(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に連通する排気路と吸気路とに排気循環路が連結された内燃機関と、その排気循環路を流通する排気ガス中に改質用燃料を噴射する改質用燃料噴射装置と、その改質用燃料により水素含有ガスを生成する改質触媒を設けた改質器とを有する内燃機関システムにおいて、
改質触媒の所定の再生時期毎に、酸素含有ガスを排気循環路に流通させることによる改質触媒の再生を行う改質触媒再生手段を備え、
当該所定の再生時期が排気ガスの改質を停止するときであり、
改質触媒の所定の再生時期になったか否かを判定する再生時期判定手段が、排気ガスの改質を停止したか否かを判定し、排気ガスの改質を停止すると判定したときに、改質触媒再生手段は、当該改質触媒の再生を行うことを特徴とする内燃機関システム。
【請求項２】
当該所定の再生時期が内燃機関の停止直前であり、
再生時期判定手段は、内燃機関が停止直前か否かを判定し、内燃機関が停止直前であると判定したときに、改質触媒再生手段は、当該改質触媒の再生を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項３】
当該所定の再生時期がアイドリングストップであり、
再生時期判定手段は、アイドリングストップであるか否かを判定し、アイドリングストップであると判定したときに、改質触媒再生手段は、当該改質触媒の再生を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関システム。
【請求項４】
当該所定の再生時期が排気循環路を流通する排気ガスの改質を開始するときであり、再生時期判定手段は、排気循環路を流通する排気ガスの改質を開始するか否かを判定し、排気ガスの改質を開始すると判定したときに、改質触媒再生手段は、当該改質触媒の再生を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項５】
燃焼室に連通する排気路と吸気路とに排気循環路が連結された内燃機関と、その排気循環路を流通する排気ガス中に改質用燃料を噴射する改質用燃料噴射装置と、その改質用燃料により水素含有ガスを生成する改質触媒を設けた改質器とを有する内燃機関システムにおいて、
改質触媒の所定の再生時期毎に、酸素含有ガスを排気循環路に流通させることによる改質触媒の再生を行う改質触媒再生手段を備え、
当該所定の再生時期が排気循環路を流通する排気ガスの改質を開始するときであり、
改質触媒の所定の再生時期になったか否かを判定する再生時期判定手段が、排気循環路を流通する排気ガスの改質を開始するか否かを判定し、排気ガスの改質を開始すると判定したときに、改質触媒再生手段は、当該改質触媒の再生を行うことを特徴とする内燃機関システム。
【請求項６】
改質触媒再生手段は、酸素含有ガスによる酸化反応によって上記改質触媒の再生を行なうことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項７】
酸素含有ガスとして、内燃機関のリーン燃焼ガスを用いることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関システム。
【請求項８】
排気循環路に酸素含有ガス供給装置が配設されており、
その酸素含有ガス供給装置により酸素含有ガスを供給することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室に連通する排気路と吸気路とに連通した排気循環路に排気ガスの一部を還流させるとともに、その排気ガス中に送給された改質用燃料により水素含有ガスを生成する改質触媒を備えた改質器を有する内燃機関システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関から排出された排気ガスの一部を吸気系統に還流混合させることにより、燃焼時の最高温度を下げ、その排気ガス中のＮｏｘを低減する排気循環システムが知られている。
【０００３】
上記排気循環システムを応用したものとして、還流させる排気ガスに燃料を供給し、排気ガスの熱を利用して、改質触媒上で改質反応（吸熱反応）を行い、水素と一酸化炭素を含むガスを吸気系に還流することにより、排気熱の回収、燃費向上を図った内燃機関のＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）改質システムが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
また、改質触媒の劣化を検出することにより、燃費悪化やトルク変動を防止する内燃機関のＥＧＲ改質システムも提案されている（例えば、特許文献２）。
改質反応としては、排気ガス中の水蒸気を利用した水蒸気改質反応及び二酸化炭素を利用したドライリフォーミングが想定されるが、いずれも炭素析出しやすい反応である。
【０００５】
さらに、排気ガス中に燃料を供給することにより、改質反応を行うが、燃料の供給方法によっては、燃料が均一に排気ガス成分と混合せず、局所的にＳ／Ｃ、ＣＯ２／Ｃ比が低い領域が生じる可能性があり、Ｓ／Ｃ、ＣＯ２／Ｃが低い条件では、より炭素析出が生じやすい。
【０００６】
炭素析出が生じると、改質触媒はやがて機能を果たさなくなり、所望の水素含有ガスを得ることができなくなる。炭素析出による改質触媒の性能低下は、酸素含有ガスによる酸化反応により燃焼除去することで回復する場合がある。ただし、炭素析出量に応じて燃焼温度が高くなるため、炭素析出量が多い場合には、急激な温度上昇を招く。急激な温度上昇は、触媒を熱劣化に導く可能性があるが、その主な熱劣化は触媒粒子のシンタリングであり、また、多くの熱劣化は再生が困難な永久劣化である。
【０００７】
さらに、改質触媒の性能低下，劣化，異常については、例えば改質触媒温度、水素濃度、一酸化炭素濃度等様々な検出方法が提案がなされている一方、改質触媒上では、炭素析出が進行しながらも水素含有ガスが生成し続けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公昭６１‐３５３７５号公報
【特許文献２】特許第４０１３７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記した各検出方法において、改質触媒の性能低下，劣化を検出した際には、かなりの量の炭素が析出している場合があるが、その場合、性能低下や劣化を検知したにも関わらず、再生の際に熱劣化を生じ、改質触媒の性能をより低下させる虞がある。
【００１０】
そこで本発明は、改質触媒の性能低下・劣化を検出することなく、改質触媒の寿命を延ばすことができる内燃機関システムの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明は、燃焼室に連通する排気路と吸気路とに排気循環路が連結された内燃機関と、その排気循環路を流通する排気ガス中に改質用燃料を噴射する改質用燃料噴射装置と、その改質用燃料により水素含有ガスを生成する改質触媒を備えた改質器とを有する内燃機関システムにおいて、改質触媒の所定の再生時期毎に、酸素含有ガスを排気循環路に流通させることによる改質触媒の再生を行う改質触媒再生手段を設けたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、改質触媒の性能低下・劣化を検出することなく、改質触媒の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る内燃機関システムの構成を示す説明図である。
【図２】同上の内燃機関システムの第１の例に係る動作を示すフローチャートである。
【図３】同上の内燃機関システムの第２の例に係る動作を示すフローチャートである。
【図４】同上の内燃機関システムの第３の例に係る動作を示すフローチャートである。
【図５】同上の内燃機関システムの第４の例に係る動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第二の実施形態に係る内燃機関システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る内燃機関システムの構成を示す説明図である。
本発明の第一の実施形態に係る内燃機関システムＡ１は、内燃機関である４サイクルエンジン１０と、この燃焼室１１の吸気口１１ａに連結された吸気路（以下、「吸気パイプ」という。）１２と、当該排気口１１ｂに連結された排気路（以下、「排気パイプ」という。）１３ととともに、それら吸気パイプ１２と排気パイプ１３の間に連結された排気循環路（以下、「ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）パイプ」という。）３０とともに、本システムの制御中枢となるコントローラＣとを有して構成されている。
【００１５】
吸気パイプ１２には、これの吸気口１１ａ近傍に主燃料供給装置２０が配設されているとともに、その主燃料供給装置２０の吸気方向上流側には、燃焼室１１に向かう空気量を増減制御するための吸気制御バルブ１８が配設されている。
【００１６】
主燃料供給装置２０は、燃焼室１１内又は吸気パイプ１２内に主燃料を噴射する機能を有するものであり、コントローラＣの出力側に接続されて、適宜駆動されるようにしている。
排気パイプ１３には、排気ガスの流量を増減するための排気制御バルブ１９が配設されている。なお、１６はピストン、１７はスパークプラグである。
【００１７】
ＥＧＲパイプ３０は、上記排気パイプ１３から排出された排気ガスの一部を吸気パイプ１２に分流、換言すると還流循環させるためのものであり、そのＥＧＲパイプ３０には、排気ガスの流通方向α上流側から下流側に向けて、改質用燃料噴射装置３３、改質器３２、排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ３１、排気ガスの流量を増減調整するためのＥＧＲバルブ８、及びパイプ開閉バルブ７が順次配設されている。
なお、ＥＧＲバルブ８とパイプ開閉バルブ７は、コントローラＣの出力側に接続されて、適宜駆動されるようになっている。
【００１８】
改質用燃料噴射装置３３は、改質器３２に向けて流通する排気ガス中に改質用燃料を噴射する機能を有するものであり、コントローラＣの出力側に接続されて適宜駆動されるようにしている。
【００１９】
改質器３２は、上記の改質用燃料により水素含有ガスを生成する改質触媒を内設したものであり、これには、改質器触媒温度センサＳ１が配設されている。
改質器触媒温度センサＳ１は、改質器３２の改質触媒の温度を検出するためのものであり、コントローラＣの入力側に接続されて、改質触媒の温度を測定できるようにしている。
【００２０】
すなわち、内燃機関システムＡ１においては、燃焼室１１内でストイキ（stoichiometric）燃焼させた排気ガスの一部を排気パイプ１３からＥＧＲパイプ３０に分流させるとともに、これに改質用燃料を加えて改質器３２内の改質触媒上で改質して水素含有ガスを得て、吸気パイプ１２に還流している。
【００２１】
コントローラＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインターフェース回路等からなるものであり、所要のプログラムの実行により、次の各機能を有する。
内燃機関システムＡ１は、所定の改質触媒の再生時期毎に、酸素含有ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させることによる改質触媒の再生を行うものであるが、本実施形態においては、次のようにしている。
【００２２】
（１）改質触媒の所定の再生時期になったか否かを判定する機能。この機能を「再生時期判定手段Ｃ１」という。
本実施形態においては、「所定の再生時期」が「排気ガスの改質を停止したとき」であり、排気ガスの改質を停止したか否かを判定している。
「排気ガスの改質を停止したとき」は、改質用燃料噴射装置３３による改質用燃料の噴射を停止したときである。
【００２３】
排気ガスの改質を停止したときには、直前まで改質を行っていたので、改質触媒温度が再生に適した温度である場合が多い。多くの場合、排気ガスの改質停止とともに酸素含有ガスを供給することができる。
ただし、改質触媒温度が６５０℃以上に達している場合には、酸素含有ガスを供給してはならない。改質触媒温度が高い状態で、酸素含有ガスを供給すると、析出した炭素を酸化除去する際、燃焼に伴う温度上昇により、改質触媒が熱劣化する可能性がある。
【００２４】
なお、「所定の再生時期」としては、上記した「排気ガスの改質を停止したとき」に限るものではなく、「エンジン停止直前」としてもよい。
「エンジン停止直前」とは、スロットル（図示しない）が戻った状態をいい、通常は、惰性でピストンが数サイクル回転する。
スロットルが戻る前に、燃焼室１１内ではリーン燃焼を行うことにより、スロットルが戻った後、数サイクル分のリーン燃焼排ガス又は空気を得る。この回転時に生じるリーン燃焼排ガスを利用し、改質触媒の再生を行う。
【００２５】
（２）所定の再生時期になったと判定したときには、酸素含有ガスのＥＧＲパイプ３０への供給を開始する機能。この機能を「酸素含有ガス供給開始手段Ｃ２」という。
すなわち、排気制御弁１９を閉じ、かつ、パイプ開閉バルブ７を開けることにより、酸素含有ガスの供給を開始する。
【００２６】
（３）酸素含有ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させることにより改質触媒の再生を行なう機能。この機能を「改質触媒再生手段Ｃ３」という。
「改質触媒の再生」は、酸素含有ガスによって改質触媒を酸化することであり、本実施形態においては、内燃機関１０から排出されるリーン燃焼ガスを所要の温度でＥＧＲパイプ３０を流通させることにより行なっている。
酸素含有ガスとしては、炭素の燃焼除去に必要な酸素を含有していればよく、上記した燃焼筒１１から排出されるリーン燃焼ガスの他、空気でもよい。
【００２７】
（４）酸素含有ガスのＥＧＲパイプ３０への供給を停止する機能。この機能を「酸素含有ガス供給停止手段Ｃ４」という。
排気制御弁１９を開けることにより、酸素含有ガスのＥＧＲパイプ３０への供給を停止している。
【００２８】
次に、上記の構成からなる内燃機関システムＡ１の動作について、図２，３を参照して説明する。図２は、内燃機関システムＡ１の第一の例に係る動作を示すフローチャート、図３は、内燃機関システムＡ１の第１の例に係る動作を示すフローチャートである。
なお、図２においてはステップ１を「Ｓ１」、図３においてはステップ１を「Ｓａ１」とそれぞれ略記し、以下の各ステップについても同様に表記する。
【００２９】
まず、図２に示す第一の例に係る動作について説明する。なお、図２，３及び後述する図４においては、「酸素含有ガス」を「再生ガス」と表記している。
ステップ１（図２において「Ｓ１」と記す。以下、同様。）：排気ガスの改質を停止したか否かを判定し、排気ガスの改質を停止したと判定したときにはステップ２に進み、そうでなければステップ１を繰り返す。
ステップ２：排気制御バルブ１９を閉じて、排気ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させ始める。
ステップ３：所要の温度において排気ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させることにより、改質触媒の再生処理を行なう。
ステップ４：排気制御バルブ１９を開いて、排気ガスのＥＧＲパイプ３０への供給を停止する。
【００３０】
次に、図３に示す第２の例に係る動作について説明する。
ステップ１（図３において「Ｓａ１」と記す。以下、同様。）：エンジン停止直前か否かを判定し、エンジン停止直前であると判定したときにはステップ２に進み、そうでなければステップ１を繰り返す。
【００３１】
ステップ２：排気制御バルブ１９を閉じて、排気ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させ始める。
ステップ３：所要の温度において排気ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させることにより、改質触媒の再生処理を行なう。
ステップ４：排気制御バルブ１９を開いて、排気ガスのＥＧＲパイプ３０への送給を停止する。
【００３２】
すなわち、バッテリ（図示しない）を搭載したハイブリッドエンジンシステムにおいては、効率良く運転するため、エンジンが停止する機会が頻繁にあり、改質触媒の再生を適時に行なうことができる。
また、上記バッテリを搭載したハイブリッドエンジンシステムにおいては、エンジン停止時において、上記のようなピストンの動作を利用しなくても、モータでピストンを駆動させることにより、改質触媒に酸素含有ガスを供給することが可能となる。
【００３３】
すなわち、モータによって内燃機関１０を動作させることにより、酸素含有ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させることによる改質触媒の再生を行う機能を有するものとしてもよい。
なお、図３に示すステップ（Ｓａ１）１の判定処理を、図２に示すフローチャートに組み入れた動作を行なわせるようにしてもよい。
【００３４】
図４は、内燃機関システムＡ１の第３の例に係る動作を示すフローチャートである。
本例においては、「改質触媒の所定の再生時期」が、アイドリングストップである。
「アイドリングストップ」は、内燃機関１０が動作しているときに、車体（図示しない）が停止している状態をいい、この状態にあるか否かを再生時期判定手段Ｃ１が判定する。
【００３５】
ステップ１：（図４において「Ｓｂ１」と記す。以下、同様。）アイドリングストップか否かを判定し、アイドリングストップであると判定したときにはステップ２に進み、そうでなければステップ１を繰り返す。
【００３６】
ステップ２：排気制御バルブ１９を閉じて、排気ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させ始める。
ステップ３：所要の温度において排気ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させることにより、改質触媒の再生処理を行なう。
ステップ４：排気制御バルブ１９を開いて、排気ガスのＥＧＲパイプ３０への送給を停止する。
【００３７】
すなわち、アイドリングストップ時には、改質触媒温度が比較的低いことが予想され、高温時の熱劣化を心配することなく、再生を行うことができる。
なお、図２，３に示すフローチャートに、図４に示すフローチャートを組み合わせてもよい。すなわち、ステップＳ１，Ｓ１ａ，Ｓ１ｂの判定を順次行なうとともに、その判定毎に改質触媒の再生を行なうようにしてもよい。
【００３８】
図５は、内燃機関システムＡ１の第４の例に係る動作を示すフローチャートである。
本例においては、「所定の再生時期」が、再循環する排気ガスの改質触媒による改質を開始するときである。図５においては「ＥＧＲ改質開始時」と表記している。
具体的には、改質用燃料の噴射前であって、排気ガスのみを流通させている状態をいい、この状態にあるか否かを再生時期判定手段Ｃ１が判定する。
【００３９】
ステップ１：ＥＧＲ改質開始時か否かを判定し、ＥＧＲ改質開始時であると判定したときにはステップ２に進み、そうでなければステップ１を繰り返す。
ステップ２：排気制御バルブ１９を閉じて、排気ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させ始める。
ステップ３：所要の温度において排気ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させることにより、改質触媒の再生処理を行なう。
ステップ４：排気制御バルブ１９を開いて、排気ガスのＥＧＲパイプ３０への送給を停止する。
【００４０】
図６は、本発明の第二の実施形態に係る内燃機関システムＡ２の構成を示すブロック図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００４１】
本発明の第二の実施形態に係る内燃機関システムＡ２は、上述した内燃機関システムＡ１の構成に加え、ＥＧＲパイプ３０に酸素含有ガス供給装置４０を設けた構成のものである。
酸素含有ガス供給装置４０は、改質器３２の排気ガスの流通方向α上流側に配置されているとともに、コントローラＣの出力側に接続されて、適宜駆動されるようになっている。
【００４２】
（１）改質触媒の所定の再生時期になったか否かを判定する機能。この機能を「再生時期判定手段Ｃ１」という。
本実施形態においては、「所定の再生時期」が「ＥＧＲ改質を停止したとき」であり、具体的には、改質用燃料の噴射を停止したか否かを判定している。
【００４３】
（２）改質器３２に設けた改質触媒が所要の温度になったか否かを判定する機能。この機能を「改質器触媒温度判定手段Ｃ５」という。
改質触媒の温度は、上記した改質器触媒温度センサＳ１によって検出する。本実施形態においては、６５０℃以下になったか否かを判定している。
酸素含有ガスによる酸化反応は、発熱反応であるため、改質触媒上に多くの炭素が析出しており、一度に反応すると、高温になる恐れがある。高温になると、改質触媒が熱劣化を起こす可能性が高まるため、改質触媒温度が６５０℃以上の場合には、再生のための酸素含有ガスを供給してはならない。改質触媒温度が、所定の温度になった後に、酸素含有ガスを供給することが望ましい。
【００４４】
（３）改質触媒が、所要の温度帯域に含まれるか否かを判定する機能。この機能を「改質触媒温度帯域判定手段Ｃ６」という。
「所要の温度帯域」は、本実施形態においては３００〜６５０℃としている。
すなわち、析出した炭素を効率よく燃焼させるためには、改質触媒温度があまり低すぎると、酸化反応が進行しにくい。従って、３００〜６５０℃で行うのが好ましい。より好ましくは、４５０〜６００℃である。
【００４５】
（４）酸素含有ガスのＥＧＲパイプ３０への供給を開始する機能。この機能を「酸素含有ガス供給開始手段Ｃ２」という。
すなわち、排気制御弁１９を閉じ、かつ、パイプ開閉バルブ７を開けることにより、酸素含有ガスの供給を開始する。
【００４６】
（５）酸素含有ガスをＥＧＲパイプ３０に流通させることにより改質触媒の再生を行なう機能。この機能を「改質触媒再生手段Ｃ３」という。
「改質触媒の再生」は、酸素含有ガスによって改質触媒を酸化することであり、本実施形態においては、酸素含有ガス供給装置４０から酸素含有ガスを所要の温度でＥＧＲパイプ３０を流通させることにより行なっている。
【００４７】
（６）酸素含有ガスのＥＧＲパイプ３０への供給を停止する機能。この機能を「酸素含有ガス供給停止手段Ｃ４」という。
排気制御弁１９を開けることにより、酸素含有ガスのＥＧＲパイプ３０への供給を停止している。
【実施例】
【００７９】
以下、より具体的な実施例について説明する。
改質触媒としてロジウム系触媒を担持し、図１に示す内燃機関システムＡ１において、図８のフローチャートに示す手順により、エンジン停止直前に再生処理を実施した。エンジン停止直前に再生処理を行う場合には、合わせてＥＧＲ改質を停止、つまり改質触媒に燃料が供給されていないことを確認し、再生処理を行った。再生処理を行わない場合と比較して、改質触媒の寿命が１桁以上向上した。
【００８０】
また、図６に示す内燃機関システムＡ２において、酸素含有ガス供給装置１０より空気を供給し、図７のフローチャートに示す手順により、ＥＧＲ改質停止時に再生処理を実施した。再生処理を実施しない場合と比較して、改質触媒の寿命が１桁以上向上した。
【００８１】
さらに、同上の内燃機関システムＡ２において、図７〜１１に示す再生方法を組み合わせ、再生処理を実施した。その結果、再生処理を実施しない場合と比較して、改質触媒の寿命が２桁以上向上した。
以上のように、本発明に係る内燃機関システムＡ１，Ａ２によれば、改質触媒を適時に再生することができるので、改質触媒の寿命を桁違いに向上させることができるとともに、燃費向上を図ることができる。
【００８２】
以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。
【符号の説明】
【００８３】
１０        内燃機関
１１        燃焼室
１２        吸気路
１３        排気路
３０        排気循環路
３２        改質器
３３        改質用燃料噴射装置
４０        酸素含有ガス供給装置
Ａ１，Ａ２  内燃機関システム
Ｃ１        再生時期判定手段（改質停止判定手段）
Ｃ２        酸素含有ガス供給開始手段
Ｃ３        改質触媒再生手段
Ｃ４        酸素含有ガス供給停止手段
Ｃ５        改質器触媒温度判定手段
Ｃ６        改質触媒温度帯域判定手段
Ｓ１        改質器触媒温度センサ
【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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