燃料重整设备的制作方法

专利名称：燃料重整设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料重整设备，该燃料重整设备优选用于在燃料重整催化剂的辅 助下由重整燃料产生可燃气体。
背景技术：
存在带有燃料重整设备的传统已知的内燃发动机，燃料重整设备例如公开在专利 文献l(JP-A-2007-113421)中。这种现有技术的燃料重整设备包括燃料重整催化剂，该燃 料重整催化剂通过对含有重整燃料和氧的气体进行重整而产生含氢的可燃气体。当燃料重整催化剂处于活化状态时，其能够产生含氢和一氧化碳的可燃气体。然 而，当燃料重整催化剂处于非活化状态时，其不能产生具有足够高浓度的可燃气体。因此， 现有技术的燃料重整设备构造成在燃料重整催化剂的下游设置氢或一氧化碳浓度传感器。 此外，当浓度传感器的检测结果表明产生了具有足够高的浓度的可燃气体时，现有技术的 燃料重整设备将可燃气体供给到内燃发动机的进气路径。包括上述文献在内，申请人了解到以下文献作为本发明的相关技术。[专利文献 l]JP-A-2007-l 1342
发明内容
同时，上述现有技术燃料重整设备构造成使用检测氢或一氧化碳的浓度的浓度传 感器。氢或一氧化碳的浓度与可燃气体生成量相关联。因此，当精确地实现了浓度检测时， 能够精确地检测到可燃气体生成量。然而，可以安装在现有技术燃料重整设备中的小型、廉价的浓度传感器不容易实 现高的检测精度。此外，当执行操作以检测氢的浓度时，可燃气体中含有的氧和其它组分可 能影响检测操作，导致检测精度下降。已经实现了本发明以解决以上问题。本发明的目的是提供一种燃料重整设备，其 能够使用小型、廉价的氢浓度传感器，并且即使生成的可燃气体包含除氢以外的组分，也能 够精确地检测可燃气体生成量。以上目的是通过这样的燃料重整设备实现的该燃料重整设备包括燃料重整催化 齐U，所述燃料重整催化剂布置在含有重整燃料的气态物质的流动路径中，并用来由重整燃 料生成含氢的可燃气体。该燃料重整设备包括上游空燃比传感器，所述上游空燃比传感器相对于所述气态 物质的流动方向布置在燃料重整催化剂的上游，并用来输出表示所述气态物质中的氧浓度 的上游传感器信号。该燃料重整设备包括下游空燃比传感器，所述下游空燃比传感器相对于所述气态 物质的流动方向布置在燃料重整催化剂的下游，并用来输出表示所述气态物质中的氧浓度 和氢浓度的下游传感器信号。并且，该燃料重整设备包括氢浓度检测装置，所述氢浓度检测装置利用上游传感器信号和下游传感器信号来检测在燃料 重整催化剂的下游位置处的气态物质中的氢浓度。在本发明的第二方面中，根据本发明第一方面的燃料重整设备，其中，氢浓度检测 装置可包括信号修正装置，所述信号修正装置用于根据上游传感器信号来修正包含在下游 传感器信号中的氧浓度的影响。在本发明的第三方面中，根据本发明第二方面的燃料重整设备可包括氧浓度计算 装置，所述氧浓度计算装置由上游传感器信号计算氧浓度。并且，该燃料重整设备包括存储装置，所述存储装置预先存储表示下游传感器信 号与氢浓度之间的关系的特性曲线数据。并且，信号修正装置根据氧浓度来修正特性曲线 数据。并且，氢浓度检测装置利用修正后的特性曲线数据由下游传感器信号计算氢浓度。在本发明的第四方面中，根据本发明第三方面的燃料重整设备，其中，信号修正装 置可包括零点输出获取装置，所述零点输出获取装置根据氧浓度来获取氢浓度为零时的下 游传感器信号的值。并且，信号修正装置包括变化率获取装置，所述变化率获取装置根据氧浓度获取 下游传感器信号的变化对氢浓度的变化的比率。并且，信号修正装置包括特性设定装置，所 述特性设定装置根据零点输出获取装置和变化率获取装置的获取结果来设定在检测到的 氧浓度下的特性曲线数据。在本发明的第五方面中，根据本发明第一至第四方面中任一方面的燃料重整设 备，其中，下游空燃比传感器的灵敏度可比上游空燃比传感器的灵敏度低。在本发明的第六方面中，根据本发明第一至第五方面中任一方面的燃料重整设 备，其中，上游空燃比传感器和下游空燃比传感器可各包括检测元件，所述检测元件由含有 氧化锆的材料制成，并设有一侧面和另一侧面。并且，上游空燃比传感器和下游空燃比传感器各包括两个电极，所述两个电极分 别安装在所述检测元件的所述一侧面和所述另一侧面上从而以所述检测元件位于所述两 个电极之间的方式彼此面对。并且，上游空燃比传感器和下游空燃比传感器各包括限制装 置，所述限制装置布置成将所述检测元件的所述一侧面与含有检测目标的所述气态物质遮 断，并限制所述检测目标供给到所述检测元件的所述一侧面的速度。在本发明的第七方面中，根据本发明第六方面的燃料重整设备，其中，下游空燃比 传感器的电极可比上游空燃比传感器的电极具有更小的相对表面面积。并且其中，下游空 燃比传感器的灵敏度根据上游空燃比传感器与下游空燃比传感器之间的相对表面面积之 差而降低。在本发明的第八方面中，根据本发明第六或第七方面的燃料重整设备，其中，限制 装置可以是允许含有检测目标的外部气态物质朝检测元件的所述一侧面穿过的扩散层。并且其中，下游空燃比传感器的扩散层比上游空燃比传感器的扩散层具有更低的 透气性。并且其中，下游空燃比传感器的灵敏度根据上游空燃比传感器与下游空燃比传感 器之间的透气性之差而降低。在本发明的第九方面中，根据本发明第一至第八方面中任一方面的燃料重整设 备，可进一步包括压力检测装置，所述压力检测装置用于检测所述气态物质的压力。并且该 燃料重整设备包括压力相关的修正装置，所述压力相关的修正装置用于根据所述气态物质 的压力来修正至少上游传感器信号或下游传感器信号的值。
在本发明的第十方面中，根据本发明第九方面的燃料重整设备，其中，压力相关的 修正装置可以进行修正以使得检测到的氧浓度或氢浓度随着所述压力升高而降低。在本发明的第十一方面中，根据本发明第一至第十方面中任一方面的燃料重整设 备，可进一步包括气态物质供给装置，所述气态物质供给装置向至少上游空燃比传感器或 下游空燃比传感器分别供给无氧气态物质和大气。 并且，该燃料重整设备包括第一氧误差检测装置，当所述无氧气态物质被供给到 所述空燃比传感器时，所述第一氧误差检测装置检测所述空燃比传感器的输出信号值与预 定的零点基准值之间的偏离量。并且，该燃料重整设备包括第二氧误差检测装置，当所述大气被供给到所述空燃 比传感器时，所述第二氧误差检测装置检测所述空燃比传感器的输出信号值与预定的大气 基准值之间的偏离量。并且，该燃料重整设备包括氧信号校正装置，所述氧信号校正装置利 用与所述零点基准值的偏离量和与所述大气基准值的偏离量来校正所述输出信号值。在本发明的第十二方面中，根据本发明第一至第十一方面中任一方面的燃料重整 设备，可进一步包括重整燃料供给装置，所述重整燃料供给装置向燃料重整催化剂供给重 整燃料。并且该燃料重整设备包括气态材料供给装置，所述气态材料供给装置向下游空燃 比传感器供给无氧气态物质。并且，该燃料重整设备包括调节装置，所述调节装置进行调节以使影响氢浓度的 参数处于预定的误差检测状态。并且，该燃料重整设备包括第一氢误差检测装置，当重整燃 料的供给被切断并且所述无氧气态物质供给到下游空燃比传感器时，所述第一氢误差检测 装置检测下游空燃比传感器的输出信号值与预定的零点基准值之间的偏离量。并且，该燃料重整设备包括第二氢误差检测装置，当所述参数被调节并处于所述 预定状态且所述无氧气态物质供给到下游空燃比传感器时，所述第二氢误差检测装置检测 下游空燃比传感器的输出信号值与预定的非零点基准值之间的偏离量。并且，该燃料重整 设备包括氢信号校正装置，所述氢信号校正装置利用与所述零点基准值的偏离量和与所述 非零点基准值的偏离量来校正所述输出信号值。在本发明的第十三方面中，根据本发明第一至第十二方面中任一方面的燃料重整 设备，可进一步包括催化剂诊断装置，所述催化剂诊断装置进行调节以使影响所述氢浓度 的参数处于预定的催化剂诊断状态，并且将检测到的氢浓度与预定的诊断基准值进行比较 以对所述燃料重整催化剂的工作进行诊断检查。在本发明的第十四方面中，根据本发明第一至第十三方面中任一方面的燃料重整 设备，其中，在空燃比反馈控制期间使用上游空燃比传感器以根据从内燃发动机排出的排 气中的氧浓度来调节空燃比。根据本发明的第一方面，具有例如由氧化锆(&02)制成的检测元件的空燃比传感 器对氧浓度检测具有敏感性。因此，上游空燃比传感器能够根据气态物质中的氧浓度输出 上游传感器信号。下游空燃比传感器对氧浓度检测也具有敏感性。然而，当燃料重整催化 剂工作时，流过下游空燃比传感器的气态物质含有可燃气体。在上述情况下，氧化锆的氧检测灵敏度受到传感器周围存在的氢的影响。更具体 地，当存在氢时由空燃比传感器产生的输出偏离不存在氢的基准状态下产生的输出，使得 氧浓度降低(以提供更浓的空燃比)。这使得下游空燃比传感器能够根据气态物质中的氧浓度和氢浓度来输出下游传感器信号。因此，当用上游传感器信号来修正下游传感器信号时，能够从下游空燃比传感器 中消除氧浓度的影响，并能够根据修正后的下游传感器信号精确地确定氢浓度。因此，使用 两个常用的空燃比传感器使得能够容易且精确地检测氢浓度并根据检测结果高精度地计 算可燃气体生成量。
结果，能够通过利用小型、廉价的空燃比传感器来实现用于检测可燃气体量的系 统。这消除了使用专用的氢浓度传感器或一氧化碳浓度的需要，并且促进了系统小型化和 削减成本。此外，可使用上游空燃比传感器来修正氧浓度的影响。这使得能够确定地防止 氧浓度降低氢浓度检测的精度并能够提供稳定的检测精度。根据本发明的第二方面，信号修正装置能够利用反映氧浓度的上游传感器信号来 修正下游传感器信号。这使得能够从反映氧浓度和氢浓度的下游传感器信号中消除氧浓度 的影响。因此，能够根据修正后的下游传感器信号精确地确定氢浓度。根据本发明的第三方面，信号修正装置能够根据氧浓度来修正表示下游传感器信 号与氢浓度之间的关系的特性曲线数据。这样，特性曲线数据表示在检测到的氧浓度下下 游传感器信号与氢浓度之间的关系。因此，氢浓度检测装置能够利用特性曲线数据由下游 传感器信号精确地计算出氢浓度。根据本发明的第四方面，当氧浓度固定时，下游传感器信号随氢浓度线性变化。因 此，表示下游传感器信号与氢浓度之间的关系的特性曲线是线性的。特性曲线的截距和斜 率随氧浓度而变化。因此，零点输出获取装置根据氧浓度而计算零点输出，该零点输出是特 性曲线的截距，即在氢浓度为零时下游传感器信号的值。此外，变化率获取装置根据氧浓度而计算变化率，该变化率为特性曲线的斜率，即 下游传感器信号的变化与氢浓度变化的比率。这样，特性设定装置能够利用零点输出和变 化率来精确地设定与检测到的氧浓度相关的特性曲线数据。因此，能够将氧浓度的影响精 确地反映在特性曲线数据中。根据本发明的第五方面，当尝试检测氢浓度时(氢浓度比氧浓度使传感器信号变 化的程度更大)，设计用于氧浓度检测的常用空燃比传感器的输出范围不足以覆盖氢浓度 变化范围。在该情况下，有意地降低下游空燃比传感器的灵敏度(传感器信号的变化与浓 度变化的比率)以避免输出范围不足的问题。结果，下游传感器信号随氢浓度的变化范围能够与传感器的输出范围相匹配。这 使得能够防止下游传感器信号因输出范围过窄而变饱和，并且能够持续地检测较宽范围的 氢浓度。根据本发明的第六方面，可将具有由氧化锆制成的检测元件的常用空燃比传感器 用作上游空燃比传感器和下游空燃比传感器。这样，可利用氧化锆引起随氧浓度和氢浓度 变化的离子电流这一功能来容易地实现氢浓度检测系统。根据本发明的第七方面，构成下游空燃比传感器的两个电极可以比构成上游空燃 比传感器的两个电极具有更小的相对表面面积。因此，能够减小在一定的浓度条件下在电 极之间流动的离子电流，减小的量对应于电极的相对表面面积的减小量。这使得能够降低 下游空燃比传感器的灵敏度。根据本发明的第八方面，当下游空燃比传感器的扩散层由例如较密材料制成时，下游空燃比传感器的扩散层可以比上游空燃比传感器的扩散层具有更低的透气性。这样， 可减少在一定的浓度条件下被供给到检测元件的氧离子和氢离子的数量，减少的量对应于 扩散层透气性的降低量。这使得能够降低下游空燃比传感器的灵敏度。根据本发明的第九方面，空燃比传感器的灵敏度随气态物质的压力而变化。因此， 压力相关的修正装置按照传感器灵敏度的压力相关的变化量来修正传感器信号。这使得能 够从传感器信号中消除压力的影响。因此，即使当气态物质的压力变化时，也能够精确地检 测氧浓度和氢浓度，而不受这种压力变化的影响。根据本发明的第十方面，气态物质的压力越高，供给到空燃比传 感器的检测元件 的气态物质分子的数量则越大，因此空燃比传感器的灵敏度越高。因此，由空燃比传感器检 测到的浓度随气态物质压力升高而增加。因此，压力相关的修正装置进行修正以使检测到 的浓度随压力升高而降低。这使得能够抵消压力对检测到的浓度的影响。根据本发明的第十一方面，气态物质供给装置能够容易地实现无氧状态和大气供 给状态，在这些状态中能够校正空燃比传感器的输出。第一氧误差检测装置能够检测无氧 状态下传感器信号值与零点基准值之间的偏离量。此外，第二氧误差检测装置能够检测具 有已知氧浓度的大气被供给到空燃比传感器的状态下传感器信号值与大气基准值之间的 偏离量。空燃比传感器的输出特性相对于氧浓度呈线性。因此，氧浓度校正装置能够利用 两种不同状态——即前述无氧状态和大气供给状态——下的偏离量来精确地校正传感器 相对于氧浓度的输出特性。因此，即使空燃比传感器劣化，也能够持续地高精度检测氧浓 度。此外，还可以通过提高氧浓度检测的精度来提高氢浓度检测的精度。根据本发明的第十二方面，可使用重整燃料供给装置、气态物质供给装置、以及调 节装置来容易地实现关于氢浓度实施传感器输出校正的无氧、无氢状态，以及供给具有预 定浓度的氢的无氧状态。第一氢误差检测装置能够检测无氧、无氢状态下传感器信号值与 零点基准值之间的偏离量。此外，第二氢误差检测装置能够检测无氧、预定的氢的供给状态 下传感器信号值与非零点基准值之间的偏离量。空燃比传感器的输出特性相对于氢浓度也呈线性。因此，氢信号校正装置能够利 用两种不同状态——即前述无氧、无氢状态和无氧、预定的氢的供给状态——下的偏离量 来校正传感器相对于氢浓度的输出特性。因此，即使空燃比传感器劣化，也能够持续地高精 度检测氢浓度。根据本发明的第十三方面，催化剂诊断装置能够将在预定的催化剂诊断状态下检 测到的氢浓度值与预定的诊断基准值进行比较。因此，催化剂诊断装置能够根据氢浓度与 诊断基准值的偏离量对燃料重整催化剂的工作进行诊断检查。在这种情况下，由于两个空 燃比传感器能够精确地检测氢浓度，所以能够对催化剂精确地实施诊断检查。这使得能够 确定地把握例如燃料重整催化剂的劣化，从而提供增强的可靠性。根据本发明的第十四方面，在内燃发动机中的空燃比反馈控制期间使用的空燃比 传感器能够兼用作用于氢浓度检测的上游空燃比传感器。因此，即使使用两个空燃比传感 器用于氢浓度检测，也能够使传感器和其它部件的数量增加最小化，从而有助于进一步简 化系统和削减成本。


图1是示出根据第一实施方式的燃料重整设备的系统构造的总体视图。图2是示出上游空燃比传感器的结构的横截面图。图3是示出下游空燃比传感器的结构的横截面图。图4是示出上游传感器信号相对于氧浓度变化的输出特性的特性图。图5是示出下游传感器信号相对于氢浓度和氧浓度变化的输出特性的特性图。图6是示出氧浓度与零点输出之间的关系的特性图，其中零点输出为图5中各特性曲线数据的截距。图7是示出氧浓度与变化率之间的关系的特性图，其中变化率为图5中所示的各 特性曲线数据的斜率。图8是示出排气(EGR气体)压力与信号修正量之间的关系的特性图。图9是示出第一实施方式中实施的氢浓度检测过程的流程图。图10是示出第一实施方式中实施的氧校正过程的流程图。图11是示出第一实施方式中实施的氧校正过程的流程图。图12是如图3所示的横截面图，示出了根据第二实施方式的燃料重整设备的下游 空燃比传感器。
具体实施例方式第一实施方式[第一实施方式的构造]现在将参照图1至图11来描述本发明的第一实施方式。图1是示出根据第一实 施方式的系统的构造的总体构造图。根据本实施方式的系统包括例如多缸内燃发动机10。 该内燃发动机10利用醇和汽油的混合燃料来运转。本实施方式假定使用乙醇和汽油的混 合燃料。内燃发动机10的进气管12通过进气歧管14连接于每个气缸的进气口。在进气 管12中间安装有电节流阀16以调节进气量。每个气缸的进气口设有主燃料喷射阀18，主 燃料喷射阀18例如由用于燃料喷射的电磁阀构成。内燃发动机10的排气管20通过排气歧管22连接于每个气缸的排气口。在排气 管20中间安装有热交换器24。在热交换器24中形成有多个重整室26，这些重整室26间 隔开布置。在这些重整室26的每一个中都载有燃料重整催化剂28，该燃料重整催化剂28 含有诸如Rh、Pt、Co、Ni、Ru以及Cu的金属材料。排气路径30设置在重整室26之间的每个空间中并与重整室26隔离。这些排气 路径30连接在排气管20中间。如上述那样构造的热交换器24能够通过利用经过排气路 径30的排气的热来加热重整室26 (燃料重整催化剂28)。当以这种方式加热时，燃料重整 催化剂28可引起将在后面描述的重整反应。排气管20设有EGR路径32，该EGR路径32在热交换器24的上游端处从排气管 20分支，并与进气管12汇合。EGR路径32用于使部分排气流回到进气管12。热交换器24 的重整室26连接在EGR路径32中间。此外，EGR路径32设有电磁重整燃料喷射阀34，该电磁重整燃料喷射阀34位于燃料重整催化剂28的上游。重整燃料喷射阀34将燃料(以下称为重整燃料)喷射到在EGR 路径32中流动的排气中。通过这种方式，重整燃料喷射阀34构成将重整燃料供给到燃料 重整催化剂28的重整燃料供给装置。
EGR路径32还设有对EGR气体进行冷却的冷却器36、以及电磁流量调节阀38。冷 却器36和流量调节阀38位于燃料重整催化剂28的下游。流量调节阀38改变经由EGR路 径32流回到进气管12的EGR气体的流量。在如上述那样构造的系统中，在排气管20中流动的排气的一部分流到EGR路径32 中并且接收来自重整燃料喷射阀34的重整燃料供给。然后，产生的排气和重整燃料的混合 物经由EGR路径32流入重整室26中，并且借助于燃料重整催化剂28引起将在后面描述的
重整反应。由重整反应得到的重整气体(可燃气体)用作与排气混合的EGR气体。然后EGR 气体经由EGR路径32流回到进气管12中并与吸入空气混合。在排气管20中流动但未流 入EGR路径32的其余排气经过热交换器24中的排气路径30以向重整室26供热。然后该 排气由排气净化催化剂40进行净化并排放到外界，排气净化催化剂40安装在排气管20中 并由例如三元催化剂构成。同时，乙醇和汽油的混合燃料存储在内燃发动机10的燃料箱42中。燃料箱42设 有燃料泵(未示出)，该燃料泵对燃料箱中的燃料进行加压并将加压燃料输送到外部。燃料 管路44连接于燃料泵的排出侧，以将泵出的燃料供给到燃料喷射阀18、34中的每个。根据本实施方式的系统还包括E⑶(电子控制单元)50。E⑶50包括具有诸如ROM 和RAM的存储回路的微型计算机，并构成本实施方式的存储装置。ECU 50的输入端连接于 传感器系统，该传感器系统包括用于检测发动机转速的旋转传感器、用于检测进气量的空 气流量计、用于检测冷却水的温度的水温传感器、以及用于检测加速器开度的加速器开度 传感器，并且该传感器系统控制内燃发动机10的运转。该传感器系统还包括燃料特性传感器52、温度传感器54、压力传感器56、上游空 燃比传感器58、以及下游空燃比传感器60。燃料特性传感器52例如安装在燃料管路44中， 以检测汽油和醇之间的燃料混合比。温度传感器54例如安装在热交换器24的重整室26 中，以检测燃料重整催化剂28 (或排气)的温度。压力传感器56安装在EGR路径32中并且例如布置在热交换器24(重整室26)的 下游。压力传感器56构成检测排气(EGR气体)压力的压力检测装置。上游空燃比传感器 58和下游空燃比传感器60将在后面进行描述。E⑶50的输出端连接于多种致动器，例如上述节流阀16、主燃料喷射阀18、重整 燃料喷射阀34、流量调节阀38、以及燃料泵。ECU 50利用所述传感器系统来检测内燃发动 机10的工作状态，并驱动所述致动器实施工作控制。实施上述工作控制例如以提供正常燃料喷射控制、空燃比反馈控制、以及后面将 描述的重整EGR控制。实施正常燃料喷射控制以使得从主燃料喷射阀18喷射的燃料的量 对应于例如进气量。实施空燃比反馈控制以使得来自主燃料喷射阀18的燃料喷射量根据 上游空燃比传感器58检测到的空燃比而增加或减少，直到内燃发动机的空燃比与理论空 燃比一致。(重整EGR控制)
E⑶50实施如下所述的重整EGR控制，使得从排气与重整燃料之间的重整反应得 到的重整气体与排气一起流回到进气管12中。实施重整EGR控制以使重整燃料喷射阀34 将重整燃料喷射到在EGR路径32中流动的排气中并将产生的混合气体引入到重整室26 中。在上述情况中，E⑶50根据例如内燃发动机10的工作状态、燃料中乙醇的浓度、 燃料重整催化剂28的温度、以及由空燃比传感器58、60检测到的重整气体生成量来确定合 适的重整燃料喷射量(供给量)。然后，重整室26中的燃料重整催化剂28引起混合气体中的乙醇与排气中的水蒸 汽和二氧化碳之间的重整反应(水蒸汽重整反应)。该水蒸汽重整反应的结果是，产生了氢 气(H2)和一氧化碳(CO)，如下式(1)所示C2H50H+0. 4C02+0. 6H20+2. 3N2+Q1 — 3. 6H2+2. 4C0+2. 3N2 (1)重整反应还发生在混合气体中的汽油与排气中的水蒸汽和二氧化碳之间，如下式 (2) 所示1. 56 (7. 6C02+6. 8H20+40. 8N2) +3C7 6H13 6+Q2 — 31H2+34. 7C0+63. 6N2 (2)式(1)中的热值Ql和式(2)中的热值Q2表示由重整反应所吸收的反应热。由于 重整反应是吸热反应，所以式(1)和(2)的右侧表示的重整气体所含有的热值高于式(1) 和(2)的左侧表示的反应前物质所含有的热值。因此，热交换器24能够将经过排气路径30的排气的热传递到燃料重整催化剂28 并允许在上述重整反应中吸热。换言之，根据本实施方式的系统能够回收排气的热并通过 利用回收的热而将重整燃料转化成具有较高热值的物质(H2和CO)。由于汽油的重整反应所需的热值Q2极高，所以必须例如将燃料重整催化剂28加 热到600°C或更高的温度以引起重整反应。因此，当内燃发动机10在工作时，在大的工作范 围内始终发生乙醇的重整反应，而仅在例如排气温度升高的高转速、高负载工作范围内才 会高效地发生汽油的重整反应。由上述重整反应获得的重整气体与排气混合，成为EGR气体。该EGR气体经由EGR 路径32流回到进气管12中并与吸入空气混合。在这种情况下，E⑶50使用流量调节阀38 来控制EGR气体流回到进气管12中的流量。然后EGR气体与吸入空气一起流到内燃发动 机10的气缸中，并且重整气体中的H2和CO与从主燃料喷射阀18喷射的燃料一起在气缸 中燃烧。在上述情况下，如前所述，重整气体的热值比原始燃料的热值高出由热交换器24 所回收的排气热的量。因此，当重整气体在内燃发动机10中燃烧时，系统的总体热效率提 高。这使得能够改善内燃发动机10的燃料效率。另外，即使在没有用于催化剂的专用加热 设备和加热能量可用的情况下，热交换器24也能够通过利用排气热来加热燃料重整催化 剂28。这使得能够构建出具有较高工作效率的排气热回收型系统。此外，能够实施重整EGR控制以通过允许含有重整气体的EGR气体流回到进气系 统中来产生增强的EGR(排气再循环)效果。一般地，由于当EGR率提高时造成燃烧不稳定， 所以EGR率具有上限。另一方面，当实施重整EGR控制时，EGR气体含有可燃气体。因此， 能够通过实施重整EGR控制来保持良好的燃烧状态。这使得能够提高EGR率的上限。另外，本实施方式利用上游空燃比传感器58和下游空燃比传感器60来检测EGR气体中的氢浓度并利用该检测结果以及EGR气体的流量来计算重整气体生成量。然后将计 算出的重整气体生成量反映到例如接下来的工作状态中，如重整燃料喷射量、主燃料喷射 量、点火正时、以及EGR阀(流量调节阀38)的打开。因此，本实施方式使得能够根据例如 内燃发动机的工作状态而对重整气体生成量实施适当的反馈控制。(上游空燃比传感器结构)现在将描述用于检测氢浓度的空燃比传感器58、60。首先将描述上游空燃比传感 器58。上游空燃比传感器58由例如使用氧化锆的常用空燃比传感器构成。上游空燃比传 感器58安装在内燃发动机的排气管20中并且相对于排气的流动方向布置在燃料重整催化 剂28的上游。上游空燃比传感器58检测排气中的氧浓度并且输出表示检测到的氧浓度的上游 传感器信号。该上游传感器信号不仅用于ECU 50的空燃比反馈控制，还用于后面将描述的 氢浓度检测过程。图2是上游空燃比传感器58的横截面图。如图所示，上游空燃比传感器58包括 检测元 件58A，该检测元件58A的形状例如为平板状；两个电极58B、58C ；扩散层58D，该扩 散层58D用作限制装置；以及壳体58E。检测元件58A由诸如氧化锆(ZrO2)的固体电解质制成。电极58B、58C分别安装 在检测元件58A的一侧面和另一侧面上，从而以检测元件58A位于电极58B、58C之间的方 式彼此面对。检测元件58A的面对电极58B的一侧面布置在可与排气接触的位置。检测元 件58A的面对电极58C的另一侧面布置在总是与大气接触的位置。扩散层58D定位成与壳体58D配合将检测元件58A的一侧面与排气遮断。扩散层 58D由例如透气性多孔材料制成。因此，传感器外的排气经由扩散层58D供给到检测元件 58A的一侧面。然而，这种排气供给的速度根据扩散层58D的透气性(或密度)而受到限 制。当在上游空燃比传感器58工作期间在电极58B、58C之间施加电压时，使用氧离子 作为载体的离子电流在检测元件58A中流动。在这种情的况下，由排气供给到检测元件58A 的一侧面的氧的量受到扩散层58D限制。然后，离子电流在一电流值处变得饱和，该电流值 对应于与检测元件58A的一侧面相接触的排气和与检测元件58A的另一侧面相接触的大气 之间的氧浓度差。根据饱和电流值输出上游传感器信号，且该上游传感器信号随排气中的 氧浓度而线性变化。(下游空燃比传感器结构)现在将描述下游空燃比传感器60。如图1所示，下游空燃比传感器60安装在内燃 发动机的EGR路径32中并且相对于排气的流动方向布置在燃料重整催化剂28的下游。因 此，在重整EGR控制期间，下游空燃比传感器60暴露于含氢的重整气体。图3是下游空燃比传感器60的横截面图。如图所示，下游空燃比传感器60由使用 氧化锆的空燃比传感器构成并且与上游空燃比传感器58大致相同，其包括检测元件60A、 电极60B和60C、扩散层60D、以及壳体60E。氧化锆对于氧浓度检测具有敏感性。然而，该敏感性受到传感器周围存在的氢的 影响。更具体地，如果存在氢，则穿过扩散层的氧的量会根据氢浓度而受到限制。因此，在 氧化锆中流动的氧离子电流随氢浓度的增大而减小。
结果，当存在氢时由空燃比传感器产生的输出偏离了当不存在氢的基准状态中产 生的输出，使得氧浓度降低(以提供更浓的空燃比)。因此，本实施方式能够通过确定该偏 离量而用空燃比传感器检测氢浓度。 当暴露于含有重整气体(氢气)的EGR气体时，下游空燃比传感器60输出下游传 感器信号，该下游传感器信号根据上述原理随EGR气体中的氧浓度和氢浓度而变化。另一 方面，上游空燃比传感器58并不将自身暴露于氢气。因此，上游传感器信号仅随氧浓度而 变化。在该情况下，本实施方式构造成通过利用上游传感器信号和下游传感器信号来检测 氢浓度。对氧和氢的比较显示，由于氢分子的分子量比氧分子小，所以氢分子比氧分子更 可能穿过扩散层60D。因此，传感器信号对氢浓度变化的响应程度比对氧浓度变化的响应程 度大。如果将传感器信号变化与浓度变化的比率(变化率)定义为传感器灵敏度，则空燃 比传感器对氢浓度检测的灵敏度高于对氧浓度检测的灵敏度。同时，构造用于氧浓度检测的空燃比传感器的输出范围设定成覆盖氧浓度变化的 实际范围。因此，当试图用空燃比传感器检测氢浓度时，输出范围不足以覆盖比在氧浓度检 测的情况下在更大程度上变化的传感器信号。换言之，当氢浓度高于一定水平时，由于传感 器信号饱和，不能够实现浓度检测。鉴于以上情况，本实施方式特意构造成将下游空燃比传感器60的灵敏度设定成 低于上游空燃比传感器58的灵敏度，使得氢浓度检测时产生的传感器信号值处于输出范 围内。更具体地，下游空燃比传感器60的电极60B小于上游空燃比传感器58的电极 58B。因此，下游空燃比传感器的电极60B、60C的相对表面面积比上游空燃比传感器的电极 58B、58C的相对表面面积小。由于使用了上述电极结构，所以通过上游空燃比传感器的电极58B、58C与下游空 燃比传感器的电极60B、60C之间的相对表面面积之差，与在上游空燃比传感器58的检测元 件58A中相比，在下游空燃比传感器60的检测元件60A中流动的离子电流较小。这减小了 对于给定氢浓度的下游传感器信号值。因此，下游传感器信号变化与浓度变化的比率降低， 从而能够检测更浓的氧浓度。换言之，下游空燃比传感器60的灵敏度能够根据电极之间的相对表面面积之差 而降低。这确保了下游传感器信号随氢浓度的变化范围与传感器输出范围相匹配。因此， 能够防止因输出范围过窄而使下游传感器信号变得饱和，并且能够始终检测较宽范围的氢 浓度。(氧浓度检测过程)图4示出了上游传感器信号相对于氧浓度变化的输出特性。在氧化锆中根据氧浓 度产生的饱和电流由信号处理回路或类似装置转化成线性电压信号。该电压信号作为图4 所示的上游传感器信号输出。上游传感器信号的特性曲线数据预先存储在ECU 50中。因此，E⑶50能够通过用上游传感器信号来参照特性曲线数据而检测氧浓度。以 上述方式检测到的氧浓度不仅用于ECU 50的空燃比反馈控制，还用于以下将描述的氢浓 度检测过程。(氢浓度检测过程)
图5示出了下游传感器信号相对于氢浓度变化和氧浓度变化的输出特性。图5中示出的多个特性曲线(特性曲线数据)表示了在各种氧浓度下氢浓度与下游传感器信号之 间的关系。下游传感器信号随氧浓度和氢浓度线性变化。更具体地，图5中的每条特性曲线 数据显示出当氧浓度保持不变时，下游传感器信号随氢浓度线性变化。因此，当根据上游空 燃比传感器58检测到的氧浓度而选择图5中所示的特性曲线数据中的一条时，能够根据所 选的特性曲线数据由下游传感器信号检测出氢浓度。图6示出了氧浓度与零点输出(即各特性曲线数据的截距)之间的关系。零点输 出定义为当氢浓度为零时的下游传感器信号值。如图6所示，特性曲线数据的零点输出随 氧浓度的增加而线性增加。图7示出了氧浓度与变化率——即各特性曲线数据的斜率——之间的关系。该变 化率指示传感器信号值变化与氢浓度变化的比率，并且对应于先前所述的氢浓度检测的灵 敏度。在本实施方式中，特性曲线数据的变化率表现为负值，因此，图7示出了变化率的绝 对值。如图7所示，特性曲线数据变化率随氧浓度增加而线性减小，并且逐渐变得平缓。图6和图7所示的数据预先存储在E⑶50中。当执行氢浓度检测过程时，E⑶50 首先通过使用上游传感器信号检测到的氧浓度来参照图6和图7所示的数据，然后获得在 该检测到的氧浓度下的零点输出和特性曲线数据的变化率。接下来，ECU 50利用获得的零点输出和变化率来设定特性曲线数据，该特性曲线 数据表示下游传感器信号与检测到的氧浓度下的氢浓度之间的关系。例如，所获得的零点 输出和变化率用于确定与检测到的氧浓度相对应的特性曲线数据的函数表达式。特性曲线数据对应于根据氧浓度修正后的特性曲线数据。其通过根据上游传感器 信号来修正下游传感器信号中所含有的氧浓度的影响而获得。因此，能够通过根据特性曲 线数据从下游传感器信号计算氢浓度而精确地检测任意氧浓度下的氢浓度。在氢浓度检测过程中，应当根据上游传感器信号来修正下游传感器信号，使得下 游传感器信号值对应于任意氧浓度下的氢浓度。进行这种修正的方法并不限于本实施方式 中所描述的方法。根据本实施方式，氧浓度和氢浓度如先前所述那样反映在下游传感器信号中。因 此，当通过使用仅反映氧浓度的上游传感器信号来修正下游传感器信号时，从下游传感器 信号中消除了氧浓度的影响。这样，能够根据修正过的下游传感器信号精确地确定氢浓度。因此，当利用氧化锆等的氧检测能力以及根据氢浓度改变氧检测能力的功能时， 能够简单地通过在系统中安装两个常用的空燃比传感器58、60而容易且精确地检测氢浓 度。此外，能够根据氢浓度检测结果高精度地计算出可燃气体生成量。因此，能够通过使用小型、廉价的空燃比传感器58、60来实现用于检测氢浓度(可 燃气体产生量)的系统而无需使用专用的氢浓度传感器或一氧化碳浓度。这样，能够促进 系统尺寸减小以及降低成本。此外，由于能够使用上游空燃比传感器58来修正氧浓度的影 响，所以能够确定地防止氧浓度降低氢浓度检测精度并提供稳定的检测精度。此外，本实施方式使得用于内燃发动机10中的空燃比反馈控制的空燃比传感器 能够兼用作用于氢浓度检测的上游空燃比传感器58。这使得能够将传感器和其它部件的 数量增加最小化，从而促进进一步简化系统和降低成本，即便使用两个空燃比传感器58、60来进行氢浓度检测也是如此。此外，在由ECU 50执行的氢浓度检测过程中，使用图6和图7所示的数据使得能 够根据氧浓度获得特性曲线数据的零点输出和变化率。因此，使用线性传感器输出使得能 够通过使用特性曲线数据的零点输出和变化率来精确地设定特性曲线数据。由于氧浓度反 映在如上述那样设定的特性曲线数据中，所以能够根据氧浓度适当地修正特性曲线数据。(压力相关的修正过程)空燃比传感器58、60构造成使得氧浓度检测的灵敏度随氧分子穿过扩散层58D、 60D的速度而变化。此外，氢浓度对氧检测能力的影响的度随氢分子穿过扩散层58D、60D的 速度而变化。这些分子穿过速度随排气(EGR气体)的压力而变化。在该情况下，本实施方 式构造成根据压力传感器56检测到的压力进行传感器信号修正。 图8示出了排气压力与信号修正量之间的关系。图8中示出的数据预先存储在 E⑶50中。氧分子和氢分子穿过扩散层58D、60D的速度随压力升高而增大。结果，在检测 元件58A、60A中流动的离子电流随压力升高而增大。因此，当压力升高时，传感器信号沿使 检测到的浓度升高的方向(使图5所示的传感器信号值减小的方向)变化。在该情况下，用于传感器信号的信号修正量设定成使得信号修正量随着压力升高 而增加(检测到的浓度降低)。换言之，空燃比传感器58、60的灵敏度随着排气压力升高而 提高。因此，压力相关的修正过程执行为进行传感器信号修正以使得明显灵敏度随着压力 升高而降低。此外，排气压力变化改变分子穿过扩散层58D、60D的速度。由于氢的分子量比氧 小，所以这种压力变化对氢的影响程度比对氧的影响程度大。因此，进行设定以使得与对于 氧分子相比，对于氢分子，信号修正量的变化与压力变化的比率较高。当要检测氧浓度和氢浓度时，执行如上述那样构造的压力相关的修正过程，以便 利用压力传感器56检测排气压力并通过使用检测到的压力来参照图8中所示的数据。这 样能够获得对排气压力的氧浓度信号修正量和氢浓度信号修正量。接下来，通过例如将氧浓度信号修正量加到上游传感器信号值上、或者用上游传 感器信号值乘以氧浓度信号修正量来根据压力修正上游传感器信号值。然后使用修正后的 上游传感器信号来执行先前所述的氧浓度检测过程。类似地，可通过将氢浓度信号修正量 反映在下游传感器信号值中而根据压力来修正下游传感器信号值。然后使用修正后的下游 传感器信号来执行先前所述的氢浓度检测过程。如上所述，压力相关的修正过程使得能够以空燃比传感器58、60的压力相关的灵 敏度变化量来修正传感器信号。这样，能够从传感器信号中消除压力的影响。因此，即使排 气压力根据例如内燃发动机的工作状态而变化，根据本实施方式的系统也能够精确地检测 氧浓度和氢浓度而不受排气压力的这种变化的影响。(用于氧的校正过程)空燃比传感器的输出特性可能因为例如传感器劣化而偏离预定的输出特性。因 此，当要操作上游空燃比传感器58和下游空燃比传感器60时，它们要经受输出特性校正过程。现在将描述用于氧的校正过程。对上游空燃比传感器58和下游空燃比传感器60 两者均实施该校正过程。然而，以下描述针对上游空燃比传感器58作为示例。用于氧校正过程的零点基准值和大气基准值预先存储在ECU 50中。零点基准值是类似于例如图4中的信号值Al并在氧浓度为零时从输出校正空燃 比传感器输出的传感器信号值。大气基准值是类似于例如图4中的信号值A2并在大气中 为已知氧浓度(大约21%)时从输出校正空燃比传感器输出的传感器信号值。通过使E⑶50调节燃料喷射量以便浓化排气的空燃比而开始校正过程。然后将 无氧排气供给到上游空燃比传感器58。在这种状态下，ECU 50检测上游传感器信号值与零 点基准值之差作为零点处的偏离量。接下来，停止从喷射阀18、34喷射燃料，以便向上游空燃比传感 器58供给大气。 在这种状态下，ECU 50检测上游传感器信号值与大气基准值之差作为大气氧浓度处的偏离量。如图4所示，上游传感器信号的输出特性相对于氧浓度呈线性。因此，E⑶50使 用两点处——即零点处和大气氧浓度处——的偏离量来校正例如存储在ECU 50中的特性 曲线数据的零点输出和变化率。该校正实施为使得上游传感器信号的输出特性与预定的输 出特性相一致。在这种情况下，校正结果存储在例如ECU 50的非易失性存储器中，作为用 于校正各传感器误差等的学习数据。类似地，上述校正过程还在下游空燃比传感器60上执行。当停止喷射重整燃料、 并且流量调节阀38打开以向EGR路径32供给大气时，校正下游空燃比传感器60。如上所述，当实施氧校正过程时，能够容易且精确地对空燃比传感器58、60关于 氧浓度进行输出校正。在这种情况下，本实施方式能够根据例如燃料喷射量(空燃比)来 调节传感器周围的氧浓度，以容易地实现无氧状态和大气供给状态，在这些状态下能够实 现传感器输出校正。因此，即使空燃比传感器58、60劣化，本实施方式也能够连续地以高精度检测氧 浓度。此外，当氧浓度检测的精度提高时，由于氢浓度检测基于氧浓度检测，所以也能够提 高氢浓度检测的精度。(用于氢的校正过程)现在将描述用于氢的校正过程。该校正过程在下游空燃比传感器60上执行。用 于氢校正过程的零点基准值和非零点基准值预先存储在ECU 50中。零点基准值是这样的传感器信号值其类似于例如图5中的信号值Bi，在氧浓度 和氢浓度均为零时由输出校正空燃比传感器输出。非零点基准值是这样的传感器信号值 其类似于例如图5中的信号值B2，在氧浓度为零且氢浓度被调节到预定的基准浓度时由输 出校正空燃比传感器输出。在这种情况下，当进行调节以使影响氢浓度的参数处于预定的误差检测状态时， 实现校正过程中的基准浓度。所述参数包括例如重整燃料供给量、排气流量、压力、以及温 度。可根据内燃发动机的工作状态来调节排气流量、压力、以及温度。校正过程通过以上述方式浓化排气的空燃比、并且停止喷射重整燃料以向下游空 燃比传感器60的外围提供无氧、无氢的排气(EGR气体)而开始。在这种状态下，ECU 50检 测下游传感器信号值与零点基准值之差作为零点处的偏离量。接下来，通过将内燃发动机的工作状态调整到上述预定状态、同时保持EGR气体 处于无氧状态而产生具有基准浓度的氢(无氧、预定的氢的供给状态)。在产生的状态中，ECU 50检测下游传感器信号值与非零点基准值之差作为非零点处的偏离量。如图5所示，下游传感器信号的输出特性相对于氢浓度呈线性。因此，E⑶50使 用两点处——即零点处和非零点处——的偏离量来校正例如存储在ECU 50中的特性曲线 数据的零点输出和变化率。实施该校正以使下游传感器信号的输出特性与预定的输出特性 一致。在这种情况下，校正结果存储在E⑶50中作为学习数据。 如上所述，实施氢校正过程以提供与氧校正过程大致相同的操作优势。更具体地， 氢校正过程使得能够容易且精确地校正下游空燃比传感器60关于氢浓度的输出特性。因 此，即使当下游空燃比传感器60劣化时，也能够高精度地连续检测氢浓度。此外，在校正过程中，当例如通过燃料喷射而保持排气无氧时，能够根据内燃发动 机的工作状态而调节氢浓度。这使得能够容易地实现能够实施传感器输出校正的无氧、无 氢状态，以及无氧、预定的氢的供给状态。(催化剂诊断过程)如上所述，本实施方式能够在实施重整EGR控制的同时精确地检测氢浓度。因此， 这种能力用于对燃料重整催化剂28执行诊断过程。该催化剂诊断过程通过进行调节以使 影响氢浓度的参数处于预定的催化剂诊断状态而开始。预定的催化剂诊断状态与前述的预定误差检测状态大致相同。在预定的催化剂诊 断状态中产生的重整气体中的氢浓度预先存储在ECU50中作为诊断基准值。ECU 50进行调 节以使得例如内燃发动机的工作状态处于预定的催化剂诊断状态，并且将在预定的催化剂 诊断状态中检测到的氢浓度与诊断基准值进行比较。因此，能够根据预定的催化剂诊断状 态中的氢浓度与诊断基准值之间的偏离量而对燃料重整催化剂28实施诊断检查，以判断 燃料重整催化剂28是否在正常工作。本实施方式能够用两个空燃比传感器58、60精确地检测氢浓度。因此，本实施方 式还能够高精度地对催化剂进行诊断检查。这使得能够确定地把握例如燃料重整催化剂28 的劣化，从而提供增强的系统可靠性。[实现第一实施方式的实施过程细节]图9至图11是流程图，示出了根据本实施方式，ECU 50执行系统操作的程序。当 内燃发动机启动时，这些图中所示的程序开始，并且以固定的间隔重复。现在将参照图9描述氢浓度检测过程。氢浓度检测过程通过实施下面将描述的氧 校正过程和氢校正过程以校正空燃比传感器58、60的各个输出(步骤100和102)而开始。 在接下来的步骤中，即步骤104中，实施前述催化剂诊断过程以判断燃料重整催化剂28是 否正常。如果发现燃料重整催化剂28中存在异常，则实施控制以处理该异常。接下来，实施步骤106以读取上游传感器信号。然后在步骤108中对读取的信号 值实施前述压力相关的修正过程。接下来，实施步骤110，用校正后的信号值参照图4所示 的数据，并检测排气中的氧浓度。进一步地，实施步骤112，以通过用检测到的氧浓度参照图 6所示的数据来获得检测到的氧浓度下的下游传感器信号的零点输出。然后类似地实施步 骤114，以通过用检测到的氧浓度值参照图7所示的数据来获取检测到的氧浓度下的下游 传感器信号的变化率。接下来，实施步骤116，以检查图5中所示的每条特性曲线数据，选择与检测到的 氧浓度相对应的特性曲线数据，并且通过使用零点输出和变化率来设定例如用于选定的特性曲线数据的函数表达式。然后实施步骤118以读取下游传感器信号。接下来实施步骤 120以对读取的信号的值实施压力相关的修正过程。然后实施步骤122，以通过例如用修正 后的信号值计算用于选定的特性曲线数据的函数表达式来检测EGR气体中的氢浓度。接下来，实施步骤124以根据例如内燃发动机的工作状态和流量调节阀38的开度 计算EGR气体的流速，并利用该流速和检测到的氢浓度的值来计算重整气体生成量。然后， 实施步骤126以执行重整EGR控制，同时将重整气体生成量反馈到该控制的执行中。现在将参照图10描述氧校正过程。在氧校正过程中，首先实施步骤200以判断排 气的空燃比是否浓(λ彡1)。如果排气的空燃比不浓，则实施步骤202，以例如通过调节燃 料喷射量来浓化排气空燃比。 结果，无氧的排气被供给到上游空燃比传感器58。在产生的状态中，实施步骤204 以读取上游传感器信号。然后实施步骤206以检测读取的信号值与预先存储在ECU 50中 的零点基准值之间的差值，并将检测到的差值作为零点下的偏离量存储。接下来，实施步骤208以通过停止从主燃料喷射阀18喷射燃料而将大气供给到上 游空燃比传感器58。在产生的状态中，实施步骤210以读取上游传感器信号。然后实施步 骤212以检测读取的信号值与预先存储在ECU 50中的大气基准值之间的差值，并将检测到 的差值作为大气氧浓度下的偏离量存储。接下来，实施步骤214以利用两点——即零点和大气氧浓度——下的偏离量来校 正上游传感器信号的输出特性。在典型示例中，实施该校正过程以校正例如存储在ECU 50 中的特性曲线数据的零点输出和变化率。接下来，实施步骤216以通过对下游空燃比传感器60实施与步骤200至214中所 描述的相同的校正过程来校正下游传感器信号的输出特性。更具体地，校正过程通过停止 重整燃料的喷射并浓化排气空燃比以向下游空燃比传感器60供给无氧、无氢的EGR气体而 开始。然后，在产生的状态中，检测前述零点下的偏离量。进一步地，停止喷射主燃料和重整燃料以向下游空燃比传感器60供给无氢的大 气。然后，在产生的状态中，检测前述大气氧浓度下的偏离量。能够利用上述两点下的偏离 量来校正下游传感器信号的输出特性。现在将参照图11描述氢校正过程。在氢校正过程中，首先实施步骤300以判断是 否正在执行非重整状态下的EGR控制(正常EGR控制)。如果在该情况下正在执行重整EGR 控制，则将其停止。如果停止正常EGR控制，则开始向EGR路径32供给无重整气体的排气 (步骤302)。接下来，实施步骤304以判断排气的空燃比是否浓。如果排气空燃比不浓，则以与 步骤202中相同的方式实施步骤306以浓化排气空燃比。结果，无氧、无氢的EGR气体被供给到下游空燃比传感器60。在产生的状态中，实 施步骤308以读取下游传感器信号。然后实施步骤310以检测读取的信号值与预先存储在 ECU 50中的零点基准值之间的差值，并将检测到的差值作为零点下的偏离值存储。接下来，在开始重整EGR控制的状态中，实施步骤312以进行调节，从而使得诸如 重整燃料供给量、排气流速、压力、以及温度的参数处于预先记忆在ECU 50中的预定误差 检测状态。这确保了燃料重整催化剂28向EGR路径32供给基准浓度的氢。在产生的状态中，实施步骤314以读取下游传感器信号。然后实施步骤316以检测读取的信号值与预先存储在ECU 50中的非零点基准值之间的差值，并将检测到的差值作为所述非零点下的偏离量存储。接下来，以与氧校正过程中大致相同的方式实施步骤318， 以利用两点——即零点和所述非零点——下的偏离量来校正下游传感器信号的输出特性。如以上详细所述，本实施方式能够利用两个空燃比传感器58、60在重整EGR控制 期间精确地检测氢浓度，并根据检测结果适当地控制重整气体生成量。第二实施方式现在将参照图12描述本发明的第二实施方式。第二实施方式使用与第一实施方 式相同的系统构造(图1)，但与第一实施方式的不同之处在于下游空燃比传感器的结构。根据第二实施方式的下游空燃比传感器70与第一实施方式的下游空燃比传感器 的相似之处在于，下游空燃比传感器70包括检测元件70A、电极70B和70C、扩散层70D、以 及壳体70E。然而，扩散层70D由比上游空燃比传感器58的扩散层58D更密的材料制成。 因此，扩散层70D与上游空燃比传感器58的扩散层58D相比较不透气。其结果是，与上游空燃比传感器58的情况相比，氧和氢较不容易供给到检测元件 70A的一侧面。这在相同浓度条件下减小了检测元件70A中产生的离子电流。在该情况下， 本实施方式构造成使得下游空燃比传感器70的灵敏度比上游空燃比传感器58的灵敏度 低，二者之差对应于扩散层58D与扩散层70D的透气性的差值。虽然本实施方式是如上述那样构造的，但其提供了与第一实施方式大致相同的操 作优势。另外，在本实施方式中，特别地，下游空燃比传感器70可简单地通过将上游空燃比 传感器58的扩散层58D替换为较密的扩散层70D来实现。在这样的情况下，电极70B、70C 可与上游空燃比传感器58的电极相同。因此，容易形成灵敏度有限的下游空燃比传感器 70。在前述实施方式中，图9所示的步骤112至122表示的是氢浓度检测装置的具体 示例；且步骤112至116具体表示的是信号修正装置的具体示例。进一步地，步骤112表示 的是零点输出获取装置的具体示例；步骤114表示的是变化率获取装置的具体示例；且步 骤116表示的是特性设定装置的具体示例。此外，步骤106和110表示的是氧浓度计算装 置的具体示例；步骤108和120表示的是压力相关的修正装置的具体示例；且步骤104表示 的是催化剂诊断装置的具体示例。进一步地，参见图10，步骤200、202和208表示的是气态物质供给装置的具体示 例；步骤204和206表示的是第一氧误差检测装置的具体示例；步骤210和212表示的是第 二氧误差检测装置的具体示例；且步骤214表示的是氧信号校正装置的具体示例。此外，参见图11，步骤312表示的是调节装置的具体示例；步骤308和310表示的 是第一氢误差检测装置的具体示例；步骤314和316表示的是第二氢误差检测装置的具体 示例；且步骤318表示的是氢信号校正装置的具体示例。前述实施方式所采用的构造为，通过减小电极60B的尺寸或者使扩散层70D较密 而降低下游空燃比传感器60、70的灵敏度。然而，本发明可使用替代的方法来降低下游空 燃比传感器的灵敏度。例如，当所采用的空燃比传感器通过壳体中制成的扩散孔向检测元 件的一侧面供给测量目标气态物质时，能够通过减小扩散孔的直径来降低传感器灵敏度。根据本发明的下游空燃比传感器可通过将以下传感器中的任何两个或全部三个 组合起来而构造根据第一实施方式或第二实施方式的空燃比传感器60、70以及具有上述小直径扩散孔的空燃比传感器。例如，下游空燃比传感器可通过使用小型电极并形成密的 扩散层构造而成。
已经结合空燃比传感器58、60、70描述了前述实施方式，这些空燃比传感器58、 60、70的信号随着检测目标的浓度增加而线性减小。然而，本发明并不局限于使用这种空燃 比传感器。本发明可以替代性地构造成使用这样的空燃比传感器其信号随浓度增加而线 性增加或者随浓度非线性地变化。此外，已经结合空燃比传感器58、60、70描述了前述实施方式，这些空燃比传感器 58,60,70包括由氧化锆制成的检测元件58A、60A或70A，以及由例如氧化铝制成的扩散层 58D、60D或70D。然而，本发明并不局限于使用这种空燃比传感器。例如，一种替代方案可 使用由除氧化锆和氧化铝以外的材料制成的检测元件和扩散层，只要它们具有氧检测能力 以及根据氢浓度改变氧检测灵敏度的功能即可。同时，前述实施方式构造成EGR路径32在热交换器24的上游端从排气管20分支。 然而，本发明并不局限于这种构造。可采用替代性的构造，使得EGR路径32在热交换器24 的下游端从排气管20分支。此外，前述实施方式构造成使得上游空燃比传感器58安装在排气管20中并布置 在热交换器24的上游。然而，根据本发明的上游空燃比传感器的安装位置并不局限于结合 前述实施方式所描述的位置。例如，排气管20的位于热交换器24下游的一部分可布置在燃 料重整催化剂28的上游。因此，上游空燃比传感器58可以替代性地安装在排气管20中并 布置在热交换器24的下游。另一种替代性方案可以是将上游空燃比传感器58安装在EGR 路径32中并将其布置在燃料重整催化剂28的上游。类似地，根据本发明的下游空燃比传感器的安装位置并不局限于结合上述实施方 式所描述的位置。可以将下游空燃比传感器的安装位置替代性地选择为使其位于燃料重整 催化剂28下游的任何安装位置。例如，下游空燃比传感器60可布置在EGR路径32与进气 管12的接合处，或者布置在微微离开接合处且朝向进气管12的位置。假设了前述实施方式使用汽油和乙醇的混合燃料作为重整燃料。然而，本发明并 不局限于使用这种混合燃料。例如，可以替代性地使用汽油和甲醇或其它醇的混合燃料作 为重整燃料。此外，本发明并不局限于使用含醇燃料。任何含有汽油的燃料都可应用于本发明。 更具体地，本发明能够应用于例如仅由汽油构成的燃料以及汽油和除醇以外的物质的混合 燃料。此外，假设了前述实施方式通过利用排气热来加热燃料重整催化剂28。然而，本发 明并不总是需要利用排气热。例如，本发明可应用于不是排气热回收式的内燃发动机。更 具体地，本发明可构造成通过利用除排气以外的热源(例如，专用加热器)来加热燃料重整 催化剂28。此外，已经在假设将燃料重整设备应用于内燃发动机10的情况下描述了前述实 施方式。然而，本发明不仅能够应用于内燃发动机，还能够应用于实施燃料重整的多种类型 的机器和设备。
权利要求
一种燃料重整设备，包括燃料重整催化剂，所述燃料重整催化剂布置在含有重整燃料的气态物质的流动路径中，并用来由所述重整燃料生成含氢的可燃气体；上游空燃比传感器，所述上游空燃比传感器相对于所述气态物质的流动方向布置在所述燃料重整催化剂的上游，并用来输出表示所述气态物质中的氧浓度的上游传感器信号；下游空燃比传感器，所述下游空燃比传感器相对于所述气态物质的流动方向布置在所述燃料重整催化剂的下游，并用来输出表示所述气态物质中的氧浓度和氢浓度的下游传感器信号；以及氢浓度检测装置，所述氢浓度检测装置利用所述上游传感器信号和所述下游传感器信号来检测在所述燃料重整催化剂的下游位置处的所述气态物质中的氢浓度。
2.如权利要求1所述的燃料重整设备，其中，所述氢浓度检测装置包括信号修正装置，所述信号修正装置用于根据所述上游 传感器信号来修正包含在所述下游传感器信号中的所述氧浓度的影响。
3.如权利要求2所述的燃料重整设备如权利要求2所述的燃料重整设备，进一步包括氧浓度计算装置，所述氧浓度计算装置由所述上游传感器信号计算所述氧浓度；以及 存储装置，所述存储装置预先存储表示所述下游传感器信号与所述氢浓度之间的关系 的特性曲线数据；其中，所述信号修正装置根据所述氧浓度来修正所述特性曲线数据；并且 其中，所述氢浓度检测装置利用修正后的所述特性曲线数据由所述下游传感器信号计 算所述氢浓度。
4.如权利要求3所述的燃料重整设备， 其中，所述信号修正装置包括零点输出获取装置，所述零点输出获取装置根据所述氧浓度来获取所述氢浓度为零时 的所述下游传感器信号的值；变化率获取装置，所述变化率获取装置根据所述氧浓度获取所述下游传感器信号的变 化对所述氢浓度的变化的比率；以及特性设定装置，所述特性设定装置根据所述零点输出获取装置和所述变化率获取装置 的获取结果来设定在检测到的氧浓度下的所述特性曲线数据。
5.如权利要求1至4中任一项所述的燃料重整设备，其中，所述下游空燃比传感器的灵敏度比所述上游空燃比传感器的灵敏度低。
6.如权利要求1至5中任一项所述的燃料重整设备，其中，所述上游空燃比传感器和所述下游空燃比传感器各包括 检测元件，所述检测元件由含有氧化锆的材料制成，并设有一侧面和另一侧面； 两个电极，所述两个电极分别安装在所述检测元件的所述一侧面和所述另一侧面上从 而以所述检测元件位于所述两个电极之间的方式彼此面对；以及限制装置，所述限制装置布置成将所述检测元件的所述一侧面与含有检测目标的所述 气态物质遮断，并限制所述检测目标供给到所述检测元件的所述一侧面的速度。
7.如权利要求6所述的燃料重整设备，其中，所述下游空燃比传感器的所述电极比所述上游空燃比传感器的所述电极具有更 小的相对表面面积；并且其中，所述下游空燃比传感器的灵敏度根据所述上游空燃比传感器与所述下游空燃比 传感器之间的相对表面面积之差而降低。
8.如权利要求6或7所述的燃料重整设备，其中，所述限制装置为允许含有所述检测目标的外部气态物质朝所述检测元件的所述 一侧面穿过的扩散层；其中，所述下游空燃比传感器的所述扩散层比所述上游空燃比传感器的所述扩散层具 有更低的透气性；并且其中，所述下游空燃比传感器的所述灵敏度根据所述上游空燃比传感器与所述下游空 燃比传感器之间的透气性之差而降低。
9.如权利要求1至8中任一项所述的燃料重整设备，进一步包括压力检测装置，所述压力检测装置用于检测所述气态物质的压力；以及 压力相关的修正装置，所述压力相关的修正装置用于根据所述气态物质的压力来修正 至少所述上游传感器信号或所述下游传感器信号的值。
10.如权利要求9所述的燃料重整设备，其中，所述压力相关的修正装置进行修正以使得检测到的氧浓度或氢浓度随着所述压 力升高而降低。
11.如权利要求1至10中任一项所述的燃料重整设备，进一步包括气态物质供给装置，所述气态物质供给装置向至少所述上游空燃比传感器或所述下游 空燃比传感器分别供给无氧气态物质和大气；第一氧误差检测装置，当所述无氧气态物质被供给到所述空燃比传感器时，所述第 一氧误差检测装置检测所述空燃比传感器的输出信号值与预定的零点基准值之间的偏离 量；第二氧误差检测装置，当所述大气被供给到所述空燃比传感器时，所述第二氧误差检 测装置检测所述空燃比传感器的输出信号值与预定的大气基准值之间的偏离量；以及氧信号校正装置，所述氧信号校正装置利用与所述零点基准值的偏离量和与所述大气 基准值的偏离量来校正所述输出信号值。
12.如权利要求1至11中任一项所述的燃料重整设备，进一步包括重整燃料供给装置，所述重整燃料供给装置向所述燃料重整催化剂供给所述重整燃料；气态物质供给装置，所述气态物质供给装置向所述下游空燃比传感器供给无氧气态物质；调节装置，所述调节装置进行调节以使影响所述氢浓度的参数处于预定的误差检测状态；第一氢误差检测装置，当所述重整燃料的供给被切断并且所述无氧气态物质供给到所 述下游空燃比传感器时，所述第一氢误差检测装置检测所述下游空燃比传感器的输出信号 值与预定的零点基准值之间的偏离量；第二氢误差检测装置，当所述参数被调节并处于所述预定状态且所述无氧气态物质供给到所述下游空燃比传感器时，所述第二氢误差检测装置检测所述下游空燃比传感器的输 出信号值与预定的非零点基准值之间的偏离量；以及氢信号校正装置，所述氢信号校正装置利用与所述零点基准值的偏离量和与所述非零 点基准值的偏离量来校正所述输出信号值。
13.如权利要求1至12中任一项所述的燃料重整设备，进一步包括催化剂诊断装置，所述催化剂诊断装置进行调节以使影响所述氢浓度的参数处于预定 的催化剂诊断状态，并且将检测到的氢浓度与预定的诊断基准值进行比较以对所述燃料重 整催化剂的工作进行诊断检查。
14.如权利要求1至13中任一项所述的燃料重整设备，其中，在空燃比反馈控制期间使用所述上游空燃比传感器以根据从内燃发动机排出的 排气中的氧浓度来调节空燃比。
全文摘要
当燃料重整催化剂28与含有重整燃料的排气接触时，产生含氢的重整气体。上游和下游空燃比传感器58、60分别安装在燃料重整催化剂28的上游和下游。上游空燃比传感器58根据氧浓度输出上游传感器信号。下游空燃比传感器60通过利用氧化锆的氧检测能力和扩散层的与氢浓度相关的氧检测能力的变化而根据氧浓度和氢浓度输出下游传感器信号。ECU 50利用仅反映氧浓度的上游传感器信号和反映氧浓度和氢浓度的下游传感器信号来检测氢浓度，而不受氧浓度的影响。这使得能够利用常用的空燃比传感器58、60来实现氢浓度检测系统。
文档编号C01B3/38GK101960127SQ20098010671
公开日2011年1月26日 申请日期2009年1月26日 优先权日2008年2月27日
发明者中田勇, 佐佐木敬规, 矢作秀夫, 青木圭一郎 申请人:丰田自动车株式会社