JP2007051596A - デュアルフューエルエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用燃料を水素とガソリンとの間で選択的に切り換えて駆動可能なデュアルフューエルエンジン１において、触媒の未活性時におけるＨＣ及びＮＯｘ排出量の低減と、乗員のトルク要求を満足させてドライバビリティの悪化防止と、を両立させる。
【解決手段】触媒３１が未活性であるときには、水素を使用燃料とすると共に、目標空燃比をＮＯｘ排出量が０近傍となる空燃比に設定して空燃比制御を実行する。触媒３１が未活性の状態において、乗員の要求トルクが予め設定した第１所定値よりも大きくなったときには、使用燃料を水素からガソリンに切り替えさせる切替制御手段６を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、使用燃料を水素とガソリンとの間で選択的に切り替えて駆動可能なデュアルフューエルエンジンの制御装置に関する。

使用燃料を気体燃料とガソリンとで選択的に切り換え可能なデュアルフューエルエンジンが知られており（例えば特許文献１参照）、このデュアルフューエルエンジンでは、冷間始動時であって、触媒未活性時には、使用燃料を気体燃料とすることによって未燃ガス、特にＨＣの排出を防止している。
特開２０００−２１３３９４号公報

ところで、使用燃料を水素とガソリンとの間で選択的に切り替えて駆動可能なデュアルフューエルエンジンにおいて、水素使用時には、図４に示すように、空気過剰率λが１付近であるとＮＯｘ排出量が増大するため、目標空気過剰率λｔを２付近にしてＮＯｘ排出量を０近傍にすることがＮＯｘ排出量の低減の上では望ましい。しかしながら目標空気過剰率λｔを２付近にしたときには、最大出力トルクは低下してしまう。このため、触媒未活性時に使用燃料を水素としかつ、その目標空気過剰率λｔを２付近にする制御を行うことでＨＣ及びＮＯｘの排出低減を図るときには、乗員が要求する加速を満足させることができない場合がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、使用燃料を水素とガソリンとの間で選択的に切り換えて駆動可能なデュアルフューエルエンジンにおいて、触媒の未活性時におけるＨＣ及びＮＯｘ排出量の低減と、乗員のトルク要求を満足させてドライバビリティの悪化防止と、を両立させることにある。

本発明の制御装置は、使用燃料を水素とガソリンとの間で選択的に切り替えて駆動可能なデュアルフューエルエンジンの制御装置である。

上記制御装置は、上記エンジンに対して水素とガソリンとを選択的に切り替えて供給する燃料切替手段と、上記エンジンの排気通路中に設けられる排気浄化触媒と、上記触媒の活性度合いに関連する値を検出する活性度合い検出手段と、乗員の要求トルクを検出する要求トルク検出手段と、少なくとも水素使用時には、その目標空燃比をＮＯｘ排出量が０近傍となる空燃比に設定して空燃比制御を実行する空燃比制御手段と、上記活性度合い検出手段の検出結果に基づいて上記触媒が未活性であるときには、上記燃料切替手段に対し水素を使用燃料として供給させると共に、上記触媒が未活性の状態において、上記要求トルク検出手段による検出結果に基づき上記要求トルクが予め設定した第１所定値よりも大きくなったときには、上記燃料切替手段に対して、使用燃料を水素からガソリンに切り替えさせる切替制御手段と、を備える。

この構成によると、切替制御手段は、触媒が未活性であるときには、燃料切替手段に対して水素を使用燃料として供給させる。その水素使用時において、空燃比制御手段は、目標空燃比をＮＯｘ排出量が０近傍となる空燃比（空気過剰率λ＝２）に設定して空燃比制御を実行することにより、触媒が未活性時におけるＨＣ及びＮＯｘの排出が抑制される。

上記切替制御手段はさらに、触媒の未活性状態において、要求トルク検出手段による検出結果に基づき乗員の要求トルクが予め設定した第１所定値よりも大きくなったときには、燃料切替手段に対して、使用燃料を水素からガソリンに切り替えさせる。このことにより、最大出力トルクが向上することになり、乗員のトルク要求が満たされる。

つまり、触媒の未活性時で水素を使用しているときであっても、乗員からのトルク要求が大きいときには使用燃料を水素からガソリンに切り替えることによって、触媒の未活性時におけるＨＣ及びＮＯｘ排出量の低減と、乗員のトルク要求を満足させてドライバビリティの悪化防止と、が両立する。

ここで、上記切替制御手段は、上記活性度合い検出手段の検出結果に基づき上記触媒が活性している状態において、上記要求トルク検出手段による検出結果に基づき上記要求トルクが予め設定した第２所定値よりも大きいときには、上記燃料切替手段に対しガソリンを使用燃料をとして供給させる一方、上記要求トルクが上記第２所定値以下のときには、上記燃料切替手段に対し水素を使用燃料をとして供給させ、上記触媒の未活性状態における第１所定値は、上記触媒の活性状態における第２所定値よりも大に設定される、としてもよい。

この構成によると、触媒の活性状態においても、要求トルクが予め設定した第２所定値以下のときには使用燃料を水素とし、要求トルクが第２所定値よりも大きいときには、使用燃料をガソリンとする。そして、上記第１所定値が、第２所定値よりも大に設定されることで、触媒の未活性状態では、触媒の活性状態の場合と比べて、使用燃料を水素とする領域が広がり、それによって触媒の未活性状態では、なるべく水素を使用して走行することになる。それによって、触媒の未活性時におけるＨＣ及びＮＯｘ排出量の低減と、乗員のトルク要求を満足させてドライバビリティの悪化防止と、が両立する。また、触媒の活性状態では、比較的ガソリンが使用されることになり、水素の消費が抑制される。これは水素貯蔵量に制限がある場合に有利である。

以上説明したように、本発明のデュアルフューエルエンジンの制御装置によると、触媒が未活性であるときには水素を使用燃料とするものの、乗員の要求トルクが予め設定した所定値よりも大きくなったときには、使用燃料を水素からガソリンに切り替えることで、触媒の未活性時におけるＨＣ及びＮＯｘ排出量の低減と、乗員のトルク要求を満足させてドライバビリティの悪化防止と、を両立させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態１に係るエンジンの空燃比制御装置を示す図であり、このエンジンは、ロータリーエンジン１であると共に、使用燃料を水素とガソリンとの間で選択的に切り替えて駆動可能なデュアルフューエルエンジンとされている。

上記ロータリーエンジン１は、トロコイド内周面を有する繭状のロータハウジングとサイドハウジングとに囲まれたロータ収容室１１（気筒）に概略三角形状のロータ１２が収容されて構成されており、その外周側には３つの作動室が区画されている。このロータリーエンジン１は、図示は省略するが、２つのロータハウジングを３つのサイドハウジングの間に挟み込むようにして一体化し、その間に形成される２つの気筒１１，１１にそれぞれロータ１２，１２を収容した２ロータタイプのものであり、図１では、その２つの気筒１１，１１を展開した状態で図示している。

ロータ１２は、外周の３つの頂部にそれぞれ配設されたシール部が各々ロータハウジングのトロコイド内周面に当接した状態でエキセントリックシャフト１３の周りを自転しながら、該エキセントリックシャフト１３の軸心の周りに公転する。そして、ロータ１２が１回転する間に、該ロータ１２の各頂部間にそれぞれ形成された作動室が周方向に移動しながら、吸気、圧縮、膨張（燃焼）及び排気の各行程を行い、これにより発生する回転力がロータ１２を介してエキセントリックシャフト１３から出力される。

ロータリーエンジン１の各気筒１１，１１には、２つの点火プラグ１４，１４が設けられており、この２つの点火プラグ１４，１４はそれぞれ、ロータハウジングの短軸近傍に配設されている一方、各気筒１１，１１には、図示省略の水素タンクから供給された水素を筒内に直接噴射する、２つの水素噴射用のインジェクタ４が設けられており（図１では各気筒に１つのみ示す）、２つのインジェクタ４はそれぞれ、ロータハウジングの長軸近傍に、エキセントリックシャフト１３の軸方向に並んで配置されている。

また、各気筒１１，１１には、吸気行程にある作動室に連通するように吸気通路２が連通していると共に、排気行程にある作動室に連通するように排気通路３が連通している。

吸気通路２の上流側にはステッピングモータ等のアクチュエータ２１により駆動されて通路２の断面積を調節するスロットル弁２２が配設されていると共に、吸気通路２の下流側には、図示省略のガソリンタンクから供給されるガソリンを吸気通路２内に噴射するためのガソリン噴射用のインジェクタ５，５が配設されている。また、排気通路３には、排気を浄化するための排気浄化触媒としての三元触媒３１が配設されている。

そして、上記点火プラグ１４，１４、スロットル弁２２のアクチュエータ２１、水素及びガソリン噴射用の各インジェクタ４，５等は、制御手段としてのパワートレインコントロールモジュール（ＰＣＭ）６によって作動制御される。

このＰＣＭ６には、本実施形態に係る制御に必要な信号として、少なくとも、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ７２、筒内の空燃比を検出するための空燃比センサ７３、触媒の温度を直接検出する触媒温度センサ７４、水素タンクの水素残量を検出する水素タンク内残量センサ（タンク内圧力センサ）７５、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ７６、及び車速を検出する車速センサ７７の各出力信号が入力される。

本実施形態におけるエンジンの制御装置においては、ＰＣＭ６の制御により、水素使用時は水素噴射用インジェクタ４から水素が、ガソリン使用時はガソリン噴射用インジェクタ５からガソリンが、エンジン１に対し供給されて当該エンジン１が駆動される。また、水素使用時及びガソリン使用時のそれぞれにおいて、ＰＣＭ６により空燃比制御が実行される。つまり、空燃比センサ７３からの出力信号に基づいて、筒内の空燃比が目標空燃比（目標空気過剰率λｔ）となるように、スロットル開度及び燃料噴射量を制御するフィードバック制御が実行される。

ここで、上記目標空燃比（目標空気過剰率λｔ）は、水素使用時とガソリン使用時とで異なり、水素使用時はλｔ＝２、ガソリン使用時はλｔ＝１に設定される。これによって水素使用時におけるＮＯｘ排出の低減化を図る。

次に、ＰＣＭ６による、使用燃料の切替制御について、図２を参照しながら説明する。先ずステップＳ１１において、触媒温度センサ７４及び水素タンク残量センサ７５からのデータが入力され、続くステップＳ１２において、触媒温度が所定値以下であるか否かが判定される。触媒温度が所定値よりも大きい、換言すれば触媒３１が活性化しているのＮＯのときには、ステップＳ１３に移行し、触媒温度が所定値以下である、換言すれば触媒３１が未活性であるのＹＥＳのときには、ステップＳ１４に移行する。

ステップＳ１３では、以下の制御で必要となる燃料切替マップとして、触媒活性時の燃料切替マップ（図３（ｂ）参照）を設定し、ステップＳ１８に移行する。

一方、ステップＳ１４では、水素燃料残量が所定量以上であるか否かを判定し、所定量以上のＹＥＳのときにはステップＳ１５に移行する一方、所定量よりも少ないのＮＯのときにはステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１５では燃料切替マップとして、触媒未活性時の燃料切替マップ（図３（ａ）参照）を設定し、ステップＳ１８に移行する。

これに対し、ステップＳ１６では使用燃料をガソリンに設定し（水素は使用しないとし）、続くステップＳ１７でガソリン使用時の制御に移行する。

ここで、図３に示す燃料切替マップについて説明すると、この燃料切替マップは、車速及びアクセル開度変化量、つまり乗員の要求トルクに基づいて使用燃料を水素とガソリンとの間で切り替えるためのマップであり、要求トルクが所定量よりも大きいにはガソリンを使用燃料とするように設定される。これは最大出力トルクの増大や、水素燃料の消費抑制等を図るためである。また、触媒未活性時の燃料切替マップ（図３（ａ））と、触媒活性時の燃料切替マップ（図３（ｂ））とを比較すると、触媒未活性時の燃料切替マップにおいては、使用燃料を水素からガソリンに切り替える要求トルクの閾値が、触媒活性時の燃料切替マップに比べて大に設定されており（図３（ａ）の一点鎖線は触媒活性時の燃料切替マップにおける要求トルクの閾値を示す）、触媒未活性時には、排気エミッションの悪化を防止するために、なるべく水素を使用するように設定される。つまり、触媒未活性時においては、水素を使用燃料としたとき（つまり、目標空気過剰率λｔ＝２としたとき）の最大出力トルクを超えるトルクが要求されないときは水素を使用し、その最大出力トルクを超えるトルクが要求されたときに限ってガソリンを使用する。

上記ステップＳ１８では、アクセル開度センサ７６及び車速センサ７７からのデータを入力し、ステップＳ１９では、アクセル開度の変化量（ＰＣＭ６のメモリに記憶しておいた前回のアクセル開度と今回のアクセル開度とから求める）及び現在の車速から、乗員の要求トルクを算出する。そうして、ステップＳ１１０において、算出した要求トルクがステップＳ１３又はステップＳ１５で設定したマップにおいて所定量以下であるか否かを判定し、所定量以下であるのＹＥＳのときにはステップＳ１１１に移行し、所定量よりも大きいのＮＯのときにはステップＳ１１３に移行する。

ステップＳ１１１では使用燃料を水素に設定し、続くステップＳ１１２で水素使用時の制御に移行する一方、ステップＳ１１３では使用燃料をガソリンに設定し、続くステップＳ１１４でガソリン使用時の制御に移行する。

このように、本実施形態では、乗員の要求トルクに応じて使用燃料を水素とガソリンとの間で切り替えることによって、乗員の要求トルクを満足させることができ、ドライバビリティの低下が抑制される。

また特に、触媒未活性時においては、燃料切替の閾値（第１所定値）を、触媒活性時の閾値（第２所定値）に比べて高く設定することにより使用燃料がなるべく水素になるようにしているため、排気エミッションの悪化を防止することができる。一方で、触媒未活性時においても、乗員の要求トルクが燃料切替の閾値を超えたときには、使用燃料が水素からガソリンに切り替わるため、乗員の要求トルクを満足させることができる。

その結果、触媒の未活性時におけるＨＣ及びＮＯｘ排出量の低減と、乗員のトルク要求を満足させてドライバビリティの悪化防止と、を両立させることができる。

また、触媒活性時においては、ガソリンを使用しても排気エミッションの悪化が無いことから、燃料切替の閾値が比較的低くしてその分ガソリンを使用することにより、水素の消費を抑制することができる。これは水素貯蔵量に制限がある場合に有効である。

尚、上記実施形態は、ロータリエンジンを対象としているが、レシプロエンジンに本発明を適用してもよい。

以上説明したように、本発明は、触媒の未活性時の、水素を使用燃料としているときにおいて、乗員の要求トルクに応じて使用燃料をガソリンに切り替えて、触媒の未活性時におけるＨＣ及びＮＯｘ排出量の低減と、乗員のトルク要求を満足させてドライバビリティの悪化防止と、を両立させることができるため、使用燃料を水素とガソリンとの間で選択的に切り替えて駆動可能なデュアルフューエルエンジンの制御装置について有用である。

本発明の実施形態に係るエンジンの制御装置の概略構成図である。 ＰＣＭの制御フローチャートである。 燃料切替マップの一例であり、（ａ）は触媒未活性時、（ｂ）は触媒活性時のマップである。 水素を使用燃料としたときの、空気過剰率に対するＮＯｘ排出量及び最大出力トルクの関係を示す図である。

符号の説明

１ ロータリーエンジン（デュアルフューエルエンジン）
３１ 排気浄化触媒
４ 水素噴射用インジェクタ（燃料切替手段）
５ ガソリン噴射用インジェクタ（燃料切替手段）
６ ＰＣＭ（空燃比制御手段、切替制御手段）
７４ 触媒温度センサ（活性度合い検出手段）
７６ アクセル開度センサ（要求トルク検出手段）
７７ 車速センサ（要求トルク検出手段）

Claims (2)

1. 使用燃料を水素とガソリンとの間で選択的に切り替えて駆動可能なデュアルフューエルエンジンの制御装置であって、
   上記エンジンに対して水素とガソリンとを選択的に切り替えて供給する燃料切替手段と、
   上記エンジンの排気通路中に設けられる排気浄化触媒と、
   上記触媒の活性度合いに関連する値を検出する活性度合い検出手段と、
   乗員の要求トルクを検出する要求トルク検出手段と、
   少なくとも水素使用時には、その目標空燃比をＮＯｘ排出量が０近傍となる空燃比に設定して空燃比制御を実行する空燃比制御手段と、
   上記活性度合い検出手段の検出結果に基づいて上記触媒が未活性であるときには、上記燃料切替手段に対し水素を使用燃料として供給させると共に、上記触媒が未活性の状態において、上記要求トルク検出手段による検出結果に基づき上記要求トルクが予め設定した第１所定値よりも大きくなったときには、上記燃料切替手段に対して、使用燃料を水素からガソリンに切り替えさせる切替制御手段と、を備えるデュアルフューエルエンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置において、
   上記切替制御手段は、上記活性度合い検出手段の検出結果に基づき上記触媒が活性している状態において、上記要求トルク検出手段による検出結果に基づき上記要求トルクが予め設定した第２所定値よりも大きいときには、上記燃料切替手段に対しガソリンを使用燃料として供給させる一方、上記要求トルクが上記第２所定値以下のときには、上記燃料切替手段に対し水素を使用燃料をとして供給させ、
   上記触媒の未活性状態における第１所定値は、上記触媒の活性状態における第２所定値よりも大に設定されるデュアルフューエルエンジンの制御装置。
   

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