JP2024149020A - 水素エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】未燃水素による空燃比センサの出力のずれを補償する。
【解決手段】水素エンジン１０の空燃比制御を行うＥＣＵ２１は、筒内圧センサ１８の検出結果に基づき燃焼圧の変動量を算出する処理と、排気中の未燃水素による空燃比センサ２０の出力のリッチずれを補正するための補正量を燃焼圧の変動量に基づき算出する処理と、を行う処理回路２３を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素エンジンの制御装置に関する。

特許文献１には、排気通路における触媒の上流側及び下流側にそれぞれ空燃比センサが設置されたエンジンが記載されている。そして、特許文献１には、触媒下流側の空燃比センサの出力に基づき、リッチ燃焼時に生成される水素による触媒上流側の空燃比センサの出力ずれを補償することが記載されている。

特開２０１３－１８５５１２号公報

水素ガスを燃料とする水素エンジンとして、空燃比センサを備えるものがある。水素エンジンでは、水素が燃焼室で燃焼し切らずに排気通路に排出される場合がある。そのため、上記水素エンジンにおいても、未燃水素の影響で空燃比センサの出力にずれが生じる可能性がある。こうした水素エンジンにおいて、特許文献１に記載の方法で未燃水素による空燃比センサの出力ずれを補償することが考えられる。しかしながら、そのためには、出力ずれを補償する空燃比センサとは別に、未燃水素の影響を受けない空燃比センサを設置する必要がある。

上記課題を解決する水素エンジンの制御装置は、筒内圧センサ及び空燃比センサを備える水素エンジンの制御装置であって、処理回路を備えており、前記処理回路は、前記筒内圧センサの基づき燃焼圧の変動量を算出する算出処理と、排気中の未燃水素による前記空燃比センサの出力のリッチずれを補正するための補正量を前記変動量に基づき算出するように構成されている。

未燃水素による空燃比センサの出力のずれを補償できる。

水素エンジンの制御装置の一実施形態の構成を模式的に示す図である。 上記制御装置が実行する補償ルーチンのフローチャートである。 燃焼圧変動量及びエンジン負荷率と未燃水素濃度との関係を示すグラフである。 未燃水素濃度とリーン補正量との関係を示すグラフである。

以下、水素エンジンの制御装置の一実施形態を、図１～図４を参照して詳細に説明する。本実施形態の制御装置が制御する水素エンジンは、車両に搭載されている。
＜水素エンジン及びその制御装置の構成＞
図１に示す水素エンジン１０は、吸気通路１１、燃焼室１２、及び排気通路１３を備えている。吸気通路１１には、エアフローメータ１４、及びスロットルバルブ１５が設置されている。エアフローメータ１４は、吸入空気量ＧＡを検出するセンサである。スロットルバルブ１５は、燃焼室１２に導入される空気の量を調整するためのバルブである。燃焼室１２には、インジェクタ１６、点火装置１７、及び筒内圧センサ１８が設置されている。インジェクタ１６は、吸気通路１１を通じて燃焼室１２に導入された空気中に水素ガスを噴射する。点火装置１７は、水素ガスと空気との混合気を火花放電により点火する。筒内圧センサ１８は、燃焼室１２の内圧である筒内圧Ｐを検出するセンサである。排気通路１３には、ＮＯｘセンサ１９及び空燃比センサ２０が設置されている。ＮＯｘセンサ１９は、排気通路１３内の排気のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するセンサである。空燃比センサ２０は、燃焼室１２で燃焼した混合気の空燃比λを検出するためのセンサである。

水素エンジン１０は、制御装置としてのＥＣＵ（電子制御ユニット）２１により制御されている。ＥＣＵ２１は、水素エンジン１０の制御用のプログラム及びデータが記憶された記憶装置２２を備えている。また、ＥＣＵ２１は、記憶装置２２から読み込んだプログラムを実行する処理回路２３を備えている。ＥＣＵ２１には、上述のエアフローメータ１４、ＮＯｘセンサ１９及び空燃比センサ２０の出力が入力されている。さらに、ＥＣＵ２１には、上記以外のセンサ、例えばクランク角を検出するクランク角センサ２４や、アクセルペダル操作量ＡＣＣを検出するアクセルペダルセンサ２５の出力も入力されている。なお、ＥＣＵ２１は、クランク角センサ２４の出力に基づき、水素エンジン１０の出力軸の回転速度であるエンジン回転速度ＮＥを算出している。

＜空燃比制御＞
ＥＣＵ２１は、水素エンジン１０の制御の一環として、空燃比制御を行っている。空燃比制御は、スロットルバルブ１５の開口率であるスロットル開度ＴＡ、及びインジェクタ１６の水素ガス噴射量Ｑの操作を通じて行われる。

空燃比制御に際してＥＣＵ２１はまず、アクセルペダル操作量ＡＣＣ及びエンジン回転速度ＮＥに基づき、水素エンジン１０のトルクの要求値である要求トルクＴＥ＊を算出する。次に、ＥＣＵ２１は、要求トルクＴＥ＊及びエンジン回転速度ＮＥに基づき、空燃比λの制御目標値である目標空燃比λ＊を算出する。続いて、ＥＣＵ２１は、要求トルクＴＥ＊に等しいトルクが得られるように水素ガス噴射量Ｑを決定する。さらにＥＣＵ２１は、空燃比λが目標空燃比λ＊と等しい値となるようにスロットル開度ＴＡを決定する。そして、ＥＣＵ２１は、決定した水素ガス噴射量Ｑ及びスロットル開度ＴＡに基づいて、インジェクタ１６及びスロットルバルブ１５を操作することで、水素エンジン１０の空燃比λを制御している。なお、こうした空燃比λの制御に際してＥＣＵ２１は、空燃比センサ２０の空燃比λの検出結果に基づき、水素ガス噴射量Ｑ及びスロットル開度ＴＡのいずれか一方、又は双方のフィードバック補正を行っている。

＜空燃比センサ２０の出力補償＞
水素エンジン１０では、燃焼室１２で燃え残った水素が排気通路１３に排出されることがある。空燃比センサ２０の出力は、排気中に未燃水素が含まれていると、実際の空燃比λよりもリッチ側の空燃比を示す値となる。ＥＣＵ２１は、未燃水素による空燃比センサ２０のリッチ側への出力のずれを補償するための処理を行っている。

図２に、空燃比センサ２０の出力補償のため、ＥＣＵ２１が実行する補償ルーチンのフローチャートを示す。ＥＣＵ２１は、水素エンジン１０の運転中に同ルーチンの処理を、既定の制御周期毎に繰り返し実行する。ＥＣＵ２１は、記憶装置２２から読み込んだプログラムを処理回路２３が実行することで、本ルーチンの処理を行っている。なお、本ルーチンは、ステップＳ１４０の処理後に終了する。

本ルーチンを開始すると、ＥＣＵ２１はまずステップＳ１００において、エンジン回転速度ＮＥ及びＮＯｘ濃度が安定しているか否かを判定する。ＥＣＵ２１は、次の要件（Ａ）、（Ｂ）が双方共に既定時間以上継続している場合、エンジン回転速度ＮＥ及びＮＯｘ濃度が安定していると判定する。要件（Ａ）は、クランク角センサ２４の出力に基づき算出されたエンジン回転速度ＮＥの変化量が既定値以下であること、である。要件（Ｂ）は、ＮＯｘセンサ１９により検出された排気のＮＯｘ濃度の変化量が既定値以下であること、である。

エンジン回転速度ＮＥ及びＮＯｘ濃度が安定している場合（Ｓ１００：ＹＥＳ）には、ＥＣＵ２１はステップＳ１１０において、筒内圧センサ１８の出力に基づき、水素エンジン１０の燃焼圧変動量ＣＯＶを算出する。詳しくは、ＥＣＵ２１は、水素エンジン１０の燃焼毎に、筒内圧センサ１８の出力に基づき、燃焼室１２内の図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）を計算している。そして、ＥＣＵ２１は、一定サイクルにおける図示平均有効圧の平均値及び分散を求めるとともに、その平均値に対する分散の比を、燃焼圧変動量ＣＯＶの値として算出している。

続いてＥＣＵ２１はステップＳ１２０において、燃焼圧変動量ＣＯＶ及びエンジン負荷率ＫＬに基づき排気中の未燃水素濃度を算出する。エンジン負荷率ＫＬは、燃焼室１２の吸気充填率を表している。次いでＥＣＵ２１は、ステップＳ１３０において、未燃水素濃度に基づきリーン補正量Δを算出する。そして、ＥＣＵ２１は、ステップＳ１４０において、空燃比センサ値λｓとリーン補正量Δとの和を、空燃比λの値として算出する。空燃比センサ値λｓは、空燃比センサ２０の出力にずれが無いものとして、空燃比センサ２０の出力から算出した空燃比λの値を表している。

一方、ステップＳ１００においてエンジン回転速度ＮＥ及びＮＯｘ濃度が安定していないと判定した場合（Ｓ１００：ＮＯ）には、ＥＣＵ２１は、ステップＳ１１０～Ｓ１３０をスキップして、ステップＳ１４０に処理を進める。この場合には、ＥＣＵ２１は、過去の本ルーチンの実行時に最後に演算したリーン補正量Δの値を用いて、空燃比λの値を算出する。

＜実施形態の作用及び効果＞
ＥＣＵ２１は、図２のステップＳ１１０において、筒内圧センサ１８の出力に基づき、水素エンジン１０の燃焼圧変動量ＣＯＶを算出する処理を行っている。また、ＥＣＵ２１は、図２のステップＳ１２０において、燃焼圧変動量ＣＯＶに基づき、排気の未燃水素濃度を推定している。さらに、ＥＣＵ２１は、図２のステップＳ１３０において、未燃水素濃度に基づき、リーン補正量Δを算出している。そして、ＥＣＵ２１は、図２のステップＳ１４０において、リーン補正量Δに基づき、排気中の未燃水素による空燃比センサ２０の出力のリッチずれを補正する処理を行っている。よって、ＥＣＵ２１は、ステップＳ１２０及びステップＳ１３０において、排気中の未燃水素による空燃比センサ２０の出力のリッチずれを補正するためのリーン補正量Δを、燃焼圧変動量ＣＯＶに基づき算出する処理を行っている。

図３に、図２のステップＳ１２０で算出する未燃水素濃度と、その算出に用いる燃焼圧変動量ＣＯＶ及びエンジン負荷率ＫＬとの関係を示す。インジェクタ１６が噴射した水素ガスの一部が燃え残った場合には、水素ガスの全てが燃焼した場合よりも、燃焼圧が低くなる。よって、間欠的に不完全な燃焼が発生して未燃水素が排気通路１３に排出される状況にあるときには、燃焼圧変動量ＣＯＶが大きくなる。そのため、ＥＣＵ２１は、図３に示すように、エンジン負荷率ＫＬが一定の場合、燃焼圧変動量ＣＯＶが大きいときには、小さいときよりも大きくなる値を、未燃水素濃度の値として算出している。また、燃焼圧変動量ＣＯＶが一定であれば、エンジン負荷率ＫＬが小さいほど、未燃水素濃度が高くなる傾向がある。そのため、図３に示すように、ＥＣＵ２１は、エンジン負荷率ＫＬが小さいときには、大きいときよりも大きくなる値を、未燃水素濃度の値として算出している。

図４に、図２のステップＳ１３０で算出するリーン補正量Δと未燃水素濃度との関係を示す。空燃比センサ２０の出力は、排気の未燃水素濃度が高いほど、リッチ側にずれる。そのため、図４に示すように、ＥＣＵ２１は、未燃水素濃度が高いときには、低いときよりも大きくなる値を、リーン補正量Δの値として算出している。そのため、リーン補正量Δによる空燃比センサ値λｓを補正することで、排気中の未燃水素による空燃比センサ２０の出力のリッチずれを適切に補償できる。

以上の本実施形態の水素エンジン１０の制御装置によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施形態の制御装置におけるＥＣＵ２１は、次の２つの処理を行う処理回路２３を備えている。処理の一つは、筒内圧センサ１８の基づき燃焼圧変動量ＣＯＶを算出する処理である。もう一つの処理は、排気中の未燃水素による空燃比センサ２０の出力のリッチずれを補正するためのリーン補正量Δを燃焼圧変動量ＣＯＶに基づき算出する処理である。本実施形態の制御装置は、これらの処理を行うことで、未燃水素による空燃比センサ２０の出力のずれを適切に補償できる。

（２）上記補償により、空燃比λを正確に把握できるため、空燃比制御を精度良く実施できる。
（３）ＥＣＵ２１の処理回路２３は、エンジン負荷率ＫＬが小さいときには、エンジン負荷率ＫＬが大きいときよりも、燃焼圧変動量ＣＯＶに対するリーン補正量Δの絶対値の比が大きくなるようにリーン補正量Δを算出している。そのため、燃焼圧変動量ＣＯＶが一定であれば、エンジン負荷率ＫＬが小さいほど未燃水素濃度が高くなる水素エンジン１０の傾向に合致した適切な値をリーン補正量Δの値として算出できる。

（４）ＥＣＵ２１の処理回路２３は、ＮＯｘ濃度の変動が既定値以下である場合に、リーン補正量Δの算出を行っている。実際の空燃比λが変動しているときの燃焼圧変動量ＣＯＶに基づきリーン補正量Δを算出すると、空燃比λの変動の影響がリーン補正量Δに反映されてしまう。一方、空燃比λが変動すると、排気のＮＯｘ濃度も変動する。よって、ＮＯｘ濃度の変動が小さいときにリーン補正量Δを算出すれば、空燃比λの変動の影響がリーン補正量Δに反映され難くなる。したがって、未燃水素の影響による空燃比センサ２０の出力ずれを精度良く補償できる。

（他の実施形態）
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・上記実施形態では、図示平均有効圧の平均値に対する分散の比を燃焼圧変動量ＣＯＶの値として算出していた。筒内圧センサ１８の出力に基づき、燃焼圧の変動の大きさを示すそれ以外の値を燃焼圧変動量ＣＯＶの値として算出するようにしてもよい。例えば図示平均有効圧の代わりに、燃焼サイクル毎の燃焼室１２の内圧のピーク値を求めるとともに、一定の燃焼サイクルにおけるピーク値の最大値と最小値との差を燃焼圧変動量ＣＯＶの値として算出してもよい。

・上記実施形態では、エンジン回転速度ＮＥ及びＮＯｘ濃度が安定していることを、燃焼圧変動量ＣＯＶに基づくリーン補正量Δの算出を行う条件としていた。こうした算出の条件は適宜変更してもよい。

・図２のステップＳ１２０における未燃水素濃度の推定に、エンジン負荷率ＫＬを用いないようにしてもよい。
・図２の補償ルーチンでは、燃焼圧変動量ＣＯＶから未燃水素濃度を推定した後、未燃水素濃度に基づき、リーン補正量Δを算出していた。未燃水素濃度の算出を省略して、燃焼圧変動量ＣＯＶから直接、リーン補正量Δを算出するようにしてもよい。

１０ 水素エンジン
１１ 吸気通路
１２ 燃焼室
１３ 排気通路
１４ エアフローメータ
１５ スロットルバルブ
１６ インジェクタ
１７ 点火装置
１８ 筒内圧センサ
１９ ＮＯｘセンサ
２０ 空燃比センサ
２１ ＥＣＵ（制御装置）
２２ 記憶装置
２３ 処理回路
２４ クランク角センサ
２５ アクセルペダルセンサ

Claims (3)

1. 筒内圧センサ及び空燃比センサを備える水素エンジンの制御装置であって、
   前記筒内圧センサの基づき燃焼圧の変動量を算出する処理と、
   排気中の未燃水素による前記空燃比センサの出力のリッチずれを補正するための補正量を前記変動量に基づき算出する処理と、
   を行う処理回路を備える
   水素エンジンの制御装置。
2. 前記処理回路は、前記水素エンジンの負荷率が小さいときには、同負荷率が大きいときよりも、前記変動量に対する前記補正量の絶対値の比が大きくなるように前記補正量を算出する請求項１に記載の水素エンジンの制御装置。
3. 前記水素エンジンは、排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを備えており、
   前記処理回路は、前記ＮＯｘ濃度の変動が既定値以下である場合に、前記補正量の算出を行う
   請求項１に記載の水素エンジンの制御装置。

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