專利名稱：發(fā)動機系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及搭載了化學性地反復進行氫的儲存和釋放的介質(zhì)的氫發(fā) 動機系統(tǒng)。
背景技術：
作為現(xiàn)有的將由化學性地反復進行氫的儲存和釋放的介質(zhì)生成的富 氫氣體作為一種燃料而用以驅(qū)動發(fā)動機的系統(tǒng)，例如，公開有如專利文獻 1所示的利用氫的內(nèi)燃機，其除了能夠供給由上述介質(zhì)生成的富氫氣體以 外，還能將上述介質(zhì)也供給到發(fā)動機，或能夠獨立地向發(fā)動機供給富氫氣 體的介質(zhì)。
專利文獻l:特開2005 — 147124號公報
在將由化學性地反復進行氫的儲存和釋放的介質(zhì)生成的富氫氣體作 為一種燃料，并單獨通過富氫氣體或者通過多種燃料來驅(qū)動發(fā)動機的發(fā)動 機系統(tǒng)中，預先將由介質(zhì)生成的富氫氣體儲存于緩沖箱，通過將在緩沖箱 儲存的富氫氣體供給到發(fā)動機來驅(qū)動發(fā)動機。為了穩(wěn)定地驅(qū)動發(fā)動機，只 要增大緩沖箱的容量即可，使得不會出現(xiàn)富氫氣體不足的情況。但是，為 了使發(fā)動機系統(tǒng)小型化、輕量化，還希望緩沖箱小型化。為了使緩沖箱小 型化，在從介質(zhì)需要氫時，高效地生成顯得很重要。從介質(zhì)生成的富氫氣 體的量根據(jù)對催化劑的介質(zhì)供給量和催化劑材料的溫度而變化。該催化劑 溫度由于根據(jù)發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)、從介質(zhì)生成氫時的反應量或催化劑的老 化狀態(tài)等而變動，因此生成的富氫氣體的量也隨其變動。伴隨與此，發(fā)生 沒有生成必要量的富氫氣體的狀態(tài)，難以對發(fā)動機的要求輸出進行即時響
5應。因此，為了高效率地運轉(zhuǎn)發(fā)動機系統(tǒng)，需要對應于發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)、 進行考慮了對催化劑的介質(zhì)供給量和催化劑材料的溫度的控制。另外，該 問題即使在區(qū)分使用多種燃料的情況下也同樣，希望根據(jù)發(fā)動機要求的輸 出特性等來選擇燃料形態(tài)，高效地從介質(zhì)生成富氫氣體顯得很重要。
另外，在將富氫氣體以及介質(zhì)作為燃料使用的情況下，需要進行考慮 了燃燒效率和排氣性能的控制。
在專利文獻1所述的系統(tǒng)中，對于這一點沒有進行足夠的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種發(fā)動機系統(tǒng)，在將由化學性地反復進行 氫的儲存和釋放的介質(zhì)生成的富氫氣體作為一種燃料來驅(qū)動發(fā)動機的發(fā) 動機系統(tǒng)中，能夠從介質(zhì)高效地生成富氫氣體。
另外，本發(fā)明的其他目的在于提供一種燃燒效率、排氣性能優(yōu)越的發(fā) 動機系統(tǒng)。
為了解決上述問題，作為第一手段，提供一種發(fā)動機系統(tǒng)，其具有氫 供給裝置，該氫供給裝置搭載了化學性地反復進行氫的儲存和釋放的介 質(zhì)，并進行從所述介質(zhì)生成或儲存富氫氣體，將所述富氫氣體作為燃料之 一，驅(qū)動發(fā)動機，其特征在于，具有檢測發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測部；
和根據(jù)所述檢測部的檢測結果，控制向所述氫供給裝置供給的所述介質(zhì)的 供給量的介質(zhì)供給量控制機構。在此，發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)能夠通過發(fā)動機 推測轉(zhuǎn)矩以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行判斷。
另外，作為第二手段，其特征在于， 一種發(fā)動機系統(tǒng)，
具有推測氫供給裝置內(nèi)的催化劑溫度的催化劑溫度推測機構；和介
質(zhì)供給量控制機構或熱供給量控制機構中的至少任一個，
基于由所述催化劑溫度推測機構推測的催化劑溫度，上述介質(zhì)供給量
控制機構控制向所述氫供給裝置供給的所述介質(zhì)的供給量，上述熱供給量
控制機構控制向所述氫供給裝置供給的熱供給量。
根據(jù)第二手段，通過基于催化劑溫度，控制向氫供給裝置供給的介質(zhì)
的供給量、或控制向氫供給裝置供給的熱供給量的任一個，能夠調(diào)整催化
劑溫度。由此，在驅(qū)動發(fā)動機的狀態(tài)下，由于能夠?qū)⒋呋瘎囟瓤刂圃跒榱松筛粴錃怏w的有效的溫度范圍，所以能夠有效地從介質(zhì)生成氫。
另外，為了解決上述第二目的，作為第三手段，提供一種發(fā)動機系統(tǒng)，
具有從化學性地反復進行氫的儲存和釋放的介質(zhì)生成富氫氣體的氫供給
裝置；和用于凈化排氣的三元催化劑，其中將所述富氫氣體以及所述介質(zhì)
作為燃料之一，驅(qū)動發(fā)動機，其特征在于，
具有點火時間控制機構和空氣過剩率控制機構， 根據(jù)向發(fā)動機供給的所述介質(zhì)和所述富氫氣體的供給量的比例， 所述點火時間控制機構控制發(fā)動機具有的點火火花塞的點火時間， 所述空氣過剩率控制機構控制向發(fā)動機供給的燃料的空氣過剩率，
通過所述空氣過剩率控制機構，將空氣過剩率控制在0.95 1.05或 1.8 5.0的范圍。
另外，作為第四手段，其特征在于， 一種發(fā)動機系統(tǒng)，其在發(fā)動機的 排氣管配備所述氫供給裝置和用戶凈化發(fā)動機的排氣的凈化催化劑，在比 所述氫供給裝置更靠近發(fā)動機側設置有所述凈化催化劑，或者使所述氫供 給裝置和所述凈化催化劑成為一體。
另外，作為第五手段，其特征在于， 一種發(fā)動機系統(tǒng)，其具有富氫
氣體供給裝置，其以富氫氣體為燃料供給到發(fā)動機；介質(zhì)燃料供給裝置， 其向汽缸內(nèi)直接供給包含所述介質(zhì)的成分；以及燃料供給時刻控制機構， 其在將所述富氫氣體供給到發(fā)動機之后，在活塞壓縮期間向汽缸內(nèi)供給包 含所述介質(zhì)的成分，并使其自著火燃燒。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種發(fā)動機系統(tǒng)，在搭載了化學性地反復進行 氫的儲存和釋放的介質(zhì)的發(fā)動機系統(tǒng)中，其能夠從介質(zhì)高效地生成富氫氣 體。


圖1是將氫供給裝置安裝于排氣管后的發(fā)動機系統(tǒng)的概略圖2是氫供給裝置的結構圖3是發(fā)動機的運轉(zhuǎn)區(qū)域和供給燃料的關系圖4是催化劑溫度和轉(zhuǎn)化率的關系圖5是向氫供給裝置供給的氫化介質(zhì)供給量和轉(zhuǎn)化率的關系圖；圖6是氫供給裝置的伴隨著催化劑溫度變化的控制流程圖； 圖7是控制對氫供給裝置的熱供給量的各方法； 圖8是富氫氣體的隨著儲存量變化的控制流程圖； 圖9是判斷氫供給裝置內(nèi)的催化劑老化的圖； 圖IO是在燃料切換時進行的空燃比、點火時間控制圖； 圖11是富氫氣體燃燒時的空氣過剩率和Nox排出量的關系圖； 圖12是三元催化劑的凈化率和空氣過剩率的關系圖； 圖13是發(fā)動機從開始啟動到三元催化劑活性化的催化劑溫度變化圖； 圖14是利用在排氣管安裝了氫供給裝置的發(fā)動機系統(tǒng)壓縮著火燃料 類型的系統(tǒng)概略圖15是氫濃度和點火時間的關系圖。 圖中-
l一發(fā)動機；2 —富氫氣體供給裝置；3 —介質(zhì)供給裝置；4一節(jié)流閥； 5 —氫壓力傳感器；6 —氫濃度傳感器；7 —吸引、壓縮裝置；8 —氣液分離 裝置；9一切換閥；10、 28 —箱；ll一氫化介質(zhì)供給裝置；12 —氫供給裝 置；13 —凈化催化劑；14、 19、 31—溫度檢測機構；15 —排氣量調(diào)整閥； 17、 34 —氧傳感器；18 —排氣管；20 —排氣閥；21 —點火火花塞；22 —吸
氣閥；23—ECU; 24、 25 —泵；26—富氫氣體儲存裝置；27 —吸氣管；29 一調(diào)節(jié)器；30 —安全閥。
具體實施例方式
以下，利用

本發(fā)明的實施方式。
圖1是將用于對化學性地反復進行氫的儲存和釋放的介質(zhì)進行脫氫反 應的氫供給裝置12設置在發(fā)動機的排氣管18，能夠利用從發(fā)動機1排出 的排氣熱的系統(tǒng)。向氫供給裝置12供給的排氣量能夠利用排氣量調(diào)整閥 15進行調(diào)整。另外，在氫供給裝置12的上游側、下游側、以及氫供給裝 置12內(nèi)，分別設置有溫度檢測機構14、 19、 31。在氫供給裝置12，通過 氫化介質(zhì)供給裝置11提供氫化介質(zhì)。
所謂上述介質(zhì)，可示出所有能夠進行化學性地儲存/釋放氫的物質(zhì)，如 汽油、輕油、煤油、重油、萘烷、環(huán)己垸、甲基環(huán)己烷、萘、苯、甲苯等碳氫系燃料及其混合燃料；或過氧化氫、氨、氮、氧等。其中，化學性地儲存氫的介質(zhì)稱為氫化介質(zhì)，化學性地釋放了氫之后的介質(zhì)稱為脫氫化介
質(zhì)。氫化介質(zhì)以及脫氫化介質(zhì)分別儲存在箱10、 28內(nèi)。這些箱可以形成一體結構。氫化介質(zhì)可以在泵24的壓力作用下通過配管32從介質(zhì)供給裝置(噴射器)11供給到氫供給裝置12。另外，氫化介質(zhì)以及脫氫化介質(zhì)可以在泵25的壓力作用下通過配管33從氫化介質(zhì)供給裝置(噴射器)3供給到發(fā)動機1。另外，供給到發(fā)動機1的氫化介質(zhì)以及脫氫化介質(zhì)可以利用切換閥9進行切換。
由氫供給裝置12生成的富氫氣體和脫氫化介質(zhì)的混合體，通過配管35被搬運到分離裝置8，通過分離裝置8分離成氫化介質(zhì)以及脫氫化介質(zhì)。之后，富氫氣體通過吸引、壓縮裝置7，儲存在富氫氣體儲存裝置26中，從富氫氣體供給裝置(噴射器)2供給到發(fā)動機1。另一方面，脫氫化介質(zhì)儲存在脫氫化介質(zhì)用箱28內(nèi)。另外，在配置在分離裝置8和發(fā)動機1之間的富氫氣體儲存裝置26內(nèi)，設置有氫壓力傳感器5和氫濃度傳感器6。另外，在富氫氣體儲存裝置26和富氫氣體供給裝置(噴射器)2之間設置有調(diào)節(jié)器29，其用于將富氫氣體供給壓力控制在希望的壓力。另外，為了不使來自吸引、壓縮裝置7的氫供給壓力過大，能夠通過安全閥30的開閉調(diào)整氫供給壓力。在發(fā)動機1的吸氣管27設置有調(diào)整吸入空氣量的節(jié)流閥4，在排氣管18,在凈化催化劑13的上游、下游設置有氧傳感器17、34。上述氧傳感器17可以是空燃比傳感器。發(fā)動機1的吸氣閥22、排氣閥20可以是能夠改變開閉時刻、提升(lift)量的結構。
在本系統(tǒng)中，溫度檢測機構14、 19、 31;介質(zhì)供給裝置(噴射器)3、11;富氫氣體供給裝置(噴射器)2;氫壓力傳感器5和氫濃度傳感器6;節(jié)流閥4; 02傳感器17、 34;吸氣閥22;排氣閥20、點火火花塞21、以及排氣量調(diào)整閥15等，與控制裝置(ECU) 23電連接，由控制裝置23進行控制。
接著，利用圖2說明在圖1所示的氫供給裝置12的結構。氫供給裝置12的結構，如圖2所示，在設置了流路突起39的純鋁(熱傳導率250W/mK)高熱傳導基板40上，形成有由Pt/氧化鋁催化劑構成的催化劑層42。在該催化劑層42上層疊只選擇性地使氫透過的氫分離膜38，形成
9隔著墊片37層疊了氫流路36的結構作為基本構造，配置于發(fā)動機排氣管。向氫供給裝置12供給的介質(zhì)，通過燃料流路41，與在高熱傳導基板40的表面上形成的催化劑層42接觸，同時進行脫氫反應，生成富氫氣體。生成的富氫氣體，透過氫分離膜39，經(jīng)由墊片37，通過氫流路36從氫供給裝置12排出。另外，沒有透過氫分離膜38的富氫氣體和脫氫化介質(zhì)，通過燃料流路41從氫供給裝置12排出到氫供給裝置12之外。在此，排出了的富氫氣體和脫氫化介質(zhì)，與從氫流路36排出了的富氫氣體合流、混合，供給到圖1的分離裝置8。此外，也可以不混合從氫流路36排出的富氫氣體、從燃料流路41排出的富氫氣體、和脫氫化介質(zhì)，通過另外的配管，將富氫氣體供給到富氫氣體儲存裝置26，將富氫氣體和脫氫化介質(zhì)供給到分離裝置8。另外，在圖2中，為了在低溫下高效地進行從介質(zhì)的脫氫化反應而設置氫分離膜38，但也能夠采用沒有氫分離膜38的結構。另外，也可以層疊配置圖2所示的基本構造。
氫化介質(zhì)向氫供給裝置12供給的供給量依存于由發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)確定的向發(fā)動機的要求氫量?；趫D3，說明發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的富氫氣體和介質(zhì)的供給方法。在區(qū)域1的低負載運轉(zhuǎn)區(qū)域中，由于排氣溫度較低，所以來自供給到氫供給裝置12的排氣的熱量變小。因此，難以通過氫供給裝置12生成只由富氫氣體驅(qū)動發(fā)動機所必要的富氫氣體量。因此，向發(fā)動機供給介質(zhì)和富氫氣體這兩方。另外，在區(qū)域3的高負載運轉(zhuǎn)區(qū)域，在向發(fā)動機只供給富氫氣體時，存在壓力伴隨著發(fā)動機內(nèi)的燃燒而急劇上升的問題。因此，在該運轉(zhuǎn)區(qū)域中，希望向發(fā)動機l供給富氫氣體和介質(zhì)這兩方。此時，通過EGR控制，可以抑制急劇的壓力上升。另外，可以不向發(fā)動機供給介質(zhì)，可以進行基于電機的轉(zhuǎn)矩輔助。對于區(qū)域1、區(qū)域3，在其中間區(qū)域即區(qū)域2的中負載運轉(zhuǎn)區(qū)域中，能夠只由富氫氣體驅(qū)動發(fā)動機。如上所述，對應于發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，確定富氫氣體的供給量，伴隨與此，確定向氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)的供給量。如此，在各運轉(zhuǎn)區(qū)域，通過控制對發(fā)動機1供給的燃料，在很大的運轉(zhuǎn)區(qū)域中系統(tǒng)成
供給到發(fā)動機的介質(zhì)希望是脫氫化介質(zhì)。其理由是因為由氫供給裝置12生成的脫氫化介質(zhì)和富氫氣體的合計發(fā)熱量，高于向氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)的發(fā)熱量。例如，在由作為氫化介質(zhì)的環(huán)己垸生成氫和作
為脫氫化介質(zhì)的苯的反應中，提高5.6%發(fā)熱量。因此，具有提高合計效
率、削減C02、用戶燃料利用率提高的效果。
如上所述，根據(jù)各運轉(zhuǎn)區(qū)域，確定向發(fā)動機1供給的燃料，確定必要 的富氫氣體的量。此時，優(yōu)選通過檢測出發(fā)動機推測轉(zhuǎn)矩及發(fā)動機轉(zhuǎn)速， 判斷必要的富氫氣體的量。在此，發(fā)動機推測轉(zhuǎn)矩，在理論空燃比運轉(zhuǎn)(空 氣過剩率=1)時，根據(jù)節(jié)流開度或吸入空氣量和發(fā)動機轉(zhuǎn)速來推測。在
稀薄(lean)運轉(zhuǎn)時，除了節(jié)流開度或吸入空氣量和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，還通過 燃料供給量推測。另外，除此之外，也可測定發(fā)動機缸內(nèi)的燃燒壓力或軸 轉(zhuǎn)矩，確定轉(zhuǎn)矩。此外，吸入空氣量由空氣處理器等測定。在進行EGR (Exhaust Gas Recirculation:排氣再循環(huán))時，轉(zhuǎn)矩推測也考慮EGR閥開 度。另外，在用吸氣閥的開期間、以提升量控制吸入空氣量時，可以考慮 這些因素推測轉(zhuǎn)矩。以下，對于根據(jù)發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的控制方法進行說 明。
通過發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)、即發(fā)動機推測轉(zhuǎn)矩以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速，確定發(fā) 動機必要的富氫氣體的量。以次為基礎，確定向氫供給裝置12供給的氫 化介質(zhì)的量。這是因為，從氫供給裝置12生成的富氫氣體的量依存于向 氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)的供給量。氫化介質(zhì)的供給量，通過氫化 介質(zhì)供給裝置11由脈沖控制進行控制。此時，通過控制脈沖寬度、脈沖 頻率，控制氫化介質(zhì)的供給量。從向氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)的供 給時間到富氫氣體的生成時間，由于是10ms以下的響應速度，所以如果 使用這樣的控制，則可以使富氫氣體儲存裝置26小型化或不需要富氫氣 體儲存裝置26，具有作為發(fā)動機整體實現(xiàn)小型化的效果。
接著，作為從氫化介質(zhì)生成氫時的特性之一，如圖4所示，圖4是表 示從氫化介質(zhì)向氫轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率較大地依存于氫供給裝置12內(nèi)的催化劑 溫度的情況的圖。如果上述催化劑溫度達到規(guī)定溫度以上，則轉(zhuǎn)化率將近 100%。 g卩，為了有效地從氫化介質(zhì)取出氫，需要使催化劑的溫度在規(guī)定 溫度以上。另外，如果氫供給裝置12內(nèi)的催化劑溫度變得過高，則存在 催化劑老化或材料受損、氫化介質(zhì)碳化等問題。即，從氫化介質(zhì)生成氫時 的氫供給裝置12內(nèi)的催化劑溫度，總是處在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，為了有效
ii地生成氫是很重要的。
氫供給裝置12內(nèi)的催化劑溫度依存于向氫供給裝置12供給的熱供給 量和用于從氫化介質(zhì)生成氫的反應熱量。氫供給裝置12內(nèi)的催化劑溫度 與向氫供給裝置12供給的熱供給量成比例地上升，相反地，在從氫化介 質(zhì)生成氫的反應是吸熱反應的情況下，上述催化劑溫度對應于反應熱量而
下降。例如，在氫化介質(zhì)使用甲基環(huán)己垸時，為了生成lmol的氫，在常 溫常壓下，需要大約70kJ的吸熱量。圖5表示向氫供給裝置12供給的熱 供給量為一定時的、向氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)供給量和從氫化介 質(zhì)生成氫的轉(zhuǎn)化率的關系。如果向氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)供給量 增加，則從氫化介質(zhì)向氫轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率下降。這主要是因為，隨著向氫供 給裝置12供給的介質(zhì)供給量增加，氫反應時的反應熱量增加，催化劑溫 度下降。g卩，為了將催化劑溫度控制在規(guī)定的溫度范圍，向氫供給裝置12 供給的熱供給量和確定用于生成氫的反應量的向氫供給裝置12供給的氫 化介質(zhì)供給量的控制是重要的。
接著，對于催化劑溫度的推測方法進行說明。有利用圖l所述的溫度 檢測機構31直接測量催化劑溫度的方法、或測量氫供給裝置12內(nèi)的催化 劑附近的溫度來預測的方法。另外，還有根據(jù)向氫供給裝置12內(nèi)傳遞的 熱傳遞率和向氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)供給量來推測催化劑溫度的 方法，其中向氫供給裝置12內(nèi)傳遞的熱傳遞率是通過由溫度檢測機構14、 19測量的位于氫供給裝置12的上游側、下游側的各自的發(fā)動機排氣溫度、 發(fā)動機運轉(zhuǎn)條件(發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、吸入空氣量、節(jié)流開度、燃 料流量等)計算出的。說明氫供給裝置12內(nèi)的催化劑溫度推測機構。催 化劑溫度由以下的函數(shù)得出。
T=f (Ql、 XI、 a、 t、 A、 Tl)
T:氫供給裝置12內(nèi)的催化劑溫度；Ql:富氫氣體生成時的反應熱； 人l:氫供給裝置12內(nèi)的部件的熱傳導率；(X:從排氣向氫供給裝置12傳 遞的熱傳遞率；t:從排氣接觸部到催化劑表面的厚度；A:排氣接觸面積； Tl:排氣溫度。
上述人l、 t、 A依存于氫供給裝置12的結構。Ql是富氫氣體生成時 的反應熱，依存于向氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)供給量。排氣溫度T1
12由于是通過氫供給裝置12內(nèi)的排氣的平均溫度，所以是溫度檢測機構14、 19的平均值。根據(jù)測量了的Tl和由發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)推測了的排氣成分 以及排氣流量，計算出雷諾數(shù)、普朗特數(shù)、排氣的熱傳導率，確定a。艮口， 只要確定發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)、排氣溫度、向氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì) 供給量，就能夠推測T。
圖6表示的是利用上述的催化劑溫度的推測機構，測量或推測氫供給 裝置12內(nèi)的催化劑溫度、并以此為準將催化劑溫度控制在規(guī)定的溫度范 圍內(nèi)的系統(tǒng)流程圖。在S501中，檢查測量或推測的氫供給裝置12內(nèi)的催 化劑溫度T是否在規(guī)定范圍內(nèi)。此時，在偏離規(guī)定范圍的情況下，在S502 判斷催化劑溫度T是否高于規(guī)定范圍。該S501、 S502的處理基于例如由 溫度檢測機構14、 19、 31等檢測出的溫度，由控制裝置23確定催化劑溫 度T,判斷是否在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。在此，介質(zhì)在使用了甲基環(huán)己烷等 有機氫化物時，優(yōu)選催化劑溫度以250 40(TC為規(guī)定的溫度范圍為好。如 果，在S502判斷高于規(guī)定的溫度范圍時，在S503判斷是否能夠增加向氫 供給裝置12供給的氫化介質(zhì)供給量。該判斷機構例如通過圖1的富氫氣 體儲存裝置26的儲存量進行判斷。富氫氣體儲存裝置26的儲存量能夠通 過氫壓力傳感器5或氫濃度傳感器6檢測出，通過該檢測結果由控制裝置 23判斷儲存量。如果在S503能夠增加氫化介質(zhì)供給量，在S504使從介 質(zhì)供給裝置ll向氫供給裝置12的氫化介質(zhì)供給量增加。由此，通過氫生 成時的吸熱反應量增加，催化劑溫度下降。另一方面，在S503判斷為不 可增加氫化介質(zhì)供給量時，在S505使向氫供給裝置12供給的熱供給量減 少。作為控制向氫供給裝置12供給的熱供給量的方法，如圖7所示，例 如有(1)使用排氣量調(diào)整閥15減少從發(fā)動機1向氫供給裝置12供給的 排氣流量的方法，(2)提早發(fā)動機1內(nèi)的點火火花塞21的點火時間的方 法，(3)推遲排氣閥20的開啟時間的方法。在(2)、 (3)的控制方法中， 由于作為發(fā)動機系統(tǒng)不用設置新的輔助儀器就能夠控制，所以能夠簡化系 統(tǒng)。另外，相對于(2)、 (3)的控制方法，在(1)的控制方法中，例如， 由于使配管分支來調(diào)整向氫供給裝置供給的排氣流量即可，所以在不對發(fā) 動機造成影響的情況下能夠控制催化劑溫度。另外，作為其他的控制方法， 有(4)減少使用在氫供給裝置12設置的燃燒嘴等燃燒器燃燒的富氫氣體或介質(zhì)的燃燒量的方法，或(5)降低由在汽車搭載的變換器等熱源產(chǎn)
生的熱對氫供給裝置12的供給量的方法。此外，還考慮了 (6)減少在氫 供給裝置12設置的加熱器的供給量的方法。(4) (6)的控制方法也和 (1)同樣地不會對發(fā)動機造成影響，能夠控制催化劑溫度。通過進行這 些方法的任一個或多個，能夠使催化劑溫度下降。
另一方面，在S502判斷為氫供給裝置12的催化劑溫度在規(guī)定以下的 情況下，在S506判斷是否能夠增加對氫供給裝置12的熱供給量。在能夠 增加熱供給量時，與上述同樣地，通過圖7所示的方法，使熱供給量增加。 在S506判斷為無法增加熱供給量的情況下，例如，在用戶要求發(fā)動機要 有高轉(zhuǎn)矩時，難以通過點火火花塞21推遲點火時間，或提早排氣閥20的 開啟時間。另外，在介質(zhì)和富氫氣體的儲存量少時，難以通過使用了燃燒 嘴等的燃燒氣體來增加熱供給。另外，在電池電量的余量少時，難以增加 加熱器的加熱量。在此時，在S508降低向氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì) 供給量，使氫產(chǎn)生時的吸熱量下降，從而催化劑溫度上升。此時，由于富 氫氣體儲存量下降，所以在S509使向發(fā)動機供給的相對于富氫氣體量的 介質(zhì)量增加。
另外，伴隨與此，如在S510所述，點火時間也提前角化。這是因為 氫的燃燒速度比介質(zhì)的燃燒速度快。另外，為了使燃燒穩(wěn)定化，可以調(diào)整 節(jié)流閥4的開度，控制燃料和空氣的比例。另夕卜，此時，也可以控制燃料 的噴射時間。
接著，利用圖8說明與富氫氣體的儲存量相關的控制內(nèi)容。在S701， 通過氫壓力傳感器5或氫濃度傳感器6檢測出圖1的富氫氣體儲存裝置26 內(nèi)的富氫氣體的儲存量，根據(jù)該值，由控制裝置23判斷是否是規(guī)定儲存 量。此時，例如，優(yōu)選向發(fā)動機1供給的富氫氣體的壓力P1—定，因此， 需要將富氫氣體儲存裝置26內(nèi)的壓力P2設為高于Pl的壓力。另外相反 地，如果富氫氣體儲存裝置26內(nèi)的壓力在規(guī)定以上，則存在儲存裝置破 損、泄漏或者難以調(diào)整向發(fā)動機1供給的富氫氣體的壓力Pl的問題。在 S701判斷為富氫氣體的儲存量在規(guī)定范圍外時，在S702判斷是否是規(guī)定 范圍以上。在規(guī)定范圍以上時，降低對氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)供 給量，降低富氫氣體生成量。相反地在S702判斷為富氫氣體在規(guī)定范圍以下時，在S704增加對氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)供給量。在S705 降低對發(fā)動機供給的富氫氣體的供給量，在S706增加對發(fā)動機供給的介 質(zhì)的供給量。此時，為了控制發(fā)動機的燃燒，對點火火花塞21的點火時 間進行提前角化控制。但是，此時，在氫供給裝置12的催化劑溫度在規(guī) 定以下時，在S704不增加對氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)供給量，在 S705禁止對發(fā)動機供給富氫氣體。
接著，假設氫供給裝置12內(nèi)的催化劑老化，對于推測其老化狀態(tài)的 機構進行說明。以向氫供給裝置12供給的熱供給量一定為基礎(例如發(fā) 動機1的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩一定)，且以向氫供給裝置12供給的氫化介質(zhì)供給量 一定為基礎，計算由氫供給裝置12上游側的溫度檢測機構14以及下游側 的溫度檢測機構19檢測出的排氣溫度的溫度差。如圖9所示，在上述條 件下，如果氫供給裝置12內(nèi)的催化劑老化，則上述溫度差變小。因此， 如果上述排氣溫度的溫度差在規(guī)定值以下，則認為氫供給裝置12內(nèi)的催 化劑產(chǎn)生老化。這是因為，如果催化劑老化，則從氫化介質(zhì)生成氫的反應 轉(zhuǎn)化率下降，因此反應時的吸熱量變低，在氫供給裝置12前后的排氣溫 度差變小。因此，能夠判斷老化狀態(tài)。另外，該上述老化判斷機構，在例 如用戶表示出停止發(fā)動機1的運轉(zhuǎn)的意思時，即，在由控制裝置23接收 了發(fā)動機停止信號的情況下，立即使發(fā)動機l停止，以一定轉(zhuǎn)速、 一定轉(zhuǎn) 矩使發(fā)動機1運轉(zhuǎn)規(guī)定時間，通過溫度檢測機構14、 19檢測溫度進行判 斷。如果老化狀態(tài)在規(guī)定以上，則通過燈等向用戶發(fā)出警告，需要督促更 換氫供給裝置12。由此，具有防止從發(fā)動機1排出的C02排出量的增加 的效果。另外，如果如此判斷老化狀態(tài)，則考慮老化狀態(tài)，需要增加向氫 供給裝置12供給的氫化介質(zhì)的供給量。由此，能夠在不有損于用戶要求 的車的運轉(zhuǎn)性能的狀態(tài)下進行運轉(zhuǎn)。
如上所述，通過推測催化劑的老化狀態(tài)，即使催化劑產(chǎn)生老化，也能 夠進行對應于老化狀態(tài)的最佳的氫供給控制。
接著，對于切換對發(fā)動機1供給的燃料的種類時的控制方法進行說明。 如圖10所示，對應于向發(fā)動機1供給的燃料的種類，需要控制點火時間 或空氣過剩率。例如，在將向發(fā)動機供給的燃料從模式l的富氫氣體切換 成模式2的富氫氣體和介質(zhì)的混合燃料時，在從模式1或從模式2切換成
15模式3的介質(zhì)燃料時，為了降低空氣過剩率，需要控制節(jié)流閥4或吸氣閥
22。此時，也可以控制EGR量。關于點火時間，為了成為MBT(Minimmum Spark Advance for Best Torque)而需要提前角化。此時，為了不使轉(zhuǎn)矩變 動，需要進行控制以使供給的切換前和切換后的向發(fā)動機1供給的燃料的 總發(fā)熱量沒有大幅度的變化。氫由于燃燒速度快(是汽油的大約8倍)， 另外由于可能會稀薄燃燒(leanbum)(氫的最大空氣過剩率為10.5，汽油 的最大空氣過剩率為1.4)，伴隨著向發(fā)動機1供給的燃料中的富氫氣體的 比例減少，通過使點火時間提前角化，或減小空氣過剩率，能夠高效地運 轉(zhuǎn)。
接著，說明考慮排氣性能運轉(zhuǎn)的方法。圖10的模式1的只是富氫氣 體時，如圖11所示，在空氣過剩率在1.8以下時，NOx大量地排出。因 此，在模式1時，空氣過剩率在1.8以上，更優(yōu)選的是在2以上運轉(zhuǎn)。另 外，如果考慮發(fā)動機的效率，則空氣過剩率的上限是5.0。另外，關于模 式2、 3，由于供給介質(zhì)，所以除了NOx以外還排出未燃的碳化氫或CO。 如果凈化催化劑13使用三元催化劑則未燃的碳化氫或CO可被凈化，但 此時，需要考慮圖12所示的凈化特性進行運轉(zhuǎn)。g卩，關于模式2，由于供 給富氫氣體和介質(zhì)這兩方，所以有可能稀薄燃燒，由于是圖ll、圖12的 特性，所以如果空氣過剩率在1.2 1.8的范圍運轉(zhuǎn)則NOx在沒有被凈化 的狀態(tài)下被排出。因此，在以模式2運轉(zhuǎn)時，希望空氣過剩率在0.95 1.05， 優(yōu)選的是1.0或1.8 5.0來進行運轉(zhuǎn)。關于模式3，希望空氣過剩率在0.95 1.05，優(yōu)選的是l.O來進行運轉(zhuǎn)。
空氣過剩率的控制，如圖11所示，通過減小節(jié)流開度，能夠使空氣 過剩率下降。另外，在將可變閥搭載于發(fā)動機的吸氣閥的情況下，通過減 小吸氣閥的開啟期間或提升量，能夠使空氣過剩率下降。
如上所述，通過根據(jù)向發(fā)動機1供給的燃料成本，來控制空氣過剩率， 從而能夠在不依存于向發(fā)動機1供給的燃料成分的狀態(tài)下，維持高的排氣 性能。
接著，對于三元催化劑13和氫供給裝置12在排氣管18的安裝位置 進行說明。氫供給裝置12，在從氫化介質(zhì)生成氫時，由于是吸熱反應，所 以與氫供給裝置12的入口排氣溫度相比，出口排氣溫度下降。另一方面，三元催化劑13，由于是發(fā)熱反應，與三元催化劑入口溫度相比，出口溫度
上升。如果考慮這些特征，則為了使氫供給裝置12、三元催化劑13這雙 方的反應率提高，三元催化劑13最好設置在氫供給裝置12的上游側(發(fā) 動機側)。另外，為了進一步提高向汽車的搭載時的搭載性、雙方的反應 率，也可以是氫供給裝置12和三元催化劑13形成為一體的結構。作為氫 供給裝置12和三元催化劑13的一體化結構，例如可以形成在圖2所示的 氫供給裝置12的高熱傳導基板40的與催化劑層42的相反側的面上，配 置了三元催化劑的結構。另外，為了增加三元催化劑和排氣的接觸面積， 可以按照:三元催化劑/高熱傳導基材40/催化劑層42/氫分離膜38/墊片37/ 氫流路36/墊片37/催化劑層42/高熱傳導基材40/三元催化劑的順序，形成 層疊了的構造。
如上所述，通過配置氫供給裝置12和三元催化劑13，能夠?qū)崿F(xiàn)氫供 給的效率化和排氣的凈化性能的提高。
接著，對于啟動時的運轉(zhuǎn)方法，以凈化催化劑13使用了三元催化劑 時為例進行說明。如圖13所示，啟動時，三元催化劑13是低溫，從啟動 開始隨著時間的推移，三元催化劑13的溫度上升。三元催化劑13在300 。C以上被活性化。因此，直到三元催化劑13被活性化，具有規(guī)定的時間。 在被活性化之前，如果向發(fā)動機供給碳化氫系的介質(zhì)，則由于三元催化劑 13沒有凈化排氣，所以排出未燃碳化氫和一氧化碳、NOx等。因此，直 到三元催化劑13到達活性化溫度為止，需要盡量少量地對發(fā)動機供給碳 化氫系的介質(zhì)。即，以富氫氣體為主成分在發(fā)動機燃燒，需要降低未然排 氣的排出量。為了進行上述控制，需要推測三元催化劑13的催化劑溫度。 該推測機構，例如根據(jù)發(fā)動機1的水溫、向發(fā)動機1吸入的吸入空氣量、 和車速，發(fā)動機1開始啟動，之后推測對三元催化劑13供給的熱量。進 而，還通過考慮從發(fā)動機1停止了的時間到發(fā)動機1的啟動的時間，能夠 推測三元催化劑13的溫度。也可以在三元催化劑13設置溫度檢測裝置， 直接檢測出三元催化劑的溫度。
另外，由于為了進行該控制，需要在啟動時將富氫氣體供給到發(fā)動機 1，因此，需要在富氫氣體儲存裝置26儲存規(guī)定量的富氫氣體。 一般地在 發(fā)動機啟動時，較多地排出HC、 CO。尤其在啟動時，由于較多地噴射出
17需要量以上的燃料，所以在啟動之后不久，大量地排出HC、 CO。富氫氣
體由于是氣體燃料，且能夠稀薄燃燒，因此，在啟動時如果使用富氫氣體，
則能夠以少量燃料啟動，且可大幅度地降低HC、 CO。因此，將至少為了 啟動發(fā)動機1需要量的富氫氣體儲存在富氫氣體儲存裝置26中是重要的。 優(yōu)選的是，直到三元催化劑被活性化，將為了只用富氫氣體來運轉(zhuǎn)發(fā)動機 所需要量的富氫氣體儲存于富氫氣體儲存裝置26。在用戶表示出停止發(fā)動 機1的意思時，在通過控制裝置23接收了發(fā)動機停止信號的情況下，通 過氫壓力傳感器5或氫濃度傳感器6檢測判斷富氫氣體儲存裝置26內(nèi)的 富氫氣體儲存量是否在規(guī)定量以上。在此，在沒有將發(fā)動機1啟動時需要 量的富氫氣體儲存在富氫氣體儲存裝置26中時，在不停止發(fā)動機1的狀 態(tài)下，向氫供給裝置12供給氫化介質(zhì)，生成富氫氣體。此時，停止發(fā)動 機1，也可以從發(fā)動機廢熱以外向氫供給裝置12進行熱供給，生成富氫氣 體。
通過進行這樣的控制，與只將介質(zhì)供給到發(fā)動機時相比，不僅發(fā)動機 開始動作時的排氣性能提高，而且由于發(fā)動機開始動作時的需要的燃料量 減少，所以燃料利用率提高。
接著，說明使用了氫供給裝置12的高效率燃燒方法。圖14表示其結 構圖。與圖1的結構圖的不同點在于，介質(zhì)的供給裝置3是能夠直接向發(fā) 動機燃燒室噴射的結構。其他結構與圖l相同，用同一符號表示。在本系 統(tǒng)中，基本結構是由氫供給裝置12生成的富氫氣體被直接噴射向吸氣管 27。另外，也可以是由氫供給裝置12生成的富氫氣體直接噴射向發(fā)動機 缸內(nèi)的結構。本系統(tǒng)是如下這樣的系統(tǒng)在噴射上述介質(zhì)之前向發(fā)動機供 給富氫氣體，且在活塞壓縮期間向缸內(nèi)直接噴射上述介質(zhì)，使上述介質(zhì)自 燃燃燒。在通常的自壓縮著火燃燒中，壓縮比高，能夠進行高效的燃燒， 但由于燃燒擴散，所以局部存在過濃的混合氣，在燃燒時生成黑煙。另外， 燃燒溫度不均一，從高溫部生成NOx。本系統(tǒng)的特征是，在使介質(zhì)自壓縮 著火燃燒前向發(fā)動機內(nèi)供給富氫氣體，因此，伴隨著介質(zhì)的自著火燃燒， 氫引火并自然起火，使介質(zhì)的燃燒效率提高。由此，能夠降低黑煙的排出。 這是因為，與上述介質(zhì)相比，由于氫的可燃范圍大，且燃燒速度高，所以 促進了上述介質(zhì)的燃燒。另外，伴隨于此，EGR界限也可擴大，燃燒溫度
18也可下降，NOX排出量也可降低。為了進行上述這樣的燃燒方式，優(yōu)選介 質(zhì)是萘烷這樣的氫生成量多且自著火性高的介質(zhì)。
接著，說明從氫供給裝置12生成的富氫氣體以及用分離裝置8分離
了脫氫化介質(zhì)之后的富氫氣體的濃度對應于運轉(zhuǎn)狀態(tài)而變化時，考慮了該
變化的運轉(zhuǎn)方法。在富氫氣體儲存裝置26內(nèi)設置氫濃度傳感器6，檢測向 發(fā)動機供給的氫濃度。通過這樣地檢測以及推測氫濃度，點火時間等發(fā)動 機的控制也可根據(jù)需要來進行必要的變更。例如圖15所示，如果氫濃度 高，最佳點火時間需要推遲。這是因為氫的燃燒速度與汽油等碳化氫燃燒 相比是它的7 8倍，所以隨著氫濃度變高，最佳點火時間推遲。因此， 通過檢測以及推測氫濃度，對應于此，控制點火時間的定時，能夠進行低 排氣、高效率的燃燒。
權利要求
1. 一種發(fā)動機系統(tǒng)，其具有氫供給裝置，該氫供給裝置搭載了化學性地反復進行氫的儲存和釋放的介質(zhì)，并進行從所述介質(zhì)生成或儲存富氫氣體，將所述富氫氣體作為燃料之一，驅(qū)動發(fā)動機，其特征在于，在發(fā)動機的排氣管設置所述氫供給裝置，所述發(fā)動機系統(tǒng)具有溫度檢測裝置，其被配置在所述氫供給裝置的排氣上游側；溫度檢測裝置，其被配置在所述氫供給裝置的排氣下游側；催化劑老化判斷機構，通過由所述排氣上游側以及下游側的溫度檢測裝置檢測出的溫度差，判定所述氫供給裝置內(nèi)的催化劑的老化狀態(tài)；以及介質(zhì)供給量控制機構，其基于由所述催化劑老化判斷機構判定的催化劑的老化狀態(tài)，控制向所述氫供給裝置供給的所述介質(zhì)的供給量。
2. 如權利要求1所述的發(fā)動機系統(tǒng)，其特征在于，所述催化劑老化判斷機構，基于規(guī)定的發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)以及規(guī)定量的所述富氫氣體生成時的所述排氣上游側以及下游側的溫度差，判定催化劑的老化狀態(tài)。
3. 如權利要求1所述的發(fā)動機系統(tǒng)，其特征在于，具有在由所述催化劑老化判斷機構判定的催化劑的老化狀態(tài)在規(guī)定值以上的情況下，向用戶發(fā)出警告的機構。
4. 一種發(fā)動機系統(tǒng)，其具有從化學性地反復進行氫的儲存和釋放的介質(zhì)生成富氫氣體的氫供給裝置、和用于凈化排氣的三元催化劑，將所述富氫氣體以及所述介質(zhì)作為燃料之一，驅(qū)動發(fā)動機，其特征在于，具有點火時間控制機構和空氣過剩率控制機構，根據(jù)向發(fā)動機供給的所述介質(zhì)和所述富氫氣體的供給量的比例，所述點火時間控制機構控制發(fā)動機具有的點火火花塞的點火時間，所述空氣過剩率控制機構控制向發(fā)動機供給的混合氣的空氣過剩率，通過所述空氣過剩率控制機構，將空氣過剩率控制在0.95 1.05或1.8 5.0的范圍。
5. 如權利要求4所述的發(fā)動機系統(tǒng)，其特征在于，通過所述空氣過剩率控制機構，在向發(fā)動機供給的燃料是單獨的所述介質(zhì)的情況下，將空氣過剩率控制在0.95 1.05的范圍，在向發(fā)動機供給的燃料是所述富氫氣體以及所述介質(zhì)的情況下，將空氣過剩率控制在0.95 1.05或1.8 5.0的范圍，在向發(fā)動機供給的燃料是單獨的所述富氫氣體的情況下，將空氣過剩率控制在1.8 5.0的范圍。
6. —種發(fā)動機系統(tǒng)，其具有氫供給裝置，該氫供給裝置搭載了化學性地反復進行氫的儲存和釋放的介質(zhì)，并進行從所述介質(zhì)生成或儲存富氫氣體，將所述富氫氣體作為燃料之一，驅(qū)動發(fā)動機，其特征在于，在發(fā)動機的排氣管配備所述氫供給裝置和用于凈化發(fā)動機的排氣的凈化催化劑，在比所述氫供給裝置更靠近發(fā)動機側設置有所述凈化催化劑，或者使所述氫供給裝置和所述凈化催化劑成為一體。
7. 如權利要求6所述的發(fā)動機系統(tǒng)，其特征在于，具有推測所述凈化催化劑的催化劑溫度的催化劑溫度推測機構，并具有控制裝置，其在基于所述催化劑溫度推測機構推測的催化劑溫度在規(guī)定值以下時，進行禁止向發(fā)動機供給所述介質(zhì)的控制、或進行降低向發(fā)動機供給的所述介質(zhì)的供給量的控制。
8. 如權利要求7所述的發(fā)動機系統(tǒng)，其特征在于，通過所述控制裝置，在發(fā)動機的啟動時向發(fā)動機只供給所述富氫氣體作為所述燃料。
9. 如權利要求6所述的發(fā)動機系統(tǒng)，其特征在于，具有儲存量檢測機構，其檢測在儲存裝置儲存的所述富氫氣體的儲存量；富氫氣體儲存量判斷機構，其在接收了發(fā)動機停止信號時，判斷由所述儲存量檢測機構檢測出的所述富氫氣體的儲存量是否在規(guī)定值的范圍；以及介質(zhì)供給機構，其在通過所述富氫氣體儲存量判斷機構判斷為所述富氫氣體的儲存量在規(guī)定值以下的情況下，向所述氫供給裝置供給所述介 質(zhì)。
全文摘要
目的是提供一種發(fā)動機系統(tǒng)，在將由化學性地反復進行氫的儲存和釋放的介質(zhì)生成的富氫氣體作為一種燃料來驅(qū)動發(fā)動機的發(fā)動機系統(tǒng)中，能夠從介質(zhì)高效地生成富氫氣體。該發(fā)動機系統(tǒng)具有氫供給裝置，該氫供給裝置搭載了化學性地反復進行氫的儲存和釋放的介質(zhì)，并進行從所述介質(zhì)生成或儲存富氫氣體，將所述富氫氣體作為燃料之一，驅(qū)動發(fā)動機，其特征在于，具有檢測發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測部；和根據(jù)所述檢測部的檢測結果，控制向所述氫供給裝置供給的所述介質(zhì)的供給量的介質(zhì)供給量控制機構。
文檔編號F02M27/02GK101487428SQ20091000646
公開日2009年7月22日 申請日期2007年1月26日 優(yōu)先權日2006年3月10日
發(fā)明者兼元大, 島田敦史, 板橋武之, 石川敬郎 申請人:株式會社日立制作所