JP2016130473A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素を燃料とする内燃機関におけるバックファイアの発生を良好に抑止できる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の制御装置は、各気筒筒内圧及びクランクアングルに基づき、各気筒におけるプレイグニッション／バックファイアの発生の有無を検知し（Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０４）、プレイグニッションの発生が検知された各気筒に対しては、燃焼速度を上昇させるための制御を行い（Ｓ１０３）、バックファイアの発生が検知された各気筒に対しては、筒内温度を低下させるための制御を行う（Ｓ１０５）。【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも水素を燃料とする内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関では、気筒内（燃焼室内）の火炎が吸気経路内に逆流する、バックファイアと呼ばれている現象が生じることがある。このバックファイアの発生を抑止するために、ガソリンエンジンにて、エアフローメータの出力波形の変化等からバックファイアの発生を検知し、バックファイアの発生を検知した時に、筒内の燃焼を良好にするための燃焼改善手段を作動させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１３２４００号公報

バックファイアは、発火温度が低い水素を燃料とする内燃機関（以下、水素エンジンと表記する）において特に発生し易い現象である。そして、バックファイアが発生すると、吸気経路が高温高圧化するので、水素エンジンにおけるバックファイアの発生を良好に抑止できない場合、インテークマニホールドを熱害を受けにくいものとすることが必要となる。

そこで、本発明の課題は、水素を燃料とする内燃機関におけるバックファイアの発生を良好に抑止できる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の、各気筒の吸気バルブよりも上流側の吸気経路から各気筒に水素燃料が供給される内燃機関の制御装置は、前記内燃機関のクランクアングルを検出するクランクアングル検出手段と、前記内燃機関の各気筒に設けられた筒内圧センサと、各筒内圧センサにより検出される筒内圧と前記クランクアングル検出手段により検出されるクランクアングルとに基づき、気筒毎に異常燃焼検知処理を行うことによって、各気筒におけるプレイグニッションの発生の有無とバックファイアの発生の有無とを検知する異常燃焼検知手段と、前記異常燃焼検知手段によりプレイグニッションの発生が検知された各気筒に対して、燃焼速度を上昇させるための制御を行い、前記異常燃焼検知手段によりバックファイアの発生が検知された各気筒に対して、筒内温度を低下させるための制御を行う異常燃焼抑制手段とを備える。そして、本発明の内燃機関の制御装置の異常燃焼検知手段は、気筒毎に、前記異常燃焼検知処理として、筒内圧の立ち上がりを検出し、検出した筒内圧の立ち上がり時におけるクランクアングル値が吸気バルブの開き期間内の値であった場合にバックファイアが発生したと判断し、検出した筒内圧の立ち上がり時におけるクランクアングル値が、吸気バルブの開き期間より後で点火時期よりも前の期間内の値であり、且つ、前記立ち上がり時における筒内圧の上昇率が所定率よりも大きな場合に、プレイグニッションが発生したと判断する処理を行う。

本発明の内燃機関の制御装置は、各種実験結果より得られた、プレイグニッションがバックファイアに転ずるという知見に基づき想到されたものである。すなわち、高負荷運転等により筒内の温度が高くなった場合、点火プラグなどがヒートスポット化し、その結果として、プレイグニッションが発生する（本来点火するタイミングよりも早期に混合気が
自着火する）ようになる。プレイグニッションが発生すると、次サイクルでの温度が高温化し、自着火タイミングがさらに早くなる。そして、吸気バルブが開くタイミングまで自着火タイミングが早期化することによって、バックファイアが発生するようになる。

一方、本発明の内燃機関の制御装置は、各気筒におけるプレイグニッション／バックファイアの発生の有無を検知し、プレイグニッションの発生が検知された各気筒に対しては、燃焼速度を上昇させるための制御を行い、バックファイアの発生が検知された各気筒に対しては、筒内温度を低下させるための制御を行う。

プレイグニッションの発生が検知された各気筒に対して、燃焼速度を上昇させるための制御を行えば、プレイグニッションが発生し難くなり、その結果として、バックファイアも発生し難くなる。また、バックファイアの発生が検知された各気筒に対して、筒内温度を低下させるための制御を行えば、残った火炎（火種）によりバックファイアが発生する確率を低減することが出来る。さらに、本発明の内燃機関の制御装置にて、プレイグニッション／バックファイアの発生の有無を検知するために行われる異常燃焼検知処理は、各現象の発生の有無を正確に検知できるものである。従って、本発明の内燃機関の制御装置によれば、水素を燃料とする内燃機関におけるバックファイアの発生を良好に抑止することできる。また、その結果として、本発明の内燃機関の制御装置を用いておけば、内燃機関のインテークマニホールドとして、熱害に特に強くないもの（例えば、既存のエンジン用のインテークマニホールド）を使用できることになる。

本発明の内燃機関の制御装置により制御される内燃機関は、水素燃料と他の燃料とを切り替えて使用できる内燃機関（いわゆるバイフューエル）であっても良い。また、本発明における“検出した筒内圧の立ち上がり時におけるクランクアングル値”は、筒内圧が立ち上がり始めた時点におけるクランクアングル値であっても、筒内圧が所定圧まで上昇した時点におけるクランクアングル値であっても良い。当該クランクアングル値は、筒内圧の、通常時の筒内圧との差が所定値まで上昇した時点におけるクランクアングル値であっても良い。また、当該クランクアングル値は、当該クランクアングル値は、筒内圧が或る筒内圧（上記所定圧又は上記所定圧よりも大きな圧力）となるまでの間の筒内圧の上昇率（ｄＰ／ｄθ）のピーク時におけるクランクアングル値であっても良い。

本発明によれば、水素を燃料とする内燃機関におけるバックファイアの発生を良好に抑止することが出来る。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を適用した内燃機関システムの概略構成図である。 図２は、内燃機関システム内のＥＣＵが実行する異常燃焼検知・抑制処理の流れ図である。 図３Ａは、バックファイア発生時における筒内圧の変化パターンの説明図である。 図３Ｂは、プレイグ発生時における筒内圧の変化パターンの説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を適用した内燃機関システムの概略構成を示す。尚、本実施形態に係る内燃機関の制御装置は、各種実験結果より得られ
た、プレイグニッションがバックファイアに転ずるという知見に基づき想到されたものである。

まず、図１に示してある内燃機関システムの構成を説明する。
本内燃機関システムは、車両に搭載されるシステムである。図１に示してあるように、内燃機関システムは、水素貯蔵タンク１０、水素エンジン２０、水タンク４０、及び、ＥＣＵ(Electronic Control Unit）５０を備える。

水素貯蔵タンク１０は、水素を高圧状態で貯蔵するタンクである。水素エンジン２０は、水素貯蔵タンク１０内の水素を燃料とする４気筒の４サイクルエンジンである。この水素エンジン２０には、クランクシャフトの回転角（以下、クランクアングルと表記する）を検出するためのクランクアングルセンサ２７が配設されている。

水素エンジン２０の各気筒には、点火プラグ２３と筒内圧センサ２６とが取り付けられている。水素エンジン２０の各吸気ポート２１には、吸気ポート２１内に水素燃料を噴射するためのインジェクタ１６が配設されている。各インジェクタ１６は、デリバリーパイプ１２及び燃料配管１１を介して水素貯蔵タンク１０に接続されており、燃料配管１１の途中には、デリバリーパイプ１２に供給する水素燃料の圧力を調整するためのレギュレータ１３が配設されている。また、燃料配管１１のレギュレータ１３よりも上流側（水素貯蔵タンク１０側）の部分には、それぞれ、配管内の水素燃料の圧力、温度を測定するための圧力センサ１４、温度センサ１５が配設されている。

水素エンジン２０の各吸気ポート２１には、水タンク４０内の水を、吸気ポート２１内に噴射するための水噴射用インジェクタ４１が配設されている。

水素エンジン２０の各吸気ポート２１は、インテークマニホールド（以下、インマニとも表記する）３０を介して吸気通路３１と接続されている。吸気通路３１の途中には、ターボチャージャ２８のコンプレッサ２８ａと、コンプレッサ２８ａからインマニ３０に供給される空気量（圧縮空気量）を調整するためのをスロットルバルブ３２とが設けられている。

水素エンジン２０の各排気ポート（図示略）には、エキゾーストマニホールド（以下、エキマニとも表記する）４５を介して排気通路４６が接続されている。排気通路４６の途中には、ターボチャージャ２８のタービン２８ｂが設けられている。また、水素エンジン２０のエキマニ４５とインマニ３０との間には、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）
バルブ３６を備えたＥＧＲ通路３６が配設されている。

ＥＣＵ５０は、上記した各種センサやアクセル開度センサ３９等からの信号に基づき、本内燃機関システムの各部（インジェクタ１６、点火プラグ２３等）を統合的に制御するユニットである。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、フラッシュＲＯ
Ｍ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等で構成されており、ＥＣＵ５０のフラッシュＲＯＭには、ＣＰＵが実行するプログラム（ファームウェア）が記憶されている。

以下、本内燃機関システムの動作を、水素エンジン２０におけるバックファイアの発生を抑制するためにＥＣＵ５０が行う処理の内容を中心に、説明する。

ＥＣＵ５０は、或る気筒における吸気行程の開始時に、その気筒用の異常燃焼検知・抑制処理を開始するように、構成（プログラミング）されている。換言すれば、ＥＣＵ５０は、各気筒に対する異常燃焼検知・抑制処理を、並行的に、開始タイミングが互いに異な
る形で繰り返し実行するように、構成されている。

ＥＣＵ５０が、気筒毎に（気筒別に）実行する異常燃焼検知・抑制処理は、図２に示した手順の処理である。

すなわち、或る気筒（以下、処理対象気筒と表記する）に対する異常燃焼検知・抑制処理を開始したＥＣＵ５０は、まず、筒内圧の立ち上がりを検出して、当該立ち上がり時のクランクアングル値を把握する処理（ステップＳ１０１）を行う。

具体的には、このステップＳ１０１において、ＥＣＵ５０は、クランクアングルセンサ２７の出力を取得しながら、処理対象気筒に配設されている筒内圧センサ２６により検出される筒内圧が予め設定されている筒内圧ａ（詳細は後述）以上となるのを、待機（監視）する。そして、ＥＣＵ５０は、処理対象気筒の筒内圧が筒内圧ａ以上となったことを検出した場合には、その時点におけるクランクアングル値を、筒内圧の立ち上がり時のクランクアングル値（以下、注目アングル値と表記する）として把握して、ステップＳ１０１の処理を終了する。

このステップＳ１０１の処理は、筒内圧が立ち上がり始めたときのクランクアングル値を、注目アングル値とする処理であっても良い。また、ステップＳ１０１の処理は、筒内圧が筒内圧ａとなるまでの間における筒内圧の上昇率（ｄＰ／ｄθ）のピーク時におけるクランクアングル値を、注目アングル値とする処理であっても良い。さらに、ステップＳ１０１の処理は、筒内圧が筒内圧ａとなった後に、筒内圧の上昇率（ｄＰ／ｄθ）にピークが現れた時におけるクランクアングル値を、注目アングル値とする処理であっても良い。また、上記した各処理における“筒内圧”は、筒内圧の測定値の、通常時の筒内圧（異常燃焼が発生していない場合における筒内圧）からの差であっても良い。

ステップＳ１０１の処理を終えたＥＣＵ５０は、処理対象気筒の吸気パルブが開いているか否かを判断する（ステップＳ１０２）。より具体的には、ＥＣＵ５０は、注目アングル値が、処理対象気筒の吸気パルブが開いている期間内のクランクアングル値であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。

このステップＳ１０２の判断は、処理対象気筒にてバックファイアが発生しているか否かを判断するために行われているものである。すなわち、図３Ａに示してあるように、バックファイアが発生した場合、筒内圧は、吸気パルブの開き期間中に一時的に上昇する。従って、注目アングル値が、処理対象気筒の吸気パルブの開き期間内のクランクアングル値であるか否かにより、処理対象気筒でバックファイアが発生しているか否かを判断することが出来る。上記した筒内圧ａとしては、バックファイア発生時における、この筒内圧の上昇をほぼ確実に検知できる値（比較的に強度が小さなバックファイアの発生を検知できる値）が使用される。

バックファイアが発生している場合（処理対象気筒の吸気パルブが開いていた場合；ステップＳ１０２；ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、処理対象気筒の燃焼室内の燃焼速度をより早くするための制御を行う（ステップＳ１０３）。

すなわち、バックファイアが発生する原因の一つとして、処理対象気筒の燃焼室内の燃焼速度が遅いが故に、前サイクルの火炎が残っており、当該火炎が火種となって、その後のサイクルの混合気（空気＋水素）が着火する、というものがある。従って、処理対象気筒の燃焼室内の燃焼速度がより早くなるようにすれば、バックファイアが発生し難くすることが出来る。尚、ステップＳ１０３における“燃焼速度をより早くするための制御”としては、燃料噴射量（水素ガスの噴射量）を増量する制御、点火時期を進角させる制御等
を採用することが出来る。

一方、処理対象気筒の吸気パルブが開いていなかった場合（ステップＳ１０２；ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、以下のプレイグ発生条件が成立しているか否かを判断する（ステップＳ１０３）。
『筒内圧上昇率が既定率以上であり、且つ、注目アングル値が、点火時期よりも前のクランクアングル値である。』

ステップＳ１０３の判断は、処理対象気筒にて、プレイグニッション（点火時期よりも早期に燃焼が始まり過大な筒内圧が発生する現象；以下、プレイグとも表記する）が発生しているか否かを判断するために行われているものである。

すなわち、図３Ｂに示してあるように、プレイグが発生した場合、筒内圧は、点火時期よりも早い時期に大きな上昇率で上昇する。従って、実験により“既定率”として使用できる値を定めておけば、上記内容のプレイグ発生条件により、処理対象気筒でプレイグが発生しているか否かを判断することが出来る。

図２に戻って、異常燃焼検知・抑制処理の説明を続ける。
プレイグが発生していないと判断した場合（プレイグ発生条件が成立していなかった場合、ステップＳ１０４；ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、処理対象気筒に対する異常燃焼検知・抑制処理を終了する。

一方、プレイグが発生していると判断した場合（プレイグ発生条件が成立していた場合、ステップＳ１０４；ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、処理対象気筒の気筒温度を低下させるための制御を行う（ステップＳ１０５）。

すなわち、プレイグは、気筒温度が高すぎる場合に発生する現象である。従って、気筒温度を低下させれば、プレイグの発生を抑止することが出来る。

ステップＳ１０５における“処理対象気筒の気筒温度を低下させるための制御”の内容は、制御対象とする水素エンジンの具体的な構成に基づき定めておけば良い。例えば、図１に示した水素エンジン２０は、吸気ポート２１を介して気筒内に水を供給できる水噴射用インジェクタ４１を備えている。従って、水素エンジン２０が制御対象である場合には、“処理対象気筒の気筒温度を低下させるための制御”として、処理対象気筒用の水噴射用インジェクタ４１による水噴射量を増量する制御を行うことが出来る。また、水素エンジン２０は、ＥＧＲ装置（ＥＧＲ通路３５及びＥＧＲバルブ３６）を備えている。従って、水素エンジン２０が制御対象である場合には、“処理対象気筒の気筒温度を低下させるための制御”として、ＥＧＲ量を増量する制御を行うことも出来る。

さらに、水素エンジン２０には、ターボチャージャ２８が接続されている。従って、水素エンジン２０が制御対象である場合には、“処理対象気筒の気筒温度を低下させるための制御”として、圧縮空気量を増量する制御を行うことも出来る。当然、“処理対象気筒の気筒温度を低下させるための制御”として、燃料噴射量を減量する制御を行っても良い。

また、“処理対象気筒の気筒温度を低下させるための制御”として、上記制御を組み合わせた制御を行っても良い。尚、そのような制御としては、例えば、『水噴射量が限界値未満である場合には、水噴射量を増量し、水噴射量が限界値である場合には、燃料噴射量を減量する制御』や、『さらなる過給が可能である場合には、圧縮空気量を増量し、そうでない場合には、燃料噴射量を減量する制御』がある。

また、制御対象とする水素エンジンが、ガソリン燃料噴射用のインジェクタも備えるバイフューエルである場合には、“処理対象気筒の気筒温度を低下させるための制御”として、ガソリン燃料噴射量を増量する制御（ガソリン燃料噴射量を“０”から有意量に増量する制御等）を行っても良い。

ステップＳ１０５又はＳ１０３の処理を終えたＥＣＵ５０は、処理対象気筒に対する異常燃焼検知・抑制処理を終了し、処理対象気筒の吸気行程の開始時に、処理対象気筒に対する異常燃焼検知・抑制処理を再度開始する。

以上、説明したように、本実施形態に係る内燃機関の制御装置（図１の内燃機関システム内のＥＣＵ５０、筒内圧センサ２６等で構成されている部分）は、各気筒におけるプレイグニッション／バックファイアの発生の有無を検知し、プレイグニッションの発生が検知された各気筒に対しては、燃焼速度を上昇させるための制御を行い、バックファイアの発生が検知された各気筒に対しては、筒内温度を低下させるための制御を行う。

プレイグニッションの発生が検知された各気筒に対して、燃焼速度を上昇させるための制御を行えば、プレイグニッションが発生し難くなり、その結果として、バックファイアも発生し難くなる。また、バックファイアの発生が検知された各気筒に対して、筒内温度を低下させるための制御を行えば、残った火炎（火種）によりバックファイアが発生する確率を低減することが出来る。さらに、本実施形態に係る内燃機関の制御装置にて、プレイグニッション／バックファイアの発生の有無を検知するために行われる処理（図３Ａ，Ｂ参照）は、各現象の発生の有無を正確に検知できるものである。従って、本実施形態に係る内燃機関の制御装置によれば、水素を燃料とする内燃機関におけるバックファイアの発生を良好に抑止することできる。また、その結果として、本実施形態に係る内燃機関の制御装置を用いておけば、内燃機関のインテークマニホールドとして、熱害に特に強くないものを使用できること、例えば、既存のエンジン用のインテークマニホールドをそのまま使用できることになる。

《変形形態》
上記した実施形態に係る内燃機関の制御装置は、各種の変形を行うことが出来るものである。例えば、内燃機関の制御装置を、上記したものとは構成が異なる水素エンジン、例えば、気筒数が異なる水素エンジンや、ＥＧＲ装置、過給器、水噴射用インジェクタの全て又は一部が設けられていない水素エンジン、ガソリン燃料噴射用のインジェクタも備える水素エンジン、用の制御装置に変形することが出来る。また、プレイグニッション／バックファイアを検知するための具体的な手順が上記したものと異なっていても良いことや、内燃機関の制御装置を、車両用のものではない内燃機関（船舶用の内燃機関等）用の装置にしても良いことなどは、当然のことである。

１０・・・水素貯蔵タンク
１１・・・燃料配管
１２・・・デリバリーパイプ
１３・・・レギュレータ
１４・・・圧力センサ
１５・・・温度センサ
１６・・・インジェクタ
２０・・・水素エンジン
２１・・・吸気ポート
２３・・・点火プラグ
２６・・・筒内圧センサ
２７・・・クランクアングルセンサ
２８・・・ターボチャージャ
３０・・・インテークマニホールド
３１・・・吸気通路
３５・・・ＥＧＲ通路
３６・・・ＥＧＲ弁
３７・・・スロットルバルブ
３９・・・アクセル開度センサ
４０・・・水タンク
４１・・・水噴射用インジェクタ
４５・・・エキゾーストマニホールド
４６・・・排気通路
５０・・・ＥＣＵ

Claims (1)

1. 各気筒の吸気バルブよりも上流側の吸気経路から各気筒に水素燃料が供給される内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関のクランクアングルを検出するクランクアングル検出手段と、
   前記内燃機関の各気筒に設けられた筒内圧センサと、
   各筒内圧センサにより検出される筒内圧と前記クランクアングル検出手段により検出されるクランクアングルとに基づき、気筒毎に異常燃焼検知処理を行うことによって、各気筒におけるプレイグニッションの発生の有無とバックファイアの発生の有無とを検知する異常燃焼検知手段と、
   前記異常燃焼検知手段によりプレイグニッションの発生が検知された各気筒に対して、燃焼速度を上昇させるための制御を行い、前記異常燃焼検知手段によりバックファイアの発生が検知された各気筒に対して、筒内温度を低下させるための制御を行う異常燃焼抑制手段と、
   を備え、
   前記異常燃焼検知手段は、気筒毎に、前記異常燃焼検知処理として、
   筒内圧の立ち上がりを検出し、検出した筒内圧の立ち上がり時におけるクランクアングル値が吸気バルブの開き期間内の値であった場合にバックファイアが発生したと判断し、検出した筒内圧の立ち上がり時におけるクランクアングル値が、吸気バルブの開き期間より後で点火時期よりも前の期間内の値であり、且つ、前記立ち上がり時における筒内圧の上昇率が所定率よりも大きな場合に、プレイグニッションが発生したと判断する処理を行う
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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