JP4788615B2 - 内燃機関の燃料性状判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料改質器を備える内燃機関の燃料性状判定装置に関する。

燃料タンクに供給された燃料種を判定する技術として、特許文献１に示されるように、機関での燃焼時のノッキング特性に基づいて燃料種を判定する手法が知られている。
特開２００５−００２９１４号公報

しかし、上記手法を適用できる燃料特性の範囲は、比較的高いオクタン価（例えば、ＲＯＮ：８０〜１２０）の範囲に限定されるものであり、軽油のようにオクタン価の非常に小さな燃料（ＲＯＮ＜５０）に対して本手法を用いてしまうと、強力なノッキング現象によりエンジンを破損するという問題があった。

本発明は、このような実状に鑑み、ノッキング特性では判定できないような幅広い燃料特性（例えば、ＲＯＮ：０〜１２０）に対応可能な内燃機関の燃料性状判定装置を提供することを目的とする。

このため、本発明では、吸熱反応により燃料を改質する燃料改質器を備えることを前提に、その燃料改質器の改質状態として燃料改質前後の燃料温度差を検知し、前記燃料温度差が大きいほど前記燃料改質器における水素の生成量が多いと推定して燃料改質器へ供給された燃料種を判定する構成とする。

本発明によれば、構成部品を破損することなく、幅広い特性の燃料に対し、燃料判定が可能となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態を示している。

エンジン（内燃機関）１には、各気筒の燃焼室内に、又は吸気マニホールド・分枝部（ブランチ）２に、液体燃料の噴射弁３が設けられ、また、吸気マニホールド・集合部（コレクタ）４に、全気筒共通に、ガス燃料の噴射弁５が設けられている。

エンジン１の排気マニホールド６には、その集合部に、排気浄化触媒７が設けられ、その下流側に、排気管８からの排気熱を利用して主に脱水素反応により燃料を改質する燃料改質器９が設けられている。

燃料改質器９は、図２のように構成される。すなわち、排気管８を囲むように環状空間を形成して、ハニカム状のコーデュライトにＰｔ系触媒を担持させた改質触媒１０を配置し、改質触媒１０の入口側に、改質用の燃料を供給する燃料噴射弁１１を配置してある。また、改質触媒１０の入口側に空気導入口１２を設け、空気を導入可能とすると共に、導入する空気量を空気導入バルブ１３により制御可能とし、更にエアフローメータ１４により導入空気量を計測可能としている。尚、空気導入口に代えて排気導入口１２を設け、排気を導入可能にすると共に、導入する排気量を排気導入バルブ１３により制御可能とし、更にエアフローメータ１４により導入排気量を計測可能としてもよい。

ここで、燃料改質器９は、エンジン１の排気熱を利用して燃料を改質する構成であり、燃料の気化潜熱及び顕熱を利用して燃料改質器９の温度を制御する。これによれば、燃料噴射量を制御することで、簡易に温度制御が可能となる。また、燃料改質器９は、空気の導入及び該空気量の制御が可能な構成であり、導入する空気と燃料との空燃比により燃料改質器９の温度を制御することができる。これによれば、酸化反応を利用して温度制御範囲を拡大できる。すなわち、排気温度が低い場合などに空気を入れて燃料を部分的に反応させることで温度上昇させることができる。エンジン１の排気の導入及び該排気量の制御が可能な構成とした場合は、導入する排気と燃料との比率により燃料改質器９の温度を制御することができる。これによれば、排気ガスの熱量を直接改質に利用でき、温度制御範囲が拡大する。

また、燃料改質器９には、その温度（改質温度）の検出のため、改質触媒１０に臨ませて、温度センサ（熱電対）１５を設ける。また、必要により、改質触媒１０の出口側に、温度センサ（熱電対）１６を設ける。

燃料改質器９の燃料噴射弁１１には、外部（ガソリンスタンド）の給油ノズル１７により給油が可能な給油口１８を有する燃料タンク（１次燃料タンク）１９内の燃料を燃料ポンプ２０により供給するようにしている。尚、燃料タンク１９には図示しない燃料計（レベルゲージ）が設けられている。

ここにおいて、燃料噴射弁１１から燃料改質器９に供給された燃料は、改質触媒１０にて、排気管８からの排気熱を受け、例えば次式のような、吸熱反応である脱水素反応により、高オクタン価の燃料と、水素ガスとに改質される。

Ｃ7 Ｈ16→Ｃ7 Ｈ8 ＋４Ｈ2
燃料改質に際しては、改質温度（触媒部の温度）が重要であるが、燃料の気化潜熱及び顕熱を利用して、すなわち燃料噴射量を制御することで、改質温度を制御可能である。また、空気の導入量を制御するなどして、空気と燃料との空燃比を制御することで、改質温度を制御可能である。また、空気に代えて排気を導入する場合も、排気の導入量を制御するなどして、排気と燃料との比率を制御することで、改質温度を制御可能である。

燃料改質器９（改質触媒１０）の出口側は、凝縮器２１に接続されている。凝縮器２１にはラジエータ２２との間にウォータポンプ２３を備える冷却水循環通路２４が形成されている。

凝縮器２１の内部は図３のように構成されている。すなわち、凝縮器２１の内部には冷却水循環通路２４が配置されており、燃料改質器９から導かれた改質後の燃料は、冷却されることで、液体の改質燃料と、水素に富む改質ガスとに分離され、液体の改質燃料は下部出口より出て２次燃料タンクである改質燃料タンク２５に貯留され、改質ガスは上部出口から出てもう１つの２次燃料タンクである改質ガスタンク２６に貯留される。

改質燃料タンク２５内の液体の改質燃料は、燃料ポンプ２７により、エンジン１への液体燃料の噴射弁３に供給される。尚、改質燃料タンク２５には図示しない燃料計（レベルゲージ）が設けられている。

また、改質ガスタンク２６内の改質ガスは、エンジン１へのガス燃料の噴射弁５に供給される。尚、改質ガスタンク２６には図示しない燃料計（残ガス量のモニタリングのための圧力センサ）が設けられている。

次に、燃料タンク（１次燃料タンク）１９内の燃料の燃料種の判定について説明する。

燃料タンク（１次燃料タンク）１９内の燃料の燃料種の判定のため、燃料改質器９の改質状態を検知すべく、凝縮器２１の上部出口（凝縮器２１から改質ガスタンク２６への改質ガスの通路）に、水素濃度を検知する水素センサ２８を配置してある。水素センサ２８としては、接触燃焼式のものや半導体式のものを挙げることができるが、水素を検知できればよく、これらに限定するものではない。

また、改質状態の条件的要素として、燃料改質器９における空間速度と、燃料改質器９の温度（改質温度）とを検出する。空間速度（ＳＶ）は、一般に処理流量／触媒量で表すもので、燃料噴射弁１１の噴射量（噴射期間）、供給空気量（エアフローメータ１４の検出値）、触媒容積から算出可能である。改質温度は、温度センサ１５により検出可能である。

図４は、ある空間速度（ＳＶ＝一定）での改質温度と水素濃度との関係を燃料種（ガソリン、軽油、エタノール）別に示したものである。尚、空間速度については、空間速度が大きくなると、反応しにくくなって、水素濃度が低下し、空間速度が小さくなると、滞留時間が長くなって反応が進むことで、水素濃度が高くなる傾向にある。

従って、いくつかの空間速度毎に、このような特性を調べてマップ化しておくことで、空間速度と、改質温度と、水素濃度とから、燃料種を判定可能である。

すなわち、図５のフローチャートに示すように、燃料噴射量などから空間速度を算出して（Ｓ１）、対応する図４のようなマップを選択する（Ｓ２）。そして、改質温度と、水素濃度とを検出し（Ｓ３、Ｓ４）、これらに基づいてマップを参照し、どの特性線に近いかを判定することで、燃料種（ガソリン、軽油、エタノールなど）を判定する（Ｓ５）。この判定には、ファジィ推論等を用いることができる。

本実施形態によれば、燃料改質器９の改質状態を検知することで燃料改質器９へ供給された燃料種を判定することにより、ノッキング特性では判定できないような幅広い燃料特性（例えば、ＲＯＮ：０〜１２０）に対応可能となり、エンジンを破損することなく燃料判定が可能となる。

また、前記改質状態として、少なくとも燃料改質後の水素濃度を検知することにより、燃料改質器９での脱水素反応に着目して、改質前の燃料種を的確に判定できる。

また、前記水素濃度の検知のため、水素センサ２８を用いることにより、簡便に水素濃度を検知可能となる。

また、前記改質状態の条件的要素として、少なくとも燃料改質器９における空間速度を検知することにより、高精度な燃料判定が可能となる。

また、前記改質状態の条件的要素として、少なくとも燃料改質器９の温度（改質温度）を検知することにより、高精度な燃料判定が可能となる。

特に、前記改質状態として、燃料改質器９における空間速度、燃料改質器９の温度（改質温度）、燃料改質後の水素濃度を検知し、これらに基づいて燃料種を判定することにより、極めて高精度な燃料判定が可能となる。

また、燃料種判定時の空間速度を予め定めて、これに制御するようにすれば、改質温度と水素濃度のみから、燃料種を判定可能である。

また、燃料種判定時の改質温度を予め定めて、これに制御するようにすれば、空間速度と水素濃度のみから、燃料種を判定可能である。

また、燃料種判定時の空間速度及び改質温度を予め定めて、これに制御するようにすれば、水素濃度のみから、燃料種を判定可能である。

また、図４のような特性のマップを用いる場合、改質温度１点での水素濃度から燃料種を判定してもよいが、改質温度を異ならせ（振って）、すなわち、改質温度を少なくとも２点変化させ、少なくとも改質温度２点での水素濃度から燃料種を判定するとよい。このように燃料改質器９の温度を少なくとも２点変化させ、少なくとも２点での改質状態を検知することにより、更に広範囲に、更に高精度に、燃料判定が可能となる。

このように改質温度を少なくとも２点変化させる場合、改質温度は、低温側から高温側へ変化させるのが望ましい。例えば低温活性の良い燃料成分（エタノール等）の場合、改質温度を過度に高温にすると、触媒表面に炭素が析出して、次の低温側での判定に影響が出るからである。この点、低温側で先に判定し、高温側で後では判定すれば、触媒表面に炭素が析出したときには、すでに判定が終わっているからである。

上記のようにして、燃料種が判定されれば、各燃料に最適な改質温度に設定・制御し、所望の改質燃料、改質ガスを生成する。図６に改質燃料、改質ガスそれぞれの各運転条件におけるエンジンへの供給割合を示す。

燃料タンク１９に新規に燃料の補給を行った場合は、次のようにして、新規燃料の燃料種を判定することができる。

燃料タンク１９への燃料補給後の混合燃料（残燃料＋新規燃料）を改質したときの水素濃度を「混合燃料水素濃度」、燃料タンク１９への燃料補給後の燃料タンクへの燃料補給前の残燃料を改質したときの水素濃度を「残燃料水素濃度」、燃料タンク１９へ補給された新規燃料を改質したときの水素濃度を「新規燃料水素濃度」、燃料補給後の混合燃料における残燃料と新規燃料の各割合を「残燃料割合」、「新規燃料割合」とすると、次式が成立する。

混合燃料水素濃度＝残燃料水素濃度×残燃料割合＋新規燃料水素濃度×新規燃料割合
ここで、「残燃料水素濃度」は、それまでの燃料判定で既知であり、「混合燃料水素濃度」は、補給後の燃料判定で知ることができる。

また、燃料タンク１９には、燃料計が設けられていて、燃料量を検出可能であり、補給前の燃料量と、補給後の燃料量がわかれば、新規燃料の燃料量を知ることができ、「残燃料割合」と「新規燃料割合」を知ることができる。

従って、補給後に「混合燃料水素濃度」を検知すれば、次式により、「新規燃料水素濃度」を算出可能である。

新規燃料水素濃度＝
（混合燃料水素濃度−残燃料水素濃度×残燃料割合）／新規燃料割合
従って、算出した「新規燃料水素濃度」から、新規燃料の燃料種を判定可能である。

このように、燃料タンク１９への燃料補給前の残燃料についての改質状態と、燃料タンクへの新規燃料の燃料補給後の混合燃料についての改質状態と、混合燃料における残燃料と新規燃料の各割合とから、（新規燃料の改質状態を推定し、これに基づいて）新規燃料の燃料種を判定することにより、新規燃料の燃料種を、これのみを燃料改質器に供給することなく、判定することが可能となる。

また、燃料タンク１９へ補給される新規燃料を燃料改質器９へ直接供給可能とする手段を備えることで、新規燃料についての改質状態から新規燃料の燃料種を判定することも可能である。

すなわち、図７の実施形態に示すように、燃料タンク１９の給油口１８の途中に、新規燃料が補給されたときに一定レベルの新規燃料を貯留でき、一定以上になると洩流する貯留槽２９を設け、この貯留槽２９内の新規燃料を電磁切換弁３０を介して、燃料改質器９の燃料噴射弁１１に供給可能とする。

このようにすれば、燃料補給後に、電磁切換弁３０を切換えて、燃料改質器９の燃料噴射弁１１に新規燃料のみを供給でき、新規燃料の改質状態から、新規燃料の燃料種を判定可能となる。

このように、燃料タンク１９へ補給される新規燃料を燃料改質器９へ直接供給可能とする手段（貯留槽２９）を備え、新規燃料についての改質状態から新規燃料の燃料種を判定可能とすることにより、実際の改質状態から正確に判定することができる。

また、燃料タンク（１次燃料タンク）１９内の燃料の燃料種の判定のため、燃料改質後の水素濃度の検出に代え、燃料改質器９における燃料改質前後の燃料温度差を検出してもよい。燃料改質前後の燃料温度差は、改質触媒１０内に設けた温度センサ１５により検出される温度から、改質触媒出口側の温度センサ１６により検出される温度を減算することで、求めることができる。

燃料改質器９での脱水素反応は、吸熱反応であり、反応が進むほど、すなわち水素の生成量が増加するほど、温度低下することから、温度差（温度低下代）が大きくなる。

従って、燃料改質後の水素濃度と、燃料改質前後の燃料温度差は、同じ傾向にあり、図４は、図中の「水素濃度」を「燃料改質前後の燃料温度差」に置き換えて成立する。これが、図８が得られ、空間速度と、改質温度と、温度差とから、燃料種を判定可能である。

このように、燃料種判定のため、燃料改質器９の改質状態として、少なくとも燃料改質前後の燃料温度差を検知することにより、言い換えれば、燃料改質前後の燃料温度差により水素濃度を間接的に検知することにより、燃料改質器９での吸熱反応である脱水素反応に着目して、改質前の燃料種を的確に判定でき、水素濃度検知の場合（水素濃度を直接検知する場合）に対し、比較的低コストで実現できる。

更に他の実施形態について図９により説明する。

この実施形態では、水素センサに代えて、凝縮器２１にて分離した改質ガスを改質ガスタンク２６を経由させることなく、エンジン１（ガス燃料の噴射弁５）へ直接供給できるシステムとしている。すなわち、ガス燃料の噴射弁５へ、改質ガスタンク２６内の改質ガスと、凝縮器２１からの改質ガスとを、電磁切換弁３１により選択的に導くようにしている。こうして、燃料改質後の燃料をエンジンに供給したときの燃焼速度を計測し、燃焼速度から水素濃度を検知するようにする。

基本的に改質ガスのオクタン価は高いためノックによるエンジンの破損は問題とならない。また、水素は燃焼速度が通常のＨＣ系燃料の４〜５倍と大きく、水素濃度と燃焼速度とは高い相関を有している。

尚、燃焼速度の計測は、圧力センサで行ってもよいし、イオンプローブで行ってもよい。また、ノックセンサ等により水素の急激な燃焼による振動から検出してもよい。

本実施形態によれば、水素濃度の検知のため、燃料改質後の燃料をエンジン１に供給したときの燃焼速度を計測し、燃焼速度から水素濃度を検知する手段を用いることにより、水素センサを用いずに水素濃度を予測可能となる。また、改質ガスを改質ガスタンク２６を経由することなく、エンジン１に供給可能とすることで、燃料判定のタイムラグを低減できる。

本発明の一実施形態の構成図 燃料改質器の詳細図 凝縮器の詳細図 燃料種別にＳＶ＝一定での改質温度と水素濃度との関係を示す図 燃料種判定のフローチャート 運転条件における改質燃料供給割合を示す図 他の実施形態の構成図 燃料種別にＳＶ＝一定での改質温度と改質前後の温度差との関係を示す図 他の実施形態の構成図

符号の説明

１：エンジン
２：吸気マニホールド・分枝部
３：液体燃料（改質燃料）の燃料噴射弁
４：吸気マニホールド・集合部
５：ガス燃料（改質ガス）の噴射弁
６：排気マニホールド
７：排気浄化触媒
８：排気管
９：燃料改質器
１０：改質触媒
１１：燃料噴射弁
１２：空気導入口（又は排気導入口）
１３：空気導入バルブ（又は排気導入バルブ）
１４：エアフローメータ
１５：温度センサ
１６：温度センサ
１７：給油ノズル
１８：給油口
１９：燃料タンク
２０：燃料ポンプ
２１：凝縮器
２２：ラジエータ
２３：ウォータポンプ
２４：冷却水循環通路
２５：改質燃料タンク
２６：改質ガスタンク
２７：燃料ポンプ
２８：水素センサ
２９：新規燃料の貯留槽
３０：電磁切換弁
３１：電磁切換弁

Claims (10)

1. 吸熱反応により燃料を改質する燃料改質器を備える内燃機関において、
   前記燃料改質器の改質状態として燃料改質前後の燃料温度差を検知し、
   前記燃料温度差が大きいほど前記燃料改質器における水素の生成量が多いと推定して前記燃料改質器へ供給された燃料種を判定する
   ことを特徴とする内燃機関の燃料性状判定装置。
2. 前記改質状態として前記燃料改質器における空間速度を検知し、
   前記空間速度と前記燃料温度差とに基づいて前記燃料改質器へ供給された燃料種を判定する
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
3. 前記改質状態として前記燃料改質器の温度を検知し、
   前記燃料改質器の温度と前記燃料温度差とに基づいて前記燃料改質器へ供給された燃料種を判定する
   ことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
4. 前記燃料改質器の温度を少なくとも２点変化させ、少なくとも２点での改質状態を検知することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
5. 前記燃料改質器の温度は、低温側から高温側へ変化させることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
6. 前記燃料改質器は、機関の排気熱を利用して燃料を改質する構成であり、燃料の気化潜熱及び顕熱を利用して前記燃料改質器の温度を制御することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
7. 前記燃料改質器は、空気の導入及び該空気量の制御が可能な構成であり、導入する空気と燃料との空燃比により前記燃料改質器の温度を制御することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに内燃機関の燃料性状判定装置。
8. 前記燃料改質器は、機関の排気の導入及び該排気量の制御が可能な構成であり、導入する排気と燃料との比率により前記燃料改質器の温度を制御することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに内燃機関の燃料性状判定装置。
9. 燃料タンクへの燃料補給前の残燃料についての改質状態と、燃料タンクへの新規燃料の燃料補給後の混合燃料についての改質状態と、混合燃料における残燃料と新規燃料の各割合とから、新規燃料の燃料種を判定することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
10. 燃料タンクへ補給される新規燃料を前記燃料改質器へ直接供給可能とする手段を備え、新規燃料についての改質状態から新規燃料の燃料種を判定可能としたことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
    

Images