JP2016020645A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質触媒を備える内燃機関において、改質触媒に供給するための燃料の逆流を防止する。【解決手段】燃料改質装置は、内燃機関１の排気ガスの一部を吸気経路に再循環させる排気再循環経路１２に配置され、排気ガスの一部と改質用燃料とから水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質触媒１６と、燃料改質触媒１６に流入する排気ガスに向けて改質用燃料を噴射する改質燃料用噴射弁１４と、改質燃料用噴射弁１４の開閉動作を制御する改質燃料用噴射弁制御手段１８と、を含んで構成される。改質燃料用噴射弁制御手段１８は、改質用燃料の噴射期間を、排気再循環経路１２内に排気経路３側から吸気経路側２への順方向のガス流れが生じている期間中に改質用燃料の噴射が終了するように設定し、噴射期間に基づいて改質燃料用噴射弁１４を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料改質触媒によって生成した改質ガスを燃焼室に導入する内燃機関に関する。

燃焼速度の向上等を目的として、排気再循環通路（以下、ＥＧＲ通路ともいう）に改質触媒を備え、改質触媒に炭化水素系燃料（以下、「燃料」ともいう）を供給する内燃機関が知られている。この内燃機関では、触媒反応によって燃料と排気ガス中の水分とが少なくとも水素ガスを含む改質ガスに変換され、改質ガスが燃焼室に供給される。ところで、改質触媒は、一定の温度以上で活性化して燃料改質の効率が高まるが、高負荷運転時のように高温の排気ガスが導入され続けると熱劣化するおそれがある。このような改質触媒の熱劣化を防止するために、排気行程中の気筒で改質用の燃料を噴射する制御装置が特許文献１に開示されている。排気行程中に噴射された燃料は、未燃焼のまま排気ガスと共に内燃機関から排出され、気化潜熱によって排気ガスの熱を奪うので、上記文献によれば改質触媒に導入される排気の温度を低下させることができる。

特開２００６−１０５０４８号公報

しかしながら、排気行程中にはＥＧＲ通路内の管内脈動によってＥＧＲ通路内の排気ガスが逆流する逆流期間が存在する。このため、上記文献のように排気行程中に改質用燃料を噴射すると、改質用の燃料が排気系に流出してしまい、排気エミッションの悪化や、改質ガスが燃焼室に供給されなくなることによる燃費性能の低下を招くこととなる。

そこで本発明では、改質触媒を備える内燃機関において、改質触媒に供給するための燃料の逆流を防止することを目的とする。

本発明のある態様によれば、排気再循環経路に配置され、排気ガスの一部と改質用燃料とから水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質触媒と、燃料改質触媒に流入する排気ガスに向けて改質用燃料を噴射する改質燃料用噴射弁と、改質燃料用噴射弁の開閉動作を制御する改質燃料用噴射弁制御手段とを含んで構成される燃料改質装置が提供される。改質燃料用噴射弁制御手段は、改質用燃料の噴射期間を、排気再循環経路内に排気経路側から吸気経路側への順方向のガス流れが生じている期間中に改質用燃料の噴射が終了するように設定し、噴射期間に基づいて改質燃料用噴射弁を制御する。

上記態様によれば、改質燃料が排気再循環経路内に排気経路側から吸気経路側への順方向のガス流れが生じている期間中に噴射されるので、改質用燃料の排気通路３への逆流を防止し、排気エミッションの悪化や燃費性能の低下を抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態を適用する内燃機関システムの構成図である。 図２は、バルブタイミングとＥＧＲ通路内のガス流速の変動とを示すタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態にかかる内燃機関のシステム構成図である。

本実施形態の内燃機関１は、自動車等の駆動源として用いられる、直列四気筒内燃機関である。

内燃機関１には、吸気通路２と排気通路３とが接続されている。吸気通路２には、スロットルチャンバ４が設けられている。スロットルチャンバ４の下流側には、過給装置２６と、燃料タンク６から供給される燃料を吸気通路２内に向けて噴射する燃料噴射弁７とが設けられている。また、スロットルチャンバ４の上流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ８が設けられている。なお、過給装置２６は、例えばターボ過給機のコンプレッサとする。

排気通路３には、例えば三元触媒のように、排気浄化作用を有する排気触媒９が設けられている。排気触媒９の上流側には、内燃機関１から排出された排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１０が設けられている。空燃比センサ１０は、空燃比に応じたリニアな出力特性を有する。また、排気触媒９の下流側には、空燃比が理論空燃比よりリッチなのかリーンなのかのみを検出する酸素センサ１１が設けられている。

また、内燃機関１は、排気ガスの一部を吸気系に再循環させる排気再循環（ＥＧＲ）装置を備える。ＥＧＲ装置は、排気触媒９の上流側で排気通路３から分岐し、スロットルチャンバ４の下流側かつ過給装置２６の上流側で吸気通路２に合流するＥＧＲ通路１２を含む。そして、ＥＧＲ通路１２には、排気通路３側から順に、改質燃料用噴射弁１４、燃料蒸発器１５、燃料改質触媒１６、ＥＧＲクーラ１７、ＥＧＲ制御弁１３が設けられている。

ＥＧＲ制御弁１３の弁開度は、運転条件に応じた所定のＥＧＲ率が得られるように、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１８によって制御される。

改質燃料用噴射弁１４は、燃料タンク６から図示しない燃料ポンプを介して供給される燃料を改質用燃料としてＥＧＲ通路１２内に噴射する。噴射された改質用燃料は、
燃料蒸発器１５で気化され、ＥＧＲ通路１２内を流れる排気ガス（ＥＧＲガス）と共に燃料改質触媒１６に流入する。

燃料改質触媒１６は、ＥＧＲガスと改質用燃料とを用いて水素を生成可能なものである。つまり、燃料改質触媒１６は、ＥＧＲ実施中に、改質燃料用噴射弁１４から改質用燃料が噴射されると、ＥＧＲガスと改質用燃料とから水素を含んだ改質ガスを生成する。なお、燃料改質触媒１６の温度は、温度センサ１９により検出される。

ＥＧＲガス及び改質ガスは、燃料改質触媒１６よりも吸気通路２側に設けられたＥＧＲクーラ１７にて冷却される。改質ガスに含まれる水素の濃度は、吸気通路２に配置された水素センサ２０により検出される。なお、水素センサ２０は、吸気通路２のＥＧＲ通路１２との合流部よりも下流側、つまり内燃機関１側に配置されている。

なお、ＥＧＲ通路１２の改質燃料用噴射弁１４よりも排気通路３側には、ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温度センサ２１が設けられている。また、ＥＧＲ制御弁１３とＥＧＲクーラ１７との間には、理論空燃比に対してリッチなのかリーンなのかのみを検出する酸素センサ２２が設けられている。

ＥＣＵ１８には、エアフローメータ８、空燃比センサ１０、酸素センサ１１、２２、ＥＧＲガス温度センサ２１、及び水素センサ２０の検出信号の他、クランク角センサ２３、アクセルペダル開度センサ２４、車速センサ２５、筒内圧センサ５等、各種センサ類の検出信号が入力される。

ＥＣＵ１８は、これらの検出信号に基づいて種々の制御を行うものであり、運転状態に応じて排気再循環量（ＥＧＲ量）を制御するＥＧＲ制御や、アクセルペダル開度に応じたスロットルチャンバ４の開度、燃料噴射弁７からの燃料噴射量、及び改質燃料用噴射弁１４からの改質用燃料の噴射量等の制御を行う。

なお、ＥＣＵ１８は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＥＣＵ１８を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

ところで、ＥＧＲ通路１２内のガス流れは、排気通路３と吸気通路２との差圧により生じる。また、排気通路３内には排気脈動が生じる。このため、排気脈動によって排気通路３の圧力が吸気通路２よりも低圧になると、ＥＧＲ通路１２内には吸気通路２側から排気通路３側へ向かうガス流れが生じる。なお、以下の説明において、排気通路３側から吸気通路２側への向かうガス流れを「順流」といい、その反対方向のガス流れを「逆流」という。

ＥＧＲ通路１２内に逆流が生じている状態で改質燃料用噴射弁１４から改質用燃料を噴射すると、噴射された改質用燃料はＥＧＲ通路１２から排気通路３へ流入する。つまり、未燃焼の燃料が排気通路３へ流入する。これにより、排気触媒９に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比よりもリッチになり、排気エミッションの悪化を招くこととなる。また、改質用燃料が排気通路３へ流入してしまうと、改質ガスが内燃機関１へ供給されなくなり、燃費性能の低下を招くこととなる。

そこで、ＥＣＵ１８は、逆流によって改質用燃料が排気通路３へ流入することを防止し得る期間内で、運転状態に応じた量の改質用燃料を噴射する。

図２は、各気筒のバルブタイミングと、ＥＧＲ通路１２内のガス流速の変動とを示すタイミングチャートである。なお、このタイミングチャートにおいて、ガス流速は正の場合が順流、負の場合が逆流である。

図２に示すように、ＥＧＲ通路１２内のガス流れは、安定した順流、安定した順流よりも流速の早い順流、逆流、というサイクルを繰り返す。そして、ＥＧＲ通路１２内のガス流れの方向、強さを決定する因子である吸気通路２及び排気通路３の圧力変動は、吸気バルブ及び排気バルブのバルブタイミングと関係がある。そこで、改質用燃料噴射許可期間は、吸気バルブ及び排気バルブのバルブタイミングを基準として後述するように設定される。なお、改質用燃料噴射許可期間はクランク角を用いて設定されることとなるので、エンジン回転速度が変動する場合でも吸気バルブ及び排気バルブのバルブタイミングとの関係は変化せず、その結果、エンジン回転速度によらず改質用燃料の逆流は防止される。

ここで、改質用燃料の噴射を許可し得る基本噴射許可期間について、図２を参照して説明する。

クランク角度が９０度から２７０度までの期間では、第１気筒の排気バルブと第２気筒の吸気バルブとが開弁状態の期間は安定した順流であるが、この状態から第３気筒の排気バルブが開弁すると、ガス流速が高まって強い順流となる。その後、ガス流速は低下し、第１気筒の吸気バルブが開弁すると逆流に転じる。そして、第１気筒の吸気バルブが開弁してからの期間経過に伴って、ガス流動は逆流から順流に戻り、再び安定した順流となる。クランク角度２７０度以降も、ガス流動は上記の変動を繰り返す。

基本噴射許可期間は、その期間中に改質用燃料の噴射期間を設定すれば、噴射された改質用燃料が排気通路３へ逆流しない期間である。つまり、基本噴射許可期間は、ＥＧＲ通路１２内に逆流がない期間でなければならない。また、噴射された改質用燃料が内燃機関１に到達するまでの遅れ期間を考慮すると、逆流期間が終了したら速やかに改質用燃料を噴射し、逆流に切り替わる直前には噴射しないことが望ましい。

そこで、一の気筒の吸気バルブ閉タイミングから、前記一の気筒に対して位相が３６０度ずれている気筒の排気バルブ閉タイミングまでを基本噴射許可期間とする。例えば、第４気筒の吸気バルブの閉弁タイミング（クランク角度８０度）から第１気筒の吸気バルブの開弁タイミング（クランク角度１９０度）までである。その他の気筒についても同様の考え方を適用する。その結果、基本噴射許可期間は、クランク角度で８０度から１９０度、２６０度から３７０度、４４０度から５５０度、及び６２０度から−２０度の四つの期間となる。そして、各基本噴射許可期間における改質用燃料の噴射開始タイミングは、基本噴射許可期間中の早いタイミング、例えば噴射開始タイミングが基本噴射許可期間の始期に一致するように設定する。

次に、本実施形態による作用効果についてまとめる。

本実施形態によれば、ＥＣＵ１８は改質用燃料の噴射期間を、ＥＧＲ通路１２内のガス流れが順流となっている期間中に噴射が終了するように設定し、噴射期間に基づいて改質燃料用噴射弁１４を制御する。これにより、改質用燃料の排気通路３への逆流を防止し、排気エミッションの悪化や燃費性能の低下を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、ＥＣＵ１８は、基本噴射許可期間を排気バルブ及び吸気バルブの開閉タイミングに基づいて決定するので、基本噴射許可期間はクランク角度により規定されることとなる。その結果、エンジン回転速度によらずに改質用燃料の排気通路３への逆流を防止できる。

また、本実施形態によれば、ＥＣＵ１８は、一の気筒の吸気バルブ閉タイミングから、一の気筒に対して位相が３６０度ずれている気筒の排気バルブ閉タイミングまでを基本噴射許可期間とする。これにより、改質用燃料の噴射期間はＥＧＲ通路１２内のガス流れが順流となっている期間の中に設定されることとなる。

なお、ＥＧＲ通路１２内の圧力を検出し得る圧力センサを設けて、ＥＧＲ通路１２内が正圧となる期間を基本噴射許可期間としてもよい。これによっても、改質用燃料の噴射期間は、噴射された改質用燃料の排気通路３への逆流を防止し得るように設定されることとなる。

また、改質用燃料の噴射量が少ないほど燃料噴霧の運動量は小さくなり、噴射された後も改質燃料用噴射弁１４に滞留する可能性が生じる。改質用燃料が基本噴射許可期間内に噴射されたとしても、上記のような滞留が生じると、ＥＧＲ通路１２内の逆流によって改質用燃料が排気通路３へ逆流してしまうおそれがある。そこで、改質用燃料の噴射量が所定量より少ない場合には、上記四つの期間のすべてで改質用燃料を噴射するのではなく、噴射回数を減少させて、一回当たりの噴射量を増加させる。これにより、燃料噴霧の運動量が増大するので、滞留を防止することができる。例えば、本実施形態のように４サイクルの四気筒内燃機関であれば、クランクシャフトが２回転する間に４回噴射していたところを、クランクシャフトが２回転する間に１回の噴射に変更する。

（第２実施形態）
本実施形態は、内燃機関１のシステム構成は第１実施形態と同様であるが、改質用燃料の噴射期間を設定し得る期間が第１実施形態と異なる。以下の説明では、第１実施形態の「基本噴射許可期間」に対して、本実施形態の改質用燃料の噴射期間を設定し得る期間を「噴射許可期間」とする。

噴射された改質燃料は、燃料蒸発器１５や燃料改質触媒１６にしばらく滞留してから吸気通路２の方向に流れることがある。そして、滞留している間にＥＧＲ通路１２内のガス流れが逆流に切り替わると、改質用燃料が排気通路３へ流入する可能性がある。

また、改質燃料用噴射弁１４は一般的な内燃機関用の燃料噴射弁に比べて燃圧が低いので、必要噴射量が多くなると、基本噴射許可期間で必要噴射量を吹き切れなくなる可能性もある。

そこで、本実施形態では基本噴射許可期間の始期及び終期を所定量だけ進角させた噴射許可期間を決定し、噴射許可期間中に改質用燃料を噴射するよう改質用燃料の噴射期間を設定する。

所定量は、ＥＣＵ１８がＥＧＲ率及び改質用燃料の噴射量に基づいて決定する。具体的には、ＥＧＲ率に基づいて改質用燃料の必要噴射量を求め、この必要噴射量を噴射するために必要な噴射期間を求める。そして、求められた噴射期間に基づいて、上記の所定量を決定する。例えば、基本噴射許可期間の始期及び終期を噴射期間分だけ進角させたものを噴射許可期間（図２のガス流速のチャートでハッチングを施した範囲）とする。

これにより、改質用燃料を噴射してからＥＧＲ通路１２内のガス流れが逆流に切り替わるまでの期間が長くなるので、改質用燃料が滞留する期間がある場合でも、改質用燃料が排気通路３へ流入することを抑制できる。

なお、噴射期間分だけ進角させることによって、図２に示すように噴射許可期間の一部がＥＧＲ通路１２内に逆流が生じている期間に入ることもある。しかし、順流に切り替わるまでの期間が短ければ、改質燃料が排気通路３へ流入する前に順流によって吸気通路２の方向に押し戻されるので問題はない。

進角し得るクランク角度（進角限界ともいう）については、本実施形態を適用する内燃機関システム毎にシミュレーション等により求める。

また、基本噴射許可期間を改質用燃料の噴射期間だけ進角させると改質用燃料が排気通路３へ流入してしまう程度に噴射期間が長い場合には、進角限界まで進角させ、必要噴射量から求まる噴射期間に基づいて噴射期間の終期を設定する。

以上のように本実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果の他に、次の作用効果も得られる。

本実施形態では、ＥＣＵ１８は基本噴射許可期間の始期及び終期を所定量だけ進角させた期間を噴射許可期間とし、改質用燃料の噴射期間を噴射許可期間中に噴射が終了するように設定する。所定量は、例えば、改質用燃料の噴射期間に相当するクランク角度とする。これにより、改質用燃料が燃料改質触媒１６等に滞留する期間がある場合でも、改質用燃料が排気通路３へ流入することを抑制できる。

また、ＥＣＵ１８は進角させる所定量をＥＧＲ率（排気再循環率）と改質燃料の必要噴射量とに基づいて算出する。例えば、改質用燃料の噴射期間分だけ進角させると改質用燃料が排気通路３へ流入してしまう程度に噴射期間が長い場合には、進角限界まで進角させ、必要噴射量から求まる噴射期間に基づいて噴射期間の終期を設定する。これにより、改質用燃料が排気通路３へ流入することを抑制できる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ スロットルチャンバ
８ エアフローメータ
９ 排気触媒
１０ 空燃比センサ
１１ 酸素センサ
１２ ＥＧＲ通路
１３ ＥＧＲ制御弁
１４ 改質燃料用噴射弁
１５ 燃料蒸発器
１６ 燃料改質触媒
１７ ＥＧＲクーラ
１８ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
２２ 酸素センサ

Claims (7)

1. 内燃機関の排気ガスの一部を吸気経路に再循環させる排気再循環経路に配置され、前記排気ガスの一部と改質用燃料とから水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質触媒と、
   前記燃料改質触媒に流入する前記排気ガスに向けて改質用燃料を噴射する改質燃料用噴射弁と、
   前記改質燃料用噴射弁の開閉動作を制御する改質燃料用噴射弁制御手段と、
   を含んで構成される燃料改質装置において、
   前記改質燃料用噴射弁制御手段は、前記改質用燃料の噴射期間を、前記排気再循環経路内に排気経路側から前記吸気経路側への順方向のガス流れが生じている期間中に前記改質用燃料の噴射が終了するように設定し、前記噴射期間に基づいて前記改質燃料用噴射弁を制御することを特徴とする燃料改質装置。
2. 請求項１に記載の燃料改質装置において、
   前記改質燃料用噴射弁制御手段は、前記噴射期間を設定し得る基本噴射許可期間を、排気バルブ及び吸気バルブの開閉タイミングに基づいて決定することを特徴とする燃料改質装置。
3. 請求項２に記載の燃料改質装置において、
   前記改質燃料用噴射弁制御手段は、一の気筒の吸気バルブ閉タイミングから、前記一の気筒に対して位相が３６０度ずれている気筒の排気バルブ閉タイミングまでを前記基本噴射許可期間とすることを特徴とする燃料改質装置。
4. 請求項１に記載の燃料改質装置において、
   前記排気再循環経路の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、
   前記改質燃料用噴射弁制御手段は、前記圧力検出手段の検出値が正圧である期間を、前記噴射期間を設定し得る基本噴射許可期間とすることを特徴とする燃料改質装置。
5. 請求項３または４に記載の燃料改質装置において、
   前記改質燃料用噴射弁制御手段は、前記基本噴射許可期間の始期及び終期を所定量だけ進角させた期間を噴射許可期間とし、前記改質用燃料の噴射期間を、前記噴射許可期間中に前記改質用燃料の噴射が終了するように設定することを特徴とする燃料改質装置。
6. 請求項５に記載の燃料改質装置において、
   前記所定量は、前記噴射期間に相当するクランク角度であることを特徴とする燃料改質装置。
7. 請求項５または６に記載の燃料改質装置において、
   前記改質燃料噴射弁制御手段は、前記所定量を排気再循環率と改質燃料噴射量とに基づいて算出することを特徴とする燃料改質装置。

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