JP4412201B2 - Control device for internal combustion engine using hydrogen - Google Patents
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Description
この発明は、非水素燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a hydrogen-utilizing internal combustion engine that can be operated using non-hydrogen fuel and hydrogen as fuel.
水素添加リーンバーン運転を行う水素利用内燃機関が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この水素利用内燃機関では、内燃機関の温度が上昇するまでは機関暖機運転が実行され、その後水素添加リーンバーン運転に移行される。
しかし、例えば、水素タンク内の水素貯蔵量が少ない場合のように水素供給能力が低い場合には、非水素燃料に対する水素の添加割合が制限される。機関温度が低い場合には、水素添加割合が低いと燃焼室内で十分な燃焼安定性を得ることができない。この場合、燃焼室内で十分な燃焼安定性を得るため、機関暖機運転の実行時間を長くする必要がある。
A hydrogen-based internal combustion engine that performs a hydrogen-added lean burn operation is known (see, for example, Patent Document 1). In this hydrogen-utilized internal combustion engine, the engine warm-up operation is executed until the temperature of the internal combustion engine rises, and then the operation shifts to the hydrogen addition lean burn operation.
However, for example, when the hydrogen supply capacity is low, such as when the amount of hydrogen stored in the hydrogen tank is small, the ratio of hydrogen to non-hydrogen fuel is limited. When the engine temperature is low, if the hydrogen addition ratio is low, sufficient combustion stability cannot be obtained in the combustion chamber. In this case, in order to obtain sufficient combustion stability in the combustion chamber, it is necessary to extend the execution time of the engine warm-up operation.
しかしながら、機関暖機運転の実行時間を長くすると、水素添加リーンバーン運転への移行が遅くなる。このため、全体の燃費が悪くなってしまう。このように、従来の水素利用内燃機関は、未だ改良の余地を残すものであった。 However, if the execution time of the engine warm-up operation is lengthened, the transition to the hydrogen addition lean burn operation is delayed. For this reason, the whole fuel consumption will worsen. As described above, the conventional hydrogen-utilized internal combustion engine still leaves room for improvement.
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、十分な燃焼安定性を確保しつつ燃費を向上させることが可能な水素利用内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a control device for a hydrogen-based internal combustion engine that can improve fuel efficiency while ensuring sufficient combustion stability. To do.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、非水素燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関の制御装置であって、
内燃機関に非水素燃料を供給する非水素燃料供給手段と、
前記内燃機関に水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段の水素供給能力を算出する水素供給能力算出手段と、
検出された水素供給能力に基づいて、非水素燃料の燃焼による内燃機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替え条件を制御する切替条件制御手段とを備え、
前記切替条件制御手段は、水素供給能力が低い場合に比べて水素供給能力が高い場合に、切り替え条件である機関温度の閾値を低く設定するものであることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a control device for a hydrogen-based internal combustion engine that can be operated using non-hydrogen fuel and hydrogen as fuel,
Non-hydrogen fuel supply means for supplying non-hydrogen fuel to the internal combustion engine;
Hydrogen supply means for supplying hydrogen to the internal combustion engine;
Hydrogen supply capacity calculation means for calculating the hydrogen supply capacity of the hydrogen supply means;
A switching condition control means for controlling a switching condition from the internal combustion engine warm-up operation by the combustion of non-hydrogen fuel to the hydrogen addition lean burn operation based on the detected hydrogen supply capacity;
The switching condition control means is characterized in that when the hydrogen supply capacity is higher than when the hydrogen supply capacity is low, the threshold value of the engine temperature, which is a switching condition, is set low.
また、第2の発明は、非水素燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関の制御装置であって、
内燃機関に非水素燃料を供給する非水素燃料供給手段と、
前記内燃機関に水素を供給する水素供給手段と、
前記内燃機関から排出された排気ガスを浄化する浄化触媒と、
前記水素供給手段の水素供給能力を算出する水素供給能力算出手段と、
前記水素供給能力に基づいて、前記浄化触媒の暖機運転の条件を制御する触媒暖機運転制御手段とを備え、
前記触媒暖機運転制御手段は、水素供給能力が低い場合に比べて水素供給能力が高い場合に、水素の添加割合を高くすると共に点火時期の遅角量を大きくするものであることを特徴とする。
The second invention is a control device for a hydrogen-utilizing internal combustion engine that can be operated using non-hydrogen fuel and hydrogen as fuel,
Non-hydrogen fuel supply means for supplying non-hydrogen fuel to the internal combustion engine;
Hydrogen supply means for supplying hydrogen to the internal combustion engine;
A purification catalyst for purifying exhaust gas discharged from the internal combustion engine;
Hydrogen supply capacity calculation means for calculating the hydrogen supply capacity of the hydrogen supply means;
Catalyst warm-up operation control means for controlling conditions for warm-up operation of the purification catalyst based on the hydrogen supply capacity,
The catalyst warm-up operation control means is characterized in that when the hydrogen supply capacity is higher than when the hydrogen supply capacity is low, the hydrogen addition rate is increased and the retard amount of the ignition timing is increased. To do.
また、第3の発明は、第2の発明において、前記触媒暖機運転制御手段は、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも小さくなるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料或いは前記水素供給手段により水素を供給させると共に、燃焼室で非水素燃料を燃焼させた後の膨張行程又は排気行程において、前記水素供給手段により該燃焼室内に水素を直接供給させるものであることを特徴とする。 In a third aspect based on the second aspect, the catalyst warm-up operation control means is configured so that the ratio of the fuel to the intake air amount is smaller than the ratio required for stoichiometric combustion. In which hydrogen is supplied by the non-hydrogen fuel or the hydrogen supply means, and in the expansion stroke or exhaust stroke after the non-hydrogen fuel is burned in the combustion chamber, the hydrogen supply means directly supplies hydrogen into the combustion chamber It is characterized by being.
また、第4の発明は、第2の発明において、前記触媒暖機運転制御手段は、吸気弁と排気弁が共に開弁時あるいはその直前に、前記水素供給手段により吸気通路に水素を供給させるものであることを特徴とする。 In a fourth aspect based on the second aspect, the catalyst warm-up operation control means causes the hydrogen supply means to supply hydrogen to the intake passage when the intake valve and the exhaust valve are both opened or immediately before. It is characterized by being.
また、第5の発明は、第2の発明において、前記触媒暖機運転制御手段は、複数の気筒のうちの一の気筒では、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも小さくなるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料或いは前記水素供給手段により水素を供給させると共に、他の気筒では、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも大きくなるように、前記水素供給手段により水素を供給させるものであるを特徴とする。 In a fifth aspect based on the second aspect, the catalyst warm-up operation control means is configured such that, in one of the plurality of cylinders, the ratio of the fuel to the intake air amount is higher than the ratio required for stoichiometric combustion. The non-hydrogen fuel supply means supplies the non-hydrogen fuel or the hydrogen supply means with hydrogen so that the ratio of the fuel to the intake air amount is larger than the ratio required for stoichiometric combustion in the other cylinders. Thus, hydrogen is supplied by the hydrogen supply means.
また、第6の発明は、第2の発明において、前記触媒暖機運転制御手段は、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも小さくなるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料或いは前記水素供給手段により水素を供給させるサイクルと、吸入空気量に対する燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも大きくなるように、前記水素供給手段により水素を供給させるサイクルを一の気筒で混在させるものであることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention based on the second aspect, the catalyst warm-up operation control means is configured so that the ratio of the fuel to the intake air amount is smaller than the ratio required for stoichiometric combustion. The cycle in which hydrogen is supplied by the non-hydrogen fuel or the hydrogen supply means and the cycle in which hydrogen is supplied by the hydrogen supply means so that the ratio of the fuel to the intake air amount is larger than the ratio required for stoichiometric combustion. It is characterized by being mixed in the cylinders.
第1の発明によれば、水素供給能力が高い場合には、内燃機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への早期の切り替えが可能であるため、燃費を向上させることができる。また、早期に水素添加リーンバーン運転への切り替えを行った場合でも、水素の供給量を制御することにより、十分な燃焼安定性を得ることができる。 According to the first aspect of the invention, when the hydrogen supply capability is high, it is possible to quickly switch from the internal combustion engine warm-up operation to the hydrogen addition lean burn operation, so that the fuel consumption can be improved. Moreover, even when switching to the hydrogen addition lean burn operation is performed at an early stage, sufficient combustion stability can be obtained by controlling the hydrogen supply amount.
第2の発明によれば、水素供給能力が高い場合には、点火時期の遅角量を大きくすることにより、触媒暖機運転の時間を短くすることができる。点火時期の遅角量を大きくする場合であっても、水素添加割合を高くすることにより、十分な燃焼安定性を得ることができる。 According to the second invention, when the hydrogen supply capacity is high, the time for the catalyst warm-up operation can be shortened by increasing the retard amount of the ignition timing. Even when the retard amount of the ignition timing is increased, sufficient combustion stability can be obtained by increasing the hydrogen addition ratio.
第3の発明によれば、未燃酸素と水素を触媒に供給し、これらを触媒において反応させることにより、触媒の温度を上昇させることができる。よって、触媒暖機時間を短くすることができるため、燃費を向上させることができる。 According to the third invention, the temperature of the catalyst can be raised by supplying unburned oxygen and hydrogen to the catalyst and reacting them in the catalyst. Therefore, the catalyst warm-up time can be shortened, and the fuel efficiency can be improved.
第4の発明によれば、酸素と水素を触媒に供給し、これらを触媒において反応させることにより、触媒の温度を上昇させることができる。よって、触媒暖機時間を短くすることができるため、燃費を向上させることができる。 According to the fourth invention, the temperature of the catalyst can be raised by supplying oxygen and hydrogen to the catalyst and reacting them in the catalyst. Therefore, the catalyst warm-up time can be shortened, and the fuel efficiency can be improved.
第5の発明によれば、一の気筒から触媒に未燃酸素を供給し、他の気筒から触媒に未燃水素を供給することにより、これらを触媒において反応させることができ、触媒の温度を上昇させることができる。よって、触媒暖機時間を短くすることができるため、燃費を向上させることができる。 According to the fifth aspect of the present invention, unburned oxygen is supplied from one cylinder to the catalyst, and unburned hydrogen is supplied from the other cylinders to the catalyst. Can be raised. Therefore, the catalyst warm-up time can be shortened, and the fuel efficiency can be improved.
第6の発明によれば、第1サイクルでは触媒に未燃酸素を供給し、第2サイクルでは触媒に未燃水素を供給することにより、これらを触媒において反応させることができ、触媒の温度を上昇させることができる。よって、触媒暖機時間を短くすることができるため、燃費を向上させることができる。 According to the sixth aspect of the present invention, unburned oxygen is supplied to the catalyst in the first cycle, and unburned hydrogen is supplied to the catalyst in the second cycle. Can be raised. Therefore, the catalyst warm-up time can be shortened, and the fuel efficiency can be improved.
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
実施の形態1.
[システム構成の説明]
図1は、本発明の実施の形態1のシステム構成を説明するための図である。図1に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関10を備えている。本実施の形態1で説明する内燃機関10は複数の気筒を有しているが、図1にはそのうちの一気筒のみを示している。
Embodiment 1 FIG.
[Description of system configuration]
FIG. 1 is a diagram for explaining a system configuration according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the system of the present embodiment includes an
内燃機関10は、燃焼室11内に非水素燃料であるガソリンを噴射する燃料噴射弁36と、燃焼室11内に水素を噴射する水素噴射弁44とを備えている。燃料噴射弁36は、燃料通路32を介して燃料タンク30に連通している。燃料通路32の途中には、ポンプ34が設けられている。水素噴射弁44は、水素通路42を介して水素タンク40に連通している。水素タンク40には、圧縮水素が蓄えられている。水素タンク40と水素通路42の接続部近傍には、水素タンク40内の水素の圧力を検出するための圧力センサ41が設けられている。
The
内燃機関10は、燃焼室11内の混合気に点火するための点火プラグ18を備えている。また、本実施の形態1のシステムは、内燃機関10の冷却水の温度に応じて電気信号を出力する冷却水温センサ19を備えている。
The
燃焼室11には、吸気弁16を介して吸気通路12が連通している。吸気通路12の途中には、スロットルバルブ13が設けられている。スロットルバルブ13の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットル開度センサ14が設けられている。吸気通路12におけるスロットルバルブ13の上流には、エアフロメータ15が設けられている。エアフロメータ15は、内燃機関10に流入する吸入空気量Gaを検知するように構成されている。
An
また、燃焼室11には、排気弁20を介して排気通路24が連通している。排気通路24には浄化触媒であるNOx触媒(以下単に「触媒」という。)26が設けられている。触媒26には、該触媒26の温度を検出する触媒温度センサ27が設けられている。触媒26の上流には、排気空燃比を検出する空燃比センサ25が設けられている。触媒26の下流には、排気ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサ28が設けられている。
An
吸気弁16及び排気弁20は、それぞれ可変バルブタイミング機構21,22により駆動されるものである。可変バルブタイミング機構21,22は、吸気弁16及び排気弁20のバルブタイミングを変更可能に構成されている。
The
図1に示すシステムは、ECU(Electronic Control Unit)50を備えている。上述したスロットルバルブ13、スロットル開度センサ14、エアフロメータ15、点火プラグ18、冷却水温センサ19、可変バルブタイミング機構21,22、空燃比センサ25、NOx触媒温度センサ27、NOxセンサ28、ポンプ34、燃料噴射弁36及び水素噴射弁44等はECU50に接続されており、ECU50によりそれぞれ制御されている。ECU50は、燃料噴射制御や点火時期制御のような内燃機関10の全体の制御を実行する。
また、ECU50は、冷却水温センサ19により検出された冷却水温に基づいて機関温度を推定することができる。
また、ECU50は、圧力センサ41により検出された水素の圧力に基づいて、水素タンク40内の水素貯蔵量を算出することができる。
The system shown in FIG. 1 includes an ECU (Electronic Control Unit) 50. The
Further, the
Further, the
[実施の形態1の特徴]
次に、本実施の形態1における上記システムの動作について説明する。
上記システムにおいて、水素噴射弁44から燃焼室11内に水素を噴射することができ、燃焼噴射弁36から燃焼室11内にガソリンを噴射することができる。よって、上記システムによれば、ガソリンによるストイキ運転のほか、水素添加リーンバーン運転を実行することができる。
内燃機関10の始動後は、内燃機関10の温度(以下「機関温度」という。)が低い。
低い機関温度で水素添加リーンバーン運転を行う場合でも、非水素燃料に対する水素の添加割合を高くすることにより、十分な燃焼安定性を得ることができる。従って、水素タンク40内の水素貯蔵量が多い場合には、非水素燃料に対する水素の添加割合を高くすることができるため、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを早期に行うことができる。
しかし、水素タンク40内の水素貯蔵量が少ない場合には、車輌の走行距離を可能な限り伸ばすことを目的として、水素の添加割合が低く制限されてしまう。この場合、上述したように、水素添加リーンバーン運転への切り替えを早期に行うと、十分な燃焼安定性が得られないため、十分な燃費向上効果が得られない。そこで、機関温度が上昇するまではガソリンのストイキ燃焼による機関暖機運転を実行し、その後水素添加リーンバーン運転に切り替えることにより、十分な燃費向上効果を得ることができる。
[Features of Embodiment 1]
Next, the operation of the system in the first embodiment will be described.
In the above system, hydrogen can be injected into the
After the
Even when the hydrogen addition lean burn operation is performed at a low engine temperature, sufficient combustion stability can be obtained by increasing the ratio of hydrogen addition to the non-hydrogen fuel. Accordingly, when the amount of hydrogen stored in the
However, when the amount of hydrogen stored in the
そこで、本実施の形態1では、水素タンク40内の水素貯蔵量が多い場合(すなわち、水素供給能力が高い場合)には、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転に早期に移行する。この場合、水素添加割合を高くすることにより、十分な燃焼安定性を確保することができる。
一方、水素タンク40内の水素貯蔵量が少ない場合(すなわち、水素供給能力が低い場合)には、機関温度が十分上昇した後、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを行う。この場合、水素添加割合が低くても、機関温度が高いため十分な燃焼安定性が得られる。
Therefore, in the first embodiment, when the hydrogen storage amount in the
On the other hand, when the amount of hydrogen stored in the
[実施の形態1における具体的処理]
図2は、本実施の形態1においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図2に示すルーチンによれば、内燃機関10の始動後、ECU50は、先ず、水素タンク40内の水素貯蔵量を算出する(ステップ100)。
[Specific Processing in Embodiment 1]
FIG. 2 is a flowchart of a routine executed by
次に、算出された水素吸蔵量が所定値よりも大きいか否かが判別される(ステップ102)。このステップ102で水素吸蔵量が所定値よりも大きいと判別された場合には、水素供給能力が高いと判断される。一方、水素貯蔵量が所定値以下であると判別された場合には、水素供給能力が低いと判断される。以下に説明するように、本ルーチンでは、この水素供給能力に応じて、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替え条件が制御される。
Next, it is determined whether or not the calculated hydrogen storage amount is larger than a predetermined value (step 102). If it is determined in
(水素供給能力が高い場合)
上記ステップ102で水素吸蔵量が所定値よりも大きいと判別された場合、冷却水温が30℃以上であるか否かが判別される(ステップ104)。このステップ104で冷却水温が30℃以上であると判別された場合には、水素添加リーンバーン運転に移行しても、水素添加割合を高くすることにより十分な燃焼安定性が得られると判断される。この場合、ECU50は、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを許可する(ステップ106)。
一方、ステップ104で冷却水温が30℃未満であると判別された場合には、水素添加割合を高くしても十分な燃焼安定性が得られないと判別される。この場合、ECU50は、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを禁止し(ステップ110)、ガソリンのストイキ燃焼による機関暖機運転を継続して実行する(ステップ112)。
(When hydrogen supply capacity is high)
If it is determined in
On the other hand, if it is determined in
(水素供給能力が低い場合)
上記ステップ102で水素貯蔵量が所定値以下であると判別された場合、冷却水温が60℃以上であるか否かが判別される(ステップ108)。このステップ108で冷却水温が60℃以上であると判別された場合には、水素添加リーンバーン運転に移行しても、低い水素添加割合で十分な燃焼安定性が得られると判断される。この場合、ECU50は、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを許可する(ステップ106)。
一方、ステップ108で冷却水温が60℃未満であると判別された場合、ECU50は、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替えを禁止し(ステップ110)、ガソリンのストイキ燃焼による機関暖機運転を継続して実行する(ステップ112)。
(When hydrogen supply capacity is low)
When it is determined in
On the other hand, if it is determined in
以上説明したように、図2に示すルーチンによれば、水素貯蔵量に代表される水素供給能力に応じて、機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転への切り替え条件を制御するようにした。具体的には、水素添加リーンバーン運転への切り替えを許可する冷却水温を、水素供給能力が高い場合には30℃以上とし、水素供給能力が低い場合には60℃とした。よって、水素供給能力が高い場合には、水素添加リーンバーン運転への切り替えを早期に実行することができるため、燃費を向上させることができる。水素添加リーンバーン運転への切替を早期に実行した場合でも、水素の添加割合を高くすることにより、十分な燃焼安定性が得られる。
また、水素供給能力が低い場合には、水素添加リーンバーン運転への切り替えを遅くすることにより、機関温度をより上昇させるため、水素の添加割合が低くても十分な燃焼安定性が得られる。
As described above, according to the routine shown in FIG. 2, the switching condition from the engine warm-up operation to the hydrogen addition lean burn operation is controlled according to the hydrogen supply capacity represented by the hydrogen storage amount. Specifically, the cooling water temperature permitting switching to the hydrogen addition lean burn operation was set to 30 ° C. or higher when the hydrogen supply capability was high, and was set to 60 ° C. when the hydrogen supply capability was low. Therefore, when the hydrogen supply capacity is high, the switching to the hydrogen addition lean burn operation can be performed at an early stage, and the fuel efficiency can be improved. Even when switching to the hydrogen addition lean burn operation is executed at an early stage, sufficient combustion stability can be obtained by increasing the hydrogen addition ratio.
Further, when the hydrogen supply capability is low, the engine temperature is further increased by delaying the switching to the hydrogen addition lean burn operation, so that sufficient combustion stability can be obtained even if the hydrogen addition ratio is low.
ところで、本実施の形態1ではガソリン及び水素を燃焼室11内に直接噴射するシステムについて説明したが、ガソリン及び水素を吸気通路12の吸気ポートに噴射するシステムを用いてもよい。さらに、ガソリンをポート噴射及び筒内噴射可能なシステムを用いてもよい。この場合も、上記実施の形態1と同様の効果が得られる。
In the first embodiment, the system for directly injecting gasoline and hydrogen into the
また、本実施の形態1では、水素タンク40から水素を供給するシステムについて説明したが、車上で燃料を改質反応もしくは脱水素反応させることにより水素を生成するシステムを用いてもよい。この場合、ECU50は、水素生成量に基づき水素供給能力を算出することができる。
In the first embodiment, the system for supplying hydrogen from the
また、本実施の形態1では、冷却水温に基づいて水素添加リーンバーン運転への切り替えを行うシステムについて説明したが、エンジンオイルや変速機オイルの温度に基づいて切り替えを行うシステムを用いてもよい。
また、本実施の形態1で説明した冷却水温の閾値(30℃,60℃)は一例であり、この温度に限定されるものではない。
In the first embodiment, the system for switching to the hydrogen addition lean burn operation based on the cooling water temperature has been described. However, a system for switching based on the temperature of engine oil or transmission oil may be used. .
Moreover, the threshold value (30 degreeC, 60 degreeC) of the cooling water temperature demonstrated in this Embodiment 1 is an example, and is not limited to this temperature.
なお、本実施の形態1においては、ECU50が、ステップ100の処理を実行することにより第1の発明における「水素供給能力算出手段」が、ステップ102,104及び108の処理を実行することにより第1及び第2の発明における「切替条件制御手段」が、それぞれ実現されている。
In the first embodiment, the
実施の形態2.
本実施の形態2のシステムは、図1に示すシステムを用いて、ECU50に、後述する図3に示す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。
Embodiment 2. FIG.
The system of the second embodiment can be realized by causing the
[実施の形態2の特徴]
上記実施の形態1では、水素供給能力に基づく機関暖機制御について説明した。本実施の形態2では、水素供給能力に基づく触媒暖機制御について説明する。
内燃機関10の始動時や、車輌運転中に触媒26の温度が低下した場合には、触媒26を活性化するため、触媒26を暖機する必要がある。内燃機関10から排出される排気ガスの温度を上昇させることにより、触媒26の暖機を行うことができる。
排気ガスの温度を上昇させる制御の一例としては、点火プラグ18の点火時期を遅らせる制御が考えられる。この制御によれば、燃焼により得られた熱エネルギーのうちピストン運動に使われるエネルギーを減少させることができるため、排気ガスの温度を上昇させることができる。しかし、点火時期の遅角量を大きくするほど、排気ガスの温度をより上昇させることができるものの、燃焼安定性が低くなってしまう。
[Features of Embodiment 2]
In the first embodiment, the engine warm-up control based on the hydrogen supply capacity has been described. In the second embodiment, the catalyst warm-up control based on the hydrogen supply capability will be described.
When the temperature of the
As an example of control for increasing the temperature of the exhaust gas, control for delaying the ignition timing of the
ところで、非水素燃料であるガソリンに対する水素の添加割合を高くすることにより、燃焼安定性を向上させることができる。従って、水素タンク40内の水素貯蔵量が多い場合には、非水素燃料に対する水素の添加割合を高くすることができるため、点火時期を大幅に遅角することができる。これにより、排気ガスの温度をより上昇させることができるため、触媒暖機を早期に終了させることができるため、燃費を向上させることができる。
一方、水素タンク40内の水素貯蔵量が少ない場合には、車輌の走行距離を可能な限り伸ばすことを目的として、水素の添加割合が低く制限されてしまう。この場合、上述したように、点火時期を大幅に遅角すると、十分な燃焼安定性が得られない。
By the way, the combustion stability can be improved by increasing the ratio of hydrogen added to gasoline, which is a non-hydrogen fuel. Therefore, when the amount of hydrogen stored in the
On the other hand, when the amount of hydrogen stored in the
そこで、本実施の形態2では、水素タンク40内の水素貯蔵量が多い場合には、点火時期を大幅に遅角することにより、排気ガスの温度をより上昇させる。この場合、水素添加割合を高くすることにより、十分な燃焼安定性を確保することができる。これにより、早期に触媒暖機を終了させて、通常の水素添加リーンバーン運転に切り替えることができるため、燃費を向上させることができる。
一方、水素タンク40内の水素貯蔵量が少ない場合には、点火時期の遅角量を少なくすることができる。この場合、水素添加割合が低くても十分な燃焼安定性が得られる。
Therefore, in the second embodiment, when the hydrogen storage amount in the
On the other hand, when the hydrogen storage amount in the
[実施の形態2における具体的処理]
図3は、本実施の形態2においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図3に示すルーチンによれば、ECU50は、先ず、触媒26の温度(以下「触媒床温」という。)が所定値よりも小さいか否かを判別する(ステップ120)。このステップ120で触媒床温が所定値以上であると判別された場合には、触媒暖機は不要であるため、処理を終了する。一方、触媒床温が所定値より小さいと判別された場合には、水素タンク40内の水素貯蔵量が所定値よりも大きいか否かが判別される(ステップ122)。
ステップ122で水素貯蔵量が所定値よりも大きいと判別された場合には、水素供給能力が高いと判断される。一方、水素貯蔵量が所定値以下であると判別された場合には、水素供給能力が低いと判断される。以下に説明するように、本ルーチンでは、この水素供給能力に応じて、触媒暖機運転の条件、具体的には、水素添加割合、点火時期遅角量及び暖機時間が制御される。
[Specific Processing in Second Embodiment]
FIG. 3 is a flowchart of a routine executed by the
If it is determined in
水素供給能力が高い場合には、高い水素添加割合が算出され(ステップ124)、大きい点火時期遅角量が算出され(ステップ126)、短い暖機制御時間が算出される(ステップ128)。
一方、水素供給能力が高い場合には、低い水素添加割合が算出され(ステップ134)、小さい点火時期遅角量が算出され(ステップ136)、長い暖機制御時間が算出される(ステップ138)。
When the hydrogen supply capacity is high, a high hydrogen addition ratio is calculated (step 124), a large ignition timing retardation amount is calculated (step 126), and a short warm-up control time is calculated (step 128).
On the other hand, when the hydrogen supply capacity is high, a low hydrogen addition ratio is calculated (step 134), a small ignition timing retard amount is calculated (step 136), and a long warm-up control time is calculated (step 138). .
その後、算出された水素添加割合、点火時期遅角量及び暖機制御時間で触媒暖機運転が実行される(ステップ130)。その後、ステップ132で暖機制御時間が経過したと判別されるまで、触媒暖機運転が実行される。
Thereafter, the catalyst warm-up operation is executed with the calculated hydrogen addition ratio, ignition timing retardation amount, and warm-up control time (step 130). Thereafter, the catalyst warm-up operation is executed until it is determined in
次回以降、本ルーチンが起動されると、触媒床温が所定値以上になるまで、触媒暖機運転が実行される。 When this routine is started after the next time, the catalyst warm-up operation is executed until the catalyst bed temperature becomes equal to or higher than a predetermined value.
以上説明したように、図3に示すルーチンによれば、水素供給能力に応じて、触媒暖機運転の条件を制御するようにした。具体的には、水素供給能力が高い場合には水素供給能力が低い場合に比べて、水素添加割合を高くし、点火時期を大幅に遅角するようにした。これにより、水素供給能力が高い場合には、排気ガスの温度をより上昇させることができる。すなわち、より多くの熱エネルギーを触媒暖機に寄与させることができるため、早期に触媒暖機を終了させることができる。よって、水素添加リーンバーン運転のような高燃費運転に早期に切り替えることができるため、燃費を向上させることができる。
また、水素供給能力が低い場合には、点火時期の遅角量を小さくすることにより、十分な燃焼安定性を確保することができる。
As described above, according to the routine shown in FIG. 3, the conditions for the catalyst warm-up operation are controlled according to the hydrogen supply capacity. Specifically, when the hydrogen supply capability is high, the hydrogen addition rate is increased and the ignition timing is significantly retarded compared to when the hydrogen supply capability is low. Thereby, when hydrogen supply capability is high, the temperature of exhaust gas can be raised more. That is, since more heat energy can contribute to catalyst warm-up, catalyst warm-up can be terminated early. Therefore, since it can switch to high fuel consumption driving | operation like hydrogen addition lean burn driving | operation early, a fuel consumption can be improved.
Further, when the hydrogen supply capability is low, sufficient combustion stability can be ensured by reducing the retard amount of the ignition timing.
なお、本実施の形態2においては、ECU50が、ステップ122,124,126,128又はステップ122,134,136,138の処理を実行することにより第3の発明における「触媒暖機制御」が、ステップ124,126の処理を実行することにより第4の発明における「触媒暖機制御手段」が、それぞれ実現されている。
In the second embodiment, the
実施の形態3.
本実施の形態3のシステムは、図1に示すシステムを用いて、ECU50に、後述する図4に示す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。
Embodiment 3 FIG.
The system of the third embodiment can be realized by causing the
[実施の形態3の特徴]
上記実施の形態2では、水素タンク40内の水素貯蔵量が所定値より大きいか否かにより、2つの場合に分け、この2つの場合それぞれに水素添加量、点火時期遅角量及び暖機制御時間を設定するようにした。
本実施の形態3では、マップを参照して、水素貯蔵量に応じた水素添加量を算出し、さらにその算出した水素添加量に応じた点火時期遅角量及び実行時間を算出する。これにより、触媒暖機制御を精度良く行うことができるため、実施の形態2よりも更に燃費を向上させることができる。
[Features of Embodiment 3]
In the second embodiment, the hydrogen storage amount in the
In the third embodiment, the hydrogen addition amount corresponding to the hydrogen storage amount is calculated with reference to the map, and the ignition timing retardation amount and the execution time corresponding to the calculated hydrogen addition amount are calculated. Thereby, since catalyst warm-up control can be performed with high accuracy, fuel efficiency can be further improved as compared with the second embodiment.
[実施の形態3における具体的処理]
図4は、本実施の形態3においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図4に示すルーチンによれば、ECU50は、実施の形態2と同様に、先ず、触媒床温が所定値よりも小さいか否かを判別する(ステップ120)。このステップ120で触媒床温が所定値より小さいと判別された場合には、水素タンク40内の水素貯蔵量を算出する(ステップ140)。
[Specific Processing in Embodiment 3]
FIG. 4 is a flowchart of a routine executed by the
次に、図5に示すマップを参照して、触媒暖機時の水素添加割合が算出される(ステップ142)。図5は、水素添加割合を算出するためにECU50が記憶しているマップの一例を示す図である。該マップにおいて、水素添加割合は、水素貯蔵量に対応して定められ、さらに触媒床温との関係で定められている。より具体的には、図5に示すマップでは、水素貯蔵量が多いほど、水素添加割合が高くなるように設定されている。
Next, the hydrogen addition ratio at the time of catalyst warm-up is calculated with reference to the map shown in FIG. 5 (step 142). FIG. 5 is a diagram showing an example of a map stored in the
続いて、図6に示すマップを参照して、触媒暖機時の点火時期遅角量が算出される(ステップ144)。図6は、点火時期遅角量を算出するためにECU50が記憶しているマップの一例を示す図である。該マップにおいて、点火時期遅角量は、水素添加割合との関係で定められている。より具体的には、図6に示すマップでは、水素添加割合が高いほど、点火時期遅角量が大きくなるように設定されている。
Subsequently, with reference to the map shown in FIG. 6, the ignition timing retardation amount at the time of catalyst warm-up is calculated (step 144). FIG. 6 is a diagram showing an example of a map stored in the
その後、図7に示すマップを参照して、触媒暖機制御の実行時間が算出される(ステップ146)。図7は、触媒暖機制御の実行時間を算出するためにECU50が記憶しているマップの一例を示す図である。該マップにおいて、触媒暖機制御の実行時間は、水素添加割合との関係で定められている。より具体的には、図7に示すマップでは、水素添加割合が高いほど、実行時間が短くなるように設定されている。
Thereafter, referring to the map shown in FIG. 7, the catalyst warm-up control execution time is calculated (step 146). FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a map stored in the
その後、算出された水素添加割合、点火時期遅角量及び暖機制御時間で触媒暖機運転が実行される(ステップ130)。その後、ステップ132で暖機制御時間が経過したと判別されるまで、触媒暖機運転が実行される。
Thereafter, the catalyst warm-up operation is executed with the calculated hydrogen addition ratio, ignition timing retardation amount, and warm-up control time (step 130). Thereafter, the catalyst warm-up operation is executed until it is determined in
次回以降、本ルーチンが起動されると、触媒床温が所定値以上になるまで、触媒暖機運転が実行される。 When this routine is started after the next time, the catalyst warm-up operation is executed until the catalyst bed temperature becomes equal to or higher than a predetermined value.
以上説明したように、図4に示すルーチンによれば、マップを参照して、水素貯蔵量に対応した水素添加割合を算出し、その算出した水素添加割合に対応した点火時期遅角量及び制御実行時間を算出するようにした。よって、上記実施の形態2と比べて、触媒暖機制御をより精度良く実行することができるため、燃費を更に向上させることができる。 As described above, according to the routine shown in FIG. 4, the hydrogen addition ratio corresponding to the hydrogen storage amount is calculated with reference to the map, and the ignition timing retard amount and control corresponding to the calculated hydrogen addition ratio are calculated. The execution time was calculated. Therefore, compared with the second embodiment, the catalyst warm-up control can be executed with higher accuracy, and the fuel consumption can be further improved.
なお、本実施の形態3においては、ECU50が、ステップ140,142,144,146の処理を実行することにより第3の発明における「触媒暖機制御」が、ステップ142,144の処理を実行することにより第4の発明における「触媒暖機制御手段」が、それぞれ実現されている。
In the third embodiment, the
実施の形態4.
本実施の形態4のシステムは、図1に示すシステムを用いて、ECU50に、後述する図8に示す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。
Embodiment 4 FIG.
The system of the fourth embodiment can be realized by causing the
[実施の形態4の特徴]
上記実施の形態2及び3では、点火時期を遅角することにより排気ガスの温度を上昇させ、その結果として触媒床温を上昇させる制御について説明した。
触媒床温を上昇させる他の制御として、触媒26において酸素と水素を発熱反応させる制御が考えられる。但し、この制御は、水素の消費量が多いため、水素供給能力が高い場合に行うことが望ましい。この制御を具体的に説明すると、先ず、スロットル開度TA及び燃料噴射量を制御してリーン燃焼を行う。これにより、排気行程時に、燃焼室11で燃焼しなかった酸素(以下「未燃酸素」という。)が排気通路24を介して触媒26に供給される。さらに、この排気行程時に、未燃酸素と反応する量の水素を水素噴射弁44から燃焼室11内に直接噴射する。筒内噴射された水素は、燃焼室11内で燃焼せず触媒26に供給される。これらの未燃酸素と水素が触媒26において反応することにより、触媒床温が上昇する。
[Features of Embodiment 4]
In the second and third embodiments, the control for increasing the exhaust gas temperature by retarding the ignition timing and, as a result, increasing the catalyst bed temperature has been described.
As another control for increasing the catalyst bed temperature, a control for causing an exothermic reaction between oxygen and hydrogen in the
[実施の形態4における具体的処理]
図8は、本実施の形態4においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図8に示すルーチンによれば、ECU50は、先ず、触媒床温がt1よりも大きくt2よりも小さいか否かが判別される(ステップ150)。t1は、水素と酸素が反応可能な最低の触媒床温であり、t2は、触媒26の浄化能力が許容範囲に入る最低の触媒床温である。この温度範囲であれば、未燃酸素と水素の反応による触媒床温昇温制御を実行すべきであると判断される。
ステップ150で触媒床温がt1よりも大きくt2よりも小さいと判断された場合、水素貯蔵量が所定値よりも大きいか否かが判別される(ステップ152)。水素貯蔵量が所定値以下であると判別された場合、すなわち、水素供給能力が低いと判断された場合には、これ以上の水素の消費を抑制すべく、本制御を中止する。
[Specific Processing in Embodiment 4]
FIG. 8 is a flowchart of a routine executed by the
When it is determined in
水素貯蔵量が所定値よりも大きいと判別された場合、すなわち、水素供給能力が高いと判断された場合には、リーン燃焼となるようにスロットル開度TAと燃料量が算出される(ステップ154)。具体的には、アクセル開度と機関回転数とから要求負荷及び目標空燃比が決まり、この要求負荷と目標空燃比から吸入空気量及び燃料量が決まり、この吸入空気量からスロットル開度が決まる。なお、燃料は、ガソリンと水素のどちらでもよい。また、ECUは、図示しないアクセル開度センサの検出信号に基づきアクセル開度を検出することができ、図示しないクランク角センサの検出信号に基づき機関回転数を算出することができる。
その後、一気筒あたりの排出未燃酸素量が算出され(ステップ156)、算出された未燃酸素量と反応させるために供給する水素の量が算出される(ステップ158)。さらに、算出された水素供給量に対応する水素噴射弁44の開弁時間が算出される(ステップ160)。
When it is determined that the hydrogen storage amount is larger than the predetermined value, that is, when it is determined that the hydrogen supply capacity is high, the throttle opening degree TA and the fuel amount are calculated so as to achieve lean combustion (step 154). ). Specifically, the required load and the target air-fuel ratio are determined from the accelerator opening and the engine speed, the intake air amount and the fuel amount are determined from the required load and the target air-fuel ratio, and the throttle opening is determined from the intake air amount. . The fuel may be either gasoline or hydrogen. Further, the ECU can detect the accelerator opening based on a detection signal from an accelerator opening sensor (not shown), and can calculate the engine speed based on a detection signal from a crank angle sensor (not shown).
Thereafter, the amount of unburned oxygen per cylinder is calculated (step 156), and the amount of hydrogen supplied to react with the calculated amount of unburned oxygen is calculated (step 158). Further, the valve opening time of the hydrogen injector 44 corresponding to the calculated hydrogen supply amount is calculated (step 160).
そして、リーン燃焼後の排気行程時に、算出された開弁時間だけ水素噴射弁44を開弁制御することにより、水素を燃焼室11内に直接噴射する(ステップ162)。
次回以降、本ルーチンが起動されると、触媒床温がt2以上になるまで、未燃酸素と水素の反応による触媒床温の昇温制御が実行される。
Then, during the exhaust stroke after the lean combustion, the hydrogen injection valve 44 is controlled to open for the calculated valve opening time, whereby hydrogen is directly injected into the combustion chamber 11 (step 162).
From the next time, when this routine is started, the temperature control of the catalyst bed temperature by the reaction of unburned oxygen and hydrogen is executed until the catalyst bed temperature becomes t2 or more.
以上説明したように、図8に示すルーチンによれば、水素供給能力が高い場合には、未燃酸素と水素を触媒26に供給して、それらを触媒26上で発熱反応させることにより、触媒床温を昇温させるようにした。上記実施の形態2,3で説明した排気ガスの温度を昇温させる制御よりも短時間で触媒床温を昇温させることができる。よって、早期に触媒暖機を終了させることができ、水素添加リーンバーン運転のような高燃費運転に早期に切り替えることができるため、燃費を向上させることができる。
As described above, according to the routine shown in FIG. 8, when the hydrogen supply capability is high, unburned oxygen and hydrogen are supplied to the
なお、内燃機関10の複数の気筒のうち、一部の気筒においてガソリン又は水素によるリーン燃焼を行うことにより未燃酸素を触媒26に供給するようにし、他の気筒において水素によるリッチ燃焼を行うことにより未燃水素を触媒26に供給するようにしてもよい。この場合も、酸素と水素を触媒26上で反応させることができるため、上記実施の形態4と同様の効果が得られる。
また、1つの気筒において、ガソリン又は水素によるリーン燃焼を行うことにより未燃酸素を触媒26に供給する第1サイクルと、水素によるリッチ燃焼を行うことにより未燃水素を触媒26に供給する第2サイクルとを混在(1乃至数サイクル毎に切り替え)させてもよい。この場合も、酸素と水素を触媒26上で反応させることができるため、上記実施の形態4と同様の効果が得られる。
Of the plurality of cylinders of the
Further, in one cylinder, a first cycle in which unburned oxygen is supplied to the
実施の形態5.
本実施の形態5では、図1に示すシステムにおいて、燃焼室11内に水素を直接噴射する水素噴射弁44に代えて、吸気通路12の吸気ポートに水素を噴射する水素ポート噴射弁を設けたシステムを用いる(図示せず)。このシステムを用いて、ECU50に、後述する図9に示すルーチンを実行させることにより、本実施の形態5のシステムを実現することができる。
本実施の形態5においても、上記実施の形態4と同様に、水素供給能力が高い場合に、未燃酸素と水素を触媒26において発熱反応させることにより、触媒床温を上昇させる制御を実行する。
なお、本実施の形態5の制御は、吸気通路12の負圧と排気通路24の圧力とが共に小さいエンジン始動直後に行うことを前提とする。この場合、バルブオーバーラップ期間に吸気通路12から排気通路24へガスが流れ得る。
Embodiment 5 FIG.
In the fifth embodiment, in the system shown in FIG. 1, a hydrogen port injection valve that injects hydrogen into the intake port of the
Also in the fifth embodiment, as in the fourth embodiment, when the hydrogen supply capacity is high, control is performed to raise the catalyst bed temperature by causing the unburned oxygen and hydrogen to undergo an exothermic reaction in the
It is assumed that the control of the fifth embodiment is performed immediately after the engine is started, in which both the negative pressure in the
[実施の形態5における具体的処理]
図9は、本実施の形態5においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図9に示すルーチンによれば、ステップ158の水素供給量の算出までは、上記実施の形態4と同様の制御を行う。
[Specific Processing in Embodiment 5]
FIG. 9 is a flowchart of a routine executed by the
その後、算出された水素供給量に対応する水素ポート噴射弁の開弁時間が算出される(ステップ164)。
次に、可変動弁機構21,22によるバルブ開閉タイミングを変更することにより、吸気弁16と排気弁20が共に開弁している時間(バルブオーバーラップ期間)を拡大する(ステップ166)。
Thereafter, the opening time of the hydrogen port injector corresponding to the calculated hydrogen supply amount is calculated (step 164).
Next, by changing the valve opening / closing timing by the
そして、リーン燃焼後のバルブオーバーラップ期間中又はその直前に、算出された開弁時間だけ水素ポート噴射弁を開弁制御することにより、水素を吸気ポートに噴射する。吸気ポートに噴射された水素は、燃焼室11で燃焼することなく、排気通路24を介して触媒26に供給される。触媒26において、水素と未燃酸素とが発熱反応することにより、触媒床温が昇温する。
次回以降、本ルーチンが起動されると、触媒床温がt2以上になるまで、未燃酸素と水素の反応による触媒床温の昇温制御が実行される。
Then, during or just before the valve overlap period after lean combustion, the hydrogen port injection valve is controlled to open for the calculated valve opening time, thereby injecting hydrogen into the intake port. The hydrogen injected into the intake port is supplied to the
From the next time, when this routine is started, the temperature control of the catalyst bed temperature by the reaction of unburned oxygen and hydrogen is executed until the catalyst bed temperature becomes t2 or more.
以上説明したように、図9に示すルーチンによれば、上記実施の形態4と同様に、水素供給能力が高い場合には、未燃酸素と水素を触媒26に供給し、それらを触媒26上で発熱反応させることにより、触媒床温を昇温させるようにした。よって、上記実施の形態4と同様の効果が得られる。
As described above, according to the routine shown in FIG. 9, as in the fourth embodiment, when the hydrogen supply capability is high, unburned oxygen and hydrogen are supplied to the
10 内燃機関
11 燃焼室
12 吸気通路
13 スロットルバルブ
14 スロットル開度センサ
16 吸気弁
18 点火プラグ
19 冷却水温センサ
20 排気弁
21,22 可変動弁機構
24 排気通路
26 NOx触媒
27 触媒温度センサ
30 燃料タンク
36 燃焼噴射弁
40 水素タンク
41 圧力センサ
44 水素噴射弁
50 ECU
DESCRIPTION OF
Claims (1)
内燃機関に非水素燃料を供給する非水素燃料供給手段と、
前記内燃機関に水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段の水素供給能力を算出する水素供給能力算出手段と、
機関温度が所定の閾値よりも低いときに非水素燃料の燃焼による内燃機関暖機運転を実行し、機関温度が前記閾値以上となったときに前記内燃機関暖機運転から水素添加リーンバーン運転へと運転を切り替える手段と、
前記水素供給能力が低い場合に比べて前記水素供給能力が高い場合に、前記閾値を低く設定する手段とを備えることを特徴とする水素利用内燃機関の制御装置。 A control device for a hydrogen-based internal combustion engine that can be operated using non-hydrogen fuel and hydrogen as fuel,
Non-hydrogen fuel supply means for supplying non-hydrogen fuel to the internal combustion engine;
Hydrogen supply means for supplying hydrogen to the internal combustion engine;
Hydrogen supply capacity calculation means for calculating the hydrogen supply capacity of the hydrogen supply means;
When the engine temperature is lower than a predetermined threshold value, the internal combustion engine warm-up operation is performed by combustion of non-hydrogen fuel, and when the engine temperature becomes equal to or higher than the threshold value, the internal combustion engine warm-up operation is changed to the hydrogen addition lean burn operation. And means for switching operation,
The hydrogen when the higher the hydrogen supply capability as compared with when the supply capability is low, the control unit of the hydrogen utilization internal combustion engine, characterized in that it comprises means for setting low said threshold.
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