JP2006132355A - 内燃機関及び内燃機関の運転制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスと燃料との混合気の改質ガスを還流させる内燃機関において、内燃機関の空燃比を迅速かつ正確にストイキに維持すること。
【解決手段】この内燃機関１は、改質用燃料噴射弁２４から供給される改質用燃料Ｆｒと、前記混合気が燃焼した後の排ガスＥｘとの改質用混合気Ｇｍｒを改質触媒で改質して、水素を含む改質ガスＥｘｒを生成する改質器２０を備える。そして、内燃機関１の空燃比が、三元触媒である浄化触媒１６の必要とする要求空燃比から外れた場合には、内燃機関１の空燃比が前記要求空燃比となるように、ポート噴射弁６から供給する機関用燃料Ｆｅの供給量のみを変更する。
【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（例えば特許文献１）。

特開２００４−９２５２０号公報

ところで内燃機関から排出される排ガスを浄化するときには、内燃機関１の空燃比を、浄化触媒の必要とする要求空燃比で運転する必要がある。この要求空燃比は、いわゆる三元触媒を用いた場合にはストイキとなる。特許文献１に開示されているような、排ガスと燃料との混合気の改質ガスを還流させる内燃機関において、その運転中に空燃比をストイキに制御するためには、内燃機関又は改質触媒に供給する燃料の量を制御することが想定される。

本発明者らは、前記内燃機関の運転中に空燃比をストイキに制御する技術について鋭意研究を重ねた。その結果、改質触媒へ供給する燃料の量を制御すると、改質の応答遅れにより、最適な空燃比制御をすることは極めて困難であることを見出した。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排ガスと燃料との混合気の改質ガスを還流させる内燃機関において、内燃機関の空燃比を迅速かつ正確に排ガス浄化手段の必要とする要求空燃比に維持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、空気と、機関用燃料供給手段から供給される機関用燃料との混合気を燃焼させて駆動力を取り出す内燃機関であり、改質用燃料供給手段から供給される改質用燃料と、前記混合気が燃焼した後の排ガスとの改質用混合気を改質触媒により改質して、水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、前記内燃機関の空燃比に関するパラメータを検出する空燃比検出手段と、前記排ガスを浄化する排ガス浄化手段と、前記空燃比に関するパラメータに基づき、前記内燃機関の空燃比が、前記排ガス浄化手段の必要とする要求空燃比から外れたと判断される場合には、前記内燃機関の空燃比が前記要求空燃比となるように、前記機関用燃料供給手段から供給する機関用燃料の供給量のみを変更する燃料供給量制御手段と、を含むことを特徴とする。

この内燃機関は、内燃機関の空燃比が、排ガス浄化手段の必要とする要求空燃比に対して許容できない程度に外れていた場合には、改質手段又は内燃機関に供給する燃料のうち、内燃機関に供給する機関用燃料の供給量のみを変更する。そして、内燃機関の空燃比を、前記要求空燃比に合わせる。これによって、改質手段によって内燃機関の空燃比を制御する際の応答遅れを排除できるので、内燃機関の空燃比を迅速かつ正確に排ガス浄化手段の必要とする要求空燃比に維持できる。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記内燃機関の空燃比の、前記要求空燃比からの平均的な偏りは、前記機関用燃料供給手段から供給する機関用燃料の供給量、又は前記改質用燃料供給手段から供給する改質用燃料の供給量の少なくとも一方を変更することにより、前記要求空燃比に合わせら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、排ガスと改質用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、前記内燃機関の空燃比と、前記排ガスを浄化するための排ガス浄化手段が必要とする要求空燃比とを比較する運転状態判定部と、前記内燃機関の空燃比が前記要求空燃比から外れた場合には、前記内燃機関の空燃比が前記要求空燃比となるように、前記内燃機関へ供給する機関用燃料の供給量のみを変更する空燃比制御部と、を含んで構成されることを特徴とする。

この内燃機関の運転制御装置は、内燃機関の空燃比が、排ガス浄化手段の必要とする要求空燃比に対して許容できない程度に外れていた場合には、改質手段又は内燃機関に供給する燃料のうち、内燃機関に供給する機関用燃料の供給量のみを変更する。そして、この状態で内燃機関を運転することによって、内燃機関の空燃比を前記要求空燃比に合わせる。これによって、改質手段によって内燃機関の空燃比を制御する際の応答遅れを排除できるので、内燃機関の空燃比を迅速かつ正確に排ガス浄化手段の必要とする要求空燃比に維持できる。

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、前記空燃比制御部は、前記内燃機関の空燃比の、前記要求空燃比からの平均的な偏りを求めるとともに、前記偏りを前記要求空燃比に合わせるために、前記機関用燃料供給手段から供給する機関用燃料の供給量、又は前記改質用燃料供給手段から供給する改質用燃料の供給量の少なくとも一方を変更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は、排ガスと燃料との混合気の改質ガスを還流させる内燃機関において、内燃機関の空燃比を迅速かつ正確にストイキに維持できる。

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ものであり、内燃機関の空燃比が、排ガス浄化手段の必要とする要求空燃比に対して許容できない程度に外れていた場合には、改質手段又は内燃機関に供給する燃料のうち、内燃機関に供給する機関用燃料の供給量のみを変更することにより、内燃機関の空燃比を、前記要求空燃比に合わせる点に特徴がある。

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（ＣＨ）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に供給される燃料（機関用燃料）Ｆｅは、燃料タンク７０内のフィードポンプ７１によって吐出され、機関用燃料供給通路７４を通ってポート噴射弁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。ここで、ポート噴射弁６が機関用燃料供給手段に相当する。

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の各気筒へ機関用燃料Ｆｅ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へ機関用燃料Ｆｅ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機関用燃料供給手段として用いて、内燃機関１へ機関用燃料Ｆｅを供給してもよい。さらに、機関用燃料供給手段として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へ機関用燃料Ｆｅ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。実施例１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、機関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、機関ＥＣＵ５０はスロットル弁４の開度を調整する。

ポート噴射弁６を備える内燃機関の場合、通常、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とエアクリーナ１３側との間に設けられるエアフローセンサ４２で流量が計測される。その計測値は機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０に取り込まれる。機関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に供給する機関用燃料Ｆｅの供給量τｅ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、内燃機関１と改質器２０との間に配置される浄化触媒１６を通過した後、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、大気中へ放出される。なお、浄化触媒１６は、改質器２０の出口側（下流側）に配置してもよい。ここで、浄化触媒１６が排ガス浄化手段に相当し、実施例１では浄化触媒１６に三元触媒を用いる。三元触媒は、内燃機関１の空燃比がストイキ（１４．７前後）で運転されないと、所期の浄化性能を発揮できない。このため、実施例１に係る内燃機関１の空燃比はストイキとなるように制御される。この制御については後述する。

排気通路９には、空燃比検出手段であるＯ₂センサ４５が取り付けられており、この検出信号から内燃機関１の空燃比を判定する。そして、判定した内燃機関１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、機関ＥＣＵ５０で決定される燃料噴射量を補正する。Ｏ₂センサ４５は、浄化触媒１６の上流又は下流いずれに取り付けてもよいが、実施例１では、Ｏ₂センサ４５の検出信号に基づいて内燃機関１の空燃比がストイキになるようにフィードバック制御する。このため、できるだけ排気通路９の内燃機関１側、すなわち排気通路９の上流側に取り付けることが好ましい。また、Ｏ₂センサ４５の代わりにＡ／Ｆ（Air／Fuel：空燃比）センサ４８（図１中の点線で示すもの）を用いてもよい。Ａ／Ｆセンサ４８を用いれば、空燃比の大きさを知ることができるので、より正確かつ迅速に前記フィードバック制御をすることができる。

ここで、実施例１においては、内燃機関１の空燃比が、排ガス浄化手段である浄化触媒１６の必要とする要求空燃比から外れた場合には、前記内燃機関１の空燃比が前記要求空燃比となるように、機関用燃料Ｆｅの供給量のみを変更する機能を備えるものが燃料供給量制御手段に相当する。燃料供給量制御手段は、機械的な構成の組み合わせによって実現してもよいし、後述する実施例１に係る内燃機関の運転制御装置の一機能として実現してもよい。この場合、ソフトウェアによって前記機能を実現してもよい。

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が取り付けられている。この改質用燃料噴射弁２４が改質用燃料供給手段に相当し、改質用導管１１へ導かれた排ガスＥｘへ改質用燃料Ｆｒを噴射して、改質触媒へ改質用燃料Ｆｒを供給する。なお、改質用燃料噴射弁２４とともに、改質用燃料Ｆｒを気化させる燃料蒸発手段を備えてもよい。これによって、改質用燃料Ｆｒの気化が促進されて改質用混合気Ｇｍｒの均質性が向上するので、改質の効率が向上する。

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から改質用燃料Ｆｒが供給される。改質用燃料Ｆｒは、改質用燃料供給通路７５を通って改質用燃料噴射弁へ供給される。ここで、改質用燃料Ｆｒは、排ガスＥｘと改質用混合気Ｇｍｒを形成して、改質触媒での改質に供される燃料である。改質用燃料Ｆｒは、機関用燃料Ｆｅと同じものであり、機関用燃料Ｆｅの一部が改質用燃料Ｆｒとなる。

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、ガス還流通路１０が取り付けられている。このガス還流通路１０は、改質室２１と、吸気通路３とを接続する。そして、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、機関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へ供給される機関用燃料Ｆｅ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の供給量τｒ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の燃料噴射量を補正して空燃比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（Wide Open Throttle）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、機関ＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。機関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ース５７、５８とから構成される。

なお、機関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、これを機関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、機関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、空燃比制御部３２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を実行する部分となる。なお、空燃比制御部３２が燃料供給量制御手段に相当する。実施例１において、内燃機関の運転制御装置３０は、機関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、改質に関する制御を司る改質制御部３３や、内燃機関１の運転制御全般を司る制御部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と空燃比制御部３２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、機関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の制御を機関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、入力インターフェース５７が接続されている。入力インターフェース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、入力インターフェース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、出力インターフェース５８が接続されている。出力インターフェース５８には、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。出力インターフェース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、機関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及び空燃比制御部３２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。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が備える運転状態判定部３１は、改質条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ１０１）。例えば、改質触媒の温度が、活性温度Ｔａを超えているか否かによって、前記改質条件を満たしているか否かを判定できる。改質条件を満たしていない場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻って内燃機関１の運転を監視する。

改質条件を満たしている場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、改質制御部３３は、改質を開始する（ステップＳ１０２）。このときの内燃機関１へ供給する機関用燃料Ｆｅの供給量τｅと、改質器２０へ供給する改質用燃料Ｆｒの供給量τｒとは、例えば次のように決定される。機関用燃料Ｆｅの供給量τｅと、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒとの和が、内燃機関１及び改質器２０へ供給する総燃料量τａｌｌとなる（τａｌｌ＝τｅ＋τｒ）。この総燃料量τａｌｌに対して、内燃機関１の空燃比がストイキとなるようにする。

ここで、水素を含んだ改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させた場合、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、このときの燃焼悪化は、改質ガスＥｘｒに含まれる水素によって抑制される。また、水素は、燃焼速度が速く可燃限界が広いため、改質ガスＥｘｒを還流させるとノッキングも改善されるとともに、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、さらに燃焼温度低減によるＮＯｘ低減効果も得られる。したがって、ある機関回転数ＮＥ、吸入空気量Ｇａにおいて内燃機関１が運転されている場合、可能な限り多くの改質ガスＥｘｒを内燃機関１へ還流させることが好ましい。

このため、実施例１では、次のような手順によって改質ガスＥｘｒの還流率（改質ガス還流率）を決定し、決定した改質ガス還流率ＧＲｒから、機関用燃料Ｆｅの供給量τｅと改質用燃料Ｆｒの供給量τｒとを決定する。ここで、改質ガス還流率とは、改質ガス還流量／（改質ガス還流量＋吸入空気量）である。また、「改質ガス還流率」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は、改質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４中の実線は、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。実施例１において、改質ガス還流率は、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（ρｍｉｎ）のガス還流率として設定する。このガス還流率は、図４中のＧＲｒ＿ｍｉｎとなる。

図５は、実施例１に係る改質ガス還流率マップの一例を示す説明図である。改質ガス還流率マップ６１は、吸入空気量Ｇａ_mと機関回転数ＮＥ_nとの複数の組み合わせにおいて求めた改質ガス還流率ＧＲｒ_mnが記述されている。なお、改質ガス還流率マップ６１には、改質ガス還流率ＧＲｒ_mnの代わりに当該改質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、当該改質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。改質制御部３３は、改質ガス還流率マップに内燃機関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改質ガス還流率を取得する。

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。

改質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、改質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改質ガス還流率を求め、改質ガス還流率マップ６１を作成する。このように、改質ガス還流率は、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、予め定めた改質ガス還流率から、改質器２０に供給する改質用燃料Ｆｒの供給量τｒを決定するため、改質ガス還流率マップ６１には、改質ガス還流率の他に、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改質ガス還流率として改質ガス還流率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改質ガス還流率として改質ガス還流率マップを作成してもよい。このように、目的に応じて、改質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改質ガス還流率は、排ガスＥｘのみを還流させるときのガス還流率よりも大きくなる。すなわち、改質ガス還流率を用いて決定される改質ガスＥｘｒの還流量は、排ガスＥｘのみ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Ｅｘｒ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がわかれば、内燃機関１が排出する総排ガス量がわかる。また、前記機関回転数ＮＥ、吸入空気量Ｇａのときにおける改質ガス還流率及びそのときの改質ガス水素濃度Ｄ_Hもわかるので、総排ガス量と改質器２０に導入される排ガス量とがわかる。すなわち、改質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量である。そして、改質器２０に導入される排ガス量と、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。

改質ガス還流率を決定したら、改質制御部３３は、決定した改質ガス還流率ＧＲｒ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τｒを決定する。改質ガスＥｘｒの還流量を決定する際、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がわかる。また、改質ガス還流率は改質ガス還流率マップ６１により決定されているので、この総排ガス量Ｑｅｘ＿ａｌｌに改質ガス還流率を乗ずれば、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、改質用混合気Ｇｍｒを改質する。このため、改質される排ガス量Ｑｅｘｒが決定されれば、改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは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）に、ある機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとにおける、改質される排ガス量Ｑｅｘｒと改質用燃料Ｆｒの供給量τｒとを与え、計算によって改質用燃料Ｆｒの供給量τｒを決定する。

また、機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとを変化させた条件下において改質用燃料Ｆｒの供給量τｒを予め実験により求め、機関回転数ＮＥと吸入空気量Ｇａとの組み合わせに対して、前記供給量τｒをマップ化しておいてもよい。図６は、改質用燃料の供給量を決定するマップ例を示す説明図である。改質用燃料Ｆｒの供給量τｒのマップは、例えば図６に示すような改質用燃料制御マップ６２となる。

改質ガスＥｘｒの還流量を決定したとき、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がわかる。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へ供給する機関用燃料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へ供給する機関用燃料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を決定する改質ガス還流率とが決定される。このような手順で、内燃機関１へ供給する機関用燃料Ｆｅの供給量τｅと、改質器２０へ供給する改質用燃料Ｆｒの供給量τｒとを決定することができる。

改質を開始したら（ステップＳ１０２）、運転状態判定部３１は、空燃比検出手段であるＯ₂センサ４５から空燃比に関するパラメータを取得する（ステップＳ１０３）。そして、運転状態判定部３１は、取得した前記信号から、内燃機関１の空燃比がストイキであるか否か、すなわち改質触媒１６が必要とする要求空燃比から外れているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。内燃機関１の空燃比がストイキである場合（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、浄化触媒１６は内燃機関１が排出する排ガスＥｘを浄化できるので、実施例１に係る内燃機関の運転制御を終了する。なお、内燃機関１の空燃比がストイキであれば、この排ガスＥｘと改質用燃料Ｆｒとの改質用混合気Ｇｍｒを改質器２０で改質することができる。

内燃機関１の空燃比がストイキでない場合（ステップＳ１０４；Ｎｏ）、浄化触媒１６は排ガスＥｘを浄化できない。この場合、内燃機関の運転制御装置３０が備える空燃比制御部３２は、内燃機関１の空燃比がストイキになるように制御する。例えば、内燃機関１の空燃比がリーンである場合、内燃機関１及び改質器２０へ供給する総燃料供給量τａｌｌを増加させればよい。このとき、実施例１では、内燃機関１に供給する機関用燃料Ｆｅの供給量τｅのみを増加させ、改質器２０へ供給する改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは変化させない。また、内燃機関１の空燃比がリッチである場合、実施例１では、内燃機関１に供給する機関用燃料Ｆｅの供給量τｅのみを減少させ、改質器２０へ供給する改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは変化させない。

改質器２０へ供給する改質用燃料Ｆｒの供給量を変更して内燃機関１の空燃比をストイキに制御すると、改質反応の進行にある程度の時間を要するため、内燃機関１の空燃比制御の応答遅れが発生するおそれがある。上述したように、内燃機関１に供給する機関用燃料の供給量τｅのみを変化させ、改質器２０へ供給する改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは変化させないフィードバック制御とすることで、前記応答遅れを極めて小さくすることができる。その結果、内燃機関１の空燃比を迅速かつ正確にストイキに維持できる。

空燃比制御部３２は、機関用燃料Ｆｅの現時点における供給量τｅ＿ｐに補正量Δτｅを加算した値を、機関用燃料Ｆｅの新たな供給量τｅ＿ｎとして設定する（ステップＳ１０５）。すなわち、τｅ＿ｎ＝τｅ＿ｐ＋Δτｅとなる。ここで、補正量Δτｅには、符号も含まれる。すなわち、補正量Δτｅが負の符号を持つ場合、新たな供給量τｅ＿ｎは、現時点における供給量τｅ＿ｐよりも少なくなる。このときは、現時点における内燃機関１の空燃比がリッチの場合における設定である。また、補正量Δτｅが正の符号を持つ場合、新たな供給量τｅ＿ｎは、現時点における供給量τｅ＿ｐよりも多くなる。このときは、現時点における内燃機関１の空燃比がリーンの場合における設定である。この補正量Δτｅは、実験や解析等によって予め求められる。

空燃比制御部３２が、新たな供給量τｅ＿ｎ（＝τｅ＿ｐ＋Δτｅ）を設定したら（ステップＳ１０５）、空燃比制御部３２は、この新たな供給量τｅ＿ｎでポート噴射弁６から内燃機関１へ機関用燃料Ｆｅを供給する（ステップＳ１０６）。その後、内燃機関１の空燃比がストイキになるまで、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０６を繰り返す。内燃機関１の空燃比がストイキになったら（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、ＳＴＡＲＴに戻り、内燃機関１の運転を監視する。

図７−１は、空燃比検出手段としてＡ／Ｆセンサを用いた場合における、機関用燃料の新たな供給量を決定する手順の一例を示すフローチャートである。この手順は、図３に示すステップＳ１０５に含まれる。また、図７−１の手順は、エアフローセンサ４２の測定値を基準として機関用燃料Ｆｅの新たな供給量τｅ＿ｎを決定するものである。

まず、空燃比制御部３２は、Ａ／Ｆセンサ４８から取得した測定空燃比Ａ／Ｆ＿ｍ（空燃比に関するパラメータに相当）、及び吸入空気量Ｇａから、そのときの全燃料供給量τａｌｌ＿Ｒを求める（ステップＳ１０５＿１）。Ａ／Ｆセンサ４８から取得した測定空燃比Ａ／Ｆ＿ｍは、その測定時における内燃機関１の空燃比である。また、吸入空気量Ｇａは、前記測定時におけるエアフローセンサ４２の出力信号から求めたものであり、前記測定時における内燃機関１の吸入空気量を表す。

したがって、前記測定時における全燃料供給量τａｌｌ＿Ｒは、Ｇａ／（Ａ／Ｆ＿ｍ）で求めることができる。この全燃料供給量τａｌｌ＿Ｒを、前記測定時における真の全燃料供給量とする。なお、前記測定時において、ポート噴射弁６及び改質用燃料噴射弁２４の両方から供給されている機関用燃料Ｆｅ及び改質用燃料Ｆｒの和が、前記測定時において実際に内燃機関１及び改質器２０へ供給される全燃料供給量（実際の全燃料供給量）τａｌｌ（＝τｅ＋τｒ）となる。

Ａ／Ｆセンサ４８で検出された測定空燃比Ａ／Ｆ＿ｍが、浄化触媒１６の要求する要求空燃比（ここではストイキ）の許容範囲にあれば、前記全燃料供給量τａｌｌと、前記真の全燃料供給量τａｌｌ＿Ｒとはほぼ一致することになる。しかし、実際には、Ａ／Ｆセンサ４８で検出された測定空燃比Ａ／Ｆ＿ｍは、前記要求空燃比の許容範囲から外れているので（ステップＳ１０４；Ｎｏ）、τａｌｌとτａｌｌ＿Ｒとは異なり、その程度は許容範囲を超える。このため、τａｌｌとτａｌｌ＿Ｒとの差Δτａｌｌ分だけ、内燃機関１及び改質器２０に供給する全燃料供給量を補正する必要がある。

内燃機関１の空燃比をストイキに制御するにあたり、実施例１においては、内燃機関１に供給する機関用燃料の供給量τｅのみを変化させ、改質器２０へ供給する改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは変化させない。したがって、前記Δτａｌｌ（＝τａｌｌ−τａｌｌ＿Ｒ）が、補正量Δτｅとなる。空燃比制御部３２は、τａｌｌとτａｌｌ＿Ｒとの差Δτａｌｌを求め（ステップＳ１０５＿２）、このΔτａｌｌを補正量Δτｅとして設定する（ステップＳ１０５＿３）。

そして、空燃比制御部３２は、機関用燃料Ｆｅの現時点における供給量τｅ＿ｐに、上記手順によって設定した補正量Δτｅを加算した値を、機関用燃料Ｆｅの新たな供給量τｅ＿ｎとして設定する（ステップＳ１０４、図３）。Ａ／Ｆセンサ４８は、運転中における内燃機関１の空燃比を知ることができる。このように、Ａ／Ｆセンサ４８によって測定した空燃比によって内燃機関１の空燃比をフィードバック制御するので、内燃機関１の空燃比をさらに迅速かつ精密にストイキに維持できる。

図７−２は、空燃比検出手段としてＡ／Ｆセンサを用いた場合における、機関用燃料の新たな供給量を決定する他の手順を示すフローチャートである。この手順は、図３に示すステップＳ１０５に含まれる。また、図７−２の手順は、内燃機関１及び改質器２０へ供給される全燃料供給量τａｌｌを基準として、機関用燃料Ｆｅの新たな供給量τｅ＿ｎを決定するものである。

まず、空燃比制御部３２は、Ａ／Ｆセンサ４８から取得した測定空燃比Ａ／Ｆ＿ｍ（空燃比に関するパラメータに相当）、及びそのときの全燃料供給量τａｌｌから、そのときの吸入空気量Ｇａ＿Ｒを求める（ステップＳ１０５＿１'）。Ａ／Ｆセンサ４８から取得した測定空燃比Ａ／Ｆ＿ｍは、その測定時における内燃機関１の空燃比である。また、全燃料供給量τａｌｌは、ポート噴射弁６から内燃機関１へ供給される機関用燃料Ｆｅの供給量τｅと、改質用燃料噴射弁２４から改質器２０へ供給される改質用燃料Ｆｒの供給量τｒとの和である。この全燃料供給量τａｌｌ（＝τｅ＋τｒ）が、前記測定時において実際に内燃機関１及び改質器２０へ供給される実際の全燃料供給量となる。前記測定時における吸入空気量Ｇａ＿Ｒは、τａｌｌ×（Ａ／Ｆ＿ｍ）で求めることができる。この吸入空気量Ｇａ＿Ｒを、前記測定時における真の吸入空気量とする。

次に、空燃比制御部３２は、真の吸入空気量Ｇａ＿Ｒと、浄化触媒１６の要求する要求空燃比Ａ／Ｆ＿ｉ（ここではストイキであり、１４．７前後）とから、τａｌｌ＿Ｒを求める（ステップＳ１０５＿２'）。すなわち、τａｌｌ＿Ｒ＝Ｇａ＿Ｒ／（Ａ／Ｆ＿ｉ）となる。このτａｌｌ＿Ｒを、前記測定時における真の全燃料供給量とする。

Ａ／Ｆセンサ４８で検出された測定空燃比Ａ／Ｆ＿ｍが、浄化触媒１６が必要とする要求空燃比（ここではストイキ）の許容範囲にあれば、前記全燃料供給量τａｌｌと、前記真の全燃料供給量τａｌｌ＿Ｒとはほぼ一致することになる。しかし、実際には、Ａ／Ｆセンサ４８で検出された測定空燃比Ａ／Ｆ＿ｍは、前記要求空燃比の許容範囲から外れているので（ステップＳ１０４；Ｎｏ）、τａｌｌとτａｌｌ＿Ｒとは異なり、その程度は許容範囲を超える。このため、τａｌｌとτａｌｌ＿Ｒとの差Δτａｌｌ分だけ、内燃機関１及び改質器２０に供給する全燃料供給量を補正する必要がある。

内燃機関１の空燃比をストイキに制御するにあたり、実施例１においては、内燃機関１に供給する機関用燃料の供給量τｅのみを変化させ、改質器２０へ供給する改質用燃料Ｆｒの供給量τｒは変化させない。したがって、前記Δτａｌｌ（＝τａｌｌ−τａｌｌ＿Ｒ）が、補正量Δτｅとなる。空燃比制御部３２は、τａｌｌとτａｌｌ＿Ｒとの差Δτａｌｌを求め（ステップＳ１０５＿３'）、このΔτａｌｌを補正量Δτｅとして設定する（ステップＳ１０５＿４'）。

空燃比制御部３２は、機関用燃料Ｆｅの現時点における供給量τｅ＿ｐに、上記手順によって設定した補正量Δτｅを加算した値を、機関用燃料Ｆｅの新たな供給量τｅ＿ｎとして設定する（ステップＳ１０４、図３）。このように、Ａ／Ｆセンサ４８によって測定した空燃比によって内燃機関１の空燃比をフィードバック制御するので、内燃機関１の空燃比をさらに迅速かつ正確にストイキに維持できる。

ここでは、空燃比検出手段としてＡ／Ｆセンサ４８を用いた場合における、機関用燃料Ｆｅの新たな供給量τｅを決定する手順として、吸入空気量Ｇａを基準とする例と、内燃機関１及び改質器２０へ供給される全燃料供給量τａｌｌを基準とする例とを説明した。内燃機関１の仕様や使用条件等によって、いずれか一方の手順を用いたり、両者から一方を選択して用いたりすることができる。

以上、実施例１では、内燃機関の空燃比をストイキに制御する際には、改質手段又は内燃機関に供給する燃料のうち、内燃機関に供給する機関用燃料の供給量のみを変更する。これによって、改質手段によって内燃機関の空燃比を制御する際の応答遅れを排除して、内燃機関の空燃比を迅速かつ正確にストイキに維持できる。なお、実施例１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、浄化触媒が必要とする要求空燃比からのばらつきに対しては、内燃機関へ供給する機関用燃料の供給量のみを変更して空燃比を制御し、ストイキからの偏りに対しては、前記機関用燃料の供給量及び改質器へ供給する改質用燃料の供給量のうち少なくとも一方を変更して、内燃機関の空燃比を制御する点が異なる。他の構成は実施例１と同様なので説明を省略するとともに、同一の構成に対しては同一の符号を付す。なお、以下の説明においては、適宜図１、図２を参照されたい。

図８は、時間に対する空燃比の変化を示す概念図である。Ａ／Ｆ＿ｉは、浄化触媒１６が必要とする要求空燃比（ここではストイキ）を示す。また、Ａ／Ｆ＿ｍは、改質して運転しているときにおける、内燃機関１の空燃比を示し、空燃比に関するパラメータに相当する。なお、前記Ａ／Ｆ＿ｍは、Ａ／Ｆセンサ４８で測定した実測空燃比である。図８に示すように、内燃機関１の空燃比（Ａ／Ｆ＿ｍ）は、時間ｔの経過とともに変動する。浄化触媒１６が必要とする要求空燃比Ａ／Ｆ＿ｉに対する内燃機関１の空燃比の変動を、内燃機関１の空燃比のばらつき（以下空燃比のばらつきという）と定義する。

Ａ／Ｆ＿ｍ＿ａｖで示す直線は、所定時間ｔ₁が経過する間における内燃機関１の空燃比（Ａ／Ｆ＿ｍ）の平均値を示す。この、所定時間における内燃機関１の空燃比のばらつきを平均した平均値Ａ／Ｆ＿ｍ＿ａｖと、浄化触媒１６の要求空燃比Ａ／Ｆ＿ｉとの差ΔＡ／Ｆを、内燃機関１の空燃比の偏り（以下空燃比の偏りという）と定義する。空燃比の偏りは、所定時間内における内燃機関１の空燃比が、浄化触媒１６の要求する要求空燃比Ａ／Ｆ＿ｉとどの程度異なるかを示すものである。そして、空燃比の偏りは、内燃機関１の空燃比Ａ／Ｆ＿ｍの、前記要求空燃比Ａ／Ｆ＿ｉからの平均的な偏りを表す尺度となる。すなわち、内燃機関１の平均的な空燃比が、浄化触媒１６の要求する要求空燃比Ａ／Ｆ＿ｉに対してどの程度ずれているかを表す尺度となる。

実施例１で説明したように、浄化触媒１６の浄化性能を十分に発揮させるため、運転中における内燃機関１の空燃比はストイキに保つ必要がある。このために、内燃機関１の空燃比が時間の経過とともに変動した場合には、取得した空燃比に関するパラメータに基づいて機関用燃料Ｆｅの供給量τｅのみを変化させる。これによって、内燃機関１の空燃比を迅速かつ正確にストイキにフィードバック制御する。すなわち、空燃比のばらつきが発生した場合には、取得した空燃比に関するパラメータに基づいて、機関用燃料Ｆｅの供給量τｅのみを変化させる。

空燃比の偏りが発生している場合、次のような原因が考えられる。まず、改質触媒への被毒やコーキング、あるいは改質用燃料噴射弁２４の燃料噴射特性が変化することによって、改質器２０の改質性能が変化していることが考えられる。他には、内燃機関１が備えるポート噴射弁６の燃料噴射特性に変化が生じたり、内燃機関１に経時変化が生じたりすることに起因して、内燃機関１の燃焼特性が変化することが考えられる。さらには、エアフローセンサ４２の経時変化に起因して、これによって測定される吸入空気量が変化していることも考えられる。これらは、内燃機関１の運転条件が変化しても同じように発生し、これが前記空燃比の偏りを発生させると考えられる。

空燃比の偏りとともに空燃比のばらつきが発生している場合、空燃比のばらつきは、機関用燃料Ｆｅの供給量τｅのみを変化させることにより、内燃機関１の空燃比がストイキに維持される。しかし、この状態では、空燃比の偏りは解消されておらず、改質器２０の改質性能の変化や内燃機関１の燃焼特性変化に対応する最適な燃料供給量で改質や内燃機関１の運転が行われている訳ではない。

実施例２では、空燃比の偏りが発生している場合には、改質器２０の改質性能の変化や内燃機関１の燃焼特性変化が発生している判断して、前記変化に対応した新たな燃料供給量を設定する。このため、空燃比の偏りが発生した場合には、取得した空燃比に関するパラメータに基づいて、機関用燃料Ｆｅの供給量τｅ及び改質用燃料Ｆｒの供給量τｒのうち少なくとも一方を変化させて、内燃機関１の空燃比をストイキに維持する。次に、実施例２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によって実現できる。

図９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。実施例２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が備える運転状態判定部３１は、改質条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。改質条件を満たしていない場合（ステップＳ２０１；Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻って内燃機関１の運転状態の監視を継続する。

改質条件を満たしている場合（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）、空燃比制御部３２は、制御カウント数ｎを０にリセットする（ステップＳ２０２）。次に、改質制御部３３は、改質を開始する（ステップＳ２０３）。改質が始まったら、空燃比制御部３２は、制御カウント数ｎを１にセットし（ステップＳ２０４）、機関ＥＣＵ５０の記憶部５０ｍへ格納する。次に、運転状態判定部３１は、空燃比検出手段であるＡ／Ｆセンサ４８から空燃比に関するパラメータを取得し（ステップＳ２０５）、これを、機関ＥＣＵ５０の記憶部５０ｍへ格納する（ステップＳ２０６）。ここで、実施例２においては、空燃比の偏りを求めるため、内燃機関１の運転中における空燃比の値が必要になる。このため、実施例２においては、空燃比検出手段としてＡ／Ｆセンサ４８を用いる。

運転状態判定部３１は、機関ＥＣＵ５０の記憶部５０ｍへ格納された制御カウント数ｎを取得し、規定値Ｎと比較する（ステップＳ２０７）。実施例２においては、空燃比の偏りを評価するため、所定時間ｔ₁が経過する間における内燃機関１の空燃比の平均値を求める。規定値Ｎは、所定時間ｔ₁（図８）が経過する間に、運転状態判定部３１がΔｔ（図８）毎に内燃機関１の空燃比を取得する回数である。

ｎ≦Ｎである場合（ステップＳ２０７；Ｙｅｓ）、所定時間ｔ₁が経過していないと判断できる。この場合、内燃機関１に発生する空燃比のばらつきは、機関用燃料Ｆｅの供給量τｅのみを変化させることにより制御され、内燃機関１の空燃比はストイキに維持される。このときの制御（ステップＳ２０８〜ステップＳ２１０）は、実施例１に係る内燃機関の運転制御のステップＳ１０４〜ステップＳ１０６（図３）と同様なので、その説明を省略する。空燃比のばらつきの制御が終了したら、空燃比制御部３２は、現在の制御カウント数ｎに１を加算した値を、新たな制御カウント数にセットする（ステップＳ２１１）。

ｎ＞Ｎである場合（ステップＳ２０７；Ｎｏ）、所定時間ｔ₁が経過したと判断できる。この場合、所定時間ｔ₁における内燃機関１の空燃比の平均値を求め、空燃比の偏りを評価する。空燃比制御部３２は、記憶部５０ｍに格納したＮ個の空燃比Ａ／Ｆ＿ｍから、所定時間ｔ₁における内燃機関１の空燃比の平均値Ａ／Ｆ＿ｍ＿ａｖを求める（ステップＳ２１２）。空燃比制御部３２は、求めた前記平均値Ａ／Ｆ＿ｍ＿ａｖと、浄化触媒１６の要求空燃比Ａ／Ｆ＿ｉとから、空燃比の偏りΔＡ／Ｆを求める。ここで、ΔＡ／Ｆ＝Ａ／Ｆ＿ｍ＿ａｖ−Ａ／Ｆ＿ｉである。

空燃比制御部３２は、空燃比の偏りΔＡ／Ｆが、所定の許容範囲に入っているか否かを判定する（ステップＳ２１３）。空燃比の偏りΔＡ／Ｆが、所定の許容範囲に入っている場合（ステップＳ２１３；Ｙｅｓ）、改質器２０や内燃機関１は正常に動作していると判断できる。この場合には、ＳＴＡＲＴに戻って内燃機関１の運転を監視する。

空燃比の偏りΔＡ／Ｆが、所定の許容範囲に入っていない場合（ステップＳ２１３；Ｎｏ）、空燃比の偏りΔＡ／Ｆが許容範囲に入るように、内燃機関１及び改質器２０へ供給する燃料の供給量を補正する必要がある。実施例２においては、空燃比の偏りΔＡ／Ｆに基づいて、内燃機関１及び改質器２０へ供給する燃料の補正割合を求める。これに基づき、機関用燃料Ｆｅの供給量τｅ、又は改質用燃料Ｆｒの供給量τｒのうち少なくとも一方を補正する。

空燃比制御部３２は、全燃料補正割合Δτａｌｌ＿ｄを求める（ステップＳ２１４）。Δτａｌｌ＿ｄは、内燃機関１の空燃比の平均値Ａ／Ｆ＿ｍ＿ａｖとストイキとのずれの程度に等しいので、（ΔＡ／Ｆ）／（Ａ／Ｆ＿ｉ）で求めることができる。実施例２では、機関用燃料Ｆｅの供給量τｅ及び改質用燃料Ｆｒの供給量τｒの両方を補正する。このため、前記全燃料補正割合Δτａｌｌ＿ｄを、機関用燃料補正割合Δτｅ＿ｄと改質用燃料補正割合Δτｒ＿ｄとに分配する。すなわち、Δτａｌｌ＿ｄ＝Δτｅ＿ｄ＋Δτｒ＿ｄとなるように、全燃料補正割合Δτａｌｌ＿ｄを分配する（ステップＳ２１５）。

例えば、予めΔτｅ＿ｄとΔτｒ＿ｄとの分配割合を定めておき、それにしたがって前記分配をしてもよい。また、Δτｅ＿ｄとΔτｒ＿ｄとの分配割合は一定ではなく、例えば、空燃比の偏りΔＡ／Ｆの大きさに応じて前記分配割合を変化させてもよい。また、許容できない空燃比の偏りの発生原因が内燃機関１にあるか、改質器２０にあるかを特定して、その原因となっているものの燃料供給量のみを補正してもよい。この場合には、機関用燃料Ｆｅの供給量τｅ、又は改質用燃料Ｆｒの供給量τｒのうち少なくとも一方を補正することになる。

許容できない空燃比の偏りが発生する原因を特定するための方法には、例えば次のようなものがある。改質しないときにおいては内燃機関１のみに機関用燃料Ｆｅを供給するが、改質しないときの同一運転条件における機関用燃料Ｆｅの供給量変化から、前記発生原因が内燃機関１にあるか否かを特定する。前記発生原因が内燃機関１にない場合、前記発生原因は改質器２０にあると特定できる。前記発生原因が内燃機関１にある場合、例えば水素濃度センサ等によって改質ガスＥｘｒの水素濃度を検出し、所定の水素濃度が得られている場合には、前記発生原因が内燃機関１のみにあると特定する。所定の水素濃度が得られていない場合には、前記発生原因は内燃機関１及び改質器２０の両方にあると特定する。

機関用燃料補正割合Δτｅ＿ｄと改質用燃料補正割合Δτｒ＿ｄとを決定したら（ステップＳ２１５）、空燃比制御部３２は、決定した前記割合を用いて、機関用燃料Ｆｅの新たな供給量τｅ＿ｎ及び改質用燃料Ｆｒの新たな供給量τｒ＿ｎを決定する（ステップＳ２１６）。具体的には、式（２）、式（３）に示す通りである。ここでτｅ＿ｐ、τｒ＿ｐは、現在の供給量を示す。
τｅ＿ｎ＝τｅ＿ｐ＋τｅ＿ｐ×Δτｅ＿ｄ・・・（２）
τｒ＿ｎ＝τｒ＿ｐ＋τｅ＿ｒ×Δτｒ＿ｄ・・・（３）
そして、内燃機関１及び改質器２０は、決定された新たな供給量で運転される（ステップＳ２１７）。その後はＳＴＡＲＴに戻って、内燃機関１の運転を監視する。

以上、実施例２では、空燃比のばらつきは機関用燃料の供給量のみを変化させることにより、内燃機関の空燃比を浄化触媒が必要とする要求空燃比に維持する。そして、空燃比の偏りは、取得した空燃比に関するパラメータに基づいて、機関用燃料の供給量及び改質用燃料の供給量を変化させて、内燃機関の空燃比を前記要求空燃比に維持する。これによって、改質中における内燃機関１の空燃比を、迅速かつ正確に前記要求空燃比に維持できるとともに、改質器の改質性能の変化や内燃機関の燃焼特性変化に対応した、最適な燃料供給量で改質や内燃機関の運転を行うことができる。

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、内燃機関の空燃比を迅速かつ正確に、排ガス浄化手段の必要とする要求空燃比に維持す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。 改質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に係る改質ガス還流率マップの一例を示す説明図である。 改質用燃料の供給量を決定するマップ例を示す説明図である。 空燃比検出手段としてＡ／Ｆセンサを用いた場合における、機関用燃料の新たな供給量を決定する手順の一例を示すフローチャートである。 空燃比検出手段としてＡ／Ｆセンサを用いた場合における、機関用燃料の新たな供給量を決定する他の手順を示すフローチャートである。 時間に対する空燃比の変化を示す概念図である。 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。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 吸気通路
５ 還流流量調整弁
６ ポート噴射弁
９ 排気通路
１０ ガス還流通路
１１ 改質用導管
１６ 浄化触媒
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 空燃比制御部
３３ 改質制御部
４２ エアフローセンサ
４５ Ｏ₂センサ
４８ Ａ／Ｆセンサ
５０ 機関ＥＣＵ

Claims (4)

1. 空気と、機関用燃料供給手段から供給される機関用燃料との混合気を燃焼させて駆動力を取り出す内燃機関であり、
   改質用燃料供給手段から供給される改質用燃料と、前記混合気が燃焼した後の排ガスとの改質用混合気を改質触媒により改質して、水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、
   前記内燃機関の空燃比に関するパラメータを検出する空燃比検出手段と、
   前記排ガスを浄化する排ガス浄化手段と、
   前記空燃比に関するパラメータに基づき、前記内燃機関の空燃比が、前記排ガス浄化手段の必要とする要求空燃比から外れたと判断される場合には、前記内燃機関の空燃比が前記要求空燃比となるように、前記機関用燃料供給手段から供給する機関用燃料の供給量のみを変更する燃料供給量制御手段と、
   を含むことを特徴とする内燃機関。
2. 前記内燃機関の空燃比の、前記要求空燃比からの平均的な偏りは、前記機関用燃料供給手段から供給する機関用燃料の供給量、又は前記改質用燃料供給手段から供給する改質用燃料の供給量の少なくとも一方を変更することにより、前記要求空燃比に合わせられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 排ガスと改質用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、
   前記内燃機関の空燃比と、前記排ガスを浄化するための排ガス浄化手段が必要とする要求空燃比とを比較する運転状態判定部と、
   前記内燃機関の空燃比が前記要求空燃比から外れた場合には、前記内燃機関の空燃比が前記要求空燃比となるように、前記内燃機関へ供給する機関用燃料の供給量のみを変更する空燃比制御部と、
   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。
4. 前記空燃比制御部は、前記内燃機関の空燃比の、前記要求空燃比からの平均的な偏りを求めるとともに、前記偏りを前記要求空燃比に合わせるために、前記機関用燃料供給手段から供給する機関用燃料の供給量、又は前記改質用燃料供給手段から供給する改質用燃料の供給量の少なくとも一方を変更することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の運転制御装置。

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