JP6527639B2 - パワートレインシステム - Google Patents

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Description

本発明はパワートレインシステムに係り、特にメタン転換触媒を用いて排気ガスからメタンを合成する燃料改質装置を備えたパワートレインシステムに関するものである。
地球温暖化を抑制するため、内燃機関から排出される二酸化炭素を低減する種々の技術的な取り組みがなされている。例えば、理論空燃比より薄い混合気を燃焼させるリーンバーン制御や圧縮比を高くする高圧縮比制御によって、内燃機関の熱効率を改善して二酸化炭素を低減する試みがなされている。
更に、これに加えて燃料改質装置を内燃機関に設け、排気ガス中の二酸化炭素からメタン転換触媒によってメタンを合成して燃料とする技術が提案されている。例えば、特開２００９−２６９９８３号公報（特許文献1）には、内燃機関から排出された二酸化炭素と、水分解等で得られた水素とを混合して反応室で所定の圧力と熱を加えてメタンを生成し、この得られたメタンを再び内燃機関の燃料として利用するパワートレインシステムが示されている。
特開２００９−２６９９８３号公報
ところで、特許文献１のように、メタン転換触媒を用いてメタンを合成する手法においては、メタン転換触媒の温度に基づく活性化状態によって、合成されるメタンと水素の混合燃料（以下、副燃料という）の成分割合が変化する。このため、合成された副燃料を内燃機関の燃料として再利用する場合には、その副燃料の成分によって内燃機関の最適作動条件が変化する恐れがある。このように副燃料の成分が変化すると、熱効率が悪化して燃費に悪影響を及ぼすことになる。しかしながら、上述した特許文献１においては、これらの点について一切開示がなく、また考慮もされていない。したがって、より実際的な制御技術の提案が要請されている。
本発明の目的は、内燃機関から排出される二酸化炭素と水素から合成される副燃料の成分に対応して、内燃機関の作動状態を調整して燃費を向上す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、メタン転換触媒を用いて水素と排気ガスから分離した二酸化炭素からメタンを主成分とする副燃料を合成し、この副燃料を主燃料に混ぜて内燃機関（火花点火式）で燃焼させると共に、メタン転換触媒の温度に対応して内燃機関の燃焼開始時期、或いは燃焼期間を調整する、ところにある。
本発明によれば、合成される副燃料の成分に対応して内燃機関の作動が適切に制御され、熱効率の改善を図ることによって燃費の向上を図ることができる。
本発明の第１の実施形態になる、改質装置を備えたパワートレインシステムの構成図である。 図１に示す二酸化炭素分離手段の構成の一例を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態における、火花点火式内燃機関の構成を示す構成図である。 メタン転換触媒と温度計測装置の構成を示す構成図である。 メタン転換触媒と転換効率の温度特性を示す特性図である。 触媒温度に対する、触媒流出ガス中の燃料成分の比率を示す特性図である。 メタンと水素の層流燃焼速度を示す特性図である。 触媒温度と副燃料の層流燃焼速度の関係を示す特性図である。 燃焼期間（熱発生期間）と触媒温度との関係を示す特性図である。 触媒温度が異なる運転状態において、点火時期を同一とした場合の質量燃焼割合を示す特性図である。 触媒温度に対する点火時期の設定方法を示す特性図である。 本発明の点火時期制御を行った場合の質量燃焼割合を示す特性図である。 本発明の第２の実施形態における、火花点火式内燃機関の構成を示す構成図である。 図１３に示す火花点火式内燃機関の平面図である。 図１３に示すタンブル制御バルブが全閉時の空気流動を示す説明図である。 図１３に示すタンブル制御バルブが全開時の空気流動を示す説明図である。 タンブル生成バルブの開度に対する圧縮行程上死点での混合気の乱れ強さの変化を示す特性図である。 タンブル生成バルブの開度に対する、乱流燃焼速度の変化を示す特性図である。 触媒温度に対するタンブル生成バルブの設定方法を示す説明図である。 触媒温度が異なる運転状態において、点火時期を一定とし、かつタンブル生成バルブを全閉とした場合の質量燃焼割合を示す特性図である。 タンブル生成バルブの開度制御を行った場合の質量燃焼割合を示す特性図である。 触媒温度に対応して、点火時期とタンブル生成バルブ開度の双方を変える場合における点火時期の設定方法を示す説明図である。 触媒温度に対応して、点火時期とタンブル生成バルブ開度の双方を変える場合におけるタンブル生成バルブ開度の設定方法を示す説明図である。 本発明によって点火時期とタンブル生成バルブの開度制御を行った場合の質量燃焼割合を示す特性図である。 本発明の第３の実施形態における、火花点火式内燃機関の構成を示す構成図である。 触媒温度に対するＥＧＲバルブの設定方法を示す説明図である。 ＥＧＲバルブ開度と層流燃焼速度の関係を示す特性図である。
以下、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。
先ず、本発明の第１の実施形態によるパワートレインシステムを、図１〜図４を用いて詳細に説明する。
図１は、パワートレインシステムの構成の一例を示している。図１において、参照番号２０は、吸気管に燃料を噴射する火花点火式内燃機関（以下、内燃機関と表記する）、参照番号２１は排気ガスから二酸化炭素（以下、ＣＯ２と表記する）を分離するＣＯ２分離手段、参照番号２２は水素（以下、Ｈ２と表記する）を供給するＨ２供給手段、参照番号２３はＣＯ２とＨ２とを混合するミキサー、参照番号２４はメタン転換触媒、参照番号２５は凝縮器、参照番号２７は温度計測装置、参照番号２８はコントローラである。
内燃機関２０からの排気ガスはＣＯ２分離手段２１によって、ＣＯ２と水分（以下、Ｈ２Ｏと表記する）の混合ガスと、窒素（以下、Ｎ２と表記する）に分離される。分離されたＣＯ２とＨ２Ｏの混合ガスと、Ｈ２供給手段（例えば、水素ボンベ）２２から供給されるＨ２はミキサー２３で均一に混合され、メタン転換触媒２４に供給される。メタン転換触媒２４でメタン（以下、ＣＨ４と表記する）を主成分とする副燃料が合成され、副燃料（主にＣＨ４）とＨ２Ｏの混合ガスが凝縮器２５に供給される。
凝縮器２５で副燃料とＨ２Ｏが分離され、副燃料は内燃機関２０の燃料として利用される。メタン転換触媒２４の入口温度が温度計測装置２７によって計測され、温度データはコントローラ２８へ送信される。コントローラ２８は、内燃機関２０の点火時期等の種々の制御パラメータ値を決定して内燃機関２０の作動状態を制御する。
次に図２を用いて、ＣＯ２分離手段２１の構成の一例について説明する。ＣＯ２分離装置手段２１は、例えば活性炭、ゼオライト、固体酸化物などのＣＯ２捕捉手段１０に排気ガス中のＣＯ２とＨ２Ｏを吸着させることで実現できる。その作動プロセスは、ＣＯ２の捕捉工程とＣＯ２の脱離工程を順次繰り返すによって構成される。
ＣＯ２捕捉手段１０は二つ以上設置することで、ＣＯ２捕捉工程とＣＯ２脱離工程を交互に繰り返すことが可能となる。排気ガス流路に１個のＣＯ２捕捉手段１０を設置した場合、ＣＯ２捕捉手段１０によるＣＯ２捕捉反応が継続すると、ＣＯ２捕捉手段１０のＣＯ２及びＨ２Ｏの捕捉能力を超えてしまうことになる。このような場合には、図２にある通り、排気ガスの流れを三方弁１１によって切り換え、他方のＣＯ２捕捉手段１０へ排気ガスを導入することで、継続して排気ガス中のＣＯ２とＨ２Ｏを捕捉する事ができるものである。
一方で、ＣＯ２とＨ２Ｏを十分捕捉したＣＯ２捕捉手段１０については、ＣＯ２捕捉手段１０への排気ガスの流入を止め、ＣＯ２捕捉手段１０の温度を高めることでＣＯ２捕捉手段１０からＣＯ２とＨ２Ｏを脱離させ、ＣＯ２とＨ２Ｏを回収することができる。
ＣＯ２捕捉手段１０の温度を高める際に、内燃機関から排出された熱を利用することで、エネルギー的に効率良くＣＯ２とＨ２Ｏを脱離させることができる。例えば、内燃機関の排気ガスの一部を取り出し、取り出した排気ガスの熱を、熱媒体を介してＣＯ２捕捉手段１０に与えることで、ＣＯ２捕捉手段１０の温度を高めることができる。もしくは、ＣＯ２捕捉手段１０を回転式にすることで、ＣＯ２捕捉工程とＣＯ２脱離工程を繰り返すことも可能である。
次に図３を用いて、内燃機関２０の構成について説明する。図３は、４サイクル式内燃機関の燃焼室及び吸排気通路を示している。シリンダ３１にはピストン３５が摺動可能に配置され、シリンダ３１には吸気弁３３、排気弁３４及びシリンダヘッド３２によって、内燃機関の燃焼室３６が形成されている。参照番号３７は空気と燃料を供給する吸気通路、参照番号３８は排気ガスを排出する排気通路である。
また、参照番号４０は吸気通路３７内に主燃料を供給する主燃料インジェクタ、４１は吸気通路３７内に副燃料を供給する副燃料インジェクタ、参照番号３９は点火プラグである。点火プラグ３９による点火時期は、図示しないコントローラ２８からの点火時期信号によって設定される。主燃料としては、例えばガソリン、エタノール、メタン、プロパンなど、低セタン価の炭化水素燃料を用いる。副燃料としては、図１に示す凝縮器２５から得られるＣＨ４とＨ２の合成燃料を用いる。ここで、副燃料のＣＨ４とＨ２の混合割合は、メタン転換触媒２４の温度に依存している。
内燃機関２０では、吸気通路３７から供給される空気と、主燃料インジェクタ４０から供給される主燃料と、副燃料インジェクタ４１から供給される副燃料とで形成される混合気が燃焼室３６へ導入される。ピストン３５で圧縮された燃焼室内の混合気が所定の点火時期で点火プラグ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３５が押し下げられて内燃機関２０より動力を得ることができる。
次に、図４を用いてメタン転換触媒２４と温度計測装置２７の構成について説明する。ここでメタン転換触媒２４とは、以下で示されるＣＯ２とＨ２のメタン化反応を促進する触媒のことである。
ＣＯ２+４Ｈ２⇒ＣＨ４+２Ｈ２Ｏ
図４において、触媒ケース１３の内部に触媒担体１２が設置されている。触媒担体１２はＡｌ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒなどを材料とした多孔質体であり、その表面に触媒活性成分としてＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉなどが担持されている。
メタン転換触媒２４の多孔質担体として、比表面積が高い酸化物を用いることで、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉが高分散化し、メタン化性能が高まるものである。特に多孔質担体として、Ａｌを含む酸化物を使用すると安定して高いメタン化性能が得られる。本実施形態において用いる多孔質担体の比表面積は、３０〜８００ｍ２/ｇの範囲が好ましく、特に５０〜４００ｍ２/ｇの範囲が好ましい。
また、触媒活性成分として、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉから選ばれた二種以上を含有させても良い。触媒活性成分のＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉの合計担持量は、好ましくは、多孔質担体２ｍｏｌ部に対して元素換算で０.０００３ｍｏｌ部〜１.０ｍｏｌ部である。Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉの合計担持量が０.０００３ｍｏｌ部未満であると、担持効果は不十分となり、一方、１.０ｍｏｌ部を越えると、活性成分自体の比表面積が低下し、更に触媒コストが高くなる。
ここで「ｍｏｌ部」とは、各成分のｍｏｌ数換算での含有比率を意味する。例えば、「Ａ成分」２ｍｏｌ部に対して「Ｂ成分」の担持量が１ｍｏｌ部とは、「Ａ成分」の絶対量の多少に関わらず、ｍｏｌ数換算で「Ａ成分」が「２」に対し、「Ｂ成分」が「１」の割合で担持されていることを意味する。
図４において、参照番号１１は熱電対であり、その測温部が触媒ケース１３の上流部の排気通路内に挿入されている。熱電対１１の信号は温度補償導線１４を通じて温度計測装
置２７に取り込まれている。温度計測装置２７では熱電対の信号から触媒温度を求め、その温度情報をコントローラ２８へ送信する。
尚、本実施例では触媒温度として、触媒入口でのガス温度を用いる例を示したが、熱電対を触媒担体１２の内部に挿入して触媒担体温度を測定し、これを触媒温度としても良いものである。または、触媒出口のガス通路に熱電対を挿入し、触媒出口のガス温度を測定し、これを触媒温度としても良いものである。
本実施形態においては、図１〜図４で示したパワートレインシステムにおいて、内燃機関２０の点火プラグ３９による点火時期を、温度計測装置２７で計測したメタン転換触媒２４の温度に対応して調整し、これによって燃焼開始時期を制御することを特徴としている。点火時期を進角方向、或いは遅角方向に移行させると、点火プラグ３９の発火による、混合気の燃焼が開始する燃焼開始時期が移行するものである。
つまり、図１１に示しているように、触媒温度が所定温度範囲（図１１のＴＡ〜ＴＢの範囲）において、触媒温度が低くなるにつれて、点火時期の進角量を小さくする（点火時期を遅くする）ものである。尚、この場合は上死点より前での点火時期を前提としている。したがって、触媒温度が低くなるにつれて、点火時期が上死点側に近づくものである。良く知られているように、点火時期は、内燃機関の回転数、負荷、温度等によって求められるが、この求められた点火時期の補正項として、上述したメタン転換触媒２４の温度を反映させれば良いものである。
本実施形態の動作、作用、効果について、図５〜図１２を用いて説明する。まず、図５を用いてメタン転換触媒２４の温度特性について説明する。
図５は、触媒温度に対するＣＯ２のメタンへの転換効率を示した特性図である。一般にメタン転換触媒２４の転換効率は、触媒温度に対して強い依存性がある。触媒が活性化温度ＴＡより低い場合には、触媒としての機能は殆ど働かず転換率はほぼ「０％」となる。一方、触媒が活性化温度ＴＡを超えると、ＣＯ２のメタンへの転換が開始され、触媒温度が高くなるほど転換効率は高くなる。転換効率が「１００％（もしくは、メタン転換触媒の上限転換率）」に達すると、触媒温度上昇に対して転換率はほぼ一定となる。転換効率が「１００％（もしくはメタン転換触媒の上限転換率）」に到達するときの触媒温度をＴＢとする。触媒温度ＴＡと触媒温度ＴＢは、触媒の担持成分などによって種々に変化するが、例えば、ＴＡは約１００℃、ＴＢは約２００℃である。
このように触媒温度がＴＡ〜ＴＢの間では、触媒温度によって転換効率が変化することから、触媒から流出するガスの燃料成分が触媒温度によって変化する。図６は触媒温度に対する、触媒流出ガス中の燃料成分の比率を示した特性図である。触媒温度がＴＡより低いと触媒の転換効率はほぼ「０％」であるため、触媒に流入したＨ２が反応することなく触媒から流出される。
したがって、触媒温度がＴＡより低い場合には、触媒流出ガス中の燃料成分はほぼＨ２のみである。一方触媒温度がＴＢより高いと触媒の転換効率はほぼ「１００％（もしくはメタン転換触媒の上限転換率）」であるので、触媒から流出されるガスの燃料成分はほぼＣＨ４のみである。触媒温度がＴＡ〜ＴＢの間では、触媒温度が低くなるにつれて転換効率が低くなるため、Ｈ２比率が高くなり、ＣＨ４の比率が低くなる。
すなわち、触媒温度がＴＡ〜ＴＢの間では、触媒によって生成される副燃料はＣＨ４とＨ２の混合燃料であり、その成分比は、触媒温度が低くなるほどＨ２の比率が高くなるものである。
図７は、ＣＨ４とＨ２の層流燃焼速度を示した特性図である。ここで、層流燃焼速度とは、混合気が静止、もしくは層流で流れている場合に、火炎面の前方にある未燃焼混合気を燃焼させていく速度を表している。そして、Ｈ２はＣＨ４に比べて大幅に層流燃焼速度が速い特性を有する。Ｈ２とＣＨ４が混合された副燃料においても、両者の層流燃焼速度の違いが反映され、Ｈ２の比率が高いほど副燃料の層流燃焼速度は大きくなる。
このように、Ｈ２とＣＨ４の混合比率による層流燃焼速度が変化することから、触媒温度によって副燃料のＨ２とＣＨ４の比率が変化すると、副燃料の層流燃焼速度が変化し、それは触媒温度に対して図８のような相関を持つようになる。すなわち、触媒温度がＴＡ〜ＴＢの間では、触媒温度が低くなるにつれて副燃料の層流燃焼速度が速くなるものである。
また、予混合燃焼における燃焼期間（熱発生期間）は層流燃焼速度にほぼ反比例する。したがって、燃焼期間（熱発生期間）と触媒温度との関係は図９に示したようになり、触媒温度がＴＡ〜ＴＢの間では、触媒温度が低くなるにつれて燃焼期間（熱発生期間）が短くなる。ここで、触媒温度がＴＡの場合とＴＢの場合の２つの運転状態を想定し、両者の点火時期を同一とした場合の質量燃焼割合（ＭＦＢ）の比較を図１０に示している。ここで、質量燃焼割合とは、燃焼室に流入した燃料のうち、燃焼した燃料の割合を表している。
触媒温度がＴＡの場合は、触媒温度がＴＢの場合より燃焼期間（熱発生期間）が短いので、触媒温度がＴＡの場合の燃焼中心となる５０％燃焼時期（ＭＦＢ５０）であるθ５０Ａは、触媒温度がＴＢの場合の５０％燃焼時期（ＭＦＢ５０）であるθ５０Ｂに比べて進角側になる。一般に、内燃機関ではＭＦＢ５０（燃焼中心）を圧縮上死点後１０〜１５°ＣＡにすると、熱効率が最も良くなることが知られている。したがって、点火時期は、混合気に点火されて燃焼が進行し、ＭＦＢ５０（燃焼中心）が圧縮上死点後１０〜１５°ＣＡになるように予め設定される。
具体的には、メタン転換触媒２４の転換効率が充分高い状態のＭＦＢ５０（燃焼中心）であるθ５０Ｂが、圧縮上死点後１０〜１５°ＣＡになるように点火時期が予め設定される。したがって、メタン転換触媒２４の温度が低下するとＨ２が多くなって燃焼期間（熱発生期間）が短くなることから、ＭＦＢ５０（燃焼中心）が最適値よりも進角方向に移行し、この結果、熱効率が低下するのである。
そこで本実施形態では図１１に示すように、触媒温度がＴＡ〜ＴＢの範囲において、触媒温度が低くなるにつれて、点火時期の進角量が小さくなるように内燃機関を制御するものである。
本実施形態によって点火時期制御を行った場合における、質量燃焼割合の比較を図１２に示している。触媒温度が低く燃焼期間（熱発生期間）が短いＴＡの場合には、矢印で示すように点火時期がＴＢに対して遅角側に移行制御され、熱発生期間が遅角側に移動する。この結果、触媒温度が低い場合でもＭＦＢ５０（燃焼中心）を最適位置に近づけることができ、点火時期を触媒温度に対応して変化させない場合に比べて、熱効率を高くすることができ燃費を向上することができる。
次に、本発明の第２の実施形態について図１３〜図２３を用いて説明する。第１の実施形態では、メタン転換触媒２４の温度に対応して、点火時期を調整することによって燃焼開始時期を制御するものであったが、本実施形態ではメタン転換触媒２４の温度に対応して、混合気の燃焼期間（熱発生期間）を制御する点で異なっている。
本実施形態におけるパワートレインシステムの構成は、実施例１と同様であるので詳しい説明は省略する。ここで、図１３と図１４に、本実施形態になる内燃機関２０の構成を示している。図１３は本実施例における内燃機関２０の縦断面を示し、図１４は図１３に示す内燃機関２０の平面を示している。
本実施例における内燃機関２０の構成では、吸気通路３７の通路内に、燃焼室内のタンブル（縦渦）を強化するためのタンブル強化手段が設けられており、その他の内燃機関２０の構成については、実施例１と同様であるので説明は省略する。
タンブルを強化するタンブル強化手段は、吸気通路３７の通路の一部に形成した隔壁４２と、この隔壁４２に設けられた回転軸４４と、回転軸４４に固定され、隔壁４２と吸気通路３７の壁面とで形成された通路に配置されたタンブル生成バルブ４３と、回転軸４４を駆動するアクチュエータ４５から構成されている。
図１３、１４にある通り、隔壁４２は吸気通路３７の通路断面を上下の通路に分割する板状部材である。タンブル生成バルブ４３は回転軸４４に取り付けられており、アクチュエータ４５によって回転軸４４を中心に回転する構成となっている。タンブル生成バルブ４３が回転することによって、隔壁４２で分割された吸気通路３７の下側通路に流れる空気の量を調整でき、この調整量（回転角度）はコントローラ２８によって制御されるものである。ここで、タンブル生成バルブ４３を通過する空気が多いほどタンブルの強さは弱くなるものである。
本実施形態においては、図１、図２、図４、図１３及び図１４で示したパワートレインシステムにおいて、内燃機関２０のタンブル生成バルブ４３の開度を、温度計測装置２７で計測したメタン転換触媒２４の温度に対応して調整することを特徴とするものである。つまり、燃焼室３６内のタンブルの強さを調整することで、燃焼期間（熱発生期間）を制御するものである。
タンブルの強さが大きいほど燃焼期間（熱発生期間）は短くなるので、燃焼速度が早いＨ２が多いほどタンブルを弱くして、燃焼期間（熱発生期間）を長くしてやるものである。このため、図１９に示しているように、触媒温度が所定温度範囲（図１９のＴＡ〜ＴＢの範囲）において、Ｈ２が多くなる触媒温度が低くなるにつれて、タンブル生成バルブ４３を通過する空気の流れが多くなる方向に、タンブル生成バルブ４３の開度を大きくするものである。
本実施形態の動作、作用、効果について、図１５〜図２１を用いて説明するが、まず、図１５、１６用いて、タンブル生成バルブ４３の開度の違いによる燃焼室内の空気流動の違いを説明する。図１５は、タンブル生成バルブ４３が全閉状態（空気の流量が最小の状態）になっているときの空気流動を示しており、図１６はタンブル生成バルブ４３が全開状態（空気の流量が最大）になっているときの空気流動を示している。
図１５にある通り、タンブル生成バルブ４３が全閉状態では、吸気通路３７の隔壁４２より下の通路には空気が流入せず、空気は主に吸気バルブ３３の開口部の上側を経由して燃焼室３６内に流入する。このため、燃焼室３６内には強いタンブルが生成される。
一方、図１６にある通り、タンブル生成バルブ４３が全開状態では、吸気通路３７の隔壁４２の上下通路に均等に空気が流入して、空気は吸気バルブ３３の開口部の上側と下側からほぼ均等に燃焼室３６内に流入する。このため、燃焼室３６内に生成されるタンブルは、タンブル生成バルブ４３が全閉状態で生成されるタンブルに比べて弱く（空気速度が遅く）なる。
そして、燃焼室３６内に生成されたタンブルは、圧縮行程の後期で崩壊して燃焼室３６内に乱れ（乱流）を生成する。図１７にタンブル生成バルブ４３の開度に対する、圧縮行程上死点での乱れ強さの変化を示している。タンブルの崩壊によって生成される乱れ強さは、燃焼室３６内に生成されたタンブルの強さ（空気速度）にほぼ比例する。このため、タンブル生成バルブ４３の開度が大きいほど乱れ強さは小さくなる。
予混合気火炎の乱流燃焼速度は、乱れ強さにほぼ比例するので、図１８に示すように乱流燃焼速度は、タンブル生成バルブ４３の開度が大きいほど遅くなる。更に、予混合燃焼における燃焼期間（熱発生期間）は、乱流燃焼速度にほぼ比例するので、燃焼期間（熱発生期間）はタンブル生成バルブの開度が大きいほど遅くなることがわかる。
そして、触媒温度がＴＡの場合とＴＢの場合の２つの運転状態を想定し、両運転状態での点火時期を一定とし、かつタンブル生成バルブを全閉とした場合の質量燃焼割合の比較を図２０に示している。
触媒温度がＴＡの場合は、触媒温度がＴＢの場合に比べて副燃料中のＨ２比率が高く、燃焼期間（熱発生期間）が短いので、触媒温度がＴＡの場合のＭＦＢ５０（燃焼中心）であるθ５０Ａは、触媒温度がＴＢの場合のＭＦＢ５０（燃焼中心）であるθ５０Ｂに比べて進角側になる。したがって、メタン転換触媒２４の温度が低下するとＭＦＢ５０（燃焼中心）が最適値よりも進角方向に移行して熱効率が低下する。
そこで、本実施形態では図１９に示すように、触媒温度がＴＡ〜ＴＢの範囲において、触媒温度が低くなるにつれてタンブル生成バルブ４３の開度が大きくなるように制御するものである。
本実施形態によってタンブル生成バルブの開度制御を行った場合における、質量燃焼割合の比較を図２１に示している。触媒温度が低く燃焼期間（熱発生期間）が短いＴＡの場合には、タンブル生成バルブ４３の開度が大きくなることで乱流燃焼速度が低下して、燃焼期間（熱発生期間）が遅角側に移動する。この結果、触媒温度が低い場合でもＭＦＢ５０（燃焼中心）を最適位置に近づけることができ、タンブル生成バルブ４３の開度を触媒温度に対応して変化させない場合に比べて熱効率を高くすることができる。
また、実施例１と本実施形態とを組み合わせて、触媒温度に対応してタンブル生成バルブ４３の開度と点火プラグ３９の点火時期の双方を同時に調整することも可能である。触媒温度が所定温度範囲ＴＡ〜ＴＢの範囲において、図２２Ａに示すように触媒温度が低くなるにつれて点火時期の進角量を小さくすると共に、図２２Ｂに示すようにタンブル生成バルブ４３の開度を大きく調整しても良いものである。
このように、点火プラグ３９の点火時期とタンブル生成バルブ４３の開度の双方を触媒温度に対応して調整した場合の質量燃焼割合の変化を図２３に示している。触媒温度がＴＡのように低い場合において、点火プラグ３９の点火時期を遅らすことで、混合気の燃焼による熱が発生する燃焼開始時期が遅角し、更にタンブル生成バルブ４３の開度を大きくすることで、燃焼期間（熱発生期間）が長く継続される。
これらの双方の効果によって、触媒温度がＴＡのように低い場合のＭＦＢ５０（燃焼中心）であるθ５０Ａが遅角し、最適点であるθ５０Ｂに近づくことで触媒温度が低い場合の熱効率を高くすることができる。このように、点火プラグ３９の点火時期とタンブル生成バルブ４３の開度の双方を、触媒温度に対応して調整させた場合には、点火時期とタンブル生成バルブ開度の変化量を、それぞれ単独で制御する場合に比べて小さくできる効果がある。
内燃機関の制御パラメータ値の変化量が大きいと、過渡において燃焼が不安定になったり、過渡追従性が悪くなったりする課題があるが、上述した手法では夫々の制御量の変化を小さく抑えることができるので、これらの課題に対して優位になるものである。
次に、本発明の第３の実施形態について図２４〜図２６を用いて説明する。実施例１や実施例２は、メタン転換触媒２４の温度によって副燃料の成分比が変わり、ＭＦＢ５０（燃焼中心）が熱効率の最適点から外れるのを、点火時期によって燃焼開始時期を調整し、或いはタンブルの強さによって燃焼期間（熱発生期間）を調整して補正するものである。これに対して、第３に実施形態では、点火時期やタンブルの強さとは別の制御パラメータによって、燃焼開始時期、或いは燃焼期間（熱発生期間）を調整するものを提案している。
図２４に示す内燃機関では、吸気通路３７と排気管３８の連結するＥＧＲ通路４６を設け、このＥＧＲ通路４６を流れる再循環ガスの量をＥＧＲバルブ４７で調整するものである。このように、再循環ガス量を制御できるパワートレインシステムにおいては、メタン転換触媒２４の温度に基づいて、ＥＧＲバルブ４７の開度を調整しても良いものである。
具体的には図２５に示すように、触媒温度がＴＡ〜ＴＢの範囲において、触媒温度が低くなるにつれて、ＥＧＲバルブ４７の開度を大きくして再循環ガス量を調整するようにコントローラ２８で制御しても良いものである。
ＥＧＲバルブ４７の開度が大きくなると、多くの再循環ガスが燃焼室３６内に導入されるので、燃焼室３６内の混合気が希釈され、図２６に示すように層流燃焼速度が小さくなる。触媒温度が低く燃焼期間（熱発生期間）が短い場合に、多くの再循環ガスを導入することで燃焼速度が低下して、熱発生期間が遅角側に移動する。この結果、触媒温度が低い場合でもＭＦＢ５０（燃焼中心）を最適位置に近づけることができ、ＥＧＲバルブ４７の開度を触媒温度に対応して変化させない場合に比べて熱効率を高くすることができる。
また、実施例１と本実施形態とを組み合わせて、触媒温度に対応してＥＧＲバルブ４７の開度と点火プラグ３９の点火時期の双方を同時に調整することも可能である。触媒温度が所定温度範囲ＴＡ〜ＴＢの範囲において、触媒温度が低くなるにつれて点火時期の進角量を小さくすると共に、ＥＧＲバルブの開度を大きく調整しても良いものである。
このように、触媒温度がＴＡのように低い場合において、点火プラグ３９の点火時期を遅らすことで、混合気の燃焼による熱が発生する燃焼開始時期が遅角し、更にＥＧＲバルブ４７の開度を大きくすることで、燃焼期間（熱発生期間）が長く継続される。
これらの双方の効果によって、触媒温度がＴＡのように低い場合のＭＦＢ５０（燃焼中心）であるθ５０Ａが遅角し、最適点であるθ５０Ｂに近づくことで触媒温度が低い場合の熱効率を高くすることができる。このように、点火プラグ３９の点火時期とＥＧＲバルブ４７の開度の双方を、触媒温度に対応して調整させた場合には、点火時期とＥＧＲバルブ開度の変化量を、それぞれ単独で制御する場合に比べて小さくできる効果がある。
以上に述べた通り、本発明はメタン転換触媒を用いて水素と排気ガスから分離した二酸化炭素からメタンを主成分とする副燃料を合成し、この副燃料を主燃料に混ぜて内燃機関で燃焼させると共に、メタン転換触媒の温度に対応して内燃機関の燃焼開始時期、或いは燃焼期間を調整する、構成とした。これによれば、合成される副燃料の成分に対応して内燃機関の作動が適切に制御され、熱効率の改善を図ることによって燃費の向上を図ることができる。
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。
１１…熱電対、１２…触媒担体、１３…触媒ケース、１４…温度補償導線、２０…火花点火式内燃機関、２１…ＣＯ２分離手段、２２…Ｈ２供給手段、２３…ミキサー、２４…メタン転換触媒、２５…凝縮器、２７…温度計測装置、２８…コントローラ、３１…シリンダ、３５…ピストン、３３…吸気バルブ、３４…排気バルブ、３２…シリンダヘッド、３６…燃焼室、３７…吸気通路、３８…排気通路、３９…点火プラグ、４０…主燃料用インジェクタ、４１…副燃料用インジェクタ、４２…隔壁、４３…タンブル生成バルブ、４４…回転軸、４５…アクチュエータ、４６…EGR通路、４７…EGRバルブ、４８…スロットル弁。

Claims (10)

  1. 内燃機関から排出される排気ガスから分離した二酸化炭素と水素をメタン転換触媒に導入して副燃料を合成する燃料改質手段と、前記副燃料を主燃料と共に前記内燃機関に供給する燃料供給手段と、前記内燃機関に供給された混合気に点火する点火手段と、前記燃料供給手段、及び前記点火手段を制御する制御手段とを備えたパワートレインシステムにおいて、
    前記制御手段は、前記メタン転換触媒の温度に対応して、前記点火手段による混合気の燃焼開始時期を調整する点火時期補正手段を備えていることを特徴とするパワートレインシステム。
  2. 請求項１に記載のパワートレインシステムにおいて、
    前記点火時期補正手段は、前記メタン転換触媒の温度が低くなるにしたがい、点火時期を遅角する方向に移行して前記燃焼開始時期を遅角させる機能を備えていることを特徴とするパワートレインシステム。
  3. 内燃機関から排出される排気ガスから分離した二酸化炭素と水素をメタン転換触媒に導入して副燃料を合成する燃料改質手段と、前記副燃料を主燃料と共に前記内燃機関に供給する燃料供給手段と、前記内燃機関に供給された混合気に点火する点火手段と、前記内燃機関の燃焼室内に生成される空気流動の強さを変化させる空気流動制御手段と、前記燃料供給手段、前記点火手段、及び空気流動制御手段を制御する制御手段とを備えたパワートレインシステムにおいて、
    前記制御手段は、前記メタン転換触媒の温度に対応して、空気流動に基づく混合気の燃焼期間を調整する空気流動補正手段を備えていることを特徴とするパワートレインシステム。
  4. 請求項３に記載のパワートレインシステムにおいて、
    前記空気流動補正手段は、前記メタン転換触媒の温度が低くなるにしたがい、空気流動が弱くなる方向に移行して前記燃焼期間を短くする機能を備えていることを特徴とするパワートレインシステム。
  5. 内燃機関から排出される排気ガスから分離した二酸化炭素と水素をメタン転換触媒に導入して副燃料を合成する燃料改質手段と、前記副燃料を主燃料と共に前記内燃機関に供給する燃料供給手段と、前記内燃機関に供給された混合気に点火する点火手段と、前記内燃機関の燃焼室内に生成される空気流動の強さを変化させる空気流動制御手段と、前記燃料供給手段、前記点火手段、及び空気流動制御手段を制御する制御手段とを備えたパワートレインシステムにおいて、
    前記制御手段は、前記メタン転換触媒の温度に対応して、前記点火手段による混合気の燃焼開始時期を調整する点火時期補正手段を備え、更に、前記制御手段は、前記メタン転換触媒の温度に対応して、空気流動に基づく混合気の燃焼期間を調整する空気流動補正手段を備えていることを特徴とするパワートレインシステム。
  6. 請求項５に記載のパワートレインシステムにおいて、
    前記点火時期補正手段は、前記メタン転換触媒の温度が低くなるにしたがい、点火時期を遅角する方向に移行して前記燃焼開始時期を遅角させる機能を備え、
    前記空気流動補正手段は、前記メタン転換触媒の温度が低くなるにしたがい、空気流動が弱くなる方向に移行して前記燃焼期間を短くする機能を備えていることを特徴とするパワートレインシステム。
  7. 内燃機関から排出される排気ガスから分離した二酸化炭素と水素をメタン転換触媒に導入して副燃料を合成する燃料改質手段と、前記副燃料を主燃料と共に前記内燃機関に供給する燃料供給手段と、前記内燃機関に供給された混合気に点火する点火手段と、前記内燃機関の排気ガスを前記内燃機関の吸気通路に再循環するＥＧＲ制御手段と、前記燃料供給手段、前記点火手段、及びＥＧＲ制御手段を制御する制御手段とを備えたパワートレインシステムにおいて、
    前記制御手段は、前記メタン転換触媒の温度に対応して、排気ガスの再循環に基づく混合気の燃焼期間を調整するＥＧＲ補正手段を備えていることを特徴とするパワートレインシステム。
  8. 請求項７に記載のパワートレインシステムにおいて、
    前記ＥＧＲ補正手段は、前記メタン転換触媒の温度が低くなるにしたがい、再循環量が多くなる方向に移行して前記燃焼期間を短くする機能を備えていることを特徴とするパワートレインシステム。
  9. 内燃機関から排出される排気ガスから分離した二酸化炭素と水素をメタン転換触媒に導入して副燃料を合成する燃料改質手段と、前記副燃料を主燃料と共に前記内燃機関に供給する燃料供給手段と、前記内燃機関に供給された混合気に点火する点火手段と、前記内燃機関の排気ガスを前記内燃機関の吸気通路に再循環するＥＧＲ制御手段と、前記燃料供給手段、前記点火手段、及びＥＧＲ制御手段を制御する制御手段とを備えたパワートレインシステムにおいて、
    前記制御手段は、前記メタン転換触媒の温度に対応して、前記点火手段による混合気の燃焼開始時期を調整する点火時期補正手段を備え、更に、前記制御手段は、前記メタン転換触媒の温度に対応して、排気ガスの再循環に基づく混合気の燃焼期間を調整する空気流動補正手段を備えていることを特徴とするパワートレインシステム。
  10. 請求項９に記載のパワートレインシステムにおいて、
    前記点火時期補正手段は、前記メタン転換触媒の温度が低くなるにしたがい、点火時期を遅角する方向に移行して前記燃焼開始時期を遅角させる機能を備え、
    前記ＥＧＲ補正手段は、前記メタン転換触媒の温度が低くなるにしたがい、再循環量が多くなる方向に移行して前記燃焼期間を短くする機能を備えていることを特徴とするパワートレインシステム。
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