JP2013217205A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力を向上させるとともにポンプ損失を低減する内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。
【解決手段】水素燃料が筒内に直接噴射され前記水素燃料以外の主燃料がポートに噴射される内燃機関の制御装置は、前記内燃機関に要求される要求トルクを算出する算出部と、前記内燃機関に供給される前記主燃料に対する前記水素燃料の割合を設定可能な制御部と、を備え、算出された前記要求トルクが、前記水素燃料の割合が下限値に設定され前記内燃機関が全負荷状態の場合での前記内燃機関の出力トルク以下の場合には、前記制御部は前記水素燃料の割合を前記下限値に設定し、算出された前記要求トルクが前記出力トルクを超えている場合には、前記制御部は前記水素燃料の割合を前記下限値よりも大きい値に設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、筒内に水素燃料を噴射しポートに水素燃料以外の燃料を噴射する内燃機関が開示されている。この場合、内燃機関の出力を向上させるために水素燃料の供給量を増加させることが考えられる。

特開２００４−２３９１４０号公報

内燃機関の出力向上のために筒内に直接噴射される水素燃料の供給量を増加させた場合、筒内に供給される空気量が減少するおそれがある。この結果、ポンプ損失が大きくなるおそれがある。

そこで、出力を向上させるとともにポンプ損失を低減する内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的は、水素燃料が筒内に直接噴射され前記水素燃料以外の主燃料がポートに噴射される内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関に要求される要求トルクを算出する算出部と、前記内燃機関に供給される前記主燃料に対する前記水素燃料の割合を設定可能な制御部と、を備え、算出された前記要求トルクが、前記水素燃料の割合が下限値に設定され前記内燃機関が全負荷状態の場合での前記内燃機関の出力トルク以下の場合には、前記制御部は前記水素燃料の割合を前記下限値に設定し、算出された前記要求トルクが前記出力トルクを超えている場合には、前記制御部は前記水素燃料の割合を前記下限値よりも大きい値に設定する、内燃機関の制御装置によって達成できる。

要求トルクが小さい場合に燃料に対する水素燃料の割合を下限値に設定することにより、これら燃料の燃焼に必要な空気量は増加する。これにより、筒内に導入される空気量が増大し、ポンプ損失を抑制できる。また、要求トルクが大きい場合には、水素燃料の割合を下限値よりも大きい値に設定することにより、燃料及び水素燃料の総熱量が増加して出力が向上する。

出力を向上させるとともにポンプ損失を低減する内燃機関の制御装置を提供できる。

図１は、実施例の内燃機関の概略図である。 図２Ａは、水素燃料と天然ガスである主燃料との発熱量の差を示したグラフであり、図２Ｂは、天然ガスに対する水素燃料の割合が変化した場合での内燃機関の出力トルクの変化を示したグラフである。 図３は、ＥＣＵが実行する制御の一例を示したフローチャートである。 図４Ａは、水素燃料の割合と機関回転数との関係を規定したマップであり、図４Ｂは、水素燃料の割合に応じて変化する内燃機関のトルクと機関回転数とを示したグラフである。

図１は、実施例の内燃機関の概略図である。内燃機関１０は、内部に複数のシリンダ１１を有するシリンダブロック１２、シリンダ１１内を往復動するピストン１３、シリンダブロック１２の底部に配置されたクランクケース１４、シリンダブロック１２（シリンダ１１）の上部に配置されたシリンダヘッド１５を備えている。

内燃機関１０は、ＥＣＵ４０によって制御される。ＥＣＵ４０は、図示せぬＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等から構成されるコンピュータである。ＣＰＵは、演算処理を実行し、ＲＯＭ、ＲＡＭは、マップ、プログラム等を格納している。ＥＣＵ４０は、各種センサからの出力値に基づいて、機関回転数、機関負荷、スロットル弁Ｓの開度等の運転状態を検出する。また、ＥＣＵ４０には、燃料噴射弁ＩＪ、水素噴射弁ＨＩＪ、点火プラグ３１、スロットル弁Ｓを制御する。ＥＣＵ４０は、燃料噴射弁ＩＪから噴射される燃料供給量や、水素噴射弁ＨＩＪから噴射される水素燃料供給量、これらの噴射時期、点火時期、吸入空気量等が適宜制御する。ＥＣＵ４０は、内燃機関の制御装置の一例である。

シリンダヘッド１５は、各シリンダ１１毎に吸気ポート１６、排気ポート１７を有している。各吸気ポート１６には、吸気側カムＩＣによって駆動されて吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１６１が配置されている。各排気ポート１７には、排気側カムＥＣによって駆動されて排気ポート１７を開閉する排気バルブ１７１が配置されている。

各吸気ポート１６には主燃料である天然ガスを噴射するための燃料噴射弁ＰＩＪが配置されている。すなわち、燃料噴射弁ＰＩＪは、吸気ポートに向けて燃料を噴射する。各燃料噴射弁ＩＪには、燃料デリバリパイプＦＤを介して燃料が供給される。尚、燃料噴射弁ＰＩＪは、ガソリンを噴射するものであってもよい。

シリンダヘッド１５には、シリンダ１１内に直接噴射する水素噴射弁ＨＩＪ、各シリンダ１１の略中心位置に火花点火のための点火プラグ３１が配置されている。水素噴射弁ＨＩＪには、高圧水素タンクＨＴに貯蔵されている水素が減圧弁等によって所定の圧力（噴射圧力：例えば４〜５Ｍｐａ）まで減圧された後に、水素デリバリパイプＨＦＤを介して供給される。吸気通路１８、排気通路１９は、それぞれ吸気ポート１６、排気ポート１７に接続される。吸気通路１８には、スロットル弁Ｓが配置されている。

次に、水素燃料と天然ガスである燃料との発熱量の差について説明する。図２Ａは、水素燃料と天然ガスである主燃料との発熱量の差を示したグラフである。天然ガスとしてメタンを例に説明する。空気１ｇに対するストイキ燃焼での発熱量は、メタンよりも水素の方が大きい。このため、水素燃料の量を増やすことにより、内燃機関の出力を向上させることが考えられる。しかしながら、水素燃料がポートに噴射される内燃機関の場合においては、水素自身の体積によってシリンダ内に供給される空気量が低下するおそれがある。そのため、本実施例の内燃機関１０では、水素をシリンダ１１内に直接噴射させる構成とし、吸入空気量の低下を抑制しつつ出力の向上を図っている。図２Ｂは、天然ガスに対する水素燃料の割合が変化した場合での内燃機関の出力トルクの変化を示したグラフである。図２Ｂに示すように、水素燃料の割合が増えるほど内燃機関の出力は向上する。ＥＣＵ４０は、要求トルクに応じて燃料に対する水素燃料の割合を設定する。詳しくは以下で説明する。

図３は、ＥＣＵ４０が実行する制御の一例を示したフローチャートである。ＥＣＵ４０は、各種センサに基づいて内燃機関１０の運転状態を検出する（ステップＳ１）。具体的には、クランク角センサの出力値に基づいて機関回転数を検出し、エアフロメータの出力値に基づいて吸入空気量を検出し、また吸気通路に配置された圧力センサの出力値に基づいて吸入空気圧を検出する。

次にＥＣＵ４０は、アクセルペダルの操作量を検出するセンサからの出力値に基づいて、内燃機関１０に要求される要求トルクを算出する（ステップＳ２）。

次にＥＣＵ４０は、要求トルクが所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３）。ここで、所定値とは、水素燃料の割合が下限値に設定され内燃機関１０が全負荷状態の場合での内燃機関１０の出力トルクの値である。全負荷状態とは、スロットル弁Ｓが全開の状態である。詳しくは後述するが、ＥＣＵ４０は、水素燃料の割合の下限値、上限値を設定したマップを格納している。

要求トルクが所定値以下の場合には、ＥＣＵ４０は水素燃料の割合を下限値に設定する（ステップＳ４）。尚、この場合は、予めＥＣＵ４０のＲＯＭに格納されたアクセル操作量とスロットル弁Ｓの開度との関係を規定したマップに基づいて、スロットル開度が設定される。

要求トルクが所定値を超えている場合には、ＥＣＵ４０は水素燃料の割合を下限値を超えた値に設定する（ステップＳ５）。この場合、ＥＣＵ４０はスロットル弁Ｓの開度を全開に制御する。具体的には、ＥＣＵ４０は、要求トルクが大きいほど水素割合を大きくなるように設定する。この場合、主燃料を減少させて水素燃料を増量することにより、水素割合を増加させるが、これに限定されず、例えば主燃料を略一定に維持しつつ水素燃料を増量してもよい。

図４Ａは、水素燃料の割合と機関回転数との関係を規定したマップである。このマップはＥＣＵ４０のＲＯＭに格納されている。水素燃料の割合の下限値は、ノッキングを抑制する観点から設定されている。また、水素燃料の割合の上限値は、機関回転数が所定値以下の場合には、燃焼速度の上昇に起因するシリンダ１１内の圧力の増大を抑制する観点により設定されている。水素燃料の割合の上限値は、機関回転数が所定値を超えている場合には水素噴射弁ＨＩＪの性能上の観点により設定されている。水素燃料の割合の上限値は、機関回転数が所定値以下で所定値に近づくにつれて増大し、所定値を超え所定値から離れるにしたがって減少する。

図４Ｂは、水素燃料の割合に応じて変化する内燃機関１０のトルクと機関回転数とを示したグラフである。図４Ｂに示す領域Ａは、要求トルクが前述した所定値以下の場合に制御される運転状態の領域を示している。即ち、領域Ａは、水素割合が下限値に設定した場合での運転状態の領域を示している。運転状態が領域Ａに含まれる場合には、ＥＣＵ４０は要求トルクに応じてスロットル弁Ｓの開度や主燃料の供給量を調整する。具体的には、水素燃料の割合を下限値に設定して主燃料の割合やスロットル弁Ｓの開度を調整することにより、内燃機関１０の出力を確保する。ここで、主燃料と水素燃料との総発熱量が同じ場合であっても、水素の割合が小さいとこれら燃料の燃焼に必要となる空気量が増大する。したがって、要求トルクが小さい場合に主燃料に対する水素燃料の割合を下限値に設定することにより、これら燃料の燃焼に必要な空気量は増加する。これにより、シリンダ１１内に導入される空気量が増大して、ポンプ損失を抑制できる。

また、ポートに噴射された燃料は吸気行程でシリンダ１１内に存在する。一方、シリンダ１１内に直接噴射する燃料は、吸気行程後に実行される圧縮行程において供給される。このため、シリンダ１１内に直接噴射する燃料の供給量を減少させ、ポートに噴射される燃料の供給量を増加させることにより、シリンダ１１内に存在する空気量が増大する。これにより、吸気行程での圧力を増大させることができ、ポンプ損失を抑制できる。特に、ポートに噴射される燃料が気体である場合に顕著な効果を有する。

領域Ｂは、要求トルクが上述した所定値を超えている場合に制御される運転状態の領域を示している。即ち、領域Ｂは、水素割合が下限値を超えた値に設定されている場合での運転状態の領域を示している。要求トルクが大きい場合には、水素燃料の割合を下限値よりも大きい値に設定することにより、燃料及び水素燃料の総熱量が増加して内燃機関１０の出力は向上する。

ここで、この場合にはスロットル弁Ｓは全開であるため、ポートに噴射される燃料の供給量が多いとその燃料の体積によって、シリンダ１１内に供給される空気量が低下するおそれがある。これは、ポートに噴射される燃料が気体である場合に顕著である。しかしながら本実施例では、スロットル弁Ｓの開度が全開である全負荷状態の場合には、ポートに噴射される主燃料の供給量を抑制してシリンダ１１内に直接噴射される水素燃料の割合を増加させる。これにより、シリンダ１１内に供給される空気量を確保でき、ポンプ損失を抑制できる。

尚、領域Ａ、Ｂの境界線Ｗでは、スロットル弁Ｓが全開であり水素燃料の割合が下限値に設定されている。

尚、ポンプ損失は、吸気行程で気体がピストンを押す仕事が排気行程でピストンが気体を押す仕事よりも小さいことに起因するものであり、両仕事の差が大きいほどポンプ損失が大きくなる。したがって、ポンプ損失を抑制するためには、吸気行程の圧力を高めるか、又は排気行程の圧力を下げる必要がある。本実施例の場合、シリンダ１１内に供給される吸入空気量を確保することにより、ポンプ損失を抑制している。これにより、内燃機関１０の燃費の低下が抑制される。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記実施例において、主燃料として天然ガスを例として説明した。しかしながら主燃料は、天然ガスに限定されず、例えば、ガソリン、軽油、灯油、重油、バイオ燃料、アルコール、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、であってもよいし、これら燃料を混合した燃料であってもよい。換言すれば、主燃料は、水素よりも空気１ｇに対するストイキ燃焼の発熱量が大きい燃料であればよい。

１０ 内燃機関
１１ シリンダ
４０ ＥＣＵ（内燃機関の制御装置）
ＩＪ 燃料噴射弁
ＨＩＪ 水素噴射弁

Claims (4)

1. 水素燃料が筒内に直接噴射され前記水素燃料以外の主燃料がポートに噴射される内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関に要求される要求トルクを算出する算出部と、
   前記内燃機関に供給される前記主燃料に対する前記水素燃料の割合を設定可能な制御部と、を備え、
   算出された前記要求トルクが、前記水素燃料の割合が下限値に設定され前記内燃機関が全負荷状態の場合での前記内燃機関の出力トルク以下の場合には、前記制御部は前記水素燃料の割合を前記下限値に設定し、
   算出された前記要求トルクが前記出力トルクを超えている場合には、前記制御部は前記水素燃料の割合を前記下限値よりも大きい値に設定する、内燃機関の制御装置。
2. 算出された前記要求トルクが前記出力トルクを超えている場合には、前記制御部は、前記要求トルクが前記出力トルク以下の場合での前記主燃料の供給量よりも前記主燃料の供給量を減少させる、請求項１の内燃機関の制御装置。
3. 前記主燃料は、ガソリン、軽油、灯油、重油、バイオ燃料、アルコール、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、の少なくとも一つを含む、請求項１又は２の内燃機関の制御装置。
4. 前記制御部は、前記内燃機関の回転数に応じて前記水素燃料の割合の上限値を変更する、請求項１乃至３の何れかの内燃機関の制御装置。

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