JP2007297951A

JP2007297951A - ガス燃料内燃機関

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Publication number: JP2007297951A
Application number: JP2006125592A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Oteru; 祐一大輝; Susumu Nagano; 進長野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-11-15

Abstract

【課題】改質ガス燃料を主燃料とする内燃機関の熱効率の改善。
【解決手段】液体燃料を複数のガス成分を含むガス燃料に改質する改質触媒２３０、改質触媒２３０に気化燃料を供給するための蒸発器２２０、蒸発器２２０に供給する液体燃料流量を検出する流量センサ１４０、改質触媒温度を検出する触媒温度センサ１４６を少なくとも備える。水蒸気で液体燃料を改質する場合、水流量検出も実行する。ＥＣＵ１００は、流量センサ及び触媒温度センサでの検出値を少なくとも利用し、内部に格納した検出値とガス組成との対応マップを参照し、改質ガス組成を予測する。予測値は、測定した改質ガス中の特定ガス成分濃度や、触媒への入出力ガス温度の検出値に応じて補正する。ＥＣＵ１００は、予測値に基づき、筒内での混合気の希薄燃焼限界濃度を演算し、ガス燃料供給量及び空気流量を制御することで、常時希薄燃焼限界付近での運転を実現する。
【選択図】図２

Description

改質によって得たガス燃料を主燃料とする内燃機関に関する。

ガソリンなどの炭化水素系（Ｃ_mＨ_n）の液体燃料を改質することにより、発熱量の大きなガス燃料を得て、これを内燃機関の燃料として用いることでエンジンの熱効率の向上を図ることが従来より提案されている。また、内燃機関では、筒内への燃料と空気の供給量を理論空燃比に近づけることが燃焼効率の良いエンジンを実現する上で必要であり、用いる燃料に応じた最適な空気量を筒内に供給するように制御を行う。

したがって、上記ガス燃料内燃機関においても、ガス燃料に応じた最適な空気量となるよう制御が行われることが求められる。そこで、従来知られた改質ガスエンジンでは、炭化水素系燃料を改質して得られる改質ガス燃料中に含まれる水素について着目し、この水素濃度を測定して、測定濃度に基づいて筒内に供給する空気量とガス燃料量の制御を行っている（下記特許文献１参照）。

特開２００２−２２１０９８号特開２００４−２５１２７３号

上記特許文献１では、改質ガス燃料中の水素濃度の測定から内燃機関の安定燃焼範囲を推測し、エンジン筒内に供給する空気量と燃料量を制御している。例えば上記特許文献１では、ノッキング発生状況では供給ガス燃料中のメタン価が小さくなりすぎていると推定し、改質器から別途分離器で得ている水素の供給量を低下させるなどの制御が実行されている。

しかし、液体燃料を改質して得たガス燃料は、水素のみから構成されるのではなく、主成分として、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを含む。さらに、各成分の希薄限界当量比は異なっており、水素は、希薄限界当量比（φlimit）＝０．１、一酸化炭素は、φlimit＝０．３４、二酸化炭素（燃料としては機能しない）、メタンは、φlimit＝０．５と、それぞれ燃焼するために必要な当量比が異なる。したがって、水素濃度のみから内燃機関の希薄燃焼限界を把握することは難しい。

また、改質ガス燃料は、改質条件によってその組成が異なり、条件によっては水素生成量が少なく、メタンは大量に生成されるなどという場合もある。このため、ガス燃料中の水素濃度の測定のみから希薄燃焼限界を見積もることが困難な場合もあり、常に、最少量のガス燃料を使用して、ドライバからの要求トルクを満たすことは難しく、熱効率、燃費の向上に制約がある。

さらに、上記特許文献２には、炭化水素燃料と空気とを改質器で改質して一酸化炭素と、水素を含む改質ガスを生成するが、改質器の改質触媒の温度によって改質条件が変化するので、改質効率が所定範囲内になるように、改質器への炭化水素燃料と空気の供給量を制御することが記載されている。しかし、生成された改質ガスの組成が実際にどのようになるかについては全く考慮がない。つまり、常時、改質効率が所定範囲内になるように改質するので、筒内に供給されるガス燃料の組成は、常に一定範囲内であることを前提としており、実際に生成される改質ガスの組成が実際にどうなるかを考慮する必要がないのである。ところが、多様な環境下では、常に最適な改質条件を満たすことは困難であり、実際には改質ガスの組成が変化してしまう。そして、実際にそのような状況であっても、熱効率及び燃費の良い内燃機関であることが望まれている。

本発明は、改質によって得たガス燃料を主燃料とした内燃機関での熱効率の向上を図る。

本発明は、燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であって、液体燃料を水と反応させて複数のガス成分を含むガス燃料に改質する改質触媒と、前記液体燃料を前記改質触媒に供給する前に前記液体燃料及び前記水を蒸気とするための蒸発器と、前記蒸発器に供給する液体燃料流量及び水流量を検出する流量センサと、前記改質触媒におけるガス温度を検出するガス温度センサと、前記改質触媒の温度を検出する触媒温度センサと、前記改質後のガス燃料の前記複数のガス成分の内、少なくとも１種類のガス成分濃度を検出する検出器と、を備える。エンジン制御部は、前記流量センサ及び前記触媒温度センサでの検出値を利用して、予め内部に格納した検出値とガス組成との対応マップを参照し、改質によって得られるガス燃料のガス組成を予測し、さらに、前記検出したガス成分の濃度に基づいて、前記ガス組成の予測値を補正する。

本発明の他の態様では、上記内燃機関において、さらに前記改質触媒の入力ガス又は出力ガスのガス温度を検出するガス温度センサを備え、前記エンジン制御部は、前記ガス組成の予測に際し、さらに、検出した前記ガス温度を用いる。

本発明の他の態様では、上記内燃機関において、前記ガス組成の予測値の補正では、検出したガス成分の濃度を前記予測値における対応ガス成分の濃度とし、前記検出したガス成分の濃度を全体濃度から除いた値に基づいて、予測値の残りのガス成分濃度を算出する。

本発明の他の態様では、主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であって、液体燃料を水と反応させて複数のガス成分を含むガス燃料に改質する改質触媒と、前記液体燃料を前記改質触媒に供給する前に前記液体燃料及び前記水を蒸気とするための蒸発器と、前記蒸発器に供給する液体燃料流量及び水流量を検出する流量センサと、前記改質触媒の入力ガス又は出力ガスのガス温度を検出するガス温度センサと、前記改質触媒の温度を検出する触媒温度センサと、を備える。エンジン制御部は、前記流量センサ及び前記触媒温度センサでの検出値に基づいて、予め内部に格納した検出値とガス組成との対応マップを参照し、改質によって得られるガス燃料のガス組成の予測値を求め、さらに、前記ガス温度センサでの検出結果に基づいて予測値の補正を行う。

この予測値の補正は、前記流量センサ及び前記触媒温度センサでの検出値に基づいて求めた第１の予測値と、前記流量センサ及び前記検出したガス温度に基づき、予め内部に格納した検出値とガス組成との対応マップを参照して求めた第２の予測値と、を利用して行うことができる。

本発明の他の態様では、主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であって、液体燃料を反応により複数のガス成分を含むガス燃料に改質する改質触媒と、前記液体燃料を前記改質触媒に供給する前に前記液体燃料を蒸気とするための蒸発器と、前記蒸発器に供給する液体燃料流量を検出する流量センサと、前記改質触媒の温度を検出する触媒温度センサと、を備える。エンジン制御部は、少なくとも前記流量センサ及び前記触媒温度センサでの検出値を利用して、予め内部に格納した検出値とガス組成との対応マップを参照し、改質によって得られるガス燃料のガス組成を予測し、前記予測されたガス組成の内の燃焼性ガス組成の各希薄燃焼限界濃度に基づいて、筒内における混合気の希薄燃焼限界濃度を演算し、該希薄燃焼限界濃度及び要求トルクに応じて、前記筒内へのガス燃料供給量及び空気流量を制御する。

また、本発明の他の態様において、前記液体燃料は、炭化水素系液体燃料であり、前記改質して得られるガス燃料は、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及びメタンを含有する。

液体燃料を改質触媒を用いて改質ガスを得る場合、改質条件に応じて改質ガスの組成が変化し、これによって気筒内の混合気の希薄燃焼限界も変化する。本発明では、このように改質ガスの組成が変化しても、液体燃料流量や改質触媒の壁温等を測定し、それらの測定結果に基づいて改質ガスの組成を予測する。したがって、改質条件が変化しても、常時、実際に得られる組成に近い組成を予測し、これに応じた制御をすることができる。

本発明では、さらに、この予測値について、得られた改質ガスの少なくとも１つのガス成分濃度を検出し、その検出値に基づいて予測値を補正し、或いは、改質触媒への入力ガス又は出力ガスの温度を検出し、その検出値を考慮して予測値を補正することで、より高い予測精度を可能としている。

このように、高い精度でガス組成を予測するので、ガス組成に応じて決まる希薄燃焼限界をより正確に算出することが可能となり、その希薄燃焼限界になるようにエンジン気筒への供給空気量、改質ガスの噴射量を適切に制御でき、常時、希薄限界付近で運転することが可能となる。

ここで、内燃機関の熱効率ηは、
η＝１−（１／ε⁽κ^-1)）・・・(i)
で表すことができる（ε：圧縮比、κ：作動ガスの比熱比）。同一圧縮比であれば、希薄条件で燃焼させるほど作動ガス（燃焼ガス）の比熱比κが増加するため、熱効率が向上する。つまり、本発明では、常時、希薄限界付近で燃焼させることが可能であるため、非常に熱効率の良い内燃機関を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態）について説明する。

［実施形態の概略］

本実施形態に係る内燃機関は、主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であり、ガス燃料は、液体燃料を改質触媒によって改質して得た複数のガス成分を含む改質ガス燃料である。液体燃料としては、炭化水素系液体燃料が採用でき、ガソリン、メタノール、エタノール、或いは軽油、重油などが挙げられる。このような炭化水素系液体燃料を改質して得られるガス成分は、例えば、液体燃料としてガソリン等を採用し、これを水によって改質した場合（水蒸気改質方法）、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを主成分とする改質ガスが得られる。または、液体有機化合物燃料（上記のような炭化水素系液体燃料）と、水と、空気と、を改質器に供給して、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、窒素を主成分とする改質ガスを得ることもできる。

このような内燃機関では、上記液体燃料を改質する改質触媒の他に、液体燃料をこの改質触媒に供給する前に液体燃料及び水を蒸気とするための蒸発器を備える。さらに、この蒸発器に供給する液体燃料流量及び水流量を検出する流量センサと、改質触媒の温度（特に改質触媒の壁温）を検出する触媒温度センサを備える。

エンジン制御部（ＥＣＵ：電子制御ユニット）は、少なくとも、上記流量センサと触媒温度センサでの検出値を利用し、予め内部に格納した検出値とガス組成との対応マップを参照し、改質によって得られるガス燃料のガス組成を予測する。なお、この予測値は、後述の具体例にて説明するように、さらに他の検出値を用いて補正することがより好適である。

次に、ＥＣＵは、ガス組成のうち燃料となるガス成分(燃焼性ガス成分)の濃度と、空気との混合気の燃焼限界から下記式(１)
Ｌ＝１００／（Σ（Ｍ_i／Ｎ_i））・・・（１）
Ｌ（ｖｏｌ％）：混合改質ガス−空気の混合気の燃焼限界濃度
Ｎ_i（ｖｏｌ％）：各燃料ガス成分−空気の混合気の燃焼限界濃度
Ｍ_i（ｖｏｌ％）：混合改質ガス中の各燃料ガス成分の濃度
を演算し、混合改質ガスと空気との混合気の燃焼限界Ｌを求める。

このように、本実施形態では、流量や触媒温度などの実測値に基づいてガス組成を予測し、ガス組成によって変化する改質ガス全体の希薄燃焼限界濃度Ｌを求める。さらに、ＥＣＵは、求めた希薄燃焼限界濃度Ｌと、ドライバによる要求トルクに応じて、エンジン筒内への改質ガス供給量及び空気流量を制御する。

図１は、改質触媒の壁温（℃）を変化させ、液体燃料としてガソリンを用い、これを水蒸気改質した時に得られる改質ガス組成の一例である。改質ガスの主成分は上述の通り水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンと、さらに水（凝集器で後に除去される）であるが、図１から理解できるように、壁温により生成ガスの組成が大きく異なる。これらの生成ガスの内、燃焼性のガスは、水素、一酸化炭素、メタンであるが、上述のように、水素の希薄限界当量比（φlimit）＝０．１、一酸化炭素はφlimit＝０．３４、メタンは、φlimit＝０．５と、それぞれの希薄限界が大きく異なる。したがって、例えば、図１において、改質触媒壁温が高く、水素、一酸化炭素の組成比が非常に大きい状況下では、水素が非常に希薄な状況でも燃焼可能であるから、筒内の混合気の希薄燃焼限界当量比は非常に小さい値（薄い）となる。逆に、壁温が低く、水素、一酸化炭素は少なく、メタンが多い場合、メタンの希薄限界当量比は大きいため、筒内の混合気の希薄燃焼限界当量比は、壁温の高温時と比較すると非常に大きく（濃い）なる。このため、希薄燃焼限界付近での運転を実行するために筒内に供給すべきガス燃料供給量、空気量は異なるはずである。

本実施形態では、少なくとも液体燃料流量及び水流量及び改質触媒温度を検出してこれを用いてガス組成を予測することで、正確な組成予測が可能であり、ＥＣＵは、その組成に応じた希薄燃焼限界濃度を演算し、その濃度になるように筒内への改質ガス噴射量及び空気流量を制御する。もちろん、後述するように、さらに、改質触媒への入力ガス温度、出力ガス温度などについても測定し、その測定値を考慮してガス組成を予測することでより正確に希薄燃焼限界を予測できる。したがって、本実施形態の内燃機関では、常時、筒内では希薄限界付近で混合気を燃焼させることができ、高い熱効率を達成でき、また、燃費の向上も実現する。

なお、上述のように、有機化合物燃料を、水及び空気を用いて改質する場合には、空気は該有機化合物燃料又は生成ガスと燃焼反応し、主反応である改質反応（吸熱反応）の吸熱量を低減する。このような燃焼反応により、空気中の酸素は全て消失し、残った窒素が筒内に供給される改質ガス（生成ガス）中に残留する。

［具体例１］
図２は、本実施形態の具体例１に係る内燃機関１０の概略構成を示している。気筒１１０の上部付近には、点火プラグ６０、吸気弁２４、排気弁２６がそれぞれ設けられ、気筒１１０内には、気筒軸線に沿って上下し、コネクティングロッドによりクランク軸に連結されたピストンが設けられている。吸気管２０には、スロットルバルブ２２が設けられ、気筒１１０の空気の吸気量を制御している。また、このスロットルバルブ２２付近には、このバルブ付近を通過する空気の流量を測定してエアーフローメータ信号を出力するエアーフローセンサ１３２が設けられている。さらに吸気管２０の吸気ポート付近には、改質ガス燃料を噴射するガス燃料噴射弁１３０が設けられている。気筒１１０の排気ポートは、排気管３０につながっており、その先には三元触媒などからなる排気触媒２８が設置されている。

燃料タンク４０に蓄えられた炭化水素液体燃料（例えばガソリン）と、水タンク５０に蓄えられた水は、それぞれ、ポンプで汲み上げられて蒸発器２２０に供給される。蒸発器２２０で、これらは蒸気となり、それぞれ改質触媒２３０に送られ、改質触媒２３０で炭化水素燃料ガスが水蒸気によって改質され、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを主成分とする改質ガスが生成される。なお、蒸発器２２０及び改質触媒２３０は、後述するように排気熱又は加熱ヒータ或いはバーナーなどを用いて燃料及び水を加熱することで、気化と、改質処理を実行している。改質触媒２３０で得られた改質ガスは、次に凝集器２４０で水分が除かれ、改質ガスタンク２５０に蓄えられ、ポンプ２６０で所望の圧力へと加圧してガス燃料噴射弁１３０より吸気管２０に供給される。

タンク４０，５０と蒸発器２２０との間には、燃料タンク４０からポンプで汲み上げられて蒸発器２２０に供給される炭化水素燃料（液体）の流量を検出する液体燃料流量センサ１４０と、水タンク５０から汲み上げられて蒸発器２２０に供給される水流量を検出する水流量センサ１４２が設けられている。

蒸発器２２０と改質触媒２３０との間には、改質触媒２３０に入力される燃料ガス温度と、水蒸気温度をそれぞれ検出する入力ガス温度センサ１４４が設けられ、改質触媒２３０の出力側（凝集器２４０との間）には、改質触媒２３０から出力されるガス（改質ガス）のガス温度を検出する出力ガス温度センサ１４８が設けられている。なお、このガス温度センサ１４４，１４８は、いずれか一方のみ、例えば入力ガス温度を検出するセンサ１４４のみとすることができる。

また、改質触媒２３０には、この触媒の温度（触媒壁温）を測定する触媒温度センサ１４６が設けられている。さらに、改質触媒２３０と凝集器２４０との間には、改質触媒２３０から出力される改質ガスの特定のガス成分濃度を検出するガス濃度センサ１５０が設けられている。

改質ガスのガス組成は、蒸発器２２０に供給する炭化水素流量、水流量と、改質触媒温度によって強い影響を受ける。また、入力ガス温度もガス組成に与える影響が大きい。さらに、出力ガス温度も改質触媒内での改質反応によって変化するため、その値により改質条件を推測することができる。このため、具体例１では、上述のように炭化水素液体燃料流量、水流量、改質触媒温度、入力ガス温度、出力ガス温度をそれぞれセンサ１４０，１４２，１４６，１４４，１４８によって検出している。

ＥＣＵ１００は、上記各センサで得られた検出値に基づき、気筒内１１０での希薄燃焼限界の予測演算を実行する。以下、このＥＣＵ１００での演算処理について、図３をさらに参照して説明する。ＥＣＵ１００は、上記のような各センサから、上述のように炭化水素流量、水流量、改質触媒温度、入力ガス温度、出力ガス温度の検出値を受け（Ｓ１）、これらの値に基づいて、予め内部に格納してある検出値とガス組成との対応マップを参照して、生成される改質ガスのガス組成とその濃度（vol％）を予測する（Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄・・・）（Ｓ２）。

ガス濃度センサ１５０は、改質ガスの主成分の内、予め定めた、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンの内の１成分についてのガス濃度Ｍ₁’（vol％）を検出する（Ｓ３）。ＥＣＵ１００は、この検出濃度Ｍ₁’を用い、下記式に基づいて、各ガス成分濃度の補正値Ｍ₁”Ｍ₂”、Ｍ₃”、Ｍ₄”・・・を求める（Ｓ４）。

Ｍ₁”＝Ｍ₁’
Ｍ₂”＝（１−Ｍ₁’）Ｍ₂／（Ｍ₂＋Ｍ₃＋Ｍ₄）
Ｍ₃”＝（１−Ｍ₁’）Ｍ₃／（Ｍ₂＋Ｍ₃＋Ｍ₄）
Ｍ₄”＝（１−Ｍ₁’）Ｍ₄／（Ｍ₂＋Ｍ₃＋Ｍ₄）
即ち、マップから求めた対応するガス成分の濃度Ｍ₁を検出濃度Ｍ₁’で置換して、Ｍ₁成分についての補正濃度Ｍ₁”とする。残りの成分Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄・・・については、全体濃度（体積）から検出したガス成分の濃度（体積）を差し引いた濃度（体積）内で、マップから求めた各成分濃度の全体濃度（体積）比に応じて算出する。

次に、こうして得られた改質ガスの各成分濃度Ｍ₁”、Ｍ₂”、Ｍ₃”、Ｍ₄”内、燃焼性ガスの希薄燃焼限界濃度Ｎ_iに基づいて、上述のように
Ｌ＝１００／（Σ（Ｍ_i／Ｎ_i））・・・（１）
式（１）を演算する（Ｓ５）。これにより、気筒内１１０における混合気の希薄燃焼限界濃度Ｌ（vol％）を得ることができ、ＥＣＵ１００は、この希薄燃焼限界濃度Ｌと、この際ドライバから要求されている要求トルクに応じて、気筒内１１０に供給すべきガス燃料量及び空気流量を決定し、さらに、その量に応じて燃料噴射弁１３０での燃料噴射期間、スロットルバルブ２２の開度を制御する（Ｓ６）。なお、スロットルバルブ２２の開度は、エアーフローセンサ１３２からの出力が、要求空気量に近づくように制御する。このように、実際に得られた改質ガスの内の予め定めた１成分のガス濃度を検出し、これによりガス組成の予測値を補正することで正確な組成予測及び希薄燃焼限界濃度の予測が可能となる。

ここで、ガス濃度を検出するガス成分については、高精度に濃度を検出することができ、かつ、例えば図１のように改質触媒温度や、入出力ガス温度などへの高い依存性のあるガスを選択することが好適である。一例として、希薄燃焼限界当量比の低い水素や、最も高いメタンなどの燃焼性ガス、或いは、一酸化炭素、二酸化炭素などが挙げられる。

なお、濃度を測定する１ガス成分について、改質条件等に応じ、測定するガス成分を変更しても良い。

［具体例２］
図４は、具体例２に係るＥＣＵ１００での演算処理を示している。上記具体例１と相違する点は、測定するガス成分が１成分ではなく、２成分であり（Ｓ１３）、２成分のガス濃度からガス組成の予測値の補正を行う（Ｓ１４）ことである。他の処理については、上記具体例１と同じである。

濃度を測定するガス成分については、精度良く測定可能な２つを選択すればよい。例えば、ガス組成の主成分が、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンの場合、メタンと水素、又はメタンと一酸化炭素等を選択することができる。この組み合わせは、改質触媒の温度が改質ガスの組成に対して最も影響が大きい場合、触媒温度に対する依存性の互いに異なるガスを１種類づつ選択することとなり、どの触媒温度に対しても高い検出精度、即ち、高い組成予測が可能となる。もちろん同一の傾向を示す２種類のガス（例えば図１のメタンと水等）であっても良いし、一方は温度依存性が低く他方が温度依存性が高い２種類のガス（例えば図１では、メタンと二酸化炭素）を選択することもできる。いずれの場合においても、ガス濃度を精度良く測定でき、かつ異なる任意の２種を選択することで、予測精度をさらに向上させることが可能となる。なお、ガス濃度センサ１５０は、検出するガス数とガス種類に応じて任意のセンサを採用する。

以上のように、改質ガスの内、予め定めた２成分について、ガス濃度センサ１５０が、それぞれそのガス濃度Ｍ₁’、Ｍ₂’（vol％）を検出し（Ｓ１３）、ＥＣＵ１００は、この検出濃度Ｍ₁’、Ｍ₂’を用い、下記式に基づいて、各ガス成分濃度の補正値Ｍ₁”、Ｍ₂”、Ｍ₃”、Ｍ₄”・・・を求める（Ｓ１４）。

Ｍ₁”＝Ｍ₁’
Ｍ₂”＝Ｍ₂’
Ｍ₃”＝（１−Ｍ₁’−Ｍ₂’）Ｍ₃／（Ｍ₃＋Ｍ₄）
Ｍ₄”＝（１−Ｍ₁’−Ｍ₂’）Ｍ₄／（Ｍ₃＋Ｍ₄）
以上のようにして得られた補正値Ｍ₁”、Ｍ₂”、Ｍ₃”、Ｍ₄”を用い、式（１）を演算することで、具体例１と同様、気筒内１１０における混合気の希薄燃焼限界濃度Ｌ（vol％）を得る（Ｓ５）。ＥＣＵ１００は、この希薄燃焼限界濃度Ｌと、この際ドライバから要求されている要求トルクに応じて、気筒内１１０に供給すべきガス燃料量及び空気流量を決定し、さらに、その量に応じて燃料噴射弁１３０での燃料噴射期間、スロットルバルブ２２の開度を制御する（Ｓ６）。

なお、濃度を測定する２ガス成分について、改質条件等に応じ、測定するガス成分を変更しても良い。

［具体例３］
上記具体例１及び２では、改質触媒２３０で得られる改質ガスから特定のガス成分の濃度を検出して予測値を補正しているが、具体例３に係る内燃機関では、ガス濃度は測定せずに、それ以外の測定値に基づいて予測及び補正を行う。

以下、図５及び図６を参照して具体例３の内燃機関の構成及び処理を説明する。図５は、具体例３において採用可能な内燃機関の概略システム例であり、図２に示したガス濃度センサ１５０が省略されている点を除けば図２のシステムと共通する。

ＥＣＵ１００は、センサ１４０，１４２から得られる炭化水素燃料流量及び水流量と、センサ１４６から得られる触媒壁温に基づいて、予めこれら流量と触媒壁温との対応に基づいて作成された対応マップを参酌し、予測値１を求める（図６（ａ））。

また、ＥＣＵ１００は、温度センサ１４４，１４８から得られる入力ガス温度及び出力ガス温度とに基づいて、上記予測値１を補正する。

より具体的には、まず、上記炭化水素燃料流量及び水流量と、温度センサ１４４，１４８から得られる入力ガス温度及び出力ガス温度とに基づき、予め流量と、入出力ガス温度との対応に基づいて作成された対応マップを参酌し、別途、予測値２を求める（図６（ｂ）参照）。次に、この予測値２によって予測値１を補正し、改質ガス組成の予測値を求める（図６（ｃ））。なお、予測値２を予測値１で補正することも同義である。得られた補正値に対しては、上記具体例１及び２と同様に、式（１）を演算して混合気の希薄燃焼限界濃度Ｌを演算し、その希薄燃焼限界濃度Ｌと、要求トルクに応じて、気筒内１１０に供給すべきガス燃料量及び空気流量を制御する。

ここで、ガス組成についての予測値の補正に際し、予測値１と、予測値２とは、例えば、触媒壁温と、触媒への入出力ガス温度について、これらが改質条件（ガス組成）に及ぼす影響度に応じて重み付けして用いる。具体例３のように、ガソリン燃料を水蒸気で改質する場合には、少なくとも、触媒壁温が改質条件に及ぼす影響は、入出力ガス温度よりも大きい。したがって、予測値１の方により高い重み付けをし（例えば０．８）、予測値２は影響度に応じた重みとし（例えば０．２）、この２つの予測値を加算することで得ることができる。この重み付けは、もちろん、炭化水素系液体燃料の種類、改質反応、改質触媒などによって最適な値とする。また、重み付けは、常に一定でなく、改質条件に応じて変更しても良い。例えば、触媒壁温が非常に高く、入力ガス温度の影響を受け難いような条件下では、予測値１の重み付けを通常よりも高く設定し、逆に触媒壁温が低く、入力ガス温度の影響が考慮すべき程度であれば、通常の重み付けとするなどとすることができる。なお、予測値２を流量と入力ガス温度との対応から求め、さらに流量と出力ガス温度との対応から予測値３を求め、予測値１を予測値２及び予測値３によって補正することも可能である。

［変形例１］
図７及び図８は、上記具体例１〜３の各内燃機関に採用可能なより具体的なシステム例を示している。なお、具体例３に適用する場合、図７及び図８に示したガス濃度センサ１５０は不要である。

いずれのシステムでも、燃料タンク４０から炭化水素系液体燃料を、水タンク５０から水を、それぞれポンプで汲み上げ、各流量制御弁を介して蒸発器２２０に送る。この蒸発器２２０は、図７では加熱ヒータによって、図８では排気熱の熱交換器によって加熱されており、液体燃料と水をそれぞれ蒸発させる。

同様に、改質触媒２３０は、図７では加熱ヒータによって、図８では排気熱の熱交換器によって加熱されている。ガソリン等の炭化水素系液体燃料と、水とから、上述のような水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどを主成分とする改質ガスを生成する改質反応は吸熱反応であり、改質触媒２３０を加熱ヒータや熱交換器などによって加熱することによって、触媒での改質反応を進めている。

また、図７及び図８では、いずれも、気筒１１０の排気側（排気触媒２８のさらに下流）に、排気ガス中に含まれる酸素濃度を測定するＯ₂センサ１３４を設けている。ＥＣＵ１００は、Ｏ₂センサ１３４で得られた酸素濃度に基づいて、気筒内の混合気濃度が、上式（１）より求めた希薄燃焼限界濃度Ｌに一致するように、燃料噴射弁１３０を制御してガス燃料供給量（燃料噴射期間）を制御し、スロットルバルブ２２の開度を制御して空気流量を制御する。

［変形例２］
改質条件の変化に応じて、上記具体例１、具体例２、具体例３のような補正方法を切り替えることも可能である。

例えば、改質ガスの成分の内、着目するガス（濃度測定対象のガス）の濃度が、触媒温度の上昇又は下降につれて検出できない程度に減少するというような特性であったり、触媒特性が経時変化するというような場合、或いは、燃料流量や水流量が予め定めた条件となったら、ガス成分の測定対象数、測定対象を変更しても良い。つまり、改質条件の変化に応じて、上記具体例１と具体例２の方法を切り替えたり、さらに具体例３とに切り替えたりすることも可能である。

また、例えば、ガス濃度センサの検出精度自体が変化する場合や、改質触媒の特性の変化した結果ガス濃度が著しく変化して検出精度が変化するというような場合、精度が低い条件では、具体例３のようにガス濃度の測定値を用いない予測及び補正方法を採用し、精度が高い条件下ではガス濃度を補正に利用するというような切り替えを実行することも可能である。

改質触媒温度と得られる改質ガスの組成との関係を示す図である。本実施形態の具体例１に係る内燃機関の概略システム図である。本実施形態の具体例１に係るガス組成の予測及び補正処理方法を説明する図である。本実施形態の具体例２に係るガス組成の予測及び補正処理方法を説明する図である。本実施形態の具体例３に係る内燃機関の概略システム図である。本実施形態の具体例３に係るガス組成の予測及び補正方法を説明する図である。本実施形態に係る内燃機関に適用可能な具体的構成の例を示す図である。本実施形態に係る内燃機関に適用可能な具体的構成の他の例を示す図である。

符号の説明

１０内燃機関、２０吸気管、２２スロットルバルブ、２４吸気弁、２６排気弁、２８排気触媒、３０排気管、４０（炭化水素系）液体燃料タンク、５０水タンク、６０点火プラグ、１００ＥＣＵ（エンジン制御部）、１１０気筒、１３０ガス燃料噴射弁、１３２エアーフローセンサ、１３４Ｏ₂センサ、１４０液体燃料流量センサ、１４２水流量センサ、１４４入力ガス温度センサ、１４６触媒温度センサ、１４８出力ガス温度センサ、１５０ガス濃度センサ、２２０蒸発器、２３０改質触媒、２４０凝集器、２５０改質ガスタンク，２６０ポンプ。

Claims

主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であって、
液体燃料を水と反応させて複数のガス成分を含むガス燃料に改質する改質触媒と、
前記液体燃料を前記改質触媒に供給する前に前記液体燃料及び前記水を蒸気とするための蒸発器と、
前記蒸発器に供給する液体燃料流量及び水流量を検出する流量センサと、
前記改質触媒におけるガス温度を検出するガス温度センサと、
前記改質触媒の温度を検出する触媒温度センサと、
前記改質後のガス燃料の前記複数のガス成分の内、少なくとも１種類のガス成分濃度を検出する検出器と、
を備え、
エンジン制御部が、
前記流量センサ及び前記触媒温度センサでの検出値を利用して、予め内部に格納した検出値とガス組成との対応マップを参照し、改質によって得られるガス燃料のガス組成を予測し、
さらに、前記検出したガス成分の濃度に基づいて、前記ガス組成の予測値を補正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、
さらに前記改質触媒の入力ガス又は出力ガスのガス温度を検出するガス温度センサを備え、
前記エンジン制御部は、前記ガス組成の予測に際し、さらに、検出した前記ガス温度を用いることを特徴とする内燃機関。
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関において、
前記ガス組成の予測値の補正では、検出したガス成分の濃度を前記予測値における対応ガス成分の濃度とし、前記検出したガス成分の濃度を全体濃度から除いた値に基づいて、予測値の残りのガス成分濃度を算出することを特徴とする内燃機関。
主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であって、
液体燃料を水と反応させて複数のガス成分を含むガス燃料に改質する改質触媒と、
前記液体燃料を前記改質触媒に供給する前に前記液体燃料及び前記水を蒸気とするための蒸発器と、
前記蒸発器に供給する液体燃料流量及び水流量を検出する流量センサと、
前記改質触媒の入力ガス又は出力ガスのガス温度を検出するガス温度センサと、
前記改質触媒の温度を検出する触媒温度センサと、
を備え、
エンジン制御部は、
前記流量センサ及び前記触媒温度センサでの検出値に基づいて、予め内部に格納した検出値とガス組成との対応マップを参照し、改質によって得られるガス燃料のガス組成の予測値を求め、さらに、前記ガス温度センサでの検出結果に基づいて予測値の補正を行うことを特徴とする内燃機関。
請求項４に記載の内燃機関において、
前記予測値の補正は、
前記流量センサ及び前記触媒温度センサでの検出値に基づいて求めた第１の予測値と、
前記流量センサ及び前記検出したガス温度に基づき、予め内部に格納した検出値とガス組成との対応マップを参照して求めた第２の予測値と、を利用して行うことを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記液体燃料は、炭化水素系液体燃料であり、
前記改質して得られるガス燃料は、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及びメタンを含有することを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記エンジン制御部は、前記補正された予測値に基づいて筒内での前記ガス燃料と空気との混合気の希薄燃焼限界濃度を算出し、該希薄燃焼限界濃度及び要求トルクに応じて、前記筒内へのガス燃料供給量及び空気流量を制御することを特徴とする内燃機関。
請求項７に記載の内燃機関において、
さらに、気筒の排気側に、酸素センサを備え、
前記酸素センサからの酸素検出値に基づいて、気筒内の混合気濃度が前記求めた希薄燃焼限界濃度に一致するように、前記筒内へのガス燃料供給量及び空気流量を制御することを特徴とする内燃機関。
主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であって、
液体燃料を反応により複数のガス成分を含むガス燃料に改質する改質触媒と、
前記液体燃料を前記改質触媒に供給する前に前記液体燃料を蒸気とするための蒸発器と、
前記蒸発器に供給する液体燃料流量を検出する流量センサと、
前記改質触媒の温度を検出する触媒温度センサと、
を備え、
エンジン制御部は、少なくとも前記流量センサ及び前記触媒温度センサでの検出値を利用して、予め内部に格納した検出値とガス組成との対応マップを参照し、改質によって得られるガス燃料のガス組成を予測し、
前記予測されたガス組成の内の燃焼性ガス組成の各希薄燃焼限界濃度に基づいて、筒内における混合気の希薄燃焼限界濃度を演算し、該希薄燃焼限界濃度及び要求トルクに応じて、前記筒内へのガス燃料供給量及び空気流量を制御することを特徴とする内燃機関。