专利名称：发动机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及搭载了化学性地反复进行氢的储存和释放的介质的氢发动机系统。
背景技术：
作为现有的将由化学性地反复进行氢的储存和释放的介质生成的富氢气体作为一种燃料而用以驱动发动机的系统，例如，公开有如专利文献1所示的利用氢的内燃机，其除了能够供给由上述介质生成的富氢气体以外，还能将上述介质也供给到发动机，或能够独立地向发动机供给富氢气体的介质。专利文献1 特开2005-147124号公报在将由化学性地反复进行氢的储存和释放的介质生成的富氢气体作为一种燃料， 并单独通过富氢气体或者通过多种燃料来驱动发动机的发动机系统中，预先将由介质生成的富氢气体储存于缓冲箱，通过将在缓冲箱储存的富氢气体供给到发动机来驱动发动机。 为了稳定地驱动发动机，只要增大缓冲箱的容量即可，使得不会出现富氢气体不足的情况。 但是，为了使发动机系统小型化、轻量化，还希望缓冲箱小型化。为了使缓冲箱小型化，在从介质需要氢时，高效地生成显得很重要。从介质生成的富氢气体的量根据对催化剂的介质供给量和催化剂材料的温度而变化。该催化剂温度由于根据发动机的运转状态、从介质生成氢时的反应量或催化剂的老化状态等而变动，因此生成的富氢气体的量也随其变动。伴随与此，发生没有生成必要量的富氢气体的状态，难以对发动机的要求输出进行即时响应。 因此，为了高效率地运转发动机系统，需要对应于发动机的运转状态、进行考虑了对催化剂的介质供给量和催化剂材料的温度的控制。另外，该问题即使在区分使用多种燃料的情况下也同样，希望根据发动机要求的输出特性等来选择燃料形态，高效地从介质生成富氢气体显得很重要。另外，在将富氢气体以及介质作为燃料使用的情况下，需要进行考虑了燃烧效率和排气性能的控制。在专利文献1所述的系统中，对于这一点没有进行足够的研究。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种发动机系统，在将由化学性地反复进行氢的储存和释放的介质生成的富氢气体作为一种燃料来驱动发动机的发动机系统中，能够从介质高效地生成富氢气体。另外，本发明的其他目的在于提供一种燃烧效率、排气性能优越的发动机系统。为了解决上述问题，作为第一手段，提供一种发动机系统，其具有氢供给装置，该氢供给装置搭载了化学性地反复进行氢的储存和释放的介质，并进行从所述介质生成或储存富氢气体，将所述富氢气体作为燃料之一，驱动发动机，其特征在于，具有检测发动机的运转状态的检测部；和根据所述检测部的检测结果，控制向所述氢供给装置供给的所述介质的供给量的介质供给量控制机构。在此，发动机的运转状态能够通过发动机推测转矩以及发动机转速进行判断。 另外，作为第二手段，其特征在于，一种发动机系统，具有推测氢供给装置内的催化剂温度的催化剂温度推测机构；和介质供给量控制机构或热供给量控制机构中的至少任一个，基于由所述催化剂温度推测机构推测的催化剂温度，上述介质供给量控制机构控制向所述氢供给装置供给的所述介质的供给量，上述热供给量控制机构控制向所述氢供给装置供给的热供给量。根据第二手段，通过基于催化剂温度，控制向氢供给装置供给的介质的供给量、或控制向氢供给装置供给的热供给量的任一个，能够调整催化剂温度。由此，在驱动发动机的状态下，由于能够将催化剂温度控制在为了生成富氢气体的有效的温度范围，所以能够有效地从介质生成氢。另外，为了解决上述第二目的，作为第三手段，提供一种发动机系统，具有从化学性地反复进行氢的储存和释放的介质生成富氢气体的氢供给装置；和用于净化排气的三元催化剂，其中将所述富氢气体以及所述介质作为燃料之一，驱动发动机，其特征在于，具有点火时间控制机构和空气过剩率控制机构，根据向发动机供给的所述介质和所述富氢气体的供给量的比例，所述点火时间控制机构控制发动机具有的点火火花塞的点火时间，所述空气过剩率控制机构控制向发动机供给的燃料的空气过剩率，通过所述空气过剩率控制机构，将空气过剩率控制在0. 95 1. 05或1. 8 5. 0 的范围。另外，作为第四手段，其特征在于，一种发动机系统，其在发动机的排气管配备所述氢供给装置和用户净化发动机的排气的净化催化剂，在比所述氢供给装置更靠近发动机侧设置有所述净化催化剂，或者使所述氢供给装置和所述净化催化剂成为一体。另外，作为第五手段，其特征在于，一种发动机系统，其具有富氢气体供给装置， 其以富氢气体为燃料供给到发动机；介质燃料供给装置，其向汽缸内直接供给包含所述介质的成分；以及燃料供给时刻控制机构，其在将所述富氢气体供给到发动机之后，在活塞压缩期间向汽缸内供给包含所述介质的成分，并使其自着火燃烧。根据本发明，能够提供一种发动机系统，在搭载了化学性地反复进行氢的储存和释放的介质的发动机系统中，其能够从介质高效地生成富氢气体。
图1是将氢供给装置安装于排气管后的发动机系统的概略图；图2是氢供给装置的结构图；图3是发动机的运转区域和供给燃料的关系图；图4是催化剂温度和转化率的关系图；图5是向氢供给装置供给的氢化介质供给量和转化率的关系4
图6是氢供给装置的伴随着催化剂温度变化的控制流程图；图7是控制对氢供给装置的热供给量的各方法；图8是富氢气体的随着储存量变化的控制流程图；图9是判断氢供给装置内的催化剂老化的图；图10是在燃料切换时进行的空燃比、点火时间控制图；图11是富氢气体燃烧时的空气过剩率和Nox排出量的关系图；图12是三元催化剂的净化率和空气过剩率的关系图；图13是发动机从开始启动到三元催化剂活性化的催化剂温度变化图；图14是利用在排气管安装了氢供给装置的发动机系统压缩着火燃料类型的系统概略图；图15是氢浓度和点火时间的关系图。图中1-发动机；2-富氢气体供给装置；3-介质供给装置；4-节流阀；5-氢压力传感器； 6-氢浓度传感器；7-吸引、压缩装置；8-气液分离装置；9-切换阀；10、28_箱；11-氢化介质供给装置；12-氢供给装置；13-净化催化剂；14、19、31_温度检测机构；15-排气量调整阀；17、34_氧传感器；18-排气管；20-排气阀；21-点火火花塞；22-吸气阀；23-ECU ；24、 25-泵；26-富氢气体储存装置；27-吸气管；29-调节器；30-安全阀。
具体实施例方式以下，利用
本发明的实施方式。图1是将用于对化学性地反复进行氢的储存和释放的介质进行脱氢反应的氢供给装置12设置在发动机的排气管18，能够利用从发动机1排出的排气热的系统。向氢供给装置12供给的排气量能够利用排气量调整阀15进行调整。另外，在氢供给装置12的上游侧、下游侧、以及氢供给装置12内，分别设置有温度检测机构14、19、31。在氢供给装置12， 通过氢化介质供给装置U提供氢化介质。所谓上述介质，可示出所有能够进行化学性地储存/释放氢的物质，如汽油、轻油、煤油、重油、萘烷、环己烷、甲基环己烷、萘、苯、甲苯等碳氢系燃料及其混合燃料；或过氧化氢、氨、氮、氧等。其中，化学性地储存氢的介质称为氢化介质，化学性地释放了氢之后的介质称为脱氢化介质。氢化介质以及脱氢化介质分别储存在箱10、28内。这些箱可以形成一体结构。氢化介质可以在泵M的压力作用下通过配管32从介质供给装置(喷射器)11 供给到氢供给装置12。另外，氢化介质以及脱氢化介质可以在泵25的压力作用下通过配管 33从氢化介质供给装置(喷射器)3供给到发动机1。另外，供给到发动机1的氢化介质以及脱氢化介质可以利用切换阀9进行切换。由氢供给装置12生成的富氢气体和脱氢化介质的混合体，通过配管35被搬运到分离装置8，通过分离装置8分离成氢化介质以及脱氢化介质。之后，富氢气体通过吸引、压缩装置7，储存在富氢气体储存装置沈中，从富氢气体供给装置(喷射器)2供给到发动机 1。另一方面，脱氢化介质储存在脱氢化介质用箱观内。另外，在配置在分离装置8和发动机1之间的富氢气体储存装置沈内，设置有氢压力传感器5和氢浓度传感器6。另外，在富氢气体储存装置26和富氢气体供给装置(喷射器)2之间设置有调节器四，其用于将富氢气体供给压力控制在希望的压力。另外，为了不使来自吸引、压缩装置7的氢供给压力过大，能够通过安全阀30的开闭调整氢供给压力。在发动机1的吸气管27设置有调整吸入空气量的节流阀4，在排气管18，在净化催化剂13的上游、下游设置有氧传感器17、34。上述氧传感器17可以是空燃比传感器。发动机1的吸气阀22、排气阀20可以是能够改变开闭时刻、提升(lift)量的结构。在本系统中，温度检测机构14、19、31 ；介质供给装置(喷射器)3、11 ；富氢气体供给装置(喷射器)2 ；氢压力传感器5和氢浓度传感器6 ；节流阀4 ;02传感器17、34 ；吸气阀 22 ；排气阀20、点火火花塞21、以及排气量调整阀15等，与控制装置(E⑶)23电连接，由控制装置23进行控制。接着，利用图2说明在图1所示的氢供给装置12的结构。氢供给装置12的结构， 如图2所示，在设置了流路突起39的纯铝(热传导率250W/mK)高热传导基板40上，形成有由Pt/氧化铝催化剂构成的催化剂层42。在该催化剂层42上层叠只选择性地使氢透过的氢分离膜38，形成隔着垫片37层叠了氢流路36的结构作为基本构造，配置于发动机排气管。向氢供给装置12供给的介质，通过燃料流路41，与在高热传导基板40的表面上形成的催化剂层42接触，同时进行脱氢反应，生成富氢气体。生成的富氢气体，透过氢分离膜39，经由垫片37，通过氢流路36从氢供给装置12排出。另外，没有透过氢分离膜38的富氢气体和脱氢化介质，通过燃料流路41从氢供给装置12排出到氢供给装置12之外。在此，排出了的富氢气体和脱氢化介质，与从氢流路36排出了的富氢气体合流、混合，供给到图1的分离装置8。此外，也可以不混合从氢流路36排出的富氢气体、从燃料流路41排出的富氢气体、和脱氢化介质，通过另外的配管，将富氢气体供给到富氢气体储存装置26，将富氢气体和脱氢化介质供给到分离装置8。另外，在图2中，为了在低温下高效地进行从介质的脱氢化反应而设置氢分离膜38，但也能够采用没有氢分离膜38的结构。另外，也可以层叠配置图2所示的基本构造。氢化介质向氢供给装置12供给的供给量依存于由发动机的运转状态确定的向发动机的要求氢量。基于图3，说明发动机运转状态下的富氢气体和介质的供给方法。在区域 1的低负载运转区域中，由于排气温度较低，所以来自供给到氢供给装置12的排气的热量变小。因此，难以通过氢供给装置12生成只由富氢气体驱动发动机所必要的富氢气体量。 因此，向发动机供给介质和富氢气体这两方。另外，在区域3的高负载运转区域，在向发动机只供给富氢气体时，存在压力伴随着发动机内的燃烧而急剧上升的问题。因此，在该运转区域中，希望向发动机1供给富氢气体和介质这两方。此时，通过EGR控制，可以抑制急剧的压力上升。另外，可以不向发动机供给介质，可以进行基于电机的转矩辅助。对于区域1、 区域3，在其中间区域即区域2的中负载运转区域中，能够只由富氢气体驱动发动机。如上所述，对应于发动机的运转状态，确定富氢气体的供给量，伴随与此，确定向氢供给装置12 供给的氢化介质的供给量。如此，在各运转区域，通过控制对发动机1供给的燃料，在很大的运转区域中系统成立。供给到发动机的介质希望是脱氢化介质。其理由是因为由氢供给装置12生成的脱氢化介质和富氢气体的合计发热量，高于向氢供给装置12供给的氢化介质的发热量。 例如，在由作为氢化介质的环己烷生成氢和作为脱氢化介质的苯的反应中，提高5. 6%发热量。因此，具有提高合计效率、削减CO2、用户燃料利用率提高的效果。如上所述，根据各运转区域，确定向发动机1供给的燃料，确定必要的富氢气体的量。此时，优选通过检测出发动机推测转矩及发动机转速，判断必要的富氢气体的量。在此， 发动机推测转矩，在理论空燃比运转(空气过剩率=1)时，根据节流开度或吸入空气量和发动机转速来推测。在稀薄(lean)运转时，除了节流开度或吸入空气量和发动机转速，还通过燃料供给量推测。另外，除此之外，也可测定发动机缸内的燃烧压力或轴转矩，确定转矩。此外，吸入空气量由空气处理器等测定。在进行EGR(Exhaust Gas Recirculation 排气再循环)时，转矩推测也考虑EGR阀开度。另外，在用吸气阀的开期间、以提升量控制吸入空气量时，可以考虑这些因素推测转矩。以下，对于根据发动机的运转状态的控制方法进行说明。通过发动机的运转状态、即发动机推测转矩以及发动机转速，确定发动机必要的富氢气体的量。以次为基础，确定向氢供给装置12供给的氢化介质的量。这是因为，从氢供给装置12生成的富氢气体的量依存于向氢供给装置12供给的氢化介质的供给量。氢化介质的供给量，通过氢化介质供给装置11由脉冲控制进行控制。此时，通过控制脉冲宽度、 脉冲频率，控制氢化介质的供给量。从向氢供给装置12供给的氢化介质的供给时间到富氢气体的生成时间，由于是IOms以下的响应速度，所以如果使用这样的控制，则可以使富氢气体储存装置26小型化或不需要富氢气体储存装置沈，具有作为发动机整体实现小型化的效果。接着，作为从氢化介质生成氢时的特性之一，如图4所示，图4是表示从氢化介质向氢转化的转化率较大地依存于氢供给装置12内的催化剂温度的情况的图。如果上述催化剂温度达到规定温度以上，则转化率将近100%。即，为了有效地从氢化介质取出氢，需要使催化剂的温度在规定温度以上。另外，如果氢供给装置12内的催化剂温度变得过高，则存在催化剂老化或材料受损、氢化介质碳化等问题。即，从氢化介质生成氢时的氢供给装置 12内的催化剂温度，总是处在规定温度范围内，为了有效地生成氢是很重要的。氢供给装置12内的催化剂温度依存于向氢供给装置12供给的热供给量和用于从氢化介质生成氢的反应热量。氢供给装置12内的催化剂温度与向氢供给装置12供给的热供给量成比例地上升，相反地，在从氢化介质生成氢的反应是吸热反应的情况下，上述催化剂温度对应于反应热量而下降。例如，在氢化介质使用甲基环己烷时，为了生成Imol的氢， 在常温常压下，需要大约70kJ的吸热量。图5表示向氢供给装置12供给的热供给量为一定时的、向氢供给装置12供给的氢化介质供给量和从氢化介质生成氢的转化率的关系。如果向氢供给装置12供给的氢化介质供给量增加，则从氢化介质向氢转化的转化率下降。这主要是因为，随着向氢供给装置12供给的介质供给量增加，氢反应时的反应热量增加，催化剂温度下降。即，为了将催化剂温度控制在规定的温度范围，向氢供给装置12供给的热供给量和确定用于生成氢的反应量的向氢供给装置12供给的氢化介质供给量的控制是重要的。接着，对于催化剂温度的推测方法进行说明。有利用图1所述的温度检测机构31 直接测量催化剂温度的方法、或测量氢供给装置12内的催化剂附近的温度来预测的方法。 另外，还有根据向氢供给装置12内传递的热传递率和向氢供给装置12供给的氢化介质供给量来推测催化剂温度的方法，其中向氢供给装置12内传递的热传递率是通过由温度检测机构14、19测量的位于氢供给装置12的上游侧、下游侧的各自的发动机排气温度、发动机运转条件(发动机转速、发动机转矩、吸入空气量、节流开度、燃料流量等)计算出的。说明氢供给装置12内的催化剂温度推测机构。催化剂温度由以下的函数得出。T = f^Ql、λ 1、α、t、A、Tl)T 氢供给装置12内的催化剂温度；Ql 富氢气体生成时的反应热；λ 1 氢供给装置12内的部件的热传导率；α 从排气向氢供给装置12传递的热传递率；t 从排气接触部到催化剂表面的厚度；A 排气接触面积；Tl 排气温度。上述λ 1、t、A依存于氢供给装置12的结构。Ql是富氢气体生成时的反应热，依存于向氢供给装置12供给的氢化介质供给量。排气温度Tl由于是通过氢供给装置12内的排气的平均温度，所以是温度检测机构14、19的平均值。根据测量了的Tl和由发动机的运转状态推测了的排气成分以及排气流量，计算出雷诺数、普朗特数、排气的热传导率，确定α。S卩，只要确定发动机运转状态、排气温度、向氢供给装置12供给的氢化介质供给量， 就能够推测Τ。图6表示的是利用上述的催化剂温度的推测机构，测量或推测氢供给装置12内的催化剂温度、并以此为准将催化剂温度控制在规定的温度范围内的系统流程图。在S501 中，检查测量或推测的氢供给装置12内的催化剂温度T是否在规定范围内。此时，在偏离规定范围的情况下，在S502判断催化剂温度T是否高于规定范围。该S501、S502的处理基于例如由温度检测机构14、19、31等检测出的温度，由控制装置23确定催化剂温度T，判断是否在规定的温度范围内。在此，介质在使用了甲基环己烷等有机氢化物时，优选催化剂温度以250 400°C为规定的温度范围为好。如果，在S502判断高于规定的温度范围时，在 S503判断是否能够增加向氢供给装置12供给的氢化介质供给量。该判断机构例如通过图 1的富氢气体储存装置26的储存量进行判断。富氢气体储存装置沈的储存量能够通过氢压力传感器5或氢浓度传感器6检测出，通过该检测结果由控制装置23判断储存量。如果在S503能够增加氢化介质供给量，在S504使从介质供给装置11向氢供给装置12的氢化介质供给量增加。由此，通过氢生成时的吸热反应量增加，催化剂温度下降。另一方面，在 S503判断为不可增加氢化介质供给量时，在S505使向氢供给装置12供给的热供给量减少。 作为控制向氢供给装置12供给的热供给量的方法，如图7所示，例如有⑴使用排气量调整阀15减少从发动机1向氢供给装置12供给的排气流量的方法，( 提早发动机1内的点火火花塞21的点火时间的方法，(3)推迟排气阀20的开启时间的方法。在O)、(3)的控制方法中，由于作为发动机系统不用设置新的辅助仪器就能够控制，所以能够简化系统。 另外，相对于O)、(3)的控制方法，在(1)的控制方法中，例如，由于使配管分支来调整向氢供给装置供给的排气流量即可，所以在不对发动机造成影响的情况下能够控制催化剂温度。另外，作为其他的控制方法，有⑷减少使用在氢供给装置12设置的燃烧嘴等燃烧器燃烧的富氢气体或介质的燃烧量的方法，或(5)降低由在汽车搭载的变换器等热源产生的热对氢供给装置12的供给量的方法。此外，还考虑了(6)减少在氢供给装置12设置的加热器的供给量的方法。(4) (6)的控制方法也和(1)同样地不会对发动机造成影响，能够控制催化剂温度。通过进行这些方法的任一个或多个，能够使催化剂温度下降。另一方面，在S502判断为氢供给装置12的催化剂温度在规定以下的情况下，在 S506判断是否能够增加对氢供给装置12的热供给量。在能够增加热供给量时，与上述同样地，通过图7所示的方法，使热供给量增加。在S506判断为无法增加热供给量的情况下，例如，在用户要求发动机要有高转矩时，难以通过点火火花塞21推迟点火时间，或提早排气阀20的开启时间。另外，在介质和富氢气体的储存量少时，难以通过使用了燃烧嘴等的燃烧气体来增加热供给。另外，在电池电量的余量少时，难以增加加热器的加热量。在此时， 在S508降低向氢供给装置12供给的氢化介质供给量，使氢产生时的吸热量下降，从而催化剂温度上升。此时，由于富氢气体储存量下降，所以在S509使向发动机供给的相对于富氢气体量的介质量增加。另外，伴随与此，如在S510所述，点火时间也提前角化。这是因为氢的燃烧速度比介质的燃烧速度快。另外，为了使燃烧稳定化，可以调整节流阀4的开度，控制燃料和空气的比例。另外，此时，也可以控制燃料的喷射时间。接着，利用图8说明与富氢气体的储存量相关的控制内容。在S701，通过氢压力传感器5或氢浓度传感器6检测出图1的富氢气体储存装置沈内的富氢气体的储存量，根据该值，由控制装置23判断是否是规定储存量。此时，例如，优选向发动机1供给的富氢气体的压力Pl —定，因此，需要将富氢气体储存装置沈内的压力P2设为高于Pl的压力。另外相反地，如果富氢气体储存装置沈内的压力在规定以上，则存在储存装置破损、泄漏或者难以调整向发动机1供给的富氢气体的压力Pl的问题。在S701判断为富氢气体的储存量在规定范围外时，在S702判断是否是规定范围以上。在规定范围以上时，降低对氢供给装置12供给的氢化介质供给量，降低富氢气体生成量。相反地在S702判断为富氢气体在规定范围以下时，在S704增加对氢供给装置12供给的氢化介质供给量。在S705降低对发动机供给的富氢气体的供给量，在S706增加对发动机供给的介质的供给量。此时，为了控制发动机的燃烧，对点火火花塞21的点火时间进行提前角化控制。但是，此时，在氢供给装置 12的催化剂温度在规定以下时，在S704不增加对氢供给装置12供给的氢化介质供给量，在 S705禁止对发动机供给富氢气体。接着，假设氢供给装置12内的催化剂老化，对于推测其老化状态的机构进行说明。以向氢供给装置12供给的热供给量一定为基础(例如发动机1的转速、转矩一定)，且以向氢供给装置12供给的氢化介质供给量一定为基础，计算由氢供给装置12上游侧的温度检测机构14以及下游侧的温度检测机构19检测出的排气温度的温度差。如图9所示， 在上述条件下，如果氢供给装置12内的催化剂老化，则上述温度差变小。因此，如果上述排气温度的温度差在规定值以下，则认为氢供给装置12内的催化剂产生老化。这是因为，如果催化剂老化，则从氢化介质生成氢的反应转化率下降，因此反应时的吸热量变低，在氢供给装置12前后的排气温度差变小。因此，能够判断老化状态。另外，该上述老化判断机构， 在例如用户表示出停止发动机1的运转的意思时，即，在由控制装置23接收了发动机停止信号的情况下，立即使发动机1停止，以一定转速、一定转矩使发动机1运转规定时间，通过温度检测机构14、19检测温度进行判断。如果老化状态在规定以上，则通过灯等向用户发出警告，需要督促更换氢供给装置12。由此，具有防止从发动机1排出的CO2排出量的增加的效果。另外，如果如此判断老化状态，则考虑老化状态，需要增加向氢供给装置12供给的氢化介质的供给量。由此，能够在不有损于用户要求的车的运转性能的状态下进行运转。如上所述，通过推测催化剂的老化状态，即使催化剂产生老化，也能够进行对应于老化状态的最佳的氢供给控制。
接着，对于切换对发动机1供给的燃料的种类时的控制方法进行说明。如图10所示，对应于向发动机1供给的燃料的种类，需要控制点火时间或空气过剩率。例如，在将向发动机供给的燃料从模式1的富氢气体切换成模式2的富氢气体和介质的混合燃料时，在从模式1或从模式2切换成模式3的介质燃料时，为了降低空气过剩率，需要控制节流阀 4或吸气阀22。此时，也可以控制EGR量。关于点火时间，为了成为MBT(Minimmum Spark Advance for Best Torque)而需要提前角化。此时，为了不使转矩变动，需要进行控制以使供给的切换前和切换后的向发动机1供给的燃料的总发热量没有大幅度的变化。氢由于燃烧速度快(是汽油的大约8倍)，另外由于可能会稀薄燃烧(lean burn)(氢的最大空气过剩率为10. 5，汽油的最大空气过剩率为1. 4)，伴随着向发动机1供给的燃料中的富氢气体的比例减少，通过使点火时间提前角化，或减小空气过剩率，能够高效地运转。接着，说明考虑排气性能运转的方法。图10的模式1的只是富氢气体时，如图11 所示，在空气过剩率在1. 8以下时，NOx大量地排出。因此，在模式1时，空气过剩率在1. 8以上，更优选的是在2以上运转。另外，如果考虑发动机的效率，则空气过剩率的上限是5.0。 另外，关于模式2、3，由于供给介质，所以除了 NOx以外还排出未燃的碳化氢或CO。如果净化催化剂13使用三元催化剂则未燃的碳化氢或CO可被净化，但此时，需要考虑图12所示的净化特性进行运转。即，关于模式2，由于供给富氢气体和介质这两方，所以有可能稀薄燃烧，由于是图11、图12的特性，所以如果空气过剩率在1. 2 1. 8的范围运转则NOx在没有被净化的状态下被排出。因此，在以模式2运转时，希望空气过剩率在0. 95 1. 05，优选的是1. 0或1. 8 5. 0来进行运转。关于模式3，希望空气过剩率在0. 95 1. 05，优选的是 1.0来进行运转。空气过剩率的控制，如图11所示，通过减小节流开度，能够使空气过剩率下降。另外，在将可变阀搭载于发动机的吸气阀的情况下，通过减小吸气阀的开启期间或提升量，能够使空气过剩率下降。如上所述，通过根据向发动机1供给的燃料成本，来控制空气过剩率，从而能够在不依存于向发动机1供给的燃料成分的状态下，维持高的排气性能。接着，对于三元催化剂13和氢供给装置12在排气管18的安装位置进行说明。氢供给装置12，在从氢化介质生成氢时，由于是吸热反应，所以与氢供给装置12的入口排气温度相比，出口排气温度下降。另一方面，三元催化剂13，由于是发热反应，与三元催化剂入口温度相比，出口温度上升。如果考虑这些特征，则为了使氢供给装置12、三元催化剂13 这双方的反应率提高，三元催化剂13最好设置在氢供给装置12的上游侧(发动机侧)。另外，为了进一步提高向汽车的搭载时的搭载性、双方的反应率，也可以是氢供给装置12和三元催化剂13形成为一体的结构。作为氢供给装置12和三元催化剂13的一体化结构，例如可以形成在图2所示的氢供给装置12的高热传导基板40的与催化剂层42的相反侧的面上，配置了三元催化剂的结构。另外，为了增加三元催化剂和排气的接触面积，可以按照 三元催化剂/高热传导基材40/催化剂层42/氢分离膜38/垫片37/氢流路36/垫片37/ 催化剂层42/高热传导基材40/三元催化剂的顺序，形成层叠了的构造。如上所述，通过配置氢供给装置12和三元催化剂13，能够实现氢供给的效率化和排气的净化性能的提高。接着，对于启动时的运转方法，以净化催化剂13使用了三元催化剂时为例进行说
10明。如图13所示，启动时，三元催化剂13是低温，从启动开始随着时间的推移，三元催化剂 13的温度上升。三元催化剂13在300°C以上被活性化。因此，直到三元催化剂13被活性化，具有规定的时间。在被活性化之前，如果向发动机供给碳化氢系的介质，则由于三元催化剂13没有净化排气，所以排出未燃碳化氢和一氧化碳、NOx等。因此，直到三元催化剂13 到达活性化温度为止，需要尽量少量地对发动机供给碳化氢系的介质。即，以富氢气体为主成分在发动机燃烧，需要降低未然排气的排出量。为了进行上述控制，需要推测三元催化剂 13的催化剂温度。该推测机构，例如根据发动机1的水温、向发动机1吸入的吸入空气量、 和车速，发动机1开始启动，之后推测对三元催化剂13供给的热量。进而，还通过考虑从发动机1停止了的时间到发动机1的启动的时间，能够推测三元催化剂13的温度。也可以在三元催化剂13设置温度检测装置，直接检测出三元催化剂的温度。另外，由于为了进行该控制，需要在启动时将富氢气体供给到发动机1，因此，需要在富氢气体储存装置26储存规定量的富氢气体。一般地在发动机启动时，较多地排出HC、 CO。尤其在启动时，由于较多地喷射出需要量以上的燃料，所以在启动之后不久，大量地排出HC、C0。富氢气体由于是气体燃料，且能够稀薄燃烧，因此，在启动时如果使用富氢气体， 则能够以少量燃料启动，且可大幅度地降低HC、C0。因此，将至少为了启动发动机1需要量的富氢气体储存在富氢气体储存装置26中是重要的。优选的是，直到三元催化剂被活性化，将为了只用富氢气体来运转发动机所需要量的富氢气体储存于富氢气体储存装置26。 在用户表示出停止发动机1的意思时，在通过控制装置23接收了发动机停止信号的情况下，通过氢压力传感器5或氢浓度传感器6检测判断富氢气体储存装置沈内的富氢气体储存量是否在规定量以上。在此，在没有将发动机1启动时需要量的富氢气体储存在富氢气体储存装置26中时，在不停止发动机1的状态下，向氢供给装置12供给氢化介质，生成富氢气体。此时，停止发动机1，也可以从发动机废热以外向氢供给装置12进行热供给，生成富氢气体。通过进行这样的控制，与只将介质供给到发动机时相比，不仅发动机开始动作时的排气性能提高，而且由于发动机开始动作时的需要的燃料量减少，所以燃料利用率提高。接着，说明使用了氢供给装置12的高效率燃烧方法。图14表示其结构图。与图1 的结构图的不同点在于，介质的供给装置3是能够直接向发动机燃烧室喷射的结构。其他结构与图1相同，用同一符号表示。在本系统中，基本结构是由氢供给装置12生成的富氢气体被直接喷射向吸气管27。另外，也可以是由氢供给装置12生成的富氢气体直接喷射向发动机缸内的结构。本系统是如下这样的系统在喷射上述介质之前向发动机供给富氢气体，且在活塞压缩期间向缸内直接喷射上述介质，使上述介质自燃燃烧。在通常的自压缩着火燃烧中，压缩比高，能够进行高效的燃烧，但由于燃烧扩散，所以局部存在过浓的混合气， 在燃烧时生成黑烟。另外，燃烧温度不均一，从高温部生成NOx。本系统的特征是，在使介质自压缩着火燃烧前向发动机内供给富氢气体，因此，伴随着介质的自着火燃烧，氢引火并自然起火，使介质的燃烧效率提高。由此，能够降低黑烟的排出。这是因为，与上述介质相比， 由于氢的可燃范围大，且燃烧速度高，所以促进了上述介质的燃烧。另外，伴随于此，EGR界限也可扩大，燃烧温度也可下降，NOx排出量也可降低。为了进行上述这样的燃烧方式，优选介质是萘烷这样的氢生成量多且自着火性高的介质。接着，说明从氢供给装置12生成的富氢气体以及用分离装置8分离了脱氢化介质之后的富氢气体的浓度对应于运转状态而变化时，考虑了该变化的运转方法。在富氢气体储存装置26内设置氢浓度传感器6，检测向发动机供给的氢浓度。通过这样地检测以及推测氢浓度，点火时间等发动机的控制也可根据需要来进行必要的变更。例如图15所示，如果氢浓度高，最佳点火时间需要推迟。这是因为氢的燃烧速度与汽油等碳化氢燃烧相比是它的7 8倍，所以随着氢浓度变高，最佳点火时间推迟。因此，通过检测以及推测氢浓度， 对应于此，控制点火时间的定时，能够进行低排气、高效率的燃烧。
权利要求
1.一种发动机系统，其具有氢供给装置，该氢供给装置搭载了化学性地反复进行氢的储存和释放的介质，并进行从所述介质生成或储存富氢气体，将所述富氢气体作为燃料之一，驱动发动机，其特征在于，在发动机的排气管配备所述氢供给装置和用于净化发动机的排气的净化催化剂，在比所述氢供给装置更靠近发动机侧设置有所述净化催化剂，或者使所述氢供给装置和所述净化催化剂成为一体，具有推测所述净化催化剂的催化剂温度的催化剂温度推测机构， 并具有控制装置，其在基于所述催化剂温度推测机构推测的催化剂温度在规定值以下时，进行禁止向发动机供给所述介质的控制、或进行降低向发动机供给的所述介质的供给量的控制。
2.如权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，通过所述控制装置，在发动机的启动时向发动机只供给所述富氢气体作为所述燃料。
3.如权利要求1所述的发动机系统，其特征在于， 具有储存量检测机构，其检测在储存装置储存的所述富氢气体的储存量； 富氢气体储存量判断机构，其在接收了发动机停止信号时，判断由所述储存量检测机构检测出的所述富氢气体的储存量是否在规定值的范围；以及介质供给机构，其在通过所述富氢气体储存量判断机构判断为所述富氢气体的储存量在规定值以下的情况下，向所述氢供给装置供给所述介质。
全文摘要
目的是提供一种发动机系统，在将由化学性地反复进行氢的储存和释放的介质生成的富氢气体作为一种燃料来驱动发动机的发动机系统中，能够从介质高效地生成富氢气体。该发动机系统具有氢供给装置，该氢供给装置搭载了化学性地反复进行氢的储存和释放的介质，并进行从所述介质生成或储存富氢气体，将所述富氢气体作为燃料之一，驱动发动机，其特征在于，具有检测发动机的运转状态的检测部；和根据所述检测部的检测结果，控制向所述氢供给装置供给的所述介质的供给量的介质供给量控制机构。
文档编号F02M27/02GK102174917SQ20111003654
公开日2011年9月7日 申请日期2007年1月26日 优先权日2006年3月10日
发明者兼元大, 岛田敦史, 板桥武之, 石川敬郎 申请人:株式会社日立制作所