JP4327678B2

JP4327678B2 - 水素添加内燃機関の制御装置

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Publication number: JP4327678B2
Application number: JP2004224080A
Authority: JP
Inventors: 泰志伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2006046075A

Description

本発明は、ガソリンと水素を燃料として運転可能な水素添加内燃機関の制御装置に関し、特に、筒内圧力を水素添加割合の増減によって抑制する技術に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、ガソリンとともに水素を内燃機関の燃料として使用する技術が知られている。水素は燃焼性に優れているため、ガソリンに水素を添加することでノッキングを抑制して出力や燃費を向上させることができる。
特開２００４−１１６３９８号公報特開平６−２００８０５号公報

ところで、内燃機関の筒内圧力は、燃焼室を構成するヘッド、ヘッドガスケット、ピストン及びシリンダライナや、荷重を受けるコンロッド、クランク軸、軸受け、シリンダブロック、ヘッドボルト、クランクキャップ及びクランクキャップボルト等の各部品の強度や耐久性に影響を与える。特に、筒内圧力の最高値（最高筒内圧力）は、これら部品の強度や耐久性に大きく影響して内燃機関の寿命を左右する。上記従来技術のようにガソリンに水素を添加する場合には、水素の添加の程度によっては、燃焼速度の上昇によって最高筒内圧力が過大になってしまう可能性がある。また、水素の添加量は一定であっても、気温や気圧等の環境条件の影響で最高筒内圧力が通常よりも過大になってしまう可能性もある。なお、最高筒内圧力を抑制する方法として、水素の添加量を減らすことが考えられる。しかし、単に水素の添加量を減量しただけでは、総発熱量の減少によって必要なトルクを得られなくなってしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、トルクを低下させることなく最高筒内圧力が過大になることを防止できるようにした水素添加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、ガソリンと水素を燃料として運転可能な水素添加内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の運転状態に応じて決定された割合でガソリンと水素の噴射量制御を行う燃料噴射量制御手段と、
前記内燃機関の筒内圧力の最高値を検出する筒内圧力検出手段と、
前記筒内圧力検出手段により検出された最高筒内圧力が第１所定値を超えたときには、水素の添加割合を減少側に補正する水素添加割合補正手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、上記第１の発明において、前記筒内圧力検出手段は、特定の代表気筒の最高筒内圧力を検出するように構成され、
前記水素添加割合補正手段は、前記筒内圧力検出手段により検出された前記代表気筒の最高筒内圧力が前記第１所定値よりも低い第２所定値を超えたときには、前記代表気筒以外の気筒の水素添加割合を減少側に補正することを特徴としている。

第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、前記燃料噴射量制御手段は、前記内燃機関の運転状態から前記内燃機関の負荷率の目標値を決定する目標負荷率設定手段と、前記内燃機関の運転状態から水素の添加割合を決定する水素添加割合設定手段とを含み、目標負荷率と水素添加割合からガソリンと水素のそれぞれが分担する負荷率を演算し、ガソリンが分担する負荷率からガソリン噴射量を決定するとともに、水素が分担する負荷率から水素噴射量を決定するように構成されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、最高筒内圧力が第１所定値を超えたら水素添加割合が減少側に補正されるので、燃焼速度が抑えられて最高筒内圧力は低下する。これにより、最高筒内圧力が過大になることは防止され、内燃機関の寿命の低下は防止される。また、水素噴射量が減量された分、ガソリン噴射量が増量されるので、内燃機関から出力されるトルクの低下は抑制される。

なお、製造誤差や経時変化等の影響により、同一の水素添加割合であっても各気筒の最高筒内圧力にはばらつきが生じている可能性がある。このため、最高筒内圧力を特定の代表気筒についてのみ検出する場合、代表気筒の最高筒内圧力が上記の第１所定値を超えていなくても、他の気筒の最高筒内圧力は第１所定値を超えて過大になっているおそれがある。この点に関し、第２の発明によれば、代表気筒の最高筒内圧力が第１所定値よりも低い第２所定値を超えた時点で代表気筒以外の気筒の水素添加割合は減少側に補正されるので、代表気筒以外の気筒の最高筒内圧力が予期せず過大になってしまうことを防止することができる。

また、第３の発明によれば、水素噴射量とガソリン噴射量は目標負荷率を前提として決定されるので、内燃機関から出力されるトルクの低下はより確実に抑制される。

実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は本発明の実施の形態１としての制御装置が適用された内燃機関の概略構成を示す図である。内燃機関２は内部にピストン８が配置されたシリンダブロック６と、シリンダブロック６に組み付けられたシリンダヘッド４を備えている。ピストン８の上面からシリンダヘッド４までの空間は燃焼室１０を形成しており、この燃焼室１０に連通するように吸気ポート１８と排気ポート２０がシリンダヘッド４に形成されている。吸気ポート１８と燃焼室１０との接続部には、吸気ポート１８と燃焼室１０との連通状態を制御する吸気バルブ１２が設けられ、排気ポート２０と燃焼室１０との接続部には、排気ポート２０と燃焼室１０との連通状態を制御する排気バルブ１４が設けられている。また、燃焼室１０の頂部には、図示していない点火プラグとともに燃焼室１０内の圧力（筒内圧力）を検出する筒内圧力センサ７６が取り付けられている。本実施形態では、筒内圧力センサ７６は全ての気筒にではなく、特定の代表気筒にのみ取り付けられているものとする。

吸気ポート１８には、燃料を噴射するための２つのインジェクタ５０，６０が気筒毎に設けられている。一方のインジェクタ６０はガソリンインジェクタであり、通電制御により開閉駆動されてガソリンを噴射する電磁弁である。ガソリンインジェクタ６０は、ガソリン通路６４を介してガソリンタンク６２に接続されている。ガソリン通路６４にはガソリンポンプ６６が配置され、ガソリンタンク６２内のガソリンはガソリンポンプ６６によって圧縮されてガソリンインジェクタ６０に供給される。もう一方のインジェクタ５０は水素インジェクタであり、通電制御により開閉駆動されて水素を噴射する電磁弁である。水素インジェクタ５０は、水素通路５４を介して水素タンク５２に接続されている。水素通路５４には水素ポンプ５６が配置され、水素タンク５２内の水素は水素ポンプ５６によって圧縮されて水素インジェクタ５０に供給される。

また、内燃機関２には、その制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０が備えられている。ＥＣＵ７０の出力側には前述のガソリンインジェクタ６０，水素インジェクタ５０等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ７０の入力側には前述の筒内圧センサ７６の他、アクセルポジションセンサ７２やクランク角センサ７４等の種々のセンサ類が接続されている。アクセルポジションセンサ７２は、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するセンサであり、クランク角センサ７４はクランク角に応じた信号を出力するセンサである。ＥＣＵ７０は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムに従って各機器を駆動するようになっている。

ＥＣＵ７０により実施される内燃機関２の制御の一つとして、ガソリンインジェクタ６０からのガソリン噴射量、及び水素インジェクタ５０からの水素噴射量を決定する燃料噴射量制御がある。図２は、ＥＣＵ７０により実行される燃料噴射量制御ルーチンについて示すフローチャートである。本ルーチンは、一定のクランク角毎に周期的に実行される。

燃料噴射量制御ルーチンの最初のステップ１００では、アクセルポジションセンサ７２の信号からアクセル開度が読み込まれるとともに、クランク角センサ７４の信号から回転数（クランク軸の回転速度）が読み込まれる。次のステップ１０２では、予め記憶されているマップからステップ１００で読み込まれたアクセル開度と回転数に応じた内燃機関２の負荷率の目標値（目標負荷率）が算出される。負荷率は内燃機関２の負荷状態を数値で表したものであり、無負荷のときに０％となり全負荷のときに１００％となる。また、ステップ１０４では、予め記憶されているマップからステップ１００で読み込まれたアクセル開度と回転数に応じた水素添加割合が算出される。本実施形態では、ガソリンと水素を合わせた燃料全体の総発熱量に対する水素の発熱量の比として水素添加割合を定義する。

次のステップ１０６では、目標負荷率と水素添加割合から、次の式（１）及び式（２）を用いてガソリンと水素のそれぞれが分担する負荷率が算出される。
水素負荷率＝目標負荷率 × 水素添加割合・・・（１）
ガソリン負荷率＝目標負荷率 − 水素負荷率・・・（２）
上記の式（１）及び式（２）において、目標負荷率には、ステップ１０２で算出された値が用いられる。一方、水素添加割合には、ステップ１０４で算出された水素添加割合を基本値として、この基本値を後述する水素添加割合制御ルーチンにより補正した値が用いられる。

さらに次のステップ１０８では、次の式（３）を用いて水素負荷率から水素インジェクタ５０の開弁時間が算出されるとともに、次の式（４）を用いてガソリン負荷率からガソリンインジェクタ６０の開弁時間が算出される。
水素インジェクタ開弁時間＝水素負荷率 × 係数１・・・（３）
ガソリンインジェクタ開弁時間＝ガソリン負荷率 × 係数２・・・（４）
上記の式（３）及び式（４）において、各係数は、各インジェクタの単位開弁時間当たりの燃料噴射量や各燃料の単位量当たりの発熱量等から決定されている。これら係数は固定値でもよく変数でもよい。ただし、係数１に関しては、温度や圧力による水素の体積変化を考慮して水素通路５４を流れる水素の温度や圧力によって決まる変数とするのが好ましい。

ステップ１０８で算出された水素インジェクタ開弁時間は、水素インジェクタ５０を駆動するＥＣＵ７０内のドライバにセットされる。またガソリンインジェクタ開弁時間は、ガソリンインジェクタ６０を駆動するＥＣＵ７０内のドライバにセットされる。ステップ１０８の処理は燃料噴射タイミングの前に実行されるようになっており、各ドライバはステップ１０８で設定された各開弁時間に基づいて各インジェクタ５０，６０を駆動する。

ＥＣＵ７０は、上記の燃料噴射量制御ルーチンととともに、燃料噴射量制御にかかるルーチンとして次の水素添加割合制御ルーチンも実行する。図３は、ＥＣＵ７０により実行される水素添加割合制御ルーチンについて示すフローチャートである。本ルーチンは、筒内圧力の抑制を目的として実行されるルーチンであり、一定クランク角毎（例えば、筒内圧力センサ７６が備えられる代表気筒のサイクル毎）に周期的に実行される。

水素添加割合制御ルーチンの最初のステップ２００では、筒内圧センサ７６により検出される最高筒内圧力Ｐ_maxが第１所定値Ｐ１を超えているか否か判定される。最高筒内圧力Ｐ_maxは、前回のステップ２００の実行から今回のステップ２００の実行までの間に検出された筒内圧力の最高値であり、本ルーチンが実行される度に更新されていくようになっている。第１所定値Ｐ１は、筒内圧力の影響を受ける各部品の強度や耐久性を考慮して設定された筒内圧力の上限値である。

ステップ２００の判定の結果、最高筒内圧力Ｐ_maxが第１所定値Ｐ１を超えていると判定された場合には、水素添加割合が減少側に補正される（ステップ２０２）。具体的には、現在の水素添加割合から所定割合（例えば数％）が補正値として減算される。前述のようにステップ１０４で算出される水素添加割合は基本値であり、ステップ２０２の処理が実行される度に基本値から補正値が減算されていく。ステップ１０８で算出される水素インジェクタ開弁時間は補正された水素添加割合に基づいて設定されるので、水素添加割合が減少側に補正された結果、水素インジェクタ５０からの水素噴射量は減量される。逆にガソリンインジェクタ６０からのガソリン噴射量は、水素添加割合の減少に伴うガソリン添加割合の増大によって増量される。

このように水素添加割合が減少側に補正され、燃焼性に優れた水素の噴射量が減量される結果、燃焼室１０内の燃焼速度が低下して最高筒内圧力Ｐ_maxは低下する。これにより、筒内圧力の影響を受ける各部品の負担を軽減することができ、内燃機関２の寿命の低下を防止することができる。また、このとき、燃焼性に優れた水素の噴射量が減少する分、若干のトルクの変化はあるものの、水素噴射量とガソリン噴射量は燃料噴射量制御ルーチンにおいて目標負荷率を前提として決定されるので、トルクが大きく低下することも防止される。

ステップ２００の判定の結果、最高筒内圧力Ｐ_maxが第１所定値Ｐ１以下と判定された場合には、ステップ２０４以降の処理が実行される。ステップ２０４以降の処理は、ステップ２０２で補正された水素添加割合をアクセル開度と回転数から決まる水素添加割合（マップ値）に戻すための処理である。まず、ステップ２０４では、前述のマップからアクセル開度と回転数に応じたマップ値が読み込まれる。次のステップ２０６では、現在の水素添加割合とマップ値が比較される。通常、上記の燃料噴射制御ルーチンで説明したように、水素添加割合はアクセル開度と回転数から決まるマップ値に設定されている。しかし、ステップ２０２で水素添加割合の減少側への補正が行われたときには、水素添加割合はマップ値よりも小さくなっている。ステップ２０６の判定の結果、水素添加割合とマップ値が等しい場合には、水素添加割合は現状の値に維持される。一方、水素添加割合がマップ値よりも小さいと判定された場合には、水素添加割合をマップ値に一致させるように水素添加割合の増大側への補正が行われる（ステップ２０８）。ステップ２０４乃至２０８の一連の処理が行われることにより、例えば最高筒内圧力Ｐ_maxの上昇が一時的な現象であったような場合には、最高筒内圧力Ｐ_maxが第１所定値Ｐ１以下になった後、水素添加割合はアクセル開度と回転数に応じた本来の値に速やかに戻される。

上記実施の形態では、ＥＣＵ７０により図２の燃料噴射量制御ルーチンが実行されることで、第１の発明の「燃料噴射量制御手段」と、第３の発明の「目標負荷率設定手段」、「水素添加割合設定手段」及び「燃料噴射量制御手段」が実現されている。また、ＥＣＵ７０により図３の水素添加割合制御ルーチンが実行されることで、第１の発明の「水素添加割合補正手段」が実現されている。

実施の形態２.
次に、図４及び図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本発明の実施の形態２としての制御装置は、実施の形態１において、ＥＣＵ７０に、図３の水素添加割合制御ルーチンに代えて図４の水素添加割合制御ルーチンを実行させることにより実現することができる。基本ルーチンである燃料噴射量制御ルーチンは、本実施形態においても実行されている。

図５は、水素添加割合の増減に対する最高筒内圧力Ｐ_maxの変化を示す内燃機関２の特性図である。この特性図に示すように、製造誤差や経時変化等の影響により、各気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxにはばらつきが生じている場合がある。このため、本実施形態のように筒内圧力センサ７６が特定の代表気筒にのみ備えられ、代表気筒の筒内圧力のみ検出する場合、代表気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxが第１所定値を超えていなくても、他の気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxは第１所定値を超えて過大になっている可能性がある。本実施形態では、図４の水素添加割合制御ルーチンにより代表気筒とそれ以外の気筒とで水素添加割合の制御を異ならせることで、代表気筒以外の気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxが予期せず過大になってしまうことを防止している。なお、本ルーチンも一定クランク角毎（例えば、代表気筒の１サイクル毎）に周期的に実行される。

図４の水素添加割合制御ルーチンの最初のステップ３００では、筒内圧センサ７６により検出される代表気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxが第１所定値Ｐ１を超えているか否か判定される。ステップ３００の判定の結果、代表気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxが第１所定値Ｐ１を超えていると判定された場合には、全気筒の水素添加割合が一様に減少側に補正される（ステップ３０２）。水素添加割合の補正方法は実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を省略する。水素添加割合の減少補正により、全気筒の水素インジェクタ５０からの水素噴射量は減量され、全気筒のガソリンインジェクタ６０からのガソリン噴射量は、水素添加割合の減少に伴うガソリン添加割合の増大によって増量される。

一方、ステップ３００の判定の結果、代表気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxが第１所定値Ｐ１以下と判定された場合には、代表気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxが第２所定値Ｐ２を超えているか否か判定される（ステップ３０４）。第２所定値Ｐ２は第１所定値Ｐ１よりも低い値であり、代表気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxと他の気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxとの差を考慮して設定されている。例えば、図５に示すように代表気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxが全気筒の中で最も低いと仮定した上で、予想される最も高い気筒との最高筒内圧力Ｐ_maxの差を第１所定値Ｐ１と第２所定値Ｐ２との差として設定してもよい。判定の結果、代表気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxが第２所定値Ｐ２を超えていると判定された場合には、代表気筒の水素添加割合は現状の値に維持されるが、代表気筒以外の気筒の水素添加割合は減少側に補正される（ステップ３０６）。

水素添加割合が減少側に補正されることで、代表気筒以外の気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxは低下する。これにより、各気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxにばらつきがあり、且つ、筒内圧力センサ７６が一部の気筒にしか備えられていない場合でも、筒内圧力センサ７６を備えていない気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxが予期せず過大になることを防止することができる。したがって、本ルーチンによれば、筒内圧力の影響を受ける各部品の負担をより軽減することができ、内燃機関２の寿命の低下をより確実に防止することができる。

ステップ３０４の判定の結果、最高筒内圧力Ｐ_maxが第２所定値Ｐ２以下と判定された場合には、ステップ３０８以降の処理が実行される。ステップ３０８以降の処理は、ステップ３０２或いはステップ３０６で補正された水素添加割合をアクセル開度と回転数から決まる水素添加割合（マップ値）に戻すための処理である。ステップ３０８では、アクセル開度と回転数に応じたマップ値が読み込まれ、ステップ３１０では、現在の水素添加割合とマップ値が比較される。比較の結果、水素添加割合とマップ値が等しい場合には、水素添加割合は現状の値に維持されるが、水素添加割合がマップ値よりも小さいと判定された場合には、水素添加割合をマップ値に一致させるように水素添加割合の増大側への補正が行われる（ステップ３１２）。ステップ３０８乃至３１２の一連の処理は気筒毎に実行される。

上記実施の形態では、ＥＣＵ７０により図４の水素添加割合制御ルーチンが実行されることで、第２の発明の「水素添加割合補正手段」が実現されている。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上記実施の形態では、特定の代表気筒にのみ筒内圧力センサ７６を備えているが、全気筒に筒内圧力センサ７６を備えてもよい。これによれば、図３に示す水素添加割合制御を気筒毎に行うことができ、各気筒の最高筒内圧力Ｐ_maxが第１所定値Ｐ１を超えて過大になることをより確実に防止することができる。

また、図１の構成では、水素インジェクタ５０を吸気通路３０に配置することとしているが、その配置はこれに限定されるものではない。すなわち、水素インジェクタ５０は、燃焼室１０内に直接、水素を噴射できるようにシリンダヘッド４に組み込んでもよい。ガソリンインジェクタ６０に関しても同様であり、燃焼室１０内に直接、ガソリンを噴射できるようにシリンダヘッド４にガソリンインジェクタ６０を組み込んでもよい。

本発明の実施の形態１としての制御装置が適用された内燃機関の概略構成を示す図である。本発明の実施の形態１において実行される燃料噴射量制御ルーチンについて示すフローチャートである。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について示すフローチャートである。本発明の実施の形態２において実行される水素添加割合制御ルーチンについて示すフローチャートである。水素添加割合の増減に対する最高筒内圧力の変化を示す特性図である。

符号の説明

２内燃機関
１０燃焼室
１２吸気弁
１４排気弁
１８吸気ポート
２０排気ポート
５０水素インジェクタ
５２水素タンク
６０ガソリンインジェクタ
６２ガソリンタンク
７０ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
７２アクセルポジションセンサ
７４クランク角センサ
７６筒内圧力センサ

Claims

ガソリンと水素を燃料として運転可能な水素添加内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の運転状態に応じて決定された割合でガソリンと水素の噴射量制御を行う燃料噴射量制御手段と、
前記内燃機関の筒内圧力の最高値を検出する筒内圧力検出手段と、
前記筒内圧力検出手段により検出された最高筒内圧力が第１所定値を超えたときには、水素の添加割合を減少側に補正する水素添加割合補正手段と、
を備えることを特徴とする水素添加内燃機関の制御装置。
前記筒内圧力検出手段は、特定の代表気筒の最高筒内圧力を検出するように構成され、
前記水素添加割合補正手段は、前記筒内圧力検出手段により検出された前記代表気筒の最高筒内圧力が前記第１所定値よりも低い第２所定値を超えたときには、前記代表気筒以外の気筒の水素添加割合を減少側に補正することを特徴とする請求項１記載の水素添加内燃機関の制御装置。
前記燃料噴射量制御手段は、前記内燃機関の運転状態から前記内燃機関の負荷率の目標値を決定する目標負荷率設定手段と、前記内燃機関の運転状態から水素の添加割合を決定する水素添加割合設定手段とを含み、目標負荷率と水素添加割合からガソリンと水素のそれぞれが分担する負荷率を演算し、ガソリンが分担する負荷率からガソリン噴射量を決定するとともに、水素が分担する負荷率から水素噴射量を決定するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水素添加内燃機関の制御装置。