(57)【要約】【課題】燃料カット復帰時に失火の抑制とエミッションの低減とを両立可能な水素利用内燃機関を提供する。【解決手段】燃料カット復帰条件が成立した場合には、マップを参照してエンジン運転条件に応じた通常運転時の液体燃料噴射量と水素噴射量とを算出する（ステップ１０６）。その後、ステップ１０６で算出された液体燃料噴射量と水素噴射量を補正することで、燃料カット復帰時の液体燃料噴射量と水素噴射量とを算出する（ステップ１０８）。このステップ１０８で算出された燃料カット復帰時の水素噴射量は、通常運転時の水素噴射量よりも大きい値である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関であって、
吸気通路もしくは燃焼室内に液体燃料を噴射する液体燃料噴射部と、
前記吸気通路もしくは前記燃焼室内に水素を噴射する水素噴射部と、
内燃機関の運転条件に応じて、前記液体燃料噴射部により噴射される液体燃料噴射量と、前記水素供給部により噴射される水素噴射量とを算出する噴射量算出手段とを備え、
前記噴射量算出手段は、燃料カット復帰時の水素噴射量を通常運転時に比して増量するものであることを特徴とする水素利用内燃機関。
【請求項２】
液体燃料と水素の少なくとも一方を燃料として運転可能な水素利用内燃機関であって、
吸気通路もしくは燃焼室内に液体燃料を噴射する液体燃料噴射部と、
前記吸気通路もしくは前記燃焼室内に水素を噴射する水素噴射部と、
内燃機関の運転条件に応じて、前記液体燃料噴射部により噴射される液体燃料噴射量と、前記水素噴射部により噴射される水素噴射量とを算出する噴射量算出手段とを備え、
前記噴射量算出手段は、燃料カット復帰初期は水素のみで必要量を供給すべく水素噴射量を算出し、その後は液体燃料噴射量を徐々に増やすと共に水素噴射量を徐々に減らすことを特徴とする水素利用内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料カット復帰時に、機関回転に同期した燃料噴射（同期噴射）に加えて、同期しない燃料噴射（非同期噴射）を実行する装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この装置によれば、燃料カット復帰時に液体燃料噴射量を増量することができるため、失火を抑制することができる。
【０００３】
【特許文献１】特公平４−８０２１９号公報
【特許文献２】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、燃料カット復帰時に、液体燃料噴射量を増量すると、空燃比が大きく燃料リッチ側になってしまう。その結果、ＨＣやＣＯの排出量が増大してしまい、燃費が悪化すると共にエミッションが悪化する可能性がある。
また、低機関回転数や低冷却水温である場合は燃焼限界が厳しいため、液体燃料を増量するだけでは燃料カット復帰を行うことができない場合がある。この場合、燃料カットを行うことができなくなる。
【０００５】
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、燃料カット復帰時に失火の抑制とエミッションの低減とを両立可能な水素利用内燃機関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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、液体燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関であって、
吸気通路もしくは燃焼室内に液体燃料を噴射する液体燃料噴射部と、
前記吸気通路もしくは前記燃焼室内に水素を噴射する水素噴射部と、
内燃機関の運転条件に応じて、前記液体燃料噴射部により噴射される液体燃料噴射量と、前記水素供給部により噴射される水素噴射量とを算出する噴射量算出手段とを備え、
前記噴射量算出手段は、燃料カット復帰時の水素噴射量を通常運転時に比して増量するものであることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、液体燃料と水素の少なくとも一方を燃料として運転可能な水素利用内燃機関であって、
吸気通路もしくは燃焼室内に液体燃料を噴射する液体燃料噴射部と、
前記吸気通路もしくは前記燃焼室内に水素を噴射する水素噴射部と、
内燃機関の運転条件に応じて、前記液体燃料噴射部により噴射される液体燃料噴射量と、前記水素噴射部により噴射される水素噴射量とを算出する噴射量算出手段とを備え、
前記噴射量算出手段は、燃料カット復帰初期は水素のみで必要量を供給すべく水素噴射量を算出し、その後は液体燃料噴射量を徐々に増やすと共に水素噴射量を徐々に減らすことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第１の発明によれば、燃料カット復帰時の水素噴射量を通常運転時に比して増量することで、空燃比がストイキ又はリーンであっても十分な燃焼安定性を得ることができる。このため、燃料カット復帰時に、液体燃料噴射量を増量して、空燃比を大きくリッチ側にする必要がない。よって、燃料カット復帰時に失火の抑制とエミッションの低減とを両立することができる。
【０００９】
第２の発明によれば、燃料カット復帰初期は水素噴射量のみを用いることで、空燃比がリーンであっても十分な燃焼安定性を確保することができる。よって、燃料カット復帰時に失火の抑制とエミッションの低減とを両立することができる。さらに、液体燃料噴射量を徐々に増やすと共に水素噴射量を徐々に減らすことで、水素消費量を低減できると共に、燃焼室内の燃焼状態の急変に起因するショック発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の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。
【００１１】
実施の形態１．
［システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。本実施の形態１のシステムは、内燃機関（以下「エンジン」ともい。）１を備えている。内燃機関１は、炭化水素燃料（例えば、ガソリン等の液体燃料）と水素の少なくとも一方を燃料として運転可能な水素利用内燃機関である。内燃機関１は複数の気筒を有しているが、図１には、複数気筒のうちの１気筒のみを示している。
【００１２】
内燃機関１は、内部にピストン２を有するシリンダブロック４を備えている。シリンダブロック４には、内燃機関１の冷却水温Twを検出する冷却水温センサ６が設けられている。ピストン２は、クランク機構を介してクランクシャフト８と接続されている。クランクシャフト８の近傍には、クランク角センサ１０が設けられている。クランク角センサ１０は、クランクシャフト８の回転角度（以下「クランク角」という。）CAを検出するように構成されている。
【００１３】
シリンダブロック４の上部にはシリンダヘッド１２が組み付けられている。ピストン２上面からシリンダヘッド１２までの空間は燃焼室１４を形成している。シリンダヘッド１２には、燃焼室１４内の混合気に点火する点火プラグ１６が設けられている。
【００１４】
シリンダヘッド１２は、燃焼室１４と連通する吸気ポート１８を備えている。この吸気ポート１８と燃焼室１４との接続部には吸気バルブ２０が設けられている。吸気ポート１８には、吸気通路２２が接続されている。吸気通路２２には、吸気ポート１８の近傍に液体燃料を噴射するインジェクタ２３と、水素を噴射するインジェクタ２４とが設けられている。これらのインジェクタ２３，２４の上流にはスロットルバルブ２６が設けられている。スロットルバルブ２６は、スロットルモータ２８により駆動される電子制御式のバルブである。スロットルバルブ２６は、アクセル開度センサ３０により検出されるアクセル開度AAに基づいて駆動されるものである。スロットルバルブ２６の近傍にはスロットル開度TAを検出するスロットル開度センサ２７が設けられている。
【００１５】
また、シリンダヘッド１２は、燃焼室１４と連通する排気ポート３２を備えている。排気ポート３２と燃焼室１４との接続部には排気バルブ３４が設けられている。排気ポート３２には排気通路３６が接続されている。排気通路３６には、排気ガスを浄化する浄化触媒３８が設けられている。浄化触媒３８の上流には、排気空燃比を検出する空燃比センサ４０が設けられている。
【００１６】
また、本実施の形態１のシステムは、液体燃料であるガソリンを貯留するガソリンタンク４２を備えている。ガソリンタンク４２は、配管４４を介して上記インジェクタ２３に連通している。配管４４の途中には、ポンプ４６とレギュレータ４８とが設けられている。このような構成によれば、インジェクタ２３から吸気通路２２にガソリンを噴射することが可能である。
【００１７】
また、本実施の形態１のシステムは、圧縮水素が充填された水素タンク５０を備えている。水素タンク５０は、配管５２を介して上記インジェクタ２４に連通している。配管５２の途中には、レギュレータ５４が設けられている。このような構成によれば、インジェクタ２４から吸気通路２２に水素を噴射することが可能である。
【００１８】
また、本実施の形態１のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。ＥＣＵ６０の出力側には、点火プラグ１６、インジェクタ２３，２４、スロットルモータ２８、ポンプ４６等が接続されている。ＥＣＵ６０の入力側には、冷却水温センサ６、クランク角センサ１０、スロットル開度センサ２７、アクセル開度センサ３０、空燃比センサ４０等が接続されている。
ＥＣＵ６０は、各センサの出力に基づいて、燃料噴射制御や点火時期制御のような内燃機関全体の制御を実行する。また、ＥＣＵ６０は、クランク角センサ１０の出力に基づいて、機関回転数NEを算出する。また、ＥＣＵ６０は、アクセル開度センサ３０により検出されるアクセル開度AA等に基づいて、機関負荷KLを算出する。
【００１９】
［実施の形態１の特徴］
上記システムによれば、機関回転数NEが所定回転数（例えば、2000rpm）以上であり、かつ、スロットルバルブ２６が全閉である場合に、燃料噴射を禁止する燃料カット（以下「Ｆ／Ｃ」ともいう。）が行われる。これにより、減速時に燃費を向上させることができる。また、燃料カット中に機関回転数NEが所定回転数（例えば、1200rpm）以下になると、燃料カットが解除され、燃料の噴射が再開される。すなわち、燃料カットからの復帰（以下「燃料カット復帰」という。）が行われる。
【００２０】
ところで、燃料カット中は、燃料の噴射が禁止されるため、吸気ポート壁面やシリンダ壁面に対しての燃料が付着しない。このため、燃料カット復帰時に、アイドル時と同程度の燃料噴射量で燃料を噴射した場合には、燃焼室１４内において可燃混合気を生成することができず、失火することもある。
そこで、既述した先行技術である特許文献１のように、燃料カット復帰時には、該壁面への燃料付着量を考慮して余分に燃料を噴射する方法が考えられる。この方法によれば、燃料カット復帰時に空燃比が大きく燃料リッチ側にされる。しかしながら、空燃比が大きく燃料リッチ側にされると、失火を抑制することができるものの、燃費が悪化し、ＨＣやＣＯの排出量が大幅に増加してしまう。
【００２１】
そこで、本実施の形態１では、燃料カット復帰時に、通常運転時に比して水素噴射量を増量する。水素の燃焼限界拡大効果により、液体燃料噴射量を増量して空燃比をリッチにしなくても、つまり、空燃比がストイキもしくはリーンであっても十分な燃焼安定性を得ることができる。よって、燃料カット復帰時に、失火抑制とエミッション低減とを両立することができる。
【００２２】
［実施の形態１における具体的処理］
図２は、本実施の形態１において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。
図２に示すルーチンによれば、先ず、エンジン運転条件を取得する（ステップ１００）。このステップ１００では、例えば、機関回転数NE、負荷KL及び冷却水温Twが、ＥＣＵ６０内に取り込まれる。
【００２３】
次に、燃料カット中であるか否かを判別する（ステップ１０２）。ＥＣＵ６０は、本ルーチンとは別のルーチンにおいて、機関回転数NEが所定回転数（例えば、2000rpm）以下であり、かつ、スロットル開度TAが全閉である場合に、インジェクタ２３，２４による燃料噴射を禁止する燃料カットを行う。
【００２４】
ステップ１０２で燃料カット中でないと判別された場合には、通常運転時の液体燃料噴射量と水素噴射量とを算出する（ステップ１１２）。このステップ１１２では、ＥＣＵ６０は、ＥＣＵ６０内に予め記憶されたマップを参照して、上記ステップ１００で取得されたエンジン運転条件に応じた液体燃料噴射量及び水素噴射量が算出される。例えば、高回転域ほど水素噴射量が少なくされ、低回転高負荷域ではノック防止のため水素噴射量が多くされる。その後、上記ステップ１１２で算出された液体燃料噴射量及び水素噴射量となるように、インジェクタ２３からガソリンを噴射すると共に、インジェクタ２４から水素を噴射する（ステップ１１４）。
【００２５】
一方、上記ステップ１０２で燃料カット中であると判別された場合には、燃料カット復帰条件が成立しているか否かを判別する（ステップ１０４）。このステップ１０４では、機関回転数NEが所定値（例えば、1200rpm）以下であるか否かが判別される。ステップ１０４で燃料カット復帰条件が成立していないと判別された場合、つまり、機関回転数NEが所定値よりも大きい場合には、本ルーチンを終了する。この場合、燃料カットが継続して行われる。
【００２６】
上記ステップ１０４で燃料カット復帰条件が成立していると判別された場合、つまり、機関回転数NEが所定値以下である場合には、先ず、上記ステップ１１２と同様に、エンジン運転条件に応じた通常運転時の液体燃料噴射量と水素噴射量とを算出する（ステップ１０６）。続いて、上記ステップ１０６で算出された通常運転時の液体燃料噴射量と水素噴射量を補正することで、燃料カット復帰時の液体燃料噴射量と水素噴射量を算出する（ステップ１０８）。このステップ１０８で算出される水素噴射量は、上記ステップ１０６で算出される水素噴射量よりも大きい値とされる。すなわち、燃料カット復帰時の水素噴射量は通常運転時に比して多く算出される。なお、燃料カット復帰時は、空燃比がストイキ若しくはリーンとなるように液体燃料噴射量が算出されるため、液体燃料噴射量は通常運転時に比して大幅に増量されない。
その後、上記ステップ１０８で算出された燃料カット復帰時の液体燃料噴射量及び水素噴射量となるように、インジェクタ２３からガソリンを噴射すると共に、インジェクタ２４から水素を噴射する（ステップ１１０）。
【００２７】
以上説明したように、図２に示すルーチンによれば、燃料カット復帰条件が成立した場合には、通常運転時の液体燃料噴射量と水素噴射量を補正することで燃料カット復帰時の液体燃料噴射量と水素噴射量が算出される。これにより、燃料カット復帰時は通常運転時に比して水素噴射量が増量されるため、液体燃料噴射量を大幅に増量して空燃比を大きく燃料リッチ側に制御せずとも、ストイキもしくはリーン空燃比で十分な燃焼安定性を確保することができる。よって、燃料カット復帰時に失火の抑制とエミッションの低減とを両立することができる。
【００２８】
ところで、本実施の形態１では、液体燃料及び水素を吸気通路に噴射するシステムについて説明したが、それらの燃料を燃焼室１４内に直接噴射するシステムに対しても本発明を適用することができる。この場合も、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
また、本実施の形態１では、水素タンク５０に蓄えられた水素を供給するシステムについて説明したが、排気熱を利用した脱水素反応や改質反応、又は、水の電気分解等により車上で生成した水素を供給するシステムに対しても本発明を適用することができる。この場合も、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
また、図２に示すフローでは２つのステップ１０６，１０８で燃料カット復帰時の噴射量を求めているが、１つのステップで求めるようにしてもよい。また、ステップ１０８において、液体燃料噴射量は補正せず、水素噴射量のみを補正するようにしてもよい。
【００３１】
尚、本実施の形態１においては、ＥＣＵ６０が、ステップ１０８の処理を実行することにより第１の発明における「噴射量算出手段」が実現されている。
【００３２】
実施の形態２．
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ６０に、後述する図３に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００３３】
［実施の形態２の特徴］
上記実施の形態１では、燃料カット復帰時に通常運転時よりも水素噴射量を増加させることで、失火抑制とエミッション低減とを両立させている。
ところで、燃料カット復帰時の初期段階、つまり、冷却水温が低く機関回転数が低い場合には、燃焼室１４内の燃焼状態が不安定である。
【００３４】
そこで、本実施の形態２では、燃料カット復帰時の初期段階は、水素のみを燃料として運転する。水素のみを燃焼させる方が、水素と液体燃料を燃焼させる場合よりも、燃焼室１４内で安定した燃焼状態を確保できる。また、水素は液体燃料と異なり吸気ポートやシリンダの壁面への付着が無いため、リーン空燃比でも必要な燃焼発熱量を得ることができ、ＨＣやＣＯの排出量を大幅に低減することができる。
さらに、本実施の形態２では、機関回転数NEと冷却水温Twが基準値以上になると、燃料カット復帰時の初期段階が終了したと判断し、ある程度良好な燃焼状態が得られると判断する。そこで、機関回転数NEと冷却水温Twが基準値以上の場合には、徐々に液体燃料の割合を増加させる。具体的には、液体燃料噴射量を徐々に増加させると共に、水素噴射量を徐々に減少させる。これにより、水素の消費量を低減することができる。さらに、液体燃料噴射量を一気に増加させずに徐々に増加させることで、燃焼室における燃焼特性の急激な変化によるショックを抑制することができる。
本実施の形態２によれば、燃料カット復帰時の失火抑制と、燃費及びエミッションの大幅向上とを両立させることができる。さらに、エンジン暖機前の低温時であっても水素のみを噴射することで燃料カット復帰が可能であるため、低温時から燃料カットを実行することが可能である。これにより、燃費及びエミッションを大幅に向上することが可能である。
【００３５】
［実施の形態２における具体的処理］
図３は、本実施の形態２において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。
図３に示すルーチンによれば、上記実施の形態１と同様に、ステップ１０４の処理まで実行する。ステップ１０４で燃料カット復帰条件が成立していると判別された場合、つまり、機関回転数NEが所定値以下である場合には、燃料カット時の水素噴射量を算出する（ステップ１１６）。このステップ１１６では、ＥＣＵ６０内に予め記憶されたマップを参照して、ステップ１００で取得されたエンジン運転条件に応じた水素噴射量が算出される。すなわち、実施の形態１とは異なり、このステップ１１６では水素のみで必要量を供給すべく、水素噴射量が算出される。下記ステップ１１８では液体燃料は噴射されないため、液体燃料噴射量は算出されなくても算出されてもよい。
その後、上記ステップ１１６で算出された水素噴射量となるように、インジェクタ２４から水素を噴射させる（ステップ１１８）。すなわち、燃料カット復帰初期は、液体燃料は噴射されず、水素のみが噴射される。そして、上記ステップ１００と同様に、エンジン運転条件を再度取得する（ステップ１２０）。
【００３６】
次に、機関回転数NEが所定値A（例えば、700rpm）以上であり、かつ、冷却水温Twが所定値B（例えば、80℃）以上であるか否かを判別する（ステップ１２２）。このステップ１２２では、燃焼が安定な条件であるか否かが判別される。ステップ１２２で機関回転数NEが所定値A未満であるか、又は、冷却水温Twが所定値B未満であると判別された場合、つまり、燃料が不安定な条件である場合には、ステップ１１６に戻る。この場合、より安定した燃焼状態を得るため、水素のみが燃料として噴射される。
【００３７】
一方、上記ステップ１２２で機関回転数NEが所定値A以上であり、かつ、冷却水温Twが所定値B以上であると判別された場合、つまり、燃焼が安定な条件である場合には、ステップ１２４に移行する。このステップ１２４では、燃料カット復帰時の液体燃料噴射量及び水素噴射量が算出される。詳細には、ＥＣＵ６０は、ＥＣＵ６０内に予め記憶されたマップを参照して、上記ステップ１２０で取得されたエンジン運転状態に応じた液体燃料噴射量及び水素噴射量が算出される。ここで、燃焼状態の急激な変化を避けるため、ステップ１２４では液体燃料噴射量は少量とされ、液体燃料噴射量に対する水素噴射量の割合が高くされる。その後、上記ステップ１２４で算出された液体燃料噴射量及び水素噴射量となるように、インジェクタ２３からガソリンを噴射すると共に、インジェクタ２４から水素を噴射する（ステップ１２６）。その後、機関回転数NEが所定値C（例えば、2000rpm）以上になるまで、つまり、燃料カット復帰の終了と判断されるまで、徐々に液体燃料噴射量の割合を増加させる（ステップ１２８）。このステップ１２８では、徐々に水素噴射量が少なくされると共に、徐々に液体燃料噴射量が多くされる。
【００３８】
以上説明したように、図３に示すルーチンによれば、燃料カット復帰条件成立後の初期は、水素のみが噴射される。燃料カット復帰初期は水素のみを噴射することで、低回転や低温時の燃焼条件が悪い場合であっても、リーン空燃比で十分な燃焼安定性を確保することができる。よって、低温時であっても、燃料カット及び燃料カット復帰を実行することができるため、燃費及びエミッション特性を大幅に向上させることができる。
さらに、機関回転数NEが所定値A以上、かつ、冷却水温Twが所定値B以上になると、水素と共に液体燃料が噴射された後、液体燃料の割合が徐々に高くされる。液体燃料の割合を一気に高くせずに徐々に高くすることで、燃焼室１４内の燃焼特性の急激な変化によるショック発生を抑制することができる。
【００３９】
尚、本実施の形態２においては、ＥＣＵ６０が、ステップ１１６，１２４，１２８の処理を実行することにより第２の発明における「噴射量算出手段」が実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１    内燃機関
２    ピストン
４    シリンダブロック
６    冷却水温センサ
８    クランクシャフト
１０  クランク角センサ
１２  シリンダヘッド
１４  燃焼室
１６  点火プラグ
１８  吸気ポート
２０  吸気バルブ
２２  吸気通路
２４  インジェクタ
２６  スロットルバルブ
２７  スロットル開度センサ
２８  スロットルモータ
３０  アクセル開度センサ
３２  排気ポート
３４  排気バルブ
３６  排気通路
３８  触媒
４０  空燃比センサ
４２  ガソリンタンク
４４，５２  配管
４６  ポンプ
４８，５４  レギュレータ
５０  水素タンク
６０  ＥＣＵ
【図１】
2007146757.tif 000003
【図２】
2007146757.tif 000004
【図３】
2007146757.tif 000005