WO2006049063A1 - 圧縮着火内燃機関の制御方法 - Google Patents

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Abstract

　単一の燃料により、広い範囲の要求負荷に対して容易に対処することができる圧縮着火内燃機関の制御方法を提供する。 　アルコールと液体炭化水素とを所定の割合で混合した混合燃料を収容する第１のタンク２と、第１のタンク２から供給された混合燃料に水を混合し、該水と該アルコールとが混合された混合液と、該液体炭化水素とを、相互に分離された状態で収容する第２のタンク４とを備え、圧縮着火内燃機関１の要求負荷に応じて、第１のタンク２に収容された混合燃料の供給量と第２のタンク４に収容された液体炭化水素の供給量とを変化させる。

Description

明 細 書
圧縮着火内燃機関の制御方法
技術分野
[0001] 本発明は、圧縮着火内燃機関の制御方法に関するものである。
背景技術
[0002] 近年、内燃機関の燃費を向上し、排出物を低減するために、予混合圧縮着火内燃 機関に代表される圧縮着火内燃機関が検討されている。圧縮着火内燃機関は、酸 素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダ内に導入し、圧縮して自着火させ るものである。
[0003] ところが、圧縮着火内燃機関は、火花点火方式の内燃機関と異なり着火のタイミン グを制御することが難しい。また、圧縮着火内燃機関は、着火性の高い燃料を用いる と該機関の要求負荷が大きくなつたときにノッキングを起こしやすぐ着火性の低い燃 料を用いると該機関の要求負荷が小さくなつたときに失火しやすい。このため、圧縮 着火内燃機関は、安定に運転することができる運転領域が狭いとの問題がある。
[0004] 前記問題を解決するために、従来、着火性の高!ヽ燃料と、着火性の低!ヽ燃料とを 備え、両燃料を混合して圧縮着火内燃機関に供給する技術が知られている (例えば 日本国特許公開公報 2001— 355471号参照)。前記技術によれば、前記圧縮着火 内燃機関の要求負荷に対応して、両燃料の混合比を調整することにより、広い範囲 の要求負荷に対して安定して運転することができる。しかし、前記技術では、着火性 の高い燃料と、着火性の低い燃料とをそれぞれ別に準備し収容しておく必要がある。
[0005] これに対して、単一の燃料を用い、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が大きくな つたときには、該燃料の一部を部分酸ィ匕して着火性抑制物質を生成させる技術も知 られている（例えば日本国特許公開公報 2000— 213444号参照)。前記技術は、具 体的には、軽油等の炭化水素系燃料の一部を部分酸ィ匕してホルムアルデヒド等の着 火性抑制物質を生成させるものである。
[0006] し力しながら、前記軽油等の炭化水素を部分酸化してホルムアルデヒドを生成させ るには、高温で長時間の反応が必要になるという不都合がある。 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 本発明は、力かる不都合を解消して、単一の燃料により、広い範囲の要求負荷に 対して容易に対処することができる圧縮着火内燃機関の制御方法を提供することを 目的とする。
課題を解決するための手段
[0008] かかる目的を達成するために、本発明は、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料 とをシリンダ内に導入し、圧縮して自着火させる圧縮着火内燃機関の制御方法にお V、て、アルコールと液体炭化水素とを所定の割合で混合した混合燃料を収容する第 1のタンクと、該第 1のタンクカゝら供給された混合燃料に水を混合し、該水と該アルコ ールとが混合された混合液と、該液体炭化水素とを、相互に分離された状態で収容 する第 2のタンクとを備え、該圧縮着火内燃機関の要求負荷に応じて、該第 1のタン クに収容された混合燃料の供給量と該第 2のタンクに収容された液体炭化水素の供 給量とを変化させることを特徴とする。
[0009] 本発明によれば、第 1のタンクに、圧縮自着火可能な燃料であるアルコールと液体 炭化水素とを混合した混合燃料が収容されている。前記混合燃料は、液体炭化水素 に比べて着火性の低 、アルコールを前記液体炭化水素に加えて 、るため、相対的 に着火性が低くなつている。
[0010] ここで、前記アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等 のようなアルキル基の炭素数が 3以下のものが挙げられる。また、前記液体炭化水素 としては、例えば、ヘプタンのような直鎖の飽和炭化水素、イソオクタンのような分岐 鎖を有する飽和炭化水素、 1一へキセンのような不飽和炭化水素、シクロへキサンの ような脂環式炭化水素、トルエンのような芳香族炭化水素、及び、これらの液体炭化 水素の混合物であるガソリン、軽油等が挙げられる。
[0011] また、第 2のタンクでは、前記第 1のタンク力も供給された前記混合燃料に水が混合 されている。このように混合すると、液体炭化水素は実質的に水に不溶であり、アルコ ールは水に易溶であるため、前記混合燃料中のアルコールのみが水に溶解して混 合液を形成する。そして、前記混合液と前記液体炭化水素とでは比重が異なるので 、該混合液と該液体炭化水素とは、重力により該混合液と該液体炭化水素との二層 に分離する。このとき、例えば、前記アルコールとしてエタノールを用い、前記液体炭 化水素としてガソリンを用いた場合には、該液体炭化水素の比重は、前記混合液の 比重より小さいため、該液体炭化水素が上層となり、該混合液が下層となる。この分 離は、比重の違いによって行われるので、常温で速やかに行われる。分離された前 記液体炭化水素は、着火性の低いアルコールを含まなくなるため、前記混合燃料に 比べて、着火性の高い燃料となる。よって、単一の燃料から、着火性の異なる 2種類 の燃料を容易に得ることができる。
[0012] そして、圧縮着火内燃機関の要求負荷に応じて、前記第 1のタンク内の混合燃料 の供給量と前記第 2のタンク内の液体炭化水素の供給量とを変化させることにより、 圧縮着火内燃機関を安定して運転することができる。
[0013] 従って、本発明によれば、単一の燃料により、広い範囲の要求負荷に対して容易に 対処することができる。
[0014] さらに、本発明において、圧縮着火内燃機関を安定して運転するためには、圧縮 着火内燃機関の要求負荷に応じて、最適な着火性をもつように燃料を供給すること が望ましい。
[0015] 例えば、本発明の制御方法は、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が所定値より 大きい場合には、前記第 1のタンクに収容された着火性の低い前記混合燃料を該圧 縮着火内燃機関に供給し、該圧縮着火内燃機関の要求負荷が該所定値以下の場 合には、前記第 2のタンクに収容された着火性の高い前記液体炭化水素を該圧縮着 火内燃機関に供給する。
[0016] または、本発明の制御方法は、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が大きくなるほ ど、該圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める前記混合燃料の割合が増 加するように、前記第 1のタンクに収容された混合燃料の供給量と前記第 2のタンクに 収容された液体炭化水素の供給量とをそれぞれ変化させ、該圧縮着火内燃機関の 要求負荷が小さくなるほど、該圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める前 記液体炭化水素の割合が増加するように、該第 1のタンクに収容された混合燃料の 供給量と該第 2のタンクに収容された液体炭化水素の供給量とをそれぞれ変化させ るようにしてちょい。
[0017] 前記いずれかの方法によれば、圧縮着火内燃機関の要求負荷が大きくなつたとき にも、ノッキング等を起こすことがなぐ圧縮着火内燃機関の要求負荷が小さくなつた ときにも、失火等を起こすことがないので、圧縮着火内燃機関を安定して運転するこ とがでさる。
[0018] また、本発明では、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が大きくなつたときには、前 記第 1のタンクに収容された混合燃料又は前記第 2のタンクに収容された液体炭化 水素とともに、前記第 2のタンクに収容された混合液を該圧縮着火内燃機関に供給 することが好ましい。
[0019] これによれば、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が大きくなつたときは、水とアル コールとが混合された前記混合液が供給されるので、着火性の低!、アルコールによ り、ノッキングを抑制することができる。また、前記混合液に含まれる水により、燃焼温 度が低下するため、ノッキングを抑制することができるとともに、 NOxの生成を抑制す ることがでさる。
[0020] なお、内燃機関の燃焼温度を低下させるために、内燃機関のシリンダ内に単に水 を噴射する技術は知られている（例えば日本国特許公開公報平成 10— 252572号 、 日本国特許公開公報 2000— 204990号参照）。
発明を実施するための最良の形態
[0021] 本発明の一実施形態を添付の図面を参照して説明する。図 1は本実施形態の制御 方法を示すブロック図であり、図 2は本実施形態の制御方法における、圧縮着火内 燃機関の要求負荷とシリンダへの燃料供給量との関係の一例を示すグラフである。
[0022] 本実施形態の制御方法は、図 1に示す圧縮着火内燃機関 1により実施することがで きる。圧縮着火内燃機関 1は、アルコールと液体炭化水素とを混合した混合燃料を収 容した第 1燃料タンク 2と、水を収容した水タンク 3と、第 1燃料タンク 2から供給される 混合燃料に水タンク 3から供給される水を混合して収容する第 2燃料タンク 4と、第 1 燃料タンク 2と第 2燃料タンク 4とから供給される燃料を圧縮して自着火させるシリンダ 5とを備える。
[0023] 第 1燃料タンク 2は、供給導管 6により流量調整弁 7を介して第 2燃料タンク 4に接続 されていて、前記混合燃料を第 2燃料タンク 4に供給する。供給導管 6は、第 2燃料タ ンク 4の下部に接続されている。また、第 1燃料タンク 2は、供給導管 8により流量調整 弁 9を介してシリンダ 5に接続されて ヽて、前記混合燃料をシリンダ 5に供給する。
[0024] 水タンク 3は、供給導管 10により流量調整弁 11を介して第 2燃料タンク 4に接続さ れていて、水を第 2燃料タンク 4に供給する。供給導管 10は、第 2燃料タンク 4の上部 に接続されている。
[0025] 第 2燃料タンク 4は、供給導管 12により流量調整弁 13を介してシリンダ 5に接続され ている。供給導管 12は、第 2燃料タンク 4の上部に、供給導管 10と離れて接続されて いる。また、第 2燃料タンク 4は、供給導管 14により流量調整弁 15を介してシリンダ 5 に接続されている。供給導管 14は、第 2燃料タンク 4の下部に、供給導管 6と離れて 接続されている。
[0026] 次に、本実施形態の制御方法について説明する。
[0027] まず、本実施形態の制御方法は、流量調整弁 7を所定の開度で開き、第 1燃料タン ク 2に収容されて ヽるアルコールと液体炭化水素とを混合した混合燃料を、供給導管 6を介して第 2燃料タンク 4に供給する。同時に、本実施形態の制御方法は、流量調 整弁 11を流量調整弁 7の開度に応じた所定の開度で開き、水タンク 3に収容されて いる水を、供給導管 10を介して第 2燃料タンク 4に供給する。これにより、第 1燃料タ ンク 2から供給された混合燃料と、水タンク 3から供給された水とが混合し、水とアルコ ールとが混合された混合液と、液体炭化水素とに分離する。
[0028] ここで、前記混合燃料は、アルコールと液体炭化水素とが所定の割合 (例えば、ァ ルコール 20重量％、液体炭化水素 80重量％)で混合されたものである。前記液体 炭化水素としては、直鎖の飽和炭化水素のような、着火性のより高い液体炭化水素 を用いることが好ましい。着火性のより高い液体炭化水素を用いることで、着火性の 低 、アルコールと混合した前記混合燃料の状態における着火性と、分離して液体炭 化水素のみにした状態における着火性との差が大きくなり、着火性を変化させること ができる範囲を広くすることができる。前記液体炭化水素としては、例えば、ヘプタン (C H )を挙げることができる。
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[0029] また、前記アルコールとしては、アルキル基の炭素数が 3以下のような、より水に易 溶であるアルコールを用いることが好まし 、。より水に易溶であるアルコールを用いる ことで、加水によって前記混合燃料のアルコールと液体炭化水素とを容易に分離す ることができる。前記アルコールとしては、例えば、エタノールお H OH)を挙げるこ
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とがでさる。
[0030] なお、前記エタノールは、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物 の発酵、蒸留により得られるが、該植物性物質は、原料となる植物自体が既に二酸 化炭素を吸収している。従って、前記植物性物質を燃焼させたとしても、排出される 二酸化炭素の量は、前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しぐ総計として の二酸ィ匕炭素の排出量は理論的にはゼロになるという所謂カーボン-ユートラル効 果を得ることができる。よって、圧縮着火内燃機関 1に前記エタノールを含有する前 記混合燃料を用いることが望ま 、。
[0031] そして、第 2燃料タンク 4において、前記水が第 2燃料タンク 4の上部より供給され、 前記混合燃料が第 2燃料タンク 4の下部カゝら供給されると、水は混合燃料より比重が 大きいため下降し、混合燃料は上昇するので、水と混合燃料とが自然に混合する。
[0032] このとき、液体炭化水素は実質的に水に不溶であり、アルコールは水に易溶である ため、混合燃料中のアルコールのみが水に溶解して混合液を形成し、液体炭化水素 と混合液との二層に分離する。ここで、例えば、アルコールとしてエタノールを用い、 液体炭化水素としてガソリンを用いた場合には、液体炭化水素の比重は、混合液の 比重より小さいため、液体炭化水素が上層となり、混合液が下層となる。この分離は、 比重の違いによって行われるので、常温で速やかに行われる。分離された液体炭化 水素は、着火性の低いアルコールを含まなくなるため、混合燃料に比べて、着火性 の高い燃料となる。よって、単一の燃料から、着火性の異なる 2種類の燃料を容易に 得ることができる。
[0033] なお、前記水は、第 2燃料タンク 4に供給される前記混合燃料に対して、該混合燃 料のアルコールと液体炭化水素とを分離しやす 、ような所定の割合 (例えば、第 2燃 料タンク 4に供給される前記混合燃料に対して 3重量％)になるように供給される。
[0034] 次に、本実施形態の制御方法は、圧縮着火内燃機関 1の要求負荷の大きさに応じ て、流量調整弁 13を所定の開度で開き、第 2燃料タンク 4内の上層に分離された液 体炭化水素を、供給導管 12を介してシリンダ 5に供給する。これとともに、本実施形 態の制御方法は、流量調整弁 9を流量調整弁 13の開度に応じた所定の開度で開き 、第 1燃料タンク 2に収容されている混合燃料を、供給導管 8を介してシリンダ 5に供 給する。
[0035] このとき、本実施形態の制御方法は、流量調整弁 13、 9の開度を調整し、供給導管 12からシリンダ 5に供給される着火性の高い燃料と、供給導管 8からシリンダ 5に供給 される着火性の低い燃料との割合を適宜調整する。例えば、本実施形態の制御方法 は、圧縮着火内燃機関 1の要求負荷が大きくなるほど、混合燃料の割合が増加する ように調整し、圧縮着火内燃機関 1の要求負荷が小さくなるほど、液体炭化水素の割 合が増加するように調整する。
[0036] 上述の処理の一例として、図 2のグラフを用いて説明する。図 2は圧縮着火内燃機 関 1の要求負荷とシリンダ 5への燃料供給量との関係の一例を示すグラフであり、縦 軸は燃料供給量を示し、横軸は正味平均有効圧力を示している。正味平均有効圧 力は、圧縮着火内燃機関 1の要求負荷に相当する値である。正味平均有効圧力は、 圧縮着火内燃機関 1の軸トルクから仕事を算出し、該仕事を圧縮着火内燃機関 1の シリンダ 5の容積で除した値で圧力として示される。図 2には、シリンダ 5への全燃料 供給量の推移が示されると共に、全燃料に含まれる前記混合液と前記液体炭化水 素と前記混合燃料との各供給量がそれぞれ示されて！/、る。
[0037] 図 2に示されるように、まず、要求負荷としての正味平均有効圧力力OMPaから 0.
2MPaまで増加するときには、前記液体炭化水素のみが供給され、正味平均有効圧 力の増加に従ってその供給量が増加する。次に、正味平均有効圧力が 0. 2MPaか ら 0. 8MPaまで増加するときには、前記液体炭化水素と前記混合燃料とが供給され る。このとき、全燃料供給量は正味平均有効圧力の増加に従って増加するが、前記 液体炭化水素の供給量は、正味平均有効圧力の増加に従って減少する。そして、正 味平均有効圧力が 0. 8MPaに達すると、前記液体炭化水素の供給量は 0になる。 すなわち、前記混合燃料のみが供給される。
[0038] これにより、シリンダ 5に供給される燃料の着火性を、圧縮着火内燃機関 1の要求負 荷の大きさに応じて適切に調整することができる。従って、失火やノッキング等を起こ すことなぐ圧縮着火内燃機関 1を安定して運転することができる。
[0039] また、本実施形態の制御方法は、圧縮着火内燃機関 1の要求負荷がさらに大きく なって、前記混合燃料を供給するのみではノッキングを起こすような所定値 (例えば、 図 2における正味平均有効圧力 0. 8MPa)を超えた場合には、流量調整弁 9を所定 の開度で開き、前記混合燃料をシリンダ 5に供給するとともに、流量調整弁 15を流量 調整弁 9の開度に応じた所定の開度で開き、第 2燃料タンク 4内の下層に分離された 水とアルコールとの混合液を、供給導管 14を介してシリンダ 5に供給する。
[0040] なお、本実施形態の制御方法は、前記液体炭化水素又は前記混合燃料が供給さ れている状態 (例えば、図 2における正味平均有効圧力 0. 8MPa未満の状態）にお V、て、該液体炭化水素又は該混合燃料を供給するのみではノッキングを起こすよう な値を、前記所定値として用いてもよい。このとき、本実施形態の制御方法は、圧縮 着火内燃機関 1の要求負荷が前記所定値を超えた場合には、流量調整弁 9、 13を 所定の開度で開き、前記液体炭化水素又は前記混合燃料をシリンダ 5に供給すると ともに、流量調整弁 15を流量調整弁 9、 13の開度に応じた所定の開度で開き、第 2 燃料タンク 4内の下層に分離された水とアルコールとの混合液を、供給導管 14を介し てシリンダ 5に供給する。
[0041] これにより、圧縮着火内燃機関 1の要求負荷がさらに大きくなつたときには、水とァ ルコールとが混合された混合液が供給されるので、着火性の低 、アルコールにより、 ノッキングを抑制することができる。また、混合液に含まれる水により、燃焼温度が低 下するため、ノッキングを抑制することができるとともに、 NOxの生成を抑制すること ができる。
[0042] ここで、前記混合液は、シリンダ 5に供給される全燃料に対して、例えば、 5〜50重 量％になるように供給されることが好ま 、。
[0043] 例えば、図 2に示されるように、正味平均有効圧力が 0. 8MPaを超えた場合、シリ ンダ 5には前記混合燃料が供給されるとともに、前記混合液が供給される。正味平均 有効圧力が 0. 8MPaから、圧縮着火内燃機関 1の最大正味平均有効圧力である 1. 2MPaまで増加するとき、全燃料供給量は正味平均有効圧力の増加に従って増加 する。このとき、正味平均有効圧力が増加するに従って、前記混合液の供給量が増 加する。なお、前記混合液は、供給される割合が全燃料供給量に対して 5重量％を 超えるとノッキングの抑制に有効となり、 50重量％を上限として供給される。
[0044] なお、本実施形態においては、圧縮着火内燃機関 1の要求負荷の大きさに応じて 、前記液体炭化水素と前記混合燃料とを所定の割合になるように調整してシリンダ 5 に供給するようにしているが、他の実施形態として、圧縮着火内燃機関 1の要求負荷 の大きさに応じて、前記液体炭化水素と前記混合燃料とのどちらか一方のみをシリン ダ 5に供給するようにしてもよい。例えば、前記他の実施形態の制御方法は、圧縮着 火内燃機関 1の要求負荷が、前記液体炭化水素を供給するのみでは安定な運転が できなくなるような所定値を越えないときには、第 2燃料タンク 4に収容されている前記 液体炭化水素のみをシリンダ 5に供給し、圧縮着火内燃機関 1の要求負荷が該所定 値を超えたときには、第 1燃料タンク 2に収容されている前記混合燃料のみをシリンダ 5に供給する。
図面の簡単な説明
[0045] [図 1]本発明の実施形態である圧縮着火内燃機関の制御方法に係る構成を示すブ ロック図。
[図 2]図 1の圧縮着火内燃機関の制御方法における、圧縮着火内燃機関の要求負荷 とシリンダへの燃料供給量との関係の一例を示すグラフ。
符号の説明
[0046] 1…圧縮着火内燃機関、 2…第 1燃料タンク、 3…水タンク、 4…第 2燃料タンク、 5〜 シリンダ、 6、 8、 10、 12、 14· ··供給導管、 7、 9、 11、 13、 15· ··流量調整弁

Claims

請求の範囲
[1] 酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダ内に導入し、圧縮して自着火さ せる圧縮着火内燃機関の制御方法において、
アルコールと液体炭化水素とを所定の割合で混合した混合燃料を収容する第ェの タンクと、
該第 1のタンクから供給された混合燃料に水を混合し、該水と該アルコールとが混 合された混合液と、該液体炭化水素とを、相互に分離された状態で収容する第 2のタ ンクとを備え、
該圧縮着火内燃機関の要求負荷に応じて、該第 1のタンクに収容された混合燃料 の供給量と該第 2のタンクに収容された液体炭化水素の供給量とを変化させることを 特徴とする圧縮着火内燃機関の制御方法。
[2] 前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が所定値より大きい場合には、前記第 1のタン クに収容された前記混合燃料を該圧縮着火内燃機関に供給し、
該圧縮着火内燃機関の要求負荷が該所定値以下の場合には、前記第 2のタンク に収容された前記液体炭化水素を該圧縮着火内燃機関に供給することを特徴とす る請求項 1記載の圧縮着火内燃機関の制御方法。
[3] 前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が大きくなるほど、該圧縮着火内燃機関に供 給される全燃料中に占める前記混合燃料の割合が増加するように、前記第 1のタンク に収容された混合燃料の供給量と前記第 2のタンクに収容された液体炭化水素の供 給量とをそれぞれ変化させ、
該圧縮着火内燃機関の要求負荷が小さくなるほど、該圧縮着火内燃機関に供給さ れる全燃料中に占める前記液体炭化水素の割合が増加するように、該第 1のタンク に収容された混合燃料の供給量と該第 2のタンクに収容された液体炭化水素の供給 量とをそれぞれ変化させることを特徴とする請求項 1記載の圧縮着火内燃機関の制 御方法。
[4] 前記内燃機関の要求負荷が大きくなつたときには、前記第 1のタンクに収容された 混合燃料又は前記第 2のタンクに収容された液体炭化水素とともに、前記第 2のタン クに収容された混合液を該圧縮着火内燃機関に供給することを特徴とする請求項 1 〜請求項 3のうちいずれか 1項記載の圧縮着火内燃機関の制御方法。
[5] 前記アルコールは、アルキル基の炭素数が 3以下であって、メタノール、エタノール 、又はプロパノールのいずれかであることを特徴とする請求項 1記載の圧縮着火内燃 機関の制御方法。
[6] 前記アルコールは、エタノールであることを特徴とする請求項 5記載の圧縮着火内 燃機関の制御方法。
[7] 前記液体炭化水素は、飽和炭化水素、不飽和炭化水素、脂環式炭化水素、芳香 族炭化水素からなる群力 選択される一種以上の液体炭化水素であることを特徴と する請求項 1記載の圧縮着火内燃機関の制御方法。
[8] 前記液体炭化水素は、ガソリンであることを特徴とする請求項 7記載の圧縮着火内 燃機関の制御方法。
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