JP2007192062A

JP2007192062A - 内燃機関

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Publication number: JP2007192062A
Application number: JP2006009212A
Authority: JP
Inventors: Susumu Nagano; 進長野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-01-17
Also published as: JP4631713B2

Abstract

【課題】改質燃料を用いる内燃機関において、改質された燃料の水素の含有量を増加させる。また、燃料の燃焼を伴わずに改質燃料の生成反応を行わせる。
【解決手段】燃焼室１４周囲のシリンダブロック２６内に形成された加熱蒸発部３６に炭化水素系燃料と水を含む原料液を供給し、燃焼室の熱で原料液を蒸発させる。蒸発した燃料を、排気流路近傍に設けられた改質部５０に導き、ここで改質反応させて改質燃料を得る。改質燃料は、原料液の蒸発による膨脹により、噴出ノズル６０より吸気ポート２０より噴出される。炭化水素系燃料と水を反応させて改質燃料を得ているため、窒素の含有量が抑えられる。また、排気熱により反応が進行するので、改質のために燃料を燃焼させる必要がない。
【選択図】図２

Description

本発明は、改質燃料を用いる内燃機関に関する。

炭化水素系の燃料を改質して、水素や一酸化炭素などの気体を含む改質燃料を生成する改質器を備えた内燃機関が知られている。燃料に水素を含有することで、内燃機関の着火性が高まり、また燃焼速度を速くすることができる。これにより、希薄燃焼が可能となり、ポンピング損失の低減や、排気再循環時の燃焼の安定性の向上を図ることができる。このような、改質燃料を用いる内燃機関が下記特許文献１に記載されている。この内燃機関は、空気と燃料を混合し、燃料の一部を燃焼させ、これにより発生した熱により燃料の改質を行う自己加熱式の機関である。

特開２００５−１４６８９４号公報

自己加熱式は、空気と燃料を混合して燃焼させるため、生成された改質燃料中に空気中の窒素が含まれ、その分水素の割合が減る。また、供給された燃料の一部を燃焼させており、この分燃料消費量が多くなる。さらに、空気を供給するためのコンプレッサが必要となり、装置が大形化するなどの問題があった。

本発明は、水素濃度の高い改質燃料を生成でき、簡易な構成の改質燃料を用いる内燃機関を提供する。

本発明の改質燃料を用いる内燃機関は、当該内燃機関本体の周囲に加熱・蒸発部を、また排気流路近傍に改質部を有している。蒸発した原料は、排気により加熱されている改質部に向かい、ここで原料の改質が行われ改質燃料が生成される。生成された改質燃料は、噴出ノズルから吸気流路または気筒内に噴出する。

排気熱を利用して原料の改質を行って、原料を燃焼させないようにしているので、空気を供給する必要がなく、水素の割合を高めることができる。

また、本発明の改質燃料を用いる他の内燃機関は、燃焼室周囲のシリンダブロックまたはシリンダヘッド内に加熱・蒸発部を、また排気流路近傍に改質部を有している。改質燃料の液体の原料が、加熱・蒸発部に送られ、燃焼室の熱により加熱され、蒸発する。蒸発し、膨張した原料は、排気により加熱されている改質部に向かい、ここで原料の改質が行われ改質燃料が生成される。生成された改質燃料は、噴出ノズルから吸気流路または気筒内に噴出する。

燃焼室周囲の熱により原料を蒸発させ、また排気の熱で原料の改質を行うことにより、原料を燃焼させずに、改質燃料を得ることができる。また、原料を燃焼させないので、空気を供給する必要がなく、水素の割合を高めることができる。さらに、加熱蒸発部における原料の蒸発により燃焼室周囲が冷却され、ラジエタの容量の減少に有利であり、またノッキング防止にも有利となる。

また、本発明の内燃機関は多気筒機関とすることができ、この場合、加熱蒸発部、改質部および噴射ノズルは、気筒ごとに設けられる。そして、圧縮行程または膨張行程にある第１の気筒の加熱蒸発部で蒸発した原料は、第１の気筒の次の点火順序の第２の気筒の改質部に向かい、ここで改質されて、噴出ノズルより第２の気筒に対して噴出する。

また、本発明の内燃機関は４気筒とすることができる。原料は、第１の気筒の爆発上死点付近で、この気筒の加熱蒸発部に供給され、蒸発した原料は、次の爆発気筒である第２の気筒の改質部に向かい、ここで改質される。その後、噴出ノズルより第２の気筒に対して噴出する。

さらに、排気の熱を蓄えて改質触媒部を保温する蓄熱部を、複数気筒で一体に設けることができる。蓄熱部に複数気筒からの排気の熱が順次供給されるため、温度を安定させることができる。

さらに、生成された改質燃料の一部を蓄える改質燃料タンクと、必要に応じて、このタンクから、改質燃料を吸気流路または気筒内に噴射する噴射弁とを設けることができる。

タンクに蓄えられた改質燃料は、当該内燃機関の始動時に噴射供給される。冷間時に、すでに生成されている改質燃料を用いることができ、着火性が向上する。

改質燃料の原料は、ガソリン等の有機化合物系液体燃料と水とすることができる。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係る内燃機関１０のシリンダヘッド１２およびその周辺の概略構成を示す図であり、図２は、内燃機関１０の一つの気筒の燃焼室１４およびその周辺の概略構成を示す図である。内燃機関１０は、４気筒４工程サイクル機関である。４個の気筒は、図１中左側より、１番気筒１６-1、２番気筒１６-2、３番気筒１６-3、４番気筒１６-4と記すが、各気筒について特に区別して説明する必要のない場合には、単に気筒１６と記す。シリンダヘッド１２には、吸気マニホルド１８が取り付けられており、このマニホルドのそれぞれの分岐はシリンダヘッド内の吸気ポート２０を介して燃焼室１４に繋がっている。これらの吸気マニホルド１８および吸気ポート２０が燃焼室１４に吸気を供給する吸気流路となる。また、シリンダヘッド１２には、排気マニホルド２２が取り付けられており、このマニホルドのそれぞれの分岐はシリンダヘッド内の排気ポート２４を介して燃焼室１４に繋がっている。

図２に示すように、燃焼室１４は、シリンダヘッド１２とシリンダブロック２６、およびこのシリンダブロック内を往復運動するピストン２８により囲まれた空間である。吸気ポート２０に燃焼室１４に向いた開口には吸気弁３０が設けられ、不図示の駆動機構により所定のタイミングで開閉制御される。排気ポート２４の燃焼室１４に向いた開口には排気弁３２が設けられ、不図示の駆動機構により所定のタイミングで開閉制御される。また、シリンダヘッド１２の燃焼室１４のほぼ中央の位置には、点火プラグ３４が配置されている。以上の構成は、基本的に従来の４工程サイクル、４気筒内燃機関の構成とほぼ同一である。

内燃機関１０は、改質燃料を得るための構成が設けられている。シリンダブロック２６の燃焼室１４の周囲の部分には、加熱蒸発部３６が設けられている。加熱蒸発部３６は、内面が燃焼室１４に対面し、燃焼室内の熱を伝達する伝熱体３８と、この伝熱体３８の、燃焼室に対して反対側に位置する断熱体４０とを含む。伝熱体３８と断熱体４０により囲まれた空間が形成されており、この空間が原料液が加熱され、蒸発する加熱蒸発室４２である。好適には、伝熱体３８は筒形状を有し、その筒内壁面が燃焼室１４に対向し、外壁面が加熱蒸発室４２に対向する。断熱体４０は、図２に示すように略コの字形状の断面を有する環形状を有し、コの字の内側部分となる加熱蒸発室４２を囲み、これを高温に維持している。断熱体４０は、真空断熱層として構成することができる。さらに、伝熱体３８に、この伝熱体から加熱蒸発室４２内に延びる一つまたは複数のフィンまたは突起を設けることができる。

加熱蒸発室４２に原料液を噴射する原料噴射弁４４が設けられている。図１に示すように各原料噴射弁４４には、原料供給管４６が接続されており、加圧された原料が供給され、原料噴射弁４４が所定のタイミングで開放して燃料液を噴射する。原料液は、ガソリンや軽油などの炭化水素系燃料やメタノール、エタノールなどのアルコール類やエーテル類等の液体燃料と水の混合液とすることができる。

加熱蒸発室４２で蒸発した原料は、連通導管４８を通って改質部５０に向かう。連通導管４８は、ある気筒１６の加熱蒸発部３６と、この気筒１６の次の点火順序の改質部５０を連通している。一般的な４気筒４工程機関の場合、点火順序は１番気筒−３番気筒−４番気筒−２番気筒であるから、連通導管４８は、例えば１番気筒１6-1の加熱蒸発部３６と３気筒１６-3の改質部５０を連通している。

改質部５０は、排気ポート２４の近傍に設けられ、排気熱により加熱される改質触媒室５２と、これを囲う蓄熱体５４、さらにこれを囲う断熱体５６を含む。改質触媒室５２には、触媒を担持したセラミックやステンレス製の担体が配置され、連通導管４８を通ってきた原料が触媒により改質反応を生じ、改質燃料となる。蓄熱体５４および断熱体５６は、改質触媒室５２の温度を常に高温に保つために設けられている。断熱体５６は、真空断熱層として構成することができる。

本実施形態においては、蓄熱体５４は、各気筒ごとに設けられるが、図１の一点鎖線５５で示すように各気筒間を横断するように一体に設けることもできる。これにより、他の気筒の排気の熱を蓄えることができ、改質部の温度の変動を小さくすることができる。この場合、断熱体も一体となった蓄熱体を囲うように設けられる。

改質触媒室５２からは、噴出導管５８が、この改質部５０が設けられたのと同じ気筒の吸気ポート２０内に延び噴出ノズル６０に繋がっている。改質部５０には、さらに直接原料液を供給する追加原料噴射弁６２が設けられている。高負荷時、触媒の温度が高温のときなど、所定の条件の下に、追加的に原料液を噴射する。

図１に示すように、４本の連通導管４８は、それぞれにその形状が異なっている。すなわち、１番気筒１６-1から３番気筒１６-3に向かう連通導管４８-1と、４番気筒１６-4から２番気筒１６-2に向かう連通導管４８-4は長く伸びた形状であり、３番気筒１６-3から４番気筒１６-4に向かう連通導管４８-3と、２番気筒１６-2から１番気筒１６-1に向かう連通導管４８-2は、曲げられて縮められた形状である。しかし、各連通導管４８の管径および長さは等しくなっている。これは、加熱蒸発部３６で蒸発した原料が改質部５０に達する時間を等しくするためである。同様に、噴出導管５８についても、管径および長さが等しくなっている。

図３は、蒸発した原料の流れを模式的に示した図である。１番気筒１６-1の加熱蒸発部３６で蒸発した原料は３番気筒１６-3へ、３番気筒１６-3からは４番気筒１６-4へ、４番気筒１６-4からは２番気筒１６-2へ、２番気筒１６-2からは１番気筒１６-1へ向かう。

図４は、各気筒ごとの動作を時系列で示した図である。上から１番、３番、４番、２番と点火順序に並べられている。実線Ａは、燃焼室１４内の圧力を示している。破線で示す期間Ｂは吸気弁３０が開放している期間、一点鎖線で示す期間Ｃは排気弁３２が開放している期間である。さらに、期間Ｄが原料噴射弁４４から加熱蒸発部３６への原料液の噴射期間、期間Ｅが吸気ポートへの改質燃料の噴出期間である。期間Ｆは、燃焼期間である。

ある気筒の燃焼期間Ｆにおいて、その気筒対し原料液が噴射され、この原料液の噴射によって、点火順序において次の気筒に対し改質燃料が噴出される。

原料液を加熱蒸発部３６に噴射するタイミングは、前述のように、その気筒の燃焼期間内とすることができる。原料液の蒸発に必要な熱量は、炭化水素系燃料と水とを合算して燃料の低位発熱量の５〜２０％程度である。内燃機関の冷却損失は、通常、燃料の低位発熱量の１０〜４０％程度であり、原料液の蒸発させるのに十分に足りる。気化潜熱を用いた冷却を利用することにより、冷却効率が高くなり、シリンダ内壁面の温度を１００〜２００℃に維持することができ、機関の運転に好適である。また、液体の原料を噴射することにより、噴射量、噴射タイミングなどを精度良く制御することを可能としている。

加熱蒸発部３６における蒸発により、原料の体積は増大する。蒸発した原料は、この膨脹により改質部５０に向かう。また、この膨脹により、改質部５０内の改質燃料が、噴出ノズル６０に向けて押し出される。今回のサイクルで改質部５０内に達した原料は、改質部５０内に残り、次のサイクルまでの期間で改質反応が進行する。炭化水素系燃料を水蒸気改質で水素含有ガスに改質するための滞在時間は、２００〜９００℃で、数〜数十ミリ秒程度である。４工程サイクル機関の場合、３０００ｒｐｍでは、１サイクルが４０ミリ秒であり反応時間は十分にある。６０００ｒｐｍでは、１サイクルが２０ミリ秒と短くなるが、高負荷時であるため、排気ガスがより高温になり、触媒の温度も高くなるため、改質反応は十分に進行する。なお、２工程サイクル機関では、１サイクルは、４工程サイクル機関に比べて半分の時間になるが、排気損失が高いこと、未燃ガスも多くなるため、改質反応部での排気熱との熱交換および未燃ガス燃焼熱の増加により改質反応熱は十分に供給される。前述のように、この内燃機関１０においては、原料噴射弁４４により噴射された原料液の量およびタイミングにより、吸気ポート２０内への改質燃料の噴出量およびタイミングが決定する。さらに、多くの燃料を噴出する必要がある場合には、噴出タイミングに合わせて、追加原料噴射弁６２より燃料を噴射する。

図５は、本発明の他の実施形態に係る内燃機関７０の概略構成を示す図である。前述の内燃機関１０と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。内燃機関７０は、生成した改質燃料を一旦蓄える改質燃料タンク７２を含む。改質燃料タンク７２には、噴出導管５８から分岐する分岐導管７４を介して改質燃料が送られる。分岐導管７４には、制御弁７６が設けられ、分岐導管７４の導通状態が制御される。分岐導管７４および制御弁７６は、各気筒ごとに設けられている。改質燃料タンク７２に蓄えられた改質燃料は、噴射弁７８により、吸気マニホルド１８内に噴射される。この実施形態においては、噴射弁７８は、吸気マニホルド１８が分岐する手前に一つ設けられている。しかし、マニホルド分岐後、または吸気ポート２０に、気筒ごとに設けることもできる。

改質燃料をタンクに蓄えるための制御を行う制御部８０が設けられている。この制御部８０には、改質燃料タンク７２内の圧力を検知する圧力センサ８２からの信号、加熱蒸発部３６および改質部５０の温度を示す信号、さらには機関回転速度、車両速度など、車両の走行に係る情報を示す信号、アクセルペダルの操作量など運転者の意図を示す信号などが入力される。これらの信号に基づき、制御部８０は、原料噴射弁４４、制御弁７６、噴射弁７８の制御を行う。

制御部８０は、例えば、高負荷運転の後、低負荷または無負荷運転となったときに、車両の駆動および内燃機関の回転維持に必要な量以上の原料液を噴射するよう原料噴射弁４４を制御する。高負荷運転後であるため、加熱蒸発部３６および改質部５０の温度が高くなっており、これを利用して、改質燃料を過剰に発生させ、余剰分を蓄えるように制御する。このとき、制御弁７６が適切なタイミングで制御され、余剰分の改質燃料が改質燃料タンク７２に導かれる。特に、アクセルペダルを戻し、エンジンブレーキがかかった状態のときに、原料を噴射して、発生した改質燃料の余剰分を蓄えるようにすると、減速後の加速に有効に利用することができる。また、加熱蒸発部３６等が高温であるときに、より多くの燃料を蒸発させることで、燃焼室周囲の冷却も同時に行われる。なお、改質燃料タンク７２内の圧力が所定圧力に達した後は、改質燃料を蓄えるための制御を止める。

内燃機関の温度が低いときや、加速するために、蓄えていた改質燃料を噴射弁７８より供給し、一方で、原料噴射弁４４からの供給量を少なくするか、またはなくすことができる。これにより、未燃炭化水素や一酸化炭素、窒素酸化物などの有害成分を大幅に低下させることができる。特に、冷間始動時においては、着火性のよい改質燃料を用いることにより、排気中の有害成分を大幅に削減できる。また、アイドリングストップを行う車両においても、再始動時の始動性が良好となる。

改質燃料タンク７２には、改質燃料中に含まれる常温において凝縮する成分を排出する排出弁が設けられている。機関が停止した後、冷えると、水などが凝縮しタンク７２外に排出される。これにより、改質燃料タンク７２内の改質燃料の凝縮成分の含有量は少なくなり、次回の始動時において、この凝縮成分がほとんど含まれない燃料を供給することができる。

以上においては、４気筒の内燃機関について説明したが、他の気筒数の内燃機関にも適用することができる。他の気筒数の機関に適用する場合、原料噴射弁４４からの噴射タイミングは、この原料液の噴射により改質燃料が供給される気筒の吸気のタイミングと同調するように設定する。また、加熱蒸発部３６をシリンダブロック内に設ける例について説明したが、シリンダヘッド内に設けることもでき、またシリンダブロック等の内部ではなく、ブロック等の機関本体の周囲に設けることもできる。

本実施形態においては、改質燃料の生成に空気を用いておらず、改質燃料内に、空気中の窒素が含まれることを抑制することができる。これにより、相対的に水素の含有量が増加する。また、空気を圧縮するコンプレッサが不要である。また、原料の一部を燃焼させて改質のエネルギを得るものではないため、燃料の消費率を向上させることができる。また、タンクに生成した改質燃料を蓄えておき、始動時等にこれを使用することにより、始動性の向上、始動時の排気中の有害成分の減少を図ることができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関１０の概略構成を示す図である。燃焼室周囲の詳細な構成を示す図である。蒸発した原料が供給される先を示す図である。改質燃料の生成および噴出に係る動作に関するタイムチャートである。本発明の他の実施形態に係る内燃機関７０の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０，７０内燃機関、１２シリンダヘッド、１４燃焼室、１６気筒、１８吸気マニホルド、２０吸気ポート、２２排気マニホルド、２４排気ポート、２６シリンダブロック、３６加熱蒸発部、３８伝熱体、４０断熱体、４２加熱蒸発室、４４原料噴射弁、５０改質部、５２改質触媒部、５４蓄熱体、５６断熱体、５８噴出導管、６０噴出ノズル、７２改質燃料タンク、７８噴射弁。

Claims

改質燃料を用いる内燃機関であって、
内燃機関本体の周囲に設けられ、液体の原料を加熱蒸発させる加熱蒸発部と、
排気流路近傍に設けられ、排気により加熱された改質部であって、蒸発した原料を改質して改質燃料を生成する改質部と、
改質燃料を吸気流路または気筒内に噴出する噴出ノズルと、
を有する内燃機関。
改質燃料を用いる内燃機関であって、
燃焼室周囲のシリンダブロックまたはシリンダヘッド内に形成され、燃焼室の熱により液体の原料を加熱、蒸発させる加熱蒸発部と、
排気流路近傍に設けられ、排気により加熱された改質部であって、蒸発した原料を改質して改質燃料を生成する改質部と、
改質燃料を吸気流路または気筒内に噴出する噴出ノズルと、
を有する内燃機関。
請求項１または２に記載の内燃機関であって、
当該内燃機関は多気筒機関であって、加熱蒸発部、改質部および噴出ノズルは、気筒ごとに設けられ、
圧縮行程または膨張行程にある第１の気筒の加熱蒸発部で蒸発した原料が、吸気行程中にある第２の気筒の改質部に向かい、噴出ノズルにより第２の気筒に対して噴出する、
内燃機関。
請求項１または２に記載の内燃機関であって、
当該内燃機関は４行程サイクルの４気筒機関であって、原料は、第１の気筒の爆発上死点付近で、この気筒の加熱蒸発部に供給され、蒸発した原料は、第１の気筒の次の点火順序の第２の気筒の改質部に向かい、噴出ノズルにより第２の気筒に対して噴出する、
内燃機関。
請求項３または４に記載の内燃機関であって、さらに、
排気の熱を蓄えて改質部を保温する蓄熱部であって、複数気筒で一体の蓄熱部を有する、
内燃機関。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関であって、
生成された改質燃料の一部を蓄える改質燃料タンクと、
この蓄えられた改質燃料を吸気流路または気筒内に噴射する噴射弁と、
を有する内燃機関。
請求項６に記載の内燃機関であって、前記蓄えられた改質燃料は、当該内燃機関の始動時または加速時に吸気へ供給される、内燃機関。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関であって、改質燃料の原料は、有機化合物系液体燃料と水である、内燃機関。