JP2008014138A - 改質ガス内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】改質ガス内燃機関における改質効率の改善。
【解決手段】改質原料の水蒸気改質を実行して水素を含む改質ガスを得る内燃機関において、例えばCu触媒等、改質効率が高くかつ活性化温度の上限が通常の排気ガス温度より低い低温用改質部30を採用し、低温用改質部30よりも活性化温度上限の高い触媒を用いた高温用改質部32又は過給機50のいずれか又は両方を排気経路の上流側に設ける。排気経路の上流側に高温用改質部32を設けることで、排気ガス温度を、その熱を吸熱反応である水蒸気改質に利用し低下させることができる。過給機50を低温用改質部30の上流側に設けることで、排気ガスの熱エネルギーを確実に奪って排気温度を低下させることができ、低温用改質部30が熱劣化することを防止し、同時に吸気管20への空気過給を実行するので高い出力を得ることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、排気熱を利用して改質原料を水蒸気改質する改質ガス内燃機関に関する。
ガソリンなどの炭化水素系(Cmn)の液体燃料や天然ガスなど水蒸気改質することで、水素などの発熱量を増加させた改質ガスを得て、これを内燃機関の燃料として用いることでエンジンの熱効率の向上を図ることが従来より提案されている。また、このような水蒸気改質には、少なくとも改質触媒を活性化させるための熱と、吸熱反応である上記水蒸気改質を実行するための反応熱が必要とされるが、その熱を排気ガスから回収し、熱の有効利用を図る。例えば特許文献1は、燃料として天然ガスを用い、排気ガスの熱エネルギをこの天然ガスを水蒸気改質に利用している。
特開2005−30243号公報 特開2004−300004号公報
しかし、上記特許文献1では、排気ガス温度が700℃〜900℃といった高温であることを利用し、このような高温を活性温度範囲とするいわゆる高温改質触媒を用いて、改質反応を行っている。
一方で、水素を含む改質ガスは、ガソリン燃料などと比較して燃焼性に優れており、当量比1未満の希薄燃焼に適している。このような希薄燃焼を行った場合、当量比1以上の過濃燃焼させた場合と比較して、排気ガス温度を低くすることができる。しかし、上記特許文献1のように、従来、ガソリンや天然ガスなどの改質に採用されている高温の活性化温度を備える改質触媒は、低温下では活性がない。したがって、改質ガスの混合気を希薄燃焼させた場合のような低温の排気ガスからは、十分な熱エネルギを回収できず、改質反応を効率的に実行することができない。排気ガスの熱エネルギは改質原料の昇温・気化に利用することができるだけとなり、内燃機関全体の熱効率の向上への寄与は非常に小さいものとなる。また、エンジン始動時や、低温環境下などでは、排気ガス温度が低く、その温度が改質に必要な高温になるまで暖機運転などを実行する必要が発生し、改質ガスを利用した低燃費の内燃機関の意義が薄れてしまう。
さらに、特許文献1に紹介されているように、メタノール燃料について、300℃程度を活性化温度範囲とする触媒を用いて改質することが知られている。しかし、この300℃程度の低温で活性な改質触媒は、高温環境に晒されると熱劣化が発生する。したがって、特許文献1のように、改質触媒部と熱交換する排気ガス室に350℃以上の排気ガスが流入するような運転条件が存在する場合、低温で活性の優れた改質触媒を使用することはできない。
一方、特許文献2では、改質反応を低温条件で実行するために、炭化水素系燃料と水との改質を行う改質反応器を高圧状態とすることが提案されている。しかし、このような高圧状態での改質を実現するためには、炭化水素系燃料と水をそれぞれ汲み上げて改質反応器に向けて高圧で吐出させる必要があり、非常に大きな動力を必要とする。また、改質反応器は、低温条件といっても反応温度は200℃〜600℃程度であり、かつ十分な耐圧性を実現するため、この改質反応器は非常に大きな質量を持つことになる。したがって、高効率で簡易かつ小型の改質反応器とすることはできず、自動車のような移動体の内燃機関用に採用することは、非常に困難である。
本発明は、改質ガスを気筒内に供給して動力を得る内燃機関であって、前記改質ガスは、改質原料を水蒸気改質によって生成した水素を含むガスであり、改質部は、気筒からの排気経路に設けられ、排気ガスと熱交換して吸熱反応である前記水蒸気改質を実行し、該改質部は、高温用改質部と低温用改質部とを備え、前記低温用改質部の改質触媒は、その活性温度上限が、前記高温用改質部の改質触媒の活性温度上限よりも低く、前記低温用改質部よりも前記排気経路の上流側に前記高温用改質部が設けられている。
本発明の他の態様は、上記改質ガス内燃機関において、前記高温用改質部よりも前記排気経路の下流側であって、前記低温用改質部よりも前記排気経路の上流側に、前記気筒への空気を過給する過給機が設けられ、前記過給機は、吸気管への空気過給を行うと共に、前記高温用改質部を通った排気ガスの熱エネルギを回収して排気ガス温度を低下させ、前記過給機で降温された前記排気ガスが前記低温用改質部に供給される。
本発明の他の態様では、改質ガスを気筒内に供給して動力を得る内燃機関であって、前記気筒での燃焼の当量比は、1未満に設定され、前記改質ガスは、エタノールと水の混合液である改質原料を水蒸気改質によって生成した水素含有ガスであり、前記水蒸気改質を実行する改質部は、気筒からの排気経路に設けられ、触媒成分として銅を含有し、350℃以下を適性温度範囲とする改質触媒を有する低温改質部を備え、前記低温改質部よりも前記排気経路の上流側に前記気筒への空気を過給する過給機が設けられ、前記過給機は、排気ガスの熱エネルギを回収して排気ガス温度を低下させ、前記過給機で降温された前記排気ガスを前記低温用改質部に供給する。
本発明の他の態様では、上記改質ガス内燃機関において、前記改質燃料のエタノール濃度は、70体積%〜80体積%である。
本発明の他の態様では、上記いずれかの改質ガス内燃機関において、前記気筒の外部の燃焼室周辺に、少なくとも、前記改質原料の蒸発熱と、前記改質原料を前記水蒸気改質する際の吸熱反応熱とを、前記気筒の冷却に用いるための冷却機構が設けられている。
本発明では、改質原料の水蒸気改質を実行して水素を含む改質ガスを得る内燃機関において、排気熱を利用した改質部に低温用改質部を採用する。さらに高温用改質部又は過給機のいずれか又は両方をこの低温用改質部より排気側の上流側(気筒側)に設ける。このため、例えば、負荷変動で数100℃以上も温度変化する排気ガスと熱交換するような内燃機関においても、低温用改質部に、高温用改質部と過給機のいずれか又は両方を通過した排気ガスが供給されることとなり、低温用改質部に流入する排気ガス温度を確実に低下させることができる。
高温用改質部を低温用改質部より排気経路の上流側に設けることで、排気ガス温度が高い場合にも、この高温用改質部で効率的に排気ガスと熱交換して、吸熱反応である水蒸気改質が行われると共に、排気ガス温度を低下させることができる。
低温用改質部より排気経路の上流側に過給機を設けることで、排気ガスの熱エネルギーを確実に奪って排気温度を低下させることができ、低温用改質部を熱劣化させることなく、低温用改質触媒の交換頻度の低減し、或いは触媒の交換を不要とすることも可能とできる。
さらに、過給機の排気タービンは、過給コンプレッサを回転させ吸気管への空気を過給する。ガスエンジンでは、例えば、吸気ポート噴射するシステムの場合、燃料としてガスを用いるが故に、吸込み空気量が減少し、直噴エンジンや液体燃料ポート噴射エンジンに比べて最大トルクが低下する傾向を持つ。しかし、過給機を設けることで、ガスエンジンのポート噴射の場合であっても、空気流量低下を払拭でき、低燃費と高出力を両立することが可能となる。
低温用改質部により、排気ガス温度が低い状態でも確実に改質原料の水蒸気改質を実行することができ、燃費の向上に寄与できる。また、排気ガス温度が高い場合でも、確実に低下させてから低温改質部に供給できる。このため低温用改質部には、350℃以下の低温で極めて高効率に水蒸気改質を実行できるCuを触媒成分として含む改質触媒を採用することができる。改質燃料として、例えばエタノールと水の混合液を用いた場合など、この銅を含む改質触媒を用いることで、エタノールを低温(200〜350℃)で非常に効率的に水蒸気改質することができる。したがって、例えばエタノール等を改質原料に用いた改質ガスエンジン車の燃費を大幅向上することが可能となる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態(以下、実施形態)について説明する。
[実施形態1]
図1は、本実施形態に係る内燃機関の概略構成を表している。この内燃機関(エンジン)では、気筒10の排気ポートに連接された排気管40に改質部400を設け、排気ガスの熱を用いて改質原料の水蒸気改質(吸熱反応)を実行する。
改質部400は、低温用改質部30と高温用改質部32を備え、低温用改質部30は、高温用改質部32よりもその活性温度範囲の上限が低い改質触媒が用いられ、低温用改質部30よりも排気経路の上流側(気筒10側)に高温用改質部32が設けられている。
また、低温用改質部30より排気経路の上流側であって、高温用改質部32よりも下流側の位置、本実施形態では、高温用改質部32と低温用改質部30との間には、過給機50が設けられている。
したがって、本実施形態では、排気管40に気筒10から排出された排気ガスは、まず高温用改質部32に流入し、高温用改質部32と熱交換し、高温用改質部32において、高温環境下で改質原料の水蒸気改質が行われる。
高温用改質部32から流出する排気ガスは、次に過給機50に供給される。過給機50は、排気タービンを備え、排気ガスでこの排気タービンを回転させることで排ガスから熱エネルギを奪ってその温度を低下させる。また、過給機50は、排気管内のタービンをエンジンの排気圧力で高速回転させ、その回転力で圧縮機を駆動することによって吸気管20内を貫流する空気を圧縮し、気筒10内に送り込む。
過給機50でさらに温度が低下した排気ガスは、次に、低温用改質部30に流入し、低温用改質部30と熱交換し、上記高温用改質部32と比較して低温で改質原料の水蒸気改質が行われる。
低温改質部30から流出した排気ガスは、排気管40のさらに下流に設けられた図示しない三元触媒などに供給され、ここで排気ガスの浄化が行われ、その後、大気中に放出される。尚、排気ガス浄化のための触媒は改質部400の上流にあっても、中間にあってもよい。
ここで、気筒10には、吸気弁14、点火プラグ16、排気弁18、図示しないピストンが設けられている。また、上記改質部400で得られた改質ガスは、アキュムレータ28に蓄積される。このアキュムレータ28には、吸気管20の吸気ポート26付近に設けられたガス噴射弁22が接続されており、改質ガスは、ガス噴射弁22から燃料として吸気ポート26に噴射され、吸気管20に過給される空気と共に気筒10内に供給される。
本実施形態において、改質原料の水蒸気改質反応は、上述のように排気管40に設けた改質部400において実行するが、改質原料液タンク70から汲み上げた改質原料を改質部400に供給するまでの経路において、改質原料液を加熱し、また気化させることで、改質部400には、改質の容易な改質原料蒸気を供給する。
改質原料液の加熱及び気化には熱が必要であるが、本実施形態では、そのための専用の加熱器を設けることなく、エンジン周囲の冷却または排熱を利用している。具体的には、まず、吸気管20に設けられるいわゆるインタークーラの冷却液としてタンク70から汲み上げた改質原料液を用いて、ここに改質原料液と過給空気との熱交換器60を構成し、吸気管20を流れる過給空気と改質原料液との熱交換を行う。熱交換器60で液温が上昇した改質原料液は、次に、熱交換器62において高温用改質部32から流出する高温の改質ガスと熱交換することで、気化される。
熱交換器62で得られた改質原料蒸気は、先に低温用改質部30に供給され、上述のように排気ガスとの熱交換により吸熱反応である改質反応し水素含有ガスを生成する。低温用改質部30から流出するガス(改質ガスを含む)は、次に、高温用改質部32に流入する。高温用改質部32では、まだ高温の排気ガスとの熱交換が行われ、低温用改質部30から流出したガスの改質反応がさらに進行し、水素濃度やCO濃度が増加する。このように、高温用改質部32において改質程度が一層進んだガス(改質ガス)は、この高温用改質部32から熱交換器62を通って上述のようにアキュムレータ28に供給される。アキュムレータ28において、より低温の改質ガスの方が体積が小さいため蓄積効率が高く、高温用改質部32の出力部に熱交換器62を設けることは、低温用改質部30に供給する改質原料を気化させるだけでなく、高温用改質部32から流出する改質ガス温度を低下させる点でも意義が大きい。
アキュムレータ28に蓄積された改質ガスは、上述のように、噴射弁22から気筒10内に供給され、気筒10内で空気と燃焼させ、動力を発生する。このように、エンジン周囲の冷却と、排熱を無駄なく回収し、改質によって発熱量を増加させた改質ガスを燃料として燃焼させることで動力を発生するため、本実施形態では、非常に高い熱効率のエンジンの提供を実現している。
なお、改質ガスは燃焼の燃料だけでなく、気液分離により得たガス成分のみ(例えば水素ガス)を排気管40に供給し、排気ガスの浄化(NOx低減、パティキュレート燃焼)に用いても良い。
ここで、改質原料液としては、ガソリン、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、或いは軽油、重油などが挙げられる。このような有機化合物系液体燃料を改質して得られるガス成分は水素や、一酸化炭素を含む。本実施形態では、改質原料液として、エタノールを採用しており、さらに具体的には、無水エタノールよりも蒸気圧が低い30v/v%(体積%)〜96v/v%の濃度のエタノールと水との混合液を採用している。エバポエミッションを低減し、かつ効率的な改質を実行する上で、エタノール濃度は70v/v%〜80v/v%とすることがより好適であり、本実施形態では一例としてエタノール濃度77v/v%のエタノール水を改質原料として用い、これのエタノール水をタンク70内に備蓄している。バイオ技術により製造されるエタノールは多量の水分中にあることが多く、無水エタノールまで精製するには多大なエネルギーを要する。しかし、本実施形態のように水分の多いエタノール水は燃料の製造コスト低減にも好適である。
次に、本実施形態において採用する改質触媒について説明する。図2は、改質触媒活性の温度特性を示しており、この特性は、固定床流通式反応管にて実験した結果である。
実験に使用した触媒は、Cu触媒((株)東洋CCI製の銅亜鉛触媒MDC−4)とRh触媒(第一希元素(株)製のCa5mol%ZrO2に硝酸Rh溶液にてRhを3wt%担持したもの)である。篩を用い、目開き1mmと1.7mmの間の破砕ペレットを使用した。内径φ9.8mmの石英製反応管に、Cu触媒は1.15g、Rh触媒は1.14gを充填した。電気炉により改質熱(吸熱)を供給した。エタノールは和光純薬1級で、イオン交換水と混合され、気化して供給した。実験は、S/C=0.5〜2.0 (Steam/Carbonモル比)の範囲で行い反応管から出る水素含有ガスの乾きガス成分のガス組成をガスクロマトグラフで測定した。同時に乾きガスの流量を測定した。
図2では、S/C=1の混合液(エタノール0.185g/min、イオン交換水0.146g/min)と希釈のために窒素ガスを0.8L/min供給した。温度は石英管の外壁にφ1mmのCA熱電対を接触させ測定した。分解率は、C含有出ガス濃度をC1換算したものの総和に出ガスのモル流量を乗じた後、投入したエタノールモル流量をC1換算したもので除した値である。エタノールが完全に別の物質に変化すると分解率100%となる。ただし、Cu触媒では、乾きガス成分として、ほぼ水素のみしか検出できなかったため、エタノールが下記式(1)のように水素とアセトアルデヒドに分解したとして、水素モル流量をアセトアルデヒドモル流量と等しく置いて整理した。
25OH → H2+CH3CHO ・・・(1)
この結果、350℃付近にて両触媒は活性のあることがわかる。Cu触媒は同一質量でRh触媒よりも分解活性があるが、Cu触媒は、350℃以上の長時間使用で熱劣化する。
したがって、Cu触媒を改質触媒として用いた場合、その触媒床の温度管理は重要である。本実施形態では、このCu触媒を低温用改質部30の改質触媒として用いるが、上述のように高温用改質部32及び過給機50が低温用改質部30よりも排気経路の上流側に設けることで、低温用改質部30に流入する排気ガス温度を350℃以下になるようにすることができる。
一方、高温用改質部32の改質触媒としては、上記Rh触媒など、Cu触媒よりも活性温度範囲、特にその活性温度上限がCu触媒よりも高い改質触媒を採用する。例えば上記Rh触媒の活性化温度の上限は、800〜900℃程度であり、低温用改質部30と比較して高温の排気ガスが供給される高温用改質部32にこのような高温活性の触媒を用いることで、高効率の水蒸気改質反応を実行できる。また、内燃機関への要求トルクが大きく排気ガス温度が上昇するような状況下であっても、この高温用改質部32で、確実に水蒸気改質反応を実行することができる。
ここで上記のようなCu触媒、Rh触媒を用いたエタノールの水蒸気改質は、以下の反応式(i)(ii)で示される。
25OH → H2+CH3CHO ・・・(i)
CH3CHO + H2O → 3H2+2CO ・・・(ii)
(i)式(ii)式を総合すると、最終的に水蒸気改質反応は、
25OH + H2O → 4H2+2CO ・・・(iii)
で表される。反応式(i)における発熱量増加率は109%であり、反応式(iii)で表されるトータルの反応での発熱量増加率は123%である。なお、発熱量増加率は、(改質ガス低位発熱量/投入燃料低位発熱量)×100%で求めている。ここで、上述のように、エタノール濃度が70v/v%〜80v/v%のエタノールと水との混合液を改質原料として採用し、これを改質することで、改質反応は、上記反応式(iii)の当量比におおよそ一致することとなり、改質効率の向上を図ることができる(エタノール1molと水1mol当量比は約77v/v%)。
低温用改質部30における改質触媒壁温については、最高温度部位の温度を計測し、温度に応じて低温用改質部30や、排気ガスを冷却水や改質原料液の循環により冷却する構成を採用することもできる。しかし、本実施形態では、低温用改質部30よりも上流側に過給機50を設け、高温の排気ガスで排気タービンを回転させることで熱エネルギーを奪い、温度低下させる。よって、排気ガスの持つ熱エネルギを捨てることなく効率的に改質、冷却、吸気等に利用できる。
図3は、排気タービンのTs線図であり、図4は、所定圧力比の場合の排気タービンの入口出口温度を示す。図3に示すように、排気タービンへの入口と出口の排気ガスの温度差(T4−T6)は、下記式(2)のように、排気タービンへの入口圧力P4、出口圧力P6との(圧力比)に応じて決まる。
T4−T6=(1−1/(P4/P6)((k-1)/k)× ηt ・・・(2)
なお、上記式(2)において、ηtは、タービン効率、kは、比熱比である。
したがって、排気タービンに入力される排気ガスの想定温度範囲と、排気タービンから出て低温用改質部30に供給される排気ガスの要求温度範囲とに基づいて適切な圧力比の排気タービンを採用することで、所望の出口温度(T6)が実現されることが理解できる。
図4(a)に示すように、例えば圧力比2を採用した場合(タービン効率が80%の時)、高温用改質部32の出口、つまり排気タービンの入口で450℃(723K)の排気ガスは、排気タービンにおいて温度低下し、排気タービン出口、つまり低温用改質触媒の入口での排気ガス温度は、350℃(623K)以下が達成されている。ここで、一例として、Rh触媒を高温用改質部32に採用した場合、上記720K付近が、このRh触媒の活性範囲の下限である。つまり、Rh触媒による効率的な改質が実行されるような条件で該触媒から流出する排気ガスが排気タービンに供給された場合にも、この排気タービンにより、低温用改質部30のCu触媒活性範囲内の温度の排気ガスをこの低温用改質部30に供給することができ、Cu触媒の熱劣化を避けることができる。
また、図4(b)に示すように、同一のタービン効率でも圧力比が3の場合には、タービンへの入口温度が圧力比2の場合より高くとも(例えば790K)、低温用改質部30に対し、その触媒活性上限である350℃(623K)程度以下の排気ガスを供給することが可能となっている。
本実施形態では、このような過給機50を設け、吸気管内の空気を過給することにより、ガスエンジンにおける空気供給量不足による出力不足を払拭できる。ここで、通常、排気タービンはエンジンが低速回転の低負荷時には効率が悪く、排気ガスの熱エネルギーを回収できない。しかし、本実施形態では、低温用改質部30を採用しているため、排気ガス温度の低い運転条件下で、排気タービンで排気ガス温度を低下させずにこれを低温用改質部30に供給しても、供給される排気ガス温度は、低温用改質部30の触媒活性範囲内であり、排気タービンによる排気温度の低下は必要ない。逆に、高速回転、高負荷時の排気ガス温度が高い運転条件下では、排気タービンの効率は高く、排気ガス温度の低下能力を十分発揮することができ、また、過給できるため、低温用改質部30での熱劣化を防止しつつ、内燃機関を高出力とすることができる。
また、本実施形態において、過給機50に、排気ターボの圧力比を可変な機構を設けても良い。このような圧力比可変機構を備え、排気タービンの出口温度を検知して、その出口温度が350℃以下になるように可変機構で圧力比を調節することで、より高い熱効率での運転範囲が広がる。
なお、低温用改質部30への供給排気ガス温度がこの低温用改質部30の適性温度範囲となるようにするためには、上記過給機50の圧力比の設定の他、高温用改質部32における熱交換性を最適化することがより好ましい。
また、高温用改質部32の上流に、さらに排気タービンを配置し、高温用改質部32への流入する排気ガス温度を低下させることにより、高温用改質触媒の熱劣化を防止することも可能となる。また、このように高温用改質部32についても熱劣化しない貴金属触媒を使用しなくとも良いという利点がある。
ここで、本実施形態に係る内燃機関は、エンジン制御部(ECU)300で制御され運転される。エンジン制御部300は、高負荷運転した後のアクセルペダルオフ時の低負荷や無負荷、エンジンブレーキへの移行期間、改質部400が改質反応可能な温度を維持している間、これを冷却するために、改質原料液を多く供給するような制御を行う。また、エンジン制御部300は、多く生成した改質ガスは開弁圧を調整された蓄圧用導管からアキュムレータ(蓄圧部)28に貯めるように制御する。エンジンの温度が低いときや、加速時にはこの蓄圧した改質ガスを吸気管内に噴射すると、未燃炭化水素や一酸化炭素、窒素酸化物といった有害燃焼排気成分を大幅に低減できる。とくに冷始動時には、従来のガソリンエンジンで実施されてきた多大な燃料増量が必要なく、アイドルストップにも非常に都合がよい。
また、過給機50の排気タービンの回転動力は、空気過給に利用するだけでなく、吸気ポートに供給する改質ガス圧力上昇のための改質ガス用コンプレッサ動力として利用することも可能である。このように改質ガス用コンプレッサ動力にも利用すれば、改質ガスの吸気管20への噴射量を制御するためのガス噴射弁22の制御性を高めることができる(噴射期間の長さの変化幅が大きく取れる)。また、改質原料液の供給圧力を低下させ、図示しない改質原料液供給ポンプの負荷を減少することができ、或いはポンプを小型化することができる。
また、本実施形態のように、改質部400と過給機50を組み合わせ、空気を過給することを前提とした場合、エンジンの燃焼の当量比が、1未満、さらには0.8以下のいわゆる希薄燃焼条件下においても、十分なトルクを発生でき、かつ、このような運転を、NOx排出量を低減できる当量比で実行することができる。
さらに、エンジンの燃焼の当量比を1.5以下の設定とする場合には、筒内直噴燃料噴射弁、または、液体燃料ポート噴射弁を設けても良い。このようにガソリン、エタノールなどの有機化合物系の液体燃料を改質ガスと併用することにより、改質ガスを供給することで吸入空気量が減少し、出力がでない運転領域をカバーすることが容易となる。なお、このときは、当量比1.0のストイキ燃焼を中心とすることで、通常のガソリンエンジンのごとく3元触媒による排気ガス浄化を実施できる。
[実施形態2]
図5は、実施形態2に係る内燃機関の概略構成を示している。実施形態1では、低温用改質部30の排気経路の上流側に過給機50と高温用改質部32を設けているが、本実施形態2では、図5のように、高温用改質部32を省略し、排気管40には低温用改質部30と過給機50を設け、過給機50を低温用改質部30よりも排気経路の上流に設けている。なお、改質原料タンク70から汲み上げ、熱交換器60で昇温した改質原料液の気化は、実施形態1では、高温用改質部32からの改質ガスとの熱交換で行っている。本実施形態2では、排気管40に排気ガスとの熱交換を行う熱交換器66を設け、この熱交換器で排気ガスの熱を利用して気化させている。そして熱交換器66で得られた改質原料蒸気を低温改質部30に供給している。さらに、低温用改質部30から流出する改質ガス温度は350℃程度と低いことから、実施形態1のように熱交換器等を設けて冷却することなく、自然冷却してアキュムレータ28に供給する。
改質原料液としては、実施形態1においても説明したが、改質効率の高いエタノール濃度が70v/v%〜80v/v%のエタノール水を採用する。また、低温用改質部30の改質触媒としては、350℃以下が適性活性化温度範囲であるCuを触媒成分とする改質触媒を用いている。
エタノール水を水蒸気改質して得た改質ガスは、発熱量が高く、また燃焼性の高い水素を多く含むため、改質ガスを燃料として用いた内燃機関は、当量比1未満の希薄燃焼条件でも、ノッキングが少なく、かつ、NOx排出量を低減できる当量比で実行することができる。一方で、希薄燃焼条件で燃焼させるので、排気ガス温度は、例えば当量比が0.4〜0.5程度の場合には、600℃〜400℃程度か、それ以下、例えば350℃程度となる。
一方で、希薄燃焼の場合、要求トルクが増大しても、出力が得られにくい特性があるが、本実施形態のように、過給機50を採用し、吸気管20への空気を過給することで、内燃機関の出力を増大させることが可能となる。
また、上記のように希薄燃焼条件を採用すれば、排気ガス温度が700℃〜900℃というような高温となることはなく、一例として、600℃〜400℃程度以下の排気温度が達成される。
つまり、図4において説明したように、600℃程度以下の排気ガスが過給機50に供給されることとなり、過給機50の上流に高温用改質部を設けることなく、過給機50のみによって排気ガスを低温用改質部30の触媒活性範囲の上限以下にすることができる。
なお、当量比が1.0未満、より好適には、0.8以下となるような運転の制御は、エンジン制御部300により、ガス噴射弁22からの改質ガス噴射量、吸気量等を制御することにより達成可能である。
[実施形態3]
図6は、実施形態3に係る内燃機関の概略構成を示している。実施形態3では、上実施形態1のように排気管40に排気熱を利用して改質原料を水蒸気改質する改質部400及び過給機50を設けると共に、気筒10の外側の燃焼室周辺に、改質原料液の蒸発部120及び改質原料蒸気の改質部130が設けられ、改質原料液の気化熱と、改質部での水蒸気改質(吸熱反応)における反応熱が気筒10の冷却に用いられている。
ここで、気筒の外側とは、より具体的には気筒10の気筒内壁を規定するシリンダライナーの外側部分である。シリンダライナーは、シリンダブロック内に挿入され、又はシリンダブロック形成時に同時に鋳込まれ、このシリンダライナー及びシリンダブロックのライナー側の中空部に、蒸発部120、改質部130等を形成している。以下、このライナー及びシリンダブロックのライナー側をライナー部100として説明する。
ライナー部100には、さらに、改質原料液を加熱する液体加熱部110が設けられており、この液体加熱部110には、タンク70から汲み上げて供給される改質原料液が循環し、気筒と改質原料液との熱交換が行われ、その結果、気筒は冷却され、改質原料液は加熱される。加熱部110で加熱された改質原料液は、蒸発部120に供給され、ここでさらに気筒の熱により気化される。蒸発部120で得られた改質原料蒸気は、次に改質部130に供給され、改質部130に設けられた改質触媒によって水蒸気改質が行われる。
ライナー部100において、蒸発部120は、ライナーの上部であって、燃焼室の周囲に相当する位置に設けられており、改質部130は蒸発部120と液体加熱部110との間に配置している。蒸発部120は、蒸発室と、この蒸発室内に改質原料液を噴射する噴射弁124を備える。噴射弁124の噴射タイミング、噴射量は、エンジン制御部(ECU)300の管理の下制御され、気化熱を利用して、気筒の冷却を防止すると共に、ノッキングや異常燃焼の発生も防止している。
また、本実施形態3では、ラジエータ82の冷却液として、エタノール水からなる改質原料液を用いており、タンク70から供給ポンプ80によって汲み上げられた改質原料液はラジエータ82に供給され、ラジエータの冷却用循環路88を循環する。この循環液の一部が、液体加熱部110に供給される。液体加熱部110において気筒10との熱交換により液温の上昇した改質原料液は、減圧弁126で減圧され、液体噴射弁124から蒸発部120の蒸発室122内に噴射される。なお、気筒10をさらに冷却する必要がある場合や、液体加熱部110から蒸発部120への改質原料液供給量を調整する場合には、液体加熱部110から流出する改質原料液を、液循環ポンプ84を経てラジエータ82に戻し、ラジエータ82で冷却して、再び液体加熱部110に循環する。
蒸発部120において、液体噴射弁124から蒸発室122内に噴射された改質原料液は、噴射によりさらに減圧され、蒸発室の壁面に衝突した後、または、噴射後すぐに気化する。そして、この気化熱により、ライナー部100の最上部が冷却される。ここで、点火位置から遠い燃焼室の壁面付近での温度上昇は、ノッキングや異常燃焼の原因の一つであるが、本実施形態では、ライナー部100の最上部に設けた蒸発部120によって、この燃焼室の壁面を冷却することができ、燃焼室壁温度の低下、すなわち、ノッキング等の防止に寄与する。
ノッキングや異常燃焼は、気筒の圧縮上死点(TDC:top dead center) 付近が最も発生しやすい期間である。したがって、蒸発部120での改質原料液の噴射は、この圧縮TDC付近とすることが効果的である。特に、噴射タイミングを圧縮TDCの少し前のタイミングとすることで、燃焼室壁温が最も高くなるタイミングに合わせて改質原料液を気化させ、気化熱により燃焼室壁温を効率的に冷却することが可能となる。
気筒の改質部130の近くには、さらに改質触媒を冷却するための冷却部が設けられ、この冷却部として、改質原料液を循環させて触媒を冷却する触媒冷却用循環部144が採用されている。触媒冷却用循環部144には、液体加熱部110を通った改質原料液が供給され、触媒冷却用循環部144を経てここから流出する改質原料液の一部は、そのまま減圧弁126を介して液体噴射弁124から蒸発室に噴射され、残りは冷却液循環路88を経てラジエータ82で冷却され、再び液体加熱部110に戻る。
なお、液体加熱部110を通った改質原料液の一部は、液体加熱部110と触媒冷却用循環部144との間に設けられた循環量制御弁146を介して触媒冷却用循環部144に供給され、残りはラジエータ82に戻る。改質触媒温度の検出結果に応じて、循環部144へ改質原料液の流量は、この循環量制御弁146によって制御される。
改質部130と蒸発部120との間には、蒸気通路が設けられており、この蒸気通路を通って改質部130に流入した改質原料蒸気は、改質部130内に設けられた改質触媒によって水蒸気改質される。この改質触媒としては、上記排気部の低温用改質部30に採用した例えばCuを触媒成分とする触媒であり、触媒温度が350℃程度以下となるように、上記触媒冷却用循環部144が設けられている。
改質部130において得られた改質ガスは、改質部130のライナー下側に設けられた改質ガス流出通路からアキュムレータ28(図5参照)へ供給される。
また、改質部130からの改質ガスの一部は、流量制御弁136を介し、排気側の改質部400に供給される。具体的には、この流量制御弁136を介して改質部400に供給されるガスは、改質部130の触媒温度が350℃程度に制限されていることから、そのまま低温用改質部30に供給される。
低温用改質部30から流出するガスは、熱交換器68で、高温用改質部32から流出するより高温のガスと熱交換させ、昇温してから高温用改質部32に供給する。そして、高温用改質部32でさらに改質反応を進行させる。
高温用改質部32から流出する改質ガスは熱交換器68を通り、次に熱交換器64を通過してアキュムレータ28に供給され、アキュムレータ28に、ライナー部100の改質部130で得た改質ガスと共に蓄積される。
熱交換器64には、ラジエータ82に連通された冷却循環路88に設けられており、上記高温用改質部32からの改質ガスと、ライナー部100の改質部130から改質ガスの両方が、この冷却循環路88を流れる改質原料液との熱交換によって冷却される。なお、熱交換器64を通った改質原料液は、液循環ポンプ84を経てラジエータ82に戻り、ラジエータ82で冷却される。
図6に示す構成においても、吸気管20には、流入する空気を冷却するためのいわゆるインタークーラからなる熱交換器60が設けられ、この熱交換器60の冷却液としても改質原料液が採用されている。そして、ラジエータ82から送出され循環経路88を経て上記熱交換器60を通過した改質原料液は、液循環ポンプ84を経て再びラジエータ82に戻り、ここで冷却される。
上述のように、液循環ポンプ84には、ラジエータ82から送出され、液体加熱部110を循環した改質原料液(循環液)、触媒冷却用循環部144を循環した改質原料液、上記熱交換器60,64を循環した改質原料液等が戻る。ここで液体加熱部110を循環する改質原料液は、その後、蒸発部120で効率的に気化するように、気筒によって加熱することを主たる目的としている。一方、熱交換器60、64、触媒冷却用循環部144では、改質原料液によって対象を冷却することを主たる目的としており、これらを循環した改質原料液は、液体加熱部110を循環する原料液よりも優先してラジエータ82に戻す必要がある。そこで、図6に示すように、液体加熱部110から液循環ポンプ84に向かう流路にはオリフィスなどの圧力損失部86を設け、他の熱交換器64等からの循環液が冷却循環路88に優先して流れ込めるようにしている。
以上図6を参照して説明したように、本実施形態3では、気筒側に改質部130、蒸発部120、液体加熱部110を設け、気筒の熱を利用して改質原料液の加熱、気化、そして水蒸気改質を実行し、同時に気筒の冷却を行う。そして、気筒側の改質部130で得た改質ガスを排気管側の改質部400に供給し、排気熱を利用してさらに改質を進行させる。これにより、内燃機関で発生する熱を、極めて効率的に、改質に必要な熱として利用し、かつ気筒や内燃機関の必要な部分を確実に冷却することができる。したがって、改質原料から得る改質ガスに含まれる水素、一酸化炭素の濃度を非常に高くすることができ、かつ、内燃機関の熱効率、燃費を飛躍的に上昇させることが可能となる。
また、内燃機関の各部を冷却するための冷却液として、最終的には加熱し、蒸発させ、さらに改質反応を行う改質原料液を採用することで、内燃機関の冷却を効率的に行うことができる。もちろん、気筒10の冷却を、改質原料液の液温上昇、蒸発、吸熱の水蒸気改質反応によって実行することで、ラジエータの負荷を最小限とでき、ラジエータの小型化等を達成することも可能となる。また、ラジエータ用の冷却水と改質原料液を別に備蓄する必要がなく、内燃機関の小型化を図ることができる。
なお、排気管側に設ける改質部400として実施形態2のように、高温用改質部32を省略する構成を採用することも可能である。
実施形態1に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 改質触媒の活性特性を示す図である。 排気タービンのTs線図である。 所定圧力比における排気タービンの入口出口温度の特性を示す図である。 実施形態2の変形例に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 実施形態3に係る内燃機関の概略構成を示す図である。
符号の説明
10 気筒、14 吸気弁、16 点火プラグ、18 排気弁、20 吸気管、22 ガス噴射弁、30 低温用改質部、32 高温用改質部、40 排気管、50 過給機、60,62,64,66,68 熱交換器、70 改質原料タンク、80 供給ポンプ、82 ラジエータ、84 液循環ポンプ、88 冷却循環路、100 ライナー部、110 液体加熱部、120 蒸発部、124 液体噴射弁、126 減圧弁、130 改質部、144 触媒冷却用循環部、146 循環量制御弁、160 障壁、200 シリンダブロック、300 エンジン制御部(エンジンECU)。

Claims (17)

  1. 改質ガスを気筒内に供給して動力を得る内燃機関であって、
    前記改質ガスは、改質原料を水蒸気改質によって生成した水素を含むガスであり、
    改質部は、気筒からの排気経路に設けられ、排気ガスと熱交換して吸熱反応である前記水蒸気改質を実行し、該改質部は、高温用改質部と低温用改質部とを備え、
    前記低温用改質部の改質触媒は、その活性温度上限が、前記高温用改質部の改質触媒の活性温度上限よりも低く、
    前記低温用改質部よりも前記排気経路の上流側に前記高温用改質部が設けられていることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  2. 請求項1に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記高温用改質部よりも前記排気経路の下流側であって、前記低温用改質部よりも前記排気経路の上流側に、前記気筒への空気を過給する過給機が設けられ、
    前記過給機は、吸気管への空気過給を行うと共に、前記高温用改質部を通った排気ガスの熱エネルギを回収して排気ガス温度を低下させ、前記過給機で降温された前記排気ガスが前記低温用改質部に供給されることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  3. 請求項2に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記過給機は、排気タービンの入口と出口の排気ガス圧力の圧力比の可変機構を備え、
    該過給機からの排気ガス出口温度に応じて前記排気タービンの圧力比を調整し、前記過給器から前記低温用改質部に供給される排気ガス温度が、前記低温用改質部の前記改質触媒の活性温度範囲の上限を超えないように制御されることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記改質原料は、改質原料流路を経て前記低温用改質部に供給されてから前記高温用改質部に供給され、
    前記高温用改質部からの改質ガス流路と、前記低温用改質部への前記改質原料流路との間には、熱交換器が設けられ、前記改質ガスの熱を利用して前記低温用改質部に供給する前記改質原料を昇温させることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  5. 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記高温用改質部は、350℃より高い温度で改質反応を実行し、
    前記低温用改質部は、350℃以下の温度で改質反応を実行することを特徴とする改質ガス内燃機関。
  6. 請求項5に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記過給機からの排気ガス温度が前記350℃以下となるように、前記高温用改質部の熱交換性と、前記過給機の排気タービンの入口と出口の排気ガス圧力の圧力比が設定されていることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  7. 請求項2、請求項3及び請求項6のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
    さらに、前記過給機の前記排気タービンの回転動力を利用して前記気筒に供給する前記改質ガスの圧力を上昇させる改質ガス用コンプレッサを備えることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  8. 請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記改質原料は、エタノール、または、エタノールと水との混合液であることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  9. 請求項8に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記改質原料のエタノール濃度は30体積%〜96体積%であることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  10. 請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記低温用改質部の前記改質触媒は、触媒成分として銅を含有することを特徴とする改質ガス内燃機関。
  11. 請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記気筒での燃焼の当量比は、1未満であることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  12. 請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記気筒での燃焼の当量比は、1.5以下に設定され、
    前記気筒には、前記改質ガスの他に、液体燃料が供給されることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  13. 改質ガスを気筒内に供給して動力を得る内燃機関であって、
    前記気筒での燃焼の当量比は、1未満に設定され、
    前記改質ガスは、エタノールと水の混合液である改質原料を水蒸気改質によって生成した水素含有ガスであり、
    前記水蒸気改質を実行する改質部は、気筒からの排気経路に設けられ、触媒成分として銅を含有し、350℃以下を適性温度範囲とする改質触媒を有する低温改質部を備え、
    前記低温改質部よりも前記排気経路の上流側に前記気筒への空気を過給する過給機が設けられ、
    前記過給機は、排気ガスの熱エネルギを回収して排気ガス温度を低下させ、
    前記過給機で降温された前記排気ガスを前記低温用改質部に供給することを特徴とする改質ガス内燃機関。
  14. 請求項13に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記低温改質部よりも前記排気経路の上流側には、活性温度範囲上限が350℃より高い改質触媒を備える高温用改質部をさらに備えることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  15. 請求項8、請求項13又は請求項14に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記改質燃料のエタノール濃度は、70体積%〜80体積%であることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  16. 請求項1〜請求項15のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
    前記気筒の外部の燃焼室周辺に、少なくとも、前記改質原料の蒸発熱と、前記改質原料を前記水蒸気改質する際の吸熱反応熱とを、前記気筒の冷却に用いるための冷却機構が設けられていることを特徴とする改質ガス内燃機関。
  17. 請求項16に記載の内燃機関において、
    前記気筒の外側の燃焼室周辺には、さらに、前記気筒内との熱交換により前記改質原料液を加熱する液体加熱部が設けられていることを特徴とする改質ガス内燃機関。
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