专利名称：内燃机的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的控制装置，特别地涉及进行使用氨和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料来作为燃料的内燃机的控制的装置。
背景技术：
曾提出了作为石油系燃料以外的燃料使用氨(NH3)的内燃机，其相关技术曾在下述专利文献1和非专利文献1中被公开。通过使用氨作为内燃机的燃料可以谋求削减二氧化碳(CO2)的排出量，但是氨与汽油等的石油系燃料相比具有燃烧速度慢并难以燃烧的性质。在专利文献1中，通过利用燃烧后的排气的热来分解氨以生成氢气(H2),并将该氢气导入副燃烧室内以进行初期燃烧，来促进燃烧室内的氨的燃烧。专利文献1 日本特开平5-332152号公报非专利文献1 Shawn M. Grannell 等，” THE OPERATINGFEATURES OF A STOICHIOMETRIC, AMMONIA AND GASOLINEDUAL FUELED SPARK IGNITION ENGING IMECE2006-13048,2006ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition,200
发明内容
在内燃机中，为了进行抑制了燃烧变动的稳定的运行，必须以在活塞处于上死点附近的期间足以完结燃烧的燃烧速度燃烧燃料。但是，燃料的燃烧速度不仅受到燃料的种类的影响，也受到内燃机的运行条件的影响。在使用氨和助燃燃料作为燃料的内燃机中，如果其运行条件变化、燃料的燃烧速度降低，则燃烧速度慢的氨的使用比例变得过量，从而燃烧变动增大，内燃机的稳定运行变得困难。另一方面，如果内燃机的运行条件变化、燃料的燃烧速度增大，则燃烧速度慢的氨的使用比例不足，氨的利用效率被制约，有发生爆震、稳定的运行变得困难之虞。在专利文献1中，没有表示氨和氢的使用分配量，根据内燃机的运行条件，进行稳定的燃烧有可能变得困难。本发明的目的是提供一种可以增加氨的使用比例，并且实现抑制了内燃机的燃烧变动的稳定的运行的内燃机的控制装置。本发明涉及的内燃机的控制装置，是进行下述内燃机的控制的装置，所述内燃机使用氨和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料来作为燃料，该控制装置的要旨在于，具备根据内燃机的运行条件的变化而使氨和助燃燃料的使用分配量变化的燃料分配控制单元。作为在此的内燃机的运行条件，可以举出内燃机的转速和负荷，燃料分配控制单元可以根据内燃机的转速和负荷中的任一项以上的变化来使氨和助燃燃料的使用分配量变化。在本发明的一形态中，优选燃料分配控制单元相对于内燃机的转速的减少使氨的使用比例增大并使助燃燃料的使用比例减少。另外，在本发明的一形态中，优选燃料分配控制单元相对于内燃机的负荷的增大使氨的使用比例增大并使助燃燃料的使用比例减少。
在本发明的一形态中，优选助燃燃料包含氢、烃系燃料和醇系燃料中的任一种以上。根据本发明，通过根据内燃机的运行条件的变化来使氨和助燃燃料的使用分配量变化，可以增大氨的使用比例，并且实现抑制了内燃机的燃烧变动的稳定的运行。
图1是表示本发明的实施方式涉及的控制装置和作为控制对象的内燃机的概略构成的图。图2是表示通过计算调查了相对于氨使助燃燃料的使用比例变化时的燃烧速度的变化的结果的图。图3是表示一边使内燃机的转速变化一边调查了相对于氨喷射比例的燃烧变动的特性的实验结果的图。图4是表示一边使内燃机的负荷变化一边调查了相对于氨喷射比例的燃烧变动的特性的实验结果的图。图5是表示通过实验调查了在高负荷的运行条件下使氨的喷射比例变化时的热效率的变化的结果的图。图6是显示表示相对于内燃机的运行条件的氨喷射比例的关系的特性图的一例的示意图。图7是表示本发明的实施方式涉及的控制装置和作为控制对象的内燃机的另一概略构成的图。图8是表示本发明的实施方式涉及的控制装置和作为控制对象的内燃机的另一概略构成的图。附图标记说明10···内燃机、11···汽缸、12···氨罐、14···汽油罐、15···乙醇罐、20···吸气管(进气管)、21…排气管、22···氨喷射器、24···汽油喷射器、25…乙醇喷射器、30···排气催化剂、31··· 氨分解器、33···分解气体喷射阀、40···电子控制装置。
具体实施例方式以下，参照
本发明的优选的实施方式。图1是将本发明的实施方式涉及的控制装置的概略构成与作为控制对象的内燃机10 —起表示的图。内燃机10使用氨(第一燃料)和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料 (第二燃料)作为燃料。图1表示了使用汽油(烃系燃料)作为助燃燃料的例子。氨罐12内贮存有氨(NH3)，汽油罐14内贮存有汽油。被贮存在氨罐12内的氨通过泵被供给到氨喷射器22，被贮存在汽油罐14内的汽油通过泵被供给到汽油喷射器M。面对吸气管20内的氨喷射器22将从氨罐12供给的氨喷射到吸气管20内，面对吸气管20内的汽油喷射器M将从汽油罐14供给的汽油喷射到吸气管20内。从氨喷射器22和汽油喷射器M分别喷射的氨和汽油在吸气冲程中与空气一起被导入汽缸11内。内燃机10通过使燃料(氨和汽油)与空气的混合气在汽缸11内燃烧来产生动力。燃烧后的排气在排气冲程中从汽缸11内被排出到排气管21内，利用作为排气净化装置设置的排气催化剂30净化。燃烧后的排气中含有氮氧化物(NOx)、未燃氨等，氮氧化物、未燃氨等由排气催化剂30 净化。图1表示了将氨和助燃燃料(汽油)喷射到吸气管20内的例子，既可以使氨喷射器22面对汽缸11内将氨直接喷射到汽缸11内，也可以使汽油喷射器对面对汽缸11内将汽油直接喷射到汽缸11内。另外，既可以通过利用火花塞的火花放电对汽缸11内的混合气点火，使汽缸11内的混合气火焰扩展燃烧，也可以通过压缩自点火使汽缸11内的燃料(氨和助燃燃料)燃烧。电子控制装置(E⑶)40作为以CPU为中心的微处理器被构成，具备存储了处理程序的ROM、暂时地存储数据的RAM和输入输出端口。由未图示的各传感器检测出的表示内燃机10的转速的信号和表示节气门开度的信号等通过输入端口被输入给该电子控制装置 40。另一方面，从电子控制装置40借助于输出端口输出用于进行氨喷射器22的驱动控制的氨喷射控制信号和用于进行汽油喷射器M的驱动控制的汽油喷射控制信号等。电子控制装置40基于内燃机10的转速和节气门开度运算燃料的目标总喷射量和目标喷射分配量， 分别进行氨喷射器22和汽油喷射器M的驱动控制以使得燃料的总喷射量和喷射分配量分别与目标总喷射量和目标喷射分配量一致，由此分别控制氨的喷射量(使用量)和汽油的喷射量(使用量)。由此，可以控制氨和汽油(助燃燃料)的喷射分配量(使用分配量)。氨与汽油等的烃系燃料相比是燃烧速度慢并难以燃烧的物质，但是通过不仅燃烧氨也使助燃燃料(在图1所示的例子中为汽油)在汽缸11内燃烧，可以促进氨的燃烧。将通过计算调查了相对于氨使助燃燃料的使用比例变化的情况下的燃烧速度的变化的结果示于图2。图2表示使用汽油作为助燃燃料时的燃烧速度的计算结果和使用氢作为助燃燃料时的燃烧速度的计算结果。如图2所示可知，通过使助燃燃料的使用比例增加(减少氨的使用比例)，可以增大燃烧速度。在内燃机中，为了进行抑制了燃烧变动的稳定的运行，必须以在活塞处于上死点附近的期间足以完结燃烧的火焰扩展速度来燃烧燃料。但是，火焰扩展速度不仅受到燃料的种类的影响，也受到内燃机的运行条件的影响。内燃机的运行条件变化的结果，与得到必要的火焰扩展速度的使用比例相比，氨的使用比例过多时，燃烧速度变慢，燃烧变动增大， 内燃机的稳定的运行变得困难。另一方面，与得到必要的火焰扩展速度的使用比例相比，氨的使用比例过少时，氨的利用效率受到制约，有发生爆震、稳定的运行变得困难之虞。因此，在本实施方式中，电子控制装置40分别进行氨喷射器22和汽油喷射器M 的驱动控制以使得根据内燃机10的运行条件的变化使氨和助燃燃料的喷射分配量(使用分配量)变化。作为在此的内燃机10的运行条件，可以举出内燃机10的转速和负荷，电子控制装置40根据内燃机10的转速和负荷中的任一项以上的变化来使氨和助燃燃料的使用分配量变化。由此，在使氨的利用效率提高的同时，实现抑制了内燃机的燃烧变动的稳定的运行。对于内燃机10的转速，可以通过例如未图示的转速传感器进行检测，对于内燃机10 的负荷，可以从例如节气门开度、燃料的目标总喷射量获得。以下，对于氨和助燃燃料的喷射分配量控制的详情进行说明。将通过实验调查了使氨的喷射比例变化的情况下的燃烧变动的变化的结果示于图3、4。图3是一边使内燃机的转速变化一边调查了相对于氨喷射比例的燃烧变动(转矩变动)的特性的实验结果，图4是一边改变内燃机的负荷(转矩)一边调查了相对于氨喷射比例的燃烧变动(转矩变动)的特性的实验结果。在图3、4所示的实验结果中，如果燃烧变动超过容许极限水平则内燃机的稳定的运行变得困难。如图3所示可知，在任意的转速下，如果氨的喷射比例达到某种程度以上，则燃烧变动超过容许极限水平，内燃机的稳定的运行变得困难。并且可知，内燃机的转速越高则燃烧变动达到容许极限水平时的氨喷射比例越低(内燃机的转速越低则达到容许极限水平时的氨喷射比例越高)。在内燃机的转速低的运行条件下，与内燃机的转速高的运行条件相比，活塞的移动速度低，可以采取比较长的用于燃烧的时间。因此，由图3所示的实验结果可知，在内燃机的转速低的运行条件下，即使与内燃机的转速高的运行条件相比提高氨喷射比例从而燃料的燃烧速度变低，也能够将燃烧变动抑制在容许极限水平以下。另一方面，由图3所示的实验结果可知，在内燃机的转速高的运行条件下，如果与内燃机的转速低的运行条件相比没有降低氨喷射比例以提高燃料的燃烧速度，则不能将燃烧变动抑制在容许极限水平以下。因此，在本实施方式中，电子控制装置40分别进行氨喷射器22和汽油喷射器M的驱动控制以使得相对于内燃机10的转速的减少使氨的喷射比例增大并使助燃燃料的喷射比例减少。由此，可以控制氨和助燃燃料的喷射分配量以使得即使内燃机10的转速变化，也可提高氨的利用效率，并且将燃烧变动(转矩变动)抑制在容许极限水平以下。如图4所示可知，在任意的负荷(转矩)下，如果氨的喷射比例达到某一程度以上，则燃烧变动超过容许极限水平，内燃机的稳定的运行变得困难。并且可知，内燃机的负荷越高则燃烧变动达到容许极限水平时的氨喷射比例越高(内燃机的负荷越低则达到容许极限水平时的氨喷射比例越低)。在内燃机的负荷高的运行条件下，与内燃机的负荷低的运行条件相比，汽缸内压力增加，因此燃烧被促进，火焰扩展速度变高。因此，由图4所示的实验结果可知，在内燃机的负荷高的运行条件下，即使与内燃机的负荷低的运行条件相比提高氨喷射比例从而燃料的燃烧速度变低，也可将燃烧变动抑制在容许极限水平以下。另一方面，由图4所示的实验结果可知，在内燃机的负荷低的运行条件下，如果与内燃机的负荷高的运行条件相比没有降低氨喷射比例以提高燃料的燃烧速度，则不能将燃烧变动抑制在容许极限水平以下。因此，在本实施方式中，电子控制装置40分别进行氨喷射器22和汽油喷射器M的驱动控制以使得相对于内燃机10的负荷(转矩)的增大来增大氨的喷射比例并减少助燃燃料的喷射比例。由此，可以控制氨和助燃燃料的喷射分配量以使得即使内燃机10的负荷变化，也可提高氨的利用效率，并且将燃烧变动(转矩变动)抑制在容许极限水平以下。另外，氨具有降低火焰扩展速度的性质，另一方面，还有抑制爆震之类的急剧的燃烧的效果。爆震特别是在低速高负荷的运行条件下成为问题，因此在这样的运行条件下通过增大氨的喷射比例可以抑制爆震的发生，可以提高热效率。将通过实验调查了在高负荷的运行条件下改变氨的喷射比例时的热效率的变化的结果示于图5。如图5所示可知，在氨的喷射比例低的情况下，热效率因爆震而受到制约，如果氨的喷射比例充分高则可以抑制爆震，可以提高热效率。将基于以上的实验结果制作成的表示相对于内燃机10的运行条件(转速和转矩) 的氨喷射比例的关系的特性图的一例示于图6。在图6所示的特性图中，以使得在燃烧变动(转矩变动)被抑制在容许极限水平以下的条件下氨喷射比例变为最高的方式设定相对于内燃机10的转速和转矩的氨喷射比例。在图6所示的特性图中，相对于内燃机10的转速的增大，而氨喷射比例减少，相对于内燃机10的转矩的降低，氨喷射比例减少。该特性图被存储在电子控制装置40内的存储装置。电子控制装置40算出该特性图中的对应于被给予的内燃机10的转速和转矩的氨的目标喷射比例，并控制氨和助燃燃料的喷射分配量以使得氨的喷射比例与该目标喷射比例一致。由此，可以控制氨和助燃燃料的喷射分配量，以使得即使内燃机10的转速和转矩变化，也可提高氨的利用效率，并且将燃烧变动(转矩变动)抑制在容许极限水平以下。如以上说明那样，根据本实施方式，通过根据内燃机10的运行状态(转速和转矩) 的变化来使氨和助燃燃料的喷射分配量变化，可以实现使氨的使用比例增大、并且抑制了内燃机10的燃烧变动的稳定的运行。与此同时，可以抑制爆震的发生、实现热效率的提高。接着，对于本实施方式的另一构成例进行说明。图7表示了使用氢(H2)作为助燃燃料的例子。图7表示具有增压器观和中冷器 29的增压发动机的例子，在排气管21中的排气催化剂30的下游侧设置有氨分解器31。氨分解器31利用被排出到排气管21内的燃烧后的排气的热来分解从氨罐12供给的氨以生成氢。在氨分解器31中生成的氢(分解气体)利用冷却器32冷却后被供给到分解气体喷射阀33，从分解气体喷射阀33喷射到吸气管20内。但是，在本实施方式中，例如也可以通过利用等离子体将氨改性来生成氢。电子控制装置40通过分别进行氨喷射器22和分解气体喷射阀33的驱动控制来分别控制氨的喷射量和氢的喷射量，从而控制氨和氢的喷射分配量(使用分配量)。使用氢作为助燃燃料的情况下，如图2所示，燃烧速度提高的效果大，因此可以通过更少的氢的添加来实现抑制了内燃机10的燃烧变动的稳定的运行，从而可以进一步使氨利用效率提高。另外，图8表示了使用乙醇(醇系燃料)作为助燃燃料的例子。在图8所示的构成例中，被贮存在乙醇罐15内的乙醇从乙醇喷射器25被喷射到吸气管20内。电子控制装置40通过分别进行氨喷射器22和乙醇喷射器25的驱动控制来分别控制氨的喷射量和乙醇的喷射量，从而控制氨和乙醇的喷射分配量(使用分配量)。乙醇比汽油的辛烷值高，因此使用乙醇作为助燃燃料的情况下，可以与氨的利用一起提高抗爆性，可以形成为更高的压缩比。另外，在本实施方式中，也可以使用轻油(烃系燃料)作为助燃燃料。此外，也可以使用多种的燃料作为助燃燃料，例如也可以组合使用烃系燃料(汽油和轻油等)、氢和醇系燃料(乙醇等)之中的多种燃料。氢、汽油、轻油和乙醇都是比氨容易燃烧的物质，燃烧速度也高。因此，优选作为用于提高氨的燃烧速度的助燃燃料。以上，对用于实施本发明的方式进行了说明，但是本发明毫不被这样的实施方式限定，在不脱离本发明的要旨的范围内，当然可以采用各种的方式来实施。
权利要求
1.一种内燃机的控制装置，是进行内燃机的控制的装置，所述内燃机使用氨和用于促进该氨的燃烧的助燃燃料来作为燃料，该控制装置具备根据内燃机的运行条件的变化而使氨和助燃燃料的使用分配量变化的燃料分配控制单元。
2.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其中，燃料分配控制单元相对于内燃机的转速的减少使氨的使用比例增大并使助燃燃料的使用比例减少。
3.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其中，燃料分配控制单元相对于内燃机的负荷的增大使氨的使用比例增大并使助燃燃料的使用比例减少。
4.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其中，助燃燃料包含氢、烃系燃料和醇系燃料中的任一种以上。
全文摘要
一种内燃机(10)，使用氨和用于促进该氨的燃烧的汽油(助燃燃料)来作为燃料，将氨从氨喷射器(22)喷射到吸气管(20)内，将汽油从汽油喷射器(24)喷射到吸气管(20)内。进行氨喷射器(22)和汽油喷射器(24)的驱动控制的电子控制装置(40)根据内燃机(10)的转速和负荷中的任一项以上的变化来使氨和助燃燃料的喷射分配量变化。
文档编号F02M25/00GK102362058SQ20098015827
公开日2012年2月22日 申请日期2009年3月25日 优先权日2009年3月25日
发明者宫川浩, 小池诚 申请人:丰田自动车株式会社