JP2006037745A

JP2006037745A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2006037745A
Application number: JP2004214687A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Uchida; 大輔内田; Isamu Nakada; 勇中田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】過給機を備えるとともに、排ガスと燃料との混合気を改質して生成された改質ガスを吸気側へ還流させる内燃機関において、体積効率の低下及びノッキングの悪化を抑制できる内燃機関を提供すること。
【解決手段】この内燃機関１は、改質触媒により排ガスと燃料との混合気を改質して、水素を含む改質ガスＥｘｒを生成する改質器２０と、吸気通路３に設けられるとともに、内燃機関１に供給する空気を加圧するターボ１４と、吸気通路３に設けられるとともに、ターボ１４から吐出される空気を冷却するインタークーラー１２と、吸気通路３であって、ターボ１４とインタークーラー１２との間に改質ガスＥｘｒを還流させるガス還流通路１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガスと燃料との混合気を改質して得られた改質ガスを還流させる内燃機関に関するものである。

内燃機関の排ガス中に燃料を添加し、両者の混合気を改質触媒で改質した改質側ガスを内燃機関の吸気管に供給するものが知られている。このような内燃機関において、特許文献１には、内燃機関の排ガス中に燃料を添加し、改質触媒で改質した改質ガスを、前記内燃機関の吸気管に供給可能とした技術が開示されている。

特開平６−２６４７３２号公報

しかしながら、温度の高い改質ガスが内燃機関に供給されるので、内燃機関に吸入される気体（空気と改質ガスとの混合気体）の体積効率が低下したり、ノッキングが発生したりしやすくなる。特に過給機を備える内燃機関で、この問題は顕著である。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、過給機を備えるとともに、排ガスと燃料との混合気を改質して生成された改質ガスを吸気側へ還流させる内燃機関において、体積効率の低下及びノッキングの悪化を抑制できる内燃機関を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、吸気通路から供給される空気と燃料との混合気が燃焼することにより駆動する内燃機関であって、改質触媒により排ガスと燃料との混合気を改質して、水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、前記吸気通路に設けられるとともに、前記内燃機関に供給する空気を加圧する過給手段と、前記吸気通路に設けられるとともに、前記過給手段から吐出される空気を冷却する吸気冷却手段と、前記吸気通路であって、前記過給手段と前記吸気冷却手段との間に前記改質ガスを還流させるガス還流通路と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関は、過給手段と、吸気冷却手段とを備え、排ガスと燃料との混合気を改質して得られた改質ガスは、過給手段と、吸気冷却手段との間から還流させる。これにより、高温の改質ガスは吸気冷却手段で冷却されてから内燃機関の吸気通路へ還流されるので、内燃機関の燃焼室内へ導入される、改質ガスと空気との混合気体の体積効率の低下、及びノッキングの悪化を抑制できる。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記改質ガスを加圧して前記吸気通路に還流させる改質ガス加圧手段を備えることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記改質ガス加圧手段は、前記ガス還流通路に設けられるポンプであることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記改質ガス加圧手段は、前記過給手段の過給圧力よりも高い圧力で前記改質ガスを加圧することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記過給手段の過給圧力が所定の圧力よりも低い場合には、前記改質ガス加圧手段の動作を停止することを特徴とする。

この発明に係る内燃機関では、過給機を備えるとともに、排ガスと燃料との混合気を改質して生成された改質ガスを吸気側へ還流させる内燃機関において、体積効率の低下及びノッキングの悪化を抑制できる。

以下、この発明につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、本発明は、特に乗用車やバス、あるいはトラック等の車両に搭載される内燃機関に対して好ましく適用できる。

この実施例に係る内燃機関は、過給手段と、吸気冷却手段とを備え、排ガスと燃料との混合気を改質して得られた改質ガスは、前記過給手段と、前記吸気冷却手段との間から還流させる点に特徴がある。

図１は、この実施例に係る内燃機関の全体構成図である。図１を用いて、この実施例に係る内燃機関の構成について説明する。この実施例に係る内燃機関１は、改質手段である改質器２０に排ガスＥｘの一部を導き、この排ガスＥｘに炭化水素（ＨＣ）を含む燃料を供給することによって水素（Ｈ_２）を生成する。そして、この改質反応によって得られた水素を含むガス（以下改質ガスという）Ｅｘｒを内燃機関１に還流させる。

内燃機関１は、４個の気筒が直列に配置されているが、気筒数及び気筒配置はこれに限られるものではない。また、内燃機関１は、いわゆるロータリー式の内燃機関であってもよい。内燃機関１に供給される燃料Ｆは、燃料タンク７０内のフィードポンプ７１によってポート噴射弁６に供給される。そして、ポート噴射弁６から吸気通路３内に噴射され、吸気通路３を通る空気Ａと混合気を形成する。この混合気は、インテークマニホールド７_１〜７_４を通って各気筒１ｓ_１〜１ｓ_４へ導入される。

この実施例においては、単独のポート噴射弁６により内燃機関１の各気筒へ燃料Ｆを供給するが、ポート噴射弁を気筒数分用意して、各気筒１ｓ_１〜１ｓ_４のインテークマニホールド７_１〜７_４へ燃料Ｆを噴射してもよい。また、ポート噴射弁の代わりに、気筒内へ直接燃料を噴射する、いわゆる直噴噴射弁を用いて、内燃機関１へ燃料Ｆを供給してもよい。さらに、ポート噴射弁と直噴噴射弁とを備え、内燃機関１の運転条件に応じて両者の燃料噴射割合を変更して、内燃機関１へ燃料を供給してもよい。

この実施例に係る内燃機関１は、過給手段を備える。過給手段としては、ターボチャージャー（以下ターボという）１４を備え、空気Ａを過給して内燃機関１へ供給する。ターボ１４は、圧縮機１４Ｃとタービン１４Ｔとで構成されており、内燃機関１の排ガスＥｘによりタービン１４Ｔが駆動される。タービン１４Ｔは、シャフト１４Ｓを介して圧縮機１４Ｃを駆動して、内燃機関１に空気Ａを過給する。ターボ１４は、排気バイパス通路９ｂに備えられた過給圧制御弁１４ｗによって、過給圧が制御される。なお、過給手段としては、ターボ１４の他にも、内燃機関１により駆動される、いわゆるスーパーチャージャーを用いることもできる。

また、ターボ１４で圧縮された空気Ａは昇温するため、ターボ１４と内燃機関１との間には、昇温した空気Ａを冷却するための吸気冷却手段として、インタークーラー１２が備えられている。ターボ１４で圧縮された空気Ａは、インタークーラー１２で冷却された後、スロットル弁４を通って内燃機関１へ供給される。

内燃機関１に供給される空気Ａは、吸気通路３の入口に取り付けられるエアクリーナ１３でごみ等が除去されてから、ターボ１４で過給されて内燃機関１へ送られる。内燃機関１へ供給される空気Ａは、吸気通路３に設けられるスロットル弁４によって流量が調整される。スロットル弁４の開度は、アクセル１７と連動する。この実施例において、アクセル１７の開度はアクセル開度センサ４７で検出されて、エンジンＥＣＵ５０に取り込まれる。アクセル開度センサ４７からのアクセル開度情報を元に、エンジンＥＣＵ５０はスロットル弁４の開度を調整する。

アクセル開度が大きくなると、スロットル弁４の開度は大きくなり、アクセル開度が小さくなると、スロットル弁４の開度は小さくなる。内燃機関１へ供給される空気は、吸気通路３であってスロットル弁４の上流に設けられるエアフローセンサ４２で流量が計測されて、その計測値はエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０に取り込まれる。エンジンＥＣＵ５０は、エアフローセンサ４２により計測された吸入空気量Ｇａと、回転数センサ４３で計測される内燃機関１の機関回転数ＮＥとから、内燃機関１に対する燃料噴射量Ｑｆを決定する。

内燃機関１の各気筒１ｓ_１〜１ｓ_４で燃焼した混合気は、排ガスＥｘとなってエキゾーストマニホールド８へ排出される。この排ガスＥｘは、第１排気通路９ａを通ってターボ１４へ導かれ、これを駆動する。ターボ１４を駆動した排ガスＥｘは、排気バイパス通路９ｂを通って改質器２０の排気通路２２へ導入され、排ガスＥｘを改質するための熱を与える。改質器２０から排出された排ガスＥｘは、浄化触媒１６で浄化された後、大気中へ放出される。なお、浄化触媒１６は、改質器２０と内燃機関１との間に配置してもよい。第１排気通路９ａには、Ａ／Ｆ（Air／Fuel：空燃比）センサ４５が取り付けられており、排ガスＥｘの空燃比を計測する。そして、排ガスＥｘの空燃比から内燃機関１の燃焼状態を判定し、所定の空燃比から外れた場合には、エンジンＥＣＵ５０で決定される燃料噴射量を補正する。

第２排気通路９ｃからは改質用導管１１が分岐しており、改質用導管１１は、改質器２０の改質室２１と接続されている。改質用導管１１には改質用燃料噴射弁２４が取り付けられており、この改質用燃料噴射弁２４が、改質用導管１１へ導かれた排ガスＥｘへ改質用燃料Ｆｒを噴射する。改質用燃料噴射弁２４には、燃料タンク７０内のフィードポンプ７１から燃料が供給される。

改質器２０は、改質室２１と排気通路２２とで構成される。改質室２１の内壁面には改質用触媒が担持されており、排気通路２２を流れる排ガスＥｘの熱により改質用触媒が加熱されて、活性温度Ｔａ以上に保持される。改質器２０は、複数の改質室２１を備え、各改質室２１はそれぞれ連通しており、排ガスＥｘと改質用燃料Ｆｒとの混合気（改質用混合気）Ｇｍｒは、改質室２１を通過する間に改質される。ここで、改質用触媒には、例えばロジウム系の触媒が用いられる。

改質器２０には、改質触媒の温度を測定するため、改質触媒床温度センサ４４が取り付けられる。改質触媒そのものの温度を測定することは困難であるため、改質触媒を担持する触媒床の温度を測定して、改質触媒温度とする。改質触媒温度が低い場合、改質ガスＥｘｒ中の水素濃度は低く、改質触媒温度が高くなるほど改質ガスＥｘｒ中の水素濃度は高くなる。このため、改質触媒温度が活性温度Ｔａ以上になってから、排ガスＥｘの改質を開始するように、改質触媒床温度センサ４４により改質触媒の温度を監視する。なお、ロジウム系の改質触媒を用いる場合、活性温度Ｔａは６００℃程度である。

改質室２１の出口２１ｏには、改質室２１と、吸気通路３とを接続する、ガス還流通路１０が取り付けられている。ガス還流通路１０は、排ガスＥｘ又は改質ガスＥｘｒを、内燃機関１の吸気側、すなわち吸気通路３へ還流させる機能を持つ。この実施例において、ガス還流通路１０は、ターボ１４とインタークーラー１２との間に接続されて、この部分に改質ガスＥｘｒを還流させる。このような構成により、インタークーラー１２の上流（ターボ１４側）へ改質ガスＥｘｒを還流させることができるので、高温の改質ガスＥｘｒを冷却して内燃機関１の気筒１ｓ_１〜１ｓ_４へ還流させることができる。また、インタークーラー１２の上流へ改質ガスＥｘｒを還流させることにより、ターボ１４で過給された空気Ａと改質ガスＥｘｒとの混合を促進することができる。これにより、改質ガスＥｘｒをより冷却することができる。

これらの作用によって、内燃機関１の各気筒１ｓ_１〜１ｓ_４へ還流させる改質ガスＥｘｒと空気Ａとの混合気体の体積効率を向上させることができるとともに、ノッキングが抑制できる。その結果、インタークーラー１２で冷却をしなかった場合と比較して、改質器２０に対して同一の燃料を供給した場合、ノッキングが改善されるため点火時期を進角させることができ、内燃機関の出力トルクが増加する。また、体積効率が向上するため、インタークーラー１２で冷却をしなかった場合と比較して、より多くの改質ガスを還流させることができるので、燃料消費を抑制できる。

また、改質ガスＥｘｒの冷却手段をインタークーラー１２で兼ねることができるので、改質ガスＥｘｒを冷却するための冷却手段を別個に設けなくてよい。これにより、改質のためのシステムを簡略化して信頼性を向上できるとともに、コストも低減できる。さらに、ターボ１４の圧縮機１４Ｃの下流（すなわちインタークーラー１２側）に改質ガスＥｘｒを還流させるので、水素を含む改質ガスＥｘｒは圧縮機１４Ｃで移動が妨げられる。これにより、エアクリーナ１３から外部に漏れるおそれを極めて低減できる。また、改質ガスＥｘｒは、改質用混合気Ｇｍｒを改質したものなので、排ガスＥｘ中の微細なカーボン等が残留しているおそれがある。この実施例の構成では、圧縮機１４Ｃの下流に改質ガスＥｘｒを還流させるので、圧縮機１４Ｃに対する前記残留物の影響を極小にできる。

改質器２０と吸気通路３とを接続するガス還流通路１０には、改質ガスＥｘｒを加圧して吸気通路３へ送る改質ガス加圧手段が設けられている。この実施例において、改質ガス化圧手段はポンプ１５である。ポンプ１５の駆動源は、内燃機関１であってもよいし、車載のバッテリーによってポンプ１５を駆動してもよい。ターボ１４で過給されると、空気Ａの圧力は大気圧よりも大きくなる。このため、ターボ１４による過給時に改質ガスＥｘｒを還流する場合、ポンプ１５により改質ガスＥｘｒの圧力を、ターボ１４の過給圧力よりも大きくして過給する。これにより、過給中であっても確実に改質ガスＥｘｒを吸気通路３へ還流させることができる。

なお、過給圧力が低いときや過給をしないときには、ポンプ１５の吐出圧力を低くしたり、ポンプ１５の動作を停止したりして、駆動ロスを低減してもよい。また、少なくともターボ１４による過給中には、加圧手段であるポンプ１５を作動させる。さらに、過給圧力が所定の圧力（例えば第２排気通路９ｃ内の圧力）よりも低い場合には、改質ガス加圧手段であるポンプ１５の動作を停止してもよい。このようにすれば、改質ガスＥｘｒを加圧圧送する必要がない場合には、ポンプ１５の動作を停止できるので、ポンプ１５による駆動ロスを低減できる。

改質ガス加圧手段としては、改質器２０の下流、例えば第３排気通路９ｄに絞り弁を設け、過給時に改質ガスＥｘｒを還流させる場合にはこの絞り弁を閉じる。これにより、改質用導管１１内の圧力を上昇させることができるので、過給時においても吸気通路３へ改質ガスを還流させることができる。このとき、前記絞り弁の開度を調整することにより、改質ガスＥｘｒの圧力を調整してもよい。ガス還流通路１０の出口１０ｏ近傍には、還流流量調整手段である還流流量調整弁５が設けられており、エンジンＥＣＵ５０からの指令で、吸気通路３へ還流させる改質ガスＥｘｒの流量を調整する。

第３排気通路９から改質用導管１１へ導かれた排ガスＥｘは、改質用燃料噴射弁２４から改質用燃料Ｆｒが噴射される。改質用燃料Ｆｒは、内燃機関１の各気筒１ｓ_１〜１ｓ_４へ供給される燃料Ｆの一部であり、内燃機関１の運転条件に応じて改質用燃料Ｆｒの噴射量Ｑｆｒが決定される。改質用燃料Ｆｒと排ガスＥｘとの改質用混合気Ｇｍｒは、改質用導管１１から改質室２１へ導入され、改質室２１の内壁面に担持された改質触媒により、式（１）に示す改質反応により改質されて改質ガスＥｘｒとなる。
１．５６（７．６ＣＯ_２＋６．８Ｈ_２Ｏ＋４０．８Ｎ_２）＋３Ｃ_７．６Ｈ_１３．６＋４１２２ｋＪ→３１Ｈ_２＋３４．７ＣＯ＋６３．６Ｎ_２・・・（１）

ここで、左辺第１項が排ガスＥｘ、左辺第２項が燃料（炭化水素ＣＨであり、この実施例ではガソリン）、右辺が改質ガスＥｘｒを示す。右辺の改質ガスＥｘｒに含まれる水素は、全改質ガスの体積に対して２４ｖｏｌ％である。また、この改質反応は吸熱反応であり、これにより排ガスＥｘの熱エネルギを回収することになる。このように、吸熱反応により排ガスＥｘが改質されるため、内燃機関１に供給する燃料の量が同一であっても、排ガスＥｘの熱を吸収した分だけ内燃機関１での燃焼における発熱量が増加する。

また、水素（Ｈ_２）の発熱量は２４１．７ｋＪ／ｍｏｌであり、ガソリン（ＣＨ_{１．８６９}）の発熱量は５９６．５ｋＪ／ｍｏｌである。しかし、式（１）の改質反応により、３モルのガソリン（燃料）から３１モルの水素が発生する。したがって、前記発熱量と、式（１）の改質によるモル数変化とを乗ずると、ガソリン単独を燃焼させる場合と比較して、改質ガスＥｘｒの発熱量は大幅に増加する。これにより、内燃機関１の出力トルクが増加し、また燃料消費は低減される。

改質室２１で生成された改質ガスＥｘｒは、ガス還流通路１０を通って、吸気通路３へ導入される。改質ガスＥｘｒは、７００℃前後の高温になるため、吸気通路に設けられるインタークーラー１２で冷却されてから、内燃機関１へ導入される。吸気通路３へ導入される改質ガスＥｘｒの流量（還流流量）は、還流流量調整弁５で制御される。吸気通路３へ導入される改質ガスＥｘｒの流量は、内燃機関１の運転条件に基づき、当該運転条件における最大限の改質ガスを内燃機関１に導入できるように決定されるが、その詳細については後述する。この場合、改質ガスＥｘｒに含まれる水素、一酸化炭素（ＣＯ）の量を考慮し、ポート噴射弁６の燃料噴射量を低減して空燃比Ａ／Ｆを最適化する。

改質ガスＥｘｒに含まれる水素（Ｈ_２）は、ガソリンと比較して最大点火エネルギが１／１０程度であり、最大燃焼速度が１０倍弱である。このため、水素はガソリンと比較して急速燃焼する。上記改質反応によって得られた水素を含む改質ガスＥｘｒを内燃機関１に供給すると、改質ガスＥｘｒ中の水素により、燃焼改善効果が得られる。内燃機関１の運転においては、排ガスＥｘを吸気側に還流させる、いわゆるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を実行することがある。

図２は、燃料消費率とガス還流率との関係を示す説明図である。ここでガス還流率とは、ガス還流量／（ガス還流量＋吸入空気量）である。図２の点線は、排ガスＥｘのみを吸気側に還流させた場合を示している。内燃機関１の運転中にＥＧＲを実行すると、ポンプロスが低減されて燃料消費率を低減できる。ガス還流率（いわゆるＥＧＲ率と同義）を増加させると、ポンプロスの低減度合いも大きくなって燃料消費率が低下するが、あるガス還流率（ここではＧＲ１）を境に燃料消費率は増加する。これは、ガス環流率が高くなると、気筒内に還流する排ガスＥｘが増加するため、燃焼速度が遅くなって燃焼が悪化するためである。その結果、内燃機関１の出力トルクが低下するので、同じトルクを得ようとするとそれだけ多くの燃料を消費することになる。

図２の実線は、水素を含む改質ガスを吸気側に還流させた場合を示している。この実施例に係る内燃機関１は、水素を含む改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させるので、図２に示すように、改質ガスＥｘｒの還流量を増加させた場合でも、水素が急速燃焼することで、燃焼悪化が抑制される。その結果、水素を含む改質ガスＥｘｒを還流させる場合には、排ガスＥｘのみを還流させる場合と比較して、ガス還流率を大きくできる。これにより、ポンプロス低減による燃料消費率の低減効果を有効に発揮させることができる。なお、改質ガスＥｘｒの還流量増加にともなう燃焼悪化は、改質ガス中の水素が補うので、トルク低下によるドライバビリティ悪化も抑制される。また、改質ガスＥｘｒの還流量増加にともなう燃焼悪化を水素により抑制できるので、改質ガスＥｘｒの還流流量を多くして、燃焼室の温度を低下させ、ストイキ（λ＝１）で運転できる領域を拡大できる。

図３−１は、この実施例の構成における改質ガス温度の低下を示す説明図である。図３−２は、この実施例の構成における吸入ガス温度に対するトルク等を示す説明図である。両図とも、インタークーラー前導入時が、インタークーラー１２とターボ１４との間に改質ガスを還流させた構成であり、この実施例に係る内燃機関の構成である。インタークーラー後導入時は、インタークーラー１２と内燃機関１との間に改質ガスを還流させた構成であり、この実施例の比較例に係る構成である。

図３−１から分かるように、還流流量調整弁５の後においては、この実施例の構成も比較例の構成も改質ガスＥｘｒの温度が同じ温度であるが、インタークーラー１２後（下流）で比較すると、この実施例の構成の方が、改質ガスＥｘｒの温度は低下することが分かる。同様に、インテークマニホールド７_１〜７_４で比較すると、この実施例の構成の方が、改質ガスＥｘｒの温度は低下することが分かる。このように、この実施例に係る内燃機関１では、改質ガスＥｘｒの温度低下の効果が確認された。

図３−２から分かるように、この実施例に係る構成の方が、比較例に係る構成よりも吸入ガス温度は低い。その結果、この実施例に係る構成の方が、比較例に係る構成よりも点火時期を進角でき、出力トルクも大きくなる。また、体積効率も高くなる。このように、この実施例に係る内燃機関１では、改質ガスＥｘｒの温度低下の効果により、性能向上が確認された。ここで、吸入ガスとは、改質ガスＥｘｒと空気との混合気体である。

（制御例）
次に、この実施例に係る内燃機関１の運転制御例について説明する。この説明においては、適宜図１を参照されたい。図４は、この実施例に係る内燃機関の運転制御を説明するフローチャートである。この運転制御は、エンジンＥＣＵ５０の機能により実現できる。エンジンＥＣＵ５０が備えるＩ／Ｐ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）ポート５１には、エアフローセンサ４２や回転数センサ４３その他のセンサ類が接続されており、内燃機関１の運転に必要な情報をエンジンＥＣＵ５０が取得する。また、Ｉ／Ｐポート５１には、還流流量調整弁５や改質用燃料噴射弁２４その他の制御対象が接続されている。これらの制御対象は、前記センサ類から取得した情報に基づいてエンジンＥＣＵ５０の処理部５０ｐが算出した制御パラメータに基づき制御される。また、エンジンＥＣＵ５０には、内燃機関１の運転制御に必要な制御マップ類や制御プログラムが格納されている。

エンジンＥＣＵ５０の処理部５０ｐは、冷却水温センサ４６から内燃機関１の冷却水温を取得し、内燃機関１の暖機が完了したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。内燃機関１の暖機が完了していない場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、処理部５０ｐはＥＧＲを実行しない条件にあると判断して（ステップＳ１０２）、ＳＴＡＲＴに戻って内燃機関１の運転状態を監視する。ＥＧＲを実行すると、燃焼温度が低下するため、内燃機関１の暖機完了までに余分な時間を要するからである。

このとき、処理部５０ｐは、還流流量調整弁５を閉じて改質器２０側からのガスの還流を中止るとともに、改質用燃料噴射弁２４からの燃料供給を停止して、内燃機関１の暖機が完了するまで改質を中止する。これにより、暖機中は、水素が不十分な改質ガスＥｘｒの還流を中止して燃焼を安定させるとともに、改質されない燃料が改質室２１内やガス還流通路１０内に付着することを抑制できる。その結果、これらに起因する燃料消費の増加を抑制できる。

内燃機関１の暖機が完了した場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、処理部５０ｐは、改質触媒床温度センサ４４から改質触媒の温度を取得し、改質触媒の温度（以下改質触媒温度）Ｔｃが、改質触媒の活性温度Ｔａ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。改質触媒温度Ｔｃが活性温度Ｔａよりも低い場合（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、処理部５０ｐは、改質しない排ガスＥｘ、すなわち排ガスＥｘのみを内燃機関１に還流させる条件であると判定する（ステップＳ１０４）。内燃機関１の暖機が完了していても、改質触媒温度Ｔｃが活性温度Ｔａよりも低い場合は、改質触媒は改質用燃料Ｆｒを十分に改質できず、十分な量の水素を含んだ改質ガスＥｘｒを内燃機関１へ還流できないからである。

このときには、内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとに対して予め定められた排ガスＥｘのガス還流率（以下、第１のガス還流率という）に基づいて、排ガスＥｘを内燃機関１の吸気通路へ還流する。このとき、処理部５０ｐは、改質用燃料噴射弁２４からの燃料供給を停止して、改質触媒の温度が活性温度以上になるまで改質を中止する。これにより、排ガスＥｘ単独では改質されないので、還流流量調整弁５を介して排ガスＥｘのみを吸気通路３へ還流させることができる。

排ガスＥｘを還流させることにより、改質触媒の温度が活性温度以上になるまでの期間中は、排ガスＥｘの還流によるポンピングロスの低減により燃料消費を低減できる。同時に、改質されない燃料が改質室２１内やガス還流通路１０内に付着することを抑制して、当該付着による燃料消費の悪化を抑制できる。

改質触媒の温度が活性温度Ｔａ以上であると処理部５０ｐが判定した場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、処理部５０ｐは、改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させる条件であると判定する（ステップＳ１０５）。このときには、内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとに対して予め定められた改質ガスＥｘｒのガス還流率（以下、第２のガス還流率という）に基づいて、改質ガスＥｘｒを内燃機関１の吸気通路へ還流する。上述したように、改質ガスＥｘｒには水素が含まれているため、内燃機関１が同じ機関回転数ＮＥ、かつ同じ吸入空気量Ｇａで運転されているときには、排ガスＥｘよりも改質ガスＥｘｒの方が内燃機関１への還流流量を大きくできる。すなわち、同じ機関回転数ＮＥ、かつ同じ吸入空気量Ｇａである場合には、第１のガス還流率＞第２のガス還流率となる。

処理部５０ｐは、内燃機関１の回転数センサ４３及びエアフローセンサ４２から、内燃機関１の機関回転数ＮＥ及び吸入空気量Ｇａを取得する。そして、この機関回転数ＮＥ及び吸入空気量Ｇａに対応する第２のガス還流率を決定する。なお、内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとが決定されれば、そのときの改質触媒温度Ｔｃも決まる。改質触媒温度Ｔｃが決まれば、その改質触媒温度Ｔｃにおいて得られる改質ガスＥｘｒ中に含まれる水素濃度（改質ガス水素濃度）Ｄ_Ｈ（ｖｏｌ％）も決まる。すなわち、内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとが決定されると、改質ガス水素濃度Ｄ_Ｈが決定される。

ある機関回転数ＮＥ、吸入空気量Ｇａが分かれば、内燃機関１が排出する総排ガス量が分かる。また、前記機関回転数ＮＥ、吸入空気量Ｇａのときにおける第２のガス還流率及びそのときの改質ガス水素濃度Ｄ_Ｈも分かるので、総排ガス量と改質器２０に導入される排ガスＥｘの量とが分かる。すなわち、第２のガス還流率に内燃機関１が排出する総排ガス量を乗じた値が、改質器２０に導入される排ガスＥｘの量である。そして、改質器２０に導入される排ガスＥｘの量と、改質ガス水素濃度Ｄ_Ｈとから、改質器２０に供給する改質用燃料Ｆｒの量を決定できる。また、内燃機関１は、λ＝１（ストイキ）で運転されているので、機関回転数ＮＥ、吸入空気量Ｇａが分かれば、内燃機関１に供給する総燃料供給量（内燃機関１及び改質器２０に供給する燃料の総量）も分かる。上記手順によって、第２のガス還流率、内燃機関１に供給する燃料噴射量、改質器２０に供給する改質用の燃料噴射量といった、改質ガスを還流させるにあたって必要な制御パラメータを決定することができる（ステップＳ１０６）。

次に、処理部５０ｐは、改質ガス加圧手段（この実施例ではポンプ１５）の駆動条件を決定する。処理部５０ｐは、内燃機関１の運転条件からターボ１４による過給圧を決定する。この過給圧に基づいて、ポンプ１５の吐出量や吐出圧力等の駆動条件を決定する（ステップＳ１０７）。このように、過給圧力に基づいて改質ガス加圧手段であるポンプ１５を駆動するので、過剰にポンプ１５が駆動されることはない。これによって、ポンプ１５の駆動損失を低減することができる。上記手順によって、改質ガスを還流させるにあたって必要な制御パラメータ、及びポンプ１５の駆動条件を決定したら、処理部５０ｐは、これらの制御パラメータ及び駆動条件にしたがって、還流流量調整弁５、ポート噴射弁６等を駆動して、改質ガスＥｘｒを還流させる（ステップＳ１０８）。

以上、この実施例によれば、過給機により加圧された空気を冷却する吸気冷却手段の上流へ改質ガスを還流させるので、高温の改質ガスを冷却して内燃機関の気筒へ還流させることができる。また、吸気冷却手段の上流へ改質ガスを還流させることにより、過給機で過給された空気と改質ガスとの混合を促進することができる。これにより、改質ガスをより冷却することができる。その結果、内燃機関の各気筒へ還流させる改質ガスと空気との混合気体の体積効率を向上させることができるとともに、ノッキングが抑制できる。そして、吸気冷却手段で冷却をしなかった場合と比較して、改質器に対して同一の燃料を供給した場合、ノッキングが改善されるため点火時期を進角させることができ、内燃機関の出力トルクが増加する。

また、改質ガスと空気との混合気体の冷却が促進される結果、体積効率が向上するため、吸気冷却手段で冷却をしなかった場合と比較して、より多くの改質ガスを還流させることができるので、燃料消費を抑制できる。さらに、改質ガスの冷却手段を吸気冷却手段で兼ねることができるので、改質ガスを冷却するための冷却手段を別個に設けなくてよい。これにより、改質のためのシステムを簡略化して信頼性を向上できるとともに、内燃機関のコストも低減できる。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、排ガスに燃料を供給して、水素を含む改質ガスを生成する内燃機関に有用であり、特に、さらに過給機を備える内燃機関に適している。

この実施例に係る内燃機関の全体構成図である。燃料消費率とガス還流率との関係を示す説明図である。この実施例の構成における改質ガス温度の低下を示す説明図である。この実施例の構成における吸入ガス温度に対するトルク等を示す説明図である。この実施例に係る内燃機関の運転制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
３吸気通路
５還流流量調整弁
１０ガス還流通路
１１改質用導管
１２インタークーラー
１４ターボ（ターボチャージャー）
１４Ｃ圧縮機
１５ポンプ
２０改質器
２１改質室
２２排気通路
２４改質用燃料噴射弁
５０エンジンＥＣＵ
５０ｐ処理部

Claims

吸気通路から供給される空気と燃料との混合気が燃焼することにより駆動する内燃機関であって、
改質触媒により排ガスと燃料との混合気を改質して、水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、
前記吸気通路に設けられるとともに、前記内燃機関に供給する空気を加圧する過給手段と、
前記吸気通路に設けられるとともに、前記過給手段から吐出される空気を冷却する吸気冷却手段と、
前記吸気通路であって、前記過給手段と前記吸気冷却手段との間に前記改質ガスを還流させるガス還流通路と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
前記改質ガスを加圧して前記吸気通路に還流させる改質ガス加圧手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記改質ガス加圧手段は、前記ガス還流通路に設けられるポンプであることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
前記改質ガス加圧手段は、前記過給手段の過給圧力よりも高い圧力で前記改質ガスを加圧することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関。
前記過給手段の過給圧力が所定の圧力よりも低い場合には、前記改質ガス加圧手段の動作を停止することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。