(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を主体とする燃料を空気と改質触媒で酸化改質してアルコールを生成させ、生成したアルコールを含む改質燃料を内燃機関に噴射する改質装置を備える内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の燃焼変動を検出する燃焼変動検出手段と、
前記内燃機関の排気空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記燃焼変動検出手段により検出された燃焼変動に基づいて、前記改質燃料のオクタン価を推定するオクタン価推定手段と、
前記空燃比検出手段により検出された排気空燃比と、前記改質燃料の噴射量に基づいて、前記改質燃料の酸化反応進行度を推定する酸化反応進行度推定手段と、
前記オクタン価推定手段により推定されたオクタン価と、前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度に基づいて、前記改質装置を制御する改質制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記改質制御手段は、
前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも大きい場合には、前記改質装置に供給する燃料の流量を増加させ、
前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度が前記目標酸化反応進行度よりも小さい場合には、前記改質装置に供給する燃料の流量を減少させ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。
【請求項３】
前記改質制御手段は、
前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも大きい場合には、前記改質装置の温度を低下させ、
前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度が前記目標酸化反応進行度よりも小さい場合には、前記改質装置の温度を上昇させ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。
【請求項４】
前記改質制御手段は、
前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度が所定の範囲内であり且つ前記オクタン価推定手段により推定されたオクタン価が所定の最適オクタン価よりも小さい場合には、前記改質装置が故障していると判断して前記改質装置を停止させることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記燃焼変動検出手段は、ノックセンサであり、
前記空燃比検出手段は、空燃比センサであることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。詳しくは、炭化水素を主体とする燃料を酸化改質してアルコールを生成する改質装置を備えた内燃機関（以下、「エンジン」という。）の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
予め混合した燃料と空気の混合気を点火プラグによる火花点火で燃焼させるガソリンエンジンでは、点火プラグから離隔した未燃焼の混合気（エンドガス）が自着火することで、ノッキングが生じることが知られている。ノッキングは、エンジンの圧縮比を高めると生じ易くなるため、近年の高圧縮比エンジンでは、ノッキングの抑制が強く求められている。
【０００３】
ノッキングを抑制する方法としては、点火時期を遅角する方法が挙げられる。しかしながら、点火時期を遅角すると、エンジンの熱効率が低下する。そのため、高圧縮比エンジンにおいても、ノッキングを抑制しつつ高い熱効率が得られる技術の開発が望まれる。
【０００４】
ところで、ノッキングは燃料のオクタン価を高めることで抑制できるため、オクタン価の高い燃料として、ガソリン中にエタノール等のアルコールを予め混合したアルコール含有燃料が一部の地域で広く用いられている。また、このようなアルコール含有燃料の普及に伴い、外部から給油されたアルコール含有燃料を、車両上で高ガソリン濃度の燃料と高アルコール濃度の燃料とに分離する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、分離した高ガソリン濃度の燃料と高アルコール濃度の燃料の供給割合をエンジンの負荷状態に応じて変えることで、エンジンに供給する燃料のオクタン価を最適に制御できるため、ノッキングを抑制してエンジンの運転状態を最適化できるとされている。
【０００５】
一方、Ｎ−ヒドロキシフタルイミド（ＮＨＰＩ）等の炭素ラジカル生成触媒を用いて、炭化水素を酸化改質してアルコールに変換させる合成方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この合成方法を車両上で利用できれば、エンジンの負荷状態に応じて、ガソリン中に含まれる炭化水素をオクタン価の高いアルコールに変換でき、高オクタン価のアルコールをエンジンに供給できると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２４８８４０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】S.Sakaguchi、S.Kato、T.Iwahama、Y.Ishii、Bull.Chem.Soc.Jpn.71  (1998)  p.1237-1240
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術では、ガソリン１００％の燃料からはアルコールを分離できないため、アルコール含有燃料が普及していない地域には適用できない。また、アルコールが低濃度のアルコール含有燃料の場合には、十分な量のアルコールが分離できないため、高いオクタン価の燃料が必要な高負荷状態が続くと短時間しか効果が得られない。さらには、アルコール含有燃料の分離には時間を要するため、エンジンの負荷状態に応じたアルコール含有燃料の分離は困難である。
【０００９】
また、非特許文献１の合成方法をガソリン等の燃料に適用する検討については、これまでのところなされていないのが現状である。従って、炭化水素を主体とする燃料を酸化改質してアルコールを生成する改質装置を最適化制御できれば、エンジンの負荷状態に応じて高オクタン価のアルコールを供給することができ、エンジンの運転状態を最適化できるため、極めて有益である。
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、炭化水素を主体とする燃料を酸化改質してアルコールを生成する改質装置を最適化制御できる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明は、炭化水素を主体とする燃料を空気と改質触媒で酸化改質してアルコールを生成させ、生成したアルコールを含む改質燃料を内燃機関に噴射する改質装置を備える内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関の燃焼変動を検出する燃焼変動検出手段と、前記内燃機関の排気空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記燃焼変動検出手段により検出された燃焼変動に基づいて、前記改質燃料のオクタン価を推定するオクタン価推定手段と、前記空燃比検出手段により検出された排気空燃比と、前記改質燃料の噴射量に基づいて、前記改質燃料の酸化反応進行度を推定する酸化反応進行度推定手段と、前記オクタン価推定手段により推定されたオクタン価と、前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度に基づいて、前記改質装置を制御する改質制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置を提供する。
【００１２】
本発明では、炭化水素を主体とする燃料を空気と改質触媒で酸化改質してアルコールを生成させ、生成したアルコールを含む改質燃料を内燃機関に噴射する改質装置を備えた内燃機関において、内燃機関の燃焼変動に基づいて改質燃料のオクタン価を推定するとともに、排気空燃比と改質燃料の噴射量に基づいて改質燃料の酸化反応進行度を推定する。また、推定された改質燃料のオクタン価と酸化反応進行度に基づいて、改質装置を制御する。
上述したように、ノッキングは燃料のオクタン価を高めることで抑制できることから、本発明によれば、改質燃料のオクタン価に基づいて改質装置を制御することで、ノッキングを確実に抑制しつつ内燃機関の運転状態を最適化できる。また、本発明によれば、あわせて酸化反応進行度に基づいて改質装置を制御するため、ノッキングをより確実に抑制しつつ内燃機関の運転状態を最適化できる。
【００１３】
前記改質制御手段は、前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも大きい場合には、前記改質装置に供給する燃料の流量を増加させ、前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度が前記目標酸化反応進行度よりも小さい場合には、前記改質装置に供給する燃料の流量を減少させることが好ましい。
【００１４】
この発明では、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも大きい場合には、改質装置に供給する燃料の流量を増加する。また、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも小さい場合には、改質装置に供給する燃料の流量を減少させる。
この発明によれば、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも大きい場合には、改質装置に供給する燃料の流量を増加させることで、燃料と改質触媒との接触時間を低減できるため、酸化改質を抑制できる。また、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも小さい場合には、改質装置に供給する燃料の流量を減少させることで、燃料と改質触媒との接触時間を増加できるため、酸化改質を促進できる。従って、この発明によれば、改質装置をより最適に制御できる。
【００１５】
前記改質制御手段は、前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも大きい場合には、前記改質装置の温度を低下させ、前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度が前記目標酸化反応進行度よりも小さい場合には、前記改質装置の温度を上昇させることが好ましい。
【００１６】
この発明では、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも大きい場合には、改質装置の温度を低下させる。また、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも小さい場合には、改質装置の温度を上昇させる。
この発明によれば、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも大きい場合には、改質装置の温度を低下させることで、酸化改質を抑制できる。また、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも小さい場合には、改質装置の温度を上昇させることで、酸化改質を促進できる。従って、この発明によれば、改質装置をより最適に制御できる。
【００１７】
前記改質制御手段は、前記酸化反応進行度推定手段により推定された酸化反応進行度が所定の範囲内であり且つ前記オクタン価推定手段により推定されたオクタン価が所定の最適オクタン価よりも小さい場合には、前記改質装置が故障していると判断して前記改質装置を停止させることが好ましい。
【００１８】
この発明では、酸化反応進行度が所定の最適な範囲内であるにも関わらず、オクタン価が所定の最適オクタン価よりも小さい場合には、改質装置が故障していると判断して改質装置を停止させる。
この発明によれば、改質装置の故障判定が可能であるため、改質装置をより最適化制御できる。
【００１９】
前記燃焼変動検出手段は、ノックセンサであり、前記空燃比検出手段は、空燃比センサであることが好ましい。
【００２０】
この発明では、燃焼変動検出手段としてノックセンサを用いるとともに、空燃比検出手段として空燃比センサを用いる。
この発明によれば、改質装置による燃料の改質状態を、ガソリンエンジンに広く普及しているノックセンサと空燃比（Ａ／Ｆ）センサによって推定できる。従って、アルコールセンサ等の特別なセンサを追加することなく、部品点数の増加を抑制できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、炭化水素を主体とする燃料を酸化改質してアルコールを生成する改質装置を最適化制御できる内燃機関の制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る改質装置を備える内燃機関の制御装置を示す図である。
【図２】上記実施形態に係る改質装置の構成を示す図である。
【図３】上記実施形態に係る改質制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】上記実施形態に係る改質装置における酸化反応進行度と生成物の濃度との関係を示す図である。
【図５】燃料の化学量論燃空比とオクタン価との関係を示す図である。
【図６】上記実施形態に係るオクタン価推定の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る改質装置を備える内燃機関（以下、「エンジン」という。）の制御装置を示す図である。図１に示すように、エンジン５１には、吸気が流通する吸気管５６と、排気が流通する排気管５７と、エンジン５１に改質燃料を供給する改質装置１と、エンジン５１及び改質装置１を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）５０が設けられている。
【００２４】
エンジン５１は、多気筒エンジンであり、図１には便宜上１つの気筒のみを示している。エンジン５１は、複数のシリンダ５２と、シリンダ５２内を摺動するピストン５３と、を備える。ピストン５３の頂面とシリンダヘッド５４の内壁面により、エンジン５１の燃焼室５５が形成されている。ピストン５３は、コンロッドを介して図示しないクランクシャフトに連結され、ピストン５３の往復動に応じてクランクシャフトが回転する。
【００２５】
シリンダヘッド５４には、燃焼室５５に臨む点火プラグ５８が設けられている。また、シリンダヘッド５４には、燃焼室５５と吸気管５６とを接続する吸気ポート５６ａと、燃焼室５５と排気管５７とを接続する排気ポート５７ａが設けられている。吸気ポート５６ａの燃焼室５５に臨む開口部には、当該開口部を開閉する吸気弁５９が設けられている。排気ポート５７ａの燃焼室５５に臨む開口部には、当該開口部を開閉する排気弁６０が設けられている。
【００２６】
吸気管５６には、燃料を噴射する第１インジェクタ６１と第２インジェクタ６２が設けられている。これらインジェクタ６１，６２は、ＥＣＵ５０により、その噴射量及び噴射時期が制御される。また、これらインジェクタ６１，６２の上流側には、燃料に混合される空気の流量を制御するスロットル弁６３が設けられている。
【００２７】
第１インジェクタ６１は、後述する改質装置１が備える燃料タンク内に貯留され、燃料ポンプ及び燃料供給管１７２を介して供給されるガソリンを、吸気ポート５６ａ内に噴射可能となっている。
また、第２インジェクタ６２は、後述する改質装置１が備える改質燃料タンク内に貯留され、改質燃料ポンプ及び改質燃料供給管１９２を介して供給されるアルコールを含む改質燃料を、吸気ポート５６ａ内に噴射可能となっている。なお、アルコールを含む改質燃料は、後述する改質装置１でガソリンを酸化改質することにより生成される。
【００２８】
ここで、図２は、本実施形態に係る改質装置１の構成を示す図である。改質装置１は、図示しない車両上でエンジン５１の要求に応じて、ガソリン中に含まれる炭化水素を空気と改質触媒でアルコールに酸化改質してエンジン５１に供給する。即ち、改質装置１は、空気中の酸素による酸化反応を利用してガソリンを改質することから、例えば分解反応等を利用した改質と比べて低温で温和な条件下で改質が可能であるため、装置構成を簡易化でき、車両上でのオンデマンド運転に適している。
【００２９】
図２に示すように、本実施形態に係る改質装置１は、空気導入部１１と、燃料タンク１２と、燃料導入部１３と、混合器１４と、改質器１５と、凝縮器１６と、燃料供給部１７と、改質燃料タンク１８と、改質燃料供給部１９と、気相供給部２０と、を含んで構成される。
【００３０】
空気導入部１１は、後述する混合器１４の上流に設けられ、混合器１４内に酸化剤としての空気を導入する。空気導入部１１は、空気導入管１１０の上流側から順に、空気フィルタ１１１と、空気ポンプ１１２と、空気流量計１１３と、空気バルブ１１４と、を備える。空気導入部１１は、空気ポンプ１１２を駆動することで、空気フィルタ１１１を介して外気から空気を取り込む。また、空気導入部１１は、空気バルブ１１４を開弁することで、取り込んだ空気を混合器１４内に導入する。混合器１４内への空気の導入量は、空気流量計１１３で検出された空気流量に基づいて、ＥＣＵ５０により、空気バルブ１１４の開度を調整することで制御される。
【００３１】
燃料タンク１２は、燃料として、炭化水素を主体的に含むガソリンを貯留する。即ち、燃料タンク１２は、通常の車両に設けられる燃料タンクであり、改質前のガソリンを貯留する。
【００３２】
燃料供給部１７は、燃料ポンプ１７１と、燃料供給管１７２と、上述の第１インジェクタ６１（図１参照）と、を備える。燃料供給部１７は、燃料ポンプ１７１を駆動することで、燃料供給管１７２及び第１インジェクタ６１を介して、燃料タンク１２内に貯留されたガソリンをエンジン５１の吸気ポート５６ａ内に供給する。ガソリン供給量は、ＥＣＵ５０により第１インジェクタ６１の噴射量を調整することで制御される。
【００３３】
燃料導入部１３は、後述する混合器１４の上流に設けられ、混合器１４内に燃料のガソリンを導入する。燃料導入部１３は、燃料導入管１３０の上流側から順に、改質ポンプ１３１と、燃料流量計１３２と、燃料バルブ１３３と、を備える。燃料導入部１３は、改質ポンプ１３１を駆動するとともに燃料バルブ１３３を開弁することで、燃料タンク１２内に貯留されたガソリンを混合器１４内に導入する。混合器１４内へのガソリンの導入量は、燃料流量計１３２で検出された燃料流量に基づいて、ＥＣＵ５０により燃料バルブ１３３の開度を調整することで制御される。
【００３４】
混合器１４は、後述する改質器１５の上流に設けられ、燃料のガソリンと空気を混合して改質器１５内に供給する。混合器１４は、空気導入部１１により導入される空気と、燃料導入部１３により導入される液状のガソリンとを均一に混合可能な構成となっている。具体的には、例えば混合器１４は、空気導入管１１０と混合器１４の接続部を小孔に形成することで、小さな空気泡を生成するように構成されていてよい。また、混合器１４は、空気の強い流れで渦を発生させるように構成されていてもよい。なお、混合器１４は、図示しないヒータを備えており、ガソリン及び空気を所定の温度まで昇温しながら混合することで、ガソリンと空気の混合気を生成する。
【００３５】
改質器１５は、混合器１４から供給される混合気中のガソリンの主成分である炭化水素を、混合気中の空気を用いて改質してアルコールを生成させる。具体的には、改質器１５としては、流通反応器及び完全混合反応器のいずれであってもよい。
【００３６】
ここで、流通反応器とは、混合器１４から導入されたガソリンと空気の混合気が、その前後に供給された混合気と反応器内部で混合されることなく、ピストンのように押し流されながら改質されて流出する反応器を意味する。そのため、流通反応器では、反応器から流出する流体の組成と反応器内部の流体の組成は相違し、混合気の反応器内部における滞在時間のばらつきが小さい特性を有する。
これに対して、完全混合反応器とは、混合器１４から導入されたガソリンと空気の混合気が、改質器内で反応物と均一に混合されて改質される反応器を意味する。そのため、完全混合反応器では、反応器から流出する流体の組成と反応器内部の流体の組成は同一であり、混合器の反応器内部における滞在時間のばらつきが大きい特性を有する。
【００３７】
図２に示すように、改質器１５には、図示しない温度センサと、改質器１５内を冷却するための冷却部１５３と、が設けられる。冷却部１５３は、温度センサの検出温度に基づいてＥＣＵ５０により制御され、エンジン５１の冷却水を改質器１５に供給することで改質器１５を冷却する。エンジン冷却水の温度は、７０℃〜１００℃が好ましい。エンジン冷却水の温度が７０℃未満では改質反応速度が小さく、１００℃を超えるとエンジン冷却水の使用が難しくなる。なお、冷却部１５３は、改質反応が進行して改質器１５内の温度が高温の場合には、エンジン冷却水で改質器１５を冷却するが、改質反応の初期で改質器１５内の温度が低温の場合には、逆にエンジン冷却水で改質器１５を暖める作用をもたらす。
【００３８】
また、改質器１５は、ガソリン中に主体的に含まれる炭化水素を、酸化剤としての空気を用いて改質し、アルコールを生成させる改質触媒１５２を備える。具体的には、改質器１５は、円筒状のケーシング１５１と、ケーシング１５１内に充填された固体状の改質触媒１５２と、を備える。
【００３９】
固体状の改質触媒１５２は、小球状の多孔質担体と、当該多孔質担体の表面に担持された主触媒及び助触媒と、を含んで構成される。主触媒及び助触媒は、均一に混合された状態で、小球状の多孔質担体の表面に担持される。このように本実施形態の改質触媒１５２は、多孔質担体が小球状であることにより、その表面に担持される主触媒及び助触媒の表面積が増大し、燃料のガソリンや酸化剤の空気との接触面積が増大する。
【００４０】
小球状の多孔質担体としては、例えば、シリカビーズ、アルミナビーズ、シリカアルミナビーズ等が用いられる。中でも、シリカビースが好ましく用いられる。多孔質担体の粒径は、好ましくは３μｍ〜５００μｍである。
【００４１】
主触媒は、ガソリン中の炭化水素から水素原子を引き抜いてアルキルラジカルを生成させる能力を有する。具体的には、主触媒としては、Ｎ−ヒドロキシイミド基を有するＮ−ヒドロキシイミド基含有化合物が用いられる。中でも、Ｎ−ヒドロキシフタルイミド（以下、「ＮＨＰＩ」という。）又はＮＨＰＩ誘導体が好ましく用いられる。
【００４２】
助触媒は、アルキルラジカルから生成するアルキルヒドロペルオキシドを還元してアルコールを生成させる能力を有する。具体的には、助触媒としては、遷移金属化合物が用いられる。中でも、コバルト化合物、マンガン化合物及び銅化合物からなる群より選ばれる化合物が好ましく用いられる。コバルト化合物としては酢酸コバルト（ＩＩ）等が用いられ、マンガン化合物としては酢酸マンガン（ＩＩ）等が用いられ、銅化合物としては塩化銅（Ｉ）等が用いられる。
【００４３】
上記主触媒及び助触媒の多孔質担体への担持方法については、従来公知の含浸法等が採用される。例えば、主触媒及び助触媒を所定の混合比で含有するスラリーを調製した後、調製したスラリー中に小球状の多孔質担体を浸漬させる。次いで、スラリー中から多孔質担体を引き上げ、多孔質担体の表面に付着した余分なスラリーを除去した後、所定の条件で乾燥する。これにより、多孔質担体の表面に主触媒及び助触媒が均一に担持された改質触媒１５２が得られる。
【００４４】
ここで、改質器１５内で進行する改質反応について、以下に詳しく説明する。
先ず、本実施形態の改質反応は、下記の反応式（１）に示すように、ガソリン中の炭化水素から水素原子が引き抜かれてアルキルラジカルが生成する水素引き抜き反応により開始される。この水素引き抜き反応は、主触媒、ラジカル及び酸素分子等の作用により進行する。
［化１］
ＲＨ  →  Ｒ・      ・・・反応式（１）
［反応式（１）中、ＲＨは炭化水素を表し、Ｒ・はアルキルラジカルを表す。］
【００４５】
次いで、水素引き抜き反応により生成したアルキルラジカルは、下記の反応式（２）に示すように、酸素分子と結合してアルキルペルオキシラジカルを生成する。
［化２］
Ｒ・  ＋  Ｏ２  →  ＲＯＯ・      ・・・反応式（２）
［反応式（２）中、Ｏ２は酸素分子を表し、ＲＯＯ・はアルキルペルオキシラジカルを表す。］
【００４６】
次いで、反応式（２）により生成したアルキルペルオキシラジカルは、下記の反応式（３）に示すように、ガソリン中に含まれる炭化水素から水素原子を引き抜いて、アルキルヒドロペルオキシドを生成する。
［化３］
ＲＯＯ・  ＋  ＲＨ  →  ＲＯＯＨ  ＋  Ｒ・      ・・・反応式（３）
［反応式（３）中、ＲＯＯＨはアルキルヒドロペルオキシドを表す。］
【００４７】
次いで、反応式（３）により生成したアルキルヒドロペルオキシドは、下記の反応式（４）に示すように、助触媒の作用によりアルコールに還元される。
［化４］
ＲＯＯＨ  →  ＲＯＨ      ・・・反応式（４）
［反応式（４）中、ＲＯＨはアルコールを表す。］
【００４８】
また、反応式（３）により生成したアルキルヒドロペルオキシドは、下記の反応式（５）に示すように、助触媒又は熱の作用によりアルコキシラジカルとヒドロキシラジカルとに分解する。
［化５］
ＲＯＯＨ  →  ＲＯ・  ＋  ・ＯＨ      ・・・反応式（５）
［反応式（５）中、ＲＯ・はアルコキシラジカルを表し、・ＯＨはヒドロキシラジカルを表す。］
【００４９】
次いで、反応式（５）により生成したアルコキシラジカルは、ガソリン中に含まれる炭化水素から水素原子を引き抜いて、アルコールを生成する。
［化６］
ＲＯ・  ＋  ＲＨ  →  ＲＯＨ  ＋  Ｒ・      ・・・反応式（６）
【００５０】
以上のようにして、ガソリン中に主体的に含まれる炭化水素が酸化改質され、アルコールに変換される。より詳しくは、ガソリン中に含まれる炭化水素は炭素数が４〜１０の炭化水素であるため、これら炭化水素が、炭素数４〜１０のアルコールに変換される。このようにして、本実施形態の改質装置１では、ガソリンのオクタン価を向上できるようになっている。
【００５１】
次に、凝縮器１６は、改質器１５の下流に設けられ、改質器１５で生成した生成ガスを、改質燃料を主体とする凝縮相と、気相とに分離する。凝縮器１６は、その内部に図示しない熱交換器を有しており、改質器１５の出口から流出する生成ガスを冷却することで、改質燃料を主体とする凝縮相と気相とに分離する。なお、凝縮相には、アルコールを主成分とする改質燃料の他に副生成物の水等が含まれ、気相には、窒素、酸素、その他の副生成物のガス成分等が含まれる。
【００５２】
改質燃料タンク１８は、凝縮器１６で分離された凝縮相中の改質燃料を貯留する。改質燃料タンク１８は、改質器１５によりガソリンを改質することで生成した改質燃料のアルコールを、一時的に貯留するバッファタンクとして機能する。
【００５３】
改質燃料供給部１９は、改質燃料タンク１８に貯留された改質燃料を、エンジン５１の吸気ポート５６ａ内に供給する。改質燃料供給部１９は、改質燃料ポンプ１９１と、改質燃料供給管１９２と、上述の第２インジェクタ６２（図１参照）と、を備える。改質燃料供給部１９は、改質燃料ポンプ１９１を駆動することで、改質燃料供給管１９２及び第２インジェクタ６２を介して、改質燃料タンク１８内に貯留された改質燃料を、エンジン５１の吸気ポート５６ａ内に供給する。改質燃料の供給量は、ＥＣＵ５０により第２インジェクタ６２の噴射量を調整することで制御される。
【００５４】
気相供給部２０は、凝縮器１６で分離された気相を、エンジン５１の吸気ポート５６ａ内に供給する。気相供給部２０は、エンジン５１の吸気ポート５６ａに接続された気相供給管２０１を備える。凝縮器１６で分離された気相は、気相供給管２０１を介して、エンジン５１の吸気ポート５６ａ内に供給される（図１では、気相供給管２０１の記載を省略している）。
【００５５】
改質装置１は、ＥＣＵ５０により制御されて以下のように動作する。
先ず、エンジン５１の運転状態に応じて、ガソリンの改質が必要であると判断された場合には、エンジン冷却水の温度が所定温度以上であるか否かを判別する。エンジン始動直後でエンジン冷却水の温度が所定温度未満であるときには、前回改質時に改質燃料タンク１８内に貯留された改質燃料を、改質燃料ポンプ１９１によりエンジン５１の吸気ポート５６ａ内に供給する。
【００５６】
これに対して、エンジン冷却水の温度が所定温度以上であるときには、燃料バルブ１３３及び空気バルブ１１４を開弁する。次いで、改質ポンプ１３１により、燃料タンク１２からガソリンを圧送して混合器１４内に導入する。同時に、空気ポンプ１１２により、空気フィルタ１１１を通過した空気を混合器１４内に導入する。
【００５７】
このとき、所望の適正なガソリン流量／空気流量の割合となるように、また、所望の適正な改質反応時間が得られるように、燃料流量計１３２でモニターされたガソリン流量及び空気流量計１１３でモニターされた空気流量に基づいて、燃料バルブ１３３及び空気バルブ１１４の開度をフィードバック制御する。これにより、ガソリン流量及び空気流量が制御される。
【００５８】
次いで、混合器１４内に導入されたガソリンと空気を、所定温度に暖めながら均一に混合して混合気とした後、改質器１５内に供給する。改質器１５内に供給された混合気中のガソリンの主成分である炭化水素は、改質触媒１５２の作用により上述の反応式（１）〜（６）が進行することで、アルコールに変換される。このとき、温度センサでモニターされた温度に基づいて、エンジン冷却水の供給を制御する。これにより、改質器１５内の温度が所望の適正温度に維持される。
【００５９】
次いで、改質器１５で生成した生成ガスを、凝縮器１６内の熱交換器により冷却することで、凝縮相と気相とに分離する。分離された凝縮相には改質燃料のアルコールが主として含まれており、改質燃料は、改質燃料タンク１８内に導入されて貯留される。改質燃料タンク１８内の改質燃料は、改質燃料ポンプ１９１によりエンジン５１の吸気ポート５６ａ内に供給する。一方、分離された気相は、エンジン５１の吸気ポート５６ａに導入することで、エンジン５１の気筒内での燃焼に供される。
【００６０】
エンジン５１の運転状態に応じて、ガソリンの改質が不要であると判断された場合には、先ず、空気ポンプ１１２を停止して空気バルブを閉弁し、混合器１４内への空気の供給を停止する。次いで、改質器１５内がガソリンで満たされて空気が全て流出した後に、改質ポンプ１３１を停止して燃料バルブ１３３を閉弁し、混合器１４内へのガソリンの供給を停止する。これにより、装置停止中に、改質器１５内に残存した酸素により改質反応が進行してしまう事態が回避される。
【００６１】
図１に戻って、シリンダ５２には、エンジン５１の燃焼変動を検出するノックセンサ７１が設けられている。ノックセンサ７１は、振動を検出することでノッキングを検出する。ノックセンサ７１の検出信号は、ＥＣＵ５０に出力される。
また、排気管５７の下流側には、排気の空燃比（Ａ／Ｆ）を検出する空燃比センサが設けられている。空燃比センサの検出信号は、ＥＣＵ５０に出力される。
【００６２】
また、エンジン５１には、クランク角度位置センサ７３と、アクセル開度センサ７４が設けられている。
クランク角度位置センサ７３は、エンジン５１のクランク軸の回転角度を検出するとともに、所定のクランク角ごとにパルスを発生し、そのパルス信号をＥＣＵ５０に出力する。エンジン回転数は、このパルス信号に基づいてＥＣＵ５０により算出される。
アクセル開度センサ７４は、車両のアクセルペダルの踏み込み量を検出し、その検出信号をＥＣＵ５０に出力する。エンジン負荷は、この検出信号に基づいて算出される燃料噴射量に基づいて、ＥＣＵ５０により算出される。
【００６３】
ＥＣＵ５０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等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。また、ＥＣＵ５０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、エンジン５１及び改質装置１に制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００６４】
次に、本実施形態に係るＥＣＵ５０による改質制御について説明する。
図３は、本実施形態に係る改質制御の手順を示すフローチャートである。この改質制御の処理は、車両の走行中にＥＣＵ５０により所定の周期で実行される。
【００６５】
ステップＳ１では、改質燃料のオクタン価を推定した後、ステップＳ２に移る。なお、改質燃料のオクタン価を推定する手順については、後段で図４を参照して詳しく説明する。
【００６６】
ここで、改質燃料のオクタン価の推定の原理について説明する。
通常、ガソリンエンジンは、エンジン負荷が高く、エンジン回転数が小さい運転条件のときほど、ノッキングが起こり易い。このようなノッキングが起こり易い運転条件では、最も高い効率での点火時期（ＭＢＴ）でノッキングが発生することなく、燃焼可能であるガソリンのオクタン価（以下、「要求オクタン価」という。）が高くなる。
そこで、本実施形態では、改質燃料を吸気ポート５６ａに噴射して燃焼に供したときに、その改質燃料のオクタン価が要求オクタン価よりも低い場合には、ノックセンサでノッキングが検出されるため、火花点火時期をＭＢＴより遅くして再び点火することで、ノッキングを抑制する。このとき、あるエンジン負荷・エンジン回転数における要求オクタン価と、それより低いオクタン価における、オクタン価とノッキング抑制に必要な火花点火時期との関係を予めマッピングしておく。これにより、改質燃料のオクタン価が要求オクタン価より低い場合には、ノッキングの抑制に必要な点火時期の値から、改質燃料のオクタン価が推定できるようになっている。
【００６７】
ステップＳ２では、ステップＳ１で推定された改質燃料のオクタン価が、所定の要求オクタン価Ａに一致するか否かを判別する。この判別がＮＯの場合には、ステップＳ３に移って改質状態が良好であると判定し、本処理を終了する。一方、この判別がＮＯの場合には、ステップＳ４に移る。
なお、要求オクタン価Ａは、エンジン回転数とエンジン負荷とに基づいて、予め設定されたマップを検索することで算出される。このマップでは、エンジン負荷が高いほど要求オクタン価Ａは高く設定され、エンジン回転数が小さいほど要求オクタン価Ａは高く設定される。
【００６８】
次いで、ステップＳ４以降の処理では、改質燃料の化学量論燃空比に基づいて（後述するように酸化反応進行度に基づいての意味と同義）改質装置を制御するところ、各ステップを説明する前に、その理由について以下に説明する。
図４は、改質装置における酸化反応進行度と生成物の濃度との関係を示す図である。図４に示すように、酸化反応が進行すると、先ず、炭化水素を主体としたガソリンが酸化されてアルコールが生成する。次いで、酸化反応がさらに進行すると、生成したアルコールが酸化されてアルデヒド及びケトンが生成する。そして、酸化反応がさらに進行すると、アルデヒド及びケトンが酸化されてＣＯ及びＣＯ２が生成する。ここで、これら生成物のうち、オクタン価が最も高いのはアルコールであるため、酸化反応進行度が大きくなり過ぎると、オクタン価が低下することが分かる。従って、オクタン価を高くするためには、最適な酸化反応進行度に制御する必要がある。
【００６９】
図５は、燃料の化学量論燃空比とオクタン価との関係を示す図である。
ところで、通常、酸化反応が進行すると、燃料中に酸素原子が導入されるため、化学量論燃空比（燃料を全てＣＯ２とＨ２Ｏに変換するために必要な空気量のときの燃料と空気の割合）は大きくなる。即ち、化学量論燃空比は、酸化反応進行度と相関を有する関係にある。
一方、改質燃料のオクタン価は、上述したようにアルコールが最大量生成されたときに極大となるため、このときの化学量論燃空比が改質装置における最適な改質状態であると言える。従って、オクタン価の極大値が要求オクタン価Ａであり、この要求オクタン価Ａが得られるような目標化学量論燃空比Ｂを特定することで、改質装置の改質状態を判定することができる。さらには、化学量論燃空比が所定の範囲内（例えば目標化学量論燃空比Ｂの近傍）で、改質燃料のオクタン価が図５に示す関係から算出される所定のオクタン価よりも小さい場合には、改質装置の故障と判断できる。
【００７０】
図４に戻って、ステップＳ４では、改質燃料の化学量論燃空比が目標化学量論燃空比Ｂより大きいか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ５に移って、改質装置への燃料供給流量を増加させて本処理を終了する。これにより、改質触媒と燃料の接触時間が減少することで酸化反応進行度が小さくなり、目標化学量論燃空比が目標化学量論燃空比Ｂに近づく結果、改質燃料のオクタン価が要求オクタン価Ａに近づく。一方、この判別がＮＯの場合には、ステップＳ６に移る。
なお、改質燃料の化学量論燃空比、即ち酸化反応進行度は、排気空燃比と改質燃料の燃料噴射量に基づいて推定される。
【００７１】
ステップＳ６では、改質燃料の化学量論燃空比が目標化学量論燃空比Ｂより小さいか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ７に移って、改質装置への燃料供給流量を減少させて本処理を終了する。これにより、改質触媒と燃料の接触時間が増加することで酸化反応進行度が大きくなり、目標化学量論燃空比が目標化学量論燃空比Ｂに近づく結果、改質燃料のオクタン価が要求オクタン価Ａに近づく。
【００７２】
一方、ステップＳ６の判別がＮＯの場合には、改質燃料の化学量論燃空比が目標化学量論燃空比Ｂであるにも関わらず、改質燃料のオクタン価が要求オクタン価Ａ通りでないため、ステップＳ８に移って、改質装置が故障していると判定して本処理を終了する。
【００７３】
次に、改質燃料のオクタン価を推定する手順について説明する。
図６は、本実施形態に係るオクタン価推定の手順を示すフローチャートである。このオクタン価推定の手順は、上述した原理に基づいている。
【００７４】
ステップＳ１１では、要求オクタン価Ａの運転条件において、改質燃料を吸気ポート５６ａ内に噴射する。その後、ステップＳ１２に移る。
【００７５】
ステップＳ１２では、エンジンにノッキングが発生しているか否かを判別する。この判別がＮＯの場合には、ステップＳ１３に移り、改質燃料のオクタン価が要求オクタン価Ａに一致していると判定して本処理を終了する。一方、この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ１４に移る。
【００７６】
ステップＳ１４では、改質燃料のオクタン価が要求オクタン価Ａ未満であると判定して、ステップＳ１５に移る。ステップＳ１５では、火花点火時期を遅くして、ステップＳ１６に移る。
【００７７】
ステップＳ１６では、エンジンにノッキングが発生しているか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ１７に移って火花点火時期をさらに遅くした後、ステップＳ１６に戻って、再度、エンジンにノッキングが発生しているか否かを判別する。即ち、エンジンにノッキングが発生しなくなるまで、この処理を繰り返す。一方、この判別がＮＯの場合には、ステップＳ１８に移る。
【００７８】
ステップＳ１８では、エンジンにノッキングが発生しなくなったため、そのときの火花点火時期に基づいてマップを検索することで、改質燃料のオクタン価を推定し、本処理を終了する。
【００７９】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、炭化水素を主体とする燃料を空気と改質触媒で酸化改質してアルコールを生成させ、生成したアルコールを含む改質燃料を内燃機関に噴射する改質装置を備えた内燃機関において、内燃機関の燃焼変動に基づいて改質燃料のオクタン価を推定するとともに、排気空燃比と改質燃料の噴射量に基づいて改質燃料の酸化反応進行度を推定した。また、推定された改質燃料のオクタン価と酸化反応進行度に基づいて、改質装置を制御した。
上述したように、ノッキングは燃料のオクタン価を高めることで抑制できることから、本実施形態によれば、改質燃料のオクタン価に基づいて改質装置を制御することで、ノッキングを確実に抑制しつつ内燃機関の運転状態を最適化できる。また、本実施形態によれば、あわせて酸化反応進行度に基づいて改質装置を制御するため、ノッキングをより確実に抑制しつつ内燃機関の運転状態を最適化できる。
【００８０】
本実施形態では、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも大きい場合には、改質装置に供給する燃料の流量を増加した。また、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも小さい場合には、改質装置に供給する燃料の流量を減少させた。
本実施形態によれば、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも大きい場合には、改質装置に供給する燃料の流量を増加させることで、燃料と改質触媒との接触時間を低減できるため、酸化改質を抑制できる。また、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも小さい場合には、改質装置に供給する燃料の流量を減少させることで、燃料と改質触媒との接触時間を増加できるため、酸化改質を促進できる。従って、本実施形態によれば、改質装置をより最適に制御できる。
【００８１】
本実施形態では、酸化反応進行度が所定の最適な範囲内であるにも関わらず、オクタン価が所定の最適オクタン価よりも小さい場合には、改質装置が故障していると判断して改質装置を停止させた。
本実施形態によれば、改質装置の故障判定が可能であるため、改質装置をより最適化制御できる。
【００８２】
本実施形態では、燃焼変動検出手段としてノックセンサを用いるとともに、空燃比検出手段として空燃比センサを用いた。
本実施形態によれば、改質装置による燃料の改質状態を、ガソリンエンジンに広く普及しているノックセンサと空燃比（Ａ／Ｆ）センサによって推定できる。従って、アルコールセンサ等の特別なセンサを追加することなく、部品点数の増加を抑制できる。
【００８３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態では、燃料としてガソリンを用いがこれに限定されない。例えば、エタノール等のアルコールを含有するアルコール含有ガソリンを用いた場合であっても、上記実施形態と同様の効果が奏される。
また上記実施形態では、ガソリンを吸気ポート内に噴射したがこれに限定されず、気筒内に直接噴射してもよい。
【００８４】
また上記実施形態では、改質燃料の化学量論燃空比が目標化学量論燃空比Ｂよりも大きい場合には、改質装置への燃料供給量を増加させ（図３のステップＳ５）、改質燃料の化学量論燃空比が目標化学量論燃空比Ｂよりも小さい場合には、改質装置への燃料供給量を減少させたが（図３のステップＳ７）、これに限定されない。
例えば、改質燃料の化学量論燃空比が目標化学量論燃空比Ｂよりも大きい場合には、改質装置の温度を低下させ、改質燃料の化学量論燃空比が目標化学量論燃空比Ｂよりも小さい場合には、改質装置の温度を上昇させてもよい。これにより、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも大きい場合には、改質装置の温度を低下させることで、酸化改質を抑制できる。また、酸化反応進行度が所定の目標酸化反応進行度よりも小さい場合には、改質装置の温度を上昇させることで、酸化改質を促進できる。従って、改質装置をより最適に制御できる。
なおこの場合、改質装置の温度の制御は、改質装置に供給する冷却水の温度や流量を制御することにより可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１…改質装置
５０…ＥＣＵ（制御装置、オクタン価推定手段、酸化反応進行度推定手段、改質制御手段）
５１…エンジン（内燃機関）
７１…ノックセンサ（燃焼変動検出手段）
７２…空燃比センサ（空燃比検出手段）
１５２…改質触媒
【図１】
0005979643.tif 000002
【図２】
0005979643.tif 000003
【図３】
0005979643.tif 000004
【図４】
0005979643.tif 000005
【図５】
0005979643.tif 000006
【図６】
0005979643.tif 000007