JP2008063996A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】エミッション性能の悪化を抑制しつつ早期に触媒を暖機することができる内燃機関を提供する。
【解決手段】炭化水素系燃料と空気との混合気を水素ガスを主成分とする改質ガスに改質する改質装置２５と、改質ガスを吸気通路１８に供給可能な改質ガス供給通路２７と、改質ガス供給通路２７を開閉可能な改質ガス供給通路開閉手段３１と、改質装置２５と改質ガス供給通路開閉手段３１との間で改質ガス供給通路２７から分岐する分岐通路３２と、分岐通路３２を開閉可能な分岐通路開閉手段３５と、分岐通路３２に接続され未改質の混合気を含む置換ガスを貯留可能な貯留タンク３３と、貯留タンク３３内の置換ガスを排気通路１９内の排気ガスの流れ方向に対して触媒２０より上流側に供給可能な置換ガス供給通路３４と、置換ガスの供給を開始及び停止可能な置換ガス供給手段３６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、改質装置によって炭化水素系燃料と空気との混合気を水素ガスを主成分とする改質ガスに改質し、この改質ガスを燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関に関するものである。

従来、燃料改質装置で所定の燃料から生成した改質ガスを燃焼室に供給し、その改質ガスで運転することによって排気ガス中のＨＣ成分等の有害成分の低減を図る内燃機関が知られている。例えば、この種の内燃機関としては、炭化水素系燃料と空気の混合気を燃料改質装置に供給して高温の改質触媒で改質反応させ、これにより生成された水素ガスが主成分の改質ガスを吸気通路に供給して燃焼室で燃焼させるものが下記の特許文献１、２に開示されている。

特開２００５−８３２０８号公報 特開２００１−２４８５０５号公報

しかしながら、このようなエミッション性能に優れる内燃機関であっても、機関始動直後においては、燃料改質装置に供給される炭化水素系燃料の霧化不良や空気との混合不良が起こり易く、また、改質触媒の担体温度を改質反応し得る所定温度まで上昇させ難いので、炭化水素系燃料が改質触媒で改質されずに残ってしまうおそれがある。従って、機関始動直後の内燃機関においては、その未改質燃料が排気ガスと共に排出されてしまうおそれがあり、これは改質ガスを用いて運転することによって燃焼室に導入されるＨＣを減らし排気ガス中のＨＣ成分等の有害成分の低減を図るという趣旨にも反してしまう。また、炭化水素系燃料が改質触媒で十分に改質されないことから、始動時に吸入される空気量に応じた良質な改質ガスを供給できず、これによりエミッション性能が悪化するおそれもある。

また、このように排気ガス中に有害成分が存在しているときには有害成分を排気浄化触媒で浄化させるのが一般的であるが、一般に、機関始動直後の排気浄化触媒の担体温度は活性温度に達していないので、この従来の内燃機関においては、機関始動直後に発生した排気ガス中の有害成分を浄化することができず、そのまま外に排出してしまうおそれがある。

そこで本発明は、エミッション性能の悪化を抑制しつつ早期に触媒を暖機することができる内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による内燃機関は、燃焼室と、前記燃焼室に空気を供給する吸気通路と、前記燃焼室から排気ガスを排出すると共に該排気ガスを浄化する触媒を有する排気通路と、炭化水素系燃料と空気との混合気を水素ガスを主成分とする改質ガスに改質する改質装置と、前記改質ガスを前記吸気通路に供給可能な改質ガス供給通路と、前記改質ガス供給通路に設けられ該改質ガス供給通路を開閉可能な改質ガス供給通路開閉手段と、前記改質装置と前記改質ガス供給通路開閉手段との間で前記改質ガス供給通路から分岐する分岐通路と、前記分岐通路を開閉可能な分岐通路開閉手段と、前記分岐通路に接続され未改質の混合気を含む置換ガスを貯留可能な貯留タンクと、前記貯留タンク内の前記置換ガスを前記排気通路内の前記排気ガスの流れ方向に対して前記触媒より上流側に供給可能な置換ガス供給通路と、前記置換ガスの供給を開始及び停止可能な置換ガス供給手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明による内燃機関では、前記改質装置と前記改質ガス供給通路開閉手段との間の前記改質ガス供給通路にバッファタンクを備えることを特徴とする。

請求項３に係る発明による内燃機関では、前記吸気通路に設けられるサージタンクと前記バッファタンクとを連結する連結通路と、前記連結通路を開閉可能な連結通路開閉手段とを備えることを特徴とする。

請求項４に係る発明による内燃機関では、前記改質装置の作動前に前記貯留タンク内が負圧に設定されることを特徴とする。

請求項５に係る発明による内燃機関では、前記吸気通路に設けられるスロットルバルブの上流側で該吸気通路から分岐して前記改質装置に空気を供給可能な吸気分岐通路と、前記吸気分岐通路を開閉可能な吸気分岐通路開閉手段と、前記吸気分岐通路に設けられ前記改質装置に空気を圧送可能なエアポンプとを備えることを特徴とする。

請求項６に係る発明による内燃機関では、前記置換ガス供給手段は、前記エアポンプにより兼用されることを特徴とする。

請求項７に係る発明による内燃機関では、前記改質ガスを前記吸気通路に供給する際に前記改質ガス供給通路開閉手段又は前記スロットルバルブを制御して空気と改質ガスとの比をリーンに設定する制御手段を備えることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関によれば、改質ガスを吸気通路に供給可能な改質ガス供給通路から分岐する分岐通路に接続され未改質の混合気を含む置換ガスを貯留可能な貯留タンクと、貯留タンク内の置換ガスを排気通路内の排気ガスの流れ方向に対して触媒より上流側に供給可能な置換ガス供給通路と、置換ガスの供給を開始及び停止可能な置換ガス供給手段とを備えるので、エミッション性能の悪化を抑制しつつ早期に触媒を暖機することができる。

以下に、本発明に係る内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明の実施例１に係るエンジンを示す概略構成図、図２は、本発明の実施例１に係るエンジンにおけるタイムチャートである。

図１に示すように、本実施例では内燃機関としてのエンジン１は、乗用車、トラックなどの車両に搭載されるエンジンであり、シリンダボア２に往復運動可能に設けられるピストン３が２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクルエンジンである。

このエンジン１は、シリンダボア２を往復移動可能なピストン３と、空気と燃料との混合気が燃焼可能であると共にピストン３の移動方向の一方側に設けられる燃焼室４と、ピストン３の移動方向の他方側に設けられる複数のクランク室５を備える。ここで、ピストン３の移動方向は、円筒形状に形成されるシリンダボア２の軸線方向である。つまり、ピストン３を挟んでこのシリンダボア２の軸線方向の一方側に燃焼室４、他方側にクランク室５が設けられる。また、このエンジン１は、シリンダボア２、ピストン３、燃焼室４、クランク室５をそれぞれ複数備える。なお、以下の説明では、複数ある気筒のうちの１つについて説明する。

さらに、エンジン１は、燃焼室４に連通する吸気ポート６及び排気ポート７と、吸気ポート６内に燃料を噴射することが可能な第１インジェクタ８と、燃焼室４の上方に位置して混合気に着火する点火プラグ９と、ピストン３の往復運動に連動して回転可能なクランクシャフト１０を備える。さらに、エンジン１は、シリンダヘッド１１、シリンダブロック１２及びクランクケース１３を備える。

シリンダヘッド１１は、シリンダブロック１２上に締結され、クランクケース１３は、シリンダブロック１２の下部に締結される。シリンダブロック１２は、内部に上述した円筒形状のシリンダボア２が形成される。このシリンダブロック１２は、複数のシリンダボア２を形成するボア壁面２ａと、複数のクランク室５を形成するクランク室壁面５ａを有し、このボア壁面２ａとクランク室壁面５ａとは、ボア壁面２ａの下端部、クランク室壁面５ａの上端部において連続している。

ピストン３は、このシリンダボア２に上下移動自在に嵌合する。クランク室５は、シリンダボア２に各々連通する。クランクケース１３は、内部に潤滑油を貯留する。クランクシャフト１０は、クランク室５内に回転自在に支持される。上述のピストン３は、それぞれコネクティングロッド１４を介してこのクランクシャフト１０に連結される。また、クランクシャフト１０は、その軸周りにカウンタウェイト１５を有する。各ピストン３の往復運動は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１０に伝えられ、ここで回転運動に変換されて、エンジン１の出力として取り出される。

燃焼室４は、ピストン３を挟んでクランク室５の反対側に設けられる。この燃焼室４は、複数のシリンダボア２に対応して複数形成され、シリンダヘッド１１の下面１１ａ、シリンダボア２のボア壁面２ａ及びピストン３の頂面３ａにより画成される。

この燃焼室４の上部、つまり、シリンダヘッド１１の下面１１ａに上述した吸気ポート６及び排気ポート７が各々２つずつ形成される。この吸気ポート６及び排気ポート７の開口には吸気弁１６及び排気弁１７が設けられる。この吸気弁１６及び排気弁１７は、吸気ポート６及び排気ポート７をそれぞれ開閉可能とし、吸気ポート６と燃焼室４、燃焼室４と排気ポート７とをそれぞれ連通することができる。吸気ポート６は、その吸気方向上流側に空気を導入する吸気通路（吸気管）１８が接続され、排気ポート７は、燃焼室４から排気ガスを排出し、その排気方向下流側にこの燃焼室４内の排気ガスを排出する排気通路（排気管）１９が接続される。

吸気通路１８は、その通路の途中に吸気方向上流側から順にエアフロメータ２１、スロットルバルブ２２、サージタンク２３が設けられている。スロットルバルブ２２は、吸入空気量を調量するものであり、サージタンク２３は、吸気容積部として機能する空間をその内部に有する。また、排気通路１９は、その通路の途中に三元触媒２０が装着されている。所定の活性化温度以上になることで活性化する三元触媒２０は、排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質を酸化、還元させて浄化処理するものであり、理論空燃比付近で有害物質の十分な浄化効率を得られる。

第１インジェクタ８は、上述したように吸気ポート６内に装着されこの吸気ポート６内に燃料噴霧を噴射する。点火プラグ９は、燃焼室４の天井部分、すなわち、シリンダヘッド１１の下面１１ａの吸気ポート６と排気ポート７の間に装着される。

また、エンジン１には、クランキングを行うスタータモータ５２が設けられており、エンジン始動時に図示しないピニオンギヤがリングギヤと噛み合った後、回転力がピニオンギヤからリングギヤへと伝わり、クランクシャフト１０を回転することができる。

さらに、このエンジン１は、マイクロコンピュータを中心として構成され、エンジン１の各部を制御可能な電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５０を備える。ＥＣＵ５０には、エンジン１の各部を駆動する不図示の駆動回路及び各種センサが接続されており、ＥＣＵ５０は、これらの駆動回路、センサ等との間で信号の入出力を行なう。ＥＣＵ５０にはエアフロメータ２１が電気的に接続され、計測した吸入空気量をこのＥＣＵ５０に出力している。さらに、ＥＣＵ５０にはクランク角センサ２４が電気的に接続され、このクランク角センサ２４は、クランクシャフト１０の回転角度であるクランク角度を検出し、検出した各気筒のクランク角度をＥＣＵ５０に出力し、このＥＣＵ５０は検出したクランク角度に基づいて各気筒における吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を判別すると共に、エンジン回転数（ｒｐｍ）を算出している。

このエンジン１では、第１インジェクタ８から噴射される燃料と吸気通路１８、吸気ポート６を介して吸入される空気とが混合して混合気を形成し、ピストン３がシリンダボア２内を下降することで、燃焼室４内にこの混合気が吸入される（吸気行程）。そして、このピストン３が吸気行程下死点を経てシリンダボア２内を上昇することで混合気が圧縮され（圧縮行程）、ピストン３が圧縮行程上死点付近に近づくと点火プラグ９により混合気に点火され、該混合気が燃焼し、その燃焼圧力によりピストン３を下降させる（膨張行程）。燃焼後の混合気は、ピストン３が膨張行程下死点を経て吸気行程上死点に向かって再び上昇することで排気ポート７、排気通路１９を介して排気ガスとして放出される（排気行程）。このピストン３のシリンダボア２内での往復運動は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１０に伝えられ、ここで回転運動に変換され、出力として取り出されると共に、このピストン３は、カウンタウェイト１５、クランクシャフト１０が慣性力によりさらに回転することで、このクランクシャフト１０の回転に伴ってシリンダボア２内を往復する。このクランクシャフト１０が２回転することで、ピストン３はシリンダボア２を２往復し、この間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行い、燃焼室４内で１回の爆発が行われる。

ここで、このエンジン１は、炭化水素系燃料と空気の混合気を改質することにより生成される改質ガスを燃焼室４に供給し、始動時においてこの改質ガスを用いて運転することによって燃焼室４に導入されるＨＣを減らし、排気ガス中のＨＣ成分等の有害成分の低減を図っている。すなわち、このエンジン１は、機関始動時等の冷間時において三元触媒２０の触媒温度が活性温度に達しておらず排気ガス中の有害成分を浄化し難いとき、水素ガスを主成分とする改質ガスを燃焼時の燃料として使用することで、炭化水素系燃料を燃焼させるよりも排気ガス中におけるＨＣ（炭化水素）成分の有害成分を低減させ、その有害成分の排出自体を抑えてエミッション性能を向上させている。

具体的には、このエンジン１は、水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する改質装置２５と、吸気通路１８から分岐して改質装置２５に空気を供給可能な吸気分岐通路２６と、改質装置２５で生成される改質ガスを吸気通路１８に供給可能な改質ガス供給通路２７を備える。

吸気分岐通路（吸気分岐管）２６は、吸気通路１８に設けられるスロットルバルブ２２の上流側で該吸気通路１８から分岐して改質装置２５に接続される。吸気分岐通路２６は、その通路の途中に吸気通路１８側から順に吸気側エアポンプ２８、分岐側エアフロメータ２９、吸気分岐通路開閉手段としてのシャットバルブ３０が設けられている。吸気側エアポンプ２８は、吸気通路１８内を流動する空気の一部を改質装置２５に圧送可能でありＥＣＵ５０によりその駆動が制御されている。分岐側エアフロメータ２９は、ＥＣＵ５０に電気的に接続され、吸気分岐通路２６を通過し、改質装置２５に導入される空気量を計測し、計測した空気量をＥＣＵ５０に出力している。シャットバルブ３０は、吸気分岐通路２６を開閉可能な開閉弁でありＥＣＵ５０によりその駆動が制御されている。

なお、上述したエアフロメータ２１は、吸気分岐通路２６が吸気通路１８から分岐する部分よりも空気の流動方向に対して上流側に設けられている。すなわち、エアフロメータ２１は、吸気通路１８内に吸入されたすべての吸入空気量を計測するのに対して、分岐側エアフロメータ２９は、エアフロメータ２１が計測した吸入空気量のうち改質装置２５に導入される空気量を計測している。

改質装置２５は、炭化水素系燃料を噴射可能な第２インジェクタ２５ａと、改質触媒２５ｂを備える。改質装置２５は、第２インジェクタ２５ａから噴射される炭化水素系燃料と吸気分岐通路２６を介して供給される空気（酸素）との混合気を改質触媒２５ｂにより水素ガス、一酸化炭素ガス等を主成分とする改質ガスに改質する。ここで、この改質触媒２５ｂは、ヒータ等の加熱手段（図示略）が具備された電気加熱式の改質触媒であり、改質反応可能な所定の温度まで昇温された後に良質な改質ガスを生成し始める。また、第２インジェクタ２５ａは、ＥＣＵ５０に接続されており、改質装置２５に導入される空気量に応じた供給量で燃料を噴射するように制御される。

改質ガス供給通路（改質ガス供給管）２７は、一端が改質装置２５に接続され、他端が吸気通路１８に設けられるサージタンク２３の下流側でこの吸気通路１８に接続される。すなわち、吸気分岐通路２６、改質装置２５、改質ガス供給通路２７により構成される一連の通路は、スロットルバルブ２２の上流側で吸気通路１８から分岐し、スロットルバルブ２２の下流側、ここではサージタンク２３の下流側で再び吸気通路１８と合流する。改質ガス供給通路２７は、その通路の途中に改質ガス供給通路開閉手段としての流量制御弁３１が設けられている。流量制御弁３１は、改質ガス供給通路２７を開閉可能であり、ここでは、改質ガス供給通路２７から吸気通路１８に導入する改質ガスの流量を調節可能である。

このような構成からなるエンジン１では、改質装置２５を作動させて改質ガスを生成し、この改質ガスを用いて運転することによって、機関始動時等の冷間時において三元触媒２０の触媒温度が活性温度に達しておらず排気ガス中の有害成分を浄化し難いとき、この改質ガスを燃焼時の燃料として使用することで、炭化水素系燃料を燃焼させるよりも排気ガス中におけるＨＣ（炭化水素）成分の有害成分を低減させ、その有害成分の排出自体を抑えてエミッション性能を向上させることができる。

なお、このエンジン１は、改質装置作動センサ５１を備える。改質装置作動センサ５１は、例えば、エンジン１が搭載される車両のドアの開閉を検知するドアセンサや運転シートに設けられ運転者の着座を検知する圧力センサ等を用いることができる。改質装置作動センサ５１は、ＥＣＵ５０に接続され、ＥＣＵ５０は、改質装置作動センサ５１により機関始動要求を検知すると、エンジン始動開始前の予備動作として改質装置２５の加熱手段等を作動させ、改質触媒２５ｂを起動させる。

ところで、機関始動直後においては、改質装置２５に供給される炭化水素系燃料の霧化不良や空気との混合不良が起こり易く、また、改質触媒２５ｂの温度を改質反応し得る所定温度まで上昇させ難いので、炭化水素系燃料が改質触媒２５ｂで十分に改質されずに残ってしまうおそれがある。すなわち、機関始動直後のエンジン１においては、その未改質燃料が排気ガスと共に排出されてしまうおそれがある。さらに、炭化水素系燃料が改質触媒２５ｂで十分に改質されないことから、始動時に吸入される空気量に応じた良質な改質ガスを供給できず、これによりエミッション性能が悪化するおそれもある。また、一般に、機関始動直後の三元触媒２０の温度は活性温度に達していないので、機関始動直後に発生した排気ガス中の有害成分を浄化することができず、そのまま外に排出してしまうおそれがある。

そこで、本実施例１のエンジン１は、起動直後に改質装置２５から排出される不良な改質ガス等を一時的に貯留し、この貯留したガスを排気通路１９上の三元触媒２０よりも上流側に供給して燃焼させることで、エミッション性能の悪化を抑制しつつ早期の触媒暖機を図っている。

具体的には、エンジン１は、改質ガス供給通路２７から分岐する分岐通路３２と、分岐通路に接続され置換ガスを貯留可能な貯留タンク３３と、貯留タンク３３内に貯留される置換ガスを排気通路１９に供給可能な置換ガス供給通路３４を備える。

分岐通路（分岐管）３２は、改質装置２５と流量制御弁３１との間で改質ガス供給通路２７から分岐して貯留タンク３３に接続される。分岐通路３２は、その通路の途中に分岐通路開閉手段としてのバイパスバルブ３５が設けられている。バイパスバルブ３５は、分岐通路３２を開閉可能な開閉弁でありＥＣＵ５０によりその駆動が制御されている。

貯留タンク３３は、改質装置２５から排出される未改質の混合気を含む置換ガスを貯留可能な容積部として機能する空間をその内部に有する。ここで、置換ガスとは、エンジン１の運転停止から吸気分岐通路２６、改質装置２５、改質ガス供給通路２７に残留している空気、未改質の混合気（炭化水素系燃料、空気）、生成された改質ガス（水素ガス、一酸化炭素ガス）等を含むガスであり、言い換えれば、その成分が不安定な不良な改質ガスである。

置換ガス供給通路（置換ガス供給管）３４は、一端が貯留タンク３３に接続され、他端が排気通路１９に設けられる三元触媒２０より排気ガスの流れ方向に対して上流側に接続される。すなわち、分岐通路３２、貯留タンク３３、置換ガス供給通路３４により構成される一連の通路は、改質装置２５と流量制御弁３１との間で改質ガス供給通路２７から分岐し、三元触媒２０の上流側で排気通路１９と合流する。置換ガス供給通路３４は、貯留タンク３３内の置換ガスを排気通路１９内の排気ガスの流れ方向に対して三元触媒２０より上流側に供給可能である。置換ガス供給通路３４は、その通路の途中に置換ガス供給手段としての排気側エアポンプ３６が設けられている。排気側エアポンプ３６は、貯留タンク３３内の置換ガスを三元触媒２０の上流側に圧送可能であると共に、ＥＣＵ５０によりその駆動が制御され、置換ガスの供給を開始及び停止可能である。

ここで、本実施例のエンジン１による置換ガス供給制御について、図２のタイムチャートに基づいて詳細に説明する。以下の動作は、主としてＥＣＵ５０により実行される。

まず、時刻ｔ１において改質装置作動センサ５１により機関始動要求を検知すると、ＥＣＵ５０は、エンジン始動開始前の予備動作として改質装置２５の加熱手段等を作動させると共にシャットバルブ３０、バイパスバルブ３５を駆動して吸気分岐通路２６、分岐通路３２を開放し、吸気側エアポンプ２８、第２インジェクタ２５ａを作動させる。このとき、流量制御弁３１は改質ガス供給通路２７を閉止した状態であり、第１インジェクタ８、排気側エアポンプ３６は停止した状態である。吸気側エアポンプ２８が作動すると吸気分岐通路２６、シャットバルブ３０を介して改質装置２５に空気が供給され、この空気と第２インジェクタ２５ａから噴射される炭化水素系燃料とが混合気を形成し、改質装置２５によるこの混合気の改質が始まる。

このとき、改質装置２５の作動直後においては上述のように炭化水素系燃料が改質触媒２５ｂで十分に改質されずに残ってしまうおそれがある。また、吸気分岐通路２６、改質装置２５、改質ガス供給通路２７にはエンジン１の前回の運転停止の際から空気等が残留している。しかしながら、ここでは流量制御弁３１が閉止状態、バイパスバルブ３５が開放状態、排気側エアポンプ３６が停止状態であることから、残留空気、未改質の混合気（炭化水素系燃料、空気）、混合気の一部が改質され生成された改質ガス（水素ガス、一酸化炭素ガス）等を含むガスは、分岐通路３２、バイパスバルブ３５を介して貯留タンク３３に導入され、この貯留タンク３３で置換ガスとして貯留される。

そして、ＥＣＵ５０は、時刻ｔ２において改質触媒２５ｂが十分な改質反応が可能な温度まで昇温され、良質な改質ガスを生成し始めた後、バイパスバルブ３５を駆動して分岐通路３２を閉止し、貯留タンク３３内の置換ガスが改質ガス供給通路２７側に戻ることを防止する。これにより、有害成分を含む置換ガスが外部へ流出することを防止することができ、未改質燃料が燃焼室４に導入されることが防止される。さらに成分が不安定な置換ガスが始動時において燃焼室４での燃焼に用いられることがないことから、燃焼変動を防止することができる。また、このとき、改質装置２５と流量制御弁３１との間の改質ガス供給通路２７及びバイパスバルブ３５から改質ガス供給通路２７側の分岐通路３２は、水素ガス、一酸化炭素ガスを主成分とする良質な改質ガスにより満たされており、始動時に吸入される空気に応じて良質な改質ガスを供給することが可能となる。なお、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間隔は、予め設定しておいても良いし、改質触媒２５ｂの温度を検出する温度センサを設け、この温度センサが検出する温度に応じて適宜設定するようにしてもよい。

その後、ＥＣＵ５０は、時刻ｔ３においてイグニッションＯＮ信号等からエンジン始動要求を検知すると、スロットルバルブ２２を駆動して空気を燃焼室４に導入し、さらに、流量制御弁３１を駆動して改質ガス供給通路２７を開放し、改質ガスを吸気通路１８、吸気ポート６を介して燃焼室４に導入すると共にスタータモータ５２を駆動してクランキングによりエンジン１を始動開始する。

時刻ｔ４において、ＥＣＵ５０によりエンジン１の完爆が判定されると、ＥＣＵ５０は、排気側エアポンプ３６を作動し、置換ガス供給通路３４を介して貯留タンク３３内の置換ガスを排気通路１９内の三元触媒２０より上流側に供給する。排気通路１９内の三元触媒２０より上流側への置換ガスの供給が開始されると、この置換ガスには未改質の混合気（炭化水素系燃料、空気）、混合気の一部が改質され生成された改質ガス（水素ガス、一酸化炭素ガス）が含まれていることから、置換ガス中の水素ガス、一酸化炭素ガス、未改質ＨＣが三元触媒２０の上流側で燃焼し、これにより、三元触媒２０の上流において有害成分の浄化が促進されると共に、その反応熱によって三元触媒２０の活性化を早めることができる。また、この置換ガス中には燃焼しやすい、すなわち、可燃範囲が広くて着火し易い水素ガス、一酸化炭素ガスが含まれていることから通常の二次空気制御による暖機よりもより早期に三元触媒２０を暖機することができる。

ここで、排気通路１９内への置換ガスの供給をエンジン１が完爆した後に開始することで、この置換ガスを排気通路１９内で確実に燃焼させることができる。すなわち、エンジン１が完爆し始動するとその排気熱により排気通路１９が昇温し置換ガスが確実に燃焼できる雰囲気になるからである。ＥＣＵ５０によるエンジン１の完爆の判定は、例えば、クランク角センサ２４が検出したクランク角度に応じてＥＣＵ５０が算出するエンジン回転数に基づいて行い、ＥＣＵ５０は、このエンジン回転数が所定回転数（例えば、４００ｒｐｍ程度）になった際にエンジン１が完爆したと判定すればよい。なお、エンジン１の完爆に代えて、例えば、排気通路１９の三元触媒２０より上流側に温度センサを設け、この温度センサが検出した温度が所定温度以上になった後に置換ガスを排気通路１９に供給するようにしてもよい。要するに排気通路１９が置換ガスの燃焼が可能な程度に昇温していればよい。

また、時刻ｔ４において、ＥＣＵ５０によりエンジン１の完爆が判定されると、ＥＣＵ５０は、改質ガスを吸気通路１８に供給する際に、その改質ガスと空気との混合気の空燃比がリーン（希薄空燃比）となるように設定する。改質ガスと空気との混合気の空燃比は、エアフロメータ２１が計測する吸入空気量と分岐側エアフロメータ２９が計測する改質装置２５に導入される空気量に基づいて算出することができる。ＥＣＵ５０は、スロットルバルブ２２と流量制御弁３１の双方又は何れか一方を駆動制御することによって改質ガスと空気との混合気の空燃比を所望の値に設定することができる。

このように燃焼室４に吸入される改質ガスと空気との混合気の空燃比をリーンに設定することで、改質ガスによりリーンでも安定した燃焼が可能であることから、ＨＣを低減してエミッション性能を向上させつつ、排気通路１９内における酸素量が増加し、上述の置換ガスの燃焼反応が促進される。また、置換ガス中の一酸化炭素ガスは、酸素存在下で燃焼すると共に、低温でも三元触媒２０で触媒反応が始まって二酸化炭素に浄化される。従って、排気通路１９内の三元触媒２０の上流側において燃焼反応に伴って温度上昇した排気ガスの流入又は触媒での直接の燃焼反応や一酸化炭素ガスの触媒反応によって三元触媒２０の温度が早期に上昇する。

そして、時刻ｔ５において、ＥＣＵ５０により三元触媒２０の暖機終了が判定されると、排気側エアポンプ３６を停止し、バイパスバルブ３５を駆動して開放状態とする。これにより、排気通路１９上で必要以上に置換ガスの燃焼反応や触媒反応が起こらなくなるので、三元触媒２０の過熱による劣化や故障を防ぐことができる。また、貯留タンク３３内に残留する置換ガスは、ピストン３の往復運動に伴って吸気通路１８に発生する負圧効果によって吸気通路１８に吸入され、良質の改質ガスと共に燃焼室４に導入され、燃焼される。これにより、貯留タンク３３内から残留置換ガスを確実にパージすることができる。ここで、ＥＣＵ５０による三元触媒２０の暖機終了の判定は、例えば、エンジン１の始動からの吸入空気量に基づいて判定することができる。具体的には、ＥＣＵ５０は、エアフローメータ２１により検出される吸入空気量の始動開始からの積算吸入空気量を求め、この積算吸入空気量が予め定めた基準値より大きいと判断したときに、三元触媒２０の暖機を終了と判定する。なお、ＥＣＵ５０は、積算吸気量の代わりにエンジン１の始動時からの燃料噴射量の積算噴射量やエンジン１の冷却水温、三元触媒２０の触媒温度等に基づいて触媒暖機の終了の判定をしてもよい。

また、時刻ｔ５において、三元触媒２０の暖機終了が判定されると、ＥＣＵ５０は、第１インジェクタ８による燃料の噴射を徐々に開始し、改質ガスを用いた運転から通常の燃料を用いた運転に徐々に移行していき、時刻ｔ６において、吸気側エアポンプ２８、第２インジェクタ２５ａを停止し、シャットバルブ３０を閉止状態とし改質装置２５を停止し改質ガスの生成を終了する。なお、ここでは、改質ガスを用いた運転と通常の燃料を用いた運転とをオーバーラップさせて徐々に通常の燃料を用いた運転に移行するものとして説明したが、例えば、エンジン１の運転状態が高負荷運転に移行した場合にはオーバーラップを０にして即座に通常の燃料を用いた運転に移行するようにしてもよい。

時刻ｔ６において、第１インジェクタ８から噴射される通常の燃料を用いた運転に移行した後、改質装置２５、改質ガス供給通路２７等に残留する改質ガスや分岐通路３２、貯留タンク３３、置換ガス供給通路３４等に残留する置換ガスが上述のように負圧効果によって吸気通路１８に吸入された後、ＥＣＵ５０は、時刻ｔ７においてバイパスバルブ３５、流量制御弁３１を閉止状態としこの制御を終了する。このとき、貯留タンク３３内は負圧となっており、すなわち、次回の改質装置２５の作動前に貯留タンク３３内が負圧に設定されていることになる。このため、貯留タンク３３内が負圧であることから、貯留タンク３３内の容積を小さく抑えながら、より多くの置換ガスを貯留しておくことができる。

以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１によれば、燃焼室４と、燃焼室４に空気を供給する吸気通路１８と、燃焼室４から排気ガスを排出すると共に該排気ガスを浄化する三元触媒２０を有する排気通路１９と、炭化水素系燃料と空気との混合気を水素ガスを主成分とする改質ガスに改質する改質装置２５と、改質ガスを吸気通路１８に供給可能な改質ガス供給通路２７と、改質ガス供給通路２７に設けられ該改質ガス供給通路２７を開閉可能な流量制御弁３１と、改質装置２５と流量制御弁３１との間で改質ガス供給通路２７から分岐する分岐通路３２と、分岐通路３２を開閉可能なバイパスバルブ３５と、分岐通路３２に接続され未改質の混合気を含む置換ガスを貯留可能な貯留タンク３３と、貯留タンク３３内の置換ガスを排気通路１９内の排気ガスの流れ方向に対して三元触媒２０より上流側に供給可能な置換ガス供給通路３４と、置換ガスの供給を開始及び停止可能な排気側エアポンプ３６とを備える。

したがって、改質ガスを吸気通路１８に供給可能な改質ガス供給通路２７から分岐する分岐通路３２と、この分岐通路３２に接続される貯留タンク３３を設けることで、起動直後に改質装置２５から排出される有害成分を含む置換ガスが貯留タンク３３に貯留されるため、この有害成分が外部へ流出することが防止され、また、未改質燃料が燃焼室４に導入されることが防止され、さらに成分が不安定な置換ガスが始動時において燃焼室４での燃焼に用いられることがないことから、燃焼変動が防止されるので、エミッション性能の悪化を抑制することができる。さらに、この貯留タンク３３に貯留される置換ガスを排気通路１９内の三元触媒２０よりも上流側に供給する置換ガス供給通路３４を設けることで、この置換ガスには未改質の混合気（炭化水素系燃料、空気）、混合気の一部が改質され生成された改質ガス（水素ガス、一酸化炭素ガス）が含まれていることから、この置換ガス中の水素ガス、一酸化炭素ガス、未改質ＨＣが三元触媒２０の上流側で燃焼し、これにより、三元触媒２０の上流において有害成分の浄化が促進されると共に、その反応熱によって三元触媒２０の活性化を早めることができる。その結果、エミッション性能の悪化を抑制しつつ早期に触媒を暖機することができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１によれば、改質装置２５の作動前に貯留タンク３３内が負圧に設定される。したがって、貯留タンク３３内が負圧であることから、貯留タンク３３内の容積を小さく抑えながら、より多くの置換ガスを貯留することができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１によれば、改質ガスを吸気通路１８に供給する際に流量制御弁３１又はスロットルバルブ２２を制御して空気と改質ガスとの混合気の空燃比をリーンに設定するＥＣＵ５０を備える。したがって、燃焼室４に吸入される改質ガスと空気との混合気の空燃比をリーンに設定することで、始動時に燃焼室４に吸入されるＨＣ量を低減しつつ排気通路１９内における酸素量が増加し、置換ガスの燃焼反応及び触媒反応が促進されるので、三元触媒２０をより早期に活性化することができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１によれば、吸気通路１８に設けられるスロットルバルブ２２の上流側で該吸気通路１８から分岐して改質装置２５に空気を供給可能な吸気分岐通路２６と、吸気分岐通路２６を開閉可能なシャットバルブ３０と、吸気分岐通路２６に設けられ改質装置２５に空気を圧送可能な吸気側エアポンプ２８とを備える。したがって、吸気通路１８から分岐して改質装置２５に空気を供給可能な吸気分岐通路２６を設けることから、コンパクトな構成で改質装置２５に空気を供給することができると共に、吸気分岐通路２６にシャットバルブ３０を設けることで、停止状態において改質装置２５や改質ガス供給通路２７等から残留改質ガスや残留置換ガスが外部に流れ出ることを防止することができる。

図３は、本発明の実施例２に係るエンジンを示す概略構成図である。実施例２に係るエンジンは、実施例１に係るエンジンと略同様の構成であるが、バッファタンクを備える点で実施例１に係るエンジンとは異なる。その他、上述した実施例と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

エンジン２０１の始動時においては、サージタンク２３や吸気通路１８などに残留する空気が燃焼室４に一気に吸入される。このとき、この吸入空気量と改質ガス供給通路２７を介して供給される良質な改質ガスとの混合気の空燃比が所定範囲内にある必要があり、この良質な改質ガスの供給量が不足すると、失火の原因になったり、エミッション性能の低下につながったりするおそれがある。

そこで、この実施例２に係るエンジン２０１は、改質装置２５と流量制御弁３１との間の改質ガス供給通路２７にバッファタンク２３７を備えることで、このバッファタンク２３７に十分な量の良質な改質ガスを貯留するようにしている。

バッファタンク２３７は、分岐通路３２が改質ガス供給通路２７から分岐する部分に設けられており、言い換えれば、分岐通路３２は、このバッファタンク２３７を介して改質ガス供給通路２７に接続されることになる。このバッファタンク２３７は、改質装置２５から排出される良質な改質ガスを貯留可能な容積部として機能する空間をその内部に有する。

すなわち、このエンジン２０１では、改質装置２５と流量制御弁３１との間の改質ガス供給通路２７及びバイパスバルブ３５から改質ガス供給通路２７側の分岐通路３２の容積が実施例１のエンジン１と比較してバッファタンク２３７の分だけ大きくなる。そして、図２で上述した時刻ｔ１の改質装置２５作動後から時刻ｔ２のエンジン始動開始までの間、バッファタンク２３７内に改質ガスが貯留される。また、この間、残留空気、未改質の混合気（炭化水素系燃料、空気）、混合気の一部が改質され生成された改質ガス（水素ガス、一酸化炭素ガス）等を含むガスは、分岐通路３２、バイパスバルブ３５を介して貯留タンク３３に導入され、この貯留タンク３３で置換ガスとして貯留される。したがって、改質装置２５と流量制御弁３１との間の改質ガス供給通路２７、バイパスバルブ３５から改質ガス供給通路２７側の分岐通路３２及びバッファタンク２３７内は、水素ガス、一酸化炭素ガスを主成分とする良質な改質ガスにより満たされる。これにより、十分な量の良質な改質ガスをバッファタンク２３７に貯留することができ、この結果、この良質な改質ガスを改質ガス供給通路２７、流量制御弁３１を介して始動時の吸入空気量に応じた量で確実に供給することができる。

以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン２０１によれば、改質装置２５と流量制御弁３１との間の改質ガス供給通路２７にバッファタンク２３７を備える。したがって、バッファタンク２３７を改質ガス供給通路２７に設けたので、十分の量の改質ガスがバッファタンク２３７内に貯留され、エンジン始動時に一気に吸入される吸入空気量に応じた量の改質ガスを供給することができるので、改質ガスの供給量が不足することがなく、失火を防止することができ、エミッション性能の悪化を抑制することができる。さらに、起動直後に改質装置２５から排出される有害成分を含む置換ガスや残留空気が貯留タンク３３に導入され貯留されるため、バッファタンク２３７内を良質な改質ガスにより満たしつつ有害成分等が外部へ流出することが防止されるので、エミッション性能の悪化を抑制することができる。

図４は、本発明の実施例３に係るエンジンを示す概略構成図である。実施例３に係るエンジンは、実施例２に係るエンジンと略同様の構成であるが、サージタンクとバッファタンクとを連結する連結通路を備える点で実施例２に係るエンジンとは異なる。その他、上述した実施例と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

実施例３に係るエンジン３０１は、吸気通路１８に設けられるサージタンク２３とバッファタンク２３７とを連結する連結通路（連結管）３３８を備える。この連結通路３３８は、その通路の途中にこの連結通路３３８を開閉可能な連結通路開閉手段としてのバイパスバルブ３３９が設けられている。このように、連結通路３３８によりサージタンク２３とバッファタンク２３７とを連結することで、置換ガスを貯留可能な容積部として貯留タンク３３に加えてサージタンク２３も用いることができる。

以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン３０１によれば、吸気通路１８に設けられるサージタンク２３とバッファタンク２３７とを連結する連結通路３３８と、連結通路３３８を開閉可能なバイパスバルブ３３９とを備える。したがって、連結通路３３８によりサージタンク２３とバッファタンク２３７とを連結することで、置換ガスを貯留可能な容積部として貯留タンク３３に加えてサージタンク２３も用いることが可能となるので、貯留タンク３３の容積を小さく抑え、よりコンパクトな構成にすることができる。

なお、上述した本発明の実施例に係るエンジンは、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、エンジン１、２０１、３０１は、ポート噴射型エンジンとして説明したが直噴型エンジンでもよい。以上の説明では、置換ガスは排気通路１９に供給するものとして説明したが、排気ポート７に供給してもよい。この場合、この排気ポート７を含む排気系全体が本発明の排気通路に相当する。

以上の説明では、置換ガス供給手段としての排気側エアポンプ３６を置換ガス供給通路３４に設けるものとして説明したが、置換ガス供給手段は、吸気側エアポンプ２８により兼用してもよい。この場合、本発明の実施例に係るエンジンをよりコンパクトな構成とすることができる。また、以上の説明では、吸気通路１８から分岐して改質装置２５に空気を供給可能な吸気分岐通路２６を設けるものとしたが、吸気分岐通路２６を設けず直接改質装置２５に空気を供給するようにしてもよい。

また、以上の説明では、改質ガスと空気との混合気の空燃比は、エアフロメータ２１が計測する吸入空気量と分岐側エアフロメータ２９が計測する改質装置２５に導入される空気量に基づいて算出するものとして説明したが他の構成により検出するようにしてもよい。また、実施例３のエンジン３０１では、連結通路３３８によりバッファタンク２３７とサージタンク２３を連結するものとして説明したが、バッファタンク２３７を設けず、連結通路３３８により改質ガス供給通路２７とサージタンク２３を連結し、貯留タンク３３に置換ガスを貯留しサージタンク２３に良質な改質ガスを貯留するようにしてもよい。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、エミッション性能の悪化を抑制しつつ早期に触媒を暖機するものであり、種々の内燃機関に用いて好適である。

本発明の実施例１に係るエンジンを示す概略構成図である。 本発明の実施例１に係るエンジンにおけるタイムチャートである。 本発明の実施例２に係るエンジンを示す概略構成図である。 本発明の実施例３に係るエンジンを示す概略構成図である。

符号の説明

１、２０１、３０１ エンジン（内燃機関）
３ ピストン
４ 燃焼室
８ 第１インジェクタ
９ 点火プラグ
１８ 吸気通路
１９ 排気通路
２０ 三元触媒
２１ エアフロメータ
２２ スロットルバルブ
２３ サージタンク
２５ 改質装置
２５ａ 第２インジェクタ
２５ｂ 改質触媒
２６ 吸気分岐通路
２７ 改質ガス供給通路
２８ 吸気側エアポンプ（エアポンプ）
２９ 分岐側エアフロメータ
３０ シャットバルブ（吸気分岐通路開閉手段）
３１ 流量制御弁（改質ガス供給通路開閉手段）
３２ 分岐通路
３３ 貯留タンク
３４ 置換ガス供給通路
３５ バイパスバルブ（分岐通路開閉手段）
３６ 排気側エアポンプ（置換ガス供給手段）
５０ ＥＣＵ（制御手段）
２３７ バッファタンク
３３８ 連結通路
３３９ バイパスバルブ（連結通路開閉手段）

Claims (7)

1. 燃焼室と、
   前記燃焼室に空気を供給する吸気通路と、
   前記燃焼室から排気ガスを排出すると共に該排気ガスを浄化する触媒を有する排気通路と、
   炭化水素系燃料と空気との混合気を水素ガスを主成分とする改質ガスに改質する改質装置と、
   前記改質ガスを前記吸気通路に供給可能な改質ガス供給通路と、
   前記改質ガス供給通路に設けられ該改質ガス供給通路を開閉可能な改質ガス供給通路開閉手段と、
   前記改質装置と前記改質ガス供給通路開閉手段との間で前記改質ガス供給通路から分岐する分岐通路と、
   前記分岐通路を開閉可能な分岐通路開閉手段と、
   前記分岐通路に接続され未改質の混合気を含む置換ガスを貯留可能な貯留タンクと、
   前記貯留タンク内の前記置換ガスを前記排気通路内の前記排気ガスの流れ方向に対して前記触媒より上流側に供給可能な置換ガス供給通路と、
   前記置換ガスの供給を開始及び停止可能な置換ガス供給手段とを備えることを特徴とする、
   内燃機関。
2. 前記改質装置と前記改質ガス供給通路開閉手段との間の前記改質ガス供給通路にバッファタンクを備えることを特徴とする、
   請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記吸気通路に設けられるサージタンクと前記バッファタンクとを連結する連結通路と、
   前記連結通路を開閉可能な連結通路開閉手段とを備えることを特徴とする、
   請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記改質装置の作動前に前記貯留タンク内が負圧に設定されることを特徴とする、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記吸気通路に設けられるスロットルバルブの上流側で該吸気通路から分岐して前記改質装置に空気を供給可能な吸気分岐通路と、
   前記吸気分岐通路を開閉可能な吸気分岐通路開閉手段と、
   前記吸気分岐通路に設けられ前記改質装置に空気を圧送可能なエアポンプとを備えることを特徴とする、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 前記置換ガス供給手段は、前記エアポンプにより兼用されることを特徴とする、
   請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記改質ガスを前記吸気通路に供給する際に前記改質ガス供給通路開閉手段又は前記スロットルバルブを制御して空気と改質ガスとの比をリーンに設定する制御手段を備えることを特徴とする、
   請求項５又は請求項６に記載の内燃機関。

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