JP5671805B2 - エンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、炭化水素系燃料の供給装置とアルコール系燃料の供給装置とを備えるエンジンシステムに関する。

ガソリン（炭化水素系燃料）の他にエタノール（アルコール系燃料）をエンジンの燃料として使用するエンジンシステムの関連技術が下記特許文献１に開示されている。特許文献１においては、ガソリンとエタノールが混合された燃料に水を添加することでエタノール水をガソリンから分離し、分離したエタノール水をエンジンの高負荷運転時に吸気管内に噴射することでノッキングの抑制を図っている。

特開２００８−２４８８４０号公報 特開２００７−４０２３１号公報 特開２００７−１５４８８３号公報 特開２００８−４５５３０号公報

特許文献１においては、ガソリンから分離したエタノール水（含水アルコール系燃料）を吸気管内に噴射しているが、エタノール水の蒸発温度が高いために、吸気管内に供給されたエタノール水が十分に蒸発できない状態となり、液体状態のエタノール水が吸気管やその周辺部材に付着することでシリンダ内に供給されなくなる。その結果、エンジンの出力低下や有害排出ガスの増加を招きやすくなる。

本発明は、炭化水素系燃料とアルコール系燃料とをエンジンの燃料として使用するエンジンシステムにおいて、アルコール系燃料がエンジンの吸気管やその周辺部材に付着してシリンダ内に供給されなくなるのを抑制することを目的とする。

本発明に係るエンジンシステムは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係るエンジンシステムは、炭化水素系燃料の供給装置とアルコール系燃料の供給装置とを備えるエンジンシステムであって、炭化水素系燃料の供給装置は、炭化水素系燃料を液体状態で貯溜する炭化水素系燃料貯溜装置と、炭化水素系燃料貯溜装置から供給された炭化水素系燃料をエンジンの吸気管内またはシリンダ内へ噴射する炭化水素系燃料噴射弁と、を有し、アルコール系燃料の供給装置は、含水アルコール系燃料を液体状態で貯溜する含水アルコール系燃料貯溜装置と、エンジンの吸気管内に供給された含水アルコール系燃料が蒸発する、または含水アルコール系燃料が蒸発してからエンジンの吸気管内へ供給されるように、含水アルコール系燃料貯溜装置から供給された含水アルコール系燃料の温度を制御する温度制御装置と、を有し、含水アルコール系燃料がエタノール水であり、エタノール水の含水率が５〜３０％の範囲にあり、アルコール系燃料の供給装置は、インジェクタからエンジンの吸気管内へエタノール水噴霧を噴射し、温度制御装置は、インジェクタからエンジンの吸気管内に噴射されたエタノール水噴霧が蒸発するように、含水アルコール系燃料貯溜装置から供給されたエタノール水の温度を６５℃以上に制御することを要旨とする。

本発明の一態様では、温度制御装置は、含水アルコール系燃料貯溜装置から供給されたエタノール水の温度を、含水アルコール系燃料の含水率に基づいて制御することが好適である。

本発明の一態様では、温度制御装置は、エンジンの排気を利用して含水アルコール系燃料貯溜装置から供給されたエタノール水の温度を制御するものであることが好適である。

本発明の一態様では、温度制御装置は、エンジンの冷却液を利用して含水アルコール系燃料貯溜装置から供給されたエタノール水の温度を制御するものであることが好適である。

本発明の一態様では、エンジンは複数の気筒を有し、アルコール系燃料の供給装置からエンジンの吸気管内への燃料供給位置が、吸気管における吸気流れが各気筒へ分岐する部分である分岐部、あるいはその上流側であることが好適である。

本発明によれば、炭化水素系燃料とアルコール系燃料とをエンジンの燃料として使用するエンジンシステムにおいて、エンジンの吸気管内に供給された含水アルコール系燃料が蒸発する、または含水アルコール系燃料が蒸発してからエンジンの吸気管内へ供給されるように、含水アルコール系燃料貯溜装置から供給された含水アルコール系燃料の温度を制御することで、アルコール系燃料がエンジンの吸気管やその周辺部材に付着してシリンダ内に供給されなくなるのを抑制することができる。

本発明の実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図である。 エタノール水供給量に対するガソリン燃費向上率及び吸気管内温度の関係を実機の実験により調べた結果を示す図である。 エタノール水供給量に対するガソリン燃費向上率及び吸気管内温度の関係を実機の実験により調べた結果を示す図である。 本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１，２は、本発明の実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図である。本実施形態に係るエンジンシステムは、複数（図２に示す例では３気筒）のシリンダ（気筒）１１を有し、炭化水素系燃料とアルコール系燃料とを燃料として使用する内燃機関（エンジン）１０と、炭化水素系燃料の供給装置と、アルコール系燃料の供給装置と、を備える。炭化水素系燃料の一例としてはガソリンを挙げることができ、アルコール系燃料の一例としてはエタノールを挙げることができる。本実施形態に係るエンジンシステムは、例えば車両に搭載することが可能である。

炭化水素系燃料の供給装置は、炭化水素系燃料としてガソリンを液体状態で貯溜するガソリンタンク１２（炭化水素系燃料貯溜装置）と、ポンプ１３によりガソリンタンク１２から供給されたガソリンが通るガソリン供給管１４と、ガソリンタンク１２からガソリン供給管１４内を通って供給されたガソリンを内燃機関１０の吸気管２０内へ噴射するガソリンインジェクタ１６（炭化水素系燃料噴射弁）とを含んで構成される。図１，２に示す例では、ガソリンインジェクタ１６は、各シリンダ１１毎に対応して設けられ、吸気管２０における吸気流れが各シリンダ１１へ分岐する部分である分岐部２０ａより下流側の位置に配置されている。つまり、炭化水素系燃料の供給装置（ガソリンインジェクタ１６）から吸気管２０内への燃料供給位置が、吸気管２０の分岐部２０ａより下流側である。なお、ガソリンインジェクタ１６からガソリンをシリンダ１１内へ直接噴射することも可能である。

アルコール系燃料の供給装置は、含水アルコール系燃料としてエタノール水を液体状態で貯溜するエタノール水タンク２２（含水アルコール系燃料貯溜装置）と、ポンプ２３によりエタノール水タンク２２から供給されたエタノール水が通るエタノール水供給管２４と、エタノール水タンク２２からエタノール水供給管２４内を通って供給されたエタノール水を内燃機関１０の吸気管２０内へ噴射するエタノールインジェクタ２６（アルコール系燃料噴射弁）とを含んで構成される。本実施形態では、エタノール水タンク２２内に貯溜されたエタノール水（含水アルコール系燃料）の含水率は、５％以上であり、例えば５〜３０％の範囲にある。図１，２に示す例では、エタノールインジェクタ２６が吸気管２０の分岐部２０ａより上流側の位置に配置されており、アルコール系燃料の供給装置（エタノールインジェクタ２６）から吸気管２０内への燃料供給位置が、吸気管２０の分岐部２０ａより上流側である。ただし、エタノールインジェクタ２６を吸気管２０の分岐部２０ａに配置して、アルコール系燃料の供給装置（エタノールインジェクタ２６）から吸気管２０内への燃料供給位置を吸気管２０の分岐部２０ａにすることも可能である。

内燃機関１０は、例えば火花点火機関により構成することができ、２種類の燃料（ガソリン及びエタノール）を併用して運転を行う。内燃機関１０においては、炭化水素系燃料の供給装置（ガソリンインジェクタ１６）からのガソリン噴霧、及びアルコール系燃料の供給装置（エタノールインジェクタ２６）からのエタノール噴霧が吸気管２０内に供給され、吸気行程にて空気とともにシリンダ１１内に導入される。内燃機関１０は、シリンダ１１内に形成された燃料（ガソリン及びエタノール）と空気との混合気を点火栓１８の火花放電により火炎伝播燃焼させることでクランク軸に動力を発生させる。燃焼後の排出ガスは、排気行程にてシリンダ１１内から排気管２１内へ排出される。

内燃機関１０の燃料として使用するエタノールは、バイオマスから生産することができるため、植物が介在したＣＯ₂循環が可能である。そのため、内燃機関１０でのエタノール燃焼分のＣＯ₂は排出量に含まれず、内燃機関１０からのＣＯ₂排出量の削減を図ることができる。また、エタノールは製造過程で多量の水分を含んでいるが、エタノールをガソリンに混合して燃料として用いる場合は、エタノール中の水分の作用でエタノールとガソリンが分離して燃料の性状が変化する。その場合は、精製工程でエタノール中の水分を除去し、エタノール純度を９９．５〜９９．７％まで高めている。エタノール製造では、バイオマスの発酵直後で生成される約７％エタノール水から次第に純度を上げていくが、この精製工程で必要なエネルギーの内訳は、発酵直後の７％から９５％までで全体の３／４、９５％から９９．５％まで高めるのに全体の１／４である。これは、通常エタノールと水がエタノール約９５％、水約５％の共沸物質を作り、蒸留のみでは水分を完全に分離できないからである。そのため、エタノールの純度を９５％から９９．５％に高めるためには脱水工程を加える必要があり、この工程でかなり多くのエネルギーを使う。すなわち、脱水工程のいらないエタノール純度９５％以下（含水率５％以上）までで留めれば、精製工程の１／４のエネルギーを低減することができる。これに対して本実施形態では、エタノール水の含水率を５％以上（５〜３０％）とすることにより、エタノール精製のためのエネルギーを大幅に低減することができる。

ただし、エタノールインジェクタ２６から吸気管２０内へエタノール水（含水アルコール系燃料）を噴射する場合に、吸気管２０内に供給されたエタノール水が十分に蒸発しないと、液体状態のエタノール水が吸気管２０やその周辺部材に付着することでシリンダ１１内に供給されなくなる。そこで、本実施形態では、アルコール系燃料の供給装置は、吸気管２０内に供給されたエタノール水が蒸発するように、エタノール水タンク２２から供給されたエタノール水の温度を制御する温度制御装置２８をさらに含んで構成される。図１，２に示す例では、温度制御装置２８は、エタノールインジェクタ２６の周囲に配置されており、エタノールインジェクタ２６に供給されたエタノール水の温度を制御する。ここでの温度制御装置２８は、エタノールインジェクタ２６の周囲を加熱することで、エタノール水タンク２２からエタノールインジェクタ２６に供給されたエタノール水を加熱してエタノール水の温度を制御する。また、温度制御装置２８は、内燃機関１０の冷却水（冷却液）を利用してエタノールインジェクタ２６の周囲に冷却水を循環させ、冷却水の循環量を制御することで、エタノール水タンク２２からエタノールインジェクタ２６に供給されたエタノール水の温度を制御することも可能である。温度制御装置２８で温度制御されたエタノール水はエタノールインジェクタ２６から吸気管２０内へ噴射され、エタノールインジェクタ２６から噴射されたエタノール水噴霧は吸気管２０内で蒸発してからシリンダ１１内へ供給される。エタノールインジェクタ２６からエタノール水噴霧を噴射することで、エタノール水が微細な液体粒子で吸気管２０内に供給される場合は、エタノールの沸点（７８℃）より低温の状態でもエタノール水の蒸発が行われる。

ここで、エタノール水の含水率を２３％とした場合に、エタノール水供給量に対するガソリン燃費向上率及び吸気管内温度の関係を実機（排気量６６０ｃｃの３気筒エンジン）の実験により調べた結果を図３，４に示す。図３は、内燃機関１０の運転条件をエンジン回転速度１６００ｒｐｍ、出力トルク１９．６Ｎｍのいわゆる軽負荷とした場合の実験結果を示し、図４は、内燃機関１０の運転条件をエンジン回転速度２４００ｒｐｍ、出力トルク３９．２Ｎｍのいわゆる中負荷とした場合の実験結果を示す。ここでのガソリン燃費向上率とは、供給されたエタノール水の熱量分がガソリンの熱量から差し引かれることでガソリンの供給量が少なくなるため、ガソリン分の燃費が向上することを意味している。そして、ガソリン燃費向上率の理論値は、供給されたエタノール水の熱量全量がエンジンに付加された場合に計算されるガソリン燃費向上率であり、ガソリン燃費向上率の実測値は、実際のエンジン試験で得られた値を示している。また、吸気管内温度として、エタノールインジェクタ２６より上流の位置、及びエタノールインジェクタ２６より下流の位置での値を示している。

図３に示す実験結果では、エタノール水供給量が少ない極めて少ない領域において、ガソリン燃費向上率の理論値と実測値がほぼ一致しているが、エタノール水供給量がやや多くなると実測値が頭打ちになって理論値からずれてくることがわかる。また、吸気管内温度は、エタノールインジェクタ２６より上流位置が４５℃程度、エタノールインジェクタ２６より下流位置が３０〜３５℃程度であることがわかる。これらの結果から、エタノール水が供給される雰囲気の温度が４５℃程度では、吸気管２０内に噴射されたエタノール水噴霧の蒸発が完全ではないので、液体状のエタノール水が吸気管２０内の壁面に付着して液体として残り、内燃機関１０のシリンダ１１内に入らず燃焼に寄与しないため、理論値通りのガソリン燃費向上率の実測値が得られなくなる。

一方、図４に示す実験結果では、エタノール水供給量が増加した領域においても、ガソリン燃費向上率の理論値と実測値がほぼ一致していることがわかる。この場合の吸気管内温度は、エタノールインジェクタ２６より上流位置が６５℃程度であることがわかる。また、エタノールインジェクタ２６より下流位置の温度は、５０℃から３０℃程度まで大幅に低下しているが、これはエタノール水が蒸発したためである。これらの結果から、エタノール水が供給される雰囲気の温度が６５℃以上であれば、吸気管２０内に噴射されたエタノール水噴霧をほぼ完全に蒸発させてシリンダ１１内へ供給することができ、燃焼に寄与させることができるので、ほぼ理論値通りのガソリン燃費向上率の実測値を得ることができる。さらに、エタノール水の含水率が５〜３０％の範囲内の条件でも、エタノール水が供給される雰囲気の温度が６５℃以上であれば、吸気管２０内に噴射されたエタノール水噴霧をほぼ完全に蒸発させて、ほぼ理論値通りのガソリン燃費向上率の実測値を得ることが可能である。

そこで、本実施形態では、温度制御装置２８は、エタノール水タンク２２からエタノールインジェクタ２６に供給されたエタノール水の温度を６５℃以上に制御することで、エタノールインジェクタ２６から吸気管２０内に噴射されたエタノール水噴霧をほぼ完全に蒸発させてシリンダ１１内へ供給することができる。これによって、エタノールインジェクタ２６から噴射されたエタノール水が吸気管２０やその周辺部材に付着して液体として残りシリンダ１１内に供給されなくなるのを抑制することができる。その結果、エンジンの出力低下や有害排出ガスの増加を抑制することができる。なお、エタノール水が噴霧となって微細な液体粒子で吸気管２０内に供給される場合は、エタノールの沸点（７８℃）より低温の状態でもエタノール水の蒸発が行われるため、温度制御装置２８は、エタノール水タンク２２からエタノールインジェクタ２６に供給されたエタノール水の温度をエタノールの沸点（７８℃）より低く制御しても、吸気管２０内に噴射されたエタノール水噴霧をほぼ完全に蒸発させることが可能である。したがって、エタノール水を蒸発させるために余分なエネルギーが投入されるのを避けることができる。なお、本実施形態では、温度制御装置２８は、エタノールインジェクタ２６から吸気管２０内に噴射されたエタノール水噴霧がほぼ完全に蒸発するように、吸気管２０におけるエタノール水噴霧が存在する部分の温度を６５℃以上に制御することも可能である。

また、本実施形態では、ガソリンを主燃料とする内燃機関１０にエタノール水を供給することで、エタノール及び水の蒸発熱により吸気温度が低下し、シリンダ１１内への充填効率が高まるため、エンジン出力を向上させることができる。さらに、この吸気温度低下に加えて、エタノールの化学的作用によりガソリンの異常燃焼が抑えられてノッキングが抑制されるため、点火時期を最適点へ進めることができ、これによってもエンジン出力を向上させることができる。

また、本実施形態では、エタノールインジェクタ２６（アルコール系燃料供給位置）を吸気管２０の分岐部２０ａまたはその上流側に配置することで、各シリンダ１１へのエタノールの均等供給が可能となる。

また、一般にエタノール等のアルコール類は有機材料を膨潤させる性質があるため、アルコール類を混合したガソリンを燃料として使用するエンジンでは、燃料供給系に用いられる有機材料を耐膨潤性のある材料に変更する必要がある。通常の車両では、車両後方に配置した燃料タンクから車両前方のエンジンまで、相当の長さの燃料供給系を有しているので、この変更は容易ではない。これに対して本実施形態では、２種類の燃料（ガソリン及びエタノール水）を混合しないように別々の容器（ガソリンタンク１２及びエタノール水タンク２２）に搭載することで、エタノール水タンク２２を内燃機関１０付近に配置することもでき、エタノール水タンク２２から内燃機関１０までの極小の長さで耐膨潤性のある材料を使用すればよいので、材料変更への対応が極めて容易となる。

本実施形態では、温度制御装置２８は、エタノール水タンク２２からエタノールインジェクタ２６に供給されたエタノール水の温度をエタノールの沸点（７８℃）より高く制御することも可能である。さらに、温度制御装置２８は、エタノール水タンク２２からエタノールインジェクタ２６に供給されたエタノール水の温度を水の沸点（１００℃）より高く制御することも可能である。これらの場合でも、エタノール水をほぼ完全に蒸発させることができ、エタノール水が吸気管２０やその周辺部材に付着してシリンダ１１内に供給されなくなるのを抑制することができる。ただし、温度制御装置２８でエタノール水の温度を必要以上に高く制御することはエネルギーの無駄であり、吸気温度を上昇させて吸気効率を低下させることになる。例えば、温度制御装置２８で制御するエタノール水の上限温度を１２０℃に設定することができる。

本実施形態では、例えば図５に示すように、温度制御装置２８は、内燃機関１０の排気を利用してエタノールインジェクタ２６の周囲に排気を循環させ、排気の循環量を制御することで、エタノール水タンク２２からエタノールインジェクタ２６に供給されたエタノール水の温度を制御することも可能である。図５では、内燃機関１０の排気管２１内からＥＧＲ管１９内を通って吸気管２０内へ供給されるＥＧＲガスをエタノールインジェクタ２６の周囲に循環させることで、エタノール水タンク２２からエタノールインジェクタ２６に供給されたエタノール水の温度を制御する例を示している。

また、本実施形態では、例えば図６に示すように、温度制御装置として蒸発器２８をエタノール水供給管２４に設けることも可能である。蒸発器２８は、エタノール水が蒸発してから吸気管２０内へ供給されるように、エタノール水タンク２２から供給されたエタノール水の温度を制御する。図６に示す例では、蒸発器２８は、内燃機関１０の排気管２１の周囲に配置されており、内燃機関１０の排気の熱を利用して、エタノール水タンク２２から供給されたエタノール水を加熱して蒸発させる。図６に示す構成によれば、蒸発器２８で温度制御されたエタノール水が蒸発して、エタノール蒸気がエタノール供給ポート２９から吸気管２０内へ供給されることで、エタノール水が吸気管２０やその周辺部材に付着して液体として残りシリンダ１１内に供給されなくなるのを抑制することができる。

また、エタノールの沸点は７８℃、水の沸点は１００℃であるから、エタノール水の蒸発温度は、これらの混合比と存在する形態によって決定される。そこで、本実施形態では、温度制御装置２８は、エタノール水タンク２２から供給されたエタノール水の温度を、エタノール水の含水率に基づいて制御することもできる。例えば、温度制御装置２８は、エタノール水タンク２２内に貯溜されたエタノール水の含水率が増加するのに対してエタノール水タンク２２から供給されたエタノール水の温度を増加させるように、エタノール水の温度を制御することができる。このように、エタノール水の含水率に応じてエタノール水の温度を制御することで、温度制御にかかわるエネルギー消費を最小限にすることができる。なお、エタノール水の含水率については、例えばエタノール水の体積及び重量から推定することが可能である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ 内燃機関、１１ シリンダ、１２ ガソリンタンク、１３，２３ ポンプ、１４ ガソリン供給管、１６ ガソリンインジェクタ、１８ 点火栓、１９ ＥＧＲ管、２０ 吸気管、２０ａ 分岐部、２１ 排気管、２２ エタノール水タンク、２４ エタノール水供給管、２６ エタノールインジェクタ、２８ 温度制御装置（蒸発器）、２９ エタノール供給ポート。

Claims (5)

1. 炭化水素系燃料の供給装置とアルコール系燃料の供給装置とを備えるエンジンシステムであって、
   炭化水素系燃料の供給装置は、
   炭化水素系燃料を液体状態で貯溜する炭化水素系燃料貯溜装置と、
   炭化水素系燃料貯溜装置から供給された炭化水素系燃料をエンジンの吸気管内またはシリンダ内へ噴射する炭化水素系燃料噴射弁と、
   を有し、
   アルコール系燃料の供給装置は、
   含水アルコール系燃料を液体状態で貯溜する含水アルコール系燃料貯溜装置と、
   エンジンの吸気管内に供給された含水アルコール系燃料が蒸発する、または含水アルコール系燃料が蒸発してからエンジンの吸気管内へ供給されるように、含水アルコール系燃料貯溜装置から供給された含水アルコール系燃料の温度を制御する温度制御装置と、
   を有し、
   含水アルコール系燃料がエタノール水であり、
   エタノール水の含水率が５〜３０％の範囲にあり、
   アルコール系燃料の供給装置は、インジェクタからエンジンの吸気管内へエタノール水噴霧を噴射し、
   温度制御装置は、インジェクタからエンジンの吸気管内に噴射されたエタノール水噴霧が蒸発するように、含水アルコール系燃料貯溜装置から供給されたエタノール水の温度を６５℃以上に制御する、エンジンシステム。
2. 請求項１に記載のエンジンシステムであって、
   温度制御装置は、含水アルコール系燃料貯溜装置から供給されたエタノール水の温度を、エタノール水の含水率に基づいて制御する、エンジンシステム。
3. 請求項１または２に記載のエンジンシステムであって、
   温度制御装置は、エンジンの排気を利用して含水アルコール系燃料貯溜装置から供給されたエタノール水の温度を制御するものである、エンジンシステム。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載のエンジンシステムであって、
   温度制御装置は、エンジンの冷却液を利用して含水アルコール系燃料貯溜装置から供給されたエタノール水の温度を制御するものである、エンジンシステム。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載のエンジンシステムであって、
   エンジンは複数の気筒を有し、
   アルコール系燃料の供給装置からエンジンの吸気管内への燃料供給位置が、吸気管における吸気流れが各気筒へ分岐する部分である分岐部、あるいはその上流側である、エンジンシステム。

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