JP2008014139A

JP2008014139A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2008014139A
Application number: JP2006182744A
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: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-01-24

Abstract

【課題】改質ガスを用いる内燃機関の効率的な冷却の達成。
【解決手段】改質原料を吸熱反応である水蒸気改質によって生成した改質ガスを用いる内燃機関であって、気筒の燃焼室周囲に、改質原料液の蒸発部１２０及び改質原料蒸気の改質部１３０を設け、改質原料の気化熱及び前記水蒸気改質の反応熱を、気筒１０の冷却に用いる。気筒１０の燃焼室周囲に、さらに、気筒の熱によって改質原料液を加熱する液体加熱部１１０を設け、ここで加熱された改質原料液を蒸発部１２０に供給すれば、気筒の冷却効率をさらに高め、かつ蒸発部１２０での原料液の蒸発を容易に行うことができる。
【選択図】図１

Description

改質原料を水蒸気改質して得た改質ガスを用いる内燃機関の冷却機構に関する。

ガソリンやアルコールなどの炭化水素系の液体燃料を水蒸気改質することにより、発熱量の増加したガス燃料を得て、これを内燃機関の燃料として用いることで内燃機関（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。

このような改質では、液体燃料を蒸発させ、また、改質触媒を用いた燃料蒸気の水蒸気改質をするために熱エネルギが必要であり、その熱を排気ガスとの熱交換によって得ることが知られている。

また、下記特許文献１では、排気ガス温度が低い条件下では液体燃料の蒸発が十分になされない等の課題を解決することを目的としたアルコール改質ガスエンジンが提案されている。この特許文献１に係るエンジンでは、アルコール改質装置を構成するアルコール蒸発器を、排気ガスではなく、エンジン冷却水により加熱してアルコール蒸気を得ている。すなわち、エンジン冷却水と改質用の燃料との間で熱交換し、冷却水温度が、燃料の沸点よりも高いことを利用して、燃料を蒸発させる。そして、改質用蒸発器とエンジン冷却用ラジエータの両方の小型化をねらっている。

特開昭５６−１８０５５号公報特許第３５５３５７９号

メタノールを改質の燃料とする場合、蒸発熱（３５．２ｋＪ／ｍｏｌ）は燃料の低位発熱量（６３８ｋＪ／ｍｏｌ）の５．５％、蒸発温度まで上昇させる顕熱分を考慮しても７％以下の熱量を奪うのみであり、改質用の蒸発器とラジエータの小型化は可能であるが、特に低発熱量のおおよそ１５％に相当すべきラジエータ冷却量の低減には十分とはいえない。

さらに、アルコール系燃料であっても、エタノールを燃料として用いた場合、蒸発熱（３８．６ｋＪ／ｍｏｌ）は、低位発熱量（１２３５ｋＪ／ｍｏｌ）の３．１％に過ぎず、効果が小さくなってしまいラジエータの小型化を実現することが不可能となる。

また水蒸気改質するために、供給する改質原料をアルコールと水の混合液としようとしても、アルコールは蒸発できるが、冷却水温度は水の蒸発温度よりも高くはないので、改質原料中の水の蒸発はかなり困難となる。

本発明は、改質ガスを生成する内燃機関における気筒の冷却効率と改質効率の両立を図る。

本発明は、改質原料を吸熱反応である水蒸気改質によって生成した改質ガスを用いる内燃機関であって、気筒の外側の燃焼室周辺に、改質原料液の蒸発部及び改質原料蒸気の改質部が設けられ、前記改質原料の気化熱及び前記水蒸気改質の反応熱を、前記気筒の冷却に用いる。

本発明の他の態様では、上記内燃機関において、前記気筒の外側の燃焼室周辺には、さらに、前記気筒の熱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。

本発明の他の態様では、上記内燃機関において、前記気筒の外側の燃焼室周辺には、前記改質原料液を冷却循環液とする循環部が設けられ、該循環液は、内燃機関のラジエータで冷却されている。

本発明の他の態様では、上記内燃機関において、内燃機関のラジエータの冷却循環液として前記改質原料液が用いられている。

本発明の他の態様において、前記蒸発部は、前記気筒の外側の燃焼室周辺に形成された蒸発室と、該蒸発室内に前記改質原料を供給する噴射弁とを備えて構成することができる。

本発明の他の態様において、前記蒸発部は、内部が前記改質原料の液圧よりも低い圧力に設定され、前記蒸発部に供給される前記改質原料液が減圧沸騰される。

本発明の他の態様では、上記内燃機関において、前記気筒の外側には、ライナーの上から順に改質部、蒸発室及び改質原料液の液体加熱部が設けられている。

あるいは、前記気筒の外側には、ライナーの上から順に蒸発部、改質部、液体加熱部が設けられている。また、この場合において、エンジン制御部が、ピストンが圧縮上死点付近に位置する期間に、前記蒸発室への前記改質原料液を供給するように制御することが可能である。

本発明では、改質原料を水蒸気改質して改質ガスを得る内燃機関で、この改質原料の蒸発熱と、改質原料蒸気の吸熱反応である反応熱を気筒の冷却に利用する。よって、ラジエータの負荷を低減することができ、また、ラジエータの小容量化を実現することができる。

また、改質原料液を気化させる前に改質原料液の液温を気筒との熱交換によって上昇させて気筒の冷却を図ることにより、ラジエータの負荷をさらに低減することができ、ラジエータの一層の小型化を図ることができる。

気筒の外側において、ライナーの上側から順に改質部、蒸発部、改質原料液の液体加熱部を設けることで、改質原料液の備蓄タンクから液体加熱部、蒸発部、改質部のそれぞれの経路を最短で配置でき、同時に、気筒冷却機能を備えた構成を効率的に配置することができる。

また、ライナーの上から順に蒸発部、改質部、改質原料液の液体加熱部を設けることで、蒸発部を気筒外部の圧縮上死点付近で燃焼室に最も近い位置に配置することができる。さらに、改質原料噴射弁などを設けて蒸発室への改質原料液の供給タイミングを圧縮上死点付近となるように制御すれば、燃焼室内が高温となる点火・燃焼期間において生ずる燃焼熱を無駄なく改質原料液の気化熱に利用すると共に、ノッキング等の発生原因となる燃焼室壁温の上昇を防止することが容易となる。

さらに、改質原料液として、例えば、無水エタノールではなく、エタノール濃度が３０体積％〜９６体積％のエタノール水、すなわち含水エタノールを利用することで、無水エタノールよりも低い蒸気圧を実現でき、エバポエミッションを低減できる。よって、高価なエバポエミッション防止機能を不要とでき、また燃費の向上にも寄与することができる。さらに、１つの燃料タンクにエタノール水を備蓄すれば良く、水蒸気改質のために水タンクと、エタノールタンクとを別に設ける必要がない。

また、内燃機関のラジエータの冷却用循環液として改質原料液を採用することで、エンジン冷却水と、改質原料の流路を少なくとも２種類設ける必要がなく、内燃機関のシステムの簡略化及びエンジン冷却水を改質原料と別に点検、補充する必要を省くことができる。

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］
本発明の実施形態に係る内燃機関では、改質原料を水蒸気改質する際に要する反応熱（吸熱）を気筒の冷却に利用している。図１は、このような実施形態１に係る内燃機関の気筒付近の概略構成を示している。

気筒１０の上部付近には、吸気弁１４、点火プラグ１６、排気弁１８がそれぞれ設けられ、気筒１０内には、気筒軸線に沿って上下し、コネクティングロッドによりクランク軸に連結されたピストン１２が設けられている。吸気管２０には、図示しないスロットルバルブが設けられ、気筒１０への空気の供給量が制御されている。吸気管２０の吸気ポート付近には、本実施形態において改質ガスを燃料として気筒１０に供給するための燃料噴射弁２２が設けられている。気筒１０の排気ポートは、排気管４０に連結されており、その先には三元触媒などからなる排気触媒２８が設置されている。

なお、改質ガスは気筒における燃焼燃料としてだけでなく、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。燃焼燃料としては、液体燃料（ガソリン、アルコール燃料など）と、改質ガスを併用することも可能であり、また液体燃料のみを気筒に供給し、改質ガスは上記のように排気ガスの浄化に用いることもできる。以下では、改質ガスを燃料として用いた場合を例に説明する。

気筒１０の外側の燃焼室周辺には、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２００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２００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水素や一酸化炭素を含む改質ガスを得る。

本実施形態では、ライナー部１００の中位に蒸発部１２０が配置され、液体加熱部１１０は、蒸発部１２０よりもライナーの下側に設けられ、改質部１３０は蒸発部１２０よりもライナーの上側であって、燃焼室周囲に相当する位置に設けられている。このような配置とすることで、液体加熱部１１０、蒸発部１２０、改質部１３０のそれぞれの経路を最短とすることができ、気筒冷却機構を気筒のライナー部１００に効率的に配置することができる。

ここで、液体加熱部１１０は、ライナー部１００に設けられた液体循環路によって構成されている。この液体循環路は、いわゆるウォータジャケットなどと称されシリンダブロック２００のライナ側に設けた中空部などにより構成できる。蒸発部１２０では、少なくとも供給される改質原料液圧よりも蒸発室内の圧力を低く設定しており、液体加熱部１１０で加熱された改質原料液を気筒の熱を利用して減圧沸騰（蒸発）させる。改質部１３０は、蒸発部１２０から供給される改質原料蒸気（エタノールと水の蒸気）を改質触媒を用いて水蒸気改質する。なお、改質部１３０は、ライナー部１００だけでなく、ライナーの上部に相当する図１に示すようにシリンダヘッドの吸気ポート、排気ポート、点火プラグ１６等の間隙にも設けることで、改質部１３０の体積、または表面積、特に改質触媒の体積、または表面積を限られたスペース内に効率的に確保することが可能となる。また、シリンダヘッド部分も燃焼室の近傍にあり、特別な加熱手段を設けることなく、改質触媒をその活性温度にすることができる。

本実施形態では、改質触媒として、Ｃｕを含むＣｕ触媒を用いており、この触媒は以下に説明するように３５０℃以下の温度において非常に高い活性を備え、低温環境で優れた改質特性を発揮できる。逆に３５０℃を超える温度では、劣化が起きやすい。そこで、本実施形態では、改質触媒温度が３５０℃を超えないように本実施形態の改質部１３０の近傍には、触媒冷却部１４０が設けられている。図１の例では、この冷却部１４０としてライナー部１００の改質部１３０の外周側に真空断熱層１４２を形成している。この真空断熱層１４２の存在によりライナー部１００の外からシリンダブロックを介して熱が伝わって改質触媒の温度が３５０℃を超えないようにしている。なお、改質冷却部１４０は、この真空断熱層１４２には限られず、後述する実施形態のように改質原料液の循環部や、ラジエータの冷却液循環部などを用いて積極的に改質触媒を冷却又は温度制御してもよい。

改質原料は、有機化合物系液体燃料が採用でき、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、例えば、液体燃料としてガソリン等を採用し、これらを水蒸気改質することで、水素や、一酸化炭素を含む改質ガスを得る。本実施形態では、これらの液体燃料の内、エタノールを採用しており、さらに具体的には、無水アルコ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、このエタノール水をタンク７０内に備蓄している。

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。

Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ → 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。特に、Ｃｕ触媒は同一質量でＲｈ触媒よりも分解活性がある。一方で、Ｃｕ触媒は、３５０℃以上の長時間使用で熱劣化する（例えば、特許文献２参照）。

したがって、上述のように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。例えば、最高温度部位の温度を計測し、温度に応じて改質部１３０への改質原料蒸気量を調整し、また触媒冷却部１４０として、ラジエータで放熱される冷却水や改質原料液を循環させる構成とした場合に、それらの循環量を調整するなどの方法により改質触媒温度を管理することができる。また、一方で、改質触媒として、Ｒｈ触媒を用いた場合には、特にＲｈ触媒を冷却する必要がない条件もあり、そのような場合には、図１に示すように、真空断熱層１４２を改質部１３０の外周側に配置して、逆にこの真空断熱層１４２により気筒の熱が外部に逃げないようにすることで、効率的に改質触媒を加熱することができる。もちろん、触媒冷却部１４０として改質原料液等を循環させて、改質触媒温度を正確に制御しても良い。

以上のように本実施形態では、改質原料の水蒸気改質に用いられる熱を気筒の冷却に用いており、改質のための加熱機構を別途設けることなく、そして、気筒の冷却を改質熱により積極的に実行でき、内燃機関のラジエータの負担を大幅に低減できる。このため、ラジエータの小型化や、省略を実現することができる。

［実施形態２］
図３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との相違点の一つは、蒸発部１２０と改質部１３０の位置関係である。具体的には、実施形態２では、蒸発部１２０をライナー部１００の上部に配置し、改質部１３０を蒸発部１２０と液体加熱部１１０との間に配置している。また、本実施形態２において、蒸発部１２０は、蒸発室１２２と、この蒸発室１２２内に改質原料液を噴射する噴射弁１２４を備える。また、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の下位制御部に相当する改質原料の冷却・噴射制御部３１０によって制御され、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。

改質原料液としては、エタノール水、より具体的には、実施形態１と同様に７７ｖ／ｖ％濃度のエタノールと水との混合液を採用し、この混合液をタンク７０に蓄えている。

ここで、本実施形態２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、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１２２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１００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。

以上のようにして蒸発部１２０で気化した改質原料蒸気（エタノール水蒸気）は、次に、蒸発部１２０の下に形成されて、図３には示していない蒸気通路によって、蒸発部１２０と連通されている改質部１３０に流出する。

改質部１３０には、実施形態１で説明したように、改質触媒が設けられており、改質部１３０に流出した改質原料蒸気はここでさらに加熱され、また燃焼室内での燃焼により適温に加熱されている改質触媒によって、水蒸気改質反応（吸熱反応）が起きる。この改質反応で得られた水素含有ガスは、アキュムレータ２８に供給され、ここで蓄圧され、ガス噴射弁２２から吸気ポートに噴射され、気筒１０内での燃料として、空気と混合されて燃焼に利用される。

アキュムレータ２８に蓄えられた改質ガス（水素含有ガス）は、実施形態１において説明したように、排気ガス浄化のために、特に、ＮＯｘを還元するために排気管中に噴射すようにしてもよい。また、生成した水素含有ガスをさらに別の触媒を用いて変成（改質）し、変成ガスをアキュムレータ２８に蓄えても良い。

エタノール水供給量（供給ポンプ８０の汲み上げ量）、液循環ポンプ８４による循環量、減圧弁１２６の圧力設定、液体噴射弁１２４の噴射量は、内燃機関が要求するガス噴射量、改質触媒温度、循環液温度に応じて、冷却・噴射制御部３１０で制御されている。冷却・噴射制御部３１０は、内燃機関全体を制御するエンジンＥＣＵ３００によって制御されており、エンジンＥＣＵ３００の中にこの冷却・噴射制御部３１０が組み込まれている場合もある。

また、吸気及び排気のバルブタイミング可変機構や圧縮比可変機構を持つ内燃機関の場合、これらの可変機構と、冷却・噴射制御部３１０による制御と連携して、ノッキング抑制やエバポエミッション低減をより確実に実現するよう制御することができる。

次に、実施形態１及び２で採用しているエタノールと水の混合液について説明する。図４は、エタノール水溶液の凍結温度特性を示す図である（アルコール協会ホームページ記載）。図４に示されるように、エタノール濃度が３０ｖ／ｖ％（＝２５ｗｔ％）のエタノール水は、−１５℃まで凍結しない。さらに、上記各実施形態で採用するエタノール濃度が７０ｖ／ｖ％〜８０ｖ／ｖ％（６５〜７６ｗｔ％）のエタノール水は、−４７℃以下でないと凍結しない。したがって、７０ｖ／ｖ％〜８０ｖ／ｖ％（６５〜７６ｗｔ％）のエタノール水は、このような低温まで冷却用循環液（液体冷却剤）として用いることができる。このため、図３に示すようにラジエータ８２の循環液としても本実施形態の改質原料液を採用することができ、ラジエータ循環液タンクを改質原料液タンクと別に持つ必要が無く、また、この改質原料の気化熱、反応熱を積極的に気筒の冷却に用いてラジエータの負荷を低減できるため、内燃機関の小型化を図る上で非常に有利となる。

［実施形態３］
図５は、実施形態３に係る内燃機関の概略構成を示している。図６は、図５のライナー部１１０のより詳細な構成を示す断面説明図である。

実施形態２では、触媒冷却部１４０として、真空断熱層１４２を採用しているが、本実施形態３では、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を採用している。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１２２に噴射され、残りは冷却用循環路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。なお、この流量制御は、上述の冷却・噴射制御部３１０によって行うことができる。

ここで、改質部１３０は、上述の通りライナー部１００に設けられるが、一例として、図６に具体的に示すように、ライナー１０１の外面側にライナと一体形成されたフィン１３２を備え、このフィン１３２の表面に改質触媒１３４が設けられ、さらに、この改質触媒１３４の配置されたフィン１３２の表面に沿って改質原料蒸気の改質通路がシリンダブロック２００との間に形成されている。

改質部１３０と蒸発部１２０との間には、蒸気通路１７０が設けられており、蒸気通路１７０を通って改質部１３０に流入した改質原料蒸気は、改質部１３０内の改質通路を改質触媒１３４と接触しながら通過することで改質触媒１３４によって水蒸気改質される。改質触媒１３４は、フィン１３２によって放熱される気筒の熱により適切な活性温度に加熱されており、このような改質触媒１３４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。

（蒸発部の構成例）
次に、蒸発部１２０について説明する。なお、以下に説明する蒸発部１２０は、実施形態３だけでなく、上述の実施形態２及び後述する実施形態４の変形例についても適用することができる。蒸発部１２０は、上述のように、蒸発室１２２と液体噴射弁１２４とを備え、また、図５に示すように、蒸発室１２２のさらに気筒の外側位置には断熱層が設けられている。この蒸発室１２２には、図６に示すように多数のフィン１５０が気筒の軸方向に沿って配置されている。なお、フィン１５０は、ライナー１０１と一体形成することができる。このようなフィン１５０により、蒸発のために十分な表面積の蒸発室１２２を得ており、この蒸発室１２２のフィン１５０に向かって噴射弁１２４より改質原料液を霧状に噴射する。噴射された改質原料液の噴霧は、フィン１５０から放熱される気筒内の熱と、蒸発室１２２内が減圧環境に保たれていることとの相乗効果により、速やかに気化して改質原料蒸気となる。

ここで、蒸発室１２２は、十分な広さを確保することが望ましく、図６に示すように、ライナー１０１の外表面側だけでなく、シリンダブロック２００の対応位置に中空部を予め設け、ライナー１０１とシリンダブロック２００との間に構成される空間を蒸発室１２２として用いている。なお、ライナー１０１が十分厚い場合には、シリンダブロック２００に中空部を設けなくても良いこともある。

図７は、図６に示す蒸発室を上面方向から見た構成を示している。気筒１０の内壁を構成するライナー１０１の外表面側（気筒の外周面側）には、ライナー１０１と一体でフィン１５０が形成されている。フィン１５０は、液体噴射弁１２４との対向する位置においてそのフィンの高さ（気筒の径方向の長さ）が他の領域よりも減ぜられており、この領域に向けて液体噴射弁１２４から改質原料液が噴射される。なお、蒸気通路１７０の配置場所では、フィン１５０が通路を妨げることがないよう終端され又はフィンの高さが減ぜられている。

また、図７では、気筒の液体噴射弁１２４の設けられた方角に近い方角に改質部１３０への蒸気通路１７０を配置しており、液体噴射弁１２４からの噴霧がそのまま蒸気通路１７０に流入することを防止する目的で、噴射弁１２４と蒸気通路１７０との間には流入防止用の障壁１６０が設けられている。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、蒸発室１２２の他の構成例を示している。

まず、図８（ａ）の例では、液体噴射弁１２４ａと蒸気通路１７２とを、燃焼室を挟んで対向する位置（約１８０°の位置）に配置しており、図７のような障壁１６０は省略している。また、図８（ａ）では、液体噴射弁１２４ａと蒸気通路１７２との距離が離れているので、液体噴射弁１２４ａとして広角噴射弁を採用し、広範囲に改質原料液を噴霧している。フィン１５２は、図７と同様に、液体噴射弁１２４ａから改質原料液が噴射される領域では、噴射弁１２４ａからの距離を確保するため、その高さ（径方向の高さ）を低く設定している。また、蒸気通路１７２の設置場所では、この通路の妨げとならないようにフィン１５２の高さは非常に低く設定されるか、または形成されていない。なお、図７及び図８（ａ）のように液体噴射弁が１つの場合、一例として、吸気弁側よりも高温になりやすい排気弁側に液体噴射弁を設けることで、気化熱による燃焼室壁温の冷却をより効率的に実行することができる。

図８（ｂ）の例では、１つの気筒に対し、液体噴射弁１２４ｂが２つ設けられ、この２つの噴射弁１２４ｂは、互いに、燃焼室を挟んで対向する位置に設けられている。また図８（ａ）と同様に広角噴射弁が採用されている。蒸気通路１７４も、２つ設けられており、この２つの蒸気通路１７４は、噴射弁１２４ｂの設けられた位置から最も離れた位置（噴射弁１２４ｂから気筒の中心から約９０°離れた位置）に、間に燃焼室を挟んで対向配置されている。また、フィン１５４は、液体噴射弁１２４ｂに対向する２カ所で高さが減ぜられ、また蒸気通路１７４の設けられる２カ所で高さが減ぜられ又は非設置とされている。

内燃機関で必要とされる改質ガス量が多い場合や、気筒の冷却要求が大きい場合などには、図８（ｂ）のように、１気筒に対して複数の液体噴射弁１２４ｂを設け、改質部１３０に供給する改質原料蒸気を増大させてもよい。また、要求トルクなどに応じて、２つの液体噴射弁１２４ｂの両方又は一方のみから噴射してもよい。また、複数の噴射弁１２４ｂの噴射タイミングを少しずらし、気筒の冷却期間を延ばすこともできる。

図９は、多気筒の場合の蒸発部１２０の構成例を示している。多気筒の場合、蒸発部１２０及び改質部は全気筒共通とすることができ、１つのシリンダブロック２００内にこれらを共通で形成することができる。また、液体加熱部、触媒冷却部等も共通で形成することができる。各気筒１０ａ，１０ｂ，１０ｃの各ライナー外周面には、それぞれフィン１５６が設けられている。

ここで、図９の例では、各気筒には、図の下側に吸気弁１４が配置され、上側に排気弁１８が設けられている。そして改質部に連通された蒸気通路１７６は、並列配置された気筒の並ぶ方向に沿って、つまり、吸気弁１４と排気弁１８との間を通る方向に沿って気筒毎に設けられている。

液体噴射弁１２４ｃは、並列配置された２つの気筒の中間位置であって、蒸気通路１７６を挟んで対向するように吸気弁１４側と排気弁１８側にそれぞれ設けられている。また、この液体噴射弁１２４ｃは、気化の効率化と、蒸気通路１７６へ改質燃料液が直接流入することを防止する観点から、正面方向には噴射せず、左右にのみ改質原料液を噴射する機能を備えている。

さらに、多気筒であっても、各気筒に供給される改質原料液の総量を等しくすることが好ましい。そこで、図９では、両側の噴射弁１２４ｃから改質原料液が噴射される気筒（１０ｂ）に対する噴射量が、単一の噴射弁１２４ｃから改質原料液が噴射される気筒（１０ａ、１０ｃ）に対する噴射量より少なくなるように（正確には半分になるように）ノズル形状が設計されている。

なお、多気筒の場合においても、気筒毎に上記図７，図８（ａ）、（ｂ）のように液体噴射弁を設け、気筒毎に噴射タイミングを制御してもよい。気筒毎に噴射タイミングを制御すれば、気筒毎の燃焼タイミングが異なる多気筒の内燃機関において、どの気筒も最適なタイミングで発生させた気化熱によって冷却することができノッキングや異常燃焼を防止することが可能となる。

（実施形態３の変形例）
次に、図１０を参照して、実施形態３の変形例について説明する。図１０に示す変形例では、図５において説明した構成に加えて、排気管４０側に排気熱を利用して改質原料を改質する排気側改質部４００が設けられている。

排気側改質部４００は、少なくとも低温用改質部３０を備え、またこの低温用改質部３０よりも排気管４０の上流側（気筒側）には、高温用改質部３２又は過給機５０の少なくとも一方が設けられている（図１０では両方が設けられている）。

ここで、低温用改質部３０において用いる改質触媒は、例えば、図２において説明したように、質量当たりの改質効率（分解率）が高いが、３５０℃以上になると熱劣化が発生しやすいＣｕを含む触媒である。また、高温用改質部３２において用いる改質触媒は、３５０℃よりも高い温度を活性温度とする例えばＲｈを含む触媒である。

気筒１０からの排気ガスの温度は、燃焼の当量比が１．０未満、より具体的には０．８以下のような希薄燃焼であれば、２００℃〜４００℃程度とすることができ、この場合には排気管４０に低温用改質部３０のみを設けても熱劣化することなく低温用改質部３０によって水蒸気改質を実行することができる。しかし、内燃機関の動作範囲の一部で、このような排気ガス温度を実現できない条件が存在する場合（例えば、要求トルクが大きい場合など）には、排気ガス温度が低温用改質部３０の適性温度範囲を上回ることがある。そこで、低温用改質部３０よりも排気管４０の上流側には必ず、少なくとも過給機５０か高温用改質部３２を設けている。高温用改質部３２において吸熱反応である改質反応が起きることで、熱交換により排気ガス温度は低下する。過給機５０は、排気ガスによって排気タービンを回転させ、得られた動力を利用して吸気管２０から気筒１０に供給する空気圧を上昇させる機能を備えており、過給機５０を通過することで、排気タービンの仕事量に応じて、排ガスタービンの出口における排ガス温度が低下する。したがって、低温用改質部３０よりも排気管４０の上流側に高温用改質部３２及び過給機５０の少なくとも一方を設けることで、低温用改質部３０に流入する排ガス温度を、低温用改質触媒を加熱するために適正な温度に下げることができる。

また、排気側改質部４００へは、流量制御弁１３６を介して、気筒１０のライナー部１００の改質部１３０で得た改質処理後のガスの一部が供給される。この流量制御弁１３６を介して供給されるガスは、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、まず低温用改質部３０に供給されて改質される。

低温用改質部３０から流出するガスは、熱交換器６２において、高温用改質部３２から流出するより高温のガスと熱交換して、高温用改質触媒に最適な温度に昇温されてから高温用改質部３２に供給される。高温用改質部３２は、上記の通り排気管４０のより上流側に配置されていて、まだ高温の状態の排気ガスと熱交換することで高温用改質触媒をより高い活性温度に加熱することができ、ここで、改質反応をさらに実行する。

高温用改質部３２から流出する改質ガスは熱交換器６２及び６４を介してアキュムレータ２８に供給され、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、気筒への燃料ガスとして用いられる。アキュムレータ２８に供給する改質ガスは、その温度が低い方がガス体積が小さくなるのでアキュムレータ２８での蓄積効率が高い。よって、アキュムレータ２８への改質ガスの流入経路には熱交換器６４が設けられている。

熱交換器６４には、ラジエータ８２に連通された冷却用循環路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からの改質ガスの両方が、この冷却用循環路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１０に示す構成において、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と呼ばれる熱交換器６０が設けられており、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。よって、ラジエータ８２から送出され循環経路８８を経て熱交換器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１０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用循環路８８に優先して流れ込めるようにしている。

以上図１０を参照して説明したように、排気管４０にも改質部４００を設けることで、特別な加熱機構を設けることなく、排気熱についてもこれを有効利用して、改質反応を進行させることでき、改質原料から得る改質ガスに含まれる水素、一酸化炭素の純度を高めることができ、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、アキュムレータ２８に蓄えられたガスは、次回の始動時、エンジンが冷えている場合の始動用燃料としてガス噴射弁２２から供給できる。

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。

なお、以上の各実施形態、変形例においては、気筒に供給する燃料として改質ガスのみを例に説明したが、液体燃料噴射弁を吸気ポートや気筒内に設け、要求トルクの増大時など、必要に応じて液体燃料を併用しても良い。例えば、気筒での燃焼の当量比が１．５以下の場合に、液体燃料を併用することで、要求トルクが大きい場合などであっても、十分なトルクを得ることができる。

実施形態１に係る内燃機関の気筒付近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。実施形態２に係る内燃機関の概略構成を示す図である。エタノール水溶液の濃度と凍結温度との関係を示す図である。実施形態３に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図５のライナー部のより具体的な構成を示す説明図である。本発明の実施形態の蒸発室の構造例を示す図である。本発明の実施形態の蒸発室の図７とは別の構造例を示す図である。本発明の実施形態に係る多気筒の場合における蒸発室の構成例を示す図である。実施形態３の変形例を示す図である。

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冷却用循環路、１００ライナー部、１１０液体加熱部、１２０蒸発部１２２蒸発室、１２４，１２４ａ，１２４ｂ，１２４c 液体噴射弁、１２６減圧弁、１３０改質部、１４０触媒冷却部、１４２真空断熱層、１４４触媒冷却用循環部、１５０，１５２，１５４，１５６蒸発室のフィン、１６０障壁、１７０，１７２，１７４，１７６（改質原料）蒸気通路、２００シリンダブロック、３００エンジン制御部（エンジンＥＣＵ）、３１０冷却・噴射制御部。

Claims

改質原料を吸熱反応である水蒸気改質によって生成した改質ガスを用いる内燃機関であって、
気筒の外側の燃焼室周辺に、改質原料液の蒸発部及び改質原料蒸気の改質部が設けられ、
前記改質原料の気化熱及び前記水蒸気改質の反応熱を、前記気筒の冷却に用いることを特徴とする内燃機関。
請求項１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、前記気筒内の熱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内燃機関。
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関において、
前記気筒の外側の燃焼室周囲には、前記改質原料液を冷却循環液とする循環部が設けられ、該循環液は、内燃機関のラジエータで冷却されることを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関において、
内燃機関のラジエータの冷却循環液として前記改質原料液が用いられていることを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記蒸発部は、前記気筒の外側の燃焼室周辺に形成された蒸発室と、該蒸発室内に前記改質原料を供給する噴射弁とを備え、
前記噴射弁から前記蒸発室内に供給されて得られた前記改質原料の蒸気は、前記気筒の燃焼室周囲に設けられた前記改質部に供給されることを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記蒸発部は、内部が前記改質原料の液圧よりも低い圧力に設定され、前記蒸発部に供給される前記改質原料液が減圧沸騰されることを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記気筒の外側には、ライナーの上から順に改質部、蒸発室及び改質原料液の液体加熱部が設けられていることを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記気筒の外側には、ライナーの上から順に蒸発部、改質部、液体加熱部が設けられていることを特徴とする内燃機関。
請求項８に記載の内燃機関において、
エンジン制御部は、気筒の圧縮上死点付近で、前記蒸発室へ前記改質原料液を供給するように制御することを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記改質部には改質触媒が設けられ、
該改質部付近には改質原料液を冷却液とする改質原料循環部が設けられていることを特徴とする内燃機関。
請求項１０に記載の内燃機関において、
前記改質原料循環部により、前記改質触媒温度が３５０℃以下になるように制御されていることを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の内燃機関において、
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内燃機関。
請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記改質原料液は、３０体積％〜９６体積％の濃度のエタノールと、水との混合液であることを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記気筒での燃焼の当量比は、１．０未満であることを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記気筒での燃焼の当量比は、１．５以下の設定であり、
前記気筒には、筒内直噴燃料噴射弁または、液体燃料ポート噴射弁から液体燃料が供給されることを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記改質ガスは、前記気筒内に燃料として供給されることを特徴とする内燃機関。
請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記改質ガスは、排気経路に設けられた排気浄化部に供給され、排気ガスの浄化処理に用いられることを特徴とする内燃機関。