CN102472177A - 带改性器的发动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明是由搭载于排气管的改性器对改性前燃料进行改性并把包含氢的改性后燃料供给至发动机的带改性器的发动机系统，其具有控制装置，该控制装置在把由改性器生成的氢供给至发动机时，根据发动机的负荷、发动机转速、混合气的空气过剩率来确定目标热产生开始时期，控制发动机的点火时期，以便发动机的当前热产生开始时期与目标热产生开始时期的偏差处于规定范围。

Description

带改性器的发动机系统

技术领域

本发明涉及搭载有改性器的发动机系统。

背景技术

在利用发动机排热对供给到发动机的燃料进行改性而生成一部分氢等的系统中，通过利用发动机排热由吸热反应对燃料进行改性，由排热回收可预见效率提高。另外，在对汽油等碳化氢燃料进行改性并把包含氢的改性气体供给到发动机的情况下，可降低泵吸量、提高燃烧效率以及提高燃烧速度，从而可预见发动机的高效率化。另外，通过对汽油等碳化氢燃料进行脱氢反应，生成氢后的剩下的碳化氢燃料的辛烷值变高。由此，因耐爆燃性提高，压缩比增加，使得热效率能得以提高。但是，在把改性器安装在发动机的排气管的情况下，因发动机的运行状态不同，改性器的温度产生变动，使得改性量因运行条件的不同而产生变动。由此，改性后的氢发生量及高辛烷值燃料量产生变动。通过对应于这些变动来进行最佳的发动机控制，热效率提高效果变大。

作为现有技术的带改性器的发动机系统，例如像专利文献1所述那样，有在改性气体中设置传感器来检测改性气体的氢浓度的方法。

先前技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-203104号公报

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1所述的系统中，具备测量改性气体的氢浓度的机构。在以由氢浓度检测机构测定的氢浓度为基础来控制点火时期的情况下，存在响应迟钝，这成为热效率降低的原因。另外，有时测量氢浓度的机构受到氢以外的气体形成的干扰，由此会出现最佳点火时期的控制精度变差的情况。另外，在对应于氢浓度使点火时期改变的情况下，由于除现有技术的映射(map)控制之外，还需要具有对应于氢浓度的点火时期修正映射数据，所以存在研发工作量及安装在发动机系统中的映射数据的量变多这样的课题。

另外，在改性气体中包含高辛烷值燃料的情况下，对应于高辛烷值燃料的贮存量变化，被供给到发动机的燃料的辛烷值会变动。在辛烷值变动的情况下，为了防止爆燃，现有技术的观点是与辛烷值小的燃料吻合地来确定发动机构成，但此时，发动机的压缩比降低，存在当为高辛烷值燃料时发动机的热效率提高效果变小这样的课题。

本发明的目的在于以在排气管搭载改性器的发动机相对于改性气体的成分变化来高效地进行发动机燃烧。

用于解决课题的机构

本发明的带改性器的发动机系统，由搭载于排气管的改性器对改性前燃料进行改性，将包含氢的改性后燃料供给至发动机，其特征在于，具有控制装置，该控制装置在将由改性器生成的氢供给至发动机时，根据发动机的负荷、转速、空气过剩率来确定目标热产生开始时期，控制发动机的点火时期，以便发动机的当前热产生开始时期与目标热产生开始时期的偏差处在规定范围。

另外，本发明的带改性器的发动机系统，具有：对改性后燃料进行气液分离而分离成氢气和脱氢燃料的分离装置；将氢气供给至发动机的吸气管的氢气供给机构；贮存脱氢燃料的罐；和将脱氢燃料直接喷射到发动机的脱氢燃料供给机构。

发明的效果

根据本发明，在排气管搭载改性器的带改性器的发动机系统中，可以相对于改性气体的成分变化来高效地进行发动机燃烧。

本发明的其它目的、特征及优点可以由有关附图的以下的本发明的实施例的叙述而变得明确。

附图说明

图1是适用本发明的具备改性器的发动机的第一实施例的构成图。

图2是第一实施例的控制流程。

图3是第一实施例的燃料供给映射。

图4是第一实施例的改性温度与转化率的关系。

图5是氢混合比例与最佳点火时期、热产生开始时期的关系。

图6是最佳点火时期的热产生开始时期映射。

图7是相对于空气过剩率的最佳点火时期的热产生开始时期。

图8是氢混合比例与稀薄界限空气过剩率。

图9是空气过剩率与NOx排出量。

图10是具备改性器的发动机的第二实施例的构成图。

图11是辛烷值与最高热效率的关系。

图12是第二实施例的热效率提高效果。

图13是第二实施例的控制流程。

图14是第二实施例的燃料供给映射。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。

(实施方式1)

图1是本系统的第一实施例的构成图。本实施方式的构成是把由设置在发动机的排气管3上的改性器2改性的改性后燃料供给到发动机1的构成。例如，当改性前燃料为汽油时，在作为汽油中的一种成分的C₈H₁₈(正辛烷)的情况下，可以产生如下所述的水蒸气改性反应。

[化学式1]

...反应式(1)

上述改性反应为吸热反应，另外因为水蒸气中的氢可以作为燃料利用，所以可以了解到相对于改性前燃料，改性后燃料增加了1303kJ的发热量。由于改性前燃料的发热量为5075kJ，改性后燃料为6378kJ，所以，改性后燃料相对于改性前燃料，发热量提高25.7％。也就是说，由改性反应以C₈H₁₈为基准的热效率提高25.7％。

在本系统中，改性器2设置于发动机1的排气管3上。改性前燃料12借助于泵p、燃料供给装置8被供给到改性器2。在改性器2中，利用发动机排气的热量对改性前燃料进行改性。改性后的改性后燃料从燃料供给装置6被供给到发动机1的吸气管。另外，在改性后燃料的供给线上设置测量供给线压力的压力传感器20。在改性器2的出口设置测定排气温度的温度传感器21。另外，改性前燃料12构成为，在改性器2暖机前的情况下等，根据发动机的运行状态可以从燃料供给装置7直接供给到发动机1的吸气管。在吸气管5上连接EGR管24的一端。EGR管24的另一端与排气管连接。通过控制配置于EGR管24中途的EGR阀22的开闭而可控制EGR量。也可以构成为，改性器2设置于EGR管，与EGR气体一起将改性后燃料供给到吸气管。在发动机1的燃烧室中设置压力传感器13，由此可测量发动机1内的压力。另外，在发动机1的曲轴上设置旋转位置检测装置14，可以掌握曲柄的旋转角度。旋转位置检测装置14也可以安装在凸轮轴上。

控制装置23例如是计算机，如图1所示，接受来自各种传感器、检测装置的信号，另外还输出用于驱动吸气阀10、排气阀11、节流阀4、火花塞10、燃料供给装置6、7、8、燃料泵p等装置的信号。控制装置23基于输入的信号，按照用于实施后面说明的控制流程的规定程序，生成并输出对驱动上述装置的促动器的驱动信号。

图2表示图1的系统的控制流程图。在S201中，根据发动机的转矩、转速、空气过剩率这样的运行状态以及改性器2的温度，确定对发动机的供给燃料的种类、供给量。转矩由曲轴的转矩传感器测量，或者根据吸气管负压、节流阀4的开度的测量值推定。改性器2的温度根据由温度传感器21测量出的改性器出口的排气温度判定。图3表示相对于转速、转矩的对发动机1的供给燃料的映射。因为设想改性后燃料包含氢，所以向发动机的比较低负荷、低旋转区域进行供给。因为氢稀薄并可急速燃烧，所以通过供给到发动机的低负荷范围，由泵吸量降低及等容度提高而可以提高热效率。另一方面，当在高负荷侧把氢作为一部分燃料供给时，燃烧速度过快，使得冷却损失变大，热效率反而恶化。另外，因为通过供给氢可减少最大吸入空气量，所以在高负荷侧不供给氢的运行是理想的。图4表示反应式(1)的情况下改性反应时的改性器2的改性器温度与改性效率的关系。如图4所示，可知通过使改性器温度达到规定温度以上可提高改性效率，可实现燃料的改性。为此，即使在理想的是根据转速、转矩来供给改性后燃料的情况下，也是在改性器的温度比规定温度低时把改性前燃料供给到发动机。

根据在S201中确定的对发动机的供给燃料的种类、供给量，在S202中判定是否把改性后燃料供给到发动机。

在S202中不将改性后燃料供给到发动机的情况下，在S203中只把改性前燃料供给到发动机，在S204中根据发动机的运行状态确定点火时期。此时的向发动机的混合气的空气过剩率以排气管的O₂传感器15的输出为基础受到控制而成为1。

当在S202中判定出把改性后燃料供给到发动机时，在S205中根据发动机的运行状态来确定供给到发动机的改性前燃料和改性后燃料的供给量，把改性前燃料和改性后燃料供给到发动机。在S206中，为了使改性后燃料的供给量稳定，控制改性前燃料向改性器2的供给量，以使从压力传感器20测量到的改性后燃料的供给线压力恒定。接着，在S207中确定点火时期修正角度。另外，点火时期修正角度的初期值为0。在S208中确定对应于发动机转速、转矩、空气过剩率的目标热产生开始时期。目标热产生开始时期预先具有对应于转矩、转速、空气过剩率的最佳点火时期(MBT)的热产生开始时期的数据，根据该数据进行确定。该数据事先存储在控制部的数据库中。图5表示在发动机的转矩、转速、空气过剩率处于一定条件时被供给到发动机1的燃料中的氢混合比例、产生最大转矩的最佳点火时期(MBT)、以及在MBT点火时的热产生开始时期的关系。如图5所示，随着氢混合比例的增加，最佳点火时期处于角度滞后的倾向。另一方面，热产生开始时期不依存于氢混合比例。该特性意味着，即使在氢混合比例不明的情况下也确定点火时期使得热产生开始时期恒定，由此可以在MBT下进行运行。另外，MBT的热产生开始时期如图6、图7所示，因转矩、转速、空气过剩率而有所变动。图6表示相对于发动机转速和发动机转矩的MBT的热产生开始时期。具有以下倾向：转速越高，最佳点火时期的热产生开始时期越早，转矩越大，最佳点火时期的热产生开始时期越迟。另外，如图7所示，对于空气过剩率，具有空气过剩率越大、热产生开始时期越早的倾向。为此，把对应于转矩、转速、空气过剩率的MBT的热产生开始时期作为数据预先储存，根据该数据来确定目标热产生开始时期。另外，在EGR率变化的情况下，确定目标热产生开始时期，使得EGR率越高则目标热产生开始时期越早，或是相反地EGR率越低则目标热产生开始时期越慢。

在S209中，比较当前的热产生开始时期与目标热产生开始时期，判定其差是否在规定范围以内。对于当前的热产生开始时期，可以由压力传感器13和旋转位置检测装置14掌握发动机燃烧室内的压力P、体积V和曲柄角度θ。将这些参数代入下式，可计算出热发生率dQ/dθ。

[算式1]

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\θ}}=\left(\frac{1}{K-1}\right)V\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{d\θ}}+\left(\frac{K}{K-1}\right)P\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\θ}}...\left(1\right)$

K是比热比。算式(1)的热发生的公式是表观的热发生率，不包含冷却损失部分的热量，但其与热产生开始时期无关系。K也可以作为恒定值进行计算。把热发生率变为正的瞬间定义为热产生开始时期。另外，也可以把热发生率的斜率变为正的瞬间定义热产生开始时期。在S209中比较当前热产生开始时期和目标热产生开始时期，当其差在规定范围以上时，在S207中进行点火时期修正。

在S209中比较当前热产生开始时期和目标热产生开始时期，在其差在规定范围以内时，在S210中根据点火时期和热产生开始时期确定点火延迟。点火延迟是从点火时期到热产生开始时期的曲柄角度。由图5可知，点火延迟相对于氢混合比例的增加线性地变小。基于该特性，可以根据在S210中确定的点火延迟来推定被供给到发动机的燃料中的氢混合比例。在S211中根据该推定的氢混合比例来判定可否进行稀薄燃烧。图8表示燃料中的氢混合比例与稀薄界限空气过剩率的关系。这样可知，相对于空气过剩率增加，稀薄界限空气过剩率线性地增加。图9表示空气过剩率与来自发动机的NOx排出量的关系。这样，相对于空气过剩率增加，随着燃烧温度降低而NOx排出量处于降低倾向。一般来讲，以空气过剩率2附近为边界，成为不排出NOx的水平。另一方面，在稀薄燃烧时难以用三元催化剂进行NOx净化。即，根据NOx排出量特性，判定能够按在S210中推定的氢混合比例使稀薄界限空气过剩率在2以上运行，在稀薄界限空气过剩率在2以上可以运行时，在S211中判定可进行稀薄燃烧。接着，在S213中判定空气过剩率是否在规定范围内，当在规定范围外时，通过调整节流阀4的开度来把空气过剩率设为规定值。当在S211中判定不能进行稀薄燃烧时，在S212中调整节流阀4的开度以使空气过剩率成为1。通过该控制流程，能够在供给包含从改性器2生成的氢的燃料时以考虑排气性能的最佳燃烧进行运行，能够提高热效率。

根据本系统，在改性后燃料的氢浓度不明时也可以控制发动机的点火时期，不需要传感器等的氢浓度测量机构。另外，因为根据发动机的热产生开始时期来控制点火时期，所以可进行每一循环的控制，在氢浓度变化时能以高精度控制成最佳点火时期。进而，因为根据发动机的热产生开始时期来控制点火时期，所以无需安装由氢浓度确定的点火映射，可降低开发工作量、安装在系统中的映射数据量。

(实施方式2)

图10是本系统的第二构成图。在本实施方式中，构成为把由改性器2改性的改性后燃料由分离装置25进行气液分离，供给到发动机1。该构成时的改性前燃料例如是甲基环乙烷(C₇H₁₄)，改性反应为下式。

[化学式2]

C₇H₁₄→C₇H₈+3H₂    (反应式2)

改性后燃料是甲苯(C₇H₈)和氢(H₂)。该反应式(2)需要205kJ的热量，该热量部分成为排热回收量。另外，因为甲苯的辛烷值高达120，耐爆燃性高，能以高压缩比进行运行，所以，可提高热效率。图11表示辛烷值与最高热效率的关系。如图11所示，越是辛烷值高的燃料就越能提高最高热效率。这是因为辛烷值越高则越难以产生爆燃，可以增加压缩比，使点火时期角度提前，能够提高最高热效率。

改性前燃料12从燃料供给装置8被供给到改性器2。在改性器2中，利用发动机排气的热量，对改性前燃料12进行改性。作为由改性器2改性的改性后燃料的氢和甲苯由分离装置25进行气液分离。由分离装置25分离出的氢经燃料供给装置17供给到发动机1的吸气管5，甲苯暂时返回脱氢燃料罐26，然后经由泵p通过燃料供给装置16直接喷射到发动机1的燃烧室内。另外，通过切换阀19的切换也可以把改性前燃料供给到发动机1。切换阀19的切换控制信号由控制装置23提供。

在发动机1的吸气管5中具备用于提高吸气压的压缩机18。压缩机18既可以里用发动机的排气能量，也可以利用发动机的动力轴。

根据本系统构成，可以在宽的负荷范围进行高效率运行。图12表示相对于负荷的热效率。通过使用作为改性后燃料的甲苯，能够以高压缩比运行，相对于现有技术的热效率，可以在所有负荷范围提高效率。另外，因为由排气热进行反应式(2)所示的反应，所以可进行排热回收。通过进行排热回收，减少了燃料消耗量，提高了效率。另外，通过把作为改性气体的氢供给到发动机，提高了热效率。特别是在低负荷范围(BMEP：0.2～0.5附近)热效率提高效果大。另外，通过减少发动机的排气量，使用压缩机18，减少在低负荷区域的使用频率，提高平均的热效率。因为如图10所示把脱氢燃料或改性前燃料直接喷射到发动机气缸内，所以由蒸发潜热使温度下降，在由压缩空气进行增压时可以将压缩比设定得高。另外，由于改性后燃料的辛烷值高，所以这也是增压时可以提高压缩比的原因。另外，通过把改性后燃料直接喷射到发动机1，因为耐爆燃性高，所以即使在增压压力高的条件下也不会引起爆燃，可以在高热效率下进行运行。

图13表示本系统的控制流程。在S1301中根据图14所示的发动机的运行状态来选定供给到发动机1的燃料。此时，作为脱氢燃料和改性前燃料的选定，在脱氢燃料的剩余量为规定量以上时选定脱氢燃料，在脱氢燃料的剩余量为规定量以下时选定改性前燃料。另外，在高负荷区域(区域3)进行增压。另外，在区域1中不排出NOx的空气过剩率能在2以上进行运行，且在规定转矩以上的运行区域中进行增压。在增压运行区域也可以根据负荷来改变增压压力。当在区域1中改性器2的温度也为规定温度以下时，停止把氢供给到发动机。

在S1302中确定对发动机1供给的燃料的种类、供给量和增压压力。在由S1302选定了对发动机1供给的氢/脱氢燃料的情况下，在S1303中把氢/脱氢燃料供给到发动机1。由S1304控制改性前燃料向改性器2的供给量，以使氢的供给压力成为规定范围。在S1305中由脱氢用点火映射来确定点火时期。其后，在S1306中对点火时期进行修正，以使热产生开始时期成为规定值。点火时期的修正方法与图2的S207以后的方法相同。

在S1302中对供给到发动机的燃料选定了氢/改性前燃料的情况下，在S1307中把氢/改性前燃料供给到发动机1。由S1308控制改性前燃料向改性器2的供给量，以使氢的供给压力成为规定范围。因为改性前燃料的辛烷值比较低，所以在S1309中使吸气阀的关闭时期角度滞后。由此，实效压缩比变小，可防止爆燃。此时，也可以通过增加EGR的量来防止爆燃。另外，也可以通过具备可变压缩比机构来降低实际压缩比。在S1310中利用改性前燃料用点火映射来确定点火时期。在S1311中修正点火时期，以使热产生开始时期成为规定值。点火时期的修正方法与图2的S207以后的方法相同。

当在S1302中供给到发动机1的燃料为脱氢燃料时，在S1312中把脱氢燃料供给到发动机。在S1313中利用脱氢燃料用点火映射来确定点火时期。当在S1302中供给到发动机1的燃料为改性前燃料时，在S1314中把改性前燃料供给到发动机。为了防止爆燃而降低实效压缩比，在S1315中使吸气阀的关闭时期角度滞后。另外，也可以通过具备可变压缩比机构来降低实际压缩比。在S1316中由改性前燃料用点火映射来确定点火时期。

根据本系统，通过针对供给到发动机的燃料中的辛烷值的变动来采取将改性前燃料供给到发动机时的耐爆燃对策，可以与高辛烷值燃料吻合地确定发动机的压缩比，能够实现热效率的提高。

上述说明是针对实施例进行的，但本发明不限于此，本专业的技术人员可以明了在本发明的构思和权利要求书的记载范围内可进行种种变更和修正。

附图标记说明

1：发动机，2：改性器，3：排气管，4：节流阀，5：吸气管，6：改性后燃料的燃料供给装置，7：改性前燃料的燃料供给装置，8：改性前燃料向改性器的燃料供给装置，9：吸气阀，10：火花塞，11：排气阀，12：改性前燃料，13、20：压力传感器，14：旋转位置测量装置，15：O2传感器，16、17：燃料供给装置，18：压缩机，19：切换阀，21：温度传感器，22：EGR阀，23：控制装置，24：EGR管，25：分离装置，26：脱氢燃料罐。

Claims (8)

1.一种带改性器的发动机系统，由搭载于排气管的改性器对改性前燃料进行改性，将包含氢的改性后燃料供给至发动机，其特征在于，

具有控制所述发动机的点火时期的控制装置，

所述控制装置在将由所述改性器生成的氢供给至所述发动机时，根据所述发动机的负荷、转速、空气过剩率来确定目标热产生开始时期，控制所述发动机的点火时期，以便所述发动机的当前热产生开始时期与所述目标热产生开始时期的偏差处在规定范围。

2.如权利要求1所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，具有与发动机转矩、发动机转速、向发动机的混合气的空气过剩率对应的最佳点火时期时的热产生开始时期的数据，根据所述热产生开始时期的数据来确定所述目标热产生开始时期。

3.如权利要求1所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，具备测量所述发动机的内部压力的压力测量机构、以及能够测量所述发动机的曲柄旋转位置的旋转位置检测机构，根据由所述压力测量机构测量到的压力和由所述旋转位置检测机构检测到的曲柄位置来推定所述当前热产生开始时期。

4.如权利要求1所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，具备根据从所述点火时期到所述当前热产生开始时期为止的曲柄角度来推定被供给至所述发动机的燃料中的氢混合比例的氢混合比例推定装置，具备根据由所述氢混合比例推定机构推定出的所述氢混合比例来确定目标空气过剩率的空气过剩率确定装置。

5.一种带改性器的发动机系统，由搭载于排气管的改性器对改性前燃料进行改性，将改性后燃料供给至发动机，其特征在于，具有：

对改性后燃料进行气液分离而分离成氢气和脱氢燃料的分离装置，

将所述氢气供给至所述发动机的吸气管的氢气供给机构，

贮存所述脱氢燃料的罐，和

将所述脱氢燃料直接喷射到所述发动机的脱氢燃料供给机构。

6.如权利要求5所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，所述脱氢燃料的辛烷值比所述改性前燃料的辛烷值高。

7.如权利要求6所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，在所述发动机的吸气管中具有用于提高吸气压的压缩机。

8.如权利要求6所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，在所述脱氢燃料的贮存量为规定量以下时，停止所述脱氢燃料向所述发动机的供给，将所述改性前燃料供给至所述发动机，

具有控制装置，该控制装置进行以下任何一种控制：在将供给至所述发动机的燃料从所述脱氢燃料切换成所述改性前燃料之前降低压缩比，或者控制所述发动机的吸气阀的关闭时期，或者增加所述发动机的排气向所述发动机的返回量。

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