JP2006046274A - 内燃機関及び内燃機関の運転制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質ガスを可能な限り内燃機関の吸気側に還流させること。
【解決手段】この内燃機関１は、改質触媒により内燃機関１から排出される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器２０と、内燃機関１の駆動中における燃焼変動を検出する燃焼圧力センサ４８₁〜４８₄と、吸気通路３に還流させる改質ガスの流量を制御する還流流量調整弁５とを備える。そして、燃焼圧力センサ４８₁〜４８₄により検出される内燃機関１の燃焼変動に基づき、還流流量調整弁５により吸気通路３に還流させる改質ガスの流量を調整して、燃焼変動が許容できる範囲で改質ガスを還流させる。
【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及び内燃機関の運転制御装置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。特許文献１には、このような内燃機関において、燃焼変動を検出し、燃焼変動が大きいときには改質触媒が異常であると判断する技術が開示されている。

特開２００４−９２５２０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、燃焼変動によって改質触媒の異常を検出するのみであり、燃料消費の抑制に対しては考慮されておらず改善の余地がある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、改質した燃料を内燃機関に可能な限り供給して、燃料消費を抑制できる内燃機関及び内燃機関の運転制御装置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、改質触媒により前記内燃機関から排出される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、前記内燃機関の駆動中における燃焼変動を検出する燃焼変動検出手段と、前記燃焼変動検出手段により検出される燃焼変動に基づいて、前記吸気通路に還流させる前記改質ガスの流量を調整して、前記燃焼変動が許容できる範囲で前記改質ガスを還流させる還流流量調整手段と、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、記燃焼変動が予め定めた許容値未満である場合、同一の運転条件において、前記改質ガスの還流量をそれまでよりも増加し、前記燃焼変動が前記許容値以上である場合、同一の運転条件において、前記改質ガスの還流量をそれまでよりも低減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、前記燃焼変動に基づき、前記改質ガスの還流量が変化した場合、変化後における改質ガスの還流流量を基準として前記改質ガスを還流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、前記内燃機関が複数の燃焼室を備える場合には、各燃焼室に対してそれぞれ前記改質ガスを還流させるとともに、それぞれの燃焼室での燃焼変動に基づいて、前記燃焼室に還流させる前記改質ガスの流量を調整することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、排ガスと燃料との混合気を改質触媒により改質し、そのとき生成される水素を含む改質ガスが吸気通路に還流する内燃機関を制御する際に用いるものであり、前記内燃機関の燃焼変動を取得し、予め定めた燃焼変動の許容値と比較する運転状態判定部と、前記燃焼変動と前記許容値との比較結果に基づいて、前記吸気通路に還流させる前記改質ガスの流量を調整して、前記燃焼変動が許容できる範囲で前記改質ガスを還流させる還流制御部と、を含んで構成されることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、前記内燃機関の運転制御装置において、前記燃焼変動が予め定めた許容値未満であると前記運転状態判定部が判定した場合、前記還流制御部は、同一の運転条件において、前記改質ガスの還流量をそれまでよりも増加させ、前記燃焼変動が前記許容値以上であると前記運転状態判定部が判定した場合、前記還流制御部は、同一の運転条件において、前記改質ガスの還流量をそれまでよりも低減させることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、前記内燃機関の運転制御装置において、前記燃焼変動に基づき、前記改質ガスの還流量が変化した場合、変化後における改質ガスの還流流量を学習し、変化後における改質ガスの還流流量を基準として前記改質ガスの還流量を設定する制御パラメータ設定部をさらに備えることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、前記内燃機関の運転制御装置において、前記内燃機関が複数の燃焼室を備える場合には、前記運転状態判定部は、それぞれの前記燃焼室での燃焼変動を取得し、前記還流制御部は、それぞれの前記燃焼室に還流させる前記改質ガスの流量を、それぞれの前記燃焼室に対して調整することを特徴とする。

この発明に係る内燃機関及び内燃機関の運転制御装置では、改質した燃料を内燃機関に可能な限り供給して、燃料消費を抑制できる。

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。

実施例１に係る内燃機関は、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内燃機関へ還流させる際には、内燃機関の燃焼変動に基づき、前記改質ガスの還流量をフィードバック制御する点に特徴がある。

図１は、実施例１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（Ｈ₂）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の各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄には、気筒内の燃焼室における燃焼状態を判定するため、燃焼変動検出手段の一例である燃焼圧力センサ４８₁〜４８₄が取り付けられている。この燃焼圧力センサ４８₁〜４８₄によって各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄内の燃焼圧力を測定して、内燃機関１の燃焼状態を判定する。また、内燃機関１に取り付けられる回転数センサ４３を燃焼変動検出手段として用い、これによって検出される内燃機関１の回転数変動に基づいて、内燃機関１の燃焼状態を検出することもできる。さらに、点火プラグＳＰ₁〜ＳＰ₄を燃焼変動検出手段として用い、点火プラグＳＰ₁〜ＳＰ₄から内燃機関１の燃焼イオン電流を検出することにより、内燃機関１の燃焼状態を検出することもできる。なお、燃焼イオン電流は、内燃機関１の各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄にイオン電流計を取り付け、これによって検出してもよい。

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、吸気通路を構成するインテークマニホールド７₁〜７₄を通って各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄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１ｓ₁〜１ｓ₄のインテークマニホールド７₁〜７₄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。

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、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１ｓ₁〜１ｓ₄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、排気通路９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。排気通路９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。

排気通路９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。ガス還流通路１０には、冷却器１２が設けられており、改質室２１で改質された排ガス（改質ガスＥｘｒ）を冷却する。また、冷却器１２とガス還流通路１０の出口１０ｏとの間には、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からの指令により、吸気通路３へ還流させる改質ガスＥｘｒの流量を調整する。

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１ｓ₁〜１ｓ₄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（７．６ＣＯ₂＋６．８Ｈ₂Ｏ＋４０．８Ｎ₂）＋３Ｃ_7.6Ｈ_13.6＋４１２２ｋＪ→３１Ｈ₂＋３４．７ＣＯ＋６３．６Ｎ₂・・・（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（Ｈ₂）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、ガス還流通路１０の途中に設けられた冷却器１２で冷却されてから吸気通路３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（Ｈ₂）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。

内燃機関１が軽負荷で運転されているときにＥＧＲを実行すると、ポンプロスが低減されて燃料消費を低減できるが、排ガスＥｘの環流量（ＥＧＲ量）が多すぎると燃焼速度が遅くなって燃焼が悪化する。その結果、内燃機関１の出力トルクが低下し、ドライバビリティが悪化する。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、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、燃焼悪化に起因する出力トルクの低下を抑制して、ドライバビリティの悪化を抑えることができる。

また、内燃機関１が高負荷（例えばＷＯＴ領域での運転や負荷率で８０％程度を超える領域での運転）においてＥＧＲを実行すると、燃焼室の温度を低下させることができるので、ストイキ（λ＝１）で運転できる領域が拡大する。しかし、ＥＧＲにより燃焼が悪化して、出力トルクが低下し、ドライバビリティを悪化させることがある。この実施例に係る内燃機関１は、排ガスＥｘだけではなく、水素を含む改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させるので、改質ガスＥｘｒ中の水素が急速燃焼することで燃焼悪化が抑制される。また、水素の急速燃焼によりノッキングを改善できるので、点火時期を進角させて、内燃機関１の出力トルクを向上させることができる。その結果、燃焼悪化に起因する出力トルクの低下を抑制して、ドライバビリティの悪化を抑えることができる。

次に、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置について説明する。図２は、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。実施例１に係る内燃機関の運転制御は、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置３０によって実現できる。図２に示すように、内燃機関の運転制御装置３０は、エンジンＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。エンジンＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力及び出力ポート５５、５６と、入力及び出力インターフェイス５７、５８とから構成される。

なお、エンジンＥＣＵ５０とは別個に、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置３０を用意し、これをエンジンＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、実施例１に係る内燃機関の運転制御方法を実現するにあたっては、エンジンＥＣＵ５０が備える内燃機関１の制御機能を、前記内燃機関の運転制御装置３０が利用できるように構成してもよい。

内燃機関の運転制御装置３０は、運転状態判定部３１と、制御パラメータ設定部３２と、還流制御部３３とを含んで構成される。これらが、実施例１に係る内燃機関の運転制御方法を実行する部分となる。実施例１において、内燃機関の運転制御装置３０は、エンジンＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐの一部として構成される。この他に、ＣＰＵ５０ｐには、内燃機関１の運転を制御したり、内燃機関１へ供給する燃料の量を制御したり、改質のための燃料の量を制御する制御部５３が含まれている。

ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４₁〜５４₃を介して、入力ポート５５及び出力ポート５６を介して接続される。これにより、内燃機関の運転制御装置３０を構成する運転状態判定部３１と制御パラメータ設定部３２と、還流制御部３３とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。また、内燃機関の運転制御装置３０は、エンジンＥＣＵ５０が有する内燃機関１の負荷ＫＬや機関回転数ＮＥその他の内燃機関の運転制御データを取得したり、内燃機関の運転制御装置３０の制御をエンジンＥＣＵ５０の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

入力ポート５５には、入力インターフェイス５７が接続されている。入力インターフェイス５７には、エアフローセンサ４２、回転数センサ４３、改質触媒床温度センサ４４、Ａ／Ｆセンサ４５、冷却水温センサ４６、アクセル開度センサ４７、燃焼圧力センサ４８その他の、燃料供給制御や内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェイス５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタルバッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、燃料供給制御や内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得することができる。

出力ポート５６には、出力インターフェイス５８が接続されている。出力インターフェイス５８には、還流流量調整弁５、ポート噴射弁６、改質用燃料噴射弁２４その他の、内燃機関１の運転制御に必要な制御対象が接続されている。出力インターフェイス５８は、制御回路５８₁、５８₂等を備えており、ＣＰＵ５０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、前記センサ類からの出力信号に基づき、エンジンＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、内燃機関１の運転を制御することができる。

記憶部５０ｍには、実施例１に係る燃料供給制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや制御マップ、あるいは内燃機関１の運転制御に用いる燃料噴射量のデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐへすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、実施例１に係る燃料供給制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この内燃機関の運転制御装置３０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、運転状態判定部３１、制御パラメータ設定部３２、及び還流制御部３３の機能を実現するものであってもよい。次に、実施例１に係る燃料供給制御及び内燃機関の運転制御装置等の動作について説明する。この説明においては、適宜図１、図２を参照されたい。

図３は、実施例１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。図４は、ガス還流率と燃料消費率との関係を示す説明図である。図５−１は、実施例１に係る第１ＧＲマップの一例を示す説明図である。図５−２は、実施例１に係る第２ＧＲマップの一例を示す説明図である。実施例１に係る内燃機関の運転制御を実行するにあたり、内燃機関の運転制御装置３０の運転状態判定部３１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）、運転状態判定部３１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、還流制御部３３は、還流流量調整弁５を閉じてガスの還流を中止するとともに、エンジンＥＣＵの制御部５３は、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）、運転状態判定部３１は、改質触媒床温度センサ４４から改質触媒の温度を取得する。そして、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）、運転状態判定部３１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）。すなわち、第１のガス還流率が記述された第１ＧＲ（Gas Recirculation：ガス還流）マップ６１により排ガスＥｘの還流量を制御する条件である。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。

ここで、「第１のガス還流率」とは、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に還流させる場合のガス還流率（いわゆるＥＧＲ率）をいう。制御パラメータ設定部３２は、第１ＧＲマップ６１に内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとを与え、当該運転条件における第１のガス還流率を決定する。還流制御部３３は、決定された第１のガス還流率に基づいて、還流流量調整弁５の開度を調整し、排ガスＥｘのみを還流させる。同時に、エンジンＥＣＵ５０の制御部５３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、かかる期間中は、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するとともに、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して、当該付着による燃料消費の悪化を抑制できる。なお、「ガス還流率」というときは、内燃機関に還流させるガスの種類を問わない。また、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に還流させる場合、「ガス還流率」は「ＥＧＲ率」と同義である。

図４の点線は、排ガスＥｘのみを還流させた場合の燃料消費率ρとガス還流率（ＥＧＲ率）との関係を示している。第１のガス還流率は、排ガスＥｘのみを内燃機関１に還流させる場合において、内燃機関１のある機関回転数ＮＥとある負荷（吸入空気量Ｇａ）との組み合わせに対して、燃料消費率ρが最も少なくなるとき（ρｍｉｎ１）のガス還流率である。このガス還流率は、図４中のＧＲ１となる。第１ＧＲマップ６１（図５−１）は、複数の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとの組み合わせにおいて求めた第１のガス還流率ＧＲ１_mnが記述されている。なお、第１ＧＲマップ６１には、第１のガス還流率ＧＲ１_mnの代わりに、当該ガス還流率に相当する排ガスＥｘの還流流量を記述してもよいし、当該ガス還流率になる還流流量調整弁５の開度を記述してもよい。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。

改質触媒の温度が活性温度Ｔａ以上であると運転状態判定部３１が判定した場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、運転状態判定部３１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）。すなわち、第２の排ガス還流率が記述された第２ＧＲマップ６２により、内燃機関１に還流させる改質ガスの還流流量を制御する条件である。改質触媒の温度が活性温度Ｔａ以上であれば改質触媒が燃料を十分に改質して、十分な量の水素を含んだ改質ガスＥｘｒを内燃機関１へ還流できるからである。ここで、「第２のガス還流率」とは、水素を含む改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させる場合のガス還流率をいう。

図４の実線は、改質ガスＥｘｒを還流させた場合の燃料消費率とガス還流率との関係を示している。第２のガス還流率は、改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させる場合において、内燃機関１のある機関回転数ＮＥとある負荷（吸入空気量Ｇａ）との組み合わせに対して、燃料消費率ρが最も少なくなるとき（ρｍｉｎ２）のガス還流率である。このガス還流率は、図４中のＧＲ２となる。第２ＧＲマップ６２（図５−２）は、複数の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとの組み合わせにおいて求めた第２のガス還流率ＧＲ２_mnが記述されている。なお、第２ＧＲマップ６２には、第２のガス還流率ＧＲ２_mnの代わりに、当該ガス還流率に相当する改質ガスＥｘｒの還流流量を記述してもよいし、当該ガス還流率になる還流流量調整弁５の開度を記述してもよい。制御パラメータ設定部３２は、第２ＧＲマップに内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとを与え、当該運転条件における第２のガス還流率を決定する（ステップＳ１０６）。

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。

第２のガス還流率を決定するにあたっては、例えば、内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとから決定される改質触媒温度Ｔｃ及び改質ガス水素濃度Ｄ_Hとを考慮した実験をして、例えば燃料消費率ρが最も小さくなるガス還流率を第２のガス還流率として決定する。そして、それぞれの機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとの組み合わせに対して第２のガス還流率を求め、第２ＧＲマップ６２を作成する。このように、第２のガス還流率は、改質触媒温度Ｔｃ及び改質ガス水素濃度Ｄ_Hの情報も含んで決定される。そして、改質器２０に供給する改質用燃料供給量を決定するため、第２ＧＲマップ６２には、第２のガス還流率の他に、改質ガス水素濃度Ｄ_Hも記述されている。

なお、この実施例では、内燃機関１の燃料消費を低減する目的から燃料消費率ρが最も小さくなるガス還流率を第２のガス還流率として第２ＧＲマップを作成したが、例えば、内燃機関１が搭載される車両のドライバビリティに着目して、内燃機関１のトルク変動の許容限度におけるガス還流率を第２のガス還流率として第２ＧＲマップを作成してもよい。このように、目的に応じて、第２のガス還流率を決定することができる。

このようにして決定された第２のガス還流率は、排ガスＥｘのみを還流させるときの第１のガス還流率よりも大きくなる。すなわち、第２のガス還流率を用いて決定される改質ガスＥｘｒの還流量は、第１のガス還流率を用いて決定される排ガスＥｘの還流量よりも大きくなる。これにより、改質ガスＥｘｒを還流させるときは、排ガスＥｘのみを還流させるときよりも多くの改質ガスを内燃機関１に還流させることができる。

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。上記手順によれば、ある機関回転数ＮＥ、吸入空気量Ｇａにおいて得られる改質ガスＥｘｒに含まれる水素濃度が最大となるように、改質用燃料が改質器２０に供給されることになる。

第２のガス還流率を決定したら、制御パラメータ設定部３２は、決定した第２のガス還流率及びそのときの改質ガス水素濃度Ｄ_Hに基づいて、改質用燃料Ｆｒの供給量を決定する（ステップＳ１０７）。第２のＥＧＲ量を決定する際、内燃機関１の運転条件は機関回転数ＮＥ及び吸入空気量Ｇａであり、かつλ＝１（ストイキ）なので、このときに内燃機関１から排出される総排ガス量Ｑｅｘ＿ａｌｌが分かる。また、第２のガス還流率は第２ＧＲマップ６２により決定されているので、この総排ガス量Ｑｅｘ＿ａｌｌに第２のＥＧＲ量を乗ずれば、改質器２０へ導かれる排ガスＥｘの量、すなわち、改質器２０で改質される排ガス量Ｑｅｘｒを求めることができる。

この実施例においては、ある機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとにおいて、改質ガス水素濃度Ｄ_Hが最大となるように、改質用燃料Ｆｒと排ガスＥｘとの混合気Ｇｍｒを改質する。このため、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは、改質される排ガス量Ｑｅｘｒが決定されれば、一義的に決定される。すなわち、改質ガスＥｘｒの改質ガス水素濃度Ｄ_Hが最大になるように、例えば、式（１）を用いて改質用燃料Ｆｒの供給量τｒを決定すればよい。また、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは、予め実験により求めて、機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとに対してマップ化しておいてもよい。

第２のＥＧＲ量を決定したとき、内燃機関１は機関回転数ＮＥ及び吸入空気量Ｇａであり、λ＝１（ストイキ）なので、このときに内燃機関１へ供給する全燃料噴射量τａｌｌが分かる。上記手順により、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒが決定されるので、内燃機関１へ供給する燃料Ｆｅの供給量τｅはτａｌｌ−τｒで求めることができる。このような手順により、内燃機関１へ供給する燃料Ｆｅの供給量τｅと、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒと、改質される排ガス量Ｑｅｘｒを決定する第２のガス還流率とが決定される。還流制御部３３は、決定された第２のガス還流率に基づいて、還流流量調整弁５の開度を制御する（ステップＳ１０８）。同時に、エンジンＥＣＵ５０の制御部５３は、内燃機関１へ供給する燃料Ｆｅの供給量τ及び改質用燃料Ｆｒの供給量τｒで燃料が噴射されるように、ポート噴射弁６及び改質用燃料噴射弁２４を制御する（ステップＳ１０８）。

改質器２０で生成される改質ガスＥｘｒは、水素を含む。上述したように、水素は、燃焼速度が速く、可燃限界が広い。また、ガソリンに比べ等モルで１／３弱の発熱量を持つ。このため、水素を含んだ改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させると、排ガスＥｘのみを内燃機関１に還流させる場合よりガス還流率を高くしても安定した燃焼が得られる。したがって、図４に示すように、水素を含んだ改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させる場合、水素を含まない通常の排ガスＥｘを内燃機関１に還流させる場合よりも多くの改質ガスＥｘｒを還流させることができる。すなわち、図４に示すように、第２のガス還流率ＧＲ２は、第１のガス還流率ＧＲ１よりもΔＧＲだけ大きく設定することができる。

これにより、最大限の改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させることができるので、ポンピングロスを低減させて、燃料消費を効果的に抑制できる。そして、改質ガスＥｘｒの還流による燃焼悪化は、改質ガスＥｘｒ中に含まれる水素により抑制できる。特に、この実施例では、改質ガスＥｘｒに含まれる水素濃度が最大となるように制御できるので、改質ガスＥｘｒの還流量増加に起因する燃焼悪化も効率的に抑制できる。

また、改質ガスＥｘｒに含まれる水素濃度が最大となるように制御できるので、ノッキングの改善効果や、改質して得られた水素による発熱量の増加によるトルク増加効果も得られる。さらに、内燃機関１の運転条件を考慮して第２のガス還流率を決定することにより、改質ガスＥｘｒを最大限供給できるので、燃焼温度低減によるＮＯｘ低減効果も得られる。

次に、運転状態判定部３１は、燃焼圧力センサ４８の出力、あるいは回転数センサ４３の出力を取得し、取得した出力値から内燃機関１の燃焼変動を判定する（ステップＳ１０９）。実施例１において、燃焼変動が、予め定めた許容遅以上である場合には、改質ガスＥｘｒの還流量が多すぎるため、許容できない燃焼変動が発生していると判断する。燃焼変動は、例えば、ある所定期間ΔＴにおける燃焼圧力の最大値Ｐｍａｘの変動率（＝σ／Ｐｍａｘ＿ａｖ）で表すことができる。ここで、Ｐｍａｘ＿ａｖは、所定期間ΔＴにおけるＰｍａｘの平均値であり、σは、所定期間ΔＴにおけるＰｍａｘの標準偏差である。そして、Ｐｍａｘの変動率が、予め定めた変動率の許容値Ｐｃ以上になっている場合に、許容できない燃焼変動が発生していると判断できる。また、内燃機関１に取り付けられる回転数センサ４３を用いる場合には、回転数センサ４３の出力信号から内燃機関１のトルク変動を検出する。そして、内燃機関１に、予め定めた許容値以上のトルク変動が発生している場合には、許容できない燃焼変動が発生していると判断する。

内燃機関１の燃焼変動が予め定めた許容値未満である場合（ステップＳ１０９；Ｙｅｓ）、運転状態判定部３１は、内燃機関１の燃焼変動は許容範囲であると判定する。内燃機関１の燃焼変動が許容範囲であれば、まだ改質ガスＥｘｒの還流量を増加させ、内燃機関１の燃料消費を抑制できる余地がある。しかし、内燃機関１の燃焼変動が許容値と同等である場合に改質ガスＥｘｒの還流量を増加させると、内燃機関１の燃焼変動が再び許容できなくなるおそれがある。このため、燃焼変動が許容値未満で、かつ予め定めた所定の下限値以上であれば、内燃機関１は許容できない燃焼変動が発生する限界の状態で運転されていると判断し、改質ガスＥｘｒの還流量の増加を中止する（ステップＳ１１０；Ｙｅｓ）。前記下限値は、例えば、予め定めた許容遅の所定割合（例えば９５％）とすることができる。

燃焼変動が前記下限値未満である場合（ステップＳ１１０；Ｎｏ）、改質ガスＥｘｒの還流量を増加させ、内燃機関１の燃料消費を抑制できる余地がある。この場合、制御パラメータ設定部３２は、第２ＧＲマップ６２に格納されている現在の運転条件に対する第２のガス還流率ＧＲ２に、予め定めたガス還流率増加値（ΔＧＲ２１）を加算して増加させる（ステップＳ１１１）。すなわち、このときの第２のガス還流率ＧＲ２は、ＧＲ２＋ΔＧＲ２１となる。ここで、第２ガス還流率ＧＲ２を変更すれば、内燃機関１の吸気通路３に還流される改質ガスＥｘｒの流量も変化する。すなわち、第２ガス還流率ＧＲ２を変更することにより、内燃機関１の吸気通路３に還流される改質ガスＥｘｒの流量を調整することができる。

還流制御部３３は、ガス還流率増加値ΔＧＲ２１に相当する分、還流流量調整弁５を開き、改質ガスＥｘｒの還流量をそれまでよりも増加させる（ステップＳ１１２）。これにより、内燃機関１へ還流する改質ガスＥｘｒの還流量を、ガス還流率増加値ΔＧＲ２１に相当する量だけ増量させることができる。なお、ガス還流率増加値ΔＧＲ２１は、予め実験やシミュレーションにより求めておき、記憶部５０ｍに格納しておく。その後、ステップＳ１０９に戻り、内燃機関１の燃焼状態を判定し、許容できない燃焼変動が発生する限界の状態で内燃機関１が運転されるまで（ステップＳ１１０；Ｙｅｓ）、還流制御部３３は、還流流量調整弁５の開度を大きくする（ステップＳ１０９〜Ｓ１１１）。

内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値以上である場合（ステップＳ１０９；Ｎｏ）、運転状態判定部３１は、内燃機関１の燃焼変動は許容範囲を超えていると判定する。内燃機関１の燃焼変動が許容範囲を超えると内燃機関１の出力トルク変動やトルク低下により、ドライバビリティを悪化させるおそれがある。このため、改質ガスＥｘｒの還流量を減少させ、内燃機関１の燃焼を改善する必要がある。この場合、制御パラメータ設定部３２は、第２ＧＲマップ６２に格納されている現在の運転条件に対する第２のガス還流率ＧＲ２を、予め定めたガス還流率減少値ΔＧＲ２２に相当する量だけ低減させる（ステップＳ１１３）。このときの第２のガス還流率ＧＲ２は、ＧＲ２−ΔＧＲ２２となる。

還流制御部３３は、ガス還流率減少値ΔＧＲ２２に相当する分、還流流量調整弁５を閉じ、改質ガスＥｘｒの還流量をそれまでよりも低減させる（ステップＳ１１４）。これにより、内燃機関１へ還流する改質ガスＥｘｒの還流量を、ガス還流率減少値ΔＧＲ２２に相当する量だけ低減させることができる。なお、ガス還流率減少値ΔＧＲ２２は、予め実験やシミュレーションにより求めておき、記憶部５０ｍに格納しておく。その後、ステップＳ１０９に戻り、内燃機関１の燃焼状態を判定し、内燃機関１の燃焼変動が許容できるまで（ステップＳ１０９；Ｎｏ）、還流制御部３３は、還流流量調整弁５の開度を小さくして、還流流量を低減する（ステップＳ１０９、Ｓ１１３、Ｓ１１４）。

実施例１では、改質ガスの還流流量を制御するための基準として、第２のガス還流率ＧＲ２を用いたが、排ガスＥｘのみを還流させるときの還流流量を決定する第１のガス還流率を基準としてもよい。このようにすれば、第２のガス還流率を記述したマップを用意するために要する実験等の手間を省くことができる。また、第２のガス還流率のような、改質ガスの還流流量を制御するための基準をもたず、燃焼変動のみに基づくフィードバック制御を行ってもよい。

以上、実施例１では、燃焼変動に基づいて、内燃機関の吸気通路に還流させる改質ガスの流量をフィードバック制御する。これにより、燃焼変動が許容できる限界まで改質ガスを還流させることができるので、ポンピングロスの低減により燃料消費を効果的に抑制できる。また、還流流量増加にともなう燃焼悪化は改質ガス中の水素により抑制することによりトルク低下、トルク変動を抑制できるので、改質ガスの還流流量を大きくして、燃料消費を効果的に抑制できる。

また、実施例１では、燃焼変動に基づいて、内燃機関の吸気通路に還流させる改質ガスの流量をフィードバック制御する。これにより、内燃機関や改質器を含む改質システムの経時変化により、改質ガスの還流可能量が変化した場合でも、常に燃焼変動が許容できる限界まで改質ガスを還流させることができる。その結果、ポンピングロスの低減により燃料消費を効果的に抑制できる。なお、実施例１において開示した構成は、以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例１及びその変形例において開示した構成と同様の構成を備える以上、実施例１及びその変形例と同様の作用、効果を奏する。

実施例２は、実施例１と略同様の構成であるが、フィードバック制御して修正した第２のガス還流率を学習する点が異なる。すなわち、燃焼変動に基づいて、第２ガス還流率が変化した場合、変化後における第２のガス還流率を基準として、燃焼変動に基づいて改質ガスの還流流量をフィードバック制御する。他の構成は実施例１等と同様なのでその説明を省略する。図６は、実施例２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。図７−１、図７−２は、実施例２に係る内燃機関の運転制御の学習方法例を示す説明図である。実施例２に係る内燃機関の運転制御は、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置３０（図２参照）により実現できる。実施例２に係る内燃機関の運転制御において、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５は、実施例１に係る内燃機関の運転制御におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０５と同様なので、説明を省略する。

内燃機関の運転制御装置３０の運転状態判定部３１が、改質ガスを含む排ガスを内燃機関１に還流させる条件であると判定したら（ステップＳ２０５）、制御パラメータ設定部３２は、第２ＧＲマップ６２（図５−２）に内燃機関１の機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとを与え、当該運転条件における第２のガス還流率を決定する（ステップＳ２０６）。

ここで、実施例２においては、フィードバック制御の結果、第２のガス還流率を修正した場合は、その修正値を学習値として、もとの第２のガス還流率と置き換える。第２のガス還流率は、すでに第２のガス還流率を増加又は減少させている場合には、その増加、又は減少後の値が学習されて、第２ＧＲマップ６２に格納されている。第２のガス還流率が一回も修正されていない場合、当初の第２ＧＲマップ６２に格納されている第２のガス還流率が、ステップＳ２０６で決定される第２のガス還流率である。第２のガス還流率を決定したら、制御パラメータ設定部３２は、決定した第２のガス還流率及びそのときの改質ガス水素濃度Ｄ_Hに基づいて、改質用燃料Ｆｒの供給量を決定する（ステップＳ２０７）。還流制御部３３は、決定された第２のガス還流率に基づいて、還流流量調整弁５の開度を調整する（ステップＳ２０８）。

次に、運転状態判定部３１は、内燃機関１の燃焼変動を判定する（ステップＳ２０９）。そして、内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値未満である場合（ステップＳ２０９；Ｙｅｓ）、運転状態判定部３１は、内燃機関１の燃焼変動は許容範囲であると判定する。内燃機関１の燃焼変動が許容範囲であれば、まだ改質ガスＥｘｒの還流量を増加させ、内燃機関１の燃料消費を抑制できる余地がある。

この場合、制御パラメータ設定部３２は、現在の第２のガス還流率ＧＲ２に、予め定めたガス還流率増加値ΔＧＲ２１を加算した値（ＧＲ２＋ΔＧＲ２１）で、現在の第２のガス還流率ＧＲ２を修正する。そして、これを新たな第２のガス還流率ＧＲ２（＝ＧＲ２＋ΔＧＲ２１）として設定する（ステップＳ２１０）。制御部５３は、還流流量調整弁５の開度を、修正した第２のガス還流率ＧＲ２（＝ＧＲ２＋ΔＧＲ２１）に相当する開度に制御して、改質ガスＥｘｒの還流流量を増加させる（ステップＳ２１１）。

次に、制御パラメータ設定部３２は、現在の内燃機関１の運転条件における第２のガス還流率を、修正した第２のガス還流率ＧＲ２（＝ＧＲ２＋ΔＧＲ２１）に置き換え（ステップＳ２１２）、以後の制御では置き換えた第２のガス還流率ＧＲ２を用いる。すなわち、図７−１に示す第２ＧＲマップ６２に記述された現在の内燃機関１の運転条件における第２のガス還流率は、図７−２に示すように、ΔＧＲ２１（又はΔＧＲ２２）で修正された値となる。これにより、修正した第２のガス還流率ＧＲ２が学習される。ここで、実施例２では、当初設定されている第２のガス還流率ＧＲ２に、ガス還流率増加値ΔＧＲ２１又はガス還流率減少値ΔＧＲ２２を加算又は減算する。すなわち、当初設定されている第２のガス還流率ＧＲ２を基本として、これにガス還流率増加値ΔＧＲ２１等が加算又は減算されることになる。

運転状態判定部３１は、修正した第２のガス還流率によって内燃機関１が運転されている状態で、内燃機関１の燃焼変動を判定する（ステップＳ２１３）。そして、内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値未満である場合（ステップＳ２１３；Ｙｅｓ）、運転状態判定部３１は、内燃機関１の燃焼変動は許容範囲であると判定する。この場合、改質ガスＥｘｒの還流量を増加させ、内燃機関１の燃料消費を抑制できる余地があるので、制御パラメータ設定部３２及び還流制御部３３は、ステップＳ２１０〜Ｓ２１２を繰り返し、第２のガス還流率をガス還流率増加値ΔＧＲ２１づつ増加させ、ガス還流率増加値ΔＧＲ２１により修正した第２のガス還流率を学習する。なお、改質ガスＥｘｒが変化するので、改質用燃料噴射弁２４から供給される改質用燃料Ｆｒの供給量も変化する。このため、実施例２に係る制御により変化した改質用燃料Ｆｒの供給量も同時に学習してもよい。

修正した第２のガス還流率で内燃機関１が運転されている状態において、内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値以上である場合（ステップＳ２１３；Ｎｏ）、運転状態判定部３１は、内燃機関１の燃焼変動は許容範囲を超えていると判定する。内燃機関１の燃焼変動が許容範囲を超えると内燃機関１の出力トルク変動により、ドライバビリティを悪化させるおそれがある。このため、改質ガスＥｘｒの還流量を減少させ、内燃機関１の燃焼を改善する必要がある。

この場合、制御パラメータ設定部３２は、現在の第２のガス還流率ＧＲ２から、予め定めたガス還流率減少値ΔＧＲ２２を減算した値（ＧＲ２−ΔＧＲ２２）により、現在の第２のガス還流率ＧＲ２を修正する。（ステップＳ２１４）。還流制御部３３は、還流流量調整弁５の開度を、修正した第２のガス還流率ＧＲ２に相当する開度に制御して、改質ガスＥｘｒの還流流量をそれまでよりも低減させる（ステップＳ２１５）。

次に、制御パラメータ設定部３２は、現在の内燃機関１の運転条件における第２のガス還流率を、修正した第２のガス還流率ＧＲ２＝（ＧＲ２−ΔＧＲ２２）に置き換える（ステップＳ２１６）。すなわち、第２ＧＲマップ６２に記述された現在の内燃機関１の運転条件における第２のガス還流率は、ΔＧＲ２２で修正された値となる。この置き換えにより、修正した第２のガス還流率ＧＲ２が学習される。なお、ガス還流率減少値ΔＧＲ２２は、予め実験やシミュレーションにより求めておき、記憶部５０ｍに格納しておく。また、上記ガス還流率増加値ΔＧＲ２１とガス還流率減少値ΔＧＲ２２とは異なる値としてもよいし、同じ値としてもよい。

運転状態判定部３１は、修正した第２のガス還流率ＧＲ２のもとで内燃機関１が運転されている状態で、内燃機関１の燃焼変動を判定する（ステップＳ２１７）。そして、内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値未満である場合（ステップＳ２１７；Ｙｅｓ）、運転状態判定部３１は、内燃機関１の燃焼変動は許容範囲であると判定し、学習を終了させる（ステップＳ２１８）。内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値以上である場合（ステップＳ２１７；Ｎｏ）、制御パラメータ設定部３２及び還流制御部３３は、内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値未満となるまでステップＳ２１４〜Ｓ２１６を繰り返す。

上記ステップＳ２０９において、内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値以上であると運転状態判定部３１が判定した場合（ステップＳ２０９；Ｎｏ）、内燃機関１の燃焼変動は許容範囲を超えていると考えられる。内燃機関１の燃焼変動が許容範囲を超えると内燃機関１の出力トルク変動により、ドライバビリティを悪化させるおそれがある。このため、改質ガスＥｘｒの還流量を減少させ、内燃機関１の燃焼を改善する必要がある。

この場合、制御パラメータ設定部３２は、第２のガス還流率ＧＲ２を、現在の第２のガス還流率ＧＲ２から、予め定めたガス還流率減少値ΔＧＲ２２を減算した、修正した第２のガス還流率ＧＲ２（ＧＲ２−ΔＧＲ２２）に設定する（ステップＳ２１９）。ここで、予め定めたガス還流率減少値ΔＧＲ２２は、上記ガス還流率減少値ΔＧＲ２２と同じものである。還流制御部３３は、還流流量調整弁５の開度を、修正した第２のガス還流率ＧＲ２に相当する開度に制御して、改質ガスＥｘｒの還流流量を減少させる（ステップＳ２２０）。

次に、制御パラメータ設定部３２は、現在の内燃機関１の運転条件における第２のガス還流率ＧＲ２を、修正した第２のガス還流率ＧＲ２（＝ＧＲ２−ΔＧＲ２２）に置き換える（ステップＳ２２１）。すなわち、第２ＧＲマップ６２に記述された現在の内燃機関１の運転条件における第２のガス還流率ＧＲ２は、学習値ΔＧＲ２２で修正された値となり、修正した第２のガス還流率ＧＲ２が学習される。

運転状態判定部３１は、修正した第２のガス還流率ＧＲ２のもとで内燃機関１が運転されている状態で、内燃機関１の燃焼変動を判定する（ステップＳ２２２）。そして、内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値未満である場合（ステップＳ２２２；Ｙｅｓ）、運転状態判定部３１は、内燃機関１の燃焼変動は許容範囲であると判定し、学習を終了させる（ステップＳ２１８）。内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値以上である場合（ステップＳ２２２；Ｎｏ）、制御パラメータ設定部３２及び還流制御部３３は、内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値未満となるまでステップＳ２１９〜Ｓ２２１を繰り返す。

実施例２では、改質ガスの還流流量を制御するための基準として、第２のガス還流率ＧＲ２を用いたが、排ガスＥｘのみを還流させるときの還流流量を決定する第１のガス還流率を基準としてもよい。実施例２においては、許容できない燃焼変動が発生して、第２のガス還流率（すなわち改質ガスの還流流量）に変化があった場合、これを学習する。このため、排ガスＥｘのみを還流させるときの還流流量を決定する第１のガス還流率を基準としても、内燃機関１の運転が進むにしたがって、最大限の改質ガスを還流させる制御が確実に実現できる。

以上、実施例２では、実施例１の構成を備えるので、実施例１と同様の作用、効果を奏する。さらに、実施例２では、許容できない燃焼変動が発生して、第２のガス還流率（すなわち改質ガスの還流流量）に変化があった場合、これを学習する。これにより、改質ガスの還流流量をさらに精密に制御できるので、さらに燃料消費の抑制を図ることができる。また、学習により、燃料消費内燃機関や改質システムの経時変化、あるいは使用者の癖等に柔軟かつ迅速に対応できるので、さらに燃料消費の抑制を図ることができる。なお、実施例２において開示した構成は、以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例２及びその変形例において開示した構成と同様の構成を備える以上、実施例２及びその変形例と同様の作用、効果を奏する。

実施例３は、内燃機関が複数の燃焼室を備える場合、燃焼室へ空気を供給する吸気通路が各燃焼室へ向かって分岐した後に改質ガスを還流させ、各気筒毎の燃焼変動に基づき、各燃焼室に対してそれぞれ独立にガス還流率を決定し、改質ガスの還流流量を決定する点に特徴がある。図８は、実施例３に係る内燃機関の全体構成図である。実施例３に係る内燃機関１ａは、各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄が備える各燃焼室に還流される改質ガスＥｘｒの流量を、それぞれ独立して制御できるように構成される。このため、改質室２１の出口２１ｏに設けられるガス還流通路１０は、冷却器１２の下流で内燃機関１の各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄が備える燃焼室の数と同じ数に分岐する。そして、各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄の各燃焼室につながるインテークマニホールド７₁〜７₄へ接続される。なお、インテークマニホールド７₁〜７₄は、内燃機関１の吸気通路を構成する。また、ガス還流通路１０の各分岐管１０₁〜１０₄には、それぞれ還流流量調整弁５₁〜５₄が設けられており、これによって内燃機関１ａの各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄に還流される改質ガスＥｘｒの還流流量を、それぞれ独立して制御できる。

実施例３において、内燃機関１ａに燃料Ｆｅを供給するポート噴射弁６₁〜６₄は、各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄それぞれに対して設けられている。このようにすれば、内燃機関１の燃焼をより精密に制御できるので好ましいが、実施例１に係る内燃機関１（図１参照）と同様に、１個のポート噴射弁６により内燃機関１へ燃料を供給してもよい。次に、実施例３に係る内燃機関の運転制御について説明する。なお、実施例３に係る内燃機関の運転制御は、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置３０（図２）により実現できる。そして、還流流量調整弁５₁〜５₄は、前記内燃機関の運転制御装置３０の還流制御部３３により、ポート噴射弁６₁〜６₄は、エンジンＥＣＵ５０内の制御部５３により制御される。

図９は、実施例３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。実施例３に係る内燃機関の運転制御において、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０７は、実施例１に係る内燃機関の運転制御におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０７と同様なので、説明を省略する。還流制御部３３が、決定された第２のガス還流率に基づいて、それぞれの還流流量調整弁５₁〜５₄の開度を制御し、また、エンジンＥＣＵ５０の制御部５３が、改質用燃料噴射弁２４及び各ポート噴射弁６₁〜６₄からの燃料噴射量を制御する（ステップＳ３０８）。

次に、運転状態判定部３１は、気筒カウント数ｉを０にリセットする（ステップＳ３０９）。ここで、ｉは、実施例３に係る内燃機関１ａの運転制御にあたり、制御対象の気筒を特定するものであり、１〜ｎまで変化する。例えば、ｉ＝２のときは、内燃機関の運転制御にあたり、２番気筒を対象とすることになる。ここで、ｎは、制御対象の内燃機関が備える総気筒数であり、実施例３に係る内燃機関１ａではｎ＝４である。

次に、運転状態判定部３１は、気筒カウント数ｉ＝ｉ＋１とする。（ステップＳ３１０）。これで、内燃機関１ａの１番気筒が制御対象となる。そして、運転状態判定部３１は、内燃機関１ａのｉ番気筒（ここでは１番気筒）の燃焼変動を判定する（ステップＳ３１１）。そして、ｉ番気筒の燃焼変動が予め定めた所定値未満である場合（ステップＳ３１１；Ｙｅｓ）、運転状態判定部３１は、ｉ番気筒の燃焼変動は許容範囲であると判定する。ｉ番気筒の燃焼変動が許容範囲であれば、まだ改質ガスＥｘｒの還流量を増加させ、内燃機関１ａの燃料消費を抑制できる余地がある。

この場合、運転状態判定部３１は、内燃機関１の燃焼変動が、予め定めた上記下限値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３１２）。燃焼変動が、上記下限値未満である場合（ステップＳ３１２；Ｎｏ）、制御パラメータ設定部３２は、還流流量調整弁５ｉ（ここではｉ＝１）に対する現在の第２のガス還流率ＧＲ２ｉに、予め定めたガス還流率増加値ΔＧＲ２１ｉを加算する。そして、この（ＧＲ２ｉ＋ΔＧＲ２１ｉ）が、新たな第２のガス還流率ＧＲ２ｉとなる（ステップＳ３１３）。

還流制御部３３は、還流流量調整弁５ｉの開度を、新たな第２のガス還流率ＧＲ２（＝ＧＲ２ｉ＋ΔＧＲ２１ｉ）に相当する開度に制御して、改質ガスＥｘｒの還流流量を増加させる（ステップＳ３１４）。次に、運転状態判定部３１は、内燃機関１ａのｉ番気筒の燃焼変動を判定する（ステップＳ３１２）。そして、内燃機関１の燃焼変動が予め定めた下限値以上である場合（ステップＳ３１２；Ｙｅｓ）、ｉ番気筒は燃焼変動が許容できる限界範囲で運転されていると判定する。その後、ｉ番気筒と同様にすべての気筒に対して燃焼状態を判定し（ステップＳ３１５；Ｎｏ）、内燃機関の運転制御装置３０は、燃焼変動が許容できる限界範囲ですべての気筒が運転されるように制御する。すべての気筒に対して前記制御が終了したら（ステップＳ３１５；Ｙｅｓ）、ＳＴＡＲＴに戻って内燃機関１ａの運転を監視する。

ステップＳ３１１で、内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値以上であると判定された場合（ステップＳ３１１；Ｎｏ）、運転状態判定部３１は、ｉ番気筒には、許容できない燃焼変動が発生していると判定する。ｉ番気筒の燃焼変動が許容範囲を超えると内燃機関１の出力トルク変動により、ドライバビリティを悪化させるおそれがある。このため、ｉ番気筒に対する改質ガスＥｘｒの還流量を減少させ、ｉ番気筒の燃焼を改善する必要がある。

この場合、制御パラメータ設定部３２は、還流流量調整弁５ｉ（ここではｉ＝１）に対する現在の第２のガス還流率ＧＲ２ｉから、予め定めたガス還流率減少値ΔＧＲ２２ｉを減算する。そして、この（ＧＲ２ｉ−ΔＧＲ２２ｉ）が、新たな第２のガス還流率ＧＲ２ｉとなる（ステップＳ３１６）。還流制御部３３は、還流流量調整弁５ｉの開度を、新たな第２のガス還流率ＧＲ２（＝ＧＲ２ｉ−ΔＧＲ２２ｉ）に相当する開度に制御して、改質ガスＥｘｒの還流流量を低減させる（ステップＳ３１７）。制御パラメータ設定部３２及び還流制御部３３は、内燃機関１の燃焼変動が予め定めた所定値未満となるまで（ステップＳ３１１；Ｙｅｓ）ステップＳ３１６、Ｓ３１７を繰り返す。なお、実施例３に係る上記手順において、許容できない燃焼変動が発生して第２のガス還流率を変更した場合、すなわち、改質ガスの還流流量を変更した場合、実施例２で説明したように、変更の結果を学習してもよい。

以上、実施例３では、実施例１の構成を備えるので、実施例１と同様の作用、効果を奏する。さらに、実施例３では、それぞれの気筒に対して独立に改質ガスの還流流量を制御する。これにより、燃焼変動が許容できる気筒に対しては改質ガスの還流流量を増加できるので、内燃機関全体としてはさらに燃料消費を低減できる。このように、燃焼変動に基づいて、各気筒毎に改質ガスの還流流量をフィードバック制御するので、さらに精密に内燃機関に対する改質ガスの還流流量を制御して、さらなる燃料消費の低減を図ることができる。

以上のように、本発明に係る内燃機関及び内燃機関の運転制御装置は、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、前記改質ガスを可能な限り内燃機関の吸気側に還流させることに適している。

実施例１に係る内燃機関の全体構成図である。 実施例１に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。 実施例１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。 ガス還流率と燃料消費率との関係を示す説明図である。 実施例１に係る第１ＧＲマップの一例を示す説明図である。 実施例１に係る第２ＧＲマップの一例を示す説明図である。 実施例２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。 実施例２に係る内燃機関の運転制御の学習方法例を示す説明図である。 実施例２に係る内燃機関の運転制御の学習方法例を示す説明図である。 実施例３に係る内燃機関の全体構成図である。 実施例３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、１ａ 内燃機関
３ 吸気通路
５ 還流流量調整弁
６ ポート噴射弁
１０ ガス還流通路
１０ｏ 出口
１１ 改質用導管
１２ 冷却器
２０ 改質器
２１ 改質室
２２ 排気通路
２４ 改質用燃料噴射弁
３０ 内燃機関の運転制御装置
３１ 運転状態判定部
３２ 制御パラメータ設定部
３３ 還流制御部
５０ エンジンＥＣＵ
６１ 第１ＧＲマップ
６２ 第２ＧＲマップ
４８₁〜４８₄ 燃焼圧力センサ

Claims (8)

1. 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、
   改質触媒により前記内燃機関から排出される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、
   前記内燃機関の駆動中における燃焼変動を検出する燃焼変動検出手段と、
   前記燃焼変動検出手段により検出される燃焼変動に基づいて、前記吸気通路に還流させる前記改質ガスの流量を調整して、前記燃焼変動が許容できる範囲で前記改質ガスを還流させる還流流量調整手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記燃焼変動が予め定めた許容値未満である場合、同一の運転条件において、前記改質ガスの還流量をそれまでよりも増加し、
   前記燃焼変動が前記許容値以上である場合、同一の運転条件において、前記改質ガスの還流量をそれまでよりも低減することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記燃焼変動に基づき、前記改質ガスの還流量が変化した場合、変化後における改質ガスの還流流量を基準として前記改質ガスを還流することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記内燃機関が複数の燃焼室を備える場合には、各燃焼室に対してそれぞれ前記改質ガスを還流させるとともに、それぞれの燃焼室での燃焼変動に基づいて、前記燃焼室に還流させる前記改質ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 排ガスと燃料との混合気を改質触媒により改質し、そのとき生成される水素を含む改質ガスが吸気通路に還流する内燃機関を制御する際に用いるものであり、
   前記内燃機関の燃焼変動を取得し、予め定めた燃焼変動の許容値と比較する運転状態判定部と、
   前記燃焼変動と前記許容値との比較結果に基づいて、前記吸気通路に還流させる前記改質ガスの流量を調整して、前記燃焼変動が許容できる範囲で前記改質ガスを還流させる還流制御部と、
   を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の運転制御装置。
6. 前記燃焼変動が予め定めた許容値未満であると前記運転状態判定部が判定した場合、前記還流制御部は、同一の運転条件において、前記改質ガスの還流量をそれまでよりも増加させ、
   前記燃焼変動が前記許容値以上であると前記運転状態判定部が判定した場合、
   前記還流制御部は、同一の運転条件において、前記改質ガスの還流量をそれまでよりも低減させることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の運転制御装置。
7. 前記燃焼変動に基づき、前記改質ガスの還流量が変化した場合、変化後における改質ガスの還流流量を学習し、変化後における改質ガスの還流流量を基準として前記改質ガスの還流量を設定する制御パラメータ設定部をさらに備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の運転制御装置。
8. 前記内燃機関が複数の燃焼室を備える場合には、前記運転状態判定部は、それぞれの前記燃焼室での燃焼変動を取得し、
   前記還流制御部は、それぞれの前記燃焼室に還流させる前記改質ガスの流量を、それぞれの前記燃焼室に対して調整することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の運転制御装置。

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