(57)【要約】【課題】  水素添加内燃機関の制御装置に関し、トルクを低下させることなく燃焼騒音を抑制できるようにする。【解決手段】  内燃機関の運転状態に応じて決定された割合でガソリンと水素の噴射量制御を行ったとき、燃焼騒音の大きさに係わる指標値が所定値を超えたときには、水素添加割合を減少側に補正することによって筒内圧力の上昇率を低下させ燃焼騒音を抑制する。  なお、ガソリン、水素の各噴射量は、それぞれが分担する負荷率に基づいて決定してもよい。各燃料が分担する負荷率は、内燃機関の運転状態から決まる目標負荷率と水素添加割合から求めることができる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガソリンと水素を燃料として運転可能な水素添加内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の運転状態に応じて決定された割合でガソリンと水素の噴射量制御を行う燃料噴射量制御手段と、
前記内燃機関の燃焼騒音の大きさに係わる指標値を検出する騒音レベル検出手段と、
前記騒音レベル検出手段により検出された燃焼騒音の大きさに係わる指標値が所定値を超えたときには、水素添加割合を減少側に補正する水素添加割合補正手段と、
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】
前記騒音レベル検出手段は前記内燃機関の筒内圧力を検出する筒内圧力センサであり、前記筒内圧力センサにより検出される筒内圧力の上昇率が燃焼騒音の大きさに係わる指標値として用いられ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】
前記騒音レベル検出手段は前記内燃機関から発生する音を検出する音センサであり、前記音センサにより検出される音の大きさが燃焼騒音の大きさに係わる指標値として用いられ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４】
前記燃料噴射量制御手段は、前記内燃機関の運転状態から前記内燃機関の負荷率の目標値を決定する目標負荷率設定手段と、前記内燃機関の運転状態から水素の添加割合を決定する水素添加割合設定手段とを含み、目標負荷率と水素添加割合からガソリンと水素のそれぞれが分担する負荷率を演算し、ガソリンが分担する負荷率からガソリン噴射量を決定するとともに、水素が分担する負荷率から水素噴射量を決定するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に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、ガソリンと水素を燃料として運転可能な水素添加内燃機関の制御装置に関し、特に、燃焼騒音を水素添加割合の増減によって抑制する技術に関する。
【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。水素は燃焼性に優れているため、ガソリンに水素を添加することでノッキングを抑制して出力や燃費を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００４−１１６３９８号公報
【特許文献２】特開平６−２００８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、内燃機関では、燃焼室内で燃料が燃焼する際に騒音が発生する。この燃焼騒音は、燃焼に伴う筒内圧力の上昇が急激なほど大きくなる傾向がある。上記従来技術のようにガソリンに水素を添加する内燃機関の場合、燃焼性の良い水素が添加される分、ガソリンのみを使用する場合に比較して筒内圧力は上昇しやすい。このため、水素の添加の程度によっては、筒内圧力の急激な上昇によって燃焼騒音が過大になってしまう可能性がある。なお、燃焼騒音を抑制する方法として水素の添加量を減らすことが考えられるが、単に水素の添加量を減量しただけでは、総発熱量の減少によって必要なトルクを得られなくなってしまう。
【０００４】
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、トルクを低下させることなく燃焼騒音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】
【０００５】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、ガソリンと水素を燃料として運転可能な水素添加内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の運転状態に応じて決定された割合でガソリンと水素の噴射量制御を行う燃料噴射量制御手段と、
前記内燃機関の燃焼騒音の大きさに係わる指標値を検出する騒音レベル検出手段と、
前記騒音レベル検出手段により検出された燃焼騒音の大きさに係わる指標値が所定値を超えたときには、水素添加割合を減少側に補正する水素添加割合補正手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００６】
第２の発明は、上記第１の発明において、前記騒音レベル検出手段は前記内燃機関の筒内圧力を検出する筒内圧力センサであり、前記筒内圧力センサにより検出される筒内圧力の上昇率が燃焼騒音の大きさに係わる指標値として用いられることを特徴としている。
【０００７】
第３の発明は、上記第１の発明において、前記騒音レベル検出手段は前記内燃機関から発生する音を検出する音センサであり、前記音センサにより検出される音の大きさが燃焼騒音の大きさに係わる指標値として用いられることを特徴としている。
【０００８】
第４の発明は、上記第１乃至第３の何れか１つの発明において、前記燃料噴射量制御手段は、前記内燃機関の運転状態から前記内燃機関の負荷率の目標値を決定する目標負荷率設定手段と、前記内燃機関の運転状態から水素の添加割合を決定する水素添加割合設定手段とを含み、目標負荷率と水素添加割合からガソリンと水素のそれぞれが分担する負荷率を演算し、ガソリンが分担する負荷率からガソリン噴射量を決定するとともに、水素が分担する負荷率から水素噴射量を決定するように構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、燃焼騒音の大きさに係わる指標値が所定値を超えたら水素添加割合が減少側に補正されるので、燃焼速度が抑えられて筒内圧力の上昇率は低下する。これにより、燃焼騒音が過大になることは防止される。また、水素噴射量が減量された分、ガソリン噴射量が増量されるので、内燃機関から出力されるトルクの低下は抑制される。
【００１０】
第２の発明によれば、内燃機関の他の制御に用いられる筒内圧力センサを利用することができるので、コストをかけることなく燃焼騒音を制御することが可能になる。
【００１１】
第３の発明によれば、燃焼騒音を直接検出して水素添加割合にフィードバックすることができるので、乗員の聴感に合った燃焼騒音の制御を実現することができる。
【００１２】
また、第４の発明によれば、水素噴射量とガソリン噴射量は目標負荷率を前提として決定されるので、内燃機関から出力されるトルクの低下はより確実に抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図１乃至図５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としての制御装置が適用された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。また、燃焼室１０の頂部には、図示していない点火プラグとともに燃焼室１０内の圧力（筒内圧力）を検出する筒内圧力センサ７６が取り付けられている。本実施形態では、筒内圧力センサ７６は全ての気筒にではなく、特定の代表気筒にのみ取り付けられているものとする。
【００１４】
吸気ポート１８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、通電制御により開閉駆動されてガソリンを噴射する電磁弁である。ガソリンインジェクタ６０は、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。もう一方のインジェクタ５０は水素インジェクタであり、通電制御により開閉駆動されて水素を噴射する電磁弁である。水素インジェクタ５０は、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。
【００１５】
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筒内圧センサ７６の他、アクセルポジションセンサ７２、クランク角センサ７４、車速センサ７８等の種々のセンサ類が接続されている。アクセルポジションセンサ７２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、クランク角センサ７４はクランク角に応じた信号を出力するセンサである。また、車速センサ７８は内燃機関２が搭載される車両の車速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。
【００１６】
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からのガソリン噴射量、及び水素インジェクタ５０からの水素噴射量を決定する燃料噴射量制御がある。図２は、ＥＣＵ７０により実行される燃料噴射量制御ルーチンについて示すフローチャートである。本ルーチンは、一定のクランク角毎に周期的に実行される。
【００１７】
燃料噴射量制御ルーチンの最初のステップ１００では、アクセルポジションセンサ７２の信号からアクセル開度が読み込まれるとともに、クランク角センサ７４の信号から回転数（クランク軸の回転速度）が読み込まれる。次のステップ１０２では、予め記憶されているマップからステップ１００で読み込まれたアクセル開度と回転数に応じた内燃機関２の負荷率の目標値（目標負荷率）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。また、ステップ１０４では、予め記憶されているマップからステップ１００で読み込まれたアクセル開度と回転数に応じた水素添加割合が算出される。本実施形態では、ガソリンと水素を合わせた燃料全体の総発熱量に対する水素の発熱量の比として水素添加割合を定義する。
【００１８】
次のステップ１０６では、目標負荷率と水素添加割合から、次の式（１）及び式（２）を用いてガソリンと水素のそれぞれが分担する負荷率が算出される。
水素負荷率  ＝  目標負荷率  ×  水素添加割合  ・・・（１）
ガソリン負荷率  ＝  目標負荷率  −  水素負荷率  ・・・（２）
上記の式（１）及び式（２）において、目標負荷率には、ステップ１０２で算出された値が用いられる。一方、水素添加割合には、ステップ１０４で算出された水素添加割合を基本値として、この基本値を後述する水素添加割合制御ルーチンにより補正した値が用いられる。
【００１９】
さらに次のステップ１０８では、次の式（３）を用いて水素負荷率から水素インジェクタ５０の開弁時間が算出されるとともに、次の式（４）を用いてガソリン負荷率からガソリンインジェクタ６０の開弁時間が算出される。
水素インジェクタ開弁時間  ＝  水素負荷率  ×  係数１  ・・・（３）
ガソリンインジェクタ開弁時間  ＝  ガソリン負荷率  ×  係数２  ・・・（４）
上記の式（３）及び式（４）において、各係数は、各インジェクタの単位開弁時間当たりの燃料噴射量や各燃料の単位量当たりの発熱量等から決定されている。これら係数は固定値でもよく変数でもよい。ただし、係数１に関しては、温度や圧力による水素の体積変化を考慮して水素通路５４を流れる水素の温度や圧力によって決まる変数とするのが好ましい。
【００２０】
ステップ１０８で算出された水素インジェクタ開弁時間は、水素インジェクタ５０を駆動するＥＣＵ７０内のドライバにセットされる。またガソリンインジェクタ開弁時間は、ガソリンインジェクタ６０を駆動するＥＣＵ７０内のドライバにセットされる。ステップ１０８の処理は燃料噴射タイミングの前に実行されるようになっており、各ドライバはステップ１０８で設定された各開弁時間に基づいて各インジェクタ５０，６０を駆動する。
【００２１】
ＥＣＵ７０は、上記の燃料噴射量制御ルーチンととともに、燃料噴射量制御にかかるルーチンとして次の水素添加割合制御ルーチンも実行する。図３は、ＥＣＵ７０により実行される水素添加割合制御ルーチンについて示すフローチャートである。本ルーチンは、燃焼騒音の抑制を目的として実行されるルーチンであり、一定クランク角毎（例えば、筒内圧力センサ７６が備えられる代表気筒のサイクル毎）に周期的に実行される。
【００２２】
水素添加割合制御ルーチンでは、クランク角当たりの筒内圧力上昇率に基づいて水素添加割合が制御される。筒内圧力上昇率は燃焼騒音に関係しており、筒内圧力上昇率の最大値によって燃焼騒音の大きさが決まる。したがって、燃焼騒音の許容レベルに相当する筒内圧力上昇率の目標レベルを定め、筒内圧力上昇率の最大値がこの目標レベルを超えないように水素添加割合を制御することができれば、燃焼騒音を許容レベル内に抑制することができる。
【００２３】
水素添加割合制御ルーチンの最初のステップ２００では、目標レベルが予め用意されたマップから読み込まれる。マップでは、図４に示すように、内燃機関２の負荷と回転数をパラメータとして目標レベルが設定されており、回転数が低いほど、また、負荷が低いほど、目標レベルは低く設定されている。これは、燃焼騒音は低回転低負荷時ほど乗員にとって気になりやすくなるからである。ＥＣＵ７０は、現時点における回転数及び負荷を取得し、回転数及び負荷に応じた目標レベルをマップから読み込む。なお、負荷は回転数とアクセル開度から算出することができるが、吸入空気量を計測するエアフローメータを備える場合には、吸入空気量から負荷を算出してもよい。
【００２４】
次のステップ２０２では、筒内圧力センサ７６により検出される筒内圧力のクランク角当たりの変化から筒内圧力上昇率dP/dθが算出され、その最大値(dP/dθ)maxがホールドされる。筒内圧力上昇率の最大値(dP/dθ)maxは、前回のステップ２０２の実行から今回のステップ２０２の実行までの間の最大値であり、本ルーチンが実行される度に更新されていくようになっている。
【００２５】
次のステップ２０４では、ステップ２０２で算出された筒内圧力上昇率の最大値(dP/dθ)maxが、ステップ２００で設定された目標レベルを超えているか否か判定される。判定の結果、筒内圧力上昇率の最大値(dP/dθ)maxが目標レベルを超えていると判定された場合には、水素添加割合が減少側に補正される（ステップ２０６）。具体的には、現在の水素添加割合から所定割合（例えば数％）が補正値として減算される。前述のようにステップ１０４で算出される水素添加割合は基本値であり、ステップ２０６の処理が実行される度に基本値から補正値が減算されていく。ステップ１０８で算出される水素インジェクタ開弁時間は補正された水素添加割合に基づいて設定されるので、水素添加割合が減少側に補正された結果、水素インジェクタ５０からの水素噴射量は減量される。逆にガソリンインジェクタ６０からのガソリン噴射量は、水素添加割合の減少に伴うガソリン添加割合の増大によって増量される。
【００２６】
このように水素添加割合が減少側に補正され、燃焼性に優れた水素の噴射量が減量される結果、燃焼室１０内の燃焼速度が低下して筒内圧力の上昇率は低下する。これにより、燃焼騒音が過大になることは防止され許容レベル内に抑えられる。また、このとき、燃焼性に優れた水素の噴射量が減少する分、若干のトルクの低下はあるものの、水素噴射量とガソリン噴射量は燃料噴射量制御ルーチンにおいて目標負荷率を前提として決定されるので、トルクが大きく低下することも防止される。
【００２７】
ステップ２０４の判定の結果、筒内圧力上昇率の最大値(dP/dθ)maxが目標レベル以下と判定された場合には、ステップ２０８以降の処理が実行される。ステップ２０８以降の処理は、ステップ２０６で補正された水素添加割合をアクセル開度と回転数から決まる水素添加割合（マップ値）に戻すための処理である。まず、ステップ２０８では、前述のマップからアクセル開度と回転数に応じたマップ値が読み込まれる。次のステップ２１０では、現在の水素添加割合とマップ値が比較される。通常、上記の燃料噴射制御ルーチンで説明したように、水素添加割合はアクセル開度と回転数から決まるマップ値に設定されている。しかし、ステップ２０６で水素添加割合の減少側への補正が行われたときには、水素添加割合はマップ値よりも小さくなっている。ステップ２１０の判定の結果、水素添加割合とマップ値が等しい場合には、水素添加割合は現状の値に維持される。一方、水素添加割合がマップ値よりも小さいと判定された場合には、水素添加割合をマップ値に一致させるように水素添加割合の増大側への補正が行われる（ステップ２１２）。ステップ２０８乃至２１２の一連の処理が行われることにより、例えば筒内圧力上昇率の増大が一時的な現象であったような場合には、筒内圧力上昇率の最大値(dP/dθ)maxが目標レベル以下になった後、水素添加割合はアクセル開度と回転数に応じた本来の値に速やかに戻される。
【００２８】
上記実施の形態では、ＥＣＵ７０により図２の燃料噴射量制御ルーチンが実行されることで、第１の発明の「燃料噴射量制御手段」と、第４の発明の「目標負荷率設定手段」、「水素添加割合設定手段」及び「燃料噴射量制御手段」が実現されている。また、ＥＣＵ７０により図３の水素添加割合制御ルーチンが実行されることで、第１の発明の「水素添加割合補正手段」が実現されている。
【００２９】
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。
【００３０】
上記実施の形態では、特定の代表気筒にのみ筒内圧力センサ７６を備えているが、全気筒に筒内圧力センサ７６を備え、図３に示す水素添加割合制御を気筒毎に行うことようにしてもよい。これによれば、燃焼音が気筒間で揃い、音質も向上する。
【００３１】
また、上記実施の形態では、回転数と負荷をパラメータとするマップ（図４）から目標レベルを決定しているが、図４に示すマップを車速毎に用意して回転数、負荷、及び車速に応じて目標レベルを決定するようにしてもよい。この場合、燃焼騒音は低速時ほど乗員にとって気になりやすくなるため、車速が低いほど目標レベルは低く設定する。
【００３２】
また、上記実施の形態では、筒内圧力センサ７６を騒音レベル検出手段として用い、筒内圧力センサ７６により検出される筒内圧力上昇率の最大値を燃焼騒音の大きさに係わる指標値として用いているが、音センサによって燃焼騒音を直接検出するようにしてもよい。例えば、車室内に音センサを設置し、音センサにより検出される燃焼騒音の大きさに応じて水素添加割合を制御すれば、乗員の聴感に合った燃焼騒音の制御が実現される。なお、音センサにより検出される音には燃焼騒音以外のノイズも含まれているので、フィルタ処理等によってノイズを除去する必要がある。
【００３３】
また、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。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【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燃料噴射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実行される水素添加割合制御ルーチンについて示すフローチャートである。
【図４】回転数と負荷に基づいて筒内圧力上昇率の目標レベルを設定するためのマップである。
【符号の説明】
【００３５】
２  内燃機関
１０  燃焼室
１２  吸気弁
１４  排気弁
１８  吸気ポート
２０  排気ポート
５０  水素インジェクタ
５２  水素タンク
６０  ガソリンインジェクタ
６２  ガソリンタンク
７０  ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
７２  アクセルポジションセンサ
７４  クランク角センサ
７６  筒内圧力センサ
７８  車速センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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