JP2006291901A - 内燃機関及び内燃機関の運転制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質ガスが濃い領域の偏りを抑制して、燃焼改善効果の低下を抑制すること。
【解決手段】この内燃機関１は、改質用燃料Ｆｒと、内燃機関１から排出される排ガスＥｘとの改質用混合気Ｇｍｒを改質触媒により改質して、水素を含む改質ガスＥｘｒを生成する改質器２０を備える。改質ガスＥｘｒは、ガス還流通路１０を通って内燃機関１の燃焼室へ還流する。改質器２０は、改質用燃料噴射弁２４により改質用燃料Ｆｒが噴射される。改質用燃料噴射弁２４は、一回の噴射における改質用燃料Ｆｒの噴射期間を、内燃機関１の運転条件に関わらず一定とする。そして、内燃機関１の運転条件に応じて改質用燃料Ｆｒを噴射する間隔を変更して、改質器２０へ改質用燃料Ｆｒを供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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。

内燃機関の排ガス中に燃料を添加し、両者の混合気を改質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。このような内燃機関において、特許文献１には、内燃機関の機関回転数に同期して、改質ガスを内燃機関に供給する燃料改質ガスエンジンの改質ガス供給装置が開示されている。

特開２００２−３９０２２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、機関回転数と同期して改質ガスを内燃機関に供給するため、例えば、高負荷時のように改質ガスの要求量が多いときには、改質ガスの濃い領域と薄い領域とが存在する。その結果、燃焼が改善する領域と燃焼が不安定となる領域が発生して、改質ガスを供給することによる燃料消費の改善効果が低減する。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、改質ガスが濃い領域の偏りを抑制して、燃料消費の低減効果が低下すること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、空気と燃料との混合気に点火手段で着火して、燃焼室内で燃焼させることにより駆動する内燃機関であって、改質用燃料と、前記内燃機関から排出される排ガスとの改質用混合気を改質触媒により改質して、水素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスを前記燃焼室へ還流させる改質手段と、一回の噴射における前記改質用燃料の噴射期間を、前記内燃機関の運転条件に関わらず一定とし、かつ、前記内燃機関の運転条件に応じて前記改質用燃料を噴射する間隔を変更して、前記改質手段へ改質用燃料を供給する改質用燃料供給手段と、を含むことを特徴とする。

この内燃機関は、改質用燃料を供給するにあたり、一回の噴射における改質用燃料の噴射期間を、内燃機関の運転条件に関わらず一定とし、かつ、内燃機関の運転条件に応じて改質用燃料を噴射する間隔を変更する。これによって、改質用混合気中へ、より均質に改質用燃料を分布させることができるので、生成される改質ガスの濃度に偏りが生じにくくなる。その結果、改質ガスが還流した燃焼室内では、全体的に燃焼が改善されるので、燃料消費の低減効果の減少が抑制される。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記噴射期間は、前記改質用燃料供給手段からの噴射量のばらつきが許容値以下となる最低の噴射期間と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、前記改質用燃料を噴射する間隔を、前記改質用燃料供給手段の温度に応じて変更す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、空気と燃料との混合気に点火手段で着火して、燃焼室内で燃焼させることにより駆動され、改質用燃料供給手段によって供給される改質用燃料と、内燃機関から排出される排ガスとの改質用混合気を改質触媒により改質して、水素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスを前記燃焼室へ還流させる改質手段と、を備える内燃機関を制御するものであり、前記改質用燃料供給手段の一回の噴射における前記改質用燃料の噴射期間を、前記内燃機関の運転条件に関わらず一定に設定し、かつ、前記内燃機関の運転条件に応じて前記改質用燃料供給手段が前記改質用燃料を噴射する間隔を変更することを特徴とする。

この内燃機関の運転制御装置は、改質用燃料を供給するにあたり、改質用燃料供給手段の一回の噴射における噴射期間を、内燃機関の運転条件に関わらず一定とし、かつ、内燃機関の運転条件に応じて、改質用燃料供給手段が改質用燃料を噴射する間隔を変更する。これによって、改質用混合気中へ、より均質に改質用燃料を分布させることができるので、生成される改質ガスの濃度に偏りが生じにくくなる。その結果、改質ガスが還流した内燃機関の燃焼室内では、全体的に燃焼が改善されるので、燃料消費の低減効果の減少が抑制される。

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、前記噴射期間は、前記改質用燃料供給手段からの噴射量のばらつきが許容値以下となる最低の噴射期間であ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、前記改質用燃料を噴射する間隔を、前記改質用燃料供給手段の温度に応じて変更す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は、改質ガスが濃い領域の偏りを抑制して、燃料消費の低減効果が低下することを抑制できる。

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。

この実施例は、改質用燃料と、内燃機関から排出される排ガスとの改質用混合気を改質触媒により改質して生成した改質ガスを、内燃機関の燃焼室へ還流させるものである。そして、改質用燃料を供給するにあたっては、一回の噴射における改質用燃料の噴射期間を、内燃機関の運転条件に関わらず一定とし、かつ、内燃機関の運転条件に応じて改質用燃料を噴射する間隔を変更する点に特徴がある。

図１は、この実施例に係る内燃機関の全体構成図である。図１を用いて、この実施例に係る内燃機関の構成について説明する。この実施例に係る内燃機関１は、改質手段である改質器２０に内燃機関１から排出される排ガスＥｘの一部を導き、この排ガスＥｘに炭化水素（ＨＣ）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、改質器２０は、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。

この実施例に係る内燃機関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と燃焼用混合気を形成する。この燃焼用混合気は、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内の燃焼室へ導入される。

なお、この実施例においては、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、ポート噴射弁を気筒数分用意して、各気筒１Ｓ₁〜１Ｓ₄のインテークマニホールド７₁〜７₄へそれぞれ独立して燃料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の両方を備え、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。この実施例において、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、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０に取り込まれる。そして、アクセル開度センサ４７からのアクセル開度情報を基に、機関ＥＣＵ５０はスロットル弁４の開度を調整する。

アクセル１７の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１７の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Ａ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で流量が計測される。その計測値は機関ＥＣＵ５０に取り込まれる。機関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。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。排気通路９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。そして、排ガスＥｘの空燃比から内燃機関１の燃焼状態を判定し、所定の空燃比から外れた場合には、機関ＥＣＵ５０で決定される、内燃機関１に対する燃料供給量を補正する。

排気通路９からは改質用導管１１が分岐しており、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、改質用燃料供給手段である改質用燃料噴射弁２４が取り付けられており、この改質用燃料噴射弁２４から、改質用導管１１へ導かれた排ガスＥｘへ改質用燃料Ｆｒが噴射される。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。なお、この実施例では、改質用燃料噴射弁２４の周囲温度を測定する温度センサ４８が、改質用燃料噴射弁２４に設けられている。

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θａ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、例えばジルコニア系の触媒や、ロジウム系の触媒が用いられる。

改質器２０には、改質触媒の温度を測定するため、改質触媒床温度センサ４４が取り付けられる。改質触媒そのものの温度を測定することは困難であるため、改質触媒を担持する触媒床の温度を測定して、改質触媒温度とする。改質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、改質触媒温度が活性温度θａ以上になってから排ガスＥｘの改質を開始するように、改質触媒床温度センサ４４により改質触媒の温度を監視する。なお、ロジウム系の改質触媒を用いる場合、活性温度θａ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（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、機関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。

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ＣＨであり、この実施例ではガソリン）、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の燃料噴射量を低減して空燃比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の還流量（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。この実施例に係る内燃機関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。この実施例に係る内燃機関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、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置について説明する。図２は、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。この実施例に係る内燃機関の運転制御は、この実施例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２に示すように、内燃機関の運転制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。機関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、機関ＥＣＵ５０とは別個に、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置３０を用意し、これを機関ＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、この実施例に係る内燃機関の運転制御を実現するにあたっては、機関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、制御パラメータ設定部３２と、改質制御部３３とを含んで構成される。これらが、この実施例に係る内燃機関の運転制御方法を実行する部分となる。この実施例において、内燃機関の運転制御装置３０は、機関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、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と制御パラメータ設定部３２と改質制御部３３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、機関ＥＣＵ５０が有する内燃機関１の負荷率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の制御を機関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、温度センサ４８その他の、内燃機関１に対する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、還流流量調整弁５、改質用燃料噴射弁２４その他の、内燃機関１に対する燃料供給制御や内燃機関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、機関ＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、内燃機関１に対する燃料の供給を制御したり、内燃機関１の運転を制御したりすることができる。

記憶部５０ｍには、この実施例に係る内燃機関の運転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の組み合わせによって、この実施例に係る内燃機関の運転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、制御パラメータ設定部３２及び改質制御部３３の機能を実現するものであってもよい。次に、この実施例に係る内燃機関の運転制御について説明する。この説明においては、適宜図１、図２を参照されたい。

図３は、この実施例に係る内燃機関の運転制御の手順を説明するフローチャートである。この実施例に係る内燃機関を運転するにあたり、内燃機関の運転制御装置（以下運転制御装置）３０が備える運転状態判定部３１は、内燃機関１の運転条件を取得して（ステップＳ１０１）、改質要求があるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。取得した運転条件から、改質要求がないと運転状態判定部３１が判定した場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻って、運転制御装置３０が内燃機関１の運転状態を監視する。

取得した運転条件から、改質要求があると運転状態判定部３１が判定した場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、次に運転状態判定部３１は、改質が可能な条件であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。例えば、内燃機関１の暖機が完了していない場合や、暖機完了後であっても改質触媒の温度が活性温度よりも低い場合には、十分な改質ガスＥｘｒが得られないため、このような場合には改質要求があっても改質をしない。

例えば、改質触媒床温度センサ４４から取得した改質触媒の温度が所定の温度以下である場合には、運転状態判定部３１が改質可能な条件ではないと判定する（ステップＳ１０３：Ｎｏ）。このような場合には、ＳＴＡＲＴに戻って、運転制御装置３０が内燃機関１の運転状態を監視する。なお、改質をしない場合、改質制御部３３は、還流流量調整弁５を閉じて改質器２０側からのガスの還流を中止するとともに、改質用燃料噴射弁２４からの燃料供給を停止して、改質可能になるまで改質を中止する。これにより、含有される水素が不十分な改質ガスＥｘｒの還流を中止して燃焼を安定させるとともに、改質されない燃料が改質室２１内やガス還流通路１０内に付着することを抑制できる。その結果、これらに起因する燃料消費の増加を抑制できる。

内燃機関１の暖機が完了し、かつ改質触媒の温度が所定の温度よりも高い場合には、運転状態判定部３１が改質可能な条件であると判定する（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）。次に、制御パラメータ設定部３２は、内燃機関１の機関回転数Ｎｅと負荷率（負荷に相当）ＫＬを取得して、その条件において改質器２０に対する燃料供給量を算出し（ステップＳ１０４）、決定する。次に、改質器２０に対する燃料供給量、すなわち、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒを決定する方法の一例を説明する。

この実施例においては、内燃機関１の燃料消費を低減する目的から、内燃機関１の燃料消費率ρが最も小さくなるように、改質ガスの還流率（改質ガス還流率）を決定している。なお、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改質ガス還流率を決定してもよい。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。ここで、改質ガス還流率とは、改質ガス還流量／（改質ガス還流量＋吸入空気量）である。

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、そのときの改質触媒温度Ｔｃも決まる。改質触媒温度Ｔｃが決まれば、その改質触媒温度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、改質触媒温度Ｔｃと改質ガス水素濃度Ｄ_Hとを考慮した実験をして、例えば内燃機関１の燃料消費率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る。このため、改質ガス還流率は、改質触媒温度Ｔｃ及び改質ガス水素濃度Ｄ_Hが考慮されて決定されるため、改質ガス還流率と改質触媒温度Ｔｃ及び改質ガス水素濃度Ｄ_Hとは、相関がある。ここで、改質触媒温度Ｔｃ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、また、吸入空気量Ｇａは、エアフローセンサ４２から求められる。

内燃機関１のある運転条件下における機関回転数Ｎｅ及び吸入空気量Ｇａが分かれば、内燃機関１が排出する総排ガス量が分かる。改質ガス還流率は、上記手順により予め決定されているため、前記運転条件下における機関回転数Ｎｅ及び吸入空気量Ｇａが分かれば、そのときの改質ガス還流率を求めることができる。また、上述したように、改質ガス水素濃度Ｄ_Hは、改質ガス還流率と相関があるので、ある運転条件下における改質ガス還流率が求まれば、そのときの改質ガス水素濃度Ｄ_Hを求めることができる。

改質器２０に導入される排ガスＥｘの量は、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である。また、改質ガス還流率が求まれば、その改質ガス還流率に対する改質ガス水素濃度Ｄ_Hも分かるので、内燃機関１から排出される総排ガス量と改質器２０に導入される排ガスＥｘの量とが分かる。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。

改質ガスＥｘｒを還流させるときには、λ＝１（ストイキ）となる。したがって、改質ガスＥｘｒを還流させるときにおける内燃機関１の機関回転数Ｎｅ及び吸入空気量Ｇａが分かれば、このときに内燃機関１から排出される総排ガス量Ｑｅｘ＿ａｌｌが分かる。また、改質ガス還流率は、機関回転数Ｎｅ及び吸入空気量Ｇａから決定されるので、前記総排ガス量Ｑｅｘ＿ａｌｌに決定された改質ガス還流率を乗ずれば、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。次に、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒを決定する。

例えば、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を改質するようにする。この場合、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中に含まれる水素濃度（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を決定する。このようにして、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒが決定される。

ここで、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒを決定したときにおける内燃機関１の機関回転数Ｎｅ及び吸入空気量Ｇａを用いれば、λ＝１（ストイキ）なので、内燃機関１へ供給する全燃料供給量τａｌｌが分かる。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。次に、この実施例に係る内燃機関１が備える改質用燃料噴射弁２４の燃料噴射方式を説明する。

図４−１は、この実施例に係る改質用燃料の噴射方法を示す説明図である。図４−２は、内燃機関の機関回転数に同期させて改質用燃料を噴射する例を示す説明図である。図５は、この実施例に係る改質用燃料噴射弁の噴射量と燃料噴射期間との関係を示す説明図である。

図４−１に示すように、この実施例に係る改質用燃料噴射弁２４は、ＯＮの信号が流れている期間だけ開弁する。そして、この期間に改質用燃料Ｆｒを噴射する。この実施例に係る改質用燃料噴射弁２４は、改質用燃料Ｆｒを噴射する期間（噴射期間）を、内燃機関１の運転条件に関わらず一定値ｔｍとする。そして、改質用燃料Ｆｒを噴射する間隔（以下噴射間隔）ΔｔをΔｔ₁、Δｔ₂、Δｔ₃等に変化させることにより、改質用燃料噴射弁２４は、所定の時間内に、ステップＳ１０４で決定した改質用燃料Ｆｒの供給量τｒを噴射する。

改質用燃料の噴射開始から次の噴射開始までを燃料噴射の１周期とすると、この実施例においては、内燃機関１の運転条件に関わらず燃料の噴射期間を一定とし、燃料噴射の周期（噴射周期）ＴをＴ₁、Ｔ₂、Ｔ₃等に変化させる。ここで、噴射周期Ｔの逆数１／Ｔは、燃料噴射の周波数（噴射周波数）ｆとなるので、この実施例においては、内燃機関１の運転条件に関わらず燃料の噴射期間を一定とし、噴射周波数ｆを変化させて、必要な燃料供給量を得る。

図４−２は、内燃機関１の機関回転数Ｎｅに同期させて、改質用燃料Ｆｒを噴射する例を示している。図４−２に示す例では、噴射周波数１／Ｔ＝１／（ｔ_O＋Δｔ₄）は機関回転数Ｎｅの回転周波数（ｎ／６０）と同期して変化する（ｎは１分あたりの機関回転数）。そして、改質用燃料の供給量を増加させたい場合には、噴射期間ｔ_Oを変化させる。すなわち、改質用燃料噴射弁２４の開弁時間を長くし、相対的に噴射間隔Δｔ₄は短くなる。

このような燃料噴射方法では、内燃機関１の高負荷運転時のように改質用燃料の供給量が増加すると、改質用混合気Ｇｍｒに改質用燃料Ｆｒの濃い部分と薄い部分との偏りが増加する。その結果、内燃機関１に還流される改質ガスＥｘｒには、改質ガスＥｘｒが濃い領域と薄い領域とが存在する。これによって、改質ガスＥｘｒが還流した燃焼室内では、燃焼が改善する領域と燃焼が不安定となる領域が発生して、改質ガスを供給することによる燃料消費の改善効果が低減する。また、改質用混合気Ｇｍｒに改質用燃料Ｆｒの濃い部分と薄い部分との偏りが増加することにより改質効率が低下して、燃料消費の低減効果が低下する。

この実施例においては、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒが少ない場合、噴射間隔Δｔを大きく、すなわち噴射周波数ｆを小さくする。一方、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒが増加するにしたがって、噴射間隔Δｔを小さく、すなわち噴射周波数ｆを大きくする。これにより、この実施例においては、同じ量の改質用燃料Ｆｒを供給する場合でも、少ない噴射量で複数回噴射することになるので、改質用混合気Ｇｍｒ中における改質用燃料Ｆｒの偏りを低減し、改質用混合気Ｇｍｒ中へより均質に改質用燃料Ｆｒを分布させることができる。そして、改質用混合気Ｇｍｒに存在する改質用燃料Ｆｒの濃い部分と薄い部分との偏りを低減できるので、生成される改質ガスＥｘｒ中には、改質ガスＥｘｒの濃い領域と薄い領域とは生じにくくなる。

その結果、改質ガスＥｘｒが還流した燃焼室内では、全体的に燃焼が改善される。その結果、改質ガスを供給することによる燃料消費の低減効果の減少は抑制されて、効果的に燃料消費を抑制できる。また、改質用混合気Ｇｍｒには、改質用燃料Ｆｒがより均質に分布するので改質効率の低下が抑制される。その結果、燃料消費の低減効果の減少は抑制されて、効果的に燃料消費を抑制できる。特に、改質用燃料Ｆｒの供給量が増加したとき（例えば高負荷時）に、燃料消費の低減効果の減少を抑制する効果は大きい。

改質用混合気Ｇｍｒ中における改質用燃料Ｆｒの偏りを低減するため、改質用燃料噴射弁２４の一回あたりの噴射量ｑはできるだけ小さく設定することが好ましい。したがって、改質用燃料噴射弁２４の噴射期間はできるだけ小さい方がよい。図５に示すように、改質用燃料噴射弁２４は、噴射期間（開弁時間）が短くなるにしたがって、噴射量ｑのばらつきが大きくなる。噴射量ｑのばらつきが大きくなると、正確に改質用燃料を供給できないので、改質用燃料噴射弁２４の噴射期間は、噴射量ｑのばらつきが許容値以下となる最低の噴射期間（最低噴射期間）ｔｍとする。これによって、改質用燃料噴射弁２４は、噴射量ｑのばらつきが許容できる範囲で、できる限り少ない噴射量ｑｍで改質用燃料Ｆｒを供給できる。最低噴射期間ｔｍは、例えば、複数の改質用燃料噴射弁２４を試験することによって予め決定する。なお、最低噴射期間ｔｍのときの噴射量はｑｍであり、これを改質用燃料噴射弁２４の最低噴射量ｑｍとする。

図６は、この実施例に係る内燃機関の運転制御に用いる噴射間隔を記述したマップの一例を示す説明図である。改質用燃料Ｆｒの供給量τｒを決定したら（ステップＳ１０４）、改質用燃料噴射弁２４による噴射間隔Δｔを決定する（ステップＳ１０５）。改質器２０へ供給する改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは、内燃機関１の負荷率ＫＬと機関回転数Ｎｅとで決定される。通常、負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅの増加とともに、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは増加する。したがって、負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅの増加とともに、噴射間隔Δｔを小さく、すなわち噴射周波数ｆを大きくする。

このように、改質用燃料噴射弁２４の噴射間隔Δｔは、内燃機関１の負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅによって決定される。例えば、図６に示すような噴射間隔マップ６０に、負荷率ＫＬと機関回転数Ｎｅとに対する噴射間隔Δｔを記述しておき、この噴射間隔マップ６０を、機関ＥＣＵ５０の記憶部５０ｍに格納しておく。なお、図６における同一の実線上は、同一の噴射間隔である。噴射間隔Δｔを決定する場合（ステップＳ１０５）、運転制御装置３０の制御パラメータ設定部３２が、内燃機関１の負荷率ＫＬと機関回転数Ｎｅとを取得し、これらを噴射間隔マップ６０に与える。そして、制御パラメータ設定部３２は、対応する噴射間隔Δｔを取得する。これによって、噴射間隔Δｔが決定される（ステップＳ１０５）。

図７は、この実施例に係る改質用燃料噴射弁の最低燃料噴射量と温度との関係の一例を示す説明図である。図７に示すように、改質用燃料噴射弁２４は、改質用燃料噴射弁２４の温度θの上昇とともに、最低噴射量ｑｍが上昇する傾向があるものがある。したがって、温度センサ４８によって改質用燃料噴射弁２４の温度θを測定し、最低噴射量ｑｍの変化に応じて、噴射間隔Δｔを変更するようにしてもよい。なお、この実施例では、図１に示すように、改質用燃料噴射弁２４に温度センサ４８を取り付けることにより、直接改質用燃料噴射弁２４の温度θを測定しているが、改質用燃料噴射弁２４の周囲温度から改質用燃料噴射弁２４の温度θを推定してもよい。

例えば、温度θの上昇とともに最低噴射量ｑｍが増加する傾向がある場合、温度θが高いときにおいても、温度θが低いときと同じ噴射間隔Δｔで燃料を噴射すると、要求よりも多い改質用燃料Ｆｒを供給することになる。この場合、制御パラメータ設定部３２は、温度θの上昇とともに、温度θが低い場合と比較して噴射間隔Δｔが短くなるように変更する。これによって、温度θが変化しても、要求通りの改質用燃料Ｆｒを供給できる。なお、温度θの上昇とともに最低噴射量ｑｍが減少する傾向がある場合、温度θの上昇とともに、温度θが低い場合と比較して噴射間隔Δｔが長くなるように変更する。

噴射間隔Δｔが決定されたら（ステップＳ１０５）、改質制御部３３は、決定された噴射間隔Δｔで改質用燃料噴射弁２４から改質用燃料Ｆｒを噴射する（ステップＳ１０６）。また、改質制御部３３は、還流流量調整弁５を所定の開度に開き、決定した改質ガス還流率で改質ガスＥｘｒを還流させる。

以上、この実施例では、改質用燃料を供給するにあたり、一回の噴射における改質用燃料の噴射期間を、内燃機関の運転条件に関わらず一定とし、かつ、内燃機関の運転条件に応じて改質用燃料を噴射する間隔を変更する。これによって、改質用混合気中へ、より均質に改質用燃料を分布させることができるので、生成される改質ガス中には、改質ガスの濃い領域と薄い領域とは生じにくくなる。その結果、改質ガスが還流した燃焼室内では、全体的に燃焼が改善されるので、改質ガスを供給することによる燃料消費の低減効果の減少は抑制されて、効果的に燃料消費を抑制できる。また、改質用混合気には、改質用燃料がより均質に分布するので改質効率の低下が抑制される。その結果、燃料消費の低減効果の減少は抑制されて、効果的に燃料消費を抑制できる。

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、改質ガスが濃い領域の偏りを抑制して、燃料消費の低減効果が低下することを抑制することに適している。

この実施例に係る内燃機関の全体構成図である。 この実施例に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。 この実施例に係る内燃機関の運転制御の手順を説明するフローチャートである。 この実施例に係る改質用燃料の噴射方法を示す説明図である。 内燃機関の機関回転数に同期させて改質用燃料を噴射する例を示す説明図である。 この実施例に係る改質用燃料噴射弁の噴射量と燃料噴射期間との関係を示す説明図である。 この実施例に係る内燃機関の運転制御に用いる噴射間隔を記述したマップの一例を示す説明図である。 この実施例に係る改質用燃料噴射弁の最低燃料噴射量と温度との関係の一例を示す説明図である。

符号の説明

１ 内燃機関
５ 還流流量調整弁
９ 排気通路
１０ ガス還流通路
１１ 改質用導管
２０ 改質器
２１ 改質室
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 制御パラメータ設定部
３３ 改質制御部
４２ エアフローセンサ
４３ 回転数センサ
４８ 温度センサ
５０ 機関ＥＣＵ
６０ 噴射間隔マップ

Claims (6)

1. 空気と燃料との混合気に点火手段で着火して、燃焼室内で燃焼させることにより駆動する内燃機関であって、
   改質用燃料と、前記内燃機関から排出される排ガスとの改質用混合気を改質触媒により改質して、水素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスを前記燃焼室へ還流させる改質手段と、
   一回の噴射における前記改質用燃料の噴射期間を、前記内燃機関の運転条件に関わらず一定とし、かつ、前記内燃機関の運転条件に応じて前記改質用燃料を噴射する間隔を変更して、前記改質手段へ改質用燃料を供給する改質用燃料供給手段と、
   を含むことを特徴とする内燃機関。
2. 前記噴射期間は、前記改質用燃料供給手段からの噴射量のばらつきが許容値以下となる最低の噴射期間とすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記改質用燃料を噴射する間隔を、前記改質用燃料供給手段の温度に応じて変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 空気と燃料との混合気に点火手段で着火して、燃焼室内で燃焼させることにより駆動され、改質用燃料供給手段によって供給される改質用燃料と、内燃機関から排出される排ガスとの改質用混合気を改質触媒により改質して、水素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスを前記燃焼室へ還流させる改質手段と、を備える内燃機関を制御するものであり、
   前記改質用燃料供給手段の一回の噴射における前記改質用燃料の噴射期間を、前記内燃機関の運転条件に関わらず一定に設定し、かつ、前記内燃機関の運転条件に応じて前記改質用燃料供給手段が前記改質用燃料を噴射する間隔を変更することを特徴とする内燃機関の運転制御装置。
5. 前記噴射期間は、前記改質用燃料供給手段からの噴射量のばらつきが許容値以下となる最低の噴射期間であることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の運転制御装置。
6. 前記改質用燃料を噴射する間隔を、前記改質用燃料供給手段の温度に応じて変更することを特徴とする請求項４又は５に記載の内燃機関の運転制御装置。

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