内燃機関の制御装置
【課題】水素添加燃焼の内燃機関において、オンボードで従来よりも効率良く水素を製造して内燃機関に供給できる技術を提供すること。
【解決手段】通常燃焼用の第２気筒１２〜第４気筒１４に対して燃料を供給するとともに、リッチ燃焼用の第１気筒１１に対してリッチ燃焼となるように燃料を供給する燃料供給部と、第１気筒１１の排気を各気筒に循環する循環手段と、循環手段により循環される排気中の一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト触媒５１による水性ガスシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換する変換手段と、を備え、燃料供給部は、第１気筒１１の排気中の一酸化炭素量が増加するように、第１の状態に設定されて第１気筒１１に燃料を噴射する第１インジェクタ２１と、第１の状態とは異なる第２の状態に設定されて第２気筒１２〜第４気筒１４に燃料を噴射する第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４と、を備える内燃機関１０の制御装置である。
【解決手段】通常燃焼用の第２気筒１２〜第４気筒１４に対して燃料を供給するとともに、リッチ燃焼用の第１気筒１１に対してリッチ燃焼となるように燃料を供給する燃料供給部と、第１気筒１１の排気を各気筒に循環する循環手段と、循環手段により循環される排気中の一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト触媒５１による水性ガスシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換する変換手段と、を備え、燃料供給部は、第１気筒１１の排気中の一酸化炭素量が増加するように、第１の状態に設定されて第１気筒１１に燃料を噴射する第１インジェクタ２１と、第１の状態とは異なる第２の状態に設定されて第２気筒１２〜第４気筒１４に燃料を噴射する第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４と、を備える内燃機関１０の制御装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。より詳しくは、水素が添加された吸気を気筒内に導入し、当該気筒内に燃料を噴射して燃焼させる内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の熱効率やエミッションの改善等を目的として、内燃機関の混合気や吸気中に水素を添加する水素添加燃焼技術の開発が進められている。またこれに伴い、内燃機関への効率的な水素の供給を目的として、オンボードでの燃料改質による水素製造技術の開発が進められている。
【０００３】
ところで、オンボードで燃料改質を行う場合には、装置の小型化、瞬時の起動及び優れた負荷応答性が求められる。しかしながら、通常、オンボードで燃料改質を行うためには燃料改質器を別途車載する必要があるため、装置構成及びその制御が複雑化する。また、燃料改質器内の改質触媒は高温を要するため、その昇温に時間がかかり瞬時の起動が不可能であるうえ、必要とされる水素量の変動に応答できない。
【０００４】
そこで、オンボードで燃料改質を行うにあたり、既に車載されている内燃機関を利用した技術が提案されている（特許文献１参照）。この技術では、リッチ燃焼を行って燃料を改質するとともに、リッチ燃焼により生じた排気中に含まれる一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト触媒による水性ガスシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換した後、内燃機関に循環させる。この技術によれば、既に車載されている内燃機関を利用するため、装置構成及びその制御が複雑化するのを回避できる。また、内燃機関を利用した燃料改質であるため、負荷変動に容易に対応できる。さらには、水性ガスシフト触媒は排気温度下で水性ガスシフト反応が十分進行するため、瞬時の起動が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１６２３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら近年では、さらに効率良く水素を製造して内燃機関に供給することで、内燃機関の熱効率やエミッションのさらなる改善が求められているのが現状である。
【０００７】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素添加燃焼の内燃機関において、オンボードで従来よりも効率良く水素を製造して内燃機関に供給できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明は、通常燃焼用の気筒（例えば、後述の第２気筒１２，第３気筒１３，第４気筒１４）に対して燃料を供給するとともに、リッチ燃焼用の気筒（例えば、後述の第１気筒１１）に対して前記通常燃焼用の気筒よりもリッチ燃焼となるように燃料を供給する燃料供給手段（例えば、後述のＥＣＵ６０）と、前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気を前記リッチ燃焼用の気筒及び前記通常燃焼用の気筒に循環する循環手段（例えば、後述の流量制御弁５２，５３、配管５１ａ，５２ａ，５２ｂ、ＥＣＵ６０）と、前記循環手段により循環される排気中の一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト触媒による水性ガスシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換する変換手段（例えば、後述の水性ガスシフト触媒５１，ＥＣＵ６０）と、を備える内燃機関（例えば、後述の内燃機関１０）の制御装置を提供する。本発明に係る内燃機関の制御装置では、前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量が増加するように、第１の状態に設定されて前記リッチ燃焼用の気筒に燃料を噴射する第１燃料噴射装置（例えば、後述の第１インジェクタ２１）と、前記第１の状態とは異なる第２の状態に設定されて前記通常燃焼用の気筒に燃料を噴射する第２燃料噴射装置（例えば、後述の第２インジェクタ２２、第３インジェクタ２３、第４インジェクタ２４）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、通常燃焼用の気筒の他にリッチ燃焼用の気筒を設け、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト反応により水素と二酸化炭素に変換して各気筒に循環させる。また、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量が増加するように燃料噴射装置を設定して、リッチ燃焼用の気筒に燃料を噴射して供給する。これにより、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量が増加するため、水性ガスシフト反応が促進され、変換される水素の量が増加して水素を効率良く製造できる。従って、本発明によれば、オンボードで従来よりも効率良く水素を製造して内燃機関に供給できる。
また本発明によれば、効率良く水素を製造できるため、水素製造時の燃費の低下を抑制できるうえ、燃料噴射装置の状態を設定するのみで水素の製造量を精度良く制御できる。
【００１０】
この場合、前記第１の状態は、前記第２の状態と比べて、噴霧角が大きいこと、噴射率が大きいこと及び燃料噴射ノズルの燃焼室側への突き出し量であるノズル突き出し量が小さいこと、の少なくともいずれかに該当することが好ましい。
【００１１】
この発明では、リッチ燃焼用の気筒に燃料を噴射する第１燃料噴射装置を、通常燃焼用の気筒に燃料を噴射する第２燃料噴射装置と比べて、噴霧角が大きいこと、噴射率が大きいこと及び燃料噴射ノズルの燃焼室側への突き出し量であるノズル突き出し量が小さいこと、の少なくともいずれかに該当するように設定する。
噴霧角を大きくした場合には、燃焼室を形成するキャビティの上端部から、噴霧された燃料がはみ出し、キャビティの内部と比べて低温で残存酸素量が多いキャビティの外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。またこの場合には、各噴孔から噴射されて形成された噴霧同士が空間的に干渉し、局所的に過濃な混合気となって不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
また、噴射率（ペネトレーション）を大きくした場合には、噴霧された燃料が燃焼室壁面に衝突した後にキャビティの外側に流出し、上記と同様にキャビティの外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
また、ノズル突き出し量を小さくした場合には、噴霧された燃料がキャビティからはみ出し、上記と同様にキャビティの外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
従ってこの発明によれば、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量を増加させることができるため、上記発明の効果が確実に発揮される。
【００１２】
この場合、前記燃料供給手段は、要求トルクに応じたパイロット噴射及びメイン噴射により各気筒に対して燃料を供給するとともに、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、パイロット噴射量を低減して燃料を供給することが好ましい。
【００１３】
この発明では、要求トルクに応じたパイロット噴射及びメイン噴射により各気筒に対して燃料を供給するとともに、リッチ燃焼用の気筒に対してはパイロット噴射量を低減する。
この発明によれば、パイロット噴射量を低減することで要求トルクを確保するためにメイン噴射量が増加する。すると、メイン噴射で噴射された燃料がリッチな混合気となり、不完全燃焼する割合が増加する結果、一酸化炭素量が増加する。従って、この発明によれば、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量を増加させることができるため、上記発明の効果が確実に発揮される。
【００１４】
この場合、前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、前記低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射により供給することが好ましい。
【００１５】
この発明では、リッチ燃焼用の気筒に対して、パイロット噴射量を低減するとともに、低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射により供給する。
噴射時期が遅いアフター噴射では、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって、燃焼反応の凍結、つまり一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなる結果、一酸化炭素量が増加する。従って、この発明によれば、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量をより増加させることができるため、上記発明の効果がより高められる。
【００１６】
この場合、前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、前記通常燃焼用の気筒よりも燃料噴射タイミングをリタードして燃料を供給することが好ましい。
【００１７】
この発明では、リッチ燃焼用の気筒に対して、通常燃焼用の気筒よりも燃料噴射タイミングをリタードして燃料を供給する。
燃料噴射タイミングをリタードして噴射時期を遅角させると、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって燃焼反応の凍結、つまり一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなる結果、一酸化炭素量が増加する。従って、この発明によれば、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量を増加させることができるため、上記発明の効果が確実に発揮される。
【００１８】
この場合、前記リッチ燃焼用の気筒における空燃比、前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気の温度及び前記水性ガスシフト触媒の温度のうち少なくともいずれか一つを制御することで、前記変換手段により変換される水素の量を制御する水素量制御手段（例えば、後述の第１インジェクタ２１、スロットルバルブ３２、温度センサ５４ａ，５４ｂ、ＥＣＵ６０）をさらに備えることが好ましい。
【００１９】
この発明では、リッチ燃焼用の気筒における空燃比、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気の温度及び水性ガスシフト触媒の温度のうち少なくともいずれか一つを制御することで、変換手段により変換される水素の量を制御する。これにより、さらに効率良く水素を製造して内燃機関に供給できる。
【００２０】
この場合、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、改質剤として、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素及びＥＧＲガスのうち少なくともいずれか一つを供給する改質剤供給手段（例えば、後述の改質剤供給装置、ＥＣＵ６０）をさらに備えることが好ましい。
【００２１】
この発明では、リッチ燃焼用の気筒に対して、改質剤として、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素及びＥＧＲガスのうち少なくともいずれか一つを供給する。これにより、リッチ燃焼用の気筒内でより効率良く燃料が改質され、排気中の一酸化炭素量をより増加させることができるため、上記発明の効果がより高められる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、水素添加燃焼の内燃機関において、オンボードで従来よりも効率良く水素を製造して内燃機関に供給できる技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成を示す図である。
【図２】上記実施形態に係る燃料供給系の構成を示す図である。
【図３】上記実施形態に係る第１インジェクタの概略構成を示す縦断面図である。
【図４】上記実施形態に係る第１インジェクタの先端部分の拡大断面図である。
【図５】上記実施形態に係る第１インジェクタを説明するための図であり、（Ａ）はノズル突き出し量を示す図であり、（Ｂ）は気筒に対する噴孔位置を模式的に示す平面図であり、（Ｃ）は第１インジェクタの二面巾に対する噴孔位置を模式的に示す平面図である。
【図６】上記実施形態に係る第１インジェクタの噴霧角を大きくしたときの燃料の噴霧状態を示す断面図である。
【図７】上記実施形態に係る第１インジェクタの噴霧角を大きくしたときの燃料の噴霧状態を示す平面図である。
【図８】サック部の開口面積と噴霧角との関係を示す図である。
【図９】シート角と噴霧角との関係を示す図である。
【図１０】噴霧角の時間変化を示す図である。
【図１１】噴霧角とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【図１２】ペネトレーションの増加量とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【図１３】ノズル突き出し量の低減量とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【図１４】パイロット噴射量とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【図１５】アフター噴射量とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【図１６】燃料噴射タイミングのリタード量とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成を示す図である。
本実施形態に係る内燃機関１０は、水素が添加された吸気を気筒内に導入し、当該気筒内に燃料を噴射して燃焼させるものであり、図示しない車両に搭載されている。具体的には、内燃機関１０は、後述する第１気筒でリッチ燃焼を行って燃料を改質することで、水素、一酸化炭素及び水蒸気を含む改質ガスを生成し、後述する水性ガスシフト触媒による水性ガスシフト反応によって、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水素及び二酸化炭素に変換した後、各気筒内に循環するものである。
図１に示すように、内燃機関１０には、各気筒に燃料を供給する燃料供給系２０と、車外の空気を内燃機関１０に導く吸気系３０と、内燃機関１０で生成した排気を車外に排出する排気系４０と、内燃機関１０で生成した改質ガスを水性ガスシフト反応させて水素を生成するシフト反応系５０と、これらを制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）６０と、が設けられている。
【００２５】
本実施形態で用いられる燃料は、車両用の燃料であり、具体的には、ガソリン、軽油、アルコール、天然ガス、プロパンガス、バイオディ−ゼル等の炭化水素類（アルカン類、アルケン類、アルキン類、芳香族化合物等）及びこれらの混合燃料等が用いられる。中でも、軽油や、軽油とその他の燃料との混合燃料が好ましく用いられる。
【００２６】
本実施形態では、図示しない改質剤供給装置及びこれを制御するＥＣＵ６０により、後述するリッチ燃焼用の気筒としての第１気筒に対して、改質剤が供給される。供給される改質剤としては、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素及びＥＧＲガスのうち少なくとも一種が挙げられる。
【００２７】
本実施形態に係る内燃機関１０は、直列４気筒のディーゼル内燃機関であり、燃料が気筒内に噴射され、圧縮されることで自己着火する。内燃機関１０の運転条件（回転速度）は負荷変動に良好に追従するため、後述する第１気筒による改質ガスの生成も、負荷変動に良好に追従する。
ただし、気筒数やその配列は特に限定されない。また、内燃機関１０の種類は、ディーゼル内燃機関に限定されず、公知の内燃機関から適宜選択して利用できる。さらに、内燃機関１０における着火方式は、圧縮による自己着火式に限定されず、例えば点火プラグによる火花点火式でもよい。
【００２８】
内燃機関１０は、リッチ燃焼又は通常燃焼を行う第１気筒１１と、通常燃焼を行う第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４を備える。これにより、内燃機関１０は、第１気筒１１におけるリッチ燃焼と、第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４における通常燃焼とを、同時に並行して行うことができる。ただし、リッチ燃焼用又は通常燃焼用の気筒数、通常燃焼用の気筒数は、これに限定されない。
なお本実施形態では、第１気筒１１におけるリッチ燃焼による改質反応は、２００℃〜３０００℃程度までの温度領域で実施される。
【００２９】
燃料供給系２０は、上記の各気筒内に燃料を噴射する第１インジェクタ２１、第２インジェクタ２２、第３インジェクタ２３及び第４インジェクタ２４を備える。これらの各インジェクタは、それぞれ、各気筒内に所望量の燃料を噴射する。
図２は、本実施形態に係る燃料供給系２０の構成を示す図である。
図２に示すように、燃料供給系２０は、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４と、コモンレール２５と、高圧ポンプ２６と、燃料タンク２７と、を備える。第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４、コモンレール２５及び高圧ポンプ２６には、これらを制御するＥＣＵ６０が電気的に接続されている。
【００３０】
燃料タンク２７は、車両用の燃料タンクであり、給油口から給油された軽油等の液体燃料を貯留する。燃料タンク２７は、後述する高圧ポンプ２６と第１供給管２７１で連結されており、この第１供給管２７１の先端部及び中間部に、フィルタ２７２，２７３が設けられている。燃料は、これらフィルタ２７２，２７３で濾過されて異物等の不純物が除去された後、後述の高圧ポンプ２６に供給される。
【００３１】
高圧ポンプ２６は、内燃機関１０により駆動される機械駆動式のポンプである。より詳しくは、高圧ポンプ２６は、内燃機関１０のカムシャフトに連動して往復動する図示しないプランジャと、燃料の吐出量を調整するための図示しない流量制御弁を備える。
高圧ポンプ２６は、燃料タンク２７内の燃料を吸引し、フィルタ２７２，２７３により濾過された燃料を高圧に昇圧して、第２供給管２６１内に吐出する。高圧ポンプ２６により高圧に昇圧された燃料は、第２供給管２６１を介して、後述するコモンレール２５に供給される。
【００３２】
高圧ポンプ２６には、高圧ポンプ２６に供給された燃料の過剰分やリーク分等を燃料タンク２７に還流するための第２還流管２０２が接続されている。第２還流管２０２は、後述する第１還流管２０１と合流しており、高圧ポンプ２６から還流された燃料と、コモンレール２５及び第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４から還流された燃料は、混合されて燃料タンク２７に還流される。
【００３３】
コモンレール２５は、高圧ポンプ２６と第２供給管２６１で連結されており、高圧ポンプ２６により昇圧されて供給された燃料を蓄圧する。コモンレール２５は、内燃機関１０の各気筒に対応して設けられた第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４と４つの第３供給管２５１で連結されている。コモンレール２５で蓄圧された燃料は、第３供給管２５１を介して、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４に圧送される。
【００３４】
コモンレール２５には、燃料の過剰分等を還流するための第１還流管２０１が接続されている。第１還流管２０１は、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４に接続されており、これら各インジェクタからの燃料の過剰分やリーク分も還流する。また第１還流管２０１は、第２還流管２０２と合流した後、燃料タンク２７内に燃料を還流する。
【００３５】
コモンレール２５の第１還流管２０１との接続部分には、コモンレール２５内の燃料圧力を調整するための圧力リミットバルブ２５３が設けられている。
また、コモンレール２５には、その内部の燃料圧力を検出する圧力センサ２５２が設けられている。圧力センサ２５２は、ＥＣＵ６０に電気的に接続されており、その検出信号はＥＣＵ６０に出力される。
【００３６】
第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４は、内燃機関１０の各気筒に対応して設けられており、各気筒の燃焼室内に燃料を直接噴射する。コモンレール２５で蓄圧された燃料は、第３供給管２５１を介して各インジェクタから各気筒の燃焼室内に噴射される。
ただし、空気等のバックグラウンドガスに気化させた後に、各気筒の燃焼室内に導入してもよい。例えば、後述する混合器と吸気マニホールドとの間に吸気チャンバを設け、この吸気チャンバ内で新気を含むバックグラウンドガスに燃料を噴射し気化する構成としてもよい。つまり、燃料の噴射方式は、筒内噴射、吸気ポート噴射のいずれでもよい。
【００３７】
ここで、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４について詳しく説明する。
図３は、本実施形態に係る第１インジェクタ２１の概略構成を示す縦断面図である。図３では、各部材の位置関係や寸法等は、理解の容易のため、誇張及び簡素化して示している。
第１インジェクタ２１は、先端に周方向に均等に配置された８つの噴孔２１１を有するノズルボディ２１０と、ノズルボディ２１０の中心軸に沿って形成された挿通穴２１０Ａと、挿通穴２１０Ａ内に進退可能に挿通されて保持されるニードル弁２１２と、ニードル弁２１２の上方に設けられてニードル弁２１２を進退させる図示しない駆動機構と、を備える。
図３に示すように、挿通穴２１０Ａの内周面とニードル弁２１２の外周面との間には、その周方向の少なくとも一部に隙間が設けられており、この隙間により燃料流路が形成されている。またこの燃料流路には、上述の第３供給管２５１が接続されている。
以上の構成を備える第１インジェクタ２１では、駆動装置によりニードル弁２１２が前進してその先端部が挿通穴２１０Ａの座面に着座すると、噴孔２１１からの燃料の噴射が停止する。また、駆動装置によりニードル弁２１２が後退してその先端部が挿通穴２１０Ａの座面から離座すると、噴孔２１１から燃料が噴射される。なお図３では、ニードル弁２１２の先端部が挿通穴２１０Ａの座面に着座している状態を示している。
【００３８】
第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４は、基本的な構成は同一であるが、第１インジェクタ２１は、第１気筒１１から排出される排気（以下、「改質ガス」という）中の一酸化炭素量が増加するような第１の状態に設定されており、第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４は、第１の状態とは異なる第２の状態に設定されている。
これら第１の状態及び第２の状態は、各インジェクタのハード構成（寸法等）を変更することで設定可能であるとともに、後述するＥＣＵ６０による各インジェクタの燃料噴射を制御することで設定可能となっている。また、これらハード構成の変更や燃料噴射の制御を複数組み合わせることで、改質ガス中の一酸化炭素量をより増加でき、より効率の良い水素の製造が可能となっている。
【００３９】
以下、各インジェクタのハード構成（寸法等）の変更による各状態の設定について説明する。なお、各インジェクタの燃料噴射制御による各状態の設定については後段で詳述する。
本実施形態では、第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４と比べて、第１インジェクタ２１の噴霧角が大きいこと、噴射率（ペネトレーション）が大きいこと、ノズル突き出し量が小さいこと、の少なくともいずれかに該当するようにハード構成（寸法等）を変更する。これにより、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素量が増加するような第１の状態に第１インジェクタ２１が設定される。
【００４０】
ここで、図４は、本実施形態に係る第１インジェクタ２１の先端部分の拡大断面図である。なお図４では、ニードル弁２１２の先端部２１２Ａが挿通穴２１０Ａの座面から離座している状態を示している。
従来一般的な第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４と比べて、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくするためには、図４に示す噴孔２１１の径（噴孔径）を小さくすること、シート角を大きくすること、噴孔２１１の長さ（噴孔長）を短くすること、の少なくとも一つにより実現される。
ここで、噴霧角とは、平面視での噴霧角度（例えば、噴孔２１１から噴射方向に１０ｍｍの位置における噴霧角度）であり、後述の図７に示すθで表される。また、シート角とは、図４に示す挿通穴２１０Ａの略円錐状の先端部２１０Ｄの開先角度である。
【００４１】
本実施形態に係る従来一般的な第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４では、例えば、噴孔径は１２３μｍ、シート角は６０°、噴孔長は１．０５ｍｍに設定される。これに対して、第１インジェクタ２１では、例えば、噴孔径は１２１μｍ、シート角は９０°、噴孔長は０．９０ｍｍに設定され、これにより、噴霧角が大きくなる。
なお、噴霧角を大きくする他の方法としては、燃料圧力を上げること、噴孔２１１の出口のＲを小さくすること、噴孔２１１のテーパー角を小さくすること、噴孔２１１の内表面の粗さを粗くすること、が挙げられる。
【００４２】
また、従来一般的な第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４と比べて、第１インジェクタ２１の噴射率を大きくするためには、例えば燃料圧力を大きくすることで、実現される。
【００４３】
図５（Ａ）は、第１インジェクタのノズル突き出し量を示す図であり、図５（Ｂ）は、第１気筒１１に対する噴孔２１１の位置を模式的に示す平面図であり、図５（Ｃ）は、第１インジェクタに対する噴孔２１１の位置を模式的に示す平面図である。
ここで、ノズル突き出し量とは、燃料噴射ノズルの燃焼室側への突き出し量であり、具体的には、図５（Ａ）に示すように第１インジェクタ２１を取り付けるシリンダヘッド１１５の内側面から、ノズル（噴孔２１１）までの距離である。
本実施形態に係る従来一般的な第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４では、例えばノズル突き出し量は０．３６ｍｍに設定され、第１インジェクタ２１ではこれよりもノズル突き出し量が小さく設定される。
なお本実施形態では、図５（Ｂ）に示すように、例えば、内燃機関１０に対する噴孔２１１の位置（Ａ°）は、グロープラグの位置に応じて２２．５°に設定され、図５（Ｃ）に示すように、第１インジェクタ２１の二面巾に対する噴孔２１１の位置（Ｂ°）も同様に２２．５°に設定される。
【００４４】
ここで、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくすることにより、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素量が増加する理由について、図６及び図７を参照して説明する。
図６は、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくしたときの燃料の噴霧状態を示す断面図である。なお図６では、便宜上、シリンダヘッドを省略して示している。この図６に示すように、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくした場合には、第１気筒１１のピストン１１０の頂面に凹設されて浅皿形の燃焼室を形成するキャビティ１１１の上端部から、噴霧された燃料がはみ出す。すると、キャビティ１１１の外側はキャビティ１１１の内部と比べて温度が低いうえ、残存酸素量が多く燃料が過度に希薄化されるため、燃焼温度が一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する温度まで到達せずに燃料は不完全燃焼する。その結果、改質ガス中の一酸化炭素量が増加する。
【００４５】
図７は、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくしたときの燃料の噴霧状態を示す平面図である。この図７に示すように、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくした場合には、破線で囲まれた部分Ｐのように各噴孔から噴射されて形成された各噴霧同士が空間的に干渉する。すると、噴霧間干渉が起こった噴霧は、局所的に過濃な混合気となって不完全燃焼する。その結果、改質ガス中の一酸化炭素量が増加する。
【００４６】
また、噴射率を大きくした場合も同様に、噴霧された燃料が燃焼室壁面に衝突した後にキャビティの外側に流出し、キャビティの外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
ノズル突き出し量を小さくした場合も同様に、噴霧された燃料がキャビティからはみ出し、キャビティの外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
【００４７】
以上のように設定される第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４による燃料の噴射量（噴射時間）及び噴射タイミングは、後述するＥＣＵ６０により個別に制御される。即ち、後述するスロットルバルブの開度に対応した新気の流量等に応じて、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４を制御することで、各気筒における空燃比（空気重量／燃料重量、以下「Ａ／Ｆ」という）が、個別に制御される。
本実施形態では、第１インジェクタ２１は、第１気筒１１においてリッチ燃焼又は通常燃焼が行われるように制御される。また、第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４は、第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４において通常燃焼が行われるように制御される。
即ち、第１気筒１１におけるリッチ燃焼のＡ／Ｆは、第１インジェクタ２１と、スロットルバルブ３２と、ＥＣＵ６０により制御され、これにより改質ガス（水素、一酸化炭素及び水蒸気）の生成量が制御される結果、後述する水性ガスシフト触媒における水素の生成量が制御される。従って、第１インジェクタ２１、スロットルバルブ３２及びＥＣＵ６０は、本発明の水素量制御手段の一部を構成する。
【００４８】
なお、第１気筒１１におけるリッチ燃焼のＡ／Ｆは、５〜２０の範囲内に設定するのが好ましい。改質ガス中の酸素濃度が高くなると、改質反応で生成した水素が酸化されて水になり、水素の回収率が低下するためである。ただし、バックグラウンドガスに燃料を噴射する場合には、上記Ａ／Ｆは、５〜１４の範囲内に設定するのが好ましい。
【００４９】
図１に戻って、本実施形態の吸気系３０は、塵等を除去するエアクリーナ３１と、スロットルバルブ３２と、混合器（ガスミキサ）３３と、下流側が四股に分岐した吸気マニホールド３４と、を備える。エアクリーナ３１から下流に向かって、配管３１ａ、スロットルバルブ３２、配管３２ａ、混合器３３、配管３３ａ、吸気マニホールド３４の順に接続されており、吸気マニホールド３４の４つの下流端は、第１気筒１１〜第４気筒１４にそれぞれ接続されている。
【００５０】
スロットルバルブ３２は、バタフライ弁等から構成され、ＥＣＵ６０によりその開度が制御されることで、車外からの新気量が制御される。
混合器３３は、車外から吸入された新気と、後述する水性ガスシフト触媒により変換された水素及び二酸化炭素とを混合して均一とした後、吸気マニホールド３４を介して第１気筒１１〜第４気筒１４に供給する。これにより、各気筒の燃焼が安定し、ノッキング等が抑制される。
【００５１】
本実施形態の排気系４０は、上流側が三股に分岐した排気マニホールド４１と、三元触媒４２と、を備える。第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４は、排気マニホールド４１及び配管４２ａを介して三元触媒４２に連結されており、第２気筒１２〜第４気筒１４で生成した排気は、排気マニホールド４１で集合した後、配管４２ａを通って三元触媒４２に供給される。
【００５２】
三元触媒４２は、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する。三元触媒４２は、例えばコージェライト製のハニカム体の内壁面に、ウォッシュコート法等によって担持される。三元触媒４２は、例えば、（Ｐｔ−Ｐｄ−Ｒｈ＋希土類元素）系で形成され、その反応温度は２５０℃〜７００℃に設計される。ここで、三元触媒４２の反応温度とは、三元触媒４２がその触媒機能を良好に発揮する温度である。三元触媒４２により浄化された排気は、その後、車外に排出される。
【００５３】
本実施形態のシフト反応系５０は、水性ガスシフト触媒５１と、流量制御弁５２，５３と、温度センサ５４ａ，５４ｂと、ヒータ５５と、を備える。第１気筒１１は、配管５２ａ、流量制御弁５２及び配管５２ｂを介して、水性ガスシフト触媒５１に連結されており、第１気筒１１におけるリッチ燃焼によって生成した改質ガス（水素、一酸化炭素及び水蒸気）は、配管５２ａ等を通って、水性ガスシフト触媒５１に供給される。
【００５４】
水性ガスシフト触媒５１は、下記式（１）に示す反応式に従って、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させることで、水素及び二酸化炭素を生成する。水性ガスシフト触媒５１は、三元触媒４２と同様に、例えばコージェライト製のハニカム体の内壁面に、ウォッシュコート法等によって担持される。水性ガスシフト触媒５１は、例えば、（Ｆｅ−Ｃｒ系＋Ｃｕ−Ｚｎ系）で形成され、その反応温度は１５０℃〜５００℃に設計される。即ち、水性ガスシフト触媒５１の反応温度は、三元触媒４２の反応温度よりも低く設計される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → Ｈ２＋ＣＯ２ ・・・式（１）
【００５５】
配管５２ａは、配管５３ａ、流量制御弁５３、配管５３ｂを介して、配管４２ａに接続されている。
流量制御弁５２，５３は、ＥＣＵ６０により制御され、０〜所望の流量まで制御可能な弁であって、例えばニードル弁で構成される。流量制御弁５２，５３の開度を制御することにより、第１気筒１１から三元触媒４２又は水性ガスシフト触媒５１に向かう改質ガスの流量が制御される。例えば、第１気筒１１においてリッチ燃焼を行う場合に、流量制御弁５３を全閉し、流量制御弁５２を全開にする。これにより、高温の改質ガスの全てを水性ガスシフト触媒５１に導入でき、水性ガスシフト触媒５１を速やかに昇温できる。
【００５６】
温度センサ５４ａは、第１気筒１１から排出される改質ガスの温度を検出する。温度センサ５４ａは、ＥＣＵ６０に電気的に接続されており、その検出信号はＥＣＵ６０に出力される。温度センサ５４ａの検出信号に基づいて、第１気筒１１のリッチ燃焼のＡ／Ｆ等を制御することで、改質ガスの温度が制御される結果、後述する水性ガスシフト触媒における水素の生成量が制御される。従って、温度センサ５４ａは、本発明の水素量制御手段の一部を構成する。
【００５７】
温度センサ５４ｂは、水性ガスシフト触媒５１の温度を検出する。温度センサ５４ｂは、ＥＣＵ６０に電気的に接続されており、その検出信号はＥＣＵ６０に出力される。
ヒータ５５は、水性ガスシフト触媒５１の温度を制御する電熱ヒータである。ヒータ５５は、ＥＣＵ６０により制御されるインバータ５６を介して電源５７に接続されている。ＥＣＵ６０によりインバータ５６が制御されることで、ヒータ５５の出力（熱量）が制御される。
従って、温度センサ５４ｂの検出信号に基づいて、ヒータ５５を制御することで、後述する水性ガスシフト触媒５１の温度が制御される結果、水素の生成量が制御される。このため、温度センサ５４ｂは、本発明の水素量制御手段の一部を構成する。
【００５８】
本実施形態のＥＣＵ６０は、各センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ６０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、制御信号を出力する出力回路を備える。
【００５９】
以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ６０には、各気筒に燃料を供給する燃料供給手段としての燃料供給部が構成されている。
燃料供給部は、上述したように、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４の燃料噴射を制御することで、第１インジェクタ２１を、改質ガス中の一酸化炭素量が増加するような第１の状態に設定するとともに、第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４を、第１の状態とは異なる第２の状態に設定する。
具体的には、燃料供給部は、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４を制御して、要求トルクに応じたパイロット噴射及びメイン噴射により、各気筒に対して燃料を供給する。このとき、先ず、要求トルクに応じて通常燃焼用の第２気筒１２〜第４気筒１４のパイロット噴射量及びメイン噴射量の割合を算出する。リッチ燃焼用の第１気筒１１については、上記で算出されたパイロット噴射量及びメイン噴射量に対してリッチ燃焼に相当する分を付加したものから、パイロット噴射量を低減する。
また燃料供給部は、第１インジェクタ２１を制御して、第１気筒１１に対して、低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射により供給する。
また燃料供給部は、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４を制御して、第１気筒１１に対して、第２気筒１２〜第４気筒１４よりも燃料噴射タイミングをリタードして燃料を供給する。
【００６０】
なおＥＣＵ６０には、第１気筒１１の改質ガスを各気筒に循環する循環部と、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト触媒５１による水性ガスシフト反応により水素を二酸化炭素に変換する変換部と、水性ガスシフト触媒５１により変換される水素の量を制御する水素量制御手段としての水素量制御部と、第１気筒１１に対して改質剤を供給する改質剤供給手段としての改質剤供給部が構成されている。
【００６１】
以上で説明した内燃機関１０による燃料の改質反応と水性ガスシフト反応は、バッチ式及び連続式のいずれでも可能である。本実施形態では、改質反応を安定して行うことができ、また、水性ガスシフト反応における水素の収率もあまり低下しないため、好ましくは連続式が採用される。
【００６２】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、通常燃焼用の第２気筒１２〜第４気筒１４の他に、リッチ燃焼用の第１気筒１１を設け、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト反応により水素と二酸化炭素に変換して各気筒に循環させる。また、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素量が増加するように第１インジェクタ２１を設定して、第１気筒１１に燃料を噴射して供給する。これにより、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素量が増加するため、水性ガスシフト反応が促進され、変換される水素の量が増加して水素を効率良く製造できる。従って、本実施形態によれば、オンボードで従来よりも効率良く水素を製造して内燃機関１０に供給できる。
また本実施形態によれば、効率良く水素を製造できるため、水素製造時の燃費の低下を抑制できるうえ、第１インジェクタ２１の状態を設定するのみで水素の製造量を精度良く制御できる。
【００６３】
また本実施形態では、第１気筒１１に燃料を噴射する第１インジェクタ２１を、第２気筒１２〜第４気筒１４に燃料を噴射する第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４と比べて、噴霧角が大きいこと、噴射率が大きいこと及びノズル突き出し量が小さいこと、の少なくともいずれかに該当するように設定する。
噴霧角を大きくした場合には、燃焼室を形成するキャビティ１１１の上端部から、噴霧された燃料がはみ出し、キャビティ１１１の内部と比べて低温で残存酸素量が多いキャビティ１１１の外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。またこの場合には、各噴孔２１１から噴射されて形成された噴霧同士が空間的に干渉し、局所的に過濃な混合気となって不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
また、噴射率（ペネトレーション）を大きくした場合には、噴霧された燃料が燃焼室壁面に衝突した後にキャビティ１１１の外側に流出し、上記と同様にキャビティ１１１の外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
また、ノズル突き出し量を小さくした場合には、噴霧された燃料がキャビティ１１１からはみ出し、上記と同様にキャビティ１１１の外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
従って本実施形態によれば、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素量を増加させることができるため、上記の効果が確実に発揮される。
【００６４】
また本実施形態では、要求トルクに応じたパイロット噴射及びメイン噴射により各気筒に対して燃料を供給するとともに、リッチ燃焼用の第１気筒１１に対してはパイロット噴射量を低減する。
本実施形態によれば、パイロット噴射量を低減することで要求トルクを確保するためにメイン噴射量が増加する。すると、メイン噴射で噴射された燃料がリッチな混合気となり、不完全燃焼する割合が増加する結果、一酸化炭素量が増加する。従って本実施形態によれば、上記の効果が確実に発揮される。
【００６５】
また本実施形態では、リッチ燃焼用の第１気筒１１に対して、パイロット噴射量を低減するとともに、低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射により供給する。
噴射時期が遅いアフター噴射では、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって、燃焼反応の凍結、つまり一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなる結果、一酸化炭素量が増加する。従って本実施形態によれば、上記の効果がより高められる。
【００６６】
また本実施形態では、リッチ燃焼用の第１気筒１１に対して、通常燃焼用の第２気筒１２〜第４気筒１４よりも燃料噴射タイミングをリタードして燃料を供給する。
燃料噴射タイミングをリタードして噴射時期を遅角させると、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって燃焼反応の凍結、つまり一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなる結果、一酸化炭素量が増加する。従って本実施形態によれば、上記の効果が確実に発揮される。
【００６７】
また本実施形態では、リッチ燃焼用の第１気筒１１における空燃比、第１気筒１１から排出される排気の温度及び水性ガスシフト触媒５１の温度のうち少なくともいずれか一つを制御することで、変換される水素の量を制御する。これにより、さらに効率良く水素を製造して内燃機関１０に供給できる。
【００６８】
また本実施形態では、リッチ燃焼用の第１気筒１１に対して、改質剤として、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素及びＥＧＲガスのうち少なくともいずれか一つを供給する。これにより、リッチ燃焼用の第１気筒１１内でより効率良く燃料が改質され、改質ガス中の一酸化炭素量をより増加させることができるため、上記の効果がより高められる。
【００６９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
【実施例】
【００７０】
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７１】
［噴孔径と噴霧角の関係］
先ず、第１インジェクタ２１の噴孔径と噴霧角の関係について検証を行った。図８は、噴孔径を１２３μｍから１２１μｍに小さくした場合において、サック部の開口面積と噴霧角（°）との関係を示す図である。ここでサック部の開口面積とは、図４に示したようにはさみ角と相関があり、離座した状態におけるニードル弁２１２の略円錐状の先端部２１２Ａと、挿通穴２１０Ａの先端に凹設されたサック部の上端２１０Ｂとの間に形成される開口２１０Ｃの面積である。また噴霧角とは、噴孔２１１から噴射方向に１０ｍｍの位置における平面視での噴霧角度である（以下、同様）。
図８に示すように、噴孔径を小さくすることにより、サック部の開口面積を変化させた場合であっても、その全範囲において噴霧角は大きくなることが分かった。この結果から、噴霧角を大きくするためには、噴孔径を小さくするのが有効であり、１２１μｍが好ましいことが分かった。
【００７２】
［シート角と噴霧角の関係］
第１インジェクタ２１のシート角と噴霧角の関係について検証を行った。図９は、噴孔径を１２１μｍとした場合において、シート角（°）と噴霧角（°）との関係を示す図である。
図９に示すように、シート角を大きくすることにより、それに伴って噴霧角も大きくなり、シート角９０°程度で噴霧角が最大となることが分かった。この結果から、噴霧角を大きくするためには、シート角をある程度大きくするのが有効であり、９０°が好ましいことが分かった。
【００７３】
［噴孔長と噴霧角の関係］
第１インジェクタ２１の噴孔長と噴霧角の関係について検証を行った。図１０は、噴孔径を１２１μｍ、シート角を９０°とし、噴孔長を従来一般的な１．０５ｍｍから０．９０ｍｍに短くした場合において、経時での噴霧角（°）を示す図である。
図１０に示すように、噴孔長を短くすることにより、噴霧角が大きくなることが分かった。この結果から、噴霧角を大きくするためには、噴孔長を短くするのが有効であり、０．９０ｍｍが好ましいことが分かった。
【００７４】
［噴霧角とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１の噴霧角と一酸化炭素（ＣＯ）生成量の関係について検証を行った。図１１は、噴霧角（°）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。
図１１に示すように、噴霧角を大きくすることにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的な噴霧角約１７．５°ではＣＯ生成量が約６ｍｇ／秒であったのに対して、噴霧角を約１９°とすることでその約２倍に相当する約１２ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。これは、上述した通り、噴霧角を大きくすることにより、キャビティから噴霧された燃料がはみ出し、キャビティの内部と比べて低温で残存酸素量が多いキャビティの外側で希薄化されて不完全燃焼するためである。また、各噴孔から噴射されて形成された噴霧同士が空間的に干渉し、局所的に過濃な混合気となって不完全燃焼するためである。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、噴霧角を大きくするのが有効であり、１９°〜２５°の範囲が好ましいことが分かった。また最も好ましい噴霧角は、２１°であることが分かった。
【００７５】
［噴射率とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１の噴射率（ペネトレーション）とＣＯ生成量の関係について検証を行った。図１２は、ペネトレーションの増加量（ｍｍ）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。ここで、ペネトレーション増加量とは、従来一般的な噴射後０．５ミリ秒のペネトレーションをベースとした、噴射後０．５ミリ秒のペネトレーション、つまり噴霧到達距離の増加量である。
図１２に示すように、ペネトレーションを大きくすることにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的なペネトレーションではＣＯ生成量が約３．１ｍｇ／秒であったのに対して、ペネトレーション増加量を１０ｍｍ以上とすることでその約１．７倍に相当する約５．３ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、ペネトレーションを大きくすることが有効であり、ペネトレーション増加量は１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲が好ましく、１０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲がより好ましいことが分かった。
【００７６】
［ノズル突き出し量とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１のノズル突き出し量とＣＯ生成量の関係について検証を行った。図１３は、ノズル突き出し量の低減量（ｍｍ）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。ここでノズル突き出し量の低減量とは、従来一般的なノズル突き出し量（０．３６ｍｍ）をベースとした、ノズル突き出し量の低減量である。
図１３に示すように、ノズル突き出し量を小さくすることにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的なノズル突き出し量（０．３６ｍｍ）ではＣＯ生成量が約１．２ｍｇ／秒であったのに対して、ノズル突き出し量の低減量を１．０ｍｍ以上とすることでその約２．５倍に相当する約３．１ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。これは、ノズル突き出し量を小さくすることにより、噴霧された燃料がピストンのキャビティからはみ出し、キャビティ内部に比べて低温で残存酸素が多いキャビティの外側で低温希薄燃焼される結果、燃焼温度が一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する温度まで到達せずに不完全燃焼となるためである。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、ノズル突き出し量を小さくするのが有効であり、ノズル突き出し量の低減量は１．０ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲が好ましいことが分かった。
【００７７】
［パイロット噴射とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１のパイロット噴射量とＣＯ生成量の関係について検証を行った。図１４は、パイロット噴射量（ｍｍ３／ストローク）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。
図１４に示すように、パイロット噴射量を低減することにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的なパイロット噴射量（４．５ｍｍ３／ストローク）ではＣＯ生成量が約１４ｍｇ／秒であったのに対して、パイロット噴射量を約２．０（ｍｍ３／ストローク）とすることでその約１．４倍に相当する約２０ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。これは、パイロット噴射量を低減することで要求トルクを確保するためにメイン噴射量が増加し、メイン噴射で噴射された燃料がリッチな混合気となり、不完全燃焼する割合が増加するためである。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、パイロット噴射量を低減するのが有効であり、パイロット噴射量は１．０〜２．０（ｍｍ３／ストローク）の範囲が好ましいことが分かった。
【００７８】
［アフター噴射量とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１のアフター噴射量とＣＯ生成量の関係について検証を行った。図１５は、アフター噴射量（ｍｍ３／ストローク）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。
図１５に示すように、アフター噴射量を増加することにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的なアフター噴射量（１．０ｍｍ３／ストローク）ではＣＯ生成量が約１２ｍｇ／秒であったのに対して、アフター噴射量を約４．０（ｍｍ３／ストローク）とすることでその約１．６倍に相当する約１９ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。これは、噴射時期が遅いアフター噴射では、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって、燃焼反応の凍結が起こり易いため、アフター噴射量を増加させることで、噴射終了時期がさらに遅延し、一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなるためである。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射する、つまりアフター噴射量を増加するのが有効であることが分かった。また、アフター噴射量は、６．０（ｍｍ３／ストローク）を超えると燃費が悪化してしまうことから、４．０〜６．０（ｍｍ３／ストローク）の範囲が好ましく、６．０（ｍｍ３／ストローク）が最も好ましいことが分かった。
【００７９】
［燃料噴射タイミングのリタード量とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１の燃料噴射タイミングのリタード量とＣＯ生成量の関係について検証を行った。図１６は、燃料噴射タイミングのリタード量（°）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。ここで、燃料噴射タイミングのリタード量とは、従来一般的な燃料噴射タイミング（上記実施形態に係る第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４の燃料噴射タイミング）をベースとした、燃料噴射タイミングのリタード量である。
図１６に示すように、燃料噴射タイミングのリタード量を大きくすることにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的な燃料噴射タイミングではＣＯ生成量が約１２ｍｇ／秒であったのに対して、燃料噴射タイミングのリタード量を１４°とすることでその約３．６倍に相当する約４３ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。これは、燃料噴射タイミングをリタードして噴射時期を遅角させることで、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって燃焼反応の凍結が起こり易いことから、リタード量を増加することで噴射終了時期がさらに遅延し、一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなるためである。また、噴射時期を遅角させることでキャビティの外側に噴射される燃料噴霧が増加し、低温希薄燃焼となる混合気が増加して不完全燃焼するためである。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、燃料噴射タイミングをリタードするのが有効であることが分かった。また、そのリタード量は、３０°を超えると燃料を部分酸化できなくなることから、１４°〜３０°の範囲が好ましく、３０°が最も好ましいことが分かった。
【符号の説明】
【００８０】
１０…内燃機関
１１…第１気筒（リッチ燃焼用の気筒）
１２…第２気筒（通常燃焼用の気筒）
１３…第３気筒（通常燃焼用の気筒）
１４…第４気筒（通常燃焼用の気筒）
２１…第１インジェクタ（第１燃料噴射装置、水素量制御手段）
２２…第２インジェクタ（第２燃料噴射装置）
２３…第３インジェクタ（第２燃料噴射装置）
２４…第４インジェクタ（第２燃料噴射装置）
３２…スロットルバルブ（水素量制御手段）
５１…水性ガスシフト触媒（変換手段）
５１ａ，５２ａ，５２ｂ…配管（循環手段）
５２，５３…流量制御弁（循環手段）
５４ａ，５４ｂ…温度センサ（水素量制御手段）
６０…ＥＣＵ（燃料供給手段、循環手段、変換手段、水素量制御手段、改質剤供給手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。より詳しくは、水素が添加された吸気を気筒内に導入し、当該気筒内に燃料を噴射して燃焼させる内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の熱効率やエミッションの改善等を目的として、内燃機関の混合気や吸気中に水素を添加する水素添加燃焼技術の開発が進められている。またこれに伴い、内燃機関への効率的な水素の供給を目的として、オンボードでの燃料改質による水素製造技術の開発が進められている。
【０００３】
ところで、オンボードで燃料改質を行う場合には、装置の小型化、瞬時の起動及び優れた負荷応答性が求められる。しかしながら、通常、オンボードで燃料改質を行うためには燃料改質器を別途車載する必要があるため、装置構成及びその制御が複雑化する。また、燃料改質器内の改質触媒は高温を要するため、その昇温に時間がかかり瞬時の起動が不可能であるうえ、必要とされる水素量の変動に応答できない。
【０００４】
そこで、オンボードで燃料改質を行うにあたり、既に車載されている内燃機関を利用した技術が提案されている（特許文献１参照）。この技術では、リッチ燃焼を行って燃料を改質するとともに、リッチ燃焼により生じた排気中に含まれる一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト触媒による水性ガスシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換した後、内燃機関に循環させる。この技術によれば、既に車載されている内燃機関を利用するため、装置構成及びその制御が複雑化するのを回避できる。また、内燃機関を利用した燃料改質であるため、負荷変動に容易に対応できる。さらには、水性ガスシフト触媒は排気温度下で水性ガスシフト反応が十分進行するため、瞬時の起動が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１６２３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら近年では、さらに効率良く水素を製造して内燃機関に供給することで、内燃機関の熱効率やエミッションのさらなる改善が求められているのが現状である。
【０００７】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素添加燃焼の内燃機関において、オンボードで従来よりも効率良く水素を製造して内燃機関に供給できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明は、通常燃焼用の気筒（例えば、後述の第２気筒１２，第３気筒１３，第４気筒１４）に対して燃料を供給するとともに、リッチ燃焼用の気筒（例えば、後述の第１気筒１１）に対して前記通常燃焼用の気筒よりもリッチ燃焼となるように燃料を供給する燃料供給手段（例えば、後述のＥＣＵ６０）と、前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気を前記リッチ燃焼用の気筒及び前記通常燃焼用の気筒に循環する循環手段（例えば、後述の流量制御弁５２，５３、配管５１ａ，５２ａ，５２ｂ、ＥＣＵ６０）と、前記循環手段により循環される排気中の一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト触媒による水性ガスシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換する変換手段（例えば、後述の水性ガスシフト触媒５１，ＥＣＵ６０）と、を備える内燃機関（例えば、後述の内燃機関１０）の制御装置を提供する。本発明に係る内燃機関の制御装置では、前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量が増加するように、第１の状態に設定されて前記リッチ燃焼用の気筒に燃料を噴射する第１燃料噴射装置（例えば、後述の第１インジェクタ２１）と、前記第１の状態とは異なる第２の状態に設定されて前記通常燃焼用の気筒に燃料を噴射する第２燃料噴射装置（例えば、後述の第２インジェクタ２２、第３インジェクタ２３、第４インジェクタ２４）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、通常燃焼用の気筒の他にリッチ燃焼用の気筒を設け、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト反応により水素と二酸化炭素に変換して各気筒に循環させる。また、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量が増加するように燃料噴射装置を設定して、リッチ燃焼用の気筒に燃料を噴射して供給する。これにより、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量が増加するため、水性ガスシフト反応が促進され、変換される水素の量が増加して水素を効率良く製造できる。従って、本発明によれば、オンボードで従来よりも効率良く水素を製造して内燃機関に供給できる。
また本発明によれば、効率良く水素を製造できるため、水素製造時の燃費の低下を抑制できるうえ、燃料噴射装置の状態を設定するのみで水素の製造量を精度良く制御できる。
【００１０】
この場合、前記第１の状態は、前記第２の状態と比べて、噴霧角が大きいこと、噴射率が大きいこと及び燃料噴射ノズルの燃焼室側への突き出し量であるノズル突き出し量が小さいこと、の少なくともいずれかに該当することが好ましい。
【００１１】
この発明では、リッチ燃焼用の気筒に燃料を噴射する第１燃料噴射装置を、通常燃焼用の気筒に燃料を噴射する第２燃料噴射装置と比べて、噴霧角が大きいこと、噴射率が大きいこと及び燃料噴射ノズルの燃焼室側への突き出し量であるノズル突き出し量が小さいこと、の少なくともいずれかに該当するように設定する。
噴霧角を大きくした場合には、燃焼室を形成するキャビティの上端部から、噴霧された燃料がはみ出し、キャビティの内部と比べて低温で残存酸素量が多いキャビティの外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。またこの場合には、各噴孔から噴射されて形成された噴霧同士が空間的に干渉し、局所的に過濃な混合気となって不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
また、噴射率（ペネトレーション）を大きくした場合には、噴霧された燃料が燃焼室壁面に衝突した後にキャビティの外側に流出し、上記と同様にキャビティの外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
また、ノズル突き出し量を小さくした場合には、噴霧された燃料がキャビティからはみ出し、上記と同様にキャビティの外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
従ってこの発明によれば、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量を増加させることができるため、上記発明の効果が確実に発揮される。
【００１２】
この場合、前記燃料供給手段は、要求トルクに応じたパイロット噴射及びメイン噴射により各気筒に対して燃料を供給するとともに、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、パイロット噴射量を低減して燃料を供給することが好ましい。
【００１３】
この発明では、要求トルクに応じたパイロット噴射及びメイン噴射により各気筒に対して燃料を供給するとともに、リッチ燃焼用の気筒に対してはパイロット噴射量を低減する。
この発明によれば、パイロット噴射量を低減することで要求トルクを確保するためにメイン噴射量が増加する。すると、メイン噴射で噴射された燃料がリッチな混合気となり、不完全燃焼する割合が増加する結果、一酸化炭素量が増加する。従って、この発明によれば、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量を増加させることができるため、上記発明の効果が確実に発揮される。
【００１４】
この場合、前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、前記低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射により供給することが好ましい。
【００１５】
この発明では、リッチ燃焼用の気筒に対して、パイロット噴射量を低減するとともに、低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射により供給する。
噴射時期が遅いアフター噴射では、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって、燃焼反応の凍結、つまり一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなる結果、一酸化炭素量が増加する。従って、この発明によれば、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量をより増加させることができるため、上記発明の効果がより高められる。
【００１６】
この場合、前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、前記通常燃焼用の気筒よりも燃料噴射タイミングをリタードして燃料を供給することが好ましい。
【００１７】
この発明では、リッチ燃焼用の気筒に対して、通常燃焼用の気筒よりも燃料噴射タイミングをリタードして燃料を供給する。
燃料噴射タイミングをリタードして噴射時期を遅角させると、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって燃焼反応の凍結、つまり一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなる結果、一酸化炭素量が増加する。従って、この発明によれば、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量を増加させることができるため、上記発明の効果が確実に発揮される。
【００１８】
この場合、前記リッチ燃焼用の気筒における空燃比、前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気の温度及び前記水性ガスシフト触媒の温度のうち少なくともいずれか一つを制御することで、前記変換手段により変換される水素の量を制御する水素量制御手段（例えば、後述の第１インジェクタ２１、スロットルバルブ３２、温度センサ５４ａ，５４ｂ、ＥＣＵ６０）をさらに備えることが好ましい。
【００１９】
この発明では、リッチ燃焼用の気筒における空燃比、リッチ燃焼用の気筒から排出される排気の温度及び水性ガスシフト触媒の温度のうち少なくともいずれか一つを制御することで、変換手段により変換される水素の量を制御する。これにより、さらに効率良く水素を製造して内燃機関に供給できる。
【００２０】
この場合、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、改質剤として、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素及びＥＧＲガスのうち少なくともいずれか一つを供給する改質剤供給手段（例えば、後述の改質剤供給装置、ＥＣＵ６０）をさらに備えることが好ましい。
【００２１】
この発明では、リッチ燃焼用の気筒に対して、改質剤として、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素及びＥＧＲガスのうち少なくともいずれか一つを供給する。これにより、リッチ燃焼用の気筒内でより効率良く燃料が改質され、排気中の一酸化炭素量をより増加させることができるため、上記発明の効果がより高められる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、水素添加燃焼の内燃機関において、オンボードで従来よりも効率良く水素を製造して内燃機関に供給できる技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成を示す図である。
【図２】上記実施形態に係る燃料供給系の構成を示す図である。
【図３】上記実施形態に係る第１インジェクタの概略構成を示す縦断面図である。
【図４】上記実施形態に係る第１インジェクタの先端部分の拡大断面図である。
【図５】上記実施形態に係る第１インジェクタを説明するための図であり、（Ａ）はノズル突き出し量を示す図であり、（Ｂ）は気筒に対する噴孔位置を模式的に示す平面図であり、（Ｃ）は第１インジェクタの二面巾に対する噴孔位置を模式的に示す平面図である。
【図６】上記実施形態に係る第１インジェクタの噴霧角を大きくしたときの燃料の噴霧状態を示す断面図である。
【図７】上記実施形態に係る第１インジェクタの噴霧角を大きくしたときの燃料の噴霧状態を示す平面図である。
【図８】サック部の開口面積と噴霧角との関係を示す図である。
【図９】シート角と噴霧角との関係を示す図である。
【図１０】噴霧角の時間変化を示す図である。
【図１１】噴霧角とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【図１２】ペネトレーションの増加量とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【図１３】ノズル突き出し量の低減量とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【図１４】パイロット噴射量とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【図１５】アフター噴射量とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【図１６】燃料噴射タイミングのリタード量とＣＯ生成量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成を示す図である。
本実施形態に係る内燃機関１０は、水素が添加された吸気を気筒内に導入し、当該気筒内に燃料を噴射して燃焼させるものであり、図示しない車両に搭載されている。具体的には、内燃機関１０は、後述する第１気筒でリッチ燃焼を行って燃料を改質することで、水素、一酸化炭素及び水蒸気を含む改質ガスを生成し、後述する水性ガスシフト触媒による水性ガスシフト反応によって、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水素及び二酸化炭素に変換した後、各気筒内に循環するものである。
図１に示すように、内燃機関１０には、各気筒に燃料を供給する燃料供給系２０と、車外の空気を内燃機関１０に導く吸気系３０と、内燃機関１０で生成した排気を車外に排出する排気系４０と、内燃機関１０で生成した改質ガスを水性ガスシフト反応させて水素を生成するシフト反応系５０と、これらを制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）６０と、が設けられている。
【００２５】
本実施形態で用いられる燃料は、車両用の燃料であり、具体的には、ガソリン、軽油、アルコール、天然ガス、プロパンガス、バイオディ−ゼル等の炭化水素類（アルカン類、アルケン類、アルキン類、芳香族化合物等）及びこれらの混合燃料等が用いられる。中でも、軽油や、軽油とその他の燃料との混合燃料が好ましく用いられる。
【００２６】
本実施形態では、図示しない改質剤供給装置及びこれを制御するＥＣＵ６０により、後述するリッチ燃焼用の気筒としての第１気筒に対して、改質剤が供給される。供給される改質剤としては、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素及びＥＧＲガスのうち少なくとも一種が挙げられる。
【００２７】
本実施形態に係る内燃機関１０は、直列４気筒のディーゼル内燃機関であり、燃料が気筒内に噴射され、圧縮されることで自己着火する。内燃機関１０の運転条件（回転速度）は負荷変動に良好に追従するため、後述する第１気筒による改質ガスの生成も、負荷変動に良好に追従する。
ただし、気筒数やその配列は特に限定されない。また、内燃機関１０の種類は、ディーゼル内燃機関に限定されず、公知の内燃機関から適宜選択して利用できる。さらに、内燃機関１０における着火方式は、圧縮による自己着火式に限定されず、例えば点火プラグによる火花点火式でもよい。
【００２８】
内燃機関１０は、リッチ燃焼又は通常燃焼を行う第１気筒１１と、通常燃焼を行う第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４を備える。これにより、内燃機関１０は、第１気筒１１におけるリッチ燃焼と、第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４における通常燃焼とを、同時に並行して行うことができる。ただし、リッチ燃焼用又は通常燃焼用の気筒数、通常燃焼用の気筒数は、これに限定されない。
なお本実施形態では、第１気筒１１におけるリッチ燃焼による改質反応は、２００℃〜３０００℃程度までの温度領域で実施される。
【００２９】
燃料供給系２０は、上記の各気筒内に燃料を噴射する第１インジェクタ２１、第２インジェクタ２２、第３インジェクタ２３及び第４インジェクタ２４を備える。これらの各インジェクタは、それぞれ、各気筒内に所望量の燃料を噴射する。
図２は、本実施形態に係る燃料供給系２０の構成を示す図である。
図２に示すように、燃料供給系２０は、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４と、コモンレール２５と、高圧ポンプ２６と、燃料タンク２７と、を備える。第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４、コモンレール２５及び高圧ポンプ２６には、これらを制御するＥＣＵ６０が電気的に接続されている。
【００３０】
燃料タンク２７は、車両用の燃料タンクであり、給油口から給油された軽油等の液体燃料を貯留する。燃料タンク２７は、後述する高圧ポンプ２６と第１供給管２７１で連結されており、この第１供給管２７１の先端部及び中間部に、フィルタ２７２，２７３が設けられている。燃料は、これらフィルタ２７２，２７３で濾過されて異物等の不純物が除去された後、後述の高圧ポンプ２６に供給される。
【００３１】
高圧ポンプ２６は、内燃機関１０により駆動される機械駆動式のポンプである。より詳しくは、高圧ポンプ２６は、内燃機関１０のカムシャフトに連動して往復動する図示しないプランジャと、燃料の吐出量を調整するための図示しない流量制御弁を備える。
高圧ポンプ２６は、燃料タンク２７内の燃料を吸引し、フィルタ２７２，２７３により濾過された燃料を高圧に昇圧して、第２供給管２６１内に吐出する。高圧ポンプ２６により高圧に昇圧された燃料は、第２供給管２６１を介して、後述するコモンレール２５に供給される。
【００３２】
高圧ポンプ２６には、高圧ポンプ２６に供給された燃料の過剰分やリーク分等を燃料タンク２７に還流するための第２還流管２０２が接続されている。第２還流管２０２は、後述する第１還流管２０１と合流しており、高圧ポンプ２６から還流された燃料と、コモンレール２５及び第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４から還流された燃料は、混合されて燃料タンク２７に還流される。
【００３３】
コモンレール２５は、高圧ポンプ２６と第２供給管２６１で連結されており、高圧ポンプ２６により昇圧されて供給された燃料を蓄圧する。コモンレール２５は、内燃機関１０の各気筒に対応して設けられた第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４と４つの第３供給管２５１で連結されている。コモンレール２５で蓄圧された燃料は、第３供給管２５１を介して、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４に圧送される。
【００３４】
コモンレール２５には、燃料の過剰分等を還流するための第１還流管２０１が接続されている。第１還流管２０１は、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４に接続されており、これら各インジェクタからの燃料の過剰分やリーク分も還流する。また第１還流管２０１は、第２還流管２０２と合流した後、燃料タンク２７内に燃料を還流する。
【００３５】
コモンレール２５の第１還流管２０１との接続部分には、コモンレール２５内の燃料圧力を調整するための圧力リミットバルブ２５３が設けられている。
また、コモンレール２５には、その内部の燃料圧力を検出する圧力センサ２５２が設けられている。圧力センサ２５２は、ＥＣＵ６０に電気的に接続されており、その検出信号はＥＣＵ６０に出力される。
【００３６】
第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４は、内燃機関１０の各気筒に対応して設けられており、各気筒の燃焼室内に燃料を直接噴射する。コモンレール２５で蓄圧された燃料は、第３供給管２５１を介して各インジェクタから各気筒の燃焼室内に噴射される。
ただし、空気等のバックグラウンドガスに気化させた後に、各気筒の燃焼室内に導入してもよい。例えば、後述する混合器と吸気マニホールドとの間に吸気チャンバを設け、この吸気チャンバ内で新気を含むバックグラウンドガスに燃料を噴射し気化する構成としてもよい。つまり、燃料の噴射方式は、筒内噴射、吸気ポート噴射のいずれでもよい。
【００３７】
ここで、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４について詳しく説明する。
図３は、本実施形態に係る第１インジェクタ２１の概略構成を示す縦断面図である。図３では、各部材の位置関係や寸法等は、理解の容易のため、誇張及び簡素化して示している。
第１インジェクタ２１は、先端に周方向に均等に配置された８つの噴孔２１１を有するノズルボディ２１０と、ノズルボディ２１０の中心軸に沿って形成された挿通穴２１０Ａと、挿通穴２１０Ａ内に進退可能に挿通されて保持されるニードル弁２１２と、ニードル弁２１２の上方に設けられてニードル弁２１２を進退させる図示しない駆動機構と、を備える。
図３に示すように、挿通穴２１０Ａの内周面とニードル弁２１２の外周面との間には、その周方向の少なくとも一部に隙間が設けられており、この隙間により燃料流路が形成されている。またこの燃料流路には、上述の第３供給管２５１が接続されている。
以上の構成を備える第１インジェクタ２１では、駆動装置によりニードル弁２１２が前進してその先端部が挿通穴２１０Ａの座面に着座すると、噴孔２１１からの燃料の噴射が停止する。また、駆動装置によりニードル弁２１２が後退してその先端部が挿通穴２１０Ａの座面から離座すると、噴孔２１１から燃料が噴射される。なお図３では、ニードル弁２１２の先端部が挿通穴２１０Ａの座面に着座している状態を示している。
【００３８】
第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４は、基本的な構成は同一であるが、第１インジェクタ２１は、第１気筒１１から排出される排気（以下、「改質ガス」という）中の一酸化炭素量が増加するような第１の状態に設定されており、第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４は、第１の状態とは異なる第２の状態に設定されている。
これら第１の状態及び第２の状態は、各インジェクタのハード構成（寸法等）を変更することで設定可能であるとともに、後述するＥＣＵ６０による各インジェクタの燃料噴射を制御することで設定可能となっている。また、これらハード構成の変更や燃料噴射の制御を複数組み合わせることで、改質ガス中の一酸化炭素量をより増加でき、より効率の良い水素の製造が可能となっている。
【００３９】
以下、各インジェクタのハード構成（寸法等）の変更による各状態の設定について説明する。なお、各インジェクタの燃料噴射制御による各状態の設定については後段で詳述する。
本実施形態では、第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４と比べて、第１インジェクタ２１の噴霧角が大きいこと、噴射率（ペネトレーション）が大きいこと、ノズル突き出し量が小さいこと、の少なくともいずれかに該当するようにハード構成（寸法等）を変更する。これにより、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素量が増加するような第１の状態に第１インジェクタ２１が設定される。
【００４０】
ここで、図４は、本実施形態に係る第１インジェクタ２１の先端部分の拡大断面図である。なお図４では、ニードル弁２１２の先端部２１２Ａが挿通穴２１０Ａの座面から離座している状態を示している。
従来一般的な第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４と比べて、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくするためには、図４に示す噴孔２１１の径（噴孔径）を小さくすること、シート角を大きくすること、噴孔２１１の長さ（噴孔長）を短くすること、の少なくとも一つにより実現される。
ここで、噴霧角とは、平面視での噴霧角度（例えば、噴孔２１１から噴射方向に１０ｍｍの位置における噴霧角度）であり、後述の図７に示すθで表される。また、シート角とは、図４に示す挿通穴２１０Ａの略円錐状の先端部２１０Ｄの開先角度である。
【００４１】
本実施形態に係る従来一般的な第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４では、例えば、噴孔径は１２３μｍ、シート角は６０°、噴孔長は１．０５ｍｍに設定される。これに対して、第１インジェクタ２１では、例えば、噴孔径は１２１μｍ、シート角は９０°、噴孔長は０．９０ｍｍに設定され、これにより、噴霧角が大きくなる。
なお、噴霧角を大きくする他の方法としては、燃料圧力を上げること、噴孔２１１の出口のＲを小さくすること、噴孔２１１のテーパー角を小さくすること、噴孔２１１の内表面の粗さを粗くすること、が挙げられる。
【００４２】
また、従来一般的な第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４と比べて、第１インジェクタ２１の噴射率を大きくするためには、例えば燃料圧力を大きくすることで、実現される。
【００４３】
図５（Ａ）は、第１インジェクタのノズル突き出し量を示す図であり、図５（Ｂ）は、第１気筒１１に対する噴孔２１１の位置を模式的に示す平面図であり、図５（Ｃ）は、第１インジェクタに対する噴孔２１１の位置を模式的に示す平面図である。
ここで、ノズル突き出し量とは、燃料噴射ノズルの燃焼室側への突き出し量であり、具体的には、図５（Ａ）に示すように第１インジェクタ２１を取り付けるシリンダヘッド１１５の内側面から、ノズル（噴孔２１１）までの距離である。
本実施形態に係る従来一般的な第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４では、例えばノズル突き出し量は０．３６ｍｍに設定され、第１インジェクタ２１ではこれよりもノズル突き出し量が小さく設定される。
なお本実施形態では、図５（Ｂ）に示すように、例えば、内燃機関１０に対する噴孔２１１の位置（Ａ°）は、グロープラグの位置に応じて２２．５°に設定され、図５（Ｃ）に示すように、第１インジェクタ２１の二面巾に対する噴孔２１１の位置（Ｂ°）も同様に２２．５°に設定される。
【００４４】
ここで、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくすることにより、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素量が増加する理由について、図６及び図７を参照して説明する。
図６は、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくしたときの燃料の噴霧状態を示す断面図である。なお図６では、便宜上、シリンダヘッドを省略して示している。この図６に示すように、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくした場合には、第１気筒１１のピストン１１０の頂面に凹設されて浅皿形の燃焼室を形成するキャビティ１１１の上端部から、噴霧された燃料がはみ出す。すると、キャビティ１１１の外側はキャビティ１１１の内部と比べて温度が低いうえ、残存酸素量が多く燃料が過度に希薄化されるため、燃焼温度が一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する温度まで到達せずに燃料は不完全燃焼する。その結果、改質ガス中の一酸化炭素量が増加する。
【００４５】
図７は、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくしたときの燃料の噴霧状態を示す平面図である。この図７に示すように、第１インジェクタ２１の噴霧角を大きくした場合には、破線で囲まれた部分Ｐのように各噴孔から噴射されて形成された各噴霧同士が空間的に干渉する。すると、噴霧間干渉が起こった噴霧は、局所的に過濃な混合気となって不完全燃焼する。その結果、改質ガス中の一酸化炭素量が増加する。
【００４６】
また、噴射率を大きくした場合も同様に、噴霧された燃料が燃焼室壁面に衝突した後にキャビティの外側に流出し、キャビティの外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
ノズル突き出し量を小さくした場合も同様に、噴霧された燃料がキャビティからはみ出し、キャビティの外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
【００４７】
以上のように設定される第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４による燃料の噴射量（噴射時間）及び噴射タイミングは、後述するＥＣＵ６０により個別に制御される。即ち、後述するスロットルバルブの開度に対応した新気の流量等に応じて、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４を制御することで、各気筒における空燃比（空気重量／燃料重量、以下「Ａ／Ｆ」という）が、個別に制御される。
本実施形態では、第１インジェクタ２１は、第１気筒１１においてリッチ燃焼又は通常燃焼が行われるように制御される。また、第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４は、第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４において通常燃焼が行われるように制御される。
即ち、第１気筒１１におけるリッチ燃焼のＡ／Ｆは、第１インジェクタ２１と、スロットルバルブ３２と、ＥＣＵ６０により制御され、これにより改質ガス（水素、一酸化炭素及び水蒸気）の生成量が制御される結果、後述する水性ガスシフト触媒における水素の生成量が制御される。従って、第１インジェクタ２１、スロットルバルブ３２及びＥＣＵ６０は、本発明の水素量制御手段の一部を構成する。
【００４８】
なお、第１気筒１１におけるリッチ燃焼のＡ／Ｆは、５〜２０の範囲内に設定するのが好ましい。改質ガス中の酸素濃度が高くなると、改質反応で生成した水素が酸化されて水になり、水素の回収率が低下するためである。ただし、バックグラウンドガスに燃料を噴射する場合には、上記Ａ／Ｆは、５〜１４の範囲内に設定するのが好ましい。
【００４９】
図１に戻って、本実施形態の吸気系３０は、塵等を除去するエアクリーナ３１と、スロットルバルブ３２と、混合器（ガスミキサ）３３と、下流側が四股に分岐した吸気マニホールド３４と、を備える。エアクリーナ３１から下流に向かって、配管３１ａ、スロットルバルブ３２、配管３２ａ、混合器３３、配管３３ａ、吸気マニホールド３４の順に接続されており、吸気マニホールド３４の４つの下流端は、第１気筒１１〜第４気筒１４にそれぞれ接続されている。
【００５０】
スロットルバルブ３２は、バタフライ弁等から構成され、ＥＣＵ６０によりその開度が制御されることで、車外からの新気量が制御される。
混合器３３は、車外から吸入された新気と、後述する水性ガスシフト触媒により変換された水素及び二酸化炭素とを混合して均一とした後、吸気マニホールド３４を介して第１気筒１１〜第４気筒１４に供給する。これにより、各気筒の燃焼が安定し、ノッキング等が抑制される。
【００５１】
本実施形態の排気系４０は、上流側が三股に分岐した排気マニホールド４１と、三元触媒４２と、を備える。第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４は、排気マニホールド４１及び配管４２ａを介して三元触媒４２に連結されており、第２気筒１２〜第４気筒１４で生成した排気は、排気マニホールド４１で集合した後、配管４２ａを通って三元触媒４２に供給される。
【００５２】
三元触媒４２は、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する。三元触媒４２は、例えばコージェライト製のハニカム体の内壁面に、ウォッシュコート法等によって担持される。三元触媒４２は、例えば、（Ｐｔ−Ｐｄ−Ｒｈ＋希土類元素）系で形成され、その反応温度は２５０℃〜７００℃に設計される。ここで、三元触媒４２の反応温度とは、三元触媒４２がその触媒機能を良好に発揮する温度である。三元触媒４２により浄化された排気は、その後、車外に排出される。
【００５３】
本実施形態のシフト反応系５０は、水性ガスシフト触媒５１と、流量制御弁５２，５３と、温度センサ５４ａ，５４ｂと、ヒータ５５と、を備える。第１気筒１１は、配管５２ａ、流量制御弁５２及び配管５２ｂを介して、水性ガスシフト触媒５１に連結されており、第１気筒１１におけるリッチ燃焼によって生成した改質ガス（水素、一酸化炭素及び水蒸気）は、配管５２ａ等を通って、水性ガスシフト触媒５１に供給される。
【００５４】
水性ガスシフト触媒５１は、下記式（１）に示す反応式に従って、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させることで、水素及び二酸化炭素を生成する。水性ガスシフト触媒５１は、三元触媒４２と同様に、例えばコージェライト製のハニカム体の内壁面に、ウォッシュコート法等によって担持される。水性ガスシフト触媒５１は、例えば、（Ｆｅ−Ｃｒ系＋Ｃｕ−Ｚｎ系）で形成され、その反応温度は１５０℃〜５００℃に設計される。即ち、水性ガスシフト触媒５１の反応温度は、三元触媒４２の反応温度よりも低く設計される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → Ｈ２＋ＣＯ２ ・・・式（１）
【００５５】
配管５２ａは、配管５３ａ、流量制御弁５３、配管５３ｂを介して、配管４２ａに接続されている。
流量制御弁５２，５３は、ＥＣＵ６０により制御され、０〜所望の流量まで制御可能な弁であって、例えばニードル弁で構成される。流量制御弁５２，５３の開度を制御することにより、第１気筒１１から三元触媒４２又は水性ガスシフト触媒５１に向かう改質ガスの流量が制御される。例えば、第１気筒１１においてリッチ燃焼を行う場合に、流量制御弁５３を全閉し、流量制御弁５２を全開にする。これにより、高温の改質ガスの全てを水性ガスシフト触媒５１に導入でき、水性ガスシフト触媒５１を速やかに昇温できる。
【００５６】
温度センサ５４ａは、第１気筒１１から排出される改質ガスの温度を検出する。温度センサ５４ａは、ＥＣＵ６０に電気的に接続されており、その検出信号はＥＣＵ６０に出力される。温度センサ５４ａの検出信号に基づいて、第１気筒１１のリッチ燃焼のＡ／Ｆ等を制御することで、改質ガスの温度が制御される結果、後述する水性ガスシフト触媒における水素の生成量が制御される。従って、温度センサ５４ａは、本発明の水素量制御手段の一部を構成する。
【００５７】
温度センサ５４ｂは、水性ガスシフト触媒５１の温度を検出する。温度センサ５４ｂは、ＥＣＵ６０に電気的に接続されており、その検出信号はＥＣＵ６０に出力される。
ヒータ５５は、水性ガスシフト触媒５１の温度を制御する電熱ヒータである。ヒータ５５は、ＥＣＵ６０により制御されるインバータ５６を介して電源５７に接続されている。ＥＣＵ６０によりインバータ５６が制御されることで、ヒータ５５の出力（熱量）が制御される。
従って、温度センサ５４ｂの検出信号に基づいて、ヒータ５５を制御することで、後述する水性ガスシフト触媒５１の温度が制御される結果、水素の生成量が制御される。このため、温度センサ５４ｂは、本発明の水素量制御手段の一部を構成する。
【００５８】
本実施形態のＥＣＵ６０は、各センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ６０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、制御信号を出力する出力回路を備える。
【００５９】
以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ６０には、各気筒に燃料を供給する燃料供給手段としての燃料供給部が構成されている。
燃料供給部は、上述したように、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４の燃料噴射を制御することで、第１インジェクタ２１を、改質ガス中の一酸化炭素量が増加するような第１の状態に設定するとともに、第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４を、第１の状態とは異なる第２の状態に設定する。
具体的には、燃料供給部は、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４を制御して、要求トルクに応じたパイロット噴射及びメイン噴射により、各気筒に対して燃料を供給する。このとき、先ず、要求トルクに応じて通常燃焼用の第２気筒１２〜第４気筒１４のパイロット噴射量及びメイン噴射量の割合を算出する。リッチ燃焼用の第１気筒１１については、上記で算出されたパイロット噴射量及びメイン噴射量に対してリッチ燃焼に相当する分を付加したものから、パイロット噴射量を低減する。
また燃料供給部は、第１インジェクタ２１を制御して、第１気筒１１に対して、低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射により供給する。
また燃料供給部は、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４を制御して、第１気筒１１に対して、第２気筒１２〜第４気筒１４よりも燃料噴射タイミングをリタードして燃料を供給する。
【００６０】
なおＥＣＵ６０には、第１気筒１１の改質ガスを各気筒に循環する循環部と、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト触媒５１による水性ガスシフト反応により水素を二酸化炭素に変換する変換部と、水性ガスシフト触媒５１により変換される水素の量を制御する水素量制御手段としての水素量制御部と、第１気筒１１に対して改質剤を供給する改質剤供給手段としての改質剤供給部が構成されている。
【００６１】
以上で説明した内燃機関１０による燃料の改質反応と水性ガスシフト反応は、バッチ式及び連続式のいずれでも可能である。本実施形態では、改質反応を安定して行うことができ、また、水性ガスシフト反応における水素の収率もあまり低下しないため、好ましくは連続式が採用される。
【００６２】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、通常燃焼用の第２気筒１２〜第４気筒１４の他に、リッチ燃焼用の第１気筒１１を設け、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト反応により水素と二酸化炭素に変換して各気筒に循環させる。また、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素量が増加するように第１インジェクタ２１を設定して、第１気筒１１に燃料を噴射して供給する。これにより、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素量が増加するため、水性ガスシフト反応が促進され、変換される水素の量が増加して水素を効率良く製造できる。従って、本実施形態によれば、オンボードで従来よりも効率良く水素を製造して内燃機関１０に供給できる。
また本実施形態によれば、効率良く水素を製造できるため、水素製造時の燃費の低下を抑制できるうえ、第１インジェクタ２１の状態を設定するのみで水素の製造量を精度良く制御できる。
【００６３】
また本実施形態では、第１気筒１１に燃料を噴射する第１インジェクタ２１を、第２気筒１２〜第４気筒１４に燃料を噴射する第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４と比べて、噴霧角が大きいこと、噴射率が大きいこと及びノズル突き出し量が小さいこと、の少なくともいずれかに該当するように設定する。
噴霧角を大きくした場合には、燃焼室を形成するキャビティ１１１の上端部から、噴霧された燃料がはみ出し、キャビティ１１１の内部と比べて低温で残存酸素量が多いキャビティ１１１の外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。またこの場合には、各噴孔２１１から噴射されて形成された噴霧同士が空間的に干渉し、局所的に過濃な混合気となって不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
また、噴射率（ペネトレーション）を大きくした場合には、噴霧された燃料が燃焼室壁面に衝突した後にキャビティ１１１の外側に流出し、上記と同様にキャビティ１１１の外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
また、ノズル突き出し量を小さくした場合には、噴霧された燃料がキャビティ１１１からはみ出し、上記と同様にキャビティ１１１の外側で低温希薄燃焼、つまり不完全燃焼する結果、一酸化炭素量が増加する。
従って本実施形態によれば、第１気筒１１から排出される改質ガス中の一酸化炭素量を増加させることができるため、上記の効果が確実に発揮される。
【００６４】
また本実施形態では、要求トルクに応じたパイロット噴射及びメイン噴射により各気筒に対して燃料を供給するとともに、リッチ燃焼用の第１気筒１１に対してはパイロット噴射量を低減する。
本実施形態によれば、パイロット噴射量を低減することで要求トルクを確保するためにメイン噴射量が増加する。すると、メイン噴射で噴射された燃料がリッチな混合気となり、不完全燃焼する割合が増加する結果、一酸化炭素量が増加する。従って本実施形態によれば、上記の効果が確実に発揮される。
【００６５】
また本実施形態では、リッチ燃焼用の第１気筒１１に対して、パイロット噴射量を低減するとともに、低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射により供給する。
噴射時期が遅いアフター噴射では、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって、燃焼反応の凍結、つまり一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなる結果、一酸化炭素量が増加する。従って本実施形態によれば、上記の効果がより高められる。
【００６６】
また本実施形態では、リッチ燃焼用の第１気筒１１に対して、通常燃焼用の第２気筒１２〜第４気筒１４よりも燃料噴射タイミングをリタードして燃料を供給する。
燃料噴射タイミングをリタードして噴射時期を遅角させると、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって燃焼反応の凍結、つまり一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなる結果、一酸化炭素量が増加する。従って本実施形態によれば、上記の効果が確実に発揮される。
【００６７】
また本実施形態では、リッチ燃焼用の第１気筒１１における空燃比、第１気筒１１から排出される排気の温度及び水性ガスシフト触媒５１の温度のうち少なくともいずれか一つを制御することで、変換される水素の量を制御する。これにより、さらに効率良く水素を製造して内燃機関１０に供給できる。
【００６８】
また本実施形態では、リッチ燃焼用の第１気筒１１に対して、改質剤として、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素及びＥＧＲガスのうち少なくともいずれか一つを供給する。これにより、リッチ燃焼用の第１気筒１１内でより効率良く燃料が改質され、改質ガス中の一酸化炭素量をより増加させることができるため、上記の効果がより高められる。
【００６９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
【実施例】
【００７０】
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７１】
［噴孔径と噴霧角の関係］
先ず、第１インジェクタ２１の噴孔径と噴霧角の関係について検証を行った。図８は、噴孔径を１２３μｍから１２１μｍに小さくした場合において、サック部の開口面積と噴霧角（°）との関係を示す図である。ここでサック部の開口面積とは、図４に示したようにはさみ角と相関があり、離座した状態におけるニードル弁２１２の略円錐状の先端部２１２Ａと、挿通穴２１０Ａの先端に凹設されたサック部の上端２１０Ｂとの間に形成される開口２１０Ｃの面積である。また噴霧角とは、噴孔２１１から噴射方向に１０ｍｍの位置における平面視での噴霧角度である（以下、同様）。
図８に示すように、噴孔径を小さくすることにより、サック部の開口面積を変化させた場合であっても、その全範囲において噴霧角は大きくなることが分かった。この結果から、噴霧角を大きくするためには、噴孔径を小さくするのが有効であり、１２１μｍが好ましいことが分かった。
【００７２】
［シート角と噴霧角の関係］
第１インジェクタ２１のシート角と噴霧角の関係について検証を行った。図９は、噴孔径を１２１μｍとした場合において、シート角（°）と噴霧角（°）との関係を示す図である。
図９に示すように、シート角を大きくすることにより、それに伴って噴霧角も大きくなり、シート角９０°程度で噴霧角が最大となることが分かった。この結果から、噴霧角を大きくするためには、シート角をある程度大きくするのが有効であり、９０°が好ましいことが分かった。
【００７３】
［噴孔長と噴霧角の関係］
第１インジェクタ２１の噴孔長と噴霧角の関係について検証を行った。図１０は、噴孔径を１２１μｍ、シート角を９０°とし、噴孔長を従来一般的な１．０５ｍｍから０．９０ｍｍに短くした場合において、経時での噴霧角（°）を示す図である。
図１０に示すように、噴孔長を短くすることにより、噴霧角が大きくなることが分かった。この結果から、噴霧角を大きくするためには、噴孔長を短くするのが有効であり、０．９０ｍｍが好ましいことが分かった。
【００７４】
［噴霧角とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１の噴霧角と一酸化炭素（ＣＯ）生成量の関係について検証を行った。図１１は、噴霧角（°）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。
図１１に示すように、噴霧角を大きくすることにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的な噴霧角約１７．５°ではＣＯ生成量が約６ｍｇ／秒であったのに対して、噴霧角を約１９°とすることでその約２倍に相当する約１２ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。これは、上述した通り、噴霧角を大きくすることにより、キャビティから噴霧された燃料がはみ出し、キャビティの内部と比べて低温で残存酸素量が多いキャビティの外側で希薄化されて不完全燃焼するためである。また、各噴孔から噴射されて形成された噴霧同士が空間的に干渉し、局所的に過濃な混合気となって不完全燃焼するためである。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、噴霧角を大きくするのが有効であり、１９°〜２５°の範囲が好ましいことが分かった。また最も好ましい噴霧角は、２１°であることが分かった。
【００７５】
［噴射率とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１の噴射率（ペネトレーション）とＣＯ生成量の関係について検証を行った。図１２は、ペネトレーションの増加量（ｍｍ）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。ここで、ペネトレーション増加量とは、従来一般的な噴射後０．５ミリ秒のペネトレーションをベースとした、噴射後０．５ミリ秒のペネトレーション、つまり噴霧到達距離の増加量である。
図１２に示すように、ペネトレーションを大きくすることにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的なペネトレーションではＣＯ生成量が約３．１ｍｇ／秒であったのに対して、ペネトレーション増加量を１０ｍｍ以上とすることでその約１．７倍に相当する約５．３ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、ペネトレーションを大きくすることが有効であり、ペネトレーション増加量は１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲が好ましく、１０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲がより好ましいことが分かった。
【００７６】
［ノズル突き出し量とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１のノズル突き出し量とＣＯ生成量の関係について検証を行った。図１３は、ノズル突き出し量の低減量（ｍｍ）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。ここでノズル突き出し量の低減量とは、従来一般的なノズル突き出し量（０．３６ｍｍ）をベースとした、ノズル突き出し量の低減量である。
図１３に示すように、ノズル突き出し量を小さくすることにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的なノズル突き出し量（０．３６ｍｍ）ではＣＯ生成量が約１．２ｍｇ／秒であったのに対して、ノズル突き出し量の低減量を１．０ｍｍ以上とすることでその約２．５倍に相当する約３．１ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。これは、ノズル突き出し量を小さくすることにより、噴霧された燃料がピストンのキャビティからはみ出し、キャビティ内部に比べて低温で残存酸素が多いキャビティの外側で低温希薄燃焼される結果、燃焼温度が一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する温度まで到達せずに不完全燃焼となるためである。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、ノズル突き出し量を小さくするのが有効であり、ノズル突き出し量の低減量は１．０ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲が好ましいことが分かった。
【００７７】
［パイロット噴射とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１のパイロット噴射量とＣＯ生成量の関係について検証を行った。図１４は、パイロット噴射量（ｍｍ３／ストローク）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。
図１４に示すように、パイロット噴射量を低減することにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的なパイロット噴射量（４．５ｍｍ３／ストローク）ではＣＯ生成量が約１４ｍｇ／秒であったのに対して、パイロット噴射量を約２．０（ｍｍ３／ストローク）とすることでその約１．４倍に相当する約２０ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。これは、パイロット噴射量を低減することで要求トルクを確保するためにメイン噴射量が増加し、メイン噴射で噴射された燃料がリッチな混合気となり、不完全燃焼する割合が増加するためである。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、パイロット噴射量を低減するのが有効であり、パイロット噴射量は１．０〜２．０（ｍｍ３／ストローク）の範囲が好ましいことが分かった。
【００７８】
［アフター噴射量とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１のアフター噴射量とＣＯ生成量の関係について検証を行った。図１５は、アフター噴射量（ｍｍ３／ストローク）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。
図１５に示すように、アフター噴射量を増加することにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的なアフター噴射量（１．０ｍｍ３／ストローク）ではＣＯ生成量が約１２ｍｇ／秒であったのに対して、アフター噴射量を約４．０（ｍｍ３／ストローク）とすることでその約１．６倍に相当する約１９ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。これは、噴射時期が遅いアフター噴射では、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって、燃焼反応の凍結が起こり易いため、アフター噴射量を増加させることで、噴射終了時期がさらに遅延し、一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなるためである。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射する、つまりアフター噴射量を増加するのが有効であることが分かった。また、アフター噴射量は、６．０（ｍｍ３／ストローク）を超えると燃費が悪化してしまうことから、４．０〜６．０（ｍｍ３／ストローク）の範囲が好ましく、６．０（ｍｍ３／ストローク）が最も好ましいことが分かった。
【００７９】
［燃料噴射タイミングのリタード量とＣＯ生成量の関係］
第１インジェクタ２１の燃料噴射タイミングのリタード量とＣＯ生成量の関係について検証を行った。図１６は、燃料噴射タイミングのリタード量（°）とＣＯ生成量（ｍｇ／秒）との関係を示す図である。ここで、燃料噴射タイミングのリタード量とは、従来一般的な燃料噴射タイミング（上記実施形態に係る第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４の燃料噴射タイミング）をベースとした、燃料噴射タイミングのリタード量である。
図１６に示すように、燃料噴射タイミングのリタード量を大きくすることにより、それに伴ってＣＯ生成量が増加することが分かった。具体的には、従来一般的な燃料噴射タイミングではＣＯ生成量が約１２ｍｇ／秒であったのに対して、燃料噴射タイミングのリタード量を１４°とすることでその約３．６倍に相当する約４３ｍｇ／秒までＣＯ生成量を増加できることが分かった。これは、燃料噴射タイミングをリタードして噴射時期を遅角させることで、ピストンの下降による雰囲気温度の低下によって燃焼反応の凍結が起こり易いことから、リタード量を増加することで噴射終了時期がさらに遅延し、一酸化炭素から二酸化炭素への酸化反応が凍結し易くなるためである。また、噴射時期を遅角させることでキャビティの外側に噴射される燃料噴霧が増加し、低温希薄燃焼となる混合気が増加して不完全燃焼するためである。
この結果から、ＣＯ生成量を増加させるためには、燃料噴射タイミングをリタードするのが有効であることが分かった。また、そのリタード量は、３０°を超えると燃料を部分酸化できなくなることから、１４°〜３０°の範囲が好ましく、３０°が最も好ましいことが分かった。
【符号の説明】
【００８０】
１０…内燃機関
１１…第１気筒（リッチ燃焼用の気筒）
１２…第２気筒（通常燃焼用の気筒）
１３…第３気筒（通常燃焼用の気筒）
１４…第４気筒（通常燃焼用の気筒）
２１…第１インジェクタ（第１燃料噴射装置、水素量制御手段）
２２…第２インジェクタ（第２燃料噴射装置）
２３…第３インジェクタ（第２燃料噴射装置）
２４…第４インジェクタ（第２燃料噴射装置）
３２…スロットルバルブ（水素量制御手段）
５１…水性ガスシフト触媒（変換手段）
５１ａ，５２ａ，５２ｂ…配管（循環手段）
５２，５３…流量制御弁（循環手段）
５４ａ，５４ｂ…温度センサ（水素量制御手段）
６０…ＥＣＵ（燃料供給手段、循環手段、変換手段、水素量制御手段、改質剤供給手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通常燃焼用の気筒に対して燃料を供給するとともに、リッチ燃焼用の気筒に対して前記通常燃焼用の気筒よりもリッチ燃焼となるように燃料を供給する燃料供給手段と、
前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気を前記リッチ燃焼用の気筒及び前記通常燃焼用の気筒に循環する循環手段と、
前記循環手段により循環される排気中の一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト触媒による水性ガスシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換する変換手段と、を備える内燃機関の制御装置であって、
前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量が増加するように、第１の状態に設定されて前記リッチ燃焼用の気筒に燃料を噴射する第１燃料噴射装置と、前記第１の状態とは異なる第２の状態に設定されて前記通常燃焼用の気筒に燃料を噴射する第２燃料噴射装置と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記第１の状態は、前記第２の状態と比べて、噴霧角が大きいこと、噴射率が大きいこと及び燃料噴射ノズルの燃焼室側への突き出し量であるノズル突き出し量が小さいこと、の少なくともいずれかに該当することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記燃料供給手段は、要求トルクに応じたパイロット噴射及びメイン噴射により各気筒に対して燃料を供給するとともに、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、パイロット噴射量を低減して燃料を供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、前記低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射により供給することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、前記通常燃焼用の気筒よりも燃料噴射タイミングをリタードして燃料を供給することを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記リッチ燃焼用の気筒における空燃比、前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気の温度及び前記水性ガスシフト触媒の温度のうち少なくともいずれか一つを制御することで、前記変換手段により変換される水素の量を制御する水素量制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記リッチ燃焼用の気筒に対して、改質剤として、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素及びＥＧＲガスのうち少なくともいずれか一つを供給する改質剤供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１】
通常燃焼用の気筒に対して燃料を供給するとともに、リッチ燃焼用の気筒に対して前記通常燃焼用の気筒よりもリッチ燃焼となるように燃料を供給する燃料供給手段と、
前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気を前記リッチ燃焼用の気筒及び前記通常燃焼用の気筒に循環する循環手段と、
前記循環手段により循環される排気中の一酸化炭素と水蒸気を、水性ガスシフト触媒による水性ガスシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換する変換手段と、を備える内燃機関の制御装置であって、
前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気中の一酸化炭素量が増加するように、第１の状態に設定されて前記リッチ燃焼用の気筒に燃料を噴射する第１燃料噴射装置と、前記第１の状態とは異なる第２の状態に設定されて前記通常燃焼用の気筒に燃料を噴射する第２燃料噴射装置と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記第１の状態は、前記第２の状態と比べて、噴霧角が大きいこと、噴射率が大きいこと及び燃料噴射ノズルの燃焼室側への突き出し量であるノズル突き出し量が小さいこと、の少なくともいずれかに該当することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記燃料供給手段は、要求トルクに応じたパイロット噴射及びメイン噴射により各気筒に対して燃料を供給するとともに、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、パイロット噴射量を低減して燃料を供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、前記低減されたパイロット噴射量に相当する燃料分をアフター噴射により供給することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記燃料供給手段は、前記リッチ燃焼用の気筒に対して、前記通常燃焼用の気筒よりも燃料噴射タイミングをリタードして燃料を供給することを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記リッチ燃焼用の気筒における空燃比、前記リッチ燃焼用の気筒から排出される排気の温度及び前記水性ガスシフト触媒の温度のうち少なくともいずれか一つを制御することで、前記変換手段により変換される水素の量を制御する水素量制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記リッチ燃焼用の気筒に対して、改質剤として、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素及びＥＧＲガスのうち少なくともいずれか一つを供給する改質剤供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
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【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−９２１３７（Ｐ２０１３−９２１３７Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３６０９２（Ｐ２０１１−２３６０９２）
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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