JP2006124259A

JP2006124259A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2006124259A
Application number: JP2004317822A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Wakao; 和弘若尾; Kazuhiro Sakurai; 計宏桜井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2004-11-01
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を、触媒上で反応させて改質ガスを生成する燃料改質装置に関し、高温の熱源を必要とすることなく、触媒の温度を適正温度に制御できるようにする。
【解決手段】酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気の状態量、例えば、混合気の温度、混合気に含まれる不活性ガスの割合、或いは、混合気中の炭化水素系燃料の濃度等を操作することによって、触媒２２の温度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を触媒上で反応させて改質ガスを生成する燃料改質装置に関し、特に、内燃機関への改質ガスの供給源として用いて好適な燃料改質装置に関する。

炭化水素系燃料と空気の混合気を触媒に供給し、触媒上での反応により改質されたガスを内燃機関に供給する技術が知られている。改質ガスは燃焼性に優れているため、例えば、冷間始動時に改質ガスを供給することで、内燃機関の始動性を向上させることができ、また、排気エミッションを向上させることができる。

炭化水素系燃料の改質反応の一例として部分酸化反応が知られている。炭化水素系燃料の部分酸化反応では、下記の化学式に示すようにＨ₂とＣＯを含む改質ガスが生成される。
Ｃ_mＨ_n＋(m/2)Ｏ₂ → mＣＯ＋(n/2)Ｈ₂ ・・・(１)
Ｈ₂、ＣＯともに燃焼性に優れ且つ高い熱量を有しているが、部分酸化反応によるＨ₂及びＣＯの生成効率は触媒の温度によって左右される。

例えば、触媒温度が高くなりすぎると改質ガス中のＨ₂及びＣＯの濃度は低下し、ＴＨＣ（総炭化水素成分）の濃度が上昇する。これは、触媒温度の上昇に伴い下記の気相反応が進行し、部分酸化反応により生成されたＨ₂及びＣＯが酸化されてしまうことによる。
ＣＯ＋Ｈ₂＋Ｏ₂ → ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ・・・(２)
上記反応は部分酸化反応よりも多くの酸素を必要とするため、上記反応が進行すると反応に必要な酸素が不足し、その結果、未反応の炭化水素系燃料が増大してしまう。

一方、触媒温度が低くなりすぎても改質ガス中のＨ₂及びＣＯの濃度は低下し、ＴＨＣの濃度が上昇してしまう。これは、触媒温度の低下に伴い進行する下記のメタン生成反応が原因である。
２Ｈ₂＋２ＣＯ → ＣＯ₂＋ＣＨ₄ ・・・(３)
上記反応が進むことによって改質ガス中のＨ₂やＣＯの濃度は低下し、ＣＨ₄の濃度が上昇することになる。

図８に示すグラフは、改質ガスのＴＨＣ濃度と触媒温度との関係を示している。ＴＨＣ濃度が低いほど逆にＨ₂及びＣＯの濃度は高く、ＴＨＣ濃度が高くなるほど逆にＨ₂及びＣＯの濃度は低い。図８に示すように、触媒温度にはＴＨＣ濃度が最小になる適正温度が存在しており、適正温度より触媒温度が低くても、また、高くても、ＴＨＣ濃度は上昇する。したがって、燃料改質装置では、触媒温度が適正温度になるよう触媒の温度を制御することが求められる。

触媒の温度制御に関する従来技術としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載された技術が知られている。特許文献１に記載された従来技術では、触媒を貫通する媒体流路管が設けられており、この媒体流路管内に高温の温度調整媒体を流すことで触媒を直接加熱できるようなっている。また、媒体流路管内に低温の温度調整媒体を流すことで触媒を直接冷却できるようにもなっている。

特許文献２に記載された従来技術は、改質器を内燃機関の排気通路に配置して高温の排気ガスを改質器に沿って流すことで、改質器内の触媒を直接加熱できるようにしている。また、改質器をバイパスするバイパス通路とバイパス通路を開閉するバイパス弁を設け、触媒温度の上昇時にはバイパス弁を開いてバイパス通路に排気ガスを流すことで、触媒が過度に加熱されることを防止できるようにしている。
特開２００２−１２８５０３号公報特開昭５９−９９０５９号公報

しかし、上記の各従来技術のように触媒を直接加熱する場合には、少なくとも触媒温度より高温の熱源が必要となる。部分酸化反応により改質を行う燃料改質装置では、触媒の適正温度は４００℃以上、好ましくは９００℃程度となる。したがって、触媒を加熱するためには１０００℃程の高温の熱源が必要となるが、燃料改質装置が適用されるシステムの構成によっては、そのような高温熱源を用意できない可能性がある。特許文献２に記載の従来技術では内燃機関の排気ガスを熱源として利用しているが、排気ガスの温度は内燃機関の負荷状態に左右されるため、常に有効な高温熱源として利用できるとは限らない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高温熱源を必要とすることなく、触媒の温度を適正温度に制御できるようにした燃料改質装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を触媒に供給し、前記混合気を触媒上で反応させて改質ガスを生成する燃料改質装置において、
前記混合気の状態量を操作することによって前記触媒の温度を制御する制御手段を備えることを特徴としている。

第２の発明は、前記第１の発明において、前記制御手段は、前記混合気の温度を操作することによって前記触媒の温度を制御することを特徴としている。

第３の発明は、前記第１の発明において、前記制御手段は、前記混合気に含まれる不活性ガスの割合を操作することによって前記触媒の温度を制御することを特徴としている。

第４の発明は、前記第１の発明において、前記制御手段は、前記混合気中の前記炭化水素系燃料の濃度を操作することによって前記触媒の温度を制御することを特徴としている。

第５の発明は、前記第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記触媒の温度を直接或いは間接的に検出する検出手段を備え、
前記制御手段は、前記触媒の温度が所定の目標温度になるように、前記検出手段により検出された触媒温度と前記目標温度との温度差に基づいて前記混合気の状態量を操作することを特徴としている。

混合気が触媒上で反応するときの反応温度は、混合気が触媒に供給される際の状態量によって左右される。第１の発明によれば、混合気の状態量を操作することにより、高温の熱源を必要とすることなく触媒の温度を制御することができる。

特に第２の発明によれば、混合気の触媒上での反応温度は触媒への流入時の温度に応じて変化するので、触媒に流入する混合気の温度を操作することで、間接的に触媒温度を調整することができる。混合気の温度は触媒温度よりも低いので、混合気を加熱する場合には触媒を加熱する場合のような高温熱源は必要とせず、比較的低温の熱源でよい。

また、特に第３の発明によれば、混合気に含まれる不活性ガスの割合を操作することで、触媒上での反応に伴う発熱量と反応熱により暖められるガスの熱容量との関係を変化させることができ、上記の発熱量と熱容量との関係によって触媒温度を制御することができる。

また、特に第４の発明によれば、混合気の触媒上での反応温度は混合気中の炭化水素系燃料の濃度変化に応じて速やかに変化するので、上記濃度を積極的に操作することで制御性に優れた温度制御が可能なる。

また、第５の発明によれば、混合気の状態量は実際の触媒温度と目標温度との温度差に基づきフィードバック制御されるので、触媒温度を適正温度に的確に制御することができる。

実施の形態１．
以下、図１を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。図１は本発明の実施の形態１としての燃料改質装置が適用された内燃機関の構成を示す概略図である。図１に示すように、内燃機関のシリンダ２内には往復運動するピストン８が配置され、ピストン８の上面とシリンダ２の内壁とで区画される空間が燃焼室１０になっている。燃焼室１０には吸気管４と排気管６が接続されており、吸気管４と燃焼室１０との接続部には吸気バルブ４ａが設けられ、排気管６と燃焼室１０との接続部には排気バルブ６ａが設けられている。

内燃機関は複数のシリンダ２を備えており、吸気管４はサージタンク１２からシリンダ２毎に延びている。サージタンク１２には、新気が供給される新気供給管１４と、改質ガスが供給される改質ガス供給管１６が接続されている。新気供給管１４には、新気の供給量を制御するためのスロットルバルブ１８が配置されている。

改質ガス供給管１６は触媒容器２０とサージタンク１２とを接続している。触媒容器２０内には触媒２２が配置されている。この触媒２２上にガソリン等の炭化水素系燃料と空気等の酸素を含む酸化ガスの混合気が供給されることで、上記の（１）式に示す部分酸化反応が起こり、Ｈ₂とＣＯを含む改質ガスが生成されるようになっている。触媒容器２０の上流側端部には、酸化ガスとしての空気を触媒２２に供給するための空気供給管２６が接続され、空気供給管２６の触媒容器２０との接続部の近傍には、炭化水素系燃料を噴射するインジェクタ２４が触媒２２に向けて配置されている。空気供給管２６から供給される空気にインジェクタ２４から噴射された燃料が混じり、混合気となって触媒２２に供給される。空気供給管２６におけるインジェクタ２４の上流には、触媒２２への空気の供給量を制御するための制御バルブ２８が配置されている。

触媒容器２０の外周には、触媒２２の上流の空間を加熱するようにヒーター４０が巻かれている。インジェクタ２４から噴射された燃料と空気との混合気は、ヒーター４０からの熱によって加熱された上で触媒２２に流入する。ヒーター４０が発生する熱量は、制御装置３０によって制御することができる。制御装置３０の入力側には温度センサ３２が接続されている。温度センサ３２は触媒２２の出口近傍に配置され、触媒２２から排出される改質ガスの温度を検出している。制御装置３０は、温度センサ３２で検出された改質ガスの温度に基づいてヒーター４０が発生する熱量を制御している。

上記の構成によれば、ヒーター４０からの熱によって触媒２２に流入する混合気の温度は上昇する。流入時の温度が上昇する分、混合気が触媒２２上で反応する際の反応温度も上昇することになる。触媒２２の温度は混合気の反応温度に略対応しており、温度センサ３２で検出される改質ガスの温度で近似することができる。したがって、温度センサ３２の検出温度が目標温度になるように、検出温度と目標温度との温度差に応じてヒーター４０の発生熱量を制御することで、触媒２２の温度を適正温度に制御することができる。適正温度は燃料種によって異なるため、目標温度は燃料種毎に予め試験によって決定する。なお、混合気の温度は触媒２２の温度よりも低いので、混合気の昇温に必要な熱量は触媒２２を直接加熱する場合に比較して少なくてよい。つまり、本実施形態の燃料改質装置によれば、高温の熱源を必要とすることなく、触媒２２の温度を適正温度に制御することができる。

なお、図１では触媒容器２０の外周にヒーター４０を巻いているが、図２に示すように、触媒容器２０の内側における触媒２２の上流にヒーター４０を配置してもよい。混合気はヒーター４０を通過する際に加熱されて昇温される。

また、触媒２２に流入する混合気を加熱する場合には、触媒２２を直接加熱する場合のような高温熱源を必要としないことから、図３に示すような構成を採ることも可能である。図３に示す燃料改質装置は、触媒容器２０を収容する収容器４４を備えている。収容器４４内には、触媒容器２０の出口から排出された改質ガスが触媒容器２０の周囲に沿って触媒２２の上流まで流れるようにガス流路４２が形成されている。収容器４４は改質ガス供給管１６に接続されており、触媒容器２０から排出された高温の改質ガスは、ガス流路４２内を触媒容器２０の周囲に沿って流れた後、改質ガス供給管１６へ供給される。また、収容器４４内には、ガス流路４２をバイパスして触媒容器２０の出口と改質ガス供給管１６とを直接接続するバイパス流路４８も形成されている。バイパス流路４８には、バイパス流路４８を開閉する制御バルブ４６が設けられている。

上記の構成によれば、高温の改質ガスが触媒容器２０の周囲に沿って触媒２２の上流まで流れることで、触媒容器２０内の混合気は改質ガスの熱によって加熱された上で触媒２２に流入するようになる。したがって、制御装置によって制御バルブ４６の開度を制御し、ガス流路４２内を流通する改質ガスの流量を調整することで、触媒２２に流入する混合気の温度を操作することができ、触媒２２の温度を間接的に制御することができる。

図３に示す構成において、より好ましくは、触媒容器２０の外周或いは内周に複数のフィンを形成する。フィンを形成することで改質ガスと混合気との熱交換を促進することができる。なお、図３に示す構成では改質ガスを用いて混合気を加熱しているが、内燃機関の排気ガスを用いて混合気を加熱してもよい。或いは、内燃機関の冷却に用いられた冷却水によって混合気を加熱してもよい。

実施の形態２．
以下、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図４は本発明の実施の形態２としての燃料改質装置が適用された内燃機関の構成を示す概略図である。図４中、図１に示す実施の形態１と同一の部分については同一の符号を付している。以下では実施の形態１と重複する部分についての説明は省略し、本実施形態の特徴部について重点的に説明する。

図４に示すように、本実施形態では、排気管６と空気供給管２６との間に排気ガスの一部を空気供給管２６に還流させるための排気ガス還流管５０が設けられている。排気ガス還流管５０には、排気管６側から順に熱交換器５２と制御バルブ５４とが配置されている。制御バルブ５４の開度を調整することで、触媒２２に流入する排気ガスの流量を操作することができる。制御装置３０は、温度センサ３２の検出温度が目標温度になるように、検出温度と目標温度との温度差に応じて制御バルブ５４の開度を調整している。

燃焼室１０から排出される排気ガスは、燃焼に寄与する燃料や酸素が殆ど残っていない不活性ガスである。排気ガスを燃料とともに触媒２２に供給したとしても、排気ガスは上記（１）式に示す部分酸化反応に寄与せず、反応熱は変化しない。したがって、排気ガスを空気供給管２６に還流し、空気とともに触媒２２に供給することで、発熱量は変化しないのに対し、反応熱により暖められるガスの熱容量は排気ガスの流量分だけ増大することになる。触媒２２上での混合気の反応温度は発熱量が大きいほど高くなり、逆にガスの熱容量が大きいほど低くなるので、混合気に含まれる排気ガスの割合を操作することで、触媒２２の温度を制御することができる。本実施形態によれば、上記のように温度センサ３２の検出温度に基づいて制御バルブ５４の開度を調整し、混合気に含まれる排気ガスの割合を操作することで、高温熱源を用いることなく触媒２２の温度を制御することができる。

なお、図４に示す構成において、上記のように制御バルブ５４の開度を調整する代わりに、或いは、制御バルブ５４の開度の調整とともに、熱交換器５２を調整して空気供給管２６に還流させる排気ガスの温度を操作するようにしてもよい。排気ガスの温度によって触媒２２に流入する混合気の温度を操作することができるので、このような方法によっても触媒２２の温度を制御することができる。

実施の形態３．
以下、図５及び図６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。図５は本発明の実施の形態３としての燃料改質装置が適用された内燃機関の構成を示す概略図である。図５中、図１に示す実施の形態１と同一の部分については同一の符号を付している。以下では実施の形態１と重複する部分についての説明は省略し、本実施形態の特徴部について重点的に説明する。

図５に示すように、本実施形態では、制御装置３０は空気供給管２６の制御バルブ２８の開度を温度センサ３２の検出温度に基づいて調整する。制御バルブ２８の開度を調整することで、触媒２２に供給される空気量を変化させて混合気中の燃料の濃度を操作することができる。

図６は混合気の濃度と触媒２２の温度との関係を示すグラフである。図６に示すように、触媒温度は混合気の濃度が薄いほど、言い換えれば、混合気のＯ／Ｃ（混合気中の酸素原子と炭素原子との比）が大きいほど高くなる。したがって、上記のように温度センサ３２の検出温度に基づいて制御バルブ２８の開度を調整し、混合気中の燃料の濃度を操作することで、高温熱源を用いることなく触媒２２の温度を制御することができる。また、混合気の濃度の変化に対する触媒温度の変化の応答は速いので、本実施形態によれば、制御性に優れた温度制御が可能なる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変形して実施することもできる。例えば、上記の各実施形態の特徴部の構成を他の実施形態の特徴部の構成と適宜組み合わせて実施してもよい。具体例としては、触媒２２の加熱には、実施の形態１のように混合気の温度を操作する方法を用い、触媒２２の冷却には、実施の形態２のように混合気に含まれる排気ガスの割合を操作する方法を用いてもよい。

また、上記実施形態では、温度センサ３２を触媒２２の出口近傍に配置して触媒２２の出口温度を検出しているが、図７Ａに示すように触媒２２の入口近傍に温度センサ３２を配置して触媒２２の入口温度を検出してもよい。また、図７Ｂに示すように触媒２２の中心温度を計測するように配置してもよい。さらに、図７Ｃに示すように温度センサ３２を触媒２２内に直接配置してもよい。

上記実施形態では、本発明の燃料改質装置を内燃機関への改質ガスの供給源として用いているが、本発明の燃料改質装置の用途はこれに限定されるものではない。また、上記実施形態では、部分酸化反応によってＣＯとＨ₂を含む改質ガスを生成する燃料改質装置に本発明を適用しているが、本発明は酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を触媒上で反応させて改質ガスを生成する燃料改質装置であれば広く適用可能である。

本発明の実施の形態１としての燃料改質装置が適用された内燃機関の構成を示す概略図である。本発明の実施の形態１としての燃料改質装置の変形例である。本発明の実施の形態１としての燃料改質装置の変形例である。本発明の実施の形態２としての燃料改質装置が適用された内燃機関の構成を示す概略図である。本発明の実施の形態３としての燃料改質装置が適用された内燃機関の構成を示す概略図である。触媒に供給される混合気の濃度と触媒温度との関係を示す図である。触媒温度を検出する温度センサの配置例である。触媒温度を検出する温度センサの配置例である。触媒温度を検出する温度センサの配置例である。触媒温度とＴＨＣ濃度との関係を示す図である。

符号の説明

２０触媒容器
２２触媒
２４インジェクタ
２６空気供給管
２８制御バルブ
３０制御装置
３２温度センサ
４０ヒーター
４２ガス流路
４４収容器
４６制御バルブ
４８バイパス流路
５０空気還流管
５２熱交換器
５４制御バルブ

Claims

酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を触媒に供給し、前記混合気を触媒上で反応させて改質ガスを生成する燃料改質装置において、
前記混合気の状態量を操作することによって前記触媒の温度を制御する制御手段を備えることを特徴とする燃料改質装置。
前記制御手段は、前記混合気の温度を操作することによって前記触媒の温度を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
前記制御手段は、前記混合気に含まれる不活性ガスの割合を操作することによって前記触媒の温度を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
前記制御手段は、前記混合気中の前記炭化水素系燃料の濃度を操作することによって前記触媒の温度を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
前記触媒の温度を直接或いは間接的に検出する検出手段を備え、
前記制御手段は、前記触媒の温度が所定の目標温度になるように、前記検出手段により検出された触媒温度と前記目標温度との温度差に基づいて前記混合気の状態量を操作することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料改質装置。