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� �るための全体構成図を示している。本実施� �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、通常 のガソリン等の炭化水素燃料のほか、アルコ ール(エタノール等)を含むバイオ燃料などを� ��いることもできる。

 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� ��ている。吸気通路12の途中には、吸入空気� �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� ��料噴射装置18は、吸気ポート内でなく、筒� �に燃料を直接に噴射するように設けられて� �てもよい。

 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� ��ている。排気通路20の途中には、燃料改質� �24が設けられている。そして、燃料改質器24� ��内部には、燃料改質触媒26を構成する空間� �形成されている。この燃料改質触媒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� �て設置されている。

 また、燃料改質器24の内部には、並行す� �複数の通路からなる排気通路28が設けられて いる。この排気通路28と、燃料改質触媒26と� �、隔壁で隔てられ、遮断されている。排気� �路28の入口は、排気通路20に接続され、出口� ��排気通路30に接続されている。このような� �成により、燃料改質触媒26は、排気通路28を� ��る排気ガスの熱を受熱することができる。� ��の熱を反応熱とすることにより、燃料改質� ��媒26は、後述する改質反応を生じさせるこ� �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� �伝熱させる熱交換器としての機能を有して� �る。

 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� �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� ��、燃料改質触媒26に接続されている。EGR通� �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� ��する改質用燃料噴射装置34が設けられてい� �。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、� ��料改質触媒26の作用によって改質反応を起� �す。

 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、� ��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� ��と混合させることができる。EGR通路36の途� �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� �されるEGR弁40とが設けられている。

 排気通路20を流れる排気ガスのうち、EGR� �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� ��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� ��が配置されている。また、排気通路28にも� �害成分を浄化する触媒が担持されていても� �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� ��発生させることができるので、燃料改質触� ��26の受熱量(熱回収量)を更に増大させること ができ、改質効率を向上することができる。

 内燃機関10が使用する燃料は、燃料タン� �44に貯留されている。燃料タンク44には、タ� ��ク内の燃料を加圧した状態で外部に送出す� ��ための燃料ポンプ(図示せず)が付設されて� �る。この燃料ポンプの吐出側には、ポンプ� �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� ��管46が接続されている。

 更に、本実施形態のシステムは、ECU(Electr onic 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� ��、触媒温度センサ54、排気ガスセンサ56等を 含むセンサ系統が接続されている。

 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� ��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ものである。

 また、センサ系統には、例えば機関回転� ��を検出する回転センサ、吸入空気量を検出� ��るエアフローメータ、冷却水温度を検出す� ��水温センサ、アクセル開度を検出するアク� ��ル開度センサ、スロットル弁16の開度を検� �するスロットル開度センサ等のように、内� �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。

 一方、ECU50の出力側には、前述したスロ� �トル弁16、主燃料噴射装置18、改質用燃料噴� ��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� �よって検出しつつ、各アクチュエータを駆� �することによって運転制御を行う。

 この運転制御では、吸入空気量等に応じ� ��燃料の噴射量を算出し、当該噴射量分の燃� ��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� ��空燃比となるように、主燃料噴射装置18の� �料噴射量を制御する。

(改質運転)
 上述したような内燃機関10は、排気ガス(EGR� ��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� ��質運転を実行可能になっている。改質運転� ��には、EGR通路32内を流れるEGRガスに対して� �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� ��供給する。このとき、ECU50は、例えば内燃� �関10の運転状態、EGR流量、燃料改質触媒26の� ��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。

 燃料改質触媒26内では、触媒作用を有す� �前述したような種類の金属の作用により、� �質用燃料と、EGRガス中の成分とが改質反応(� ��蒸気改質反応)を起こす。燃料改質触媒26で� ��ずる主な改質反応の化学反応式は、改質用� ��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� ��合には下記式(2)で、それぞれ表すことがで� ��る。

  1.56(7.6CO ₂ +6.8H ₂ O+40.8N ₂ )+3C _7.6 H _13.6 +Q1
                →31H ₂ +34.7CO+63.6N ₂   ・・・(1)
  C ₂ H ₅ OH+0.4CO ₂ +0.6H ₂ O+2.3N ₂ +Q2→3.6H ₂ +2.4CO+2.3N ₂  ・・・(2)

 上記のような改質反応によれば、改質用燃� ��を、水素(H ₂ )、一酸化炭素(CO)等の可燃ガスに転換させる� ��とができる。

 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)式中の右辺の可燃ガスの� �する熱量は、当該各式の左辺に記載された� �応前の物質が有する熱量よりも大きくなる� �

 このため、燃料改質器24によれば、燃料改� �触媒26が排気通路28から受熱した熱を、上記� ��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� ��を回収、利用して、改質用燃料を、より熱� ��の大きい物質(H ₂ 、CO等)に転換することができる。

 上記の改質反応により生成した可燃ガスを� ��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の気筒内に流入する。そして、改質� ��ス中の可燃ガス(H ₂ 、CO等)は、主燃料噴射装置18から噴射された� ��料と共に気筒内で燃焼する。ECU50には、改� �運転時に内燃機関10の気筒内に流入させるべ き要求可燃ガス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� ��、気筒内に流入する可燃ガス量がその要求� ��燃ガス量となるように、改質ガス流量をEGR� ��40によって制御するとともに、空燃比を目� �空燃比とする上で必要な総燃料量から、流� �した可燃ガス量を差し引いた残りの分の燃� �を、主燃料噴射手段18から噴射させる。

 改質ガスは、前述したように、燃料改質� ��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� �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� ��することができる。

 また、改質ガスを吸気系に還流させること� ��、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� �果、すなわちポンプ損失低減による燃費改� �効果や燃焼温度低下によるNOx生成量低減効� �などを得ることもできる。このことに関連� �て、改質運転には更に次のような利点があ� �。通常のEGR運転の場合には、EGR率を高くし� �いくと、燃焼が不安定になるので、EGR率に� �限界がある。これに対し、改質運転の場合� �は、高い燃焼性を有する(燃焼速度の速い)水 素ガス(H ₂ )が改質ガスに含まれているので、EGR率を高� �しても燃焼が不安定になりにくく、EGR率の� �界を高くすることができる。よって、改質� �転時には、大量EGRが可能となるので、ポン� �損失低減による燃費改善効果や燃焼温度低� �によるNOx生成量低減効果などをより大きく� �揮させることができる。

(非改質運転)
 本実施形態の内燃機関10は、上述したよう� �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� �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� ��ようにする非EGR運転とが含まれる。

 改質運転には上述したような特長がある� ��め、非改質運転を行う場合と比べ、内燃機� ��10の燃費(熱効率)を大幅に改善することがで きる。このため、燃費性能を改善する観点か らは、なるべく広範囲な状況下で改質運転を 行うことが望まれる。

 しかしながら、本発明者らの知見によれ� ��、以下に説明するように、内燃機関10の運� �条件(回転数や負荷等)の変化が急速な場合に 改質運転を実行すると、燃料改質触媒26の劣� ��が進行し易いという問題がある。

 燃料改質触媒26で改質反応処理が可能な� �界の燃料量は、EGR流量や燃料改質触媒26の温 度などによって変動する。運転条件の急変に 伴って排気圧力や排気ガス温度などが急激に 変動すると、EGR流量や燃料改質触媒26の温度� ��急激に変動するので、改質反応処理可能な� ��料量も急激に変動する。このため、改質用� ��料噴射装置34の噴射量がその変化に追従で� �ず、燃料改質触媒26に供給される燃料量が過 不足になり易い。そして、改質用燃料が過多 となった場合には、燃料改質触媒26に燃料が� ��着して残存してしまう。この付着燃料が、� ��に、燃料カットの実行等によって燃料改質� ��媒26に流入した酸素と反応して燃焼すると� �燃料改質触媒26が異常な高温となり、触媒性 能の低下や触媒担体の熱破壊など(以下、「� �料改質触媒26の劣化」と称する)を生じ易い� �また、改質反応を正常に行うことができな� �なり、改質量(可燃ガス生成量)が変化してし まうこともある。

 更に、次のような問題もある。噴射され� ��改質用燃料が改質反応を経て可燃ガスに転� ��し、更にEGR通路36および吸気通路12を経て筒 内へ流入するまでには、時間遅れがある。こ のため、運転条件の急変に伴って要求可燃ガ ス量が急変すると、筒内に実際に流入する可 燃ガス量が要求可燃ガス量の変動に追従しき れなくなる。その結果、実空燃比の目標空燃 比からの制御ずれが大きくなり易い。更に、 運転条件急変時には、上述したように、燃料 改質触媒26に供給される燃料量の過不足によ� ��て改質ガス中の可燃ガス濃度が変動し易い� ��ともに、排気圧力や排気ガス温度が変動す� ��ために、EGR弁40の開度が同じであっても、� �気通路12に流入する改質ガス流量が変化する 。よって、筒内に流入する可燃ガス量を精度 良く制御することが極めて困難となる。この ようなことから、運転条件急変時に改質運転 を実行すると、空燃比の制御ずれが大きくな り易い。その結果、内燃機関10の失火が置き� ��くなる。失火が生ずると、未燃燃料や酸素� ��排気通路20およびEGR通路32を介して燃料改質 触媒26に流入する。そうすると、前記と同様� ��、燃料改質触媒26で燃料と酸素が燃焼反応� �て、燃料改質触媒26が異常な高温となり、燃 料改質触媒26が劣化し易くなる。

 以上述べたように、運転条件急変時に改� ��運転を実行すると、燃料改質触媒26での燃� �の酸化反応を招き易いため、燃料改質触媒26 が異常な高温となり、燃料改質触媒26が劣化� ��易くなる。そこで、本実施形態では、運転� ��件急変時には、改質用燃料の噴射を禁止し� ��改質運転を実行しないこととした。

 更に、本実施形態では、燃料改質触媒26� �おける燃料の酸化反応が生ずることをより� �実に防止するべく、改質運転時には内燃機� �10の燃料カットを禁止することとした。内燃 機関10の減速時には、通常、燃料消費量を節� ��するため、主燃料噴射装置18からの燃料噴� �を停止する燃料カットが実行される。燃料� �ットが実行されると、空気が排気通路20に流 通する。よって、改質運転中に内燃機関10が� ��速状態となって燃料カットが実行された場� ��には、EGR通路32を介して燃料改質触媒26にも 空気が流入する。このため、燃料改質触媒26� ��付着燃料が残留していた場合には、その付� ��燃料が流入した空気中の酸素と酸化反応す� ��おそれがある。そこで、本実施形態では、� ��のような事態を確実に回避するため、改質� ��転時には内燃機関10の燃料カットを禁止す� �こととした。

[実施の形態1における具体的処理]
 図2および図3は、上記の機能を実現するた� �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。図2に示すルー� �ンによれば、まず、内燃機関10の運転条件が 急変している状態(以下「運転条件急変状態� �と称する)であるか否かが判別される(ステッ プ100)。具体的には、例えばアクセル開度変� �速度、要求トルク変化速度、機関回転数変� �速度、吸入空気量変化速度、スロットル開� �変化速度のうちの少なくとも一つが各セン� �信号に基づいて算出され、その変化速度が� �定の閾値を超えている場合には、運転条件� �変状態であると判定される。なお、上記閾� �は、運転条件の変化速度がこの閾値以下で� �れば、前述したような燃料の酸化反応が燃� �改質触媒26において生ずることを確実に抑制 することができるような値として、予め設定 されている。

 上記ステップ100において、上記運転条件� ��ラメータの変化速度が閾値以下である場合� ��つまり運転条件急変状態ではないと判定さ� ��た場合には、改質運転を実行しても燃料改� ��触媒26の劣化を招くことはないと判断でき� �。よって、この場合には、改質用燃料の噴� �を禁止する必要はないので、本ルーチンの� �理がそのまま終了される。

 一方、上記ステップ100において、上記運� ��条件パラメータの変化速度が閾値を超えて� ��る場合、つまり運転条件急変状態であると� ��定された場合には、改質用燃料噴射装置34� �らの燃料噴射が禁止される(ステップ102)。こ れにより、改質運転中であった場合には、改 質用燃料噴射装置34からの燃料噴射が停止さ� ��る。

 上記ステップ102の処理に続いて、改質運� ��中であるか否かが判別される(ステップ104)� �このステップ104において、改質運転中でな� �(非改質運転中である)と判別された場合には 、本ルーチンの処理がそのまま終了される。 一方、改質運転中であると判別された場合に は、改質運転を停止して非改質運転に切り換 えるための処理が実行される(ステップ106)。

 上記ステップ106においては、例えば、次の� ��うな処理が実行される。
・改質ガス(可燃ガス)が気筒内に供給されな� ��なる分を補うために、主燃料噴射装置18か� �の燃料噴射量を増量する処理が実施される� �
・改質ガス中の水素ガスが気筒内に供給され なくなることに伴い、EGR限界が低下する。こ のことに対応するため、EGR弁40の開度を小さ� ��することにより、EGR率を低下させる処理が� ��施される。なお、この処理では、EGR弁40を� �じてEGRを停止するようにしてもよい。
・燃焼速度の速い水素ガス等が気筒に供給さ れる改質運転時と、液体燃料のみが燃焼する 非改質運転時とでは、最適点火時期が大きく 異なる。このことに対応するため、点火時期 を非改質運転時用に変更する処理が実施され る。

 図3は、改質運転時に燃料カットを禁止す るためのルーチンである。このルーチンによ れば、まず、改質運転中であるか否かが判別 される(ステップ108)。このステップ108におい� ��、改質運転中であると判別された場合には� ��次に、燃料カットを禁止する処理が実行さ� ��る(ステップ110)。このステップ110の処理が� �行された場合には、内燃機関10が減速状態に なったとしても、燃料カットを実行せず、主 燃料噴射装置18からの燃料噴射が継続される� ��一方、上記ステップ108において、改質運転� ��でない(非改質運転中である)と判別された� �合には、燃料カットの禁止を解除する処理� �実行される(ステップ112)。

 以上説明したように、本実施形態によれ� ��、内燃機関10の運転条件の急変により、改� �用燃料の噴射量や筒内への可燃ガス流入量� �要求値の変動に十分に追従できなくなるよ� �な場合には、改質用燃料噴射装置34からの燃 料噴射を禁止することにより、改質運転を停 止することができる。これにより、燃料改質 触媒26に付着燃料が残留したり、燃料改質触� ��26に酸素が流入したりすることを確実に防� �することができる。このため、燃料改質触� �26において燃料の酸化反応が生ずることを確 実に抑制することができ、燃料改質触媒26の� ��常昇温やこれに起因する燃料改質触媒26の� �化を確実に防止することができる。

 更に、本実施形態では、改質運転時に燃� ��カットを禁止することにより、燃料改質触� ��26への酸素の流入をより確実に防止するこ� �ができる。また、改質運転時に燃料改質触� �26に空気が流通することを防止することがで きるので、燃料改質触媒26の温度低下を確実� ��抑制することができる。このため、燃料改� ��触媒26を活性温度に維持することができ、� �質反応を良好に継続させることができる。

 なお、本実施形態では、運転条件急変状� ��と判定された場合に、改質用燃料噴射を禁� ��するようにしているが、本発明では、運転� ��件急変状態のときに改質用燃料噴射量を必� ��しもゼロにしなくてもよく、燃料改質触媒2 6に付着燃料が残留したり、燃料改質触媒26に 酸素が流入したりすることを防止することが できる範囲内であれば、改質用燃料噴射を継 続してもよい。すなわち、本発明では、運転 条件急変状態と判定された場合に、少なくと も、燃料改質触媒26に付着燃料が残留したり� ��燃料改質触媒26に酸素が流入したりするこ� �が抑制でき、燃料改質触媒26における燃料の 酸化反応が生ずることを抑制することができ る程度にまで、改質用燃料噴射量を減量する ようにすればよい。

 また、本実施形態では、燃料改質器24に� �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� ��にしているが、本発明は、燃料改質触媒26� �加える熱を排気ガスの熱で賄う構成に限定� �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。

 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の発明におけ る「改質用燃料噴射手段」に、燃料改質器24� ��前記第1の発明における「熱供給手段」に、 主燃料噴射装置18が前記第4の発明における「 主燃料噴射手段」に、EGR弁40が前記第5の発明 における「EGR率調整手段」に、それぞれ相当 している。また、ECU50が、上記ステップ100の� ��理を実行することにより前記第1の発明にお ける「運転条件パラメータ変化速度取得手段 」および「急変判定手段」が、上記ステップ 102の処理を実行することにより前記第1およ� �第2の発明における「改質用燃料噴射制限手� ��」が、内燃機関10の減速時に主燃料噴射装� �18からの燃料噴射を停止させることにより前 記第4の発明における「燃料カット手段」が� �上記ステップ106の処理を実行することによ� �前記第4の発明における「運転切換手段」お� ��び前記第5の発明における「EGR制限手段」が 、上記ステップ110の処理を実行することによ り前記第4の発明における「燃料カット禁止� �段」が、それぞれ実現されている。