JP2005098226A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマリアクターでの燃料改質を効果的に利用して、燃焼室での燃料の燃焼の安定化及び／又は燃焼効率の改善を達成できる内燃機関を提供する。
【解決手段】 理論空燃比での燃焼が行われる燃焼室、この燃焼室からの排気を浄化する三元触媒、三元触媒からの排気の一部（ＥＧＲ）に炭化水素燃料を添加する燃料添加手段、排気の一部に添加された炭化水素燃料を改質するプラズマリアクター、三元触媒からの排気の一部を、燃料添加手段、そしてプラズマリアクターに通して、燃焼室に再び供給する排気流通路を有する、内燃機関とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排気再循環（ＥＧＲ：exhaust gas recirculation）機構を有する内燃機関、すなわち内燃機関の燃焼室からの排気の一部を燃焼室に再度循環させて、新しい吸入空気と混合する内燃機関に関する。

一般に、排気再循環機構を有する内燃機関では、内燃機関の燃焼室からの排気の一部を燃焼室に再度循環させて、新しい吸入空気と混合することにより、燃焼室内の酸素濃度を低くして希薄燃焼を行っている。このような希薄燃焼では燃焼室内での燃焼をゆるやかにし、燃焼温度を下げて、ＮＯ_xの発生低減、燃費の向上等を図ることができる。しかしながら希薄燃焼では、燃焼が不安定となり、トルク変動が増加するなどの欠点がある。

この問題を解決するために、水素等の着火性の高い燃料を内燃機関への吸気に加えることによって、燃焼を安定化し、容易に希薄燃焼を行うことが提案されている。この目的のためには水素等を予め貯蔵しておくことが従来から知られている。また特許文献１では、水素等を貯蔵する追加の燃料タンクの必要性をなくすために、内燃機関からの排気の一部に炭化水素燃料を添加して混合ガスを提供し、この混合ガスをプラズマリアクターにおいて改質することを提案している。

特開平７−２９２３７２号公報

特許文献１の排気再循環機構を有する内燃機関は、プラズマリアクターでの燃料改質を利用することによって、着火性の高い燃料を内燃機関への吸気に加え、燃焼を安定化するという目的を達成している。このように着火性の高い燃料を内燃機関への吸気に加えることは、燃焼の安定化だけでなく、燃焼効率の改善にも貢献する。従って着火性の高い燃料の供給の有用性は、希薄燃焼の場合に限定されない。

しかしながら、ここで示されているプラズマリアクターでの燃料改質は、排気中に含有される酸素の存在によって必ずしも効果的に行なわれない。従ってプラズマリアクターでの燃料改質を効果的に行う内燃機関を提供する必要があった。

本発明の内燃機関は、理論空燃比での燃焼が行われる燃焼室、この燃焼室からの排気を浄化する三元触媒、この三元触媒から出た排気の一部に炭化水素燃料を添加する燃料添加手段、添加された炭化水素燃料を改質するプラズマリアクター、三元触媒から出た排気の一部を、プラズマリアクターに通して燃焼室に再び供給する排気再循環通路を有する。尚、本明細書の記載において、炭化水素燃料又はＨＣの「改質」はラジカル化、クラッキング、ＣＯ生成、水素生成等の軽質化を意味する。

本発明の内燃機関によれば、着火性の高い水素等の燃料を予め貯蔵しておく燃料タンクを必要とせずに、着火性の高い燃料を燃焼室への吸気に加えて、燃焼室での燃料の燃焼の安定化及び／又は燃焼効率の改善を達成できる。これは、希薄燃焼の場合にだけでなく、通常の燃料濃度での燃焼においても有益である。

本発明の内燃機関によれば、理論空燃比での燃焼が行われた内燃機関からの排気を三元触媒で処理し、この処理した排気の一部に炭化水素燃料を添加してプラズマリアクターで改質する。従って、プラズマリアクターで改質される燃料と排気との混合気が実質的に酸素を含有していない。これによればプラズマリアクターでの改質によって得られるＨ₂及び軽質化ＨＣ等の活性な燃料成分が、燃焼室への供給の前に酸素によって酸化されることを抑制できる。

本発明の内燃機関の１つの態様では、プラズマリアクターが触媒、特にＨＣ（炭化水素）改質触媒を有する。

この態様によれば、吸熱反応である炭化水素改質反応（ＨＣ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂）で排気の熱を有効利用すること、及びプラズマと触媒との相乗効果によってＨＣ改質反応を促進することができる。

本発明の内燃機関によれば、プラズマリアクターでの燃料改質を効果的に利用して、内燃機関での燃焼の安定化及び／又は燃焼効率の改善を達成できる。

以下では本発明を図に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、これらの図は本発明を構成する排気ガス浄化装置の概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態について図１を用いて説明する。ここで図１は本発明の内燃機関の１つ実施形態のブロック線図である。

この内燃機関の使用においては、シリンダーのような燃焼室において理論空燃比での燃焼を行い、燃焼室から出た排気を三元触媒に通した後で、大気に放出する排出部分と、排気再循環流路に流通させる再循環（ＥＧＲ）部分とに分ける。このＥＧＲ部分は任意の量にすることができ、例えば添加される燃料の改質のために適切な量として決定できる。排気再循環流路に流通させたＥＧＲ部分には、内燃機関の運転のために使用される燃料の一部を、燃料添加手段によって添加する。燃料添加されたＥＧＲ部分はプラズマリアクターで改質して、添加された炭化水素燃料をＨ₂及び軽質化ＨＣのような活性な燃料に転化させる。その後、この活性な燃料を含有するＥＧＲ部分を、燃焼室に再循環させる。尚、プラズマリアクターは随意に触媒、特に水素生成触媒を有することができる。

すなわちこの内燃機関では、三元触媒で浄化した後の、酸素（Ｏ₂）を実質的に含有していない排気に燃料添加し、プラズマ及び随意に触媒によって改質する。従って改質によって得られる活性な燃料が排気中の酸素との反応によって酸化されることを防ぎ、これら活性な燃料を維持したままで燃焼室に再循環させることができる。

以下に、図１に示した本発明の内燃機関を構成する各部について更に具体的に説明する。

内燃機関は、自動車用内燃機関、オートバイ用内燃機関、発電機用内燃機関等の任意の内燃機関であるが、本発明によれば一般に貯蔵が難しいＨ₂等の活性な燃料用の追加のタンクが必要なくなるので、自動車用内燃機関、オートバイ用内燃機関等の移動媒体用、携帯用の内燃機関が特に適切である。

排気再循環流路と排気排出流路との分岐部分には、排気再循環流路への排気流量を調整するバルブ（図示せず）が設けられていてよい。

三元触媒は、理論空燃比付近で燃焼させた排気中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯ_xを、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ及びＮ₂にする触媒であり、例えばＰｔとＲｈの混合物、又はＰｔとＰｄとＲｈの混合物をアルミナに担持させたものとして使用することができる。

排気に添加される炭化水素燃料としては、ガソリン、軽油、メタノール等の任意の炭化水素燃料を使用することができ、例えば自動車用ガソリン内燃機関の場合にはガソリンを使用できる。但し、プラズマ改質を経ないで燃焼室に供給する燃料と、プラズマ改質を行う炭化水素燃料とが異なる燃料であってもよい。

排気に炭化水素燃料を添加する燃料添加手段は、燃料噴射ノズル、ベンチュリを用いた燃料霧化手段、又は炭化水素燃料を加熱することで蒸発させるガソリン気化手段等でよい。また排気に添加される炭化水素燃料の気化は、排気の熱を利用して行ってもよい。

プラズマリアクターで使用できる触媒は、排気中に添加された炭化水素燃料にクラッキング、ラジカル化、ＣＯ生成水素生成等の軽質化を行わせる任意の触媒でよく、これは特にＨＣ改質触媒、例えばＲｈ／ＺｒＯ₂系触媒又はＲｈ／ＣｅＯ₂系触媒である。尚、本明細書で使用する場合の用語「ＨＣ改質触媒」は、下記の式（Ｉ）の反応に対して触媒作用を有する任意の触媒をいう：
ＨＣ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ （Ｉ）

この触媒は、当該技術分野で知られる任意の適当な量で、ウォッシュコート等の任意の手段によって、粉末の又は成型された担体に担持させることができる。また触媒を担持したこの担体をスラリーとして用いて、ハニカム状に成型された基材にコーティングして乾燥及び焼成したもの、この担体をペレット状に成型したものとしても使用できる。

プラズマリアクターとしては、排気を少なくとも部分的にプラズマ化する任意のリアクターを使用でき、これは特許文献１の図２及び図５でも例示されている。またプラズマリアクターの例としては、図２で示すようなものを挙げることもできる。ここで図２の（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、プラズマリアクターの側面図及び断面図である。

この図２のプラズマリアクターでは、例えばコージェライト製であるストレートフロー形絶縁性ハニカム１０の排気流れ上流端及び下流端に、それぞれメッシュ状電極１２及び１４を配置し、これらの電極間に電源１６によって電圧を印加するようにしている。このプラズマリアクターの使用においては、電源１６によってメッシュ状電極１２及び１４間に放電を起こさせ、それによって放電プラズマを発生させる。尚、矢印１８は排気流れ方向を示している。

プラズマリアクターが触媒を有するようにする場合、この絶縁性ハニカムに触媒を担持させることができる。

メッシュ状電極１２及び１４は、導電性の材料や半導体等の材料、特にＣｕ、Ｗ、ステンレス、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｌ等のような金属でできていてよい。

電源１６は、パルス状又は定常の直流又は交流電圧を発生させるものでよい。任意の様式で電圧を印加することができるが、特に直流パルス電圧が、コロナ放電を良好に起こさせることができるために好ましい。プラズマリアクターへの印加電圧及びパルス周期としては、プラズマを発生させるのに一般的な値を使用でき、例えばパルス電圧５０ｋＶ及びパルス周期２，０００Ｈｚを使用できる。直流電圧をメッシュ状電極１２及び１４に印加する場合には、排気流れ上流端メッシュ状電極１２をカソードとすることも、またアノードとすることもできる。またメッシュ状電極１２及び１４のいずれかを接地し、他方を電源１６に接続することもできる。

本発明の内燃機関の実施態様を示すブロック線図である。 本発明で使用できるプラズマリアクターを表す側面図及び断面図である。

符号の説明

１０…絶縁体ハニカム構造体
１２…上流端メッシュ状電極
１４…下流端メッシュ状電極
１６…電源
１８…排気流れ方向を示す矢印

Claims (3)

1. 理論空燃比での燃焼が行われる燃焼室、
   前記燃焼室からの排気を浄化する三元触媒、
   前記三元触媒から出た排気の一部に炭化水素燃料を添加する燃料添加手段、
   前記添加された炭化水素燃料を改質するプラズマリアクター、
   前記三元触媒から出た排気の一部を、プラズマリアクターに通して燃焼室に再び供給する排気再循環通路、
   を有する、内燃機関。
2. 前記プラズマリアクターが触媒を有する、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記触媒がＨＣ改質触媒である、請求項１又は２に記載の内燃機関。

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