JP6023154B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。より詳しくは、排気ガスの一部を吸気通路に還流する還流通路と、この還流通路に設けられた改質触媒とを備えた内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路に改質触媒を設け、さらにこの改質触媒にインジェクタを用いて改質用の燃料を噴射することにより、ＥＧＲ通路で含水素の改質ガスを生成する技術が提案されている（特許文献１参照）。この技術によれば、ＥＧＲ通路を介して還流されるＥＧＲガスを利用して改質触媒で改質ガスを生成し、これを内燃機関の吸気に供給することにより、内燃機関の燃焼を改善することができる。より具体的には、例えば、ノッキングの抑制及びＥＧＲ限界の拡大等の燃焼改善効果がある。

特開２００６−４６２７４号公報

ところで、改質触媒において改質反応を効率的に行うためには、液体燃料をできるだけ微粒化して改質触媒に供給することが好ましい。そこで、改質触媒に燃料を噴射するインジェクタとしては、圧縮気体を用いて液体燃料の微粒化を促進するアトマイザが用いられる場合がある。ここで微粒化を促進する圧縮気体としては、例えばエアコンプレッサによって圧縮した空気を用いることが考えられる。しかしながら、この場合、アトマイザの他にエアコンプレッサが必要となるばかりか、圧縮空気に含まれる酸素によって改質反応によって生成された水素やＣＯが酸化されてしまうため、投入した燃料に対して十分な量の水素やＣＯが得られない。また冷えた外気を用いて燃料を微粒化した場合には、改質触媒の温度が低下してしまうおそれもある。

本発明は、改質に適した気体を用いて燃料を微粒化し、この微粒化した燃料を排気の還流路に設けられた改質触媒に噴霧する内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

（１）内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の制御装置（例えば、後述の制御装置２）は、内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管１３）のうちの第１排気区間（例えば、後述の低圧排気区間）と前記内燃機関の吸気通路（例えば、後述の吸気管１２）とを連通する還流路（例えば、後述のＥＧＲ管３１）と、当該還流路に設けられ、燃料を改質することで水素を生成する改質触媒（例えば、後述の改質触媒コンバータ７１）と、前記還流路のうち前記改質触媒の上流側に設けられ、当該改質触媒に燃料を供給する燃料噴霧装置（例えば、後述のアトマイザ７２）と、を備え、当該改質触媒で生成された含水素の改質ガスを前記内燃機関の燃焼室に導入する。前記燃料噴霧装置は、前記排気通路のうち前記第１排気区間より高圧の第２排気区間（例えば、後述の高圧排気区間）を通流する排気を用いて燃料を微粒化し、前記改質触媒へ噴霧するアトマイザである。

（２）この場合、前記排気還流装置は、前記排気通路に設けられ排気のエネルギーを利用して吸気を加圧する過給機（例えば、後述の過給機８）をさらに備え、前記第１排気区間は前記排気通路のうち前記過給機のタービン（例えば、後述のタービンホイール８１）より下流側の区間であり、前記第２排気区間は前記排気通路のうち前記タービンより上流側の区間であることが好ましい。

（３）この場合、前記排気還流装置は、前記第２排気区間と前記アトマイザの気体導入部とを連通する高圧排気供給路（例えば、後述の高圧排気供給管７４１）と、当該高圧排気供給路に設けられた調圧バルブ（例えば、後述の調圧バルブ７４２）と、当該調圧バルブの開度を制御する調圧バルブ制御手段（例えば、後述のＥＣＵ５）と、をさらに備えることが好ましい。

（４）この場合、前記調圧バルブ制御手段は、前記高圧排気供給路のうち前記調圧バルブより前記アトマイザ側の部分と前記還流路のうち前記アトマイザの噴孔が設けられる部分との差圧が一定に維持されるように前記調圧バルブの開度を制御することが好ましい。

（５）この場合、前記調圧バルブ制御手段は、前記吸気通路のうち前記過給機のコンプレッサ（例えば、後述のコンプレッサホイール８２）より下流側の過給圧に基づいて前記調圧バルブの開度を制御することが好ましい。

（６）この場合、前記調圧バルブ制御手段は、前記第１排気区間における排気圧に基づいて前記調圧バルブの開度を制御することが好ましい。

（７）この場合、前記排気還流装置は、燃料を貯留する燃料タンク（例えば、後述の燃料タンク７３１）と前記アトマイザの燃料導入部（例えば、後述の燃料通路７２２）とを連通する燃料供給路（例えば、後述の燃料供給管７３２）と、当該燃料供給路に設けられた流量制御バルブ（例えば、後述の燃料バルブ７３４）と、当該流量制御バルブの開度を制御する燃料流量制御手段（例えば、後述のＥＣＵ５）と、をさらに備えることが好ましい。

（８）この場合、前記燃料流量制御手段は、前記内燃機関の回転数又は負荷が大きくなるほど前記アトマイザに供給される燃料の流量が多くなるように前記流量制御バルブの開度を制御することが好ましい。

（９）この場合、前記排気還流装置は、前記還流路のうち前記改質触媒の下流側の空燃比を検出する空燃比センサ（例えば、後述の空燃比センサ９７）をさらに備え、前記燃料流量制御手段は、前記空燃比センサの検出値が所定の目標値になるように前記流量制御バルブの開度を制御することが好ましい。

（１０）この場合、前記排気還流装置は、前記内燃機関の排気ポートから前記アトマイザの気体導入部（例えば、後述の作動ガス通路７２３）に至る排気の経路に設けられ、排気中のＨＣを酸化するＨＣ酸化手段（例えば、後述の酸化触媒コンバータ７４３）をさらに備えることが好ましい。

（１１）この場合、前記排気還流装置は、前記内燃機関の排気ポートから前記アトマイザの気体導入部（例えば、後述の作動ガス通路７２３）に至る排気の経路に設けられ、排気中のＨＣを酸化するＨＣ酸化手段（例えば、後述の酸化触媒コンバータ７４３）をさらに備え、前記改質触媒は水蒸気改質反応によって燃料を改質し改質ガスを生成することが好ましい。

（１２）この場合、前記排気還流装置は、前記内燃機関の排気ポートから前記アトマイザの気体導入部に至る排気の経路に設けられ、排気中のＨＣを酸化するＨＣ酸化手段（例えば、後述の酸化触媒コンバータ７４３）をさらに備え、前記調圧バルブは、前記高圧排気供給路のうち前記ＨＣ酸化手段と前記気体導入部の間に設けられることが好ましい。

（１３）この場合、前記ＨＣ酸化手段は、ＨＣを酸化する機能を有する酸化触媒であり、前記排気還流装置は、当該酸化触媒が劣化したか否かを判定する劣化判定手段（例えば、後述のＥＣＵ５）と、前記劣化判定手段によって劣化したと判定された場合には、前記酸化触媒のＨＣ酸化機能を回復させる触媒再生処理を実行する触媒再生手段（例えば、後述のＥＣＵ５）と、をさらに備えることが好ましい。

（１４）この場合、前記劣化判定手段によって劣化したと判定された後、又は前記触媒再生処理の実行中である場合には、前記アトマイザへの燃料の供給は停止されることが好ましい。

（１５）この場合、前記排気還流装置は、前記排気通路のうち前記タービンの上流側と下流側とを連通するバイパス路（例えば、後述のバイパス通路８６）と、当該バイパス路に設けられたバイパス流量制御バルブ（例えば、後述のウエストゲートバルブ８５）と、当該バイパス流量制御バルブの開度を制御するバイパス流量制御手段（例えば、後述のＥＣＵ５）と、をさらに備えることが好ましい。

（１６）この場合、前記バイパス流量制御手段は、同一の前記内燃機関の運転状態の下で比較した場合、前記アトマイザで燃料を噴霧していない場合には、噴霧している場合よりも前記バイパス流量制御バルブの開度を大きくすることが好ましい。

（１７）この場合、前記バイパス流量制御手段は、前記吸気通路のうち前記過給機のコンプレッサより下流側の過給圧が所定の目標値になるように前記バイパス流量制御バルブの開度を制御することが好ましい。

（１８）この場合、前記内燃機関の運転状態が低回転域内又は低負荷域内である場合には、前記アトマイザからの燃料の噴霧を停止することが好ましい。

（１）本発明では、排気通路のうち第１排気区間から延びる還流路に改質触媒を設け、アトマイザによって微粒化した燃料を改質触媒に噴霧し、この改質触媒で生成された含水素の改質ガスを燃焼室に導入する。特に本発明では、燃料を微粒化するにあたり、酸素をほとんど含まない排気を用いることにより、改質触媒における改質反応を促進するとともに、改質ガス中の水素やＣＯ等の燃焼改善に寄与する成分の酸化による減少を軽減できる。また燃料の微粒化に暖かい排気を用いることにより、改質触媒及び改質ガスの温度の低下も防止できる。またアトマイザによって燃料を微粒化するには、十分な流速の排気を用いる必要がある。これに対し本発明では、排気通路のうち上述の第１排気区間よりも高圧の第２排気区間を通流する排気を用いて燃料を微粒化する。すなわち本発明によれば、排気通路の第１排気区間と第２排気区間との間の差圧によって生じる排気の流れを利用して燃料を微粒化することにより、排気を圧縮するためのコンプレッサを用いることなく微粒化を促進できる。

（２）本発明では、改質触媒に連通する第１排気区間をタービンより下流側の区間とし、アトマイザの気体導入部に連通する第２排気区間をタービンより上流側とする。すなわち本発明では、タービンの前後に発生する十分な大きさの差圧によって生じる排気の流れを利用することにより、燃料の微粒化を促進することができる。

（３）本発明では、第２排気区間とアトマイザとを高圧排気供給路で接続し、この高圧排気供給路に調圧バルブを設け、制御手段を用いてその開度を制御する。これにより、第２排気区間で圧力変動が生じても、アトマイザにおいて燃料を微粒化するための排気の流量を適切に調整できるので、燃料を安定して微粒化できる。

（４）本発明では、アトマイザの排気の入口側と出口側の部分の差圧が一定に維持されるように調圧バルブの開度を制御することにより、アトマイザにおいて燃料を微粒化するための排気の流量を適切に調整できるので、燃料を安定して微粒化できる。

（５）過給圧は、アトマイザの排気の入口側と出口側の部分の差圧と相関がありかつ脈動が少ない。本発明では、このような過給圧に基づいて調圧バルブの開度を制御することにより、燃料を安定して微粒化できる。

（６）排気圧は、アトマイザの排気の入口側と出口側の部分の差圧と直接の相関がある。本発明では、このような排気圧に基づいて調圧バルブの開度を制御することにより、排気圧の変動に対して高い応答性で安定して燃料を微粒化できる。

（７）本発明では、燃料タンクとアトマイザとを連通する燃料供給路に流量制御バルブを設け、制御手段を用いてその開度を制御する。これにより、内燃機関の運転状態や改質触媒の状態等に応じて、アトマイザの排気の入口側と出口側の部分の差圧と独立して改質触媒に供給される燃料の量を適切に調整できる。特に、（４）の発明と組み合わせることにより、必要な量の燃料を改質触媒に供給しつつ、安定して燃料を微粒化できる。

（８）本発明では、内燃機関の回転数又は負荷が大きくなるほどアトマイザへ供給する燃料の流量が多くなるように流量制御バルブの開度を制御する。これにより、高負荷域や高回転域等ではノッキングを抑制するために十分な量の改質ガスを生成し、低負荷域や低回転域等では不要な燃料消費を抑制できる。

（９）本発明では改質触媒の下流側の空燃比が所定の目標値になるように流量制御バルブの開度を制御することにより、改質触媒の状態に関わらず目標とする量の改質ガスが得られるように適切な量の燃料をアトマイザに供給できる。

（１０）本発明では、排気ポートからアトマイザに至る排気の経路にＨＣ酸化手段を設けることにより、アトマイザに導入される排気中のＨＣを除去することができるので、内燃機関の未燃ＨＣが付着することによってアトマイザが故障するのを防止できる。またＨＣ酸化手段によってＨＣを酸化することにより、改質触媒には酸素が少ない排気を供給できるので、改質触媒において生成された水素やＣＯが再び酸化されるのを防止できる。また、ＨＣ酸化手段を経た排気を改質触媒に供給することにより、改質触媒には暖かい燃料を噴霧できる。

（１１）水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、安定して燃料を改質するには改質触媒の温度を適切な温度に維持する必要がある。本発明では、ＨＣを酸化することによって昇温した排気を用いて燃料を微粒化することにより、改質触媒の温度が急激に低下し、水蒸気改質反応の効率が低下するのを防止できる。

（１２）本発明では、アトマイザとＨＣ酸化手段との間に調圧バルブを設ける。これにより、ＨＣ酸化手段の状態によらず安定してアトマイザの噴射圧を調整できる。

（１３）本発明では、酸化触媒が劣化した場合には、触媒再生処理を実行し、そのＨＣ酸化機能を回復させる。これにより、酸化触媒が劣化することによってアトマイザに未燃ＨＣが供給されてしまい、アトマイザが故障するのを防止できる。

（１４）本発明では、酸化触媒が劣化したと判定された後、又は触媒再生処理の実行中である場合には、アトマイザへの燃料の供給を停止する。これにより、酸化触媒が十分に機能しない状態で改質触媒に燃料が噴霧され、結果として改質触媒における効率が低下するのを防止することができる。

（１５）アトマイザを用いると、第１排気区間を通流する排気の一部は還流路側へ流れるため、その分だけ第１排気区間の排気圧が低下する。また第１排気区間の排気圧が低下すると、その分だけタービンを通過する排気の流量も少なくなり、ひいては過給圧が低下する。本発明では、タービンの上流側と下流側とを連通するバイパス路にバイパス流量制御バルブを設け、制御手段を用いてその開度を制御する。これにより、アトマイザを用いることによる過給圧変動を抑制できる。

（１６）上述のようにアトマイザを用いると過給圧が低下する。本発明では、アトマイザで燃料を噴霧していない場合には、噴霧している場合よりもバイパス流量制御バルブの開度を大きくする。これにより、アトマイザによる噴霧の有無の影響を受けずに安定した過給圧を維持できる。

（１７）本発明では、過給圧が目標値になるように、バイパス流量制御バルブの開度を制御する。これにより、アトマイザからの噴霧の有無によらず、安定した過給圧を維持できる。

（１８）本発明では、内燃機関の運転状態が低回転域内又は低負荷域内である場合には、アトマイザからの燃料の噴霧を停止することにより、不必要な燃料の消費を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンとその制御装置の構成を示す図である。 アトマイザの構成を模式的に示す図である。 ＥＣＵにおける過給機及び燃料改質器の制御の手順を示すフローチャートである。 要求水素生成量を決定するマップの一例である。 調圧バルブの指示開度を決定するマップの一例である。 燃料バルブの基本開度を決定するマップの一例である。 図３のフローチャートに従って過給機及び燃料改質器を制御した場合における各種パラメータの変化の一例を示す図である。 ＥＣＵにおける燃料改質器の酸化触媒の劣化判定処理の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、単に「エンジン」という）１と、その制御装置２の構成を示す図である。

エンジン１には、吸気が流れる吸気管１２と、排気が流れる排気管１３と、排気管１３内の排気の一部をＥＧＲガスとして吸気管１２に還流する排気還流装置３と、排気の運動エネルギーを利用して吸気を加圧する過給機８と、エンジン１、排気還流装置３及び過給機８を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）５と、が設けられている。

エンジン１には、その気筒内に適切な空燃比の混合気が形成されるように、図示しない燃料タンクから供給された燃料を噴射する燃料インジェクタ１１が設けられている。燃料インジェクタ１１から噴射される燃料の量は、排気管１３に設けられた空燃比センサ（図示せず）の検出信号に基づくフィードバック制御によって制御される。なお、この燃料インジェクタ１１による燃料噴射制御の具体的な手順については、詳細な説明を省略する。またこの燃料タンク内に貯蔵される燃料としては、例えば、ガソリンや軽油の他、これらにエタノール等のアルコール燃料が混合された燃料が用いられる。

吸気管１２は、吸気マニホールドの複数の分岐部を介してエンジン１の各シリンダの吸気ポートに接続されている。排気管１３は、排気マニホールドの複数の分岐部を介してエンジン１の各シリンダの排気ポートに接続されている。

過給機８は、排気管１３に設けられたタービンホイール８１と、吸気管１２に設けられたコンプレッサホイール８２と、これらタービンホイール８１とコンプレッサホイール８２とを連結するタービンシャフト８３と、を備える。タービンホイール８１は、エンジン１から排出された排気が吹き付けられることで回転駆動する。コンプレッサホイール８２は、タービンホイール８１により回転駆動され、エンジン１の吸気を加圧し吸気管１２内へ圧送する。なお以下では、吸気管１２のうちコンプレッサホイール８２より下流側の部分の圧力を過給圧ともいう。また排気管１３の内部は、タービンホイール８１より上流側の高圧排気区間と、タービンホイール８１より下流側の低圧排気区間とに分けられる。以下では、排気管１３のうち高圧排気区間の圧力を排気圧ともいう。

また排気管１３には、タービンホイール８１の上流側と下流側とを連通するバイパス通路８６が設けられ、さらにこのバイパス通路８６には開閉可能でありタービンホイール８１に吹き付けられる排気の流量を変化させるウエストゲートバルブ８５が設けられている。ウエストゲートバルブ８５を開くと、排気はタービンホイール８１を介さずにバイパス通路８６を経由して排出され、ウエストゲートバルブ８５を閉じると、排気はバイパス通路８６を介さずタービンホイール８１を経由して排出される。従って、過給機８を駆動せずに自然吸気の下でエンジン１を運転する場合には、ウエストゲートバルブ８５は全開に制御され、過給機８を駆動し過給された吸気の下でエンジン１を運転する場合には、ウエストゲートバルブ８５は全開から全閉の間で制御される。

ウエストゲートバルブ８５は、アクチュエータ８７を介してＥＣＵ５に接続されている。ウエストゲートバルブ８５の開度は、図示しないバッテリからアクチュエータ８７へ供給される駆動電流のデューティ比を、ＥＣＵ５によって制御することによって調整される。ＥＣＵ５では、後に図３を参照して説明する手順に従ってウエストゲートバルブ８５の指示開度を算出し、この指示開度が実現されるようにアクチュエータ８７の通電制御を行う。

排気還流装置３は、排気管１３と吸気管１２とを連通するＥＧＲ管３１と、このＥＧＲ管３１内を通流する排気を用いて燃料を改質する燃料改質器７と、ＥＧＲ管３１を通流する排気ガス量を調整するＥＧＲバルブ３２と、を備える。なおこの排気還流装置３は、低圧排気区間を通流する排気の一部を吸気管１２へ還流する、いわゆる低圧型の排気還流装置である。

以下では、ＥＧＲ管３１を介して吸気管１２へ還流されるガス（エンジン１から排出された排気ガスに、後述のアトマイザ７２から噴霧された燃料及び排気ガスを加えたものを含む）を、ＥＧＲガスという。また、ＥＧＲ管３１によって還流されるＥＧＲガスの量を、ＥＧＲ量という。また、エンジン１の気筒内に導入される全ガス量に対するＥＧＲガス量の割合をＥＧＲ率という。

ＥＧＲバルブ３２は、ＥＧＲ管３１内で開閉可能に設けられた電磁弁であり、アクチュエータ３３を介してＥＣＵ５に接続されている。ＥＧＲバルブ３４の開度は、図示しないバッテリからアクチュエータ３３に供給される駆動電流をＥＣＵ５で調整することによって制御される。ＥＣＵ５は、エンジン１の運転状態に応じて目標ＥＧＲ率及びこの目標ＥＧＲ率に応じたＥＧＲバルブ３２の開度を決定し、この開度が実現されるように駆動電流のデューティ比を決定する。このＥＧＲバルブ３２の制御の詳細については説明を省略する。

燃料改質器７は、ＥＧＲ管３１に設けられ燃料改質することで含水素の改質ガスを生成する改質触媒コンバータ７１と、ＥＧＲ管３１のうち改質触媒コンバータ７１より上流側に設けられこの改質触媒コンバータ７１に燃料を噴霧するアトマイザ７２と、アトマイザ７２に燃料を供給する燃料供給装置７３と、アトマイザ７２を作動させるための排気ガスを供給する排気供給装置７４と、を備える。

改質触媒コンバータ７１は、改質反応を促進する改質触媒をフロースルー型のハニカム構造体に担持したものが用いられる。この改質触媒としては、例えば、Ｐｔ／ＣｅＯ_２等の既知の材料が用いられる。改質触媒が設けられた改質触媒コンバータでは、アトマイザ７２から噴霧される改質燃料と、水を含んだ排気ガスが供給されると、例えば、下記式（１）に示すような水蒸気改質反応（吸熱反応）が進行し、エンジン１における燃焼改善効果がある水素やＣＯ等が生成される。なお以下では、改質触媒コンバータ７１から排出されるガスを改質ガスともいう。この改質触媒コンバータ７１において生成された改質ガスは、エンジン１の燃焼状態を改善すべく、ＥＧＲ管３１を介して燃焼室に導入される。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２ｍ）Ｈ_２ （１）

図２は、アトマイザ７２の燃料噴霧部７２１の構成を模式的に示す図である。
アトマイザ７２は、霧状に微粒化された燃料が噴霧される燃料噴霧部７２１がＥＧＲ管３１内に位置するように設けられる。アトマイザ７２は、燃料供給装置７３から供給される液体燃料が通流する燃料通路７２２と、排気供給装置７４から供給される排気ガスが通流する作動ガス通路７２３と、の２つの通路を備える。図２に示すように、これら２つの通路７２２，７２３の先端部は、アトマイザ７２の燃料噴霧部７２１において隣接するようになっている。

ここで、ＥＧＲ管３１のうち燃料噴霧部７２１が設けられた部分と作動ガス通路７２３との間で差圧（以下、「アトマイザの前後差圧」ともいう）が発生すると、作動ガス通路７２３内の排気ガスがその先端部からＥＧＲ管３１へ向けて流れる。作動ガス通路７２３から排出された排気ガスは、燃料通路７２２の先端部から吐出された燃料に衝突し、これによって燃料が霧状に微粒化される。排気ガスによって微粒化された燃料は、燃料噴霧部７２１から、ＥＧＲ管３１内に設けられた改質触媒コンバータ７１に噴霧される。

図１に戻って、燃料供給装置７３は、液体燃料を貯蔵する燃料タンク７３１と、この燃料タンク７３１とアトマイザ７２の燃料通路７２２とを連通する燃料供給管７３２と、燃料タンク７３１内の燃料を、燃料供給管７３２を介してアトマイザ７２へ圧送する燃料ポンプ７３３と、燃料供給管７３２に設けられアトマイザ７２に供給される燃料の流量を調整する燃料バルブ７３４と、を備える。

燃料バルブ７３４は、燃料供給管７３２内で開閉可能に設けられた電磁弁であり、アクチュエータ７３５を介してＥＣＵ５に接続されている。燃料バルブ７３４の開度は、図示しないバッテリからアクチュエータ７３５に供給される駆動電流をＥＣＵ５で調整することによって制御される。ＥＣＵ５は、後に図３を参照して説明する手順に従って燃料バルブ７３４の指示開度を決定し、この指示開度が実現されるように駆動電流のデューティ比を決定する。

排気供給装置７４は、排気管１３のうちタービンホイール８１より上流側の高圧排気区間とアトマイザ７２の作動ガス通路７２３とを連通する高圧排気供給管７４１と、この高圧排気供給管７４１に設けられアトマイザ７２の前後差圧を調整する調圧バルブ７４２と、高圧排気供給管７４１のうち調圧バルブ７４２より上流側に設けられた酸化触媒コンバータ７４３と、を備える。

図２を参照して説明したように、アトマイザ７２で燃料を微粒化するためには、作動ガス通路７２３から十分な流量で排気ガスが排出されるように、アトマイザ７２の前後で十分な大きさの差圧が生じている必要がある。排気供給装置７４は、高圧排気供給管７４１を用いて排気管１３の高圧排気区間とアトマイザ７２とを連通することにより、排気ポンプ等の特別な装置を用いることなくアトマイザ７２で燃料を微粒化するために必要な差圧を発生させる。

酸化触媒コンバータ７４３は、排気中に含まれる未燃ＨＣの酸化を促進する酸化触媒をフロースルー型のハニカム構造体に担持したものが用いられる。このような酸化触媒コンバータ７４３を高圧排気供給管７４１に設けることにより、改質触媒コンバータ７１における水蒸気改質反応が効率的に進行するように、アトマイザ７２を介して改質触媒コンバータ７１に供給される排気の温度を上昇させることができる。また、改質触媒コンバータ７１で生成された水素やＣＯが再び酸化されないように、改質触媒コンバータ７１に供給される排気の酸素濃度を低減することもできる。

調圧バルブ７４２は、高圧排気供給管７４１内で開閉可能に設けられた電磁弁であり、アクチュエータ７４４を介してＥＣＵ５に接続されている。調圧バルブ７４２の開度は、図示しないバッテリからアクチュエータ７４４に供給される駆動電流をＥＣＵ５で調整することによって制御される。ＥＣＵ５は、後に図３を参照して説明する手順に従って調圧バルブ７４２の指示開度を決定し、この指示開度が実現されるように駆動電流のデューティ比を決定する。

ＥＣＵ５は、センサの検出信号をＡ／Ｄ変換するＩ／Ｏインターフェース、各種演算処理を実行するＣＰＵ、及び各種データやマップを記憶するＲＡＭやＲＯＭ等で構成されるマイクロコンピュータである。ＥＣＵ５は、エンジン１の燃料インジェクタ１１からの燃料噴射量を制御する燃料噴射制御（図示せず）、ＥＧＲバルブ３２を駆動しＥＧＲ率を制御するＥＧＲ制御（図示せず）、並びに図３を参照して以下で説明する燃料改質器及び過給機制御を実行する。

このＥＣＵ５には、エンジン１や排気還流装置３等の運転状態を把握するためのセンサとして、筒内圧センサ９２、クランク角センサ９３、アクセル開度センサ９５、過給圧センサ９６、及び空燃比センサ９７等が接続されている。

筒内圧センサ９２は、エンジン１の気筒内圧を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する。エンジン１の燃焼変動率は、ＥＣＵ５における図示しない処理によって、この筒内圧センサ９２の検出信号を用いて算出される。

クランク角センサ９３は、エンジン１のクランクシャフトに固定されたパルサの回転に応じて、所定のクランク角ごとにパルス信号をＥＣＵ５に送信する。ＥＣＵ５では、このクランク角センサ９３からのパルス信号に基づいてエンジン１の回転数が算出される。

アクセル開度センサ９５は、運転者が走査するアクセルペダルの踏み込み量を検出し、これに応じた検出信号をＥＣＵ５に送信する。運転者からエンジン１に要求される負荷に相当する要求トルクは、このアクセル開度センサ７５の検出信号やエンジン回転数に基づいて、ＥＣＵ５における図示しない処理によって算出される。

過給圧センサ９６は、吸気管１２のうちコンプレッサホイール８２より下流側の過給圧を検出し、過給圧に比例した検出信号をＥＣＵ５に送信する。以下では、この過給圧センサ９６によって検出される過給圧を、実過給圧ともいう。

空燃比センサ９７は、ＥＧＲ管３１のうち改質触媒コンバータ７１より下流側に設けられる。空燃比センサ９７は、改質触媒コンバータ７１の下流側へ排出される改質ガスの空燃比（改質ガス中の酸素に対する燃料成分（水素、ＨＣ、ＣＯ等）の比）を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する。なおこの空燃比センサ９７としては、リッチな領域からリーンな領域までの間でリニアな出力特性を有するものが用いられる。

図３は、ＥＣＵにおける過給機及び燃料改質器の制御の手順を示すフローチャートである。より具体的には、ＥＣＵにおいて、ウエストゲートバルブ、調圧バルブ、及び燃料バルブのそれぞれの指示開度を所定の周期ごとに決定する手順を示すフローチャートである。図３に示す処理は、図示しないイグニッションスイッチがオンにされたことに応じて、ＥＣＵにおいて所定の周期で繰り返し実行される。

Ｓ１では、ＥＣＵは、触媒劣化フラグの値が１であるか否かを判定する。この触媒劣化フラグは、燃料改質器用の酸化触媒が未燃ＨＣや析出炭素の付着によって劣化した状態であることを示すフラグであり、その値は後述の図８に示す処理において適宜更新される。

Ｓ１の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、酸化触媒のＨＣ酸化機能を回復すべく、燃料バルブを全閉にし（Ｓ２）、さらに調圧バルブを所定の開度まで開き（Ｓ３）、Ｓ１２に移る。後に図８を参照して説明するように、触媒劣化フラグの値が１になると、エンジンの混合気の空燃比はストイキよりリーンに設定される。したがってＳ３において調圧バルブを開くと、酸化触媒には酸素を多く含んだ排気が供給されるので、酸化触媒に付着していた未燃ＨＣや析出炭素の燃焼が促進され、これにより酸化触媒のＨＣ酸化機能が徐々に回復する。なお、このように酸化触媒の再生処理を行っている間は、排気に多くの酸素が含まれている状態となるので、改質触媒に燃料を噴霧し水素を生成しても再び酸化するおそれがある。そこで酸化触媒の再生処理を行っている間は、Ｓ２に示すように燃料バルブは全閉にし、改質触媒における水素の生成は一時的に停止することが好ましい。また、このように調圧バルブを開くと、排気の一部がアトマイザを介して吸気に還流されることとなる。したがってＳ３では、酸化触媒の再生処理を優先するあまり必要のない時にまで排気の一部が還流されないように、目標ＥＧＲ率が０である場合には、調圧バルブも全閉にすることが好ましい。

Ｓ１の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、Ｓ４に移り、改質触媒における水素生成量の要求値に相当する要求水素生成量を算出し、Ｓ５に移る。より具体的には、Ｓ１では、エンジン回転数及び要求トルク値を取得し、これらに基づいて図４に例示するようなマップを検索することによって、現在のエンジン回転数及び要求トルク値に応じた要求水素生成量を算出する。図４に例示するマップによれば、エンジン回転数が小さい領域又は要求トルク値が小さい領域では、燃焼室に水素やＣＯを導入せずとも点火時期を最適にしつつノッキングを抑制できるため、要求水素生成量は０となる。また、この低回転数又は低負荷以外の領域では、ノッキングが抑制されるように、エンジン回転数又は要求トルク値が増加するほど要求水素生成量も増加する。

Ｓ５では、Ｓ４で算出した要求水素生成量は０より多いか否かを判定する。Ｓ５の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、アトマイザからの燃料の噴霧を停止すべく、燃料バルブを全閉にし（Ｓ６）、さらに調圧バルブも全閉にし（Ｓ７）、Ｓ１２に移る。

Ｓ５の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、十分な大きさのアトマイザの前後差圧が確保されるように、すなわち十分な流量の排気で燃料を微粒化できるように調圧バルブの指示開度を決定し（Ｓ８）、Ｓ９に移る。なお、アトマイザで燃料を微粒化するためには、アトマイザの前後で所定値以上の差圧が生じていればよい。また運転中にこの差圧が大きく変動することは好ましくない。そこでＳ８では、ＥＣＵは、このアトマイザの前後差圧が所定値以上で一定に維持されるように、過給圧及びエンジン回転数に基づいて図５に例示するようなマップを検索することによって、調圧バルブの指示開度を決定する。図５に例示するマップによれば、調圧バルブは、過給圧が高くなるほど又はエンジン回転数が増加するほど閉側に制御される。これにより、アトマイザの前後差圧は微粒化を促進するのに十分な大きさに維持され、かつその不要な変動も抑制される。

Ｓ９では、ＥＣＵは、Ｓ４で算出した要求水素生成量に基づいて図６に例示するようなマップを検索することによって、燃料バルブの基本開度を算出し、Ｓ１０に移る。水素の生成量は、概ねアトマイザから噴霧する燃料の量に比例して増加する。したがって図６に例示するマップによれば、要求水素生成量が増加するほど多くの量の燃料が噴霧されるよう、燃料バルブの基本開度は要求水素生成量に略比例して開側に増加する。

Ｓ１０では、ＥＣＵは、空燃比センサの出力値に基づいて燃料バルブの基本開度に対する補正値を算出し、Ｓ１１に移る。より具体的には、Ｓ１０では、Ｓ４で算出した要求水素生成量の水素が実際に改質触媒で生成されるように、要求水素生成量に基づいて空燃比センサの出力値に対する目標値を決定するとともに、この目標値と空燃比センサの出力値とが一致するように既知のフィードバック制御則に従って燃料バルブの基本開度に対する補正値を算出する。Ｓ１１では、ＥＣＵは、Ｓ９で算出した基本開度とＳ１０で算出した補正値とを合算することによって燃料バルブの指示開度を決定し、Ｓ１２に移る。

Ｓ１２では、ＥＣＵは、エンジン回転数及び要求トルク値に基づいて図示しないマップを検索することによって目標過給圧を決定し、Ｓ１３に移る。Ｓ１３では、ＥＣＵは、過給圧センサの出力に基づいて算出される実過給圧とＳ１２で算出された目標過給圧とが一致するように既知のフィードバック制御則に従ってウエストゲートバルブの指示開度を決定し、この処理を終了する。

図７は、図３のフローチャートに従って過給機及び燃料改質器を制御した場合における各種パラメータの変化の一例を示す図である。図７には、所定時間にわたって要求水素生成量が０以上となったときにおけるアトマイザからの燃料噴霧量（燃料バルブの開度）、調圧バルブの開度、ウエストゲートバルブの開度、及び過給圧の変化を示す。

図３を参照して説明したように、要求水素生成量が０より大きい場合、燃料バルブの開度は、要求水素生成量に応じた量の水素が改質触媒で生成されるように、マップ（図６参照）検索及び空燃比センサの出力値に基づくフィードバック制御によって定められる（図３のＳ９〜Ｓ１１参照）。このため、燃料バルブの開度は、図７に示すように要求水素生成量に応じて調整される。一方調圧バルブの開度は、アトマイザの前後差圧が概ね一定に維持されるように過給圧に基づいて調整される（図３のＳ８参照）。このため図７に示すように、調圧バルブの開度は要求水素生成量の増減によらず、概ね一定に維持される。

また、図３を参照して説明したように、ウエストゲートバルブの開度は、要求水素生成量の増減に関わらず実過給圧と目標過給圧とが一致するように制御される。これに対し、
要求水素生成量が０より大きくなりアトマイザからの燃料の噴霧を開始すると、ウエストゲートバルブは閉側へ制御される。これは、調圧バルブを開くと、その分だけタービンを通過する排気の流量が少なくなり、ひいては過給圧も低下するからである。このため、調圧バルブが開かれていると、同じ過給圧に制御しようとした場合、ウエストゲートバルブの開度はより小さな開度へ収束する。すなわち、同一のエンジンの運転状態の下で比較した場合、アトマイザで燃料を噴霧していない場合には、噴霧している場合よりもウエストゲートバルブの開度は大きくなる。

図８は、ＥＣＵにおける燃料改質器用の酸化触媒の劣化判定処理の手順を示すフローチャートである。図８の処理は、酸化触媒が未燃ＨＣや析出炭素の付着によって劣化したことを示す触媒劣化フラグの値を更新する処理であり、ＥＣＵにおいて、図３の処理と並行して所定の周期で繰り返し実行される。

Ｓ３１では、ＥＣＵは、現在改質触媒において水素が生成されている状態であるか否か、より具体的には要求水素生成量が０より大きいか否かを判定する。Ｓ３１の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、筒内圧センサの出力値に基づいてエンジンの燃焼変動率を算出し、燃焼変動率が、酸化触媒の劣化を判定するために予め定められた触媒劣化判定値より大きいか否かを判定する（Ｓ３２）。酸化触媒が未燃ＨＣや析出炭素の付着に起因して劣化すると、そのＨＣ酸化機能が低下し、ひいては改質触媒に流入する酸素量が増加してしまう。そうすると、図３の処理の下で実際に生成される水素の量は要求水素生成量より少なくなってしまい、結果として十分な燃焼改善効果が得られなくなり、燃焼変動率が増加してしまう。したがって、燃焼変動率に基づいて間接的に酸化触媒の劣化を判定することができる。

Ｓ３２の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、酸化触媒は劣化したと判定し、これを明示すべく触媒劣化フラグの値を１にし（Ｓ３３）、この処理を終了する。ここで触媒劣化フラグの値が１とされたことに応じて、図示しないエンジンの燃料噴射制御では混合気の空燃比をストイキよりリーンにし、図３の処理では燃料バルブを閉じるとともに調圧バルブを開く。これにより酸化触媒には酸素を多く含んだ排気が供給されるので、付着した未燃ＨＣや析出炭素が酸化され、ひいては酸化触媒のＨＣ酸化機能が回復する。一方、Ｓ３１又はＳ３２の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、酸化触媒は劣化していないと判定し、これを明示すべく触媒劣化フラグの値を０にし（Ｓ３４）、この処理を終了する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

例えば上記実施形態では、アトマイザに供給される排気中のＨＣを酸化させるＨＣ酸化手段として、酸化触媒を用いた場合に付いて説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、酸化触媒の代わりに、排気中のＨＣを酸化する機能を有する三元触媒やプラズマリアクタを用いてもよい。

また、上記実施形態では、酸化触媒が担持された酸化触媒コンバータ７４３を高圧排気供給管７４１に設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、エンジン１の排気ポートからアトマイザ７２の作動ガス通路７２３に至る排気の経路上であれば、高圧排気供給管７４１に限らず排気管１３に設けてもよい。

また、上記実施形態では、アトマイザの前後差圧が一定になるように、過給圧センサによって検出される実過給圧を用いて調圧バルブの開度を制御したが（図３のＳ８参照）、本発明はこれに限らない。例えば、排気圧を検出する排気圧センサを設け、このセンサで検出される実排気圧を用いて調圧バルブの開度を制御してもよい。過給圧は排気圧と比較して脈動が小さい。従って上記実施形態のように過給圧を用いた場合には、安定性に優れるという利点がある。一方、排気圧はアトマイザの前後差圧とより相関が強い。このため排気圧を用いた場合には、応答性に優れるという利点がある。

また上記実施形態では、エンジン回転数及び要求トルク値に基づいて要求水素生成量を決定する場合について説明したが（図３のＳ４参照）、本発明はこれに限らない。改質触媒で生成される水素やＣＯには、ＥＧＲ率の上限を拡大する作用もある。したがって例えば、要求水素生成量は、目標ＥＧＲ率に基づいて決定してもよい。

上記実施形態では、燃料改質器の酸化触媒の未燃ＨＣや析出炭素の付着による劣化を、筒内圧センサを用いて判定する場合について説明したが（図８参照）、酸化触媒の劣化を判定する手段はこれに限らない。酸化触媒の劣化が進行すると、酸化触媒の温度が低下する傾向がある。したがって、酸化触媒の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサの出力値を用いて酸化触媒の劣化を判定することもできる。また、酸化触媒の劣化の進行度合いは、エンジンの燃料噴射量の積算値に概ね比例する。したがって、エンジンの燃料噴射量の積算値を算出し、この積算値が所定の劣化判定値を超えた場合には、酸化触媒は劣化したものとみなし、触媒劣化フラグの値を１にするようにしてもよい。

１…エンジン（内燃機関）
１２…吸気管（吸気通路）
１３…排気管（排気通路）
２…制御装置
３…排気還流装置
３１…ＥＧＲ管（還流路）
５…ＥＣＵ５（調圧バルブ制御手段、燃料流量制御手段、劣化判定手段、触媒再生手段、バイパス流量制御手段）
７…燃料改質器
７１…改質触媒コンバータ（改質触媒）
７２…アトマイザ（燃料噴霧装置）
７２２…燃料通路（燃料導入部）
７２３…作動ガス通路（気体導入部）
７３１…燃料タンク
７３２…燃料供給管（燃料供給路）
７３４…燃料バルブ（流量制御バルブ）
７４１…高圧排気供給管（高圧排気供給路）
７４２…調圧バルブ
７４３…酸化触媒コンバータ（ＨＣ酸化手段、酸化触媒）
８…過給機
８１…タービンホイール（タービン）
８５…ウエストゲートバルブ（バイパス流量制御バルブ）
８６…バイパス通路（バイパス路）
９７…空燃比センサ

Claims (18)

1. 内燃機関の排気通路のうちの第１排気区間と前記内燃機関の吸気通路とを連通する還流路と、
   当該還流路に設けられ、燃料を改質することで水素を生成する改質触媒と、
   前記還流路のうち前記改質触媒の上流側に設けられ、当該改質触媒に燃料を供給する燃料噴霧装置と、を備え、当該改質触媒で生成された含水素の改質ガスを前記内燃機関の燃焼室に導入する内燃機関の制御装置であって、
   前記燃料噴霧装置は、前記排気通路のうち前記第１排気区間より高圧の第２排気区間を通流する排気を用いて燃料を微粒化し、前記改質触媒へ噴霧するアトマイザであることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記排気通路に設けられ排気のエネルギーを利用して吸気を加圧する過給機をさらに備え、
   前記第１排気区間は前記排気通路のうち前記過給機のタービンより下流側の区間であり、前記第２排気区間は前記排気通路のうち前記タービンより上流側の区間であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記第２排気区間と前記アトマイザの気体導入部とを連通する高圧排気供給路と、
   当該高圧排気供給路に設けられた調圧バルブと、
   当該調圧バルブの開度を制御する調圧バルブ制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記調圧バルブ制御手段は、前記高圧排気供給路のうち前記調圧バルブより前記アトマイザ側の部分と前記還流路のうち前記アトマイザの噴孔が設けられる部分との差圧が一定に維持されるように前記調圧バルブの開度を制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記調圧バルブ制御手段は、前記吸気通路のうち前記過給機のコンプレッサより下流側の過給圧に基づいて前記調圧バルブの開度を制御することを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記調圧バルブ制御手段は、前記第２排気区間における排気圧に基づいて前記調圧バルブの開度を制御することを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の制御装置。
7. 燃料を貯留する燃料タンクと前記アトマイザの燃料導入部とを連通する燃料供給路と、
   当該燃料供給路に設けられた流量制御バルブと、
   当該流量制御バルブの開度を制御する燃料流量制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記燃料流量制御手段は、前記内燃機関の回転数又は負荷が大きくなるほど前記アトマイザに供給される燃料の流量が多くなるように前記流量制御バルブの開度を制御することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記還流路のうち前記改質触媒の下流側の空燃比を検出する空燃比センサをさらに備え、
   前記燃料流量制御手段は、前記空燃比センサの検出値が所定の目標値になるように前記流量制御バルブの開度を制御することを特徴とする請求項７又は８に記載の内燃機関の制御装置。
10. 前記内燃機関の排気ポートから前記アトマイザの気体導入部に至る排気の経路に設けられ、排気中のＨＣを酸化するＨＣ酸化手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
11. 前記内燃機関の排気ポートから前記アトマイザの気体導入部に至る排気の経路に設けられ、排気中のＨＣを酸化するＨＣ酸化手段をさらに備え、
    前記改質触媒は水蒸気改質反応によって燃料を改質し改質ガスを生成することを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
12. 前記内燃機関の排気ポートから前記アトマイザの気体導入部に至る排気の経路に設けられ、排気中のＨＣを酸化するＨＣ酸化手段をさらに備え、
    前記調圧バルブは、前記高圧排気供給路のうち前記ＨＣ酸化手段と前記気体導入部の間に設けられることを特徴とする請求項３から６の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
13. 前記ＨＣ酸化手段は、ＨＣを酸化する機能を有する酸化触媒であり、当該酸化触媒が劣化したか否かを判定する劣化判定手段と、
    前記劣化判定手段によって劣化したと判定された場合には、前記酸化触媒のＨＣ酸化機能を回復させる触媒再生処理を実行する触媒再生手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１０から１２の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
14. 前記劣化判定手段によって劣化したと判定された後、又は前記触媒再生処理の実行中である場合には、前記アトマイザへの燃料の供給は停止されることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の制御装置。
15. 前記排気通路のうち前記タービンの上流側と下流側とを連通するバイパス路と、
    当該バイパス路に設けられたバイパス流量制御バルブと、
    当該バイパス流量制御バルブの開度を制御するバイパス流量制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項２から６の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
16. 前記バイパス流量制御手段は、同一の前記内燃機関の運転状態の下で比較した場合、前記アトマイザで燃料を噴霧していない場合には、噴霧している場合よりも前記バイパス流量制御バルブの開度を大きくすることを特徴とする請求項１５に記載の内燃機関の制御装置。
17. 前記バイパス流量制御手段は、前記吸気通路のうち前記過給機のコンプレッサより下流側の過給圧が所定の目標値になるように前記バイパス流量制御バルブの開度を制御することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の内燃機関の制御装置。
18. 前記内燃機関の運転状態が低回転域内又は低負荷域内である場合には、前記アトマイザからの燃料の噴霧を停止することを特徴とする請求項１から１７の何れかに記載の内燃機関の制御装置。