(57)【要約】【課題】本発明は、内燃機関の制御装置に関し、燃料改質を実行する改質運転時に点火時期を適正時期に精度良く制御することを目的とする。【解決手段】内燃機関１０のＥＧＲ通路３２，３６の途中には、燃料改質触媒２６が設けられている。ＥＧＲガス中には、改質用燃料噴射装置３４により改質用燃料が噴射される。燃料改質触媒２６は、ＥＧＲガスと改質用燃料とを改質反応させることにより、可燃成分を含む改質ガスを生成する。ＥＧＲ通路３６には、改質ガス中の水素濃度を検出する水素濃度センサ５８が設置されている。ＥＣＵ５０は、水素濃度センサ５８により検出される水素濃度に基づいて、燃焼室に流入する水素量を算出し、その水素量が多い場合ほど、点火時期を遅くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路から取り出したＥＧＲガスを吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲガス中に改質用燃料を噴射する改質用燃料噴射手段と、
前記ＥＧＲ通路の途中であって前記改質用燃料噴射手段の下流側に配置され、前記ＥＧＲガスと前記改質用燃料とを改質反応させることにより、それらを、改質反応生成物である可燃成分を含む改質ガスに転換させる燃料改質触媒と、
前記改質反応に要する熱を前記燃料改質触媒に供給する熱供給手段と、
前記改質ガス中の可燃成分濃度を検出する可燃成分濃度検出手段と、
前記可燃成分濃度に基づいて点火時期を補正する点火時期補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
内燃機関の排気通路から取り出したＥＧＲガスを吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲガス中に改質用燃料を噴射する改質用燃料噴射手段と、
前記ＥＧＲ通路の途中であって前記改質用燃料噴射手段の下流側に配置され、前記ＥＧＲガスと前記改質用燃料とを改質反応させることにより、それらを、改質反応生成物である可燃成分を含む改質ガスに転換させる燃料改質触媒と、
前記改質反応に要する熱を前記燃料改質触媒に供給する熱供給手段と、
前記改質ガス中の可燃成分濃度を検出する可燃成分濃度検出手段と、
前記可燃成分濃度検出手段により検出された信号に基づいて、前記可燃成分が前記内燃機関の燃焼室に到達する前に、予め点火時期を補正する点火時期補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記点火時期補正手段は、前記可燃成分濃度が高い場合ほど点火時期を遅くすることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記可燃成分濃度と、前記ＥＧＲ通路を流れる改質ガス流量とに基づいて、前記内燃機関に還流する可燃成分量を算出する可燃成分量算出手段を備え、
前記点火時期補正手段は、前記可燃成分量が多い場合ほど点火時期を遅くすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記改質用燃料噴射手段により燃料を供給しつつ前記改質ガスを前記吸気通路に還流させる改質運転と、前記改質用燃料噴射手段から燃料を噴射しない非改質運転とを切り換える運転切換手段と、
非改質運転時に非改質運転用点火時期マップに基づいて点火時期を算出する非改質運転点火時期算出手段と、
改質運転時に改質運転用点火時期マップに基づいて点火時期を算出する改質運転点火時期算出手段と、
を備え、
前記点火時期補正手段は、前記非改質運転用点火時期マップが使用される状態と前記改質運転用点火時期マップが使用される状態との間の移行期間において点火時期を補正することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記熱供給手段は、前記内燃機関の排気ガスの熱を前記燃料改質触媒に伝熱させる熱交換器で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項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、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンやバイオ燃料等の燃料と、ＥＧＲガスとを改質反応させる燃料改質触媒を備えた内燃機関が知られている。この内燃機関では、排気ガスの熱等によって加熱した燃料改質触媒において燃料とＥＧＲガスとを反応させることにより、それらを改質ガスに転換させる。改質ガス中には、改質反応により水素ガスおよび一酸化炭素ガスが生成している。この改質ガスは、吸気通路に還流される。そして、改質ガス中の水素および一酸化炭素は、燃焼室で燃焼する。
【０００３】
燃料改質触媒を備えた内燃機関では、上述のような燃料改質を実行する改質運転と、燃料改質を実行せずに通常の内燃機関と同様に吸気ポートまたは筒内に噴射した燃料のみを燃焼させる非改質運転とを、運転状態に応じて切り換える。
【０００４】
非改質運転時には燃料のみが燃焼するのに対し、改質運転時には改質ガス中の水素および一酸化炭素が燃料とともに燃焼する。水素は、燃焼速度が極めて速い。よって、改質運転時には、非改質運転時と比べ、全体の燃焼速度も速くなる。その結果、改質運転時には、非改質運転時と比べ、適正な点火時期が遅くなる。このため、非改質運転から改質運転に切り換えると、点火時期が進角し過ぎた状態となり、ノッキングやプレイグニション等の異常燃焼が生じ易くなる。内燃機関では、通常、ノックセンサーによりノッキングが検出されたら点火時期を遅角するノックコントロール制御が実行される。しかしながら、改質運転時には適正点火時期が大幅に変化するため、ノックコントロール制御では点火時期の補正が間に合わず、異常燃焼の回避が困難である。
【０００５】
特開２００６−２９１７７５号公報には、非改質運転から改質運転に切り換える際に異常燃焼が生ずることを防止するため、改質用燃料を噴射してから燃焼室に改質ガスが到達するまでに要する到達予測時間をエンジン運転状態等に基づいて推定し、改質ガスが燃焼室に到達したと判定された場合には、改質ガス到達前よりも点火時期を遅角させる技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２９１７７５号公報
【特許文献２】特開２００４−９２５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記公報の段落００５９にも記載されているように、改質ガスの到達予測時間をエンジン運転状態等から高精度に予測することは困難である。このため、上記公報に記載された技術を実施したとしても、改質ガスが燃焼室に流入する正確なタイミングで点火時期を遅角することは極めて困難である。よって、従来の技術では、改質運転開始時にノッキングやプレイグニション等の異常燃焼を確実に防止することは困難である。
【０００８】
また、改質運転時における適正点火時期は、燃焼室に流入する水素の量によって変化する。従って、改質運転時の点火時期遅角量を一定値としたのでは、点火時期を適正にすることができない。すなわち、点火時期を精度良く適正時期に制御するためには、燃焼室に流入する水素の量に応じて点火時期を補正することが望ましい。しかしながら、燃焼室に流入する水素の量は、ＥＧＲ流量や改質反応量などに応じて変化する。また、改質反応量は、燃料改質触媒の温度や燃料性状などに応じて変化する。このため、燃焼室に流入する水素の量を精度良く推定することが困難な場合もある。特に、改質運転の開始直後においては改質反応量が不安定であり、燃焼室に流入する水素量の正確な推定は極めて困難である。
【０００９】
このようなことから、従来の技術では、改質運転時に点火時期を適正時期に精度良く制御することが困難であった。
【００１０】
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、燃料改質を実行する改質運転時に点火時期を適正時期に精度良く制御することのできる内燃機関の制御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】
【００１１】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の排気通路から取り出したＥＧＲガスを吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲガス中に改質用燃料を噴射する改質用燃料噴射手段と、
前記ＥＧＲ通路の途中であって前記改質用燃料噴射手段の下流側に配置され、前記ＥＧＲガスと前記改質用燃料とを改質反応させることにより、それらを、改質反応生成物である可燃成分を含む改質ガスに転換させる燃料改質触媒と、
前記改質反応に要する熱を前記燃料改質触媒に供給する熱供給手段と、
前記改質ガス中の可燃成分濃度を検出する可燃成分濃度検出手段と、
前記可燃成分濃度に基づいて点火時期を補正する点火時期補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
第２の発明は、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の排気通路から取り出したＥＧＲガスを吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲガス中に改質用燃料を噴射する改質用燃料噴射手段と、
前記ＥＧＲ通路の途中であって前記改質用燃料噴射手段の下流側に配置され、前記ＥＧＲガスと前記改質用燃料とを改質反応させることにより、それらを、改質反応生成物である可燃成分を含む改質ガスに転換させる燃料改質触媒と、
前記改質反応に要する熱を前記燃料改質触媒に供給する熱供給手段と、
前記改質ガス中の可燃成分濃度を検出する可燃成分濃度検出手段と、
前記可燃成分濃度検出手段により検出された信号に基づいて、前記可燃成分が前記内燃機関の燃焼室に到達する前に、予め点火時期を補正する点火時期補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記点火時期補正手段は、前記可燃成分濃度が高い場合ほど点火時期を遅くすることを特徴とする。
【００１４】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記可燃成分濃度と、前記ＥＧＲ通路を流れる改質ガス流量とに基づいて、前記内燃機関に還流する可燃成分量を算出する可燃成分量算出手段を備え、
前記点火時期補正手段は、前記可燃成分量が多い場合ほど点火時期を遅くすることを特徴とする。
【００１５】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記改質用燃料噴射手段により燃料を供給しつつ前記改質ガスを前記吸気通路に還流させる改質運転と、前記改質用燃料噴射手段から燃料を噴射しない非改質運転とを切り換える運転切換手段と、
非改質運転時に非改質運転用点火時期マップに基づいて点火時期を算出する非改質運転点火時期算出手段と、
改質運転時に改質運転用点火時期マップに基づいて点火時期を算出する改質運転点火時期算出手段と、
を備え、
前記点火時期補正手段は、前記非改質運転用点火時期マップが使用される状態と前記改質運転用点火時期マップが使用される状態との間の移行期間において点火時期を補正することを特徴とする。
【００１６】
また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記熱供給手段は、前記内燃機関の排気ガスの熱を前記燃料改質触媒に伝熱させる熱交換器で構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、改質ガス中の可燃成分濃度を可燃成分濃度検出手段により検出し、その可燃成分濃度に基づいて点火時期を補正することができる。改質ガス中の可燃成分は、燃焼速度が極めて速い。このため、内燃機関に還流する改質ガス中の可燃成分量が多い場合ほど、適正な点火時期は遅くなる。第１の発明によれば、改質ガス中の実際の可燃成分濃度を検出し、その可燃成分濃度に応じて点火時期を補正することができる。このため、内燃機関に還流する可燃成分量の推定が困難な状態（例えば、非改質運転と改質運転との切り換え時など）においても、適正な点火時期に精度良く制御することができ、ノッキングやプレイグニションなどの燃焼異常が生ずることを確実に防止することができる。
【００１８】
第２の発明によれば、改質ガス中の可燃成分濃度を検出する可燃成分濃度検出手段の信号に基づいて、可燃成分（改質ガス）が内燃機関の燃焼室に到達する前の正確なタイミングで、予め点火時期を補正することができる。このため、改質運転を開始する際に、点火時期を補正するタイミングが、燃焼室に改質ガスが流入するタイミングに対して遅すぎることによってノッキングやプレイグニションなどの異常燃焼が生じたり、逆に、点火時期を遅角補正するタイミングが、燃焼室に改質ガスが流入するタイミングに対して早すぎることによって内燃機関のトルクが低下したりするようなことを、確実に防止することができる。
【００１９】
第３の発明によれば、改質ガス中の可燃成分濃度が高い場合ほど点火時期を遅くすることができる。このため、点火時期を適正時期に精度良く制御することができる。
【００２０】
第４の発明によれば、可燃成分濃度と改質ガス流量とに基づいて算出される可燃成分量が多い場合ほど点火時期を遅くすることができる。このため、点火時期をより高い精度で適正時期に制御することができる。
【００２１】
第５の発明によれば、非改質運転用点火時期マップが使用される状態と、改質運転用点火時期マップが使用される状態との間の移行期間において点火時期を適正時期に補正することができる。よって、非改質運転時と改質運転時との切り換え時に、ノッキングやプレイグニションなどの燃焼異常が生ずることをより確実に防止することができる。
【００２２】
第６の発明によれば、内燃機関の排気ガスの熱を燃料改質触媒に伝熱させ、燃料改質反応に吸熱させることができる。このため、内燃機関の廃熱を回収することができ、熱効率を十分に向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図を示している。本実施形態のシステムは、多気筒型（図示の構成では４気筒）の内燃機関１０を備えている。本システムで使用される燃料は、特に限定されず、ガソリン等の炭化水素燃料のほかに、アルコール（例えばエタノール）等のバイオマス由来成分を含むバイオ燃料などを用いることもできる。
【００２４】
内燃機関１０の吸気通路１２は、吸気マニホールド１４を介して各気筒の吸気ポートに接続されている。吸気通路１２の途中には、吸入空気量を調整する電動式のスロットル弁１６が設置されている。各気筒の吸気ポートには、燃料を噴射するための電磁弁等からなる主燃料噴射装置１８がそれぞれ設けられている。なお、主燃料噴射装置１８は、吸気ポート内でなく、筒内に燃料を直接に噴射するように設けられていてもよい。
【００２５】
内燃機関１０の排気通路２０は、排気マニホールド２２を介して各気筒の排気ポートに接続されている。排気通路２０の途中には、燃料改質器２４が設けられている。燃料改質器２４の内部には、燃料改質触媒２６と排気通路２８とが設けられている。燃料改質触媒２６内には、後述する改質反応を触媒する作用を有する金属（例えばＲｈ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉ等）が担体に担持されて設置されている。
【００２６】
燃料改質触媒２６と排気通路２８とは、隔壁で隔てられ、遮断されている。燃料改質触媒２６は、排気通路２８を通る排気ガスの熱を受熱することができる。燃料改質触媒２６は、その受熱した熱を反応熱とすることにより、後述する改質反応を生じさせることができる。すなわち、燃料改質器２４は、排気通路２８を通る排気ガスの熱を燃料改質触媒２６に伝熱させる熱交換器としての機能を有している。図示の構成では、排気通路２８は、並行する複数の通路で構成されている。そして、排気通路２８の入口は排気通路２０に接続され、排気通路２８の出口は排気通路３０に接続されている。
【００２７】
燃料改質器２４の上流側の排気通路２０からは、ＥＧＲ通路３２が分岐している。このＥＧＲ通路３２によれば、排気通路２０を通る排気ガスの一部をＥＧＲガスとして取り出すことができる。ＥＧＲ通路３２は、燃料改質触媒２６に接続されている。ＥＧＲ通路３２の途中には、改質反応に供するための燃料（以下、改質用燃料とも言う）をＥＧＲガス中に噴射する改質用燃料噴射装置３４が設けられている。改質用燃料噴射装置３４から噴射された燃料は、ＥＧＲガスと共に燃料改質触媒２６に流入し、燃料改質触媒２６の作用によって改質反応を起こす。
【００２８】
燃料改質触媒２６には、ＥＧＲ通路３６の一端が更に接続されている。このＥＧＲ通路３６の他端は、吸気通路１２に接続されている。このＥＧＲ通路３６を通して、後述する改質ガス、あるいは単なるＥＧＲガスを、吸気通路１２内に還流させ、吸入空気と混合させることができる。ＥＧＲ通路３６の途中には、ＥＧＲ通路３６を通るガスを冷却するＥＧＲクーラ３８と、ＥＧＲ通路３６を開閉可能な電磁弁等で構成されるＥＧＲ弁４０とが設けられている。
【００２９】
排気通路２０を流れる排気ガスのうち、ＥＧＲ通路３２に流入しなかった残りの排気ガスは、排気通路２８，３０を順次通過して、大気中に放出される。燃料改質器２４の下流側の排気通路３０の途中には、有害成分を浄化する三元触媒等を担持した排気浄化触媒４２や、図示しないマフラーが配置されている。また、排気通路２８に、有害成分を浄化する触媒が担持されていてもよい。排気通路２８に排気浄化触媒を担持させることにより、浄化反応の反応熱を排気通路２８で発生させることができるので、燃料改質触媒２６の受熱量（熱回収量）を更に増大させることができ、改質効率を更に向上することができる。
【００３０】
内燃機関１０が使用する燃料は、燃料タンク４４に貯留されている。燃料タンク４４には、タンク内の燃料を加圧した状態で外部に送出するための燃料ポンプ（図示せず）が付設されている。この燃料ポンプの吐出側には、ポンプから吐出された燃料を主燃料噴射装置１８及び改質用燃料噴射装置３４にそれぞれ供給する燃料配管４６が接続されている。
【００３１】
更に、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶回路を備えたマイクロコンピュータによって構成されている。ＥＣＵ５０の入力側には、触媒温度センサ５４、排気ガスセンサ５６、水素濃度センサ５８、ノックセンサ６０等を含むセンサ系統が接続されている。
【００３２】
触媒温度センサ５４は、燃料改質触媒２６に設けられており、燃料改質触媒２６の温度を検出する。排気ガスセンサ５６は、排気通路２０に設けられており、排気ガス中の酸素濃度に応じた検出信号を出力する。水素濃度センサ５８は、ＥＧＲ通路３６の途中に設けられており、ＥＧＲ通路３６を通る改質ガス中の水素濃度（Ｈ2濃度）に応じた検出信号を出力する。ノックセンサ６０は、内燃機関１０のシリンダブロックに固定されており、シリンダブロックに生じた振動を検出する。
【００３３】
また、センサ系統には、例えば機関回転数を検出する回転センサ、吸入空気量を検出するエアフローメータ、冷却水温度を検出する水温センサ、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ、スロットル弁１６の開度を検出するスロットル開度センサ等のように、内燃機関１０の運転制御に用いられる一般的なセンサが含まれている。
【００３４】
一方、ＥＣＵ５０の出力側には、前述したスロットル弁１６、主燃料噴射装置１８、改質用燃料噴射装置３４、ＥＧＲ弁４０、燃料ポンプ等を含む各種のアクチュエータが接続されている。そして、ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の運転状態をセンサ系統によって検出しつつ、各アクチュエータを駆動することによって運転制御を行う。
【００３５】
この運転制御では、吸入空気量等に応じて燃料の噴射量を算出し、当該噴射量分の燃料を主燃料噴射装置１８から噴射させる。また、排気ガスセンサ５６の検出信号を用いて空燃比フィードバック制御を行うことにより、排気浄化触媒４２に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように、主燃料噴射装置１８の燃料噴射量を制御する。
【００３６】
（改質運転）
上述したような内燃機関１０は、排気ガス（ＥＧＲガス）と改質用燃料との改質反応によって生成された改質ガスを吸気通路１２内に還流させる改質運転を実行可能になっている。改質運転時には、ＥＧＲ通路３２内を流れるＥＧＲガスに対して改質用燃料噴射装置３４から改質用燃料を噴射することにより、改質用燃料を燃料改質触媒２６に供給する。このとき、ＥＣＵ５０は、例えば内燃機関１０の運転状態、ＥＧＲ流量、燃料改質触媒２６の温度等に応じて、改質用燃料の適切な噴射量（供給量）を決定する。
【００３７】
燃料改質触媒２６内では、触媒作用を有する前述したような種類の金属の作用により、改質用燃料と、ＥＧＲガス中の成分とが改質反応（水蒸気改質反応）を起こす。燃料改質触媒２６で生ずる主な改質反応の化学反応式は、改質用燃料が例えばガソリンである場合には下記式（１）で、改質用燃料が例えばエタノールである場合には下記式（２）で、それぞれ表すことができる。
【００３８】
1.56（7.6CO2＋6.8H2O＋40.8N2）＋3C7.6H13.6＋Q1
→31H2＋34.7CO＋63.6N2    ・・・（１）
C2H5OH＋0.4CO2＋0.6H2O＋2.3N2＋Q2→3.6H2＋2.4CO＋2.3N2  ・・・（２）
【００３９】
上記式に示すように、改質反応によれば、ＥＧＲガスおよび改質用燃料を、水素（Ｈ2）および一酸化炭素（ＣＯ）を含む改質ガスに転換させることができる。以下の説明では、水素および一酸化炭素を総称して「可燃成分」とも言う。
【００４０】
上記（１）式中の熱量Q1、及び（２）式中の熱量Q2は、改質反応によって吸収される反応熱である。即ち、これらの改質反応は吸熱反応であるから、上記（１），（２）式中の右辺の可燃成分の有する熱量は、当該各式の左辺に記載された反応前の物質が有する熱量よりも大きくなる。
【００４１】
このため、燃料改質器２４によれば、燃料改質触媒２６が排気通路２８から受熱した熱を、上記改質反応に吸収させることができる。つまり、本実施の形態のシステムでは、排気ガスの熱を回収、利用して、改質用燃料を、より熱量の大きい可燃成分に転換することができる。
【００４２】
上記の改質反応により生成した可燃成分を含む改質ガスは、ＥＧＲ通路３６を通って吸気通路１２内に流入し、吸入空気と混合された上で、内燃機関１０の燃焼室に流入する。そして、改質ガス中の可燃成分は、主燃料噴射装置１８から噴射された燃料と共に燃焼室で燃焼する。ＥＣＵ５０には、改質運転時に内燃機関１０の燃焼室に流入させるべき要求可燃成分量を運転条件等に基づいて決定するためのマップが記憶されている。ＥＣＵ５０は、燃焼室に流入する可燃成分量がその要求可燃成分量となるように、改質ガス流量をＥＧＲ弁４０によって制御するとともに、空燃比を目標空燃比とする上で必要な総燃料量から、流入した可燃成分量を差し引いた残りの分の燃料を、主燃料噴射手段１８に噴射させる。
【００４３】
改質ガスは、前述したように、燃料改質器２４によって排気ガスの熱を回収した分だけ、元の燃料よりも熱量が増えている。よって、改質運転時には、改質ガスを吸気系に還流させて燃料の一部として内燃機関１０で燃焼させることにより、システム全体としての熱効率が向上するので、内燃機関１０の燃費性能を改善することができる。
【００４４】
また、改質ガスを吸気系に還流させることは、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）の一種でもある。よって、改質運転によれば、ＥＧＲの一般的な効果、すなわちポンプ損失低減による燃費改善効果や燃焼温度低下によるＮＯｘ生成量低減効果などを得ることもできる。このことに関連して、改質運転には更に次のような利点がある。通常のＥＧＲ運転の場合には、ＥＧＲ率を高くしていくと、燃焼が不安定になるので、ＥＧＲ率には限界がある。これに対し、改質運転の場合には、高い燃焼性を有する（燃焼速度の速い）水素が改質ガスに含まれており、この水素が燃料と共に燃焼室で燃焼する。このため、ＥＧＲ率を高くしても燃焼が不安定になりにくく、ＥＧＲ率の限界を高くすることができる。よって、改質運転時には、大量ＥＧＲが可能となるので、ポンプ損失低減による燃費改善効果や燃焼温度低下によるＮＯｘ生成量低減効果などをより大きく発揮させることができる。
【００４５】
（非改質運転）
本実施形態の内燃機関１０は、上述したような燃料改質を利用せず、主燃料噴射装置１８から噴射する燃料のみを燃焼させて運転することも可能となっている。このような運転を以下「非改質運転」と称する。非改質運転には、ＥＧＲ通路３２，３６を介してＥＧＲガスを吸気通路１２に還流させる通常のＥＧＲを伴うＥＧＲ運転と、ＥＧＲ弁４０を閉じることによりＥＧＲ通路３２，３６にＥＧＲガスを流さないようにする非ＥＧＲ運転とが含まれる。
【００４６】
（ノックコントロール制御）
内燃機関においては、点火時期が早過ぎるとノッキングを生ずる。一方、燃費が最良となる点火時期（ＭＢＴ）は、進角側に存在する。このため、燃費を改善するためには、ノッキングが生じない範囲で点火時期をなるべく進角することが望ましい。そこで、本実施形態において、ＥＣＵ５０は、ノックセンサ６０によってノッキングの発生が検知されるまでは点火時期を徐々に進角させていき、ノッキングが検知された場合には点火時期を遅角させることによってノッキングを防止する制御（以下「ノックコントロール制御」と称する）を実行可能になっている。
【００４７】
（点火時期制御）
内燃機関においては、一般に、機関回転数や機関負荷等の運転条件に応じて、適正な点火時期が変化する。このため、従来より、機関回転数や機関負荷等の運転条件に応じた適正な基本点火時期を算出する点火時期マップをＥＣＵ５０に予め記憶しておき、その点火時期マップを用いて点火時期を制御することが行われている。
【００４８】
更に、本実施形態の内燃機関１０においては、改質運転時と非改質運転時とで、適正な点火時期が異なる。非改質運転時には、主燃料噴射装置１８から噴射された燃料のみが燃焼室で燃焼する。これに対し、改質運転時には、主燃料噴射装置１８から噴射された燃料に加えて、改質ガス中の可燃成分が燃焼室で燃焼する。改質ガス中の可燃成分、特に水素は、液体燃料と比べ燃焼速度が極めて速い。よって、改質運転時には、全体としての燃焼速度も速くなり、燃焼期間が短くなるので、適正な点火時期は非改質運転時に比べて遅くなる。
【００４９】
そこで、本実施形態では、非改質運転時に使用する非改質運転用点火時期マップと、改質運転時に使用する改質運転用点火時期マップとの２種類のマップをＥＣＵ５０に記憶している。機関回転数や機関負荷等の運転条件が同じである場合、改質運転用点火時期マップにより算出される点火時期は、非改質運転用点火時期マップにより算出される点火時期と比べ、燃焼室に流入する所期の水素量に応じた遅角幅の分だけ遅くなるように設定されている。
【００５０】
上述したように、改質運転時に点火時期を適正にするためには、非改質運転時に比べて点火時期を遅角することが必要である。その点火時期遅角量は、燃焼室に流入する水素量に応じて変化する。図２は、その関係、つまり、改質運転時に適正点火時期とするために必要な点火時期遅角量と、燃焼室に流入する水素量との関係を示す図である。燃焼室に流入する水素量が多い場合ほど、燃焼速度が速くなるので、適正点火時期はより遅い時期になる。このため、図２に示すように、改質運転時に必要な点火時期遅角量は、燃焼室に流入する水素量が多い場合ほど、大きくなる。
【００５１】
改質運転時において、ＥＣＵ５０は、前述したように、燃焼室に流入する可燃成分量が、機関回転数や機関負荷等に応じた要求量となるように制御する。改質ガス中の可燃成分、すなわち水素と一酸化炭素とは、前述した化学反応式に示すように、一定の割合で生成する。このため、燃焼室に流入する可燃成分量が要求量に一致すれば、燃焼室に流入する水素量が決定され、その水素量と図２に示す関係とに基づいて、必要な点火時期遅角量も決定される。改質用点火時期マップは、このようにして決定される必要な点火時期遅角量の分だけ、非改質用点火時期マップよりも遅い点火時期を算出するように設定されている。よって、燃焼室に流入する可燃成分量が要求量に精度良く制御されている場合には、改質用点火時期マップを使用することにより、適切な基本点火時期を算出することができる。
【００５２】
しかしながら、改質用燃料の噴射を開始しても、燃焼室に流入する水素量は、ゼロから一気に要求量まで立ち上がるものではなく、水素量を要求量に到達させるまでには時間がかかる。すなわち、非改質運転から改質運転へ切り換えた直後は、燃焼室に流入する水素量は未だ要求量に達しておらず、よって、必要な点火時期遅角量は小さい。このため、非改質運転から改質運転への切り換え直後に、点火時期マップを改質運転用のものに切り換えてしまうと、点火時期遅角量が大きくなり過ぎてしまう。
【００５３】
一方、非改質運転から改質運転へ切り換えた直後、非改質運転用点火時期マップによって算出される基本点火時期をそのまま使用した場合には、点火時期が早過ぎる状態となる。ノックコントロール制御による補正幅は小さいので、このような場合には、点火時期の遅角補正が間に合わなくなり、ノッキングやプレイグニション等の異常燃焼を生ずることになる。
【００５４】
従って、改質運転への切り換え後の異常燃焼を防止するためには、改質運転開始後、可燃成分を含んだ改質ガスが燃焼室に到達する前に、予め点火時期を遅角することが望ましい。その一方で、点火時期を遅角補正した後、改質ガスが燃焼室に到達するまでの間の時間が長すぎると、その間、内燃機関１０のトルクが低下する。このため、ドライバビリティに悪影響を与える。すなわち、非改質運転から改質運転へ切り換える際には、点火時期を遅角補正するタイミングを、可燃成分を含んだ改質ガスが燃焼室に到達する直前のタイミングに精度良く一致させることが望ましい。
【００５５】
しかしながら、改質用燃料を噴射してから改質ガス（可燃成分）が燃焼室に到達するまでには、噴射された改質用燃料が燃料改質触媒２６に到達するのに要する遅れと、燃料改質触媒２６において改質反応が生じて可燃成分が生成するのに要する遅れと、その可燃成分を含んだ改質ガスが燃料改質触媒２６から燃焼室に到達するのに要する遅れとの、３つの遅れが発生する。よって、改質ガスが燃焼室に到達する時間を内燃機関１０の運転状態のみから精度良く予測することは極めて困難である。
【００５６】
更に、次のような問題もある。燃料改質触媒２６で生ずる改質反応量は、改質用燃料の噴射量に依存するだけでなく、燃料改質触媒２６の温度等の諸条件にも依存する。このため、改質用燃料の噴射開始直後は、燃料改質触媒２６で生ずる改質反応量が不安定であり、燃焼室に流入する水素量も不安定となるので、その水素量に応じて適正点火時期も変化する。よって、改質運転開始後、改質ガスが燃焼室に到達する前に予め点火時期を遅角する場合の遅角量を一律に制御すると、点火時期を適正点火時期に精度良く一致させることができない。
【００５７】
そこで、本実施形態のシステムでは、水素濃度センサ５８を設けることにより、改質ガスが燃焼室に流入するタイミングと、その流入する水素量とを直接的に検出し、その検出された燃焼室への水素の実流入量に基づいて、点火時期を制御することとした。
【００５８】
すなわち、本実施形態のシステムでは、燃料改質触媒２６において改質反応が開始し、水素が発生し始めた場合には、そのことを水素濃度センサ５８によって検知することができる。改質ガス（水素）が水素濃度センサ５８から燃焼室に到達するまでに要する遅れ時間は、改質ガス流量（すなわちＥＧＲ流量）と、水素濃度センサ５８から燃焼室までの通路容積と、機関回転数とに基づいて、精度良く算出することができる。よって、水素濃度センサ５８によって水素の発生を検知すれば、燃焼室に改質ガス（水素）が流入するタイミングを正確に知ることができる。このため、最適なタイミング、つまり燃焼室に改質ガスが流入する直前のタイミングで、点火時期を遅角補正することができる。
【００５９】
また、その際の点火時期遅角量については、水素濃度センサ５８によって検出される水素濃度に基づいて、最適な遅角量となるように制御することができる。すなわち、まず、検出された水素濃度に、改質ガス流量を乗ずることにより、ＥＧＲ通路３６を流れる水素量を算出する。次いで、その水素流量と、水素濃度センサ５８から燃焼室までの到達遅れ時間とに基づいて、燃焼室に流入する実際の水素量を算出する。そして、この燃焼室に流入する実際の水素量に基づいて、図２に示す関係に従い、点火時期を実行する。このようにして、本実施形態によれば、燃料改質触媒２６に流入する実際の水素量を検出し、その水素量に基づいて点火時期の遅角補正することができる。これにより、非改質運転から改質運転へ切り換え直後の、改質反応量が不安定な状態においても、点火時期を適正な時期に精度良く制御することができ、ノッキングやプレイグニションなどの燃焼異常が生ずることを確実に防止することができる。
【００６０】
［実施の形態１における具体的処理］
図３および図４は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。非改質運転から改質運転に切り換える際には、まず、図３に示す改質遅角制御のルーチンが実行される。この図３に示すルーチンの実行中は、非改質用点火時期マップが引き続き使用される。
【００６１】
図３に示すルーチンによれば、まず、改質用燃料噴射装置３４により、改質用燃料の噴射が開始される（ステップ１００）。次いで、水素濃度センサ５８により検出される水素濃度が読み込まれる（ステップ１０２）、更に、機関回転数、機関負荷、ＥＧＲ弁４０の開度等の運転条件が読み込まれる（ステップ１０４）。
【００６２】
続いて、点火時期遅角量が次のようにして決定される（ステップ１０６）。まず、上記ステップ１０４で読み込まれた運転条件に基づいて、ＥＧＲ通路３６を流れる改質ガス流量が算出される。この改質ガス流量の算出は、ＥＧＲ流量の算出方法と同様である。すなわち、改質ガス流量は、機関回転数、機関負荷、ＥＧＲ弁４０の開度等に基づいて、公知の手法によって算出することができる。次いで、上記ステップ１０２で読み込まれた水素濃度と、改質ガス流量とを乗ずることにより、ＥＧＲ通路５８を流れる水素量（ＥＧＲ通路３６における水素流量）が算出される。更に、改質ガスが水素濃度センサ５８から燃焼室に到達するまでに要する到達遅れ時間が、改質ガス流量、水素濃度センサ５８から燃焼室までの通路容積、機関回転数などに基づいて算出される。そして、上記のようにして算出されたＥＧＲ通路３６の水素流量および改質ガス到達遅れ時間に基づいて、燃焼室に現在流入している実際の水素量を算出することができる。ＥＣＵ５０には、図２に示すマップが予め記憶されており、そのマップと、上記のようにして算出された燃焼室への水素流入量とに基づいて、点火時期を適正時期にするために必要な点火時期遅角量が算出される。このようにして、必要な点火時期遅角量が算出されたら、その分だけ、点火時期を実際に遅角させる処理が実行される（ステップ１０８）。
【００６３】
以上説明したような本実施形態の制御によれば、水素濃度センサ５８によって水素の発生を検知することにより、燃焼室に改質ガス（水素）が流入する直前の正確なタイミングで、点火時期を遅角補正することができる。このため、点火時期を遅角補正するタイミングが、燃焼室に改質ガスが流入するタイミングに対して遅すぎることによってノッキングやプレイグニションなどの異常燃焼が生じたり、逆に、点火時期を遅角補正するタイミングが、燃焼室に改質ガスが流入するタイミングに対して早すぎることによって内燃機関１０のトルクが低下したりするようなことを、確実に防止することができる。
【００６４】
また、本実施形態によれば、燃焼室に実際に流入する水素量を検出し、その水素量に応じた適正な点火時期遅角量を実現することができる。このため、改質用燃料の噴射を開始した直後において、改質反応量が不安定で予測困難な状態であっても、燃焼室に流入する水素量に応じた最適な点火時期に精度良く制御することができる。このため、ノッキングやプレイグニションなどの異常燃焼が生ずることをより確実に防止することができる。
【００６５】
本実施形態では、上記のような改質遅角制御は、燃料改質触媒２６での改質反応量が安定し、可燃成分の生成量が要求量に精度良く一致したと判断できるような所定の条件が成立するまで（例えば、所定時間が経過するまで）、実行される。
【００６６】
図４は、図３のルーチンで表される改質遅角制御の終了後、点火時期マップを改質運転用のものに切り換えるとともに、ノックコントロール制御を実行するためのルーチンである。すなわち、図４に示すルーチンによれば、上述したような改質遅角制御の終了後（ステップ１１０）、非改質運転用点火時期マップから改質運転用点火時期マップへの切り換えが実行されるとともに、ノックコントロール制御が開始される（ステップ１１２）。このステップ１１２の実行後は、基本点火時期が改質運転用点火時期マップによって算出される。このため、基本点火時期を、改質運転時に適した遅い時期に設定することができるので、ノッキングやプレイグニションなどの異常燃焼を確実に防止することができる。また、ノックコントロール制御が実行されることにより、ノッキングを生じない範囲で、点火時期をなるべく進角することができるので、点火時期をＭＢＴに十分に近づけることができる。このため、優れた熱効率が得られる。
【００６７】
なお、上述した実施の形態１では、ＥＧＲ通路３６に水素濃度センサ５８を設けているが、本発明では、水素濃度センサ５８に代えて、一酸化炭素濃度を検出するＣＯ濃度センサや、水素と一酸化炭素とを合わせた可燃成分の濃度を検出する水素・ＣＯ濃度センサを用いてもよい。前述した化学反応式に示されるように、水素と一酸化炭素とは一定の割合で生成するので、一酸化炭素の濃度、あるいは水素と一酸化炭素との合計の濃度から、水素濃度を算出することが可能である。よって、ＣＯ濃度センサあるいは水素・ＣＯ濃度センサを用いた場合であっても、本実施形態と同様の制御を実行することができる。
【００６８】
また、本実施形態では、水素濃度センサ５８によって検出された水素濃度に改質ガス流量を乗じて得られる水素量に応じて点火時期を補正しているが、本発明では、水素濃度のみに基づいて点火時期を補正するようにしてもよい。
【００６９】
また、本実施形態では、非改質運転から改質運転へ切り換える場合に、非改質運転用点火時期マップを基礎とし、燃焼室に流入する水素量あるいは水素濃度が多いほど遅角方向に点火時期を補正するものとして説明したが、本発明では、改質運転用点火時期マップを基礎とし、燃焼室に流入する水素量あるいは水素濃度が少ないほど進角方向に点火時期を補正するようにしてもよい。
【００７０】
また、本実施形態では、非改質運転から改質運転へ切り換える場合の点火時期制御について説明したが、本発明は、改質運転から非改質運転へ切り換える場合の点火時期制御にも適用可能である。
【００７１】
また、本実施形態では、水素濃度センサ５８によって検出された水素濃度に基づく点火時期補正を、非改質運転と改質運転との移行期間において実行する場合について説明したが、本発明では、水素濃度に基づく点火時期補正を改質運転中に常に実行するようにしてもよい。
【００７２】
また、本実施形態では、燃料改質器２４において、内燃機関１０の排気ガスの熱を燃料改質触媒２６に伝熱させ、改質反応に吸熱させるようにしているが、本発明は、燃料改質触媒２６に加える熱を排気ガスの熱で賄う構成に限定されるものではない。すなわち、本発明では、燃料改質触媒２６をヒータや燃焼器などで加熱する構成としてもよい。
【００７３】
また、上述した実施の形態１においては、改質用燃料噴射装置３４が前記第１および第２の発明における「改質用燃料噴射手段」に、燃料改質器２４が前記第１および第２の発明における「熱供給手段」に、水素濃度センサ５８が前記第１および第２の発明における「可燃成分濃度検出手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０２〜１０８の処理を実行することにより前記第１および第２の発明における「点火時期補正手段」が、機関回転数、機関負荷およびＥＧＲ弁４０開度などに基づいて算出した改質ガス流量と、水素濃度センサ５８により検出される水素濃度とを乗じた値を水素量として算出することにより前記第４の発明における「可燃成分量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】改質運転時に適正点火時期とするために必要な点火時期遅角量と、燃焼室に流入する水素量との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７５】
１０  内燃機関
１２  吸気通路
１４  吸気マニホールド
１６  スロットル弁
１８  主燃料噴射装置
２０，２８，３０  排気通路
２４  燃料改質器
２６  燃料改質触媒
３２，３６  ＥＧＲ通路
３４  改質用燃料噴射装置
３８  ＥＧＲクーラ
４０  ＥＧＲ弁
４２  排気浄化触媒
４４  燃料タンク
４６  燃料配管
５０  ＥＣＵ
５４  触媒温度センサ
５６  排気ガスセンサ
５８  水素濃度センサ
６０  ノックセンサ
【図１】
2009138527.tif 000003
【図２】
2009138527.tif 000004
【図３】
2009138527.tif 000005
【図４】
2009138527.tif 000006