JP2005146926A - Fuel reforming device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質装置に関する。 The present invention relates to a fuel reformer for reforming an air-fuel mixture of fuel and air.
従来から、改質触媒を含む燃料改質装置を備え、この燃料改質装置で各種燃料を改質して得た燃料成分を燃焼室内で燃焼させることにより、安定した燃焼を得ると共に、排気中のHCやNOxの低減化を図る内燃機関が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この種の内燃機関に適用可能な燃料改質装置は、一般に、燃料および空気の混合気を改質する改質触媒と、改質触媒の上流側に配置された混合室とを有しており(例えば、特許文献2参照。)、混合室には、その内部に燃料を供給する燃料噴射弁や、その内部に空気を供給するための空気供給管が接続される。なお、燃料の微粒化と空気との混合を促進させることができる燃料噴射装置としては、燃料を噴射するノズルの噴口から噴射される燃料の周りに空気の旋回流を形成可能なものが知られている(例えば、特許文献3参照)。
Conventionally, a fuel reformer including a reforming catalyst has been provided, and fuel components obtained by reforming various fuels with this fuel reformer are combusted in a combustion chamber to obtain stable combustion and in the exhaust. An internal combustion engine that reduces HC and NOx is known (see, for example, Patent Document 1). A fuel reforming apparatus applicable to this type of internal combustion engine generally has a reforming catalyst for reforming a mixture of fuel and air, and a mixing chamber disposed upstream of the reforming catalyst. (For example, refer to
しかしながら、従来の燃料改質装置では、混合室内に供給された燃料と空気とが均一に混ざり合わず、混合室から改質反応室に流入する混合気に濃度ムラを生じさせてしまうことがあり、改質反応室における改質反応を良好に進行させて所望の改質効率を得ることは容易ではなかった。 However, in the conventional fuel reforming apparatus, the fuel and air supplied into the mixing chamber are not mixed uniformly, which may cause concentration unevenness in the air-fuel mixture flowing from the mixing chamber into the reforming reaction chamber. It is not easy to obtain a desired reforming efficiency by favorably progressing the reforming reaction in the reforming reaction chamber.
そこで、本発明は、燃料と空気とを均一に混合させることが可能であり、高い改質効率を有する燃料改質装置の提供を目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel reformer that can uniformly mix fuel and air and has high reforming efficiency.
本発明による燃料改質装置は、燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質装置において、燃料と空気とが供給される混合室と、混合室の下流側に設けられており、混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応室とを備え、混合室の出口断面積が改質反応室の入口断面積よりも小さいことを特徴とする。 A fuel reforming apparatus according to the present invention is provided in a fuel reforming apparatus for reforming an air-fuel mixture of fuel and air, a mixing chamber to which fuel and air are supplied, and a downstream side of the mixing chamber. And a reforming reaction chamber including a reforming catalyst for reforming the air-fuel mixture, wherein the outlet cross-sectional area of the mixing chamber is smaller than the inlet cross-sectional area of the reforming reaction chamber.
この燃料改質装置では、改質反応室の入口断面積よりも小さい出口断面積を有する混合室に、燃料と空気とが互いに混ざり合うように供給される。これにより、燃料は、流速が高まっている混合室の内部で良好に微粒化されると共に、混合室の内部で空気と確実に接触することになる。従って、この燃料改質装置によれば、燃料と空気とを均一に混合させることが可能となり、改質反応室における改質反応を良好に進行させて高い改質効率を得ることができる。 In this fuel reformer, fuel and air are supplied to a mixing chamber having an outlet cross-sectional area smaller than the inlet cross-sectional area of the reforming reaction chamber so as to be mixed with each other. As a result, the fuel is finely atomized inside the mixing chamber where the flow velocity is increasing, and the fuel is reliably brought into contact with the air inside the mixing chamber. Therefore, according to this fuel reformer, fuel and air can be mixed uniformly, and the reforming reaction in the reforming reaction chamber can be favorably advanced to obtain high reforming efficiency.
また、混合室と改質反応室との間に設けられた混合気流通室を更に備え、この混合気流通室の内壁面は、混合室の出口と改質反応室の入口とを滑らかに連続させるように形成されていると好ましい。 In addition, a gas mixture flow chamber provided between the mixing chamber and the reforming reaction chamber is further provided, and the inner wall surface of the gas mixture flowing chamber smoothly connects the outlet of the mixing chamber and the inlet of the reforming reaction chamber. It is preferable to be formed.
これにより、混合室内で均一に混ざり合った燃料および空気の混合気は、混合室から、混合気流通室の内壁面に沿って拡散しながら改質反応室へと流れ込んでいくことになるので、混合気流通室における混合気の濃度ムラの発生を確実に抑制することが可能となる。 As a result, the fuel and air mixture that is uniformly mixed in the mixing chamber flows from the mixing chamber into the reforming reaction chamber while diffusing along the inner wall surface of the mixture circulating chamber. It is possible to reliably suppress the occurrence of uneven concentration of the air-fuel mixture in the air-fuel mixture circulation chamber.
更に、混合室内に旋回流を形成するための旋回流形成手段を更に備えると好ましい。 Furthermore, it is preferable to further include a swirl flow forming means for forming a swirl flow in the mixing chamber.
このような構成を採用すれば、混合室において燃料と空気とをより一層均一に混合させることが可能となる。 By adopting such a configuration, it becomes possible to more uniformly mix the fuel and air in the mixing chamber.
本発明によれば、燃料と空気とを均一に混合させることが可能であり、高い改質効率を有する燃料改質装置の実現が可能となる。 According to the present invention, fuel and air can be uniformly mixed, and a fuel reforming apparatus having high reforming efficiency can be realized.
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。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明による燃料改質装置を示す概略構成図である。同図に示される燃料改質装置1は、例えばガソリン等の炭化水素系燃料と空気との混合気を改質可能なものであり、例えば自動車の駆動源である内燃機関の燃料(改質ガス)を生成するのに用いられる。図1に示されるように、燃料改質装置1は、概ね筒状に形成された本体2と、本体2の一端部(図1における右側の端部)に接続されたインジェクタ(燃料供給手段)3とを有している。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel reformer according to the present invention. A fuel reformer 1 shown in the figure is capable of reforming a mixture of a hydrocarbon-based fuel such as gasoline and air, for example, a fuel (reformed gas) of an internal combustion engine that is a driving source of an automobile, for example. ) Is used. As shown in FIG. 1, the fuel reformer 1 includes a
インジェクタ3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1の使用時にガソリン等の炭化水素系燃料を噴射するものである。図2に示されるように、インジェクタ3は、燃料改質装置1の本体2に接続されたインジェクタ収容部4の内部に収容されている。インジェクタ収容部4の内部には、インジェクタ3の燃料噴射孔3aの周囲を囲む環状の空気室40が画成されている。そして、インジェクタ収容部4には、空気室40と連通するように、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。なお、燃料改質装置1が内燃機関に適用される場合には、図1に示されるように、燃料改質装置1に当該内燃機関の排気ガスを導入するために、給気管L2(流量調整弁FCVの下流)に排気還流管が接続されてもよい。
The injector 3 is connected to a fuel tank (not shown) via a fuel supply pipe L1 and a fuel pump (not shown), and injects hydrocarbon fuel such as gasoline when the fuel reformer 1 is used. . As shown in FIG. 2, the injector 3 is accommodated in an injector accommodating portion 4 connected to the
また、インジェクタ3の先端には、ノズル部材5が接続されており、ノズル部材5は、その中心に形成されて軸方向に延びる空燃混合室50を有する。この空燃混合室50は、本体2の内径よりも小さな内径(例えば、本体2の内径の5〜15%程度)を有する断面円形の小容積の空間であり、インジェクタ3の燃料噴射孔3aと連通すると共に燃料改質装置1の本体2の内部と連通している。更に、ノズル部材5には、空燃混合室50と上述の空気室40とを連通させる複数の空気噴孔51が形成されている。なお、インジェクタ収容部4とインジェクタ3およびノズル部材5との間には、燃料や空気の外部への漏洩を防止するためのOリングが介設されている。
A
本実施形態において、各空気噴孔51は、図3に示されるように、空燃混合室50の断面の略接線方向に延在するように形成されている。これにより、空気室40から空燃混合室50へと流れ込んだ空気(および混合気)は、空燃混合室50内でノズル部材5の軸周りに旋回することになる。すなわち、ノズル部材5の各空気噴孔51は、インジェクタ3の燃料噴射孔3aの周りに空気を導くと共に、空燃混合室50内に旋回流を形成するための旋回流形成手段としても機能する。なお、空気噴孔51は、空燃混合室50内に旋回流を形成するための旋回流形成手段として機能しないものであってもよく、ノズル部材5の径方向に放射状に延在するように形成されてもよい。
In the present embodiment, each
一方、本体2の内部には、インジェクタ収容部4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7が設けられており、インジェクタ収容部4と改質反応室7との間には、空燃混合室50と連通する混合気流通室6が画成されている。混合気流通室6の容積は、ノズル部材5の空燃混合室50の容積よりも大きく、その全長(本体2の軸方向における長さ)は、空燃混合室50の容積や出口断面積、更には、インジェクタ3による燃料噴霧範囲等を踏まえて設定される。そして、本実施形態において、混合気流通室6の内壁面6aは、図2に示されるように、空燃混合室50から改質反応室7に向かうにつれて内径が漸増すると共に空燃混合室50の出口と改質反応室7の入口とを滑らかに連続させる曲面として形成されている。
On the other hand, a reforming reaction chamber 7 including a predetermined reforming catalyst is provided in the
また、本実施形態において、改質反応室7は、所定の改質触媒を担持させたハニカム材を本体2の内部に配置することにより構成される。本実施形態では、当該ハニカム材は、本体2の内径とほぼ同寸の外径を有しており、これにより、改質反応室7の入口断面積は、上述のノズル部材5の空燃混合室50の出口断面積よりも大きくなる。このような改質反応室7に含ま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2の改質反応室7の下流側には、改質ガス供給室8が画成されており、この改質ガス供給室8には、例えば内燃機関等の供給対象に改質ガスを供給するための改質ガス供給管L3(図1参照)が接続されている。
In this embodiment, the reforming reaction chamber 7 is configured by disposing a honeycomb material carrying a predetermined reforming catalyst inside the
そして、燃料改質装置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)10を備える。ECU10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ECU10の入出力ポートには、上述のインジェクタ3、エアポンプAP、流量調整弁FCV、各種センサ等が接続される。ECU10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、マップ等に従って、インジェクタ3、エアポンプAP、流量調整弁FCV等を制御する。
As shown in FIG. 1, the fuel reformer 1 includes an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 10 that functions as its control means. The
上述のように構成された燃料改質装置1を用いて燃料と空気との混合気を改質する際、燃料改質装置1のECU10は、各種センサからの信号に基づくと共に予め定められたマップ等を用いて、改質反応室7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、空燃混合室50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。)になるようにインジェクタ3、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、空燃混合室50内には、インジェクタ3から燃料が噴射される。また、給気管L2からインジェクタ収容部4内の空気室40に空気が供給され、空気室40内に流入した空気は、インジェクタ3から噴射されている燃料と衝突するように、ノズル部材5の各空気噴孔51から空燃混合室50内に噴出し、更に空燃混合室50内で旋回流を形成する。
When the fuel / air mixture is reformed using the fuel reforming apparatus 1 configured as described above, the
このように、燃料改質装置1では、改質反応室7の入口断面積よりも小さい出口断面積を有すると共に混合気流通室6よりも容積が小さい空燃混合室50に、燃料と空気とが互いに混ざり合うように供給される。これにより、燃料は、流速が高まっている空燃混合室50の内部で良好に微粒化されると共に、狭隘な空間である空燃混合室50にて空気と確実に接触することになる。従って、燃料改質装置1によれば、燃料と空気とを均一に混合させることが可能となり、改質反応室7における改質反応を良好に進行させて高い改質効率(燃料転化率)を得ることができる。また、燃料改質装置1では、各空気噴孔51から空燃混合室50内に流入した空気(および混合気)が、上述のように空燃混合室50内で旋回流を形成することから、空燃混合室50において燃料と空気とをより一層均一に混合させることが可能となる。
As described above, in the fuel reforming apparatus 1, the fuel, air, and the air-
このようして空燃混合室50にて均一に混ざり合った燃料および空気の混合気は、空燃混合室50から混合気流通室6内へと流れ込む。ここで、混合気流通室6の内壁面6aは空燃混合室50の出口と改質反応室7の入口とを滑らかに連続させるように形成されているので、空燃混合室50内で均一に混ざり合った混合気は、空燃混合室50から混合気流通室6の内壁面6aに沿って拡散しながら改質反応室7へと流れ込んでいくことになる。この結果、燃料改質装置1では、混合気流通室6における混合気の濃度ムラの発生を確実に抑制することが可能となる。
Thus, the fuel and air mixture uniformly mixed in the air /
そして、改質反応室7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、例えば次の(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H2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7から改質ガス供給室8に流入し、改質ガス供給室8から例えば内燃機関等の供給対象に供給されることになる。
CmHn+(m/2)O2→mCO+(n/2)H2 …(1)
In the reforming reaction chamber 7, the hydrocarbon-based fuel and air are reacted by the reforming catalyst. For example, the partial oxidation reaction represented by the following equation (1) proceeds, so that CO and H 2 are reduced. A reformed gas containing is generated. The obtained reformed gas flows from the reforming reaction chamber 7 into the reformed
C m H n + (m / 2) O 2 → mCO + (n / 2) H 2 (1)
なお、本実施形態では、給気管L2を介した空燃混合室50に対する空気供給と、インジェクタ3による空燃混合室50への燃料噴射とがECU10によって独立に実行される。これにより、燃料改質装置1の適用対象である内燃機関の運転条件や、改質反応室7における改質触媒の状態等に応じて、改質反応室7に供給される混合気の空燃比を自在に設定可能となる。また、燃料改質装置1が内燃機関に適用された場合、当該内燃機関の燃焼室内の負圧により、燃料改質装置1の空燃混合室50内に空気を吸引することが可能となるので、この場合は、エアポンプAPが省略されてもよい。
In the present embodiment, air supply to the air /
更に、改質反応室7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7(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。 Furthermore, in order to start the reforming reaction in the reforming reaction chamber 7, in addition to the proper supply of the air-fuel mixture, the reforming reaction chamber 7 (reforming catalyst) is kept at a predetermined temperature (for example, approximately 400 ° C.). ) It is necessary to set above. For this purpose, a method using a known electric heating type catalyst (not shown) (a method of heating the honeycomb body by supplying power to a so-called metal honeycomb in which the carrier of the reforming catalyst is formed of a metal thin film) or a burner type heating method (A method of arranging a burner upstream of the reforming catalyst and heating the reforming catalyst with heat from the burner) or the like may be employed to preheat (preheat) the reforming catalyst before the start of the reforming reaction. Once the reforming reaction is started, the reforming reaction is sustained by the heat generated by the reforming reaction, so that power supply to the honeycomb body and heating by the burner may be stopped.
図4は、本発明による燃料改質装置の他の実施形態を示す部分断面図である。同図に示される燃料改質装置1Aは、改質触媒(例えばジルコニアにロジウムを担持させたもの等)を含む改質反応室7Aを有し、改質反応室7Aにてメタノール等の炭化水素燃料、空気および水を用いた水蒸気改質を実行させて所定の燃料ガスを得るものである。この場合、燃料改質装置1Aは、燃料インジェクタ3Fと、水インジェクタ3Wとを有し、各インジェクタ3F,3Wは、インジェクタ収容部4Aに形成されている狭隘な空燃混合室50Aに、燃料または水を噴射する。この空燃混合室50Aも、改質反応室7Aの入口断面積よりも小さい出口断面積を有するものである。また、インジェクタ収容部4Aには、各インジェクタ3F,3Wの流体噴射孔の周囲を囲むように空気室40Aが形成されており、この空気室40Aは、複数の空気噴孔51Aを介して空燃混合室50Aと連通されている。
FIG. 4 is a partial sectional view showing another embodiment of the fuel reformer according to the present invention. The fuel reformer 1A shown in the figure has a reforming
このように構成される燃料改質装置1Aにおいても、燃料および水は、流速が高まっている空燃混合室50Aの内部で良好に微粒化されると共に、狭隘な空間である空燃混合室50Aにて空気と確実に接触することになる。従って、燃料改質装置1Aにおいても、燃料、水および空気を均一に混合させることが可能となり、改質反応室7Aにおける改質反応を良好に進行させて高い改質効率を得ることができる。すなわち、本発明は、少なくとも燃料噴射弁を含む複数の液体噴射手段を備えた燃料改質装置に適用され得る。
Also in the fuel reforming apparatus 1A configured as described above, the fuel and water are finely atomized inside the air /
1,1A 燃料改質装置
2 本体
3,3F,3W インジェクタ
3a 燃料噴射孔
4,4A インジェクタ収容部
5 ノズル部材
6 混合気流通室
6a 内壁面
7,7A 改質反応室
8 改質ガス供給室
40,40A 空気室
50,50A 空燃混合室
51,51A 空気噴孔
L1 燃料供給管
L2 給気管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,
Claims (3)
燃料と空気とが供給される混合室と、
前記混合室の下流側に設けられており、前記混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応室とを備え、
前記混合室の出口断面積が前記改質反応室の入口断面積よりも小さいことを特徴とする燃料改質装置。 In a fuel reformer for reforming a mixture of fuel and air,
A mixing chamber supplied with fuel and air;
A reforming reaction chamber that is provided on the downstream side of the mixing chamber and includes a reforming catalyst for reforming the air-fuel mixture;
The fuel reforming apparatus, wherein an outlet cross-sectional area of the mixing chamber is smaller than an inlet cross-sectional area of the reforming reaction chamber.
The fuel reformer according to claim 1 or 2, further comprising a swirl flow forming means for forming a swirl flow in the mixing chamber.
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070619 |
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