JP2009074439A

JP2009074439A - エンジンシステム

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Publication number: JP2009074439A
Application number: JP2007243905A
Authority: JP
Inventors: Susumu Nagano; 進長野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: JP4840307B2

Abstract

【課題】含水エタノールを燃料とするエンジンにおいて、ガソリンなどの低沸点成分を用いずに、簡易な構成で、冷間始動を容易に行なうことができるようにする。
【解決手段】エンジンシステムは、第１タンク１２に含水エタノールを収容し、第２タンクに、水蒸気改質に適したエタノール濃度のエタノール水を収容する。改質器３０は、第２タンクから供給されたエタノール水の水蒸気改質を行い、水素を含む改質ガスを生成する。凝縮蓄圧器３４は、改質ガスを蓄圧し、ガス供給器３６によって燃焼室２６に蓄圧された改質ガスを供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンシステムに係り、特に、エタノールの改質を行なって生じた改質ガスを用いることにより、燃焼の改善を図るエンジンシステムに関する。

従来より、ブラジルで走行している含水エタノール車用のエンジンが知られている。このエンジンでは、冷間始動時にガソリンなどの低沸点成分を利用し、加速時に燃料を増量させている。

また、改質反応の触媒を通過した後、未改質の原料を回収し、再利用する燃料電池システムが知られている（特許文献１）。この燃料電池システムにおける改質部のＳ／Ｃ（水蒸気／カーボン比：Ｓｔｅａｍ／Ｃａｒｂｏｎ）は、Ｓ／Ｃ＝２．０であり、さらに、空気を導入して、Ｏ_２／Ｃ＝０．４としている。また、７０℃程度に冷却され、凝縮成分として回収された原料は、エタノールと水とに分離され、エタノールが改質部に戻され、水が蒸発部に戻されている。なお、燃料電池システムにおける水蒸気改質の反応は、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ十３Ｈ_２Ｏ⇒６Ｈ_２＋２ＣＯ_２（Ｓ／Ｃ＝１．５、空気はのぞく）である。

また、エンジンで生成した改質ガスを燃焼させ、動力を得ようとする場合、燃焼安定性から水蒸気濃度は多すぎないほうがよく、加熱熱量の低減から、水分を極力減らし蒸発の熱量も少なくした方がよい。しかし、未改質原料の凝縮成分を回収し、改質ガスのみをエンジンに供給して燃焼させると、多くの体積の気体燃料を供給しなければならならず、空気の充填効率が低下する。また、燃焼反応は、Ｈ_２＋１／２Ｏ_２⇒Ｈ_２Ｏ、ＣＯ＋１／２Ｏ_２⇒ＣＯ_２、ＣＨ_４＋２Ｏ_２⇒ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏであり、Ｈ_２やＣＯが多く燃焼する場合、燃焼後にモル数減少となり、動力を得るためには好ましくない。ただし、燃焼温度が上昇し最高圧力が上昇することや、希薄燃焼が可能になることなど、動力を得るために有利な面もある。

このように、自動車用のエンジンの場合、気体燃料のみを供給するより、液体燃料も供給し、充填効率を維持して動力を得た方が良い。液体燃料も供給することにより、高出力を得たい場合に、高価な高圧力比の過給器などを用いることなく、自然吸気、または、低圧力比の過給器の利用によって高出力を得ることができる。
特開２００６−３１５９２２

しかしながら、従来の含水エタノール車用のエンジンでは、火花点火エンジンを用いる場合、０℃以下のような冷間始動時に、ガソリンなどの低沸点成分を含む第２の燃料を供給するため、主燃料とは別の燃料を供給する必要があり、取り扱いが複雑となる、という問題がある。あるいは、０℃以下のような冷間始動時に、電気加熱して燃料の蒸気圧を高めるため、大きな２次電池を持つ必要がある、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、含水エタノールを燃料とするエンジンにおいて、ガソリンなどの低沸点成分を用いずに、簡易な構成で、安定した運転が可能となるエンジンシステムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係るエンジンシステムは、含水エタノールを収容する第１タンクと、前記含水エタノールよりエタノール濃度が低いエタノールを収容する第２タンクと、加熱することにより、前記第２タンクから供給されたエタノールの改質を行い、水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、前記第１タンクからの含水エタノール及び前記改質手段によって生成された改質ガスの少なくとも一方を、燃焼室に供給する供給手段とを含んで構成されている。

本発明に係るエンジンシステムによれば、第１タンクに、含水エタノールを収容し、第２タンクに、含水エタノールよりエタノール濃度が低いエタノールを収容する。また、改質手段によって、加熱することにより、第２タンクから供給されたエタノールの改質を行い、水素を含む改質ガスを生成する。

そして、供給手段によって、第１タンクからの含水エタノール及び改質手段によって生成された改質ガスの少なくとも一方を、燃焼室に供給する。なお、含水エタノールを燃焼室に供給する場合、燃焼室に直接含水エタノールを供給するだけでなく、吸気管に含水エタノールを供給し、吸気管を介して燃焼室に含水エタノールを供給してもよい。

このように、第２タンクに、エタノール濃度が低いエタノールを収容し、第２タンクからのエタノールを改質して、水素を含む改質ガスを生成し、燃料室に供給することにより、改質に適したエタノールから生成された改質ガスを用いることができるため、含水エタノールを燃料とするエンジンにおいて、ガソリンなどの低沸点成分を用いずに、簡易な構成で、安定した運転が可能となる。

本発明に係る改質手段は、排気熱を用いて、エタノールの改質を行なうことができる。これにより、排気熱を用いて、吸熱反応である改質を行なって、排気熱を回収するため、熱効率を向上させることができる。

本発明に係る改質手段は、エタノールの水蒸気改質を行なうことができる。このように、改質手段は、エタノールと水とからなる混合液体を排気熱によりガス化して改質する水蒸気改質法を用いることができる。

また、第２タンクに収容されたエタノールのエタノール濃度を、６０％〜８０％とすることができる。これによって、水蒸気改質に適したエタノール濃度のエタノールから、効率よく改質ガスを生成することができる。

本発明に係るエンジンシステムは、改質手段による改質において改質されなかった未改質の原料を第２タンクに回収する回収手段と、第２タンクに収容されたエタノールのエタノール濃度を検出する検出手段と、検出手段によって検出されたエタノール濃度に基づいて、第２タンクのエタノールのエタノール濃度が、含水エタノールより低い所定の濃度範囲となるように制御する濃度制御手段とを更に含むことができる。これによって、未改質の原料を第２タンクに回収しても、第２タンクのエタノールのエタノール濃度を所定の濃度範囲に保つことができる。

上記の濃度制御手段は、検出手段によって検出されたエタノール濃度が、所定の濃度範囲より低い場合、第１タンクの含水エタノールを、第２タンクに供給するように第１タンクを制御することができる。

上記の濃度制御手段は、検出手段によって検出されたエタノール濃度が、所定の濃度範囲より高い場合、第２タンクに収容されたエタノールを加熱蒸留し、共沸成分を第１タンクに供給するように第２タンクを制御することができる。

本発明に係るエンジンシステムは、改質手段によって生成された改質ガスを所定の圧力に蓄圧する蓄圧手段を更に含み、供給手段は、エンジン始動時又は加速時に、蓄圧手段によって蓄圧された改質ガスを燃焼室に供給することができる。これによって、エンジン始動時又は加速時に、蓄圧された改質ガスを燃焼室に供給して、不足燃料を補うことができる。

以上説明したように、本発明のエンジンシステムによれば、第２タンクに、エタノール濃度が低いエタノールを収容し、第２タンクからのエタノールを改質して、水素を含む改質ガスを生成し、燃料室に供給することにより、改質に適したエタノールから生成された改質ガスを用いることができるため、含水エタノールを燃料とするエンジンにおいて、ガソリンなどの低沸点成分を用いずに、簡易な構成で、安定した運転が可能となる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係るエンジンシステム１０は、含水エタノール（９５％エタノール水）を収容する第１タンク１２と、第１タンク１２の含水エタノールを汲み上げる第１ポンプ１４と、燃料供給管（図示省略）を介して第１タンク１２から供給される含水エタノールを噴射する燃料インジェクタ２２とを備えている。

エンジンシステム１０は、吸入された吸気を通す吸気管２４と、吸入量を制御するスロットルバルブ（図示省略）と、燃焼室２６内の燃焼により生じた排気ガスを通す排気管２８とを備えている。

さらに、エンジンシステム１０は、所定のエタノール濃度範囲のエタノール水を収容する第２タンク１６と、第２タンク１６のエタノール水を汲み上げる第２ポンプ１８と、エタノール水をガス化する蒸発器２９と、水蒸気改質により改質ガスを生成する改質器３０と、未改質原料を回収して凝縮成分を生成すると共に、改質ガスを所定の圧力に蓄圧する凝縮蓄圧器３４と、凝縮蓄圧器３４で蓄圧された改質ガスを吸気管２４に供給するガス供給器３６と、第２タンク１６のエタノール水のエタノール濃度を検出するエタノール濃度センサ３８と、第２タンク１６のエタノール水の温度を検出する温度センサ４０と、冷却水及び排気熱を利用して第２タンク１６の温度を制御する温度制御器４２と、全体を制御する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）４４とを備えている。

ここで、エタノール濃度が濃く、８０％より高い場合には、改質時に炭素析出し触媒が劣化すると共に、改質ガスの生成量が著しく減少し、また、回復操作が頻繁になり、改質システムを持つ優位さが減少してしまう。また、エタノール濃度が薄く、６０％より低い場合には、−４０℃付近から低い温度で凍結し、または粘度が上昇してしまうため、改質の原料を改質器に送ることができなくなると共に、解凍するまで改質することができなくなる。また、水蒸気の蒸発・温度上昇により多くの加熱熱量が必要になり、また、熱交換部分のサイズが大きくなってしまう。

そこで、本実施の形態では、第２タンク１６に収容されたエタノール水の所定のエタノール濃度範囲を、６０％〜８０％の範囲（おおよそＳ／Ｃ＝０．５〜１．０の範囲）とすることが好ましい。

また、エンジンシステム１０は、第１タンク１２の含水エタノールを汲み上げて、第２タンク１６に供給する第３ポンプ４５と、第２タンク１６のエタノール水を加熱蒸留したときの共沸成分を、第１タンク１２に供給するか否かを制御する共沸成分供給バルブ４６と、凝縮蓄圧器３４によって回収された未改質原料の凝縮成分を、第２タンク１６に戻すか否かを制御する凝縮成分供給バルブ４８とを備えている。

なお、ＥＣＵ４４は、第１ポンプ１４、第２ポンプ１８、燃料インジェクタ２２、ガス供給器３６、エタノール濃度センサ３８、温度センサ４０、温度制御器４２、第３ポンプ４５、共沸成分供給バルブ４６、及び凝縮成分供給バルブ４８の各々に接続され、第１ポンプ１４、第２ポンプ１８、燃料インジェクタ２２、ガス供給器３６、温度制御器４２、第３ポンプ４５、共沸成分供給バルブ４６、及び凝縮成分供給バルブ４８の各々は、ＥＣＵ４４の制御に従って作動する。なお、図１では本実施の形態に直接関係する部分の接続関係のみ示した。

第１ポンプ１４は、第１タンク１２に収容された含水エタノールを取り込んで、燃料供給管を介して燃料インジェクタ２２に供給する。燃料インジェクタ２２は、ＥＣＵ４４の制御に従って、含水エタノールを所定量及び所定時間噴射する。

第２ポンプ１８は、第２タンク１６に収容されたエタノール水を取り込んで、蒸発器２９に供給する。蒸発器２９は、内部の熱交換パイプ（図示省略）を通っているエタノール水に排気熱を吸収させて、エタノール水をガス化し、パイプ（図示省略）を介して、改質器３０にガス化されたエタノール水を供給する。改質器３０は、触媒によって、ガス化されたエタノール水の水蒸気改質を行い（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ⇒４Ｈ_２＋２ＣＯ）、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、及びメタンを主成分とした混合ガスを改質ガスとして生成し、改質ガスを凝縮蓄圧器３４に供給する。

改質器３０では、エタノールとＨ_２Ｏを等モルずつ反応させても、実際にはＣＨ_４やＣＯ_２が生成され、図２に示すように、エタノールに比べ、Ｈ_２Ｏの方が多く未反応で残る。そこで、凝縮蓄圧器３４は、改質器３０による水蒸気改質で改質されなかった未改質原料を回収し、凝縮成分供給バルブ４８の開閉に応じて、回収した未改質原料の凝縮成分を第２タンク１６に戻す。また、凝縮蓄圧器３４は、改質器３０から供給された改質ガスを所定の圧力に蓄圧し、ガス供給器３６に供給する。ガス供給器３６は、ＥＣＵ４４の制御に従って、改質ガスを吸気管２４に所定量及び所定時間供給する。

温度制御器４２は、ＥＣＵ４４の制御に従って、排気熱を利用して、第２タンク１６に収容されたエタノール水を加熱蒸留して、共沸濃度（９５％）のエタノール水を生成する。また、温度制御器４２は、加熱蒸留が終了すると、ＥＣＵ４４の制御に従って、冷却水を利用して、第２タンク１６に収容されたエタノール水を冷却する。

以上のように構成されたエンジンシステムにおいて、ドライバが図示しないイグニションスイッチをオンにすると、ＥＣＵ４４は、図３に示す濃度制御処理ルーチンを実行する。

まず、ステップ１００において、エタノール濃度センサ３８によって検出された第２タンク１６のエタノール水のエタノール濃度を取得し、ステップ１０２で、上記ステップ１００で取得したエタノール濃度が、６０％〜８０％の範囲内であるか否かを判定する。

上記ステップ１０２で、エタノール水のエタノール濃度が、６０％未満である場合には、ステップ１０４において、第１タンク１２の含水エタノールを汲み上げて、第２タンク１６に供給するように第３ポンプ４５を制御し、ステップ１００へ戻る。これによって、第２タンク１６のエタノール水のエタノール濃度が濃くなる。

また、上記ステップ１０２において、エタノール水のエタノール濃度が、８０％より高い場合には、ステップ１０６において、温度制御器４２によって、第２タンク１６のエタノール水を加熱蒸留すると共に、第２タンク１６の共沸成分を第１タンク１２に供給するように共沸成分供給バルブ４６を制御して、ステップ１００へ戻る。これによって、第２タンク１６のエタノール水のエタノール濃度が薄くなる。上記ステップ１０６では、温度センサ４０で検出された第２タンク１６のエタノール水の温度に応じて、排気熱を利用して第２タンク１６のエタノール水を加熱蒸留するように、温度制御器４２を制御すると共に、共沸成分（９５％エタノール水）を第１タンク１２に戻すように共沸成分供給バルブ４６を制御する。第２タンク１６のエタノール水のエタノール濃度が、８０％以下になると、加熱蒸留をやめ、温度センサ４０で検出された第２タンク１６のエタノール水の温度に応じて、冷却水を利用して第２タンク１６のエタノール水を冷却するように、温度制御器４２を制御する。

また、上記ステップ１０２において、エタノール水のエタノール濃度が、６０％〜８０％の範囲内である場合には、上記ステップ１０４又は１０６の処理を行わずに、ステップ１００へ戻る。

上述したように、濃度制御処理ルーチンを実行すると、第２タンク１６内のエタノール水のエタノール濃度が、水蒸気改質に適した６０％〜８０％の範囲内に保たれる。

また、ＥＣＵ４４は、図４に示す蓄圧ガス供給処理ルーチンを実行する。まず、ステップ１２０において、エンジンが始動したか、つまりエンジン回転数が所定値以上になったかを判定し、エンジンが始動するまでは、ステップ１２０に待機する。そして、エンジンが始動したと判定すると、ステップ１２２に移行する。

ステップ１２２では、凝縮蓄圧器３４で蓄圧された改質ガスを吸気管２４に供給するようにガス供給器３６を制御する。これによって、改質ガスが吸気管２４を介して燃焼室２６に供給されるので、冷間時の始動が容易となり、冷間時の運転性が確保される。

次のステップ１２４では、通常の運転制御を行い、第１タンク１２から含水エタノールを吸気管２４に噴射するように燃料インジェクタ２２を制御すると共に、改質器３０で生成された改質ガスを吸気管２４に供給するように、ガス供給器３６を制御する。これによって、吸気管２４を介して含水エタノール及び改質ガスが燃焼室２６に供給される。なお、通常の運転制御時に供給される改質ガスは、蓄圧されてない改質ガスであってもよく、また、蓄圧された改質ガスであってもよい。

そして、ステップ１２６において、加速時であるか否かを判定し、車速センサや加速度センサなどの出力に基づいて、加速時であると判定された場合には、ステップ１２８において、凝縮蓄圧器３４で蓄圧された改質ガスを吸気管２４に供給するようにガス供給器３６を制御し、ステップ１２４へ戻る。これによって、蓄圧された改質ガスが吸気管２４を介して燃焼室２６に供給されるので、加速時の不足燃料を補うことができ、安定した加速を行なうことができる。

また、上記ステップ１２６において、加速時でないと判定された場合には、ステップ１３０において、エンジンが停止したか、つまりエンジン回転数が所定値未満になったかを判定し、エンジンが停止したと判定された場合には、上記ステップ１２０へ戻るが、一方、エンジンが停止していないと判定された場合には、上記ステップ１２４へ戻り、通常の運転制御が行われる。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係るエンジンシステムによれば、第２タンクに、エタノール濃度が所定の濃度範囲に保たれたエタノール水を収容し、第２タンクからのエタノール水を水蒸気改質して、水素を含む改質ガスを生成し、燃料室に供給することにより、改質に適したエタノール水から生成された改質ガスを用いることができるため、含水エタノールを燃料とするエンジンにおいて、ガソリンなどの低沸点成分を用いずに、簡易な構成で、安定した運転が可能となる。

また、排気熱を用いて、吸熱反応である水蒸気改質を行なって、排気熱を回収するため、熱効率を向上させることができる。

また、第２タンクのエタノール水のエタノール濃度を、水蒸気改質に適した所定の濃度範囲に保つことにより、効率よく改質ガスを生成することができる。

また、エンジン始動時又は加速時に、蓄圧された改質ガスを燃焼室に供給するため、ガソリンなどの低沸点成分を用いずに、不足燃料を補うことができる。また、従来に比べ、エンジン始動時又は加速時における燃料増量を大幅に低減することができるため、燃費を向上させることができると共に、エミッションを低減することができる。

なお、上記の実施の形態では、通常の運転制御時に、第１タンクからの含水エタノールと改質ガスとを燃焼室に供給する場合を例に説明したが、通常の運転制御時には、第１タンクからの含水エタノールのみを燃焼室に供給するようにしてもよい。

また、エンジン始動時や加速時に、蓄圧された改質ガスを燃焼室に供給する場合を例に説明したが、蓄圧された改質ガスと共に、第１タンクからの含水エタノールを燃焼室に供給するようにしてもよい。

本発明の実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示す概略図である。改質温度と、未改質原料の凝縮成分としてのＨ_２Ｏ及びエタノールの各々の量との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態に係るエンジンシステムのＥＣＵにおける濃度制御処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係るエンジンシステムのＥＣＵにおける蓄圧ガス供給処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１０エンジンシステム
１２第１タンク
１４第１ポンプ
１６第２タンク
１８第２ポンプ
２２燃料インジェクタ
２４吸気管
２６燃焼室
２９蒸発器
３０改質器
３４凝縮蓄圧器
３６ガス供給器
３８エタノール濃度センサ
４０温度センサ
４２温度制御器

Claims

含水エタノールを収容する第１タンクと、
前記含水エタノールよりエタノール濃度が低いエタノールを収容する第２タンクと、
加熱することにより、前記第２タンクから供給されたエタノールの改質を行い、水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、
前記第１タンクからの含水エタノール及び前記改質手段によって生成された改質ガスの少なくとも一方を、燃焼室に供給する供給手段と、
を備えたエンジンシステム。
前記改質手段は、排気熱を用いて、前記エタノールの改質を行なう請求項１記載のエンジンシステム。
前記改質手段は、前記エタノールの水蒸気改質を行なう請求項１又は２記載のエンジンシステム。
前記第２タンクに収容された前記エタノールのエタノール濃度を、６０％〜８０％とした請求項１〜請求項３の何れか１項記載のエンジンシステム。
前記改質手段による改質において改質されなかった未改質の原料を前記第２タンクに回収する回収手段と、
前記第２タンクに収容された前記エタノールのエタノール濃度を検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出されたエタノール濃度に基づいて、前記第２タンクの前記エタノールのエタノール濃度が、前記含水エタノールより低い所定の濃度範囲となるように制御する濃度制御手段と、
を更に含む請求項１〜請求項４の何れか１項記載のエンジンシステム。
前記濃度制御手段は、前記検出手段によって検出されたエタノール濃度が、前記所定の濃度範囲より低い場合、前記第１タンクの含水エタノールを、前記第２タンクに供給するように前記第１タンクを制御する請求項５記載のエンジンシステム。
前記濃度制御手段は、前記検出手段によって検出されたエタノール濃度が、前記所定の濃度範囲より高い場合、前記第２タンクに収容されたエタノールを加熱蒸留し、共沸成分を前記第１タンクに供給するように前記第２タンクを制御する請求項５又は６記載のエンジンシステム。
前記改質手段によって生成された前記改質ガスを所定の圧力に蓄圧する蓄圧手段を更に含み、
前記供給手段は、エンジン始動時又は加速時に、前記蓄圧手段によって蓄圧された前記改質ガスを前記燃焼室に供給する請求項１〜請求項７の何れか１項記載のエンジンシステム。