(57)【要約】【課題】  エミッション性能、燃費性能及び最大トルクについての要求をすべて満たすことができる水素エンジンの制御装置を提供する。【解決手段】  エンジンコントローラ１５は、空気流量と空気過剰率λ（空燃比）とＥＧＲバルブ開度とエンジン速度とを制御情報として、スロットルバルブ４と燃料噴射弁５とＥＧＲバルブ１２とを制御することにより、水素エンジン１のＥＧＲ制御及び空燃比制御を行う。エンジンコントローラ１５は、低トルク領域では、空燃比が理論空燃比よりもリーンな希薄空燃比（λ＝２）となるように空燃比制御を行うとともにＥＧＲの供給を停止する。中トルク領域では、空燃比が希薄空燃比（λ＝２）となるように空燃比制御を行うとともにＥＧＲの供給を実施する。高トルク領域では、空燃比が理論空燃比（λ＝１）となるように空燃比制御を行う。高トルク領域では、ＥＧＲの供給は任意である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気系又は燃焼室に燃料として水素を供給する水素供給手段と、
水素と空気とを含む混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、
排気系内の排気ガスの一部をＥＧＲとして吸気系に還流させるＥＧＲ手段と、
排気系内の排気ガスを浄化する三元触媒とを備えている水素エンジンの制御装置であって、
低トルク領域では、空燃比が理論空燃比よりもリーンでありＮＯｘ排出量がほぼ０である希薄空燃比となるよう空燃比制御手段を制御するとともにＥＧＲの供給が停止されるようＥＧＲ手段を制御し、中トルク領域では、空燃比が理論空燃比よりもリーンでありＮＯｘ排出量がほぼ０である希薄空燃比となるよう空燃比制御手段を制御するとともにＥＧＲの供給が実施されるようＥＧＲ制御手段を制御し、高トルク領域では、空燃比が理論空燃比となるよう空燃比制御手段を制御することを特徴とする水素エンジンの制御装置。
【請求項２】
中トルク領域では、エンジントルクの増加に伴いＥＧＲ率が増加方向に補正されるようＥＧＲ手段を制御することを特徴とする、請求項１に記載の水素エンジンの制御装置。
【請求項３】
高トルク領域では、ＥＧＲの供給が実施されるようＥＧＲ手段を制御することを特徴とする、請求項２に記載の水素エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料として水素を用いる水素エンジンの制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用エンジンの燃料としては、ガソリン、軽油、ＬＰＧ等の炭化水素系燃料が広く用いられている。しかし、炭化水素系燃料は、世界的な需要の急激な伸びによりその価格が著しい上昇傾向にある。また、炭化水素系燃料を用いた場合、排気ガス中に含まれるＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）が大気汚染の一因となり、かつ大量に排出されるＣＯ２（二酸化炭素）が地球の温暖化を加速する。そこで、近年、このような問題が生じるおそれのない、燃料として水素を用いる水素エンジンが脚光を浴びている。
【０００３】
水素エンジンでは、前記のとおりＨＣ及びＣＯの排出量は皆無であるものの、水素の燃焼に伴って燃焼室が高温となるので、大気汚染物質であるＮＯｘ（窒素酸化物）は依然発生する。このため、水素エンジンでも、通常、炭化水素系燃料を用いる普通のエンジンと同様に、排気系の排気ガスの一部をＥＧＲとして吸気系に還流させ、燃焼室の温度を低下させてＮＯｘの発生量を低減するようにしている（例えば、特許文献１参照）。また、水素エンジンでも、基本的には普通のエンジンと同様に、空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることにより、ＮＯｘの発生量を低減することができる。
【特許文献１】特開２００４−３４００６５号公報（段落［００１５］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、自動車用エンジンでは、前記のとおりＮＯｘその他の大気汚染物質の排出量が少ないこと、すなわちエミッション性能が良好であることが求められるほか、燃費性能が良好であることや、高負荷時における最大出力トルクが高いことも求められる。したがって、水素エンジンにおけるＥＧＲ制御や空燃比制御は、エミッション性能、燃費性能及び最大トルクがまんべんなく良好となるように行う必要がある。
【０００５】
ところで、一般に、ＥＧＲ制御及び空燃比制御との関連において、エミッション性能と燃費性能と最大トルクとの間には、こちらを立てればあちらが立たずといった複雑な相関関係がある。具体的には、表１に示すように、理論空燃比運転の場合、三元触媒により排気ガスは充分に浄化されるものの、燃費性能が悪化する。一方、希薄燃焼の場合、燃費は良好であるものの、高・中トルク領域でのエミッション性能（とくにＮＯｘ）は悪化する。ＥＧＲを使用する場合、この悪化は中トルク領域では改善されるものの、高トルク領域では改善されない。また、希薄燃焼では燃焼に使用することができる酸素量が減少するので、最大トルクが低下する。
【０００６】
表１  空燃比及びＥＧＲと、燃費性能及び排気ガス状態との関係
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○：良い      ×：悪い
【０００７】
よって、全トルク領域を理論空燃比で運転する場合、エミッション性能は良好であるものの、燃費が悪化する。一方、全トルク領域を希薄空燃比で運転する場合（希薄燃焼）、燃費は良好であるものの、エミッション性能及び最大トルクが悪化する。このように、全トルク領域を単一の空燃比で運転する場合、燃費性能、エミッション性能及び最大トルクについての要求をまんべんなく満たすことはできないといった問題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、エミッション性能、燃費性能及び最大トルクについての要求をまんべんなく満たすことができる水素エンジンの制御装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた本発明に係る水素エンジンの制御装置は、吸気系又は燃焼室に燃料として水素を供給する水素供給手段と、水素と空気とを含む混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、排気系内の排気ガスの一部をＥＧＲとして吸気系に還流させるＥＧＲ手段と、排気系内の排気ガスを浄化する三元触媒とを備えている水素エンジンに対して、ＥＧＲ制御及び空燃比制御を行うようになっている。この水素エンジンの制御装置は、低トルク領域では、空燃比が理論空燃比よりもリーンでありＮＯｘ排出量がほぼ０である希薄空燃比となるよう空燃比制御手段を制御するとともにＥＧＲの供給が停止されるようＥＧＲ手段を制御する。そして、中トルク領域では、空燃比が理論空燃比よりもリーンでありＮＯｘ排出量がほぼ０である希薄空燃比となるよう空燃比制御手段を制御するとともにＥＧＲの供給が実施されるようＥＧＲ制御手段を制御する。また、高トルク領域では、空燃比が理論空燃比となるよう空燃比制御手段を制御する。なお、ここで「燃焼室」は、レシプロエンジンの普通の燃焼室だけでなく、ロータリエンジンの作動室も含む概念である。
【００１０】
本発明に係る水素エンジンの制御装置は、中トルク領域で、エンジントルクの増加に伴いＥＧＲ率が増加方向に補正されるようＥＧＲ手段を制御するようになっているのが好ましい。また、この場合、高トルク領域で、ＥＧＲの供給が実施されるようＥＧＲ手段を制御するようになっているのがより好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る水素エンジンの制御装置によれば、低トルク領域では、空燃比のリーン化により、ＮＯｘの排出量を低減することができ、かつ燃費性能を高めることができる。そして、ＥＧＲの供給が停止されるので、ＥＧＲ制御の不安定化によるエミッション性能の低下を抑制することができる。中トルク領域では、空燃比のリーン化及びＥＧＲの供給により、ＮＯｘを十分に低減することができ、かつ燃費性能を高めることができる。高トルク領域では、空燃比が理論空燃比とされるので、高いトルクを確保することができ最大トルクを向上させることができる。なお、高トルク領域では三元触媒の機能が高められるので、排気ガス中のＮＯｘは三元触媒によって十分に浄化され、ＮＯｘの排出量が低減される。つまり、全トルク領域で、エミッション性能、燃費性能及び最大トルクについての要求を、必要な限りでまんべんなく満たすことができる。
【００１２】
本発明に係る水素エンジンの制御装置において、中トルク領域でエンジントルクの増加に伴いＥＧＲ率を増加方向に補正する場合は、該中トルク領域においてとくに最大トルクの確保とＮＯｘ排出量の低減とを両立させることができる。また、高トルク領域でＥＧＲの供給を実施する場合は、該高トルク領域において異常燃焼（プリイグ）を抑制しつつ最大トルクを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態（実施の形態）を具体的に説明する。
図１に示すように、燃料として水素を用いる水素エンジン１には、その燃焼室（ないしは作動室）に、水素を燃焼させるための空気（以下「吸入空気」という。）を供給する吸気通路２（吸気系）が設けられている。この吸気通路２には、吸入空気の流れ方向にみて、上流側（図１では左側）から順に、吸入空気の流量を検出する空気流量センサ３と、アクセルペダル（図示せず）と連動して吸入空気を絞るスロットルバルブ４と、吸気通路２内に水素を噴射する燃料噴射弁５とが設けられている。
【００１４】
ここで、燃料噴射弁５には、水素源６から、水素供給通路７を経由して水素が供給されるようになっている。水素源６としては、例えば、高圧の気体水素を貯蔵する水素ボンベ、低温の液体水素を貯蔵する液体水素容器、内部に水素吸蔵合金が充填された水素貯蔵器等を用いることができる。なお、水素吸蔵合金（例えば、メタルハイドライド）は、冷却状態で水素ガスと接触させると、この水素を体積で１／１０００程度に縮めて吸蔵する一方、加熱すると吸蔵されている水素を高い圧力を伴って放出する。
【００１５】
さらに、水素エンジン１には、燃焼室内における水素の燃焼によって生じた燃焼ガスすなわち排気ガスをエンジン外に排出するための排気通路８（排気系）が設けられている。この排気通路８には、排気ガスの流れ方向にみて、上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度ひいては燃焼室に供給される混合気（水素と吸入空気の混合物）の空気過剰率λすなわち空燃比を検出するλセンサ９と、排気ガスを浄化する三元触媒を用いた排気ガス浄化装置１０とが設けられている。
【００１６】
また、水素エンジン１には、排気通路８内の排気ガスの一部をＥＧＲとして吸気通路２に還流させるために、排気通路８のλセンサ９より上流側の部位と、吸気通路２のスロットルバルブ４より下流側で燃料噴射弁より上流側の部位とを連通するＥＧＲ通路１１が設けられている。そして、このＥＧＲ通路１１には、ＥＧＲの流量を制御するＥＧＲバルブ１２と、該ＥＧＲバルブの開度を検出するＥＧＲバルブ開度センサ１３とが設けられている。なお、ＥＧＲバルブ１２は、その開度を０〜１００％の範囲で自在に調節することができる。
【００１７】
以下、水素エンジン１の制御装置を説明する。水素エンジン１に対してはそのＥＧＲ制御及び空燃比制御を行うための制御装置として、マイクロコンピュータ等を備えたエンジンコントローラ１５が設けられている。このエンジンコントローラ１５には、空気流量センサ３によって検出された吸入空気の流量（以下、略して「空気流量」という。）と、λセンサ９によって検出された混合気の空気過剰率λ（すなわち空燃比）と、ＥＧＲバルブ開度センサ１３によって検出されたＥＧＲバルブ開度と、回転速度センサ１４によって検出された水素エンジン１（クランク軸）の回転速度（以下、略して「エンジン速度」という。）とが制御情報として入力される。なお、エンジンコントローラ１５は、ＥＧＲ制御及び空燃比制御のみを行うために独立して設けられたものであってもよく、また水素エンジン１を制御する全体的な制御装置の機能を利用したものであってもよい。
【００１８】
そして、エンジンコントローラ１５は、これらの制御情報に基づいて、スロットルバルブ４と燃料噴射弁５とＥＧＲバルブ１２とを制御ないしは操作することにより、ＥＧＲ制御及び空燃比制御を行うようになっている。以下、図２に示すフローチャートに従って、エンジンコントローラ１５によるＥＧＲ制御及び空燃比制御の具体的な制御手法を説明する。
【００１９】
図２に示すように、この制御手法では、まずステップＳ１で、空気流量と、空気過剰率λすなわち空燃比とに基づいて、現在のエンジントルクが推定される。続いて、ステップＳ２で、例えば図４に示すマップ１を用いて、エンジントルクとエンジン速度とに基づいて、現在の運転状態がどのトルク領域に入っているかが演算され、目標運転モードが決定される。
【００２０】
図４に示すように、マップ１においては、エンジントルクとエンジン速度とをパラメータとする二次元座標系において、高トルク側から低トルク側に向かって順に、領域１（高トルク領域）と、領域２（中トルク領域）と、領域３（低トルク領域）とが設定されている。そして、領域１では、空燃比を理論空燃比（すなわち、λ＝１）とする目標運転モードが設定されている。領域２では、空燃比を理論空燃比よりもリーンでありＮＯｘ排出量がほぼ０である希薄空燃比（例えば、λ＝２、又は、λ＝１〜２．５）とするとともにＥＧＲの供給を実施する目標運転モードが設定されている。領域３では、空燃比を理論空燃比よりもリーンでありＮＯｘ排出量がほぼ０である希薄空燃比（例えば、λ＝２又は、λ＝１〜２．５）とする一方ＥＧＲの供給を停止する目標運転モードが設定されている。なお、ここでは、領域２における希薄空燃比と領域３における希薄空燃比は同一であるが、両者は互いに異なるものであってもよい。
【００２１】
次に、ステップＳ３で、現在の運転状態がマップ１の領域１に入っているか否か、すなわち目標運転モードが理論空燃比運転モードであるか否かが判定される。ここで、目標運転モードが理論空燃比運転モードであると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ４で、空燃比が理論空燃比となるよう、スロットルバルブ４と燃料噴射弁５とが制御される。
【００２２】
この後、ステップＳ５で、ＥＧＲバルブ１２が全閉される。なお、ＥＧＲバルブ１２がすでに全閉状態であれば、全閉状態が維持される。この場合、空燃比が理論空燃比とされるので、高いトルクを確保することができ最大トルクを向上させることができる。また、一般に高トルク領域では三元触媒の機能が高められるので、排気ガス中のＮＯｘは排気ガス浄化装置１０内の三元触媒によって十分に浄化され、ＮＯｘの排出量が低減される。
【００２３】
このように、理論空燃比運転モード（高トルク領域）では、ＥＧＲの供給を停止するようにしているが、これは以下の理由による。すなわち、一般に、理論空燃比運転を行っているときには、三元触媒がＮＯｘを十分に浄化することができるので、ＮＯｘの低減を目的としてＥＧＲを供給することは必ずしも必要ではない。ただし、ＥＧＲを供給すれば、水素の異常燃焼（プリレグ）を防止することができるといった効果を奏する。他方、この水素エンジン１においては、異常燃焼の防止はもちろん好ましいことではあるが、第一義的な目的ではなく、また理論空燃比運転時にＥＧＲを停止しても、エミッション性能及び最大トルクの向上を図ることはできるので、最小限、本発明の目的は達成することができる。そこで、図２に示す制御手法においては、理論空燃比運転モードではＥＧＲの供給を敢えて停止するようにしている。
【００２４】
他方、前記のステップＳ３で、目標運転モードが理論空燃比運転モードでないと判定された場合は（ＮＯ）、ステップＳ６で、空燃比が、理論空燃比よりもリーンでありＮＯｘ排出量がほぼ０である、空気過剰率λが２である希薄空燃比となるよう、スロットルバルブ４と燃料噴射弁５とが制御される。
【００２５】
次に、ステップＳ７で、現在の運転状態がマップ１の領域２に入っているか否か、すなわち目標運転モードが、希薄空燃比でＥＧＲの供給を実施する運転モード（以下「希薄燃焼・ＥＧＲ実施運転モード」という。）であるか否かが判定される。ここで、目標運転モードが希薄燃焼・ＥＧＲ実施運転モードであると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ８で、図５に示すマップ２を用いて、エンジントルク及びエンジン速度に基づいて、ＥＧＲバルブ開度が制御される。
【００２６】
図５に示すように、マップ２には、図４に示すマップ１の領域２におけるＥＧＲバルブ開度目標値が、エンジントルクとエンジン速度とをパラメータとして設定されている。このマップ２では、ＥＧＲバルブ開度目標値は、エンジントルクの増加に伴ってＥＧＲバルブ開度すなわちＥＧＲ率が、２５％、５０％、７５％、１００％と段階的に増加するように設定されている。なお、ＥＧＲバルブ開度目標値を、エンジントルクの増加に伴ってＥＧＲバルブ開度が２５％から１００％まで連続的に増加するようにしてもよい。
【００２７】
このように、希薄燃焼・ＥＧＲ実施運転モード（中トルク領域）では、エンジントルクに応じてきめ細かくＥＧＲバルブ開度すなわちＥＧＲ率を制御するようにしているので、とくに最大トルクの確保とＮＯｘ排出量の低減とを有効に両立させることができる。
【００２８】
他方、ステップＳ７で、現在の運転状態がマップ１の領域２に入っていないと判定された場合、すなわち目標運転モードが希薄燃焼・ＥＧＲ実施運転モードでないと判定された場合は（ＮＯ）、現在の運転状態はマップ１の領域３（低トルク領域）に入っていることになる。この場合は、ステップＳ９で、ＥＧＲバルブ１２が全閉される。なお、ＥＧＲバルブがすでに全閉状態であれば、全閉状態が維持される。
【００２９】
つまり、ステップＳ９では、目標運転モードが、希薄空燃比でＥＧＲの供給を停止する運転モード（以下「希薄燃焼・ＥＧＲ停止運転モード」という。）に設定される。このように、希薄燃焼・ＥＧＲ停止運転モード（低トルク領域）では、ＥＧＲの供給を停止するようにしているが、これは以下の理由による。すなわち、低トルク領域では、吸気通路２内の負圧が強いので、排気通路８内の排気ガスの圧力と吸気通路２内の吸入空気の圧力の差が大きくなる。このため、ＥＧＲの供給を実施する場合、ＥＧＲバルブ１２を開度が非常に小さい状態で微妙に制御することが要求され、エンジンコントローラ１５の負荷が非常に大きくなる。そこで、エンジンコントローラ１５の負荷を低減するため、ＥＧＲの供給を停止するようにしている。
【００３０】
かくして、希薄燃焼・ＥＧＲ停止運転モードでは、空燃比のリーン化によりＮＯｘの排出量を低減することができ、エミッション性能を向上させることができ、かつ燃費性能を向上させることができる。そして、ＥＧＲの供給が停止されるので、ＥＧＲ制御の不安定化によるエミッション性能の低下を抑制することができる。
【００３１】
ところで、図２に示す制御手法では、前記のとおり、理論空燃比運転モードでは、敢えてＥＧＲの供給を停止している。しかしながら、図３に示すように、理論空燃比運転モードで、水素（燃料）の異常燃焼の発生を防止するためにＥＧＲの供給を実施してもよい。図３に示すフローチャートでは、図２に示すフローチャートのステップＳ５に代えて、ＥＧＲバルブ開度を２０％としてＥＧＲの供給を行うステップＳ１０が設けられている。
【００３２】
以上、本実施の形態に係る水素エンジン１では、エンジンコントローラ１５によって前記のとおりのＥＧＲ制御及び空燃比制御が行われる結果、全トルク領域で、エミッション性能、燃費性能及び最大トルクについての要求を、必要な限りにおいてまんべんなく満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るエンジンコントローラを備えた水素エンジンのシステム構成図である。
【図２】エンジンコントローラによるＥＧＲ制御及び空燃比制御の制御方法を示すフローチャートである。
【図３】エンジンコントローラによるＥＧＲ制御及び空燃比制御のも１つの制御方法を示すフローチャートである。
【図４】３つのトルク領域におけるＥＧＲ制御及び空燃比制御の形態を示すマップである。
【図５】図４中の領域２におけるＥＧＲ開度を示すマップである。
【符号の説明】
【００３４】
１  水素エンジン、２  吸気通路、３  空気流量センサ、４  スロットルバルブ、５  燃料噴射弁、６  水素源、７  水素供給通路、８  排気通路、９  λセンサ、１０  排気ガス浄化装置（三元触媒）、１１  ＥＧＲ通路、１２  ＥＧＲバルブ、１３  ＥＧＲバルブ開度センサ、１４  回転速度センサ、１５  エンジンコントローラ。
【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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