JP2005042569A - 内燃機関の燃焼制御方法及び燃焼制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】CO2を利用して内燃機関の空燃比を低下させることが可能な内燃機関の燃焼制御方法及び燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】第1の状態でCO2を吸収し、第2の状態で吸収したCO2を放出するCO2吸放出手段10a、10bが設けられた内燃機関1に適用され、前記CO2吸放出手段は、前記CO2吸放出手段から放出されたCO2を前記内燃機関の吸気系へ供給できるように前記内燃機関の吸気通路3と接続されている。
【選択図】 図1
【解決手段】第1の状態でCO2を吸収し、第2の状態で吸収したCO2を放出するCO2吸放出手段10a、10bが設けられた内燃機関1に適用され、前記CO2吸放出手段は、前記CO2吸放出手段から放出されたCO2を前記内燃機関の吸気系へ供給できるように前記内燃機関の吸気通路3と接続されている。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、CO2を吸放出するCO2吸放出材を備えた内燃機関の燃焼制御方法及び燃焼制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
250℃程度の温度域で、炭酸ガス(CO2)吸収能の高い炭酸ガス吸収材が知られている(特許文献1参照)。また、室温から600℃付近までの温度域でCO2を吸収し、680℃以上の温度域でCO2を放出するCO2吸放出材が知られている(非特許文献1参照)。その他、本発明に関連する技術として特許文献2、3が存在する。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−96122号公報
【特許文献2】
特開2001−3775号公報
【特許文献3】
特開平11−262632号公報
【非特許文献1】
東芝レビューVol.56、No.8(2001)p.11−14
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼルエンジンの排気浄化装置として、吸蔵還元型NOx触媒等の排気浄化触媒を使用した排気浄化システムが実用化されている。この排気浄化システムでは、エンジンが低回転、低負荷で運転されると排気温度が低下し、それに伴って触媒温度が低下して触媒が不活性状態になるおそれがある。そこで、この運転域では、EGRガス等の不活性ガスを燃焼室へ大量に供給してエンジンの燃焼温度を低下させる処理(低温燃焼)を行い、この低温燃焼により炭化水素(HC)を発生させて触媒の活性を維持している。
【0005】
ところで、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質(PM)とエンジンの空燃比とは相関関係を有しており、特定の空燃比域においてPMが大量に発生することが知られている。低温燃焼のために不活性ガスを供給すると空燃比が低下して、この特定の空燃比域に差しかかりPMが大量に発生する。そこで、大量の不活性ガスを燃焼室へ短時間で供給して空燃比を低下させることにより、PMが大量に発生する空燃比域を短時間で通過してPMの発生量を抑えることが望まれる。不活性ガスにはCO2が利用できるが、従来、このような目的でCO2吸放出材を利用することは検討されていない。
【0006】
そこで、本発明は、CO2を利用して内燃機関の空燃比を低下させることが可能な内燃機関の燃焼制御方法及び燃焼制御装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の燃焼制御方法は、第1の状態でCO2を吸収し、第2の状態で吸収したCO2を放出するCO2吸放出手段が設けられた内燃機関に適用され、不活性ガスの燃焼室内への供給が要求される場合に、前記CO2吸放出手段を前記第2の状態にしてCO2を放出させ、その放出されたCO2を前記内燃機関の吸気系へ供給することにより、上述した課題を解決する(請求項1)。
【0008】
本発明の燃焼制御方法によれば、低温燃焼等のために燃焼室内への不活性ガスの供給が要求される場合には、前記CO2吸放出手段から内燃機関の吸気系へCO2を供給することにより、内燃機関の空燃比を低下、すなわち酸素量が相対的に減少する側へ変化させることができる。
【0009】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、第1の状態でCO2を吸収し、第2の状態で吸収したCO2を放出するCO2吸放出手段が設けられた内燃機関に適用され、前記CO2吸放出手段は、前記CO2吸放出手段から放出されたCO2を前記内燃機関の吸気系へ供給できるように前記内燃機関の吸気通路と接続されることにより、上述した課題を解決する(請求項2)。
【0010】
本発明の燃焼制御装置によれば、CO2吸放出手段から放出されたCO2を吸気系へ供給することができるので、本発明の燃焼制御方法と同様に、内燃機関の空燃比を低下させることができる。
【0011】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置において、前記CO2吸放出手段は、前記内燃機関の排気を前記CO2吸放出手段へ導入できるように前記内燃機関の排気通路と接続されてもよい(請求項3)。この場合、内燃機関の排気に含まれるCO2をCO2吸放出手段に一時的に蓄え、これを必要に応じて吸気系へ供給することができる。
【0012】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、前記排気通路と前記吸気通路とを前記CO2吸放出手段を迂回して接続するバイパス通路を備えてもよい(請求項4)。この場合、CO2吸放出手段とバイパス通路との両者を介して吸気系へ排気を供給することができる。これにより、吸気系へ供給されるCO2量の調整の自由度が高まる。例えば、CO2吸放出手段がCO2を吸収している場合、吸気系へ供給されるCO2量が減少するため、その減少量に応じてバイパス通路から吸気系へ排気を送って排気流量を増加させることによりCO2の減少を抑制することができる。一方、CO2吸放出手段からCO2が放出されている場合、吸気系へ供給されるCO2量が過剰になると燃焼に必要な酸素が不足して内燃機関が失火する可能性がある。この場合は、CO2放出量の過剰分に応じて排気通路から吸気系へ供給される排気の流量を減少させ、内燃機関が失火しないようなCO2量に調整する。
【0013】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、前記CO2吸放出手段と前記バイパス通路の少なくともいずれか一方を通過して前記吸気系へ供給される排気の流量を調整する排気流量調整手段と、前記CO2吸放出手段のCO2吸放出量に基づいて前記排気流量調整手段の動作を制御する動作制御手段とを備えてもよい(請求項5)。この場合、排気流量調整手段の動作を制御することにより上述したようなCO2の吸収、放出に応じたバイパス流量の調整を行うことができる。
【0014】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、前記CO2吸放出手段の下流側に配置されて前記CO2吸放出手段を通過した排気の空燃比を取得する空燃比取得手段を備え、前記動作制御手段は、前記空燃比取得手段が取得した空燃比に基づいて前記排気流量調整手段の動作を制御してもよい(請求項6)。空燃比取得手段によって、CO2吸放出手段からCO2が吸放出された場合の空燃比の変化を調べることができる。この空燃比の変化より、実際にCO2吸放出手段から吸放出されたCO2量をより正確に把握することができる。そのため、吸気系へ供給する排気の流量をより精度よく調整することができる。
【0015】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、前記第1の状態と前記第2の状態とが互いに異なる温度範囲に対応付けられており、前記CO2吸放出手段の上流側に配置されて前記CO2吸放出手段へ導入される排気と熱交換して排気の温度を調整する熱交換器と、前記熱交換器の熱交換量を制御する熱交換量制御手段とを備え、前記熱交換量制御手段は、前記CO2吸放出手段に吸収されているCO2量に基づいて前記熱交換器の熱交換量を制御してもよい(請求項7)。この場合、排気温度を調整することにより、CO2吸放出手段を第1の状態又は第2の状態に設定して、CO2吸放出手段に吸収されているCO2量に応じて吸収、放出作用を適切に使い分けることができる。例えば、CO2吸放出手段に吸収されているCO2量が少ない場合は、排気温度を調整してCO2吸放出手段を第1の状態に設定し、CO2吸放出手段にCO2を吸収させてCO2吸収量を増加させることができる。
【0016】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置において、前記CO2吸放出手段が複数設けられ、前記複数のCO2吸放出手段のそれぞれは、自己から放出されたCO2を前記吸気系へ供給できるように前記吸気通路と接続されてもよい(請求項8)。この場合、CO2吸放出手段を使い分けることができる。例えば、最も条件の良いもの又は悪いもの(例えば、吸収しているCO2量の多いもの、又は少ないもの)から順にCO2を吸収、放出させることができる。また、複数のCO2吸放出手段を同時に吸収、放出状態にしてCO2を吸放出させてもよい。
【0017】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、前記複数のCO2吸放出手段のそれぞれの第1の状態及び第2の状態の少なくとも一方が互いに異なっていてもよい(請求項9)。この場合、種々の状態においてCO2吸放出手段からCO2を吸放出させることができる。例えば、第2の状態が互いに異なる温度範囲に対応付けられている複数のCO2吸放出手段を備えた内燃機関の場合、種々の排気温度においてCO2を吸気系へ供給することができる。また、複数のCO2吸放出手段の第1の状態が互いに異なる温度範囲に対応付けられていれば、種々の排気温度においてCO2を吸収させることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1に本発明の燃焼制御装置が適用される内燃機関の要部を示す。内燃機関1は、燃焼室2に吸気を取り込むための吸気通路3と、燃焼室2からの排気を所定の排気位置まで導くための排気通路4と、これら通路3、4を開閉するための吸気バルブ5及び排気バルブ6とを備えている。吸気通路3には吸気量を調整するための吸気絞り弁7が設けられており、排気通路4にはターボチャージャ8のタービン8aと、タービン8aに流入する排気の流速を変化させる可変ノズル8bとが設けられている。排気通路4は、排気の一部を吸気通路3へ導入するためEGR通路9によって吸気通路3と接続されている。
【0019】
EGR通路9には、CO2吸放出手段として複数(図1では2個)のCO2吸放出材10a、10bと、CO2吸放出材10a、10bを迂回して排気通路4と吸気通路3とを接続するバイパス通路11とが設けられている。排気通路4から吸気通路3へ導入される排気の流れは、バイパス弁12と、CO2吸放出材10a、10bから放出されるCO2量を調整する放出弁13a、13bとによって調整される。
【0020】
内燃機関1の運転状態はエンジンコントロールユニット(ECU)14により制御される。ECU14は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なROM、RAM等の周辺装置を組み合わせたコンピュータとして構成されている。ECU14は、例えば内燃機関1がアイドリングや低負荷の状態で運転されている場合にバイパス弁12の開度を大きくして吸気通路3へ供給される排気の流量を増加させ、内燃機関1の燃焼温度を低下させる低温燃焼を実行する。
【0021】
CO2吸放出材10a、10bは、例えばリチウムジルコネート(Li2ZrO3)等のリチウムの複合酸化物を主体として構成され、第1の温度範囲(例えば400℃〜580℃)でCO2を吸収し、第2の温度範囲(例えば600℃〜700℃)でCO2を放出する特性を備えた公知のものである。なお、CO2吸放出材10aとCO2吸放出材10bとは、互いに異なる第1の温度でCO2の吸収を開始し、且つ互いに異なる第2の温度でCO2の放出を開始する。図2にCO2吸放出材10a、10bの第1の温度範囲と第2の温度範囲の一例を示す。図2中の実線はCO2吸放出材10aのCO2吸放出特性を、図2中の点線はCO2吸放出材10bのCO2吸放出特性をそれぞれ示している。図2から明らかなように、CO2吸放出材10aは図2中の温度Ta未満が第1の温度範囲に、Taよりも高温の範囲が第2の温度範囲にそれぞれ相当し、CO2吸放出材10bは図2中の温度Tb未満が第1の温度範囲に、Tbよりも高温の範囲が第2の温度範囲にそれぞれ相当する。
【0022】
放出弁13a、13bの動作は、ECU14により制御される。図3は、ECU14が放出弁13a、13bの動作を制御するために実行する放出弁制御ルーチンを示すフローチャートである。図3の制御ルーチンは、内燃機関1の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。なお、図3中において、放出弁Aは放出弁13aを、放出弁Bは放出弁13bをそれぞれ示している。
【0023】
図3の制御ルーチンにおいて、ECU14はまずステップS11でCO2の放出要求が有るか否かを判断する。放出要求は、内燃機関1に低温燃焼を行わせる等、燃焼室2へ不活性ガスを大量に供給して内燃機関1の空燃比を急速に低下させる場合に有ると判断される。CO2放出要求が有ると判断した場合はステップS12に進み、ECU14はCO2吸放出材10a、10bの温度Tが図2の温度Ta未満か否かを判断する。CO2吸放出材10a、10bの温度TがTa未満であると判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。CO2吸放出材10a、10bの温度TがTa未満ではないと判断した場合はステップS13に進み、ECU14はCO2吸放出材10a、10bの温度Tが図2の温度Tbよりも高温か否かを判断する。高温ではないと判断した場合はステップS14に進み、ECU14は放出弁13aが開、放出弁13bが閉の状態になるように放出弁13a、13bへ指示を出力し、その後今回の制御ルーチンを終了する。一方、高温であると判断した場合はステップS15に進み、ECU14は放出弁13aと放出弁13bとが開の状態になるように放出弁13a、13bへ指示を出力し、その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0024】
ステップS11においてCO2放出要求が無いと判断した場合は、ステップS16に進み、ECU14はCO2吸放出材10a、10bの温度Tが図2のTa未満か否かを判断する。CO2吸放出材10a、10bの温度TがTa未満であると判断した場合はステップS15に進み、放出弁13aと放出弁13bとが開の状態になるように放出弁13a、13bへ指示を出力する。その後今回の処理を終了する。CO2吸放出材10a、10bの温度TがTa未満ではないと判断した場合はステップS17に進み、ECU14はCO2吸放出材10a、10bの温度Tが図2のTbよりも高温か否かを判断する。高温ではないと判断した場合はステップS18に進み、ECU14は放出弁13aが閉、放出弁13bが開の状態になるように放出弁13a、13bへ指示を出力し、その後今回の制御ルーチンを終了する。一方、高温であると判断した場合はステップS19に進み、ECU14は放出弁13aと放出弁13bとが閉の状態になるように放出弁13a、13bへ指示を出力し、その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0025】
このように放出弁13a、13bの動作を制御することによって、CO2吸放出材10a、10bから吸放出されて内燃機関1の吸気系へ供給されるCO2量を調整することができる。また、CO2の吸収を開始する温度とCO2の放出を開始する温度とが互いに異なるCO2吸放出材10a、10bをEGR通路9に設けることにより、CO2の吸収温度範囲と放出温度範囲とを広げることができる。更に、CO2吸放出材10a、10bの温度Tが図2のTa〜Tbの範囲にある場合には、CO2の吸収、放出を切り替えることもできる。
【0026】
図1の実施形態においてCO2吸放出材10a、10bからCO2が吸放出される場合、EGR通路9を通過して吸気通路3へ供給されるCO2の量が不足し、又は過剰になることがある。図4及び図5は、このようなCO2量の不足又は過剰を抑制するためにECU14が実行する制御ルーチンを示している。これらの制御ルーチンを実行することにより、ECU14は動作制御手段として機能する。また、バイパス弁12と放出弁13a、13bとは排気流量調整手段として機能する。なお、これらの制御ルーチンは、内燃機関1の動作中に所定の周期で繰り返し実行される。以下、各制御ルーチンについて説明する。
【0027】
図4のバイパス弁補正制御ルーチンは、ECU14が、CO2吸放出材10a、10bのCO2吸収時に、バイパス弁12の動作を制御するために実行するものである。この制御ルーチンにおいてECU14は、まずステップS21で放出弁13a、13bが開状態で有るか否かを判断する。放出弁13a、13bが開状態ではないと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。一方、開状態であると判断した場合はステップS22に進み、CO2吸放出材10a、10bの温度がCO2を吸収する第1の温度範囲内か否かを判断する。吸収温度範囲内ではないと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。吸収温度範囲内であると判断した場合はステップS23に進み、CO2吸放出材10a、10bのCO2吸収量を算出する。CO2吸収量は、CO2吸放出材10a、10bの温度、CO2吸放出材10a、10bが設けられている場所の排気圧、CO2吸放出材10a、10bに導入される排気のCO2分圧、CO2吸放出材10a、10bが既に吸収しているCO2の量等に基づいて算出される。
【0028】
次のステップS24では、ECU14は、EGR通路9を通過して吸気通路3へ供給される排気中のCO2濃度の変化量を算出する。CO2濃度の変化量は、算出したCO2吸収量と排気通路4の排気の空燃比とに基づいて算出される。続くステップS25においてECU14は、算出したCO2濃度の変化量がバイパス通路11を通過して吸気通路3へ供給される排気の流量によって相殺されるように、バイパス弁12の補正操作量を算出する。次のステップS26では、ECU14は、バイパス弁12の補正操作実行後の内燃機関1の空燃比を算出し、この空燃比が下限値以上か否かを判断する。下限値は、PMが大量に発生する特定の空燃比域に差しかからないような空燃比に設定される。空燃比が下限値以上になると判断した場合はステップS27に進み、算出した補正操作量をバイパス弁12へ指示し、その後今回の制御ルーチンを終了する。一方、空燃比が下限値以下になると判断した場合はステップS28に進み、内燃機関1の空燃比が下限値以上になるようなバイパス弁12の補正操作量を再度算出し、その補正操作量をバイパス弁12へ指示する。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0029】
このように、CO2吸放出材10a、10bのCO2吸収量に応じてバイパス弁12の動作を制御することで、吸気通路3へ供給されるCO2量を適正量に維持することができる。
【0030】
図4において、「相殺」の概念は、CO2濃度の変化量を完全に打ち消す場合に限らず、変化量を部分的に又は不完全に打ち消す等、CO2濃度の変化量を減少させる場合も含む。
【0031】
図5の放出弁補正制御ルーチンは、CO2吸放出材10a、10bからCO2が放出される場合、吸気通路3へCO2が過剰に供給されることを抑制するためにECU14が実行するものである。なお、図5において、図3及び図4と同一の処理には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0032】
図5の制御ルーチンにおいて、ECU14はまずステップS11でCO2の放出要求が有るか否かを判断する。CO2放出要求が無いと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。CO2放出要求が有ると判断した場合はステップS31に進み、ECU14はCO2吸放出材10a、10bから放出されるCO2量を算出する。CO2放出量は、CO2吸放出材10a、10bの温度、CO2吸放出材10a、10bが設けられている場所の排気圧、CO2吸放出材10a、10bに導入される排気のCO2分圧、CO2吸放出材10a、10bが既に吸収しているCO2の量等に基づいて算出される。続くステップS24においてECU14は、EGR通路9を通過して吸気通路3へ供給される排気中のCO2濃度の変化量を算出する。CO2濃度の変化量は、算出したCO2放出量と排気通路4の排気の空燃比とに基づいて算出される。次のステップS32では、ECU14は、放出弁13a、13bの補正操作量を算出する。CO2吸放出材10a、10bから吸気通路3へ過剰にCO2が供給されると、内燃機関1は失火する可能性がある。そこで、過剰に供給されると見込まれるCO2量を抑制するように放出弁13a、13bの補正操作量が算出される。続くステップS33においてECU14は、放出弁13a、13bへ算出した補正操作量を指示する。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0033】
このように放出弁13a、13bを制御することによって、吸気通路3へのCO2の過剰な供給を抑制し、内燃機関1の失火等を防止することができる。
【0034】
以上の実施形態ではCO2吸放出材を2つ使用したが、図6に示すようにCO2吸放出材は1つでもよい。なお、図6において、図1と共通する部分には同一符号を付してある。
【0035】
図6の例では、EGR通路9を通過する排気の流量調整手段として、バイパス弁12及び放出弁13aの他に、CO2吸放出材10aとバイパス通路11とを通過する排気流量の比を調整することができる流量比調整弁13c、13dが設けられている。流量比調整弁13c、13dもECU14によって動作が制御される。
【0036】
例えば、CO2吸放出材10aがCO2を吸収している場合、吸気通路3へ供給されるCO2量が減少する。そこで、バイパス通路11を通過して吸気通路3へ供給される排気の流量が増加するように、流量比調整弁13c、13dを図6中の矢印Aの方向に動作させる。また、内燃機関1の空燃比を急速に低下させる場合は、CO2吸放出材10aから放出されるCO2が吸気通路3へ供給されるように、流量比調整弁13c、13dを図6中の矢印Bの方向に動作させる。
【0037】
このように流量比調整弁13c、13dの動作を制御することでも、吸気通路3へ供給されるCO2量を調整することができる。なお、排気の流量は、バイパス弁12、放出弁13a、流量比調整弁13c、13dの全てを使用して調整する必要はない。CO2吸放出材10aとバイパス通路11とを通過する排気の流量は、これらの弁のうちの一つでも調整が可能である。従って、バイパス弁12、放出弁13a、流量比調整弁13c、13dのうち少なくとも一つが設けられていればよい。
【0038】
以上の実施形態ではCO2吸放出材10a、10bを通過した排気は全て吸気通路3へ導入していたが、図7に示すように、CO2吸放出材10a、10bからCO2を放出させる場合とCO2を吸収させる場合とで、CO2吸放出材10a、10bを通過した排気を導入する位置を変更してもよい。なお、図7において図1と共通する部分には同一符号を付してある。
【0039】
図7(a)はCO2吸放出材10a、10bからCO2を放出させる場合、図7(b)はCO2吸放出材10a、10bへCO2を吸収させる場合をそれぞれ示している。排気の導入位置を変更するため図7の例には、切り替え弁15a、15bと調量弁15cとが設けられている。切り替え弁15a、15b及び調量弁15cもECU14によって動作が制御される。
【0040】
図7(a)から明らかなようにCO2吸放出材10a、10bからCO2を放出させる場合は、切り替え弁15a、15bの位置と調量弁15cの開度とを変更して図7(a)中の矢印の方向へ排気が流れるようにし、排気を吸気通路3へ供給する。図7の実施形態の場合、CO2吸放出材10a、10bを通過して吸気通路3へ供給される排気の流量は、放出弁13a、13bの他に調量弁15cの開度を変更することでも調整できる。一方、CO2吸放出材10a、10bへCO2を吸収させる場合は、図7(b)中の矢印の方向へ排気が流れるように切り替え弁15a、15b及び調量弁15cを動作させ、排気を排気通路4へ導入する。
【0041】
このように排気の流れを変更することで、CO2吸放出材10a、10bのCO2吸収時に発生していた吸気通路3へ供給する排気中CO2濃度の変動をなくすことができる。従って、図1の実施形態で実施していた図4の制御ルーチンを省略することができる。
【0042】
なお、図7の例において、CO2吸放出材の数は2個に限定されず、更に多くのCO2吸放出材が設けられていてもよい。また、ターボチャージャ8はなくてもよい。
【0043】
(第2の実施形態)
次に、図8、図9を参照して本発明の第2の実施形態を説明する。但し、各図において図1、図5と共通する部分には同一符号を付し、それらの説明は省略する。
【0044】
図8に示す第2の実施形態は、EGR通路9に排気の空燃比を取得する空燃比取得手段である空燃比センサ16が設けられている点において第1の実施形態と異なる。空燃比センサ16の出力はECU14に送られ、CO2吸放出材10aから吸放出されたCO2量の推定に使用される。図9は、図8の実施形態においてCO2吸放出材10aからCO2が放出される場合、内燃機関1へCO2が過剰に供給されることを抑制するためにECU14が実行する制御ルーチンである。図9の制御ルーチンは、内燃機関1の動作中に所定の周期で繰り返し実行される。
【0045】
図9の制御ルーチンにおいて、ECU14はまずステップS11でCO2の放出要求が有るか否かを判断する。CO2放出要求が無いと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。CO2放出要求が有ると判断した場合はステップS41に進み、CO2吸放出材10aからCO2が放出される前と放出された後とにおけるEGR通路9の排気のCO2濃度変化を取得する。
【0046】
CO2濃度変化は、例えばEGR通路9に設けられた空燃比センサ用切り替え弁17の動作を制御し、空燃比センサ16へ導入される排気を変化させて取得する。空燃比センサ用切り替え弁17が実線で示した図8のAの位置にある場合、CO2吸放出材10aを通過した排気は空燃比センサ16へ導入されることはない。そのため、放出されたCO2の影響の無い排気の空燃比を取得することができる。一方、空燃比センサ用切り替え弁17が点線で示した図8のBの位置にある場合は、空燃比センサ16にCO2吸放出材10aから放出されたCO2が導入される。そのため、放出されたCO2を含んだ排気の空燃比を取得することができる。このように空燃比センサ用切り替え弁17の位置を変更して取得した空燃比の変化からCO2濃度変化を取得する。
【0047】
次のステップS42では、ECU14は、CO2吸放出材10aから放出されたCO2量を算出する。CO2放出量は、取得したCO2濃度変化に基づいて算出される。CO2量を算出した後はステップS24以下に進み、図5と同様の処理を行う。
【0048】
このように、空燃比センサ16が取得した空燃比の変化に基づいてCO2放出量を算出するので、より正確にCO2放出量を推定することができる。従って、放出弁13aの制御精度を向上させることができる。また、CO2吸放出材10aへCO2を吸収させる場合も、空燃比センサ16で排気の空燃比の変化を取得することで、CO2吸収量をより正確に推定することができる。これにより、バイパス弁12の補正操作の制御精度を向上させることができる。なお、空燃比センサ16を配置する位置は図8に示した位置に限定されない。CO2吸放出材10aからCO2が吸放出される前と吸放出された後とにおいて吸放出前後の排気の空燃比を取得できる位置であれば、どこに配置してもよい。また、空燃比を取得する手段は空燃比センサに限定されず、酸素濃度センサを使用してもよい。
【0049】
(第3の実施形態)
次に、図10を参照して本発明の第3の実施形態を説明する。但し、図10において図1と共通する部分には同一符号を付し、それらの説明は省略する。
【0050】
図10に示す実施形態は、EGR通路9に、排気と熱交換して排気を冷却する熱交換器としてのEGRクーラ18と、EGRクーラ18をバイパスさせて排気を下流側へ導くEGRクーラバイパス通路19と、EGRクーラ18へ導入する排気の流量を調整するEGRクーラ用調量弁20とを備えている点において他の実施形態と異なる。
【0051】
EGRクーラ用調量弁20の動作はECU14によって制御される。図11は、ECU14がEGRクーラ用調量弁20の動作を制御するために実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。図11の制御ルーチンを実行することにより、ECU14は熱交換量制御手段として機能する。図11の制御ルーチンは、内燃機関1の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。
【0052】
図11の制御ルーチンにおいて、ECU14はまずステップS51で排気の温度を取得する。排気の温度は燃焼室2へ供給された燃料量等に基づいて算出して取得してもよいし、排気通路4に設けた温度センサにより取得してもよい。次のステップS52では、ECU14は、CO2吸放出材10a、10bへCO2を吸収させる要求があるか否かを判断する。CO2吸収要求は、例えばCO2吸放出材10a、10bに内燃機関1の空燃比を急速に低下させるのに必要なCO2量が吸収されていない場合にあると判断される。CO2吸収要求があると判断した場合はステップS53に進み、取得した排気温度が図12の温度Taよりも高温であるか否か判断する。図12は、CO2吸放出材10aのCO2吸放出特性を示している。図12から明らかなように、CO2吸放出材10aはTa未満の温度でCO2を吸収し、Taよりも高温の範囲でCO2を放出する。排気温度がTaよりも高温であると判断した場合はステップS54へ進み、EGRクーラ用調量弁20を開く。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【0053】
一方、ステップS52でCO2吸収要求がないと判断した場合及びステップS53で排気温度がTaよりも高温ではないと判断した場合は、ステップS55に進み、EGRクーラ用調量弁20を閉じる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【0054】
このように、CO2吸放出材10a、10bへ導入される排気の温度を調整することで、排気通路4の排気温度が高い場合でもCO2吸放出材10aへCO2を吸収させることができる。また、例えば、排気中のCO2濃度が高く、排気の圧力が高い方がCO2を多く吸収するCO2吸放出材を使用した場合は、排気温度が高温になる状態で内燃機関1が運転されているときの排気中のCO2濃度は高く、排気の圧力も高くなるので、高温の排気を冷却してCO2吸放出材へ導入することで、CO2吸放出材へCO2を効率よく吸収させることができる。
【0055】
なお、CO2吸収開始温度の異なる複数のCO2吸放出材をEGR通路9へ配置する場合は、例えばこれら複数のCO2吸放出材のうち最も低いCO2吸収開始温度を基準としてEGRクーラ用調量弁20を制御することで、全てのCO2吸放出材へCO2を吸収させることができる。
【0056】
図13は、図10の実施形態に使用されるCO2吸放出材10aのCO2吸放出特性の他の例を示している。図13から明らかなように、このCO2吸放出材10aは、温度T−maxにおいて最も多くCO2を吸収する。従って、EGRクーラ用調量弁20の開度を変更して排気温度をT−maxにすることで、さらにCO2の吸収効率を向上させることができる。
【0057】
図14は、図13のCO2吸放出特性を有するCO2吸放出材が図10の実施形態に使用された場合に、ECU14がEGRクーラ用調量弁20の開度を変更するために実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。図14の制御ルーチンは、内燃機関1の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。
【0058】
図14の制御ルーチンにおいて、ECU14はまずステップS51で排気の温度を取得する。次のステップS52では、ECU14は、CO2吸放出材10aへCO2を吸収させる要求があるか否かを判断する。CO2吸収要求があると判断した場合はステップS61に進み、取得した排気温度が図13の温度T―maxよりも高温であるか否か判断する。排気温度がT−maxよりも高温であると判断した場合は、ステップS62へ進み、ECU14はCO2吸放出材10aへ導入される排気の温度がT−maxになるようなEGRクーラ用調量弁20の補正操作量を算出する。補正操作量は例えば、EGRクーラ用調量弁20の開度と排気温度との対応関係を予め実験により求めてマップとしてECU14のROMに記憶しておき、そのマップを参照することで求めることができる。続く、ステップS63において、ECU14は、算出した補正操作量をEGRクーラ用調量弁20へ指示し、その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0059】
一方、ステップS52でCO2吸収要求がないと判断した場合、及びステップS61で排気温度がT―maxよりも高温ではないと判断した場合は、ステップS55に進み、EGRクーラ用調量弁20を閉じる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【0060】
このようにCO2吸放出材10aへCO2を吸収させる場合は、CO2吸放出材10aへ導入される排気の温度をT−maxにすることで、CO2の吸収効率をさらに向上させることができる。
【0061】
第3の実施形態において排気温度を調整する方法は、EGRクーラ用調量弁20によって排気流量を調整する方法に限定されない。例えば、EGRクーラ18が内燃機関1の冷却水を利用して熱交換を行う場合は、その冷却水の流量を変更して排気温度を調整してもよい。また、排気流量の調整と冷却水の流量調整とを併用して排気温度を調整してもよい。熱交換器は、EGRクーラ等のように排気を冷却するものに限定されず、排気を加熱する加熱器を設けてもよい。
【0062】
EGRクーラ18を配置する位置も図10に示した位置に限定されない。例えば、図15に示したように、バイパス通路11と分岐した後で且つCO2吸放出材10a、10bの上流側のEGR通路9に配置してもよい。また、図15に示したように、EGRクーラ18とは別にバイパス通路11にも、バイパス通路を通過して吸気通路3へ供給される排気を冷却するバイパス通路用EGRクーラ21を配置してもよい。
【0063】
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えばCO2吸放出材の個数は2個に限定されず、1個でもよいし3個以上のCO2吸放出材を配置してもよい。また、複数のCO2吸放出材は、CO2を吸収する第1の状態とCO2を放出する第2の状態とのうち少なくとも一方が互いに異なった温度範囲と対応付けられているものに限定されない。例えば、CO2の吸放出速度やCO2吸収容量等のCO2吸放出特性が異なる複数のCO2吸放出材を使用してもよい。さらに、上述した実施形態と同等の効果が得られるのであれば、種々のCO2吸放出特性を有するCO2吸放出材を複数組み合わせて使用してよい。
【0064】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、CO2吸放出材から放出されたCO2を内燃機関の吸気系へ供給して内燃機関の空燃比を低下させることができる。また、CO2を吸収する第1の状態とCO2を放出する第2の状態とのうち少なくとも一方が互いに異なった複数のCO2吸放出材を使用することにより、さらに広い範囲でCO2を吸放出させて内燃機関の燃焼を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃焼制御装置が適用される内燃機関の要部を示す図。
【図2】図1のCO2吸放出材のCO2吸放出特性を示す図。
【図3】図1のECUが放出弁の動作を制御するために実行する制御ルーチンを示す図。
【図4】図1のECUがバイパス弁の動作を制御するために実行する制御ルーチンを示す図。
【図5】図1のECUが放出弁の補正操作を行うために実行する制御ルーチンを示す図。
【図6】本発明の第1の実施形態に係る燃焼制御装置の変形例を示す図。
【図7】本発明の第1の実施形態に係る燃焼制御装置の他の変形例を示す図。
【図8】本発明の第2の実施形態に係る燃焼制御装置が適用される内燃機関の要部を示す図。
【図9】図8のECUが放出弁の補正操作を行うために実行する制御ルーチンを示す図。
【図10】本発明の第3の実施形態に係る燃焼制御装置が適用される内燃機関の要部を示す図。
【図11】図10のECUがEGRクーラ用調量弁の動作を制御するために実行する制御ルーチンを示す図。
【図12】図10のCO2吸放出材のCO2吸放出特性を示す図。
【図13】図10の燃焼制御装置に使用される他のCO2吸放出材のCO2吸放出特性を示す図。
【図14】図13のCO2吸放出特性を有するCO2吸放出材が燃焼制御装置に使用された場合に、図10のECUがEGRクーラ用調量弁の動作を制御するために実行する制御ルーチンを示す図。
【図15】本発明の第3の実施形態に係る燃焼制御装置の変形例を示す図。
【符号の説明】
1 内燃機関
2 燃焼室
3 吸気通路
4 排気通路
10a、10b CO2吸放出材(CO2吸放出手段)
11 バイパス通路
12 バイパス弁(排気流量調整手段)
13a、13b 放出弁(排気流量調整手段)
13c、13d 流量比調整弁(排気流量調整手段)
14 エンジンコントロールユニット(動作制御手段、熱交換量制御手段)
16 空燃比センサ(空燃比取得手段)
18 EGRクーラ(熱交換器)
20 EGRクーラ用調量弁(熱交換量制御手段)
【発明の属する技術分野】
本発明は、CO2を吸放出するCO2吸放出材を備えた内燃機関の燃焼制御方法及び燃焼制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
250℃程度の温度域で、炭酸ガス(CO2)吸収能の高い炭酸ガス吸収材が知られている(特許文献1参照)。また、室温から600℃付近までの温度域でCO2を吸収し、680℃以上の温度域でCO2を放出するCO2吸放出材が知られている(非特許文献1参照)。その他、本発明に関連する技術として特許文献2、3が存在する。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−96122号公報
【特許文献2】
特開2001−3775号公報
【特許文献3】
特開平11−262632号公報
【非特許文献1】
東芝レビューVol.56、No.8(2001)p.11−14
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼルエンジンの排気浄化装置として、吸蔵還元型NOx触媒等の排気浄化触媒を使用した排気浄化システムが実用化されている。この排気浄化システムでは、エンジンが低回転、低負荷で運転されると排気温度が低下し、それに伴って触媒温度が低下して触媒が不活性状態になるおそれがある。そこで、この運転域では、EGRガス等の不活性ガスを燃焼室へ大量に供給してエンジンの燃焼温度を低下させる処理(低温燃焼)を行い、この低温燃焼により炭化水素(HC)を発生させて触媒の活性を維持している。
【0005】
ところで、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質(PM)とエンジンの空燃比とは相関関係を有しており、特定の空燃比域においてPMが大量に発生することが知られている。低温燃焼のために不活性ガスを供給すると空燃比が低下して、この特定の空燃比域に差しかかりPMが大量に発生する。そこで、大量の不活性ガスを燃焼室へ短時間で供給して空燃比を低下させることにより、PMが大量に発生する空燃比域を短時間で通過してPMの発生量を抑えることが望まれる。不活性ガスにはCO2が利用できるが、従来、このような目的でCO2吸放出材を利用することは検討されていない。
【0006】
そこで、本発明は、CO2を利用して内燃機関の空燃比を低下させることが可能な内燃機関の燃焼制御方法及び燃焼制御装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の燃焼制御方法は、第1の状態でCO2を吸収し、第2の状態で吸収したCO2を放出するCO2吸放出手段が設けられた内燃機関に適用され、不活性ガスの燃焼室内への供給が要求される場合に、前記CO2吸放出手段を前記第2の状態にしてCO2を放出させ、その放出されたCO2を前記内燃機関の吸気系へ供給することにより、上述した課題を解決する(請求項1)。
【0008】
本発明の燃焼制御方法によれば、低温燃焼等のために燃焼室内への不活性ガスの供給が要求される場合には、前記CO2吸放出手段から内燃機関の吸気系へCO2を供給することにより、内燃機関の空燃比を低下、すなわち酸素量が相対的に減少する側へ変化させることができる。
【0009】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、第1の状態でCO2を吸収し、第2の状態で吸収したCO2を放出するCO2吸放出手段が設けられた内燃機関に適用され、前記CO2吸放出手段は、前記CO2吸放出手段から放出されたCO2を前記内燃機関の吸気系へ供給できるように前記内燃機関の吸気通路と接続されることにより、上述した課題を解決する(請求項2)。
【0010】
本発明の燃焼制御装置によれば、CO2吸放出手段から放出されたCO2を吸気系へ供給することができるので、本発明の燃焼制御方法と同様に、内燃機関の空燃比を低下させることができる。
【0011】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置において、前記CO2吸放出手段は、前記内燃機関の排気を前記CO2吸放出手段へ導入できるように前記内燃機関の排気通路と接続されてもよい(請求項3)。この場合、内燃機関の排気に含まれるCO2をCO2吸放出手段に一時的に蓄え、これを必要に応じて吸気系へ供給することができる。
【0012】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、前記排気通路と前記吸気通路とを前記CO2吸放出手段を迂回して接続するバイパス通路を備えてもよい(請求項4)。この場合、CO2吸放出手段とバイパス通路との両者を介して吸気系へ排気を供給することができる。これにより、吸気系へ供給されるCO2量の調整の自由度が高まる。例えば、CO2吸放出手段がCO2を吸収している場合、吸気系へ供給されるCO2量が減少するため、その減少量に応じてバイパス通路から吸気系へ排気を送って排気流量を増加させることによりCO2の減少を抑制することができる。一方、CO2吸放出手段からCO2が放出されている場合、吸気系へ供給されるCO2量が過剰になると燃焼に必要な酸素が不足して内燃機関が失火する可能性がある。この場合は、CO2放出量の過剰分に応じて排気通路から吸気系へ供給される排気の流量を減少させ、内燃機関が失火しないようなCO2量に調整する。
【0013】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、前記CO2吸放出手段と前記バイパス通路の少なくともいずれか一方を通過して前記吸気系へ供給される排気の流量を調整する排気流量調整手段と、前記CO2吸放出手段のCO2吸放出量に基づいて前記排気流量調整手段の動作を制御する動作制御手段とを備えてもよい(請求項5)。この場合、排気流量調整手段の動作を制御することにより上述したようなCO2の吸収、放出に応じたバイパス流量の調整を行うことができる。
【0014】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、前記CO2吸放出手段の下流側に配置されて前記CO2吸放出手段を通過した排気の空燃比を取得する空燃比取得手段を備え、前記動作制御手段は、前記空燃比取得手段が取得した空燃比に基づいて前記排気流量調整手段の動作を制御してもよい(請求項6)。空燃比取得手段によって、CO2吸放出手段からCO2が吸放出された場合の空燃比の変化を調べることができる。この空燃比の変化より、実際にCO2吸放出手段から吸放出されたCO2量をより正確に把握することができる。そのため、吸気系へ供給する排気の流量をより精度よく調整することができる。
【0015】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、前記第1の状態と前記第2の状態とが互いに異なる温度範囲に対応付けられており、前記CO2吸放出手段の上流側に配置されて前記CO2吸放出手段へ導入される排気と熱交換して排気の温度を調整する熱交換器と、前記熱交換器の熱交換量を制御する熱交換量制御手段とを備え、前記熱交換量制御手段は、前記CO2吸放出手段に吸収されているCO2量に基づいて前記熱交換器の熱交換量を制御してもよい(請求項7)。この場合、排気温度を調整することにより、CO2吸放出手段を第1の状態又は第2の状態に設定して、CO2吸放出手段に吸収されているCO2量に応じて吸収、放出作用を適切に使い分けることができる。例えば、CO2吸放出手段に吸収されているCO2量が少ない場合は、排気温度を調整してCO2吸放出手段を第1の状態に設定し、CO2吸放出手段にCO2を吸収させてCO2吸収量を増加させることができる。
【0016】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置において、前記CO2吸放出手段が複数設けられ、前記複数のCO2吸放出手段のそれぞれは、自己から放出されたCO2を前記吸気系へ供給できるように前記吸気通路と接続されてもよい(請求項8)。この場合、CO2吸放出手段を使い分けることができる。例えば、最も条件の良いもの又は悪いもの(例えば、吸収しているCO2量の多いもの、又は少ないもの)から順にCO2を吸収、放出させることができる。また、複数のCO2吸放出手段を同時に吸収、放出状態にしてCO2を吸放出させてもよい。
【0017】
本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、前記複数のCO2吸放出手段のそれぞれの第1の状態及び第2の状態の少なくとも一方が互いに異なっていてもよい(請求項9)。この場合、種々の状態においてCO2吸放出手段からCO2を吸放出させることができる。例えば、第2の状態が互いに異なる温度範囲に対応付けられている複数のCO2吸放出手段を備えた内燃機関の場合、種々の排気温度においてCO2を吸気系へ供給することができる。また、複数のCO2吸放出手段の第1の状態が互いに異なる温度範囲に対応付けられていれば、種々の排気温度においてCO2を吸収させることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1に本発明の燃焼制御装置が適用される内燃機関の要部を示す。内燃機関1は、燃焼室2に吸気を取り込むための吸気通路3と、燃焼室2からの排気を所定の排気位置まで導くための排気通路4と、これら通路3、4を開閉するための吸気バルブ5及び排気バルブ6とを備えている。吸気通路3には吸気量を調整するための吸気絞り弁7が設けられており、排気通路4にはターボチャージャ8のタービン8aと、タービン8aに流入する排気の流速を変化させる可変ノズル8bとが設けられている。排気通路4は、排気の一部を吸気通路3へ導入するためEGR通路9によって吸気通路3と接続されている。
【0019】
EGR通路9には、CO2吸放出手段として複数(図1では2個)のCO2吸放出材10a、10bと、CO2吸放出材10a、10bを迂回して排気通路4と吸気通路3とを接続するバイパス通路11とが設けられている。排気通路4から吸気通路3へ導入される排気の流れは、バイパス弁12と、CO2吸放出材10a、10bから放出されるCO2量を調整する放出弁13a、13bとによって調整される。
【0020】
内燃機関1の運転状態はエンジンコントロールユニット(ECU)14により制御される。ECU14は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なROM、RAM等の周辺装置を組み合わせたコンピュータとして構成されている。ECU14は、例えば内燃機関1がアイドリングや低負荷の状態で運転されている場合にバイパス弁12の開度を大きくして吸気通路3へ供給される排気の流量を増加させ、内燃機関1の燃焼温度を低下させる低温燃焼を実行する。
【0021】
CO2吸放出材10a、10bは、例えばリチウムジルコネート(Li2ZrO3)等のリチウムの複合酸化物を主体として構成され、第1の温度範囲(例えば400℃〜580℃)でCO2を吸収し、第2の温度範囲(例えば600℃〜700℃)でCO2を放出する特性を備えた公知のものである。なお、CO2吸放出材10aとCO2吸放出材10bとは、互いに異なる第1の温度でCO2の吸収を開始し、且つ互いに異なる第2の温度でCO2の放出を開始する。図2にCO2吸放出材10a、10bの第1の温度範囲と第2の温度範囲の一例を示す。図2中の実線はCO2吸放出材10aのCO2吸放出特性を、図2中の点線はCO2吸放出材10bのCO2吸放出特性をそれぞれ示している。図2から明らかなように、CO2吸放出材10aは図2中の温度Ta未満が第1の温度範囲に、Taよりも高温の範囲が第2の温度範囲にそれぞれ相当し、CO2吸放出材10bは図2中の温度Tb未満が第1の温度範囲に、Tbよりも高温の範囲が第2の温度範囲にそれぞれ相当する。
【0022】
放出弁13a、13bの動作は、ECU14により制御される。図3は、ECU14が放出弁13a、13bの動作を制御するために実行する放出弁制御ルーチンを示すフローチャートである。図3の制御ルーチンは、内燃機関1の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。なお、図3中において、放出弁Aは放出弁13aを、放出弁Bは放出弁13bをそれぞれ示している。
【0023】
図3の制御ルーチンにおいて、ECU14はまずステップS11でCO2の放出要求が有るか否かを判断する。放出要求は、内燃機関1に低温燃焼を行わせる等、燃焼室2へ不活性ガスを大量に供給して内燃機関1の空燃比を急速に低下させる場合に有ると判断される。CO2放出要求が有ると判断した場合はステップS12に進み、ECU14はCO2吸放出材10a、10bの温度Tが図2の温度Ta未満か否かを判断する。CO2吸放出材10a、10bの温度TがTa未満であると判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。CO2吸放出材10a、10bの温度TがTa未満ではないと判断した場合はステップS13に進み、ECU14はCO2吸放出材10a、10bの温度Tが図2の温度Tbよりも高温か否かを判断する。高温ではないと判断した場合はステップS14に進み、ECU14は放出弁13aが開、放出弁13bが閉の状態になるように放出弁13a、13bへ指示を出力し、その後今回の制御ルーチンを終了する。一方、高温であると判断した場合はステップS15に進み、ECU14は放出弁13aと放出弁13bとが開の状態になるように放出弁13a、13bへ指示を出力し、その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0024】
ステップS11においてCO2放出要求が無いと判断した場合は、ステップS16に進み、ECU14はCO2吸放出材10a、10bの温度Tが図2のTa未満か否かを判断する。CO2吸放出材10a、10bの温度TがTa未満であると判断した場合はステップS15に進み、放出弁13aと放出弁13bとが開の状態になるように放出弁13a、13bへ指示を出力する。その後今回の処理を終了する。CO2吸放出材10a、10bの温度TがTa未満ではないと判断した場合はステップS17に進み、ECU14はCO2吸放出材10a、10bの温度Tが図2のTbよりも高温か否かを判断する。高温ではないと判断した場合はステップS18に進み、ECU14は放出弁13aが閉、放出弁13bが開の状態になるように放出弁13a、13bへ指示を出力し、その後今回の制御ルーチンを終了する。一方、高温であると判断した場合はステップS19に進み、ECU14は放出弁13aと放出弁13bとが閉の状態になるように放出弁13a、13bへ指示を出力し、その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0025】
このように放出弁13a、13bの動作を制御することによって、CO2吸放出材10a、10bから吸放出されて内燃機関1の吸気系へ供給されるCO2量を調整することができる。また、CO2の吸収を開始する温度とCO2の放出を開始する温度とが互いに異なるCO2吸放出材10a、10bをEGR通路9に設けることにより、CO2の吸収温度範囲と放出温度範囲とを広げることができる。更に、CO2吸放出材10a、10bの温度Tが図2のTa〜Tbの範囲にある場合には、CO2の吸収、放出を切り替えることもできる。
【0026】
図1の実施形態においてCO2吸放出材10a、10bからCO2が吸放出される場合、EGR通路9を通過して吸気通路3へ供給されるCO2の量が不足し、又は過剰になることがある。図4及び図5は、このようなCO2量の不足又は過剰を抑制するためにECU14が実行する制御ルーチンを示している。これらの制御ルーチンを実行することにより、ECU14は動作制御手段として機能する。また、バイパス弁12と放出弁13a、13bとは排気流量調整手段として機能する。なお、これらの制御ルーチンは、内燃機関1の動作中に所定の周期で繰り返し実行される。以下、各制御ルーチンについて説明する。
【0027】
図4のバイパス弁補正制御ルーチンは、ECU14が、CO2吸放出材10a、10bのCO2吸収時に、バイパス弁12の動作を制御するために実行するものである。この制御ルーチンにおいてECU14は、まずステップS21で放出弁13a、13bが開状態で有るか否かを判断する。放出弁13a、13bが開状態ではないと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。一方、開状態であると判断した場合はステップS22に進み、CO2吸放出材10a、10bの温度がCO2を吸収する第1の温度範囲内か否かを判断する。吸収温度範囲内ではないと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。吸収温度範囲内であると判断した場合はステップS23に進み、CO2吸放出材10a、10bのCO2吸収量を算出する。CO2吸収量は、CO2吸放出材10a、10bの温度、CO2吸放出材10a、10bが設けられている場所の排気圧、CO2吸放出材10a、10bに導入される排気のCO2分圧、CO2吸放出材10a、10bが既に吸収しているCO2の量等に基づいて算出される。
【0028】
次のステップS24では、ECU14は、EGR通路9を通過して吸気通路3へ供給される排気中のCO2濃度の変化量を算出する。CO2濃度の変化量は、算出したCO2吸収量と排気通路4の排気の空燃比とに基づいて算出される。続くステップS25においてECU14は、算出したCO2濃度の変化量がバイパス通路11を通過して吸気通路3へ供給される排気の流量によって相殺されるように、バイパス弁12の補正操作量を算出する。次のステップS26では、ECU14は、バイパス弁12の補正操作実行後の内燃機関1の空燃比を算出し、この空燃比が下限値以上か否かを判断する。下限値は、PMが大量に発生する特定の空燃比域に差しかからないような空燃比に設定される。空燃比が下限値以上になると判断した場合はステップS27に進み、算出した補正操作量をバイパス弁12へ指示し、その後今回の制御ルーチンを終了する。一方、空燃比が下限値以下になると判断した場合はステップS28に進み、内燃機関1の空燃比が下限値以上になるようなバイパス弁12の補正操作量を再度算出し、その補正操作量をバイパス弁12へ指示する。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0029】
このように、CO2吸放出材10a、10bのCO2吸収量に応じてバイパス弁12の動作を制御することで、吸気通路3へ供給されるCO2量を適正量に維持することができる。
【0030】
図4において、「相殺」の概念は、CO2濃度の変化量を完全に打ち消す場合に限らず、変化量を部分的に又は不完全に打ち消す等、CO2濃度の変化量を減少させる場合も含む。
【0031】
図5の放出弁補正制御ルーチンは、CO2吸放出材10a、10bからCO2が放出される場合、吸気通路3へCO2が過剰に供給されることを抑制するためにECU14が実行するものである。なお、図5において、図3及び図4と同一の処理には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0032】
図5の制御ルーチンにおいて、ECU14はまずステップS11でCO2の放出要求が有るか否かを判断する。CO2放出要求が無いと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。CO2放出要求が有ると判断した場合はステップS31に進み、ECU14はCO2吸放出材10a、10bから放出されるCO2量を算出する。CO2放出量は、CO2吸放出材10a、10bの温度、CO2吸放出材10a、10bが設けられている場所の排気圧、CO2吸放出材10a、10bに導入される排気のCO2分圧、CO2吸放出材10a、10bが既に吸収しているCO2の量等に基づいて算出される。続くステップS24においてECU14は、EGR通路9を通過して吸気通路3へ供給される排気中のCO2濃度の変化量を算出する。CO2濃度の変化量は、算出したCO2放出量と排気通路4の排気の空燃比とに基づいて算出される。次のステップS32では、ECU14は、放出弁13a、13bの補正操作量を算出する。CO2吸放出材10a、10bから吸気通路3へ過剰にCO2が供給されると、内燃機関1は失火する可能性がある。そこで、過剰に供給されると見込まれるCO2量を抑制するように放出弁13a、13bの補正操作量が算出される。続くステップS33においてECU14は、放出弁13a、13bへ算出した補正操作量を指示する。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0033】
このように放出弁13a、13bを制御することによって、吸気通路3へのCO2の過剰な供給を抑制し、内燃機関1の失火等を防止することができる。
【0034】
以上の実施形態ではCO2吸放出材を2つ使用したが、図6に示すようにCO2吸放出材は1つでもよい。なお、図6において、図1と共通する部分には同一符号を付してある。
【0035】
図6の例では、EGR通路9を通過する排気の流量調整手段として、バイパス弁12及び放出弁13aの他に、CO2吸放出材10aとバイパス通路11とを通過する排気流量の比を調整することができる流量比調整弁13c、13dが設けられている。流量比調整弁13c、13dもECU14によって動作が制御される。
【0036】
例えば、CO2吸放出材10aがCO2を吸収している場合、吸気通路3へ供給されるCO2量が減少する。そこで、バイパス通路11を通過して吸気通路3へ供給される排気の流量が増加するように、流量比調整弁13c、13dを図6中の矢印Aの方向に動作させる。また、内燃機関1の空燃比を急速に低下させる場合は、CO2吸放出材10aから放出されるCO2が吸気通路3へ供給されるように、流量比調整弁13c、13dを図6中の矢印Bの方向に動作させる。
【0037】
このように流量比調整弁13c、13dの動作を制御することでも、吸気通路3へ供給されるCO2量を調整することができる。なお、排気の流量は、バイパス弁12、放出弁13a、流量比調整弁13c、13dの全てを使用して調整する必要はない。CO2吸放出材10aとバイパス通路11とを通過する排気の流量は、これらの弁のうちの一つでも調整が可能である。従って、バイパス弁12、放出弁13a、流量比調整弁13c、13dのうち少なくとも一つが設けられていればよい。
【0038】
以上の実施形態ではCO2吸放出材10a、10bを通過した排気は全て吸気通路3へ導入していたが、図7に示すように、CO2吸放出材10a、10bからCO2を放出させる場合とCO2を吸収させる場合とで、CO2吸放出材10a、10bを通過した排気を導入する位置を変更してもよい。なお、図7において図1と共通する部分には同一符号を付してある。
【0039】
図7(a)はCO2吸放出材10a、10bからCO2を放出させる場合、図7(b)はCO2吸放出材10a、10bへCO2を吸収させる場合をそれぞれ示している。排気の導入位置を変更するため図7の例には、切り替え弁15a、15bと調量弁15cとが設けられている。切り替え弁15a、15b及び調量弁15cもECU14によって動作が制御される。
【0040】
図7(a)から明らかなようにCO2吸放出材10a、10bからCO2を放出させる場合は、切り替え弁15a、15bの位置と調量弁15cの開度とを変更して図7(a)中の矢印の方向へ排気が流れるようにし、排気を吸気通路3へ供給する。図7の実施形態の場合、CO2吸放出材10a、10bを通過して吸気通路3へ供給される排気の流量は、放出弁13a、13bの他に調量弁15cの開度を変更することでも調整できる。一方、CO2吸放出材10a、10bへCO2を吸収させる場合は、図7(b)中の矢印の方向へ排気が流れるように切り替え弁15a、15b及び調量弁15cを動作させ、排気を排気通路4へ導入する。
【0041】
このように排気の流れを変更することで、CO2吸放出材10a、10bのCO2吸収時に発生していた吸気通路3へ供給する排気中CO2濃度の変動をなくすことができる。従って、図1の実施形態で実施していた図4の制御ルーチンを省略することができる。
【0042】
なお、図7の例において、CO2吸放出材の数は2個に限定されず、更に多くのCO2吸放出材が設けられていてもよい。また、ターボチャージャ8はなくてもよい。
【0043】
(第2の実施形態)
次に、図8、図9を参照して本発明の第2の実施形態を説明する。但し、各図において図1、図5と共通する部分には同一符号を付し、それらの説明は省略する。
【0044】
図8に示す第2の実施形態は、EGR通路9に排気の空燃比を取得する空燃比取得手段である空燃比センサ16が設けられている点において第1の実施形態と異なる。空燃比センサ16の出力はECU14に送られ、CO2吸放出材10aから吸放出されたCO2量の推定に使用される。図9は、図8の実施形態においてCO2吸放出材10aからCO2が放出される場合、内燃機関1へCO2が過剰に供給されることを抑制するためにECU14が実行する制御ルーチンである。図9の制御ルーチンは、内燃機関1の動作中に所定の周期で繰り返し実行される。
【0045】
図9の制御ルーチンにおいて、ECU14はまずステップS11でCO2の放出要求が有るか否かを判断する。CO2放出要求が無いと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。CO2放出要求が有ると判断した場合はステップS41に進み、CO2吸放出材10aからCO2が放出される前と放出された後とにおけるEGR通路9の排気のCO2濃度変化を取得する。
【0046】
CO2濃度変化は、例えばEGR通路9に設けられた空燃比センサ用切り替え弁17の動作を制御し、空燃比センサ16へ導入される排気を変化させて取得する。空燃比センサ用切り替え弁17が実線で示した図8のAの位置にある場合、CO2吸放出材10aを通過した排気は空燃比センサ16へ導入されることはない。そのため、放出されたCO2の影響の無い排気の空燃比を取得することができる。一方、空燃比センサ用切り替え弁17が点線で示した図8のBの位置にある場合は、空燃比センサ16にCO2吸放出材10aから放出されたCO2が導入される。そのため、放出されたCO2を含んだ排気の空燃比を取得することができる。このように空燃比センサ用切り替え弁17の位置を変更して取得した空燃比の変化からCO2濃度変化を取得する。
【0047】
次のステップS42では、ECU14は、CO2吸放出材10aから放出されたCO2量を算出する。CO2放出量は、取得したCO2濃度変化に基づいて算出される。CO2量を算出した後はステップS24以下に進み、図5と同様の処理を行う。
【0048】
このように、空燃比センサ16が取得した空燃比の変化に基づいてCO2放出量を算出するので、より正確にCO2放出量を推定することができる。従って、放出弁13aの制御精度を向上させることができる。また、CO2吸放出材10aへCO2を吸収させる場合も、空燃比センサ16で排気の空燃比の変化を取得することで、CO2吸収量をより正確に推定することができる。これにより、バイパス弁12の補正操作の制御精度を向上させることができる。なお、空燃比センサ16を配置する位置は図8に示した位置に限定されない。CO2吸放出材10aからCO2が吸放出される前と吸放出された後とにおいて吸放出前後の排気の空燃比を取得できる位置であれば、どこに配置してもよい。また、空燃比を取得する手段は空燃比センサに限定されず、酸素濃度センサを使用してもよい。
【0049】
(第3の実施形態)
次に、図10を参照して本発明の第3の実施形態を説明する。但し、図10において図1と共通する部分には同一符号を付し、それらの説明は省略する。
【0050】
図10に示す実施形態は、EGR通路9に、排気と熱交換して排気を冷却する熱交換器としてのEGRクーラ18と、EGRクーラ18をバイパスさせて排気を下流側へ導くEGRクーラバイパス通路19と、EGRクーラ18へ導入する排気の流量を調整するEGRクーラ用調量弁20とを備えている点において他の実施形態と異なる。
【0051】
EGRクーラ用調量弁20の動作はECU14によって制御される。図11は、ECU14がEGRクーラ用調量弁20の動作を制御するために実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。図11の制御ルーチンを実行することにより、ECU14は熱交換量制御手段として機能する。図11の制御ルーチンは、内燃機関1の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。
【0052】
図11の制御ルーチンにおいて、ECU14はまずステップS51で排気の温度を取得する。排気の温度は燃焼室2へ供給された燃料量等に基づいて算出して取得してもよいし、排気通路4に設けた温度センサにより取得してもよい。次のステップS52では、ECU14は、CO2吸放出材10a、10bへCO2を吸収させる要求があるか否かを判断する。CO2吸収要求は、例えばCO2吸放出材10a、10bに内燃機関1の空燃比を急速に低下させるのに必要なCO2量が吸収されていない場合にあると判断される。CO2吸収要求があると判断した場合はステップS53に進み、取得した排気温度が図12の温度Taよりも高温であるか否か判断する。図12は、CO2吸放出材10aのCO2吸放出特性を示している。図12から明らかなように、CO2吸放出材10aはTa未満の温度でCO2を吸収し、Taよりも高温の範囲でCO2を放出する。排気温度がTaよりも高温であると判断した場合はステップS54へ進み、EGRクーラ用調量弁20を開く。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【0053】
一方、ステップS52でCO2吸収要求がないと判断した場合及びステップS53で排気温度がTaよりも高温ではないと判断した場合は、ステップS55に進み、EGRクーラ用調量弁20を閉じる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【0054】
このように、CO2吸放出材10a、10bへ導入される排気の温度を調整することで、排気通路4の排気温度が高い場合でもCO2吸放出材10aへCO2を吸収させることができる。また、例えば、排気中のCO2濃度が高く、排気の圧力が高い方がCO2を多く吸収するCO2吸放出材を使用した場合は、排気温度が高温になる状態で内燃機関1が運転されているときの排気中のCO2濃度は高く、排気の圧力も高くなるので、高温の排気を冷却してCO2吸放出材へ導入することで、CO2吸放出材へCO2を効率よく吸収させることができる。
【0055】
なお、CO2吸収開始温度の異なる複数のCO2吸放出材をEGR通路9へ配置する場合は、例えばこれら複数のCO2吸放出材のうち最も低いCO2吸収開始温度を基準としてEGRクーラ用調量弁20を制御することで、全てのCO2吸放出材へCO2を吸収させることができる。
【0056】
図13は、図10の実施形態に使用されるCO2吸放出材10aのCO2吸放出特性の他の例を示している。図13から明らかなように、このCO2吸放出材10aは、温度T−maxにおいて最も多くCO2を吸収する。従って、EGRクーラ用調量弁20の開度を変更して排気温度をT−maxにすることで、さらにCO2の吸収効率を向上させることができる。
【0057】
図14は、図13のCO2吸放出特性を有するCO2吸放出材が図10の実施形態に使用された場合に、ECU14がEGRクーラ用調量弁20の開度を変更するために実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。図14の制御ルーチンは、内燃機関1の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。
【0058】
図14の制御ルーチンにおいて、ECU14はまずステップS51で排気の温度を取得する。次のステップS52では、ECU14は、CO2吸放出材10aへCO2を吸収させる要求があるか否かを判断する。CO2吸収要求があると判断した場合はステップS61に進み、取得した排気温度が図13の温度T―maxよりも高温であるか否か判断する。排気温度がT−maxよりも高温であると判断した場合は、ステップS62へ進み、ECU14はCO2吸放出材10aへ導入される排気の温度がT−maxになるようなEGRクーラ用調量弁20の補正操作量を算出する。補正操作量は例えば、EGRクーラ用調量弁20の開度と排気温度との対応関係を予め実験により求めてマップとしてECU14のROMに記憶しておき、そのマップを参照することで求めることができる。続く、ステップS63において、ECU14は、算出した補正操作量をEGRクーラ用調量弁20へ指示し、その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0059】
一方、ステップS52でCO2吸収要求がないと判断した場合、及びステップS61で排気温度がT―maxよりも高温ではないと判断した場合は、ステップS55に進み、EGRクーラ用調量弁20を閉じる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【0060】
このようにCO2吸放出材10aへCO2を吸収させる場合は、CO2吸放出材10aへ導入される排気の温度をT−maxにすることで、CO2の吸収効率をさらに向上させることができる。
【0061】
第3の実施形態において排気温度を調整する方法は、EGRクーラ用調量弁20によって排気流量を調整する方法に限定されない。例えば、EGRクーラ18が内燃機関1の冷却水を利用して熱交換を行う場合は、その冷却水の流量を変更して排気温度を調整してもよい。また、排気流量の調整と冷却水の流量調整とを併用して排気温度を調整してもよい。熱交換器は、EGRクーラ等のように排気を冷却するものに限定されず、排気を加熱する加熱器を設けてもよい。
【0062】
EGRクーラ18を配置する位置も図10に示した位置に限定されない。例えば、図15に示したように、バイパス通路11と分岐した後で且つCO2吸放出材10a、10bの上流側のEGR通路9に配置してもよい。また、図15に示したように、EGRクーラ18とは別にバイパス通路11にも、バイパス通路を通過して吸気通路3へ供給される排気を冷却するバイパス通路用EGRクーラ21を配置してもよい。
【0063】
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えばCO2吸放出材の個数は2個に限定されず、1個でもよいし3個以上のCO2吸放出材を配置してもよい。また、複数のCO2吸放出材は、CO2を吸収する第1の状態とCO2を放出する第2の状態とのうち少なくとも一方が互いに異なった温度範囲と対応付けられているものに限定されない。例えば、CO2の吸放出速度やCO2吸収容量等のCO2吸放出特性が異なる複数のCO2吸放出材を使用してもよい。さらに、上述した実施形態と同等の効果が得られるのであれば、種々のCO2吸放出特性を有するCO2吸放出材を複数組み合わせて使用してよい。
【0064】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、CO2吸放出材から放出されたCO2を内燃機関の吸気系へ供給して内燃機関の空燃比を低下させることができる。また、CO2を吸収する第1の状態とCO2を放出する第2の状態とのうち少なくとも一方が互いに異なった複数のCO2吸放出材を使用することにより、さらに広い範囲でCO2を吸放出させて内燃機関の燃焼を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃焼制御装置が適用される内燃機関の要部を示す図。
【図2】図1のCO2吸放出材のCO2吸放出特性を示す図。
【図3】図1のECUが放出弁の動作を制御するために実行する制御ルーチンを示す図。
【図4】図1のECUがバイパス弁の動作を制御するために実行する制御ルーチンを示す図。
【図5】図1のECUが放出弁の補正操作を行うために実行する制御ルーチンを示す図。
【図6】本発明の第1の実施形態に係る燃焼制御装置の変形例を示す図。
【図7】本発明の第1の実施形態に係る燃焼制御装置の他の変形例を示す図。
【図8】本発明の第2の実施形態に係る燃焼制御装置が適用される内燃機関の要部を示す図。
【図9】図8のECUが放出弁の補正操作を行うために実行する制御ルーチンを示す図。
【図10】本発明の第3の実施形態に係る燃焼制御装置が適用される内燃機関の要部を示す図。
【図11】図10のECUがEGRクーラ用調量弁の動作を制御するために実行する制御ルーチンを示す図。
【図12】図10のCO2吸放出材のCO2吸放出特性を示す図。
【図13】図10の燃焼制御装置に使用される他のCO2吸放出材のCO2吸放出特性を示す図。
【図14】図13のCO2吸放出特性を有するCO2吸放出材が燃焼制御装置に使用された場合に、図10のECUがEGRクーラ用調量弁の動作を制御するために実行する制御ルーチンを示す図。
【図15】本発明の第3の実施形態に係る燃焼制御装置の変形例を示す図。
【符号の説明】
1 内燃機関
2 燃焼室
3 吸気通路
4 排気通路
10a、10b CO2吸放出材(CO2吸放出手段)
11 バイパス通路
12 バイパス弁(排気流量調整手段)
13a、13b 放出弁(排気流量調整手段)
13c、13d 流量比調整弁(排気流量調整手段)
14 エンジンコントロールユニット(動作制御手段、熱交換量制御手段)
16 空燃比センサ(空燃比取得手段)
18 EGRクーラ(熱交換器)
20 EGRクーラ用調量弁(熱交換量制御手段)
Claims (9)
- 第1の状態でCO2を吸収し、第2の状態で吸収したCO2を放出するCO2吸放出手段が設けられた内燃機関に適用され、
不活性ガスの燃焼室内への供給が要求される場合に、前記CO2吸放出手段を前記第2の状態にしてCO2を放出させ、その放出されたCO2を前記内燃機関の吸気系へ供給することを特徴とする内燃機関の燃焼制御方法。 - 第1の状態でCO2を吸収し、第2の状態で吸収したCO2を放出するCO2吸放出手段が設けられた内燃機関に適用され、
前記CO2吸放出手段は、前記CO2吸放出手段から放出されたCO2を前記内燃機関の吸気系へ供給できるように前記内燃機関の吸気通路と接続されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 前記CO2吸放出手段は、前記内燃機関の排気を前記CO2吸放出手段へ導入できるように前記内燃機関の排気通路と接続されていることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 前記排気通路と前記吸気通路とを前記CO2吸放出手段を迂回して接続するバイパス通路を備えたことを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 前記CO2吸放出手段と前記バイパス通路の少なくともいずれか一方を通過して前記吸気系へ供給される排気の流量を調整する排気流量調整手段と、前記CO2吸放出手段のCO2吸放出量に基づいて前記排気流量調整手段の動作を制御する動作制御手段とを備えたことを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 前記CO2吸放出手段の下流側に配置されて前記CO2吸放出手段を通過した排気の空燃比を取得する空燃比取得手段を備え、
前記動作制御手段は、前記空燃比取得手段が取得した空燃比に基づいて前記排気流量調整手段の動作を制御することを特徴とする請求項5に記載の内燃機関の燃焼制御装置。 - 前記第1の状態と前記第2の状態とが互いに異なる温度範囲に対応付けられており、前記CO2吸放出手段の上流側に配置されて前記CO2吸放出手段へ導入される排気と熱交換して排気の温度を調整する熱交換器と、前記熱交換器の熱交換量を制御する熱交換量制御手段とを備え、
前記熱交換量制御手段は、前記CO2吸放出手段に吸収されているCO2量に基づいて前記熱交換器の熱交換量を制御することを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。 - 前記CO2吸放出手段が複数設けられ、前記複数のCO2吸放出手段のそれぞれは、自己から放出されたCO2を前記吸気系へ供給できるように前記吸気通路と接続されていることを特徴とする請求項2〜7のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 前記複数のCO2吸放出手段のそれぞれの第1の状態及び第2の状態の少なくとも一方が互いに異なっていることを特徴とする請求項8に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
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