JP2006125267A - Hydrogen-added internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、水素添加内燃機関に関する。 The present invention relates to a hydrogenated internal combustion engine.
燃料としてガソリンを用いる内燃機関では、ガソリンに加えてさらに水素ガスを供給することによって、排気ガス中の窒素酸化物(NOX)の更なる低減が可能となることが知られている。例えば、特開2004−116398号公報には、水素インジェクタとガソリンインジェクタを備え、水素とガソリンを所定の割合で筒内へ噴射する内燃機関が開示されている。 In an internal combustion engine that uses gasoline as fuel, it is known that further reduction of nitrogen oxides (NO x ) in exhaust gas is possible by supplying hydrogen gas in addition to gasoline. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-116398 discloses an internal combustion engine that includes a hydrogen injector and a gasoline injector and injects hydrogen and gasoline into a cylinder at a predetermined ratio.
内燃機関は排気ガスを浄化する触媒を備えているが、機関始動直後は触媒の温度が低く、触媒が活性化していないため、触媒が活性化するまでの間は排気成分を浄化することが困難となる。このため、通常のガソリンを燃料とする内燃機関では、機関始動時に筒内へ供給するガソリン量をストイキよりも大幅に増量して排気系に未燃成分を送り、未燃成分を触媒上で燃焼させることで触媒を活性化することが行われている。 Although an internal combustion engine is equipped with a catalyst that purifies exhaust gas, it is difficult to purify exhaust components until the catalyst is activated because the catalyst temperature is low immediately after the engine is started and the catalyst is not activated. It becomes. For this reason, in an internal combustion engine that uses ordinary gasoline as fuel, the amount of gasoline supplied into the cylinder at the time of engine startup is greatly increased from the stoichiometric ratio, and unburned components are sent to the exhaust system, and unburned components are burned on the catalyst. In this way, the catalyst is activated.
しかしながら、排気系に送られるガソリンの未燃成分は燃焼温度が低いため、水素とガソリンを燃焼させる内燃機関において、暖機のためにガソリン量を増量した場合、触媒の暖機時間が長くなるという問題が生じる。このため、触媒が活性化するまでに長時間を要することとなり、触媒が活性化するまでの間は排気成分を浄化することができないため、エミッションが低下するという問題が発生する。 However, because the unburned components of gasoline sent to the exhaust system have a low combustion temperature, when the amount of gasoline is increased for warming up in an internal combustion engine that burns hydrogen and gasoline, the warm-up time of the catalyst becomes longer. Problems arise. For this reason, it takes a long time for the catalyst to be activated, and the exhaust component cannot be purified until the catalyst is activated, resulting in a problem of reduced emissions.
また、ガソリンの未燃成分は比較的燃焼しにくい特性を有しているため、ガソリンを触媒上で燃焼させる際にはガソリンを多量に供給する必要がある。このため、効率、燃費が低下するという問題が生じる。更に、ガソリンの未燃成分は、触媒がある程度の温度に到達するまでは触媒上で燃焼しないため、ガソリンを多量に供給した場合、未燃ガソリンが触媒を通過して外部に排出されるという問題も生じる。 In addition, since unburned components of gasoline have characteristics that are relatively difficult to burn, when gasoline is burned on a catalyst, it is necessary to supply a large amount of gasoline. For this reason, the problem that efficiency and a fuel consumption fall arises. Furthermore, since the unburned components of gasoline do not burn on the catalyst until the catalyst reaches a certain temperature, when a large amount of gasoline is supplied, the unburned gasoline passes through the catalyst and is discharged outside. Also occurs.
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃焼の燃料としてガソリンと共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関において、触媒の暖機時間をより短縮することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to further shorten the warm-up time of a catalyst in a hydrogenated internal combustion engine that uses hydrogen gas together with gasoline as combustion fuel. .
第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃焼の燃料として炭化水素燃料と共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関であって、吸気通路又は筒内に炭化水素燃料を噴射する炭化水素燃料噴射弁と、吸気通路又は筒内に水素ガスを噴射する水素噴射弁と、触媒暖機時に、通常時に比べて水素ガスの噴射量を増量する水素噴射量増量手段と、を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a hydrogenated internal combustion engine that uses hydrogen gas together with hydrocarbon fuel as combustion fuel, and injects hydrocarbon fuel into an intake passage or a cylinder. And a hydrogen injection valve for injecting hydrogen gas into the intake passage or the cylinder, and a hydrogen injection amount increasing means for increasing the injection amount of hydrogen gas compared to the normal time when the catalyst is warmed up. To do.
第2の発明は、第1の発明において、前記水素噴射量増量手段は、触媒暖機時に、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を通常時に比べて大きくすることを特徴とする。 A second invention is characterized in that, in the first invention, the hydrogen injection amount increasing means increases the ratio of addition of hydrogen gas to the hydrocarbon fuel when the catalyst is warmed up compared to the normal time.
第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記水素噴射弁は筒内に直接水素ガスを噴射する噴射弁であり、吸気行程又は圧縮行程、及び排気行程で水素ガスを噴射することを特徴とする。 According to a third invention, in the first or second invention, the hydrogen injection valve is an injection valve that directly injects hydrogen gas into a cylinder, and injects hydrogen gas in an intake stroke or a compression stroke and an exhaust stroke. It is characterized by.
第4の発明は、第3の発明において、吸気行程又は圧縮行程から排気行程にかけて連続して水素ガスを噴射することを特徴とする。 According to a fourth invention, in the third invention, hydrogen gas is continuously injected from an intake stroke or a compression stroke to an exhaust stroke.
第5の発明は、第1〜第4の発明のいずれかにおいて、触媒暖機時に、燃焼の燃料として水素ガスのみを供給することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, only hydrogen gas is supplied as combustion fuel when the catalyst is warmed up.
第6の発明は、第1〜第5の発明のいずれかにおいて、触媒温度が所定温度に達した後、炭化水素燃料の噴射量を増量し、水素ガスの噴射量を減量することを特徴とする。 A sixth invention is characterized in that, in any one of the first to fifth inventions, after the catalyst temperature reaches a predetermined temperature, the injection amount of hydrocarbon fuel is increased and the injection amount of hydrogen gas is decreased. To do.
第1の発明によれば、触媒暖機時に、通常時に比べて水素ガスの噴射量を増量するため、筒内で燃焼しなかった未燃水素ガスを排気通路へ送り、水素ガスを触媒上で燃焼させることができる。水素は燃焼速度が速く、燃焼温度が高いため、触媒暖機を短時間で行うことが可能となる。また、筒内では供給した水素ガスの一部が炭化水素燃料とともにリーンバーン燃焼するため、燃費、効率を向上することができる。 According to the first aspect of the invention, when the catalyst is warmed up, the amount of hydrogen gas injected is increased as compared with the normal time. Therefore, unburned hydrogen gas that has not been burned in the cylinder is sent to the exhaust passage, and the hydrogen gas is passed over the catalyst. Can be burned. Since hydrogen has a high combustion rate and a high combustion temperature, the catalyst can be warmed up in a short time. In addition, since a part of the supplied hydrogen gas is lean burn burned together with the hydrocarbon fuel in the cylinder, fuel efficiency and efficiency can be improved.
第2の発明によれば、触媒暖機時に、炭化水素燃料に対する水素ガスの添加割合を通常時に比べて大きくするため、通常時に比べて水素ガスの噴射量を増量することができる。従って、未燃水素ガスを触媒上で燃焼させることが可能となる。 According to the second aspect of the invention, when the catalyst is warmed up, the ratio of hydrogen gas to the hydrocarbon fuel is increased as compared with the normal time, so that the hydrogen gas injection amount can be increased as compared with the normal time. Therefore, it becomes possible to burn unburned hydrogen gas on the catalyst.
第3の発明によれば、排気行程で筒内に直接水素ガスを噴射するため、噴射した水素ガスを排気通路へ送ることができる。そして、噴射した水素ガスは筒内での燃焼に寄与することがないため、噴射した水素ガスの全量を触媒上で燃焼させることが可能となる。また、吸気行程又は圧縮行程で水素ガスを噴射することで、水素ガスと炭化水素燃料を筒内でリーンバーン燃焼させることができ、燃費、エミッションを向上することができる。 According to the third aspect, since the hydrogen gas is directly injected into the cylinder during the exhaust stroke, the injected hydrogen gas can be sent to the exhaust passage. Since the injected hydrogen gas does not contribute to combustion in the cylinder, the entire amount of the injected hydrogen gas can be burned on the catalyst. Further, by injecting the hydrogen gas in the intake stroke or the compression stroke, the lean burn combustion of the hydrogen gas and the hydrocarbon fuel can be performed in the cylinder, and the fuel consumption and emission can be improved.
第4の発明によれば、吸気行程又は圧縮行程から排気行程にかけて連続して水素ガスを噴射するため、筒内燃焼用の水素ガスと触媒暖機用の水素ガスを同時に噴射することができる。 According to the fourth invention, since hydrogen gas is continuously injected from the intake stroke or the compression stroke to the exhaust stroke, the in-cylinder combustion hydrogen gas and the catalyst warm-up hydrogen gas can be injected simultaneously.
第5の発明によれば、触媒暖機時に、燃焼の燃料として水素ガスのみを供給するため、水素ガスの燃焼のみで触媒暖機を行うことが可能となる。 According to the fifth aspect of the present invention, only hydrogen gas is supplied as combustion fuel when the catalyst is warmed up, so that the catalyst can be warmed up only by burning hydrogen gas.
第6の発明によれば、触媒温度が所定温度に達した後は、炭化水素燃料の噴射量を増量するため、炭化水素燃料を触媒上で燃焼させることで触媒暖機を行うことができる。従って、水素ガスの噴射量を減量することで、触媒暖機に使用する水素量を最小限に抑えることができ、水素ガスを貯蔵するタンクの大きさを最小限に抑えることができる。 According to the sixth aspect of the invention, after the catalyst temperature reaches the predetermined temperature, in order to increase the injection amount of the hydrocarbon fuel, the catalyst can be warmed up by burning the hydrocarbon fuel on the catalyst. Therefore, by reducing the injection amount of hydrogen gas, the amount of hydrogen used for warming up the catalyst can be minimized, and the size of the tank for storing hydrogen gas can be minimized.
以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る水素添加内燃機関10を備えたシステムの構成を説明するための図である。内燃機関10には吸気通路12および排気通路14が連通している。吸気通路12は、上流側の端部にエアフィルタ16を備えている。エアフィルタ16には、吸気温THA(すなわち外気温)を検出する吸気温センサが組みつけられている。
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a system including a hydrogenated
エアフィルタ16の下流には、エアフロメータ18が配置されている。エアフロメータ18の下流には、サージタンク20が設けられている。サージタンク20の下流には、スロットルバルブ22が設けられている。スロットルバルブ22の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットルセンサと、スロットルバルブが全閉となることでオンとなるアイドルスイッチとが配置されている。
An
内燃機関10の筒内には、その内部を往復運動するピストン24が設けられている。また、内燃機関10は、シリンダヘッド26を備えている。ピストン24とシリンダヘッド26との間には、燃焼室28が形成されている。燃焼室28には、吸気ポート30および排気ポート32が連通しており、吸気ポート30は吸気通路12と、排気ポート32は排気通路14と、それぞれ接続されている。吸気ポート30および排気ポート32には、それぞれ吸気弁34および排気弁36が配置されている。
A
吸気通路12には、ポート内にガソリン(炭化水素燃料)を噴射するガソリン噴射弁38が配置されている。また、吸気通路12には、ポート内に水素を噴射する水素燃料ポート噴射弁40が配置されている。なお、ガソリン噴射弁、水素燃料噴射弁は、内燃機関10の筒内に直接燃料を噴射するように設けても良い。
A
ガソリン噴射弁38には、ガソリン供給管42を介してガソリンタンク44が連通している。ガソリン供給管42は、ガソリン噴射弁38とガソリンタンク44との間に、ポンプ46およびガソリン流量計48を備えている。ポンプ46は、ガソリン噴射弁38に所定の圧力でガソリンを供給することができる。このため、ガソリン噴射弁38は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量のガソリンを吸気通路12内に噴射することができる。
A
本実施形態のシステムは、気体状態にある水素を高圧で貯留するための水素タンク50を備えている。水素タンク50には、水素供給管52が連通している。水素供給管52は、水素燃料ポート噴射弁40に連通している。尚、本実施形態のシステムでは、水素燃料ポート噴射弁40に供給される水素燃料として、外部から水素タンク50内に充填される水素ガスを使用しているが、水素燃料ポート噴射弁40に供給される水素燃料はこれに限定されるものではなく、車両上で生成、あるいは外部より供給される高濃度の水素を含む水素リッチガスを使用するものであってもよい。
The system of this embodiment includes a
水素供給管40には、レギュレータ56が配置されている。このような構成によれば、水素燃料ポート噴射弁40には、レギュレータ56により減圧された所定の圧力で、水素タンク50内にある水素が供給される。このため、水素燃料ポート噴射弁40は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の水素を吸気通路12内に噴射することができる。
A
また、水素供給管52には、レギュレータ56と水素タンク50との間に、温度センサ54、燃圧センサ55が配置されている。温度センサ54は、水素燃料ポート噴射弁40に供給される水素の温度に応じた出力を発するセンサである。また、燃圧センサ55は、水素燃料ポート噴射弁40に供給される水素の圧力に応じた出力を発するセンサである。本実施形態のシステムでは、温度センサ54、燃圧センサ55が発する出力に基づいてレギュレータ52を制御することとしている。このため、水素タンク50から供給される水素の温度、圧力が変動する場合であっても、水素燃料ポート噴射弁40に安定した圧力で水素を供給することができる。
In the
排気通路14にはO2センサ58およびNOxセンサ60が組み込まれている。O2センサ58は、排気ガス中の酸素の有無を基礎として、排気空燃比に応じた出力を発するセンサである。また、NOxセンサ60は、排気ガス中のNOx濃度に応じた出力を発するセンサである。これらのセンサ58,60の下流には、排気ガスを浄化するための触媒62が配置されている。触媒62には、触媒床温度を検出するための触媒床温センサ64が組み込まれている。触媒床温センサ64は熱電対などによって構成されている。
An O 2 sensor 58 and a
本実施形態のシステムは、ECU70を備えている。ECU70には、上述した温度センサ54、燃圧センサ55、O2センサ58、NOxセンサ60、触媒床温センサ62に加え、内燃機関10の運転状態を把握すべく、ノッキングの発生を検知するKCSセンサや、スロットル開度、機関回転数、排気温度、冷却水温度、潤滑油温度などを検出するための各種センサ(不図示)が接続されている。また、ECU70には、上述したガソリン噴射弁38、水素燃料ポート噴射弁40、ポンプ46などのアクチュエータが接続されている。このような構成によれば、ECU70は、内燃機関10の運転状態に応じて、燃料噴射を実行する噴射弁を任意に選択することができる。
The system of this embodiment includes an
図2は、本実施形態のシステムの運転モードを説明するための模式図であって、機関回転数、負荷に応じて設定される各運転モードを示している。本実施形態のシステムは、ガソリンのみを使用して内燃機関10を運転するガソリン燃焼領域と、ガソリンと水素の両方を使用してリーンバーン燃焼により内燃機関10を運転する水素添加リーンバーン領域の2種類のモードを備えている。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation mode of the system of the present embodiment, and shows each operation mode set according to the engine speed and the load. The system of the present embodiment includes a gasoline combustion region in which the
図2に示すように、アイドリング〜常用回転域では水素添加リーンバーン領域で運転が行われる。また、水素添加リーンバーン領域よりも高負荷、高回転域では、ガソリン燃焼領域で運転が行われる。水素添加リーンバーン領域の運転では、ガソリンに水素を添加してリーンバーン燃焼を行うため、筒内(燃焼室16内)の燃焼状態を良好にすることができ、燃費、効率を向上させることができる。また、リーンバーン燃焼によりNOXの排出を抑えることができるため、エミッションを向上させることができる。 As shown in FIG. 2, the operation is performed in the hydrogen addition lean burn region in the idling to normal rotation region. In addition, the operation is performed in the gasoline combustion region in a higher load and higher rotation region than in the hydrogen addition lean burn region. In the operation in the hydrogen-added lean burn region, hydrogen is added to gasoline and lean burn combustion is performed, so that the combustion state in the cylinder (in the combustion chamber 16) can be improved, and fuel efficiency and efficiency can be improved. it can. Further, emission of NO x can be suppressed by lean burn combustion, so that emission can be improved.
水素添加燃焼モードでは、ガソリンと水素が燃焼した際に、ガソリンの熱発生量に対する水素の熱発生量が20%程度となる添加割合でガソリンに対して水素を添加する。これにより、筒内(燃焼室16内)の燃焼状態を良好にすることができ、燃費、効率を向上させることができる。また、リーンバーン燃焼によりNOXの排出を抑えることができるため、エミッションを向上させることができる。 In the hydrogenation combustion mode, when gasoline and hydrogen are combusted, hydrogen is added to the gasoline at an addition ratio at which the heat generation amount of hydrogen is about 20% with respect to the heat generation amount of gasoline. Thereby, the combustion state in the cylinder (inside the combustion chamber 16) can be improved, and fuel efficiency and efficiency can be improved. Further, emission of NO x can be suppressed by lean burn combustion, so that emission can be improved.
このように構成された本実施形態のシステムにおいて、始動直後には、触媒62の温度を活性温度に到達させるために触媒暖機運転が行われる。具体的には、通常時よりも燃料量を増量し、筒内で燃焼しなかった未燃燃料を触媒62上で燃焼させることにより、触媒温度を短時間で上昇させる運転が行われる。
In the system of the present embodiment configured as described above, immediately after starting, the catalyst warm-up operation is performed in order to make the temperature of the
この際、ガソリン噴射弁38からの噴射量を増量すると、ガソリンの燃焼温度は比較的低いため、触媒62の温度が活性温度に到達するまでにある程度の時間を要してしまう。一方、水素の燃焼温度はガソリンに比べて非常に高温であるため、暖機時に水素噴射量を増量した場合は、触媒62を非常に短時間で暖機することが可能である。
At this time, if the injection amount from the
このため本実施形態では、触媒62を暖機する際は、筒内に送る水素量を通常時よりも増量するようにしている。これにより、筒内で燃焼しなかった未燃水素を触媒62側で燃焼させることができる。そして、水素は燃焼速度が速く、燃焼温度が高いため、少量の増量であっても触媒62の温度を瞬時に活性温度に到達させることが可能となる。従って、始動直後のエミッションを大幅に向上させることが可能となる。
For this reason, in the present embodiment, when warming up the
水素量を増量する際の目安としては、筒内に供給されるガソリン、水素の総量が吸入空気量に対して燃料リッチとなるように、水素量のみを増量するようにする。これにより、燃料の燃え残りが発生し、筒内で燃焼しなかった水素を排気通路14側へ流すことができる。
As a guideline for increasing the amount of hydrogen, only the amount of hydrogen is increased so that the total amount of gasoline and hydrogen supplied into the cylinder becomes fuel rich with respect to the amount of intake air. As a result, unburned fuel is generated, and hydrogen that has not been burned in the cylinder can flow to the
通常時の水素添加燃焼モードでは、ガソリンの熱発生量に対して水素の熱発生量が20%となるように水素を添加した場合、ガソリンに対する水素の添加割合がガソリン1グラムに対して水素0.07グラム程度とされる。そして、空気過剰率λ=2程度としてリーンバーン燃焼が行われる。ここで、空気過剰率λは燃料量(ガソリン量及び水素量)に対する空気量の比率であって、空気過剰率λ=1の場合は、燃料量(ガソリン量及び水素量)に対してストイキの空気量が筒内に送られる。従って、空気過剰率λ=2とした水素添加燃焼モードでは、ストイキの場合の2倍の空気量が筒内に送られる。 In the normal hydrogenation combustion mode, when hydrogen is added so that the heat generation amount of hydrogen is 20% of the heat generation amount of gasoline, the hydrogen addition ratio to gasoline is 0 hydrogen per gram of gasoline. .07 grams. Then, lean burn combustion is performed with the excess air ratio λ = 2. Here, the excess air ratio λ is the ratio of the air amount to the fuel amount (gasoline amount and hydrogen amount), and when the excess air ratio λ = 1, the stoichiometric ratio with respect to the fuel amount (gasoline amount and hydrogen amount). The amount of air is sent into the cylinder. Therefore, in the hydrogen addition combustion mode in which the excess air ratio λ = 2, twice the amount of air as in the case of stoichiometric is sent into the cylinder.
一方、触媒暖機時においては、ガソリン量を変えずに水素量のみを増量し、空気過剰率λが1以下となるように制御を行う。これにより、空気量に対して燃料量がリッチになるため、筒内で燃料の未燃分が生じる。具体的には、ガソリン量を変更することなく水素量のみを増加させて空気過剰率λを1以下とするためには、ガソリンに対する水素の添加割合をガソリン1グラムに対して水素0.56グラム以上とする。これにより空気過剰率を1以下にすることができ、未燃水素を触媒62側へ送ることが可能となる。
On the other hand, when the catalyst is warmed up, only the hydrogen amount is increased without changing the gasoline amount, and the excess air ratio λ is controlled to be 1 or less. As a result, the amount of fuel becomes richer than the amount of air, so that unburned fuel is generated in the cylinder. Specifically, in order to increase only the hydrogen amount without changing the gasoline amount so that the excess air ratio λ is 1 or less, the hydrogen addition ratio to gasoline is 0.56 g hydrogen to 1 gram gasoline. That's it. Thereby, the excess air ratio can be made 1 or less, and unburned hydrogen can be sent to the
このように、本実施形態のシステムでは、触媒暖機時に筒内への水素噴射量を通常よりも増量するようにしたため、触媒暖機を非常に短時間で行うことができる。また、筒内では供給した水素の一部がガソリンとともにリーンバーン燃焼するため、燃費、効率を向上することができる。従って、水素増量による触媒暖機時間の短縮と、リーンバーン燃焼による効率向上の双方を同時に達成することが可能である。また、燃料として水素のみを供給する機関の場合、アイドル負荷を発生させつつ触媒暖機時をするためには水素を多量に供給する必要があるが、本実施形態ではガソリンと水素を共に燃焼させて所定の負荷を発生させることができるため、暖機時の水素量を最小限に抑えることができる。更に、触媒暖機時はガソリン量を変更することなく水素量を増加させるため、排気通路14側へ流れ込むハイドロカーボンの総量を低減することが可能である。
Thus, in the system of the present embodiment, the amount of hydrogen injected into the cylinder is increased more than usual when the catalyst is warmed up, so that the catalyst can be warmed up in a very short time. In addition, since a part of the supplied hydrogen burns lean together with gasoline in the cylinder, fuel efficiency and efficiency can be improved. Therefore, it is possible to simultaneously achieve both a reduction in the catalyst warm-up time due to the increase in hydrogen and an improvement in efficiency due to lean burn combustion. In addition, in the case of an engine that supplies only hydrogen as fuel, it is necessary to supply a large amount of hydrogen in order to warm up the catalyst while generating an idle load. In this embodiment, gasoline and hydrogen are burned together. Thus, a predetermined load can be generated, so that the amount of hydrogen during warm-up can be minimized. Furthermore, since the hydrogen amount is increased without changing the gasoline amount when the catalyst is warmed up, the total amount of hydrocarbons flowing into the
なお、触媒暖機の際に、ガソリンの噴射を停止し、水素燃料ポート噴射弁40から水素のみを噴射するようにしても良い。この際、筒内に供給される水素の総量が吸入空気量に対して燃料リッチとなるように水素を噴射する。これにより、水素の燃え残りが発生し、筒内で燃焼しなかった水素を排気通路14側へ流すことができる。
In addition, when the catalyst is warmed up, the gasoline injection may be stopped and only hydrogen may be injected from the hydrogen fuel
次に、図3のフローチャートに基づいて、本実施形態のシステムにおける処理の手順を説明する。先ず、ステップS1では、触媒床温センサ64の出力から、触媒床温Tcatを取得する。次のステップS2では、触媒床温Tcatと触媒活性温度T0とを比較し、Tcat<T0であるか否かを判定する。ここで、触媒活性温度T0は、触媒がその機能を発揮するための最低温度である。
Next, a processing procedure in the system of the present embodiment will be described based on the flowchart of FIG. First, in step S1, the catalyst bed temperature Tcat is acquired from the output of the catalyst
ステップS2でTcat<T0の場合は、ステップS3へ進む。この場合、現時点での触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達していないため、触媒62を暖機する必要がある。従って、ステップS3では水素噴射量を増量する水素リッチ制御を開始する。そして、以降のステップで触媒62を暖機するための水素リッチ制御を行う。具体的には、上述したようにガソリンの噴射量を変更することなく、水素の噴射量のみを増加して、空気過剰率λが1以下となるように制御を行う。
If Tcat <T0 in step S2, the process proceeds to step S3. In this case, since the current catalyst bed temperature Tcat has not reached the catalyst activation temperature T0, the
一方、ステップS2でTcat≧T0の場合は、現時点での触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達しているため、触媒62を暖機する必要はない。従って、この場合は処理を終了する(RETURN)。
On the other hand, if Tcat ≧ T0 in step S2, the current catalyst bed temperature Tcat has reached the catalyst activation temperature T0, so there is no need to warm up the
ステップS3の後はステップS4へ進む。ステップS4では、触媒62を暖機するため、水素燃料ポート噴射弁40からの水素噴射量を増量する。この増量により、水素燃料ポート噴射弁40から噴射された水素のうち、筒内で燃焼しなかった未燃水素が排気通路14に送られ、触媒62上で燃焼する。水素の燃焼温度はガソリンに比べて非常に高温であるため、未燃の水素を触媒62上で燃焼させることにより、触媒62の暖機を瞬時に行うことが可能となる。従って、非常に短時間で触媒62を活性温度に到達させることができる。
After step S3, the process proceeds to step S4. In step S4, in order to warm up the
ステップS4の後はステップS5へ進む。ステップS5では、排気通路14に設けられたO2センサ58の出力に基づいて、排気ガス中の酸素量を取得する。次のステップS6では、ステップS5で求めた酸素量に基づいて空気過剰率λを算出し、λ<1であるか否かを判定する。ここで、O2センサ58の出力から排気通路14内に酸素が流れていることが検出された場合は、筒内での燃焼後の酸素量が過剰であるため、筒内に供給したガソリン、水素の殆どが筒内で燃焼していると判断できる。従って、この場合は空気過剰率λが1以上であると判断できる。一方、排気通路内に殆ど酸素が流れていない場合は、筒内に供給した空気中の酸素の殆どが筒内での燃焼に使われており、未燃の水素が排気通路に流れていると判断できる。従って、この場合は空気過剰率λが1未満であると判断できる。なお、O2センサ58の代わりにA/Fセンサを設けておき、A/Fセンサの出力に基づいて空気過剰率λが1未満であるか否かを判定しても良い。
After step S4, the process proceeds to step S5. In step S5, the amount of oxygen in the exhaust gas is acquired based on the output of the O 2 sensor 58 provided in the
ステップS6でλ<1の場合は、空気過剰率が1より小さいため、ステップS4における水素の増量は適正に行われている。従って、この場合はステップS2へ戻り、触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達しているか否かを判定し、触媒活性温度T0に到達していない場合はステップS3以降の処理を再度行う。ステップS2で触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達している場合は、処理を終了する(RETURN)。 When λ <1 in step S6, the excess air ratio is smaller than 1, and therefore the amount of hydrogen increase in step S4 is appropriately performed. Accordingly, in this case, the process returns to step S2, and it is determined whether or not the catalyst bed temperature Tcat has reached the catalyst activation temperature T0. If the catalyst bed temperature T0 has not reached the catalyst activation temperature T0, the processes after step S3 are performed again. If the catalyst bed temperature Tcat has reached the catalyst activation temperature T0 in step S2, the process is terminated (RETURN).
ステップS6でλ≧1の場合は、空気過剰率が1以上であるため、触媒暖機を行うための水素の増量が不足していると判断できる。従って、この場合はステップS4へ戻り、水素の増量を再度実施する。 If λ ≧ 1 in step S6, the excess air ratio is 1 or more, so it can be determined that the amount of hydrogen increase for performing catalyst warm-up is insufficient. Therefore, in this case, the process returns to step S4, and hydrogen is increased again.
図3の処理によれば、触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達していない場合は、水素燃料ポート噴射弁40からの水素噴射量を増量するようにしたため、未燃水素を触媒62上で燃焼させることができる。従って、触媒62を短時間で暖機することが可能となる。
According to the process of FIG. 3, when the catalyst bed temperature Tcat has not reached the catalyst activation temperature T0, the hydrogen injection amount from the hydrogen fuel
図3の処理において、触媒床温Tcatが触媒活性温度T0よりも低い所定温度に到達した場合は、ガソリンの噴射量を増量して未燃ガソリンを触媒上で燃焼させることで触媒暖機を行っても良い。これにより、水素噴射量を減少させることができるため、触媒暖機に使用する水素量を最小限に抑えることができ、水素タンク50の小型化を図ることができる。
In the process of FIG. 3, when the catalyst bed temperature Tcat reaches a predetermined temperature lower than the catalyst activation temperature T0, the catalyst is warmed up by increasing the injection amount of gasoline and burning unburned gasoline on the catalyst. May be. Thereby, since the hydrogen injection amount can be reduced, the amount of hydrogen used for warming up the catalyst can be minimized, and the
以上説明したように実施の形態1によれば、触媒62を暖機する際は、筒内への水素の供給量を増量するようにしたため、筒内で燃焼しなかった未燃の水素を排気通路14へ流すことができる。従って、触媒62内、またはその近傍で水素を燃焼させることができ、触媒62の温度を瞬時に上昇させることが可能となる。これにより、機関始動直後のエミッションを大幅に向上させることが可能となる。
As described above, according to the first embodiment, when the
実施の形態2.
次に、本発明の実施の形態2について説明する。図4は実施の形態2にかかる水素添加内燃機関10を備えたシステムの構成を説明するための図である。図4に示すように、実施の形態2では、図1における水素燃料ポート噴射弁40の代わりに、水素添加内燃機関10の筒内に直接水素を噴射する水素燃料筒内噴射弁66を設けている。実施の形態2のシステムの他の構成は図1と同様である。また、実施の形態2の運転モードは図2と同様である。
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a diagram for explaining a configuration of a system including the hydrogenated
実施の形態2のシステムでは、水素燃料筒内噴射弁66から筒内へ直接水素を噴射することができるため、排気行程で水素を噴射することで触媒62へ未燃水素を送ることが可能となる。すなわち、吸気通路12側で水素を噴射する場合は、吸気バルブ34が開いている吸気行程中に水素を噴射し、燃焼室28を経由して触媒62へ未燃水素を送ることになるが、筒内に直接水素を噴射する場合は、排気行程で水素を噴射すれば未燃水素をそのまま排気通路14へ送ることが可能である。
In the system according to the second embodiment, hydrogen can be directly injected into the cylinder from the hydrogen fuel in-
排気行程で噴射された水素は、筒内での燃焼に関与しないため、そのまま排気通路14へ送られる。従って、排気行程で筒内へ水素を噴射することで、排気通路14に送る水素量をより正確に制御することが可能である。
Since the hydrogen injected in the exhaust stroke is not involved in combustion in the cylinder, it is sent to the
一方、上述したように実施の形態2の運転モードは実施の形態1と同様であるため、アイドリング〜常用回転域では水素添加燃焼モードで運転が行われる。従って、触媒暖機のために排気行程で水素を噴射するとともに、吸気行程、または圧縮行程において筒内での燃焼のために水素を噴射する。 On the other hand, since the operation mode of the second embodiment is the same as that of the first embodiment as described above, the operation is performed in the hydrogenation combustion mode in the idling to normal rotation range. Accordingly, hydrogen is injected in the exhaust stroke for warming up the catalyst, and hydrogen is injected for combustion in the cylinder in the intake stroke or compression stroke.
図5は、筒内圧力、バルブタイミング、および水素噴射時期とクランク角との関係を示すタイミングチャートでであって、図5(A)は筒内圧力、図5(B)はバルブタイミング、図5(C)は水素噴射時期をそれぞれ示している。図5(A)に示すように、クランク角の720°毎に爆発行程が行われ、爆発行程の際に筒内圧力が急激に上昇する。そして、図5(B)に示すように、爆発行程後の排気行程で排気バルブ36が開かれ、その後の吸気行程で吸気バルブ34が開かれる。
FIG. 5 is a timing chart showing the relationship between in-cylinder pressure, valve timing, and hydrogen injection timing and crank angle. FIG. 5 (A) shows in-cylinder pressure, FIG. 5 (B) shows valve timing, 5 (C) indicates the hydrogen injection timing. As shown in FIG. 5A, an explosion stroke is performed every 720 ° of the crank angle, and the in-cylinder pressure rapidly rises during the explosion stroke. As shown in FIG. 5B, the
図5(C)に示すように、実施の形態2のシステムでは、排気行程で触媒暖機のために水素燃料筒内噴射弁66から水素を噴射する。また、吸気行程では、水素添加燃焼モードでリーンバーンを行うため、水素燃料筒内噴射弁66から水素を噴射する。従って、本実施形態のシステムでは、単一の気筒の1サイクル中に2回の水素噴射が行われる。これにより、排気行程で噴射した水素を排気通路14へ直接送って触媒62側で燃焼させることができ、触媒暖機を瞬時に行うことができる。また、触媒暖機とともに、水素添加燃焼モードで内燃機関10を運転することができるため、燃費、エミッションを向上させることができる。
As shown in FIG. 5C, in the system of the second embodiment, hydrogen is injected from the hydrogen fuel in-
図5では1サイクル中に2回の水素噴射を行っているが、排気行程での水素噴射と吸気行程での水素噴射を連続して行っても良い。図6は排気行程から吸気行程にかけて連続して水素を噴射した場合を示すタイミングチャートである。 In FIG. 5, hydrogen injection is performed twice in one cycle, but hydrogen injection in the exhaust stroke and hydrogen injection in the intake stroke may be performed continuously. FIG. 6 is a timing chart showing a case where hydrogen is continuously injected from the exhaust stroke to the intake stroke.
この場合、連続して噴射された水素のうち、排気行程で噴射された水素は主として排気通路14側に流れ、触媒62上で燃焼する。また、吸気行程で噴射された水素は次の燃焼行程で燃焼するため、主として筒内での燃焼に寄与する。このように、排気行程から吸気行程にかけて連続して水素を噴射することで、触媒62上で水素を燃焼させるとともに、筒内で水素を燃焼させることができる。従って、水素噴射の制御を簡素化することが可能となる。
In this case, of the continuously injected hydrogen, the hydrogen injected in the exhaust stroke flows mainly to the
ガソリンを排気行程で噴射した場合、排気行程中の筒内温度は比較的低いため、筒内壁面にガソリンが付着してしまう。従って、排気行程で筒内にガソリンを噴射したとしても、効率良く触媒暖機を行うことはできない。しかし、気体燃料である水素は筒内壁面に付着することがないため、排気行程中に筒内へ水素を噴射することで触媒62上に水素を確実に送ることが可能である。
When gasoline is injected in the exhaust stroke, the in-cylinder temperature during the exhaust stroke is relatively low, so the gasoline adheres to the cylinder inner wall surface. Therefore, even if gasoline is injected into the cylinder in the exhaust stroke, the catalyst cannot be warmed up efficiently. However, since hydrogen, which is a gaseous fuel, does not adhere to the inner wall surface of the cylinder, it is possible to reliably send hydrogen onto the
なお、実施の形態2のシステムでは、圧縮行程においても水素燃料筒内噴射弁66から水素を噴射することが可能である。従って、筒内での燃焼のため圧縮行程で水素を噴射しても構わない。この場合、水素の噴射圧が筒内圧よりも高圧となるように設定する。
In the system of the second embodiment, it is possible to inject hydrogen from the hydrogen fuel in-
次に、図7のフローチャートに基づいて、本実施形態のシステムにおける処理の手順を説明する。先ず、ステップS11では、触媒床温センサ64の出力から、触媒床温Tcatを取得する。次のステップS12では、触媒床温Tcatと触媒活性温度T0とを比較し、Tcat<T0であるか否かを判定する。
Next, a processing procedure in the system of this embodiment will be described based on the flowchart of FIG. First, in step S11, the catalyst bed temperature Tcat is acquired from the output of the catalyst
ステップS12でTcat<T0の場合は、ステップS13へ進む。この場合、現時点での触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達していないため、触媒62を暖機する必要がある。従って、ステップS13では排気行程で水素燃料筒内噴射弁66から水素を噴射する。
If Tcat <T0 in step S12, the process proceeds to step S13. In this case, since the current catalyst bed temperature Tcat has not reached the catalyst activation temperature T0, the
これにより、水素燃料筒内噴射弁66から噴射された水素がそのまま排気通路14に送られ、触媒62内の近傍で燃焼する。水素の燃焼温度はガソリンに比べて非常に高温であるため、未燃の水素を触媒62上で燃焼させることにより、触媒62の暖機を瞬時に行うことが可能となる。従って、非常に短時間で触媒62を活性温度に到達させることができる。
Thereby, the hydrogen injected from the hydrogen fuel in-
一方、ステップS12でTcat≧T0の場合は、現時点での触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達しているため、触媒62を暖機する必要はない。従って、この場合は処理を終了する(RETURN)。
On the other hand, if Tcat ≧ T0 in step S12, the catalyst bed temperature Tcat at the present time has reached the catalyst activation temperature T0, so there is no need to warm up the
ステップS13の後はステップS12へ戻り、触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達したか否かを判定する。触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達していない場合は、ステップS13の処理を再度行う。触媒床温Tcatが触媒活性温度T0に到達している場合は、処理を終了する(RETURN)。 After step S13, the process returns to step S12 to determine whether or not the catalyst bed temperature Tcat has reached the catalyst activation temperature T0. If the catalyst bed temperature Tcat has not reached the catalyst activation temperature T0, the process of step S13 is performed again. If the catalyst bed temperature Tcat has reached the catalyst activation temperature T0, the process is terminated (RETURN).
以上説明したように実施の形態2によれば、筒内に直接水素を噴射する水素燃料筒内噴射弁66を備えたシステムにおいて、排気行程で水素を噴射するようにしたため、噴射した水素をそのまま排気通路14へ流すことができる。従って、触媒62上で水素を燃焼させることができ、触媒62の温度を瞬時に上昇させることが可能となる。これにより、機関始動時のエミッションを大幅に向上させることが可能となる。また、吸気行程で水素燃料筒内噴射弁66から水素を噴射することで、水素添加燃焼モードによる運転を行うことができるため、排気行程噴射による触媒暖機性能の向上と、吸気行程噴射による燃費、エミッションの向上の双方を達成することができる。
As described above, according to the second embodiment, in the system including the hydrogen fuel in-
38 ガソリン噴射弁
40 水素燃料ポート噴射弁
66 水素燃料筒内噴射弁
70 ECU
38
Claims (6)
吸気通路又は筒内に炭化水素燃料を噴射する炭化水素燃料噴射弁と、
吸気通路又は筒内に水素ガスを噴射する水素噴射弁と、
触媒暖機時に、通常時に比べて水素ガスの噴射量を増量する水素噴射量増量手段と、
を備えたことを特徴とする水素添加内燃機関。 A hydrogenated internal combustion engine that uses hydrogen gas as a combustion fuel together with a hydrocarbon fuel,
A hydrocarbon fuel injection valve for injecting hydrocarbon fuel into the intake passage or the cylinder;
A hydrogen injection valve for injecting hydrogen gas into the intake passage or the cylinder;
A hydrogen injection amount increasing means for increasing the injection amount of hydrogen gas as compared with the normal time when the catalyst is warmed up;
A hydrogenated internal combustion engine comprising:
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- 2004-10-28 JP JP2004313570A patent/JP2006125267A/en active Pending
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