JP2009138695A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】気流状態に応じて排気ガスの改質が可能となる排気温度となるように気流を制御し、排気ガスの最適な改質を行うことを可能とする内燃機関を提供する。
【解決手段】本実施例の内燃機関では、燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出工程（ステップＳ１１）と、改質触媒の異常の有無を判定する工程（ステップＳ１２）と、改質触媒が正常の場合、ステップＳ１１で検出されたアルコール濃度に応じて気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各領域を決定する工程（ステップＳ１３）と、ステップＳ１３で各気流領域が決定された気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの分布を示すマップに切換える工程（ステップＳ１４）とからなる。改質触媒の異常の有無とアルコール濃度に応じて気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを決定し、気流の強弱を決定することで、気流状態に応じて排気ガスの改質が可能となる排気温度となる気流に制御し、排気ガスの改質を効率的に実施する。
【選択図】図３

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。

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、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_X）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（リフォーマガス）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。

このような従来の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改質触媒とリフォームガス制御弁が設けられている。そして、従来の内燃機関の排気リフォーマシステムでは、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。

このように、従来の内燃機関の排気リフォーマシステムでは、通常時は、リフォーム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、リフォーム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。

また、吸気ポートに燃料を供給する燃料通路にはタイミングコントロールバルブのような高速電磁弁（Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌｌ Ｖａｌｖｅ：以下、「ＴＣＶ」という。）が設けられている。そして、内燃機関の吸気行程でシリンダー内に発生する縦渦のタンブル又は横渦のスワール等の混合気の旋回流である気流をＴＣＶにより強めて燃焼時間を短くすることで耐ＥＧＲ性を向上させ、燃費の向上を図っている（特許文献１、２）。

また、近年、燃料として、ガソリンだけでなく、このガソリンにアルコ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ＦＦＶでは、低速低負荷領域においてアルコールとガソリンとの混合燃料からアルコールを分離して改質した燃料を吸気に供給するようにしている。

特開２００４−９２５２０号公報 特開２００１−２７１６８５号公報

ここで、排気ガスに燃料が混合された混合ガスを改質触媒に通すことで行われる改質反応は、吸熱反応であるため、排気温度がある程度高いことが要求される。

しかしながら、ＴＣＶで筒内の気流を強めた状態で排気ガスの改質を行なうと、気流を強めることで燃焼時間が短縮し、気流が弱い状態の時と同一回転、負荷の状態と比較すると排気温度が低下し、改質に必要な排気温度が確保できないため、気流が弱い状態で排気ガスの改質を行なう場合と比較して排気ガスの改質の可能な領域が狭くなる、という問題がある。

このため、ＦＦＶにおいて、ＴＣＶにより筒内の気流を制御するような場合、ＴＣＶの制御により排気温度が変化するため、排気ガスの改質を効率的に行なうことができない、という問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、気流状態に応じて排気ガスの改質が可能となる排気温度となるように気流を制御し、排気ガスの最適な改質を行うことを可能とする内燃機関を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、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アルコールとガソリンとを単独でまたは混合した燃料を供給する第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前記燃料を供給する第２燃料供給手段と、前記排気ガス分流通路を流れる排気ガスに前記第２燃料供給手段から前記燃料が供給された混合ガスを改質触媒により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、前記排気ガスのガス温度を検知する排気ガス温度検知手段と、前記吸気通路に前記燃焼室内の気流の強さを制御する気流制御手段とを備え、前記排気ガス温度検知手段により検出された排気ガスのガス温度に応じて前記気流制御手段により排気ガスの改質が可能な排気温度となるように燃焼室内の気流を制御することを特徴とする。

本発明に係る内燃機関においては、前記改質触媒が異常であると判断された場合には、前記気流制御手段に代えて第１燃料供給手段及び第２燃料供給手段に燃料を供給する燃料供給管に設けた高速電磁弁により燃焼室内の気流を制御することを特徴とする。

本発明に係る内燃機関においては、前記燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出手段を有し、前記アルコール濃度検出手段により検出されたアルコール濃度に応じて気流の強さを制御することを特徴とする。

本発明によれば、排気ガスのガス温度を検知する排気ガス温度検知手段と、吸気通路に燃焼室内の気流を制御する気流制御手段とを備え、前記排気ガス温度検知手段により検出された排気ガスのガス温度に応じて前記気流制御手段により、気流状態に応じて排気ガスの改質が可能となる排気温度となるように燃焼室内の気流を制御することができる。

これにより、排気ガスの改質時に筒内の気流を強めることで排気ガスの温度が改質の可能な温度を下回る場合には、筒内の気流を弱めて排気ガスの温度が改質の可能な温度に上げることができる。

この結果、気流状態に応じて排気ガスの改質が可能となる排気温度となるように気流の制御を行うことで、排気ガスの最適な改質を行うことができる。

また、前記改質触媒が異常であると判断された場合には、前記気流制御手段に代えて第１燃料供給手段及び第２燃料供給手段に燃料を供給する燃料供給管に設けた高速電磁弁により燃焼室内の気流を制御することで、前記改質触媒の異常状態に合わせて排気ガスの改質を行うことができる。

また、前記排気ガスのアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出手段を設け、アルコール濃度が高いほどより低温で排気ガスの改質が可能となるため、前記アルコール濃度検出手段により検出されたアルコール濃度と気流状態から排気ガスの改質が可能となる排気温度となるように気流の強さを制御することができ、排気ガスの最適な改質を行うことができる。

以下に、本発明に係る内燃機関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、本発明の一実施例に係る内燃機関を表す概略構成図である。
本実施例の内燃機関は、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。
図１に示すように、本実施例の内燃機関において、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。
尚、エンジン１１は４気筒エンジンに限定されるものではなく、他の気筒エンジンに用いるようにしてもよい。

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、デリバリパイプ２１に連結され、デリバリパイプ２１には、燃料供給管２２により燃料タンク２３内の燃料ポンプ２４に連結されている。また、燃料供給管２２にはタイミングコントロールバルブ（Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌｌ Ｖａｌｖｅ：以下、「ＴＣＶ」という。）のような高速電磁弁３８が設けられている。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２５を介して排気管（排気通路）２６が連結されており、この排気管２６には、改質器２７と三元触媒２８ａが充填されている三元触媒装置２８とマフラー２９が装着されている。この改質器２７は、後述するように、二重管構造になっており、三元触媒３０が充填されているガス浄化部２７ａと、その回りに改質触媒３１が充填されている改質室２７ｂとからなり、排気ガスの一部に燃料を供給した後、排気熱を利用して改質触媒３１により混合ガスを改質して改質ガスを生成するものである。また、三元触媒２８ａ、３０は、排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、ＮＯ_X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。また、三元触媒２８ａ、３０により浄化された排気ガスはマフラー２９を介して大気中に排出される。

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、熱交換構造になっており、排気管２６と連結される改質器２７のガス浄化部２７ａには三元触媒３０が充填され、ガス浄化部２７ａの回りには改質室２７ｂが設けられ、この改質室２７ｂには改質触媒３１が充填されている。改質触媒３１としては、例えば、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）等が用いられる。

排気管２６における改質器２７の上流側に、排気ガス分流管（排気ガス分流通路）３２が分岐して設けられ、この排気ガス分流管３２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３２には、排気管２６から排気ガス分流管３２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）３３が設けられている。この第２インジェクタ３３は、第１インジェクタ２０と同様に、燃料供給管２２により燃料タンク２３内の燃料ポンプ２４に連結されている。

また、改質器２７における改質室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）３４の一端部が接続されており、この改質ガス導入管３４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３４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３５と、この流量調整弁３５を動作させるアクチュエータ３５ａとが設けられている。

また、改質ガス導入通路３４に冷却装置３６を設け、改質器２７から排出された改質ガスや排気ガスを冷却させている。改質器２７から排出された改質ガスや改質反応が行われなかった排気ガスは高温状態にあり、これらがそのまま吸気通路１５へ導入されると、外部から吸入した空気が温められて燃焼室１２内の各気筒への充填効率が悪化する。そこで、冷却装置３６により、改質器２７から排出された改質ガスを冷却させることで、燃焼室１２内の各気筒への改質ガスや排気ガスの充填効率の悪化を抑えることができる。

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３３により排気ガス分流管３２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３３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３５が開放された状態では、排気管２６を流れる排気ガスの一部が排気ガス分流管３２に分流され、この排気ガスに対して、第２インジェクタ３３が燃料噴射（排気燃料噴射）を行う。燃料と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２６から改質器２７のガス浄化部２７ａを流れる排気ガスの熱により加熱される。この結果、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（Ｈ₂）や一酸化炭素（ＣＯ）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（Ｈ₂）ガスと３４．７モルの一酸化炭素（ＣＯ）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３４に流れ、流量調整弁３５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ガス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２６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、ＮＯ_X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。

また、各第１インジェクタ２０には、燃料タンク２３に貯留された燃料が燃料供給管２２と、燃料供給管２２に接続されているデリバリパイプ２１とを介して供給される。エンジン１１は、燃料としてアルコールとガソリンとをそれぞれ単独でまたは混合して使用可能に構成されているので、燃料タンク２３には、所定のアルコール濃度を有する燃料が貯留される。この燃料は、ガソリン１００％の場合や、メタノール、エタノール等のアルコールがガソリンに混合された混合燃料の場合、更にはアルコール１００％の場合もある。

また、各吸気ポート１３には燃焼室１２内の気流を制御する気流制御手段である気流制御バルブ３７を設けている。図２は、気流制御バルブの構成の一例を示す図である。図２に示すように、気流制御バルブ３７の開閉で燃焼室１２内に発生する気流の強さを変化させている。燃焼室１２内に発生する気流としては、タンブル、スワールがある。
本実施例では、タンブル、スワールの何れか一方又は両方を制御するようにしている。
また、タンブルとは、内燃機関の吸気行程でシリンダー内に発生する混合気の縦渦をいう。スワールとは、エンジンの吸気行程でシリンダー内に発生する混合気の渦巻き（横渦）をいう。

車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）４１が搭載されており、このＥＣＵ４１は、第１インジェクタ２０、第２インジェクタ３３、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４２が装着されており、計測した吸入空気量をＥＣＵ４１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４３を有しており、現在のスロットル開度をＥＣＵ４１に出力している。更に、クランク角センサ４４は、検出した各気筒のクランク角度をＥＣＵ４１に出力し、このＥＣＵ４１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。

従って、ＥＣＵ４１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３３が噴射する燃料噴射量の合計である。

また、ＥＣＵ４１は、第２インジェクタ３３や流量調整弁３５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。

また、改質器２７の改質室２７ｂには、床温センサ４５が設けられており、現在の改質室２７ｂの温度（床温）をＥＣＵ４１に出力している。よって、ＥＣＵ４１は、検出した改質器２７の床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、ＥＣＵ４１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、ＥＣＵ４１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３５の開度をアクチュエータ３５ａにより設定すると共に、第２インジェクタ３３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３３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。

また、改質ガス導入通路３４に温度センサ４６を設け、改質ガス温度を検知するようにしている。また、改質ガス導入通路３４に水素（Ｈ₂）センサ４７、ＣＯセンサ４８、ＨＣセンサ４９を設け、改質ガスの成分量を検知するようにしている。

よって、これらのＨ₂センサ４７、ＣＯセンサ４８、ＨＣセンサ４９により検出される濃度、流量調整弁３５の図示しないトルクのトルク変動等から排気ガスが改質触媒３１により改質されているか否かを判断する。これにより、改質触媒３１の異常が検出され、排気ガス改質システムの良否を判断する。

また、改質触媒３１が異常状態となる場合として、例えば、触媒内に炭素が析出する状態となる場合、エンジン１１の負荷が小さく、改質触媒３１に加わる排気ガスからの熱量が不十分で改質触媒３１で燃料の改質が行われない場合などがある。

また、クランク角度から改質触媒３１が正常か否かを判定することもできる。改質触媒３１が正常状態の時に燃焼室１２の気筒内の筒内圧が最大値となるクランク角度が、例えば進角側にある時、改質触媒３１が異常状態の時には気筒内の筒内圧が最大値となるクランク角度が遅角側に移行する。よって、所定のクランク角度の範囲内か否かを判定し、改質触媒３１が正常か否かを判定できる。

また、エンジンの回転変動を検出して改質触媒３１が正常か否かを判定することもできる。改質触媒３１が正常状態で混合ガス中の燃料の改質割合が大きい時には、回転数変動が小さいが、改質触媒３１が異常となって混合ガス中の燃料の改質割合が小さくなると、回転数変動が大きくなる。よって、エンジンの回転変動が所定値の範囲内の場合には、改質触媒３１が正常と判定し、エンジンの回転変動が所定値の範囲外の場合には、改質触媒３１が異常と判定し、改質触媒３１が正常か否かを判定できる。

燃料供給管２２には、アルコール濃度を検出するアルコール濃度センサ５０が設けられている。このアルコール濃度センサ５０は、燃料の誘電率に基づいてアルコール濃度を検出する静電容量式のものが用いられているが、燃料の屈折率に基づいてアルコール濃度を検出する光学式のものを使用してもよく、その検出原理には限定されない。

また、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２３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、ＥＣＵ４１は、この空燃比センサ５１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制御し、全体の燃料噴射量を補正している。

また、排気ガスのガス温度を検知する排気ガス温度検知手段である排気温センサ５２を排気管２６に設けている。排気温センサ５２により検出された排気ガスのガス温度に応じて気流制御バルブ３７により排気ガスの改質が可能な排気温度となるように各燃焼室１２内の気流の強さを制御するようにしている。

また、改質触媒３１が異常であると判断された場合には、気流制御バルブ３７に代えて燃料供給管２２に設けたタイミングコントロールバルブのような高速電磁弁３８により排気ガスの改質が可能な排気温度となるように各燃焼室１２内の気流の強さを制御するようにしている。

[運転制御方法]
つぎに、本実施例の内燃機関における運転制御方法について図３のフローチャートに基づいて図１、２を参照しつつ具体的に説明する。
ここでは、気流としてタンブルを用いて説明する。
図３は、本実施例に係る内燃機関における運転制御方法を示すフローチャートである。
本実施例に係る内燃機関における運転制御方法は、燃料のアルコール濃度の検出と、改質触媒３１の異常の有無の判定と、改質触媒３１の異常の有無と得られた燃料のアルコール濃度に応じて各気流領域の分布を示すマップを決定し、決定された各気流領域の分布を示すマップへの切替えを実行し、各気流領域に応じた気流制御を行うものである。

即ち、図３に示すように、本実施例に係る内燃機関における運転制御方法は、アルコール濃度センサ５０において燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出工程（ステップＳ１１）と、改質触媒３１の異常の有無を判定する工程（ステップＳ１２）と、改質触媒３１が正常の場合、即ち、排気ガス改質システムが良好の場合、ステップＳ１１で検出されたアルコール濃度に応じて後述する気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各領域を決定する工程（ステップＳ１３）と、ステップＳ１３で各気流領域が決定された気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの分布を示すマップに切換える工程（ステップＳ１４）とからなるものである。
また、改質触媒３１が異常の場合、即ち、排気ガス改質システムが不良の場合、ステップＳ１１で検出されたアルコール濃度に応じて後述する気流領域Ｅ、Ｆの気流領域を決定する工程（ステップＳ１５）と、ステップＳ１５で決定された気流領域Ｅ、Ｆの分布を示すマップに切換える工程（ステップＳ１６）とからなるものである。

まず、図３において、ステップＳ１１では、アルコール濃度センサ５０において燃料のアルコール濃度を検出する。即ち、燃料はガソリン、アルコール、又はこれらの混合燃料であり、アルコール濃度センサ５０により燃料のアルコール濃度を読み込む。そして、ステップＳ１１において燃料のアルコール濃度を読み込んだ後、ステップＳ１２へ移行する。

ステップＳ１２では、改質触媒３１の異常の有無、即ち、排気ガス改質システムが良好に動作しているか否かを判定する。改質触媒３１の異常状態となる場合として、上述のように、例えば、触媒内に炭素が析出する状態となる場合、エンジン１１の負荷が小さく、改質触媒３１に加わる排気ガスからの熱量が不十分で改質触媒３１で燃料の改質が行われない場合がある。改質触媒３１が異常か否かは、Ｈ₂センサ４７、ＣＯセンサ４８、ＨＣセンサ４９により検出される濃度、流量調整弁３５の図示しないトルクのトルク変動等から判断される。また、所定のクランク角度の範囲内か否か、エンジンの回転変動が所定値の範囲内か否かからも改質触媒３１が正常か否かを判定することができる。

そして、ステップＳ１２において改質触媒３１が正常である、即ち、排気ガス改質システムが良好と判定された場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）には、ステップＳ１３へ移行する。

そして、ステップＳ１３では、改質触媒３１が正常である場合、ステップＳ１１で検出されたアルコール濃度に応じて後述する気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各領域を決定する。

ここで、気流領域を決定する方法について説明する。

気流領域は、排気ガスの改質に可能な排気温度に応じて気流の強弱を決定する領域である。
また、燃料として、ガソリンだけでなく、このガソリンにアルコールを混合した燃料を使用可能であるが、燃料のアルコール濃度が０％の場合について説明する。
図４は、改質触媒が正常の時の各気流領域の分布を示す図である。
図４中、気流領域Ａが、気流を強弱何れの場合でも排気温度が改質可能な排気ガス基準温度に到達していない領域である。
また、気流領域Ｂが、気流を強くした状態では排気温度が改質可能な基準温度に達しないが、気流を弱くした状態では排気温度が改質可能な基準温度を超える領域である。
また、気流領域Ｃが、気流を強くした状態で排気温度が改質可能な基準温度を超える領域である。
また、気流領域Ｄが、気流が強い状態の時よりも弱い状態の時の方が燃費が向上する領域である。

また、排気ガスの改質が可能な排気ガス基準温度をＴ０、排気ガス温度をＴ、タンブルが弱い時の排気ガス温度をＴ１、タンブルが強い時の排気ガス温度をＴ２とする。
このとき、図４中、境界線ａ（図４中、太い破線）は、排気ガス基準温度Ｔ０とタンブルが弱い時の排気ガス温度Ｔ１とでのエンジン回転数とトルクとが同じになる線である。
また、境界線ｂ（図４中、太い実線）は、排気ガス基準温度Ｔ０とタンブルが強い時の排気ガス温度Ｔ２とでのエンジン回転数とトルクとが同じになる線である。
また、ｃ線（図４中、細い破線）は、気流が弱い時の燃費が気流が強い時の燃費よりも大きくなる時でのエンジン回転数とトルクとが同じになる線である。

このとき、気流領域Ａでは、タンブルが弱い時の排気ガス温度Ｔ１は排気ガス基準温度Ｔ０より低く、タンブルが強い時の排気ガス温度Ｔ２も排気ガス基準温度Ｔ０より低くなっている。
また、気流領域Ｂでは、タンブルが弱い時の排気ガス温度Ｔ１は排気ガス基準温度Ｔ０以上であり、タンブルが強い時の排気ガス温度Ｔ２は排気ガス基準温度Ｔ０より低くなっている。
また、気流領域Ｃでは、タンブルが弱い時の排気ガス温度Ｔ１は排気ガス基準温度Ｔ０以上であり、タンブルが強い時の排気ガス温度Ｔ２も排気ガス基準温度Ｔ０以上である。

図４に示すように、気流領域Ａの状態、即ち、気流を強弱何れの場合でも排気温度が改質可能な排気ガス基準温度Ｔ０に到達していない領域の状態の場合には、タンブルを強めるようにする。この気流領域Ａでタンブルを強めることで、燃焼が速くなり、耐ＥＧＲ性、耐リーンバーン性が向上し、燃費を向上させることができる。

また、気流領域Ｂの状態、即ち、気流を強くした状態では排気温度が改質可能な排気ガス基準温度Ｔ０に達しないが、気流を弱くした状態では排気温度が改質可能な排気ガス基準温度Ｔ０を超える領域の状態の場合には、タンブルを弱めて排気ガスの改質を行なうようにする。この気流領域Ｂでタンブルを弱めることで、排気ガス温度が上昇するため、排気ガスの改質を行なうことができる。排気ガスを改質することにより、発熱量の増大、耐ＥＧＲ性を更に向上させることができるため、燃費を向上させることができる。これにより、タンブルが強い状態で排気ガスの改質を行わない時、即ち、温度が低く改質が行えない状態よりも燃費を向上させることができる。

また、気流領域Ｃの状態、即ち、気流を強くした状態で排気温度が改質可能な排気ガス基準温度Ｔ０を超える領域の状態の場合には、タンブルを強めて排気ガスの改質を行なうようにする。この気流領域Ｃでタンブルを強めて排気ガスの改質を行なうことで、上述の気流領域Ａと同様に、燃焼が速くなり、耐ＥＧＲ性、耐リーンバーン性が向上し、燃費を向上させることができる。

また、気流領域Ｄの状態、即ち、気流が強い状態の時よりも弱い状態の時の方が燃費が向上する領域の状態の場合には、タンブルを弱めて排気ガスの改質を行なうようにする。この気流領域Ｄでタンブルを弱めて排気ガスの改質を行なうことで、上述の気流領域Ｂと同様に、排気ガス温度が上昇し、排気ガスの改質により、発熱量の増大、耐ＥＧＲ性を更に向上させることができるため、燃費を向上させることができる。

このように、気流状態に応じて排気ガスの改質が可能となる排気温度となるように気流の制御を行うことで、排気ガスの最適な改質を行うことができる。
また気流としてタンブルを用いて説明したが、スワールにおいても同様である。

＜燃費比較＞
また、図４に示すような気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの分布を示す図に従って気流制御を行う実施例１と従来に示すような気流の強弱だけの二つの領域だけに基づいて気流制御を行う比較例１との燃費を比較した結果を示す。
図５は、トルクと燃料消費率との関係を示す図である。
図５中、太線が、図４に示すような気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの分布を示す図に従って気流制御を行う実施例１を示す。
また、図５中、細線が、従来のような気流の強弱だけの二つの領域だけに基づいて気流制御を行う比較例１を示す。
図５に示すように、図４に示すような気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの分布を示す図に従って気流制御を行う実施例１のように、気流領域Ａ〜Ｄで気流の強弱を決定し、気流制御を行う方が、従来のような気流の強弱だけの二つの領域だけに基づいて気流制御を行う比較例１よりも燃料消費率が低減することが確認された。

よって、本発明のように、気流状態に応じて排気ガスの改質が可能となる排気温度となる気流領域Ａ〜Ｄで気流の強弱を決定し、気流制御することで、従来よりも排気ガスの改質を効率的に実施することができ、燃費を低減できることが確認された。

＜改質の有無と気流の強弱とによるＥＧＲ率と燃料消費率とへの影響＞
また、排気ガスを改質触媒３１により改質した時と、気流の強弱とをそれぞれ組み合わせた時のＥＧＲ率とその時の燃料消費率との関係について説明する。
ここで、ＥＧＲ率とは、排気ガス分流管３２に分留され、吸気管１５に循環される排気ガス量が排気ガスの全ガス量に対して占める割合であり、排気ガス分流管３２に分留される排気ガス量をエンジン１１に流入する吸気と排気ガス量と合わせたガス量で割った値をいう。
図６は、ＥＧＲ率と燃料消費率との関係を示す図である。
図６中、細い実線が、排気ガスの改質を行なわず気流が弱い状態の時である。
また、細い破線が、排気ガスの改質を行なわず気流が強い状態の時である。
また、太い実線が、排気ガスの改質を行なうと共に気流が弱い状態の時である。
また、太い破線が、排気ガスの改質を行なうと共に気流が強い状態の時である。

図６に示すように、気流を弱い状態から強い状態にすることで、燃焼が速くなるため、耐ＥＧＲ性が向上し、燃費を向上させることができる。

また、排気ガスを改質触媒３１により改質した改質ガスを利用することで発熱量を増加させると共に、改質ガス中の水素により燃焼が更に速くなるため、耐ＥＧＲ性も向上させることができる。

＜気流の強弱による燃焼期間と排気温度への影響＞
また、気流を強めた時の燃焼期間と排気温度との関係について説明する。
図７は、気流を強めた時の燃焼期間と排気温度との関係を示す図である。
図７中、上側図に示すように、タンブル比が大きくなることで、火炎伝播速度が速くなり燃焼が早期に終了する。また、図７中、下側図に示すように、燃焼が早期に終了するため、排気バルブを開くときの筒内ガス温度が低下しているため、排気ガス温度も低下することになる。

よって、気流を強くし筒内の気流の乱れが強くなるほど燃焼期間は短くなり、排気温度も低下することになる。

＜気流強度による改質可能領域への影響＞
また、気流強度による改質可能領域について説明する。
図８は、気流が弱い状態の時のエンジン回転数と負荷との関係を示す図であり、図９は気流が強い状態の時のエンジン回転数と負荷との関係を示す図である。
図８に示すように、気流が弱いときに排気ガスの改質可能な領域と改質不可能な領域とに分かれるが、気流を強くすると、上述のように、排気温度が低下するため、図８に示すような排気ガスの改質可能な領域が、図９に示すように排気ガスの改質可能な領域より狭くなり、新たに排気ガスの改質不可能な領域（図９中、斜線部分）が増大することになる。

よって、気流を強くすると排気ガスの改質可能な領域が狭くなるため、排気ガスの改質を行なうことができず、耐ＥＧＲ性が低下することになる。

このように、気流を弱い状態から強い状態にすることで、耐ＥＧＲ性が向上し、燃費を向上させることができ、排気ガスを改質触媒３１により改質した改質ガスを利用することで発熱量を増加させると共に、耐ＥＧＲ性も向上させることができる。しかし、気流を強くすることで、燃焼期間は短くなり、排気温度も低下するため、排気ガスの改質可能な領域が狭くなる。

そこで、例えば、図４に示す気流領域Ｂの状態のように、排気ガスの改質時に筒内のタンブルを強めることで排気ガスの温度が改質の可能な温度を下回る場合には、筒内のタンブルを弱めることで、排気ガスの温度が改質の可能な温度に上げ、排気ガスの改質を行なうことができる。従って、排気ガスの改質が可能となる排気温度となるように気流を制御することで、排気ガスの最適な改質を行うことができる。

＜アルコール濃度による気流領域への影響＞
また、燃料として、ガソリンにアルコールを混合したアルコール燃料を使用する場合について説明する。
図４に示すような気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの分布を示すマップは図３に示すステップＳ１１において検出されるアルコール濃度に応じて各領域を変化させる。これは、アルコール濃度が高くなるほど、排気ガスの改質が可能となる排気ガス基準温度が低くなるため、アルコール濃度に応じて気流領域を変化させる必要があるためである。

図１０〜図１２は、アルコール濃度とアルコール濃度に応じた各気流領域間の気流領域補正係数との関係を示す図である。図１０は、アルコール濃度と気流領域ＡＢ間の気流領域補正係数との関係を示す図である。図１１は、アルコール濃度と気流領域ＢＣ間の気流領域補正係数との関係を示す図である。図１２は、アルコール濃度と気流領域ＣＤ間の気流領域補正係数との関係を示す図である。
図４に示すような気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各気流領域は、アルコール濃度に応じて図１０〜図１２に示すような各気流領域間の気流領域補正係数を乗じて負荷領域を変更する。即ち、図１０〜図１２中の各々の異なる各気流領域間の気流領域補正係数（例えば、図１０〜図１２中の実線、破線）は、アルコール濃度が０％に値に近づくほどアルコール濃度が０％の時の気流領域補正係数の値に漸近する。

よって、アルコール燃料を用いる場合、図１０〜図１２に示すような気流領域補正係数を使用することで、図４に示すような気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各領域を変更することができる。

例えば、図１３は、アルコール濃度に応じて図４に示す気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各領域を変更した図である。
図１３中、境界線ａ’、ｂ’、ｃ’は、図４に示す境界線ａ、ｂ、ｃがそれぞれ燃料中のアルコール濃度に応じて変化したものである。
図１３に示すように、例えば燃料中のアルコール濃度が高くなると、低い温度で改質が可能となるため、気流領域Ａは範囲は狭くなり、気流を強める気流領域を狭くすることができる。

よって、燃料中のアルコール濃度によって、排気ガス温度Ｔ及び排気ガス基準温度Ｔ０が変化するため、燃料中のアルコール濃度に応じて気流の強弱の気流領域を変更することで、排気ガスの最適な改質を行うことができ、燃費を向上させることができる。

そして、図３に示すステップＳ１３において、図４に示すようなアルコール濃度に応じた気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの分布を示すマップを決定した後、ステップＳ１４へ移行する。

そして、図３に示すステップＳ１４において、図４に示すようなアルコール濃度に応じた気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの分布を示すマップへの切換えを実行した後、運転制御を終了する。そして、ステップＳ１４で切換えた気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの分布を示すマップに基づいて各気流領域に応じた気流制御を実施する。

一方、図３に示すステップＳ１２において、改質触媒３１が異常状態である、即ち、排気ガス改質システムが不良であると判定された場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）には、ステップＳ１５へ移行する。

そして、ステップＳ１５では、改質触媒３１が異常状態である場合、ステップＳ１１で検出されたアルコール濃度に応じて気流領域を決定する。

図１４は、改質触媒が異常の時の各気流領域の分布を示す図である。
図１４中、気流領域Ｅが気流を強弱何れの場合でも排気温度が改質可能な排気ガス基準温度Ｔ０に到達していない領域である。
また、気流領域Ｆが気流が強い時よりも弱い状態の方が燃費が向上する領域である。
また、境界線ｄが、燃料のアルコール濃度が０％の時の気流領域Ｅ、Ｆの境界線（図１４中、実線）であり、境界線ｅが、燃料のアルコール濃度が１００％の時の気流領域Ｅ、Ｆの境界線（図１４中、破線）である。

図１４に示すように、気流領域Ｅの状態、即ち、気流を強弱何れの場合でも排気温度が改質可能な排気ガス基準温度Ｔ０に到達していない領域の状態の場合には、気流を強めるようにする。この気流領域Ｅで気流を強めることで、燃焼が速くなり、耐ＥＧＲ性、耐リーンバーン性が向上し、燃費を向上させることができる。

また、気流領域Ｆの状態、即ち、気流が強い時よりも弱い状態の方が燃費が向上する領域の状態の場合には、気流を弱めて排気ガスの改質を行なうようにする。この気流領域Ｆで気流を弱めて排気ガスの改質を行なうことで、排気ガス温度が上昇し、排気ガスの改質により発熱量の増大、耐ＥＧＲ性を更に向上させることができるため、燃費を向上させることができる。

また、図１４に示すような気流領域Ｅ、Ｆは図３に示すステップＳ１１において検出されるアルコール濃度に応じて領域を変化させている。
図１５は、アルコール濃度とアルコール濃度に応じた気流領域ＥＦ間の気流領域補正係数との関係を示す図である。
図１４に示すような気流領域Ｅ、Ｆの気流領域は、アルコール濃度に応じて図１４に示すような気流領域ＥＦ間の気流領域補正係数を乗じて負荷領域を変更する。

即ち、改質触媒３１が異常状態であり、排気ガス改質システムが不良であると判定された場合には、排気ガス温度を考慮しなくてもよい。また、燃料中のアルコール濃度が高い場合には、燃焼速度が速くなるため、耐ＥＧＲ性が向上する。このため、燃料中のアルコール濃度が高い場合には、図１４に示すような境界線ｄを境界線ｅとし、気流領域Ｅを燃料のアルコール濃度が０％の時よりも広げることで、ＥＧＲ領域を拡大することができるため、燃費向上領域を拡大することができる。

よって、アルコール燃料を用いる場合、図１４に示すような気流領域ＥＦ間の気流領域補正係数を使用することで、アルコール濃度に応じた図１４に示すような気流領域Ｅ、Ｆを変更することができる。

よって、改質触媒３１が異常状態となり、排気ガスシステムが不良の状態の場合でも、燃料中のアルコール濃度によって、排気ガス温度Ｔ、排気ガス基準温度Ｔ０が変化するため、燃料中のアルコール濃度により気流領域Ｅ、Ｆを変更し、気流の強弱を変更することで、燃費を向上させることができる。

そして、図３に示すステップＳ１５において、図１４に示すようなアルコール濃度に応じた気流領域Ｅ、Ｆの分布を示すマップを決定した後、ステップＳ１６へ移行する。

そして、図３に示すステップＳ１６において、図１４に示すようなアルコール濃度に応じた気流領域Ｅ、Ｆの分布を示すマップへの切換えを実行した後、運転制御を終了する。そして、ステップＳ１６で切換えた気流領域Ｅ、Ｆの分布を示すマップに基づいて各気流領域に応じた気流制御を実施する。

このように、本実施例の内燃機関では、アルコール濃度センサ５０において燃料のアルコール濃度を検知し、改質触媒３１の異常の有無の判定を行なうことで、改質触媒３１の異常の有無と燃料のアルコール濃度に応じた気流領域を決定し、気流の強さの制御を行なうことができる。この結果、気流状態に応じて排気ガスの改質が可能となる排気温度となるように気流を制御することで、排気ガスの最適な改質を行うことができるため、排気ガスの改質を効率的に実施することができる。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、燃料のアルコール濃度の検知と改質触媒の異常の有無の判定とを行ない、改質触媒の異常の有無と燃料のアルコール濃度に応じた気流領域を決定して気流の制御を行ない、気流状態に応じて排気ガスの改質が可能となる排気温度となる気流の強弱の領域を決定することで、排気ガスの改質を効率的に実施するものであり、いずれの種類の内燃機関に用いても好適である。

本発明の一実施例に係る内燃機関を表す概略構成図である。 気流制御バルブの構成の一例を示す図である。 本実施例に係る内燃機関における運転制御方法を示すフローチャートである。 改質触媒が正常の時の各気流領域の分布を示す図である。 トルクと燃料消費率との関係を示す図である。 ＥＧＲ率と燃料消費率との関係を示す図である。 気流を強めた時の燃焼期間と排気温度との関係を示す図である。 気流が弱い状態の時のエンジン回転数と負荷との関係を示す図である。 気流が強い状態の時のエンジン回転数と負荷との関係を示す図である。 アルコール濃度と気流領域ＡＢ間の気流領域補正係数との関係を示す図である。 アルコール濃度と気流領域ＢＣ間の気流領域補正係数との関係を示す図である。 アルコール濃度と気流領域ＣＤ間の気流領域補正係数との関係を示す図である。 アルコール濃度に応じて気流領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを変更したエンジン回転数とトルクとの関係を示す図である。 改質触媒が異常の時の各気流領域の分布を示す図である。 アルコール濃度とアルコール濃度に応じた気流領域ＥＦ間の気流領域補正係数との関係を示す図である。

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）
１６ インテークマニホールド
１７ エアクリーナ
１８ スロットル弁
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）
２１ デリバリパイプ
２２ 燃料供給管
２３ 燃料タンク
２４ 燃料ポンプ
２５ エキゾーストマニホールド
２６ 排気管（排気通路）
２７ 改質器
２７ａ ガス浄化部
２７ｂ 改質室
２８ 三元触媒装置
２８ａ、３０ 三元触媒
２９ マフラー
３１ 改質触媒
３２ 排気ガス分流管（排気ガス分流通路）
３３ 第２インジェクタ（第２燃料供給手段）
３４ 改質ガス導入管（改質ガス導入通路）
３５ 流量調整弁
３５ａ アクチュエータ
３６ 冷却装置
３７ 気流制御バルブ
３８ 高速電磁弁
４１ 電子制御ユニット、ＥＣＵ（燃料噴射制御手段）
４２ エアフローセンサ
４３ スロットルポジションセンサ
４４ クランク角センサ
４５ 床温センサ
４６ 温度センサ
４７ 水素（Ｈ₂）センサ
４８ ＣＯセンサ
４９ ＨＣセンサ
５０ アルコール濃度センサ
５１ 空燃比センサ
５２ 排気温センサ

Claims (3)

1. 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アルコールとガソリンとを単独でまたは混合した燃料を供給する第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前記燃料を供給する第２燃料供給手段と、
   前記排気ガス分流通路を流れる排気ガスに前記第２燃料供給手段から前記燃料が供給された混合ガスを改質触媒により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、
   前記排気ガスのガス温度を検知する排気ガス温度検知手段と、
   前記吸気通路に前記燃焼室内の気流の強さを制御する気流制御手段とを備え、
   前記排気ガス温度検知手段により検出された排気ガスのガス温度に応じて前記気流制御手段により排気ガスの改質が可能な排気温度となるように燃焼室内の気流を制御することを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１において、
   前記改質触媒が異常であると判断された場合には、
   前記気流制御手段に代えて第１燃料供給手段及び第２燃料供給手段に燃料を供給する燃料供給管に設けた高速電磁弁により燃焼室内の気流を制御することを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１又は２において、
   前記燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出手段を有し、
   前記アルコール濃度検出手段により検出されたアルコール濃度に応じて気流の強さを制御することを特徴とする内燃機関。

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