CN101495735B - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种内燃机，是能够利用醇与汽油的混合燃料而运转的内燃机，其在耗油率性能及耐久性方面出色。将汽油与乙醇的混合燃料在分离器(40)中分离为高浓度乙醇和高浓度汽油。向利用支管(30)取出的废气中，利用改性用燃料供给装置(32)将高浓度乙醇作为改性用燃料供给。高浓度乙醇与废气利用担载于热交换器(24)内的改性室(26)中的燃料改性催化剂的作用，引起改性反应，生成含有H2及CO的改性气体。该改性气体通过改性气体导管(34)，被供给至内燃机(10)的吸气管(12)内。另外，分离了的高浓度乙醇与高浓度汽油在混合器(44)中被再次混合，由燃料喷射装置(18)向内燃机(10)供给。

Description

内燃机
技术领域
本发明涉及一种内燃机，特别涉及可以利用醇与汽油的混合燃料而运转的内燃机。
背景技术
日本特开2004-92520号公报中，公开有一种排气重整器系统，该系统通过向从内燃机的排气通道中取出的EGR气体中添加燃料(汽油)，并使该气体通过燃料改性催化剂，从而利用水蒸气改性反应使所添加的燃料转换为氢及一氧化碳，并使该含有氢及一氧化碳的EGR气体向吸气通路回流。上述的水蒸气改性反应是吸热反应，其反应热是通过与废气的热交换来提供的。也就是说，根据该排气重整器系统，通过将排气热回收而对燃料进行水蒸气改性，就可以生成具有比原来燃料的热量更大的热量的氢及一氧化碳。由此可以实现内燃机的热效率的提高。
专利文献1：日本特开2004-92520号公报
专利文献2：日本特开2006-132368号公报
专利文献3：日本特开2006-144736号公报
专利文献4：日本特开平6-264732号公报
发明内容
但是，上述以往的系统中，由于受汽油中所含的硫成分的影响，燃料改性催化剂容易中毒而劣化，因此燃料改性催化剂的耐久性容易成为问题。
另外，汽油的改性反应是吸热量非常多的反应。由此，在上述以往的系统中，为了有效地引起改性反应，需要使燃料改性催化剂例如为600℃左右的高温。这样，就会有如果不是排气温度高的高负荷运转时(例如高速行驶时)则难以将燃料改性的问题。
另外，燃料改性催化剂中，容易因燃料中的碳析出而产生覆盖催化剂表面的堵缝(caulking)。该堵缝也会有对燃料改性催化剂的耐久性造成不良影响的问题。
但是，近年来，由于从甘蔗、玉米、木材等中提取的生物燃料的利用得到促进，因此可以预测今后将作为生物燃料的醇混合到汽油中的混合燃料的普及。由此，希望开发出能够进一步提高使用混合燃料的内燃机的耗油率、排放、耐久性等各种性能的最佳系统。
本发明是鉴于上述的方面而完成的，其目的在于，提供一种内燃机，是能够利用醇与汽油的混合燃料运转的内燃机，耗油率性能及耐久性出色。
为了达成上述的目的，第一发明提供一种内燃机，其特征在于，是能够利用醇与汽油的混合燃料而运转的内燃机，具备：
设置为能够与废气进行热交换的燃料改性催化剂、
将所述混合燃料分离为提高了醇浓度的高浓度醇和提高了汽油浓度的高浓度汽油的分离机构、
将所述高浓度醇和废气的一部分向所述燃料改性催化剂供给的改性用燃料供给机构、以及
将改性气体向所述内燃机的吸气供给的改性气体供给机构，其中，所述改性气体是由供给于所述燃料改性催化剂的所述高浓度醇与废气发生改性反应而得的。
另外，第二发明具有如下特征，即，在第一发明中，还具备：
为了使所述高浓度汽油和所述高浓度醇在所述内燃机中燃烧而向所述内燃机供给的燃料供给机构、以及
根据所述内燃机的运转状态和/或环境条件来控制所述高浓度汽油与所述高浓度醇向所述内燃机的供给比率的供给比率控制机构。
另外，第三发明具有如下的特征，即，在第二发明中，还具备检测外部气温或内燃机代表温度的温度检测机构，
所述供给比率控制机构，在内燃机起动时，在外部气温或内燃机代表温度低于规定值的情况下，与并非这样的情况相比，提高所述高浓度汽油的供给比率并降低所述高浓度醇的供给比率。
另外，第四发明具有如下特征，即，在第二或第三发明中，所述供给比率控制机构在暖机结束后的正常运转时，与暖机结束前相比，提高所述高浓度醇的供给比率并降低所述高浓度汽油的供给比率。
另外，第五发明具有如下特征，即，在第二至第四发明中的任一项中，所述燃料供给机构包括：
将所述高浓度汽油与所述高浓度醇混合的混合机构、以及
将利用所述混合机构混合了的再混合燃料向所述内燃机供给的再混合燃料供给机构。
根据第一发明，通过从醇与汽油的混合燃料中，分离出提高了醇浓度的高浓度醇，将该高浓度醇与内燃机的废气的一部分向燃料改性催化剂供给，发生改性反应，就可以得到改性气体。此后，将该改性气体向内燃机的吸气供给，就可以使之在内燃机中燃烧。根据第一发明，通过利用改性气体，可以回收排气热，并且能够实现大量EGR，另外还不易发生爆燃。由此就可以提高耗油率性能。另外，根据第一发明，通过将基本上不含有硫成分的高浓度醇作为改性用燃料使用，就可以防止燃料改性催化剂的硫中毒。另外，由于作为含氧燃料的醇不易引起堵缝，因此还可以防止在燃料改性催化剂中产生堵缝。另外，在制成高浓度醇的改性用燃料的情况下，即使燃料改性催化剂是温度比较低的状态，也可以有效地引起改性反应。由此，不仅在高负荷运转区域中，而且在包括低中负荷运转区域的较宽运转区域中，都可以享受由利用改性气体所带来的好处。
根据第二发明，可以根据内燃机的运转状态、环境条件来控制高浓度汽油和高浓度醇向内燃机的供给比率。这样，根据第二发明，就可以用与运转状态、环境条件对应的最佳供给比率将汽油和醇向内燃机供给而运转。由此，就可以在充分地利用将醇作为内燃机燃料使用时的优点的同时，抑制缺点。
根据第三发明，在内燃机起动时，在外部气温或内燃机代表温度低于规定值的情况下，与并非如此的情况相比，可以提高高浓度汽油的供给比率并降低高浓度醇的供给比率。即，根据第三发明，在起动性可能恶化的低温时，可以降低难以气化的醇的供给比率，提高容易气化的汽油的供给比率。由此，即使是低温时，也可以可靠地避免起动性恶化。
根据第四发明，在暖机结束后的正常运转时，与暖机结束前相比，可以提高高浓度醇的供给比率并降低高浓度汽油的供给比率。即，根据第四发明，在暖机结束前，可以使难以气化的醇的供给比率比较低，使汽油的供给比率比较高。由此，即使是暖机结束前的低温时，也可以稳定地运转内燃机。另外，在暖机结束后，可以使醇的供给比率比较高，使汽油的供给比率比较低。由此，可以显著地发挥醇的爆燃防止效果及NOx减少效果，实现耗油率性能的提高和NOx排出量的减少。
根据第五发明，可以将高浓度汽油和高浓度醇再次混合，将所得的再混合燃料向内燃机供给。这样，由于不需要对高浓度汽油和高浓度醇设置各自的燃料喷射装置，可以实现共用，因此可以实现成本的降低。
附图说明
图1是用于说明本发明的实施方式1的系统构成的图。
图2是本发明的实施方式1中执行的程序的流程图。
图3是本发明的实施方式1中执行的程序的流程图。
其中，10内燃机，12吸气管，16节流阀，18燃料喷射装置，20排气管，24热交换器，26改性室，28排气通道，30支管，32改性用燃料供给装置，34改性气体导管，36流量调整阀，40分离器，42乙醇罐，44混合器，50ECU
具体实施方式
实施方式1.
[系统构成的说明]
图1是用于说明本发明的实施方式1的系统构成的图。如图1所示，本实施方式的系统具备内燃机10。本系统如下说明所示，可以接收混合了乙醇和汽油的燃料的供油，来运转内燃机10。内燃机10中所用的混合燃料的乙醇比例没有特别限定，例如可以优选使用乙醇比例为5～85质量％(E5～E85)左右的混合燃料。
而且，本实施方式中，虽然以使用乙醇和汽油的混合燃料的系统为例进行说明，然而本发明也可以适用于使用甲醇等其他醇与汽油的混合燃料的系统中。
吸气管12介由吸气歧管14与内燃机10的各气缸连接。在吸气管12的中途，设有控制吸入空气量的节流阀16。
在吸气歧管14的集合部，设有燃料喷射装置18。而且，也可以与图示的构成不同，使用向各气缸的吸气口内喷射燃料的燃料喷射装置、向各气缸内直接喷射燃料的燃料喷射装置。
排气管20介由排气歧管22与内燃机10的各气缸连接。在排气管20的中途，设有热交换器24。在热交换器24内，形成有改性室26和排气通道28。该改性室26与排气通道28被隔壁分隔，从排气管20流入的废气通过排气通路28。
在改性室26中，担载有燃料改性催化剂。作为该燃料改性催化剂的成分，例如优选使用Rh、Co、Ni等。利用热交换器24，可以利用通过排气通路28的废气的热量将改性室26(燃料改性催化剂)加热。
在热交换器24的上游侧的排气管20上，连接有用于将废气的一部分取出的支管30的一端。该支管30的另一端与热交换器24的改性室26连通。在支管30的中途，设有向通过支管30内的废气中喷射燃料的改性用燃料供给装置32。
利用支管30取出的废气与从改性用燃料供给装置32喷射的燃料流入改性室26，利用燃料改性催化剂的作用，引起后述的改性反应。利用该改性反应生成的改性气体通过改性气体导管34，导入吸气管12内，与吸入空气混合。在改性气体导管34的与吸气管12的连接部附近，设有用于调整改性气体向吸入空气中的混合比例的流量调整阀36。
乙醇与汽油的混合燃料(以下简称为“混合燃料”)贮存在燃料罐38中。燃料罐38内的混合燃料被送向分离器40。本实施方式的系统所具备的该分离器40具有将混合燃料分离为高浓度乙醇和高浓度汽油的功能。这里，所谓高浓度乙醇，是指与分离前的混合燃料相比提高了乙醇的比例的燃料，所谓高浓度汽油，是指与分离前的混合燃料相比提高了汽油的比例的燃料。
用分离器40将混合燃料分离为高浓度乙醇和高浓度汽油的方法没有特别限定，例如可以利用以下的某种方法来进行分离。
(1)利用分离膜来进行分离的方法。
(2)将混合燃料加热，利用沸点的差别来进行分离的方法(分馏)。
(3)向混合燃料中加入水，通过使与水亲和性高的乙醇转移到水相中来进行分离的方法。
利用分离器40得到的高浓度乙醇被送向乙醇罐42而暂时贮存。此后，乙醇罐42内的高浓度乙醇被送向改性用燃料供给装置32，由改性用燃料供给装置32向通过支管30的废气中喷射。
另外，本实施方式的系统具有将分离了的高浓度乙醇与高浓度汽油再次混合的混合器44。即，乙醇罐42内的高浓度乙醇还被送向混合器44。此后，在混合器44内，将该高浓度乙醇与利用分离器40得到的高浓度汽油混合。该混合器44能够自由地调整高浓度乙醇与高浓度汽油的混合比例。
用混合器44将高浓度乙醇和高浓度汽油混合而得的燃料(以下称作“再混合燃料”)通过燃料管路46送向燃料喷射装置18，由燃料喷射装置18进行喷射。
本实施方式的系统还具备ECU(Electronic Control Unit)50。在ECU50上，电连接有以上述的节流阀16、燃料喷射装置18、改性用燃料供给装置32、流量调整阀36、分离器40、混合器44为代表的设于内燃机10中的各种执行器。另外，在ECU50上，除了电连接有检测外部气温的外部气温传感器52、检测冷却水温的冷却水温传感器54以外，还电连接有曲柄转角传感器、空气流量计等设于内燃机10中的各种传感器。
根据以上所说明的本实施方式的系统，可以从混合燃料中分离出高浓度乙醇，将该高浓度乙醇作为改性用燃料与废气一起向改性室26供给。此后，在改性室26中，利用燃料改性催化剂的作用，高浓度乙醇与废气中的水蒸气及二氧化碳引起改性反应(水蒸气改性反应)。这样就会生成氢(H2)和一氧化碳(CO)。该改性反应的化学反应式如下所示。
C2H5OH+0.4CO2+0.6H2O+2.3N2+Q1→3.6H2+2.4CO+2.3N2...(1)
上述(1)式中的Q1是由上述改性反应吸收的反应热。即，由于上述改性反应为吸热反应，因此上述(1)式的右边所表示的改性气体所具有的热量大于该式的左边所表示的反应前的乙醇所具有的热量。热交换器24中，可以将通过排气通道28的废气的热向改性室26(燃料改性催化剂)传递，使上述改性反应吸收。也就是说，本系统中，可以将废气的热回收，利用该热，将燃料(乙醇)转换为热量更大的物质(H2及CO)。
利用上述的改性反应得到的改性气体如前所述，通过改性气体导管34而混合到吸气中。由此，改性气体中的H2及CO在内燃机10的气缸内与从燃料喷射装置18中喷射的燃料一起燃烧。如上所述，改性气体与原来的燃料相比热量的增加，仅为回收了废气的热的部分。由此，通过使改性气体在内燃机10中燃烧，作为系统整体的热效率就会提高，因此可以改善内燃机10的耗油率性能。
本系统中，将改性气体向吸气供给还具有作为EGR(Exhaust GasRecirculation)的效果。一般来说，如果提高EGR率，则燃烧就会变得不稳定，因此EGR率有极限。针对于此，本系统的内燃机10中，可以利用改性气体中的H2的作用，来提高该EGR极限。这是因为，H2具有高燃烧性，燃烧速度快，所以可以改善缸内的燃烧，使之稳定化。也就是说，内燃机10中，通过使改性气体在缸内燃烧，而使EGR极限提高。由此，能够实现大量的EGR，也就是可以将大量的改性气体向吸气供给。其结果是，可以将泵气损失大幅度地减小而进一步改善耗油率性能，并且可以降低燃烧温度而大幅度地减少NOx排出量。
另外，H2还具有不易引起爆燃的作用。一般来说，在内燃机中，如果将点火时间提前，则容易引起爆燃，因此经常是不得不在比作为耗油率达到最佳点火时间的MBT(Minimum advance for the Best Torque)晚的点火时间时使之运转。与此相对，本系统的内燃机10中，利用改性气体中的H2的作用，不易引起爆燃，因此可以将点火时间进一步提前而接近MBT。由此就可以进一步改善耗油率性能。
如此所述，本系统中，通过利用改性气体，可以获得出色的耗油率性能，并且可以实现低排放化。另外，本系统中，通过将高浓度乙醇作为改性用燃料利用，而有如下所示的优点。
作为第一优点，可以防止燃料改性催化剂的硫中毒。在汽油中含有硫成分。因此，在将混合燃料直接作为改性用燃料使用的情况下，因混合燃料中的汽油中所含的硫成分，会产生燃料改性催化剂容易中毒而劣化的问题。与此相对，根据本系统，由于可以将基本上不含有硫成分的高浓度乙醇作为改性用燃料使用，因此可以防止燃料改性催化剂的硫中毒，可以充分地确保燃料改性催化剂的耐久性。
作为第二优点，可以防止燃料改性催化剂的堵缝(碳中毒)。所谓堵缝是燃料中的碳成分析出而将燃料改性催化剂的表面覆盖的现象。一旦产生堵缝，燃料改性催化剂的性能就会降低。由于乙醇是含氧燃料，因此与汽油相比具有不易产生堵缝的特性。本系统中，由于可以将高浓度乙醇作为改性用燃料使用，因此可以防止在燃料改性催化剂中产生堵缝，可以进一步提高燃料改性催化剂的耐久性。
第三优点是，与将汽油改性的情况相比，可以在低温下进行改性。汽油的水蒸气改性反应可以用下述的反应式表示。
1.56(7.6CO2+6.8H2O+40.8N2)+3C7.6H13.6+Q2
                    →31H2+34.7CO+63.6N2...(2)
上述(2)式表示的汽油的改性反应中所吸收的热量Q2极大。因此，为了引起汽油的改性反应，燃料改性催化剂的温度需要为高温(例如为600℃以上)，因此排气温度就需要为高温。这样，在将汽油或含有汽油的混合燃料制成改性用燃料的情况下，会有如果不是排气温度升高的高负荷行驶时(高速行驶时等)则无法有效地引起改性反应的问题。
与此相对，所述(1)式中所示的乙醇的改性反应中所吸收的热量Q1比较小。因此，即使是在燃料改性催化剂为比较低的温度(例如400℃左右)的状态下，也可以引起乙醇的改性反应。因此，在将高浓度乙醇作为改性用燃料使用的本系统中，即使是排气温度比较低的低中负荷运转区域，也可以有效地引起改性反应。这样，根据本系统，可以在广运转区域中享受由改性气体的利用带来的好处。
但是，由于乙醇的沸点高达78.5℃，没有像汽油那样的低沸点成分，因此具有在低温下难以气化的特性。因此，对于作为内燃机的燃料的乙醇，有低温时的起动性、运行性变得不佳的缺点。另一方面，乙醇的辛烷值高，因此有不易产生爆燃的优点。另外，在利用乙醇的燃烧来运转内燃机的情况下，与利用汽油的燃烧来运转内燃机的情况相比，还有NOx排出量少的优点。
本系统中，如前所述，可以使将分离了的高浓度乙醇及高浓度汽油在混合器44中再次混合的再混合燃料燃烧来运转内燃机10。因此，本系统中，鉴于如上所述的乙醇的优点及缺点，可以根据运转状态、环境条件，将高浓度乙醇与高浓度汽油的混合比率控制为最佳比率。
即，在起动时外部气温低的情况下，如果乙醇的比率高，则从燃料喷射装置18中喷射的燃料难以气化，起动性变差。这样，在此种情况下，将混合器44中的混合比率控制为使高浓度汽油的比率变高。
图2是为了实现上述的功能而由ECU50执行的程序的流程图。根据图2所示的程序，首先，判别是否产生了内燃机起动指令(步骤100)。在判别为产生了内燃机起动指令的情况下，继而读取由外部气温传感器52检测出的外部气温(步骤102)，将该外部气温与规定的判定值进行比较(步骤104)。
上述步骤104中，在判别为外部气温低于上述判定值的情况下，可以判断为，如果不减少乙醇的供给比率，则起动性有可能恶化。所以，该情况下，按照使混合器44中的高浓度乙醇混合比率比通常时减少、使高浓度汽油混合比率比通常时提高的方式，来控制混合器44的工作(步骤106)。其后，执行内燃机10的起动(步骤108)。
另一方面，上述步骤104中，在判别为外部气温为判定值以上的情况下，可以判断为，即使不减少乙醇的供给比率，在起动性方面也没有问题。所以，不执行上述步骤106的处理，以通常那样的高浓度乙醇与高浓度汽油的混合比率来执行内燃机10的起动(步骤108)。
根据以上所说明的图2的程序的处理，在起动时的外部气温低、起动性有可能恶化的情况下，可以降低向内燃机10供给的乙醇的比率，提高汽油的比率。这样，可以由此来提高容易气化的汽油的供给比率，因此可以防止起动性的恶化。
而且，上述步骤106中，也可以使高浓度乙醇与高浓度汽油的混合比率与外部气温对应地阶段性或连续地变化。另外，虽然在上述的程序中是基于外部气温来进行控制，然而也可以基于内燃机代表温度(例如冷却水温)来进行控制。即，也可以在内燃机代表温度低于规定值的情况下，为了避免起动性的恶化，执行上述步骤106的处理。
但是，与上述的内燃机起动时相同，在内燃机10的暖机结束前的低温时，也是如果乙醇的比率高，则从燃料喷射装置18中喷射的燃料就难以气化，运行性容易变差。所以，本实施方式中，在该情况下，也是将混合器44中的混合比率控制为使高浓度汽油的比率升高。
另一方面，在内燃机10的暖机结束后的正常运转时，将混合器44中的混合比率控制为使高浓度乙醇的比率升高。如果升高高浓度乙醇的比率，则不易爆燃，因此可以将点火时间提前至接近MBT，从而可以实现热效率的提高。另外，还可以减少NOx排出量。
图3是为了实现上述的功能而由ECU50执行的程序的流程图。根据图3所示的程序，首先，读取由冷却水温传感器54检测出的冷却水温(步骤110)，基于该冷却水温，判别暖机是否结束(步骤112)。
上述步骤112中，在冷却水温低于规定的判定值的情况下，可以判断暖机尚未结束。所以，该情况下，按照使混合器44中的高浓度乙醇混合比率比通常时减少、使高浓度汽油混合比率比通常时提高的方式，来控制混合器44的工作(步骤114)。这样，由于可以提高容易气化的汽油的供给比率，因此即使是在暖机结束前，也可以稳定地运转内燃机10。
另一方面，上述步骤112中，在冷却水温高于上述判定值的情况下，可以判断为暖机结束。该情况下，像通常那样控制混合器44的工作(步骤116)。即，与暖机结束前相比，提高高浓度乙醇混合比率，降低高浓度汽油混合比率。这样，由于可以显著地发挥乙醇的防爆燃效果，因此可以将点火时间提前至MBT附近，从而可以改善耗油率性能。另外，由于可以显著地发挥乙醇的NOx减少效果，因此还可以减少NOx排出量。
而且，虽然上述的实施方式1中，是将高浓度乙醇与高浓度汽油再混合后利用燃料喷射装置18向内燃机10供给，然而本发明中，也可以不将高浓度乙醇与高浓度汽油再混合，而从分别的喷射器向内燃机10供给。
另外，上述的实施方式1中，改性室26相当于所述第一发明的“燃料改性催化剂”，分离器40相当于所述第一发明的“分离机构”，改性用燃料供给装置32相当于所述第一发明的“改性用燃料供给机构”，改性气体导管34及流量调整阀36相当于所述第一发明的“改性气体供给机构”，混合器44、燃料管路46及燃料喷射装置18相当于所述第二发明的“燃料供给机构”，外部气温传感器52及冷却水温传感器54相当于所述第三发明的“温度检测机构”，混合器44相当于所述第五发明的“混合机构”，燃料管路46及燃料喷射装置18相当于所述第五发明的“再混合燃料供给机构”。另外，ECU50通过执行图2所示的程序的处理而实现所述第二及第三发明的“供给比率控制机构”，通过执行图3所示的程序的处理而实现所述第二及第四发明的“供给比率控制机构”。

Claims (5)

1.一种内燃机，其特征在于，是能够利用醇与汽油的混合燃料而运转的内燃机，具备：
设置为能够与废气进行热交换的燃料改性催化剂；
将所述混合燃料分离为与分离前的混合燃料相比提高了醇浓度的高浓度醇和与分离前的混合燃料相比提高了汽油浓度的高浓度汽油的分离机构；
将所述高浓度醇和废气的一部分向所述燃料改性催化剂供给的改性用燃料供给机构；以及
将改性气体向所述内燃机的吸气供给的改性气体供给机构，其中，所述改性气体是由供给于所述燃料改性催化剂的所述高浓度醇与废气发生改性反应而得的。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，还具备：
为了使所述高浓度汽油和所述高浓度醇在所述内燃机中燃烧而向所述内燃机供给的燃料供给机构、以及
根据所述内燃机的运转状态和/或环境条件来控制所述高浓度汽油和所述高浓度醇向所述内燃机的供给比率的供给比率控制机构。
3.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，还具备检测外部气温或内燃机代表温度的温度检测机构，
所述供给比率控制机构，在内燃机起动时，在外部气温或内燃机代表温度低于规定值的情况下，与并非这样的情况相比，提高所述高浓度汽油的供给比率并降低所述高浓度醇的供给比率。
4.根据权利要求2或3所述的内燃机，其特征在于，所述供给比率控制机构，在暖机结束后的正常运转时，与暖机结束前相比，提高所述高浓度醇的供给比率并降低所述高浓度汽油的供给比率。
5.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述燃料供给机构包括：
将所述高浓度汽油与所述高浓度醇混合的混合机构、以及将利用所述混合机构混合了的再混合燃料向所述内燃机供给的再混合燃料供给机构。
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Termination date: 20130801