JP4534247B2 - 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（特許文献１、特許文献２参照）。このようなエンジンにおいては、水素ガスとガソリンの性質の違いから、燃料を切り替えると同時に燃焼室に供給する空気の量を切り替える必要があることが分かっている。詳しくは、同一トルクを得るため、水素ガスを燃焼させる場合の方が、ガソリンを燃焼させる場合に比べて多くの空気が必要となる。
特開平２−８６９３１号公報 特開平３−２６８２５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、ガソリンの供給に切り替えた直後には、燃焼室内の空気の量が多いままとなり、正常に燃焼が行なわれずにトルクショックが起きるという問題が生じていた。

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、水素燃焼時とガソリン燃焼時の遷移期間における燃焼の正常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、水素ガスを燃焼させる水素モードと、ガソリンを燃焼させるガソリンモードと、水素モードとガソリンモードとの移行期間に水素ガスとガソリンとを混合して燃焼させる遷移モードと、の少なくとも３つのモードでエンジンを制御し、前記遷移モードにおいて供給する水素ガスとガソリンの比率を要求トルク及び吸気充填量に応じて設定することを特徴とする。

これにより、水素ガスからガソリンへの切替時に、空気量の減量遅れに伴う空燃比のリーン化を原因とする燃焼安定性の悪化を抑制できる。また、水素ガスからガソリンへの切替時のトルクや吸気充填量に拘わらず、適切な切替を行なうことができ、トルクショックを抑制できる。
水素ガスを供給する際、その体積が大きく水素ガス分空気が燃焼室に入らなくなりトルクが低下することから、吸気が終了した後の圧縮行程で水素ガスを供給することが有効である。そのため水素ガスは、燃焼室内に直接供給することが望ましい。一方、ガソリンを供給する場合は、ミキシングを向上させるため、吸気通路に設けることが望ましい。上述のように水素ガス、ガソリンを供給するようにした場合、水素ガスからガソリンへの切替時、ガソリンの輸送遅れがあるため、この輸送遅れによっても燃焼安定性が悪化する。
これに対し、水素ガスを燃焼室内に直接噴射供給すると共に、ガソリンを吸気通路に供給する構成とすれば、水素ガスからガソリンへの切替時に、空気量の減量遅れ及び燃料の輸送遅れに伴う空燃比のリーン化を原因とする燃焼安定性の悪化を抑制できる。

また、前記要求トルクが増加傾向にあるときは、減少傾向にあるときに対してガソリン比率を増加することを特徴とする。さらに、前記吸気充填量が増加傾向にあるときは、減少傾向にあるときに対してガソリン比率を増加することを特徴とする。このような制御によれば、水素ガスからガソリンへの切替時のトルクや吸気充填量に拘わらず、適切な切替を行なうことができ、トルクショックを抑制できる。

供給すべき水素ガスの残量を検知し、検知した残量が所定値以下になったときに、前記水素モードから前記遷移モードに切り替え、その後前記ガソリンモードに切り替えることを特徴とする。これによれば、水素残量低下時のガソリン切替時のトルクショックを抑制できる。

供給すべき水素ガスの残量を検知し、検知した残量が所定値以下になったときに、前記水素モードから前記遷移モードに切り替える前に使用燃料切替報知を行なうことを特徴とする。これによれば、運転者は水素ガスからガソリンへの切替を確認することができる。

本発明によれば、水素燃焼時とガソリン燃焼時の遷移期間における燃焼の正常化を図ることができる。また、水素ガスからガソリンへの切替時のトルクや吸気充填量に拘わらず、適切な切替を行なうことができ、トルクショックを抑制できる。

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シリンダ内に供給するため、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、運転状態に応じて空燃比を制御する。ＰＣＭ１０６は、車速センサ１０１およびアクセル開度センサ１０２等で検出される運転状態とエアフロメータ１０３によって検出される吸気充填量とに基づき、スロットル弁１３１を制御するとともに、水素インジェクタ１１６、１２６及びガソリンインジェクタ１１７、１２７を制御することにより空燃比を制御する。この場合、空燃比を空気過剰率λで示すと、水素ガスのみを燃焼させる水素モードでは、Ｎｏｘの低減のためλ＝２程度のリーンな空燃比とし、ガソリンのみを燃焼させるガソリンモードでは、動力性能の確保のため、λ＝１程度の空燃比に制御する。そして、水素モードからガソリンモードに移行する間の期間は、遷移モードとして、λが２近傍から１まで変化するように、吸気充填量、水素ガス噴射量、及びガソリン噴射量を制御する。ただし、遷移モード中、要求トルクが一定とは限らないため、要求トルク変化に応じて、吸気充填量、水素ガス噴射量、及びガソリン噴射量を変化させる必要がある。具体的には、図２〜図４に示すように、制御を行なう。

（制御）
図２〜４において、（ａ）は、水素モード→遷移モード→ガソリンモードの移行タイミングを示すグラフである。また、（ｂ）は、目標λを遷移させるべき値を示すグラフであり、（ｃ）は、要求トルクの変化を示すグラフである。更に、（ｄ）は、ＰＣＭ１０６の制御によって変化する吸気充填量を示すグラフであり、（ｅ）は、ＰＣＭ１０６の制御によって変化する水素ガスの噴射量を示すグラフであり、（ｆ）は、ＰＣＭ１０６の制御によって変化するガソリンの噴射量を示すグラフである。

図２〜４の（ｃ）を見れば明らかなように、図２（ｄ）〜（ｆ）は、遷移モード中に要求トルクが一定であると仮定した場合の、吸気充填量、水素ガス噴射量、及びガソリン噴射量の変化を示しており、図３（ｄ）〜（ｆ）は、遷移モード中に要求トルクが低下すると仮定した場合の、吸気充填量、水素ガス噴射量、及びガソリン噴射量の変化を示しており、図４（ｄ）〜（ｆ）は、遷移モード中に要求トルクが上昇すると仮定した場合の、吸気充填量、水素ガス噴射量、及びガソリン噴射量の変化を示している。

図３と図４を比較すれば分かるように、要求トルクが増加傾向にあるときは、減少傾向にあるときに対してガソリン比率を増加する。また、吸気充填量の減少度合いが大きいときは、小さいときに対してガソリン比率を増加する。
図５は、ＰＣＭ１０６において行なわれる吸気充填量の制御方法について説明するためのブロック図である。

まず、モード切り替えモジュール２０２は、水素ガスの残圧を監視し、水素ガスの残圧が所定値（例えば０．５ＭＰａ）以下になった場合には、水素モードから遷移モードへ移行すべきと判断し、車両の運転者に対して、使用燃料の切替を報知する。報知方法は、メータパネルに対するランプ表示などの他、音声によるものでもよい。また、この報知の後、運転者からの確認指示を受け付けても良い。使用燃料の切替報知の後、或いは更に確認指示を受け付けた後、水素モードから遷移モードへ移行する。

その後、λ導出モジュール２０３と燃料比率導出モジュール２０４とに対して、遷移モードへ移行後の経過時間を渡す。λ導出モジュール２０３は、図２（ｂ）のようなテーブルを用いて、経過時間から目標λ（γ）を導き出す。目標λ（γ）は、水素モードから遷移モードへ移行した時点からの時間経過に応じてλ＝２からλ＝１まで徐々に変化する。

一方、要求トルク算出モジュール２０１は、アクセル開度センサ１０１で検知したアクセル開度と車速センサ１０２で検知した車速から、要求トルク（Ｔａ）を算出し、燃料比率導出モジュール２０４に渡す。燃料比率導出モジュール２０４は、モード切り替えモジュール２０２から入力した経過時間と、要求トルク算出モジュール２０１から入力した要求トルク（Ｔａ）と、エアフロメータ１０３で検知した実際の吸気充填量（Ｑｍ）とを用いて、ガソリンと水素ガスの燃料比（ガソリン比率（ｒ））を導き出す。具体的には、吸気充填量が増加するとガソリン比率を大きくし、要求トルクが増加するとガソリン比率を大きくする。

次に、トルク推定・必要充填量予測モジュール２０５は、要求トルク算出モジュール２０１から入力した要求トルク（Ｔａ）と、燃料比率導出モジュール２０４から入力したガソリン比率（ｒ）と、λ導出モジュール２０３から入力した目標λ（γ）と、エアフロメータ１０３で検知した実際の吸気充填量（Ｑｍ）とを用いて、ガソリンの噴射量（Ｆｇ）と水素ガスの噴射量（Ｆｈ）と目標充填量（Ｑｏ）を求める。
詳しくは、まず、ガソリン比率（ｒ）と実測吸気充填量（Ｑｍ）を、以下のような数式に代入して、ガソリン用空気量（Ｑｇ）と、水素ガス用空気量（Ｑｈ）とを求める。
Ｑｇ＝Ｑｍ×ｒ ・・・（１）
Ｑｈ＝Ｑｍ×（１−ｒ） ・・・（２）

つぎに、これらのガソリン用空気量（Ｑｇ）と、水素ガス用空気量（Ｑｈ）と、λ導出モジュール２０３から入力した目標λ（γ）を用いて、以下のようにガソリンの噴射量（Ｆｇ）と、水素ガスの噴射量（Ｆｈ）とを求める。
Ｆｇ＝Ｑｇ×γ／１４．５ ・・・（３）
Ｆｈ＝Ｑｈ×γ／３４．３ ・・・（４）

ここで、ＰＣＭ１０６は、算出されたガソリンの噴射量（Ｆｇ）と、水素ガスの噴射量（Ｆｈ）に応じて、ガソリンインジェクタ１１７、１２７及び水素インジェクタ１１６、１２６を制御する。

一方、ガソリン用空気量（Ｑｇ）と、水素ガス用空気量（Ｑｈ）と、既知のガソリン用トルク変換係数ｋｇ及び水素ガス用トルク変換係数ｋｈを用いて、以下のように、ガソリンを燃焼させることによって得られる推定トルクＴｇ及び水素ガスを燃焼させることによって得られる推定トルクＴｈを求め、これらを加えることによって、その時点のガソリン比率で得られる全推定トルクＴａ’を求める。
Ｔｇ＝Ｑｇ×ｋｇ ・・・（５）
Ｔｈ＝Ｑｈ×ｋｈ ・・・（６）
Ｔａ’＝Ｔｇ＋Ｔｈ ・・・（７）

更に、要求トルクＴａと、推定トルクＴａ’との違いから、以下のように目標吸気充填量Ｑｏを求める。ここで、Ｆ／Ｂ補正値とは、ＴａとＴａ’との差をＰＩＤ制御したフィードバック補正値である。
Ｑｏ＝Ｔａ／Ｔａ’×Ｑｍ＋Ｆ／Ｂ補正値 ・・・（８）

以上のように導き出された目標吸気充填量Ｑｏと、実測吸気充填量Ｑｍは、充填量Ｆ／Ｂ２０６に入力され、目標吸気充填量Ｑｏと実測吸気充填量Ｑｍとの偏差に基づき、目標吸気充填量Ｑｏとなるためのスロットル開度（ＴＶＯ）が導き出される。

このスロットル開度（ＴＶＯ）は、ＴＶＯ Ｆ／Ｂ２０７に入力され、スロットル開度センサ１０５によって検知された実際のスロットル開度との偏差に基づき、スロットル弁を制御するアクチュエータ１３２への制御信号（ＥＴＣ電流）を出力する。

以上のようなフィードバック制御を行なうことにより、吸気充填量と水素ガス噴射量とガソリン噴射量とを、要求トルクを満足する適正な値にすることができる。ひいては、水素燃焼時とガソリン燃焼時の遷移期間における燃焼の正常化を図ることができる。

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。 遷移モードでの、要求トルクと、吸気充填量、水素ガス噴射量及びガソリン噴射量との関係を示す図である。 遷移モードでの、要求トルクと、吸気充填量、水素ガス噴射量及びガソリン噴射量との関係を示す図である。 遷移モードでの、要求トルクと、吸気充填量、水素ガス噴射量及びガソリン噴射量との関係を示す図である。 ＰＣＭが行う制御の内容を示すブロック図である。

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 (6)

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、
   水素ガスを燃焼させる水素モードと、ガソリンを燃焼させるガソリンモードと、水素モードとガソリンモードとの移行期間に水素ガスとガソリンとを混合して燃焼させる遷移モードと、の少なくとも３つのモードでエンジンを制御し、前記遷移モードにおいて供給する水素ガスとガソリンの比率を要求トルク及び吸気充填量に応じて設定することを特徴とするエンジン制御装置。
2. 前記エンジンは、水素ガスを燃焼室内に直接噴射供給すると共に、ガソリンを吸気通路に供給するものであ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. 前記要求トルクが増加傾向にあるときは、減少傾向にあるときに対してガソリン比率を増加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. 前記吸気充填量が増加傾向にあるときは、減少傾向にあるときに対してガソリン比率を増加することを特徴とする請求項３に記載のエンジン制御装置。
5. 供給すべき水素ガスの残量を検知し、検知した残量が所定値以下になったときに、前記水素モードから前記遷移モードに切り替え、その後前記ガソリンモードに切り替え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。
6. 供給すべき水素ガスの残量を検知し、検知した残量が所定値以下になったときに、前記水素モードから前記遷移モードに切り替える前に使用燃料切替報知を行なうことを特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置。

Images