(57)【要約】【課題】広い範囲の要求負荷に対して容易に対処できる圧縮着火内燃機関の制御方法を提供する。【解決手段】圧縮着火内燃機関１に、エタノールを含む第１の燃料２と、第１の燃料２に含まれるエタノールの少なくとも一部をジエチルエーテルに転換して第１の燃料よりも着火性の高い第２の燃料に改質する改質手段５とを備え、圧縮着火内燃機関１の要求負荷の変化に応じて、第１の燃料２の供給量と、第２の燃料の供給量とをそれぞれ変化させる。要求負荷が高くなるほど、圧縮着火内燃機関１に供給される全燃料中に占める第１の燃料の割合が高くなるようにし、要求負荷が低くなるほど、圧縮着火内燃機関１に供給される全燃料中に占める第２の燃料の割合が高くなるようにする。第１の燃料２は、エタノールと、室温で液体である炭化水素とを含有する。【選択図】  図１
2006226172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダー内に導入し、圧縮して自着火させる圧縮着火内燃機関の制御方法であって、
該圧縮着火内燃機関に、エタノールを含む第１の燃料と、第１の燃料に含まれるエタノールの少なくとも一部をジエチルエーテルに転換して第１の燃料よりも着火性の高い第２の燃料に改質する改質手段とを備え、
該圧縮着火内燃機関の要求負荷の変化に応じて、該圧縮着火内燃機関に対する第１の燃料の供給量と、第２の燃料の供給量とをそれぞれ変化させることを特徴とする圧縮着火内燃機関の制御方法。
【請求項２】
前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くなるほど、該圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める第１の燃料の割合が高くなるように、該圧縮着火内燃機関に対する第１の燃料の供給量と、第２の燃料の供給量とをそれぞれ変化させ、
該圧縮着火内燃機関の要求負荷が低くなるほど、該圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める第２の燃料の割合が高くなるように、該圧縮着火内燃機関に対する第１の燃料の供給量と、第２の燃料の供給量とをそれぞれ変化させることを特徴とする請求項１記載の圧縮着火内燃機関の制御方法。
【請求項３】
前記第１の燃料は、エタノールと、室温で液体である炭化水素とを含有するものであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧縮着火内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮着火内燃機関の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の所定負荷、所定時間当たりの燃料消費量を低減し、かつ排出物の量の低減を図るために、予混合圧縮着火内燃機関に代表される圧縮着火内燃機関が検討されている。前記圧縮着火内燃機関は、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダ内に導入して圧縮することにより、該燃料に自着火させるものである。
【０００３】
ところが、前記圧縮着火内燃機関は、火花点火方式の内燃機関と異なり着火のタイミングを制御することが難しい。また、前記圧縮着火内燃機関は、着火性の高い燃料を用いたときには該機関の要求負荷が高くなったときにノッキングを起こしやすく、着火性の低い燃料を用いたときには前記要求負荷が低くなったときに失火しやすい。従って、前記圧縮着火内燃機関は、安定に運転することができる運転領域が狭いとの問題がある。
【０００４】
前記問題を解決するために、従来、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料との２種類の燃料を備え、両燃料を混合して前記圧縮着火内燃機関に供給する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。前記技術によれば、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷に対応して、該圧縮着火内燃機関に対する両燃料の供給量の比を調整することにより、広い範囲の要求負荷に対して安定して運転することができる。
【０００５】
しかしながら、前記技術では、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料との２種類の燃料をそれぞれ別に充填することが必要になるという不都合がある。
【特許文献１】特開２００４−７６７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる不都合を解消して、単一の燃料の充填により、広い範囲の要求負荷に対して容易に対処することができる圧縮着火内燃機関の制御方法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】
【０００７】
かかる目的を達成するために、本発明は、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダー内に導入し、圧縮して自着火させる圧縮着火内燃機関の制御方法であって、該圧縮着火内燃機関に、エタノールを含む第１の燃料と、第１の燃料に含まれるエタノールの少なくとも一部をジエチルエーテルに転換して第１の燃料よりも着火性の高い第２の燃料に改質する改質手段とを備え、該圧縮着火内燃機関の要求負荷の変化に応じて、該圧縮着火内燃機関に対する第１の燃料の供給量と、第２の燃料の供給量とをそれぞれ変化させることを特徴とする。
【０００８】
前記圧縮着火内燃機関の燃料として、エタノールは着火性が低く、ジエチルエーテルは着火性が高い。一方、エタノールは、酸を触媒とする脱水縮合反応により、容易にジエチルエーテルに転換される。前記脱水縮合反応を次式に示す。
【０００９】
２Ｃ２Ｈ５ＯＨ  →  Ｃ２Ｈ５ＯＣ２Ｈ５  ＋Ｈ２Ｏ
そこで本発明では、単一の燃料としてエタノールを含む第１の燃料のみを備えていればよく、必要に応じて前記改質手段により第１の燃料に含まれるエタノールの少なくとも一部をジエチルエーテルに転換することにより、第１の燃料よりも着火性が高められた第２の燃料を得ることができる。
【００１０】
そして、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷の変化に応じて、該圧縮着火内燃機関に対する第１の燃料の供給量と、第２の燃料の供給量とをそれぞれ変化させることにより、広い範囲の要求負荷に対して安定して運転することができる。
【００１１】
前記圧縮着火内燃機関では、要求負荷が高くなるほどノッキングが起きやすくなる。そこで、本発明では、要求負荷の領域においてノッキングが起きやすい領域ほど、前記圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める第１の燃料の割合が高くなるように、該圧縮着火内燃機関に対する第１の燃料の供給量と、第２の燃料の供給量とをそれぞれ変化させることが好ましい。第１の燃料は着火性の低いエタノールを含むので、前記圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める第１の燃料の割合を高くすることにより、自着火の時期を遅らせることができ、要求負荷が高くなってもノッキングを防止することができる。
【００１２】
また、前記圧縮着火内燃機関では、要求負荷が低くなるほど失火が起きやすくなる。そこで、本発明では、要求負荷の領域において失火が起きやすい領域ほど、前記圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める第２の燃料の割合が高くなるように、該圧縮着火内燃機関に対する第１の燃料の供給量と、第２の燃料の供給量とをそれぞれ変化させることが好ましい。第２の燃料は、第１の燃料に含まれるエタノールの少なくとも一部がジエチルエーテルに転換されているので第１の燃料よりも着火性が高くなっている。従って、前記圧縮着火内燃機関に供給される全燃料中に占める第２の燃料の割合を高くすることにより、自着火の時期を早くすることができ、要求負荷が低くなっても失火を防止することができる。
【００１３】
前記第１の燃料としては、エタノールと、室温で液体である炭化水素とを含有するものを用いることができる。前記室温で液体である炭化水素としては、例えばｎ−ヘプタンを挙げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の制御方法を示すブロック図であり、図２は各種燃料の着火性を示すグラフであり、図３は反応温度によるエタノールのジエチルエーテルへの転換率を示すグラフである。また、図４乃至図６は他の実施形態の制御方法を示すブロック図である。
【００１５】
本実施形態の制御方法は、図１に示す圧縮着火内燃機関１により実施することができる。圧縮着火内燃機関１は、エタノールを含む第１の燃料を収容した燃料タンク２を備え、燃料タンク２は供給導管３、４を介して圧縮着火内燃機関１に接続されている。供給導管３は圧縮着火内燃機関１に接続されており、供給導管４は途中に、エタノールをジエチルエーテルに転換する触媒を収容する触媒装置５が介装されている。触媒装置５は、第１の燃料に含まれるエタノールをジエチルエーテルに転換して第１の燃料よりも着火性の高い第２の燃料に改質する改質手段である。また、供給導管３の燃料タンク２側には流量調整弁６が設けられ、供給導管４の燃料タンク２と触媒装置５との間には流量調整弁７が設けられている。
【００１６】
本実施形態の制御方法では、流量調整弁６を開いて、燃料タンク１に収容されている第１の燃料を供給導管３から直接圧縮着火内燃機関１に供給すると共に、圧縮着火内燃機関１の要求負荷に応じて、流量調整弁７を所定の割合で開き、燃料タンク１に収容されている第１の燃料を触媒装置５を介して圧縮着火内燃機関１に供給する。このようにすると、触媒装置５に供給された第１の燃料は、触媒装置５内で触媒に触れることによりエタノールがジエチルエーテルに転換されて、第１の燃料より着火性の高い第２の燃料に改質される。
【００１７】
この結果、供給導管３からはエタノールを含み着火性の低い第１の燃料が圧縮着火内燃機関１に供給され、供給導管４からはエタノールがジエチルエーテルに転換されて第１の燃料より着火性が高くなるように改質された第２の燃料が供給される。そこで、流量調整弁６，７の開度を調整して、圧縮着火内燃機関１に対する第１の燃料の供給量と、第２の燃料の供給量とをそれぞれ調整することにより、供給される燃料の着火性を、圧縮着火内燃機関１の要求負荷に応じて調整することができる。
【００１８】
具体的には、圧縮着火内燃機関１の要求負荷が高く、ノッキングが起きやすい領域では、要求負荷が高くなるほど、圧縮着火内燃機関１に供給される全燃料中に占める第１の燃料の割合が高くなるように、流量調整弁６，７の開度を調整する。第１の燃料は着火性の低いエタノールを含むので、流量調整弁６，７の開度を前記のように調整することにより、圧縮着火内燃機関１に供給された燃料全体の自着火の時期を遅らせることができ、要求負荷が高くなってもノッキングを防止して圧縮着火内燃機関１を安定して運転することができる。
【００１９】
また、圧縮着火内燃機関１の要求負荷が低く、失火が起きやすい領域では、要求負荷が低くなるほど、圧縮着火内燃機関１に供給される全燃料中に占める第２の燃料の割合が高くなるように、流量調整弁６，７の開度を調整する。第２の燃料は、第１の燃料に含まれるエタノールの少なくとも一部がジエチルエーテルに転換されて第１の燃料よりも着火性が高くなっている。従って、流量調整弁６，７の開度を前記のように調整することにより、圧縮着火内燃機関１に供給された燃料全体の自着火の時期を早めることができ、要求負荷が低くなっても失火を防止して圧縮着火内燃機関１を安定して運転することができる。
【００２０】
尚、圧縮着火内燃機関１では、要求負荷が十分に高いときには、流量調整弁７を閉じ、流量調整弁６のみを開いて、第１の燃料のみを圧縮着火内燃機関１に供給するようにしてもよい。また、これと反対に、要求負荷が十分に低いときには、流量調整弁６を閉じ、流量調整弁７のみを開いて、触媒装置５で改質された第２の燃料のみを圧縮着火内燃機関１に供給するようにしてもよい。
【００２１】
燃料タンク２に収容されるエタノールを含む第１の燃料は、ｎ−ヘプタン（Ｃ7Ｈ16）等の室温で液体である炭化水素にエタノールを添加したもの挙げることができるが、エタノールのみからなるものであってもよく、エタノールとナフサとの混合物、エタノールとガソリンとの混合物、エタノールと灯油との混合物、エタノールと軽油との混合物あるいはエタノールと脂肪酸エステルとの混合物等であってもよい。
【００２２】
次に、ｎ−ヘプタンのみからなる燃料と、ｎ−ヘプタンと全量の２０重量％のエタノールとからなる燃料（第１の燃料）と、ｎ−ヘプタンと全量の１６重量％のジエチルエーテルとからなる燃料（第２の燃料）の３種類の燃料について、着火性を比較した。前記第２の燃料としてのｎ−ヘプタンと全量の１６重量％のジエチルエーテルとからなる燃料は、前記第１の燃料としてのｎ−ヘプタンと全量の２０重量％のエタノールとからなる燃料中のエタノールが全てジエチルエーテルに転換されたものに当たる。
【００２３】
着火性の試験は、５００℃に加熱し、２．０ＭＰａに加圧した容器中の空気に前記各燃料を噴射し、燃料噴射後に容器内の圧力が０．０２ＭＰａ上昇するまでの時間を着火遅れ時間として測定した。そして、前記着火遅れ時間を着火性の指標として比較した。結果を図２に示す。
【００２４】
図２から、ｎ−ヘプタンのみからなる燃料を基準として、前記第１の燃料は該基準より着火遅れ時間が長く、着火性が低いことが明らかである。また、前記第２の燃料は前記基準よりも着火遅れ時間が短く、着火性が高いことが明らかである。従って、圧縮着火内燃機関１の要求負荷の変化に応じて、圧縮着火内燃機関１に対する前記第１の燃料の供給量と、前記第２の燃料の供給量とをそれぞれ変化させることにより、広い範囲の要求負荷に対して安定して運転することができることが明らかである。
【００２５】
また、触媒装置５に収容される触媒としては、取り扱いが容易であることから、固体の酸であることが好ましい。前記固体の酸としては、活性アルミナ、ヘテロポリ酸、ゼオライト、シリカアルミナ、硫酸化ジルコニア、イオン交換樹脂等を挙げることができる。前記ヘテロポリ酸としては１２タングストリン酸等を挙げることができ、前記イオン交換樹脂としては、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ（登録商標）等を挙げることができる。
【００２６】
触媒装置５において、エタノールをジエチルエーテルに転換するために必要な温度は、触媒の種類によって異なるが、通常は３００℃以下である。従って、触媒装置５では、圧縮着火内燃機関１の排気ガスを熱源として、エタノールをジエチルエーテルに転換することが十分に可能である。
【００２７】
次に、触媒装置５に収容される触媒として、多孔質シリカにヘテロポリ酸としての１２タングストリン酸を固定した触媒（触媒全量に対して３０重量％の１２タングストリン酸を含む）を用いてエタノールをジエチルエーテルに転換した。反応温度と、エタノールのジエチルエーテルへの転換率（エタノール反応率）との関係を図３に示す。図３において、実線は平衡転化率を示し、各測定点の下の数値は前記触媒１ｇに対するエタノールの供給量を重量空間速度（ｈ−１）で示している。
【００２８】
図３から、いずれの測定点でも、ほぼ平衡に達するまで反応が進行しており、特に反応温度２００℃では、触媒１ｇに対するエタノールの供給量が１時間当たり２０ｇであっても平衡に達していることが明らかである。従って、前記触媒によれば、少量の触媒でエタノールをジエチルエーテルに転換する反応が可能であることが明らかである。
【００２９】
次に、他の実施形態について説明する。
図１の圧縮着火内燃機関１は、供給導管３，４に流量調整弁６，７を設けて、第１の燃料と第２の燃料との割合を調整するようにしているが、図４に示すように、燃料タンク２と触媒装置５との間に、主供給導管８を介して燃料タンク２に接続される流量調整装置９を設け、流量調整装置９から供給導管３，４を分岐させるようにしてもよい。図４に示す圧縮着火内燃機関１によれば、供給導管３，４は流量調整弁６，７を備えていないが、流量調整装置９により第１の燃料と第２の燃料との割合が調整される。
【００３０】
また、図５に示すように、触媒装置５と圧縮着火内燃機関１との間に供給導管３，４が接続される混合調整装置１０を設け、混合調整装置１０を主供給導管８を介して圧縮着火内燃機関１に接続するようにしてもよい。図５に示す圧縮着火内燃機関１によれば、供給導管３，４は流量調整弁６，７を備えていないが、混合調整装置１０により第１の燃料と第２の燃料とが所定の割合で混合されて、圧縮着火内燃機関１に供給される。
【００３１】
さらに、図６に示すように、供給導管４の触媒装置５と圧縮着火内燃機関１との間に、第２の燃料を貯留する補助タンク１１を設け、補助タンク１１と圧縮着火内燃機関１との間に、流量調整弁７を設けるようにしてもよい。図６に示す圧縮着火内燃機関１によれば、予め補助タンク１１に貯留された着火性の低下した燃料を流量調整弁７を介して圧縮着火内燃機関１に供給することにより、圧縮着火内燃機関１の要求負荷が低くなったときに迅速に対処することができる。尚、図６に示す圧縮着火内燃機関１では、第１の燃料と第２の燃料との割合の調整は、流量調整弁６，７の開度を調整することにより行う。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の制御方法の一実施形態を示すブロック図。
【図２】各種燃料の着火性を示すグラフ。
【図３】反応温度によるエタノールのジエチルエーテルへの転換率を示すグラフ。
【図４】本発明の制御方法の他の実施形態を示すブロック図。
【図５】本発明の制御方法の他の実施形態を示すブロック図。
【図６】本発明の制御方法の他の実施形態を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３３】
１…圧縮着火内燃機関、  ２…第１の燃料、  ５…改質手段。
【図１】
2006226172.tif 000003
【図２】
2006226172.tif 000004
【図３】
2006226172.tif 000005
【図４】
2006226172.tif 000006
【図５】
2006226172.tif 000007
【図６】
2006226172.tif 000008