JP4992941B2 - 改質触媒システム - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスを改質する改質触媒の被毒を回復する改質触媒システムに関する。

従来より、改質触媒の被毒を回復できる内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この内燃機関は、改質触媒により排気ガスと燃料との混合ガスを改質した改質ガスの燃焼状態を検出する手段と、検出した燃焼状態により改質触媒が被毒したと判定すると、リーン燃焼で生じた酸素を含む排気ガスを改質触媒へ供給する手段とを備える。尚、この内燃機関が備える改質触媒は、供給された排気ガス中の酸素を用いて、被毒物質を燃焼させることで被毒から回復する。

特開２００６−１１８４８８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関では、リーン燃焼を実現するための排気ガス空燃比を制御しないために排気ガス中の酸素量を制御できず、排気ガス中の酸素を用いて効率良く被毒を回復できないという問題があった。

そこで、本発明の目的とするところは、改質触媒の被毒を効率良く回復できる改質触媒システムを提供することにある。

本発明に係る改質触媒システムは、排気ガスの一部に燃料を混合させた混合ガスを改質触媒で改質すると共に、改質したガスをエンジンに再吸気させるＥＧＲと、ＥＧＲが循環させる排気ガスの排気ガス再循環率を、排気ガスを排出するエンジンの稼動状態に基づいて、改質触媒へ供給される排気ガス中の酸素量が最大となる排気ガス再循環率に調整する調整弁とを備えることを特徴としている。
この構成によれば、改質触媒へ供給される排気ガス中の酸素量が最大となる排気ガス再循環率に、ＥＧＲが循環させる排気ガスの排気ガス再循環率を調整するため、改質触媒の被毒を効率良く回復できる。

本明細書開示の改質触媒システムによれば、改質触媒の被毒を効率良く回復できる。

本発明の改質触媒システムの一実施形態を示す構成図である 制御装置の一構成例を表す構成図である。 制御装置の実行する制御処理の一例を表すフローチャートである。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の改質触媒システムの一実施形態を示す構成図である。
図１に示す排気ガス改質システム１は、本発明の改質触媒システムの一例に相当する。排気ガス改質システム１は、車両に搭載される。排気ガス改質システム１は、排気ガス再循環経路１０、燃料供給装置１２、クーラー１４、流量調整弁１５、熱交換器２０、スロットル３０、燃料噴射装置４０、導入管５１、排気管５２、エンジン６０、及び制御装置７０を備える。排気ガス改質システム１は、排気ガスと燃料とを混合した混合ガスを改質する改質触媒の被毒を回復する。

ここで、改質触媒は、吸熱反応である改質反応により、排気ガスと燃料との混合ガスから、例えば、水素、一酸化炭素、及び窒素を含む改質ガスを主生成する。また改質触媒は、この改質反応において、例えば、副生成されたカーボンＣ並びに燃料に含まれる炭化水素ＣＨ及びイオウＳ等の物質が付着することで被毒する。逆に改質触媒は、被毒を引き起こす被毒物質が、例えば、燃焼等により酸素と反応して脱離することで被毒から回復する。尚、改質触媒は、例えば、ロジウム系の触媒であるとして説明するが、これに限定される訳ではない。

排気ガス改質システム１は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を備える。ＥＧＲは、排気ガス再循環経路１０によって実現される。ここで、排気ガス再循環経路１０は、エンジン６０が排出する排気ガスの一部を循環させてエンジン６０に再度吸気させる。具体的には、改質運転時において、排気ガス再循環経路１０は、循環させた排気ガスと燃料との混合ガスを改質触媒が改質した改質ガスをエンジン６０へ供給する。また回復運転時において、排気ガス再循環経路１０は、リーン燃焼したエンジン６０から排出された酸素を含む排気ガスの一部を循環させる。ここで、改質触媒は、排気ガス再循環経路１０が排気ガスを循環させる循環路の途中に担持されるため、排気ガス再循環経路１０が循環させる排気ガス中の酸素を消費して被毒回復する。このため、排気ガス再循環経路１０は、改質運転時において、改質触媒の回復よって酸素が消費された排気ガスをエンジン６０へ供給する。尚、排気ガス再循環経路１０は、回復運転時においても改質ガスをエンジン６０へ供給しても良い。

次に、排気ガス再循環経路１０の構成について説明する。
排気ガス再循環経路１０は、排気ガス導入路１１及び改質ガス導管１３を備え、燃料供給装置１２、クーラー１４、及び流量調整弁１５が設置されている。
排気ガス導入路１１は、熱交換器２０と排気管５２とに接続し、排気管５２を通過する排気ガスの一部を熱交換器２０へ導入する。また排気ガス導入路１１は、排気管５２との接続点よりも下流に燃料供給装置１２が設置されている。

燃料供給装置１２は、例えば、インジェクタで構成される。燃料供給装置１２は、改質運転時において、排気ガス導入路１１を通過する排気ガスへ、制御装置７０の制御に従った量の燃料を噴射して、排気ガスと燃料とが混合した混合ガスを生成する。尚、燃料供給装置１２は、回復運転時には燃料を噴射しない。

ここで一旦、熱交換器２０について説明を行う。
熱交換器２０は、排気通路２１と改質室２２とを備える。熱交換器２０は、排気通路２１を通過する排気ガスの熱を、改質室２２に担持された改質触媒へ移動させる。
改質室２２は、排気ガス導入路１１からエンジン６０の排出した排気ガスの一部が供給される。具体的には、改質運転時において、酸素が少ない又は酸素を含まない排気ガスと燃料との混合ガスが改質室２２へ供給されるため、改質室２２に担持された改質触媒は、排気ガスの熱を用いて混合ガスを改質すると共に被毒する。逆に、回復運転時において、酸素を多く含む排気ガスが改質室２２へ供給されるため、改質触媒は、酸素を消費して被毒から回復する。尚、改質室２２の下流には、改質ガス導管１３が接続されている。

次に、排気ガス再循環経路１０の構成について引き続き説明を行う。
改質ガス導管１３は、上流で改質室２２と接続し、中流にクーラー１４及び流量調整弁１５が順に設置され、下流で導入管５１と合流する。改質ガス導管１３は、改質運転時において、改質室２２で生成された改質ガスを、導入管５１を介してエンジン６０へ供給する。また、回復運転時において、改質室２２で被毒物質の燃焼のために酸素を消費した排気ガスをエンジン６０へ供給する。尚、クーラー１４は、改質ガス導管１３を通過するガスを冷却してガスの体積流量を増加させる。

流量調整弁１５は、排気ガス再循環経路１０が循環させる排気ガスの排気ガス再循環率（以下単に、ＥＧＲ率という）を制御する。ここで、ＥＧＲ率は、エンジン６０が吸入する空気量と、排気ガス再循環経路１０が循環させる排気ガス量（以下単に、ＥＧＲ量という）との合計でＥＧＲ量を除した割合をいう。具体的には、流量調整弁１５は、制御装置７０の制御に従って、改質ガス導管１３を通過するガス量を制御してＥＧＲ率を制御する。つまり、流量調整弁１５は、改質室２２へ供給される排気ガス量のみならず、エンジン６０へ還流させる排気ガス量をも制御する。

スロットル３０は、不図示のアクセルセンサに接続する。スロットル３０は、アクセルセンサが検出したアクセル操作に応じて導入管５１を開閉する。つまり、スロットル３０は、導入管５１の開閉によりエンジン６０が吸入する空気量を制御する。尚、スロットル３０は、制御装置８０にも接続し、制御装置８０の制御に従ってエンジン６０が吸入する空気量を制御してＥＧＲ率を制御する構成を採用できる。
燃料噴射装置４０は、例えば、インジェクタで構成される。燃料噴射装置４０は、制御装置８０に制御された量の燃料を導入管５１へ噴射する。

導入管５１は、上流でスロットル３０と接続し、下流でエンジン６０の吸気ポートと接続する。また、導入管５１は、中流で改質ガス導管１３と合流し、改質ガス導管１３が合流する地点及びエンジン６０と接続する地点との間の地点に燃料噴射装置４０が設置されている。導入管５１は、スロットル３０が制御する量の空気と、改質ガス導管１３に設けられた流量調整弁１５で制御された量のガスと、燃料噴射装置４０で噴射された量の燃料との混合気をエンジン６０へ導入する。
排気管５２は、エンジン６０の排気ポートと上流で接続し、エンジン６０が排出した排気ガスを車外の大気へ放出する。また、排気管５２は、下流で排気ガス再循環経路１０と分岐し、分岐点よりも下流に熱交換器２０が設置されている。

エンジン６０には、検出装置６０ａが設置されている。検出装置６０ａは、例えば、ＮＥセンサ（Number of Engine speed）で構成され、エンジン６０の回転数を検出すると共に、検出した回転数を表すＮＥ信号を制御装置８０へ出力する。
エンジン６０は、例えば、ガソリンエンジンで構成される。エンジン６０は、導入管５１から導入される混合気を燃焼させることで、車両を走行させるための動力を発生させる。具体的には、改質運転時において、エンジン６０は、導入管５１から改質ガスと空気と燃料とが混合された燃料リッチな又は理論空燃費に略一致した混合気を供給される。一方で、回復運転時において、エンジン６０は、導入管５１から酸素が少ない又は酸素を含まない排気ガスと空気と燃料とが混合された弱リーンな混合気を供給される。燃焼で消費されなかった余剰酸素を含む排気ガスを、被毒した改質触媒へ供給するためである。

具体的には、エンジン６０に供給される空気量（酸素ガス量）と、エンジン６０へ再循環させる排気ガス量（ＥＧＲ量）とで算出される不燃ガスの合計量には、エンジン６０における燃焼の失火を防止するための供給限界量が存在する。本実施例では、不燃ガスの合計量は、エンジン６０を搭載した車両の走行状態で定まる所定値であるとして説明するが、これに限定される訳ではない。尚、車両の走行状態で定まる所定値は、車両の設計により異なるため、当業者が実験により特定できる。

このため、エンジン６０に供給する酸素ガス量を増加させても、酸素ガス量とＥＧＲ量との合計値が所定値以下となる必要があるためにＥＧＲ量が減少する。よって、エンジン６０に供給する酸素ガス量を増加させることで燃焼に寄与しない余剰酸素量を増加させても、改質触媒へ供給する排気ガス量が減少することで、改質触媒へ供給される排気ガス中の酸素量が減少する場合がある。また逆に、ＥＧＲ量を増加させてことで改質触媒へ供給する排気ガス量を増加させても、余剰酸素量が減少することで、改質触媒へ供給される排気ガス中の酸素量が減少する場合がある。

ここで、図２を参照して、改質触媒へ供給する酸素量と、エンジン６０に供給する酸素ガス量（空気量）及びＥＧＲ量で定まるＥＧＲ率との関係について説明する。図２は、エンジン６０を搭載した車両の所定の走行状態における、ＥＧＲ率と改質触媒へ供給する酸素量との一関係を表す図である。
図２（ａ）は、縦軸で改質触媒へ供給する酸素量を表し、横軸でＥＧＲ率を表す。図２（ａ）に示すように、改質触媒へ供給する酸素量が最大となる最適ＥＧＲ率ＲｍａｘよりもＥＧＲ率が大きい場合には、不燃ガス量が一定である為、エンジン６０に供給できる酸素量は少なくなり、結果、改質触媒へ供給する酸素量が減少する。ＥＧＲ率が最適ＥＧＲ率Ｒｍａｘよりも小さい場合には、エンジン６０に供給する酸素ガス量は増加できるが改質触媒へ還流するＥＧＲ率が少なくなるため、改質触媒へ供給する酸素量を増加させることができない。尚、ＥＧＲ率と改質触媒へ供給する酸素量との関係は、排気ガス改質システム１の設計により異なるが、当業者が実験により定めることができる。

ここで図１に戻り、排気ガス改質システム１の説明を引き続き行う。
制御装置７０は、例えば、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）で構成される。制御装置７０は、ソフトウェア処理である制御処理を実行することで、改質触媒へ供給される排気ガス中の酸素量が最大となるように接続する各装置及び機器を制御する。
ここで、図２（ｂ）を参照して、ソフトウェア処理を実行するために制御装置７０が用いるハードウェアの構成について説明を行う。図２（ｂ）は、制御装置７０の一構成例を表すハードウェア構成図である。
図２（ａ）に示す制御装置７０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成される実行部７０ａ、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）で構成される記憶部７０ｂ、及び例えば、ＡＤ変換機（Analog-to-Digital）で構成される入出力部７０ｃを備える。ソフトウェア処理は、実行部７０ａが、記憶部７０ｂに格納したプログラムを読み込み、読み込んだプログラムが表すソフトウェア処理の実行手順に従って演算を行うことにより実現される。尚、記憶部７０ｂには、演算装置が行った演算結果が書き込まれる。また、必要に応じて入出力部７０ｃは、検出装置６０ａが入力する信号を演算対象として入力すると共に、演算結果を流量調整弁１５等へ出力する。

次に、図２（ｃ）を参照して、制御装置７０の構成について、機能に着目して説明する。図２（ｃ）は、制御装置７０の一構成例を表す機能ブロック図である。
制御装置７０は、取得部７１、走行状態特定部７２、最適ＥＧＲ率記憶部７３、ＥＧＲ率決定部７４、及びＥＧＲ率制御部７５を備える。

取得部７１は、実行部７０ａが取得処理を実行することで実現される。取得部７１は、検出装置６０ａからＮＥ信号を取得する。
走行状態特定部７２は、実行部７０ａが走行状態特定処理を実行することで実現される。走行状態特定部７２は、エンジン６０を搭載した車両の走行状態を特定する。具体的には、走行状態特定部７２は、エンジン６０の稼動状態に基づいて車両の走行状態を特定する。より具体的には、取得部７１が取得したＮＥ信号の表すエンジン６０の回転数及び負荷（トルク）に基づいて車両の走行状態を特定する。

最適ＥＧＲ率記憶部７３は、例えば、記憶部７０ｂで構成される。最適ＥＧＲ率記憶部７３は、エンジン６０を搭載した車両の走行状態と、その走行状態において改質触媒へ供給する酸素量が最も多くなるＥＧＲ率（以下、最適ＥＧＲ率という）とを関連付けて記憶する。尚、最適ＥＧＲ率は、車両の設計によりことなるが、当業者が実験により定めることができる。

ＥＧＲ率決定部７４は、実行部７０ａがＥＧＲ率決定処理を実行することで実現される。ＥＧＲ率決定部７４は、流量調整弁１５を制御して実現するＥＧＲ率を決定する。具体的には、ＥＧＲ率決定部７４は、走行状態特定部７２が特定した車両の走行状態と関連付けて最適ＥＧＲ率記憶部７３が記憶する最適ＥＧＲ率を検索する。次に、ＥＧＲ率決定部７４は、検索した最適ＥＧＲ率と、排気ガス再循環経路１０が循環させる排気ガスのＥＧＲ率（以下単に、排気ガス再循環経路１０のＥＧＲ率という）とが略一致するように、制御目標とするＥＧＲ率を決定する。
この構成によれば、改質触媒へ供給される排気ガス中の酸素量が最大となる排気ガス再循環率に、循環させる排気ガスの排気ガス再循環率を制御するため、改質触媒の被毒を確実かつ効率良く回復できる。

ＥＧＲ率制御部７５は、実行部７０ａがＥＧＲ率制御処理を実行することで実現される。ＥＧＲ率制御部７５は、ＥＧＲ率決定部７４が決定したＥＧＲ率となるよう排気ガス再循環経路１０が循環させる排気ガスのＥＧＲ率を制御する。具体的には、ＥＧＲ率制御部７５は、ＥＧＲ率決定部７４が決定したＥＧＲ率を実現するガス量だけＥＧＲガスが改質ガス導管１３を通過するよう流量調整弁１５を制御する。尚、ＥＧＲ率制御部７５は、ＥＧＲ率決定部７４が決定したＥＧＲ率を実現するガス量だけ空気が導入管５１に導入されるようスロットル３０を制御しても良い。

次に、図３を参照して、制御装置７０が実行する制御処理について説明する。図３は、制御装置７０が実行する制御処理の一例を表すフローチャートである。
先ず、制御装置７０は、検出装置６０ａからエンジン回転数を表すＮＥ信号を取得する（ステップＳ０１）。次に、制御装置７０は、取得したＮＥ信号に基づいてエンジン６０を搭載した車両の走行状態を上記の様に特定する（ステップＳ０２）。その後、制御装置７０は、特定した車両の走行状態に基づいて最適なＥＧＲ率を上記の様に決定する（ステップＳ０３）。次に、制御装置７０は、決定した最適なＥＧＲ率を実現するよう流量調整弁７０を制御する（ステップＳ０４）。その後、制御装置７０は、制御処理の実行を終了する。

尚、図３において、ステップＳ０１が取得部７１を実現するための取得処理の一例に相当し、ステップＳ０２が走行状態特定部７２を実現するための走行状態特定処理の一例に相当し、ステップＳ０３がＥＧＲ率決定部７４を実現するためのＥＧＲ率決定処理の一例に相当し、ステップＳ０４がＥＧＲ率制御部７５を実現するためのＥＧＲ率制御処理の一例に相当する。

制御装置７０がソフトウェア処理を実行することで実現する機能の一部又は全部は、ハードウェア回路を用いて実現することができる。

制御装置７０が実行する処理手順を記述したプログラムは、磁気ディスクや光ディスク、半導体メモリ、その他の記録媒体に格納して配布したり、ネットワークを介して配信したりすることにより提供できる。

以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１…排気ガス改質システム １０…排気ガス再循環経路
１１…排気ガス導入路 １２…燃料供給装置
１３…改質ガス導管 １４…クーラー
１５…流量調整弁 ２０…熱交換機
２１…排気通路 ２２…改質室
３０…スロットル ４０…燃料噴射装置
５１…導入管 ５２…排気管
６０…エンジン ６０ａ…検出装置
７０…制御装置 ７０ａ…実行部
７０ｂ…記憶部 ７０ｃ…入出力部
７０ｆ…バス ７１…取得部
７２…走行状態特定部 ７３…最適ＥＧＲ率記憶部
７４…ＥＧＲ率決定部 ７５…ＥＧＲ率制御部

Claims (1)

1. 排気ガスの一部に燃料を混合させた混合ガスを改質触媒で改質すると共に、改質したガスをエンジンに再吸気させるＥＧＲを備えた改質触媒システムにおいて、
   前記ＥＧＲが循環させる前記排気ガスの排気ガス再循環率を、前記排気ガスを排出する前記エンジンの稼動状態に基づいて、前記改質触媒へ供給される前記排気ガス中の酸素量が最大となる排気ガス再循環率に調整する調整弁を備えることを特徴とする改質触媒システム。

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