JP3985755B2

JP3985755B2 - 内燃機関およびその制御方法

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Publication number: JP3985755B2
Application number: JP2003313193A
Authority: JP
Inventors: 和弘若尾; 計宏桜井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: US20050051113A1; JP2005083209A; US7028655B2

Description

本発明は、改質装置によって生成された改質燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関およびその制御方法に関する。

従来から、燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分（例えば、ＣＯおよびＨ_２）を含む改質燃料を生成する改質装置を備え、この改質装置により生成された改質燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、この種の内燃機関としては、スロットルバルブを含む吸気路と、スロットルバルブの上流側で吸気路から分岐された改質空気供給路とを有するものが知られており（例えば、特許文献２参照。）、この場合、改質装置には、改質空気供給路を介して空気が供給される。

特開２００１−２４１３６５号公報特開平９−２１３６２号公報

ここで、改質装置における燃料改質を開始させるに際して、従来の内燃機関では、例えば改質装置の触媒温度が所定値以上となった場合に改質装置に対する空気の供給が開始されていた（例えば、特許文献２参照。）。このため、従来、燃料改質の開始時に改質装置に十分な量の空気が供給されず、内燃機関を良好に作動させ得なくなってしまうおそれもあった。

そこで、本発明は、改質装置における燃料改質を開始させるに際して、改質装置に十分かつ確実に空気を供給可能とする内燃機関およびその制御方法の提供を目的とする。

本発明による内燃機関は、燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質燃料を生成する改質装置を備え、改質燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関において、改質装置に空気を供給するための改質空気供給路と、改質空気供給路に設けられた開閉弁と、開閉弁の下流側の所定箇所における圧力が開閉弁の上流側の所定箇所における圧力を下回った際に、開閉弁を開放させる制御手段とを備えることを特徴とする。

この内燃機関は、改質装置に空気を供給するための改質空気供給路に設けられた開閉弁を有しており、この開閉弁は、その下流側の所定箇所における圧力が当該開閉弁の上流側の所定箇所における圧力を下回った際に制御手段によって開放させられる。すなわち、この内燃機関では、改質空気供給路の開閉弁を閉鎖させた状態で当該開閉弁の下流側の所定箇所における圧力を十分に低下させてから、若しくは、当該開閉弁の上流側の所定箇所における圧力を十分に上昇させてから開閉弁が開放され、これにより、改質装置に対する空気供給量が十分に確保される。従って、本発明によれば、改質装置に空気を供給して燃料改質を開始させた直後から、燃料改質を安定かつ良好に実行させて所望量の改質燃料を得ることが可能となり、改質装置によって生成された改質燃料を用いて内燃機関を良好に始動させることができる。

この場合、制御手段は、改質装置における燃料改質の開始に先立って開閉弁を閉鎖させておき、クランキングを実行させた後、開閉弁の下流側の所定箇所における圧力が所定値を下回った際に、開閉弁を開放させると好ましい。

また、本発明による内燃機関は、改質空気供給路に設けられて改質装置に供給される空気の量を調整する流量調整弁を更に備え、制御手段は、開閉弁の開放に先立って、流量調整弁の開度設定を開始させると好ましい。

このように、開閉弁の開放に先立って、流量調整弁の開度設定を開始させておくことにより、開閉弁が開放され、改質装置に空気が供給されるようになって燃料改質が開始された時点から直ちに、改質装置への空気供給量を精度よく設定することが可能となる。これにより、燃料改質を安定かつ良好に実行させて所望量の改質燃料を得ることができる。

本発明による内燃機関の制御方法は、燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質燃料を生成する改質装置と、改質装置に空気を供給するための改質空気供給路と、改質空気供給路に設けられた開閉弁とを備え、改質燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御方法であって、開閉弁の下流側の所定箇所における圧力が開閉弁の上流側の所定箇所における圧力を下回った際に、開閉弁を開放させることを特徴とする。

本発明によれば、改質装置における燃料改質を開始させるに際して、改質装置に十分かつ確実に空気を供給可能とする内燃機関およびその制御方法の実現が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明による内燃機関の第１実施形態を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、例えば車両の走行用駆動源として用いられると好適なものである。内燃機関１は、エンジンブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料成分を含む混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。なお、図１には、１気筒のみが示されるが、本実施形態の内燃機関１は、多気筒エンジンとして構成されている。

各燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールド５を構成する吸気管５ａにそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールド６を構成する排気管６ａにそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構７によって開閉させられる。更に、内燃機関１のシリンダヘッドには、点火プラグ８が燃焼室３ごとに配設されている。また、排気マニホールド６には、各燃焼室３からの排気ガスの空燃比を検出する排気空燃比センサ（Ｏ_２センサ）ＳＡＦが設置されている。そして、排気マニホールド６は、前段触媒装置９ａおよび後段触媒装置９ｂに接続されている。

図１に示されるように、吸気マニホールド５を構成する各吸気管５ａは、サージタンク１０に接続されており、サージタンク１０には、給気管Ｌ１が接続されている。これらの吸気マニホールド５（各吸気管５ａ）、サージタンク１０および給気管Ｌ１は、内燃機関１の吸気路を構成する。給気管Ｌ１は、エアクリーナ１１を介して図示されない空気取入口に接続されており、給気管Ｌ１の中途（サージタンク１０とエアクリーナ１１との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子スロットルバルブ）１２が組み込まれている。また、サージタンク１０には、圧力センサＳＰが設けられており、圧力センサＳＰは、サージタンク１０の内部圧力を検出する。この場合、サージタンク１０の内部圧力は、各燃焼室３の吸気ポート付近の圧力や、改質装置２０の内部圧力（後述の開閉弁１５の下流側における圧力）と概ね同一となる。なお、圧力センサＳＰの配置箇所は、サージタンク１０以外であってもよく、スロットルバルブ１２の下流側において任意に定めることができる。

更に、給気管Ｌ１には、エアクリーナ１１とスロットルバルブ１２との間に位置するように第１エアフローメータＡＦＭ１が設置されている。そして、給気管Ｌ１からは、スロットルバルブ１２と第１エアフローメータＡＦＭ１との間（スロットルバルブ１２の上流側）に定められた分岐部ＢＰにおいてバイパス管（改質空気供給路）Ｌ２が分岐されている。バイパス管Ｌ２は、中途に、エアポンプＡＰ、第２エアフローメータＡＦＭ２、流量調整弁１４および開閉弁１５を分岐部ＢＰ側からこの順番で含み、その先端（分岐部ＢＰ側の端部と反対側の端部）は、改質装置２０に接続されている。なお、エアポンプＡＰ、第２エアフローメータＡＦＭ２、流量調整弁１４および開閉弁１５の配置順序は、この順序に限られるものではなく、エアポンプＡＰが流量調整弁１４および開閉弁１５の上流側に配置されていれば、それ以外の順序は任意に定めることが可能である。

改質装置２０は、両端が閉鎖された概ね筒状の本体２１を有し、本体２１の内部には、上述のバイパス管Ｌ２が接続される空燃混合部２２と、空燃混合部２２に隣接する改質反応部２３とが画成されている。空燃混合部２２には、バイパス管Ｌ２に加えて、燃料噴射弁１６が接続されている。燃料噴射弁１６は、燃料ポンプ１７を介して燃料タンク１８に接続されており、ガソリン等の炭化水素系燃料を空燃混合部２２内に噴射可能なものである。また、改質反応部２３には、例えばジルコニアにロジウムを担持させた改質触媒が配置されると共に、改質触媒を予熱するためのプレヒータ２４が配置されている。

更に、本体２１の内部には、改質反応部２３の下流側に改質燃料分配室２５が画成されている。改質燃料分配室２５には、内燃機関１の燃焼室３の数に応じた数の改質燃料供給管２６が接続されている。各改質燃料供給管２６の先端には、燃料供給ノズル２７が装着されており、各燃料供給ノズル２７は、対応する燃焼室３の吸気ポート近傍に配置されている。また、内燃機関１は、各改質燃料供給管２６内の改質燃料を冷却するための熱交換器２８を有している。熱交換器２８の冷却媒体としては、例えばエンジン冷却水が用いられる。更に、改質装置２０の改質燃料分配室２５には、温度センサＳＴが備えられている。本実施形態において、温度センサＳＴは、改質反応部２３の下流側に位置するように本体２１に取り付けられており、改質反応部２３から流出する改質燃料の温度を検出する。なお、改質燃料供給管２６を燃焼室３ごとに設ける代わりに、改質燃料分配室２５に１本の改質燃料供給管を接続し、この改質燃料供給管を例えば熱交換器２８の下流側かつ吸気マニホールド５の内部で各燃焼室３に向けて分岐させてもよい。

加えて、内燃機関１は、各吸気管５ａ（各吸気ポート）に装備された燃料噴射弁１６ｘを有しており、改質装置２０を作動させた状態、または、改質装置２０に対する空気および燃料の供給を停止させた状態で、各燃料噴射弁１６ｘから上記燃料ポンプ１７により圧送される燃料を各吸気管５ａ（吸気ポート）内に噴射させて動力を得ることも可能である。なお、燃料噴射弁１６ｘは、対応する燃焼室３内に燃料を直接噴射するものであってもよい。

図２は、上述の内燃機関１の制御ブロック図である。同図に示されるように、内燃機関１は、制御手段として機能する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）３０を有している。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、各種情報やマップ等が記憶されるメモリを含む。そして、このＥＣＵ３０（入出力ポート）には、上述の動弁機構７、点火プラグ（イグナイタ）８、スロットルバルブ１２、流量調整弁１４、開閉弁１５、燃料噴射弁１６，１６ｘ、プレヒータ２４、エアポンプＡＰ、更には、スタータ１９等が適宜制御回路等を介して接続されている。

また、ＥＣＵ３０の入出力ポートには、各種センサ類、すなわち、上述のエアフローメータＡＦＭ１およびＡＦＭ２、圧力センサＳＰ、排気空燃比センサＳＡＦ、温度センサＳＴ等が接続されている。第１エアフローメータＡＦＭ１は、空気取入口から給気管Ｌ１に取り入れられた空気の総流量（全燃焼室３に供給される空気の総量）を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ３０に与える。また、第２エアフローメータＡＦＭ２は、バイパス管Ｌ２を流通する空気の流量を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ３０に与える。圧力センサＳＰ、排気空燃比センサＳＡＦ、温度センサＳＴも、それぞれ検出値を示す信号をＥＣＵ３０に与える。

更に、ＥＣＵ３０の入出力ポートには、ドアスイッチ３１、イグニッションスイッチ３２、アクセル位置センサ３３およびクランク角センサ３４等が接続されている。ドアスイッチ３１は、内燃機関１の適用対象である車両のドアの開閉を検出するものである。アクセル位置センサ３３は、図示されないアクセルペダルの踏み込み量を示す信号をＥＣＵ３０に与え、クランク角センサ３４は、内燃機関１のクランク角を示す信号をＥＣＵ３０に与える。そして、ＥＣＵ３０は、エアフローメータＡＦＭ１，ＡＦＭ２、アクセル位置センサ３３、クランク角センサ３４等からの信号等に基づいて、スロットルバルブ１２や流量調整弁１４の開度、燃料噴射弁１６または１６ｘによる燃料噴射量、点火プラグ８による点火タイミング、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅの開閉タイミング等を制御する。

上述の内燃機関１を作動させるに際しては、改質装置２０の空燃混合部２２に、ＥＣＵ３０によって制御されるエアポンプＡＰや流量調整弁１４等を含むバイパス管Ｌ２を介して空気が導入されると共に、ＥＣＵ３０によって制御される燃料噴射弁１６からガソリン等の燃料が噴射される。ガソリン等の燃料は、空燃混合部２２にて気化すると共にバイパス管Ｌ２からの空気と混ざり合い、改質反応部２３へと流れ込む。改質反応部２３では、改質触媒により炭化水素系燃料と空気とが反応させられ、次の（１）式にて表わされる部分酸化反応が進行する。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋（ｍ／２）Ｏ_２ → ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ_２ …（１）
そして、上記（１）式の反応が進行することにより、燃料成分であるＣＯおよびＨ_２を含む改質燃料（改質ガス）が生成され、得られた改質燃料は、改質装置２０から改質燃料供給管２６および燃料供給ノズル２７を介して各燃焼室３の吸気ポートに供給される。また、各燃焼室３の吸気ポートには、ＥＣＵ３０によって開度調整される給気管Ｌ１のスロットルバルブ１２を介して空気が導入される。従って、改質装置２０から各吸気ポートに導入された改質燃料は、更に空気と混ざり合った後、各燃焼室３内に吸入される。そして、所定のタイミングで各点火プラグ８が点火されると、燃焼室３内で燃料成分であるＣＯおよびＨ_２が燃焼してピストン４を往復移動させ、これにより、内燃機関１から動力を得ることができる。

ところで、上述のような改質装置２０を備えた内燃機関１の始動時には、一般に、燃焼室３に吸い込まれる空気の量自体が少なくなるので、何ら対策を施さなければ、上述の内燃機関１を作動させるべく改質装置２０における燃料改質を開始させようとしても、スロットルバルブ１２の上流側で給気管Ｌ１から分岐されたバイパス管Ｌ２を介して改質装置２０に十分な空気を供給できなくなってしまうおそれもある。また、改質装置２０における燃料改質を開始させるに際しては、改質装置２０の内部の圧力が低下した（負圧になった）段階で、改質装置２０に対する空気の供給を開始するのが本来好ましい。更に、上述のようにエアポンプＡＰを備えた内燃機関１において、エアポンプＡＰを常時作動させたのでは、却ってエアポンプＡＰを駆動するためのエネルギが無駄になってしまう。

これらの点に鑑みて、本実施形態では、制御手段としてのＥＣＵ３０により、図３および図４に示される手順に従って、内燃機関１（および改質装置２０）が始動される。

内燃機関１を始動させるに際して、ＥＣＵ３０は、まず、ドアスイッチ３１からの信号に基づいて車両のドアが開放されたと判断すると、改質装置２０のプレヒータ２４を作動させる（Ｓ１０）。これにより、改質装置２０の改質反応部２３における触媒温度（触媒床温）は徐々に上昇していく。なお、ＥＣＵ３０は、プレヒータ２４の作動開始後、温度センサＳＴからの信号に基づいて触媒温度を取得し、改質反応部２３における触媒温度が所定温度Ｔｒに達した段階でプレヒータ２４を停止させる（図４参照）。ＥＣＵ３０は、Ｓ１０にてプレヒータ２４を作動させた後、イグニッションスイッチ３２がオンされたか否か判定し（Ｓ１２）、イグニッションスイッチ３２がオンされたと判断すると、それまで僅かに開放された状態に維持されていた給気管Ｌ１のスロットルバルブ１２の開度を最小に設定する（Ｓ１４）。

ここで、本実施形態の内燃機関１では、給気管（吸気路）Ｌ１にスロットルバルブ１２の弁体が固着してしまうこと（噛み込んでしまうこと）を防止するために、上述のように、機関停止時であってもスロットバルブ１２は一定の開度（僅かに開放された状態）に維持されている。このため、内燃機関１を始動させるべくバイパス管Ｌ２を介した改質装置２０に対する空気の供給を開始しても、給気管（吸気路）Ｌ１等の内部に、僅かに開放されているスロットルバルブ１２を介した燃焼室３への空気の流れが形成されてしまったのでは、改質装置２０に対する空気供給量を十分に確保できなくなってしまう。このような点に鑑みて、本実施形態の内燃機関１では、改質装置２０に対する空気供給、すなわち、改質装置２０における燃料改質が開始されるのに先立って、Ｓ１４にてスロットルバルブ１２の開度が最小に設定される。

更に、ＥＣＵ３０は、バイパス管Ｌ２の開閉弁１５を閉鎖状態に維持する（仮に開放されている場合は、開閉弁１５を閉鎖させる）と共に、バイパス管Ｌ２の流量調整弁１４を所定の開度まで開放させる（Ｓ１６）。すなわち、Ｓ１６では、開閉弁１５が閉鎖されて改質装置２０への空気の流入が断たれている状態で、流量調整弁１４の開度が、改質装置２０における燃料改質の開始時に要求される値に予め設定される。

このように、開閉弁１５が閉鎖されているうちに（開閉弁１５の開放に先立って）、流量調整弁１４の開度設定を開始させておくことにより、開閉弁１５が開放され、改質装置２０に空気が供給されるようになって燃料改質が開始された時点から直ちに、改質装置２０への空気供給量を精度よく設定することが可能となる。これにより、燃料改質を安定かつ良好に実行させて所望量の改質燃料を得ることができる。なお、Ｓ１６における流量調整弁１４の開度設定は、例えばアイドル時における目標トルクまたは目標回転数と改質装置２０に供給すべき空気の量（改質空気供給量）との関係を規定するように予め作成されたマップに従って実行される。

Ｓ１６の処理の後、ＥＣＵ３０は、スタータ１９を所定時間作動させる内燃機関１のクランキングを開始させ（Ｓ１８）、これとほぼ同時に、バイパス管Ｌ２のエアポンプＡＰを起動させる（Ｓ２０）。その後、ＥＣＵ３０は、サージタンク１０に設けられている圧力センサＳＰからの信号に基づいて、開閉弁１５の下流側における圧力（改質装置２０の内部圧力）を取得し、取得した圧力と所定の閾値とを比較する（Ｓ２２）。そして、ＥＣＵ３０は、Ｓ２２にて、圧力センサＳＰからの信号に基づいて取得した圧力が当該閾値を下回ったと判断すると、バイパス管Ｌ２の開閉弁１５を開放させ、改質装置２０に対する空気の供給を開始させる（Ｓ２４）。更に、ＥＣＵ３０は、Ｓ２４の処理とほぼ同時に、バイパス管Ｌ２を介して改質装置２０に供給される空気の量（改質空気供給量）に応じた量の燃料を燃料噴射弁１６から空燃混合部２２内に噴射させ、それにより、改質装置２０における燃料改質を開始させる（Ｓ２６）。

ここで、本実施形態では、上述のように、Ｓ１４にてスロットルバルブ１２の開度が最小に設定された後、クランキングの開始（Ｓ１８）と概ね同時にエアポンプＡＰが起動されている（Ｓ２０）。従って、内燃機関１のクランキングにより各燃焼室３内に負圧が形成され、かつ、エアポンプＡＰの起動により、開閉弁１５の上流側における圧力が高まっている。従って、Ｓ２２にて圧力センサＳＰからの信号に基づいて取得した圧力が当該閾値を下回ったと判断された際には、開閉弁１５の下流側の所定箇所における圧力（改質装置２０の内部圧力）が開閉弁１５の上流側の所定箇所における圧力（例えばエアポンプＡＰの出口圧力）を下回っていることになる。

すなわち、内燃機関１では、バイパス管Ｌ２の開閉弁１５を閉鎖させた状態で当該開閉弁１５の下流側圧力（改質装置２０の内部圧力）を十分に低下させ、開閉弁１５の下流側の所定箇所における圧力が開閉弁１５の上流側の所定箇所における圧力を下回った段階で、開閉弁１５が開放させられることになる。更に、内燃機関１では、Ｓ１４にてスロットルバルブ１２の開度が最小に設定されており、スロットルバルブ１２を介した燃焼室３への空気の流れがほぼ完全に断たれた状態で、改質装置２０に対する空気の供給が開始され（Ｓ２４）、改質装置２０における燃料改質が開始される（Ｓ２６）。

従って、内燃機関１では、改質装置２０における燃料改質を開始させた直後から、改質装置２０に対する空気供給量が十分に確保され、燃料改質を安定かつ良好に実行させて所望量の改質燃料を得ることが可能となる。この結果、改質装置２０によって生成された改質燃料を用いて内燃機関１を応答性よく良好に始動させることができる。また、内燃機関１では、Ｓ１０でプレヒータによる触媒の予熱が開始されてから、Ｓ２４にて開閉弁１５が開放されるまで、改質反応部２３への空気の流入が断たれているので、流入空気によって改質触媒が冷却されてしまうことが確実に防止される。

Ｓ２６にて改質装置２０における燃料改質を開始させると、ＥＣＵ３０は、バイパス管Ｌ２の第２エアフローメータＡＦＭ２からの信号に基づいて、バイパス管Ｌ２を流通する空気の流量、すなわち、改質装置２０に供給される空気の量（改質空気供給量）を取得し、取得した改質空気供給量と所定の閾値ＲＧＡｒ（例えば、燃焼室３（改質装置２０の内部）に十分な負圧が形成されていない状態でエアポンプＡＰが供給可能な空気量よりも大きな値）とを比較する（Ｓ２８）。そして、ＥＣＵ３０は、Ｓ２８にて、改質空気供給量が閾値ＲＧＡｒを上回ったと判断すると、スロットルバルブ１２の開度が最小となる全閉状態を解除する（Ｓ３０）。

すなわち、改質装置２０に流入する空気の量（改質空気供給量）が上記閾値ＲＧＡｒを上回っていれば、改質装置２０における改質反応も十分に安定しており、図４からわかるように、内燃機関１の各燃焼室３に吸入される空気の量も多くなっている。従って、それ以後、給気管Ｌ１のスロットルバルブ１２の全閉状態を解除して、内燃機関１に要求される空気量や空燃比が得られるようにスロットルバルブ１２の開度調整を開始しても、改質装置２０への空気供給量は十分に確保される。

また、Ｓ２８にて改質空気供給量が閾値ＲＧＡｒを上回ったと判断された段階では、改質装置２０から十分な改質燃料が各燃焼室３に供給され、各燃焼室３に吸入される空気の量も十分に多くなっているので、内燃機関１の始動が完了していると認められる。このため、ＥＣＵ３０は、スロットルバルブ１２の全閉状態を解除すると（Ｓ３０）、Ｓ２８にて改質空気供給量が閾値ＲＧＡｒを上回ったと判断されてから（内燃機関１の始動が完了したと判断されてから）、所定時間が経過したか否か判定する（Ｓ３２）。そして、ＥＣＵ３０は、Ｓ３２にて内燃機関１の始動完了から所定時間が経過したと判断すると、図４に示されるように、回転速度を徐々に低下させながらエアポンプＡＰを停止させる（Ｓ３４）。

ここで、内燃機関１では、改質装置２０における燃料改質を開始させる際に、ＥＣＵ３０によってエアポンプＡＰが起動され、これにより、改質装置２０に対して十分な量の空気を確実に供給される。これに対して、例えば改質空気供給量が上記閾値ＲＧＡｒを上回って内燃機関１の始動が完了したと認められる段階では、各燃焼室３内に十分な負圧が形成されることから、エアポンプＡＰによって改質装置２０に空気を圧送しなくても、各燃焼室３内の負圧により改質装置２０に空気が十分に取り入れられる。

従って、Ｓ２８にて改質空気供給量のようなパラメータに基づいて機関始動が完了したと判断された後であれば、エアポンプＡＰを停止させても、改質装置２０への空気供給量は十分に確保される。これにより、内燃機関１では、エアポンプＡＰを必要以上に駆動することによるエネルギの無駄を確実に抑制すると共に、エアポンプＡＰの劣化を抑制することが可能となる。Ｓ３４にてエアポンプＡＰを完全に停止させると、ＥＣＵ３０は、図３おける一連の処理（改質装置の起動処理）を終了させ、内燃機関１（改質装置２０）のアイドル時やアイドルオフ時等における制御を開始する。

なお、開閉弁１５の開放の可否を決定するためのＳ２２における判定処理は、次のようにして実行されてもよい。すなわち、上述のＳ２２では、開閉弁１５の上流側の所定箇所における圧力（エアポンプＡＰと開閉弁１５との間のバイパス管Ｌ２内の圧力）を検出して所定の閾値と比較し、当該圧力が当該閾値を上回った時点で開閉弁１５を開放してもよい。また、Ｓ２２では、クランキングの開始後に所定時間が経過した否かを判定し、クランキングの開始後に所定時間が経過した時点で開閉弁１５を開放してもよい。更に、Ｓ２２では、クランクシャフトが所定回転数（例えば３回転程度）だけ回転したか否かを判定し、クランクシャフトが所定回転数だけ回転した時点で開閉弁１５を開放してもよい。また、Ｓ２２では、エアポンプＡＰの起動後に所定時間が経過したか否かを判定し、エアポンプＡＰの起動後に所定時間が経過した時点で開閉弁１５を開放してもよい。

そして、スロットルバルブ１２の全閉解除の可否を決定すると共に、機関始動の完了を判断するためのＳ２８における判定処理は、次のようにして実行されてもよい。すなわち、上述のＳ２８では、第１エアフローメータＡＦＭ１の検出値（全燃焼室３に供給される空気の総量）と所定の閾値ＥＧＡｒとを比較し、第１エアフローメータＡＦＭ１の検出値が当該閾値ＥＧＡｒを上回った時点でスロットルバルブ１２の全閉状態を解除し、かつ、機関始動が完了したと判断してもよい。また、Ｓ２８では、クランク角センサ３４の検出値から取得される機関回転数と所定の閾値ＮＥｒとを比較し、機関回転数が当該閾値ＮＥｒを超えた時点でスロットルバルブ１２の全閉状態を解除し、かつ、機関始動が完了したと判断してもよい。

更に、本実施形態では、エアポンプＡＰの停止に伴う空気供給量の変動によって内燃機関１の運転状態が不安定になることを防止するために、Ｓ２８にて内燃機関１の始動が完了したと判断されてから、所定時間が経過した時点で、エアポンプＡＰを徐々に停止させるようにしているが、これに限られるものではない。すなわち、エアポンプＡＰは、Ｓ２８にて内燃機関１の始動が完了したと判断されてから、所定時間が経過した時点で、完全に停止されてもよい。また、エアポンプＡＰは、Ｓ２８にて内燃機関１の始動が完了したと判断された時点で完全に停止されてもよく、その時点から回転速度を徐々に低下させながら停止されてもよい。

〔第２実施形態〕
以下、図５および図６を参照しながら、本発明の第２実施形態について説明する。なお、上述の第１実施形態に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。

図５の第２実施形態に係る内燃機関１Ａは、図１に示される内燃機関１のバイパス管Ｌ２からエアポンプＡＰを省略したものに相当し、ＥＣＵ３０によって、図６に示される手順に従って始動される。この場合も、ＥＣＵ３０は、まず、改質装置２０のプレヒータ２４を作動させ（Ｓ１１０）、更に、イグニッションスイッチ３２がオンされたか否か判定する（Ｓ１１２）。ＥＣＵ３０は、Ｓ１１２にてイグニッションスイッチ３２がオンされたと判断すると、それまで僅かに開放された状態に維持されていた給気管Ｌ１のスロットルバルブ１２の開度を最小に設定する（Ｓ１１４）。これにより、給気管（吸気路）Ｌ１等の内部において、スロットルバルブ１２を介した燃焼室３への空気の流れがほぼ完全に断たれる。更に、ＥＣＵ３０は、バイパス管Ｌ２の開閉弁１５を閉鎖状態に維持すると共に、バイパス管Ｌ２の流量調整弁１４の開度を燃料改質の開始時に要求される値に予め設定する（Ｓ１１６）。

Ｓ１１６の処理の後、ＥＣＵ３０は、スタータ１９を作動させて内燃機関１Ａのクランキングを開始させる（Ｓ１１８）。その後、ＥＣＵ３０は、サージタンク１０に設けられている圧力センサＳＰからの信号に基づいて、開閉弁１５の下流側における圧力（改質装置２０の内部圧力）を取得し、取得した圧力と所定の閾値とを比較する（Ｓ１２０）。そして、ＥＣＵ３０は、Ｓ１２０にて、圧力センサＳＰからの信号に基づいて取得した圧力が当該閾値を下回ったと判断すると、バイパス管Ｌ２の開閉弁１５を開放させ、改質装置２０に対する空気の供給を開始させる（Ｓ１２２）。更に、ＥＣＵ３０は、Ｓ１２２の処理とほぼ同時に、バイパス管Ｌ２を介して改質装置２０に供給される空気の量（改質空気供給量）に応じた量の燃料を燃料噴射弁１６から空燃混合部２２内に噴射させ、それにより、改質装置２０における燃料改質を開始させる（Ｓ１２４）。

ここで、本実施形態では、上述のように、Ｓ１１４にてスロットルバルブ１２の開度が最小に設定された後、クランキングが開始されている（Ｓ１１８）。従って、内燃機関１Ａのクランキングにより各燃焼室３内に負圧が形成され、Ｓ１２０にて、圧力センサＳＰからの信号に基づいて取得した圧力が当該閾値を下回ったと判断された際には、開閉弁１５の下流側の所定箇所における圧力（改質装置２０の内部圧力）が開閉弁１５の上流側の所定箇所における圧力（例えば流量調整弁１４の出口圧力）を下回っていることになる。

すなわち、内燃機関１Ａでは、バイパス管Ｌ２の開閉弁１５を閉鎖させた状態で当該開閉弁１５の下流側圧力（改質装置２０の内部圧力）を十分に低下させ、開閉弁１５の下流側の所定箇所における圧力が開閉弁１５の上流側の所定箇所における圧力を下回った段階で、開閉弁１５が開放させられることになる。更に、内燃機関１Ａでは、Ｓ１１４にてスロットルバルブ１２の開度が最小に設定されており、スロットルバルブ１２を介した燃焼室３への空気の流れがほぼ完全に断たれた状態で、改質装置２０に対する空気の供給が開始され（Ｓ１２２）、改質装置２０における燃料改質が開始される（Ｓ１２４）。

従って、エアポンプＡＰを備えていない内燃機関１Ａにおいても、改質装置２０における燃料改質を開始させた直後から、改質装置２０に対する空気供給量は十分に確保され、燃料改質を安定かつ良好に実行させて所望量の改質燃料を得ることが可能となる。この結果、改質装置２０によって生成された改質燃料を用いて内燃機関１Ａを応答性よく良好に始動させることができる。また、内燃機関１Ａにおいても、Ｓ１１０でプレヒータによる触媒の予熱が開始されてから、Ｓ１２２にて開閉弁１５が開放されるまで、改質反応部２３への空気の流入が断たれているので、流入空気によって改質触媒が冷却されてしまうことが確実に防止される。

Ｓ１２４にて改質装置２０における燃料改質を開始させると、ＥＣＵ３０は、バイパス管Ｌ２の第２エアフローメータＡＦＭ２からの信号に基づいて、バイパス管Ｌ２を流通する空気の流量（改質空気供給量）を取得し、取得した改質空気供給量と所定の閾値とを比較する（Ｓ１２６）。そして、ＥＣＵ３０は、Ｓ１２６にて、改質空気供給量が当該閾値を上回ったと判断すると、スロットルバルブ１２の開度が最小となる全閉状態を解除する（Ｓ１２８）。

この場合も、改質装置２０に流入する空気の量（改質空気供給量）が上記閾値を上回っていれば、改質装置２０における改質反応も十分に安定しており、内燃機関１Ａの各燃焼室３に吸入される空気の量も多くなっている。従って、それ以後、給気管Ｌ１のスロットルバルブ１２の全閉状態を解除して、内燃機関１Ａに要求される空気量や空燃比が得られるようにスロットルバルブ１２の開度調整を開始しても、改質装置２０への空気供給量は十分に確保される。そして、Ｓ１２８にてスロットルバルブ１２の全閉状態を解除すると、ＥＣＵ３０は、図６おける一連の処理（改質装置の起動処理）を終了させ、内燃機関１Ａ（改質装置２０）のアイドル時やアイドルオフ時等における制御を開始する。

〔第３実施形態〕
以下、図７を参照しながら、本発明の第３実施形態について説明する。なお、上述の第１実施形態等に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。

本発明の第３実施形態は、上述の第２実施形態に係る内燃機関１Ａと電動機とを組み合わせたハイブリッド動力装置に関する。この場合、内燃機関１Ａのクランクシャフトは、ダンパや遊星歯車機構等を介して例えば２体のモータ・ジェネレータ（電動機および発電機の双方として作動可能な交流同期電動機）と結合される。また、２体のモータ・ジェネレータのうち、一方が主に走行用駆動源として用いられ、他方は内燃機関１Ａにより駆動されて主に発電機として機能する。そして、このハイブリッド動力装置は、その全体を制御するハイブリッドＥＣＵ、内燃機関１Ａを制御するエンジンＥＣＵおよび各モータ・ジェネレータを制御するモータＥＣＵを含む。

図７は、このようなハイブリッド動力装置における内燃機関１Ａの始動手順を説明するためのフローチャートである。第３実施形態のハイブリッド動力装置に含まれる内燃機関１Ａを始動させる際、エンジンＥＣＵは、まず、改質装置２０のプレヒータ２４を作動させ（Ｓ２１０）、更に、ハイブリッドＥＣＵからの信号に基づいてイグニッションスイッチ３２がオンされたか否か判定する（Ｓ２１２）。エンジンＥＣＵは、Ｓ２１２にてイグニッションスイッチ３２がオンされたと判断すると、それまで僅かに開放された状態に維持されていた給気管Ｌ１のスロットルバルブ１２の開度を最小に設定する（Ｓ２１４）。更に、エンジンＥＣＵは、バイパス管Ｌ２の開閉弁１５を閉鎖状態に維持すると共に、バイパス管Ｌ２の流量調整弁１４の開度を燃料改質の開始時に要求される値に予め設定する（Ｓ２１６）。

Ｓ２１６の処理を実行した後、エンジンＥＣＵは、ハイブリッドＥＣＵを介してモータＥＣＵに所定の指令信号を与える。エンジンＥＣＵからの指令信号を受け取ったモータＥＣＵは、何れか一方のモータ・ジェネレータによって内燃機関１Ａのクランクシャフトが回転させられるように、予め定められているプログラム等に従ってモータ・ジェネレータ用のインバータを制御し、これにより、内燃機関１Ａのモータリングが開始される（Ｓ２１８）。更に、内燃機関１Ａのモータリングが開始された後、エンジンＥＣＵは、クランク角センサ３４からの信号に基づいて、機関回転数を取得し、取得した機関回転数と所定の閾値とを比較する（Ｓ２２０）。

Ｓ２２０にて、機関回転数が当該閾値を上回ったと判断すると、エンジンＥＣＵは、バイパス管Ｌ２の開閉弁１５を開放させ、改質装置２０に対する空気の供給を開始させる（Ｓ２２２）。更に、エンジンＥＣＵは、Ｓ２２２の処理とほぼ同時に、バイパス管Ｌ２を介して改質装置２０に供給される空気の量（改質空気供給量）に応じた量の燃料を燃料噴射弁１６から空燃混合部２２内に噴射させ、それにより、改質装置２０における燃料改質を開始させる（Ｓ２２４）。

ここで、本実施形態では、上述のように、Ｓ２１４にてスロットルバルブ１２の開度が最小に設定された後、モータ・モータジェネレータによる内燃機関１Ａのクランキングが開始されている（Ｓ２１８）。従って、内燃機関１Ａのモータリングにより各燃焼室３内に負圧が形成され、Ｓ２２０にて、機関回転数が所定の閾値を上回ったと判断された際には、開閉弁１５の下流側の所定箇所における圧力（改質装置２０の内部圧力）が開閉弁１５の上流側の所定箇所における圧力（例えば流量調整弁１４の出口圧力）を下回っていることになる。

すなわち、本実施形態のハイブリッド動力装置に含まれる内燃機関１Ａにおいても、バイパス管Ｌ２の開閉弁１５を閉鎖させた状態で当該開閉弁１５の下流側圧力（改質装置２０の内部圧力）を十分に低下させ、開閉弁１５の下流側の所定箇所における圧力が開閉弁１５の上流側の所定箇所における圧力を下回った段階で、開閉弁１５が開放させられることになる。更に、本実施形態では、Ｓ２１４にてスロットルバルブ１２の開度が最小に設定されており、スロットルバルブ１２を介した燃焼室３への空気の流れがほぼ完全に断たれた状態で、改質装置２０に対する空気の供給が開始され（Ｓ２２２）、改質装置２０における燃料改質が開始される（Ｓ２２４）。

従って、本実施形態においても、改質装置２０における燃料改質を開始させた直後から、改質装置２０に対する空気供給量は十分に確保され、燃料改質を安定かつ良好に実行させて所望量の改質燃料を得ることが可能となる。この結果、改質装置２０によって生成された改質燃料を用いてハイブリッド動力装置の内燃機関１Ａを応答性よく良好に始動させることができる。また、本実施形態においても、Ｓ２１０でプレヒータによる触媒の予熱が開始されてから、Ｓ２２２にて開閉弁１５が開放されるまで、改質反応部２３への空気の流入が断たれているので、流入空気によって改質触媒が冷却されてしまうことが確実に防止される。

Ｓ２２４にて改質装置２０における燃料改質を開始させると、エンジンＥＣＵは、バイパス管Ｌ２の第２エアフローメータＡＦＭ２からの信号に基づいて、バイパス管Ｌ２を流通する空気の流量（改質空気供給量）を取得し、取得した改質空気供給量と所定の閾値とを比較する（Ｓ２２６）。そして、エンジンＥＣＵは、Ｓ２２６にて、改質空気供給量が当該閾値を上回り、改質装置２０への空気の流入量が所定値に達したと判断すると、スロットルバルブ１２の開度が最小となる全閉状態を解除する（Ｓ２２８）。

この場合も、改質装置２０に流入する空気の量（改質空気供給量）が上記閾値を上回っていれば、改質装置２０における改質反応も十分に安定しており、各燃焼室３に吸入される空気の量も多くなっている。従って、それ以後、給気管Ｌ１のスロットルバルブ１２の全閉状態を解除して、内燃機関１Ａに要求される空気量や空燃比が得られるようにスロットルバルブ１２の開度調整を開始しても、改質装置２０への空気供給量は十分に確保される。そして、Ｓ２２８にてスロットルバルブ１２の全閉状態を解除すると、エンジンＥＣＵは、図７おける一連の処理（改質装置の起動処理）を終了させ、内燃機関１Ａ（改質装置２０）のアイドル時やアイドルオフ時等における制御を開始する。

なお、モータ・ジェネレータによる内燃機関１Ａのモータリングは、所定のタイミングで終了される。また、内燃機関１Ａの代わりに、第１実施形態において説明されたエアポンプＡＰを備えた内燃機関１と電動機とを組み合わせたハイブリッド動力装置を構成可能であることはいうまでもない。

本発明による内燃機関の第１実施形態を示す概略構成図である。図１の内燃機関の制御ブロック図である。図１の内燃機関の始動時における動作を説明するためのフローチャートである。図１の内燃機関の始動時における動作を説明するためのタイミングチャートである。本発明による内燃機関の第２実施形態を示す概略構成図である。図５の内燃機関の始動時における動作を説明するためのフローチャートである。本発明の第３実施形態に係る内燃機関の始動時における動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１，１Ａ内燃機関
３燃焼室
４ピストン
５吸気マニホールド
５ａ吸気管
６排気マニホールド
６ａ排気管
７動弁機構
８点火プラグ
１０サージタンク
１２スロットバルブ
１４流量調整弁
１５開閉弁
１６，１６ｘ燃料噴射弁
１９スタータ
２０改質装置
２１本体
２２空燃混合部
２３改質反応部
２４プレヒータ
２５改質燃料分配室
２６改質燃料供給管
２７燃料供給ノズル
２８熱交換器
３０ＥＣＵ
３３アクセル位置センサ
３４クランク角センサ
ＡＦＭ１，ＡＦＭ２エアフローメータ
ＡＰエアポンプ
ＢＰ分岐部
Ｌ１給気管
Ｌ２バイパス管

Claims

燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質燃料を生成する改質装置を備え、前記改質燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
前記改質装置に空気を供給するための改質空気供給路と、
前記改質空気供給路に設けられた開閉弁と、
前記開閉弁の下流側の所定箇所における圧力が前記開閉弁の上流側の所定箇所における圧力を下回った際に、前記開閉弁を開放させる制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関。
前記制御手段は、前記改質装置における燃料改質の開始に先立って前記開閉弁を閉鎖させておき、クランキングを実行させた後、前記開閉弁の下流側の所定箇所における圧力が所定値を下回った際に、前記開閉弁を開放させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記改質空気供給路に設けられて前記改質装置に供給される空気の量を調整する流量調整弁を更に備え、前記制御手段は、前記開閉弁の開放に先立って、前記流量調整弁の開度設定を開始させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質燃料を生成する改質装置と、前記改質装置に空気を供給するための改質空気供給路と、前記改質空気供給路に設けられた開閉弁とを備え、前記改質燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御方法であって、
前記開閉弁の下流側の所定箇所における圧力が前記開閉弁の上流側の所定箇所における圧力を下回った際に、前記開閉弁を開放させることを特徴とする内燃機関の制御方法。