JP2009299520A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の制御装置に関し、燃料を改質反応させることにより改質ガスを生成させる燃料改質触媒を備えた内燃機関の低温時の始動性を改善することを目的とする。
【解決手段】排気通路２０の途中に設けられた熱交換器２４の改質室２６には、燃料改質触媒が設けられている。排気ガスの一部と、燃料添加インジェクタ３２から噴射された燃料とは、改質室２６に流入し、改質反応する。改質反応により得られた改質ガスは、吸気通路１２に導入される。燃料タンク３８内には、ガソリンとアルコールとの混合燃料が貯留される。燃料タンク３８内で発生した蒸発燃料は、低温時には第１キャニスタ４３に導入され、高温時には第２キャニスタ４４に導入される。エンジン１０の冷間始動時には、第１キャニスタ４３に貯蔵された低温蒸発分が吸気通路１２に導入される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

近年、バイオマスから生産されるバイオ燃料の利用が促進されている。その一環として、ガソリンと、バイオ燃料であるアルコールとを混合した混合燃料（以下「アルコール混合燃料」と称する）を内燃機関の燃料として利用することが進められている。

ガソリンには、種々の成分が含まれており、それらの沸点も様々である。このため、通常のガソリンエンジンの場合には、低温始動時であっても、ガソリンの低沸点成分が気化することにより、良好な始動性が得られる。

これに対し、アルコールは、低沸点成分を含んでおらず、その沸点は一律であり、且つ比較的高い（例えばエタノールの場合、７８．５℃）。このため、アルコール混合燃料（特に、アルコール混合比が高いもの）を用いるエンジンの場合には、低温始動時に燃料が気化しにくく、始動性が良くないという問題がある。

特開２００５−１０６０１５号公報には、燃料タンクから発生する蒸発燃料を別のタンクに貯留し、エンジン始動時には、貯留された蒸発燃料をエンジンの吸気通路に供給する装置が開示されている。

特開２００５−１０６０１５号公報 特開２００７−２３９５２３号公報 特開２００５−９０２８１号公報

アルコール混合燃料を用いる場合には、蒸発燃料にもアルコールが含有される。このため、上記公報に開示された技術を適用したとしても、低温時の始動性を十分に改善することは困難である。

一方、上記の問題とは別に、次のような問題もある。エンジンの廃熱と熱交換可能に設けられた燃料改質触媒においてガソリンを改質反応させ、その反応により生成された水素ガスや一酸化炭素などを含む改質ガスをエンジンの吸気通路に導入させるようにしたシステムが知られている。このシステムによれば、エンジンの廃熱回収が可能となるので、熱効率を向上することができる。しかしながら、このようなシステムにおいて、ガソリンに含まれる硫黄分により、燃料改質触媒の硫黄被毒が生じ易いという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、燃料を改質反応させることにより改質ガスを生成させる燃料改質触媒を備えた内燃機関の低温時の始動性を改善することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
燃料を改質反応させることにより改質ガスを生成させる燃料改質触媒と、
前記改質ガスを内燃機関の吸気通路に供給する改質ガス供給路と、
燃料タンク内で発生した蒸発燃料を貯蔵する第１貯蔵部および第２貯蔵部と、
前記燃料タンク内の燃料温度が所定の低温域にある場合には蒸発燃料を前記第１貯蔵部に流入させ、前記燃料温度が所定の高温域にある場合には蒸発燃料を前記第２貯蔵部に流入させる切替手段と、
前記内燃機関の始動時に、前記第１貯蔵部に貯蔵された燃料を前記吸気通路に供給する始動時燃料供給手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記第２貯蔵部に貯蔵された燃料を前記燃料改質触媒に供給する改質用燃料供給手段を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記燃料タンク内には、アルコールを含んだ混合燃料が貯留され、
前記切替手段は、前記燃料温度が前記アルコールの沸点より低い所定温度を超えた場合に、蒸発燃料の流入先を前記第１貯蔵部から前記第２貯蔵部へ切り替える手段を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料タンク内で発生した蒸発燃料を、低温蒸発分と高温蒸発分とに分離して貯蔵し、内燃機関の始動時には、そのうちの低温蒸発分を吸気通路に供給することができる。これにより、気化しにくい成分を含む混合燃料が用いられている場合であっても、気化し易い低温蒸発分を吸気通路に供給して始動を行うことができる。このため、始動性を確実に改善することができる。

第２の発明によれば、蒸発燃料のうちの高温蒸発分を燃料改質触媒に供給することができる。高温蒸発分は、硫黄含有量が少ない。このため、燃料改質触媒の、硫黄被毒による劣化を確実に抑制することができる。

第３の発明によれば、アルコール混合燃料が用いられる場合において、蒸発燃料を、アルコール分の少ない低温蒸発分と、アルコール分の多い高温蒸発分とに分離することができる。内燃機関の始動時には、アルコール分の少ない低温蒸発分を吸気通路に供給することにより、良好な始動性が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、エンジン（内燃機関）１０を備えている。本システムは、ガソリンと、アルコール（本実施形態ではエタノールとする）とを混合した燃料（以下「アルコール混合燃料」とも呼ぶ）を用いて、エンジン１０を運転することができる。エンジン１０の気筒数および気筒配置は、特に限定されるものではない。

エンジン１０には、吸気マニホールド１４を介して、吸気通路１２が接続されている。吸気通路１２の途中には、吸入空気量を制御するスロットル弁１６が設置されている。

吸気マニホールド１４の集合部には、燃料噴射装置１８が設けられている。なお、図示の構成と異なり、各気筒の吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射装置や、各気筒内に直接に燃料を噴射する燃料噴射装置を用いるようにしてもよい。

更に、エンジン１０には、排気マニホールド２２を介して、排気通路２０が接続されている。排気通路２０の途中には、熱交換器２４が設けられている。熱交換器２４の内部には、改質室２６と、排気ガス流路２８とが形成されている。この改質室２６と、排気ガス流路２８とは、隔壁により隔てられている。

改質室２６内には、燃料改質触媒が設けられている。この燃料改質触媒の成分としては、例えば、Ｒｈ、Ｃｏ、Ｎｉ等が好ましく用いられる。熱交換器２４によれば、排気ガス流路２８を通過する排気ガスの熱を、改質室２６（燃料改質触媒）に効率良く伝熱させることができる。

熱交換器２４の上流側の排気通路２０には、排気ガス導入路３０の一端が接続されている。この排気ガス導入路３０の他端は、改質室２６の入口に接続されている。排気通路２０内の排気ガスの一部は、排気ガス導入路３０により取り出されて、改質室２６へ流入する。排気ガス導入路３０の途中には、排気ガス導入路３０内を通る排気ガス中に燃料を噴射する燃料添加インジェクタ３２が設置されている。

排気ガス導入路３０により取り出された排気ガスと、燃料添加インジェクタ３２から噴射された燃料とは、改質室２６に流入し、燃料改質触媒の作用により、改質反応（水蒸気改質反応）を起こす。

ガソリンには多種の炭化水素成分が含まれているが、その水蒸気改質反応は、例えば下記（１）式で代表することができる。また、エタノールの水蒸気改質反応は、下記（２）式で表すことができる。
C₈H₁₈＋3.8CO₂＋4.2H₂O＋22.1N₂→13.2H₂＋11.8CO＋22.1N₂ …（１）
C₂H₅OH＋0.4CO₂＋0.6H₂O＋2.3N₂→3.6H₂＋2.4CO＋2.3N₂ …（２）

上記式に示すように、改質反応によれば、水素ガスや一酸化炭素などの可燃成分が生成される。改質室２６で生成される、これらの可燃成分を含んだガス（以下、「改質ガス」と称する）は、改質ガス導管３４を通って、吸気通路１２内に導入され、吸入空気と混合する。改質ガス導管３４の、吸気通路１２への接続部付近には、吸気通路１２への改質ガス流入量を調整するための流量調整弁３６が設置されている。改質ガスは、吸入空気と共に、エンジン１０の燃焼室に流入する。改質ガス中の可燃成分は、燃料噴射装置１８から噴射された燃料と共に、燃焼室内で燃焼する。

上記式のような水蒸気改質反応は、吸熱反応である。よって、水蒸気改質反応により生成される可燃成分の熱量は、元の燃料の熱量よりも大きい。熱交換器２４によれば、排気ガス流路２８を通る排気ガスの熱を、改質室２６内で生ずる水蒸気改質反応に吸収させることができる。すなわち、本実施の形態のシステムでは、改質室２６に供給された燃料を、エンジン１０の廃熱を利用して、より熱量の大きい可燃成分に転換させることができる。そして、この可燃成分を含む改質ガスをエンジン１０の燃焼室で燃焼させることにより、全体としての熱効率を向上させることができる。このため、燃費性能を改善することができる。

また、改質ガスを吸気通路１２に還流させることは、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）の一種でもある。よって、ＥＧＲの一般的な効果、すなわちポンプ損失低減による燃費改善効果や燃焼温度低下によるＮＯｘ生成量低減効果などを得ることもできる。通常のＥＧＲ運転の場合には、ＥＧＲ率を高くしていくと、燃焼が不安定になるので、ＥＧＲ率には限界がある。これに対し、本実施形態のシステムでは、燃焼速度が速く、燃焼性の高い水素ガスが改質ガスに含まれており、この水素ガスが燃料と共に燃焼室で燃焼する。このため、ＥＧＲ率を高くしても燃焼が不安定になりにくく、ＥＧＲ率の限界を高くすることができる。すなわち、大量のＥＧＲが可能となるので、ポンプ損失低減による燃費改善効果や燃焼温度低下によるＮＯｘ生成量低減効果などをより大きく発揮させることができる。

本システムで使用されるアルコール混合燃料は、燃料タンク３８に貯留されている。燃料タンク３８内の燃料は、燃料供給路４０を通って、燃料噴射装置１８および燃料添加インジェクタ３２に供給される。燃料タンク３８には、貯留されている燃料の温度を検出する温度センサ４２が取り付けられている。

本システムは、更に、燃料タンク３８内で発生した蒸発燃料を貯蔵する第１キャニスタ４３および第２キャニスタ４４を備えている。第１キャニスタ４３および第２キャニスタ４４の内部には、蒸発燃料を吸着可能な吸着材（活性炭など）が設置されている。

燃料タンク３８と、第１キャニスタ４３および第２キャニスタ４４とを結ぶ蒸発燃料通路４５の途中には、切替弁４６が設置されている。切替弁４６は、燃料タンク３８の内で発生した蒸発燃料を第１キャニスタ４３に流入させる状態と、同蒸発燃料を第２キャニスタ４４に流入させる状態とに切り替え可能になっている。

第１キャニスタ４３および第２キャニスタ４４は、蒸発燃料通路４７を介して、吸気通路１２に接続されている。第１キャニスタ４３および第２キャニスタ４４と、蒸発燃料通路４７との間には、切替弁４８が設置されている。切替弁４８は、蒸発燃料通路４７を第１キャニスタ４３に連通させる状態と、蒸発燃料通路４７を第２キャニスタ４４に連通させる状態とに切り替え可能になっている。蒸発燃料通路４７には、蒸発燃料通路４７内の流れを遮断可能な遮断弁４９が設置されている。

本実施形態のシステムは、更に、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述したスロットル弁１６、燃料噴射装置１８、燃料添加インジェクタ３２、流量調整弁３６、切替弁４６，４８、遮断弁４９等を初めとする各種のアクチュエータが電気的に接続されている。また、ＥＣＵ５０には、上述した温度センサ４２のほか、エンジン１０のクランク角度を検出するクランク角センサ、吸入空気量を検出するエアフローメータなどの各種のセンサが電気的に接続されている。

本実施形態では、燃料タンク３８内の燃料の温度が比較的低い場合には、蒸発燃料を第１キャニスタ４３に導入し、同温度が比較的高い場合には、蒸発燃料を第２キャニスタ４４に導入する。図２は、そのような機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。

図２に示すルーチンによれば、まず、温度センサ４２により検出される、燃料タンク３８内の燃料温度Ｔ_fが読み込まれる（ステップ１００）。次いで、その燃料温度Ｔ_fと、所定の低温側判定値αとが比較される（ステップ１０２）。低温側判定値αは、アルコール混合燃料に含まれるエタノールの沸点である７８．５℃より十分に低い温度（例えば７０℃）に設定されることが好ましい。

上記ステップ１０２で燃料温度Ｔ_fが低温側判定値αより低いと認められた場合には、燃料タンク３８内の蒸発燃料を第１キャニスタ４３に導入するべく、切替弁４６を第１キャニスタ４３側に切り替える制御が実行される（ステップ１０４）。

燃料温度Ｔ_fが低温側判定値αより低い温度域にある場合には、燃料タンク３８内において、アルコール混合燃料に含まれるガソリン中の低沸点成分（以下「低沸点ガソリン成分」と称する）が主として蒸発する。このため、第１キャニスタ４３内には、ガソリン中の低沸点成分が主として蓄えられることになる。

一方、上記ステップ１０２で燃料温度Ｔ_fが低温側判定値α以上であると認められた場合には、次に、燃料温度Ｔ_fと、所定の高温側判定値βとが比較される（ステップ１０６）。高温側判定値βは、低温側判定値αより高く、且つエタノールの沸点（７８．５℃）より低い温度（例えば７５℃）に設定されることが好ましい。

上記ステップ１０６で、燃料温度Ｔ_fが高温側判定値βより高いと認められた場合には、燃料タンク３８内の蒸発燃料を第２キャニスタ４４に導入するべく、切替弁４６を第２キャニスタ４４側に切り替える制御が実行される（ステップ１０８）。

燃料温度Ｔ_fが高温側判定値βより高い温度域にある場合には、燃料タンク３８内において、アルコール混合燃料に含まれるエタノールや、ガソリン中の高沸点成分が主として蒸発する。このため、第２キャニスタ４４内には、燃料タンク３８に貯留されている燃料よりもアルコール濃度が高くなった燃料（以下「高アルコール濃度燃料」と称する）が蓄えられることになる。

図２に示すルーチンでは、燃料温度Ｔ_fが低温側判定値αと高温側判定値βとの間にある場合には、切替弁４６の切り替えを行わない。これにより、切替弁４６のハンチングを防止することができる。なお、燃料温度Ｔ_fが低温側判定値αと高温側判定値βとの間にあるときには、燃料タンク３８内の蒸発燃料が、第１キャニスタ４３に導入される場合と、第２キャニスタ４４に導入される場合との両方がある。このことは、第１キャニスタ４３に低沸点ガソリン成分が主として蓄えられ、第２キャニスタ４４に高アルコール濃度燃料が蓄えられるという傾向を乱すものではない。

本実施形態では、エンジン１０の冷間始動時には、第１キャニスタ４３内に貯蔵されている燃料、つまり主として低沸点ガソリン成分からなる燃料を吸気通路１２に供給することとした。図３は、そのような機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。

図３に示すルーチンによれば、まず、冷間始動時であるか否かが判別される（ステップ１１０）。具体的には、エンジン１０に対する始動要求があり、且つ冷却水温が所定温度以下である場合には、冷間始動時であると判別される。冷間始動時であると判別された場合には、第１キャニスタ４３内に貯蔵された燃料をエンジン１０に供給するための制御が実行される（ステップ１１２）。このステップ１１２では、遮断弁４９を開くとともに、切替弁４８を切り替えることにより蒸発燃料通路４７を第１キャニスタ４３に連通させる。これにより、第１キャニスタ４３内に貯蔵されている、低沸点ガソリン成分に富んだ燃料が蒸発燃料通路４７を通って吸気通路１２内に導入される。

上記の制御によれば、エンジン１０の冷間始動時に、気化し易い低沸点ガソリン成分を吸気系に多く供給することができる。このため、燃料タンク３８内に貯留されている燃料のアルコール濃度にかかわらず、良好な始動性が得られる。

なお、エンジン１０が暖機された後は、切替弁４８が第２キャニスタ４４側に切り替えられる。これにより、第２キャニスタ４４内の高アルコール濃度燃料が蒸発燃料通路４７を通って吸気通路１２に導入される。また、第２キャニスタ４４内の高アルコール濃度燃料がなくなった場合には、遮断弁４９が閉じられる。

上述した実施の形態１においては、改質ガス導管３４が前記第１の発明における「改質ガス供給路」に、第１キャニスタ４３が前記第１の発明における「第１貯蔵部」に、第２キャニスタ４４が前記第１の発明における「第２貯蔵部」に、高温側判定値βが前記第３の発明における「所定温度」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、図２に示すルーチンの処理を実行することにより前記第１の発明における「切替手段」が、上記ステップ１０６および１０８の処理を実行することにより前記第３の発明における「切り替える手段」が、図３に示すルーチンの処理を実行することにより前記第１の発明における「始動時燃料供給手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。図４は、本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための図である。なお、図３において、図１に示す構成要素と同様の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。

図４に示すように、実施の形態２のシステムでは、第２キャニスタ４４に代えて、貯留タンク５２が設けられている。燃料タンク３８内の燃料温度が高いときに発生した蒸発燃料は、この貯留タンク５２に導入される。その結果、貯留タンク５２内には、高アルコール濃度燃料が貯留される。

燃料添加インジェクタ３２は、燃料供給路５４を介して、貯留タンク５２に接続されている。貯留タンク５２に貯留された高アルコール濃度燃料は、燃料供給路５４を通って燃料添加インジェクタ３２に送られ、燃料添加インジェクタ３２から噴射される。

このような構成により、本実施形態のシステムでは、高アルコール濃度燃料を改質室２６内の燃料改質触媒に供給することができる。高アルコール濃度燃料は、燃料タンク３８に貯留されている燃料と比べ、ガソリンの含有量が少ないため、ガソリンに起因する硫黄の含有量も少ない。従って、本実施形態によれば、燃料改質触媒が硫黄被毒によって劣化することを確実に抑制することができる。

上述した実施の形態２は、上記の点以外は前述した実施の形態１と同様であるので、これ以上の説明は省略する。本実施形態においては、燃料供給路５４が前記第２の発明における「改質用燃料供給手段」に相当している。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行される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のシステム構成を説明するための図である。

符号の説明

１０ エンジン
１２ 吸気通路
１４ 吸気マニホールド
１６ スロットル弁
１８ 燃料噴射装置
２０ 排気通路
２２ 排気マニホールド
２４ 熱交換器
２６ 改質室
２８ 排気ガス流路
３０ 排気ガス導入路
３２ 燃料添加インジェクタ
３４ 改質ガス導管
３６ 流量調整弁
３８ 燃料タンク
４０ 燃料供給路
４２ 温度センサ
４３ 第１キャニスタ
４４ 第２キャニスタ
４５，４７ 蒸発燃料通路
４６，４８ 切替弁
５０ ＥＣＵ
５２ 貯留タンク
５４ 燃料供給路

Claims (3)

1. 燃料を改質反応させることにより改質ガスを生成させる燃料改質触媒と、
   前記改質ガスを内燃機関の吸気通路に供給する改質ガス供給路と、
   燃料タンク内で発生した蒸発燃料を貯蔵する第１貯蔵部および第２貯蔵部と、
   前記燃料タンク内の燃料温度が所定の低温域にある場合には蒸発燃料を前記第１貯蔵部に流入させ、前記燃料温度が所定の高温域にある場合には蒸発燃料を前記第２貯蔵部に流入させる切替手段と、
   前記内燃機関の始動時に、前記第１貯蔵部に貯蔵された燃料を前記吸気通路に供給する始動時燃料供給手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記第２貯蔵部に貯蔵された燃料を前記燃料改質触媒に供給する改質用燃料供給手段を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記燃料タンク内には、アルコールを含んだ混合燃料が貯留され、
   前記切替手段は、前記燃料温度が前記アルコールの沸点より低い所定温度を超えた場合に、蒸発燃料の流入先を前記第１貯蔵部から前記第２貯蔵部へ切り替える手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。

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