JP4186840B2

JP4186840B2 - 水素エンジンの制御装置

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Publication number: JP4186840B2
Application number: JP2004050860A
Authority: JP
Inventors: 誠治三好; 啓司山田; 明秀高見
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: JP2005240657A

Description

本発明は、水素と、ガソリン、軽油、天然ガス等の化石燃料との少なくとも一方を燃料として作動する水素エンジンの制御装置に関し、より詳しくは、ＮＯｘ吸蔵触媒を排気通路に備えた水素エンジンの制御装置に関する技術分野に属する。

一般に、車両用等のエンジンにおいては、排ガス中に含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害成分を除去する装置として三元触媒が用いられる。しかし、近年における燃費性能の向上を目的とした希薄燃焼方式等を採用するエンジンの場合、排ガス中の酸素濃度が高くなるため、ウインドウが理論空燃比近傍の狭い範囲にある従来の三元触媒ではＮＯｘを十分に除去できないという問題が発生する。

これに対処するものとして、排気通路に空燃比がリーン（酸素過剰状態）のときには排ガス中のＮＯｘを吸収し、空燃比がリッチ（酸素不足状態）になれば吸収していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸蔵触媒を配置することが知られている。これによれば、空燃比を適切に制御することにより、リーン状態では、ＮＯｘが上記ＮＯｘ吸蔵触媒に吸収され、またリッチ状態では、ＮＯｘが上記ＮＯｘ吸蔵触媒から放出されて、多量に存在するＣＯ，ＨＣと反応し、やはり有害成分の外部への排出が抑制される。その結果、希薄燃焼方式を採用するエンジンのＮＯｘ排出量を効果的に低減させることが可能となる。

ところで、ＮＯｘ吸蔵触媒にはイオウ被毒の問題がある。つまり燃料に含まれるイオウ成分がＳＯｘ等となって、ＮＯｘ吸蔵触媒に付着して該触媒のＮＯｘ吸収を妨害し、ＮＯｘ浄化率を低下させるのである。そのため、定期的にＮＯｘ吸蔵触媒からイオウを放出除去する必要があり、例えば特許文献１に記載のイオウ放出制御として、ＮＯｘ吸蔵触媒へのイオウ付着量を燃料流量や排ガス温度等に基づいて推定し、該推定量が所定量以上となったときに空燃比をリッチ化し、かつ触媒を昇温させるために排ガスを昇温してＮＯｘ吸蔵触媒からイオウを放出除去させるものがある。

一方、近年、環境保護に対応して、ガソリン、軽油、天然ガス等の化石燃料に代わって水素を燃料とする水素エンジン、あるいは化石燃料と水素とを併用して作動するハイブリッド式の水素エンジンが提案されている。このような水素エンジンの例として特許文献２に記載の水素エンジンがある。これによるとエンジンは、燃焼室内にガソリンを供給する燃料噴射弁と同じく水素を供給する水素噴射弁とを備えており、運転状況に応じて切換可能となっている。

特開平１１−４４２１１号公報特開平７−９７９０６号公報

ところで、水素を燃料とした燃焼により発生するＨ_２を含む排ガスは、化石燃料の燃焼により発生するＨＣ，ＣＯ等を含む排ガスよりも還元力が強いという特性を持つので、リッチ化したときにＮＯｘ吸蔵触媒からのイオウ放出の効率が良い。しかしながら、水素を燃料とした状態で空燃比をリッチ化してＮＯｘ吸蔵触媒に吸収されたイオウを放出するときには上記の水素の強い還元力により有害なＨ_２Ｓが発生するという問題がある。

一方、イオウ放出制御開始後直ちに燃料を化石燃料に切り換えてＨ_２Ｓの発生を抑制することが考えられるが、化石燃料を燃料とした燃焼は、水素を燃料とした燃焼に比べて排ガス温度が低く、触媒昇温に長時間を要し、その結果ＮＯｘ触媒からの実質的なイオウ放出開始が遅れるので、イオウ放出のための空燃比のリッチ化状態が長引くことになり、燃費が低下する。

そこで、本発明は、イオウ放出制御に伴う空燃比のリッチ化の際、ＮＯｘ吸蔵触媒からイオウを迅速に放出すると共に、Ｈ_２Ｓの発生を抑制する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課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し空燃比が理論空燃比またはリッチのときに吸蔵していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸蔵触媒を排気通路内に配置し、燃焼室内に化石燃料を供給する第１燃料供給手段と、燃焼室内に水素を供給する第２燃料供給手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、エンジンの運転状態に応じて燃焼室に供給する燃料に占める化石燃料と水素との割合を変更する燃料割合変更手段とを有する水素エンジンの制御装置であって、上記ＮＯｘ吸蔵触媒のイオウ被毒度合いに関するパラメータを検出するイオウ被毒度合い検出手段と、上記イオウ被毒度合いが所定以上のときは空燃比をリッチ化するイオウ放出手段とを備え、上記燃料割合変更手段は、上記イオウ放出手段による空燃比リッチ化の開始から所定時間が経過するまでの間の燃料に占める水素の割合を、上記所定期間が経過した以降の割合に比べて大きくすることを特徴とする。

次に、請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載の水素エンジンの制御装置において、排ガス温度に関するパラメータを検出する排ガス温度検出手段が備えられ、燃料割合変更手段は、排ガス温度が低いほど所定期間を大きい値に設定することを特徴とする。

そして、請求項３に記載の発明は、上記請求項１に記載の水素エンジンの制御装置において、排ガス温度に関するパラメータを検出する排ガス温度検出手段が備えられ、燃料割合変更手段は、排ガス温度が高いほど燃料に占める水素の割合の増大を抑制することを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、ＮＯｘ吸蔵触媒のイオウ被毒度合いが所定以上のときは、空燃比リッチ化の開始から所定期間が経過するまでの間の燃料に占める水素の割合を、所定期間が経過した以降の割合に比べて大きくすることによって、燃焼速度の高い水素による燃焼により所定期間の間に排ガスを急速に昇温させてＮＯｘ吸蔵触媒からのイオウの放出を促進することができる。さらに、水素の燃焼によって排ガスを急速に昇温させることにより、実質的なイオウ放出開始を早めることができ、その結果空燃比のリッチ化の期間を短くすることができるので燃費を向上することができる。また、所定期間経過後は水素を燃料とした燃焼を抑制して有害なＨ_２Ｓの発生を抑制することができる。

次に、請求項２に記載の発明によれば、排ガス温度が低いほど、燃料に占める水素の割合が比較的大きくされる所定期間を大きい値に設定することによって、イオウ放出のために排ガスを急速かつ十分に昇温することができる。

そして、請求項３に記載の発明によれば、排ガス温度が高いほど、燃料に占める水素の割合の増大を抑制することによって、あまり排ガスを昇温しなくてもよいときには排ガス昇温のために水素を燃料とした燃焼を抑制するように設定することにより、Ｈ_２Ｓの発生を抑制することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。

まず、図１は、エンジン１の全体的な構成について示す。エンジン１は、水素とガソリンとを燃料として併用する水素エンジンであって、複数の気筒２…２（１つのみ図示）が直列に設けられたシリンダブロック３と、該シリンダブロック３上に配設されたシリンダヘッド４とを有し、各気筒２内にはそれぞれピストン５が往復動可能に嵌挿され、該ピストン５冠面とシリンダヘッド４下面との間の気筒２内に燃焼室６が画成されている。ピストン５の往復動はコネクティングロッド７を介してクランク軸８の回転運動に変換される。また、上記シリンダブロック３には、クランク軸８の回転角度を検出する電磁式のクランク角センサ９と、各気筒２毎の燃焼圧の変動に基づいてノッキングを検出するためのノックセンサ１０と、図示しないウォータジャケットの内部に臨んで冷却水の温度（エンジン水温）を検出するエンジン水温センサ１１とが配設されている。

一方、上記シリンダヘッド４には、各気筒２毎に燃焼室６の天井面に臨んで開口するように吸気ポート２０及び排気ポート２１が２つずつ開口し、各ポート２０，２１の燃焼室６側の開口部に吸気弁２２及び排気弁２３が配置されている。これら吸気弁２２及び排気弁２３は、それぞれシリンダヘッド４の内部に軸支された吸気側及び排気側カム軸（図示せず）によって、上記クランク軸８の回転に同期して開閉動作をする。また、吸気側のカム軸には、その回転角度を検出するための電磁式のカム角センサ２４が設けられている。また、各気筒２毎に上記シリンダヘッド４を上下方向に貫通しかつ吸・排気弁２２，２３に取り囲まれるようにして、点火プラグ２５が配設されている。この点火プラグ２５の先端の電極は燃焼室６の天井面から所定距離だけ下方に突出している。また、点火プラグ２５の基端部は、ヘッドカバー２６を貫通するように配設された点火回路（イグナイタ）２７に接続されている。

上記燃焼室６の底部となるピストン５の冠面は、外周側の部位が燃焼室６の天井面とほぼ平行な形状とされる一方、ピストン５冠面のほぼ中央部には平面視で概略レモン形状の凹部が設けられている。また、燃焼室６の吸気側の周縁部には、墳口を臨ませて燃焼室６内に水素燃料を噴射する水素用インジェクタ２８が配設されている。一方、吸気ポート２０に墳口を臨ませて吸気ポート２０内にガソリン（軽油、天然ガス等の化石燃料を燃料に用いてもよい）を噴射するガソリン用インジェクタ２９が配設されている。

上記水素用インジェクタ２８の基端側は全気筒２に共通の水素用燃料分配管３０に接続され、この水素用燃料分配管３０により高圧水素燃料ポンプ３１から吐出される水素燃料が各気筒２毎の水素用インジェクタ２８に分配されるようになっている。そして、水素用インジェクタ２８により圧縮行程で水素が噴射されると、この水素燃料噴霧は燃焼室６内の吸気流動によって減速されて、適度な濃度状態の混合気塊を点火プラグ２５周りに形成する。なお、上記水素用燃料分配管３０には、水素用インジェクタ２８から噴射される水素燃料の圧力状態（燃料噴射圧）を測定するための水素用燃圧センサ３２が配設されている。

一方、上記ガソリン用インジェクタ２９の基端側は全気筒２に共通のガソリン用燃料分配管３３に接続され、このガソリン用燃料分配管３３により高圧燃料ポンプ３４から吐出される燃料が各気筒２に臨む吸気ポート２０毎のガソリン用インジェクタ２９により分配されるようになっている。そして、そのガソリン用インジェクタ２９により吸気行程でガソリンが噴射されると、吸気流動によりガソリンが燃焼室２内に吸入される。なお、上記ガソリン用燃料分配管３３には、ガソリン用インジェクタ２９から噴射されるガソリンの圧力状態（燃料噴射圧）を測定するためのガソリン用燃圧センサ３５が配設されている。

なお、ここでは水素用インジェクタ２８を燃焼室６内への直噴とし、ガソリン用インジェクタ２９を吸気ポート２０への噴射とするように構成しているが、水素用インジェクタ２８を吸気ポート２０への噴射としかつガソリン用インジェクタ２９を燃焼室６内への直噴となるように構成したり、水素及びガソリン用インジェクタ２８，２９の両方を燃焼室６内への直噴、あるいは両方を吸気ポート２０への噴射となるように構成してもよい。なお、水素用インジェクタ２８を吸気ポート２０へ噴射するように構成すると、水素の燃焼性の高さにより、水素が燃焼室６に導入する前、すなわち吸気ポート２０内で燃焼することがある。

エンジン１の一側面には（図の右側の側面）には、各気筒２毎の吸気ポート２０に連通するように吸気通路４０が接続されている。この吸気通路４０は、エンジン１の燃焼室６に対してエアクリーナ４１で濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から下流側に向かって順に、エンジン１への吸入空気量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ４２と、吸気通路４０の断面積を変更する電気式スロットル弁４３及びその位置を検出するスロットルセンサ４４と、サージタンク４５とが配設されている。スロットル弁４３は、図外のアクセルペダルに対して機械的には連結されておらず、図示しない電動モータにより開閉されるようになっている。また、サージタンク４５には、スロットル弁４３よりも下流の吸気通路４０の圧力を検出するブーストセンサ４６が配設されている。
また、上記サージタンク４５よりも下流側の吸気通路４０は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、該各独立通路の下流端部はさらに２つに分岐してそれぞれ吸気ポート２０に個別に連通する分岐路となっている。この分岐路から独立通路までの間には、燃焼室６内の吸気流動の強さを調節するための絞り弁（ＴｕｎｂｌｅＳｗｉｒｌＣｏｎｔｒｏｌＶａｌｖｅ：以下、ＴＳＣＶという）４７が配設されていて、例えばステッピングモータ等によって開閉作動される。このＴＳＣＶ４７の弁体には一部に切欠きが形成されており、全閉状態ではその切欠き部のみから下流側に流れる吸気が燃焼室６において強い筒内流動を生成する。一方、ＴＳＣＶ４７が開かれるに従い、吸気は切欠き部以外からも流通するようになって、筒内流動の強さは徐々に低下するようになる。

エンジン１の他側面（図の左側の側面）には、気筒２内の燃焼室６から既燃ガス（排ガス）を排出するための排気通路５０が接続されている。これらの排気通路５０の上流側は、各気筒２毎の吸気ポート２０につながる排気マニホルドにより構成され、該排気マニホルドよりも下流側の排気通路５０には、排ガス中の有害成分であるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための２つの触媒コンバータ５１，５２が直列に配設されている。

上流側の触媒コンバータ５１は、詳細は図示しないが、ケーシング内にハニカム構造の担体を収容したもので、この担体の各貫通孔の壁面にいわゆる三元触媒５３の触媒層が形成されている。この三元触媒５３は、従来より周知の通り、排ガスの空燃比状態がほぼ理論空燃比を含む所定の状態にあるときに、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘをほぼ完全に浄化可能なものである。

また、下流側の触媒コンバータ５２は、１つのケーシング内に２つの担体を直列に収容し、そのうちの上流側の担体の各貫通孔壁面にいわゆるＮＯｘ吸蔵タイプの触媒層を形成して、上流側ＮＯｘ吸蔵触媒５４を構成すると共に、下流側の担体にも同様にＮＯｘ吸蔵タイプの触媒層を形成して、下流側ＮＯｘ吸蔵触媒５５を構成したものである。ここで、上記ＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５は、バリウムを主成分とし、カリウム、マグネシウム、ストロンチウム、ランタン等のアルカリ金属、アルカリ土類金属、或は希土類と、白金等の化学反応触媒作用を有する貴金属とを担持させてなり、排ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーン状態のときに排ガス中のＮＯｘを吸蔵する一方、そのようにして吸蔵したＮＯｘを空燃比のリッチ化に応じて放出し、かつ還元浄化するという機能を有している（ＮＯｘ放出制御）。

また、ＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５はバリウムを含有するので、燃料中のイオウ成分（ＳＯｘ）が触媒に付着するというイオウ被毒の問題がある。イオウはＮＯｘ放出制御では放出できず、これをそのまま放置するとＮＯｘ浄化能力が低下するから、付着したイオウを放出させて触媒の浄化能力を回復させるための処理（ＳＯｘ放出制御）、すなわちイオウ被毒解消のためのＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５の昇温が行われる。

このＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５の昇温は、燃料の分割噴射や点火時期の遅角（点火リタード）により排ガス温度を上昇させることで達成される。イオウ被毒は空燃比がリーン状態のときほど進行しやすく、リッチ状態になるほど遅くなる。したがって、ＳＯｘ放出制御では空燃比をリッチ化したうえでＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５を昇温してイオウの放出を促進する。

詳しくは、上記ＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５により排ガス中のＮＯｘが吸蔵され、あるいは放出されるメカニズムは、以下のようなものである。まず、図２（ａ）に模式的に示すように、排ガスの空燃比が水素を燃料としたリーン状態のときには、酸素過剰雰囲気の排ガス中のＮＯｘ及びＳＯｘが触媒金属上で酸素Ｏ_２と反応してその一部がバリウムと結合しながら、ＮＯｘ及びＳＯｘとして吸蔵される。一方、図２（ｂ）に示すように、排ガスの空燃比状態が理論空燃比がそれよりもリッチな状態であれば、リーン状態の場合とは反対に反応が進行し、バリウムから離れたＮＯｘが排ガス中のＨＣ，ＣＯと反応して（還元反応）、窒素Ｎ_２と酸素Ｏ_２とに分解される。このとき、ＳＯｘは放出されずバリウムと結合したままである。

そして、ＮＯｘ放出制御を行う運転においては図２（ａ）と図２（ｂ）との状態を繰り返すことになるが、図２（ｃ）のように多量のＳＯｘがバリウムと結合してその表面に残存すると、水素リーン状態のときにＮＯｘを吸蔵できないことがある。

そこで、図２（ｄ）のように、触媒を６００〜６５０℃に昇温させると共に空燃比をリッチ化することによって、バリウム表面に結合したＳＯｘを放出して、バリウム表面にＮＯｘを吸着できる面積を確保するようにしている。

上記エンジン１の排気マニホルドの集合部付近には排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（第１の酸素濃度センサ）５６が配設されており、主にこのセンサ５６からの信号に基づいてエンジン１の空燃比フィードバック制御が行われるようになっている。また、上記２つの触媒コンバータ５１，５２の中間には上流側三元触媒５３の劣化状態を判定するための第２の酸素濃度検出センサ５７と、ＮＯｘ吸蔵触媒５４に流入する排ガスの温度を検出する排気温度検出センサ５８とが配設され、さらに、２つのＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５の中間には第３の酸素濃度センサ５９が配設されている。

また、上記排気マニホルドよりも下流側の排気通路５０には、そこから分岐するようにして排ガスの一部を吸気通路４０に還流させる排気還流通路（以下、ＥＧＲ通路という）６０の上流端が連通している。このＥＧＲ通路６０の下流端は上記サージタンク４５の内部に臨んで開口していて、該下流端近傍のＥＧＲ通路６０にはデューティソレノイド弁からなるＥＧＲ弁６１が配設されている。このＥＧＲ弁６１によってＥＧＲ通路６０における排気の還流量が調節されるようになっている。

上述した点火回路２７、水素及びガソリン用インジェクタ２８，２９、水素及びガソリン用高圧燃料ポンプ３１，３４、スロットル弁４３、ＴＳＣＶ４７、ＥＧＲ弁６１等は、いずれもエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵという）７０によって作動制御される。一方、このＥＣＵ７０には、少なくとも、上記クランク角センサ９、ノックセンサ１０、水温センサ１１、エアフローセンサ４１、スロットルセンサ４４、３つの酸素濃度センサ５６，５７，５９、排気温度センサ５８等からの出力信号がそれぞれ入力され、さらに、アクセルペダルの操作量（以下、アクセル開度という）を検出するアクセル開度センサ７１からの出力信号と、エンジン回転速度（クランク角の回転速度）を検出する回転速度センサ７２、車速を検出する車速センサ７３からの出力信号とが入力されるようになっている。

ＥＣＵ７０は、上記各センサから入力される信号に基づいてエンジン１への吸入空気量や各気筒２毎の燃料噴射量、噴射時期及び点火時期を制御し、さらに、気筒２内の吸気流動の強さや排気の還流割合等を制御する。具体的には、図３に制御マップで示すように、エンジン１の温間の全運転領域のうち低負荷低回転域側には水素リーン領域が設定されて、ここでは水素用インジェクタ２８により圧縮行程で燃料を噴射させて、点火プラグ２５周りに層状に偏在させた水素を燃焼させる希薄燃焼を行う。一方、水素リーン領域より高負荷高回転域側は、いわゆる均一燃焼領域であり、ここではガソリン用インジェクタ２９により主に吸気行程で燃料を噴射させて、燃焼室内で吸気とガソリンを十分に混合し、該燃焼室全体に概ね均一な混合気を形成した上で燃焼させるガソリンリーン領域が設定されている。

次に、本発明に係る実施の形態の作用効果について説明する。

図４〜６に示すフローチャートは、図３に示す制御マップを具備した水素エンジンのＥＣＵ７０によるＮＯｘ放出制御及びＳＯｘ放出制御の具体的な制御手順を示す。図３に示すように、運転モードとして低負荷低回転時には水素を燃料とした水素リーン領域、高負荷高回転時にはガソリンを燃料としたガソリンリーン領域が設定されている。そして、ＮＯｘ放出制御の開始条件として、前回のＮＯｘ放出からのリーン運転の時間積算値によって算出されたＮＯｘ吸蔵量が第１所定値Ｑ_１以上となったときと、所定量以上の加速が検出されたときとが設定されている。また、ＳＯｘ放出制御の開始条件として、前回のＳＯｘ放出からの、リーン運転の時間積算値（ＮＯｘ放出制御において算出した時間積算値の５〜１０倍）からＳＯｘ被毒量を算出して第２所定値Ｓ_１以上となったときが設定されている。

図４のフローチャートによると、まず、ステップＳ１で、水温センサ１１、カム角センサ２４、エアフローセンサ４１、酸素濃度センサ５６，５７，５９、アクセル開度センサ７１、回転速度センサ５２等からの各種信号を入力し、さらにＥＣＵ７０のＲＡＭに一時的に保存されているデータを読み込む。続いて、ステップＳ２において、エンジン１の目標トルクとエンジン回転速度とに基づいて、図３に示す制御マップからエンジン１の現在の運転モードを決定する。なお、目標トルクは、エンジン１の負荷状態に対応するものであり、例えば、回転速度センサ７２により検出されたエンジン回転速度とアクセル開度センサ７１により検出されたアクセル開度とに基づいて、予め実験的に設定したマップから読み出す。

そして、ステップＳ３において、主に第１の酸素濃度センサに基づいて空燃比及び点火時期を決定する。このとき、例えば加速時は大きなトルクを得るためにリーンの度合いを弱めるように空燃比が決定される。そして、ステップＳ４及びステップＳ５で上述のリーン運転の時間積算値からＮＯｘ吸蔵量Ｑ及びＳＯｘ被毒量Ｓを計算して、ＥＣＵ７０のＲＡＭに記憶されたこれらの記憶データを更新する。ＮＯｘ吸蔵量Ｑの計算は、リーン運転中はＮＯｘ吸蔵量Ｑは増量中となり、またリッチ運転中はＮＯｘ吸蔵量Ｑは減量中となり、さらに加速が検出されたときにはＮＯｘ吸蔵量Ｑは減量中となるように計算される。一方、ＳＯｘ被毒量Ｓの計算は、リーン運転中及びリッチ運転中はＳＯｘ被毒量Ｓは増量中となり、リッチ状態かつ点火リタードでＳＯｘ被毒量Ｓは減量するように計算される。

そして、ステップＳ６で、フラグＦ_１が１にセットされているか否かを判断して、フラグＦ_１=０のときにはステップＳ７に進む。ステップＳ７では上記ステップＳ４で計算されたＮＯｘ吸蔵量Ｑが予め設定された第１所定値Ｑ_１よりも大きいか否かを判断する。ＮＯｘ吸蔵量Ｑが第１所定量Ｑ_１よりも小さいときは図５の（Ｉ）に進み、ＮＯｘ吸蔵量Ｑが第１所定値Ｑ_１よりも大きいときはステップＳ８に進んでＮＯｘ放出制御を開始する。ステップＳ８ではＮＯｘ放出時間Ｃを設定し、ステップＳ９でフラグＦ_１を１にセットする。次に、ステップＳ１０で現在の使用燃料が水素とガソリンのいずれかであるかを判定して、現在の使用燃料が水素であればステップＳ１１に進んで燃料をガソリンに切り換えたのち、ステップＳ１２で空燃比のリッチ化を行う。ステップＳ１０で現在の使用燃料がガソリンである場合には、そのままステップＳ１２に進んで空燃比をリッチ化する。ステップＳ１２で空燃比のリッチ化を行ったのち、ステップＳ１３でカウントＴに１を加算して、ステップＳ１４でガソリン用インジェクタ２９によるガソリンの噴射及び上記ステップＳ３で決定した点火時期での点火を実行してリターンする。

また、ステップＳ６でフラグＦ_１が１であるときには、ステップＳ１５でカウントＴがＣと等しいか否かを判定し、カウントＴがＣと等しくない場合はステップＳ１２に進んで空燃比のリッチ化を行う。一方、カウントＴがＣと等しい場合は、ステップＳ１６に進んでフラグを０にリセットすると共に、ステップＳ１７において上記ステップＳ４で計算したＮＯｘ吸蔵量Ｑを０にリセットして、ステップＳ１８でカウントＴを０にリセットする。そして、ステップ１４においてステップＳ２で図３に示す制御マップによって決定された燃料に応じて水素用及びガソリン用インジェクタ２８，２９のいずれかの燃料の噴射及び上記ステップＳ３で決定した点火時期での点火を実行してリターンする。

ステップＳ７でＮＯｘ吸蔵量Ｑが第１所定量Ｑ_１以下であるときには、図５のステップＳ１９に進む。すなわち、ステップＳ１９においてフラグＦ_２が１であるか否かを判定する。フラグＦ_２が１でないときは、ステップＳ２０に進んで、ＳＯｘ被毒量Ｓが第２所定量Ｓ_１以上であるか否かを判定し、ＳＯｘ被毒量Ｓが第２所定量Ｓ_１以上であるときにはＳＯｘ放出制御を開始する。まず、ステップＳ２１で初期所定時間Ｃ_１を設定する。このとき、主に排気温度センサ５８が検出した排ガス温度に基づいて初期所定時間Ｃ_１が設定される。また、排ガス温度が高ければ初期所定時間Ｃ_１は短く（またはゼロに）設定される傾向にある。そして、ステップＳ２２でフラグＦ_２を１に設定すると共に、ステップＳ２３でカウントｔに１を加算する。次に、ステップＳ２４で時間ｔが上記初期設定時間Ｃ_１と等しいかどうかを判定する。カウントｔが初期設定時間Ｃ_１に等しくないときにはステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５では現在の使用燃料を判定し、使用燃料がガソリンであれば、ステップＳ２６で燃料をガソリンから水素に切り換えてステップＳ２７で空燃比をリッチ化、点火リタードを設定する一方、使用燃料が水素であればそのままステップＳ２７の空燃比のリッチ化、点火リタードを設定して、ステップＳ２８で水素用インジェクタ２８による水素燃料の噴射及びステップＳ２７でリタードに設定した点火を実行してリターンする。

一方、ステップＳ２０でＳＯｘ被毒量Ｓが第２所定量Ｓ_２よりも小さいときには、ステップＳ２９で加速の判定を行う。ここで加速有りと判定されればステップＳ３０に進んで空燃比をリッチ化して、ステップ２８に進んでステップＳ２で図３に示す制御マップによって決定された燃料に応じて水素用及びガソリン用インジェクタ２８，２９のいずれかの燃料の噴射及び上記ステップＳ３で決定された点火時期での点火を実行してリターンする。すなわち、加速がある場合は、現在使用している燃料が水素またはガソリンにかかわらず空燃比をリッチ化するように制御される。一方、加速なしと判定されたときは、空燃比のリッチ化を行わずに同様に燃料の噴射及び点火を実行してリターンする。

一方、ステップＳ２４でｔがＣ_１と等しいときにはステップＳ３１においてフラグＦ_２を０にリセットすると共に、ステップＳ３２でカウントｔを０にリセットして図６の（ＩＩ）に進む。

図６のフローチャートにおいて、まずステップＳ３３でフラグＦ_３が１であるか否かを判定する。フラグＦ_３が１でなければステップＳ３４に進んで終期設定時間Ｃ_２を設定し、ステップＳ３５でフラグＦ_３を１に設定して、ステップ３６でカウントτに１を加算する。そして、ステップＳ３７で使用燃料をガソリンに切り換える。次に、ステップＳ３８で空燃比のリッチ化及び点火リタードを設定し、ステップ３９でガソリン用インジェクタによるガソリンの噴射及びステップＳ３８でリタードに設定した点火を実行してリターンする。

一方、ステップＳ４１でフラグＦ_３が１の場合は、ステップＳ４０に進んでカウントτが終期設定時間Ｃ_２と等しいか否かを判定する。そして、時間τが終期設定時間Ｃ_２と等しくないときには、ステップＳ３６に進んで空燃比、点火リタードの設定を行い、前述のステップＳ３７〜３９を実行してリターンする。また、カウントτが終期設定時間Ｃ_２と等しいときにはステップＳ４１でフラグＦ_３を０にリセットすると共に、ステップＳ４２でＳＯｘ被毒量Ｓを０にリセットして、カウントτを０にリセットして、ステップ３９に進んでステップＳ２で図３に示す制御マップによって決定された燃料に応じて水素用及びガソリン用インジェクタ２８，２９のいずれかの燃料の噴射及びステップＳ３で決定した点火時期での点火を実行してリターンする。

次に、この図４〜６のフローチャートによる制御を図７に示すタイムチャートを用いて説明すると、まず、水素リーン運転においてＮＯｘ吸蔵量Ｑが時間の経過と共に増加して、ＮＯｘ吸蔵量Ｑが所定値Ｑ_１となったときに、使用燃料を水素からガソリンに切り換えて、ＮＯｘ放出時間Ｃが経過するまで空燃比をリッチ化する。そして、このリッチ化に伴ってＮＯｘ吸蔵量が減少すると、再び使用燃料をガソリンから水素に切り換えて、空燃比をリーン化する。

一方、所定値以上のスロットル開度増加率Δαがスロットルセンサ４４によって検出されたときには、加速ありと判断されて、必要なトルクを確保するために空燃比のリッチ化が実行される。このとき、ＮＯｘ放出制御を実行することになり、この場合は水素を燃料としたまま空燃比をリッチ化してＮＯｘを放出する。

また、時刻Ｔ_１においてＳＯｘ被毒量Ｓが所定量Ｓ_１以上と判断されたときは、ＳＯｘ放出制御が開始される。すなわち、時刻Ｔ_１において空燃比をリッチ化する。このとき、時刻Ｔ_２までの初期設定時間Ｃ_１の間は使用燃料を水素のみの状態にし、初期設定時間Ｃ_１経過後は空燃比をリッチ化したまま使用燃料をガソリンに切り換える。そして、使用燃料をガソリンとして終期設定時間Ｃ_２の間リッチ運転を行い、ＳＯｘ被毒量Ｓが０となる時刻Ｔ_３において空燃比をリーンに戻すと共に使用燃料をガソリンから水素に切り換える。

次に、本発明の第２の実施の形態として、図８に示す制御マップを具備したエンジン１の制御について説明する。すなわち、図８に示す制御マップによれば、低負荷低回転域側では水素とガソリンを併用した水素＋ガソリンリーン領域が設定されて、ここではガソリン用インジェクタ２９により主に吸気行程で燃料を噴射させると共に水素用インジェクタ２８により圧縮行程で燃料を噴射させることによって、燃焼室内に概ね均一なガソリンの混合気を形成した上で点火プラグ２５周りに層状に偏在させた水素を燃焼させる希薄燃焼を行う。高負荷高回転域側にはガソリンリーン領域が設定され、ここではガソリンを燃料として均一燃焼を行うように設定されている。

本実施の形態の制御手順を図９〜１１に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図９〜１１に示すフローチャートは、図４〜６に示すフローチャートと重複する部分があり、これらについては同様であるのでここでは詳しい説明は省略する。これによると、低負荷低回転域時には燃料として水素とガソリンとを併用した水素＋ガソリンリーン運転、高負荷高回転域側には燃料としてガソリンを使用したガソリンリーン運転を行う。なお、ＮＯｘ放出条件とＳＯｘ放出条件は上記第１の実施の形態と同様に設定されている。

まず、ステップＳ５１で、各種信号を入力し、ＲＡＭに一時的に保存されているデータを読み出す。ステップＳ５２において、エンジン１の目標トルクとエンジン回転速度とに基づいて、図８に示す制御マップからエンジン１の現在の運転モードを決定する。

そして、ステップＳ５３において、空燃比及び点火時期を決定しする。次にステップＳ５４及びステップＳ５５で前回のＮＯｘ放出時からのリーン運転の時間積算値からＮＯｘ吸蔵量Ｑ及びＳＯｘ被毒量Ｓを計算してＥＣＵ７０のＲＡＭに記憶されたこれらの記憶データを更新する。

そして、ステップＳ５６において、フラグＦ_１が１に設定されているか否かを判断して、フラグＦ_１=０のときにはステップＳ５７に進む。ステップＳ５７では上記ステップＳ５４で計算されたＮＯｘ吸蔵量Ｑが予め設定された第１所定値Ｑ_１よりも大きいか否かを判断する。ここでＮＯｘ吸蔵量Ｑが第１所定量Ｑ_１よりも小さいときは図５の（ＩＩＩ）に進み、ＮＯｘ吸蔵量Ｑが第１所定値Ｑ_１よりも大きいときはステップＳ５８に進む。ステップＳ５８ではＮＯｘ放出時間Ｃを設定して、ステップＳ５９でフラグＦ_１を１にセットすると共に、カウントＴに１を加算する。次に、ステップＳ６１で燃料に占めるガソリンの割合を増加させたのち、ステップＳ６２で空燃比のリッチ化を行う。このとき、ガソリンの割合を増加させるときは水素＋ガソリンリーン運転を行っていた場合は、燃料に占めるガソリンの割合を増加させ、ガソリンリーン運転を行っていた場合は、そのままの状態でよい。次に、ステップＳ６３で上記ステップＳ５２で図８に示す制御マップによって設定された割合で両インジェクタ２８，２９から燃料噴射させると共に、上記ステップＳ５３で決定した点火時期での点火を実行してリターンする。

また、ステップＳ５６でフラグＦ_１が１のときには、ステップＳ６４でカウントＴがＮＯｘ放出時間Ｃと等しいか否かを判定し、カウントＴがＮＯｘ放出時間Ｃと等しくない場合はステップＳ６０に進んでカウントＴに１を加算したのち、ステップＳ６１〜６３の制御を行ってリターンする。一方、カウントＴがＮＯｘ放出時間Ｃと等しい場合は、ステップＳ６５に進んでフラグＦ_２を０にリセットすると共に、ステップＳ７６でＮＯｘ吸蔵量を０にリセットして、カウントＴを０にリセットする。そして、ステップＳ６３に進んで、上記ステップＳ５２で図８に示す制御マップによって設定された割合で両インジェクタ２８，２９から燃料噴射させると共に、上記ステップＳ５３で決定した点火時期での点火を実行してリターンする。

また、ステップＳ５７でＮＯｘ吸蔵量Ｑが第１所定量Ｑ_１以下であるときには、図１０の（ＩＩＩ）に進んで、ＳＯｘ放出制御を行う。まず、ステップＳ６８においてフラグＦ_２が１であるか否かを判定する。フラグＦ_２が１でないときは、ステップＳ６９に進んで、ＳＯｘ被毒量Ｓが第２所定量Ｓ_１以上であるか否かを判定し、ＳＯｘ被毒量Ｓが第２所定量Ｓ_１以上であるときには、ステップＳ７０に進んで初期所定時間Ｃ_１を設定する。そして、ステップＳ７１でスラグＦ_２を１に設定して、ステップＳ７２でカウントｔに１を加算する。ステップＳ７３でカウントｔが上記初期設定時間Ｃ_１と等しいかどうかを判定する。カウントｔが初期設定時間Ｃ_１に等しくないときにはステップＳ７４に進む。

ステップ７４では、燃料に占める水素の割合を増加させる。すなわち、使用燃料がガソリンのみ（ガソリンリーン運転）であれば、ステップＳ８９で燃料をガソリンから水素とガソリンとの混合または水素のみに切り換え、また、使用燃料が水素とガソリンの混合（水素＋ガソリンリーン運転）であれば、燃料に占める水素の割合を増大させるか、または水素のみに切り換える。そして、ステップＳ７５で空燃比をリッチ化、点火リタードを設定し、ステップ７６においてステップＳ７４，７５で設定された両インジェクタ２８，２９による燃料噴射及びステップＳ７５でリタードに設定した点火を実行してリターンする。

一方、ステップＳ６９でＳＯｘ被毒量Ｓが第２所定量Ｓ_２よりも小さいときには、ステップＳ７７で加速の判定を行う。ここで加速有りと判定されればステップＳ７８に進んで空燃比をリッチ化して、ステップＳ７６に進み、上記ステップＳ５２で図８に示す制御マップによって設定された割合で両インジェクタ２８，２９から燃料噴射させると共に、上記ステップＳ５３で決定した点火時期での点火を実行する。したがって、加速がある場合は、現在使用している燃料が水素またはガソリンにかかわらず空燃比をリッチ化するように制御される。一方、加速なしと判定されたときは、そのままステップＳ７６に進んで同様に燃料噴射及び点火実行を行う。

また、ステップＳ７３でｔがＣ_１であるときにはステップＳ７９に進んでフラグＦ_２を０にリセットすると共に、ステップＳ８０でカウントｔをリセットして図１１の（ＩＶ）に進む。

図１１において、まずステップＳ８１でフラグＦ_３が１であるか否かを判定する。フラグＦ_３が１でなければステップＳ８２に進んで終期設定時間Ｃ_２を設定し、フラグＦ_３を１にセットして、ステップＳ８４でカウントτに１を加算する。そして、ステップＳ８５で燃料に占めるガソリンの割合を増加させる。このとき、燃料をガソリンのみの状態に切り換えてもよく、また、ガソリンのみを燃料とした運転状態からＳＯｘ放出制御が行われたときはガソリンのみを燃料とした状態に戻し、ガソリンと水素を併用した運転状態からＳＯｘ放出制御が行われたときはＳＯｘ放出制御前の割合に戻す。次に、ステップＳ８６で空燃比のリッチ化及び点火リタードを設定し、ステップＳ８７においてステップＳ８５，８６で設定された両インジェクタ２８，２９による燃料噴射及びステップＳ８６でリタードに設定した点火を実行してリターンする。

一方、ステップＳ８１でフラグＦ_３が１の場合は、ステップＳ８８に進んで時間τが終期設定時間Ｃ_２と等しいか否かを判定する。そして、時間τが終期設定時間Ｃ_２と等しくないときには、ステップＳ８４に進んで、カウントτに１を加算したのち、ステップＳ８５〜８７の制御を行ってリターンする。また、ステップＳ８８で時間τが終期設定時間Ｃ_２と等しいときにはステップＳ８９でフラグＦ_３を０にリセットすると共に、ステップＳ９０でＳＯｘ被毒量Ｓを０にリセットし、ステップＳ９１でτを０にリセットして、ステップＳ８７に進み、上記ステップＳ５２で図８に示す制御マップによって設定された割合で両インジェクタ２８，２９から燃料噴射させると共に、上記ステップＳ５３で決定した点火時期での点火を実行してリターンする。

また、本発明に係る第３の実施の形態として、図１２に示す制御マップを具備したエンジン１の制御がある。これによれば、低負荷低回転域側では水素リーン領域が設定されて、ここでは水素を燃料とした希薄燃焼を行う。そして、水素リーン領域より高負荷高回転域側では水素＋ガソリンリーン領域が設定され、ここではガソリン用インジェクタ２９により主に吸気行程で燃料を噴射させると共に水素用インジェクタ２８により圧縮行程で燃料を噴射させることによって、燃焼室内に概ね均一なガソリンの混合気を形成した上で点火プラグ２５周りに層状に偏在させた水素を燃焼させる希薄燃焼を行う。さらに、水素＋ガソリンリーン領域より高負荷高回転域側にはガソリンリーン領域が設定され、ここではここではガソリンを燃料として均一燃焼を行う。また、ガソリンリーン領域より高負荷高回転域側にはガソリンλ＝１領域が設定され、ここではガソリンを燃料として理論空燃比での均一燃焼を行うように設定されている。

そして、水素リーン領域おける運転時にＮＯｘ放出制御のためにリッチ化を行う場合は、燃料として水素とガソリンを併用するか、燃料を完全にガソリンに切り換えるかの制御が行ったのちに空燃比をリッチ化して、水素による燃焼を抑制する。同様に、水素＋ガソリン領域における運転時にリッチ化を行う場合は、燃料に占めるガソリンの割合を増加させるか、または燃料をガソリンのみに切り換えたのち、空燃比をリッチ化する。

一方、水素とガソリンとの排ガス温度の上昇度合いは図１３に示すような特性である。すなわち、水素を燃料とした燃焼による排ガス温度の上昇度合いは、ガソリンを燃料とした燃焼による排ガス温度の上昇度合いよりも急速である。

以上のように、上記第１〜３の実施の形態によれば、ＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５のＳＯｘ被毒量Ｓが所定量Ｓ_１以上のときは、空燃比リッチ化の開始から所定期間Ｃ_１が経過するまでの間の燃料に占める水素の割合を、所定期間Ｃ_１が経過した以降の水素の割合に比べて大きく、または水素のみの状態にすることによって、燃焼速度の高い水素による燃焼により所定期間の間に排ガスを急速に昇温させてＮＯｘ吸蔵触媒５４，５５からのＳＯｘの放出を促進することができる。

図１３に示すように、ＳＯｘ放出開始時刻Ｔａ直後において水素によって十分に排ガス温度を急速に上昇させてから、当該排ガス温度が所定値Ｔｅｘ以上となる時刻Ｔｂにおいて燃料を水素からガソリンに切り換えるようにしている。このように、ＳＯｘ放出制御開始直後に水素の燃焼によって排ガスを急速に昇温させることにより、実質的なＳＯｘ放出開始を早めることができ、その結果空燃比のリッチ化の期間を短くすることができるので燃費を向上することができる。また、時刻Ｔｂ後においては、水素を燃料とした燃焼を抑制して有害なＨ_２Ｓの発生を抑制することができる。

また、排ガス温度が低いほど、所定期間Ｃ_１を大きい値に設定することによって、ＳＯｘ放出のために排ガスを急速かつ十分に昇温することができる。

そして、排ガス温度が高いほど、燃料に占める水素の割合の増大を抑制することによって、あまり排ガスを昇温しなくてもよいときには排ガス昇温のために水素を燃料とした燃焼を抑制するように設定することにより、Ｈ_２Ｓの発生を抑制することができる。

なお、上記エンジン１の制御手順は、図１に示すようなレシプロエンジンに限らず、水素とガソリンとを燃料として併用するロータリーエンジンにも適用することができる。

本発明は、イオウ放出制御に伴う空燃比のリッチ化の際、ＮＯｘ吸蔵触媒からＮＯｘ及びイオウを迅速に放出すると共に、Ｈ_２Ｓの発生を抑制することができる水素エンジンの制御装置を提供する。本発明は、水素と、ガソリン、軽油、天然ガス等の化石燃料との少なくとも一方を燃料として作動する水素エンジンの制御装置に関し、より詳しくは、ＮＯｘ吸蔵触媒を排気通路に備えた水素エンジンの制御装置に関する技術分野に広く好適である。

本発明の実施の形態に係るエンジンのシステム構成図である。ＮＯｘ吸蔵触媒におけるＮＯｘ及びＳＯｘ吸蔵・放出の説明図である。本発明の第１の実施の形態に係る制御マップである。同制御手順を示すフローチャートである。同制御手順を示すフローチャートである。同制御手順を示すフローチャートである。同空燃比、使用燃料等の制御を示すタイムチャートである。本発明の第２の実施の形態に係る制御マップである。同制御手順を示すフローチャートである。同制御手順を示すフローチャートである。同制御手順を示すフローチャートである。本発明の第３に実施の形態に係る制御マップである。水素とガソリンとの排ガス温度上昇特性を示すマップである。

符号の説明

１エンジン（水素エンジン）
６燃焼室
２８水素用インジェクタ（第２燃料供給手段）
２９ガソリン用インジェクタ（第１燃料供給手段）
５０排気通路
５４，５５ＮＯｘ吸蔵触媒
５８排ガス温度検出センサ（排ガス温度検出手段）
７０ＥＣＵ（制御装置、燃料割合変更手段、イオウ被毒度合い検出手段、イオウ放出手段）

Claims

空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し空燃比が理論空燃比またはリッチのときに吸蔵していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸蔵触媒を排気通路内に配置し、燃焼室内に化石燃料を供給する第１燃料供給手段と、燃焼室内に水素を供給する第２燃料供給手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、エンジンの運転状態に応じて燃焼室に供給する燃料に占める化石燃料と水素との割合を変更する燃料割合変更手段とを有する水素エンジンの制御装置であって、上記ＮＯｘ吸蔵触媒のイオウ被毒度合いに関するパラメータを検出するイオウ被毒度合い検出手段と、上記イオウ被毒度合いが所定以上のときは空燃比をリッチ化するイオウ放出手段とを備え、上記燃料割合変更手段は、上記イオウ放出手段による空燃比リッチ化の開始から所定時間が経過するまでの間の燃料に占める水素の割合を、上記所定期間が経過した以降の割合に比べて大きくすることを特徴とする水素エンジンの制御装置。
排ガス温度に関するパラメータを検出する排ガス温度検出手段が備えられ、燃料割合変更手段は、排ガス温度が低いほど所定期間を大きい値に設定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。
排ガス温度に関するパラメータを検出する排ガス温度検出手段が備えられ、燃料割合変更手段は、排ガス温度が高いほど燃料に占める水素の割合の増大を抑制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。