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JP4901816B2 - 改質器付エンジンシステム - Google Patents

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Description

本発明は、改質器を搭載したエンジンシステムに関するものである。
燃料を吸熱反応により改質して一部水素等を含む改質ガスを生成し、改質ガスを燃料としてエンジンに供給するシステムでは、エンジン廃熱を利用して吸熱反応により燃料を改質することで、廃熱回収により効率向上が見込める。また、ガソリン等の炭化水素燃料を改質して水素を含む改質ガスをエンジンに供給する場合は、ポンピングロス低減や燃焼効率向上、また燃焼速度向上が可能となることでエンジンの高効率化が見込める。改質器をエンジンの排気管に装着する場合、エンジンの運転状態によって、エンジンの排ガス温度が変動するため、条件によっては、改質効率が変動する。また、改質反応で水素を含むガスを生成する場合、反応圧力は、低いほど反応効率が高くなる。
従来の改質器付エンジンシステムとしては、たとえば、特許文献１に記載されているように、エンジンから所定長さ分、離れた位置の排気管に改質器が装着されており、改質器より生成した改質ガスは、排ガスとともに吸気管に供給する構成となっている。
特開２００７−１３８７８１号公報
特許文献１に記載のシステムは、たとえばアイドリングや低速時のような低出力の運転条件の際には、改質器に供給する排ガスの温度が低くなるため、改質効率を高くすることは困難である。また改質後燃料はエンジンの排ガスとともにエンジンの吸気管に供給されるため、改質後燃料とともに常温の排気ガスがエンジン内に供給される。そのため、エンジン燃焼時の燃焼温度が低下することで排気温度が下がり、改質効率が低下するという課題がある。
本発明の目的は、改質器付エンジンシステムにおいて、改質器の改質効率を高くすることで、廃熱回収量，エンジンの燃焼効率を向上させ、システム効率の優れたエンジンシステムを提供することを目的とする。
本発明は、改質器を備え、改質前燃料を前記改質器で改質した改質後燃料を燃料の一つとして、エンジンを駆動する改質器付エンジンシステムにおいて、
前記改質器には前記改質器に供給する前記改質前燃料の供給量を調整する改質前燃料供給量調整装置と、前記エンジンに供給する改質後燃料の供給量を調整する改質後燃料供給量調整装置とが接続され、前記改質器が前記改質後燃料供給量調整装置を介してエンジン燃焼室と隣接して設置されていることを特徴とする。また、前記改質器は前記エンジンの排気管に設置され、前記改質後燃料供給量調整装置が前記エンジンの排気バルブであることを特徴とする。
エンジンの燃焼室付近に改質器を設置し、改質後燃料供給量調整装置により改質後燃料をエンジン内に供給することで、エンジン燃焼時の燃焼温度が向上する。改質器に供給される排ガス温度は高くなり、排気エネルギーの回収効率が高くなる。また、エンジンの吸気行程時の負圧により改質器から改質後燃料をエンジンに供給することで、改質器内の圧力を低くできる。さらに改質後燃料は高温の排ガスとともにエンジンに供給されるため、改質後燃料の供給量増加に伴う燃焼温度低下は抑制されることで排気温度低下が抑制される。これにより改質器の改質効率が向上する。
本発明により、改質器の改質効率を高くでき、廃熱回収量，エンジンの燃焼効率が向上し、システム効率の優れたエンジンシステムを提供することが可能となる。
以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。
図１は、本システムの第一の構成図である。排気管９の排気バルブ７付近のエンジンヘッド内またはエンジンヘッドから排出された直後の排気管位置に改質器１が設置されており、改質器１には改質前燃料供給量調整装置１１から改質前燃料３が供給される。ここで、改質器１は改質後燃料供給量調整装置としても機能する排気バルブ７を介してエンジン燃焼室と隣接して設置されている。本構成により、改質器１には、エンジン筒内１０から排出された直後の燃焼ガスが供給され、高温のエンジン排気熱が供給される。
排気バルブ７は改質後燃料をエンジン筒内１０に供給する改質後燃料供給量調整装置としても機能する。通常、排ガスが所定量以上エンジン内に供給されると失火、エンジン効率の低下を招くため、所定量以上をエンジン筒内１０に供給することは問題となる。この問題を解決するために、逆流防止装置１２が改質器１の排ガス下流側に設置されている。これは排気バルブ７よりエンジン筒内１０に改質後燃料が供給される際、改質器１よりも下流側に位置する排気管の排ガスをエンジン筒内１０に供給することを防止している。これにより改質後燃料のエンジン筒内１０への供給時に排ガスが所定以上供給されない構成となっている。逆流防止装置１２は開閉バルブを用いることができる。このとき、改質前燃料が改質器１に供給されているときは開閉バルブを閉め、改質後燃料が排気下流に排気されることを防止している。
また、エンジンの吸気管８には、改質前燃料３を供給する燃料供給装置１３が設置されており、改質器１を介さずにエンジン筒内１０に改質前燃料を供給できる構成となっている。また、エンジンの排気管９には排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出装置１７を設置する。酸素濃度検出装置１７で検出した酸素濃度をもとにエンジンの空気過剰率を制御する。エンジンの吸気管８には空気量を調整する空気流量調整装置１８が設置されている。なお、吸気バルブ６，空気流量調整装置１８，排気バルブ７，改質前燃料供給量調整装置１１，１３，開閉バルブ，ポンプ４等の動作は、図示しない電子制御装置により制御される。
また、エンジン筒内１０の圧力を検出する圧力検出装置１５が設置されている。圧力検出装置１５は、エンジン筒内１０の圧力を推定できる、エンジンの軸トルクセンサやイオン電流による検出装置であってもよい。また、排気管９の改質器１よりも下流側に排気管の圧力を測定する圧力センサ１４が設置されている。改質器１は排ガスと改質後燃料の両方が通るため、図２に示すようなハニカム構造にすることで排ガスとの接触面積を増やしている。また、排ガス接触面で改質反応が起こるように排ガス接触面には触媒が担持されている。このような構成とすることで、反応流路と排ガス流路が共通となり、エンジンの排ガス中の水蒸気を改質反応に利用可能となる。また、改質器１の触媒はゼオライト系触媒を使う。また、改質器１は、多孔体構造あるいは、フィン構造，マイクロスペースなどの構造で排ガス接触面積を増やしてもよい。また、改質器１の触媒は、ニッケル，ルテニウム，白金，パラジウム，ネニウム，クロム，コバルトのうち少なくとも一つ以上の元素が含まれる貴金属とし、担体はアルミナ，チタニア，シリカ，ジルコニアのいずれか単体または混合物を利用する。また、改質器１は、多孔体構造あるいは、フィン構造，マイクロスペースなどの構造で排ガス接触面積を増やしてもよい。
図１で示したシステム構成とすることで下記のような効果がある。
１．排気中の水蒸気を改質に利用することで、水蒸気中の水素を燃料として利用できる。
２．高温排気を改質器に供給可能である。
３．高温ＥＧＲと改質後燃料をエンジン筒内に供給できる
４．エンジンの吸気行程時の負圧を改質反応に利用できる。
５．改質後燃料のラインを増設する必要がない。
６．改質後燃料が一部液化することはない。
効果１に関しては、例えば改質前燃料をガソリンとすると、ガソリンの中の一成分であるＣ8Ｈ18（ノルマルオクタン）の場合、下記のような水蒸気改質反応が起こすことができる。
Ｃ8Ｈ18＋８Ｈ2Ｏ⇒１７Ｈ2＋８ＣＯ−１３０３ｋＪ …（１）
上記改質反応は吸熱反応であり、また水蒸気中の水素を燃料として利用することができるため、改質前燃料に対し、改質後燃料は１３０３ｋＪ、発熱量が増加することが分かる。改質前燃料の発熱量は５０７５ｋＪ、改質後燃料は６３７８ｋＪであるので、改質後燃料は、改質前燃料に対し２５.７％発熱量が向上する。つまり改質反応によりＣ8Ｈ18を基準とした熱効率が２５.７％向上することを意味する。
効果２に関しては、図３に改質反応（１）の平衡温度と転化率の関係を示す。これによると改質温度が高いほど、改質効率が高いことが分かる。排気管下流側のエキゾーストマニホールドの集合部とエンジン出口すぐの排気温度をエンジン回転数，エンジントルクでマップ化して比較したものをそれぞれ図４，図５に示す。これによりエンジンに近いほど排気温度が高く、エンジンの運転条件の違いによる排気温度の変化が小さいことがわかる。このようなことから図１に示す構成のようにエンジンの排気バルブ近傍の排気管部またはエンジンヘッド内に改質器１を設置することで、より高温の排気を改質器１に供給でき、改質器１の改質効率を向上することが可能となる。また、より高温の排気ガスを改質器１に供給できることから、ガソリン，メタノールやエタノールなどのアルコール系燃料や脂環式炭化水素や芳香族炭化水素などさまざまな燃料を改質することが可能となり、燃料の多様化にも対応可能となる。
効果３に関して説明する。図１に示す構成とすることで、改質後燃料を排気バルブ７から供給することができる。この際、改質に排気中の水蒸気を利用するため、高温のＥＧＲも改質後燃料と共にエンジン筒内１０に供給される。図６にエンジン筒内１０に供給される混合気の空気過剰率１におけるＥＧＲ率と断熱火炎温度の関係を示す。ＥＧＲ温度を２５度と８００度で比較した。これによるとＥＧＲ率増加により、不活性ガスが増加することで、断熱火炎温度は低下するが、ＥＧＲ温度が高いほど、断熱火炎温度の低下は抑制されることが分かる。つまりＥＧＲ増加に伴うエンジンの排気温度低下を抑制できることを意味する。排ガス中の水蒸気を改質に利用する場合、改質後燃料にＥＧＲが混入するが、図１のような構成とすることで、ＥＧＲの温度を高くでき、排気温度の低下を抑制することができ、ＥＧＲ供給時の改質効率を向上することが可能となる。次に、図７にエンジン筒内１０の混合気中のＥＧＲ率を横軸に層流燃焼速度（ＳＬ）を縦軸に示したものを示す。このとき混合気温度を比較している。燃焼速度はエンジンの等容度に影響するため、熱効率向上には重要な要素である。図７によりＥＧＲ率が低く、混合気温度が高いほど層流燃焼速度が高いことが分かる。つまりＥＧＲ率が高くても混合気温度を高くすることで、燃焼速度は向上できることを示している。図１の構成により高温ＥＧＲをエンジンに供給することができるため、常温のＥＧＲに比べ、混合気温度を高めることができるため、燃焼速度を向上することができ、等容度を向上することが可能となる。
効果４に関しては、（１）の改質反応時の平衡温度と転化率の関係を改質反応圧力で比較したものを図８に示す。式（１）のように改質後に分子数が増加する反応は改質反応圧力が低いほど転化率が増加する。図１の構成にすることで、エンジンの吸気行程時の負圧を改質反応に利用することができるため、改質効率が増加し、排熱回収量が増加することで、エンジンの熱効率が増加する。
効果５，６に関しては、特許文献１のような構成の場合、改質器１より改質後燃料は吸気管８に供給されるため、新たに改質後燃料用の配管を設置する必要がある。また、改質後燃料用の配管を設置することで、配管途中において、改質後燃料中の改質できなかったガソリンが冷やされ、一部液化するということもある。それに対し、図１の構成とすることで、エンジンの排気管９からエンジン筒内１０に改質後燃料を供給するため、改質後燃料用の配管を必要としない。また、改質後燃料が冷える前にエンジン筒内に改質後燃料が供給されるため、改質しないガソリンが一部液化する問題も発生しない。
次に、第一の構成図における制御方法について説明する。第一の構成においては、空気過剰率１付近で運転する制御を行う。図９に空気過剰率と断熱火炎温度の関係を示す。このように空気過剰率が１に近づくほど断熱火炎温度は高くなることが分かる。つまり排気温度が高くなることを示しており、これにより改質器１における改質効率が向上し、熱効率が向上する。次に図１０に空気過剰率と三元触媒の浄化率の関係を示す。これにより排ガス浄化の観点から空気過剰率１付近で運転することが最適であることが分かる。図１１に層流燃焼速度と空気過剰率の関係を示す。これにより空気過剰率が１よりやや低いところで層流燃焼速度は最大となる。また、改質器１の改質反応場に酸素が存在すると改質時に改質前燃料が酸化し、これにより発熱するため、改質時の吸熱量が少なくなるため、熱効率が低下する。そのため、排ガス中に酸素が存在しないように空気過剰率１以下で運転する。これらのことから第一の構成においては、空気過剰率１にて運転することが最適である。これを実現するために、排気管９中の酸素濃度が所定範囲になるように吸気管８に設置されている空気流量調整装置１８を制御する、もしくは改質前燃料の吸気管８への供給量を制御する、もしくは改質前燃料の改質器１への供給量を制御することの少なくともいずれか一つを行う。
次に排気バルブの開閉タイミングおよび改質前燃料の供給タイミングについて説明する。図１２には、エンジンの各行程における、排気バルブ７のリフト量と改質前供給量調整装置１１の制御信号、ΔＰの履歴を示す。ΔＰは下記のように定義する。
ΔＰ＝エンジン筒内圧力−排気管圧力
エンジンの排気行程において排気バルブ７はリフトされ、エンジン筒内１０の排ガスが排気管９に排出され、改質器１へ排ガスが供給され、改質器１が暖められる。その後、エンジンの吸気行程おいてΔＰが負圧になるタイミングにおいて、排気バルブ７が再び開かれ、改質前燃料供給量調整装置１１へ供給指令信号が入力される。このように制御することで、ΔＰが負圧であるため、改質前燃料供給量調整装置１１から改質器１に改質前燃料が供給され、改質器１で改質前燃料が改質された後に排気バルブ７を介してエンジン筒内１０に改質後燃料が排ガスと共に供給される。このとき、改質器１からエンジン筒内１０への改質後燃料の供給には、時間遅れが存在するため、吸気行程中に排気バルブ７が閉まる前に改質前燃料供給量調整装置１１から改質器１への改質前燃料の供給を停止する。また吸気バルブ６は排気バルブ７が閉じた後に開弁する。これは排気バルブ７のみを開けて改質後燃料を供給することで、改質器１内は低圧にて改質反応することができ、改質効率が増加する効果があるためである。
次に改質器１に改質前燃料を供給しない運転方法について説明する。改質器１はエンジン始動時や暖機時は改質温度が低いため、図３に示すように改質効率が低下する。そのため、改質器１へ改質前燃料を供給することを禁止して、改質前燃料は燃料供給装置１３により改質器１を介さずにエンジン筒内１０へ供給する。このとき同時に排気バルブ７は吸気行程時に開かないように制御することでＥＧＲのエンジンへの混入を防止する。このように運転することで、改質器１の暖機時間が短くなり、改質効率が高いところでの運転が可能となる。
次に第二の構成を図１３に示す。所定圧力差以上にて開くように調整された調整バルブ１６が改質前燃料タンク３と改質器１とを接続する配管に設置されており、排ガスの逆流防止装置１２により、エンジンの吸気行程時の改質器１内が負圧になることで、改質前燃料タンク３と改質器１の間で差圧が生じる。この差圧により、改質前燃料が改質器１へ供給される。このとき調整バルブ１６が存在することで、排気バルブ７が閉じた後に改質器１へ改質前燃料が供給されることを防止している。またエンジン筒内１０への空気量は空気流量調整装置１８を利用する。空気流量調整装置１８は機械的に調整するバルブであってもよい。第一の構成に比べ、第二の構成は、改質器前燃料供給量調整装置や電子制御装置が不要となり、機械的に改質前燃料を改質器１に供給することが可能となるため、部品点数が少なく、低コストシステムにて、改質後燃料を排気バルブ７から確実にエンジン筒内１０に供給できる構成である。第二の構成においてエンジン筒内１０に供給する改質前燃料の供給量と吸入空気量の割合を調整する際は、改質前燃料の供給量およびスロットル開度のほかに排気バルブ７の開閉時期または開閉リフト量を調整することで、エンジン筒内１０に供給する空気量に対する改質後燃料供給量が調整可能となる。図１４に排気バルブ７の開閉リフト量の調整方法を示す。このように排気バルブ７のリフト量、開閉時期を連続的または段階的に変化させることで、改質前燃料の供給量が調整できる。また、調整バルブ１６の差圧に対する改質前燃料供給量を調整すること、エンジン筒内１０に供給する改質後燃料供給量が調整してもよい。また第二の構成において、エンジンの始動時や改質器１を暖気する暖機運転時など改質器１の温度が所定の温度よりも低い時や、改質器１の故障時に、改質器１を介さずに改質前燃料を吸気管８に供給する配管を設置していてもよい。ここで、所定の温度とは、改質器１で燃料を改質する際の添加率が、例えば１０％以下となる温度などを設定する。温度の検出方法としては、改質器１の温度を直接検出する手法や、排ガス温度を検出して改質器１の温度を推定する手法などを用いればよい。
次に第三の構成を図１５に示す。改質前供給量調整装置１１により改質器１に改質前燃料が供給される構成となっており、改質器１はエンジン筒内１０内に設置されている。改質前燃料供給量調整装置１１は、たとえば、ガソリン直噴用インジェクタを用い、改質器１はガソリン直噴用インジェクタに設置する構成でもよい。第三の構成とすることで、第１の構成に比べ、エンジンを大幅に変更することがなく、部品点数を低減することができる。また、改質器１がエンジン筒内１０内に設置されていることから、改質後燃料はエンジン筒内１０に確実に供給することが可能となる。具体的な制御方法は、吸気行程時に改質前燃料を改質器１に供給することで、改質時の反応圧力を低くすることができるため、改質効率が向上する（図８参照）。さらに、図１６に示すように吸気行程時において改質前燃料供給量調整装置１１により改質器１に改質前燃料を供給後に吸気バルブ６を開くことで、改質器１の改質反応圧力を低くすることができ、改質効率が向上する。
改質器を備えたエンジンの第１の構成図。 改質器の構造図。 平衡転化率と温度の関係。 排気温度マップ（排気管下流部）。 排気温度マップ（排気管上流部）。 ＥＧＲ率と断熱火炎温度の関係。 ＥＧＲ率と層流燃焼速度の関係。 圧力を変化させた際の平衡転化率と温度の関係。 空気過剰率と断熱火炎温度の関係。 空気過剰率と三元触媒浄化率の関係。 空気過剰率と層流燃焼速度の関係。 第１の構成図における時系列フロー図。 改質器を備えたエンジンの第２の構成図。 排気バルブリフト量の時系列図。 改質器を備えたエンジンの第３の構成図。 第３の構成図における時系列フロー図。
符号の説明
１ 改質器
２ ピストン
３ 改質前燃料
４ 改質前燃料ポンプ
５ 点火プラグ
６ 吸気バルブ
７ 排気バルブ
８ 吸気管
９ 排気管
１０ エンジン筒内
１１ 改質前燃料供給量調整装置
１２ 逆流防止装置
１３ 改質前燃料供給量調整装置
１４，１５ 圧力センサ
１６ 調整バルブ
１７ 酸素濃度検出装置
１８ 空気流量調整装置

Claims (4)

  1. 少なくともエンジンと、燃料を貯蔵する燃料貯蔵タンクと、前記燃料を改質する改質器とを備え、前記改質器で改質した改質後燃料を前記エンジンに供給する改質器付エンジンシステムにおいて、
    前記改質器は前記エンジンの排気管に配置され、前記改質後燃料が前記エンジンの排気バルブから供給される構成を有し、
    前記改質器よりも下流側の前記排気管に設けられた排ガス逆流防止装置と、
    前記貯蔵タンクと前記改質器とを接続する配管に設けられ、所定圧力差以上にて機械的に開くように調整された調整バルブとを有し、
    前記エンジンの吸気行程時に生じる前記改質器内の負圧によって、前記調整バルブが機械的に開き、前記貯蔵タンクから前記改質器に前記燃料が供給されることを特徴とする改質器付エンジンシステム。
  2. 請求項１に記載の改質器付エンジンシステムにおいて、
    前記エンジンの排気バルブの開閉タイミングまたは開閉リフト量を調整することにより、前記燃料の前記改質器への供給量、および、前記改質後燃料の前記エンジンへの供給量を制御することを特徴とする改質器付エンジンシステム。
  3. 請求項１に記載の改質器付エンジンシステムにおいて、
    前記改質器への前記燃料の供給量を前記調整バルブで調整することにより、前記改質後燃料の前記エンジンへの供給量を制御することを特徴とする改質器付エンジンシステム。
  4. 請求項１に記載の改質器付エンジンシステムにおいて、
    前記エンジンの吸気管に空気流量調整装置を備え、
    前記空気流量調整装置により、空気過剰率１以下になるようにエンジンに供給する空気量を制御することを特徴とするエンジンシステム。
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