JP6639344B2 - 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法 - Google Patents
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Description
また、前記反応ガス温度は、前記ピストンが圧縮上死点に達した時点での前記燃料改質気筒内のガス温度である。
図1は本実施形態に係る内燃機関のシステム構成を示す図である。
燃料改質気筒2および出力気筒3は、共にレシプロ型で構成されている。具体的に、各気筒2,3は、シリンダブロック(図示省略)に形成されたシリンダボア21,31内にピストン22,32が往復動自在に収容されて構成されている。燃料改質気筒2では、シリンダボア21、ピストン22、図示しないシリンダヘッドによって燃料改質室23が形成されている。出力気筒3では、シリンダボア31、ピストン32、図示しないシリンダヘッドによって燃焼室33が形成されている。
吸気系4は、燃料改質気筒2の燃料改質室23および出力気筒3の燃焼室33それぞれに空気(新気)を導入するものである。
改質燃料供給系5は、前記燃料改質気筒2で生成された改質燃料を出力気筒3の燃焼室33に向けて供給するものである。
排気系6は、前記出力気筒3で発生した排気ガスを排出するものである。この排気系6は排気通路61を備えている。この排気通路61には、ターボチャージャ12のタービンホイール12bが備えられている。排気通路61は出力気筒3の排気ポートに連通している。この排気ポートと出力気筒3の燃焼室33との間には排気バルブ37が開閉可能に配設されている。
EGR系7は、燃料改質気筒EGR系7Aと出力気筒EGR系7Bとを備えている。
出力気筒バイパス系8は、前記燃料改質気筒2から排出されたガスを出力気筒3に供給することなく(出力気筒3をバイパスさせて)、前記排気通路61に導入するためのものである。この出力気筒バイパス系8は出力気筒バイパス通路81を備えている。この出力気筒バイパス通路81は、上流端が改質燃料供給通路51における改質燃料冷却器52の上流側に、下流端が出力気筒EGR通路76におけるEGRガス冷却器77の上流側(排気通路61側)にそれぞれ連通されている。また、この出力気筒バイパス通路81にはバイパス量調整弁82が備えられている。
図2は、内燃機関1の制御系の概略構成を示す図である。内燃機関1には、この内燃機関1に備えられた各種アクチュエータを制御するための制御装置に相当するECU(Electronic Control Unit)100が備えられている。このECU100は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)およびバックアップRAM等を備えている。
次に、前述の如く構成された内燃機関1の基本動作について説明する。
次に、燃料改質気筒2の燃料改質室23において改質反応を可能にするための条件について説明する。この改質反応を可能にするためには、燃料改質室23における混合気の当量比および燃料改質室23の温度(ガス温度)が共に、改質反応を可能にする範囲内にあることが必要である。また、燃料改質室23における混合気の当量比に応じて、燃料が改質反応を行うのに必要なガス温度は異なっており、改質反応を可能にするためには、混合気の当量比に応じた燃料改質室23の温度(改質反応を可能にする最低温度以上の温度)が必要となる。
次に、本実施形態の特徴である燃料改質運転の制御について説明する。前述したように、燃料改質気筒2において改質燃料を生成する場合、燃料改質室23内の当量比を高くして、酸化反応(燃焼)を抑制しながら改質反応が行われるようにしている。また、燃料改質室23に供給される燃料の量は、機関負荷に応じて変更される。つまり、内燃機関1の低負荷運転時には、燃料改質室23に供給される燃料の量は少なくなる。このように燃料改質室23への燃料供給量が少なくなった場合、この燃料改質室23内の当量比が(低下して)1に近づく可能性がある。このような状況では、燃料改質室23内での燃料の酸化反応量(燃焼量)が多くなり、発生熱量が多くなって燃料改質室23内の温度(反応ガス温度)が高くなってしまう。
先ず、実際の圧縮端ガス温度の算出動作(推定動作)について説明する。
吸入ガス温度Tiniは前記吸入ガス温度センサ103からの出力信号に基づいて算出される。ここで算出される吸入ガス温度Tiniは、燃料改質気筒吸気通路42に対する燃料改質気筒EGR通路71の連通部分よりも下流側の吸入ガス温度である。
燃料改質気筒2の有効圧縮比εは、燃料改質気筒2における吸気バルブ26が閉弁した時点での燃料改質室23の容積と、ピストン22が圧縮上死点に達した時点での燃料改質室23の容積との比として算出される。なお、この燃料改質気筒2の有効圧縮比εは、ピストン22が下死点にある時点での燃料改質室23の容積とピストン22が上死点にある時点での燃料改質室23の容積との比(見かけの圧縮比)によって簡易的に求めるようにしてもよい。
ポリトロープ数κは、燃料改質室23内でのガスの圧縮行程における定圧比熱と定積比熱との比で定義される。吸入ガスの全量が空気であり、シリンダ壁面への熱流出が無い場合にはκ=1.4程度となる。しかしながら、燃料改質室23における吸入ガスの実際のポリトロープ数は、全量が空気である場合や熱流出が無い場合とは異なっているので、以下のような修正が行われる。
前記ポリトロープ数κは熱損失量に応じて変化する。前述したようにシリンダブロックには冷却水通路13が形成されており、この冷却水通路13を流れる冷却水に向けての熱流出が存在している。このため、前記水温センサ106からの出力に基づいて冷却水の温度を算出することで、熱損失量を予測することが可能である。または、冷却水温度と熱損失量との関係を予め把握しておくことで、この冷却水温度から熱損失量を推定することが可能である。
燃料改質室23内のガス組成によってもポリトロープ数κは変化する。つまり、吸入ガスの全量が空気である場合、吸入ガスの大部分は2原子分子であるため、ポリトロープ数κは「1.4」程度となる。これに対し、吸入ガス中に既燃ガス(CO2やH2O)や燃料が含まれていると、前記2原子分子の割合が低下することで、ポリトロープ数κも低下することになる。
また、燃料改質室23内の当量比を推定し、この当量比からポリトロープ数κを補正演算することも可能である。
改質反応に伴う温度上昇分の補正係数Creactは、ピストン22が圧縮上死点に達する前に改質反応が開始された場合、部分酸化反応によるガス温度の上昇分だけ圧縮端ガス温度を補正するためのものである。このため、前述したように、燃料改質室23内の当量比が1に近づいた場合には、燃料改質室23内の酸化反応量の増大に伴い、この補正係数Creactは大きな値として求められることになる。つまり、この補正係数Creactは、図4における矢印の傾き(当量比の変化に対する反応ガス温度の変化の割合)を表す値となる。
次に、前記スート発生下限温度の設定動作について説明する。前述したように、スート発生下限温度は、混合気の当量比等に応じて設定される。つまり、図4からも明らかなように、混合気の当量比が異なれば、スート発生下限温度(図4におけるスート生成域の低温側の境界値)も異なった値となる。
前述した燃料改質室23の反応ガス温度の上昇を抑制するための反応ガス温度調整動作としては、以下に述べる2種類の動作が挙げられる。実際の圧縮端ガス温度が、スート発生下限温度以上であってスート生成域にあると推定された場合には、これら反応ガス温度調整動作のうちの少なくとも一つが選択されて実行されることになる。以下、各反応ガス温度調整動作について説明する。
先ず、第1調整動作について説明する。この第1調整動作は、燃料改質気筒EGR系7Aを経て燃料改質室23に導入されるEGRガスの流量および温度を調整することによって反応ガス温度を調整するものである。
次に、第2調整動作について説明する。この第2調整動作は、燃料改質気筒2の有効圧縮比を低くすることによって反応ガス温度を調整するものである。
次に、前記圧縮端ガス温度およびスート発生下限温度を利用した燃料改質運転の制御について説明する。
なお、前記実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、前記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
2 燃料改質気筒(燃料改質装置)
21,31 シリンダボア
22,32 ピストン
26 吸気バルブ
3 出力気筒
73 EGRガス量調整弁
75 バイパス量調整弁
100 ECU
Claims (8)
- 燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒と、この燃料改質気筒で生成された改質燃料が供給され当該改質燃料の燃焼によって機関出力を得る出力気筒とを備えた内燃機関に適用される制御装置において、
前記燃料改質気筒は、シリンダと、該シリンダ内に往復動自在に収容されたピストンとを含んで成り、
燃料改質時における前記燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が、この燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度によって規定されるスート生成域を外れた改質反応可能域となるように、前記燃料改質気筒内の当量比に応じて前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整する反応ガス温度調整部を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の制御装置において、
前記反応ガス温度調整部は、前記燃料改質気筒内の当量比が低下して1に近づいたことに伴う前記燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量を変更するようになっており、前記燃料改質気筒内の当量比が1に近づくほど、前記制御量を大きくすることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項1または2記載の内燃機関の制御装置において、
前記反応ガス温度調整部は、前記出力気筒から排出された排気ガスの前記燃料改質気筒内への還流量およびこの還流される排気ガスの温度のうち少なくとも一方を調整することによって、前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項1または2記載の内燃機関の制御装置において、
前記反応ガス温度調整部は、前記燃料改質気筒の有効圧縮比を調整することによって、前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項2記載の内燃機関の制御装置において、
前記燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量が制御可能範囲の限界値に達しても、前記燃料改質時における前記燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が前記スート生成域にあると推定された場合には、前記燃料改質気筒での燃料改質運転を非実行とすることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒と、この燃料改質気筒で生成された改質燃料が供給され当該改質燃料の燃焼によって機関出力を得る出力気筒とを備えた内燃機関に適用される制御方法であって、
前記燃料改質気筒は、シリンダと、該シリンダ内に往復動自在に収容されたピストンとを含んで成り、
燃料改質時における前記燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が、この燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度によって規定されるスート生成域を外れた改質反応可能域となるように、前記燃料改質気筒内の当量比に応じて前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整することを特徴とする内燃機関の制御方法。 - 請求項1〜5のうち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
前記反応ガス温度は、前記ピストンが圧縮上死点に達した時点での前記燃料改質気筒内のガス温度であることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項6記載の内燃機関の制御方法において、
前記反応ガス温度は、前記ピストンが圧縮上死点に達した時点での前記燃料改質気筒内のガス温度であることを特徴とする内燃機関の制御方法。
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