JP4548344B2 - 内燃機関の排気リフォーマシステム制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を改質して生成した改質ガスを吸気通路に供給する内燃機関の排気リフォーマシステム制御装置に関する。

炭化水素燃料を改質触媒によって改質して水素を生成する燃料改質装置において、触媒表面への炭素析出いわゆるコーキングを抑制するために改質触媒への炭化水素燃料の供給を断続的に抑制する燃料改質装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２００３−２６０８号公報 特開２００４−９２５２０号公報

このような燃料改質装置では、アルコールを含有するアルコール混合燃料を改質ガスに改質することもできる。アルコール混合燃料に含まれる炭素の割合いわゆる炭素含有率はアルコール混合燃料のアルコール濃度に応じて変化する。そのため、アルコール混合燃料を改質する場合はガソリンなどの炭化水素燃料のみを改質するときと同様に改質する燃料量を一様に制限すると、改質触媒に供給する燃料量を無駄に制限し、改質ガスの生成効率を低下させるおそれがある。

そこで、本発明は、コーキングによる改質触媒の劣化を抑制しつつ改質ガスの生成効率を改善することが可能な内燃機関の排気リフォーマシステム制御装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気リフォーマシステム制御装置は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続する還流通路と、前記還流通路に配置され、前記還流通路を介して前記吸気通路に戻される排気中にアルコールを含有するアルコール混合燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁よりも前記吸気通路側の還流通路に配置され、排気中の前記アルコール混合燃料を水素を含有する改質ガスに改質する改質触媒と、を備えた内燃機関の排気リフォーマシステム制御装置において、前記アルコール混合燃料のアルコール濃度を取得するアルコール濃度取得手段と、前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度に応じて前記燃料噴射弁から噴射すべきアルコール混合燃料の量を調整する噴射量調整手段と、を備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

アルコール混合燃料はアルコール濃度に応じて炭素含有率が変化するので、コーキングを抑制しつつ燃料改質を行うことが可能な燃料量の上限値はアルコール濃度によって異なる。本発明の排気リフォーマシステム制御装置によれば、アルコール混合燃料のアルコール濃度に応じて燃料噴射弁から噴射すべき燃料量を調整するので、改質する燃料量を適切に調整することができる。そのため、コーキングによる改質触媒の劣化を抑制しつつ改質ガスの生成量を増加させることができる。

本発明の一形態において、前記噴射量調整手段は、前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度が高いほど前記燃料噴射弁から噴射すべきアルコール混合燃料の量を増加させてもよい（請求項２）。周知のようにガソリンなど内燃機関の燃料に使用される炭化水素燃料とアルコールとは燃料成分に占める水素（Ｈ）と炭素（Ｃ）の割合（Ｈ／Ｃ比）が異なり、アルコールの方がＨ／Ｃ比が大きい。なお、本発明におけるＨ／Ｃ比は、燃料成分に占める水素（Ｈ）の割合を炭素（Ｃ）の割合で割った比を指す。例えばアルコールであるエタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）はＨ／Ｃ比が３．０であり、炭化水素燃料であるガソリンはＨ／Ｃ比が１．７〜１．９程度である。そのため、アルコール混合燃料ではアルコール濃度が高くなるほど、燃料成分に占める炭素（Ｃ）の割合が減少して改質触媒の表面に炭素が析出し難くなる。この形態では、アルコール混合燃料のアルコール濃度が高いほど、燃料噴射弁から噴射すべき燃料量を増加させるので、改質触媒表面への炭素の析出を抑制しつつ改質ガスの生成量を増加できる。

以上に説明したように、本発明によれば、アルコール混合燃料のアルコール濃度に応じて改質する燃料量を調整するので、コーキングによる改質触媒の劣化を抑制しつつ改質ガスの生成量を増加させることができる。

図１は、本発明の排気リフォーマシステム制御装置が組み込まれた内燃機関の一形態を示している。図１に示した内燃機関（以下、エンジンと呼ぶこともある。）１は、車両に走行用動力源として搭載され、４つの気筒（不図示）と吸気通路２と排気通路３とを備えている。吸気通路２は、吸気管２ａと気筒毎に設けられる吸気ポート２ｂによって形成され、排気通路３はエキゾーストマニホールド３ａを含む排気管３ｂによって形成される。吸気通路２には、吸入空気量に対応した信号を出力するエアフローメータ４と、吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ５と、吸気の脈動を抑えるサージタンク６とが設けられ、排気通路３には、排気を浄化するための三元触媒７と、燃料蒸発器８とが設けられている。

また、エンジン１は、燃料供給装置１０を備えている。燃料供給装置１０は、アルコールを含有するアルコール混合燃料（以下、混合燃料と略称する。）が貯留される燃料タンク１１と、燃料ポンプ１２と、各吸気ポート２ａにそれぞれ設けられるインジェクタ１３と、燃料タンク１１と各インジェクタ１３とを接続する燃料供給管１４と、燃料供給管１４を流通する混合燃料のアルコール濃度に対応した信号を出力するアルコール濃度取得手段としてのアルコール濃度検出器１５とを備えている。なお、本形態では、燃料タンク１１にガソリンとエタノールとが混合された混合燃料が貯留される。

さらに、エンジン１は、燃料リフォーマシステム２０を備えている。燃料リフォーマシステム２０は、排気中に混合燃料を噴射して生成した混合ガスを改質触媒２３によって水素を含有する改質ガスに改質するシステムである。燃料リフォーマシステム２０は、吸気通路２と燃料蒸発器８よりも下流側の排気通路３とを接続する還流通路２１と、燃料噴射弁としての改質用インジェクタ２２と、熱交換器を有する改質触媒２３と、還流通路２１から吸気通路２に流入するガスの流量を調整するためのＥＧＲバルブ２４とを備えている。還流通路２１は還流管２１ａによって形成される。改質触媒２３は、改質用インジェクタ２２よりも吸気通路２側に設けられる。改質用インジェクタ２２はアルコール濃度検出器１５よりも下流側、すなわちインジェクタ１３側の位置において燃料供給管１４から分岐した燃料分岐管１６によって燃料タンク１１と接続されている。改質触媒２３において改質される混合ガスは、改質用インジェクタ２２から還流通路２１を流れる排気中に混合燃料が噴射されることによって生成される。

燃料蒸発器８及び改質触媒２３について説明する。燃料蒸発器８は、図１に点線で示したようにその内部を還流管２１ａが貫通しており、混合ガスと排気とを熱交換させて排気熱により混合ガスを加熱可能な熱交換器として構成されている。改質触媒２３は、排気が流通する排気流通通路と、この排気流通通路と壁を隔てて設けられる触媒本体と、を備えている。触媒本体には、例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｒｈが使用され、混合ガスはこの触媒本体によって改質ガスに改質される。この混合ガスを改質ガスに改質する反応は吸熱反応であるため、改質触媒２３に設けられている熱交換器はこの反応を促進させるべく排気流通通路を流通する排気と触媒本体とを熱交換させ、排気熱によって触媒本体が昇温可能なように設けられている。

次に、図１を参照して燃料リフォーマシステム２０による改質ガスの生成方法について説明する。還流通路２１には、排気通路３との接続部から排気ＥＧの一部が導かれる。還流通路２１に導かれた排気ＥＧには改質用インジェクタ２２から混合燃料が噴射され、これにより混合ガスＭＧが生成される。混合ガスＭＧは燃料蒸発器８に導かれ、排気熱によって加熱される。この加熱により混合ガスＭＧ中の混合燃料の気化が促進される。次に混合ガスＭＧは、改質触媒２３に導かれる。改質触媒２３では、触媒本体によって混合ガスＭＧが水素を含有する改質ガスＲＧに改質される。その後、改質ガスＲＧは、還流通路２１及び吸気通路２を介して各気筒に導かれる。

改質用インジェクタ２３の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０によって制御される。ＥＣＵ３０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、エンジン１が適切に運転されるようにインジェクタ１３などの動作を制御する周知のコンピュータユニットである。ＥＣＵ３０は、例えば各気筒に供給すべき燃料量を算出するとともに、この算出した燃料量が各気筒に供給されるように各インジェクタ１３の動作を制御する。このような制御を実行する際に参照する情報を取得すべくＥＣＵ３０には、エアフローメータ４、アルコール濃度検出器１５、及びエンジン１のクランク角に対応した信号を出力するクランク角センサ３１が接続されている。

ＥＣＵ３０は、改質触媒２３に供給する混合燃料の量を算出するとともに、この算出した量の混合燃料が還流通路２１の排気ＥＧ中に噴射されるように改質用インジェクタ２３の動作を制御する。図２は、ＥＣＵ３０が改質触媒２３に供給する混合燃料の量を算出するために実行する混合燃料噴射量算出ルーチンである。図２のルーチンは、エンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。改質用インジェクタ２２の制御方法は、周知の制御方法と同様でよいため説明を省略する。

図２のルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ１１でクランク角センサ３１の出力信号を参照してエンジン１の回転数を取得するとともに、エアフローメータ４の出力信号を参照して吸入空気量を取得する。続くステップＳ１２においてＥＣＵ３０は改質用インジェクタ２２から噴射される基本噴射量Ｑｂを算出する。この基本噴射量Ｑｂは、混合燃料のアルコール濃度がゼロ、すなわちガソリンのみを改質用インジェクタ２２から噴射すると仮定した場合の噴射量である。基本噴射量Ｑｂは、例えば図３に示したマップを参照してエンジン１の回転数及びトルクに基づいて算出される。なお、エンジン１のトルクは吸入空気量と相関を有しているため、吸入空気量に基づいて算出される。図３から明らかなように、エンジン１の回転数が高いほど、またエンジン１のトルクが高いほど基本噴射量Ｑｂは多く設定される。これは、エンジン１の回転数が高いほど、又はエンジン１のトルクが高いほどエンジン１から排出される排気の温度が上昇するので、より多くの混合燃料を改質できるためである。

次のステップＳ１３においてＥＣＵ３０は、アルコール濃度検出器１５の出力信号を参照して混合燃料のアルコール濃度を取得する。続くステップＳ１４においてＥＣＵ３０は、燃料噴射量増量係数αを算出する。燃料噴射量増量係数αは、例えば図４に示したマップに基づいて算出される。エタノールのＨ／Ｃ比はガソリンのＨ／Ｃ比よりも大きいので、混合燃料のアルコール濃度が高いほど混合燃料の炭素含有率は低下する。そのため、同量の混合燃料を改質する場合、アルコール濃度が高い混合燃料は、アルコール濃度が低い混合燃料よりも炭素含有率が低いので、触媒本体の表面に炭素が析出され難い。従って、アルコール濃度が高い場合は、アルコール濃度が低い場合と比較して触媒本体表面への炭素の析出を抑制しつつより多くの混合燃料を改質することができる。そこで、図４に示したように、燃料噴射量増量係数αは、混合燃料のアルコール濃度が高いほど大きく設定される。

次のステップＳ１５においてＥＣＵ３０は、基本噴射量Ｑｂに燃料噴射量増量係数αを掛けて最終噴射量Ｑｆを算出する。その後、今回のルーチンを終了する。なお、この算出した最終噴射量ＱｆはＥＣＵ３０のＲＡＭなどに一時的に記憶され、改質用インジェクタ２３の動作を制御するルーチンにて使用される。

以上に説明したように、図２のルーチンでは、改質用インジェクタ２２から噴射する混合燃料の量を混合燃料のアルコール濃度に応じて調整するので、改質触媒表面への炭素の析出、すなわちコーキングによる触媒本体の劣化を抑制しつつ改質ガスＲＧの生成量を増加させることができる。また、アルコールを含有する混合燃料のＨ／Ｃ比はガソリンのＨ／Ｃ比よりも高いので、混合燃料を改質する場合はガソリンのみを改質する場合よりも改質用インジェクタ２２から噴射する混合燃料の量を増加させることができる。そのため、ガソリンのみを改質する場合と比較してより多くの排気熱を利用できるので、排気エネルギの回収効率を向上させることができる。

図２のルーチンのステップＳ１４及びＳ１５の処理を実行することにより、ＥＣＵ３０は本発明の噴射用調整手段として機能する。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明の排気リフォーマシステムで改質される混合燃料はエタノールとガソリンとを混合した混合燃料に限定されない。混合燃料は、メタノールなど内燃機関の燃料として使用可能なアルコールと軽油など内燃機関の燃料として使用可能な炭化水素燃料とを混合した混合燃料であればよい。

本発明の排気リフォーマシステム制御装置が組み込まれた内燃機関の一形態を示す図。 ＥＣＵが実行する混合燃料噴射量算出ルーチンを示すフローチャート。 エンジン回転数及びエンジントルクと基本噴射量との関係の一例を示す図。 混合燃料のアルコール濃度と燃料噴射量増量係数との関係の一例を示す図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ 排気通路
１５ アルコール濃度検出器（アルコール濃度取得手段）
２１ 還流通路
２２ 改質用インジェクタ（燃料噴射弁）
２３ 改質触媒
３０ エンジンコントロールユニット（噴射量調整手段）
ＥＧ 排気
ＲＧ 改質ガス

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続する還流通路と、前記還流通路に配置され、前記還流通路を介して前記吸気通路に戻される排気中にアルコールを含有するアルコール混合燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁よりも前記吸気通路側の還流通路に配置され、排気中の前記アルコール混合燃料を水素を含有する改質ガスに改質する改質触媒と、を備えた内燃機関の排気リフォーマシステム制御装置において、
   前記アルコール混合燃料のアルコール濃度を取得するアルコール濃度取得手段と、前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度に応じて前記燃料噴射弁から噴射すべきアルコール混合燃料の量を調整する噴射量調整手段と、を備えていることを特徴とする内燃機関の排気リフォーマシステム制御装置。
2. 前記噴射量調整手段は、前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度が高いほど前記燃料噴射弁から噴射すべきアルコール混合燃料の量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気リフォーマシステム制御装置。

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