DE102018105633A1

DE102018105633A1 - Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102018105633A1
Application number: DE102018105633.8A
Authority: DE
Inventors: Takayoshi Tanaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2018-09-13
Also published as: CN108571359A; JP2018150818A; CN108571359B; JP6597677B2; US20180258815A1; US10626768B2

Abstract

Ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors ist mit einer Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung (50) und einem Abgasreinigungskatalysator (14) ausgestattet, welcher einen Dreiwege-Katalysator umfasst. In der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung (50) erzeugte Wärme und Wasserstoff werden dem Abgasreinigungskatalysator (14) zugeführt. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung (50) zum Brennen gebracht werden, auf ein vorbestimmtes, eingestelltes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf das angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, welches dazu erforderlich ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator (14) einströmenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors.
Technischer Hintergrund
Aus dem Stand der Technik ist ein Verbrennungsmotor bekannt, welcher mit einem in einer Motorabgaspassage angeordneten NO_x-Reinigungskatalysator ausgestattet ist und einen Kraftstoffreformer zur Erzeugung von Wasserstoff enthaltendem Reformgas aufweist. Dieser NO_x-Reinigungskatalysator speichert in dem Abgas enthaltenes NO_x, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mager ist, und gibt gespeichertes NO_x ab, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fett wird. Zu dem Zeitpunkt des Motorstarts wird das bei dem Kraftstoffreformer erzeugte Wasserstoff enthaltende Reformgas dem NO_x-Reinigungskatalysator zugeführt, um so die NO_x-Entfernungsrate des NO_x-Reinigungskatalysators zu erhöhen (siehe beispielsweise Druckschrift JP 2010-270664 A ).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Wenn in einer Motorabgaspassage ein Abgasreinigungskatalysator angeordnet ist, welcher gleichzeitig das in dem Abgas enthaltene HC, CO und NO_x reduzieren kann, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgassystems das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und dem Abgasreinigungskatalysator Reformgas zugeführt wird, um gleichzeitig das in dem Abgas enthaltene HC, CO und NO_x zu reduzieren, muss das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches sowohl durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases, als auch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Reformgases bestimmt wird, auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert werden.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches von sowohl dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases als auch dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Reformgases bestimmt wird, von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht, kann das in dem Abgas enthaltene HC, CO und NO_x nicht mehr gut entfernt werden. Die vorstehend erwähnte japanische Patentveröffentlichung schlägt jedoch keine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung vor, welche dazu ausgelegt ist, effizient das HC, CO und NO_x, welches in dem Abgassystemabgas enthalten ist, zu entfernen, wenn das Reformgas dem Abgasreinigungskatalysator zugeführt wird.
Lösung des Problems
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, welches aufweist:

eine Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung, welche ausschließlich Wärme oder Wärme und Wasserstoff erzeugen kann, indem Kraftstoff und Luft verbrannt werden,
einen Abgasreinigungskatalysator, welcher in einer Motorabgaspassage angeordnet ist und gleichzeitig das in dem einströmenden Gas enthaltene HC, CO und NO_x reduzieren kann, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Gases ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wobei ein von der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung abgegebenes Verbrennungsgas dem Abgasreinigungskatalysator zugeführt wird, und
eine elektronische Steuerungseinheit, wobei
die elektronische Steuerungseinheit dazu ausgelegt ist, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht werden, auf ein vorbestimmtes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern, und
die elektronische Steuerungseinheit dazu ausgelegt ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, welches von dem Motor abgegeben wird, auf ein angepasstes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern, welches dazu erforderlich ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator einströmenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Übereinstimmung mit dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht werden, auf das vorbestimmte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird.

Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Sogar, wenn von der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung abgegebenes Verbrennungsgas dem Abgasreinigungskatalysator zugeführt wird, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator strömenden Gases auf dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten. Daher ist es möglich, gleichzeitig das in dem Gas in dem Abgasreinigungskatalysator enthaltene HC, CO und NO_x gut zu reduzieren.
Figurenliste

1 ist eine allgemeine Ansicht eines Verbrennungsmotors.
2 ist eine allgemeine Ansicht einer Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung.
3 ist eine Ansicht zum Erklären einer Reformierungsreaktion von Kraftstoff.
4 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen einer Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB und einem O₂/C-Molverhältnis zeigt.
5 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen den pro Kohlenstoff erzeugten Molekülen und einem O₂/C-Molverhältnis zeigt.
6 ist eine Ansicht, welche eine Temperaturverteilung in einem Reform ierungskatalysator zeigt.
7 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen einer Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB und einem O₂/C-Molverhältnis zeigt, wenn sich eine Temperatur TA der zugeführten Luft verändert. Die 8a und 8b sind Ansichten, welche eine Temperaturveränderung eines Abgasreinigungskatalysators zeigen.
9 ist ein Zeitdiagramm, welches eine Steuerung der Wärme- und Wasserstofferzeugung zeigt. Die 10a und 10b sind Ansichten, welche Betriebsbereiche zeigen, in welchen ein zweites Aufwärmen durchgeführt wird.
11 ist ein Zeitdiagramm, welches eine Steuerung der Wärme- und Wasserstofferzeugung zeigt.
12 ist ein Flussidagramm der Steuerung der Wärme- und Wasserstofferzeugung.
13 ist ein Flussdiagramm der Steuerung der Wärme- und Wasserstofferzeugung.
14 ist ein Flussdiagramm der Steuerung der Wärme- und Wasserstofferzeugung.
15 ist ein Flussdiagramm der Steuerung der Wärme- und Wasserstofferzeugung.
16 ist ein Flussdiagramm der Steuerung eines O₂/C-Molverhältnisses auf das Soll-O₂/C-Molverhältnis.
17 ist ein Flussidagramm der Steuerung zur Beschränkung der Zunahme der Katalysatortemperatur.
18 ist eine Querschnittseitenansicht des Erfassungsabschnittes eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors.
19 ist eine Ansicht, welche eine Veränderung des ausgegebenen elektrischen Stromwerts eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt.
20 ist eine Ansicht, welche die Beziehung zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem ausgegebenen elektrischen Stromwert eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt.
21 ist ein Zeitdiagramm, um eine fette Fehlfunktionssteuerung und eine magere Fehlfunktionssteuerung zu erklären.
22 ist eine vergrößerte Ansicht von Veränderungen des ausgegebenen elektrischen Stromwerts eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors auf einer stromabwärtigen Seite während der Periode tA und der Periode tB in 21.
23 ist ein Flussdiagramm der Durchführung einer Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Motors.
24 ist ein Flussdiagramm der Durchführung einer Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Motors.
25 ist ein Flussidagramm der Durchführung einer Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung.
26 ist ein Flussdiagramm der Durchführung einer Steuerung einer fetten Fehlfunktion.
27 ist ein Flussidagramm der Durchführung der Steuerung einer mageren Fehlfunktionssteuerung.

Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt eine Übersichtsansicht eines Benzinmotors. In 1 bezeichnet 1 einen Motorkörper, 2 eine Brennkammer eines Zylinders, 3 ein elektronisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in eine jede Brennkammer 2, 4 einen Ausgleichstank, 5 eine Ansaugabzweigungsleitung und 6 einen Abgaskrümmer. Der Ausgleichstank 4 ist über eine Einlasspassage bzw. einen Ansaugtrakt 7 mit dem Auslass eines Kompressors 8a eines Abgasturboladers 8 verbunden. Der Einlass des Kompressors 8a ist über einen Ansaugluftsensor 9 mit einem Luftreiniger 10 verbunden. Innerhalb der Einlasspassage bzw. des Ansaugtrakts 7 ist ein durch einen Aktuator 11a angetriebenes Drosselventil 11 angeordnet. Um den Ansaugtrakt 7 herum ist ein Ladeluftkühler zum Kühlen der Ansaugluft angeordnet, welche innerhalb des Ansaugtrakts 7 strömt.
Auf der anderen Seite ist der Abgaskrümmer 6 mit dem Einlass einer Abgasturbine 8b des Abgasturboladers 8 verbunden und der Auslass der Abgasturbine 8b ist über eine Abgasleitung 13 mit dem Einlass des Abgasreinigungskatalysators 14 verbunden. Der Auslass des Abgasreinigungskatalysators 14 ist mit der Abgasleitung 15 verbunden. Der Abgaskrümmer 6 und der Ausgleichstank 4 sind miteinander über eine Abgasrezirkulations (im Folgenden „AGR“) - Passage 16 verbunden. Innerhalb der AGR-Passage 16 sind ein elektronisch gesteuertes AGR-Steuerungsventil 17 und ein AGR-Kühler 18 zum Kühlen des AGR-Gases angeordnet. Ein jedes Kraftstoffeinspritzventil 3 ist über eine Kraftstoffzufuhrleitung 19 mit einer Kraftstofflieferungsleitung 20 verbunden, und diese Kraftstofflieferungsleitung 20 ist über die Kraftstoffpumpe 22 mit einem Kraftstofftank 21 verbunden.
Ansaugluft wird über den Ansaugluftmengensensor 9, den Kompressor 8a, den Ladeluftkühler 12 und den Ansaugtrakt 7 dem Ausgleichstank 4 zugeführt, und die dem Ausgleichstank 4 zugeführte Luft wird über die Ansaugabzweigungsleitung 5 einer jeden Brennkammer 2 zugeführt. Andererseits wird in dem Kraftstofftank 21 gespeicherter Kraftstoff, d. h. Benzin, durch die Kraftstoffpumpe 22 der Kraftstofflieferungsleitung 22 zugeführt, und der der Kraftstoffzuführungsleitung 20 zugeführte Kraftstoff wird von dem Kraftstoffeinspritzventil 3 über die entsprechende Kraftstoffzufuhrleitung 19 in eine jede Brennkammer 2 eingespritzt. Das von der Brennkammer 2 abgegebene Abgas wird über den Abgaskrümmer 6, die Abgasturbine 8b, die Abgasleitung 13, den Abgasreinigungskatalysator 14 und die Abgasleitung 15 an die Außenluft abgegeben.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst bzw. besteht der Abgasreinigungskatalysator 14 aus einem Katalysator, welcher gleichzeitig eine Menge von in einem Gas enthaltenen HC, CO und NO_x reduzieren kann, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in dem Abgasreinigungskatalysator strömenden Gases beispielsweise das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Ein Edelmetall, wie beispielsweise Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) und Cerium (Ce) sind auf diesem Abgasreinigungskatalysator 14 aufgebracht. Ein repräsentatives Beispiel des Abgasreinigungskatalysators 14 ist ein Dreiwegekatalysator. Andererseits kann auch ein NO_x-Speicherungsreduktionskatalysator, welcher in dem Abgas enthaltenes NO_x speichert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mager ist, und das gespeicherte NO_x freigibt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fett ist, gleichzeitig eine in einem Gas enthaltene Menge von HC, CO und NO_x reduzieren, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den NO_x-Speicherreduktionskatalysator einströmenden Gases, beispielsweise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Demgemäß kann auch dieser NO_x-Speicherungsreduktionskatalysator als der Abgasreinigungskatalysator 14 verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Dreiwegekatalysator als der Abgasreinigungskatalysator 14 verwendet wird, und demgemäß wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf einen Fall beschrieben, bei dem als Beispiel der Dreiwegekatalysator als der Abgasreinigungskatalysator 14 verwendet wird.
Mit Bezug auf 1 umfasst die elektronische Steuerungseinheit 30 einen digitalen Computer, welcher mit einem ROM (Read Only Memory) 32, einem RAM (Random Access Memory) 33, einer CPU (Mikroprozessor) 34, einem Eingangsanschluss 35 und einem Ausgangsanschluss 36 ausgestattet ist, welche miteinander über einen bidirektionalen Bus 31 verbunden sind. Wie in 1 gezeigt, ist ein stromaufwärtiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 23 zur Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des von dem Motor abgegebenen Abgases in dem Abgaskrümmer 6 vorgesehen, und ein stromabwärtiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 24 zur Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 abgegebenen Gases ist in der Abgasleitung 15 stromabwärts von dem Abgasreinigungskatalysator 14 angeordnet. Zusätzlich ist ein Temperatursensor 25 für das Erfassen der Temperatur des Abgasreinigungskatalysators in der Abgasleitung 15 stromabwärts von dem Abgasreinigungskatalysator 14 vorgesehen. Die ausgegebenen Signale des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 23, des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24, des Temperatursensors 25 und des Ansaugluftmengensensors 9 werden durch entsprechende AD-Wandler 37 in den Eingangsanschluss 35 eingegeben.
Weiterhin ist ein Gaspedal 40 mit einem Lastsensor 41 verbunden, welcher eine Ausgangsspannung erzeugt, welche zu der Durchtretmenge des Gaspedals 40 proportional ist. Die ausgegebene Spannung des Lastsensors 41 wird durch einen entsprechenden AD-Wandler 37 in den Eingangsanschluss eingegeben. Weiterhin ist der Eingangsanschluss 35 mit einem Kurbelwinkelsensor 42 verbunden, welcher jedes Mal, wenn eine Kurbelwelle um beispielsweise 15 Grad rotiert, einen Ausgangspuls erzeugt. Zusätzlich wird das Betriebssignal eines Startschalters 43 des Motors in den Eingangsanschluss 35 eingegeben. Zudem ist der Ausgangsanschluss 36 über entsprechende Treiberschaltkreise 38 mit dem Kraftstoffeinspritzventil 3, dem Aktuator 11a für das Antreiben des Drosselventils 11, dem AGR-Steuerungsventil 17 und der Kraftstoffpumpe 22 verbunden.
Wie in 1 gezeigt, ist eine Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, welche Wärme und Wasserstoff oder auch nur Wärme erzeugen kann, vorgesehen, und diese Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 ist mit der Abgasleitung 13 stromaufwärts von dem Abgasreinigungskatalysator 14 über eine Zufuhrpassage 51 verbunden. Die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 startet ihren Betrieb beispielsweise zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Betrieb des Motors startet, und Wärme und Wasserstoff oder nur Wärme, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 erzeugt werden, werden dem Abgasreinigungskatalysator 14 über die Zufuhrpassage 51 zugeführt. Daher wird ein Aufwärmen des Reinigungskatalysators 14 durch Wärme und Wasserstoff oder nur durch Wärme durchgeführt. Die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 ist beispielsweise innerhalb des Motorgehäuses des Fahrzeugs vorgesehen.
2 zeigt eine allgemeine Ansicht der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50. Die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 ist in ihrer Gesamtheit zylindrisch ausgeformt. In 2 bezeichnet 52 ein zylindrisches Gehäuse der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, 53 eine Verbrennerbrennkammer, welche in dem Gehäuse 52 ausgeformt ist, 54 einen Reform ierungskatalysator, welcher in dem Gehäuse 52 vorgesehen ist, und 55 eine Gasausströmkammer, welche in dem Gehäuse 52 ausgeformt ist. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Reform ierungskatalysator 54 in der Längsrichtung in dem Zentrum des Gehäuses 52 angeordnet, die Verbrennerbrennkammer 53 ist in der Längsrichtung an einem Endabschnitt des Gehäuses 52 vorgesehen und die Gasausströmkammer 55 ist in der Längsrichtung an dem anderen Endabschnitt des Gehäuses 52 angeordnet. Wie in 2 gezeigt, ist bei dieser Ausführungsform der gesamte äußere Umfang des Gehäuses 52 von einem wärmeisolierenden Material 56 bedeckt.
Wie in 2 gezeigt, ist ein mit einem Kraftstoffeinspritzventil 58 ausgestatteter Verbrenner 57 an einem Endabschnitt der Verbrennerbrennkammer 53 vorgesehen. Die Spitze des Kraftstoffeinspritzventils 58 ist in der Verbrennerbrennkammer 53 angeordnet und eine Kraftstoffeinspritzöffnung 59 ist bei der Spitze des Kraftstoffeinspritzventils 58 ausgeformt. Weiterhin ist eine Luftkammer 60 in dem Kraftstoffeinspritzventil 58 vorgesehen und eine Luftzufuhröffnung für das Einblasen von Luft aus der Luftkammer 60 zu dem Inneren der Verbrennerbrennkammer 53 ist um die Spitze des Kraftstoffeinspritzventils 58 herum ausgebildet. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das Kraftstoffeinspritzventil 58 mit dem Kraftstofftank 24, wie in 1 gezeigt, verbunden, und der in dem Kraftstofftank 24 enthaltene Kraftstoff wird von der Kraftstoffeinspritzöffnung 59 des Kraftstoffeinspritzventils 58 eingespritzt. Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist dieser Kraftstoff Benzin.
Die Luftkammer 60 ist auf der einen Seite über eine Hochtemperaturluftpassage 62 mit einer Luftpumpe 64, welche die Abgaberate steuern kann, und auf der anderen Seite über eine Niedertemperaturluftpassage 63 mit der Luftpumpe 64 verbunden, welche die Abgaberate steuern kann. Wie in 2 gezeigt, sind ein Hochtemperaturluftventil 65 und ein Niedertemperaturluftventil 66 jeweils in der Hochtemperaturluftpassage 62 und der Niedertemperaturluftpassage 63 angeordnet. Weiterhin ist, wie in 3 gezeigt, die Hochtemperaturluftpassasage 62 mit einem Wärmeaustauschbauteil ausgestattet, welches in der Gasausströmkammer 55 angeordnet ist. Dieses Wärmeaustauschbauteil ist diagrammartig in 1 durch das Bezugszeichen 62a angezeigt. Das Wärmeaustauschbauteil 62a kann auch stromabwärts von dem Reformierungskatalysator 54 um das die Gasausströmkammer 55 definierende Gehäuse 52 angeordnet sein. Das heißt, es ist bevorzugt, dass das Wärmeaustauschbauteil 62a an einem Ort angeordnet oder ausgebildet ist, an welchem ein Wärmeaustausch unter Verwendung der Wärme des aus der Gasausströmkammer 55 ausströmenden Gases durchgeführt wird. Auf der anderen Seite hat die Niedertemperaturluftpassage 53 kein Wärmeaustauschbauteil, welches einen Wärmeaustausch unter Verwendung des Hochtemperaturgases ausführt, welches aus der Gasausströmkammer 55 ausströmt.
Wenn das Hochtemperaturluftventil 65 geöffnet und das Niedertemperaturluftventil 66 geschlossen ist, wird von der Luftzufuhröffnung 61 Außenluft durch den Luftreiniger 67, einen Sensor 74 der zugeführten Luftmenge, die Luftpumpe 64, die Hochtemperaturluftpassage 62 und die Luftkammer 60 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Außenluft, d. h. Luft, innerhalb des Wärmeaustauschbauteils 62a zum Strömen gebracht. Wenn im Gegensatz dazu das Niedertemperaturluftventil 66 geöffnet und das Hochtemperaturluftventil 65 geschlossen ist, wird die Außenluft, d. h. die Luft, von der Luftzuführungsöffnung 61 durch den Luftreiniger 67, den Sensor 74 der zugeführten Luftmenge, die Luftpumpe 64, die Niedertemperaturluftpassage 62 und die Luftkammer 60 (der Verbrennerbrennkammer 53) zugeführt. Daher bilden das Hochtemperaturluftventil 65 und das Niedertemperaturluftventil 66 eine Umschaltvorrichtung, welche die Luftflusspassage, um Luft durch die Luftkammer 60 der Luftzufuhröffnung 61 zuzuführen, zwischen der Hochtemperaturluftpassage 62 und der Niedertemperaturluftpassage 63 umschalten kann.
Eine Zündungsvorrichtung 68 ist in der Verbrennerbrennkammer 53 angeordnet. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform besteht die Zündungsvorrichtung 68 aus einer Glühkerze. Die Glühkerze ist über einen Schalter 69 mit einer Energiezufuhr 70 verbunden. Auf der anderen Seite besteht bei der Ausführungsform in 2 der Reformierungskatalysator 54 aus einem Oxidierungsteil 54a und einem Reformierungsteil 54b. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel besteht das Substrat des Reformierungskatalysators 54 aus Zeolit. Auf diesem Substrat ist bei dem Oxidierungsteil 54a hauptsächlich Palladium (Pt) aufgebracht, während bei dem Reformierungsteil 54b hauptsächlich Rhodium (Rh) aufgebracht ist. Zudem ist ein Temperatursensor 71 für das Erfassen der Temperatur der stromaufwärtigen Seitenendfläche des Oxidierungsteils 54a des Reformierungskatalysators 54 in der Verbrennerbrennkammer 53 angeordnet und ein Temperatursensor 72 für das Erfassen der Temperatur der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungsteils 54b des Reformierungskatalysators 54 ist in der Gasauströmkammer 55 angeordnet. Weiterhin ist ein Temperatursensor 73 für das Erfassen der Temperatur der innerhalb der Niedertemperaturluftpassage strömenden Luft in der Niedertemperaturluftpassage vorgesehen und bei der Außenseite des wärmeisolierenden Materials 56 angeordnet.
Die ausgegebenen Signale dieser Temperatursensoren 71, 72 und 73 werden jeweils in den Eingangsanschluss 35 durch entsprechende, in 1 gezeigte, AD-Wandler 37 eingegeben. Weiterhin wird das ausgegebene Signal, welches den Widerstandswert der Glühkerze 58 anzeigt, in den Eingangsanschluss 35 über einen in 1 gezeigten entsprechenden AD-Wandler 37 eingegeben. Auf der anderen Seite ist der in 1 gezeigte Ausgangsanschluss 36 über entsprechende Treiberschaltkreise 38 mit dem Kraftstoffeinspritzventil 58, dem Hochtemperaturluftventil 65, dem Niedertemperaturluftventil 66 und dem Schalter 69 verbunden. Weiterhin ist, wie in 1 gezeigt, der Ausgangsanschluss 36 mit einem Pumpentreiberschaltkreis 44 verbunden, welcher die Abgaberate der Luftpumpe 64 steuert. Die Abgaberate der Luftpumpe 64 wird durch den Pumpentreiberschaltkreis 44 derart gesteuert, dass die von dem Luftzufuhrmengensensor 74 erfasste Luftmenge sich einer Soll-Luftzufuhrmenge annähert. Demgemäß wird die Menge der der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführten Luft jederzeit auf der Soll-Luftzufuhrmenge gehalten.
Zum Zeitpunkt des Starts des Betriebs der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 wird von dem Verbrenner 57 eingespritzter Kraftstoff durch die Glühkerze 68 gezündet. Infolgedessen reagieren der Kraftstoff und die Luft, welche von dem Verbrenner 57 zugeführt worden sind, in der Verbrennerbrennkammer 53, wodurch die Verbrennerverbrennung gestartet wird. Wenn die Verbrennerverbrennung gestartet wird, nimmt die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 allmählich zu. Zu diesem Zeitpunkt wird die Verbrennerverbrennung bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt. Als Nächstes wird, wenn die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 eine Temperatur erreicht, bei welcher der Kraftstoff reformiert werden kann, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis normalerweise von dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet und die Reformierungsaktion des Kraftstoffes bei dem Reformierungskatalysator 54 gestartet. Wenn die Reform ierungsaktion des Kraftstoffs gestartet wird, wird Wasserstoff erzeugt und den erzeugten Wasserstoff enthaltendes Hochtemperaturgas aus der Gasausströmöffnung 74 der Gasausströmkammer 55 geleitet. Das Hochtemperaturgas, welches aus der Gasausströmöffnung 74 ausströmt, wird dem Abgasreinigungskatalysator 14 über die Zufuhrpassage 51, wie in 1 gezeigt, zugeführt.
Auf diese Weise ist bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 ausgestattet mit: der Verbrennerbrennkammer 53, dem Verbrenner 57, in welchem die Verbrennerbrennkammer 53 für das Durchführen der Verbrennerverbrennung vorgesehen ist, einer Kraftstoffzufuhrvorrichtung, welche die Zufuhrmenge des von dem Verbrenner 57 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführten Kraftstoffes steuert, einer Luftzufuhrvorrichtung, welche die Temperatur und Zufuhrmenge der von dem Verbrenner 57 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführten Luft steuert, der Zündungsvorrichtung 68 zum Zünden des Kraftstoffes, dem Reformierungskatalysator 54, dem das Verbrennerverbrennungsgas zugeführt wird; und die Luftzufuhrvorrichtung ist mit dem Wärmeaustauschbauteil 62a für das Aufwärmen der von dem Verbrenner 57 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführten Luft durch das Verbrennerverbrennungsgas ausgestattet. In diesem Falle bildet bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Kraftstoffeinspritzventil 68 die vorstehend genannte Kraftstoffzufuhrvorrichtung. Die Luftkammer 60, die Luftzufuhröffnung 61, die Hochtemperaturluftpassage 62, das Wärmeaustauschbauteil 62a, die Niedertemperaturluftpassage 62, die Luftpumpe 64, das Hochtemperaturluftventil 65 und das Niedertemperaturluftventil 66 bilden die vorstehend genannte Luftzufuhrvorrichtung.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Wasserstoff durch die Reformierung des Kraftstoffs in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 erzeugt. Daher wird als erstes mit Bezug auf 3 die Reformierungsreaktion des Kraftstoffs erklärt.
Die Formeln (a) bis (c) in 3 zeigen jeweils mit Bezug auf die Reaktion von Kraftstoff eine Reaktionsformel, wenn eine vollständige Oxidationsreaktion durchgeführt wird, eine Reaktionsformel, wenn eine teilweise Oxidationsreformierungsreaktion durchgeführt wird, und eine Reaktionsformel, wenn eine Dampfreformierungsreaktion durchgeführt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der Heizwert ΔH⁰ in den Reaktionsformeln durch den niedrigeren Heizwert (LHV) gezeigt ist. Wie sich aus (b) und (c) in 3 ergibt, gibt es zwei Verfahren, um Wasserstoff aus Kraftstoff zu erzeugen: Das Verfahren der Durchführung der teilweisen Oxidationsreformierungsreaktion und das Verfahren der Durchführung der Dampfreformierungsreaktion. Die Dampfreformierungsreaktion ist ein Verfahren, bei welchem dem Kraftstoff Dampf zugeführt wird, und wie sich aus (c) in 3 ergibt, ist diese Dampfreformierungsreaktion eine endotherme Reaktion. Daher ist es, um die Dampfreformierungsreaktion zu starten, notwendig, Wärme von außen zuzuführen. Bei Wasserstofferzeugungsanlagen in großem Maßstab wird, um die Effizienz der Wasserstofferzeugung zu erhöhen, zusätzlich zu der teilweisen Oxidationsreformierungsreaktion daher die Dampfreformierungsreaktion verwendet, bei welcher die erzeugte Wärme nicht ungenutzt bleibt, sondern die erzeugte Wärme für die Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird.
Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung von Wasserstoff und Wärme die Dampfreformierungsreaktion, welche die erzeugte Wärme für das Erzeugen von Wasserstoff benutzt, nicht verwendet. Bei der vorliegenden Erfindung wird nur die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion verwendet, um Wasserstoff zu erzeugen. Diese teilweise Oxidationsreformierungsreaktion ist, wie sich aus (b) in 3 ergibt, eine exotherme Reaktion. Daher fährt die Reformierungsreaktion durch die erzeugte Wärme selbständig fort, ohne dass Wärme von außen zugeführt werden muss, und Wasserstoff wird erzeugt. Wie sich aus den Reaktionsformeln der teilweisen Oxidationsreformierungsreaktion von (b) in 3 ergibt, wird die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt, bei welchem ein O₂/C-Molverhältnis, welches das Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche miteinander zur Reaktion gebracht werden, anzeigt, 0,5 beträgt. Zu diesem Zeitpunkt werden CO und H₂ erzeugt.
4 zeigt die Beziehung zwischen dem O₂/C-Molverhältnis der Luft und des Kraftstoffs und einer Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB, wenn die Luft und der Kraftstoff miteinander bei dem Reformierungskatalysator zur Reaktion gebracht werden und ein Gleichgewicht erreichen. Es wird darauf hingewiesen, dass die durchgezogene Linie in 4 den theoretischen Wert zeigt, wenn die Lufttemperatur 25°C ist. Wie durch die durchgezogene Linie in 4 gezeigt, beträgt, wenn die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines O₂/C-Molverhältnisses von 0,5 durchgeführt wird, die Gleichgewichtsreaktionstemperatur TB im Wesentlichen 830°C. Es wird darauf hingewiesen, dass die tatsächliche Gleichgewichtsreaktionstemperatur TB zu diesem Zeitpunkt etwas niedriger als 830°C ist, aber im Folgenden wird die Gleichgewichtsreaktionstemperatur TB für eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung als der Wert erklärt, welcher durch die durchgezogene Linie in 4 gezeigt ist.
Auf der anderen Seite wird, wie sich aus der Reaktionsformel der vollständigen Oxidationsreaktion in (a) in 3 ergibt, wenn das O₂/C-Molverhältnis 1,4575 ist, das Verhältnis zwischen der Luft und dem Kraftstoff das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis. Wie in 4 gezeigt, wird die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB am Höchsten, wenn das Verhältnis der Luft und des Kraftstoffs das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Wenn ein O₂/C-Molverhältnis zwischen 0,5 und 1,4575 vorliegt, wird teilweise die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion durchgeführt, während teilweise die vollständige Oxidationsreaktion durchgeführt wird. In diesem Fall ist, je größer das O₂/C-Molverhältnis, desto größer das Verhältnis, mit dem die vollständige Oxidationsreaktion durchgeführt wird im Vergleich zu dem Verhältnis, mit dem die teilweise Oxidationsreaktion durchgeführt wird, und daher ist, umso größer das O₂/C-Molverhältnis, desto höher die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB.
Andererseits zeigt 5 das Verhältnis bzw. die Beziehung zwischen der Anzahl an Molekülen (H₂ und CO), welche pro Kohlenstoffatom erzeugt werden, und dem O₂/C-Molverhältnis. Wie vorstehend beschrieben, wird, je mehr das O₂/C-Molverhältnis über 0,5 hinausgeht, desto geringer das Verhältnis, mit welchem die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion durchgeführt wird. Daher ist, wie in 5 gezeigt, je mehr das O₂/C-Molverhältnis über 0,5 hinausgeht, desto kleiner die Erzeugungsmenge von H₂ und CO. Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass, auch wenn es nicht in 5 beschrieben ist, wenn das O₂/C-Molverhältnis größer als 0,5 wird, aufgrund der in (a) von 3 gezeigten vollständigen Oxidationsreaktion die Mengen der Erzeugung von CO₂ und H₂O zunehmen. In dieser Hinsicht zeigt 5 die Erzeugungsmengen von H₂ und CO, wenn angenommen wird, dass keine Wassergasshiftreaktion bzw. keine Wassergaskonvertierungsreaktion, welche in (d) von 3 gezeigt ist, auftritt. In der Realität tritt jedoch die Wassergaskonvertierungsreaktion, welche in (d) von 3 gezeigt ist, aufgrund des durch die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion erzeugten CO und des durch die vollständige Oxidationsreaktion erzeugten H₂O auf, und auch durch diese Wassergaskonvertierungsreaktion wird Wasserstoff erzeugt.
Wie vorstehend beschrieben, ist, je mehr das O₂/C-Molverhältnis über 0,5 hinausgeht, desto kleiner die Menge der Erzeugung von H₂ und CO. Andererseits nimmt, wie in 5 gezeigt, wenn das O₂/C-Molverhältnis kleiner als 0,5 wird, überschüssiger Kohlenstoff C, welcher nicht reagieren kann, zu. Dieser überschüssige Kohlenstoff C lagert sich innerhalb der Poren des Substrats des Reformierungskatalysators an, und es tritt eine Verkokung auf. Wenn die Verkokung auftritt, nimmt die Reformierungsfähigkeit des Reformierungskatalysators drastisch ab. Daher muss, um das Auftreten der Verkokung zu verhindern, das O₂/C-Molverhältnis über 0,5 gehalten werden. Weiterhin wird, wie sich aus 5 ergibt, in einem Bereich, in welchem kein überschüssiger Kohlenstoff erzeugt wird, die Erzeugungsmenge von Wasserstoff am Größten, wenn das O₂/C-Molverhältnis 0,5 ist. Daher wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion durchgeführt wird, zur Erzeugung von Wasserstoff das O₂/C-Molverhältnis grundsätzlich auf 0,5 eingestellt, um ein Auftreten der Verkokung zu verhindern und eine möglichst effiziente Wasserstofferzeugung zu ermöglichen.
Andererseits wird, sogar, wenn das O₂/C-Molverhältnis größer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis des O₂/C-Molverhältnisses von 1,4575 eingestellt wird, die vollständige Oxidationsreaktion durchgeführt, aber je größer das O₂/C-Molverhältnis wird, desto größer wird die Menge der Luft, deren Temperatur erhöht wird. Daher nimmt, wie in 4 gezeigt, wenn das O₂/C-Molverhältnis größer als das O₂/C-Molverhältnis von 1,4575 eingestellt wird, welches das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, je größer das O₂/C-Molverhältnis wird, desto mehr die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB ab. In diesem Fall wird, beispielsweise, wenn das O₂/C-Molverhältnis ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 2,6 wird, und, wenn die Lufttemperatur 25°C ist, die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB ca. 920°C.
Wie vorstehend beschrieben, wird, wenn der Betrieb der in 2 gezeigten Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, gestartet wird, die Verbrennerverbrennung bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt, wodurch die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 allmählich zunimmt. Wenn die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 eine Temperatur erreicht, bei welcher der Kraftstoff reformiert werden kann, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis normalerweise von einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet und ein Reformierungsbetrieb des Kraftstoffes bei dem Reformierungskatalysator 54 wird gestartet. Wenn die Reformierungsaktion des Kraftstoffs gestartet wird, wird Wasserstoff erzeugt. 6 zeigt die Temperaturverteilung innerhalb des Oxidierungsteils 54a und des Reformierungsteils 54b des Reformierungskatalysators 54, wenn die Reaktion bei dem Reformierungskatalysator 54 einen Gleichgewichtszustand erreicht. Es wird darauf hingewiesen, dass 6 die Temperaturverteilung in dem Fall zeigt, in welchem die Außenlufttemperatur 25°C ist, und die Außenluft durch die Niedertemperaturluftpassage 63, welche in 2 gezeigt ist, von dem Verbrenner 57 in das Innere der Verbrennerbrennkammer 53 geleitet wird.
Die durchgezogene Linie in 6 zeigt die Temperaturverteilung innerhalb des Reformierungskatalysators 54, wenn das O₂/C-Molverhältnis der von dem Verbrenner 57 zugeführten Luft und des Kraftstoffes 0,5 ist. Wie in 6 gezeigt, nimmt in diesem Fall bei dem Oxidierungsteil 54a des Reformierungskatalysators 54 die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 zu der stromabwärtigen Seite hin aufgrund der Wärme der Oxidationsreaktion aufgrund des verbleibenden Sauerstoffs zu. Um einen Bereich herum, in welchem das Verbrennungsgas von dem Inneren des Oxidationsteils 54a des Reformierungskatalysators zu dem Inneren des Reformierungsteils 54b strömt, wird der verbleibende Sauerstoff in dem Verbrennungsgas aufgebraucht und eine Kraftstoffreformierungsaktion wird bei dem Reformierungsteil 54b des Reformierungskatalysators 54 durchgeführt. Diese Reformierungsreaktion ist eine endotherme Reaktion. Daher fällt die Temperatur innerhalb des Reformierungskatalysators 54 mit einem Fortschreiten der Reformierungsaktion, d. h., hin zu der stromabwärtigen Seite des Refomierungskatalysators 54. Die Temperatur der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 ist zu diesem Zeitpunkt 830 °C und entspricht der Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB, wenn das O₂/C-Molverhältnis 0,5 ist, wie in 4 gezeigt.
Andererseits zeigt 6 durch eine gestrichelte Linie die Temperaturverteilung innerhalb des Reformierungskatalysators 54 an, wenn das O₂/C-Molverhältnis der von dem Verbrenner 57 zugeführten Luft und des Kraftstoffes ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 2,6 ist. Auch in diesem Fall nimmt die Temperatur innerhalb des Reformierungskatalysators 54 hin zu der stromabwärtigen Seite des Reformierungskatalysators 54 aufgrund der Wärme der Oxidationsreaktion des Kraftstoffes innerhalb des Oxidierungsteils 54a des Reformierungskatalysators 54 zu.
Andererseits wird in diesem Fall keine Reformierungsaktion innerhalb des Reformierungsteils 54b des Reformierungskatalysators 54 durchgeführt, sodass die Temperatur des Reformierungskatalysators in dem Reformierungsteil 54b konstant gehalten wird. Die Temperatur der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 zu diesem Zeitpunkt beträgt 920°C und entspricht der Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB, wenn das O₂/C-Molverhältnis 2,6 ist, wie in 4 gezeigt. Das heißt, die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB der 4 zeigt die Temperatur der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54, wenn die Außenlufttemperatur 25°C ist und die Außenluft durch die Niedertemperaturluftpassage 63, welche in 2 gezeigt ist, von dem Verbrenner 57 dem Inneren der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt wird.
Als Nächstes wird mit Bezug auf 7 die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB erklärt, wenn die Temperatur der mit dem Kraftstoff bei dem Reformerkatalysator zur Reaktion gebrachten Luft verändert wird. 7 zeigt, ähnlich wie 4, das Verhältnis zwischen dem O₂/C-Molverhältnis der Luft und des Kraftstoffs bei der Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB, wenn die Luft und der Kraftstoff miteinander bei dem Reformierungskatalysator zur Reaktion gebracht werden und ein Gleichgewicht erreichen. Es wird darauf hingewiesen, dass in 7 TA die Lufttemperatur anzeigt. In 7 ist die Beziehung zwischen dem O₂/C-Molverhältnis und der Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB, welche durch die durchgezogene Linie in 4 gezeigt ist, ebenfalls durch eine durchgezogene Linie angezeigt. 7 zeigt weiterhin durch gestrichelte Linien die Beziehung zwischen dem O₂/C-Molverhältnis und der Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB, wenn die Lufttemperatur TA auf 225°C, 425°C und 625°C verändert wird. Aus 7 ist ersichtlich, dass die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB allgemein unabhängig von dem O₂/C-Molverhältnis höher wird, wenn die Lufttemperatur TA zunimmt.
Andererseits wird bestätigt, dass sich der bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendete Reformierungskatalysator 54 nicht in größerem Maße aufgrund der Wärme verschlechtert, wenn die Katalysatortemperatur 950°C oder weniger ist. Daher wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 950°C als die zulässige Katalysatortemperatur TX eingestellt, welche es ermöglicht, eine Wärmeverschlechterung des Reformierungskatalysators 54 zu vermeiden. Diese zulässige Katalysatortemperatur TX ist in 4, 6 und 7 gezeigt. Wie sich aus 6 ergibt, erreicht die Temperatur des Reformierungskatalysators 54, wenn die Lufttemperatur TA 25°C ist, sowohl, wenn das O₂/C-Molverhältnis 0,5 als auch wenn das O₂/C-Molverhältnis 2,6 ist, und, wenn die Reaktion bei dem Reformierungskatalysator 54 einen Gleichgewichtszustand erreicht, die zulässige Katalysatortemperatur TX oder bleibt darunter entlang des gesamten Reformierungskatalysators 54. Daher kann der Reformierungskatalysator 54 verwendet werden, ohne dass in der Praxis Bedenken wegen einer Wärmeverschlechterung bestehen.
Andererseits wird, wie sich aus 4 ergibt, sogar wenn die Lufttemperatur TA 25 °C ist, wenn das O₂/C-Molverhältnis geringfügig größer als 0,5 wird, die Temperatur der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54, wenn die Reaktion bei dem Reformierungskatalysator 54 den Gleichgewichtszustand erreicht, d. h., die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB, letztendlich die zulässige Katalysatortemperatur TX überschreiten. Wenn das O₂/C-Molverhältnis geringfügig kleiner als 2,6 wird, wird die Temperatur der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54, wenn die Reaktion bei dem Reformierungskatalysator 54 den Gleichgewichtszustand erreicht, letztendlich über die zulässige Katalysatortemperatur hinausgehen. Daher kann, beispielsweise, wenn sich die Reaktion bei dem Reform ierungskatalysator 54 im Gleichgewichtszustand befindet, wenn eine teilweise Oxidationsreformierungsreaktion hervorgerufen wird, das O₂/C-Molverhältnis größer als 0,5 eingestellt werden, aber der Bereich, um welchen das O₂/C-Molverhältnis vergrößert werden kann, ist beschränkt.
Wie aus 7 ersichtlich, wird, wenn die Lufttemperatur TA höher wird, wenn die Reaktion bei dem Reformierungskatalysator 54 den Gleichgewichtszustand erreicht, sogar, wenn das O₂/C-Molverhältnis von 0,5 eingestellt ist, die Temperatur der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54, wenn die Reaktion bei dem Reformierungskatalysator 54 den Gleichgewichtszustand erreicht, höher als die zulässige Katalysatortemperatur TX, und daher wird sich der Reformierungskatalysator 54 aufgrund der Wärme verschlechtern. Daher kann, wenn die Lufttemperatur TA hoch wird, wenn die Reaktion des Reformierungskatalysators 54 in den Gleichgewichtszustand eingeht, das O₂/C-Molverhältnis nicht auf 0,5 eingestellt werden. Daher wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die Reaktion des Reformierungskatalysators 54 den Gleichgewichtszustand erreicht, die Lufttemperatur TA auf eine niedrige Temperatur von ca. 25°C eingestellt und das O₂/C-Molverhältnis auf 0,5 eingestellt, in einem Zustand, in welchem die Lufttemperatur TA bei ca. 25°C gehalten wird.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn der Betrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestartet wird, die Verbrennerverbrennung bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis gestartet. Diese Verbrennerverbrennung bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird durchgeführt, bis die Reformierungsaktion durch den Reformierungskatalysator 54 möglich wird. In anderen Worten wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Starten der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 ein Aufwärmbetrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt, bis eine Reformierungsaktion durch den Reformierungskatalysator 54 möglich wird. In diesem Falle wird, wenn die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 ca. 700°C erreicht, eine Reformierungsaktion durch den Reformierungskatalysator 54 möglich. Daher wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Aufwärmbetrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis nach dem Starten der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 durchgeführt, bis die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 700°C wird. Während dieser Zeit wird das Verbrennungsgas, welches bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 erzeugt wird, aus der Gasausströmöffnung 74 der Gasausströmkammer 55 geleitet und dann über die Zufuhrpassage 51 dem Abgasreinigungskatalysator 14 zugeführt. Als Nächstes wird, wenn eine Reformierungsaktion durch den Reformierungskatalysator möglich wird, d. h., wenn die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 700°C erreicht hat, normalerweise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet und die teilweise Oxidationsreformierungsaktion durchgeführt. Wenn die teilweise Oxidationsreformierungsaktion durchgeführt wird, werden bei dem Reformierungskatalysator Wärme und Wasserstoff erzeugt. Diese Wärme und der Wasserstoff werden aus der Gasausströmöffnung 74 der Gasausströmkammer 55 geleitet und das Wasserstoff enthaltende Verbrennungsgas wird über die Zuführpassage 51 dem Abgasreinigungskatalysator 14 zugeführt.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zu dem Zeitpunkt des Starts des Motors, um die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 14 schnell auf die Soll-Aufwärmtemperatur anzuheben, der Betrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gleichzeitig mit dem Motorstart gestartet und der Aufwärmbetrieb des Abgasreinigungskatalysators 14 wird durch die von der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 dem Abgasreinigungskatalysator 14 zugeführte Wärme und Wasserstoff oder nur Wärme unterstützt. Daher wird zuerst mit Bezugnahme auf Fig. 8A und 8B die Unterstützung des Aufwärmens des Reinigungskatalysators 14 durch die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 beschrieben.
Die 8A und 8B zeigen die Veränderung der Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14, wenn der Aufwärmbetrieb des Abgasreinigungskatalysators 14 unter Verwendung der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 durchgeführt wird. Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass in Fig. 8A und 8B die Abszisse den Zeitverlauf zeigt. In Fig. 8A und 8B wird aus Gründen der Vereinfachung der Erklärung der Aufwärmbetrieb des Abgasreinigungskatalysators 14 durch das von dem Motor abgegebene Abgas ignoriert. Weiterhin zeigt in 8B TK die Temperatur an, bei welcher das in dem Abgasreinigungskatalysator 14 enthaltene Edelmetall bezogen auf die Oxidationsreaktion von Wasserstoff aktiviert wird. In dem in 8B gezeigten Beispiel ist diese Temperatur TK, bei welcher das Edelmetall aktiviert wird, auf 110°C eingestellt. Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass im Folgenden die Temperatur TK, bei welcher das Edelmetall aktiviert wird, als „Aktivierungstemperatur TK des Abgasreinigungskatalysators 14“ bezeichnet wird.
Wie aus 3 ersichtlich, hat, wenn die vollständige Oxidationsreaktion und die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion verglichen werden, die vollständige Oxidationsreaktion eine wesentlich größere erzeugte Wärmemenge im Vergleich zu der teilweisen Oxidationsreformierungsaktion. Daher ist, wenn die verwendete Kraftstoffmenge dieselbe ist, die dem Abgasreinigungskatalysator 14 zugeführte Wärmemenge wesentlich größer, wenn in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 die vollständige Oxidationsreaktion durchgeführt wird, im Vergleich zu einem Fall, in welchem in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion durchgeführt wird. In 8A wird die Veränderung der Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 14 in einem Fall, in welchem der Abgasreinigungskatalysator 14 durch die Wärme aufgewärmt wird, welche erzeugt wird, wenn die vollständige Oxidationsreaktion bei einem O₂/C-Molverhältnis von 2,6 durchgeführt wird, durch die durchgezogene Linie A angezeigt, und die Veränderung der Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 14, in einem Fall, in welchem der Abgasreinigungskatalysator 14 nur durch die Wärme aufgewärmt wird, welche erzeugt wird, wenn die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei einem O₂/C-Molverhältnis von 0,5 durchgeführt wird, durch die gestrichelte Linie „a“ angezeigt. Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass 8A einen Fall zeigt, wenn die verwendete Kraftstoffmenge gleich ist. Wie sich aus einem Vergleich der durchgezogenen Linie A und der gestrichelten Linie „a“ ergibt, ist die Zunahmerate der Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14, wenn der Abgasreinigungskatalysator 14 nur durch die Wärme aufgewärmt wird, welche durch die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 erzeugt ist, schneller im Falle der vollständigen Oxidationsreaktion als der teilweisen Oxidationsreformierungsreaktion.
Zu dem Zeitpunkt des Aufwärmens des Abgasreinigungskatalysators 14, wenn dem Abgasreinigungskatalysator 14 Wasserstoff zugeführt und eine Oxidationsreaktion des Wasserstoffs auf dem Edelmetall durchgeführt wird, nimmt die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 aufgrund der Wärme der Oxidationsreaktion des Wasserstoffs schnell zu. Die gestrichelte Linie „b“ der 8A zeigt die Veränderung in der Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 14, in einem Fall, in welchem der Abgasreinigungskatalysator 14 nur durch den Wasserstoff aufgewärmt wird, welcher erzeugt wird, wenn die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei einem O₂/C-Molverhältnis von 0,5 unter Verwendung derselben Kraftstoffmenge durchgeführt wird, während die durchgezogene Linie B der 8A die Veränderung der Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 14 in einem Fall zeigt, in welchem der Abgasreinigungskatalysator 14 durch die erzeugte Wärme und den erzeugten Wasserstoff aufgewärmt wird, wenn die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei einem O₂/C-Molverhältnis von 0,5 unter Verwendung derselben Kraftstoffmenge durchgeführt wird. Wie sich aus einem Vergleich der durchgezogenen Linie A und der durchgezogenen Linie B in 8A ergibt, ist, wenn eine Aufwärmaktion des Abgasreinigungskatalysators 14 auch durch Wasserstoff durchgeführt wird, die Zunahmerate der Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 bei der teilweisen Oxidationsreformierungsreaktion wesentlich schneller bzw. höher als bei der vollständigen Oxidationsreaktion.
Das heißt, ein Teil der Wärme des Verbrennungsgases, welches bei der Wärme- und Wasserstoffversorgungsvorrichtung 50 erzeugt wird, entweicht nach außen, während das Verbrennungsgas durch das Innere der Zufuhrpassage 51 strömt. Diese Wärme des Verbrennungsgases wird nur durch eine Wärmeübertragung dem Abgasreinigungskatalysator 14 zugeführt, sodass tatsächlich die für das Aufheizen des Abgasreinigungskatalysators 14 verwendete Wärme nicht so groß ist. Im Gegensatz dazu wird der bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 erzeugte Wasserstoff nicht aufgebraucht, bis er den Abgasreinigungskatalysator 14 erreicht, und der Abgasreinigungskatalysator 14 wird selbst direkt durch die Wärme der Oxidationsreaktion des Wasserstoffes aufgewärmt. Daher wird die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 14 schnell durch die Wärme der Oxidationsreaktion des Wasserstoffs erhöht.
Wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 niedriger als die Aktivierungstemperatur TK des Abgasreinigungskatalysators 14 ist, wie in 8B gezeigt, wird, sogar, wenn dem Abgasreinigungskatalysator Wasserstoff zugeführt wird, keine Oxidationsreaktion des Wasserstoffs auf dem Edelmetall durchgeführt. Daher wird zu diesem Zeitpunkt keine Oxidationsreaktionswärme aufgrund der Oxidationsreaktion von Wasserstoff verursacht. Daher wird, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 niedriger als die Aktivierungstemperatur TK des Abgasreinigungskatalysators 14 ist, wie sich aus 8A ergibt, die Zunahmerate der Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 14 wesentlich schneller, wenn die vollständige Oxidationsreaktion bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 durchgeführt wird, im Vergleich zur Durchführung der teilweisen Oxidationsreformierungsreaktion in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50.
Im Gegensatz dazu wird, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 höher als die Aktivierungstemperatur TK des Abgasreinigungskatalysators 14 ist, wenn die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 durchgeführt wird, und dadurch dem Abgasreinigungskatalysator 14 Wasserstoff zugeführt wird, bewirkt, dass die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 14 durch die Wärme der Oxidationsreaktion des Wasserstoffs schnell zunimmt. Daraus ergibt sich, dass, um den Abgasreinigungskatalysator so schnell wie möglich aufzuwärmen, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 niedriger als die Aktivierungstemperatur TK des Abgasreinigungskatalysators 14 ist, wie durch die durchgezogene Linie A in 8B gezeigt, vorzugsweise die vollständige Oxidationsreaktion bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 durchgeführt werden sollte, um dem Wärmereinigungskatalysator 14 nur Wärme zuzuführen, und, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 über die Aktivierungstemperatur TK des Abgasreinigungskatalysators 14 hinausgeht, wie durch die durchgezogene Linie B in 8B gezeigt, vorzugsweise die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 durchgeführt werden sollte, um dem Abgasreinigungskatalysator 14 Wärme und Wasserstoff zuzuführen.
In der Realität ist es jedoch schwierig, die Reaktion bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 von der vollständigen Oxidationsreaktion auf die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion zu allen Zeitpunkten umzuschalten, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 die Aktivierungstemperatur TK wird, wie in 8b gezeigt. Daher wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die Reformierungsaktion durch den Reformierungskatalysator 44 nach dem Starten der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 ermöglicht wird, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 höher als die Aktivierungstemperatur TK des Abgasreinigungskatalysators 14 ist, wie in 8B gezeigt, die Reaktion bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 unmittelbar von der vollständigen Oxidationsreaktion auf die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion umgeschaltet. Wenn andererseits die Reformierungsaktion durch den Reformierungskatalysator 50 nach dem Starten der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 möglich wird, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 niedriger als die Aktivierungstemperatur TK ist, wird die vollständige Oxidationsreaktion bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 fortgesetzt bis die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 höher als die Aktivierungstemperatur TK wird, und wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 höher als die Aktivierungstemperatur TK wird, wird die Reaktion bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 von der vollständigen Oxidationsreaktion auf die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion umgeschaltet. Dadurch kann das Aufwärmen des Abgasreinigungskatalysators 14 auf das Schnellstmögliche beschleunigt werden.
Bei der Ausführungsform der Erfindung wird, wenn die Reform ierungsaktion durch den Reformierungskatalysator 54 möglich wird, nachdem der Aufwärmbetrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 vollendet ist, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 die im Vorhinein eingestellte Aktivierungstemperatur TK oder mehr ist, die teilweise Oxidationsreaktion bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 durchgeführt und die erzeugte Wärme und der Wasserstoff werden dem Abgasreinigungskatalysator 14 zugeführt. Im Gegensatz dazu wird, wenn eine Reformierungsaktion durch den Reformierungskatalysator 44 möglich wird, nachdem der Aufwärmbetrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 vollendet ist, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 weniger als die im Vorhinein eingestellte Aktivierungstemperatur TK ist, die vollständige Oxidationsreaktion bei dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis fortgesetzt, und dem Abgasreinigungskatalysator 14 wird nur Wärme zugeführt.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 9 das Verfahren der Wärme- und Wasserstofferzeugung durch die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, welche in 2 gezeigt ist, kurz erklärt. 9 zeigt den Fall, in welchem die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 die im Vorhinein eingestellte Aktivierungstemperatur TK oder mehr ist, wenn der Aufwärmbetrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 vollendet ist und die Reformierungsaktion durch den Reformierungskatalysator 54 möglich wird. Weiterhin ist in 9 der Betriebszustand der Glühkerze 68, der die Zufuhrmenge der Luft von dem Verbrenner 57, die Zufuhrmenge von Kraftstoff von dem Verbrenner 57, das O₂/C-Molverhältnis der Luft und des Kraftstoffs, welche zur Reaktion gebracht werden, die Temperatur der aus dem Verbrenner 57 zugeführten Luft, die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 und die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 gezeigt. Die Soll-Temperaturen für die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54, welche in 9 gezeigt ist, und die Soll-Temperaturen für die Temperatur des Reform ierungskatalysators 54 sind theoretische Werte und bei der Ausführungsform der Erfindung ist, wie vorstehend beschrieben, beispielsweise die Ist-Gleichgewichtsreaktionstemperatur TB ein etwas niedrigerer Wert als die Temperatur von 830°C. Diese Soll-Temperaturen verändern sich in Abhängigkeit von der Struktur der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 etc. Daher müssen in der Realität Experimente durchgeführt werden, um im Vorhinein die optimale SollTemperatur einzustellen, welche der Struktur der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 entspricht.
Wenn der Motor gestartet wird, wird gleichzeitig die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestartet. Wenn die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestartet wird, wird die Glühkerze 68 angeschaltet. Als Nächstes wird Luft durch die Hochtemperaturluftpassage 62 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt. In diesem Fall kann, wie in 9 durch die gestrichelte Linie gezeigt, die Luft durch die Hochtemperaturluftpassage 62 der Verbrennerbrennkammer 52 zugeführt werden und dann die Glühkerze 68 angeschaltet werden. Als Nächstes wird Kraftstoff von dem Verbrenner 57 eingespritzt. Wenn der von dem Verbrenner 57 eingespritzte Kraftstoff durch die Glühkerze 68 gezündet wird, wird die Kraftstoffmenge erhöht, das O₂/C-Molverhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche miteinander reagieren, wird von 4,0 auf 3,0 verringert, und die Verbrennerverbrennung wird in der Verbrennerbrennkammer 53 gestartet. Während der Zeitperiode von einem Zeitpunkt, wenn die Zuführung von Kraftstoff gestartet wird, bis zu einem Zeitpunkt, wenn der Kraftstoff gezündet wird, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, um so die erzeugte HC-Menge bestmöglich zu reduzieren.
Als Nächstes wird die Verbrennerverbrennung, d. h., die vollständige Oxidationsreaktion, bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis fortgesetzt. Infolgedessen wird die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 allmählich erhöht. Andererseits nimmt, wenn die Verbrennerverbrennung gestartet wird, die Temperatur des durch den Reformierungskatalysator 54 zu der Gasausströmkammer 55 strömenden Gases allmählich zu. Daher nimmt die Temperatur der bei dem Wärmeaustauscher 62a aufgewärmten Luft aufgrund dieses Gases ebenfalls allmählich zu und infolgedessen nimmt die Temperatur der Luft, welche von der Hochtemperaturluftpassage 62 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt wird, allmählich zu. Aufgrund dessen wird das Aufwärmen des Reformierungskatalysators 54 unterstützt. Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Aufwärmen des Reformierungskatalysators 54, welches auf diese Weise bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird, als „erstes Aufwärmen“, wie es in 9 gezeigt ist, bezeichnet. Es ist zur Kenntnis zu nehmen, das bei dem in 9 gezeigten Beispiel die Zufuhrmenge von Luft und die Menge von Kraftstoff während dieses ersten Aufwärmbetriebs erhöht werden.
Dieser erste Aufwärmbetrieb, d. h. der Aufwärmbetrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, wird fortgesetzt, bis der Kraftstoff bei dem Reformierungskatalysator 54 reformiert werden kann. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel wird, wenn die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 700°C erreicht, bestimmt, dass der Kraftstoff bei dem Reformierungskatalysator 54 reformiert werden kann. Daher wird bei dem in 9 gezeigten Beispiel der erste Aufwärmbetrieb fortgesetzt, bis die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 700°C erreicht. Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass in dem in 9 gezeigten Beispiel das O₂/C-Molverhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche miteinander zur Reaktion gebracht werden, auf 3,0 bis 4,0 eingestellt wird und die vollständige Oxidationsreaktion bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis von einem Zeitpunkt, zu dem der Betrieb der Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestartet wird, bis zu einem Zeitpunkt durchgeführt wird, zu dem das erste Aufwärmen des Reformierungskatalysators 54 vollendet ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 wesentlich geringer als die zulässige Katalysatortemperatur TX, und so kann das O₂/C-Molverhältnis der Luft und des Kraftstoffs, welche miteinander zur Reaktion gebracht werden, beispielsweise auch auf ein O₂/C-Molverhältnis eingestellt werden, welches nahe bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wie beispielsweise auf 2,0 bis 3,0.
Wenn andererseits der Motor gestartet wird, nimmt die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 sofort ein wenig zu, wie in 9 gezeigt. Als Nächstes nimmt, bei dem in 9 gezeigten Beispiel, während der erste Aufwärmbetrieb, d. h., der Aufwärmbetrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, durchgeführt wird, die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 mit der Zeit allmählich zu und die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 geht über die im Vorhinein eingestellte Aktivierungstemperatur TK hinaus, während der erste Aufwärmbetrieb durchgeführt wird. Sogar, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators über die im Vorhinein eingestellte Aktivierungstemperatur TK derart hinausgeht, wird bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 die vollständige Oxidationsreaktion bei dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis fortgesetzt. Als Nächstes nimmt die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 weiterhin allmählich zu. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel erreicht, wenn die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 700°C erreicht, die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 die im Vorhinein eingestellte Aktivierungstemperatur TK oder geht darüber hinaus. Als Nächstes wird, wenn die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 700°C erreicht, bestimmt, dass bei dem Reformierungskatalysator 54 Kraftstoff reformiert werden kann. Zu diesem Zeitpunkt erreicht die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 die im Vorhinein eingestellte Aktivierungstemperatur TK oder mehr, und daher wird die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion für das Erzeugen von Wasserstoff gestartet. Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zu diesem Zeitpunkt, wie in 9 gezeigt, zuerst der zweite Aufwärmbetrieb durchgeführt, und, wenn der zweite Aufwärmbetrieb vollendet ist, der Normalbetrieb durchgeführt. Dieser zweite Aufwärmbetrieb wird durchgeführt, um Wasserstoff zu erzeugen, während die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 weiter erhöht wird. Wenn der zweite Aufwärmbetrieb gestartet ist, werden die Wärme und der Wasserstoff, welche bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 erzeugt werden, dem Abgasreinigungskatalysator 14 zugeführt. Infolgedessen steigt, wie in 9 gezeigt, die Temperatur des Abgasreinigungskataloysators 14 schnell an.
Andererseits wird der zweite Aufwärmbetrieb fortgesetzt, bis die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB erreicht, und es wird auf den Normalbetrieb umgeschaltet, wenn die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB erreicht. Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass, wenn der zweite Aufwärmbetrieb gestartet ist, der Befehlswert der auszugebenden Wärmemenge (kW) der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, welche für das Erhöhen der Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 auf die Soll-Aufwärmtemperatur erforderlich ist, berechnet wird. In diesem Fall wird der Befehlswert der auszugebenden Wärmemenge (kW) im Wesentlichen auf der Grundlage des Produkts der Temperaturdifferenz zwischen der Soll-Aufwärmtemperatur des Abgasreinigungskatalysators 14 und der aktuellen Abgastemperatur und der Menge des von dem Motor abgegebenen Abgases berechnet. Wenn der Befehlswert der auszugebenden Wärmemenge (kW) der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 berechnet wird, wird die Soll-Kraftstoffzufuhrmenge berechnet, welche für die Erzeugung dieser befohlenen auszugebenden Wärmemenge (kW) erforderlich ist. Wenn der zweite Aufwärmbetrieb gestartet ist, wird die Menge des Kraftstoffs von dem Verbrenner 57 auf diese Soll-Kraftstoffzufuhrmenge eingestellt.
Wenn die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 14 eine feststehende Temperatur überschreitet, wird es möglich, gleichzeitig eine Menge von HC, CO und NO_x, welche in dem Abgas enthalten sind, durch den Abgasreinigungskatalysator 14 in einem Zustand zu reduzieren, in welchem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Im Folgenden wird diese feststehende Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 14 eine Dreiwege-Aktivierungstemperatur TE genannt. Diese Dreiwege-Aktivierungstemperatur TE ist höher als die Aktivierungstemperatur TK für die Oxidationsreaktion von Wasserstoff, und, wie in 9 gezeigt, ist die Dreiwege-Aktivierungstemperatur TE beispielsweise 180°C. Die vorstehend beschriebene Soll-Aufwärmtemperatur des Abgasreinigungskatalysators 14 wird ein wenig höher eingestellt als die Dreiwege-Aktivierungstemperatur TE, und in dem in 9 gezeigten Beispiel ist die Soll-Aufwärmtemperatur des Abgasreinigungskatalysators 14 beispielsweise 220°C. Daher wird bei dem in 9 gezeigten Beispiel die auszugebende Wärmemenge (kW) der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, welche dafür erforderlich ist, die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 auf 220°C zu erhöhen, als Befehlswert eingestellt. Andererseits ist in 10A der Betriebsbereich GG der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, in welchem der zweite Aufwärmbetrieb durchgeführt wird, durch den schraffierten Bereich angezeigt, welcher von den durchgezogenen Linien GL, GU und GS umgeben ist. In 10A zeigt die Ordinate das O₂/C-Molverhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche zur Reaktion gebracht werden, während die Abszisse die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reform ierungskatalysators 54 zeigt.
Wie mit Bezug auf 5 gezeigt, tritt, wenn das O₂/C-Molverhältnis zwischen der Luft und dem Kraftstoff, welche miteinander zur Reaktion gebracht werden, kleiner als 0,5 wird, eine Verkokung auf. Die durchgezogene Linie GL in 10A zeigt die Grenze des O₂/C-Molverhältnisses bezogen auf das Auftreten einer Verkokung. In dem Bereich, in welchem das O₂/C-Molverhältnis kleiner als diese Grenze GL ist, tritt eine Verkokung auf. Wenn die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 niedriger wird, sogar, wenn das O₂/C-Molverhältnis kleiner wird, d. h., sogar, wenn der Grad der Fettheit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses abnimmt, wird sich Kohlenstoff C in den Poren des Substrats des Reformierungskatalysators ablagern, ohne oxidiert zu werden, und eine Verkokung wird auftreten. Daher wird, wie in 10A gezeigt, die Grenze GL des O₂/C-Molverhältnisses, welches eine Verkokung hervorruft, höher, je niedriger die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 wird. Daher werden, um das Auftreten einer Verkokung zu vermeiden, die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion, d. h., der zweite Aufwärmbetrieb, und der Normalbetrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 an der Grenze GL des O₂/C-Molverhältnisses oder über der Grenze GL durchgeführt.
Andererseits zeigt in 10A die durchgezogene Linie GU den oberen Grenzwert des O₂/C-Molverhältnisses, um zu verhindern, dass die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 zu dem Zeitpunkt des zweiten Aufwärmbetriebs über die zulässige Katalysatortemperatur TX der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 hinausgeht, während die durchgezogene Linie GS den oberen Grenzwert der Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 zeigt, um zu verhindern, dass die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 zu dem Zeitpunkt des zweiten Aufwärmbetriebs der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 über die zulässige Katalysatortemperatur TX hinausgeht. Nachdem der zweite Aufwärmbetrieb gestartet ist, wird das O₂/C-Molverhältnis auf 0,5 eingestellt. Wenn die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB erreicht, wenn das O₂/C-Molverhältnis 0,5 ist, wird der Betrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 auf den Normalbetrieb umgeschaltet, und es wird weiterhin Wasserstoff in einem Zustand erzeugt, in welchem die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 bei der Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB gehalten wird.
10B zeigt ein Beispiel der zweiten Aufwärmbetriebssteuerung bis zu dem Umschalten zum Normalbetrieb. Bei dem in 10B gezeigten Beispiel wird, wie durch den Fall gezeigt, wenn die Temperatur der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 700°C erreicht, um das zweite Aufwärmen des Reformierungskatalysators 54 zu unterstützen, die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei einem O₂/C-Molverhältnis von 0,56 gestartet und dann wird die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei einem O₂/C-Molverhältnis von 0,56 fortgesetzt, bis die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 830°C wird. Als Nächstes wird, wenn die Temperatur der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 830°C erreicht, das O₂/C-Molverhältnis bis auf ein O₂/C-Molverhältnis von 0,5 verringert. Als Nächstes geht, wenn das O₂/C-Molverhältnis 0,5 ist, die Reformierungsreaktion bei dem Reformierungskatalysator 54 in den Gleichgewichtszustand über. Im Folgenden wird das O₂/C-Molverhältnis bei 0,5 gehalten und der Betrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 wird auf den Normalbetrieb umgeschaltet.
Auf diese Weise wird, wenn die Reformierungsreaktion in dem Reformierungskatalysator 54 den Gleichgewichtszustand erreicht, wenn die Temperatur TA der Luft, welche mit dem Kraftstoff in Reaktion gebracht wird, hoch ist, wie mit Bezug auf 7 erklärt, die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB höher. Infolgedessen wird die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 höher als die zulässige Katalysatortemperatur TX, sodass sich der Reformierungskatalysator 54 aufgrund der Wärme verschlechtert. Wenn bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das O₂/C-Molverhältnis auf 0,5 gehalten wird, und die Reformierungsreaktion bei dem Reformierungskatalysator 54 im Gleichgewichtszustand ist, wird daher die Zufuhr der Hochtemperaturluft von der Hochtemperaturluftpassage 62 in die Verbrennerbrennkammer 53 gestoppt, und Niedertemperaturluft von der Niedertemperaturluftpassage 63 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 auf 830°C gehalten und daher wird die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 auf der zulässigen Katalysatortemperatur TX oder darunter gehalten. Daher kann eine Verschlechterung des Reformierungskatalysators 54 aufgrund der Wärme verhindert werden, während Wasserstoff durch die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion erzeugt wird.
Bei dem Betriebsbereich GG, welcher in den 10A und 10B gezeigt ist, erreicht, wenn der zweite Aufwärmbetrieb durchgeführt wird, die Reformierungsreaktion bei dem Reformierungskatalysator 54 nicht den Gleichgewichtszustand, sodass, sogar wenn die Lufttemperatur TA hoch ist, die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 nicht zunimmt, wie in 7 gezeigt. Jedoch wird dieser zweite Aufwärmbetrieb in dem Zustand einer hohen Temperatur des Reformierungskatalysators 54 durchgeführt, sodass eine Gefahr besteht, dass die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 aus unbestimmten Gründen letztendlich höher als die zulässige Katalysatortemperatur TX wird. Daher wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, um zu verhindern, dass die Temperatur des Reformierungskatalysators 50 höher als die zulässige Katalysatortemperatur TX wird, zur gleichen Zeit, zu der der zweite Aufwärmbetrieb gestartet wird, die Zufuhr von Hochtemperaturluft von der Hochtemperaturluftpassage 62 zu der Verbrennerbrennkammer 53 unterbrochen und Niedertemperaturluft von der Niedertemperaturluftpassage 63 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt. Das heißt, wie in 9 gezeigt, wird die Temperatur der zugeführten Luft verringert. Danach wird Niedertemperaturluft weiterhin von der Niedertemperaturluftpassage 63 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt, bis der Normalbetrieb endet.
Wie vorstehend beschrieben, wird, wenn die Temperatur TA der Luft, welche mit dem Kraftstoff zur Reaktion gebracht wird, 25°C beträgt, die Gleichgewichtsreaktionstemperatur TB, wenn das O₂/C-Molverhältnis 0,5 ist, 830°C. Daher wird allgemein gesprochen, wenn die Temperatur der Luft, welche mit dem Kraftstoff zur Reaktion gebracht wird, TA °C ist, die Gleichgewichtsreaktionstemperatur TB, wenn das O₂/C-Molverhältnis 0,5 ist, (TA + 805°C). Daher wird bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die Temperatur der Luft, welche mit dem Kraftstoff zur Reaktion gebracht wird, TA ist, wenn der zweite Aufwärmbetrieb gestartet ist, die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei dem O₂/C-Molverhältnis von 0,56 fortgesetzt, bis die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators (TA + 805°C) erreicht. Wenn die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 (TA + 805°C) wird, wird das O₂/C-Molverhältnis auf das O₂/C-Molverhältnis von 0,5 verringert. Wenn das O₂/C-Molverhältnis 0,5 ist, wird das O₂/C-Molverhältnis bei 0,5 gehalten.
Die Temperatur TA der Luft, welche mit dem Kraftstoff, wie vorstehend beschrieben, zur Reaktion gebracht wird, bezeichnet die Temperatur der Luft, welche verwendet wird, wenn die Gleichgewichtsreaktionstemperatur TB, wie in 4 gezeigt, berechnet wird, und ist die Temperatur der Luft, welche nicht durch die Reaktionswärme der Verbrennerverbrennung in der Verbrennerbrennkammer 53 beeinflusst wird. Beispielsweise wird die von der Luftzufuhröffnung 51 zugeführte Luft oder die Luft innerhalb der Luftkammer 60 durch die Reaktionswärme der Verbrennerverbrennung beeinflusst. Diese Luftströme absorbieren die Energie der Reaktionswärme der Verbrennerverbrennung und werden erwärmt. Daher zeigt die Temperatur dieser Luftströme die Temperatur der Luft an, welche bereits in dem Reaktionsprozess ist. Daher ist es nicht die Lufttemperatur bei der Berechnung der Gleichgewichtreaktionstemperatur TB.
Daher wird des erforderlich, die Gleichgewichtsreaktionstemperatur TB zu berechnen, wenn die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion durchgeführt wird, d. h., wenn Niedertemperaturluft von der Niedertemperaturluftpassage 63 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt wird. Daher ist bei der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, um die Temperatur der Luft zu erfassen, welche nicht durch die Reaktionswärme der Verbrennerverbrennung in der Verbrennerbrennkammer 53 beeinflusst ist, wie in 2 gezeigt, der Temperatursensor 73 bei der Niedertemperaturpassage 63 bei der Außenseite des wärmeisolierenden Materials 56 vorgesehen. Die durch diesen Temperatursensor 63 erfasste Temperatur wird als die Temperatur TA der Luft verwendet, wenn die Reaktionstemperatur TB berechnet wird.
Andererseits wird, wenn, wie in 9 gezeigt, ein Stoppbefehl ausgegeben wird, die Kraftstoffzufuhr gestoppt. Zu diesem Zeitpunkt besteht, wenn auch die Luftzufuhr gestoppt wird, die Gefahr, dass der Reformierungskatalysator 54 aufgrund des innerhalb der Wärme- und Wasserstoffversorgungsvorrichtung 50 zurückbleibenden Kraftstoffs eine Verkokung erleidet. Daher wird bei Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, um den innerhalb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 verbleibenden Kraftstoff abzubrennen, wie in 9 gezeigt, für eine Weile, nachdem ein Stoppbefehl ausgegeben worden ist, weiterhin Luft zugeführt.
Auf diese Weise wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, um zu verhindern, dass die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 höher als die zulässige Katalysatortemperatur TX wird, zur gleichen Zeit, zu der der zweite Aufwärmbetrieb gestartet wird, die Zuführung von Hochtemperaturluft von der Hochtemperaturluftpassage 62 zu der Verbrennerbrennkammer 53 gestoppt, und Niedertemperaturluft wird von der Niedertemperaturluftpassage 63 der Brennkammer 53 zugeführt. In anderen Worten wird zu diesem Zeitpunkt die Luftstromroute für das Zuführen der Luft zu der Verbrennerbrennkammer 53 von der Hochtemperaturflussroute zur Zuführung von Hochtemperaturluft auf die Niedertemperaturflussroute zur Zufuhr von Niedertemperaturluft umgeschaltet. Um es zu ermöglichen, die Luftstromroute für die Luftzufuhr der Verbrennerbrennkammer 53 zwischen der Hochtemperaturluftstromroute und der Niedertemperaturluftstromroute auf diese Weise umzuschalten, ist bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Schaltventil vorgesehen, welches aus dem Hochtemperaturluftventil 65 und dem Niedertemperaturluftventil 66 besteht. Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht die Luftflussroute von dem Luftreiniger 67 durch die Niedertemperaturluftpassage 62 zu der Luftzufuhröffnung 61 der Hochtemperaturluftstromroute, während die Luftstromroute von dem Luftreiniger 67 durch die Niedertemperaturluftpassage 63 zu der Luftzufuhröffnung 61 der Niedertemperaturluftstrom route entspricht.
Im Folgenden wird mit Bezugnahme auf 11 der Fall erklärt, in welchem, wenn der Aufwärmbetrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 verändert ist, und die Reformierungsaktion durch den Reformierungskatalysator 54 möglich wird, die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 geringer als die im Vorhinein eingestellte Aktivierungstemperatur TK ist. In 11 sind, ähnlich wie bei der 9, der Betriebszustand der Glühkerze 68, die Zufuhrmenge von Luft von dem Verbrenner 57, die Zufuhrmenge von Kraftstoff von dem Verbrenner 57, das O₂/C-Molverhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche miteinander zur Reaktion gebracht werden, die Temperatur von dem Verbrenner 57 zugeführter Luft, die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 und die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 gezeigt.
In dem in 11 gezeigten Fall wird, wenn der Motor gestartet wird, gleichzeitig die Wärme und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestartet. Wenn der Motor gestartet wird, nimmt die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators sofort ein wenig zu. Als Nächstes wird der erste Aufwärmbetrieb durchgeführt, d. h., während die vollständige Oxidationsreaktion bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 fortschreitet, wird die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 mit der Zeit ein wenig erhöht. Bei dem in 11 gezeigten Beispiel wird jedoch, unähnlich zu dem in 9 gezeigten Fall, wenn eine Reformierungsaktion durch den Reformierungskatalysator 54 möglich wird, d. h., wenn die Temperatur TC einer stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 700°C erreicht, die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 weiterhin auf weniger als der im Vorhinein eingestellten Aktivierungstemperatur TK gehalten.
Der Betriebszustand der Glühkerze 68, die Veränderung der Zufuhrmenge der Luft von dem Verbrenner 57, die Veränderung der Zufuhrmenge des Kraftstoffs von dem Verbrenner 57, die Veränderung des O₂/C-Molverhältnisses, die Veränderung der Temperatur der Luftzufuhr von dem Verbrenner 57 und die Veränderung der Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54, welche in 11 gezeigt sind, von dem Zeitpunkt, zu dem der Betrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestartet wird, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem der erste Aufwärmbetrieb beendet ist, sind dieselben, wie in dem in 9 gezeigten Fall. Daher wird die Erklärung des Betriebszustands der Glühkerze 68, die Veränderung der Zufuhrmenge der Luft von dem Verbrenner 57, die Veränderung der Zufuhrmenge des Kraftstoffs von dem Verbrenner 57, die Veränderung des O₂/C-Molverhältnisses, die Veränderung der Temperatur der Luftzufuhr von dem Verbrenner 57 und die Veränderung der Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54, welcher in 11 gezeigt ist, von dem Zeitpunkt, von dem der Betrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestartet wird, bis der erste Aufwärmbetrieb, d. h., der Aufwärmbetrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 beendet ist, weggelassen.
Wenn, wie in 11 gezeigt, die Reformierungsaktion durch den Reformierungskatalysator 54 möglich wird, d. h., wenn die Temperatur TC der stromabwärtigen Seite des Reformierungskatalysators 54 700°C erreicht, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 weniger als die im Vorhinein eingestellte Aktivierungstemperatur TK ist, wird die vollständige Oxidationsreaktion bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis fortgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird nur Wärme von der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 dem Abgasreinigungskatalysator 14 zugeführt, wodurch die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 mit der Zeit allmählich erhöht wird. Diese vollständige Oxidationsreaktion bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird fortgesetzt, bis die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 die vorherbestimmte Aktivierungstemperatur TK erreicht. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Betriebsmodus, wenn die vollständige Oxidationsreaktion bei einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis durchgeführt wird, von einem Zeitpunkt, zu dem die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 700°C erreicht, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 die im Vorhinein eingestellte Aktivierungstemperatur TK erreicht, als der „Wärmeerzeugungsmodus“, wie in 11 gezeigt, bezeichnet.
Wie in 11 gezeigt, wird, wenn der Betriebsmodus der Wärmeerzeugungsmodus ist, die vollständige Oxidationsreaktion bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines O₂/C-Molverhältnisses von 2,6 durchgeführt. Sogar in dem in 11 gezeigten Fall, wenn aus dem Betriebsmodus der Wärmeerzeugungsmodus gemacht wird, wird der Befehlswert für die auszugebende Wärmemenge (kW) der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, welche dazu erforderlich ist, die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators auf die Soll-Aufwärmtemperatur zu erhöhen, berechnet, und dann die Soll-Kraftstoffzufuhrmenge berechnet, welche für die Erzeugung der befohlenen auszugebenden Wärmemenge (kW) erforderlich ist. Bei dem in 11 gezeigten Beispiel wird, wenn der Betriebsmodus zu dem Wärmeerzeugungsmodus gemacht wird, die Zufuhrmenge von Kraftstoff von dem Verbrenner 57 auf die Soll-Kraftstoffzufuhrmenge erhöht, wie in 11 gezeigt.
Andererseits befindet sich, wenn der Betriebsmodus auf den Wärmeerzeugungsmodus umgeschaltet wird, wie aus 11 ersichtlich, die Reformierungsaktion bei dem Reformierungskatalysator 54 nicht im Gleichgewichtszustand, sodass, sogar, wenn die Lufttemperatur TA hoch ist, die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 nicht zunimmt, wie in 7 gezeigt. Jedoch wird zu dem Zeitpunkt des Wärmeerzeugungsmodus die vollständige Oxidationsreaktion bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem Zustand einer hohen Temperatur des Reformierungskatalysators 54 durchgeführt, sodass die Gefahr besteht, dass die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 aus einem unbestimmten Grund letztendlich höher als die zulässige Katalysatortemperatur TX wird. Daher wird bei der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, um zu verhindern, dass die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 höher als die zulässige Katalysatortemperatur TX wird, wenn der Betriebsmodus der Wärmeerzeugungsmodus wird, gleichzeitig die Zufuhr von Hochtemperaturluft von der Hochtemperaturluftpassage 62 zu der Verbrennerbrennkammer 53 gestoppt und Niedertemperaturluft von der Niedertemperaturluftpassage 63 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt. Das heißt, wie in 11 gezeigt, wird die Temperatur der Luftzufuhr verringert. Danach wird weiterhin Niedertemperaturluft von der Niedertemperaturluftpassage 63 an die Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt.
Wenn andererseits der Betriebsmodus auf den Wärmeerzeugungsmodus umgestellt wird, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 die im Vorhinein eingestellte Aktivierungstemperatur TK erreicht, wird das O₂/C-Molverhältnis von 2,6 auf 0,5 verändert, und der Normalbetrieb wird gestartet. Zu diesem Zeitpunkt wird die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei dem O₂/C-Molverhältnis von 0,5 durchgeführt und die Wärme und der Wasserstoff, welche bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 erzeugt werden, werden dem Abgasreinigungskatalysator 14 zugeführt. Infolgedessen wird, wie in 11 gezeigt, die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 schnell bis auf die Soll-Aufwärmtemperatur erhöht. Im Folgenden wird, wenn ein Stoppbefehl ausgegeben wird, wie in 11 gezeigt, die Zufuhr von Kraftstoff gestoppt und nach einer Weile die Luftzufuhr gestoppt.
Im Folgenden wird die Wärme- und Wasserstofferzeugungssteuerungsroutine, welche in 12 bis 15 gezeigt ist, beschrieben. Diese Wärme- und Wasserstofferzeugungssteuerungsroutine wird durchgeführt, wenn der Startschalter 43 bzw. Zündungsschalter des Motors, welcher in 1 gezeigt ist, angeschaltet wird, oder, wenn während des Motorbetriebs die Temperatur des Reformierungskatalysators 54 beispielsweise von der Soll-Aufwärmtemperatur abfällt. Der Zündungsschalter 43 des Motors wird manchmal manuell durch einen Fahrer betätigt und manchmal automatisch angeschaltet, wie beispielsweise in einem Hybridfahrzeug, welches einen Motor und einen elektrischen Motor als eine Antriebsquelle verwendet.
Wenn die Wärme- und Wasserstofferzeugungsroutine durchgeführt wird, wird zuerst in Schritt 100 der 12 basierend auf dem Ausgabesignal des Temperatursensors 41 bestimmt, ob die Temperatur TCU der stromaufwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 eine Temperatur ist, bei welcher eine Oxidationsreaktion auf der stromaufwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 durchgeführt werden kann, beispielsweise > 300°C. Wenn die Temperatur TCU der stromaufwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 300°C oder weniger ist, rückt die Routine zu Schritt 101 vor, bei welchem die Glühkerze 68 angeschaltet wird. Als Nächstes wird in Schritt 102 bestimmt, ob ein fester Zeitraum, ausgehend von einem Zeitpunkt, zu dem die Glühkerze 68 angeschaltet worden ist, verstrichen ist. Wenn der festgelegte Zeitraum abgelaufen ist, rückt die Routine zu Schritt S103 vor.
In Schritt S103 wird die Soll-Luftzufuhrmenge QA zu dem Zeitpunkt des Startens und des Zündbetriebs berechnet. Die Soll-Luftzufuhrmenge QA ist in dem ROM im Vorhinein gespeichert. Als Nächstes wird eine elektrische Antriebsenergie für die Pumpe, welche für das Abgeben dieser Soll-Luftzufuhrmenge QA von der Luftpumpe 64 benötigt wird, der Luftpumpe 64 zugeführt, und von der Luftpumpe 64 wird Luft mit der Soll-Luftzufuhrmenge QA abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird von der Luftpumpe 64 abgegebene Luft durch den Hochtemperaturluftpassagenpfad 62 zu der Verbrennerbrennkammer 53 abgegeben. Wenn der Betrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestoppt ist, wird das Hochtemperaturluftventil 65 geöffnet und das Niedertemperaturluftventil 66 geschlossen. Daher wird, wenn die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 betrieben wird, Luft durch die Hochtemperaturluftpassage 62 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt.
Als Nächstes wird in Schritt S105 die Temperatur TG der Glühkerze 68 aus dem Widerstandwert der Glühkerze 68 berechnet. Als Nächstes wird in Schritt 106 bestimmt, ob die Temperatur TG der Glühkerze 68 über 700°C hinausgeht. Wenn bestimmt worden ist, dass die Temperatur TG der Glühkerze 68 nicht über 700°C hinausgeht, kehrt die Routine zu Schritt S103 zurück. Wenn im Gegensatz dazu bestimmt worden ist, dass die Temperatur TG der Glühkerze 68 über 700°C hinausgeht, wird bestimmt, dass eine Zündung möglich ist, und die Routine rückt zu Schritt S107 vor.
In Schritt S107 wird der Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFI, beispielsweise die Kraftstoffeinspritzventiltreiberspannung oder der Kraftstoffeinspritzventiltreiberstrom, welcher notwendig ist, um Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 68 mit der Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF zu dem Zeitpunkt des Startens und des Zündbetriebs einzuspritzen, berechnet. Die Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFI und der Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF ist in dem ROM 32 im Vorhinein abgespeichert. Als Nächstes wird in Schritt S108 durch ein Multiplizieren des Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswerts QFI mit einem Lernwert KG der finale Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO (= KG • QFI) berechnet. Dieser Lernwert KG wird später beschrieben. Als Nächstes wird in Schritt 109 die Kraftstoffmenge, welche dem finalen Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO entspricht, von dem Kraftstoffeinspritzventil 58 in die Verbrennerbrennkammer eingespritzt. Als Nächstes wird in Schritt 110 auf der Grundlage des Ausgangssignals des Temperatursensors 71 die Temperatur TCU der stromaufwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 erfasst. Als Nächstes wird in Schritt 111 aus dem Ausgangssignal des Temperatursensors 71 bestimmt, ob der Kraftstoff gezündet worden ist.
Wenn der Kraftstoff gezündet worden ist, nimmt die Temperatur TCU der stromaufwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 sofort zu. Daher kann aus dem Ausgangssignal des Temperatursensors 71 bestimmt werden, ob der Kraftstoff gezündet worden ist. Wenn in Schritt 111 bestimmt worden ist, dass der Kraftstoff noch nicht gezündet worden ist, kehrt die Routine zu Schritt 107 zurück, während, wenn in Schritt 111 bestimmt worden ist, dass der Kraftstoff gezündet worden ist, die Routine zu Schritt 112 vorrückt, bei dem die Glühkerze 68 abgeschaltet wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 113 vor. Wenn der Kraftstoff gezündet worden ist, wird die Temperatur TCD bei der stromaufwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 sofort eine Temperatur, bei welcher eine Oxidationsreaktion auf der stromaufwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 durchgeführt werden kann, beispielsweise 300°C oder mehr. Auf der anderen Seite rückt, wenn in Schritt 100 bestimmt worden ist, dass die Temperatur TCU bei der stromaufwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 300°C oder mehr ist, die Routine zu Schritt 113 vor.
Von Schritt 113 bis Schritt 118 wird ein erster Aufwärmbetrieb durchgeführt. Das heißt, in Schritt 113 wird der Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFI, welcher erforderlich ist, um Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil mit der Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF zu dem Zeitpunkt des ersten Aufwärmbetriebs einzuspritzen, berechnet. Die Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFI und der Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF zu dem Zeitpunkt des ersten Aufwärmbetriebs ist in dem ROM 32 im Vorhinein gespeichert. Als Nächstes wird in Schritt S114 durch das Multiplizieren des Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswerts QFI mit dem Lernwert KG der finale Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO (= KG • QFI) berechnet. Als Nächstes wird in Schritt S115 die Soll-Luftzufuhrmenge QA, welche notwendig ist, um das O₂/C-Molverhältnis auf 3,0 zu bringen, aus der Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF zu dem Zeitpunkt des ersten Aufwärmbetriebs berechnet. Als Nächstes wird in Schritt 116 die Kraftstoffmenge, welche diesem finalen Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO entspricht, von dem Kraftstoffeinspritzventil 58 in die Verbrennerbrennkammer 53 eingespritzt. Als Nächstes wird in Schritt S117 eine elektrische Energie zum Antreiben der Pumpe, welche notwendig ist, um die Soll-Luftzufuhrmenge QA zum dem Zeitpunkt des ersten Aufwärmbetriebs von der Luftpumpe 64 abzugeben, der Luftpumpe 64 zugeführt und Luft in Höhe der Luftzufuhrmenge QA wird von der Luftpumpe 64 abgegeben.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, wenn der erste Aufwärmbetrieb durchgeführt wird, wie in 9 und 11 gezeigt, die zugeführte Luftmenge und die Kraftstoffzufuhrmenge stufenweise erhöht. Als Nächstes wird in Schritt S118 basierend auf dem Ausgabesignal des Temperatursensors 72 bestimmt, ob die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 über 700°C hinausgeht. Wenn bestimmt worden ist, dass die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 4 nicht über 700°C hinausgeht, kehrt die Routine zu Schritt S113 zurück, bei welchem der erste Aufwärmbetrieb fortgesetzt wird. Wenn im Gegensatz dazu bestimmt worden ist, dass die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 über 700 °C hinausgeht, rückt die Routine zu Schritt S119 vor. In Schritt 119 ist das Niedertemperaturluftventil geöffnet, während in Schritt S120 das Hochtemperaturluftventil 65 geschlossen ist. Daher wird zu diesem Zeitpunkt Luft durch die Niedertemperaturluftpassage 63 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt S121 vor.
In Schritt S121 wird basierend auf dem ausgegebenen Signal des Temperatursensors 25 bestimmt, ob die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 höher als die Aktivierungstemperatur TK ist. Wenn in Schritt S121 bestimmt wird, dass die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 höher als die Aktivierungstemperatur TK ist, rückt die Routine zu Schritt S122 vor, bei dem, wie in 9 gezeigt, der zweite Aufwärmbetrieb gestartet wird. Das heißt, bei Schritt S122 wird das O₂/C-Molverhältnis bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 derart gesteuert, dass das O₂/C-Molverhältnis 0,56 wird. Diese Steuerung des O₂/C-Molverhältnisses wird unter Verwendung der in 16 gezeigten Steuerungsroutine durchgeführt.
Mit Bezug auf 16 wird zuerst in Schritt S150 der angeforderte Wert der auszugebenden Wärmemenge (kW) der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung, welche dafür erforderlich ist, die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 auf die Soll-Aufwärmtemperatur zu erhöhen, berechnet. Als Nächstes wird in Schritt S151 die Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF, welche für das Erzeugen dieses angeforderten Wertes der auszugebenden Wärmemenge (kW) erforderlich ist, berechnet. Als Nächstes wird in Schritt S152 die Soll-Luftzufuhrmenge QA, welche notwendig ist, um das O₂/C-Molverhältnis auf das Soll-O₂/C-Molverhältnis zu bringen, aus der Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF berechnet. Wenn in Schritt S122 der 14 die Steuerung des O₂/C-Molverhältnisses durchgeführt wird, indem die in 16 gezeigte Steuerungsroutine verwendet wird, wird das Soll-O₂/C-Molverhältnis auf 0,56 eingestellt. Als Nächstes wird in Schritt S153 bestimmt, ob ein Befehlswert, welcher anzeigt, dass der angeforderte Wert der auszugebenden Wärmemenge (kW) der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 reduziert werden sollte, ausgegeben ist. Dieser angeforderte Ausgabereduktionsbefehl wird später beschrieben. Der Reduktionsbefehl der angeforderten Ausgabe wird normalerweise nicht ausgegeben, und demgemäß springt die Routine normalerweise von Schritt S153 auf Schritt S155.
In Schritt S155 wird der Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFI, welcher dazu erforderlich ist, Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 58 mit der Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF, welche in Schritt S150 berechnet ist, einzuspritzen, berechnet. Die Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFI und der Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF ist in dem ROM 32 im Vorhinein gespeichert. Als Nächstes wird in Schritt S156 der finale Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO (= KG • QFI) berechnet, indem der Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFI mit dem Lernwert KG multipliziert wird. Als Nächstes wird in Schritt S157 die Kraftstoffmenge, welche diesem finalen Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO entspricht, von dem Kraftstoffeinspritzventil 58 in die Verbrennerbrennkammer 53 eingespritzt. Als Nächstes wird in Schritt S158 eine elektrische Energie zum Antreiben der Pumpe, welche erforderlich ist, um die in Schritt S152 berechnete Soll-Luftzufuhrmenge QA von der Luftpumpe 64 abzugeben, der Luftpumpe 64 geliefert, und von der Luftpumpe 64 wird Luft mit der Soll-Zufuhrluftmenge QA abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion gestartet und bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 werden Wärme und Wasserstoff erzeugt. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt S123 der 14 vor.
In Schritt S123 der 14 wird bestimmt, ob die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 die Summe (TA + 805 °C) der Lufttemperatur TA, welche durch den Temperatursensor 73 erfasst worden ist, und 805°C erreicht. Wie vorstehend beschrieben, zeigt diese Temperatur (TA + 805°C) die Reaktionsgleichgewichtstemperatur TB an, wenn die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion durch ein O₂/C-Molverhältnis von 0,5 bei einer Lufttemperatur von TA°C durchgeführt wird. Daher wird in Schritt S123 bestimmt, ob die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 die Reaktionsgleichgewichtstemperatur (TA + 805°C) erreicht.
Wenn bestimmt worden ist, dass die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 die Reaktionsgleichgewichtstemperatur (TA + 805°C) nicht erreicht, kehrt die Routine zu Schritt S122 zurück, bei dem das O₂/C-Molverhältnis unter Verwendung der in 16 gezeigten Steuerungsroutine weiterhin derart gesteuert wird, dass das O₂/C-Molverhältnis 0,56 wird. Im Gegensatz dazu rückt, wenn in Schritt S123 bestimmt worden ist, dass die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 die Reaktionsgleichgewichtstemperatur (TA + 805°C) erreicht, die Routine zu Schritt S124 vor, wobei, in einem Zustand, in welchem eine Abgabemenge der Luftpumpe 15 konstant gehalten wird, die Menge der Kraftstoffeinspritzung allmählich bis zu der Soll-Kraftstoffzufuhrmenge erhöht wird, welche dafür erforderlich ist, das O₂/C-Molverhältnis auf 0,5 einzustellen. Infolgedessen nimmt das O₂/C-Molverhältnis allmählich ab. Als Nächstes wird in Schritt S125 bestimmt, ob das O₂/C-Molverhältnis 0,5 wird. Wenn bestimmt worden ist, dass das O₂/C-Molverhältnis nicht 0,5 wird, kehrt die Routine zu Schritt S124 zurück. Im Gegensatz dazu wird, wenn in Schritt 125 bestimmt worden ist, dass das O₂/C-Molverhältnis 0,5 wird, bestimmt, dass der zweite Aufwärmbetrieb beendet ist. Wenn bestimmt ist, dass der zweite Aufwärmbetrieb beendet ist, rückt die Routine zu Schritt S128 vor, bei dem ein Normalbetrieb durchgeführt wird.
Wenn andererseits in Schritt S121 bestimmt worden ist, dass die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 40 niedriger als die Aktivierungstemperatur TK ist, rückt die Routine zu Schritt S126 vor, wo, wie in 11 gezeigt, der Betriebsmodus auf den Wärmeerzeugungsmodus umgeschaltet wird. Das heißt, in Schritt S126 wird das O₂/C-Molverhältnis derart gesteuert, dass das O₂/C-Molverhältnis das Soll-O₂/C-Molverhältnis von 2,6 wird, indem die in 16 gezeigte Steuerungsroutine verwendet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Kraftstoffmenge, welche dem finalen Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO entspricht, welcher durch in die 16 gezeigte Steuerungsroutine berechnet worden ist, von dem Kraftstoffeinspritzventil 58 in die Verbrennerbrennkammer 53 eingespritzt und von der Luftpumpe 64 wird Luft mit der Soll-Luftzufuhrmenge QA, welche durch die in 16 gezeigte Steuerungsroutine berechnet worden ist, abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird die vollständige Oxidationsreaktion bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis des O₂/C-Molverhältnisses von 2,6 fortgesetzt und dem Abgasreinigungskatalysator 14 wird nur Wärme zugeführt. Als Nächstes wird in Schritt S127 bestimmt, ob die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 die Aktivierungstemperatur TK erreicht. Wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 nicht die Aktivierungstemperatur TK erreicht, kehrt die Routine zu Schritt S126 zurück. Im Gegensatz dazu rückt, wenn in Schritt S127 bestimmt worden ist, dass die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 die Aktivierungstemperatur TK erreicht, die Routine zu Schritt S128 vor, bei dem der Normalbetrieb durchgeführt wird.
Es gibt bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu einem Zeitpunkt des normalen Betriebs zwei Operationsmodi: Konkret können ein Wärme- und Wasserstofferzeugungsbetriebsmodus und ein Wärmeerzeugungsbetriebsmodus ausgewählt werden. Der Wärme- und Wasserstofferzeugungsbetriebsmodus ist ein Betriebsmodus, in welchem eine teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei dem O₂/C-Molverhältnis von 0,5 durchgeführt wird. In diesem Wärme- und Wasserstofferzeugungsmodus werden Wärme und Wasserstoff erzeugt. Der Wärmeerzeugungsbetriebsmodus ist beispielsweise ein Betriebsmodus, in welchem die vollständige Oxidationsreaktion bei dem O₂/C-Molverhältnis von 2,6 durchgeführt wird. Bei diesem Wärmeerzeugungsbetriebsmodus wird kein Wasserstoff erzeugt. Nur Wärme wird erzeugt. Der Wärme- und Wasserstofferzeugungsbetriebsmodus und der Wärmeerzeugungsbetriebsmodus werden selektiv in Übereinstimmung mit den Erfordernissen verwendet.
In Schritt S128 wird bestimmt, ob der Modus der Wärme- und Wasserstofferzeugungsbetriebsmodus ist. Wenn in Schritt 128 bestimmt worden ist, dass der Modus der Wärme- und Wasserstofferzeugungsbetriebsmodus ist, rückt die Routine zu Schritt 128 vor, wo das O₂/C-Molverhältnis derart gesteuert wird, dass das O₂/C-Molverhältnis 0,5 wird, indem die in 16 gezeigte Steuerungsroutine verwendet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Kraftstoffmenge, welche dem finalen Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO entspricht, welcher durch die in 16 gezeigte Steuerungsroutine berechnet worden ist, von dem Kraftstoffeinspritzventil 58 in die Verbrennerbrennkammer 53 eingespritzt, und von der Luftpumpe 64 Luft mit der Soll-Luftzufuhrmenge QA abgegeben, welche durch die in 16 gezeigte Steuerungsroutine berechnet worden ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion bei einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis des O₂/C-Molverhältnisses von 0,5 durchgeführt und dem Abgasreinigungskatalysator werden Wärme und Wasserstoff zugeführt. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt S131 vor.
Wenn andererseits in Schritt S128 bestimmt wird, dass der Modus nicht der Wärme- und Wasserstofferzeugungsbetriebsmodus ist, d. h., wenn bestimmt worden ist, dass der Modus der Wärmeerzeugungsbetriebsmodus ist, rückt die Routine zu Schritt S130 vor, bei dem das O₂/C-Molverhältnis unter Verwendung der in 16 gezeigten Steuerungsroutine derart gesteuert wird, dass das O₂/C-Molverhältnis 2,6 wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Kraftstoffmenge, welche dem finalen Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO entspricht, und welche durch die in 16 gezeigte Steuerungsroutine berechnet worden ist, von dem Kraftstoffeinspritzventil 58 in die Verbrennerbrennkammer 53 eingespritzt, und von der Luftpumpe 64 wird Luft mit der durch die in 16 gezeigte Steuerungsroutine berechneten Soll-Luftzufuhrmenge QA abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird die vollständige Oxidationsreaktion bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis des O₂/C-Molverhältnisses von 2,6 durchgeführt und dem Abgasreinigungskatalysator wird nur Wärme zugeführt. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt S131 vor.
In Schritt S131 wird bestimmt, ob der Betrieb des Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestoppt wird. In diesem Fall wird, bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn der Normalbetrieb für eine fixe Zeitperiode beibehalten wird, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 die Soll-Aufwärmtemperatur erreicht, oder wenn ein Befehl für das Stoppen des Betriebs der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 aus einem anderen Grund ausgegeben wird, bestimmt, dass der Betrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestoppt werden sollte. Wenn in Schritt S131 bestimmt worden ist, dass der Betrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 nicht gestoppt werden sollte, kehrt die Routine zu Schritt S128 zurück, bei dem der normale Betrieb fortgesetzt wird.
Wenn, im Gegensatz dazu, in Schritt 131 bestimmt wird, dass der Betrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestoppt werden sollte, rückt die Routine zu Schritt 132 vor, bei dem die Kraftstoffeinspritzung von dem Verbrenner 57 gestoppt wird. Als Nächstes wird in Schritt S133, um den verbleibenden Kraftstoff abzubrennen, weiterhin Luft von der Luftpumpe 64 zugeführt. Als Nächstes wird in Schritt 134 bestimmt, ob eine feststehende Zeitspanne verstrichen ist. Wenn bestimmt worden ist, dass die feststehende Zeitspanne noch nicht abgelaufen ist, rückt die Routine zu Schritt 133 vor. Wenn, im Gegensatz dazu, in Schritt S134 bestimmt wird, dass die fixe Zeitspanne abgelaufen ist, rückt die Routine zu Schritt S135 vor, bei dem der Betrieb der Luftpumpe 64 gestoppt wird und somit die Zufuhr von Luft zu der Verbrennerbrennkammer 53 gestoppt wird. Als Nächstes wird in Schritt S136 das Niedertemperaturluftventil 66 geschlossen, während in Schritt S137 das Hochtemperaturluftventil 65 geöffnet wird. Als Nächstes wird, wenn der Betrieb der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 gestoppt wird, das Niedertemperaturluftventil 66 geschlossen und das Hochtemperaturluftventil 65 geöffnet gehalten.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 17 die Steuerungsroutine für das Beschränken der Zunahme der Katalysatortemperatur beschrieben. Diese Routine wird durch ein Unterbrechen für ein jedes feststehendes Zeitintervall durchgeführt. Mit Bezugnahme auf 17 wird zuerst in Schritt S160 die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reform ierungskatalysators 54, welche durch den Temperatursensor 72 erfasst worden ist, ausgelesen. Dann wird in Schritt S161 bestimmt, ob die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 über die zulässige Katalysatortemperatur TX hinausgeht. Wenn bestimmt worden ist, dass die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 nicht über die zulässige Katalysatortemperatur TX hinausgeht, wird der Verarbeitungszyklus beendet.
Wenn im Gegensatz dazu in Schritt S161 bestimmt wird, dass die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 über die zulässige Katalysatortemperatur TX hinausgeht, rückt die Routine zu Schritt S162 vor, bei dem das Niedertemperaturluftventil 66 geöffnet wird. Als Nächstes wird in Schritt S163 das Hochtemperaturluftventil 65 geschlossen. Als Nächstes wird der Verarbeitungszyklus beendet. Das heißt, während des Betriebs der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 wird, wenn die Temperatur TC der stromabwärtigen Seitenendfläche des Reformierungskatalysators 54 über die zulässige Katalysatortemperatur TX hinausgeht, die Luftstromroute für die Zufuhr der Luft an die Verbrennerbrennkammer 53 von der Hochtemperaturluftstromroute für das Zuführen von Hochtemperaturluft auf die Niedertemperaturluftstromroute für die Zufuhr von Niedertemperaturluft umgeschaltet, wodurch die der Verbrennerbrennkammer 53 zur Verbrennung zugeführte Luft in ihrer Temperatur reduziert werden kann.
Als Nächstes wird mit Bezug auf 18 die Struktur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 23 der stromaufwärtigen Seite und des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors 24 der stromabwärtigen Seite, welche in 1 gezeigt sind, kurz erklärt. Der stromaufwärtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 23 und der stromabwärtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 24, welche in 1 gezeigt sind, bestehen aus Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren des Grenzstromtyps und weisen die gleichen Strukturen auf. Ein jeder dieser Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24 ist mit einer festen Elektrolytschicht 80, welche aus Zirkonia besteht, einer Abgasseitenelektrode 81, welche auf einer Seitenoberfläche angeordnet ist, einer Atmosphärenseitenelektrode 82, welche auf der anderen Seitenoberfläche angeordnet ist, einer Diffusionsregulierungsschicht 83, welche die Geschwindigkeit der Diffusion des passierenden Gases, beispielsweise des Abgases, reguliert, einer Bezugsgaskammer 84 und einem Heizerteil 85 ausgestattet, welches den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 23 oder 24 aufheizt. Die Abgasseitenelektrode 81 und die Atmosphärenseitenelektrode 82 sind aus Platin oder einem anderen Edelmetall ausgeformt, während die Diffusionsregulierungsschicht 82 aus Aluminiumoxid oder einem anderen porösen Sinterkörper besteht.
Wie in 18 gezeigt, wird eine an den Sensor angelegte Spannung V zwischen der Abgasseitenelektrode 81 und der Atmosphärenseitenelektrode 82 durch eine Steuerungsvorrichtung 86 der angelegten Spannung angelegt, welche durch die elektronische Steuerungseinheit 30 gesteuert wird. Wenn die an den Sensor angelegte Spannung V angelegt wird, wird der Stromwert I des Stromes, welcher die Elektrolytschicht 80 passiert und zwischen den Elektroden 81 und 82 fließt, durch einen Stromsensor 87 erfasst. Der durch diesen Stromsensor 87 erfasste Stromwert ist der ausgegebene Stromwert I der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24 und der ausgegebene Stromwert I der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24 wird in die elektronische Steuerungseinheit 30 eingegeben.
Die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24, welche derart konfiguriert sind, haben eine Spannungs-Strom-(V-I)-Charakteristik, wie sie in 19 gezeigt ist. Wie sich aus 19 ergibt, wird der ausgegebene Stromwert I der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24 größer, je höher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24 umströmenden Gases, beispielsweise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des Abgases, wird, d. h., je magerer das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des Abgases wird. 20 zeigt das Verhältnis zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24 umströmenden Gases und des ausgegebenen Stromwerts I, wenn die angelegte Spannung V auf einer konstanten Spannung von ca. 0,45 V gehalten wird (gestrichelte Linie in 19). Wie sich aus 20 ergibt, wird, je höher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24 umströmenden Gases wird, d. h., je magerer das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24 umströmenden Gases wird, desto größer der ausgegebene Stromwert I der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24 umströmenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wird der ausgegebene Stromwert I der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 23 und 24 null.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Dreiwegekatalysator als der Abgasreinigungskatalysator 14 verwendet. Dieser Dreiwegekatalysator besteht aus einem Katalysator, welcher gleichzeitig das in dem Gas enthaltene HC, CO und NO_x reduzieren kann, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in dem Dreiwegekatalysator strömenden Gases, beispielsweise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Wenn daher der Dreiwegekatalysator als der Abgasreinigungskatalysator 14 verwendet wird, muss das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 strömenden Gases auf dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten werden. Daher wird während des Betriebs des Motors das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 strömenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird.
Andererseits wird, wie vorstehend beschrieben, bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 Kraftstoff bei einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis verbrannt. Wenn die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 betrieben wird, wird Verbrennungsgas mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder Verbrennungsgas mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis dem Abgasreinigungskatalysator 14 von der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 über die Zufuhrpassage 51 zugeführt. Daher ist, wenn die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 betrieben wird, sogar, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases nicht mehr das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis und das in dem Gas enthaltene HC, CO und NO_x kann nicht mehr entfernt werden. Daher wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, sogar, wenn die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 betrieben wird, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases derart gesteuert, dass es das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 das Soll-O₂/C-Molverhältnis, welches dem Betriebszustand entspricht, im Vorhinein eingestellt. Wenn beispielsweise eine teilweise Oxidationsreformierungsaktion durchgeführt wird, wird das Soll-O₂/C-Molverhältnis auf 0,5 eingestellt, während, wenn die vollständige Oxidationsreaktion durchgeführt wird, das Soll-O₂/C-Molverhältnis auf 2,6 eingestellt wird. Andererseits wird, wie vorstehend beschrieben, wenn das O₂/C-Molverhältnis 1,4575 ist, das Verhältnis von Luft und Kraftstoff das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. In diesem Fall entspricht, unter Berücksichtigung der Tatsache, dass das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis 14,6 ist, ein O₂/C-Molverhältnis von 0,5 einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von 5,0, während ein O₂/C-Molverhältnis von 2,6 einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von 26,0 entspricht. Daher kann gesagt werden, dass bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches einem Betriebszustand entspricht, im Vorhinein eingestellt ist, und, beispielsweise wenn die teilweise Oxidierungsreformierungsreaktion durchgeführt wird, dieses eingestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf 5,0 eingestellt wird, während, wenn die vollständige Oxidationsreaktion durchgeführt wird, das eingestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf 26,0 eingestellt wird.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases in Übereinstimmung mit dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 derart eingestellt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Das heißt, wenn das eingestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, während, wenn das eingestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Durch eine derartige Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des von dem Motor abgegebenen Abgases wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases auf dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten. Infolgedessen kann in dem Abgasreinigungskatalysator 14 das in dem Gas enthaltene CH, CO und NO_x gleichzeitig reduziert werden.
Das heißt, bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 durch die Verbrennung von Kraftstoff und Luft nur Wärme oder Wärme und Wasserstoff erzeugen, der Abgasreinigungskatalysator 14 ist in der Motorabgaspassage angeordnet und kann gleichzeitig HC, CO und NO_x, welches in dem einströmenden Gas enthalten ist, reduzieren, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Gases ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, die elektronische Steuerungsvorrichtung 30 ist vorgesehen, und das von der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung abgegebene Verbrennungsgas wird dem Abgasreinigungskatalysator 14 zugeführt. In diesem Fall ist die elektronische Steuerungseinheit 30 dazu ausgelegt, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis der in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebrachten Luft und des Kraftstoffs auf ein vorherbestimmtes, eingestelltes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, und die elektronische Steuerungseinheit 30 ist dazu ausgelegt, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf ein eingestelltes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, welches dafür erforderlich ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysators 14 strömenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Übereinstimmung mit dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffs, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht werden, auf das vorbestimmte, eingestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt ist.
Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in diesem Fall die Summe der Luftmenge, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht wird, und der Luftmenge, welche in dem Motor zum Brennen gebracht wird, und die Summe der Kraftstoffmenge, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht wird, und der Kraftstoffmenge, welche in dem Motor zum Brennen gebracht wird, berechnet, und das angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, welches dafür erforderlich ist, das Verhältnis der vorstehend beschriebenen Summe der Luftmenge und der vorstehend beschriebenen Summe der Kraftstoffmenge auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, welches dafür erforderlich ist, das Verhältnis der Summe der Luftmenge, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht wird und der Luftmenge, welche in dem Motor zum Brennen gebracht wird, und die Summe der Kraftstoffmenge, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht wird, und der Kraftstoffmenge, welche in dem Motor zum Brennen gebracht wird, auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird. In anderen Worten wird das angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, wodurch das Verhältnis der Summe der Luftmenge, welche in dem Motor und in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht wird, und die Summe der Kraftstoffmenge, welche in dem Motor und der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht wird, das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. In diesem Fall wird besonders das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf das angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis basierend auf dem Ausgabesignal des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 23 eingestellt.
Wenn auf diese Weise das Luft-Kraftstoffverhältnis des von dem Motor abgegebenen Gases in Übereinstimmung mit dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 angepasst wird, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 strömenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, und wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht werden, präzise dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 strömenden Gases auf dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten. In der Realität jedoch wird aufgrund eines Verschleißes etc. manchmal das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht werden, nicht präzise dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechen.
Daher wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases präzise auf der Grundlage des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 23 in Übereinstimmung mit dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 eingestellt, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Zu diesem Zeitpunkt wird durch den stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 23 erfasst, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 strömenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Gasreinigungskatalysator 14 strömenden Gases nicht das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, entspricht das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht werden, nicht präzise dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Wenn in diesem Fall die Steuerung der Menge der Luftzufuhr oder der Menge der Kraftstoffzufuhr zu der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 derart erfolgt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zugeführten Luft und des Kraftstoffes das eingestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebrachten Luft und des Kraftstoffes präzise dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechen.
Wenn in diesem Fall erfasst wird, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebrachten Luft und des Kraftstoffes durch einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasst wird, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes basierend auf dem Ausgabesignal dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gesteuert wird, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht werden, präzise dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechen. Wenn jedoch die teilweise Oxidationsreformierungsreaktion in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 durchgeführt wird, wird Wasserstoff erzeugt. Daher enthält das durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasste Gas Wasserstoff. Wenn jedoch das erfasste Gas Wasserstoff enthält, wird der Wasserstoff schnell in die Diffusionsregulierungsschicht 53 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors diffundieren, ohne in irgendeiner Weise groß reguliert zu werden, und so wird das durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der fetten Seite abweichen. Daher ist es, wenn das Verbrennungsgas Wasserstoff enthält, schwierig, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gases durch einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor präzise zu erfassen. Weiterhin kann mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor von einer einfachen Struktur, wie er in 18 gezeigt ist, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 5,0 oder ein ähnliches fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht erfasst werden. Daher ist es schwierig, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht werden, durch einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor zu erfassen, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht werden, basierend auf dem Ausgabesignal des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors derart zu steuern, dass es präzise dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht.
Wie vorstehend beschrieben, kann, wenn die Zufuhrmenge der Luft oder die Zufuhrmenge des Kraftstoffes an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 derart gesteuert wird, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysators 14 strömenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht werden, präzise dem eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechen. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 strömenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, enthält das von dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmende Gas fast keinen Wasserstoff und daher kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Gases durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor genau erfasst werden. Daher wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Zufuhrmenge der Luft oder die Zufuhrmenge des Kraftstoffes an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 basierend auf dem stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 24 gesteuert, welcher stromabwärts von dem Abgasreinigungskatalysator 14 angeordnet ist, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 strömenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Für diesen Zeitpunkt wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht werden, derart eingestellt, dass es präzise dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht. Daher kann gesagt werden, dass bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht werden, basierend auf dem stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 24 auf das eingestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird.
Andererseits wird der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor durch Wasserstoff, wie in 1 gezeigt, beeinflusst, und der stromaufwärtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 23 ist in der Abgasleitung 13 stromaufwärts von der Zufuhröffnung 51A der Abgasleitung 13 des von der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 15 abgegebenen Verbrennungsgases angeordnet. Das heißt, bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der stromaufwärtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 23 in der Motorabgaspassage stromaufwärts von der Zufuhröffnung 51A zu der Motorabgaspassage des von der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 abgegebenen Verbrennungsgases angeordnet, der stromabwärtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 24 ist in der Motorabgaspassage stromabwärts von dem Abgasreinigungskatalysator 14 angeordnet, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases wird basierend auf dem stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert, welches dafür erforderlich ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysators 1 strömenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht werden, wird basierend auf dem stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 auf das angepasste bzw. eingestellte Soll-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt.
In diesem Fall wird bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn in einem Zustand, in welchem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases basierend auf dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 23 auf der stromaufwärtigen Seite auf das vorstehend beschriebene angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, durch den stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 24 erfasst, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Abgas-Reinigungs-Katalysator 14 ausströmenden Gases von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht. Wenn durch den stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 24 erfasst worden ist, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Gases von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zum Brennen gebracht werden, derart gesteuert, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird.
Wenn ein Beispiel der bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführten Steuerung erklärt wird, werden das Soll-O₂/C-Molverhältnis, welches dem Betriebszustand der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 entspricht, die Sollmenge der Luftzufuhr QA an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, und die Sollmenge der Kraftstoffzufuhr QF an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 im Vorhinein eingestellt. Andererseits wird die Zufuhrmenge des Kraftstoffes GF aus einem für den Motor geforderten Drehmoment bestimmt. In diesem Fall wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysators 14 einströmenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (= 14,6) einzustellen, die Luftzufuhrmenge GA an den Motor gemäß der folgenden Formel eingestellt.
Luftzufuhrmenge GA an den Motor = (Kraftstoffzufuhrmenge GF an den Motor + Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50) • 14,6 - Luftzufuhrmenge QA an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50).
Das heißt, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, welches von dem Motor abgegeben wird, muss auf das Soll-Kraftstoff-Luft-Verhältnis (A/F)₀ = GA/GF = ((GF + QF) • 14,6 - QA/GF)) gesteuert werden.
Daher wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Luftzufuhrmenge GA an den Motor auf der Grundlage des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 23 derart eingestellt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases genau das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)₀ wird. In diesem Fall besteht eine Verzögerung der Steuerung bei der Luftzufuhrmenge GA an den Motor, sodass, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases von dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)₀ abweicht, zuerst die Kraftstoffzufuhrmenge GF an den Motor derart gesteuert wird, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)₀ wird, und dann die Kraftstoffzufuhrmenge GF an den Motor derart gesteuert werden kann, dass sie reduziert wird, wenn sich die Luftzufuhrmenge GA an den Motor dem Steuerungssollwert annähert.
Andererseits wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Zustand, in welchem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)₀ basierend auf dem stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 23 gesteuert wird, ein Lernwert KG des Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswerts QFI an das Kraftstoffeinspritzventil 58 durch den stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 24 gesteuert, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Wenn beispielsweise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases sich von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis der fetten Seite annähert, wird der Lernwert KG verringert und der finale Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO (= KG • QFI) an das Kraftstoffeinspritzventil wird verkleinert. Zu diesem Zeitpunkt wird auch die Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils 58 verringert. Wenn im Gegensatz dazu das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases sich von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf die magere Seite bewegt, wird der Lernwert KG erhöht und der finale Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO (= KG • QFI) des Kraftstoffeinspritzventils 58 vergrößert. Zu diesem Zeitpunkt wird auch die Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils 58 erhöht. Dadurch wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert.
Durch das Steuern des Lernwerts KG wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator einströmenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert. In diesem Fall wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei der Steuerung des Lernwerts KG eine fette Fehlfunktionssteuerung oder eine magere Fehlfunktionssteuerung verwendet. Daher werden als Nächstes die fette Fehlfunktionssteuerung und die magere Fehlfunktionssteuerung kurz erklärt.
Zusätzlich zu den Edelmetallen wie Platin (Pt); Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) ist auch Cerium (Ce) auf dem Dreiwegekatalysator aufgebracht. Das Cerium (Ce) hat eine Sauerstoffspeicherfähigkeit. Der Dreiwegekatalysator hat die Funktion, gleichzeitig unverbranntes HC, CO und NO_x zu entfernen, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Dreiwegekatalysator einströmenden Gases auf dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten wird, aber, wenn der Abgasreinigungskatalysator 14 eine Sauerstoffspeicherfähigkeit hat, kann, sogar, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases etwas von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin zu der fetten Seite oder der mageren Seite abweicht, unverbranntes HC, CO und NO_x gleichzeitig entfernt werden.
Wenn der Abgasreinigungskatalysator 14 eine Sauerstoffspeicherfähigkeit hat, und, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator einströmenden Gases etwas mager wird, wird der in dem Gas enthaltene überschüssige Sauerstoff in dem Abgasreinigungskatalysator 14 gespeichert und die Oberfläche des Abgasreinigungskatalysators 14 wird bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten. Infolgedessen werden auf der Oberfläche des Reinigungskatalysators 14 unverbranntes HC, CO und NO_x gleichzeitig entfernt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Wenn andererseits das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 strömenden Gases etwas fett wird, ist die Sauerstoffmenge nicht dazu ausreichend, das unverbrannte HC, CO etc., welches in dem Gas enthalten ist, zu reduzieren, und dieses wird vom dem Abgasreinigungskatalysator 14 abgegeben. Auch in diesem Fall wird die Oberfläche des Abgasreinigungskatalysators bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten. Infolgedessen wird unverbranntes HC, CO und NOx gleichzeitig auf der Oberfläche des Abgasreinigungskatalysators 14 entfernt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Gases wird zu diesem Zeitpunkt das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Wenn der Abgasreinigungskatalysator auf diese Weise eine Sauerstoffspeicherungsfähigkeit aufweist, wird, sogar, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases etwas von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin zu der fetten Seite oder der mageren Seite abweicht, unverbranntes HC, CO und NO_x gleichzeitig entfernt, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 strömenden Gases wird das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. In diesem Fall wird, wenn die in dem Abgasreinigungskatalysator 14 gespeicherte Sauerstoffmenge null wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der fetten Seite abweicht, unverbranntes HC und CO nicht entfernt, sondern fließt aus dem Abgasreinigungskatalysator 14 aus und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Gases wird fett. Dies wird als „fette Fehlfunktion“ oder „fetter Fehler“ bezeichnet. Wenn andererseits die in dem Abgasreinigungskatalysator 14 gespeicherte Sauerstoffmenge gesättigt wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der mageren Seite abweicht, wird das NOx nicht entfernt, sondern strömt aus dem Abgasreinigungskatalysator aus, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Gases wird mager. Dies wird als „magere Fehlfunktion“ oder „magerer Fehler“ bezeichnet.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden eine derartige fette Fehlfunktion und eine magere Fehlfunktion dazu verwendet, den Lernwert KG zu steuern. Im Folgenden wird das Verfahren der Steuerung des Lernwerts KG mit Bezug auf die 21 und 22 beschrieben. 21 zeigt die Veränderung der Soll-Luftzufuhrmenge an die Wärme und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, die Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50, den finalen Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO an das Kraftstoffeinspritzventil 58, den Lernwert KG, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des aus dem Abgasreinigungskatalysators 14 ausströmenden Abgases, die Sauerstoffspeichermenge (OSA), welche in dem Abgasreinigungskatalysator 14 gespeichert ist, und den ausgegebenen Stromwert I des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 auf der stromabwärtigen Seite. Auf der anderen Seite zeigt 22 eine vergrößerte Ansicht der Veränderung in dem finalen Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO an das Kraftstoffeinspritzventil 58, dem Lernwert KG und dem ausgegebenen Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 während der Zeitperiode tA und der Zeitperiode tB in 21. Die Oxidationsreduktionsreaktion des unverbrannten HC, CO und NO_x bei dem Abgasreinigungskatalysator 14 tritt nicht auf, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 nicht die Dreiwege-Aktivierungstemperatur TE oder mehr wird. Daher wird die Steuerung des Lernwerts KG durchgeführt, wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 über die Dreiwege-Aktivierungstemperatur TE hinausgeht.
Wie in 21 gezeigt, wird, wenn, wie zu dem Zeitpunkt t1, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des aus dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Abgases geringfügig fett ist, der in dem Abgasreinigungskatalysator 14 gespeicherte Sauerstoff aufgebraucht, wodurch die Sauerstoffspeichermenge OSA allmählich abnimmt. Als Nächstes tritt, wenn die Sauerstoffspeichermenge OSA null wird, eine fette Fehlfunktion auf, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Gases wird fett. Infolgedessen wird der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 ein negativer Wert. Wenn der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 der Beurteilungswert Ir der fetten Fehlfunktion oder weniger wird, wie durch die Zeitperiode tA in 22 angezeigt, wird der Lernwert KG proportional zu der Abfallgeschwindigkeit des ausgegebenen Stromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 verringert. Infolgedessen nimmt die Kraftstoffzufuhrmenge an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung ab.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Abgases mager wird, erreicht der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 den unteren Grenz-Maximalwert. Als Nächstes nimmt der Lernwert KG mit einer Geschwindigkeit zu, welche niedriger ist, als die Abnahmegeschwindigkeit nach der fetten Fehlfunktion, bis der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 den Beurteilungswert Ir der fetten Fehlfunktion erreicht. Wenn der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 den Beurteilungswert Ir der fetten Fehlfunktion erreicht, wird danach der Lernwert KG konstant gehalten. Der Lernwert KG zu diesem Zeitpunkt wird kleiner als der Lernwert KG, bevor die fette Fehlfunktion aufgetreten ist. Zu diesem Zeitpunkt ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des aus dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Gases nur geringfügig mager. Daher nimmt, wie zu dem Zeitpunkt t2 in 21 gezeigt, die Sauerstoffspeichermenge OSA ein wenig zu.
Wenn als Nächstes die Sauerstoffspeichermenge OSA die Sättigungsmenge MAX des gespeicherten Sauerstoffs erreicht, tritt die magere Fehlfunktion auf, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des aus dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Gases wird mager. Infolgedessen nimmt der ausgegebene Stromwert I des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 auf der stromabwärtigen Seite einen positiven Wert an. Wenn der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 der Beurteilungswert Is einer mageren Fehlfunktion oder mehr wird, wie in der Zeitperiode tB von 22 gezeigt, wird der Lernwert KG im Verhältnis zu der Zunahmegeschwindigkeit des Ausgabestromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 mit einer Geschwindigkeit erhöht, welche etwas geringer ist, als die Zunahmegeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt der vorherigen fetten Fehlfunktion. Infolgedessen nimmt die Kraftstoffzufuhrmenge zu der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zu.
Wenn als Nächstes das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des aus dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausfließenden Abgases fett wird, erreicht der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 den oberen Grenz-Maximalwert. Der Lernwert KG wird mit einer Geschwindigkeit verringert, welche geringer ist, als die Geschwindigkeit der Zunahme nach der mageren Fehlfunktion, bis der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 auf den Beurteilungswert Is der mageren Fehlfunktion reduziert ist. Wenn der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 den Beurteilungswert Is der mageren Fehlfunktion erreicht, wird danach der Lernwert KG konstant gehalten. Der Lernwert KG zu diesem Zeitpunkt wird größer im Vergleich mit dem Lernwert KG, bevor die magere Fehlfunktion aufgetreten ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des aus dem Abgasreinigungskatalysator 14 strömenden Gases nur geringfügig fett. Daher nimmt die Sauerstoffspeichermenge OSA allmählich ab, wie zu dem Zeitpunkt t3 der 21 gezeigt.
Wenn die Sauerstoffspeichermenge OSA null wird, tritt wieder die fette Fehlfunktion auf und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des aus dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Abgases wird fett. Wenn der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 der Beurteilungswert Ir der fetten Fehlfunktion oder weniger wird, wird der Lernwert KG mit einer Geschwindigkeit verringert, welche etwas kleiner ist, als die Zunahmegeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt der vorherigen mageren Fehlfunktion im Verhältnis zu der Abnahmegeschwindigkeit des ausgegebenen Stromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24. Wenn der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 den unteren Grenz-Maximalwert erreicht, wird der Lernwert KG mit einer Geschwindigkeit erhöht, welche geringer als die Abnahmegeschwindigkeit nach der fetten Fehlfunktion ist, bis der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 auf den Beurteilungswert Ir der fetten Fehlfunktion zunimmt.
Auf diese Weise nähert sich der Lernwert KG allmählich einem Wert an, bei welchem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des von dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Wenn der Lernwert KG sich einem Wert annähert, bei welchem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des von dem aus dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, wie zu dem Zeitpunkt t4 in der 21 gezeigt, wird die Veränderungsgeschwindigkeit der Sauerstoffspeichermenge OSA kleiner. In diesem Fall wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die verstrichene Zeit „t“ von der fetten Fehlfunktion zu der mageren Fehlfunktion oder die verstrichene Zeit „t“ von der mageren Fehlfunktion zu der fetten Fehlfunktion eine vorherbestimmte Bezugszeit tMAX überschreitet, bestimmt, dass das Lernen vollendet ist, und der Lernwert KG wird, wenn das Lernen vollendet ist, verwendet, bis das nächste Lernen gestartet wird.
Als Nächstes wird unter Bezug auf die 23 und 24 die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsroutine eines Motors beschrieben. Die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsroutine wird durch eine Unterbrechung zu einer jeden feststehenden Zeitperiode durchgeführt. Mit Bezug auf 23 wird zuerst in Schritt 200 beispielsweise die Kraftstoffzufuhrmenge GF an den Motor basierend auf dem für den Motor angeforderten Drehmoment berechnet. Als Nächstes wird in Schritt 201 berechnet, ob die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 betrieben wird. Wenn sich die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 nicht in Betrieb befindet, rückt die Routine zu Schritt 222 vor, bei dem eine Regelung des Motor-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf den Ausgabesignalen des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 23 und des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 durchgeführt wird, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des aus dem Abgasreinigungskatalysator 14 ausströmenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Eine Erklärung dieser Regelung wird weggelassen.
Wenn, im Gegensatz dazu, bei Schritt 201 bestimmt wird, dass sich die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 in Betrieb befindet, rückt die Routine zu Schritt 202 vor, bei dem bestimmt wird, ob die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 höher als die Dreiwege-Aktivierungstemperatur TE ist. Wenn die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 niedriger als die Dreiwege-Aktivierungstemperatur TE ist, rückt die Routine zu Schritt 222 vor. Wenn, im Gegensatz dazu, die Temperatur TD des Abgasreinigungskatalysators 14 höher als die Dreiwege-Aktivierungstemperatur TE ist, rückt die Routine zu Schritt 203 vor, bei dem bestimmt wird, ob das Lernen unter Verwendung des Lernwerts KG vollendet worden ist. Wenn das Lernen vollendet ist, rückt die Routine zu Schritt 222 vor. Wenn, im Gegensatz dazu, das Lernen noch nicht beendet ist, rückt die Routine zu Schritt 204 vor, bei dem ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungskennzeichen, welches anzeigt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases genau auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)₀ eingestellt werden sollte, eingestellt wird. Wenn dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungskennzeichen eingestellt wird, wird eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung gestartet, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf das angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, bzw. zu steuern, welches dafür erforderlich ist, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungskennzeichen eingestellt ist, rückt die Routine zu Schritt 205 vor, bei dem die Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 und die Soll-Luftzufuhrmenge QA an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 ausgelesen werden. Als Nächstes wird in Schritt 206 basierend auf der folgenden Formel die Luftzufuhrmenge GA an den Motor berechnet, welche dafür erforderlich ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 einströmenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, berechnet.
Luftzufuhrmenge GA an den Motor = (Kraftstoffzufuhrmenge GF an den Motor + Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50) • 14,6 - Luftzufuhrmenge QA an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50. Als Nächstes wird in Schritt 207 bestimmt, ob die berechnete Luftzufuhrmenge GA an den Motor größer als die maximale Luftzufuhrmenge GAX ist, welche bei dem momentanen Motorbetriebszustand zugeführt werden kann. Beispielsweise ist der Motorbetriebszustand manchmal derart, dass der Abgasturbolader 8 sich nicht in Betrieb befindet, sodass die maximale Luftzufuhrmenge GAX, welche dem Motor zugeführt werden kann, klein ist, und infolgedessen die berechnete Luftzufuhrmenge GA an den Motor dem Motor nicht zugeführt werden kann. Diese maximale Luftzufuhrmenge GAX, welche dem Motorbetriebszustand entspricht, wird im Vorhinein bestimmt und im Vorhinein gespeichert.
Wenn in Schritt 207 bestimmt wird, dass die berechnete Luftzufuhrmenge GA an den Motor größer als die maximale Luftzufuhrmenge GAX ist, muss, um die berechnete Luftzufuhrmenge GA an den Motor zumindest auf die maximale Luftzufuhrmenge GAX zu reduzieren, die Luftzufuhrmenge QA an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 verringert werden. Daher ist es notwendig, die angeforderte Ausgabe der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zu verringern. Wenn daher in Schritt 207 bestimmt worden ist, dass die berechnete Luftzufuhrmenge GA an den Motor größer als die maximale Luftzufuhrmenge GAX ist, rückt die Routine zu Schritt 209 vor, bei dem ein Befehlswert der geforderten Ausgabe für das Reduzieren der georderten Ausgabe der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 ausgegeben wird. Die Verarbeitungsroutine, wenn der Reduktionsbefehl der angeforderten Ausgabe ausgegeben wird, wird später beschrieben.
Wenn in Schritt 207 bestimmt worden ist, dass die berechnete Luftzufuhrmenge GA an den Motor kleiner als die maximale Luftzufuhrmenge GAX ist, rückt die Routine zu Schritt 208 vor, bei dem, wenn der Reduktionsbefehl für die angeforderte Ausgabe ausgegeben wird, der Reduktionsbefehl für die angeforderte Ausgabe zurückgezogen wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 214 vor, bei dem das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/Fo = GA/GF) des von dem Motor abgegebenen Abgases aus der berechneten Luftzufuhrmenge GA an den Motor und der berechneten Kraftstoffzufuhrmenge GF an den Motor berechnet wird. Als Nächstes wird in Schritt 215 der Soll-Stromwert I₀ des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 23, welcher diesem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)₀ entspricht, aus der in 20 gezeigten Beziehung berechnet. Als Nächstes wird in Schritt 218 der ausgegebene Stromwert I des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Sensors 23 berechnet.
Als Nächstes wird in Schritt 217 bestimmt, ob der ausgegebene Stromwert I des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 23 größer als der Soll-Stromwert I₀+α ist (α ist ein kleiner konstanter Wert). Wenn I > I₀+α ist, rückt die Routine zu Schritt 218 vor, bei dem ein konstanter Wert β von dem Korrekturwert ΔGA der Luftzufuhrmenge GA an den Motor abgezogen wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 221 vor, bei dem der Korrekturwert ΔGA zu der Luftzufuhrmenge GA des Motors addiert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Luftzufuhrmenge GA des Motors verringert. Wenn, im Gegensatz dazu, in Schritt 217 bestimmt wird, dass die Bedingung I > I₀+α nicht erfüllt ist, rückt die Routine zu Schritt 219 vor, bei dem bestimmt wird, ob der ausgegebene Stromwert I des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 23 kleiner als der Soll--Stromwert I₀-α ist. Wenn I < I₀-α erfüllt ist, rückt die Routine zu Schritt 220 vor, bei dem der konstante Wert β zu dem Korrekturwert ΔGA der Zufuhrmenge GA an den Motor hinzuaddiert wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 221 vor. Zu diesem Zeitpunkt wird die Luftzufuhrmenge GA an den Motor erhöht. Auf diese Weise wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases genau auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)₀ gesteuert.
Wenn auf der anderen Seite in Schritt 207 bestimmt wird, dass die berechnete Luftzufuhrmenge GA an den Motor größer als die maximale Luftzufuhrmenge GAX ist, rückt die Routine, wie vorstehend beschrieben, zu Schritt 209 vor, bei dem der Befehlswert zur Reduktion der geforderten Ausgabe ausgegeben wird. Als Nächstes wird in Schritt 210 ein konstanter Wert ΔQA von der Soll-Luftzufuhrmenge QA an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 abgezogen. Als Nächstes wird in Schritt 211 die berechnete Soll-Luftzufuhrmenge QA durch das momentane Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 geteilt, um dadurch die Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 zu berechnen. Als Nächstes wird in Schritt 212, basierend auf der folgenden Formel, die Luftzufuhrmenge GA an den Motor berechnet, welche erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 14 fließenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen.
Luftzufuhrmenge GA an den Motor = (Kraftstoffzufuhrmenge GF an den Motor + Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung) • 14,6 - Luftzufuhrmenge QA an die Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50.
Als Nächstes wird in Schritt 213 bestimmt, ob die berechnete Luftzufuhrmenge GA an den Motor größer als die maximale Luftzufuhrmenge GAX ist, welche dem Motor in dem momentanen Betriebszustand zugeführt werden kann.
Wenn die Luftzufuhrmenge GA an den Motor größer als die maximale Luftzufuhrmenge GAX ist, kehrt die Routine zu Schritt 210 zurück. Wenn, im Gegensatz dazu, die Luftzufuhrmenge GA an den Motor kleiner als die maximale Luftzufuhrmenge GAX wird, rückt die Routine zu Schritt 214 vor, bei dem das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)₀ = GA/GF des von dem Motor abgegeben Abgases aus der dem angeforderten Drehmoment entsprechenden Kraftstoffzufuhrmenge GF an den Motor und der Luftzufuhrmenge GA an den Motor berechnet wird, wenn die angeforderte Ausgabe der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 verringert wird. Das heißt, wenn die Luftzufuhrmenge GA an den Motor größer als die maximale Luftzufuhrmenge GAX ist, wird die angeforderte Ausgabe der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 verringert, bis die Luftzufuhrmenge GA des Motors die maximale Luftzufuhrmenge GAX wird. In einem Zustand, in welchem die angeforderte Ausgabe der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 verringert wird, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)o gesteuert.
Wenn andererseits in Schritt 209 der Reduktionsbefehl für die angeforderte Ausgabe ausgegeben ist, rückt die in 16 gezeigte Steuerungsroutine des O₂/C-Molverhältnisses von Schritt 153 zu Schritt 154 vor, bei dem die Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF und die Soll-Luftzufuhrmenge QA, wenn die angeforderte Ausgabe der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 reduziert ist, ausgelesen werden. Als Nächstes wird in Schritt 155 der Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFI berechnet, welcher dafür erforderlich ist, dass der von dem Kraftstoffeinspritzventil 58 eingespritzte Kraftstoff mit der in Schritt 154 ausgelesenen Soll-Kraftstoffzufuhrmenge QF eingespritzt wird. Als Nächstes wird in Schritt 156 der finale Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO = (KG • QFI) berechnet. Als Nächstes wird in Schritt 157 entsprechend diesem finalen Kraftstoffeinspritzmengenbefehlswert QFIO Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 58 der Verbrennerbrennkammer 53 zugeführt. Als Nächstes wird in Schritt 158 Luft von der Luftpumpe 64 mit der Soll-Luftzufuhrmenge QA, welche in Schritt 54 ausgelesen worden ist, zugeführt.
Als Nächstes wird mit Bezug auf 25 die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsroutine der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung beschrieben. Auch diese Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsroutine wird durch eine Unterbrechung zu fixen Zeitpunkten durchgeführt. Mit Bezug auf 25 wird zuerst in Schritt 300 bestimmt, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungskennzeichen eingeschaltet ist. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungskennzeichen wird in Schritt 203 der 23 eingestellt. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungskennzeichen nicht eingestellt wird, ist der Verarbeitungszyklus vollendet. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungskennzeichen nicht eingeschaltet ist, wird daher die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 nicht durchgeführt. Wenn, im Gegensatz dazu, in Schritt 300 bestimmt wird, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungskennzeichen eingestellt ist, rückt die Routine zu Schritt 301 vor, wo das Unterbrechungszeitintervall Δt zu der verstrichenen Zeit „t“ addiert wird. Als Nächstes wird in Schritt 302 bestimmt, ob die verstrichene Zeit „t“ über die Bezugszeit tMAX hinausgeht. Wenn die verstrichene Zeit „t“ nicht über die Bezugszeit tMAX hinausgeht, rückt die Routine zu Schritt 305 vor.
In Schritt 305 wird der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 ausgelesen. Als Nächstes wird in Schritt 306 bestimmt, ob der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 niedriger als der Beurteilungswert Ir der fetten Fehlfunktion wird. Wenn der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 kleiner als der Beurteilungswert Ir einer fetten Fehlfunktion wird, rückt die Routine zu Schritt 305 vor, bei dem eine fette Fehlfunktions-Steuerung gestartet wird. Diese fette Fehlfunktions-Steuerung ist in 26 gezeigt. Wenn andererseits in Schritt 306 bestimmt wird, dass der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 der Beurteilungswert Ir der fetten Fehlfunktion oder mehr ist, rückt die Routine zu Schritt 307 vor, bei welchem bestimmt wird, ob der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 über den Beurteilungswert Is der mageren Fehlfunktion hinausgeht. Wenn der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 über den Beurteilungswert Is der mageren Fehlfunktion hinausgeht, rückt die Routine zu Schritt 309 vor, bei dem die magere Fehlfunktion gestartet wird. Diese magere Fehlfunktions-Steuerung ist in 27 gezeigt.
Wenn die in 26 gezeigte fette Fehlfunktions-Steuerung gestartet wird, wird zuerst in Schritt 320 bestimmt, ob eine Veränderungsrate des ausgegebenen Stromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 erfasst worden ist. Wenn die Veränderungsrate dl/dt des ausgegebenen Stromwertes DI des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 nicht erfasst worden ist, nachdem die fette Fehlfunktion auftritt, rückt die Routine zu Schritt 321 vor, bei dem die Veränderungsrate dl/dt des ausgegebenen Stromwertes I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 erfasst wird.
Als Nächstes wird in Schritt 322 der Korrekturwert ΔKG für den Lernwert KG auf einen Wert (C1 • dl/dt) eingestellt, welcher durch ein Multiplizieren der Veränderungsrate dl/dt des ausgegebenen Stromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 mit einem konstanten Wert C1 erhalten wird. Als Nächstes wird in Schritt 323 bestimmt, ob bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 Wasserstoff erzeugt wird. Wenn kein Wasserstoff bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 erzeugt wird, springt die Routine zu Schritt 325, bei dem der Korrekturwert ΔKG von dem Lernwert KG abgezogen wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Lernwert KG um exakt den Korrekturwert ΔKG verringert.
Wenn andererseits in Schritt 323 bestimmt wird, dass bei der Wärme- und Wassserstofferzeugungsvorrichtung 50 Wasserstoff erzeugt wird, rückt die Routine zu Schritt 324 vor, bei dem eine konstante C2 (< 1,0) mit dem Korrekturwert ΔKG multipliziert wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 325 vor. Daher wird, wenn bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 Wasserstoff erzeugt wird, im Vergleich zu einem Fall, in welchem bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 kein Wasserstoff erzeugt wird, der Korrekturwert ΔKG verkleinert. Das heißt, wenn bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 Wasserstoff erzeugt wird, wenn die fette Fehlfunktion auftritt, entweicht ein Teil des in den Abgasreinigungskatalysator 14 strömenden Wasserstoffs aus dem Abgasreinigungskatalysator 14 und erreicht den stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 24. Wenn jedoch, wie vorstehend beschrieben, dem stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor Wasserstoff zugeführt wird, wird der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 zu der fetten Seite verschoben, und bei der in 22 gezeigten Zeitperiode tA erscheint, wie durch die gestrichelte Linie angezeigt, die Veränderungsrate dl/dt des ausgegebenen Stromwertes I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 größer als in dem Fall, in welchem dem stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 24 kein Wasserstoff zugeführt wird. Daher muss, wenn bei der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung 50 Wasserstoff erzeugt wird, um die Veränderungsrate dl/dt des ausgegebenen Stromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 auf eine kleine Veränderungsrate dl/dt zu korrigieren, in Schritt 324 der Korrekturwert ΔKG kleiner gemacht werden.
Wenn andererseits in Schritt 320 bestimmt wird, dass die Veränderungsrate dl/dt des ausgegebenen Stromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 erfasst worden ist, rückt die Routine zu Schritt 326 vor, bei dem bestimmt wird, ob der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 der untere Grenz-Maximalwert wird. Wenn der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 noch nicht der untere Grenz-Maximalwert geworden ist, rückt die Routine zu Schritt 327 vor, bei dem der Korrekturwert ΔKG von dem Lernwert KG abgezogen wird. Danach wird der Lernwert KG allmählich durch den Korrekturwert ΔKG verringert, bis der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 den unteren Grenz-Maximalwert erreicht. Wenn auf der anderen Seite in Schritt 326 bestimmt wird, ob der ausgegebene Stromwert des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 der untere Grenz-Maximalwert wird, rückt die Routine zu Schritt 338 vor, bei dem eine Konstante C3 • dem Korrekturwert ΔKG (C3 < 1,0) zu dem Lernwert KG addiert wird. Daher wird, nachdem der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 den unteren Grenz- bzw. Maximalwert erreicht, der Korrekturwert ΔKG mit einer Geschwindigkeit erhöht, welche geringer als die Abfallgeschwindigkeit ist, bevor der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 der untere Grenz- bzw. Maximalwert wird. Als Nächstes wird in Schritt 329 die verstrichene Zeit „t“ auf null eingestellt.
Wenn andererseits die in 27 gezeigte magere Fehlfunktions-Steuerung gestartet wird, wird zuerst in Schritt 430 bestimmt, ob die Veränderungsrate dl/dt des ausgegebenen Stromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 erfasst worden ist. Wenn die Veränderungsrate dl/dt des ausgegebenen Stromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 nach dem Auftreten der mageren Fehlfunktion nicht erfasst worden ist, rückt die Routine zu Schritt 341 vor, bei dem die Veränderungsrate dl/dt des ausgegebenen Stromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 erfasst wird. Als Nächstes wird in Schritt 342 der Korrekturwert ΔKG bezogen auf den Lernwert KG auf einen Wert (C4 • dl/dt) eingestellt, welcher erhalten wird, indem die Veränderungsrate dl/dt des ausgegebenen Stromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 mit einer Konstante C4 multipliziert wird. Als Nächstes wird in Schritt 343 der Korrekturwert ΔKG zu dem Lernwert KG hinzuaddiert. Zu diesem Zeitpunkt wird der Lernwert KG um exakt den Korrekturwert ΔKG erhöht.
Wenn andererseits in Schritt 340 bestimmt worden ist, dass die Veränderungsrate dl/dt des ausgegebenen Stromwerts I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 erfasst worden ist, rückt die Routine zu Schritt 344 vor, bei dem bestimmt wird, ob der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 der obere Grenz-Maximalwert wird. Wenn der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 immer noch nicht der obere Grenz-Maximalwert ist, rückt die Routine zu Schritt 245 vor, bei dem der Korrekturwert ΔKG zu dem Lernwert KG addiert wird. Danach wird der Lernwert KG allmählich durch den Korrekturwert ΔKG erhöht, bis der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 den oberen Grenz- bzw. Maximalwert erreicht. Wenn andererseits in Schritt 344 bestimmt wird, dass der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 den oberen Grenz-Maximalwert erreicht, rückt die Routine zu Schritt 346 vor, bei dem eine Konstante C5 • dem Korrekturwert ΔKG (C5 < 1,0) von dem Lernwert KG abgezogen wird. Daher wird, nachdem der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 den oberen Grenz- bzw. Maximalwert erreicht hat, der Korrekturwert ΔKG mit einer geringeren Geschwindigkeit verringert im Vergleich mit der Zunahmegeschwindigkeit, bevor der ausgegebene Stromwert I des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 24 der obere Grenz- bzw. Maximalwert wird. Als Nächstes wird in Schritt 347 die verstrichene Zeit „t“ auf null eingestellt.
Wie sich aus 26 ergibt, wird, wenn die fette Fehlfunktions-Steuerung beendet ist, die verstrichene Zeit „t“ auf null gesetzt. Wie sich aus 27 ergibt, wird, wenn die magere Fehlfunktions-Steuerung beendet ist, die verstrichene Zeit „t“ auf null gesetzt. Die Aktion der Erhöhung der verstrichenen Zeit „t“ wird in Schritt 307 der 25 gestartet, wenn die magere Fehlfunktions-Steuerung oder die fette Fehlfunktions-Steuerung beendet ist. Daher zeigt die verstrichene Zeit „t“ die verstrichene Zeit an, nachdem die fette Fehlfunktions-Steuerung oder die magere Fehlfunktions-Steuerung beendet ist. Wenn in Schritt 302 der 25 bestimmt wird, dass die verstrichene Zeit „t“ über die Bezugszeit tMAX hinausgeht, rückt die Routine zu Schritt 303 vor, bei dem bestimmt wird, dass das Lernen unter Verwendung des Lernwerts KG vollendet ist, und die verstrichene Zeit „t“ wird auf null eingestellt. Als Nächstes wird in Schritt 304 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungskennzeichen zurückgesetzt.
Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass die fette Fehlfunktions-Steuerung und die magere Fehlfunktions-Steuerung, welche in 21, 22, 26 und 27 gezeigt sind, nur Beispiele sind und andere bekannte, verschiedene fette Fehlfunktions-Steuerungsverfahren und magere Fehlfunktions-Steuerungsverfahren, welche sich von den in 21, 22, 26 und 27 gezeigten unterscheiden, verwendet werden können.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, welches mit einer Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung (50) und einem Abgasreinigungskatalysator (14) ausgestattet ist, welcher einen Dreiwege-Katalysator umfasst. In der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung (50) erzeugte Wärme und Wasserstoff werden dem Abgasreinigungskatalysator (14) zugeführt. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung (50) zum Brennen gebracht werden, auf ein vorbestimmtes, eingestelltes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf das angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, welches dazu erforderlich ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator (14) einströmenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010270664 A [0002]

Claims

Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, mit: einer Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung, welche durch das Verbrennen von Kraftstoff und Luft nur Wärme oder Wärme und Wasserstoff erzeugen kann, einem Abgasreinigungskatalysator, welcher in einer Motorabgaspassage angeordnet ist und gleichzeitig in dem einströmenden Gas enthaltenes HC, CO und NO_x reduzieren kann, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Gases ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wobei ein von der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung abgegebenes Verbrennungsgas dem Abgasreinigungskatalysator zugeführt wird, und einer elektronische Steuerungseinheit, wobei die elektronische Steuerungseinheit dazu ausgelegt ist, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung verbrannt werden, auf ein vorbestimmtes, eingestelltes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, und die elektronische Steuerungseinheit dazu ausgelegt ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases auf ein angepasstes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern, welches dafür erforderlich ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator strömenden Gases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Übereinstimmung mit dem eingestellten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht werden, auf das vorbestimmte eingestellte Soll- Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird.
Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1, wobei das angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, welches dafür erforderlich ist, dass das Verhältnis der Summe der Luftmenge, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht wird, und der Luftmenge, welche in dem Motor zum Brennen gebracht wird, und der Summe der Kraftstoffmenge, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht wird, und der Kraftstoffmenge, welche in dem Motor zum Brennen gebracht wird, auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird.
Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1, wobei ein stromaufwärtiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in der Motorabgaspassage stromabwärts von einer Zuführöffnung des von der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung an das Innere der Motorabgaspassage abgegebenen Verbrennungsgases angeordnet ist, ein stromabwärtiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in der Motorabgaspassage stromabwärts von dem Abgasreinigungskatalysator angeordnet ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases basierend auf dem stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor auf das angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht werden, basierend auf dem stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor auf das eingestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert werden.
Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 3, wobei die elektronische Steuerungseinheit dazu ausgelegt ist, durch den stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor zu erfassen, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des aus dem Abgasreinigungskatalysator strömenden Gases von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht, in einem Zustand, in welchem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor abgegebenen Abgases basierend auf dem stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor auf das angepasste Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, und die elektronische Steuerungseinheit dazu ausgelegt ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft und des Kraftstoffes, welche in der Wärme- und Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Brennen gebracht werden, derart zu steuern, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des aus dem Abgasreinigungskatalysator strömenden Gases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, wenn durch den stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasst wird, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des aus dem Abgasreinigungskatalysator strömenden Gases von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht.