(57)【要約】【課題】内燃機関における効率を充分に確保しつつ、排ガス中のＮＯｘを低減すると共に、水素消費量の増大といった不都合を防止するための技術を提供する。【解決手段】エンジンの駆動状態を制御する際には、要求トルクを出力するのに要するガソリン噴射量と水素噴射量を設定する（ステップＳ１２０）。これら各噴射量は、両者の割合が、排ガス中のＮＯｘ量が充分に少なくなる条件として予め定めた割合となるように設定される。低負荷状態のときには、上記設定量が実際に噴射されるように、ガソリンと水素の噴射制御を行なう（ステップＳ１４０）。高負荷状態のときには、水素噴射量は所定の上限値に抑えて噴射制御を行なうと共に、さらにＥＧＲを行なう（ステップＳ１５０）。このとき、ＮＯｘ量が所定値を超える場合には、ＮＯｘが充分に低減されるまで、ＥＧＲガス量をさらに増加させる（ステップＳ１６０〜Ｓ１８０）。【選択図】　　　　図２
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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利用内燃機関であって、
燃焼室と、
前記燃焼室に炭化水素燃料を供給する炭化水素燃料供給部と、
前記燃焼室に水素ガスを供給する水素供給部と、
負荷要求に応じて、前記炭化水素燃料供給部から供給する炭化水素燃料供給量と、前記水素供給部から供給する水素ガス供給量とを決定する供給燃料量制御部と、
前記燃焼室に内燃機関排ガスの一部を供給する排ガス供給部と
を備え、
前記供給燃料量制御部は、
前記炭化水素燃料供給量に対する前記水素ガス供給量の割合が所定の値となるように前記負荷要求に応じて前記炭化水素燃料供給量および前記水素ガス供給量を設定すると仮定した場合に、水素ガス供給量が所定の上限値以下となるときには前記設定した水素ガス供給量および炭化水素燃料供給量を実際に供給すべき量とし、前記水素ガス供給量が前記所定の上限値を上回るときには前記所定の上限値を実際に供給すべき水素ガス量とし、
前記排ガス供給部は、前記仮定をした場合に前記水素ガス供給量が前記所定の上限値を上回るときに、前記排ガスの供給を行なう
水素利用内燃機関。
【請求項２】
請求項１記載の水素利用内燃機関であって、
前記燃焼室から排出される排ガス中の窒素酸化物量を検出するＮＯｘセンサをさらに備え、
前記排ガス供給部は、前記ＮＯｘセンサが検出した窒素酸化物量が所定量を超えるとき、前記燃焼室に供給する前記排ガス量をより増加させる
水素利用内燃機関。
【請求項３】
請求項１または２記載の水素利用内燃機関であって、
前記内燃機関が出力するトルクの変動を検出するトルク変動検出部をさらに備え、
前記供給燃料量制御部は、前記トルク変動検出部が検出したトルク変動の大きさが所定の値を超える場合には、実際に供給する水素ガス量をさらに増加させる
水素利用内燃機関。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の水素利用内燃機関であって、
前記水素供給部は、実質的に他の成分を含有しない水素ガスを供給する
水素利用内燃機関。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の水素利用内燃機関であって、
前記炭化水素はガソリンであり、
前記炭化水素燃料供給量に対する前記水素ガス供給量の割合である前記所定の値は、熱量比で２０％以上に相当する値である
水素利用内燃機関。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の水素利用内燃機関であって、
前記炭化水素燃料の供給量および水素ガス供給量に応じて、前記排ガス中の窒素酸化物量が充分に少なくなる条件として予め定めた量の空気が取り込まれるように、燃焼に用いる空気の吸入量を制御する吸入空気量制御部を、さらに備える
水素利用内燃機関。
【請求項７】
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利用内燃機関の運転方法であって、
（ａ）前記内燃機関の燃焼室に供給する炭化水素燃料供給量と水素ガス供給量とを、負荷要求に応じて決定する工程と、
（ｂ）前記（ａ）工程の決定に従って、前記燃焼室に炭化水素燃料を供給する工程と、
（ｃ）前記（ａ）工程の決定に従って、前記燃焼室に水素ガスを供給する工程と、
（ｄ）前記燃焼室に対して、該内燃機関から排出された排ガスの一部を所定の条件下で供給する工程と
を備え、
前記（ａ）工程は、
前記炭化水素燃料供給量に対する前記水素ガス供給量の割合が所定の値となるように前記負荷要求に応じて前記炭化水素燃料供給量および前記水素ガス供給量を設定すると仮定した場合に、水素ガス供給量が所定の上限値以下となるときには、前記設定した水素ガス供給量および炭化水素燃料供給量を実際に供給すべき量として決定し、前記水素ガス供給量が前記所定の上限値を上回るときには、前記所定の上限値を実際に供給すべき水素ガス量として決定する工程を含み、
前記（ｄ）工程は、前記仮定をした場合に前記水素ガス供給量が前記所定の上限値を上回るときに、前記排ガスの供給を行なう工程を含む
水素利用内燃機関の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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利用内燃機関、およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、燃焼反応における希薄限界を拡大させることができるため、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）のさらなる低減が可能となることが知られている。このように水素を加えて希薄燃焼を行なうと、燃焼温度が低下することにより、内燃機関における熱放出によるエネルギ損失が少なくなり、内燃機関の効率が向上するという効果も得られる。また、希薄燃焼を行なうときには、スロットルバルブをより大きく開くため、内燃機関が吸気を行なう際のエネルギ損失（ポンプ損失）を低減することができ、このことによっても内燃機関の効率向上の効果が得られる。このように、燃料としてガソリンに加えて水素をさらに供給してＮＯｘの低減を図る場合には、水素供給量の割合をある程度以上に大きくすることで、ＮＯｘ低減の程度を充分に確保できることが知られている。
【０００３】
内燃機関から排出される排ガス中のＮＯｘを低減するための他の方法として、燃焼室から排出される排ガスを吸気側に再循環（ｅｘｈａｕｓｔ　ｇａｓ　ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、ＥＧＲ）させる方法も知られている。排ガスを吸気側に再循環させることによって、燃焼温度が低下するため、排ガス中のＮＯｘ量が低減される。また、このようなＥＧＲを行なう際に、空燃比が所定の値をとるある条件下において、ガソリンに加えて水素を供給する動作と同時に行なうことで、排ガスＮＯｘ量のさらなる低減が可能となる場合があることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３０６７５０号公報
【特許文献２】
特開昭５９−４３９３９号公報
【特許文献３】
特開昭５３−７０２１９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素を供給することでＮＯｘ低減を図る場合には、供給ガソリン量に対して充分な割合で水素を供給して排ガス中のＮＯｘ量を低減しようとすると、負荷要求が大きいときほど水素供給量を増やすことが必要になってしまう。そのため、ガソリン機関を車両駆動用の動力源として用いる場合のように、負荷変動が大きくかつ準備可能な（搭載可能な）水素量に限りがある場合には、航続距離を確保するために、水素の消費量をできる限り抑えることが求められる。また、ＥＧＲによってＮＯｘ低減を図る場合には、排ガスを吸気側に供給することによって燃焼が不安定となって運転性が悪化したり、出力が低下したりして、効率の低下を引き起こすおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、内燃機関における効率を充分に確保しつつ、排ガス中のＮＯｘを低減すると共に、水素消費量の増大といった不都合を防止するための技術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およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、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利用内燃機関であって、
燃焼室と、
前記燃焼室に炭化水素燃料を供給する炭化水素燃料供給部と、
前記燃焼室に水素ガスを供給する水素供給部と、
負荷要求に応じて、前記炭化水素燃料供給部から供給する炭化水素燃料供給量と、前記水素供給部から供給する水素ガス供給量とを決定する供給燃料量制御部と、
前記燃焼室に内燃機関排ガスの一部を供給する排ガス供給部と
を備え、
前記供給燃料量制御部は、
前記炭化水素燃料供給量に対する前記水素ガス供給量の割合が所定の値となるように前記負荷要求に応じて前記炭化水素燃料供給量および前記水素ガス供給量を設定すると仮定した場合に、水素ガス供給量が所定の上限値以下となるときには前記設定した水素ガス供給量および炭化水素燃料供給量を実際に供給すべき量とし、前記水素ガス供給量が前記所定の上限値を上回るときには前記所定の上限値を実際に供給すべき水素ガス量とし、
前記排ガス供給部は、前記仮定をした場合に前記水素ガス供給量が前記所定の上限値を上回るときに、前記排ガスの供給を行なうことを要旨とする。
【０００８】
このような構成とすれば、負荷要求が比較的小さいときには、炭化水素燃料供給量に対する水素ガス供給量の割合が所定の値となるように、炭化水素燃料に加えて水素ガスを内燃機関に供給するため、希薄燃焼を行なって排ガス中のＮＯｘ量を充分に低減することが可能となる。さらに、希薄燃焼を行なうことで、熱放出によるエネルギ損失やポンプ損失を低減して、内燃機関の効率を向上させることができる。また、負荷要求が比較的大きいときには、水素ガス供給量を所定の上限値とするため、水素ガスの消費量を抑えることができる。そして、このように負荷要求が比較的大きいときには、ＥＧＲをさらに行なうことで、排ガス中のＮＯｘ量を充分に低減可能となる。このようにＥＧＲを行なう場合にも、炭化水素燃料に加えてさらに水素ガスを供給することにより、よりリーンな状態で安定して燃焼を行なうことが可能となり、上記内燃機関の効率を向上させる効果を得ることができる。
【０００９】
本発明の水素利用内燃機関において、
前記燃焼室から排出される排ガス中の窒素酸化物量を検出するＮＯｘセンサをさらに備え、
前記排ガス供給部は、前記ＮＯｘセンサが検出した窒素酸化物量が所定量を超えるとき、前記燃焼室に供給する前記排ガス量をより増加させることとしても良い。
【００１０】
このような構成とすれば、負荷要求が比較的大きいときに、燃焼室に供給する排ガス量を充分に多くすることで、排ガス中のＮＯｘ量を充分に低減可能となる。このとき、燃焼室に対しては炭化水素燃料に加えてさらに水素ガスを供給するため、排ガス中のＮＯｘ量が充分に低減されるまでＥＧＲを行なう排ガス量を増やしても、良好な燃焼状態を維持することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の水素利用内燃機関において、
前記内燃機関が出力するトルクの変動を検出するトルク変動検出部をさらに備え、
前記供給燃料量制御部は、前記トルク変動検出部が検出したトルク変動の大きさが所定の値を超える場合には、実際に供給する水素ガス量をさらに増加させることとしても良い。
【００１２】
このような構成とすれば、燃焼室に供給される炭化水素燃料や水素ガスの量が、何らかの不都合に起因して不足したり、燃焼室に供給する排ガス量が過剰になることによって燃焼状態が悪化することがあっても、直ちにこのような燃焼状態を改善することができる。
【００１３】
本発明の水素利用内燃機関において、
前記水素供給部は、実質的に他の成分を含有しない水素ガスを供給することとしても良い。
【００１４】
このような構成とすれば、他の成分が燃焼状態を悪化させるおそれがないため、よりリーンな（空燃比の高い）状態であっても支障なく燃焼を行なわせることが可能となり、このように空燃比を高めることで排ガス中のＮＯｘを低減する効果を充分に得ることが可能となる。ここで、実質的に他の成分を含有しない水素ガスとは、例えば水素濃度が９０％以上である水素ガスとすることができる。
【００１５】
本発明の水素利用内燃機関において、
前記炭化水素はガソリンであり、
前記炭化水素燃料供給量に対する前記水素ガス供給量の割合である前記所定の値は、熱量比で２０％以上に相当する値であることとしても良い。
【００１６】
このような構成とすれば、実際に供給する炭化水素燃料量に対する実際に供給する水素ガス量の割合が熱量比で２０％以上になる場合には、排ガス中のＮＯｘ量を実質的にゼロにすることが可能となる。
【００１７】
本発明の水素利用内燃機関において、
前記炭化水素燃料の供給量および水素ガス供給量に応じて、前記排ガス中の窒素酸化物量が充分に少なくなる条件として予め定めた量の空気が取り込まれるように、燃焼に用いる空気の吸入量を制御する吸入空気量制御部を、さらに備えることとしても良い。
【００１８】
このように吸入空気量を制御することで、排ガス中のＮＯｘ量を削減する効果を充分に高めることができる。排ガス中のＮＯｘ量をより少なくするためには、燃焼室での燃焼反応が支障なく進行する範囲でより空燃比が高くなるように吸入空気量を設定すればよい。このように吸入空気量を制御する際には、例えば、排ガス中のＮＯｘ量が１ｇ／ｋＷｈ以下となるように制御することが望ましい。
【００１９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、内燃機関の運転方法などの形態で実現することが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．運転の動作：
Ｃ．効果：
Ｄ．変形例：
【００２１】
Ａ．装置の構成：
図１は、本発明の一実施例である制御装置を備えるエンジン１０の概略構成を示す説明図である。周知のようにエンジンは、燃焼室内で燃料を燃焼させ、そのときに発生する燃焼熱を機械的仕事に変換して動力として出力することを動作原理としている。図１に示したエンジン１０は、車両の駆動用動力源として車両に搭載されており、円筒状のシリンダが設けられたシリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上部に組み付けられたシリンダヘッド２０と、シリンダ内部で摺動可能に組み付けられたピストン１２とで燃焼室を形成する。
【００２２】
シリンダブロック１１には、燃焼室内の燃焼圧を検出するための燃焼圧センサ４２が設けられている。また、シリンダヘッド２０には、燃焼室内に空気を吸入するための吸気弁２２と、燃焼室内から排気ガスを排出するための排気弁２１と、点火プラグ２３と、燃料を噴射するためのインジェクタ３５が設けられている。インジェクタ３５は、通電制御により開閉駆動されて燃料を噴射する電磁弁である。このインジェクタ３５には、圧力センサ５７が併設されており、ガソリン高圧ポンプ５８で所定の圧力に加圧された燃料が供給されている。インジェクタ３５から噴射された燃料は燃焼室内で蒸発し、吸気弁２２を介して導入される空気と混合して混合気を形成する。また、シリンダヘッド２０には、燃焼室に空気を導くための吸気マニホールド３０と、燃焼室から排出された排気ガスを導くための排気マニホールド１６とが取り付けられている。
【００２３】
吸気マニホールド３０は、サージタンク３１と、吸気通路３２とを介してエアクリーナ３４に接続されている。外気はエアクリーナ３４を通過する際に、エアクリーナに設けられたエレメントによって異物が除去される。エアクリーナ３４の下流側の吸気通路３２には、吸入空気量を検出するためのエアフロメータ３３が設けられている。また、吸気通路３２において、エアフロメータ３３とサージタンク３１との間には、燃焼室から排出された排ガスを導入するためのＥＧＲバルブ３８が設けられている。ＥＧＲとは、既述したように、燃焼室から排出される排ガスを吸気側に再循環させることであるが、本実施例で実行されるＥＧＲの動作については後に詳しく説明する。さらに、吸気通路３２において、ＥＧＲバルブ３８とサージタンク３１の間には、水素ガスを噴射するための水素インジェクタ３９が取り付けられている。水素インジェクタ３９は、水素流路５４を介して、水素を貯蔵する水素タンク５０と接続している。水素流路５４には水素ポンプ５２が設けられると共に、水素タンク５０と水素流路５４との接続部には圧力センサが設けられており、水素ポンプ５２によって所定圧に加圧された水素が、水素インジェクタ３９に供給される。水素インジェクタ３９は、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３９から噴射された水素は、吸気通路３２内の空気と混合して燃焼室に供給される。
【００２４】
サージタンク３１の下流側の吸気マニホールド３０内には、燃焼室に流入する空気量を調整するためのスロットルバルブ３６が設けられている。このスロットルバルブ３６は、スロットルモータ３７によって開閉駆動され、エンジン１０において所望の吸入空気量が実現される。
【００２５】
排気マニホールド１６は、ＮＯｘセンサ５９を備えると共に、触媒コンバータ５４に接続されている。エンジン１０から排出される排ガスには、空気中の窒素が反応することによって生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれ、ＮＯｘセンサ５９は、排ガス中のＮＯｘ量を検出する。触媒コンバータ５４は、エンジン１０から排出される排ガスを浄化するための触媒を備えている。すなわち、排ガス中の不完全燃焼成分である炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を酸化すると共に、上記ＮＯｘを還元する三元触媒を備えている。この触媒の働きによって触媒コンバータ５４で浄化された排ガスは、大気中に排出される。
【００２６】
さらに、排気マニホールド１６には、ここから分岐する流路であるＥＧＲ流路４４が設けられている。本実施例のエンジン１０では、燃焼室に対して、外部から取り入れた吸入空気に加えて、燃焼室から排出される排ガスの一部を環流（ＥＧＲ）させる運転状態を、選択可能となっている。排ガスの一部は、上記ＥＧＲ流路４４を介して、既述したＥＧＲバルブ３８から吸気通路３２内に供給され、吸入空気に混合される。このＥＧＲバルブ３８の開弁制御を行なうことで、燃焼室に環流させるガス量（ＥＧＲガス量）を調節している。
【００２７】
ピストン１２は、クランク機構を介してクランクシャフト１７に接続されている。クランクシャフト１７が回転すると、クランク機構の働きによって回転運動が往復直線運動に変換されて、ピストン１２がシリンダ内を上下に摺動する。また、ピストン１２が上下動する動きは、クランク機構によってクランクシャフト１７の回転運動に変換される。排気弁２１を閉じ、吸気弁２２を開いた状態でピストン１２が下降すると、吸気マニホールド３０内の空気と燃料とが、吸気弁２２から燃焼室内に流入する。次いで吸気弁２２を閉じてピストン１２を上昇させ、吸入した混合気を圧縮した後、点火プラグ２３から火花を飛ばすと、ピストン１２によって圧縮された混合気が爆発的に燃焼して、ピストン１２を下方に押し下げる。この力はクランク機構によって回転運動に変換されて、クランクシャフト１７から動力として出力される。クランクシャフト１７の先端には、クランクシャフトの回転位置を検出するためのクランク角度センサ４１が設けられている。
【００２８】
電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）４０は、燃料噴射制御や、点火時期制御、あるいはＥＧＲ制御などの、エンジン１０の全体の動作を制御する。このＥＣＵ４０は、中央処理装置（以下、ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力回路などがバスによって相互に接続されて構成された論理演算回路である。
【００２９】
ＥＣＵ４０によるこうした制御は、運転者の操作したアクセル開度や、エンジンの回転速度、吸入空気量などの各種運転条件をＥＣＵ４０が検出し、ＲＯＭに格納されている各種プログラムに従って、スロットルモータ３７、点火プラグ２３、インジェクタ３５、水素インジェクタ３９などを駆動することによって行われる。アクセル開度は、アクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ４４によって検出される。エンジン回転速度は、既述したクランクシャフト１７に設けられたクランク角度センサ４１の検出信号に基づいて算出される。また、吸入空気量は、吸気通路３２に設けたエアフロメータ３３の検出信号に基づいて求められる。
【００３０】
燃料噴射制御とは、燃焼室内に導入される空気量に合わせて適切な量の燃料を噴射することにより、燃焼室内に形成される混合気の空気と燃料との比率（空燃比）を適切な値に保つための制御である。なお、本実施例では、燃料噴射量の制御としては、インジェクタ３５から噴射されるガソリン量と共に、水素インジェクタ３９から噴射される水素量が制御される。
【００３１】
点火時期制御は、ピストン１２の上昇に合わせて適切なタイミングで火花を飛ばすための制御である。ＥＧＲ制御は、燃焼室から排出される排ガスのうちの所定量を燃焼室に環流させることによって、排ガス中のＮＯｘを低減するための制御である。
【００３２】
Ｂ．運転の動作：
図２は、本実施例のエンジン１０の稼働中に、ＥＣＵ４０において所定の周期で繰り返し実行されるＮＯｘ低減処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが実行されると、ＥＣＵ４０は、まず、エンジン１０の回転速度およびアクセル開度を取得する（ステップＳ１００）。エンジン１０の回転速度およびアクセル開度を取得すると、ＥＣＵ４０は、これに基づいてエンジン１０における要求トルクを算出して（ステップＳ１１０）、ガソリン噴射量、水素噴射量、吸入空気量を、それぞれＱＧ　’（ｃｃ／ｓｔ　）、ＱＨ　’（ｃｃ／ｓｔ　）、Ｐ’に設定する（ステップＳ１２０）。
【００３３】
図３は、実施例と同様のエンジンにおいて、ガソリンと水素とを種々の量比で噴射して、そのときの排ガス中のＮＯｘ量を調べた結果を表わす図である。図３では、ガソリンと水との量比を異ならせた各条件においてそれぞれ吸入空気量を変化させて、排ガス中のＮＯｘ濃度が最も低くなったとき、すなわち吸入空気量（空燃比）が最適となったときの測定値を、その条件における排ガス中ＮＯｘ量としている。そのため、図３に示した各測定結果では、測定時の空燃比は必ずしも同一ではない。吸入空気量の最適値についてさらに説明する。エンジンに対して、ガソリンに加えてさらに水素を供給すると、より高い空燃比で支障なく燃焼反応が進行可能となる。このとき、支障なく燃焼反応が進行する範囲であれば、できるだけ空気量を増加させた方が、燃焼温度が低下することによって排ガス中のＮＯｘ量をより低減可能となる。しかしながら、空気量を過剰にしてしまうと、失火などの不都合が生じるようになる。そのため、吸入空気量の最適値とは、支障なく燃焼反応が進行する範囲での吸入空気量の最大値としてとらえることができる。
【００３４】
図３に示すように、吸入空気量（空燃比）を最適値に調節する場合には、ガソリンに対する水素の割合が熱量比で３０％以上（全熱量に対する水素の熱量の割合が２２％以上）に相当する値のときに、排ガス中のＮＯｘ量を実質的にゼロにすることができる。そのため、本実施例では、ガソリン噴射量に対する水素噴射量の割合が熱量比で３０％となるように、ステップＳ１２０においてガソリン噴射量設定値ＱＧ　’と水素噴射量設定値ＱＨ　’とを定めている。
【００３５】
本実施例では、ＥＣＵ４０において、エンジン１０における要求トルクと、これに対応するガソリン噴射量、水素噴射量および吸入空気量が、予めマップとして記憶されている。すなわち、エンジン１０で熱エネルギを機械的仕事に変換して所定の要求トルクを得るために必要な燃料量（熱量比が上記値となるガソリン噴射量と水素噴射量）と、このときの吸入空気量の最適値とが、要求トルクに対して予め記憶されている。上記したように、吸入空気量の最適値は、実験的に定めた値である。ステップ１２０では、ステップＳ１１０で算出した要求トルクに基づいて、上記マップを参照してガソリン噴射量設定値ＱＧ　’、水素噴射量設定値ＱＨ　’および吸入空気量設定値Ｐ’を定める。
【００３６】
次に、ステップＳ１２０で設定した水素噴射量ＱＨ　’と、所定の基準値Ｑ０　（ｃｃ／ｓｔ　）とを比較する（ステップＳ１３０）。ここで基準値Ｑ０　とは、水素噴射量の上限値として予め設定してＥＣＵ４０内に記憶させた値である。
【００３７】
ステップＳ１３０において、水素噴射量設定値ＱＨ　’が基準値Ｑ０　以下であると判断されたときには、水素噴射量ＱＨ　（ｃｃ／ｓｔ　）、ガソリン噴射量ＱＧ　（ｃｃ／ｓｔ　）および吸入空気量Ｐのそれぞれを、ステップＳ１２０で設定したＱＨ　’、ＱＧ　’およびＰ’に決定する。また、ＥＧＲバルブ３８の開度（ＥＧＲ開度）をゼロ、すなわちＥＧＲガス量をゼロに決定する。そして、水素インジェクタ３９、インジェクタ３５、スロットルモータ３７、ＥＧＲバルブ３８に対して、噴射量やガス量が上記の値となるように駆動信号を出力する（以上、ステップＳ１４０）。なお、エンジン１０における回転速度に対応して、所定の吸入空気量とするためのスロットル開度が予め実験的に設定されて、ＥＣＵ４０内にマップとして記憶されている。そのため、ステップＳ１４０では、ステップＳ１００で検出したエンジン回転速度と、ステップＳ１２０で決定した吸入空気量Ｐとに基づいて、上記マップを参照することによってスロットル開度を決定し、スロットルモータ３７を駆動している。
【００３８】
ステップＳ１４０において、上記のように駆動信号を出力すると、ステップＳ１８０に移行してトルクの検出を行なう。このステップＳ１８０以下の処理については、後に説明する。
【００３９】
ステップＳ１３０において、水素噴射量設定値Ｑ’が所定の基準値Ｑ０　よりも大きいと判断されると、水素噴射量ＱＨ　は、上記基準値Ｑ０　に決定される。また、ガソリン噴射量ＱＧ　は、ステップＳ１２０で設定されたガソリン噴射量設定値ＱＧ　’よりも大きな値に決定される（ＱＧ　＝ＱＧ　’＋α）。ここで、ガソリン噴射量設定値ＱＧ　’に対する増し分であるαは、ステップＳ１１０で算出した要求トルクを得るために、ガソリン噴射量を補正するためのものである。すなわち、水素噴射量ＱＨ　を、水素噴射量設定値ＱＨ　’よりも小さいＱ０　に抑えたことによる出力エネルギの減少を、ガソリン噴射量の増加によって補うための増し分である。また、吸入空気量Ｐは、ステップＳ１２０で設定したＰ’に決定される。さらに、ＥＧＲバルブ３８の開度は、予め定めた所定の開度であるＢ％に決定される。そして、水素インジェクタ３９、インジェクタ３５、スロットルモータ３７、ＥＧＲバルブ３８に対して、噴射量やガス量が上記の値となるように駆動信号を出力する（以上、ステップＳ１５０）。なお、吸入空気量の制御は、ステップＳ１４０と同様に、検出したエンジン回転速度と決定した吸入空気量Ｐとに基づいて、所定のマップを参照してスロットル開度を決定することによって行なっている。
【００４０】
なお、上記の説明では、ステップＳ１２０およびステップＳ１３０の後に、ステップＳ１４０とステップＳ１５０のうちのいずれかを行なうこととしているが、実際には、これらの工程はそれぞれ別個に行なうわけではない。エンジン１０では、これらの判断が同時に行なわれるように、要求トルクに基づいて水素噴射量を定めるためのマップとして、水素噴射量の上限を最初からＱ０　に抑えて設定したマップが用意されている。すなわち、ガソリン噴射量に対する水素噴射量の割合を熱量比で３０％にすると水素噴射量ＱＨ　’が基準値Ｑ０　を超えてしまう場合には、水素噴射量としてはＱ０　が、ガソリン噴射量としては水素噴射量を補って要求トルクを実現可能となる量が、それぞれ記憶されているマップが用意されている。そして、このように水素噴射量ＱＨ　が基準値Ｑ０　に設定される要求トルクに対しては、吸入空気量Ｐについても、そのときの水素噴射量ＱＨ　とガソリン噴射量ＱＧ　に応じた量が記憶されている。さらに、エンジン回転速度に基づいてスロットル開度を設定するためのマップとして、ＥＧＲ開度がＢ％のときのものを記憶しており、水素噴射量ＱＨ　が基準値Ｑ０　に設定される場合には、このマップを参照してスロットル開度を設定する。
【００４１】
次に、ＮＯｘセンサ５９から検出信号を取得して（ステップＳ１６０）、検出した排ガス中のＮＯｘ量と、所定の基準値Ｃ（ｐｐｍ　）と比較する（ステップＳ１７０）。ここで、所定の基準値Ｃとは、排ガス中のＮＯｘ量として許容できる上限値であり、予め設定してＥＣＵ４０に記憶したものである。
【００４２】
ステップＳ１７０において、排ガス中のＮＯｘ量が所定の基準値Ｃ以下であると判断されると、ステップＳ１８０に移行してトルクの検出を行なう。このステップＳ１８０以下の処理については、後に説明する。
【００４３】
ステップＳ１７０において、排ガス中のＮＯｘ量が所定の基準値Ｃよりも大きいと判断されると、ＥＧＲ開度を、ステップＳ１５０で決定した開度Ｂ％に増加量Ｆ％を加えた開度として、改めて決定する（ステップＳ１８０）。ここで、増加量Ｆ％は、ＥＧＲガス量を増加させる際のＥＧＲ開度の最少増加量として、予め設定した値である。このようにＥＧＲ開度を改めて決定してＥＧＲバルブ３８を駆動すると、その後ステップＳ１６０に戻って、ステップＳ１６０以下の処理を繰り返す。このように燃焼室に環流させるＥＧＲガス量を増やすと、燃焼温度が低下することで排ガス中のＮＯｘ濃度は低下する。そのため、ここでは、排ガス中のＮＯｘ量が上記基準値Ｃ以下になるまで、ＥＧＲ開度をＦ％ずつ大きくしていく制御を繰り返す。なお、ステップＳ１８０においてＥＧＲ開度を増加させることで、空燃比が変化するため、吸入空気量の補正を行なう構成も可能である。また、ＥＧＲ開度を増加させることで、エンジン回転速度と吸入空気量とスロットル開度との対応関係も変化してしまうため、これに対する補正を行なうことも可能である。しかしながら、上記増加量Ｆ％は、非常に小さい値が設定されており、吸入空気量に対する影響が少ないため、本実施例では吸入空気量（スロットル開度）の補正は行なわないこととしている。
【００４４】
ステップＳ１４０の後、または、ステップＳ１７０においてＮＯｘ量が基準値Ｃ以下であると判断された後は、エンジン１０における出力トルクの検出を行ない、トルク変動の大きさを、基準値Ｄ（Ｎｍ）と比較する（ステップＳ１９０）。エンジン１０における燃焼状態に支障があると、トルク変動は大きくなる。基準値Ｄは、エンジン１０における燃焼状態が支障なく進行していると判断するための基準値として予め設定して、ＥＣＵ４０に記憶したものである。
【００４５】
ここで、エンジン１０における出力トルクの検出について説明する。エンジン１０では、エンジンの回転速度を計測することによってトルクを検出している。以下に、図４を用いて、トルク検出の原理を簡単に説明する。図４は、４つの燃焼室を備えたいわゆる４気筒エンジンにおいて、エンジンの回転速度や出力トルクが変化する様子を示した説明図である。エンジンの回転速度は、エンジンが定常状態で運転されている場合でも、実際にはクランク角度と共に変動している。このような変動が生じるのは、それぞれの燃焼室において、位相を少しずつ異にしながら、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が繰り返し行なわれていることによる。図４（Ａ）は、クランク角度に対してエンジン回転速度が変動する様子を示している。図４（Ｂ）は、クランク角度に対して出力トルクが変動する様子を示している。また、図４（Ｃ）には、１番気筒についての４つの工程と、各気筒についての燃焼室内の圧力とが示されている。各気筒では、膨張行程の最初だけがエネルギを出力する状態となり、他はエネルギを消費する状態となる。そのため、いずれかの気筒が膨張行程に入るのに伴ってエンジン１０の出力トルクは増大し、これによってエンジン回転速度が上昇する。したがって、出力トルクは、エンジン回転速度の変化率に基づいて算出することができる。支障なく燃焼反応が進行する場合には、エンジン回転速度も出力トルクも所定の変動幅の中に収まって変動する。しかしながら、燃焼状態に不具合が生じた場合には、異常が生じた気筒で所望のエネルギが出力されないことにより、出力トルクは上記所定の変動幅を超える異常な変動を示すようになる。実際には、所定のクランク角度に対応した２点で計測したエンジン回転速度の差異を求め、この差異が所定値以上となることによって、トルク変動の大きさが所定の基準値以上になったと判断することができる。なお、エンジン１０の出力トルクは、エンジン回転速度に基づいて検出するほかに、燃焼圧センサ４２の検出信号に基づいて検出したり、トルクセンサを設けて直接検出することとしても良い。
【００４６】
ステップＳ１９０において、トルク変動の大きさが基準値Ｄ以下であると判断されるときには、本ルーチンを終了する。また、ステップＳ１９０において、トルク変動の大きさが基準値Ｄを上回ると判断されるときには、先の工程で決定された水素噴射量に増加量Ｇ（ｃｃ／ｓｔ　）を加えた値を、水素噴射量として新たに決定する（ステップＳ２００）。すなわち、このステップＳ２００が、ステップＳ１４０において水素噴射量ＱＨ　＝ＱＨ　’と決定した後の工程である場合には、改めて水素噴射量ＱＨ　＝ＱＨ　’＋Ｇと決定し直す。また、このステップＳ２００が、ステップＳ１５０において水素噴射量ＱＨ　＝Ｑ０　と決定した後の工程である場合には、改めて、水素噴射量ＱＨ　＝Ｑ０　＋Ｇと決定し直す。ここで、増加量Ｇは、水素噴射量を増加させる際の最少増加量として、予め設定した値である。トルク変動が大きいということは、既述したように燃焼状態に不都合が生じていると考えられるため、本実施例では、水素噴射量を増量することによって、燃焼状態の改善を図っている。
【００４７】
ステップＳ２００において水素噴射量ＱＨ　を増加すると、次にステップＳ１６０に戻って、ステップＳ１６０以下の処理を実行する。水素噴射量を増加させることにより、燃料量が確保されて燃焼状態は改善されると考えられるが、燃焼室内は、よりリッチな状態となるため、排ガス中のＮＯｘ濃度が上昇してしまうおそれがある。そのため、ステップＳ２００において水素噴射量を増加させた後は、排ガス中のＮＯｘ量を検出して、排ガス中のＮＯｘ量が許容範囲であるかどうかを確認する。排ガス中のＮＯｘ量が許容量を超える場合には、環流させるＥＧＲガス量を増量させることで、排ガス中のＮＯｘ量の低減を図る。このように、トルク変動の大きさの不具合は水素噴射量の増加で改善し、これによるＮＯｘ量の増加があるときには、ＥＧＲガス量の増加によってＮＯｘ量を改善する。最終的にステップＳ１９０においてトルク変動の大きさが基準値Ｄ以下になると、本ルーチンを終了する。
【００４８】
Ｃ．効果：
以上のように構成された本実施例のエンジン１０によれば、水素の消費量を抑えつつ、効率向上と排ガス中のＮＯｘ低減とを実現することができる。すなわち、燃料としてガソリンに加えて水素を用いるため、よりリーンな状態で燃焼を行なうことができ、排ガス中のＮＯｘを低減することができる。また、既述したように、熱放出によるエネルギ損失やポンプ損失を抑えて内燃機関の効率を向上させることができる。このとき、低負荷状態（要求トルクが所定値以下）のときには、ガソリン噴射量と水素噴射量とを所定の量比で用いることにより、排ガス中のＮＯｘ量を極めて少なくすることができる。また、高負荷状態（要求トルクが所定値を超える）のときには、水素の供給量を所定の上限値とするため、水素の消費量を抑えることができる。そして、さらにＥＧＲを行なうことで、排ガス中のＮＯｘ量を、充分に少なくすることができる。したがって、負荷が大きく変動する場合であっても、全体として水素の消費量を抑えつつ、排ガス中のＮＯｘ量が充分に少ない状態に保ち、内燃機関の効率が充分に高い状態を維持することができる。
【００４９】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５０】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、排ガス中のＮＯｘ量をほぼ確実にゼロとするために、ガソリン噴射量に対する水素噴射量の割合を、熱量比で３０％に相当する値としたが、異なる割合を設定しても良い。例えば、上記熱量比で２０％あるいは２５％に相当する値となるように、より低い値を設定しても良い。実際には、特に負荷（エンジンにおける要求トルク）が小さいときには、水素噴射量の割合をより低くしても、通常は排ガス中のＮＯｘ量を充分にゼロに近づけることが可能となる。
【００５１】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、排ガス中のＮＯｘ量を低減する制御を行なう際に、負荷状態を低負荷状態と高負荷状態との２段階に分けているが、負荷状態をさらに多くの段階に分けることとしても良い。例えば、負荷状態を、低負荷状態と中負荷状態と高負荷状態の３段階に分けて制御を行なっても良い。すなわち、低負荷状態のときには、実施例の低負荷状態と同様に、所望のトルクを出力可能であって、ガソリン噴射量に対する水素噴射量の割合が所定の値（例えば３０％）となるように、噴射量を定めて、ＮＯｘ量の低減を図る。そして、中負荷状態のときには、水素噴射量を第１の上限値に抑えてガソリン噴射量を決定し、ＮＯｘ量が充分に低減されるようにＥＧＲを行なう。高負荷状態のときには、水素噴射量を、上記第１の上限値よりも大きな第２の上限値に抑えてガソリン噴射量を決定し、ＮＯｘ量が充分に低減されるようにＥＧＲを行なう。このような構成とすれば、水素噴射量の上限値を複数段設けて、ＥＧＲを効率よく行なうことで、水素の消費量を抑える効果をさらに高めることができる。高負荷状態における水素噴射量の上限値は、最大負荷のときに、ＮＯｘ量が充分に少なくなるまでＥＧＲガス量を増やしても、支障なく燃焼反応を進行することができる量として設定すればよい。そのため、最大負荷に応じて定められるこのような上限値よりも小さな値である第１の上限値を、中負荷状態のときに用いることで、全体として水素消費量を削減することが可能となる。
【００５２】
Ｄ３．変形例３：
実施例では、ステップＳ２００で水素噴射量を増加させた後は、排ガス中のＮＯｘ量を検出して、必要に応じてＥＧＲ開度を調節することとしたが、ステップＳ２００の後は、ＮＯｘ量の検出は行なわない構成も可能である。これは、トルク変動を抑えるために必要な水素追加量は、通常は、Ａ／Ｆ（空気量と燃料量の比）に影響しないほどごくわずかでよいことによる。このように、Ａ／Ｆに影響しない極めて小さな値に水素増加量Ｇを設定して、燃焼状態を改善することが可能であり、このときの排ガス中のＮＯｘ増加量は無視する構成とすることができる。この場合には、ステップＳ２００で水素噴射量を増加させた後は、ステップＳ１９０に戻ってトルク変動の大きさを再び確認することとすればよい。
【００５３】
Ｄ４．変形例４：
実施例では、排気側には三元触媒を配設することとしたが、三元触媒に代えて酸化触媒を用いることとしても良い。従来、ＥＧＲによってＮＯｘを低減する場合には、燃焼を確保するためにＥＧＲガス量を控える必要があるため、ＮＯｘ量を充分なレベルにまで低減することは困難であった。したがって、通常は、後段の三元触媒によりＮＯｘをさらに低減していた。本発明に基づき水素添加により燃焼を確保する場合には、ＮＯｘを充分に低減可能となるように充分量のＥＧＲガスを用いることが可能である。そのため、後段触媒によらずに充分にＮＯｘを低減できる。なお、この場合にも排ガス中にＨＣは含有されるが、三元触媒ではなく酸化触媒を用いればよいため、上記のように希薄燃焼を行なう内燃機関に容易に適用できる。
【００５４】
Ｄ５．変形例５：
実施例では、ガソリンは燃焼室内に噴射（直噴）し、水素は吸気通路３２内に噴射（ポート噴射）することとしたが、種々の変形が可能である。ガソリンの噴射位置と水素の噴射位置のそれぞれについて、直噴とポート噴射のいずれを選択することも可能である。
【００５５】
また、実施例では、ＥＧＲガスの供給位置を、サージタンク３１よりも上流側にして、ＥＧＲガスと空気との混合状態を確保しているが、異なる位置からＥＧＲガスを供給することとしても良い。より下流側からＥＧＲガスを供給することとすれば、燃焼室に導入されるガス温度をより上昇させることができ、燃費向上を図ることができる。
【００５６】
Ｄ６．変形例６：
実施例では、燃焼室に水素を供給するために水素タンク５０を備えることとしたが、ガソリンを改質して生成した水素を燃焼室に供給することとしても良い。しかしながら、改質ガスは、通常、水素濃度が２１％程度であり、ＣＯや窒素をさらに含んでいる。燃焼の燃料としてＣＯを用いると、燃焼効率の低下につながる。また、窒素（不活性ガス）を含む改質ガスを燃焼室に供給することは、水素とＥＧＲとを同時に入れることと同じとなる。したがって、負荷が比較的小さいときに、水素を加えることで効率を向上させる効果をより充分に得るためには、改質ガスを用いる場合には、内燃機関に供給するのに先立って、ＣＯを除去したり、あるいは水素純度を上げる工程を行なうことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である制御装置を備えるエンジン１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】ＮＯｘ低減処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図３】ガソリンと水素とを種々の量比で噴射して、そのときの排ガス中のＮＯｘ量を調べた結果を表わす図である。
【図４】４気筒エンジンにおいて、エンジンの回転速度や出力トルクが変化する様子を示した説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１１…シリンダブロック
１２…ピストン
１６…排気マニホールド
１７…クランクシャフト
２０…シリンダヘッド
２１…排気弁
２２…吸気弁
２３…点火プラグ
３０…吸気マニホールド
３１…サージタンク
３２…吸気通路
３３…エアフロメータ
３４…エアクリーナ
３５…インジェクタ
３６…スロットルバルブ
３７…スロットルモータ
３８…ＥＧＲバルブ
３９…水素インジェクタ
４０…ＥＣＵ
４１…クランク角度センサ
４２…燃焼圧センサ
４４…ＥＧＲ流路
４４…アクセル開度センサ
５０…水素タンク
５２…水素ポンプ
５４…触媒コンバータ
５４…水素流路
５７…圧力センサ
５８…ガソリン高圧ポンプ
５９…ＮＯｘ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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