JP2004284835A

JP2004284835A - 燃料改質システム

Info

Publication number: JP2004284835A
Application number: JP2003076014A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Ito; 隆晟伊藤; Kazuhiro Wakao; 和弘若尾; Kazuhiro Sakurai; 計宏桜井; Hiroki Ichinose; 宏樹一瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】燃料と空気との混合気を効率よく改質すると共に、改質停止後に改質触媒等を効率よく冷却可能な燃料改質システムの提供。
【解決手段】炭化水素系燃料と空気との混合気を改質し、ＣＯおよびＨ_２を含む改質ガスを生成する燃料改質システムＦＲＳは、混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応部２３と、改質反応部２３に空気を供給するためのバイパス管Ｌ２と、改質反応部２３に燃料を供給するための燃料噴射弁１５とを備える。燃料改質システムＦＲＳでは、改質反応部２３における改質反応を停止させた後にも、バイパス管Ｌ２から改質反応部２３に空気が供給されるようにＥＣＵ３０によってエアポンプ１１および開閉弁１２が制御される。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料と空気との混合気を改質する燃料改質システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、改質触媒を含む改質器を備え、この改質器で燃料を水と共に改質して得た改質ガスと空気との混合気を燃焼室内で燃焼させるエンジンが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このエンジンでは、エンジン停止後であっても改質器に燃料と水とが供給され、エンジン停止後に、改質器にて余熱を利用した水蒸気改質反応が実行される。そして、エンジン停止後に改質器にて生成された改質ガスは、改質ガス貯蔵タンクに貯蔵され、その後、エンジンの再始動時等に利用される。ここで、水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、このように、エンジン停止後に改質器にて改質ガスを生成することにより、改質器内の温度を速やかに低下させると共に、エンジンルーム内の温度上昇を抑制することが可能となる。
【０００３】
なお、この種の分野に属する技術として、吸気管の内部に燃料噴射弁よりも上流側に位置するように配置された改質触媒を備えたエンジンも知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２４１３６５号公報
【特許文献２】
特開平４−５８０６４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジン停止後に改質器に燃料と水とを供給して改質ガスを生成することにより改質器内の温度を低下させるという手法は、基本的に、吸熱反応である水蒸気改質反応を前提としたシステムにしか適用され得ないものである。その一方で、ガソリン等の炭化水素系燃料から、ＣＯおよびＨ_２を含む改質ガスを得る燃料改質システムでは、改質触媒における反応温度は、およそ７００〜１０００℃にも達するが、このような燃料改質システムや、それが適用されるエンジンにおいても、改質停止時には、改質触媒等を速やかに冷却して熱害を防止する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料と空気との混合気を効率よく改質可能であると共に、改質停止後に改質触媒等を効率よく冷却可能な燃料改質システムの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃料改質システムは、燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質システムにおいて、混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応部と、改質反応部に空気を供給するための空気供給路と、改質反応部に燃料を供給するための燃料供給手段と、改質反応部における改質反応を停止させた後に、空気供給路から改質反応部に空気が供給されるようにする制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この燃料改質システムでは、改質反応部における改質反応を停止させた後に、例えば所定時間だけ空気供給路から改質反応部への空気の供給が継続される。これにより、この燃料改質システムでは、改質停止後に、この種のシステムが元来備える空気供給路を利用して改質触媒等を効率よく冷却することが可能となる。
【０００９】
また、本発明の燃料改質システムは、空気供給路から燃料供給手段に向けて空気を送出可能であると好ましい。
【００１０】
このような構成を採用することにより、改質停止後に燃料供給手段が高温に曝されることを防止して、その耐久性を良好に保つことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による燃料改質システムの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１および図２は、本発明による燃料改質システムＦＲＳを説明するための概略構成図である。これらの図面のうち、図１は、本実施形態に係る燃料改質システムＦＲＳが適用された車両Ｃを示している。この車両Ｃは、走行用駆動源として、エンジン（内燃機関）１を有する。エンジン１は、エンジンブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃焼成分を含む混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、本実施形態において、エンジン１は、図２からわかるように４気筒エンジンとして構成されている（ただし、図１には、１気筒のみが示される）。
【００１３】
各燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールド５を構成する吸気管５ａにそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールド６を構成する排気管６ａにそれぞれ接続されている。また、エンジン１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが各燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、エンジン１のシリンダヘッドには、複数の点火プラグ７が各燃焼室３内に臨むように配設されている。また、排気マニホールド６は、図示されない触媒装置（三元触媒）に接続されている。
【００１４】
図１および図２からわかるように、吸気マニホールド５を構成する各吸気管５ａは、サージタンク８に接続されており、吸気マニホールド５（各吸気管５ａ）とサージタンク８とは、エンジン１の吸気系統を構成する。また、サージタンク８には、給気管Ｌ１が接続されており、給気管Ｌ１は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気管Ｌ１の中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子スロットル）１０が組み込まれている。
【００１５】
更に、給気管Ｌ１には、エアクリーナ９とスロットルバルブ１０との間に位置するようにエアフローメータＡＦＭが設置されている。そして、給気管Ｌ１からは、スロットルバルブ１０とエアフローメータＡＦＭとの間に定められた分岐部ＢＰにおいてバイパス管（空気供給路）Ｌ２が分岐されている。バイパス管Ｌ２は、その中途に分岐部ＢＰ側から順番にエアポンプ１１と開閉弁１２とを有し、その先端（分岐部ＢＰ側の端部と反対側の端部）は、本発明による燃料改質システムＦＲＳの改質器２０に接続されている。なお、開閉弁１２としては、電磁弁またはモータ弁等が採用される。
【００１６】
燃料改質システムＦＲＳは、図２に示されるように、改質器２０、バイパス管（空気供給路）Ｌ２、エアポンプ１１、開閉弁１２および燃料噴射弁１５等を含む。燃料噴射弁１５は、図示されない燃料ポンプを介して燃料タンクに接続されており、ガソリン等の炭化水素系燃料を噴射可能なものである。また、改質器２０は、図２に示されるように、両端が閉鎖された筒状の本体２１を有し、この本体２１の一端部（図２における右側端部）には、燃料噴射弁１５が接続される。
【００１７】
図３に示されるように、燃料噴射弁１５は、改質器２０の本体２１に接続された弁収容部２２の内部に収容されている。そして、弁収容部２２には、当該弁収容部２２内の燃料噴射弁１５の燃料噴射孔１５ａ近傍に空気が吹き込まれるように、エアポンプ１１および開閉弁１２を含むバイパス管Ｌ２の先端が接続されている。すなわち、バイパス管Ｌ２は、燃料噴射弁１５（燃料噴射孔１５ａ）に対して側方から空気を吹き付けるように弁収容部２２に接続されている。
【００１８】
また、燃料噴射弁１５の先端には、ノズル部材１６が接続されている。ノズル部材１６は、その径方向に放射状に形成された複数の空気噴孔１６ａと、その軸方向に延びるように形成されて各空気噴孔１６ａと連通する空燃混合室１６ｂとを有する。ノズル部材１６の空燃混合室１６ｂは、図３に示されるように、改質器２０の本体２１の内部と連通している。そして、弁収容部２２と燃料噴射弁１５およびノズル部材１６との間には、燃料や空気の外部への漏洩を防止するためにＯリング１７ａ，１７ｂが介設されている。
【００１９】
一方、改質器２０の本体２１の内部には、改質反応部２３が画成されており、改質反応部２３には、例えばジルコニアにロジウムを担持させた改質触媒が配置されている。また、図２に示されるように、改質反応部２３の例えば上流側端部（弁収容部２２側の端部）には、電熱器等のプレヒータＰＨが配置されている。更に、改質器２０の本体２１の内部には、改質ガス分配室（改質ガス供給部）２４が画成されている。改質ガス分配室２４は、改質反応部２３を挟んで弁収容部２２の反対側、すなわち、改質反応部２３の下流側に位置する。
【００２０】
また、改質器２０の本体２１には、図１および図２に示されるように、エンジン１の燃焼室３の数（本実施形態では、４室）に応じた本数の管路２５の一端が改質ガス分配室２４と連通するように接続されている。そして、各管路２５の他端は、図１および図２からわかるように、対応する１本の吸気管５ａに接続されている。これにより、エンジン１の各燃焼室３の吸気ポートは、吸気管５ａおよび管路２５を介して改質ガス分配室２４の内部と連通可能となる。
【００２１】
さて、本発明による燃料改質システムＦＲＳが適用された車両Ｃのエンジン１は、図１に示されるように、制御手段として機能する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）３０を備える。ＥＣＵ３０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。このＥＣＵ３０には、上述の点火プラグ（イグナイタ）７、図示されない動弁機構、スロットルバルブ１０、エアポンプ１１、開閉弁１２、燃料噴射弁１５、プレヒータＰＨおよびエアフローメータＡＦＭ等が接続されており、ＥＣＵ３０は、エンジン１の運転状態を検出する各種センサの検出値や、各種制御プログラム、マップ等に従ってこれらの機器類を制御する。
【００２２】
次に、図４を参照しながら、本発明による燃料改質システムＦＲＳの動作について説明する。
【００２３】
上述のような燃料改質システムＦＲＳが適用された車両Ｃのエンジン１を始動させる場合、ＥＣＵ３０は、まず、図４における時刻ｔ_０において、改質器２０に対する混合気の供給に先立って、改質器２０のプレヒータＰＨを作動させる。これにより、改質器２０の改質反応部２３における改質触媒の温度（触媒床温）が徐々に上昇していく。そして、ＥＣＵ３０は、プレヒータＰＨの作動開始後、所定の時間が経過した段階（図４における時刻ｔ_１）で、燃料噴射弁１５を作動させて改質器２０に対する燃料噴射を開始させる。これと同時に、ＥＣＵ３０は、開閉弁１２を開放させると共に、エアポンプ１１を作動させ、改質器２０に対するバイパス管Ｌ２からの空気供給を開始させる。
【００２４】
この場合、エアポンプ１１から吐出された空気は、バイパス管Ｌ２から弁収容部２２内の燃料噴射弁１５の燃料噴射孔１５ａ近傍に送り込まれ、ノズル部材１６の各空気噴孔１６ａを介して空燃混合室１６ｂに達する。そして、バイパス管Ｌ２からの空気は、ノズル部材１６の空燃混合室１６ｂにて、燃料噴射孔１５ａから噴射される燃料と混ざり合い、改質器２０の本体２１の内部に流れ込む。
【００２５】
本体２１の内部に導入された混合気は、プレヒータＰＨによって予熱されている改質反応部２３へと流れ込み、改質反応部２３では、改質触媒により炭化水素系燃料と空気とが反応させられ、次の（１）式にて表わされる部分酸化反応が進行する。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋（ｍ／２）Ｏ_２ → ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ_２ …（１）
そして、上記（１）式の反応が進行することにより、燃焼成分であるＣＯおよびＨ_２を含む改質ガスが生成され、得られた改質ガスは、改質ガス分配室２４から、管路２５を介して、各吸気管５ａの内部に供給される。
【００２６】
また、サージタンク８内には、ＥＣＵ３０によって開度調整される給気管Ｌ１のスロットルバルブ１０を介して空気が導入され、サージタンク８内の空気は、各吸気管５ａ内に分配される。従って、改質ガス分配室２４から各吸気管５ａ内に導入された改質ガスは、吸気管５ａ内で空気と混ざり合った後、各燃焼室３内に吸入される。そして、各燃料室３に改質ガスと空気との混合気が供給され、所定のタイミングで各点火プラグ７が点火されると、各燃焼室３内で燃焼成分であるＣＯおよびＨ_２が燃焼してピストン４を往復移動させる。これにより、エンジン１は、エアポンプ１１および燃料噴射弁１５等が作動を開始してから所定の時間が経過した図４における時刻ｔ_２から、その作動を開始し、トルクコンバータ、変速機、デファレンシャル機構等を含むトランスアクスルＴを介して車輪Ｗを回転駆動することになる。
【００２７】
なお、本実施形態では、改質器２０への空気がエアフローメータＡＦＭの下流側で給気管Ｌ１から取り出され、エアフローメータＡＦＭの指示値がエンジン１の総吸入空気量を示すことから、各燃焼室３における空燃比制御は良好に実行され得る。また、図４からわかるように、ＥＣＵ３０は、エンジン１が始動した後、所定時間が経過して改質触媒の温度が十分に上昇した段階（図４における時刻ｔ_３）で、プレヒータＰＨを停止させる。
【００２８】
一方、図４における時刻ｔ_４にて、エンジン１を停止させたり、あるいは、各吸気管５ａまたは各燃焼室３に対して装備された図示されない燃料噴射弁から燃料を噴射させてエンジン１を作動させたりするために、改質器２０の改質反応部２３における改質反応を停止させるべき旨の指令が発せられた場合、ＥＣＵ３０は、改質器２０に対する燃料噴射弁１５からの燃料噴射を停止させる。これにより、改質器２０に対する炭化水素系燃料の供給が断たれるので、改質反応部２３における改質反応は徐々に停止されていく。
【００２９】
ここで、改質反応部２３にて（１）式の部分酸化反応（発熱反応）が進行する際、改質反応部２３の温度（改質触媒の温度）は、およそ７００〜１０００℃に達する。従って、燃料改質システムＦＲＳでは、図４における時刻ｔ_４にて改質器２０に対する燃料（混合気）の供給を停止させた後、しばらくの間、特に改質器２０の改質反応部２３の周辺が高温に曝されることになる。従って、改質反応部２３における改質反応を停止させた後（時刻ｔ_４以後）には、改質反応部２３周辺の熱害を防止すべく、速やかに改質反応部２３の改質触媒等を冷却する必要がある。
【００３０】
この点に鑑みて、燃料改質システムＦＲＳでは、図４に示されるように、燃料噴射弁１５からの燃料噴射を停止させた際（時刻ｔ_４）、ＥＣＵ３０は、開閉弁１２を開放させたままで、エアポンプ１１をそのまま作動させる。すなわち、燃料改質システムＦＲＳでは、改質反応部２３における改質反応を停止させた後、所定時間だけ（図４における時刻ｔ_５まで）、バイパス管Ｌ２から改質反応部２３への空気の供給が継続される。これにより、燃料改質システムＦＲＳでは、改質停止後に、この種のシステムが元来備える空気供給路（バイパス管Ｌ２）を利用して改質器２０の本体２１や、改質反応部２３の改質触媒等を効率よく冷却することが可能となる。
【００３１】
また、燃料改質システムＦＲＳでは、上述のように、空気が、バイパス管Ｌ２から弁収容部２２内の燃料噴射弁１５の燃料噴射孔１５ａ近傍に送り込まれ、ノズル部材１６の各空気噴孔１６ａおよび空燃混合室１６ｂを介して、改質器２０の内部（改質反応部２３等）に達する。従って、改質停止後に、燃料噴射弁１５にはバイパス管Ｌ２からの空気が吹き付けられるので、燃料噴射弁１５が高温に曝されることを防止して、燃料噴射弁１５の耐久性を良好に保つことが可能となる。
【００３２】
更に、改質停止後に燃料噴射弁１５をバイパス管Ｌ２からの空気によって冷却することにより、改質停止後等に、改質反応部２３からの高熱により燃料噴射弁１５の内部で燃料が蒸発してベーパーロックを生じさせることを防止することができるので、燃料噴射弁１５の再始動時における始動不良を確実に抑制することが可能となる。また、この場合、改質停止後等に、改質反応部２３からの高熱により燃料噴射弁１５内に残留した燃料の軟質分が蒸発することが抑制されるので、燃料噴射弁１５に燃料中の高沸点成分からなるデポジットが付着することも確実に防止することができる。
【００３３】
なお、図５に示されるように、改質反応部２３における改質反応を停止させるに際しては、図５に示されるような処理が行なわれてもよい。図５に示される例では、改質器２０の改質反応部２３における改質反応を停止させるべき旨の指令が発せられた際（時刻ｔ_４）に、ＥＣＵ３０は、燃料噴射弁１５からの燃料噴射と、エアポンプ１１による空気供給とを停止させる一方、時刻ｔ_４から所定時間だけ（図５における時刻ｔ_５まで）、開閉弁１２を開放されたままに維持する。
【００３４】
この場合、それぞれ管路２５を介して改質器２０の改質ガス分配室２４と連通している各吸気管５ａの内部は負圧になっているので、バイパス管Ｌ２の内部の空気は、開閉弁１２、ノズル部材１６等を介して改質器２０の内部へと吸い入れられて（供給されて）いくことになる。これにより、図５に示される手順によっても、改質反応部２３における改質反応を停止させた後に、バイパス管Ｌ２から改質反応部２３へと空気が供給されるようにして、燃料噴射弁１５、改質器２０の本体２１、および、改質反応部２３の改質触媒等を効率よく冷却することが可能となる。
【００３５】
また、上述の例では、燃料噴射弁１５の先端に、空気噴孔１６ａおよび空燃混合室１６ｂを有するノズル部材１６が接続されているが、これに限られるものではない。すなわち、図６に示されるように、ノズル部材１６を省略する一方、弁収容部２２の内部に、燃料噴射弁１５からの燃料と、バイパス管Ｌ２からの空気とを混合させるための空燃混合室２２ａを画成してもよい。この場合、バイパス管Ｌ２は、燃料噴射弁１５（燃料噴射孔１５ａ）に対して側方から空気を吹き付けることができるように、できるだけ燃料噴射弁１５に近接させた状態で弁収容部２２の空燃混合室２２ａに接続されると好ましい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、燃料と空気との混合気を効率よく改質可能であると共に、改質停止後に改質触媒等を効率よく冷却可能な燃料改質システムの実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料改質システムを説明するための概略構成図である。
【図２】本発明による燃料改質システムを説明するための概略構成図である。
【図３】本発明による燃料改質システムを説明するための拡大断面図である。
【図４】図１に示されるエンジンの動作を説明するためのタイムチャートである。
【図５】図１に示されるエンジンの動作の他の例を説明するためのタイムチャートである。
【図６】本発明による燃料改質システムの変形例を説明するための拡大断面図である。
【符号の説明】
１エンジン
３燃焼室
５吸気マニホールド
８サージタンク
１０スロットルバルブ
１１エアポンプ
１２開閉弁
１５燃料噴射弁
１５ａ燃料噴射孔
１６ノズル部材
１６ａ空気噴孔
１６ｂ，２２ａ空燃混合室
２０改質器
２２弁収容部
２３改質反応部
２４改質ガス分配室
２５管路
３０ＥＣＵ
ＡＦＭエアフローメータ
Ｃ車両
ＦＲＳ燃料改質システム
Ｌ１給気管
Ｌ２バイパス管
ＰＨプレヒータ

Claims

燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質システムにおいて、
前記混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応部と、
前記改質反応部に空気を供給するための空気供給路と、
前記改質反応部に燃料を供給するための燃料供給手段と、
前記改質反応部における改質反応を停止させた後に、前記空気供給路から前記改質反応部に空気が供給されるようにする制御手段とを備えることを特徴とする燃料改質システム。
前記空気供給路から前記燃料供給手段に向けて空気を送出可能であることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。