JP2011038425A - 改質触媒回復判定システム、内燃機関システム、改質触媒回復判定方法及び改質ガス生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改質触媒回復判定システムにおいて、改質触媒の回復が完了されたか否かを適時に精度よく判定できるようにすることである。
【解決手段】改質触媒回復判定システムは、エンジン１４から排出される排気ガスに、エタノール及びガソリンの一方または両方を含む添加剤を加えた混合ガスを改質し、水素を含む改質ガスを生成する改質触媒４０と、改質触媒４０の触媒床温を検出する温度センサ２２と、温度センサ２２によって検出された触媒床温に基づいて、改質触媒４０の回復が完了したか否かを判定する判定手段５４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスに、エタノール及び炭化水素系燃料の一方または両方を含む添加剤を加えた混合ガスを改質し、水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を備え、改質触媒の回復を判定する改質触媒回復判定システムと、内燃機関システムと、改質触媒回復判定方法と、改質ガス生成方法に関する。

従来から、例えば特許文献１に記載されるように、内燃機関の排気リフォーマシステムにおいて、内燃機関の排気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構成が知られている。

また、本発明に先立ってなされた先発明として、内燃機関から排出される排気ガスと、エタノール及び炭化水素系燃料の一方または両方を含む添加剤との混合ガスを改質触媒に供給することにより、改質触媒で水素を含む改質ガスを生成する改質ガス生成方法が考えられている。このような先発明では、例えば、改質ガスを内燃機関に供給される空気及び燃料と混合させた後、内燃機関で燃焼させることにより、燃焼効率の向上を図ることができる。

特開２００４−９２５２０号公報

上記のような先発明の改質ガス生成方法では、改質触媒において、水素を含む改質ガスを生成するが、その性能は改質触媒への炭素または中間生成物である炭素化合物の吸着により徐々に低下することが分かっている。例えば、改質ガス生成時には、炭素または炭素化合物が改質触媒に吸着する可能性がある。このため、改質触媒回復段階として、例えば、エンジンの燃焼を制御することにより、改質触媒をエンジンの通常作動時よりも過度に高温（８００℃等）に維持することにより、改質触媒から硫黄分も含めて炭素や炭素化合物を除去することが考えられている。ただし、この場合には、例えば、改質触媒が担体にロジウム等の金属を散在して担持したものにより構成される場合に、金属が凝縮して固まるという、シンタリング等の性能向上の面から、好ましくない事態が生じる可能性がある。

一方、従来から、改質触媒に、排気ガスであって、上記の添加剤を混合しないものを供給することにより、改質触媒に吸着した炭素を除去して、改質触媒の回復を図ることも考えられている。ただし、改質触媒の回復が完了したか否かを適時に判定できないため、改質ガスの生成停止時間が過度に長くなる可能性があり、内燃機関の燃焼効率の向上を図る面から改良の余地がある。このような事情から、本発明者は、改質触媒回復判定システム、内燃機関システム、改質触媒回復判定方法、及び改質ガス生成方法において、改質触媒の回復が完了したか否かを適時に精度よく判定可能とすることで改質触媒の改質ガス生成停止時間を過度に長くすることなく、改質触媒の高い性能を長期間にわたり十分に発揮させることができる構成を実現する必要があると考えた。

本発明の目的は、改質触媒回復判定システム、内燃機関システム、改質触媒回復判定方法、及び改質ガス生成方法において、改質触媒の回復が完了されたか否かを適時に精度よく判定できるようにすることである。さらに、本発明の別の目的は、内燃機関システム改質及び改質ガス生成方法において、改質触媒の改質ガス生成停止時間を過度に長くすることなく、改質触媒の高い性能を長期間にわたり十分に発揮させることである。

本発明に係る改質触媒回復判定システムは、内燃機関から排出される排気ガスに、エタノール及び炭化水素系燃料の一方または両方を含む添加剤を加えた混合ガスを改質し、水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を備え、改質触媒の回復を判定する改質触媒回復判定システムであって、改質触媒の触媒床温を検出する温度検出手段と、温度検出手段によって検出された触媒床温に基づいて、改質触媒の回復が完了したか否かを判定する判定手段とを備えることを特徴とする改質触媒回復判定システムである。

上記構成によれば、改質触媒の回復が完了されたか否かを適時に精度よく判定できる。すなわち、改質触媒に炭素や中間生成物である炭素化合物が吸着することにより、改質触媒は劣化するが、改質触媒の回復時に、例えば、排気ガスに添加剤を混合させないものを改質触媒に通過させることにより、改質触媒に付着した炭素や炭素化合物の酸化により徐々に触媒床温が上昇し、その後、炭素や炭素化合物が改質触媒から十分に除去されることにより、回復が完了されると、触媒床温が急激に低下する。このため、検出した改質触媒の触媒床温に基づいて、改質触媒の回復が完了したか否かを判定する判定手段を備える上記の構成によれば、改質触媒の回復が完了されたか否かを適時に精度よく判定することが可能となる。

また、本発明に係る改質触媒回復システムにおいて、好ましくは、判定手段は、改質触媒による改質ガスの生成が停止された後、温度検出手段によって検出された触媒床温が、予め設定された所定温度を超えて上昇した後、再び所定温度以下に低下した場合に、改質触媒の回復が完了したと判定する。

また、本発明に係る改質触媒回復システムにおいて、好ましくは、判定手段は、改質触媒による改質ガスの生成が停止された後、添加剤を混合しない排気ガスが改質触媒に供給された状態で、温度検出手段によって検出された触媒床温が、予め設定された所定温度を超えて上昇したか否かにより、改質触媒の回復が不十分か否かを判定し、改質触媒の回復が不十分と判定した場合に、温度検出手段によって検出された触媒床温が、再び所定温度以下に低下した場合に、改質触媒の回復が完了したと判定する。

また、本発明に係る改質触媒回復システムにおいて、好ましくは、温度検出手段の検出部は、改質触媒のガス流れ方向に対し直交する方向の内側中心部に設けられている。

上記構成によれば、改質触媒の回復時に温度検出手段により検出される温度の変化を十分に大きくできるため、改質触媒の回復の判定精度をより高くできる。

また、本発明に係る改質触媒回復システムにおいて、好ましくは、温度検出手段の検出部は、改質触媒のガスの下流側端縁部に設けられている。

上記構成によれば、改質触媒の回復時に検出温度に基づいて、改質触媒の全体についての回復が完了されたか否かをより精度よく判定できる。

また、本発明に係る内燃機関システムは、本発明に係る改質触媒回復判定システムと、吸気流路と排気流路とが接続された内燃機関と、排気流路と改質触媒を含む改質器との間に接続された改質器上流側流路と、改質器上流側流路に添加剤を供給する添加剤供給部と、添加剤供給部の駆動を制御する添加剤供給部制御手段と、を備え、添加剤供給部制御手段は、添加剤供給部により改質器上流側流路への添加剤の供給を停止させた後、判定手段により改質触媒の回復が完了したと判定された場合に、再度添加剤供給部により改質器上流側流路への添加剤の供給を再開させることを特徴とする内燃機関システムである。

上記構成によれば、判定手段により改質触媒の回復が完了したと判定された場合に、再度添加剤供給部により改質器上流側流路への添加剤の供給を再開させる添加剤供給部制御手段を備えるので、改質触媒の改質ガス生成停止時間を過度に長くすることなく、改質触媒の高い性能を長期間にわたり十分に発揮させることができる。

また、本発明に係る内燃機関システムにおいて、好ましくは、改質器のガス下流側と、吸気流路との間に接続された改質ガス還流流路を備え、改質ガス還流流路を通じて吸気流路に送られた改質ガスが吸気流路内で空気と混合された後、内燃機関の燃焼室に供給される。

上記構成によれば、水素を含む改質ガスが内燃機関内の燃料室に空気と混合されて供給されるため、内燃機関の燃焼効率をより有効に向上させることができる。

また、本発明に係る改質触媒回復判定方法は、内燃機関から排出される排気ガスに、エタノール及び炭化水素系燃料の一方または両方を含む添加剤を加えた混合ガスを改質し、水素を含む改質ガスを生成する改質触媒の回復を判定する改質触媒回復判定方法であって、改質触媒の触媒床温を検出する温度検出工程と、温度検出工程によって検出された触媒床温に基づいて、改質触媒の回復が完了したか否かを判定する判定工程とを含むことを特徴とする改質触媒回復判定方法である。

上記構成によれば、改質触媒の回復が完了されたか否かを適時に精度よく判定できる。すなわち、改質触媒に炭素や中間生成物である炭素化合物が吸着することにより、改質触媒は劣化するが、改質触媒の回復時に、例えば、排気ガスに添加剤を混合させないものを改質触媒に通過させることにより、改質触媒に付着した炭素や炭素化合物の酸化により徐々に触媒床温が上昇し、その後、炭素や炭素化合物が改質触媒から十分に除去されることにより、回復が完了されると、触媒床温が急激に低下する。このため、検出した改質触媒の触媒床温に基づいて、改質触媒の回復が完了したか否かを判定する判定工程を含む上記の構成によれば、改質触媒の回復が完了されたか否かを適時に精度よく判定することが可能となる。

また、本発明に係る改質触媒回復判定方法において、好ましくは、判定工程は、改質触媒による改質ガスの生成が停止された後、温度検出工程において検出された温度が、予め設定された所定温度を超えて上昇した後、再び所定温度以下に低下した場合に、改質触媒の回復が完了したと判定する。

また、本発明に係る改質ガス生成方法は、改質触媒または改質触媒のガス上流側に接続された改質触媒上流側流路に、添加剤を供給する添加剤供給部と、添加剤供給部の駆動を制御する添加剤供給部制御手段とを備える内燃機関システムにおいて、添加剤供給部制御手段が添加剤供給部により、改質触媒のガス上流側に接続された改質触媒上流側流路に、添加剤を供給させることにより、改質触媒により改質ガスを生成させる改質ガス生成方法であって、本発明に係る改質触媒回復判定方法を含み、さらに、判定工程において、改質触媒の回復が完了したと判定された場合に、添加剤供給部制御手段が添加剤供給部により、改質触媒上流側流路に、添加剤を供給させることにより、再度改質触媒により改質ガスの生成を再開させる改質ガス生成再開工程を含むことを特徴とする改質ガス生成方法である。

上記構成によれば、判定工程において、改質触媒の回復が完了したと判定された場合に、再度添加剤供給部により改質触媒上流側流路へ、添加剤を供給させることにより、改質ガスの生成を再開させる改質ガス生成再開工程を含むので、改質触媒の改質ガス生成停止時間を過度に長くすることなく、改質触媒の高い性能を長期間にわたり十分に発揮させることができる。

本発明に係る改質触媒回復判定システム、内燃機関システム、改質触媒回復判定方法、及び改質ガス生成方法によれば、改質触媒の回復が完了されたか否かを適時に精度よく判定できる。さらに、本発明に係る内燃機関システム改質及び改質ガス生成方法によれば、改質触媒の改質ガス生成停止時間を過度に長くすることなく、改質触媒の高い性能を長期間にわたり十分に発揮させることができる。

本発明の第１の実施の形態の改質触媒回復判定システムを備える内燃機関システムの略図である。 図１の略Ａ−Ａ断面図である。 図１に示す改質器に供給されるガスと、改質器から排出される改質ガスとを説明するための略図である。 第１の実施の形態の改質触媒回復判定方法を説明するためのフローチャートである。 図１に示す改質触媒に設けた温度センサの検出温度の時間経過の１例を示す図である。 図１に示す改質器において、改質ガスの生成と生成停止とを繰り返す場合の、改質ガス中の水素濃度の時間経過の１例を示す図である。 実験に使用した実験装置の要部断面図である。 本発明から外れる比較例の内燃機関システムに対応する短時間改質停止例の実験結果において、改質ガスの生成と生成停止とを繰り返す場合の、時間と改質ガス中の水素濃度との関係を示す図である。 図８の時間ｃの範囲における触媒中央温度である触媒床温と、触媒挿入流路を設けた外壁部の温度との時間経過を示す図である。 図８の時間ｄの範囲における触媒床温と、外壁部の温度との時間経過を示す図である。 第１の実施の形態の内燃機関システムに対応する長時間改質停止例の実験結果において、改質ガスの生成と生成停止とを繰り返す場合の、時間と改質ガス中の水素濃度との関係を示す図である。 図１１の時間ｅの範囲における触媒床温と外壁部の温度との時間経過を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の改質触媒回復判定システムを使用する改質触媒回復判定方法を説明するためのフローチャートである。 第２の実施の形態で回復十分であると判定される場合において、改質触媒の触媒床温の時間経過の１例を示す図である。 第２の実施の形態で回復不十分であると判定される場合において、改質触媒の触媒床温の時間経過の１例を示す図である。

［本発明に係る第１の実施の形態］
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図６は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１は、本実施の形態の改質触媒回復判定システムを備える内燃機関システムの略図である。図２は、図１の略Ａ−Ａ断面図である。図３は、図１に示す改質器に供給されるガスと、改質器から排出される改質ガスとを説明するための略図である。図４は、本実施の形態の改質触媒回復判定方法を説明するためのフローチャートである。図５は、図１に示す改質触媒に設けた温度センサの検出温度の時間経過の１例を示す図である。図６は、図１に示す改質器において、改質ガスの生成と生成停止とを繰り返す場合の、改質ガス中の水素濃度の時間経過の１例を示す図である。

［内燃機関システム］
図１に示すように、本実施の形態の内燃機関システム１０は、改質触媒の回復を判定する改質触媒回復判定システム１２を備える。改質触媒回復判定システム１２は、内燃機関であるエンジン１４と、エンジン１４に接続された排気管１６と、排気管１６に接続された改質器上流側配管１８と、改質器２０と、温度検出手段である温度センサ２２と、添加剤供給部２４と、ＥＣＵ２６とを備える。また、内燃機関システム１０は、三元触媒ユニット２８と、改質ガス供給部３０とを備える。このような内燃機関システム１０は、図示しない車両に搭載した状態で使用される。

＜エンジン＞
エンジン１４は、炭化水素系燃料であるガソリンを燃料とするガソリンエンジンであるが、ディーゼルエンジン等、他のエンジンとすることもできる。エンジン１４の吸気ポート３２には吸気管３４を接続しており、吸気ポートに図示しないエアクリーナを通じて大気を取り込み可能としている。エンジン１４は、吸気ポート３２に、燃料であるガソリンを噴射可能とするポート噴射型としている。ただし、エンジン１４は、このような構成に限定するものではなく、エンジン１４の燃焼室３３に直接燃料を噴射させる筒内噴射型とすることもできる。

また、エンジン１４の排気ポート３６に排気管１６を接続しており、排気管１６のガス下流側に三元触媒ユニット２８を接続している。エンジン１４の作動時には、エンジン１４から排気管１６に排気ガスが排出される。排気ガスには、未燃焼の炭化水素(未燃焼ＣmＨn)、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、窒素（Ｎ₂）及び酸素（Ｏ₂）等が含まれる。三元触媒ユニット２８は、排気ガス中の炭化水素（ＣmＨn)や、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）に作用し、排気ガスを浄化する機能を有する三元触媒を含む。なお、吸気ポート３２及び吸気管３４の内側が吸気流路を構成し、排気ポート３６及び排気管１６の内側が排気流路３５を構成している。

＜改質器＞
排気管１６の、三元触媒ユニット２８よりもガス上流側に改質器上流側配管１８を接続しており、改質器上流側配管１８のガス下流側端部を改質器２０に接続している。改質器上流側配管１８の内側に改質器上流側流路３７を有しており、排気流路３５に改質器上流側流路３７を接続している。図２に示すように、改質器２０は、ケース３８の内側に保持された改質触媒４０を有する。また、図３に示すように、改質触媒４０は、エンジン１４（図１）から排出され、改質器上流側流路３７を通じて送られる、未燃焼の炭化水素(未燃焼ＣmＨn)、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、窒素（Ｎ₂）及び酸素（Ｏ₂）を含む排気ガスと、エタノール及びガソリンの一方または両方の添加物との混合ガスを改質し、少なくとも水素（Ｈ₂）を含む改質ガスを生成する。改質触媒４０は、例えばハニカム構造で、ジルコニア、セリア、アルミナ等からなる担体にロジウム等の金属を担持している。また、改質器２０に加熱部（図示せず）を設けて、改質器２０を所望の温度に制御する。例えば、加熱部は、三元触媒ユニット２８を改質器２０に積層した場合の、三元触媒ユニット２８と改質器２０とを接触させた接触部により構成し、三元触媒ユニット２８の熱を改質器２０に伝達することで、改質器２０を温度上昇させる。なお、加熱部を設けるとともに、または加熱部の代わりに、エンジン１４の燃焼状態を、点火時期、空燃比等の制御により制御することで、改質器２０に供給される排気ガスの温度を所望の温度に制御することもできる。

図２に戻って、温度センサ２２は、検出部により改質触媒４０の触媒床温を検出する。この触媒床温の検出により、触媒自体の温度だけでなく、触媒自体の温度とほぼ等しい、または触媒自体の温度から推測される、改質触媒４０を通過するガスの温度も検出可能となる。このために、温度センサ２２の検出部は、改質触媒４０のガスの流れ方向（図３の表裏方向、図１の上下方向）中央部で、かつ、外周縁よりも内側の径方向中央部である内側中心部、すなわち、改質触媒４０のガス流れ方向に対し直交する径方向の内側中心部に、改質触媒４０の構造体を構成する壁面に接触させるように設けている。温度センサ２２により検出された検出温度を表す信号は、後述するＥＣＵ２６（図１）に入力される。

＜添加剤供給部＞
図１に示すように、添加剤供給部２４は、燃料タンク４２に接続された添加剤流路４４と、添加剤流路４４に接続されたインジェクタ４６とを含み、インジェクタ４６により添加剤であるエタノール及びガソリンの一方または両方を、改質器上流側配管１８の内側の改質器上流側流路３７に供給する、すなわち噴出させる。この結果、改質器上流側流路３７に、排気ガスと、エタノール及びガソリンの一方または両方との混合ガスが生成され、生成された混合ガスが改質器２０に供給される。なお、インジェクタ４６により添加剤を改質器上流側流路３７に直接噴出させるのではなく、インジェクタ４６により添加剤を改質器上流側配管１８とは別の部分に噴射させた後、図示しない気化器により添加剤を気化させ、気化させたものを改質器上流側流路３７に供給することもできる。このような添加剤供給部２４の駆動、すなわちインジェクタ４６の噴出動作は、後述するＥＣＵ２６により制御される。なお、添加剤供給部２４とは別に、改質器上流側流路３７の内部を流れるガスに水蒸気を直接添加するための水蒸気供給部を設けることもできる。例えば、水蒸気供給部として、水タンクに気化器を介して接続したノズルの噴出孔から、改質器上流側流路３７の内部に適宜の量の水蒸気を噴出させることもできる。

＜改質ガス供給部＞
また、エンジン１４の燃焼室３３に通じる吸気管３４または吸気ポート３２に、改質器２０で生成された改質ガスを供給するために、改質ガス供給部３０を設けている。改質ガス供給部３０は、改質器２０のガス下流側と、吸気管３４または吸気ポート３２との間に接続された改質ガス還流配管４８と、改質ガス還流配管４８のガス下流側端部に設けられた流量調整弁５０とを含む。改質ガス還流配管４８の内側に、改質ガス還流流路５２を設けている。流量調整弁５０の開閉及び開度は、後述するＥＣＵ２６により制御される。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ２６は、制御部であり、温度センサ２２から改質触媒４０の触媒床温の検出温度が入力され、流量調整弁５０と、インジェクタ４６との駆動を制御して、エンジン１４へ所望の量の水素を含む改質ガスを供給し、エンジン１４の燃焼効率をより有効に向上させることができるようにしている。すなわち、本実施の形態の内燃機関システム１０は、改質ガス還流流路５２を通じて吸気管３４または吸気ポート３２に送られた改質ガスが、空気と混合された後、エンジン１４の燃焼室３３に供給されるように構成している。このために、ＥＣＵ２６は、判定手段５４と、添加剤供給部制御手段５６と、流量調整弁制御手段５８とを有する。なお、ＥＣＵ２６は、例えば、ＣＰＵ、メモリを有するマイクロコンピュータを含む。

判定手段５４は、温度センサ２２によって検出された検出温度に基づいて、改質触媒４０の回復が完了したか否かを判定する。すなわち、判定手段５４は、改質触媒４０による改質ガスの生成が停止された後、温度センサ２２によって検出された検出温度が、予め設定された所定温度Ｔｃ（図５参照）を超えて上昇した後、再び所定温度Ｔｃ以下に低下した場合に改質触媒４０の回復が完了したと判定する。これに対して、判定手段５４は、改質触媒４０による改質ガスの生成が停止された後、温度センサ２２によって検出された検出温度が、予め設定された所定温度Ｔｃを超えて上昇した後、所定温度Ｔｃ以下にまだ低下していない場合に改質触媒４０の回復が未完了と判定する。

また、添加剤供給部制御手段５６は、添加剤供給部２４を構成するインジェクタ４６の駆動を制御する。また、添加剤供給部制御手段５６は、添加剤供給部２４により改質器上流側流路３７への添加剤の供給を停止させた後、判定手段５４により改質触媒４０の回復が完了したと判定された場合に、再度、添加剤供給部２４により改質器上流側流路３７への添加剤の供給を再開させる。

流量調整弁制御手段５８は、エンジン１４の燃焼効率が低下している場合等、必要時に応じて、流量調整弁５０を開弁するとともに、その開度を調整し、水素を含む改質ガスを吸気管３４または吸気ポート３２に供給する。また、ＥＣＵ２６は、吸気管３４に設けたスロットル弁の開度等に応じて、吸気ポート３２に燃料を噴出させる燃料インジェクタ６０の駆動等も制御する。燃料インジェクタ６０もインジェクタ４６と同様に、燃料タンク４２に接続している。

［改質触媒回復判定方法及び改質ガス生成方法］
次に、本実施の形態の改質触媒４０の回復を判定する改質触媒回復判定方法と、改質ガス生成方法とについて説明する。なお、以下の説明においては、図１から図３に示した要素と同一の要素には同一の符号を付して説明する。まず、改質触媒回復判定方法は、温度センサ２２により、改質触媒４０の触媒床温を検出する温度検出工程と、判定手段５４が、温度検出工程によって検出された検出温度に基づいて、改質触媒４０の回復が完了したか否かを判定する判定工程とを含む。判定工程は、改質触媒４０による改質ガスの生成が停止された後、温度検出工程において検出された検出温度が、予め設定された所定温度Ｔｃ（図５参照）を超えて上昇した後、再び所定温度Ｔｃ以下に低下した場合に、改質触媒４０の回復が完了したと判定する。

また、改質ガス生成方法は、内燃機関システム１０において、添加剤供給部制御手段５６が添加剤供給部２４により、改質器上流側流路３７に、添加剤を供給させることにより、改質触媒４０により改質ガスを生成させる改質ガス生成方法であって、上記の改質触媒回復判定方法を含む。改質ガス生成方法は、さらに、判定工程において、改質触媒４０の回復が完了したと判定された場合に、添加剤供給部制御手段５６が添加剤供給部２４により、改質器上流側流路３７に、添加剤を供給させることにより、再度、改質触媒４０により改質ガスの生成を再開させる改質ガス生成再開工程を含む。

図４は、このような改質触媒回復判定方法及び改質ガス生成方法の１例である、本実施の形態の具体的方法を説明するためのフローチャートである。まず、図４のステップＳ１０において、エンジン１４が作動して、排気ガスを改質器上流側流路３７に供給するとともに、インジェクタ４６の駆動により、改質器上流側流路３７にエタノール及びガソリンの一方または両方である添加剤を供給することにより、排気ガスに添加剤が加えられた混合ガスを、改質器２０の改質触媒４０に供給する。この結果、改質触媒４０を通過したガスが水素を含む改質ガスとなり、改質器２０により改質ガスが生成される。次に、ステップＳ１２において、判定手段５４により、改質ガスの生成開始時から予め設定した一定ガス生成時間が経過したか否かを判定し、経過していると判定された場合には、ステップＳ１４に移行する。ステップＳ１４では、添加剤供給部制御手段５６により、改質器上流側流路３７への添加剤の供給が停止され、改質ガスの生成が停止され、回復状態とする。この状態では、添加剤が混合されない排気ガスが改質触媒４０に供給され続ける。そして、改質触媒４０に炭素または中間生成物である炭素化合物が吸着していると、排気ガスに含まれる酸素による酸化反応により炭素または炭素化合物が燃焼するため、温度が上昇する。続いて、ステップＳ１６で温度検出工程として、所定時間間隔で改質触媒４０の触媒床温が検出され、検出温度がＥＣＵ２６に入力される。

次に、ステップＳ１８で、判定工程として、ＥＣＵ２６の判定手段５４が、検出した改質触媒４０の触媒床温が、予め設定された所定温度Ｔｃを超えて上昇したか否かを判定し、上昇していないと判定された場合には、ステップＳ１６に戻り、所定時間経過後に再度、改質触媒４０の触媒床温を検出する。例えば、図５に示すように、所定温度Ｔｃを設定している場合に、検出温度が、まだＴｃを超えていない時間ｔ１では、ステップＳ１８からステップＳ１６に戻る。

これに対して、ステップＳ１８で、判定手段５４により、検出温度が、予め設定された所定温度Ｔｃを超えて上昇したと判定された場合（例えば、図５の時間ｔ２の場合）には、ステップＳ２０で、温度検出工程として、所定時間間隔で改質触媒４０の第２触媒床温が検出され、ステップＳ２２に移行する。ステップＳ２２では、判定工程として、判定手段５４が、第２触媒床温が、再度、所定温度Ｔｃ以下に低下したか否かを判定する。この場合に、第２触媒床温が所定温度Ｔｃ以下に低下していないと判定された場合（例えば、図５の時間ｔ３の場合）には、ステップＳ２４で改質触媒４０の回復が未完了と判定され、ステップＳ２０に戻り、所定時間経過後に再度第２触媒床温を検出する。

これに対して、ステップＳ２２で、判定手段５４により、第２触媒床温が、再度所定温度Ｔｃ以下に低下したと判定された場合（例えば、図５の時間ｔ４の場合）には、改質触媒４０に吸着していた炭素または炭素化合物が十分に燃焼したと認められるため、ステップＳ２６で改質触媒４０の回復が完了したと判定される。すなわち、改質触媒４０に炭素や炭素化合物が吸着していると、改質触媒４０の回復時には排気ガスにガソリン等の添加剤を混合させないものを改質触媒４０に通過させることにより、改質触媒４０に付着した炭素や炭素化合物が酸化されることにより、徐々に触媒床温が上昇し、その後、炭素や炭素化合物が改質触媒４０から十分に除去されることにより回復が完了されると、触媒床温が急激に低下する。このため、判定手段５４は、温度センサ２２による検出温度が所定温度Ｔｃを超えて上昇した後、再度、（例えば時間ｔ４で）所定温度Ｔｃ以下に達したことに基づいて、改質触媒４０の回復が完了されたと判定できる。

次いで、図４のステップＳ２８で、改質ガス生成再開工程として、添加剤供給部制御手段５６により、改質器上流側流路３７への添加剤の供給が再開されることにより、改質ガスの生成が再開される。その後、予め設定した一定ガス生成時間が経過したと判定された場合には、ステップＳ１４に戻り、ステップＳ１４からＳ３０までのステップを、いずれかのステップでエンジン１４の作動が停止されたと判定されるまで繰り返す。

このような本実施の形態によれば、改質触媒４０の長時間の使用により、改質触媒４０に炭素または炭素化合物が吸着することにより、徐々に劣化し、改質ガスの水素濃度が徐々に低下している場合でも、改質ガスの生成を停止し、改質触媒４０に吸着した炭素または炭素化合物を十分に燃焼させることにより、改質触媒４０を十分に回復させることができる。また、検出した改質触媒４０の触媒床温に基づいて、改質触媒４０の回復の判定を行うので、判定を適時に精度よく行える。

また、本実施の形態の内燃機関システム１０によれば、判定手段５４により改質触媒４０の回復が完了したと判定された場合に、再度、添加剤供給部２４により改質器上流側流路３７への添加剤の供給を再開させる添加剤供給部制御手段５６を備える。このため、改質触媒４０の改質ガス生成停止時間を過度に長くすることなく、改質触媒４０の高い性能を長期間にわたり十分に発揮させることができる。図６は、このような効果をより明らかにするための、改質器２０において、改質ガスの生成と生成停止とを繰り返す場合の、改質ガス中の水素濃度の時間経過の１例を示す図である。図６において、Ａ１は、改質触媒４０により水素を含む改質ガスを生成する生成中の時間を、Ｂ１は、改質触媒４０による改質ガスの生成を停止している生成停止中の時間を、それぞれ表している。図６において、丸印を実線により連結した部分が本実施の形態の場合を、三角印を破線により連結した部分が本発明から外れる比較例の場合を、それぞれ表している。比較例では、改質ガスの生成停止時間を予め設定した一定時間に設定している。このように本実施の形態によれば、判定手段５４により、検出温度に基づいて、改質ガスの生成再開に移行するか否かが判定されるので、図６に示すように、改質ガスの生成停止時間を、改質触媒４０が十分に回復するまで十分に確保でき、回復後に水素濃度を十分に高くできる。このため、長時間の使用にかかわらず、改質触媒４０の性能を安定して高く維持することができる。しかも改質ガスの生成停止時間を過度に長くする必要がなくなる。

これに対して、本発明から外れる比較例では、改質触媒４０の触媒床温の検出温度にかかわらず、改質ガスの生成停止時間を一定時間Ｂ２に設定しているため、生成停止時間が適切な時間より短くなると、改質触媒４０を十分に回復できず、改質ガスの生成再開後でも改質ガス中の水素濃度を十分に高くできない可能性がある。この場合には、図６に破線で示すように、改質ガスの生成停止時間を一定時間設けても、長時間の使用により改質触媒４０が徐々に劣化して、改質ガス中の水素濃度が徐々に低下してしまう。本実施の形態によれば、このような不都合をなくすことができる。

また、本実施の形態の内燃機関システム１０によれば、改質触媒４０の回復を図るために改質触媒４０を、エンジン１４の通常作動時よりも過度に温度上昇させずに済むため、例えば、改質触媒４０を担体にロジウム等の金属を散在して担持したものにより構成する場合でも、シンタリング等の性能向上の面から、好ましくない事態が生じるのをより有効に抑制できる。また、本実施の形態のように、改質触媒４０の回復に必要な温度を過度に高くしない場合でも、改質触媒４０からの炭素や炭素化合物の除去に伴って、硫黄成分の除去も図れるといった効果も得られる。

次に、本実施の形態の効果を確認するために本発明者が行った実験について図７から図１２を用いて説明する。図７は、実験に使用した実験装置の要部断面図である。図８は、本発明から外れる比較例の内燃機関システム１０に対応する短時間改質停止例の実験結果において、改質ガスの生成と生成停止とを繰り返す場合の、時間と改質ガス中の水素濃度との関係を示す図である。図９は、図８の時間ｃの範囲の改質時における触媒中央温度である触媒床温と、触媒挿入流路を設けた外壁部の温度との時間経過を示す図である。図１０は、図８の時間ｄの範囲の回復時における触媒床温と、外壁部の温度との時間経過を示す図である。図１１は、本実施の形態の内燃機関システム１０に対応する長時間改質停止例の実験結果において、改質ガスの生成と生成停止とを繰り返す場合の、時間と改質ガス中の水素濃度との関係を示す図である。図１２は、図１１の時間ｅの範囲の回復時における触媒床温と外壁部の温度との時間経過を示す図である。

まず、図７を用いて、短時間改質停止例と長時間改質停止例とで共通に使用する実験装置を説明する。実験装置は、内側に触媒挿入流路６２を有する石英管６４と、石英管６４の周囲に設けた加熱炉６６と、触媒挿入流路６２内に挿入した略円柱状の改質触媒４０（テストピース）と、改質触媒４０の長さ方向（図７の左右方向）中央部で、かつ、径方向中央部に検出部が設けられ、改質触媒４０の触媒床温を検出する温度センサ２２と、石英管において、改質触媒４０の周囲に位置する外壁部６８の温度を検出する第２温度センサ７０と、改質触媒４０よりもガス下流側部分のガスである改質ガス中に含まれる水素濃度を検出する水素濃度センサ（図示せず）とを備える。温度センサ２２と第２温度センサ７０とは、例えば熱電対等である。また、改質触媒４０の外径は９．５ｍｍとし、長さは１５ｍｍとした。また、触媒挿入流路６２の内周面と、改質触媒４０の外周縁との間に、例えば径方向で０．５ｍｍの隙間を設けた。

本実験では、このような実験装置を用いて、改質工程として、改質触媒４０に、混合ガスとして窒素と二酸化炭素とを含むキャリアガスに水蒸気を加え、さらに、エタノールとガソリンとの一方または両方である添加剤を含むガスを流入させた。また、この場合に、加熱炉６６を６００℃の改質温度に加熱し、改質触媒４０による改質ガスの生成時間は約２１分とし、その後、回復工程として、改質触媒４０に、混合ガスとして窒素と二酸化炭素とを含むキャリアガスに水蒸気と酸素を加えただけのもの、すなわち添加剤を加えないものを流入させ、改質触媒４０の回復を行った。このような回復工程では、加熱炉６６を５００℃の回復温度に加熱した。また、回復工程の時間は、短時間改質停止例の場合に５分とし、長時間改質停止例の場合に１５分とし、これらの２種類で切り替えた。

なお、本実験では、改質停止時間を予め一定時間である、５分または１５分に設定しており、本発明の場合と異なり、検出温度に基づいて改質停止を判定してはいない。ただし、本実験の目的は、改質触媒４０の回復時に改質触媒４０の中央部に設けた温度センサ２２の検出温度が所定温度を超えて上昇し、その後所定温度以下に下降するような本実施の形態と同様の効果が得られる長時間改質停止例と、改質触媒４０の回復時に温度センサ２２の検出温度が所定温度以下に下降しない比較例に対応する短時間改質停止例との２種類で、改質時の改質ガス中の水素濃度を確認することで改質触媒４０の劣化の進行度、逆に言えば回復の程度の違いを確認することである。

図８から図１２は、このようにして行った実験結果を示している。まず、図８に示すように、短時間改質停止例の場合には、改質と回復とを繰り返した場合に、改質ガス中の水素濃度は徐々に低下した。図９は、図８の矢印ｃで示す範囲における触媒床温及び外壁温度の時間経過を示している。なお、図９では、実線αが外壁温度を表しており、実線βが触媒床温を表している（後述する図１０、図１２の実線α、βについても同様である。）。図９の実験結果から明らかなように、改質ガス生成時には、改質触媒４０の触媒床温が図９に矢印で示すように、徐々に上昇することが分かった。すなわち、改質時には、改質ガスの生成反応が吸熱反応であるため、本来触媒床温は低下するが、改質触媒に炭素や炭素化合物が徐々に吸着すると、触媒床温は徐々に上昇する。このため、改質時には、改質触媒４０が徐々に劣化することを確認できた。また、この場合は、図８の時間ｃの範囲で示すように、改質ガス中の水素濃度は徐々に低下した。

また、図１０に示すように、改質ガスの生成停止時間である回復時間を５分とした場合で、改質触媒４０を十分に回復させるために、改質触媒４０の触媒床温を回復必要温度の５２０℃以下に低下させることが必要である場合に、この回復必要温度まで低下していない。また、このような短い回復時間での触媒床温の温度変化は小さいことが分かった。この結果、上記の図８で示したように、改質ガスの生成と停止とを繰り返した場合に、改質ガス中の水素濃度は徐々に低下し、改質触媒４０が徐々に劣化した。

これに対して、図１１に示すように、長時間改質停止例の場合には、改質と回復とを繰り返した場合でも、改質ガス中の水素濃度を安定して高くできた。すなわち、図１２に示すように、改質ガスの生成停止時間である回復時間を１５分とした場合に、回復時間での改質触媒４０の触媒床温の温度変化は大きくなり、改質触媒４０を十分に回復させるために、改質触媒４０の触媒床温を回復必要温度の５２０℃以下に低下させることが必要である場合に、この回復必要温度まで低下した。この結果、上記の図１１に示したように、改質ガスの生成と停止とを繰り返した場合でも、改質ガス中の水素濃度を安定して高くでき、改質触媒４０の劣化を抑えることができることを確認できた。このような実験結果から、温度センサ２２によって検出された触媒床温に基づいて、改質触媒４０の回復が完了したか否かを判定する判定手段５４を備える本実施の形態によれば、例えば検出温度を５２０℃に設定することにより、長時間改質停止例の場合と同様に、改質ガス中の水素濃度を安定して高くでき、改質触媒４０の劣化を抑えることができることが分かる。

なお、本実施の形態では、温度センサ２２の検出部を、改質触媒４０のガスの流れ方向中央部で、かつ、外周縁よりも内側の径方向中央部である内側中心部に設けた場合について説明した。ただし、本実施の形態は、温度センサ２２の改質触媒４０に設ける位置を限定するものではなく、例えば、温度センサ２２の検出部を、改質触媒４０のガスの流れ方向下流側端部に設けてもよい。この場合には、改質ガスの生成停止時に、温度センサ２２の検出温度が所定温度を超えて上昇することにより、改質触媒４０のガス流れ方向のすべての部分で、改質触媒４０に吸着した炭素または炭素化合物が酸化したことを、より精度よく判定できるので好ましい。すなわち、炭素または炭素化合物の酸化は、改質触媒４０のガス上流側から下流側に向けて徐々に進行するが、ガス下流側での温度上昇を判定することにより、すべての部分での酸化を判定でき、改質触媒４０の全体についての回復が完了されたか否かをより精度よく判定できるため、好ましい。

また、本実施の形態のように、温度センサ２２の検出部を、改質触媒４０の径方向中央部である内側中心部に設けることにより、外周縁近くや、改質器２０の改質触媒４０を保持するケース３８に温度センサ２２を設けた場合よりも、炭素または炭素化合物の酸化による温度変化を大きくできる。すなわち、本実施の形態によれば、改質触媒４０の回復時に温度センサ２２により検出される温度の変化を十分に大きくできるため、改質触媒４０の回復の判定精度をより高くできる。

［本発明に係る第２の実施の形態］
図１３から図１５は、本発明の第２の実施の形態を示している。図１３は、本実施の形態の改質触媒回復判定システムを使用する改質触媒回復判定方法を説明するためのフローチャートである。図１４は、本実施の形態で回復十分であると判定される場合において、改質触媒の触媒床温の時間経過の１例を示す図である。図１５は、本実施の形態で回復不十分であると判定される場合において、改質触媒の触媒床温の時間経過の１例を示す図である。

なお、本実施の形態の改質触媒回復判定システムの基本構成は、図１に示した第１の実施の形態と同様であるため、以下の説明では、図１から図３に示した要素と同等の要素には同一の符号を付して、第１の実施の形態と異なる部分を中心に説明する。本実施の形態の改質触媒回復判定システムが備える判定手段５４は、改質触媒４０による改質ガスの生成が停止された後、エタノール及びガソリンの一方または両方を含む添加剤を混合しない排気ガスが改質触媒４０に供給された状態で、例えば一定時間経過後に、温度センサ２２によって検出された触媒床温が、予め設定された所定温度Ｔｃを超えて上昇したか否かにより、改質触媒４０の回復が不十分か否かを判定する。すなわち、検出温度が所定温度Ｔｃを超えて上昇している場合には改質触媒４０の回復が不十分と判定し、検出温度が所定温度Ｔｃを超えて上昇していない場合には改質触媒４０の回復が十分と判定する。このような判定は、例えば、車両が停止している場合（例えばアイドリング状態である場合）、または、車両の安定走行中（例えば車速が予め設定された所定時間で所定の速度範囲内にある場合）等、予め設定された一定の条件成立時に、「触媒回復判定モード」として行う。

また、判定手段５４は、改質触媒４０の回復が不十分と判定した場合に、温度センサ２２によって検出された検出温度が、再び所定温度Ｔｃ以下に低下した場合に、改質触媒４０の回復が完了したと判定し、検出温度がまだ所定温度Ｔｃを超えている場合に、改質触媒４０の回復が未完了と判定する。改質触媒４０の回復が完了したと判定されると触媒回復判定モードを終了し、回復が未完了と判定されると、回復完了と判定されるまで、添加剤を混合しない排気ガスを改質触媒４０に供給する工程を続ける。

次に、図１３のフローチャートを用いて、本実施の形態の改質触媒回復判定システムを用いた改質触媒回復判定方法を、より詳しく説明する。まず、上記の一定条件が成立することにより、「触媒回復判定モード」が開始されると、図１３のステップＳ３０で、エンジン１４の作動中に、排気ガスにエタノール及びガソリンの一方または両方である添加剤が加えられていないものを、改質器２０の改質触媒４０に供給することにより、改質ガスの生成を停止した状態とする。次いで、ステップＳ３２において、判定手段５４により、水素を含む改質ガスの生成が停止されてから、予め設定した所定時間経過後に、検出した改質触媒４０の触媒床温が、予め設定された所定温度Ｔｃを超えて上昇しているか否かを判定する。この状態では、改質触媒４０に炭素または炭素化合物が吸着していると、酸化反応により炭素または炭素化合物が燃焼し、温度が上昇する。ステップＳ３２で否定の判定結果が得られた場合、例えば、図１４に示すように、所定時間ｔ_a経過時点において、改質触媒４０の触媒床温がＴｃ未満であれば、改質触媒４０から炭素及び炭素化合物が十分に除去されており、回復十分と判定され、回復判定モードを終了する。

これに対して、ステップＳ３２で肯定の判定結果が得られた場合、例えば、図１５に示すように、所定時間ｔ_a経過時点において、改質触媒４０の触媒床温がＴｃを超えて上昇している場合には、改質触媒４０に炭素及び炭素化合物が吸着していることにより、これが酸化されて温度上昇していると判断され、回復不十分と判定され、ステップＳ３８に移行する。

ステップＳ３８では、予め設定した所定時間後に検出した改質触媒４０の第２触媒床温が、再度、所定温度Ｔｃ以下に低下したか否かを判定する。例えば、図１５に示すように、時間ｔ_b経過時に改質触媒４０の第２触媒床温が所定温度Ｔｃを超えている場合には、ステップＳ３８の判定結果が否定となり、ステップＳ４０で回復未完了と判定され、再度、ステップＳ３８に戻る。

これに対して、例えば、図１５に示すように、時間ｔ_c経過時に第２触媒床温が所定温度Ｔｃ以下となっている場合には、ステップＳ３８の判定結果が肯定となり、ステップＳ４２で回復完了と判定され、回復判定モードを終了する。

このような本実施の形態の場合には、改質触媒４０に炭素や炭素化合物が吸着することにより、改質触媒４０は劣化するが、改質触媒４０に、排気ガスに添加剤を混合させないものを改質触媒４０に通過させることにより、改質触媒４０に付着した炭素や炭素化合物の酸化により徐々に触媒床温が上昇する。このため、本実施の形態によれば、検出した改質触媒４０の触媒床温に基づいて、改質触媒４０の回復が十分か否かを判定することが可能となる。その他の構成及び作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、重複する説明は省略する。

１０ 内燃機関システム、１２ 改質触媒回復判定システム、１４ エンジン、１６ 排気管、１８ 改質器上流側配管、２０ 改質器、２２ 温度センサ、２４ 添加剤供給部、２６ ＥＣＵ、２８ 三元触媒ユニット、３０ 改質ガス供給部、３２ 吸気ポート、３３ 燃焼室、３４ 吸気管、３５ 排気流路、３６ 排気ポート、３７ 改質器上流側流路、３８ ケース、４０ 改質触媒、４２ 燃料タンク、４４ 添加剤流路、４６ インジェクタ、４８ 改質ガス還流配管、５０ 流量調整弁、５２ 改質ガス還流流路、５４ 判定手段、５６ 添加剤供給部制御手段、５８ 流量調整弁制御手段、６０ 燃料インジェクタ、６２ 触媒挿入流路、６４ 石英管、６６ 加熱炉、６８ 外壁部、７０ 第２温度センサ。

Claims (10)

1. 内燃機関から排出される排気ガスに、エタノール及び炭化水素系燃料の一方または両方を含む添加剤を加えた混合ガスを改質し、水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を備え、
   改質触媒の回復を判定する改質触媒回復判定システムであって、
   改質触媒の触媒床温を検出する温度検出手段と、
   温度検出手段によって検出された触媒床温に基づいて、改質触媒の回復が完了したか否かを判定する判定手段とを備えることを特徴とする改質触媒回復判定システム。
2. 請求項１に記載の改質触媒回復判定システムにおいて、
   判定手段は、
   改質触媒による改質ガスの生成が停止された後、温度検出手段によって検出された触媒床温が、予め設定された所定温度を超えて上昇した後、再び所定温度以下に低下した場合に、改質触媒の回復が完了したと判定することを特徴とする改質触媒回復判定システム。
3. 請求項１に記載の改質触媒回復判定システムにおいて、
   判定手段は、
   改質触媒による改質ガスの生成が停止された後、添加剤を混合しない排気ガスが改質触媒に供給された状態で、温度検出手段によって検出された触媒床温が、予め設定された所定温度を超えて上昇したか否かにより、改質触媒の回復が不十分か否かを判定し、
   改質触媒の回復が不十分と判定した場合に、温度検出手段によって検出された触媒床温が、再び所定温度以下に低下した場合に、改質触媒の回復が完了したと判定することを特徴とする改質触媒回復判定システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の改質触媒回復判定システムにおいて、
   温度検出手段の検出部は、改質触媒のガス流れ方向に対し直交する方向の内側中心部に設けられていることを特徴とする改質触媒回復判定システム。
5. 請求項４に記載の改質触媒回復判定システムにおいて、
   温度検出手段の検出部は、改質触媒のガスの下流側端縁部に設けられていることを特徴とする改質触媒回復判定システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１に記載の改質触媒回復判定システムと、
   吸気流路と排気流路とが接続された内燃機関と、
   排気流路と改質触媒を含む改質器との間に接続された改質器上流側流路と、
   改質器上流側流路に添加剤を供給する添加剤供給部と、
   添加剤供給部の駆動を制御する添加剤供給部制御手段と、を備え、
   添加剤供給部制御手段は、
   添加剤供給部により改質器上流側流路への添加剤の供給を停止させた後、判定手段により改質触媒の回復が完了したと判定された場合に、再度添加剤供給部により改質器上流側流路への添加剤の供給を再開させることを特徴とする内燃機関システム。
7. 請求項６に記載の内燃機関システムにおいて、
   改質器のガス下流側と、吸気流路との間に接続された改質ガス還流流路を備え、
   改質ガス還流流路を通じて吸気流路に送られた改質ガスが吸気流路内で空気と混合された後、内燃機関の燃焼室に供給されることを特徴とする内燃機関システム。
8. 内燃機関から排出される排気ガスに、エタノール及び炭化水素系燃料の一方または両方を含む添加剤を加えた混合ガスを改質し、水素を含む改質ガスを生成する改質触媒の回復を判定する改質触媒回復判定方法であって、
   改質触媒の触媒床温を検出する温度検出工程と、
   温度検出工程によって検出された触媒床温に基づいて、改質触媒の回復が完了したか否かを判定する判定工程とを含むことを特徴とする改質触媒回復判定方法。
9. 請求項８に記載の改質触媒回復判定方法において、
   判定工程は、改質触媒による改質ガスの生成が停止された後、温度検出工程において検出された温度が、予め設定された所定温度を超えて上昇した後、再び所定温度以下に低下した場合に、改質触媒の回復が完了したと判定することを特徴とする改質触媒回復判定方法。
10. 改質触媒または改質触媒のガス上流側に接続された改質触媒上流側流路に、添加剤を供給する添加剤供給部と、
    添加剤供給部の駆動を制御する添加剤供給部制御手段とを備える内燃機関システムにおいて、
    添加剤供給部制御手段が添加剤供給部により、改質触媒のガス上流側に接続された改質触媒上流側流路に、添加剤を供給させることにより、改質触媒により改質ガスを生成させる改質ガス生成方法であって、
    請求項８または請求項９に記載の改質触媒回復判定方法を含み、
    さらに、判定工程において、改質触媒の回復が完了したと判定された場合に、添加剤供給部制御手段が添加剤供給部により、改質触媒上流側流路に、添加剤を供給させることにより、再度改質触媒により改質ガスの生成を再開させる改質ガス生成再開工程を含むことを特徴とする改質ガス生成方法。

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