JP2006144702A - 内燃機関及び内燃機関の運転制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスと燃料との混合気を改質するにあたって、燃料消費を抑制すること。
【解決手段】この内燃機関１は、燃料と排ガスとの混合気を改質用触媒により改質して水素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスを内燃機関１の吸気通路３に還流させる改質器２０と、内燃機関１の排気通路９から取り出した排ガス中に含まれる炭化水素を吸着するとともに、吸着した炭化水素を放出して改質器２０へ供給する炭化水素吸着・放出材を含む炭化水素吸着・放出手段６０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃焼後の排ガスと燃料との混合気を改質して得られた改質ガスを吸気側へ還流させる内燃機関及び内燃機関の運転制御装置に関するものである。

内燃機関から排出される排ガス中に燃料を添加し、両者の混合気を改質用触媒で改質した改質ガスを内燃機関の吸気管に供給するものが知られている。このような技術において、例えば特許文献１には、ノッキングが発生したときのように、内燃機関の点火時期が所定角度以上遅角されたときに、燃料消費の増加を抑制する技術が開示されている。

特開２００４−９２５２０号公報

ところで、一般に、冷間時に内燃機関が始動してから暖機が完了するまでは、燃焼が霧化しにくくなるため燃料を増量するが、これにともなって未燃の燃料が多く発生する。その結果、冷間始動後、暖機完了前においては燃料の消費量が増加する。これは、改質部を備える内燃機関でも同様である。特許文献１には、点火時期の遅角に起因する燃料消費の増加を抑制する技術が開示されてはいるが、内燃機関の冷間始動から暖気完了までの燃料消費の増加については言及されておらず、燃料消費の抑制には改善の余地がある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排ガスと燃料との混合気を改質するにあたって、燃料消費を抑制できる内燃機関及び内燃機関の運転制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、改質用燃料と排ガスとの改質用混合気を改質用触媒により改質して水素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスを、燃焼室とつながる吸気通路に還流させる改質手段と、炭化水素吸着・放出材を含み、前記排ガス中に含まれる炭化水素を前記炭化水素吸着・放出材に吸着させるとともに、吸着させた炭化水素を前記炭化水素吸着・放出材から放出させて前記改質手段へ供給する炭化水素吸着・放出手段と、を備えることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記炭化水素吸着・放出手段は、暖機完了前に前記炭化水素吸着手段へ排ガスを導き、暖機終了後、かつ改質可能な条件を満たした後に、吸着した炭化水素を前記改質手段に対して放出して、前記改質手段へ炭化水素を供給することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記炭化水素吸着・放出手段は、前記改質手段が改質に必要な温度を満たしており、かつ前記改質手段へ供給する排ガスの空燃比が、改質に必要な空燃比よりも燃料が薄い状態である場合には、前記改質手段へ供給される前記排ガス中へ、吸着した炭化水素を放出することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記炭化水素吸着・放出材の温度を変更する温度調整手段を備えることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記温度調整手段は、改質のために前記炭化水素吸着・放出材から炭化水素を放出するまでは、前記炭化水素吸着・放出材の温度を予め定めた温度に保持し、改質する際には、前記炭化水素吸着・放出材の温度を炭化水素の放出温度よりも高い温度に昇温させることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、改質用燃料と排ガスとの改質用混合気を改質した改質ガスを吸気通路に還流させる改質手段と、排ガス中の炭化水素を吸着・放出する炭化水素吸着・放出材を含む炭化水素吸着・放出手段と、を備える内燃機関を制御するものであり、前記内燃機関の暖機が完了したか否か、及び改質可能な条件を満たしているか否かを判定する運転状態判定部と、前記内燃機関の暖機が完了する前には、前記炭化水素吸着・放出材に前記内燃機関が排出する排ガス中の炭化水素を吸着させ、前記内燃機関の暖機が完了し、かつ改質可能な条件を満たした後には、前記炭化水素吸着・放出材から炭化水素を放出させて前記改質手段へ供給させる吸着・放出制御部と、を含んで構成されることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、排ガスと燃料との混合気を改質した改質ガスを吸気通路に還流させる改質手段と、排ガス中の炭化水素を吸着・放出する炭化水素吸着・放出材を含む炭化水素吸着・放出手段と、を備える内燃機関を制御するものであり、前記内燃機関の暖機が完了したか否か、及び改質可能な条件を満たしているか否かを判定する運転状態判定部と、前記内燃機関の暖機が完了する前には、前記炭化水素吸着・放出材に前記内燃機関が排出する排ガス中の炭化水素を吸着させ、前記内燃機関の暖機が完了し、かつ改質に必要な温度を満たしており、さらに前記改質手段へ供給する排ガスの空燃比が改質に必要な空燃比よりも燃料が薄い状態である場合には、前記炭化水素吸着・放出材から炭化水素を放出させ、この排ガスを前記改質手段へ供給させる吸着・放出制御部と、を含んで構成されることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、前記内燃機関の運転制御装置において、前記内燃機関は、前記炭化水素吸着・放出材の温度を変更する温度調整手段を備えており、前記吸着・放出制御部は、改質のために前記炭化水素吸着・放出材から炭化水素を放出するまでは、前記炭化水素吸着・放出材の温度を予め定めた温度に保持し、改質する際には、前記温度調整手段により前記炭化水素吸着・放出材の温度を炭化水素の放出温度よりも高い温度に昇温させることを特徴とする。

この発明に係る内燃機関及び内燃機関の運転制御装置では、排ガスと燃料との混合気を改質するにあたって、燃料消費を抑制できる。

以下、この発明につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、本発明は、特に乗用車やバス、あるいはトラック等の車両に搭載される内燃機関に対して好ましく適用できる。

実施例１に係る内燃機関は、排ガスと燃料との混合気を改質して得られた改質ガスを燃焼室へ還流させるものであって、排ガス中に含まれる炭化水素を吸着・放出可能な炭化水素吸着・放出手段を備え、内燃機関の冷間始動時から暖機完了前までの期間においては排ガス中の炭化水素を吸着し、排ガスと燃料との混合気を改質する際には、炭化水素吸着・放出手段に吸着した炭化水素を放出させて、前記改質に供する点に特徴がある。

図１は、実施例１に係る内燃機関の全体構成図である。図２は、実施例１に係る内燃機関が備える炭化水素吸着・放出手段を示す概略図である。図１を用いて、実施例１に係る内燃機関の構成について説明する。実施例１に係る内燃機関１は、改質手段である改質器２０に排ガスＥｘの一部を導き、この排ガスＥｘに炭化水素（以下ＨＣともいう）を含む燃料を供給することによって水素（Ｈ₂）を生成する。そして、この改質反応によって得られた水素を含むガス（以下改質ガスという）Ｅｘｒを内燃機関１に還流させる。

内燃機関１は、４個の気筒が直列に配置されているが、気筒数及び気筒配置はこれに限られるものではない。また、内燃機関１は、いわゆるロータリー式の内燃機関であってもよい。内燃機関１に供給される燃料Ｆは、燃料タンク７０内のフィードポンプ７１によってポート噴射弁６に供給される。そして、ポート噴射弁６から吸気通路３内に噴射され、吸気通路３を通る空気Ａと混合気を形成する。この混合気は、吸気通路を構成するインテークマニホールド７₁〜７₄を通って各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄へ導入される。

実施例１においては、単独のポート噴射弁６により内燃機関１の各気筒へ燃料Ｆを供給するが、気筒数分のポート噴射弁を用意して、各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄のインテークマニホールド７₁〜７₄へそれぞれ燃料Ｆを噴射してもよい。また、ポート噴射弁の代わりに、気筒内へ直接燃料を噴射する、いわゆる直噴噴射弁を用いて、内燃機関１へ燃料Ｆを供給してもよい。さらに、ポート噴射弁と直噴噴射弁とを備え、内燃機関１の運転条件に応じて両者の燃料噴射割合を変更して、内燃機関１へ燃料を供給してもよい。

内燃機関１に供給される空気Ａは、吸気通路３の入口に取り付けられるエアクリーナ１３でごみ等が除去されてから、内燃機関１へ送られる。内燃機関１へ供給される空気Ａは、吸気通路３に設けられるスロットル弁４によって流量が調整される。スロットル弁４の開度は、アクセル１７と連動する。実施例１において、アクセル１７の開度はアクセル開度センサ４７で検出されて、エンジンＥＣＵ５０に取り込まれる。アクセル開度センサ４７からのアクセル開度情報を元に、エンジンＥＣＵ５０はスロットル弁４の開度を調整する。

アクセル開度が大きくなると、スロットル弁４の開度は大きくなり、アクセル開度が小さくなると、スロットル弁４の開度は小さくなる。内燃機関１へ供給される空気は、吸気通路３であってスロットル弁４の上流に設けられるエアフローセンサ４２で流量が計測されて、その計測値はエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０に取り込まれる。エンジンＥＣＵ５０は、エアフローセンサ４２により計測された吸入空気量Ｇａと、回転数センサ４３で計測される内燃機関１の機関回転数ＮＥとから、内燃機関１に対する燃料供給量τｅを決定する。

内燃機関１の各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄で燃焼した混合気は、排ガスＥｘとなってエキゾーストマニホールド８へ排出される。この排ガスＥｘは、排気通路９を通って改質器２０の排気通路２２へ導入され、排ガスＥｘを改質するための熱を与える。改質器２０から排出された排ガスＥｘは、浄化触媒１６で浄化された後、大気中へ放出される。浄化触媒１６には、例えば三元触媒が用いられる。

実施例１においては、浄化触媒１６と改質器２０との間に、浄化触媒温度検出手段である排気温度センサ４８が設けられる。これによって検出された排ガスＥｘの温度が、浄化触媒１６の温度を示すパラメータとして取り扱われる。エンジンＥＣＵ５０は、排気温度センサ４８の出力信号を取り込み、内燃機関１の運転制御に使用する。なお、浄化触媒１６は、改質器２０と内燃機関１との間に配置してもよい。この場合、排気温度センサ４８は、内燃機関１と改質器２０との間に配置される。また、排気温度センサ４８の測温部を浄化触媒１６内に配置して、浄化触媒１６の温度を直接測定できるように配置してもよい。

排気通路９からは改質用導管１１が分岐している。この改質用導管１１は、改質器２０の改質室２１と接続されている。改質用導管１１には改質用燃料噴射弁２４が取り付けられており、この改質用燃料噴射弁２４が、改質用導管１１へ導かれた排ガスＥｘへ改質用燃料Ｆｒを噴射する。改質用燃料噴射弁２４には、燃料タンク７０内のフィードポンプ７１から燃料が供給される。また、改質用導管１１には、Ａ／Ｆ（Air／Fuel：空燃比）センサ４５が取り付けられており、排ガスＥｘの空燃比を計測する。

改質器２０は、改質室２１と排気通路２２とで構成される。改質室２１の内壁面には改質用触媒が担持されており、排気通路２２を流れる排ガスＥｘの熱により改質用触媒が加熱されて、活性温度Ｔａ以上に保持される。改質器２０は、複数の改質室２１を備え、各改質室２１はそれぞれ連通しており、排ガスＥｘと改質用燃料Ｆｒとの混合気（改質用混合気）Ｇｍｒは、改質室２１を通過する間に改質される。ここで、改質用触媒には、例えばロジウム系の触媒が用いられる。なお、改質器２０では、改質触媒の温度が活性温度以上になったときに改質が開始される。このときには、改質器２０へ供給される排ガスＥｘの空燃比は、理論空燃比（λ＝１）あるいは理論空燃比よりも燃料が濃い（リッチ）状態であることが必要である。理論空燃比よりも燃料が薄い（リーン）状態では、たとえ改質触媒の温度が活性温度以上であっても改質できない。したがって、改質可能な条件には、少なくとも前記改質触媒の温度が活性温度以上になっていることが必要となる。

改質器２０には、改質用触媒の温度を測定するため、改質用触媒床温度センサ４４が取り付けられる。改質用触媒そのものの温度を測定することは困難であるため、改質用触媒を担持する触媒床の温度を測定して、改質用触媒温度とする。改質用触媒温度が低い場合、改質ガスＥｘｒ中の水素濃度は低く、改質用触媒温度が高くなるほど改質ガスＥｘｒ中の水素濃度は高くなる。このため、改質用触媒温度が活性温度Ｔａ以上になってから改質を開始するように、改質用触媒床温度センサ４４により改質用触媒の温度を監視する。なお、ロジウム系の改質用触媒を用いる場合、前記改質用触媒の反応が活発になる活性温度Ｔａは６００℃程度である。

改質室２１の出口２１ｏには、改質室２１と、吸気通路３とを接続する、ガス還流通路１０が取り付けられている。ガス還流通路１０は、排ガスＥｘ又は改質ガスＥｘｒを、内燃機関１の吸気側、すなわち吸気通路３へ還流させる機能を持つ。ガス還流通路１０には、冷却器１２が設けられており、改質室２１で改質された排ガス（すなわち改質ガスＥｘｒ）を冷却する。また、冷却器１２とガス還流通路１０の出口１０ｏとの間には、還流流量調整手段である還流流量調整弁５が設けられており、エンジンＥＣＵ５０からの指令により、吸気通路３へ還流させる改質ガスＥｘｒの流量を調整する。さらに、ガス還流通路１０には、水素濃度センサ４９が取り付けられている。この水素濃度センサ４９により、改質器２０が所定の水素量を発生しているか否かを確認できる。水素濃度センサ４９の出力はエンジンＥＣＵ５０に取り込まれ、エンジンＥＣＵ５０が前記確認をする。次に、炭化水素吸着・放出手段について説明する。

図２に示すように、炭化水素吸着・放出手段６０は、吸着・放出部６１と、排ガス導入通路６２と、排ガス放出通路６４とを含んで構成される。吸着・放出部６１は、排ガスＥｘ中に含まれる未燃の炭化水素を吸着するとともに、一旦吸着した炭化水素を放出する機能を有する。この機能を実現するため、吸着・放出部６１は、炭化水素吸着・放出材（以下吸着・放出材）６１ｚを含んで構成される。

前記吸着・放出材６１ｚには、例えば、シリカを主成分とする多孔質吸着剤（例えば、ＳｉＯ₄の層状結晶間にＳｉＯ₂を担持させたもの）や、ＺＳＭ−５あるいはモルデナイトのようなゼオライト等の多孔質材料等が用いられる。そして、前記吸着・放出材６１ｚは、前記多孔質材料等を、多数の細い軸線方向流路（セルという）を有する円筒状に形成して構成される。これは、浄化触媒１６に用いられるモノリス担体と略同様の形状である。また、前記吸着・放出材６１ｚには、通常用いられるコージェライト等のモノリス触媒担体のセル壁面に、アルミナ、シリカ等の無機多孔質材料をコーティングしたものも使用できる。

吸着・放出材６１ｚは、ここに流入する排ガスＥｘの温度が低いとき、すなわち吸着・放出材６１ｚの温度が低いときには、排ガスＥｘ中に含まれる炭化水素（ＨＣ）を多孔質の細孔内に吸着する。そして、吸着・放出材６１ｚの温度が上昇してＨＣの放出温度を超えると、吸着したＨＣ成分を放出する。前記放出温度は、一般的には吸着したＨＣの沸点である。内燃機関１の冷間始動時から暖機完了前においては、排ガスＥｘの温度は前記放出温度以下となっているので、このような場合には、排ガスＥｘに含まれるＨＣを吸着・放出材６１ｚに吸着させることができる。ここで、「内燃機関１の暖機完了」とは、少なくとも浄化触媒１６が、排ガスＥｘ中に含まれるＣＯやＨＣを所定値よりも少なくできる程度に浄化できる温度に到達したときをいう。

炭化水素吸着・放出手段６０の排ガス導入通路６２は、その入口が内燃機関１の排気通路９に開口しており、内燃機関１の排出する排ガスＥｘを、炭化水素吸着・放出手段６０へ導く。炭化水素導管６３の出口は改質用導管１１に開口しており、吸着・放出部６１が放出した炭化水素を改質用導管１１に導く。そして、この炭化水素は、改質用導管１１を通って改質器２０へ導入される。排ガス放出通路６４は、その出口が内燃機関１の排気通路９に開口しており、炭化水素を吸着した後の排ガスＥｘを排気通路９へ戻す。

排気通路９には、排ガス通路切替手段である排ガス切替弁６５が設けられる。この排ガス切替弁６５を閉じた場合、内燃機関１から排出された排ガスＥｘは、前記排ガス導入通路６２を通って炭化水素吸着・放出手段６０へ流入する。この排ガス切替弁６５を開いた場合、内燃機関１から排出された排ガスＥｘは、炭化水素吸着・放出手段６０へ流入しないで排ガス切替弁６５の下流側へ流れ、一部は改質室２１へ、残りは改質器２０の排気通路２２へ流れる。このように、排ガス切替弁６５は、内燃機関１から排出された排ガスＥｘの流れる方向を切り替える機能を有する。

炭化水素導管６３には、炭化水素放出手段である炭化水素放出弁（以下、ＨＣ放出弁）６６が備えられている。ＨＣ放出弁６６は、炭化水素吸着・放出手段６０の吸着・放出部６１から放出された炭化水素を、改質用導管１１を介して改質器２０の改質室２１へ導く。また、排ガス放出通路６４には、排ガス放出手段である排ガス放出弁６７が設けられる。排ガス放出弁６７は、炭化水素吸着・放出手段６０の吸着・放出部６１に炭化水素を吸着させる際に開き、吸着・放出部６１を通過した排ガスＥｘを排気通路９へ戻す。排ガス切替弁６５、ＨＣ放出弁６６及び排ガス放出弁６７の動作は、いずれもエンジンＥＣＵ５０により制御される。

ここで、ＨＣ吸着後、改質可能な条件が満たされるまで、ＨＣ放出弁６６及び排ガス放出弁６７を閉じて、吸着・放出部６１内に吸着したＨＣの漏れを低減させる。このとき、排ガス導入通路６２に切替弁を設け、ＨＣ吸着後、改質可能な条件が満たされるまでの期間は、前記切替弁を閉じるようにしてもよい。このようにすれば、吸着・放出部６１内に吸着したＨＣの漏れ量をより低減できる。このときには、吸着・放出部６１の内圧が上昇し過ぎないように、規定の圧力値を超えた場合には、前記排ガス導入通路６２に設けた切替弁を開くように制御してもよい。次に、改質について説明する。

排気通路９から改質用導管１１へ導かれた排ガスＥｘは、改質用燃料噴射弁２４から改質用燃料Ｆｒが噴射される。改質用燃料Ｆｒは、内燃機関１の各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄へ供給される燃料Ｆの一部であり、内燃機関１の運転条件に応じて改質用燃料Ｆｒの供給量τｒが決定される。改質用燃料Ｆｒと排ガスＥｘとの改質用混合気Ｇｍｒは、改質用導管１１から改質室２１へ導入され、改質室２１の内壁面に担持された改質用触媒により、式（１）に示す改質反応により改質されて改質ガスＥｘｒとなる。
１．５６（７．６ＣＯ₂＋６．８Ｈ₂Ｏ＋４０．８Ｎ₂）＋３Ｃ_7.6Ｈ_13.6＋４１２２ｋＪ→３１Ｈ₂＋３４．７ＣＯ＋６３．６Ｎ₂・・・（１）

ここで、左辺第１項が排ガスＥｘ、左辺第２項が燃料（炭化水素ＨＣであり、実施例１ではガソリン）、右辺が改質ガスＥｘｒを示す。右辺の改質ガスＥｘｒに含まれる水素は、全改質ガスの体積に対して２４ｖｏｌ％である。また、この改質反応は吸熱反応であり、これにより排ガスＥｘの熱エネルギを回収することになる。このように、吸熱反応により排ガスＥｘが改質されるため、内燃機関１に供給する燃料の量が同一であっても、排ガスＥｘの熱を吸収した分だけ内燃機関１での燃焼における発熱量が増加する。

また、水素（Ｈ₂）の発熱量は２４１．７ｋＪ／ｍｏｌであり、ガソリン（ＣＨ_1.869）の発熱量は５９６．５ｋＪ／ｍｏｌである。しかし、式（１）の改質反応により、３モルのガソリン（燃料）から３１モルの水素が発生する。したがって、前記発熱量と、式（１）の改質によるモル数変化とを乗ずると、ガソリン単独を燃焼させる場合と比較して、改質ガスＥｘｒの発熱量は大幅に増加する。これにより、内燃機関１の出力トルクが増加し、また燃料消費は低減される。

改質室２１で生成された改質ガスＥｘｒは、ガス還流通路１０を通って、吸気通路３へ導入される。改質ガスＥｘｒは、７００℃前後の高温になるため、ガス還流通路１０の途中に設けられた冷却器１２で冷却されてから吸気通路３へ導入される。吸気通路３へ導入される改質ガスＥｘｒの流量（還流流量）は、還流流量調整弁５で制御される。吸気通路３へ導入される改質ガスＥｘｒの流量は、内燃機関１の運転条件に基づき、当該運転条件における最大限の改質ガスを内燃機関１に導入できるように決定される。この場合、改質ガスＥｘｒに含まれる水素、一酸化炭素（ＣＯ）の量を考慮し、ポート噴射弁６の燃料噴射量を補正して空燃比Ａ／Ｆを最適化する。

改質ガスＥｘｒに含まれる水素（Ｈ₂）は、ガソリンと比較して最大点火エネルギが１／１０程度であり、最大燃焼速度が１０倍弱である。このため、水素はガソリンと比較して急速燃焼する。上記改質反応によって得られた水素を含む改質ガスＥｘｒを内燃機関１に供給すると、改質ガスＥｘｒ中の水素により、燃焼改善効果が得られる。

内燃機関１の運転においては、排ガスＥｘを吸気側に還流させる、いわゆるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を実行することがある。内燃機関１が軽負荷で運転されているときにＥＧＲを実行すると、ポンプロスが低減されて燃料消費を低減できるが、排ガスＥｘの環流量（ＥＧＲ量）が多すぎると燃焼速度が遅くなって燃焼が悪化する。その結果、内燃機関１の出力トルクが低下し、ドライバビリティが悪化する。実施例１に係る内燃機関１は、水素を含む改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させるので、改質ガスＥｘｒの還流量を増加させた場合でも、水素が急速燃焼することで、燃焼悪化が抑制される。その結果、燃料消費を低減できるとともに、燃焼悪化に起因する出力トルクの低下を抑制して、ドライバビリティの悪化を抑えることができる。

また、内燃機関１が高負荷（例えばＷＯＴ（Wide Open Throttle）領域での運転や負荷率で８０％程度を超える領域での運転）においてＥＧＲを実行すると、燃焼室の温度を低下させることができるので、ストイキ（λ＝１）で運転できる領域が拡大する。しかし、ＥＧＲにより燃焼が悪化して、出力トルクが低下し、ドライバビリティを悪化させることがある。実施例１に係る内燃機関１は、排ガスＥｘだけではなく、水素を含む改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させるので、改質ガスＥｘｒ中の水素が急速燃焼することで燃焼悪化が抑制される。また、水素の急速燃焼によりノッキングを改善できるので、点火時期を進角させて、内燃機関１の出力トルクを向上させることができる。その結果、燃料消費を低減できるとともに、燃焼悪化に起因する出力トルクの低下を抑制して、ドライバビリティの悪化を抑えることができる。

次に、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置について説明する。図３は、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。実施例１に係る内燃機関の運転制御は、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置３０によって実現できる。図３に示すように、内燃機関の運転制御装置３０は、エンジンＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。エンジンＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力及び出力ポート５５、５６と、入力及び出力インターフェイス５７、５８とから構成される。

なお、エンジンＥＣＵ５０とは別個に、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置３０を用意し、これをエンジンＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、実施例１に係る内燃機関の運転制御方法を実現するにあたっては、エンジンＥＣＵ５０が備える内燃機関１の制御機能を、前記内燃機関の運転制御装置３０が利用できるように構成してもよい。

内燃機関の運転制御装置３０は、運転状態判定部３１と、吸着・放出制御部３２とを含んで構成される。これらが、実施例１に係る内燃機関の運転制御方法を実行する部分となる。実施例１において、内燃機関の運転制御装置３０は、エンジンＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐの一部として構成される。この他に、ＣＰＵ５０ｐには、改質を制御する改質制御部３３、及び内燃機関１の運転を制御する制御部５３が含まれている。

ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４₁〜５４₃を介して、入力ポート５５及び出力ポート５６を介して接続される。これにより、内燃機関の運転制御装置３０を構成する運転状態判定部３１と吸着・放出制御部３２とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。また、内燃機関の運転制御装置３０は、エンジンＥＣＵ５０が有する内燃機関１の負荷ＫＬや機関回転数ＮＥその他の内燃機関の運転制御データを取得したり、内燃機関の運転制御装置３０の制御をエンジンＥＣＵ５０の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

入力ポート５５には、入力インターフェイス５７が接続されている。入力インターフェイス５７には、エアフローセンサ４２、回転数センサ４３、改質用触媒床温度センサ４４、Ａ／Ｆセンサ４５、冷却水温センサ４６、アクセル開度センサ４７、排気温度センサ４８、水素濃度センサ４９その他の、燃料供給制御や内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェイス５７内のＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）５７ａやディジタル入力バッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、燃料供給制御や内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得することができる。

出力ポート５６には、出力インターフェイス５８が接続されている。出力インターフェイス５８には、排ガス切替弁６５、ＨＣ放出弁６６、排ガス放出弁６７その他の、内燃機関１の運転制御に必要な制御対象が接続されている。出力インターフェイス５８は、制御回路５８₁、５８₂等を備えており、ＣＰＵ５０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、前記センサ類からの出力信号に基づき、エンジンＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、内燃機関１の運転を制御することができる。

記憶部５０ｍには、実施例１に係る燃料供給制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや制御マップ、あるいは内燃機関１の運転制御に用いる燃料噴射量のデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐへすでに記録されているコンピュータプログラムと組み合わせによって、実施例１に係る燃料供給制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この内燃機関の運転制御装置３０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、運転状態判定部３１及び吸着・放出制御部３２の機能を実現するものであってもよい。次に、実施例１に係る燃料供給制御及び内燃機関の運転制御装置等の動作について説明する。この説明においては、適宜図１〜図３を参照されたい。

図４は、実施例１に係る内燃機関の運転制御を説明するフローチャートである。図５−１〜図５−３は、実施例１に係る炭化水素吸着・放出手段の動作を示す説明図である。実施例１に係る内燃機関の運転制御を実行する際には、まず、内燃機関の運転制御装置３０が備える運転状態判定部３１は、内燃機関１の暖機が完了しているか否かを判定する（ステップＳ１０１）。内燃機関１の暖機が完了したか否かは、冷却水温センサ４６が検出した内燃機関１の冷却水温に基づいて判定することができる。また、浄化触媒１６が浄化条件を満たしているか否かにより、内燃機関１の暖機が完了したか否かを判定してもよい。浄化条件を満たしているか否かは、浄化触媒１６の温度により判定することができる。すなわち、浄化触媒１６の温度がある温度以上であれば、排ガスＥｘに含まれるＣＯやＨＣを所定値よりも少なくできるので、これをもって暖機が完了したと判定できる。浄化触媒１６の温度は、例えば、排気温度センサ４８から取得した排気温度に基づいて求めたり、内燃機関１の運転条件から計算により推定したりすることができる。

内燃機関１の暖機が完了していない場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、内燃機関の運転制御装置３０が備える吸着・放出制御部３２は、炭化水素吸着・放出手段６０の吸着・放出部６１に、排ガスＥｘ中に含まれる炭化水素（ＨＣ）を吸着させる（ステップＳ１０２）。内燃機関１の暖機が完了するまでは、内燃機関１に供給される燃料が増量されるので、一般に内燃機関１の暖機中には多量の未燃の炭化水素が内燃機関１から排出される。また、内燃機関１の暖機が完了していない場合は、通常浄化触媒１６は浄化条件を満たしていない。したがって、内燃機関１の暖機が完了していない場合には、暖機完了後よりも多くのＨＣが排出され、かつ浄化触媒１６で十分に浄化されないことになる。このため、実施例１に係る内燃機関１は、内燃機関１の暖機完了前に、排ガスＥｘ中に含まれるＨＣを前記吸着・放出部６１に吸着させる。

排ガスＥｘ中に含まれるＨＣを前記吸着・放出部６１に吸着させるには、前記吸着・放出制御部３２が炭化水素吸着・放出手段６０の排ガス切替弁６５、ＨＣ放出弁６６及び排ガス放出弁６７を作動させ、排ガスＥｘを前記吸着・放出部６１に流入させる。より具体的には、図２に示すように、排ガス切替弁６５及びＨＣ放出弁６６を閉じ、排ガス放出弁６７を開く。これにより、内燃機関１から排気通路９に排出された排ガスＥｘは、排ガス切替弁６５に妨げられて炭化水素吸着・放出手段６０の排ガス導入通路６２へ流入し、吸着・放出部６１へ導かれる。そして、排ガスＥｘ中に含まれるＨＣは、吸着・放出部６１の吸着・放出材６１ｚに吸着される。ＨＣが吸着された後の排ガスＥｘは、ＨＣ放出弁６６が閉じているため、排ガス放出通路６４を通って排気通路９へ流れる。このようにして、吸着・放出部６１の吸着・放出材６１ｚへ排ガスＥｘ中に含まれるＨＣを吸着させたら、ＳＴＡＲＴに戻って内燃機関１の運転状態を監視する。

内燃機関１の暖機が完了した場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、内燃機関の運転制御装置３０が備える吸着・放出制御部３２は、内燃機関１が排出する排ガスＥｘを、暖機後の排気経路へ流す（ステップＳ１０３）。内燃機関１の暖機が完了すれば、排ガスＥｘ中に含まれる未燃のＨＣは少なくなり、また、浄化触媒１６も浄化条件を満たすことになるからである。

ここで、暖機後の排気経路とは、排ガスＥｘが排気通路９を通って改質器２０へ流れる経路であり、排ガスＥｘ炭化水素吸着・放出手段６０を通らずに排気通路９を流れることになる。このようにするため、前記吸着・放出制御部３２は、図５−１に示すように、排ガス切替弁６５を開くとともに、ＨＣ放出弁６６及び排ガス放出弁６７を閉じる。これにより、排ガスＥｘは排気通路９に設けられた排ガス切替弁６５を通って、暖機後の排気経路を流れる。

次に、前記運転状態判定部３１は、改質可能な条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。改質可能な条件を満たしていない場合（ステップＳ１０４；Ｎｏ）、前記吸着・放出制御部３２は、炭化水素吸着・放出手段６０のＨＣ放出弁６６を閉じて（ステップＳ１０５）、改質可能な条件を満たすまで待機する。改質可能な条件を満たしていない場合に前記ＨＣ放出弁６６を開き、吸着・放出部６１からＨＣを放出してこれを改質器２０へ導入しても、十分に改質されないからである。なお、ステップＳ１０４における判定では、改質室２１内の改質用触媒の温度が活性温度Ｔａ以上になっているか否か、及び排ガスＥｘが理論空燃比、あるいは理論空燃比よりも燃料が濃い状態であるか否かを判定する。

改質可能な条件を満たしている場合（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、改質器２０での改質を開始する。改質を開始するにあたって、まず、改質制御部３３は、内燃機関１へ還流させる改質ガスＥｘｒのガス還流率（以下改質ガス還流率という）を決定する（ステップＳ１０６）。この改質ガス還流率は、内燃機関１の運転条件を考慮して決定される。次に、この改質ガス還流率の決定手順の一例について説明する。

実施例１では、改質ガスＥｘｒを内燃機関１に最大限供給できるように改質ガス還流率を決定する。図６は、ガス還流率と燃料消費率との関係を示す説明図である。図７は、実施例１に係るＧＲｒマップの一例を示す説明図である。図６の点線は、排ガスＥｘのみを還流させた場合の燃料消費率ρとガス還流率（ＧＲ率）との関係を示している。ここで、ガス還流率とは、ガス還流量／（ガス還流量＋吸入空気量）である。また、排ガスＥｘのみを還流させた場合のガス還流率（ＧＲ率）は、いわゆるＥＧＲ率であり、実施例１ではＧＲｅで表す。実施例１におけるＥＧＲ率は、内燃機関１のある機関回転数ＮＥとある負荷（吸入空気量Ｇａ）との組み合わせに対して、燃料消費率ρが最も少なくなるとき（ρｍｉｎ１）のガス還流率である。このガス還流率は、図６中のＧＲｅとなる。

図６の実線は、改質ガスＥｘｒを還流させた場合の燃料消費率とガス還流率との関係を示している。ここで、「改質ガス還流率」とは、水素を含む改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させる場合のガス還流率をいう。図６において、改質ガス還流率は、改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させる場合において、内燃機関１のある機関回転数ＮＥとある負荷（吸入空気量Ｇａ）との組み合わせに対して、燃料消費率ρが最も少なくなるとき（ρｍｉｎ２）のガス還流率である。

このガス還流率は、図６中のＧＲｒとなる。ＧＲｒマップ８０（図７）は、複数の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとの組み合わせにおいて求めた改質ガス還流率ＧＲｒ_mnが記述されている。なお、ＧＲｒマップ８０には、改質ガス還流率ＧＲｒ_mnの代わりに、当該ガス還流率に相当する改質ガスＥｘｒの還流流量を記述してもよいし、当該ガス還流率になる還流流量調整弁５の開度を記述してもよい。吸着・放出制御部３２は、ＧＲｒマップ８０に内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとを与え、当該運転条件における改質ガス還流率を決定する。

内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとが決定されれば、そのときの改質用触媒温度Ｔｃも決まる。改質用触媒温度Ｔｃが決まれば、その改質用触媒温度Ｔｃにおいて得られる改質ガスＥｘｒ中に含まれる水素濃度（改質ガス水素濃度）Ｄ_H（ｖｏｌ％）も決まる。すなわち、内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとが決定されると、改質ガス水素濃度Ｄ_Hが決定される。

改質ガス還流率を決定するにあたっては、例えば、内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとから決定される改質用触媒温度Ｔｃ及び改質ガス水素濃度Ｄ_Hとを考慮した実験をして、例えば燃料消費率ρが最も小さくなるガス還流率を改質ガス還流率として決定する。そして、それぞれの機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとの組み合わせに対して改質ガス還流率を求め、ＧＲｒマップ８０を作成する。このように、改質ガス還流率は、改質用触媒温度Ｔｃ及び改質ガス水素濃度Ｄ_Hの情報も含んで決定される。そして、改質器２０に供給する改質用燃料供給量を決定するため、ＧＲｒマップ８０には、改質ガス還流率の他に、改質ガス水素濃度Ｄ_Hも記述されている。

なお、実施例１では、内燃機関１の燃料消費を低減する目的から燃料消費率ρが最も小さくなるガス還流率を改質ガス還流率としてＧＲｒマップを作成しているが、例えば、内燃機関１が搭載される車両のドライバビリティに着目して、内燃機関１のトルク変動の許容限度におけるガス還流率を改質ガス還流率としてＧＲｒマップを作成してもよい。このように、目的に応じて、改質ガス還流率を決定することができる。

このようにして決定された改質ガス還流率ＧＲｒは、図６に示すように、排ガスＥｘのみを還流させるときのＥＧＲ率よりも大きくなる。すなわち、改質ガス還流率を用いて決定される改質ガスＥｘｒの還流量は、ＥＧＲ率を用いて決定される排ガスＥｘの還流量よりも大きくなる。これにより、改質ガスＥｘｒを還流させるときは、排ガスＥｘのみを還流させるときよりも多くの改質ガスを内燃機関１に還流させることができる。

ある機関回転数ＮＥ、吸入空気量Ｇａがわかれば、内燃機関１が排出する総排ガス量がわかる。また、前記機関回転数ＮＥ、吸入空気量Ｇａのときにおける改質ガス還流率及びそのときの改質ガス水素濃度Ｄ_Hもわかるので、総排ガス量と改質器２０に導入される排ガスＥｘの量とがわかる。すなわち、改質ガス還流率に内燃機関１が排出する総排ガス量を乗じた値が、改質器２０に導入される排ガスＥｘの量である。そして、改質器２０に導入される排ガスＥｘの量と、改質ガス水素濃度Ｄ_Hとから、改質器２０に供給する改質用燃料Ｆｒの量を決定できる。上記手順によれば、ある機関回転数ＮＥ、吸入空気量Ｇａにおいて得られる改質ガスＥｘｒに含まれる水素の濃度が最大となるように、改質用燃料が改質器２０に供給されることになる。

改質ガス還流率ＧＲｒを決定したら、改質制御部３３は、決定した改質ガス還流率及びそのときの改質ガス水素濃度Ｄ_Hに基づいて、改質用燃料Ｆｒの供給量を決定する。第２のガス還流量を決定する際、内燃機関１の運転条件は機関回転数ＮＥ及び吸入空気量Ｇａであり、かつλ＝１（ストイキ）なので、このときに内燃機関１から排出される総排ガス量Ｑｅｘ＿ａｌｌがわかる。また、改質ガス還流率はＧＲｒマップ８０により決定されているので、この総排ガス量Ｑｅｘ＿ａｌｌに、ＧＲｒマップ８０から決定された改質ガス還流率ＧＲｒを乗ずれば、改質器２０へ導かれる排ガスＥｘの量、すなわち、改質器２０で改質される排ガス量Ｑｅｘｒを求めることができる。

実施例１においては、ある機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとにおいて、改質ガス水素濃度Ｄ_Hが最大となるように、改質用燃料Ｆｒと排ガスＥｘとの改質用混合気Ｇｍｒを改質する。このため、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは、改質される排ガス量Ｑｅｘｒが決定されれば、一義的に決定される。すなわち、改質ガスＥｘｒの改質ガス水素濃度Ｄ_Hが最大になるように、例えば、式（１）を用いて改質用燃料Ｆｒの供給量τｒを決定すればよい。また、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは、予め実験により求めて、機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとに対してマップ化しておいてもよい。

第２のガス還流量を決定したとき、内燃機関１は機関回転数ＮＥ及び吸入空気量Ｇａであり、λ＝１（ストイキ）なので、このときに内燃機関１へ供給する全燃料供給量τａｌｌがわかる。上記手順により、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒが決定されるので、内燃機関１へ供給する燃料Ｆｅの供給量τｅはτａｌｌ−τｒで求めることができる。このような手順により、内燃機関１へ供給する燃料Ｆｅの供給量τｅと、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒと、改質される排ガス量Ｑｅｘｒを決定するための改質ガス還流率とが決定される。改質制御部３３は、決定された改質ガス還流率に基づいて、還流流量調整弁５の開度を制御する。同時に、改質制御部３３は、内燃機関１へ供給する燃料Ｆｅの供給量τｅ及び改質用燃料Ｆｒの供給量τｒで燃料が噴射されるように、ポート噴射弁６及び改質用燃料噴射弁２４を制御する。

改質器２０で生成される改質ガスＥｘｒは、水素を含む。上述したように、水素は、燃焼速度が速く、可燃限界が広い。また、ガソリンに比べ等モルで１／３弱の発熱量を持つ。このため、水素を含んだ改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させると、排ガスＥｘのみを内燃機関１に還流させる場合よりガス還流率を高くしても安定した燃焼が得られる。したがって、図４に示すように、水素を含んだ改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させる場合、水素を含まない通常の排ガスＥｘを内燃機関１に還流させる場合よりも多くの改質ガスＥｘｒを還流させることができる。すなわち、図６に示すように、改質ガス還流率ＧＲｒは、ＥＧＲ率ＧＲｅよりもΔＧＲだけ大きく設定することができる。

これにより、最大限の改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させることができるので、ポンピングロスを低減させて、燃料消費を効果的に抑制できる。そして、改質ガスＥｘｒの還流による燃焼悪化は、改質ガスＥｘｒ中に含まれる水素により抑制できる。特に、実施例１では、改質ガスＥｘｒに含まれる水素濃度が最大となるように制御できるので、改質ガスＥｘｒの還流量増加に起因する燃焼悪化も効率的に抑制できる。

また、改質ガスＥｘｒに含まれる水素濃度が最大となるように制御できるので、ノッキングの改善効果や、改質して得られた水素による発熱量の増加によるトルク増加効果も得られる。さらに、内燃機関１の運転条件を考慮して改質ガス還流率を決定することにより、改質ガスＥｘｒを最大限供給できるので、燃焼温度低減によるＮＯｘ低減効果も得られる。

上述した手順で改質ガス還流率を決定したら（ステップＳ１０６）、改質器２０へ排ガスＥｘとＨＣ（ここでは未燃の燃料）との改質用混合気Ｇｍｒを改質器２０へ供給して、改質を開始する（ステップＳ１０７）。このときには、図５−２に示すように、前記吸着・放出制御部３２が排ガス放出弁６７を閉じ、排ガス切替弁６５及びＨＣ放出弁６６を開く。これにより、前記吸着・放出部６１に吸着されているＨＣを、改質用導管１１を通して改質器２０の改質室２１へ供給する。このように、改質時には、内燃機関１の暖機完了前に前記吸着・放出部６１へ吸着したＨＣを優先して消費するようにするので、改質器２０に対する燃料供給量を低減して、内燃機関１全体としての燃料消費を抑制することができる。また、暖機完了前に回収した未燃のＨＣがそのまま浄化触媒１６で浄化される割合を極めて低減できるので、回収したＨＣを有効に活用することができる。

なお、前記吸着・放出部６１から改質器２０へＨＣを供給する際には、必要に応じて排ガス切替弁６５をある程度閉じ、前記排ガス導入通路６２内の圧力を前記吸着・放出部６１よりも高くして、効率的に前記吸着・放出部６１からＨＣを改質用導管１１へ送り込んでもよい。また、改質時においては排ガスＥｘの温度も改質するために十分高くなっている。このため、高温の排ガスＥｘを前記吸着・放出部６１へ導入することで、前記吸着・放出部６１内の吸着・放出材６１ｚの温度を上昇させ、ＨＣの脱離を促進することもできる。

改質制御部３３は、前記吸着・放出部６１内から改質器２０へ供給されるＨＣが不足しているか否かを判定する（ステップＳ１０８）。改質器２０へ供給されるＨＣが不足しているか否かは、例えば、改質器２０から発生する改質ガスＥｘｒに含まれる水素の濃度と、内燃機関１の運転条件から決定されるガス還流率においての改質ガスＥｘｒに含まれるべき水素の濃度（改質ガス水素濃度）とを比較することによって判定できる。改質器２０から発生する改質ガスＥｘｒの水素の濃度は、ガス還流通路１０に設けられる水素濃度センサ４９により検出できる。

内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとが決定されれば、そのときの改質用触媒の温度（改質用触媒温度）Ｔｃも決まる。改質用触媒温度Ｔｃが決まれば、その改質用触媒温度Ｔｃにおいて得られる改質ガスＥｘｒ中に含まれる改質ガス水素濃度Ｄ_H（ｖｏｌ％）も決まる。すなわち、内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとが決定されると、改質ガス水素濃度Ｄ_Hが決定される。この改質ガス水素濃度Ｄ_Hと、前記機関回転数ＮＥ及び吸入空気量Ｇａにおいて水素濃度センサ４９で測定した水素濃度とを比較することによって、改質器２０へ供給されるＨＣが不足しているか否かを判定することができる。

また、水素濃度センサ４９によらず、Ａ／Ｆセンサ４５を用いて改質器２０へ供給されるＨＣが不足しているか否かを判定してもよい。改質時においては、理論空燃比、あるいは理論空燃比よりも燃料が濃い状態で内燃機関１が運転される。これは、理論空燃比よりも燃料が希薄の状態、すなわち酸素過多の状態では改質できないからである。

例えば、改質時に理論空燃比で内燃機関１を運転する場合、内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとが決定されると、そのときの全燃料供給量τａｌｌがわかる。改質時においては、この全燃料供給量τａｌｌは、内燃機関１に対する燃料の供給量τｅと、改質器２０に供給する燃料の供給量τｒとに振り分けられる。改質器２０へ供給されるＨＣが不足している場合、改質器２０に振り分けられる燃料の供給量τｒが不足することになるので、そのときの空燃比は、内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとから決定される空燃比よりも燃料が薄くなる方向に変化する。Ａ／Ｆセンサ４５によりこの変化を検出すれば、改質器２０へ供給されるＨＣが不足しているか否かを判定することができる。なお、Ａ／Ｆセンサ４５を用いる場合、Ａ／Ｆセンサ４５は、炭化水素導管６３の出口よりも排気通路９側（図１の点線で示すＡ／Ｆセンサ４５）で空燃比を検出するようにすることが好ましい。

また、改質器２０へ供給されるＨＣが不足している場合には、改質器２０から内燃機関１へ還流される改質ガスＥｘｒに含まれる水素は少なくなる。その結果、内燃機関１の燃焼が不安定になって燃焼変動が大きくなる。この燃焼変動の変化を、例えば内燃機関１の回転変動から検出したり、内燃機関１の燃焼室内の燃焼イオン電流から検出したりすることによって、改質器２０へ供給されるＨＣが不足しているか否かを判定することもできる。

前記ＨＣが不足していない場合（ステップＳ１０８；Ｎｏ）、一旦、この内燃機関の運転制御ルーチンから抜け、ＳＴＡＲＴからこの内燃機関の運転制御を再び実行する。前記ＨＣが不足している場合（ステップＳ１０８；Ｙｅｓ）、さらに多くのＨＣを改質器２０へ供給する必要がある。このため、前記吸着・放出制御部３２がＨＣ放出弁６６の開度を現状よりも大きくする（ステップＳ１０９）。

次に、前記吸着・放出制御部３２は、ＨＣ放出弁６６が全開か否かを判定する（ステップＳ１１０）。ＨＣ放出弁６６が全開でない場合（ステップＳ１１０；Ｎｏ）、ＨＣ放出弁６６が全開（図５−３参照）になるまで、ステップＳ１０８〜ステップＳ１１０を繰り返す。ＨＣ放出弁６６が全開である場合（ステップＳ１１０；Ｙｅｓ）、前記吸着・放出部６１からはこれ以上ＨＣを改質室２１へ供給することができないと判断できる。この場合には、改質制御部３３が改質用燃料噴射弁２４から改質用導管１１内に燃料を噴射させることにより、内燃機関１の運転条件によって定められたガス還流率が要求する改質用燃料の不足分を補う（ステップＳ１１１）。また、前記吸着・放出部６１からＨＣをほとんど放出してしまい、ここからはＨＣを改質室２１へ供給することができない場合には、改質用燃料噴射弁２４によって、内燃機関１の運転条件によって定められたガス還流率が要求する改質用燃料の全量を供給する。

以上、実施例１では、改質時には、内燃機関の暖機完了前に炭化水素吸着・放出手段へ吸着したＨＣを優先して消費するようにするので、改質器に対する燃料供給量を低減して、内燃機関全体としての燃料消費を抑制することができる。また、暖機完了前に回収した未燃のＨＣがそのまま浄化触媒で浄化される割合を極めて低減できるので、回収した未燃のＨＣを有効活用することができる。なお、実施例１で開示した構成は、適宜以下の実施例に適用することができる。

実施例２は、実施例１と略同様の構成であるが、理論空燃比よりも燃料が希薄の状態においては、炭化水素吸着・放出手段に吸着したＨＣを排ガスに供給することで、理論空燃比よりも燃料が濃い状態の排ガスを改質器へ供給して、燃料改質を可能とする点が異なる。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略する。

図８は、実施例２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。実施例２に係る内燃機関の運転制御は、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置３０（図３）により実現できる。実施例２に係る内燃機関の運転制御のステップＳ２０１〜ステップＳ２０５までは、実施例１に係る内燃機関の運転制御のステップＳ１０１〜ステップＳ１０５までと同様であるので、説明を省略する。なお、実施例２に係る内燃機関の運転制御のステップＳ２０４における判定では、改質室２１が備える改質用触媒の温度が活性温度Ｔａ以上になっているか否かを判定する。すなわち、前記改質用触媒での改質反応によって、十分な水素を発生することができる条件になっているか否かを判定する。

改質可能な条件を満たしている場合（ステップＳ２０４；Ｙｅｓ）、前記運転状態判定部３１は、Ａ／Ｆセンサ４５から信号を取得し、改質用導管１１内における排ガスＥｘの空燃比が、基準値よりも希薄（理論空燃比よりも燃料が希薄）であるか否かを判定する（ステップＳ２０６）。改質器２０は、排ガスＥｘの空燃比が理論空燃比、あるいはそれよりも燃料が濃い状態（リッチ）でなければ改質できない。したがって、実施例２において、前記基準値は理論空燃比となる。

改質用導管１１内における排ガスＥｘの空燃比が基準値よりも希薄でない場合（ステップＳ２０６；Ｎｏ）、改質器２０での改質に影響はない。このため、改質用燃料噴射弁２４から改質用導管１１内へ燃料を噴射することにより、改質器２０での改質を実行する。この場合、ＨＣ放出弁６６を閉じて（ステップＳ２０７）、吸着・放出部６１からＨＣを放出する必要があるときまで待機する。これにより、吸着・放出部６１から改質用導管１１へＨＣが流入することを抑制する。改質用導管１１内における排ガスＥｘの空燃比が基準値よりも希薄である場合（ステップＳ２０６；Ｙｅｓ）、このような排ガスＥｘを改質器２０へ導いても改質できない。この場合、前記吸着・放出部６１から改質用導管１１内へＨＣを放出する。

このようにすれば、高温の排ガスＥｘにＨＣが噴射されるので、排ガスＥｘ中に含まれる過剰な酸素が燃焼する。これによって、改質用導管１１内における排ガスＥｘの空燃比が基準値、あるいは基準値よりも燃料が濃い状態となる。これによって、改質用導管１１内における排ガスＥｘの空燃比が基準値よりも希薄である場合であっても、前記排ガスＥｘの空燃比を改質に適した状態に調整できる。

なお、実施例２における改質用導管１１内の空燃比の判定にあたっては、Ａ／Ｆセンサ４５を炭化水素導管６３の出口と改質器２０との間、すなわち、炭化水素導管６３よりも改質器２０側（図１の実線で示すＡ／Ｆセンサ４５の位置）に取り付けることが好ましい。これにより、ＨＣが放出されて空燃比が調整された排ガスＥｘの空燃比を検出できるので、改質器２０へ導入する排ガスＥｘの空燃比を迅速かつ正確に調整できる。

改質用導管１１内へＨＣを放出するときには、図５−２に示すように、前記吸着・放出制御部３２が排ガス放出弁６７を閉じ、排ガス切替弁６５及びＨＣ放出弁６６を開く（ステップＳ２０８）。これにより、前記吸着・放出部６１に吸着されているＨＣを、改質用導管１１内に供給する。次に、前記吸着・放出制御部３２は、ＨＣ放出弁６６が全開であるか否かを判定する（ステップＳ２０９）。ＨＣ放出弁６６が全開でない場合（ステップＳ２０９；Ｎｏ）、前記運転状態判定部３１は、改質用導管１１内の空燃比が、基準値よりもリーンであるか否かを判定する（ステップＳ２０６）。

改質用導管１１内の空燃比が基準値よりもリーンである場合（ステップＳ２０６；Ｙｅｓ）、さらにＨＣを供給して改質用導管１１内の空燃比を基準値以上にする必要がある。このため、前記吸着・放出制御部３２がＨＣ放出弁６６の開度を現状よりも大きくし（ステップＳ２０８）、ＨＣ放出弁６６が全開（図５−３参照）になるまで、ステップＳ２０６〜ステップＳ２０９を繰り返す。このような手順により、炭化水素吸着・放出手段に吸着したＨＣを排ガスに供給することで、理論空燃比よりも燃料が濃い状態の排ガスを改質器へ供給できるので、理論空燃比よりも燃料が希薄の状態における排ガスＥｘに対しても燃料改質ができる。

ＨＣ放出弁６６が全開である場合（ステップＳ２０９；Ｙｅｓ）、前記吸着・放出部６１からはこれ以上ＨＣを改質用導管１１内に供給することができないと判断できる。この場合には、改質制御部３３が改質用燃料噴射弁２４から改質用導管１１内に燃料を噴射させることにより、改質用導管１１内に導かれた排ガスＥｘに対して、改質に不足する分の燃料を供給する（ステップＳ２１０）。

なお、改質用導管１１内における排ガスＥｘの空燃比が基準値よりも希薄でない場合は（ステップＳ２０６；Ｎｏ）、改質用燃料噴射弁２４から改質用導管１１内へ燃料を噴射することにより、改質器２０での改質を実行する。このとき、上記手順では、ＨＣ放出弁６６を閉じて（ステップＳ２０７）、吸着・放出部６１からＨＣを放出する必要があるときまで待機している。しかし、ＨＣ放出弁６６を開き、吸着・放出部６１に吸着されているＨＣを改質用導管１１へ優先的に放出して、改質器２０での改質に供してもよい。この場合、ＨＣ放出弁６６を閉じるステップ（ステップＳ２０７）の代わりに、実施例１におけるステップＳ１０７〜ステップＳ１１１が実行される。このようにすれば、吸着・放出部６１に吸着したＨＣを優先的に使用して、内燃機関１の燃料消費を抑制できるとともに、排ガスＥｘが理論空燃比よりも燃料が希薄の状態においても燃料改質ができる。

以上、実施例２では、炭化水素吸着・放出手段を備え、これに吸着したＨＣを内燃機関１から排出される排ガスに供給することで、理論空燃比、あるいは理論空燃比よりも燃料が濃い状態の排ガスを改質器へ供給できる。これによって、理論空燃比よりも燃料が希薄の状態における排ガスに対しても燃料改質ができる。その結果、改質できる期間を増加させることができるので、改質ガスを内燃機関に還流させる期間が増加し、その分、燃料消費を抑制できる。なお、実施例２で開示した構成は、適宜以下の実施例に適用することができる。

実施例３は、実施例１と略同様の構成であるが、炭化水素吸着・放出手段の温度を調整できる温度調整手段を備える点が異なる。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略する。

図９は、実施例３に係る炭化水素吸着・放出手段を示す説明図である。この炭化水素吸着・放出手段６０ａは、温度調整手段として、吸着・放出部６１の外側に内燃機関１の冷却液を流すウォータージャケット６８ｗが設けられている。そして、内燃機関１の冷却液を、冷却液供給通路６８ｉからウォータージャケット６８ｗへ供給し、冷却液回収通路６８ｏから内燃機関１側へ冷却液を回収する。

内燃機関１とウォータージャケット６８ｗとの間には、冷却手段６８ｒが備えられており、内燃機関１の冷却液が高温の場合には、冷却手段６８ｒで冷却液の温度を冷却してからウォータージャケット６８ｗへ供給する。冷却手段は、例えば、熱交換器と送風器とを組み合わせて構成することができる。なお、冷却手段６８ｒは、内燃機関１が搭載される車両のラジエーターを用いてもよい。また、この例では、内燃機関１の冷却液により炭化水素吸着・放出手段６０ａの温度を調整する。すなわち、内燃機関１の冷却系の途中に炭化水素吸着・放出手段６０ａの温度調整手段を配置する。このような構成の他に、内燃機関１の冷却系とは独立して、炭化水素吸着・放出手段６０ａの温度調整手段を設けてもよい。さらに、冷却液以外にも、例えば吸着・放出部６１の外側にフィンを設け、これに空気を流すとともに、前記フィンに流す空気の量を調整することにより、吸着・放出部６１の温度調整手段を構成してもよい。

改質可能な条件を満たさない場合（上記ステップＳ１０４；Ｎｏ、ステップＳ２０４；Ｎｏ）には、改質可能な条件を満たすまで、吸着・放出制御部３２が炭化水素吸着・放出手段６０ａのＨＣ放出弁６６を閉じて待機させる。これによって、実施例３に係る炭化水素吸着・放出手段６０ａは、前記待機中において、吸着・放出材６１ｚの温度をＨＣの放出温度よりも低く保持することができる。

改質可能な条件を満たしたら（例えば、改質用触媒温度が活性温度以上になったとき）、その後、吸着・放出制御部３２が炭化水素吸着・放出手段６０ａの吸着・放出材６１ｚの温度を、ＨＣの放出温度よりも高い温度に昇温させる。具体的には、冷却手段６８ｒによる冷却を停止したり、ウォータージャケット６８ｗに対する冷却液の循環を停止させたりする。そして、吸着・放出材６１ｚの温度がＨＣの放出温度よりも高い温度に昇温したら、炭化水素吸着・放出手段６０ａのＨＣ放出弁６６を開き、改質用導管１１内へＨＣを放出する。このようにすることで、吸着・放出材６１ｚへ吸着させたＨＣの放出を低減して、排気通路９へのＨＣの流失を抑制できるので、吸着したＨＣをより効率的に利用することができる。そして、内燃機関１の燃料消費をより抑制できる。

なお、上記例では、改質可能な条件を満たした後に吸着・放出材６１ｚの温度をＨＣの放出温度よりも高い温度に昇温させるが、改質器２０の改質可能な条件を満たす時期を予測して、改質可能な条件を満たす前に、吸着・放出材６１ｚの温度を昇温させてもよい。例えば、改質用触媒床温度センサ４４の昇温速度から、運転状態判定部３１により、改質用触媒の温度が活性温度以上になる時期を予測する。そして、予測した時期に吸着・放出材６１ｚの温度がＨＣ放出温度を超えるように、吸着・放出制御部３２は、ウォータージャケット６８ｗに流す冷却液の温度を調整したり、あるいはウォータージャケット６８ｗに対する冷却液の循環を停止したりする。このようにすれば、改質可能な条件を満たすとともに、改質器２０へＨＣを供給することができるので、改質可能な条件を満たしたら、ただちに改質へ移行することができる。

図１０は、実施例３に係る炭化水素吸着・放出手段の他の例を示す説明図である。この炭化水素吸着・放出手段６０ｂは、上記炭化水素吸着・放出手段６０ａの温度調整手段として、さらに加熱手段としてヒータ６９ｈを設けている。このヒータ６９ｈは、バッテリ６９ｂの電力が、制御装置６９ｃを介して供給される。改質可能な条件を満たす場合（上記ステップＳ１０４；Ｎｏ、ステップＳ２０４；Ｙｅｓ）、ただちに吸着・放出材６１ｚの温度をＨＣの放出温度以上に上昇させる必要がある。このため、排ガス切替弁６５を多少閉じて、排ガスＥｘの一部を吸着・放出部６１内へ導いてもよいが、これによって排気抵抗が上昇し、内燃機関１の出力が低下したり、燃料消費が増加したりする。

この炭化水素吸着・放出手段６０ｂによれば、改質可能な条件を満たした後、吸着・放出材６１ｚの温度をＨＣの放出温度よりも高い温度に上昇させる場合には、ヒータ６９ｈで吸着・放出材６１ｚを加熱するので、排ガス切替弁６５を閉じることによる排気抵抗の上昇を抑制できる。その結果、内燃機関１の出力低下や燃料消費の増加を抑制できる。

以上、実施例３では、炭化水素吸着・放出手段の温度を調整可能な、温度調整手段を備える。そして、改質可能な条件を満たすまで、炭化水素吸着・放出手段の炭化水素吸着・放出部をＨＣ放出温度よりも低い温度に保つことができる。これによって、一旦吸着させたＨＣの放出を低減して、排気通路へのＨＣの流失を抑制できるので、吸着したＨＣをより効率的に利用することができる。その結果、内燃機関の燃料消費をより抑制できる。

以上のように、本発明に係る内燃機関及び内燃機関の運転制御装置は、排ガスに燃料を供給して、水素を含む改質ガスを生成する内燃機関に有用であり、特に、燃料消費を抑制することに適している。

実施例１に係る内燃機関の全体構成図である。 実施例１に係る内燃機関が備える炭化水素吸着・放出手段を示す概略図である。 実施例１に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。 実施例１に係る内燃機関の運転制御を説明するフローチャートである。 実施例１に係る炭化水素吸着・放出手段の動作を示す説明図である。 実施例１に係る炭化水素吸着・放出手段の動作を示す説明図である。 実施例１に係る炭化水素吸着・放出手段の動作を示す説明図である。 ガス還流率と燃料消費率との関係を示す説明図である。 実施例１に係るＧＲｒマップの一例を示す説明図である。 実施例２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。 実施例３に係る炭化水素吸着・放出手段を示す説明図である。 実施例３に係る炭化水素吸着・放出手段の他の例を示す説明図である。

符号の説明

１ 内燃機関
９ 排気通路
１１ 改質用導管
１６ 浄化触媒
２０ 改質器
２１ 改質室
２２ 排気通路
２４ 改質用燃料噴射弁
３０ 内燃機関の運転制御装置
３１ 運転状態判定部
３２ 吸着・放出制御部
３３ 改質制御部
４４ 改質用触媒床温度センサ
４５ Ａ／Ｆセンサ
４６ 冷却水温センサ
４８ 排気温度センサ
４９ 水素濃度センサ
６０、６０ａ、６０ｂ 炭化水素吸着・放出手段
６１ 吸着・放出部
６１ｚ 吸着・放出材
６２ 排ガス導入通路
６３ 炭化水素導管
６４ 排ガス放出通路
６５ 排ガス切替弁
６６ ＨＣ放出弁（炭化水素放出弁）
６７ 排ガス放出弁
６８ｗ ウォータージャケット
６８ｒ 冷却手段
６９ｈ ヒータ
５０ エンジンＥＣＵ

Claims (8)

1. 改質用燃料と排ガスとの改質用混合気を改質用触媒により改質して水素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスを、燃焼室とつながる吸気通路に還流させる改質手段と、
   炭化水素吸着・放出材を含み、前記排ガス中に含まれる炭化水素を前記炭化水素吸着・放出材に吸着させるとともに、吸着させた炭化水素を前記炭化水素吸着・放出材から放出させて前記改質手段へ供給する炭化水素吸着・放出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記炭化水素吸着・放出手段は、暖機完了前に前記炭化水素吸着手段へ排ガスを導き、暖機終了後、かつ改質可能な条件を満たした後に、吸着した炭化水素を前記改質手段に対して放出して、前記改質手段へ炭化水素を供給することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記炭化水素吸着・放出手段は、前記改質手段が改質に必要な温度を満たしており、かつ前記改質手段へ供給する排ガスの空燃比が、改質に必要な空燃比よりも燃料が薄い状態である場合には、前記改質手段へ供給される前記排ガス中へ、吸着した炭化水素を放出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記炭化水素吸着・放出材の温度を変更する温度調整手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記温度調整手段は、改質のために前記炭化水素吸着・放出材から炭化水素を放出するまでは、前記炭化水素吸着・放出材の温度を予め定めた温度に保持し、改質する際には、前記炭化水素吸着・放出材の温度を炭化水素の放出温度よりも高い温度に昇温させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
6. 改質用燃料と排ガスとの改質用混合気を改質した改質ガスを吸気通路に還流させる改質手段と、排ガス中の炭化水素を吸着・放出する炭化水素吸着・放出材を含む炭化水素吸着・放出手段と、を備える内燃機関を制御するものであり、
   前記内燃機関の暖機が完了したか否か、及び改質可能な条件を満たしているか否かを判定する運転状態判定部と、
   前記内燃機関の暖機が完了する前には、前記炭化水素吸着・放出材に前記内燃機関が排出する排ガス中の炭化水素を吸着させ、前記内燃機関の暖機が完了し、かつ改質可能な条件を満たした後には、前記炭化水素吸着・放出材から炭化水素を放出させて前記改質手段へ供給させる吸着・放出制御部と、
   を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の運転制御装置。
7. 排ガスと燃料との混合気を改質した改質ガスを吸気通路に還流させる改質手段と、排ガス中の炭化水素を吸着・放出する炭化水素吸着・放出材を含む炭化水素吸着・放出手段と、を備える内燃機関を制御するものであり、
   前記内燃機関の暖機が完了したか否か、及び改質可能な条件を満たしているか否かを判定する運転状態判定部と、
   前記内燃機関の暖機が完了する前には、前記炭化水素吸着・放出材に前記内燃機関が排出する排ガス中の炭化水素を吸着させ、前記内燃機関の暖機が完了し、かつ改質に必要な温度を満たしており、さらに前記改質手段へ供給する排ガスの空燃比が改質に必要な空燃比よりも燃料が薄い状態である場合には、前記炭化水素吸着・放出材から炭化水素を放出させ、この排ガスを前記改質手段へ供給させる吸着・放出制御部と、
   を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の運転制御装置。
8. 前記内燃機関は、前記炭化水素吸着・放出材の温度を変更する温度調整手段を備えており、
   前記吸着・放出制御部は、改質のために前記炭化水素吸着・放出材から炭化水素を放出するまでは、前記炭化水素吸着・放出材の温度を予め定めた温度に保持し、改質する際には、前記温度調整手段により前記炭化水素吸着・放出材の温度を炭化水素の放出温度よりも高い温度に昇温させることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の運転制御装置。

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