JP4998221B2 - Control device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
この発明は、ガソリンとアルコールとの混合燃料が好適に用いられる内燃機関に関し、特に、燃料から生成した可燃ガスを混合気に添加する構成とした内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine in which a mixed fuel of gasoline and alcohol is preferably used, and more particularly to an internal combustion engine configured to add a combustible gas generated from fuel to an air-fuel mixture.
従来、例えば特許文献1(特開2006−132354号公報)に開示されているように、排気ガスの熱を利用して燃料を可燃ガスに改質する構成とした内燃機関が知られている。この種の従来技術による内燃機関の制御装置は、水蒸気改質反応等によって燃料から可燃ガスを生成する燃料改質触媒を備えている。燃料改質触媒により生成された可燃ガスは、内燃機関の吸気系に還流され、筒内での燃焼に寄与する。 2. Description of the Related Art Conventionally, as disclosed in, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-132354), an internal combustion engine configured to reform a fuel into a combustible gas using heat of exhaust gas is known. A control apparatus for an internal combustion engine according to this type of prior art includes a fuel reforming catalyst that generates combustible gas from fuel by a steam reforming reaction or the like. The combustible gas generated by the fuel reforming catalyst is recirculated to the intake system of the internal combustion engine and contributes to combustion in the cylinder.
また、燃料改質触媒は、改質反応を行う過程で燃料中の硫黄分が付着することにより、硫黄被毒することがある。硫黄被毒が生じた場合には、これによって改質反応が妨げられることになり、可燃ガスの生成量が低下する。 In addition, the fuel reforming catalyst may be poisoned by sulfur due to adhesion of sulfur in the fuel during the reforming reaction. When sulfur poisoning occurs, the reforming reaction is hindered, and the amount of combustible gas produced decreases.
このため、従来技術では、可燃ガスの生成量(濃度)が許容レベルよりも低下したときに、硫黄被毒が生じたものと判定する。そして、この判定時には、燃料改質触媒に硫黄濃度の低い燃料を供給することにより、被毒回復処理を行う構成としている。 For this reason, in the prior art, it is determined that sulfur poisoning has occurred when the amount (concentration) of combustible gas decreases below the allowable level. And at the time of this determination, it is set as the structure which performs a poisoning recovery process by supplying the fuel with a low sulfur concentration to a fuel reforming catalyst.
ところで、上述した従来技術では、可燃ガスの生成量の低下によって硫黄被毒を判定し、被毒回復処理を行う構成としている。この場合、硫黄被毒の程度や進行速度は、燃料中の硫黄濃度によって変化すると考えられるので、可能であれば、硫黄濃度のレベルに応じてそれぞれ適切な対策を実施することが好ましい。 By the way, in the prior art mentioned above, it is set as the structure which determines sulfur poisoning by the fall of the production amount of combustible gas, and performs poisoning recovery processing. In this case, since it is considered that the degree of sulfur poisoning and the speed of progress vary depending on the sulfur concentration in the fuel, it is preferable to implement appropriate measures depending on the level of the sulfur concentration, if possible.
しかしながら、現状では、内燃機関での使用に適するような小型で低価格な硫黄濃度センサを開発するのは困難である。また、従来技術では、可燃ガスの生成量が低下したときに、これを硫黄被毒の状態として検出している。しかし、この状態は、既に触媒の硫黄被毒が進行した状態である。このため、従来技術の内燃機関では、燃料改質触媒の硫黄被毒が進行する前に、燃料中の硫黄濃度を容易に検出することができないという問題がある。 However, at present, it is difficult to develop a small and inexpensive sulfur concentration sensor suitable for use in an internal combustion engine. Further, in the prior art, when the amount of combustible gas produced decreases, this is detected as a sulfur poisoning state. However, this state is a state in which sulfur poisoning of the catalyst has already progressed. For this reason, the internal combustion engine of the prior art has a problem that the sulfur concentration in the fuel cannot be easily detected before the sulfur poisoning of the fuel reforming catalyst proceeds.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明は、硫黄濃度センサ等を用いなくても、簡単な構成によって燃料中の硫黄濃度を速やかに検出することが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems. The present invention can quickly detect the sulfur concentration in the fuel with a simple configuration without using a sulfur concentration sensor or the like. An object of the present invention is to provide a control device for an internal combustion engine.
第1の発明は、加熱手段を備え、前記加熱手段の熱によって改質燃料から可燃ガスを生成する燃料改質触媒と、
少なくともガソリンを含む燃料を前記改質燃料として前記燃料改質触媒に供給する改質燃料供給手段と、
前記改質燃料から生成される可燃ガスの生成量を検出する改質量検出手段と、
前記改質量検出手段の検出結果を用いて前記可燃ガスの生成量の時間的な減少割合であるガス減少割合を算出する減少割合算出手段と、
少なくとも前記ガス減少割合を用いて前記改質燃料中の硫黄濃度を算出する硫黄濃度算出手段と、
を備えることを特徴とする。
1st invention is provided with the heating means, The fuel reforming catalyst which produces | generates combustible gas from reformed fuel with the heat of the said heating means,
Reformed fuel supply means for supplying fuel containing at least gasoline to the fuel reforming catalyst as the reformed fuel;
Reforming amount detecting means for detecting the amount of combustible gas generated from the reformed fuel;
A reduction rate calculation means for calculating a gas reduction rate that is a temporal reduction rate of the amount of combustible gas generated using the detection result of the reforming amount detection unit;
Sulfur concentration calculating means for calculating a sulfur concentration in the reformed fuel using at least the gas reduction rate;
It is characterized by providing.
第2の発明によると、前記硫黄濃度算出手段は、前記ガス減少割合が大きくなるにつれて、前記硫黄濃度を高い値として算出する構成としている。 According to 2nd invention, the said sulfur concentration calculation means is set as the structure which calculates the said sulfur concentration as a high value, as the said gas reduction ratio becomes large.
第3の発明によると、前記硫黄濃度算出手段は、前記ガス減少割合と他のパラメータとを用いて前記硫黄濃度を算出する構成とし、前記他のパラメータは、前記改質燃料中のガソリンとアルコールとの混合比率、前記燃料改質触媒の温度、前記燃料改質触媒に供給される改質燃料の供給量、及び前記燃料改質触媒に供給される排気ガスの流量のうち、少なくとも1つのパラメータである構成としている。 According to a third invention, the sulfur concentration calculating means calculates the sulfur concentration using the gas reduction ratio and other parameters, and the other parameters include gasoline and alcohol in the reformed fuel. At least one parameter of the mixing ratio, the temperature of the fuel reforming catalyst, the supply amount of the reformed fuel supplied to the fuel reforming catalyst, and the flow rate of the exhaust gas supplied to the fuel reforming catalyst It is set as the structure which is.
第4の発明によると、前記硫黄濃度算出手段は、前記改質燃料中のアルコール濃度及び/又は前記燃料改質触媒の温度が高くなるにつれて、前記硫黄濃度の算出値が高くなるように補正する補正手段を備える構成としている。 According to the fourth invention, the sulfur concentration calculating means corrects the calculated value of the sulfur concentration to increase as the alcohol concentration in the reformed fuel and / or the temperature of the fuel reforming catalyst increases. The correction means is provided.
第5の発明は、前記改質量検出手段によって可燃ガスの生成量を検出するときに、前記燃料改質触媒に供給される改質燃料の供給量と、前記燃料改質触媒に供給される排気ガスの流量とからなる少なくとも2つのパラメータを一定の基準状態に保持する基準状態保持手段を備える構成としている。 According to a fifth aspect of the present invention, when the amount of combustible gas generated is detected by the reforming amount detection means, the amount of reformed fuel supplied to the fuel reforming catalyst and the exhaust supplied to the fuel reforming catalyst Reference state holding means for holding at least two parameters including the gas flow rate in a constant reference state is provided.
第6の発明によると、前記加熱手段は、排気ガスの熱によって前記燃料改質触媒を加熱する熱交換器である構成としている。 According to a sixth aspect of the invention, the heating means is a heat exchanger that heats the fuel reforming catalyst with the heat of exhaust gas.
第1の発明によれば、燃料中に硫黄分が含まれている場合には、改質反応の継続時間に応じて燃料改質触媒の性能が低下し、これに伴って可燃ガス(改質ガス)の生成量が徐々に減少する。このとき、減少割合算出手段は、改質量検出手段によって検出した改質ガスの生成量の時間的な変化を求めることにより、ガス減少割合を算出することができる。このガス減少割合と燃料中の硫黄濃度との間には相関があるので、硫黄濃度算出手段は、ガス減少割合に応じて硫黄濃度を容易に算出することができる。 According to the first aspect of the invention, when the fuel contains sulfur, the performance of the fuel reforming catalyst is lowered according to the duration of the reforming reaction. The production amount of gas) gradually decreases. At this time, the reduction ratio calculation means can calculate the gas reduction ratio by obtaining a temporal change in the reformed gas generation amount detected by the reforming amount detection means. Since there is a correlation between the gas reduction rate and the sulfur concentration in the fuel, the sulfur concentration calculation means can easily calculate the sulfur concentration according to the gas reduction rate.
この場合、硫黄濃度算出手段は、ガス減少割合を用いて硫黄濃度を求めているので、水素ガスの生成量が減少し始めた時点またはその近傍で、燃料中の硫黄濃度を速やかに算出することができる。このため、水素ガスの生成量が硫黄被毒によって大きく低下する前に、硫黄濃度を確実に検出することができる。 In this case, since the sulfur concentration calculating means obtains the sulfur concentration using the gas reduction rate, the sulfur concentration in the fuel should be calculated promptly at or near the time when the amount of hydrogen gas generated starts to decrease. Can do. For this reason, the sulfur concentration can be reliably detected before the production amount of hydrogen gas is greatly reduced by sulfur poisoning.
従って、燃料中の硫黄濃度が高い場合でも、燃料改質触媒の硫黄被毒が進行しないうちに、硫黄濃度に応じて迅速かつ適切な対策を実施することができる。これにより、触媒を硫黄分から保護することができ、また改質制御を円滑に行うことができる。しかも、簡単な構成により硫黄濃度の検出が可能となるので、濃度検出用のセンサ等を用いることによる装置の複雑化やコストアップを避けることができる。 Therefore, even when the sulfur concentration in the fuel is high, it is possible to take a quick and appropriate measure according to the sulfur concentration before the sulfur poisoning of the fuel reforming catalyst proceeds. Thereby, a catalyst can be protected from a sulfur content and reforming control can be performed smoothly. Moreover, since the sulfur concentration can be detected with a simple configuration, it is possible to avoid complication of the apparatus and an increase in cost due to the use of a concentration detection sensor or the like.
第2の発明によれば、ガス減少割合は、燃料中の硫黄濃度が高くなるにつれて大きくなるので、これらの関係を予めデータとして保持しておくことができる。そして、硫黄濃度算出手段は、このデータを参照することにより、ガス減少割合が大きくなるほど硫黄濃度を高い値として正確に算出することができる。 According to the second aspect of the invention, the gas reduction rate increases as the sulfur concentration in the fuel increases, so that these relationships can be stored in advance as data. Then, the sulfur concentration calculation means can accurately calculate the sulfur concentration as a higher value as the gas reduction ratio increases by referring to this data.
第3の発明によれば、硫黄濃度算出手段は、ガス減少割合だけでなく、他のパラメータも用いて硫黄濃度を算出することができる。これにより、燃料の混合比率、触媒の温度、改質燃料の供給量、及び触媒に供給される排気ガスの流量のうち、必要なパラメータの変化を硫黄濃度の算出値に反映させることができる。従って、これらの変化による算出値の誤差を確実に補正することができ、任意の制御状態において、硫黄濃度をより正確に求めることができる。 According to the third aspect, the sulfur concentration calculating means can calculate the sulfur concentration using not only the gas reduction rate but also other parameters. As a result, a required parameter change among the fuel mixing ratio, the catalyst temperature, the reformed fuel supply amount, and the exhaust gas flow rate supplied to the catalyst can be reflected in the calculated value of the sulfur concentration. Therefore, the error of the calculated value due to these changes can be reliably corrected, and the sulfur concentration can be obtained more accurately in an arbitrary control state.
第4の発明によれば、燃料中のアルコール濃度が高い場合には、その分だけ改質反応が促進され、硫黄分の影響が打ち消されるので、見かけ上の硫黄濃度が実際よりも低くなる。また、燃料改質触媒の温度が高い場合にも、改質反応が促進されるので、見かけ上の硫黄濃度が低くなる。これらの場合において、補正手段は、硫黄濃度の算出値が高くなるように補正することができる。これにより、アルコール濃度や触媒温度の変化を硫黄濃度の算出値に反映させることができる。 According to the fourth aspect of the invention, when the alcohol concentration in the fuel is high, the reforming reaction is accelerated by that amount, and the influence of the sulfur content is canceled out, so that the apparent sulfur concentration becomes lower than actual. Even when the temperature of the fuel reforming catalyst is high, the reforming reaction is promoted, so that the apparent sulfur concentration becomes low. In these cases, the correction means can correct the calculated value of the sulfur concentration to be high. Thereby, the change of alcohol concentration or catalyst temperature can be reflected in the calculated value of sulfur concentration.
第5の発明によれば、基準状態保持手段は、可燃ガスの生成量を検出するときに、燃料改質触媒に対する改質燃料の供給量と、排気ガスの流量とを一定の基準状態に保持することができる。これにより、改質量検出手段は、一定の条件下で水素ガスの生成量を安定的に検出することができ、前提条件のばらつき等による検出誤差を防止することができる。 According to the fifth aspect of the invention, the reference state holding means holds the supply amount of the reformed fuel to the fuel reforming catalyst and the flow rate of the exhaust gas at a constant reference state when detecting the amount of combustible gas generated. can do. As a result, the reforming amount detection means can stably detect the amount of hydrogen gas produced under certain conditions, and can prevent detection errors due to variations in preconditions.
第6の発明によれば、熱交換器は、排気ガスの熱を利用して燃料改質触媒を加熱することができる。これにより、排気熱回収型のシステムを構成することができ、触媒専用の加熱機器や加熱エネルギが不要となるので、高い運転効率を実現することができる。 According to the sixth aspect, the heat exchanger can heat the fuel reforming catalyst using the heat of the exhaust gas. As a result, an exhaust heat recovery type system can be configured, and a heating device and heating energy dedicated to the catalyst are not required, so that high operating efficiency can be realized.
実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
以下、図1乃至図5を参照しつつ、本発明の実施の形態1について説明する。まず、図1は、実施の形態1のシステム構成を説明するための全体構成図を示している。本実施形態のシステムは、例えば多気筒型の内燃機関10を備えている。この内燃機関10は、アルコールとガソリンとを混合した燃料によって運転されるものであり、本実施の形態では、その一例として、エタノールとガソリンとの混合燃料を用いるものとする。
Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
The first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. First, FIG. 1 shows an overall configuration diagram for explaining the system configuration of the first embodiment. The system of this embodiment includes a multi-cylinder
内燃機関10の吸気管12は、吸気マニホールド14を介して各気筒の吸気ポートに接続されている。吸気管12の途中には、吸入空気量を調整する電動式のスロットル弁16が設置されている。各気筒の吸気ポートには、燃料を噴射するための電磁弁等からなる燃料噴射装置18がそれぞれ設けられている。
An
内燃機関10の排気管20は、排気マニホールド22を介して各気筒の排気ポートに接続されている。また、排気管20の途中には、加熱手段としての熱交換器24が設けられている。そして、熱交換器24内には、複数の改質室26が互いに間隔をもって形成されており、これらの改質室26内には、例えばRh、Pt、Co、Ni等の金属材料を含有する燃料改質触媒28が担持されている。
An
各改質室26の間には、改質室26と遮断された排気通路30が設けられている。これらの排気通路30は、排気管20の途中に接続されている。このように構成された熱交換器24によれば、排気通路30を通過する排気ガスの熱により、改質室26(燃料改質触媒28)を加熱することができる。この加熱により、燃料改質触媒28は、後述の改質反応を生じさせることができる。
Between each reforming
排気管20には、熱交換器24の上流側で分岐する分岐管32が設けられている。分岐管32の下流側は、熱交換器24の改質室26に接続されている。分岐管32の途中には、改質燃料供給手段としての改質燃料噴射弁34が設けられている。この改質燃料噴射弁34は、電磁弁等からなり、分岐管32内を流れる排気ガス中に燃料(以下、改質燃料と称す)を噴射、供給するものである。
The
この構成により、排気管20を流れる排気ガスの一部は、分岐管32によって改質室26に導入され、改質燃料噴射弁34によって改質燃料の供給を受ける。これらの排気ガスと改質燃料との混合ガスは、改質室26に流入し、燃料改質触媒28の作用によって後述の改質反応を起こす。
With this configuration, a part of the exhaust gas flowing through the
この改質反応により生成された改質ガスは、改質ガス通路36を通って吸気管12内に還流され、吸入空気と混合する。改質ガス通路36には、改質ガスを冷却するための冷却器38と、吸気管12に対する改質ガスの還流量を調整する電磁式の流量調整弁40とが設けられている。
The reformed gas generated by the reforming reaction is recirculated into the
また、排気管20を流れる排気ガスのうち、分岐管32に流入しなかった残りの排気ガスは、熱交換器24の排気通路30を通過し、改質室26に熱を供給する。そして、この排気ガスは、排気管20に設けられた三元触媒等からなる排気浄化触媒42によって浄化され、外部に排出される。
Further, of the exhaust gas flowing through the
一方、内燃機関10において、エタノールとガソリンとの混合燃料は、燃料タンク44に貯留されている。燃料タンク44には、タンク内の燃料を加圧した状態で外部に送出するための燃料ポンプ(図示せず)が付設されている。この燃料ポンプの吐出側には、ポンプから吐出された燃料を燃料噴射装置18及び改質燃料噴射弁34にそれぞれ供給する燃料配管46が接続されている。
On the other hand, in the
さらに、本実施形態のシステムは、ECU(Electronic Control Unit)50を備えている。ECU50は、ROM、RAM等の記憶回路を備えたマイクロコンピュータによって構成されている。ECU50の入力側には、排気ガスセンサ52、燃料性状センサ54、触媒温度センサ56、改質量センサ58等を含むセンサ系統が接続されている。
Further, the system of the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 50. The
排気ガスセンサ52は、排気管20に設けられており、排気ガス中の酸素濃度に応じた検出信号をECU50に出力する。また、燃料性状センサ54は、例えば燃料配管46に設けられており、本実施の形態の混合比率検出手段を構成している。即ち、燃料性状センサ54は、燃料中のガソリンとアルコールとの混合比率(以下、燃料中のエタノール濃度と称す)を検出する。触媒温度センサ56は、熱交換器24の改質室26に設けられており、改質室26(燃料改質触媒28)の温度を検出するものである。
The
改質量センサ58は、本実施の形態の改質量検出手段を構成しており、改質ガス通路36に設けられている。また、改質量センサ58は、例えば水素濃度センサ等によって構成され、燃料改質触媒28によって生成された可燃ガス(改質ガス)中の水素濃度を検出する。そして、ECU50は、改質量センサ58によって検出した改質ガスの濃度と、流量調整弁40によって設定した改質ガスの流量とを用いて、改質ガスの生成量を検出することができる。
The reforming
また、ECU50の入力側に接続されたセンサ系統には、例えば機関回転数を検出する回転センサ、吸入空気量を検出するエアフローメータ、冷却水温度を検出する水温センサ、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ等のように、内燃機関10の運転制御に用いられる一般的なセンサが含まれている。
The sensor system connected to the input side of the
一方、ECU50の出力側には、前述したスロットル弁16、燃料噴射装置18、改質燃料噴射弁34、流量調整弁40、燃料ポンプ等を含む各種のアクチュエータが接続されている。そして、ECU50は、内燃機関10の運転状態をセンサ系統によって検出しつつ、各アクチュエータを駆動することによって運転制御を行う。
On the other hand, on the output side of the
この運転制御では、吸入空気量等に応じて燃料の噴射量を算出し、当該噴射量分の燃料を燃料噴射装置18から噴射させる。また、排気ガスセンサ52の検出信号を用いて空燃比フィードバック制御を行うことにより、排気浄化触媒42に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比となるように制御する。
In this operation control, the fuel injection amount is calculated according to the intake air amount and the like, and the fuel for the injection amount is injected from the
(改質制御)
また、ECU50は、以下に述べるように、排気ガスと改質燃料との改質反応によって生成された改質ガスを吸気管12内に還流させる改質制御を行う。改質制御では、分岐管32内を流れる排気ガスに対して、改質燃料噴射弁34から改質燃料を噴射し、これらの混合ガスを改質室26に流入させる。このとき、ECU50は、例えば内燃機関10の運転状態、燃料中のエタノール濃度、燃料改質触媒28の温度等に応じて、改質燃料の適切な噴射量(供給量)を決定する。
(Reforming control)
Further, as described below, the
これにより、改質室26内では、燃料改質触媒28の作用により、混合ガス中のエタノールと、排気ガス中の水蒸気および二酸化炭素とが改質反応(水蒸気改質反応)を起こす。この水蒸気改質反応により、下記の(1)式に示すように、水素(H2)と一酸化炭素(CO)とが生成される。
Thereby, in the reforming
C2H5OH+0.4CO2+0.6H2O+2.3N2+Q1→3.6H2+2.4CO+2.3N2 ・・・(1) C 2 H 5 OH + 0.4CO 2 + 0.6H 2 O + 2.3N 2 + Q1 → 3.6H 2 + 2.4CO + 2.3N 2 (1)
また、混合ガス中のガソリンも、下記の(2)式に示すように、排気ガス中の水蒸気および二酸化炭素と改質反応を起こす。 Further, the gasoline in the mixed gas also undergoes a reforming reaction with water vapor and carbon dioxide in the exhaust gas as shown in the following equation (2).
1.56(7.6CO2+6.8H2O+40.8N2)+3C7.6H13.6+Q2
→31H2+34.7CO+63.6N2 ・・・(2)
1.56 (7.6CO 2 + 6.8H 2 O + 40.8N 2 ) + 3C 7.6 H 13.6 + Q2
→ 31H 2 + 34.7CO + 63.6N 2 (2)
上記(1)式中の熱量Q1、及び(2)式中の熱量Q2は、改質反応によって吸収される反応熱である。即ち、これらの改質反応は吸熱反応であるから、上記(1),(2)式中の右辺で表される改質ガスの有する熱量は、当該各式の左辺に記載された反応前の物質が有する熱量よりも大きくなる。 The amount of heat Q1 in the above equation (1) and the amount of heat Q2 in the equation (2) are reaction heat absorbed by the reforming reaction. That is, since these reforming reactions are endothermic reactions, the calorific value of the reformed gas represented by the right side in the above formulas (1) and (2) is the value before the reaction described on the left side of each formula. It becomes larger than the amount of heat that the substance has.
このため、熱交換器24によれば、排気通路30を通過する排気ガスの熱を燃料改質触媒28に伝達し、上記改質反応に吸収させることができる。つまり、本実施の形態のシステムでは、排気ガスの熱を回収、利用して、改質燃料をより熱量の大きい物質(H2及びCO)に転換することができる。
Therefore, according to the
なお、ガソリンの改質反応で必要な熱量Q2は極めて大きいので、この改質反応が生じるためには、例えば燃料改質触媒28が600℃以上の高温となる必要がある。このため、内燃機関10の運転中には、エタノールの改質反応が広い運転領域で安定的に生じるのに対し、ガソリンの改質反応は、例えば排気温度が上昇する高回転・高負荷運転領域等に限って、効率よく生じるようになる。
Since the amount of heat Q2 required for the reforming reaction of gasoline is extremely large, for example, the
上記の改質反応により得られた改質ガスは、改質ガス通路36を通って吸気管12内に流入し、吸入空気と混合される。このとき、ECU50は、吸気管12に流入する改質ガスの流量を流量調整弁40によって制御する。そして、改質ガスは、吸入空気と共に内燃機関10の気筒内に流入し、改質ガス中のH2とCOは、燃料噴射装置18から噴射された燃料と共に気筒内で燃焼する。
The reformed gas obtained by the above reforming reaction flows into the
この場合、改質ガスは、前述したように、熱交換器24によって排気ガスの熱を回収した分だけ、元の燃料よりも熱量が増えている。このため、改質ガスを内燃機関10で燃焼させることにより、システム全体としての熱効率が向上するので、内燃機関10の燃費性能を改善することができる。しかも、熱交換器24によれば、触媒専用の加熱機器や加熱エネルギを用いなくても、排気ガスの熱を利用して燃料改質触媒28を加熱することができる。これにより、運転効率の高い排気熱回収型のシステムを構成することができる。
In this case, as described above, the amount of heat of the reformed gas is greater than that of the original fuel by the amount of heat recovered from the exhaust gas by the
また、改質ガスを吸気系に還流させることは、EGR(Exhaust Gas Recirculation)として効果も有している。一般に、EGR率を高くしていくと、燃焼が不安定になるので、EGR率には限界がある。これに対し、本実施の形態のシステムでは、EGRガスとなる改質ガス中に高い燃焼性を有するH2が含まれているので、EGR率の限界を高めることができる。これにより、多量の改質ガスを吸気系に還流させることが可能となるので、燃費性能やエミッションを改善することができる。 In addition, refluxing the reformed gas to the intake system also has an effect as EGR (Exhaust Gas Recirculation). In general, when the EGR rate is increased, combustion becomes unstable, so there is a limit to the EGR rate. On the other hand, in the system according to the present embodiment, the reformed gas that becomes the EGR gas contains H 2 having high combustibility, so that the limit of the EGR rate can be increased. As a result, a large amount of reformed gas can be recirculated to the intake system, so that fuel efficiency and emission can be improved.
[実施の形態1の特徴部分]
上述した改質制御において、改質燃料中に硫黄分が含まれている場合には、燃料改質触媒28にコーキング等が生じ易くなり、触媒性能が硫黄被毒によって低下する虞れがある。このような硫黄被毒の状態を回避するために、本実施の形態では、改質燃料中の硫黄濃度を算出し、その算出値に応じて以下の対策を実施する構成としている。
[Characteristics of Embodiment 1]
In the reforming control described above, when the reformed fuel contains a sulfur content, coking or the like is likely to occur in the
(硫黄濃度の算出)
燃料中に硫黄分が含まれている場合には、改質反応の継続時間に応じて燃料改質触媒28の性能が低下する。この結果、改質ガスの生成量は、改質制御が開始された時点から徐々に減少していく。この場合、燃料中の硫黄濃度と、改質ガスの減少状態との間には相関があるので、改質ガスの減少状態に応じて硫黄濃度を算出することができる。
(Calculation of sulfur concentration)
When the fuel contains a sulfur content, the performance of the
硫黄濃度の算出時には、まず改質ガスの減少状態の指標となるガス減少割合ΔHを算出する。ガス減少割合ΔHとは、改質ガスの生成量が一定時間の間に減少した量(割合)である。より具体的に述べると、ガス減少割合ΔHは、ある時点での改質ガスの生成量と、それから一定の基準時間Δtが経過した後のガス生成量との差分として定義される。なお、以下の説明では、改質ガスの生成量を代表する数値の一例として、水素ガスの生成量を用いるものとする。 When calculating the sulfur concentration, first, a gas reduction rate ΔH that is an index of the state of reduction of the reformed gas is calculated. The gas reduction rate ΔH is an amount (ratio) in which the amount of reformed gas generated is reduced over a certain period of time. More specifically, the gas reduction rate ΔH is defined as the difference between the amount of reformed gas produced at a certain point in time and the amount of gas produced after a certain reference time Δt has passed. In the following description, the amount of hydrogen gas generated is used as an example of a numerical value representative of the amount of reformed gas generated.
図2は、燃料中に含まれる硫黄分の影響により、水素ガスの生成量が徐々に減少する様子を示している。この図2中には、硫黄濃度が高い場合と低い場合のそれぞれについて、ガス減少割合の具体値ΔH′,ΔH″を例示している。この図から判るように、燃料中の硫黄濃度が高い場合のガス減少割合(具体値ΔH″)は、硫黄濃度が低い場合のガス減少割合(具体値ΔH′)よりも大きくなっている。 FIG. 2 shows how the amount of hydrogen gas produced gradually decreases due to the influence of sulfur contained in the fuel. FIG. 2 illustrates specific values ΔH ′ and ΔH ″ of the gas reduction ratio for each of the cases where the sulfur concentration is high and low. As can be seen from this figure, the sulfur concentration in the fuel is high. In this case, the gas reduction rate (specific value ΔH ″) is larger than the gas reduction rate (specific value ΔH ′) when the sulfur concentration is low.
従って、ガス減少割合ΔHは、燃料中の硫黄濃度が高くなるにつれて大きくなることが判る。このため、両者の具体的な関係を実験等によって求めれば、図3中に実線で示すように、ガス減少割合ΔHと硫黄濃度との関係を示す基準データを得ることができる。 Therefore, it can be seen that the gas reduction rate ΔH increases as the sulfur concentration in the fuel increases. For this reason, if a specific relationship between the two is obtained through experiments or the like, reference data indicating the relationship between the gas reduction rate ΔH and the sulfur concentration can be obtained as shown by the solid line in FIG.
この基準データの関係は、硫黄濃度の算出に影響を与える他のパラメータが一定の基準状態であるときに成立する。他のパラメータとは、一例を挙げれば、燃料中のエタノール濃度、燃料改質触媒28の温度(触媒温度)、燃料改質触媒28に供給される改質燃料の供給量、改質ガス通路36を流れる排気ガスの流量(EGR流量)などである。
This relationship of the reference data is established when other parameters that affect the calculation of the sulfur concentration are in a constant reference state. Examples of other parameters include the ethanol concentration in the fuel, the temperature of the fuel reforming catalyst 28 (catalyst temperature), the amount of reformed fuel supplied to the
ECU50の記憶回路には、この基準データが予め記憶されている。このため、ECU50は、改質制御を開始したときに、改質量センサ58の検出結果を用いて水素ガスのガス減少割合ΔHを算出し、その算出値に応じて図3の基準データを参照することにより、基準状態での硫黄濃度を求めることができる。
The reference data is stored in advance in the storage circuit of the
また、硫黄濃度の算出時には、前述した各パラメータのうち、例えば改質燃料の供給量と排気ガスの流量とが前述の基準状態に保持される。これらの基準状態は、改質燃料噴射弁34の開弁時間(燃料の噴射時間)と、流量調整弁40の開度とを所定の大きさに保持することによって実現される。残りのパラメータであるエタノール濃度と触媒温度については、これらの値に応じて硫黄濃度の算出値を補正する構成としている。
When calculating the sulfur concentration, among the above-described parameters, for example, the supply amount of reformed fuel and the flow rate of exhaust gas are maintained in the above-described reference state. These reference states are realized by maintaining the valve opening time (fuel injection time) of the reformed
エタノールは、ガソリンと比べて改質反応に対する反応性が高いため、エタノール濃度が高い場合には、その分だけ改質反応が促進される。この結果、水素ガスの生成量を減少させる硫黄分の影響は、エタノールの存在によって打ち消されるので、エタノール濃度を考慮しないと、見かけ上の硫黄濃度が実際よりも低い値として算出される。一方、エタノール濃度が低い場合には、見かけ上の硫黄濃度が実際よりも高くなる。 Since ethanol has a higher reactivity to the reforming reaction than gasoline, when the ethanol concentration is high, the reforming reaction is accelerated accordingly. As a result, the influence of the sulfur content that reduces the production amount of hydrogen gas is canceled out by the presence of ethanol, so that the apparent sulfur concentration is calculated as a lower value than the actual value without considering the ethanol concentration. On the other hand, when the ethanol concentration is low, the apparent sulfur concentration becomes higher than actual.
そこで、本実施の形態では、燃料中のエタノール濃度が高くなるにつれて、硫黄濃度の算出値が高くなるように補正する。この補正の一例を挙げれば、例えばエタノール濃度が前述の基準状態よりも高い場合に、図3中に実線で示す基準データは、仮想線で示す高エタノール濃度時のデータに補正される。 Therefore, in the present embodiment, correction is made so that the calculated value of the sulfur concentration increases as the ethanol concentration in the fuel increases. As an example of this correction, for example, when the ethanol concentration is higher than the above-described reference state, the reference data indicated by a solid line in FIG. 3 is corrected to data at a high ethanol concentration indicated by a virtual line.
また、燃料改質触媒28の温度が高い場合にも、改質反応が促進されるので、見かけ上の硫黄濃度が低くなる。一方、触媒28の温度が低い場合には、見かけ上の硫黄濃度が高くなる。このため、本実施の形態では、燃料改質触媒28の温度が高くなるにつれて、硫黄濃度の算出値が高くなるように補正する。この補正の内容は、図3に示すように、エタノール濃度に応じた補正とほぼ同様のものである。
Even when the temperature of the
上述したように、本実施の形態によれば、ガス減少割合ΔHを用いて硫黄濃度を求めているので、水素ガスの生成量が減少し始めた時点またはその近傍で、燃料中の硫黄濃度を速やかに算出することができる。このため、水素ガスの生成量が硫黄被毒によって大きく低下する前に、硫黄濃度を確実に検出することができる。 As described above, according to the present embodiment, since the sulfur concentration is obtained using the gas reduction rate ΔH, the sulfur concentration in the fuel is set at or near the time when the production amount of hydrogen gas starts to decrease. It can be calculated quickly. For this reason, the sulfur concentration can be reliably detected before the production amount of hydrogen gas is greatly reduced by sulfur poisoning.
従って、燃料中の硫黄濃度が高い場合でも、触媒28の硫黄被毒が進行しないうちに、硫黄濃度に応じて迅速かつ適切な対策を実施することができる。これにより、燃料改質触媒28を硫黄分から保護することができ、また改質制御を円滑に行うことができる。しかも、簡単な構成により硫黄濃度の検出が可能となるので、濃度検出用のセンサ等を用いることによる装置の複雑化やコストアップを避けることができる。
Therefore, even when the sulfur concentration in the fuel is high, it is possible to implement a quick and appropriate measure according to the sulfur concentration before the sulfur poisoning of the
また、硫黄濃度の算出時には、改質燃料の噴射量とEGR流量とを基準状態に保持しつつ、例えば3つのパラメータ(ガス減少割合ΔH、エタノール濃度、及び触媒温度)を用いて、最終的な硫黄濃度を算出している。このため、改質制御の実行状態が変化するときにも、各パラメータの状態に応じて硫黄濃度を正確かつ容易に算出することができる。 Further, when calculating the sulfur concentration, while maintaining the injection amount of the reformed fuel and the EGR flow rate in the reference state, for example, using three parameters (gas reduction ratio ΔH, ethanol concentration, and catalyst temperature), a final value is obtained. The sulfur concentration is calculated. For this reason, even when the execution state of the reforming control changes, the sulfur concentration can be accurately and easily calculated according to the state of each parameter.
さらに、硫黄濃度の算出時には、改質燃料の噴射量とEGR流量とを基準状態に保持することにより、一定の条件下で水素ガスの生成量を安定的に検出することができる。このため、前提条件のばらつき等による検出誤差を防止することができる。また、エタノール濃度や触媒温度の変化を硫黄濃度の算出値に反映させることができる。従って、これらの変化による算出値の誤差を確実に補正することができ、任意の制御状態において、硫黄濃度をより正確に求めることができる。 Further, when the sulfur concentration is calculated, the amount of hydrogen gas produced can be stably detected under certain conditions by maintaining the reformed fuel injection amount and the EGR flow rate at the reference state. For this reason, it is possible to prevent detection errors due to variations in preconditions. In addition, changes in ethanol concentration and catalyst temperature can be reflected in the calculated value of sulfur concentration. Therefore, the error of the calculated value due to these changes can be reliably corrected, and the sulfur concentration can be obtained more accurately in an arbitrary control state.
(硫黄濃度に応じた対策)
本実施の形態では、以下に述べるように、燃料中の硫黄濃度に応じてそれぞれ適切な対策を実施することができる。まず、燃料改質触媒28の温度が低い場合には、改質反応が円滑に生じなくなる。このため、燃料改質触媒28の温度が改質下限温度よりも低温であるときには、改質燃料の噴射を停止させる(改質下限温度制御)。ここで、改質下限温度とは、燃料改質触媒28が改質反応を安定的に起こすために必要な最低の温度である。
(Measures according to sulfur concentration)
In the present embodiment, appropriate measures can be taken in accordance with the sulfur concentration in the fuel, as described below. First, when the temperature of the
燃料中の硫黄濃度が高い場合には、コーキング等が生じ易くなって低温域での改質反応が不安定となる。このため、改質下限温度制御では、硫黄濃度の算出値が高くなるにつれて、改質下限温度を高い温度に設定する構成としている。これにより、本実施の形態では、硫黄濃度に応じた適切な温度領域だけで改質制御を行うことができ、例えば硫黄分の影響で改質反応が不安定となるような温度領域では、改質制御を停止させることができる。 When the sulfur concentration in the fuel is high, coking or the like is likely to occur and the reforming reaction in the low temperature region becomes unstable. For this reason, in the reforming lower limit temperature control, the reforming lower limit temperature is set to a higher temperature as the calculated value of the sulfur concentration increases. Thus, in the present embodiment, the reforming control can be performed only in an appropriate temperature range corresponding to the sulfur concentration. For example, in the temperature range where the reforming reaction becomes unstable due to the influence of the sulfur content, the reforming can be performed. Quality control can be stopped.
また、燃料改質触媒28は、硫黄濃度が高い燃料を多量に供給されるほど、コーキング等による劣化が生じ易くなる。このため、本実施の形態では、燃料中の硫黄濃度が高くなるにつれて、改質燃料の噴射量を減少させる減少補正を実施している(噴射量減少制御)。この噴射量減少制御によれば、硫黄濃度が高い場合には、その分だけ改質燃料の噴射量を減少させることができ、高い硫黄濃度の燃料が触媒28に多量に供給されるのを回避することができる。
Further, the
さらに、燃料中の硫黄濃度が極端に高い場合には、下限温度の変更や噴射量の補正だけで対処するのは難しい。このため、本実施の形態では、硫黄濃度Sが所定の上限判定値Sxよりも高いときに、改質制御を強制的に停止し、以後の改質制御を禁止する(改質禁止制御)。この改質禁止制御によれば、燃料改質触媒28を高濃度の硫黄分から保護することができる。
Furthermore, when the sulfur concentration in the fuel is extremely high, it is difficult to cope with it by changing the lower limit temperature or correcting the injection amount. For this reason, in the present embodiment, when the sulfur concentration S is higher than the predetermined upper limit determination value Sx, the reforming control is forcibly stopped and the subsequent reforming control is prohibited (reforming prohibiting control). According to this reforming prohibition control, the
[実施の形態1を実現するための具体的な処理]
図4及び図5は、本実施の形態のシステム動作を実現するために、ECU50が実行するルーチンのフローチャートである。なお、これらの図に示すルーチンは、内燃機関の始動時に開始され、一定の時間毎に繰返し実行されるものである。
[Specific Processing for Realizing Embodiment 1]
4 and 5 are flowcharts of routines executed by the
まず、図4中のステップ100では、燃料性状センサ54の検出信号を読込む。ステップ102では、この検出信号を用いて燃料中のエタノール濃度を算出する。ステップ104では、例えば内燃機関10の運転状態、燃料中のエタノール濃度、燃料改質触媒28の温度等に応じて、改質燃料の基本的な噴射量を算出する。そして、ステップ106では、この算出値に応じた分の燃料を改質燃料噴射弁34から噴射させる。
First, in
次に、ステップ108では、後述の図5に示す硫黄濃度算出処理を実行し、燃料中の硫黄濃度Sを算出する。そして、ステップ110では、この硫黄濃度SがECU50に予め記憶された上限判定値Sx以下であるか否かを判定する。ここで、「YES」と判定したときには、燃料中の硫黄濃度Sが許容限度以下であるから、ステップ112に移る。
Next, in
そして、ステップ112では、改質燃料噴射を実行し、その後に終了する。改質燃料噴射では、前述したように、燃料中の硫黄濃度に応じて改質下限温度制御と噴射量減少制御とを実行し、これらの制御結果に応じて改質燃料を噴射する。
In
一方、ステップ110で「NO」と判定したときには、燃料中の硫黄濃度Sが許容限度を超えている。このため、ステップ114では、前述の改質禁止制御を実行することにより、改質制御を強制的に終了させ、ECU50の記憶回路に設けられた改質禁止フラグをONに設定する。改質禁止フラグがONに設定された場合には、内燃機関10の運転状態や触媒28の温度状態等に関係なく、改質制御を禁止することができる。
On the other hand, when it is determined as “NO” in
次に、図5を参照しつつ、硫黄濃度算出処理について説明する。まず、ステップ120では、前述したように、改質燃料噴射弁34の開弁時間と、流量調整弁40の開度とを所定の大きさに保持する。これにより、改質燃料の噴射量とEGR流量とは、硫黄濃度の算出を想定した一定の基準状態に保持される。次に、ステップ122では、改質量センサ58の検出信号を読込み、ステップ124では、この検出信号を用いて水素ガスの生成量を算出する。
Next, the sulfur concentration calculation process will be described with reference to FIG. First, in
そして、ステップ126では、基準時間Δtの計測を開始する時点であるか否かを判定し、「YES」と判定したときには、ステップ128で水素ガス生成量の算出値を初回の生成量としてECU50に記憶する。また、ステップ126で「NO」と判定したときには、上述の算出値を記憶することなく、ステップ130に移る。
Then, in
ステップ130では、水素ガス生成量の初回の算出時点から基準時間Δtが経過したか否かを判定する。ここで、「YES」と判定したときには、基準時間Δtだけ離れた2回分の水素ガス生成量が得られたことになるので、ステップ132に移る。また、ステップ130で「NO」と判定したときには、基準時間Δtが経過するまでステップ122,124を繰返す。
In
ステップ132では、上述した2回分の水素ガス生成量の差分を求めることにより、ガス減少割合ΔHを算出する。ステップ134では、前述したように、ガス減少割合ΔHとを用いて図3のマップデータを参照することにより、基本状態における硫黄濃度Sを推定的に算出する。
In
ステップ136では、前述したように、ステップ102で求めたエタノール濃度と、触媒温度センサ56によって検出した燃料改質触媒28の温度とに応じて、硫黄濃度Sを補正し、その後にリターンする。
In
なお、前記実施の形態では、図5において、ステップ122〜132が減少割合算出手段の具体例を示している。また、ステップ134は、硫黄濃度算出手段の具体例を示している。さらに、ステップ120は基準状態保持手段の具体例を示し、ステップ136は補正手段の具体例を示している。 In the above-described embodiment, steps 122 to 132 in FIG. 5 show a specific example of the reduction ratio calculation means. Step 134 shows a specific example of the sulfur concentration calculating means. Further, step 120 shows a specific example of the reference state holding means, and step 136 shows a specific example of the correction means.
また、実施の形態では、硫黄濃度の算出に影響する4つのパラメータ(燃料中のエタノール濃度、触媒温度、改質燃料の噴射量、EGR流量)のうち、改質燃料の噴射量とEGR流量とを基準状態に保持し、エタノール濃度と触媒温度とに応じて硫黄濃度の算出値を補正する構成とした。 In the embodiment, among four parameters (ethanol concentration in fuel, catalyst temperature, reformed fuel injection amount, EGR flow rate) that affect the calculation of the sulfur concentration, the reformed fuel injection amount and the EGR flow rate are Was maintained in the reference state, and the calculated value of the sulfur concentration was corrected according to the ethanol concentration and the catalyst temperature.
しかし、本発明は、必ずしも噴射量とEGR流量とを基準状態に保持する必要はなく、これに代えて、例えば4つ全てのパラメータによって硫黄濃度の算出値をそれぞれ補正する構成としてもよい。この構成によれば、硫黄濃度の算出時には、改質燃料の噴射量とEGR流量とを通常の状態から特定の基準状態に切換える必要がない。このため、改質制御をスムーズに行うことができる。また、本発明では、前述した実施の形態と異なる組合わせとなる2つのパラメータによって硫黄濃度の算出値を補正してもよく、1または3つのパラメータによって硫黄濃度の算出値を補正する構成としてもよい。 However, in the present invention, it is not always necessary to maintain the injection amount and the EGR flow rate in the reference state, and instead, for example, the calculated value of the sulfur concentration may be corrected by all four parameters. According to this configuration, when calculating the sulfur concentration, it is not necessary to switch the injection amount of the reformed fuel and the EGR flow rate from a normal state to a specific reference state. For this reason, the reforming control can be performed smoothly. Further, in the present invention, the calculated value of the sulfur concentration may be corrected by two parameters that are a combination different from the embodiment described above, or the calculated value of the sulfur concentration may be corrected by one or three parameters. Good.
また、実施の形態では、改質量センサ58として水素濃度センサを使用し、改質ガス中の水素濃度を検出することにより、改質ガスの生成量を求めるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、改質量検出手段として一酸化炭素濃度センサを使用し、改質ガス中の一酸化炭素濃度を検出することにより、改質ガスの生成量を求める構成としてもよい。
In the embodiment, a hydrogen concentration sensor is used as the reforming
さらに、実施の形態では、改質燃料として、ガソリンとエタノールとの混合燃料を用いるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えばメタノール等を含めた他のアルコールと、ガソリンとの混合燃料を改質燃料として用いる構成としてもよい。 Furthermore, in the embodiment, a mixed fuel of gasoline and ethanol is used as the reformed fuel. However, the present invention is not limited to this. For example, a mixed fuel of gasoline and other alcohols including methanol may be used as the reformed fuel.
また、本発明に適用される燃料は、少なくともガソリンを含む燃料であればよく、アルコールを含有する燃料に限定されるものではない。即ち、本発明は、例えばガソリンのみによって構成された燃料、及びガソリンにアルコール以外の材料を混入した燃料にも適用することができる。 Moreover, the fuel applied to this invention should just be a fuel containing at least gasoline, and is not limited to the fuel containing alcohol. That is, the present invention can also be applied to a fuel composed only of gasoline, for example, and a fuel in which a material other than alcohol is mixed in gasoline.
また、実施の形態では、排気ガスの熱を利用して燃料改質触媒28を加熱するものとした。しかし、本発明は、必ずしも排気ガスの熱を利用する必要はなく、非排気熱回収型の内燃機関に適用してもよい。即ち、本発明は、排気ガス以外の熱源(例えば、専用の加熱機器等)によって燃料改質触媒28を加熱する構成としてもよい。
In the embodiment, the
10 内燃機関
12 吸気管
14 吸気マニホールド
16 スロットル弁
18 燃料噴射装置
20 排気管
24 熱交換器(加熱手段)
26 改質室
28 燃料改質触媒
30 排気通路
32 分岐管
34 改質燃料噴射弁(改質燃料供給手段)
36 改質ガス通路
38 冷却器
40 流量調整弁
42 排気浄化触媒
44 燃料タンク
46 燃料配管
50 ECU
52 排気ガスセンサ
54 燃料性状センサ
56 触媒温度センサ
58 改質量センサ(改質量検出手段)
ΔH ガス減少割合
DESCRIPTION OF
26 Reforming
36 reformed
52
ΔH Gas reduction rate
Claims (6)
少なくともガソリンを含む燃料を前記改質燃料として前記燃料改質触媒に供給する改質燃料供給手段と、
前記改質燃料から生成される可燃ガスの生成量を検出する改質量検出手段と、
前記改質量検出手段の検出結果を用いて前記可燃ガスの生成量が一定時間の間に減少した量であるガス減少割合を算出する減少割合算出手段と、
前記燃料改質触媒に硫黄被毒が生じたことを検出する以前の時点において、少なくとも前記ガス減少割合を用いて前記改質燃料中の硫黄濃度を算出する硫黄濃度算出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。 A fuel reforming catalyst comprising heating means, and generating a combustible gas from the reformed fuel by heat of the heating means;
Reformed fuel supply means for supplying fuel containing at least gasoline to the fuel reforming catalyst as the reformed fuel;
Reforming amount detecting means for detecting the amount of combustible gas generated from the reformed fuel;
A reduction rate calculation means for calculating a gas reduction rate, which is an amount by which the amount of combustible gas produced is reduced during a certain period of time, using the detection result of the reforming amount detection means;
Sulfur concentration calculating means for calculating a sulfur concentration in the reformed fuel using at least the gas reduction rate at a time before detecting that sulfur poisoning has occurred in the fuel reforming catalyst ;
A control device for an internal combustion engine, comprising:
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