(57)【要約】【課題】排気浄化触媒の暖機を促進可能な水素利用内燃機関を提供する。【解決手段】排気浄化触媒の温度が所定温度T2よりも低い場合に、脱水素触媒への水素化燃料の噴射量の補正係数K(<1.0)を脱水素触媒温度と排気浄化触媒温度との関係で定められたマップを参照して算出する（ステップ１０４）。その後、エンジン運転条件に基づき脱水素触媒への水素化燃料の噴射量Aを算出する（ステップ１０８）。ステップ１０４で算出された補正係数Kとステップ１０８で算出された噴射量Aを乗算することで、脱水素触媒への水素化燃料の最終的な噴射量を算出する（ステップ１１０）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の脱水素反応若しくは改質反応により得られた水素を利用する水素利用内燃機関であって、
内燃機関の排気通路に設けられ、排気熱により燃料を脱水素反応若しくは改質反応させることで水素を生成する水素生成触媒と、
前記水素生成触媒に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記排気通路における前記水素生成触媒よりも下流に設けられた排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の暖機時に前記燃料供給手段から前記水素生成触媒への燃料供給量を、前記排気浄化触媒の暖機後の燃料供給量よりも少なくする燃料供給量制御手段とを備えたことを特徴とする水素利用内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の水素利用内燃機関において、
前記排気浄化触媒の温度を検出する排気浄化触媒温度検出部を更に備え、
前記燃料供給量制御手段は、前記排気浄化触媒温度検出部により検出された前記排気浄化触媒の温度が所定温度よりも高い場合には、該所定温度以下である場合に比して燃料供給量を増加させるものであることを特徴とする水素利用内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料の脱水素反応若しくは改質反応により得られた水素を利用する水素利用内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路に脱水素触媒と排気浄化触媒とを備えた装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。これらの装置によれば、脱水素触媒において排気熱を利用して水素化燃料を脱水素反応させた後、該脱水素反応により得られた水素と脱水素生成物の少なくとも一方を燃焼させて運転することが可能である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１４７１２４号公報
【特許文献２】特開２００４−１８９５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記脱水素触媒における脱水素反応は吸熱反応である。このため、脱水素触媒への水素化燃料の供給量が多い場合には、脱水素触媒における排気熱の吸熱量が大きくなる。よって、脱水素触媒から流出する排気ガスの温度、すなわち、排気浄化触媒に流入する排気ガスの温度が著しく低下する。従って、排気浄化触媒の暖機中に脱水素触媒への水素化燃料が多いと、排気浄化触媒の暖機が遅くなってしまい、エミッション性能が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、排気浄化触媒の暖機を促進可能な水素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、燃料の脱水素反応若しくは改質反応により得られた水素を利用する水素利用内燃機関であって、
内燃機関の排気通路に設けられ、排気熱により燃料を脱水素反応若しくは改質反応させることで水素を生成する水素生成触媒と、
前記水素生成触媒に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記排気通路における前記水素生成触媒よりも下流に設けられた排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の暖機時に前記燃料供給手段から前記水素生成触媒への燃料供給量を、前記排気浄化触媒の暖機後の燃料供給量よりも少なくする燃料供給量制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記排気浄化触媒の温度を検出する排気浄化触媒温度検出部を更に備え、
前記燃料供給量制御手段は、前記排気浄化触媒温度検出部により検出された前記排気浄化触媒の温度が所定温度よりも高い場合には、該所定温度以下である場合に比して燃料供給量を増加させるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第１の発明によれば、排気浄化触媒の暖機時の水素生成触媒への燃料供給量を、排気浄化触媒の暖機後の燃料供給量に比して少なくすることで、水素生成触媒における吸熱量が低減される。これにより、排気浄化触媒に流入する排気ガスの温度を高められるため、排気浄化触媒の暖機が促進される。
【０００９】
第２の発明によれば、排気浄化触媒の温度が所定温度よりも高い場合には水素生成触媒への燃料供給量を増加させることで、水素生成触媒における吸熱量が増加せしめられる。これにより、排気浄化触媒に流入する排気ガスの温度を低くすることができるため、排気浄化触媒の温度が異常高温になる事態を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１１】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１によるシステムの構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態１のシステムは、水素化燃料を貯留する水素化燃料貯留部２を備えている。水素化燃料は、有機ハイドライド並びにガソリンに水素が添加されたものから選ばれる少なくとも１つを含むものであり、例えば、トルエンに水素が添加されてなるメチルシクロヘキサン（Ｃ７Ｈ１４）である。水素化燃料貯留部２は、ポンプ４を介して水素化燃料供給用のインジェクタ６に連通している。インジェクタ６は、反応器１０内の脱水素触媒１２に水素化燃料を供給できるように設けられている。
【００１２】
反応器１０は、排気通路５０を取り巻くように設けられている。脱水素触媒１２は、排気通路５０を流れる排気ガスの熱（排気熱）により加熱されるように設けられている。脱水素触媒１２は、例えば、ドーナツ型ハニカム担体の各セルの内壁にセリア−アルミナからなるコート層を設け、該コート層にＰｔ微粒子を担持させたものである。脱水素触媒１２には、該触媒１２の温度を検出する脱水素触媒温度センサ１４が設けられている。反応器１０は、配管１６を介して分離装置２０と接続されている。配管１６は、脱水素反応により得られた水素と脱水素生成物（すなわち、ガソリン）とを分離装置２０に排出するためのものである。
【００１３】
分離装置２０は、内部にタンクを有している。分離装置２０は、水素及び脱水素生成物を冷却させることにより、脱水素生成物を液化させるように構成されている。
分離装置２０の上部には、配管２１の一端が接続されている。配管２１の他端は、ポンプ２２とバッファタンク２３とレギュレータ２４を介して水素供給用のインジェクタ２５に連通している。インジェクタ２５は、吸気通路４０内に水素を添加できるように設けられている。ポンプ２２とバッファタンク２３の間には、リリーフバルブ２６を介して迂路２７が設けられている。
分離装置２０の下部は、配管２９を介して脱水素生成物貯留部３０に連通している。脱水素生成物貯留部３０には、配管３１の一端が接続されている。配管３１の他端は、ポンプ３２を介して脱水素生成物供給用のインジェクタ３３に連通している。インジェクタ３３は、吸気通路４０内に脱水素生成物を供給できるように設けられている。
【００１４】
吸気通路４０におけるインジェクタ２５の上流には、スロットルバルブ４１が設けられている。スロットルバルブ４１は、アクセル開度センサ５４により検出されるアクセル開度AAに基づいて駆動される電子制御式のバルブである。吸気通路４０は、吸気バルブ４２を介してシリンダ４３に連通している。シリンダ４３には、冷却水の温度TWを検出する冷却水温センサ４４が設けられている。シリンダ４３内には、ピストン４５が設けられている。ピストン４５は、クランク機構を介してクランク軸４６に接続されている。クランク軸４６の近傍には、クランク角CAを検出するクランク角センサ４７が設けられている。また、シリンダヘッドには、点火プラグ４８が設けられている。シリンダ４３は、排気バルブ４９を介して排気通路５０に連通している。排気通路５０における反応器１０の下流には、排気空燃比を検出する空燃比センサ５１が設けられている。さらに、空燃比センサ５１の下流には排気浄化触媒（以下「浄化触媒」という。）５２が設けられている。浄化触媒５２は、排気ガスを浄化可能に構成されており、例えば、３元触媒である。浄化触媒５２には、該浄化触媒５２の温度を検出する浄化触媒温度センサ５３が設けられている。
【００１５】
本実施の形態１のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。ＥＣＵ６０の入力側には、脱水素触媒温度センサ１４、冷却水温センサ４４、クランク角センサ４７、空燃比センサ５１、浄化触媒温度センサ５３、アクセル開度センサ５４等が接続されている。ＥＣＵ６０の出力側には、ポンプ４，２２，３２、インジェクタ６，２５，３３、スロットルバルブ４１、点火プラグ４８等が接続されている。
ＥＣＵ６０は、クランク角センサ４７により検出されたクランク角CAに基づいて機関回転数NEを算出する。また、ＥＣＵ６０は、アクセル開度センサ５４により検出されたアクセル開度AAに基づいて負荷KLを算出する。
【００１６】
［実施の形態１の特徴］
次に、本実施の形態１における上記システムの動作について説明する。
内燃機関の始動後、シリンダ４３から排出された排気ガスの熱によって排気通路５０が加熱される。これと共に、反応器１０内の脱水素触媒１２が加熱される。ポンプ４が駆動されると、水素化燃料貯留部２からインジェクタ６に水素化燃料が供給される。所定温度以上に加熱された脱水素触媒１２にインジェクタ６から水素化燃料が供給されると、脱水素触媒１２において水素化燃料の脱水素反応が行われる。該脱水素反応により生じた水素と脱水素生成物とは、配管１６を介して分離装置２０に送られる。分離装置２０において、水素及び脱水素生成物は冷却される。その結果、脱水素生成物が液化してタンク下部に溜まり、水素と分離される。このようにして、車上で水素が生成される。
【００１７】
分離された脱水素生成物は、配管２９を介して脱水素生成物貯留部３０に送られる。ポンプ３２が駆動されると、脱水素生成物貯留部３０から配管３１を介してインジェクタ３３に脱水素生成物が供給され、所定のタイミングでインジェクタ３３から吸気通路４０に脱水素生成物が供給される。一方、分離された水素は、ポンプ２２が駆動されると、配管２１を介してバッファタンク２３に供給される。さらに、水素は、レギュレータ２４を介してインジェクタ２５に供給される。そして、上記脱水素生成物の供給タイミングに合わせて、インジェクタ２５から吸気通路４０に水素が供給される。これにより、脱水素生成物及び水素を含む混合気が得られる。脱水素生成物に対して水素を添加することにより、混合気の燃焼性を大幅に改善することができる。
【００１８】
この混合気は、シリンダ４３内に供給される。そして、シリンダ４３内で点火プラグ４８による点火が行われると、混合気が燃焼する。その後、シリンダ４３から排出された排気ガスは、排気通路５０を通って浄化触媒５２に供給され、該浄化触媒５２において浄化される。
【００１９】
ところで、反応器１０の脱水素触媒１２上で起こる脱水素反応は吸熱反応である。よって、脱水素触媒１２への水素化燃料の供給量が多い場合には、脱水素触媒１２における脱水素反応が頻繁に行われるため、脱水素触媒１２における吸熱量が増大する。そうすると、脱水素触媒１２から流出する排気ガスの温度、すなわち、浄化触媒５２に流入する排気ガスの温度が低くなってしまう。従って、浄化触媒５２の暖機時に脱水素触媒１２への水素化燃料の供給量が多い場合には、浄化触媒５２の暖機が遅くなってしまい、エミッション性能が悪化してしまう可能性がある。
【００２０】
そこで、本実施の形態１では、浄化触媒５２の暖機時における脱水素触媒１２への水素化燃料の供給量を、浄化触媒５２の暖機後の供給量に比べて少なくする。これにより、浄化触媒５２暖機時の脱水素触媒１２における吸熱量が低減されるため、浄化触媒５２に流入する排気ガスの温度を高く保つことができる。よって、浄化触媒５２の暖機を促進することができ、良好なエミッション性能を得ることができる。
【００２１】
［実施の形態１における具体的処理］
図２は、本実施の形態１において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。
図２に示すルーチンによれば、先ず、脱水素触媒１２の温度が所定温度T1以上であるか否かを判別する（ステップ１００）。ここで、所定温度T1は、脱水素触媒１２の活性化が開始する温度であり、例えば、２００℃である。脱水素触媒１２の温度が所定温度T1に達していない場合には、脱水素触媒１２において脱水素反応が起こらないか、たとえ脱水素反応が起こったとしても所望量の水素を得ることができない。よって、このステップ１００では、脱水素触媒１２が水素を生成可能な状態であるか否かが判別される。ステップ１００で脱水素触媒１２の温度が所定温度T1よりも低いと判別された場合には、本ルーチンを終了する。
【００２２】
上記ステップ１００で脱水素触媒１２の温度が所定温度T1以上であると判別された場合、つまり、脱水素触媒１２が水素を生成可能な状態である場合には、浄化触媒５２の温度が所定温度T2よりも低いか否かを判別する（ステップ１０２）。ここで、所定温度T2は、浄化触媒５２の活性化が開始する温度であり、例えば、２００℃である。このステップ１０２では、浄化触媒５２を暖機する必要があるか、すなわち、浄化触媒５２を暖機中であるか否かが判別される。
【００２３】
上記ステップ１０２で浄化触媒５２の温度が所定温度T2よりも低いと判別された場合、すなわち、浄化触媒５２を暖機する必要があると判別された場合には、脱水素触媒１２への水素化燃料の噴射量の補正係数Kを算出する（ステップ１０４）。このステップ１０４において、ＥＣＵ６０は、ＥＣＵ６０内に予め記憶されたマップを参照して、脱水素触媒１２の温度と浄化触媒５２の温度とに応じた補正係数Kを読み出す。この補正係数Kは１よりも小さい数値である。
【００２４】
一方、上記ステップ１０２で浄化触媒５２の温度が所定温度T2以上であると判別された場合、すなわち、浄化触媒５２を暖機する必要がないと判別された場合には、補正係数Kは１とする（ステップ１０６）。
【００２５】
次に、エンジンの運転条件に基づいて、脱水素触媒１２への水素化燃料の噴射量Aを算出する（ステップ１０８）。このステップ１０８において、ＥＣＵ６０は、ＥＣＵ６０内に予め記憶されたマップを参照して、機関回転数NEと負荷KLと冷却水温TWとに応じた噴射量Aを読み出す。すなわち、このステップ１０８では、浄化触媒暖機後の最適噴射量Aが算出される。
【００２６】
次に、上記ステップ１０４又は１０６で算出された補正係数Kと、上記ステップ１０８で算出された噴射量Aとを乗算することで、脱水素触媒１２への最終的な噴射量（最終噴射量）を算出する（ステップ１１０）。このステップ１１０で、上記ステップ１０４で算出された補正係数Kを用いた場合、浄化触媒暖機時の最終噴射量は、暖機後の最終噴射量よりも少なくされる。
そして、上記ステップ１１０で算出された最終噴射量で水素化燃料をインジェクタ６から脱水素触媒１２に噴射する（ステップ１１２）。
【００２７】
以上説明したように、図２に示すルーチンによれば、浄化触媒温度が所定温度T2よりも低い場合には、１よりも小さい補正係数Kが算出される。そして、この補正係数Kを、運転条件に応じて求められた噴射量Aに乗じることで、脱水素触媒１２への最終的な水素化燃料噴射量が算出される。従って、浄化触媒５２の暖機時には、暖機後に比して水素化燃料の最終噴射量が少なくされる。このため、浄化触媒５２の暖機時の脱水素触媒１２における吸熱量が低減されるため、浄化触媒５２に流入する排気ガスの温度を高めることができる。よって、浄化触媒５２の暖機を促進することができる。
【００２８】
ところで、本実施の形態１では、分離装置２０で分離された水素ガスと脱水素生成物を別のインジェクタ２５，３３から噴射するシステムについて説明したが、このようなシステムに限られない。例えば、図３に示す変形例によるシステムに対しても、本発明を適用することができる。本変形例によるシステムは、排気通路５０と吸気通路４０とを結ぶＥＧＲ通路５５と、ＥＧＲ通路５５を開閉するＥＧＲ弁５６と、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５７とを備えている。このＥＧＲ通路５５は、脱水素触媒１２を貫通するように設けられている。脱水素触媒１２で生成された水素ガス及び脱水素生成物ガス（例えば、トルエンガス）は、ＥＧＲガスと共にＥＧＲ通路５５を通って吸気通路４０に供給される。また、このシステムによれば、インジェクタ３３により水素化燃料をそのまま吸気通路４０に噴射することもできる。この場合も、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００２９】
また、本実施の形態１では、脱水素触媒１２における脱水素反応により水素を生成するシステムについて説明したが、浄化触媒の上流に配置された改質触媒における燃料の改質反応により水素を生成するシステムを用いることができる（後述する実施の形態２についても同様）。このシステムによれば、浄化触媒温度が所定温度T2よりも低い場合における改質触媒への最終的な燃料噴射量が、浄化触媒暖機後の燃料噴射量に比して少なくされる。この場合も、上記本実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００３０】
尚、本実施の形態１においては、ＥＣＵ６０が、ステップ１０４，１０８，１１０の処理を実行することにより第１の発明における「燃料供給量制御手段」が、ステップ１１２の処理を実行することにより第１の発明における「燃料供給手段」が、それぞれ実現されている。
【００３１】
実施の形態２．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ６０に、後述する図４に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００３２】
［実施の形態２の特徴］
上記実施の形態１では、浄化触媒５２の暖機時に、脱水素触媒１２への水素化燃料の供給量を暖機後に比して減らすことで、脱水素触媒１２における吸熱量を減らし、浄化触媒５２の暖機を促進した。
【００３３】
ところで、エンジンの運転条件（例えば、高回転高負荷）によっては、浄化触媒５２の温度が異常高温になってしまう可能性がある。浄化触媒５２の温度を低下させる方法として、空燃比を極端にリッチ側にする方法がある。しかし、この方法では、燃費やエミッション性能を悪化させてしまう。
【００３４】
そこで、本実施の形態２では、浄化触媒５２の温度が高温になった場合に、脱水素触媒１２への水素化燃料の供給量を、浄化触媒５２の温度が適正範囲内である場合に比べて増加させる。これにより、脱水素触媒１２における吸熱量が増大されるため、浄化触媒５２に流入する排気ガスの温度を下げることができる。これにより、浄化触媒５２の異常加熱を防止することができる。
【００３５】
［実施の形態２における具体的処理］
図４は、本実施の形態２において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。図４に示すルーチンは、図２に示すルーチンにステップ１１４及び１１６が加えられたものである。
図４に示すルーチンによれば、上記実施の形態１と同様に、ステップ１０２の処理まで実行する。このステップ１０２で浄化触媒温度が所定温度T2よりも低いと判別された場合には、１よりも小さい補正係数Kが算出される（ステップ１０４）。
【００３６】
ステップ１０２で浄化触媒温度が所定温度T2以上であると判別された場合には、ステップ１１４の判別処理を実行する。ステップ１１４では、浄化触媒温度が所定温度T3よりも高いか否かが判別される。ここで、所定温度T3は、浄化触媒５２の適正温度よりも高く、かつ、異常高温に近い温度であり、例えば、８００℃である。このステップ１１４では、浄化触媒５２が異常高温になる可能性が高いか否かが判別される。
【００３７】
上記ステップ１１４で浄化触媒温度が所定温度T3よりも高いと判別された場合、つまり、浄化触媒５２が異常高温になる可能性が高いと判別された場合には、水素化燃料噴射量の補正係数Kは数値Bとされる。この数値Bは１よりも大きい数値である。これにより、水素化燃料の最終噴射量は、浄化触媒温度が所定温度T3以下である場合に比して増大せしめられる。なお、数値Bは固定値でもよく、浄化触媒温度との関係で定められたマップを参照して読み込まれる数値であってもよい。
【００３８】
以上説明したように、図４に示すルーチンによれば、浄化触媒温度が所定温度T3よりも高い場合には、補正係数Kが１よりも大きい数値Bとされる。そして、この補正係数Kを、運転条件に応じて求められた噴射量Aに乗じることで、脱水素触媒１２への最終的な水素化燃料噴射量が算出される。従って、浄化触媒５２が高温時には、水素化燃料の最終噴射量が増加せしめられるため、脱水素触媒１２における吸熱量が増加せしめられる。これにより、浄化触媒５２に流入する排気ガスの温度を低くすることができるため、浄化触媒５２の温度が異常高温になる事態を未然に防ぐことができる。
【００３９】
尚、本実施の形態２においては、ＥＣＵ６０が、ステップ１１６及び１０８の処理を実行することにより第２の発明における「燃料供給量制御手段」が実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１によるシステムの構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態１の変形例によるシステムの構成を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態２において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
２    水素化燃料貯留部
４，２２，３２  ポンプ
６，２５，３３  インジェクタ
１０  反応器
１２  脱水素触媒
１４  脱水素触媒温度センサ
１６，２１，２９，３１  配管
２０  分離装置
２３  バッファタンク
２４  レギュレータ
２６  リリーフバルブ
２７  迂路
３０  脱水素生成物貯留部
４０  吸気通路
４１  スロットルバルブ
４２  吸気バルブ
４３  シリンダ
４４  冷却水温センサ
４５  ピストン
４６  クランク軸
４７  クランク角センサ
４８  点火プラグ
４９  排気バルブ
５０  排気通路
５１  空燃比センサ
５２  排気浄化触媒
５３  浄化触媒温度センサ
５４  アクセル開度センサ
５５  ＥＧＲ通路
５６  ＥＧＲ弁
５７  ＥＧＲクーラ
６０  ＥＣＵ
【図１】
2007138800.tif 000003
【図２】
2007138800.tif 000004
【図３】
2007138800.tif 000005
【図４】
2007138800.tif 000006