(57)【要約】【課題】  燃焼の燃料としてガソリンと共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関において、水素ガスが燃焼して生成された水分によって点火プラグのくすぶりが発生してしまうことを抑止する。【解決手段】  燃焼の燃料として炭化水素燃料と共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関１０であって、現在の運転状態が冷間始動時であるか否かを判定する冷間始動判定手段（外気温センサ７２、冷却水温センサ７４）と、現在の運転状態が冷間始動時である場合は、通常の温間始動時に比べて炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を少なくする添加割合変更手段と、を備える。冷間始動時に水素ガスの添加割合を少なくすることで、水素の燃焼によって生成された水分によって点火プラグにくすぶりが発生してしまうことを抑止することができ、始動以降の筒内の燃焼状態を良好に保つことが可能となる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼の燃料として炭化水素燃料と共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関であって、
現在の運転状態が冷間始動時であるか否かを判定する冷間始動判定手段と、
現在の運転状態が冷間始動時である場合は、温間始動時に比べて炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を少なくする添加割合変更手段と、
を備えたことを特徴とする水素添加内燃機関。
【請求項２】
前記冷間始動判定手段は、外気温を取得する外気温取得手段を含み、外気温が所定値以下の場合に冷間始動時であると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。
【請求項３】
前記冷間始動判定手段は、冷却水温を取得する冷却水温取得手段を含み、外気温が所定値以下であり、且つ冷却水温が所定値以下の場合に冷間始動時であると判断することを特徴とする請求項２記載の水素添加内燃機関。
【請求項４】
現在の運転状態が冷間始動時である場合は、スロットル開度を温間始動時よりも小さくするスロットル開度変更手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素添加内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素添加内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料としてガソリンを用いる内燃機関では、ガソリンに加えてさらに水素ガスを供給することによって、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯＸ）の更なる低減が可能となることが知られている。例えば、特開２００４−１１６３９８号公報には、水素インジェクタとガソリンインジェクタを備え、水素とガソリンを所定の割合で筒内へ噴射する内燃機関が開示されている。
【０００３】
【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】
【０００４】
しかしながら、上述のような内燃機関では水素の燃焼によって水が生成されるが、極低温始動時においては、筒内（燃焼室内）の温度が低いため、水素の燃焼によって生成された水分によって点火プラグが覆われてしまう場合がある。この場合、点火プラグの温度も低下しているため、水分によって点火プラグにくすぶりが発生してしまう。これにより、点火プラグの機能が損なわれてしまい、筒内の燃焼状態が悪化するという問題が発生する。
【０００５】
特に、筒内に直接水素を噴射する内燃機関では、点火プラグの近傍に水素が噴射されるため、点火プラグのくすぶりが生じる可能性がより高くなる。また、ガソリンに水素を添加してリーンバーンを行う場合は、プラグくすぶりによる燃焼悪化により十分な希薄化ができない場合が想定される。
【０００６】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃焼の燃料としてガソリンと共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関において、水素ガスが燃焼して生成された水分によって点火プラグのくすぶりが発生してしまうことを抑止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、燃焼の燃料として炭化水素燃料と共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関であって、現在の運転状態が冷間始動時であるか否かを判定する冷間始動判定手段と、現在の運転状態が冷間始動時である場合は、温間始動時に比べて炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を少なくする添加割合変更手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記冷間始動判定手段は、外気温を取得する外気温取得手段を含み、外気温が所定値以下の場合に冷間始動時であると判定することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、前記冷間始動判定手段は、冷却水温を取得する冷却水温取得手段を含み、外気温が所定値以下であり、且つ冷却水温が所定値以下の場合に冷間始動時であると判断することを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、現在の運転状態が冷間始動時である場合は、スロットル開度を温間始動時よりも小さくするスロットル開度変更手段を更に備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、現在の運転状態が冷間始動時である場合は、通常の温間始動時に比べて炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を少なくするため、水素の燃焼によって生成された水分が点火プラグに付着してしまうことを抑止できる。従って、点火プラグにくすぶりが発生してしまうことを抑止することができ、始動以降の筒内の燃焼状態を良好に保つことが可能となる。
【００１２】
第２の発明によれば、外気温取得手段において取得した外気温に基づいて、現在の運転状態が冷間始動時であるか否かを判定することができる。
【００１３】
第３の発明によれば、外気温が所定値以下であり、且つ冷却水温が所定値以下の場合に冷間始動時であると判断するため、点火プラグにくすぶりが発生するか否かを確実に判断することが可能となる。
【００１４】
第４の発明によれば、現在の運転状態が冷間始動時である場合は、スロットル開度を温間始動時よりも小さくするため、空燃比が過度にリーン側に変動してしまうことを抑えることができる。従って、燃焼状態を良好に保つことができ、失火の発生を確実に抑止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素添加内燃機関１０を備えたシステムの構成を説明するための図である。内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には、吸気温ＴＨＡ（すなわち外気温）を検出する吸気温センサが組みつけられている。
【００１７】
エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ１８が配置されている。エアフロメータ１８の下流には、サージタンク２０が設けられている。サージタンク２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサと、スロットルバルブが全閉となることでオンとなるアイドルスイッチとが配置されている。
【００１８】
内燃機関１０の筒内には、その内部を往復運動するピストン２４が設けられている。また、内燃機関１０は、シリンダヘッド２６を備えている。ピストン２４とシリンダヘッド２６との間には、燃焼室２８が形成されている。燃焼室２８には、吸気ポート３０および排気ポート３２が連通しており、吸気ポート３０は吸気通路１２と、排気ポート３２は排気通路１４と、それぞれ接続されている。吸気ポート３０および排気ポート３２には、それぞれ吸気弁３４および排気弁３６が配置されている。
【００１９】
吸気通路１２には、ポート内にガソリン（炭化水素燃料）を噴射するガソリン噴射弁３８が配置されている。また、吸気通路１２には、ポート内に水素を噴射する水素燃料ポート噴射弁４０が配置されている。なお、ガソリン噴射弁、水素燃料噴射弁は、内燃機関１０の筒内に直接燃料を噴射するように設けても良い。
【００２０】
ガソリン噴射弁３８には、ガソリン供給管４２を介してガソリンタンク４４が連通している。ガソリン供給管４２は、ガソリン噴射弁３８とガソリンタンク４４との間に、ポンプ４６およびガソリン流量計４８を備えている。ポンプ４６は、ガソリン噴射弁３８に所定の圧力でガソリンを供給することができる。このため、ガソリン噴射弁３８は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量のガソリンを吸気通路１２内に噴射することができる。
【００２１】
本実施形態のシステムは、気体状態にある水素を高圧で貯留するための水素タンク５０を備えている。水素タンク５０には、水素供給管５２が連通している。水素供給管５２は、水素燃料ポート噴射弁４０に連通している。尚、本実施形態のシステムでは、水素燃料ポート噴射弁４０に供給される水素燃料として、外部から水素タンク５０内に充填される水素ガスを使用しているが、水素燃料ポート噴射弁４０に供給される水素燃料はこれに限定されるものではなく、車両上で生成、あるいは外部より供給される高濃度の水素を含む水素リッチガスを使用するものであってもよい。
【００２２】
水素供給管５２には、レギュレータ５６が配置されている。このような構成によれば、水素燃料ポート噴射弁４０には、レギュレータ５６により減圧された所定の圧力で、水素タンク５０内にある水素が供給される。このため、水素燃料ポート噴射弁４０は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の水素を吸気通路１２内に噴射することができる。
【００２３】
また、水素供給管５２には、レギュレータ５６と水素燃料ポート噴射弁４０との間に、温度センサ５３、燃圧センサ５４が配置されている。温度センサ５３は、水素燃料ポート噴射弁４０に供給される水素の温度に応じた出力を発するセンサである。また、燃圧センサ５４は、水素燃料ポート噴射弁４０に供給される水素の圧力に応じた出力を発するセンサである。本実施形態のシステムでは、温度センサ５３、燃圧センサ５４が発する出力に基づいてレギュレータ５６を制御することとしている。このため、水素タンク５０から供給される水素の温度、圧力が変動する場合であっても、水素燃料ポート噴射弁４０に安定した圧力で水素を供給することができる。
【００２４】
排気通路１４にはＯ２センサ５８およびＮＯxセンサ６０が組み込まれている。Ｏ２センサ５８は、排気ガス中の酸素の有無を基礎として、排気空燃比に応じた出力を発するセンサである。また、ＮＯxセンサ６０は、排気ガス中のＮＯx濃度に応じた出力を発するセンサである。これらのセンサ５８，６０の下流には、排気ガスを浄化するための触媒６２が配置されている。触媒６２には、触媒床温度を検出するための触媒床温センサ６４が組み込まれている。
【００２５】
本実施形態のシステムは、ＥＣＵ７０を備えている。ＥＣＵ７０には、上述した温度センサ５３、燃圧センサ５４、Ｏ２センサ５８、ＮＯxセンサ６０、触媒床温センサ６４に加え、外気温を検出する外気温センサ７２、冷却水温を検出する冷却水温センサ７４が接続されている。また、ＥＣＵ７０には、内燃機関１０の運転状態を把握すべく、ノッキングの発生を検知するKCSセンサや、スロットル開度、機関回転数、排気温度、潤滑油温度などを検出するための各種センサ（不図示）が接続されている。また、ＥＣＵ７０には、上述したガソリン噴射弁３８、水素燃料ポート噴射弁４０、ポンプ４６などのアクチュエータが接続されている。このような構成によれば、ＥＣＵ７０は、内燃機関１０の運転状態に応じて、燃料噴射を実行する噴射弁を任意に選択することができる。
【００２６】
図２は、本実施形態のシステムの運転モードを説明するための模式図であって、機関回転数、負荷に応じて設定される各運転モードを示している。本実施形態のシステムは、ガソリンのみを使用して内燃機関１０を運転するガソリン燃焼領域と、ガソリンと水素の両方を使用してリーンバーン燃焼により内燃機関１０を運転する水素添加リーンバーン領域の２種類のモードを備えている。
【００２７】
図２に示すように、アイドリング〜常用回転域では水素添加リーンバーン領域で運転が行われる。また、水素添加リーンバーン領域よりも高負荷、高回転域では、ガソリン燃焼領域で運転が行われる。水素添加リーンバーン領域の運転では、ガソリンに水素を添加してリーンバーン燃焼を行うため、筒内（燃焼室１６内）の燃焼状態を良好にすることができ、燃費、効率を向上させることができる。また、リーンバーン燃焼によりＮＯＸの排出を抑えることができるため、エミッションを向上させることができる。
【００２８】
このように構成された本実施形態のシステムでは、機関始動時においても水素添加燃焼モードで運転が行われるが、外気温が極低温（例えば−２５℃〜−３０℃程度）の時に機関を始動させた場合は、初爆時の水素の燃焼によって発生した水分が液体の状態で点火プラグに付着してしまう場合があり、これによって点火プラグのくすぶりが発生する場合がある。
【００２９】
このため、本実施形態のシステムでは、冷間時に機関を始動する場合、特に極低温時に機関を始動する場合は、ガソリンに対する水素の添加割合を通常よりも少なくすることで、水素の燃焼を抑えるようにしている。具体的には、外気温センサ７２、冷却水温センサ７４の出力に基づいて冷間始動時であるか否かを判定し、冷間始動時の場合は水素添加割合を減少させるようにしている。これにより、水素の燃焼によって発生する水分量を最小限に抑えることができ、点火プラグにくすぶりが発生することを抑止できる。従って、点火プラグのくすぶりによって点火プラグの機能が低下してしまうことを抑止でき、以降の燃焼が悪化してしまうことを確実に抑止できる。
【００３０】
ここで、水素添加割合はガソリンの熱発生量に対する水素の熱発生量の割合であって、通常の水素添加リーンバーン領域では、水素添加割合が２０％程度の値に設定される。一方、極低温の始動時には、水素添加割合を５％程度まで低下させることが好適である。
【００３１】
始動後、筒内で爆発行程が数回行われると筒内の温度は直ちに１００℃以上となる。この状態では、水素の燃焼によって発生した水分は水蒸気となり、排気ガスとともに排気通路１４へ排出される。従って、爆発行程が数回行われた後は点火プラグにくすぶりが発生することがないため、水素添加割合を通常の水素添加リーンバーン領域における添加割合に戻すことができる。
【００３２】
水素添加割合を減少させた場合は、通常時に比べて空燃比がよりリーン側となるため、スロットル開度を小さくして吸入空気量を減少させることが望ましい。これにより、空燃比がリッチ側へ移行し、空燃比が過度にリーンとなることを抑えることができる。従って、空燃比が過度にリーンとなることで失火等が生じてしまうことを抑止できる。そして、筒内温度が十分に上昇し、通常の水素添加リーンバーン領域における水素添加割合に戻した時点で、スロットル開度を通常の値に戻すことが好適である。
【００３３】
次に、図３のフローチャートに基づいて、本実施形態のシステムにおける処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ１では、現在の運転状態が機関始動時であるか否かを判定する。機関始動時の場合はステップＳ２へ進み、機関始動時でない場合はステップＳ５へ進む。
【００３４】
次のステップＳ２では、外気温センサ７２の出力から外気温Toutを取得し、冷却水温センサ７４の出力から冷却水出口温度Twoutを取得する。次のステップＳ３では、外気温Toutと所定のしきい値T0とを比較し、Tout＜T0であるか否かを判定する。ここで、しきい値T0の値は、例えば−２５℃〜−３０℃程度の値としておく。
【００３５】
ステップＳ３でTout＜T0の場合はステップＳ４へ進む。この場合、外気温が極低温でありため、筒内の温度が低いと、水素の燃焼によって生成された水分によって点火プラグにくすぶりが発生する場合がある。従って、ステップＳ４では、冷却水出口温度Twoutと所定のしきい値T1とを比較し、Twout＞T1であるか否かを判定する。ここで、しきい値T1は、筒内で水素が燃焼した際に水分が液体の状態で点火プラグに付着するか否かを判定するためのしきい値であって、T1の値は例えば２０℃〜３０℃程度の値としておく。
【００３６】
ステップＳ３でTout＞T0の場合はステップＳ５へ進む。この場合、筒内の温度が比較的高い状態と判断できるため、以降のステップで通常の水素添加リーンバーン領域による運転を行う。すなわち、ステップＳ５で機関回転数、スロットル開度を取得し、次のステップＳ６では、ステップＳ５で取得した機関回転数、スロットル開度に応じて水素添加割合RH2、ガソリン噴射量（噴射期間）、水素噴射量（噴射期間）、およびスロットル開度TRなどの各種パラメータをマップから求める。そして、ステップＳ７では、ステップＳ６で求めたパラメータに基づいて水素添加燃焼モードによるリーンバーン運転を行う。ステップＳ７の後は処理を終了する(RETURN)。
【００３７】
また、ステップＳ４でTwout＞T1の場合は、外気温は極低温であるが、冷却水出口温度Twoutが所定値以上であるため、直前に機関の運転が行われるなどの要因によって筒内温度がそれほど低下していない状態と判断できる。従って、この場合はステップＳ５へ進み、以降のステップで通常の水素添加燃焼モードによる運転を行う。
【００３８】
一方、ステップＳ４でTwout≦T1の場合はステップＳ８へ進む。この場合、外気温が極低温であり、且つ冷却水温が所定値以下であるため、通常の水素添加割合でガソリンに水素を添加して燃焼を行うと、水素の燃焼によって生成された水分によって点火プラグにくすぶりが発生する場合がある。このため、ステップＳ８では水素減量制御を開始する。
【００３９】
ステップＳ８の後はステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、通常時よりも減少させた水素添加割合RH2’を算出する。ここでは、RH2’=RH2×A (A＜1)の演算を行って、通常時の水素添加割合RH2よりも小さい水素添加割合RH2’を求める。上述したように通常の水素添加燃焼モードによる運転では水素添加割合RH2は２０％程度であるが、ここでは水素添加割合RH2’を５％程度まで低下させる。
【００４０】
また、水素添加割合を減少させた場合はスロットル開度を絞る必要があるため、ステップＳ９では、通常時よりも減少させたスロットル開度TR’を算出する。ここでは、TR’=TR×B (B＜1)の演算を行って、通常時のスロットル開度TRよりも小さいスロットル開度TR’を求める。
【００４１】
次のステップＳ１０では、ステップＳ９で求めた水素添加割合RH2’、スロットル開度TR’に基づいて水素添加燃焼モードでの運転を行う。これにより、外気温が極低温であり、且つ筒内温度が非常に低下した状態において、通常時よりも水素添加割合を少なくして運転が行われるため、水素の燃焼によって生成された水分が液体の状態で点火プラグに付着してしまうことを抑止できる。従って、点火プラグにくすぶりが発生することを抑止でき、点火プラグの機能が損なわれることを抑止できる。これにより、点火プラグのくすぶりに起因して燃焼状態が悪化してしまうことを確実に抑止することができる。
【００４２】
次のステップＳ１１では冷却水出口温度Twoutを再度取得し、次のステップＳ１２ではTwout＞T1であるか否かを再度判定する。ステップＳ１２でTwout＞T1の場合は、冷却水出口温度Twoutがしきい値T1よりも上昇しているため、水素の燃焼によって生成された水分は水蒸気となって排気ガスとともに排出される。従って、この場合はステップＳ５へ進み、以降のステップで通常の水素添加燃焼モードによる運転を行う。
【００４３】
一方、ステップＳ１２でTwout≦T1の場合は、冷却水出口温度Twoutが所定のしきい値T1以下であるため、冷却水出口温度Twoutがしきい値T1を超えるまでステップＳ１２で待機する。
【００４４】
図３のフローチャートでは、外気温Toutと冷却水出口温度Twoutの双方に基づいて水素減量制御を行っているが、一方の温度のみに基づいて水素減量制御を行っても良い。また、潤滑油温度に基づいて水素減量制御を行っても良い。
【００４５】
以上説明したように本実施形態によれば、極低温での始動時にガソリンに対する水素の添加割合を通常よりも少なくするようにしたため、水素の燃焼によって生成された水分が点火プラグに付着してしまうことを抑止できる。従って、点火プラグにくすぶりが発生してしまうことを抑止することができ、始動以降の筒内の燃焼状態を良好に保つことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素添加内燃機関を備えたシステムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態の運転モードを説明するための模式図である。
【図３】本発明の一実施形態のシステムにおける処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１０  水素添加内燃機関
７０  ＥＣＵ
７２  外気温センサ
７４  冷却水温センサ
【図１】
2006132490.tif 000003
【図２】
2006132490.tif 000004
【図３】
2006132490.tif 000005