JP2011047281A - 水素エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出された吸気量に見合った分量の水素をエンジンに供給する水素エンジンの制御装置において、過早着火が連続的に起こってバックファイヤに至るのを抑制する。
【解決手段】水素を燃料とする車両１に設けられ、検出された吸気量に見合った分量の水素をエンジン５に供給する水素エンジン５の制御装置である。ＰＣＭ３は、吸気行程中の過早着火の発生を検出したときに、目標空燃比をリーン側に補正する。
【選択図】図９

Description

本発明は、水素を燃料とする車両に設けられ、検出された吸気量に見合った分量の水素をエンジンに供給する水素エンジンの制御装置に関するものである。

従来から、吸気通路に例えば熱線式の吸気流量センサを設け、当該吸気流量センサの出力に基づいてインジェクタからの噴射燃料量を制御するようにしたエンジンの制御装置が知られている。

ところで、この種の制御装置を水素エンジンに用いた場合には、以下のような問題がある。すなわち、水素は着火性が高いことから、吸気行程中に着火してしまう所謂過早着火が起こりやすくなる。このような過早着火が起こると、空気が吸気側に吹き替えされ、吸気通路を逆流する空気によって吸気流量センサの熱線が冷やされ、吸気量が増えたと誤検出されるおそれがある。

そうして、このような誤検出が生じると、誤検出された吸気量に見合った分量の水素がエンジンに供給されることから、すなわち、エンジンに供給される水素燃料が増えることから、過早着火が連続的に起こり、バックファイヤに至るおそれがある。

このような問題を解決するために、例えば、特許文献１では、複数の気筒毎に水素を供給する複数の水素供給手段を備えた水素エンジンの燃料制御装置おいて、過早着火の空燃比リッチ限界が低い気筒の空燃比が、過早着火の空燃比リッチ限界が高い気筒の空燃比よりリーンになるように当該水素供給手段による水素供給量を制御することで、過早着火の発生を抑制するようにしたものが開示されている。

特開２００７−７１０８７号公報

しかしながら、過早着火の空燃比リッチ限界は、気筒が複数あれば気筒毎に異なる上、水素エンジンの種類によっても異なることから、上記特許文献１に記載のもののように、気筒別に空燃比リッチ限界を設定するものでは、水素エンジンの種類に合わせて空燃比リッチ限界の設定値を変更しなければならず、その設定が煩雑になるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、検出された吸気量に見合った分量の水素をエンジンに供給する水素エンジンの制御装置において、水素エンジンの種類によらず、吸気行程中に過早着火が連続的に起こってバックファイヤに至るのを抑制する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明では、空燃比リッチ限界を予め設定するのではなく、過早着火の発生が検出されたときの空燃比をその都度リーン側に補正するようにしている。

第１の発明は、水素を燃料とする車両に設けられ、検出された吸気量に見合った分量の水素をエンジンに供給する水素エンジンの制御装置であって、吸気行程中の過早着火の発生を検出する過早着火検出手段と、上記過早着火検出手段が過早着火の発生を検出したときに、目標空燃比をリーン側に補正する目標空燃比補正手段と、を備えていることを特徴とするものである。

第１の発明によれば、目標空燃比補正手段は、過早着火検出手段が吸気行程中の過早着火の発生を検出したときに、目標空燃比をリーン側に補正するので、過早着火が連続的に発生し難くなる。これにより、水素エンジンの種類によらず、吸気行程中に過早着火が連続的に起こってバックファイヤに至るのを抑制することができる。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記車両は、少なくともバッテリの電力により駆動される走行用モータを有するハイブリッド車両であり、上記目標空燃比補正手段により目標空燃比がリーン側に補正されたときに、上記エンジンの駆動力を補うように、上記バッテリの電力によって上記走行用モータを駆動させるモータ制御手段をさらに備えていることを特徴とするものである。

ところで、過早着火の空燃比リッチ限界は、上述の如く、気筒が複数あれば気筒毎に異なる上、エンジンの種類によっても異なることから、水素エンジンの種類によらず過早着火を抑えるには、空燃比リッチ限界をある程度余裕を持った設定値にせざるを得ない。このため、気筒別に空燃比リッチ限界を設定するものでは、エンジンの高い出力トルクを確保し難いという問題がある。

ここで、第２の発明によれば、モータ制御手段は、目標空燃比補正手段により目標空燃比がリーン側に補正されたときに、エンジンの駆動力を補うようにバッテリの電力によって走行用モータを駆動させる、所謂駆動力アシストを行わせるので、エンジンの高い出力トルクを確保することができる。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記バッテリのＳＯＣを検出するＳＯＣ検出手段と、上記エンジンの運転状態を変更する運転状態変更手段と、をさらに備え、上記車両は、上記エンジンの駆動力により発電する発電機を備え、当該発電機の電力により上記走行用モータを駆動可能なシリーズ式ハイブリット車両であり、上記目標空燃比補正手段は、上記ＳＯＣ検出手段により検出されたＳＯＣが、所定の基準値以上のときは、目標空燃比をリーン側に補正する一方、所定の基準値未満のときは、目標空燃比をリーン側に補正しないものであり、上記運転状態変更手段は、上記ＳＯＣが所定の基準値未満のときに、エンジンの出力を所定出力に維持しつつ、運転状態を高回転低負荷側へ移行させることを特徴とするものである。

第３の発明によれば、目標空燃比補正手段は、ＳＯＣ検出手段により検出されたＳＯＣが所定の基準値以上のときは、目標空燃比をリーン側に補正する。そうして、目標空燃比がリーン側に補正されると、モータ制御手段がバッテリの電力によって駆動力アシストを行わせるので、過早着火が連続的に起こるのを抑えつつエンジンの高い出力トルクを確保することができる。

一方、ＳＯＣ検出手段により検出されたＳＯＣが所定の基準値未満のときは、換言すると、バッテリの電力による駆動力アシストが行い難いときは、目標空燃比補正手段は目標空燃比をリーン側に補正しないが、運転状態変更手段がエンジンの出力を所定出力に維持しつつ運転状態を高回転低負荷側へ移行させる。このように、運転状態変更手段が、運転状態を高回転側へ移行させることで、エンジンの出力を所定出力に維持することができるとともに、運転状態を低負荷側へ移行させることで、過早着火の連続的な発生が抑えることができる。

以上により、バッテリのＳＯＣが所定の基準値以上のときも所定の基準値未満のときも共に、過早着火が連続的に起こるのを抑えつつエンジンの高い出力トルクを確保することができる。

第４の発明は、上記第２又は第３の発明において、上記エンジンには、各気筒内に直接燃料を噴射する直噴インジェクタが設けられ、上記過早着火の発生が検出されたときに、噴射終了時期を上記気筒の圧縮行程後半まで遅角させるインジェクタ制御手段をさらに備え、上記目標空燃比補正手段は、上記インジェクタ制御手段による遅角量が大きいほど、上記目標空燃比のリーン側への補正量を小さくするものであり、上記モータ制御手段は、上記インジェクタ制御手段による遅角量が大きいほど、上記バッテリ電力による走行用モータの駆動力を小さくすることを特徴とするものである。

第４の発明によれば、インジェクタ制御手段は、過早着火の発生を検出したときに、噴射終了時期を気筒の圧縮行程後半まで遅角させるので、吸気行程中に噴射される水素燃料の分量が減ることから、過早着火が起き難くなる。

また、目標空燃比補正手段は、インジェクタ制御手段による遅角量が大きいほど、目標空燃比のリーン側への補正量を小さくするので、出力トルクの低下が抑えられるとともに、モータ制御手段は、インジェクタ制御手段による遅角量が大きいほど、バッテリ電力による走行用モータの駆動力を小さくするので、バッテリ電力の消費を抑制することができる。

第５の発明は、上記第３の発明において、上記エンジンには、各気筒内に直接燃料を噴射する直噴インジェクタが設けられ、上記過早着火の発生が検出され、且つ、上記ＳＯＣが所定の基準値未満のときに、噴射終了時期を上記気筒の圧縮行程後半まで遅角させるインジェクタ制御手段をさらに備え、上記運転状態変更手段は、上記過早着火の発生が検出され、且つ、上記ＳＯＣが所定の基準値未満のときに、エンジンの出力を所定出力に維持しつつ、運転状態を高回転低負荷側へ移行させるものであって、当該運転状態の高回転低負荷側への移行量を、上記インジェクタ制御手段による遅角量が大きいほど小さくすることを特徴とするものである。

第５の発明によれば、運転状態変更手段は、過早着火の発生が検出され、且つ、ＳＯＣが所定の基準値未満のときに、エンジンの出力を所定出力に維持しつつ、運転状態を高回転低負荷側へ移行させるので、バッテリの電力による駆動力アシストが行い難いときも、エンジンの高い出力トルクを確保することができる。

また、インジェクタ制御手段が噴射終了時期を気筒の圧縮行程後半まで遅角させると、吸気行程中に噴射される水素燃料の分量が減ることから、過早着火が起き難くなるとともに、運転状態変更手段は、運転状態の高回転低負荷側への移行量（負荷の低下量）を、遅角量が大きいほど小さくするので、低負荷時の燃焼効率の低下を抑制することができる。

本発明に係る水素エンジンの制御装置によれば、目標空燃比補正手段は、過早着火検出手段により過早着火の発生が検出されたときに、目標空燃比をリーン側に補正するので、過早着火が連続的に発生し難くなることから、バックファイヤに至るのを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る水素エンジンの制御装置を搭載したハイブリッド車両の概略構成図である。 エンジンの運転領域を設定したエンジン制御マップの一例を示す図である。 エンジンの制御装置の概略構成図である。 ＳＯＣが所定の基準値以上のときのエンジン制御のタイムチャートであり、同図（ａ）は空燃比の時間変化を、同図（ｂ）は充填効率の時間変化を、同図（ｃ）はエンジン回転数の時間変化を、同図（ｄ）はスロットル開度の時間変化を、同図（ｅ）はエンジン出力の時間変化を、同図（ｆ）はバッテリ電力アシスト量の時間変化を、同図（ｇ）は要求駆動力の時間変化をそれぞれ示す図である。 噴射時期遅角量とリーン補正量との関係を示す図である。 ＳＯＣが所定の基準値未満のときのエンジン制御のタイムチャートであり、同図（ａ）は空燃比の時間変化を、同図（ｂ）は充填効率の時間変化を、同図（ｃ）はエンジン回転数の時間変化を、同図（ｄ）はスロットル開度の時間変化を、同図（ｅ）はエンジン出力の時間変化を、同図（ｆ）はバッテリ電力アシスト量の時間変化を、同図（ｇ）は要求駆動力の時間変化をそれぞれ示す図である。 制御ラインを求めるためのエンジン制御マップを示す図である。 噴射時期遅角量と運転領域移行量との関係を示す図である。 ＰＣＭの制御フローチャートである。 異常燃焼認識サブルーチンの制御内容を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る水素エンジンの制御装置を搭載したハイブリッド車両の概略構成図である。この車両１は、エンジン５並びに第１及び第２モータ７，９を動力源として備え、このエンジン５は発電にのみ使用して、車両１が動くための動力は全てモータ７，９に頼る所謂シリーズハイブリッド車両である。車両１は、エンジン５並びに第１及び第２モータ７，９の他に、パワートレインコントロールモジュール（ＰＣＭ）３と、電流及び電圧センサ６１が設けられ、第１モータ（発電機）７及び第２モータ（走行用モータ）９による発電電力を充放電可能なバッテリ１１と、当該バッテリ１１と第１モータ７とに接続されている第１インバータ１７と、当該第１インバータ１７とバッテリ１１と第２モータ９とに接続されている第２インバータ１９とを備えている。

このエンジン５は、ロータリーエンジンであるとともに、使用燃料をガソリンと、ガソリンに比べて触媒未活性時における排気エミッションが少ない水素との間で選択的に切り替えて駆動可能なデュアルフューエルエンジンとされている。そうして、燃料切換スイッチ６３（図３参照）の操作によって水素が選択されると、水素タンク１３内の水素が水素噴射用のインジェクタ３３（図３参照）に供給される一方、ガソリンが選択されると、ガソリンタンク１５内のガソリンがガソリン噴射用のインジェクタ３５に供給される。なお、排気エミッションとは、触媒通過後の排ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等）のことをいう。

エンジン５の出力軸は第１モータ７の出力軸と連結されており、第１モータ７は、エンジン５により回転駆動されて発電する。第１モータ７にて発電された交流発電電力は、第１インバータ１７で直流電力に変換されてバッテリ１１に充電されたり、第２インバータ１９に供給されたりする。

一方、第２インバータ１９は、バッテリ１１の放電により供給された直流電力や第１インバータ１７から供給された直流電力を交流電力に変換して、第２モータ９へ供給するとともに、第２モータ９からの回生電力をバッテリ１１に充電する。

第２モータ９は、前後左右の４つの車輪２１ａ，２１ａ，２１ｂ，２１ｂのうち左右の前輪（駆動輪）２１ａ，２１ａにディファレンシャルギア２３を介して連結されていて、図２に示す制御マップに従ってＰＣＭ３により制御される。すなわち、第２モータ９は、車両１の定速運転時等のように当該第２モータ９に要求される出力トルクが低い低トルク運転時や車両始動時にはバッテリ１１から供給される電力により駆動され（図２の領域Ａ）、中トルク運転時にはエンジン５により駆動される第１モータ７から供給される電力によって駆動され（図２の領域Ｂ）、急加速時等の出力トルクが高い高トルク運転時には当該第１モータ７及びバッテリ１１の双方から供給される電力により駆動される（図２の領域Ｃ）。

上記エンジン５は、図３に示すように、トロコイド内周面を有する繭状のロータハウジングとサイドハウジングとに囲まれたロータ収容室（気筒）２５，２５に概略三角形状のロータ２７，２７が収容されて構成されており、その外周側には３つの作動室が区画されている。このエンジン５は、図示は省略するが、２つのロータハウジングを３つのサイドハウジングの間に挟み込むようにして一体化し、その間に形成される２つの気筒２５，２５にそれぞれロータ２７，２７を収容した２ロータタイプのものであり、図３では、その２つの気筒２５，２５を展開した状態で図示している。

ロータ２７は、外周の３つの頂部にそれぞれ配設されたシール部が各々ロータハウジングのトロコイド内周面に当接した状態でエキセントリックシャフト２９の周りを自転しながら、当該エキセントリックシャフト２９の軸心の周りに公転する。そして、ロータ２７が１回転する間に、当該ロータ２７の各頂部間にそれぞれ形成された作動室が周方向に移動しながら、吸気、圧縮、膨張（燃焼）及び排気の各行程を行い、これにより発生する回転力がロータ２７を介してエキセントリックシャフト２９から出力される。

エンジン５の各気筒２５，２５には、２つの点火プラグ３１，３１が設けられており、この２つの点火プラグ３１，３１はそれぞれ、ロータハウジングの短軸近傍に配設されている一方、各気筒２５，２５には、水素タンク１３から供給された水素を筒内に直接噴射する、２つの水素噴射用のインジェクタ（直噴インジェクタ）３３が設けられており（図３では各気筒に１つのみ示す）、２つの水素噴射用インジェクタ３３はそれぞれ、ロータハウジングの長軸近傍に、エキセントリックシャフト２９の軸方向に並んで配置されている。

また、各気筒２５，２５には、吸気行程にある作動室に連通するように吸気通路３７が連通しているとともに、排気行程にある作動室に連通するように排気通路３９が連通している。これら吸気通路３７と排気通路３９とは、ＥＧＲ通路４１で接続されており、当該ＥＧＲ通路４１に設けられたＥＧＲ弁４３の開度を制御するＥＧＲ弁アクチュエータ４５の操作により、排気通路３９の排気ガスの一部が吸気通路３７に還流されるようになっている。

吸気通路３７の上流側には、吸気量を検出するエアフローセンサ６５とステッピングモータ等のアクチュエータ４９により駆動されて吸気通路３７の断面積を調節するスロットル弁４７とが配設されているとともに、吸気通路３７の下流側には、ガソリンタンク１５から供給されるガソリンを吸気通路３７内に噴射するためのガソリン噴射用のインジェクタ３５が配設されている。また、排気通路３９には、排気を浄化するための排気浄化触媒としての三元触媒５１が配設されている。

この三元触媒５１の上流側には排気ガス中の酸素濃度を検出するリニア空燃比センサ５３が配設されている。このリニア空燃比センサ５３にはヒータ５３ｂが備えられており、このヒータ５３ｂにより素子５３ａを加熱して所定温度に維持するように構成されている。

これら点火プラグ３１，３１、ＥＧＲ弁アクチュエータ４５、スロットル弁４７のアクチュエータ４９、水素及びガソリン噴射用の各インジェクタ３３，３５、第１及び第２モータ７，９、第１及び第２インバータ１７，１９、リニア空燃比センサ５３等は、制御手段としてのＰＣＭ３によって作動制御される。

このＰＣＭ３には、本実施形態に係る制御に必要な信号として、少なくとも、車両１の速度を検出する車速センサ５５、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ５７、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ５９、上記電流センサ６１ａ及び電圧センサ６１ｂ、上記燃料切換スイッチ６３、上記エアフローセンサ６５、並びに、上記リニア空燃比センサ５３の各出力信号が入力される。

本実施形態における水素エンジンの制御装置においては、ＰＣＭ３の制御により、水素使用時は水素噴射用インジェクタ３３から水素が、ガソリン使用時はガソリン噴射用インジェクタ３５からガソリンが、エンジン５に対し供給されて当該エンジン５が駆動される。また、水素使用時及びガソリン使用時のそれぞれにおいて、ＰＣＭ３により空燃比制御が実行される。つまり、リニア空燃比センサ５３からの出力信号に基づいて、三元触媒５１の上流側の空燃比が目標空燃比となるように、スロットル開度及びエンジン回転数を制御するフィードバック制御が実行される。

また、ＰＣＭ３は、エアフローセンサ６５により検出された吸気量に見合った分量の水素をエンジン５に供給するように構成されている。より詳しくは、エアフローセンサ６５は、ホットワイヤ式のものであり、吸気通路３７を通る空気によって冷やされる熱線の冷え具合に基づいて、吸気量を検出するようになっている。そうして、ＰＣＭ３は、エアフローセンサ６５からの出力信号に基づいて、空気充填効率を算出し、この充填効率に対応した基本燃料噴射量を決定して、水素噴射用インジェクタ３３から水素を噴射させる。

ここで、水素は着火性が高いことから、吸気行程中に着火してしまう所謂過早着火が起こるおそれがある。このような過早着火が起こると、空気が吸気側に吹き替えされ、吸気通路３７を逆流する空気によってエアフローセンサ６５の熱線が冷やされ、吸気量が増えたと誤検出されるおそれがある。そうして、このような誤検出が生じると、エンジン５に供給される水素燃料が増えることから、過早着火が連続的に起こり、バックファイヤに至るおそれがある。

このような過早着火が連続的に発生するのを抑えるために、本実施形態の水素エンジンの制御装置においては、ＰＣＭ３は、過早着火の発生を検出した場合、検出されたバッテリ１１のＳＯＣ（State Of Charge）が、４５％以上のときは、目標空燃比をリーン側に補正する一方、４５％未満のときは、エンジン５の出力を所定出力に維持しつつ、運転状態を高回転低負荷側へ移行させる。

以下、過早着火の発生の検出手順を説明した後、過早着火の発生を検出した場合における、バッテリ１１のＳＯＣが４５％以上のとき及び４５％未満のときの制御をタイムチャート等を用いて説明する。なお、ＳＯＣとはバッテリ１１の充電状態を表す量であり、満充電状態をＳＯＣが１００％と表す一方、充電量がゼロの状態をＳＯＣが０％とを表す。また、バッテリ１１の開放電圧(無負荷時の電圧)とバッテリ１１のＳＯＣとは一対一の対応関係にあることから、バッテリ１１の電圧及び電流を計測することによりＳＯＣを求めることができる。そして、ＰＣＭ３は、検出されたバッテリ１１の電流及び電圧値に基づいて、バッテリ１１のＳＯＣを算出する。このことで、ＰＣＭ３は、電流センサ６１ａ及び電圧センサ６１ｂと共に、バッテリのＳＯＣを検出するＳＯＣ検出手段を構成することになる。

−過早着火の発生の検出手順−
過早着火の発生を検出するに当たり、ＰＣＭ３は、先ず、エアフローセンサ６５、リニア空燃比センサ５３、アクセル開度センサ５７及びエンジン回転数センサ５９からの出力信号を読み取る。次いで、ＰＣＭ３は、エアフローセンサ６５により検出された吸気量が増えたか否かを判定する。ここで、吸気量が増えていないと判定した場合には、ＰＣＭ３は過早着火の発生を認識しない。

一方、吸気量が増えていると判定した場合には、リニア空燃比センサ５３により検出された空燃比が所定値以上リッチ側に変動したか否かを判定する。このように、空燃比が所定値以上リッチ側に変動したか否かを判定するのは、過早着火が起こると、吸気通路３７を逆流する空気によって見かけの吸気量が増えるため、空燃比が過渡的にリッチ側に変動するからである。そこで、空燃比が所定値以上リッチ側に変動していないと判定した場合には、ＰＣＭ３は過早着火の発生を認識しない。

一方、空燃比が所定値以上リッチ側に変動したと判定した場合には、アクセル開度センサ５７により検出されたアクセル開度Ａｃｃが所定値Ａｃｃ１を超えているか否かを判定する。このように、アクセル開度Ａｃｃが所定値Ａｃｃ１を超えているか否かを判定するのは、アクセルが踏み込まれていない低負荷の場合には、過早着火が発生しないからである。このため、アクセル開度Ａｃｃが所定値Ａｃｃ１以下と判定した場合には、ＰＣＭ３は過早着火の発生を認識しない。

一方、アクセル開度Ａｃｃが所定値Ａｃｃ１を超えていると判定した場合には、アクセル開度センサ５７及びエンジン回転数センサ５９からの出力信号に基づいて算出したアクセル開度変化量ΔＡｃｃ及びエンジン回転数変化量ΔＮが、それぞれ基準アクセル開度変化量ΔＡｃｃ１及び基準エンジン回転数変化量ΔＮ１未満か否かを判定する。ここで、基準アクセル開度変化量ΔＡｃｃ１及び基準エンジン回転数変化量ΔＮ１は共に十分小さな値に設定されており、これら以上でなければアクセル開度及びエンジン回転数は変化していないとみなす基準になるものである。

このように、アクセル開度及びエンジン回転数が変化しているか否かを判定するのは以下の理由による。すなわち、アクセル開度Ａｃｃが所定値Ａｃｃ１を超える高負荷状態で、空燃比がリッチ側に変動するという現象は、リーン空燃比によるリーン運転時にアクセルを踏み込んだ場合にも検出され得る。そこで、乗員がアクセルを踏み込んだ状態と過早着火の発生とを区別するために、アクセル開度及びエンジン回転数が変化していない状態で、空燃比が所定値よりもリッチ側に増えたか否かで、過早着火による異常燃焼か否かを判定するためである。

このため、アクセル開度変化量ΔＡｃｃが基準アクセル開度変化量ΔＡｃｃ１未満で、且つ、エンジン回転数変化量ΔＮが基準エンジン回転数変化量ΔＮ１未満と判定した場合には、ＰＣＭ３は過早着火が発生していると認識するようになっている。このことで、ＰＣＭ３は、エアフローセンサ６５、リニア空燃比センサ５３、アクセル開度センサ５７及びエンジン回転数センサ５９と共に、吸気行程中の過早着火の発生を検出する過早着火検出手段を構成することになる。

−ＳＯＣが４５％以上のときの制御−
ＰＣＭ３は、図４（ａ）に示すように、空燃比が所定値よりもリッチ側に増えることで過早着火の発生を判定したときは、吸気行程中に過早着火が連続的に起こるのを抑制するために、目標空燃比をリーン側に補正する。より詳しくは、ＰＣＭ３は、検出されたＳＯＣが、４５％（所定の基準値）以上のときは、目標空燃比をリーン側に補正する。このことで、ＰＣＭ３は、過早着火の発生が検出されたときに、目標空燃比をリーン側に補正する目標空燃比補正手段を構成することになる。

このとき、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、充填効率、エンジン回転数Ｎ及びスロットル開度は変化しない。

一方、過早着火の抑制を優先させて目標空燃比をリーン側に補正することにより、図４（ｅ）に示すように、エンジン出力は低下するが、ＰＣＭ３は、エンジン５の高い出力トルクを確保するために、図４（ｆ）に示すように、バッテリ１１の電力によって第２モータ９を駆動させて車両１に駆動力を付与する駆動力アシスト（バッテリ電力アシスト）を行わせる。このことで、ＰＣＭ３は、目標空燃比がリーン側に補正されたときに、エンジン５の駆動力を補うように、バッテリ１１の電力によって走行用モータ９を駆動させるモータ制御手段を構成することになる。これにより、図４（ｇ）に示すように、要求駆動力が満足されることになる。

さらに、本実施形態における水素エンジンの制御装置においては、バッテリ電力の消費を抑えるために、ＰＣＭ３は、吸気行程中に過早着火の発生が検出されたときに、水素燃料の噴射終了時期を気筒２５の圧縮行程後半まで遅角させる。このことで、ＰＣＭ３は、過早着火の発生が検出されたときに、噴射終了時期を気筒２５の圧縮行程後半まで遅角させるインジェクタ制御手段をも構成することになる。このように、水素燃料の噴射終了時期を気筒２５の圧縮行程後半まで遅角させると、吸気行程中に噴射される水素燃料の分量が減ることから、過早着火が起き難くなる。

このため、ＰＣＭ３は、図５に示すように、遅角量が大きいほど、リーン空燃比側への補正量を小さくするとともに、バッテリ電力による第２モータ９の駆動力（バッテリ電力アシスト量）を小さくするようになっている。このように、遅角量が大きいほど、リーン空燃比側への補正量を小さくするので、出力トルクの低下が抑えられるとともに、遅角量が大きいほど、バッテリ電力アシスト量を小さくするので、バッテリ電力の消費が抑制される。

−ＳＯＣが４５％未満のときの制御−
一方、検出されたＳＯＣが、４５％未満の場合は、ＰＣＭ３は、図６（ａ）に示すように、目標空燃比をリーン側に補正しないように構成されている。

図７は、ＰＣＭ３がエンジン５の出力制御に用いる制御ラインを求めるエンジン制御マップである。このエンジン制御マップにおいて、縦軸に示す釣り合いトルクは、エンジン５のトルクと第２モータ９のトルクとが釣り合うトルクである。符号Ｐで示したラインは、第２モータ９の等出力ラインである。符号Ｑで示したラインは、エンジン５の最大トルクラインである。また、ほぼ円形で示すラインが等効率ラインであり、中心に近づくほど、より効率の高い領域となる。さらに、実線かつ符号Ｌで示すラインが、高効率制御用の制御ラインである。

ＰＣＭ３は、過早着火の発生を判定したときは、図７に示す制御マップに従って、エンジン５の出力を所定出力に維持しつつ、運転状態を高回転低負荷側へ（図７のＸからＹへ）移行させる。このことで、ＰＣＭ３は、ＳＯＣが所定の基準値未満のときに、エンジン５の出力を所定出力に維持しつつ、運転状態を高回転低負荷側へ移行させる運転状態変更手段をも構成することになる。このとき、図６（ｂ）〜（ｄ）に示すように、エンジン回転数Ｎは上昇する一方、充填効率及びスロットル開度は低下する。このように、運転状態を高回転側へ移行させることで、図６（ｅ）に示すように、エンジン５の出力が所定出力に維持されるとともに、運転状態を低負荷側へ移行させることで、過早着火の連続的な発生が抑えられる。そうして、エンジン５の出力が所定出力に維持されることから、図６（ｆ）に示すように、バッテリ１１の電力によって第２モータ９を駆動させなくても、図６（ｇ）に示すように、要求駆動力が満足されることになる。

さらに、図７に示す制御マップでは、等効率ラインの中心に近い程より効率の高い領域となることから、本実施形態における水素エンジンの制御装置においてＰＣＭ３は、低負荷時の燃焼効率の低下を抑制するために、換言すると、運転状態の高回転低負荷側への移行量を小さくするために、過早着火の発生が検出されたときに、水素燃料の噴射終了時期を気筒２５の圧縮行程後半まで遅角させるとともに、図７及び図８に示すように、運転状態の高回転低負荷側への移行量を、水素燃料の噴射終了時期の遅角量が大きいほど小さくする（図７のＸからＺへ移行させる）ようになっている。このように、水素燃料の噴射終了時期を気筒気筒２５の圧縮行程後半まで遅角させると、吸気行程中に噴射される水素燃料の分量が減ることから、過早着火が起き難くなる。これにより、運転状態の高回転低負荷側への移行量を小さくすることが可能となるので、運転状態が等効率ラインの中心に近づき、低負荷時の燃焼効率の低下が抑制される。

−制御装置の処理動作−
ここで、制御装置の処理動作について、図９に示すフローチャートに基づいて説明する。

先ず、最初のステップＳＡ１では、燃料切換スイッチ６３の操作によって選択された燃料と、車速センサ５５により検出された車速と、アクセル開度センサ５７により検出されたアクセル開度と、エンジン回転数センサ５９により検出されたエンジン回転数Ｎと、電流センサ６１ａにより検出されたバッテリ１１の電流及び電圧センサ６１ｂにより検出されたバッテリ１１の電圧値と、をＰＣＭ３が読み込み、しかる後にステップＳＡ２に進む。

次のステップＳＡ２では、ＰＣＭ３が、ステップＳＡ１で読み込まれたバッテリ１１の電流及び電圧値に基づいて、バッテリ１１のＳＯＣを算出し、しかる後にステップＳＡ３に進む。次のステップＳＡ３では、運転状態がエンジン運転領域か否かを判定する。より詳しくは、運転状態が、中トルク運転時などエンジン５により駆動される第１モータ７から供給される電力によって駆動される領域（図２の領域Ｂ）、又は、高トルク運転時などエンジン５により駆動される第１モータ７及びバッテリ１１の双方から供給される電力により駆動される領域（図２の領域Ｃ）に属するか否かを判定する。このステップＳＡ３の判定がＮＯであるとき、すなわち、運転状態が、低トルク運転時や車両始動時などバッテリ１１から供給される電力により駆動される領域（図２の領域Ａ）に属すると判定されたときは、ステップＳＡ４に進む。

次のステップＳＡ４では、バッテリ１１から供給される電力により第２モータ９を駆動させて走行するモータ走行制御を行う。モータ走行制御においては、過早着火が発生することはないので、そのままリターンする。一方、ステップＳＡ３の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ５に進む。

次のステップＳＡ５では、燃料切換スイッチ６３の操作によって水素が選択されたか否かを判定する。このステップＳＡ５の判定がＮＯであるときは、ステップＳＡ６に進み、燃料としてガソリンを選択し、そのままリターンする。一方、ステップＳＡ５の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ７に進む。

次のステップＳＡ７では、燃料として水素を選択し、しかる後にステップＳＡ８に進み、後述する異常燃焼認識を行った後、ステップＳＡ９に進む。次のステップＳＡ９では、ステップＳＡ８の認識結果に基づいて異常燃焼（過早着火）が生じたか否かを判定する。このステップＳＡ９の判定がＮＯであるとき、すなわち、異常燃焼が発生していないと判定したときは、そのままリターンする。一方、ステップＳＡ９の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ１０に進む。

次のステップＳＡ１０では、ＰＣＭ３が、吸気行程中の過早着火の発生を抑えるべく、吸気行程中に噴射される水素燃料の量を減少させるために、水素噴射用インジェクタ３３からの水素燃料の噴射終了時期を気筒２５の圧縮行程後半まで遅角させる燃料噴射時期遅角制御を行い、しかる後にステップＳＡ１１に進む。

次のステップＳＡ１１では、ステップＳＡ２で算出されたバッテリ１１のＳＯＣが４５％未満か否かを判定する。このステップＳＡ１０の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＡ１２に進む。

次のステップＳＡ１２では、ステップＳＡ１０の燃料噴射時期遅角制御による遅角量が大きいか否かを判定する。このステップＳＡ１２の判定がＮＯであるとき、すなわち、燃料噴射時期遅角制御による遅角量が小さいときは、ステップＳＡ１４に進み、スロットル開度の閉補正量を大きく設定し、次のステップＳＡ１５でエンジン回転数Ｎの増補正量を大きく設定する。一方、ステップＳＡ１２の判定がＹＥＳであるとき、すなわち、燃料噴射時期遅角制御による遅角量が大きいときは、ステップＳＡ１７に進み、スロットル開度の閉補正量を小さく設定し、次のステップＳＡ１８でエンジン回転数Ｎの増補正量を小さく設定する。このように、遅角量が小さいときは、ステップＳＡ１４及びＳＡ１５で、運転状態を高回転低負荷側へ大きく移行させる一方、遅角量が大きいときは、ステップＳＡ１７及びＳＡ１８で、運転状態を高回転低負荷側へ小さく移行させ、しかる後にステップＳＡ１６に進む。

次のステップＳＡ１６では、所定時間を経過したか否かを判定し、このステップＳＡ１６の判定がＹＥＳであるときは、そのままリターンする一方、このステップＳＡ１６の判定がＮＯであるときは、所定時間が経過するまでステップＳＡ１６の判定を繰り返し、しかる後にリターンする。

これに対し、ステップＳＡ１１の判定がＮＯであるとき、すなわち、ステップＳＡ２で算出されたバッテリ１１のＳＯＣが４５％以上のときは、ステップＳＡ１３に進み、ステップＳＡ１２と同様に、ステップＳＡ１０の燃料噴射時期遅角制御による遅角量が大きいか否かを判定する。このステップＳＡ１３の判定がＹＥＳであるとき、すなわち、燃料噴射時期遅角制御による遅角量が大きいときは、ステップＳＡ１９に進み、目標空燃比のリーン側への補正量を小さく設定し、次のステップＳＡ２０でバッテリ電力による駆動アシスト量（バッテリ電力アシスト量）を小さく設定し、しかる後にリターンする。

一方、ステップＳＡ１３の判定がＮＯであるとき、すなわち、燃料噴射時期遅角制御による遅角量が小さいときは、ステップＳＡ２１に進み、目標空燃比のリーン側への補正量を大きく設定し、次のステップＳＡ２２でバッテリ電力アシスト量を大きく設定し、しかる後にリターンする。

次に、異常燃焼認識（ステップＳＡ８）サブルーチンについて、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。

先ず、最初のステップＳＢ１では、エアフローセンサ６５により検出された吸気量と、リニア空燃比センサ５３により検出された酸素濃度と、アクセル開度センサ５７により検出されたアクセル開度と、エンジン回転数センサ５９により検出されたエンジン回転数Ｎと、をＰＣＭ３が読み込み、しかる後にステップＳＢ２に進む。

次のステップＳＢ２では、吸気量が増えたか否かを判定し、このステップＳＢ２の判定がＮＯであるときは、そのままエンドする一方、このステップＳＢ２の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＢ３に進む。

次のステップＳＢ３では、空燃比が所定値以上リッチ側に変動したか否かを判定し、このステップＳＢ３の判定がＮＯであるときは、そのままエンドする一方、このステップＳＢ３の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＢ４に進む。

次のステップＳＢ４では、アクセル開度Ａｃｃが所定値Ａｃｃ１を超えているか否か、すなわち、アクセルが踏み込まれて高負荷になっているか否かを判定し、このステップＳＢ４の判定がＮＯであるときは、そのままエンドする一方、このステップＳＢ４の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＢ５に進む。

次のステップＳＢ５では、アクセル開度変化量ΔＡｃｃが基準アクセル開度変化量ΔＡｃｃ１未満か否か、すなわち、アクセル開度量が変化していないか否かを判定し、このステップＳＢ５の判定がＮＯであるとき、すなわち、アクセル開度量が変化しているときは、そのままエンドする一方、このステップＳＢ５の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＢ６に進む。

次のステップＳＢ６では、エンジン回転数変化量ΔＮが基準エンジン回転数変化量ΔＮ１未満か否か、すなわち、エンジン回転数が変化していないか否かを判定し、このステップＳＢ６の判定がＮＯであるとき、すなわち、エンジン回転数が変化しているときは、そのままエンドする一方、このステップＳＢ６の判定がＹＥＳであるときは、ステップＳＢ７に進む。

次のステップＳＢ７では、過早着火による以上燃焼が発生していることを認識し、しかる後にエンドする。

−効果−
本実施形態によれば、ＰＣＭ３は、吸気行程中の過早着火の発生を検出したときに、目標空燃比をリーン側に補正するので、過早着火が連続的に発生し難くなる。これにより、水素エンジンの種類によらず、吸気行程中に過早着火が連続的に起こってバックファイヤに至るのを抑制することができる。

また、ＰＣＭ３は、目標空燃比がリーン側に補正されたときに、エンジン５の駆動力を補うようにバッテリ電力アシストを行わせるので、エンジン５の高い出力トルクを確保することができる。

さらに、ＰＣＭ３は、検出されたＳＯＣが４５％以上のときは、目標空燃比をリーン側に補正するとともに、バッテリ電力アシストを行わせるので、過早着火が連続的に起こるのを抑えつつエンジン５の高い出力トルクを確保することができる。

一方、検出されたＳＯＣが４５％未満のときは、換言すると、バッテリ電力アシストが行い難いときは、ＰＣＭ３は、目標空燃比をリーン側に補正しないが、エンジン５の出力を所定出力に維持しつつ運転状態を高回転低負荷側へ移行させる。このように、運転状態を高回転側へ移行させることで、エンジン５の出力を所定出力に維持することができるとともに、運転状態を低負荷側へ移行させることで、過早着火の連続的な発生を抑えることができる。

以上により、バッテリ１１のＳＯＣが４５％以上のときも４５％未満のときも共に、過早着火が連続的に起こるのを抑えつつエンジン５の高い出力トルクを確保することができる。

さらに、ＰＣＭ３は、過早着火の発生を検出したときに、噴射終了時期を気筒２５の圧縮行程後半まで遅角させるので、吸気行程中に噴射される水素燃料の分量が減ることから、過早着火が起き難くなる。

また、ＰＣＭ３は、遅角量が大きいほど、目標空燃比のリーン側への補正量を小さくするとともに、バッテリ電力による第２モータ９の駆動力を小さくするので、出力トルクの低下が抑えられるとともにバッテリ電力の消費を抑制することができる。

さらに、ＰＣＭ３は、過早着火の発生を検出し、且つ、検出されたＳＯＣが所定の基準値未満のときに、エンジン５の出力を所定出力に維持しつつ、運転状態を高回転低負荷側へ移行させるので、バッテリ電力アシストが行い難いときも、エンジン５の高い出力トルクを確保することができる。

また、噴射終了時期を気筒２５の圧縮行程後半まで遅角させると、吸気行程中に噴射される水素燃料の分量が減ることから、過早着火が起き難くなるとともに、ＰＣＭ３は、運転状態の高回転低負荷側への移行量（負荷の低下量）を、遅角量が大きいほど小さくするので、低負荷時の燃焼効率の低下を抑制することができる。

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

上記実施形態では、エンジン５を、使用燃料をガソリンと水素との間で選択的に切り替えて駆動可能なデュアルフューエルエンジンとしたが、これに限らず、バッテリ電力アシストを行わないのであれば、単にロータリーエンジンとしてもよい。

また、上記各実施形態では、車両１をシリーズ式ハイブリット車両としたが、エンジン５の出力を所定出力に維持しつつ、運転状態を高回転低負荷側へ移行させる制御を行わないのであれば、車両１をパラレル式ハイブリット車両としてもよい。

さらに、上記各実施形態では、バッテリ電力アシストを制限するＳＯＣの基準値を４５％に設定したが、これに限らず、バッテリ１１の容量等に合わせて適宜決定してもよい。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

以上説明したように、本発明は、水素を燃料とする車両に設けられ、検出された吸気量に見合った分量の水素をエンジンに供給する水素エンジンの制御装置等について有用である。

１ 車両
３ ＰＣＭ（過早着火検出手段）（目標空燃比補正手段）（モータ制御手段）（運転状態変更手段）（インジェクタ制御手段）（ＳＯＣ検出手段）
５ エンジン
７ 第１モータ（発電機）
９ 第２モータ（走行用モータ）
１１ バッテリ
２５ 気筒
３３ 水素噴射用インジェクタ（直噴インジェクタ）
５３ リニア空燃比センサ（過早着火検出手段）
５７ アクセル開度センサ（過早着火検出手段）
５９ エンジン回転数センサ（過早着火検出手段）
６１ａ 電流センサ（ＳＯＣ検出手段）
６１ｂ 電圧センサ（ＳＯＣ検出手段）
６５ エアフローセンサ（過早着火検出手段）

Claims (5)

1. 水素を燃料とする車両に設けられ、検出された吸気量に見合った分量の水素をエンジンに供給する水素エンジンの制御装置であって、
   吸気行程中の過早着火の発生を検出する過早着火検出手段と、
   上記過早着火検出手段が過早着火の発生を検出したときに、目標空燃比をリーン側に補正する目標空燃比補正手段と、を備えていることを特徴とする水素エンジンの制御装置。
2. 請求項１記載の水素エンジンの制御装置において、
   上記車両は、少なくともバッテリの電力により駆動される走行用モータを有するハイブリッド車両であり、
   上記目標空燃比補正手段により目標空燃比がリーン側に補正されたときに、上記エンジンの駆動力を補うように、上記バッテリの電力によって上記走行用モータを駆動させるモータ制御手段をさらに備えていることを特徴とする水素エンジンの制御装置。
3. 請求項２記載の水素エンジンの制御装置において、
   上記バッテリのＳＯＣを検出するＳＯＣ検出手段と、
   上記エンジンの運転状態を変更する運転状態変更手段と、をさらに備え、
   上記車両は、上記エンジンの駆動力により発電する発電機を備え、当該発電機の電力により上記走行用モータを駆動可能なシリーズ式ハイブリット車両であり、
   上記目標空燃比補正手段は、上記ＳＯＣ検出手段により検出されたＳＯＣが、所定の基準値以上のときは、目標空燃比をリーン側に補正する一方、所定の基準値未満のときは、目標空燃比をリーン側に補正しないものであり、
   上記運転状態変更手段は、上記ＳＯＣが所定の基準値未満のときに、エンジンの出力を所定出力に維持しつつ、運転状態を高回転低負荷側へ移行させることを特徴とする水素エンジンの制御装置。
4. 請求項２又は３記載の水素エンジンの制御装置において、
   上記エンジンには、各気筒内に直接燃料を噴射する直噴インジェクタが設けられ、
   上記過早着火の発生が検出されたときに、噴射終了時期を上記気筒の圧縮行程後半まで遅角させるインジェクタ制御手段をさらに備え、
   上記目標空燃比補正手段は、上記インジェクタ制御手段による遅角量が大きいほど、上記目標空燃比のリーン側への補正量を小さくするものであり、
   上記モータ制御手段は、上記インジェクタ制御手段による遅角量が大きいほど、上記バッテリ電力による走行用モータの駆動力を小さくすることを特徴とする水素エンジンの制御装置。
5. 請求項３記載の水素エンジンの制御装置において、
   上記エンジンには、各気筒内に直接燃料を噴射する直噴インジェクタが設けられ、
   上記過早着火の発生が検出され、且つ、上記ＳＯＣが所定の基準値未満のときに、噴射終了時期を上記気筒の圧縮行程後半まで遅角させるインジェクタ制御手段をさらに備え、
   上記運転状態変更手段は、上記過早着火の発生が検出され、且つ、上記ＳＯＣが所定の基準値未満のときに、エンジンの出力を所定出力に維持しつつ、運転状態を高回転低負荷側へ移行させるものであって、当該運転状態の高回転低負荷側への移行量を、上記インジェクタ制御手段による遅角量が大きいほど小さくすることを特徴とする水素エンジンの制御装置。

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