JP6069698B2

JP6069698B2 - エンジンの制御装置及び制御方法

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Publication number: JP6069698B2
Application number: JP2012283619A
Authority: JP
Inventors: 新城　崇; 崇新城; 泰介白石; 洋史前田; 竜也矢口; 理晴葛西
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: JP2014125979A

Description

この発明は内燃機関（以下「エンジン」という。）の制御装置及び制御方法、特にＥＧＲ装置を備えるものに関する。

ＥＧＲ通路にあって炭化水素添加手段により添加された炭化水素を水素分子に改質する改質触媒と、ＥＧＲ通路を流れる排気に所定の電圧を印加することで水素イオンを含むプラズマを生成させるプラズマ生成装置とを備えるものがある（特許文献１参照）。このものでは、ＥＧＲ領域で改質触媒及びプラズマ生成装置によってエンジン燃焼を活性化する成分（水素及び水素イオン）を生成し、この成分を酸化することなく燃焼室に供給する。この燃焼活性化成分の供給で燃焼安定性を良くし、その燃焼安定性を良くした分だけＥＧＲ率を大きくして高ＥＧＲ率の燃焼を成立させ、高ＥＧＲ率とすることによって燃費を向上させるようにしている。

特開２００５−９８２２６号公報

ところで、エンジンの運転条件によっては改質触媒で必要な水素分子の量（改質成分量）が得られず、水素分子の量が不足することがある。こうした場合に、プラズマ生成装置を作動させて水素イオンを生成し、これによって水素分子の不足を補うことができる。一方、プラズマ生成装置の作動には電気エネルギーが消費されるので、ＥＧＲ率の限界向上による燃費向上効果よりもプラズマ生成装置の作動に消費する電気エネルギが大きくなったのでは、プラズマ生成装置を設けている意味がなくなってしまう。つまり、どれだけ水素分子を生成し得るかという改質触媒の改質能力をみながらプラズマ生成装置を作動させるかどうかを判断しないと、無駄にプラズマ生成装置を作動させることになり無駄に電気エネルギーが消費されてしまう。言い換えると、エンジンの運転条件の相違を考慮してプラズマ生成装置の作動を制御する必要がある。しかしながら、上記特許文献１の技術では、こうした点については一切記載がない。

そこで本発明は、エンジンの運転条件が相違しても、プラズマ生成装置の無駄な作動を排除しつつ必要な改質成分量を確保し得る制御装置を提供することを目的とする。

本発明のエンジンの制御装置は、理論空燃比の混合気が得られるように吸気管を流れる空気量及び燃料量を調整する空気量・燃料量調整手段と、前記理論空燃比の混合気が燃焼した後のガスである排気の一部を前記吸気管に還流するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路を流れる排気に炭化水素を添加する炭化水素添加手段と、前記ＥＧＲ通路にあって前記添加された炭化水素を水素分子に改質する改質触媒と、前記ＥＧＲ通路を流れる排気に所定の電圧を印加することで水素イオンを含むプラズマを生成させるプラズマ生成装置とを備えている。本発明のエンジンの制御装置は、さらに前記改質触媒による改質で得る水素分子の量に対する前記プラズマ生成装置により得る水素イオンの量の比率を前記改質触媒の改質能力に応じて変化させる比率変更手段とを備えるものである。

改質触媒による改質で得る水素分子の量はエンジンの運転条件により定まる改質触媒の改質能力によって相違するので、運転条件によっては必要な水素分子の量が得られず、水素分子の量が不足することがある。この場合に、本発明によれば、改質触媒による改質で得る水素分子の量に対するプラズマ生成装置により得る水素イオンの量の比率を増加させることで、プラズマ生成装置により得る水素イオンの量が増え水素分子の量の不足が補われる。一方、運転条件によっては改質触媒による改質だけで必要な水素分子の量が得られることがある。この場合に、本発明によれば、今度は比率を減少させることで、プラズマ生成装置の作動を停止して電気エネルギーが消費されないようにする。このように、本発明によれば、改質触媒の改質能力に応じた比率制御を行うので、エンジンの運転条件が相違しても、プラズマ生成装置の無駄な作動を排除しつつ必要な改質成分量を確保できる。

本発明の第１実施形態のガソリンエンジンの概略構成図である。プラズマ生成装置を付属させた改質触媒の斜視図及び断面図である。ＨＣ改質触媒の触媒温度に対する特性図である。ＨＣ改質触媒のＥＧＲガス流量に対する特性図である。エンジンの運転領域図である。第１実施形態のプラズマ生成電圧、改質燃料インジェクタの燃料噴射パルス幅、メイン燃料噴射パルス幅の算出を説明するためのフローチャートである。目標エンジントルクの特性図である。第１実施形態のプラズマ生成電圧の特性図である。第２実施形態のプラズマ生成電圧、改質燃料インジェクタの燃料噴射パルス幅、メイン燃料噴射パルス幅の算出を説明するためのフローチャートである。第２実施形態のプラズマ生成電圧の特性図である。第３実施形態のガソリンエンジンの概略構成図である。第３実施形態のプラズマ生成電圧、改質燃料インジェクタの燃料噴射パルス幅、メイン燃料噴射パルス幅の算出を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態のガソリンエンジン１の概略構成図である。図１において、空気（新気）は吸気管２の一部である吸気コクレタ３、吸気マニフォルド４を経て燃焼室５（シリンダ）に供給される。空気の量は電制スロットル弁１１（空気量調整手段）により調整される。燃料は吸気マニフォルド４に設けた各気筒の燃料インジェクタ１２（燃料量調整手段）より各気筒の吸気ポートに向けて噴射供給される。この噴射された燃料は、吸気ポートを流れる空気と混合しつつ気化し、燃焼室５に流入して混合気を形成する。なお、本発明では、後述するように改質触媒３１の上流にも燃料インジェクタ３３を設けるので、両者を区別するため、各吸気ポートに設ける燃料インジェクタ１２を「メイン燃料インジェクタ」という。

シリンダ５内に供給された混合気に対して各気筒の点火プラグ１３で火花点火を行うことで、混合気が燃焼し、その燃焼圧力がピストンを押し下げる仕事をしてクランクシャフトを回転駆動する。燃焼の終わったガスは排気として排気管６に出される。排気に含まれる有害三成分は三元触媒７によって浄化した後に大気に放出する。三元触媒７は、排気中の有害三成分（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯ_x）を無害の成分（ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ及びＮ₂）にする触媒である。例えばＰｔとＲｈの混合物またはＰｔとＰｄとＲｈの混合物をアルミナに担持させたもので構成する。

排気の一部は三元触媒７の上流で分岐するＥＧＲ通路８を介して吸気コレクタ３に戻される。ＥＧＲ通路８を流れるＥＧＲガスの流量を調整するためＥＧＲ弁９を備える。ＥＧＲ弁９はアクチュエータ１０により駆動される。

エンジンコントローラ２１には、アクセルセンサ２２からのアクセル開度ＡＣＣ、クランク角センサ２３からのクランク角、エアフローメータ２４からの吸入空気量Ｑａの信号が入力されている。エンジンコントローラ２１（空気量・燃料量調整手段）では、電制スロットル弁１１を介してエンジン１に供給する空気の量を、各気筒のメイン燃料インジェクタ１２を介してエンジン１に供給する燃料供給量を調整（制御）する。また、各気筒の点火プラグ１３を介して点火時期を制御する。上記の三元触媒７は、排気の空燃比が理論空燃比付近で振れることによって排気中の有害三成分を効率よく浄化できるため、理論空燃比の混合気が得られるように各気筒のメイン燃料インジェクタ１２に与える燃料噴射パルス幅Ｔｍ［ｍｓ］を定めている。

また、エンジンコントローラ２１では、エンジンの負荷と回転速度Ｎｅとから定まる運転条件がＥＧＲ領域にある場合に、アクチュエータ１０を介してＥＧＲ弁９を開くと共に目標ＥＧＲ率が得られるようにＥＧＲ弁開度（ＥＧＲガスの流量）を制御する。

ＥＧＲ弁９上流のＥＧＲ通路８には、図２にも示したように、プラズマ生成装置４１を付属させた改質触媒３１を備える。ここで、図２（ａ）はプラズマ生成装置４１を付属させた改質触媒３１の斜視図、図２（ｂ）はプラズマ生成装置４１を付属させた改質触媒３１の断面図である。改質触媒３１は円柱状に形成され、ＥＧＲ通路８に介装されている。改質触媒３１の直ぐ上流には、改質触媒３１に炭化水素を噴射供給するための燃料インジェクタ３３を備える。この燃料インジェクタ３３を上記のメイン燃料インジェクタ１２と区別するため、「改質燃料インジェクタ」という。

改質燃料インジェクタ３３（炭化水素添加手段）よりＥＧＲ通路８を流れる排気（ＥＧＲガス）に添加する燃料としては、ガソリン、軽油、メタノール等の任意の液状の炭化水素を使用でき、例えばガソリンエンジンの場合には液状のガソリンを使用できる。ただし、改質燃料インジェクタ３３に供給する液状の炭化水素と、メイン燃料インジェクタ１２に供給する液状の炭化水素とが異なる炭化水素であってもよい。

ＥＧＲ通路８を流れる排気に炭化水素を添加する炭化水素添加手段として燃料噴射弁を示したが、ベンチュリを用いた燃料霧化手段であってよい。あるいは液状のガソリンを加熱することで蒸発させるガソリン気化手段等でよい。また、ＥＧＲ通路８を流れる排気に添加する液状の炭化水素の気化を排気の熱を利用して行ってもよい。

改質触媒３１は、ＥＧＲ通路８を流れる排気中に添加した炭化水素（ＨＣ）にクラッキング、ラジカル化、ＣＯ生成水素生成等の軽質化を行わせることによって水素分子（Ｈ₂）を得る任意の触媒でよい。こうした改質触媒３１として、例えばＲｈ／ＺｒＯ₂系触媒やＲｈ／ＣｅＯ₂系触媒といったＨＣ改質触媒を用いることができる。

以下では、改質触媒３１がＨＣ改質触媒である場合で説明する。ここで、ＨＣ改質触媒とは、次の（１）式の反応に対して触媒作用を有する任意の触媒をいう。

ＨＣ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ …（１）
ＨＣ改質触媒３１は、当該技術分野で知られる任意の適当な量で、ウォッシュコート等の任意の手段によって、粉末のまたは成型された担体に担持させることができる。また触媒を担持した担体をスラリーとして用いて、ハニカム状に成型された基材にコーティングして乾燥及び焼成したもの、この担体をペレット状に成型したものとしても使用できる。

プラズマ生成装置４１は、図２にも示したように２つのメッシュ状電極４１ａ、４１ｂ、電源４２、電源スイッチ４３で構成される。ＨＣ改質触媒は３１は、例えばコージェライト製であるストレートフロー形絶縁性ハニカム３１ａにＨＣ改質触媒を担持させてある。この絶縁性ハニカム３１ａの上流端及び下流端にメッシュ状電極４１ａ及び４１ｂをそれぞれ配置し、これらの電極間に電源４２によって電圧を印加する。電源スイッチ４３をＯＮにすることで、電源４２からの電圧を印加し、メッシュ状電極３１ｂ及び３１ｃの間に放電を起こさせ、それによって放電プラズマを発生させる。本発明では、プラズマ生成装置４１の作動によって、特に水素イオン（Ｈ⁺）を生成させるものとする。なお、図２において矢印は排気の流れ方向を示している。

メッシュ状電極４１ａ及び４１ｂは、導電性の材料や半導体等の材料、特にＣｕ、Ｗ、ステンレス、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｌ等のような金属でできていてよい。

電源４２は、パルス状又は定常の直流又は交流電圧を発生させるものでよい。任意の様式で電圧を印加することができるが、特に直流パルス電圧が、コロナ放電を良好に起こさせることができるために好ましい。プラズマ生成装置４１への印加電圧及びパルス周期としては、プラズマを発生させるのに一般的な値を使用でき、例えばパルス電圧５０ｋＶ及びパルス周期２，０００Ｈｚを使用できる。直流電圧をメッシュ状電極４１ａ及び４１ｂに印加する場合には、上流端のメッシュ状電極４１ａをカソードとすることも、またアノードとすることもできる。またメッシュ状電極４１ａ及び４１ｂのいずれかを接地し、他方を電源４２に接続することもできる。

さて、エンジンの運転条件によってはＨＣ改質触媒３１の改質能力が低下し、必要な水素分子（Ｈ₂）の量（改質成分量）が生成されず、水素分子の量が不足することがある。

ここで、「ＨＣ改質触媒の改質能力」とは、ＨＣ改質触媒による改質で得る水素分子の量であるとする。従って、改質能力が相対的に低下すればＨＣ改質触媒による改質で得る水素分子の量が相対的に減少する。一方、改質能力が必要な水素分子量が得られるほど十分である場合には、ＨＣ改質触媒による改質で得る水素分子の量が必要な水素分子の量を満たすこととなる。

こうした場合に、プラズマ生成装置４１を作動させて水素イオンを生成し、これによって水素分子の不足を補うことができる。一方、プラズマ生成装置４１の作動には電気エネルギーが消費されるので、ＥＧＲ率の上限向上による燃費向上効果よりもプラズマ生成装置４１が消費する電気エネルギーが大きくなったのでは、プラズマ生成装置４１を設けている意味がなくなってしまう。どれだけ水素分子を生成し得るかというＨＣ改質触媒３１の改質能力をみながらプラズマ生成装置４１を作動させるかどうかを判断しないと、無駄にプラズマ生成装置４１を作動させることになり無駄に電気エネルギーが消費されてしまうのである。従って、エンジンの運転条件の相違を考慮してプラズマ生成装置４１の作動を制御する必要がある。

そこで第１実施形態では、ＨＣ改質触媒３１による改質で得る水素分子の量に対するプラズマ生成装置４１により得る水素イオンの量の比率をＨＣ改質触媒３１の改質能力に応じて変化させる比率変更手段を備えさせる。改質触媒３１による改質で得る水素分子とプラズマ生成装置４１により得る水素イオンとは、いずれもエンジン燃焼を活性化する成分であり、燃料の発熱量を増加させる成分であるので、本発明では、両者を同等に扱うものとする。以下、ＨＣ改質触媒３１による改質で得る水素分子の量に対するプラズマ生成装置４１により得る水素イオンの量の比率を「水素イオン／水素分子比率」という。あるいは単に「比率」ともいう。

水素イオン／水素分子比率についてさらに説明する。プラズマ生成装置４１を非作動としたとき、プラズマ生成装置４１により得る水素イオンの量はゼロとなるので、水素イオン／水素分子比率は最小のゼロである。一方、プラズマ生成装置４１を作動させたとき、プラズマ生成装置４１により得る水素イオンの量はゼロでない正の値を採るので、水素イオン／水素分子比率は正の値となる。このように、プラズマ生成装置４１の作動、非作動で水素イオン／水素分子比率が変化する。

さらに、プラズマ生成装置の作動状態において、ＨＣ改質触媒による改質で得る水素分子の量が同じでも、２つのメッシュ状電極４１ａ、４１ｂに印加する電圧（以下、「プラズマ生成装置の印加電圧」ともいう。）プラズマ生成装置の印加電圧を相対的に高くするほうが印加電圧を相対的に低くする場合よりプラズマ生成装置により得る水素イオンの量が大きくなる。つまり、プラズマ生成装置の印加電圧を相対的に高くするほうが相対的に低くする場合より水素イオン／水素分子比率が大きくなる。このように、プラズマ生成装置の印加電圧によっても水素イオン／水素分子比率が変化させることができる。

印加電圧を変化させるため、電圧調整装置４４を電源４２に付属させ、エンジンコントローラ２１からの信号によって印加電圧を変更し得るようにする。これによって、電圧調整装置４４とエンジンコントローラ２１から比率変更手段を構成する。

次に、比率の制御を図３、図４に示したＨＣ改質触媒３１の特性図を用いて説明する。まず、図３は、横軸にＨＣ改質触媒３１の触媒温度Ｔｃａｔを、縦軸に水素分子の生成量を採っている。図３において破線の特性がＨＣ改質触媒３１による改質で得られる水素分子の量の特性、実線の特性がこの水素分子の量にプラズマ生成装置４１により得られる水素イオンの量を加算した特性である。

図３に破線で示したように、ＨＣ改質触媒３１による改質で得られる水素分子の量（つまり、改質能力）は、閾値Ｔｔｈ１を超える温度域で必要な水素分子の量を満たしている。しかしながら、閾値Ｔｔｈ１以下の温度域では、触媒温度Ｔｃａｔが低下するほど改質で得られる水素分子の量が低下し、水素分子の不足が生じている。

これに対処するためにエンジンコントローラ２１では、閾値Ｔｔｈ１以下の温度域で（改質触媒３１の改質能力が相対的に低い場合に）プラズマ生成装置４１を作動させることによって水素イオン／水素分子比率を上げる。改質能力の相対的低下によりＨＣ改質触媒による改質で得る水素分子の量が相対的に減少するので、比率を上げることで、改質触媒による改質で得る水素分子の量が不足しても、その不足分をプラズマ生成装置により得る水素イオンの量の増加で補うのである。

詳細には、閾値Ｔｔｈ１以下の温度域で触媒温度Ｔｃａｔが低下するほど水素分子の必要量からの不足分が増加するので、プラズマ生成装置４１により得られる水素イオンの量を、触媒温度Ｔｃａｔが低下するほど増加させる必要がある。一方、プラズマ生成装置により得られる水素イオンの量は、プラズマ生成装置の印加電圧に依存し、印加電圧が高いほどプラズマ生成装置により得られる水素イオンの量が増加する。

このため、エンジンコントローラ２１では、電圧調整装置４３を介して、閾値Ｔｔｈ１以下の温度域で触媒温度Ｔｃａｔが低下するほどプラズマ生成装置４１の印加電圧が高くなるように制御する。これによって、プラズマ生成装置４１により得られる水素イオンの量を加算した、つまり水素分子と水素イオンとの総量は図３に示したように破線から実線へと増加する。触媒温度Ｔｃａｔに応じたプラズマ生成装置４１の印加電圧の制御によって、閾値Ｔｔｈ１以下の温度域においてＨＣ改質触媒３１のみの場合より、必要量からの水素分子の不足分を適切に補なうことができるのである。

一方、エンジンコントローラ２１では閾値Ｔｔｈ１を超える温度域で（改質触媒３１の改質能力が必要な水素分子の量が得られるほど十分である場合に）プラズマ生成装置４１の作動を停止する。これは、閾値Ｔｔｈ１を超える温度域でもプラズマ生成装置４１を作動させたのでは、無駄にプラズマ生成装置４１を作動させ、電気エネルギーが無駄に消費されてしまうためである。

次に、図４では横軸にＨＣ改質触媒３１を流れるＥＧＲガス流量ＱＥＧＲを、縦軸に水素分子の生成量を採っている。図４において破線の特性がＨＣ改質触媒３１による改質で得られる水素分子の量の特性、実線の特性がこの水素分子の量にプラズマ生成装置４１により得られる水素イオンの量を加算した特性である。

図４に破線で示したように、ＨＣ改質触媒３１による改質で得られる水素分子の量（つまり、改質能力）は、閾値Ｑｔｈ１未満の流量域で必要な水素分子の量を満たしている。しかしながら、閾値Ｑｔｈ１以上の流量域では、ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲが増加するほど改質で得られる水素分子の量が低下し、水素分子の不足が生じている。

これに対処するためにエンジンコントローラ２１では、閾値ＱＥＧＲｔｈ１以上の流量域で（改質触媒３１の改質能力が相対的に低い場合に）プラズマ生成装置４１を作動させることによって水素イオン／水素分子比率を上げる。改質能力の相対的低下によりＨＣ改質触媒による改質で得る水素分子の量が相対的に減少するので、比率を上げることで、改質触媒による改質で得る水素分子の量が不足しても、その不足分をプラズマ生成装置により得る水素イオンの量の増加で補うのである。

詳細には、閾値Ｑｔｈ１以上の流量域で、ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲが増加するほど水素分子の必要量からの不足分が増加するので、プラズマ生成装置４１により得られる水素イオンの量を、ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲが増加するほど増加させる必要がある。一方、プラズマ生成装置により得られる水素イオンの量は、プラズマ生成装置の印加電圧に依存し、印加電圧が高いほどプラズマ生成装置により得られる水素イオンの量が増加する。

このため、エンジンコントローラ２１では、電圧調整装置４３を介して、閾値Ｑｔｈ１以上の流量域でＥＧＲガス流量ＱＥＧＲが増加するほどプラズマ装置４１の印加電圧が高くなるように制御する。これによって、プラズマ生成装置４１により得られる水素イオンの量を加算した、つまり水素分子と水素イオンとの総量が図４に示したように破線から実線へと増加する。ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲに応じたプラズマ生成装置４１の印加電圧の制御によって、閾値ＥＧＲｔｈ１以上の流量域においてＨＣ改質触媒３１のみの場合より、必要量からの水素分子の不足分を適切に補なうことができるのである。

一方、エンジンコントローラ２１では閾値Ｑｔｈ１未満の流量域で（改質触媒３１の改質能力が必要な水素分子の量が得られるほど十分である場合に）プラズマ生成装置４１の作動を停止する。これは、閾値Ｑｔｈ１未満の流量域でもプラズマ生成装置４１を作動させたのでは、無駄にプラズマ生成装置４１を作動させ、電気エネルギーが無駄に消費されてしまうためである。

さらに述べると、ＨＣ改質触媒３１による燃料改質は吸熱反応であり排気（ＥＧＲガス）の熱を回収しつつ水素分子を生成し、この水素分子を燃焼室５に供給することで燃料の発熱量を増加させている。これによって熱効率が上がるので、水素分子によりＥＧＲ率の上限を向上させる効果と合わせて燃費を向上させる効果を大きくすることができる。一方、プラズマ生成装置４１では電源４２に蓄えている電気エネルギを使って水素イオンを生成するので、ＥＧＲ率の上限を向上させる効果には寄与するものの、ＨＣ改質触媒３１による燃料改質に比べると燃費を向上させる効果は小さい。従って、基本的には、燃料改質により得られる水素分子の量が必要量に足りないときに、プラズマ生成装置の作動に消費する電気エネルギーがＥＧＲ率の上限向上による燃費向上効果分よりも小さくなる範囲内でのみプラズマ生成装置を作動させるのである。

このように、ＨＣ改質装置による燃料改質と、ＨＣ改質触媒の改質能力に応じたプラズマ生成装置の印加電圧の制御とを組み合わせることにより、燃料改質のみでは達成できないＥＧＲ率での運転を可能としつつ、運転条件が相違しても燃費を向上できる。

また、図３において閾値Ｔｔｈ１以下の温度域においてもＨＣ改質装置３１による燃料改質のみで水素分子の必要量を確保しようとすれば、必要な水素分子の量を超える水素分子が得られるように触媒容量を大きくしなければならない。同様に、図４において閾値ＱＥＧＲｔｈ１以上の流量域においてもＨＣ改質装置３１による燃料改質のみで水素分子の必要量を確保しようとすれば、必要な水素分子の量を超える水素分子が得られるように触媒容量を大きくしなければならない。

一方、本発明では閾値Ｔｔｈ１以下の温度域ではプラズマ生成装置により水素分子の不足が補われるので、閾値Ｔｔｈ１を超える温度域で水素分子の必要量を確保するだけの触媒容量で足りる。同様に、閾値Ｑｔｈ１以上の流量域ではプラズマ生成装置により水素分子の不足が補われるので、閾値Ｑｔｈ１未満の流量域で水素分子の必要量を確保するだけの触媒容量で足りる。つまり、本発明によれば、閾値Ｔｔｈ１以下の温度域でもＨＣ改質装置３１による燃料改質のみで水素分子の必要量を確保する場合よりも触媒サイズを縮小できる。同様に、閾値ＱＥＧＲｔｈ１以上の流量域でもＨＣ改質装置３１による燃料改質のみで水素分子の必要量を確保する場合よりも触媒サイズを縮小できる。触媒サイズが小さくなると、ＨＣ改質触媒３１の暖機完了時間を短縮できると共に、ＨＣ改質触媒の貴金属担持量が減少しコストを低減できる。また、ＨＣ改質触媒３１にプラズマ生成装置４１を付属させている（一体化している）ことから、エンジンルーム内でのレイアウトの成立自由度を拡大できる。

次に、ＨＣ改質触媒３１の改質能力の推定について説明する。図３に示したように、ＨＣ改質触媒３１による改質で得る水素分子の量（ＨＣ改質触媒３１の改質能力）は触媒温度Ｔｃａｔに応じて変化するので、ＨＣ改質触媒による改質で得る水素の量を触媒温度Ｔｃａｔを用いて推定する。

ここで、触媒温度としては、ＨＣ改質触媒の入口、出口、内部の少なくとも一つの温度であればよく、ＨＣ改質触媒の入口ガス温度、出口ガス温度の少なくとも一つの温度であってもよい。触媒温度は温度センサ２５により検出する。図１にはＨＣ改質触媒３１の内部温度を触媒温度Ｔｃａｔとして検出する温度センサ２５を示している。ＨＣ改質触媒の入口、出口、内部の温度は、１点で検出しても多数点で検出してもかまわない。

図５はエンジンの運転領域図である。ＥＧＲ領域は、図５に示したようにように、低回転速度域、低負荷域、高回転速度域、高負荷域を除いた残りの領域に予め設定している。このＥＧＲ領域の中の限られた領域にＨＣ改質触媒が燃料改質を行うと共に、これに加えてプラズマ生成装置を作動させる領域（この領域を以下単に「改質領域」という。）を設定している。

エンジンコントーラ２１で行われるこの制御を図６のフローチャートに基づいて説明する。図６のフローは、プラズマ生成電圧Ｖｐ、改質燃料インジェクタの燃料噴射パルス幅Ｔｒ、メイン燃料噴射パルス幅Ｔｍを算出するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。なお、図６のフローは図３に対応するものである。後述するように図４に対応するのは、図９のフローである。

ステップ１では目標エンジントルクｔＴｅ［Ｎｍ］とエンジン回転速度Ｎｅ［ｒｐｍ］を読み込む。ここで、目標エンジントルクｔＴｅはアクセルセンサ２２により検出されるアクセル開度ＡＣＣから図７を内容とするテーブルを検索することにより算出する。図７に限らず、アクセル開度ＡＣＣとエンジン回転速度Ｎｅから所定のマップを検索することにより目標エンジントルクｔＴｅを算出するようにしてもかまわない。エンジン回転速度Ｎｅはクランク角センサ２３により検出されるクランク角に基づいて算出する。

ステップ２ではこれら目標エンジントルクｔＴｅとエンジン回転速度Ｎｅから図５を内容とするマップを検索することにより、ｔＴｅとＮｅから定まるエンジンの運転条件がＥＧＲ領域にあるか否かをみる。運転条件がＥＧＲ領域にないときには同時に改質領域でもないので、ＨＣ改質触媒３１による燃料改質を行わせること及びプラズマ生成装置４１を作動させることがいずれも必要でないと判断し、ステップ１０、１１、１２に進む。

ステップ１０ではプラズマ装置４１を非作動とするためプラズマ生成電圧Ｖｐ［Ｖ］にゼロを入れ、ステップ１１ではＨＣ改質触媒３１による燃料改質を行わせないため改質燃料インジェクタ３３の燃料噴射パルス幅Ｔｒにゼロを入れる。

ステップ１２では、基本メイン燃料噴射パルス幅Ｔｍ０［ｍｓ］をそのままメイン燃料噴射パルス幅Ｔｍ［ｍｓ］に入れる。基本メイン燃料噴射パルス幅Ｔｍ０は、基本的にエアフローメータ２４により検出される吸入空気量Ｑａとエンジン回転速度Ｎｅとから、理論空燃比の混合気が得られるように定めている値である。

ステップ２で運転条件がＥＧＲ領域にあるときにはステップ３に進み運転条件が改質領域にあるか否かをみる。運転条件がＥＧＲ領域にあるが改質領域にないときにはステップ３よりステップ１０〜１２に進み、ステップ１０〜１２の操作を実行する。

ステップ３で運転条件が改質領域にあるときにはステップ４に進み、温度センサ２５（図１参照）により検出されるＨＣ改質触媒３１の触媒温度Ｔｃａｔ［℃］と閾値Ｔｔｈ１［℃］を比較する。閾値Ｔｔｈ１は、図３に示したように必要な水素分子の量を生成できない上限の触媒温度で、予め定めておく。触媒温度Ｔｃａｔが閾値Ｔｔｈ１を超えているときにはＨＣ改質触媒３１による燃料改質のみで必要な水素分子の量を生成でき、従ってプラズマ装置４１の作動は必要ないと判断し、ステップ５、６、７に進む。

ステップ５ではプラズマ生成装置４１を非作動とするためプラズマ生成電圧Ｖｐ［Ｖ］にゼロを入れる。ステップ６では、ＨＣ改質触媒３１による燃料改質を行わせるため改質燃料インジェクタ３３の燃料噴射パルス幅Ｔｒ［ｍｓ］に改質用燃料噴射パルス幅ＴｒＡ［ｍｓ］を入れる。改質用燃料噴射パルス幅ＴｒＡは予め定めておく。

ステップ７では、メイン燃料噴射パルス幅Ｔｍ［ｍｓ］に改質時のメイン燃料噴射パルス幅ＴｍＡ［ｍｓ］を入れる。改質時のメイン燃料噴射パルス幅ＴｍＡは基本メイン燃料噴射パルス幅Ｔｍ０と同じであってもよいし、相違させてもよい。

一方、ステップ４で触媒温度Ｔｃａｔが閾値Ｔｔｈ１以下のときにはＨＣ改質触媒３１による燃料改質のみでは必要な水素分子の量が不足し、従ってプラズマ装置４１を作動させる必要があると判断し、ステップ８、９に進む。ステップ８では触媒温度Ｔｃａｔと閾値Ｔｔｈ１の差温度ΔＴ［℃］を、
ΔＴ＝Ｔｔｈ１−Ｔｃａｔ …（２）
の式により算出する。（２）式の差温度ΔＴはゼロまたは正の値である。

ステップ９ではこの差温度ΔＴから図８を内容とするテーブルを検索することによりプラズマ生成電圧Ｖｐ［Ｖ］を算出する。図８に示したようにプラズマ生成電圧Ｖｐは差温度ΔＴがゼロのときゼロで、差温度ΔＴが正の値で大きくなるほど大きくなる値である。

ステップ１３ではプラズマ生成電圧Ｖｐ、改質燃料インジェクタの燃料噴射パルス幅Ｔｒ、メイン燃料噴射パルス幅Ｔｍを出力する。

図示しないフローでは、プラズマ生成電圧Ｖｐを印加電圧として電圧調整装置４４に与える。これによって、プラズマ生成装置４１にプラズマ生成電圧Ｖｐが印加されるように電圧調整装置４４が電源４２からの電圧を調整する。

図示しないフローでは、改質燃料インジェクタ３３の燃料噴射パルス幅Ｔｒを改質燃料インジェクタ３３に与える。これによって、改質燃料インジェクタ３３が所定のタイミングで燃料噴射パルス幅Ｔｒだけ開く。図示しないフローでは、メイン燃料噴射パルス幅Ｔｍを各気筒のメイン燃料インジェクタ１２に与える。これによって、各気筒のメイン燃料インジェクタ１２が所定のタイミングでメイン燃料噴射パルス幅Ｔｍだけ開く。

ここで、第１実施形態の作用効果を説明する。

第１実施形態では、理論空燃比の混合気が得られるように吸気管２を流れる空気量及び燃料量を調整する空気量・燃料量調整手段（１１、１２、２１）と、理論空燃比の混合気が燃焼した後のガスである排気の一部を吸気管２に還流するＥＧＲ通路８と、ＥＧＲ通路８を流れる排気に炭化水素を添加する改質燃料インジェクタ３３（炭化水素添加手段）と、ＥＧＲ通路８にあって前記添加された炭化水素を水素分子に改質するＨＣ改質触媒３１（改質触媒）と、ＥＧＲ通路８を流れる排気に所定の電圧を印加することで水素イオンを含むプラズマを生成させるプラズマ生成装置４１と、水素イオン／水素分子比率（ＨＣ改質触媒３１による改質で得る水素分子の量に対するプラズマ生成装置４１により得る水素イオンの量の比率）をＨＣ改質触媒３１の改質能力に応じて変化させる比率変更手段（図６のステップ４、８、９参照）とを備えている。ＨＣ改質触媒３１による改質で得る水素分子の量はエンジンの運転条件により定まるＨＣ改質触媒３１の改質能力によって相違するので、運転条件によっては必要な水素分子の量が得られず、水素分子の量が不足することがある。この場合に、第１実施形態によれば、水素イオン／水素分子比率を増加させることで、プラズマ生成装置４１により得る水素イオンの量が増え水素分子の量の不足が補われる。一方、運転条件によってはＨＣ改質触媒３１による改質だけで必要な水素分子の量が得られることがある。この場合に、第１実施形態によれば、今度は水素イオン／水素分子比率を減少させてゼロとすることで（図６のステップ４、５参照）、プラズマ生成装置４１の作動を停止して電気エネルギーが消費されないようにする。このように、第１実施形態によれば、ＨＣ改質触媒３１の改質能力に応じた比率制御を行うので、エンジンの運転条件が相違しても、プラズマ生成装置４１の無駄な作動を排除しつつ必要な改質成分量を確保できる。

第１実施形態によれば、閾値Ｔｔｈ１以下の温度域で（改質触媒の改質能力が相対的に低い場合に）、水素イオン／水素分子比率を上げるので（図６のステップ４、８、９、図８参照）、ＨＣ改質触媒３１による改質で得る水素分子の量が必要な水素分子の量より不足しても、その不足分をプラズマ生成装置４１により得る水素イオンの量の増加で補うことができ（図３参照）、これによってエンジンの運転条件が相違しても、必要な改質成分量を確保できる。

第１実施形態によれば、閾値Ｔｔｈ１を超える温度域で（改質触媒の改質能力が必要な水素分子の量が得られるほど十分である場合に）、プラズマ生成装置４１の作動を停止するので（図６のステップ４、５参照）、無駄にプラズマ生成装置４１が作動されることがなく、電気エネルギーの消費を抑制できる。

第１実施形態によれば、ＨＣ改質触媒３１（改質触媒）の改質能力を、触媒温度Ｔｃａｔ（改質触媒の入口、出口、内部の少なくとも一つの温度、改質触媒の入口ガス温度、出口ガス温度の少なくとも一つの温度）を用いて推定するので（図６のステップ８、９、図８参照）、触媒温度Ｔｃａｔが相違してもＨＣ改質触媒３１の改質能力を精度良く推定することができる。

第１実施形態によれば、ＨＣ改質触媒３１とプラズマ生成装置４１を一体化するので、システムを小型化することが可能となり、レイアウトの自由度を向上させることができる。

（第２実施形態）
図９のフローは第２実施形態のプラズマ生成電圧Ｖｐ、改質燃料インジェクタの燃料噴射パルス幅Ｔｒ、メイン燃料噴射パルス幅Ｔｍを算出するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。図９のフローは第１実施形態の図６と置き換わるもので、図６と同一部分には同一の符号を付している。なお、図９のフローは図４に対応するものである。

第１実施形態では、図３に示したように、ＨＣ改質触媒３１による改質で得る水素分子の量（改質触媒３１の改質能力）は触媒温度Ｔｃａｔに応じて変化するので、ＨＣ改質触媒による改質で得る水素分子の量を触媒温度Ｔｃａｔを用いて推定した。一方、第２実施形態では、図４に示したように、ＨＣ改質触媒３１による改質で得る水素分子の量（改質触媒３１の改質能力）がＥＧＲガス流量ＱＥＧＲに応じて変化するので、ＨＣ改質触媒による改質で得る水素分子の量をＥＧＲガス流量ＱＥＧＲを用いて推定する。

第１実施形態と相違する部分を主に述べる。図９において、ステップ３で目標エンジントルクｔＴｅとエンジン回転速度Ｎｅにより定まるエンジンの運転条件が改質領域にあるときにはステップ２１に進み、ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲと閾値Ｑｔｈ１を比較する。ここで、ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲは目標エンジントルクｔＴｅとエンジン回転速度から所定のマップを検索することにより算出する。閾値Ｑｔｈ１は、図４に示したように必要な水素分子の量を生成できない下限のＥＧＲガス流量で、予め定めておく。ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲが閾値Ｑｔｈ１未満であるときにはＨＣ改質触媒３１による燃料改質のみで必要な水素分子の量を生成でき、従ってプラズマ装置４１の作動は必要ないと判断し、ステップ５〜７に進む。ステップ５ではプラズマ生成装置４１を非作動とするためプラズマ生成電圧Ｖｐ［Ｖ］にゼロを入れる。ステップ６では、ＨＣ改質触媒３１による燃料改質を行わせるため改質燃料インジェクタ３３の燃料噴射パルス幅Ｔｒ［ｍｓ］に改質用燃料噴射パルス幅ＴｒＡ［ｍｓ］を入れる。ステップ７では、メイン燃料噴射パルス幅Ｔｍ［ｍｓ］に改質時のメイン燃料噴射パルス幅ＴｍＡ［ｍｓ］を入れる。

一方、ステップ２１でＥＧＲガス流量ＱＥＧＲが閾値Ｑｔｈ１以上のときにはＨＣ改質触媒３１による燃料改質のみでは必要な水素分子の量が不足し、従ってプラズマ装置４１を作動させる必要があると判断し、ステップ２２、２３に進む。ステップ２２ではＥＧＲガス流量ＱＥＧＲと閾値Ｑｔｈ１の差流量ΔＱを、
ΔＱ＝ＱＥＧＲ−Ｑｔｈ１ …（３）
の式により算出する。（３）式の差流量ΔＱはゼロまたは正の値である。

ステップ２３ではこの差流量ΔＱから図１０を内容とするテーブルを検索することによりプラズマ生成電圧Ｖｐ［Ｖ］を算出する。図１０に示したようにプラズマ生成電圧Ｖｐは差流量ΔＱがゼロのときゼロで、差流量ΔＱが正の値で大きくなるほど大きくなる値である。

第２実施形態によっても第１実施形態と同様の作用効果を奏する。また、第２実施形態によれば、ＨＣ改質触媒３１（改質触媒）の改質能力を、ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲ（ＨＣ改質触媒３１を通過する排気の量）で推定するので（図９のステップ２２、２３、図１０参照）、ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲが相違してもＨＣ改質触媒３１の改質能力を精度良く推定することができる。

第１実施形態と第２実施形態を組み合わせ、閾値Ｔｔｈ１以下の温度域または閾値Ｑｔｈ１以上の流領域でプラズマ生成装置４１を作動させるようにしてもよい。さらに、閾値Ｔｔｈ１以下の温度域かつ閾値Ｑｔｈ１以上の流領域で、２つの各実施形態で算出したプラズマ生成電圧を足し算した値を最終のプラズマ生成電圧として、またはいずれか大きい方を最終のプラズマ生成電圧として選択させることもできる。

（第３実施形態）
図１１は第３実施形態のガソリンエンジン１の概略構成図、図１２のフローは第３実施形態のプラズマ生成電圧Ｖｐ、改質燃料インジェクタの燃料噴射パルス幅Ｔｒ、メイン燃料噴射パルス幅Ｔｍを算出するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。図１１、図１２は第１実施形態の図１、図６と置き換わるもので、図１、図６と同一部分には同一の符号を付している。

第１実施形態では、閾値Ｔｔｈ１以下の温度域で閾値Ｔｔｈ１と触媒温度Ｔｃａｔの差温度ΔＴに基づいてプラズマ生成電圧Ｖｐを算出した。一方、第３実施形態は、閾値Ｔｔｈ１以下の温度域で必要な水素分子の量を目標値として、実際の水素分子と水素イオンの総量がこの目標値と一致するようにプラズマ生成電圧Ｖｐをフィードバック制御するものである。実際の水素分子と水素イオンの総量を検出するため、図１１に示したように水素センサ５１を例えばＨＣ改質触媒３１の出口に設けておく。つまり、第３実施形態は、ＨＣ改質触媒３１による改質で得る水素分子の量（改質触媒の改質能力）を、ＨＣ改質触媒３１の出口に設置した水素センサ５１により検出される水素分子と水素イオンの総量に基づいて推定するものである。

図１２において第１実施形態の図６のフローと相違する部分を主に述べると、ステップ４で触媒温度Ｔｃａｔが閾値Ｔｔｈ１以下であるときには、ＨＣ改質触媒３１による燃料改質のみでは必要な水素分子の量が不足し、従ってプラズマ装置４１を作動させる必要があると判断し、ステップ３１〜３５に進む。

ステップ３１では、水素センサ５１により検出される水素分子と水素イオンの総量ｒＨと閾値Ｈｔｈ１を比較する。閾値Ｈｔｈ１は必要な水素分子の量で、予め定めておく。水素分子と水素イオンの総量ｒＨが閾値Ｈｔｈ１を超えているときには総量ｒＨを減らすためステップ３２に進み、Ｖｐの前回値であるＶｐｚから一定値ΔＶｐを減算した値を今回のプラズマ生成電圧Ｖｐとする。一方、水素分子と水素イオンの総量ｒＨが閾値Ｈｔｈ１より小さいときには総量ｒＨを増やすためステップ３１よりステップ３３に進み、Ｖｐの前回値であるＶｐｚに一定値ΔＶｐを加算した値を今回のプラズマ生成電圧Ｖｐとする。ここで、一定値ΔＶｐは、プラズマ生成電圧の漸減速度や漸増速度を定める値であり、予め設定しておく。

なお、プラズマ生成電圧Ｖｐを漸減させる場合には、演算上、プラズマ生成電圧Ｖｐが負の値になることがある。こうした事態を避けるため、ステップ３４でプラズマ生成電圧Ｖｐが負の値となったときにはステップ３５に進んでプラズマ生成電圧Ｖｐをゼロに制限する。

第３実施形態によっても第１実施形態と同様の作用効果を奏する。また、第３実施形態によれば、ＨＣ改質触媒３１（改質触媒）の改質能力を、ＨＣ改質触媒の出口に設置した水素センサ５１により検出される水素分子と水素イオンの総量ｒＨに基づいて推定するので（図１２のステップ３１〜３３参照）、水素分子と水素イオンの総量ｒＨが相違してもＨＣ改質触媒３１の改質能力を精度良く推定することができる。

第３実施形態では、ステップ４において触媒温度Ｔｃａと閾値Ｔｔｈ１を比較させたが、これに限られない。例えば、ステップ４でＥＧＲガス流量ＱＥＧＲと閾値Ｑｔｈ１を比較させ、ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲが閾値Ｑｔｈ１以上のときにステップ３１〜３５に進ませるようにすることもできる。

１エンジン
２吸気管
１１電制スロットル弁（空気量調整手段）
１２メイン燃料インジェクタ（燃料量調整手段）
２１エンジンコントローラ（空気量・燃料量調整手段、比率変更手段）
２５触媒温度センサ
３１ＨＣ改質触媒３１（改質触媒）
３３改質燃料インジェクタ３３（炭化水素添加手段）
４１プラズマ生成装置
４２電源
４４電圧調整装置（比率変更手段）
５１水素センサ

Claims

理論空燃比の混合気が得られるように吸気管を流れる空気量及び燃料量を調整する空気量・燃料量調整手段と、
前記理論空燃比の混合気が燃焼した後のガスである排気の一部を前記吸気管に還流するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路を流れる排気に炭化水素を添加する炭化水素添加手段と、
前記ＥＧＲ通路にあって前記添加された炭化水素を水素分子に改質する改質触媒と、
前記ＥＧＲ通路を流れる排気に所定の電圧を印加することで水素イオンを含むプラズマを生成させるプラズマ生成装置と、
前記改質触媒による改質で得る水素分子の量に対する前記プラズマ生成装置により得る水素イオンの量の比率を前記改質触媒の改質能力に応じて変化させる比率変更手段と
を備えることを特徴とするエンジンの制御装置。
前記改質触媒の改質能力が相対的に低い場合に、前記比率を上げることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
前記改質触媒の改質能力が必要な水素分子の量が得られるほど十分である場合に、前記プラズマ生成装置の作動を停止することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
前記改質触媒の改質能力を、前記改質触媒の入口、出口、内部の少なくとも一つの温度と、前記改質触媒の入口ガス温度、出口ガス温度の少なくとも一つの温度のいずれか一方を用いて推定することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のエンジンの制御装置。
前記改質触媒の改質能力を、前記改質触媒を通過する排気の量で推定することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のエンジンの制御装置。
前記改質触媒の改質能力を、前記改質触媒の出口に設置した水素センサにより検出される水素分子と水素イオンの総量に基づいて推定することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のエンジンの制御装置。
前記改質触媒の改質能力は、前記改質触媒による改質で得る水素分子の量であることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載のエンジンの制御装置。
前記改質触媒と前記プラズマ生成装置を一体化することを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載のエンジンの制御装置。
理論空燃比の混合気が得られるように吸気管を流れる空気量及び燃料量を調整する空気量・燃料量調整手段と、
前記理論空燃比の混合気が燃焼した後のガスである排気の一部を前記吸気管に還流するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路を流れる排気に炭化水素を添加する炭化水素添加手段と、
前記ＥＧＲ通路にあって前記添加された炭化水素を水素分子に改質する改質触媒と、
前記ＥＧＲ通路を流れる排気に所定の電圧を印加することで水素イオンを含むプラズマを生成させるプラズマ生成装置と
を備え、
前記改質触媒による改質で得る水素分子の量に対する前記プラズマ生成装置により得る水素イオンの量の比率を前記改質触媒の改質能力に応じて変化させる比率変更処理手順を含むことを特徴とするエンジンの制御方法。