改質ガス生成制御装置
【課題】多くの排気を吸気に再循環させることができて、燃費を向上できるとともに排気エミッションを低減できる改質ガス生成制御装置を提供する。
【解決手段】内燃エンジン(１０)から排出される排気が流れる排気通路(１２)から分岐し、内燃エンジン(１０)に吸入される吸気が流れる吸気通路(１１)に合流する排気再循環通路(１３)と、当該排気再循環通路(１３)に排気を流すときには排気再循環通路内に改質用燃料を噴射する燃料噴射部(１３２)と、排気再循環通路(１３)に排気を流すときには排気再循環通路内に空気を供給する空気供給部(１３４)と、空気が供給された排気から改質ガスを生成する改質部(１３６)と、内燃エンジンの負荷が低いほど空気供給部から供給される空気量を多くする空気量制御部(Ｓ６)と、を備える。
【解決手段】内燃エンジン(１０)から排出される排気が流れる排気通路(１２)から分岐し、内燃エンジン(１０)に吸入される吸気が流れる吸気通路(１１)に合流する排気再循環通路(１３)と、当該排気再循環通路(１３)に排気を流すときには排気再循環通路内に改質用燃料を噴射する燃料噴射部(１３２)と、排気再循環通路(１３)に排気を流すときには排気再循環通路内に空気を供給する空気供給部(１３４)と、空気が供給された排気から改質ガスを生成する改質部(１３６)と、内燃エンジンの負荷が低いほど空気供給部から供給される空気量を多くする空気量制御部(Ｓ６)と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、改質ガスの生成を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の内燃エンジンは、排気分流路を流れる排気に対して燃料を噴射する。そしてこの排気を改質器に流す。すると改質ガスが生成される。そしてこの改質ガスを吸気に混入させる。このようにすることで、燃焼効率が向上して燃費が改善されるとともに、エミッション性能も改善されるということが特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５７６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本件発明者らは、鋭意研究を重ねることで、前述の先行技術では、低負荷運転時は燃焼が不安定になるので、吸気に再循環させる排気の流量を少なくせざるを得ない場合がある、という課題を知見した。
【０００５】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたものであり、本発明の目的は、多くの排気を吸気に再循環させることができて、燃費を向上できるとともに排気エミッションを低減できる改質ガス生成制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の改質ガス生成制御装置は、内燃エンジンから排出される排気が流れる排気通路から分岐し、内燃エンジンに吸入される吸気が流れる吸気通路に合流する排気再循環通路と、排気再循環通路に排気を流すときには排気再循環通路内に改質用燃料を噴射する燃料噴射部と、排気再循環通路に排気を流すときには排気再循環通路内に空気を供給する空気供給部と、空気が供給された排気から改質ガスを生成する改質部と、内燃エンジンの負荷が低いほど空気供給部から供給される空気量を多くする空気量制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、負荷が低い状況ほど空気量を多くすることで、低負荷時ほど空気中に含まれる酸素により改質触媒の昇温が促進されて活性化され、ＥＧＲガス中に含まれる水分を生成源としてより多くの改質ガスが生成されることとなり、特に低負荷運転における燃焼安定度が増し、多くの排気を吸気に再循環させることができる。
【０００９】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明による改質ガス生成制御装置の一実施形態を示す図である。
【図２】図２は、本件発明者らが実施した予備実験の結果を示す図である。
【図３】図３は、本発明による改質ガス生成制御装置のコントローラーが実行する制御フローチャートである。
【図４】図４は、コントローラーが適用するマップの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明による改質ガス生成制御装置の一実施形態を示す図である。
【００１２】
改質ガス生成制御装置１は、内燃エンジン１０から排出されて排気再循環通路を流れる排気に改質用燃料を噴射しさらに空気を供給してから改質部１３６に流すことで、改質ガスを生成する。具体体な構成を説明すると、改質ガス生成制御装置１は、燃料噴射部１３２と、空気供給部１３４と、改質部１３６と、コントローラー７０と、を含む。
【００１３】
燃料噴射部１３２は、燃料タンク３１から供給される燃料を改質用燃料として、排気再循環通路１３を流れる排気に噴射する。排気再循環通路１３は、内燃エンジン１０から排出される排気が流れる排気通路１２から分岐し、内燃エンジン１０に吸入される吸気が流れる吸気通路１１に合流する通路である。このような構造であるので、排気再循環通路１３は、排気を吸気に再循環させる。排気再循環通路１３には、排気再循環量調整弁１３１が設けられる。燃料噴射部１３２は、排気再循環量調整弁１３１で流量が制御された排気に改質用燃料を噴射する。燃料噴射部１３２の噴射先には、燃料蒸発器１３３が設けられる。燃料噴射部１３２から噴射された燃料は、燃料蒸発器１３３で蒸発する。
【００１４】
空気供給部１３４は、改質用燃料が噴射された排気に空気を供給する。空気供給部１３４から供給された空気は、空気通路１３５を流れて、改質用燃料が噴射された排気に混入する。空気通路１３５は、燃料蒸発器１３３と改質部１３６との間に合流する。
【００１５】
改質部１３６は、空気供給部１３４から供給された空気が混合した排気から改質ガスを生成する。改質部１３６には改質用触媒が担持されている。改質用触媒は、たとえばロジウム系の触媒である。改質用触媒上では、空気供給部１３４から供給される空気や排気に含まれる水分Ｈ2Ｏと燃料噴射部１３２から噴射された燃料とが次式のような反応を生じて、改質ガスが生成される。
【００１６】
ガソリン燃料をヘプタンで代表させると、次の化学式１の反応を生ずると考えられる。
【００１７】
【化１】
【００１８】
また、排気の成分及び空気供給部１３４から供給される空気に含まれる水分Ｈ2Ｏ，窒素Ｎ2を「７．６ＣＯ2 ＋ ６．８Ｈ2Ｏ ＋ ４０．８Ｎ2」と表し、ガソリン燃料を「Ｃ7.6Ｈ13.6」とすれば、次の化学式２のように考えることもできる。
【００１９】
【化２】
【００２０】
ガソリン燃料成分は、上記に例示した化学式には限られないので、他にも種々の反応を生ずるが、いずれにせよ、改質用燃料が噴射されて空気供給部１３４から供給された空気が混合した排気が、改質用触媒で反応して、水素Ｈ2や一酸化炭素ＣＯなどの改質ガスが生成される。なお改質部１３６から流出するガスには、水素Ｈ2や一酸化炭素ＣＯなどの改質ガスの他にも、改質用触媒で反応しなかった余剰の排気も含まれる。それらのガスが冷却器１３７で冷却されて吸気に再循環させられる。
【００２１】
コントローラー７０は、エアーフローメーター７１、水素センサー７２、筒内圧センサー７３、エンジン回転速度センサー７４、冷却水温センサー７５、空燃比センサー７６、排気温度センサー７７、改質触媒温度センサー７８、酸素センサー７９の信号を入力して、内燃エンジン１０の運転状態を検出する。そしてコントローラー７０は、検出した運転状態に基づいて、スロットルチャンバー１１１、燃料噴射弁３２、排気再循環量調整弁１３１、燃料噴射部１３２、空気供給部１３４の作動を制御する。具体的な内容は、後述する。コントローラー７０は、中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリー(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリー(ＲＡＭ)及び入出力インターフェース(Ｉ／Ｏインターフェース)を備えたマイクロコンピューターで構成される。コントローラー７０は、複数のマイクロコンピューターで構成されてもよい。
【００２２】
図２は、本件発明者らが実施した予備実験の結果を示す図である。なお、図２(Ａ)〜図２(Ｆ)において、生成割合を示す縦軸および改質器入口温度を示す横軸それぞれのパラメータの原点の数値および一目盛の幅は、各グラフ間で同じである。
【００２３】
続いて、本発明の理解を容易にするために、図２を参照して本件発明者らの技術知見について説明する。
【００２４】
なお図中に記載されている改質器噴射割合Ｒは、次式で表される。
【００２５】
【数１】
【００２６】
またＥＧＲ率は、内燃エンジンに吸入される吸気流量のうち、排気再循環通路１３を流れるガス流量が占める比率である。
【００２７】
図２(Ａ)〜図２(Ｆ)の各図を見ると、改質器噴射割合(改質器への燃料噴射量)及びＥＧＲ率(ＥＧＲ量)が一定のときには、改質器の温度が高くなるほど、水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯの生成割合が増大し、メタンＣＨ4の生成割合は減少する傾向にあることが判る。
【００２８】
また図２(Ａ)〜図２(Ｃ)を見ると、ＥＧＲ率(ＥＧＲ量)及び改質器の温度が一定であるときには、改質器噴射割合(改質器への燃料噴射量)が増大するほど、水素Ｈ2、一酸化炭素ＣＯ及びメタンＣＨ4の生成割合が増大する傾向にあることが判る。そして、図２(Ｄ)〜図２(Ｆ)を見ると、ＥＧＲ率が低い場合であっても、同様の傾向が判る。
【００２９】
さらに図２(Ａ)，図２(Ｄ)を見ると、改質器噴射割合(改質器への燃料噴射量)及び改質器の温度が一定であるときには、ＥＧＲ率(ＥＧＲ量)が大きい方が水素Ｈ2、一酸化炭素ＣＯ及びメタンＣＨ4の生成割合が大きい傾向にあることが判る。そして、図２(Ｂ)と図２(Ｅ)とを見ると、また図２(Ｃ)と図２(Ｆ)とを見ると、改質器噴射割合(改質器への燃料噴射量)が変化しても、同様の傾向が判る。
【００３０】
以上から、改質器の温度を上げて、改質器噴射割合を増やし、ＥＧＲ率も増やすことで、水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯの生成割合を増大させることができるとともに、メタンＣＨ4の生成割合を減少させることができることが本件発明者らによって知見された。特に水素Ｈ2が吸入混合気に含まれると、内燃エンジンの燃焼室での燃焼速度が向上するので、燃焼安定度を高めることができる。そこで、水分Ｈ2Ｏを含むＥＧＲガスが改質器に供給されることで、上述した化学式１や化学式２に記載されるように水素Ｈ2の生成源が供給される。一方、メタンＣＨ4は、耐ノッキング性を悪化させる成分であるので、吸入混合気に含まれていない方が燃焼安定度を高めることができる。このような技術知見に基づいて、本件発明者らは、ＥＧＲ運転中には、低負荷運転であるほど、上述したＥＧＲ中に供給する空気量を増加させて、この供給した空気中に含まれる酸素Ｏ２により改質触媒の昇温をより促進させることで、改質器の温度を上げることを着想した。このようにすることで吸入混合気に多くの水素Ｈ2を含ませることができる一方で、メタンＣＨ4は含ませないことができるのである。具体的な制御内容は、以下に説明する。
【００３１】
図３は、本発明による改質ガス生成制御装置のコントローラーが実行する制御フローチャートである。なおコントローラーは、微小時間ごとにこのフローチャートを繰り返し実行する。
【００３２】
ステップＳ１においてコントローラー７０は、エンジン１０の回転速度及び負荷を検出する。
【００３３】
ステップＳ２においてコントローラー７０は、エンジン１０の冷却水温を検出する。
【００３４】
ステップＳ３においてコントローラー７０は、ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation ；排気再循環)する運転領域であるか否かを判定する。たとえば内燃エンジンが冷機状態であって暖機中は排気再循環しない。排気再循環しては、暖機運転が安定しないからである。またアイドル運転中も排気再循環しない。排気再循環しては、アイドル運転が安定しないからである。さらに高負荷運転中も排気再循環しない。排気再循環しては、高負荷運転できないからである。コントローラー７０は、これらをたとえばあらかじめ用意された運転マップに基づいて判定する。なおこのような手法は従来から知られているので、ここでは以上の説明にとどめる。コントローラー７０は、ＥＧＲ運転領域であればステップＳ４へ処理を移行するが、ＥＧＲ運転領域でなければ処理を抜ける。
【００３５】
ステップＳ４においてコントローラー７０は、改質部１３６の改質触媒が活性しているか否かを判定する。具体的には、コントローラー７０は、改質触媒温度センサー７８の信号に基づいて、改質触媒が活性温度に達しているか否かを判定する。コントローラー７０は、改質触媒が活性していなければステップＳ５へ処理を移行し、改質触媒が活性していればステップＳ６へ処理を移行する。
【００３６】
ステップＳ５においてコントローラー７０は、改質触媒を活性化する。具体的には、たとえば内燃エンジンを理論空燃比よりもリーンな空燃比で運転することで排気を昇温すればよい。また改質部１３６にヒーターを設けておき、そのヒーターで改質部１３６を加熱してもよい。
【００３７】
ステップＳ６においてコントローラー７０は、内燃エンジン１０の負荷に応じて空気流量を設定して、空気供給部１３４の作動を制御する。具体的には、たとえば図４(Ａ)に例示するマップに内燃エンジン１０の負荷を適用して必要な空気量を設定する。このマップから明らかなように、内燃エンジン回転速度の条件が同じであるときは負荷が低いほど空気量が多くなり、内燃エンジン回転速度が低いほどこの空気量は多くなるように設定される。なおマップは、あらかじめ実験やシミュレーションに基づいて設定される。
【００３８】
ステップＳ７においてコントローラー７０は、空気供給部１３４が供給する空気流量に基づいて、燃料噴射部１３２から噴射する燃料量を設定する。空気流量が多いほど、燃料噴射量も多くなる。
【００３９】
ステップＳ８においてコントローラー７０は、燃焼安定度を検出する。具体的には、コントローラー７０は、筒内圧センサー７３の信号に基づいて燃焼安定度を検出すればよい。また、コントローラー７０は、エンジン回転速度センサー７４の信号に基づいて回転速度の変動から燃焼安定度を検出してもよい。
【００４０】
ステップＳ９においてコントローラー７０は、燃焼安定度に応じて排気再循環量調整弁１３１の開度を制御する。具体的には、たとえば図４(Ｂ)に例示するマップに燃焼安定度を適用して開度を設定する。このマップから明らかなように、燃焼安定度が高いほど排気再循環量調整弁１３１の開度も大きくなる。なおマップは、あらかじめ実験やシミュレーションに基づいて設定される。
【００４１】
以上の制御が実行されると、以下のような作用効果が生ずる。なおフローチャートとの対応が明確になるように、図３のステップ番号を括弧内に併記する。
【００４２】
ＥＧＲ運転領域であるが(ステップＳ３でＹｅｓ)、改質触媒が活性していなければ(ステップＳ４でＮｏ)、コントローラーは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５をサイクリックに処理して改質触媒を活性化する(ステップＳ５)。そして改質触媒が活性化したら(ステップＳ４でＹｅｓ)、内燃エンジン回転速度が低いほどあるいはエンジン負荷が小さいほど、多くの空気を供給するとともに多くの燃料を燃料噴射部１３２から噴射する(ステップＳ６，Ｓ７)。このようにすることで、この供給した空気中に含まれる酸素Ｏ２により改質触媒の昇温をより促進させるともに改質部１３６の改質触媒上で燃料が燃焼することとなって触媒温度が上昇する。加えて、ＥＧＲ中に含まれる水分Ｈ２Ｏを生成源として、改質部１３６で生成される水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯは、生成割合が増大し、メタンＣＨ4は生成割合が減少する。本実施形態では、特にＥＧＲ運転中に、内燃エンジン回転速度が低いほどあるいは低負荷運転であるほど、改質器の温度を上げて水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯの生成割合を増大させるようにしたので、ノッキングが生じやすく燃焼が不安定になりがちな低回転速度運転や低負荷運転であっても、運転が安定するのである。そして燃焼安定度を検出し(ステップＳ８)、燃焼安定度に応じて排気再循環量調整弁１３１の開度を調整する(ステップＳ９)。すなわち、上述の通り、水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯの生成割合が増大した分、燃焼安定度が増すので、排気再循環量調整弁１３１の開度を大きくでき、ＥＧＲ率を大きくすることができる。したがってこれによっても、水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯの生成割合が増大し、燃焼安定度が向上するというように相乗効果が得られ、このようにしない場合に比べて大量のＥＧＲガスを流せるのである。そのため燃費が向上するとともに排気エミッションが低減されるのである。
【００４３】
なお本実施形態は、特に低回転運転あるいは低負荷運転において空気を多くしているが、低回転運転もしくは低負荷運転に限らずそれよりも大きな回転もしくは負荷でも空気を供給するとともに、その空気量に応じた燃料を噴射している。これによって改質部１３６の改質触媒上で水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯが生成されるので、改質部１３６を設けない場合に比べて燃焼安定度を向上できて、改質部１３６を設けない場合に比べて多くのＥＧＲガスを流せるのである。そして本実施形態は、運転状態に応じて燃料噴射部１３２及び空気供給部１３４を制御する。したがって、過渡時(たとえばアクセルペダルを踏んでから離すときのように、吸入空気量や燃料噴射弁３２から噴射する燃料は減るがＥＧＲガスの流量が急には減らない場合)であっても、燃料噴射部１３２及び空気供給部１３４を迅速に制御することができる。すなわち、改質部１３６の改質触媒を昇温するには、たとえば点火時期をリタードして、内燃エンジン１０から排出される排気温度自体を昇温する手法も考えられる。しかしながら、このような手法では、応答に時間を要する。しかしながら、本実施形態のように燃料噴射部１３２及び空気供給部１３４を制御すれば、迅速であり、短時間で応答できるのである。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００４５】
たとえば、上記実施形態においては、改質部１３６として改質触媒で改質するものを例示したが、プラズマによる改質、電気分解による改質、透過分離膜による改質など一般的に知られている手法を採用してもよい。また１つの改質触媒で負荷条件に応じた改質ガス成分を生成できるもの、たとえば低負荷時にはＨ2など高燃焼速度成分を多く含む生成ガスを生成し、高負荷時にはＨ2だけではなく、ＣＯやＣＨ4などの高オクタン価成分を多く含む生成ガスを生成するものであってもよい。また、生成できるガスに応じた貴金属を含む触媒を複数配置したものであってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１ 改質ガス生成制御装置
１０ 内燃エンジン
１１ 吸気通路
１２ 排気通路
１３ 排気再循環通路
１３１ 排気再循環量調整弁
１３２ 燃料噴射部
１３３ 燃料蒸発器
１３４ 空気供給部
１３５ 空気通路
１３６ 改質部
１３７ 冷却器
７０ コントローラー
ステップＳ３ 排気再循環判定部
ステップＳ６ 空気量制御部
ステップＳ７ 燃料量制御部
ステップＳ９ 再循環量制御部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、改質ガスの生成を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の内燃エンジンは、排気分流路を流れる排気に対して燃料を噴射する。そしてこの排気を改質器に流す。すると改質ガスが生成される。そしてこの改質ガスを吸気に混入させる。このようにすることで、燃焼効率が向上して燃費が改善されるとともに、エミッション性能も改善されるということが特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５７６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本件発明者らは、鋭意研究を重ねることで、前述の先行技術では、低負荷運転時は燃焼が不安定になるので、吸気に再循環させる排気の流量を少なくせざるを得ない場合がある、という課題を知見した。
【０００５】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたものであり、本発明の目的は、多くの排気を吸気に再循環させることができて、燃費を向上できるとともに排気エミッションを低減できる改質ガス生成制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の改質ガス生成制御装置は、内燃エンジンから排出される排気が流れる排気通路から分岐し、内燃エンジンに吸入される吸気が流れる吸気通路に合流する排気再循環通路と、排気再循環通路に排気を流すときには排気再循環通路内に改質用燃料を噴射する燃料噴射部と、排気再循環通路に排気を流すときには排気再循環通路内に空気を供給する空気供給部と、空気が供給された排気から改質ガスを生成する改質部と、内燃エンジンの負荷が低いほど空気供給部から供給される空気量を多くする空気量制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、負荷が低い状況ほど空気量を多くすることで、低負荷時ほど空気中に含まれる酸素により改質触媒の昇温が促進されて活性化され、ＥＧＲガス中に含まれる水分を生成源としてより多くの改質ガスが生成されることとなり、特に低負荷運転における燃焼安定度が増し、多くの排気を吸気に再循環させることができる。
【０００９】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明による改質ガス生成制御装置の一実施形態を示す図である。
【図２】図２は、本件発明者らが実施した予備実験の結果を示す図である。
【図３】図３は、本発明による改質ガス生成制御装置のコントローラーが実行する制御フローチャートである。
【図４】図４は、コントローラーが適用するマップの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明による改質ガス生成制御装置の一実施形態を示す図である。
【００１２】
改質ガス生成制御装置１は、内燃エンジン１０から排出されて排気再循環通路を流れる排気に改質用燃料を噴射しさらに空気を供給してから改質部１３６に流すことで、改質ガスを生成する。具体体な構成を説明すると、改質ガス生成制御装置１は、燃料噴射部１３２と、空気供給部１３４と、改質部１３６と、コントローラー７０と、を含む。
【００１３】
燃料噴射部１３２は、燃料タンク３１から供給される燃料を改質用燃料として、排気再循環通路１３を流れる排気に噴射する。排気再循環通路１３は、内燃エンジン１０から排出される排気が流れる排気通路１２から分岐し、内燃エンジン１０に吸入される吸気が流れる吸気通路１１に合流する通路である。このような構造であるので、排気再循環通路１３は、排気を吸気に再循環させる。排気再循環通路１３には、排気再循環量調整弁１３１が設けられる。燃料噴射部１３２は、排気再循環量調整弁１３１で流量が制御された排気に改質用燃料を噴射する。燃料噴射部１３２の噴射先には、燃料蒸発器１３３が設けられる。燃料噴射部１３２から噴射された燃料は、燃料蒸発器１３３で蒸発する。
【００１４】
空気供給部１３４は、改質用燃料が噴射された排気に空気を供給する。空気供給部１３４から供給された空気は、空気通路１３５を流れて、改質用燃料が噴射された排気に混入する。空気通路１３５は、燃料蒸発器１３３と改質部１３６との間に合流する。
【００１５】
改質部１３６は、空気供給部１３４から供給された空気が混合した排気から改質ガスを生成する。改質部１３６には改質用触媒が担持されている。改質用触媒は、たとえばロジウム系の触媒である。改質用触媒上では、空気供給部１３４から供給される空気や排気に含まれる水分Ｈ2Ｏと燃料噴射部１３２から噴射された燃料とが次式のような反応を生じて、改質ガスが生成される。
【００１６】
ガソリン燃料をヘプタンで代表させると、次の化学式１の反応を生ずると考えられる。
【００１７】
【化１】
【００１８】
また、排気の成分及び空気供給部１３４から供給される空気に含まれる水分Ｈ2Ｏ，窒素Ｎ2を「７．６ＣＯ2 ＋ ６．８Ｈ2Ｏ ＋ ４０．８Ｎ2」と表し、ガソリン燃料を「Ｃ7.6Ｈ13.6」とすれば、次の化学式２のように考えることもできる。
【００１９】
【化２】
【００２０】
ガソリン燃料成分は、上記に例示した化学式には限られないので、他にも種々の反応を生ずるが、いずれにせよ、改質用燃料が噴射されて空気供給部１３４から供給された空気が混合した排気が、改質用触媒で反応して、水素Ｈ2や一酸化炭素ＣＯなどの改質ガスが生成される。なお改質部１３６から流出するガスには、水素Ｈ2や一酸化炭素ＣＯなどの改質ガスの他にも、改質用触媒で反応しなかった余剰の排気も含まれる。それらのガスが冷却器１３７で冷却されて吸気に再循環させられる。
【００２１】
コントローラー７０は、エアーフローメーター７１、水素センサー７２、筒内圧センサー７３、エンジン回転速度センサー７４、冷却水温センサー７５、空燃比センサー７６、排気温度センサー７７、改質触媒温度センサー７８、酸素センサー７９の信号を入力して、内燃エンジン１０の運転状態を検出する。そしてコントローラー７０は、検出した運転状態に基づいて、スロットルチャンバー１１１、燃料噴射弁３２、排気再循環量調整弁１３１、燃料噴射部１３２、空気供給部１３４の作動を制御する。具体的な内容は、後述する。コントローラー７０は、中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリー(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリー(ＲＡＭ)及び入出力インターフェース(Ｉ／Ｏインターフェース)を備えたマイクロコンピューターで構成される。コントローラー７０は、複数のマイクロコンピューターで構成されてもよい。
【００２２】
図２は、本件発明者らが実施した予備実験の結果を示す図である。なお、図２(Ａ)〜図２(Ｆ)において、生成割合を示す縦軸および改質器入口温度を示す横軸それぞれのパラメータの原点の数値および一目盛の幅は、各グラフ間で同じである。
【００２３】
続いて、本発明の理解を容易にするために、図２を参照して本件発明者らの技術知見について説明する。
【００２４】
なお図中に記載されている改質器噴射割合Ｒは、次式で表される。
【００２５】
【数１】
【００２６】
またＥＧＲ率は、内燃エンジンに吸入される吸気流量のうち、排気再循環通路１３を流れるガス流量が占める比率である。
【００２７】
図２(Ａ)〜図２(Ｆ)の各図を見ると、改質器噴射割合(改質器への燃料噴射量)及びＥＧＲ率(ＥＧＲ量)が一定のときには、改質器の温度が高くなるほど、水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯの生成割合が増大し、メタンＣＨ4の生成割合は減少する傾向にあることが判る。
【００２８】
また図２(Ａ)〜図２(Ｃ)を見ると、ＥＧＲ率(ＥＧＲ量)及び改質器の温度が一定であるときには、改質器噴射割合(改質器への燃料噴射量)が増大するほど、水素Ｈ2、一酸化炭素ＣＯ及びメタンＣＨ4の生成割合が増大する傾向にあることが判る。そして、図２(Ｄ)〜図２(Ｆ)を見ると、ＥＧＲ率が低い場合であっても、同様の傾向が判る。
【００２９】
さらに図２(Ａ)，図２(Ｄ)を見ると、改質器噴射割合(改質器への燃料噴射量)及び改質器の温度が一定であるときには、ＥＧＲ率(ＥＧＲ量)が大きい方が水素Ｈ2、一酸化炭素ＣＯ及びメタンＣＨ4の生成割合が大きい傾向にあることが判る。そして、図２(Ｂ)と図２(Ｅ)とを見ると、また図２(Ｃ)と図２(Ｆ)とを見ると、改質器噴射割合(改質器への燃料噴射量)が変化しても、同様の傾向が判る。
【００３０】
以上から、改質器の温度を上げて、改質器噴射割合を増やし、ＥＧＲ率も増やすことで、水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯの生成割合を増大させることができるとともに、メタンＣＨ4の生成割合を減少させることができることが本件発明者らによって知見された。特に水素Ｈ2が吸入混合気に含まれると、内燃エンジンの燃焼室での燃焼速度が向上するので、燃焼安定度を高めることができる。そこで、水分Ｈ2Ｏを含むＥＧＲガスが改質器に供給されることで、上述した化学式１や化学式２に記載されるように水素Ｈ2の生成源が供給される。一方、メタンＣＨ4は、耐ノッキング性を悪化させる成分であるので、吸入混合気に含まれていない方が燃焼安定度を高めることができる。このような技術知見に基づいて、本件発明者らは、ＥＧＲ運転中には、低負荷運転であるほど、上述したＥＧＲ中に供給する空気量を増加させて、この供給した空気中に含まれる酸素Ｏ２により改質触媒の昇温をより促進させることで、改質器の温度を上げることを着想した。このようにすることで吸入混合気に多くの水素Ｈ2を含ませることができる一方で、メタンＣＨ4は含ませないことができるのである。具体的な制御内容は、以下に説明する。
【００３１】
図３は、本発明による改質ガス生成制御装置のコントローラーが実行する制御フローチャートである。なおコントローラーは、微小時間ごとにこのフローチャートを繰り返し実行する。
【００３２】
ステップＳ１においてコントローラー７０は、エンジン１０の回転速度及び負荷を検出する。
【００３３】
ステップＳ２においてコントローラー７０は、エンジン１０の冷却水温を検出する。
【００３４】
ステップＳ３においてコントローラー７０は、ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation ；排気再循環)する運転領域であるか否かを判定する。たとえば内燃エンジンが冷機状態であって暖機中は排気再循環しない。排気再循環しては、暖機運転が安定しないからである。またアイドル運転中も排気再循環しない。排気再循環しては、アイドル運転が安定しないからである。さらに高負荷運転中も排気再循環しない。排気再循環しては、高負荷運転できないからである。コントローラー７０は、これらをたとえばあらかじめ用意された運転マップに基づいて判定する。なおこのような手法は従来から知られているので、ここでは以上の説明にとどめる。コントローラー７０は、ＥＧＲ運転領域であればステップＳ４へ処理を移行するが、ＥＧＲ運転領域でなければ処理を抜ける。
【００３５】
ステップＳ４においてコントローラー７０は、改質部１３６の改質触媒が活性しているか否かを判定する。具体的には、コントローラー７０は、改質触媒温度センサー７８の信号に基づいて、改質触媒が活性温度に達しているか否かを判定する。コントローラー７０は、改質触媒が活性していなければステップＳ５へ処理を移行し、改質触媒が活性していればステップＳ６へ処理を移行する。
【００３６】
ステップＳ５においてコントローラー７０は、改質触媒を活性化する。具体的には、たとえば内燃エンジンを理論空燃比よりもリーンな空燃比で運転することで排気を昇温すればよい。また改質部１３６にヒーターを設けておき、そのヒーターで改質部１３６を加熱してもよい。
【００３７】
ステップＳ６においてコントローラー７０は、内燃エンジン１０の負荷に応じて空気流量を設定して、空気供給部１３４の作動を制御する。具体的には、たとえば図４(Ａ)に例示するマップに内燃エンジン１０の負荷を適用して必要な空気量を設定する。このマップから明らかなように、内燃エンジン回転速度の条件が同じであるときは負荷が低いほど空気量が多くなり、内燃エンジン回転速度が低いほどこの空気量は多くなるように設定される。なおマップは、あらかじめ実験やシミュレーションに基づいて設定される。
【００３８】
ステップＳ７においてコントローラー７０は、空気供給部１３４が供給する空気流量に基づいて、燃料噴射部１３２から噴射する燃料量を設定する。空気流量が多いほど、燃料噴射量も多くなる。
【００３９】
ステップＳ８においてコントローラー７０は、燃焼安定度を検出する。具体的には、コントローラー７０は、筒内圧センサー７３の信号に基づいて燃焼安定度を検出すればよい。また、コントローラー７０は、エンジン回転速度センサー７４の信号に基づいて回転速度の変動から燃焼安定度を検出してもよい。
【００４０】
ステップＳ９においてコントローラー７０は、燃焼安定度に応じて排気再循環量調整弁１３１の開度を制御する。具体的には、たとえば図４(Ｂ)に例示するマップに燃焼安定度を適用して開度を設定する。このマップから明らかなように、燃焼安定度が高いほど排気再循環量調整弁１３１の開度も大きくなる。なおマップは、あらかじめ実験やシミュレーションに基づいて設定される。
【００４１】
以上の制御が実行されると、以下のような作用効果が生ずる。なおフローチャートとの対応が明確になるように、図３のステップ番号を括弧内に併記する。
【００４２】
ＥＧＲ運転領域であるが(ステップＳ３でＹｅｓ)、改質触媒が活性していなければ(ステップＳ４でＮｏ)、コントローラーは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５をサイクリックに処理して改質触媒を活性化する(ステップＳ５)。そして改質触媒が活性化したら(ステップＳ４でＹｅｓ)、内燃エンジン回転速度が低いほどあるいはエンジン負荷が小さいほど、多くの空気を供給するとともに多くの燃料を燃料噴射部１３２から噴射する(ステップＳ６，Ｓ７)。このようにすることで、この供給した空気中に含まれる酸素Ｏ２により改質触媒の昇温をより促進させるともに改質部１３６の改質触媒上で燃料が燃焼することとなって触媒温度が上昇する。加えて、ＥＧＲ中に含まれる水分Ｈ２Ｏを生成源として、改質部１３６で生成される水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯは、生成割合が増大し、メタンＣＨ4は生成割合が減少する。本実施形態では、特にＥＧＲ運転中に、内燃エンジン回転速度が低いほどあるいは低負荷運転であるほど、改質器の温度を上げて水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯの生成割合を増大させるようにしたので、ノッキングが生じやすく燃焼が不安定になりがちな低回転速度運転や低負荷運転であっても、運転が安定するのである。そして燃焼安定度を検出し(ステップＳ８)、燃焼安定度に応じて排気再循環量調整弁１３１の開度を調整する(ステップＳ９)。すなわち、上述の通り、水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯの生成割合が増大した分、燃焼安定度が増すので、排気再循環量調整弁１３１の開度を大きくでき、ＥＧＲ率を大きくすることができる。したがってこれによっても、水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯの生成割合が増大し、燃焼安定度が向上するというように相乗効果が得られ、このようにしない場合に比べて大量のＥＧＲガスを流せるのである。そのため燃費が向上するとともに排気エミッションが低減されるのである。
【００４３】
なお本実施形態は、特に低回転運転あるいは低負荷運転において空気を多くしているが、低回転運転もしくは低負荷運転に限らずそれよりも大きな回転もしくは負荷でも空気を供給するとともに、その空気量に応じた燃料を噴射している。これによって改質部１３６の改質触媒上で水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯが生成されるので、改質部１３６を設けない場合に比べて燃焼安定度を向上できて、改質部１３６を設けない場合に比べて多くのＥＧＲガスを流せるのである。そして本実施形態は、運転状態に応じて燃料噴射部１３２及び空気供給部１３４を制御する。したがって、過渡時(たとえばアクセルペダルを踏んでから離すときのように、吸入空気量や燃料噴射弁３２から噴射する燃料は減るがＥＧＲガスの流量が急には減らない場合)であっても、燃料噴射部１３２及び空気供給部１３４を迅速に制御することができる。すなわち、改質部１３６の改質触媒を昇温するには、たとえば点火時期をリタードして、内燃エンジン１０から排出される排気温度自体を昇温する手法も考えられる。しかしながら、このような手法では、応答に時間を要する。しかしながら、本実施形態のように燃料噴射部１３２及び空気供給部１３４を制御すれば、迅速であり、短時間で応答できるのである。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００４５】
たとえば、上記実施形態においては、改質部１３６として改質触媒で改質するものを例示したが、プラズマによる改質、電気分解による改質、透過分離膜による改質など一般的に知られている手法を採用してもよい。また１つの改質触媒で負荷条件に応じた改質ガス成分を生成できるもの、たとえば低負荷時にはＨ2など高燃焼速度成分を多く含む生成ガスを生成し、高負荷時にはＨ2だけではなく、ＣＯやＣＨ4などの高オクタン価成分を多く含む生成ガスを生成するものであってもよい。また、生成できるガスに応じた貴金属を含む触媒を複数配置したものであってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１ 改質ガス生成制御装置
１０ 内燃エンジン
１１ 吸気通路
１２ 排気通路
１３ 排気再循環通路
１３１ 排気再循環量調整弁
１３２ 燃料噴射部
１３３ 燃料蒸発器
１３４ 空気供給部
１３５ 空気通路
１３６ 改質部
１３７ 冷却器
７０ コントローラー
ステップＳ３ 排気再循環判定部
ステップＳ６ 空気量制御部
ステップＳ７ 燃料量制御部
ステップＳ９ 再循環量制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンから排出される排気が流れる排気通路から分岐し、内燃エンジンに吸入される吸気が流れる吸気通路に合流する排気再循環通路と、
当該排気再循環通路に排気を流すときには前記排気再循環通路内に改質用燃料を噴射する燃料噴射部と、
前記排気再循環通路に排気を流すときには前記排気再循環通路内に空気を供給する空気供給部と、
前記空気が供給された排気から改質ガスを生成する改質部と、
前記内燃エンジンの負荷が低いほど前記空気供給部から供給される空気量を多くする空気量制御部と、
を備える改質ガス生成制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の改質ガス生成制御装置において、
前記空気量制御部は、さらに前記内燃エンジンの回転速度が低いほど前記空気供給部から供給される空気量を多くするように制御する、
改質ガス生成制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の改質ガス生成制御装置において、
前記空気供給部から供給される空気量が多いほど燃料供給部から噴射される改質用燃料量を多くする燃料量制御部をさらに備える、
改質ガス生成制御装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の改質ガス生成制御装置において、
前記排気再循環通路を流れる排気量を調整する再循環量調整弁と、
前記空気供給部から供給される空気量が多いほど排気再循環通路を流れる排気量が多くなるように前記再循環量調整弁を制御する再循環量制御部と、
をさらに備える改質ガス生成制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の改質ガス生成制御装置において、
前記再循環量制御部は、内燃エンジンの燃焼安定度が高いほど排気再循環通路を流れる排気量が多くなるように前記再循環量調整弁を制御する、
改質ガス生成制御装置。
【請求項６】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の改質ガス生成制御装置において、
前記排気再循環通路を流れる排気量を調整する再循環量調整弁と、
内燃エンジンの燃焼安定度が高いほど排気再循環通路を流れる排気量が多くなるように前記再循環量調整弁を制御する再循環量制御部と、
をさらに備える改質ガス生成制御装置。
【請求項１】
内燃エンジンから排出される排気が流れる排気通路から分岐し、内燃エンジンに吸入される吸気が流れる吸気通路に合流する排気再循環通路と、
当該排気再循環通路に排気を流すときには前記排気再循環通路内に改質用燃料を噴射する燃料噴射部と、
前記排気再循環通路に排気を流すときには前記排気再循環通路内に空気を供給する空気供給部と、
前記空気が供給された排気から改質ガスを生成する改質部と、
前記内燃エンジンの負荷が低いほど前記空気供給部から供給される空気量を多くする空気量制御部と、
を備える改質ガス生成制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の改質ガス生成制御装置において、
前記空気量制御部は、さらに前記内燃エンジンの回転速度が低いほど前記空気供給部から供給される空気量を多くするように制御する、
改質ガス生成制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の改質ガス生成制御装置において、
前記空気供給部から供給される空気量が多いほど燃料供給部から噴射される改質用燃料量を多くする燃料量制御部をさらに備える、
改質ガス生成制御装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の改質ガス生成制御装置において、
前記排気再循環通路を流れる排気量を調整する再循環量調整弁と、
前記空気供給部から供給される空気量が多いほど排気再循環通路を流れる排気量が多くなるように前記再循環量調整弁を制御する再循環量制御部と、
をさらに備える改質ガス生成制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の改質ガス生成制御装置において、
前記再循環量制御部は、内燃エンジンの燃焼安定度が高いほど排気再循環通路を流れる排気量が多くなるように前記再循環量調整弁を制御する、
改質ガス生成制御装置。
【請求項６】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の改質ガス生成制御装置において、
前記排気再循環通路を流れる排気量を調整する再循環量調整弁と、
内燃エンジンの燃焼安定度が高いほど排気再循環通路を流れる排気量が多くなるように前記再循環量調整弁を制御する再循環量制御部と、
をさらに備える改質ガス生成制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−６８１２１（Ｐ２０１３−６８１２１Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０６０２１（Ｐ２０１１−２０６０２１）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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