(57)【要約】【課題】  分留部における燃料の自己着火を防止可能な内燃機関の燃料改質装置を提供する。【解決手段】  内燃機関１の燃料供給系統５に接続され、前記内燃機関の排気熱を利用して燃料を気相と液相とに分留する分留部１１を有する内燃機関の燃料改質装置９において、前記分留部の温度が所定温度以下であると判断した場合に前記分留部の空燃比を自己着火範囲外に制御する自己着火防止手段１８を備える。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃料供給系統に接続され、前記内燃機関の排気熱を利用して燃料を気相と液相とに分留する分留部を有する内燃機関の燃料改質装置において、
前記分留部の温度が所定温度以下であると判断した場合に前記分留部の空燃比を自己着火範囲外に制御する自己着火防止手段を備えていることを特徴とする内燃機関の燃料改質装置。
【請求項２】
前記所定温度として燃料の自己着火温度域の下限温度が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料改質装置。
【請求項３】
前記燃料供給系統から前記分留部へ燃料を供給する燃料供給手段を備え、
前記自己着火防止手段は、前記分留部の温度が前記所定温度以下であると判断した場合に前記分留部へ燃料が供給されるように前記燃料供給手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料改質装置。
【請求項４】
前記自己着火防止手段は、前記分留部の温度が低いほど前記分留部へ供給する燃料量を少なくすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料改質装置。
【請求項５】
前記分留部に接続されて分留された気相の燃料を貯留する気相燃料タンクを備え、
前記自己着火防止手段は、前記気相燃料タンク内の気相燃料が少ないほど前記分留部へ供給する燃料量を少なくすることを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気熱で燃料を加熱して高沸点成分と低沸点成分とに分留し、分留した低沸点成分を還元剤としてＮＯｘ吸収剤へ供給する排気浄化装置が知られている（特許文献１参照）。その他に本発明と関連する技術としては特許文献２〜４がある。
【特許文献１】特許第３０９３９０５号公報
【特許文献２】特開２０００−２４０４３６号公報
【特許文献３】特許第２８５０５４７号公報
【特許文献４】特開平１１−３０２６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような装置では、内燃機関の停止等による装置停止時に燃料と排気ガスとを熱交換させる部分（分留部）に空気と燃料とが残留する。この残留した燃料が気化することにより、装置停止中に分留部内の空燃比が自己着火範囲内になる可能性がある。この状態で例えば内燃機関を始動させた場合、分留部の温度が自己着火温度域に達して分留部内で燃料が自己着火するおそれがある。また、内燃機関の始動による分留部の温度上昇に伴って残留した燃料が気化し、分留部内の空燃比が自己着火範囲内になって燃料が自己着火するおそれもある。
【０００４】
そこで、本発明は、分留部における燃料の自己着火を防止可能な内燃機関の燃料改質装置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】
【０００５】
本発明の内燃機関の燃料改質装置は、内燃機関の燃料供給系統に接続され、前記内燃機関の排気熱を利用して燃料を気相と液相とに分留する分留部を有する内燃機関の燃料改質装置において、前記分留部の温度が所定温度以下であると判断した場合に前記分留部の空燃比を自己着火範囲外に制御する自己着火防止手段を備えたことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００６】
本発明の燃料改質装置では、分留部の温度が所定温度以下であると判断された場合、分留部の空燃比を自己着火範囲外にする。そのため、例えば分留部の温度が上昇して燃料の自己着火温度域に達しても分留部の空燃比が既に自己着火範囲外であるため、燃料は自己着火しない。
【０００７】
本発明の内燃機関の燃料改質装置は、前記所定温度として燃料の自己着火温度域の下限温度が設定されていてもよい（請求項２）。このように燃料の自己着火温度域の下限温度を設定することにより、分留部の温度が燃料の自己着火温度域になる前に確実に分留部の空燃比を自己着火範囲外できる。そのため、燃料の自己着火をより確実に防止できる。
【０００８】
本発明の内燃機関の燃料改質装置は、前記燃料供給系統から前記分留部へ燃料を供給する燃料供給手段を備え、前記自己着火防止手段は、前記分留部の温度が前記所定温度以下であると判断した場合に前記分留部へ燃料が供給されるように前記燃料供給手段を制御してもよい（請求項３）。燃料は、空燃比が自己着火範囲よりリッチすぎてもリーンすぎても自己着火しない。そこで、分留部へ燃料を供給して分留部の空燃比をリッチにする。これにより分留部の空燃比が自己着火範囲外になる。また、分留部の空燃比は、分留する燃料を燃料供給系統から分留部へ供給する装置によって調整するので、分留部の空燃比を調整するためのみの装置を新たに設ける必要がない。
【０００９】
本発明の内燃機関の燃料改質装置において、前記自己着火防止手段は、前記分留部の温度が低いほど前記分留部へ供給する燃料量を少なくしてもよい（請求項４）。内燃機関の始動時等分留部の温度が低いときに分留部へ多くの燃料を供給すると、この供給した燃料によって排気系が冷却される。内燃機関の始動時等に排気系が冷却されると、例えば分留部の下流の排気通路に排気浄化触媒が配置されている場合、この触媒の活性を遅らせることになる。そこで本発明では、分留部の温度が低いほど分留部へ供給する燃料量を少なくして排気系の冷却を抑制する。
【００１０】
本発明の内燃機関の燃料改質装置は、前記分留部に接続されて分留された気相の燃料を貯留する気相燃料タンクを備え、前記自己着火防止手段は、前記気相燃料タンク内の気相燃料が少ないほど前記分留部へ供給する燃料量を少なくしてもよい（請求項５）。分留部へ大量の燃料を供給すると、分留部から液相の燃料を導く通路へ分留部で蒸発しなかった液相燃料が大量に流入する。この大量の液相燃料の流れは分留部内の気体を巻き込んで系外に出て行くので、分留部内が負圧になる。気相燃料タンク内の気相燃料が少ない場合、この分留部内の負圧によって気相燃料タンクから分留部へ空気が逆流する可能性がある。この分留部への空気の逆流は、分留部の空燃比を自己着火範囲内にするおそれがある。そこで、本発明では、気相燃料タンク内の気相燃料量が少ないほど分留部へ供給する燃料量を少なくして気相燃料タンクから分留部への空気の逆流を抑制し、燃料の自己着火を防止する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、自己着火防止手段が分留部へ供給する燃料量を調整して分留部内の空燃比を自己着火範囲外にするので、分留部内における燃料の自己着火が防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に本発明の一実施形態に係る燃料改質装置が適用される内燃機関の要部を示す。図１の内燃機関１には排気を所定の排気位置まで導くための排気通路２が接続されている。排気通路２には、ターボチャージャ３の排気タービン３ａと、排気浄化触媒４とが設けられている。排気浄化触媒４としては、例えば酸化触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が利用される。内燃機関１には、内燃機関１へ燃料を供給するための燃料供給装置５が設けられている。燃料供給装置５は、燃料を貯留する燃料タンク６と、燃料タンク６の燃料を内燃機関１へ供給する燃料ポンプ７と、燃料ポンプ７から燃料改質装置９へ燃料を供給するための燃料供給通路８とを備えている。燃料タンク６には、燃料タンク６内の圧力を調整するための大気連通管６ａが設けられている。
【００１３】
内燃機関１には、燃料を改質するための燃料改質装置９と、改質燃料供給装置１０とが設けられている。燃料改質装置９は、燃料を気相と液相とに分留する分留通路１１と、燃料供給通路８から分留通路１１へ供給される燃料の流量を制御する流量制御バルブ１２と、分留通路１１にて分留された気相の燃料を貯留する気相燃料タンク１３と、気相燃料タンク１３内の気相燃料量に対応して信号を出力するレベルセンサ１４とを備えている。気相燃料タンク１３には、気相燃料タンク１３内の圧力を調整するための大気連通管１３ａが設けられている。なお、流量制御バルブ１２には、バルブ１２の非制御時に分留通路１１へ燃料が供給されないよう非制御時（非通電時）に閉状態になるバルブが使用される。改質燃料供給装置１０は、気相燃料を排気浄化触媒４へ供給する気相燃料供給用インジェクタ１５と、気相燃料タンク１３の気相燃料を気相燃料供給用インジェクタ１５へ送り出す気相燃料ポンプ１６とを備えている。
【００１４】
図２に示したように分留通路１１は、排気通路２の排気マニホールド２ａ内に配置されて燃料供給通路８から供給された燃料を排気熱で加熱して気相と液相とに分留する分留区間１１ａと、分留区間１１ａにおいて蒸発して気相になった軽質な燃料を気相燃料タンク１３へ導く気相通路１１ｂと、排気熱で蒸発しなかった液相の燃料を燃料タンク６へ導く液相通路１１ｃとを備えている。なお、気相燃料タンク１３内の気相通路１１ｂの先端は、タンク１３の底面近傍に配置される。また、燃料タンク６内の液相通路１１ｃの先端もタンク６の底面近傍に配置される。このように各通路１１ｂ、１１ｃの先端がタンク１３、６の底面近傍に配置されることで分留通路１１内への空気の逆流が抑制できる。分留通路１１には、気相通路１１ｂと液相通路１１ｃとの分岐点１１ｄの温度に対応した信号を出力する温度センサ１７が設けられている。なお、液相通路１１ｃは、燃料タンク６へ直接接続されていてもよいし、燃料ポンプ７から燃料タンク６へ燃料を戻すためのリターン通路（不図示）へ接続されていてもよい。このように分留通路１１は、内燃機関１の排気を利用して、燃料を低沸点成分の多い軽質な改質燃料へ改質する。
【００１５】
内燃機関１の運転状態はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１８により制御される。ＥＣＵ１８は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を組み合わせたコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ１８は、所定の間隔で気相燃料供給用インジェクタ１４の動作を制御し、気相燃料を排気通路２へ供給することにより排気の空燃比をストイキ又はリッチにして排気浄化触媒４の機能を再生させる処理を行う。また、ＥＣＵ１８にはレベルセンサ１４、温度センサ１６等が接続される。さらに、ＥＣＵ１８は、流量調整バルブ１２等への電気の供給、停止を制御するメインリレー１９の動作を制御している。
【００１６】
ＥＣＵ１８は、図３の分留通路燃料供給制御ルーチンを実行することにより流量制御バルブ１２の動作を制御して、分留通路１１へ燃料を供給する。図３の制御ルーチンは、内燃機関１の始動後所定の周期で繰り返し実行される。
【００１７】
図３の制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ１８はまずステップＳ１１で内燃機関１が運転状態であるか否かを判断する。内燃機関１が運転中であるか否かは例えば内燃機関１へ供給される燃料量を参照して判断する。内燃機関１が運転状態ではないと判断した場合は今回の制御ルーチンを終了する。一方、内燃機関１が運転状態であると判断した場合はステップＳ１２へ進み、ＥＣＵ１８は分留通路１１へ供給する燃料量（Ｑｂａｓ）を算出する。Ｑｂａｓは内燃機関１の運転状態に応じて調整するので、例えば分留通路１１の温度を参照して算出する。算出方法としては、ＥＣＵ１８のＲＯＭに分留通路１１の温度とＱｂａｓとの対応関係を記述したマップを記録しておき、ＥＣＵ１８はそのマップを参照してＱｂａｓを算出する。なお、Ｑｂａｓを算出するために参照するパラメータは、分留通路１１の温度に限定されない。内燃機関１の運転状態に関係する種々のパラメータが使用できる。例えば、内燃機関１の回転数や負荷、排気温度、又は排気マニホールド２ａの温度とＱｂａｓとの対応関係をマップとしてＥＣＵ１８に記録しておき、これらのマップを参照してＱｂａｓを算出してもよい。
【００１８】
次のステップＳ１３においてＥＣＵ１８は、分留通路１１の状態が燃料分留の可能な状態であるか否かを判断する。分留可能状態であるか否かは、例えば分留通路１１の温度を参照して判断し、分留通路１１の温度が所望の性状の気相燃料が回収できるように燃料が適正に分留される温度（適正分留温度）よりも低い場合に燃料が分留可能ではないと判断する。分留可能であるか否かを判定するパラメータとしては、分留通路１１の温度の他に内燃機関１の冷却水温、排気マニホールド２ａの温度等を参照してもよい。
【００１９】
分留通路１１の状態が分留可能状態ではないと判断した場合はステップＳ１４へ進み、ＥＣＵ１８は冷機時に分留通路１１へ供給する燃料量（Ｑｃｌｄ）を算出する。Ｑｃｌｄは、例えば分留通路１１の温度に応じて算出される。算出方法としては、ＥＣＵ１８のＲＯＭに分留通路１１の温度とＱｃｌｄとの対応関係を記述したマップを記録しておき、ＥＣＵ１８はそのマップを参照してＱｃｌｄを算出する。図４に、分留通路１１の温度とＱｃｌｄとの対応関係を記述したマップの一例を示す。なお、図４のＴ１は、排気通路２の暖機が終了して分留通路１１へ燃料を供給可能な温度を示している。また、Ｔ２は適正分留温度を示している。図４から明らかなように、分留通路１１の温度が低いほどＱｃｌｄが少なくなる。なお、Ｑｃｌｄを算出するために参照するパラメータは、分留通路１１の温度に限定されない。分留通路１１の温度と相関する種々のパラメータを参照してＱｃｌｄを算出することができる。分留通路１１の温度と相関するパラメータしては、例えば内燃機関１の冷却水温や排気マニホールド２ａの温度等がある。次のステップＳ１５においてＥＣＵ１８は、Ｑｂａｓに０を代入して値を初期化する。
【００２０】
次のステップＳ１６においてＥＣＵ１８は、ＱｂａｓとＱｃｌｄとを足して最終的に分留通路へ供給する燃料量（Ｑｆｄ）を算出する。続くステップＳ１７においてＥＣＵ１８は、算出したＱｆｄの燃料が分留通路１１へ供給されるように流量制御バルブ１２の動作を制御する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【００２１】
なお、ステップＳ１３で分留通路１１の状態が分留可能状態であると判断した場合はステップＳ１８へ進み、ＥＣＵ１８はＱｃｌｄに０を代入して値を初期化する。その後、ステップＳ１６、Ｓ１７の処理を実行して今回の制御ルーチンを終了する。
【００２２】
図３の制御ルーチンでは、分留通路１１の温度が燃料の分留が殆ど行われない温度以下でも燃料を分留通路１１へ供給して、分留通路１１の温度が燃料の自己着火温度域になる前に分留通路１１の空燃比を自己着火範囲外にする。従って、分留通路１１の温度が上昇して自己着火温度域の下限温度以上になっても燃料は自己着火しない。そのため、分留通路１１における燃料の自己着火が防止できる。ＥＣＵ１８は図３の制御ルーチンを実行することにより自己着火防止手段として機能する。また、図３の制御ルーチンでは、分留通路１１の温度がＴ１以下の場合、供給される燃料量が少なく設定されるので、排気通路２の過冷却が防止できる。さらに、分留通路１１の温度が上昇するに伴って分留通路１１へ供給する燃料量を増加させることにより、供給した燃料によって分留通路１１内の空気を通路１１外へ排出でき、これにより分留通路１１内の酸素が除去できる。そのため、より燃料の自己着火が防止できる。
【００２３】
分留通路１１へ燃料供給を開始する温度は、燃料の自己着火を確実に防止するため燃料の自己着火温度域の下限温度以下の温度を設定する。ただし、内燃機関１で使用する燃料（例えば軽油やガソリン等）によって自己着火温度域が異なるので、使用する燃料に応じて燃料供給を開始する温度を設定する。図３の制御ルーチンでは、燃料の自己着火温度域の下限温度以下から分留通路１１へ燃料が供給されるように、内燃機関１の暖機が終了する前から、即ち分留部の温度が外気温度程度の状態から分留通路１１へ燃料を供給している。
【００２４】
図５に、ＥＣＵ１８が実行する分留通路燃料供給制御ルーチンの他の例を示す。図５の制御ルーチンも内燃機関１の始動後所定の周期で繰り返し実行される。なお、図５において図３と同一の処理には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２５】
図５の制御ルーチンにおいてステップＳ１４までは図３の制御ルーチンと同様の処理が行われる。次のステップＳ２１においてＥＣＵ１８は、気相燃料タンク１３内の気相燃料残量が判定量（Ｖｍｉｎ）よりも少ないか否か判断する。Ｖｍｉｎには、例えば気相燃料タンク１３が振動しても気相通路１１ｂの先端が空気中に露出しない程度の値が設定される。気相燃料残量は、レベルセンサ１４の出力から取得してもよいし、分留通路１１へ供給した燃料量と分留通路１１の温度とから取得できる回収気相燃料量の積算値と、排気通路２へ供給した気相燃料量の積算値とから取得してもよい。
【００２６】
気相燃料残量がＶｍｉｎよりも少ないと判断した場合はステップＳ２２へ進み、ＥＣＵ１８はステップＳ１４で算出したＱｃｌｄに補正係数（Ｍｃｐ）を掛けてＱｃｌｄの値を補正する。その後、ステップＳ１５以下に進み、図２と同様の処理を行う。Ｍｃｐは、定数でもよいし、例えば図６に示したような気相燃料残量とＭｃｐとの対応関係を示したマップを参照して設定してもよい。図６のマップでは、気相燃料残量が少なくなるほどＭｃｐが小さく（即ちＱｃｌｄが少なく）なるようにＭｃｐが設定される。なお、Ｍｃｐを設定するためのパラメータは気相燃料残量に限定されない。例えば、分留通路１１の温度を参照してＭｃｐを設定してもよい。なお、ステップＳ２１で気相燃料残量がＶｍｉｎ以上であると判断した場合はステップＳ１５へ進み、以下図２と同様の処理を行う。
【００２７】
分留通路１１へ供給する燃料量の減少により、液相通路１１ｃへ流入する液相燃料量が減少する。この液相燃料量の減少により分留通路１１内が負圧になり難くなる。そのため、気相燃料残量がＶｍｉｎ以下でも分留通路１１への空気の侵入を抑制することができる。従って、分留通路１１内の空燃比を安定してリッチ側に維持でき、燃料の自己着火をさらに防止することができる。
【００２８】
内燃機関１の停止直後は分留通路１１の温度が高く、分留区間１１ａ内の残留燃料が過昇温されるおそれがある。この過昇温は残留燃料を酸化及び炭化させ、燃料の劣化を促進させる。そこで、ＥＣＵ１８は図７の分留通路冷却制御ルーチンを実行して内燃機関１の停止時に分留通路１１へ燃料を供給し、分留通路１１を冷却する。図７の制御ルーチンは内燃機関１の運転中に所定の周期で繰り返し実行されている。
【００２９】
図７の制御ルーチンにおいてＥＣＵ１８は、まずステップＳ３１で内燃機関１の停止信号が発せられたか否かを判断する。なお、ＥＣＵ１８は図３、図５及び図７の制御ルーチンは異なる制御ルーチンにより内燃機関１の状態を監視しており、内燃機関１の運転を停止させる所定の停止条件が満たされた場合に機関停止信号を発する。機関停止信号を発せられていないと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。
【００３０】
一方、機関停止信号が発せられたと判断した場合はステップＳ３２へ進み、ＥＣＵ１８はメインリレー１９が遅延制御されていることを示す遅延フラグがオンの状態であるか否かを判断する。遅延フラグがオンの状態であると判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。一方、遅延フラグがオンの状態ではないと判断した場合はステップＳ３３へ進み、ＥＣＵ１８は分留通路１１を冷却するために分留通路１１へ供給する燃料量（Ｑｃｌ）を取得する。Ｑｃｌは、内燃機関１の停止直後の分留通路１１を十分に冷却可能な燃料量が設定されていてもよいし、分留通路１１の温度に応じて適宜設定してもよい。分留通路１１の温度に応じてＱｃｌを適宜設定する場合は、分留通路１１の温度とＱｃｌとの対応関係を記述したマップをＥＣＵ１８のＲＯＭに記録させておき、このマップを参照することでＱｃｌが取得できる。なお、Ｑｃｌの設定時に参照するパラメータとしては、分留通路１１の温度の他に排気マニホールド２ａの温度を利用してもよい。
【００３１】
次のステップＳ３４においてＥＣＵ１８は、ＱｆｄにＱｃｌを代入してＱｆｄを取得する。続くステップＳ３５においてＥＣＵ１８は、分留通路１１へ燃料が供給されるように流量調整バルブ１２を動作させる。ステップＳ３６においてＥＣＵ１８は、流量調整バルブ１２への通電時間が延長されるようにメインリレー１９の遅延制御を実行する。続くステップＳ３７においてＥＣＵ１８は、遅延フラグをオンの状態にする。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【００３２】
図７の制御ルーチン終了後、ＥＣＵ１８の停止により流量調整バルブ１２への通電も停止する。これにより流量調整バルブ１２が非通電状態になるので、流量調整バルブ１２は閉状態なる。これにより、分留通路１１への燃料供給が停止する。
【００３３】
このように、図７の制御ルーチンを実行することにより、分留通路１１に残留した燃料の過昇温が防止できる。そのため、燃料の劣化を抑制できる。
【００３４】
本発明は以上の実施形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内において、種々の形態で実施してよい。例えば、気相燃料の供給先は、排気通路に限定されない。気相燃料は低沸点成分を多く含んでいるので内燃機関の始動時に吸気通路へ供給することで始動性を向上させることができる。また、図８に示したように気相燃料タンク１３の底部に窪み部１３ｂを設け、この窪み部１３ｂに気相通路１１ｂの先端を配置してもよい。このように気相通路１１ｂの先端を配置することで、気相燃料残量が少ない場合における分留通路１１への空気の侵入がさらに抑制できる。なお、燃料タンクの底部にも同様の窪み部を設け、この窪み部に液相通路の先端を配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の燃料改質装置が適用される内燃機関の要部を示す図。
【図２】分留通路の拡大図。
【図３】図１のＥＣＵが実行する分留通路燃料供給制御ルーチンを示すフローチャート。
【図４】分留通路の温度と冷機時分留通路燃料供給量との対応関係の一例を示す図。
【図５】分留通路燃料供給制御ルーチンの他の例を示すフローチャート。
【図６】気相燃料残量と補正係数との対応関係の一例を示す図。
【図７】図１のＥＣＵが実行する分留通路冷却制御ルーチンを示すフローチャート。
【図８】気相燃料タンクの変形例を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１  内燃機関
５  燃料供給装置（燃料供給系統）
９  燃料改質装置
１１  分留通路（分留部）
１２  流量制御バルブ（燃料供給手段）
１３  気相燃料タンク
１８  エンジンコントロールユニット（自己着火防止手段）
【図１】
2005220807.tif 000003
【図２】
2005220807.tif 000004
【図３】
2005220807.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005220807.tif 000007
【図６】
2005220807.tif 000008
【図７】
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【図８】
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