(57)【要約】【課題】燃料改質器による改質ガスの生成を効率的に行いつつ、生成した改質ガスを要求に応じて迅速に供給できるエンジンの排気浄化システムを提供すること。【解決手段】排気浄化システム１は、エンジン２の排気管４に設けられ、エンジン２で燃焼する混合気を理論空燃比よりもリーンにしたときに排気中のＮＯｘを捕捉し、還元雰囲気下で捕捉したＮＯｘを還元する触媒コンバータ４３と、排気管４とは別に設けられ、燃料及び空気を原料として水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、生成した改質ガスを排気管４のうち触媒コンバータ４３の上流側に供給する燃料改質器８と、エンジン２の運転状態及び触媒コンバータ４３の状態の少なくとも何れかに応じて、燃料改質器８における改質ガスの生成量及び改質ガスの生成に関する応答速度を制御するＥＣＵ７と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関で燃焼する混合気を理論空燃比よりもリーンにしたときに排気中のＮＯｘを捕捉し、還元雰囲気下で前記捕捉したＮＯｘを還元する触媒コンバータを備える内燃機関の排気浄化システムであって、
前記排気通路とは別に設けられ、燃料及び空気を原料として水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、当該生成した改質ガスを前記排気通路のうち前記触媒コンバータの上流側に供給する燃料改質器と、
前記内燃機関の運転状態及び前記触媒コンバータの状態の少なくとも何れかに応じて、前記燃料改質器における改質ガスの生成量及び改質ガスの生成に関する応答速度を制御する改質器制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２】
前記燃料改質器は、供給された原料を改質し改質ガスを生成する改質触媒と、当該改質触媒に所定量の空気と所定量の燃料とを供給する原料供給手段と、を含んで構成され、
前記改質器制御手段は、
前記改質触媒に原料を供給せず当該改質触媒における改質ガスの生成を停止する停止モードと、
前記改質触媒に原料を供給し当該改質触媒において改質ガスを生成する改質モードと、
前記改質触媒の温度を所定の温度に保持しながら、当該改質触媒における改質ガスの生成を停止又は抑制するスタンバイモードと、を含む複数の運転モードで前記燃料改質器を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３】
前記スタンバイモードでの運転時における原料の空燃比は、前記改質モードでの運転時における原料の空燃比よりもリーンであり、かつ、前記スタンバイモードでの運転時における燃料の供給量は、前記改質モードでの運転時における燃料の供給量よりも少ないことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４】
前記スタンバイモードでの運転時において、前記改質触媒に供給する原料の空燃比は、理論空燃比よりもリーンであることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項５】
前記改質モードでの運転時において、前記改質触媒に供給する原料の空燃比は、理論空燃比よりもリッチであることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項６】
前記改質器制御手段は、前記スタンバイモードでの運転時、及び、前記スタンバイモードでの運転と前記改質モードでの運転との間の移行時において、前記改質触媒の最高温度を３００℃以上１２００℃未満の範囲内に制御することを特徴とする請求項２から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項７】
前記改質触媒は、ロジウム、白金、パラジウム、ニッケル、及びコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属触媒成分と、セリア、ジルコニア、アルミナ、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物又はこれらを基本組成とした複合酸化物と、を含む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排気浄化システム。
【請求項８】
前記触媒コンバータの温度を検出又は推定する触媒コンバータ温度検出手段をさらに備え、
前記改質器制御手段は、前記触媒コンバータ温度検出手段の出力値に基づいて、前記燃料改質器の運転モードを切り替えることを特徴とする請求項２から７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項９】
前記内燃機関のＮＯｘ排出量を検出又は推定するＮＯｘ排出量検出手段をさらに備え、
前記改質器制御手段は、前記ＮＯｘ排出量検出手段の出力値に基づいて、前記燃料改質器の運転モードを切り替えることを特徴とする請求項２から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１０】
前記ＮＯｘ排出量検出手段は、前記内燃機関の回転数、前記内燃機関の燃料噴射量、前記内燃機関の混合気の空燃比、前記内燃機関の吸入空気量、前記内燃機関の過給圧、前記内燃機関の燃料噴射時期、及び前記内燃機関の燃料噴射圧のうち少なくとも１つのパラメータに基づいて、前記ＮＯｘ排出量を推定することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１１】
前記改質器制御手段は、前記内燃機関が停止状態となったことに応じて、前記燃料改質器を前記停止モードで運転することを特徴とする請求項２から１０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１２】
前記改質器制御手段は、前記内燃機関のＮＯｘ排出量が所定値より大きく、かつ、前記触媒コンバータの温度が所定値以下である場合には、前記燃料改質器を前記スタンバイモードで運転することを特徴とする請求項２から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１３】
前記改質器制御手段は、前記内燃機関のＮＯｘ排出量が所定値より大きく、かつ、前記触媒コンバータの温度が所定値より大きい場合には、前記燃料改質器を前記改質モードで運転することを特徴とする請求項２から１２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１４】
前記燃料改質器の運転モードに応じて、前記内燃機関の吸入空気量を変化させる吸気量変更手段をさらに備えることを特徴とする請求項２から１３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１５】
前記吸気量変更手段は、前記燃料改質器が前記改質モードで運転される場合には、他の運転モードで運転される場合と比較して吸入空気量を少なくすることを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１６】
前記燃料改質器を前記改質モードで運転した場合における前記内燃機関の吸入空気量の目標値を設定するとともに、当該目標値が、前記内燃機関の運転状態に応じて設定された吸入空気量の下限値以下であるか否かを判別する吸気量低減可否判定手段をさらに備え、
前記改質器制御手段は、前記吸気量低減可否判定手段により前記吸入空気量の目標値が前記下限値以下であると判別された場合には、前記燃料改質器を前記スタンバイモードで運転することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１７】
前記吸気量低減可否判定手段は、前記内燃機関の回転数、前記内燃機関の冷却水の温度、前記内燃機関の吸気の温度、及び前記内燃機関の排気の還流量のうち少なくとも１つのパラメータに基づいて、前記内燃機関の吸入空気量の下限値を設定することを特徴とする請求項１６に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１８】
前記改質器制御手段は、前記内燃機関がアイドル状態のまま所定時間経過した場合には、前記燃料改質器の運転モードを、スタンバイモードから停止モードに切り替えることを特徴とする請求項２から１７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１９】
前記改質器制御手段は、前記内燃機関のＮＯｘ排出量が所定値以下であり、かつ、前記触媒コンバータの温度が所定値より高い場合には、前記燃料改質器を前記スタンバイモードで運転することを特徴とする請求項２から１８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２０】
前記改質器制御手段は、前記燃料改質器を前記スタンバイモードで所定の時間に亘って運転し続けた場合には、前記燃料改質器の運転モードを、前記スタンバイモードから前記停止モードに切り替えることを特徴とする請求項２から１９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２１】
前記触媒コンバータは、白金、セリア、及びゼオライトを含むことを特徴とする請求項１から２０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電機や自動車等の内燃機関から大気中へ排出される様々な環境汚染物質が問題視されている。環境汚染物質は、酸性雨や光化学スモッグの原因となるうえ、人体の健康被害の原因ともなり、世界的にその排出量を規制する動きがある。特に、ディーゼルエンジンやガソリンのリーンバーンエンジン等の内燃機関では、希薄燃焼を行うため、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）が多く排出される。ＮＯｘ等は、車両上での浄化が容易ではないため、その効率的な浄化技術の検討が進められている。
【０００３】
例えば、希薄燃焼が行われる内燃機関からの排気中に含まれるＮＯｘを浄化する方法として、排気が酸素過剰となるリーン条件（酸化雰囲気）下において、ＮＯｘ浄化触媒を通してＮＯｘを一時的に捕捉（より具体的には、吸着又は吸蔵）する技術が知られている。この技術では、ＮＯｘを捕捉した後、一時的に燃料噴射量を増加させることで排気中の酸素濃度が低く炭化水素及び一酸化炭素濃度が高いリッチ条件（還元雰囲気）を作り出し、捕捉されたＮＯｘを還元する。
【０００４】
特許文献１や特許文献２には、カリウム等のアルカリ金属、バリウム等のアルカリ土類金属等と、白金等を組み合わせてなるＮＯｘ浄化触媒を用いた技術が示されている。この技術では、先ず、リーン条件下において酸素を利用し、ＮＯｘ浄化触媒上でＮＯｘをＮＯ３−の形で酸化、吸収する。次いで、内燃機関をリッチ条件に制御することにより、排気中に酸素が少なく、かつ一酸化炭素及び炭化水素が多く存在する状態を周期的に形成するとともに、リッチ条件下において、リーン条件下で吸収されたＮＯｘを、一酸化炭素及び炭化水素を用いて効率良く接触還元し、排気中のＮＯｘを浄化する。
【０００５】
ＮＯｘ浄化触媒を備える排気浄化システムでは、ＮＯｘを還元する際における還元剤としては、上述のように炭化水素や一酸化炭素が用いられる場合が多いが、例えば特許文献３には、水素を含む改質ガスを還元剤とした排気浄化システムが示されている。特許文献３に示された排気浄化システムでは、改質触媒を備える燃料改質器を内燃機関とは別に運転し、改質触媒における燃料改質反応により、空気と燃料を改質して改質ガスを生成し、この改質ガスを還元剤として排気通路内に導入し、ＮＯｘ浄化触媒に供給する。このように、水素を含んだ改質ガスを還元剤として利用することにより、内燃機関の低温始動時から、高いＮＯｘ浄化性能を発揮することができる。
【０００６】
ところで、上述の燃料改質反応とは、燃料に含まれる炭化水素を用いて約６００℃〜１２００℃といった高温にて反応を進め、水素や一酸化炭素を含む改質ガスを生成する反応である。燃料改質反応は、酸化剤の違いにより、部分酸化反応と水蒸気改質反応との２種類に大きく分類される。
【０００７】
部分酸化反応により、改質ガスを生成する反応を、反応式（Ｉ）に示す。この反応は、燃料及び酸素を原料とした発熱反応である。このため、自発的に反応が進行する結果、一旦反応が開始すると、外部からの熱の供給が不要である。ただし、高温状態で燃料と酸素とを共存させた場合には、反応式（ＩＩ）に示すような燃焼反応（完全酸化反応）も触媒上で同時に進行する。このため、触媒温度が意図する以上に上昇するおそれがあり、反応の制御が容易ではない。
ＣｎＨｍ＋１／２ｎＯ２→ｎＣＯ＋１／２ｍＨ２      （Ｉ）
ＣｎＨｍ＋（ｎ＋１／２ｍ）Ｏ２→ｎＣＯ２＋１／２ｍＨ２Ｏ      （ＩＩ）
【０００８】
水蒸気改質反応により、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する反応を、反応式（ＩＩＩ）に示す。この反応は、燃料及び水を原料とした吸熱反応である。このため、自発的には反応が進行しない結果、外部からの熱の供給が不可欠である一方、反応の制御は容易である。
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２ｍ）Ｈ２      （ＩＩＩ）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許２５８６７３８号公報
【特許文献２】特許２６００４９２号公報
【特許文献３】特開２００６−２４２０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、部分酸化反応を利用した場合、改質触媒における改質反応を自発的に発生させるためには、改質触媒を約３００℃の活性開始温度以上にする必要がある。また、要求に応じて瞬時に改質ガスの製造を開始するためには、改質触媒を約６００℃〜１２００℃程度の反応温度にする必要がある。そこで従来の排気浄化システムでは、改質ガスの導入が要求されると、改質触媒の温度が上述の活性開始温度に達するまでは電気ヒータなどの外部からの加熱手段を用いて改質触媒を加熱した後、反応による自己発熱で上述の反応温度までさらに加熱する。改質触媒の温度が反応温度にまで達した後は、反応温度を維持しながら改質ガスの生成及び供給を定常的に行う。
【００１１】
一方、ＮＯｘ浄化触媒を備えた排気浄化システムにおいて、燃料改質器により生成された改質ガスは、内燃機関の運転中、常に要求されているわけではない。このため、改質ガスを排気通路に導入する必要のない時には、燃料改質器における改質ガスの生成を停止する必要がある。しかしながら、このように燃料改質器の運転を一旦停止すると、改質触媒の温度は大きく低下してしまう。特に、改質触媒の温度が上述の活性開始温度より低い温度にまで低下してしまうと、この状態から改質ガスの生成及び供給を再び開始するまでに、改質触媒を再び昇温するだけの時間がかかってしまう。このため、改質ガスの導入の要求が生じてから、実際に改質ガスの供給が開始するまでの応答性が低下してしまう。
【００１２】
以上のような改質ガスの応答性を向上するための解決方法として、改質ガスを一時的に貯蔵するタンクを設けることが考えられる。すなわち、燃料改質器で生成した改質ガスをタンクに貯蔵しておき、改質ガスを導入する必要が生じた場合には、貯蔵された改質ガスを適宜使用する。この方法によれば、改質ガスを導入する必要が生じる度に改質触媒を昇温する必要がなくなるので、応答性を向上することができる。しかしながら、改質ガスを貯蔵するタンクを利用する場合、様々な課題が発生する。
【００１３】
まず、タンク内に改質ガスを貯蔵するためには、燃料改質器の内圧をタンクの内圧以上にする必要があるが、この場合、改質反応の効率が低下してしまい、改質ガスの生成にかかる燃料消費量が増加したり未改質の炭化水素が排出されたりする。また、タンクを配置する空間を車両に確保する必要が生じる他、改質ガスをタンクから排気通路に供給するための装置も必要となるため、システムの構成が複雑になったりコストがかかったりするおそれがある。
【００１４】
一方、水蒸気改質反応を利用した場合であっても、上述のような部分酸化反応を利用した場合と同様に課題が生じる。水蒸気改質反応は、上述のように部分酸化反応と異なり吸熱反応であるため、反応中であっても外部から加熱する必要がある。したがって、水蒸気改質反応を利用する場合、燃料改質器を常時加熱するための膨大なエネルギーが必要となるため、結果として燃費が大幅に悪化するおそれがある。
【００１５】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、燃料改質器による改質ガスの生成を効率的に行いつつ、生成した改質ガスを要求に応じて迅速に供給できる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン２）の排気通路（例えば、後述の排気管４）に設けられ、前記内燃機関で燃焼する混合気を理論空燃比よりもリーンにしたときに排気中のＮＯｘを捕捉し、還元雰囲気下で前記捕捉したＮＯｘを還元する触媒コンバータ（例えば、後述の触媒コンバータ４３）を備える内燃機関の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム１）を提供する。排気浄化システムは、前記排気通路とは別に設けられ、燃料及び空気を原料として水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、当該生成した改質ガスを前記排気通路のうち前記触媒コンバータの上流側に供給する燃料改質器（例えば、後述の燃料改質器８）と、前記内燃機関の運転状態及び前記触媒コンバータの状態の少なくとも何れかに応じて、前記燃料改質器における改質ガスの生成量及び改質ガスの生成に関する応答速度を制御する改質器制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７、及び後述の図４の改質器制御処理の実行に係る手段）と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、燃料改質器で水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、生成した改質ガスを触媒コンバータの上流側に供給する。ここで、触媒コンバータが水素及び一酸化炭素の酸化反応が起こる温度となった場合には、水素及び一酸化炭素の酸化反応により触媒コンバータを昇温することができる。これにより、触媒コンバータのライトオフ時間を短縮することができる。また、還元性能の高い水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを供給することにより、触媒コンバータにおけるＮＯｘの浄化動作を促進することができる。したがって、内燃機関の低温始動時から、高いＮＯｘ浄化性能を発揮することができる。
【００１８】
また、本発明によれば、燃料改質器を排気通路とは別に設ける。これにより、排気通路内の排気の成分、温度、及び流速、すなわち内燃機関の運転状態に影響されることなく、改質ガスを生成するための改質反応を効率的に行うことができる。したがって、燃料改質器における触媒の使用量を少なくすることができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関とは別系統の制御を行うことができるので、内燃機関の排気温度が上昇するよりも早く燃料改質器を活性化し、改質ガスの生成及び供給を開始することができる。例えば、触媒コンバータに流入する排気を還元雰囲気にすべく、内燃機関の制御により一酸化炭素を製造する場合、特に内燃機関の低温始動時には、副次的に多くの炭化水素が生成されたり、内燃機関の燃焼が不安定になることによりノイズや振動が発生したりすることがある。これに対して、本発明によれば、燃料改質器で水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成することにより、内燃機関の制御を簡素にするとともに、低温始動時におけるノイズや振動の発生を抑制することができる。
【００１９】
内燃機関は、一般的に高回転数及び高負荷時において特に多くのＮＯｘを排出するので、内燃機関の運転状態が高回転数及び高負荷である場合には、燃料改質器で改質ガスを生成しこれを排気通路内に供給することにより、触媒コンバータにおけるＮＯｘの浄化動作を促進することが好ましい。一方、内燃機関の運転状態が上記以外でありＮＯｘの排出量が比較的少なく、改質ガスを供給せずとも触媒コンバータでＮＯｘを浄化できる場合には、不必要な燃料の消費を低減するために、燃料改質器における改質ガスの生成はできるだけ抑制することが好ましい。また、触媒コンバータが未活性である状態で改質ガスを供給すると、改質ガス中の一酸化炭素が触媒コンバータを通過して大気に放出される場合もあるので、不必要な燃料の消費を低減するためには、触媒コンバータが未活性である場合にも、燃料改質器における改質ガスの生成はできるだけ抑制することが好ましい。
これに対して、本発明によれば、内燃機関の運転状態や触媒コンバータの状態に応じて、燃料改質器における改質ガスの生成量を制御することにより、必要に応じて適切に改質ガスを生成するとともに、不必要な燃料の消費を低減することができる。また、本発明によれば、燃料改質器における改質ガスの生成量に加えて、改質ガスの生成に関する応答速度を制御する。ここで、改質ガスの生成に関する応答速度とは、より具体的には、改質ガスの生成の要求が発生してから、実際に改質ガスを生成するまでの時間を示す。このように、燃料改質器の応答速度をも制御することにより、改質ガスを貯蔵するためのタンクを別途設けることなく、必要が生じた場合には速やかに改質ガスの供給を開始することができる。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記燃料改質器は、供給された原料を改質し改質ガスを生成する改質触媒（例えば、後述の改質触媒８２）と、当該改質触媒に所定量の空気と所定量の燃料とを供給する原料供給手段（例えば、後述の燃料ガス供給装置８３）と、を含んで構成され、前記改質器制御手段は、前記改質触媒に原料を供給せず当該改質触媒における改質ガスの生成を停止する停止モードと、前記改質触媒に原料を供給し当該改質触媒において改質ガスを生成する改質モードと、前記改質触媒の温度を所定の温度に保持しながら、当該改質触媒における改質ガスの生成を停止又は抑制するスタンバイモードと、を含む複数の運転モードで前記燃料改質器を制御することを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、改質器制御手段は、改質ガスの生成を停止する停止モードと、改質ガスを生成する改質モードと、改質触媒の温度を所定の温度に保持しながら、改質ガスの生成を停止又は抑制するスタンバイモードとを含む複数の運転モードで燃料改質器を制御する。特にこれら３つの運転モードのうち、改質ガスの生成を停止又は抑制しながらも、改質触媒の温度を所定の温度を保持するスタンバイモードを設定することにより、改質ガスが不要な場合にはその生成を停止又は抑制しつつ、改質ガスが要求された時には、運転モードをスタンバイモードから改質モードに切り替えて、改質ガスの生成及び供給を迅速に開始することができる。特にここで、スタンバイモードでの運転時には改質触媒の温度を所定の温度に制御しているので、スタンバイモードから改質モードに切り替えて改質ガスの生成を開始する際に、改質触媒を改めて時間をかけて加熱したりする必要がなく、したがって、改質ガスの要求が生じてから実際に改質ガスの供給を開始するまでにかかる時間を短縮することができる。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記スタンバイモードでの運転時における原料の空燃比（例えば、後述の改質空燃比ＡＦｓ）は、前記改質モードでの運転時における原料の空燃比（例えば、後述の改質空燃比ＡＦｒ）よりもリーン（ＡＦｓ＞ＡＦｒ）であり、かつ、前記スタンバイモードでの運転時における燃料の供給量（例えば、後述の燃料量Ｃｓ）は、前記改質モードでの運転時における燃料の供給量（例えば、後述の燃料量Ｃｒ）よりも少ない（Ｃｓ＜Ｃｒ）ことを特徴とする。
【００２３】
スタンバイモードでの運転時における原料の空燃比及び燃料の供給量をそれぞれＡＦｓ及びＣｓとし、改質モードでの運転時における原料の空燃比及び燃料の供給量をＡＦｒ及びＣｒとした場合、本発明によれば、下記式（１）及び（２）が満たされるように、燃料改質器が制御される。
ＡＦｓ＞ＡＦｒ          （１）
Ｃｓ＜Ｃｒ          （２）
【００２４】
本発明によれば、上記式（１）及び（２）が満たされるように燃料改質器を制御することにより、特にスタンバイモードでの運転時において、改質触媒が劣化する程の高温になったり、コークの発生による活性低下が生じたりすることなく、改質触媒の温度を最適な温度に保持することができる。また、改質モードに対して、スタンバイモードでの運転時における燃料の消費量を少なくすることができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記スタンバイモードでの運転時において前記改質触媒に供給する原料の空燃比（例えば、後述の改質空燃比ＡＦｓ）は、理論空燃比（例えば、後述の燃焼理論空燃比）よりもリーンであることを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、スタンバイモードでの運転時には、改質触媒に供給する原料の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする。このように、改質触媒に供給する原料の空燃比を理論空燃比よりもリーンにすると、改質触媒では、水素及び一酸化炭素を生成する部分酸化反応（下記式（３）参照）に対して、下記反応式（４）に示すような完全酸化反応が優位に進行する。この完全酸化反応は、部分酸化反応に対して発熱量が多い。したがって、本発明によれば、スタンバイモードでの運転時には、原料の空燃比を理論空燃比よりもリーンにし、主に完全酸化反応を進行させることにより、改質ガスを生成することなく、改質触媒を最適な温度に保持するための熱を少ない燃料で効率的に発生させることができる。
ＣｎＨｍ＋１／２ｎＯ２→ｎＣＯ＋１／２ｍＨ２          （３）
ＣｎＨｍ＋（ｎ＋１／４ｍ）Ｏ２→ｎＣＯ２＋１／２ｍＨ２Ｏ          （４）
【００２７】
請求項５に記載の発明は、請求項２から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記改質モードでの運転時において前記改質触媒に供給する原料の空燃比（例えば、後述の改質空燃比ＡＦｒ）は、理論空燃比（例えば、後述の燃焼理論空燃比）よりもリッチであることを特徴とする。
【００２８】
本発明によれば、改質モードでの運転時には、改質触媒に供給する原料の空燃比を理論空燃比よりもリッチにする。このように、改質触媒に供給する原料の空燃比を理論空燃比よりもリーンにすると、改質触媒では、上記反応式（４）に示す完全酸化反応に対して、上記反応式（３）に示す部分酸化反応が優位に進行する。したがって、本発明によれば、改質モードでの運転時には、原料の空燃比を理論空燃比よりもリッチにし、主に部分酸化反応を進行させることにより、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを効率的に生成することができる。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、請求項２から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記改質器制御手段は、前記スタンバイモードでの運転時、及び、前記スタンバイモードでの運転と前記改質モードでの運転との移行時において、前記改質触媒の最高温度を３００℃以上１２００℃未満の範囲内に制御することを特徴とする。
【００３０】
本発明によれば、スタンバイモードでの運転時、及びスタンバイモードでの運転と改質モードでの運転との間の移行時において、改質触媒の最高温度を３００℃以上１２００℃未満の範囲内に制御する。ここで、改質触媒の最高温度とは、改質触媒のうち最も温度が高い部分の温度を意味する。改質触媒を利用した燃料の改質反応では、改質触媒の温度が、改質反応が自発的に起こり始める活性開始温度である約３００℃を下回った場合、外部から加熱しない限り、原料を供給しても改質反応は進行しない。すなわち、停止モードから直接改質モードへ移行する場合には、加熱する必要がある。したがって、本発明によれば、改質触媒の最高温度を３００℃以上に制御することにより、スタンバイモードを設定することによる効果を十分に発揮することができる。一方、改質触媒の温度が１２００℃を上回った場合、改質触媒の熱劣化が促進され、改質性能を保持できなくなるおそれがある。したがって、本発明によれば、上述のように改質触媒の最高温度を制御することにより、改質触媒を熱劣化させることなくＮＯｘの排出時期に同期して応答性良く改質ガスを生成及び供給することができる。
なお、一般的に改質触媒の温度が高いほど、改質モード移行時の応答性が向上する傾向がある。このため、改質触媒の最高温度は、６００℃以上１２００℃未満の範囲内に制御されることがより好ましい。この場合、スタンバイモードでの運転から改質モードでの運転へ移行するのに必要な時間をさらに短縮することができる。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、請求項２から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記改質触媒は、ロジウム、白金、パラジウム、ニッケル、及びコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属触媒成分と、セリア、ジルコニア、アルミナ、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物又はこれらを基本組成とした複合酸化物と、を含むことを特徴とする。
【００３２】
ところで、上述のような３つの運転モードで燃料改質器を制御する場合、特にスタンバイモードで燃料改質器を効率的に運転する場合、燃料改質器の改質触媒には、具体的には以下に示すような性能を有することが望ましい。つまり、スタンバイモードにおいて、不必要な改質ガスを生成することなく、少ない燃料ガスで改質触媒の温度を高温に保持するには、スタンバイモードでの運転時における完全酸化反応活性が比較的高いことが好ましい。また、スタンバイモードから改質モードへ速やかに移行し改質ガスを生成するには、改質触媒の燃焼開始温度は３００℃以下であることが好ましい。本発明によれば、上述のような金属触媒成分及び複合酸化物を含む改質触媒を用いることにより、上述の２つの性能を達成し、効率的なスタンバイモードの運転が可能となる。この他、本発明によれば、上述のような金属触媒成分と複合酸化物を含む改質触媒を用いることにより、改質モードでの運転時における部分酸化反応活性を高くしながら、約１２００℃までの使用温度に対する熱劣化を小さくすることもできる。
【００３３】
請求項８に記載の発明は、請求項２から７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記排気浄化システムは、前記触媒コンバータの温度を検出又は推定する触媒コンバータ温度検出手段（例えば、後述の排気温度センサ９２、及びＥＣＵ７）をさらに備える。また、前記改質器制御手段は、前記触媒コンバータ温度検出手段の出力値（例えば、後述の触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣ）に基づいて、前記燃料改質器の運転モードを切り替えることを特徴とする。
【００３４】
例えば、触媒コンバータが活性に達していない状態で改質ガスを供給すると、改質ガスは触媒コンバータ上で反応に供されることなく、その下流側へ排出されてしまう。この場合、改質ガスの生成にかかる燃料が無駄になるばかりか、エミッションの成分が悪化してしまう。本発明によれば、触媒コンバータ温度検出手段は触媒コンバータの温度を検出又は推定し、改質器制御手段は触媒コンバータ温度検出手段の出力値に基づいて、燃料改質器の運転モードを切り替える。これにより、触媒コンバータの活性状態に応じて、適切な時期に改質ガスを生成したり停止したりすることができるので、上述のようなエミッションの成分の悪化や燃費の悪化を防止することができる。
【００３５】
請求項９に記載の発明は、請求項２から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記排気浄化システムは、前記内燃機関のＮＯｘ排出量を検出又は推定するＮＯｘ排出量検出手段（例えば、後述のクランク角センサ９４、アクセル開度センサ９５、ＥＣＵ７、及び図４のステップＳ５の実行に係る手段）をさらに備える。前記改質器制御手段は、前記ＮＯｘ排出量検出手段の出力値（例えば、後述のＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘ）に基づいて、前記燃料改質器の運転モードを切り替えることを特徴とする。
【００３６】
本発明によれば、ＮＯｘ排出量検出手段は内燃機関のＮＯｘ排出量を検出又は推定し、改質器制御手段はＮＯｘ排出量検出手段の出力値に基づいて、燃料改質器の運転モードを切り替える。これにより、内燃機関のＮＯｘ排出量に応じて、適切な時期に改質ガスを生成したり停止したりすることができる。すなわち、ＮＯｘ排出量が多い場合には改質ガスを生成することでＮＯｘ浄化率を向上することができる。また、ＮＯｘ排出量が少なく、改質ガスが不要である場合には改質ガスの生成を停止することで、燃費が悪化するのを防止できる。
【００３７】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記ＮＯｘ排出量検出手段は、前記内燃機関の回転数（例えば、後述のエンジン回転数ＮＥ）、前記内燃機関の燃料噴射量（例えば、後述の燃料噴射量ＱＩＮＪ）、前記内燃機関の混合気の空燃比、前記内燃機関の吸入空気量、前記内燃機関の過給圧、前記内燃機関の燃料噴射時期、及び前記内燃機関の燃料噴射圧のうち少なくとも１つのパラメータに基づいて、前記ＮＯｘ排出量を推定することを特徴とする。
【００３８】
本発明によれば、ＮＯｘ排出量検出手段は、内燃機関の回転数、燃料噴射量、混合気の空燃比、吸入空気量、過給圧、燃料噴射時期、及び燃料噴射圧などのパラメータに基づいてＮＯｘ排出量を推定する。これにより、ＮＯｘ排出量を検出するための特別なセンサを追加することなく、ＮＯｘ排出量を精度良く推定することができる。
【００３９】
請求項１１に記載の発明は、請求項２から１０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記改質器制御手段は、前記内燃機関が停止状態となったことに応じて、前記燃料改質器を前記停止モードで運転することを特徴とする。
【００４０】
本発明によれば、内燃機関が停止状態となったことに応じて、燃料改質器を停止モードで運転することにより、内燃機関が停止している間も燃料改質器が運転され続けることによる燃費の悪化を防止することができる。
【００４１】
請求項１２に記載の発明は、請求項２から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記改質器制御手段は、前記内燃機関のＮＯｘ排出量（例えば、後述のＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘ）が所定値（例えば、後述の判定値Ｑ＿ＴＨ）より大きく、かつ、前記触媒コンバータの温度（例えば、後述の触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣ）が所定値（例えば、後述の判定値Ｔ＿ＴＨ）以下である場合には、前記燃料改質器を前記スタンバイモードで運転することを特徴とする。
【００４２】
本発明によれば、内燃機関のＮＯｘ排出量が所定値より大きく、かつ、触媒コンバータの温度が所定値以下である場合には、燃料改質器をスタンバイモードで運転する。これにより、触媒コンバータが未活性の状態で改質ガスが供給されることによるエミッションの成分の悪化や燃費の悪化を防止することができる。また、燃料改質器をスタンバイモードで運転することにより、触媒コンバータが活性した際には、速やかに運転モードを改質モードに切り替えて、改質ガスの生成及び供給を開始し、内燃機関から排出されたＮＯｘを浄化することができる。
【００４３】
請求項１３に記載の発明は、請求項２から１２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記改質器制御手段は、前記内燃機関のＮＯｘ排出量（例えば、後述のＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘ）が所定値（例えば、後述の判定値Ｑ＿ＴＨ）より大きく、かつ、前記触媒コンバータの温度（例えば、後述の触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣ）が所定値（例えば、後述の判定値Ｔ＿ＴＨ）より大きい場合には、前記燃料改質器を前記改質モードで運転することを特徴とする。
【００４４】
本発明によれば、内燃機関のＮＯｘ排出量が所定値より大きく、かつ触媒コンバータの温度が所定値より大きい場合には、燃料改質器を改質モードで運転する。これにより、活性した触媒コンバータにおいて、燃料改質器で生成した改質ガスにより排気中のＮＯｘを効率的に浄化することができる。
【００４５】
請求項１４に記載の発明は、請求項２から１３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記燃料改質器の運転モードに応じて、前記内燃機関の吸入空気量を変化させる吸気量変更手段（例えば、ＥＣＵ７、スロットル弁３２、及び図４のステップＳ１５の実行に係る手段）をさらに備えることを特徴とする。
【００４６】
本発明によれば、燃料改質器の運転モードに応じて内燃機関の吸入空気量を変化させる。燃料改質器の運転モードが変化すると、触媒コンバータに流入する排気の空燃比が変化する。また、内燃機関の吸入空気量が変化しても、触媒コンバータに流入する排気の空燃比が変化する。したがって、燃料改質器の運転モードに合わせて、触媒コンバータに流入する排気の空燃比を、触媒コンバータにおいて排気を浄化するのに適した空燃比にすることができる。
【００４７】
請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記吸気量変更手段は、前記燃料改質器が前記改質モードで運転される場合には、他の運転モードで運転される場合と比較して吸入空気量を少なくすることを特徴とする。
【００４８】
本発明によれば、燃料改質器を改質モードで運転し改質ガスを排気通路に供給する際には、改質ガスを供給しない他の運転モードで運転する場合と比較して、排気の空燃比が低減される。これにより、供給した改質ガス中に含まれる水素が、排気中の酸素と反応することにより不要に消費されてしまうのを防止することができる。
【００４９】
請求項１６に記載の発明は、請求項１４又は１５に記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記排気浄化システムは、前記燃料改質器を前記改質モードで運転した場合における前記内燃機関の吸入空気量の目標値（例えば、後述の目標吸入空気量ＱＡＩＲ＿ＴＲＧＴ）を設定するとともに、当該目標値が、前記内燃機関の運転状態に応じて設定された吸入空気量の下限値（例えば、後述の吸入空気量下限値ＱＡＩＲ＿ＬＬＩＭ）以下であるか否かを判別する吸気量低減可否判定手段（例えば、後述のＥＣＵ７、及び図５の吸気絞り判定処理の実行に係る手段）をさらに備える。また、前記改質器制御手段は、前記吸気量低減可否判定手段により前記吸入空気量の目標値が前記下限値以下であると判別された場合には、前記燃料改質器を前記スタンバイモードで運転することを特徴とする。
【００５０】
本発明によれば、燃料改質器を改質モードで運転した場合における内燃機関の吸入空気量の目標値が、内燃機関の運転状態に応じて設定された吸入空気量の下限値以下である場合には、燃料改質器をスタンバイモードで運転する。これにより、改質ガスの供給に合わせて吸入空気量を低減してしまい、内燃機関の燃焼が不安定になるのを防止することができる。したがって、内燃機関の燃焼を安定に維持しながら、燃料改質器により改質ガスを効率的に生成することができる。
【００５１】
請求項１７に記載の発明は、請求項１６に記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記吸気量低減可否判定手段は、前記内燃機関の回転数（例えば、後述のエンジン回転数ＮＥ）、前記内燃機関の冷却水の温度、前記内燃機関の吸気の温度、及び前記内燃機関の排気の還流量のうち少なくとも１つのパラメータに基づいて、前記内燃機関の吸入空気量の下限値を設定することを特徴とする。
【００５２】
本発明によれば、内燃機関の回転数、冷却水の温度、吸気の温度、及び排気の還流量のうち少なくとも１つのパラメータに基づいて内燃機関の吸入空気量の下限値を設定する。これにより、吸入空気量の下限値を、内燃機関の状態に応じて適切に設定することができる。
【００５３】
請求項１８に記載の発明は、請求項２から１７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記改質器制御手段は、前記内燃機関がアイドル状態のまま所定時間経過した場合には、前記燃料改質器の運転モードを、スタンバイモードから停止モードに切り替えることを特徴とする。
【００５４】
内燃機関がアイドル状態にある場合、ＮＯｘ排出量は比較的少なく改質ガスは要求されないが、運転者の操作により内燃機関が高回転及び高負荷状態に急激に変化してしまい、これに応じて改質ガスが要求される場合もある。したがって、このような改質ガスの要求に速やかに応答できるように、内燃機関がアイドル状態にある場合には、燃料改質器をスタンバイモードで運転することが好ましい。しかしながら、スタンバイモードでの運転を継続すると、改質触媒の温度を保持するための燃料を無駄に消費されてしまう。これに対して本発明によれば、内燃機関がアイドル状態のまま所定時間が経過した場合には、燃料改質器の運転モードをスタンバイモードから停止モードに切り替えることにより、燃費の悪化を軽減することができる。
【００５５】
請求項１９に記載の発明は、請求項２から１８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記改質器制御手段は、前記内燃機関のＮＯｘ排出量（例えば、後述のＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘ）が所定値（例えば、後述の判定値Ｑ＿ＴＨ）以下であり、かつ、前記触媒コンバータの温度（例えば、後述の触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣ）が所定値（例えば、後述の判定値Ｔ＿ＴＨ）より高い場合には、前記燃料改質器を前記スタンバイモードで運転することを特徴とする。
【００５６】
本発明によれば、内燃機関のＮＯｘ排出量が所定値以下であり、かつ、触媒コンバータの温度が所定値より高い場合には、燃料改質器をスタンバイモードで運転する。これにより、運転者の操作により、内燃機関のＮＯｘ排出量が急激に増加した場合であっても、燃料改質器の運転モードをスタンバイモードから改質モードに切り替えて、改質ガスの供給を速やかに開始し、排気中のＮＯｘを浄化することができる。
【００５７】
請求項２０に記載の発明は、請求項２から１９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記改質器制御手段は、前記燃料改質器を前記スタンバイモードで所定の時間に亘って運転し続けた場合には、前記燃料改質器の運転モードを、前記スタンバイモードから前記停止モードに切り替えることを特徴とする。
【００５８】
本発明によれば、燃料改質器をスタンバイモードで所定の時間に亘って運転し続けた場合には、燃料改質器の運転モードをスタンバイモードから停止モードに切り替える。したがって、スタンバイモードで運転し続けた場合における燃費の悪化を軽減することができる。
【００５９】
請求項２１に記載の発明は、請求項１から２０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記触媒コンバータは、白金、セリア、及びゼオライトを含むことを特徴とする。
【００６０】
本発明によれば、触媒コンバータに白金、及びセリアを含める。これにより、触媒コンバータに流入する排気中の一酸化炭素と水蒸気のシフト反応により水素を生成するとともに、生成した水素と酸化雰囲気下で捕捉したＮＯｘによりアンモニアを生成することができる。また、触媒コンバータにゼオライトを含めることにより、生成したアンモニアを貯蔵するとともに、貯蔵したアンモニアにより排気中のＮＯｘを還元することができる。本発明によれば、このような触媒コンバータに対して水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを供給することにより、上記シフト反応による水素生成を促進するとともに、アンモニアの合成量及び貯蔵量を増大し、ＮＯｘの浄化性能を向上することができる。
また、触媒コンバータにおける水素の生成、アンモニアの生成、及びアンモニアの貯蔵といった機能は、改質ガスに含まれる水素及び一酸化炭素の酸化活性より高温で発現する。このため、触媒コンバータが水素及び一酸化炭素の酸化活性が十分に起こる温度となった場合には、改質ガスに含まれる水素及び一酸化炭素の酸化反応により触媒コンバータを昇温することで、上述のような機能によるＮＯｘの浄化が可能になるまでの時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気浄化システム、及びこれを適用したエンジンの構成を示す模式図である。
【図２】上記実施形態に係る燃料改質器の複数の運転モードを模式的に示す図である。
【図３】上記実施形態に係る改質空燃比に対する燃料量、改質触媒の温度、及び改質ガスの生成量の関係を示す図である。
【図４】上記実施形態に係る改質器制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】上記実施形態に係る吸気絞り判定処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】上記実施形態に係る下限ベース値をエンジン回転数に基づいて検索するためのマップの一例を示す図である。
【図７】上記実施形態に係る水温補正係数をエンジンの冷却水の温度に基づいて検索するためのマップの一例を示す図である。
【図８】上記実施形態に係るＥＧＲ補正係数を排気の還流量に基づいて検索するためのマップの一例を示す図である。
【図９】上記実施形態に係る改質器制御処理の具体例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化システム１、及びこれを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）２の構成を示す模式図である。エンジン２は、各気筒２１の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンである。
【００６３】
エンジン２に燃料を供給する燃料供給系は、燃料タンク２３に貯留された燃料を加圧する燃料ポンプ（図示せず）と、この燃料ポンプにより加圧された燃料をエンジン２の気筒２１ごとに設けられたインジェクタに供給するコモンレール（図示せず）と、を含んで構成される。
【００６４】
インジェクタからの燃料噴射量ＱＩＮＪは、後述する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）７によって設定される。また、このインジェクタの開弁時間は、設定された燃料噴射量ＱＩＮＪが得られるように、ＥＣＵ７からの駆動信号により制御される。
【００６５】
エンジン２には、吸気が流通する吸気管３と、排気が流通する排気管４と、排気管４内の排気の一部を吸気管３に還流する排気還流通路５と、吸気管３に吸気を圧送する過給機６とが設けられている。
【００６６】
吸気管３は、吸気マニホールド３１の複数の分岐部を介してエンジン２の各気筒２１の吸気ポートに接続されている。排気管４は、排気マニホールド４１の複数の分岐部を介してエンジン２の各気筒２１の排気ポートに接続されている。排気還流通路５は、排気マニホールド４１から分岐し吸気マニホールド３１に至る。
【００６７】
過給機６は、排気管４に設けられた図示しないタービンと、吸気管３に設けられた図示しないコンプレッサと、を備える。タービンは、排気管４を流通する排気の運動エネルギーにより駆動される。コンプレッサは、タービンにより回転駆動され、吸気を加圧し吸気管３内へ圧送する。また、タービンは、図示しない複数の可変ベーンを備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービンのベーン開度は、ＥＣＵ７により電磁的に制御される。
【００６８】
吸気管３のうち過給機６の上流側には、エンジン１の吸入空気量を制御するスロットル弁３２が設けられている。このスロットル弁３２は、アクチュエータを介してＥＣＵ７に接続されており、その開度はＥＣＵ７により電磁的に制御される。また、吸気管３のうち過給機６の下流側には、過給機６により加圧された吸気を冷却するためのインタークーラ３３が設けられている。
【００６９】
排気還流通路５は、排気マニホールド４１と吸気マニホールド３１とを接続し、エンジン２から排出された排気の一部を還流する。排気還流通路５には、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ５１と、排気の還流量を制御するＥＧＲ弁５２と、が設けられている。ＥＧＲ弁５２は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ７に接続されており、その弁開度はＥＣＵ７により電磁的に制御される。
【００７０】
排気管４のうち過給機６の下流側には、排気を浄化する触媒コンバータ４３が設けられている。また、排気管４には、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び炭化水素（ＨＣ）を含む改質ガスを生成し、生成した改質ガスを排気管４内に触媒コンバータ４３の上流側から供給する燃料改質器８が接続されている。
【００７１】
触媒コンバータ４３は、エンジン２で燃焼する混合気を理論空燃比よりもリーンに設定し、流入する排気の酸素濃度が比較的高い酸化雰囲気にしたときに、排気中のＮＯｘを捕捉する。また、触媒コンバータ４３は、流入する排気の還元剤（水素、一酸化炭素、及び炭化水素など）濃度が比較的高い還元雰囲気にしたときに、上記捕捉したＮＯｘを還元する。
【００７２】
本実施形態では、触媒コンバータ４３として、触媒担体に２つの層からなるＮＯｘ浄化触媒を担持させることによって形成されたものを用いる。
ＮＯｘ浄化触媒の下層は、白金を４．５（ｇ／Ｌ）と、セリアを６０（ｇ／Ｌ）と、アルミナを３０（ｇ／Ｌ）と、Ｃｅ−Ｐｒ−Ｌａ−Ｏｘを６０（ｇ／Ｌ）と、Ｚｒ−Ｏｘを２０（ｇ／Ｌ）と、で構成される材料を水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを触媒担体にコーティングして形成される。
また、ＮＯｘ浄化触媒の上層は、β型のゼオライトに鉄（Ｆｅ）及びセリウム（Ｃｅ）をイオン交換したものを７５（ｇ／Ｌ）と、アルミナを７（ｇ／Ｌ）と、バインダーを８（ｇ／Ｌ）と、で構成される材料を、水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを上述の下層にコーティングして形成される。
【００７３】
以上のようなＮＯｘ浄化触媒を担持して構成された触媒コンバータ４３は、具体的には以下のように動作し、排気中のＮＯｘを浄化する。
【００７４】
［リーン状態１］
先ず、エンジン２の混合気を理論空燃比よりもリーン側に設定する所謂リーンバーン運転を行い、触媒コンバータ４３に流入する排気を酸化雰囲気にすると、排気中のＮＯｘは、上層を通過して下層に到達し、白金によって酸化（例えば、ＮＯ→ＮＯ２）される。そして、酸化されたＮＯｘ（例えば、ＮＯ２）は、下層に一旦吸着されて貯蔵される。このとき、白金はＮＯ酸化触媒として機能し、セリアやＣｅ−Ｐｒ−Ｌａ−Ｏｘは、ＮＯｘ吸着材として機能する。
【００７５】
［リッチ状態］
次に、例えば、エンジン２の混合気を理論空燃比近傍若しくは理論空燃比よりもリッチ側に設定する所謂リッチ運転を行うことにより、触媒コンバータ４３に流入する排気を還元雰囲気にすると、排気中の一酸化炭素と水のシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される（下記式（５）参照）。また、上記リーン状態１で貯蔵されていたＮＯｘ及び排気中のＮＯｘは水素と反応し、アンモニアが生成される（下記式（６）参照）。ここで生成されたアンモニアは、上層に移動し、ゼオライトに吸着されて貯蔵される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２          （５）
ＮＯｘ＋Ｈ２→ＮＨ３          （６）
【００７６】
［リーン状態２］
次に、再びリーンバーン運転を行い、触媒コンバータ４３に流入する排気を酸化雰囲気にすると、上層に貯蔵されたアンモニアと、排気中のＮＯｘとがアンモニア選択接触還元法（ＮＨ３−ＳＣＲという）による反応で窒素に変換され（下記式（７）参照）、当該窒素は上層から放出される。このとき、鉄及びセリウムイオン交換βゼオライトは、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒として機能する。
ＮＯｘ＋ＮＨ３＋Ｏ２→Ｎ２＋Ｈ２Ｏ          （７）
【００７７】
このように、触媒コンバータ４３によれば、還元剤供給中に生成されるアンモニアがゼオライトに吸着され、吸着したアンモニアがリーンバーン運転中にＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率良く行うことができる。
【００７８】
燃料改質器８は、排気管４にその一端側が接続されたガス通路８１と、このガス通路８１内に設けられた改質触媒８２と、燃料ガスをガス通路８１の他端側から改質触媒８２に供給する燃料ガス供給装置８３と、を含んで構成される。
【００７９】
燃料ガス供給装置８３は、燃料タンク２３に貯蔵された燃料と、コンプレッサ８４により供給された空気とを所定の割合で混合して燃料ガスを製造し、この燃料ガスをガス通路８１内の改質触媒８２に供給する。この燃料ガス供給装置８３は、改質触媒８２に供給される空気の量を制御する空気バルブ８５と、改質触媒８２に供給される燃料の量を制御する燃料バルブ８６と、これら空気バルブ８５及び燃料バルブ８６を介して供給された空気と燃料を混合し改質触媒８２に噴射する図示しない噴射器と、を備える。これら空気バルブ８５及び燃料バルブ８６は、それぞれ図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ７に接続されており、改質触媒８２に供給する空気の量及び燃料の量、並びに、燃料ガスの燃料量に対する空気量の割合（以下、「改質空燃比」という）は、ＥＣＵ７により制御される。
【００８０】
改質触媒８２は、ロジウム、白金、パラジウム、ニッケル、及びコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属触媒成分と、セリア、ジルコニア、アルミナ、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物又はこれらを基本組成とした複合酸化物と、を含む。この改質触媒８２は、燃料ガス供給装置８３から供給された燃料ガスを改質し、水素、一酸化炭素、及び炭化水素を含む改質ガスを生成する。より具体的には、この改質触媒８２は、燃料ガスを構成する炭化水素と空気との部分酸化反応により、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。
【００８１】
本実施形態では、この改質触媒８２として、セリア及びロジウムの粉末を、セリアに対するロジウムの質量比が１％となるように秤量し、この粉末を水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーをメタル製の担体にコーティングし、さらに６００℃で２時間に亘り乾燥、焼成して調製されたものを用いる。
【００８２】
燃料改質器８は、グロープラグやスパークプラグなどを含んで構成された図示しない加熱ヒータを備えており、燃料改質器８の始動とともに、改質触媒８２を加熱することが可能となっている。また、この燃料改質器８は、排気管４とは別に設けられている。すなわち、燃料改質器８の燃料ガス供給装置８３及び改質触媒８２は、排気管４内には設けられていない。
【００８３】
以上のように構成された燃料改質器８は、後述のＥＣＵ７から送信された制御信号に基づいて駆動される。本実施形態では、改質ガスの生成量及び改質ガスの生成に関する応答速度が異なる複数の運転モードを準備し、これら運転モードで選択的に燃料改質器８を運転することにより、燃料改質器における改質ガスの生成量及び応答速度を制御する。ここで、改質ガスの生成に関する応答速度とは、より具体的には、改質ガスの生成の要求が発生してから、実際に改質ガスを生成するまでの時間を示す。以下、これら複数の運転モードについて、図２及び図３を参照して詳細に説明する。
【００８４】
図２は、燃料改質器の複数の運転モードを模式的に示す図である。
本実施形態では、燃料改質器８の運転モードとして、停止モードと、改質モードと、スタンバイモードとの３種類を準備する。
【００８５】
停止モードとは、燃料ガス供給装置の駆動を停止し改質触媒に燃料ガスを供給せず、改質触媒における改質ガスの生成を停止する運転モードを示す。停止モードでの運転時には、改質ガスを生成しないので、それに伴う改質触媒の温度上昇もない。この停止モードでの燃料改質器の運転は、基本的には、エンジンの停止時の他、エンジンの運転時であっても差し当たり改質ガスが要求されないと判断された時などに行われる。
【００８６】
改質モードとは、燃料ガス供給装置を駆動し燃料ガスを改質触媒に供給することにより、改質触媒において改質ガスを生成する運転モードを示す。改質モードでの運転時には、改質ガスを効率良く生成させるため、最適な空気量、燃料量、及び改質空燃比に調整された燃料ガスを供給する。また、改質モードでの運転時には、改質ガスを生成するに伴って発生する熱により改質触媒は高温になる。また、この改質モードでの燃料改質器の運転は、基本的には、エンジンの運転時であって改質ガスが要求される時、すなわちＮＯｘが比較的多く排出される高回転、高負荷でエンジンを運転している時などに行われる。
【００８７】
スタンバイモードとは、燃料ガス供給装置を駆動し燃料ガスを改質触媒に供給することにより、改質触媒の温度を所定の温度に保持しながら、この改質触媒における改質ガスの生成を停止又は抑制する運転モードを示す。このスタンバイモードでは、改質触媒の温度をできるだけ少ない量の燃料で高温に保持し、かつ、水素や一酸化炭素などの改質ガスを極力生成されない様に、最適な空気量、燃料量、及び改質空燃比に調整された燃料ガスを供給する。また、スタンバイモードでの運転時には、改質ガスの生成を停止又は抑制しながらも、改質触媒の温度を所定の温度に保持することにより、要求が発生した場合に、速やかに改質モードへの移行を可能にする。このスタンバイモードでの燃料改質器の運転は、基本的には、エンジンの運転時であって、改質ガスが要求されていない時、すなわちＮＯｘの排出量が比較的少ない低回転、低負荷でエンジンを運転している時や、近いうちに改質ガスの要求が発生すると予測される時などに行われる。
【００８８】
ここで、各運転モードにおける空気量、燃料量、燃料ガスの改質空燃比、及び改質触媒の温度の最適な形態について詳細に説明する。
以下の説明では、停止モードでの運転時における空気量及び燃料量を、それぞれＯ０及びＣ０とする。また、改質モードでの運転時における空気量、燃料量、及び改質空燃比を、それぞれ、Ｏｒ、Ｃｒ、及びＡＦｒとし、スタンバイモードでの運転時における空気量、燃料量、及び改質空燃比を、それぞれ、Ｏｓ、Ｃｓ、及びＡＦｓとする。
【００８９】
停止モードでは、燃料ガス供給装置の駆動を停止し、改質触媒には空気及び燃料を供給しない。したがって、空気量Ｏ０及び燃料量Ｃ０は、下記式（８）に示すように、それぞれ値０とする。
Ｏ０＝０，Ｃ０＝０          （８）
【００９０】
図３は、改質空燃比に対する燃料量、改質触媒の温度、及び改質ガスの生成量の関係を示す図である。なお図３には、燃料量を一定の値に保ちながら改質空燃比を変化させた場合における改質触媒の温度及び改質ガスの生成量を、実線及び破線で示す。また、実線は、破線で示す例よりも燃料量を多くした場合を示す。
【００９１】
図３に示すように、改質空燃比を燃焼理論空燃比以下で変化させると、改質ガスの生成量は改質空燃比に応じて大きく変化するが、改質空燃比を燃焼理論空燃比以上にすると、改質ガスは生成されなくなる。これは、燃焼理論空燃比を境として、燃焼理論空燃比以下では改質ガスを生成する下記式（９）に示すような部分酸化反応が優位に進行するのに対し、燃焼理論空燃比以上では改質ガスを生成しない下記式（１０）に示すような完全酸化反応が優位に進行するためであると考えられる。また、完全酸化反応による発熱量は、部分酸化反応による発熱量よりも大きいので、改質触媒の温度は改質空燃比を燃焼理論空燃比の近傍にした時に最大となる。また、図３に示すように、燃焼理論空燃比以下の改質空燃比では改質ガスを効率的に生成できる比率が存在する。
ＣｎＨｍ＋１／２ｎＯ２→ｎＣＯ＋１／２ｍＨ２          （９）
ＣｎＨｍ＋（ｎ＋１／４ｍ）Ｏ２→ｎＣＯ２＋１／２ｍＨ２Ｏ          （１０）
【００９２】
また、図３中の実線と破線を比較して理解できるように、燃料量を少なくすると、改質ガスの生成量は少なくなり、改質触媒の温度は低くなるが、改質空燃比に対するこれら改質ガスの生成量及び改質触媒の温度の変化の特性は定性的には変わらない。
【００９３】
以上のような改質反応の特性を利用して、改質モード及びスタンバイモードでの運転時における改質空燃比ＡＦｒ，ＡＦｓを設定する。
【００９４】
改質モードでは、部分酸化反応を優位に進行させて改質ガスを高効率で生成できるように、下記式（１１）に示すように、改質空燃比ＡＦｒを燃焼理論空燃比より小さく（リッチ）になるように設定する。より具体的には、図３中の黒丸に示すように、燃焼理論空燃比より小さく、かつ、改質ガスの生成量が最大となるような値、すなわち改質理論空燃比に改質空燃比ＡＦｒを設定する。また、この時、改質モードでの運転時における空気量Ｏｒと燃料量Ｃｒは、改質触媒の温度がその耐熱温度を上回らないように設定する。
ＡＦｒ＜燃焼理論空燃比          （１１）
【００９５】
一方スタンバイモードでは、上述のように設定された改質モードにおける改質空燃比ＡＦｒに対し、改質空燃比を小さくしても大きくしても、燃料量を少なくすることにより改質ガスの生成量を抑制することができる。しかしながら、仮にスタンバイモードにおける改質空燃比ＡＦｓを、改質モードにおける改質空燃比ＡＦｒよりも小さくした場合、コークや未改質の炭化水素が発生し易くなり、改質触媒の活性低下を引き起こすおそれがある。このため、下記式（１２）に示すように、スタンバイモードでの運転時における改質空燃比ＡＦｓは、改質モードでの運転時における改質空燃比ＡＦｒよりも大きく（リーン）なるように設定する。
ＡＦｓ＞ＡＦｒ          （１２）
【００９６】
また、スタンバイモードでは、完全酸化反応を優位に進行させて改質触媒を高温に保持しておくための熱量を効率的に発生できるように、下記式（１３）に示すように、改質空燃比ＡＦｓを燃焼理論空燃比よりも大きく（リーン）なるように設定する。
ＡＦｓ＞燃焼理論空燃比          （１３）
【００９７】
また、上記式（１２）のもとで、スタンバイモードでの運転時における燃料量Ｃｓを改質モードでの運転時における燃料量Ｃｒよりも多く設定すると、改質触媒の温度が改質モードでの温度と比較して高くなり、改質触媒が劣化するおそれがある。このため、下記式（１４）及び図３中の白丸に示すように、スタンバイモードでの運転時における燃料量Ｃｓは改質モードでの運転時における燃料量Ｃｒよりも少なくなるように設定する。
Ｃｓ＜Ｃｒ          （１４）
【００９８】
また、スタンバイモードでの運転時、及び、スタンバイモードでの運転と改質モードでの運転との間の移行時には、改質触媒の劣化を抑制しながらモード間の移行を速やかに行うことができるように、改質触媒の最高温度を３００℃以上１２００℃未満の範囲内に制御する。
【００９９】
図１に戻って、ＥＣＵ７には、排気温度センサ９２、及びエアフローセンサ９３が接続されている。排気温度センサ９２は、排気管４のうち触媒コンバータ４３に流入する排気の温度ＴＥを検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。エアフローセンサ９３は、エンジン２に吸入される吸入空気量ＱＡＩＲを検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。また、触媒コンバータ４３の温度Ｔ＿ＬＮＣは、排気温度センサ９２の検出値に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。
【０１００】
この他、ＥＣＵ７には、クランク角センサ９４、アクセル開度センサ９５、及びイグニッションスイッチ９６が接続されている。
【０１０１】
クランク角センサ９４は、エンジン２のクランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ７に送信する。このＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０°）ごとに送信される。アクセル開度センサ９５は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下、「アクセル開度」という）ＡＰを検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。イグニッションスイッチ９６は、図示しない車両の運転席に設けられ、車両の起動又は停止を指令する信号をＥＣＵ７に送信する。
【０１０２】
ここで、エンジン２の回転数（以下、「エンジン回転数」という）ＮＥは、クランク角センサ９４から送信されたＣＲＫ信号に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。上述のインジェクタからの燃料噴射量ＱＩＮＪは、エンジン回転数ＮＥ及びアクセル開度ＡＰに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって、ＥＣＵ７により算出される。
【０１０３】
ＥＣＵ７は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ７は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、インジェクタ２２などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ７には、以下に示す改質器制御処理を実行するモジュールが構成される。
【０１０４】
図４〜図９を参照して、本実施形態の改質器制御処理について説明する。
図４は、改質器制御処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、エンジンの運転状態や触媒コンバータの状態に応じて適切な運転モードで燃料改質器を制御する処理であり、イグニッションスイッチがオンにされた後、ＥＣＵにおいて所定の周期で行われる。
【０１０５】
ステップＳ１では、イグニッションスイッチがオンからオフにされたか否かを判別する。ステップＳ１における判別がＹＥＳの場合、すなわち、イグニッションスイッチがオフにされた場合には、エンジンが停止状態となったことに応じて燃料改質器の運転を停止すべく、ステップＳ２に移る。ステップＳ１における判別がＮＯの場合、すなわち、エンジンが運転した状態である場合には、ステップＳ３に移る。
【０１０６】
ステップＳ２では、燃料改質器を停止モードで運転し、この処理を終了する。
【０１０７】
ステップＳ３では、前回の制御サイクル時において、燃料改質器の運転モードが、停止モードから改質モードへ又はスタンバイモードから改質モードへ切り替えられたか否かを判別する。このステップＳ３の判別がＮＯの場合には、ステップＳ５に移る。このステップＳ３の判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ４に移り、後述のディレイタイマＤＥＬを初期値にリセットした後、ステップＳ５に移る。
【０１０８】
ステップＳ５では、今回の制御サイクルにおいてエンジンから排出されたＮＯｘの量（以下、「ＮＯｘ排出量」という）Ｑ＿ＮＯｘを算出し、ステップＳ６に移る。このＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘは、より具体的には、エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量ＱＩＮＪなどのエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて、所定のマップを検索することにより算出される。
【０１０９】
ステップＳ６では、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘに応じて燃料改質器の運転モードを切り替えるため、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが所定の判定値Ｑ＿ＴＨより大きいか否かを判別する。
【０１１０】
ステップＳ６の判別がＮＯである場合、すなわちＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨ以下である場合には、基本的には改質ガスを導入する必要はないと判断し、ステップＳ７に移る。
ステップＳ７では、触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣに応じて燃料改質器の運転モードをより適切に切り替えるため、触媒コンバータの温度Ｔ＿ＬＮＣが、触媒コンバータの活性温度の近傍に設定された所定の判定値Ｔ＿ＴＨより高いか否かを判別する。
【０１１１】
ステップＳ７の判別がＮＯである場合、すなわち、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨ以下でありかつ触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣも判定値Ｔ＿ＴＨ以下である場合には、差し当たり改質ガスが要求されないと判断し、停止モードで運転すべくステップＳ２に移る。
【０１１２】
ステップＳ７の判別がＹＥＳの場合、すなわち、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨ以下でありかつ触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣが判定値Ｔ＿ＴＨより高い場合には、改質ガスが要求された場合に速やかに改質ガスの供給を開始できるように、スタンバイモードで運転すべくステップＳ８に移る。
【０１１３】
ステップＳ８では、ディレイタイマＤＥＬを減算（ＤＥＬ←ＤＥＬ−１）した後、ステップＳ９に移る。そして、ステップＳ９では、ディレイタイマＤＥＬが「０」になったか否かを判別する。このステップＳ９の判別がＮＯである場合、ステップＳ１０に移り、燃料改質器をスタンバイモードで運転する。一方、このステップＳ９の判別がＹＥＳである場合、すなわち、ディレイタイマの初期値に応じた時間に亘って燃料改質器をスタンバイモードで運転し続けた場合には、ステップＳ２に移り、燃料改質器を停止モードで運転する。
【０１１４】
一方、ステップＳ６の判別がＹＥＳである場合、すなわちＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨより大きい場合には、エンジンから排出されたＮＯｘを浄化するには、改質ガスを導入する方が好ましいと判断し、ステップＳ１１に移る。
ステップＳ１１では、触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣに応じて燃料改質器の運転モードをより適切に切り替えるため、触媒コンバータの温度Ｔ＿ＬＮＣが、判定値Ｔ＿ＴＨより高いか否かを判別する。
【０１１５】
ステップＳ１１の判別がＮＯである場合、すなわちＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨより大きいにもかかわらず、触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣが判定値Ｔ＿ＴＨ以下である場合には、改質ガスが要求された場合に速やかに改質ガスの供給を開始できるように、スタンバイモードで運転すべくステップＳ１０に移る。なおこの場合、ディレイタイマＤＥＬの減算は行わない。
【０１１６】
一方、ステップＳ１１の判別がＹＥＳである場合には、ステップＳ１２に移る。
ステップＳ１２では、吸気絞り判定処理を実行し、ステップＳ１３に移る。この吸気絞り判定処理は、エンジンに流入する新気の流量を絞る吸気絞り運転が可能であることを判定する処理である。
【０１１７】
図５は、吸気絞り判定処理の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ２１では、燃料改質器を改質モードで運転した場合におけるエンジンの吸入空気量ＱＡＩＲの目標値（以下、「目標吸入空気量」という）ＱＡＩＲ＿ＴＲＧＴを設定し、ステップＳ２２に移る。この目標吸入空気量ＱＡＩＲ＿ＴＲＧＴは、燃料改質器で生成した改質ガスをエンジンの排気とともに触媒コンバータに供給した場合に、この触媒コンバータでＮＯｘを効率的に浄化できるような値に設定される。また、この目標吸入空気量ＱＡＩＲ＿ＴＲＧＴは、燃料改質器が停止モード及びスタンバイモードで運転される場合における吸入空気量よりも少ない値に設定される。より具体的には、本実施形態では、このような目標吸入空気量ＱＡＩＲ＿ＴＲＧＴを、エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量ＱＩＮＪなどのエンジンの運転状態を示すパラメータの他、燃料改質器の改質ガスの生成量などに基づいて、図示しないマップを検索することにより設定する。
【０１１８】
ステップＳ２２では、吸入空気量ＱＡＩＲに対する下限値（以下、「吸入空気量下限値」という）ＱＡＩＲ＿ＬＬＩＭを後述のステップＳ２５で設定するために、この吸入空気量下限値ＱＡＩＲ＿ＬＬＩＭに対する下限ベース値ＬＬＩＭ＿ＢＡＳを設定し、ステップＳ２３に移る。この吸入空気量下限値ＱＡＩＲ＿ＬＬＩＭは、エンジンの燃焼を安定に維持するために必要な吸入空気量の下限値を示す。本実施形態では、この下限ベース値ＬＬＩＭ＿ＢＡＳを、エンジン回転数ＮＥに基づいて図６に示すようなマップを検索することにより設定する。
【０１１９】
ステップＳ２３では、上記下限ベース値ＬＬＩＭ＿ＢＡＳに乗算される水温補正係数Ｋｔｗを、エンジンの冷却水の温度に基づいて設定し、ステップＳ２４に移る。本実施形態では、この水温補正係数Ｋｔｗを、エンジンの冷却水の温度に基づいて、図７に示すようなマップを検索することにより設定する。
【０１２０】
ステップＳ２４では、上記下限ベース値ＬＬＩＭ＿ＢＡＳに乗算されるＥＧＲ補正係数Ｋｅｇｒを、エンジンの排気の還流量に基づいて設定し、ステップＳ２５に移る。本実施形態では、このＥＧＲ補正係数Ｋｅｇｒを、排気の還流量に基づいて、図８に示すようなマップを検索することにより設定する。
【０１２１】
ステップＳ２５では、下記式（１５）に示すように、下限ベース値ＬＬＩＭ＿ＢＡＳ、水温補正係数Ｋｔｗ、及びＥＧＲ補正係数Ｋｅｇｒを乗算したものを、吸入空気量下限値ＱＡＩＲ＿ＬＬＩＭとして設定し、ステップＳ２６に移る。
ＱＡＩＲ＿ＬＬＩＭ＝ＬＬＩＭ＿ＢＡＳ×Ｋｔｗ×Ｋｅｇｒ      （１５）
【０１２２】
ステップＳ２６では、目標吸入空気量ＱＡＩＲ＿ＴＲＧＴが、上述のようにエンジンの運転状態に基づいて設定された吸入空気量下限値ＱＡＩＲ＿ＬＬＩＭよりも大きいか否かを判別する。
【０１２３】
ステップＳ２６の判別がＹＥＳである場合には、吸入空気量ＱＡＩＲが目標吸入空気量ＱＡＩＲ＿ＴＲＧＴに一致するように吸気絞り運転を実行しても、エンジンの燃焼が不安定になることはないと判断し、ステップＳ２７に移る。そして、ステップＳ２７では、吸気絞り運転を実行可能であることを示す絞り判定フラグＦ＿ＡＩＲを「１」にセットし、この処理を終了する。
【０１２４】
一方、ステップＳ２６の判別がＮＯである場合には、吸入空気量ＱＡＩＲが目標吸入空気量ＱＡＩＲ＿ＴＲＧＴに一致するように吸気絞り運転を実行すると、エンジンの燃焼が不安定になるおそれがあると判断し、ステップＳ２８に移る。そして、ステップＳ２８では、絞り判定フラグＦ＿ＡＩＲを「０」にセットし、この処理を終了する。
【０１２５】
図４に戻って、ステップＳ１３では、絞り判定フラグＦ＿ＡＩＲが「１」であるか否かを判別する。この判別がＮＯである場合、すなわち、吸気絞り運転が可能でない場合には、ステップＳ１４に移る。
【０１２６】
ステップＳ１４では、エンジンがアイドル状態であるか否かを判別する。このステップＳ１４の判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ８に移り、ディレイタイマＤＥＬの減算を行った後、燃料改質器をスタンバイモード又は停止モードで運転する。すなわち、エンジンがアイドル状態である場合には、始めは燃料改質器をスタンバイモードで運転するが、アイドル状態のままディレイタイマの初期値に応じた時間が経過した場合には、燃料改質器の運転モードをスタンバイモードから停止モードに切り替える。また、ステップＳ１４の判別がＮＯの場合には、ステップＳ１０に移り、ディレイタイマＤＥＬの減算を行わずに燃料改質器をスタンバイモードで運転する。
【０１２７】
一方、ステップＳ１３の判別がＹＥＳの場合、すなわち、吸気絞り運転が可能である場合には、ステップＳ１５に移る。ステップＳ１５では、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨより大きく、触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣが判定値Ｔ＿ＴＨより高く、さらに吸気絞り運転が可能であると判定されたことに応じて、吸入空気量ＱＡＩＲが目標吸入空気量ＱＡＩＲ＿ＴＲＧＴに一致するように吸気絞り運転を実行するとともに、燃料改質器を改質モードで運転する。
【０１２８】
図９は、改質器制御処理の具体例を示すタイムチャートである。
図９には、時刻ｔ０においてイグニッションスイッチをオンにしてエンジンを始動するとともに車両の走行を開始した例を示す。
【０１２９】
先ず、時刻ｔ０から車両を走行し始めることにより、触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣとＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが上昇し始める。走行開始直後は、触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣ及びＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘは、それぞれの判定値Ｔ＿ＴＨ，Ｑ＿ＴＨより小さいので、燃料改質器は停止モードで運転される（ステップＳ６，Ｓ７，Ｓ２参照）。
【０１３０】
時刻ｔ１において、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨを上回ったことに応じて燃料改質器はスタンバイモードで運転され（ステップＳ６，Ｓ１１，Ｓ１０参照）、その後、時刻ｔ２において、触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣも判定値Ｔ＿ＴＨを上回ったことに応じて燃料改質器は改質モードで運転される（ステップＳ６，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１５参照）。
【０１３１】
その後、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが減少し始め、時刻ｔ３〜ｔ５の間でＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨを下回り続ける。そこで、時刻ｔ３から、ディレイタイマＤＥＬの減算が開始するとともに燃料改質器はスタンバイモードで運転され、時刻ｔ４においてディレイタイマＤＥＬが「０」となったことに応じて燃料改質器は停止モードで運転される（ステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１０参照）。
【０１３２】
時刻ｔ５では、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが再び判定値Ｑ＿ＴＨを上回ったことに応じて、燃料改質器の運転モードは停止モードから改質モードに切り替えられ、ディレイタイマがリセットされる（ステップＳ３，Ｓ４参照）。その後、時刻ｔ６〜ｔ７の間では触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣが判定値Ｔ＿ＴＨを下回り続けたことに応じて燃料改質器はスタンバイモードで運転され（ステップＳ６，Ｓ１１、Ｓ１０参照）、時刻ｔ７〜ｔ８の間では触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣが再び判定値Ｔ＿ＴＨを上回り続けたことに応じて燃料改質器は改質モードで運転される（ステップＳ６，Ｓ１１，Ｓ１５参照）。
【０１３３】
時刻ｔ８以降では、触媒コンバータ温度Ｔ＿ＬＮＣは判定値Ｔ＿ＴＨを上回り続けるが、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘは判定値Ｑ＿ＴＨを下回る。このため、時刻ｔ８から燃料改質器は改質モードからスタンバイモードに切り替えられるとともに、ディレイタイマＤＥＬの減算が開始する（ステップＳ６，Ｓ７，Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０）。しかしながら、時刻ｔ９では、ディレイタイマが「０」になる前に、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨを上回ったことに応じて、燃料改質器はスタンバイモードから停止モードではなく改質モードに切り替えられ、また、これに伴いディレイタイマはリセットされる（ステップＳ３，Ｓ４参照）。また、時刻ｔ１０では、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨを下回ったことに応じて、運転モードが改質モードからスタンバイモードに切り替えられる。
【０１３４】
以上詳述したように、本実施形態によれば、燃料改質器８で水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、生成した改質ガスを触媒コンバータ４３の上流側に供給する。ここで、触媒コンバータ４３が水素及び一酸化炭素の酸化反応が起こる温度となった場合には、水素及び一酸化炭素の酸化反応により触媒コンバータ４３を昇温することができる。これにより、触媒コンバータ４３のライトオフ時間を短縮することができる。また、還元性能の高い水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを供給することにより、触媒コンバータ４３におけるＮＯｘの浄化動作を促進することができる。したがって、エンジン２の低温始動時から、高いＮＯｘ浄化性能を発揮することができる。
【０１３５】
また、本実施形態によれば、燃料改質器６を排気管４とは別に設ける。これにより、排気管４内の排気の成分、温度、及び流速、すなわちエンジン２の運転状態に影響されることなく、改質ガスを生成するための改質反応を効率的に行うことができる。したがって、燃料改質器８における触媒の使用量を少なくすることができる。また、燃料改質器８を排気管４とは別に設けることにより、エンジン２とは別系統の制御を行うことができるので、エンジン２の排気温度が上昇するよりも早く燃料改質器８を活性化し、改質ガスの生成及び供給を開始することができる。例えば、触媒コンバータ４３に流入する排気を還元雰囲気にすべく、エンジン２の制御により一酸化炭素を製造する場合、特にエンジン２の低温始動時には、副次的に多くの炭化水素が生成されたり、エンジン２の燃焼が不安定になることによりノイズや振動が発生したりすることがある。これに対して、本実施形態によれば、燃料改質器８で改質ガスを生成することにより、エンジン２の制御を簡素にするとともに、低温始動時におけるノイズや振動の発生を抑制することができる。
【０１３６】
これに対して、本実施形態によれば、エンジン２の運転状態や触媒コンバータ４３の状態に応じて、燃料改質器８における改質ガスの生成量を制御することにより、必要に応じて適切に改質ガスを生成するとともに、不必要な燃料の消費を低減することができる。また、本実施形態によれば、燃料改質器８における改質ガスの生成量に加えて、改質ガスの生成に関する応答速度を制御する。このように、燃料改質器８の応答速度をも制御することにより、改質ガスを貯蔵するためのタンクを別途設けることなく、必要が生じた場合には速やかに改質ガスの供給を開始することができる。
【０１３７】
本実施形態によれば、停止モードと、改質モードと、スタンバイモードとを含む複数の運転モードで燃料改質器８を制御する。特にこれら３つの運転モードのうち、改質ガスの生成を停止又は抑制しながらも、改質触媒８２の温度を所定の温度を保持するスタンバイモードを設定することにより、改質ガスが不要な場合にはその生成を停止又は抑制しつつ、改質ガスが要求された時には、運転モードをスタンバイモードから改質モードに切り替えて、改質ガスの生成及び供給を迅速に開始することができる。特にここで、スタンバイモードでの運転時には改質触媒８２の温度を所定の温度に制御しているので、スタンバイモードから改質モードに切り替えて改質ガスの生成を開始する際に、改質触媒８２を改めて時間をかけて加熱したりする必要がなく、したがって、改質ガスの要求が生じてから実際に改質ガスの供給を開始するまでにかかる時間を短縮することができる。
【０１３８】
本実施形態によれば、上記式（１２）及び（１４）が満たされるように燃料改質器８を制御することにより、特にスタンバイモードでの運転時において、改質触媒８２が劣化する程の高温になったり、コークの発生による活性低下が生じたりすることなく、改質触媒８２の温度を最適な温度に保持することができる。また、改質モードに対して、スタンバイモードでの運転時における燃料の消費量を少なくすることができる。
【０１３９】
本実施形態によれば、改質モードでの運転時には、改質空燃比を燃焼理論空燃比よりもリッチにし、主に部分酸化反応を進行させることにより、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを効率的に生成することができる。
【０１４０】
本実施形態によれば、スタンバイモードでの運転時、及びスタンバイモードでの運転と改質モードでの運転との間の移行時において、改質触媒８２の最高温度を３００℃以上１２００℃未満の範囲内に制御する。このように改質触媒８２の最高温度を制御することにより、改質触媒８２を熱劣化させることなくＮＯｘの排出時期に同期して応答性良く改質ガスを生成及び供給することができる。
【０１４１】
本実施形態によれば、ロジウム、白金、パラジウム、ニッケル、及びコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属触媒成分と、セリア、ジルコニア、アルミナ、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物又はこれらを基本組成とした複合酸化物とを含む改質触媒８２を用いることにより、効率的なスタンバイモードの運転が可能となる。この他、本実施形態によれば、上述のような金属触媒成分と複合酸化物を含む改質触媒８２を用いることにより、改質モードでの運転時における部分酸化反応活性を高くしながら、約１２００℃までの使用温度に対する熱劣化を小さくすることもできる。
【０１４２】
本実施形態によれば、触媒コンバータの温度Ｔ＿ＬＮＣに基づいて、燃料改質器８の運転モードを切り替える。これにより、触媒コンバータ４３の活性状態に応じて、適切な時期に改質ガスを生成したり停止したりすることができるので、エミッションの成分の悪化や燃費の悪化を防止することができる。
【０１４３】
本実施形態によれば、ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘに基づいて、燃料改質器８の運転モードを切り替える。これにより、エンジン２のＮＯｘ排出量に応じて、適切な時期に改質ガスを生成したり停止したりすることができる。すなわち、ＮＯｘ排出量が多い場合には改質ガスを生成することでＮＯｘ浄化率を向上することができる。また、ＮＯｘ排出量が少なく、改質ガスが不要である場合には改質ガスの生成を停止することで、燃費が悪化するのを防止できる。
【０１４４】
本実施形態によれば、エンジン２が停止状態となったことに応じて、燃料改質器８を停止モードで運転することにより、エンジン２が停止している間も燃料改質器８が運転され続けることによる燃費の悪化を防止することができる。
【０１４５】
本実施形態によれば、エンジン２のＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨより大きく、かつ、触媒コンバータの温度Ｔ＿ＬＮＣが判定値Ｔ＿ＴＨ以下である場合には、燃料改質器８をスタンバイモードで運転する。これにより、触媒コンバータ４３が未活性の状態で改質ガスが供給されることによるエミッションの成分の悪化や燃費の悪化を防止することができる。また、燃料改質器８をスタンバイモードで運転することにより、触媒コンバータ４３が活性した際には、速やかに運転モードを改質モードに切り替えて、改質ガスの生成及び供給を開始し、エンジン２から排出されたＮＯｘを浄化することができる。
【０１４６】
本実施形態によれば、エンジン２のＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨより大きく、かつ触媒コンバータ４３の温度Ｔ＿ＬＮＣが判定値Ｔ＿ＴＨより大きい場合には、燃料改質器８を改質モードで運転する。これにより、活性した触媒コンバータ４３において、燃料改質器８で生成した改質ガスにより排気中のＮＯｘを効率的に浄化することができる。
【０１４７】
本実施形態によれば、燃料改質器８の運転モードに応じてエンジン２の吸入空気量ＱＡＩＲを変化させる。燃料改質器８の運転モードが変化すると、触媒コンバータ４３に流入する排気の空燃比が変化する。また、エンジン２の吸入空気量ＱＡＩＲが変化しても、触媒コンバータ４３に流入する排気の空燃比が変化する。したがって、燃料改質器８の運転モードに合わせて、触媒コンバータに流入する排気の空燃比を、触媒コンバータ４３において排気を浄化するのに適した空燃比にすることができる。
【０１４８】
本実施形態によれば、燃料改質器８を改質モードで運転し改質ガスを排気管４に供給する際には、改質ガスを供給しない他の運転モードで運転する場合と比較して、排気の空燃比が低減される。これにより、供給した改質ガス中に含まれる水素が、排気中の酸素と反応することにより不要に消費されてしまうのを防止することができる。
【０１４９】
本実施形態によれば、燃料改質器８を改質モードで運転した場合におけるエンジン２の吸入空気量の目標値ＱＡＩＲ＿ＴＲＧＴが、エンジン２の運転状態に応じて設定された吸入空気量の下限値ＱＡＩＲ＿ＬＬＩＭ以下である場合には、燃料改質器８をスタンバイモードで運転する。これにより、改質ガスの供給に合わせて吸入空気量を低減してしまい、エンジン２の燃焼が不安定になるのを防止することができる。したがって、エンジン２の燃焼を安定に維持しながら、燃料改質器８により改質ガスを効率的に生成することができる。
【０１５０】
本実施形態によれば、エンジン２がアイドル状態のままディレイタイマＤＥＬの初期値に応じた時間が経過した場合には、燃料改質器８の運転モードをスタンバイモードから停止モードに切り替えることにより、燃費の悪化を軽減することができる。
【０１５１】
本実施形態によれば、エンジン２のＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘが判定値Ｑ＿ＴＨ以下であり、かつ、触媒コンバータ４３の温度Ｔ＿ＬＮＣが判定値Ｔ＿ＴＨより高い場合には、燃料改質器８をスタンバイモードで運転する。これにより、運転者の操作により、エンジン２のＮＯｘ排出量が急激に増加した場合であっても、燃料改質器８の運転モードをスタンバイモードから改質モードに切り替えて、改質ガスの供給を速やかに開始し、排気中のＮＯｘを浄化することができる。
【０１５２】
本実施形態によれば、燃料改質器８をスタンバイモードでディレイタイマＤＥＬの初期値に応じた時間に亘って運転し続けた場合には、燃料改質器８の運転モードをスタンバイモードから停止モードに切り替える。したがって、スタンバイモードで運転し続けた場合における燃費の悪化を軽減することができる。
【０１５３】
本実施形態によれば、白金、セリア、及びゼオライトを含む触媒コンバータ４３に対して、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを供給することにより、シフト反応による水素生成を促進するとともに、アンモニアの合成量及び貯蔵量を増大し、ＮＯｘの浄化性能を向上することができる。
また、触媒コンバータ４３における水素の生成、アンモニアの生成、及びアンモニアの貯蔵といった機能は、改質ガスに含まれる水素及び一酸化炭素の酸化活性より高温で発現する。このため、触媒コンバータ４３が水素及び一酸化炭素の酸化活性が十分に起こる温度となった場合には、改質ガスに含まれる水素及び一酸化炭素の酸化反応により触媒コンバータを昇温することで、上述のような機能によるＮＯｘの浄化が可能になるまでの時間を短縮することができる。
【０１５４】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
上記実施形態では、図４のステップＳ５においてＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘを算出するに当たり、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量ＱＩＮＪの２つのパラメータを用いてマップを検索したが、これに限るものではない。ＮＯｘ排出量Ｑ＿ＮＯｘは、エンジン回転数ＮＥや燃料噴射量ＱＩＮＪの他、エンジンの混合気の空燃比、エンジンに吸入される吸入空気量ＱＡＩＲ、エンジンの過給圧、エンジンの燃料噴射時期、及びエンジンの燃料噴射圧などのエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて算出することができる。
【０１５５】
上記実施形態では、図５のステップＳ２２〜Ｓ２５において、吸入空気量下限値ＱＡＩＲ＿ＬＬＩＭを設定する際、エンジンの冷却水の温度に基づいて検索された水温補正係数Ｋｔｗ、及び排気の還流量に基づいて検索されたＥＧＲ補正係数Ｋｅｇｒを下限ベース値ＬＬＩＭ＿ＢＡＳに乗算したが、これに限らない。補正係数としては、エンジン回転数ＮＥに基づいて検索されたものや、エンジンの吸気の温度に基づいて検索されたものを用いてもよい。
【０１５６】
上記実施形態では、図４のステップＳ７及びステップＳ１１において、同じ判定値Ｔ＿ＴＨに基づいて触媒コンバータの状態を判断したが、これに限らず、各ステップで異なる判定値を用いてもよい。
【０１５７】
上記実施形態では、本発明を車両に搭載されたディーゼルエンジンに適用した例を示したが、本発明は、これに限らない。本発明は、例えば、リーンバーンエンジンや、車両用以外のエンジン、例えば、クランク軸を鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。
【符号の説明】
【０１５８】
１…排気浄化システム
２…エンジン（内燃機関）
３２…スロットル弁（吸気量変更手段）
４…排気管（排気通路）
４３…触媒コンバータ
７…ＥＣＵ（ＮＯｘ排出量検出手段、触媒コンバータ温度検出手段、改質器制御手段、吸気量変更手段、吸気量低減可否判定手段）
８…燃料改質器
８２…改質触媒
８３…燃料ガス供給装置（原料供給手段）
９２…排気温度センサ（触媒コンバータ温度検出手段）
９４…クランク角センサ（ＮＯｘ排出量検出手段）
９５…アクセル開度センサ（ＮＯｘ排出量検出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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