JP5551964B2 - Internal combustion engine system - Google Patents
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Description
本発明は、水素を含む水素含有ガスが添加される内燃機関を備える内燃機関システムに関する。 The present invention relates to an internal combustion engine system including an internal combustion engine to which a hydrogen-containing gas containing hydrogen is added.
従来、例えば特許文献1〜2に開示されるように、ガソリン、軽油等の燃料を燃焼する内燃機関に、燃焼性の高い水素を添加することで、出力等を向上させ、排気ガス(エミッション)を低減する技術が知られている。
Conventionally, as disclosed in, for example,
ところが、従来は、ガソリン、軽油等の燃料に、水素が添加されたとしても、着火性、燃焼性に関するオクタン価、セタン価等の指数(着火指数)は、固定値として取り扱われていた。
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。
However, conventionally, even if hydrogen is added to fuel such as gasoline and light oil, the indexes (ignition index) such as octane number and cetane number related to ignitability and flammability have been treated as fixed values.
That is, it is known that when hydrogen is added to gasoline and light oil, ignition of the fuel is suppressed, knocking is suppressed in the case of gasoline, and the ignition delay period is extended in the case of light oil, which can be premixed. Actually, the octane number and cetane number seem to fluctuate, but conventionally, the octane number and cetane number due to hydrogenation are not considered, that is, constant regardless of whether or not hydrogenation is performed. Was treated as a fixed value.
ここで、ガソリンエンジンの場合、高負荷領域では、ノッキングの抑制のために、高オクタン価の燃料が望まれる。そして、ディーゼルエンジンの場合、中高負荷領域では、排気ガス(エミッション)の低減の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。
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。
Here, in the case of a gasoline engine, a high octane fuel is desired in the high load region in order to suppress knocking. In the case of a diesel engine, a low cetane number fuel that promotes premixed combustion is desired in order to reduce exhaust gas (emission) in a middle and high load region.
Since both the high octane number fuel and the low cetane number fuel have low ignitability, a low ignitability fuel is desired in a high load region in both gasoline engines and diesel engines.
そこで、本発明は、着火性・燃焼性の変動を考慮しつつ水素添加し、内燃機関の熱効率が高い内燃機関システムを提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an internal combustion engine system in which hydrogen is added while taking into account fluctuations in ignitability and combustibility, and the thermal efficiency of the internal combustion engine is high.
前記課題に鑑み、本願発明者は、内燃機関における水素添加された燃料の燃焼について鋭意検討したところ、水素は着火性が低いが、燃焼速度が大きく、燃焼についてのロバスト性(燃焼ロバスト性)が高い、という特性を有しているので、水素を添加すると、着火性は低くなり、燃焼速度は大きく、燃焼ロバスト性は高くなる、という知見を得た。 In view of the above problems, the inventor of the present application diligently studied the combustion of hydrogenated fuel in an internal combustion engine. Hydrogen has a low ignitability, but has a high combustion speed, and has a robustness for combustion (combustion robustness). Since it has the characteristic that it is high, when hydrogen was added, the ignitability became low, the combustion rate was large, and the combustion robustness became high.
すなわち、水素添加量を制御することで、水素添加後の燃料全体の着火性を最適化しつつ、燃焼速度を大きくし、燃焼ロバスト性を高めて、熱効率を高めることができる、という知見を得た。
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。
That is, by controlling the amount of hydrogen added, the knowledge that the ignitability of the whole fuel after hydrogen addition can be optimized, the combustion speed can be increased, the combustion robustness can be improved, and the thermal efficiency can be improved. .
And when combustion speed became large and robustness became high, since the combustion fluctuation rate became small, the EGR rate could also be raised and the exhaust gas (emission) could be reduced. In addition, the inventors have found that knocking becomes difficult as the combustion rate increases.
このような知見に基づいて、前記課題を解決するための手段として、本発明は、軽油を燃焼するディーゼル内燃機関と、前記ディーゼル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、前記ディーゼル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、前記ディーゼル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、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、前記ディーゼル内燃機関における燃焼が緩慢になるように、水素添加量を吸気に対して4vol%に決定することを特徴とする内燃機関システムである。
Based on such knowledge, as means for solving the above problems, the present invention includes a diesel internal combustion engine that burns light oil , and a hydrogen-containing gas addition means that adds a hydrogen-containing gas containing hydrogen to the diesel internal combustion engine. A hydrogen addition amount determining means for determining a hydrogen addition amount by the hydrogen-containing gas addition means based on hydrogen addition amount data set in consideration of a change in octane number and cetane number due to hydrogen addition, and the diesel internal combustion engine A combustion state detection means for detecting the combustion state in the engine, and an EGR amount control means for controlling the EGR amount based on the combustion state detected by the combustion state detection means so that the combustion in the diesel internal combustion engine becomes slow. wherein the EGR quantity control means, after controlling the
ここで、水素含有ガスは、高純度の水素や、水素を含む改質ガスを含む。
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。
Here, the hydrogen-containing gas includes high-purity hydrogen and a reformed gas containing hydrogen.
According to such an internal combustion engine system, the hydrogen addition amount determining means determines and determines the hydrogen addition amount based on the hydrogen addition amount data set in consideration of fluctuations in the octane number and cetane number due to hydrogen addition. The hydrogen-containing gas adding means adds the hydrogen-containing gas so that the amount of hydrogen added becomes the same.
このように、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、水素添加量を決定するので、つまり、水素添加後の燃料のオクタン価、セタン価等の着火指数(着火性、燃焼性)を考慮したうえで、水素添加量を適切に決定するので、水素添加後の燃料の着火性・燃焼性は適切となる。
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。
Thus, since the hydrogen addition amount is determined based on the hydrogen addition amount data set in consideration of the fluctuation of the octane number and cetane number, that is, the ignition index (such as the octane number and cetane number of the fuel after hydrogen addition) Since the hydrogen addition amount is appropriately determined in consideration of (ignitability, combustibility), the ignitability / combustibility of the fuel after hydrogen addition is appropriate.
Further, the addition of hydrogen increases the combustion speed and increases the combustion robustness, so that the combustion fluctuation rate in the internal combustion engine can be reduced, the thermal efficiency of the internal combustion engine can be increased, and NOx and the like in the exhaust gas can be reduced.
また、前記内燃機関システムにおいて、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。 In the internal combustion engine system, the hydrogen addition amount determining means determines the hydrogen addition amount in consideration of an EGR amount.
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、EGR量を考慮して、水素添加量を決定するので、水素添加量をより適切にできる。
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。
According to such an internal combustion engine system, since the hydrogen addition amount determining means determines the hydrogen addition amount in consideration of the EGR amount, the hydrogen addition amount can be made more appropriate.
Note that if the EGR amount (rate) increases, it becomes difficult to ignite and the combustion fluctuation rate tends to increase. Therefore, when the EGR amount (rate) increases, the hydrogen addition amount is increased and the combustion fluctuation rate is, for example, 5%. It is preferable to control to be as follows.
また、前記内燃機関システムにおいて、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。 In the internal combustion engine system, when knocking occurs in the internal combustion engine after adding the hydrogen-containing gas at the hydrogen addition amount determined by the hydrogen-containing gas addition means, the hydrogen addition amount determination means It is characterized by increasing.
このような内燃機関システムによれば、水素含有ガスを添加した後において内燃機関でノッキングが発生した場合、水素添加量決定手段は水素添加量を増加させるので、燃焼性が高まり、その後におけるノッキングを抑制できる。 According to such an internal combustion engine system, when knocking occurs in the internal combustion engine after adding the hydrogen-containing gas, the hydrogen addition amount determining means increases the hydrogen addition amount, so that the combustibility is improved and the subsequent knocking is performed. Can be suppressed.
また、前記内燃機関システムにおいて、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。 Further, in the internal combustion engine system, after adding the hydrogen-containing gas at the hydrogen addition amount determined by the hydrogen-containing gas addition means, the hydrogen addition amount determination means has an ignition delay time in the internal combustion engine of a predetermined time or more. Thus, the hydrogen addition amount is corrected.
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、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ので、着火遅れ時間を所定時間以上で確保できる。 According to such an internal combustion engine system, the hydrogen addition amount determining means corrects the hydrogen addition amount so that the ignition delay time in the internal combustion engine is equal to or longer than a predetermined time, and therefore, the ignition delay time can be secured at a predetermined time or longer. .
このような内燃機関システムによれば、EGR量制御手段が、燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態(後記する実施形態では、圧力センサの検出する筒内圧)に基づいて、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、つまり、EGR量(率)を増加させる。 According to such an internal combustion engine system, the combustion in the internal combustion engine is slow based on the combustion state detected by the combustion state detection means (in the embodiment described later, the in-cylinder pressure detected by the pressure sensor). The EGR amount is controlled such that the EGR amount (rate) is increased.
このようにして、EGR量が増加すると、内燃機関における熱効率をほとんど低下させずに(後記する図15参照)、内燃機関のクランク角に対する熱発生率を遅らせると共に(後記する図16A〜図16D参照)、(dP/dθ)max及び最大筒内圧Pmaxを下げ(後記する図13、図14参照)、そして、内燃機関の排気ガス中のNOを下げることができる(後記する図17参照)。 In this way, when the EGR amount increases, the thermal efficiency in the internal combustion engine is hardly lowered (see FIG. 15 described later), and the heat generation rate with respect to the crank angle of the internal combustion engine is delayed (see FIGS. 16A to 16D described later). ), (DP / dθ) max and maximum in-cylinder pressure Pmax can be decreased (see FIGS. 13 and 14 described later), and NO in the exhaust gas of the internal combustion engine can be decreased (refer to FIG. 17 described later).
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、燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態に基づいて、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、つまり、水素添加量を増加させる。そして、この増加して決定された水素添加量に従って、水素含有ガス添加手段が水素含有ガスを添加する。 According to such an internal combustion engine system, the hydrogen addition amount determination means determines the hydrogen addition amount based on the combustion state detected by the combustion state detection means so that the combustion in the internal combustion engine becomes slow, that is, Increase the amount of hydrogenation. Then, the hydrogen-containing gas adding means adds the hydrogen-containing gas according to the increased hydrogen addition amount.
このようにして、水素添加量が増加すると、(dP/dθ)max及び最大筒内圧Pmaxを下げ(後記する図13、図14参照)、クランク角に対する熱発生率をさらに遅らせると共に(後記する図16A〜図16D参照)、排気ガス中のCO、THC(Total Hydro Carbon、全炭化水素)及び煤(Soot)を低減できる(後記する図18〜図20参照)。 In this way, when the hydrogen addition amount increases, (dP / dθ) max and the maximum in-cylinder pressure Pmax are lowered (see FIGS. 13 and 14 described later), and the heat generation rate with respect to the crank angle is further delayed (as described later). 16A to FIG. 16D), CO, THC (Total Hydro Carbon) and Soot in the exhaust gas can be reduced (see FIGS. 18 to 20 described later).
このような内燃機関システムによれば、EGR量制御手段がEGR量を35〜45%に制御した後、水素添加量決定手段が、燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態に基づいて、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ので、内燃機関における燃焼を緩慢燃焼にさらに近づけることができる。 According to such an internal combustion engine system, after the EGR amount control means controls the EGR amount to 35 to 45%, the hydrogen addition amount determination means is based on the combustion state detected by the combustion state detection means. Since the hydrogen addition amount is determined so that the combustion becomes slow, the combustion in the internal combustion engine can be made closer to the slow combustion.
本発明によれば、着火性・燃焼性の変動を考慮しつつ水素添加し、内燃機関の熱効率が高い内燃機関システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an internal combustion engine system in which hydrogen is added while taking into account fluctuations in ignitability and combustibility and the internal combustion engine has high thermal efficiency.
≪第1参考形態≫
以下、本発明の第1参考形態について、図1〜図7を参照して説明する。
≪First Reference Form≫
Hereinafter, a first reference embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
≪内燃機関システムの構成≫
図1に示す第1参考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。
≪Configuration of internal combustion engine system≫
Internal
The internal
<ガソリンエンジン>
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。
<Gasoline engine>
The
For simplicity, only one
吸気ポート13aには、吸気配管21aが接続されている。そして、ガソリンエンジン10Aが作動すると、車外の空気が自然吸気され、吸気配管21aを通って、吸気ポート13aに向かうようになっている。
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。
An
An
また、ガソリンエンジン10Aには、圧力センサ16(燃焼状態検出手段)、クランク角センサ17、ノックセンサ18が取り付けられている。圧力センサ16は、気筒11a内の圧力(筒内圧)を検出し、ECU70に出力するようになっている。クランク角センサ17は、クランクシャフト(図示しない)の角度(クランク角)を検出し、ECU70に出力するようになっている。ノックセンサ18は、ガソリンエンジン10Aのノッキング状態を検出し、ECU70に出力す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。
In addition, a pressure sensor 16 (combustion state detection means), a
In addition, an ignition plug (not shown) is attached to the
<燃料供給系>
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。
<Fuel supply system>
The fuel supply system includes a
The
燃料インジェクタ43は、ヘッドカバー13に取り付けられており、ECU70からの指令に従って作動(開弁)すると、ガソリンが気筒11a内に直接噴射されるようになっている。ただし、噴射位置はこれに限定されず、吸気ポート13aに噴射される構成でもよい。
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。
The
The
<EGR系>
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。
<EGR system>
The EGR system includes an
The middle of the
<水素添加系>
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。
<Hydrogenation system>
The hydrogen addition system includes a
The
水素インジェクタ63は、ヘッドカバー13に取り付けられており、ECU70からの指令に従って作動(開弁)すると、水素が吸気ポート13aに噴射されるようになっている。
The
また、水素インジェクタ63は、燃料インジェクタ43と同様に、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、水素インジェクタ63は、ECU70の指令に従って高精度で開/閉し、よって、水素の噴射量、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。
したがって、第1参考形態において、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。
Similarly to the
Therefore, in the first reference embodiment, the hydrogen-containing gas addition means for adding hydrogen (hydrogen-containing gas) to the
<ECU>
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。
<ECU>
The ECU 70 (control means) is a control device that electronically controls the internal
Further, the accelerator opening (throttle opening) detected by the
<ECU−水素添加量決定機能>
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。
<ECU-Hydrogen addition amount determination function>
In addition, the ECU 70 (hydrogen addition amount determining means) is configured so that the rotational speed of the
A specific method will be described later.
≪内燃機関システムの動作≫
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。
≪Operation of internal combustion engine system≫
Next, the operation of the internal
Note that the control process shown in FIG. 2 is periodically executed, for example, at every constant crank angle.
ステップS101において、ECU70は、アクセル開度センサ81からのアクセル開度に基づいて、ガソリンエンジン10Aが目標値とすべき必要トルク(負荷)を算出する。
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。
In step S <b> 101, the
In this calculation, a map in which the accelerator opening is associated with the required torque is referred to, and the required torque increases as the accelerator opening increases.
ステップS102において、ECU70は、ステップS101で算出した必要トルクと、ガソリンエンジン10Aの回転速度と、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、水素添加量を算出する。
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。
In step S102, the
The rotational speed of the
<水素添加量データ−ガソリンエンジン>
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。
<Hydrogen addition amount data-gasoline engine>
FIG. 3 is a map that schematically illustrates the optimum hydrogen addition amount at the rotation speed and the required torque of the
That is, the
そして、図3において、左下から右上に向かうにつれて、つまり、回転速度が高くなるにつれて、必要トルクが大きくなるにつれて、目標となる水素添加量が多くなる傾向となっている。
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。
In FIG. 3, the target hydrogenation amount tends to increase as the required torque increases as the rotation speed increases from the lower left to the upper right.
Note that in FIG. 3, the amount of hydrogen addition is shown in shades of hatching, indicating that the amount of hydrogen addition increases as the region becomes darker.
ここで、ガソリンエンジン10A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、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。
Here, for the
First, in the
このように水素が添加されると燃焼変動率が小さくなるのは、水素は着火性が低いが、燃焼速度が大きいので、水素が添加されると、添加後の全体の燃焼速度は大きくなるからである。
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。
When hydrogen is added in this manner, the combustion fluctuation rate is reduced because hydrogen has low ignitability, but the combustion rate is high, so when hydrogen is added, the overall combustion rate after addition increases. It is.
Note that an increase in the combustion speed means that the robustness (combustion robustness) of combustion is increased.
すなわち、図4に示すように、ガソリンへの水素添加量が増加すると、添加後の全体のオクタン価は大きくなり、着火性は低くなり、燃焼速度は大きくなり、燃焼ロバスト性は高くなる。よって、図4のY軸タイトルである「水素添加されたガソリンのオクタン価」は、水素添加後のガソリン全体の着火性、燃焼性(燃焼速度)、燃焼ロバスト性を示す一指数(パラメータ)となる。 That is, as shown in FIG. 4, when the amount of hydrogen added to gasoline increases, the overall octane number after the addition increases, the ignitability decreases, the combustion speed increases, and the combustion robustness increases. Therefore, the Y-axis title “octane number of hydrogenated gasoline” in FIG. 4 is an index (parameter) indicating the ignitability, combustibility (combustion speed), and combustion robustness of the entire gasoline after hydrogen addition. .
なお、図4は、市販のレギュラーガソリンへの水素の添加率と、水素が添加されたレギュラーガソリンのオクタン価との関係を示すグラフである。水素の添加率は、水素添加されたレギュラーガソリン全体の発熱量における水素の割合で与えられる。また、「SAE Paper 2004−01−0975」によれば、水素のオクタン価は140であると示されている。
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)。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the hydrogen addition rate to commercial regular gasoline and the octane number of regular gasoline to which hydrogen is added. The addition rate of hydrogen is given by the ratio of hydrogen in the calorific value of the whole regular gasoline hydrogenated. According to “SAE Paper 2004-01-0975”, the octane number of hydrogen is 140.
FIG. 4 shows that assuming that the octane number of regular gasoline to which hydrogen is not added is 90, the octane number of regular gasoline after addition of 10% of hydrogen having an octane number of 140 is 95. (Refer to the arrows in FIG. 4).
ここで、水素添加によって、燃焼速度は大きくなり、燃焼ロバスト性は高くなるのは、水素の燃焼速度が大きく、水素が高い燃焼ロバスト性を有するからと考えられる。これは、水素が燃焼反応過程で、強い酸化剤であるOHラジカル(中間体)を生成し、水素添加量が増加すると、OHラジカル量も増加するためと考えられる(図5参照)。
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。
Here, it is considered that the hydrogen addition increases the combustion rate and the combustion robustness because the hydrogen combustion rate is high and hydrogen has a high combustion robustness. This is probably because hydrogen generates OH radicals (intermediates) that are strong oxidants during the combustion reaction process, and the amount of OH radicals increases as the amount of hydrogen added increases (see FIG. 5).
FIG. 5 shows that the amount of OH radicals generated increases as the amount of hydrogen added to the intake air (vol%) increases.
このように、水素添加量が増加すると、燃焼速度が大きくなると共に、ロバスト性が高くなり、燃焼変動率が小さくなる。そして、燃焼変動率が小さくなるので、EGR率を高め、燃焼温度を下げつつ、ポンピングロスを小さくでき、燃費を高めることが可能となる。
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。
Thus, when the hydrogen addition amount increases, the combustion speed increases, the robustness increases, and the combustion fluctuation rate decreases. And since a combustion fluctuation rate becomes small, a pumping loss can be made small while raising an EGR rate and lowering combustion temperature, and it becomes possible to raise a fuel consumption.
Moreover, since octane number (combustion speed) improves by hydrogenation, knocking is suppressed.
Further, the synergistic effect of the decrease in combustion temperature and the increase in octane number makes it possible to increase the compression ratio and further increase the fuel consumption.
そこで、水素添加量は、水素添加によるこれらの効果を考慮したうえで、事前試験等によって、EGR率(例えば15%、20%、25%、30%)毎に、ガソリンエンジン10Aの回転速度及び必要トルクに対応して、燃焼変動率が例えば5%以下となるように、設定される。
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。
Therefore, the hydrogenation amount is determined by considering the rotational speed of the
The map shown in FIG. 3 shows the hydrogen addition amounts set in this way and is divided into regions for convenience.
図2に戻って説明を続ける。
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。
Returning to FIG. 2, the description will be continued.
In step S103, the
ステップS104において、ECU70は、所望のEGR率になるように、EGR弁51を制御する。なお、目標とするEGR率は、排気ガス温度等に基づいて、排気ガス温度が高くなり過ぎないように、例えば30%に設定される。
In step S104, the
そして、ECU70は、EGR率をこのように制御しながら、現在のEGR率と、ガソリンエンジン10Aの回転速度及び必要トルクと、現在のEGR率に対応した図3のマップとに基づいて、燃焼変動率が5%以下となるように、水素添加濃度を再び算出する。具体的には、EGR率が大きくなると、つまり、吸気空気に混入される排気ガス量が増加すると、燃焼変動率を小さくするため、水素添加濃度を増加させる関係となっている。
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。
The
The combustion fluctuation rate is calculated based on the in-cylinder pressure input from the
ステップS105において、ECU70は、ステップS104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、水素を添加する。
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)。
In step S105, the
Here, since the map of FIG. 3 is set so that the combustion fluctuation rate is 5% or less by a preliminary test or the like, hydrogen is added in step S105 according to the hydrogen addition amount calculated in step S104. Thus, the combustion fluctuation rate is suppressed to 5% or less (see FIG. 6).
ステップS106において、ECU70は、ノックセンサ18を介して、ノッキングを検出した否か判定する。
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。
In step S <b> 106, the
If it is determined that knocking has been detected (S106, Yes), the processing of the
ステップS107において、ECU70は、水素インジェクタ63を制御し、水素を追加して添加する。
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。
In step S107, the
Thus, when knocking is detected, by adding hydrogen, that is, by increasing the amount of hydrogen addition, the overall octane number and combustion speed after hydrogen addition increase, and as a result, compression in the
その後、ECU70の処理はリターンを通ってスタートに戻る。
Thereafter, the processing of the
≪内燃機関システムの効果≫
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)。
≪Effect of internal combustion engine system≫
According to such an internal
Based on the required torque (load) and rotation speed of the
すなわち、このように制御することで、大量EGR(高いEGR率)による吸気抵抗損失(ポンピングロス)と、ノッキングとを抑制できる。つまり、図6に示すように、EGR率を増加させると、燃焼変動率が増加するが、本実施形態のように水素を添加することで、燃焼速度及び燃焼ロバスト性が高くなり、EGR率が30%となっても燃焼変動率は5%以内となり、高いEGR率のまま、ガソリンエンジン10Aを運転することができる(図6の実施例参照)。
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1参考形態では、比較例に対して、ロバスト性が格段に改善されている。
That is, by controlling in this way, it is possible to suppress intake resistance loss (pumping loss) due to a large amount of EGR (high EGR rate) and knocking. That is, as shown in FIG. 6, when the EGR rate is increased, the combustion fluctuation rate is increased. However, by adding hydrogen as in the present embodiment, the combustion speed and the combustion robustness are increased, and the EGR rate is increased. Even if it is 30%, the combustion fluctuation rate is within 5%, and the
If hydrogen is not added, as shown in the comparative example of FIG. 6, if the EGR rate exceeds 20%, the combustion fluctuation rate exceeds 5%. That is, in the first reference embodiment, the robustness is remarkably improved as compared with the comparative example.
また、このような高いEGR率とすると、燃焼温度を下げ、低温燃焼とすることができる。これにより、圧縮率をさらに高め、吸気抵抗損失(ポンピングロス)を低減し、熱効率を向上させ、排気ガスを低減できる。 Further, when such a high EGR rate is used, the combustion temperature can be lowered and low-temperature combustion can be performed. As a result, the compression ratio can be further increased, intake resistance loss (pumping loss) can be reduced, thermal efficiency can be improved, and exhaust gas can be reduced.
さらに、ノッキングを検出した場合(S106・Yes)、高オクタン価である水素をさらに添加するので(S107)、これにより、オクタン価が高められ、図7に示すように、圧縮比を高めることができ、その結果、ガソリンエンジン10Aの熱効率を高めることができる。
Furthermore, when knocking is detected (S106 / Yes), hydrogen having a high octane number is further added (S107), whereby the octane number is increased, and the compression ratio can be increased as shown in FIG. As a result, the thermal efficiency of the
≪変形例≫
以上、本発明の第1参考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。
≪Modification≫
The first reference embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this, and can be appropriately combined with the embodiments described later, or can be modified as follows.
Although the direct injection
前記した実施形態では、燃料として車両用のガソリンを使用する構成を例示したが、その他に例えば、軽油、バイオ燃料、DME(Dimethyl ether)、GTL(gas to liquids)、これらが混合された混合燃料も使用できる。
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。
In the above-described embodiment, the configuration in which gasoline for vehicles is used as the fuel is exemplified. However, for example, light oil, biofuel, DME (Dimethyl ether), GTL (gas to liquids), and mixed fuel in which these are mixed Can also be used.
The hydrocarbons contained in the fuel are, for example, alkanes, alkenes, alkynes, aromatic compounds, alcohols, aldehydes, and esters. Biofuels are ethanol, fatty acid methyl ester, etc., for example.
前記した実施形態では、水素含有ガス添加手段が、水素タンク61、水素インジェクタ63等を備える水素添加系である構成を例示したが、水素添加系(水素タンク61、水素インジェクタ63等)に代えて、水素を含む改質ガス(水素含有ガス)を添加する改質ガス添加系で、水素含有ガス添加手段を構成してもよい。
In the above-described embodiment, the configuration in which the hydrogen-containing gas addition unit is a hydrogen addition system including the
この場合、改質ガス添加系(水素含有ガス添加手段)は、燃料を改質し水素を含む改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを圧送するポンプと、水素を含む改質ガスを噴射する改質ガスインジェクタ(水素含有ガス用インジェクタ)と、を備えて構成される。 In this case, the reformed gas addition system (hydrogen-containing gas addition means) includes a reformer that reforms the fuel and generates a reformed gas containing hydrogen, a pump that pumps the reformed gas, and a reformer that contains hydrogen. And a reformed gas injector (hydrogen-containing gas injector) for injecting gas.
そして、改質器は、公知の技術に基づいて、その改質反応が、(1)水蒸気改質方法、(2)部分酸化方法、(3)水蒸気改質法と部分酸化法とを組み合わせたオートサーマル改質方法、(4)前記内燃機関がリッチ燃焼することで生成したガスを水性ガスシフト反応させる方法、の少なくとも1つの方法に基づいて生じるように構成される。 And the reformer is based on a known technique, and the reforming reaction is (1) a steam reforming method, (2) a partial oxidation method, and (3) a combination of a steam reforming method and a partial oxidation method. It is configured to be generated based on at least one of an autothermal reforming method and (4) a method in which a gas generated by rich combustion of the internal combustion engine is subjected to a water gas shift reaction.
また、改質器は、その改質反応が、ガソリンエンジン10Aの排気ガス、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、及び、水蒸気、の少なくとも1つのガス雰囲気下で行われるように構成される。
Further, the reformer performs the reforming reaction in at least one gas atmosphere of the exhaust gas of the
≪第2参考形態≫
次に、本発明の第2参考形態について、図1、図3、図8〜図11を参照して説明する。
≪Second reference form≫
Next, a second reference embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 3, and 8 to 11. FIG.
≪内燃機関システムの構成≫
第2参考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。
≪Configuration of internal combustion engine system≫
The internal
Here, the
また、第2参考形態では、燃料タンク41に軽油が貯溜され、燃料ポンプ42は軽油を燃料インジェクタ43に圧送するようになっている。そして、燃料インジェクタ43は、気筒11a内に軽油を直接噴射するようになっている。
In the second reference embodiment, light oil is stored in the
≪内燃機関システムの動作≫
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2参考形態において、ECU70は第1参考形態と同様に、ステップS101〜S103の処理を実行する。
因みに、第2参考形態では、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。
≪Operation of internal combustion engine system≫
Next, the operation of the internal
In the second reference form, the
Incidentally, in the second reference form, in step S102, the
<水素添加量データ−ディーゼルエンジン>
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2参考形態では、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。
<Hydrogen addition amount data-diesel engine>
Here, as for the
First, in the
Therefore, in the second reference embodiment, hydrogen with low ignitability is added to the light oil to control the ignition delay time and premixed combustion, thereby reducing exhaust gas and the like.
すなわち、図9に示すように、軽油への水素添加量が増加すると、添加後の全体のセタン価は小さくなり、着火性は低くなり、燃焼速度は大きくなり、燃焼ロバスト性は高くなる。よって、図9のY軸タイトルである「水素添加された軽油のセタン価」は、水素添加後の軽油全体の着火性、燃焼性(燃焼速度)、燃焼ロバスト性を示す一指数(パラメータ)となる。 That is, as shown in FIG. 9, when the amount of hydrogen added to light oil increases, the overall cetane number after the addition decreases, the ignitability decreases, the combustion rate increases, and the combustion robustness increases. Thus, the Y-axis title “cetane number of hydrogenated gas oil” in FIG. 9 is an index (parameter) indicating the ignitability, combustibility (combustion speed), and combustion robustness of the entire diesel oil after hydrogenation. Become.
図9は、市販の軽油への水素の添加率と、水素が添加された軽油のセタン価との関係を示すグラフである。水素の添加率は、水素添加された軽油全体の発熱量における水素の割合で与えられる。
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)。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the addition rate of hydrogen to commercially available light oil and the cetane number of light oil to which hydrogen has been added. The addition rate of hydrogen is given by the ratio of hydrogen in the calorific value of the entire hydrogenated gas oil.
FIG. 9 shows that when the cetane number of light oil to which hydrogen is not added (JIS No. 2 light oil) is 55, 10% of hydrogen estimated to have a cetane number of −57 is added. It shows that the cetane number of light oil is estimated to be 40 (see arrow in FIG. 9).
因みに、水素のセタン価が−57であることは、市販の軽油におけるセタン価とオクタン価との関係を示す図10のグラフと、「SAE Paper 2004−01−0975」によれば水素のオクタン価は140であることと、に基づいて推定される(図10の矢印参照)。 Incidentally, the fact that the cetane number of hydrogen is −57 indicates that the octane number of hydrogen is 140 according to the graph of FIG. 10 showing the relationship between the cetane number and the octane number in commercially available light oil and “SAE Paper 2004-01-0975”. Is estimated based on the fact (see the arrow in FIG. 10).
そこで、水素添加量は、事前試験等によって、EGR率(例えば15%、20%、25%、30%、40%)毎に、ディーゼルエンジン10Bの回転速度及び必要トルクに対応して、着火遅れ時間が所定時間以上となるように、設定される。
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。
Therefore, the amount of hydrogen added is determined by an ignition delay corresponding to the rotational speed and required torque of the
The predetermined time is set to increase as the required torque (load) of the
The map shown in FIG. 3 shows the hydrogen addition amounts set in this way and is divided into regions for convenience.
そして、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。
In step S103, the
続いて、ステップS204において、ECU70は、所望のEGR率となるようにEGR弁51を制御する。なお、目標とするEGR率は、排気ガス温度等に基づいて、排気ガス温度が高くなり過ぎないように、例えば30%〜40%に設定される。
Subsequently, in step S204, the
そして、ECU70は、EGR率をこのように制御しながら、現在のEGR率と、ディーゼルエンジン10Bの回転速度及び必要トルクと、現在のEGR率に対応した図3のマップとに基づいて、着火遅れ時間が所定時間以上となるように、水素添加濃度を再び算出(補正)する。
Then, while controlling the EGR rate in this way, the
なお、現在の着火遅れ時間は、圧力センサ16を介して検出される筒内圧の変化に基づいて算出される。その他、着火遅れ時間を、電流センサ(図示しない)が検出する筒内圧センサの電流値変化に基づいて算出する構成としてもよい。
The current ignition delay time is calculated based on a change in the in-cylinder pressure detected via the
ステップS205において、ECU70は、ステップS204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、水素を添加する。
In step S205, the
ステップS206において、ECU70は、着火遅れ時間を所定時間以上で確保しながら、最適な軽油の噴射タイミングを決定する。
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。
In step S206, the
The optimum light oil injection timing is determined to be a timing at which the thermal efficiency of the
ステップS207において、ECU70は、ステップS206で決定した噴射タイミングに従って、燃料インジェクタ43を制御し、軽油を噴射する。
In step S207, the
≪内燃機関システムの効果≫
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。
≪Effect of internal combustion engine system≫
According to such an internal
By adding hydrogen with low ignitability, the ignition delay time is secured for a predetermined time or more (S102, S103, S204, S205), so that light oil and air are easily premixed. As a result, as shown in FIG. 11, the smoke and soot contained in the exhaust gas can be reduced while reducing NOx (nitrogen oxide) in the exhaust gas.
また、水素は、着火性が低いものの、前記したように、燃焼速度が大きく、燃焼ロバスト性が高いので、水素を添加することで、EGR率を高めることができ、その結果、低温で燃焼させることが可能となり、NOxの低減を図ることができる。
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。
In addition, although hydrogen has low ignitability, as described above, it has a high combustion rate and high combustion robustness. Therefore, by adding hydrogen, the EGR rate can be increased, and as a result, it is burned at a low temperature. Therefore, NOx can be reduced.
In addition, as shown in the comparative example of FIG. 11, conventionally, NOx increases when smoke is reduced, and conversely, when NOx is reduced, smoke increases. is there.
また、着火遅れ時間を所定時間以上で確保しつつ、軽油の噴射タイミングを最適化するので(S206、S207)、ディーゼルエンジン10Bの熱効率を向上させることができる。
Moreover, since the light oil injection timing is optimized while ensuring the ignition delay time at a predetermined time or longer (S206, S207), the thermal efficiency of the
≪第1実施形態≫
次に、本発明の第1実施形態について、図12〜図20を参照して説明する。
第1実施形態に係る内燃機関システムは、第2参考形態に対して、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。
«First embodiment»
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The internal combustion engine system according to the first embodiment differs from the second reference embodiment in that the program set in the
図12に示すように、第1実施形態において、ECU70の処理は、ステップS103の後、ステップS301に進む。
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。
As shown in FIG. 12, in the first embodiment, the processing of the
In step S301, the
したがって、第1実施形態において、EGR量を制御するEGR量制御手段は、EGR弁51と、これを制御するECU70とを備えて構成されている。
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。
Therefore, in the first embodiment, the EGR amount control means for controlling the EGR amount includes the
FIG. 13 illustrates the case where the injection pressure of light oil is 150 (MPa) and the injection amount Q per stroke is 29.8 (mm 3 / stroke). Other injection pressures and injection amounts This graph (map) is also stored in the
ステップS302において、ECU70は、現在のEGR率と、ディーゼルエンジン10Bの回転速度及び必要トルクと、現在のEGR率に対応した図3のマップとに基づいて、着火遅れ時間が所定時間以上となり、かつ、(dP/dθ)maxが下がるように、水素添加濃度を再び算出(補正)する。すなわち、ECU70は、現在のEGR率、回転速度、必要トルク及び図3のマップと、圧力センサ16から入力される筒内圧(圧力信号)を制御指標として、水素添加量の増減を補正している。
In step S302, the
その後、ECU70の処理は、ステップS205に進む。
Thereafter, the processing of the
≪内燃機関システムの効果≫
このような第1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)。
≪Effect of internal combustion engine system≫
According to the internal combustion engine system according to the first embodiment, the following effects are obtained.
Since the EGR rate (amount) is controlled to 35 to 45%, preferably about 40% (S301), (dP / dθ) max and Pmax can be lowered to approach buffered combustion (FIG. 13). FIG. 14). Further, since hydrogen is further added, (dP / dθ) max and Pmax can be lowered to approach buffered combustion (see FIGS. 13 and 14).
このようにして、最大筒内圧Pmaxを下げることができるので、ディーゼルエンジン10Bの骨格を軽量化でき、燃料消費及びフリクションを抑えることができる。
In this way, since the maximum in-cylinder pressure Pmax can be reduced, the skeleton of the
また、EGR率(量)を増加させると、図15、図16A〜図16Dに示すように、熱効率を同等としつつ(図15参照)、クランク角に対する熱発生率を遅らせる、つまり、遅角化できる。 Further, when the EGR rate (amount) is increased, as shown in FIGS. 15 and 16A to 16D, the heat generation rate with respect to the crank angle is delayed, that is, the thermal efficiency is made equal (see FIG. 15). it can.
そして、さらに水素を添加すると、熱発生率をさらに遅角化して予混合化を促進し、緩慢燃焼できる(図16A〜図16D参照)。このように、水素を添加すると、熱発生率がさらに遅角化するが、図13に示すように、熱効率は水素を添加しない場合(水素0vol%)と略同等となる。これは、緩慢燃焼により熱損失が小さくなったことと、水素の添加によりロバスト性が高くなったことによると考えられる。
When hydrogen is further added, the heat generation rate is further retarded to promote premixing, and slow combustion can be performed (see FIGS. 16A to 16D). Thus, when hydrogen is added, the heat generation rate is further retarded, but as shown in FIG. 13, the thermal efficiency is substantially the same as when hydrogen is not added (
なお、図16A〜図16Dでは、軽油の噴射量を29.8(mm3/stroke)とし、燃料噴射のタイミングをBDTC(Before Top Dead Center、圧縮上死点)2deg.とした場合を例示している。 16A to 16D, the light oil injection amount is 29.8 (mm 3 / stroke), and the fuel injection timing is BDTC (Before Top Dead Center) 2 deg. The case is shown as an example.
さらに、熱効率を同等としつつ(図15参照)、(dP/dθ)maxを下げることができるので(図13参照)、中高負荷領域において、ディーゼルエンジン10Bの騒音・振動を大幅に低減できる。その結果、パイロット噴射の回数を減らす、又は、パイロット噴射自体を省略でき、燃料消費を抑えることができる。
Furthermore, since (dP / dθ) max can be lowered (see FIG. 13) while maintaining the same thermal efficiency (see FIG. 15), the noise and vibration of the
さらにまた、EGR率(量)を増加させることにより、図17に示すように、排気ガス中のNOを低減でき、水素を添加することにより、さらにNOを低減できる。
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。
Furthermore, by increasing the EGR rate (amount), as shown in FIG. 17, NO in the exhaust gas can be reduced, and by adding hydrogen, NO can be further reduced.
This is thought to be due to the fact that the local high-temperature combustion portion is reduced by approaching slow combustion.
また、水素を添加すると、排気ガス中のCO、THCを低減できる(図18、図19参照)。これは、水素を添加することにより、燃焼についてのロバスト性が高くなったからと考えられる。 Further, when hydrogen is added, CO and THC in the exhaust gas can be reduced (see FIGS. 18 and 19). This is presumably because the robustness of combustion is increased by adding hydrogen.
さらに、水素を添加すると、排気ガス中のSoot(煤)を低減できる(図20参照)。ここで、水素を添加しない場合、EGR率が増加するにつれてSootが増加するが、水素を添加することにより、Soot(煤)を略0%とできる。
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。
Further, when hydrogen is added, soot in the exhaust gas can be reduced (see FIG. 20). Here, when hydrogen is not added, soot increases as the EGR rate increases, but by adding hydrogen, soot (煤) can be reduced to approximately 0%.
This is because, by adding hydrogen, (1) premixing is promoted, (2) the robustness is increased, and the portion with a small local equivalence ratio on the φ-T map is reduced, and (3) it is also slow. Since it approaches combustion, the portion with a small local equivalent ratio on the φ-T map is reduced. (4)
It can be considered that the addition of hydrogen has made it difficult to generate soot.
1、2 内燃機関システム
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
1, 2 Internal
10B Diesel engine (diesel internal combustion engine)
16 Pressure sensor (combustion state detection means)
41 Fuel tank (fuel supply means)
42 Fuel pump (fuel supply means)
43 Fuel injector (fuel supply means, fuel injector)
51
62 Regulator (means for adding hydrogen-containing gas)
63 Hydrogen injector (hydrogen-containing gas addition means, injector for hydrogen-containing gas)
70 ECU (hydrogen addition amount determination means, EGR amount control means)
81 Accelerator position sensor
Claims (4)
前記ディーゼル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、
前記ディーゼル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、前記ディーゼル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、
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、前記ディーゼル内燃機関における燃焼が緩慢になるように、水素添加量を吸気に対して4vol%に決定する
ことを特徴とする内燃機関システム。 A diesel internal combustion engine that burns light oil ;
A hydrogen-containing gas addition means for adding a hydrogen-containing gas containing hydrogen to the diesel internal combustion engine;
A hydrogen addition amount determining means for determining the hydrogen addition amount by the hydrogen-containing gas addition means based on hydrogen addition amount data set in consideration of fluctuations in octane number and cetane number due to hydrogen addition;
Combustion state detection means for detecting a combustion state in the diesel internal combustion engine;
EGR amount control means for controlling the EGR amount based on the combustion state detected by the combustion state detection means so that the combustion in the diesel internal combustion engine becomes slow,
Equipped with a,
After the EGR amount control means controls the EGR amount to 35 to 45%,
The hydrogen addition amount determining means determines the hydrogen addition amount to be 4 vol% with respect to the intake air based on the combustion state detected by the combustion state detecting means so that the combustion in the diesel internal combustion engine becomes slow. An internal combustion engine system.
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関システム。 The internal combustion engine system according to claim 1, wherein the hydrogen addition amount determining means determines the hydrogen addition amount in consideration of an EGR amount.
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。 When knocking occurs in the internal combustion engine after the hydrogen-containing gas addition means has added the hydrogen-containing gas at the determined hydrogen addition amount,
The internal combustion engine system according to claim 1 or 2, wherein the hydrogen addition amount determining means increases the hydrogen addition amount.
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。 After adding the hydrogen-containing gas at the determined hydrogen addition amount by the hydrogen-containing gas addition means,
The internal combustion engine system according to claim 1 or 2, wherein the hydrogen addition amount determining means corrects the hydrogen addition amount so that an ignition delay time in the internal combustion engine is equal to or longer than a predetermined time.
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