(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の燃料を改質して、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンにおいて、
エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、燃料改質器における燃料改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させる燃料改質制御手段を設けたことを特徴とする燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記燃料改質制御手段は、部分酸化反応の比率を増加させるため、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正する改質ガス供給量増量補正手段を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
エンジンに新気を供給するための吸気通路に電制スロットル弁を備え、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で新気量を減少させるスロットル弁制御手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
炭化水素系の燃料を改質して、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンにおいて、
エンジンの排気通路に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップするＮＯｘトラップを配置し、
ＮＯｘトラップにトラップされたＮＯｘを脱離還元処理するときに、燃料改質器における燃料改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させる燃料改質制御手段を設けたことを特徴とする燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記燃料改質制御手段は、部分酸化反応の比率を増加させるため、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることを特徴とする請求項５記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項７】
部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正する改質ガス供給量増量補正手段を設けたことを特徴とする請求項５又は請求項６記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項８】
エンジンに新気を供給するための吸気通路に電制スロットル弁を備え、ＮＯｘトラップにトラップされたＮＯｘを脱離還元処理するときに、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で新気量を減少させるスロットル弁制御手段を設けたことを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項９】
ＮＯｘトラップにトラップされたＮＯｘを脱離還元処理するときに、ＮＯｘトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガスを還元剤として投入する還元剤投入手段を設けたことを特徴とする請求項５〜請求項８のいずれか１つに記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項１０】
前記還元剤投入手段は、前記燃料改質制御手段によりエンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させるように制御してから、エンジン運転状態に応じた遅延時間の後に、ＮＯｘトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガスを還元剤として投入することを特徴とする請求項９記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項１１】
前記遅延時間は、エンジンへの改質ガス供給手段から排気通路のＮＯｘトラップまでのエンジン作動流体の到達遅れ時間として算出することを特徴とする請求項１０記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項１２】
前記還元剤投入手段は、燃料改質器での改質状態より、改質ガス中の水素、一酸化炭素の各量を推定し、これらの推定量に応じて排気ガス中に投入する還元剤の量を決定することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つに記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系の燃料（ガソリン、軽油、メタノール、ＣＮＧ、ナフサ等）を、熱分解、水蒸気改質反応、部分酸化反応等の改質反応により改質して、水素（Ｈ2 ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンに関し、特にこの燃料改質ガスエンジンから排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化を有効に行うための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料改質ガスエンジンは、炭化水素系の燃料を触媒等で改質して、主にＨ2 とＣＯとを生成し、これらの改質ガスをエンジンに供給することでエンジンの運転を行わせるものである。エンジンに供給される燃料がＨ2 とＣＯとを主成分とするガス燃料であるためにエンジン特性としては水素エンジンに近い特性を示す。すなわち、希薄燃焼限界が高く、希薄域でも安定した運転が可能であり、低ＮＯｘ、高効率を同時に実現可能なエンジンである。
【０００３】
従来の水素を主燃料とするエンジンの排気ＮＯｘ浄化方法としては、例えば特開平６−２００７４９号に水素エンジンの排気装置として提案されている。これは排気通路中に排気浄化用触媒を配置し、エンジン負荷が高い場合においては空気過剰率λを略１．０に設定し、排気を排気浄化用触媒に導いて、発生したＮＯｘを還元浄化処理し、エンジン負荷が低い場合においては空気過剰率λを１．３より希薄側に設定することでエンジンから排出されるＮＯｘを低く抑えると共に、排気を排気浄化用触媒をバイパスさせて、触媒中でのＮＯｘ生成を抑制するというものである。
【０００４】
一方、排気中の酸素濃度が高い状態、すなわちエンジン運転空燃比がリーン状態である場合に排出されるＮＯｘの浄化方法としては、排気通路中にＮＯｘ吸収剤を配置し、エンジン運転空燃比がリーンの時に排出されるＮＯｘを吸収すると共に、その吸収量を推定し、吸収量が所定値よりも多くなったら一時的にエンジン運転空燃比をリッチにすることで、吸収されたＮＯｘの脱離還元処理を行うものが提案されている（ＰＣＴ国際公開番号ＷＯ９３−０７３６３）。
【０００５】
また、ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する手段として燃料改質器を持ち、燃料を改質することで生成するＨ2 を排気通路に直接供給することが提案されている（特開平５−１０６４３０号）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術においては、水素を主燃料とするエンジンの運転空燃比がリーン状態の時に排出されるＮＯｘは、低濃度とはいえ、何の処理もされずに大気中に放出されてしまうという問題点があった。
【０００７】
また、ガソリンエンジンで通常用いられているＮＯｘ吸収剤を排気通路に配置するシステムを水素を主燃料とするエンジン（水素エンジン、改質ガスエンジン等）に適用する場合においては、エンジン運転空燃比がリーン状態の時に排出されるＮＯｘを吸収することはできるが、脱離還元処理が難しいという問題点があった。
【０００８】
ガソリンエンジンにこのシステムを適用した場合、脱離処理を実施する時には一時的にエンジンの運転空燃比をリーン状態から空気過剰率λが略１．０又はそれ以下のリッチ状態に変更することで、排気ガス中の酸素濃度を下げると共に、ＨＣやＣＯといった還元剤をＮＯｘ吸収剤に導いて脱離還元処理を行っている。
【０００９】
しかし、水素を主燃料とするエンジンにおいては、一時的であってもエンジン運転空燃比を空気過剰率λが１．０以下のリッチ状態にすることが困難であることが知られている。すなわち、特開平７−１３３７３１号に記載のように、リッチ空燃比においてはバックファイア現象を起こす恐れがある。よって、水素を主燃料とするエンジンにおいては、エンジン運転空燃比をリーンの状態に保つことが一般的である。
【００１０】
よって、水素を主燃料とするエンジンにおいて、ＮＯｘ吸収剤を排気通路に配置した場合、運転時に排出されるＮＯｘを吸収することはできるものの、吸収したＮＯｘを脱離還元処理することができないという問題点があった。
【００１１】
一方、還元剤として、燃料改質器によって生成されたＨ2 、ＣＯを直接排気通路中に導入する場合においても、還元剤を導入する際に排気ガス中の酸素濃度が高いと、還元剤は先ずＯ2 と反応して酸化され、Ｏ2 が十分消費された後にＮＯｘの還元処理を行うことになる。還元剤とＯ2 との反応は発熱反応であり、排気温度が上昇し、場合によってはＮＯｘ吸収剤の耐熱性に問題を引き起こすことがある。また、Ｏ2 を消費するのに必要なＨ2 、ＣＯは本来燃料としてエンジンで燃焼し、仕事に変換されるべきものであり、これが無駄に消費されることで、燃費の悪化等を引き起こすことになる。
【００１２】
従って、排気ガス中に還元剤を直接投入する場合においても排気ガス中の酸素濃度を下げる必要があり、エンジン運転空燃比をリッチにする必要があるが、水素を主燃料とするエンジンにおいては、前述のようにエンジン運転空燃比をリッチにすることができないため、適用するのは難しい。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、炭化水素系の燃料を改質して、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンにおいて、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、これを確実に実施できるようにすることを目的とする。
【００１４】
また、エンジンの排気通路に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップ（吸収又は吸着）するＮＯｘトラップを配置した場合に、このＮＯｘトラップにトラップされたＮＯｘの脱離還元処理を確実に行い得るようにすることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明では、炭化水素系の燃料を改質して、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンにおいて、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、燃料改質器における燃料改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させる燃料改質制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１６】
ここで、請求項２に係る発明では、前記燃料改質制御手段は、部分酸化反応の比率を増加させるため、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項３に係る発明では、部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正する改質ガス供給量増量補正手段を設けたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項４に係る発明では、エンジンに新気を供給するための吸気通路に電制スロットル弁を備え、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で新気量を減少させるスロットル弁制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１９】
請求項５に係る発明では、炭化水素系の燃料を改質して、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンにおいて、エンジンの排気通路に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップするＮＯｘトラップを配置し、ＮＯｘトラップにトラップされたＮＯｘを脱離還元処理するときに、燃料改質器における燃料改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させる燃料改質制御手段を設けたことを特徴とする。
【００２０】
ここで、請求項６に係る発明では、前記燃料改質制御手段は、部分酸化反応の比率を増加させるため、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項７に係る発明では、部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正する改質ガス供給量増量補正手段を設けたことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項８に係る発明では、エンジンに新気を供給するための吸気通路に電制スロットル弁を備え、ＮＯｘトラップにトラップされたＮＯｘを脱離還元処理するときに、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で新気量を減少させるスロットル弁制御手段を設けたことを特徴とする。
【００２３】
請求項９に係る発明では、請求項５に係る発明に加え、ＮＯｘトラップにトラップされたＮＯｘを脱離還元処理するときに、ＮＯｘトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガスを還元剤として投入する還元剤投入手段を設けたことを特徴とする。
【００２４】
ここで、請求項１０に係る発明では、前記還元剤投入手段は、前記燃料改質制御手段によりエンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させるように制御してから、エンジン運転状態に応じた遅延時間の後に、ＮＯｘトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガスを還元剤として投入することを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１１に係る発明では、前記遅延時間は、エンジンへの改質ガス供給手段から排気通路のＮＯｘトラップまでのエンジン作動流体の到達遅れ時間として算出することを特徴とする。
【００２６】
また、請求項１２に係る発明では、前記還元剤投入手段は、燃料改質器での改質状態より、改質ガス中の水素、一酸化炭素の各量を推定し、これらの推定量に応じて排気ガス中に投入する還元剤の量を決定することを特徴とする。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、燃料改質器における改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、燃料改質器に供給される空気中の酸素を改質反応により消費する一方、空気中の窒素（Ｎ2 ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）により、改質ガス中のＮ2 、ＣＯ2 濃度を増加させて、エンジンに供給することで、吸気通路よりエンジンに供給される新気（空気）の量を減少させ、エンジンに吸入される作動流体の量を変えずに、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させることができ、排気ガス中の酸素濃度を可能な限り低くすることができる。
【００２８】
請求項２に係る発明によれば、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることで、部分酸化反応の比率を確実に増加させることができる。
【００２９】
請求項３に係る発明によれば、部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正することで、部分酸化反応の増大により改質ガス中のＨ2 、ＣＯの割合が減少しても、出力性能を確保できると共に、吸気通路よりエンジンに供給される新気（空気）の量をより確実に減少させることができる。
【００３０】
請求項４に係る発明によれば、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で、すなわち所定の空気過剰率をリッチ化の限度として、新気量を減少させることで、更に確実にエンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させることができる。
【００３１】
請求項５に係る発明によれば、エンジンの排気通路に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップするＮＯｘトラップを配置して、エンジンがリーン空燃比で運転されているときに排出されるＮＯｘをＮＯｘトラップにトラップし、このＮＯｘトラップにトラップされたＮＯｘを脱離還元処理するときに、燃料改質器における改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、燃料改質器に供給される空気中の酸素を改質反応により消費する一方、空気中の窒素（Ｎ2 ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）により、改質ガス中のＮ2 、ＣＯ2 濃度を増加させて、エンジンに供給することで、吸気通路よりエンジンに供給される新気（空気）の量を減少させ、エンジンに吸入される作動流体の量を変えずに、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させることができ、排気ガス中の酸素濃度を可能な限り低くして、ＮＯｘトラップからのＮＯｘの脱離還元処理を効率良く行うことができる。
【００３２】
請求項６に係る発明によれば、ＮＯｘの脱離還元処理に際し、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることで、部分酸化反応の比率を確実に増加させることができる。
【００３３】
請求項７に係る発明によれば、ＮＯｘの脱離還元処理に際し、部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正することで、部分酸化反応の増大により改質ガス中のＨ2 、ＣＯの割合が減少しても、出力性能を確保できると共に、吸気通路よりエンジンに供給される新気（空気）の量をより確実に減少させることができ、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。
【００３４】
請求項８に係る発明によれば、ＮＯｘの脱離還元処理に際し、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で、すなわち所定の空気過剰率をリッチ化の限度として、新気量を減少させることで、更に確実にエンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させることができ、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。
【００３５】
請求項９に係る発明によれば、ＮＯｘトラップにトラップされたＮＯｘを脱離還元処理するときに、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる一方、ＮＯｘトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガス（Ｈ2 、ＣＯ）を還元剤として投入することで、ＮＯｘの脱離還元処理をより確実にして、ＮＯｘを有効かつ効率良く浄化することができる。
【００３６】
請求項１０に係る発明によれば、燃料改質器における部分酸化反応の比率の増加により、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させるように制御してから、所定の遅延時間の後に、ＮＯｘトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガスを還元剤として投入することで、還元剤を無駄にすることなく、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。
【００３７】
請求項１１に係る発明によれば、前記遅延時間を、エンジンへの改質ガス供給手段から排気通路のＮＯｘトラップまでのエンジン作動流体の到達遅れ時間として算出することで、ＮＯｘトラップに流入する排気ガス中の酸素濃度が十分低下した時点で、還元剤を投入することができ、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。
【００３８】
請求項１２に係る発明によれば、燃料改質器での改質状態より、改質ガス中のＨ2 、ＣＯの各量を推定し、これらの推定量に応じて排気ガス中に投入する還元剤の量を決定することで、すなわち、還元剤としてはＣＯに比較してＨ2 の還元作用の方が強いため、改質ガスの組成に応じた量を還元剤として投入することで、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料改質ガスエンジンのシステム図である。
【００４０】
エンジン（内燃機関）１の吸気通路２には、上流端にエアクリーナ３が設けられ、その下流側にアクセルペダル４の踏込み量（アクセル開度）等に基づいてモータ駆動される電制スロットル弁５が設けられ、更にスロットル弁５下流側に改質ガス供給手段としてのガス燃料噴射弁６が設けられている。
【００４１】
エンジン１の排気通路７の途中には、その内部に、熱交換器を介して排気ガスの持つ熱を供給されつつ、燃料改質を行う燃料改質器８が設けられている。
改質すべき原燃料であるガソリンに代表される炭化水素燃料は、燃料タンク９より燃料ポンプ１０を介して、水は、水タンク１１より水ポンプ１２を介して、空気は、吸気通路２より分岐した空気通路１３より空気ポンプ１４を介して、改質原料流量制御器１５に送られる。
【００４２】
改質原料流量制御器１５は、燃料、水及び空気の各流量を制御して、これらを気化混合器１６に送る。気化混合器１６は、図示しない熱交換器を介してエンジン１の排気ガス、若しくは燃料改質器８にて生成された改質ガス、若しくはその他の熱源より熱を供給されて、燃料及び水の気化・昇温と空気の予熱とを行いつつ、３流体の混合を行い、混合された３流体を燃料改質器８に送る。
【００４３】
燃料改質器８は、上流側に部分酸化反応用の部分酸化反応層８Ａを持ち、下流側に水蒸気改質反応用の改質触媒を充填した水蒸気改質反応層８Ｂとを持つ構造として、部分酸化反応による発熱と水蒸気改質反応による吸熱との熱のやり取りをロス無く行える構造としてある。もちろん、同一反応層内にて水蒸気改質反応と部分酸化反応とを行わせるようにしてもよい。
【００４４】
従って、燃料改質器８に送られた３流体の混合気は、燃料改質器８の温度、３流体の混合比率に応じて改質が行われ、水素、一酸化炭素、メタン、低級炭化水素等の改質ガスに改質される。
【００４５】
燃料改質器８にて生成された改質ガスは、改質ガス供給通路１７により、必要により、途中で改質前の燃料、水、空気との熱交換により温度低下させ、また図示しない貯蔵タンクに一時的に蓄えて供給変動を防止しつつ、ガス燃料噴射弁６に送る。そして、ガス燃料噴射弁６から、エンジン１の吸気通路２内に噴射供給して、運転を行わせる。
【００４６】
ここにおいて、排気通路２の燃料改質器８下流側には、ＮＯｘトラップ１８を介装してある。ＮＯｘトラップ１８は、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時に、ＮＯｘをトラップ（吸収又は吸着）し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下するか、流入する排気ガス中の還元剤濃度が増大すると、ＮＯｘを脱離還元処理するものである。従って、エンジン１がリーン空燃比で運転されている時にエンジン１から排出されたＮＯｘをＮＯｘトラップ１８にトラップし、排気ガス中の酸素濃度が低下した時に、排気ガス中の還元物質によってＮＯｘトラップ１８にトラップされているＮＯｘを脱離還元処理することができる。
【００４７】
また、ＮＯｘトラップ１８の入口側（入口部近傍）の排気通路７には、燃料改質器８からの改質ガス供給通路１７の途中から分岐して、Ｈ2 、ＣＯ等の改質ガスを還元剤として直接排気ガス中に投入する還元剤投入通路１９が開口しており、この還元剤投入通路１９の途中には還元剤の投入及びその量を制御する還元剤投入制御弁２０が介装されている。
【００４８】
電制スロットル弁５、ガス燃料噴射弁６の他、改質原料流量制御器１５及び還元剤投入制御弁２０は、コントロールユニット２１により制御され、このコントロールユニット２１には、エンジン回転数Ｎｅ検出用のクランク角センサ２２、アクセル開度Ａａ検出用のアクセル開度センサ２３、スロットル開度ＴＶＯ検出用のスロットルセンサ２４、エンジン冷却水温度Ｔｗ検出用の水温センサ２５等から、信号が入力されている。
【００４９】
次に本発明での制御について説明する。
炭化水素燃料の改質反応は、大きくは水蒸気改質反応と部分酸化反応とに分けられ、水蒸気改質反応は概ね次式によって表される。
【００５０】
Ｃm Ｈn ＋ｍＨ2 Ｏ→（ｍ＋ｎ／２）Ｈ2 ＋ｍＣＯ    ・・・（１）
同時に、
３Ｈ2 ＋ＣＯ→ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ    ・・・（２）
２Ｈ2 ＋２ＣＯ→ＣＨ4 ＋ＣＯ2   ・・・（３）
等の反応も行われる。
【００５１】
改質雰囲気が高温に維持されている時は、主に（１）の反応が行われ、改質ガス中の水素、一酸化炭素濃度が増加する。低温時においては、（２），（３）の反応の割合が増加し、改質ガス中の水素、一酸化炭素濃度が減少し、逆にメタン、水などの濃度が増加する。
【００５２】
また、（１）の反応は吸熱反応であり、反応を維持するためには何らかの手段で熱を与える必要がある。その一方、（１）の反応は吸熱反応であるために、改質後のガスが持つ発熱量は改質前の炭化水素燃料が持つ発熱量よりも増加する利点がある。
【００５３】
一方、部分酸化反応は、炭化水素燃料と空気の量を調整することで、次式の反応が起こる。
Ｃm Ｈn ＋（ｍ／２）Ｏ2 →（ｎ／２）Ｈ2 ＋ｍＣＯ  ・・・（４）
この反応は、発熱反応であり、（１）の反応とは逆に改質後のガスが持つ発熱量は改質前の炭化水素燃料が持つ発熱量よりも減少する。
【００５４】
（４）の反応で必要なのは酸素であるが、通常この酸素は空気として改質反応層に供給されるため、改質ガス中には水素や一酸化炭素と共に、相当量の窒素が含まれることになる。
【００５５】
炭化水素系の燃料に所定量の水、空気を混合して燃料改質器８に導入し、燃料改質器８内に改質反応を起こすに充分な熱的条件を与えることで、炭化水素系の燃料は上記（１）及び（４）の改質反応により、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスに変換される。この水素と一酸化炭素の生成量は炭化水素系の燃料の種類及び量によってほぼ決まってくる。これとは別に導入する水と空気の量を変化させることで燃料改質器８内で起こる改質反応の熱的な要求が異なってくる。すなわち、水量を増加させると、改質の主反応が（１）となり、吸熱反応となるので、燃料改質器８には何かしら方法で熱を供給する必要がでてくる。逆に空気の量を増加させると、改質の主反応が（４）となり、発熱反応となる。また、空気の量を増加させると、空気中の窒素や二酸化炭素の改質ガス中に含まれる量が増加する。
【００５６】
図２に改質反応における部分酸化反応の比率による改質ガス組成の概要を示しており、部分酸化反応の比率の増大により、改質ガス中のＨ2 、ＣＯの割合が減少し、改質ガス中により多くのＮ2 、ＣＯ2 が含まれるようになることを示している。
【００５７】
一方、エンジン１は通常、燃料改質器８で生成された水素、一酸化炭素を主成分とする改質ガスを供給されることでエンジン運転を行っている。このときのエンジン運転空燃比はエンジンの運転安定性が損なわれない範囲からバックファイアを起こさない範囲までのリーンに設定される。このときに排出されるＮＯｘはＮＯｘトラップ１８にトラップされ、大気中に放出はされない。
【００５８】
コントロールユニット２１は、エンジンの運転状態（回転、負荷、水温等）を基にＮＯｘ排出量を算出、積算して、ＮＯｘトラップ１８におけるＮＯｘのトラップ量を求め、このトラップ量が所定値以上となった場合に、脱離還元処理を実施する。
【００５９】
脱離還元処理においては、改質原料流量制御器１５により燃料改質器８に投入する空気量を増加させて、部分酸化反応の比率を増加するように指令を出すと共に、還元剤投入制御弁２０に指令を出して、還元剤としてのＨ2 、ＣＯを含む改質ガスを排気通路７のＮＯｘトラップ１８上流に投入する。
【００６０】
従って、コントロールユニット２１は、図３に示すように、ＮＯｘトラップ１８にトラップされたＮＯｘの脱離還元処理の要否を判定するＮＯｘ脱離還元処理要否判定手段としての機能と、脱離還元処理を必要とするときに、燃料改質器８における燃料改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させる燃料改質制御手段としての機能と、還元剤投入制御弁２０によりＮＯｘトラップ１８に流入する排気ガス中に燃料改質器８で生成された改質ガスを還元剤として投入する還元剤投入手段としての機能とを、ソフトウェア的に備えることとなる。また、後述するように、改質ガス供給量補正手段、更にはスロットル弁制御手段としての機能も必要により備えることとなる。
【００６１】
以下、より具体的な制御内容をフローチャートにより説明する。
図４はエンジン１の通常運転時において改質原料流量制御器１５による燃料改質器８への燃料、水、空気の供給量を決定するための燃料改質制御のフローチャートである。
【００６２】
機関の運転状態を判定するために、Ｓ１ではエンジン回転数Ｎｅを読込み、Ｓ２ではアクセル開度Ａａを読込む。
Ｓ３では冷却水温度Ｔｗを読込んで、冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ０以上か否かを判定し、所定値Ｔｗ０以上であればエンジンの暖機完了状態であると判断して、暖機完了状態における燃料改質器８への燃料、水、空気の供給量決定ステップ（Ｓ４〜Ｓ６）ヘ進む。
【００６３】
Ｓ４ではエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａａとにより割り付けられた燃料供給量マップより燃料改質器８への燃料供給量Ｇｆを読込んで決定する。
Ｓ５ではエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａａとにより割り付けられた燃料に対する水の供給割合マップより水／燃料割合ＳＦを読込んで決定する。
【００６４】
Ｓ６ではエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａａとにより割り付けられた燃料に対する空気の供給割合マップより空気／燃料割合ＡＦを読込んで決定する。
以上により、通常運転時（エンジン暖機完了状態）における改質原料流量制御器１５による燃料改質器８への燃料、水、空気の供給量が決定される。尚、冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ０未満の冷機運転時は、Ｓ７へ進み、図示しない別ルーチンにより改質原料流量制御器１５による燃料改質器８への燃料、水、空気の供給量を決定する。
【００６５】
図５はＮＯｘトラップ１８におけるＮＯｘトラップ量算出（推定）のフローチャートであり、所定時間毎の割込み処理ルーチンとして実行される。
Ｓ１１では、エンジン運転状態としてエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ａａ等を読込む。
【００６６】
Ｓ１２では、そのときのエンジン運転状態（Ｎｅ，Ａａ等）においてエンジンから排出されるＮＯｘ排出量（ＮＯｘ）をマップ等から推定する。
Ｓ１３では、次式のごとく、ＮＯｘ排出量（ＮＯｘ）を所定時間毎に積算し、その積算値により、ＮＯｘトラップ１８におけるＮＯｘトラップ量（ΣＮＯｘ）を求める。
【００６７】
ΣＮＯｘ←ΣＮＯｘ＋ＮＯｘ
尚、このようにして積算により求められるＮＯｘトラップ量（ΣＮＯｘ）は、後述するように、ＮＯｘ脱離還元処理が完了した時点で、ΣＮＯｘ＝０として、初期化される。
【００６８】
図６はＮＯｘ脱離還元処理の第１実施形態のフローチャートであり、所定時間毎の割込み処理ルーチンとして実行される。
Ｓ２１では、ＮＯｘトラップ量ΣＮＯｘが所定値ＳＮＯｘ以上になったか否かを判定し、ΣＮＯｘ≧ＳＮＯｘの場合に、ＮＯｘ脱離還元処理ステップ（Ｓ２２以降）へ進む。この部分がＮＯｘ脱離還元処理要否判定手段に相当する。
【００６９】
Ｓ２２では、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａａとにより割り付けられた燃料改質器８への空気／燃料割合（ＡＦ）補正値マップよりＡＦ補正値Ｋａｆを読込む。
【００７０】
Ｓ２３では、空気／燃料割合ＡＦにＫａｆ（但しＫａｆ＞１）を乗じることで、ＡＦを増大側に補正し（ＡＦ←ＡＦ×Ｋａｆ）、改質原料流量制御器１５による燃料改質器８への空気の供給量を増加させる。この部分が部分酸化反応比率増加による燃料改質制御手段に相当する。
【００７１】
その結果、燃料改質器８における改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率が増加し、燃料改質器８に供給される空気中の酸素を改質反応により消費する一方、空気中の窒素（Ｎ2 ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）により、図２に示したように改質ガス中のＮ2 、ＣＯ2 濃度を増加させて、エンジンに供給することで、吸気通路２よりエンジン１に供給される新気（空気）の量を減少させ、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させることができ、排気ガス中の酸素濃度を可能な限り低くして、ＮＯｘトラップ１８からのＮＯｘの放出、更には還元処理を効率良く行うことができる。
【００７２】
ここで、エンジン１の運転状態を本フロー実施前の状態に保持するためには、改質ガス組成が変化した分、改質ガス供給手段としてのガス燃料噴射弁６からエンジン１への改質ガスの供給量を補正しなければならない。図２に示したように部分酸化反応の比率が増えることで、改質ガス中のＨ2 、ＣＯが減ってしまい、同等の出力を維持するために、改質ガスの供給量を大きくする方向に補正する必要があるからである。
【００７３】
本実施形態では、改質ガス供給手段を、コントロールユニット２１からのパルス信号によって開弁し、パルス幅を変えることで供給量を制御可能なガス燃料噴射弁６として、改質ガス供給量の補正方法を説明するが、同等の機能を有するものであれば、その補正は準じた方法で実現可能である。
【００７４】
Ｓ２５では、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａａとにより割り付けられた改質ガス供給量（噴射パルス幅）ＴＩに対する補正値マップよりＴＩ補正値Ｋｔｉを読込む。
【００７５】
Ｓ２６では、改質ガス供給量（噴射パルス幅）ＴＩにＫｔｉ（但しＫｔｉ＞１）を乗じることで、ＴＩを増大側に補正し（ＴＩ←ＴＩ×Ｋｔｉ）、最適な改質ガス供給量を確保する。この部分が改質ガス供給量増量補正手段に相当する。
【００７６】
続いて、Ｓ３１では、還元剤投入制御弁２０を開く。これにより、還元剤としてのＨ2 、ＣＯを含む改質ガスが排気通路７のＮＯｘトラップ１８の上流部に投入され、ＮＯｘトラップ１８にトラップされていたＮＯｘが確実に脱離還元処理される。この部分が還元剤投入手段に相当する。
【００７７】
Ｓ３２では、還元剤投入制御弁２０を開いてからの経過時間が所定時間になった否かを判定し、所定時間経過した場合に、Ｓ３３へ進み、還元剤投入制御弁２０を閉じる。また、Ｓ３４でＡＦ、ＴＩを補正前の値に戻し、ＮＯｘ脱離還元処理を完了する。これと同時に、Ｓ３５でＮＯｘトラップ量ΣＮＯｘがクリアされ、本ルーチンが終了する。
【００７８】
以上にように、ＮＯｘトラップ１８にトラップされたＮＯｘの脱離還元処理に際し、排気ガス中の酸素濃度を可能な限り低くすると共に、還元剤の効果的な投入により、ＮＯｘの脱離還元処理を効率良く行うことが可能になる。
【００７９】
図７はＮＯｘ脱離還元処理の第２実施形態のフローチャートであり、図６のフローに対し、Ｓ２７，Ｓ２８の処理が付加されており、この付加された機能について説明する。
【００８０】
ＮＯｘ脱離還元処理を開始する場合に、Ｓ２７にて、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａａとにより割り付けられた電制スロットル弁５の目標スロットル開度ＴＶＯに対する補正値マップよりＴＶＯ補正値Ｋｔｖｏを読込む。
【００８１】
そして、Ｓ２８にて、電制スロットル弁５の目標スロットル開度ＴＶＯにＫｔｖｏ（但しＫｔｖｏ＜１）を乗じることで、目標スロットル開度ＴＶＯを開度減少側（閉じ側）に補正する（ＴＶＯ←ＴＶＯ×Ｋｔｖｏ）。この部分がスロットル制御手段に相当する。
【００８２】
ここで、Ｋｔｖｏの値は、各Ｎｅ、Ａａに対してバックファイアを起こさない範囲で、すなわち空気過剰率λ＝１．３程度をリッチ化の限度として、新気量を減少させるように設定されている。
【００８３】
以上のように、ＮＯｘ脱離還元処理に際し、電制スロットル弁５の制御により、バックファイアを起こさない範囲で、新気導入量を減少させることにより、エンジン吸入ガス中の酸素濃度、したがってエンジン排気ガス中の酸素濃度を更に確実に低下させて、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。尚、ＮＯｘ脱離還元処理を終了する際は、Ｓ３４にてＡＦ、ＴＩを補正前の値に戻すと共に、ＴＶＯも補正前の値に戻すことは言うまでもない。
【００８４】
図８はＮＯｘ脱離還元処理の第３実施形態のフローチャートであり、図７のフローに対し、Ｓ２９，Ｓ３０の処理が付加されており、この付加された機能について説明する。
【００８５】
空気／燃料割合ＡＦ、改質ガス供給量ＴＩ及び目標スロットル開度ＴＶＯの補正後、Ｓ２９にて、遅延時間Ｔｄを算出する。
具体的には、Ｎｅ及びＡａの値とＮｅに対して割り付けられたエンジンの体積効率とを基に、単位時間当たりの吸入空気量Ｇａを算出し、ガス燃料噴射弁６からＮＯｘトラップ１８までのボリュームＶincat の値をＧａで除することにより、酸素濃度が低下した状態の排気ガスがＮＯｘトラップ１８に到達するまでの到達遅れ時間を求め、その時間をＴｄとする。
【００８６】
Ｓ３０では、空気／燃料割合ＡＦ、改質ガス供給量ＴＩ及び目標スロットル開度ＴＶＯの補正からの経過時間が前記遅延時間Ｔｄに達したか否かの判定を行い、Ｔｄ時間経過後に、Ｓ３１へ進んで、還元剤投入制御弁２０を開き、Ｈ2 、ＣＯ等の還元剤を排気通路７のＮＯｘトラップ１８の上流部に投入するようにしている。
【００８７】
以上のように、燃料改質器８での改質反応形態を変化させるなどした後、エンジン排気ガス中の酸素濃度が十分低下した時点で、還元剤を投入することで、更に効率良くＮＯｘの脱離還元処理を行うことができる。
【００８８】
尚、前記各実施形態において、Ｓ３１にて、還元剤投入制御弁２０を開いて、Ｈ2 、ＣＯを含む改質ガスを還元剤として排気通路７のＮＯｘトラップ１８の上流部に投入する際、改質ガスの投入量は次のように制御するとよい。
【００８９】
燃料改質器８への水／燃料割合ＳＦと空気／燃料割合ＡＦとより割り付けられた改質ガス中のＨ2 割合及びＣＯ割合のマップを参照することで、還元剤として排気ガス中に投入する改質ガス中のＨ2 、ＣＯの各割合を推定し、これらよりＮＯｘトラップ１８にトラップされたＮＯｘを還元するために必要な改質ガス量を算出し、その量になるように還元剤投入制御弁２０の開度若しくは開弁時間を制御する。
【００９０】
還元剤の中では、ＣＯに比較してＨ2 の還元作用の方が強いため、改質ガスの組成に応じた量を還元剤として投入することで、無駄な改質ガスを投入することなく、必要最小限の改質ガスの投入で、効率良く脱離還元処理を行うことができ、ＮＯｘを有効かつ効率良く浄化することが可能となるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示す燃料改質ガスエンジンのシステム図
【図２】  部分酸化反応比率と改質ガス組成との関係を示す図
【図３】  制御の概要を示すブロック図
【図４】  通常運転時の燃料改質制御のフローチャート
【図５】  ＮＯｘトラップ量算出のフローチャート
【図６】  ＮＯｘ脱離還元処理の第１実施形態のフローチャート
【図７】  ＮＯｘ脱離還元処理の第２実施形態のフローチャート
【図８】  ＮＯｘ脱離還元処理の第３実施形態のフローチャート
【符号の説明】
１  エンジン
２  吸気通路
５  電制スロットル弁
６  ガス燃料噴射弁
７  排気通路
８  燃料改質器
９  燃料タンク
１０  燃料ポンプ
１１  水タンク
１２  水ポンプ
１４  空気ポンプ
１５  改質原料流量制御器
１６  気化混合器
１７  改質ガス供給通路
１８  ＮＯｘトラップ
１９  還元剤投入通路
２０  還元剤投入制御弁
２１  コントロールユニット
【図１】
0003760718.tif 000002
【図２】
0003760718.tif 000003
【図３】
0003760718.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003760718.tif 000006
【図６】
0003760718.tif 000007
【図７】
0003760718.tif 000008
【図８】
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