JP2007113420A

JP2007113420A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2007113420A
Application number: JP2005303406A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Sakurai; 計宏桜井; Kazuhiro Wakao; 和弘若尾
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】内燃機関の制御装置において、燃料の改質状態に拘らず、安定した燃焼状態を確保して燃費や排ガス特性の向上を図ると共にドライバビリティの向上を図る。
【解決手段】温度センサ５４が検出した触媒庄温Ｔｃが活性化触媒庄温領域（Ｔ₁＞Ｔｃ＞Ｔ₂）になければ、燃料改質器３４は電気系統または機械的な故障などによる異常と判定し、第１インジェクタ２７による第１燃料噴射を開始してエンジン１１を始動する一方、第２インジェクタ４０による第２燃料噴射を停止すると共に、吸気管３９による空気の供給を停止し、燃料改質器３４内に残留する混合ガスを、吸気負圧を利用して連結管４９から吸気管２４にパージする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料改質器を搭載した内燃機関の制御装置に関し、特に、空気と燃料の混合気を改質触媒に供給することで改質ガスを生成し、この改質ガスを吸気通路に供給するようにした燃料改質システムを制御するものに関するものである。

従来、内燃機関の燃焼室に導入される空気に燃料を噴射し、空気と燃料との混合ガスを改質触媒を通すことで、この混合ガスに改質反応を行わせ、混合ガスから水素と一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスを吸気系統に供給して燃焼させることにより、内燃機関の燃焼効率を上げて燃費の向上を図った内燃機関の燃料改質システムが提案されている。

このような内燃機関の燃料改質システムとしては、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燃料改質システムでは、吸気管にスロットルバルブが設けられてその下流側がサージタンクに連結され、この吸気管から分岐してバイパス管が設けられ、このバイパス管に流量調整弁及び改質器が設けられており、この改質器は改質反応部を有し、この改質器の上流側に燃料噴射弁が設けられ、下流側がサージタンクに連結された構造となっている。従って、空気が吸気管及びバイパス管を通して改質器に供給されると、この空気に対して燃料が噴射されて混合ガスが形成され、この混合ガスが改質器により改質ガスとなり、この改質ガスと吸気管を通して導入された空気とがサージタンクで混合することで、所定の空燃比を有する混合気となり、この混合気が燃焼室に導入されて燃焼する。

特開２００４−３１５３２０号公報

上述した従来の内燃機関の燃料改質システムにあっては、空気を吸気管及びバイパス管を通して改質器に供給し、この空気に対して所定量の燃料を供給して混合ガスを形成し、この混合ガスを改質器の改質反応部（改質触媒）に導入して改質ガスを生成している。この改質器の改質反応部では、改質触媒により炭化水素系燃料と空気とが反応することで、部分酸化反応が進行して改質成分である水素と一酸化炭素を含む改質ガスが生成されるものであるが、所定の反応を開始させるためには、改質器の改質触媒の温度（触媒庄温）を予め所定の温度以上にしておく必要がある。

ところが、この内燃機関の燃料改質システムにて、電気系統または機械的な故障により空気量に対する燃料量が所定量から増減すると、改質反応部に導入される混合ガスの空燃比がばらついてしまい、改質触媒が適正な改質反応を実行することができなくなってしまう。例えば、改質器の改質反応部にて、空気量に対して燃料量が増量されると、導入される混合ガスの空燃比が必要以上に低くなり、改質触媒で全ての燃料を改質することができずに未改質の燃料が排出されてしまう。また、濃混合気では、改質触媒の表面にカーボンが堆積し、改質反応を阻害してしまう。その結果、改質ガス中に未改質燃料が大量に含有してしまい、内燃機関の燃焼が悪化して燃費や排ガス特性の悪化を招いてしまう。

一方、改質器の改質反応部にて、空気量に対して燃料量が減量されると、導入される混合ガスの空燃比が必要以上に高くなり、改質触媒のオーバーヒートや改質ガス中のＣＯ₂濃度が高く、Ｈ₂濃度が低くなり、内燃機関の燃焼を悪化させることとなる。

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、燃料の改質状態に拘らず、安定した燃焼状態を確保して燃費や排ガス特性の向上を図ると共にドライバビリティの向上を図った内燃機関の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、本発明の内燃機関の制御装置は、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燃料を噴射する第１燃料噴射手段と、燃料と酸素を含むガスとからなる混合ガスを改質触媒で改質することで改質ガスを生成する燃料改質手段と、該燃料改質手段に対して燃料を噴射する第２燃料噴射手段と、前記燃料改質手段に対して酸素を含むガスを供給するガス供給手段と、前記燃料改質手段で生成された改質ガスを前記吸気通路に供給する改質ガス供給通路と、内燃機関の運転状態に応じて前記第１燃料噴射手段及び前記第２燃料噴射手段を切換制御する燃料噴射制御手段とを具えた内燃機関の制御装置において、前記燃料改質手段の改質動作状況を検出する改質動作状況検出手段を設け、前記燃料噴射制御手段は、前記改質動作状況検出手段の検出結果に基づいて前記燃料改質手段の異常を検出したときには、前記第１燃料噴射手段による燃料噴射を開始する一方、前記第２燃料噴射手段による燃料噴射及び前記ガス供給手段によるガスの供給を停止し、前記燃料改質手段内に残留する残留物質を吸気負圧を利用して前記改質ガス供給通路から前記吸気通路にパージすることを特徴とするものである。

本発明の内燃機関の制御装置では、前記ガス供給手段により前記燃料改質手段に供給するガスと排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を設け、前記燃料噴射制御手段が前記燃料改質手段の異常を検出したときには、前記熱交換器で加熱されたガスを用いて前記燃料改質手段内に残留する残留物質を加熱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では、前記燃料改質手段を加熱する触媒加熱手段を設け、前記燃料噴射制御手段が前記燃料改質手段の異常を検出したときには、前記触媒加熱手段により前記燃料改質手段を加熱することで残留する残留物質を加熱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では、前記改質動作状況検出手段は、温度センサまたはＣＯセンサまたはＨ₂センサであり、前記燃料噴射制御手段は、前記各センサが検出した触媒温度またはＣＯ濃度またはＨ₂濃度が予め設定された適正領域にないときに前記燃料改質手段を異常と判定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、燃料改質手段の改質動作状況に基づいてこの燃料改質手段の異常を検出したときには、第１燃料噴射手段による吸気通路または燃焼室への燃料噴射を開始する一方、第２燃料噴射手段による燃料改質手段に対する燃料噴射を停止すると共に、ガス供給手段によるガスの供給を停止し、燃料改質手段内に残留する残留物質を吸気負圧を利用して改質ガス供給通路から吸気通路にパージするので、第１燃料噴射手段の燃料噴射により燃焼室内に所定量の燃料を供給して安定した燃焼状態を確保することができる一方、燃料改質手段への燃料噴射及びガス供給を停止し、この燃料改質手段内に残留する混合ガスを吸気負圧により吸気通路にパージすることで、燃料改質手段への未改質燃料や改質ガスの残留を防止することができる。

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、この実施例によりこの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に係る内燃機関の制御装置を表す概略構成図、図２−１及び図２−２は、実施例１の内燃機関の制御装置における改質処理を表すフローチャートである。

実施例１の内燃機関の制御装置において、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、シリンダブロック１２上にシリンダヘッド１３が締結されており、複数のシリンダボア１４にピストン１５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１２の下部にクランクケース１６が締結され、このクランクケース１６内にクランクシャフト１７が回転自在に支持されており、各ピストン１５はコネクティングロッド１８を介してこのクランクシャフト１７にそれぞれ連結されている。

このエンジン１１にて、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１３とピストン１５により燃焼室１９が構成されており、この燃焼室１９は、上部に吸気ポート２０及び排気ポート２１が対向して形成されており、この吸気ポート２０及び排気ポート２１は吸気弁２２及び排気弁２３によって開閉可能となっている。従って、図示しないカムシャフトが回転することで、吸気弁２２及び排気弁２３が所定のタイミングで上下移動し、吸気ポート２０及び排気ポート２１を開閉し、吸気ポート２０と燃焼室１９、燃焼室１９と排気ポート２１とをそれぞれ連通することができる。

そして、吸気管（吸気通路）２４は、上流端部にエアクリーナ２５が取付けられており、その下流端部が吸気ポート２０に連結されている。そして、このエアクリーナ２５の下流側にスロットル弁を有する電子スロットル装置２６が設けられている。また、シリンダヘッド１３には、吸気ポート２０に燃料を噴射する第１インジェクタ（第１燃料噴射手段）２７が装着されており、この第１インジェクタ２７は、燃料供給管２８を介して燃料ポンプ２９及び燃料タンク３０に連結されている。また、シリンダヘッド１３の下面には、燃焼室１９内の混合気に着火する点火プラグ３１が装着されている。

一方、排気ポート２１には、排気管３２が連結されており、この排気管３２には、三元触媒３３が装着されている。この三元触媒３３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）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。

そして、本実施例のエンジン１１には、空気と燃料の混合気を加熱された改質触媒に供給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燃料改質器を有する燃料改質システムが搭載されている。

即ち、燃料改質器（燃料改質手段）３４は、円筒形状をなすハウジング３５内に改質触媒が装着されて改質反応部３６が形成されており、この改質反応部３６に隣接してその上流側に空燃混合部３７が設けられる一方、改質反応部３６に隣接してその下流側に改質ガス排出部３８が設けられている。そして、燃料改質器３４の空燃混合部３７に吸気管３９の下流端部が連結されると共に、この吸気管３９を通して導入される吸気に対して燃料を噴射する第２インジェクタ（第２燃料噴射手段）４０が設けられており、燃料供給管２８を介して燃料ポンプ２９及び燃料タンク３０に連結されている。なお、改質反応部３６に設けられた改質触媒は、酸素を含む空気と燃料との混合ガスから改質ガスを生成するための貴金属として、例えば、ジルコニアにロジウムが担持されている。

また、この燃料改質器３４は、改質触媒により空気と炭化水素系の燃料とが反応し、部分酸化反応が進行することで、改質成分である水素と一酸化炭素を含む改質ガスが生成されるものであるが、この反応を適正に行わせるためには、改質反応部３６（改質触媒）の温度（触媒庄温）を予め所定の温度（例えば、４００℃）以上にしておく必要がある。即ち、部分酸化反応を用いた改質反応は発熱反応であるため、適切な混合気を供給し続けると自己発熱により改質反応に必要な温度（約９５０℃）に維持される。しかし、改質反応の開始時は、改質触媒が通常温度（大気温度）であるため、ここに適切な混合気を供給しても改質反応は起こらない。改質反応を起こすには、改質触媒を予め所定の温度（例えば、４００℃）以上にしておく必要がある。そのため、この燃料改質器３４には、改質反応部３６の中心にヒータ用中心電極（触媒加熱手段）４１が設けられている。そして、電源部４２及びスイッチ４３に連結された＋電極４４がこの中心電極４１に連結され、−電極４５がハウジング３５に連結されている。この場合、改質触媒をメタルハニカム体により構成することで、中心電極４５からメタルハニカム体、ハウジング３５へと電流が流れ、このメタルハニカム体が発熱する。

そして、燃料改質器３４にて、吸気管３９にはエア制御弁４６及びエアポンプ４７が装着されており、この吸気管３９の上流端部には、排気管３２に装着された熱交換器４８が設けられている。一方、燃料改質器３４の改質ガス排出部３８には、改質ガス供給通路としての連結管４９の上流端部が連結され、下流端部は吸気管２４における電子スロットル装置２６の下流側に連結されている。この場合、吸気管３９とエア制御弁４６とエアポンプ４７によりガス供給手段が構成される。

従って、燃料改質器３４を停止しているときには、外部空気がエアクリーナ２５から吸気管２４に吸入され、電子スロットル装置２６によりその吸入空気量が調整され、吸気ポート２０を通過する吸気に対して、第１インジェクタ２７が燃料噴射（第１燃料噴射）を行う。すると、吸気と燃料とが混合した混合気が燃焼室１９に導入され、この燃焼室１９にて、点火プラグ３１が混合気に着火することで燃焼し、排気弁２３の開放時に排気ガスが排気ポート２１から排気管３２に排出される。

一方、燃料改質器３４を作動させるときには、エアポンプ４７を作動すると共にエア制御弁４６を開放し、熱交換器４８で排気ガスと熱交換を行うことで加熱された外部空気が吸気管３９に吸入され、エア制御弁４６によりその吸入空気量が調整されてから燃料改質器３４に供給され、この吸気に対して、第２インジェクタ４０が燃料噴射（第２燃料噴射）を行う。すると、燃料と空気とが空燃混合部３７で混合されて混合ガスが形成され、この混合ガスが改質反応部３６に導入され、ここで通電により加熱された改質触媒と部分酸化反応することで改質され、下記数式１に示すように、改質成である水素と一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。

Ｃ_mＨ_n＋（ｍ／２）Ｏ₂ → ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ₂ ・・・（１）

そして、燃料改質器３４で生成された改質ガスは、改質ガス排出部３８から連結管４９を通して吸気管２４に供給され、吸気と改質ガスとが混合した混合気が燃焼室１９に導入され、この燃焼室１９にて、点火プラグ３１が混合気に着火することで燃焼し、排気弁２３の開放時に排気ガスが排気ポート２１から排気管３２に排出される。この場合、改質ガスが改質成である水素と一酸化炭素を含んでいるため、燃焼室１９での燃焼効率がよく、燃費を向上することができると共に、Ｈｃ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。

ところで、車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０が搭載されており、このＥＣＵ５０は、第１インジェクタ２７や点火プラグ３１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２４の上流側にはエアフローセンサ５１が装着されており、計測した吸入空気量をＥＣＵ５０に出力している。また、電子スロットル装置２６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ＥＣＵ５０に出力している。更に、クランク角センサ５２は、検出した各気筒のクランク角度をＥＣＵ５０に出力し、このＥＣＵ５０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、アクセルペダルの踏み込み量をアクセル開度として検出するアクセル開度センサ５３が設けられており、現在のアクセル開度をＥＣＵ５０に出力している。

従って、ＥＣＵ５０は、検出した吸入空気量、スロットル開度、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、第１燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを設定している。

また、ＥＣＵ５０は、第２インジェクタ４０やエア制御弁４６などを駆動制御することで、燃料改質システムを制御可能となっている。即ち、燃料改質器３４における改質反応部３６には、改質触媒の温度を検出する温度センサ５４が設けられており、現在の改質触媒温度（以下、触媒庄温）をＥＣＵ５０に出力している。

従って、ＥＣＵ５０は、アクセル開度に基づいてエンジン１１の目標トルクを設定し、この目標トルクに応じて燃料改質器３４に供給する改質空気量を設定し、予め設定された燃料改質器３４における混合ガスの空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝５．０）に基づいて、この改質空気量に対する第２燃料噴射量を設定し、燃焼室１９に供給される混合気の空燃比が理論空燃比となるように、改質ガスに対する吸入空気量を設定している。また、ＥＣＵ５０は、温度センサ５４が検出した触媒庄温に基づいてスイッチ４３を操作することで、中心電極４１に通電することにより燃料改質器３４を加熱し、改質反応部３６の改質触媒が所定の触媒庄温（例えば、４００℃以上）となるように温度制御している。

そして、本実施例の内燃機関の制御装置では、燃料噴射制御手段としてのＥＣＵ５０は、エンジン１１の運転状態に応じて第１インジェクタ２７と第２インジェクタ４０とを切換制御可能であって、通常、第１インジェクタ２７を停止し、第２インジェクタ４０を用いることで燃料改質器３４を作動させ、この燃料改質器３４で生成した改質ガスを燃焼室１９に供給して燃焼させることで、エンジン１１を駆動している。

ところで、このような燃料改質システムを有する内燃機関の制御装置にて、電気系統または機械的な故障が発生して燃料改質器３４に供給される改質空気量に対する第２燃料噴射量が所定値から増加または減少すると、改質反応部３６に導入される混合ガスの空燃比がばらつき、改質触媒が適正な改質反応を実行することができず、改質ガス中の水素及び一酸化炭素の含有量が低下して燃焼効率や燃費を十分に向上することができなくなったり、改質ガス中に未改質燃料が大量に含まれて燃焼が悪化したりしてしまう。

そこで、本実施例にて、ＥＣＵ５０は、電気系統または機械的な故障などによる燃料改質器３４の異常を検出したときには、第１インジェクタ２７による第１燃料噴射を開始する一方、第２インジェクタ４０による第２燃料噴射を停止すると共に、吸気管３９による空気の供給を停止し、燃料改質器３４内に残留する混合ガスまたは液体燃料を、吸気負圧を利用して連結管４９から吸気管２４にパージするようにしている。

即ち、燃料改質器３４の改質動作状況を検出する改質動作状況検出手段として、改質反応部３６の改質触媒の温度を検出する温度センサ５４を適用している。また、燃料改質器３４内の残留ガスを連結管４９から吸気管２４にパージするために、この燃料改質器３４の非作動時にも、燃料改質器３４に空気を供給するバイパス管５５を、エア制御弁４６及びエアポンプ４７を迂回するように吸気管３９に設け、このバイパス管５５にエアパージ弁５６を装着している。

そして、この場合、燃料改質器３４の改質触媒に付着した液体燃料を気化してから残留ガスとして吸気管２４にパージするため、排気管３２に設けられた熱交換器４８を用い、この熱交換器４８で加熱された空気を燃料改質器３４内に供給して燃料などの残留ガスを吸気管２４にパージするようにしている。

ここで、上述した本実施例の内燃機関の制御装置による改質処理における異常処理制御について、図２−１及び図２−２のフローチャートに基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する改質処理制御は、エンジン１１の起動時の制御である。

本実施例の内燃機関の制御装置において、図２−１に示すように、ステップＳ１１にて、ＥＣＵ５０は、スイッチ４３をＯＮ操作することで、中心電極４１に通電して燃料改質器３４を加熱し、改質触媒のプレヒートを行い、ステップＳ１２では、温度センサ５４により改質触媒温度Ｔｃを読み込む。そして、ステップＳ１３では、触媒庄温Ｔｃが予め設定された所定の触媒開始庄温Ｔ₀（例えば、４００℃）より高くなったかどうかを判定する。このステップＳ１３にて、触媒庄温Ｔｃが触媒開始庄温Ｔ₀より高くなったら、ステップＳ１４にて、ＥＣＵ５０は、スイッチ４３をＯＦＦ操作することで、中心電極４１への通電を停止して燃料改質器３４の改質触媒のプレヒートを停止する。

燃料改質器３４の改質触媒が所定の温度になると、ステップＳ１５では、燃料ポンプ２９を駆動すると共にエアポンプ４７を駆動し、ステップＳ１６にて、第２インジェクタ４０により第２燃料噴射を行うと共に、エア制御弁４６を開放して燃料改質器３４に空気を供給する。すると、燃料改質器３４の空燃混合部３７では、吸気管３９から導入された空気と、第２インジェクタ４０から噴射された燃料とが混合されて混合ガスが形成され、この混合ガスが改質反応部３６に導入され、ここで、加熱された改質触媒と部分酸化反応することで混合ガスが改質され、改質成分である水素と一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。

このように燃料改質器３４で改質処理が開始されると、改質触媒での反応熱により昇温されることで、触媒庄温が上昇する。ステップＳ１７では、ＥＣＵ５０が温度センサ５４により改質触媒温度Ｔｃを読み込み、ステップＳ１８にて、触媒庄温Ｔｃが予め設定された所定の活性化触媒庄温領域にあるかどうか、例えば、触媒庄温Ｔｃが上限値Ｔ₁（例えば、１０００℃）より低く、且つ、下限値Ｔ₂（例えば、８００℃）より高い領域にあるかどうかを判定する。そして、ここで、触媒庄温Ｔｃが所定の活性化触媒庄温領域（Ｔ₁＞Ｔｃ＞Ｔ₂）にあれば、ステップＳ１７に戻り、このステップＳ１７、Ｓ１８の処理を繰り返す。そして、燃料改質器３４で生成された改質ガスが連結管４９を通して吸気管２４に供給されると、吸気と改質ガスとが混合した混合気が燃焼室１９に導入され、この燃焼室１９にて、点火プラグ３１により混合気に着火することで燃焼し、エンジン１１が始動する。

一方、このエンジン１１の始動時に、ステップＳ１８にて、触媒庄温Ｔｃが所定の活性化触媒庄温領域（Ｔ₁＞Ｔｃ＞Ｔ₂）になければ、ＥＣＵ５０は、電気系統または機械的な故障などにより燃料改質器３４が異常動作中であると判定し、ステップＳ１９に移行する。そして、図２−２に示すように、このステップＳ１９にて、第２インジェクタ４０による第２燃料噴射を停止すると共に、エア制御弁４６を閉止して吸気管３９による空気の供給を停止し、ステップＳ２０にて、エアポンプ４７の駆動を停止する。また、ステップＳ２１にて、図示しないスタータモータによりエンジン１１のクランキングを開始し、ステップＳ２２にて、第１インジェクタ２７による第１燃料噴射を開始する。従って、吸気管２４から吸気ポート２０を通して燃焼室１９に導入される吸気に対して、第１インジェクタ２７により燃料噴射が行われ、吸気と燃料とが混合した混合気が燃焼室１９に導入され、この燃焼室１９にて、点火プラグ３１が混合気に着火することで燃焼し、エンジン１１が始動する。

ステップＳ２３にて、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅｓ以上になったことでエンジン１１の始動を確認し、ステップＳ２４にて、エアパージ弁５６を開放する。すると、ステップＳ２５にて、パージ処理が実行される。即ち、エンジン１１が始動すると吸気管２４に吸気負圧が発生するため、この吸気負圧が連結管４９を介して燃料改質器３４に作用する。そして、燃料改質器３４に作用した負圧により熱交換器４８で加熱された空気が吸気管３９からこの燃料改質器３４内に導入されることとなり、このとき、空気量に対して燃料量が増量されることで、改質反応部３６の改質触媒に液体燃料が付着して低温となった場合には、この加熱空気により改質触媒に付着した液体燃料が気化され、残留ガスとして吸気負圧により連結管４９から吸気管２４にパージされる。一方、燃料改質器３４にて、空気量に対して燃料量が減量されることで、異常燃焼して高温となった場合には、燃料改質器３４に導入された空気と共に残留する改質ガスが吸気負圧により連結管４９から吸気管２４にパージされる。

即ち、改質反応部３６の温度が活性化温度（例えば、４００℃）以上に達していなかったり、燃料量が増量されて空燃比が過濃で酸素不足であるときには、部分酸化反応が十分に行われず、未改質燃料成分が多くなる。一方、燃料量が減量されて空燃比が過薄で酸素過剰であるときには、完全酸化反応が進行し、改質ガス中のＣＯ₂の濃度が高くなり、改質触媒がオーバーヒートする。このように改質反応部３６が活性化温度より低い場合、空燃比が過濃または過薄である場合、更に、何らかの原因で触媒が大きく劣化して改質反応が悪化した場合、いずれの場合であっても、触媒庄温Ｔｃにより燃料改質器３４の異常を検出することができ、燃料改質器３４内に残留する混合ガスまたは液体燃料をパージすることができる。

そして、燃料改質器３４内に混合ガスや液体燃料が残留すると、次回のエンジン始動時に未改質燃料やＣＯ₂の多い改質ガスがエンジンに吸引されるため、始動が困難となる。改質反応部３６の温度が低い状態で、燃料改質器３４内に液体燃料が残留していると、修理後の燃料改質器３４の起動時に内部の空燃比が過濃となり、再度不具合を引き起こしてしまう。本実施例では、燃料改質器３４の異常を確実に検出し、燃料改質器３４内に残留する混合ガスや液体燃料を吸気負圧により吸気管２４にパージすることで、燃費や排ガス特性、ドライバビリティを向上することができる。

その後、ステップＳ２６でタイマが作動を開始し、ステップＳ２７でこのタイマにより経過時間ｔ₁を読込み、ステップＳ２８で経過時間ｔ₁が所定時間ｔ₀を越えたら、ステップＳ２９でエアパージ弁５６を閉止してパージ処理を終了する。そして、ステップＳ３０でタイマをリセットしてから、ステップＳ３１にて、警報アラームとして、ランプや警告音を発する。

このように実施例１の内燃機関の制御装置にあっては、燃料改質器３４の改質動作状況を検出する改質動作状況検出手段として、改質反応部の改質触媒の温度を検出する温度センサ５４を設け、温度センサ５４が検出した触媒庄温Ｔｃが活性化触媒庄温領域（Ｔ₁＞Ｔｃ＞Ｔ₂）になければ、燃料改質器３４は電気系統または機械的な故障などによる異常と判定し、第１インジェクタ２７による第１燃料噴射を開始してエンジン１１を始動する一方、第２インジェクタ４０による第２燃料噴射を停止すると共に、吸気管３９による空気の供給を停止し、燃料改質器３４内に残留する混合ガスを、吸気負圧を利用して連結管４９から吸気管２４にパージするようにしている。

従って、第１インジェクタ２７の第１燃料噴射により燃焼室１９内に所定量の燃料を供給することで、安定した燃焼状態を確保してエンジン１１を確実に始動することができる一方、燃料改質器３４への燃料噴射及び空気の供給を停止し、この燃料改質器３４内に残留する混合ガスを吸気負圧により吸気管２４にパージすることで、燃料改質器３４への未改質燃料や改質ガスの残留を防止することができ、その結果、燃費や排ガス特性、ドライバビリティを向上することができる。

また、排気管３２に、燃料改質器３４に供給するガスと排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換器４８を設け、この熱交換器４８で加熱した空気を燃料改質器３４に供給して残留する混合ガスをパージするようにしている。従って、燃料改質器３４の改質触媒に付着した液体燃料を加熱空気により気化してから残留ガスとして吸気管２４にパージすることとなり、燃料改質器３４内の燃料などの残留ガスを早期に確実にパージすることができる。

更に、燃料改質器３４の改質動作状況を検出する改質動作状況検出手段として、改質触媒の温度を検出する温度センサ５４を適用したことで、燃料改質器３４の異常を適正に判定することができる。

図３−１及び図３−２は、本発明の実施例２に係る内燃機関の制御装置における改質処理を表すフローチャートである。なお、実施例２の内燃機関の制御装置における全体構成は、実施例１と同様であるため、図１を用いて説明すると共に、実施例１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の内燃機関の制御装置では、電気系統または機械的な故障などによる燃料改質器３４の異常を検出したとき、第１インジェクタ２７による第１燃料噴射を開始する一方、第２インジェクタ４０による第２燃料噴射を停止すると共に、吸気管３９による空気の供給を停止し、燃料改質器３４内に残留する混合ガスを、吸気負圧を利用して連結管４９から吸気管２４にパージするが、このとき、燃料改質器３４における改質反応部３６の改質触媒を加熱することで、改質触媒に液体燃料が付着していた場合には、これを早期に気化して確実にパージ可能としている。

ここで、上述した本実施例の内燃機関の制御装置による改質処理における異常処理制御について、図３−１及び図３−２のフローチャートに基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する改質処理制御は、エンジン１１の起動時の制御である。

本実施例の内燃機関の制御装置において、図３−１に示すように、ステップＳ５１にて、ＥＣＵ５０は、スイッチ４３をＯＮ操作して中心電極４１に通電することで、燃料改質反応部３６を加熱して改質触媒のプレヒートを行い、ステップＳ５２で、温度センサ５４により改質触媒温度Ｔｃを読み込む。ステップＳ５３では、触媒庄温Ｔｃが予め設定された所定の触媒開始庄温Ｔ₀より高くなったかどうかを判定し、触媒庄温Ｔｃが触媒開始庄温Ｔ₀より高くなったら、ステップＳ５４で、スイッチ４３をＯＦＦ操作して中心電極４１への通電を停止することで、燃料改質器３４の改質触媒のプレヒートを停止する。

燃料改質器３４の改質触媒が所定の温度になると、ステップＳ５５では、燃料ポンプ２９を駆動すると共にエアポンプ４７を駆動し、ステップＳ５６にて、第２インジェクタ４０により第２燃料噴射を行うと共に、エア制御弁４６を開放して燃料改質器３４に空気を供給する。すると、燃料改質器３４の空燃混合部３７で吸気管３９から導入された空気と、第２インジェクタ４０から噴射された燃料とが混合されて混合ガスが形成され、この混合ガスが改質反応部３６に導入され、加熱された改質触媒により部分酸化反応することで混合ガスが改質され、改質成である水素と一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。

このように燃料改質器３４で改質処理が開始されると、改質触媒での反応熱により触媒庄温が上昇し、ステップＳ５７では、温度センサ５４により改質触媒温度Ｔｃを読み込み、ステップＳ５８にて、触媒庄温Ｔｃが予め設定された所定の活性化触媒庄温領域（Ｔ₁＞Ｔｃ＞Ｔ₂）にあるかどうかを判定する。そして、触媒庄温Ｔｃが所定の活性化触媒庄温領域（Ｔ₁＞Ｔｃ＞Ｔ₂）にあれば、ステップＳ５７に戻って処理を繰り返す。この間、燃料改質器３４で生成された改質ガスが連結管４９を通して吸気管２４に供給され、吸気と改質ガスとが混合した混合気が燃焼室１９に導入され、点火プラグ３１により混合気に着火することで燃焼し、エンジン１１が始動する。

一方、このエンジン１１の始動時に、ステップＳ５８にて、触媒庄温Ｔｃが所定の活性化触媒庄温領域（Ｔ₁＞Ｔｃ＞Ｔ₂）になければ、ＥＣＵ５０は、電気系統または機械的な故障などにより燃料改質器３４が異常動作中であると判定し、ステップＳ５９に移行する。そして、図３−２に示すように、このステップＳ５９にて、第２インジェクタ４０による第２燃料噴射を停止すると共に、エア制御弁４６を閉止して吸気管３９からの空気の供給を停止し、ステップＳ６０でエアポンプ４７の駆動を停止する。また、ステップＳ６１にて、エンジン１１のクランキングを開始し、ステップＳ６２にて、第１インジェクタ２７による第１燃料噴射を開始する。従って、吸気管２４から吸気ポート２０を通して燃焼室１９に導入される吸気に対して、第１インジェクタ２７により燃料噴射が行われ、吸気と燃料とが混合した混合気が燃焼室１９に導入され、点火プラグ３１が混合気に着火することで燃焼し、エンジン１１が始動する。

ステップＳ６３にて、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅｓ以上になったことでエンジン１１の始動を確認し、ステップＳ６４にて、エアパージ弁５６を開放し、ステップＳ６５でタイマをリセットしてから、ステップＳ６６にて、スイッチ４３をＯＮ操作して中心電極４１に通電することで、燃料改質器３４の加熱を開始し、ステップＳ６７にて、パージ処理が実行される。

即ち、エンジン１１が始動すると吸気管２４に吸気負圧が発生するため、この吸気負圧が連結管４９を介して燃料改質器３４に作用する。そして、燃料改質器３４に作用した負圧により吸気管３９から空気がこの燃料改質器３４内に吸入され、このとき、空気量に対して燃料量が減量されて燃料改質器３４が異常燃焼して高温となった場合には、燃料改質器３４に導入された空気と共に残留する改質ガスが吸気負圧により連結管４９から吸気管２４にパージされる。一方、この燃料改質器３４にて、空気量に対して燃料量が増量されることで、改質反応部３６の改質触媒に液体燃料が付着して低温となった場合には、中心電極４１に通電されることで燃料改質器３４が加熱されているため、高温の改質触媒に付着した液体燃料は気化され、残留ガスとして吸気負圧により連結管４９から吸気管２４にパージされる。

その後、ステップＳ６７でパージ処理が開始されてから、ステップＳ６８でタイマが作動を開始し、ステップＳ６９でこのタイマにより経過時間ｔ₁を読込み、ステップＳ７０で経過時間ｔ₁が所定時間ｔ₀を越えたら、ステップＳ７１で、スイッチ４３をＯＦＦ操作して中心電極４１への通電を停止することで、燃料改質器３４の加熱を停止する。そして、ステップＳ７２にて、エアパージ弁４６を閉止してパージ処理を終了する。ステップＳ７３にて、警報アラームとしてランプや警告音を発する。

このように実施例２の内燃機関の制御装置にあっては、燃料改質器３４の温度センサ５４が検出した触媒庄温Ｔｃが活性化触媒庄温領域（Ｔ₁＞Ｔｃ＞Ｔ₂）になければ、燃料改質器３４は電気系統または機械的な故障などによる異常と判定し、第１インジェクタ２７による第１燃料噴射を開始してエンジン１１を始動する一方、第２インジェクタ４０による第２燃料噴射を停止すると共に、吸気管３９による空気の供給を停止した後、エアパージ弁５６を開放すると共に中心電極４１により改質触媒を加熱し、燃料改質器３４内に残留する混合ガスを、吸気負圧を利用して吸気管２４にパージするようにしている。

従って、中心電極４１により燃料改質器３４の改質触媒を加熱することで、付着している液体燃料を気化することができ、吸気負圧により内部に空気を導入しながら、燃料改質器３４内に残留する混合ガスや気化したガスを確実にパージすることができ、燃料改質器３４への未改質燃料や改質ガスの残留を防止することができる。

なお、この実施例２では、エアパージ弁５６を開放して中心電極４１に通電することでパージ処理を開始してから所定時間ｔ₀経過後に、中心電極４１への通電を停止してエアパージ弁４５を閉止することでパージ処理を終了するようにしたが、温度センサ５４により燃料改質器３４の改質触媒の温度をモニタリングし、所定温度になったらパージ処理を終了するようにしてもよい。

また、各実施例では、燃料改質器３４の触媒庄温が予め設定された適正温度領域にないときに燃料改質器３４を異常と判定したが、この判定時に、燃料改質器３４の触媒庄温が高温領域側に外れた場合と、低温領域側に外れた場合とを判別し、それぞれの異常状況で異なる処理をしても良い。例えば、燃料改質器３４の触媒庄温が高温領域側に外れた場合には、燃料改質器３４に低温の空気を導入して冷却しながら内部のガスをパージする。一方、燃料改質器３４の触媒庄温が低温領域側に外れた場合には、燃料改質器３４に熱交換器４８で加熱した空気を送ったり、燃料改質器３４を加熱したりすることで、付着した液体燃料を気化してパージする。

そして、上述した各実施例では、燃料改質器３４の改質動作状況を検出する改質動作状況検出手段として、温度センサ５４を用い、燃料改質器３４の触媒庄温が予め設定された適正温度領域にないときに燃料改質器３４を異常と判定したが、改質動作状況検出手段として、温度センサ５４に代えてＣＯセンサまたはＨ₂センサを用い、各センサが検出した燃料改質器３４内のＣＯ濃度またはＨ₂濃度が予め設定された適正濃度領域にないときに燃料改質器３４を異常と判定するようにしても良い。

また、上述した各実施例では、内燃機関をポート噴射式エンジンとしたが、燃料を燃焼室に直接噴射する筒内噴射式エンジンであっても良く、この場合、排気通路に三元触媒に加えてリーンＮＯｘ触媒を設ける必要がある。

以上のように、本発明に係る内燃機関の制御装置は、燃料改質手段が異常のときに、吸気通路または燃焼室への燃料噴射を開始する一方、燃料改質手段への燃料噴射及びガス供給を停止し、燃料改質手段内に残留する混合ガスを吸気負圧を利用して吸気通路にパージするようにしたものであり、燃料改質手段を有する内燃機関であれば、いずれの種類の内燃機関に用いても好適である。

本発明の実施例１に係る内燃機関の制御装置を表す概略構成図である。実施例１の内燃機関の制御装置における改質処理を表すフローチャートである。実施例１の内燃機関の制御装置における改質処理を表すフローチャートである。本発明の実施例２に係る内燃機関の制御装置における改質処理を表すフローチャートである。本発明の実施例２に係る内燃機関の制御装置における改質処理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）
１９燃焼室
２０吸気ポート
２１排気ポート
２４吸気管（吸気通路）
２６電子スロットル装置
２７第１インジェクタ（第１燃料噴射手段）
２９燃料ポンプ
３１点火プラグ
３２排気管
３３三元触媒
３４燃料改質器（燃料改質手段）
３９吸気管（ガス供給手段）
４０第２インジェクタ（第２燃料噴射手段）
４１ヒータ用中心電極（触媒加熱手段）
４６エア制御弁（ガス供給手段）
４７エアポンプ（ガス供給手段）
４８熱交換器
４９連結管（改質ガス供給通路）
５０電子制御ユニット、ＥＣＵ（燃料噴射制御手段）
５４温度センサ（改質動作状況検出手段）
５５バイパス管
５６エアパージ弁

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燃料を噴射する第１燃料噴射手段と、燃料と酸素を含むガスとからなる混合ガスを改質触媒で改質することで改質ガスを生成する燃料改質手段と、該燃料改質手段に対して燃料を噴射する第２燃料噴射手段と、前記燃料改質手段に対して酸素を含むガスを供給するガス供給手段と、前記燃料改質手段で生成された改質ガスを前記吸気通路に供給する改質ガス供給通路と、内燃機関の運転状態に応じて前記第１燃料噴射手段及び前記第２燃料噴射手段を切換制御する燃料噴射制御手段とを具えた内燃機関の制御装置において、前記燃料改質手段の改質動作状況を検出する改質動作状況検出手段を設け、前記燃料噴射制御手段は、前記改質動作状況検出手段の検出結果に基づいて前記燃料改質手段の異常を検出したときには、前記第１燃料噴射手段による燃料噴射を開始する一方、前記第２燃料噴射手段による燃料噴射及び前記ガス供給手段によるガスの供給を停止し、前記燃料改質手段内に残留する残留物質を吸気負圧を利用して前記改質ガス供給通路から前記吸気通路にパージすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記ガス供給手段により前記燃料改質手段に供給するガスと排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を設け、前記燃料噴射制御手段が前記燃料改質手段の異常を検出したときには、前記熱交換器で加熱されたガスを用いて前記燃料改質手段内に残留する残留物質を加熱することを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記燃料改質手段を加熱する触媒加熱手段を設け、前記燃料噴射制御手段が前記燃料改質手段の異常を検出したときには、前記触媒加熱手段により前記燃料改質手段を加熱することで残留する残留物質を加熱することを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記改質動作状況検出手段は、温度センサまたはＣＯセンサまたはＨ₂センサであり、前記燃料噴射制御手段は、前記各センサが検出した触媒温度またはＣＯ濃度またはＨ₂濃度が予め設定された適正領域にないときに前記燃料改質手段を異常と判定することを特徴とする内燃機関の制御装置。