(57)【要約】【課題】燃料にエネルギを投入することで燃料中の炭化水素分子を分解して燃料を改質するシステムにおいて、エンジン運転状態に応じて燃料の改質状態を適正に変化させる。【解決手段】投入エネルギ算出部４１で、エンジン運転状態に応じた適正な改質モードを、第１の改質モード（燃料を改質しないモード）と、第２の改質モード（燃料中のオレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子を分解して燃料を改質するモード）と、第３の改質モード（燃料中の全ての炭化水素分子を分解して燃料を改質するモード）の中から選択して、その選択した改質モードを実現するのに必要な投入エネルギ量を算出する。そして、投入エネルギ制御部４２で、その投入エネルギ量を実現するように超音波照射装置４０の駆動電圧を制御する。これにより、エンジン運転状態に応じて燃料に投入するエネルギ量を変化させて、そのエネルギ量に応じて燃料の改質状態を変化させる。【選択図】図２
2011007112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃料にエネルギを投入することで燃料中の炭化水素分子を分解して燃料を改質する燃料改質手段を備えた内燃機関の制御装置において、
内燃機関の運転状態に基づいて前記燃料改質手段により燃料に投入するエネルギ量（以下「投入エネルギ量」という）を算出する投入エネルギ算出手段と、
前記投入エネルギ算出手段で算出した投入エネルギ量を実現するように前記燃料改質手段を制御する投入エネルギ制御手段と
を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記燃料改質手段として、超音波を照射する超音波照射装置を用い、該超音波照射装置により燃料に超音波を照射することで燃料中の炭化水素分子を熱分解す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】
前記燃料改質手段として、内燃機関の点火プラグを用い、該点火プラグにより燃料と空気の混合気にプラズマ放電することで燃料中の炭化水素分子をイオン化して分解す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】
前記燃料改質手段として、内燃機関の吸気バルブ及び／又は排気バルブの少なくとも開閉時期を変化させる可変バルブ装置と筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを用い、前記可変バルブ装置により排気行程後半に排気バルブと吸気バルブが両方とも閉弁した状態になる負のバルブオーバーラップ期間を設け、該負のバルブオーバーラップ期間内に前記燃料噴射弁により筒内に燃料を噴射することで燃料中の炭化水素分子を熱分解す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５】
前記投入エネルギ算出手段は、燃料中の炭化水素分子の結合エネルギの特性に基づいて燃料中のオレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子を分解するように前記投入エネルギ量を算出する手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記投入エネルギ算出手段は、内燃機関の運転状態に基づいて、燃料を改質しない第１の改質モードと、燃料中のオレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子を分解して燃料を改質する第２の改質モードと、燃料中の全ての炭化水素分子を分解して燃料を改質する第３の改質モードの中から１つの改質モードを選択し、その選択した改質モードに応じて前記投入エネルギ量を算出する手段を有することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記投入エネルギ算出手段で選択した改質モードに応じて内燃機関の制御パラメータを変更する制御パラメータ変更手段を備えていることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
内燃機関の吸気バルブ及び／又は排気バルブの少なくとも開閉時期を変化させる可変バルブ装置を備え、
前記投入エネルギ算出手段は、前記可変バルブ装置により排気バルブと吸気バルブが両方とも開弁した状態になるバルブオーバーラップ期間が長くなって筒内に吹き返されて残留する排出ガス量が増加するときに燃料の改質を実施するように前記投入エネルギ量を算出する手段を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
内燃機関の排出ガスの一部を吸気側に還流させる排出ガス還流装置を備え、
前記投入エネルギ算出手段は、前記排出ガス還流装置により吸気側に還流される排気ガス量が増加するときに燃料の改質を実施するように前記投入エネルギ量を算出する手段を有することを特徴とする請求項１乃至８の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、内燃機関の燃料にエネルギを投入することで燃料中の炭化水素分子を分解して燃料を改質する機能を備えた内燃機関の制御装置に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃料を改質する技術としては、例えば、特許文献１（特開２００３−９０２３９号公報）に記載されているように、燃料と空気の混合気に点火プラグで点火することによりアルデヒト量を増大させて着火性が高くなるように燃料を改質するようにしたものがある。
【０００３】
また、特許文献２（特開２００４−１６２５８６号公報）に記載されているように、燃料を加圧及び加熱して超臨界状態とし、この超臨界状態となった燃料を改質触媒に接触させることにより燃料中の高沸点成分（重質成分）を低沸点成分（軽質成分）に転化して燃料を改質するようにしたものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−９０２３９号公報（第２頁等）
【特許文献２】特開２００４−１６２５８６号公報（第２頁等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、本発明者は、燃料にエネルギ（例えば超音波エネルギ等）を投入することで、燃料中の炭化水素分子の結合を解離して炭化水素分子をより炭素数の少ない分子に分解して、燃料の性状や組成を変化させて燃料を改質するシステムを研究しているが、その研究過程で次のような新たな課題が判明した。
【０００６】
燃料中にはオレフィン系の炭化水素分子やパラフィン系の炭化水素分子が含まれているが、二重結合を持つオレフィン系の炭化水素分子は、二重結合を持たないパラフィン系の炭化水素分子よりも燃焼性が悪いため、燃料中にオレフィン系の炭化水素分子が多く含まれていると、内燃機関の冷間時等に燃料の燃焼性が悪化してスモークが発生し易くなる。このようにスモークが発生し易い領域では、燃料の改質によって燃料中のオレフィン系の炭化水素分子を減少させてスモークの発生を抑制することが好ましい。
【０００７】
また、内燃機関の高回転・高負荷運転時や、外部ＥＧＲ量（吸気側に還流される排出ガス量）や内部ＥＧＲ量（筒内に残留する排出ガス量）が増加して燃焼性の悪化が懸念される領域では、燃料の改質によって燃料中の全ての炭化水素分子をより炭素数の少ない分子に分解して炭素数の多い炭化水素分子を減少させて燃料の着火性や燃焼性を向上させることが好ましい。
【０００８】
また、スモークの発生が少なく、燃焼性が悪化する可能性が少ない領域では、燃料の改質を行わずに燃料に投入するエネルギを節約することが好ましい。燃料を改質して着火性を向上させると、ノッキングが発生し易くなるため、特に低回転・高負荷運転時等のノック領域では、燃料を改質しない方が好ましい。
【０００９】
これらの要求に対応するには、内燃機関の運転状態に応じて燃料の改質状態（例えば、改質の有無、分解する炭化水素分子の種類等）を変化させる必要があるが、上記従来技術では、内燃機関の運転状態に応じて燃料の改質状態を変化させることができない。
【００１０】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、内燃機関の運転状態に応じて燃料の改質状態を変化させることが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】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の燃料にエネルギを投入することで燃料中の炭化水素分子を分解して燃料を改質する燃料改質手段を備えた内燃機関の制御装置において、内燃機関の運転状態に基づいて燃料改質手段により燃料に投入するエネルギ量（以下「投入エネルギ量」という）を算出する投入エネルギ算出手段と、この投入エネルギ算出手段で算出した投入エネルギ量を実現するように燃料改質手段を制御する投入エネルギ制御手段とを備えた構成としたものである。
【００１２】
燃料に投入するエネルギ量に応じて燃料の改質状態（例えば、改質の有無、分解する炭化水素分子の種類等）が変化することに着目して、本発明のように、内燃機関の運転状態（例えば、エンジン回転速度、エンジン負荷、冷却水温、外部ＥＧＲ量、内部ＥＧＲ量等）に基づいて投入エネルギ量を算出し、この投入エネルギ量を実現するように燃料改質手段を制御すれば、内燃機関の運転状態に応じて燃料に投入するエネルギ量を変化させて、そのエネルギ量に応じて燃料の改質状態を変化させることができる。これより、内燃機関の運転状態に応じて燃料の改質状態を適正に変化させることができる。
【００１３】
この場合、請求項２のように、燃料改質手段として、超音波を照射する超音波照射装置を用い、この超音波照射装置により燃料に超音波を照射することで燃料中の炭化水素分子を熱分解するようにしても良い。つまり、燃料タンク内や燃料通路内等の燃料に超音波を照射することによって燃料中に気泡（キャビテーション）を生じさせ、この気泡が圧縮崩壊するときに生じる高温高圧場により燃料中の炭化水素分子を熱分解することができる。この場合、超音波を発生させる振動子の駆動電圧を変化させることで、超音波の振幅を変化させて燃料に投入するエネルギを変化させることができる。
【００１４】
或は、請求項３のように、燃料改質手段として、内燃機関の点火プラグを用い、この点火プラグにより燃料と空気の混合気にプラズマ放電することで燃料中の炭化水素分子をイオン化して分解するようにしても良い。このようにすれば、点火プラグを燃料改質手段として利用することができて、燃料改質手段を新たに設ける必要がなく、近年の重要な技術的課題である低コスト化の要求を満たすことができる。この場合、点火プラグの放電電力を変化させることで、燃料に投入するエネルギを変化させることができる。
【００１５】
或は、請求項４のように、燃料改質手段として、内燃機関の吸気バルブ及び／又は排気バルブの少なくとも開閉時期を変化させる可変バルブ装置（例えば、可変バルブタイミング装置、可変バルブリフト装置等）と筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを用い、可変バルブ装置により排気行程後半に排気バルブと吸気バルブが両方とも閉弁した状態になる負のバルブオーバーラップ期間を設け、この負のバルブオーバーラップ期間内に燃料噴射弁により筒内に燃料を噴射することで燃料中の炭化水素分子を熱分解するようにしても良い。負のバルブオーバーラップ期間は、筒内に残留した高温の燃焼ガスが排気行程後半のピストンの上昇により圧縮されるため、筒内が高温で且つ高圧の状態になる。この負のバルブオーバーラップ期間内に筒内に１サイクル中の噴射量の一部又は全ての燃料を噴射すると、筒内に噴射された燃料が筒内で高温且つ高圧ガスに晒されるため、筒内に噴射された燃料中の炭化水素分子を熱分解することができる。このようにすれば、可変バルブ装置や燃料噴射弁を燃料改質手段として利用することができて、燃料改質手段を新たに設ける必要がなく、近年の重要な技術的課題である低コスト化の要求を満たすことができる。この場合、吸気バルブや排気バルブの開閉時期を変化させて負のバルブオーバーラップ期間を変化させることで、筒内に残留した燃焼ガスの圧縮比を変化させて筒内の最大温度を変化させて燃料に投入するエネルギを変化させることができる。
【００１６】
前述したように、燃料中にはオレフィン系の炭化水素分子やパラフィン系の炭化水素分子が含まれているが、二重結合を持つオレフィン系の炭化水素分子は、二重結合を持たないパラフィン系の炭化水素分子よりも燃焼性が悪いため、燃料中にオレフィン系の炭化水素分子が多く含まれていると、内燃機関の冷間時等に燃料の燃焼性が悪化してスモークが発生し易くなる。ここで、オレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギの方が、パラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも小さいという特性がある。また、炭素数が多い炭化水素分子の結合エネルギの方が、炭素数が少ない炭化水素分子の結合エネルギよりも小さいという特性がある。そこで、請求項５のように、燃料中の炭化水素分子の結合エネルギの特性に基づいて燃料中のオレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子を分解するように投入エネルギ量を算出するようにすると良い。
【００１７】
前者の特性（オレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギの方が、パラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも小さいという特性）から、オレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギとパラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギの中間値を投入エネルギ量として算出して、燃料にエネルギを投入すれば、オレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも大きく、且つ、パラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも小さいエネルギを投入することができ、パラフィン系の炭化水素分子を分解せずに、オレフィン系の炭化水素分子を分解することができ、これにより、パラフィン系の炭化水素分子を減少させずに、オレフィン系の炭化水素分子のみを減少させることができる。
【００１８】
この場合、後者の特性（炭素数が多い炭化水素分子の結合エネルギの方が、炭素数が少ない炭化水素分子の結合エネルギよりも小さいという特性）から、炭素数によってはオレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギが、パラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも大きくなることも有り得るが、少なくとも内燃機関の燃料（例えばガソリン）に含まれる炭素数の範囲（例えば４〜１２程度）では、そのような結合エネルギの大小関係が逆転することはない（つまりオレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギが、パラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも大きくなることはない）。更に、後者の特性から、オレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子の方が、オレフィン系で炭素数が少ない炭化水素分子よりも分解され易いため、炭素数が少ない炭化水素分子の割合が増加し、着火性や燃焼安定性の向上を図ることができる。
【００１９】
また、請求項６のように、内燃機関の運転状態に基づいて、燃料を改質しない第１の改質モードと、燃料中のオレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子を分解して燃料を改質する第２の改質モードと、燃料中の全ての炭化水素分子を分解して燃料を改質する第３の改質モードの中から１つの改質モードを選択し、その選択した改質モードに応じて投入エネルギ量を算出するようにしても良い。このようにすれば、内燃機関の運転状態に応じた適正な改質モードを第１の〜第３の改質モードの中から選択して、その選択した改質モードを実現するのに必要な投入エネルギ量を算出することができる。
【００２０】
更に、請求項７のように、投入エネルギ算出手段で選択した改質モードに応じて内燃機関の制御パラメータを変更する制御パラメータ変更手段を備えた構成としても良い。このようにすれば、内燃機関の制御パラメータ（例えば、燃料噴射時期、ＥＧＲ弁の開度、吸気バルブや排気バルブの開閉時期等）を、選択した改質モードに対応した適正値に設定することができる。
【００２１】
また、請求項８のように、内燃機関の吸気バルブ及び／又は排気バルブの少なくとも開閉時期を変化させる可変バルブ装置（例えば、可変バルブタイミング装置、可変バルブリフト装置等）を備えたシステムでは、可変バルブ装置により排気バルブと吸気バルブが両方とも開弁した状態になるバルブオーバーラップ期間が長くなって筒内に吹き返されて残留する排出ガス量が増加するときに燃料の改質を実施するように投入エネルギ量を算出しても良い。このようにすれば、可変バルブ装置により内部ＥＧＲ量（筒内に残留する排出ガス量）が増加して燃料の燃焼性の悪化が懸念されるときに、燃料の改質を実施して燃料の着火性や燃焼性を向上させることができる。
【００２２】
また、請求項９のように、内燃機関の排出ガスの一部を吸気側に還流させる排出ガス還流装置を備えたシステムでは、排出ガス還流装置により吸気側に還流される排出ガス量が増加するときに燃料の改質を実施するように投入エネルギ量を算出しても良い。このようにすれば、排出ガス還流装置により外部ＥＧＲ量（吸気側に還流される排出ガス量）が増加して燃料の燃焼性の悪化が懸念されるときに、燃料の改質を実施して燃料の着火性や燃焼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は本発明の実施例１におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】図２は実施例１の燃料改質システムの概略構成を示す図である。
【図３】図３は実施例１の燃料改質ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。
【図４】図４は実施例１の改質モード判定ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。
【図５】図５は実施例２の改質モード判定ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。
【図６】図６は他の実施例の燃料改質システムの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための形態を具体化した幾つかの実施例を説明する。
【実施例１】
【００２５】
本発明の実施例１を図１乃至図４に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。
【００２６】
更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０の吸気ポート近傍に、それぞれ吸気ポートに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各気筒の点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。
【００２７】
また、エンジン１１には、吸気バルブ３１のバルブタイミング（開閉時期）を変化させる吸気側可変バルブタイミング装置３３（可変バルブ装置）と、排気バルブ３２のバルブタイミングを変化させる排気側可変バルブタイミング装置３４（可変バルブ装置）とが設けられている。
【００２８】
一方、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２４（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられ、この排出ガスセンサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。
【００２９】
排気管２３のうちの排出ガスセンサ２４の上流側と吸気管１２のうちのスロットルバルブ１６の下流側のサージタンク１８との間には、排出ガスの一部を吸気側に還流させるためのＥＧＲ配管３５が接続され、このＥＧＲ配管３５の途中に外部ＥＧＲ量（吸気側に還流される排出ガス量）を調整するＥＧＲ弁３６が設けられている。これらのＥＧＲ配管３５、ＥＧＲ弁３６等からＥＧＲ装置３７（排出ガス還流装置）が構成されている。
【００３０】
また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、ノッキングを検出するノックセンサ２７が取り付けられている。また、クランク軸２８の外周側には、クランク軸２８が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２９が取り付けられ、このクランク角センサ２９の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。
【００３１】
これら各種センサの出力は、制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や点火プラグ２２の点火時期を制御する。
【００３２】
次に、図２に基づいて燃料改質システムの概略構成を説明する。
燃料を貯溜する燃料タンク３８内には、燃料を汲み上げる燃料ポンプ（図示せず）が設けられ、この燃料ポンプから吐出される燃料が、燃料配管３９を通してエンジン１１の燃料噴射弁２１（図１参照）に供給される。また、燃料タンク３８内の燃料に超音波を照射する超音波照射装置４０（燃料改質手段）が設けられている。この超音波照射装置４０により燃料タンク３８内の燃料に超音波を照射することによって燃料中に気泡（キャビテーション）を生じさせ、この気泡が圧縮崩壊するときに生じる高温高圧場により燃料中の炭化水素分子を熱分解して燃料を改質する（炭化水素分子の結合を解離して炭化水素分子をより炭素数の少ない分子に分解して、燃料の性状や組成を変化させる）。この場合、超音波を発生させる振動子の駆動電圧を変化させることで、超音波の振幅を変化させて燃料に投入するエネルギを変化させることができる。
【００３３】
本実施例１では、燃料に投入するエネルギ量に応じて燃料の改質状態（例えば、改質の有無、分解する炭化水素分子の種類等）が変化することに着目して、ＥＣＵ３０の投入エネルギ算出部４１（投入エネルギ算出手段）で、エンジン運転状態に基づいて超音波照射装置４０により燃料に投入するエネルギ量（以下「投入エネルギ量」という）を算出し、超音波照射装置４０の投入エネルギ制御部４２（投入エネルギ制御手段）では、投入エネルギ算出部４１で算出した投入エネルギ量を実現するように超音波照射装置４０の駆動電圧（振動子の駆動電圧）を制御する。これにより、エンジン運転状態に応じて燃料に投入するエネルギ量を変化させて、そのエネルギ量に応じて燃料の改質状態を変化させる。尚、ＥＣＵ３０とは別の制御回路に投入エネルギ算出部４１の機能を持たせた構成としても良い。
【００３４】
燃料中にはオレフィン系の炭化水素分子やパラフィン系の炭化水素分子が含まれているが、二重結合を持つオレフィン系の炭化水素分子は、二重結合を持たないパラフィン系の炭化水素分子よりも燃焼性が悪いため、燃料中にオレフィン系の炭化水素分子が多く含まれていると、エンジン１１の冷間時等に燃料の燃焼性が悪化してスモークが発生し易くなる。ここで、オレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギの方が、パラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも小さいという特性がある。また、炭素数が多い炭化水素分子の結合エネルギの方が、炭素数が少ない炭化水素分子の結合エネルギよりも小さいという特性がある。
【００３５】
前者の特性（オレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギの方が、パラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも小さいという特性）から、オレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギとパラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギの中間値を投入エネルギ量として算出して、燃料にエネルギを投入すれば、オレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも大きく、且つ、パラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも小さいエネルギを投入することができ、パラフィン系の炭化水素分子を分解せずに、オレフィン系の炭化水素分子を分解することができ、これにより、パラフィン系の炭化水素分子を減少させずに、オレフィン系の炭化水素分子のみを減少させることができる。
【００３６】
この場合、後者の特性（炭素数が多い炭化水素分子の結合エネルギの方が、炭素数が少ない炭化水素分子の結合エネルギよりも小さいという特性）から、炭素数によってはオレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギが、パラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも大きくなることも有り得るが、少なくともエンジン１１の燃料（例えばガソリン）に含まれる炭素数の範囲（例えば４〜１２程度）では、そのような結合エネルギの大小関係が逆転することはない（つまりオレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギが、パラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギよりも大きくなることはない）。更に、後者の特性から、オレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子の方が、オレフィン系で炭素数が少ない炭化水素分子よりも分解され易いため、炭素数が少ない炭化水素分子の割合が増加し、着火性や燃焼安定性の向上を図ることができる。
【００３７】
本実施例１では、投入エネルギ算出部４１で、エンジン運転状態に基づいて、燃料を改質しない第１の改質モードと、燃料中のオレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子を分解して燃料を改質する第２の改質モードと、燃料中の全ての炭化水素分子を分解して燃料を改質する第３の改質モードの中から１つの改質モードを選択し、その選択した改質モードに応じて投入エネルギ量を算出する。
【００３８】
具体的には、(1) スモーク発生量が元々少なく、燃焼性が悪化する可能性が少ない領域では、燃料の改質を行わずに投入するエネルギを節約することが好ましい。特に燃料を改質すると、着火性が向上する一方、異常燃焼を起こすノッキングに対する耐性が低下するため、低回転・高負荷運転時等のノック領域では、燃料を改質しない方が好ましい。このような運転状態では、第１の改質モードを選択する。第１の改質モードを選択した場合には、投入エネルギ量を０に設定して、燃料を改質しない。
【００３９】
(2) エンジン１１の冷間時（冷却水温が低いとき）には、燃焼室内の温度が低く、特にシリンダ内壁面やピストンに付着した燃料が気化不足となり液滴燃焼し、スモークが発生し易くなるため、スモークの発生減となるオレフィン系の炭化水素分子を減少させることが好ましい。このような運転状態では、第２の改質モードを選択する。第２の改質モードを選択した場合には、オレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギとパラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギの中間値を投入エネルギ量として算出する。これにより、燃料中のオレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子を分解して、オレフィン系の炭化水素分子を減少させる。
【００４０】
(3) エンジン１１の高回転・高負荷運転時は、着火性及び燃焼安定性を向上させるために燃料中の炭素数の多い炭化水素分子を減少させることが好ましい。このような運転状態では、第３の改質モードを選択する。第３の改質モードを選択した場合には、パラフィン系の結合エネルギよりも大きいエネルギ量を投入エネルギ量として算出する。これにより、燃料中の全ての炭化水素分子を分解して、炭素数の多い炭化水素分子を減少させる。
【００４１】
更に、ＥＣＵ３０のベース制御部４３（制御パラメータ変更手段）では、投入エネルギ算出部４１で選択した改質モードに応じてエンジン１１の制御パラメータ（例えば、燃料噴射時期、ＥＧＲ弁３６の開度、吸気バルブ３１や排気バルブ３２の開閉時期等）を変更する。
【００４２】
具体的には、(1) 第１の改質モードを選択した場合、つまり、燃料を改質しない場合には、燃料噴射時期、ＥＧＲ弁３６の開度、吸気バルブ３１や排気バルブ３２の開閉時期等を基準の適合値（エンジン運転状態に応じてマップ等により算出した値）とする。
【００４３】
(2) 第２の改質モードを選択した場合、つまり、オレフィン系の炭化水素分子を減少させてスモークの発生を抑制する場合には、例えば、燃料噴射時期を排気ＴＤＣ付近まで進角したときのピストンウェットによるスモーク発生を抑制することができるため、スモークを発生させないよう遅角側に適合されていた燃料噴射時期を進角させる。これにより、最適な燃料噴射時期を選ぶことができる。
【００４４】
(3) 第３の改質モードを選択した場合、つまり、炭素数の多い炭化水素分子を減少させて燃焼安定性を向上させる場合には、例えば、ＥＧＲ装置３７による外部ＥＧＲ量や可変バルブタイミング装置３３，３４による内部ＥＧＲ量が増加したときの燃焼の悪化を抑制することができるため、ＥＧＲ弁３６の開度を大きくして外部ＥＧＲ量を増加させたり、吸気バルブ３１や排気バルブ３２の開閉時期を変更してバルブオーバーラップ量を多くして内部ＥＧＲ量を増加させる。これによりポンプ損失や熱損失の低減することができ、燃費を更に向上させることができる。
【００４５】
以上説明した燃料改質に関する処理は、ＥＣＵ３０によって図３及び図４の各ルーチンに従って実行される。以下、各ルーチンの処理内容を説明する。
【００４６】
［燃料改質ルーチン］
図３に示す燃料改質ルーチンは、ＥＣＵ３０の電源オン中に所定周期で繰り返し実行される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、後述する図４の改質モード判定ルーチンを実行することで、エンジン運転状態に基づいて、燃料を改質しない第１の改質モードと、燃料中のオレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子を分解して燃料を改質する第２の改質モードと、燃料中の全ての炭化水素分子を分解して燃料を改質する第３の改質モードの中から１つの改質モードを選択する。
【００４７】
この後、ステップ１０２に進み、選択した改質モードに応じて投入エネルギ量を算出する。この場合、(1) 第１の改質モード（燃料を改質しないモード）を選択した場合には、投入エネルギ量を０に設定する。(2) 第２の改質モード（燃料中のオレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子を分解して燃料を改質するモード）を選択した場合には、オレフィン系の炭化水素分子の結合エネルギとパラフィン系の炭化水素分子の結合エネルギの中間値を投入エネルギ量として算出する。(3) 第３の改質モード（燃料中の全ての炭化水素分子を分解して燃料を改質するモード）を選択した場合には、パラフィン系の結合エネルギよりも大きいエネルギ量を投入エネルギ量として算出する。
【００４８】
この後、ステップ１０３に進み、算出した投入エネルギ量を投入エネルギ制御部４２に指示する。これにより、投入エネルギ制御部４２では、投入エネルギ量を実現するように超音波照射装置４０の駆動電圧を制御する。
【００４９】
この後、ステップ１０４に進み、選択した改質モードをベース制御部４３に指示する。これにより、ベース制御部４３では、改質モードに応じてエンジン１１の制御パラメータ（例えば、燃料噴射時期、ＥＧＲ弁３６の開度、吸気バルブ３１や排気バルブ３２の開閉時期等）を変更する。この場合、(1) 第１の改質モードを選択した場合には、燃料噴射時期、ＥＧＲ弁３６の開度、吸気バルブ３１や排気バルブ３２の開閉時期等を基準の適合値とする。また、(2) 第２の改質モードを選択した場合には、燃料噴射時期を進角させる。(3) 第３の改質モードを選択した場合には、ＥＧＲ弁３６の開度を大きくして外部ＥＧＲ量を増加させたり、吸気バルブ３１と排気バルブ３２の一方又は両方の開閉時期を変更してバルブオーバーラップ量を多くして内部ＥＧＲ量を増加させる。
【００５０】
［改質モード判定ルーチン］
図４に示す改質モード判定ルーチンは、前記図３の燃料改質ルーチンのステップ１０１で実行されるサブルーチンである。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ２０１で、エンジン回転速度が所定値以上で且つエンジン負荷（例えば、吸入空気量、吸気管圧力、吸入空気の筒内充填効率等）が所定値以上であるか否かによって、高回転・高負荷運転中であるか否かを判定する。
【００５１】
このステップ２０１で、高回転・高負荷運転中ではないと判定された場合には、ステップ２０２に進み、冷却水温が所定値以下であるか否かによって、エンジン１１の冷間時であるか否かを判定する。
【００５２】
上記ステップ２０１で高回転・高負荷運転中ではないと判定され、且つ、上記ステップ２０２で、エンジン１１の冷間時ではない（暖機後である）と判定された場合には、スモーク発生量が元々少なく、燃焼性が悪化する可能性が少ない領域であり、燃料の改質を行わずに投入するエネルギを節約することが好ましいと判断して、ステップ２０３に進み、第１の改質モード（燃料を改質しないモード）を選択する。
【００５３】
一方、上記ステップ２０２で、エンジン１１の冷間時である（暖機前である）と判定された場合には、スモークが発生し易くなるため、スモークの発生減となるオレフィン系の炭化水素分子を減少させることが好ましいと判断して、ステップ２０４に進み、第２の改質モード（燃料中のオレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子を分解して燃料を改質するモード）を選択する。
【００５４】
また、上記ステップ２０１で、高回転・高負荷運転中であると判定された場合には、着火性及び燃焼安定性を向上させるために燃料中の炭素数の多い炭化水素分子を減少させることが好ましいと判断して、ステップ２０５に進み、第３の改質モード（燃料中の全ての炭化水素分子を分解して燃料を改質するモード）を選択する。
【００５５】
以上説明した本実施例１では、エンジン運転状態に応じた適正な改質モードを、燃料を改質しない第１の改質モードと、燃料中のオレフィン系で炭素数が多い炭化水素分子を分解して燃料を改質する第２の改質モードと、燃料中の全ての炭化水素分子を分解して燃料を改質する第３の改質モードの中から選択して、その選択した改質モードを実現するのに必要な投入エネルギ量を算出し、その投入エネルギ量を実現するように超音波照射装置４０を制御するようにしたので、エンジン運転状態に応じて燃料に投入するエネルギ量を変化させて、そのエネルギ量に応じて燃料の改質状態を変化させることが可能となり、エンジン運転状態に応じて燃料の改質状態を適正に変化させることができる。
【００５６】
更に、本実施例１では、選択した改質モードに応じてエンジン１１の制御パラメータ（例えば、燃料噴射時期、ＥＧＲ弁３６の開度、吸気バルブ３１や排気バルブ３２の開閉時期等）を変更するようにしたので、エンジン１１の制御パラメータを、選択した改質モードに対応した適正値に設定することができる。尚、吸気バルブ３１や排気バルブ３２のリフト量を変化させる可変バルブリフト装置を備えたシステムの場合には、選択した改質モードに応じて吸気バルブ３１と排気バルブ３２の一方又は両方のリフト量を変更することで吸気バルブ３１と排気バルブ３２の一方又は両方の開閉時期を変更するようにしても良い。
【実施例２】
【００５７】
次に、図５を用いて本発明の実施例２を説明する。但し、前記実施例１と実質的に同一部分については説明を省略又は簡略化し、主として前記実施例１と異なる部分について説明する。
【００５８】
本実施例２では、後述する図５の改質モード判定ルーチンを実行することで、外部ＥＧＲ量（吸気側に還流される排出ガス量）や内部ＥＧＲ量（筒内に残留する排出ガス量）が増加して燃焼性の悪化が懸念される領域で、第３の改質モード（燃料中の全ての炭化水素分子を分解して燃料を改質するモード）を選択するようにしている。
【００５９】
図５のルーチンは、前記実施例１で説明した図４のルーチンのステップ２０２の後に、ステップ２０２ａ、２０２ｂの処理を追加したものであり、それ以外の各ステップの処理は図４と同じである。
【００６０】
図５の改質モード判定ルーチンでは、ステップ２０２で、エンジン１１の冷間時ではない（暖機後である）と判定された場合に、ステップ２０２ａに進み、ＥＧＲ弁３６の開度に基づいて外部ＥＧＲ量を推定すると共に、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開閉時期から求まるバルブオーバーラップ量に基づいて内部ＥＧＲ量を推定する。
【００６１】
この後、ステップ２０２ｂに進み、ＥＧＲ量が所定値以上であるか否かを、外部ＥＧＲ量と内部ＥＧＲ量の少なくとも一方の値（又は外部ＥＧＲ量と内部ＥＧＲ量の合計値）が所定値以上であるか否かによって判定する。
【００６２】
このステップ２０２ｂで、ＥＧＲ量が所定値以上であると判定された場合には、外部ＥＧＲ量や内部ＥＧＲ量が増加して燃焼性の悪化が懸念される領域であり、着火性及び燃焼安定性を向上させるために燃料中の炭素数の多い炭化水素分子を減少させることが好ましいと判断して、ステップ２０５に進み、第３の改質モード（燃料中の全ての炭化水素分子を分解して燃料を改質するモード）を選択する。
【００６３】
一方、上記ステップ２０２ｂで、ＥＧＲ量が所定値よりも小さいと判定された場合には、スモーク発生量が元々少なく、燃焼性が悪化する可能性が少ない領域であり、燃料の改質を行わずに投入するエネルギを節約することが好ましいと判断して、ステップ２０３に進み、第１の改質モード（燃料を改質しないモード）を選択する。
【００６４】
以上説明した本実施例２では、外部ＥＧＲ量や内部ＥＧＲ量が増加して燃焼性の悪化が懸念される領域で、第３の改質モード（燃料中の全ての炭化水素分子を分解して燃料を改質するモード）を選択するようにしたので、燃料中の炭素数の多い炭化水素分子を減少させることができ、着火性及び燃焼安定性を向上させることができる。
【００６５】
［その他の実施例］
尚、上記各実施例１，２では、燃料タンク３８内の燃料に超音波を照射するように超音波照射装置４０を設けた構成としたが、これに限定されず、例えば、図６に示すように、燃料配管３９の途中に、燃料タンク３８よりも燃料貯溜量の少ない燃料改質用の燃料サブタンク４４を設け、この燃料サブタンク４４内の燃料に超音波を照射するように超音波照射装置４０を設けた構成としても良い。或は、燃料配管３９内の燃料に超音波を照射するように超音波照射装置４０を設けた構成としても良い。
【００６６】
また、上記各実施例１，２では、燃料改質手段として、超音波照射装置４０を用いるようにしたが、これに限定されず、例えば、燃料改質手段として、点火プラグ２２を用い、この点火プラグ２２により燃料と空気の混合気にプラズマ放電することで燃料中の炭化水素分子をイオン化して分解するようにしても良い。このようにすれば、点火プラグ２２を燃料改質手段として利用することができて、燃料改質手段を新たに設ける必要がなく、近年の重要な技術的課題である低コスト化の要求を満たすことができる。この場合、点火プラグ２２の放電電力を変化させることで、燃料に投入するエネルギを変化させることができる。
【００６７】
或は、筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射エンジンの場合には、燃料改質手段として、吸気バルブ及び／又は排気バルブの少なくとも開閉時期を変化させる可変バルブ装置（例えば、可変バルブタイミング装置、可変バルブリフト装置等）と筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを用い、可変バルブ装置により排気行程後半に排気バルブと吸気バルブが両方とも閉弁した状態になる負のバルブオーバーラップ期間を設け、この負のバルブオーバーラップ期間内に燃料噴射弁により筒内に燃料を噴射することで燃料中の炭化水素分子を熱分解するようにしても良い。負のバルブオーバーラップ期間は、筒内に残留した高温の燃焼ガスが排気行程後半のピストンの上昇により圧縮されるため、筒内が高温で且つ高圧の状態になる。この負のバルブオーバーラップ期間内に筒内に１サイクル中の噴射量の一部又は全ての燃料を噴射すると、筒内に噴射された燃料が筒内で高温且つ高圧ガスに晒されるため、筒内に噴射された燃料中の炭化水素分子を熱分解することができる。このようにすれば、可変バルブ装置や燃料噴射弁を燃料改質手段として利用することができて、燃料改質手段を新たに設ける必要がなく、近年の重要な技術的課題である低コスト化の要求を満たすことができる。この場合、負のバルブオーバーラップ期間を変化させることで、筒内に残留した燃焼ガスの圧縮比を変化させて筒内の最大温度を変化させて燃料に投入するエネルギを変化させることができる。
【００６８】
また、上記各実施例１，２では、エンジン運転状態に応じて改質モードを３段階で変化させるようにしたが、エンジン運転状態に応じて改質モードを２段階又は４段階以上で変化させるようにしても良い。
【００６９】
また、上記各実施例１，２では、選択した改質モードに応じて投入エネルギ量を算出するようにしたが、これに限定されず、例えば、可変バルブ装置（例えば、可変バルブタイミング装置、可変バルブリフト装置等）により排気バルブと吸気バルブが両方とも開弁した状態になるバルブオーバーラップ期間が長くなって筒内に吹き返されて残留する排出ガス量が増加するときに燃料の改質を実施するように投入エネルギ量を算出しても良い。このようにすれば、可変バルブ装置により内部ＥＧＲ量（筒内に残留する排出ガス量）が増加して燃料の燃焼性の悪化が懸念されるときに、燃料の改質を実施して燃料の着火性や燃焼性を向上させることができる。
【００７０】
或は、ＥＧＲ装置により外部ＥＧＲ量（吸気側に還流される排出ガス量）が増加するときに燃料の改質を実施するように投入エネルギ量を算出しても良い。このようにすれば、ＥＧＲ装置により外部ＥＧＲ量が増加して燃料の燃焼性の悪化が懸念されるときに、燃料の改質を実施して燃料の着火性や燃焼性を向上させることができる。
【００７１】
その他、本発明は、図１に示すような吸気ポート噴射式エンジンに限定されず、筒内噴射式エンジンや、吸気ポート噴射用の燃料噴射弁と筒内噴射用の燃料噴射弁の両方を備えたデュアル噴射式のエンジンにも適用して実施できる。
【符号の説明】
【００７２】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管、３０…ＥＣＵ、３３…吸気側可変バルブタイミング装置（可変バルブ装置）、３４…排気側可変バルブタイミング装置（可変バルブ装置）、３７…ＥＧＲ装置（排出ガス還流装置）、３８…燃料タンク、４０…超音波照射装置（燃料改質手段）、４１…投入エネルギ算出部（投入エネルギ算出手段）、４２…投入エネルギ制御部（投入エネルギ制御手段）、４３…ベース制御部（制御パラメータ変更手段）、４４…燃料サブタンク
【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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