JP2018009492A - 燃料改質触媒の劣化診断方法および劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒担体３１の上流端３１ａ側部分が再生不能となる前に燃料改質触媒１８の劣化を検知する。
【解決手段】燃焼室に水素を供給する燃料改質システムとして、内燃機関のＥＧＲ通路に燃料改質触媒１８と改質燃料用燃料噴射弁１９が配置される。燃料改質触媒１８に触媒温度センサ２７が設けられ、改質時の吸熱反応による温度低下の経時的な変化から劣化の診断を行う。燃料改質触媒１８は、改質に必要な最小触媒容積の２倍の触媒容積を有するので、これに対応して、触媒温度センサ２７の測温点２７ａを、触媒担体３１の上流端３１ａから１／２までの範囲で、かつ上流端３１ａ付近の酸化反応領域Ｌ１よりも下流側に配置する。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路に、燃料改質触媒と、該燃料改質触媒に上流側から燃料を供給する改質燃料用燃料噴射弁と、を配置した内燃機関の燃料改質システムに関し、特に、燃料改質触媒の劣化を診断する技術に関する。

特許文献１には、ＥＧＲ通路に設けられた燃料改質触媒の劣化診断装置として、燃料改質触媒の上流側および下流側に、燃料改質触媒に流入するガスの温度（触媒入口側温度）を検出する入口側温度センサおよび燃料改質触媒から流出するガスの温度（触媒出口側温度）を検出する出口側温度センサを配置し、触媒出口側温度と触媒入口側温度との温度差を劣化判定閾値と比較することで劣化判定を行う技術が開示されている。例えば燃料改質触媒が吸熱反応触媒である場合には、劣化していない段階では触媒出口側温度が触媒入口側温度よりも低い温度となるが、劣化に伴って触媒出口側温度が触媒入口側温度に近付くので、温度差が劣化判定閾値よりも小さくなり、劣化と判定されることとなる。

特開２０１２−２４１６０８号公報

燃料改質触媒には上流側から燃料が与えられるので、硫黄成分の固着や固形カーボンの堆積を主たる要因とする触媒の劣化は、燃料改質触媒の上流端から下流側へ向かって徐々に進行する。一方、燃料改質触媒の触媒容積（あるいは触媒容量）は、一般に、所要量の燃料の燃料改質に必要な最小触媒容積に対し十分な余裕を与えて設計され、例えば最小触媒容積の２倍程度の触媒容積を有するのが一般的である。

従って、特許文献１のように触媒出口側温度と触媒入口側温度との温度差（つまり燃料改質触媒の長手方向の全体を通過したガスの温度変化）に基づく劣化判定では、余裕を持った触媒容積の全体が劣化しない限りは、劣化を検知することができない。そして、このように触媒容積の全体が劣化して上記温度差に基づき劣化と診断された段階では、最も劣化が進行している燃料改質触媒の上流端側部分は、再生処理によって触媒機能が復活し得ない程度にまで劣化してしまう。

この発明に係る燃料改質触媒の劣化診断方法は、燃料改質触媒が、燃料の改質に必要な最小触媒容積のＮ倍の触媒容積を備えていることを前提としており、上記燃料改質触媒の触媒担体の上流端から１／Ｎとなる位置よりも上流側に触媒温度センサを配置し、改質時に上記触媒温度センサが示す触媒担体温度に基づいて上記燃料改質触媒の劣化判定を行う、ことを特徴としている。なお、Ｎは、１よりも大きな値である。

ＥＧＲ通路での燃料改質触媒を介した燃料改質は主に吸熱反応となるので、燃料改質触媒が劣化していない段階で触媒温度センサが示す触媒担体温度は、吸熱反応によって低くなる。これに対し、燃料改質触媒が劣化すると、未劣化時に比較して相対的に触媒担体温度が高くなる。従って、検出した触媒担体温度を、入口ガス温度や機関運転条件に応じた劣化判定温度あるいは過去に測定した触媒担体温度などと比較することで、劣化の判定が可能である。

ここで、燃料改質触媒が最小触媒容積の例えば２倍の触媒容積を備えているとすると、上流側から供給された改質用燃料に対する触媒作用の多くは、触媒担体の長手方向の上流側半分（あるいは半分以下）の領域でなされる。従って、この範囲内に触媒温度センサを配置し、その検出温度から劣化を判定することで、触媒担体の上流端において過度に劣化が進行する前に、劣化と診断することができる。

この発明によれば、従来のように燃料改質触媒全体が劣化する前に劣化を検知することが可能であり、最も劣化が進行する上流端部分が再生不能となることを未然に回避することができる。

燃料改質システムを備えた内燃機関の構成を示す構成説明図。 燃料改質触媒における触媒温度センサの測温点の説明図。 （ａ）〜（ｄ）は、それぞれ図２のＡ〜Ｄ点における測定温度の経時的な変化を示すグラフ。 劣化診断の処理の一例を示すフローチャート。 劣化診断の処理の異なる例を示すフローチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の診断対象となる燃料改質システムを備えた内燃機関１のシステム構成を示す構成説明図である。内燃機関１は、例えばガソリンを燃料とする火花点火式内燃機関であり、燃料タンク２から送られた燃料を例えば各気筒の吸気ポートへ向けて噴射供給する燃料噴射弁３を備えている。内燃機関１の吸気通路４には、吸入空気量を計量するエアフロメータ５と、スロットル弁６と、が設けられている。図示例では、スロットル弁６の下流に、機械式過給機あるいはターボチャージャのコンプレッサなどからなる過給機７が示されているが、この過給機７は必ずしも必須のものではない。過給機７と内燃機関１との間には、吸気中の水素成分を検出する水素センサ８が設けられている。なお、内燃機関１は、各気筒に点火プラグ９を備えている。

内燃機関１の排気通路１１には、排気浄化を行うための三元触媒を用いた排気浄化触媒１２が設けられている。排気浄化触媒１２の上流側には空燃比センサ１３が配置され、排気浄化触媒１２の下流側には酸素センサ１４が配置されている。エンジンコントローラ１５は、これら空燃比センサ１３および酸素センサ１４の検出信号に基づいて公知の空燃比フィードバック制御を行う。

内燃機関１の排気通路１１と吸気通路４との間には、内燃機関１の排気の一部を排気通路１１から吸気通路４へと還流するＥＧＲ通路１７が設けられている。ＥＧＲ通路１７は、排気浄化触媒１２の上流側で排気通路１１から分岐し、スロットル弁６と過給機７との間において吸気通路４に合流している。

上記ＥＧＲ通路１７には、燃料改質システムの主要部をなす燃料改質触媒１８が介装されており、この燃料改質触媒１８の上流側に、該燃料改質触媒１８に改質用燃料を噴射供給する改質燃料用燃料噴射弁１９がミキサー２０とともに設けられている。この実施例では、改質燃料用燃料噴射弁１９は、改質用燃料として燃料タンク２内のガソリンを噴射供給するが、内燃機関１に供給される燃料とは異なる液体炭化水素燃料を改質用燃料として用いることも可能である。燃料改質触媒１８は、モノリスハニカム触媒担体に例えばロジウム系の触媒金属を含む触媒スラリーをコーティングして焼成したものであり、排気（ＥＧＲガス）中に含まれる水蒸気ならびに熱を利用して炭化水素燃料から水素を生成する。

上記ＥＧＲ通路１７は、さらに、燃料改質触媒１８よりも下流側の位置において、ＥＧＲガスを冷却する水冷ないし空冷のＥＧＲガスクーラ２１と、ＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に沿って制御するための排気還流制御弁２２と、を備えている。また、燃料改質触媒１８とＥＧＲガスクーラ２１との間には、ＥＧＲガス中の水素成分を検出する水素センサ２３が設けられており、ＥＧＲガスクーラ２１と排気還流制御弁２２との間には、酸素センサ２４が設けられている。なお、これらの水素センサ２３および酸素センサ２４は、吸気通路４における水素センサ８とともに、燃料改質により燃焼室に供給する水素量を制御するために用いられる。

上記燃料改質触媒１８の入口部、詳しくは該燃料改質触媒１８とミキサー２０との間には、ミキサー２０を経て燃料改質触媒１８に流入するガスの温度（入口ガス温度Ｔin）を検出する入口ガス温度センサ２６が配置されている。また、上記燃料改質触媒１８には、特定位置での触媒担体温度を検出する触媒温度センサ２７が配置されている。これらの入口ガス温度センサ２６および触媒温度センサ２７は、燃料改質触媒１８の温度状態が燃料の改質可能な状態であるか否かの判定に用いられるとともに、後述する燃料改質触媒１８の劣化診断に用いられる。

上記のような燃料改質システムを備えた内燃機関１においては、排気還流に際して燃料改質による水素を加えることで、高ＥＧＲ率での安定した燃焼を図っている。すなわち、エンジンコントローラ１５においては、内燃機関１の運転条件つまり負荷と回転速度とをパラメータとして目標ＥＧＲ率が予めマップの形で設定されており、この目標ＥＧＲ率を実現するように排気還流制御弁２２の開度が制御される。そして、この目標ＥＧＲ率があるレベルよりも高い領域においては、改質燃料用燃料噴射弁１９から燃料改質触媒１８へ改質用燃料を供給し、ＥＧＲガスに含まれる水蒸気ならびに熱および燃料改質触媒１８の触媒作用を利用して、改質用燃料から水素を生成する。この水素は、ＥＧＲガスとともに吸気通路４における新気と合流し、燃焼室に導入される。水素の導入によって燃焼室内での燃焼速度が高められるため、高ＥＧＲ率での安定した燃焼を実現できる。なお、改質用燃料の量は、内燃機関１の燃料噴射弁３からの燃料量と合わせた総量が理論空燃比を実現できるように設定される。

ここで、上記の燃料改質触媒１８は、燃料中に含まれる硫黄成分の触媒層への固着あるいは固体カーボンの堆積などによって徐々に劣化つまり触媒性能の低下を生じる。そのため、エンジンコントローラ１５は、適宜なタイミングで燃料改質触媒１８の劣化診断を繰り返し実行し、劣化と判定したときには、硫黄成分や固体カーボンを除去するための所定の再生処理を実行する。

以下では、燃料改質触媒１８の劣化診断について、より詳細に説明する。

まず、図２は、燃料改質触媒１８に設けられた触媒温度センサ２７の測温点２７ａについて説明する説明図である。燃料改質触媒１８は、この例では、所要量の燃料の改質に必要な最小触媒容積の２倍の触媒容積を備えている。つまり、負荷と回転速度とから定まる目標ＥＧＲ率に関連して各運転条件の下での必要な改質用燃料量（つまり必要な水素量）が定まり、運転条件の中で最大に必要な改質用燃料量を賄いうる触媒容積（あるいは触媒容量）が最小触媒容積となる。この最小触媒容積に対し、実際に使用される燃料改質触媒１８は、ロバスト性の確保のために、十分な余裕を見込んだ触媒容積を有し、例えば最小触媒容積の２倍の触媒容積に設計されている。そして、このように最小触媒容積の２倍の触媒容積を有する燃料改質触媒１８において、触媒温度センサ２７の測温点２７ａは、触媒担体３１の上流端３１ａから１／２となる位置よりも上流側に配置されている。

つまり、上記のように最小触媒容積の２倍の触媒容積を有する燃料改質触媒１８においては、理論的には、触媒劣化が生じていない段階では、上流側１／２の領域で燃料改質を賄いうることになり、この領域での触媒反応に伴う温度変化から劣化を診断するためには、少なくとも、上流端３１ａから１／２となる位置よりも上流側の触媒担体温度を測定する必要がある。

図３のグラフ（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、上記燃料改質触媒１８の劣化耐久試験を行った場合の図２のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各点における温度の変化を示したものである。ここでは、内燃機関１の運転条件、ＥＧＲ率、改質用燃料の量等の条件を一定としつつ燃料改質を継続し、各点の温度（点Ａ，Ｂ，Ｃでは触媒担体温度、点Ｄではガス温度となる）を計測した。各グラフの横軸は、運転時間である。点Ａは、触媒担体３１の上流端３１ａに近い位置にあり、点Ｂは、触媒担体３１の長手方向の中央（つまり１／２）の位置にあり、点Ｃは、１／２よりも下流側の位置にある。点Ｄは、触媒担体３１を通過した出口ガス温度を測定している。

グラフ（ａ）に示すように、触媒担体３１の上流端３１ａに近い位置では、触媒担体温度が入口ガス温度Ｔinよりも高くなっており、改質燃料用燃料噴射弁１９から供給された改質用燃料が酸化反応を生じていることを示している。ここでは、経時的な温度の変化は少ない。

これに対し、点Ｂにおいては、グラフ（ｂ）に示すように、燃料改質に伴う吸熱反応によって触媒担体温度が入口ガス温度Ｔinよりも低下する。そして、この点Ｂでの触媒担体温度は、経時的につまり硫黄成分や固形カーボンの付着・堆積等による劣化の進行に伴って、ある段階から入口ガス温度Ｔinに近付き、かつ上流側（例えば点Ａ）での高い触媒担体温度の影響を受けて、やがて入口ガス温度Ｔinよりも高くなる。これは、劣化により吸熱反応が生じていない（特に触媒担体３１の上流端３１ａから点Ｂまでの範囲内で）ことを意味する。従って、この点Ｂでの触媒担体温度に基づき、燃料改質触媒１８の劣化判定が可能である。例えば、触媒担体温度が入口ガス温度Ｔinと等しくなる時間ｔ１の時点においては、上流端３１ａから点Ｂまでの範囲に存在する触媒が既に劣化しているとみなすことができる。

一方、１／２の位置よりも下流側であるＣ点においては、グラフ（ｃ）に示すように、燃料改質に伴う吸熱反応によって触媒担体温度が入口ガス温度Ｔinよりも低い状態がより長い時間継続する。例えば、上記の時間ｔ１以降も触媒担体温度が入口ガス温度Ｔinよりも低くなる。これは、点Ｂよりも下流に存在する触媒によって吸熱反応が維持されていることを意味している。つまり、触媒担体３１の上流端３１ａ付近ではかなり劣化が進行しているものの、最小触媒容積を越えた余裕代となる触媒容積に対応する部位の触媒担体温度であるＣ点の温度は、有意な変化を示さない。

さらに、出口ガス温度であるＤ点の温度は、グラフ（ｄ）に示すように、燃料改質に伴う吸熱反応によって入口ガス温度Ｔinよりも低い状態が長く継続する。つまり、最小触媒容積の２倍の触媒容積を有する燃料改質触媒１８の全てが触媒反応を喪失しない限りは、下流側の触媒によって吸熱反応が生じるため、出口ガス温度は入口ガス温度Ｔinよりも低い温度を示し続ける。従って、改質用燃料が供給される上流端３１ａ側でかなり劣化が進行するまで、Ｄ点の温度は有意な変化を示さない。

換言すれば、最小触媒容積に相当する範囲を越えたＣ点やＤ点の温度に基づいて劣化判定を行うとすると、最も早期に劣化が始まる上流端３１ａ側の部分では、触媒による吸熱反応つまり改質反応を喪失してからさらに長い時間改質運転が継続されることとなる。そのため、劣化を判定して触媒の再生処理（例えば強制的な還元処理や酸化処理による硫黄成分や固形カーボンの脱離）を開始したとしても、上流端３１ａ側の部分では触媒作用が回復しない虞がある。

従って、劣化診断のための触媒温度センサ２７の測温点２７ａは、少なくとも、触媒担体３１の長手方向の１／２の位置よりも上流側にある必要がある。また、上流端３１ａ側の部分の劣化を過度に進行させないためには、上流端３１ａから１／２の範囲内において可及的に上流側で触媒担体温度を測定することが望ましい。

一方、グラフ（ａ）に示すように、触媒担体３１の上流端３１ａ付近では、改質用燃料の酸化反応が生じており、この酸化反応領域では、経時的な温度変化に基づく劣化の判定を行うことが困難である。

従って、図２に示すように、触媒担体３１の上流端３１ａから長さＬ１の範囲が酸化反応領域であるとすると、この酸化反応領域Ｌ１よりも下流側に測温点２７ａを配置することが望ましい。つまり、上流端３１ａから測温点２７ａまでの距離Ｌは、酸化反応領域Ｌ１を越え、かつ触媒担体３１の全長の１／２までの範囲内となる。そして、この範囲内で、可及的に上流側であることが望ましい。一つの例では、酸化反応領域Ｌ１の境界位置に触媒温度センサ２７の測温点２７ａが設定される。なお、酸化反応領域Ｌ１は、改質時に触媒担体温度が入口ガス温度よりも高くなる領域として定義することができ、この領域は改質用燃料の量等によって長短変化するが、特に、最も下流側にまで拡がっているときの領域が酸化反応領域Ｌ１として予め定められ、この酸化反応領域Ｌ１よりも下流側に測温点２７ａが配置される。

図４は、上記エンジンコントローラ１５によって実行される劣化診断の処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、所定の診断条件が成立したとき、例えば、負荷や回転速度等の機関運転条件が所定の条件を満たしていて前回の診断から所定時間が経過したことを条件として実行され、最初にステップ１で、改質システムの運転モードを診断モードとする。これにより、例えば、ＥＧＲ率や改質燃料用燃料噴射弁１９からの改質用燃料の供給量などが診断に適した所定の範囲内に制御される。

このような診断モードで改質システムを運転する中で、ステップ２では、触媒温度センサ２７によって検出した触媒担体温度Ｔbedを劣化判定温度Ｔshと比較する。検出した触媒担体温度Ｔbedが劣化判定温度Ｔshよりも高ければ、触媒劣化と判定し、ステップ３の所定の触媒再生モードを実行する。触媒担体温度Ｔbedが劣化判定温度Ｔsh以下であれば、触媒は未だ劣化していないものと判定し、診断モードを終了してステップ４の通常運転モードに移行する。

上記劣化判定温度Ｔshは、一つの例では、入口ガス温度センサ２６が検出する入口ガス温度Ｔinに基づいて定められる。入口ガス温度Ｔinの値そのものを劣化判定温度Ｔshとしてもよく、あるいは、入口ガス温度Ｔinに適宜な修正を加えて劣化判定温度Ｔshとしてもよい。

他の一つの例では、上記劣化判定温度Ｔshは、個々の機関運転条件（換言すれば改質システムの運転条件）に対し予めマップの形などで与えられた値である。つまり、未劣化時の基準となる触媒担体温度が劣化判定温度Ｔshとして用いられることとなる。

従って、図３のグラフ（ｂ）において示したように、燃料改質触媒１８の劣化を早期に検知し、上流端３１ａ側部分が再生不能となる前に再生処理を開始することが可能となる。

図５は、上記エンジンコントローラ１５によって実行される劣化診断の処理の他の例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、やはり所定の診断条件が成立したとき、例えば、負荷や回転速度等の機関運転条件が所定の条件を満たしていて前回の診断から所定時間が経過したことを条件として実行され、最初にステップ１１で、改質システムの運転モードを診断モードとする。これにより、例えば、ＥＧＲ率や改質燃料用燃料噴射弁１９からの改質用燃料の供給量などが診断に適した所定の範囲内に制御される。

次にステップ１２で、今回の診断時に触媒温度センサ２７によって検出した触媒担体温度Ｔbedを記憶する。そして、ステップ１３で、今回の触媒担体温度Ｔbedを、前回の診断時における触媒担体温度Ｔbedoldと比較する。今回の触媒担体温度Ｔbedが前回の触媒担体温度Ｔbedoldよりも高ければ、触媒劣化と判定し、ステップ１４の所定の触媒再生モードを実行する。今回の触媒担体温度Ｔbedが前回の触媒担体温度Ｔbedold以下であれば、触媒は未だ劣化していないものと判定し、診断モードを終了してステップ１５の通常運転モードに移行する。

つまり、触媒温度センサ２７の測温点２７ａにおける触媒担体温度Ｔbedが上昇方向に変化したら、劣化と診断するのである。なお、誤診断を避けるために、前回の触媒担体温度Ｔbedoldに微小量ΔＴを加えた温度と今回の触媒担体温度Ｔbedを比較するようにしてもよい。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、最小触媒容積と実際の触媒容積との比Ｎの値は、１よりも大きな任意の値である。例えば、燃料改質触媒１８の触媒容積が最小触媒容積の３倍であれば、触媒担体３１の上流端３１ａから１／３となる位置よりも上流側に触媒温度センサ２７の測温点２７ａを配置する必要がある。

１…内燃機関
２…燃料タンク
３…燃料噴射弁
４…吸気通路
５…エアフロメータ
６…スロットル弁
１１…排気通路
１２…排気浄化触媒
１５…エンジンコントローラ
１７…ＥＧＲ通路
１８…燃料改質触媒
１９…改質燃料用燃料噴射弁
２１…ＥＧＲガスクーラ
２２…排気還流制御弁
２６…入口ガス温度センサ
２７…触媒温度センサ

Claims (7)

1. 内燃機関の排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路に、燃料改質触媒と、該燃料改質触媒に上流側から燃料を供給する改質燃料用燃料噴射弁と、を備えてなる内燃機関において、
   上記燃料改質触媒は、燃料の改質に必要な最小触媒容積のＮ倍の触媒容積を備えており、
   上記燃料改質触媒の触媒担体の上流端から１／Ｎとなる位置よりも上流側に触媒温度センサを配置し、
   改質時に上記触媒温度センサが示す触媒担体温度に基づいて上記燃料改質触媒の劣化判定を行う、ことを特徴とする燃料改質触媒の劣化診断方法。
2. 改質時に触媒担体温度が入口ガス温度よりも高くなる上流端側の酸化反応領域の範囲を予め定め、この酸化反応領域よりも下流側に上記触媒温度センサを配置する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料改質触媒の劣化診断方法。
3. 上記酸化反応領域の境界位置に上記触媒温度センサを配置する、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料改質触媒の劣化診断方法。
4. 上記Ｎが２である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料改質触媒の劣化診断方法。
5. 上記触媒温度センサが検出した触媒担体温度が劣化判定温度よりも高いときに劣化と判定する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料改質触媒の劣化診断方法。
6. 上記触媒温度センサが検出した触媒担体温度を、同じ運転条件の下での過去の触媒担体温度と比較して、所定の温度上昇を示すときに劣化と判定する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料改質触媒の劣化診断方法。
7. 内燃機関の排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路に、燃料改質触媒と、該燃料改質触媒に上流側から燃料を供給する改質燃料用燃料噴射弁と、を備えてなる内燃機関において、
   上記燃料改質触媒の触媒担体の上流端から１／Ｎ（但し、Ｎは燃料の改質に必要な最小触媒容積に対する燃料改質触媒の触媒容積の比）となる位置よりも上流側に配置された触媒温度センサと、
   この触媒温度センサが検出する触媒担体温度を劣化判定温度もしくは過去の触媒担体温度と比較して上記燃料改質触媒の劣化判定を行う制御装置と、を備えてなる燃料改質触媒の劣化診断装置。

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