JP2007231818A - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料分離装置4において、車両に搭載された燃料タンク2内の燃料を、高オクタン価燃料、改質燃料、始動用燃料に分離した後、エンジン1の運転状態に応じて、高オクタン価燃料、改質燃料、始動用燃料のいずれかが選択または混合されて、エンジン1に供給することで効率的な運転を可能とする。そして、コンピュータ7は、エンジン1の停止時刻に対して、燃料分離装置4の分離停止時刻を所定の期間だけ遅延させる。
【選択図】図1
Description
たとえば、下記特許文献1に開示された燃料供給装置では、分留装置と改質装置とを備える。分留装置は、外部から補給された燃料を低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とに分留し、改質装置は、分留装置によって生成された低オクタン価燃料のオクタン価を高める。そして、分留装置によって生成された高オクタン価燃料と、改質装置によってオクタン価が高められた改質燃料とを、機関負荷に応じて要求されるオクタン価になる比率で混合させて、内燃機関に供給する。
この従来の燃料供給装置によれば、内燃機関の運転状態に応じて燃料組成を制御できるので、内燃機関を効率良く運転させることができる。
それゆえ、分離によって生成される高オクタン価燃料、改質燃料をそれぞれ貯蔵するためのタンク容量が小さい場合、始動時におけるタンク残量によっては、始動開始後しばらくの間、適切な組成の燃料を内燃機関に供給できないことがある。
燃料タンクは、外部から供給される燃料を貯蔵する。燃料分離部は、燃料タンク内の燃料を、それぞれ組成が異なる複数種類の燃料に分離する。この分離方法として、分留や改質などの様々な化学的処理が考え得る。
複数の燃料貯蔵部は、複数種類の燃料をそれぞれ別々に貯蔵する。燃料供給部は、複数の燃料貯蔵部に貯蔵された複数種類の燃料の中からいずれかの燃料を選択または混合し、内燃機関に所望の組成の燃料を供給する。
制御部は、内燃機関の運転停止時刻に対して、燃料分離部の分離停止時刻を所定の第1期間遅延させる。すなわち、内燃機関の運転停止後においても、燃料の分離動作が継続される。
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料供給装置を含むエンジンのシステム構成図である。なお、図1において、エンジン1は、通常のガソリンエンジンの圧縮比より高い圧縮比に設定されるものとする。また、エンジン1の燃焼方式の違い、たとえば火花点火、圧縮着火の違いは問わない。
燃料分離装置4は、本発明の燃料分離部の一実施形態である。
燃料分離装置4内部の貯蔵部43a,43b,44aは、本発明の複数の燃料貯蔵部を構成する。
燃料ポンプ3,6および燃料混合比率調整器5は、本発明の燃料供給部を構成する。
ECU7は、本発明の制御部の一実施形態である。
先ず、図1に示すエンジンのシステム構成について以下説明する。
燃料タンク2は、車両に補給される燃料を貯蔵する。この燃料タンク2内には、燃料ポンプ3が設けられる。燃料ポンプ3は、燃料タンク2内の燃料を、燃料路101を介して燃料分離装置4に供給する。
ここで、燃料ポンプ3は、ECU7と電気的に接続され、ECU7を介して給電のタイミングが制御される電動ポンプである。したがって、燃料ポンプ3の動作開始・停止のタイミングは、エンジン1の始動・停止のタイミングと独立に制御することが可能となっている。
図2に示すように、燃料分離装置4は、筐体41と温度調節器42を備える。
筐体41は、燃料路101と接続されて形成される。筐体41は、燃料路101を介して供給される燃料タンク2内の燃料を、貯蔵部41aに一時的に貯蔵する。
筐体41の内部には、貯蔵部41aに貯蔵された燃料を分離するための、分留器43および分留改質器44が設けられる。
また、分留器43は、90℃において気体状の燃料成分を始動用燃料として貯蔵部43bに貯える。貯蔵部43b内の始動用燃料は、燃料路104を介して外部に取り出される。
さらに、分留改質器44は、抽出した低オクタン価燃料に対して、触媒作用を施すとともにクラッキングや重合などの変成を行う改質処理を行うことで、改質前よりもオクタン価の高い燃料(以下、改質燃料と称する)を生成し、内部にある貯蔵部44aに貯蔵する。貯蔵部44a内の改質燃料は、燃料路103を介して外部に取り出される。
たとえば、温度調節器42は、所定の動作電圧が与えられている限り、筐体41内の温度を、常に触媒の活性に必要な所定の温度T_act以上となるように動作する。ただし、たとえば冷間始動時では、筐体41内の温度が温度T_act以上となるには、動作電圧の印加後しばらくの時間が必要である。
燃料混合比率調整器5は、燃料分離装置4と燃料路102,103,104によって接続され、燃料路102から高オクタン価燃料を、燃料路103から改質燃料を、燃料路104から始動用燃料を導入する。
燃料混合比率調整器5は、燃料路102からの高オクタン価燃料、燃料路103からの改質燃料、燃料路104からの始動用燃料のいずれかの燃料の選択または混合比率を制御する比例電磁弁を含んで構成される。その比例電磁弁の弁開度は、ECU7から指示される混合比率を示す制御信号に基づいて制御される。
ECU7は、燃料ポンプ3、および、燃料分離装置4内部の温度調節器42に対する印加電圧を生成し、かつ、その印加タイミングを制御する。
次に、エンジン1に対する燃料供給動作について、具体的に説明する。
図6は、エンジン負荷及びエンジン回転数Neと、要求される燃料混合比率との関係の一例を示す。図6に示すように、エンジンの運転状態が低負荷で、ノッキング回避のため要求オクタン価が比較的低い場合には、改質燃料の割合を大きくし、エンジン負荷が高くノッキング回避のための要求オクタン価が比較的高い場合には、沸点90℃〜150℃範囲の高オクタン価燃料の割合を大きくする。
なお、エンジンの負荷は、スロットル開度(スロットル開度センサ93)や、そのスロットル開度を基に各種エンジン状態のパラメータを考慮してECU7内部で決定される燃料噴射量などによって推定できる。
なお、エンジン暖機状態は、エンジンの冷却水温度(水温センサ95)に基づいて判断できる。たとえば冷却水温度が40℃よりも低いときに、エンジンが暖機中であると判断して、始動用燃料を供給するようにする。
次に、エンジン停止時の動作について、図7のタイミングチャートに関連付けて説明する。
一方、燃料ポンプ3および温度調節器42は、ECU7によって給電タイミングが制御される。そこで、この燃料供給装置では、図7(b)および(e)に示すように、エンジン1の停止後の時刻t1まで、燃料ポンプ3および温度調節器42の動作停止を遅延させる。そうすると、図7(f)に示すように、燃料分離装置4内の温度は、時刻t1までの間、触媒活性のための最低温度であるT_act以上に保たれる。
したがって、次回のエンジン始動時において、燃料分離装置4内の各貯蔵部に、高オクタン価燃料、改質燃料、始動用燃料が必要な量だけ確保されるため、始動直後に分留・改質のための温度環境が整わない間においても、各貯蔵部内の燃料を使用して、所望の組成の燃料を生成することが可能となる。図7(g)が示すように、エンジン停止時刻に対して、分離動作が停止する時刻は、期間T1(第1期間)だけ遅延することになる。
この期間T0は、常に一定値である必要はない。一般に、時間が経過するにつれて、燃料分離装置4における分離膜の劣化、改質触媒の劣化によって、燃料分離装置4の分離効率(単位時間当たり分離できる燃料量)が低下していく。したがって、期間T0を時間が経過するに伴って長くなるように更新することで、分離効率の低下を分離期間の延長によって補償することが望ましい。
図8において、期間T0は下記式(1)に従って算出される。
T0=(1+α)×T01・・・(1)
なお、式(1)において、αは劣化補正係数、T01は初期値である。
初期値T01は、たとえば、始動時において燃料分離装置4内部に所望の温度環境を設定するための温度調節器42の能力に応じて決定すればよい。
前述したように、分離膜の劣化、改質触媒の劣化に伴う分離効率の低下を考慮すると、図8(a)に示すように、劣化補正係数αを累積動作時間の増加関数とすることが望ましい。劣化補正係数αの増加度合いは、時間経過に伴う分離効率の低下を実測することによって決定すればよい
なお、累積動作時間は、燃料供給装置が初めて動作を開始してからの累積時間であって、ECU7が内部のタイマによって常時カウントすることによって得られる。ECU7内部のタイマ値をもって、エンジン1または燃料分離装置4の累積動作時間とみなすことができる。
図8(b)に示す例では、累積動作時間において時刻txまでは、分離膜の劣化に伴う劣化係数α1の分離効率の低下に対する影響が大きく、時刻tx以降は、改質触媒の劣化に伴う劣化係数α2の分離効率の低下に対する影響が大きくなっている。かかる場合には、上記式(1)におけるαに対して、累積動作時間が時刻txまではα1を適用し、時刻tx以降はα2を適用するようにする。また、分離膜の劣化と改質触媒の劣化の両者ともに影響が大きい場合には、上記式(1)におけるαに対して、劣化係数α1と劣化係数α2との和を適用してもよい。
さらに、分留改質器44における触媒の温度環境が整っている状態で、同様に、燃料分離装置4内の貯蔵部41aの液面低下率と、貯蔵部44aの液面上昇率とを検出し、その検出結果から改質能力の劣化を推定する方法が考えられる。また、改質時に生成されるガスの圧力変化を監視する方法も採りうる。
また、温度調節器42を用いずに、たとえばエンジン1の排熱を利用して燃料分離装置4内部の温度環境を整える場合があるが、かかる場合でも、エンジン停止後に残留する排熱によって分離動作が継続する。
この場合、図9(e)に示すように、温度調節器42は常に動作しない状態(OFF)である。エンジンが停止する時刻t0後、たとえばエンジン1の排熱の低下に伴い、図9(f)が示すように、燃料分離装置4内部の温度が低下していくが、触媒活性のための最低温度であるT_act以上である間は、燃料の分離が継続して行われる。そして、時刻t2になると、燃料分離装置4内部の温度がT_actまで低下し、その後は、燃料分離装置4内部において分留・改質のための温度環境が整わないため、分離は行われない。
このように、温度調節器42を用いない場合でも、エンジン停止後に分離動作が継続され、次回のエンジン始動時において、燃料分離装置4内の各貯蔵部に、高オクタン価燃料、改質燃料、始動用燃料がある程度確保される。
次に、エンジン始動時の動作について、図10のタイミングチャートに関連付けて説明する。
そこで、本実施形態に係る燃料供給装置では、エンジン始動直後は、燃料分離装置4内の各貯蔵部(43a,43b,44a)にそれぞれ確保されている燃料を用いて、即座に所望の組成の燃料をエンジン1に供給するようにする。
このエンジン始動時には、燃料分離装置4内の各貯蔵部(43a,43b,44a)にそれぞれ貯蔵されている燃料(高オクタン価燃料、始動用燃料、改質燃料)が使用される。
一方、燃料ポンプ3は、図10(b)に示すように、エンジン停止時刻に対して、燃料分離装置4内部の温度がT_actに達するまでの期間を見積もった期間T2(第2期間)だけ遅延させ、時刻t4から動作を開始させる。したがって、時刻t3から時刻t4の間は、分離動作を行わない(図10(g))。
そして、時刻t4になると、燃料分離装置4内部の温度がT_actに達し、燃料分離装置4内部において分留・改質のための温度環境が整うと同時に、燃料ポンプ3がONして分離動作が開始される。
図11において、期間T2は下記式(2)に従って算出される。
T2=(1+α+β)×T02・・・(2)
なお、式(2)において、αは劣化補正係数、βは温度補正係数、T02は初期値である。
初期値T02は、たとえば、始動時において燃料分離装置4内部に所望の温度環境を設定するための温度調節器42の能力に応じて決定すればよい。
前述したように、分離膜の劣化、改質触媒の劣化に伴う分離効率の低下を考慮すると、図11(a)に示すように、劣化補正係数αを累積動作時間の増加関数とすることが望ましい。この劣化補正係数αの増加度合いは、時間経過に伴う分離開始の遅延時間を実測することによって決定すればよい。
なお、前に参照した図8同様、上記式(2)におけるαは、分離膜の劣化に伴う劣化係数α1と、改質触媒の劣化に伴う劣化係数α2とを考慮して決定してもよい。
(1)
以上説明したように、上記燃料供給装置は、車両に搭載された燃料タンク2内の燃料を、高オクタン価燃料、改質燃料、始動用燃料に分離した後、エンジン1の運転状態に応じて、高オクタン価燃料、改質燃料、始動用燃料のいずれかを選択または混合し、エンジン1に供給することによって、効率的な運転を可能とする。そして、ECU7は、エンジン1の停止時刻に対して、燃料分離装置4の分離停止時刻を期間T1(第1期間)だけ遅延させる。
したがって、次回のエンジン始動時において、燃料分離装置4内の各貯蔵部に、高オクタン価燃料、改質燃料、始動用燃料が必要な量だけ確保されるため、始動直後に分留・改質のための温度環境が整わない間においても、各貯蔵部内の燃料を使用して、所望の組成の燃料を生成することが可能となる。
分留改質のための温度環境を整えるための手段は温度調節器42に限られず、たとえばエンジン1の排熱を利用する手段でもよい。かかる場合でも、エンジン停止後における排熱の余熱分によって、燃料分離装置4の内部の温度低下は急激には進まず、エンジン停止後にも分離動作が継続されるので、燃料分離装置4内の各貯蔵部に、高オクタン価燃料、改質燃料、始動用燃料がある程度確保される。
また、温度調節器42に対する給電をエンジン1の停止と同時に停止させてもよい。かかる場合であっても、排熱を利用した場合と同様に、余熱分によってエンジン停止後の分離動作が継続され、次回のエンジン始動時に必要となる高オクタン価燃料、改質燃料、始動用燃料が確保され得る。
ECU7は、エンジン1の停止時刻に対して、燃料ポンプ3の動作開始時刻を遅延させることで、燃料分離装置4の分離開始時刻を期間T2(第2期間)だけ遅延させる。
したがって、燃料分離装置4において分留・改質のための温度環境が整わないエンジン始動直後には、燃料分離装置4内部の貯蓄燃料を利用し、分留・改質のための温度環境が整った後は、燃料分離動作が開始される。それゆえ、エンジン始動直後から常に所望の組成の燃料をエンジン1に供給することができる。
エンジン停止時刻に対して、燃料分離装置4の分離動作の停止時刻を遅延させる期間T1(第1期間)は、分離膜の劣化、改質触媒の劣化に伴う分離効率の低下を考慮して、累積動作時間の増加関数とすることが好ましい。これにより、エンジン1または燃料分離装置4の累積動作時間に関わらず、次回のエンジン始動時に備えて安定した量の分離燃料を得ることができる。
エンジン始動時刻に対して、燃料分離装置4の分離動作の開始時刻を遅延させる期間T2(第2期間)は、分離膜の劣化、改質触媒の劣化に伴う分離効率の低下を考慮して、累積動作時間の増加関数とすることが好ましい。さらに、エンジン始動時における燃料分離装置4内部の温度が高いほど、期間T2が短くなるようにすることが好ましい。これにより、エンジン1または燃料分離装置4の累積動作時間、始動時の雰囲気温度に関わらず、分離開始時刻を精度良く設定することができるようになる。
たとえば、上述した実施形態では、燃料分離装置4の内部に、分離によって得られた複数の燃料(高オクタン価燃料、改質燃料、始動用燃料)を貯える複数の貯蔵部(43a,43b,44a)を設けたが、これらの貯蔵部は、別々の位置に設けるようにしてもよい。この燃料供給装置では、エンジン停止後に所定の期間だけ燃料分離を継続させることで、貯蔵部の貯蔵容量が小さい場合であっても、次のエンジン始動時前にその貯蔵部に燃料を確保するようにする点に特徴があり、この点は貯蔵部の位置と関係がない。
2 燃料タンク
3、6 燃料ポンプ
4 燃料分離装置
41 筐体
42 温度調節器
43 分留器
44 分留改質器
5 燃料混合比率調整器
7 ECU
Claims (7)
- 外部から供給される燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンク内の燃料を、それぞれ組成が異なる複数種類の燃料に分離する燃料分離部と、
前記複数種類の燃料をそれぞれ別々に貯蔵する複数の燃料貯蔵部と、
前記複数の燃料貯蔵部に貯蔵された複数種類の燃料の中からいずれかの燃料を選択または混合し、内燃機関に所望の組成の燃料を供給する燃料供給部と、
内燃機関の運転停止時刻に対して、前記燃料分離部の分離停止時刻を所定の第1期間遅延させる制御部と、
を備えた、内燃機関の燃料供給装置。 - 外部から供給される燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンク内の燃料を、それぞれ組成が異なる複数種類の燃料に分離する燃料分離部と、
前記複数種類の燃料をそれぞれ別々に貯蔵する複数の燃料貯蔵部と、
前記複数の燃料貯蔵部に貯蔵された複数種類の燃料の中からいずれかの燃料を選択または混合し、内燃機関に所望の組成の燃料を供給する燃料供給部と、
内燃機関の運転開始時刻に対して、前記燃料分離部の分離開始時刻を所定の第2期間遅延させる制御部と、
を備えた、内燃機関の燃料供給装置。 - 前記制御部は、内燃機関の運転開始時刻に対して、前記燃料分離部の分離開始時刻を所定の第2期間遅延させる
請求項1記載の内燃機関の燃料供給装置。 - 前記燃料分離部は、前記燃料タンクに貯蔵された燃料に対し、分留および/または改質を行うことによって、前記複数種類の燃料に分離する
請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関の燃料供給装置。 - 前記燃料分離部は、
前記燃料タンク内の燃料のうち特定の成分を改質する改質装置と、
当該改質装置内の温度を改質処理に必要な第1温度以上に保持する温度調節装置と、を有し、
前記制御部は、内燃機関の運転停止時刻と同時に、前記温度調節装置の動作を停止させる
請求項1または3に記載の内燃機関の燃料供給装置。 - 前記制御部は、内燃機関または前記燃料分離部の累積動作期間に対する増加関数に基づいて、前記第1期間を算出する
請求項1または3に記載の内燃機関の燃料供給装置。 - 前記制御部は、内燃機関または前記燃料分離部の累積動作期間に対する増加関数と、前記燃料分離部の温度とに基づいて、前記第2期間を算出する
請求項2または3に記載の内燃機関の燃料供給装置。
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