JP4478887B2 - 水素エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
このように構成された本発明においては、水素残量が所定値以下であると検出されたとき、供給燃料切換手段により、水素の供給から、水素及びガソリンの両方の供給へと切り換えられるので、水素とガソリンの両方を有効に利用して航続距離を延ばすことが出来る。さらに、供給燃料比率設定手段により、低回転時に水素とガソリンとの供給比率をガソリンより水素が大とし、高回転時に低回転時よりもガソリンの比率を高めるので、低回転時にエミッション性能(例えば、HCやCOの排出量)が低下することを抑制すると共に高回転時に高出力を確保しつつ航続距離を延ばすことが出来る。さらに、本発明においては、供給燃料切換手段が、水素残量が所定値以下であると検出され且つガソリン残量が所定値以下であると検出されたとき、水素の供給から、水素及びガソリンの両方の供給へと切り換えるので、水素及びガソリンの両方とも残量が少ないとき、それらの各燃料を有効に利用して航続距離を延ばすことが出来る。
このように構成された本発明においては、水素の空燃比及びガソリンの空燃比がそれぞれリーン領域となるように水素供給量及びガソリン供給量を決定するので、水素及びガソリンの供給量を抑えて、より確実に航続距離を延ばすことが出来る。
このように構成された本発明においては、EGR制御手段により、水素及びガソリンの両方が供給されているときのEGR率を、ガソリンの供給時におけるEGR率よりも増大させるので、ガソリンを併用することによるエミッション性能の低下、特に、NOx量の増大を抑制することが出来る。さらに、水素の着火性は非常に高いので、EGR率を増大させることによる燃焼性悪化も防止される。
先ず、図1及び図2により、本発明の実施形態による水素エンジンの制御装置が適用された水素エンジンの構成を説明する。図1は、本実施形態による水素エンジンの制御装置が適用された水素エンジン本体部の概略構成を示す図であり、図2は、図1に示す水素エンジン本体部及びそれに付随する装置を示す水素エンジンの全体構成を示す図である。
また、排気通路22の下流側には、排気ガス浄化触媒(図示せず)などが設けられている。この排気通路22には、排気通路22中の排気ガスの一部を吸気通路20に還流するためのEGR装置30が設けられている。このEGR装置30は、排気通路22と吸気通路20とを連結するEGR通路32と、このEGR通路32内の還流する排気ガスを冷却して密度を高めるEGRクーラ34と、EGR率を制御するためのEGR弁36とを有している。このEGR弁36は、コントロールユニット(ECU)70に接続され、このECU70によって、後述するようにEGR率が制御される。
水素及びガソリン用の各インジェクタ40、42、44の内部には、それぞれ電磁弁(図示せず)が組み込まれており、水素ガスインジェクタ40、42による水素ガス噴射量、及び、ガソリンインジェクタ44によるガソリン噴射量は、それぞれ、各電磁弁の開閉量により調整される。各インジェクタ40、42、44は、それぞれ、ECU70に接続され、このECU70によって、後述するように水素ガス噴出量及びガソリン噴出量が制御される。
図3は、本実施形態のコントロールユニットによる燃料噴射制御の内容を示すフローチャートであり、図4は、エンジン回転数に基づいて水素及びガソリンの混合比率を決定するための制御マップを示す図表である。なお、図3に示すフローチャートにおいて、「S」は各ステップを示す。
次に、S2において、S1で読み込んだ水素残量Hが所定値以下であるか否かを判定する。本実施形態では、所定値として、水素高圧ガスタンク52の全容量の3%の容量と設定している。例えば、タンク52の全容量が35MPaとすると、所定値として1MPaと設定する。このように、S2においては、水素残量Hが少ないか否かを判定する。
また、S3においては、S1で読み込んだガソリン残量Gが所定値以下であるか否かを判定する。本実施形態では、所定値としてガソリンタンク62の全容量の3%の容量と設定している。このように、S3においては、ガソリン残量Gが少ないか否かを判定する。なお、水素残量及びガソリン残量の所定値は、車両に応じて異なっていても良い。
先ず、S2において、水素残量Hが所定値を超えていると判定された場合、即ち、水素残量に余裕がある場合について説明する。
この場合には、S2の判定終了後、S4に進み、水素ガスによる運転を行う。具体的には、ECU70は、ポート噴射式ガソリンインジェクタ44によるガソリンの噴射を禁止し、直噴式水素ガスインジェクタ40やポート噴射式水素ガスインジェクタ42による水素ガスの噴射を実行させるように、各インジェクタ40、42、44を制御する。
具体的には、S1で読み込んだエンジン回転数Nが第1領域(800〜2500rpm)の場合は、圧縮行程において直噴式水素ガスインジェクタ40のみで水素ガスを噴射する。これにより、空気及び水素ガスの充填効率を高めて、出力トルクを確保するようにしている。つまり、仮に吸気行程中に吸気通路20から噴射したのでは、水素ガスが気体でありその体積が大きいことに起因して、十分な空気量を作動室10に確保しにくいのである。
エンジン回転数Nが第3領域(5000〜7000rpm)の場合は、圧縮行程における直噴式水素ガスインジェクタ40による噴射と、吸気行程におけるポート噴射式水素ガスインジェクタ42による予混合噴射とを併用する。これは、圧縮行程における直噴式水素ガスインジェクタ40による噴射によりトルクを確保すると共に、ポート噴射式水素ガスインジェクタ42による予混合噴射により空気と水素ガスのミキシング性を向上させるためである。各インジェクタ40、42の噴射量の比率は、本実施形態では、直噴式水素ガスインジェクタ40による噴射量が20%、ポート噴射式水素ガスインジェクタ42による噴射量が80%と設定されている。
このS4における処理が終了すると、次に、S5に進み、ECU70は、EGR率が50%となるように、EGR弁36を制御する。このように、ガソリンのみの燃焼時におけるEGR率(限界は20%程度)に比べ、EGR率を50%と大きな値に設定して、NOxを効果的に低減させるようにしている。ここで、EGR率を50%と大きな値に設定しても、水素ガスはガソリンに比べ着火性が非常に優れているので、燃焼性の悪化の懸念が非常に少ない。
この場合には、S3の判定終了後、S6に進み、ガソリンによる運転を行う。具体的には、ECU70は、ポート噴射式ガソリンインジェクタ44によるガソリンの噴射を実行させ、直噴式水素ガスインジェクタ40及びポート噴射式水素ガスインジェクタ42による水素ガスの噴射を禁止するように、各インジェクタ40、42、44を制御する。なお、ガソリン水素ガスの噴射量は、空燃比がλ=1となるように、吸入空気量、吸入空気温度、酸素濃度センサ74からの出力信号(空燃比λ)などに基づいて決定される。
次に、S7に進み、ECU70は、EGR率が20%となるように、EGR弁36を制御する。このEGR率の20%という値は、一般に、ガソリン燃焼における限界値に近い値であり、EGR率20%を超えると非常に着火しにくくなり、或いは着火しても失火する恐れがある。
この場合には、S3の判定終了後、S8に進み、水素ガスとガソリンを混合させた運転を行う。具体的には、ECU70は、ポート噴射式ガソリンインジェクタ44によるガソリンの噴射、及び、直噴式水素ガスインジェクタ40やポート噴射式水素ガスインジェクタ42による水素ガスの噴射を実行させるように、各インジェクタ40、42、44を制御する。
このS8では、図4に示すマップに基づき、エンジン回転数Nに応じた水素ガスとガソリンの混合比率を決定し、その決定された混合比率となるように、各インジェクタ40、42、44を制御するようにしている。
本実施形態では、図4に示すように、実用域(低回転域)のエンジン回転数(〜3000rpm)では、水素ガスとガソリンの比率を、水素ガスがガソリンよりも大きくなるように、水素ガスを70%、ガソリンを30%と設定している。中回転域のエンジン回転数(3000〜3500rpm)では、水素ガスを70%から50%までエンジン回転数Nに対してリニアに低下するように設定し、ガソリンを50%から70%までエンジン回転数Nに対してリニアに増加するように設定している。高回転域のエンジン回転数(3500rpm〜)では、水素ガスとガソリンの比率を、それぞれ50%と同等に設定している。従って、この高回転域では、実用域に比べ、水素ガスの比率を低める一方、ガソリンの比率を高めている。
図5に示すように、各燃料使用時に、それぞれ、エンジン回転数に応じて充填効率及び出力としてのトルクが変化する。水素とガソリンの混合時には、その混合比率に応じて特性が変化し、水素70%、ガソリン30%の実用域では、ほぼ水素使用時の充填効率及び出力と同等であり、中回転域では、水素比率を下げ且つガソリン比率を上げるにつれて、充填効率及び出力ともにその増加度合いが大きくなり、高回転域(水素50%、ガソリン50%)では、水素使用時とガソリン使用時のほぼ中間の大きさの充填効率及び出力が得られる。このように、水素残量が少ない場合に、水素とガソリンを混合させた運転を行っても、充填効率及び出力のいずれも確保され、確実に走行することが出来ることが確認されている。
20 吸気通路
22 排気通路
32 EGR通路
36 EGR弁
40 直噴式水素ガスインジェクタ
42 ポート噴射式水素ガスインジェクタ
44 ポート噴射式ガソリンインジェクタ
50 水素ガス供給通路
52 水素高圧ガスタンク
58 水素ガス圧力センサ
60 ガソリン供給通路
62 ガソリンタンク
66 ガソリンレベルセンサ
70 コントロールユニット
72 エンジン回転数センサ
Claims (3)
- 水素貯蔵源から水素エンジンに水素を供給する水素供給装置と、ガソリン貯蔵源から水素エンジンにガソリンを供給するガソリン供給装置と、上記水素貯蔵源の水素残量を検出する水素残量検出手段とを備えた水素エンジンの制御装置であって、
上記水素エンジンは、さらに、上記ガソリン貯蔵源のガソリン残量を検出するガソリン残量検出手段を備え、
上記水素エンジンの制御装置は、上記水素残量検出手段により水素残量が所定値以下であると検出され且つ上記ガソリン残量検出手段によりガソリン残量が所定値以下であると検出されたとき、上記水素供給装置による水素の供給から、上記水素供給装置及び上記ガソリン供給装置による水素及びガソリンの両方の供給へと切り換える供給燃料切換手段と、
上記水素エンジンの低回転時には、水素とガソリンとの供給比率をガソリンより水素が大とし、高回転時には、低回転時よりもガソリンの比率を高める供給燃料比率設定手段と、を有することを特徴とする水素エンジンの制御装置。 - さらに、水素及びガソリンの両方が供給されているとき、水素の空燃比及びガソリンの空燃比がそれぞれリーン領域となるように水素供給量及びガソリン供給量を決定する燃料供給量決定手段を有する請求項1に記載の水素エンジンの制御装置。
- 上記水素エンジンは、さらに、EGR装置を備え、
上記制御装置は、さらに、上記水素残量検出手段により水素残量が所定値以下であると検出され且つ上記ガソリン残量検出手段によりガソリン残量が所定値を超えると検出されたとき、水素の供給から、ガソリンの供給へと切り換える第2供給燃料切換手段と、
水素及びガソリンの両方が供給されているとき、上記EGR装置のEGR率を、ガソリンの供給時におけるEGR率よりも増大させるEGR制御手段と、を有する請求項2記載の水素エンジンの制御装置。
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