JP2007278091A - 内燃機関の制御装置及びハイブリッド車両 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の制御装置及びハイブリッド車両において、ノッキングを防止すると共に熱効率の低下を防止する。
【解決手段】吸気ポート１７にガソリン（炭化水素燃料）を噴射するガソリンインジェクタ３５を設けると共に、吸気ポート１７に水素ガスを噴射する水素インジェクタ３６を設け、エンジン１１の動弁機構を運転状態に応じて吸気弁１９を最適な開閉タイミングに制御可能な吸気可変動弁機構（ＶＶＴ）２５とし、水素インジェクタ３６による水素噴射が停止されるとき、ＥＣＵ４５が点火時期をガソリンに合わせて変更（進角）すると共に、ＶＶＴ２５により実圧縮比を予め設定された所定期間だけ低下させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化水素燃料と水素ガスとを併用する内燃機関の制御装置、並びにこの内燃機関の制御装置が適用されたハイブリッド車両に関するものである。

従来、ガソリンなど炭化水素燃料を主燃料とする内燃機関において、水素ガスを副燃料として使用するものが提案されている。この水素ガスは可燃範囲が広くて点火しやすいと共に燃焼速度が速いため、ガソリンに水素ガスを混合して燃料として使用した場合、内燃機関におけるノッキングの発生を抑制することができると共に、リーン運転領域を拡大することができ、燃費の向上や窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減による排気浄化効率の向上を図ることができる。

このような内燃機関としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された水素利用内燃機関は、エンジンの駆動状態を制御する際に、要求トルクを出力するのに要するガソリン噴射量と水素噴射量の割合を、排ガス中のＮＯｘ量が充分に少なくなる条件として予め定めた割合となるように設定し、高負荷状態のときには、水素噴射量を所定の上限値に抑えて噴射制御を行なうと共にＥＧＲを行い、このとき、ＮＯｘ量が所定値を超える場合には、ＮＯｘが充分に低減されるまでＥＧＲガス量をさらに増加させるものである。

特開２００４−１１６３９８号公報

ところで、ガソリンに水素を混合した燃料を使用するエンジンにあっては、このエンジンの運転状態に応じてガソリン噴射量に対する水素噴射量が設定されると共に、その混合割合に応じて点火時期が制御される。例えば、比較安定したエンジンの運転状態では、水素噴射を停止してガソリン噴射のみとした場合、点火時期をガソリンに合わせて進角している。ところが、ガソリン及び水素の噴射状態からガソリンのみの噴射状態に変更するとき、吸気管や燃焼室などに水素ガスが微小に残留し、この残留水素により過進角状態となり、ノッキングが発生してしまうおそれがある。なお、ノッキングの発生を防止するために、ガソリン及び水素の噴射状態からガソリンのみの噴射状態に変更するとき、点火時期の進角時期を遅らせると、最適な点火時期からずれることから熱効率が大幅に低下してしまうという問題がある。

また、ガソリンのみの噴射状態からガソリン及び水素の噴射状態に変更するとき、水素の燃焼室への輸送遅れにより過遅角状態となり、最適な点火時期からずれることから熱効率が大幅に低下してしまう。なお、熱効率の低下を防止するために、ガソリンのみの噴射状態からガソリン及び水素の噴射状態に変更するとき、点火時期の遅角時期を遅らせると、ノッキングが発生してしまうおそれがある。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、ノッキングを抑制すると共に熱効率の悪化を防止した内燃機関の制御装置及びハイブリッド車両を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内燃機関の制御装置は、燃焼室に炭化水素燃料を供給する炭化水素燃料供給手段と、前記燃焼室に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、点火時期を変更する点火時期変更手段と、実圧縮比を変更する圧縮比変更手段とを具え、前記水素ガス供給手段による前記燃焼室への水素ガスの供給が停止されるときに、前記点火時期変更手段により点火時期を炭化水素燃料に合わせて変更すると共に、前記圧縮比変更手段により実圧縮比を予め設定された所定期間だけ低下させることを特徴とするものである。

また、本発明の内燃機関の制御装置は、燃焼室に炭化水素燃料を供給する炭化水素燃料供給手段と、前記燃焼室に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、点火時期を変更する点火時期変更手段と、実圧縮比を変更する圧縮比変更手段とを具え、前記水素ガス供給手段による前記燃焼室への水素ガスの供給が開始されるときに、この水素ガスの供給から予め設定された所定期間が経過した後に前記点火時期変更手段により点火時期を水素ガスに合わせて変更すると共に、前記所定期間の間前記圧縮比変更手段により実圧縮比を低下させることを特徴とするものである。

そして、本発明のハイブリッド車両は、内燃機関の制御装置が適用された該内燃機関と電気モータのトルクを車輪に伝達することで走行可能とするハイブリッド車両において、前記圧縮比変更手段により実圧縮比が予め設定された所定期間だけ低下したとき、前記内燃機関による駆動トルクの低下分を前記電気モータによりアシストすることを特徴とするものである。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、炭化水素燃料供給手段と水素ガス供給手段と点火時期変更手段と圧縮比変更手段を設け、水素ガス供給手段による燃焼室への水素ガスの供給が停止されるとき、点火時期変更手段により点火時期を炭化水素燃料に合わせて変更すると共に、圧縮比変更手段により実圧縮比を予め設定された所定期間だけ低下させるようにしたので、燃焼室への水素ガスの供給停止指令があったときには、炭化水素燃料に合わせて点火時期を変更することで、熱効率の悪下を防止することができ、また、このとき、実圧縮比を低下させて所定期間だけ低実圧縮比状態で運転することで、残留水素によるノッキングの発生を抑制することができる。

また、本発明の内燃機関の制御装置によれば、炭化水素燃料供給手段と水素ガス供給手段と点火時期変更手段と圧縮比変更手段を設け、水素ガス供給手段による燃焼室への水素ガスの供給が開始されるとき、水素ガスの供給から所定期間の経過後に点火時期変更手段により点火時期を水素ガスに合わせて変更すると共に、この所定期間の間だけ圧縮比変更手段により実圧縮比を低下させるようにしたので、燃焼室への水素ガスの供給開始指令があったときには、所定期間の経過後に水素ガスに合わせて点火時期を変更することで、熱効率の悪下を防止することができ、また、この所定期間の間だけ、実圧縮比を低下させて所定期間だけ低実圧縮比状態で運転することで、水素の輸送遅れによるノッキングの発生を抑制することができる。

そして、本発明の内燃機関の制御装置が適用されたハイブリッド車両によれば、燃焼室への水素ガスの供給が停止される指令が出たり、燃焼室への水素ガスの供給が開始される指令が出たりして実圧縮比が所定期間だけ低下したとき、内燃機関による駆動トルクの低下分を電気モータによりアシストするようにしたので、実圧縮比が低下している間、駆動トルクの低下分が電気モータにより補充されることとなり、車両性能の低下を抑制してドライバビリティを向上することができる。

以下に、本発明にかかる内燃機関の制御装置及びハイブリッド車両の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関の制御装置を表す概略構成図、図２は、実施例１の内燃機関の制御装置における水素添加停止時の制御を表すフローチャート、図３は、実施例１の内燃機関の制御装置における水素添加開始時の制御を表すフローチャート、図４は、実施例１の内燃機関の制御装置による燃料噴射制御を表すタイムチャート、図５は、実施例１の内燃機関の制御装置による水素添加停止時における燃料噴射制御を表すタイムチャートである。

実施例１の内燃機関の制御装置において、図１に示すように、内燃機関としてのエンジン１１は、火花点火式のガソリン・水素多気筒エンジンである。このエンジン１１において、シリンダブロック１２上にシリンダヘッド１３が締結されており、このシリンダブロック１２に形成された複数のシリンダボア１４にピストン１５がそれぞれ上下移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１２の下部に図示しないクランクシャフトが回転自在に支持されており、各ピストン１５はコネクティングロッドを介してこのクランクシャフトにそれぞれ連結されている。

燃焼室１６は、シリンダボア１４の内壁面と、シリンダヘッド１３の下面と、ピストン１５の頂面とにより囲繞されて構成されており、天井部（シリンダヘッド１３の下面）の中央部が高くなるように傾斜したペントルーフ形状をなしている。そして、この燃焼室１６の両側には吸気ポート１７及び排気ポート１８が開口しており、この吸気ポート１７及び排気ポート１８に対して吸気弁１９及び排気弁２０の下端部が位置している。この吸気弁１９及び排気弁２０は、シリンダヘッド１３に軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、吸気ポート１７及び排気ポート１８を閉止する方向に付勢支持されている。また、シリンダヘッド１３には、吸気カムシャフト２１及び排気カムシャフト２２が回転自在に支持されており、吸気カム２３及び排気カム２４が図示しないローラロッカアームを介して吸気弁１９及び排気弁２０の上端部に接触している。

従って、エンジン１１に同期して吸気カムシャフト２１及び排気カムシャフト２２が回転すると、吸気カム２３及び排気カム２４がローラロッカアームを作動させ、吸気弁１９及び排気弁２０が所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート１７及び排気ポート１８を開閉し、吸気ポート１７と燃焼室１６、燃焼室１６と排気ポート１８とをそれぞれ連通することができる。

また、このエンジン１１の動弁機構は、運転状態に応じて吸気弁１９を最適な開閉タイミングに制御する吸気可変動弁機構（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）２５となっている。この吸気可変動弁機構２５は、例えば、吸気カムシャフト２１の軸端部にＶＶＴコントローラが設けられて構成され、油圧ポンプ（または、電動モータ）によりカムスプロケットに対するカムシャフト２１の位相を変更することで、吸気弁１９の開放期間を一定としてその開放時期及び閉止時期を進角または遅角することができる。また、この吸気変動弁機構２５は、吸気弁１９の開放期間を変更することで、その開閉時期を進角または遅角することができる。また、吸気カムシャフト２１には、その回転位相を検出するカムポジションセンサ２６が設けられている。

吸気ポート１７には、インテークマニホールドを介して吸気管２７が連結されており、この吸気管２７の空気取入口にはエアクリーナ２８が取付けられている。そして、このエアクリーナ２８の下流側にはスロットル弁２９を有する電子スロットル装置３０が設けられている。一方、排気ポート１８には、エギゾーストマニホールドを介して排気管３１が連結されており、この排気管３１には排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質を浄化処理する触媒装置３２が装着されている。また、このエンジン１１には過給機３３が設けられており、この過給機３３は、吸気管２７に設けられたコンプレッサと排気管３１に設けられたタービンが同軸上に連結されて構成されており、吸気管２７にインタクーラ３４が設けられている。

シリンダヘッド１３には、吸気ポート１７に炭化水素燃料としてのガソリンを噴射するガソリンインジェクタ（炭化水素燃料供給手段）３５が装着されると共に、吸気ポート１７に水素ガスを噴射する水素インジェクタ（水素ガス供給手段）３６が装着されている。そして、ガソリンインジェクタ３５にはデリバリパイプ３７が連結され、このデリバリパイプ３７はレギュレータ（流量調整弁）３８及び燃料ポンプ３９を介してガソリンタンク４０に連結されている。また、水素インジェクタ３６にはデリバリパイプ４１が連結され、このデリバリパイプ４１はレギュレータ（流量調整弁）４２を介して水素タンク４３に連結されている。また、シリンダヘッド１３には、燃焼室１６の上方に位置して点火プラグ４４が装着されている。

従って、燃料ポンプ３９を駆動してレギュレータ３８により流量調整されたガソリンがガソリンタンク４０からデリバリパイプ３７を通してガソリンインジェクタ３５に送られ、このガソリンインジェクタ３５を所定期間開放することで、所定量のガソリンを吸気ポート１７に噴射し、吸気弁１９の開放時にガソリン噴霧を燃焼室１６に供給することができる。一方、レギュレータ４２により流量調整された水素ガスが水素タンク４３からデリバリパイプ４１を通して水素インジェクタ３６に送られ、この水素インジェクタ３６を所定期間開放することで、所定量の水素ガスを吸気ポート１７に噴射し、吸気弁１９の開放時に水素ガスを燃焼室１６に供給することができる。即ち、各レギュレータ３８，４２によりデリバリパイプ３７，４１におけるガソリン圧及び水素ガス圧を所定値に維持し、所定の噴射圧を確保できるようにしている。

なお、同時期に、ガソリンインジェクタ３５がガソリンを噴射すると共に、水素インジェクタ３６が水素ガスを噴射すると、空気とガソリンと水素ガスとが最適な混合状態となって燃焼室１６に流入することとなる。そして、燃焼室１６に流入した混合気は最適な混合であるため、水素ガスが燃焼室１６の全域にわたって均一に分布することとなり、適正に点火することができると共に、燃焼が促進され、また、未燃ガスの排出量を減少することができる。

ところで、車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）４５が搭載されており、このＥＣＵ４５は、各インジェクタ３５，３６や点火プラグ４４などを制御可能となっている。即ち、吸気管２７の上流側にはエアフローセンサ４６が装着されており、計測した吸入空気量をＥＣＵ４５に出力している。また、電子スロットル装置３０は、スロットルポジションセンサ（図示略）を内蔵しており、現在のスロットル開度をＥＣＵ４５に出力している。更に、クランク角センサ４７は、検出した各気筒のクランク角度をＥＣＵ４５に出力し、このＥＣＵ４５は検出したクランク角度に基いて各気筒における吸気、圧縮、膨張（爆発）、排気の各行程を判別すると共に、エンジン回転数を算出している。従って、ＥＣＵ４５は、検出した吸入空気量、スロットル開度(または、アクセル開度)、エンジン回転数などのエンジン運転状態に基づいて、燃料噴射量、噴射時期、点火時期（進角量及び遅角量）などを決定しており、点火時期を変更する本発明の点火時期変更手段は、ＥＣＵ４５によって構成されている。

また、ＥＣＵ４５は、エンジン運転状態に基づいて吸気可変動弁機構２５を制御可能となっている。即ち、低温時、エンジン始動時、アイドル運転時や軽負荷時には、排気弁２０の閉止時期と吸気弁１９の開放時期とのオーバーラップをなくすことで、排気ガスが吸気ポート１７または燃焼室１６に吹き返される量を少なくし、燃焼安定及び燃費向上を可能とする。また、中負荷時には、このオーバーラップを大きくすることで、内部ＥＧＲ率を高めて排ガス浄化効率を向上させると共に、ポンピングロスを低減して燃費向上を可能とする。更に、高負荷低中回転時には、吸気弁１９の閉止時期を進角することで、吸気が吸気ポート１７に吹き返す量を少なくし、体積効率を向上させる。そして、高負荷高回転時には、吸気弁１９の閉止時期を回転数にあわせて遅角することで、吸入空気の慣性力に合わせたタイミングとし、体積効率を向上させる。

そして、本実施例では、燃料としてガソリンと水素ガスを使用しており、水素ガスはガソリンに比べて燃焼速度が速いため、燃焼室１６へ供給する燃料において、ガソリンに対する水素ガスの添加割合に応じて点火時期を制御している。即ち、ＥＣＵ４５は、エンジン運転状態に基づいて、ガソリン噴射量及び水素ガス噴射量を設定し、水素ガスの点火割合（発熱量ベース）が増加するのに伴って燃焼が速くなるので、点火時期を遅角させるように制御している。

この場合、ガソリン及び水素ガスを噴射する運転状態からガソリンのみを噴射する運転状態に変更されたとき、点火時期が進角側に変更されるが、吸気管２７や燃焼室１６などに水素ガスが残留していることがあり、この場合、過進角状態となってノッキングが発生しやすい。一方、ガソリンのみを噴射する運転状態からガソリン及び水素ガスを噴射する運転状態に変更されたとき、点火時期が遅角側に変更されるが、燃焼室１６への水素ガスの輸送遅れが発生すると、過遅角状態となって最適な点火時期からずれて熱効率が大幅に低下してしまうおそれがある。

そこで、本実施例では、水素インジェクタ３６による水素ガスの噴射が停止されるとき、点火プラグ４４による点火時期をガソリンに合わせて変更（進角）すると共に、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで実圧縮比を予め設定された所定期間だけ低下させるようにしている。そのため、実圧縮比を低下させた後に点火時期を進角した後にガソリンに合わせて変更することで、吸気ポート１７などに残留した水素ガスが燃焼室１６に流入しても、ノッキングの発生が抑制される。また、水素インジェクタ３６による水素ガスの噴射が開始されるとき、この水素ガスの噴射開始から予め設定された所定期間が経過した後に、点火プラグ４４による点火時期を水素ガスの添加量に合わせて変更（遅角）すると共に、この所定期間の間だけ吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで実圧縮比を低下させるようにしている。そのため、点火時期を遅角した後に実圧縮比を低下させることで、燃焼室１６への水素ガスの輸送遅れが発生しても、ノッキングの発生が抑制される。この場合、実圧縮比を変更する本発明の圧縮比変更手段は、吸気可変動弁機構２５により構成されている。

以下、ガソリン及び水素ガスを噴射する運転状態からガソリンのみを噴射する運転状態に変更されたときの制御について、図２のフローチャートを用いて詳細に説明する。図２に示すように、ステップＳ１１にて、ＥＣＵ４５は、エンジン運転状態に基づいて水素ガス添加停止領域にあるかどうかを判定する。この場合、例えば、エンジン運転状態に応じた水素ガス添加停止領域を表すマップを設定し、このマップを用いて判定すればよく、エンジン低回転高負荷域、エンジン冷却水温が高いとき、外気温度が高いてきに、ノッキングの発生を抑制するため、ガソリンに水素ガスを添加するようにしており、それ以外の領域が水素ガス添加停止領域である。

そして、このステップＳ１１で、現在のエンジン運転状態が水素ガス添加停止領域にあると判定されたら、ステップＳ１２にて、水素添加停止フラグＦ₁＝１と設定し、ステップＳ１１で、現在のエンジン運転状態が水素ガス添加停止領域にないと判定されたら、ステップＳ１３にて、水素添加停止フラグＦ₁＝０と設定する。ステップＳ１４では、水素添加停止フラグＦ₁が０から１に切換えられたかどうかを判定する。ここで、水素添加停止フラグＦ₁が０から１に切換えられていなければ、何もしないでこのルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ１４で、水素添加停止フラグＦ₁が０から１に切換えられたと判定されたら、まず、ステップＳ１５にて、吸気可変動弁機構（ＶＶＴ）２５により吸気弁１９の閉じ時期を所定時期まで遅角し、実圧縮比を低下させる。次に、ステップＳ１６にて、点火プラグ４４による点火時期を炭化水素燃料（ガソリン）に合わせて設定（進角側に補正）する。そして、ステップＳ１７にて、水素ガス添加停止制御を実行、つまり、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射を停止する。従って、水素ガスの添加停止指令があると、点火時期を進角することで、熱効率の悪化が防止されると共に、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅角して実圧縮比を低下させることで、吸気ポート１７などに残留した水素ガスが燃焼室１６に流入しても、ノッキングの発生が抑制される。

ステップＳ１８では、水素ガス添加停止制御が所定期間経過したかどうか、つまり、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射の停止から所定期間（所定サイクル数、または、所定時間）が経過したかどうかを判定する。ここで、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射の停止から所定期間が経過したら、ステップＳ１９にて、吸気可変動弁機構２５による吸気弁１９の閉じ時期の遅角を解除し、この吸気弁１９の閉じ時期を元に戻して実圧縮比をエンジン運転状態に応じたものとする。

ここで、上述した水素ガスの噴射停止制御について、図４及び図５のタイムチャートを用いて説明する。ガソリン及び水素ガスを噴射する場合、図４に示すように、ほぼ同時期にガソリンと水素ガスを吸気ポート１７に噴射し、吸気弁１９が移動して吸気ポート１７を所定期間開放することで、吸気ポート１７で混合された空気とガソリンと水素ガスの混合気が燃焼室１６に吸入される。そして、ピストン１４が上昇して混合気が圧縮され、圧縮上死点（ＴＤＣ）手前で圧縮混合気に点火されることで燃焼する。一方、水素ガスの噴射が停止され、ガソリンのみの噴射に変更された場合、図５に示すように、ガソリンを吸気ポート１７に噴射し、吸気弁１９が移動して吸気ポート１７を所定期間開放することで、吸気ポート１７で気化された空気とガソリンの混合気が燃焼室１６に吸入される。そして、ピストン１４が上昇して混合気が圧縮されるが、吸気可変動弁機構２５による吸気弁１９の閉じ時期が遅角されるために実圧縮比が低下し、また、圧縮上死点（ＴＤＣ）手前で圧縮混合気に点火されるが、この点火時期が進角されるため、熱効率の悪化が防止されると共に、ノッキングの発生が抑制される。

また、ガソリンのみを噴射する運転状態からガソリン及び水素ガスを噴射する運転状態に変更されたときの制御について、図３のフローチャートを用いて詳細に説明する。図３に示すように、ステップＳ２１にて、ＥＣＵ４５は、エンジン運転状態に基づいて水素ガス添加領域にあるかどうかを判定する。この場合、例えば、エンジン運転状態に応じた水素ガス添加領域を表すマップを設定し、このマップを用いて判定すればよい。

そして、このステップＳ２１で、現在のエンジン運転状態が水素ガス添加領域にあると判定されたら、ステップＳ２２にて、水素添加フラグＦ₂＝１と設定し、ステップＳ２１で、現在のエンジン運転状態が水素ガス添加領域にないと判定されたら、ステップＳ２３にて、水素添加フラグＦ₂＝０と設定する。ステップＳ２４では、水素添加フラグＦ₂が０から１に切換えられたかどうかを判定する。ここで、水素添加フラグＦ₂が０から１に切換えられていないと判定されれば、何もしないでこのルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ２４で、水素添加停止フラグＦ₂が０から１に切換えられたと判定されたら、まず、ステップＳ２５にて、吸気可変動弁機構（ＶＶＴ）２５により吸気弁１９の閉じ時期を所定時期まで遅角し、実圧縮比を低下させる。次に、ステップＳ２６にて、水素ガス添加制御を実行、つまり、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射を開始する。ステップＳ２７では、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射の開始から所定期間（所定サイクル数、または、所定時間）が経過したかどうかを判定する。ここで、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射の開始から所定期間が経過したら、ステップＳ２８にて、点火プラグ４４による点火時期を水素ガスの添加量に合わせて設定（遅角側に補正）する。従って、水素ガスの添加開始指令があると、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅角して実圧縮比を低下させることで、燃焼室１６への水素ガスの輸送遅れが発生しても、ノッキングの発生が抑制されると共に、点火時期を遅角することで熱効率の悪化が防止される。

その後、ステップＳ２９にて、吸気可変動弁機構２５による吸気弁１９の閉じ時期の遅角を解除し、この吸気弁１９の閉じ時期を元に戻して実圧縮比をエンジン運転状態に応じたものとする。

このように実施例１の内燃機関の制御装置にあっては、吸気ポート１７にガソリン（炭化水素燃料）を噴射するガソリンインジェクタ３５を設けると共に、吸気ポート１７に水素ガスを噴射する水素インジェクタ３６を設け、エンジン１１の動弁機構を運転状態に応じて吸気弁１９を最適な開閉タイミングに制御可能な吸気可変動弁機構（ＶＶＴ）２５とし、水素インジェクタ３６による水素噴射が停止されるとき、ＥＣＵ４５が点火時期をガソリンに合わせて変更（進角）すると共に、ＶＶＴ２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせて実圧縮比を予め設定された所定期間だけ低下させるようにする。

従って、燃焼室１６への水素ガスの供給停止指令があったときには、ガソリンに合わせて点火時期を進角することで、熱効率の悪下を防止することができ、また、このとき、ＶＶＴ２５により実圧縮比を低下させて所定期間だけ低実圧縮比状態で運転することで、残留水素によるノッキングの発生を抑制することができる。

また、水素インジェクタ３６による水素噴射が開始されるとき、ＥＣＵ４５が水素の噴射開始から所定期間が経過した後に点火時期を水素ガスの添加量に合わせて変更（遅角）すると共に、この所定期間の間だけＶＶＴ２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせて実圧縮比を低下させるようにする。従って、燃焼室１６への水素ガスの供給開始指令があったときには、所定期間が経過した後に水素ガスの添加量に合わせて点火時期を遅角することで、熱効率の悪下を防止することができ、また、所定期間の間だけ、実圧縮比を低下させて所定期間だけ低実圧縮比状態で運転することで、水素の輸送遅れによるノッキングの発生を抑制することができる。

図６は、本発明の実施例２に係る内燃機関の制御装置をハイブリッド車両に適用した概略構成図、図７は、実施例２の内燃機関の制御装置における水素添加停止時の制御を表すフローチャート、図８は、実施例２の内燃機関の制御装置における水素添加開始時の制御を表すフローチャートである。なお、本実施例の内燃機関の制御装置における全体構成は、上述した実施例１とほぼ同様であり、図１を用いて説明すると共に、この実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例２の内燃機関の制御装置を適用したハイブリッド車両において、図６に示すように、車両には、動力源として、上述した実施例１と同様のエンジン１１と電気モータ（モータジェネレータ）５１が搭載されており、また、エンジン１１の出力を受けて発電を行う発電機（モータジェネレータ）５２も搭載されている。これらのエンジン１１と電気モータ５１と発電機５２は、動力分割機構５３によって接続されている。この動力分割機構５３は、エンジン１１の出力を発電機５２と駆動輪５４とに振り分けると共に、電気モータ５１からの出力を駆動輪５４に伝達したり、減速機５５及び駆動軸５６を介して駆動輪５４に伝達される駆動力に関する変速機として機能する。

電気モータ５１は交流同期電動機であり、交流電力によって駆動する。インバータ５７は、バッテリ５８に蓄えられた電力を直流から交流に変換して電気モータ５１に供給すると共に、発電機５２によって発電される電力を交流から直流に変換してバッテリ５８に蓄えるためのものである。発電機５２も、基本的には上述した電気モータ５１とほぼ同様の構成を有しており、交流同期電動機としての構成を有している。この場合、電気モータ５１が主として駆動力を出力するのに対し、発電機５２は主としてエンジン１１の出力を受けて発電するものである。

また、電気モータ５１は主として駆動力を発生させるが、駆動輪５４の回転を利用して発電（回生発電）することもでき、発電機として機能することも可能である。このとき、駆動輪５４には回生ブレーキが作用するので、これをフットブレーキやエンジンブレーキと併用することにより、車両を制動させることができる。一方、発電機５２は主としてエンジン１１の出力を受けて発電をするが、インバータ５７を介してバッテリ５８の電力を受けて駆動する電動機としても機能することができる。

エンジン１１のクランクシャフト５９には、上述したクランク角センサ４７が設けられており、このクランク角センサ４７はエンジンＥＣＵ４５に接続され、検出結果を出力している。また、電気モータ５１及び発電機５２の各駆動軸６０，６１には、それぞれの回転位置及び回転数を検出する回転数センサ６２，６３が設けられている。各回転数センサ６２，６３はそれぞれモータＥＣＵ６４に接続され、検出結果を出力している。

上述した動力分割機構５３は、プラネタリギヤユニットにより構成されている。即ち、この動力分割機構５３は、図示しないが、サンギヤと、このサンギヤの周囲に配置されたプラネタリギヤと、このプラネタリギヤのさらに外周に配置されたリングギヤと、プラネタリギヤを保持するギヤキャリアとから構成されている。そして、エンジン１１のクランクシャフト５９が中心軸を介してギヤキャリアに結合されており、エンジン１１の出力は動力分割機構５３、つまり、プラネタリギヤユニットのギヤキャリアに入力される。また、電気モータ５１は内部にステータとロータを有しており、このロータがリングギヤに結合され、ロータ及びリングギヤは減速機５５に結合されている。この減速機５５は、電気モータ５１から動力分割機構５３のリングギヤに入力された出力を駆動軸５６に伝達するものであり、電気モータ５１は駆動軸５６と常時接続された状態となっている。

また、発電機５２は電気モータ５１と同様に、内部にステータとロータを有しており、このロータがサンギヤに結合されている。つまり、エンジン１１の出力は、動力分割機構５３、つまり、プラネタリギヤユニットで分割され、サンギヤを介して発電機５２のロータに入力される。また、エンジン１１の出力は、動力分割機構５３で分割され、リングギヤなどを介して駆動軸５６にも伝達可能となっている。

そして、発電機５２の発電量を制御してサンギヤの回転を制御することにより、動力分割機構５３全体を無断変速機として用いることができる。即ち、エンジン１１または電気モータ５１の出力は、動力分割機構５３によって変速された後に駆動軸５６に出力される。また、発電機５２の発電量（モータとして機能する場合は電力消費量）を制御してエンジン１１の回転数を制御することもできる。なお、電気モータ５１、発電機５２の回転数を制御する場合は、回転センサ６２，６３の出力を参照してモータＥＣＵ６４がインバータ５７を制御することにより行われることとなり、これによりエンジン１１の回転数も制御可能である。

上述した各種制御は、複数の電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって制御される。ハイブリッド車両として特徴的なエンジン１１による駆動と電気モータ５１及び発電機５２による駆動とは、メインＥＣＵ６５によって総合的に制御される。即ち、メインＥＣＵ６５によりエンジン１１の出力と電気モータ５１及び発電機５２による出力の配分が決定され、エンジン１１、電気モータ５１及び発電機５２を制御すべく、各制御指令がエンジンＥＣＵ４５及びモータＥＣＵ６４に出力される。

また、エンジンＥＣＵ４５及びモータＥＣＵ６４は、エンジン１１、電気モータ５１及び発電機５２の情報をメインＥＣＵ６５にも出力している。このメインＥＣＵ６５には、バッテリ５８を制御するバッテリＥＣＵ６６やブレーキを制御するブレーキＥＣＵ６７にも接続されている。このバッテリＥＣＵ６６はバッテリ５８の充電状態を監視し、充電量が不足した場合には、メインＥＣＵ６５に対して充電要求指令を出力する。充電要求を受けたメインＥＣＵ６５はバッテリ５８に充電をするように発電機５２を発電させる制御を行う。ブレーキＥＣＵ６７は車両の制動を司っており、メインＥＣＵ６５と共に電気モータ５１による回生ブレーキを制御する。

本実施例のハイブリッド車両は、上述したように構成されているので、ハイブリッド車両を運行している間に車両全体で要求される必要出力をエンジン１１と電気モータ５１（発電機５２）とに配分することにより、エンジン１１の運転状態を所望の運転状態に制御しつつ、車両全体で要求される出力をも満たすことが可能となっている。

このように構成されたハイブリッド車両にて、本実施例では、エンジン１１がガソリンと水素ガスを使用しているため、エンジンＥＣＵ４５は、エンジン運転状態に基づいて、ガソリン噴射量及び水素ガス噴射量を設定し、水素ガス噴射量が増加するのに伴って点火時期を遅角させるように制御している。

この場合、図１に示すように、水素インジェクタ３６による水素ガスの噴射が停止されるとき、点火プラグ４４による点火時期をガソリンに合わせて進角すると共に、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで実圧縮比を予め設定された所定期間だけ低下させるようにしている。即ち、点火時期を進角すると共に実圧縮比を低下させることで、吸気ポート１７などに残留した水素ガスが燃焼室１６に流入しても、ノッキングの発生が抑制される。また、水素インジェクタ３６による水素ガスの噴射が開始されるとき、この水素ガスの噴射開始から予め設定された所定期間が経過した後に、点火プラグ４４による点火時期を水素ガスの添加量に合わせて遅角すると共に、この所定期間の間だけ吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで実圧縮比を低下させるようにしている。即ち、点火時期を遅角した後に実圧縮比を低下させることで、燃焼室１６への水素ガスの輸送遅れが発生しても、ノッキングの発生が抑制される。

ところが、水素インジェクタ３６による水素ガスの噴射が停止または開始されるとき、点火プラグ４４による点火時期をガソリンまたは水素ガスの添加量に合わせて変更すると共に、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせると、燃焼室１６内に一度吸入された空気（混合気）がピストン１４の上昇により吸気ポート１７に戻されてしまい、燃焼に使用される空気（燃料）量が減少し、エンジン駆動トルクが低下してしまう。また、ハイブリッド車両では、高負荷運転時にこの点が大きな課題となる。

そこで、本実施例では、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで、実圧縮比が低下した所定期間だけ、エンジン１１による駆動トルクの低下分を電気モータ５１によりアシストするようにしている。一般に、運転者のアクセル開度に基づいてハイブリッド車両全体での要求出力が設定され、この要求出力をエンジン１１と電気モータ５１とで分配するが、エンジン１１にて、水素インジェクタ３６による水素ガスの噴射が停止または開始される指令が出力されたときは、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで減少したエンジン駆動トルクを考慮して、要求出力に対するエンジン出力とモータ出力を設定する。

以下、本実施例のハイブリッド車両において、ガソリン及び水素ガスを噴射する運転状態からガソリンのみを噴射する運転状態に変更されたときの制御について、図８のフローチャートを用いて詳細に説明する。図７に示すように、ステップＳ５１にて、エンジンＥＣＵ４５は、エンジン運転状態に基づいて水素ガス添加停止領域にあるかどうかを判定する。このステップＳ５１で、現在のエンジン運転状態が水素ガス添加停止領域にあると判定されたら、ステップＳ５２にて、水素添加停止フラグＦ₁＝１と設定し、ステップＳ５１で、現在のエンジン運転状態が水素ガス添加停止領域にないと判定されたら、ステップＳ５３にて、水素添加停止フラグＦ₁＝０と設定する。

ステップＳ５４では、水素添加停止フラグＦ₁が０から１に切換えられたかどうかを判定する。ここで、水素添加停止フラグＦ₁が０から１に切換えられていなければ、何もしないでこのルーチンを抜ける。一方、ステップＳ５４で、水素添加停止フラグＦ₁が０から１に切換えられていると判定されたら、まず、ステップＳ５５にて、吸気可変動弁機構（ＶＶＴ）２５により吸気弁１９の閉じ時期を所定時期まで遅角し、実圧縮比を低下させる。次に、ステップＳ５６にて、点火プラグ４４による点火時期をガソリンに合わせて進角側に補正する。そして、ステップＳ５７では、水素ガス添加停止制御を実行、つまり、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射を停止する。続いて、ステップＳ５８にて、ハイブリッド車両の電気モータ５１によるトルクアシスト制御を実行する。即ち、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで減少したエンジン駆動トルクを算出し、基準モータ出力にこのエンジン駆動トルクの低下分を加算してモータ出力を設定する。

従って、水素ガスの添加停止指令があると、点火時期を進角することで、熱効率の悪化が防止されると共に、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅角して実圧縮比を低下させることで、吸気ポート１７などに残留した水素ガスが燃焼室１６に流入しても、ノッキングの発生が抑制される。また、吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで減少したエンジン駆動トルクを電気モータ５１がアシストするため、特に、ハイブリッド車両が高負荷走行状態にあるとき、走行性能の低下が防止される。

ステップＳ５９では、水素ガス添加停止制御が所定期間経過したかどうか、つまり、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射の停止から所定期間（所定サイクル数、または、所定時間）が経過したかどうかを判定する。ここで、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射の停止から所定期間が経過したら、ステップＳ６０にて、吸気可変動弁機構２５による吸気弁１９の閉じ時期の遅角を解除し、この吸気弁１９の閉じ時期を元に戻して実圧縮比をエンジン運転状態に応じたものとする。

また、ガソリンのみを噴射する運転状態からガソリン及び水素ガスを噴射する運転状態に変更されたときの制御について、図８のフローチャートを用いて詳細に説明する。図８に示すように、ステップＳ７１にて、エンジンＥＣＵ４５は、エンジン運転状態に基づいて水素ガス添加領域にあるかどうかを判定する。そして、このステップＳ７１で、現在のエンジン運転状態が水素ガス添加領域にあると判定されたら、ステップＳ７２にて、水素添加フラグＦ₂＝１と設定し、ステップＳ７１で、現在のエンジン運転状態が水素ガス添加領域にないと判定されたら、ステップＳ７３にて、水素添加フラグＦ₂＝０と設定する。

ステップＳ７４では、水素添加フラグＦ₂が０から１に切換えられたかどうかを判定する。ここで、水素添加フラグＦ₂が０から１に切換えられていないと判定されれば、何もしないでこのルーチンを抜ける。一方、ステップＳ７４で、水素添加停止フラグＦ₂が０から１に切換えられたと判定されたら、ステップＳ７５にて、吸気可変動弁機構（ＶＶＴ）２５により吸気弁１９の閉じ時期を所定時期まで遅角し、実圧縮比を低下させる。そして、ステップＳ７６にて、水素ガス添加制御を実行、つまり、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射を開始する。続いて、ステップＳ７７では、ハイブリッド車両の電気モータ５１によるトルクアシスト制御を実行する。即ち、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで減少したエンジン駆動トルクを算出し、基準モータ出力にこのエンジン駆動トルクの低下分を加算してモータ出力を設定する。

ステップＳ７８では、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射の開始から所定期間（所定サイクル数、または、所定時間）が経過したかどうかを判定する。ここで、水素インジェクタ３６による水素ガス噴射の開始から所定期間が経過したら、ステップＳ７９にて、点火プラグ４４による点火時期を水素ガスの添加量に合わせて遅角側に補正する。従って、水素ガスの添加開始指令があると、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅角して実圧縮比を低下させることで、燃焼室１６への水素ガスの輸送遅れが発生しても、ノッキングの発生が抑制されると共に、水素ガスの噴射開始から所定期間が経過した後に点火時期を遅角することで、熱効率の悪化が防止される。また、吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで減少したエンジン駆動トルクを電気モータ５１がアシストするため、特に、ハイブリッド車両が高負荷走行状態にあるとき、走行性能の低下が防止される。

その後、ステップＳ８０にて、吸気可変動弁機構２５による吸気弁１９の閉じ時期の遅角を解除し、この吸気弁１９の閉じ時期を元に戻して実圧縮比をエンジン運転状態に応じたものとする。

このように実施例２の内燃機関の制御装置にあっては、エンジン１１と電気モータ５１と発電機５２を搭載したハイブリッド車両のエンジン１１にて、吸気ポート１７にガソリンを噴射するガソリンインジェクタ３５と、吸気ポート１７に水素ガスを噴射する水素インジェクタ３６とを設け、水素インジェクタ３６による水素噴射が停止、または開始されるとき、エンジンＥＣＵ４５は、点火時期をガソリンまたは水素ガス添加量に合わせて所定期間が経過した後に変更（進角または遅角）すると共に、ＶＶＴ２５により吸気弁１９の閉じ時期を遅らせて実圧縮比を予め設定された所定期間だけ低下させ、且つ、吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで低下したエンジン駆動トルクの低下分を電気モータ５１によりアシストするようにしている。

従って、燃焼室１６への水素ガスの供給停止指令または開始指令があったときには、ガソリンまたは水素ガス添加量に合わせて点火時期を変更することで、熱効率の悪下を防止することができ、また、このとき、ＶＶＴ２５により実圧縮比を低下させて所定期間だけ低実圧縮比状態で運転することで、ノッキングの発生を抑制することができ、更に、吸気弁１９の閉じ時期を遅らせることで減少したエンジン駆動トルクを電気モータ５１がアシストするため、ハイブリッド車両の走行性能の低下を防止してドライバビリティを向上することができる。

なお、上述した各実施例では、炭化水素燃料としてガソリンを適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、各実施例にて、圧縮比変更手段を吸気可変動弁機構２５としたが、燃焼室１６の体積を変更できるような機構としても良い。更に、各実施例では、ガソリンインジェクタ３５及び水素インジェクタ３６が吸気ポート１７へガソリン及び水素ガスを噴射するものとしたが、燃焼室１６に直接噴射するものとしても良い。

以上のように、本発明に係る内燃機関の制御装置及びハイブリッド車両は、水素ガスの輸送遅れの起因するノッキングを防止するものであり、いずれの内燃機関及びハイブリッド車両にも有用である。

本発明の実施例１に係る内燃機関の制御装置を表す概略構成図である。 実施例１の内燃機関の制御装置における水素添加停止時の制御を表すフローチャートである。 実施例１の内燃機関の制御装置における水素添加開始時の制御を表すフローチャートである。 実施例１の内燃機関の制御装置による燃料噴射制御を表すタイムチャートである。 実施例１の内燃機関の制御装置による水素添加停止時における燃料噴射制御を表すタイムチャートである。 本発明の実施例２に係る内燃機関の制御装置をハイブリッド車両に適用した概略構成図である。 実施例２の内燃機関の制御装置における水素添加停止時の制御を表すフローチャートである。 実施例２の内燃機関の制御装置における水素添加開始時の制御を表すフローチャートである。

符号の説明

１１ エンジン（内燃機関）
１６ 燃焼室
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
１９ 吸気弁
２０ 排気弁
２５ 吸気可変動弁機構（圧縮比変更手段）
２７ 吸気管
３５ ガソリンインジェクタ（炭化水素供給手段）
３６ 水素インジェクタ（水素ガス供給手段）
４４ 点火プラグ
４５ ＥＣＵ エンジンＥＣＵ（点火時期変更手段）
５１ 電気モータ
５２ 発電機
５３ 動力分割機構
６４ モータＥＣＵ
６５ メインＥＣＵ

Claims (3)

1. 燃焼室に炭化水素燃料を供給する炭化水素燃料供給手段と、前記燃焼室に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、点火時期を変更する点火時期変更手段と、実圧縮比を変更する圧縮比変更手段とを具え、前記水素ガス供給手段による前記燃焼室への水素ガスの供給が停止されるときに、前記点火時期変更手段により点火時期を炭化水素燃料に合わせて変更すると共に、前記圧縮比変更手段により実圧縮比を予め設定された所定期間だけ低下させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 燃焼室に炭化水素燃料を供給する炭化水素燃料供給手段と、前記燃焼室に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、点火時期を変更する点火時期変更手段と、実圧縮比を変更する圧縮比変更手段とを具え、前記水素ガス供給手段による前記燃焼室への水素ガスの供給が開始されるときに、この水素ガスの供給から予め設定された所定期間が経過した後に前記点火時期変更手段により点火時期を水素ガスに合わせて変更すると共に、前記所定期間の間前記圧縮比変更手段により実圧縮比を低下させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置が適用された該内燃機関と電気モータのトルクを車輪に伝達することで走行可能とするハイブリッド車両において、前記圧縮比変更手段により実圧縮比が予め設定された所定期間だけ低下したとき、前記内燃機関による駆動トルクの低下分を前記電気モータによりアシストすることを特徴とするハイブリッド車両。

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