JP2007198158A

JP2007198158A - 水素エンジンの空燃比制御装置

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Publication number: JP2007198158A
Application number: JP2006014761A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Saito; 智明齊藤; Masanori Matsushita; 正典松下
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2006-01-24
Publication date: 2007-08-09
Also published as: DE602007000040D1; EP1811159B1; US7438067B2; US20070169464A1; EP1811159A1

Abstract

【課題】排気通路の触媒上流に空燃比センサを備えた水素エンジンの空燃比制御装置において、空燃比センサを速やかに活性させると共に、素子の被水による素子割れを防止する。
【解決手段】水素エンジンの排気通路における触媒の上流に配設されてヒータが備えられた第１空燃比センサと、該ヒータへの通電を制御する通電制御手段と、前記第１空燃比センサの出力に基づいて空燃比制御を行う空燃比制御手段とを有する水素エンジンの空燃比制御装置であって、前記触媒中若しくは触媒の下流に第２空燃比センサが配設され、エンジン始動後に前記第１空燃比センサが所定の活性温度に達するまでは、前記通電制御手段はヒータへの通電を制限する（ステップＳ９）と共に、前記空燃比制御手段は前記第２空燃比センサの出力に基づいて空燃比制御を行う（ステップＳ１１）。
【選択図】図５

Description

本発明は、水素エンジンの空燃比制御装置に関し、エンジンの燃料系統の技術分野に属する。

従来、排気通路に排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサを配設し、この空燃比センサの出力に基づいて燃焼室に供給する混合気の空燃比をフィードバック制御することが行われている。前記空燃比センサは、排気ガス中に含まれる酸素濃度に応じた起電力を出力する素子が用いられており、この素子による起電力を確保するためには素子を活性状態に維持する必要がある。これに対し、前記素子を加熱するヒータを備え、エンジン始動時にヒータに通電することにより、素子を速やかに活性させ、十分な起電力を確保するものが提案されている。

また、エンジンの排気通路に触媒を配置し、この触媒により排気ガス中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等）を浄化することが行われている。この場合、前記空燃比センサが触媒の下流側に配設された構成では、排気ガスが触媒を通過する際に反応して水分が発生し、この水分により空燃比センサの素子が局部的に被水することがある。このように素子が被水した状態でヒータが通電されると、被水部分が温度上昇し難いため、素子の熱応力が不均一となり、素子に歪が生じて素子割れが発生する惧れがある。

このような問題に対処するものとして、例えば特許文献１に記載のものがある。これによれば、空燃比センサの素子が被水しているか否かを判定する判定手段を備え、被水が判定されたときは、ヒータへの通電が制限されるようになっている。このようにヒータへの通電が制限され、素子の温度を徐々に上昇させることによって、歪を小さくして前述の素子割れが防止されるのである。
特開２００１−４１９２３号公報

ところで、前記特許文献１に記載の方法では、素子の温度を徐々に上昇させるので、素子の活性化が遅れ、精度の良いフィードバック制御ができるまでに長い時間を要することになる。これに対して、空燃比センサを触媒の上流側に配置することによって、排気ガスと触媒との反応により発生する水分による被水を回避することが考えられるが、水素エンジンが備えられている場合には、触媒の上流側でも被水しうる。つまり、水素エンジンにおいては、水素の燃焼により多量の水分が発生し、この水分により触媒上流側であっても素子が被水し、この結果、ヒータへの通電により熱応力が不均一となって、素子に歪が生じて素子割れが発生する問題が生じるのである。

そこで、本発明は、排気通路の触媒上流に空燃比センサを備えた水素エンジンの空燃比制御装置において、空燃比センサを速やかに活性させると共に、素子の被水による素子割れを防止することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、水素エンジンの排気通路における触媒の上流に配設されてヒータが備えられた第１空燃比センサと、該ヒータへの通電を制御する通電制御手段と、前記第１空燃比センサの出力に基づいて空燃比制御を行う空燃比制御手段とを有する水素エンジンの空燃比制御装置であって、前記触媒中若しくは触媒の下流に第２空燃比センサが配設され、エンジン始動後に前記第１空燃比センサが所定の活性温度に達するまでは、前記通電制御手段はヒータへの通電を制限すると共に、前記空燃比制御手段は前記第２空燃比センサの出力に基づいて空燃比制御を行うことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の水素エンジンの空燃比制御装置において、前記第１空燃比センサは、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力するリニア空燃比センサであり、前記第２空燃比センサは、排気ガス中の酸素濃度から空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかを判別するラムダ空燃比センサであって、前記空燃比制御手段は、前記リニア空燃比センサが活性温度に達するまでは目標空燃比を理論空燃比に設定し、前記ラムダ空燃比センサの出力信号に基づいて空燃比を理論空燃比にフィードバック制御すると共に、前記リニア空燃比センサが活性温度に達した後は、目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に設定し、前記リニア空燃比センサの出力に基づいて空燃比を前記リーン空燃比にフィードバック制御することを特徴とする。

そして、請求項３に記載の発明は、前記請求項１に記載の水素エンジンの空燃比制御装置において、前記空燃比制御手段は、前記第１空燃比センサが活性温度に達した後に、目標空燃比を理論空燃比よりもリーンでＮＯｘ排出量が略ゼロとなる所定の空燃比に設定し、前記第１空燃比センサの出力に基づいて前記所定の空燃比にフィードバック制御することを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、エンジン始動後に、第１空燃比センサが所定の活性温度に達するまでは通電制御手段によりヒータへの通電が制限される。そして、この通電が制限されている間に、触媒との反応で昇温した排気ガスにより触媒中又は触媒の下流側に配設された第２空燃比センサが昇温されるため、第２空燃比センサは速やかに活性温度に達し、空燃比制御手段によりこの第２空燃比センサの出力に基づいて精度良く空燃比制御が行われる。そして、この間ヒータへの通電が制限されているので、第１空燃比センサの素子が被水している場合であっても、素子の熱応力が不均一になることが防止され、素子割れの発生が防止されることになる。

また、請求項２に記載の発明によれば、前記第１空燃比センサは排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力するリニア空燃比センサであると共に、第２空燃比センサは排気ガス中の酸素濃度から空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかを判別するラムダ空燃比センサであり、前記リニア空燃比センサが活性温度に達するまでは、通電制御手段によりヒータへの通電が制限される。そして、この間、目標空燃比が理論空燃比に設定され、空燃比制御手段により前記ラムダ空燃比センサの出力に基づいて理論空燃比にフィードバック制御が行われるので、リーン運転時に比べて排気ガスの温度が高くなる。この高温の排気ガスにより、速やかにかつまんべんなく前記リニア空燃比センサが昇温され、熱応力の歪の発生が抑制されつつ素子が活性温度に達することになる。そして、リニア空燃比センサが活性温度に達した後は、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に設定され、該リニア空燃比センサの出力に基づいてこのリーン空燃比に精度良くフィードバック制御される。また、このようにリーン運転が行われることにより燃費が改善される。

ところで、水素エンジンの特性として、空燃比をリーン化（例えばλ＝１．８〜２．０）すると、ＮＯｘ排出量が略ゼロになることが知られている。

これに対して、請求項３に記載の発明によれば、前記第１空燃比センサが活性温度に達した後に、空燃比制御手段により理論空燃比よりもリーンで、ＮＯｘ排出量が略ゼロとなる所定の空燃比（例えばλ＝１．８〜２．０）に目標空燃比が設定され、第１空燃比センサの出力に基づいて前記所定の空燃比にフィードバック制御するので、水素エンジンの特性を巧く利用してＮＯｘ排出量を略ゼロに減少させることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１に、本実施の形態に係る水素エンジン１のシステム図を示す。この水素エンジン１は、２ロータのロータリーエンジンであって、外気から新気を吸入する吸気通路２と、エンジンから排出された排気ガスを排出する排気通路３とが設けられていると共に、排気通路３の排気ガスの一部を吸気通路２に還流させるＥＧＲ通路４が設けられた構成である。

この水素エンジン１は、図示しないインターミディエイトハウジングを挟んだ両側にロータハウジング１０，２０を有している。該ロータハウジング１０，２０には、それぞれ３つの作動室を画成する略三角形状のロータ１１，２１が収容されており、このロータ１１，２１が回転軸１２，２２を中心に偏心回転することにより、各作動室が容積変化し、オットーサイクルが行われるようになっている。また、該ロータハウジング１０，２０には、吸気通路２に連通する吸気ポート２ａ，２ａが吸気行程の燃焼室に臨む位置に設けられていると共に、排気通路３に連通する排気ポート３ａ，３ａが排気行程の燃焼室に臨む位置に設けられている。

また、ロータハウジング１０，２０の点火行程の燃焼室に臨む位置には、それぞれ一対の点火プラグ１３，２３が配設されている。さらに、加圧された水素ガスを燃焼室内に噴射するため、ロータハウジング１０，２０には、吸気行程から圧縮行程にかけて燃焼室に開口する位置に、水素インジェクタ１４，２４が設けられている。この水素インジェクタ１４，２４は、水素貯蔵タンクとしての図示しないメタルハイドライドタンクから燃料供給通路を介して水素ガスが供給されるようになっていると共に、該インジェクタ１４，２４にはタイミング弁が内設されており、水素ガスの噴射量が可変とされている。このように、燃焼室に直接水素ガスを噴射する位置に水素インジェクタ１４，２４を配設し、圧縮行程で水素ガスを噴射することによって、燃焼室に空気を十分に供給した上で水素ガスが噴射されることになり、トルクを効率的に得るようになっている。

また、吸気ポート２ａ，２ａにも、水素インジェクタ１５，２５が設けられており、予混方式で燃料供給が行われる場合には、この水素インジェクタ１５，２５から水素ガスを噴射させ、吸気ポート２ａ，２ａ内で水素と空気を混合した状態で燃焼室内に供給する。

一方、吸気通路２には、上流側からエアフローセンサ３０及びスロットル弁３１が配置されている。また、排気通路３には、排気浄化用の三元触媒３２が配置されていると共に、この触媒３２の上流側には排気ガス中の酸素濃度を検出するリニア空燃比センサ３３が配設され、下流側には排気ガス中の酸素濃度から空燃比がリッチかリーンかを判別するラムダ空燃比センサ３４が配設されている。なお、このラムダ空燃比センサ３４は、三元触媒３２の内部に設けられた複数の触媒層の層間に配設してもよい。

前記リニア空燃比センサ３３にはヒータ３３ｂが備えられており、このヒータ３３ｂにより素子を加熱して所定温度に維持するように構成されている。以下にこのセンサ３３の詳細な構成について図２に基づいて説明する。

即ち、このリニア空燃比センサ３３は、酸素濃度検出用素子部３３ａと、この素子部３３ａを加熱するヒータ３３ｂと、前記素子部３３ａに対する通電及び検出信号出力のためのセンサ回路３３ｃと、前記ヒータ３３ｂへの通電のためのヒータ通電回路３３ｄとで構成されており、前記素子部３３ａには酸素イオン伝導性固体電解質部材からなる酸素ポンプ素子が含まれている。

前記酸素濃度検出用素子部３３ａは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質部材からなる一対の素子３３ｅ，３３ｆを有している。この両素子３３ｅ，３３ｆのうちの一方３３ｅは酸素濃度比測定用電池として機能し、他方３３ｆは素子酸素ポンプ素子として機能するものであり、それぞれの両側面に電極層３３ｅ′，３３ｅ′，３３ｆ′，３３ｆ′が形成されている。前記両素子３３ｅ，３３ｆ間には、排気通路３から排気ガスを拡散層３３ｇを介して一定の拡散速度で導入する拡散室３３ｈが形成され、また、酸素濃度比測定用電池素子３３ｅの片側には、一定酸素濃度（例えば大気と同程度の酸素濃度）に保たれた比較酸素濃度室３３ｉが形成されている。また、前記素子部３３ａに接続されるセンサ回路３３ｃは、オペアンプ３３ｊ、抵抗３３ｋ等を含み、出力端子３３ｍから信号を出力するようになっている。

このリニア空燃比センサ３３は、具体的には次のようにして排気ガス中の酸素濃度を検出する。

即ち、前記両素子３３ｅ，３３ｆを構成する酸素イオン伝導性固体電解質部材は、酸素分圧が異なる２室間に配置されたとき、その両室の酸素分圧の比に応じた酸素イオンが素子内を移動することで起電力を生じて電池として機能し、また、両電極間に電圧が印加されたときは片側から酸素を取り込んで反対側に酸素を放出する酸素ポンプとして機能する。

そこで、前記比較酸素濃度室３３ｉと拡散室３３ｈとの間に位置する素子３３ｅが酸素電池として機能し、他の素子３３ｆが酸素ポンプとして機能するように構成される。そして、拡散室３３ｈ内の排気ガス中の酸素が多くなると酸素ポンプ素子３３ｆにより拡散室３３ｈから外部に酸素が汲み出され、拡散室３３ｈ内の排気ガス中の酸素が不足すると酸素ポンプ素子３３ｆにより拡散室３３ｈに外部から酸素が取り込まれて、拡散室３３ｈ内が理論空燃比相当状態に保たれるように、酸素濃度比測定用電池素子３３ｅに生じる電圧の変化に応じオペアンプ３３ｊを介して酸素ポンプ素子３３ｆに加わる電圧が調節され、これに伴って酸素ポンプ素子３３ｆに流れる電流に応じた出力が抵抗から取り出され、出力端子３３ｍから出力される。

また、前記素子部３３ａを過熱するヒータ３３ｂに対するヒータ通電回路３３ｄは、図３に示すように、抵抗３３ｎ，３３ｐ，３３ｑを含むブリッジ回路、トランジスタ３３ｒ、オペアンプ３３ｓ等で構成され、素子を所定の活性化温度に加熱する。

さらに、前記ラムダ空燃比センサ３４は、三元触媒３２によって浄化された排気ガス中の酸素濃度を検出するように構成されている。このラムダ空燃比センサ３４の出力信号は、所定の酸素濃度を境に急激に変化するように構成されている。即ち、ラムダ空燃比センサ３４は、理論空燃比よりもリッチな混合気を燃焼させた場合に生成される排気ガスの酸素濃度では、約１ボルトの電圧を出力し、理論空燃比よりもリーンな混合気を燃焼させた場合に生成される排気ガスの酸素濃度では、約０ボルトの電圧を出力するように構成されている。この結果、燃焼室に供給された混合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかを判別することができるのである。

また、このように、排気通路３における三元触媒３２の上、下流側に、リニア空燃比センサ３３とラムダ空燃比センサ３４とが配置されることによって、触媒３２の劣化を検出することができる。具体的には、触媒３２が正常に機能しているときは、排気ガス中の酸素が触媒３２により吸着されるので、下流側のラムダ空燃比センサ３４による検出値はリニア空燃比センサ３３によりも比較的リッチになる。しかしながら、触媒３２の劣化時は酸素の吸着能力が低下しているので、両センサ３３，３４による検出値が同様のものとなり、これに基づいて触媒３２の劣化が検出されるのである。また、このように２つのセンサ３２，３３が備えられることにより、個体差や経時劣化によるばらつきを補正することもできる。

一方、図１に示すように、前記水素エンジン１全体を制御するエンジンコントローラ１００は、前記エアフローセンサ３０、リニア空燃比センサ３３、ラムダ空燃比センサ３４、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ４０、アクセル開度等のエンジン負荷を検出するエンジン負荷センサ４１などからの信号を入力し、スロットル弁３１を作動させるスロットルアクチュエータ４２、ＥＧＲ通路４に配設されたＥＧＲ弁３５の開度を制御するＥＧＲ弁アクチュエータ４３などに信号を出力するようになっている。

なお、前記エンジンコントローラ１００は請求項１に記載の水素エンジンの空燃比制御装置における空燃比制御手段に相当し、前記ヒータ通電回路３３ｄは同じく通電制御手段に相当する。また、通電制御手段は、エンジンコントローラ１００であってもよい。

また、前記エンジンコントローラ１００には、図４に示すようなエンジン回転数とエンジン負荷とに応じた制御マップが記憶されている。この制御マップは、低回転高負荷側にλ＝１領域が設定され、低回転低負荷側にリーン領域が設定され、高回転側にハイパワーリーン領域が設定されている。

前記λ＝１領域では、目標空燃比が理論空燃比（λ＝１）に設定されると共に、前記ＥＧＲ弁３５が閉状態とされ、水素インジェクタ１４，２４による直接噴射が行われる。このとき、リニア空燃比センサ３３の出力によりλ＝１にフィードバック制御されるのであるが、ラムダ空燃比センサ３４の出力により補正が加えられるようになっている。

また、前記リーン領域では、目標空燃比が例えばλ＝２のようなリーン空燃比に設定されると共に、前記ＥＧＲ弁３５が閉状態とされ、水素インジェクタ１４，２４による直接噴射が行われる。

そして、前記ハイパワーリーン領域では、点火プラグ１３，２３により着火する前に自然着火してしまう早期着火が生じない範囲で最もリッチなリーン空燃比に目標空燃比が設定される。また、前記ＥＧＲ弁３５が開状態とされ、水素インジェクタ１４，２４による直接噴射と水素インジェクタ１５，２５によるポート噴射とが同時に行われる。

次に、前記エンジンコントローラ１００による水素エンジン１の制御について図５のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１で、各種信号を読み込む。このとき読み込む信号は、エアフローセン３０による空気流量の信号、リニア空燃比センサ３３による出力信号、ラムダ空燃比センサ３４による出力信号、エンジン回転数センサ４０によるエンジン回転数の信号、及びエンジン負荷センサ４１によるエンジン負荷の信号などである。

次に、ステップＳ２で、エンジン始動後２０ｓｅｃが経過したか否かについて判定を行う。ここで、エンジン始動後２０ｓｅｃが経過していないとき（ＮＯ）は、ステップＳ３に進み、リニア空燃比センサ３３のヒータ３３ｂへの通電を停止させる。そして、ステップＳ４で目標空燃比をλ＝１に設定すると共に、ステップＳ５で空燃比が目標空燃比λ＝１になるように燃料噴射量をオープン制御する。さらに、ステップＳ６で水素インジェクタ１４，２４による直接噴射を実行すると共に、ステップＳ７でＥＧＲ弁アクチュエータ４３に信号を出力して、ＥＧＲ弁３５を閉じるように制御する。

前記ステップＳ３〜Ｓ７では、図６のタイムチャートに示すように、リニア空燃比センサ３３及びラムダ空燃比センサ３４が活性温度に達していない可能性が高い状態であるから、これらのセンサ３３，３４の出力に基づいて精度良いフィードバック制御を行うことは困難である。このため、フィードバック制御は行わず、目標空燃比をλ＝１としたオープン制御が行われるようになっている。このとき、排気ガスが三元触媒３２と反応して昇温されるため、排気通路３における触媒３２上流側よりも下流側のほうが排気ガスの温度が高くなる。そのため、リニア空燃比センサ３３よりもラムダ空燃比センサ３４の方が昇温速度が高くなっている。なお、前記判定に際して２０ｓｅｃという時間は、予め実験などによって設定された時間であり、２０ｓｅｃに限らずラムダ空燃比センサ３４が活性温度に達するのに十分な時間であればよい。

一方、前記ステップＳ２で、エンジン始動後２０ｓｅｃが経過したとき（ＹＥＳ）は、ラムダ空燃比センサ３４が活性温度に達した状態（図６の矢印ア参照）であると共に、リニア空燃比センサ３３は活性温度に達していない状態であるから、ステップＳ８でエンジン始動後２分が経過したか否かについての判定を行う。ここで、エンジン始動後２分が経過していないとき（ＮＯ）は、ステップＳ９に進み、リニア空燃比センサ３３のヒータ３３ｂへの通電を引き続き停止させた状態とする。そして、ステップＳ１０で目標空燃比をλ＝１に設定し、ステップＳ１１で、ラムダ空燃比センサ３４の出力に基づいて、空燃比をλ＝１にフィードバック制御する。さらに、ステップＳ１３で、水素インジェクタ１４，２４による直接噴射を実行すると共に、ステップＳ１２でＥＧＲ弁アクチュエータ４３に信号を出力して、ＥＧＲ弁３５を閉じた状態を継続する。

前記ステップＳ９〜Ｓ１３では、活性温度に達したラムダ空燃比センサ３４の出力を用いて、空燃比λ＝１に精度良くフィードバック制御されることになる。このフィードバック制御は、ラムダ空燃比センサ３４による出力信号と空燃比λ＝１に対応する信号とが比較され、この比較結果に基づいて目標空燃比を補正する補正量が計算されるようになっている。

このとき、空燃比λ＝１の燃焼により排気ガスの温度がリーン運転時よりも高くなるため、リニア空燃比センサ３３の昇温を促進させることになる。なお、前記判定に際して２分という時間は、予め実験などによって設定された時間であり、２分に限らずリニア空燃比センサ３３が活性温度に達するのに十分な時間であればよい。

また、前記ステップＳ８で、エンジン始動後２分が経過したとき（ＹＥＳ）は、リニア空燃比センサ３３及びラムダ空燃比センサ３４が共に活性温度に達した状態（図６の矢印イ参照）であるから、ステップＳ１４に進み、リニア空燃比センサ３３のヒータ３３ｂへの通電を行い、リニア空燃比センサ３３の温度を一定温度に維持する。次に、ステップＳ１５で、前記ステップＳ１で読み込んだエンジン回転数とエンジン負荷との信号に基づいて、運転状態が図４に示したいずれの領域にあるかの判定を行う。

ここで、運転状態がλ＝１領域にあるときは、ステップＳ１６に進み、目標空燃比をλ＝１に設定すると共に、ステップＳ１７に進み、前述のように活性温度に達した状態のリニア空燃比センサ３３の出力に基づいて空燃比λ＝１にフィードバック制御する。このフィードバック制御は、リニア空燃比センサ３３による出力信号と空燃比λ＝１に対応する信号とが比較され、この比較結果に基づいて目標空燃比を補正する補正量が計算されるようになっている。

また、このステップＳ１７におけるフィードバック制御は、ラムダ空燃比センサ３４の出力により補正されつつ行われる。即ち、ラムダ空燃比センサ３４による出力信号と、空燃比λ＝１に対応する信号とが比較され、この比較結果に基づいて目標空燃比を補正する補正量が計算される。具体的には、ラムダ空燃比センサ３４により測定された空燃比が理論空燃比よりもリーンであると判定された場合には、リニア空燃比センサ３３の出力によるフィードバック補正量を所定量減少させ、また、ラムダ空燃比センサ３４によりリッチであると判定された場合には、リニア空燃比センサ３３の出力によるフィードバック補正量を所定量増加させる。

そして、ステップＳ１８で、燃料噴射を水素インジェクタ１４，２４による直接噴射を実行すると共に、ステップＳ１９で、ＥＧＲ弁アクチュエータ４３に信号を出力してＥＧＲ弁３５を開作動させて、排気ガスの一部を吸気通路２に還流させる。この排気ガスの還流により、燃焼温度を低下させてＮＯｘ排出量を減少させることができる。

一方、前記ステップＳ１５で、運転状態がリーン領域にあると判定されたときは、ステップＳ２０に進み、目標空燃比をλ＝２に設定する。そして、ステップＳ２１で、リニア空燃比センサ３３の出力に基づいてλ＝２にフィードバック制御を行う。このフィードバック制御は、前記と同様に活性温度に達した状態のリニア空燃比センサ３３の出力信号を用いて行われる。

ところで、図７に示すように、水素エンジンの特性として、空燃比λ＝１．８〜２．０のリーン運転を行ったときに、ＮＯｘ排出量が略ゼロとなることがわかっている。従って、運転状態がリーン領域にあるときは、空燃比λ＝２で運転されるので、ＮＯｘ排出量が略ゼロに低減される。

さらに、ステップＳ２２で、水素インジェクタ１４，２４による直接噴射を実行すると共に、ステップＳ２３で、ＥＧＲ弁アクチュエータ４３に信号を出力して、ＥＧＲ弁３５を閉作動させる。

また、ステップＳ１５で、運転状態がハイパワーリーン領域にあると判定されたときは、ステップＳ２４で、目標空燃比を所定のリーン空燃比に設定すると共に、ステップＳ２５で、リニア空燃比センサ３３の出力に基づいて前記リーン空燃比にフィードバック制御を行う。このとき、前記と同様に活性温度に達した状態リニア空燃比センサ３３の出力信号を用いてフィードバック制御が行われる。

さらに、ステップＳ２６で、水素インジェクタ１４，２４による直接噴射及び水素インジェクタ１５，２５によるポート噴射を実行すると共に、ステップＳ２７で、ＥＧＲ弁アクチュエータ４３に信号を出力して、ＥＧＲ弁３５を閉作動させる。

以上のように、エンジン始動時には、リニア空燃比センサ３３が活性温度に達するまではヒータ３３ｂへの通電が制限される。この通電が制限されている間に、三元触媒３２との反応で昇温した排気ガスにより触媒３２の下流側に配設されたラムダ空燃比センサ３４が昇温されるため、ラムダ空燃比センサ３４は速やかに活性温度に達し、このラムダ空燃比センサ３４の出力に基づいて精度良く空燃比制御が行われる。そして、この間ヒータ３３ｂへの通電が制限されているので、第１空燃比センサ３３の素子３３ａが被水している場合であっても、素子３３ａの熱応力が不均一となることが防止され、素子割れの発生が防止される。

なお、図５のフローチャートにおいては、リニア空燃比センサ３３及びラムダ空燃比センサ３４が活性温度に達したか否かの判断を時間により行っているが、温度センサにより直接温度を検出することにより判断を行うようにしてもよい。また、リニア空燃比センサ３３が活性化するまで通電停止されるが、素子３３ａに歪が生じない程度の微小な通電を行うようにしてもよい。

また、リニア空燃比センサ３３が活性温度に達するまでの間、ラムダ空燃比センサ３４からの信号に基づいて理論空燃比にフィードバック制御が行われるので、リーン運転時に比べて排気ガスの温度が高くなる。この高温の排気ガスにより、速やかにかつまんべんなく前記リニア空燃比センサ３３の素子３３ａが昇温され、熱応力の歪の発生が抑制されつつ素子３３ａが活性温度に達することになる。そして、リニア空燃比センサ３３が活性温度に達した後に、運転状態がリーン領域若しくはハイパワーリーン領域にあるときは、該リニア空燃比センサ３３の出力に基づいて理論空燃比よりもリーンな空燃比に精度良くフィードバック制御と共に、リーン運転により燃費が改善される。

また、図７に示したように、リニア空燃比センサ３３が活性温度に達した後に、理論空燃比よりもリーンで、ＮＯｘ排出量が略ゼロとなる空燃比λ＝２にリニア空燃比センサ３３の出力に基づいてフィードバック制御するので、水素エンジン１の特性を巧く利用してＮＯｘ排出量を略ゼロに減少させることができる。

本発明は、水素エンジンの空燃比制御装置に関し、リニア空燃比センサが活性温度に達するまではヒータへの通電が制限されて、被水による素子割れが防止されると共に、この間ラムダ空燃比センサの出力により精度良く空燃比のフィードバック制御が行われるので、自動車産業に広く好適に利用可能である。

本発明の実施の形態に係る水素エンジンのシステム図である。リニア空燃比センサの回路図である。ヒータの回路図である。運転状態に応じて設定された制御マップである。エンジンコントローラによる制御を示すフローチャートである。センサが活性温度に達するまでのタイムチャートである。空燃比に応じたＮＯｘ排出量の特性図である。

符号の説明

１水素エンジン
３排気通路
３３リニア空燃比センサ
３３ｂヒータ
３３ｄヒータ通電回路
３４ラムダ空燃比センサ
１００エンジンコントローラ

Claims

水素エンジンの排気通路における触媒の上流に配設されてヒータが備えられた第１空燃比センサと、該ヒータへの通電を制御する通電制御手段と、前記第１空燃比センサの出力に基づいて空燃比制御を行う空燃比制御手段とを有する水素エンジンの空燃比制御装置であって、
前記触媒中若しくは触媒の下流に第２空燃比センサが配設され、
エンジン始動後に前記第１空燃比センサが所定の活性温度に達するまでは、前記通電制御手段はヒータへの通電を制限すると共に、前記空燃比制御手段は前記第２空燃比センサの出力に基づいて空燃比制御を行うことを特徴とする水素エンジンの空燃比制御装置。
前記請求項１に記載の水素エンジンの空燃比制御装置において、
前記第１空燃比センサは、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力するリニア空燃比センサであり、
前記第２空燃比センサは、排気ガス中の酸素濃度から空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかを判別するラムダ空燃比センサであって、
前記空燃比制御手段は、前記リニア空燃比センサが活性温度に達するまでは目標空燃比を理論空燃比に設定し、前記ラムダ空燃比センサの出力信号に基づいて空燃比を理論空燃比にフィードバック制御すると共に、前記リニア空燃比センサが活性温度に達した後は、目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に設定し、前記リニア空燃比センサの出力に基づいて空燃比を前記リーン空燃比にフィードバック制御することを特徴とする水素エンジンの空燃比制御装置。
前記請求項１に記載の水素エンジンの空燃比制御装置において、
前記空燃比制御手段は、前記第１空燃比センサが活性温度に達した後に、目標空燃比を理論空燃比よりもリーンでＮＯｘ排出量が略ゼロとなる所定の空燃比に設定し、前記第１空燃比センサの出力に基づいて前記所定の空燃比にフィードバック制御することを特徴とする水素エンジンの空燃比制御装置。