(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、触媒の暖機時間をより短縮する。【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、吸気通路１２にガソリンを噴射するガソリン噴射弁３８と、吸気通路１２に水素ガスを噴射する水素燃料ポート噴射弁４０と、触媒暖機時に、通常時に比べて水素ガスの噴射量を増量する水素噴射量増量手段と、を備える。これにより、筒内で燃焼しなかった未燃水素ガスを触媒上で燃焼させることができ、触媒暖機を短時間で行うことが可能となる。【選択図】        図３
2006125267.tif 000002
【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、
吸気通路又は筒内に炭化水素燃料を噴射する炭化水素燃料噴射弁と、
吸気通路又は筒内に水素ガスを噴射する水素噴射弁と、
触媒暖機時に、通常時に比べて水素ガスの噴射量を増量する水素噴射量増量手段と、
を備えたことを特徴とする水素添加内燃機関。
【請求項２】
前記水素噴射量増量手段は、触媒暖機時に、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を通常時に比べて大きく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】
前記水素噴射弁は筒内に直接水素ガスを噴射する噴射弁であり、吸気行程又は圧縮行程、及び排気行程で水素ガスを噴射す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。
【請求項４】
吸気行程又は圧縮行程から排気行程にかけて連続して水素ガスを噴射することを特徴とする請求項３記載の水素添加内燃機関。
【請求項５】
触媒暖機時に、燃焼の燃料として水素ガスのみを供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水素添加内燃機関。
【請求項６】
触媒温度が所定温度に達した後、炭化水素燃料の噴射量を増量し、水素ガスの噴射量を減量することを特徴とする請求項１〜５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
【特許文献２】特開平４−３１８２１４号公報
【特許文献３】特表平１１−５０１３７８号公報
【特許文献４】特表２００１−５１０２６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関は排気ガスを浄化する触媒を備えているが、機関始動直後は触媒の温度が低く、触媒が活性化していないため、触媒が活性化するまでの間は排気成分を浄化することが困難となる。このため、通常のガソリンを燃料とする内燃機関では、機関始動時に筒内へ供給するガソリン量をストイキよりも大幅に増量して排気系に未燃成分を送り、未燃成分を触媒上で燃焼させることで触媒を活性化することが行われている。
【０００５】
しかしながら、排気系に送られるガソリンの未燃成分は燃焼温度が低いため、水素とガソリンを燃焼させる内燃機関において、暖機のためにガソリン量を増量した場合、触媒の暖機時間が長くなるという問題が生じる。このため、触媒が活性化するまでに長時間を要することとなり、触媒が活性化するまでの間は排気成分を浄化することができないため、エミッションが低下するという問題が発生する。
【０００６】
また、ガソリンの未燃成分は比較的燃焼しにくい特性を有しているため、ガソリンを触媒上で燃焼させる際にはガソリンを多量に供給する必要がある。このため、効率、燃費が低下するという問題が生じる。更に、ガソリンの未燃成分は、触媒がある程度の温度に到達するまでは触媒上で燃焼しないため、ガソリンを多量に供給した場合、未燃ガソリンが触媒を通過して外部に排出されるという問題も生じる。
【０００７】
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、触媒の暖機時間をより短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、吸気通路又は筒内に炭化水素燃料を噴射する炭化水素燃料噴射弁と、吸気通路又は筒内に水素ガスを噴射する水素噴射弁と、触媒暖機時に、通常時に比べて水素ガスの噴射量を増量する水素噴射量増量手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記水素噴射量増量手段は、触媒暖機時に、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を通常時に比べて大きくすることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記水素噴射弁は筒内に直接水素ガスを噴射する噴射弁であり、吸気行程又は圧縮行程、及び排気行程で水素ガスを噴射することを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明において、吸気行程又は圧縮行程から排気行程にかけて連続して水素ガスを噴射することを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、触媒暖機時に、燃焼の燃料として水素ガスのみを供給することを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第１〜第５の発明のいずれかにおいて、触媒温度が所定温度に達した後、炭化水素燃料の噴射量を増量し、水素ガスの噴射量を減量することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、触媒暖機時に、通常時に比べて水素ガスの噴射量を増量するため、筒内で燃焼しなかった未燃水素ガスを排気通路へ送り、水素ガスを触媒上で燃焼させることができる。水素は燃焼速度が速く、燃焼温度が高いため、触媒暖機を短時間で行うことが可能となる。また、筒内では供給した水素ガスの一部が炭化水素燃料とともにリーンバーン燃焼するため、燃費、効率を向上することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、触媒暖機時に、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を通常時に比べて大きくするため、通常時に比べて水素ガスの噴射量を増量することができる。従って、未燃水素ガスを触媒上で燃焼させることが可能となる。
【００１６】
第３の発明によれば、排気行程で筒内に直接水素ガスを噴射するため、噴射した水素ガスを排気通路へ送ることができる。そして、噴射した水素ガスは筒内での燃焼に寄与することがないため、噴射した水素ガスの全量を触媒上で燃焼させることが可能となる。また、吸気行程又は圧縮行程で水素ガスを噴射することで、水素ガスと炭化水素燃料を筒内でリーンバーン燃焼させることができ、燃費、エミッションを向上することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、吸気行程又は圧縮行程から排気行程にかけて連続して水素ガスを噴射するため、筒内燃焼用の水素ガスと触媒暖機用の水素ガスを同時に噴射することができる。
【００１８】
第５の発明によれば、触媒暖機時に、燃焼の燃料として水素ガスのみを供給するため、水素ガスの燃焼のみで触媒暖機を行うことが可能となる。
【００１９】
第６の発明によれば、触媒温度が所定温度に達した後は、炭化水素燃料の噴射量を増量するため、炭化水素燃料を触媒上で燃焼させることで触媒暖機を行うことができる。従って、水素ガスの噴射量を減量することで、触媒暖機に使用する水素量を最小限に抑えることができ、水素ガスを貯蔵するタンクの大きさを最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
実施の形態１．
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
水素供給管４０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。
【００２８】
また、水素供給管５２には、レギュレータ５６と水素タンク５０との間に、温度センサ５４、燃圧センサ５５が配置されている。温度センサ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５５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５４、燃圧センサ５５が発する出力に基づいてレギュレータ５２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。
【００２９】
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。触媒床温センサ６４は熱電対などによって構成されている。
【００３０】
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５４、燃圧センサ５５、Ｏ２センサ５８、ＮＯxセンサ６０、触媒床温センサ６２に加え、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、冷却水温度、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
水素添加燃焼モードでは、ガソリンと水素が燃焼した際に、ガソリンの熱発生量に対する水素の熱発生量が２０％程度となる添加割合でガソリンに対して水素を添加する。これにより、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。
【００３４】
このように構成された本実施形態のシステムにおいて、始動直後には、触媒６２の温度を活性温度に到達させるために触媒暖機運転が行われる。具体的には、通常時よりも燃料量を増量し、筒内で燃焼しなかった未燃燃料を触媒６２上で燃焼させることにより、触媒温度を短時間で上昇させる運転が行われる。
【００３５】
この際、ガソリン噴射弁３８からの噴射量を増量すると、ガソリンの燃焼温度は比較的低いため、触媒６２の温度が活性温度に到達するまでにある程度の時間を要してしまう。一方、水素の燃焼温度はガソリンに比べて非常に高温であるため、暖機時に水素噴射量を増量した場合は、触媒６２を非常に短時間で暖機することが可能である。
【００３６】
このため本実施形態では、触媒６２を暖機する際は、筒内に送る水素量を通常時よりも増量するようにしている。これにより、筒内で燃焼しなかった未燃水素を触媒６２側で燃焼させることができる。そして、水素は燃焼速度が速く、燃焼温度が高いため、少量の増量であっても触媒６２の温度を瞬時に活性温度に到達させることが可能となる。従って、始動直後のエミッションを大幅に向上させることが可能となる。
【００３７】
水素量を増量する際の目安としては、筒内に供給されるガソリン、水素の総量が吸入空気量に対して燃料リッチとなるように、水素量のみを増量するようにする。これにより、燃料の燃え残りが発生し、筒内で燃焼しなかった水素を排気通路１４側へ流すことができる。
【００３８】
通常時の水素添加燃焼モードでは、ガソリンの熱発生量に対して水素の熱発生量が２０％となるように水素を添加した場合、ガソリンに対する水素の添加割合がガソリン１グラムに対して水素０．０７グラム程度とされる。そして、空気過剰率λ＝２程度としてリーンバーン燃焼が行われる。ここで、空気過剰率λは燃料量（ガソリン量及び水素量）に対する空気量の比率であって、空気過剰率λ＝１の場合は、燃料量（ガソリン量及び水素量）に対してストイキの空気量が筒内に送られる。従って、空気過剰率λ＝２とした水素添加燃焼モードでは、ストイキの場合の２倍の空気量が筒内に送られる。
【００３９】
一方、触媒暖機時においては、ガソリン量を変えずに水素量のみを増量し、空気過剰率λが１以下となるように制御を行う。これにより、空気量に対して燃料量がリッチになるため、筒内で燃料の未燃分が生じる。具体的には、ガソリン量を変更することなく水素量のみを増加させて空気過剰率λを１以下とするためには、ガソリンに対する水素の添加割合をガソリン１グラムに対して水素０．５６グラム以上とする。これにより空気過剰率を１以下にすることができ、未燃水素を触媒６２側へ送ることが可能となる。
【００４０】
このように、本実施形態のシステムでは、触媒暖機時に筒内への水素噴射量を通常よりも増量するようにしたため、触媒暖機を非常に短時間で行うことができる。また、筒内では供給した水素の一部がガソリンとともにリーンバーン燃焼するため、燃費、効率を向上することができる。従って、水素増量による触媒暖機時間の短縮と、リーンバーン燃焼による効率向上の双方を同時に達成することが可能である。また、燃料として水素のみを供給する機関の場合、アイドル負荷を発生させつつ触媒暖機時をするためには水素を多量に供給する必要があるが、本実施形態ではガソリンと水素を共に燃焼させて所定の負荷を発生させることができるため、暖機時の水素量を最小限に抑えることができる。更に、触媒暖機時はガソリン量を変更することなく水素量を増加させるため、排気通路１４側へ流れ込むハイドロカーボンの総量を低減することが可能である。
【００４１】
なお、触媒暖機の際に、ガソリンの噴射を停止し、水素燃料ポート噴射弁４０から水素のみを噴射するようにしても良い。この際、筒内に供給される水素の総量が吸入空気量に対して燃料リッチとなるように水素を噴射する。これにより、水素の燃え残りが発生し、筒内で燃焼しなかった水素を排気通路１４側へ流すことができる。
【００４２】
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、触媒床温センサ６４の出力から、触媒床温Tcatを取得する。次のステップＳ２では、触媒床温Tcatと触媒活性温度T0とを比較し、Tcat＜T0であるか否かを判定する。ここで、触媒活性温度T0は、触媒がその機能を発揮するための最低温度である。
【００４３】
ステップＳ２でTcat＜T0の場合は、ステップＳ３へ進む。この場合、現時点での触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達していないため、触媒６２を暖機する必要がある。従って、ステップＳ３では水素噴射量を増量する水素リッチ制御を開始する。そして、以降のステップで触媒６２を暖機するための水素リッチ制御を行う。具体的には、上述したようにガソリンの噴射量を変更することなく、水素の噴射量のみを増加して、空気過剰率λが１以下となるように制御を行う。
【００４４】
一方、ステップＳ２でTcat≧T0の場合は、現時点での触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達しているため、触媒６２を暖機する必要はない。従って、この場合は処理を終了する(RETURN)。
【００４５】
ステップＳ３の後はステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、触媒６２を暖機するため、水素燃料ポート噴射弁４０からの水素噴射量を増量する。この増量により、水素燃料ポート噴射弁４０から噴射された水素のうち、筒内で燃焼しなかった未燃水素が排気通路１４に送られ、触媒６２上で燃焼する。水素の燃焼温度はガソリンに比べて非常に高温であるため、未燃の水素を触媒６２上で燃焼させることにより、触媒６２の暖機を瞬時に行うことが可能となる。従って、非常に短時間で触媒６２を活性温度に到達させることができる。
【００４６】
ステップＳ４の後はステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、排気通路１４に設けられたＯ２センサ５８の出力に基づいて、排気ガス中の酸素量を取得する。次のステップＳ６では、ステップＳ５で求めた酸素量に基づいて空気過剰率λを算出し、λ＜１であるか否かを判定する。ここで、Ｏ２センサ５８の出力から排気通路１４内に酸素が流れていることが検出された場合は、筒内での燃焼後の酸素量が過剰であるため、筒内に供給したガソリン、水素の殆どが筒内で燃焼していると判断できる。従って、この場合は空気過剰率λが１以上であると判断できる。一方、排気通路内に殆ど酸素が流れていない場合は、筒内に供給した空気中の酸素の殆どが筒内での燃焼に使われており、未燃の水素が排気通路に流れていると判断できる。従って、この場合は空気過剰率λが１未満であると判断できる。なお、Ｏ２センサ５８の代わりにＡ／Ｆセンサを設けておき、Ａ／Ｆセンサの出力に基づいて空気過剰率λが１未満であるか否かを判定しても良い。
【００４７】
ステップＳ６でλ＜１の場合は、空気過剰率が１より小さいため、ステップＳ４における水素の増量は適正に行われている。従って、この場合はステップＳ２へ戻り、触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達しているか否かを判定し、触媒活性温度T0に到達していない場合はステップＳ３以降の処理を再度行う。ステップＳ２で触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達している場合は、処理を終了する(RETURN)。
【００４８】
ステップＳ６でλ≧１の場合は、空気過剰率が１以上であるため、触媒暖機を行うための水素の増量が不足していると判断できる。従って、この場合はステップＳ４へ戻り、水素の増量を再度実施する。
【００４９】
図３の処理によれば、触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達していない場合は、水素燃料ポート噴射弁４０からの水素噴射量を増量するようにしたため、未燃水素を触媒６２上で燃焼させることができる。従って、触媒６２を短時間で暖機することが可能となる。
【００５０】
図３の処理において、触媒床温Tcatが触媒活性温度T0よりも低い所定温度に到達した場合は、ガソリンの噴射量を増量して未燃ガソリンを触媒上で燃焼させることで触媒暖機を行っても良い。これにより、水素噴射量を減少させることができるため、触媒暖機に使用する水素量を最小限に抑えることができ、水素タンク５０の小型化を図ることができる。
【００５１】
以上説明したように実施の形態１によれば、触媒６２を暖機する際は、筒内への水素の供給量を増量するようにしたため、筒内で燃焼しなかった未燃の水素を排気通路１４へ流すことができる。従って、触媒６２内、またはその近傍で水素を燃焼させることができ、触媒６２の温度を瞬時に上昇させることが可能となる。これにより、機関始動直後のエミッションを大幅に向上させることが可能となる。
【００５２】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は実施の形態２にかか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。図４に示すように、実施の形態２では、図１における水素燃料ポート噴射弁４０の代わりに、水素添加内燃機関１０の筒内に直接水素を噴射する水素燃料筒内噴射弁６６を設けている。実施の形態２のシステムの他の構成は図１と同様である。また、実施の形態２の運転モードは図２と同様である。
【００５３】
実施の形態２のシステムでは、水素燃料筒内噴射弁６６から筒内へ直接水素を噴射することができるため、排気行程で水素を噴射することで触媒６２へ未燃水素を送ることが可能となる。すなわち、吸気通路１２側で水素を噴射する場合は、吸気バルブ３４が開いている吸気行程中に水素を噴射し、燃焼室２８を経由して触媒６２へ未燃水素を送ることになるが、筒内に直接水素を噴射する場合は、排気行程で水素を噴射すれば未燃水素をそのまま排気通路１４へ送ることが可能である。
【００５４】
排気行程で噴射された水素は、筒内での燃焼に関与しないため、そのまま排気通路１４へ送られる。従って、排気行程で筒内へ水素を噴射することで、排気通路１４に送る水素量をより正確に制御することが可能である。
【００５５】
一方、上述したように実施の形態２の運転モードは実施の形態１と同様であるため、アイドリング〜常用回転域では水素添加燃焼モードで運転が行われる。従って、触媒暖機のために排気行程で水素を噴射するとともに、吸気行程、または圧縮行程において筒内での燃焼のために水素を噴射する。
【００５６】
図５は、筒内圧力、バルブタイミング、および水素噴射時期とクランク角との関係を示すタイミングチャートでであって、図５（Ａ）は筒内圧力、図５（Ｂ）はバルブタイミング、図５（Ｃ）は水素噴射時期をそれぞれ示している。図５（Ａ）に示すように、クランク角の７２０°毎に爆発行程が行われ、爆発行程の際に筒内圧力が急激に上昇する。そして、図５（Ｂ）に示すように、爆発行程後の排気行程で排気バルブ３６が開かれ、その後の吸気行程で吸気バルブ３４が開かれる。
【００５７】
図５（Ｃ）に示すように、実施の形態２のシステムでは、排気行程で触媒暖機のために水素燃料筒内噴射弁６６から水素を噴射する。また、吸気行程では、水素添加燃焼モードでリーンバーンを行うため、水素燃料筒内噴射弁６６から水素を噴射する。従って、本実施形態のシステムでは、単一の気筒の１サイクル中に２回の水素噴射が行われる。これにより、排気行程で噴射した水素を排気通路１４へ直接送って触媒６２側で燃焼させることができ、触媒暖機を瞬時に行うことができる。また、触媒暖機とともに、水素添加燃焼モードで内燃機関１０を運転することができるため、燃費、エミッションを向上させることができる。
【００５８】
図５では１サイクル中に２回の水素噴射を行っているが、排気行程での水素噴射と吸気行程での水素噴射を連続して行っても良い。図６は排気行程から吸気行程にかけて連続して水素を噴射した場合を示すタイミングチャートである。
【００５９】
この場合、連続して噴射された水素のうち、排気行程で噴射された水素は主として排気通路１４側に流れ、触媒６２上で燃焼する。また、吸気行程で噴射された水素は次の燃焼行程で燃焼するため、主として筒内での燃焼に寄与する。このように、排気行程から吸気行程にかけて連続して水素を噴射することで、触媒６２上で水素を燃焼させるとともに、筒内で水素を燃焼させることができる。従って、水素噴射の制御を簡素化することが可能となる。
【００６０】
ガソリンを排気行程で噴射した場合、排気行程中の筒内温度は比較的低いため、筒内壁面にガソリンが付着してしまう。従って、排気行程で筒内にガソリンを噴射したとしても、効率良く触媒暖機を行うことはできない。しかし、気体燃料である水素は筒内壁面に付着することがないため、排気行程中に筒内へ水素を噴射することで触媒６２上に水素を確実に送ることが可能である。
【００６１】
なお、実施の形態２のシステムでは、圧縮行程においても水素燃料筒内噴射弁６６から水素を噴射することが可能である。従って、筒内での燃焼のため圧縮行程で水素を噴射しても構わない。この場合、水素の噴射圧が筒内圧よりも高圧となるように設定する。
【００６２】
次に、図７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Ｓ１１では、触媒床温センサ６４の出力から、触媒床温Tcatを取得する。次のステップＳ１２では、触媒床温Tcatと触媒活性温度T0とを比較し、Tcat＜T0であるか否かを判定する。
【００６３】
ステップＳ１２でTcat＜T0の場合は、ステップＳ１３へ進む。この場合、現時点での触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達していないため、触媒６２を暖機する必要がある。従って、ステップＳ１３では排気行程で水素燃料筒内噴射弁６６から水素を噴射する。
【００６４】
これにより、水素燃料筒内噴射弁６６から噴射された水素がそのまま排気通路１４に送られ、触媒６２内の近傍で燃焼する。水素の燃焼温度はガソリンに比べて非常に高温であるため、未燃の水素を触媒６２上で燃焼させることにより、触媒６２の暖機を瞬時に行うことが可能となる。従って、非常に短時間で触媒６２を活性温度に到達させることができる。
【００６５】
一方、ステップＳ１２でTcat≧T0の場合は、現時点での触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達しているため、触媒６２を暖機する必要はない。従って、この場合は処理を終了する(RETURN)。
【００６６】
ステップＳ１３の後はステップＳ１２へ戻り、触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達したか否かを判定する。触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達していない場合は、ステップＳ１３の処理を再度行う。触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達している場合は、処理を終了する(RETURN)。
【００６７】
以上説明したように実施の形態２によれば、筒内に直接水素を噴射する水素燃料筒内噴射弁６６を備えたシステムにおいて、排気行程で水素を噴射するようにしたため、噴射した水素をそのまま排気通路１４へ流すことができる。従って、触媒６２上で水素を燃焼させることができ、触媒６２の温度を瞬時に上昇させることが可能となる。これにより、機関始動時のエミッションを大幅に向上させることが可能となる。また、吸気行程で水素燃料筒内噴射弁６６から水素を噴射することで、水素添加燃焼モードによる運転を行うことができるため、排気行程噴射による触媒暖機性能の向上と、吸気行程噴射による燃費、エミッションの向上の双方を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１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】本発明の各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る。
【図３】実施の形態１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。
【図４】本発明の実施の形態２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５】実施の形態２における水素噴射のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図６】実施の形態２における水素噴射のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図７】実施の形態２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】
【００６９】
３８  ガソリン噴射弁
４０  水素燃料ポート噴射弁
６６  水素燃料筒内噴射弁
７０  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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