JP4120625B2

JP4120625B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4120625B2
Application number: JP2004221071A
Authority: JP
Inventors: 泰志伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: EP1778961A1; CN1989328A; US20080060616A1; US7444994B2; EP1778961B1; JP2006037888A; DE602005019744D1; WO2006011494A1

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、ガソリン等の主燃料と水素の双方を燃料として利用する内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば、特開２００４−１１６３９８号公報には、ガソリンとともに水素を燃料として運転可能に構成された内燃機関が開示されている。この内燃機関では、NOx排出量が少なくなるように水素添加割合を決定し、そのような添加割合でガソリンおよび水素を噴射することとしている。

特開２００４−１１６３９８号公報特開平６−２００８０５号公報

上記従来の内燃機関において、ガソリンが吸気ポート内に噴射されると、噴射されたガソリンの一部が吸気ポートに付着し、遅れを有して筒内に吸入される。そのポート付着量は、ガソリン噴射量が大きくなるほど増大する。従って、加速時にガソリン噴射量が急激に増大されると、ポート付着量の増大に起因して、筒内へのガソリンの供給遅れが大きくなる。このため、上記従来の内燃機関のように、ガソリン等の主燃料を吸気ポートに噴射する内燃機関では、加速時におけるトルクの応答性が良くないという問題がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、主燃料を吸気ポートに噴射する内燃機関において、加速時におけるトルクの応答性を向上させることのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、主燃料を吸気ポートに噴射する主燃料噴射弁と、水素を噴射する水素噴射弁とを備え、予め運転状態によって定められたベース水素添加割合で運転される内燃機関の制御装置であって、
加速時に用いる加速時水素添加割合を、前記ベース水素添加割合に比して大きく設定する加速時添加割合設定手段と、
前記加速時添加割合設定手段により設定された前記加速時水素添加割合に基づいて、加速時に、少なくとも水素を供給する加速時燃料供給手段と、
を備え、
前記加速時添加割合設定手段は、加速初期に最も大きくなり、その後徐々に小さくなるように前記加速時水素添加割合を設定することを特徴とする。

第１の発明によれば、加速時にポート付着のない水素の添加割合が大きくされるため、燃料の筒内流入量の遅れを抑制し、加速時におけるトルクの応答性を向上させることができる。また、本発明によれば、吸気ポート壁面等に付着する主燃料量の挙動を考慮して、加速時に用いられる加速時水素添加割合を最適な割合とすることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関１０の構成を説明するための図である。内燃機関１０の筒内には、その内部を往復移動するピストン１２が設けられている。また、内燃機関１０は、シリンダヘッド１４を備えている。ピストン１２とシリンダヘッド１４との間には、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６には、吸気通路１８および排気通路２０が連通している。吸気通路１８および排気通路２０には、それぞれ吸気弁２２および排気弁２４が配置されている。また、吸気通路１８には、スロットルバルブ２６が設けられている。スロットルバルブ２６は、アクセル開度と独立してスロットル開度を制御することのできる電子制御式スロットルバルブである。

吸気通路１８には、主燃料であるガソリンを吸気ポート内に噴射するガソリン噴射弁２８が設けられている。ガソリン噴射弁２８には、ガソリン供給管３０を介してガソリンタンク３２が連通している。ガソリン供給管３０は、ガソリン噴射弁２８とガソリンタンク３２との間に、ポンプ３４を備えている。ポンプ３４は、ガソリン噴射弁２８に所定の圧力でガソリンを供給することができる。このため、ガソリン噴射弁２８は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量のガソリンを吸気ポート内に噴射することができる。

シリンダヘッド１４には、燃焼室１６の頂部から燃焼室１６内に突出するように点火プラグ３６が取り付けられている。また、シリンダヘッド１４には、燃焼室１６内に水素ガスを直接噴射する水素噴射弁３８が設けられている。本実施形態のシステムは、気体状態にある水素を高圧で貯留するための水素タンク４０を備えている。水素タンク４０には、水素供給管４２が連通している。水素供給管４２は、水素噴射弁３８に連通している。水素供給管４２には、水素タンク４０と水素噴射弁３８との間に、レギュレータ４４が設置されている。このような構成によれば、水素噴射弁３８には、レギュレータ４４により減圧された所定の圧力で、水素が供給される。このため、水素噴射弁３８は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の水素を燃焼室１６内に噴射することができる。また、水素供給管４２には、レギュレータ４４と水素噴射弁３８との間に、水素噴射弁３８に供給される水素ガスの圧力に応じた出力を発する水素燃圧センサ４６が組み込まれている。

本実施形態のシステムは、ECU４８を備えている。ECU４８には、上述した水素燃圧センサ４６に加え、内燃機関１０の運転状態を把握すべく、アクセルポジションセンサ５０、機関回転数など（図示省略する）を検出するための各種センサが接続されている。また、ECU４８には、上述したスロットルバルブ２６、ガソリン噴射弁２８、ポンプ３４、点火プラグ３６、水素噴射弁３８などの機器が接続されている。ECU４８は、それらのセンサ出力を基礎として所定の処理を行うことにより、上述した各種の機器を適当に駆動することができる。

上記のように構成された本実施形態のシステムでは、予め運転状態によって定められたベース水素添加割合R_Baseに基づいて、良好な燃焼を実現すべく、ガソリンおよび水素の供給量がそれぞれ適切な量に制御されている。ここでは、ベース水素添加割合R_Baseは、目標トルクを発熱量に換算した場合に、ガソリンおよび水素のそれぞれが担う発熱量の比として定められているものとする。

本実施形態の内燃機関１０のように、ガソリンを吸気通路１８に噴射する内燃機関では、加速時にガソリン噴射量が増大された際に、ポート付着量の増大に起因して、筒内へのガソリンの供給遅れが大きくなり、その結果、トルクの応答性が良くないという問題がある。そこで、本実施形態のシステムでは、加速時におけるトルクの応答性を向上させるべく、以下の図２に示す制御を実行することとしている。

図２は、図１に示すECU４８により実行される水素添加割合制御ルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、所定時間毎に周期的に実行されるものとする。図２に示すルーチンでは、先ず、アクセル開度変化率が所定値より大きいか否かが判別される（ステップ１００）。その結果、アクセル開度変化率＞所定値が成立すると判定された場合には、加速フラグがONとされるとともに加速タイマーが初期値とされる（ステップ１０２）。一方、アクセル開度変化率＞所定値が不成立であると判定された場合には、ステップ１０４の処理が実行される。

次に、加速フラグがONとされているか否かが判別される（ステップ１０４）。その結果、加速フラグがONでないと判定された場合には、この時点で用いる水素添加割合として、ベース水素添加割合R_Baseが設定される（ステップ１０６）。ベース水素添加割合R_Baseは、予め運転状態に応じて設定されたものである。すなわち、ECU４８は、ベース水素添加割合R_Baseを、運転状態との関係（負荷率と機関回転数との関係）で定めたマップを記憶している。本実施形態のシステムでは、そのマップの設定に用いて、常用域となる比較的低負荷である領域では、ガソリンとともにベース水素添加割合R_Baseに基づいた量の水素を燃料として水素添加リーンバーン運転が実行され、それ以外の高負荷領域では、ガソリンのみを燃料として（ベース水素添加割合R_Baseをゼロとして）ガソリンストイキ運転が実行されている。

一方、上記ステップ１０４において、加速フラグがONであると判定された場合には、加速タイマー＞０か否かが判別される（ステップ１０８）。その結果、加速タイマー＞０の不成立が判定されると、加速フラグがOFFとされる（ステップ１１０）。この場合においても、この時点で用いる水素添加割合として、ベース水素添加割合R_Baseが設定される（ステップ１０６）。

また、上記ステップ１０８において、加速タイマー＞０であると判定された場合には、加速タイマー値が所定量だけ減算される（ステップ１１２）。次いで、この時点で用いる水素添加割合として、加速時水素添加割合R_Accが設定される（ステップ１１４）。この加速時水素添加割合R_Accは、この時点におけるベース水素添加割合R_Baseに所定の加速増分α（０＜α≦１００−R_Base）を加算した値とされている。ここで用いられる加速増分αは、アクセル開度が大きい場合ほど大きい値となるように設定されており、また、加速タイマーが作動している期間中は一定値とされている。

次に、アクセル開度が所定値より小さいか否かが判別される（ステップ１１６）。その結果、アクセル開度＜所定値が成立する、すなわち、加速タイマー作動期間中であるのにアクセル開度が所定値を下回ったと判定された場合には、加速フラグがOFFとされ（ステップ１１８）、アクセル開度＜所定値が成立しない場合には、速やかに今回の処理サイクルが終了される。

図３は、上記図２に示すルーチンの処理により実現される動作の一例を示すタイミングチャートである。より具体的には、図３（Ａ）乃至図３（Ｅ）は、上段から順にアクセル開度、アクセル開度変化率、加速フラグ、加速タイマー、および加速増分αの各時間変化を示している。図３に示すように、時刻t₁において、アクセルペダルが踏み込まれることによってアクセル開度が増大する。この際、アクセル開度変化率が所定値を上回ると、加速フラグがONとされるとともに、加速タイマーによって所定のタイマー作動期間（t₂−t₁）の計測が開始される。そして、加速タイマーが作動している期間中に用いられる加速時水素添加割合R_Accは、上記の如く、ベース水素添加割合R_Baseに、図３（Ｅ）に示す加速増分αを加算した値に設定される。

上記のような設定によれば、加速開始後の各時点における加速時水素添加割合R_Accは、運転状態に応じて値が一定もしくは変化する上記時点のベース水素添加割合R_Baseに対して、常に加速増分αだけ大きな値となる。より具体的には、予め運転状態によって定められたベース水素添加割合R_Baseで運転される内燃機関１０において、加速前後のベース水素添加割合R_Baseは、加速動作により運転状態が変更されることで、次のような関係となる場合があり得る。すなわち、水素添加リーンバーン運転領域内での加速であって、加速前後でベース水素添加割合R_Baseが変化しない場合や、加速前に対して加速開始後のベース水素添加割合R_Baseが小さくなる場合である。更には、水素リーンバーン運転領域からガソリンストイキ運転領域への加速の場合（例えば、ベース水素添加割合R_Baseが２０パーセントから０パーセントへの加速の場合）や、水素を添加しないガソリンストイキ運転領域内での加速の場合である。上記の設定によれば、ベース水素添加割合R_Baseが以上の関係となる何れの場合であっても、加速時には、各時点におけるベース水素添加割合R_Base（ゼロを含む）に対して、常に加速増分α相当分増大された量の水素が噴射される。

以上説明した図２に示すルーチンの処理によれば、加速時にポート付着のない水素の添加割合が大きくされるため、ガソリンの筒内流入量の遅れ分を水素で補うことができ、これにより、加速時におけるトルクの応答性を向上させることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、予め運転状態によって定められたベース水素添加割合R_Base（ゼロを含む）によって水素添加量が制御されている内燃機関１０において、加速時に、ベース水素添加割合R_Baseに比して大きく設定された加速時水素添加割合R_Accに基づいて、少なくとも水素を供給することとしているが、本発明における加速時燃料供給手段はこれに限定されるものではない。すなわち、運転状態に応じた水素添加割合の設定を有しない内燃機関において、加速時に所定量の水素を、ガソリンとともに、或いはガソリンに代えて噴射するものであってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、水素噴射弁３８により水素を燃焼室１６内に直接噴射することとしているが、本発明における水素の供給手法はこれに限定されるものではなく、水素はポート付着のないガス燃料であるため、水素噴射弁３８を吸気通路１８に組み込むことで、水素を吸気ポート内に噴射することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ECU４８が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「加速時添加割合設定手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施の形態のシステムは、上述した実施の形態１の装置構成を用いて、ECU４８に図２に類似するルーチンを実行させることにより実現されるものである。より具体的には、図２に類似するルーチンの処理は、水素添加割合の加速増分βの設定が上述した実施の形態１における加速増分αの設定と異なるものとされている点を除き、図２に示すルーチンの処理と同様である。このため、ここでは、フローチャートによる説明を省略し、図４を参照して、本実施形態における加速時水素添加割合R_Accの設定について説明する。

図４は、本実施形態のシステムにより実現される動作の一例を示すタイミングチャートである。尚、図４は、図４（Ａ）乃至図４（Ｅ）に順に示すアクセル開度、アクセル開度変化率、加速フラグ、加速タイマー、および加速増分βの各時間変化に加え、図４（Ｆ）として、加速時におけるガソリン筒内流入量の時間変化を示している。時刻t₁において、加速が開始されると、吸気ポート内に噴射されるガソリン量が増量されるが、噴射されたガソリンの一部が吸気ポートの壁面等に付着する。このため、ガソリン筒内流入量は、加速開始とともに直ちに増加するのではなく、図４（Ｆ）中に時間（t₃−t₁）で示される期間分の遅れを有している。そして、ガソリン筒内流入量は、その遅れの後に、ポート付着燃料量が吸気ポートの壁面等から離脱することにより増加し始める。

そこで、本実施形態のシステムでは、そのようなポート付着燃料の挙動を考慮して、図４（Ｅ）に示すように、加速時水素添加割合R_Accにおける加速増分βを、加速初期、すなわち遅れ期間（t₃−t₁）中に最も大きくなり、その後、ガソリンの追従が可能となるのに従って徐々に減少し、最終的に加速タイマーの作動終了時点でベース水素添加割合R_Baseと等しくなるように設定している。ECU４８は、そのような加速増分βを、加速タイマー値との関係で定めたマップを記憶している。そして、ECU４８は、そのマップから参照される加速増分βと加速時の各時点におけるベース水素添加割合R_Baseとを加算することで、加速時水素添加割合R_Accを算出している。

また、ECU４８は、遅れ期間（t₃−t₁）を、アクセル開度の変化量とその変化率との関係で定めたマップを記憶している。加速初期の加速増分βは、そのマップから参照される遅れ期間（t₃−t₁）中に、最も大きくなるように設定されている。また、加速増分βは、アクセル開度が大きいほど全体的なレベルが大きくなるように設定されている。尚、加速タイマーは、ガソリンの追従が十分に可能となる期間が確保されるように、その作動期間（t₂−t₁）が設定されている。

以上の設定によれば、吸気ポート壁面等に付着するガソリン量の挙動を考慮して、加速時に用いられる加速時水素添加割合R_Accを最適な割合とすることができる。

本発明の実施の形態１の内燃機関の構成を説明するための図である。本発明の実施の形態１において実行される水素添加割合制御ルーチンのフローチャートである。図２に示すルーチンの処理により実現される動作の一例を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態２のシステムにより実現される動作の一例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
１６燃焼室
１８吸気通路
２８ガソリン噴射弁
３８水素噴射弁
４８ ECU(Electronic Control Unit)
５０アクセルポジションセンサ
R_Base ベース水素添加割合
R_Acc 加速時水素添加割合
α、β 加速増分

Claims

主燃料を吸気ポートに噴射する主燃料噴射弁と、水素を噴射する水素噴射弁とを備え、予め運転状態によって定められたベース水素添加割合で運転される内燃機関の制御装置であって、
加速時に用いる加速時水素添加割合を、前記ベース水素添加割合に比して大きく設定する加速時添加割合設定手段と、
前記加速時添加割合設定手段により設定された前記加速時水素添加割合に基づいて、加速時に、少なくとも水素を供給する加速時燃料供給手段と、
を備え、
前記加速時添加割合設定手段は、加速初期に最も大きくなり、その後徐々に小さくなるように前記加速時水素添加割合を設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。