CN102362057A - 内燃机的控制装置 - Google Patents
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Abstract
一种内燃机(10)，使用氨和用于促进该氨的燃烧的汽油(助燃燃料)作为燃料，将氨从氨喷射器(22)喷射到吸气管(20)内，将汽油从汽油喷射器(24)喷射到吸气管(20)内。进行氨喷射器(22)和汽油喷射器(24)的驱动控制的电子控制装置(40)，在由冷却水温度传感器(42)检测出的内燃机(10)的冷却水的温度Tw为规定温度T0以下的情况下，停止来自氨喷射器(22)的氨的喷射，并从汽油喷射器(24)喷射汽油。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃机的控制装置，特别地涉及进行内燃机的控制的装置，所述内燃机使用氨和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料作为燃料。
背景技术
曾提出了作为石油系燃料以外的燃料使用氨(NH3)的内燃机，其相关技术曾在下述专利文献1和非专利文献1中被公开。通过使用氨作为内燃机的燃料可以谋求削减二氧化碳(CO2)的排出量，但是氨与汽油等的石油系燃料相比具有燃烧速度慢并难以燃烧的性质。在专利文献1中，通过利用燃烧后的排气的热来分解氨以生成氢气(H2)，并将该氢气导入副燃烧室内以进行初期燃烧，来促进燃烧室内的氨的燃烧。
专利文献1：日本特开平5-332152号公报
非专利文献1：Shawn M.Grannell等，”THE OPERATINGFEATURES OF A STOICHIOMETRIC，AMMONIA AND GASOLINEDUAL FUELED SPARK IGNITION ENGING”，IMECE2006-13048，2006ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition，2006
发明内容
在内燃机中，为了进行抑制了燃烧变动的稳定的运行，必须以在活塞处于上死点附近的期间足以使燃烧完结的燃烧速度燃烧燃料。但是，燃料的燃烧速度不仅受到燃料的种类的影响，也受到汽缸内气体温度的影响，如果汽缸内气体温度低则燃烧速度也变低。在使用氨和助燃燃料作为燃料的内燃机中，汽缸内气体温度低时，燃烧速度慢的氨的使用比例变过量，燃烧变动增大，内燃机的稳定运行变得困难。
另外，氨是臭味强的气体，因此使用氨和助燃燃料作为内燃机的燃料的情况下，优选采用排气净化装置净化来自汽缸内的排气中所含有的未燃氨。但是，排气净化装置的未燃氨净化性能受到通过排气净化装置的排气的温度的影响，如果排气温度低于某一阈值则氨净化率急剧降低。因此，如果在排气温度低时使用氨，则抑制未燃氨的排出会变得困难。
在专利文献1中，没有表示氨和氢的使用分配，汽缸内气体温度低时，进行抑制了内燃机的燃烧变动的稳定运行有可能变得困难。另外，排气温度低时，抑制未燃氨的排出有可能变得困难。
本发明涉及的内燃机的控制装置，以实现抑制了内燃机的燃烧变动的稳定运行作为目的之一。另外，本发明涉及的内燃机的控制装置，以稳定地抑制未燃氨的排出作为目的之一。
本发明涉及的内燃机的控制装置，是进行内燃机的控制的装置，所述内燃机使用氨和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料作为燃料，其要旨在于，该控制装置具备：取得内燃机的冷却液的温度的冷却液温度取得单元；和在由冷却液温度取得单元取得的冷却液的温度为规定温度以下的情况下禁止氨的使用的燃烧控制单元。
根据本发明，通过在内燃机的冷却液的温度为规定温度以下的情况下禁止氨的使用，可以抑制燃料的燃烧速度的降低，从而可以实现抑制了内燃机的燃烧变动的稳定运行。
另外，本发明涉及的内燃机的控制装置，是进行内燃机的控制的装置，所述内燃机使用氨和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料作为燃料，其要旨在于，具备在内燃机起动时禁止氨的使用的燃料控制单元。
根据本发明，通过在内燃机起动时禁止氨的使用，可以实现抑制了内燃机的燃烧变动的稳定的起动，同时可以稳定地抑制未燃氨的排出。
另外，本发明涉及的内燃机的控制装置，是进行内燃机的控制的装置，所述内燃机使用氨和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料作为燃料，并采用排气净化装置净化排气中所含有的氨，其要旨在于，该控制装置具备：取得在排气净化装置之前或者之后的排气的温度的排气温度取得单元；和在由排气温度取得单元取得的排气的温度为规定温度以下的情况下禁止氨的使用的燃料控制单元。
根据本发明，通过在排气净化装置之前或者之后的排气的温度为规定温度以下的情况下禁止氨的使用，可以稳定地抑制未燃氨的排出。
在本发明的一形态中，优选助燃燃料包含氢、烃系燃料和醇系燃料中的任一种以上。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1涉及的控制装置和作为控制对象的内燃机的概略构成的图。
图2是表示通过计算调查了相对于氨改变助燃燃料的使用比例时的燃烧速度的变化的结果的图。
图3是表示一边改变氨和汽油的喷射比例一边通过计算调查了相对于混合气温度的燃烧速度的特性的结果的图。
图4是表示在本发明的实施方式1涉及的控制装置中，冷却水温度和氨喷射比例的时间序列变化的一例的图。
图5是表示本发明的实施方式2涉及的控制装置和作为控制对象的内燃机的概略构成的图。
图6是表示对于净化未燃氨的排气催化剂，通过实验调查了相对于进入催化剂的气体温度的氨净化率的特性的结果的图。
图7是表示在本发明的实施方式2涉及的控制装置中，排气温度和氨喷射比例的时间序列变化的一例的图。
图8是表示通过实验调查了本发明的实施方式2中的抑制未燃氨排出的效果的结果的图。
图9是表示本发明的实施方式3涉及的控制装置和作为控制对象的内燃机的概略构成的图。
附图标记说明
10-内燃机、11-汽缸、12-氨罐、14-汽油罐、15-轻油罐、20-吸气管(进气管)、21-排气管、22-氨喷射器、24-汽油喷射器、25-轻油喷射器、30-排气催化剂、31-氨分解器、33-分解气体喷射阀、34-分解气体贮藏装置、40-电子控制装置、42-冷却水温度传感器、44-排气温度传感器。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的优选的实施方式。
「实施方式1」
图1是将本发明的实施方式1涉及的控制装置的概略构成与作为控制对象的内燃机10一起表示的图。内燃机10使用氨(第一燃料)和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料(第二燃料)作为燃料。图1表示了使用汽油(烃系燃料)作为助燃燃料的例子。
氨罐12内贮存有氨(NH3)，汽油罐14内贮存有汽油。被贮存在氨罐12内的氨通过泵被供给到氨喷射器22，被贮存在汽油罐14内的汽油通过泵被供给到汽油喷射器24。面对吸气管20内的氨喷射器22将从氨罐12供给的氨喷射到吸气管20内，面对吸气管20内的汽油喷射器24将从汽油罐14供给的汽油喷射到吸气管20内。从氨喷射器22和汽油喷射器24分别喷射的氨和汽油在吸气冲程中与空气一起被导入汽缸11内。内燃机10通过使燃料(氨和汽油)与空气的混合气在汽缸11内燃烧来产生动力。燃烧后的排气在排气冲程中从汽缸11内被排出到排气管21内，由作为排气净化装置设置的排气催化剂30净化。燃烧后的排气中含有氮氧化物(NOX)、未燃氨等，氮氧化物、未燃氨等由排气催化剂30净化。另外，在汽缸11附设了检测内燃机10的冷却水(冷却液)的温度Tw的冷却水温度传感器42。
图1表示将氨和助燃燃料(汽油)喷射到吸气管20内的例子，既可以使氨喷射器22面对汽缸11内将氨直接喷射到汽缸11内，也可以使汽油喷射器24面对汽缸11内将汽油直接喷射到汽缸11内。另外，既可以利用火花塞的火花放电对汽缸11内的混合气点火来使汽缸11内的混合气进行火焰扩展燃烧，也可以通过压缩自点火使汽缸11内的燃料(氨和助燃燃料)燃烧。
电子控制装置(ECU)40作为以CPU为中心的微处理器被构成，具备存储了处理程序的ROM、暂时地存储数据的RAM和输入输出端口。由冷却水温度传感器42检测出的表示内燃机10的冷却水温度Tw的信号通过输入端口被输入给该电子控制装置40。而且，由未图示的各传感器检测出的表示内燃机10的转速的信号和表示节气门开度的信号等也通过输入端口被输入。另一方面，从电子控制装置40借助于输出端口输出用于进行氨喷射器22的驱动控制的氨喷射控制信号和用于进行汽油喷射器24的驱动控制的汽油喷射控制信号等。电子控制装置40基于内燃机10的转速和节气门开度运算燃料的目标总喷射量和目标喷射分配量，分别进行氨喷射器22和汽油喷射器24的驱动控制以使得燃料的总喷射量和喷射分配量分别与目标总喷射量和目标喷射分配量一致，由此分别控制氨的喷射量(使用量)和汽油的喷射量(使用量)。由此，可以控制氨和汽油(助燃燃料)的喷射分配量(使用分配量)。
在内燃机中，为了进行抑制了燃烧变动的稳定的运行，必须以在活塞处于上死点附近的期间足以使燃烧完结的燃烧速度来燃烧燃料。氨与汽油等的烃系燃料相比是燃烧速度慢并难以燃烧的物质，但是通过不仅燃烧氨也使助燃燃料(在图1所示的例子中为汽油)在汽缸11内燃烧，可以促进氨的燃烧。将通过计算调查了相对于氨改变了助燃燃料的使用比例时的燃烧速度的变化的结果示于图2。图2表示使用汽油作为助燃燃料时的燃烧速度的计算结果和使用氢作为助燃燃料时的燃烧速度的计算结果。如图2所示可知，通过增加助燃燃料的使用比例(减少氨的使用比例)可以增大燃烧速度。但是，燃料的燃烧速度不仅受到燃料的种类的影响，也因汽缸11内气体温度(混合气温度)而受到影响。将一边改变氨和汽油(助燃燃料)的喷射比例一边通过计算调查了相对于混合气温度的燃烧速度的特性的结果示于图3。在图3所示的计算结果中，如果燃烧速度低于容许极限值，则燃烧变动增大，内燃机的稳定运行变得困难。
如图3所示可知，在任意的氨喷射比例下，混合气温度越低则燃烧速度越低。并且可知，氨喷射比例越高则燃烧速度越低，在氨的喷射比例为某个程度以上的情况下，如果混合气温度低于某个阈值，则燃烧速度低于容许极限值。图3也表示了内燃机起动时(冷起动时)的混合气温度的范围。这样，在内燃机起动时等混合气温度低时，压缩温度低，提高燃烧速度变得困难。而且，氨的气化潜热大，因此如果喷射到吸气管20内和/或汽缸11内，则压缩温度进一步降低。因此，在本实施方式中，电子控制装置40在内燃机10起动时禁止氨的使用，仅使用助燃燃料(汽油)。即，停止来自氨喷射器22的氨的喷射，并从汽油喷射器24喷射汽油。并且，电子控制装置40禁止氨的使用并仅使用助燃燃料直到内燃机10的预热结束为止。对于内燃机10的预热结束，可以从冷却水温度Tw容易地判断，例如在由冷却水温度传感器42取得的内燃机10的冷却时温度Tw超过规定温度T0的情况下，可以判定为内燃机10的预热结束。
将冷却水温度Tw和氨喷射比例的时间序列变化示于图4。如图4所示，在内燃机10起动时(冷起动时)，冷却水温度Tw为氨喷射容许温度T0以下，电子控制装置40停止来自氨喷射器22的氨的喷射(禁止使用)，从汽油喷射器24喷射汽油。即，将氨喷射比例设为0％。并且，在内燃机10起动后，由冷却水温度传感器42取得的冷却水温度Tw为氨喷射容许温度T0以下的情况下，电子控制装置40停止来自氨喷射器22的氨的喷射，从汽油喷射器24喷射汽油。如果冷却水温度Tw上升，大于氨喷射容许温度T0，则电子控制装置40容许氨的使用，分别从氨喷射器22和汽油喷射器24喷射氨和汽油。并且，电子控制装置40如图4所示那样，相对于冷却水温度Tw的上升逐渐地增大氨喷射比例。这样，通过禁止氨的喷射直到内燃机10的预热结束为止，可以如图3所示那样即使在混合气温度低的情况下也得到容许极限值以上的燃烧速度。并且，内燃机10的预热结束后，混合气温度也充分上升，因此即使增大氨喷射比例也可以得到容许极限值以上的燃烧速度。
如以上说明那样，根据本实施方式，通过在内燃机10起动时禁止氨的喷射而仅喷射助燃燃料，可以抑制燃料的燃烧速度的降低，因此可以进行内燃机10的稳定的起动，从而可以提高内燃机10的起动性。并且，通过在冷却水温度Tw为氨喷射容许温度T0以下的情况下禁止氨的喷射而仅喷射助燃燃料，可以实现抑制了内燃机10的燃烧变动的稳定的运行。冷却水温度Tw超过氨喷射容许温度T0后，通过容许氨的喷射，可以一边抑制燃烧变动一边提高氨的利用效率。
「实施方式2」
图5是将本发明的实施方式2涉及的控制装置的概略构成与作为控制对象的内燃机10一起表示的图。在以下的实施方式2的说明中，对与实施方式1同样的构成或者对应的构成附带相同的标记，省略重复的说明。
图5表示使用氢(H2)作为助燃燃料的例子。图5表示具有增压器28和中冷器29的增压引擎的例子，在排气管21中的排气催化剂30的下游侧设置有氨分解器31。氨分解器31利用被排出到排气管21内的燃烧后的排气的热来分解从氨罐12供给的氨以生成氢。在氨分解器31中生成的氢(分解气体)，利用冷却器32冷却后被蓄积于分解气体贮藏装置34。作为在此的分解气体贮藏装置34，既可以使用储氢合金也可以使用压力容器。分解气体贮藏装置34中所蓄积的氢从分解气体喷射阀33被喷射到吸气管20内。但是，在本实施方式中，例如也可以通过利用等离子体将氨改性来生成氢。
排气管21附设了检测内燃机10的排气的温度Te的排气温度传感器44。在图5所示的例子中，排气温度传感器44附设在排气管21中的排气催化剂30的上游侧的位置，利用排气温度传感器44检测出排气催化剂30之前(上游)的排气的温度Te。但是，也可以在排气管21中的排气催化剂30的下游侧的位置附设排气温度传感器44，并利用排气温度传感器44检测出排气催化剂30之后(下游)的排气的温度Te。表示由排气温度传感器44检测出的排气催化剂30之前(或者之后)的排气的温度Te的信号通过输入端口被输入给电子控制装置40。电子控制装置40通过分别进行氨喷射器22和分解气体喷射阀33的驱动控制，来分别控制氨的喷射量和氢的喷射量，从而控制氨和氢的喷射分配量(使用分配量)。
氨是臭味强的气体，因此优选利用排气催化剂30对来自汽缸11内的排气中所含有的未燃氨进行净化。但是，排气催化剂30的未燃氨净化性能受到排气温度Te的影响。对于排气催化剂30，将通过实验调查了的相对于进入催化剂的气体温度Te的氨净化率的特性的结果示于图6。如图6所示可知，如果进入催化剂的气体温度Te低于某个阈值T1(例如250℃左右的值)，则氨净化率与容许极限值相比急剧降低，排气催化剂30相对于氨的净化变得不显示活性。这样，在内燃机起动时(冷起动时)等、排气温度Te比相对于氨的净化显示活性的温度低时，采用排气催化剂30得到的未燃氨净化率降低。因此，在本实施方式中，电子控制装置40在内燃机10起动时禁止氨的使用而仅使用助燃燃料(氢)。即，停止来自氨喷射器22的氨的喷射，并从分解气体喷射阀33喷射分解气体贮藏装置34所蓄积的氢。并且，电子控制装置40禁止氨的使用而仅使用助燃燃料直到排气催化剂30的预热结束为止。对于排气催化剂30的预热结束，可以从排气催化剂30之前(或者之后)的排气温度Te容易地判断，例如在由排气温度传感器44取得的排气催化剂30之前(或者之后)的排气温度Te超过规定温度T1的情况下，可以判定为排气催化剂30的预热结束。
将排气温度Te和氨喷射比例的时间序列变化示于图7。如图7所示，在内燃机10起动时(冷起动时)，排气温度Te为氨喷射容许温度T1以下，电子控制装置40停止来自氨喷射器22的氨的喷射(禁止使用)，并从分解气体喷射阀33喷射氢。即，将氨喷射比例设为0％。并且，在内燃机10起动后，在由排气温度传感器44取得的排气温度Te为氨喷射容许温度T1以下的情况下，电子控制装置40停止来自氨喷射器22的氨的喷射，并从分解气体喷射阀33喷射氢。如果排气温度Te上升，大于氨喷射容许温度T1，则电子控制装置40容许氨的使用，分别从氨喷射器22和分解气体喷射阀33喷射氨和氢。并且，电子控制装置40如图7所示那样，相对于排气温度Te的上升逐渐地增大氨喷射比例。这样，通过禁止氨的喷射直到排气催化剂30的预热结束为止，即使是排气催化剂30的氨净化率比容许极限值低的情况，也可以防止未燃氨的排出。并且，排气催化剂30的预热结束后，即使增大氨喷射比例也可以得到容许极限值以上的氨净化率，从而可以抑制未燃氨的排出。
将通过实验调查了本实施方式中的抑制未燃氨排出的效果的结果示于图8。在图8中，横轴表示时间，纵轴表示来自排气催化剂30的未燃氨的排出浓度。并且，在图8中，A表示在内燃机起动时没有进行禁止氨的喷射的控制的情况下的氨的排出浓度，B表示在内燃机起动时进行了禁止氨的喷射的控制的情况下的氨的排出浓度。如图8的A所示那样，在内燃机起动时没有进行禁止氨的喷射的控制的情况下，未燃氨的排出浓度增大，特别在内燃机刚开始起动后增大。与此相对，可知在本实施方式中，通过在内燃机起动时进行禁止氨的喷射的控制，如图8的B所示那样，可以大幅度降低未燃氨的排出浓度。
如以上说明那样，根据本实施方式，通过在内燃机10起动时禁止氨的喷射而仅喷射助燃燃料，可以在排气催化剂30的氨净化率低时防止未燃氨的排出。并且，在排气温度Te为氨喷射容许温度T1以下的情况下，通过禁止氨的喷射而仅喷射助燃燃料，也能够在排气催化剂30的氨净化率低时防止未燃氨的排出。因此，可以稳定地抑制未燃氨的排出。排气温度Te超过了氨喷射容许温度T1以后，通过容许氨的喷射，可以一边抑制未燃氨的排出一边提高氨的利用效率。
此外，使用氢作为助燃燃料的情况下，通过进行延迟的燃烧来提高排气温度Te较容易，因此可以快速地进行排气催化剂30的预热。因此，可以在内燃机10起动后的较早时期开始氨的喷射，从而可以进一步提高氨的利用效率。
在本实施方式中，与实施方式1同样地，电子控制装置40在由冷却水温度传感器42取得的冷却水温度Tw为氨喷射容许温度T0以下的情况下，也可以停止来自氨喷射器22的氨的喷射，并从分解气体喷射阀33喷射氢。另外，在实施方式1中，也与实施方式2同样地，电子控制装置40在由排气温度传感器44取得的排气温度Te为氨喷射容许温度T1以下的情况下，也可以停止来自氨喷射器22的氨的喷射，并从汽油喷射器24喷射汽油。
「实施方式3」
图9是将本发明的实施方式3涉及的控制装置的概略构成与作为控制对象的内燃机10一起表示的图。在以下的实施方式3的说明中，对与实施方式1、2同样的构成或者对应的构成附带相同的标记，省略重复的说明。
图9表示了使用轻油(烃系燃料)作为助燃燃料的例子。被贮存在轻油罐15内的轻油从轻油喷射器25喷射到汽缸11内。电子控制装置40通过分别进行氨喷射器22和轻油喷射器25的驱动控制来分别控制氨的喷射量和轻油的喷射量，从而控制氨和轻油的喷射分配量(使用分配量)。图9表示了通过排气温度传感器44检测出排气催化剂30之后(下游)的排气的温度Te的例子，但也可以通过排气温度传感器44检测出排气催化剂30之前(上游)的排气的温度Te。
在本实施方式中，电子控制装置40在内燃机10起动时停止来自氨喷射器22的氨的喷射，并从轻油喷射器25喷射轻油。并且，电子控制装置40即使在内燃机10起动后，在由冷却水温度传感器42取得的冷却水温度Tw为氨喷射容许温度T0以下的情况下，也停止来自氨喷射器22的氨的喷射，并从轻油喷射器25喷射轻油。而且，电子控制装置40在内燃机10起动后，在由冷却水温度传感器42取得的排气温度Te为氨喷射容许温度T1以下的情况下也停止来自氨喷射器22的氨的喷射，并从轻油喷射器25喷射轻油。如果冷却水温度Tw上升，大于氨喷射容许温度T0，并且排气温度Te上升，大于氨喷射容许温度T1，则电子控制装置40容许氨的使用，分别从氨喷射器22和轻油喷射器25喷射氨和轻油。由此，可以实现抑制了内燃机10的燃烧变动的稳定的运行，同时可以稳定地抑制未燃氨的排出。
在各实施方式中，也可以使用乙醇(醇系燃料)作为助燃燃料。乙醇比汽油的辛烷值高，因此使用乙醇作为助燃燃料的情况下，可以与氨的利用一起提高抗爆性，可以形成为更高的压缩比。此外，也可以使用多种的燃料作为助燃燃料，例如也可以组合使用烃系燃料(汽油和轻油等)、氢和醇系燃料(乙醇等)之中的多种燃料。氢、汽油、轻油和乙醇都是比氨容易燃烧的物质，燃烧速度也高。因此，优选作为用于提高氨的燃烧速度的助燃燃料。
以上，对用于实施本发明的方式进行了说明，但是本发明毫不被这样的实施方式限定，在不脱离本发明的要旨的范围内，当然可以利用各种的方式来实施。
Claims (6)
1.一种内燃机的控制装置，是进行内燃机的控制的装置，所述内燃机使用氨和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料作为燃料，该控制装置具备：
取得内燃机的冷却液的温度的冷却液温度取得单元；和
在由冷却液温度取得单元取得的冷却液的温度为规定温度以下的情况下禁止氨的使用的燃烧控制单元。
2.一种内燃机的控制装置，是进行内燃机的控制的装置，所述内燃机使用氨和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料作为燃料，该控制装置具备：
在内燃机起动时禁止氨的使用的燃料控制单元。
3.一种内燃机的控制装置，是进行内燃机的控制的装置，所述内燃机使用氨和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料作为燃料，并采用排气净化装置净化排气中所含有的氨，该控制装置具备：
取得在排气净化装置之前或者之后的排气的温度的排气温度取得单元；和
在由排气温度取得单元取得的排气的温度为规定温度以下的情况下禁止氨的使用的燃料控制单元。
4.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其中，助燃燃料包含氢、烃系燃料和醇系燃料中的任一种以上。
5.根据权利要求2所述的内燃机的控制装置，其中，助燃燃料包含氢、烃系燃料和醇系燃料中的任一种以上。
6.根据权利要求3所述的内燃机的控制装置，其中，助燃燃料包含氢、烃系燃料和醇系燃料中的任一种以上。
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