JP2005146894A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い暖機性能を有し、未燃燃料の排出を良好に低減させることができる内燃機関の提供を目的とする。
【解決手段】 内燃機関１は、燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質ガスを生成する燃料改質装置２０を有し、改質ガスと空気との混合気を燃焼室３内で燃焼させて動力を発生するものであり、燃焼室３に空気を導入するための吸気ポート６と、燃料改質装置２０から改質ガスを供給するための改質ガス供給管２７、改質ガス通路１１ｂおよび改質ガス供給通路１１ｃとを備え、改質ガス通路１１ｂおよび改質ガス供給通路１１ｃが吸気ポート６に近接して配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質燃料を生成する燃料改質装置を備えた内燃機関に関する。

従来から、燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分（例えば、ＣＯおよびＨ２）を含む改質ガスを生成する改質器を備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この内燃機関は、主燃料としての炭化水素系燃料を吸気管（吸気ポート）内に噴射する噴射弁と、改質ガスを吸気弁の近傍に供給するためのノズルとを有している。そして、この内燃機関では、シリンダ内の中心部に主燃料を、その周囲に改質ガスを分布させるべく、噴射弁から主燃料が噴射されると共に改質器で生成された改質ガスがシリンダ内壁に直接衝突するようにシリンダ内へと供給される。

特開平９−２１３６２号公報

しかしながら、上述のように構成される従来の内燃機関においても、特に暖機が十分に行われていない機関始動直後等に、噴射弁から噴射される主燃料がシリンダ内で良好に気化されないことがあり、未燃燃料の排出を十分に抑制することは困難であった。

そこで、本発明は、高い暖機性能を有し、未燃燃料の排出を良好に低減させることができる内燃機関の提供を目的とする。

本発明による内燃機関は、燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質燃料を生成する燃料改質装置を備え、改質燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関において、燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、燃料改質装置から改質燃料を供給するための改質燃料供給路とを備え、改質燃料供給路は、吸気ポートに近接して配置された部位を含むことを特徴とする。

この内燃機関は、燃料と空気との混合気を改質して改質燃料を生成する燃料改質装置を備えているが、燃料改質装置における改質反応は、極めて高温（例えばおよそ８００℃以上）のもとで進行し、これに伴って燃料改質装置から送出される改質燃料も高温になる。従って、この内燃機関のように、燃料改質装置から改質燃料を供給するための改質燃料供給路の一部を吸気ポートに近接して配置しておけば、改質燃料供給路を流通する改質燃料の熱を利用して、吸気ポート、ひいては吸気ポートを介して燃焼室内を効率よく昇温させることができる。これにより、この内燃機関では、各種燃料の燃焼を良好に促進させることが可能となり、未燃燃料の排出を効果的に抑制することができる。
この場合、改質燃料供給路は、吸気ポートに沿って延在する部位を含むと好ましい。

そして、本発明による内燃機関は、吸気ポートに燃料を噴射可能なポート噴射用インジェクタを更に備えると好ましい。

かかる構成のもとでは、改質燃料供給路を流通する改質燃料の熱を利用して、吸気ポート内に噴射される燃料を確実に気化させることができる。特に、本発明では、吸気ポートの内壁を良好に昇温させることができるので、ポート噴射用インジェクタから噴射された燃料が吸気ポートの内壁に接触した際に液化してしまうことを確実に抑制することが可能となる。

また、改質燃料供給路は、改質燃料がポート噴射用インジェクタから噴射された燃料と衝突するように吸気ポートに接続されていると好ましい。

このような構成を採用すれば、改質燃料供給路から吸気ポートへと送り込まれる改質燃料の熱を無駄なく利用して、吸気ポート内に噴射される燃料を直接加熱し、極めて確実に気化させることが可能となる。

更に、本発明による内燃機関は、吸気ポートを開閉する吸気弁を更に備え、当該吸気弁の開弁中に、ポート噴射用インジェクタから燃料が噴射されると好ましい。

一般に、吸気弁が開弁されると、吸気ポート内の圧力が低下するので、吸気ポート内には改質燃料供給管を介して多量の改質燃料が流入する。従って、ポート噴射用インジェクタからの燃料噴射のタイミングを吸気弁の開弁時に合わせることにより、改質燃料供給路から吸気ポートへと送り込まれる改質燃料の熱を有効利用して、吸気ポート内に噴射される燃料を確実に気化させることが可能となる。

本発明による他の内燃機関は、燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質燃料を生成する燃料改質装置を備え、改質燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関において、燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、吸気ポートに燃料を噴射可能なポート噴射用インジェクタと、燃料改質装置から改質燃料を供給するための改質燃料供給路とを備え、改質燃料供給路は、改質燃料がポート噴射用インジェクタから噴射された燃料と衝突するように吸気ポートに接続されていることを特徴とする。

この内燃機関によれば、改質燃料供給路から吸気ポートへと送り込まれる改質燃料の熱を無駄なく利用して、吸気ポート内に噴射される燃料を直接加熱し、極めて確実に気化させることが可能となる。

本発明によれば、高い暖機性能を有し、未燃燃料の排出を良好に低減させることができる内燃機関の実現が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、例えば車両の走行用駆動源として用いられると好適なものである。内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料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。なお、図１には、１気筒のみが示されるが、本実施形態の内燃機関１は、図２からわかるように多気筒エンジン（４気筒エンジン）として構成される。

内燃機関１のシリンダヘッド５には、対応する燃焼室３に空気を導入するための吸気ポート６と、対応する燃焼室３から排気ガスを排出させるための排気ポート７とが燃焼室３ごとに形成されている。本実施形態の内燃機関１は、いわゆる４バルブエンジンとして構成されており、各吸気ポート６および各排気ポート７は、図２に示されるように、燃焼室３側が二股に形成されている。そして、各燃焼室３に対しては、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅがそれぞれ２体ずつ配設されている。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８によって開閉させられる。

また、内燃機関１は、気筒数に応じた数のポート噴射用インジェクタ９を有し、ポート噴射用インジェクタ９は、その燃料噴射ノズルが吸気ポート６の内部に臨むようにシリンダヘッド５に配設されている。各インジェクタ９は、燃料ポンプを介して燃料タンクに接続されており（何れも図示省略）、対応する吸気ポート６の内部にガソリン等の炭化水素系燃料を噴射する。更に、内燃機関１のシリンダヘッド５には、点火プラグ１０が燃焼室３ごとに配設されている。

図１および図２に示されるように、シリンダヘッド５には、気筒数に応じた数の吸気路１１ａを有する吸気マニホールド１１が接続されており、各吸気ポート６は、対応する吸気路１１ａと連通している。吸気マニホールド１１は、図示されないサージタンク、スロットルバルブ、エアクリーナ等を有する給気路に接続される。同様に、シリンダヘッド５には、気筒数に応じた数の排気路を有する排気マニホールド（図示省略）が接続され、各排気ポート７は、対応する排気路と連通する。なお、排気マニホールドは、図示されない触媒装置（三元触媒）に接続される。

更に、本実施形態の内燃機関１は、図１に示されるように、ガソリン等の炭化水素系燃料と空気との混合気を改質して改質ガス（改質燃料）を生成可能な燃料改質装置２０を備えている。すなわち、内燃機関１は、燃料改質装置２０からの改質ガスと、上述のポート噴射用インジェクタ９から噴射される燃料との双方または何れか一方を用いて運転される。燃料改質装置２０は、概ね筒状に形成された本体２１と、本体２１の一端部に接続された改質用インジェクタ（燃料供給手段）２２とを有する。改質用インジェクタ２２は、燃料供給管Ｌ１と図示されない燃料ポンプとを介して燃料タンク（図示省略）に接続されており、燃料改質装置２０の使用時にガソリン等の炭化水素系燃料を噴射する。なお、本実施形態では、燃料改質装置２０の改質用インジェクタ２２は、上述の各ポート噴射用インジェクタ９が接続されている燃料タンクに接続されている。

図１に示されるように、改質用インジェクタ２２は、本体２１に設けられた弁収容部２３に連結されており。弁収容部２３には、中途にエアポンプＡＰおよび流量調整弁ＦＣＶを含む給気管Ｌ２の先端が接続されている。弁収容部２３の内部には、給気管Ｌ２と連通すると共に改質用インジェクタ２２のノズルの周囲を囲むように空気流路が形成されている。また、弁収容部２３には、当該空気流路と連通すると共に改質用インジェクタ２２のノズルの上方に位置する混合気噴霧口が形成されている。これにより、エアポンプＡＰを作動させると共に流量調整弁ＦＣＶを開放状態にすれば、改質用インジェクタ２２のノズル（燃料噴射孔）に対して側方から空気が吹き付けられる。この状態で改質用インジェクタ２２を開弁させて燃料を噴射させれば、弁収容部２３の混合気噴霧口から燃料と空気との混合気が本体２１の内部に噴射されることになる。

本体２１の内部には、弁収容部２３から所定の間隔を隔てて、所定の改質触媒を含む改質反応室２５が設けられており、弁収容部２３と改質反応室２５との間には、混合気噴霧口と連通する混合室２４が画成されている。本実施形態において、改質反応室２５は、所定の改質触媒を担持させたハニカム材を本体２１の内部に配置することにより構成される。改質触媒としては、例えばジルコニアにロジウムを担持させたものを採用することができる。更に、本体２１の改質反応室２５の下流側には、改質ガス供給室２６が画成されており、この改質ガス供給室２６には、内燃機関１の各燃焼室３へと改質ガスを供給するための改質ガス供給管２７が接続されている。

改質ガス供給管２７は、各吸気路１１ａと各吸気ポート６との双方に近接するように吸気マニホールド１１に形成された改質ガス通路１１ｂに接続されている。本実施形態において、改質ガス通路１１ｂは、図１および図２に示されるように、各吸気路１１ａの下方で各吸気路１１ａの並設方向に延在している。この改質ガス通路１１ｂからは、各吸気ポート６に向けて複数の改質ガス供給通路１１ｃが分岐されている。これらの改質ガス供給管２７、改質ガス通路１１ｂおよび各改質ガス供給通路１１ｃは、燃料改質装置２０から各吸気ポート６改質ガスを供給するための改質燃料供給路として機能する。

改質ガス供給通路１１ｃは、吸気ポート６ごとに２本ずつ設けられており、それぞれ吸気ポート６に近接した状態で吸気ポート６に沿って吸気マニホールド１１とシリンダヘッド５とを貫通し、吸気弁Ｖｉの近傍で吸気ポート６と合流している。また、本実施形態において、改質ガス供給通路１１ｃと吸気ポート６との合流位置は、ポート噴射用インジェクタ９の燃料噴霧範囲等を考慮して、改質ガス供給通路１１ｃから吸気ポート６内に流入する改質ガスと、ポート噴射用インジェクタ９から噴射された燃料とが衝突するように定められている。

一方、内燃機関１は、図１に示されるように、その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の入出力ポートには、上述の各ポート噴射用インジェクタ９や、燃料改質装置２０の改質用インジェクタ２２、エアポンプＡＰ、流量調整弁ＦＣＶ等が接続されている。ＥＣＵ３０は、各種センサの検出値等に基づくと共に、各種制御プログラム、マップ等を用いて、ポート噴射用インジェクタ９、改質用インジェクタ２２、エアポンプＡＰ、流量調整弁ＦＣＶ等を制御する。

次に、内燃機関１の動作について説明する。上述のように、内燃機関１は、燃料改質装置２０からの改質ガスと、上述のポート噴射用インジェクタ９から噴射される燃料との双方または何れか一方を用いて運転されるが、例えば内燃機関１を改質ガスのみにより作動させる場合、ＥＣＵ３０は、予め定められたマップ等を用いて、燃料改質装置２０の改質反応室２５に供給される混合気の空燃比が所望の値（本実施形態では、概ね一定の値であり、例えば、混合室２４に供給される燃料中の炭素原子に対する空気中の酸素原子の比Ｏ／Ｃがおよそ０．８〜１．０５範囲に設定される。）になるように改質用インジェクタ２２、エアポンプＡＰおよび流量調整弁ＦＣＶの少なくとも何れかを制御する。これにより、燃料を噴射する改質用インジェクタ２２のノズル（燃料噴射孔）に対して側方から空気が吹き付けられ、弁収容部２３の混合気噴霧口から本体２１の混合室２４内に燃料と空気との混合気が噴出する。

弁収容部２３の混合気噴霧口から噴出した燃料と空気との混合気は、混合室２４内を進行しながらその下流側の改質反応室２５に流入する。そして、改質反応室２５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ことにより、ＣＯおよびＨ_２を含む改質ガスが生成される。得られた改質ガスは、改質反応室２５から改質ガス供給室２６に流入し、改質ガス供給室２６から改質ガス供給管２７、改質ガス通路１１ｂおよび各改質ガス供給通路１１ｃを介して内燃機関１の各吸気ポート６に供給されることになる。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋（ｍ／２）Ｏ_２→ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ_２ …（１）

さて、本実施形態の内燃機関１では、燃料改質装置２０にて生成される改質ガスのみにより運転されている状態で、各吸気ポート６のポート噴射用インジェクタ９からの燃料噴射が追加的に要求されたり、内燃機関１の使用燃料としてポート噴射用インジェクタ９からの燃料のみが要求されたりすることがある。このような場合、ＥＣＵ３０は、燃料改質装置２０の運転を継続または停止させると共に、各ポート噴射用インジェクタ９から吸気ポート６内に燃料を噴射させる。

ここで、燃料改質装置２０の改質反応室２５（改質触媒）における改質反応は、極めて高温（例えばおよそ８００℃以上）のもとで進行することから、これに伴って燃料改質装置２０から送出される改質ガスもこれと同程度にまで昇温する。そして、内燃機関１では、改質ガス供給管２７と共に改質燃料供給路を構成する改質ガス通路１１ｂおよび各改質ガス供給通路１１ｃは、いずれも吸気ポート６に近接して配置されており、更に各改質ガス供給通路１１ｃは、吸気ポート６に沿って延在している。

従って、内燃機関１では、燃料改質装置２０からの改質ガスの供給が行われると、改質ガス通路１１ｂおよび各改質ガス供給通路１１ｃを流通する改質ガスの熱により、吸気ポート６、ひいては各吸気ポート６を介して各燃焼室３内が効率よく昇温させられることになる。すなわち、燃料改質装置２０から改質燃料を供給するための改質燃料供給路の一部（改質ガス通路１１ｂおよび各改質ガス供給通路１１ｃ）を吸気ポート６に近接して配置しておけば、ポート噴射用インジェクタ９から吸気ポート６内に噴射される燃料を確実に気化させることが可能となる。この結果、内燃機関１によれば、各燃焼室３における燃焼を良好に促進させて、未燃燃料の排出を効果的に抑制することが可能となる。

また、上述のように構成された内燃機関１では、各吸気ポート６の内壁を良好に昇温させることが可能となるので、ポート噴射用インジェクタ９から噴射された燃料が吸気ポート６の内壁に接触した際に液化してしまうことを確実に抑制することができる。ここで、ポート噴射用インジェクタ９から噴射された燃料は、重力により吸気ポート６の下方へと下降し、吸気弁Ｖｉに近接した吸気ポート６の内壁面に衝突することが多い。従って、図１に示されるように、改質ガス供給通路１１ｃを吸気ポート６の下方に配置すると共に、吸気弁Ｖｉの近傍において吸気ポート６に合流させると好ましい。

更に、上述の内燃機関１において、改質燃料供給路を構成する各改質ガス供給通路１１ｃは、そこから流出する改質燃料がポート噴射用インジェクタ９から噴射された燃料と衝突するように吸気ポート６に接続されている。従って、内燃機関１では、改質ガス供給通路１１ｃから吸気ポート６へと送り込まれる改質燃料の熱を無駄なく利用して、吸気ポート６内に噴射される燃料を直接加熱し、極めて確実に気化させることが可能となる。なお、改質ガス通路１１ｂや各改質ガス供給通路１１ｃを吸気ポート６に近接して配置し得ない場合であっても、改質燃料がポート噴射用インジェクタ９から噴射された燃料と衝突するように改質ガス供給通路１１ｃを吸気ポート６に接続することにより上述の効果を得ることができることはいうまでもない。

そして、内燃機関１では、ポート噴射用インジェクタ９からの燃料噴射に先立って、燃料改質装置２０から改質ガス通路１１ｂおよび改質ガス供給通路１１ｃに改質ガスが供給されていれば、各吸気ポート６や各燃焼室３内を昇温させておくことができるので、機関始動時（冷間始動時）であっても、ポート噴射用インジェクタ９から噴射された燃料を確実に気化させて、未燃燃料の排出を効果的に抑制することが可能となる。

なお、燃料改質装置２０の改質反応室２５における改質反応を開始させるためには、混合気の供給が適正に行われることに加えて、改質反応室２５（改質触媒）を所定温度（例えばおよそ４００℃）以上に設定する必要がある。このためには、図示されない公知の電気加熱式触媒を利用する手法（改質触媒の担体をメタル薄膜により構成したいわゆるメタルハニカムに給電して当該ハニカム体を加熱する手法）や、バーナー式加熱法（改質触媒の上流側にバーナーを配置し、このバーナーによる熱で改質触媒を加熱する手法）等を採用して、改質反応の開始前に改質触媒を予熱（プレヒート）するとよい。改質反応が一旦開始されれば、改質反応に伴って発生する熱により改質反応が持続されることになるので、ハニカム体への給電や、バーナーによる加熱を停止してよい。

加えて、内燃機関１の使用燃料として、改質ガスとポート噴射用インジェクタ９からの燃料との双方が用いられる場合、ＥＣＵ３０は、基本的に、吸気弁Ｖｉの開弁中に、ポート噴射用インジェクタ９から燃料を噴射させる。すなわち、内燃機関１の作動中に吸気弁Ｖｉが開弁されると、吸気ポート６内の圧力が低下するので、吸気ポート６内には改質ガス通路１１ｂや改質ガス供給通路１１ｃを介して多量の改質燃料が流入する。従って、ポート噴射用インジェクタ９からの燃料噴射のタイミングを吸気弁Ｖｉの開弁時に合わせることにより、改質ガス通路１１ｂおよび改質ガス供給通路１１ｃから吸気ポート６へと送り込まれる改質燃料の熱を有効利用して、吸気ポート６内に噴射される燃料を確実に気化させることが可能となる。

図３および図４は、本発明による内燃機関の変形例を示す断面図である。図３および図４に示されるように、改質ガス供給通路１１ｃは、扁平化された断面形状を有するものとして形成されてもよい。図３に示される例では、改質ガス供給通路１１ｃの断面形状が、扁平化されると共に、円形断面を有する吸気ポート６に沿うように湾曲させられている。また、図４に示される例では、吸気ポート６が略矩形の断面形状を有するように構成されると共に、このような吸気ポート６に近接するように、扁平化された断面形状を有する改質ガス供給通路１１ｃが配置されている。これらの構成を採用すれば、改質ガス供給通路１１ｃを流通する改質ガスの熱を利用した吸気ポート６や燃焼室３の内部の加熱を促進させることが可能となる。

本発明による内燃機関を示す概略構成図である。 図１の内燃機関を示す概略構成図である。 本発明による内燃機関の変形例を説明するための断面図である。 本発明による内燃機関の変形例を説明するための断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダブロック
３ 燃焼室
４ ピストン
５ シリンダヘッド
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８ 動弁機構
９ ポート噴射用インジェクタ
１０ 点火プラグ
１１ 吸気マニホールド
１１ａ 吸気路
１１ｂ 改質ガス通路
１１ｃ 改質ガス供給通路
２０ 燃料改質装置
２１ 本体
２２ 改質用インジェクタ
２３ 弁収容部
２４ 混合室
２５ 改質反応室
２６ 改質ガス供給室
２７ 改質ガス供給管
３０ ＥＣＵ
ＡＰ エアポンプ
ＦＣＶ 流量調整弁
Ｌ１ 燃料供給管
Ｌ２ 給気管
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁

Claims (6)

1. 燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質燃料を生成する燃料改質装置を備え、改質燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
   前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、
   前記燃料改質装置から改質燃料を供給するための改質燃料供給路とを備え、
   前記改質燃料供給路は、前記吸気ポートに近接して配置された部位を含むことを特徴とする内燃機関。
2. 前記改質燃料供給路は、前記吸気ポートに沿って延在する部位を含むことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記吸気ポートに燃料を噴射可能なポート噴射用インジェクタを更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記改質燃料供給路は、改質燃料が前記ポート噴射用インジェクタから噴射された燃料と衝突するように前記吸気ポートに接続されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記吸気ポートを開閉する吸気弁を更に備え、当該吸気弁の開弁中に、前記ポート噴射用インジェクタから燃料が噴射されることを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関。
6. 燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質燃料を生成する燃料改質装置を備え、改質燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
   前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、
   前記吸気ポートに燃料を噴射可能なポート噴射用インジェクタと、
   前記燃料改質装置から改質燃料を供給するための改質燃料供給路とを備え、
   前記改質燃料供給路は、改質燃料が前記ポート噴射用インジェクタから噴射された燃料と衝突するように前記吸気ポートに接続されていることを特徴とする内燃機関。
   

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