JP2007278244A - Internal combustion engine using reformed gas - Google Patents
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Abstract
【課題】改質ガス利用内燃機関に関し、燃費を確実に向上させることが可能な場合に限って改質ガスの生成及び添加を実行できるようにする。
【解決手段】改質条件を取得し(ステップS100)、その条件下での改質効率を予測する(ステップS102)。また、現在の運転条件の下で炭化水素系燃料に改質ガスを添加して運転する場合の燃費向上率を算出する(ステップS104)。そして、改質効率と燃費向上率とに基づき、現在の運転条件の下で燃料改質装置よる改質処理を行い、得られた改質ガスを炭化水素系燃料に添加して運転する場合の総合燃費向上率を算出する(ステップS106)。総合燃費向上率を基準値と比較し(ステップS108)、総合燃費向上率が基準値を超えるときには改質ガスの生成及び添加を実行し(ステップS110)、基準値以下であれば改質ガスの生成及び添加は中止する(ステップS112)。
【選択図】図4A reformed gas-utilizing internal combustion engine that can generate and add reformed gas only when fuel consumption can be reliably improved.
Reforming conditions are acquired (step S100), and reforming efficiency under the conditions is predicted (step S102). Further, a fuel efficiency improvement rate is calculated when the reformed gas is added to the hydrocarbon-based fuel under the current operating conditions (step S104). Then, based on the reforming efficiency and the fuel efficiency improvement rate, the reforming process is performed by the fuel reformer under the current operating conditions, and the obtained reformed gas is added to the hydrocarbon-based fuel for operation. A total fuel consumption improvement rate is calculated (step S106). The overall fuel efficiency improvement rate is compared with a reference value (step S108). When the overall fuel efficiency improvement rate exceeds the reference value, generation and addition of reformed gas are executed (step S110). Generation and addition are stopped (step S112).
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、燃料を改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質装置を有し、改質処理により得られた改質ガスを炭化水素系燃料に添加して使用可能な改質ガス利用内燃機関に関する。 The present invention includes a fuel reformer that reforms a fuel to generate a reformed gas containing hydrogen gas, and can be used by adding the reformed gas obtained by the reforming process to a hydrocarbon-based fuel. The present invention relates to an internal combustion engine using reformed gas.
従来、例えば特許文献1に開示されるように、ガソリン等の炭化水素系の液体燃料とともに水素ガスを燃料として使用する内燃機関が知られている。水素ガスは液体燃料に比較して燃焼性に優れているため、液体燃料に水素ガスを添加することで燃焼限界をリーン側に拡大することができ、燃費に優れた超リーンバーン運転が可能になる。また、高負荷時には液体燃料に水素ガスを添加することでノックを抑制することができ、ノック限界の拡大によって高負荷域での高効率運転が可能になる。
Conventionally, as disclosed in, for example,
特許文献1に記載の技術では、水素ガスの供給源として水素タンクが用いられている。しかし、水素ガスを気体の状態で貯蔵するこの方法では、車両への搭載効率が良くないために水素ガスを十分に搭載することが難しく、水素ガスを利用できる状況が限られてしまう。そこで、特許文献2や特許文献3に開示されるように、液状の水素化合物を改質する改質装置を備え、水素化合物の改質によって車上で水素ガスを生成する技術が提案されている。特許文献2に記載の技術では、改質処理する水素化合物として炭化水素系燃料、具体的にはデカリンを用いている。特許文献3に記載の技術では、改質処理する水素化合物として炭化水素系燃料、具体的にはメチルシクロヘキサンを用いている。これらの方法によれば、水素ガスを気体の状態で貯蔵する場合に比較して車両への搭載性に優れ、補給1回当たりの水素ガスの使用可能量が格段に増大し、より広範に水素ガスを利用することが可能になる。
しかしながら、水素化合物を改質して水素ガス(詳しくは、水素ガスを多く含む改質ガス)を得る場合、改質処理の際に少なからず熱損失が発生する。燃費を総合的に判断するためには、改質処理時の熱損失も燃費に考慮するべきであり、その場合には必ずしも水素ガスの添加によって燃費が向上するとは限らない。例えば、触媒を用いて改質を行う場合、水素化合物の改質効率は触媒温度によって大きく異なってくる。改質効率が低すぎる場合には、改質によって生成される水素ガス量に対して熱損失が相対的に大きくなるため、総合的な燃費は改質処理を行うことで逆に悪化してしまう可能性がある。 However, when a hydrogen compound is reformed to obtain hydrogen gas (specifically, a reformed gas containing a large amount of hydrogen gas), there is a considerable heat loss during the reforming process. In order to comprehensively determine the fuel consumption, heat loss during the reforming process should be taken into consideration in the fuel consumption. In this case, the fuel consumption is not always improved by the addition of hydrogen gas. For example, when reforming is performed using a catalyst, the reforming efficiency of the hydrogen compound varies greatly depending on the catalyst temperature. If the reforming efficiency is too low, the heat loss is relatively large with respect to the amount of hydrogen gas produced by the reforming, so that the overall fuel consumption is worsened by performing the reforming process. there is a possibility.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃費を確実に向上させることが可能な場合に限って改質ガスの生成及び添加を行うことができる改質ガス利用内燃機関を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the internal combustion engine using reformed gas that can generate and add the reformed gas only when the fuel consumption can be reliably improved. The purpose is to provide an institution.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、水素化合物を改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質装置を有し、前記燃料改質装置による改質処理を行わず、炭化水素系燃料のみを使用して最適運転を行う第1運転モードと、前記燃料改質装置よる改質処理を行い、得られた改質ガスを炭化水素系燃料に添加して最適運転を行う第2運転モードとを選択可能な改質ガス利用内燃機関において、
前記燃料改質装置における改質条件を取得する改質条件取得手段と、
取得した改質条件の下で前記燃料改質装置により改質処理を行ったときの予測改質効率の指標となる第1指標値を算出する第1指標値算出手段と、
現在の運転条件の下で炭化水素系燃料に改質ガスを添加して最適運転を行った場合の炭化水素系燃料のみを使用して最適運転を行った場合に対する燃費向上率の指標となる第2指標値を算出する第2指標値算出手段と、
前記第1指標値と前記第2指標値とに基づき、現在の運転条件の下で前記第2運転モードを選択した場合の前記第1運転モードを選択した場合に対する総合燃費向上率の指標となる第3指標値を算出する第3指標値算出手段と、
前記第3指標値を所定の基準値と比較し、前記第3指標値が前記基準値を超えるときには前記第2運転モードを選択し、前記第3指標値が前記基準値以下のときには前記第1運転モードを選択する運転モード選択手段と、
を備えることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first invention includes a fuel reformer that reforms a hydrogen compound to generate a reformed gas containing hydrogen gas, and performs the reforming process by the fuel reformer. First, the first operation mode in which the optimum operation is performed using only the hydrocarbon fuel, the reforming process by the fuel reformer is performed, and the obtained reformed gas is added to the hydrocarbon fuel for the optimum operation. In the internal combustion engine using reformed gas that can select the second operation mode in which
Reforming condition acquisition means for acquiring reforming conditions in the fuel reformer;
First index value calculation means for calculating a first index value that is an index of predicted reforming efficiency when the reforming process is performed by the fuel reformer under the obtained reforming conditions;
This is an indicator of the fuel efficiency improvement rate when the optimal operation is performed using only the hydrocarbon fuel when the reformed gas is added to the hydrocarbon fuel under the current operating conditions and the optimal operation is performed. 2nd index value calculation means for calculating 2 index values;
Based on the first index value and the second index value, it becomes an index of the overall fuel consumption improvement rate when the first operation mode is selected when the second operation mode is selected under the current operation condition. Third index value calculating means for calculating a third index value;
The third index value is compared with a predetermined reference value, and when the third index value exceeds the reference value, the second operation mode is selected, and when the third index value is equal to or less than the reference value, the first index value is selected. An operation mode selection means for selecting an operation mode;
It is characterized by having.
第2の発明は、第1の発明において、
前記第1運転モードにおける最適運転とはストイキ運転或いはリーンバーン運転であり、前記第2運転モードにおける最適運転とは改質ガスの添加によって実現される超リーンバーン運転であって現在の運転条件に応じて改質ガスの添加割合が設定されることを特徴としている。
According to a second invention, in the first invention,
The optimum operation in the first operation mode is stoichiometric operation or lean burn operation, and the optimum operation in the second operation mode is a super lean burn operation realized by addition of reformed gas, and the current operation condition is satisfied. Accordingly, the addition ratio of the reformed gas is set.
第3の発明は、第1の発明において、
前記内燃機関はハイブリッド車両に搭載されてモータと協働して車両を駆動するハイブリッド車両用内燃機関であり、
前記第1運転モードにおける最適運転とはノック限界付近での高負荷域運転であり、前記第2運転モードにおける最適運転とは改質ガスの添加によって拡大されるノック限界付近での高負荷域運転であって現在の運転条件に応じて改質ガスの添加割合が設定されることを特徴としている。
According to a third invention, in the first invention,
The internal combustion engine is an internal combustion engine for a hybrid vehicle that is mounted on a hybrid vehicle and drives the vehicle in cooperation with a motor;
The optimum operation in the first operation mode is a high load region operation near the knock limit, and the optimum operation in the second operation mode is a high load region operation near the knock limit that is expanded by addition of reformed gas. The reforming gas addition ratio is set according to the current operating conditions.
第1の発明によれば、改質効率を考慮した総合的な燃費向上率が基準値を超える場合に限って燃料改質装置よる改質処理が行われ、改質処理で得られた改質ガスを炭化水素系燃料に添加して内燃機関の運転が行われる。そして、改質効率を考慮した総合的な燃費向上率が基準値以下の場合には改質装置よる改質処理は行われず、炭化水素系燃料のみを燃料として内燃機関の運転が行われる。これにより、燃費の向上に寄与しない無駄な改質処理や無駄な改質ガスの使用を防止して、全体として確実に燃費を向上させることができる。 According to the first invention, the reforming process by the fuel reformer is performed only when the total fuel efficiency improvement rate considering the reforming efficiency exceeds the reference value, and the reforming obtained by the reforming process is performed. The internal combustion engine is operated by adding gas to the hydrocarbon-based fuel. When the overall fuel efficiency improvement rate considering the reforming efficiency is below the reference value, the reforming process by the reformer is not performed, and the internal combustion engine is operated using only the hydrocarbon-based fuel as fuel. As a result, it is possible to prevent wasteful reforming processing and use of wasteful reformed gas that do not contribute to improvement of fuel consumption, and to improve fuel efficiency reliably as a whole.
第2の発明によれば、改質ガスの添加によって超リーンバーン運転を行ったときには、超リーンバーン運転による燃費向上の効果を確実に得ることができる。 According to the second invention, when the super lean burn operation is performed by adding the reformed gas, it is possible to reliably obtain the effect of improving the fuel consumption by the super lean burn operation.
第3の発明によれば、改質ガスの添加によってノック限界を拡大したときには、拡大したノック限界付近での高負荷域運転による燃費向上の効果を確実に得ることができる。 According to the third invention, when the knock limit is expanded by the addition of the reformed gas, it is possible to reliably obtain the effect of improving the fuel consumption by the high load range operation near the expanded knock limit.
まず、本発明の実施の形態としての改質ガス利用内燃機関の概要について説明する。 First, an outline of a reformed gas utilizing internal combustion engine as an embodiment of the present invention will be described.
一般に、水素化合物を改質して得られる水素リッチな改質ガスを炭化水素系燃料に添加すれば、超リーンバーン運転の実現や高負荷運転時のノック限界の拡大によって燃費の向上が期待できると言われている。しかし、ここでいう燃費は、あくまでも直接燃焼に供される燃料の熱量のみに着目した燃費の意味であり、内燃機関全体で消費される熱量に着目した総合的な燃費を意味するものではない。以下では、直接燃焼に供される燃料の熱量のみに着目した燃費を単純燃費と呼び、内燃機関全体で消費される熱量に着目した総合的な燃費を総合燃費と呼ぶ。 In general, if hydrogen-rich reformed gas obtained by reforming hydrogen compounds is added to hydrocarbon-based fuels, fuel efficiency can be improved by realizing ultra-lean burn operation and expanding the knock limit during high-load operation It is said. However, the fuel consumption here means the fuel consumption focused only on the amount of heat of the fuel directly subjected to combustion, and does not mean the total fuel consumption focused on the amount of heat consumed by the entire internal combustion engine. In the following, the fuel efficiency focused only on the amount of heat of the fuel used for direct combustion is referred to as simple fuel efficiency, and the overall fuel efficiency focused on the amount of heat consumed in the entire internal combustion engine is referred to as total fuel efficiency.
水素化合物から水素ガスを含む改質ガスを生成する際には少なからず熱損失が発生する。改質ガスが有する発熱量に対して熱損失の割合が大きいとき、つまり、改質効率が低いときには、水素化合物から改質ガスを生成して添加すると単純燃費は向上するものの、総合燃費は逆に低下してしまう可能性がある。そこで、本実施の形態の改質ガス利用内燃機関は、まず、改質効率を考慮して総合燃費の向上が期待できるか否か判断する。そして、総合燃費の向上が期待できる場合に限定して改質ガスの生成を行うこととしている。 When generating the reformed gas containing hydrogen gas from the hydrogen compound, there is a considerable heat loss. When the ratio of heat loss to the calorific value of the reformed gas is large, that is, when the reforming efficiency is low, if the reformed gas is generated from a hydrogen compound and added, the simple fuel efficiency is improved, but the overall fuel efficiency is reversed. May be reduced. Therefore, the reformed gas-utilizing internal combustion engine of the present embodiment first determines whether or not improvement of the total fuel consumption can be expected in consideration of the reforming efficiency. The reformed gas is generated only when the improvement of the overall fuel consumption can be expected.
以下では、炭化水素系燃料のみを使用して最適運転を行う運転モードを第1運転モードと定義し、車上で水素化合物から改質ガスを生成し、得られた改質ガスを炭化水素系燃料に添加して最適運転を行う運転モードを第2運転モードと定義する。ここでいう最適運転とは、現在の運転条件の下、排気エミッションやドライバビリティを良好に維持できる範囲内で最良或いはそれに準じる燃費を実現できる運転を意味する。例えば、炭化水素系燃料としてガソリンを使用する内燃機関の場合、内燃機関が低中負荷域で運転されているとき、第1運転モードでの最適運転はストイキ運転とすることができ、同じく低中負荷域における第2運転モードでの最適運転は空気過剰率が2以上の超リーンバーン運転とすることができる。 In the following, the operation mode in which the optimum operation is performed using only the hydrocarbon fuel is defined as the first operation mode, the reformed gas is generated from the hydrogen compound on the vehicle, and the obtained reformed gas is converted into the hydrocarbon system. The operation mode in which the optimum operation is performed by adding to the fuel is defined as the second operation mode. The term “optimal operation” as used herein means an operation that can achieve the best or equivalent fuel consumption within a range in which exhaust emission and drivability can be satisfactorily maintained under the current operating conditions. For example, in the case of an internal combustion engine that uses gasoline as a hydrocarbon-based fuel, when the internal combustion engine is operated in a low-medium load range, the optimum operation in the first operation mode can be stoichiometric operation. The optimum operation in the second operation mode in the load region can be a super lean burn operation with an excess air ratio of 2 or more.
本実施の形態では、第1運転モードと第2運転モードの何れを選択するか判断する指標として総合燃費向上率を計算する。総合燃費向上率とは、現在の運転条件の下、第2運転モードによる運転を行った場合の第1運転モードによる運転を行った場合に対する総合燃費の向上率を意味する。総合燃費向上率は、次の(1)式によって表される。
総合燃費向上率=G0/((G1−C×G2)+G2)) ・・・(1)
In the present embodiment, the total fuel consumption improvement rate is calculated as an index for determining which of the first operation mode and the second operation mode is selected. The total fuel consumption improvement rate means the improvement rate of the total fuel consumption with respect to the case of driving in the first driving mode when driving in the second driving mode under the current driving conditions. The overall fuel efficiency improvement rate is expressed by the following equation (1).
Total fuel efficiency improvement rate = G0 / ((G1-C × G2) + G2)) (1)
上記の式(1)におけるG0は第1運転モードにおいて燃焼室に供給される燃料量であり、G1は第2運転モードにおいて燃焼室に供給される燃料量(炭化水素系燃料に換算した燃料量)である。また、G2は改質に用いられる水素化合物の量(炭化水素系燃料に換算した燃料量)であり、Cは改質効率である。したがって、C×G2は改質で得られる改質ガスの量(炭化水素系燃料に換算した燃料量)を意味し、G1からC×G2を差し引いた(G1−C×G2)は、第2運転モードにおいて燃焼室に供給される炭化水素系燃料の量を意味する。つまり、燃焼室に供給される炭化水素系燃料の量(G1−C×G2)と、改質に用いられる水素化合物の量G2との和が、第2運転モードにおいて内燃機関全体で消費される燃料量となる。 In the above equation (1), G0 is the amount of fuel supplied to the combustion chamber in the first operation mode, and G1 is the amount of fuel supplied to the combustion chamber in the second operation mode (fuel amount converted to hydrocarbon fuel). ). G2 is the amount of hydrogen compound used for reforming (the amount of fuel converted to hydrocarbon fuel), and C is the reforming efficiency. Therefore, C × G2 means the amount of reformed gas obtained by reforming (the amount of fuel converted to hydrocarbon-based fuel), and subtracting C × G2 from G1 (G1−C × G2) is the second It means the amount of hydrocarbon fuel supplied to the combustion chamber in the operation mode. That is, the sum of the amount of hydrocarbon fuel (G1-C × G2) supplied to the combustion chamber and the amount of hydrogen compound G2 used for reforming is consumed in the entire internal combustion engine in the second operation mode. Fuel amount.
一方、炭化水素系燃料に改質ガスを添加することで実現される単純燃費の向上率は、次の(2)式によって表される。つまり、第2運転モードにおいて燃焼室に供給される燃料量G1に対する、第1運転モードにおいて燃焼室に供給される燃料量G0の比が単純燃費向上率となる。
単純燃費向上率=G0/G1 ・・・(2)
On the other hand, the improvement rate of the simple fuel consumption realized by adding the reformed gas to the hydrocarbon fuel is expressed by the following equation (2). That is, the ratio of the fuel amount G0 supplied to the combustion chamber in the first operation mode to the fuel amount G1 supplied to the combustion chamber in the second operation mode becomes the simple fuel consumption improvement rate.
Simple fuel efficiency improvement rate = G0 / G1 (2)
上記の(1)式と(2)式とを比較して分かるように、仮に改質効率Cが1(すなわち100%)であるならば、総合燃費向上率は単純燃費向上率に等しい。しかし、現実的には改質効率Cは1未満であるので、総合燃費向上率は単純燃費向上率よりも低い値となる。そして、(1)式から明らかなように、改質効率Cが低いほど総合燃費向上率は低下することになる。 As can be seen by comparing the above equations (1) and (2), if the reforming efficiency C is 1 (that is, 100%), the overall fuel efficiency improvement rate is equal to the simple fuel efficiency improvement rate. However, since the reforming efficiency C is actually less than 1, the overall fuel efficiency improvement rate is lower than the simple fuel efficiency improvement rate. As is clear from equation (1), the lower the reforming efficiency C, the lower the overall fuel efficiency improvement rate.
改質効率Cを計算するための計算式は、改質方法によって異なった計算式になる。例えば、水素化合物として炭化水素系燃料を用いる場合、その改質方法としては改質触媒を用いる方法と、低温プラズマを用いる方法とが公知方法として挙げられる。改質触媒を用いる方法としては、さらに、部分酸化反応を利用した改質方法、水蒸気改質反応を利用した改質方法、或いは、それらの組み合わせによる改質方法が具体例として挙げられる。また、改質触媒により有機ハイドライド(例えばメチルシクロヘキサン)を脱水素反応させることで水素を含む改質ガスを得ることもできる。低温プラズマを用いる方法では、具体的には、炭化水素系燃料に対し直流パルス放電(LEP放電)を行うことで水素を含むガス成分に炭化水素系燃料を分解する。 The calculation formula for calculating the reforming efficiency C is different depending on the reforming method. For example, when a hydrocarbon-based fuel is used as the hydrogen compound, examples of the reforming method include a method using a reforming catalyst and a method using low-temperature plasma. Specific examples of the method using the reforming catalyst include a reforming method using a partial oxidation reaction, a reforming method using a steam reforming reaction, or a reforming method using a combination thereof. Further, a reformed gas containing hydrogen can be obtained by dehydrogenating an organic hydride (for example, methylcyclohexane) with a reforming catalyst. In the method using low temperature plasma, specifically, the hydrocarbon fuel is decomposed into a gas component containing hydrogen by performing direct current pulse discharge (LEP discharge) on the hydrocarbon fuel.
部分酸化反応を利用した改質方法の場合、改質効率Cは次の(3)式によって計算することができる。改質ガス総発量とは、改質ガスに含まれる可燃ガスの総発熱量の意味である。例えば、改質ガスがその成分として水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、メタン及び窒素を含む場合、可燃ガスである水素、一酸化炭素及びメタンの総発熱量が改質ガスの総発熱量として算出される。原料発熱量とは改質ガスの生成のために使用される炭化水素系燃料の発熱量である。なお、部分酸化反応は発熱反応であるため、反応を進行させるために必要な熱の供給は不要である。
改質効率C=改質ガス発熱量/原料発熱量 ・・・(3)
In the case of a reforming method using a partial oxidation reaction, the reforming efficiency C can be calculated by the following equation (3). The total reformed gas generation amount means the total calorific value of the combustible gas contained in the reformed gas. For example, when the reformed gas contains hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, methane and nitrogen as its components, the total calorific value of the combustible gases hydrogen, carbon monoxide and methane is the total calorific value of the reformed gas. Is calculated as The calorific value of the raw material is the calorific value of the hydrocarbon fuel used for generating the reformed gas. Note that since the partial oxidation reaction is an exothermic reaction, it is not necessary to supply heat necessary for the reaction to proceed.
Reforming efficiency C = reformed gas heating value / raw material heating value (3)
水蒸気改質反応を利用した改質方法の場合、改質効率Cは次の(4)式によって計算することができる。水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を進行させるためには外部からの熱の供給が必要となる。なお、熱源として内燃機関の廃熱を利用する場合には、その分、供給熱量を少なくして改質効率を高めることができる。
改質効率C=改質ガス発熱量/(原料発熱量+供給熱量) ・・・(4)
In the case of a reforming method using a steam reforming reaction, the reforming efficiency C can be calculated by the following equation (4). Since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat from the outside in order to advance the reaction. In addition, when utilizing the waste heat of an internal combustion engine as a heat source, the amount of supplied heat can be reduced and the reforming efficiency can be increased accordingly.
Reforming efficiency C = reformed gas heat generation amount / (raw material heat generation amount + supplied heat amount) (4)
有機ハイドライドの脱水素反応を利用した改質方法の場合、改質効率Cは次の(5)式によって計算することができる。脱水素反応は吸熱反応であるため、反応を進行させるためには外部からの熱の供給が必要となる。熱源として内燃機関の廃熱を利用する場合には、その分、供給熱量を少なくして改質効率を高めることができる。
改質効率C=改質ガス発熱量/(原料発熱量+供給熱量) ・・・(5)
In the case of a reforming method using a dehydrogenation reaction of an organic hydride, the reforming efficiency C can be calculated by the following equation (5). Since the dehydrogenation reaction is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat from the outside in order to advance the reaction. When the waste heat of the internal combustion engine is used as a heat source, the amount of supplied heat can be reduced correspondingly to increase the reforming efficiency.
Reforming efficiency C = reformed gas heat generation amount / (raw material heat generation amount + supply heat amount) (5)
低温プラズマを用いる改質方法の場合は、改質効率Cは次の(6)式によって計算することができる。(6)式における供給熱量とは、発電装置を駆動して放電用の電気エネルギを生成するのに必要な熱量を意味する。発電装置としては、オルタネータや回生発電装置を用いることができる。
改質効率C=改質ガス発熱量/(原料発熱量+供給熱量) ・・・(6)
In the case of the reforming method using low temperature plasma, the reforming efficiency C can be calculated by the following equation (6). The amount of heat supplied in equation (6) means the amount of heat necessary to drive the power generator and generate electrical energy for discharge. An alternator or a regenerative power generator can be used as the power generator.
Reforming efficiency C = reformed gas heat generation amount / (raw material heat generation amount + supply heat amount) (6)
本実施の形態では、上記の(2)式で計算される単純燃費向上率と、例えば上記の(3)乃至(6)式の何れかの式で計算される改質効率とを用い、次の(7)式によって総合燃費向上率を計算する。(7)式において、Aが単純燃費向上率であり、Cが改質効率である。また、Bは水素相当ガス添加割合、Dは改質ガス中水素相当ガス割合である。
総合燃費向上率=A/(1−B/D+B/(D×C)) ・・・(7)
In the present embodiment, using the simple fuel consumption improvement rate calculated by the above equation (2) and the reforming efficiency calculated by any one of the above equations (3) to (6), for example, The total fuel efficiency improvement rate is calculated by the equation (7). In the formula (7), A is a simple fuel consumption improvement rate and C is a reforming efficiency. B is a hydrogen equivalent gas addition ratio, and D is a hydrogen equivalent gas ratio in the reformed gas.
Overall fuel efficiency improvement rate = A / (1-B / D + B / (D × C)) (7)
水素相当ガス添加割合Bは、第2運転モードにおいて燃焼室に供給される燃料(炭化水素系燃料及び改質ガス)の総発熱量に対する水素相当ガスの総発熱量の比として定義される。改質ガス中水素相当ガス割合Dは、改質ガスの総発熱量に対する水素相当ガスの総発熱量の比として定義される。なお、水素相当ガスとは、改質ガスに含まれるガス成分のうち、水素ガス並びに燃焼性において水素ガスに相当するガス(例えばアセチレン)のことをいう。 The hydrogen equivalent gas addition ratio B is defined as the ratio of the total calorific value of the hydrogen equivalent gas to the total calorific value of the fuel (hydrocarbon fuel and reformed gas) supplied to the combustion chamber in the second operation mode. The hydrogen equivalent gas ratio D in the reformed gas is defined as the ratio of the total calorific value of the hydrogen equivalent gas to the total calorific value of the reformed gas. The hydrogen equivalent gas means hydrogen gas and a gas (for example, acetylene) corresponding to hydrogen gas in terms of combustibility among gas components contained in the reformed gas.
上記の(7)式において、水素相当ガス添加割合Bは内燃機関の運転条件によって決まる値であり、改質ガス中水素相当ガス割合Dは改質方法や改質条件によって決まる値である。これらの値は予め実験等によって求めておくことができる。また、単純燃費向上率Aも運転条件によって決まる値であり、この値も予め実験等によって求めておくことができる。さらに、改質効率Cは改質条件によって決まる値であり、この値も予め実験等によって求めておくことができる。本実施の形態では、これらA,B,C,Dの値をそれぞれの関連条件に対応付けたマップを用意しておき、内燃機関の運転時には、マップから条件に応じた各値を読み出して(7)式を計算する。 In the above equation (7), the hydrogen equivalent gas addition ratio B is a value determined by the operating conditions of the internal combustion engine, and the hydrogen equivalent gas ratio D in the reformed gas is a value determined by the reforming method and reforming conditions. These values can be obtained in advance by experiments or the like. The simple fuel consumption improvement rate A is also a value determined by driving conditions, and this value can also be obtained in advance by experiments or the like. Further, the reforming efficiency C is a value determined by the reforming conditions, and this value can also be obtained in advance by experiments or the like. In the present embodiment, a map in which the values of A, B, C, and D are associated with each related condition is prepared, and each value corresponding to the condition is read from the map during operation of the internal combustion engine ( 7) Calculate the formula.
(7)式によって計算される総合燃費向上率が1以下の場合、少なくとも燃費の観点からは改質ガスを生成して利用するメリットは無い。一方、総合燃費向上率が1よりも大きい場合には、少なくとも燃費の観点において改質ガスを生成して利用するメリットが有る。そこで、総合燃費向上率が1以下の場合には改質ガスの生成は行わず、炭化水素系燃料のみを燃料として内燃機関の運転を行うようにする。また、総合燃費向上率が1よりも大きければ改質ガスの生成を行い、生成した改質ガスを炭化水素系燃料に添加して内燃機関の運転を行うようにする。これにより、燃費の向上に寄与しない無駄な改質処理や無駄な改質ガスの使用を防止して、全体として確実に燃費を向上させることができる。 When the total fuel efficiency improvement rate calculated by the equation (7) is 1 or less, there is no merit of generating and using the reformed gas at least from the viewpoint of fuel efficiency. On the other hand, when the overall fuel efficiency improvement rate is greater than 1, there is an advantage of generating and using the reformed gas at least from the viewpoint of fuel efficiency. Therefore, when the total fuel efficiency improvement rate is 1 or less, the reformed gas is not generated, and the internal combustion engine is operated using only the hydrocarbon-based fuel as fuel. If the overall fuel efficiency improvement rate is greater than 1, reformed gas is generated, and the generated reformed gas is added to the hydrocarbon-based fuel to operate the internal combustion engine. As a result, it is possible to prevent wasteful reforming processing and use of wasteful reformed gas that do not contribute to improvement of fuel consumption, and to improve fuel efficiency reliably as a whole.
なお、総合燃費向上率が1よりも大きいか否かで判断するのではなく、燃費以外の他のメリット或いはデメリットも勘案して基準値を定め、総合燃費向上率が基準値よりも大きいか否かで改質ガスの生成を行うか否か判断してもよい。 It is not determined based on whether or not the overall fuel efficiency improvement rate is greater than 1, but a reference value is determined in consideration of other merits or demerits other than fuel efficiency, and whether or not the overall fuel efficiency improvement rate is greater than the reference value. It may be determined whether or not the reformed gas is generated.
以下では、図面を参照して、本発明のより具体的な実施の形態について説明する。 Hereinafter, more specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1.
まず、図1乃至図4により、本発明の実施の形態1について説明する。
First,
図1は本発明の実施の形態1としての改質ガス利用内燃機関のシステム構成を示す図である。本実施の形態の改質ガス利用内燃機関は、火花点火式の4ストロークエンジンとして構成されるエンジン本体2を備えている。エンジン本体2は図示していないが複数の気筒を有している。気筒毎に燃焼室12が設けられ、各燃焼室12の頂部には点火プラグ14が取り付けられている。また、燃焼室12には新規ガスが導入される吸気通路4と、燃焼ガスが排出される排気通路6が接続されている。燃焼室12と吸気通路4との接続部にはその連通状態を制御する吸気弁8が設けられ、燃焼室12と排気通路6との接続部にはその連通状態を制御する排気弁10が設けられている。吸気通路4には吸入空気量を調整するためのスロットル18が配置されている。
FIG. 1 is a diagram showing a system configuration of a reformed gas-utilizing internal combustion engine as
スロットル18の下流で吸気弁8の上流には、燃焼室12に燃料を供給するためのインジェクタ16が取り付けられている。インジェクタ16は気筒毎に備えられている。インジェクタ16から噴射される燃料はガソリン等の炭化水素系燃料であり、この燃料は燃料タンク20に貯蔵されている。燃料は燃料タンク20内から燃料ポンプ22によって吸い上げられて各気筒のインジェクタ16に供給される。
An
本実施の形態の改質ガス利用内燃機関は、インジェクタ16から噴射される炭化水素系燃料に加え、炭化水素系燃料を改質して得られる改質ガスも燃料として利用可能に構成されている。また、外部からの供給を受けることなく車上で改質ガスを生成するため、本実施の形態の改質ガス利用内燃機関は燃料改質装置30を備えている。
The reformed gas utilizing internal combustion engine of the present embodiment is configured such that a reformed gas obtained by reforming a hydrocarbon fuel can be used as a fuel in addition to the hydrocarbon fuel injected from the
燃料改質装置30は、燃料タンク20内に貯蔵されている炭化水素系燃料を原料として水素ガスを含む改質ガスを生成する。本実施の形態にかかる燃料改質装置30は、改質触媒による部分酸化反応を利用した改質方法を採っている。ただし、本発明にかかる改質方法としては前述の何れの方法も採用可能であり、改質方法が改質触媒による部分酸化反応に限定されるものではない。異なる改質方法を採る場合には、その方法に応じた構成の燃料改質装置を備えればよい。
The
燃料改質装置30は、内部に改質触媒が配置される改質器32を備えている。改質器32内では、改質触媒上に炭化水素系燃料と空気の混合気が供給されることで、炭化水素系燃料の部分酸化反応が起こり、水素ガスを含む改質ガスが生成されるようになっている。
The
なお、炭化水素系燃料の改質効率は改質触媒の温度に依存する。触媒温度が活性温度に達していないとき、或いは、活性温度には達しているが改質効率が最大となる適正温度域よりも低いときには十分な改質効率を得ることができない。このため、改質器32には触媒温度を監視するための温度センサ72が取り付けられている。
The reforming efficiency of the hydrocarbon fuel depends on the temperature of the reforming catalyst. When the catalyst temperature does not reach the activation temperature, or when the catalyst temperature is below the appropriate temperature range where the activation temperature is reached but the reforming efficiency is maximized, sufficient reforming efficiency cannot be obtained. For this reason, the
改質器32には、炭化水素系燃料と空気とを予め混合した状態で改質器32に供給するための予混合器36が接続されている。予混合器36には、予混合器36内に改質用の炭化水素系燃料を供給するための改質燃料インジェクタ38が取り付けられている。改質燃料インジェクタ38は、各気筒に設けられるインジェクタ16が接続されているのと同じ燃料タンク20に接続されている。燃料ポンプ22によって燃料タンク20から吸い上げられた燃料は、各気筒のインジェクタ16と、燃料改質装置30の改質燃料インジェクタ38とに分配されるようになっている。
Connected to the
また、予混合器36には、予混合器36内に空気を供給するための空気通路44が接続されている。吸気通路4におけるスロットル18の上流には空気取入口50が形成され、空気通路44のもう一方の端部はこの空気取入口50に接続されている。空気通路44には送風機40が配置されており、送風機40によって空気取入口50から取り入れられた改質用空気が空気通路44を通って予混合器36に供給される。この送風機40には、予混合器36に供給する空気の流量を調整するための流量制御弁が設けられている。こうして予混合器36に供給された炭化水素系燃料と空気は、予混合器34内で均一に混合して混合気となり、この混合気が改質器32へ供給される。
The
改質器32には、熱交換器34が隣接して設けられている。この熱交換器34内には上記の空気通路44が通っている。改質器32で起こる部分酸化反応は発熱反応であり、反応が進むにつれて改質触媒の温度は上昇する。改質ガスの改質効率は触媒温度が適正温度より高すぎても低下する。また、触媒温度が高すぎると、改質触媒が劣化してしまうおそれもある。燃料改質装置30では、熱交換器34を流れる空気との熱交換によって改質器32を冷却することで、改質触媒の温度上昇を抑制している。
A
改質器32内での部分酸化反応によって生成された改質ガスは、改質器32と吸気通路4とを接続する改質ガス通路46を通って吸気通路4内に供給される。吸気通路4におけるスロットル18の上流であって空気取入口50の下流には、改質ガス供給口52が形成され、改質ガス通路46はこの改質ガス供給口52に接続されている。改質ガス通路46は空気通路44と交差しており、その交差部には熱交換器42が配置されている。この熱交換器42内での熱交換によって改質ガスの冷却が行われる。
The reformed gas generated by the partial oxidation reaction in the
また、本実施形態の改質ガス利用内燃機関は、システム全体の運転を制御する制御装置としてECU(Electronic Control Unit)70を備えている。ECU70は、温度センサ72を含むシステム内の複数のセンサからの信号に基づき、システムの作動に係わる各種機器、例えば、インジェクタ16,点火プラグ14,スロットル18,燃料改質装置30等を総合的に制御している。燃料改質装置30に関しては、ECU70は、改質燃料インジェクタ38や送風機40の制御を行っている。
The reformed gas-utilizing internal combustion engine of this embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 70 as a control device that controls the operation of the entire system. Based on signals from a plurality of sensors in the system including the
以下では、ECU70によって実施される燃料改質装置30の制御について説明する。本実施の形態では、低中負荷域でのリーン限界の拡大に改質ガスを利用する。炭化水素系燃料の部分酸化反応により得られる改質ガスは、燃焼性に優れた水素ガスを多く含んでいる。このため、燃焼室12内に供給される混合気に改質ガスを添加することで燃焼限界をリーン側に拡大し、超リーンバーン運転を実現することが可能になる。図4のフローチャートは、エンジン本体2が低中負荷域にあるときにECU70により実施される制御のルーチンを示している。
Below, control of the
図4に示すルーチンの最初のステップS100では、燃料改質装置30にて改質処理を実行する際の改質条件が取得される。ここでは、改質触媒の温度、吸入空気に含まれる水蒸気量、改質燃料インジェクタ38から供給される燃料量等、改質効率に影響する条件のうち特に影響が大きい条件が改質条件として取得される。改質条件として水蒸気量が挙げられるのは、空気中に水蒸気を含む場合には水蒸気改質反応も並行して起こりうるからである。また、改質条件として燃料供給量が挙げられるのは、燃料量に応じて改質ガスに含まれる各成分の生成割合も変化するからである。なお、改質方法として改質触媒以外の方法が選択される場合には、上記とは異なる条件が改質条件として選択される。例えば、低温プラズマにより改質を行う場合には、改質条件の1つとして発電装置の発電効率を選択してもよい。
In the first step S100 of the routine shown in FIG. 4, the reforming conditions for executing the reforming process in the
次のステップS102では、取得された改質条件に基づいて改質効率が算出される。具体的には予め作成されたマップから改質条件に応じた改質効率の値が読み出される。図2は、複数の改質条件のうち改質触媒温度以外は固定したときの、改質触媒温度と改質効率との関係を示すグラフである。このような改質触媒温度と改質効率との関係を改質触媒温度以外の改質条件を異ならせて求めたものがマップに記録されている。 In the next step S102, the reforming efficiency is calculated based on the acquired reforming conditions. Specifically, the value of the reforming efficiency corresponding to the reforming condition is read from a map created in advance. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the reforming catalyst temperature and the reforming efficiency when a plurality of reforming conditions other than the reforming catalyst temperature are fixed. A map obtained by determining the relationship between the reforming catalyst temperature and the reforming efficiency by changing the reforming conditions other than the reforming catalyst temperature is recorded on the map.
次のステップS104では、現在の運転条件の下、水素ガス(改質ガス)の添加による超リーンバーン運転を行った場合の燃費向上率が算出される。ここでいう燃費向上率は、改質効率を考慮していない単純燃費向上率である。現在の運転条件によって水素ガスの添加割合が決まり、水素ガスの添加割合に応じた単純燃費向上率が求められる。運転条件と水素ガスの添加割合、そして、水素ガスの添加割合と単純燃費向上率との関係はマップに記憶され、必要な情報はマップから読み出されるようになっている。 In the next step S104, the fuel efficiency improvement rate is calculated when the super lean burn operation is performed by adding hydrogen gas (reformed gas) under the current operating conditions. The fuel efficiency improvement rate here is a simple fuel efficiency improvement rate that does not consider the reforming efficiency. The hydrogen gas addition rate is determined by the current operating conditions, and a simple fuel consumption improvement rate corresponding to the hydrogen gas addition rate is required. The relationship between the operating conditions, the hydrogen gas addition rate, and the relationship between the hydrogen gas addition rate and the simple fuel efficiency improvement rate is stored in the map, and necessary information is read out from the map.
次のステップS106では、改質効率を考慮した総合燃費向上率が算出される。具体的には、上記の(7)式によって総合燃費向上率の計算が行われる。ステップS102で求められた改質効率の値が(7)式のCに代入され、ステップS104で求められた単純燃費向上率の値が(7)式のAに代入される。(7)式のBには、現在の運転条件に応じた水素相当ガス添加割合の値がマップから読み出されて代入される。また、(7)式のDには、改質条件に応じた改質ガス中水素相当ガス割合の値がマップから読み出されて代入される。 In the next step S106, an overall fuel efficiency improvement rate considering the reforming efficiency is calculated. Specifically, the total fuel consumption improvement rate is calculated by the above equation (7). The value of the reforming efficiency obtained in step S102 is substituted for C in the equation (7), and the value of the simple fuel consumption improvement rate obtained in step S104 is substituted for A in the equation (7). The value of the hydrogen-equivalent gas addition ratio corresponding to the current operating condition is read from the map and assigned to B in the equation (7). In addition, the value of the hydrogen-equivalent gas ratio in the reformed gas corresponding to the reforming condition is read from the map and assigned to D in the equation (7).
図3は、(7)式においてA,B,Cの値を固定したときの、総合燃費向上率と改質効率との関係を示すグラフである。ここでは、水素相当ガス添加割合Bを0.2、改質ガス中水素相当ガス割合Dを0.43としている。水素相当ガス添加割合Bを0.2に設定すると空気過剰率が2の超リーンバーン運転を実現することができ、単純燃費を18%向上させることができる。つまり、この場合、単純燃費向上率Aは1.18となる。図2及び図3に示す例では、改質触媒温度が650℃のときには改質効率は約0.7となり、総合燃費向上率は1よりも小さくなってしまう。一方、改質触媒温度が750℃のときには改質効率は約0.8となり、総合燃費向上率は1よりも大きくなる。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the overall fuel efficiency improvement rate and the reforming efficiency when the values of A, B, and C are fixed in equation (7). Here, the hydrogen equivalent gas addition ratio B is 0.2, and the hydrogen equivalent gas ratio D in the reformed gas is 0.43. When the hydrogen equivalent gas addition ratio B is set to 0.2, the super lean burn operation with an excess air ratio of 2 can be realized, and the simple fuel consumption can be improved by 18%. That is, in this case, the simple fuel consumption improvement rate A is 1.18. In the example shown in FIGS. 2 and 3, when the reforming catalyst temperature is 650 ° C., the reforming efficiency is about 0.7, and the overall fuel efficiency improvement rate is smaller than 1. On the other hand, when the reforming catalyst temperature is 750 ° C., the reforming efficiency is about 0.8, and the overall fuel efficiency improvement rate is greater than 1.
ステップS108では、ステップS106で算出された総合燃費向上率が1よりも大きいか否か判定される。総合燃費向上率が1よりも大きければ、少なくとも燃費の観点からは燃料改質装置30による改質処理を実施し、得られた水素ガスを炭化水素系燃料に添加するメリットが有ると判断できる。一方、総合燃費向上率が1以下の場合には、少なくとも燃費の観点からは改質処理を実行してまで水素ガスを炭化水素系燃料に添加するメリットは無いと判断できる。
In step S108, it is determined whether or not the overall fuel efficiency improvement rate calculated in step S106 is greater than one. If the overall fuel efficiency improvement rate is greater than 1, it can be determined that there is a merit of performing the reforming process by the
そこで、ステップS108の判定の結果、総合燃費向上率が1よりも大きい場合には、ステップS110の処理が実行される。ステップS110では、燃料改質装置30の作動により炭化水素系燃料の改質が実施される。そして、炭化水素系燃料の改質により得られた水素ガス(改質ガス)がインジェクタ16から噴射される炭化水素系燃料とともに燃焼室12に供給される。エンジン本体2では、水素ガスの添加による超リーンバーン運転が行われる。本実施の形態では、この水素ガスの添加による超リーンバーン運転が前述の第2運転モードにおける最適運転となっている。
Thus, if the result of determination in step S108 is that the overall fuel efficiency improvement rate is greater than 1, the process of step S110 is executed. In step S110, the reforming of the hydrocarbon-based fuel is performed by the operation of the
一方、ステップS108の判定の結果、総合燃費向上率が1以下の場合には、ステップS112の処理が実行される。ステップS112では、送風機40及び改質燃料インジェクタ38の運転が停止され、炭化水素系燃料の改質と水素ガスの燃焼室12への供給とがともに停止される。エンジン本体2では、超リーンバーン運転は行われず、インジェクタ16から噴射される炭化水素系燃料のみを使用したストイキ運転が行われる。本実施の形態では、この炭化水素系燃料によるストイキ運転が前述の第1運転モードにおける最適運転となっている。
On the other hand, if the result of determination in step S108 is that the overall fuel efficiency improvement rate is 1 or less, the process of step S112 is executed. In step S112, the operation of the blower 40 and the reformed
以上説明したルーチンが実行されることで、燃費の向上に寄与しない無駄な改質処理や無駄な水素ガスの使用を防止することができ、超リーンバーン運転による燃費向上の効果を確実に得ることができるようになる。 By executing the routines described above, it is possible to prevent unnecessary reforming treatment and wasteful use of hydrogen gas that do not contribute to improving fuel efficiency, and to reliably obtain the effect of improving fuel efficiency by super lean burn operation. Will be able to.
なお、本実施の形態においては、ECU70によって図4に示すルーチンのステップS100の処理が実行されることにより、第1の発明の「改質条件取得手段」が実現されている。また、ステップS102の処理が実行されることで、第1の発明の「第1指標値算出手段」が実現され、ステップS104の処理が実行されることで、第1の発明の「第2指標値算出手段」が実現されている。そして、ステップS106の処理が実行されることで、第1の発明の「第3指標値算出手段」が実現され、ステップS108,S110及びS112の処理が実行されることで、第1の発明の「運転モード選択手段」が実現されている。
In the present embodiment, the
実施の形態2.
次に、図5及び図6により、本発明の実施の形態2について説明する。
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施の形態の改質ガス利用内燃機関は、ハイブリッド車両に搭載されてモータと協働して車両を駆動するハイブリッド車両用内燃機関として構成される。ただし、改質ガス利用内燃機関それ自体のシステム構成は実施の形態1と同様であり、図1に示すシステム構成が採られている。エンジン本体2とモータとの組み合わせ方、つまり、ハイブリッドシステムの構成に関しての限定はない。 The reformed gas utilizing internal combustion engine of the present embodiment is configured as an internal combustion engine for a hybrid vehicle that is mounted on a hybrid vehicle and drives the vehicle in cooperation with a motor. However, the system configuration of the reformed gas utilizing internal combustion engine itself is the same as that of the first embodiment, and the system configuration shown in FIG. 1 is adopted. There is no limitation on the combination of the engine body 2 and the motor, that is, the configuration of the hybrid system.
ハイブリッド車両では、エンジン本体2のエンジン回転数及びトルクを任意に制御すること可能であり、エンジン本体2は高負荷域を積極的に使用することができる。図5はエンジン本体2の運転域と燃費との関係を示す図である。図中に示す等出力線と等燃費線との関係から分かるように、出力が同じでも運転域が低回転側ほど燃費は向上する。これは、回転数が低いほどフリクションロスも減少することによる。したがって、可能な限りノック限界に近い運転域で運転することで高い燃費を実現することができる。 In the hybrid vehicle, the engine speed and torque of the engine body 2 can be arbitrarily controlled, and the engine body 2 can positively use a high load range. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the operating range of the engine body 2 and the fuel consumption. As can be seen from the relationship between the iso-output line and the iso-fuel consumption line shown in the figure, the fuel economy improves as the driving range is lower, even if the output is the same. This is because the friction loss decreases as the rotational speed decreases. Therefore, high fuel efficiency can be realized by driving in the driving range as close to the knock limit as possible.
本実施の形態では、燃料改質装置30によって生成される改質ガスをノック限界の拡大に利用する。炭化水素系燃料を改質して得られる改質ガスは、燃焼性に優れた水素ガスを多く含んでいる。このため、燃焼室12内に供給される混合気に改質ガスを添加することで高負荷時のノックを抑制することができ、図5に示すようにノック限界を拡大することができる。これによれば、水素ガスの添加が無い場合に比較してさらに高負荷側の運転域で運転することが可能になり、より高い燃費を実現することが可能になる。ただし、ここでいう燃費はあくまでも単純燃費であり、単純燃費が向上するからと言って必ずしも総合燃費が向上するとは限らない。前述のように、総合燃費は改質効率の影響を受けるからである。
In the present embodiment, the reformed gas generated by the
そこで、本実施の形態では、図6のフローチャートに従って燃料改質装置30の制御が行われる。図6のフローチャートは、本実施の形態においてEU70により実施される制御のルーチンを示している。
Therefore, in the present embodiment, the
図6に示すルーチンの最初のステップS200では、燃料改質装置30にて改質処理を実行する際の改質条件、具体的には、改質触媒の温度、吸入空気に含まれる水蒸気量、改質燃料インジェクタ38から供給される燃料量等、改質効率に影響する条件のうち特に影響が大きい条件が取得される。そして、次のステップS202では、予め作成されたマップから改質条件に応じた改質効率の値が読み出される。
In the first step S200 of the routine shown in FIG. 6, the reforming conditions when the
次のステップS204では、現在の運転条件に応じて水素ガス(改質ガス)の添加割合が決定され、水素ガスの添加割合に応じて運転域、つまり、水素ガスの添加により拡大されるノック限界付近での運転域が決定される。そして、決定された運転域で運転した場合の燃費向上率が求められる。ここでいう燃費向上率は、改質効率を考慮していない単純燃費向上率である。運転条件と水素ガスの添加割合、水素ガスの添加割合と運転域、そして、運転域と単純燃費向上率との関係はマップに記憶され、必要な情報はマップから読み出されるようになっている。 In the next step S204, the addition rate of hydrogen gas (reformed gas) is determined according to the current operating conditions, and the operating range, that is, the knock limit that is expanded by the addition of hydrogen gas is determined according to the addition rate of hydrogen gas. The driving range in the vicinity is determined. And the fuel consumption improvement rate at the time of driving | running in the determined driving | operation area | region is calculated | required. The fuel efficiency improvement rate here is a simple fuel efficiency improvement rate that does not consider the reforming efficiency. The operating conditions and the hydrogen gas addition ratio, the hydrogen gas addition ratio and the operating range, and the relationship between the operating range and the simple fuel consumption improvement rate are stored in the map, and necessary information is read from the map.
次のステップS206では、改質効率を考慮した総合燃費向上率が算出される。具体的には、上記の(7)式によって総合燃費向上率の計算が行われる。ステップS202で求められた改質効率の値が(7)式のCに代入され、ステップS204で求められた単純燃費向上率の値が(7)式のAに代入される。(7)式のBには、現在の運転条件に応じた水素相当ガス添加割合の値がマップから読み出されて代入される。また、(7)式のDには、改質条件に応じた改質ガス中水素相当ガス割合の値がマップから読み出されて代入される。 In the next step S206, an overall fuel efficiency improvement rate is calculated in consideration of the reforming efficiency. Specifically, the total fuel consumption improvement rate is calculated by the above equation (7). The value of the reforming efficiency obtained in step S202 is substituted for C in the equation (7), and the value of the simple fuel consumption improvement rate obtained in step S204 is substituted for A in the equation (7). The value of the hydrogen-equivalent gas addition ratio corresponding to the current operating condition is read from the map and assigned to B in the equation (7). In addition, the value of the hydrogen-equivalent gas ratio in the reformed gas corresponding to the reforming condition is read from the map and assigned to D in the equation (7).
ステップS208では、ステップS206で算出された総合燃費向上率が1よりも大きいか否か判定される。総合燃費向上率が1よりも大きければ、少なくとも燃費の観点からは燃料改質装置30による改質処理を実施し、得られた水素ガスを炭化水素系燃料に添加するメリットが有ると判断できる。一方、総合燃費向上率が1以下の場合には、少なくとも燃費の観点からは改質処理を実行してまで水素ガスを炭化水素系燃料に添加するメリットは無いと判断できる。
In step S208, it is determined whether or not the overall fuel consumption improvement rate calculated in step S206 is greater than one. If the overall fuel efficiency improvement rate is greater than 1, it can be determined that there is a merit of performing the reforming process by the
そこで、ステップS208の判定の結果、総合燃費向上率が1よりも大きい場合には、ステップS210の処理が実行される。ステップS210では、燃料改質装置30の作動により炭化水素系燃料の改質が実施される。そして、炭化水素系燃料の改質により得られた水素ガス(改質ガス)がインジェクタ16から噴射される炭化水素系燃料とともに燃焼室12に供給される。エンジン本体2では、水素ガスの添加によって拡大されるノック限界付近での高負荷域運転が行われる。本実施の形態では、水素ガスの添加によって拡大されるノック限界付近での高負荷域運転が前述の第2運転モードにおける最適運転となっている。
Thus, if the result of determination in step S208 is that the overall fuel efficiency improvement rate is greater than 1, the process of step S210 is executed. In step S210, the reforming of the hydrocarbon-based fuel is performed by the operation of the
一方、ステップS208の判定の結果、総合燃費向上率が1以下の場合には、ステップS212の処理が実行される。ステップS212では、送風機40及び改質燃料インジェクタ38の運転が停止され、炭化水素系燃料の改質と水素ガスの燃焼室12への供給とがともに停止される。エンジン本体2では、インジェクタ16から噴射される炭化水素系燃料のみを使用してノック限界付近での高負荷域運転が行われる。本実施の形態では、炭化水素系燃料のみを使用するノック限界付近での高負荷域運転が前述の第1運転モードにおける最適運転となっている。
On the other hand, if the result of determination in step S208 is that the overall fuel efficiency improvement rate is 1 or less, the process of step S212 is executed. In step S212, the operation of the blower 40 and the reformed
以上説明したルーチンが実行されることで、燃費の向上に寄与しない無駄な改質処理や無駄な水素ガスの使用を防止することができ、水素ガスの添加により拡大したノック限界付近での高負荷域運転による燃費向上の効果を確実に得ることができるようになる。 By executing the routine described above, it is possible to prevent wasteful reforming treatment and wasteful use of hydrogen gas that do not contribute to improving fuel efficiency, and high loads near the knock limit expanded by the addition of hydrogen gas. It is possible to reliably obtain the effect of improving the fuel consumption by the area driving.
なお、本実施の形態においては、ECU70によって図6に示すルーチンのステップS200の処理が実行されることにより、第1の発明の「改質条件取得手段」が実現されている。また、ステップS202の処理が実行されることで、第1の発明の「第1指標値算出手段」が実現され、ステップS204の処理が実行されることで、第1の発明の「第2指標値算出手段」が実現されている。そして、ステップS206の処理が実行されることで、第1の発明の「第3指標値算出手段」が実現され、ステップS208,S210及びS212の処理が実行されることで、第1の発明の「運転モード選択手段」が実現されている。
In the present embodiment, the
その他.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変形して実施することもできる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
Others.
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the following modifications may be made.
図1のシステム構成では、吸気通路4に改質ガスを供給することとしているが、高圧ポンプによって改質ガスを圧縮して燃焼室12内に直接供給するようにしてもよい。インジェクタ16に関しても同様であり、燃焼室12内に直接燃料を噴射するようにしてもよい。また、改質ガスを炭化水素系燃料に混合してインジェクタ16から噴射するようにしてもよい。
In the system configuration of FIG. 1, the reformed gas is supplied to the intake passage 4, but the reformed gas may be compressed by a high-pressure pump and supplied directly into the
上記実施の形態にかかる燃料改質装置30では、炭化水素系燃料を部分酸化反応させることで改質ガスを得ているが、炭化水素系燃料を水蒸気改質することで改質ガスを得るようにしてもよい。或いは、炭化水素系燃料、空気及び水蒸気を改質触媒に供給し、部分酸化反応と水蒸気改質反応をともに生じさせて改質ガスを得るようにしてもよい。さらに、インジェクタ16から噴射する炭化水素系燃料を改質用に使用するのではなく、炭化水素系燃料とは別に改質専用の水素化合物を貯蔵しておき、これを改質して水素ガスを得るようにしてもよい。
In the
また、有機ハイドライドを脱水素反応させて水素ガスを得る燃料改質装置を備えてもよい。この場合、改質用の有機ハイドライド、及び、改質により水素ガスとともに得られる炭化水素系燃料は、インジェクタ16から噴射する主燃料として利用することができる。
Moreover, you may provide the fuel reformer which dehydrogenates organic hydride and obtains hydrogen gas. In this case, the organic hydride for reforming and the hydrocarbon fuel obtained together with the hydrogen gas by reforming can be used as the main fuel injected from the
さらに、改質触媒以外の方法で水素ガスを得る燃料改質装置を備えてもよい。例えば、低温プラズマを発生させて水素化合物を分解することで水素ガスを生成する装置や、水の電気分解により水素ガスを生成する装置であってもよい。 Furthermore, a fuel reformer that obtains hydrogen gas by a method other than the reforming catalyst may be provided. For example, an apparatus that generates hydrogen gas by decomposing a hydrogen compound by generating low-temperature plasma or an apparatus that generates hydrogen gas by electrolysis of water may be used.
2 エンジン本体
4 吸気通路
6 排気通路
12 燃焼室
14 点火プラグ
16 インジェクタ
18 スロットル
20 燃料タンク
22 燃料ポンプ
30 燃料改質装置
32 改質器
34 熱交換器
36 予混合器
38 改質燃料インジェクタ
40 送風機
42 熱交換器
44 空気通路
46 改質ガス通路
50 空気取入口
52 改質ガス供給口
70 ECU
72 温度センサ
2 Engine body 4
72 Temperature sensor
Claims (3)
前記燃料改質装置における改質条件を取得する改質条件取得手段と、
取得した改質条件の下で前記燃料改質装置により改質処理を行ったときの予測改質効率の指標となる第1指標値を算出する第1指標値算出手段と、
現在の運転条件の下で炭化水素系燃料に改質ガスを添加して最適運転を行った場合の炭化水素系燃料のみを使用して最適運転を行った場合に対する燃費向上率の指標となる第2指標値を算出する第2指標値算出手段と、
前記第1指標値と前記第2指標値とに基づき、現在の運転条件の下で前記第2運転モードを選択した場合の前記第1運転モードを選択した場合に対する総合燃費向上率の指標となる第3指標値を算出する第3指標値算出手段と、
前記第3指標値を所定の基準値と比較し、前記第3指標値が前記基準値を超えるときには前記第2運転モードを選択し、前記第3指標値が前記基準値以下のときには前記第1運転モードを選択する運転モード選択手段と、
を備えることを特徴とする改質ガス利用内燃機関。 It has a fuel reformer that reforms a hydrogen compound to produce a reformed gas containing hydrogen gas, and does not perform the reforming process by the fuel reformer, and uses only a hydrocarbon-based fuel for optimum operation. A reformed gas capable of selecting a first operation mode to be performed and a second operation mode in which the reforming process is performed by the fuel reformer and the obtained reformed gas is added to the hydrocarbon-based fuel to perform the optimum operation. In use internal combustion engine,
Reforming condition acquisition means for acquiring reforming conditions in the fuel reformer;
First index value calculation means for calculating a first index value that is an index of predicted reforming efficiency when the reforming process is performed by the fuel reformer under the obtained reforming conditions;
This is an indicator of the fuel efficiency improvement rate when the optimal operation is performed using only the hydrocarbon fuel when the reformed gas is added to the hydrocarbon fuel under the current operating conditions and the optimal operation is performed. 2nd index value calculation means for calculating 2 index values;
Based on the first index value and the second index value, it becomes an index of the overall fuel consumption improvement rate when the first operation mode is selected when the second operation mode is selected under the current operation condition. Third index value calculating means for calculating a third index value;
The third index value is compared with a predetermined reference value, and when the third index value exceeds the reference value, the second operation mode is selected, and when the third index value is equal to or less than the reference value, the first index value is selected. An operation mode selection means for selecting an operation mode;
A reformed gas utilization internal combustion engine comprising:
前記第1運転モードにおける最適運転とはノック限界付近での高負荷域運転であり、前記第2運転モードにおける最適運転とは改質ガスの添加によって拡大されるノック限界付近での高負荷域運転であって現在の運転条件に応じて改質ガスの添加割合が設定されることを特徴とする請求項1記載の改質ガス利用内燃機関。 The internal combustion engine is an internal combustion engine for a hybrid vehicle that is mounted on a hybrid vehicle and drives the vehicle in cooperation with a motor;
The optimum operation in the first operation mode is a high load region operation near the knock limit, and the optimum operation in the second operation mode is a high load region operation near the knock limit that is expanded by addition of reformed gas. 2. The internal combustion engine using reformed gas according to claim 1, wherein the ratio of addition of the reformed gas is set according to current operating conditions.
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| JP2007278244A true JP2007278244A (en) | 2007-10-25 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009138570A (en) * | 2007-12-04 | 2009-06-25 | Toyota Motor Corp | Fuel reformer |
| JP2020504263A (en) * | 2016-12-21 | 2020-02-06 | プレシジョン コンバスチョン インコーポレイテッド | Internal combustion engine operating method resulting in improved fuel efficiency. |
| JP7038056B2 (en) | 2016-01-27 | 2022-03-17 | マイクロ モーション インコーポレイテッド | Gas energy measurement method and related equipment |
-
2006
- 2006-04-11 JP JP2006108514A patent/JP2007278244A/en active Pending
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