JPH06200805A - 水素エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃費及び走行性能を良好に保ちながら、いか
なるエンジンの運転状態であっても窒素酸化物の排出量
を低く抑えることができる。 【構成】 水素ガスを燃料の一部又は全部とする気体燃
料のロータリピストンエンジンへの供給量を調整する流
量調整弁２５と、エンジンの負荷状態に応じて空燃比を
制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）２７とを設け
た。エンジンからの窒素酸化物ＮＯｘの排出量が最大に
なるＮＯｘ最大空燃比より高い空燃比でのエンジン運転
領域を有する。ＥＣＵ２７は、同一エンジン負荷状態に
おけるエンジンの高回転領域の空燃比が低回転領域の空
燃比より高くなるように流量調整弁２５の開度を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水素ガスを燃料の一部
又は全部とする気体燃料を用いる水素エンジンの空燃比
制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にガソリンを燃料とするガソリンエ
ンジンから排出される排気ガス中には、窒素酸化物ＮＯ
ｘ、一酸化炭素ＣＯ及び炭化酸素ＨＣの有害成分が含ま
れている。これらの有害成分は、空気吸入量と燃料量と
の割合、すなわち空燃比（あるいは空気過剰率λ）を理
論空燃比（空気過剰率λでは“１．０”）よりも大幅に
高くすると減少する。しかし、上記ガソリンエンジンに
あっては、上記空燃比を大幅に高くしてエンジンへの混
合気を極めて薄くすると、ミスファイヤを起こし易くな
るといった問題がある。また、混合気を薄くすると必要
なエンジントルクが得られないことになる。

【０００３】これに対応すべく、例えば特開昭５１−３
４３０８号公報に示されるように、混合気の空燃比可燃
範囲が極めて広く、混合気を極めて薄くしてもミスファ
イヤを起こすことのない水素ガスを燃料の一部又は全部
とする水素エンジンが開発されつつある。

【０００４】ところで、この種の水素エンジンに燃料と
して使用される水素ガスは、燃焼しても一酸化炭素ＣＯ
及び炭化酸素ＨＣは生じないが、理論空燃比付近の燃焼
速度が極めて速いために燃焼ガスが高温になり、ガソリ
ンエンジンと同様に比較的多量の窒素酸化物ＮＯｘが生
成される。この水素ガスの燃焼による窒素酸化物ＮＯｘ
の排出量は、図５に示すように、空気過剰率λが“１．
０”となる値（理論空燃比）よりもやや高い値で最大に
なるが、混合気の濃度低下に対する窒素酸化物ＮＯｘの
排出量低下の傾向がガソリンよりも著しく大きい。この
ため、上記水素エンジンにあっては、窒素酸化物ＮＯｘ
の排出量が充分に低く、且つ、エンジントルクの低下が
比較的小さい空燃比の値を選択することが可能になる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記水素エ
ンジンでは、エンジンの回転数が高くなると着火時の混
合気流動が速くなって燃焼速度が速まるため、エンジン
が高回転になるほど混合気を薄くしても窒素酸化物ＮＯ
ｘの排出量が低下しなくなる。このため、エンジンが低
回転のときには、窒素酸化物ＮＯｘの排出量が充分に低
くなる空燃比の値であっても、エンジンが高回転になっ
た時には、窒素酸化物ＮＯｘの排出量が高くなるといっ
た問題が生じる。

【０００６】本発明は、上記の事情に鑑み、燃費及び走
行性能を良好に保ちながら、いかなるエンジンの運転状
態であっても排気ガス中の窒素酸化物の排出量を低く抑
えることができる水素エンジンを提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、水素ガスを燃料の一部又は全部とする気体
燃料のエンジンへの供給量を調整する供給量調整手段を
設け、エンジン負荷状態に応じて空燃比を制御する水素
エンジンの空燃比制御装置において、エンジンからの窒
素酸化物の排出量が最大になるＮＯｘ最大空燃比より高
い空燃比でのエンジン運転領域を有し、このエンジン運
転領域では、同一エンジン負荷状態におけるエンジンの
高回転領域の空燃比が低回転領域の空燃比より高くなる
ように上記供給量調整手段を制御する制御手段を備えた
ものである。

【０００８】また、上記制御手段は、上記ＮＯｘ最大空
燃比より高い空燃比とされるエンジン運転領域で、エン
ジンが高回転になるに従って次第に空燃比が高くなるよ
うに上記供給量調整手段を制御することが好ましい。

【０００９】さらに、上記制御手段は、エンジン負荷が
所定負荷より高い高負荷域では上記ＮＯｘ最大空燃比よ
りも低い空燃比になるように上記供給量調整手段を制御
し、エンジン負荷が上記所定負荷以下の低負荷域では上
記ＮＯｘ最大空燃比よりも高い空燃比になるように上記
供給量調整手段を制御することが好ましい。

【００１０】

【作用】上記の構成によると、エンジンからの窒素酸化
物の排出量が最大になるＮＯｘ最大空燃比より高い空燃
比でエンジンが運転されているときに、同一エンジン負
荷状態でエンジンの回転数が高くなって高回転領域にな
ると、空燃比が低回転領域の空燃比より高くなるように
エンジンへの気体燃料の供給量が調整されることによ
り、窒素酸化物の排出量が抑制される。

【００１１】また、ＮＯｘ最大空燃比より高い空燃比と
されるエンジン運転領域で、エンジンが高回転になるに
従って次第に空燃比が高くされることにより、エンジン
の回転数の変化に対するエンジントルクの変化を小さく
できる。

【００１２】さらに、高負荷域ではＮＯｘ最大空燃比よ
りも低い空燃比になるようにエンジンへの気体燃料の供
給量が調整され、低負荷域ではＮＯｘ最大空燃比よりも
高い空燃比になるようにエンジンへの気体燃料の供給量
が調整されることにより、高負荷域では高いエンジント
ルクが得られるとともに、低負荷域では窒素酸化物の排
出量が抑制される。

【００１３】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明の一実施例による空燃比制御装置
を備えた水素エンジンの全体構造を示しており、当実施
例の水素エンジンはロータリピストンエンジンである。
また、当実施例では、気体燃料として水素ガスのみが用
いられている。

【００１４】このロータリピストンエンジンは、ロータ
ハウジング１とその両側に位置するサイドハウジングと
により構成されたシリンダを有し、その内方に、３つの
作動室２を隔成する略三角形状のロータ３を備え、この
ロータ３が偏心軸４に支承されて偏心回転することによ
り、各作動室２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。２ロータのロータリピストンエンジ
ンにあっては、中間位置のサイドハウジング（インタミ
ディエイトハウジング）を挾んでその前後にシリンダが
形成され、それぞれの内方にロータ３が配置されてい
る。なお、図１では作図の便宜上、２つのシリンダを展
開して示している。

【００１５】サイドハウジングには、空気を供給する吸
気ポート６が、吸気行程の作動室２に臨む位置に設けら
れている。この吸気ポート６には吸気通路７を介して空
気が導かれ、この吸気通路７には、ステップモータ９に
よって作動されるスロットル弁８が設けられるととも
に、エアクリーナ（図示省略）及び吸入空気量（空気充
填量）検出のためのエアフローメータ１０等が配設され
ている。また、排気行程の作動室２に臨む位置において
ロータハウジング１には排気ポート１１が形成され、こ
の排気ポート１１に排気通路１２が接続されている。ま
た、爆発行程の作動室に臨む位置においてロータハウジ
ング１には、点火プラグ１３が取付けられている。

【００１６】また、加圧された水素ガスをシリンダ内に
供給するため、上記吸気ポート６とは別個に作動室２内
に開口する水素ポート（気体燃料供給用のポート）１５
を有し、この水素ポート１５は、吸気行程途中から圧縮
行程途中まで作動室２に開口するような位置に設けられ
ている。この水素ポート１５に対し、メタルハイドライ
ドタンク（以下ＭＨタンクという）１６からの水素ガス
を導く燃料供給通路１７が設けられている。上記ＭＨタ
ンク１６は、その内部に水素を吸蔵、放出することので
きる水素吸蔵合金を備えており、このＭＨタンク１６に
対し、水素充填用の通路、冷却水通路及び加熱水通路
（図示省略）が配設され、エンジンウォータジャケット
から供給される冷却水でＭＨタンク１６の水素吸蔵合金
が加熱されることにより、水素が燃料供給通路１７に放
出されるようになっている。

【００１７】上記燃料供給通路１７の上流部には圧力調
整器１８が設けられ、この圧力調整器１８は、ＭＨタン
ク１６から供給される水素ガスを適度の圧力に調圧し、
例えば略５気圧（３〜７気圧）に調圧するようになって
いる。また、燃料供給通路１７の下流端部はタイミング
弁２０を介して上記水素ポート１５に接続されている。
このタイミング弁２０は、エンジンの作動と同期して所
定タイミングで燃料供給を行うもので、例えば、上記水
素ポート１５と燃料供給通路１７との間の連通部分を開
閉するポペット弁２１を有し、このポペット弁２１がタ
イミング弁駆動用カムシャフト２２に設けられたカムに
より開閉作動される。上記カムシャフト２２は、ハウジ
ングに回転可能に支承されるとともに、その一端側に具
備されたプーリ２３がタイミングベルト２４を介して偏
心軸４に連繋されることにより、偏心軸４と同期回転す
るようになっている。

【００１８】そして、吸気ポート６が上死点付近で開か
れて下死点付近で閉じられるように、ロータ３の回転に
伴う吸気ポート開閉のタイミングが設定される一方、タ
イミング弁２０は、吸気ポート６が閉じた後の圧縮行程
前半の所定期間に開かれるように、その開閉タイミング
が設定されている。このように吸気ポート６が閉じて空
気の吸入が終了した時点からタイミング弁２０が開かれ
て水素ガスの供給が開始されるようにしているのは、も
し空気吸入行程中に容積率の大きい水素ガスが吸入され
ると、空気の流入が阻害され易くなるとともに、吸気通
路側への水素ガスの流出によるバックファイアが生じる
懸念があるためである。

【００１９】上記燃料供給通路１７の途中には、流量調
整弁２５が配設されている。この流量調整弁２５は、コ
ントロールユニット（ＥＣＵ）２７からの制御信号に応
じて作動する電気的なアクチュエータ、例えばステップ
モータ２６により作動されるようになっている。このＥ
ＣＵ２７は、メモリ２７１及び流量制御手段２７２を有
し、上記エアフローメータ１０、アクセル開度（アクセ
ルペダルの操作量）を検出するアクセル開度センサ２
８、エンジン回転数を検出する回転数センサ２９、圧力
調整器１８の下流の燃料供給通路１７内の圧力を検出す
る圧力センサ３０等からの検出信号を受け、ステップモ
ータ９へ出力する制御信号によりスロットル弁８の開度
（空気充填量）をアクセル開度に応じるように制御する
とともに、ステップモータ２６へ出力する制御信号によ
り流量調整弁２５を制御するものである。

【００２０】上記メモリ２７１は、空気充填量及びエン
ジン回転数に応じて選定される空気過剰率λ（あるいは
空燃比）がマップ（図３）として予め記憶されるもので
ある。上記流量制御手段２７２は、このマップによって
求められた空気過剰率λの値から流量調整弁２５の開度
（もしくはその開度に見合ったステップモータ駆動量）
を演算し、この開度に応じるように流量調整弁２５を制
御すべく、ステップモータ２６へ制御信号を出力するよ
うになっている。

【００２１】次に、上記ＥＣＵ２７によって行なわれる
流量調整弁２５の制御動作について図３のマップ及び図
４のフローチャートを用いて説明する。図３のマップ
は、エンジン負荷が高い高負荷領域に対応するＡゾーン
と、エンジン負荷が低い低負荷領域に対応するＢゾーン
とに分かれている。上記Ａゾーンは、アクセル開度が、
例えば９０％以上の高負荷状態での空気過剰率λの値を
設定する領域である。このＡゾーンでは、窒素酸化物Ｎ
Ｏｘの排出量が最大となる空気過剰率λの値より低い空
気過剰率λの値とされ、例えば略“１．０”に設定され
る。なお、Ａゾーンは、全負荷状態ＷＯＴを上限として
いる。

【００２２】上記Ｂゾーンは、アクセル開度が９０％未
満の低負荷状態での空気過剰率λの値を設定する領域で
あって、このＢゾーンでは、窒素酸化物ＮＯｘの排出量
が最大となる空気過剰率λの値より高い空気過剰率λの
値とされ、例えば“１．５”以上に設定される。また、
このＢゾーンでは、エンジン回転数の上昇及びエンジン
負荷の低下に伴って空気過剰率λの値が次第に高くなる
ように設定されている。すなわち、ラインＢ１，Ｂ２，
Ｂ３，Ｂ４は、それぞれ空気過剰率λの値が、例えば
“１．６”、“１．８”、“２．０”、“３．０”とさ
れる運転状態を示し、各ラインＢ１〜Ｂ４はエンジン回
転数が高回転になるほど高負荷側（空気充填量が大きく
なる側）に変位し、且つ、左上側からＢ１，Ｂ２，Ｂ
３，Ｂ４の順になるようになっている。従って、等負荷
の状態を示すラインＣ，Ｄに沿ってみれば、高回転側ほ
ど空気過剰率λの値が次第に高くなっている。

【００２３】このように、Ａゾーンでの空気過剰率λの
値として略“１．０”（ほぼ理論空燃比に相当）を選定
したのは、Ａゾーンのときには、アクセル開度が９０％
以上の高負荷状態であるため、このアクセル操作に応じ
たエンジントルクを得るべく、空気過剰率λの値を小さ
くする必要があるからである。また、窒素酸化物ＮＯｘ
の排出量は、図５に示すように、空気過剰率λの値が
“１．０”よりやや高い値（ＮＯｘ最大空燃比に相当）
のときに最大となるため、この空気過剰率λの値を避け
るためでもある。この空気過剰率λの値“１．０”を選
定したことにより、窒素酸化物ＮＯｘの発生が抑えられ
つつ、必要なエンジントルクが得られる。

【００２４】なお、排気通路１２には図外の触媒を配設
しておき、高負荷時では上記触媒を利用して窒素酸化物
ＮＯｘを浄化することが望ましい。この場合、一般のこ
の種の触媒は空気過剰率λの値が略“１．０”のときに
最も効率よく窒素酸化物ＮＯｘを浄化するようになって
いるため、排気ガス中には、窒素酸化物ＮＯｘがほとん
ど含まれないことになる。

【００２５】ここで、Ｂゾーンにおいて、高回転ほど空
気過剰率λの値が高くなるようにしている理由を図５を
用いて説明する。例えば、エンジン回転数が２０００ｒ
ｐｍの場合の空気過剰率λの値と、窒素酸化物ＮＯｘの
排出量との関係は実線Ｅのようになり、空気過剰率λの
値が略“１．６”以上になると、窒素酸化物ＮＯｘはほ
とんど発生しないが、エンジン回転数が４０００ｒｐｍ
まで上昇すると、着火時の混合気流動が速くなって燃焼
速度が速まるため、二点鎖線Ｆに示すように、空気過剰
率λの値の増加に対する窒素酸化物ＮＯｘの排出量の低
下が上記２０００ｒｐｍのときに比して鈍くなる。従っ
て、エンジン回転数が４０００ｒｐｍのときには、空気
過剰率λの値をより高くして窒素酸化物ＮＯｘをほとん
ど発生させないようにする必要があるためである。

【００２６】また、このように空気過剰率λを高く（リ
ーン化）することによって、窒素酸化物ＮＯｘの発生の
抑制を図るとともに燃費の向上を図っている。一方、Ａ
ゾーンとＢゾーンとの間での移行時のエンジントルクの
変化を小さくするために、ＡゾーンとＢゾーンとの境界
での空気過剰率λの格差を必要以上に大きくならないよ
うにしている。

【００２７】さらに、Ｂゾーンの空気過剰率λの値が徐
々に高くなるようにしたのは、エンジンが高回転になる
に従って混合気の濃度が次第に低くなるようにして、エ
ンジンの回転数の変化に対するエンジントルクの変化を
極力小さくするためである。

【００２８】図４のフローチャートにおいて、まず、入
力情報としてアクセル開度、空気充填量及びエンジン回
転数が読み込まれ（ステップＳ１）、これらの入力情報
に基づいて、そのときのエンジンの運転状態が図３中の
Ａゾーンにあるかどうかが判別され（ステップＳ２）、
Ａゾーンにある場合には（ステップＳ２でＹＥＳ）、空
気過剰率λの値として略“１．０”が設定される（ステ
ップＳ３）。そして、上記ＥＣＵ２７は、この空気過剰
率λの値から流量調整弁２５の開度を演算し（ステップ
Ｓ４）、この開度に応じるように流量調整弁２５を制御
すべく、ステップモータ２６へ制御信号を出力する（ス
テップＳ５）。

【００２９】一方、エンジンの運転状態がＢゾーンにあ
る場合には（ステップＳ２でＮＯ）、上記入力情報に基
づいて、図３中のＢゾーンから空気過剰率λの値が抽出
される（ステップＳ６）。例えば、アクセル開度が８０
％（図３の二点鎖線Ｃのライン）であってエンジン回転
数が２０００ｒｐｍであれば、空気過剰率λの値として
“１．８”が設定される。この後、このアクセル開度の
ままで、例えばエンジン回転数が４０００ｒｐｍまで上
昇すると空気過剰率λの値として“３．０”が設定され
る。

【００３０】このように、アクセル開度が一定でエンジ
ン負荷が一定でも、エンジン回転数が上昇すると空気過
剰率λの値をより高く設定するので、エンジン回転数の
上昇による窒素酸化物ＮＯｘの排出量低下の鈍化に対応
して混合気の濃度が低くなり、窒素酸化物ＮＯｘの発生
が抑えられる。

【００３１】また、図４のフローチャートにおいて、例
えば、エンジン回転数が２０００ｒｐｍのときに、アク
セル開度が、例えば上記８０％（図３の二点鎖線Ｃのラ
イン）から７０％（図３の二点鎖線Ｄのライン）に低下
すると、空気過剰率λの値が“１．８”から“２．０”
（ステップＳ８）へ高くなる。このように、アクセル開
度が低下するようにアクセル操作された場合には、減速
時等であってエンジントルクを余り必要としない運転状
態であるため、同一エンジン回転数であっても空気過剰
率λの値をより高くして燃費の低減を図るようにしてい
る。

【００３２】なお、上記実施例では、Ｂゾーンの空気過
剰率λの値がエンジン回転数の上昇及びエンジン負荷の
低下に伴って次第に高くなるように設定されているが、
空気過剰率λの値が段階的（例えば２段階）に高くなる
ようにしてもよい。

【００３３】また、上記実施例では、気体燃料として水
素ガスのみを使用したが、これに限られるものではな
く、エタン、プロパン、都市ガス等と水素ガスとを混合
して使用するものであってもよい。

【００３４】また、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。

【００３５】

【発明の効果】請求項１に記載の発明に係る空燃比制御
装置は、ＮＯｘ最大空燃比より高い空燃比でのエンジン
運転領域では、同一エンジン負荷状態で高回転領域にな
ると、空燃比が低回転領域の空燃比より高くなるように
エンジンへの気体燃料の供給量を調整するので、燃費及
び走行性能を良好に保ちながら、エンジンからの窒素酸
化物の排出を確実に抑制することができる。

【００３６】また、請求項２に記載のように、エンジン
が高回転になるに従って次第に空燃比を高くすることに
より、エンジンの回転数の変化に対するエンジントルク
の変化を極力小さくすることができる。

【００３７】さらに、請求項３に記載のように、高負荷
域においてはＮＯｘ最大空燃比よりも低い空燃比になる
ようにエンジンへの気体燃料の供給量を調整し、低負荷
域においてはＮＯｘ最大空燃比よりも高い空燃比になる
ようにエンジンへの気体燃料の供給量を調整するので、
高負荷域では高いエンジントルクを得ることができると
ともに、低負荷域では窒素酸化物の排出量をより一層抑
制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による水素エンジンの全体構
造の概略図である。

【図２】流量調整弁等に対する制御系統を示す概略図で
ある。

【図３】空気充填量とエンジン回転数と各ゾーンとの関
係を示すマップである。

【図４】コントロールユニットによって行なわれる流量
調整弁の制御動作を示すフローチャートである。

【図５】窒素酸化物の排出量と空気過剰率との関係を示
す特性図である。

【符号の説明】

８ スロットル弁 １０ エアフローメータ １７ 燃料供給通路 ２５ 流量調整弁 ９，２６ ステップモータ ２７ コントロールユニット（ＥＣＵ） ２８ アクセル開度センサ ２９ 回転数センサ ２７１ メモリ ２７２ 流量制御手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素ガスを燃料の一部又は全部とする気
   体燃料のエンジンへの供給量を調整する供給量調整手段
   を設け、エンジン負荷状態に応じて空燃比を制御する水
   素エンジンの空燃比制御装置において、エンジンからの
   窒素酸化物の排出量が最大になるＮＯｘ最大空燃比より
   高い空燃比でのエンジン運転領域を有し、このエンジン
   運転領域では、同一エンジン負荷状態におけるエンジン
   の高回転領域の空燃比が低回転領域の空燃比より高くな
   るように上記供給量調整手段を制御する制御手段を備え
   たことを特徴とする水素エンジンの空燃比制御装置。
2. 【請求項２】 上記制御手段は、上記ＮＯｘ最大空燃比
   より高い空燃比とされるエンジン運転領域で、エンジン
   が高回転になるに従って次第に空燃比が高くなるように
   上記供給量調整手段を制御するようにしたことを特徴と
   する請求項１記載の水素エンジンの空燃比制御装置。
3. 【請求項３】 上記制御手段は、エンジン負荷が所定負
   荷より高い高負荷域では上記ＮＯｘ最大空燃比よりも低
   い空燃比になるように上記供給量調整手段を制御し、エ
   ンジン負荷が上記所定負荷以下の低負荷域では上記ＮＯ
   ｘ最大空燃比よりも高い空燃比になるように上記供給量
   調整手段を制御するようにしたことを特徴とする請求項
   １又は２記載の水素エンジンの空燃比制御装置。