CN101960127B - 燃料重整设备 - Google Patents

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Abstract

当燃料重整催化剂（28）与含有重整燃料的排气接触时，产生含氢的重整气体。上游和下游空燃比传感器（58、60）分别安装在燃料重整催化剂（28）的上游和下游。上游空燃比传感器（58）根据氧浓度输出上游传感器信号。下游空燃比传感器（60）通过利用氧化锆的氧检测能力和扩散层的与氢浓度相关的氧检测能力的变化而根据氧浓度和氢浓度输出下游传感器信号。ECU（ 50）利用仅反映氧浓度的上游传感器信号和反映氧浓度和氢浓度的下游传感器信号来检测氢浓度，而不受氧浓度的影响。这使得能够利用常用的空燃比传感器（58、60）来实现氢浓度检测系统。

Description

燃料重整设备
技术领域
本发明涉及一种燃料重整设备，该燃料重整设备优选用于在燃料重整催化剂的辅助下由重整燃料产生可燃气体。
背景技术
存在带有燃料重整设备的传统已知的内燃发动机，燃料重整设备例如公开在专利文献1(JP-A-2007-113421)中。这种现有技术的燃料重整设备包括燃料重整催化剂，该燃料重整催化剂通过对含有重整燃料和氧的气体进行重整而产生含氢的可燃气体。
当燃料重整催化剂处于活化状态时，其能够产生含氢和一氧化碳的可燃气体。然而，当燃料重整催化剂处于非活化状态时，其不能产生具有足够高浓度的可燃气体。因此，现有技术的燃料重整设备构造成在燃料重整催化剂的下游设置氢或一氧化碳浓度传感器。此外，当浓度传感器的检测结果表明产生了具有足够高的浓度的可燃气体时，现有技术的燃料重整设备将可燃气体供给到内燃发动机的进气路径。
包括上述文献在内，申请人了解到以下文献作为本发明的相关技术。
[专利文献1]JP-A-2007-113421
发明内容
同时，上述现有技术燃料重整设备构造成使用检测氢或一氧化碳的浓度的浓度传感器。氢或一氧化碳的浓度与可燃气体生成量相关联。因此，当精确地实现了浓度检测时，能够精确地检测到可燃气体生成量。
然而，可以安装在现有技术燃料重整设备中的小型、廉价的浓度传感器不容易实现高的检测精度。此外，当执行操作以检测氢的浓度时，可燃气体中含有的氧和其它组分可能影响检测操作，导致检测精度下降。
已经实现了本发明以解决以上问题。本发明的目的是提供一种燃料重整设备，其能够使用小型、廉价的氢浓度传感器，并且即使生成的可燃气体包含除氢以外的组分，也能够精确地检测可燃气体生成量。
以上目的是通过这样的燃料重整设备实现的：该燃料重整设备包括燃料重整催化剂，所述燃料重整催化剂布置在含有重整燃料的气态物质的流动路径中，并用来由重整燃料生成含氢的可燃气体。
该燃料重整设备包括上游空燃比传感器，所述上游空燃比传感器由能够检测空燃比的空燃比传感器构成，并相对于所述气态物质的流动方向布置在燃料重整催化剂的上游，并用来输出表示所述气态物质中的氧浓度的上游传感器信号。
该燃料重整设备包括下游空燃比传感器，所述下游空燃比传感器由能够检测空燃比的空燃比传感器构成，并相对于所述气态物质的流动方向布置在燃料重整催化剂的下游，并用来输出表示所述气态物质中的氧浓度和氢浓度的下游传感器信号。
并且，该燃料重整设备包括氢浓度检测装置，所述氢浓度检测装置利用上游传感器信号修正下游传感器信号，并且利用修正后的下游传感器信号来检测在燃料重整催化剂的下游位置处的气态物质中的氢浓度。
在本发明的第二方面中，根据本发明第一方面的燃料重整设备，其中，氢浓度检测装置可包括信号修正装置，所述信号修正装置用于根据上游传感器信号来修正包含在下游传感器信号中的氧浓度的影响。
在本发明的第三方面中，根据本发明第二方面的燃料重整设备可包括氧浓度计算装置，所述氧浓度计算装置由上游传感器信号计算氧浓度。
并且，该燃料重整设备包括存储装置，所述存储装置预先存储表示下游传感器信号与氢浓度之间的关系的特性曲线数据。并且，信号修正装置根据通过使用上游传感器信号检测到的氧浓度来修正特性曲线数据。并且，氢浓度检测装置利用修正后的特性曲线数据由下游传感器信号计算氢浓度。
在本发明的第四方面中，根据本发明第三方面的燃料重整设备，其中，信号修正装置可包括零点输出获取装置，所述零点输出获取装置根据通过使用上游传感器信号检测到的氧浓度来获取氢浓度为零时的下游传感器信号的值。
并且，信号修正装置包括变化率获取装置，所述变化率获取装置根据通过使用上游传感器信号检测到的氧浓度获取下游传感器信号的变化对氢浓度的变化的比率。并且，信号修正装置包括特性设定装置，所述特性设定装置根据零点输出获取装置和变化率获取装置的获取结果来设定在通过使用上游传感器信号检测到的氧浓度下的对应的特性曲线数据。
在本发明的第五方面中，根据本发明第一至第四方面中任一方面的燃料重整设备，其中，下游空燃比传感器的灵敏度可比上游空燃比传感器的灵敏度低。
在本发明的第六方面中，根据本发明第一至第五方面中任一方面的燃料重整设备，其中，上游空燃比传感器和下游空燃比传感器可各包括检测元件，所述检测元件由含有氧化锆的材料制成，并设有一侧面和另一侧面。
并且，上游空燃比传感器和下游空燃比传感器各包括两个电极，所述两个电极分别安装在所述检测元件的所述一侧面和所述另一侧面上从而以所述检测元件位于所述两个电极之间的方式彼此面对。并且，上游空燃比传感器和下游空燃比传感器各包括限制装置，所述限制装置布置成将所述检测元件的所述一侧面与含有检测目标的所述气态物质遮断，并限制所述检测目标供给到所述检测元件的所述一侧面的速度。
在本发明的第七方面中，根据本发明第六方面的燃料重整设备，其中，下游空燃比传感器的电极可比上游空燃比传感器的电极具有更小的相对表面面积。并且其中，下游空燃比传感器的灵敏度根据上游空燃比传感器与下游空燃比传感器之间的相对表面面积之差而降低。
在本发明的第八方面中，根据本发明第六或第七方面的燃料重整设备，其中，限制装置可以是允许含有检测目标的外部气态物质朝检测元件的所述一侧面穿过的扩散层。
并且其中，下游空燃比传感器的扩散层比上游空燃比传感器的扩散层具有更低的透气性。并且其中，下游空燃比传感器的灵敏度根据上游空燃比传感器与下游空燃比传感器之间的透气性之差而降低。
在本发明的第九方面中，根据本发明第一至第八方面中任一方面的燃料重整设备，可进一步包括压力检测装置，所述压力检测装置用于检测所述气态物质的压力。并且该燃料重整设备包括压力相关的修正装置，所述压力相关的修正装置用于根据所述气态物质的压力来修正至少上游传感器信号或下游传感器信号的值。
在本发明的第十方面中，根据本发明第九方面的燃料重整设备，其中，压力相关的修正装置可以进行修正以使得检测到的氧浓度或氢浓度随着所述压力升高而降低。
在本发明的第十一方面中，根据本发明第一至第十方面中任一方面的燃料重整设备，可进一步包括气态物质供给装置，所述气态物质供给装置向至少上游空燃比传感器或下游空燃比传感器分别供给无氧气态物质和大气。
并且，该燃料重整设备包括第一氧误差检测装置，当所述无氧气态物质被供给到所述空燃比传感器时，所述第一氧误差检测装置检测所述空燃比传感器的输出信号值与预定的零点基准值之间的偏离量。
并且，该燃料重整设备包括第二氧误差检测装置，当所述大气被供给到所述空燃比传感器时，所述第二氧误差检测装置检测所述空燃比传感器的输出信号值与预定的大气基准值之间的偏离量。并且，该燃料重整设备包括氧信号校正装置，所述氧信号校正装置利用与所述零点基准值的偏离量和与所述大气基准值的偏离量来校正所述输出信号值。
在本发明的第十二方面中，根据本发明第一至第十一方面中任一方面的燃料重整设备，可进一步包括重整燃料供给装置，所述重整燃料供给装置向燃料重整催化剂供给重整燃料。并且该燃料重整设备包括气态材料供给装置，所述气态材料供给装置向下游空燃比传感器供给无氧气态物质。
并且，该燃料重整设备包括调节装置，所述调节装置进行调节以使影响氢浓度的参数处于预定的误差检测状态。并且，该燃料重整设备包括第一氢误差检测装置，当重整燃料的供给被切断并且所述无氧气态物质供给到下游空燃比传感器时，所述第一氢误差检测装置检测下游空燃比传感器的输出信号值与预定的零点基准值之间的偏离量。
并且，该燃料重整设备包括第二氢误差检测装置，当所述参数被调节并处于所述预定状态且所述无氧气态物质供给到下游空燃比传感器时，所述第二氢误差检测装置检测下游空燃比传感器的输出信号值与预定的非零点基准值之间的偏离量。并且，该燃料重整设备包括氢信号校正装置，所述氢信号校正装置利用与所述零点基准值的偏离量和与所述非零点基准值的偏离量来校正所述输出信号值。
在本发明的第十三方面中，根据本发明第一至第十二方面中任一方面的燃料重整设备，可进一步包括催化剂诊断装置，所述催化剂诊断装置进行调节以使影响所述氢浓度的参数处于预定的催化剂诊断状态，并且将检测到的氢浓度与预定的诊断基准值进行比较以对所述燃料重整催化剂的工作进行诊断检查。
在本发明的第十四方面中，根据本发明第一至第十三方面中任一方面的燃料重整设备，其中，在空燃比反馈控制期间使用上游空燃比传感器以根据从内燃发动机排出的排气中的氧浓度来调节空燃比。
根据本发明的第一方面，具有例如由氧化锆(ZrO2)制成的检测元件的空燃比传感器对氧浓度检测具有敏感性。因此，上游空燃比传感器能够根据气态物质中的氧浓度输出上游传感器信号。下游空燃比传感器对氧浓度检测也具有敏感性。然而，当燃料重整催化剂工作时，流过下游空燃比传感器的气态物质含有可燃气体。
在上述情况下，氧化锆的氧检测灵敏度受到传感器周围存在的氢的影响。更具体地，当存在氢时由空燃比传感器产生的输出偏离不存在氢的基准状态下产生的输出，使得氧浓度降低(以提供更浓的空燃比)。这使得下游空燃比传感器能够根据气态物质中的氧浓度和氢浓度来输出下游传感器信号。
因此，当用上游传感器信号来修正下游传感器信号时，能够从下游空燃比传感器中消除氧浓度的影响，并能够根据修正后的下游传感器信号精确地确定氢浓度。因此，使用两个常用的空燃比传感器使得能够容易且精确地检测氢浓度并根据检测结果高精度地计算可燃气体生成量。
结果，能够通过利用小型、廉价的空燃比传感器来实现用于检测可燃气体量的系统。这消除了使用专用的氢浓度传感器或一氧化碳浓度的需要，并且促进了系统小型化和削减成本。此外，可使用上游空燃比传感器来修正氧浓度的影响。这使得能够确定地防止氧浓度降低氢浓度检测的精度并能够提供稳定的检测精度。
根据本发明的第二方面，信号修正装置能够利用反映氧浓度的上游传感器信号来修正下游传感器信号。这使得能够从反映氧浓度和氢浓度的下游传感器信号中消除氧浓度的影响。因此，能够根据修正后的下游传感器信号精确地确定氢浓度。
根据本发明的第三方面，信号修正装置能够根据氧浓度来修正表示下游传感器信号与氢浓度之间的关系的特性曲线数据。这样，特性曲线数据表示在检测到的氧浓度下下游传感器信号与氢浓度之间的关系。因此，氢浓度检测装置能够利用特性曲线数据由下游传感器信号精确地计算出氢浓度。
根据本发明的第四方面，当氧浓度固定时，下游传感器信号随氢浓度线性变化。因此，表示下游传感器信号与氢浓度之间的关系的特性曲线是线性的。特性曲线的截距和斜率随氧浓度而变化。因此，零点输出获取装置根据氧浓度而计算零点输出，该零点输出是特性曲线的截距，即在氢浓度为零时下游传感器信号的值。
此外，变化率获取装置根据氧浓度而计算变化率，该变化率为特性曲线的斜率，即下游传感器信号的变化与氢浓度变化的比率。这样，特性设定装置能够利用零点输出和变化率来精确地设定与检测到的氧浓度相关的特性曲线数据。因此，能够将氧浓度的影响精确地反映在特性曲线数据中。
根据本发明的第五方面，当尝试检测氢浓度时(氢浓度比氧浓度使传感器信号变化的程度更大)，设计用于氧浓度检测的常用空燃比传感器的输出范围不足以覆盖氢浓度变化范围。在该情况下，有意地降低下游空燃比传感器的灵敏度(传感器信号的变化与浓度变化的比率)以避免输出范围不足的问题。
结果，下游传感器信号随氢浓度的变化范围能够与传感器的输出范围相匹配。这使得能够防止下游传感器信号因输出范围过窄而变饱和，并且能够持续地检测较宽范围的氢浓度。
根据本发明的第六方面，可将具有由氧化锆制成的检测元件的常用空燃比传感器用作上游空燃比传感器和下游空燃比传感器。这样，可利用氧化锆引起随氧浓度和氢浓度变化的离子电流这一功能来容易地实现氢浓度检测系统。
根据本发明的第七方面，构成下游空燃比传感器的两个电极可以比构成上游空燃比传感器的两个电极具有更小的相对表面面积。因此，能够减小在一定的浓度条件下在电极之间流动的离子电流，减小的量对应于电极的相对表面面积的减小量。这使得能够降低下游空燃比传感器的灵敏度。
根据本发明的第八方面，当下游空燃比传感器的扩散层由例如较密材料制成时，下游空燃比传感器的扩散层可以比上游空燃比传感器的扩散层具有更低的透气性。这样，可减少在一定的浓度条件下被供给到检测元件的氧离子和氢离子的数量，减少的量对应于扩散层透气性的降低量。这使得能够降低下游空燃比传感器的灵敏度。
根据本发明的第九方面，空燃比传感器的灵敏度随气态物质的压力而变化。因此，压力相关的修正装置按照传感器灵敏度的压力相关的变化量来修正传感器信号。这使得能够从传感器信号中消除压力的影响。因此，即使当气态物质的压力变化时，也能够精确地检测氧浓度和氢浓度，而不受这种压力变化的影响。
根据本发明的第十方面，气态物质的压力越高，供给到空燃比传感器的检测元件的气态物质分子的数量则越大，因此空燃比传感器的灵敏度越高。因此，由空燃比传感器检测到的浓度随气态物质压力升高而增加。因此，压力相关的修正装置进行修正以使检测到的浓度随压力升高而降低。这使得能够抵消压力对检测到的浓度的影响。
根据本发明的第十一方面，气态物质供给装置能够容易地实现无氧状态和大气供给状态，在这些状态中能够校正空燃比传感器的输出。第一氧误差检测装置能够检测无氧状态下传感器信号值与零点基准值之间的偏离量。此外，第二氧误差检测装置能够检测具有已知氧浓度的大气被供给到空燃比传感器的状态下传感器信号值与大气基准值之间的偏离量。
空燃比传感器的输出特性相对于氧浓度呈线性。因此，氧浓度校正装置能够利用两种不同状态——即前述无氧状态和大气供给状态——下的偏离量来精确地校正传感器相对于氧浓度的输出特性。因此，即使空燃比传感器劣化，也能够持续地高精度检测氧浓度。此外，还可以通过提高氧浓度检测的精度来提高氢浓度检测的精度。
根据本发明的第十二方面，可使用重整燃料供给装置、气态物质供给装置、以及调节装置来容易地实现关于氢浓度实施传感器输出校正的无氧、无氢状态，以及供给具有预定浓度的氢的无氧状态。第一氢误差检测装置能够检测无氧、无氢状态下传感器信号值与零点基准值之间的偏离量。此外，第二氢误差检测装置能够检测无氧、预定的氢的供给状态下传感器信号值与非零点基准值之间的偏离量。
空燃比传感器的输出特性相对于氢浓度也呈线性。因此，氢信号校正装置能够利用两种不同状态——即前述无氧、无氢状态和无氧、预定的氢的供给状态——下的偏离量来校正传感器相对于氢浓度的输出特性。因此，即使空燃比传感器劣化，也能够持续地高精度检测氢浓度。
根据本发明的第十三方面，催化剂诊断装置能够将在预定的催化剂诊断状态下检测到的氢浓度值与预定的诊断基准值进行比较。因此，催化剂诊断装置能够根据氢浓度与诊断基准值的偏离量对燃料重整催化剂的工作进行诊断检查。在这种情况下，由于两个空燃比传感器能够精确地检测氢浓度，所以能够对催化剂精确地实施诊断检查。这使得能够确定地把握例如燃料重整催化剂的劣化，从而提供增强的可靠性。
根据本发明的第十四方面，在内燃发动机中的空燃比反馈控制期间使用的空燃比传感器能够兼用作用于氢浓度检测的上游空燃比传感器。因此，即使使用两个空燃比传感器用于氢浓度检测，也能够使传感器和其它部件的数量增加最小化，从而有助于进一步简化系统和削减成本。
附图说明
图1是示出根据第一实施方式的燃料重整设备的系统构造的总体视图。
图2是示出上游空燃比传感器的结构的横截面图。
图3是示出下游空燃比传感器的结构的横截面图。
图4是示出上游传感器信号相对于氧浓度变化的输出特性的特性图。
图5是示出下游传感器信号相对于氢浓度和氧浓度变化的输出特性的特性图。
图6是示出氧浓度与零点输出之间的关系的特性图，其中零点输出为图5中各特性曲线数据的截距。
图7是示出氧浓度与变化率之间的关系的特性图，其中变化率为图5中所示的各特性曲线数据的斜率。
图8是示出排气(EGR气体)压力与信号修正量之间的关系的特性图。
图9是示出第一实施方式中实施的氢浓度检测过程的流程图。
图10是示出第一实施方式中实施的氧校正过程的流程图。
图11是示出第一实施方式中实施的氧校正过程的流程图。
图12是如图3所示的横截面图，示出了根据第二实施方式的燃料重整设备的下游空燃比传感器。
具体实施方式
第一实施方式
[第一实施方式的构造]
现在将参照图1至图11来描述本发明的第一实施方式。图1是示出根据第一实施方式的系统的构造的总体构造图。根据本实施方式的系统包括例如多缸内燃发动机10。该内燃发动机10利用醇和汽油的混合燃料来运转。本实施方式假定使用乙醇和汽油的混合燃料。
内燃发动机10的进气管12通过进气歧管14连接于每个气缸的进气口。在进气管12中间安装有电节流阀16以调节进气量。每个气缸的进气口设有主燃料喷射阀18，主燃料喷射阀18例如由用于燃料喷射的电磁阀构成。
内燃发动机10的排气管20通过排气歧管22连接于每个气缸的排气口。在排气管20中间安装有热交换器24。在热交换器24中形成有多个重整室26，这些重整室26间隔开布置。在这些重整室26的每一个中都载有燃料重整催化剂28，该燃料重整催化剂28含有诸如Rh、Pt、Co、Ni、Ru以及Cu的金属材料。
排气路径30设置在重整室26之间的每个空间中并与重整室26隔离。这些排气路径30连接在排气管20中间。如上述那样构造的热交换器24能够通过利用经过排气路径30的排气的热来加热重整室26(燃料重整催化剂28)。当以这种方式加热时，燃料重整催化剂28可引起将在后面描述的重整反应。
排气管20设有EGR路径32，该EGR路径32在热交换器24的上游端处从排气管20分支，并与进气管12汇合。EGR路径32用于使部分排气流回到进气管12。热交换器24的重整室26连接在EGR路径32中间。
此外，EGR路径32设有电磁重整燃料喷射阀34，该电磁重整燃料喷射阀34位于燃料重整催化剂28的上游。重整燃料喷射阀34将燃料(以下称为重整燃料)喷射到在EGR路径32中流动的排气中。通过这种方式，重整燃料喷射阀34构成将重整燃料供给到燃料重整催化剂28的重整燃料供给装置。
EGR路径32还设有对EGR气体进行冷却的冷却器36、以及电磁流量调节阀38。冷却器36和流量调节阀38位于燃料重整催化剂28的下游。流量调节阀38改变经由EGR路径32流回到进气管12的EGR气体的流量。
在如上述那样构造的系统中，在排气管20中流动的排气的一部分流到EGR路径32中并且接收来自重整燃料喷射阀34的重整燃料供给。然后，产生的排气和重整燃料的混合物经由EGR路径32流入重整室26中，并且借助于燃料重整催化剂28引起将在后面描述的重整反应。
由重整反应得到的重整气体(可燃气体)用作与排气混合的EGR气体。然后EGR气体经由EGR路径32流回到进气管12中并与吸入空气混合。在排气管20中流动但未流入EGR路径32的其余排气经过热交换器24中的排气路径30以向重整室26供热。然后该排气由排气净化催化剂40进行净化并排放到外界，排气净化催化剂40安装在排气管20中并由例如三元催化剂构成。
同时，乙醇和汽油的混合燃料存储在内燃发动机10的燃料箱42中。燃料箱42设有燃料泵(未示出)，该燃料泵对燃料箱中的燃料进行加压并将加压燃料输送到外部。燃料管路44连接于燃料泵的排出侧，以将泵出的燃料供给到燃料喷射阀18、34中的每个。
根据本实施方式的系统还包括ECU(电子控制单元)50。ECU50包括具有诸如ROM和RAM的存储回路的微型计算机，并构成本实施方式的存储装置。ECU50的输入端连接于传感器系统，该传感器系统包括用于检测发动机转速的旋转传感器、用于检测进气量的空气流量计、用于检测冷却水的温度的水温传感器、以及用于检测加速器开度的加速器开度传感器，并且该传感器系统控制内燃发动机10的运转。
该传感器系统还包括燃料特性传感器52、温度传感器54、压力传感器56、上游空燃比传感器58、以及下游空燃比传感器60。燃料特性传感器52例如安装在燃料管路44中，以检测汽油和醇之间的燃料混合比。温度传感器54例如安装在热交换器24的重整室26中，以检测燃料重整催化剂28(或排气)的温度。
压力传感器56安装在EGR路径32中并且例如布置在热交换器24(重整室26)的下游。压力传感器56构成检测排气(EGR气体)压力的压力检测装置。上游空燃比传感器58和下游空燃比传感器60将在后面进行描述。
ECU50的输出端连接于多种致动器，例如上述节流阀16、主燃料喷射阀18、重整燃料喷射阀34、流量调节阀38、以及燃料泵。ECU50利用所述传感器系统来检测内燃发动机10的工作状态，并驱动所述致动器实施工作控制。
实施上述工作控制例如以提供正常燃料喷射控制、空燃比反馈控制、以及后面将描述的重整EGR控制。实施正常燃料喷射控制以使得从主燃料喷射阀18喷射的燃料的量对应于例如进气量。实施空燃比反馈控制以使得来自主燃料喷射阀18的燃料喷射量根据上游空燃比传感器58检测到的空燃比而增加或减少，直到内燃发动机的空燃比与理论空燃比一致。
(重整EGR控制)
ECU50实施如下所述的重整EGR控制，使得从排气与重整燃料之间的重整反应得到的重整气体与排气一起流回到进气管12中。实施重整EGR控制以使重整燃料喷射阀34将重整燃料喷射到在EGR路径32中流动的排气中并将产生的混合气体引入到重整室26中。
在上述情况中，ECU50根据例如内燃发动机10的工作状态、燃料中乙醇的浓度、燃料重整催化剂28的温度、以及由空燃比传感器58、60检测到的重整气体生成量来确定合适的重整燃料喷射量(供给量)。
然后，重整室26中的燃料重整催化剂28引起混合气体中的乙醇与排气中的水蒸汽和二氧化碳之间的重整反应(水蒸汽重整反应)。该水蒸汽重整反应的结果是，产生了氢气(H2)和一氧化碳(CO)，如下式(1)所示：
C2H5OH+0.4CO2+0.6H2O+2.3N2+Q1→3.6H2+2.4CO+2.3N2       (1)
重整反应还发生在混合气体中的汽油与排气中的水蒸汽和二氧化碳之间，如下式(2)所示：
1.56(7.6CO2+6.8H2O+40.8N2)+3C7.6H13.6+Q2→31H2+34.7CO+63.6N2  (2)
式(1)中的热值Q1和式(2)中的热值Q2表示由重整反应所吸收的反应热。由于重整反应是吸热反应，所以式(1)和(2)的右侧表示的重整气体所含有的热值高于式(1)和(2)的左侧表示的反应前物质所含有的热值。
因此，热交换器24能够将经过排气路径30的排气的热传递到燃料重整催化剂28并允许在上述重整反应中吸热。换言之，根据本实施方式的系统能够回收排气的热并通过利用回收的热而将重整燃料转化成具有较高热值的物质(H2和CO)。
由于汽油的重整反应所需的热值Q2极高，所以必须例如将燃料重整催化剂28加热到600℃或更高的温度以引起重整反应。因此，当内燃发动机10在工作时，在大的工作范围内始终发生乙醇的重整反应，而仅在例如排气温度升高的高转速、高负载工作范围内才会高效地发生汽油的重整反应。
由上述重整反应获得的重整气体与排气混合，成为EGR气体。该EGR气体经由EGR路径32流回到进气管12中并与吸入空气混合。在这种情况下，ECU50使用流量调节阀38来控制EGR气体流回到进气管12中的流量。然后EGR气体与吸入空气一起流到内燃发动机10的气缸中，并且重整气体中的H2和CO与从主燃料喷射阀18喷射的燃料一起在气缸中燃烧。
在上述情况下，如前所述，重整气体的热值比原始燃料的热值高出由热交换器24所回收的排气热的量。因此，当重整气体在内燃发动机10中燃烧时，系统的总体热效率提高。这使得能够改善内燃发动机10的燃料效率。另外，即使在没有用于催化剂的专用加热设备和加热能量可用的情况下，热交换器24也能够通过利用排气热来加热燃料重整催化剂28。这使得能够构建出具有较高工作效率的排气热回收型系统。
此外，能够实施重整EGR控制以通过允许含有重整气体的EGR气体流回到进气系统中来产生增强的EGR(排气再循环)效果。一般地，由于当EGR率提高时造成燃烧不稳定，所以EGR率具有上限。另一方面，当实施重整EGR控制时，EGR气体含有可燃气体。因此，能够通过实施重整EGR控制来保持良好的燃烧状态。这使得能够提高EGR率的上限。
另外，本实施方式利用上游空燃比传感器58和下游空燃比传感器60来检测EGR气体中的氢浓度并利用该检测结果以及EGR气体的流量来计算重整气体生成量。然后将计算出的重整气体生成量反映到例如接下来的工作状态中，如重整燃料喷射量、主燃料喷射量、点火正时、以及EGR阀(流量调节阀38)的打开。因此，本实施方式使得能够根据例如内燃发动机的工作状态而对重整气体生成量实施适当的反馈控制。
(上游空燃比传感器结构)
现在将描述用于检测氢浓度的空燃比传感器58、60。首先将描述上游空燃比传感器58。上游空燃比传感器58由例如使用氧化锆的常用空燃比传感器构成。上游空燃比传感器58安装在内燃发动机的排气管20中并且相对于排气的流动方向布置在燃料重整催化剂28的上游。
上游空燃比传感器58检测排气中的氧浓度并且输出表示检测到的氧浓度的上游传感器信号。该上游传感器信号不仅用于ECU50的空燃比反馈控制，还用于后面将描述的氢浓度检测过程。
图2是上游空燃比传感器58的横截面图。如图所示，上游空燃比传感器58包括：检测元件58A，该检测元件58A的形状例如为平板状；两个电极58B、58C；扩散层58D，该扩散层58D用作限制装置；以及壳体58E。
检测元件58A由诸如氧化锆(ZrO2)的固体电解质制成。电极58B、58C分别安装在检测元件58A的一侧面和另一侧面上，从而以检测元件58A位于电极58B、58C之间的方式彼此面对。检测元件58A的面对电极58B的一侧面布置在可与排气接触的位置。检测元件58A的面对电极58C的另一侧面布置在总是与大气接触的位置。
扩散层58D定位成与壳体58D配合将检测元件58A的一侧面与排气遮断。扩散层58D由例如透气性多孔材料制成。因此，传感器外的排气经由扩散层58D供给到检测元件58A的一侧面。然而，这种排气供给的速度根据扩散层58D的透气性(或密度)而受到限制。
当在上游空燃比传感器58工作期间在电极58B、58C之间施加电压时，使用氧离子作为载体的离子电流在检测元件58A中流动。在这种情的况下，由排气供给到检测元件58A的一侧面的氧的量受到扩散层58D限制。然后，离子电流在一电流值处变得饱和，该电流值对应于与检测元件58A的一侧面相接触的排气和与检测元件58A的另一侧面相接触的大气之间的氧浓度差。根据饱和电流值输出上游传感器信号，且该上游传感器信号随排气中的氧浓度而线性变化。
(下游空燃比传感器结构)
现在将描述下游空燃比传感器60。如图1所示，下游空燃比传感器60安装在内燃发动机的EGR路径32中并且相对于排气的流动方向布置在燃料重整催化剂28的下游。因此，在重整EGR控制期间，下游空燃比传感器60暴露于含氢的重整气体。
图3是下游空燃比传感器60的横截面图。如图所示，下游空燃比传感器60由使用氧化锆的空燃比传感器构成并且与上游空燃比传感器58大致相同，其包括检测元件60A、电极60B和60C、扩散层60D、以及壳体60E。
氧化锆对于氧浓度检测具有敏感性。然而，该敏感性受到传感器周围存在的氢的影响。更具体地，如果存在氢，则穿过扩散层的氧的量会根据氢浓度而受到限制。因此，在氧化锆中流动的氧离子电流随氢浓度的增大而减小。
结果，当存在氢时由空燃比传感器产生的输出偏离了当不存在氢的基准状态中产生的输出，使得氧浓度降低(以提供更浓的空燃比)。因此，本实施方式能够通过确定该偏离量而用空燃比传感器检测氢浓度。
当暴露于含有重整气体(氢气)的EGR气体时，下游空燃比传感器60输出下游传感器信号，该下游传感器信号根据上述原理随EGR气体中的氧浓度和氢浓度而变化。另一方面，上游空燃比传感器58并不将自身暴露于氢气。因此，上游传感器信号仅随氧浓度而变化。在该情况下，本实施方式构造成通过利用上游传感器信号和下游传感器信号来检测氢浓度。
对氧和氢的比较显示，由于氢分子的分子量比氧分子小，所以氢分子比氧分子更可能穿过扩散层60D。因此，传感器信号对氢浓度变化的响应程度比对氧浓度变化的响应程度大。如果将传感器信号变化与浓度变化的比率(变化率)定义为传感器灵敏度，则空燃比传感器对氢浓度检测的灵敏度高于对氧浓度检测的灵敏度。
同时，构造用于氧浓度检测的空燃比传感器的输出范围设定成覆盖氧浓度变化的实际范围。因此，当试图用空燃比传感器检测氢浓度时，输出范围不足以覆盖比在氧浓度检测的情况下在更大程度上变化的传感器信号。换言之，当氢浓度高于一定水平时，由于传感器信号饱和，不能够实现浓度检测。
鉴于以上情况，本实施方式特意构造成将下游空燃比传感器60的灵敏度设定成低于上游空燃比传感器58的灵敏度，使得氢浓度检测时产生的传感器信号值处于输出范围内。
更具体地，下游空燃比传感器60的电极60B小于上游空燃比传感器58的电极58B。因此，下游空燃比传感器的电极60B、60C的相对表面面积比上游空燃比传感器的电极58B、58C的相对表面面积小。
由于使用了上述电极结构，所以通过上游空燃比传感器的电极58B、58C与下游空燃比传感器的电极60B、60C之间的相对表面面积之差，与在上游空燃比传感器58的检测元件58A中相比，在下游空燃比传感器60的检测元件60A中流动的离子电流较小。这减小了对于给定氢浓度的下游传感器信号值。因此，下游传感器信号变化与浓度变化的比率降低，从而能够检测更浓的氧浓度。
换言之，下游空燃比传感器60的灵敏度能够根据电极之间的相对表面面积之差而降低。这确保了下游传感器信号随氢浓度的变化范围与传感器输出范围相匹配。因此，能够防止因输出范围过窄而使下游传感器信号变得饱和，并且能够始终检测较宽范围的氢浓度。
(氧浓度检测过程)
图4示出了上游传感器信号相对于氧浓度变化的输出特性。在氧化锆中根据氧浓度产生的饱和电流由信号处理回路或类似装置转化成线性电压信号。该电压信号作为图4所示的上游传感器信号输出。上游传感器信号的特性曲线数据预先存储在ECU50中。
因此，ECU50能够通过用上游传感器信号来参照特性曲线数据而检测氧浓度。以上述方式检测到的氧浓度不仅用于ECU50的空燃比反馈控制，还用于以下将描述的氢浓度检测过程。
(氢浓度检测过程)
图5示出了下游传感器信号相对于氢浓度变化和氧浓度变化的输出特性。图5中示出的多个特性曲线(特性曲线数据)表示了在各种氧浓度下氢浓度与下游传感器信号之间的关系。
下游传感器信号随氧浓度和氢浓度线性变化。更具体地，图5中的每条特性曲线数据显示出当氧浓度保持不变时，下游传感器信号随氢浓度线性变化。因此，当根据上游空燃比传感器58检测到的氧浓度而选择图5中所示的特性曲线数据中的一条时，能够根据所选的特性曲线数据由下游传感器信号检测出氢浓度。
图6示出了氧浓度与零点输出(即各特性曲线数据的截距)之间的关系。零点输出定义为当氢浓度为零时的下游传感器信号值。如图6所示，特性曲线数据的零点输出随氧浓度的增加而线性增加。
图7示出了氧浓度与变化率——即各特性曲线数据的斜率——之间的关系。该变化率指示传感器信号值变化与氢浓度变化的比率，并且对应于先前所述的氢浓度检测的灵敏度。在本实施方式中，特性曲线数据的变化率表现为负值，因此，图7示出了变化率的绝对值。如图7所示，特性曲线数据变化率随氧浓度增加而线性减小，并且逐渐变得平缓。
图6和图7所示的数据预先存储在ECU50中。当执行氢浓度检测过程时，ECU50首先通过使用上游传感器信号检测到的氧浓度来参照图6和图7所示的数据，然后获得在该检测到的氧浓度下的零点输出和特性曲线数据的变化率。
接下来，ECU50利用获得的零点输出和变化率来设定特性曲线数据，该特性曲线数据表示下游传感器信号与检测到的氧浓度下的氢浓度之间的关系。例如，所获得的零点输出和变化率用于确定与检测到的氧浓度相对应的特性曲线数据的函数表达式。
特性曲线数据对应于根据氧浓度修正后的特性曲线数据。其通过根据上游传感器信号来修正下游传感器信号中所含有的氧浓度的影响而获得。因此，能够通过根据特性曲线数据从下游传感器信号计算氢浓度而精确地检测任意氧浓度下的氢浓度。
在氢浓度检测过程中，应当根据上游传感器信号来修正下游传感器信号，使得下游传感器信号值对应于任意氧浓度下的氢浓度。进行这种修正的方法并不限于本实施方式中所描述的方法。
根据本实施方式，氧浓度和氢浓度如先前所述那样反映在下游传感器信号中。因此，当通过使用仅反映氧浓度的上游传感器信号来修正下游传感器信号时，从下游传感器信号中消除了氧浓度的影响。这样，能够根据修正过的下游传感器信号精确地确定氢浓度。
因此，当利用氧化锆等的氧检测能力以及根据氢浓度改变氧检测能力的功能时，能够简单地通过在系统中安装两个常用的空燃比传感器58、60而容易且精确地检测氢浓度。此外，能够根据氢浓度检测结果高精度地计算出可燃气体生成量。
因此，能够通过使用小型、廉价的空燃比传感器58、60来实现用于检测氢浓度(可燃气体产生量)的系统而无需使用专用的氢浓度传感器或一氧化碳浓度。这样，能够促进系统尺寸减小以及降低成本。此外，由于能够使用上游空燃比传感器58来修正氧浓度的影响，所以能够确定地防止氧浓度降低氢浓度检测精度并提供稳定的检测精度。
此外，本实施方式使得用于内燃发动机10中的空燃比反馈控制的空燃比传感器能够兼用作用于氢浓度检测的上游空燃比传感器58。这使得能够将传感器和其它部件的数量增加最小化，从而促进进一步简化系统和降低成本，即便使用两个空燃比传感器58、60来进行氢浓度检测也是如此。
此外，在由ECU50执行的氢浓度检测过程中，使用图6和图7所示的数据使得能够根据氧浓度获得特性曲线数据的零点输出和变化率。因此，使用线性传感器输出使得能够通过使用特性曲线数据的零点输出和变化率来精确地设定特性曲线数据。由于氧浓度反映在如上述那样设定的特性曲线数据中，所以能够根据氧浓度适当地修正特性曲线数据。
(压力相关的修正过程)
空燃比传感器58、60构造成使得氧浓度检测的灵敏度随氧分子穿过扩散层58D、60D的速度而变化。此外，氢浓度对氧检测能力的影响的度随氢分子穿过扩散层58D、60D的速度而变化。这些分子穿过速度随排气(EGR气体)的压力而变化。在该情况下，本实施方式构造成根据压力传感器56检测到的压力进行传感器信号修正。
图8示出了排气压力与信号修正量之间的关系。图8中示出的数据预先存储在ECU50中。氧分子和氢分子穿过扩散层58D、60D的速度随压力升高而增大。结果，在检测元件58A、60A中流动的离子电流随压力升高而增大。因此，当压力升高时，传感器信号沿使检测到的浓度升高的方向(使图5所示的传感器信号值减小的方向)变化。
在该情况下，用于传感器信号的信号修正量设定成使得信号修正量随着压力升高而增加(检测到的浓度降低)。换言之，空燃比传感器58、60的灵敏度随着排气压力升高而提高。因此，压力相关的修正过程执行为进行传感器信号修正以使得明显灵敏度随着压力升高而降低。
此外，排气压力变化改变分子穿过扩散层58D、60D的速度。由于氢的分子量比氧小，所以这种压力变化对氢的影响程度比对氧的影响程度大。因此，进行设定以使得与对于氧分子相比，对于氢分子，信号修正量的变化与压力变化的比率较高。
当要检测氧浓度和氢浓度时，执行如上述那样构造的压力相关的修正过程，以便利用压力传感器56检测排气压力并通过使用检测到的压力来参照图8中所示的数据。这样能够获得对排气压力的氧浓度信号修正量和氢浓度信号修正量。
接下来，通过例如将氧浓度信号修正量加到上游传感器信号值上、或者用上游传感器信号值乘以氧浓度信号修正量来根据压力修正上游传感器信号值。然后使用修正后的上游传感器信号来执行先前所述的氧浓度检测过程。类似地，可通过将氢浓度信号修正量反映在下游传感器信号值中而根据压力来修正下游传感器信号值。然后使用修正后的下游传感器信号来执行先前所述的氢浓度检测过程。
如上所述，压力相关的修正过程使得能够以空燃比传感器58、60的压力相关的灵敏度变化量来修正传感器信号。这样，能够从传感器信号中消除压力的影响。因此，即使排气压力根据例如内燃发动机的工作状态而变化，根据本实施方式的系统也能够精确地检测氧浓度和氢浓度而不受排气压力的这种变化的影响。
(用于氧的校正过程)
空燃比传感器的输出特性可能因为例如传感器劣化而偏离预定的输出特性。因此，当要操作上游空燃比传感器58和下游空燃比传感器60时，它们要经受输出特性校正过程。
现在将描述用于氧的校正过程。对上游空燃比传感器58和下游空燃比传感器60两者均实施该校正过程。然而，以下描述针对上游空燃比传感器58作为示例。用于氧校正过程的零点基准值和大气基准值预先存储在ECU50中。
零点基准值是类似于例如图4中的信号值A1并在氧浓度为零时从输出校正空燃比传感器输出的传感器信号值。大气基准值是类似于例如图4中的信号值A2并在大气中为已知氧浓度(大约21％)时从输出校正空燃比传感器输出的传感器信号值。
通过使ECU50调节燃料喷射量以便浓化排气的空燃比而开始校正过程。然后将无氧排气供给到上游空燃比传感器58。在这种状态下，ECU50检测上游传感器信号值与零点基准值之差作为零点处的偏离量。
接下来，停止从喷射阀18、34喷射燃料，以便向上游空燃比传感器58供给大气。在这种状态下，ECU50检测上游传感器信号值与大气基准值之差作为大气氧浓度处的偏离量。
如图4所示，上游传感器信号的输出特性相对于氧浓度呈线性。因此，ECU50使用两点处——即零点处和大气氧浓度处——的偏离量来校正例如存储在ECU50中的特性曲线数据的零点输出和变化率。该校正实施为使得上游传感器信号的输出特性与预定的输出特性相一致。在这种情况下，校正结果存储在例如ECU50的非易失性存储器中，作为用于校正各传感器误差等的学习数据。
类似地，上述校正过程还在下游空燃比传感器60上执行。当停止喷射重整燃料、并且流量调节阀38打开以向EGR路径32供给大气时，校正下游空燃比传感器60。
如上所述，当实施氧校正过程时，能够容易且精确地对空燃比传感器58、60关于氧浓度进行输出校正。在这种情况下，本实施方式能够根据例如燃料喷射量(空燃比)来调节传感器周围的氧浓度，以容易地实现无氧状态和大气供给状态，在这些状态下能够实现传感器输出校正。
因此，即使空燃比传感器58、60劣化，本实施方式也能够连续地以高精度检测氧浓度。此外，当氧浓度检测的精度提高时，由于氢浓度检测基于氧浓度检测，所以也能够提高氢浓度检测的精度。
(用于氢的校正过程)
现在将描述用于氢的校正过程。该校正过程在下游空燃比传感器60上执行。用于氢校正过程的零点基准值和非零点基准值预先存储在ECU50中。
零点基准值是这样的传感器信号值：其类似于例如图5中的信号值B1，在氧浓度和氢浓度均为零时由输出校正空燃比传感器输出。非零点基准值是这样的传感器信号值：其类似于例如图5中的信号值B2，在氧浓度为零且氢浓度被调节到预定的基准浓度时由输出校正空燃比传感器输出。
在这种情况下，当进行调节以使影响氢浓度的参数处于预定的误差检测状态时，实现校正过程中的基准浓度。所述参数包括例如重整燃料供给量、排气流量、压力、以及温度。可根据内燃发动机的工作状态来调节排气流量、压力、以及温度。
校正过程通过以上述方式浓化排气的空燃比、并且停止喷射重整燃料以向下游空燃比传感器60的外围提供无氧、无氢的排气(EGR气体)而开始。在这种状态下，ECU50检测下游传感器信号值与零点基准值之差作为零点处的偏离量。
接下来，通过将内燃发动机的工作状态调整到上述预定状态、同时保持EGR气体处于无氧状态而产生具有基准浓度的氢(无氧、预定的氢的供给状态)。在产生的状态中，ECU50检测下游传感器信号值与非零点基准值之差作为非零点处的偏离量。
如图5所示，下游传感器信号的输出特性相对于氢浓度呈线性。因此，ECU50使用两点处——即零点处和非零点处——的偏离量来校正例如存储在ECU50中的特性曲线数据的零点输出和变化率。实施该校正以使下游传感器信号的输出特性与预定的输出特性一致。在这种情况下，校正结果存储在ECU50中作为学习数据。
如上所述，实施氢校正过程以提供与氧校正过程大致相同的操作优势。更具体地，氢校正过程使得能够容易且精确地校正下游空燃比传感器60关于氢浓度的输出特性。因此，即使当下游空燃比传感器60劣化时，也能够高精度地连续检测氢浓度。
此外，在校正过程中，当例如通过燃料喷射而保持排气无氧时，能够根据内燃发动机的工作状态而调节氢浓度。这使得能够容易地实现能够实施传感器输出校正的无氧、无氢状态，以及无氧、预定的氢的供给状态。
(催化剂诊断过程)
如上所述，本实施方式能够在实施重整EGR控制的同时精确地检测氢浓度。因此，这种能力用于对燃料重整催化剂28执行诊断过程。该催化剂诊断过程通过进行调节以使影响氢浓度的参数处于预定的催化剂诊断状态而开始。
预定的催化剂诊断状态与前述的预定误差检测状态大致相同。在预定的催化剂诊断状态中产生的重整气体中的氢浓度预先存储在ECU50中作为诊断基准值。ECU50进行调节以使得例如内燃发动机的工作状态处于预定的催化剂诊断状态，并且将在预定的催化剂诊断状态中检测到的氢浓度与诊断基准值进行比较。因此，能够根据预定的催化剂诊断状态中的氢浓度与诊断基准值之间的偏离量而对燃料重整催化剂28实施诊断检查，以判断燃料重整催化剂28是否在正常工作。
本实施方式能够用两个空燃比传感器58、60精确地检测氢浓度。因此，本实施方式还能够高精度地对催化剂进行诊断检查。这使得能够确定地把握例如燃料重整催化剂28的劣化，从而提供增强的系统可靠性。
[实现第一实施方式的实施过程细节]
图9至图11是流程图，示出了根据本实施方式，ECU50执行系统操作的程序。当内燃发动机启动时，这些图中所示的程序开始，并且以固定的间隔重复。
现在将参照图9描述氢浓度检测过程。氢浓度检测过程通过实施下面将描述的氧校正过程和氢校正过程以校正空燃比传感器58、60的各个输出(步骤100和102)而开始。在接下来的步骤中，即步骤104中，实施前述催化剂诊断过程以判断燃料重整催化剂28是否正常。如果发现燃料重整催化剂28中存在异常，则实施控制以处理该异常。
接下来，实施步骤106以读取上游传感器信号。然后在步骤108中对读取的信号值实施前述压力相关的修正过程。接下来，实施步骤110，用校正后的信号值参照图4所示的数据，并检测排气中的氧浓度。进一步地，实施步骤112，以通过用检测到的氧浓度参照图6所示的数据来获得检测到的氧浓度下的下游传感器信号的零点输出。然后类似地实施步骤114，以通过用检测到的氧浓度值参照图7所示的数据来获取检测到的氧浓度下的下游传感器信号的变化率。
接下来，实施步骤116，以检查图5中所示的每条特性曲线数据，选择与检测到的氧浓度相对应的特性曲线数据，并且通过使用零点输出和变化率来设定例如用于选定的特性曲线数据的函数表达式。然后实施步骤118以读取下游传感器信号。接下来实施步骤120以对读取的信号的值实施压力相关的修正过程。然后实施步骤122，以通过例如用修正后的信号值计算用于选定的特性曲线数据的函数表达式来检测EGR气体中的氢浓度。
接下来，实施步骤124以根据例如内燃发动机的工作状态和流量调节阀38的开度计算EGR气体的流速，并利用该流速和检测到的氢浓度的值来计算重整气体生成量。然后，实施步骤126以执行重整EGR控制，同时将重整气体生成量反馈到该控制的执行中。
现在将参照图10描述氧校正过程。在氧校正过程中，首先实施步骤200以判断排气的空燃比是否浓(λ≤1)。如果排气的空燃比不浓，则实施步骤202，以例如通过调节燃料喷射量来浓化排气空燃比。
结果，无氧的排气被供给到上游空燃比传感器58。在产生的状态中，实施步骤204以读取上游传感器信号。然后实施步骤206以检测读取的信号值与预先存储在ECU50中的零点基准值之间的差值，并将检测到的差值作为零点下的偏离量存储。
接下来，实施步骤208以通过停止从主燃料喷射阀18喷射燃料而将大气供给到上游空燃比传感器58。在产生的状态中，实施步骤210以读取上游传感器信号。然后实施步骤212以检测读取的信号值与预先存储在ECU50中的大气基准值之间的差值，并将检测到的差值作为大气氧浓度下的偏离量存储。
接下来，实施步骤214以利用两点——即零点和大气氧浓度——下的偏离量来校正上游传感器信号的输出特性。在典型示例中，实施该校正过程以校正例如存储在ECU50中的特性曲线数据的零点输出和变化率。
接下来，实施步骤216以通过对下游空燃比传感器60实施与步骤200至214中所描述的相同的校正过程来校正下游传感器信号的输出特性。更具体地，校正过程通过停止重整燃料的喷射并浓化排气空燃比以向下游空燃比传感器60供给无氧、无氢的EGR气体而开始。然后，在产生的状态中，检测前述零点下的偏离量。
进一步地，停止喷射主燃料和重整燃料以向下游空燃比传感器60供给无氢的大气。然后，在产生的状态中，检测前述大气氧浓度下的偏离量。能够利用上述两点下的偏离量来校正下游传感器信号的输出特性。
现在将参照图11描述氢校正过程。在氢校正过程中，首先实施步骤300以判断是否正在执行非重整状态下的EGR控制(正常EGR控制)。如果在该情况下正在执行重整EGR控制，则将其停止。如果停止正常EGR控制，则开始向EGR路径32供给无重整气体的排气(步骤302)。
接下来，实施步骤304以判断排气的空燃比是否浓。如果排气空燃比不浓，则以与步骤202中相同的方式实施步骤306以浓化排气空燃比。
结果，无氧、无氢的EGR气体被供给到下游空燃比传感器60。在产生的状态中，实施步骤308以读取下游传感器信号。然后实施步骤310以检测读取的信号值与预先存储在ECU50中的零点基准值之间的差值，并将检测到的差值作为零点下的偏离值存储。
接下来，在开始重整EGR控制的状态中，实施步骤312以进行调节，从而使得诸如重整燃料供给量、排气流速、压力、以及温度的参数处于预先记忆在ECU50中的预定误差检测状态。这确保了燃料重整催化剂28向EGR路径32供给基准浓度的氢。
在产生的状态中，实施步骤314以读取下游传感器信号。然后实施步骤316以检测读取的信号值与预先存储在ECU50中的非零点基准值之间的差值，并将检测到的差值作为所述非零点下的偏离量存储。接下来，以与氧校正过程中大致相同的方式实施步骤318，以利用两点——即零点和所述非零点——下的偏离量来校正下游传感器信号的输出特性。
如以上详细所述，本实施方式能够利用两个空燃比传感器58、60在重整EGR控制期间精确地检测氢浓度，并根据检测结果适当地控制重整气体生成量。
第二实施方式
现在将参照图12描述本发明的第二实施方式。第二实施方式使用与第一实施方式相同的系统构造(图1)，但与第一实施方式的不同之处在于下游空燃比传感器的结构。
根据第二实施方式的下游空燃比传感器70与第一实施方式的下游空燃比传感器的相似之处在于，下游空燃比传感器70包括检测元件70A、电极70B和70C、扩散层70D、以及壳体70E。然而，扩散层70D由比上游空燃比传感器58的扩散层58D更密的材料制成。因此，扩散层70D与上游空燃比传感器58的扩散层58D相比较不透气。
其结果是，与上游空燃比传感器58的情况相比，氧和氢较不容易供给到检测元件70A的一侧面。这在相同浓度条件下减小了检测元件70A中产生的离子电流。在该情况下，本实施方式构造成使得下游空燃比传感器70的灵敏度比上游空燃比传感器58的灵敏度低，二者之差对应于扩散层58D与扩散层70D的透气性的差值。
虽然本实施方式是如上述那样构造的，但其提供了与第一实施方式大致相同的操作优势。另外，在本实施方式中，特别地，下游空燃比传感器70可简单地通过将上游空燃比传感器58的扩散层58D替换为较密的扩散层70D来实现。在这样的情况下，电极70B、70C可与上游空燃比传感器58的电极相同。因此，容易形成灵敏度有限的下游空燃比传感器70。
在前述实施方式中，图9所示的步骤112至122表示的是氢浓度检测装置的具体示例；且步骤112至116具体表示的是信号修正装置的具体示例。进一步地，步骤112表示的是零点输出获取装置的具体示例；步骤114表示的是变化率获取装置的具体示例；且步骤116表示的是特性设定装置的具体示例。此外，步骤106和110表示的是氧浓度计算装置的具体示例；步骤108和120表示的是压力相关的修正装置的具体示例；且步骤104表示的是催化剂诊断装置的具体示例。
进一步地，参见图10，步骤200、202和208表示的是气态物质供给装置的具体示例；步骤204和206表示的是第一氧误差检测装置的具体示例；步骤210和212表示的是第二氧误差检测装置的具体示例；且步骤214表示的是氧信号校正装置的具体示例。
此外，参见图11，步骤312表示的是调节装置的具体示例；步骤308和310表示的是第一氢误差检测装置的具体示例；步骤314和316表示的是第二氢误差检测装置的具体示例；且步骤318表示的是氢信号校正装置的具体示例。
前述实施方式所采用的构造为，通过减小电极60B的尺寸或者使扩散层70D较密而降低下游空燃比传感器60、70的灵敏度。然而，本发明可使用替代的方法来降低下游空燃比传感器的灵敏度。例如，当所采用的空燃比传感器通过壳体中制成的扩散孔向检测元件的一侧面供给测量目标气态物质时，能够通过减小扩散孔的直径来降低传感器灵敏度。
根据本发明的下游空燃比传感器可通过将以下传感器中的任何两个或全部三个组合起来而构造：根据第一实施方式或第二实施方式的空燃比传感器60、70以及具有上述小直径扩散孔的空燃比传感器。例如，下游空燃比传感器可通过使用小型电极并形成密的扩散层构造而成。
已经结合空燃比传感器58、60、70描述了前述实施方式，这些空燃比传感器58、60、70的信号随着检测目标的浓度增加而线性减小。然而，本发明并不局限于使用这种空燃比传感器。本发明可以替代性地构造成使用这样的空燃比传感器：其信号随浓度增加而线性增加或者随浓度非线性地变化。
此外，已经结合空燃比传感器58、60、70描述了前述实施方式，这些空燃比传感器58、60、70包括由氧化锆制成的检测元件58A、60A或70A，以及由例如氧化铝制成的扩散层58D、60D或70D。然而，本发明并不局限于使用这种空燃比传感器。例如，一种替代方案可使用由除氧化锆和氧化铝以外的材料制成的检测元件和扩散层，只要它们具有氧检测能力以及根据氢浓度改变氧检测灵敏度的功能即可。
同时，前述实施方式构造成EGR路径32在热交换器24的上游端从排气管20分支。然而，本发明并不局限于这种构造。可采用替代性的构造，使得EGR路径32在热交换器24的下游端从排气管20分支。
此外，前述实施方式构造成使得上游空燃比传感器58安装在排气管20中并布置在热交换器24的上游。然而，根据本发明的上游空燃比传感器的安装位置并不局限于结合前述实施方式所描述的位置。例如，排气管20的位于热交换器24下游的一部分可布置在燃料重整催化剂28的上游。因此，上游空燃比传感器58可以替代性地安装在排气管20中并布置在热交换器24的下游。另一种替代性方案可以是将上游空燃比传感器58安装在EGR路径32中并将其布置在燃料重整催化剂28的上游。
类似地，根据本发明的下游空燃比传感器的安装位置并不局限于结合上述实施方式所描述的位置。可以将下游空燃比传感器的安装位置替代性地选择为使其位于燃料重整催化剂28下游的任何安装位置。例如，下游空燃比传感器60可布置在EGR路径32与进气管12的接合处，或者布置在微微离开接合处且朝向进气管12的位置。
假设了前述实施方式使用汽油和乙醇的混合燃料作为重整燃料。然而，本发明并不局限于使用这种混合燃料。例如，可以替代性地使用汽油和甲醇或其它醇的混合燃料作为重整燃料。
此外，本发明并不局限于使用含醇燃料。任何含有汽油的燃料都可应用于本发明。更具体地，本发明能够应用于例如仅由汽油构成的燃料以及汽油和除醇以外的物质的混合燃料。
此外，假设了前述实施方式通过利用排气热来加热燃料重整催化剂28。然而，本发明并不总是需要利用排气热。例如，本发明可应用于不是排气热回收式的内燃发动机。更具体地，本发明可构造成通过利用除排气以外的热源(例如，专用加热器)来加热燃料重整催化剂28。
此外，已经在假设将燃料重整设备应用于内燃发动机10的情况下描述了前述实施方式。然而，本发明不仅能够应用于内燃发动机，还能够应用于实施燃料重整的多种类型的机器和设备。

Claims (12)

1.一种燃料重整设备，包括： 
燃料重整催化剂，所述燃料重整催化剂布置在含有重整燃料的气态物质的流动路径中，并用来由所述重整燃料生成含氢的可燃气体； 
上游空燃比传感器，所述上游空燃比传感器由能够检测空燃比的空燃比传感器构成，并相对于所述气态物质的流动方向布置在所述燃料重整催化剂的上游，并用来输出表示所述气态物质中的氧浓度的上游传感器信号； 
下游空燃比传感器，所述下游空燃比传感器由能够检测空燃比的空燃比传感器构成，并相对于所述气态物质的流动方向布置在所述燃料重整催化剂的下游，并用来输出表示所述气态物质中的氧浓度和氢浓度的下游传感器信号；以及 
氢浓度检测装置，所述氢浓度检测装置利用所述上游传感器信号修正所述下游传感器信号，并且利用修正后的所述下游传感器信号来检测在所述燃料重整催化剂的下游位置处的所述气态物质中的氢浓度， 
其中，所述氢浓度检测装置包括信号修正装置，所述信号修正装置用于根据所述上游传感器信号来修正包含在所述下游传感器信号中的所述氧浓度的影响， 
所述燃料重整设备进一步包括： 
氧浓度计算装置，所述氧浓度计算装置由所述上游传感器信号计算所述氧浓度；以及 
存储装置，所述存储装置预先存储表示所述下游传感器信号与所述氢浓度之间的关系的特性曲线数据； 
其中，所述信号修正装置根据通过使用所述上游传感器信号检测到的所述氧浓度来修正所述特性曲线数据；并且 
其中，所述氢浓度检测装置利用修正后的所述特性曲线数据由所述下游传感器信号计算所述氢浓度。 
2.如权利要求1所述的燃料重整设备， 
其中，所述信号修正装置包括： 
零点输出获取装置，所述零点输出获取装置根据通过使用所述上游传感器信号检测到的所述氧浓度来获取所述氢浓度为零时的所述下游传感器信号的值； 
变化率获取装置，所述变化率获取装置根据通过使用所述上游 传感器信号检测到的所述氧浓度获取所述下游传感器信号的变化对所述氢浓度的变化的比率；以及 
特性设定装置，所述特性设定装置根据所述零点输出获取装置和所述变化率获取装置的获取结果来设定在通过使用所述上游传感器信号检测到的氧浓度下的对应的所述特性曲线数据。 
3.如权利要求1至2中任一项所述的燃料重整设备， 
其中，所述下游空燃比传感器的灵敏度比所述上游空燃比传感器的灵敏度低。 
4.如权利要求1至2中任一项所述的燃料重整设备， 
其中，所述上游空燃比传感器和所述下游空燃比传感器各包括： 
检测元件，所述检测元件由含有氧化锆的材料制成，并设有一侧面和另一侧面； 
两个电极，所述两个电极分别安装在所述检测元件的所述一侧面和所述另一侧面上从而以所述检测元件位于所述两个电极之间的方式彼此面对；以及 
限制装置，所述限制装置布置成将所述检测元件的所述一侧面与含有检测目标的所述气态物质遮断，并限制所述检测目标供给到所述检测元件的所述一侧面的速度。 
5.如权利要求4所述的燃料重整设备， 
其中，所述下游空燃比传感器的所述电极比所述上游空燃比传感器的所述电极具有更小的相对表面面积；并且 
其中，所述下游空燃比传感器的灵敏度根据所述上游空燃比传感器与所述下游空燃比传感器之间的相对表面面积之差而降低。 
6.如权利要求4所述的燃料重整设备， 
其中，所述限制装置为允许含有所述检测目标的外部气态物质朝所述检测元件的所述一侧面穿过的扩散层； 
其中，所述下游空燃比传感器的所述扩散层比所述上游空燃比传感器的所述扩散层具有更低的透气性；并且 
其中，所述下游空燃比传感器的灵敏度根据所述上游空燃比传感器与所述下游空燃比传感器之间的透气性之差而降低。 
7.如权利要求1至2中任一项所述的燃料重整设备，进一步包括： 
压力检测装置，所述压力检测装置用于检测所述气态物质的压力；以及 
压力相关的修正装置，所述压力相关的修正装置用于根据所述气态物质的压力来修正至少所述上游传感器信号或所述下游传感器信号的值。 
8.如权利要求7所述的燃料重整设备， 
其中，所述压力相关的修正装置进行修正以使得检测到的氧浓度或氢浓度随着所述压力升高而降低。 
9.如权利要求1至2中任一项所述的燃料重整设备，进一步包括： 
气态物质供给装置，所述气态物质供给装置向至少所述上游空燃比传感器或所述下游空燃比传感器分别供给无氧气态物质和大气； 
第一氧误差检测装置，当所述无氧气态物质被供给到所述空燃比传感器时，所述第一氧误差检测装置检测所述空燃比传感器的输出信号值与预定的零点基准值之间的偏离量； 
第二氧误差检测装置，当所述大气被供给到所述空燃比传感器时，所述第二氧误差检测装置检测所述空燃比传感器的输出信号值与预定的大气基准值之间的偏离量；以及 
氧信号校正装置，所述氧信号校正装置利用与所述零点基准值的偏离量和与所述大气基准值的偏离量来校正所述输出信号值。 
10.如权利要求1至2中任一项所述的燃料重整设备，进一步包括： 
重整燃料供给装置，所述重整燃料供给装置向所述燃料重整催化剂供给所述重整燃料； 
气态物质供给装置，所述气态物质供给装置向所述下游空燃比传感器供给无氧气态物质； 
调节装置，所述调节装置进行调节以使影响所述氢浓度的参数处于预定的误差检测状态； 
第一氢误差检测装置，当所述重整燃料的供给被切断并且所述无氧气态物质供给到所述下游空燃比传感器时，所述第一氢误差检测装置检测所述下游空燃比传感器的输出信号值与预定的零点基准值之间的偏离量； 
第二氢误差检测装置，当所述参数被调节并处于所述预定状态且所述无氧气态物质供给到所述下游空燃比传感器时，所述第二氢误差检测装置检测所述下游空燃比传感器的输出信号值与预定的非零点基准值之间的偏离量；以及 
氢信号校正装置，所述氢信号校正装置利用与所述零点基准值的偏离量和与所述非零点基准值的偏离量来校正所述输出信号值。 
11.如权利要求1至2中任一项所述的燃料重整设备，进一步包括： 
催化剂诊断装置，所述催化剂诊断装置进行调节以使影响所述氢浓度的参数处于预定的催化剂诊断状态，并且将检测到的氢浓度与预定的诊断基准值进行比较以对所述燃料重整催化剂的工作进行诊断检查。 
12.如权利要求1至2中任一项所述的燃料重整设备， 
其中，在空燃比反馈控制期间使用所述上游空燃比传感器以根据从内燃发动机排出的排气中的氧浓度来调节空燃比。 
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