JP2006249981A - 改質ガス利用内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 改質ガス利用内燃機関に関し、ＥＧＲ装置の作動状態の影響を受けることなく改質ガスを安定して供給できるようにする。
【解決手段】 ＥＧＲガスの供給口３６は吸気通路４におけるスロットル１８の下流に設け、改質ガスの供給口７０は吸気通路４におけるスロットル１８の上流に設ける。また、排気通路６における触媒２０の上流に改質ガスの放出口７４を設け、切替弁５６によって改質ガスの供給先を改質ガス供給口７０と改質ガス放出口７４とで切替え可能にする。スロットル１８が閉じたときには、改質ガスの供給先を改質ガス供給口７０から改質ガス放出口７０に切替える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置を有し、改質ガスを内燃機関の吸気通路に供給する改質ガス利用内燃機関に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、炭化水素系燃料と空気の混合気を触媒に供給し、触媒上での部分酸化反応等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。なお、特許文献１に開示された従来の改質ガス利用内燃機関では、改質ガスを吸気通路内に供給するための改質ガス供給口は、一般的なガソリン機関における燃料噴射弁と同様、スロットルの下流に設けられている。
特開２００２−３９０２２号公報 特開２００４−１１６３９８号公報

ところで、内燃機関においてＮＯｘの発生を抑制するための手段として、排気通路と吸気通路とをＥＧＲ通路で接続し、排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気通路に供給するＥＧＲ装置が知られている。ＥＧＲ装置付きの内燃機関では、ＥＧＲガスを吸気通路内に供給するためのＥＧＲガス供給口は、スロットルの下流側に設けられている。したがって、従来の改質ガス利用内燃機関にＥＧＲ装置を組み合わせる場合、改質ガス供給口とＥＧＲガス供給口はともにスロットルの下流に設けられることになる。

しかし、従来の改質ガス利用内燃機関は、改質ガスの圧力と吸気通路内圧力（負圧）との圧力差を利用して改質ガスを吸気通路に供給している。このため、吸気通路内圧力が変動すれば、改質ガスの供給流量も変化することになる。ＥＧＲ装置を作動させてＥＧＲガスも吸気通路に導入する場合には、ＥＧＲガスの供給状態によって吸気通路内圧力は変動してしまう。つまり、従来の改質ガス利用内燃機関にＥＧＲ装置を組み合わせると、ＥＧＲ装置の作動状態の影響によって吸気通路内圧力が変動し、改質ガスを安定して供給することができなくなってしまう。

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、ＥＧＲ装置の作動状態の影響を受けることなく改質ガスを安定して供給できるようにした改質ガス利用内燃機関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、炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置を有し、前記改質ガスを内燃機関の吸気通路に供給する改質ガス利用内燃機関において、
ＥＧＲガスを前記吸気通路に供給するＥＧＲ装置を備え、
前記ＥＧＲガスの供給口は前記吸気通路におけるスロットルの下流に設けられ、前記改質ガスの供給口は前記吸気通路における前記スロットルの上流に設けられていることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、前記内燃機関の排気通路における触媒の上流に接続された改質ガス放出口と、
前記改質ガスの供給先を前記改質ガス供給口と前記改質ガス放出口とで切替え可能な切替弁と、
前記スロットルが閉じたときには前記改質ガスの供給先を前記改質ガス供給口から前記改質ガス放出口に切替えるよう前記切替弁を動作させる切替弁制御手段と、
をさらに備えることを特徴としている。

第３の発明は、第１の発明において、前記内燃機関の排気通路における触媒の上流に接続された改質ガス放出口と、
前記改質ガスの供給先を前記改質ガス供給口と前記改質ガス放出口とで切替え可能な切替弁と、
燃料供給のカットが要求されたときには前記改質ガスの供給先を前記改質ガス供給口から前記改質ガス放出口に切替えるよう前記切替弁を動作させる切替弁制御手段と、
をさらに備えることを特徴としている。

第１の発明によれば、改質ガスの供給口が設けられるスロットルの上流には、スロットルの下流で生じる圧力変化の影響は及ばないので、ＥＧＲ装置の動作状況の影響を受けることなく改質ガスの供給流量を安定させることができる。

第２の発明によれば、スロットルの閉弁動作に改質ガスの供給停止動作が遅れたとしても、その間に供給される改質ガスは吸気通路ではなく排気通路における触媒の上流に放出され、触媒によって浄化処理される。これにより、改質ガスが吸気通路から大気中へ逆流することは防止される。また、第２の発明によれば、スロットルの閉弁時にも、燃料改質装置を停止させることなくそのまま運転を続行させることもできる。

第３の発明によれば、燃料供給のカットの要求に改質ガスの供給停止動作が遅れたとしても、その間に供給される改質ガスは吸気通路ではなく排気通路に供給される。これにより、燃料供給のカットが要求されているにもかかわらず、筒内に流入した改質ガスの燃焼によってトルクが生じてしまうことは防止される。また、第３の発明によれば、燃料供給のカットが要求されている間も、燃料改質装置を停止させることなくそのまま運転を続行させることができる。

以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態としての改質ガス利用内燃機関のシステム構成を示す図である。本実施形態の改質ガス利用内燃機関に備えられる内燃機関本体２は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、図示していないが複数の気筒を有している。各気筒の燃焼室１２には吸気通路４と排気通路６が接続されている。燃焼室１２と吸気通路４との接続部にはその連通状態を制御する吸気バルブ８が設けられ、燃焼室１２と排気通路６との接続部にはその連通状態を制御する排気バルブ１０が設けられている。燃焼室１２の頂部には点火プラグ１４が取り付けられている。

吸気通路４の上流端にはエアクリーナ２２が設けられ、空気はエアクリーナ２２を介して吸気通路４内に取り込まれる。吸気通路４の途中にはサージタンク４ａが形成されている。吸気通路４におけるサージタンク４ａの上流には、吸入空気量を調整するためのスロットル１８が配置されている。また、サージタンク４ａの下流側には、各気筒に吸入空気を分配するためのマニホールド４ｂが形成されている。マニホールド４ｂには、燃焼室１２に燃料（ガソリン等の炭化水素系燃料）を供給するための主燃料インジェクタ１６が気筒毎に取り付けられている。

排気通路６には触媒２０が配置されている。燃焼室１６から排出された排気ガスは触媒２０を通過する際に浄化されてから大気中に排出される。また、排気通路６には、排気通路６から排気ガス（ＥＧＲガス）を分流するためのＥＧＲ通路３０が接続されている。ＥＧＲ通路３０の他方の端部は吸気通路４におけるスロットル１８の下流に接続されている。つまり、吸気通路４におけるスロットル１８の下流にＥＧＲガスの供給口３６が設けられている。ＥＧＲガスはＥＧＲガス供給口３６から吸気通路４内に供給される。このＥＧＲガスの供給量（ＥＧＲ量）は、ＥＧＲ通路３０に設けられたＥＧＲバルブ３２の開度によって調整される。ＥＧＲ通路３０におけるＥＧＲバルブ３２の上流側（排気通路側）には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ３４が設けられている。これらＥＧＲ通路３０、ＥＧＲバルブ３２及びＥＧＲクーラ３４によってＥＧＲ装置が構成されている。

また、本実施形態の改質ガス利用内燃機関は、車上で改質ガスを生成するための燃料改質装置４０を有している。燃料改質装置４０は、内部に改質触媒が配置される改質部４２を備えている。改質触媒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、炭化水素系燃料の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。この改質部４２には、予混合部４６と冷却部４４とが付設されている。

予混合部４６には、改質用燃料を供給するための改質燃料インジェクタ４８が取り付けられ、また、空気通路６０が接続されている。改質燃料インジェクタ４８は、各気筒に設けられる主燃料インジェクタ１６が接続されているのと同じ燃料タンク７６に接続されている。燃料ポンプ７８によって燃料タンク７６から吸い上げられた燃料は、各気筒の主燃料インジェクタ１６と、燃料改質装置４０の改質燃料インジェクタ４８とに分配されるようになっている。なお、改質燃料インジェクタ４８に分配される燃料は、全体の一部、例えば２０％程度である。空気通路６０にはエアポンプ５０が取り付けられており、エアポンプ５０によって取り込まれた改質用空気が空気通路６０を通って予混合部４６に供給される。こうして予混合部４６に供給された燃料と空気は、予混合部４６内で均一に混合して混合気となり、この混合気が改質部４２へ供給される。

また、予混合部４６には、点火装置６６が取り付けられている。燃料改質装置４０の冷間起動時には、点火装置６６によって予混合部４６内の混合気に点火し、混合気を燃焼させる。混合気の燃焼により得られる燃焼ガスが改質部４２内に供給されることで、改質触媒の温度は改質反応が可能な温度まで上昇する。

冷却部４４には空気通路６２が接続されている。空気通路６２にはエアポンプ５８が取り付けられており、エアポンプ５８によって取り込まれた空気が空気通路６２を通って冷却部４４に供給される。改質部４２で起こる部分酸化反応は発熱反応であり、反応が進むにつれて改質触媒の温度は上昇する。改質触媒の温度には、改質ガスの生成効率が最大となる適正温度が存在しており、適正温度より触媒温度が高すぎると改質ガスの生成効率は低下する。また、触媒温度が高すぎると、改質触媒が劣化してしまうおそれもある。燃料改質装置４０では、冷却部４４を流れる空気によって改質部４２を冷却し、冷却部４４を通過する空気流量を制御することで、触媒温度が適正温度になるよう改質触媒の温度管理が行われている。

改質ガス通路６４には、改質ガスの流量を調整するための流量制御弁５４が設けられている。また、改質ガス通路６４は空気通路６０と交差しており、その交差部には熱交換器５２が配置されている。この熱交換器５２内での熱交換によって、改質ガスの冷却と改質用空気の昇温とが同時に行われる。

改質ガス通路６４は三方弁（切替弁）５６の入口に接続されている。三方弁５６は１つの入口と２つの出口を有しており、入口に供給される改質ガスの流出先を２つの出口の何れか一方に選択的に切替えることができる。三方弁５６の一方の出口には改質ガス供給通路６８が接続され、もう一方の出口には改質ガス放出通路７２が接続されている。改質ガス供給通路６８の他方の端部は吸気通路４におけるスロットル１８の上流に接続されている。つまり、本実施形態の改質ガス利用内燃機関では、吸気通路４におけるスロットル１８の上流に改質ガスの供給口７０が設けられ、スロットル１８の上流に改質ガスを供給できるようになっている。一方、改質ガス放出通路７２の他方の端部はＥＧＲ通路３０におけるＥＧＲバルブ３２の上流（排気通路側）に接続されている。つまり、ＥＧＲ通路３０におけるＥＧＲバルブ３２の上流に改質ガスの放出口７４が設けられ、ＥＧＲ通路３０内に改質ガスを放出できるようにもなっている。

また、本実施形態の改質ガス利用内燃機関は、システム全体の運転を制御する制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）８０を備えている。ＥＣＵ８０は、システム内に配置された複数のセンサからの検出情報に基づき、システムの作動に係わる各種機器、例えば、主燃料インジェクタ１６，点火プラグ１４，スロットル１８，ＥＧＲ弁３２、燃料改質装置４０等を総合的に制御している。燃料改質装置４０に関しては、ＥＣＵ８０は、改質燃料インジェクタ４８，点火装置６６，エアポンプ５０，５８，流量制御弁５４及び三方弁５６の制御を行っている。特に、三方弁５６に関しては、ＥＣＵ８０は、スロットル１８の開閉状態や燃料カットの要求の有無と連動させてその切替制御を行っている。

図２は、ＥＣＵ８０により実行される三方弁５６の切替制御のルーチンについて示すフローチャートである。本ルーチンでは、スロットル１８の開閉状態に連動させて三方弁５６の切替が行われる。また、本ルーチンは、一定のクランク角毎に周期的に実行される。

図２に示すルーチンの最初のステップ１００では、スロットル１８が全閉か否か判定される。スロットル１８の開度は、スロットル１８に付設されるスロットル開度センサ（図示略）で検出することができる。スロットル１８が開かれている場合には、ステップ１０２，１０４の処理が実施され、スロットル１８が全閉の場合には、ステップ１０６，１０８の処理が実施される。

先ず、スロットル１８が開いているとき、つまり、燃焼室１２内に吸入空気が供給されている状態では、三方弁５６は改質ガスを改質ガス供給通路６８に流すように切替えられる（ステップ１０２）。つまり、三方弁５６の２つの出口のうち、改質ガス放出通路７２に接続されるエンジン排気系側出口は閉じられ、改質ガス供給通路６８に接続される吸気系側出口が開かれる。これにより、改質ガス供給口７０から吸気通路４へ改質ガスが供給される。また、このとき、ＥＧＲ弁３２は内燃機関の運転状態により決まる開度に制御され、ＥＧＲガス供給口３６から吸気通路４へ内燃機関の運転状態に応じた量のＥＧＲガスが供給される（ステップ１０４）。

上記のように、スロットル１８の開弁時には、吸気通路４には改質ガスとＥＧＲガスがともに供給される。しかし、本実施形態の改質ガス利用内燃機関では、ＥＧＲガスは吸気通路４におけるスロットル１８の下流に供給されるのに対し、改質ガスは吸気通路４におけるスロットル１８の上流に供給されるようになっている。ＥＧＲガスの供給に応じてスロットル１８の下流の圧力は変化するものの、改質ガスが供給されるスロットル１８の上流には下流の圧力変化の影響は及ばない。したがって、本実施形態の改質ガス利用内燃機関によれば、安定した流量で改質ガスを吸気通路４に供給することができる。

一方、スロットル１８が閉じているとき、つまり、燃焼室１２内に吸入空気が供給されていない状態では、まず、ＥＧＲ弁３２が全閉状態に制御される（ステップ１０６）。これにより、排気通路６と吸気通路４との連通は遮断されることになる。次に、改質ガスを改質ガス放出通路７２に流すように三方弁５６の切替えが行われる（ステップ１０８）。つまり、三方弁５６の２つの出口のうち、改質ガス供給通路６８に接続される吸気系側出口は閉じられ、改質ガス放出通路７２に接続されるエンジン排気系側出口が開かれる。これにより、燃料改質装置４０により生成される改質ガスは、改質ガス放出口７４からＥＧＲ通路３０内に放出されることになる。

スロットル１８の閉弁時には、スロットル１８の閉弁に連動して改質燃料インジェクタ４８の燃料噴射も停止する。しかし、改質燃料インジェクタ４８の燃料噴射の停止後、改質部４２での改質ガスの生成が停止するまでにはタイムラグがある。したがって、三方弁５６が改質ガス供給通路６８に接続されていると、スロットル１８の閉弁後も吸気通路４内に改質ガスが流れ込むことになる。この場合、従来のようにスロットル１８の下流に改質ガスの供給口が設けられているならば、供給された改質ガスは燃焼室１２内で燃焼処理されることになる。ところが、本実施形態のようにスロットル１８の上流に改質ガス供給口７０が設けられている場合には、供給された改質ガスはスロットル１８の閉弁によって行き場を失い、吸気通路４を逆流して大気中に放出されてしまうことになる。

この点に関し、本実施形態の改質ガス利用内燃機関によれば、上記のように、スロットル１８の閉弁時には、閉じられたＥＧＲ弁３２の上流（排気通路側）に改質ガスが放出される。したがって、スロットル１８の閉弁動作に改質ガスの供給停止動作が遅れたとしても、その間に供給される改質ガスは吸気通路４ではなくＥＧＲ通路３０に放出され、その後、排気通路６に流れて触媒２０によって浄化処理される。これにより、改質ガスが吸気通路４から大気中へ逆流することは防止される。

次に、燃料カットの要求の有無に連動させた三方弁５６の切替制御について説明する。図３は、ＥＣＵ８０により実行される三方弁５６の切替制御のルーチンについて示すフローチャートである。図３に示すルーチンにおいて、図２に示すルーチン中の処理と同内容の処理については同一のステップ番号を付している。また、本ルーチンも、一定のクランク角毎に周期的に実行される。

図３に示すルーチンの最初のステップ２００では、燃料カットの要求の有無が判定される。燃料カットの要求がない場合には、ステップ１０２，１０４の処理が実施され、燃料カットの要求がある場合には、ステップ１０６，１０８の処理が実施される。各ステップ１０２，１０４，１０６，１０８での処理の内容は、図２に示すルーチン内の同番号の処理と同内容であるので、その説明は省略する。

燃料カット時には、主燃料インジェクタ１６の燃料噴射の停止に連動して、燃料改質装置４０の改質燃料インジェクタ４８の燃料噴射も停止する。しかし、改質燃料インジェクタ４８の燃料噴射の停止後、改質部４２での改質ガスの生成が停止するまでにはタイムラグがある。このため、三方弁５６が改質ガス供給通路６８に接続されていると、燃料カットが要求されているにもかかわらず吸気通路４内に改質ガスが流れ込むことになる。内燃機関の制御方法によっては、燃料カット時も点火プラグ１４による点火が行われている場合がある。このような場合、燃焼室１２内に改質ガスが流入すると、改質ガスの燃焼によって要求されていないトルクが発生してしまうことになる。

この点に関し、本実施形態の改質ガス利用内燃機関によれば、燃料カットの要求があった場合、ＥＧＲ弁３２が全閉状態に制御されるとともに、三方弁５６の２つの出口のうち、改質ガス供給通路６８に接続される吸気系側出口は閉じられ、改質ガス放出通路７２に接続されるエンジン排気系側出口が開かれる。したがって、燃料供給のカットの要求に改質ガスの供給停止動作が遅れたとしても、その間に供給される改質ガスは吸気通路４ではなくＥＧＲ通路３０に放出され、その後、排気通路６に流れて触媒２０によって浄化処理される。これにより、燃料供給のカットが要求されているにもかかわらず、燃焼室１２内に流入した改質ガスの燃焼によってトルクが生じてしまうことは防止される。

なお、上記実施の形態においては、ＥＣＵ８０によって図２に示すルーチンが実行されることにより、第２の発明の「切替弁制御手段」が実現されている。また、ＥＣＵ８０によって図３に示すルーチンが実行されることにより、第３の発明の「切替弁制御手段」が実現されている。

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、次のように変形して実施してもよい。

上記実施の形態では、スロットル１８の閉弁や燃料カットの要求に連動して、燃料改質装置４０を停止させるように説明しているが、燃料改質装置４０を停止させることなくそのまま運転を続行させるようにしてもよい。上記のように三方弁５６の切替が行われることで、燃料改質装置４０の運転を続行したとしても弊害が生じることはない。また、運転を続行することで、スロットル１８の開弁時や燃料カットの解除時、改質ガスの供給を直ちに再開することができる。

上記実施の形態にかかる内燃機関は、サージタンク４ａの上流にスロットル１８を備えているが、本発明は、気筒毎にマニホールド４ｂにスロットル（吸気制御弁）を備える内燃機関にも適用することができる。この場合も、スロットルの下流にＥＧＲガスの供給口を設け、スロットルの上流に改質ガスの供給口を設ければよい。

また、上記実施の形態にかかる内燃機関は、ＥＧＲ通路３０に改質ガスの放出口７２を備えているが、排気通路６における触媒２０の上流に改質ガスを放出できるようになっていればよい。したがって、直接、排気通路６に改質ガス放出通路７２を接続し、排気通路６に改質ガスの放出口を設けるようにしてもよい。

上記実施の形態にかかる燃料改質装置４０では、炭化水素系燃料を部分酸化反応させることで改質ガスを得ているが、炭化水素系燃料を水蒸気改質することで改質ガスを得るようにしてもよい。或いは、炭化水素系燃料、空気及び水蒸気を触媒に供給し、部分酸化反応と水蒸気改質反応をともに生じさせて改質ガスを得るようにしてもよい。

本発明の実施の形態としての改質ガス利用内燃機関のシステム構成を示す図である。 本発明の実施の形態において実行される三方弁の切替制御のルーチンについて示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において実行される三方弁の切替制御のルーチンについて示すフローチャートである。

符号の説明

２ 内燃機関本体
４ 吸気通路
４ａ サージタンク
４ｂ マニホールド
６ 排気通路
８ 吸気バルブ
１０ 排気バルブ
１２ 燃焼室
１４ 点火プラグ
１６ 主燃料インジェクタ
１８ スロットル
２０ 触媒
２２ エアクリーナ
３０ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲ弁
３４ ＥＧＲクーラ
３６ ＥＧＲガス供給口
４０ 燃料改質装置
４２ 改質部
４４ 冷却部
４６ 予混合部
４８ 改質燃料インジェクタ
５０，５８ エアポンプ
５２ 熱交換器
５４ 流量制御弁
５６ 三方弁
６０，６２ 空気通路
６４ 改質ガス通路
６６ 点火装置
６８ 改質ガス供給通路
７０ 改質ガス供給口
７２ 改質ガス放出通路
７４ 改質ガス放出口
７６ 燃料タンク
７８ 燃料ポンプ
８０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置を有し、前記改質ガスを内燃機関の吸気通路に供給する改質ガス利用内燃機関において、
   ＥＧＲガスを前記吸気通路に供給するＥＧＲ装置を備え、
   前記ＥＧＲガスの供給口は前記吸気通路におけるスロットルの下流に設けられ、前記改質ガスの供給口は前記吸気通路における前記スロットルの上流に設けられていることを特徴とする改質ガス利用内燃機関。
2. 前記内燃機関の排気通路における触媒の上流に接続された改質ガス放出口と、
   前記改質ガスの供給先を前記改質ガス供給口と前記改質ガス放出口とで切替え可能な切替弁と、
   前記スロットルが閉じたときには前記改質ガスの供給先を前記改質ガス供給口から前記改質ガス放出口に切替えるよう前記切替弁を動作させる切替弁制御手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の改質ガス利用内燃機関。
3. 前記内燃機関の排気通路における触媒の上流に接続された改質ガス放出口と、
   前記改質ガスの供給先を前記改質ガス供給口と前記改質ガス放出口とで切替え可能な切替弁と、
   燃料供給のカットが要求されたときには前記改質ガスの供給先を前記改質ガス供給口から前記改質ガス放出口に切替えるよう前記切替弁を動作させる切替弁制御手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の改質ガス利用内燃機関。

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