JP2009068492A

JP2009068492A - エンジンの運転モード移行方法

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Publication number: JP2009068492A
Application number: JP2008233381A
Authority: JP
Inventors: William Francis Stockhausen; フランシスシュトックハウゼンウィリアム; Diana D Brehob; ディー．ブレホブダイアナ
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2009-04-02
Also published as: US8181636B2; CN101387229A; CN101387229B; US20090260606A1; US20090071453A1

Abstract

【課題】第一燃料を使用する第一運転モードから第二燃料を使用する第二運転モードにエンジンの運転モードを移行を適切に行う方法を提供する。
【解決手段】第二燃料を使用する運転モードから水素を使用する運転モードにエンジンの運転モードを移行する方法が、上記移行の開始時に空気量の増大を開始して、上記移行の間、空気量を実質的に増加する工程、上記移行の開始時に上記エンジンへの水素の供給を開始する工程、及び、上記移行の開始時に上記第二燃料の上記エンジンへの供給量を低減する工程、を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、第一燃料を使用する第一運転モードから第二燃料を使用する第二運転モードにエンジンの運転モードを移行する方法に関連し、より具体的には、水素燃料を使用する運転モードと炭化水素燃料を使用する運転モードとの間の移行方法に関連する。

ガソリン燃料、ディーゼル燃料、及び、アルコール燃料のような炭素含有燃料から出る温室効果ガスに対する懸念のため、燃焼の際に水のみを生成する水素を自動車の燃料とすることに強い関心が寄せられている。

水素は、ガソリン燃料やディーゼル燃料のような密度の濃い燃料と比べたとき、気筒内の体積の殆どを占める気体燃料であるため、水素を燃料とする内燃機関（エンジン）は、ガソリンやディーゼルによって駆動されるエンジンに比べ、出力が低いという課題がある。更に、水素の燃焼は、約0.5或いはそれより低い等量比において動作するように制限される。等量比が大きいと燃焼の荒々しさ（harshness）が増し、そして、NOx排出量が急速に増加する懸念があるからである。なお、等量比1が、ストイキ比（化学量論比）であり、全ての酸素及び燃料が完全に燃焼できるような、燃料の空気に対する比を意味する。そして等量比0.5はリーンであり、その中において供給される空気の量は、燃料を完全に消費するために必要とされる量の二倍である。そのような等量比の制限は、燃焼室内の空気の量によって消費可能な量の約半分の燃料を供給することになり、その結果、エンジンによって、ストイキ比での燃焼に比べて約半分のトルクしか生成されない。

等量比は、混合気の燃料の空気に対する（質量）比を、ストイキの混合気における燃料の空気に対する比で除算したものとして定義される。ストイキ混合気は等量比1.0を持ち、リーン混合気は1.0より小さな等量比を持ち、そして、リッチ混合気は1.0より大きな等量比を持つ。

本願発明者は、二種の燃料、例として水素とガソリンでエンジンを運転することにより、エンジンが低いトルクレベルにおいては水素で運転され、そして、高いトルクレベルではガソリンで運転されることを認識した。水素は非常にリーンな等量比において急速に燃焼し、そして、非常に低いトルク（多くても、最小のスロットリング）において、ロバスト性良く燃焼するのに適している。ガソリンは、その高いエネルギー密度とストイキにおいて運転できることにより、高いトルクを供給するのに適している。そこで、本願発明者は、水素燃料での運転と水素とは別の燃料での運転との間の切り替えを行うバイフューエル・エンジンを提案する。

高トルク用燃料は、天然ガス、プロパン、ガソリン、メタノールやアルコールのようなアルコールに代表される炭化水素燃料であり得る。更に、気体燃料の組み合わせや、E85のような、85％のエタノールと15％のガソリンから成る液体燃料の組み合わせも使用可能である。高トルク燃料は、燃焼において反応して二酸化炭素、即ち、温室効果ガスを形成する炭素を含む。水素は燃焼生成物として水のみを生成し、温室効果ガスは形成しない。したがって、可能な限り水素で運転し、目標トルクを供給するのに必要なときに炭素含有燃料を使用することが望ましい。

正規化エンジントルクとして、平均有効圧力（brake mean effective pressure: BMEP）が当業者によって通常使用されており、これは、4行程エンジンにおいて、2*P/(V*N)で表わされる。ここにおいてPはブレーキ出力（エンジンの出力軸に取り付けたブレーキに出力される馬力によって測定されるエンジン出力）、Vは排気量、そして、Nはエンジン回転数（rpm）である。

本発明における第一運転モードから第二運転モードへの移行を行う方法が、空気供給を低減する工程、第一燃料の供給を低減する工程、そして、移行の開始において第二燃料の供給を始める工程を有する。第一燃料は実質的に100％の水素であり、第二燃料は主として炭化水素から構成される、例えば、ガソリン、或いは、ガソリンとアルコールの混合物である。反対に、第二燃料が気体水素で、第一燃料が炭化水素燃料の場合もある。モード移行の間、水素の量は、モード移行の終了時において、エンジンに供給されなくなるように、連続的に減少される。同時に、第二燃料の量は、モード移行の間、水素の減少に合わせて増加される。このモード移行は、水素燃料の等量比が略0.5である閾値を上回るようなトルク要求が生じたときに開始される。空気供給の低減は、エンジンのスロットル弁を閉じることによって達成され、このモード移行の間に空気供給が30〜60％減少される。実施形態の一つにおいて、モード移行はエンジン・ピストンの速度が閾値を上回ったことに応じて開始される場合もある。エンジン・ピストン速度は、2*S*Nとして算出され、ここにおいてSは行程であり、そしてNはエンジン速度（rpm）である。エンジン・ピストン速度は回転の間、一定ではない。ここで算出されるピストン速度は、平均ピストン速度である。

また、本発明におけるエンジンにおける二つの運転モードの間を移行する方法が、空気供給を実質的に増加する工程、水素の供給を開始する工程、及び、第二燃料の供給を減少させる工程を有し、全ての工程が、だいたいモード移行の開始時において生じる。このトルク移行は、トルク要求が閾値BMEPを下回ったことに応じて開始される。ここでBMEPは、自然吸気エンジンで3.5〜5bar（3.57〜5.1 kgf/cm²）であり、そして、圧力充填エンジンにおいて6〜8bar（6.12〜8.16kgf/cm²）である。このモード移行の間、空気供給は30〜60％増加される。モード移行の開始時のエンジンに対する水素供給において、水素燃料のみに関する等量比は少なくとも0.1である。

例として、4気筒エンジン10が図1に示される。エンジン10は吸気マニフォールド12を介して空気を供給され、そして、排気マニフォールド14を介して使用済みの気体を排出する。吸気マニフォールド12の上流の吸気ダクトが、駆動されたときにエンジン10に対する空気流の量を制御するスロットル弁32を含む。吸気マニフォールド12内に設けられたセンサー34及び36がそれぞれ、吸気温度と質量空気流量（mass air flow：MAF）を測定する。吸気マニフォールド14の中のスロットル弁32の下流に配設されたセンサー31が、マニフォールド絶対圧（manifold absolute pressure：MAP）センサーである。スロットル弁32を部分的に閉じると、吸気マニフォールド12内に、スロットル弁32の上流側の圧力に対する圧力降下をもたらす。吸気マニフォールド12内に圧力降下が存在するとき、排気ガスは、排気マニフォールド14を吸気マニフォールド12に接続する排気ガス還流（exhaust gas recirculation: EGR）ダクト19を通って流される。EGRダクト19の中には、EGR流量を制御すべく駆動されるEGR弁18がある。水素燃料は、気筒30の中に直接噴射する燃料噴射弁30によってエンジン10に供給され、そして、ポート噴射弁26が液体燃料を吸気マニフォールド12の中に噴射する。この配置は、例示の目的で示されており、限定されることを意図していない。別の実施形態において、水素燃料を供給するポート噴射弁26と、液体燃料を供給する直接噴射弁30を備える場合も有る。或いは、両燃料が直接噴射弁を介して供給される場合も有る。更に別の実施形態においては、両燃料がポート噴射弁を介して供給される。別の実施形態において、水素以外の燃料は、メタンのような気体炭化水素燃料である。エンジン10の各気筒16が、点火プラグ28を含む。エンジン10のクランク軸（不図示）が、歯車20に結合している。歯車20に近接して配設されたセンサー22が、エンジン10の回転を検出する。クランク軸の位置を検出する他の方法が代わりに採用されても良い。

図1において、上述の各センサーからの信号を受けて、そして、後述するエンジン運転マップ42に基づいて、燃料噴射弁26、30、点火プラグ28、EGR弁18、及び、スロットル弁32を制御する制御器40が示される。制御器40は、中央処理装置46、メモリー管理ユニット48、入/出力ポート44、この特定の例において読み取り専用メモリとして示される実行プログラム及び較正値を含む電子記憶媒体50、ランダムアクセス・メモリ54、及び、キープアライブ・メモリ52を含む通常のマイクロコンピュータとして示される。制御器40は、前述した信号に加えて、冷却スリーブに結合された温度センサー24からのエンジン冷却水温度（engine coolant temperature: ECT）信号、スロットル位置センサー（不図示）からのスロットル位置（TP）信号、及び、触媒66の温度を検出する触媒温度センサー（不図示）からの信号を含む、エンジン10に結合されたセンサーからの種々の信号を受けるのが示されている。

実施形態の一つにおいて、エンジンは、コンプレッサ58によってエンジン内に圧力充填される。エンジン10に供給される空気の密度を増大させることにより、より多くの燃料が同じ等量比で供給され得る。そのようにすることによって、エンジン10はより多くの出力を生成する。コンプレッサ58は、エンジン外部から駆動されるのが一般的なスーパーチャージャーであり得る。或いは、コンプレッサ58は、エンジン排気通路内に置かれたタービン56とシャフトを介して接続される。図1に示すように、タービン56は可変容量タービンである。しかしながら、代替実施形態においては、非可変容量装置でも良い。別の実施形態において、エンジンは自然吸気エンジンであり、その実施形態においては、タービン56及びコンプレッサ58は除かれる。タービン56の下流に三元触媒66が置かれる。あるいは三元触媒66は、触媒のライトオフを早める為に、タービン56の上流に置かれ得る。あるいは、触媒66は、リーン等量比においてNOxを低減する能力を持つリーンNOxトラップあるいはリーンNOx触媒である。

二つの燃料タンク60と64が、二種の燃料を供給する。図1に示される実施形態において、タンク60は液体燃料を収容し、そして、タンク64は水素を収容する。しかしながら、上述したように、本発明は可能性の有る種々の燃料の組み合わせを含むことを企図しており、それに応じて適切な燃料容器が設けられる。タンク内燃料ポンプ62が、液体燃料を加圧する。燃料タンク64は、高圧タンクである。一般的に、加圧は必要とされないが、圧力調節器が使用されることがある。

従来より、エンジンの運転モードを移行することは知られている。例えば、層状給気ガソリンエンジンにおいては、リーンの層状運転モードと、ストイキの予混合運転モードとの間の移行が、燃料を一定に保ちながら等量比をリーンからリッチに急に変えるため、課題をもたらすことが知られている。本発明においては、水素運転特性の最高の組み合わせが、0.5より小さな等量比で実現される一方で、望ましい燃料及び排出物特性が、等量比1.0の他の燃料（炭化水素燃料、アルコール燃料など）を用いて達成されるので、等量比を変えるときに燃料も切り替えられる。燃料切り替えは、単一サイクルの中で達成され得る一方で、空気量の変化が遅れ、それがモード移行の間の課題となる。本発明は、等量比のみならず燃料も変わるので、従来の層状給気エンジンにおける移行とは異なる。

従来、ガソリンとプロパン、あるいは、ガソリンとエタノールのような、二種の燃料間で運転モードの移行が行われるバイフューエル・エンジンが知られている。しかしながら、もっとも知られている燃料（気体炭化水素、液体炭化水素、及び、アルコール）の可燃性の等量比範囲は、だいたいリーン限界0.65からリッチ限界1.7の間であり、リーン限界がだいたい0.10でリッチ限界が3である水素燃料に比べて狭い。殆どの燃料は非常にリーンの等量比ではロバスト性良く燃焼することが出来ず、安定したリーン運転は、NOx生成量が高い領域で行われる。したがって、水素を除く殆どの燃料は、ストイキ、即ち等量比１において使用される。非常にリーンの水素混合気はロバスト性良く燃焼するので、生成されるNOxの量は、排出物の大きな課題は無く、そのようなリーン運転を可能とするほど少ない。水素は内燃機関において広い範囲の等量比で燃焼が可能であるにもかかわらず、0.15から0.5の等量比範囲が使用される。その理由は、0.5等量比よりもリッチで運転するとき、水素の荒い燃焼と自着火により、それを避けたほうが良い燃焼状態をもたらすからである。したがって、二種の燃料のうち一つが水素のバイフューエル・エンジンは、水素運転モードからガソリン運転モードに移行するとき、0.5あるいはそれより小さな値から、1.0への等量比の切換が生じる。

要約すると、従来の層状リーン運転とストイキ運転との間の移行と本発明との違いは、上述したように、等量比と燃料種の両方の移行が生じる点である。更に本発明は、燃料の一つが水素で有る点で従来のバイフューエル・エンジンのモード移行とは異なる。本発明によれば、運転モード間の切り替えが、燃料種と等量比の両方の変化をもたらす。一方従来の技術は二種の燃料のいずれも水素ではなく、等量比は燃料種の変更時に実質的に変化しない。

電子式燃料噴射弁によって供給される気体燃料は、１サイクルの間にON位置、OFF位置、あるいは、それらの間の適所に設定される。唯一の過渡時の問題は、燃料噴射弁が吸気マニフォールド内に設けられた場合の吸気マニフォールド内の残留燃料である。燃焼室に直接的に供給される（直接噴射される）液体燃料は、1サイクルの中で使用され得る。しかしながら、吸気ポート内に供給される（ポート噴射された）液体燃料は、ポート表面に形成される燃料膜に起因する幾つかの困難性を提起する。つまり、噴射弁を駆動するとき、噴霧された燃料の一部がマニフォールド壁を濡らし、直接には燃焼室の中に入っていかない。ポート噴射弁からの液体燃料の供給を停止したとき、吸気ポート壁の上に残っている壁上の燃料膜は剥がされて、燃焼室の中に導入される。この残燃料が無くなるまでに、数回の吸気イベントが必要である。例えば、気筒の中に導入される空気の量を急に変えることは、マニフォールドを満杯あるいは空にするのに数回のエンジンサイクルが掛かるため、問題を引き起こす。したがって、一つの燃料から他の燃料への移行には、少なくとも数回のエンジンサイクルがかかる。実施形態の一つにおいて、燃料間の切り替えは、10サイクル以上をかけて達成される。

実施形態の一つにおいて、両方の燃料が移行期間の間に供給され、一方で、供給される吸気が新しい運転状態に調節される。水素がガソリン（或いは他の炭化水素燃料）を補うべく使用されるとき、水素が、ガソリン単独の場合に燃焼可能な等量比より実質的にリーンな等量比において燃焼を促進することは、当業者によって知られている。

図2の（a）のエンジン運転マップにおいて、BMEPが閾値を上回ったときに燃料2（炭化水素燃料）が使用されるのが示される。この閾値は、水素の等量比に関連しており、所望の大きさ、例えば0.5より大きい。つまり、閾値以上のBMEPを作り出すための水素の等量比は0.5を上回る。図2の（b）のエンジン運転マップにおいて、追加の制約が水素運転に置かれる。そこにおいて、ピストン速度が或る閾値を上回るとき、エンジンは燃料１（水素）から燃料２（炭化水素燃料）に移行する。

冷間時、エンジンは、（炭化水素）液体燃料における冷間始動時気化問題及びミキシング問題を生じることのない、水素燃料で始動する。図3のエンジン運転マップにおいて、触媒がライトオフ温度Tcatに達しているときで且つ、BMEPが閾値を上回っているときに、燃料２のみが使用される。

図4において、水素からガソリンへの移行の実施形態の一つのタイムチャートが示される。移行の前に水素が使用され、移行の後にガソリンが使用される。そして移行の間、二つの燃料の組み合わせが使用される。一番上のグラフ(a)に示すように、移行の間、トルクは増加している。一番下のグラフ(e)に示すように、移行の前の等量Φは、0.5より小さい。上述したように、水素からガソリンへの移行は、水素の等量比が略0.5になって移行を開始するのが望ましい。グラフ(c)には、グラフ(a)のトルク増加を提供すべく、移行に先立って供給される水素の量が増加するのが示される。移行前において、グラフ(b)の空気供給速度dm_a/dtが、水素の増量によって提供される付加トルクによらず一定である。移行の開始時、スロットルが部分的に閉じられ、そして吸気量が低減される。吸気は、移行の終わりまでに、供給される空気が、水素を除く全ての燃料にとって望ましい等量比であるΦ＝１を提供するのに必要とされる値になるよう、低減される。例えばこの移行の間に空気供給が30〜60％減少される。移行期間が設けられている理由の一つは、空気の供給を１エンジンサイクルのあいだに変えることが出来ないからである。代わりに、スロットルが急速に開かれたときでさえ、マニフォールドを満たして所望の量の空気をエンジンに供給するには、数エンジンサイクルがかかる。移行の開始直後は空気が望ましい量より多いため、水素供給が継続される。通常の（炭化水素）燃料に水素を添加することにより、通常の燃料が、水素が存在しない場合には安定燃焼が出来ないような等量比においてロバスト性良く燃焼可能であることは本技術分野の当業者には知られている。したがって、水素の供給は移行期間の間も継続し、等量比が目標の1.0に達したときに停止される。或いは、図示されていないが、水素供給は、等量比が、例えばガソリンのような通常燃料がロバスト性良く燃焼可能な0.8より大きな等量比に達したときに、停止される場合もある。ガソリン供給は、移行開始時において開始される。しかしながら、上述したように、空気量を希望通りに迅速に低減することは出来ないため、水素は燃焼を確かなものとするために移行期間の間も継続して供給される。移行期間の終わりまでにガソリン運転が水素の補助無しで水素運転を引き継ぐように、移行期間の間中、ガソリンは増加され、水素は空気と同様に低減される。

図5に、代替実施形態が示される。この代替実施形態においては移行の開始部分は図4に示したものと同じである。しかしながら、移行の途中において、等量比が1.0に急増し、移行の残り期間のあいだ、1.0に保持される。これは、NOx排出量が高いΦ＝0.85〜0.90を避けるために行われる。しかしながら、この等量比1,0の移行期間の間、水素供給は連続的に減少され、そして、ガソリン供給が増大される。移行の終わりにおいて、水素供給は停止される。

上述の説明において、水素からガソリンへの移行が記述された。しかしながら、ガソリンの言及は、例示の目的で提供されるものであって、限定を意図するものではない。更に、Φ＝0.5において生じる移行もまた、例示目的である。実際の移行は、ちょうど0.5の等量比より僅かに低くても、あるいは、高くてもよい。

その中においてガソリン（或いは他の燃料）運転が水素運転に移行する、高トルクから低トルクへの移行は、図4及び5に示されたものと逆の動作によって達成することが出来る。もし水素以外の燃料が液体燃料でポート噴射されるのであれば、吸気マニフォールド内の残留燃料は、燃焼室内に目標燃料を供給する際に考慮される。

本発明の実行するために幾つかの実施形態を詳細に説明してきたが、本発明に関連する技術分野の当業者は、本発明を実施する為の代替設計及び代替実施形態を認識するであろう。上述の実施形態は、本発明の説明を目的としたものであり、本発明の技術思想及び範囲を逸脱せずに修正することが可能である。

二つの燃料供給を持つエンジンの概略図である。二つの燃料の使用領域を示す、BMEP及びピストン速度に関するエンジン運転マップである。二つの燃料の使用領域を示す、BMEP及び触媒温度に関するエンジン運転マップである。水素からガソリンへの移行を示すタイムチャートである。水素からガソリンへの移行を示すタイムチャートである。

符号の説明

10. エンジン
26. 燃料噴射弁（ポート噴射弁）
28. 点火プラグ
30. 燃料噴射弁（直接噴射弁）
32. スロットル弁
40. 制御器
66. 触媒

Claims

第一燃料を使用する第一運転モードから第二燃料を使用する第二運転モードにエンジンの運転モードを移行する方法において、
上記移行の開始時に空気量の低減を開始して、上記移行の間、空気量を実質的に低減する工程、
上記移行の開始時に上記エンジンに供給される上記第一燃料の量を低減する工程、及び、
上記移行の開始時に上記第二燃料の上記エンジンへの供給を開始する工程、
を有する方法。
上記第一燃料が実質的に100％の水素であり、上記第二燃料が主として炭化水素から構成される、
請求項1に記載の方法。
上記移行の間に上記第一燃料の供給量を継続して低減し、上記移行の終了時において上記第一燃料が上記エンジンに供給されないようにする工程、及び、
上記移行の間、上記第一燃料の低減に応じて、上記第二燃料の供給量を増大させる工程、
を更に有する、請求項1又は2に記載の方法。
上記第二燃料が液体燃料である、
請求項1乃至3のいずれか一つに記載の方法。
上記第一の燃料が水素であり、
上記水素の空気に対する等量比が略0.5であるとき、トルク要求の増大に応じて上記移行が開始される、
請求項1乃至4のいずれか一つに記載の方法。
上記空気量の低減が、上記エンジンの吸気装置に設けられたスロットル弁を閉じることによって行われる、
請求項1乃至5のいずれか一つに記載の方法。
上記移行の間に、上記空気量が30〜60％低減される、
請求項1乃至6のいずれか一つに記載の方法。
上記移行が、上記エンジンのピストン速度が閾値を上回ったことに応じて開始される、
請求項1乃至7のいずれか一つに記載の方法。
上記移行が、上記エンジンの平均有効圧力が閾値を上回ったことに応じて開始される、
請求項1乃至8のいずれか一つに記載の方法。
第二燃料を使用する運転モードから水素を使用する運転モードにエンジンの運転モードを移行する方法において、
上記移行の開始時に空気量の増大を開始して、上記移行の間、空気量を実質的に増加する工程、
上記移行の開始時に上記エンジンへの水素の供給を開始する工程、及び、
上記移行の開始時に上記第二燃料の上記エンジンへの供給量を低減する工程、
を有する方法。
上記移行が、上記エンジンの平均有効圧力が閾値を下回ったことに応じて開始される、
請求項10に記載の方法。
上記エンジンが自然吸気エンジンであり、そして、上記平均有効圧力の閾値が3.57〜5.1 kgf/cm²である、
請求項11に記載の方法。
上記エンジンが加圧充填エンジンであり、そして、上記平均有効圧力の閾値が6.12〜8.16kgf/cm²である、
請求項11に記載の方法。
上記移行の間、上記空気量が30〜60％増大される、
請求項10乃至13のいずれか一つに記載の方法。
上記移行開始時の上記エンジンへの水素の供給が、少なくとも0.1の水素に関する等量比をもたらす、
請求項10乃至14のいずれか一つに記載の方法。
上記第二燃料がガソリンである、
請求項10乃至15のいずれか一つに記載の方法。
上記移行が、上記エンジンのピストン速度が閾値を下回ることに基づいて開始される、
請求項10乃至16のいずれか一つに記載の方法。
水素を使用する第一運転モードから液体燃料を使用する第二運転モードにエンジンの運転モードを移行する方法において、
上記移行の開始時に上記エンジンのスロットル弁を閉じ方向に指示する工程、
上記移行の開始時に上記エンジンに供給される水素の量を低減する工程、及び、
上記移行の開始時に上記エンジンへの液体燃料の供給を開始する工程、
を有する方法。
上記移行が、水素の等量比が閾値を超えるような平均有効圧力の要求に基づいて開始される、
請求項18に記載の方法。
上記移行の間、水素に関する等量比が少なくとも0.1となるように水素を供給する、
請求項18又は19に記載の方法。