JP4837694B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に広範囲の運転領域にわたり安定して運転できる予混合圧縮着火燃焼式(PCCI(Premixed Charge Compression Ignition)燃焼方式)の内燃機関の制御装置に関する。
従来、ディーゼルエンジンに用いられる拡散燃焼方式は、燃焼室内に取り込んだ空気を圧縮し、この圧縮された空気に燃料を噴射し、自己着火によって燃焼させる。このようなディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと比較して熱効率が良い反面、不均一な噴霧燃焼に起因して局所的に燃料の過濃な領域や高温な領域が存在するため、NOxやパティキュレートマター(以下、「PM(Particulate Matter)」という)の排出量が多く排気の後処理システムにかかる負担が大きい。
この点に鑑みて、近年では、燃費を確保しつつNOx及びPMの排出量を大幅に低減することを目的として予混合圧縮着火燃焼が注目されている。予混合圧縮着火燃焼とは、前述のような拡散燃焼に対して、長い着火遅れの間に希薄化した予混合気を圧縮着火させるものである。
図9は、局所温度と局所当量比に対するPMの生成領域とNOxの生成領域を示す図である。図9に示すように、局所当量比が高い(燃料が過濃な)部分では酸素不足によりPMが生成され、局所当量比が低くかつ局所温度が高い部分ではNOxが生成される。
破線9aに示すように、従来の拡散燃焼では、不均一な噴霧燃料を圧縮着火することで、PMの生成領域及びNOxの生成領域の両方にわたって燃焼する。一方、実線9bに示すように、予混合圧縮着火燃焼は、希薄化した予混合気を圧縮着火することで、従来の拡散燃焼に対して燃料の過濃な領域や高温の領域が少なく、PM及びNOxの生成量を低減することができる。
このような予混合圧縮着火燃焼式のエンジンにおいて、近年では様々な研究がなされている。例えば、特許文献1,2では、燃料効率及び排気のエミッションをさらに向上することを目的として、第1燃料を吸気に混合し予混合気を供給する混合デバイスと、第2燃料を燃焼室内に直接噴射する直接燃料インジェクタとを備えるものが提案されている。このエンジンでは、燃焼室内で予混合気が点火した後に、燃焼室内に第2燃料を直接噴射する。また、この特許文献1,2では、第1燃料及び第2燃料として、天然ガス、ガソリン、軽油、ナフタ、及びプロパン等の燃料を組み合わせたものが示されている。
特表2003−532828号公報 特表2003−532829号公報
ところで、以上のような予混合圧縮着火燃焼式の内燃機関では、中高負荷領域において急激な燃焼になるため、騒音及び振動が大きくなるという課題がある。
この課題に対しては、高セタン価燃料を用いたり、燃料の噴射時期を内燃機関の標準時期よりも遅らせたりすることである程度改善できるものの、噴射時期を遅らせる手法では、燃費や、着火及び燃焼の安定性が大幅に悪化することも知られている。予混合圧縮着火燃焼式の内燃機関では、中高負荷運転領域において以上のような課題があるため、現状では低負荷運転領域のみに限定された燃焼方式である。
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、広範囲の運転領域にわたり安定して運転できる予混合圧縮着火燃焼式の内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、軽油又は軽油とその他の燃料との混合燃料を主燃料とし、燃焼室内でこの主燃料を圧縮着火させる予混合燃焼式の内燃機関(1)の制御装置において、主燃料を前記機関に供給する燃料供給手段(20)と、水素を含むガスを前記機関に供給する水素供給手段(30)と、前記機関の予混合圧縮着火燃焼条件に基づいて、前記燃料供給手段による主燃料の供給時期及び供給期間を制御する燃料供給制御手段(40,41)と、前記機関の予混合圧縮着火燃焼条件に基づいて、前記水素供給手段による水素を含むガスの供給時期及び供給期間を制御する水素供給制御手段(40,42)と、を備えることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関の制御装置において、前記水素供給手段は、主燃料を改質して水素を含むガスを生成する改質ガス生成手段(31)を備えることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置において、前記燃料供給手段は、主燃料を前記機関に噴射する燃料インジェクタ(22)を備え、前記水素供給手段は、水素を含むガスを前記機関の吸気に噴射するガスインジェクタ(32)を備えることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項2に記載の内燃機関の制御装置において、前記改質ガス生成手段は、水蒸気改質法、部分酸化法、炭酸ガス改質法、並びに、水蒸気改質法及び部分酸化法を組み合わせたオートサーマル法よりなる群から選ばれる1種の反応により、水素を含むガスを生成することを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項2又は4に記載の内燃機関の制御装置において、前記改質ガス生成手段による主燃料の改質反応は、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、窒素、二酸化炭素、及び水蒸気の雰囲気下で行われることを特徴とする。
請求項1に記載の発明によれば、水素を含むガスを機関に供給しながら、主燃料を予混合圧縮着火燃焼条件に基づいて燃焼させる。この際、機関の予混合圧縮着火燃焼条件に基づいて主燃料の供給時期及び供給期間を制御しつつ、機関の予混合圧縮着火燃焼条件に基づいて水素を含むガスの供給時期及び供給期間を制御する。
これにより、例えば、主燃料の供給時期を機関の標準時期よりも遅延させた場合であっても、着火遅れを短縮しつつ燃焼を緩慢にし、また、騒音及び振動をも低減することができる。したがって、上述のように、中高負荷領域における燃焼を改善し運転領域を拡大することができる。また、これらに加えて、未燃のHCやCOの排出量をも低減することが可能となる。これにより、排気のエミッション及び主燃料の燃費をさらに向上できる。
請求項2に記載の発明によれば、主燃料を改質して水素を含むガスを生成し、このガスを機関に供給することができる。
請求項3に記載の発明によれば、燃料インジェクタ及びガスインジェクタで、主燃料及び水素を含むガスを噴射することにより、これら主燃料及びガスの供給時期、供給期間を正確に制御することができる。特に、予混合圧縮着火燃焼式の内燃機関において安定した燃焼を成立させるためには、これら主燃料及びガスの供給時期、供給期間の制御を正確に行う必要がある。
請求項4に記載の発明によれば、水蒸気改質法、部分酸化法、炭酸ガス改質法、並びに、水蒸気改質法及び部分酸化法を組み合わせたオートサーマル法よりなる群から選ばれる1種の反応により、水素を含むガスを生成することにより、安定して水素を生成することができる。
請求項5に記載の発明によれば、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、窒素、二酸化炭素、及び水蒸気の雰囲気下における改質反応により水素を含むガスを生成することにより、安定して水素を生成することができる。
図1は本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関(以下「エンジン」という)1は、気筒11に形成された燃焼室13内で、ピストン12により圧縮して着火させる予混合圧縮着火燃焼(以下、「PCCI燃焼」という)式の内燃機関である。なお、図1には、エンジン1の複数の気筒のうちの1つのみを図示している。このエンジン1には、主燃料を供給する燃料供給手段20と、水素を含むガスを供給する水素供給手段30とが設けられている。
燃料供給手段20は、主燃料を供給する主燃料供給装置21と、主燃料供給装置21により供給された主燃料を供給する燃料インジェクタ22とを含んで構成される。
主燃料供給装置21は、主燃料を貯留する燃料タンクや、この燃料タンク内の主燃料を、燃料インジェクタ22及び水素供給手段30の燃料改質器31に供給する燃料供給機構を備える。ここで、主燃料としては、軽油、又は、軽油とその他の燃料との混合燃料等が用いられる。また、上述のその他の燃料としては、バイオ燃料や、GTL燃料等が挙げられる。軽油及びGTL燃料には、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、エステル類等の炭化水素類が含まれる。また、バイオ燃料には、エタノール、脂肪酸メチルエステル等の炭化水素類が含まれる。
燃料インジェクタ22は、エンジン1の気筒11に設けられ、燃焼室13内に直接主燃料を噴射する。この燃料インジェクタ22は、電子制御ユニット(以下「ECU」という)40に電気的に接続されており、ECU40から出力される制御信号に基づいて動作する。
水素供給手段30は、主燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する燃料改質器31と、燃料改質器31により生成された改質ガスを供給するガスインジェクタ32とを備える。
燃料改質器31は、改質触媒を備え、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、窒素、二酸化炭素、及び水蒸気の雰囲気下で、主燃料供給装置21から供給された主燃料を改質し、水素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスをガスインジェクタ32に供給する。ここで、改質触媒における改質反応は、例えば、水蒸気改質法、部分酸化法、炭酸ガス改質法、並びに、水蒸気改質法及び部分酸化法を組み合わせたオートサーマル法よりなる群から選ばれる1種の反応であることが好ましい。
ガスインジェクタ32は、エンジン1の吸気管14に設けられ、エンジン1の吸気に改質ガスを噴射する。このガスインジェクタ32は、ECU40に電気的に接続されており、ECU40から出力される制御信号に基づいて動作する。
また、エンジン1には、図示しないクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ18が設けられている。クランク角度位置センサ18は、クランク角1度毎にパルスを発生し、そのパルス信号はECU40に供給される。クランク角度位置センサ18は、さらに特定気筒の所定クランク角度位置で気筒識別パルスを生成して、ECU40に供給する。
ECU40は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット(以下「CPU」という)とを備える。この他、ECU40は、CPUで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料供給手段20及び水素供給手段30に制御信号を出力する出力回路とを備える。
また、ECU40は、これら入力回路、CPU、記憶回路、及び出力回路等のハードウェアの構成により機能する複数の制御ブロックを備える。具体的には、ECU40は、燃料供給手段20の燃料インジェクタ22を制御する燃料供給制御部41と、水素供給手段30のガスインジェクタ32を制御する水素供給制御部42とを備える。
燃料供給制御部41は、エンジン1においてPCCI燃焼を実行するために予め設定されたPCCI燃焼条件に基づいて、クランク角度位置センサ18の出力に応じて、適切な主燃料噴射時期及び主燃料噴射期間を演算し、これら噴射時期及び噴射期間に基づいて燃料インジェクタ22を制御する。
水素供給制御部42は、上述のPCCI燃焼条件に基づいて、クランク角度位置センサ18の出力に応じて、適切な改質ガス噴射時期及び改質ガス噴射期間を演算し、これら噴射時期及び噴射期間に基づいてガスインジェクタ32を制御する。
次に、上記実施形態のように、PCCI燃焼において、改質ガスに含まれる水素を吸気に添加することによる効果を検証する。以下では、所定の主燃料噴射時期の下で所定量の水素を吸気に添加したものを実施例とし、この実施例に対して水素を添加しないものを比較例とする。ここで、実施例と比較例の違いは、水素の添加の有無のみであり、エンジンの特性、主燃料の種類、及び主燃料の噴射条件等はすべて同じである。
図2は、実施例及び比較例に係る筒内圧とクランク角との関係を示す図である。
図3は、実施例及び比較例に係る熱発生率とクランク角との関係を示す図である。これら図2及び図3において、破線は比較例の結果を示し、一点鎖線は実施例において吸気の水素濃度が2.2体積%となる量の水素を吸気に添加した場合の結果を示し、実線は実施例において吸気の水素濃度が4.4体積%となる量の水素を吸気に添加した場合の結果を示す。
図2及び図3に示す例では、主燃料噴射時期を、標準時期(例えば、上死点)よりも遅延させた場合を示す。上述のように、中高負荷領域においてPCCI燃焼を成立させるためには、燃料の噴射時期を標準時期よりも遅延させた噴射(以下、「ATDC(After Top Dead Center)噴射」という)を実行する必要がある。特に、図2及び図3に示す例では、燃料噴射時期をATDC+3度とした。
図2及び図3に示すように、水素を添加すると、水素を添加しない場合と比較して、主燃料を噴射してから着火するまでの時間(主燃料噴射時期から筒内圧及び熱発生率がピークに達するまでの時間)、すなわち着火遅れが短くなる。特に、吸気の水素濃度が4.4体積%となる量の水素を添加した場合は、吸気の水素濃度が2.2体積%となる量の水素を添加した場合と比較して、着火遅れは短くなる。より具体的には、吸気の水素濃度が4.4体積%となる量の水素を添加すると、水素を添加しない場合に対して着火遅れが約6度短縮される。この結果、水素を添加すると、図3に示すように、熱発生が早まり、熱発生率の変化がなだらかになるとともに、等容度が向上し熱効率は高くなる。
ここで、以上のような効果が得られた原因について考察する。上述のように、吸気の水素濃度が4.4体積%となる量の水素を添加した場合には、特に顕著な効果がある。これは、水素の可燃限界が4%以上であることに起因すると考えられる。つまり、吸気の水素濃度がこの可燃限界以となる量の水素を添加すると、主燃料噴射により発生した静電気やプラズマにより、水素が主燃料よりも先に着火し、これにより、主燃料の着火遅れを短くし効率よく燃焼させることができたものと考えられる。
図4は、実施例及び比較例に係るdP/dθmaxと主燃料噴射時期との関係を示す図である。より具体的には、主燃料噴射時期をATDC−14度からATDC+4度まで変化させた場合における実施例及び比較例のdP/dθmaxの変化を示す。また、図4において、破線は比較例の結果を示し、実線は吸気の水素濃度が4.4体積%となる量の水素を添加した実施例の結果を示す。またここで、dP/dθmaxは、1回の燃焼で検出される単位クランク角度当りの筒内圧の圧力上昇率(dP/dθ)の最大値を示し、エンジンに発生する騒音及び振動の指標となる。
比較例では、主燃料噴射時期にかかわらず、dP/dθmaxは略一定である。一方、実施例では、主燃料噴射時期を遅くするに従い、dP/dθmaxは小さくなる。特に、主燃料噴射時期がATDC0度以降では、実施例のdP/dθmaxは、比較例よりも大幅に小さくなる。したがって、特にATDC噴射の下で水素を添加することにより、騒音及び振動を低減することが示された。
図5は、実施例及び比較例に係る熱効率と主燃料噴射時期との関係を示す図である。より具体的には、主燃料噴射時期をATDC−14度からATDC+4度まで変化させた場合における熱効率の変化を示す。また、図5において、白丸は比較例の結果を示し、黒丸は吸気の水素濃度が4.4体積%となる量の水素を添加した実施例の結果を示す。
比較例では、熱効率は、主燃料噴射時期がATDC−14度から0度までの間では、略一定であるが、ATDC0度以降は急激に減少する。一方、実施例では、熱効率は、主燃料噴射時期にかかわらず略一定であり、特に、ATDC0度以降では、比較例よりも高い。
図2及び図3を参照して詳述したように、ATDC噴射を実行すると、水素を添加しなかった場合には、燃焼が急激になり熱効率が急激に悪化してしまう。これに対して、ATDC噴射の下で水素を添加すると、燃焼がなだらかになり効率よく燃焼することが可能となる。
図6は、実施例及び比較例に係るCO排出量(一酸化炭素の排出量)と主燃料噴射時期との関係を示す図である。
図7は、実施例及び比較例に係るTHC排出量(未燃の炭化水素の総排出量)と主燃料噴射時期との関係を示す図である。より具体的には、これら図6及び図7は、それぞれ、主燃料噴射時期をATDC−14度からATDC+4度まで変化させた場合におけるCO排出量及びTHC排出量の変化を示す。また、図6及び図7において、白丸は比較例の結果を示し、黒丸は吸気の水素濃度が4.4体積%となる量の水素を添加した実施例の結果を示す。
比較例では、ATDC噴射を実行すると、CO排出量及びTHC排出量は、ともに増加する。一方、実施例では、ATDC噴射の下では、主燃料噴射時期を遅延させるに従い、CO排出量及びTHC排出量は、ともに減少し、また比較例よりも少なくなる。
図8は、エンジン回転数とエンジントルクに対するPCCI燃焼可能な領域を示す図である。図8において、破線は比較例のPCCI燃焼成立領域を示し、実線は実施例のPCCI燃焼成立領域を示し、一点鎖線は通常の運転において要求される燃焼成立領域を示す。
比較例では、中高負荷運転領域において燃焼が急激になり騒音及び振動が大きくなるため、図8に示すように、そのPCCI燃焼成立領域は低負荷運転領域に限定されてしまう。
これに対して、実施例では、ATDC噴射と合わせて水素を添加することにより、着火遅れを短縮しつつ燃焼を緩慢にし(図2及び図3参照)、騒音及び振動を抑制し(図4参照)、熱効率を維持し(図5参照)、CO排出量及びTHC排出量を低減できる(図6及び図7参照)。
上述のように、PCCI燃焼では、中高負荷運転領域においてATDC噴射を実行する必要があるが、このように水素を合わせて添加することにより、図8に示すように、常用運転領域含む中高負荷運転領域までPCCI燃焼成立領域を拡大することができる。
以上詳述したように、本発明によれば、水素を含む改質ガスをエンジン1の吸気に供給しながら、主燃料を予混合圧縮着火燃焼条件に基づいて燃焼させる。この際、エンジン1の予混合圧縮着火燃焼条件に基づいて主燃料の噴射時期及び噴射期間を制御しつつ、エンジン1の予混合圧縮着火燃焼条件に基づいて改質ガスの噴射時期及び噴射期間を制御する。
これにより、例えば、ATDC噴射を実行した場合であっても、着火遅れを短縮しつつ燃焼を緩慢にし、また、騒音及び振動をも低減することができる。したがって、上述のように、中高負荷領域における燃焼を改善し運転領域を拡大することができる。また、これらに加えて、未燃のHCやCOの排出量をも低減することが可能となる。これにより、排気のエミッション及び主燃料の燃費をさらに向上できる。
また、主燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスをエンジン1の吸気に供給する。すなわち、水素を貯留する水素タンク等を新たに設ける必要がない。また、これにより、安定して水素を供給し続けることができる。
また、燃料インジェクタ22及びガスインジェクタ32で、主燃料及び改質ガスを噴射することにより、これら主燃料及び改質ガスの噴射時期、噴射期間を正確に制御することができる。特に、予混合圧縮着火燃焼式のエンジン1において安定した燃焼を成立させるためには、これら主燃料及び改質ガスの噴射時期、噴射期間の制御を正確に行う必要がある。
また、水蒸気改質法、部分酸化法、炭酸ガス改質法、並びに、水蒸気改質法及び部分酸化法を組み合わせたオートサーマル法よりなる群から選ばれる1種の反応により、水素を含む改質ガスを生成することにより、安定して水素を生成することができる。
また、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、窒素、二酸化炭素、及び水蒸気の雰囲気下における改質反応により水素を含む改質ガスを生成することにより、安定して水素を生成することができる。
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
上記実施形態では、エンジン1の吸気に水素を添加するために、燃料改質器31により主燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスを吸気に添加したが、これに限らない。例えば、予め精製した水素を貯留した水素タンクを設け、この水素タンクから水素を添加してもよい。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進用エンジンなどの制御装置にも適用が可能である。
本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 本発明の実施例及び比較例に係る筒内圧とクランク角との関係を示す図である。 本発明の実施例及び比較例に係る熱発生率とクランク角との関係を示す図である。 本発明の実施例及び比較例に係るdP/dθmaxと主燃料噴射時期との関係を示す図である。 本発明の実施例及び比較例に係る熱効率と主燃料噴射時期との関係を示す図である。 本発明の実施例及び比較例に係るCO排出量と主燃料噴射時期との関係を示す図である。 本発明の実施例及び比較例に係るTHC排出量と主燃料噴射時期との関係を示す図である。 本発明の実施例及び比較例に係るエンジン回転数とエンジントルクに対するPCCI燃焼可能な領域を示す図である。 局所温度と局所当量比に対するPMの生成領域とNOxの生成領域を示す図である。
符号の説明
1…内燃機関
13…燃焼室
20…燃料供給手段
22…燃料インジェクタ
30…水素供給手段
31…燃料改質器(改質ガス生成手段)
32…ガスインジェクタ
40…電子制御ユニット
41…燃料供給制御部(燃料供給制御手段)
42…水素供給制御部(水素供給制御手段)

Claims (3)

  1. 軽油又は軽油とその他の燃料との混合燃料を主燃料とし、燃焼室内でこの主燃料を圧縮着火させる予混合燃焼式の内燃機関の制御装置において、
    主燃料を前記機関の燃焼室に噴射する燃料インジェクタを備えた燃料供給手段と、
    主燃料を改質して水素を含むガスを生成する改質ガス生成手段、及び、当該改質ガス生成手段で生成したガスを前記機関の吸気に噴射するガスインジェクタを備えた水素供給手段と、
    前記機関の予混合圧縮着火燃焼条件に基づいて、前記燃料インジェクタによる主燃料の噴射時期及び噴射期間を制御する燃料噴射制御手段と、
    前記機関の予混合圧縮着火燃焼条件に基づいて、前記ガスインジェクタによる水素を含むガスの噴射時期及び噴射期間を制御する水素噴射制御手段と、を備え、
    前記燃料噴射制御手段は、前記機関の振動が大きくなる中高負荷領域にあるときには、当該機関の振動を低減するように主燃料の噴射時期を上死点における噴射時期よりも遅延させ、
    前記水素噴射制御手段は、前記燃料噴射制御手段により主燃料の噴射時期を遅延させるに伴い、前記機関の吸気の水素濃度が可燃限界より高くなるようにガスの噴射量を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記改質ガス生成手段は、水蒸気改質法、部分酸化法、炭酸ガス改質法、並びに、水蒸気改質法及び部分酸化法を組み合わせたオートサーマル法よりなる群から選ばれる1種の反応により、水素を含むガスを生成することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記改質ガス生成手段による主燃料の改質反応は、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、窒素、二酸化炭素、及び水蒸気の雰囲気下で行われることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
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