JP4013704B2 - Exhaust reformer system for internal combustion engine - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気リフォーマシステムに関し、特に、排気ガスの一部を吸気通路に還流する内燃機関において、還流排気ガスに燃料を供給した後に熱で燃料を改質して改質ガスを生成し、この改質ガスを吸気通路に還流するようにした内燃機関の排気リフォーマシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の排気ガスの一部を取り出してこれを吸気系統に還流させ、吸気に混合させて燃焼時の最高温度を下げ、排気ガス中のＮＯｘを低減するＥＧＲシステムは公知である。このＥＧＲシステムでは、ＥＧＲ量が多い場合には点火時期を進角させることが一般に行われている。
【０００３】
このＥＧＲシステムを改良したシステムとして近年、還流する排気ガスに燃料の一部を加え、排気ガスに燃料が混合された混合ガスを、排気ガスの熱を利用して加熱すると共に、改質触媒を通すことによってこの混合ガスに吸熱改質反応を行わせ、混合ガスから水素と一酸化炭素を含む改質ガス（リフォームガス）を生成し、このリフォームガスを吸気系統に還流することによって、効率の良い排気熱の回収、燃費の向上を図った内燃機関の排気リフォーマシステムが提案されている（例えば、特開昭６１−３５３７５号参照）。
【０００４】
ところで、一般の内燃機関では、機関にノッキングが発生すると、このノッキングの回避のために、通常、点火時期を遅角することが行われている。そして、前述のような排気リフォーマシステムを備えた内燃機関においても、機関にノッキングが発生すると、一般の内燃機関と同様に、点火時期を遅角することが行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ノッキングの回避のために点火時期を遅角すると、内燃機関の排気ガス温度が上昇し、トルクが低下してしまうという問題点がある。
【０００６】
また、前述のような内燃機関の排気リフォーマシステムを備えた内燃機関において、混合ガス中の燃料を改質するための改質触媒の温度が低かったり、改質触媒に炭素が析出して改質触媒が劣化すると、混合ガスの改質効果が失われ、単に排気ガスが内燃機関の吸気通路に還流されることになり、前述のＥＧＲシステムと同じになってしまう。このような状態では、点火時期が進角されてトルクが低下し、燃費が悪化したり、トルク変動が大きくなるという問題点がある。
【０００７】
そこで、本発明は、排気リフォーマシステムを備えた内燃機関において、ノッキングが発生した時のように、内燃機関の点火時期が所定角度以上遅角された時に、燃費の悪化を防止することができる内燃機関の排気リフォーマシステムを提供することを第１の目的としている。
【０００８】
また、本発明は、排気リフォーマシステムを備えた内燃機関において、改質触媒の劣化、或いは不活性状態を検出することにより、燃費の悪化やトルク変動を防止することができる内燃機関の排気リフォーマシステムを提供することを第２の目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の内燃機関の排気リフォーマシステムは、以下に示す第１から第１２の形態をとることができる。
【００１０】
第１の形態は、内燃機関の排気通路から取り出した排気ガスの一部に燃料を加えて混合ガスを生成し、この混合ガスを加熱して改質したリフォームガスを、内燃機関の吸気通路に還流する排気リフォーマシステムにおいて、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を設け、この運転状態検出手段によって前記内燃機関の点火時期が所定角度以上遅角されたか否かを検出し、点火時期が所定角度以上遅角された場合には、点火時期の遅角度合いに合わせて、還流量制御手段によりリフォームガスの前記吸気通路への還流量を増大することを特徴とするものである。
【００１１】
第２の形態は、第１の形態において、運転状態検出手段による、内燃機関の点火時期が所定角度以上遅角されたか否かの判定が、運転状態検出手段による内燃機関のノッキングの検出であることを特徴とするものである。
【００１２】
第３の形態は、第１の形態において、排気通路の三元触媒の下流側に、熱交換器を備えた改質触媒を設け、改質触媒の下流側の排気通路を分岐して、分岐管によって排気ガスの一部を取り出し、この分岐管の途中に燃料噴射弁を設けて、この分岐管内を流れる排気ガス中に燃料を噴射して混合ガスを生成し、混合ガスを、改質触媒に導入し、熱交換器の熱を利用して改質することによりリフォームガスを生成し、改質触媒から出力されたリフォームガスを還流管によって吸気通路に導入するようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
第４の形態は、第３の形態において、燃料噴射弁と改質触媒との間の分岐管に、排気ガスのエネルギを利用した燃料蒸発器を設けて排気ガス中の燃料の気化を促進させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
第５の形態は、第３又は第４の形態において、還流管の途中に還流量調整手段としての流量調節弁を設け、この流量調節弁は点火時期調整手段の点火時期の遅角量の大きさに応じて、その開度を増大するようにしたことを特徴とするものである。
【００１５】
第６の形態は、第３から５の何れかの形態において、燃料噴射弁の分岐管内への燃料噴射量を、内燃機関の回転数、負荷が大きい時には増大するようにしたことを特徴とするものである。
【００１６】
第７の形態は、第３又は第４の形態において、更に、改質触媒から排出されたリフォームガスの改質状態を判定し、リフォームガスの改質状態が良好でない場合には、改質触媒が異常であると判定する改質触媒異常判定手段を備えることを特徴とするものである。
【００１７】
第８の形態は、第７の形態において、改質触媒異常判定手段が、内燃機関に設けられた筒内圧センサによってリフォームガスを吸気通路に還流している状態の筒内圧を検出し、最大筒内圧の発生するクランク角度の状態、及び内燃機関の運転状態に応じて予め定められている設定点火時期との間の隔たりが所定の値を越えた時に、改質触媒が異常であると判定することを特徴とするものである。
【００１８】
第９の形態は、第７の形態において、改質触媒異常判定手段が、内燃機関に設けられた機関回転数センサによってリフォームガスを吸気通路に還流している状態の機関の回転数変動を検出し、この回転数変動が所定値を越えた時に、改質触媒が異常であると判定することを特徴とするものである。
【００１９】
第１０の形態は、第８又は第９の形態において、改質触媒異常判定手段は、改質触媒の異常の判定時に、異常の原因が触媒の温度低下によるものか、或いは炭素の析出によるものかを判断することを特徴とするものである。
【００２０】
第１１の形態は、第１０の形態において、改質触媒異常判定手段は、改質触媒の異常の原因が、触媒の温度低下である時は点火時期を補正し、炭素の析出である時には、分岐管に接続された二次空気導入装置から二次空気を分岐管内に導入し、改質触媒で発熱反応を起こして触媒温度を上昇させ、炭素を焼失させることを特徴とするものである。
【００２１】
第１２の形態は、第３から第１１の形態の何れかにおいて、内燃機関の吸気通路に設けられた燃料噴射弁の燃料噴射量が、分岐通路に設けられた燃料噴射弁の燃料噴射量に応じて、三元触媒の上流側の排気ガスが、理論空燃比の排気ガスとなるように補正されることを特徴とするものである。
【００２２】
第１から第６の形態の内燃機関の排気リフォーマシステムによれば、ノッキングが発生した時のように、内燃機関の点火時期が所定角度以上遅角された時に、燃費の悪化を防止することができる。
【００２３】
また、第７から第１２の形態の内燃機関の排気リフォーマシステムによれば、改質触媒の劣化、或いは不活性状態が検出されるので、燃費の悪化やトルク変動を防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を用いて本発明の実施形態を具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
図１は本発明の排気リフォーマシステムの第１の実施例の構成を示すものであり、リフォーマシステムを備えた内燃機関（以後エンジンという）の全体の構成を示すものである。
【００２６】
エンジン１０の吸気管１には吸気量を調節するスロットル弁１が設けられており、スロットル弁１を通過した吸気はサージタンク３を経て、吸気ポート4 からエンジン１０内に入る。この実施例のエンジン１０は４気筒であり、各吸気ポート４には燃料噴射弁５が設けられている。この燃料噴射弁５には、図示しない燃料タンクからの燃料が導かれており、エンジン１０を制御するための電子制御ユニット（以後ＥＣＵという）２０からの信号によって開弁することによって、燃料を吸気ポート４内に噴射する。
【００２７】
燃焼後にエンジン１０から排出される排気ガスは排気管６を通じて大気中に放出される。この排気管６には、三元触媒７、熱交換器を備えた改質触媒８（以後単に改質触媒８という）及び燃料蒸発器９が、排気上流側からこの順に設けられている。また、排気リフォーマシステムを備えた本発明のエンジン１０では、排気管６の燃料蒸発器９の下流側が分岐管１１によって分岐され、排気管６を流れる排気ガスの一部が取り出せるようになっている。
【００２８】
分岐管１１によって取り出された排気ガスの一部には、エンジンの吸気ポート４に設けられた燃料噴射弁５とは別の燃料噴射弁１２（以後この燃料噴射弁を排気噴射弁１２という）が設けられている。燃料が噴射された排気ガス（以後この排気ガスを混合ガスという）は、燃料蒸発器９と改質触媒８を通過した後に、スロットル弁２の下流側の吸気管１に接続されたリフォームガスの還流管１３に流入する。
【００２９】
燃料蒸発器９はその一端を排気管６が通過するものであり、排気ガスから得た熱を燃料蒸発器９の中を流れる混合ガスに与えることができる。燃料蒸発器９の中を流れる混合ガスの中の燃料は、この排気ガスの熱により蒸発が促進されて気化する。燃料蒸発器９を通過して燃料の気化が促進された混合ガスは熱交換器を備えた改質触媒８に入る。なお、この燃料蒸発器９を設けていない排気リフォーマシステムもある。
【００３０】
改質触媒８には、エンジン１０から排出された排気ガスを通すための排気ガス通路と、この排気ガス通路とは隔壁で隔てられ、混合ガスから改質ガス（リフォームガス）を生成するための触媒がある。改質触媒８は、排気ガスの熱を利用して混合ガスに吸熱反応を起こさせ、下式に示すように、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成するものであり、例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈを使用することができる。
【００３１】
【化１】

Figure 0004013704
【００３２】
この吸熱反応に使用される熱量９８４．８ｋｃａｌは、隔壁を通して排気管６を流れる排気ガスから得られるものである。
【００３３】
改質触媒８で改質されたリフォームガスは、流量調整弁であるリフォームガス制御弁１４でその流量を調整されてエンジン１０の吸気管１に流入する。このリフォームガス制御弁１４には、通常の制御弁、例えば、ＥＧＲ弁と同じ弁を使用することができる。リフォームガス制御弁１４の開度はＥＣＵ（電子制御ユニット）２０によって制御される。
【００３４】
ＥＣＵ２０はエンジン１０を制御するものであり、このＥＣＵ２０にはエンジン１０のノッキング（以後単にノックという）を検出するノックセンサ２１からのノック検出信号、排気管６に設けられた排気温センサ２２からの排気温信号や、図示しないセンサからのエンジンの回転数信号及び負荷信号等の、エンジン１０の運転状態を示す信号が入力される。ＥＣＵ２０はこれらの運転状態パラメータに基づいて燃料噴射弁５からの燃料噴射量、排気噴射弁１２からの燃料噴射量、リフォームガス制御弁１４の開度等を制御する。
【００３５】
図２は、図１に示したエンジン１０においてノック頻度が大きくなった時の制御の概要を示すものである。本発明の第１の実施例においては、（ａ）に示すように、ノック頻度が高くなった場合には、ノック回避のために点火時期の遅角が行われる。すると、（ｂ）に示すように、排気温が高くなる。この時は、エンジン１０のトルクが低下するために、燃費が悪化する。そこで、第１の実施例では、（ｃ）に示すように、ノック頻度が高い時には、リフォームガス制御弁１４の開度を大きくし、リフォームガスの量を多くする。
【００３６】
ノックが発生して点火時期を遅角するような場合では、排気温が上昇するので排気管６に設けた改質触媒８の温度も上昇するため、リフォームガス量を増やすことができる。そして、リフォームガス量を増やすと、吸熱によってエネルギを蓄えているリフォームガスによって燃焼エネルギを増大させることができるので、点火時期の遅角による燃費悪化の割合を低減することができる。
【００３７】
図３は本発明の第１の実施例のリフォーマシステムにおいて、ノッキングが発生した時にリフォームガス量を増やす、ＥＣＵ２０の制御の手順の一例を示すフローチャートである。
【００３８】
ステップ３０１では、ＥＣＵ２０は、図１に図示していないセンサからのエンジン回転数と負荷を読み込むと共に、排気温センサ２２によって検出された排気温を読み込む。続くステップ３０２では、ＥＣＵ２０はエンジン１０に取り付けられたノックセンサ２１からの信号と、現在の点火時期遅角量を読み込む（点火時期が進角の場合は負の値）を読み込む。
【００３９】
これらの運転状態パラメータを読み込んだ後は、ＥＣＵ２０はステップ３０３において、エンジン回転数、負荷、点火時期遅角量に応じた排気噴射量を演算する。排気噴射量の演算では、ＥＣＵ２０はまず、エンジン回転数と負荷に応じて点火時期遅角量と排気噴射量のマップを選択し、選択したマップの特性で点火時期遅角量に対する排気噴射量を演算する。図５（ａ）に示す特性図は、或るエンジン回転数と負荷の状態における点火時期遅角量（特性図の横軸は点火時期を示す）に対する排気噴射量を示すものであり、ＥＣＵ２０はこの特性図からこのエンジン回転数と負荷に応じた排気噴射量を演算する。
【００４０】
そして、ステップ３０４では、ＥＣＵ２０はエンジン回転数、負荷、点火時期遅角量、及び排気温に応じたリフォームガス制御弁１４の開度を演算する。ここでも、ＥＣＵ２０はまず、エンジン回転数と負荷に応じて点火時期遅角量とリフォームガス制御弁１４の開度のマップを選択し、選択したマップの特性で現在の点火時期遅角量に対するリフォームガス制御弁１４の開度を演算する。
【００４１】
このようにしてエンジン１０の運転状態に応じたリフォームガス制御弁１４の開度を演算した後は、ステップ３０５において、エンジン１０にノックが発生したか否かを判定する。そして、エンジン１０にノックが発生していないと判定した時（ＮＯ）はステップ３０７に進み、ステップ３０３で演算した排気噴射量の排気噴射弁１２からの噴射を実施すると共に、ステップ３０４で演算したリフォームガス制御弁１４の開度制御を実施してこのルーチンを終了する。
【００４２】
一方、ステップ３０５でノックが発生したと判定した時（ＹＥＳ）はステップ３０６に進み、現在の点火時期遅角量に応じて排気噴射量とリフォームガスの流量を、図５（ａ），（ｂ）に示す特性図に基づいて補正する。排気噴射量は点火時期遅角量が大きいほど大きいので、その補正量も大きい。リフォームガス流量の補正量は、図５（ｂ）から分かるように、点火時期遅角量（特性図の横軸は点火時期を示す）が大きいほどリフォームガス量が増大する方向であり、点火時期遅角量が大きいほどリフォームガス制御弁１４の開度の補正量が大きい。そして、ステップ３０７に進み、ステップ３０６で演算した開度補正量に基づいて、リフォームガス制御弁１４の開度制御を実施すると共に、ステップ３０３で演算した排気噴射量を排気噴射弁１２から噴射してこのルーチンを終了する。
【００４３】
なお、前述の例では、ノックセンサ２１によってエンジン１０にノックが発生した時のみ、リフォームガス制御弁１４の開度が増大するように補正され、ノック時に通常よりも多いリフォームガスがエンジン１０に供給されたが、ノックセンサ２１の信号を使用せずに、現在の点火時期の遅角量のみを監視することによってリフォームガスのエンジン１０への供給量の補正量を演算することもできる。この時の制御例を図４を用いて説明する。
【００４４】
なお、図４に示す制御例は、図３で説明した制御例において、リフォームガスのエンジン１０への供給補正量を点火時期の遅角量に基づいて行うものであるので、図３で説明した制御例とはステップ３０２とステップ３０５の手順のみが異なる。よって、図４のフローチャートの説明では、図３で説明したフローチャートと同じ制御ステップには同じ符号を付してその説明を省略し、異なるステップのみを説明する。
【００４５】
図４に示すフローチャートでは、ステップ３０１の後に、現在の点火時期の遅角量のみを読み込むステップ４０１を実行する。そして、ステップ３０５に代えて、ステップ４０１で読み込んだ現在の点火時期遅角量が所定遅角量Ｎよりも大きいか否かを判定するステップ４０２を実行する。ステップ４０２の判定では、現在の点火時期遅角量≦Ｎの場合はステップ３０７に進み、現在の点火時期遅角量≦Ｎの場合はステップ３０６を実行してからステップ３０７に進む。
【００４６】
以上のような制御により、本発明の第１の実施例では、エンジン１０にノックが発生した場合、或いは点火時期遅角量が所定遅角量Ｎを越えた場合に、リフォームガス制御弁１４の開度が増大するように補正され、通常時よりも多いリフォームガスがエンジン１０に供給され、エンジン１０の燃費の悪化が防止される。
【００４７】
図５（ｃ）はノック発生時の点火時期遅角量（横軸は点火時期を示す）に応じた燃費悪化割合を示すものであり、破線で示す特性が排気リフォームシステムを備えないエンジンにおける燃費悪化割合を示しており、実線で示す特性が本発明の排気リフォームシステムを備えたエンジンにおける燃費悪化割合を示している。この２つの特性の差が本発明の排気リフォームシステムによる燃費悪化の改善度合いを示している。
【００４８】
また、図６（ａ）はリフォーマシステムにおいて還流させる排気ガス中に含まれる燃料の改質割合と燃費改善効果の予想値の関係を示す特性図である。ここで燃料の改質割合とは、図１に示したエンジン１０の、吸気ポート４に設けられた燃料噴射弁５と、分岐管１１に設けられた排気噴射弁１２の両方から噴射される全燃料に対して、改質触媒８によって改質された燃料の割合である。この特性から、燃料の改質割合が大きいほど、燃費改善効果の予想値が大きくなることが分かる。
【００４９】
この予想値に対して、図６（ｂ）は実際の排気噴射割合に対する燃費効果を示すものであり、実機による実測値である。ここで、排気噴射割合とは、燃料噴射弁５と排気噴射弁１２の両方から噴射される全燃料に対して、排気噴射弁１２から噴射される燃料の割合である。また、燃費効果とは、リフォームガスの吸気管１への流入によるトルクの上昇率を示すものである。この図から、排気噴射割合を増やしてリフォームガスを増やせば、トルクが上昇して燃費効果が上がることが分かる。よって、本発明のリフォームシステムによれば、エンジン１０にノックが発生した場合、或いは点火時期遅角量が所定遅角量を越えた場合に、エンジン１０の燃費の悪化が防止される。
【００５０】
図７は、本発明の排気リフォーマシステムの第２の実施例の構成を示す内燃機関の全体構成図である。第２の実施例では、第１の実施例のリフォーマシステムにおけるエンジン１０の少なくとも１つの気筒内に、筒内圧センサ２３が設けられている点と、リフォーマガスの還流管１３の入口部に二次空気供給装置１８が設けられている点のみが異なる。筒内圧センサ２３による気筒内圧力の検出値ＰはＥＣＵ２０に入力される。また、二次空気供給装置１８には、ポンプ１５、二次空気供給管１６及びエアクリーナ１７があり、エアクリーナ１７を経たクリーンな空気がポンプ１５によって二次空気供給管１６から分岐管１１に流入する。ポンプ１５はＥＣＵ２０によって駆動され、二次空気の供給量が制御される。
【００５１】
第２の実施例では、ＥＣＵ２０によって改質触媒８の異常が検出される。図８（ａ）は図７で説明した筒内圧センサ２３が設けられたエンジン１０における本発明の排気リフォーマシステムにおいて、改質触媒８の異常を判定する手順を示すフローチャートである。
【００５２】
ステップ８０１ではエンジンの回転数、負荷及び筒内圧Ｐの値をＥＣＵ２０を読み込む。続くステップ８０２では、ＥＣＵ２０が、筒内圧Ｐが最大値Ｐmax となるクランク角度を検出する。改質触媒８が正常である時は、筒内圧Ｐが最大値Ｐmax となるクランク角度は、１０〜１５°ＡＴＤＣである。ところが、改質触媒８が異常状態（例えば触媒内に炭素が析出する状態）になった時には、筒内圧Ｐが最大値Ｐmax となるクランク角度は、１０〜１５°ＡＴＤＣからずれてしまう。
【００５３】
図１０（ａ）は、本発明の排気リフォーマシステムにおける改質触媒８の異常判定の根拠を示すものであり、図７に示した排気還流管１３に噴射された燃料の改質割合と最大筒内圧が発生するクランク角度との関係を示すものである。この図から分かるように、改質触媒８が正常状態で混合ガス中の燃料の改質割合が大きい時には、筒内圧Ｐが最大値Ｐmax となるクランク角度は進角側にあるが、改質触媒８が異常となって混合ガス中の燃料の改質割合が小さくなると、筒内圧Ｐが最大値Ｐmax となるクランク角度が遅角側に移行する。
【００５４】
この理由は、排気リフォーマシステムにおいて、改質触媒８で燃料の改質が進行しないと、単にＥＧＲガスが吸気系に戻るだけのことになり、燃焼が遅くなるからである。そして、一般に、改質割合が小さくなってＥＧＲ量が多くなると、ＥＣＵ２０は、トルクが大きくなるように点火時期を変化させ、設定点火時期は、図１０（ｃ）に示すように進角側に移行する（要求進角が大きくなる）からである。
【００５５】
そこで、ステップ８０３では、筒内圧の最大値Ｐmax の発生時期が、所定のクランク角度範囲内か否かを判定することによって、改質触媒８が正常か否かを判定する。そして、筒内圧の最大値Ｐmax の発生時期が、所定のクランク角度範囲内である時は、改質触媒８は正常と判定してこのルーチンを終了するが、所定のクランク角度範囲を越えた時には、ステップ８０４に進んで改質触媒８が異常であると判定する。
【００５６】
一方、エンジン１０に筒内圧センサ２３が設けられていない場合でも、エンジン１０の回転変動を検出することによって、改質触媒８の異常を検出することが可能である。次にこの実施例を図８（ｂ）を用いて説明する。
【００５７】
ステップ８０５では、エンジンの回転数、負荷をＥＣＵ２０を読み込む。次いで、ステップ８０６において過去に検出したエンジン回転数の記憶値から、エンジンの回転数変動を演算する。改質触媒８が正常である時は、エンジンの回転数変動は所定値の範囲内に納まっている。ところが、改質触媒８が異常状態になった時には、エンジンの回転数変動が大きくなる。
【００５８】
図１０（ｂ）は、本発明の排気リフォーマシステムにおける改質触媒８の異常判定の根拠を示すものであり、図７に示した排気還流管１３に噴射された燃料の改質割合と回転数変動の大きさとの関係を示すものである。この図から分かるように、改質触媒８が正常状態で混合ガス中の燃料の改質割合が大きい時には、回転数変動が小さいが、改質触媒８が異常となって混合ガス中の燃料の改質割合が小さくなると、回転数変動が大きくなる。
【００５９】
そこで、ステップ８０７では、エンジンの回転数変動が所定値以上か否かを判定する。そして、エンジンの回転数変動が所定値以内の時は、改質触媒８は正常と判定してこのルーチンを終了するが、所定値を越えた時には、ステップ８０８に進んで改質触媒８が異常であると判定する。
【００６０】
このようにして改質触媒８の異常が検出された場合、改質触媒８の異常には、改質触媒８中に炭素が析出した真の改質触媒８の異常状態と、エンジンの負荷が小さく、改質触媒８に加わる排気ガスからの熱量が不十分で改質触媒８で燃料の改質が行われない擬似的な改質触媒８の異常状態の２通りがある。
【００６１】
図９は、このような２通りの改質触媒８の異常を考慮しつつ、改質触媒８が異常と判定された時の本発明における対応の手順を示すフローチャートである。
【００６２】
ステップ９０１では改質触媒８の異常判定が有ったか否かを判定する。改質触媒８の異常判定がない場合にはこのルーチンを終了し、改質触媒８の異常判定があった場合にはステップ９０２に進む。ステップ９０２では現在のエンジンの負荷が設定値未満か否かを判定する。そして、エンジン負荷が設定より大きい場合にはステップ９０６に進み、改質触媒８の中に炭素が析出したと判定する。
【００６３】
この場合はステップ９０７において改質触媒８の中の析出炭素の焼失処理を行ってこのルーチンを終了する。改質触媒８の中の析出炭素の焼失処理は、図７に示した二次空気供給装置１８から二次空気を分岐管１１の中に導入し、かつ、改質触媒８で混合ガスの空燃比がリーンとなるように排気噴射弁１２からの排気噴射量を調整することによって行う。このようにすると、混合ガスが改質触媒８で発熱反応を起こし、触媒温度を上昇させるので、改質触媒８の中の析出炭素が燃えて焼失するのである。
【００６４】
なお、前述の実施例において、排気管６には三元触媒７が設けられているので、排気リフォームガスを吸気管１内に流入させた状態でも、三元触媒７の上流側の排気ガスは、理論空燃比の燃料を供給した状態における排気ガスと同等になる必要がある。よって、本発明の排気リフォーマシステムを備えたエンジン１０では、排気噴射弁１２から噴射する燃料噴射量と排気ポート４に設けた燃料噴射弁５からの燃料噴射量の合計値による空燃比が、理論空燃比になるように、燃料噴射弁５からの燃料噴射量が補正される。
【００６５】
一方、ステップ９０２でエンジン負荷が設定値未満であると判定した時にはステップ９０３に進む。ステップ９０３ではリフォームガス制御弁１４の開度を減少させると共に、排気噴射弁１２からの排気噴射量を低減する。改質触媒８に流入させる排気ガスの量と、排気噴射弁１２から噴射させる排気噴射量とを減じることにより、改質触媒８における吸熱反応による触媒の温度低下代を小さくし、改質触媒８の触媒温度を上昇させる。これで改質触媒８の改質反応が進めば、改質触媒８に異常はなく、温度が低下していたことになる。そこで、この状態でエンジン１０を暫く動作させてから、図８（ａ）又は図８（ｂ）で説明した改質触媒８の異常判定を再実行する。
【００６６】
この後、ステップ９０５において、改質触媒８が正常状態に復帰したか否かを判定する。そして、この改質触媒８の異常判定の再実行でも改質触媒８が異常である場合には、ステップ９０６に進んで改質触媒８中に炭素が析出したと判定して、ステップ９０７で前述の析出炭素の焼失処理を行ってこのルーチンを終了する。
【００６７】
これに対して、ステップ９０５の判定で改質触媒８が正常に復帰したと判定した時は、ステップ９０８に進んで改質触媒８の温度低下によりリフォームガスの改質が不十分であったと判定する。この場合は、改質触媒８自体には異常がないのでステップ９０９に進み、リフォームガス制御弁１４の開度と、排気噴射弁１２からの排気噴射量を元の状態に戻してこのルーチンを終了する。
【００６８】
このように、本発明では、改質触媒８中に炭素が析出した真の改質触媒８の異常状態と、エンジンの負荷が小さく、改質触媒８に加わる排気ガスからの熱量が不十分で改質触媒８で燃料の改質が行われない擬似的な改質触媒８の異常状態の２通りに対応することができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の内燃機関の排気リフォーマシステムによれば、内燃機関にノッキングが発生した時のように、内燃機関の点火時期が所定角度以上遅角された時に、燃費の悪化を防止することができるという効果がある。
【００７０】
また、改質触媒の劣化、或いは不活性状態が検出されるので、燃費の悪化やトルク変動を防止することができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気リフォーマシステムの第１の実施例の構成を示す内燃機関の全体構成図である。
【図２】図１に示した内燃機関におけるノック頻度と制御パラメータとの関係を示すものであり、（ａ）はノック頻度と点火時期との関係を示す特性図、（ｂ）はノック頻度と排気温との関係を示す特性図、（ｃ）は制御弁開度によるリフォーマガスの多少とノック頻度との関係を示す特性図である。
【図３】本発明の第１の実施例のリフォーマシステムにおけるノッキングの発生時に、リフォームガス制御弁の開度を調整する手順を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施例のリフォーマシステムにおける、点火時期の遅角量に応じてリフォームガス制御弁の開度を調整する手順を説明するフローチャートである。
【図５】第１の実施例のリフォーマシステムにおける点火時期の遅角量と制御パラメータとの関係を示すものであり、（ａ）は点火時期の遅角量と排気噴射量との関係を示す特性図、（ｂ）は点火時期の遅角量と制御弁開度の補正量との関係を示す特性図、（ｃ）は点火時期の遅角量と燃費悪化割合との関係を示す特性図である。
【図６】（ａ）はリフォーマシステムにおいて還流させる排気ガス中に含まれる燃料の改質割合と燃費改善効果の予想値の関係を示す特性図、（ｂ）は還流する排気ガス中への排気噴射量の全燃料噴射量に対する割合と燃費効果の実測値を示す特性図である。
【図７】本発明の排気リフォーマシステムの第２の実施例の構成を示す内燃機関の全体構成図である。
【図８】（ａ）は筒内圧センサを有する本発明の排気リフォーマシステムにおいて改質触媒の異常を判定する手順を示すフローチャート、（ｂ）は筒内圧センサがない場合に本発明の排気リフォーマシステムにおいて改質触媒の異常を判定する手順を示すフローチャートである。
【図９】改質触媒が異常と判定された時の対応の手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の排気リフォーマシステムにおける改質触媒の異常判定の根拠を示すものであり、（ａ）は排気還流路に噴射された燃料の改質割合と最大筒内圧が発生するクランク角度との関係を示す特性図、（ｂ）は排気還流路に噴射された燃料の改質割合と回転変動との関係を示す特性図、（ｃ）は排気還流路に噴射された燃料の改質割合と点火時期の要求進角度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１…吸気管
５…燃料噴射弁
６…排気管
７…三元触媒
８…改質触媒
９…燃料蒸発器
１０…エンジン
１１…分岐管
１２…排気噴射弁
１３…還流管
１４…リフォームガス制御弁
１５…ポンプ
１６…二次空気供給管
２０…ＥＣＵ（電子制御ユニット）
２１…ノックセンサ
２２…排気温センサ
２３…筒内圧センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust reformer system for an internal combustion engine, and in particular, in an internal combustion engine that recirculates a portion of exhaust gas to an intake passage, after the fuel is supplied to the recirculated exhaust gas, the reformed gas is reformed by heat. The present invention relates to an exhaust reformer system for an internal combustion engine that generates and recirculates the reformed gas to an intake passage.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an EGR system that takes out a part of exhaust gas from an internal combustion engine, recirculates it to an intake system, mixes it with intake air, lowers the maximum temperature during combustion, and reduces NOx in the exhaust gas is known. In this EGR system, the ignition timing is generally advanced when the EGR amount is large.
[0003]
In recent years, as an improved system of this EGR system, a part of the fuel is added to the recirculating exhaust gas, and the mixed gas in which the fuel is mixed with the exhaust gas is heated using the heat of the exhaust gas, and the reforming catalyst is The mixed gas is subjected to an endothermic reforming reaction, a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide (reform gas) is generated from the mixed gas, and the reformed gas is recirculated to the intake system. There has been proposed an exhaust reformer system for an internal combustion engine that achieves good exhaust heat recovery and improved fuel efficiency (see, for example, JP-A-61-35375).
[0004]
By the way, in a general internal combustion engine, when knocking occurs in the engine, the ignition timing is usually retarded to avoid this knocking. Even in an internal combustion engine equipped with the exhaust reformer system as described above, when knocking occurs in the engine, the ignition timing is retarded as in a general internal combustion engine.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the ignition timing is retarded to avoid knocking, there is a problem that the exhaust gas temperature of the internal combustion engine increases and the torque decreases.
[0006]
Further, in an internal combustion engine equipped with an exhaust reformer system for an internal combustion engine as described above, the temperature of the reforming catalyst for reforming the fuel in the mixed gas is low, or carbon is deposited on the reforming catalyst to improve it. When the quality catalyst deteriorates, the reforming effect of the mixed gas is lost, and the exhaust gas is simply recirculated to the intake passage of the internal combustion engine, which is the same as the above-described EGR system. In such a state, there is a problem that the ignition timing is advanced to reduce the torque, the fuel consumption is deteriorated, and the torque fluctuation is increased.
[0007]
Therefore, the present invention can prevent deterioration of fuel consumption when the ignition timing of the internal combustion engine is retarded by a predetermined angle or more, such as when knocking occurs in an internal combustion engine equipped with an exhaust reformer system. A first object is to provide an exhaust reformer system for an internal combustion engine.
[0008]
Further, the present invention provides an internal combustion engine equipped with an exhaust reformer system that detects deterioration of the reforming catalyst or an inactive state, thereby preventing deterioration of fuel consumption and torque fluctuation. The second object is to provide a former system.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An exhaust reformer system for an internal combustion engine of the present invention that achieves the above object can take the following first to twelfth modes.
[0010]
In the first embodiment, fuel is added to a part of the exhaust gas taken out from the exhaust passage of the internal combustion engine to generate a mixed gas, and the reformed gas reformed by heating the mixed gas is supplied to the intake passage of the internal combustion engine. In the recirculating exhaust reformer system, an operating state detecting means for detecting an operating state of the internal combustion engine is provided, and it is detected by the operating state detecting means whether or not the ignition timing of the internal combustion engine is retarded by a predetermined angle or more. When the timing is retarded by a predetermined angle or more, the recirculation amount of the reformed gas to the intake passage is increased by the recirculation amount control means in accordance with the retarded degree of the ignition timing.
[0011]
The second mode is the detection of knocking of the internal combustion engine by the operating state detecting unit in the first mode, wherein the determination of whether or not the ignition timing of the internal combustion engine is retarded by a predetermined angle or more by the operating state detecting unit. It is characterized by this.
[0012]
The third mode is the same as the first mode, except that a reforming catalyst having a heat exchanger is provided on the downstream side of the three-way catalyst in the exhaust passage, and the exhaust passage on the downstream side of the reforming catalyst is branched. A part of the exhaust gas is taken out by a pipe, a fuel injection valve is provided in the middle of the branch pipe, fuel is injected into the exhaust gas flowing through the branch pipe to generate a mixed gas, and the mixed gas is converted into a reforming catalyst. The reformed gas is generated by reforming using heat of the heat exchanger and reformed, and the reformed gas output from the reforming catalyst is introduced into the intake passage by a reflux pipe. Is.
[0013]
In the fourth mode, in the third mode, a fuel evaporator using the energy of the exhaust gas is provided in the branch pipe between the fuel injection valve and the reforming catalyst to promote the vaporization of the fuel in the exhaust gas. It is characterized by doing so.
[0014]
The fifth mode is the same as the third or fourth mode, in which a flow rate adjusting valve as a reflux amount adjusting means is provided in the middle of the return pipe, and this flow rate adjusting valve is a large retard amount of the ignition timing of the ignition timing adjusting means. In accordance with this, the opening degree is increased.
[0015]
The sixth mode is characterized in that, in any of the third to fifth modes, the amount of fuel injected into the branch pipe of the fuel injection valve is increased when the rotational speed and load of the internal combustion engine are large. Is.
[0016]
In the seventh embodiment, the reforming state of the reformed gas discharged from the reforming catalyst is further determined in the third or fourth embodiment, and if the reforming state of the reforming gas is not good, the reforming catalyst The reforming catalyst abnormality determining means for determining that the catalyst is abnormal is provided.
[0017]
According to an eighth aspect, in the seventh aspect, the reforming catalyst abnormality determining means detects the in-cylinder pressure in a state where the reformed gas is recirculated to the intake passage by the in-cylinder pressure sensor provided in the internal combustion engine, and the maximum cylinder It is determined that the reforming catalyst is abnormal when the difference between the crank angle at which the internal pressure is generated and the preset ignition timing determined in accordance with the operating state of the internal combustion engine exceeds a predetermined value. It is characterized by this.
[0018]
In the ninth mode, in the seventh mode, the reforming catalyst abnormality determining means detects the engine speed fluctuation in a state where the reformed gas is recirculated to the intake passage by the engine speed sensor provided in the internal combustion engine. When the rotational speed fluctuation exceeds a predetermined value, it is determined that the reforming catalyst is abnormal.
[0019]
The tenth mode is the eighth or ninth mode, wherein the reforming catalyst abnormality determining means determines whether the cause of the abnormality is due to a decrease in the temperature of the catalyst, or due to carbon deposition when determining the abnormality of the reforming catalyst. It is characterized by determining whether or not.
[0020]
The eleventh aspect is that in the tenth aspect, the reforming catalyst abnormality determining means corrects the ignition timing when the cause of the abnormality of the reforming catalyst is a decrease in the temperature of the catalyst, and when the cause is carbon deposition, Secondary air is introduced into the branch pipe from a secondary air introduction device connected to the branch pipe, an exothermic reaction is caused by the reforming catalyst to raise the catalyst temperature, and carbon is burned out.
[0021]
In a twelfth aspect according to any one of the third to eleventh aspects, the fuel injection amount of the fuel injection valve provided in the intake passage of the internal combustion engine is equal to the fuel injection amount of the fuel injection valve provided in the branch passage. Accordingly, the exhaust gas upstream of the three-way catalyst is corrected so as to become the exhaust gas having the stoichiometric air-fuel ratio.
[0022]
According to the exhaust reformer system for an internal combustion engine of the first to sixth embodiments, it is possible to prevent deterioration of fuel consumption when the ignition timing of the internal combustion engine is retarded by a predetermined angle or more, such as when knocking occurs. Can do.
[0023]
Further, according to the exhaust reformer system for the internal combustion engine of the seventh to twelfth aspects, the deterioration or inactive state of the reforming catalyst is detected, so that deterioration of fuel consumption and torque fluctuation can be prevented.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below in detail based on specific examples with reference to the accompanying drawings.
[0025]
FIG. 1 shows the configuration of a first embodiment of an exhaust reformer system according to the present invention, and shows the overall configuration of an internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) provided with the reformer system.
[0026]
The intake pipe 1 of the engine 10 is provided with a throttle valve 1 for adjusting the intake air amount, and the intake air that has passed through the throttle valve 1 enters the engine 10 through the intake tank 4 through the surge tank 3. The engine 10 in this embodiment has four cylinders, and each intake port 4 is provided with a fuel injection valve 5. Fuel from a fuel tank (not shown) is guided to the fuel injection valve 5, and is opened by a signal from an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) 20 for controlling the engine 10, so that the fuel is taken in. Inject into port 4
[0027]
Exhaust gas discharged from the engine 10 after combustion is released into the atmosphere through the exhaust pipe 6. The exhaust pipe 6 is provided with a three-way catalyst 7, a reforming catalyst 8 having a heat exchanger (hereinafter simply referred to as a reforming catalyst 8), and a fuel evaporator 9 in this order from the exhaust upstream side. Further, in the engine 10 of the present invention having the exhaust reformer system, the downstream side of the fuel evaporator 9 of the exhaust pipe 6 is branched by the branch pipe 11 so that a part of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 6 can be taken out. Yes.
[0028]
A part of the exhaust gas taken out by the branch pipe 11 includes a fuel injection valve 12 (hereinafter referred to as an exhaust injection valve 12) different from the fuel injection valve 5 provided in the intake port 4 of the engine. Is provided. The exhaust gas into which the fuel has been injected (hereinafter, this exhaust gas is referred to as a mixed gas) passes through the fuel evaporator 9 and the reforming catalyst 8, and then the reformed gas connected to the intake pipe 1 on the downstream side of the throttle valve 2. It flows into the reflux pipe 13.
[0029]
The exhaust pipe 6 passes through one end of the fuel evaporator 9, and heat obtained from the exhaust gas can be applied to the mixed gas flowing in the fuel evaporator 9. The fuel in the mixed gas flowing through the fuel evaporator 9 is vaporized by being accelerated by the heat of the exhaust gas. The mixed gas that has passed through the fuel evaporator 9 and whose vaporization of fuel has been promoted enters the reforming catalyst 8 provided with a heat exchanger. There is also an exhaust reformer system in which the fuel evaporator 9 is not provided.
[0030]
An exhaust gas passage for passing exhaust gas discharged from the engine 10 and the exhaust gas passage are separated from each other by a partition wall in the reforming catalyst 8 to generate reformed gas (reform gas) from the mixed gas. There is a catalyst. The reforming catalyst 8 uses the heat of the exhaust gas to cause an endothermic reaction in the mixed gas, and generates a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide as shown in the following equation. Co, Ni, and Rh can be used.
[0031]
[Chemical 1]
Figure 0004013704
[0032]
The amount of heat 984.8 kcal used for this endothermic reaction is obtained from the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 6 through the partition wall.
[0033]
The reformed gas reformed by the reforming catalyst 8 is adjusted in flow rate by a reforming gas control valve 14 that is a flow rate adjusting valve and flows into the intake pipe 1 of the engine 10. As the reform gas control valve 14, a normal control valve, for example, the same valve as an EGR valve can be used. The opening degree of the reforming gas control valve 14 is controlled by an ECU (electronic control unit) 20.
[0034]
The ECU 20 controls the engine 10, and the ECU 20 receives a knock detection signal from a knock sensor 21 that detects knocking of the engine 10 (hereinafter simply referred to as “knock”), and an exhaust temperature sensor 22 provided in the exhaust pipe 6. A signal indicating the operating state of the engine 10 such as an exhaust gas temperature signal, an engine speed signal and a load signal from a sensor (not shown) is input. The ECU 20 controls the fuel injection amount from the fuel injection valve 5, the fuel injection amount from the exhaust injection valve 12, the opening degree of the reform gas control valve 14 and the like based on these operating state parameters.
[0035]
FIG. 2 shows an outline of the control when the knock frequency increases in the engine 10 shown in FIG. In the first embodiment of the present invention, as shown in (a), when the knock frequency increases, the ignition timing is retarded to avoid knock. Then, as shown in (b), the exhaust temperature increases. At this time, since the torque of the engine 10 decreases, the fuel consumption deteriorates. Therefore, in the first embodiment, as shown in (c), when the knock frequency is high, the opening degree of the reform gas control valve 14 is increased to increase the amount of the reform gas.
[0036]
In the case where knocking occurs and the ignition timing is retarded, the exhaust gas temperature rises, so the temperature of the reforming catalyst 8 provided in the exhaust pipe 6 also rises, so that the amount of reform gas can be increased. And if the amount of reforming gas is increased, the combustion energy can be increased by the reforming gas that stores energy by endothermic heat, so the rate of deterioration of fuel consumption due to the retard of the ignition timing can be reduced.
[0037]
FIG. 3 is a flowchart showing an example of a control procedure of the ECU 20 for increasing the amount of reform gas when knocking occurs in the reformer system according to the first embodiment of the present invention.
[0038]
In step 301, the ECU 20 reads the engine speed and load from a sensor not shown in FIG. 1 and also reads the exhaust temperature detected by the exhaust temperature sensor 22. In the subsequent step 302, the ECU 20 reads a signal from the knock sensor 21 attached to the engine 10 and a current ignition timing retard amount (a negative value when the ignition timing is an advance angle).
[0039]
After reading these operating state parameters, the ECU 20 calculates an exhaust injection amount corresponding to the engine speed, load, and ignition timing retard amount in step 303. In the calculation of the exhaust injection amount, the ECU 20 first selects a map of the ignition timing retardation amount and the exhaust injection amount according to the engine speed and the load, and calculates the exhaust injection amount with respect to the ignition timing retardation amount by the characteristics of the selected map. Calculate. The characteristic diagram shown in FIG. 5 (a) shows the exhaust injection amount with respect to the ignition timing retardation amount (the horizontal axis of the characteristic diagram indicates the ignition timing) in a certain engine speed and load state. From this characteristic diagram, an exhaust injection amount corresponding to the engine speed and load is calculated.
[0040]
In step 304, the ECU 20 calculates the opening degree of the reforming gas control valve 14 according to the engine speed, the load, the ignition timing retardation amount, and the exhaust gas temperature. Here again, the ECU 20 first selects a map of the ignition timing retard amount and the opening degree of the reform gas control valve 14 according to the engine speed and the load, and reforms the current ignition timing retard amount with the characteristics of the selected map. The opening degree of the gas control valve 14 is calculated.
[0041]
After calculating the opening degree of the reforming gas control valve 14 according to the operating state of the engine 10 in this way, it is determined in step 305 whether or not knocking has occurred in the engine 10. When it is determined that no knock has occurred in the engine 10 (NO), the process proceeds to step 307, in which the exhaust injection amount calculated in step 303 is injected from the exhaust injection valve 12 and calculated in step 304. The opening degree of the reform gas control valve 14 is controlled and this routine is finished.
[0042]
On the other hand, when it is determined in step 305 that a knock has occurred (YES), the process proceeds to step 306, where the exhaust injection amount and the flow rate of the reform gas are set in accordance with the current ignition timing retard amount as shown in FIGS. ) Is corrected based on the characteristic diagram shown in FIG. Since the exhaust injection amount is larger as the ignition timing retard amount is larger, the correction amount is larger. As can be seen from FIG. 5B, the correction amount of the reform gas flow is such that the reform gas amount increases as the ignition timing retard amount (the horizontal axis of the characteristic diagram indicates the ignition timing) increases. The larger the retardation amount, the larger the correction amount of the opening degree of the reform gas control valve 14. Then, the process proceeds to step 307, where the opening control of the reform gas control valve 14 is performed based on the opening correction amount calculated in step 306, and the exhaust injection amount calculated in step 303 is injected from the exhaust injection valve 12. This routine ends.
[0043]
In the above-described example, only when the engine 10 is knocked by the knock sensor 21, the opening degree of the reform gas control valve 14 is corrected so as to increase, and more reform gas than usual is supplied to the engine 10 at the time of knocking. However, the correction amount of the supply amount of the reform gas to the engine 10 can be calculated by monitoring only the retard amount of the current ignition timing without using the signal of the knock sensor 21. A control example at this time will be described with reference to FIG.
[0044]
The control example shown in FIG. 4 is the same as the control example described with reference to FIG. 3, and the supply correction amount of the reform gas to the engine 10 is performed based on the retard amount of the ignition timing. Only the procedure of step 302 and step 305 is different from the control example. Therefore, in the description of the flowchart in FIG. 4, the same control steps as those in the flowchart described in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only different steps are described.
[0045]
In the flowchart shown in FIG. 4, after step 301, step 401 for reading only the retard amount of the current ignition timing is executed. Then, instead of step 305, step 402 is executed in which it is determined whether or not the current ignition timing retardation amount read in step 401 is larger than a predetermined retardation amount N. In the determination in step 402, if the current ignition timing retardation amount ≦ N, the process proceeds to step 307. If the current ignition timing retardation amount ≦ N, step 306 is executed and then the process proceeds to step 307.
[0046]
According to the control as described above, in the first embodiment of the present invention, when knocking occurs in the engine 10 or when the ignition timing retard amount exceeds the predetermined retard amount N, the reform gas control valve 14 The degree of opening is corrected so as to increase, and more reform gas than normal is supplied to the engine 10 to prevent the fuel consumption of the engine 10 from deteriorating.
[0047]
FIG. 5C shows the fuel consumption deterioration rate according to the ignition timing retardation amount (the horizontal axis indicates the ignition timing) at the time of knock occurrence, and the characteristics shown by the broken line indicate the fuel consumption in an engine without an exhaust reforming system. The deterioration ratio is shown, and the characteristic indicated by the solid line shows the fuel consumption deterioration ratio in the engine equipped with the exhaust gas reforming system of the present invention. The difference between these two characteristics indicates the degree of improvement in fuel consumption deterioration due to the exhaust reforming system of the present invention.
[0048]
FIG. 6A is a characteristic diagram showing the relationship between the reforming ratio of the fuel contained in the exhaust gas recirculated in the reformer system and the expected value of the fuel efficiency improvement effect. Here, the fuel reforming ratio refers to all of the fuel injected from both the fuel injection valve 5 provided in the intake port 4 and the exhaust injection valve 12 provided in the branch pipe 11 of the engine 10 shown in FIG. This is the ratio of the fuel reformed by the reforming catalyst 8 to the fuel. From this characteristic, it can be seen that the greater the fuel reforming ratio, the greater the expected value of the fuel efficiency improvement effect.
[0049]
FIG. 6B shows the fuel efficiency effect with respect to the actual exhaust injection ratio with respect to this expected value, and is an actual measurement value by an actual machine. Here, the exhaust injection ratio is the ratio of the fuel injected from the exhaust injection valve 12 to the total fuel injected from both the fuel injection valve 5 and the exhaust injection valve 12. The fuel efficiency effect indicates a rate of increase in torque due to the inflow of the reform gas into the intake pipe 1. From this figure, it can be seen that if the reforming gas is increased by increasing the exhaust injection ratio, the torque increases and the fuel efficiency increases. Therefore, according to the reform system of the present invention, when the engine 10 is knocked or when the ignition timing retardation amount exceeds the predetermined retardation amount, deterioration of the fuel consumption of the engine 10 is prevented.
[0050]
FIG. 7 is an overall configuration diagram of an internal combustion engine showing the configuration of the second embodiment of the exhaust reformer system of the present invention. In the second embodiment, an in-cylinder pressure sensor 23 is provided in at least one cylinder of the engine 10 in the reformer system of the first embodiment, and an inlet portion of the reformer gas recirculation pipe 13 is provided. The only difference is that a secondary air supply device 18 is provided. A detected value P of the cylinder pressure by the cylinder pressure sensor 23 is input to the ECU 20. The secondary air supply device 18 includes a pump 15, a secondary air supply pipe 16, and an air cleaner 17. Clean air that has passed through the air cleaner 17 flows from the secondary air supply pipe 16 into the branch pipe 11 by the pump 15. . The pump 15 is driven by the ECU 20, and the supply amount of secondary air is controlled.
[0051]
In the second embodiment, the abnormality of the reforming catalyst 8 is detected by the ECU 20. FIG. 8A is a flowchart showing a procedure for determining abnormality of the reforming catalyst 8 in the exhaust reformer system of the present invention in the engine 10 provided with the in-cylinder pressure sensor 23 described in FIG.
[0052]
In step 801, the ECU 20 reads the values of the engine speed, the load, and the in-cylinder pressure P. In subsequent step 802, the ECU 20 detects a crank angle at which the in-cylinder pressure P becomes the maximum value Pmax. When the reforming catalyst 8 is normal, the crank angle at which the in-cylinder pressure P becomes the maximum value Pmax is 10 to 15 ° ATDC. However, when the reforming catalyst 8 is in an abnormal state (for example, a state in which carbon is deposited in the catalyst), the crank angle at which the in-cylinder pressure P reaches the maximum value Pmax deviates from 10 to 15 ° ATDC.
[0053]
FIG. 10A shows the basis for determining the abnormality of the reforming catalyst 8 in the exhaust reformer system of the present invention. The reforming ratio and maximum of the fuel injected into the exhaust gas recirculation pipe 13 shown in FIG. This shows the relationship with the crank angle at which the in-cylinder pressure is generated. As can be seen from this figure, when the reforming catalyst 8 is in a normal state and the reforming ratio of the fuel in the mixed gas is large, the crank angle at which the in-cylinder pressure P becomes the maximum value Pmax is on the advance side. When 8 becomes abnormal and the reforming ratio of the fuel in the mixed gas decreases, the crank angle at which the in-cylinder pressure P reaches the maximum value Pmax shifts to the retard side.
[0054]
This is because in the exhaust reformer system, if the reforming of the fuel does not proceed with the reforming catalyst 8, the EGR gas simply returns to the intake system, and the combustion becomes slow. In general, when the reforming ratio is decreased and the EGR amount is increased, the ECU 20 changes the ignition timing so that the torque is increased, and the set ignition timing is advanced as shown in FIG. This is because (the required advance angle becomes large).
[0055]
Therefore, in step 803, it is determined whether or not the reforming catalyst 8 is normal by determining whether or not the generation time of the maximum value Pmax of the in-cylinder pressure is within a predetermined crank angle range. When the generation time of the maximum value Pmax of the in-cylinder pressure is within a predetermined crank angle range, it is determined that the reforming catalyst 8 is normal, and this routine is terminated, but when the predetermined crank angle range is exceeded, In step 804, it is determined that the reforming catalyst 8 is abnormal.
[0056]
On the other hand, even when the in-cylinder pressure sensor 23 is not provided in the engine 10, it is possible to detect an abnormality of the reforming catalyst 8 by detecting the rotation fluctuation of the engine 10. Next, this embodiment will be described with reference to FIG.
[0057]
In step 805, the ECU 20 reads the engine speed and load. Next, in step 806, the engine speed fluctuation is calculated from the stored engine speed value detected in the past. When the reforming catalyst 8 is normal, the engine speed fluctuation is within a predetermined range. However, when the reforming catalyst 8 is in an abnormal state, fluctuations in the engine speed increase.
[0058]
FIG. 10 (b) shows the basis for determining the abnormality of the reforming catalyst 8 in the exhaust reformer system of the present invention. The reforming ratio and rotation of the fuel injected into the exhaust gas recirculation pipe 13 shown in FIG. This shows the relationship with the magnitude of the number fluctuation. As can be seen from this figure, when the reforming catalyst 8 is in a normal state and the reforming ratio of the fuel in the mixed gas is large, the rotational speed fluctuation is small, but the reforming catalyst 8 becomes abnormal and the fuel in the mixed gas As the reforming ratio decreases, the rotational speed fluctuation increases.
[0059]
Therefore, in step 807, it is determined whether or not the engine speed fluctuation is greater than or equal to a predetermined value. When the engine speed fluctuation is within the predetermined value, the reforming catalyst 8 is determined to be normal and this routine is terminated. However, when the predetermined value is exceeded, the routine proceeds to step 808, where the reforming catalyst 8 is abnormal. It is determined that
[0060]
When the abnormality of the reforming catalyst 8 is detected in this way, the abnormality of the reforming catalyst 8 includes the abnormal state of the true reforming catalyst 8 in which carbon is deposited in the reforming catalyst 8, and the engine load. There are two types of abnormal states of the pseudo reforming catalyst 8 which are small and the amount of heat from the exhaust gas applied to the reforming catalyst 8 is insufficient and the reforming catalyst 8 does not reform the fuel.
[0061]
FIG. 9 is a flowchart showing the corresponding procedure in the present invention when it is determined that the reforming catalyst 8 is abnormal while taking into account such two types of abnormalities of the reforming catalyst 8.
[0062]
In step 901, it is determined whether or not there is an abnormality determination of the reforming catalyst 8. If there is no abnormality determination of the reforming catalyst 8, this routine is terminated. If there is an abnormality determination of the reforming catalyst 8, the process proceeds to Step 902. In step 902, it is determined whether the current engine load is less than the set value. If the engine load is larger than the set value, the process proceeds to step 906, where it is determined that carbon has precipitated in the reforming catalyst 8.
[0063]
In this case, in step 907, the deposited carbon in the reforming catalyst 8 is burned off, and this routine is terminated. The burned-out treatment of the deposited carbon in the reforming catalyst 8 is performed by introducing secondary air into the branch pipe 11 from the secondary air supply device 18 shown in FIG. This is done by adjusting the exhaust injection amount from the exhaust injection valve 12 so that the fuel ratio becomes lean. In this way, the mixed gas causes an exothermic reaction in the reforming catalyst 8 and raises the catalyst temperature, so that the deposited carbon in the reforming catalyst 8 burns and is burned off.
[0064]
In the above-described embodiment, since the exhaust pipe 6 is provided with the three-way catalyst 7, the exhaust gas on the upstream side of the three-way catalyst 7 does not flow even when the exhaust reforming gas is allowed to flow into the intake pipe 1. It is necessary to be equivalent to the exhaust gas in a state where the fuel having the stoichiometric air-fuel ratio is supplied. Therefore, in the engine 10 equipped with the exhaust reformer system of the present invention, the air-fuel ratio by the total value of the fuel injection amount injected from the exhaust injection valve 12 and the fuel injection amount from the fuel injection valve 5 provided in the exhaust port 4 is The fuel injection amount from the fuel injection valve 5 is corrected so that the stoichiometric air fuel ratio is obtained.
[0065]
On the other hand, when it is determined in step 902 that the engine load is less than the set value, the process proceeds to step 903. In step 903, the opening degree of the reforming gas control valve 14 is decreased and the exhaust injection amount from the exhaust injection valve 12 is reduced. By reducing the amount of exhaust gas flowing into the reforming catalyst 8 and the amount of exhaust injection injected from the exhaust injection valve 12, the temperature reduction margin of the catalyst due to the endothermic reaction in the reforming catalyst 8 is reduced. Increase the catalyst temperature. If the reforming reaction of the reforming catalyst 8 proceeds, there is no abnormality in the reforming catalyst 8 and the temperature has decreased. Therefore, after operating the engine 10 in this state for a while, the abnormality determination of the reforming catalyst 8 described with reference to FIG. 8A or FIG.
[0066]
Thereafter, in step 905, it is determined whether or not the reforming catalyst 8 has returned to a normal state. If the reforming catalyst 8 is abnormal even after re-execution of the reforming catalyst 8 abnormality determination, the routine proceeds to step 906, where it is determined that carbon has precipitated in the reforming catalyst 8, and at step 907, the above-mentioned determination is made. This routine is terminated after the deposited carbon is burned off.
[0067]
On the other hand, when it is determined in step 905 that the reforming catalyst 8 has returned to normal, the process proceeds to step 908, where it is determined that reforming of the reform gas has been insufficient due to the temperature drop of the reforming catalyst 8. To do. In this case, since there is no abnormality in the reforming catalyst 8 itself, the routine proceeds to step 909, the opening degree of the reform gas control valve 14 and the exhaust injection amount from the exhaust injection valve 12 are returned to the original state, and this routine is ended. To do.
[0068]
As described above, in the present invention, the abnormal state of the true reforming catalyst 8 in which carbon is deposited in the reforming catalyst 8, the engine load is small, and the amount of heat from the exhaust gas applied to the reforming catalyst 8 is insufficient. It is possible to cope with two types of abnormal states of the pseudo reforming catalyst 8 in which the reforming catalyst 8 does not reform the fuel.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the exhaust reformer system for an internal combustion engine of the present invention, when the ignition timing of the internal combustion engine is retarded by a predetermined angle or more, such as when knocking occurs in the internal combustion engine, fuel consumption deteriorates. There is an effect that can be prevented.
[0070]
Further, since the deterioration or inactive state of the reforming catalyst is detected, there is an effect that deterioration of fuel consumption and torque fluctuation can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of an internal combustion engine showing a configuration of a first embodiment of an exhaust reformer system of the present invention.
2 shows the relationship between the knock frequency and the control parameter in the internal combustion engine shown in FIG. 1, (a) is a characteristic diagram showing the relationship between the knock frequency and the ignition timing, and (b) is the knock frequency. A characteristic diagram showing the relationship with the exhaust temperature, (c) is a characteristic diagram showing the relationship between the amount of reformer gas depending on the opening degree of the control valve and the knock frequency.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a procedure for adjusting the opening of the reforming gas control valve when knocking occurs in the reformer system according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a flowchart illustrating a procedure for adjusting the opening degree of the reforming gas control valve in accordance with the retard amount of the ignition timing in the reformer system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows the relationship between the retard amount of the ignition timing and the control parameter in the reformer system of the first embodiment, and (a) shows the relationship between the retard amount of the ignition timing and the exhaust injection amount. (B) is a characteristic diagram showing the relationship between the retard amount of the ignition timing and the correction amount of the control valve opening, and (c) is a characteristic showing the relationship between the retard amount of the ignition timing and the fuel consumption deterioration rate. FIG.
FIG. 6A is a characteristic diagram showing the relationship between the reforming ratio of fuel contained in exhaust gas recirculated in the reformer system and the expected value of the fuel efficiency improvement effect, and FIG. It is a characteristic figure which shows the ratio with respect to the total fuel injection quantity of exhaust injection quantity, and the actual value of a fuel consumption effect.
FIG. 7 is an overall configuration diagram of an internal combustion engine showing a configuration of a second embodiment of the exhaust reformer system of the present invention.
FIG. 8A is a flowchart showing a procedure for determining abnormality of a reforming catalyst in an exhaust reformer system of the present invention having an in-cylinder pressure sensor, and FIG. 8B is an exhaust reforming system of the present invention when there is no in-cylinder pressure sensor. It is a flowchart which shows the procedure which determines abnormality of a reforming catalyst in a former system.
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure to be taken when it is determined that the reforming catalyst is abnormal.
FIG. 10 shows the basis for determining the abnormality of the reforming catalyst in the exhaust reformer system of the present invention. FIG. 10 (a) is a crank in which the reforming ratio of the fuel injected into the exhaust gas recirculation passage and the maximum in-cylinder pressure are generated. (B) is a characteristic diagram showing the relationship between the reforming ratio of the fuel injected into the exhaust gas recirculation path and the rotational fluctuation, and (c) is a modification of the fuel injected into the exhaust gas recirculation path. It is a characteristic figure which shows the relationship between the mass ratio and the required advance angle of ignition timing.
[Explanation of symbols]
1 ... Intake pipe
5 ... Fuel injection valve
6 ... Exhaust pipe
7 ... Three-way catalyst
8 ... Reforming catalyst
9 ... Fuel evaporator
10 ... Engine
11 ... Branch pipe
12 ... Exhaust injection valve
13 ... Reflux tube
14 ... Reform gas control valve
15 ... Pump
16 ... Secondary air supply pipe
20 ... ECU (electronic control unit)
21 ... Knock sensor
22 ... Exhaust temperature sensor
23 ... In-cylinder pressure sensor

Claims (12)

内燃機関の排気通路から取り出した排気ガスの一部に燃料を加えて混合ガスを生成し、この混合ガスを加熱して改質したリフォームガスを、内燃機関の吸気通路に還流する排気リフォーマシステムにおいて、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を設け、
この運転状態検出手段によって前記内燃機関の点火時期が所定角度以上遅角されたか否かを検出し、
点火時期が所定角度以上遅角された場合には、点火時期の遅角度合いに合わせて、還流量制御手段により前記リフォームガスの前記吸気通路への還流量を増大することを特徴とする内燃機関の排気リフォーマシステム。An exhaust reformer system for generating a mixed gas by adding fuel to a part of the exhaust gas taken out from the exhaust passage of the internal combustion engine, and heating and reforming the reformed gas to the intake passage of the internal combustion engine In
An operating state detecting means for detecting an operating state of the internal combustion engine is provided;
By detecting whether or not the ignition timing of the internal combustion engine is retarded by a predetermined angle or more by this operating state detection means,
When the ignition timing is retarded by a predetermined angle or more, the recirculation amount control means increases the recirculation amount of the reformed gas to the intake passage in accordance with the retarded degree of the ignition timing. Exhaust reformer system. 前記運転状態検出手段による、前記内燃機関の点火時期が所定角度以上遅角されたか否かの判定が、前記運転状態検出手段による前記内燃機関のノッキングの検出であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気リフォーマシステム。2. The determination as to whether or not the ignition timing of the internal combustion engine has been retarded by a predetermined angle or more by the operating state detecting means is detection of knocking of the internal combustion engine by the operating state detecting means. An exhaust reformer system for an internal combustion engine according to claim 1. 前記排気通路の三元触媒の下流側に、熱交換器を備えた改質触媒を設け、
前記改質触媒の下流側の前記排気通路を分岐して、分岐管によって排気ガスの一部を取り出し、
この分岐管の途中に燃料噴射弁を設けて、この分岐管内を流れる排気ガス中に燃料を噴射して前記混合ガスを生成し、
前記混合ガスを、前記改質触媒に導入し、前記熱交換器の熱を利用して改質することによりリフォームガスを生成し、
前記改質触媒から出力されたリフォームガスを還流管によって前記吸気通路に導入するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気リフォーマシステム。A reforming catalyst provided with a heat exchanger is provided on the downstream side of the three-way catalyst in the exhaust passage,
Branching the exhaust passage on the downstream side of the reforming catalyst, taking out a part of the exhaust gas by a branch pipe,
A fuel injection valve is provided in the middle of the branch pipe, and fuel is injected into the exhaust gas flowing through the branch pipe to generate the mixed gas,
The mixed gas is introduced into the reforming catalyst and reformed by using the heat of the heat exchanger to generate a reformed gas,
The exhaust reformer system for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the reformed gas output from the reforming catalyst is introduced into the intake passage by a reflux pipe. 前記燃料噴射弁と前記改質触媒との間の分岐管に、排気ガスのエネルギを利用した燃料蒸発器を設けて前記排気ガス中の燃料の気化を促進させるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気リフォーマシステム。The fuel vaporizer using the energy of exhaust gas is provided in a branch pipe between the fuel injection valve and the reforming catalyst to promote the vaporization of the fuel in the exhaust gas. Item 6. An exhaust reformer system for an internal combustion engine according to Item 3. 前記還流管の途中に前記還流量制御手段としての流量制御弁を設け、この流量制御弁は点火時期の遅角量の大きさに応じて、その開度を増大するようにしたことを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の排気リフォーマシステム。A flow rate control valve as the reflux amount control means is provided in the middle of the return pipe, and the flow rate control valve increases its opening according to the magnitude of the retard amount of the ignition timing. An exhaust reformer system for an internal combustion engine according to claim 3 or 4. 前記燃料噴射弁の前記分岐管内への燃料噴射量を、内燃機関の回転数、負荷が大きい時には増大するようにしたことを特徴とする請求項３から５の何れか１項に記載の内燃機関の排気リフォーマシステム。6. The internal combustion engine according to claim 3, wherein the fuel injection amount of the fuel injection valve into the branch pipe increases when the rotational speed and load of the internal combustion engine are large. Exhaust reformer system. 請求項３又は４に記載の内燃機関の排気リフォーマシステムにおいて、更に、前記改質触媒から排出されたリフォームガスの改質状態を判定し、前記リフォームガスの改質状態が良好でない場合には、前記改質触媒が異常であると判定する改質触媒異常判定手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気リフォーマシステム。The exhaust reformer system for an internal combustion engine according to claim 3 or 4, further comprising: determining a reformed state of the reformed gas discharged from the reforming catalyst, and if the reformed state of the reformed gas is not good. An exhaust reformer system for an internal combustion engine, comprising reforming catalyst abnormality determining means for determining that the reforming catalyst is abnormal. 前記改質触媒異常判定手段が、
前記内燃機関に設けられた筒内圧センサによって前記リフォームガスを前記吸気通路に還流している状態の筒内圧を検出し、
最大筒内圧の発生するクランク角度の状態、及び前記内燃機関の運転状態に応じて予め定められている設定点火時期との間の隔たりが所定の値を越えた時に、前記改質触媒が異常であると判定することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気リフォーマシステム。The reforming catalyst abnormality determining means is
An in-cylinder pressure sensor provided in the internal combustion engine detects an in-cylinder pressure in a state where the reformed gas is recirculated to the intake passage;
When the difference between the crank angle at which the maximum in-cylinder pressure is generated and the set ignition timing that is predetermined according to the operating state of the internal combustion engine exceeds a predetermined value, the reforming catalyst is abnormal. The exhaust reformer system for an internal combustion engine according to claim 7, wherein the exhaust reformer system is determined to be present. 前記改質触媒異常判定手段が、
前記内燃機関に設けられた機関回転数センサによって前記リフォームガスを前記吸気通路に還流している状態の機関の回転数変動を検出し、
この回転数変動が所定値を越えた時に、前記改質触媒が異常であると判定することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気リフォーマシステム。The reforming catalyst abnormality determining means is
The engine speed sensor provided in the internal combustion engine detects the engine speed fluctuation in a state where the reformed gas is recirculated to the intake passage,
The exhaust reformer system for an internal combustion engine according to claim 7, wherein when the rotational speed fluctuation exceeds a predetermined value, it is determined that the reforming catalyst is abnormal. 前記改質触媒異常判定手段は、前記改質触媒の異常の判定時に、異常の原因が触媒の温度低下によるものか、或いは炭素の析出によるものかを判断することを特徴とする請求項８又は９に記載の内燃機関の排気リフォーマシステム。9. The reforming catalyst abnormality determining means, when determining abnormality of the reforming catalyst, determines whether the cause of abnormality is due to a decrease in catalyst temperature or carbon deposition. An exhaust reformer system for an internal combustion engine according to claim 9. 前記改質触媒異常判定手段は、前記改質触媒の異常の原因が、触媒の温度低下である時は点火時期を補正し、炭素の析出である時には、前記分岐管に接続された二次空気導入装置から二次空気を前記分岐管内に導入し、前記改質触媒で発熱反応を起こして触媒温度を上昇させ、前記炭素を焼失させることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の排気リフォーマシステム。The reforming catalyst abnormality determining means corrects the ignition timing when the cause of the abnormality of the reforming catalyst is a temperature drop of the catalyst, and when the cause is carbon deposition, the secondary air connected to the branch pipe The exhaust of an internal combustion engine according to claim 10, wherein secondary air is introduced into the branch pipe from an introduction device, an exothermic reaction is caused by the reforming catalyst to raise the catalyst temperature, and the carbon is burned off. Reformer system. 前記内燃機関の吸気通路に設けられた燃料噴射弁の燃料噴射量が、前記分岐通路に設けられた燃料噴射弁の燃料噴射量に応じて、前記三元触媒の上流側の排気ガスが、理論空燃比の排気ガスとなるように補正されることを特徴とする請求項３から１１の何れか１項に記載の内燃機関の排気リフォーマシステム。According to the fuel injection amount of the fuel injection valve provided in the intake passage of the internal combustion engine according to the fuel injection amount of the fuel injection valve provided in the branch passage, the exhaust gas upstream of the three-way catalyst is theoretically The exhaust reformer system for an internal combustion engine according to any one of claims 3 to 11, wherein the exhaust gas is corrected so as to be an air-fuel ratio exhaust gas.
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