようにすることができる（請求項３対応）。この場合，圧縮漏れの度合いに応じた適切な補正量として，早期着火を未然に防止しつつ，早期着火抑制の補正を過大に行わないようにして，エンジンの良好な運転性を確保する等の上でも好ましいものとなる。

前記圧縮漏れ検出手段は，エンジンクランキング時のスタータモータの消費電流に基づいて圧縮漏れを検出する，ようにすることができる（請求項４対応）。この場合，エンジンに付設されているスタータモータの消費電流をみることにより，圧縮漏れが生じているか否かは勿論のこと圧縮漏れの度合いをも，簡単かつ精度よく検出することができる。

前記圧縮漏れ検出手段は，エンジンクランキング時の気筒内圧力に基づいて圧縮漏れを検出する，ようにすることができる（請求項５対応）。この場合，圧縮漏れに直接関連した気筒内圧力によって，圧縮漏れが生じているか否かは勿論のこと圧縮漏れの度合いをも，極めて精度よく検出することができる。

前記早期着火抑制手段は，空燃比のリーン化，点火時期の遅角およびＥＧＲ量増大のうち少なくとも１つを行うことにより早期着火を抑制する，ようにすることができる（請求項６対応）。この場合，早期着火抑制を，特別な装置や特別な制御手法を別途用いることなく，空燃比のリーン化補正，点火時期の遅角補正，ＥＧＲ量の増大補正というエンジン制御において一般的に行われている補正を有効に利用して簡単に行うことができる。

エンジンがロータリピストンエンジンとされている，ようにすることができる（請求項７対応）。この場合，水素エンジンとして大いに期待されているロータリピストンエンジンにおいて，早期着火を未然に防止して，水素エンジンを広く普及させる上で好ましいものとなる。

本発明によれば，早期着火を未然に防止することができる。

図１は，ハイブリッド車の駆動系統を示すもので，１はエンジン（エンジン本体）であり，このエンジン１は，実施形態では，後述するように水素燃料とガソリンとを選択的に使用するバンケル式のロータリピストンエンジンとされている。エンジン１の出力（発生トルク）は，トルクコンバータ３１，クラッチ３２，変速機構３３を経て出力ギア３４に伝達され，この出力ギア３４から，中間ギア３５，３６，デファレンシャルギア３７を経て駆動輪としての左右の前輪３８に伝達される。上記変速機構３３は，多段変速歯車機構あるいは無段変速機構によって構成される。

車両の駆動源として，エンジン１の他に走行用モータ４１が設けられ，この走行用モータ４１の出力は，ギア４２，中間ギア４３を介して，前記出力ギア３４に伝達される。この走行用モータ４１は，バッテリ４４から，インバータ４５を経て駆動電力が供給される。また，走行用モータ４１は，車両の制動時に回生制動を行って発電するようになっており，走行用モータ４１での発電電力は，インバータ４５を介してバッテリ４４に充電される。

エンジン１（の出力軸）が，ベルト４６を介してスタータモータ４７と連結されている。スタータモータ４７は，バッテリ４４からインバータ４５を介して駆動電力が供給されて，停止状態にあるエンジン１を駆動する（クランキング）と共に，エンジン１の始動後は発電機として機能されて，このスタータモータ４７での発電電力がインバータ４５を介してバッテリ４４に充電される。

上述のようなエンジン１と走行用モータ４１とを有するハイブリッド車にあっては，あらかじめ設定された運転領域に応じて，例えばエンジン１のみの駆動，走行用モータ４１のみの駆動，エンジン１と走行用モータ４１との両方による駆動態様が適宜選択的に使い分けられる。

次に，図２を参照しつつ，エンジン１について説明する。ロータリピストン式とされたエンジン１は，ロータハウジングＨ１とサイドハウジングＨ２とを組み合わせせることによりその外殻が構成されて，その内部にロータＲが収納されている。ロータＲの周囲には，３つの作動室Ｅ１〜Ｅ３が画成されている。各作動室Ｅ１〜Ｅ３は，偏心軸ＣのまわりにおけるロータＲの回転により拡大，収縮を繰り返して，吸気行程，圧縮行程，膨張行程，排気行程からなる一連の行程が完了される。各作動室Ｅ１〜Ｅ３は，ロータＲの頂部に設けたアペックスシール８やロータＲの側壁に設けたサイドシール９によって気密に画成され，このシール８，９が経年変化によって摩耗することにより，作動室Ｅ１〜Ｅ３間に漏れが生じることなる。

図１中，Ｉ１〜Ｉ３は燃料噴射弁であり，燃料噴射弁Ｉ１は，気筒内（図２では作動室Ｅ１）に直接燃料を噴射するようにロータハウジングＨ１に装備されている。また，第２燃料噴射弁Ｉ２は，吸気ポート２ａに連なる吸気通路２に設けられ，第３燃料噴射弁Ｉ３は，第２燃料噴射弁Ｉ２の上流側において吸気通路２に設けられている。第１燃料噴射弁Ｉ１と第３燃料噴射弁Ｉ３とは，それぞれ水素（気体水素）を噴射するものであり，第２燃料噴射弁Ｉ２はガソリンを噴射するものとなっている。なお，図１中，３は排気ポート３ａに連なる排気通路であり，７は点火プラグである。

水素燃料を用いるかガソリンを用いるかは，例えば運転者のマニュアル操作によって選択的に切換えられるが，水素を燃料としてエンジン１を運転する場合における２つの燃料噴射弁Ｉ１とＩ３との燃料噴射態様は，例えば図３に示すように設定される。すなわち，低回転域（例えば８００〜２５００ｒｐｍ）では，直噴式の燃料噴射弁Ｉ１からのみの水素燃料噴射とされ，その噴射タイミングは，吸気ポート２ａが閉じられた後の圧縮行程中とされる。中回転域（例えば２５００〜５０００ｒｐｍ）では，直噴式の燃料噴射弁Ｉ１からのみの水素燃料噴射とされ，その噴射タイミングは，吸気行程の早い時期とされる。さらに，高回転域（例えば５０００〜７０００ｒｐｍ程度）では，直噴式の燃料噴射弁Ｉ１からの水素燃料噴射と，第３燃料噴射弁Ｉ３からの水素燃料噴射（予混合噴射）とが行われる。この場合，第１燃料噴射弁Ｉ１からは，全噴射燃料量の２０％程度の燃料量が圧縮行程の早い時期に噴射され，第３燃料噴射弁Ｉ３からは，全噴射燃料量の８０％程度の燃料量が吸気行程の早い時期に噴射される。

図４は，各燃料噴射弁Ｉ１〜Ｉ３に対する燃料供給系統例を示す。この図４において，１０は水素燃料を貯溜した燃料タンクであり，例えば数百気圧という高圧の水素燃料が貯溜されている。この燃料タンク１０から伸びる水素燃料用の燃料系路１１が，途中で２本に分岐されて，一方の分岐系路１１ａが第１燃料噴射弁Ｉ１に接続され，他方の分岐系路１１ｂが第３燃料噴射弁Ｉ３に接続されている。分岐系路１１ａ，１１ｂには，電磁式の遮断弁１５あるいは１６が接続されている。第１燃料噴射弁からのみ燃料噴射を行うタイミングでは遮断弁１６が閉じられ，第３燃料噴射弁Ｉ３からのみ燃料噴射を行うタイミングでは遮断弁１５が閉じられる。燃料系路１１には，燃圧を調整する（燃料タンク１０内の圧力よりも小さい圧力に低下させる）燃圧レギュレータ１２が接続されている。

図４において，２０はガソリンを貯溜した燃料タンクである。この燃料タンク２０から伸びるガソリン用の燃料系路２１が，第２燃料噴射弁Ｉ２に接続されている。燃料系路２１には，燃料タンク２０側から順次，燃料ポンプ２２，燃圧レギュレータ２３が接続されている。第２燃料噴射弁Ｉ２に対しては，燃圧レギュレータ１２で燃圧調整された後の比較的低い圧力のガソリンが供給される。

図５は，圧縮漏れに起因する早期着火を防止するための制御系統例を示すもので，Ｕはマイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御ユニット）である。このコントローラＵには，各種センサＳ１〜Ｓ４からの信号が入力される。Ｓ１は，マニュアル操作されて，スタータモータ４７をエンジン１の始動のために駆動させる指令（マニュアル指令）を行うスタータスイッチである。Ｓ２は，インバータ４５内に組み込まれた電流センサであり，圧縮漏れ検出のためにスタータモータ４７の消費電流（駆動電流）を検出する。Ｓ３は，エンジン回転数を検出する回転数センサである。Ｓ４は，エンジン負荷を検出するものであり，例えば吸気通路に設けた吸気量を検出するエアフローセンサやアクセル開度センサとされる。

コントローラＵによる制御の概略について，図６〜図９を参照しつつ説明する。まず，図６の（ｂ）は，エンジン１の始動のためにスタータモータ４７を駆動したときのエンジン回転数の変化の様子を示すものであり，α時点が，エンジン回転数がアイドル回転数（例えば７００ｒｐｍ）付近でかつアイドル回転数よりも若干小さい所定回転数（例えば５００ｒｐｍ）となった時点を示し，この所定回転数となる前まではエンジン１を着火させる制御が行われず，所定回転数となった時点以降において，エンジン１の着火が開始される（燃料噴射の実行および点火実行）。このように，かなり高い回転数になるまで着火が行われないようにして，走行中でのエンジン１の始動がスムーズに行われかつ運転者に違和感（特に振動）を与えないようにしている。

図６の（ａ）は，エンジン１の始動途中における圧縮圧力の変化の様子を示すもので，実線が圧縮漏れがない工場出荷時の状態を示し，波線が経年変化によってかなり大きな圧縮漏れを生じた場合を示す。この図６の（ｂ）から明らかなように，圧縮漏れを生じると，エンジン１の始動途中での圧縮圧は工場出荷時に比してかなり低下されることになる。

図６の（ｃ）は，エンジン１の始動途中におけるスタータモータ４７の消費電流（駆動電流）が変化する様子を示してあり，実線が圧縮漏れがない工場出荷時の状態を示し，波線が経年変化によってかなり大きな圧縮漏れを生じた場合を示す。この図６の（ｃ）から明らかなように，スタータモータ４７の消費電流は，圧縮漏れが生じていると圧縮圧力の反力が小さくなるために，工場出荷時に比してかなり低下されることになる。

図７は，スタータモータ４７の起動トルクと圧縮圧力との関係を示すものであり，圧縮圧力が小さいほど起動トルクが小さくなることが理解される。また，図８は，スタータモータ４７の起動トルクと消費電流との関係を示すものであり，起動トルクが小さいほど消費電流が小さくなることが理解される。図７，図８から，スタータモータ４７の消費電流が小さいということは，起動トルクが小さくなって圧縮圧力が低下していること，つまりシール８，９が摩耗して圧縮漏れを生じていることを示すことになる。さらに，スタータモータ４７の消費電流が小さいほど，圧縮漏れの度合いが大きい（圧縮圧力が小さい）ということも理解される。このように，スタータモータ４７の消費電流をみることによって，圧縮漏れが生じているか否と共に，圧縮漏れの度合いをも検出することが可能となる。

圧縮漏れを生じると，水素燃料が噴射された作動室に対して，爆発行程や排気行程にある隣の他の作動室からの高温，高圧の既燃ガスが少なからず漏れ出て，水素燃料が噴射された作動室内において，点火プラグ７による正規の点火時期の前に着火（自己着火）されてしまう可能性つまり早期着火の可能性が高くなる。この早期着火を防止するために，早期着火の抑制の制御が行われるが，実施形態では，空燃比のリーン化と点火時期の遅角とによって早期着火を抑制するようにしてある。すなわち，空燃比をリーン化することにより，着火しずらくなって燃焼圧力が低下されるので，圧縮漏れ量が低減されて，早期着火が抑制されることになる（水素燃料が供給されている作動室に対して，隣の作動室にある既燃ガスの漏れ量が小さくなる）。また，点火時期の遅角を行うことにより，燃焼圧力の低下のみならず燃焼温度も低下されるので，早期着火がより抑制されることになる。

上記空燃比のリーン化の度合いと点火時期の遅角の度合いは，圧縮漏れの度合いが大きいほど大きくされる。すなわち，図９に示すように，工場出荷時の初期時の値に比して，圧縮漏れの度合いが大きくなるほど（図９左方側に位置するほど），空燃比がよりリーン化され，また点火時期がより遅角される。

前述したようなコントローラＵによるより具体的な制御例について，図１０に示すフローチャートを参照しつつ説明する。なお，以下の説明でＱはステップを示す。また，図１０のフローチャートは，エンジン１を始動する指令（自動指令）があったとき，あるいはスタータスイッチＳ１がオンされたときにスタートされる。

まず，Ｑ１において，現在エンジン１が停止中であるか否かが判別される。このＱ１の判別でＮＯのときは，Ｑ２において，エンジン１の始動のために，スタータモータ４７が駆動される。次いで，Ｑ３において，エンジン１の始動途中における圧縮圧力が検出されるが，この圧縮圧力の検出は前述のようにスタータモータ４７の消費電流を検出することにより関接的に行われる（図７，図８への照合）。

Ｑ３の後，Ｑ４において，検出された圧縮圧力が工場出荷時の初期圧力と比較される。Ｑ５では，Ｑ４での比較結果に基づいて，圧縮漏れがあるか否かが判別される。このＱ５の判別でＹＥＳのとき，つまり圧縮漏れが生じているときは，Ｑ６において，高負荷運転時であるか否かが判別される。このＱ６では，例えば，アクセル開度が２／３以上開かれたとき，あるいは実際の吸気量が最大吸気量の２／３以上であるときに，高負荷時であると判別する。このＱ６の判別でＹＥＳのときは，Ｑ８において，図９に照合して，圧縮漏れの度合いに応じた空燃比のリーン化および点火時期の遅角が行われる。

前記Ｑ１の判別でＮＯのとき，Ｑ５の判別でＮＯのとき，あるいはＱ６の判別でＮＯのときは，それぞれＱ７に移行して，通常の制御が実行される（空燃比のリーン化および点火時期の遅角なし）。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。エンジンとしては，往復動型エンジンであってもよい。また使用燃料としては，水素以外に，例えば天然ガスやプロパンガス等を選択的に用いるものであってもよく，水素燃料のみを用いるものであってもよい。早期着火の抑制のために，ＥＧＲ量を増大補正するものであってもよい。すなわち，排気通路中の排気ガスを，エンジン１の外部に配設したＥＧＲ通路を介して吸気通路へ還流させる場合に，圧縮漏れが生じたときに還流される排気ガス量（ＥＧＲ量）を増大補正させるようにしてもよく（燃焼温度の低下），圧縮漏れの度合いが大きいほど増大補正量を大きくすることもできる。空燃比のリーン化と点火時期に遅角とＥＧＲ量増大とのうち，いずれか１つのみを実行することによって早期着火の抑制を行うようにしてもよく，あるいは任意の２以上の組み合わせによって早期着火の抑制を行うようにしてもよい。

圧縮漏れを，気筒内の圧力を直接検出する圧力センサを利用して検出するようにしてもよい。エンジン１としては，ハイブリッド車用に限らず，エンジンのみによって走行されるような車両用であってもよく，また車両用に限定されないものである。低負荷時においても，圧縮漏れに対応した早期着火抑制の制御を実行するようにしてもよい。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明が適用されたエンジンを有する車両の駆動系統例を示すもの。 図１に示すエンジンを概略的に示す図。 水素燃料の噴射タイミング等の一例を示す図。 燃料噴射弁への燃料供給系統を示す図。 コントローラによる制御系統をブロック図的に示す図。 クランキング時に，圧縮圧力とエンジン回転数とスタータモータの消費電流とが変化する様子を示す図。 圧縮圧力とスタータモータの起動トルクとの関係を示す特性図。 スタータモータの起動トルクとその消費電流との関係を示す特性図。 圧縮圧力の低下度合い応じた空燃比のリーン化の度合いと点火時期の遅角の度合いとの関係を示す特性図。 図５に示すコントローラの制御例を示すフローチャート。

符号の説明

Ｕ：コントローラ
Ｓ１：スタータスイッチ
Ｓ２：電流センサ
Ｓ３：エンジン回転数センサ
Ｓ４：エンジン負荷センサ
Ｉ１，Ｉ３：燃料噴射弁（水素燃料用）
Ｅ１〜Ｅ３：作動室（気筒）
１：エンジン
７：点火プラグ
８，９：シール（作動室間のシール）
１０：燃料タンク（水素燃料用）
４７：スタータモータ

Claims (7)

1. 気筒内に供給された水素燃料を点火プラグにより着火させるようにした水素エンジンの制御装置において，
   エンジンの圧縮漏れを検出する漏れ検出手段と，
   前記漏れ検出手段により圧縮漏れが検出されたとき，気筒内での水素燃料の着火性に関連するパラメータを補正して，圧縮漏れに起因する早期着火を抑制する早期着火抑制手段と，
   を備えていることを特徴とする水素エンジンの制御装置。
2. 請求項１において，
   前記早期着火抑制手段は，エンジンの高負荷時のみ作動される，ことを特徴とする水素エンジンの制御装置。
3. 請求項１または請求項２において，
   前記早期着火抑制手段は，圧縮漏れの度合いが大きいときは圧縮漏れの度合いが小さいときに比して前記パラメータの補正量を大きくする，ことを特徴とする水素エンジンの制御装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において，
   前記圧縮漏れ検出手段は，エンジンクランキング時のスタータモータの消費電流に基づいて圧縮漏れを検出する，ことを特徴とする水素エンジンの制御装置。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において，
   前記圧縮漏れ検出手段は，エンジンクランキング時の気筒内圧力に基づいて圧縮漏れを検出する，ことを特徴とする水素エンジンの制御装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において，
   前記早期着火抑制手段は，空燃比のリーン化，点火時期の遅角およびＥＧＲ量増大うち少なくとも１つを行うことにより早期着火を抑制する，ことを特徴とする水素エンジンの制御装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において，
   エンジンがロータリピストンエンジンとされている，ことを特徴とする水素エンジンの制御装置。
   

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