(57)【要約】【課題】この発明は、作動ガス循環型エンジンに関し、エンジン始動性を向上可能な作動ガス循環型エンジンを提供することを目的とする。【解決手段】図２は、始動後の経過時間と、エンジン回転数の積分値ＮｅＳＵＭとの関係を示した図である。時刻ｔ０においてスタータ信号がＯＦＦからＯＮへと切り替わると、クランキングが開始される。積分値ＮｅＳＵＭは当該クランキングの開始後から上昇し始め、上記燃焼室内での爆発に伴い更に上昇し、時刻ｔ１において閾値ＮｅＴＨに到達する。実施に形態おいては、時刻ｔ１以前はＯ２供給量を固定とし、時刻ｔ１以後は循環経路１２内を流れる作動ガス中のＯ２濃度が基準濃度以下となるようにフィードバック制御する。【選択図】図２
2014005801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスが循環する循環経路と、
前記循環経路に設けられ、酸化剤と燃料との燃焼により水蒸気を生成する反応を進行させると共に、前記循環経路から吸入した作動ガスを該反応に伴い膨張させて前記循環経路に排出する燃焼室と、
前記循環経路に設けられ、前記循環経路を流れる作動ガスから水蒸気を分離除去する水蒸気分離除去手段と、
前記循環経路に設けられ、前記循環経路内の酸素濃度を取得する酸素濃度取得手段と、  前記酸素濃度に基づいて、前記燃焼室内に供給する酸素量を決定する酸素供給量決定手段と、
前記循環経路内の作動ガスの循環状況に関連した物理量を取得する物理量取得手段と、
エンジン始動の際、前記物理量が予め設定した所定物理量を上回るまで前記酸素供給量決定手段による酸素供給量の決定を禁止する禁止手段と、
を備えることを特徴とする作動ガス循環型エンジン。
【請求項２】
前記水蒸気分離除去手段に流通させる冷却水温を取得する冷却水温取得手段を備え、
前記物理量が予め設定した所定物理量以下の場合、予め設定した基本量と前記冷却水温から求めた補正量とを用いて、前記燃焼室内に供給する酸素量を決定することを特徴とする請求項１に記載の作動ガス循環型エンジン。
【請求項３】
前記物理量は、エンジン始動後のエンジン回転数の積算値であることを特徴とする請求項１または２に記載の作動ガス循環型エンジン。
【請求項４】
前記物理量は、エンジン初爆後の経過時間であることを特徴とする請求項１または２に記載の作動ガス循環型エンジン。
【請求項５】
前記物理量は、エンジン始動後に前記循環経路の所定箇所を流れる作動ガスの総量であることを特徴とする請求項１または２に記載の作動ガス循環型エンジン。
【請求項６】
前記物理量は、前記循環経路のエンジン始動後における温度であることを特徴とする請求項１または２に記載の作動ガス循環型エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動ガス循環型エンジンに関し、密閉回路または半密閉回路内に作動ガスを循環させる作動ガス循環型エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、密閉回路または半密閉回路内に作動ガスを循環させる作動ガス循環型エンジンが知られている。作動ガス循環型エンジンは、作動ガスで充填された循環経路および燃焼室と、該燃焼室に燃料を供給する手段とを備える構成において、該燃焼室で燃料を燃焼させ、これに伴い膨張する作動ガスを該循環経路に流通し該燃焼室に再導入するものである。このような作動ガス循環型エンジンは、クローズドサイクルエンジンとも称される。
【０００３】
作動ガス循環型エンジンとして、例えば特許文献１には、燃料に水素（Ｈ２）、作動ガスにアルゴン（Ａｒ）をそれぞれ用い、燃焼室に供給した酸素（Ｏ２）とＨ２との反応によりＡｒを循環経路内に流通させるエンジン（所謂、水素アルゴンエンジン）が開示されている。この水素アルゴンエンジンは、上記燃焼室での反応で生成する水蒸気を冷却して液化する凝縮器を循環経路に備えている。作動ガス中の水蒸気は、エンジン熱効率を低下させる要因のひとつである。この点、特許文献１の水素アルゴンエンジンによれば、該凝縮器において作動ガス中の水蒸気を分離除去できる。
【０００４】
また、特許文献１の水素アルゴンエンジンでは、上記燃焼室に供給する酸素量のフィードバック制御が実行される。このフィードバック制御は、上記循環経路に設置した酸素濃度センサの検出値に基づき、上記循環経路内の酸素濃度が目標濃度となるように酸素供給量を決定するものである。従って、特許文献１の水素アルゴンエンジンによれば、上記循環経路内の酸素濃度を目標濃度に制御できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２８１２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献１の酸素濃度センサは、上記燃焼室の下流側かつ上記凝縮器の上流側の循環経路に設置されている。ここで、当該酸素濃度センサの設置に係る区域の循環経路は、上記凝縮器の上流側ゆえに、非設置区域の循環経路（つまり、上記凝縮器の下流側かつ上記燃焼室の上流側の循環経路）よりも含有水分量が多い。故に、上記フィードバック制御において、上記循環経路内の酸素濃度をより正確に求めるためには、上記酸素濃度センサの検出値に対して所定の水分補正を行うことが望ましい。
【０００７】
上記所定の水分補正に関し、その補正量は、上記循環経路を形成する配管温度、上記凝縮器の冷却性能、上記凝縮器へ流入する作動ガスの速度等によって決定できる。しかし、エンジン停止後の上記配管温度は、エンジン停止前の負荷状況、エンジン停止後の経過時間等によって変わるので、エンジン稼働中に比べて水分補正量の決定が難しい。そのため、再始動直後から上記酸素濃度センサの検出値に基づいて上記フィードバック制御を実行しようとすると、酸素供給量が過多、或いは過少となり失火や始動失敗といった不具合を招来する可能性があった。
【０００８】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、エンジン始動性を向上可能な作動ガス循環型エンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、作動ガス循環型エンジンであって、
作動ガスが循環する循環経路と、
上記循環経路に設けられ、酸化剤と燃料との燃焼により水蒸気を生成する反応を進行させると共に、上記循環経路から吸入した作動ガスを該反応に伴い膨張させて上記循環経路に排出する燃焼室と、
上記循環経路に設けられ、上記循環経路を流れる作動ガスから水蒸気を分離除去する水蒸気分離除去手段と、
上記循環経路に設けられ、上記循環経路内の酸素濃度を取得する酸素濃度取得手段と、  上記酸素濃度に基づいて、上記燃焼室内に供給する酸素量を決定する酸素供給量決定手段と、
上記循環経路内の作動ガスの循環状況に関連した物理量を取得する物理量取得手段と、
エンジン始動の際、上記物理量が予め設定した所定物理量を上回るまで上記酸素供給量決定手段による酸素供給量の決定を禁止する禁止手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、
上記水蒸気分離除去手段に流通させる冷却水温を取得する冷却水温取得手段を備え、
上記物理量が予め設定した所定物理量以下の場合、予め設定した基本量と上記冷却水温から求めた補正量とを用いて、上記燃焼室内に供給する酸素量を決定することを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
上記物理量は、エンジン始動後のエンジン回転数の積分値であることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明は、第１または第２の発明において、
上記物理量は、エンジン初爆後の経過時間であることを特徴とする。
【００１３】
また、第５の発明は、第１または第２の発明において、
上記物理量は、エンジン始動後に上記循環経路の所定箇所を流れる作動ガスの総量であることを特徴とする。
【００１４】
また、第６の発明は、第１または第２の発明において、
前記物理量は、上記循環経路のエンジン始動後における温度であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、エンジン始動の際、循環経路内の作動ガスの循環状況に関連した物理量が予め設定した所定物理量を上回るまで上記酸素供給量決定手段による酸素供給量の決定を禁止するので、上記酸素濃度の決定が困難なエンジン始動直後において、上記不具合の発生を未然に防止しエンジン始動を容易に行わせることが可能となる。
【００１６】
第２の発明によれば、上記物理量が上記所定物理量以下の場合、予め設定した基本量と上記冷却水温から求めた補正量とを用いて決定した酸素量を上記燃焼室内に供給するので、上記禁止手段による酸素供給量の決定禁止期間、冷却水温に基づいた現実的な酸素供給を行うことが可能となる。
【００１７】
第３乃至第６の発明によれば、上記循環経路内の作動ガスの循環状況に関連した物理量として、エンジン始動後のエンジン回転数の積算値（第３の発明）、エンジン初爆後の経過時間（第４の発明）、エンジン始動後に前記循環経路の所定箇所を流れる作動ガスの総量（第５の発明）または上記循環経路のエンジン始動後における温度（第６の発明）に基づいて、上記決定禁止期間の終了タイミングを適切に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態の作動ガス循環型エンジンの構成を示す図である。
【図２】始動後の経過時間と、エンジン回転数の積分値ＮｅＳＵＭとの関係を示した図である。
【図３】水素インジェクタおよび酸素インジェクタに対する指示値の始動後における推移を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［作動ガス循環型エンジンの構成］
以下、図１乃至図３を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態の作動ガス循環型エンジンの構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の作動ガス循環型エンジンは、エンジン本体１０を備えている。エンジン本体１０は、所謂４ストロークエンジンであり、少なくとも１つの気筒を有している。該気筒においては、ピストン（不図示）により燃焼室が画成されており、該燃焼室に対しては、水素インジェクタ（不図示）から高圧Ｈ２が供給される。
【００２０】
また、図１に示すように、本実施形態の作動ガス循環型エンジンは、上記燃焼室の両端を接続する循環経路１２を備えている。上記燃焼室よりも上流側の循環経路１２には、酸素インジェクタ（不図示）から高圧Ｏ２が供給される。また、上記燃焼室よりも下流側の循環経路１２には、酸素センサ１４、凝縮器１６および気水分離装置１８が設置されている。酸素センサ１４は、循環経路１２内の酸素濃度を検出する機能を備えている。凝縮器１６は、その内部に冷却水を流すための流路（不図示）を備えている。当該流路に冷却水が流れることで、循環経路１２を流れる作動ガス中の水蒸気が冷却されて液化する。尚、凝縮器１６の内部流路から排出された冷却水は、ラジエータ（不図示）を流れることで冷却される。気水分離装置１８は、凝縮器１６で生成した凝縮水を作動ガスから分離して外部に排出する機能を備えている。
【００２１】
本実施形態において、循環経路１２や上記燃焼室には作動ガスとしてのアルゴンが充填されている。アルゴンは、燃焼室での反応に対して不活性であると共に、空気よりも比熱比が大きいので熱効率を向上できる利点がある。上記燃焼室内のアルゴンは、上記燃焼室でのＨ２とＯ２との反応により膨張して、上記燃焼室から排出されて循環経路１２内を流れて上記燃焼室内に流入する。循環経路１２に付した矢印は、このアルゴンの流れを示したものである。
【００２２】
また、図１に示すように、本実施形態の作動ガス循環型エンジンは、制御装置としてのＥＣＵ２０を備えている。ＥＣＵ２０の出力側には、上記水素インジェクタ、上記酸素インジェクタ等のアクチュエータが接続されている。他方、ＥＣＵ２０の入力側には、酸素センサ１４の他、運転者によるアクセルペダルの踏む込みの程度に応じた信号を発信するアクセル開度センサ（不図示）、クランクシャフトの回転数に応じた信号を発信するクランク角センサ（何れも不図示）等の各種センサが接続されている。ＥＣＵ２０は、上記各種センサによりエンジン本体１０の運転情報を検出しつつ、上記アクチュエータが所望の動作を行うための指示値を発信する。
【００２３】
［本実施形態の特徴］
本実施形態において、上記燃焼室に供給するＨ２の供給量は、上記アクセル開度センサおよび上記クランク角センサからの信号に基づいて決定される。具体的に、ＥＣＵ２０において、上記アクセル開度センサの信号から要求負荷を求めると共に、上記クランク角センサの信号からエンジン回転数を求める。そして、求めた要求負荷およびエンジン回転数からＨ２供給量が決定される。決定したＨ２供給量は、ＥＣＵ２０において、上記水素インジェクタの開弁期間に相当する指示値に変換される。
【００２４】
他方、上記燃焼室よりも上流側の循環経路１２に供給するＯ２の供給量は、循環経路１２内を流れる作動ガス中のＯ２濃度が基準濃度以下となるようにフィードバック制御されている（Ｏ２フィードバック制御）。Ｏ２フィードバック制御においては、先ず、ＥＣＵ２０において、基本供給量が求められる。基本供給量は、具体的に、上記燃焼室においてＨ２とＯ２とが化学量論比〜Ｏ２過剰で反応するために必要なＯ２量として、上記Ｈ２供給量に基づいて決定される。続いて、酸素センサ１４の検出値に基づいて補正係数が求められる。この補正係数は、例えば、上記酸素センサ１４の検出値から求めた酸素濃度と上記基準濃度との偏差に基づいて求められる。そして、上記基本供給量と上記補正係数とに基づいて、Ｏ２供給量が決定される。決定したＯ２供給量は、ＥＣＵ２０において、上記酸素インジェクタの開弁期間に相当する指示値に変換される。
【００２５】
ところで、酸素センサ１４は、上記燃焼室の下流側かつ凝縮器１６の上流側の循環経路１２に設置されている。この設置区域は、上記燃焼室から排出された水蒸気を多く含む。そこで、Ｏ２フィードバック制御においては、上記酸素濃度を求める際、上記酸素センサ１４の検出値に対して所定の水分補正が行われる。当該所定の水分補正は、循環経路１２を構成する配管の温度、凝縮器１６の冷却性能、作動ガスの凝縮器１６への流入速度等によって決定される。しかし、エンジン本体１０が停止した後の上記配管の温度は、停止前の負荷状況、停止後の経過時間等によって変わるので、エンジン稼働中に比べて水分補正量の決定が難しい。そのため、再始動直後から上記酸素センサ１４の検出値に基づいてＯ２フィードバック制御を実行しようとすると、Ｏ２供給量が過多或いは過少となり失火や始動失敗といった不具合を招来する可能性がある。
【００２６】
そこで、本実施形態においては、始動時にはＯ２フィードバック制御を実行せず、Ｏ２供給量を固定する。また、この２つのＯ２供給量の制御の切り替えは、エンジン回転数の積分値ＮｅＳＵＭによって行う。本実施形態におけるＯ２供給制御について、図２乃至図３を参照しながら説明する。図２は、始動後の経過時間と、エンジン回転数の積分値ＮｅＳＵＭとの関係を示した図である。図２に示す時刻ｔ０においてスタータ信号がＯＦＦからＯＮへと切り替わると、クランキングが開始される。積分値ＮｅＳＵＭは当該クランキングの開始後から上昇し始め、上記燃焼室内での爆発に伴い更に上昇し、時刻ｔ１において閾値ＮｅＴＨに到達する。本実施形態では、この時刻ｔ１以前はＯ２フィードバック制御の代わりにＯ２供給量固定制御を実行する。
【００２７】
上記閾値ＮｅＴＨについては、例えば、作動ガスが再始動後に循環経路１２を複数回循環するのに必要なエンジン回転数の累積値として、循環経路１２を構成する配管容量（配管長、配管サイズ）に基づいて予め設定される。この理由は、作動ガスが複数回循環すれば、循環経路１２を流れる作動ガスに含まれる水分量が安定化し上記水分補正量の決定が容易となるためである。なお、上記閾値ＮｅＴＨは、上記配管の温度により補正を行うことが望ましい。上記配管の温度により補正すれば、上記２つのＯ２供給量制御の切り替えを現実に即して行うことが可能となるほか、Ｏ２フィードバック制御の実行の早期化を促進できるので望ましい。なお、本実施形態において、上記配管の温度は、凝縮器１６を流れる冷却水の温度に基づいて推定するが、温度センサ等により直接測定してもよい。
【００２８】
また、上記Ｏ２供給量固定制御の際のＯ２供給量は、上記基本供給量同様、上記燃焼室においてＨ２とＯ２とが化学量論比〜Ｏ２過剰で反応するために必要なＯ２量として、Ｈ２供給量（固定値）によって決定される。このＨ２供給量（固定値）は、エンジン本体１０の始動に必要なＨ２量として、例えばエンジン本体１０の諸元に基づいて決定される。つまり、上記Ｏ２供給量固定制御の際、Ｈ２供給量およびＯ２供給量は一定とされる。
【００２９】
上記Ｏ２供給量固定制御の際のＨ２供給量およびＯ２供給量を含む、始動後のＨ２供給量およびＯ２供給量の具体例について、図３を参照しながら説明する。図３は、水素インジェクタおよび酸素インジェクタに対する指示値の始動後における推移を示した図である。図３に示す時刻ｔ０、時刻ｔ１は、それぞれ図２の時刻に対応している。図３に示すように、時刻ｔ０以前は両指示値が一定とされる。つまり、時刻ｔ０以前はＨ２供給量およびＯ２供給量が一定とされる。また、時刻ｔ１以後は両指示値が変化し始める。つまり、時刻ｔ１以後はＯ２フィードバック制御の実行の許容に伴い、上記アクセル開度センサおよびクランク角センサからの信号に基づいたＨ２供給量の決定が開始され、Ｈ２供給量およびＯ２供給量が最適値となるように調整される。
【００３０】
以上、本実施形態によれば、始動時にはＯ２フィードバック制御を実行せずにＯ２供給量固定制御を行うので、上記燃焼室よりも上流側の循環経路１２に酸素センサを別搭載し、或いは、循環経路１２内の作動ガスの平準化するための装置（例えばブロア）を設置することなく、上記不具合の発生を未然に防止しエンジン始動を容易に行わせることが可能となる。また、上記Ｏ２供給量固定制御を実行している間は、酸素濃度の検出を行わずに済むので、余裕を持って酸素センサ１４の活性化を行うことが可能となる。
【００３１】
ところで、上記実施形態においては、上記２つのＯ２供給量の制御の切り替えを上記積分値ＮｅＳＵＭに基づいて行ったが、例えばエンジン初爆後の経過時間や、循環経路１２の所定箇所（例えば上記設置区域）を流れる作動ガスの総量、或いは、循環経路１２の温度に基づいて行ってもよい。既に述べたように、上記閾値ＮｅＴＨは、作動ガスが再始動後に循環経路１２を複数回循環するのに必要なエンジン回転数の累積値として設定されているものであり、上記積分値ＮｅＳＵＭは、その比較として用いられる物理量である。この点を考慮すれば、循環経路１２内の作動ガスの循環状況を把握できる他の物理量であれば、上記積分値ＮｅＳＵＭの代わりに用いたとしても、上記実施形態同様の効果が期待できる。
【符号の説明】
【００３２】
１０  エンジン本体
１２  循環経路
１４  酸素センサ
１６  凝縮器
１８  気水分離装置
２０  ＥＣＵ
【図１】
2014005801.tif 000003
【図２】
2014005801.tif 000004
【図３】
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