JP4406881B2 - エンジン制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素エンジンを制御する装置に関する。

従来から、水素ガスとガソリンを切り替えて燃焼させるエンジンが提案されている。この種の従来の水素ガソリン併用式エンジンでは、通常は水素ガスを優先的に使用するが、水素ガスの残圧が少なくなるとガソリンに切り換えている（特許文献１）。
特開平２−８６９３１号公報

しかしながら、従来の水素ガソリン併用式エンジンでは、水素ガスの残圧が所定値以下になった時点で、水素ガスの供給を止め、ガソリンの供給に完全に切り替えることとしていた。このため、残りの水素ガスが無駄になっており、燃費も良くなかった。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、水素残圧が低い状態でも水素を供給しつつガソリンをリーン化することにより、ガソリン運転の効率化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る装置は、水素ガスとガソリンとを切り替えて燃焼可能なエンジンを制御するための制御装置であって、水素の残圧が所定値以下か否かを判定する判定手段と、前記判定手段により、水素の残圧が前記所定値より大きいと判断された場合に、圧縮行程において燃焼室に水素を直接供給し、前記判定手段により、水素の残圧が前記所定値以下になったと判断された場合に、ガソリンと水素の両方を燃焼室に供給して、ガソリン空燃比をλ＝１よりもリーン化すると共に、水素の供給タイミングを圧縮行程から吸気行程に変更し、エンジン回転数が小さいほどガソリンの供給比率を大きくする燃料供給制御手段と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、水素供給による着火性の向上によりリーン限界が向上するため、燃焼安定性を維持しつつ、ガソリンをリーン化でき、航続距離を延長できる。ここで、水素ガスを噴射供給する場合、水素ガスはガソリン等の液体燃料に対して体積が大きいため、その噴射を吸気行程中に行なうと、水素ガスの体積分空気が入らなくなり吸気充填量効率が低下する。そこで、吸気行程終了後の圧縮行程において、高圧の水素ガスを燃焼室内に直接噴射することにより、吸気充填効率の低下を抑制することが知られている。ところが、水素ガスの使用に伴い、水素残圧が圧縮行程時の筒内圧よりも低下した場合、水素ガスの噴射を通常通り圧縮行程で行なうと、水素ガスを燃焼室内に供給することができない。これに対し、筒内圧の低い吸気行程で水素を供給すれば、水素残圧が低下して状態でも水素の燃焼室内への供給が可能となる。また、エンジン回転数が小さいほどガソリンの供給比率を大きくすることで、低回転領域での吸気充填効率の低下を抑制できる。

前記燃料供給制御手段は、前記判定手段により、水素の残圧が前記所定値以下になったと判断された場合、定常運転時には、ガソリンと水素の両方を燃焼室に供給し、過渡運転時には、ガソリンのみを燃焼室に供給することを特徴とする。この構成によれば、加速・減速時のＮＯｘ排出悪化を抑制しつつ、定常時のリーン運転が可能となる。

前記燃料供給制御手段は、水素残圧が前記所定値以下になったときは、水素残圧が小さいほど、早いタイミングで水素を供給することを特徴とする。

水素残圧が低下した場合には、筒内圧がより低い吸気行程の早い時期に水素を供給することで水素の供給を可能とする。

前記燃料供給制御手段は、ガソリンと水素の両方を同サイクルで燃焼室に供給する場合において、水素の残圧が少ないほどガソリンの供給比率を大きくすることを特徴とする。 水素の残圧が少なく、吸気行程の早い時期に水素を供給する場合に、水素の供給量を抑えることで吸気充填効率の低下を抑制できる。

本発明によれば、水素残圧が低い状態でも水素を供給しつつ、ガソリンをリーン化することにより、航続距離を延長することができる。また、水素残圧が所定値以下の場合は、筒内圧の低い吸気行程で水素を供給することで、水素残圧が低下した状態でも水素の燃焼室内への供給が可能となる。更に、エンジン回転数が小さいほどガソリンの供給比率を大きくすることで、低回転領域での吸気充填効率の低下を抑制できる。

以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（構成）
本発明の実施形態に係るエンジン制御装置は、水素ガスは、燃焼室内に直接噴射し、ガソリンは、吸気通路に供給して燃焼させるロータリエンジンを制御するものである。図１は、この種のロータリエンジン１００の全体構成を示す図である。このロータリエンジン１００は、２ロータのロータリエンジンであり、不図示のインターミディエイトハウジングを挾んだ両側にロータハウジング１１１、１２１が設けられている。それぞれのロータハウジング１１１、１２１の内方にはロータ１１３、１２３が配置されている。図１では作図の便宜上、２つのロータハウジング１１１、１２１を展開して示している。

ロータハウジング１１１、１２１の内方には、３つの作動室を隔成する略三角形状のロータ１１３、１２３を備え、このロータ１１３、１２３が回転軸１１２、１２２を中心に偏心回転することにより、各作動室が容積変化し、オットーサイクルを行うようになっている。

サイドハウジングには、空気を供給する吸気ポート１１８、１２８が、吸気行程の燃焼室に臨む位置に設けられている。この吸気ポート１１８、１２８には吸気通路１３０を介して空気が導かれ、吸気通路１３０には、ステップモータ等のアクチュエータ１３２によって作動されるスロットル弁１３１が設けられている。また、ロータハウジング１１１、１２１の、排気行程の燃焼室に臨む位置においては不図示の排気ポートが形成され、その排気ポートに排気通路が接続されている。ロータハウジング１１１の、点火行程の燃焼室に臨む位置においては、点火プラグ１１４、１１５が取付けられており、ロータハウジング１２１の、点火行程の作動室に臨む位置においては、点火プラグ１２４、１２５が取付けられている。

また、加圧された水素ガスを燃焼室内に直接供給するため、ロータハウジング１１１、１２１のそれぞれには、燃焼室内に開口する水素インジェクタ１１６、１２６が設けられている。この水素インジェクタ１１６、１２６は、吸気行程から圧縮行程まで燃焼室に開口するような位置に設けられている。この水素インジェクタ１１６、１２６に対しては、水素貯蔵タンクである不図示のメタルハイドライドタンク（以下ＭＨタンクという）から燃料供給通路を介して水素ガスが供給されるようになっている。水素インジェクタ１１６、１２６には、タイミング弁が内設されており、噴射する水素ガスの量を自由にコントロール可能となっている。燃焼室に対して直接水素ガスを供給する位置に、水素インジェクタ１１６、１２６を設けたのは、燃焼室に空気を十分に供給した上で圧縮行程中に噴射することによって、十分なトルクを得ることを目的としたものである。

一方、吸気ポート１１８、１２８には、ガソリンインジェクタ１１７、１２７が設けられており、ガソリンによってエンジンを駆動する際には、ガソリンインジェクタ１１７、１２７からガソリンを噴射させ、吸気ポート１１８、１２８の内部でガソリンと空気を混合してから燃焼室内に供給する構成となっている。

また、このようなロータリエンジン１００をコントロールするエンジン制御装置として、ＰＣＭ（パワートレインコントロールユニット）１０６が設けられている。図１に示すように、ＰＣＭ１０６は、アクセル開度センサ１０１、車速センサ１０２、エアフロメータ１０３、残圧センサ１０４、スロット開度センサ１０５などから信号を入力し、点火プラグ１１４、１１５、１２４、１２５、水素インジェクタ１１６、１２６、ガソリンインジェクタ１１７、１２７及びスロットル弁１３１のアクチュエータ１３２等に対して制御信号を出力している。

なお、アクセル開度センサ１０１は、アクセルペダルの踏み込み量を検出するセンサであり、車速センサ１０２は、車両の速度を検出するセンサである。また、エアフロメータ１０３は、吸気充填量を検出するためのセンサであり、残圧センサ１０４は、水素ボンベ内の水素残量を検出するためのセンサである。更に、スロットル開度センサ１０５は、スロットル弁の開き具合を検出するためのセンサである。

ＰＣＭ１０６は、運転状態や水素残圧に応じて水素インジェクタ１１６、１２６及びガソリンインジェクタ１１７、１２７を制御し、水素ガスからガソリンへの切り換え時の水素ガス供給量及びそのタイミングを調整する。

（制御）
具体的には、図２に示すように制御する。つまり、ＰＣＭ１０６は、水素残圧を検知し、所定値Ａ以下か否かを判定し、所定値Ａより大であれば、水素のみを圧縮行程で噴射する。

一方、所定値Ａ以下であって、定常運転時であれば、ガソリンと水素の両方を燃焼室に供給し、ガソリン空燃比がλ＝１よりもリーン化するように燃料供給を制御する。このとき、水素は吸気行程で供給するようにその噴射タイミングを変更する。更に、水素残圧が小さいほど、より早いタイミングで、つまり、筒内圧がより低いタイミングで水素を噴射させる。

また、筒内圧が低いタイミングで噴射をする場合には、吸気充填効率を上げるために、水素の供給量を少なくする。つまりガソリンの供給比率を大きくする。

更にまた、エンジン回転数が低ければ、空気の充填効率が下がるため、水素が混ざることによる吸気充填効率の低下による影響が大きくなってしまう。従って、エンジン回転数が低いほど、水素の供給量を減らし、ガソリンの供給比率を大きくする。

図３は、ＰＣＭ１０６において行なわれる燃料供給制御処理について説明するためのフローチャートである。

まず、ステップＳ３０１において、センサ等から入力した各種信号の読込みを行なう。次に、ステップＳ３０２において、水素残圧が所定値Ａ（例えば、０．８ＭＰａ）以下か否かを判定する。水素残圧が所定値Ａより大あれば、ステップＳ３０３に進み、水素インジェクタ１１６、１２６を用いて水素を圧縮行程で噴射する。

ステップＳ３０２において、水素残圧が所定値Ａ以下であると判定した場合には、ステップＳ３０４に進み、更に定常運転か否かを判定する。定常運転ではなく過渡運転の場合、つまり、加速時及び減速時の場合には、ステップＳ３０５に進み、ガソリンのみを燃焼室に供給する。その際、ガソリン空燃比は通常どおりλ＝１となる。

ステップＳ３０４において定常運転と判定した場合にはステップＳ３０６に進み、水素残圧が所定値Ｂ（例えば、０．５ＭＰａ）以下か否かを判定する。ステップＳ３０６において、水素残圧がＢ以下を判定すると、更に、ステップＳ３０７に進み、水素残圧が０か否かを判定する。水素残圧が０の場合にはステップＳ３０５に進み、ガソリンのみを供給してエンジンを駆動する。

一方、水素残圧がＢより大きい場合、つまり、水素残圧をＮとすると、Ｂ＜Ｎ≦Ａの場合には、ステップＳ３０８に進む。ステップＳ３０８では、エンジン回転数に応じてガソリンの供給比率（例えば８０％）を決定する。具体的にはエンジンの回転数が小さいほど、ガソリンの供給比率を大きくする。これは水素の混合割合を下げて、低回転時の吸気充填効率低下を抑制するためである。

次に、ステップＳ３０９に進み、ステップＳ３０８において決定した供給比率に応じてガソリンを供給する。ここでは、水素との混合供給を前提としているため、ガソリン空燃比はλ＝１よりもリーンとする（例えばλ＝１．５）。次にステップＳ３１０に進み、ステップＳ３０８において決定した供給比率に基づいた量の水素を、水素インジェクタ１１６、１２６により吸気行程後半に供給する。

一方、ステップＳ３０７において、水素残圧が０では無いと判定すると、ステップＳ３１１に進み、ステップＳ３０８と同様に、エンジン回転数に応じてガソリンの供給比率（例えば９０％）を決定する。そして、ステップＳ３１２において、ステップＳ３１１で決定した供給比率に応じた量のガソリンを供給する。やはりここでも水素との混合供給を前提としているため、ガソリン空燃比はλ＝１よりもリーンとする。

更にステップＳ３１３に進み、水素を水素インジェクタ１１６により、吸気行程前半に供給する。このように吸気行程前半に水素を供給するのは、上述したように、残圧の低い水素を適正に供給するためには筒内圧力が低い状態が望ましいからである。

以上のような燃料供給制御を行なうことにより、水素供給による着火性の向上によりリーン限界が向上するため、燃焼安定性を維持しつつ、ガソリンをリーン化でき、航続距離を延長できる。更に、ガソリン空燃比のリーン化は、定常運転時のみ実行されるため、過渡運転時のＮＯｘ排出量の増加を抑制することもできる
なお、本発明はロータリピストンエンジンに限らず、レシプロエンジンにも適用することができる。

本発明に係るエンジン制御装置の実施形態としてのＰＣＭの周辺構成を示すブロック図である。 エンジン回転数と、水素残圧と、燃料供給との関係を示す図である。 ＰＣＭが行う処理の内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ ロータリエンジン
１０１ アクセル開度センサ
１０２ 車速センサ
１０３ エアフロメータ
１０４ 残圧センサ
１０５ スロット開度センサ
１０６ ＰＣＭ（パワートレインコントロールユニット）
１１１、１２１ ロータハウジング
１１２、１２２ 回転軸
１１３、１２３ ロータ
１１４、１１５、１２４、１２５ 点火プラグ
１１６、１２６ 水素インジェクタ
１１７、１２７ ガソリンインジェクタ
１１８、１２８ 吸気ポート
１３０ 吸気通路
１３１ スロットル弁
１３２ アクチュエータ

Claims (4)

1. 水素ガスとガソリンとを切り替えて燃焼可能なエンジンを制御するための制御装置であって、
   水素の残圧が所定値以下か否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により、水素の残圧が前記所定値より大きいと判断された場合に、圧縮行程において燃焼室に水素を直接供給し、前記判定手段により、水素の残圧が前記所定値以下になったと判断された場合に、ガソリンと水素の両方を燃焼室に供給して、ガソリン空燃比をλ＝１よりもリーン化すると共に、水素の供給タイミングを圧縮行程から吸気行程に変更し、エンジン回転数が小さいほどガソリンの供給比率を大きくする燃料供給制御手段と、
   を有することを特徴とするエンジン制御装置。
2. 前記燃料供給制御手段は、前記判定手段により、水素の残圧が前記所定値以下になったと判断された場合、定常運転時には、ガソリンと水素の両方を燃焼室に供給し、過渡運転時には、ガソリンのみを燃焼室に供給することを特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置。
3. 前記燃料供給制御手段は、水素残圧が前記所定値以下になったときは、水素残圧が小さいほど、早いタイミングで水素を供給することを特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置。
4. 前記燃料供給制御手段は、ガソリンと水素の両方を同サイクルで燃焼室に供給する場合において、水素の残圧が少ないほどガソリンの供給比率を大きくすることを特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置。

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