JP2012197775A - 火花点火式気体燃料エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば水素のような気体燃料が供給される火花着火式エンジンにおいて、エンジンの自動停止時に、燃焼ガス中の水蒸気が筒内で液化することによる点火プラグの被水を防止あるいは抑制する。
【解決手段】エンジン冷機時におけるエンジン６の自動停止時には、燃焼可能範囲で空燃比を徐々にリーン化していく空燃比リーン化制御を行った後に、燃料カットする。具体的には、エンジン運転中は、例えば空気過剰率λ＝２．２とされ、冷機時におけるエンジン自動停止時には、λを２．２から徐々にリーン化して、例えばλ＝２．６になった時点で燃料カットする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、火花点火式気体燃料エンジンの制御装置に関するものである。

エンジンとして、水素やＬＰＧ等の気体燃料が供給されて、点火プラグによって着火される火花点火式気体燃料エンジンが実用化されている。また、エンジンと走行用モータとを備えたハイブリッド車が増加する傾向にある。特許文献１には、ハイブリッド車用のエンジンとして。火花点火式気体燃料エンジンを用いるものが開示されている。特許文献２には、ハイブリッド車において、エンジン回転を高効率の範囲内でもって稼働させることが開示されている。

一方、最近のエンジンでは、エンジンの停止と起動とが自動的に行われるものが増加している。例えば、エンジンがアイドリングストップを行う車両やハイブリッド車に搭載されたときに、エンジンの停止と起動とが自動的に行われることになる。このような自動的なエンジン停止と起動とを行うものにあっては、自動起動がかなり頻繁に行われることになるので、エンジンのクランキングのために必要なバッテリの消費電力が多くなる。

特開２００６−２５００２４号公報 特開２００７−１９５３３４号公報

ところで、気体燃料が供給されて燃焼が行われる火花点火式気体燃料エンジンにおいて、エンジンの自動的な停止と起動とを行うことが考えられる。この場合、エンジンが十分に暖機されていない冷機状態では、エンジンの自動停止のために燃料カットした直後に、燃焼ガス中の水蒸気が筒内で液化して、この液化した水分によって点火プラグが少なからず被水してしまう、という事態が発生し易いということが判明した。点火プラグが被水すると、着火性の悪化となって、エンジンの自動起動のために長時間要したり（クランキング時間が長くなる）、極端な場合には始動が困難になる場合すら生じる。そして、エンジン自動起動のためにクランキング時間が長くなると、バッテリの消費電力が多大となり、バッテリの蓄電電力を利用して走行用モータを駆動する場合は、バッテリ電力を利用した走行可能時間が短くなってしまうことになる。

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、燃焼ガス中の水分によって点火プラグが被水してしまう事態を防止あるいは抑制できるようにした火花点火式気体燃料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第１の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、
気体燃料が供給されると共に自動的にエンジン停止とエンジン起動とが行われる火花点火式気体燃料エンジンの制御装置であって、
エンジン温度があらかじめ設定された所定温度以下の冷機時には、エンジンの自動停止時における気体燃料供給停止までの空燃比を気体燃料の可燃範囲で徐々にリーン化していく空燃比リーン化制御が実行される、
ようにしてある。上記解決手法によれば、筒内で発生した水蒸気が液化しやすい状況となるエンジン冷機時には、エンジンの自動停止のために燃料カットされる前に、燃焼熱を確保しつつ水蒸気の発生量が低減される空燃比のリーン化制御が行われるので、点火プラグの被水を防止あるいは抑制することができる。

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および請求項３に記載のとおりである。すなわち、
エンジン温度が前記所定温度を超える暖機時には、前記空燃比リーン化制御を中止するか、または気体燃料の可燃範囲で徐々にリーン化しつつ冷機時に比して空燃比リーン化を行う移行時間を短くする制御が実行される、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、暖機時においては、空燃比のリーン化制御を中止するか、あるいは空燃比のリーン化を実行するにしてもその移行時間を冷機時に比して短くすることにより、極力すみやかにエンジンを自動停止させる上で好ましいものとなる。

エンジン温度が前記所定温度を超える暖機時には、前記空燃比リーン化制御が中止され、
前記冷機時のうち相対的にエンジン温度が高いときはエンジン温度が低いときに比して、前記空燃比リーン化制御を行う移行時間が短くされる、
ようにしてある（請求項３対応）。この場合、エンジン温度に応じて空燃比のリーン化制御を実行する移行時間を変更して、点火プラグの被水防止とエンジンのすみやかな自動停止とを共に高い次元で満足させる上で好ましいものとなる。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような第２の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４に記載のように、
気体燃料が供給されると共に自動的にエンジン停止とエンジン起動とが行われる火花点火式気体燃料エンジンの制御装置であって、
エンジンの自動停止時における気体燃料供給停止までの空燃比を、エンジン起動からエンジン停止までのエンジン稼働時間があらかじめ設定された所定時間以下の短いときには、気体燃料の可燃範囲で徐々にリーン化していく空燃比リーン化制御が実行され、前記稼働時間が前記所定時間を超える長いときには、上記空燃比リーン化制御を中止するか、または気体燃料の可燃範囲で徐々にリーン化しつつエンジン稼働時間が前記所定時間以下の場合に比して空燃比リーン化を行う移行時間を短くする制御が実行される、
ようにしてある。上記解決手法によれば、筒内で発生した水蒸気が液化しやすい状況となるエンジン稼働時間が短いときには、エンジンの自動停止のために燃料カットされる前に、燃焼熱を確保しつつ水蒸気の発生量が低減される空燃比リーン化制御が行われるので、点火プラグの被水を防止あるいは抑制することができる。

前記第１の解決手法および第２の解決手法を前提とした好ましい態様は、請求項５以下に記載のとおりである。すなわち、
エンジンの自動停止前の通常運転時の空燃比が、空気過剰率λで示したときに２．０〜２．５の範囲となるように設定され、
エンジンの自動停止時における前記空燃比リーン化制御の際には、空燃比が前記通常運転時の空燃比から徐々にリーン化される、
ようにしてある（請求項５対応）。この場合、通常運転時の空気過剰率λが２．０〜２．５の範囲となるように設定することにより、通常運転時でのＲａｗ・ＮＯｘを低減する上で好ましいものとなる。また、空燃比のリーン化制御は、通常運転時の空燃比から徐々にリーン化を行うので、空燃比の急激な変化に起因するトルクショック防止等の上でも好ましいものとなる。

火花点火式気体燃料エンジンが車両に搭載され、
前記車両は、前記火花点火式気体燃料エンジンによって駆動されて発電を行うジェネレータと、該ジェネレータでの発電電力を蓄電するバッテリと、該バッテリと該ジェネレータとの少なくとも一方から電力を受けて駆動される走行用モータと、を備えたハイブリッド車とされている、
ようにしてある（請求項６対応）。この場合、頻繁にエンジンの自動停止と自動起動とが行われるハイブリッド車用の火花点火式気体燃料エンジンの制御装置として好ましいものとなる。特に、点火プラグの被水を防止あるいは抑制することにより、エンジンの自動起動を確実かつすみやかに行えるようになって、バッテリの負担を低減する上でも好ましいものとなる。

本発明によれば、点火プラグの被水を防止あるいは抑制することができる。

本発明をハイブリッド車に適用した場合の一例を示す簡略平面図。 火花点火式気体燃料エンジンの一例を示す系統図。 バッテリ電力のみを利用した走行とエンジンにより発電を行いつつ走行するときの一例を示す図。 本発明の制御系統例をブロック図的に示す図。 エンジンの自動停止時の制御例を示すタイムチャート。 本発明の制御例を示すフローチャート。

図１において、車両としての自動車Ｖは、そのボディ（車体）が符合１で示され、左右前輪が符合２で示され、左右後輪が符合３で示される。４は、走行用モータで、この走行用モータ４が、デファレンシャルギア５Ａ、ドライブシャフト５Ｂを介して左右の前輪２に連結されている。すなわち、実施形態では、左右前輪２のみが駆動される前輪駆動車とされている。

ボディ１の前部には、走行用モータ４の他に、エンジン６，ジェネレータ７、インバータ８が配設されている。また、ボディ１の前後方向中間部から後部に渡っての床面下には、バッテリ９，燃料タンク１０が配設されている。エンジン６は、火花点火式気体燃料エンジンとされて、燃料タンク１０内に貯溜された気体燃料としての水素が供給されるようになっている。

ジェネレータ７は、エンジン６によって駆動されて発電を行うと共に、バッテリ９からの電力を受けてエンジン６を始動するための始動用モータとしても機能される。バッテリ９は、例えばリチウムイオン電池によって構成されて、高電圧（例えば３００〜５００Ｖ）かつ大容量となっている。バッテリ９の蓄電電力が走行用モータ４に供給されて走行され、最大蓄電量状態にあるバッテリ９のみの蓄電電力によって数十ｋｍ（例えば３０〜６０ｋｍ）走行可能とされている。さらに、ボディ１の後端部には、低電圧（例えば１２Ｖ）のバッテリ１１が搭載され、このバッテリ１１によって、点火プラグ、燃料噴射弁、ヘッドライト、ワイパ、オーディオ等の各種車載電気機器類に給電されるようになっている。

図２は、エンジン６とその吸・排気系の一例を示す。実施形態では、エンジン６は、バンケル式のロータリピストンエンジンとされて、直列に第１気筒ＲＡと第２気筒ＲＢとの２つの気筒を有する。各気筒ＲＡ、ＲＢの吸気ポートに個々独立して連なる分岐吸気通路２１Ａ、２１Ｂが１本の共通吸気通路２２に連なっている。この共通吸気通路２２には、スロットル弁２３が配設されている。また、各分岐吸気通路２１Ａ、２１Ｂには、ポート噴射用の第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂが配設されている。燃料噴射弁としては、さらに、気筒（作動室）内に直接燃料噴射を行う第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂが設けられている。

各気筒ＲＡ、ＲＢの排気ポートに個々独立して連なる分岐排気通路２６Ａ、２６Ｂが、１本の共通排気通路２７に連なっている。この共通排気通路２７には、空燃比センサ２８が配設されると共に、空燃比センサ２８の下流側において、排気ガス浄化触媒（実施形態ではＮＯｘ触媒）２９が配設されている。

共通吸気通路２２と共通排気通路２７とが、ＥＧＲ通路３０によって接続され、このＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲ弁３１が接続されている。なお、ＥＧＲ通路３０は、スロットル弁２３の下流側において共通吸気通路２２に開口され、空燃比センサ２８の上流側において共通排気通路２７に開口されている。

各気筒ＲＡ、ＲＢは、２つの点火プラグ３３Ａ、３３Ｂを有している。第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂからの燃料噴射は、相対的に低回転・低負荷時に実行される。第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂからの燃料噴射は、相対的に高回転または高負荷時において行われる。空気と燃料噴射弁から噴射される燃料としての水素との混合気が、点火プラグ３３Ａ、３３Ｂによって着火される。混合気への着火によって燃焼が行われる。エンジン６を停止させる際、エンジン６が十分に暖機されていないと、燃焼ガス中の水蒸気が筒内で液化されて、この液化した水分によって点火プラグ３３Ａ、３３Ｂが被水されて、次の始動時での着火性が悪化されることになる。本発明にあっては、このような点火プラグ３３Ａ、３３Ｂの被水を防止あるいは抑制するために、後述のような制御を実行するようになっている。

図３は、バッテリ９の蓄電量に応じて車両Ｖの走行状況が変化される様子を示す。すなわち、バッテリ９の蓄電量が大きいとき（例えば蓄電量が４０％に低下するまで）は、エンジン６は停止（自動停止）されていて、バッテリ９からの電力供給のみによって走行用モータ４が駆動される（いわゆるプラグイン走行）。一方、バッテリ９の蓄電量が小さくなると（例えば蓄電量が４０％未満となったとき）は、エンジン６が起動されて（自動起動）、ジェネレータ７での発電が行われ、このジェネレータ７の発電電力が走行用モータ４に供給されると共に、余剰電力がバッテリ９へ供給される。ジェネレータ７の発電電力によってバッテリ９の蓄電量が増大されたとき（例えば蓄電量が７０％となったとき）は、エンジン４が自動停止される（プラグイン走行の再開）。このように、バッテリ９の蓄電量に応じて、エンジン６が自動的に停止と起動とを繰り返して、エンジン６が起動されているときには、ジェネレータ７によって発電しつつ、走行とバッテリ９への蓄電が行われる。なお、車両Ｖの減速時には、走行用モータ４による回生が行われて、回生による電力がバッテリ９に蓄電される。

図４は、本発明の制御系統例をブロック図的に示すものである。図中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は、走行用モータ４，エンジン６（特に燃料噴射弁）、ジェネレータ７、インバータ８を制御する。インバータ８を介して、バッテリ９と走行用モータ４との間での電力授受、ジェネレータ７とバッテリ９との間での電力授受、ジェネレータ７から走行用モータ４への電力供給、バッテリ９からバッテリ１１への電力供給等が行われる。

コントローラＵは、燃料噴射量制御や点火時期制御等の通常のエンジン制御を行う他、エンジン６の自動的な停止と起動の制御と、点火プラグ３３Ａ、３３Ｂの被水防止あるいは抑制のための制御をも行う。このコントローラＵには、空燃比センサ２８からの信号が入力されるが、空燃比センサ２８はリニアセンサとされて、空燃比としての空気過剰率λを検出するためのものとなる。コントローラＵには、この他、各種センサあるいはスイッチＳ１〜Ｓ５からの信号が入力される。センサＳ１は、車速を検出するものである。センサＳ２は、アクセル開度を検出するものである。センサＳ３は、エンジン冷却水温度を検出するものである。センサＳ４は、エンジン回転数を検出するものである。スイッチＳ５は、ブレーキペダルが踏み込み操作されたことを検出するものである。

コントローラＵによるエンジン６の自動停止と自動起動は、例えば次のような条件にしたがって行われる。まず、前述したように、バッテリ９の蓄電量に応じた自動停止と自動起動とが行われる。また、バッテリ９の蓄電量に応じてエンジンが自動起動されている条件下でも、アイドルストップによる自動停止と自動起動が行われる。すなわち、例えばアクセル開度が０、車速が０でしかもブレーキスイッチＳ５がＯＮのとき（ブレーキペダルが踏み込み操作されているとき）に、エンジン６が自動停止される。そして、自動停止状態からブレーキスイッチＳ５がＯＦＦになると、エンジン６が自動起動される。

次に、図５を参照しつつ、点火プラグ３３Ａ、３３Ｂの被水防止あるいは抑制の制御例について説明する。まず、ｔ１時点になるまでは、エンジン６が運転されている状態であり、このときの空燃比は、空気過剰率λでもって例えば２．２とされる（スロットル開度は、ポンピングロス低減のために例えば８０％というように大きな開度とされる）。なお、エンジン運転時の空気過剰率λは、Ｒａｗ・ＮＯｘ低減のために、２．２〜２．５の範囲に設定するのが好ましいものであり、実施形態では、出力確保をも加味して、空気過剰率λを２．２に設定してある。なお、エンジン回転数は、低速時には例えば２００ｒｐｍの定回転、中速時には例えば３０００ｒｐｍの定回転、高速時には例えば４０００ｒｐｍの定回転となるように、エンジン６は定回転でもって運転するようにしてある。

図５中、ｔ１時点は、エンジン６の自動停止条件が満足されたときである。このｔ１時点において、エンジン６が十分に暖機されている暖機時であるとき（例えば冷却水温度が７０度Ｃを超えていとき）は、ただちに燃料カットされて、エンジン６がすみやかに停止される。暖機時には、燃焼ガス中の水蒸気が筒内で液化する心配がないため、点火プラグ３３Ａ、３３Ｂの被水の問題は生じないものである。このため、エンジン６をすみやかに停止させるようにしてある。

ｔ１時点で、エンジン６が冷機時であるとき（例えば冷却水温度が５０度Ｃ以下のとき）は、ｔ１時点から、燃焼可能範囲でもって空燃比を徐々にリーン化しつつ、空燃比が所定値（例えばλ＝２．６）までリーンとなった時点で燃料カットされて、エンジン６が停止される。この冷機時におけるエンジン停止時点がｔ３時点であり、ｔ１時点よりも大分遅れた時期となる。燃焼可能範囲で空燃比を徐々にリーン化することにより、燃焼熱を確保しつつ水蒸気の発生量そのものを抑制して、筒内で水蒸気が液化するのが防止あるいは抑制されて、点火プラグ３３Ａ、３３Ｂが被水される事態が防止あるいは抑制される。

冷機時のうち、相対的に温度が高い半暖機時（例えば冷却水温度が５０度Ｃ〜７０度Ｃのとき）は、エンジン停止までに燃焼可能範囲で空燃比を徐々にリーン化しつつ、リーン化の度合を冷機時よりも早めるようにしてある。すなわち、燃料カットとなる空気過剰率λ＝２．６となる時点がｔ２時点となるが、このｔ２時点は、相対的に温度が低いときの燃料カット時期となるｔ３時点よりも早い時期となる。半暖機時は、点火プラグ３３Ａ、３３Ｂの被水を防止あるいは抑制と、エンジン６のすみやかな停止とが共に高い次元で満足されることになる。なお、図５では、半暖機時としての徐々なるリーン化の度合を１種類の設定のみとしたが、冷却水温度に応じて、リーン化の度合を複数段階（あるいは連続可変式）に変化させるようにすることもできる（冷却水温度が高いほど、燃料カットとなる所定空燃比に達するまでのリーン化移行時間が短くされる）。

図６は、図５に示すような制御状態を行うためのフローチャートを示してあるが、図６では、エンジン６の自動停止の際に、冷却水温度に加えてエンジン６の稼働時間に応じても、燃焼可能範囲での空燃比の徐々なるリーン化の制御を行うか否かを区別するようにしてある。また、図６中、Ｑはステップを示す。

まず、Ｑ１において、各種センサやスイッチ２８，Ｓ１〜Ｓ５の信号が読み込まれる。この後、Ｑ２において、エンジン６の自動停止条件が成立したか否かが判別される。このＱ２の判別でＮＯのときは、Ｑ１に戻る。

Ｑ２の判別でＹＥＳのときは、Ｑ３において、エンジン６の稼働時間が、あらかじめ設定された所定時間（例えば５分）よりも小さいか否かが判別される。このＱ３の判別でＮＯのとき、つまりエンジン６の稼働時間が長くてエンジン６が十分に暖機されていると判断されたときは、Ｑ４に移行して、通常のエンジン停止が行われる（直ちに燃料カット）。

前記Ｑ３の判別でＹＥＳのときは、Ｑ５において、冷却水温度Ｔｗが、第１所定温度Ｔｗ１（例えば７０度Ｃ）未満であるか否かが判別される。このＱ５の判別でＮＯのときは、エンジン６が暖機されているときであり、Ｑ４に移行されて、直ちに燃料カットされる。

前記Ｑ５の判別でＹＥＳのときは、Ｑ６において、冷却水温度Ｔｗが、第２所定温度Ｔｗ２（例えば５０度Ｃ）以下であるか否かが判別される。このＱ６の判別でＹＥＳのときは、Ｑ７において、冷機時のうち相対的に温度の低いときの空燃比リーン化制御が行われる（図５の一点鎖線で示すｔ３時点での燃料カット）。前記Ｑ６の判別でＮＯのときは、Ｑ８において、冷機時のうち相対的に温度の高い（半暖機時の）空燃比リーン化制御が行われる（図５の破線で示すｔ２時点での燃料カット）。

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。走行用モータ４を有しない通常の車両であってもよい。走行用モータ４を有するハイブリッド車の場合に、エンジン６によって車輪駆動を行うものであってもよく、この場合、エンジン６のみによる車輪駆動と、走行用モータ４のみによる車輪駆動と、エンジン６と走行用モータ４の両方による車輪駆動との態様を適宜切換えるものであってもよい。エンジン６は、往復動型エンジンであってもよい。自動停止の際には、暖機時を含めて全て、燃焼可能範囲での空燃比の徐々なるリーン化を行った後に燃料カットを行うようにしてもよい（この場合は、燃焼可能範囲での空燃比のリーン化の制御を全て同じように行ってもよいが、例えば冷却水温度やエンジン稼働時間に応じて、空燃比のリーン化の移行時間を段階的あるいは連続可変式に変化させるのが好ましい）。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。

本発明は、例えば水素を燃料とするエンジンに適用して好適である。

Ｖ：車両
４：走行用モータ
６：エンジン
７：ジェネレータ
９：バッテリ
１０：燃料タンク
２４Ａ、２４Ｂ：燃料噴射弁（ポイント噴射用）
２５Ａ、２５Ｂ：燃料噴射弁（直噴用）
２８：空燃比センサ
３３Ａ、３３Ｂ：点火プラグ
Ｕ：コントローラ

Claims (6)

1. 気体燃料が供給されると共に自動的にエンジン停止とエンジン起動とが行われる火花点火式気体燃料エンジンの制御装置であって、
   エンジン温度があらかじめ設定された所定温度以下の冷機時には、エンジンの自動停止時における気体燃料供給停止までの空燃比を気体燃料の可燃範囲で徐々にリーン化していく空燃比リーン化制御が実行される、
   ことを特徴とする火花点火式気体燃料エンジンの制御装置。
2. 請求項１において、
   エンジン温度が前記所定温度を超える暖機時には、前記空燃比リーン化制御を中止するか、または気体燃料の可燃範囲で徐々にリーン化しつつ冷機時に比して空燃比リーン化を行う移行時間を短くする制御が実行される、
   ことを特徴とする火花点火式気体燃料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、
   エンジン温度が前記所定温度を超える暖機時には、前記空燃比リーン化制御が中止され、
   前記冷機時のうち相対的にエンジン温度が高いときはエンジン温度が低いときに比して、前記空燃比リーン化制御を行う移行時間が短くされる、
   ことを特徴とする火花点火式気体燃料エンジンの制御装置。
4. 気体燃料が供給されると共に自動的にエンジン停止とエンジン起動とが行われる火花点火式気体燃料エンジンの制御装置であって、
   エンジンの自動停止時における気体燃料供給停止までの空燃比を、エンジン起動からエンジン停止までのエンジン稼働時間があらかじめ設定された所定時間以下の短いときには、気体燃料の可燃範囲で徐々にリーン化していく空燃比リーン化制御が実行され、前記稼働時間が前記所定時間を超える長いときには、上記空燃比リーン化制御を中止するか、または気体燃料の可燃範囲で徐々にリーン化しつつエンジン稼働時間が前記所定時間以下の場合に比して空燃比リーン化を行う移行時間を短くする制御が実行される、
   ことを特徴とする火花点火式気体燃料エンジンの制御装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、
   エンジンの自動停止前の通常運転時の空燃比が、空気過剰率λで示したときに２．０〜２．５の範囲となるように設定され、
   エンジンの自動停止時における前記空燃比リーン化制御の際には、空燃比が前記通常運転時の空燃比から徐々にリーン化される、
   ことを特徴とする火花点火式気体燃料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、
   火花点火式気体燃料エンジンが車両に搭載され、
   前記車両は、前記火花点火式気体燃料エンジンによって駆動されて発電を行うジェネレータと、該ジェネレータでの発電電力を蓄電するバッテリと、該バッテリと該ジェネレータとの少なくとも一方から電力を受けて駆動される走行用モータと、を備えたハイブリッド車とされている、
   ことを特徴とする火花点火式気体燃料エンジンの制御装置。

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