JP2009203104A - 燃料改質装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】この発明は、小型で安価なセンサを用いて水素濃度を正確に検出することを目的とする。
【解決手段】燃料改質触媒２８は、改質燃料を含む排気ガスと接触することにより、水素を含む改質ガスを生成する。触媒２８の上流側と下流側には、Ａ／Ｆセンサ５８，６０を設ける。上流側Ａ／Ｆセンサ５８は、酸素濃度に応じた下流側センサ信号を出力する。下流側Ａ／Ｆセンサ６０は、ジルコニアの酸素検出能と、拡散層による水素濃度に応じた酸素検出能の変化とを利用して、酸素濃度及び水素濃度に応じた下流側センサ信号を出力する。ＥＣＵ５０は、酸素濃度のみが反映された上流側センサ信号と、酸素濃度及び水素濃度が反映された下流側センサ信号とを用いて、酸素濃度の影響を受けずに水素濃度を検出する。これにより、一般的なＡ／Ｆセンサ５８，６０を用いて水素濃度の検出システムを実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料改質触媒により改質燃料から可燃ガスを生成するのに好適に用いられる燃料改質装置に関する。
従来、例えば特許文献１（特開２００７−１１３４２１号公報）に開示されているように、燃料改質装置を備えた内燃機関が知られている。この種の従来技術による燃料改質装置は、改質燃料と酸素とを含むガスを改質することにより、水素を含む可燃ガスを生成する燃料改質触媒を備えている。
燃料改質触媒は、活性化した状態において、水素と一酸化炭素とを含む可燃ガスを生成することができ、非活性状態では十分な濃度の可燃ガスを生成することができない。このため、従来技術では、水素または一酸化炭素の濃度を検出する濃度センサを燃料改質触媒の下流側に配置する構成としている。そして、濃度センサの検出結果に応じて十分な濃度の可燃ガスが生成されていると判定したときに、この可燃ガスを内燃機関の吸気通路に供給するようにしている。
特開２００７−１１３４２１号公報
ところで、上述した従来技術では、水素または一酸化炭素の濃度を検出する濃度センサを用いる構成としている。これらの濃度は可燃ガスの生成量に対応しているから、濃度検出を正確に行うことができれば、可燃ガスの生成量を正確に検出することができる。
しかしながら、従来技術では、燃料改質装置への搭載が可能となるような小型で安価な濃度センサによって、高い検出精度を実現するのは難しいという問題がある。また、水素濃度の検出時には、可燃ガスに含まれる酸素等の成分が検出動作に影響を与えることがあり、これによって検出精度が低下するという問題がある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、水素濃度を検出する小型で安価なセンサを実現することができ、水素以外の成分が存在しても、可燃ガスの生成量を正確に検出することが可能な燃料改質装置を提供することを目的としている。
第１の発明は、改質燃料を含む気体の流路に配置され、前記改質燃料から水素を含む可燃ガスを生成する燃料改質触媒と、
前記気体の流れ方向において前記燃料改質触媒の上流側に配置され、気体中の酸素濃度に対応した上流側センサ信号を出力する上流側Ａ／Ｆセンサと、
前記気体の流れ方向において前記燃料改質触媒の下流側に配置され、気体中の酸素濃度と水素濃度とに対応した下流側センサ信号を出力する下流側Ａ／Ｆセンサと、
前記上流側センサ信号と前記下流側センサ信号とを用いて、前記燃料改質触媒の下流側における気体中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
を備えることを特徴とする。
第２の発明によると、前記第１の発明において、前記水素濃度検出手段は、前記下流側センサ信号に含まれる前記酸素濃度の影響を前記上流側センサ信号に応じて補正する信号補正手段を備える構成としている。
第３の発明は、前記第２の発明において、前記上流側センサ信号を用いて前記酸素濃度を算出する酸素濃度算出手段と、
前記下流側センサ信号と前記水素濃度との対応関係を表す特性線データが予め記憶された記憶手段と、を備え、
前記信号補正手段は、前記特性線データを前記酸素濃度に応じて補正し、前記水素濃度検出手段は、補正後の前記特性線データを用いて前記下流側センサ信号から前記水素濃度を算出する構成としている。
第４の発明によると、前記第３の発明において、前記信号補正手段は、
前記水素濃度が零の状態における前記下流側センサ信号の値を前記酸素濃度に応じて取得する零点出力取得手段と、
前記水素濃度の変化に対する前記下流側センサ信号の変化率を前記酸素濃度に応じて取得する変化率取得手段と、
前記零点出力取得手段と前記変化率取得手段の取得結果に応じて、検出時点の酸素濃度における前記特性線データを設定する特性設定手段と、
を備える構成としている。
第５の発明によると、前記第１乃至４の発明の何れかにおいて、前記下流側Ａ／Ｆセンサの検出感度は、前記上流側Ａ／Ｆセンサの検出感度よりも低下させる構成としている。
第６の発明によると、前記第１乃至５の発明の何れかにおいて、前記上流側Ａ／Ｆセンサと前記下流側Ａ／Ｆセンサとは、
ジルコニアを含む材料により形成され、一側面と他側面とを有する検出素子と、
前記検出素子の一側面と他側面にそれぞれ設けられ、前記検出素子を挟んで互いに対向した２つの電極と、
検出対象を含む気体から前記検出素子の一側面を遮断する位置に設けられ、前記検出対象が前記検出素子の一側面に供給される速度を制限する制限手段とをそれぞれ備える構成としている。
第７の発明によると、前記第６の発明において、前記下流側Ａ／Ｆセンサの電極は、前記上流側Ａ／Ｆセンサの電極よりも対向面積が小さくなるように形成し、当該対向面積の差分に応じて前記下流側Ａ／Ｆセンサの検出感度を低下させる構成としている。
第８の発明によると、前記第６または第７の発明において、前記制限手段は、前記検出対象を含む気体が外部から前記検出素子の一側面に向けて通過する拡散層であり、前記下流側Ａ／Ｆセンサの拡散層は、前記上流側Ａ／Ｆセンサの拡散層よりも通気性が低くなるように形成し、当該通気性の差分に応じて前記下流側Ａ／Ｆセンサの検出感度を低下させる構成としている。
第９の発明は、前記第１乃至８の発明の何れかにおいて、前記気体の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記上流側センサ信号と前記下流側センサ信号のうち少なくとも一方の信号値を前記気体の圧力に応じて補正する圧力対応補正手段と、
を備える構成としている。
第１０の発明によると、前記第９の発明において、前記圧力対応補正手段は、前記圧力が高くなるにつれて酸素または水素の検出濃度が低くなるように補正を行う構成としている。
第１１の発明は、前記第１乃至１０の発明の何れかにおいて、前記上流側Ａ／Ｆセンサと前記下流側Ａ／Ｆセンサのうち少なくとも一方のＡ／Ｆセンサに対して、無酸素状態の気体と大気とをそれぞれ個別に供給する気体供給手段と、
前記Ａ／Ｆセンサに無酸素状態の気体を供給した状態で、当該Ａ／Ｆセンサの出力信号値と予め設定された零点基準値とのずれ量を検出する第１の酸素誤差検出手段と、
前記Ａ／Ｆセンサに大気を供給した状態で、当該Ａ／Ｆセンサの出力信号値と予め設定された大気基準値とのずれ量を検出する第２の酸素誤差検出手段と、
前記零点基準値と前記大気基準値に対するずれ量を用いて前記出力信号値を校正する酸素信号校正手段と、
を備える構成としている。
第１２の発明は、前記第１乃至１１の発明の何れかにおいて、前記燃料改質触媒に前記改質燃料を供給する改質燃料供給手段と、
前記下流側Ａ／Ｆセンサに無酸素状態の気体を供給する気体供給手段と、
前記水素濃度に影響するパラメータが予め設定された誤差検出用の規定状態となるように調整する調整手段と、
前記改質燃料の供給を停止し、かつ前記下流側Ａ／Ｆセンサに無酸素状態の気体を供給した状態で、当該Ａ／Ｆセンサの出力信号値と予め設定された零点基準値とのずれ量を検出する第１の水素誤差検出手段と、
前記パラメータを前記規定状態に調整し、かつ前記下流側Ａ／Ｆセンサに無酸素状態の気体を供給した状態で、当該Ａ／Ｆセンサの出力信号値と予め設定された非零点基準値とのずれ量を検出する第２の水素誤差検出手段と、
前記零点基準値と前記非零点基準値に対するずれ量を用いて前記出力信号値を校正する水素信号校正手段と、
を備える構成としている。
第１３の発明は、前記第１乃至１２の発明の何れかにおいて、前記水素濃度に影響するパラメータが予め設定された触媒診断用の規定状態となるように調整し、前記水素濃度の検出値と予め設定された診断基準値とを比較することにより、前記燃料改質触媒の作動状態を診断する触媒診断手段を備える構成としている。
第１４の発明は、前記上流側Ａ／Ｆセンサは、内燃機関から排出される排気ガス中の酸素濃度に応じて空燃比を制御する空燃比フィードバック制御に用いる構成としている。
第１の発明によれば、例えばジルコニア（ＺｒＯ２）等の検出素子を備えたＡ／Ｆセンサは、酸素濃度に対する検出感度を有している。このため、上流側Ａ／Ｆセンサは、気体中の酸素濃度に応じて上流側センサ信号を出力することができる。また、下流側Ａ／Ｆセンサも、酸素検出感度を有しているが、燃料改質触媒の作動中には、下流側Ａ／Ｆセンサの位置を流れる気体に可燃ガスが含まれる。
この場合、ジルコニアの酸素検出感度は、センサの周囲に存在する水素により影響を受ける。より詳しく述べると、水素の存在下におけるＡ／Ｆセンサの出力は、水素が存在しない基準状態での出力と比較して、酸素濃度が低い側（リッチ側）にずれる。これにより、下流側Ａ／Ｆセンサは、気体中の酸素濃度と水素濃度とに応じた下流側センサ信号を出力することができる。
このため、上流側センサ信号を用いて下流側センサ信号を補正すれば、下流側センサ信号から酸素濃度の影響を除去することができ、補正後の下流側センサ信号に応じて水素濃度を正確に求めることができる。従って、２つの一般的なＡ／Ｆセンサを用いるだけで、水素濃度を正確かつ容易に検出することができ、この検出結果に応じて可燃ガスの生成量を高い精度で算出することができる。
これにより、専用の水素濃度センサや一酸化炭素濃度などを使用しなくても、小型で安価なＡ／Ｆセンサを用いて可燃ガス量の検出システムを実現することができ、システムの小型化やコストダウンを促進することができる。また、上流側Ａ／Ｆセンサにより酸素濃度の影響を補正することができるので、酸素濃度の影響により水素濃度の検出精度が低下するのを確実に防止でき、検出精度を安定させることができる。
第２の発明によれば、信号補正手段は、酸素濃度が反映された上流側センサ信号を用いて下流側センサ信号を補正することができる。これにより、酸素濃度と水素濃度が反映された下流側センサ信号から酸素濃度の影響を除去することができ、補正後の下流側センサ信号に応じて水素濃度を正確に求めることができる。
第３の発明によれば、信号補正手段は、下流側センサ信号と水素濃度との対応関係を表す特性線データを、酸素濃度に応じて補正することができる。これにより、特性線データは、検出時点の酸素濃度における下流側センサ信号と水素濃度との対応関係を表すものとなる。従って、水素濃度算出手段は、この特性線データを用いて下流側センサ信号から水素濃度を精度よく算出することができる。
第４の発明によれば、下流側センサ信号は、酸素濃度が一定であるときに、水素濃度に応じてリニアに変化するので、両者の対応関係を表す特性線は直線的になる。この特性線の切片及び勾配は酸素濃度に応じて変化する。このため、零点出力取得手段は、前記特性線の切片である零点出力、即ち、水素濃度が零の状態における下流側センサ信号の値を酸素濃度に応じて算出する。
また、変化率取得手段は、前記特性線の勾配である変化率、即ち、水素濃度の変化に対する下流側センサ信号の変化率を酸素濃度に応じて算出する。これにより、特性設定手段は、前記零点出力と変化率とを用いて、検出時点の酸素濃度に対応する特性線データを正確に設定することができる。従って、酸素濃度の影響を特性線データに確実に反映することができる。
第５の発明によれば、酸素濃度の検出を前提とする一般的なＡ／Ｆセンサの出力レンジでは、酸素よりもセンサ信号を大きく変化させる水素濃度を検出しようとすると、水素濃度の変動範囲に対して出力レンジが不足する。そこで、下流側Ａ／Ｆセンサにおいては、検出感度（濃度に対するセンサ信号の変化率）を意図的に低下させ、出力レンジの不足を回避する構成としている。
これにより、下流側センサ信号が水素濃度に応じて変化するときの変化幅を、センサの出力レンジに適合させることができる。従って、出力レンジが狭すぎることにより下流側センサ信号が飽和状態となるのを防止でき、水素濃度を広い濃度範囲で安定的に検出することができる。
第６の発明によれば、上流側Ａ／Ｆセンサと下流側Ａ／Ｆセンサとは、ジルコニアを検出素子とする一般的なＡ／Ｆセンサによって構成することができる。これにより、酸素濃度及び水素濃度に応じてイオン電流が変化するジルコニアの機能を利用して、水素濃度の検出システムを容易に実現することができる。
第７の発明によれば、下流側Ａ／Ｆセンサを構成する２つの電極の対向面積を、上流側Ａ／Ｆセンサよりも小さくすることができる。これにより、一定の濃度条件において電極間を流れるイオン電流を、電極対向面積が減った分だけ減少させることができる。従って、下流側Ａ／Ｆセンサの検出感度を低下させることができる。
第８の発明によれば、下流側Ａ／Ｆセンサでは、例えば緻密な材料等を用いて拡散層を形成することにより、当該拡散層の通気性を上流側Ａ／Ｆセンサよりも低くすることができる。これにより、一定の濃度条件において検出素子に供給される酸素イオン及び水素イオンを、拡散層の通気性が低下した分だけ減少させることができる。従って、下流側Ａ／Ｆセンサの検出感度を低下させることができる。
第９の発明によれば、Ａ／Ｆセンサの検出感度は、気体の圧力に応じて変化する。このため、圧力対応補正手段は、センサの検出感度が圧力に応じて変化した分だけ、センサ信号を補正する。これにより、センサ信号から圧力の影響を除去することができる。従って、気体の圧力が変化する場合でも、その影響を受けることなく、酸素濃度や水素濃度を正確に検出することができる。
第１０の発明によれば、Ａ／Ｆセンサにおいては、気体が高圧になるほど検出素子に供給される気体分子が増えるので、センサの検出感度が高くなる。従って、Ａ／Ｆセンサによる検出濃度は、気体が高圧になるほど高濃度側にずれる。このため、圧力対応補正手段は、圧力が高くなるにつれて検出濃度が低くなるように補正を実行する。これにより、検出濃度に対する圧力の影響を打消すことができる。
第１１の発明によれば、気体供給手段は、Ａ／Ｆセンサの出力校正が可能となる無酸素状態と大気供給状態とを容易に実現することができる。そして、第１の酸素誤差検出手段は、無酸素状態において、センサ信号値と零点基準値とのずれ量を検出することができる。また、第２の酸素誤差検出手段は、酸素濃度が既知である大気がＡ／Ｆセンサに供給された状態において、センサ信号値と大気基準値とのずれ量を検出することができる。
Ａ／Ｆセンサは、酸素濃度に対してリニアな出力特性を有している。このため、酸素信号校正手段は、上述した無酸素状態と大気供給状態とからなる２点でのずれ量を用いて、酸素濃度に対するセンサの出力特性を正確に校正することができる。従って、Ａ／Ｆセンサが劣化した場合でも、酸素濃度を高い精度で検出し続けることができる。また、酸素濃度の検出精度を高めることにより、水素濃度の検出精度も高めることができる。
第１２の発明によれば、改質燃料供給手段、気体供給手段及び調整手段を用いることにより、水素濃度についてセンサの出力校正が可能となる無酸素・無水素状態と、無酸素・規定水素供給状態とを容易に実現することができる。そして、第１の水素誤差検出手段は、無酸素・無水素状態において、センサ信号値と零点基準値とのずれ量を検出することができる。また、第２の水素誤差検出手段は、無酸素で、かつ規定濃度の水素が供給された状態において、センサ信号値と非零点基準値とのずれ量を検出することができる。
Ａ／Ｆセンサは、水素濃度に対してもリニアな出力特性を有している。このため、水素信号校正手段は、上述した無酸素・無水素状態と無酸素・規定水素供給状態とからなる２点でのずれ量を用いて、水素濃度に対するセンサの出力特性を正確に校正することができる。従って、Ａ／Ｆセンサが劣化した場合でも、水素濃度を高い精度で検出し続けることができる。
第１３の発明によれば、触媒診断手段は、触媒診断用の規定状態において検出した水素濃度の検出値と、予め設定された診断基準値とを比較することができる。これにより、触媒診断手段は、診断基準値に対する水素濃度のずれ量に応じて、燃料改質触媒の作動状態を診断することができる。この場合、２つのＡ／Ｆセンサにより水素濃度を正確に検出することができるので、触媒の診断についても精度よく行うことができる。これにより、燃料改質触媒の劣化状態等を確実に把握することができ、信頼性を高めることができる。
第１４の発明によれば、内燃機関において空燃比フィードバック制御に用いられるＡ／Ｆセンサを、水素濃度検出用の上流側Ａ／Ｆセンサとして兼用することができる。このため、２つのＡ／Ｆセンサにより水素濃度を検出する場合でも、センサ等の部品増を最低限に抑えることができ、システムの更なる簡略化とコストダウンを実現することができる。
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図１１を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。まず、図１は、実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図を示している。本実施形態のシステムは、例えば多気筒型の内燃機関１０を備えている。この内燃機関１０は、アルコールとガソリンとを混合した燃料によって運転されるものであり、本実施の形態では、その一例として、エタノールとガソリンとの混合燃料を用いるものとする。
内燃機関１０の吸気管１２は、吸気マニホールド１４を介して各気筒の吸気ポートに接続されている。吸気管１２の途中には、吸入空気量を調整する電動式のスロットル弁１６が設置されている。各気筒の吸気ポートには、燃料を噴射するための電磁弁等からなる主燃料噴射弁１８がそれぞれ設けられている。
内燃機関１０の排気管２０は、排気マニホールド２２を介して各気筒の排気ポートに接続されている。また、排気管２０の途中には、熱交換器２４が設けられている。そして、熱交換器２４内には、複数の改質室２６が互いに間隔をもって形成されており、これらの改質室２６内には、例えばＲｈ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｃｕ等の金属材料を含有する燃料改質触媒２８が担持されている。
各改質室２６の間には、改質室２６と遮断された排気通路３０が設けられている。これらの排気通路３０は、排気管２０の途中に接続されている。このように構成された熱交換器２４によれば、排気通路３０を通過する排気ガスの熱により、改質室２６（燃料改質触媒２８）を加熱することができる。この加熱により、燃料改質触媒２８は、後述の改質反応を生じさせることができる。
排気管２０には、熱交換器２４の上流側で排気管２０から分岐して吸気管１２に合流するＥＧＲ通路３２が設けられている。ＥＧＲ通路３２は、排気ガスの一部を吸気管１２に還流させるものである。また、ＥＧＲ通路３２の途中には、熱交換器２４の改質室２６が接続されている。
また、ＥＧＲ通路３２には、燃料改質触媒２８の上流側に位置して電磁式の改質燃料噴射弁３４が設けられている。この改質燃料噴射弁３４は、ＥＧＲ通路３２内を流れる排気ガス中に燃料（以下、改質燃料と称す）を噴射するものである。これにより、改質燃料噴射弁３４は、燃料改質触媒２８に改質燃料を供給する改質燃料供給手段を構成している。
また、ＥＧＲ通路３２には、ＥＧＲガスを冷却するための冷却器３６と、電磁式の流量調整弁３８とが設けられている。これらの冷却器３６と流量調整弁３８とは、燃料改質触媒２８の下流側に配置されている。流量調整弁３８は、ＥＧＲ通路３２を通じて吸気管１２に還流されるＥＧＲガスの流量を可変に設定するものである。
このように構成されるシステムにおいて、排気管２０を流れる排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路３２に流入し、改質燃料噴射弁３４から改質燃料の供給を受ける。そして、排気ガスと改質燃料との混合ガスは、ＥＧＲ通路３２を通じて改質室２６に流入し、燃料改質触媒２８の作用によって後述の改質反応を起こす。
この改質反応により生成された改質ガス（可燃ガス）は、排気ガスと混合されたＥＧＲガスとなる。そして、ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路３２を通って吸気管１２内に還流され、吸入空気と混合される。また、排気管２０を流れる排気ガスのうち、ＥＧＲ通路３２に流入しなかった残りの排気ガスは、熱交換器２４の排気通路３０を通過し、改質室２６に熱を供給する。そして、この排気ガスは、排気管２０に設けられた三元触媒等からなる排気浄化触媒４０によって浄化され、外部に排出される。
一方、内燃機関１０において、エタノールとガソリンとの混合燃料は、燃料タンク４２に貯留されている。燃料タンク４２には、タンク内の燃料を加圧した状態で外部に送出するための燃料ポンプ（図示せず）が付設されている。この燃料ポンプの吐出側には、ポンプから吐出された燃料を各燃料噴射弁１８，３４にそれぞれ供給する燃料配管４４が接続されている。
さらに、本実施の形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶回路を備えたマイクロコンピュータからなり、本実施の形態の記憶手段を構成している。ＥＣＵ５０の入力側には、機関回転数を検出する回転センサ、吸入空気量を検出するエアフローメータ、冷却水温度を検出する水温センサ、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ等のように、内燃機関１０の運転制御に用いられるセンサ系統が接続されている。
このセンサ系統には、燃料性状センサ５２、温度センサ５４、圧力センサ５６、上流側Ａ／Ｆセンサ５８、下流側Ａ／Ｆセンサ６０などが含まれている。燃料性状センサ５２は、例えば燃料配管４４に設けられており、燃料中のガソリンとアルコールとの混合比率を検出する。温度センサ５４は、例えば熱交換器２４の改質室２６に設けられており、燃料改質触媒２８（または排気ガス）の温度を検出する。
また、圧力センサ５６は、例えば熱交換器２４（改質室２６）の下流側でＥＧＲ通路３２に設けられている。そして、圧力センサ５６は、排気ガス（ＥＧＲガス）の圧力を検出する圧力検出手段を構成している。また、上流側Ａ／Ｆセンサ５８と下流側Ａ／Ｆセンサ６０については後述する。
一方、ＥＣＵ５０の出力側には、前述したスロットル弁１６、主燃料噴射弁１８、改質燃料噴射弁３４、流量調整弁３８、燃料ポンプ等を含む各種のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の運転状態をセンサ系統によって検出しつつ、各アクチュエータを駆動することによって運転制御を行う。
この運転制御には、通常の燃料噴射制御、空燃比フィードバック制御、後述の改質ＥＧＲ制御などが含まれている。通常の燃料噴射制御は、吸入空気量等に対応した量の燃料を主燃料噴射弁１８から噴射させる。また、空燃比フィードバック制御は、上流側Ａ／Ｆセンサ５８により検出した空燃比に応じて主燃料噴射弁１８から噴射される燃料の噴射量を増減し、内燃機関の空燃比が理論空燃比となるように制御する。
（改質ＥＧＲ制御）
ＥＣＵ５０は、以下に述べるように、排気ガスと改質燃料との改質反応によって生成された改質ガスを、排気ガスと共に吸気管１２内に還流させる改質ＥＧＲ制御を行う。この改質ＥＧＲ制御では、まずＥＧＲ通路３２内を流れる排気ガスに対して、改質燃料噴射弁３４から改質燃料を噴射し、これらの混合ガスを改質室２６に流入させる。
このとき、ＥＣＵ５０は、例えば内燃機関１０の運転状態、燃料中のエタノール濃度、燃料改質触媒２８の温度や、Ａ／Ｆセンサ５８，６０により検出した改質ガスの生成量等に応じて、改質燃料の適切な噴射量（供給量）を決定する。
これにより、改質室２６内では、燃料改質触媒２８の作用により、混合ガス中のエタノールと、排気ガス中の水蒸気および二酸化炭素とが改質反応（水蒸気改質反応）を起こす。この水蒸気改質反応により、下記の(１)式に示すように、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とが生成される。
C2H5OH＋0.4CO2＋0.6H2O＋2.3N2＋Q1→3.6H2＋2.4CO＋2.3N2 ・・・（１）
また、混合ガス中のガソリンも、下記の(２)式に示すように、排気ガス中の水蒸気および二酸化炭素と改質反応を起こす。
1.56(7.6CO2＋6.8H2O＋40.8N2)＋3C7.6H13.6＋Q2
→31H2＋34.7CO＋63.6N2 ・・・（２）
上記(１)式中の熱量Q1、及び(２)式中の熱量Q2は、改質反応によって吸収される反応熱である。即ち、これらの改質反応は吸熱反応であるから、上記(１)，(２)式中の右辺で表される改質ガスの有する熱量は、当該各式の左辺に記載された反応前の物質が有する熱量よりも大きくなる。
このため、熱交換器２４によれば、排気通路３０を通過する排気ガスの熱を燃料改質触媒２８に伝達し、上記改質反応に吸収させることができる。つまり、本実施の形態のシステムでは、排気ガスの熱を回収、利用して、改質燃料をより熱量の大きい物質（Ｈ２及びＣＯ）に転換することができる。
なお、ガソリンの改質反応で必要な熱量Q2は極めて大きいので、この改質反応が生じるためには、例えば燃料改質触媒２８が６００℃以上の高温となる必要がある。このため、内燃機関１０の運転中には、エタノールの改質反応が広い運転領域で安定的に生じるのに対し、ガソリンの改質反応は、例えば排気温度が上昇する高回転・高負荷運転領域等に限って、効率よく生じるようになる。
上記の改質反応により得られた改質ガスは、排気ガスと混合することによりＥＧＲガスとなる。このＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路３２を通って吸気管１２内に還流され、吸入空気と混合される。このとき、ＥＣＵ５０は、吸気管１２に還流されるＥＧＲガスの還流量を流量調整弁３８によって制御する。そして、ＥＧＲガスは、吸入空気と共に内燃機関１０の気筒内に流入し、改質ガス中のＨ２とＣＯは、主燃料噴射弁１８から噴射された燃料と共に気筒内で燃焼する。
この場合、改質ガスは、前述したように、熱交換器２４によって排気ガスの熱を回収した分だけ、元の燃料よりも熱量が増えている。このため、改質ガスを内燃機関１０で燃焼させることにより、システム全体としての熱効率が向上するので、内燃機関１０の燃費性能を改善することができる。しかも、熱交換器２４によれば、触媒専用の加熱機器や加熱エネルギを用いなくても、排気ガスの熱を利用して燃料改質触媒２８を加熱することができる。これにより、運転効率の高い排気熱回収型のシステムを構成することができる。
また、改質ＥＧＲ制御は、改質ガスを含むＥＧＲガスを吸気系に還流させることにより、ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)としての効果を高めることができる。一般に、ＥＧＲ率を高くしていくと、燃焼が不安定になるので、ＥＧＲ率には上限がある。これに対し、改質ＥＧＲ制御の実行時には、ＥＧＲガス中に可燃ガスが含まれている。従って、改質ＥＧＲ制御によれば、燃焼状態を良好に保持することができ、これによってＥＧＲ率の上限を高めることができる。
さらに、本実施の形態では、上流側Ａ／Ｆセンサ５８と下流側Ａ／Ｆセンサ６０によりＥＧＲガス中の水素濃度を検出し、この検出結果とＥＧＲガスの流量とを用いて改質ガスの生成量を算出している。そして、改質ガス生成量の算出値は、次回の改質燃料の噴射量、主燃料の噴射量、点火時期、ＥＧＲ弁（流量調整弁３８）の開度などに反映される。これにより、本実施の形態では、内燃機関の運転状態等に応じて改質ガスの生成量を適切にフィードバック制御することができる。
（上流側Ａ／Ｆセンサの構造）
次に、水素濃度の検出に用いられるＡ／Ｆセンサ５８，６０について説明する。まず最初に、上流側Ａ／Ｆセンサ５８は、例えばジルコニア等を用いた一般的なＡ／Ｆセンサにより構成されている。また、上流側Ａ／Ｆセンサ５８は、内燃機関の排気管２０に設けられており、排気ガスの流れ方向に対して燃料改質触媒２８の上流側に配置されている。
そして、上流側Ａ／Ｆセンサ５８は、排気ガス中の酸素濃度を検出し、この酸素濃度に対応した検出信号を上流側センサ信号として出力する。この上流側センサ信号は、ＥＣＵ５０により空燃比フィードバック制御に用いられると共に、後述の水素濃度検出処理にも用いられている。
図２は、上流側Ａ／Ｆセンサ５８の断面図を示している。この図に示すように、上流側Ａ／Ｆセンサ５８は、例えば平板状に形成された検出素子５８Ａと、２つの電極５８Ｂ，５８Ｃと、制限手段としての拡散層５８Ｄと、ハウジング５８Ｅとを備えている。
検出素子５８Ａは、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の固体電解質により形成されている。電極５８Ｂ，５８Ｃは、検出素子５８Ａの一側面と他側面にそれぞれ設けられ、検出素子５８Ａを挟んで互いに対向している。ここで、検出素子５８Ａの一側面（電極５８Ｂ側）は、排気ガスと接触可能な位置に配置され、検出素子５８Ａの他側面（電極５８Ｃ側）は、常に大気と接触した状態に保持される。
拡散層５８Ｄは、ハウジング５８Ｄと協働して検出素子５８Ａの一側面を排気ガスから遮断する位置に設けられている。また、拡散層５８Ｄは、例えば通気性を有する多孔質材料等により形成されている。このため、センサ外部の排気ガスは、拡散層５８Ｄを通過して検出素子５８Ａの一側面に供給されるが、このときの供給速度は、拡散層５８Ｄの通気性（または緻密度）に応じて制限される。
上流側Ａ／Ｆセンサ５８の作動時には、電極５８Ｂ，５８Ｃ間に電圧を印加すると、検出素子５８Ａ内に酸素イオンをキャリアとするイオン電流が流れる。このとき、排気ガスから検出素子５８Ａの一側面に供給される酸素量は、拡散層５８Ｄにより制限される。これにより、イオン電流は、検出素子５８Ａの他側面に接する大気と、一側面に接する排気ガスとの酸素濃度差に応じた電流値で飽和する。上流側センサ信号は、この飽和電流値に応じて出力されるもので、排気ガス中の酸素濃度に応じてリニアに変化する。
（下流側Ａ／Ｆセンサの構造）
次に、下流側Ａ／Ｆセンサ６０について説明する。下流側Ａ／Ｆセンサ６０は、図１に示すように、内燃機関のＥＧＲ通路３２に設けられており、排気ガスの流れ方向に対して燃料改質触媒２８の下流側に配置されている。このため、下流側Ａ／Ｆセンサ６０は、改質ＥＧＲ制御中に水素を含んだ改質ガスに晒される。
図３は、下流側Ａ／Ｆセンサ６０の断面図を示している。この図に示すように、下流側Ａ／Ｆセンサ６０は、上流側Ａ／Ｆセンサ５８とほぼ同様のジルコニアを用いたＡ／Ｆセンサからなり、検出素子６０Ａ、電極６０Ｂ，６０Ｃ、拡散層６０Ｄ及びハウジング６０Ｅを備えている。
ここで、ジルコニアは、酸素濃度に対する検出感度を有しているが、この検出感度は、センサの周囲に存在する水素により影響を受ける。即ち、水素が存在すると、拡散層を透過する酸素の量が水素濃度に応じて制限される。この結果、ジルコニア内を流れる酸素のイオン電流は、水素濃度が高くなるにつれて減少する。
これにより、水素の存在下におけるＡ／Ｆセンサの出力は、水素が存在しない基準状態での出力と比較して、酸素濃度が低い側（リッチ側）にずれるようになる。そこで、本実施の形態では、このずれ量を求めることにより、Ａ／Ｆセンサ用いて水素濃度を検出することができる。
上述した原理により、下流側Ａ／Ｆセンサ６０は、改質ガス（水素）を含むＥＧＲガスに晒されたときに、ＥＧＲガス中の酸素濃度と水素濃度に応じて変化する下流側センサ信号を出力する。一方、上流側Ａ／Ｆセンサ５８は水素に晒されることがないので、上流側センサ信号は酸素濃度のみに応じて変化する。そこで、本実施の形態では、上流側センサ信号と下流側センサ信号とを用いて水素濃度を検出する構成としている。
また、酸素と水素とを比較した場合に、水素分子は、酸素分子よりも分子量が小さい分だけ拡散層６０Ｄを透り抜け易い。このため、センサ信号は、酸素濃度の変化よりも水素濃度の変化に対して大きく反応する。つまり、濃度の変化に対するセンサ信号の変化量の割合（変化率）を検出感度と定義すれば、Ａ／Ｆセンサによる水素濃度の検出感度は、酸素濃度の検出感度よりも高くなっている。
一方、酸素濃度の検出を前提するＡ／Ｆセンサの出力レンジは、酸素濃度の実用上の変動範囲に対応して設定されている。このため、Ａ／Ｆセンサにより水素濃度を検出しようとすると、酸素濃度のときよりも大きく変化するセンサ信号に対して、出力レンジが不足する。即ち、水素濃度がある程度以上の高濃度となったときには、センサ信号が飽和状態となり、濃度を検出不能となる。
そこで、本実施の形態では、下流側Ａ／Ｆセンサ６０の検出感度を、上流側Ａ／Ｆセンサ５８の検出感度よりも意図的に低感度に設定し、水素濃度検出時のセンサ信号値を出力レンジに適合させる構成としている。
より具体的に述べると、下流側Ａ／Ｆセンサ６０の電極６０Ｂは、上流側Ａ／Ｆセンサ５８の電極５８Ｂよりも小さく形成されている。このため、下流側Ａ／Ｆセンサの電極６０Ｂ，６０Ｃが互いに対向する対向面積は、上流側Ａ／Ｆセンサにおける電極５８Ｂ，５８Ｃの対向面積よりも小さくなっている。
この電極構造によれば、下流側Ａ／Ｆセンサ６０の検出素子６０Ａ内を流れるイオン電流は、電極６０Ｂ，６０Ｃの対向面積が小さい分だけ上流側Ａ／Ｆセンサ５８よりも減少する。この結果、一定の水素濃度に対する下流側センサ信号の値が小さくなるので、濃度の変化に対する下流側センサ信号の変化率が減少し、よりリッチ側の酸素濃度が検出可能となる。
つまり、下流側Ａ／Ｆセンサ６０の検出感度を、電極対向面積の差分に応じて低下させることができる。これにより、下流側センサ信号が水素濃度に応じて変化するときの変化幅を、センサの出力レンジに適合させることができる。従って、出力レンジが狭すぎることにより下流側センサ信号が飽和状態となるのを防止でき、水素濃度を広い濃度範囲で安定的に検出することができる。
（酸素濃度検出処理）
図４は、酸素濃度の変化に対する上流側センサ信号の出力特性を示している。酸素濃度に応じてジルコニアに生じる飽和電流は、信号処理回路等によりリニアな特性をもつ電圧信号に変換され、この電圧信号は、図４に示す上流側センサ信号として出力される。この上流側センサ信号の特性線データは、ＥＣＵ５０に予め記憶されている。
従って、ＥＣＵ５０は、上流側センサ信号を用いて前記特性線データを参照することにより、酸素濃度を検出することができる。このように検出された酸素濃度は、ＥＣＵ５０による空燃比フィードバック制御と、以下に述べる水素濃度検出処理に用いられる。
（水素濃度検出処理）
図５は、水素濃度及び酸素濃度の変化に対する下流側センサ信号の出力特性を示している。図５中に示す複数の特性線（特性線データ）は、個々の酸素濃度における水素濃度と下流側センサ信号との対応関係を示すものである。
下流側センサ信号は、酸素濃度と水素濃度に応じてそれぞれリニアに変化する。即ち、図５中の一つの特性線データに着目すると、下流側センサ信号は、酸素濃度が一定であるときに、水素濃度に応じてリニアに変化する。従って、上流側Ａ／Ｆセンサ５８により検出した酸素濃度に応じて図５中の一つの特性線データを選択すれば、この特性線データに基づいて下流側センサ信号から水素濃度を検出することができる。
図６は、各特性線データの切片である零点出力と、酸素濃度との関係を示すものである。零点出力とは、水素濃度が零の状態における下流側センサ信号の信号値として定義される。図６に示すように、特性線データの零点出力は、酸素濃度が増大するにつれてリニアに大きくなる。
また、図７は、各特性線データの勾配である変化率と、酸素濃度との関係を示している。変化率とは、水素濃度の変化に対するセンサ信号値の変化量の割合であり、前述したように水素濃度の検出感度に対応している。なお、本実施の形態において、特性線データの変化率はマイナス値であるため、図７は変化率の絶対値を表している。この図７に示すように、特性線データの変化率は、酸素濃度が増大するにつれてリニアに減少し、徐々に緩やかになる。
これらの図６及び図７に示すデータは、ＥＣＵ５０に予め記憶されている。ＥＣＵ５０は、水素濃度検出処理を行うときに、まず、上流側センサ信号により検出した酸素濃度を用いて図６及び図７のデータを参照し、検出時点の酸素濃度における特性線データの零点出力と変化率とを取得する。
そして、取得した零点出力と変化率とを用いることにより、検出時点の酸素濃度において下流側センサ信号と水素濃度との対応関係を示す特性線データを設定する。具体例を挙げれば、取得した零点出力と変化率とを用いて、検出時点の酸素濃度に対応する特性線データの関数式等を求める。
この特性線データは、酸素濃度に応じて補正された補正後の特性線データに相当しており、下流側センサ信号に含まれる酸素濃度の影響を、上流側センサ信号に応じて補正したものとなっている。従って、この特性線データに基づいて、下流側センサ信号から水素濃度を算出することにより、任意の酸素濃度における水素濃度を正確に検出することができる。
なお、水素濃度検出処理では、任意の酸素濃度において下流側センサ信号が水素濃度に対応した値となるように、下流側センサ信号を上流側センサ信号に応じて補正すればよいものであり、その補正方法は実施の形態の方法に限定されるものではない。
上述したように、本実施の形態によれば、下流側センサ信号には、酸素濃度と水素濃度が反映されているから、酸素濃度のみが反映された上流側センサ信号を用いて下流側センサ信号を補正すれば、下流側センサ信号から酸素濃度の影響を除去することができる。これにより、補正後の下流側センサ信号に応じて水素濃度を正確に求めることができる。
従って、ジルコニア等の酸素検出能と、水素濃度に応じて酸素検出能が変化する機能とを利用することにより、２つの一般的なＡ／Ｆセンサ５８，６０をシステムに搭載するだけで、水素濃度を正確かつ容易に検出することができる。そして、水素濃度の検出結果に応じて可燃ガスの生成量を高い精度で算出することができる。
このため、専用の水素濃度センサや一酸化炭素濃度などを使用しなくても、小型で安価なＡ／Ｆセンサ５８，６０を用いて水素濃度（可燃ガスの生成量）の検出システムを実現することができる。これにより、システムの小型化やコストダウンを促進することができる。また、上流側Ａ／Ｆセンサ５８により酸素濃度の影響を補正することができるので、酸素濃度の影響により水素濃度の検出精度が低下するのを確実に防止でき、検出精度を安定させることができる。
しかも、本実施の形態によれば、内燃機関１０において空燃比フィードバック制御に用いられるＡ／Ｆセンサを、水素濃度検出用の上流側Ａ／Ｆセンサ５８として兼用することができる。これにより、２つのＡ／Ｆセンサ５８，６０を用いて水素濃度を検出する場合でも、センサ等の部品増を最低限に抑えることができ、システムの更なる簡略化とコストダウンを実現することができる。
また、ＥＣＵ５０による水素濃度検出処理では、図６及び図７のデータを用いることにより、特性線データの零点出力と変化率とを酸素濃度に応じて取得することができる。従って、センサ出力がリニアであることを利用すれば、これらの零点出力と変化率とを用いて特性線データを正確に設定することができる。このように設定された特性線データは、酸素濃度の影響が反映されたものとなるので、酸素濃度に応じて特性線データを適切に補正することができる。
（圧力対応補正処理）
Ａ／Ｆセンサ５８，６０の構造によれば、酸素濃度の検出感度は、酸素分子が拡散層５８Ｄ，６０Ｄを透り抜けるときの速度に応じて変化する。また、水素濃度が酸素検出能に与える影響度も、水素分子が拡散層５８Ｄ，６０Ｄを透り抜けるときの速度に応じて変化する。そして、これらの分子の透過速度は、排気ガス（ＥＧＲガス）の圧力に応じて変化する。そこで、本実施の形態では、圧力センサ５６により検出した圧力に応じてセンサ信号を補正する構成としている。
図８は、排気ガスの圧力と信号補正量との関係を示すものである。図８のデータは、ＥＣＵ５０に予め記憶されている。酸素分子や水素分子が拡散層５８Ｄ，６０Ｄを通り抜けるときの速度は、圧力が高いほど速くなる。この結果、検出素子５８Ａ，６０Ａ内のイオン電流が増えるので、センサ信号は、圧力が高くなるにつれて検出濃度が高くなる方向（図５中でセンサ信号値が減少する方向）にずれる。
このため、センサ信号に対する信号補正量は、圧力が高くなるにつれて補正量が大きくなる（検出濃度が低くなる）ように設定されている。換言すれば、Ａ／Ｆセンサ５８，６０は、排気ガスが高圧になるほど検出感度が高くなるので、圧力対応補正処理では、圧力が高くなるにつれて見かけ上の検出感度が低下するように、センサ信号を補正する。
また、排気ガスの圧力が変化したときには、その影響により拡散層５８Ｄ，６０Ｄを通り抜ける分子の速度も変化する。この場合、圧力変化の影響度は、酸素と比べて分子量が小さい水素の方が大きくなる。そこで、圧力変化に対する信号補正量の変化率は、酸素分子よりも水素分子の方が大きくなるように設定されている。
このように構成される圧力対応補正処理によれば、酸素濃度及び水素濃度の検出時には、まず、圧力センサ５６により排気ガスの圧力を検出し、この検出値を用いて図８のデータを参照する。これにより、排気ガスの圧力に対応する酸素濃度用の信号補正量と、水素濃度用の信号補正量とを得ることができる。
そして、例えば酸素濃度用の信号補正量を上流側センサ信号の値に加算または乗算することにより、センサ信号値を圧力に応じて補正する。この補正後の上流側センサ信号を用いて、前述した酸素濃度検出処理を実施する。同様に、水素濃度用の信号補正量を下流側センサ信号の値に反映させることにより、センサ信号値を圧力に応じて補正することができる。そして、補正後の下流側センサ信号を用いて、前述した水素濃度検出処理を行う。
このように、圧力対応補正処理では、Ａ／Ｆセンサ５８，６０の検出感度が圧力に応じて変化した分だけ、センサ信号を補正することができる。これにより、センサ信号から圧力の影響を除去することができる。従って、本実施の形態のシステムでは、内燃機関の運転状態等に応じて排気ガスの圧力が変化しても、その影響を受けることなく、酸素濃度や水素濃度を正確に検出することができる。
（酸素用の校正処理）
Ａ／Ｆセンサの出力特性は、センサの劣化等により規定の出力特性から外れることがある。このため、センサの作動時には、上流側Ａ／Ｆセンサ５８と下流側Ａ／Ｆセンサ６０に対して出力特性の校正処理を実施する。
まず、酸素用の校正処理について説明する。この校正処理は、上流側Ａ／Ｆセンサ５８の下流側Ａ／Ｆセンサ６０の両方に対して実施されるが、以下の説明では、上流側Ａ／Ｆセンサ５８を例に挙げて述べる。ＥＣＵ５０には、酸素用の校正処理を行うための零点基準値と大気基準値とが予め記憶されている。
ここで、零点基準値とは、例えば図４中に示す信号値Ａ1のように、酸素濃度が零の状態において、出力校正済みのＡ／Ｆセンサから出力されるセンサ信号値である。また、大気基準値とは、例えば図４中に示す信号値Ａ2のように、既知である大気中の酸素濃度（約２１％）において、出力校正済みのＡ／Ｆセンサから出力されるセンサ信号値である。
校正処理の実行時には、まず、ＥＣＵ５０により燃料噴射量を調整し、排気ガスの空燃比をリッチ化する。これにより、上流側Ａ／Ｆセンサ５８には、無酸素状態の排気ガスが供給されるようになる。この状態で、ＥＣＵ５０は、上流側センサ信号の値と零点基準値との差分を、零点でのずれ量として検出する。
次に、噴射弁１８，３４からの燃料噴射を停止することにより、上流側Ａ／Ｆセンサ５８に大気を供給する。この状態で、ＥＣＵ５０は、上流側センサ信号の値と大気基準値との差分を、大気酸素濃度でのずれ量として検出する。
上流側センサ信号は、図４に示すように、酸素濃度に対してリニアな出力特性を有している。このため、ＥＣＵ５０は、零点と大気酸素濃度とからなる２点でのずれ量を用いて、ＥＣＵ５０に記憶された特性線データの零点出力、変化率等を校正する。これにより、上流側センサ信号の出力特性は、規定の出力特性と一致するように校正される。このときの校正内容は、例えばセンサの個体誤差を校正するための学習データとしてＥＣＵ５０の不揮発性メモリ等に記憶される。
同様に、下流側Ａ／Ｆセンサ６０に対しても、上述の校正処理を実施する。なお、下流側Ａ／Ｆセンサ６０の校正処理は、改質燃料の噴射を停止し、かつ流量調整弁３８を開弁することによりＥＧＲ通路３２に大気を供給した状態で行う。
このように、酸素用の校正処理によれば、酸素濃度に対するＡ／Ｆセンサ５８，６０の出力校正を正確かつ容易に行うことができる。この場合、本実施の形態では、例えば燃料噴射量（空燃比）に応じてセンサ周囲の酸素濃度を調整することにより、センサの出力校正が可能となる無酸素状態と大気供給状態とを容易に実現することができる。
このため、Ａ／Ｆセンサ５８，６０が劣化した場合でも、酸素濃度を高い精度で検出し続けることができる。また、酸素濃度の検出精度を高めることにより、これを用いて検出する水素濃度の検出精度も高めることができる。
（水素用の校正処理）
次に、水素用の校正処理について説明する。この校正処理は、下流側Ａ／Ｆセンサ６０に対して実施されるものである。ＥＣＵ５０には、水素用の校正処理を行うための零点基準値と非零点基準値とが予め記憶されている。
ここで、零点基準値とは、例えば図５中に示す信号値Ｂ1のように、酸素濃度と水素濃度の両方が零の状態において、出力校正済みのＡ／Ｆセンサから出力されるセンサ信号値である。また、非零点基準値とは、例えば図５中に示す信号値Ｂ2のように、酸素濃度が零となり、かつ水素濃度が予め設定された基準濃度に制御された状態において、出力校正済みのＡ／Ｆセンサから出力されるセンサ信号値である。
この場合、校正処理の実行時には、水素濃度に影響するパラメータを予め設定された誤差検出用の規定状態に調整することにより、前記基準濃度が実現される。このパラメータとは、例えば改質燃料の供給量、排気ガスの流量、圧力及び温度等である。排気ガスの流量、圧力及び温度等は、内燃機関の運転状態に応じて調整することができる。
校正処理の実行時には、まず、前述の方法により排気ガスの空燃比をリッチ化し、かつ改質燃料の噴射を停止することにより、下流側Ａ／Ｆセンサ６０の周囲に無酸素・無水素状態の排気ガス（ＥＧＲガス）を供給する。この状態で、ＥＣＵ５０は、下流側センサ信号の値と零点基準値との差分を、零点でのずれ量として検出する。
次に、ＥＧＲガスを無酸素状態に保持しつつ、内燃機関の運転状態を前述の規定状態に調整することにより、基準濃度の水素を発生させる（無酸素・規定水素状態）。この状態で、ＥＣＵ５０は、下流側センサ信号の値と非零点基準値との差分を、非零点でのずれ量として検出する。
下流側センサ信号は、図５に示すように、水素濃度に対してリニアな出力特性を有している。このため、ＥＣＵ５０は、零点と非零点とからなる２点でのずれ量を用いて、ＥＣＵ５０に記憶された特性線データの零点出力、変化率等を校正する。これにより、下流側センサ信号の出力特性は、規定の出力特性と一致するように校正される。このときの校正内容は、学習データとしてＥＣＵ５０に記憶される。
このように、水素用の校正処理によれば、酸素用の校正処理の場合とほぼ同様の作用効果を得ることができる。即ち、水素濃度に対して下流側Ａ／Ｆセンサ６０の出力特性を正確かつ容易に校正することができる。これにより、下流側Ａ／Ｆセンサ６０が劣化した場合でも、水素濃度を高い精度で検出し続けることができる。
また、校正処理の実行中には、例えば燃料噴射により排気ガスを無酸素状態に保持しつつ、内燃機関の運転状態に応じて水素濃度を調整することができる。これにより、センサの出力校正が可能となる無酸素・無水素状態と、無酸素・規定水素供給状態とを容易に実現することができる。
（触媒診断処理）
上述したように、本実施の形態では、改質ＥＧＲ制御中に生成される水素濃度を正確に検出することができるので、これを利用して燃料改質触媒２８の診断処理を行う。この触媒診断処理では、まず、水素濃度に影響するパラメータを予め設定された触媒診断用の規定状態に調整する。
ここで、触媒診断用の規定状態とは、前述した誤差検出用の規定状態とほぼ同様のものである。規定状態において生成される改質ガス中の水素濃度は、診断基準値としてＥＣＵ５０に予め記憶されている。そして、ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態等を触媒診断用の規定状態に調整し、この規定状態において検出した水素濃度と診断基準値とを比較する。これにより、規定状態での水素濃度と診断基準値とのずれ量に応じて、燃料改質触媒２８が正常に作動しているか否かを診断することができる。
本実施の形態によれば、２つのＡ／Ｆセンサ５８，６０により水素濃度を正確に検出することができるので、触媒の診断についても精度よく行うことができる。これにより、燃料改質触媒２８の劣化状態等を確実に把握することができ、システムの信頼性を高めることができる。
［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
図９乃至図１１は、本実施の形態のシステム動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、これらの図に示すルーチンは、内燃機関の始動時に開始され、一定の時間毎に繰返し実行される。
まず、図９を参照しつつ、水素濃度検出処理について説明する。水素濃度検出処理では、まず最初に、後述の酸素用校正処理と水素用校正処理とを実行することにより、各Ａ／Ｆセンサ５８，６０の出力をそれぞれ校正する（ステップ１００，１０２）。また、ステップ１０４では、前述した触媒診断処理を実行し、燃料改質触媒２８に異常があった場合には、これに対処するための制御を実行する。
次に、上流側センサ信号を読込み（ステップ１０６）、その信号値に対して前述の圧力対応補正処理を実施する（ステップ１０８）。そして、補正後の信号値を用いて図４のデータを参照することにより、排気ガス中の酸素濃度を検出する（ステップ１１０）。また、酸素濃度の検出値を用いて図６のデータを参照することにより、検出時点の酸素濃度における下流側センサ信号の零点出力を取得する（ステップ１１２）。同様に、酸素濃度の検出値を用いて図７のデータを参照することにより、検出時点の酸素濃度における下流側センサ信号の変化率を取得する（ステップ１１４）。
そして、これらの零点出力と変化率とを用いることにより、図５の各特性線データのうち、検出時点の酸素濃度に対応する特性線データの関数式等を設定する（ステップ１１６）。次に、下流側センサ信号を読込み（ステップ１１８）、その信号値に対して圧力対応補正処理を実施する（ステップ１２０）。そして、補正後の信号値を用いて前記特性線データの関数式等を演算することにより、ＥＧＲガス中の水素濃度を検出する（ステップ１２２）。
そして、内燃機関の運転状態や流量調整弁３８の開度等に応じてＥＧＲガスの流量を算出し、この流量と水素濃度の検出値とを用いて改質ガスの生成量を算出する（ステップ１２４）。これにより、ステップ１２６では、改質ＥＧＲ制御を実行しつつ、その制御内容に改質ガスの生成量をフィードバックすることができる。
次に、図１０を参照しつつ、酸素用校正処理について説明する。酸素用校正処理では、まず、排気ガスの空燃比がリッチ状態（λ≦１）であるか否かを判定する（ステップ２００）。排気空燃比がリッチ状態ではないときには、例えば燃料噴射量を調整することにより排気空燃比をリッチ化する（ステップ２０２）。
これにより、上流側Ａ／Ｆセンサ５８には、無酸素状態の排気ガスが供給されるようになる。この状態で、上流側センサ信号を読込み（ステップ２０４）、その信号値とＥＣＵ５０に予め記憶された零点基準値との差分を、零点でのずれ量として検出、記憶する（ステップ２０６）。
次に、主燃料噴射弁１８からの燃料噴射を停止することにより、上流側Ａ／Ｆセンサ５８に大気を供給する（ステップ２０８）。この状態で、上流側センサ信号を読込み（ステップ２１０）、その信号値とＥＣＵ５０に予め記憶された大気基準値との差分を、大気酸素濃度でのずれ量として検出、記憶する（ステップ２１２）。
そして、零点と大気酸素濃度とからなる２点でのずれ量を用いて、上流側センサ信号の出力特性を校正する（ステップ２１４）。この校正処理の一例を挙げれば、ＥＣＵ５０に記憶された特性線データの零点出力、変化率等を校正するものである。
次に、下流側Ａ／Ｆセンサ６０に対しても、ステップ２００〜２１４と同様の校正処理を実施することにより、下流側センサ信号の出力特性を校正する（ステップ２１６）。具体的には、まず、改質燃料の噴射を停止し、かつ排気空燃比をリッチ状態とすることにより、無酸素・無水素状態のＥＧＲガスを下流側Ａ／Ｆセンサ６０に供給する。そして、この状態で前述した零点でのずれ量を検出する。
また、主燃料と改質燃料の噴射を停止することにより、水素を含まない大気を下流側Ａ／Ｆセンサ６０に供給し、この状態で前述した大気酸素濃度でのずれ量を検出する。これら２点でのずれ量を用いて、下流側センサ信号の出力特性を校正することができる。
次に、図１１を参照しつつ、水素用校正処理について説明する。水素用校正処理では、まず、非改質状態でのＥＧＲ制御（通常のＥＧＲ制御）が実行中であるか否かを判定する（ステップ３００）。この場合、改質ＥＧＲ制御中であるときには、これを停止する。また、通常のＥＧＲ制御が停止中であるときには、これを開始することにより、ＥＧＲ通路３２に改質ガスを含まない排気ガスを供給する（ステップ３０２）。
次に、排気ガスの空燃比がリッチ状態であるか否かを判定する（ステップ３０４）。排気空燃比がリッチ状態ではないときには、前述のステップ２０２と同様の手段により排気空燃比をリッチ化する（ステップ３０６）。
これにより、下流側Ａ／Ｆセンサ６０には、無酸素・無水素状態のＥＧＲガスが供給されるようになる。この状態で、この状態で、下流側センサ信号を読込み（ステップ３０８）、その信号値とＥＣＵ５０に予め記憶された零点基準値との差分を、零点でのずれ量として検出、記憶する（ステップ３１０）。
次に、改質ＥＧＲ制御を開始した状態で、例えば改質燃料の供給量、排気ガスの流量、圧力及び温度等のパラメータを、ＥＣＵ５０に予め記憶された誤差検出用の規定状態に調整する（ステップ３１２）。これにより、ＥＧＲ通路３２には、燃料改質触媒２８により基準濃度の水素が供給されるようになる。
この状態で、下流側センサ信号を読込み（ステップ３１４）、その信号値とＥＣＵ５０に予め記憶された非零点基準値との差分を、非零点でのずれ量として検出、記憶する（ステップ３１６）。そして、酸素用校正処理の場合とほぼ同様に、零点と非零点とからなる２点でのずれ量を用いて、下流側センサ信号の出力特性を校正する（ステップ３１８）。
以上詳述した通り、本実施の形態によれば、２つのＡ／Ｆセンサ５８，６０を用いることにより、改質ＥＧＲ制御中の水素濃度を正確に検出することができ、この検出結果に応じて改質ガスの生成量を適切に制御することができる。
実施の形態２．
次に、図１２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１と同様のシステム構成（図１）を採用しているが、下流側Ａ／Ｆセンサの構造が実施の形態１と異なるものである。
下流側Ａ／Ｆセンサ７０は、実施の形態１と同様に、検出素子７０Ａ、電極７０Ｂ，７０Ｃ、拡散層７０Ｄ及びハウジング７０Ｅを備えている。しかし、拡散層７０Ｄは、上流側Ａ／Ｆセンサ５８の拡散層５８Ｄよりも密度が高い緻密な材料を用いて形成されている。このため、拡散層７０Ｄの通気性は、上流側Ａ／Ｆセンサ５８よりも低くなっている。
これにより、検出素子７０Ａの一側面には、上流側Ａ／Ｆセンサ５８と比べて酸素及び水素が供給され難くなるので、同一濃度条件において検出素子７０Ａ内に生じるイオン電流が減少する。従って、本実施の形態では、拡散層５８Ｄ，７０Ｄの通気性の差分に応じて、下流側Ａ／Ｆセンサ７０の検出感度を上流側Ａ／Ｆセンサ５８よりも低下させる構成としている。
このように構成される本実施の形態でも、実施の形態１とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、上流側Ａ／Ｆセンサ５８の拡散層５８Ｄを緻密な拡散層７０Ｄに変更するだけで、下流側Ａ／Ｆセンサ７０を実現することができる。この場合、電極７０Ｂ，７０Ｃは、上流側Ａ／Ｆセンサ５８と同じ電極を用いることができるから、検出感度を抑えた下流側Ａ／Ｆセンサ７０を容易に形成することができる。
なお、前記実施の形態では、図９中のステップ１１２〜１２２が水素濃度検出手段の具体例を示し、このうちステップ１１２〜１１６が信号補正手段の具体例を示している。また、ステップ１１２は零点出力取得手段の具体例、ステップ１１４は変化率取得手段の具体例、ステップ１１６は特性設定手段の具体例をそれぞれ示している。さらに、ステップ１０６，１１０は酸素濃度算出手段の具体例を示し、ステップ１０８，１２０は圧力対応補正手段の具体例を示している。また、ステップ１０４は触媒診断手段の具体例を示すものである。
一方、図１０において、ステップ２００，２０２，２０８は気体供給手段の具体例を示している。また、ステップ２０４，２０６は第１の酸素誤差検出手段の具体例、ステップ２１０，２１２は第２の酸素誤差検出手段の具体例、ステップ２１４は酸素信号校正手段の具体例をそれぞれ示している。
さらに、図１１において、ステップ３１２は調整手段の具体例を示している。また、ステップ３０８，３１０は第１の水素誤差検出手段の具体例、ステップ３１４，３１６は第２の水素誤差検出手段の具体例、ステップ３１８は水素信号校正手段の具体例をそれぞれ示すものである。
また、実施の形態では、下流側Ａ／Ｆセンサ６０，７０において電極６０Ｂを小さくしたり、拡散層７０Ｄを緻密に形成し、検出感度を低下させる構成とした。しかし、本発明は、これら以外の方法により下流側Ａ／Ｆセンサの検出感度を低下させてもよい。具体的には、例えばハウジングに形成した拡散孔から検出素子の一側面に被測気体を供給するタイプのＡ／Ｆセンサにおいて、前記拡散孔を小径化することにより検出感度を低下させる構成としてもよい。
また、本発明における下流側Ａ／Ｆセンサの構造は、実施の形態１，２によるＡ／Ｆセンサ６０，７０と、上述のように拡散孔を小径化したＡ／Ｆセンサの構造のうち、何れか２つを組合わせたり、３つ全てを組合わせることにより実現してもよい。即ち、例えば下流側Ａ／Ｆセンサの電極を小さくし、かつ拡散層を緻密に形成することにより、Ａ／Ｆセンサを構成してもよい。
また、実施の形態では、検出対象の濃度が高くなるにつれて、センサ信号がリニアに減少するタイプのＡ／Ｆセンサ５８，６０，７０を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば濃度が高くなるにつれてセンサ信号が増加するタイプのＡ／Ｆセンサや、濃度に対してセンサ信号が非線形に変化するタイプのＡ／Ｆセンサを用いる構成としてもよい。
さらに、実施の形態では、ジルコニアからなる検出素子５８Ａ，６０Ａ，７０Ａと、アルミナ等からなる拡散層５８Ｄ，６０Ｄ，７０Ｄとを搭載したＡ／Ｆセンサ５８，６０，７０を例に挙げて説明した。しかし、本発明のＡ／Ｆセンサはこれに限らず、酸素検出能と、水素濃度に応じて酸素の検出感度が変化する機能とを備えていれば、例えばジルコニアやアルミナ以外の材料等からなる検出素子や拡散層を搭載したものでもよい。
一方、実施の形態では、ＥＧＲ通路３２を熱交換器２４の上流側で排気管２０から分岐させる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、ＥＧＲ通路３２は、熱交換器２４の下流側で排気管２０から分岐させる構成としてもよい。
また、実施の形態では、上流側Ａ／Ｆセンサ５８を熱交換器２４の上流側で排気管２０に設ける構成とした。しかし、本発明における上流側Ａ／Ｆセンサ５８の取付位置は、実施の形態に限定されるものではない。一例を挙げれば、排気管２０のうち熱交換器２４の下流側となる部位でも、燃料改質触媒２８からみれば上流側となるので、上流側Ａ／Ｆセンサ５８を熱交換器２４の下流側で排気管２０に設ける構成としてもよい。また、上流側Ａ／Ｆセンサ５８を、触媒２８の上流側でＥＧＲ通路３２に配置する構成としてもよい。
これと同様に、本発明では、下流側Ａ／Ｆセンサの取付位置についても、実施の形態に限定されるものではなく、燃料改質触媒２８よりも下流側であれば任意の位置を選ぶことができる。一例を挙げれば、下流側Ａ／Ｆセンサ６０を、ＥＧＲ通路３２と吸気管１２との合流部位や、これよりも少し吸気管１２側の部位に配置する構成としてもよい。
また、実施の形態では、改質燃料として、ガソリンとエタノールとの混合燃料を用いるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えばメタノール等を含めた他のアルコールと、ガソリンとの混合燃料を改質燃料として用いる構成としてもよい。
また、本発明に適用される燃料は、少なくともガソリンを含む燃料であればよく、アルコールを含有する燃料に限定されるものではない。即ち、本発明は、例えばガソリンのみによって構成された燃料、及びガソリンにアルコール以外の材料を混入した燃料にも適用することができる。
また、実施の形態では、排気ガスの熱を利用して燃料改質触媒２８を加熱するものとした。しかし、本発明は、必ずしも排気ガスの熱を利用する必要はなく、非排気熱回収型の内燃機関に適用してもよい。即ち、本発明は、排気ガス以外の熱源（例えば、専用の加熱機器等）によって燃料改質触媒２８を加熱する構成としてもよい。
さらに、実施の形態では、燃料改質装置を内燃機関１０に適用した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明は内燃機関に限らず、燃料改質を行う各種の機械、装置等に広く適用することができる。
本発明の実施の形態１による燃料改質装置のシステム構成を説明するための全体図である。 上流側Ａ／Ｆセンサの構造を示す断面図である。 下流側Ａ／Ｆセンサの構造を示す断面図である。 酸素濃度の変化に対する上流側センサ信号の出力特性を示す特性線図である。 水素濃度及び酸素濃度の変化に対する下流側センサ信号の出力特性を示す特性線図である。 図５中の特性線データの零点出力と酸素濃度との関係を示す特性線図である。 図５中の特性線データの変化率（水素濃度の検出感度）と酸素濃度との関係を示す特性線図である。 排気ガス（ＥＧＲガス）の圧力と信号補正量との関係を示す特性線図である。 本発明の実施の形態１において実行される水素濃度検出ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において実行される酸素用校正ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において実行される水素用校正ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２による燃料改質装置の下流側Ａ／Ｆセンサを示す図３と同様の断面図である。
符号の説明
１０ 内燃機関
１２ 吸気管
１４ 吸気マニホールド
１６ スロットル弁
１８ 主燃料噴射弁
２０ 排気管
２４ 熱交換器
２６ 改質室
２８ 燃料改質触媒
３０ 排気通路
３２ ＥＧＲ通路
３４ 改質燃料噴射弁（改質燃料供給手段）
３６ 冷却器
３８ 流量調整弁
４０ 排気浄化触媒
４２ 燃料タンク
４４ 燃料配管
５０ ＥＣＵ（記憶手段）
５２ 燃料性状センサ
５４ 温度センサ
５６ 圧力センサ（圧力検出手段）
５８ 上流側Ａ／Ｆセンサ
６０，７０ 下流側Ａ／Ｆセンサ
５８Ａ，６０Ａ，７０Ａ 検出素子
５８Ｂ，５８Ｃ，６０Ｂ，６０Ｃ，７０Ｂ，７０Ｃ 電極
５８Ｄ，６０Ｄ，７０Ｄ 拡散層（制限手段）
５８Ｅ，６０Ｅ，７０Ｅ ハウジング

Claims (14)

  1. 改質燃料を含む気体の流路に配置され、前記改質燃料から水素を含む可燃ガスを生成する燃料改質触媒と、
    前記気体の流れ方向において前記燃料改質触媒の上流側に配置され、気体中の酸素濃度に対応した上流側センサ信号を出力する上流側Ａ／Ｆセンサと、
    前記気体の流れ方向において前記燃料改質触媒の下流側に配置され、気体中の酸素濃度と水素濃度とに対応した下流側センサ信号を出力する下流側Ａ／Ｆセンサと、
    前記上流側センサ信号と前記下流側センサ信号とを用いて、前記燃料改質触媒の下流側における気体中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
    を備えることを特徴とする燃料改質装置。
  2. 前記水素濃度検出手段は、前記下流側センサ信号に含まれる前記酸素濃度の影響を前記上流側センサ信号に応じて補正する信号補正手段を備えてなる請求項１に記載の燃料改質装置。
  3. 前記上流側センサ信号を用いて前記酸素濃度を算出する酸素濃度算出手段と、
    前記下流側センサ信号と前記水素濃度との対応関係を表す特性線データが予め記憶された記憶手段と、を備え、
    前記信号補正手段は、前記特性線データを前記酸素濃度に応じて補正し、前記水素濃度検出手段は、補正後の前記特性線データを用いて前記下流側センサ信号から前記水素濃度を算出する構成としてなる請求項２に記載の燃料改質装置。
  4. 前記信号補正手段は、
    前記水素濃度が零の状態における前記下流側センサ信号の値を前記酸素濃度に応じて取得する零点出力取得手段と、
    前記水素濃度の変化に対する前記下流側センサ信号の変化率を前記酸素濃度に応じて取得する変化率取得手段と、
    前記零点出力取得手段と前記変化率取得手段の取得結果に応じて、検出時点の酸素濃度における前記特性線データを設定する特性設定手段と、
    を備えてなる請求項３に記載の燃料改質装置。
  5. 前記下流側Ａ／Ｆセンサの検出感度は、前記上流側Ａ／Ｆセンサの検出感度よりも低下させる構成としてなる請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の燃料改質装置。
  6. 前記上流側Ａ／Ｆセンサと前記下流側Ａ／Ｆセンサとは、
    ジルコニアを含む材料により形成され、一側面と他側面とを有する検出素子と、
    前記検出素子の一側面と他側面にそれぞれ設けられ、前記検出素子を挟んで互いに対向した２つの電極と、
    検出対象を含む気体から前記検出素子の一側面を遮断する位置に設けられ、前記検出対象が前記検出素子の一側面に供給される速度を制限する制限手段とをそれぞれ備えてなる請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の燃料改質装置。
  7. 前記下流側Ａ／Ｆセンサの電極は、前記上流側Ａ／Ｆセンサの電極よりも対向面積が小さくなるように形成し、当該対向面積の差分に応じて前記下流側Ａ／Ｆセンサの検出感度を低下させる構成としてなる請求項６に記載の燃料改質装置。
  8. 前記制限手段は、前記検出対象を含む気体が外部から前記検出素子の一側面に向けて通過する拡散層であり、前記下流側Ａ／Ｆセンサの拡散層は、前記上流側Ａ／Ｆセンサの拡散層よりも通気性が低くなるように形成し、当該通気性の差分に応じて前記下流側Ａ／Ｆセンサの検出感度を低下させる構成としてなる請求項６または７に記載の燃料改質装置。
  9. 前記気体の圧力を検出する圧力検出手段と、
    前記上流側センサ信号と前記下流側センサ信号のうち少なくとも一方の信号値を前記気体の圧力に応じて補正する圧力対応補正手段と、
    を備えてなる請求項１乃至８のうち何れか１項に記載の燃料改質装置。
  10. 前記圧力対応補正手段は、前記圧力が高くなるにつれて酸素または水素の検出濃度が低くなるように補正を行う構成としてなる請求項９に記載の燃料改質装置。
  11. 前記上流側Ａ／Ｆセンサと前記下流側Ａ／Ｆセンサのうち少なくとも一方のＡ／Ｆセンサに対して、無酸素状態の気体と大気とをそれぞれ個別に供給する気体供給手段と、
    前記Ａ／Ｆセンサに無酸素状態の気体を供給した状態で、当該Ａ／Ｆセンサの出力信号値と予め設定された零点基準値とのずれ量を検出する第１の酸素誤差検出手段と、
    前記Ａ／Ｆセンサに大気を供給した状態で、当該Ａ／Ｆセンサの出力信号値と予め設定された大気基準値とのずれ量を検出する第２の酸素誤差検出手段と、
    前記零点基準値と前記大気基準値に対するずれ量を用いて前記出力信号値を校正する酸素信号校正手段と、
    を備えてなる請求項１乃至１０のうち何れか１項に記載の燃料改質装置。
  12. 前記燃料改質触媒に前記改質燃料を供給する改質燃料供給手段と、
    前記下流側Ａ／Ｆセンサに無酸素状態の気体を供給する気体供給手段と、
    前記水素濃度に影響するパラメータが予め設定された誤差検出用の規定状態となるように調整する調整手段と、
    前記改質燃料の供給を停止し、かつ前記下流側Ａ／Ｆセンサに無酸素状態の気体を供給した状態で、当該Ａ／Ｆセンサの出力信号値と予め設定された零点基準値とのずれ量を検出する第１の水素誤差検出手段と、
    前記パラメータを前記規定状態に調整し、かつ前記下流側Ａ／Ｆセンサに無酸素状態の気体を供給した状態で、当該Ａ／Ｆセンサの出力信号値と予め設定された非零点基準値とのずれ量を検出する第２の水素誤差検出手段と、
    前記零点基準値と前記非零点基準値に対するずれ量を用いて前記出力信号値を校正する水素信号校正手段と、
    を備えてなる請求項１乃至１１のうち何れか１項に記載の燃料改質装置。
  13. 前記水素濃度に影響するパラメータが予め設定された触媒診断用の規定状態となるように調整し、前記水素濃度の検出値と予め設定された診断基準値とを比較することにより、前記燃料改質触媒の作動状態を診断する触媒診断手段を備えてなる請求項１乃至１２のうち何れか１項に記載の燃料改質装置。
  14. 前記上流側Ａ／Ｆセンサは、内燃機関から排出される排気ガス中の酸素濃度に応じて空燃比を制御する空燃比フィードバック制御に用いる構成としてなる請求項１乃至１３のうち何れか１項に記載の燃料改質装置。
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