(57)【要約】【課題】  水素添加内燃機関の制御装置に関し、水素の添加によるリーンバーン運転時、空気量の不足によるＮＯｘ生成量の増大を抑制する。【解決手段】  リーンバーン運転時の目標空気過剰率となるように、空気量制御手段３６によって吸入空気量を制御するとともに、判定手段７０により目標空気過剰率の実現に必要な空気量に対する実際に供給可能な空気量の不足を判定する。そして、必要空気量に対して供給可能空気量が不足すると判定されるときには、ＥＧＲ制御手段９２（或いは４４）によってＥＧＲ量を増加させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料に水素を添加することでリーンバーン運転が可能な水素添加内燃機関の制御装置において、
リーンバーン運転時の目標空気過剰率となるように前記内燃機関に供給される空気量を制御する空気量制御手段と、
目標空気過剰率の実現に必要な空気量に対する実際に供給可能な空気量の不足を判定する判定手段と、
必要空気量に対して供給可能空気量が不足すると判定されるときには、前記内燃機関のＥＧＲ量を増加させるＥＧＲ制御手段と、
を備えることを特徴とする水素添加内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記内燃機関の回転数及び要求負荷に基づいて必要空気量に対する供給可能空気量の不足を判定することを特徴とする請求項１記載の水素添加内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記内燃機関は、前記内燃機関の排気エネルギ或いは出力トルクによって駆動される過給器を備えた過給器付き内燃機関であることを特徴とする請求項１又は２記載の水素添加内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料に水素を添加することでリーンバーン運転が可能な水素添加内燃機関の制御装置に関し、特に、空気過剰率の低下に伴うＮＯｘ生成量の増大を防止するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されるように、ガソリンとともに水素を内燃機関の燃料として使用する技術が知られている。ガソリンに水素を添加することで内燃機関のリーンバーン領域を拡大することができ、ＮＯｘ生成量の低減や熱効率の向上といった顕著な効果を得られるようになる。
【特許文献１】特開２００４−１１６３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、水素を添加することによる超リーンバーン運転（水素添加リーンバーン運転）は、高負荷域での実現が難しい。スロットルバルブを開くことで吸入できる空気量には限界があるため、高負荷域では吸入空気量が不足し、負荷に応じた出力を得ることができないからである。吸入空気量の不足は筒内の燃焼温度の上昇を招き、ＮＯｘの生成量を増大させてしまう。
【０００４】
高負荷域での空気量の不足を補う方法として、ターボチャージャによって吸入空気を過給することが考えられる。しかし、排気温度が低く排ガス量も少ない低回転高負荷域では、ターボチャージャを駆動する排気エネルギが不足する。このため、この運転領域ではターボチャージャの過給圧は十分に上昇せず、空気量の不足によって目標とする空気過剰率に到達できない場合がある。つまり、ターボチャージャを用いる場合であっても、目標とする空気過剰率を実現できない運転領域は依然として残ることになり、その運転領域ではＮＯｘの生成量を十分に減少させることができない。
【０００５】
なお、低回転高負荷域の空気量の不足を補う手段として、モータによってコンプレッサの回転をアシストするモータアシスト式のターボチャージャを用いることが考えられる。しかし、モータアシスト式のターボチャージャを採用すると、通常のターボチャージャに比較してコストが大幅に増大するだけでなく、制御の複雑化も招いてしまう。したがって、通常のターボチャージャを備える内燃機関にも適用可能な技術によって、空気量の不足によるＮＯｘ生成量の増大を抑制できるようにしたい。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、水素の添加によるリーンバーン運転時、空気量の不足によるＮＯｘ生成量の増大を抑制できるようにした水素添加内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、液体燃料に水素を添加することでリーンバーン運転が可能な水素添加内燃機関の制御装置において、
リーンバーン運転時の目標空気過剰率となるように前記内燃機関に供給される空気量を制御する空気量制御手段と、
目標空気過剰率の実現に必要な空気量に対する実際に供給可能な空気量の不足を判定する判定手段と、
必要空気量に対して供給可能空気量が不足すると判定されるときには、前記内燃機関のＥＧＲ量を増加させるＥＧＲ制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記判定手段は、前記内燃機関の回転数及び要求負荷に基づいて必要空気量に対する供給可能空気量の不足を判定することを特徴としている。
【０００９】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記内燃機関は、前記内燃機関の排気エネルギ或いは出力トルクによって駆動される過給器を備えた過給器付き内燃機関であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、必要空気量に対して供給可能空気量が不足するときにはＥＧＲ量が増加されるので、空気量の不足による熱容量の低下をＥＧＲガスの導入による比熱の増大によって補償することができる。つまり、空気量の不足によって燃焼温度が上がりＮＯｘ生成量が増大するのを抑制することができる。
【００１１】
また、第２の発明によれば、回転数及び要求負荷に基づいて空気量の不足を判定することで、実際の空気量の不足に遅れることなくＥＧＲ量を増加させることができ、ＮＯｘ生成量の増大を確実に抑制することができる。
【００１２】
また、第３の発明によれば、過給圧が不足する低回転高負荷域においてＮＯｘ生成量が増大するのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態１としての制御装置が適用された水素添加内燃機関の概略構成を示す図である。内燃機関２は内部にピストン８が配置されたシリンダブロック６と、シリンダブロック６に組み付けられたシリンダヘッド４を備えている。ピストン８の上面からシリンダヘッド４までの空間は燃焼室１０を形成しており、この燃焼室１０に連通するように吸気ポート１８と排気ポート２０がシリンダヘッド４に形成されている。吸気ポート１８と燃焼室１０との接続部には、吸気ポート１８と燃焼室１０との連通状態を制御する吸気バルブ１２が設けられ、排気ポート２０と燃焼室１０との接続部には、排気ポート２０と燃焼室１０との連通状態を制御する排気バルブ１４が設けられている。吸気バルブ１２には、そのバルブタイミングを可変制御する可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ）９２が設けられている。吸気バルブ１２のバルブタイミングを制御して、吸気バルブ１２と排気バルブ１４のバルブオーバーラップ期間を変更することで、燃焼室１０内に残留する排気ガスの量（内部ＥＧＲ量）を調整することができる。また、シリンダヘッド４には、燃焼室１０の頂部から燃焼室１０内に突出するように点火プラグ１６が取り付けられている。
【００１４】
シリンダヘッド４の吸気ポート１８には、新気を燃焼室１０内に導入するための吸気通路３０が接続されている。吸気通路３０の上流端にはエアクリーナ３２が設けられ、新気はエアクリーナ３２を介して吸気通路３０内に取り込まれる。吸気通路３０のエアクリーナ３２の下流には、吸入空気量を測定するためのエアフローメータ７６が取り付けられている。吸気通路３０の下流部は気筒毎（吸気ポート１８毎）に分岐しており、その分岐部にはサージタンク３４が設けられている。吸気通路３０のサージタンク３４の上流には電子制御式のスロットルバルブ３６が配置されている。
【００１５】
吸気通路３０のサージタンク３４の下流には、燃料を噴射するための２つのインジェクタ５０，６０が気筒毎に設けられている。一方のインジェクタ６０はガソリンインジェクタであり、ガソリン通路６４を介してガソリンタンク６２に接続されている。ガソリン通路６４にはガソリンポンプ６６が配置され、ガソリンタンク６２内のガソリンはガソリンポンプ６６によって圧縮されてガソリンインジェクタ６０に供給される。ガソリン通路６４のガソリンポンプ６６の下流には、ガソリンインジェクタ６０に供給されるガソリンの流量を測定するガソリン流量計８６が取り付けられている。
【００１６】
もう一方のインジェクタ５０は水素インジェクタであり、水素通路５４を介して水素タンク５２に接続されている。水素通路５４には水素ポンプ５６が配置され、水素タンク５２内の水素は水素ポンプ５６によって圧縮されて水素インジェクタ５０に供給される。水素通路５４の水素ポンプ５６の下流には、水素インジェクタ５０に供給される水素の流量を測定する水素流量計８２と、水素の圧力を測定する水素圧センサ８４が取り付けられている。
【００１７】
シリンダヘッド４の排気ポート２０には、燃焼室１０内の排気ガスを大気中に排出するための排気通路４０が接続されている。排気通路４０には触媒４２が配置され、排気ガスは触媒４２を通過する際に浄化されてから大気中に排出される。排気通路４０の触媒４２の上流には、排気ガス中の酸素濃度を測定するＯ2センサ７４が取り付けられている。また、排気通路４０には、排気通路４０から排気ガスを分流するためのＥＧＲ流路４６が接続されている。ＥＧＲ流路４６の他方の端部は吸気通路３０のサージタンク３４の上流に接続されている。ＥＧＲ流路４６と吸気通路３０との接続部には、ＥＧＲ流路４６と吸気通路３０との連通状態を制御するＥＧＲバルブ４４が設けられている。排気ガスの一部はＥＧＲ流路４６を通って吸気通路３０内に供給され、燃焼室１０に再循環される。再循環される排気ガスの量（外部ＥＧＲ量）はＥＧＲバルブ４４の開度によって調整される。
【００１８】
また、この内燃機関２は、過給器であるターボチャージャ９０が取り付けられた過給器付き内燃機関として構成されている。ターボチャージャ９０は、一体に回転するコンプレッサとタービンを有し、コンプレッサは吸気通路３０にタービンは排気通路４０にそれぞれ配置されている。排気ガスが有するエネルギによってタービンが駆動されることで、吸気通路３０内のコンプレッサが回転し、吸入空気の過給が行われる。
【００１９】
また、内燃機関２には、その制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０が備えられている。ＥＣＵ７０の出力側には前述のガソリンインジェクタ６０，水素インジェクタ５０，スロットルバルブ３６，ＥＧＲバルブ４４，ＶＶＴ９２，点火プラグ１６等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ７０の入力側には前述のエアフローメータ７６，ガソリン流量計８６，水素流量計８２，水素圧センサ８４，Ｏ2センサ７４の他、アクセル開度センサ７８や回転数センサ８０等の種々のセンサ類が接続されている。アクセル開度センサ７８は、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するセンサであり、回転数センサ８０はクランク角の回転速度（機関回転数）に応じた信号を出力するセンサである。ＥＣＵ７０は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムに従って各機器を駆動するようになっている。
【００２０】
ＥＣＵ７０により実施される内燃機関２の制御の一つとして、ガソリンインジェクタ６０からのガソリン供給量、及び水素インジェクタ５０からの水素供給量を制御する燃料供給制御がある。ＥＣＵ７０による燃料供給制御では、内燃機関２の負荷状況に応じた運転モードが選択され、選択された運転モードに応じてガソリン供給量及び水素供給量が制御される。本実施形態では、内燃機関２の運転モードとして、少なくとも、ガソリンに水素を添加することでストイキよりも大幅にリーンな空燃比で運転を行う水素添加リーンバーン運転を選択可能である。
【００２１】
水素添加リーンバーン運転では、予め用意されたマップを用いて、アクセル開度と機関回転数に応じた内燃機関２の負荷率（目標負荷率）と水素添加割合とが算出される。負荷率は内燃機関２の負荷状態を数値で表したものであり、無負荷のときに０％となり全負荷のときに１００％となる。ＥＣＵ７０は、負荷率と水素添加割合とからガソリン噴射量と水素噴射量をそれぞれ算出し、各噴射量に基づいてガソリンインジェクタ６０及び水素インジェクタ５０をそれぞれ駆動する。
【００２２】
また、水素添加リーンバーン運転では、目標空気過剰率が設定され、目標空気過剰率と各燃料の噴射量とに基づいて目標吸入空気量が算出される。目標空気過剰率は、超リーンバーン運転を実現するため、１（ストイキ）よりも極めて大きい値（例えば２以上）に設定されている。ＥＣＵ７０は、エアフローメータ７６により計測される吸入空気量が目標吸入空気量になるように、スロットルバルブ３６の開度を制御する。
【００２３】
ところで、本実施形態のようなターボチャージャ９０付きの内燃機関２は、自然吸気型の内燃機関では空気量が不足する高回転高負荷域でも、ターボチャージャ９０の過給によって十分な量の空気を得ることができる。しかし、排気温度が低く排気ガス量も少ない低回転高負荷域では、排気エネルギの不足によりターボチャージャ９０の過給圧は十分に上昇しない。このため、スロットルバルブ３６の開度を全開に設定しても、目標空気過剰率を達成するのに十分な空気量を得ることはできず、実際の空気過剰率は目標空気過剰率よりも小さくなってしまう。ここで、図４は、空気過剰率λと熱効率及びＮＯｘ生成量との関係を示すグラフである。この図に示すように、空気過剰率λが目標空気過剰率λO（例えば２）のときに熱効率は略最大になり、ＮＯｘ生成量も極めて低い値に抑えられる。しかし、図中のＡ'点及びＡ点に示すように、空気過剰率λが目標空気過剰率λOよりも低下すると、熱効率の若干の低下を招くとともに、ＮＯｘ生成量が大きく増加してしまう。
【００２４】
低回転高負荷域でのＮＯｘ生成量の増大を防止するため、本実施形態では、ＥＣＵ７０によって次のような制御が実施される。図２のフローチャートは、水素添加リーンバーン運転の実行時、ＥＣＵ７０によって実行されるルーチンを示している。このルーチンは、水素添加リーンバーン運転時のＥＧＲガス量を制御するためのルーチンである。
【００２５】
本ルーチンの最初のステップ１００では、回転数センサ８０からの信号によって現在の機関回転数が取得され、アクセル開度センサ７８からの信号によって現在のアクセル開度が取得される。次のステップ１０２では、機関回転数とアクセル開度から内燃機関２の負荷率が算出される。
【００２６】
ステップ１０４では、ステップ１００で取得された機関回転数と、ステップ１０２で算出された負荷率とから、現在の運転状態が所定の低回転高負荷域にあるか否か判定される。図３に示すマップは、機関回転数と負荷率とから内燃機関２の運転モードを決定するためのマップである。このマップに示すように、水素添加リーンバーン運転が実行される領域内の低回転側で且つ高負荷側に、ＥＧＲ増量領域が設定されている。ステップ１０４では、内燃機関２の現在の運転状態がこのＥＧＲ増量領域内にあるか否か判定される。
【００２７】
ステップ１０４の判定の結果、内燃機関２の運転状態がＥＧＲ増量領域外、つまり、低回転高負荷域の外にあると判定された場合には、ステップ１０６の処理が実行される。ステップ１０６では、ＥＧＲ量が水素添加リーンバーン運転時の通常量となるように、ＥＧＲ量を制御する手段、つまり、ＶＶＴ９２とＥＧＲバルブ４４の各作動量が調整される。ＥＧＲ量には、吸気バルブ１２のバルブタイミングにより決まる内部ＥＧＲ量と、ＥＧＲバルブ４４の開度により決まる外部ＥＧＲ量とがある。通常時には、ＥＧＲ量を最小限に抑えるように、吸気バルブ１２と排気バルブ１４のバルブオーバーラップは小さく設定され、ＥＧＲバルブ４４は閉じられている。
【００２８】
ステップ１０４の判定の結果、内燃機関２の運転状態がＥＧＲ増量領域内、つまり、低回転高負荷域にあると判定された場合には、ステップ１０８の処理が実行される。ステップ１０８では、内燃機関２のＥＧＲ量が増量される。増量するＥＧＲガスは、内部ＥＧＲガスと外部ＥＧＲガスの何れでもよい。或いは、内部ＥＧＲガスと外部ＥＧＲガスの双方を増量するようにしてもよい。内部ＥＧＲガスを増量する場合には、ＶＶＴ９２によって吸気バルブ１２のバルブタイミングを変更し、吸気バルブ１２と排気バルブ１４のバルブオーバーラップを拡大させるようにする。外部ＥＧＲガスを増量する場合には、ＥＧＲバルブ４４の開度を通常時よりも大きくする。
【００２９】
以上のルーチンによれば、空気量が不足する低回転高負荷域において、空気量の不足による筒内ガスの熱容量の低下を比熱の高いＥＧＲガスの増量によって補償することができ、筒内の燃焼温度の上昇を抑制することができる。特に、本実施形態のような水素添加内燃機関では、水素の燃焼によってＥＧＲガスには多くの水蒸気が含まれているが、水蒸気の比熱は特に大きいため、ＥＧＲ量の増量による燃焼温度の抑制効果は極めて高い。また、ガソリンのみを燃料とするリーンバーン運転では、燃焼温度が低下すると失火の可能性があるが、水素添加リーンバーン運転では、燃焼性に優れた水素が添加されていることで失火は防止される。これにより、ＥＧＲ量が増量されることで、図４中のＢ'点及びＢ点に示すように、通常のＥＧＲ量の場合（Ａ'点及Ａ点）に比較して熱効率は若干低下するものの、ＮＯｘ生成量の増加は効果的に抑制することが可能になる。なお、増量すべきＥＧＲ量は、ＥＧＲ量の増量によるＮＯｘ生成量の低減効果と、その副作用である熱効率の低下とを勘案して決定すればよい。
【００３０】
上記実施の形態では、水素添加リーンバーン運転時の目標空気過剰率を実現するようにＥＣＵ７０がスロットルバルブ３６を制御することで、第１の発明の「空気量制御手段」が実現されている。また、ＥＣＵ７０により上記ルーチンのステップ１００乃至１０４の処理が実行されることで、第１の発明の「判定手段」が実現されている。また、上記ルーチンのステップ１０８の処理に従ってＥＣＵ７０がＶＶＴ９２或いはＥＧＲバルブ４４を制御することで、第１の発明の「ＥＧＲ制御手段」が実現されている。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００３２】
図１の構成では、水素インジェクタ５０を吸気通路３０に配置することとしているが、その配置はこれに限定されるものではない。すなわち、水素インジェクタ５０は、燃焼室１０内に直接、水素を噴射できるようにシリンダヘッド４に組み込んでもよい。ガソリンインジェクタ６０に関しても同様であり、燃焼室１０内に直接、ガソリンを噴射できるようにシリンダヘッド４にガソリンインジェクタ６０を組み込んでもよい。
【００３３】
図１の構成では、ＶＶＴ９２を吸気バルブ１２に備えているが、排気バルブ１４にＶＶＴを備えてもよい。排気バルブ１４のバルブタイミングを可変制御することによっても、バルブオーバーラップ期間を変更して内部ＥＧＲ量を調整することができる。また、本発明においては、ＥＧＲ装置とＶＶＴは必ずしも両方必要ではなく、何れか一方が備えられていればよい。つまり、外部ＥＧＲ量と内部ＥＧＲ量の何れか一方を調整できるようになっていればよい。
【００３４】
上記実施の形態では、低回転高負荷域においてＥＧＲ量を増量しているが、これは、ターボチャージャの回転特性により、低回転高負荷域において空気量が不足すると仮定しているからである。しかし、ターボチャージャの回転特性によっては、高回転高負荷域においても空気量が不足する場合がある。そのような場合には、低回転高負荷域のみならず高回転高負荷域でもＥＧＲ量の増量を行うのが望ましい。
【００３５】
また、上記実施の形態では、機関回転数と負荷率とから空気量の不足を判定しているが、他の方法によって判定することもできる。例えば、エアフローメータ７６により計測される吸入空気量と、目標空気過剰率を実現するのに必要な吸入空気量との差によって空気量の不足を判定してもよい。或いは、ターボチャージャ９０の過給圧を測定し、過給圧から空気量の不足を判定してもよい。
【００３６】
また、上記実施の形態では、本発明をターボチャージャ付きの内燃機関に適用しているが、機械式のスーパーチャージャ等、内燃機関の排気エネルギ或いは出力トルクによって駆動される過給器を備えた他の過給器付き内燃機関にも本発明を適用することができる。また、本発明は過給器を備えない自然吸気型の内燃機関にも適用することができる。何れの形式の内燃機関でも、空気量が不足する運転領域でＥＧＲ量を増量することで、空気量の不足によるＮＯｘ生成量の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態としての制御装置が適用された水素添加内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において実行されるＥＧＲ量制御ルーチンについて示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態において運転モードの選択に用いられるマップである。
【図４】図２に示すルーチンによる効果を空気過剰率と熱効率及びＮＯｘ生成量との関係を用いて説明するための図である。
【符号の説明】
【００３８】
２  内燃機関
１０  燃焼室
１２  吸気バルブ
１４  排気バルブ
３０  吸気通路
３６  スロットルバルブ
４０  排気通路
４２  触媒
４４  ＥＧＲバルブ
４６  ＥＧＲ流路
５０  水素インジェクタ
６０  ガソリンインジェクタ
７０  ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
７６  エアフローメータ
７８  アクセル開度センサ
８０  回転数センサ
９０  ターボチャージャ
９２  可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）
【図１】
2006220062.tif 000003
【図２】
2006220062.tif 000004
【図３】
2006220062.tif 000005
【図４】
2006220062.tif 000006