JP4173852B2 - 圧縮着火内燃機関の制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮着火内燃機関の制御方法に関するものである。
近年、内燃機関の燃費を向上し、排出物を低減するために、予混合圧縮着火内燃機関に代表される圧縮着火内燃機関が検討されている。圧縮着火内燃機関は、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダ内に導入し、圧縮して自着火させるものである。
ところが、圧縮着火内燃機関は、火花点火方式の内燃機関と異なり着火のタイミングを制御することが難しい。また、圧縮着火内燃機関は、着火性の高い燃料を用いると該機関の要求負荷が高くなったときにノッキングを起こしやすく、着火性の低い燃料を用いると該機関の要求負荷が低くなったときに失火しやすい。このため、圧縮着火内燃機関は、安定に運転することができる運転領域が狭いとの問題がある。
前記問題を解決するために、従来、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料とを備え、両燃料を混合して該機関に供給する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。前記技術によれば、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷に対応して、両燃料の混合比を調整することにより、広い範囲の要求負荷に対して安定して運転することができる。しかし、前記技術では、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料とをそれぞれ別に準備し収容しておく必要がある。
これに対して、単一の燃料を用い、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くなったときには、該燃料の一部を部分酸化して着火性抑制物質を生成させる技術も知られている（例えば特許文献２参照）。前記技術は、具体的には、軽油等の炭化水素系燃料の一部を部分酸化してホルムアルデヒド等の着火性抑制物質を生成させるものである。
しかしながら、前記軽油等の炭化水素を部分酸化してホルムアルデヒドを生成させるには、高温で長時間の反応が必要になるという不都合がある。
特開２００１−３５５４７１号公報 特開２０００−２１３４４４号公報 特開平１０−２５２５７２号公報 特開２０００−２０４９９０号公報
本発明は、かかる不都合を解消して、単一の燃料により、広い範囲の要求負荷に対して容易に対処することができる圧縮着火内燃機関の制御方法を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明は、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダ内に導入し、圧縮して自着火させる圧縮着火内燃機関の制御方法において、アルコールと液体炭化水素とを所定の割合で混合した混合燃料を収容する第１のタンクと、該第1のタンクから供給された混合燃料に水を混合し、該水と該アルコールとが混合された混合液と、該液体炭化水素とを、相互に分離された状態で収容する第２のタンクとを備え、該圧縮着火内燃機関の要求負荷に応じて、前記圧縮自着火可能な燃料として、該第1のタンクに収容された混合燃料の供給量と該第２のタンクに収容された液体炭化水素の供給量とを変化させて、前記酸素含有気体と共に前記シリンダ内に導入することを特徴とする。
本発明によれば、第１のタンクに、圧縮自着火可能な燃料であるアルコールと液体炭化水素とを混合した混合燃料が収容されている。該混合燃料は、液体炭化水素に比べて着火性の低いアルコールを該液体炭化水素に加えているため、相対的に着火性が低くなっている。
ここで、該アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のようなアルキル基の炭素数が３以下のものが挙げられる。また、該液体炭化水素としては、例えば、ヘプタンのような直鎖の飽和炭化水素、イソオクタンのような枝分かれした飽和炭化水素、１−ヘキセンのような二重結合を持つ炭化水素、シクロヘキサンのような環状飽和炭化水素、トルエンのような芳香族炭化水素、及び、これらの液体炭化水素の混合物であるガソリン、軽油等が挙げられる。
また、第２のタンクでは、前記第1のタンクから供給された該混合燃料に水が混合されている。このようにすると、液体炭化水素は実質的に水に不溶であり、アルコールは水に溶け易いため、該混合燃料中のアルコールのみが水に溶けて混合液を形成し、該混合液と該液体炭化水素との二層に分離する。このとき、該液体炭化水素の比重は、該混合液の比重より小さいため、該液体炭化水素が上層となり、該混合液が下層となる。この分離は、比重の違いによって行われるので、常温で速やかに行われる。分離された該液体炭化水素は、着火性の低いアルコールが取り除かれたため、該混合燃料に比べて、着火性の高い燃料となる。よって、単一の燃料から、着火性の異なる２種類の燃料を容易に得ることができる。
そして、圧縮着火内燃機関の要求負荷に応じて、前記圧縮自着火可能な燃料として、該第１のタンク内の混合燃料の供給量と該第２のタンク内の液体炭化水素の供給量とを変化させて、前記酸素含有気体と共に前記シリンダ内に導入することにより、圧縮着火内燃機関を安定して運転することができる。
従って、本発明によれば、単一の燃料により、広い範囲の要求負荷に対して容易に対処することができる。
さらに、圧縮着火内燃機関を安定して運転するためには、圧縮着火内燃機関の要求負荷に応じて、最適な着火性をもつように燃料を供給することが望ましい。
例えば、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が所定値より高い場合には、前記第１のタンクに収容された着火性の低い前記混合燃料を該圧縮着火内燃機関に供給し、該圧縮着火内燃機関の要求負荷が該所定値以下の場合には、前記第２のタンクに収容された着火性の高い前記液体炭化水素を該圧縮着火内燃機関に供給する。
または、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くなるほど、該圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める前記混合燃料の割合が増加するように、前記第１のタンクに収容された混合燃料の供給量と前記第２のタンクに収容された液体炭化水素の供給量とをそれぞれ変化させ、該圧縮着火内燃機関の要求負荷が低くなるほど、該圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める前記液体炭化水素の割合が増加するように、該第１のタンクに収容された混合燃料の供給量と該第２のタンクに収容された液体炭化水素の供給量とをそれぞれ変化させるようにしてもよい。
前記いずれかの方法によれば、圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くなったときにも、ノッキング等を起こすことがなく、圧縮着火内燃機関の要求負荷が低くなったときにも、失火等を起こすことがないので、圧縮着火内燃機関を安定して運転することができる。
また、本発明では、前記内燃機関の要求負荷が高くなったときには、前記第１のタンクに収容された混合燃料又は前記第２のタンクに収容された液体炭化水素とともに、前記第２のタンクに収容された混合液を該圧縮着火内燃機関に供給することが好ましい。
これによれば、圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くなったときは、水とアルコールとが混合された前記混合液が供給されるので、着火性の低いアルコールにより、ノッキングを抑制することができる。また、該混合液に含まれる水により、燃焼温度が低下するため、ノッキングを抑制することができるとともに、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
なお、内燃機関の燃焼温度を低下させるために、内燃機関のシリンダ内に単に水を噴射する技術は知られている（例えば特許文献３、特許文献４参照）。
本発明の一実施形態を添付の図面を参照して説明する。図１は本実施形態の制御方法を示すブロック図であり、図２は本実施形態の制御方法における、圧縮着火内燃機関の要求負荷とシリンダへの燃料供給量との関係の一例を示すグラフである。
本実施形態の制御方法は、図１に示す圧縮着火内燃機関１により実施することができる。圧縮着火内燃機関１は、アルコールと液体炭化水素とを混合した混合燃料を収容した第１燃料タンク２と、水を収容した水タンク３と、第１燃料タンク２から供給される混合燃料に水タンク３から供給される水を混合して収容する第２燃料タンク４と、第１燃料タンク２と第２燃料タンク４とから供給される燃料を圧縮して自着火させるシリンダ５とを備える。
第１燃料タンク２は、供給導管６により流量調整弁７を介して第２燃料タンク４に接続されていて、前記混合燃料を第２燃料タンク４に供給する。供給導管６は、第２燃料タンク４の側面の下部に接続されている。また、第１燃料タンク２は、供給導管８により流量調整弁９を介してシリンダ５に接続されていて、前記混合燃料をシリンダ５に供給する。
水タンク３は、供給導管１０により流量調整弁１１を介して第２燃料タンク４に接続されていて、水を第２燃料タンク４に供給する。供給導管１０は、第２燃料タンク４の側面の上部に接続されている。
第２燃料タンク４は、供給導管１２により流量調整弁１３を介してシリンダ５に接続されている。供給導管１２は、第２燃料タンク４の側面の上部に、供給導管１０と離れて接続されている。また、第２燃料タンク４は、供給導管１４により流量調整弁１５を介してシリンダ５に接続されている。供給導管１４は、第２燃料タンク４の側面の下部に、供給導管６と離れて接続されている。
次に、本実施形態の制御方法について説明する。
まず、本実施形態の制御方法では、流量調整弁７を所定の開度で開き、第1燃料タンク２に収容されているアルコールと液体炭化水素とを混合した混合燃料を、供給導管６を介して第２燃料タンク４に供給する。同時に、流量調整弁１１を流量調整弁７の開度に応じた所定の開度で開き、水タンク３に収容されている水を、供給導管１０を介して第２燃料タンク４に供給して、第1燃料タンク２から供給された混合燃料を、水とアルコールとが混合された混合液と、液体炭化水素とに分離する。
ここで、前記混合燃料は、アルコールと液体炭化水素とが所定の割合（例えば、アルコール２０重量％、液体炭化水素８０重量％）で混合されたものである。前記液体炭化水素としては、直鎖の飽和炭化水素のような、着火性のより高い液体炭化水素を用いることが好ましい。着火性のより高い液体炭化水素を用いることで、着火性の低いアルコールと混合した前記混合燃料の状態における着火性と、分離して液体炭化水素のみにした状態における着火性との差が大きくなり、着火性を変化させることができる範囲を広くすることができる。該液体炭化水素としては、例えば、ヘプタン（Ｃ7Ｈ16）を挙げることができる。
また、前記アルコールとしては、アルキル基の炭素数が３以下のような、より水に溶けやすいアルコールを用いることが好ましい。より水に溶けやすいアルコールを用いることで、水を加えることによって前記混合燃料のアルコールと液体炭化水素とを容易に分離することができる。該アルコールとしては、例えば、エタノール（Ｃ2Ｈ5ＯＨ）を挙げることができる。
そして、第２燃料タンク４において、前記水が第２燃料タンク４の上部より供給され、前記混合燃料が第２燃料タンク４の下部から供給されると、水は混合燃料より比重が重いため下に沈んでいき、混合燃料は上に上がっていくので、水と混合燃料とが自然に混合する。
このとき、液体炭化水素は実質的に水に不溶であり、アルコールは水に溶け易いため、混合燃料中のアルコールのみが水に溶けて混合液を形成し、液体炭化水素と混合液との二層に分離する。ここで、液体炭化水素の比重は、混合液の比重より小さいため、液体炭化水素が上層となり、混合液が下層となる。この分離は、比重の違いによって行われるので、常温で速やかに行われる。分離された液体炭化水素は、着火性の低いアルコールが取り除かれたため、混合燃料に比べて、着火性の高い燃料となる。よって、単一の燃料から、着火性の異なる２種類の燃料を容易に得ることができる。
なお、前記水は、第２燃料タンク４に供給される前記混合燃料に対して、該混合燃料のアルコールと液体炭化水素とを分離しやすいような所定の割合（例えば、第２燃料タンク４に供給される前記混合燃料に対して３重量％）になるように供給される。
次に、本実施形態の制御方法では、圧縮着火内燃機関１の要求負荷の高さに応じて、流量調整弁１３を所定の開度で開き、第２燃料タンク４内の上層に分離された液体炭化水素を、供給導管１２を介してシリンダ５に供給するとともに、流量調整弁９を流量調整弁１３の開度に応じた所定の開度で開き、第１燃料タンク２に収容されている混合燃料を、供給導管８を介してシリンダ５に供給する。
このとき、流量調整弁１３、９の開度を調整して、供給導管１２からシリンダ５に供給される着火性の高い燃料と、供給導管８からシリンダ５に供給される着火性の低い燃料との割合を適宜調整する。例えば、圧縮着火内燃機関１の要求負荷が高くなるほど、混合燃料の割合が増加するように調整し、圧縮着火内燃機関１の要求負荷が低くなるほど、液体炭化水素の割合が増加するように調整する。
上述の処理の一例として、図２のグラフを用いて説明する。図２は圧縮着火内燃機関１の要求負荷とシリンダ５への燃料供給量との関係の一例を示すグラフであり、縦軸は燃料供給量を示し、横軸は正味平均有効圧力を示している。正味平均有効圧力は、圧縮着荷内燃機関1の要求負荷に相当する値であり、圧縮着火内燃機関１の軸トルクから仕事を算出し、該仕事を圧縮着火内燃機関1のシリンダ５の容積で除した値で圧力として示される。図２には、シリンダ５への全燃料供給量の推移が示されると共に、全燃料に含まれる前記混合液と前記液体炭化水素と前記混合燃料との各供給量がそれぞれ示されている。
図２に示されるように、まず、要求負荷としての正味平均有効圧力が０ＭＰａから０．２ＭＰａまで増加するときには、前記液体炭化水素のみが供給され、正味平均有効圧力の増加に従ってその供給量が増加する。次に、正味平均有効圧力が０．２ＭＰａから０．８ＭＰａまで増加するときには、前記液体炭化水素と前記混合燃料とが供給され、全燃料供給量は正味平均有効圧力の増加に従って増加するが、前記液体炭化水素の供給量は、正味平均有効圧力の増加に従って減少する。そして、正味平均有効圧力が０．８ＭＰａに達すると、前記液体炭化水素の供給量は０になる。
これにより、シリンダ５に供給される燃料の着火性を、圧縮着火内燃機関１の要求負荷の高さに応じて適切に調整することができる。従って、失火やノッキング等を起こすことなく、圧縮着火内燃機関１を安定して運転することができる。
また、圧縮着火内燃機関１の要求負荷がさらに高くなって、前記液体炭化水素又は前記混合燃料を供給するのみではノッキングを起こすような所定値（例えば、図２における正味平均有効圧力０．８ＭＰａ）を超えた場合には、流量調整弁９、１３を所定の開度で開き、前記液体炭化水素又は前記混合燃料をシリンダ５に供給するとともに、流量調整弁１５を流量調整弁９、１３の開度に応じた所定の開度で開き、第２燃料タンク４内の下層に分離された水とアルコールとの混合液を、供給導管１４を介してシリンダ５に供給する。
これにより、圧縮着火内燃機関１の要求負荷がさらに高くなったときには、水とアルコールとが混合された混合液が供給されるので、着火性の低いアルコールにより、ノッキングを抑制することができる。また、混合液に含まれる水により、燃焼温度が低下するため、ノッキングを抑制することができるとともに、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
ここで、前記混合液は、シリンダ５に供給される全燃料に対して、例えば、５〜５０重量％になるように供給されることが好ましい。
例えば、図２に示されるように、正味平均有効圧力が０．８ＭＰａを超えた場合、シリンダ５には前記混合燃料が供給されるとともに、前記混合液が供給される。正味平均有効圧力が０．８ＭＰａから、圧縮着荷内燃機関１の最大正味平均有効圧力である１．２ＭＰａまで増加するとき、全燃料供給量は正味平均有効圧力の増加に従って増加する。このとき、正味平均有効圧力が増加するに従って、前記混合液の供給量が増加する。なお、前記混合液は、供給される割合が全燃料供給量に対して５重量％を超えるとノッキングの抑制に有効となり、５０重量％を上限として供給される。
なお、本実施形態では、圧縮着火内燃機関１の要求負荷の高さに応じて、前記液体炭化水素と前記混合燃料とを所定の割合になるように調整してシリンダ５に供給するようにしているが、圧縮着火内燃機関１の要求負荷の高さに応じて、前記液体炭化水素と前記混合燃料とのどちらか一方のみをシリンダ５に供給するようにしてもよい。例えば、圧縮着火内燃機関１の要求負荷が、前記液体炭化水素を供給するのみでは安定な運転ができなくなるような所定値を越えないときには、第２燃料タンク４に収容されている前記液体炭化水素のみをシリンダ５に供給し、圧縮着火内燃機関１の要求負荷が該所定値を超えたときには、第１燃料タンク２に収容されている前記混合燃料のみをシリンダ５に供給する。
本発明の実施形態である圧縮着火内燃機関の制御方法に係る構成を示すブロック図。 図１の圧縮着火内燃機関の制御方法における、圧縮着火内燃機関の要求負荷とシリンダへの燃料供給量との関係の一例を示すグラフ。
符号の説明
１…圧縮着火内燃機関、２…第1燃料タンク、３…水タンク、４…第２燃料タンク、５…シリンダ、６、８、１０、１２、１４…供給導管、７、９、１１、１３、１５…流量調整弁

Claims (3)

  1. 酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダ内に導入し、圧縮して自着火させる圧縮着火内燃機関の制御方法において、
    アルコールと液体炭化水素とを所定の割合で混合した混合燃料を収容する第１のタンクと、
    該第1のタンクから供給された混合燃料に水を混合し、該水と該アルコールとが混合された混合液と、該液体炭化水素とを、相互に分離された状態で収容する第２のタンクとを備え、
    該圧縮着火内燃機関の要求負荷に応じて、前記圧縮自着火可能な燃料として、該第1のタンクに収容された混合燃料の供給量と該第２のタンクに収容された液体炭化水素の供給量とを変化させて、前記酸素含有気体と共に前記シリンダ内に導入することを特徴とする圧縮着火内燃機関の制御方法。
  2. 前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くなるほど、該圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める前記混合燃料の割合が増加するように、前記第１のタンクに収容された混合燃料の供給量と前記第２のタンクに収容された液体炭化水素の供給量とをそれぞれ変化させ、
    該圧縮着火内燃機関の要求負荷が低くなるほど、該圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める前記液体炭化水素の割合が増加するように、該第１のタンクに収容された混合燃料の供給量と該第２のタンクに収容された液体炭化水素の供給量とをそれぞれ変化させることを特徴とする請求項1記載の圧縮着火内燃機関の制御方法。
  3. 前記内燃機関の要求負荷が高くなったときには、前記第１のタンクに収容された混合燃料又は前記第２のタンクに収容された液体炭化水素とともに、前記第２のタンクに収容された混合液を該圧縮着火内燃機関に供給することを特徴とする請求項１又は２記載の圧縮着火内燃機関の制御方法。
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