JP2011196367A - 内燃機関システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガソリンを燃焼するガソリンエンジン10Aと、ガソリンエンジン10Aに水素を含む水素含有ガスを添加する水素含有ガス添加手段(水素タンク61、水素インジェクタ63)と、水素含有ガス添加手段による水素添加量を、水素添加によるオクタン価、セタン価の変動を考慮して設定された水素添加量データに基づいて決定する水素添加量決定手段(ECU70)と、を備えることを特徴とする内燃機関システム1である。
【選択図】図1
Description
すなわち、ガソリン、軽油に水素が添加されると、燃料の着火は抑制され、ガソリンの場合にはノッキングが抑制され、軽油の場合には着火遅れ期間が長くなり予混合化できる、と知られているので、実際には、そのオクタン価、セタン価が変動していると思われるが、従来は、水素添加によるオクタン価、セタン価の変動を考慮せず、つまり、水素添加の有無に関わらず、一定の固定値として取り扱われていた。
そして、高オクタン価燃料と、低セタン価燃料とは、いずれも低着火性であるので、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれにおいても、高負荷領域では低着火性の燃料が望まれることになる。
そして、燃焼速度が大きくなり、ロバスト性が高くなると、燃焼変動率が小さくなるので、EGR率を高めることもでき、排気ガス(エミッション)を低減できる、という知見を得た。また、燃焼速度が大きくなると、ノッキングし難くなる、という知見を得た。
このような内燃機関システムによれば、水素添加量決定手段が、水素添加によるオクタン価、セタン価の変動を考慮して設定された水素添加量データに基づいて、水素添加量を決定し、決定された水素添加量となるように水素含有ガス添加手段が水素含有ガスを添加する。
また、水素添加により、燃焼速度は大きく、そして、燃焼ロバスト性は高くなるので、内燃機関における燃焼変動率を小さくすると共に、内燃機関の熱効率を高め、排気ガス中のNOx等を低減できる。
なお、EGR量(率)が大きくなると、着火し難くなり、燃焼変動率が大きくなる傾向があるので、EGR量(率)が大きくなると、水素添加量を増加させ、燃焼変動率が例えば5%以下となるように制御することが好ましい。
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図7を参照して説明する。
図1に示す第1実施形態に係る内燃機関システム1は、図示しない車両に搭載されている。
内燃機関システム1は、ガソリン(燃料)を燃焼するガソリンエンジン10A(内燃機関)と、ガソリンエンジン10Aにガソリンを供給する燃料供給系(燃料供給手段)と、排気ガスの一部を吸気系に導き排気ガスを循環させるEGR(Exhaust Gas Recirculation:排気ガス再循環)系と、ガソリンエンジン10Aに水素(水素含有ガス)を添加する水素添加系(水素含有ガス添加手段)と、これらを電子制御する制御手段であるECU70(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
ガソリンエンジン10Aは、4サイクル(吸入、圧縮、燃焼・膨張、排気)を繰り返す4ストローク機関であって、内部に気筒11a(シリンダ)が形成されたシリンダブロック11と、気筒11a内を往復運動するピストン12と、内部に吸気ポート13a及び排気ポート13bが形成されたヘッドカバー13と、吸気ポート13aに設けられた吸気弁14と、排気ポート13bに設けられた排気弁15と、を備えている。
なお、簡単に説明するため、図1では、1つの気筒11aのみを記載しているが、気筒11aの数、気筒11aの配列、ガソリンエンジン10Aの排気量は、変更自由である。
排気ポート13bには、排気配管31aが接続されている。そして、ガソリンエンジン10Aからの排気ガスは、排気配管31aを通って、車外に排出されるようになっている。
その他、ガソリンエンジン10Aには、点火プラグ(図示しない)が取り付けられている。点火プラグによる点火のタイミングは、クランク角センサ17から入力されるクランク角に基づいて、ECU70によって制御される。
燃料供給系は、ガソリンを貯溜する燃料タンク41と、ガソリンを圧送する燃料ポンプ42と、ガソリンを噴射する燃料インジェクタ43(燃料用インジェクタ)と、を備えている。
燃料タンク41は、配管41a、燃料ポンプ42、配管42aを介して、燃料インジェクタ43に接続されている。そして、燃料ポンプ42がECU70の指令に従って作動すると、燃料タンク41のガソリンが、燃料インジェクタ43に圧送されるようになっている。
また、燃料インジェクタ43は、ECU70に電子制御されるリニアソレノイド型で常閉型の電磁弁で構成されている。これにより、燃料インジェクタ43は、ECU70の指令に従って高精度で開/閉し、よって、ガソリンの噴射量、噴射タイミング、噴射時間が高精度で制御されるようになっている。
EGR系は、吸気側に戻す排気ガスの流量を制御可能な流量制御弁であるEGR弁51を備えている。
そして、排気配管31aの途中は、配管51a、EGR弁51、配管51bを介して、吸気配管21aに接続されている。次いで、EGR弁51の開度が、ECU70によって制御されることで、排気ガスの一部が吸気側に戻され、排気ガスが再循環し、EGR率(排気ガスの添加割合)が制御されるようになっている。
水素添加系は、水素が高圧で封入された水素タンク61と、水素の圧力を所定圧力に減圧するレギュレータ62(減圧弁)と、水素インジェクタ63(水素用インジェクタ)と、を備えている。
水素タンク61は、配管61a、レギュレータ62、配管62aを介して、水素インジェクタ63に接続されており、水素タンク61の水素は、レギュレータ62で減圧された後、水素インジェクタ63に供給されるようになっている。
したがって、第1実施形態において、ガソリンエンジン10A(内燃機関)に水素(水素含有ガス)を添加する水素含有ガス添加手段は、水素タンク61と、水素インジェクタ63と、ECU70と、を備えて構成されている。
ECU70(制御手段)は、内燃機関システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御する。
また、ECU70には、アクセル開度センサ81の検出したアクセル開度(スロットル開度)が入力されるようになっている。
また、ECU70(水素添加量決定手段)は、ガソリンエンジン10Aの回転速度と、ガソリンエンジン10Aに要求される必要トルク(出力)と、その内部に記憶された図3のマップ(水素添加量データ)とに基づいて、水素添加量を決定する機能を備えている。
具体的な方法は、後で説明する。
次に、内燃機関システム1の動作について、図2のフローチャートを参照して説明する。
なお、図2に示す制御処理は、例えば、一定のクランク角毎に周期的に実行される。
なお、この算出に際しては、アクセル開度と必要トルクとが関連付けられたマップが参照され、アクセル開度が大きくなると必要トルクが大きくなる関係となっている。
なお、ガソリンエンジン10Aの回転速度は、クランク角センサ17から入力されるクランク角に基づいて算出される。
図3は、ある一のEGR率(例えば20%)において、ガソリンエンジン10Aの回転速度と必要トルクとにおける最適な水素添加量を、便宜的に複数の領域に分けて模式的に例示するマップである。
つまり、ECU70には、EGR率が15%、20%、25%、30%の様に、各EGR率毎に、図3と同様のマップが複数記憶されている。そして、ECU70は、現在のEGR率に基づいて、参照すべきマップを選択し、選択したマップにおける必要トルク(負荷)及び回転速度とに基づいて、今回の水素添加量を算出するようになっている。
なお、図3では、水素添加量の多少をハッチングの濃淡で示しており、濃い領域になるにつれて、水素添加量が多くなることを示している。
まず、ガソリンエンジン10Aでは、例えばポンピングロス(吸気抵抗損失)を減らすためにEGR率が高められるが、単にEGR率を高めると燃焼変動率(C.O.V IMEP)が増加してしまうので、水素を添加することにより、燃焼変動率の抑制が図られる。
なお、燃焼速度が大きくなるとは、燃焼についてのロバスト性(燃焼ロバスト性)が高くなることを意味している。
そして、図4は、水素が添加されていないレギュラーガソリンのオクタン価を仮に90とした場合、オクタン価が140である水素が10%添加された水素添加後のレギュラーガソリンのオクタン価は、95であると推定されることを示している(図4の矢印参照)。
なお、図5は、吸気空気への水素添加量(vol%)が増加すると、OHラジカルの発生量が増加することを示している。
また、水素添加によりオクタン価(燃焼速度)が向上するので、ノッキングが抑制されることになる。
さらに、燃焼温度の低下と、オクタン価の向上との相乗効果により、圧縮比を高めることも可能となり、より燃費を高めることも可能となる。
そして、このようにして設定された水素添加量をまとめて便宜的に領域に分けて示したものが図3のマップである。
ステップS103において、ECU70は、ステップS102で算出した水素添加濃度となるように、水素インジェクタ63を制御して、水素を添加する。
なお、燃焼変動率は、圧力センサ16から入力される筒内圧に基づいて算出される。
ここで、図3のマップは、事前試験等により燃焼変動率が5%以下になるように設定されたものであるから、ステップS104で算出された水素添加量に従ってステップS105で水素を添加することにより、燃焼変動率は5%以下に抑えられる(図6参照)。
ノッキングを検出したと判定した場合(S106・Yes)、ECU70の処理は、ステップS107に進む。一方、ノッキングを検出していないと判定した場合(S106・No)、ECU70の処理はリターンを通ってスタートに戻る。
このように、ノッキングを検出した場合、水素を添加することにより、つまり、水素添加量を増加させることにより、水素添加後の全体のオクタン価、燃焼速度が大きくなり、その結果、ガソリンエンジン10Aにおける圧縮比が高まり、熱効率が向上する(図7参照)。なお、水素添加量は、例えば、ノッキングの検出頻度が多くなるほど、多くすることが好ましい。
このような内燃機関システム1によれば、次の効果を得る。
ガソリンエンジン10Aの必要トルク(負荷)、回転速度に基づいて、水素添加後のガソリンの着火性、オクタン価、燃焼速度、燃焼ロバスト性等が最適となるように水素添加濃度を決定して水素添加し(S102、S103)、さらに、現在のEGR率に対応した水素添加量を決定して水素添加するので(S104、S105)、燃焼変動率を5%以下にしつつ、広い運転領域(EGR率)におけるガソリンエンジン10Aの低温燃焼を実現できる(図6参照)。
なお、水素を添加しないと、図6の比較例に示すように、EGR率が20%を超えると、燃焼変動率が5%を超えてしまう。つまり、第1実施形態では、比較例に対して、ロバスト性が格段に改善されている。
以上、本発明の第1実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、後記する実施形態と適宜に組み合わせたり、次のように変更できる。
前記した実施形態では、ガソリンが気筒11a内に直接噴射される直噴型のガソリンエンジン10Aを例示したが、その他、ガソリンが吸気ポート13aに噴射されるポート噴射型のガソリンエンジン10Aでもよい。
なお、燃料に含まれる炭化水素類は、例えば、アルカン類、アルケン類、アルキン類、芳香族化合物、アルコール類、アルデヒド類、エステル類である。また、バイオ燃料は、例えば、エタノール、脂肪酸メチルエステル等である。
次に、本発明の第2実施形態について、図1、図3、図8〜図11を参照して説明する。
第2実施形態に係る内燃機関システム2は、ガソリンエンジン10Aに代えて、軽油を燃焼させるディーゼルエンジン10B(ディーゼル内燃機関)を備えている(図1参照)。
ここで、ディーゼルエンジン10Bは、気筒11a内に噴射された軽油を圧縮することで自己着火させるものであり、点火プラグを備えていない。ただし、ディーゼルエンジン10Bは、ガソリンエンジン10Aと同様に、シリンダブロック11、ピストン12と、ヘッドカバー13、吸気弁14、排気弁15を備えている。
次に、内燃機関システム2の動作について、図8のフローチャートを参照して説明する。
なお、第2実施形態において、ECU70は第1実施形態と同様に、ステップS101〜S103の処理を実行する。
因みに、第2実施形態では、ステップS102において、ECU70は、必要トルクとディーゼルエンジン10Bの回転速度と、現在のEGR率と、現在のEGR率に対応した図3のマップとに基づいて、水素添加量を算出する。
ここで、ディーゼルエンジン10Bの場合について、図3のように、領域を設定する方法を説明する。
まず、ディーゼルエンジン10Bでは、例えば、中高負荷領域において、排気ガス(エミッション、NOx)、煤(Soot)を低減するため、予混合燃焼を促進させる低セタン価の燃料が望まれる。予混合は、着火遅れ時間を長くするために行われる。
そこで、第2実施形態では、着火性の低い水素を軽油に添加することで、着火遅れ時間及び予混合燃焼を制御し、排気ガス等の低減を図っている。
そして、図9は、水素が添加されていない軽油(JIS2号軽油)のセタン価を仮に55とした場合、セタン価が−57であると推定される水素が10%添加された水素添加後の軽油のセタン価は、40であると推定されることを示している(図9の矢印参照)。
なお、所定時間は、ディーゼルエンジン10Bの必要トルク(負荷)が大きくなるにつれて、長くなるように設定される。これは、ディーゼルエンジン10Bの必要トルク(負荷)が大きくなるにつれて、特に中高負荷領域では排気ガスを低減するため、着火性の低い水素を添加して、着火遅れ時間を長くし、燃焼前に良好に予混合するためである。
そして、このようにして設定された水素添加量をまとめて便宜的に領域に分けて示したものが図3のマップである。
なお、最適な軽油の噴射タイミングは、ディーゼルエンジン10Bの熱効率がより大きくなり、そして、(dP/dθ)maxがより小さい値となるタイミングに決定される。(dP/dθ)maxは、単位クランク角当たりの筒内圧の圧力上昇率(dP/dθ)の最大値であり、(dP/dθ)maxが小さくなると、ディーゼルエンジン10Bの騒音・振動が小さくなる。
このような内燃機関システム2によれば、次の効果を得る。
着火性の低い水素を添加することで、着火遅れ時間が所定時間以上で確保されるので(S102、S103、S204、S205)、軽油と空気とが予混合されやすくなる。これにより、図11に示すように、排気ガス中のNOx(窒素酸化物)を低減しつつ、排気ガスに含まれる煙(Smoke)、煤(Soot)も低減できる。
なお、図11の比較例に示すように、従来、煙を低減させるとNOxが増加し、逆に、NOxを低減させると煙が増加するという、NOx量と煙量とはトレードオフの関係にある。
次に、本発明の第3実施形態について、図12〜図20を参照して説明する。
第3実施形態に係る内燃機関システムは、第2実施形態に対して、ECU70に設定されたプログラムが一部異なり、その動作が一部異なる。以下、異なる部分のみを説明する。
ステップS301において、ECU70は、圧力センサ16(燃焼状態検出手段)から入力される筒内圧に基づいて算出される(dP/dθ)maxと、図13のグラフ(マップ)とに基づいて、ディーゼルエンジン10Bにおける燃焼が緩慢となるように、EGR率(量)が35〜45%、好ましくは40%程度となるように、EGR弁51の開度を制御する。
なお、図13は、軽油の噴射圧力を150(MPa)、1ストローク当たりの噴射量Qを29.8(mm3/stroke)とした場合を例示しており、その他の噴射圧力、噴射量についてのグラフ(マップ)もECU70に予め記憶されている。
このような第3実施形態に係る内燃機関システムによれば、次の効果を得る。
EGR率(量)を35〜45%に、望ましくは40%程度となるように制御するので(S301)、(dP/dθ)max、Pmaxを下げて、緩衝燃焼に近づけることができる(図13、図14参照)。そして、水素をさらに添加するので、(dP/dθ)max、Pmaxを下げて、緩衝燃焼に近づけることができる(図13、図14参照)。
これは、緩慢燃焼に近づくことにより、局所的な高温燃焼の部分が少なくなったためと考えられる。
これは、水素を添加することにより、(1)予備混合が促進され、(2)ロバスト性が高まることによりφ−Tマップ上の局所当量比の小さい部分が少なくなり、(3)また、緩慢燃焼に近づくためφ−Tマップ上の局所当量比の小さい部分が少なくなり、(4)
そして、水素の添加により、Soot(煤)の生成しにくい環境になったため、と考えられえる。
10A ガソリンエンジン(ガソリン内燃機関)
10B ディーゼルエンジン(ディーゼル内燃機関)
16 圧力センサ(燃焼状態検出手段)
41 燃料タンク(燃料供給手段)
42 燃料ポンプ(燃料供給手段)
43 燃料インジェクタ(燃料供給手段、燃料用インジェクタ)
51 EGR弁
61 水素タンク(水素含有ガス添加手段)
62 レギュレータ(水素含有ガス添加手段)
63 水素インジェクタ(水素含有ガス添加手段、水素含有ガス用インジェクタ)
70 ECU(水素添加量決定手段、EGR量制御手段)
81 アクセル開度センサ
Claims (7)
- 燃料を燃焼する内燃機関と、
前記内燃機関に水素を含む水素含有ガスを添加する水素含有ガス添加手段と、
前記水素含有ガス添加手段による水素添加量を、水素添加によるオクタン価、セタン価の変動を考慮して設定された水素添加量データに基づいて決定する水素添加量決定手段と、
を備える
ことを特徴とする内燃機関システム。 - 前記水素添加量決定手段は、EGR量を考慮して、水素添加量を決定する
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関システム。 - 前記水素含有ガス添加手段が決定された水素添加量で水素含有ガスを添加した後において前記内燃機関でノッキングが発生した場合、
前記水素添加量決定手段は水素添加量を増加させる
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の内燃機関システム。 - 前記水素含有ガス添加手段が決定された水素添加量で水素含有ガスを添加した後、
前記水素添加量決定手段は、前記内燃機関における着火遅れ時間が所定時間以上となるように、水素添加量を補正する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の内燃機関システム。 - 前記内燃機関における燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、
前記燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態に基づいて、前記内燃機関における燃焼が緩慢になるように、EGR量を制御するEGR量制御手段と、
を備える
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の内燃機関システム。 - 前記水素添加量決定手段は、前記燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態に基づいて、前記内燃機関における燃焼が緩慢になるように、水素添加量を決定する
ことを特徴とする請求項5に記載の内燃機関システム。 - 前記EGR量制御手段が、EGR量を35〜45%に制御した後、
前記水素添加量決定手段が、前記燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態に基づいて、前記内燃機関における燃焼が緩慢になるように、水素添加量を決定する
ことを特徴とする請求項6に記載の内燃機関システム。
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