JP2016130472A - 多種燃料エンジンの制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エミッション性能、燃費性能及び出力性能のいずれの性能も良好な、多種燃料エンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン10が、燃焼室内に水素からなる第1燃料を直接噴射する第1の燃料噴射弁18Aと、燃焼室内に、上記第1燃料に対して、単位体積当たりの発熱量が高くかつ同じ燃焼空燃比下でエンジン10からのNOx排出量が少なくかつリーン限界の燃焼空燃比が低い気体燃料からなる第2燃料を直接噴射する第2の燃料噴射弁18Bと、過給機85と、を有し、上記第1及び第2燃料を略同じ体積比率でもって燃焼室内に噴射し、かつ、該燃焼室内の燃焼空燃比を、エンジン10からのNOx排出量が、第2燃料のみをそのリーン限界の燃焼空燃比でもって燃焼させたときのNOx排出量と略同じになるリーン空燃比にする。
【選択図】図2

Description

本発明は、多種燃料エンジンの制御装置に関する技術分野に属する。
従来より、第1燃料と第2燃料とを用いる多種燃料エンジンが知られており、例えば特許文献1では、第1燃料として、水素、天然ガス、アルコール類等が用いられ、第2燃料として、軽油、ガソリン、天然ガス等が用いられている。この特許文献1では、第1燃料は吸気管内に噴射されるか、又は、燃焼室内に直接噴射され、第2燃料は燃焼室内に直接噴射される。
特開2010−14054号公報
ところで、水素燃料は、着火性が良好であることから、リーン運転を行うことで、大気並のエミッション性能と低燃費とを達成することができる。ところが、水素燃料のみでは、エンジンの出力性能が不十分となる。このことから、上記特許文献1のように、水素燃料と他の燃料とを併用する多種燃料エンジンを採用することが考えられる。
しかし、エミッション性能、燃費性能及び出力性能のいずれの性能も満足させるようにするためには、どのような燃料を水素燃料とどのように併用するかが問題となる。
本発明は、斯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、エミッション性能、燃費性能及び出力性能のいずれの性能も良好な、多種燃料エンジンの制御装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明では、車両に搭載された多種燃料エンジンの制御装置を対象として、上記エンジンは、上記エンジンの燃焼室内に、水素からなる第1燃料を直接噴射する第1の燃料噴射弁と、上記エンジンの燃焼室内に、上記第1燃料に対して、単位体積当たりの発熱量が高くかつ同じ燃焼空燃比下で上記エンジンからのNOx排出量が少なくかつリーン限界の燃焼空燃比が低い気体燃料からなる第2燃料を直接噴射する第2の燃料噴射弁と、上記エンジンの燃焼室内への吸気の過給を行う過給機と、を有し、上記第1及び第2の燃料噴射弁の作動を含めて、上記エンジンの作動を制御する制御手段を備え、上記制御手段は、上記第1及び第2燃料を略同じ体積比率でもって上記エンジンの燃焼室内に噴射し、かつ、該燃焼室内の燃焼空燃比を、該エンジンからのNOx排出量が、上記第2燃料のみをそのリーン限界の燃焼空燃比でもって燃焼させたときのNOx排出量と略同じになるリーン空燃比にするべく、上記第1及び第2の燃料噴射弁を制御するよう構成されている、という構成とした。
上記の構成により、第1燃料(水素)と、該第1燃料に対して、単位体積当たりの発熱量が高くかつ同じ燃焼空燃比下でエンジンからのNOx排出量が少なくかつリーン限界の燃焼空燃比が低い気体燃料からなる第2燃料とを略同じ体積比率でもってエンジンの燃焼室内に噴射することで、燃焼室内の燃焼空燃比を、第2燃料のリーン限界の燃焼空燃比よりも高い(リーンな)空燃比に設定することができて、良好な燃費性能が得られる。また、燃焼室内の燃焼空燃比を、エンジンからのNOx排出量が、第2燃料のみをそのリーン限界の燃焼空燃比でもって燃焼させたときのNOx排出量と略同じになるリーン空燃比にするので、良好なエミッション性能が得られる。さらに、第2燃料の単位体積当たりの発熱量が第1燃料(水素)の単位体積当たりの発熱量よりも高いとともに、第1及び第2燃料が共に燃焼室内に直接噴射されかつエンジンが過給機を有しているので、良好な出力性能が得られる。
上記多種燃料エンジンの制御装置の一実施形態では、上記エンジンは、シリーズハイブリッドシステムにおいて発電機を駆動して発電させるために用いられる発電用エンジンであり、上記制御手段は、上記エンジンを、発電要求時において定常運転する際には、所定負荷以上の負荷である中負荷ないし高負荷でかつ所定回転数領域で運転するよう構成されている。
このことにより、良好なエミッション性能及び燃費性能に加えて、高い発電性能が得られる。また、エンジンを、発電要求時において定常運転する際に、中負荷ないし高負荷でかつ所定回転数領域で運転することで、エンジンを高効率のポイントで運転することができ、燃費性能及び発電性能をより一層向上させることができる。
上記多種燃料エンジンの制御装置において、上記過給機は、上記エンジンの排気通路に配設されたタービンと、該エンジンの吸気通路に配設され、該タービンに連結されたコンプレッサとを有する排気ターボ過給機であり、上記制御手段は、上記エンジンの停止時において所定条件の成立により該エンジンを始動するときには、該エンジンの始動開始から点火前までの間の所定期間において、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させることにより、上記排気通路における上記タービンの上流側に未燃ガスを蓄積させる未燃ガス蓄積制御を実行し、該未燃ガス蓄積制御の実行後に、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させて点火を行うよう構成されている、ことが好ましい。
こうすることで、未燃ガス蓄積制御の実行後の点火により燃焼室内で燃焼した高温のガスが排気通路に排気されたときに、その排気ガスにより、排気通路におけるタービンの上流側に蓄積されていた未燃ガスが一気に燃焼し、これにより、タービンを勢いよく回転させることができる。この結果、エンジンの始動後直ぐに高い過給圧が得られるようになる。
上記のような未燃ガス蓄積制御を実行する構成の場合、上記制御手段は、上記所定条件として上記車両の所定以上の加速要求があったときの上記エンジンの始動時に、上記未燃ガス蓄積制御を実行するよう構成されている、ことが好ましい。
このことで、車両の所定以上の加速要求時に、その加速要求に対応する過給圧が即座に得られるようになり、スムーズな車両加速を実現することができる。特に、上記エンジンが上記発電用エンジンである場合には、上記加速要求時に発電機の発電電力を車両駆動モータに即座に供給することができ、その発電電力とバッテリの放電電力とにより車両駆動モータを駆動することで、高い加速性能が得られる。
また、上記のような未燃ガス蓄積制御を実行する構成の場合、上記エンジンを始動するモータを更に備え、上記制御手段は、更に上記モータを制御するものであって、上記所定条件の成立時における上記エンジンの始動時には、上記モータにより駆動される上記エンジンの回転数を、上記所定条件の非成立時における上記エンジンの始動時に比べて高くするよう構成されている、ことが好ましい。
このことにより、モータによる予回転を高めることで、より一層スムーズな車両加速を実現することができる。
上記エンジンが上記発電用エンジンである上記一実施形態の構成の場合、上記過給機は、上記エンジンの排気通路に配設されたタービンと、該エンジンの吸気通路に配設され、該タービンに連結されたコンプレッサとを有する排気ターボ過給機であり、上記エンジンは、その排気通路における上記タービンの下流側に配設されかつ該エンジンの排気ガスを浄化するNOx吸蔵還元触媒を更に有し、上記NOx吸蔵還元触媒は、上記エンジンの排気ガス中のNOxをリーン空燃比雰囲気下で吸蔵するとともに、該吸蔵したNOxを、リッチ空燃比雰囲気下で放出するものであり、上記制御手段は、上記NOx吸蔵還元触媒からのNOx放出時には、上記エンジンを無負荷運転にしかつ該エンジンの燃焼室内の燃焼空燃比をリッチ空燃比にするとともに、該NOx放出開始からNOx放出完了の所定時間前までの間に、上記車両の所定以上の加速要求があったときには、NOx放出完了の上記所定時間前の時点から、点火を停止した状態で、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リッチ空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させることにより、上記排気通路における上記タービンの上流側に未燃ガスを蓄積させる未燃ガス蓄積制御を実行し、該未燃ガス蓄積制御の実行後に、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させて点火を再開させるよう構成されていてもよい。
このことで、未燃ガス蓄積制御の実行後の再点火により燃焼室内で燃焼した高温のガスが排気通路に排気されたときに、その排気ガスにより、排気通路におけるタービンの上流側に蓄積されていた未燃ガスが一気に燃焼する。この結果、NOx放出時(無負荷運転時)における車両の所定以上の加速要求時に、出来る限り早期に高い過給圧が得られるようになる。また、上記未燃ガスの燃焼したガスにより、NOxの放出を完了させることができる。
上記一実施形態の構成の場合、上記過給機は、上記エンジンの排気通路に配設されたタービンと、該エンジンの吸気通路に配設され、該タービンに連結されたコンプレッサとを有する排気ターボ過給機であり、上記エンジンの冷却水を利用して上記車両の車室内を暖房する暖房装置を更に備え、上記制御手段は、発電要求がない暖房要求時には、上記エンジンを、上記所定負荷よりも小さい負荷である軽負荷で運転するとともに、該軽負荷運転時に、上記車両の所定以上の加速要求があったときには、該加速要求時からの所定期間、点火を停止した状態で、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させることにより、上記排気通路における上記タービンの上流側に未燃ガスを蓄積させる未燃ガス蓄積制御を実行し、該未燃ガス蓄積制御の実行後に、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させて点火を再開させるよう構成されていてもよい。
このことにより、未燃ガス蓄積制御の実行後の再点火により燃焼室内で燃焼した高温のガスが排気通路に排気されたときに、その排気ガスにより、排気通路におけるタービンの上流側に蓄積されていた未燃ガスが一気に燃焼する。この結果、軽負荷運転時における車両の所定以上の加速要求時に、即座に高い過給圧が得られるようになる。
上記のような未燃ガス蓄積制御を実行する構成の場合、上記制御手段は、上記未燃ガス蓄積制御の実行時においては、上記第1及び第2燃料の噴射量を、略同じ体積比率から変更して、上記第1燃料の噴射量の体積比率を減少させかつ上記第2燃料の噴射量の体積比率を増大させるよう構成されている、ことが好ましい。
このように、未燃ガス蓄積制御の実行時に、単位体積当たりの発熱量が高い第2燃料の噴射量の体積比率を増大させることで、未燃ガスの燃焼により、タービンをより一層勢いよく回転させることができる。
以上説明したように、本発明の多種燃料エンジンの制御装置によると、上記エンジンが、該エンジンの燃焼室内に、水素からなる第1燃料を直接噴射する第1の燃料噴射弁と、上記エンジンの燃焼室内に、上記第1燃料に対して、単位体積当たりの発熱量が高くかつ同じ燃焼空燃比下で上記エンジンからのNOx排出量が少なくかつリーン限界の燃焼空燃比が低い気体燃料からなる第2燃料を直接噴射する第2の燃料噴射弁と、過給機と、を有し、上記第1及び第2燃料を略同じ体積比率でもって上記エンジンの燃焼室内に噴射し、かつ、該燃焼室内の燃焼空燃比を、該エンジンからのNOx排出量が、第2燃料のみをそのリーン限界の燃焼空燃比でもって燃焼させたときのNOx排出量と略同じになるリーン空燃比にするようにしたことにより、エミッション性能、燃費性能及び出力性能のいずれの性能も良好にすることが可能になる。
本発明の実施形態1に係る制御装置により制御される多種燃料エンジンが搭載された車両の概略図である。 上記車両のエンジン及びその制御系の構成を示すブロック図である。 水素ガス、天然ガス及びこれらの混合ガスA,B,Cについて、エンジンで燃焼させたときの、空気過剰率λとエンジンからのNOx排出量との関係を示すグラフである。 水素ガス、天然ガス及びこれらの混合ガスA,B,Cについて、エンジンで燃焼させたときの、空気過剰率λとエンジンの出力トルクとの関係、及び、空気過剰率λとエンジンの熱効率との関係を示すグラフである。 実施形態1における、コントロールユニットによるエンジンの始動時及び運転時の処理動作を示すフローチャートである。 実施形態2における、コントロールユニットによるエンジンの始動時及び運転時の処理動作を示すフローチャートである。 実施形態3における、コントロールユニットによるエンジンの始動時及び運転時の処理動作を示すフローチャートである。
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。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る制御装置により制御される多種燃料エンジン10(以下、エンジン10という)が搭載された車両1の概略図である。この車両1は、所謂レンジエクステンダーEV車両(シリーズハイブリッドシステムを有する車両(シリーズハイブリッド車両)であるとも言える)であって、エンジン10と、該エンジン10により駆動されて発電する発電機20と、この発電機20によって発電された電力が蓄電(充電)される高電圧・大容量のバッテリ30と、エンジン10に駆動されることによる発電機20の発電電力及びバッテリ30の蓄電電力(放電電力)の両方又はバッテリ30の放電電力のみで駆動される駆動モータ40とを備えている。本実施形態では、発電機20は、モータの機能も有するモータジェネレータであり、モータとしての発電機20によりエンジン10を駆動して(クランキングして)、エンジン10を始動するようになされている。
発電機20とバッテリ30との間には、第1インバータ50が設けられ、バッテリ30と駆動モータ40との間には、第2インバータ51が設けられている。第1インバータ50と第2インバータ51とは互いに接続され、その接続ラインにバッテリ30が接続されている。発電機20の発電電力は、第1インバータ50を介してバッテリ30に供給されるとともに、第1及び第2インバータ50,51を介して駆動モータ40に供給される。バッテリ30からの放電電力は、第2インバータ51を介して駆動モータ40に供給される。
駆動モータ40は、基本的には、バッテリ30の放電電力で駆動され、車両1の乗員による車両1の加速要求時等のように、バッテリ30の放電電力のみでは駆動モータ40の出力が不足するときには、エンジン10が始動されて発電機20の発電電力も駆動モータ40に供給される。駆動モータ40の出力は、デファレンシャル装置60を介して、駆動輪61(ステアリングホイール62により操舵される左右の前輪)に伝達され、これにより、車両1が走行する。
また、駆動モータ40は、回生発電電力を発生可能なものであって、車両1の減速時に発電機として作動して、その発電した電力(回生発電電力)がバッテリ30に充電される。バッテリ30の残存容量(SOC)が所定容量以下になると、エンジン10が始動されて発電機20の発電電力でもってバッテリ30が充電される。上記所定容量は、バッテリ30の充電が早急に必要な緊急性を要するレベルよりも多い容量であって、バッテリ30の残存容量として少なすぎずかつ多すぎない適切なレベルに維持できるような容量である。尚、バッテリ30は、車両1の外部の電源による外部充電も可能になされている。
エンジン10は、発電機20を駆動して発電させるために用いられる発電用エンジンである。エンジン10は、水素タンク70に貯留されている水素ガス、及び、CNGタンク71に貯留されている天然ガス(CNG)が、燃料としてそれぞれ供給可能に構成された多種燃料エンジンである。水素ガスは、第1燃料に相当し、天然ガスは、第1燃料に対して、単位体積当たりの発熱量が高くかつ同じ燃焼空燃比下でエンジン10(燃焼室)からのNOx排出量が少なくかつリーン限界の燃焼空燃比が低い気体燃料からなる第2燃料に相当する。この第2燃料としては、天然ガスに限らず、例えばプロパンやブタンであってもよい。
図2に示すように、エンジン10は、ツインロータ式(2気筒)のロータリピストンエンジンであって、2つの繭状のロータハウジング11内(気筒内)に形成されるロータ収容室11aに、概略三角形状のロータ12がそれぞれ収容されて構成されている。2つのロータハウジング11は、3つのサイドハウジング(図示せず)の間に挟み込むようにして該サイドハウジングと一体化されてなり、各ロータハウジング11とその両側のサイドハウジングとで各ロータ収容室11aが形成される。尚、図2では、2つのロータハウジング11(2つの気筒)を展開した状態で図示しており、2つのロータハウジング11内の中央部にそれぞれ描いているエキセントリックシャフト13は、同じものである。
上記各ロータ12は、その三角形の各頂部に図示しないアペックスシールを有し、これらアペックスシールがロータハウジング11のトロコイド内周面に摺接しており、このことで、各ロータ12により各ロータ収容室11a(各気筒)内に3つの作動室(燃焼室に相当)が画成される。そして、各ロータ12は、該ロータ12の3つのアペックスシールが各々ロータハウジング11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ようになっている。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を介して出力軸としてのエキセントリックシャフト13から出力される。
上記各ロータ収容室11aには、吸気行程にある作動室に開口する吸気開口に連通するように吸気通路14が接続されているとともに、排気行程にある作動室に開口する排気開口に連通するように排気通路15が接続されている。吸気通路14は、上流側では1つであるが、下流側では、2つの分岐路に分岐してそれぞれ上記各ロータ収容室11aに連通している。吸気通路14の上記分岐部よりも上流側(後述の排気ターボ過給機85のコンプレッサ85aよりも上流側)には、ステッピングモータ等のスロットル弁アクチュエータ90により駆動されて吸気通路14の断面積(弁開度)を調節するスロットル弁16が配設されている。このスロットル弁16により、各ロータ収容室11a(吸気行程にある作動室)内への吸気量が調節されることになる。本実施形態における後述のエンジン制御では、スロットル弁16は全開とされる。
吸気通路14の上記分岐部よりも下流側の各分岐路には、上記水素タンク70からの水素ガス、及び、上記CNGタンク71からの天然ガスを、吸気通路14内にそれぞれ噴射する水素用ポート噴射弁17A及びCNG用ポート噴射弁17Bが配設されている。これら水素用及びCNG用ポート噴射弁17A,17Bによりそれぞれ噴射された水素ガス及び天然ガスは、空気と混合された状態で、吸気行程にある作動室に供給される。尚、水素用及びCNG用ポート噴射弁17A,17Bは、エンジン10の極冷間時(エンジン冷間時の中でもエンジン冷却水の温度がかなり低くて、予め設定された設定温度よりも低いとき)における始動時のみに使用される燃料噴射弁であり、基本的には、後述の水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより燃料(水素ガス及び天然ガス)が燃焼室内に直接噴射される。すなわち、エンジン10の極冷間時における始動時においては、水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bの燃料噴射開口が、燃料の燃焼により生じた水分の凍結により塞がれている可能性があるので、極冷間時における始動時には例外的に水素用及びCNG用ポート噴射弁17A,17Bより燃料を噴射するようにしている。尚、水素用及びCNG用ポート噴射弁17A,17Bをなくすことも可能である。以下の説明では、水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより燃料(水素ガス及び天然ガス)を噴射するものとする。
上記排気通路15は、上流側では、各ロータ収容室11aにそれぞれ連通するように2つ設けられているが、下流側では、1つに合流されている。この排気通路15の該合流部よりも下流側には、排気ガスを浄化するための低温活性三元触媒81及びNOx吸蔵還元触媒82が配設されている。低温活性三元触媒81は、NOx吸蔵還元触媒82よりも触媒活性化温度が低い三元触媒であって、NOx吸蔵還元触媒82よりも上流側に配設されている。尚、図2において吸気通路14及び排気通路15に図示した矢印は、吸気及び排気の流れを示している。
上記NOx吸蔵還元触媒82は、例えば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)等の貴金属を含んだ担体に、バリウム(Ba)、カリウム(K)等のNOx吸蔵剤を担持させて構成されていて、エンジン10の排気ガス中のNOxをリーン空燃比雰囲気下で吸蔵するとともに、該吸蔵したNOxを、リッチ空燃比雰囲気下で放出して、該NOxを、排気ガス中のHCやCOと反応させて還元する機能を有する。
上記各ロータハウジング11(各気筒)には、水素タンク70からの水素ガスを、ロータ収容室11aの圧縮行程にある作動室(燃焼室)内に直接噴射する水素用直噴噴射弁18A(第1の燃料噴射弁)と、CNGタンク71からの天然ガスを、ロータ収容室11aの圧縮行程にある作動室(燃焼室)内に直接噴射するCNG用直噴噴射弁18B(第2の燃料噴射弁)と、水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bよりそれぞれ噴射された水素ガス及び天然ガスの点火を行う2つの点火プラグ19とが設けられている。水素ガス及び天然ガスは、後述の未燃ガス蓄積制御時を除いて、略同じ体積比率でもって燃焼室内に噴射される。
エンジン10には、該エンジン10の各ロータ収容室11aにおける吸気行程にある作動室(燃焼室)内への吸気の過給を行う排気ターボ過給機85が設けられている。この排気ターボ過給機85は、吸気通路14におけるスロットル弁16よりも下流側に配設されたコンプレッサ85aと、排気通路15における上記合流部よりも下流側でかつ三元触媒81よりも上流側に配設されたタービン85bとで構成されている。タービン85bが排気ガス流により回転し、このタービン85bの回転により、該タービン85bと連結されたコンプレッサ85aが作動して、吸気通路14に吸入された空気を圧縮する。この圧縮された空気は、吸気通路14におけるコンプレッサ85aよりも下流側に配設されたインタークーラ86によって冷却された後、上記各分岐路を介して各ロータ収容室11aにおける吸気行程にある作動室内に吸入される。尚、NOx吸蔵還元触媒82は、排気通路15におけるタービン85bの下流側に配設されることになる。
車両1には、バッテリ30に出入りする電流及びバッテリ30の電圧を検出するバッテリ電流・電圧センサ101と、車両1の乗員によるアクセルペダルの踏み込み量(乗員の操作によるアクセル開度)を検出するアクセル開度センサ102と、車両1の車速を検出する車速センサ103と、エキセントリックシャフト13に設けられ、エキセントリックシャフト13の回転角度位置を検出する回転角センサ104と、排気通路15における低温活性三元触媒81とタービン85bとの間に配設され、エンジン10の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ105(本実施形態では、リニアO2センサで構成されている)と、ロータハウジング11の内部に形成されたウォータジャケット(図示せず)に臨んで該ウォータジャケット内を流れるエンジン冷却水の温度(エンジン水温)を検出するエンジン水温センサ106と、水素タンク70内の圧力(つまり水素タンク70内の水素ガス残量)及びCHGタンク71内の圧力(つまりCNGタンク71内の天然ガス残量)をそれぞれ検出するタンク圧力センサ107(水素タンク70とCNGタンク71とに別々に設けられている)と、吸気通路14内に吸入される吸気流量を検出するエアフローセンサ108と、エンジン10の作動制御や、第1及び第2インバータ50,51の作動制御(つまり発電機20及び駆動モータ40の作動制御)等を行うコントロールユニット100とが設けられている。上記回転角センサ104は、エンジン10の回転数を検出するエンジン回転数センサを兼ねている。尚、図2中、55は、後述の実施形態3において暖房装置に設けられる、車両1の乗員が操作して該暖房装置を作動させるための操作スイッチである。
コントロールユニット100は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置(CPU)と、例えばRAMやROMにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力(I/O)バスと、を備えている。コントロールユニット100には、バッテリ電流・電圧センサ101、アクセル開度センサ102、車速センサ103、回転角センサ104、空燃比センサ105、エンジン水温センサ106、タンク圧力センサ107、エアフローセンサ108等からの各種情報の信号が入力されるようになっている。
発電機20は、該発電機20による発電電圧及び発電電流の情報をコントロールユニット100に送信するようになっており、コントロールユニット100は、その情報を入力して該情報から発電機20による発電電力(発電量)を検出する。
駆動モータ40は、該駆動モータ40の回転数の情報や、駆動モータ40による回生発電電圧及び回生発電電流の情報をコントロールユニット100に送信するようになっており、コントロールユニット100は、その情報を入力して駆動モータ40の作動制御に用いる。
そして、コントロールユニット100は、上記入力信号に基づいて、スロットル弁アクチュエータ90、水素用ポート噴射弁17A、CNG用ポート噴射弁17B、水素用直噴噴射弁18A、CNG用直噴噴射弁18B、及び点火プラグ19に対して制御信号を出力してエンジン10を制御するとともに、第1及び第2インバータ50,51に対して制御信号を出力して発電機20及び駆動モータ40を制御する。コントロールユニット100は、水素用直噴噴射弁18A及びCNG用直噴噴射弁18Bの作動を含めて、エンジン10の作動を制御する制御手段を構成することになる。
コントロールユニット100は、第1及び第2インバータ50,51の制御により、エンジン10が停止した状態でバッテリ30からの放電電力のみでもって駆動モータ40を駆動する第1態様と、発電機20の発電電力でもってバッテリ30を充電しながら、バッテリ30からの放電電力でもって駆動モータ40を駆動する第2態様と、バッテリ30及び発電機20の両方からの電力でもって駆動モータ40を駆動する第3態様とに切換える。この第3態様には、発電機20の発電電力の全てが駆動モータ40に供給される場合と、発電機20の発電電力の一部が駆動モータ40に供給されながら、残りがバッテリ30に供給される場合とが含まれる。
コントロールユニット100は、バッテリ電流・電圧センサ101により検出された、バッテリ30に出入りする電流及びバッテリ30の電圧に基づいて、バッテリ30の残存容量(SOC)を検出する。そして、コントロールユニット100は、バッテリ30のSOCが上記所定容量よりも高いときには、上記第1態様を選択し、バッテリ30のSOCが上記所定容量よりも高くても、車両1の所定以上の加速要求があったときのように、アクセル開度センサ102及び車速センサ103からの信号に基づく駆動モータ40の要求出力が大きい場合においては、上記第3態様を選択する。また、コントロールユニット100は、バッテリ30のSOCが上記所定容量以下であるときには、上記第2態様を選択する。尚、タンク圧力センサ107による水素タンク70内の水素ガス残量が、予め設定された第1設定値以下になった場合や、CNGタンク71内の天然ガス残量が、予め設定された第2設定値以下になった場合等においては、上記第1態様を選択する。
コントロールユニット100は、エンジン10が停止した状態にあるときにおいて、駆動モータ40の要求出力及びバッテリ30のSOCの値に基づいて、エンジン10の運転要求の有無(本実施形態では、発電要求の有無と同じことである)を確認し、エンジン10の運転要求(発電要求)が有るときには、モータとしての発電機20によりエンジン10をクランキングしてエンジン10を始動させ、その始動後に発電機20に発電を行わせるべくエンジン10を運転する。
コントロールユニット100は、エンジン10の運転時には、水素ガス及び天然ガスを略同じ体積比率でもってエンジン10の燃焼室内に噴射し、かつ、該燃焼室内の燃焼空燃比を、該エンジン10(燃焼室)からのNOx排出量が、天然ガスのみをそのリーン限界の燃焼空燃比でもって燃焼させたときのNOx排出量と略同じになるリーン空燃比にするべく、水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bを制御する。
コントロールユニット100は、エンジン10の運転要求(発電要求)によりエンジン10を運転する際には、車両1の所定以上の加速要求がなければ、基本的に定常運転する。コントロールユニット100は、このように発電要求時において定常運転する際には、所定負荷以上の負荷である中負荷ないし高負荷でかつ所定回転数領域で運転する。上記所定回転数領域は、本実施形態では、エンジン10の最高効率点を含む効率の良い領域(例えば1800rpm〜2200rpm)であり、本実施形態では、基本的に、2000rpmで運転する。
ここで、図3に、水素ガス、天然ガス及びこれらの混合ガスA,B,Cについて、エンジン10(回転数2000rpm、スロットル弁16全開)で燃焼させたときの、空気過剰率λとエンジン10(燃焼室)からのNOx排出量との関係を示す。混合ガスAは、水素ガスと天然ガスとを略同じ体積比率(共に約50%)としたものであり、混合ガスBは、混合ガスAよりも水素ガスの体積比率を多くしたものであり、混合ガスCは、混合ガスBよりも水素ガスの体積比率を多くしたものである。また、図4に、図3の上記各ガスについて、エンジン10(回転数2000rpm、スロットル弁16全開)で燃焼させたときの、空気過剰率λとエンジン10の出力トルクとの関係、及び、空気過剰率λとエンジン10の熱効率との関係を示す。ここでは、天然ガスはCNG用直噴噴射弁18Bより噴射させ、水素ガスは水素用ポート噴射弁17Aより噴射させている。この場合、水素ガス及び天然ガスを水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bよりそれぞれ噴射させる場合と比べて、出力トルクの大きさ等は変わるものの、上記関係の傾向は大きくは変わらない。
図3及び図4より、天然ガスのリーン限界の燃焼空燃比(ここでは、空気過剰率λ)は、1.6であり、これよりも空気過剰率λを大きくしても、安定した点火を行うことができない。図3及び図4では、空気過剰率λが2.7までしかないが、水素ガスのリーン限界の空気過剰率λは約3である。尚、図3及び図4では、水素ガスについての、空気過剰率λが1.8よりも低い場合の結果は省略している。
図3より、空気過剰率λが同じであれば、天然ガスの方が水素ガスよりもNOx排出量が少なく、混合ガスA,B,Cにおいては、天然ガスの体積比率が大きい(水素ガスの体積比率が小さい)ほど、NOx排出量が少なくなることが分かる。すなわち、水素ガスや、混合ガスにおいて水素ガスの体積比率が大きい場合、NOx排出量は多くなる。しかし、水素ガスや、混合ガスにおいて水素ガスの体積比率が大きい場合、リーン限界の燃焼空燃比が高くなるので、燃焼室内の燃焼空燃比を高くすることで、NOx排出量を少なくすることができる。
そこで、本実施形態では、燃焼室内の燃焼空燃比(空気過剰率λ)を、エンジン10からのNOx排出量が、天然ガスのみをそのリーン限界の燃焼空燃比(λ=1.6)でもって燃焼させたときのNOx排出量と略同じになるリーン空燃比にする。このリーン空燃比は、本実施形態では、図3の天然ガスのライン上のλ=1.6の点Q1を通る、横軸と平行なラインと、混合ガスAのラインとが交わる点Q2のλの値(つまりλ=1.9)となる。
次に、コントロールユニット100によるエンジン10の始動時及び運転時の処理動作を、図5のフローチャートに基づいて説明する。
最初のステップS1で、各種センサからの信号を読み込み、次のステップS2で、アクセル開度センサ102及び車速センサ103からの信号に基づき、駆動モータ40の要求出力を計算する。
次のステップS3では、上記駆動モータ40の要求出力とバッテリ30のSOCとに基づき、エンジン10の運転要求の有無を確認し、次のステップS4では、エンジン10の運転要求が有るか否かを判定する。
上記ステップS4の判定がNOであるときには、上記ステップS1に戻る一方、ステップS4の判定がYESであるときには、ステップS5に進んで、所定条件が成立したか否か(本実施形態では、車両1の所定以上の加速要求が有ったか否か)を判定する。すなわち、エンジン10の停止時において所定条件の成立(車両1の所定以上の加速要求)によりエンジン10を始動することになったか否かを判定する。
上記ステップS5の判定がNOであるときには、ステップS6に進んで、モータとしての発電機20によりエンジン10をクランキングし(燃料噴射はしない)、次のステップS7で、エンジン10の回転数が500rpmを超えたか否かを判定する。
上記ステップS7の判定がNOであるときには、ステップS7の処理動作を繰り返し、ステップS7の判定がYESになると、ステップS10に進む。
一方、上記ステップS5の判定がYESであるときには、ステップS8に進んで、モータとしての発電機20によりエンジン10をクランキングするとともに、未燃ガス蓄積制御を実行する。この未燃ガス蓄積制御は、エンジン10の始動開始(クランキング開始)から点火前までの間の所定期間において、エンジン10の燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比(λ=1.9)になるように水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより水素ガス及び天然ガスをそれぞれ噴射させることにより、排気通路15におけるタービン85bの上流側に未燃ガスを蓄積させる。すなわち、燃焼室内に供給された水素ガス及び天然ガスは、点火されないので、未燃のまま排気通路15に排出され、その未燃ガスが、排気通路15におけるタービン85bの上流側に蓄積されることになる。
上記所定期間は、本実施形態では、エンジン10の始動開始から点火直前までの期間(クランキングの全期間)としているが、未燃ガスを排気通路15におけるタービン85bの上流側に、該未燃ガスの燃焼によりタービン85bを勢いよく回転させることが可能な量だけ蓄積できるのであれば、クランキングの全期間中の一部の期間としてもよい。
このように排気通路15におけるタービン85bの上流側に未燃ガスを蓄積しておくことで、後述のステップS10での点火により燃焼室内で燃焼した高温のガスが排気通路15に排気されたときに、その排気ガスにより、上記蓄積されていた未燃ガスが一気に燃焼し、これにより、タービン85bを勢いよく回転させることができる。
上記未燃ガス蓄積制御の実行時には、水素ガス及び天然ガスを略同じ体積比率でもって噴射するようにしてもよいが、本実施形態では、水素ガス及び天然ガスの噴射量を、略同じ体積比率から変更して、水素ガスの噴射量の体積比率を減少させかつ天然ガスの噴射量の体積比率を増大させる(本実施形態では、水素ガスの噴射量:天然ガスの噴射量=20:80にする)。上記リーン空燃比を変更しないで天然ガスの噴射量の体積比率を増大させると、NOx排出量は、略同じ体積比率の場合よりも低減するとともに、未燃ガスの燃焼により、タービン85bをより一層勢いよく回転させることができる。尚、天然ガスの噴射量の体積比率を本実施形態のように高くする(80%)と、燃焼室内の燃焼では、その混合ガスのリーン限界を超えて燃焼しない可能性があるが、上記蓄積された未燃ガスは、燃焼室内で燃焼した高温のガスにより燃焼するので、燃焼しなくなるという問題はない。
次のステップS9では、エンジン10の回転数が1000rpmを超えたか否かを判定し、このステップS9の判定がNOであるときには、ステップS9の処理動作を繰り返し、ステップS9の判定がYESになると、ステップS10に進む。このように本実施形態では、車両1の所定以上の加速要求があったとき(所定条件の成立時)におけるエンジン10の始動時には、発電機20により駆動されるエンジン10の回転数を、上記加速要求がなかったとき(所定条件の非成立時)におけるエンジン10の始動時に比べて高くする。
尚、本実施形態では、車両1の所定以上の加速要求があるという所定条件の成立によりエンジン10を始動するときに、未燃ガス蓄積制御を実行するようにしたが、その他の条件の成立によりエンジン10を始動するときに、未燃ガス蓄積制御を実行するようにしてもよい。
ステップS10では、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比(λ=1.9)になるように水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより水素ガス及び天然ガスを略同じ体積比率でもってそれぞれ噴射させて点火を行う。
次のステップS11では、駆動モータ40の要求出力が所定値よりも小さいか否かを判定する。この所定値は、駆動モータ40の要求出力がこれよりも大きいと、その駆動モータ40の要求出力に対応できるようにエンジン10の回転数を2000rpmよりも大きくする必要があるような値である。
上記ステップS11の判定がNOであるときには、ステップS12に進んで、エンジン10の目標回転数を、駆動モータ40の要求出力が大きいほど高い値に設定するとともに、その駆動モータ40の要求出力に応じた目標過給圧に設定する。このとき、水素ガス及び天然ガスの噴射量は略同じ体積比率(共に約50%)とし、燃焼室内の燃焼空燃比は上記リーン空燃比(λ=1.9)とする。上記のように車両1の所定以上の加速要求があったときには、ステップS11の判定はNOとなり、ステップS12に進むことになる。ステップS12の後は、ステップS14に進む。
一方、上記ステップS11の判定がYESであるときには、ステップS13に進んで、エンジン10の目標回転数を2000rpmとし、駆動モータ40の要求出力に応じた目標過給圧に設定する。このときも、水素ガス及び天然ガスの噴射量は略同じ体積比率(共に約50%)として、燃焼室内の燃焼空燃比は上記リーン空燃比(λ=1.9)とする。このステップS13では、エンジン10は、定常運転される。ステップS13の後は、ステップS14に進む。
上記ステップS14では、新たに各種センサからの信号を読み込んで新たにエンジン要求運転の有無を確認して、エンジン10の運転要求がなくなったか否かを判定する。このステップS14の判定がNOであるときには、上記ステップS11に戻る。一方、ステップS14の判定がYESであるときには、ステップS15に進んで、エンジン10を停止し、しかる後にリターンする。
したがって、本実施形態では、水素ガスと、水素ガスに対して、単位体積当たりの発熱量が高くかつ同じ燃焼空燃比下でエンジン10からのNOx排出量が少なくかつリーン限界の燃焼空燃比が低い天然ガスとを略同じ体積比率でもってエンジン10の燃焼室内に噴射するようにしたので、燃焼室内の燃焼空燃比を、天然ガスのリーン限界の燃焼空燃比よりも高い(リーンな)空燃比に設定することができて、良好な燃費性能が得られる。また、燃焼室内の燃焼空燃比を、エンジン10からのNOx排出量が、天然ガスのみをそのリーン限界の燃焼空燃比でもって燃焼させたときのNOx排出量と略同じになるリーン空燃比にするので、良好なエミッション性能が得られる。さらに、天然ガスの単位体積当たりの発熱量が水素ガスの単位体積当たりの発熱量よりも高いとともに、水素ガス及び天然ガスが共に燃焼室内に直接噴射されかつエンジン10が排気ターボ過給機85を有しているので、良好な出力性能が得られる。
また、本実施形態では、車両1の所定以上の加速要求があるという所定条件の成立によりエンジン10を始動するときに、未燃ガス蓄積制御を実行するようにしたので、未燃ガス蓄積制御の実行後の点火により燃焼室内で燃焼した高温のガスの排気通路15への排気により、排気通路15におけるタービン85bの上流側に蓄積されていた未燃ガスを一気に燃焼させることができ、これにより、タービン85bを勢いよく回転させることができて、エンジン10の始動後直ぐに高い過給圧が得られるようになる。
(実施形態2)
図6は、本発明の実施形態2における、コントロールユニット100によるエンジン10の始動時及び運転時の処理動作を示し、NOx吸蔵還元触媒82からのNOx放出時(NOxパージ時)に、車両1の所定以上の加速要求があったときの処理動作を示す。
本実施形態においても、ハード構成は上記実施形態1と同様である。また、本実施形態においても、上記実施形態1と同様に、コントロールユニット100は、エンジン10の運転時には、水素ガス及び天然ガスを略同じ体積比率でもってエンジン10の燃焼室内に噴射し、かつ、該燃焼室内の燃焼空燃比を、該エンジン10からのNOx排出量が、天然ガスのみをそのリーン限界の燃焼空燃比でもって燃焼させたときのNOx排出量と略同じになるリーン空燃比(λ=1.9)にするべく、水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bを制御する。但し、後述の如く、NOx吸蔵還元触媒82からのNOx放出時(後述のNOx放出制御時)には、上記燃焼室内の燃焼空燃比をリッチ空燃比(λ=0.9)にする。
本実施形態では、コントロールユニット100は、NOx吸蔵還元触媒82のNOx吸蔵量が所定量以上になったとき、NOx吸蔵還元触媒82からNOxを放出させるためのNOx放出制御を実行する。上記所定量は、これ以上NOxを吸蔵することができなくなるレベルに近い量であって、吸蔵したNOxの放出が必要となる量である。NOx吸蔵還元触媒82のNOx吸蔵量は、エンジン10の運転履歴から計算することができ、コントロールユニット100が、エンジン10の運転中、その運転状態に基づいてNOx吸蔵量を積算していく。コントロールユニット100は、NOx放出開始から、予め設定された設定時間t1が経過したときに、NOx放出完了と判断して、NOx放出制御を停止する。上記設定時間t1は、NOx放出制御により、NOx吸蔵還元触媒82に吸蔵されているNOxの略全量が放出されるのに要する時間(例えば10s)である。
コントロールユニット100は、上記NOx放出制御時においては、エンジン10を無負荷運転にしかつ該エンジン10の燃焼室内の燃焼空燃比をリッチ空燃比(λ=0.9)にする。このとき、コントロールユニット100は、エンジン10の回転数2000rpmを維持するべく、発電機20によりエンジン10を駆動する。これにより、NOx放出制御の実行に伴うエンジン音の変化が無くなり、車両1の乗員に違和感を生じさせることはない。
また、コントロールユニット100は、上記NOx放出制御によるNOx放出開始からNOx放出完了の所定時間t2前までの間に、車両1の所定以上の加速要求があったときには、NOx放出完了の上記所定時間t2前の時点から、点火を停止した状態で、エンジン10の燃焼室内の燃焼空燃比が上記リッチ空燃比(λ=0.9)になるように水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより水素ガス及び天然ガスをそれぞれ噴射させることにより、排気通路15におけるタービン85bの上流側に未燃ガスを蓄積させる未燃ガス蓄積制御を実行する。上記実施形態1の未燃ガス蓄積制御と同様に、本実施形態の未燃ガス蓄積制御においても、水素ガス及び天然ガスの噴射量を、略同じ体積比率から変更して、水素ガスの噴射量の体積比率を減少させかつ天然ガスの噴射量の体積比率を増大させる。但し、本実施形態では、要求されている加速が大きいほど、天然ガスの噴射量の体積比率を増大させる。また、コントロールユニット100は、未燃ガス蓄積制御時においても、NOx放出制御時と同様に、エンジン10の回転数2000rpmを維持するべく、発電機20によりエンジン10を駆動する。
そして、コントロールユニット100は、上記未燃ガス蓄積制御の実行後に、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比(λ=1.9)になるように水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより水素ガス及び天然ガスをそれぞれ噴射させて点火を再開させる。この再点火により燃焼室内で燃焼した高温のガスが排気通路15に排気されたときに、その排気ガスにより、排気通路15におけるタービン85bの上流側に蓄積されていた未燃ガスが一気に燃焼する。この結果、NOx放出時(無負荷運転時)における車両1の所定以上の加速要求時に、出来る限り早期に高い過給圧が得られるようになる。また、上記未燃ガスの燃焼したガスにより、NOxの放出を完了させることができる。すなわち、既に(t1−t2)時間のNOx放出制御を行っているので、上記所定時間t2で蓄積した未燃ガスの燃焼でもって、t1時間のNOx放出制御を行ったのと同じこととなり、NOxの放出を完了させることができる。上記所定時間t2は、未燃ガスを排気通路15におけるタービン85bの上流側に、該未燃ガスの燃焼によりタービン85bを勢いよく回転させることが可能な量だけ蓄積できるような出来る限り短い時間にすることが好ましい。
上記コントローラ100による制御を、具体的に、図6のフローチャートに基づいて説明する。
ステップS31〜S34では、上記実施形態1のS1〜S4とそれぞれ同様の処理動作を行う。
ステップS34の判定がYESであるときに進むステップS35で、エンジン10を始動する。ここでは、上記実施形態1のステップS6、S7及びS10のように動作してエンジン10を始動する。
次のステップS36では、駆動モータ40の要求出力が所定値(上記実施形態1(ステップS11)の所定値と同様の値)よりも小さいか否かを判定し、このステップS36の判定がNOであるときには、ステップS37に進んで、エンジン10の目標回転数を、駆動モータ40の要求出力が大きいほど高い値に設定するとともに、その駆動モータ40の要求出力に応じた目標過給圧に設定する。このとき、水素ガス及び天然ガスの噴射量は略同じ体積比率(共に約50%)とし、燃焼室内の燃焼空燃比は上記リーン空燃比(λ=1.9)とする。ステップS37の後は、ステップS40に進む。
上記ステップS36の判定がYESであるときには、ステップS38に進んで、エンジン10の目標回転数を2000rpmとし、駆動モータ40の要求出力に応じた目標過給圧に設定する。このときも、水素ガス及び天然ガスの噴射量は略同じ体積比率(共に約50%)として、燃焼室内の燃焼空燃比は上記リーン空燃比(λ=1.9)とする。このステップS38では、エンジン10は、定常運転される。
次のステップS39では、NOx吸蔵還元触媒82のNOx吸蔵量が上記所定量以上になったか否かを判定する。このステップS39の判定がNOであるときには、ステップS40に進む。このステップS40では、新たに各種センサからの信号を読み込んで新たにエンジン要求運転の有無を確認して、エンジン10の運転要求がなくなったか否かを判定する。このステップS40の判定がNOであるときには、上記ステップS36に戻る。
一方、ステップS40の判定がYESであるときには、ステップS41に進んで、エンジン10を停止し、しかる後にリターンする。
上記ステップS39の判定がYESであるときには、ステップS42に進んで、NOx放出制御を実行し、次のステップS43で、NOx放出開始からNOx放出完了の所定時間t2前までの間に(NOx放出開始から(t1−t2)時間経過するまでの間に)、車両1の所定以上の加速要求があったか否かを判定する。
上記ステップS43の判定がNOであるときには、ステップS44に進んで、NOx放出が完了したか否か(NOx放出開始からt1時間経過したか否か)を判定する。このステップS44の判定がNOであるときには、当該ステップS44の処理動作を繰り返す一方、ステップS44の判定がYESであるときには、上記ステップS40に進む。
一方、上記ステップS43の判定がYESであるときには、ステップS45に進んで、NOx放出開始から(t1−t2)時間経過したか否かを判定する。このステップS45の判定がNOであるときには、当該ステップS45の処理動作を繰り返す一方、ステップS45の判定がYESであるときには、ステップS46に進んで、上記未燃ガス蓄積制御を実行する。ステップS46の後は、上記ステップS36に戻る。このようにステップS46からステップS36に戻ったときの該ステップS36の判定はNOとなり、ステップS37に進むことになる。
したがって、本実施形態では、NOx放出制御によるNOx放出開始からNOx放出完了の所定時間t2前までの間に、車両1の所定以上の加速要求があったときには、NOx放出完了の上記所定時間t2前の時点から、点火を停止した状態で、エンジン10の燃焼室内の燃焼空燃比が上記リッチ空燃比(λ=0.9)になるように水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより水素ガス及び天然ガスをそれぞれ噴射させることにより、排気通路15におけるタービン85bの上流側に未燃ガスを蓄積させる未燃ガス蓄積制御を実行し、この未燃ガス蓄積制御の実行後に、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比(λ=1.9)になるように水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより水素ガス及び天然ガスをそれぞれ噴射させて点火を再開させるようにしたので、NOx放出時(無負荷運転時)における車両1の所定以上の加速要求時に、出来る限り早期に高い過給圧が得られるようになる。また、上記未燃ガスの燃焼したガスにより、NOxの放出を完了させることができる。尚、NOx放出制御時に車両1の所定以上の加速要求があっても、NOx放出制御が略完了するまでは、高い過給圧が得られないことになるが、それまでは、バッテリ30の放電電力でもって加速要求に出来る限り対応する。
(実施形態3)
図7は、本発明の実施形態3における、コントロールユニット100によるエンジン10の始動時及び運転時の処理動作を示し、暖房運転制御中に、車両1の所定以上の加速要求があったときの処理動作を示す。
本実施形態では、車両1に暖房装置が設けられている点で上記実施形態1及び2とは異なるが、その他のハード構成は上記実施形態1及び2と同様である。尚、上記実施形態1及び2においても、車両1に暖房装置が設けられて、本実施形態で説明するような、暖房運転制御や、暖房運転制御時に、車両1の所定以上の加速要求があったときの制御を実行するようにしてもよい。
また、本実施形態においても、上記実施形態1及び2と同様に、コントロールユニット100は、エンジン10の運転時には、水素ガス及び天然ガスを略同じ体積比率でもってエンジン10の燃焼室内に噴射し、かつ、該燃焼室内の燃焼空燃比を、該エンジン10からのNOx排出量が、天然ガスのみをそのリーン限界の燃焼空燃比でもって燃焼させたときのNOx排出量と略同じになるリーン空燃比(λ=1.9)にするべく、水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bを制御する。但し、上記実施形態2と同様に、NOx放出制御時には、上記燃焼室内の燃焼空燃比をリッチ空燃比にする。さらに、本実施形態においても、上記実施形態2と同様に、コントロールユニット100は、NOx吸蔵還元触媒82のNOx吸蔵量が所定量(上記実施形態2(ステップS39)の所定量と同様の値)以上になったとき、NOx放出制御を実行する。
上記暖房装置は、エンジン10の冷却水を利用して車両1の車室内を暖房する装置である。この暖房装置は、空調装置として組み込まれたものであってもよい。この暖房装置は、車室内へ吹き出される空気と上記冷却水との熱交換を行うヒータコアと、車両1の乗員が操作して暖房装置を作動させるための操作スイッチ55(図2に示す)とを有し、この操作スイッチ55の操作情報がコントロールユニット100に入力される。発電要求がなくてエンジン10が停止しているときに、上記操作スイッチ55による暖房要求がなされると、コントロールユニット100は、エンジン10を始動して、エンジン10の冷却水を暖める。このとき、コントロールユニット100は、エンジン10を、上記所定負荷(発電要求時に定常運転する際の負荷の最小値)よりも小さい負荷である軽負荷で運転する暖房運転制御を実行する。すなわち、発電機20により僅かに発電させながらエンジン10を運転することで、エンジン10の冷却水を暖める。
コントロールユニット100は、上記暖房運転制御時には、エンジン10を上記軽負荷運転にしかつ該エンジン10の燃焼室内の燃焼空燃比を上記リーン空燃比(λ=1.9)にする。このとき、コントロールユニット100は、エンジン10の回転数2000rpmを維持するべく、発電機20によりエンジン10を駆動する。
そして、コントロールユニット100は、上記暖房運転制御時(軽負荷運転時)に、車両1の所定以上の加速要求があったときには、該加速要求時からの所定期間、点火を停止した状態で、エンジン10の燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比(λ=1.9)になるように水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより水素ガス及び天然ガスをそれぞれ噴射させることにより、排気通路15におけるタービン85bの上流側に未燃ガスを蓄積させる未燃ガス蓄積制御を実行する。上記実施形態2の未燃ガス蓄積制御と同様に、本実施形態の未燃ガス蓄積制御においても、水素ガス及び天然ガスの噴射量を、略同じ体積比率から変更して、水素ガスの噴射量の体積比率を減少させかつ天然ガスの噴射量の体積比率を増大させる(要求されている加速が大きいほど、天然ガスの噴射量の体積比率を増大させる)。また、上記実施形態2と同様に、コントロールユニット100は、未燃ガス蓄積制御時において、エンジン10の回転数2000rpmを維持するべく、発電機20によりエンジン10を駆動する。
上記所定期間は、未燃ガスを排気通路15におけるタービン85bの上流側に、該未燃ガスの燃焼によりタービン85bを勢いよく回転させることが可能な量だけ蓄積できるような出来る限り短い期間である。
そして、コントロールユニット100は、上記未燃ガス蓄積制御の実行後に、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比(λ=1.9)になるように水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより水素ガス及び天然ガスをそれぞれ噴射させて点火を再開させる。この再点火により燃焼室内で燃焼した高温のガスが排気通路15に排気されたときに、その排気ガスにより、排気通路15におけるタービン85bの上流側に蓄積されていた未燃ガスが一気に燃焼する。この結果、暖房運転制御時(軽負荷運転時)における車両1の所定以上の加速要求時に、即座に高い過給圧が得られるようになる。
上記コントローラ100による制御を、具体的に、図7のフローチャートに基づいて説明する。
ステップS61〜S65では、上記実施形態2のS31〜S35とそれぞれ同様の処理動作を行う。
ステップS65の次のステップS66では、発電要求がなくて暖房要求のみがなされているか否かを判定する。このステップS66の判定がYESであるときには、ステップS67に進む一方、ステップS66の判定がNOであるときには、ステップS70に進む。
上記ステップS67では、上記暖房運転制御を実行し、次のステップS68で、車両1の所定以上の加速要求があるか否かを判定する。このステップS68の判定がNOであるときには、ステップS75に進む一方、ステップS68の判定がYESであるときには、ステップS69に進んで、上記未燃ガス蓄積制御を実行する。ステップS69の後は、ステップS70に進む。
上記ステップS70では、駆動モータ40の要求出力が所定値(上記実施形態1(ステップS11)の所定値と同様の値)よりも小さいか否かを判定し、このステップS70の判定がNOであるときには、ステップS71に進んで、エンジン10の目標回転数を、駆動モータ40の要求出力が大きいほど高い値に設定するとともに、その駆動モータ40の要求出力に応じた目標過給圧に設定する。このとき、水素ガス及び天然ガスの噴射量は略同じ体積比率(共に約50%)とし、燃焼室内の燃焼空燃比は上記リーン空燃比(λ=1.9)とする。上記ステップS69からステップS70に進んだときの該ステップS70の判定はNOになり、ステップS71に進むことになる。ステップS71の後は、ステップS75に進む。
上記ステップS70の判定がYESであるときには、ステップS73に進む。このステップS73では、エンジン10の目標回転数を2000rpmとし、駆動モータ40の要求出力に応じた目標過給圧に設定する。このときも、水素ガス及び天然ガスの噴射量は略同じ体積比率(共に約50%)として、燃焼室内の燃焼空燃比は上記リーン空燃比(λ=1.9)とする。このステップS73では、エンジン10は、定常運転される。
次のステップS74では、NOx吸蔵還元触媒82のNOx吸蔵量が所定量(上記実施形態2(ステップS39)の所定量と同様の値)以上になったか否かを判定する。このステップS74の判定がNOであるときには、ステップS75に進む。このステップS75では、新たに各種センサからの信号を読み込んで新たにエンジン要求運転の有無を確認して、エンジン10の運転要求がなくなったか否かを判定する。このステップS75の判定がNOであるときには、上記ステップS66に戻る一方、ステップS75の判定がYESであるときには、ステップS76に進んで、エンジン10を停止し、しかる後にリターンする。
上記ステップS74の判定がYESであるときには、ステップS77に進んで、NOx放出制御を実行し、次のステップS78で、NOx放出が完了したか否か(NOx放出開始からt1時間経過したか否か)を判定する。このステップS78の判定がNOであるときには、当該ステップS78の処理動作を繰り返す一方、ステップS78の判定がYESであるときには、上記ステップS75に進む。
したがって、本実施形態では、暖房運転制御時(軽負荷運転時)に、車両1の所定以上の加速要求があったときには、該加速要求時からの所定期間、点火を停止した状態で、エンジン10の燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比(λ=1.9)になるように水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより水素ガス及び天然ガスをそれぞれ噴射させることにより、排気通路15におけるタービン85bの上流側に未燃ガスを蓄積させる未燃ガス蓄積制御を実行し、この未燃ガス蓄積制御の実行後に、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比(λ=1.9)になるように水素用及びCNG用直噴噴射弁18A,18Bより水素ガス及び天然ガスをそれぞれ噴射させて点火を再開させるようにしたので、軽負荷運転時における車両1の所定以上の加速要求時に、出来る限り早期に高い過給圧が得られるようになる。
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
例えば、上記各実施形態では、エンジン10を、シリーズハイブリッドシステムにおいて発電機20を駆動して発電させるために用いられる発電用エンジンとしたが、上記実施形態1においては、エンジン10を、車両1の駆動輪61を駆動するエンジン(パラレルハイブリッドシステムのエンジンを含む)とすることも可能である。この場合、例えば、所定車速以下でアイドルストップしたときにおける車両1の所定以上の加速要求時に、上記実施形態1のような未燃ガス蓄積制御を実行してエンジン10を始動するようにすればよい。
また、上記各実施形態では、エンジン10をロータリピストンエンジンとしたが、往復動型エンジンとすることも可能である。
上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
本発明は、車両に搭載されかつ第1燃料及び第2燃料をそれぞれ供給可能に構成された多種燃料エンジンの制御装置に有用である。
1 車両
10 多種燃料エンジン
14 吸気通路
15 排気通路
18A 水素用直噴噴射弁(第1の燃料噴射弁)
18B CNG用直噴噴射弁(第2の燃料噴射弁)
20 発電機(エンジンを始動するモータ)
82 NOx吸蔵還元触媒
85 排気ターボ過給機
85a コンプレッサ
85b タービン
100 コントロールユニット(制御手段)

Claims (8)

  1. 車両に搭載された多種燃料エンジンの制御装置であって、
    上記エンジンは、
    上記エンジンの燃焼室内に、水素からなる第1燃料を直接噴射する第1の燃料噴射弁と、
    上記エンジンの燃焼室内に、上記第1燃料に対して、単位体積当たりの発熱量が高くかつ同じ燃焼空燃比下で上記エンジンからのNOx排出量が少なくかつリーン限界の燃焼空燃比が低い気体燃料からなる第2燃料を直接噴射する第2の燃料噴射弁と、
    上記エンジンの燃焼室内への吸気の過給を行う過給機と、
    を有し、
    上記第1及び第2の燃料噴射弁の作動を含めて、上記エンジンの作動を制御する制御手段を備え、
    上記制御手段は、上記第1及び第2燃料を略同じ体積比率でもって上記エンジンの燃焼室内に噴射し、かつ、該燃焼室内の燃焼空燃比を、該エンジンからのNOx排出量が、上記第2燃料のみをそのリーン限界の燃焼空燃比でもって燃焼させたときのNOx排出量と略同じになるリーン空燃比にするべく、上記第1及び第2の燃料噴射弁を制御するよう構成されていることを特徴とする多種燃料エンジンの制御装置。
  2. 請求項1記載の多種燃料エンジンの制御装置において、
    上記エンジンは、シリーズハイブリッドシステムにおいて発電機を駆動して発電させるために用いられる発電用エンジンであり、
    上記制御手段は、上記エンジンを、発電要求時において定常運転する際には、所定負荷以上の負荷である中負荷ないし高負荷でかつ所定回転数領域で運転するよう構成されていることを特徴とする多種燃料エンジンの制御装置。
  3. 請求項1又は2記載の多種燃料エンジンの制御装置において、
    上記過給機は、上記エンジンの排気通路に配設されたタービンと、該エンジンの吸気通路に配設され、該タービンに連結されたコンプレッサとを有する排気ターボ過給機であり、
    上記制御手段は、上記エンジンの停止時において所定条件の成立により該エンジンを始動するときには、該エンジンの始動開始から点火前までの間の所定期間において、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させることにより、上記排気通路における上記タービンの上流側に未燃ガスを蓄積させる未燃ガス蓄積制御を実行し、該未燃ガス蓄積制御の実行後に、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させて点火を行うよう構成されていることを特徴とする多種燃料エンジンの制御装置。
  4. 請求項3記載の多種燃料エンジンの制御装置において、
    上記制御手段は、上記所定条件として上記車両の所定以上の加速要求があったときの上記エンジンの始動時に、上記未燃ガス蓄積制御を実行するよう構成されていることを特徴とする多種燃料エンジンの制御装置。
  5. 請求項3又は4記載の多種燃料エンジンの制御装置において、
    上記エンジンを始動するモータを更に備え、
    上記制御手段は、更に上記モータを制御するものであって、上記所定条件の成立時における上記エンジンの始動時には、上記モータにより駆動される上記エンジンの回転数を、上記所定条件の非成立時における上記エンジンの始動時に比べて高くするよう構成されていることを特徴とする多種燃料エンジンの制御装置。
  6. 請求項2記載の多種燃料エンジンの制御装置において、
    上記過給機は、上記エンジンの排気通路に配設されたタービンと、該エンジンの吸気通路に配設され、該タービンに連結されたコンプレッサとを有する排気ターボ過給機であり、
    上記エンジンは、その排気通路における上記タービンの下流側に配設されかつ該エンジンの排気ガスを浄化するNOx吸蔵還元触媒を更に有し、
    上記NOx吸蔵還元触媒は、上記エンジンの排気ガス中のNOxをリーン空燃比雰囲気下で吸蔵するとともに、該吸蔵したNOxを、リッチ空燃比雰囲気下で放出するものであり、
    上記制御手段は、上記NOx吸蔵還元触媒からのNOx放出時には、上記エンジンを無負荷運転にしかつ該エンジンの燃焼室内の燃焼空燃比をリッチ空燃比にするとともに、該NOx放出開始からNOx放出完了の所定時間前までの間に、上記車両の所定以上の加速要求があったときには、NOx放出完了の上記所定時間前の時点から、点火を停止した状態で、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リッチ空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させることにより、上記排気通路における上記タービンの上流側に未燃ガスを蓄積させる未燃ガス蓄積制御を実行し、該未燃ガス蓄積制御の実行後に、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させて点火を再開させるよう構成されていることを特徴とする多種燃料エンジンの制御装置。
  7. 請求項2記載の多種燃料エンジンの制御装置において、
    上記過給機は、上記エンジンの排気通路に配設されたタービンと、該エンジンの吸気通路に配設され、該タービンに連結されたコンプレッサとを有する排気ターボ過給機であり、
    上記エンジンの冷却水を利用して上記車両の車室内を暖房する暖房装置を更に備え、
    上記制御手段は、発電要求がない暖房要求時には、上記エンジンを、上記所定負荷よりも小さい負荷である軽負荷で運転するとともに、該軽負荷運転時に、上記車両の所定以上の加速要求があったときには、該加速要求時からの所定期間、点火を停止した状態で、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させることにより、上記排気通路における上記タービンの上流側に未燃ガスを蓄積させる未燃ガス蓄積制御を実行し、該未燃ガス蓄積制御の実行後に、上記燃焼室内の燃焼空燃比が上記リーン空燃比になるように上記第1及び第2の燃料噴射弁より上記第1及び第2燃料をそれぞれ噴射させて点火を再開させるよう構成されていることを特徴とする多種燃料エンジンの制御装置。
  8. 請求項3〜7のいずれか1つに記載の多種燃料エンジンの制御装置において、
    上記制御手段は、上記未燃ガス蓄積制御の実行時においては、上記第1及び第2燃料の噴射量を、略同じ体積比率から変更して、上記第1燃料の噴射量の体積比率を減少させかつ上記第2燃料の噴射量の体積比率を増大させるよう構成されていることを特徴とする多種燃料エンジンの制御装置。
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