JP2005105909A

JP2005105909A - エンジンシステム

Info

Publication number: JP2005105909A
Application number: JP2003339085A
Authority: JP
Inventors: Makoto Koike; 誠小池
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】エンジンの燃焼を改善すると共に触媒の活性を向上して排ガスを効率良く低減するエンジンシステムを提供する。
【解決手段】量論比で燃焼し、三元触媒によりエミッションを浄化する三元触媒付エンジンであり、三元触媒７の後流の排ガスを分流すると共に、分流した一方の排ガスに燃料の一部を加え、触媒反応を利用して燃料をＣＯとＨ₂に分解し、これを、タンク１５を介して吸気管１７からエンジンＥの燃焼室１８に供給して燃焼させる。これにより、エンジンＥの燃焼を改善でき、触媒の活性を向上して排ガスを効率良く浄化できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの燃焼を改善すると共に、触媒の活性を向上して排ガスを効率良く浄化するエンジンシステムに関する。

現在、最も広く利用されているガソリンエンジンシステムにおいて、燃料は燃料タンクからポンプを使って昇圧し、燃料噴射弁へと導かれる。燃料噴射弁から噴射された燃料は、吸気バルブが開いてピストンが下降するのに合わせて空気と共にエンジン筒内の燃焼室に流入される。エンジンの回転に合わせて吸気バルブが閉じ、ピストンが上昇して燃料と空気を圧縮する。この一連の過程で燃料は蒸発し、空気と混合して可燃混合気を形成する。上死点近傍において点火、燃焼した後、排気バルブが開き、ピストンが上昇して、エンジン筒内の燃焼室から既燃ガスを排気管に押出す。燃料と空気の混合比は量論比に制御されているが、既燃ガスには窒素、二酸化炭素、水蒸気の他に未燃炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物と酸素が含まれている。

これら既燃ガスは、エンジン出口近傍と排気管出口までの間に設けられた三元触媒により、酸化還元され、排気規制成分のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘはそのほとんどが浄化され、三元触媒を通過後の酸素濃度は極めて低くなる。このように、燃料空気の割合を量論比とし、三元触媒によって有害排気成分を浄化するエンジンシステムは極めて高いレベルで低エミッションを実現する。しかしながら、部分負荷では空気量を絞って混合比を調整しなくてはならなく、熱効率が高くなりにくい欠点がある。さらに、高負荷ではノックにより圧縮比の制限を受ける。

これに対して、従来、図５に示すように、排ガスの熱量を利用した改質システムを用いたエンジンシステムが提案されている。これは、水と燃料を三元触媒３０、蒸発器３１、改質器３２、水素分離器３３によってＣＯと水素に改質し、燃焼させるものである。そして、燃料の発熱量が増加するために同一の出力を得るのに必要な燃料が少なくなり、熱効率が向上する。
特許２００３−３３９７７２号公報

しかし、これら従来技術は、燃料の他に水を保有しなければならなく、水ポンプや水と燃料を気化させる熱交換器が必要となるなどの解決すべき課題を有する。また、改質により発熱量を増加させるために燃料と反応させる物質は水だけではなく、エンジン排気に含まれるＣＯ₂も有効である。理論的には、Ｏ₂を含まない排気ガスで直接改質する方が発熱量の増加の割合が大きい。このように、従来技術は、それぞれ水と燃料の供給系統が必要となって、その構成や装備などが複雑となり、関連する制御系統が複雑で高精度を要求される。また、従来技術は、改質に必要な触媒温度を得るために、大きな熱交換器が必要となる等の実用上解決すべき課題を有する。

本発明は、以上の課題を解決するために案出されたものである。すなわち、本発明の目的は、量論比で燃焼し、三元触媒によりエミッションを浄化する三元触媒付エンジンの排ガス流路を分流し、分流した一方の排ガスに燃料の一部を加え、触媒反応を利用して燃料をＣＯとＨ_２に分解したのち吸気管からエンジン筒内の燃焼室に供給して燃焼させることにより、エンジンの燃焼を改善すると共に、触媒の活性を向上して排ガスを効率良く浄化するエンジンシステムを提供することにある。また、本発明は、潜熱の大きい水を利用しないので水を気化させるための大きな熱交換器が不要のエンジンシステムを提供することにある。すなわち、燃料の潜熱は約３００ＫＪ／Ｋｇであるが、水の潜熱は約２５００ＫＪ／Ｋｇであり燃料等重量の水を気化させるために必要なエネルギは１０倍近いのである。さらに、本発明は、水タンクが不要となり、発熱量の増加割合が大きく、水供給系(ポンプ)が不要のエンジンシステムを提供することにある。

本発明のエンジンシステムは、請求項１に記載の通り、量論比または量論比より濃い混合気を燃焼させて出力を得る三元触媒付内燃機関において、内燃機関に設けた三元触媒の後流の排ガス流路を分岐し、分岐した一方の排ガス流路を大気に放出可能とし、分岐した他方の排ガス流路は、分岐される改質流量の割合を制御する制御手段を設けると共に、分流した排ガスに燃料を加えて触媒に通しＨＣ燃料の一部もしくは全部を一酸化炭素と水素に改質する改質手段を設け、かつ改質した燃料を含むガスを貯える貯蔵タンクに連通し、貯蔵タンクより改質した燃料を含むガスを燃料供給手段を通じて吸気管に供給可能とし、空気と混合させて燃焼室内で燃焼させるようにしたことを特徴とする。

請求項１に記載のエンジンシステムにおいて、改質後のガスの熱を利用する熱交換器に燃料を通して気化した後に排ガスに供給するようにしたことを特徴とする。

請求項１、２の一に記載のエンジンシステムにおいて、改質ガスとは別に改質しない燃料をエンジンに供給するシステムを有し、運転条件によって改質ガスと未改質燃料の供給割合を可変制御可能にしたことを特徴とする。

請求項１ないし３の一に記載のエンジンシステムにおいて、エンジンの高負荷では改質ガスを供給しないようにしたことを特徴とする。

請求項１ないし４の一に記載のエンジンシステムにおいて、改質燃料の供給割合を制御する制御手段を、排ガス温度が既定の温度以下の時には閉制御するようにしたことを特徴とする。

請求項１ないし５の一に記載のエンジンシステムにおいて、燃料と空気の混合比を未改質燃料の供給量によって制御するようにしたことを特徴とする。

本発明のエンジンシステムは、タンクベースのエンジン熱効率を向上することができ、部分負荷の燃費を改善することができる。すなわち、炭化水素燃料の発熱量よりは、これを分解した水素、一酸化炭素の発熱量の方が多い。炭化水素から水素、一酸化炭素を得る反応は吸熱反応であるので、排ガスの熱と成分を利用して改質ガスを得る。全て改質することができれば、外部からの熱供給がなくとも２５％以上の発熱量の増加が得られる。エンジンの機関熱効率が同じでも発熱量の増加分タンクベースでは熱効率が向上する。また、水素と一酸化炭素は共に、ノックを抑制する効果があると考えられており、従来エンジンより圧縮比を高めることが可能である。しかも、改質ガスは気体であり、さらに窒素も含むために部分負荷ではポンピング損失が減少し、燃費が改善することができる。また、本発明のエンジンシステムは、潜熱の大きい水を利用しないので水を気化させるための大きな熱交換器が不要となる。すなわち、燃料の潜熱は約３００ＫＪ／Ｋｇであるが、水の潜熱は約２５００ＫＪ／Ｋｇであり燃料等重量の水を気化させるために必要なエネルギは１０倍近いのである。さらに、本発明のエンジンシステムは、水タンクが不要となり、発熱量の増加割合が大きく、水供給系(ポンプ)が不要となるなどの実用上優れた幾多の作用効果を有する。

（第１実施例）
本発明の実施形態における第１実施例のエンジンシステムは、図１、図２に示すように、エンジンＥにおけるシリンダヘッド１のほぼ中心に点火プラグ２を設けると共に、吸気弁３と排気弁４が装備されている。吸気弁３の上流には吸気量をコントロールするためのスロットルバルブ５が設けられている。排気弁４の下流の排ガス流路としての排気管６には三元触媒７が連通されている。三元触媒７の下流には、燃料と空気の割合を検出するための空燃比センサ８が備えられている。燃料と空気の割合は、空燃比センサ８とスロットルバルブ５、燃料噴射弁９により量論比になるように制御されている。以上は従来のガソリンエンジンシステムと略同様である。通常、触媒を通過した後、排ガスは図示しない消音器を通って大気に放出される。

本発明の実施形態における第１実施例のエンジンシステムにおいては、三元触媒７を通過後の排ガスを分岐し、分岐した一方のガスに気化した燃料を加えて改質器１０により再び触媒を通して燃料を改質する。そのために、排気管６は三元触媒７の下流で分岐し、一方には分流する割合をコントロールするための改質流量制御弁１１が設けられている。改質流量制御弁１１は、図１に示すようにバタフライ型バルブを用いているが、ポペットバルブでも良い。燃料は、燃料タンク１２から燃料ポンプ１３によって圧送され、流量制御弁１４を通った後に触媒の上流に導かれる。流量制御弁１４の代わりに噴射弁を用いても良い。排ガスは燃料沸点より遥かに高温であるため、素早く蒸発し、排ガスと混合する。排ガスは既に三元触媒７を通過しているので、ガスの成分が窒素と二酸化炭素、水蒸気となり、酸素はほとんど存在しない。このようなガスに炭化水素燃料を投じ、触媒中で高温にすると、これらは化学的平衡に達し、炭化水素燃料は一酸化炭素と水素に改質される。

燃料をメタンとしたとき平衡組成を図２に示す。温度が１１００Ｋを超えると燃料のほとんどは一酸化炭素と水素に改質される。この状況は他の炭化水素においても同様である。燃料の化学式をＣ_7.2Ｈ_13.5として改質時の反応式を書くと、式(1)のようになり、定常で運転する場合には既燃ガスのおよそ３０％が改質のために利用される。

Ｃ_7.2Ｈ_13.5+3.72ＣＯ₂+3.48Ｈ₂Ｏ→10.92ＣＯ+10.47Ｈ₂ 式(1)

これは吸熱反応であり、この過程を通じて発熱量が増加する。ガソリンの発熱量はおよそ４．２ＭＪ／ｍｏｌであるが、式（１)の反応により、１モルの燃料から５．６２２ＭＪの発熱量をもつガスが得られることになり、発熱量がおよそ３５％向上する。従って、内燃機関そのものの効率がたとえ同じあっても、投入する熱量が増加した分、燃料タンク１２にある燃料からみた効率は向上する。すなわち、負荷が一定であれば発熱量が増加した分、少ない燃料で運転が可能である。また、改質ガスは気体であるため、通常の液体燃料に比べてスロットルバルブ５を開くことができる。

そのため，部分負荷では吸排気行程のガス交換損失が小さくなり、これも熱効率向上に効果がある。改質したガスは、貯蔵タンク１５を介して、例えば、図示しない燃料（ガス）噴射弁９を利用して流量を制御し吸気管１７内へ噴射供給し、シリンダ１８内で燃焼させる。本実施例では差圧を得て改質したガスを噴射するために、貯蔵タンク１５と燃料（ガス）噴射弁９の間にポンプ１６が設けられている。貯蔵タンク１５は負荷の変化に対応するために有用である。炭化水素燃料の改質には、図２に示すように、高い温度が必要である。燃料と空気の混合比が同じでも、エンジン回転数、負荷が高いほど排気温度が高く、改質に適している。そこで、排気温度が高い条件でより多くの燃料を改質し、改質したガスを貯蔵タンク１５に貯留する。ただし、例え改質に不充分な温度であっても気化した燃料が貯蔵タンク１５を経由して燃焼するので、エンジンの運転には支障を来たすことはない。

（第２実施例）
本発明の実施形態における第２実施例のエンジンシステムは、図３に示すように、上記第１実施例とは、改質ガス流路１９の途中、触媒の下流に熱交換器として蒸発器２０を設けた点が相違する。燃料タンク１２から改質触媒へ向かう燃料は、改質ガス流路１９に設けられた蒸発器２０へ導かれて気化される。
蒸発器２０は、改質ガス流路１９に設ける他、排ガスの熱を利用できる場所であればどこでも良いが、改質直後のガスは高温であり、再び筒内へ戻すには冷却が必要である。改質ガス流路１９に蒸発器２０を設けることは、燃料の気化と改質ガスの冷却を同時に行なえるメリットを有する。前記第１実施例のように、排気ガスは高温であり、液体のままでも直ぐに気化することができる。しかし、第２実施例のように、気化した燃料を供給する方が蒸発熱のために、排ガス温度が下がることを回避できるので、より好ましい。この他、本発明の実施形態における第２実施例のエンジンシステムは、上記第１実施例とほぼ同様な作用効果を有する。

（第３実施例）
本発明の実施形態における第３実施例のエンジンシステムは、上記第１、第２実施例の構成に加えて燃料タンク１２から直接吸気管１８内に燃料を噴射する第２の燃料供給系統２１を装備した点が相違する。この第３実施例によって得られる作用・効果は、以下の通りである。
１)．燃料を改質するには触媒上で高い温度が必要で、加熱手段を用いない本第３実施例においては排気温度が高いことが望まれる。しかし、排気温度はエンジン回転数、負荷が低いほど低く、このような条件では高い改質率が期待できない。そこで、排気温度が規定の温度、例えば８００Ｋより低い時には改質触媒へ向かう流路のバルブを閉じる。このとき、改質ガスが充分にあれば改質ガスを利用するが、不足する場合は第２の燃料供給系統２１を作動させ、燃料を燃料タンク１２から直接吸気管１８へ噴射させることができる。なお、本実施例では、燃料噴射弁が吸気ポートに設けられているが、この他、筒内に直接燃料を噴射供給する構成とした場合等も上記と同様な作用効果を実奏する。

２）．改質ガスを噴射すると、エンジンが吸入できる空気量が減少する。そのため、エンジンの発生する最大トルクが制限される。そのような状況では改質ガスの使用を止め、第２の燃料供給系統２１から燃料を噴射することにより、解消することができる。この他、本発明の実施形態における第３実施例のエンジンシステムは、上記第１、第２実施例とほぼ同様な作用効果を有する。

本発明の実施形態の第１実施例のエンジンシステムを示す概要図である。本発明の実施形態の第１実施例のエンジンシステムにおける温度とガス組成との関係を示す線図である。本発明の実施形態の第２実施例のエンジンシステムを示す概要図である。本発明の実施形態の第３実施例のエンジンシステムを示す概要図である。従来のエンジンシステムを示す概要図である。

符号の説明

１…シリンダヘッド
２…点火プラグ
３…吸気弁
４…排気弁
５…スロットルバルブ
６…排気管
７…三元触媒
８…空燃比センサ
９…燃料噴射弁
１０…改質器
１１…改質流量制御弁
１２…燃料タンク
１３…燃料ポンプ
１４…流量制御弁
１５…貯蔵タンク
１６…ポンプ
１７…吸気管
１８…シリンダ
１９…改質ガス流路
２０…蒸発器
２１…第２の燃料供給系統

Claims

量論比または量論比より濃い混合気を燃焼させて出力を得る三元触媒付内燃機関において、内燃機関に設けた三元触媒の後流の排ガス流路を分岐し、分岐した一方の排ガス流路を大気に放出可能とし、分岐した他方の排ガス流路は、分岐される改質流量の割合を制御する制御手段を設けると共に、分流した排ガスに燃料を加えて触媒に通しＨＣ燃料の一部もしくは全部を一酸化炭素と水素に改質する改質手段を設け、かつ改質した燃料を含むガスを貯える貯蔵タンクに連通し、貯蔵タンクより改質した燃料を含むガスを燃料供給手段を通じて吸気管に供給可能とし、空気と混合させて燃焼室内で燃焼させるようにしたことを特徴とするエンジンシステム。
改質後のガスの熱を利用する熱交換器に燃料を通して気化した後に排ガスに加えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
改質ガスと別に改質しない燃料をエンジンに供給するシステムを有し、運転条件によって改質ガスと未改質燃料の供給割合を可変制御可能にしたことを特徴とする請求項１、２の一に記載のエンジンシステム。
エンジンの高負荷では改質ガスの供給をしないようにしたことを特徴とする請求項１ないし３の一に記載のエンジンシステム。
改質流量の供給割合を制御する制御手段を、排ガス温度が既定の温度以下の時には閉じるようにしたことを特徴とする請求項１ないし４の一に記載のエンジンシステム。
燃料と空気の混合比を未改質燃料の供給量によって制御するようにしたことを特徴とする請求項１ないし５の一に記載のエンジンシステム。