JP2010163975A - エンジンシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】NOxの排出を抑制しつつ熱効率が向上したエンジンシステムを提供することを課題とする。
【解決手段】エンジンシステムは、吸気弁の閉時期を変更可能な吸気側可変動弁機構18aを有したエンジン本体100aと、主燃料、主燃料と液体との混合燃料、を選択的にエンジン本体100aに供給可能なミキシングタンク21と燃料噴射弁4と、混合燃料をエンジン本体100aに供給する場合に、主燃料のみをエンジン本体100aに供給する場合よりも吸気弁の閉時期が下死点に近くなるように吸気側可変動弁機構18aを制御するECU17と、を備えている。
【選択図】図3

Description

本発明はエンジンシステムに関する。
主燃料に水などの液体を混合した混合燃料を用いるエンジンが知られている。特許文献1には、混合燃料であるエマルジョン燃料の混合比率を変更する技術が開示されている。
特開平6−229342号公報 特開2007−255427号公報
主燃料のみをエンジン本体に供給する場合には、NOxの発生を抑制するために、エンジン本体の可変動弁機構を制御することにより、実圧縮比を下げ、燃焼温度を低下させることが望ましい。しかしながら、実圧縮比が下がるため熱効率が低下して燃費が悪化する。
一方、混合燃料をエンジン本体に供給する場合には、混合燃料中の水などの気化熱によってNOxの排出量が抑制される。従って、混合燃料をエンジン本体に供給する場合に、可変動弁機構を制御して実圧縮比を下げると、NOxの排出量を抑制されるものの、熱効率が低下する。
本発明の目的は、NOxの排出を抑制しつつ熱効率が向上したエンジンシステムを提供することである。
上記目的は、吸気弁の閉時期を変更可能な可変動弁機構を有したエンジン本体と、主燃料、前記主燃料と液体との混合燃料、を選択的に前記エンジン本体に供給可能な供給手段と、前記混合燃料を前記エンジン本体に供給する場合に、前記主燃料のみを前記エンジン本体に供給する場合よりも前記吸気弁の閉時期が下死点に近くなるように前記可変動弁機構を制御する制御部と、を備えたことを特徴とするエンジンシステムによって達成できる。
混合燃料をエンジン本体に供給する場合に、主燃料のみをエンジン本体に供給する場合よりも吸気弁の閉時期が下死点に近くなるように制御する。これにより、エンジン本体の気筒内に導入される新気の量が増えて、実圧縮比が増加する。これにより、混合燃料が供給される場合には熱効率が向上する。一方、混合燃料をエンジン本体に供給することにより、混合燃料中の液体の気化熱によってNOxの排出も抑制される。
また、上記目的は、吸気弁及び排気弁の双方が開状態となるオーバーラップ量を変更可能な可変動弁機構を有したエンジン本体と、主燃料、前記主燃料と液体との混合燃料、を選択的に前記エンジン本体に供給可能な供給手段と、前記混合燃料を前記エンジン本体に供給する場合に、前記主燃料のみを前記エンジン本体に供給する場合よりも前記オーバーラップ量が少なくなるように前記可変動弁機構を制御する制御部と、を備えたことを特徴とするエンジンシステムによっても達成できる。
混合燃料をエンジン本体に供給する場合に、主燃料のみをエンジン本体に供給する場合よりもオーバーラップ量が少なくなるように制御する。これにより、エンジン本体の気筒内に導入される新気の量が増えて、実圧縮比が増加する。これにより、混合燃料が供給される場合には熱効率が向上する。一方、混合燃料をエンジン本体に供給することにより、混合燃料中の液体の気化熱によってNOxの排出も抑制される。
上記目的は、吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の動作を変更可能な可変動弁機構を有したエンジン本体と、主燃料と液体とを所定の混合割合で混合した混合燃料を生成する混合部と、前記混合燃料を前記混合部から前記エンジン本体に搬送する搬送手段と、前記混合部から前記エンジンに至るまでの前記混合燃料の輸送期間に基づいて、前記可変動弁機構の作動時期を制御する制御部と、を備えたことを特徴とするエンジンシステムによっても達成できる。
混合燃料の輸送期間に基づいて可変動弁機構の作動時期を制御することにより、加速時や減速時などの過渡時でのNOxの排出量の悪化を抑制できる。
本発明によると、NOxの排出を抑制しつつ熱効率が向上したエンジンシステムを提供できる。
図1は、エンジンシステムの構成図である。 図2は、エンジン本体の説明図である。 図3は、ECUが実行する燃料供給制御の一例を示したフローチャート図である。 図4は、目標混合割合を規定したマップである。 図5は、吸気弁の位相角の遅角量の補正係数kを規定したマップである。 図6は、吸気側可変動弁機構の位相角の遅角量を規定したマップである。 図7は、ECUが実行する加速時での燃料供給制御の一例を示したフローチャートである。 図8は、加速時での目標混合割合の説明図である。 図9は、加速時での遅角量の説明図である。 図10は、加速時でのタイムチャートの例示図である。 図11は、ECUが実行する燃料供給制御の変形例のフローチャート図である。 図12は、オーバーラップ増加量を補正するための補正係数を規定したマップである。 図13は、オーバーラップ量を規定したマップである。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図1は、エンジンシステムの構成図である。エンジンシステムは、エンジン100を含む。エンジン100は、4気筒のディーゼルエンジンである。
エンジン100は、単一の燃料のみならず、水が混合された混合燃料によっても駆動可能である。例えば、主燃料を軽油とし、この軽油に水を混合した混合燃料は、エマルジョン燃料とも称される。本実施例においては、第1液体として軽油、第2液体として水が採用されている。尚、第2液体はアルコールであるエタノールであってもよい。第2液体は、エタノールに水が混合された液体であってもよい。第1液体はガソリンであってもよい。
エンジン100は、エンジン本体100aを有している。エンジン本体100aに吸気マニホルド2、排気マニホルド3が設けられている。エンジン本体100aは、各気筒に燃料を噴射するための燃料噴射弁4を有している。また、各燃料噴射弁4に高圧の燃料を供給するコモンレール5が設けられている。吸気マニホルド2は、吸気絞り弁6、インタークーラ7、排気ターボチャージャ8のコンプレッサ8aを介してエアクリーナ9に連結され、排気マニホルド3は排気ターボチャージャ8の排気タービン8bを介して排気浄化装置10に連結されている。
吸気マニホルド2と排気マニホルド3とは、EGR通路11によって接続されている。このEGR通路11には、EGR制御弁12、EGRクーラ13が配置されている。
エンジンシステムは、軽油を貯留するタンク18と、水を貯留するタンク22を備えている。エンジンシステムは、軽油と水とが混合され混合燃料が生成されるミキシングタンク21を備えている。ミキシングタンク21とタンク18とは、第1供給パイプ19により連通している。ミキシングタンク21とタンク22とは、第2供給パイプ23により連通している。第1供給パイプ19には、第1フィルタ20、流量制御弁41が設けられている。第2供給パイプ23には第2フィルタ24、電動ポンプ25、流量制御弁42が設けられている。タンク18、22、ミキシングタンク21、流量制御弁41、42は、主燃料に対して液体を所定の混合割合で混合可能な混合部に相当する。混合割合は、ミキシングタンク21内で混合される軽油と水との体積割合である。
尚、ミキシングタンク21に乳化剤を貯留したタンクを連結してもよい。乳化剤は、燃料と水との親和力を高める作用を有している。また、ミキシングタンク21内には、燃料と水とを攪拌する機構を設けてもよい。
ミキシングタンク21とコモンレール5とは、第3供給パイプ26により連通している。第3供給パイプ26には、高圧燃料ポンプ27が設けられている。高圧燃料ポンプ27はエンジン100のクランクシャフトを駆動源とする。高圧燃料ポンプ27は、ミキシングタンク21内で生成された混合燃料をコモンレール5内への圧送する。第3供給パイプ26は、混合燃料をエンジン100に輸送して供給する機能を有している。
コモンレール5と高圧燃料ポンプ27との間にはリターンパイプ28が設けられている。各燃料噴射弁4と高圧燃料ポンプ27との間には、リターンパイプ29が設けられている。リターンパイプ28、29は途中で合流している。コモンレール5や各燃料噴射弁4からのリターン燃料は、高圧燃料ポンプ27によりミキシングタンク21へ戻される。
エンジンシステムは、吸入空気が通過するエアクリーナ9、吸入空気量を検出するためのエアフロメータ16を有している。
ECU(Electronic control unit)17は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などから構成され、エンジンシステム全体の作動を制御する。
ECU17には、吸気絞り弁6、電動ポンプ25、エアフロメータ16が電気的に接続されている。さらに、ECU17には、アクセル開度センサ32、エンジン回転数センサ34が電気的に接続されている。ギア比検出センサ35は、変速機(不図示)の変速比を検出する。尚、変速機は、変速比が自動的に変化させられる自動変速機であってもよい。変速機は、シフトレバーの操作により変速比が切り換えられるものであってもよい。
ECU17は、電動ポンプ25、流量制御弁41、42の作動を制御することにより、ミキシングタンク21に供給される軽油、水の量を制御可能である。即ち、ECU17は、軽油に対する水の混合割合を制御可能である。従って、ECU17によって設定された混合割合で、混合燃料がミキシングタンク21内で生成される。また、ミキシングタンク21、燃料噴射弁4は、主燃料、主燃料と液体との混合燃料、を選択的にエンジン本体100aに供給可能な供給手段に相当する。
図2は、エンジン本体100aの説明図である。図2に示すように、エンジン本体100aは、吸気側可変動弁機構18a、排気側可変動弁機構18bを有している。吸気側可変動弁機構18aは、吸気弁(不図示)の位相角を連続的に変更可能である。排気側可変動弁機構18bは、排気弁(不図示)の位相角を連続的に変更可能である。
吸気側可変動弁機構18aにより、吸気弁の閉時期を変更できる。また、吸気側可変動弁機構18a、排気側可変動弁機構18bにより、吸気弁及び排気弁の双方が開状態となるオーバーラップ量を変更できる。吸気側可変動弁機構18a、排気側可変動弁機構18bは、油圧によりベーンがカムシャフトに対して相対的に回転することにより、吸気弁、排気弁の位相角を変更する。
ECU17は、不図示のオイルコントロールバルブを制御することにより、吸気側可変動弁機構18a、排気側可変動弁機構18bのベーンを制御することができる。即ち、ECU17は、吸気側可変動弁機構18a、排気側可変動弁機構18bの作動を制御する制御部に相当する。吸気側可変動弁機構18a、排気側可変動弁機構18bは公知の構造を有している。尚、吸気側可変動弁機構18a、排気側可変動弁機構18bは、吸気弁、排気弁の作用角を変更するものであってもよい。
ECU17が実行する燃料供給制御の一例について説明する。図3は、ECU17が実行する燃料供給制御の一例を示したフローチャート図である。
ECU17はエンジン100の負荷情報、エンジン回転数を取得する(ステップS1)。負荷情報はアクセル開度センサ32、過給圧センサ33、エアフロメータ16か取得した値に基づいて算出する。エンジン回転数Neは、エンジン回転数センサ34から取得する。
ECU17は、混合燃料供給制御実行条件を満たすか否かを判定する(ステップS2)。混合燃料供給制御実行条件は、例えば、冷却水センサからの出力に基づいて、冷却水温度が40度を超えている場合には、条件を満たすと判定し、超えていない場合には、条件を満たしていないと判定する。
混合燃料供給制御実行条件を満たしていない場合には、ECU17は、目標混合割合をゼロに設定する(ステップS3)。即ち、主燃料のみをエンジン本体100aに供給する。その後ECU17は、後述するステップS5以降の処理を実行する。
混合燃料供給制御実行条件を満たしている場合には、ECU17は、図4に示したマップに基づいて、目標混合割合を決定する(ステップS4)。図4は、目標混合割合を規定したマップである。このマップは、ECU17のROMに予め記憶されている。目標混合割合は、エンジンの運転状態、詳細にはエンジン回転数及びエンジン負荷に応じて制御される。図2に示すように、目標混合割合は、エンジン負荷、エンジン回転数が大きいほど、増加するように規定されている。
次に、ECU17は、図5に示したマップに基づいて、吸気側可変動弁機構18aによる吸気弁の位相角の遅角量を補正するための補正係数kを算出する(ステップS5)。図5は、吸気弁の位相角の遅角量の補正係数kを規定したマップである。このマップは、ECU17のROMに予め記憶されている。補正係数kは、目標混合割合に対応付けられている。詳細には、目標混合割合が大きくなるほど、吸気弁の位相角の遅角量の補正係数kは小さな値となる。補正係数kは1以下の値である。また、目標混合割合がゼロの場合、即ち、主燃料のみがエンジン本体100aに供給される場合には、補正係数kは1である。尚、遅角量は、吸気弁の閉時期がピストンの下死点を基準としている。従って、遅角量10度とは、ピストンの下死点から10度遅れて吸気弁が閉状態となることを示している。
次に、ECU17は、エンジンの負荷、及びエンジン回転数に応じた、吸気側可変動弁機構18aの位相角の遅角量y0を、図6のマップに基づいて算出する(ステップS6)。図6は、吸気側可変動弁機構18aの位相角の遅角量y0を規定したマップである。このマップは、ECU17のROMに予め記憶されている。中負荷中回転領域において、遅角量が20度と最も大きい。低負荷低回転領域、及び高負荷高回転領域においては、遅角量は小さく設定されている。
次に、ECU17は、最終的な遅角量yを算出する(ステップS7)。最終的な遅角量は、ステップS6で算出した遅角量y0にステップS5で算出した補正係数kをかけることにより算出する。即ち、エンジン負荷及び回転数が同じ条件下では、目標混合割合が大きいほど、最終的に算出される遅角量yは小さくなる。
尚、目標混合割合がゼロの場合、即ち主燃料のみがエンジン本体100aに供給される場合には、補正係数kは1であるので、最終的な遅角量yは、ステップS6で算出された遅角量y0と同じとなる。従って、混合燃料をエンジン本体100aに供給する場合において算出される最終的な遅角量yは、主燃料のみをエンジン本体100aに供給する場合において算出される最終的な遅角量yよりも、小さくなる。換言すれば、混合燃料をエンジン本体100aに供給する場合には、主燃料のみをエンジン本体100aに供給する場合よりも吸気弁の閉時期が下死点に近くなる。
次に、ECU17は、ステップS3又はS4で設定した混合割合での燃料供給を実行すると共に(ステップS8)、ステップS7で算出された最終的な遅角量yで吸気側可変動弁機構18aを遅角制御する(ステップS9)。
以上のように、ECU17は、混合燃料をエンジン本体100aに供給する場合には、主燃料のみをエンジン本体100aに供給する場合よりも吸気弁の閉時期が下死点に近くなるように吸気側可変動弁機構18aを制御する。これにより、エンジン本体100aの気筒内に導入される新気の量が増えて、実圧縮比が増加する。これにより、混合燃料が供給される場合には熱効率が向上する。一方、混合燃料をエンジン本体に供給することにより、混合燃料中の液体の気化熱によってNOxの排出も抑制される。従って、混合燃料をエンジン本体100aに供給する場合には、NOxの排出を抑制しつつ熱効率が向上する。
次に、加速時での燃料供給について説明する。
図7は、ECU17が実行する加速時での燃料供給制御の一例を示したフローチャートである。図8は、加速時での目標混合割合の説明図であり、図9は、加速時での遅角量の説明図である。図8に示すように目標混合割合が5%から10%に設定され、図9に示すように遅角量が5度から20度に設定されるように加速する場合を想定して説明する。図10は、加速時でのタイムチャートの例示図である。図10には、上から順に、アクセル開度、実エンジン回転数、実トルク、遅角量、ミキシングタンク21での混合燃料の混合割合、燃料噴射弁4に供給される混合燃料の混合割合を示している。
ECU17は、図3で示した制御に基づいて、目標混合割合と最終的な遅角量yを算出する(ステップS11)。ECU17は、エンジン回転数Neと負荷情報とに基づいて、目標燃料噴射量q(mm3/st)を算出する(ステップS12)。
ECU17は、エンジン回転数Ne、目標燃料噴射量qに基づいて、燃料の輸送期間T(sec)を算出する(ステップS13)。輸送期間Tとは、燃料がミキシングタンク21から燃料噴射弁4に至るまでの輸送に要する期間である。輸送期間Tは、以下の式により算出する。
T=V/(q_trg×2×cyl/2×Ne_trg/60)・・・(1)
Vは、ミキシングタンク21から燃料噴射弁4までの間の通路に充填される燃料の体積(mm3)を示している。cylは、気筒数を示している。尚、上記式(1)は、4サイクルエンジンの場合に適用されるものである。2サイクルエンジンに場合には、上記式(1)で算出された輸送期間Tを2で割ることにより、2サイクルエンジンにおける輸送期間を算出できる。
次に、ECU17は、ミキシングタンク21に目標混合割合で主燃料に液体を混合させる(ステップS14)。詳細には、ECU17は、流量制御弁41、42の開度を制御することにより、ミキシングタンク21内で生成される混合燃料の混合割合を目標混合割合に制御する。目標混合割合で混合された混合燃料は、高圧燃料ポンプ27により、ミキシングタンク21から燃料噴射弁4まで搬送される。
次に、ECU17は、ステップS14を実行してからステップS13で算出した輸送期間Tが経過したか否かを判定する(ステップS15)。輸送期間Tが経過すると、ECU17は、吸気側可変動弁機構18aの遅角量の変更を実行する(ステップS16)。即ち、ECU17は、図10に示すように、加速指示があった時点から輸送期間Tだけ遅らせて吸気側可変動弁機構18aを作動させる。
図10に示すように、ミキシングタンク21での混合割合は加速指示があった時点から混合割合の制御が開始されるが、燃料噴射弁4には、輸送期間T経過後にこの混合燃料が搬送される。従って、上述したように、吸気側可変動弁機構18aの作動時期を、輸送期間Tだけ遅らせることにより、燃料噴射弁4から噴射される混合燃料の混合割合に応じた遅角量に変更することができる。
仮に、輸送期間Tを考慮せずに、加速指示に応じて直ちに吸気側可変動弁機構18aの遅角量を変更すると、実際に燃料噴射弁4から噴射される混合燃料の混合割合と、吸気側可変動弁機構18aの遅角量とが対応せずに、過渡時にNOxの排出量が増加する恐れがある。
しかしながら、上述したように、輸送期間Tに基づいて吸気側可変動弁機構18aの作動時期を制御することにより、過渡時のNOxの排出量を抑制できる
尚、減速時についても同様に、ECU17は輸送期間Tに基づいて吸気側可変動弁機構18aの作動時期を制御する。
次に、ECU17が実行する燃料供給制御の変形例について説明する。図11は、ECU17が実行する燃料供給制御の変形例のフローチャート図である。
図11に示すように、ECU17は、ステップS31〜34の処理を実行する。尚、ステップS21〜24は、図3で示したステップS1〜4に対応している。
次に、ECU17は、図12に示したマップに基づいて、オーバーラップ増加量を補正するための補正係数k1を算出する(ステップS25)。図12は、オーバーラップ増加量を補正するための補正係数k1を規定したマップである。このマップは、ECU17のROMに予め記憶されている。補正係数k1は、目標混合割合に対応付けられている。詳細には、目標混合割合が大きくなるほど、補正係数k1は小さな値となる。補正係数k1は1以下の値である。また、目標混合割合がゼロの場合、即ち、主燃料のみがエンジン本体100aに供給される場合には、補正係数kは1である。
次に、ECU17は、エンジンの負荷、及びエンジン回転数に応じた、オーバーラップ量z0を、図13のマップに基づいて算出する(ステップS26)。図13は、オーバーラップ量z0を規定したマップである。このマップは、ECU17のROMに予め記憶されている。中負荷中回転領域において、オーバーラップ量が20度と最も大きい。低負荷低回転領域、及び高負荷高回転領域においては、オーバーラップ量は小さく設定されている。尚、オーバーラップ量とは、吸気弁及び排気弁が双方とも開状態となっている期間であり、図13においてはクランク角度で示している。
次に、ECU17は、最終的なオーバーラップ量zを算出する(ステップS27)。最終的なオーバーラップ量は、ステップS26で算出したオーバーラップ量z0にステップS35で算出した補正係数k1をかけることにより算出する。即ち、エンジン負荷及び回転数が同じ条件下では、目標混合割合が大きいほど、最終的に算出されるオーバーラップ量zは小さくなる。
尚、目標混合割合がゼロの場合、即ち主燃料のみがエンジン本体100aに供給される場合には、補正係数k1は1であるので、最終的なオーバーラップ量zは、ステップS26で算出されたオーバーラップ量z0と同じとなる。従って、混合燃料をエンジン本体100aに供給する場合において算出される最終的なオーバーラップ量zは、主燃料のみをエンジン本体100aに供給する場合において算出される最終的なオーバーラップ量zよりも、小さくなる。
次に、ECU17は、ステップS23又はS24で設定した混合割合での燃料供給を実行すると共に(ステップS28)、ステップS27で算出された最終的なオーバーラップ量zで吸気側可変動弁機構18a、排気側可変動弁機構18bを制御する(ステップS29)。
以上のように、ECU17は、混合燃料をエンジン本体100aに供給する場合には、主燃料のみをエンジン本体100aに供給する場合よりもオーバーラップ量が小さくなるように吸気側可変動弁機構18a、排気側可変動弁機構18bを制御する。これにより、エンジン本体100aの気筒内に導入される新気の量が増えて、実圧縮比が増加する。これにより、混合燃料が供給される場合には熱効率が向上する。一方、混合燃料をエンジン本体に供給することにより、混合燃料中の液体の気化熱によってNOxの排出も抑制される。従って、混合燃料をエンジン本体100aに供給する場合には、NOxの排出を抑制しつつ熱効率が向上する。
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
4 燃料噴射弁
18a 吸気側可変動弁機構
18b 排気側可変動弁機構
21 ミキシングタンク
100a エンジン本体

Claims (3)

  1. 吸気弁の閉時期を変更可能な可変動弁機構を有したエンジン本体と、
    主燃料、前記主燃料と液体との混合燃料、を選択的に前記エンジン本体に供給可能な供給手段と、
    前記混合燃料を前記エンジン本体に供給する場合に、前記主燃料のみを前記エンジン本体に供給する場合よりも前記吸気弁の閉時期が下死点に近くなるように前記可変動弁機構を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とするエンジンシステム。
  2. 吸気弁及び排気弁の双方が開状態となるオーバーラップ量を変更可能な可変動弁機構を有したエンジン本体と、
    主燃料、前記主燃料と液体との混合燃料、を選択的に前記エンジン本体に供給可能な供給手段と、
    前記混合燃料を前記エンジン本体に供給する場合に、前記主燃料のみを前記エンジン本体に供給する場合よりも前記オーバーラップ量が少なくなるように前記可変動弁機構を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とするエンジンシステム。
  3. 吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の動作を変更可能な可変動弁機構を有したエンジン本体と、
    主燃料と液体とを所定の混合割合で混合した混合燃料を生成する混合部と、
    前記混合燃料を前記混合部から前記エンジン本体に搬送する搬送手段と、
    前記混合部から前記エンジンに至るまでの前記混合燃料の輸送期間に基づいて、前記可変動弁機構の作動時期を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とするエンジンシステム。
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