(57)【要約】【課題】改質ガス利用内燃機関に関し、燃費を確実に向上させることが可能な場合に限って改質ガスの生成及び添加を実行できるようにする。【解決手段】改質条件を取得し（ステップＳ１００）、その条件下での改質効率を予測する（ステップＳ１０２）。また、現在の運転条件の下で炭化水素系燃料に改質ガスを添加して運転する場合の燃費向上率を算出する（ステップＳ１０４）。そして、改質効率と燃費向上率とに基づき、現在の運転条件の下で燃料改質装置よる改質処理を行い、得られた改質ガスを炭化水素系燃料に添加して運転する場合の総合燃費向上率を算出する（ステップＳ１０６）。総合燃費向上率を基準値と比較し（ステップＳ１０８）、総合燃費向上率が基準値を超えるときには改質ガスの生成及び添加を実行し（ステップＳ１１０）、基準値以下であれば改質ガスの生成及び添加は中止する（ステップＳ１１２）。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素化合物を改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質装置を有し、前記燃料改質装置による改質処理を行わず、炭化水素系燃料のみを使用して最適運転を行う第１運転モードと、前記燃料改質装置よる改質処理を行い、得られた改質ガスを炭化水素系燃料に添加して最適運転を行う第２運転モードとを選択可能な改質ガス利用内燃機関において、
前記燃料改質装置における改質条件を取得する改質条件取得手段と、
取得した改質条件の下で前記燃料改質装置により改質処理を行ったときの予測改質効率の指標となる第１指標値を算出する第１指標値算出手段と、
現在の運転条件の下で炭化水素系燃料に改質ガスを添加して最適運転を行った場合の炭化水素系燃料のみを使用して最適運転を行った場合に対する燃費向上率の指標となる第２指標値を算出する第２指標値算出手段と、
前記第１指標値と前記第２指標値とに基づき、現在の運転条件の下で前記第２運転モードを選択した場合の前記第１運転モードを選択した場合に対する総合燃費向上率の指標となる第３指標値を算出する第３指標値算出手段と、
前記第３指標値を所定の基準値と比較し、前記第３指標値が前記基準値を超えるときには前記第２運転モードを選択し、前記第３指標値が前記基準値以下のときには前記第１運転モードを選択する運転モード選択手段と、
を備えることを特徴とする改質ガス利用内燃機関。
【請求項２】
前記第１運転モードにおける最適運転とはストイキ運転或いはリーンバーン運転であり、前記第２運転モードにおける最適運転とは改質ガスの添加によって実現される超リーンバーン運転であって現在の運転条件に応じて改質ガスの添加割合が設定されることを特徴とする請求項１記載の改質ガス利用内燃機関。
【請求項３】
前記内燃機関はハイブリッド車両に搭載されてモータと協働して車両を駆動するハイブリッド車両用内燃機関であり、
前記第１運転モードにおける最適運転とはノック限界付近での高負荷域運転であり、前記第２運転モードにおける最適運転とは改質ガスの添加によって拡大されるノック限界付近での高負荷域運転であって現在の運転条件に応じて改質ガスの添加割合が設定されることを特徴とする請求項１記載の改質ガス利用内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質装置を有し、改質処理により得られた改質ガスを炭化水素系燃料に添加して使用可能な改質ガス利用内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されるように、ガソリン等の炭化水素系の液体燃料とともに水素ガスを燃料として使用する内燃機関が知られている。水素ガスは液体燃料に比較して燃焼性に優れているため、液体燃料に水素ガスを添加することで燃焼限界をリーン側に拡大することができ、燃費に優れた超リーンバーン運転が可能になる。また、高負荷時には液体燃料に水素ガスを添加することでノックを抑制することができ、ノック限界の拡大によって高負荷域での高効率運転が可能になる。
【０００３】
特許文献１に記載の技術では、水素ガスの供給源として水素タンクが用いられている。しかし、水素ガスを気体の状態で貯蔵するこの方法では、車両への搭載効率が良くないために水素ガスを十分に搭載することが難しく、水素ガスを利用できる状況が限られてしまう。そこで、特許文献２や特許文献３に開示されるように、液状の水素化合物を改質する改質装置を備え、水素化合物の改質によって車上で水素ガスを生成する技術が提案されている。特許文献２に記載の技術では、改質処理する水素化合物として炭化水素系燃料、具体的にはデカリンを用いている。特許文献３に記載の技術では、改質処理する水素化合物として炭化水素系燃料、具体的にはメチルシクロヘキサンを用いている。これらの方法によれば、水素ガスを気体の状態で貯蔵する場合に比較して車両への搭載性に優れ、補給１回当たりの水素ガスの使用可能量が格段に増大し、より広範に水素ガスを利用することが可能になる。
【特許文献１】特開２００４−１１６３９８号公報
【特許文献２】特開２００４−１００５１号公報
【特許文献３】特開２００５−１４７１２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、水素化合物を改質して水素ガス（詳しくは、水素ガスを多く含む改質ガス）を得る場合、改質処理の際に少なからず熱損失が発生する。燃費を総合的に判断するためには、改質処理時の熱損失も燃費に考慮するべきであり、その場合には必ずしも水素ガスの添加によって燃費が向上するとは限らない。例えば、触媒を用いて改質を行う場合、水素化合物の改質効率は触媒温度によって大きく異なってくる。改質効率が低すぎる場合には、改質によって生成される水素ガス量に対して熱損失が相対的に大きくなるため、総合的な燃費は改質処理を行うことで逆に悪化してしまう可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃費を確実に向上させることが可能な場合に限って改質ガスの生成及び添加を行うことができる改質ガス利用内燃機関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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、水素化合物を改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質装置を有し、前記燃料改質装置による改質処理を行わず、炭化水素系燃料のみを使用して最適運転を行う第１運転モードと、前記燃料改質装置よる改質処理を行い、得られた改質ガスを炭化水素系燃料に添加して最適運転を行う第２運転モードとを選択可能な改質ガス利用内燃機関において、
前記燃料改質装置における改質条件を取得する改質条件取得手段と、
取得した改質条件の下で前記燃料改質装置により改質処理を行ったときの予測改質効率の指標となる第１指標値を算出する第１指標値算出手段と、
現在の運転条件の下で炭化水素系燃料に改質ガスを添加して最適運転を行った場合の炭化水素系燃料のみを使用して最適運転を行った場合に対する燃費向上率の指標となる第２指標値を算出する第２指標値算出手段と、
前記第１指標値と前記第２指標値とに基づき、現在の運転条件の下で前記第２運転モードを選択した場合の前記第１運転モードを選択した場合に対する総合燃費向上率の指標となる第３指標値を算出する第３指標値算出手段と、
前記第３指標値を所定の基準値と比較し、前記第３指標値が前記基準値を超えるときには前記第２運転モードを選択し、前記第３指標値が前記基準値以下のときには前記第１運転モードを選択する運転モード選択手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、
前記第１運転モードにおける最適運転とはストイキ運転或いはリーンバーン運転であり、前記第２運転モードにおける最適運転とは改質ガスの添加によって実現される超リーンバーン運転であって現在の運転条件に応じて改質ガスの添加割合が設定されることを特徴としている。
【０００８】
第３の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関はハイブリッド車両に搭載されてモータと協働して車両を駆動するハイブリッド車両用内燃機関であり、
前記第１運転モードにおける最適運転とはノック限界付近での高負荷域運転であり、前記第２運転モードにおける最適運転とは改質ガスの添加によって拡大されるノック限界付近での高負荷域運転であって現在の運転条件に応じて改質ガスの添加割合が設定されることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、改質効率を考慮した総合的な燃費向上率が基準値を超える場合に限って燃料改質装置よる改質処理が行われ、改質処理で得られた改質ガスを炭化水素系燃料に添加して内燃機関の運転が行われる。そして、改質効率を考慮した総合的な燃費向上率が基準値以下の場合には改質装置よる改質処理は行われず、炭化水素系燃料のみを燃料として内燃機関の運転が行われる。これにより、燃費の向上に寄与しない無駄な改質処理や無駄な改質ガスの使用を防止して、全体として確実に燃費を向上させることができる。
【００１０】
第２の発明によれば、改質ガスの添加によって超リーンバーン運転を行ったときには、超リーンバーン運転による燃費向上の効果を確実に得ることができる。
【００１１】
第３の発明によれば、改質ガスの添加によってノック限界を拡大したときには、拡大したノック限界付近での高負荷域運転による燃費向上の効果を確実に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、本発明の実施の形態としての改質ガス利用内燃機関の概要について説明する。
【００１３】
一般に、水素化合物を改質して得られる水素リッチな改質ガスを炭化水素系燃料に添加すれば、超リーンバーン運転の実現や高負荷運転時のノック限界の拡大によって燃費の向上が期待できると言われている。しかし、ここでいう燃費は、あくまでも直接燃焼に供される燃料の熱量のみに着目した燃費の意味であり、内燃機関全体で消費される熱量に着目した総合的な燃費を意味するものではない。以下では、直接燃焼に供される燃料の熱量のみに着目した燃費を単純燃費と呼び、内燃機関全体で消費される熱量に着目した総合的な燃費を総合燃費と呼ぶ。
【００１４】
水素化合物から水素ガスを含む改質ガスを生成する際には少なからず熱損失が発生する。改質ガスが有する発熱量に対して熱損失の割合が大きいとき、つまり、改質効率が低いときには、水素化合物から改質ガスを生成して添加すると単純燃費は向上するものの、総合燃費は逆に低下してしまう可能性がある。そこで、本実施の形態の改質ガス利用内燃機関は、まず、改質効率を考慮して総合燃費の向上が期待できるか否か判断する。そして、総合燃費の向上が期待できる場合に限定して改質ガスの生成を行うこととしている。
【００１５】
以下では、炭化水素系燃料のみを使用して最適運転を行う運転モードを第１運転モードと定義し、車上で水素化合物から改質ガスを生成し、得られた改質ガスを炭化水素系燃料に添加して最適運転を行う運転モードを第２運転モードと定義する。ここでいう最適運転とは、現在の運転条件の下、排気エミッションやドライバビリティを良好に維持できる範囲内で最良或いはそれに準じる燃費を実現できる運転を意味する。例えば、炭化水素系燃料としてガソリンを使用する内燃機関の場合、内燃機関が低中負荷域で運転されているとき、第１運転モードでの最適運転はストイキ運転とすることができ、同じく低中負荷域における第２運転モードでの最適運転は空気過剰率が２以上の超リーンバーン運転とすることができる。
【００１６】
本実施の形態では、第１運転モードと第２運転モードの何れを選択するか判断する指標として総合燃費向上率を計算する。総合燃費向上率とは、現在の運転条件の下、第２運転モードによる運転を行った場合の第１運転モードによる運転を行った場合に対する総合燃費の向上率を意味する。総合燃費向上率は、次の（１）式によって表される。
総合燃費向上率＝Ｇ０／（（Ｇ１−Ｃ×Ｇ２）＋Ｇ２））  ・・・（１）
【００１７】
上記の式（１）におけるＧ０は第１運転モードにおいて燃焼室に供給される燃料量であり、Ｇ１は第２運転モードにおいて燃焼室に供給される燃料量（炭化水素系燃料に換算した燃料量）である。また、Ｇ２は改質に用いられる水素化合物の量（炭化水素系燃料に換算した燃料量）であり、Ｃは改質効率である。したがって、Ｃ×Ｇ２は改質で得られる改質ガスの量（炭化水素系燃料に換算した燃料量）を意味し、Ｇ１からＣ×Ｇ２を差し引いた（Ｇ１−Ｃ×Ｇ２）は、第２運転モードにおいて燃焼室に供給される炭化水素系燃料の量を意味する。つまり、燃焼室に供給される炭化水素系燃料の量（Ｇ１−Ｃ×Ｇ２）と、改質に用いられる水素化合物の量Ｇ２との和が、第２運転モードにおいて内燃機関全体で消費される燃料量となる。
【００１８】
一方、炭化水素系燃料に改質ガスを添加することで実現される単純燃費の向上率は、次の（２）式によって表される。つまり、第２運転モードにおいて燃焼室に供給される燃料量Ｇ１に対する、第１運転モードにおいて燃焼室に供給される燃料量Ｇ０の比が単純燃費向上率となる。
単純燃費向上率＝Ｇ０／Ｇ１  ・・・（２）
【００１９】
上記の（１）式と（２）式とを比較して分かるように、仮に改質効率Ｃが１（すなわち１００％）であるならば、総合燃費向上率は単純燃費向上率に等しい。しかし、現実的には改質効率Ｃは１未満であるので、総合燃費向上率は単純燃費向上率よりも低い値となる。そして、（１）式から明らかなように、改質効率Ｃが低いほど総合燃費向上率は低下することになる。
【００２０】
改質効率Ｃを計算するための計算式は、改質方法によって異なった計算式になる。例えば、水素化合物として炭化水素系燃料を用いる場合、その改質方法としては改質触媒を用いる方法と、低温プラズマを用いる方法とが公知方法として挙げられる。改質触媒を用いる方法としては、さらに、部分酸化反応を利用した改質方法、水蒸気改質反応を利用した改質方法、或いは、それらの組み合わせによる改質方法が具体例として挙げられる。また、改質触媒により有機ハイドライド（例えばメチルシクロヘキサン）を脱水素反応させることで水素を含む改質ガスを得ることもできる。低温プラズマを用いる方法では、具体的には、炭化水素系燃料に対し直流パルス放電（ＬＥＰ放電）を行うことで水素を含むガス成分に炭化水素系燃料を分解する。
【００２１】
部分酸化反応を利用した改質方法の場合、改質効率Ｃは次の（３）式によって計算することができる。改質ガス総発量とは、改質ガスに含まれる可燃ガスの総発熱量の意味である。例えば、改質ガスがその成分として水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、メタン及び窒素を含む場合、可燃ガスである水素、一酸化炭素及びメタンの総発熱量が改質ガスの総発熱量として算出される。原料発熱量とは改質ガスの生成のために使用される炭化水素系燃料の発熱量である。なお、部分酸化反応は発熱反応であるため、反応を進行させるために必要な熱の供給は不要である。
改質効率Ｃ＝改質ガス発熱量／原料発熱量  ・・・（３）
【００２２】
水蒸気改質反応を利用した改質方法の場合、改質効率Ｃは次の（４）式によって計算することができる。水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を進行させるためには外部からの熱の供給が必要となる。なお、熱源として内燃機関の廃熱を利用する場合には、その分、供給熱量を少なくして改質効率を高めることができる。
改質効率Ｃ＝改質ガス発熱量／（原料発熱量＋供給熱量）  ・・・（４）
【００２３】
有機ハイドライドの脱水素反応を利用した改質方法の場合、改質効率Ｃは次の（５）式によって計算することができる。脱水素反応は吸熱反応であるため、反応を進行させるためには外部からの熱の供給が必要となる。熱源として内燃機関の廃熱を利用する場合には、その分、供給熱量を少なくして改質効率を高めることができる。
改質効率Ｃ＝改質ガス発熱量／（原料発熱量＋供給熱量）  ・・・（５）
【００２４】
低温プラズマを用いる改質方法の場合は、改質効率Ｃは次の（６）式によって計算することができる。（６）式における供給熱量とは、発電装置を駆動して放電用の電気エネルギを生成するのに必要な熱量を意味する。発電装置としては、オルタネータや回生発電装置を用いることができる。
改質効率Ｃ＝改質ガス発熱量／（原料発熱量＋供給熱量）  ・・・（６）
【００２５】
本実施の形態では、上記の（２）式で計算される単純燃費向上率と、例えば上記の（３）乃至（６）式の何れかの式で計算される改質効率とを用い、次の（７）式によって総合燃費向上率を計算する。（７）式において、Ａが単純燃費向上率であり、Ｃが改質効率である。また、Ｂは水素相当ガス添加割合、Ｄは改質ガス中水素相当ガス割合である。
総合燃費向上率＝Ａ／（１−Ｂ／Ｄ＋Ｂ／（Ｄ×Ｃ））  ・・・（７）
【００２６】
水素相当ガス添加割合Ｂは、第２運転モードにおいて燃焼室に供給される燃料（炭化水素系燃料及び改質ガス）の総発熱量に対する水素相当ガスの総発熱量の比として定義される。改質ガス中水素相当ガス割合Ｄは、改質ガスの総発熱量に対する水素相当ガスの総発熱量の比として定義される。なお、水素相当ガスとは、改質ガスに含まれるガス成分のうち、水素ガス並びに燃焼性において水素ガスに相当するガス（例えばアセチレン）のことをいう。
【００２７】
上記の（７）式において、水素相当ガス添加割合Ｂは内燃機関の運転条件によって決まる値であり、改質ガス中水素相当ガス割合Ｄは改質方法や改質条件によって決まる値である。これらの値は予め実験等によって求めておくことができる。また、単純燃費向上率Ａも運転条件によって決まる値であり、この値も予め実験等によって求めておくことができる。さらに、改質効率Ｃは改質条件によって決まる値であり、この値も予め実験等によって求めておくことができる。本実施の形態では、これらＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの値をそれぞれの関連条件に対応付けたマップを用意しておき、内燃機関の運転時には、マップから条件に応じた各値を読み出して（７）式を計算する。
【００２８】
（７）式によって計算される総合燃費向上率が１以下の場合、少なくとも燃費の観点からは改質ガスを生成して利用するメリットは無い。一方、総合燃費向上率が１よりも大きい場合には、少なくとも燃費の観点において改質ガスを生成して利用するメリットが有る。そこで、総合燃費向上率が１以下の場合には改質ガスの生成は行わず、炭化水素系燃料のみを燃料として内燃機関の運転を行うようにする。また、総合燃費向上率が１よりも大きければ改質ガスの生成を行い、生成した改質ガスを炭化水素系燃料に添加して内燃機関の運転を行うようにする。これにより、燃費の向上に寄与しない無駄な改質処理や無駄な改質ガスの使用を防止して、全体として確実に燃費を向上させることができる。
【００２９】
なお、総合燃費向上率が１よりも大きいか否かで判断するのではなく、燃費以外の他のメリット或いはデメリットも勘案して基準値を定め、総合燃費向上率が基準値よりも大きいか否かで改質ガスの生成を行うか否か判断してもよい。
【００３０】
以下では、図面を参照して、本発明のより具体的な実施の形態について説明する。
【００３１】
実施の形態１．
まず、図１乃至図４により、本発明の実施の形態１について説明する。
【００３２】
図１は本発明の実施の形態１としての改質ガス利用内燃機関のシステム構成を示す図である。本実施の形態の改質ガス利用内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンとして構成されるエンジン本体２を備えている。エンジン本体２は図示していないが複数の気筒を有している。気筒毎に燃焼室１２が設けられ、各燃焼室１２の頂部には点火プラグ１４が取り付けられている。また、燃焼室１２には新規ガスが導入される吸気通路４と、燃焼ガスが排出される排気通路６が接続されている。燃焼室１２と吸気通路４との接続部にはその連通状態を制御する吸気弁８が設けられ、燃焼室１２と排気通路６との接続部にはその連通状態を制御する排気弁１０が設けられている。吸気通路４には吸入空気量を調整するためのスロットル１８が配置されている。
【００３３】
スロットル１８の下流で吸気弁８の上流には、燃焼室１２に燃料を供給するためのインジェクタ１６が取り付けられている。インジェクタ１６は気筒毎に備えられている。インジェクタ１６から噴射される燃料はガソリン等の炭化水素系燃料であり、この燃料は燃料タンク２０に貯蔵されている。燃料は燃料タンク２０内から燃料ポンプ２２によって吸い上げられて各気筒のインジェクタ１６に供給される。
【００３４】
本実施の形態の改質ガス利用内燃機関は、インジェクタ１６から噴射される炭化水素系燃料に加え、炭化水素系燃料を改質して得られる改質ガスも燃料として利用可能に構成されている。また、外部からの供給を受けることなく車上で改質ガスを生成するため、本実施の形態の改質ガス利用内燃機関は燃料改質装置３０を備えている。
【００３５】
燃料改質装置３０は、燃料タンク２０内に貯蔵されている炭化水素系燃料を原料として水素ガスを含む改質ガスを生成する。本実施の形態にかかる燃料改質装置３０は、改質触媒による部分酸化反応を利用した改質方法を採っている。ただし、本発明にかかる改質方法としては前述の何れの方法も採用可能であり、改質方法が改質触媒による部分酸化反応に限定されるものではない。異なる改質方法を採る場合には、その方法に応じた構成の燃料改質装置を備えればよい。
【００３６】
燃料改質装置３０は、内部に改質触媒が配置される改質器３２を備えている。改質器３２内では、改質触媒上に炭化水素系燃料と空気の混合気が供給されることで、炭化水素系燃料の部分酸化反応が起こり、水素ガスを含む改質ガスが生成されるようになっている。
【００３７】
なお、炭化水素系燃料の改質効率は改質触媒の温度に依存する。触媒温度が活性温度に達していないとき、或いは、活性温度には達しているが改質効率が最大となる適正温度域よりも低いときには十分な改質効率を得ることができない。このため、改質器３２には触媒温度を監視するための温度センサ７２が取り付けられている。
【００３８】
改質器３２には、炭化水素系燃料と空気とを予め混合した状態で改質器３２に供給するための予混合器３６が接続されている。予混合器３６には、予混合器３６内に改質用の炭化水素系燃料を供給するための改質燃料インジェクタ３８が取り付けられている。改質燃料インジェクタ３８は、各気筒に設けられるインジェクタ１６が接続されているのと同じ燃料タンク２０に接続されている。燃料ポンプ２２によって燃料タンク２０から吸い上げられた燃料は、各気筒のインジェクタ１６と、燃料改質装置３０の改質燃料インジェクタ３８とに分配されるようになっている。
【００３９】
また、予混合器３６には、予混合器３６内に空気を供給するための空気通路４４が接続されている。吸気通路４におけるスロットル１８の上流には空気取入口５０が形成され、空気通路４４のもう一方の端部はこの空気取入口５０に接続されている。空気通路４４には送風機４０が配置されており、送風機４０によって空気取入口５０から取り入れられた改質用空気が空気通路４４を通って予混合器３６に供給される。この送風機４０には、予混合器３６に供給する空気の流量を調整するための流量制御弁が設けられている。こうして予混合器３６に供給された炭化水素系燃料と空気は、予混合器３４内で均一に混合して混合気となり、この混合気が改質器３２へ供給される。
【００４０】
改質器３２には、熱交換器３４が隣接して設けられている。この熱交換器３４内には上記の空気通路４４が通っている。改質器３２で起こる部分酸化反応は発熱反応であり、反応が進むにつれて改質触媒の温度は上昇する。改質ガスの改質効率は触媒温度が適正温度より高すぎても低下する。また、触媒温度が高すぎると、改質触媒が劣化してしまうおそれもある。燃料改質装置３０では、熱交換器３４を流れる空気との熱交換によって改質器３２を冷却することで、改質触媒の温度上昇を抑制している。
【００４１】
改質器３２内での部分酸化反応によって生成された改質ガスは、改質器３２と吸気通路４とを接続する改質ガス通路４６を通って吸気通路４内に供給される。吸気通路４におけるスロットル１８の上流であって空気取入口５０の下流には、改質ガス供給口５２が形成され、改質ガス通路４６はこの改質ガス供給口５２に接続されている。改質ガス通路４６は空気通路４４と交差しており、その交差部には熱交換器４２が配置されている。この熱交換器４２内での熱交換によって改質ガスの冷却が行われる。
【００４２】
また、本実施形態の改質ガス利用内燃機関は、システム全体の運転を制御する制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０を備えている。ＥＣＵ７０は、温度センサ７２を含むシステム内の複数のセンサからの信号に基づき、システムの作動に係わる各種機器、例えば、インジェクタ１６，点火プラグ１４，スロットル１８，燃料改質装置３０等を総合的に制御している。燃料改質装置３０に関しては、ＥＣＵ７０は、改質燃料インジェクタ３８や送風機４０の制御を行っている。
【００４３】
以下では、ＥＣＵ７０によって実施される燃料改質装置３０の制御について説明する。本実施の形態では、低中負荷域でのリーン限界の拡大に改質ガスを利用する。炭化水素系燃料の部分酸化反応により得られる改質ガスは、燃焼性に優れた水素ガスを多く含んでいる。このため、燃焼室１２内に供給される混合気に改質ガスを添加することで燃焼限界をリーン側に拡大し、超リーンバーン運転を実現することが可能になる。図４のフローチャートは、エンジン本体２が低中負荷域にあるときにＥＣＵ７０により実施される制御のルーチンを示している。
【００４４】
図４に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、燃料改質装置３０にて改質処理を実行する際の改質条件が取得される。ここでは、改質触媒の温度、吸入空気に含まれる水蒸気量、改質燃料インジェクタ３８から供給される燃料量等、改質効率に影響する条件のうち特に影響が大きい条件が改質条件として取得される。改質条件として水蒸気量が挙げられるのは、空気中に水蒸気を含む場合には水蒸気改質反応も並行して起こりうるからである。また、改質条件として燃料供給量が挙げられるのは、燃料量に応じて改質ガスに含まれる各成分の生成割合も変化するからである。なお、改質方法として改質触媒以外の方法が選択される場合には、上記とは異なる条件が改質条件として選択される。例えば、低温プラズマにより改質を行う場合には、改質条件の１つとして発電装置の発電効率を選択してもよい。
【００４５】
次のステップＳ１０２では、取得された改質条件に基づいて改質効率が算出される。具体的には予め作成されたマップから改質条件に応じた改質効率の値が読み出される。図２は、複数の改質条件のうち改質触媒温度以外は固定したときの、改質触媒温度と改質効率との関係を示すグラフである。このような改質触媒温度と改質効率との関係を改質触媒温度以外の改質条件を異ならせて求めたものがマップに記録されている。
【００４６】
次のステップＳ１０４では、現在の運転条件の下、水素ガス（改質ガス）の添加による超リーンバーン運転を行った場合の燃費向上率が算出される。ここでいう燃費向上率は、改質効率を考慮していない単純燃費向上率である。現在の運転条件によって水素ガスの添加割合が決まり、水素ガスの添加割合に応じた単純燃費向上率が求められる。運転条件と水素ガスの添加割合、そして、水素ガスの添加割合と単純燃費向上率との関係はマップに記憶され、必要な情報はマップから読み出されるようになっている。
【００４７】
次のステップＳ１０６では、改質効率を考慮した総合燃費向上率が算出される。具体的には、上記の（７）式によって総合燃費向上率の計算が行われる。ステップＳ１０２で求められた改質効率の値が（７）式のＣに代入され、ステップＳ１０４で求められた単純燃費向上率の値が（７）式のＡに代入される。（７）式のＢには、現在の運転条件に応じた水素相当ガス添加割合の値がマップから読み出されて代入される。また、（７）式のＤには、改質条件に応じた改質ガス中水素相当ガス割合の値がマップから読み出されて代入される。
【００４８】
図３は、（７）式においてＡ，Ｂ，Ｃの値を固定したときの、総合燃費向上率と改質効率との関係を示すグラフである。ここでは、水素相当ガス添加割合Ｂを０．２、改質ガス中水素相当ガス割合Ｄを０．４３としている。水素相当ガス添加割合Ｂを０．２に設定すると空気過剰率が２の超リーンバーン運転を実現することができ、単純燃費を１８％向上させることができる。つまり、この場合、単純燃費向上率Ａは１．１８となる。図２及び図３に示す例では、改質触媒温度が６５０℃のときには改質効率は約０．７となり、総合燃費向上率は１よりも小さくなってしまう。一方、改質触媒温度が７５０℃のときには改質効率は約０．８となり、総合燃費向上率は１よりも大きくなる。
【００４９】
ステップＳ１０８では、ステップＳ１０６で算出された総合燃費向上率が１よりも大きいか否か判定される。総合燃費向上率が１よりも大きければ、少なくとも燃費の観点からは燃料改質装置３０による改質処理を実施し、得られた水素ガスを炭化水素系燃料に添加するメリットが有ると判断できる。一方、総合燃費向上率が１以下の場合には、少なくとも燃費の観点からは改質処理を実行してまで水素ガスを炭化水素系燃料に添加するメリットは無いと判断できる。
【００５０】
そこで、ステップＳ１０８の判定の結果、総合燃費向上率が１よりも大きい場合には、ステップＳ１１０の処理が実行される。ステップＳ１１０では、燃料改質装置３０の作動により炭化水素系燃料の改質が実施される。そして、炭化水素系燃料の改質により得られた水素ガス（改質ガス）がインジェクタ１６から噴射される炭化水素系燃料とともに燃焼室１２に供給される。エンジン本体２では、水素ガスの添加による超リーンバーン運転が行われる。本実施の形態では、この水素ガスの添加による超リーンバーン運転が前述の第２運転モードにおける最適運転となっている。
【００５１】
一方、ステップＳ１０８の判定の結果、総合燃費向上率が１以下の場合には、ステップＳ１１２の処理が実行される。ステップＳ１１２では、送風機４０及び改質燃料インジェクタ３８の運転が停止され、炭化水素系燃料の改質と水素ガスの燃焼室１２への供給とがともに停止される。エンジン本体２では、超リーンバーン運転は行われず、インジェクタ１６から噴射される炭化水素系燃料のみを使用したストイキ運転が行われる。本実施の形態では、この炭化水素系燃料によるストイキ運転が前述の第１運転モードにおける最適運転となっている。
【００５２】
以上説明したルーチンが実行されることで、燃費の向上に寄与しない無駄な改質処理や無駄な水素ガスの使用を防止することができ、超リーンバーン運転による燃費向上の効果を確実に得ることができるようになる。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、ＥＣＵ７０によって図４に示すルーチンのステップＳ１００の処理が実行されることにより、第１の発明の「改質条件取得手段」が実現されている。また、ステップＳ１０２の処理が実行されることで、第１の発明の「第１指標値算出手段」が実現され、ステップＳ１０４の処理が実行されることで、第１の発明の「第２指標値算出手段」が実現されている。そして、ステップＳ１０６の処理が実行されることで、第１の発明の「第３指標値算出手段」が実現され、ステップＳ１０８，Ｓ１１０及びＳ１１２の処理が実行されることで、第１の発明の「運転モード選択手段」が実現されている。
【００５４】
実施の形態２．
次に、図５及び図６により、本発明の実施の形態２について説明する。
【００５５】
本実施の形態の改質ガス利用内燃機関は、ハイブリッド車両に搭載されてモータと協働して車両を駆動するハイブリッド車両用内燃機関として構成される。ただし、改質ガス利用内燃機関それ自体のシステム構成は実施の形態１と同様であり、図１に示すシステム構成が採られている。エンジン本体２とモータとの組み合わせ方、つまり、ハイブリッドシステムの構成に関しての限定はない。
【００５６】
ハイブリッド車両では、エンジン本体２のエンジン回転数及びトルクを任意に制御すること可能であり、エンジン本体２は高負荷域を積極的に使用することができる。図５はエンジン本体２の運転域と燃費との関係を示す図である。図中に示す等出力線と等燃費線との関係から分かるように、出力が同じでも運転域が低回転側ほど燃費は向上する。これは、回転数が低いほどフリクションロスも減少することによる。したがって、可能な限りノック限界に近い運転域で運転することで高い燃費を実現することができる。
【００５７】
本実施の形態では、燃料改質装置３０によって生成される改質ガスをノック限界の拡大に利用する。炭化水素系燃料を改質して得られる改質ガスは、燃焼性に優れた水素ガスを多く含んでいる。このため、燃焼室１２内に供給される混合気に改質ガスを添加することで高負荷時のノックを抑制することができ、図５に示すようにノック限界を拡大することができる。これによれば、水素ガスの添加が無い場合に比較してさらに高負荷側の運転域で運転することが可能になり、より高い燃費を実現することが可能になる。ただし、ここでいう燃費はあくまでも単純燃費であり、単純燃費が向上するからと言って必ずしも総合燃費が向上するとは限らない。前述のように、総合燃費は改質効率の影響を受けるからである。
【００５８】
そこで、本実施の形態では、図６のフローチャートに従って燃料改質装置３０の制御が行われる。図６のフローチャートは、本実施の形態においてＥＵ７０により実施される制御のルーチンを示している。
【００５９】
図６に示すルーチンの最初のステップＳ２００では、燃料改質装置３０にて改質処理を実行する際の改質条件、具体的には、改質触媒の温度、吸入空気に含まれる水蒸気量、改質燃料インジェクタ３８から供給される燃料量等、改質効率に影響する条件のうち特に影響が大きい条件が取得される。そして、次のステップＳ２０２では、予め作成されたマップから改質条件に応じた改質効率の値が読み出される。
【００６０】
次のステップＳ２０４では、現在の運転条件に応じて水素ガス（改質ガス）の添加割合が決定され、水素ガスの添加割合に応じて運転域、つまり、水素ガスの添加により拡大されるノック限界付近での運転域が決定される。そして、決定された運転域で運転した場合の燃費向上率が求められる。ここでいう燃費向上率は、改質効率を考慮していない単純燃費向上率である。運転条件と水素ガスの添加割合、水素ガスの添加割合と運転域、そして、運転域と単純燃費向上率との関係はマップに記憶され、必要な情報はマップから読み出されるようになっている。
【００６１】
次のステップＳ２０６では、改質効率を考慮した総合燃費向上率が算出される。具体的には、上記の（７）式によって総合燃費向上率の計算が行われる。ステップＳ２０２で求められた改質効率の値が（７）式のＣに代入され、ステップＳ２０４で求められた単純燃費向上率の値が（７）式のＡに代入される。（７）式のＢには、現在の運転条件に応じた水素相当ガス添加割合の値がマップから読み出されて代入される。また、（７）式のＤには、改質条件に応じた改質ガス中水素相当ガス割合の値がマップから読み出されて代入される。
【００６２】
ステップＳ２０８では、ステップＳ２０６で算出された総合燃費向上率が１よりも大きいか否か判定される。総合燃費向上率が１よりも大きければ、少なくとも燃費の観点からは燃料改質装置３０による改質処理を実施し、得られた水素ガスを炭化水素系燃料に添加するメリットが有ると判断できる。一方、総合燃費向上率が１以下の場合には、少なくとも燃費の観点からは改質処理を実行してまで水素ガスを炭化水素系燃料に添加するメリットは無いと判断できる。
【００６３】
そこで、ステップＳ２０８の判定の結果、総合燃費向上率が１よりも大きい場合には、ステップＳ２１０の処理が実行される。ステップＳ２１０では、燃料改質装置３０の作動により炭化水素系燃料の改質が実施される。そして、炭化水素系燃料の改質により得られた水素ガス（改質ガス）がインジェクタ１６から噴射される炭化水素系燃料とともに燃焼室１２に供給される。エンジン本体２では、水素ガスの添加によって拡大されるノック限界付近での高負荷域運転が行われる。本実施の形態では、水素ガスの添加によって拡大されるノック限界付近での高負荷域運転が前述の第２運転モードにおける最適運転となっている。
【００６４】
一方、ステップＳ２０８の判定の結果、総合燃費向上率が１以下の場合には、ステップＳ２１２の処理が実行される。ステップＳ２１２では、送風機４０及び改質燃料インジェクタ３８の運転が停止され、炭化水素系燃料の改質と水素ガスの燃焼室１２への供給とがともに停止される。エンジン本体２では、インジェクタ１６から噴射される炭化水素系燃料のみを使用してノック限界付近での高負荷域運転が行われる。本実施の形態では、炭化水素系燃料のみを使用するノック限界付近での高負荷域運転が前述の第１運転モードにおける最適運転となっている。
【００６５】
以上説明したルーチンが実行されることで、燃費の向上に寄与しない無駄な改質処理や無駄な水素ガスの使用を防止することができ、水素ガスの添加により拡大したノック限界付近での高負荷域運転による燃費向上の効果を確実に得ることができるようになる。
【００６６】
なお、本実施の形態においては、ＥＣＵ７０によって図６に示すルーチンのステップＳ２００の処理が実行されることにより、第１の発明の「改質条件取得手段」が実現されている。また、ステップＳ２０２の処理が実行されることで、第１の発明の「第１指標値算出手段」が実現され、ステップＳ２０４の処理が実行されることで、第１の発明の「第２指標値算出手段」が実現されている。そして、ステップＳ２０６の処理が実行されることで、第１の発明の「第３指標値算出手段」が実現され、ステップＳ２０８，Ｓ２１０及びＳ２１２の処理が実行されることで、第１の発明の「運転モード選択手段」が実現されている。
【００６７】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変形して実施することもできる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００６８】
図１のシステム構成では、吸気通路４に改質ガスを供給することとしているが、高圧ポンプによって改質ガスを圧縮して燃焼室１２内に直接供給するようにしてもよい。インジェクタ１６に関しても同様であり、燃焼室１２内に直接燃料を噴射するようにしてもよい。また、改質ガスを炭化水素系燃料に混合してインジェクタ１６から噴射するようにしてもよい。
【００６９】
上記実施の形態にかかる燃料改質装置３０では、炭化水素系燃料を部分酸化反応させることで改質ガスを得ているが、炭化水素系燃料を水蒸気改質することで改質ガスを得るようにしてもよい。或いは、炭化水素系燃料、空気及び水蒸気を改質触媒に供給し、部分酸化反応と水蒸気改質反応をともに生じさせて改質ガスを得るようにしてもよい。さらに、インジェクタ１６から噴射する炭化水素系燃料を改質用に使用するのではなく、炭化水素系燃料とは別に改質専用の水素化合物を貯蔵しておき、これを改質して水素ガスを得るようにしてもよい。
【００７０】
また、有機ハイドライドを脱水素反応させて水素ガスを得る燃料改質装置を備えてもよい。この場合、改質用の有機ハイドライド、及び、改質により水素ガスとともに得られる炭化水素系燃料は、インジェクタ１６から噴射する主燃料として利用することができる。
【００７１】
さらに、改質触媒以外の方法で水素ガスを得る燃料改質装置を備えてもよい。例えば、低温プラズマを発生させて水素化合物を分解することで水素ガスを生成する装置や、水の電気分解により水素ガスを生成する装置であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態１としての改質ガス利用内燃機関のシステム構成を示す図である。
【図２】改質触媒温度と改質効率との関係の一例を示すグラフである。
【図３】総合燃費向上率と改質効率との関係の一例を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態１において実行される制御のルーチンについて示すフローチャートである。
【図５】エンジン回転数とトルクから定まるエンジンの運転域と燃費との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２において実行される制御のルーチンについて示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７３】
２  エンジン本体
４  吸気通路
６  排気通路
１２  燃焼室
１４  点火プラグ
１６  インジェクタ
１８  スロットル
２０  燃料タンク
２２  燃料ポンプ
３０  燃料改質装置
３２  改質器
３４  熱交換器
３６  予混合器
３８  改質燃料インジェクタ
４０  送風機
４２  熱交換器
４４  空気通路
４６  改質ガス通路
５０  空気取入口
５２  改質ガス供給口
７０  ＥＣＵ
７２  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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