JP2007278241A

JP2007278241A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2007278241A
Application number: JP2006108414A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nakada; 浩一中田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】内燃機関において、燃料性状が変更されても改質器における改質性能の低下を抑制して良好な改質ガスの生成を可能とする。
【解決手段】排気管２５を流れる排気ガスの一部を分流する排気ガス分流管２９を介して改質器２７を接続すると共に、この排気ガス分流管２９に第２インジェクタ３０を装着し、この改質器２７で生成された改質ガスを吸気管１５に導入する改質ガス導入管３１及び流量調整弁３２を設け、燃料性状検出手段として空燃比センサ３６を適用し、ＥＣＵ３３は、排気空燃比がリーン状態またはリッチ状態であるときに燃料性状が変更されたと判定し、このときに第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料改質器を搭載した内燃機関に関し、特に、排気ガスの一部の還流ガスに燃料を供給した後に熱で改質して改質ガスを生成し、この改質ガスを吸気通路に供給するようにした内燃機関に関するものである。

従来、内燃機関の排気ガスの一部を取り出し、これを吸気通路に還流ガスとして供給し、この還流ガスを吸気に混合させることで燃焼時の最高温度を下げ、排気ガス中のＮＯｘを低減する排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムがある。また、このＥＧＲシステムを改良したシステムとして、近年、還流ガスに燃料の一部を加え、排気ガスに燃料が混合された混合ガスを排気ガスの熱を利用して加熱すると共に改質触媒を通すことで、この混合ガスに吸熱改質反応を行わせ、混合ガスから水素（Ｈ₂）や一酸化炭素（ＣＯ）を含む改質ガスを生成し、このリフォーマガスを吸気通路に供給することにより、効率の良い排気熱の回収、燃費の向上を図ったものが提案されている。

このような内燃機関の排気リフォーマシステムとしては、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された内燃機関の排気リフォーマシステムでは、吸気ポートに燃料噴射弁が設けられると共に、排気管から分岐した還流管に別の燃料噴射弁と燃料蒸発器と改質触媒とリフォーマガス制御弁が設けられており、通常時は、リフォーマガス制御弁を閉止し、吸気ポートに燃料を噴射して混合気を燃焼室に導入する一方、改質時は、リフォーマガス制御弁を開放し、還流管に燃料を噴射して改質触媒で生成したリフォーマガスを燃焼室に導入し、燃焼させるようにしている。

特開２００４−０９２５２０号公報

上述した従来の内燃機関の排気リフォーマシステムにあっては、還流管に燃料を噴射し、排気ガスに燃料が混合された混合ガスを改質触媒で吸熱改質反応により改質ガスを生成し、この生成した改質ガスを燃焼室に導入している。ところで、近年、燃料として、ガソリンだけでなく、このガソリンにエタノールを混合した燃料を使用可能とした多様燃料車（ＦＦＶ＝Flexible Fuel Vehicles）が利用されている。このような多様燃料車に排気リフォーマシステムを適用すると、燃料性状が変更された直後は、排気ガスが一時的にリーン状態またはリッチ状態となり、改質器による改質性能が低下してしまう。

即ち、ガソリンとエタノールとでは、所定量あたりの発熱量が大きく相違する。そのため、燃料の含まれるエタノール量が増加する側に燃料性状が変更された場合、ガソリンに比べてエタノールの発熱量が少ないため、一時的にリーン状態となる。すると、このリーン状態にある排気ガスに燃料を供給し、排気ガスと燃料との混合ガスが改質器(改質触媒)に流入して改質されるが、このとき、排気ガスには酸素が過剰に含まれているため、この改質器にて、排気ガス中の燃料がこの過剰の酸素により酸化反応が促進され、改質器が加熱されてしまい、破損してしまうおそれがある。

一方、燃料の含まれるエタノール量が減少する側に燃料性状が変更された場合、ガソリンに比べてエタノールの発熱量が少ないため、一時的にリッチ状態となる。すると、このリッチ状態にある排気ガスに更に燃料を供給し、排気ガスと燃料との混合ガスが改質器(改質触媒)に流入して改質されると、排気ガス中の炭素（Ｃ）が触媒表面を覆うコーキングと称される問題が生じ、触媒性能が低下してしまう。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、燃料性状が変更されても改質器における改質性能の低下を抑制して良好な改質ガスの生成を可能とした内燃機関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、本発明の内燃機関は、外気を燃焼室に導入する吸気通路と、該吸気通路または前記燃焼室に複数種類の燃料を供給する第１燃料供給手段と、前記燃焼室から排出された排気ガスを外部に排出する排気通路と、該排気通路を流れる排気ガスの一部を分流する排気ガス分流通路と、該排気ガス分流通路に複数種類の燃料を供給する第２燃料供給手段と、該第２燃料供給手段から燃料が供給された前記排気ガス分流通路を流れる排気ガスを流入させて改質ガスを生成する改質器と、該改質器で生成された改質ガスを前記吸気通路に導入する改質ガス導入通路と、前記第１燃料供給手段及び第２燃料供給手段から供給される燃料の性状を検出する燃料性状検出手段と、該燃料性状検出手段が燃料性状の変更を検出したときに前記第２燃料供給手段による燃料の供給を停止する制御手段とを具えたことを特徴とするものである。

本発明の内燃機関では、前記制御手段は、前記燃料性状検出手段が燃料性状の変更を検出したときに、前記第２燃料供給手段による燃料の供給を停止し、その後、燃料性状の変更に伴う燃料噴射量制御が完了したら、前記第２燃料供給手段による燃料の供給を再開することを特徴としている。

本発明の内燃機関では、前記改質ガス導入通路に開閉弁が設けられ、前記制御手段は、前記燃料性状検出手段が燃料性状の変更を検出したときに、前記第２燃料供給手段による燃料の供給を停止すると共に、前記開閉弁を閉止することを特徴としている。

本発明の内燃機関では、前記排気通路に空燃比センサまたは酸素センサが設けられ、前記燃料性状検出手段は、前記空燃比センサまたは前記酸素センサの検出結果に基づいて燃料の性状を検出することを特徴としている。

本発明の内燃機関では、前記改質ガス導入通路に開閉弁が設けられ、前記制御手段は、前記改質器に担持された改質触媒の床温が予め設定された所定の活性化温度以上であると判定したときに、前記第２燃料供給手段による燃料の供給を許可する一方、前記燃料性状検出手段が燃料性状の変更を検出したときには、前記改質器に担持された改質触媒の床温に拘らず前記開閉弁を閉止することを特徴としている。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、排気通路を流れる排気ガスの一部を分流する排気ガス分流通路に複数種類の燃料を供給する第２燃料供給手段を設け、燃料が供給された排気ガスを流入させて改質ガスを生成する改質器を設け、この改質器で生成された改質ガスを吸気通路に導入する改質ガス導入通路を設け、第１、第２燃料供給手段から供給される燃料の性状を検出する燃料性状検出手段を設けると共に、燃料性状の変更を検出したときに第２燃料供給手段による燃料の供給を停止する制御手段を設けたので、燃料の性状が変更されたときには、排気ガスへの燃料の供給が停止されることで、改質触媒の高温化やコーキングの発生を抑制することで、改質器における改質性能の低下を抑制して良好な改質ガスの生成を可能とすることができる。

以下に、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関を表す概略構成図、図２は、実施例１の内燃機関における燃料改質制御を表すフローチャートである。

実施例１の内燃機関は、燃料として、ガソリンだけでなく、このガソリンにエタノールを混合した燃料を使用可能とした多様燃料を使用可能な内燃機関であって、多様燃料車（ＦＦＶ）に適用されるものである。

実施例１の内燃機関において、図１に示すように、この内燃機関としてのエンジン１１はポート噴射式の４気筒型であって、図示しないが、シリンダブロック上にシリンダヘッドが締結されており、複数のシリンダボアにピストンがそれぞれ上下移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロックの下部にクランクケースが締結され、このクランクケース内にクランクシャフトが回転自在に支持されており、各ピストンはコネクティングロッドを介してこのクランクシャフトにそれぞれ連結されている。

シリンダブロックとシリンダヘッドとピストンにより４つの気筒に対応して燃焼室１２がそれぞれ構成されており、この各燃焼室１２は、上部に吸気ポート１３及び排気ポート１４が対向してそれぞれ形成されており、この各吸気ポート１３及び排気ポート１４は、図示しない吸気弁及び排気弁によって開閉可能となっている。

そして、吸気管（吸気通路）１５の下流端部がインテークマニホールド１６を介して各吸気ポート１３に連結されており、この吸気管１５の上流端部にはエアクリーナ１７が取付けられている。そして、このエアクリーナ１７の下流側にスロットル弁１８を有する電子スロットル装置１９が設けられている。また、インテークマニホールド１６には、各燃焼室１２に対応した吸気ポート１３に燃料を供給可能な第１インジェクタ（第１燃料供給手段）２０が装着されている。この第１インジェクタ２０は、燃料供給管２１により燃料タンク２２内の燃料ポンプ２３に連結されている。なお、図示しないが、各燃焼室１２には、混合気に着火する点火プラグが装着されている。

一方、各排気ポート１４には、エキゾーストマニホールド２４を介して排気管（排気通路）２５が連結されており、この排気管２５には、第１三元触媒２６と改質器２７と第２三元触媒２８が装着されている。この三元触媒２６，２８は、排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害物質を同時に浄化処理することができるものであり、空燃比が理論空燃比（ストイキ、Ａ／Ｆ≒１４．７）近傍にあるときに、排気ガス中の有害物質を浄化することができる。また、この改質器２７は、後述するように、排気ガスの一部に燃料を供給した後、その混合ガスを排気熱で改質して改質ガスを生成するものである。

ここで、改質器２７について詳細に説明する。この改質器２７は、排気管２５に接続される筒体２７ａと、この筒体２７ａ内に相互に連通する複数の部屋をもって配置されて内部に改質触媒（例えば、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｈ）が担持された改質室２７ｂと、この筒体２７ａ内に複数の改質室２７ｂの間に形成されたガス挿通路２７ｃとを有している。排気管２５における改質器２７の上流側に、排気ガス分流管（路排気ガス分流通路）２９が分岐して設けられ、この排気ガス分流管２９の下流側端部が改質器２７における改質室２７ｂの一端部に連結されている。そして、この排気ガス分流管２９には、排気管２５から排気ガス分流管２９に分流された排気ガスの一部に対して燃料を噴射する第２インジェクタ（第２燃料供給手段）３０が設けられている。この第２インジェクタ３０は、第１インジェクタ２０と同様に、燃料供給管２１により燃料タンク２２内の燃料ポンプ２３に連結されている。

また、改質器２７改質室２７ｂの他端部には、この改質器２７で生成された改質ガスを吸気管１５に導入する改質ガス導入管（改質ガス導入通路）３１の一端部が接続されており、この改質ガス導入管３１の他端部は、吸気管１５における電子スロットル装置１９の下流側に連結されている。そして、この改質ガス導入管３１には、吸気管１５に導入する改質ガス量を制御する流量調整弁３２が装着されている。また、排気管２５における改質器２７の上流側と下流側は、ガス挿通路２７ｃにより連通されている。

なお、本実施例のエンジン１１では、第１インジェクタ２０により吸気ポート１３を流れる吸気に対して燃料噴射したり、第２インジェクタ３０により排気ガス分流管２９を流れる排気ガスに対して燃料を噴射するものであり、第１インジェクタ２０による燃料噴射を吸気燃料噴射、第２インジェクタ３０による燃料噴射を排気燃料噴射と称して区別する。

従って、流量調整弁３２が開放された状態では、排気管２５を流れる排気ガスの一部が排気ガス分流管２９に分流され、この排気ガスに対して、第２インジェクタ３０が燃料噴射（排気燃料噴射）を行う。この場合、排気ガスは酸素を含んでおり、燃料と酸素を含む排気ガスとが混合した混合ガスは、改質器２７の改質室２７ｂに流れ、排気管２５から改質器２７のガス挿通路２７ｃを流れる排気ガスの熱により加熱される。すると、この混合ガスは蒸発が促進されて気化すると共に、この気化した混合ガスが吸熱反応を起こして改質され、水素や一酸化炭素などを含む改質ガスが生成される。

例えば、排気ガスが「７．６ＣＯ₂＋６．８Ｈ₂Ｏ＋４０．８Ｎ₂」で、そのガソリン燃料が「Ｃ_7.6Ｈ_13.6」である場合の吸熱反応は、
１．５６（７．６ＣＯ₂＋６．８Ｈ₂Ｏ＋４０．８Ｎ₂）＋３（Ｃ_7.6Ｈ_13.6）＋９８４．８ｋｃａｌ→３１Ｈ₂＋３４．７ＣＯ＋６３．６Ｎ₂
で表される。即ち、このときの吸熱反応によれば、３モルのガソリン燃料から３１モルの水素ガスと３４．７モルの一酸化炭素ガスが生成される。

改質器２７で生成された改質ガスは、改質室２７ｂから改質ガス導入管３１に流れ、流量調整弁３２の開度によりその供給量が調整され、吸気管１５を流れる吸気に対して供給される。そして、吸気と改質ガスとが混合した混合気がインテークマニホールド１６から吸気ポート１３を通って燃焼室１２に導入され、点火プラグにより着火して爆発し、排気弁の開放時に、排気ガスが排気ポート１４から排気管２５に排出される。この場合、改質ガスが水素を含んでいるため、燃焼室１２での燃焼効率が良く、燃費を向上することができると共に、ＮＯｘの発生を抑制して排気浄化効率を向上することができる。

車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）３３が搭載されており、このＥＣＵ３３は、第１インジェクタ２０、第２インジェクタ３０、点火プラグなどを駆動制御することで、燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを制御可能となっている。即ち、吸気管１５の上流側にはエアフローセンサ３４が装着されており、計測した吸入空気量をＥＣＵ３３に出力している。また、電子スロットル装置１９はスロットルポジションセンサを有しており、現在のスロットル開度をＥＣＵ３３に出力している。更に、クランク角センサ３５は、検出した各気筒のクランク角度をＥＣＵ３３に出力し、このＥＣＵ３３は検出したクランク角度に基づいて各気筒における吸気、圧縮、膨張（爆発）、排気の各行程を判別すると共に、エンジン回転数を算出している。また、排気管２５における第１三元触媒２６の上流側には空燃比センサ３６が装着されており、計測した排気空燃比（Ａ／Ｆ）をＥＣＵ３３に出力している。

従って、ＥＣＵ３３は、検出した吸入空気量、スロットル開度（または、アクセル開度）、エンジン回転数などのエンジン運転状態に基づいて、全体の燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを決定している。この場合、全体の燃料噴射量とは、第１インジェクタ２０及び第２インジェクタ３０が噴射する燃料噴射量の合計である。また、ＥＣＵ３３は、排気空燃比（Ａ／Ｆ）をフィードバックしており、この排気空燃比がストイキとなるように燃料噴射量を補正している。

また、ＥＣＵ３３は、第２インジェクタ３０や流量調整弁３２などを駆動制御することで、吸気管１５に導入する改質ガス量を制御可能となっている。即ち、改質器２７の改質室２７ｂには、庄温センサ３７が設けられており、現在の改質室２７ｂの温度（庄温）をＥＣＵ３３に出力している。

従って、ＥＣＵ３３は、検出した改質器２７の庄温に基づいてこの改質器２７が活性温度にあるかどうかを判定する。また、ＥＣＵ３３は、エンジン回転数とエンジン負荷（例えば、スロットル開度）に基づいて吸気管１５に還流可能な排気ガス量の上限値を算出する。そして、ＥＣＵ３３は、改質器２７の温度が活性温度以上にあると判定したときには、吸気管１５に還流可能な排気ガス量に基づいて吸気管１５に導入可能な改質ガス量を算出し、流量調整弁３２の開度を設定すると共に、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射量を設定する。この場合、吸入空気量やエンジン回転数などに基づいて算出された全体の燃料噴射量から、ここで設定された第２インジェクタ３０による排気燃料噴射量を減算することで、第１インジェクタ２０が噴射する吸気燃料噴射量が設定される。

ところで、本実施例のエンジン１１は、燃料として、ガソリンだけでなく、このガソリンにエタノールを混合した燃料を使用可能であり、燃料タンク２２に補給される燃料は、それまで使用していた燃料とその性状が同じものであるとは限らない。そのため、本実施例では、燃料性状検出手段として空燃比センサ３６及びＥＣＵ３３を適用し、ＥＣＵ３３は、この空燃比センサ３６が計測した排気空燃比をフィードバックし、この排気空燃比がストイキからリーン側またはリッチ側にずれたときに燃料性状が変更されたことを判別し、変更された燃料性状に合わせて学習制御し、全体の燃料噴射量を補正している。

しかし、本実施例のエンジン１１では、排気管２５から分岐した排気ガス分流管２９に改質器２７が連結されると共に、この排気ガス分流管２９に第２インジェクタ３０が設けられており、空燃比が一時的に変動した排気ガスに対して燃料が噴射され、その混合ガスが改質器２７に流入することとなり、改質器２７による改質性能が低下してしまう。

即ち、ガソリンにおける所定量あたりの発熱量は、エタノールにおける所定量あたりの発熱量より大きいため、燃料の含まれるエタノール量が増加する側に燃料性状が変更された場合、排気空燃比が一時的にリーン状態となる。そして、このリーン状態にある排気ガスに燃料が供給された混合ガスが改質器２７に流入すると、混合ガス中の燃料が過剰の酸素により酸化反応が促進され、改質器２７が加熱されて破損するおそれがある。

また、燃料の含まれるエタノール量が減少する側に燃料性状が変更された場合、排気空燃比が一時的にリッチ状態となる。そして、このリッチ状態にある排気ガスに更に燃料が供給された混合ガスが改質器２７に流入すると、排気ガス中の炭素（Ｃ）が改質室２７ｂに担持された改質触媒の表面を覆うコーキングと称される問題が生じてしまう。

そこで、本実施例では、制御手段としてのＥＣＵ３３は、空燃比センサ３６が計測した排気空燃比に基づいて燃料性状の変更を検出したときには、第２インジェクタ３０による燃料噴射を停止するようにしている。そして、ＥＣＵ３３は、その後、燃料性状の変更に伴う燃料噴射量制御が完了したら、第２インジェクタ３０による燃料噴射を再開するようにしている。そのため、燃料性状が変更されて排気空燃比が一時的にリーン状態となっても、改質器２７に流入する排気ガスに燃料が噴射されないため、改質器２７の加熱が抑制され、また、排気空燃比が一時的にリッチ状態となっても、改質器２７に流入する排気ガスに燃料が噴射されないため、排気ガス中の炭素量は少なく、改質触媒のコーキングが抑制される。

ここで、実施例１の内燃機関における燃料改質制御を図２のフローチャートに基づいて詳細に説明する。

本実施例の内燃機関における燃料改質制御おいて、図２に示すように、ステップＳ１１にて、ＥＣＵ３３は、改質器２７が予め設定された所定の燃料改質開始条件を満たしているかどうかを判定する。具体的には、改質器２７における改質室２７ｂの床温、つまり、庄温センサ３７が検出した触媒庄温が予め設定された所定の活性温度（例えば、６００℃）に達しているかどうかを判定する。ここで、改質器２７における改質室２７ｂの触媒庄温が所定の活性温度に達していると判定されたら、ステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２にて、ＥＣＵ３３は、空燃比センサ３６が計測した排気空燃比に基づいて、この排気空燃比がストイキ状態にあるかどうかを判定する。つまり、空燃比センサ３６が計測した排気空燃比が、理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）よりも大きければ、空燃比が希薄であることからリーン状態と判定し、理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）よりも小さければ、空燃比が濃厚であり、リッチ状態と判定する。なお、理論空燃比を中心とした所定のストイキ領域を設定し、計測した排気空燃比がこのストイキ空燃比領域を外れたときに、排気空燃比がリーン状態またはリッチ状態と判定してもよい。

そして、このステップＳ１２にて、現在の排気空燃比がストイキであると判定されたら、ステップＳ１３に移行し、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を実行する。この場合、ＥＣＵ３３は、エンジン回転数や吸入空気量などから全体の燃料噴射量を算出する一方、エンジン回転数やスロットル開度（エンジン負荷）などから吸気管１５に還流可能な最大の排気ガス量を算出し、この最大の排気ガス量と改質器２７の触媒庄温などから吸気管１５に導入可能な改質ガス量を算出し、流量調整弁３２の開度を設定する。そして、改質器２７の触媒床温と、改質ガス導入管３１を通して吸気管１５に導入される改質ガス量に基づいて第２インジェクタ３０が噴射する排気燃料噴射量を設定する。また、全体の燃料噴射量から、この第２インジェクタ３０による排気燃料噴射量を減算することで、第１インジェクタ２０が噴射する吸気燃料噴射量を設定する。

そのため、エンジン１１の排気管２５に排出された排気ガスは、改質器２７のガス挿通路２７ｃを流通して三元触媒２８に流入すると共に、排気ガスの一部が排気ガス分流管２９に分流され、この排気ガスに対して第２インジェクタ３０から所定量の燃料が噴射され、燃料と排気ガスとの混合ガスが改質器２７の改質室２７ｂに流入する。すると、改質室２７ｂに流入した混合ガスは、ガス挿通路２７ｃを流れる排気ガスの熱により加熱され、吸熱反応を起こして改質され、水素や一酸化炭素などを含む改質ガスが生成される。このとき、排気燃料噴射量が改質器２７の触媒床温や改質ガス量に基づいて適正に調整されることから、良質の改質ガスが生成される。

そして、この改質室２７ｂで生成された改質ガスは、改質ガス導入管３１に流れ、流量調整弁３２の開度によりその供給量が調整され、吸気管１５を流れる吸気に対して供給される。すると、吸気と改質ガスとが混合した混合気がインテークマニホールド１６から吸気ポート１３を通って燃焼室１２に導入され、点火プラグにより着火して爆発して良好な燃焼を可能とすることができ、排気弁の開放時に、排気ガスが排気ポート１４から排気管２５に排出される。この場合、改質ガスに水素や一酸化炭素が含まれているため、燃焼室１２での燃焼効率が良く、多量の排気ガスを還流させることができ、燃費を向上することができる。また、排気ガスに含まれる二酸化炭素などを燃焼室１２に戻して再燃焼させることができると共に、燃焼温度を低下することでＮＯｘの発生を抑制することができ、排気浄化効率を向上することができる。

一方、ステップＳ１１にて、ＥＣＵ３３が、改質器２７における改質室２７ｂの触媒庄温が所定の活性温度に達していないと判定したら、ステップＳ１４に移行し、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止する。このとき、ＥＣＵ３３は、エンジン回転数や吸入空気量などから算出した全体の燃料噴射量を、第１インジェクタ２０が噴射する吸気燃料噴射量として設定する。そのため、エンジン１１の排気管２５に排出された排気ガスの一部が排気ガス分流管２９に分流され、改質器２７の改質室２７ｂを通過した後、改質ガス導入管３１に流れ、流量調整弁３２の開度によりその供給量が調整され、ＥＧＲガスとして吸気管１５を流れる吸気に供給される。すると、吸気とＥＧＲガスとが混合した混合気がインテークマニホールド１６から吸気ポート１３を通って燃焼室１２に導入され、点火プラグにより着火して爆発して良好な燃焼を可能とすることができ、排気弁の開放時に、排気ガスが排気ポート１４から排気管２５に排出される。

この場合、改質器２７における改質室２７ｂの触媒庄温が所定の活性温度に達していないときは、排気ガス分流管２９を流れる排気ガスに燃料が噴射されないため、吸気管１５への未燃ガスの流入を防止することができると共に、排気ガスをＥＧＲガスとして吸気管１５に還流することから、このＥＧＲガスに含まれる二酸化炭素などを燃焼室１２に戻して再燃焼させることで、燃焼温度を低下してＮＯｘの発生を抑制することができる。

また、ステップＳ１２にて、ＥＣＵ３３が、空燃比センサ３６が計測した排気空燃比がストイキではなく、リーン状態またはリッチ状態と判定したら、ステップＳ１５に移行し、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止する。即ち、ＥＣＵ３３は、排気空燃比がリーンまたはリッチであるときは、燃料性状が変更されたものと推定し、排気燃料噴射をやめる。このとき、ＥＣＵ３３は、前述したように、エンジン回転数や吸入空気量などから算出した全体の燃料噴射量を、第１インジェクタ２０が噴射する吸気燃料噴射量として設定する。そのため、エンジン１１の排気管２５に排出された排気ガスの一部は、排気ガス分流管２９、改質器２７の改質室２７ｂ、改質ガス導入管３１、流量調整弁３２を介してＥＧＲガスとして吸気管１５を流れる吸気に供給される。

この場合、改質器２７における改質室２７ｂの触媒庄温が所定の活性温度に達していても、排気空燃比がリーンまたはリッチであるため、排気ガス分流管２９を流れる排気ガスに対して燃料を噴射しない。即ち、燃料性状が変更されて排気空燃比が一時的にリーン状態となった場合、このリーン状態の排気ガスに燃料を噴射すると、混合ガス中の燃料が過剰の酸素により酸化反応が促進され、改質器２７が加熱されて破損してしまう。また、燃料性状が変更されて排気空燃比が一時的にリッチ状態となった場合、このリッチ状態の排気ガスに燃料を噴射すると、排気ガス中の炭素が改質触媒の表面を覆うコーキングが発生してしまう。つまり、排気空燃比がリーンまたはリッチのときに、排気燃料噴射を実行しないことで、改質器２７の破損やコーキングを防止することができる。

そして、ステップＳ１５にて、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止した後、ステップＳ１６にて、ＥＣＵ３３は、燃料性状の変更に伴う燃料噴射量制御が完了したかどうかを判定する。即ち、排気空燃比がリーン状態またはリッチ状態となって、ＥＣＵ３３が燃料性状が変更されたものと判断したら、排気空燃比がストイキとなるように全体の燃料噴射量を補正する学習制御を実行する。そして、ここで、ＥＣＵ３３による燃料噴射量の学習制御が完了し、排気空燃比がストイキとなったら、ステップＳ１３に移行し、第２インジェクタ３０による燃料噴射を再開する。

このように実施例１の内燃機関にあっては、排気管２５を流れる排気ガスの一部を分流する排気ガス分流管２９を介して改質器２７を接続すると共に、この排気ガス分流管２９に第２インジェクタ３０を装着し、この改質器２７で生成された改質ガスを吸気管１５に導入する改質ガス導入管３１及び流量調整弁３２を設け、燃料性状検出手段として空燃比センサ３６を適用し、ＥＣＵ３３は、排気空燃比がリーン状態またはリッチ状態であるときに燃料性状が変更されたと判定し、このときに第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止するようにしている。

従って、排気空燃比の変動により燃料の性状が変更されたと推定したときには、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止することで、リーン状態またはリッチ状態にある排気ガスへの燃料の供給が停止され、改質器２７における改質触媒の高温化による破損やコーキングの発生を抑制することができる。その結果、改質器２７における改質性能の低下を抑制して良好な改質ガスの生成を可能とすることができる。

そして、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止した後、燃料性状の変更による燃料噴射量を学習補正制御が完了したら、第２インジェクタ３０による燃料噴射を再開するようにしている。従って、排気空燃比がストイキとなったら、直ちに、排気燃料噴射を実行して改質器２７による改質ガスの生成を再開することができ、良好な改質ガスを早期に吸気管１５に導入可能とすることができる。

図３は、本発明の実施例２に係る内燃機関を表す概略構成図、図４は、実施例２の内燃機関における燃料改質制御を表すフローチャートである。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例２の内燃機関において、図３に示すように、エンジン１１の各排気ポート１４には、エキゾーストマニホールド２４を介して排気管２５が連結されており、この排気管２５には、第１三元触媒２６と改質器２７と第２三元触媒２８が装着されている。この改質器２７は、筒体２７ａと改質触媒が担持された改質室２７ｂとガス挿通路２７ｃとを有している。そして、排気管２５から分岐した排気ガス分流管２９の下流側端部がこの改質器２７における改質室２７ｂの一端部に連結されており、この排気ガス分流管２９には第２インジェクタ３０が設けられている。

改質器２７改質室２７ｂの他端部には、この改質器２７で生成された改質ガスを吸気管１５に導入する改質ガス導入管３１の一端部が接続され、この改質ガス導入管３１の他端部は、吸気管１５に連結されており、この改質ガス導入管３１には、吸気管１５に導入する改質ガス量を制御する流量調整弁３２が装着されている。

また、改質器２７の改質室２７ｂには、庄温センサ３７が設けられており、現在の改質室２７ｂの庄温をＥＣＵ３３に出力しており、ＥＣＵ３３は、庄温センサ３７が計測した改質室２７ｂの庄温に基づいて第２インジェクタ３０や流量調整弁３２などを駆動制御することで、吸気管１５に導入する改質ガス量を制御している。

そして、本実施例では、改質器２７から吸気管１５に至る改質ガス導入管３１に、流量調整弁３２よりも下流側、つまり、改質器２７側に位置して開閉弁３８が設けられ、ＥＣＵ３３はこの開閉弁３８を開閉制御可能となっている。即ち、このＥＣＵ３３は、空燃比センサ３６が計測した排気空燃比に基づいて燃料性状の変更を検出したときに、第２インジェクタ３０による燃料噴射を停止すると共に、開閉弁３８を作動して改質ガス導入管３１を閉止するようにしている。そして、ＥＣＵ３３は、その後、燃料性状の変更に伴う燃料噴射量制御が完了したら、第２インジェクタ３０による燃料噴射を再開すると共に、開閉弁３８を作動して改質ガス導入管３１を開放するようにしている。

ここで、実施例２の内燃機関における燃料改質制御を図４のフローチャートに基づいて詳細に説明する。

本実施例の内燃機関における燃料改質制御において、図４に示すように、ステップＳ２１にて、ＥＣＵ３３は、改質器２７が予め設定された所定の燃料改質開始条件を満たしているかどうかを判定する。具体的には、改質器２７における改質室２７ｂの床温、つまり、庄温センサ３７が検出した触媒庄温が予め設定された所定の活性温度（例えば、６００℃）に達しているかどうかを判定する。ここで、改質器２７における改質室２７ｂの触媒庄温が所定の活性温度に達していると判定されたら、ステップＳ２２に移行する。

ステップＳ２２にて、ＥＣＵ３３は、空燃比センサ３６が計測した排気空燃比に基づいて、この排気空燃比がストイキ状態にあるかどうかを判定する。つまり、空燃比センサ３６が計測した排気空燃比が、理論空燃比よりも大きければリーン状態と判定し、理論空燃比よりも小さければリッチ状態と判定する。

そして、このステップＳ２２にて、現在の排気空燃比がストイキであると判定されたら、ステップＳ２３に移行し、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を実行する。この場合、ＥＣＵ３３は、エンジン回転数や吸入空気量などから全体の燃料噴射量を算出する一方、エンジン回転数やスロットル開度（エンジン負荷）などから吸気管１５に還流可能な最大の排気ガス量を算出し、この最大の排気ガス量と改質器２７の触媒庄温などから吸気管１５に導入可能な改質ガス量を算出し、流量調整弁３２の開度を設定する。そして、改質器２７の触媒床温と、改質ガス導入管３１を通して吸気管１５に導入される改質ガス量に基づいて第２インジェクタ３０が噴射する排気燃料噴射量を設定する。また、全体の燃料噴射量から、この第２インジェクタ３０による排気燃料噴射量を減算することで、第１インジェクタ２０が噴射する吸気燃料噴射量を設定する。

そのため、エンジン１１の排気管２５に排出された排気ガスは、改質器２７のガス挿通路２７ｃを流通して三元触媒２７に流入すると共に、排気ガスの一部が排気ガス分流管２９に分流され、この排気ガスに対して第２インジェクタ３０から所定量の燃料が噴射され、燃料と排気ガスとの混合ガスが改質器２７の改質室２７ｂに流入する。すると、改質室２７ｂに流入した混合ガスは、ガス挿通路２７ｃを流れる排気ガスの熱により加熱され、吸熱反応を起こして改質され、水素や一酸化炭素などを含む改質ガスが生成される。このとき、排気燃料噴射量が改質器２７の触媒床温や改質ガス量に基づいて適正に調整されることから、良質の改質ガスが生成される。

一方、ステップＳ２１にて、ＥＣＵ３３が、改質器２７における改質室２７ｂの触媒庄温が所定の活性温度に達していないと判定したら、ステップＳ２４に移行し、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止する。このとき、ＥＣＵ３３は、エンジン回転数や吸入空気量などから算出した全体の燃料噴射量を、第１インジェクタ２０が噴射する吸気燃料噴射量として設定する。そのため、エンジン１１の排気管２５に排出された排気ガスの一部が排気ガス分流管２９に分流され、改質器２７の改質室２７ｂを通過した後、改質ガス導入管３１に流れ、流量調整弁３２の開度によりその供給量が調整され、ＥＧＲガスとして吸気管１５を流れる吸気に供給される。この場合、改質器２７における改質室２７ｂの触媒庄温が所定の活性温度に達していないときは、排気ガス分流管２９を流れる排気ガスに燃料が噴射されないため、吸気管１５への未燃ガスの流入を防止することができると共に、排気ガスをＥＧＲガスとして吸気管１５に還流することから、このＥＧＲガスに含まれる二酸化炭素などを燃焼室１２に戻して再燃焼させることで、燃焼温度を低下してＮＯｘの発生を抑制することができる。

また、ステップＳ２２にて、ＥＣＵ３３が、空燃比センサ３６が計測した排気空燃比がストイキではなく、リーン状態またはリッチ状態と判定したら、ステップＳ２５に移行し、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止した後、ステップＳ２６にて、開閉弁３８により改質ガス導入管３１を閉止する。即ち、ＥＣＵ３３は、排気空燃比がリーンまたはリッチであるときは、燃料性状が変更されたものと推定し、排気燃料噴射をやめると共に、改質ガス導入管３１による改質ガスの吸気管１５への導入をやめる。このとき、ＥＣＵ３３は、前述したように、エンジン回転数や吸入空気量などから算出した全体の燃料噴射量を、第１インジェクタ２０が噴射する吸気燃料噴射量として設定する。そのため、エンジン１１の排気管２５に排出された排気ガスの一部が改質ガス導入管３１を通して吸気管１５に供給されることはない。

また、燃料性状が変更された場合、燃焼室１２での燃焼状態も不安定となっており、この状態で二酸化炭素を含むＥＧＲガスを吸気管１５に戻し、混合気として燃焼室１２に供給すると、燃焼状態が更に不安定となって失火に至るおそれもある。つまり、燃料性状が変更されたときに、ＥＧＲガスを吸気管１５に戻さないことで、燃焼室１２における燃焼不安定化を抑制して失火を防止することができる。

そして、ステップＳ２５にて、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止すると共に、ステップＳ２６にて、開閉弁３８により改質ガス導入管３１を閉止した後、ステップＳ２７にて、ＥＣＵ３３は、燃料性状の変更に伴う燃料噴射量制御が完了したかどうかを判定する。即ち、排気空燃比がリーン状態またはリッチ状態となって、ＥＣＵ３３が燃料性状が変更されたものと判断したら、排気空燃比がストイキとなるように全体の燃料噴射量を補正する学習制御を実行する。そして、ここで、ＥＣＵ３３による燃料噴射量の学習制御が完了し、排気空燃比がストイキとなったら、ステップＳ２８にて、開閉弁３８により改質ガス導入管３１を開放した後、ステップＳ２３にて、第２インジェクタ３０による燃料噴射を再開する。

このように実施例２の内燃機関にあっては、排気管２５を流れる排気ガスの一部を分流する排気ガス分流管２９を介して改質器２７を接続すると共に、この排気ガス分流管２９に第２インジェクタ３０を装着し、この改質器２７で生成された改質ガスを吸気管１５に導入する改質ガス導入管３１を設け、この改質ガス導入管３１に流量調整弁３２及び開閉弁３８を設け、ＥＣＵ３３は、排気空燃比がリーン状態またはリッチ状態であるときに燃料性状が変更されたと判定し、このときに第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止すると共に、開閉弁３８により改質ガス導入管３１を閉止するようにしている。

また、排気空燃比の変動により燃料の性状が変更されたと推定したときには、開閉弁３８により改質ガス導入管３１を閉止することで、燃焼が不安定となっている燃焼室１２への二酸化炭素を含むＥＧＲガスの供給が停止され、燃焼室１２における更なる燃焼不安定化を抑制して失火を防止することができる。

なお、この実施例２では、排気空燃比がストイキではないときに、改質ガス導入管３１を閉止するための開閉弁３８を別途設けたが、流量調整弁３２を適用してもよい。

また、実施例２では、改質器２７における改質室２７ｂの触媒庄温が所定の活性温度に達しており、排気空燃比がストイキではないと判定したら、第２インジェクタ３０による排気燃料噴射を停止すると共に、開閉弁３８により改質ガス導入管３１を閉止するようにしたが、改質器２７における改質室２７ｂの触媒庄温に拘らず、排気空燃比がストイキではなく、燃料性状が変更されたと推定したら、開閉弁３８により改質ガス導入管３１を閉止するようにしてもよい。即ち、エンジン１１の始動直後や軽負荷運転状態のときには、改質器２７における触媒庄温が低く、ＥＧＲガスを吸気管１５に導入している状態で、燃料性状が変更されると、燃焼が不安定となってしまう。そのため、このときに、吸気管１５へのＥＧＲガスの導入を停止することで、燃焼室１２における燃焼不安定化を抑制することができる。

また、上述した実施例では、燃料性状検出手段として空燃比センサ３６を適用したが、第１三元触媒２６の上流側と下流側に酸素センサをそれぞれ設け、各酸素センサが検出した排気ガス中の酸素濃度により排気空燃比を推定し、燃料の性状を推定するようにしてもよい。

更に、上述した実施例では、改質器２７における改質室２７ｂの改質触媒の床温を庄温センサ３６により計測したが、エンジン回転数、吸入空気量、アクセル開度などのエンジン運転状態に基づいて推定してもとめてもよい。また、吸気管１５に導入される改質ガス量をエンジン回転数、アクセル開度、触媒庄温などのエンジン運転状態に基づいて算出したが、改質ガス導入管３１における流量調整弁３２の開度から算出したり、改質ガス導入管３１における流量調整弁３２より下流側に流量計を設けて計測してもよい。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、燃料性状が変更されたときには排気ガスへの燃料供給を停止して改質器の破損やコーキングの発生を抑制するものであり、いずれの内燃機関にも有用である。

本発明の実施例１に係る内燃機関を表す概略構成図である。実施例１の内燃機関における燃料改質制御を表すフローチャートである。本発明の実施例２に係る内燃機関を表す概略構成図である。実施例２の内燃機関における燃料改質制御を表すフローチャートである。

符号の説明

１１エンジン（内燃機関）
１２燃焼室
１３吸気ポート
１４排気ポート
１５吸気管（吸気通路）
１９電子スロットル装置
２０第１インジェクタ（第１燃料供給手段）
２５排気管（排気通路）
２６，２８三元触媒
２７改質器
２７ａ筒体
２７ｂ改質室
２７ｃガス挿通路
２９排気ガス分流管（排気ガス分流通路）
３０第２インジェクタ（第２燃料供給手段）
３１改質ガス導入管（改質ガス導入通路）
３２流量調整弁
３３電子制御ユニット、ＥＣＵ（燃料性状検出手段、制御手段）
３４エアフローセンサ
３５クランク角センサ
３６空燃比センサ（燃料性状検出手段）
３７床温センサ
３８開閉弁

Claims

外気を燃焼室に導入する吸気通路と、該吸気通路または前記燃焼室に複数種類の燃料を供給する第１燃料供給手段と、前記燃焼室から排出された排気ガスを外部に排出する排気通路と、該排気通路を流れる排気ガスの一部を分流する排気ガス分流通路と、該排気ガス分流通路に複数種類の燃料を供給する第２燃料供給手段と、該第２燃料供給手段から燃料が供給された前記排気ガス分流通路を流れる排気ガスを流入させて改質ガスを生成する改質器と、該改質器で生成された改質ガスを前記吸気通路に導入する改質ガス導入通路と、前記第１燃料供給手段及び第２燃料供給手段から供給される燃料の性状を検出する燃料性状検出手段と、該燃料性状検出手段が燃料性状の変更を検出したときに前記第２燃料供給手段による燃料の供給を停止する制御手段とを具えたことを特徴とする内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、前記制御手段は、前記燃料性状検出手段が燃料性状の変更を検出したときに、前記第２燃料供給手段による燃料の供給を停止し、その後、燃料性状の変更に伴う燃料噴射量制御が完了したら、前記第２燃料供給手段による燃料の供給を再開することを特徴とする内燃機関。
請求項１または２に記載の内燃機関において、前記改質ガス導入通路に開閉弁が設けられ、前記制御手段は、前記燃料性状検出手段が燃料性状の変更を検出したときに、前記第２燃料供給手段による燃料の供給を停止すると共に、前記開閉弁を閉止することを特徴とする内燃機関。
請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関において、前記排気通路に空燃比センサまたは酸素センサが設けられ、前記燃料性状検出手段は、前記空燃比センサまたは前記酸素センサの検出結果に基づいて燃料の性状を検出することを特徴とする内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、前記改質ガス導入通路に開閉弁が設けられ、前記制御手段は、前記改質器に担持された改質触媒の床温が予め設定された所定の活性化温度以上であると判定したときに、前記第２燃料供給手段による燃料の供給を許可する一方、前記燃料性状検出手段が燃料性状の変更を検出したときには、前記改質器に担持された改質触媒の床温に拘らず前記開閉弁を閉止することを特徴とする内燃機関。