JP6435051B2

JP6435051B2 - パワートレインシステム

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Inventors: 助川　義寛; 義寛助川; 金枝　雅人; 雅人金枝; 重雄幡宮
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Description

本発明は火花点火式の内燃機関を用いたパワートレインシステムに係り、特に排気ガスの一部を内燃機関に再循環させる排気ガス再循環機能を備えたパワートレインシステムに関するものである。

火花点火式の内燃機関（以下、単に内燃機関と表記する）において、排気ガスの一部を内燃機関に還流させる技術は排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置として広く知られている。この排気ガス再循環によって燃焼室内の混合気の燃焼温度が下がるため、ＮＯｘの排出や冷却損失の低減が可能となる。また、低、中負荷でのポンピング損失や、高負荷でのプレイグニッションやノッキングを排気ガス再循環によって低減できることも良く知られているものである。

ところで、内燃機関の理論熱効率ηｃは、圧縮比ε、比熱比γを用いて以下の（１）式で表されることが知られている。

（１）式で示されるように、内燃機関の理論熱効率η_ｃは比熱比γが大きいほど高くなるのであるが、一般的に排気ガスの組成全体の平均的な比熱比γは１．３程度であり、空気の比熱比γ１．４に比べて小さい値である。したがって、排気ガス再循環により混合気中の排気ガスの割合が増えると混合気の比熱比γが小さくなり、理論熱効率η_ｃが下がるという課題がある。

この課題に対して、例えば、特開２０１１‐１２６５３号公報（特許文献１）に示される内燃機関の窒素富化気体供給装置では、排気の窒素濃度を高める窒素富化手段を設け、窒素濃度の高められた排気ガスを内燃機関の吸気通路に供給するようにしている。窒素の比熱比γは１．４程度と、一般的な排気ガスの比熱比γである１．３よりも大きいため、一般的な排気ガスを還流する場合と比較して内燃機関の熱効率η_ｃを高めることができる。

特開２０１１‐１２６５３号公報

ところで、一般的に内燃機関は負荷、回転数、冷却水温、燃料性状などが種々に変化する条件で運転されるものであり、内燃機関に再循環する排気ガスの組成は、これら種々の条件に適応して調整するのが、燃費の向上、排気ガス有害成分の低減、出力の向上等の観点で効果的である。しかしながら、上述した特許文献１においては、内燃機関に再循環する排気ガスの組成を種々の運転条件や燃料性状によって調整することについては何ら述べられていない。したがって、このような排気ガスの組成を運転条件や燃料性状に対応してより実際的に制御することが求められている。

本発明の目的は、運転条件や燃料性状に対応して還流される排気ガスの組成を変更して燃費の向上、排気ガス有害成分の低減、出力の向上等を図ることができる新規なパワートレインシステムを提供することにある。

本発明の特徴は、火花点火式の内燃機関と、内燃機関の排気ガスからそれぞれ比熱比の異なる複数のガス成分を取り出すガス成分分離手段と、複数のガス成分を内燃機関の燃焼室に還流する還流手段と、燃焼室に還流する複数のガス成分の比率を内燃機関の運転状態、或いは燃料性状に対応して調整する比率調整手段とを設けたパワートレインシステムにある。

本発明によれば、内燃機関に再循環する排気ガスの組成を種々の運転条件や燃料性状によって調整することができる。これによって、内燃機関の幅広い運転条件や使用される燃料に対応して、燃費の向上、排気ガス有害成分の低減、出力の向上等を図ることができる。

本発明の第１の実施形態になるパワートレインシステムの構成を示す構成図である。ガス成分の分離手段の構成を示す構成図である。比率調整手段の構成を示す構成図である。本発明を適用した内燃機関の構成を示す構成図である。回転数と機関トルク平面に対して、ノック領域と非ノック領域を示す説明図である。機関トルクに対してＥＧＲ率の設定例を示す説明図である。機関トルクに対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の第１の例を示す説明図である。機関トルクに対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の第２の例を示す説明図である。機関トルクに対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の第３の例を示す説明図である。機関トルクに対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の第４の例を示す説明図である。燃料供給量に対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の例を示す説明図である。回転数に対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の例を示す説明図である。回転数、機関トルク平面に対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の例を示す説明図である。冷却水温度、吸気温度、燃料温度、外気温に対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の例を示す説明図である。燃料のオクタン価に対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の例を示す説明図である。アルコール濃度に対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の例を示す説明図である。天然ガス濃度に対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の例を示す説明図である。パワー空燃比に対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の例を示す説明図である。吸気湿度に対する二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率設定の例を示す説明図である。本発明の第２の実施形態になるパワートレインシステムの構成を示す構成図である。機関回転数、機関トルク平面に対する水蒸気Ｈ２Ｏと窒素Ｎ２の比率設定の例を示す説明図である。本発明の第３の実施形態に係るパワートレインシステムの構成を示す構成図である。内燃機関回転数、内燃機関トルク平面に対する二酸化炭素ＣＯ２と水蒸気Ｈ２Ｏの混合ガスと窒素Ｎ２の比率設定の例を示す説明図である。

次に、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

本発明の第１の実施形態になるパワートレインシステムを図１乃至図４を用いて説明する。

図１は、パワートレインシステムの構成を示している。図１において、参照番号１は火花点火式の内燃機関であり、参照番号２はガス成分分離手段、参照番号３はガス成分の比率を調整する比率調整手段、参照番号４は比率調整手段３を制御するエンジンコントローラである。

内燃機関１の排気ガスは、ガス成分分離手段２によって、少なくとも水Ｈ２Ｏ、窒素Ｎ２、二酸化炭素ＣＯ２の各成分に分離される。分離された窒素Ｎ２と二酸化炭素ＣＯ２は比率調整手段３によって、所定の窒素Ｎ２と二酸化炭素ＣＯ２の比率に調整されて、内燃機関１に再循環（ＥＧＲ）ガスとして還流される。

再循環ガスの窒素Ｎ２と二酸化炭素ＣＯ２の比率は、エンジンコントローラ４から比率調整手段３に送られる比率指令値３Ｃにより任意に設定される。内燃機関１に還流されなかった余剰の窒素Ｎ２と二酸化炭素ＣＯ２は、比率調整手段３より外部（大気中）に排出される。

次に、図２を用いてガス成分分離手段２の構成について説明する。図２において参照番号１１は水蒸気分離装置、参照番号１２はＣＯ２分離装置である。水蒸気分離装置１１は内燃機関１から導入される排気ガスから水分Ｈ２Ｏを分離するものであり、例えば、ゼオライト等の吸着材により排気ガス中の水分Ｈ２Ｏを吸着することで実現できる。或いは、水蒸気分離装置１１は凝縮器により排気ガス中の水蒸気を液化し、セパレータによって液化した水分を分離することでも実現できる。水蒸気分離装置１１は分離した水分Ｈ２Ｏを外部へ排出し、二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の混合ガスをＣＯ２分離装置１２へ供給する。

ＣＯ２分離装置１２は、二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の混合ガスを二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２に分離するものであり、例えば活性炭、ゼオライト、固体酸化物などのＣＯ２吸着材に混合ガス中のＣＯ２を吸着させることで実現できる。或いはＣＯ２分離装置１２は、気体分離膜によって混合ガスを濾過させることによっても実現できる。ＣＯ２分離装置１２によって分離された二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２はそれぞれ比率調整手段３に供給される。

尚、ガス成分分離手段２によって分離されたガス成分は、必ずしもその成分の純度が１００％である必要はなく、内燃機関から排出される排気ガスよりも該当成分を多く含んだ富化ガスであっても良いものである。例えば、ガソリンを理論混合気で燃焼させた場合の排気ガスの二酸化炭素ＣＯ２の体積比は１０％程度であるので、ガソリンを理論混合気で燃焼させた場合には，分離された二酸化炭素ＣＯ２は、二酸化炭素ＣＯ２を概ね体積比２０％以上含んだ二酸化炭素ＣＯ２富化ガスでも良いものである。また、例えば、ガソリンを理論混合気で燃焼させた場合の排気ガスの窒素Ｎ２の体積比は７０％程度であるので、分離された窒素ガスは窒素Ｎ２成分を概ね体積比８０％以上含んだ窒素Ｎ２富化ガスでも良いものである。また、例えば、ガソリンを理論混合気で燃焼させた場合の排気ガスの水蒸気Ｈ２Ｏの体積比は１０％程度であるので、分離された水蒸気Ｈ２Ｏは水蒸気Ｈ２Ｏ成分を概ね体積比２０％以上含んだ水蒸気Ｈ２Ｏ富化ガスでも良いものである。

次に図３を用いて、比率調整手段３の構成の一例について説明する。図３において参照番号２１、２２、２３は、導入したガスを２方向に分配する分配弁であり、その分配比はエンジンコントローラ４からの指令値により任意に設定される。また、参照番号２４は導入した２つのガス成分である二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２を混合するミキサである。

比率調整手段３には、ガス成分分離手段２より窒素Ｎ２と二酸化炭素ＣＯ２がそれぞれ導入される。分配弁２１ではミキサ２４に送る窒素Ｎ２と外部に排出する窒素Ｎ２の比率がエンジンコントローラ４からの指令値２１Ｃに基づき調整される。また、分配弁２２ではミキサ２４に送る二酸化炭素ＣＯ２と外部に排出する二酸化炭素ＣＯ２の割合がエンジンコントローラ４からの指令値２２Ｃに基づき調整される。

ミキサ２４に供給された窒素Ｎ２と二酸化炭素ＣＯ２はミキサ２４内で混合され、窒素Ｎ２と二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスが分配弁２３に送られる。分配弁２３では内燃機関１に還流する混合ガスと外部に排出する混合ガスの比率がエンジンコントローラ４からの指令値２３Ｃに基づき調整される。

すなわち、このように構成された比率調整手段３では、内燃機関１に還流する混合ガスの窒素Ｎ２と二酸化炭素ＣＯ２の比率は、調整弁２１の指令値２１Ｃと調整弁２２の指令値２２Ｃによって調整される。また、内燃機関１に還流する混合ガスの量は調整弁２３の指令値２３Ｃによって調整される。

ここで、窒素Ｎ２の比熱比γは約１.４程度であり、また、二酸化炭素ＣＯ２の比熱比γは約１.３程度である。このように窒素Ｎ２の比熱比γは二酸化炭素ＣＯ２比熱比γに比べて大きいので熱効率を向上する働きがある。一方、二酸化炭素ＣＯ２の比熱比γは窒素Ｎ２の比熱比γより小さいので、熱効率を低減する、言い換えれば燃焼温度を低くする働きがある。

本実施形態ではこの比熱比γの相違を利用し、かつ内燃機関の運転状態に応じて燃焼を制御するものである。尚、ここでいう比熱比γの大きい、或いは小さいという表現は相対的な比較である。

次に図４を用いて、火花点火式内燃機関１の構成について説明する。図４は、４サイクルの火花点火式の内燃機関の燃焼室及び吸排気通路を示している。周知の通り、シリンダ３１、ピストン３２、吸気弁３３、排気弁３４及びシリンダヘッド３５によって、内燃機関１の燃焼室３６が形成されている。尚、参照番号３７は吸気ポート、参照番号３８は排気ポート、参照番号４１は燃焼室３６への吸入空気量を調整するためのスロットル弁である。

また、参照番号４０は吸気ポート３７内に燃料を供給する燃料インジェクタ、参照番号３９は点火プラグ、参照番号４２は吸気ポート３７内を流れる空気流量を検出するエアフローセンサである。更に、参照番号４３は吸気ポート３７内へ排気ガスの再循環ガスを導入するＥＧＲ管であり、その開口部はスロットル弁４１の下流に設けられている。

また、参照番号４４は図示しないクランク軸の回転角を検出するクランク角センサ、参照番号４５は内燃機関冷却水の水温を検出する水温センサ、参照番号４６は排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ２センサである。

点火プラグ３９による点火タイミングはエンジンエンジンコントローラ４からの指令値３９Ｃによって設定される。また燃料インジェクタ４０による燃料噴射量と噴射タイミングもエンジンコントローラ４からの指令値４０Ｃによって設定される。更にスロットル弁４１の開度もエンジンコントローラ４からの指令値４１Ｃによって設定される。

エアフローセンサ４２による吸入空気量検出値４２Ｃ、クランク角センサ４４によるクランク角検出値４４Ｃ、水温センサ４５による水温検出値４５Ｃ、及びＯ２センサ４６によるＯ２濃度検出値４６Ｃはそれぞれエンジンコントローラ４へ送られる。

内燃機関１では、吸気ポート３７からの空気とＥＧＲ管４３からの再循環ガスとインジェクタ４０からの燃料とがスロットル弁４１の下流で混合され、燃焼室３６へ導入される。ピストン３２で圧縮された燃焼室内の混合気が所定のタイミングで点火プラグ３９により点火され燃焼することで、その爆発力によってピストン３２が押し下げられ、内燃機関１より回転動力を得ることができる。

燃料インジェクタ４０から供給される燃料は、例えばガソリン、アルコール、天然ガス、プロパン、水素、一酸化炭素ガスなどである。燃料はこれらの成分を単体で用いても良いし、混合して用いてもよいものである。燃料は図示しない燃料タンクから図示しない燃料配管を通じて燃料インジェクタ４０へ供給される。

燃焼室３６に導入される空気量と燃料インジェクタ４０によって供給される燃料量は、Ｏ２センサ４６によって検出された排気ガス中のＯ２濃度が所定値になるようにフィードバック制御される。例えば、燃料としてガソリンを用い、理論空燃比での燃焼（いわゆる、ストイキ燃焼）を行う場合には、概ね空気１５に対してガソリン１の質量比になるように、燃料インジェクタ４０からのガソリン供給量が指令値４０Ｃによって調整される。同様にスロットル弁４１からの空気導入量が指令値４１Ｃによって調整されるようになっている。いずれにしても、空気量と燃料量のいずれか、或いは両方を調整することで空燃比が調整されるものである。

そして、以上に述べた内燃機関１においては、幅広い運転条件で運転されるものである。例えば自動車用の内燃機関であれば、アクセルペダルの踏み込み量によってアイドル運転から全開運転までの広い範囲で運転されるものである。そして、この広い運転範囲の中で排気ガスの組成が調整された還流ガスの再循環が合理的に行われることが必要である。

図５は内燃機関の回転数と内燃機関の機関トルク（図では、エンジントルクとして示している）の平面において、ノッキングが発生しにくい領域（非ノック領域）とノッキングが発生しやすい領域（ノック領域）を示したものである。

先ず、機関トルクから見ると、低トルク（低負荷）から中トルク（中負荷）では、燃焼室内のガス温度が比較的低いためノッキングは発生しにくい傾向にある。これに対して高トルク（高負荷）域では燃焼室内のガス温度の上昇に伴いノッキングが発生しやすい傾向にある。

一方、内燃機関の回転数から見ると、回転数が低くなるとノック領域は低トルク方向へ拡大する。これは内燃機関の回転数が低くなると燃焼室内の火炎伝播速度が遅くなるためである。すなわち、火炎伝播が遅いと未燃エンドガスがより長い時間に亘って高温に保たれることになり、未燃エンドガスの自着火反応が起り易くなるからである。

そして、従来の手法によればノック領域では、点火プラグによる点火タイミングを最大トルク発生点火タイミング（ＭＢＴ）よりも遅角したり、空燃比を燃料が多くなるリッチ化したりして燃焼室内のガス温度を低下させノッキングを回避している。しかしながら、このようなノッキング回避手段は、内燃機関の燃費の悪化や出力の低下、及び排気ガスのエミッション量の増加をもたらすものであり、改善の要請が強いものである。

そこで、本発明の実施形態では、運転条件に対応してガス成分の組成を調整した排気ガスの再循環を行うようにしたものである
図６は、本実施形態におけるＥＧＲ率の設定例を説明するものである。図６は、或る特定の内燃機関の回転数域において、機関トルクに対するＥＧＲ率の設定例を示している。ここでＥＧＲ率は以下の（２）式で定義されている。以下の（２）式で、ＥＧＲ率はＥＧＲrate、還流ガス質量はＥＧＲmass、吸入空気質量はＡＩＲmass、燃料質量はＦＵＥＬmassで表している。

非ノック領域では、最小トルクから所定の第１機関トルクＴｒ１まではトルク上昇に応じてＥＧＲ率を大きくする。また、第１機関トルクＴｒ１以降ではトルク上昇に応じてＥＧＲ率を小さく設定する。非ノック領域ではポンピング損失を低減するため排気ガスを還流する。すなわち内燃機関が低負荷の状態では、スロットル弁による空気絞りによってポンプ損失が生じる。そして、還流ガスの割合を高くして燃焼室内に導入されるガス量を増やすと、吸気行程における燃焼室内のガス圧が高くなるので、ポンピング損失を減らすことができる。

しかしながら、排気ガス再循環によって燃焼温度が下がるため、極低負荷では温度が下がりすぎて安定な火炎伝播が困難となる。従って、極低負荷ではＥＧＲ率は低く設定するのが良い。またトルク上昇に伴いスロットル弁の開度が大きくなるのでポンプ損失が小さくなる。従って第１機関トルクＴｒ１以降ではトルク上昇に伴いＥＧＲ率は低く設定するのが良い。

一方、ノックが発生しやすいノック領域である所定の第２機関トルクＴｒ２以降では、トルク上昇に応じてＥＧＲ率は高く、しかもほぼ一定に設定されている。ノック領域では排気ガス再循環の導入によって未燃ガス温度が低くなるためノッキングを抑制することができる。ノッキングはトルク上昇に伴い発生しやすくなるため、トルク上昇に伴ってＥＧＲ率を高く設定するのが良い。ただ、むやみにＥＧＲ率を大きくすると失火を誘発しやすくなるため、トルクが大きくなってもほぼ一定のＥＧＲ率に維持している。

次に、上述のような観点から、ノック領域と非ノック領域に対応して排気ガスの組成を制御した排気ガス再循環の制御方法について説明する。

図７乃至図９には内燃機関の機関トルク変化に対して、再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を調整する例を示している。本実施形態においては図７乃至図９に示されるように、非ノック領域では再循環される排気ガスの窒素Ｎ２の比率を高くし、ノック領域では再循環される排気ガスの二酸化炭素ＣＯ２比率を高く設定するものである。この比率について、以下簡単に説明する。

図７乃至図９は、図６にある第２トルクＴｒ２を境にして、窒素Ｎ２と二酸化炭素ＣＯ２の比率を調整するものである。尚、比率の変更は図３に示す比率調整手段３の分配弁２１、２２によって行うことができる。また、ガス成分の組成が制御された排気ガスの再循環量は分配弁２３によって行うことができる。

図７においては、回転数が一定の状態で、第２機関トルクＴｒ２より小さい非ノック領域では、窒素Ｎ２を１００％、二酸化炭素ＣＯ２を０％とし、第２機関トルクＴｒ２より大きいノック領域では、窒素Ｎ２を０％、二酸化炭素ＣＯ２を１００％とした組成の排気ガスを所定量だけ内燃機関に再循環している。

図８においては、回転数が一定の状態で、第２機関トルクＴｒ２より小さい非ノック領域では、例えば、窒素Ｎ２を８０％、二酸化炭素ＣＯ２を２０％とし、第２機関トルクＴｒ２より大きいノック領域では、窒素Ｎ２を２０％、二酸化炭素ＣＯ２を８０％とした組成の排気ガスを所定量だけ内燃機関に再循環している。

図９においては、回転数が一定の状態で、機関トルクが小さい状態では、例えば、窒素Ｎ２を１００％、二酸化炭素ＣＯ２を０％とし、機関トルクが増加するにしたがって徐々に窒素Ｎ２の比率を低下させ、逆に機関トルクが増加するにしたがって徐々に二酸化炭素ＣＯ２を増加させ、最終的には窒素Ｎ２を０％、二酸化炭素ＣＯ２を１００％とした組成の排気ガスを所定量だけ内燃機関に再循環している。

図１０は非ノック領域の観点ではなく熱効率の観点からの比率を示している。図１０においては、回転数が一定の状態で、第２機関トルクＴｒ２より若干小さい機関トルクＴｒ３より小さい領域では、窒素Ｎ２を１００％、二酸化炭素ＣＯ２を０％とし、第２機関トルクＴｒ２より若干小さい機関トルクＴｒ３より大きい領域では、機関トルクが増加するにしたがって徐々に窒素Ｎ２の比率を低下させ、逆に機関トルクが増加するにしたがって徐々に二酸化炭素ＣＯ２を増加させ、最終的には窒素Ｎ２を０％、二酸化炭素ＣＯ２を１００％とした組成の排気ガスを所定量だけ内燃機関に再循環している。

このように非ノック領域とノック領域、或いは熱効率で二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を変えると以下のような効果が得られる。

前述したように、内燃機関の熱効率は比熱比γが大きいほど高くなる。窒素Ｎ２の比熱比γは約１．４であり、また、二酸化炭素ＣＯ２の比熱比γは概ね１．３程度である。このように窒素Ｎ２の比熱比γは、二酸化炭素ＣＯ２の比熱比に比べて大きいものである。したがって、非ノック領域では窒素Ｎ２の比率を高めることで混合気の比熱比γが大きくなり、高い熱効率を得られる。これは図１０にも示した通りである。

一方、圧縮行程で圧縮された未燃ガス温度Ｔ_ＴＤＣ（圧縮端温度）は（３）式で表され、比熱比γが小さいほど未燃ガス温度Ｔ_ＴＤＣは低くなる。尚、Ｔ_ＢＤＣは圧縮開始前の未燃ガス温度であり、εは圧縮比、γは比熱比である。

このように、本実施形態ではノック領域で再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２の比率を高くすることで混合気の比熱比γが小さくなって未燃ガス温度Ｔ_ＴＤＣが低くなり、ノッキングの発生を抑えることができる。

また、窒素Ｎ２で希釈された燃料と空気の混合気に比べて、二酸化炭素ＣＯ２で希釈された燃料と空気の混合気は乱流燃焼速度が速くなることが知られている。燃焼速度が速いと、未燃ガスが自着火に至る前に火炎伝播が完了しノッキングが発生しにくくなる。即ち、排気ガスから分離した二酸化炭素ＣＯ２単成分、もしくは二酸化炭素ＣＯ２富化ガスを再循環用の還流排気ガスとして用いるのは、比熱比、燃焼速度の両面でノック抑制に高い効果を得られるようになる。このように、本実施形態では、ノック領域で再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２の比率を高くすることで燃焼速度が速くなってノッキングの発生を抑えることができる。

更に、ノック領域ではプレイグニッション（早期着火）が発生する虞がある。これは内燃機関において、高負荷運転によって高温になったシリンダ壁面や潤滑オイルが燃料と空気の混合気を加熱し、点火タイミング前に混合気が自着火する現象である。本実施形態では図１０に示す通り、ノック領域において再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２の比率を高くすることで未燃ガス温度Ｔ_ＴＤＣが低くなり、プレイグニッションの発生も抑えることができる。

前にも述べた通り、ノッキングはその振動や大きな放熱によって内燃機関を損傷する虞がある。このため、従来の手法ではノッキングが起る領域では、点火タイミングを最大トルク発生点（ＭＢＴ）よりも遅く設定したり、空燃比を燃料が多くなる側に設定したりして、ノッキングの発生を抑えるのが一般的である。しかしながら、これらの手法では内燃機関の燃費が悪化する課題がある。

これに対して、本実施形態では再循環される排気ガスの組成成分である、二酸化炭素ＣＯ２の比率を増加させることによってノッキングを抑えることができ、更にノッキング領域での燃費を低減することができる。また、ノッキングが発生しにくい領域では窒素Ｎ２の比率を増加させることによって、燃料と空気の混合気の比熱比を上げることで高い熱効率を得る。従って、本実施形態によれば、内燃機関の幅広い運転領域においてノックを抑制すると共に、全体的な運転領域の燃費を改善することができるようになる。

尚、一般に内燃機関の機関トルクと燃料供給量（燃料噴射量）には一次の相関があるので、図７乃至図１０のような機関トルクではなく、再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率は、図１１に示すように１サイクル当りの燃料供給量（燃料噴射量）に基づいて設定しても良いものである。

図７乃至図１０では機関トルクを軸として二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を決定していたが、次に機関トルクと異なるパラメータによって二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を決定する例を説明する。

図１２においては、一定の高機関トルクの条件で、回転数に対する再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を設定する例を示している。図１２では、回転数が低い状態では、例えば、窒素Ｎ２を０％、二酸化炭素ＣＯ２を１００％とし、回転数が増加するにしたがって徐々に窒素Ｎ２の比率を増加させ、逆に回転数が増加するにしたがって徐々に二酸化炭素ＣＯ２を低下させ、最終的には窒素Ｎ２を１００％、二酸化炭素ＣＯ２を０％とした組成の排気ガスを所定量だけ内燃機関に再循環している。

本実施形態においては、高機関トルクでの運転時において、回転数の低下に伴い再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２比率を高くすると共に、窒素Ｎ２の比率を低く設定する。これは高機関トルクの条件においては、回転数の低下に伴い燃焼速度が遅くなりノッキングが発生しやすくなるためである。また回転数の低下に伴い、未燃ガスが高熱源から受熱する時間が長くなるためプレイグニッションも発生しやすくなるためである。

本実施形態では、回転数の低下に伴い再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２の比率を高く設定すると共に、窒素Ｎ２の比率を低く設定することで、ノッキングやプレイグニッションが起きやすい条件での未燃ガス温度を低くし、更に燃焼速度を上げることでノッキングやプレイグニッションの発生を抑えることができる。尚、回転数が上がりノッキングやプレイグニッションが起らない条件では、再循環ガスの窒素Ｎ２の比率を上げることで燃料と空気の混合気の比熱比γを大きくして高い熱効率を得ることができる。

尚、以上に説明した比率の設定方法では機関トルク、燃料供給量、回転数といった１つのパラメータで二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を設定していた。

これに対して図１３では、内燃機関の回転数と機関トルクの平面上で、再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を設定する例を示している。ここで、ノック領域では二酸化炭素ＣＯ２を１００％とすると共に非ノック領域では窒素Ｎ２を１００％とし、ノック領域と非ノック領域の境付近では、二酸化炭素ＣＯ２を５０％、窒素Ｎ２を５０％としている。

これによれば、内燃機関の回転数と機関トルクの双方に応じて、再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を設定することで、高い熱効率とノッキング抑制を広い運転領域で実現することができる。

更に、内燃機関の機関トルクや回転数以外にも、ノッキングやプレイグニッションの起り易さを変化させるパラメータはいくつか考えられる。これらのパラメータ値に応じて再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を設定しても良いことはいうまでもない。以下にいくつかの例を説明する。

図１４において、冷却水温度、吸気温度、燃料温度、外気温といった温度のパラメータによって再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を設定することができる。内燃機関の動作に関係するこれらの温度は、その温度が高くなるにしたがいノッキングやプレイグニッションが起り易くなる傾向にある。

図１４においては、回転数と機関トルクが一定の状態で、温度が低い状態では、例えば、窒素Ｎ２を１００％、二酸化炭素ＣＯ２を０％とし、温度が上昇するにしたがって徐々に窒素Ｎ２の比率を低下させ、逆に温度が上昇するにしたがって徐々に二酸化炭素ＣＯ２を増加させ、最終的には窒素Ｎ２を０％、二酸化炭素ＣＯ２を１００％とした組成の排気ガスを所定量だけ内燃機関に再循環している。尚、使用する温度は、（１）冷却水温度、（２）吸気温度、（３）燃料温度、（３）外気温の順序のように優先度があり、内燃機関の動作に影響を与えるパラメータの温度を優先的に使用するのが良いものである。

図１５において、燃料のオクタン価に応じて再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を設定することができる。図１５においては、回転数と機関トルクが一定の状態でオクタン価が小さい状態では、例えば、窒素Ｎ２を０％、二酸化炭素ＣＯ２を１００％とし、オクタン価が高くなるにしたがって徐々に窒素Ｎ２の比率を増加させ、逆にオクタン価が高くなるにしたがって徐々に二酸化炭素ＣＯ２を低下させ、最終的には窒素Ｎ２を１００％、二酸化炭素ＣＯ２を０％とした組成の排気ガスを所定量だけ内燃機関に再循環している。

図１６において、燃料のアルコール濃度に応じて再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を設定することができる。ガソリンとアルコール混合燃料において、燃料のアルコール濃度が低くなると、アルコールの気化冷却によるノッキングやプレイグニッションの抑制効果が減少するので、これを補償する必要がある。

図１６においては、回転数と機関トルクが一定の状態で、アルコール濃度が小さい状態では、例えば、窒素Ｎ２を０％、二酸化炭素ＣＯ２を１００％とし、アルコール濃度が大きくなるにしたがって徐々に窒素Ｎ２の比率を増加させ、逆にアルコール濃度が大きくなるにしたがって徐々に二酸化炭素ＣＯ２を低下させ、最終的には窒素Ｎ２を１００％、二酸化炭素ＣＯ２を０％とした組成の排気ガスを所定量だけ内燃機関に再循環している。

図１７において、燃料の天然ガス濃度に応じて再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を設定することができる。ガソリンと天然ガス混合燃料において、燃料の天然ガス濃度が小さくなると混合燃料のオクタン価が下がりノッキングやプレイグニッションの抑制効果が減少するので、これを補償する必要がある。

図１７においては、回転数と機関トルクが一定の状態で天然ガス濃度が小さい状態では、例えば、窒素Ｎ２を０％、二酸化炭素ＣＯ２を１００％とし、アルコール濃度が大きくなるにしたがって徐々に窒素Ｎ２の比率を増加させ、逆に天然ガス濃度が大きくなるにしたがって徐々に二酸化炭素ＣＯ２を低下させ、最終的には窒素Ｎ２を１００％、二酸化炭素ＣＯ２を０％とした組成の排気ガスを所定量だけ内燃機関に再循環している。

図１８において、高負荷運転時のパワー空燃比に応じて再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を設定することができる。高負荷運転時に設定する空燃比（パワー空燃比）が大きくなる（リーン側）と未燃混合気の温度が高くなりノッキングやプレイグニッションが起り易くなるので、これを補償する必要がある。

図１８においては、回転数と機関トルクが一定の状態で、パワー空燃比が所定のリッチ側に設定されている場合では、例えば、窒素Ｎ２を１００％、二酸化炭素ＣＯ２を０％とし、空燃比がリーン側に移行するにしたがって徐々に窒素Ｎ２の比率を低下させ、逆に空燃比がリーン側に移行するにしたがって徐々に二酸化炭素ＣＯ２を増加させ、最終的には窒素Ｎ２を０％、二酸化炭素ＣＯ２を１００％とした組成の排気ガスを所定量だけ内燃機関に再循環している。

図１９において、内燃機関に吸入される吸気の湿度（相対湿度）に応じて再循環ガスの二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２の比率を設定することができる。吸気湿度が高くなると未燃混合気の温度が下がり、ノッキングやプレイグニッションが起りにくくなる。したがって図１９においては、回転数と機関トルクが一定の状態で、吸気湿度が低い場合では、例えば、窒素Ｎ２を０％、二酸化炭素ＣＯ２を１００％とし、吸気湿度が高くなるにしたがって徐々に窒素Ｎ２の比率を増加させ、逆に吸気湿度が高くなるにしたがって徐々に二酸化炭素ＣＯ２を低下させ、最終的には窒素Ｎ２を１００％、二酸化炭素ＣＯ２を０％とした組成の排気ガスを所定量だけ内燃機関に再循環している。尚、吸気湿度は例えばエアフローセンサに併設した湿度センサ等で検出することができる。

以上述べた通り、本実施形態においては、内燃機関の排気ガスから窒素Ｎ２と二酸化炭素ＣＯ２を取り出し、その比率を運転状態や燃料性状に対応して制御するようにしているので、内燃機関の幅広い運転条件に亘って、燃費の向上、排気ガス有害成分の低減、出力の向上等を図ることができる。

以上に説明した実施形態では、排気ガスの組成成分の中で制御されるガス成分は二酸化炭素ＣＯ２と窒素Ｎ２であった。ただ、水蒸気Ｈ２Ｏの比熱比γは約１．３３であり、窒素Ｎ２の比熱比γ１．４に比べて小さい。したがってノック領域において、再循環ガスの水蒸気Ｈ２Ｏの比率を高くして混合気の比熱比γを小さくできるので、ノッキングやプレイグニッションを抑制することができる。この観点に基づき、本発明の第２の実施形態になるパワートレインシステムを図２０に示している。

図２０に示すパワートレインシステムにおいては、比率調整手段３にガス成分分離手段２で得られた水蒸気の水分Ｈ２Ｏが導入される。それ以外の構成については、第１の実施形態によるパワートレインシステムと同様であるので説明は省略する。

尚、ガス成分分離手段２によって分離された水蒸気の水分Ｈ２Ｏは、内燃機関から排出される排気ガスよりも該当成分（水分）を多く含んだ富化ガスであっても良いものである。例えば、ガソリンを理論混合気で燃焼させた場合には，水分Ｈ２Ｏを概ね体積比２０％以上含んだ水分Ｈ２Ｏ富化ガスでも良いものである。

そして、本発明の第２の実施形態では窒素Ｎ２と水Ｈ２Ｏは比率調整手段３によって、所定の窒素Ｎ２と水分Ｈ２Ｏの比率に調整されて、内燃機関１に再循環（ＥＧＲ）ガスとして還流される。再循環ガスの窒素Ｎ２と水Ｈ２Ｏの比率は、エンジンコントローラ４から比率調整手段３に送られる比率指令値により任意に設定される。内燃機関１に還流されなかった余剰の窒素Ｎ２と水Ｈ２Ｏは、比率調整手段３より外部に排出される。

図２１では、内燃機関の回転数と機関トルクの平面上で、再循環ガスの水分Ｈ２Ｏと窒素Ｎ２の比率を設定する例を示している。ここで、ノック領域では水蒸気Ｈ２Ｏを１００％とすると共に非ノック領域では窒素Ｎ２を１００％とし、ノック領域と非ノック領域の境付近では、水蒸気Ｈ２Ｏを５０％、窒素Ｎ２を５０％としている。

これによれば、ノック領域において再循環ガスの水分Ｈ２Ｏの比率を高くすることで燃料と空気の混合気の比熱比γを小さくし、ノッキング、プレイグニッションを抑制できる。また非ノック領域においては、再循環ガスの窒素Ｎ２の比率を高くすることで燃料と空気の混合気の比熱比を大きくして熱効率を高くすることができる。これによって高い熱効率とノッキング抑制を広い運転領域で実現することができる。

尚、水蒸気の水分Ｈ２Ｏも二酸化炭素ＣＯ２と類似した特性を備えているので、図７乃至図１９に示したようなパラメータによって、両者の比率を設定するようにしても良いものである。

また、水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスの比熱比γは、窒素Ｎ２の比熱比γに比べて小さい。したがってノック領域において、再循環ガスの水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスの比率を高くして混合気の比熱比γを小さくできるので、ノッキングやプレイグニッションを抑制することができる。この観点に基づき、本発明の第３の実施形態になるパワートレインシステムを図２２に示している。

図２２において、参照番号２Ｂは窒素分離手段であり、内燃機関１の排気ガスから、窒素Ｎ２と、水蒸気の水分Ｈ２Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスとを分離するものである。本実施例では窒素分離手段２Ｂが実施例１と異なっている。それ以外の構成については、第１の実施形態によるパワートレインシステムと同様であるので説明は省略する。

窒素分離手段２Ｂは、例えば、ゼオライトやセリウム等の吸着材により、排気ガス中の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２を吸着することで実現できるものである。或いは、窒素分離手段２Ｂは窒素分離膜を用いることでも実現できるものである。

尚、窒素分離手段２Ｂによって分離された窒素Ｎ２、及び水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスは、内燃機関から排出される排気ガスよりも該当成分を多く含んだ富化ガスであっても良いものである。例えばガソリンを理論混合気で燃焼させた場合には，分離された窒素Ｎ２ガスは、窒素Ｎ２ガスを概ね体積比８０％以上含んだ窒素Ｎ２富化ガスでも良いものである。また、分離された水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスは、水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の合計成分を概ね体積比４０％以上含んだ水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の富化混合ガスでも良いものである。

そして、分離された窒素Ｎ２と、水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスは比率調整手段３によって、所定の窒素Ｎ２と水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスの比率に調整されて、内燃機関式１に再循環（ＥＧＲ）ガスとして還流される。

再循環ガスの窒素Ｎ２、及び水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスの比率は、エンジンコントローラ４から比率調整手段３に送られる比率指令値により任意に設定される。内燃機関１に還流されなかった余剰の窒素Ｎ２と水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスは、比率調整手段３より外部に排出される。

図２３では、内燃機関の回転数と機関トルクの平面上で、再循環ガスの水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスと、窒素Ｎ２の比率を設定する例を示している。ここで、ノック領域では二酸化炭素ＣＯ２と水蒸気Ｈ２Ｏの混合ガスを１００％とすると共に非ノック領域では窒素Ｎ２を１００％とし、ノック領域と非ノック領域の境付近では、二酸化炭素ＣＯ２と水蒸気Ｈ２Ｏの混合ガスを５０％、窒素Ｎ２を５０％としている。

これによれば、ノック領域において再循環ガスの水蒸気の水分Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２の混合ガスの比率を高くすることで混合ガスの比熱比を小さくし、ノッキング、プレイグニッションを抑制できる。また、非ノック領域においては、再循環ガスの窒素Ｎ２の比率を高くすることで混合気の比熱比を大きくし熱効率を高くすることができる。これによって高い熱効率とノッキング抑制を広い運転領域で実現することができる。

以上述べた通り、本発明においては、内燃機関の排気ガスからそれぞれ比熱比の異なる複数のガス成分を取り出すガス成分分離手段と、複数のガス成分を内燃機関の燃焼室に還流する還流手段と、燃焼室に還流する複数のガス成分の比率を運転状態、或いは燃料性状に対応して調整する比率調整手段とを設けたパワートレインシステムを構築した。

これによれば、内燃機関に再循環する排気ガスの組成を種々の運転条件によって調整することができる。これによって、内燃機関の幅広い運転条件に亘って、燃費の向上、排気ガス有害成分の低減、出力の向上等を図ることができるようになる。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…火花点火式内燃機関、２…ガス成分分離手段、４…比率調整手段、４…エンジンコントローラ、１１…水蒸気分離装置、１２…ＣＯ２分離装置、２１、２２、２３…分配弁、２４…ミキサ、３１…シリンダ、３２…ピストン、３３…吸気バルブ、３４…排気バルブ、３５…シリンダヘッド、３６…燃焼室、３７…吸気ポート、３８…排気ポート、３９…点火プラグ、４０…燃料インジェクタ、４１…スロットルバルブ、４２…エアフローセンサ、４３…ＥＧＲ管、４４…クランク角センサ、４５…水温センサ

Claims

火花点火式の内燃機関と、
前記内燃機関の排気ガスから相対的に比熱比の大きいガス成分と比熱比の小さいガス成分を分離して取り出すガス成分分離手段と、
前記ガス成分分離手段で分離された前記比熱比の大きいガス成分と前記比熱比の小さいガス成分が別々に供給され、前記比熱比の大きいガス成分を分配する第１の分配弁と、前記比熱比の小さいガス成分を分配する第２の分配弁を備えた比率調整手段と、
前記比率調整手段から送られてくる前記比熱比の大きいガス成分と前記比熱比の小さいガス成分が混合された混合ガス成分を前記内燃機関の燃焼室に還流する還流手段と、
前記内燃機関の運転状態、或いは燃料性状に対応して、前記第１の分配弁を駆動して前記比熱比の大きいガス成分の分配量と、前記第２の分配弁を駆動して前記比熱比の小さいガス成分の分配量を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とするパワートレインシステム。
請求項１に記載のパワートレインシステムにおいて、
前記制御手段は、前記内燃機関の機関トルクが所定値より低い場合には、前記第１の分配弁を駆動して前記比熱比の大きいガス成分の比率を高くし、前記機関トルクが前記所定値より高い場合には、前記第２の分配弁を駆動して前記比熱比の小さいガス成分の比率を高くすることを特徴とするパワートレインシステム。
請求項１に記載のパワートレインシステムにおいて、
前記制御手段は、前記内燃機関の機関トルクが上昇するにしたがって、前記第１の分配弁を駆動して前記比熱比の大きいガス成分の比率を低くしていくと共に、前記第２の分配弁を駆動して前記比熱比の小さいガス成分の比率を高くしていくことを特徴とするパワートレインシステム。
請求項１に記載のパワートレインシステムにおいて、
前記制御手段は、前記内燃機関に供給される燃料供給量が多い場合は、前記第１の分配弁を駆動して前記比熱比の大きいガス成分の比率を低くする共に、前記第２の分配弁を駆動して前記比熱比の小さいガス成分の比率を高くすることを特徴とするパワートレインシステム。
請求項１に記載のパワートレインシステムにおいて、
前記制御手段は、前記内燃機関の機関トルクが大きい状態で、前記内燃機関の回転数が上昇するにしたがって、前記第１の分配弁を駆動して前記比熱比の大きいガス成分の比率を高くしていくと共に、前記第２の分配弁を駆動して前記比熱比の小さいガス成分の比率を低くしていくことを特徴とするパワートレインシステム。
請求項１に記載のパワートレインシステムにおいて、
前記制御手段は、前記内燃機関の冷却水温、または吸気温度、または燃料温度、または外気温度が上昇するにしたがって、前記第１の分配弁を駆動して前記比熱比の大きいガス成分の比率を低くしていくと共に、前記第２の分配弁を駆動して前記比熱比の小さいガス成分の比率を高くしていくことを特徴とするパワートレインシステム。
請求項１に記載のパワートレインシステムにおいて、
前記制御手段は、前記内燃機関に供給される燃料のオクタン価が高くなるにしたがって、前記第１の分配弁を駆動して前記比熱比の大きいガス成分の比率を高くしていくと共に、前記第２の分配弁を駆動して前記比熱比の小さいガス成分の比率を低くしていくことを特徴とするパワートレインシステム。
請求項１に記載のパワートレインシステムにおいて、
前記制御手段は、前記内燃機関に供給される燃料のアルコール濃度が高くなるにしたがって、前記第１の分配弁を駆動して前記比熱比の大きいガス成分の比率を高くしていくと共に、前記第２の分配弁を駆動して前記比熱比の小さいガス成分の比率を低くしていくことを特徴とするパワートレインシステム。
請求項１に記載のパワートレインシステムにおいて、
前記制御手段は、前記内燃機関に供給される燃料の天然ガス濃度が高くなるにしたがって、前記第１の分配弁を駆動して前記比熱比の大きいガス成分の比率を高くしていくと共に、前記第２の分配弁を駆動して前記比熱比の小さいガス成分の比率を低くしていくことを特徴とするパワートレインシステム。
請求項１に記載のパワートレインシステムにおいて、
前記制御手段は、前記内燃機関が高負荷で運転されている時、前記内燃機関に供給される燃料と空気の混合気の空燃比がリーン側に移行するにしたがって、前記第１の分配弁を駆動して前記比熱比の大きいガス成分の比率を低くしていくと共に、前記第２の分配弁を駆動して前記比熱比の小さいガス成分の比率を高くしていくことを特徴とするパワートレインシステム。
請求項１に記載のパワートレインシステムにおいて、
前記制御手段は、前記内燃機関に吸入される吸気の吸気湿度が増加するにしたがって、前記第１の分配弁を駆動して前記比熱比の大きいガス成分の比率を高くしていくと共に、前記第２の分配弁を駆動して前記比熱比の小さいガス成分の比率を低くしていくことを特徴とするパワートレインシステム。
請求項１〜請求項１１のいずれか１つに記載のパワートレインシステムにおいて、
前記比熱比の小さいガス成分は前記排気ガスから分離された二酸化炭素であり、前記比熱比の大きいガス成分は前記排気ガスから分離された窒素であることを特徴とするパワートレインシステム。