JP2008031931A - Exhaust gas reforming device and exhaust gas reforming system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料と、内燃機関が排出する排ガスとの混合気を改質して得られた水素を含む改質ガスを、内燃機関の吸気通路へ還流させる排ガス改質装置及び排ガス改質システムに関する。 The present invention relates to an exhaust gas reforming apparatus and an exhaust gas reforming system for recirculating a reformed gas containing hydrogen obtained by reforming a mixture of fuel and exhaust gas discharged from an internal combustion engine to an intake passage of the internal combustion engine. About.
内燃機関が排出する排ガスに炭化水素系の燃料を添加し、両者の混合気を改質触媒で改質して得られる改質ガスを、前記内燃機関の吸気管に供給可能とする排ガスの改質装置が知られている(例えば特許文献1)。 A modification of the exhaust gas is made so that a reformed gas obtained by adding a hydrocarbon-based fuel to the exhaust gas discharged from the internal combustion engine and reforming the mixture of the two with a reforming catalyst can be supplied to the intake pipe of the internal combustion engine. A quality device is known (for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に開示された技術は、内燃機関が排出する排ガスを改質装置へ供給するための配管が必要で、この配管から排ガスの熱エネルギが逃げてしまう結果、改質に供する排ガスの温度が低下してしまい、改質効率の低下、生成水素量の低下等を招くという問題があった。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、改質に供する排ガスの温度低下を抑制できる排ガス改質装置及び排ガス改質システムを提供することを目的とする。
However, the technique disclosed in
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る排ガス改質装置は、燃料と、内燃機関が排出する排ガスとの混合気を改質触媒によって改質することにより生成された水素を含む改質ガスを、前記内燃機関の吸気通路へ還流させるものであり、前記排ガスが内部を通過する主排ガス通路と、内部には、前記改質触媒が設けられるとともに、前記主排ガス通路と交差して配置されて、前記内燃機関が排出する排ガスの一部が通過する改質通路と、前記主排ガス通路と改質通路とを内部に格納する筐体と、前記排ガスの入口側における前記筐体の内部で前記内燃機関から排出される排ガスを分流して、前記主排ガス通路と改質通路とへ振り分ける排ガス分配部と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an exhaust gas reforming apparatus according to the present invention is produced by reforming a mixture of fuel and exhaust gas discharged from an internal combustion engine with a reforming catalyst. The reformed gas containing hydrogen is recirculated to the intake passage of the internal combustion engine, and the main exhaust gas passage through which the exhaust gas passes, and the reforming catalyst is provided therein, and the main exhaust gas passage And a reforming passage through which a part of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine passes, a housing for storing the main exhaust gas passage and the reforming passage therein, and an inlet side of the exhaust gas And an exhaust gas distribution unit that distributes the exhaust gas discharged from the internal combustion engine inside the casing and distributes the exhaust gas to the main exhaust gas passage and the reforming passage.
この発明に係る排ガス改質装置は、改質装置の内部で改質用排ガスを分流し、分流した排ガスを、改質通路と主排ガス通路とに流す。これによって、改質に供する排ガスの通過する経路を短縮できる。その結果、改質通路へ導入される前において、改質に供する排ガスの放熱量を抑制できるので、改質に供する排ガスの温度低下を抑制できる。 The exhaust gas reforming apparatus according to the present invention splits the reforming exhaust gas inside the reforming apparatus, and flows the split exhaust gas through the reforming passage and the main exhaust passage. As a result, the path through which the exhaust gas for reforming passes can be shortened. As a result, since the amount of heat released from the exhaust gas used for reforming can be suppressed before being introduced into the reforming passage, the temperature reduction of the exhaust gas used for reforming can be suppressed.
次の本発明に係る排ガス改質装置は、前記排ガス改質装置において、前記主排ガス通路の内部には、前記排ガスを浄化する浄化触媒が設けられることを特徴とする。 The exhaust gas reforming apparatus according to the present invention is characterized in that, in the exhaust gas reforming apparatus, a purification catalyst for purifying the exhaust gas is provided inside the main exhaust gas passage.
次の本発明に係る排ガス改質装置は、前記排ガス改質装置において、前記筐体は、円筒状であることを特徴とする。 The exhaust gas reforming apparatus according to the present invention is characterized in that, in the exhaust gas reforming apparatus, the casing is cylindrical.
次の本発明に係る排ガス改質装置は、前記排ガス改質装置において、前記改質通路よりも前記排ガスの入口側における前記排ガス分配部には、前記改質通路へ前記排ガスを導入するための排ガスガイドを設け、前記排ガスガイドと前記筐体との間に前記改質通路へ前記排ガスを導く通路を形成することを特徴とする。 In the exhaust gas reforming apparatus according to the present invention, the exhaust gas reforming apparatus is configured to introduce the exhaust gas into the reforming passage in the exhaust gas distribution section on the exhaust gas inlet side of the reforming passage. An exhaust gas guide is provided, and a passage for guiding the exhaust gas to the reforming passage is formed between the exhaust gas guide and the housing.
次の本発明に係る排ガス改質装置は、前記排ガス改質装置において、前記排ガスガイドには、前記筐体に向かって突出する突起が設けられることを特徴とする。 The exhaust gas reforming apparatus according to the present invention is characterized in that, in the exhaust gas reforming apparatus, the exhaust gas guide is provided with a protrusion protruding toward the housing.
次の本発明に係る排ガス改質装置は、前記排ガス改質装置において、前記改質通路へ流入する排ガスへ水分を供給する水分供給手段と、前記改質ガスを冷却してから前記吸気通路へ還流させるガス冷却手段の熱を利用して蒸気を発生させ、この蒸気を前記水分供給手段へ供給する沸騰冷却装置と、を備えることを特徴とする。 In the exhaust gas reforming apparatus according to the next aspect of the present invention, in the exhaust gas reforming apparatus, moisture supply means for supplying moisture to the exhaust gas flowing into the reforming passage, and cooling the reformed gas to the intake passage A boiling cooling device that generates steam using heat of the gas cooling means to be refluxed and supplies the steam to the moisture supply means.
次の本発明に係る排ガス改質装置は、前記排ガス改質装置において、前記燃料が噴射される攪拌容器を備え、前記燃料は、前記攪拌容器内に噴射されてから前記改質通路へ流入する前記排ガスに供給されることを特徴とする。 An exhaust gas reforming apparatus according to the present invention includes, in the exhaust gas reforming apparatus, a stirring container into which the fuel is injected, and the fuel is injected into the stirring container and then flows into the reforming passage. The exhaust gas is supplied to the exhaust gas.
次の本発明に係る排ガス改質装置は、前記排ガス改質装置において、前記沸騰冷却装置は、前記ガス冷却手段、又は前記攪拌容器の少なくとも一方の熱を利用して蒸気を発生させることを特徴とする。 The exhaust gas reforming apparatus according to the present invention is characterized in that, in the exhaust gas reforming apparatus, the boiling cooling device generates steam by using heat of at least one of the gas cooling means or the stirring vessel. And
次の本発明に係る排ガス改質システムは、内燃機関と、前記内燃機関が排出する排ガスが流れる排ガス通路の途中に設けられる前記排ガス改質装置と、前記排ガス改質装置よって生成された改質ガスを前記内燃機関の吸気通路へ還流させるガス還流通路と、前記排ガス改質装置と前記吸気通路との間に設けられる還流流量調整手段と、を含むことを特徴とする。 An exhaust gas reforming system according to the present invention includes an internal combustion engine, the exhaust gas reformer provided in the middle of an exhaust gas passage through which exhaust gas discharged from the internal combustion engine flows, and the reformer generated by the exhaust gas reformer. A gas recirculation passage for recirculating gas to the intake passage of the internal combustion engine; and a recirculation flow rate adjusting means provided between the exhaust gas reforming device and the intake passage.
この排ガス改質システムは、前記改質装置を備え、改質装置の内部で改質用排ガスを分流し、分流した排ガスを、改質通路と主排ガス通路とに流す。これによって、改質に供する排ガスの通過する経路を短縮できる。その結果、改質通路へ導入される前において、改質に供する排ガスの放熱量を抑制できるので、改質に供する排ガスの温度低下を抑制できる。 This exhaust gas reforming system includes the reforming device, splits the reforming exhaust gas inside the reforming device, and flows the split exhaust gas through the reforming passage and the main exhaust passage. As a result, the path through which the exhaust gas for reforming passes can be shortened. As a result, since the amount of heat released from the exhaust gas used for reforming can be suppressed before being introduced into the reforming passage, the temperature reduction of the exhaust gas used for reforming can be suppressed.
次の本発明に係る排ガス改質システムは、前記排ガス改質システムにおいて、前記ガス還流通路の途中、かつ前記排ガス改質装置と前記還流流量調整手段との間には、前記改質ガスの脈動を低減させる脈動低減容器が設けられることを特徴とする。 In the exhaust gas reforming system according to the next aspect of the present invention, in the exhaust gas reforming system, the pulsation of the reformed gas is provided in the middle of the gas recirculation passage and between the exhaust gas reforming device and the recirculation flow rate adjusting means. A pulsation reducing container for reducing the above is provided.
次の本発明に係る排ガス改質システムは、前記排ガス改質システムにおいて、前記ガス還流通路の途中、かつ前記排ガス改質装置と前記脈動低減容器との間には、前記排ガス改質装置に向かう前記改質ガスの流れを抑える逆止弁が設けられることを特徴とする。 The exhaust gas reforming system according to the present invention is directed to the exhaust gas reforming apparatus in the exhaust gas reforming system and in the middle of the gas recirculation passage and between the exhaust gas reforming apparatus and the pulsation reducing container. A check valve for suppressing the flow of the reformed gas is provided.
この発明に係る排ガス改質装置及び排ガス改質システムは、改質に供する排ガスの温度低下を抑制できる。 The exhaust gas reforming apparatus and the exhaust gas reforming system according to the present invention can suppress a decrease in the temperature of exhaust gas used for reforming.
以下、この発明につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態(以下実施形態という)によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。また、本発明は、特に乗用車やバス、あるいはトラック等の車両に搭載される内燃機関に対して好ましく適用できる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited by the best mode for carrying out the invention (hereinafter referred to as an embodiment). In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art, or substantially the same, so-called equivalent ranges. The present invention can be preferably applied particularly to an internal combustion engine mounted on a vehicle such as a passenger car, a bus, or a truck.
(実施形態1)
実施形態1は、排ガス改質装置の内部で改質に供する排ガスを分流することにより、改質用排ガスの放熱量を抑制して改質用排ガスの温度低下を抑制する点に特徴がある。
(Embodiment 1)
The first embodiment is characterized in that the amount of heat released from the reforming exhaust gas is suppressed by diverting the exhaust gas to be reformed inside the exhaust gas reforming apparatus, thereby suppressing the temperature drop of the reforming exhaust gas.
図1は、実施形態1に係る排ガス改質システムの全体構成図である。図1を用いて、この実施形態に係る排ガス改質システムの全体構成を説明する。この実施形態に係る排ガス改質システム100は、内燃機関1と、排ガス改質装置20とを備える。内燃機関1が排出する排ガスExの一部は、排ガス改質手段である排ガス改質装置20(以下改質装置という)へ導かれる。そして、改質装置20に導かれた排ガスExに、炭化水素(HC)を含む、改質に供する燃料(改質用燃料)Frを供給することによって水素(H2)を生成する。そして、この改質反応によって得られた水素を含むガス(以下改質ガスという)Exrを内燃機関1へ還流させる。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of an exhaust gas reforming system according to a first embodiment. The overall configuration of the exhaust gas reforming system according to this embodiment will be described with reference to FIG. An exhaust
内燃機関1は、4個の気筒が直列に配置されているが、気筒数及び気筒配置はこれに限られるものではない。また、内燃機関1は、いわゆるロータリー式の内燃機関であってもよい。内燃機関1に供給される燃料(内燃機関用燃料)Feは、燃料タンク70内のフィードポンプ71によって内燃機関用燃料通路73を介してポート噴射弁6に供給される。そして、内燃機関用燃料Feは、ポート噴射弁6から吸気通路3内に噴射され、吸気通路3を通過する空気Aと混合気を形成する。この混合気は、吸気通路を構成するインテークマニホールド71〜74を通って各気筒1s1〜1s4へ導入される。
Although the
この実施形態においては、単独のポート噴射弁6により内燃機関1の各気筒へ内燃機関用燃料Feを供給するが、ポート噴射弁を気筒数分用意して、各気筒1s1〜1s4のインテークマニホールド71〜74へ内燃機関用燃料Feを供給してもよい。また、ポート噴射弁の代わりに、気筒内へ直接燃料を噴射する、いわゆる直噴噴射弁を用いて、内燃機関1へ内燃機関用燃料Feを供給してもよい。さらに、ポート噴射弁と直噴噴射弁とを備え、内燃機関1の運転条件に応じて両者の燃料噴射割合を変更して、内燃機関1へ内燃機関用燃料Feを供給してもよい。
In this embodiment, the fuel Fe for the internal combustion engine is supplied to each cylinder of the
内燃機関1に供給される空気Aは、吸気通路3の入口に取り付けられるエアクリーナ13でごみ等が除去されてから、内燃機関1へ送られる。内燃機関1へ供給される空気Aは、吸気通路3に設けられるスロットル弁4によって流量が調整される。スロットル弁4の開度は、アクセル47Pと連動する。この実施形態において、アクセル47Pの開度はアクセル開度センサ47で検出されて、機関ECU50に取り込まれる。アクセル開度センサ47からのアクセル開度情報を元に、機関ECU50はスロットル弁4の開度を調整する。
The air A supplied to the
アクセル開度が大きくなると、スロットル弁4の開度は大きくなり、アクセル開度が小さくなると、スロットル弁4の開度は小さくなる。内燃機関1へ供給される空気は、吸気通路3であってスロットル弁4の上流に設けられるエアフローセンサ42で流量が計測されて、その計測値は機関ECU(Electronic Control Unit)50に取り込まれる。機関ECU50は、エアフローセンサ42により計測された吸入空気量Gaと、回転数センサ43で計測される内燃機関1の機関回転数NEとから、内燃機関1に対する燃料噴射量Qfを決定する。
When the accelerator opening increases, the opening of the throttle valve 4 increases, and when the accelerator opening decreases, the opening of the throttle valve 4 decreases. The flow of air supplied to the
内燃機関1の各気筒1s1〜1s4で燃焼した混合気は、排ガスExとなってエキゾーストマニホールド8へ排出される。この排ガスExは、排気通路9を通って改質装置20へ導入され、排ガスExを改質するための熱を与える。改質装置20から排出された排ガスExは、大気中へ放出される。排気通路9には、A/F(Air/Fuel:空燃比)センサ45が取り付けられており、排ガスExの空燃比を計測する。そして、排ガスExの空燃比から内燃機関1の燃焼状態を判定し、所定の空燃比から外れた場合には、機関ECU50で決定される燃料噴射量を補正する。
The air-fuel mixture burned in each cylinder 1 s 1 to 1 s 4 of the
排気通路9には改質装置20が接続されており、内燃機関1が排出する排ガスExが改質装置20へ供給される。この実施形態に係る改質装置20は、内燃機関1が排出する排ガスExの一部を改質するとともに、残りの排ガスは浄化触媒により浄化する構成となっている。排ガス改質装置20へ供給された排ガスExの一部は、改質装置20の内部で改質用の排ガスとして分けられる。そして、改質に供されない排ガスExは、改質装置20内を通過する過程で、改質装置20が備える浄化触媒によって浄化される。
A
この実施形態において、改質に供される排ガスExへ改質用燃料Frを供給するにあたっては、改質装置20と接続される攪拌容器16内に改質用燃料Frを噴射し、ここで十分に改質用燃料Frを攪拌してから、改質用燃料Frを前記排ガスExへ供給する。前記攪拌容器16には改質用燃料噴射弁2が取り付けられている。改質用燃料噴射弁2には、燃料タンク70内のフィードポンプ71から改質用燃料通路72を介して改質用燃料Frが供給される。そして、改質用燃料噴射弁2は、攪拌容器16内へ改質用燃料Frを供給し、改質用燃料Frは攪拌容器16内で十分に攪拌される。これによって、改質用燃料Frと改質に供する排ガスExとが混合しやすくなる。
In this embodiment, when the reforming fuel Fr is supplied to the exhaust gas Ex to be reformed, the reforming fuel Fr is injected into the stirring
攪拌容器16は、改質装置20へ改質用の排ガスExが供給される経路上へ接続されており、攪拌した改質用燃料Frは、改質装置20内で改質に供される排ガスExへ供給される。改質装置20内では、改質用燃料Frと排ガスExとが混合されて、改質用混合気Gmrが形成される。なお、この実施形態において、改質用燃料Frは、内燃機関1の各気筒1s1〜1s4へ供給される内燃機関用燃料Feの一部であり、内燃機関1の運転条件や改質触媒の温度等に応じて改質用燃料Frの噴射量Qfrが決定される。
The stirring
ここで、攪拌容器16は、高温にさらされる改質装置20の近傍に配置されているため、改質用燃料噴射弁2は高温にさらされて、耐久性が低下するおそれがある。このため、攪拌容器16は、排ガスExの温度を冷却する排ガス冷却手段を備える。排ガス冷却手段としては、例えば、ウォータージャケットを用い、これを攪拌容器16に取り付ける。これによって、攪拌容器16を冷却して、改質用燃料噴射弁2の昇温を抑制し、改質用燃料噴射弁2の耐久性低下を抑制する。
Here, since the stirring
改質装置20内で生成された改質用混合気Gmrは、改質装置20が備える改質触媒で改質される。改質装置20の詳細な構成については後述するが、ここでは、改質装置20の概略構成を説明する。改質装置20は、改質用混合気Gmrが通過する改質通路を備えており、この改質通路の内部には改質触媒が設けられる(例えば、改質通路の内面に改質触媒を担持する)。また、改質装置20には、前記改質通路とは別個に、排ガスExが通過する主排ガス通路が設けられており、改質通路に導かれない排ガスExが、主排ガス通路を通過する。この実施形態において、主排ガス通路の内部には浄化触媒が設けられており(例えば、主排ガス通路の内面に浄化触媒を担持する)、主排ガス通路を通過する排ガスを浄化する。
The reforming gas mixture Gmr generated in the
このような構成により、改質装置20は熱交換器を構成し、改質通路に導かれない排ガスExの熱を前記改質触媒へ与え、改質触媒の温度(以下改質触媒温度という)を、活性温度Ta以上に保持して、改質通路内を流れる改質用混合気Gmrを改質し、水素を含む改質ガスExrを生成する。ここで、改質触媒には、例えば、ロジウム(Rh)系の触媒や、ロジウム(Rh)とアルミナ(Al2O3)とを組み合わせた触媒等が用いられる。
With such a configuration, the
改質装置20には、改質触媒の温度を測定するため、改質触媒床温度センサ44が取り付けられる。改質触媒そのものの温度を測定することは困難であるため、改質触媒を担持する触媒床の温度を測定して、改質触媒温度とする。改質触媒温度が低い場合、改質ガスExr中の水素濃度は低く、改質触媒温度が高くなるほど改質ガスExr中の水素濃度は高くなる。このため、改質触媒温度が活性温度Ta以上になってから、排ガスExの改質を開始するように、改質触媒床温度センサ44により改質触媒温度を監視する。なお、ロジウム系の改質触媒を用いる場合、活性温度Taは600℃程度である。
A reforming catalyst
改質装置20には、改質装置20の改質通路と、吸気通路3とを接続する、ガス還流通路10が取り付けられている。ガス還流通路10は、排ガスEx又は改質ガスExrを、内燃機関1の吸気側、すなわち吸気通路3へ還流させる。これによって、内燃機関1の各気筒1s1〜1s4の燃焼室へ改質ガスExrを還流させる。ガス還流通路10にはガス冷却器12が設けられており、改質ガスExrを冷却する。また、ガス冷却器12とガス還流通路10の出口10oとの間には、還流流量調整手段である還流流量調整弁5が設けられており、機関ECU50からの指令により、吸気通路3へ還流させる改質ガスExrの流量を調整する。
A
この実施形態において、改質ガスExrは内燃機関1の吸気通路3へ一括で還流させているが、還流流量調整弁5を内燃機関1の各気筒1s1〜1s4毎に設け、各気筒1s1〜1s4それぞれに対して個別に改質ガスExrを還流させてもよい。なお、吸気通路3へ還流させる改質ガスExrの流量は、還流流量調整弁5の開度、開弁時間によって調整される。
In this embodiment, although the reformed gas Exr is refluxed at once to the
この実施形態においては、ガス冷却器12の出口に、排ガス改質装置20に向かう改質ガスExrの流れを抑える逆止弁15が設けられており、改質ガスExrの逆流を抑制する。また、逆止弁15と還流流量調整弁5との間には、脈動低減容器14が設けられている。ガス還流通路10は、改質装置20の改質通路を介して排気通路9とつながっているため、内燃機関1が排出する排ガスExの脈動の影響によって改質ガスExrにも脈動が発生するおそれがある。その結果、吸気通路3へ還流させる改質ガスExrの流量が不正確になるおそれがある。このため、脈動低減容器14及び逆止弁15によって改質ガスExrの脈動を低減する。これによって、決定した流量で改質ガスExrを吸気通路3に還流させて、内燃機関1を安定して運転することができる。さらに、脈動低減容器14により、改質ガスExr中に含まれる水分を除去することもでき、また、改質ガスExrの脈動低減により、ガス冷却器12の保護も期待できる。次に、改質装置20での改質反応を説明する。
In this embodiment, a
改質用燃料Frと排ガスExとの改質用混合気Gmrは、改質装置20の改質通路の内面に設けられる改質触媒により、式(1)に示す改質反応により改質されて改質ガスExrとなる。
1.56(7.6CO2+6.8H2O+40.8N2)+3C7.6H13.6+4122kJ→31H2+34.7CO+63.6N2・・・(1)
The reforming gas mixture Gmr of the reforming fuel Fr and the exhaust gas Ex is reformed by the reforming reaction shown in the equation (1) by the reforming catalyst provided on the inner surface of the reforming passage of the
1.56 (7.6CO 2 + 6.8H 2 O + 40.8N 2) + 3C 7.6 H 13.6 +
ここで、左辺第1項が排ガスEx、左辺第2項が燃料(炭化水素CHであり、この実施形態ではガソリン)、右辺が改質ガスExrを示す。右辺の改質ガスExrに含まれる水素は、全改質ガスの体積に対して24vol%である。また、この改質反応は吸熱反応であり、これにより排ガスExの熱エネルギを回収することになる。このように、吸熱反応により排ガスExが改質されるため、内燃機関1に供給する燃料の量が同一であっても、排ガスExの熱を吸収した分だけ内燃機関1での燃焼における発熱量が増加する。
Here, the first term on the left side represents the exhaust gas Ex, the second term on the left side represents fuel (hydrocarbon CH, gasoline in this embodiment), and the right side represents the reformed gas Exr. Hydrogen contained in the reformed gas Exr on the right side is 24 vol% with respect to the total reformed gas volume. Further, this reforming reaction is an endothermic reaction, whereby the thermal energy of the exhaust gas Ex is recovered. In this way, since the exhaust gas Ex is reformed by the endothermic reaction, even if the amount of fuel supplied to the
また、水素(H2)の発熱量は241.7kJ/molであり、ガソリン(CH1.869)の発熱量は596.5kJ/molである。しかし、式(1)の改質反応により、3モルのガソリン(燃料)から31モルの水素が発生する。したがって、前記発熱量と、式(1)の改質によるモル数変化とを乗ずると、ガソリン単独を燃焼させる場合と比較して、改質ガスExrの発熱量は大幅に増加する。これにより、内燃機関1の出力トルクが増加し、また燃料消費は低減される。
The calorific value of hydrogen (H 2 ) is 241.7 kJ / mol, and the calorific value of gasoline (CH 1.869 ) is 596.5 kJ / mol. However, the reforming reaction of the formula (1) generates 31 moles of hydrogen from 3 moles of gasoline (fuel). Therefore, when the calorific value is multiplied by the change in the number of moles due to the reforming of the formula (1), the calorific value of the reformed gas Exr is greatly increased as compared with the case where gasoline alone is combusted. As a result, the output torque of the
改質装置20で生成された改質ガスExrは、ガス還流通路10を通って、吸気通路3へ導入される。改質ガスExrは、700℃前後の高温になるため、ガス還流通路10の途中に設けられたガス冷却器12で冷却されてから吸気通路3へ導入される。吸気通路3へ導入される改質ガスExrの流量(還流流量)は、還流流量調整弁5で制御される。吸気通路3へ導入される改質ガスExrの流量は、内燃機関1の運転条件に基づき、当該運転条件における最大限の改質ガスを内燃機関1に導入できるように決定されるが、その詳細については後述する。この場合、改質ガスExrに含まれる水素、一酸化炭素(CO)の量を考慮し、ポート噴射弁6の燃料噴射量を低減して空燃比A/Fを最適化する。
The reformed gas Exr generated by the
改質ガスExrに含まれる水素(H2)は、ガソリンと比較して最大点火エネルギが1/10程度であり、最大燃焼速度が10倍弱である。このため、水素はガソリンと比較して急速燃焼する。上記改質反応によって得られた水素を含む改質ガスExrを内燃機関1に供給すると、改質ガスExr中の水素により、燃焼改善効果が得られる。内燃機関1の運転においては、排ガスExを吸気側に還流させる、いわゆるEGR(Exhaust Gas Recirculation)を実行することがある。
Hydrogen (H 2 ) contained in the reformed gas Exr has a maximum ignition energy of about 1/10 as compared with gasoline, and a maximum combustion rate of slightly less than 10 times. For this reason, hydrogen burns faster than gasoline. When the reformed gas Exr containing hydrogen obtained by the reforming reaction is supplied to the
内燃機関1が軽負荷で運転されているときにEGRを実行すると、ポンプロスが低減されて燃料消費を低減できるが、排ガスExの環流量(EGR量)が多すぎると燃焼速度が遅くなって燃焼が悪化する。その結果、内燃機関1の出力トルクが低下し、ドライバビリティが悪化する。この実施形態に係る内燃機関1は、水素を含む改質ガスExrを内燃機関1に還流させるので、改質ガスExrの還流量を増加させた場合でも、水素が急速燃焼することで、燃焼悪化が抑制される。その結果、燃焼悪化に起因する出力トルクの低下を抑制して、ドライバビリティの悪化を抑えることができる。
If EGR is executed when the
また、内燃機関1が高負荷(例えばWOT領域での運転や負荷率で80%程度を超える領域での運転)においてEGRを実行すると、燃焼室の温度を低下させることができるので、ストイキ(λ=1)で運転できる領域が拡大する。しかし、EGRにより燃焼が悪化して、出力トルクが低下し、ドライバビリティを悪化させることがある。この実施形態に係る内燃機関1は、排ガスExだけではなく、水素を含む改質ガスExrを内燃機関1に還流させるので、改質ガスExr中の水素が急速燃焼することで燃焼悪化が抑制される。また、水素の急速燃焼によりノッキングを改善できるので、点火時期を進角させて、内燃機関1の出力トルクを向上させることができる。その結果、燃焼悪化に起因する出力トルクの低下を抑制して、ドライバビリティの悪化を抑えることができる。次に、改質装置20の構造を説明する。
Further, if the EGR is performed when the
図2−1は、実施形態1に係る排ガス改質装置を示す斜視図である。図2−2は、実施形態1に係る排ガス改質装置を示す断面図である。図2−3は、図2−2のA−A矢視図である。図2−4は、図2−2のB−B矢視図である。図3−1は、実施形態1に係る排ガス改質装置が備える熱交換用構造体を示す斜視図である。図3−2は、実施形態1に係る排ガス改質装置が備える熱交換用構造体を示す正面図である。図3−3は、実施形態1に係る排ガス改質装置が備える熱交換用構造体を示す平面図である。図3−4は、実施形態1に係る排ガス改質装置が備える熱交換用構造体を示す側面図である。図3−5は、実施形態1に係る排ガス改質装置が備える熱交換用構造体の他の例を示す一部斜視図である。
FIG. 2-1 is a perspective view illustrating the exhaust gas reforming apparatus according to the first embodiment. FIG. 2-2 is a cross-sectional view illustrating the exhaust gas reforming apparatus according to the first embodiment. FIG. 2-3 is an AA arrow view of FIG. 2-2. FIG. 2-4 is a BB view of FIG. 2-2. FIG. 3-1 is a perspective view illustrating a heat exchange structure provided in the exhaust gas reforming apparatus according to the first embodiment. FIG. 3-2 is a front view illustrating the heat exchange structure included in the exhaust gas reforming apparatus according to the first embodiment. FIG. 3C is a plan view of the heat exchange structure included in the exhaust gas reforming apparatus according to the first embodiment. 3-4 is a side view showing the heat exchange structure included in the exhaust gas reforming apparatus according to
図2−1、図2−2に示すように、この実施形態に係る改質装置20は、筐体21内に熱交換用構造体24を配置して構成される。筐体21は、排ガス導入部筐体21Hと、胴部21Bと、排ガス排出部筐体21Fとで構成される。図2−1、図2−3、図2−4に示すように、筐体21の胴部21Bは円筒形状であり、筐体21の軸方向(主排ガス通路を排ガスExが流れる方向と平行)に垂直な断面形状は、円形である。また、排ガス導入部筐体21H及び排ガス排出部筐体21Fは円錐台形状であり、筐体21の軸方向に垂直な断面形状は、円形である。このように、筐体21は、全体として円筒形状に構成される。これによって、筐体21の剛性を向上させることができる。その結果、排気通路内の脈動に起因する筐体21の振動を抑制できるので、筐体21からの放射音を低減することができる。
As illustrated in FIGS. 2A and 2B, the
熱交換用構造体24の形状は、直方体(四角柱形状)であり、筐体21を構成する胴部21Bの内部に格納される。改質通路25Rが開口していない熱交換用構造体24の側部24S1と、前記側部24S1と対向する筐体21の内面21Iとの間に形成される空間(外側主排ガス通路)25CSは、内燃機関1から排出され、かつ改質に供されない排ガスExが流れる。
The shape of the
図2−2、図2−4に示すように、改質通路25Rの入口25RIが開口する熱交換用構造体24の側部24S2と、前記側部24S2と対向する筐体21の内面21Iとの間に形成される空間には、排ガス排出部筐体21F側に排ガス出口側密封手段27Eが設けられる。これによって、前記空間の排ガス導入部筐体21H側には開口部Oが形成されるので、この開口部から、改質に供する排ガス(改質用排ガス)Exが前記空間に流入する。そして、流入する排ガスExには改質用燃料Frが供給されて改質用混合気Gmrが形成される。前記空間は、この改質用混合気Gmrを熱交換用構造体24の改質通路25Rへ導入する、改質用混合気溜26Iとして機能する。
As shown in FIGS. 2-2 and 2-4, the side 24S2 of the
また、図2−2、図2−3、図2−4に示すように、改質通路25Rの出口25REが開口する熱交換用構造体24の側部24S3と、前記側部24S3と対向する筐体21の内面21Iとの間に形成される空間には、排ガス導入部筐体21H側に排ガス入口側密封手段27Iが、排ガス排出部筐体21F側に排ガス出口側密封手段27Eが設けられる。これによって、前記空間は、改質用混合気Gmrが改質通路25R内の改質触媒で改質されて生成された改質ガスExrが集められる、改質ガス溜26Eとして機能する。
Further, as shown in FIGS. 2-2, 2-3, and 2-4, the side 24S3 of the
次に、熱交換用構造体24の構造を説明する。図3−1〜図3−4に示すように、熱交換用構造体24には、主排ガス通路25Cと、改質通路25Rとが形成される。図2−2に示すように、熱交換用構造体24は筐体21内に格納されるので、熱交換用構造体24に設けられる主排ガス通路25Cと、筐体21の内部に配置される改質通路25Rとは、筐体21の内部に格納されることになる。
Next, the structure of the
なお、図3−5に示す熱交換用構造体24'のように、改質通路25R'を主排ガス通路25C'の貫通方向(排ガスExの流れ方向)に向かって複数に分割し、また、主排ガス通路25C'を改質通路25R'の貫通方向(改質用混合気Gmrの流れ方向)に向かって分割してもよい。このようにすると、改質通路25R'及び主排ガス通路25C'の表面積を大きくすることができるので、主排ガス通路25C'から改質通路25R'への伝熱効率を向上させることができる。その結果、改質効率を向上させることができる。
Like the
この実施形態において、主排ガス通路25Cと、改質通路25Rとは、共通の構造体に形成されて、熱交換用構造体24を構成する。このようにすることで、熱交換用構造体24の強度を向上させることができ、また、組み立ても不要になるので、熱交換用構造体24の製造を簡略化することができる。
In this embodiment, the main exhaust gas passage 25 </ b> C and the reforming passage 25 </ b> R are formed in a common structure and constitute a
改質装置20の筐体21を構成する排ガス導入部筐体21Hは、排気通路9(図1、図2−1、図2−2参照)と接続されており、排気通路9から流入する排ガスExを排ガス導入部筐体21Hの内部で分流し、主排ガス通路25Cと改質通路25Rとに振り分ける。すなわち、改質通路25Rには、排気通路9から流入する排ガスExの一部が、改質用排ガスとして流れ、残りの排ガスExは、主排ガス通路25Cを流れる。
The exhaust
このように、改質装置20が備える筐体21を構成する排ガス導入部筐体21Hは、排ガス分配部として機能する。そして、改質用排ガスExは改質装置20の内部で分流され、かつ、分流されて改質に供される排ガスExは、改質装置20内の排ガス導入部筐体21H、及び改質装置20内の改質用混合気溜26Iを流れるのみなので、改質用排ガスExの流れる経路を短縮できる。その結果、改質用排ガスExの温度低下を抑制できる。
As described above, the exhaust gas introducing
図2−2、図2−3に示すように、改質通路25Rは、主排ガス通路25Cに対して交差して配置される。この実施形態では、改質通路25Rが、主排ガス通路25Cに対して直交する。なお、改質通路25Rと主排ガス通路25Cとが交差する角度(流路交差角度)は90度に限られるものではない。改質通路25Rの内面には、改質触媒が担持されている。また、主排ガス通路25Cの内面及び改質通路25Rが開口していない熱交換用構造体24の側部24S1、並びに前記側部24S1と対向する筐体21の内面21Iには、排ガスExを浄化する浄化触媒が担持されている。この実施形態では、浄化触媒として三元触媒を用いるが、浄化触媒の種類はこれに限定されものではなく、内燃機関1の種類によって適宜変更することができる。
As shown in FIGS. 2-2 and 2-3, the reforming
改質通路25Rの内面に担持されている改質触媒は、主排ガス通路25Cを流れる排ガスExにより加熱される。また、主排ガス通路25Cの内面等に担持される浄化触媒が排ガスを浄化する際に発生する熱によっても、改質通路25Rの内面に担持されている改質触媒は加熱される。さらに、上述した、改質用排ガスExの通過する経路を短縮することによって、改質用排ガスExの温度低下を抑制できる。これらの作用により、改質通路25Rの内面に担持されている改質触媒は、効率的に昇温するので改質反応が促進され、水素を効率的に生成することができ、また、水素の生成量も増加する。
The reforming catalyst carried on the inner surface of the reforming
改質用混合気溜26Iには、攪拌容器16から改質用燃料Frが供給される(図2−2参照)。改質に供される排ガスExと改質用燃料Frとの混合を促進するためには、改質用混合気溜26Iの排ガスExの入口側(内燃機関1側)から改質用燃料Frを投入することが好ましい。より好ましくは、熱交換用構造体24の改質通路25Rの開口部よりも排ガスExの入口側で、改質用燃料Frを投入することが好ましい。このようにすれば、改質用排ガスExと改質用燃料Frとの混合が促進されて、より均一な改質用混合気Gmrが生成されるので、効率的に改質できる。
Reforming fuel Fr is supplied from the stirring
改質用混合気溜26Iの排ガスExの入口側から改質用燃料Frを投入するためには、攪拌容器16からの改質用燃料投入口16Sを、できるだけ改質装置20の排ガスExの入口側に設ける。また、熱交換用構造体24の改質通路25Rの開口部よりも排ガスExの入口側で、改質用燃料Frを投入するためには、改質通路25Rの開口部よりも排ガスExの入口側に、改質用燃料投入口16Sを設ける。次に、熱交換用構造体24の他の構成を説明する。
In order to input the reforming fuel Fr from the inlet side of the exhaust gas Ex of the reforming gas mixture 26I, the reforming
図4−1〜図4−4は、実施形態1に係る熱交換用構造体の他の構成例を示す斜視図である。図4−1〜図4−4に示す熱交換用構造体は、複数の管と複数の板とを組み合わせて、主排ガス通路25Cと改質通路25Rとを構成する。図4−1に示す熱交換用構造体24aは、断面外形状及び断面内形状が矩形の複数の角管28を改質通路25Rとする。角管28の両端の開口部には、前記角管28の開口に合わせた複数の開口部が形成された板状部材29が取り付けられている。すなわち、熱交換用構造体24aは、角管28の両端の開口部を、2枚の板状部材29で挟持して構成される。そして、隣接する角管28で囲まれる空間が主排ガス通路25Cとなる。
4A to 4D are perspective views illustrating other configuration examples of the heat exchange structure according to the first embodiment. The structure for heat exchange shown in FIGS. 4-1 to 4-4 constitutes a main
図4−2に示す熱交換用構造体24bは、断面外形状及び断面内形状が矩形の複数の円管30を改質通路25Rとする。円管30の両端の開口部には、前記円管30の開口に合わせた複数の開口部が形成された板状部材31が取り付けられている。すなわち、熱交換用構造体24bは、円管30の両端の開口部を、2枚の板状部材31で挟持して構成される。この熱交換用構造体24bでは、円管30同士の間が、主排ガス通路25Cとなる。このため、円管30の外面には、浄化触媒が担持される。
In the
この熱交換用構造体24bは、円管30の本数を多くすることができるので、円管30の内部に形成される改質通路25Rの伝熱面積を大きくすることができる。その結果、伝熱性能が向上するので、改質通路25R、すなわち円管30の内面に担持される改質触媒の昇温速度を高くでき、改質効率の向上、及び水素の生成量増加を図ることができる。また、円管30の外面の面積も大きくできるので、浄化触媒が担持される面積を大きくして、浄化性能を確保しやすくなる。
Since this
図4−3に示す熱交換用構造体24cは、断面外形状及び断面内形状が矩形の複数の角管32を主排ガス通路25Cとする。角管32の両端の開口部には、前記角管32の開口に合わせた複数の開口部が形成された板状部材33が取り付けられている。すなわち、熱交換用構造体24cは、角管32の両端の開口部を、2枚の板状部材33で挟持して構成される。そして、隣接する角管32で囲まれる空間が改質通路25Rとなる。
In the
図4−4に示す熱交換用構造体24dは、断面外形状及び断面内形状が円形の複数の円管34を主排ガス通路25Cとする。このため、円管34の内面には、浄化触媒が担持される。円管34の両端の開口部には、前記円管34の開口に合わせた複数の開口部が形成された板状部材35が取り付けられている。すなわち、熱交換用構造体24dは、円管34の両端の開口部を、2枚の板状部材35で挟持して構成される。この熱交換用構造体24dでは、円管34同士の間が、改質通路25Rとなる。このため、円管34の外面には、改質触媒が担持される。
The
この熱交換用構造体24dは、円管34の本数を多くすることができるので、円管34の間に形成される改質通路25Rの伝熱面積を大きくすることができる。その結果、伝熱性能が向上するので、改質通路25R、すなわち円管34の外面に担持される改質触媒の昇温速度を高くでき、改質効率の向上、及び水素の生成量増加を図ることができる。また、円管34の内面の面積も大きくできるので、浄化触媒が担持される面積を大きくして、浄化性能を確保しやすくなる。次に、実施形態1の変形例に係る改質装置を説明する。
Since this
(変形例)
実施形態1の変形例に係る改質装置は、実施形態1に係る改質装置と略同様であるが、改質装置の軸方向(改質に供されない排ガスの流れ方向と平行な方向)に直交する断面形状が楕円状である点が異なる。他の構成は、実施形態1に係る改質装置と同様である。
(Modification)
The reformer according to the modification of the first embodiment is substantially the same as the reformer according to the first embodiment, but in the axial direction of the reformer (a direction parallel to the flow direction of exhaust gas not subjected to reforming). The difference is that the orthogonal cross-sectional shape is elliptical. Other configurations are the same as those of the reformer according to the first embodiment.
図5−1は、実施形態1の変形例に係る排ガス改質装置を示す断面図である。図5−2は、図5−1のC−C断面図である。上述したように、実施形態1の変形例に係る改質装置20eは、改質装置20eの軸Z方向に直交する断面形状が、略楕円形状となっている。このようにすることで、改質装置20eの筐体21eは、平面部の比率を極小(この変形例では平面部なし)にできるので、筐体21eの剛性を向上させることができる。その結果として、筐体21eからの放射音を低減することができる。
FIG. 5-1 is a cross-sectional view illustrating an exhaust gas reforming apparatus according to a modification of the first embodiment. FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. As described above, in the
また、この変形例では、改質装置20eが備える熱交換用構造体24eに形成される改質通路25Reが、楕円の長辺と平行になるように形成される。このようにすることで、主排ガス通路25Ceと改質通路25Reとの間における伝熱面積をより大きくすることができるので、改質通路25Reに担持される改質触媒の温度をより早く昇温させることができ、また、改質触媒をより高い温度に維持することができる。その結果、より効率的に改質ガスExrを生成できるとともに、改質ガスExrに含まれる水素の量も増加する。
In this modification, the reforming passage 25Re formed in the
以上、この実施形態及びその変形例では、改質装置の内部で改質用排ガスを分流し、かつ改質に供される排ガスは、改質装置内の排ガス導入部筐体、及び改質装置内の改質用混合気溜を流れるのみとした。これによって、改質用排ガスの通過する経路を短縮できる。その結果、改質触媒を備える改質通路へ導入される前における改質用排ガスの放熱量を抑制できるので、改質触媒を備える改質通路へ導入される前における改質用排ガスの温度低下を抑制できる。また、改質用排ガスの温度低下が抑制できる結果、改質触媒を必要な温度(活性温度)以上に保ちやすくなるため、改質可能な内燃機関の運転範囲が拡大する。 As described above, in this embodiment and the modification thereof, the exhaust gas for reforming is shunted inside the reformer, and the exhaust gas to be used for reforming includes the exhaust gas introduction unit housing in the reformer, and the reformer It only flowed through the reforming gas mixture. As a result, the path through which the reforming exhaust gas passes can be shortened. As a result, since the amount of heat released from the reforming exhaust gas before being introduced into the reforming passage including the reforming catalyst can be suppressed, the temperature reduction of the reforming exhaust gas before being introduced into the reforming passage including the reforming catalyst. Can be suppressed. In addition, as a result of suppressing the temperature drop of the reforming exhaust gas, the reforming catalyst can be easily maintained at a required temperature (activation temperature) or higher, so that the operating range of the reformable internal combustion engine is expanded.
さらに、改質触媒を備える改質通路へ導入される前における改質用排ガスの温度低下を抑制できるので、改質時においては、改質に供さない排ガスの温度低下が小さくなる。これによって、改質装置の後流に浄化触媒を配置した場合には、当該浄化触媒の暖機時間を短縮できる。また、改質装置の内部で改質用排ガスを分流することにより、改質装置の外側を取り回す改質用排ガスの配管が不要になるので、改質装置をコンパクトにできる。その結果、車両への搭載性が向上する。なお、実施形態1及びその変形例で開示した構成は、以下の実施形態でも適宜適用できる。 Furthermore, since the temperature drop of the reforming exhaust gas before being introduced into the reforming passage provided with the reforming catalyst can be suppressed, the temperature drop of the exhaust gas not subjected to reforming is reduced during the reforming. Thereby, when the purification catalyst is disposed downstream of the reformer, the warm-up time of the purification catalyst can be shortened. In addition, by dividing the reforming exhaust gas inside the reformer, the reforming exhaust gas pipe around the outside of the reformer becomes unnecessary, so that the reformer can be made compact. As a result, the mountability on the vehicle is improved. Note that the configurations disclosed in the first embodiment and the modifications thereof can be appropriately applied to the following embodiments.
(実施形態2)
実施形態2に係る改質装置は、実施形態1に係る改質装置と略同様であるが、改質用排ガスを熱交換用構造体へ導入する前に、前記排ガスを熱交換用構造体へ導く排ガスガイドを設けた点が異なる。他の構成は、実施形態1に係る改質装置と同様である。
(Embodiment 2)
The reformer according to
図6−1は、実施形態2に係る排ガス改質装置を示す断面図である。図6−2は、実施形態2に係る排ガス改質装置が備える排ガスガイドの構成を示す拡大断面図である。この実施形態に係る改質装置20fは、筐体21内の排ガスExの入口側、すなわち、排ガス導入部筐体21H側に、改質用排ガスExを改質用混合気溜26Iに導く排ガスガイド36が設けられる。
FIG. 6A is a cross-sectional view illustrating the exhaust gas reforming apparatus according to the second embodiment. FIG. 6B is an enlarged cross-sectional view illustrating a configuration of an exhaust gas guide included in the exhaust gas reforming apparatus according to the second embodiment. The
図6−1、図6−2に示すように、排ガスガイド36は、板状部材であって、例えば、金属板を板金加工することによって製造されて、溶接等の接合手段によって、筐体21又は熱交換用構造体24の少なくとも一方へ取り付けられる。図6−2に示すように、排ガスガイド36は、改質用混合気溜26Iの入口26Iiに、排ガスガイド36の排ガス出口側端部36etが重なるように設けられる。そして、排ガスガイド36と筐体21(排ガス導入部筐体21H)との間に、改質用排ガスExを改質通路25Rへ導く通路(導入通路)37が形成される。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the
この実施形態に係る改質装置20fは、改質用混合気溜26Iへ改質用排ガスExを導く前の経路上に、導入通路37が設けられるので、改質用排ガスExを改質通路25Rへ確実に導くことができる。また、改質通路25Rへ流入する改質用混合気Gmrに、主排ガス通路25Cへ流れるべき排ガスExが混入することを抑制できる。さらに、排気脈動に起因して改質用燃料Frが主排ガス通路25C側へ流れ、改質に供されない排ガスExと混合することも抑制できるので、改質用燃料Frの無駄な消費を抑制できる。これらの作用により、改質効率を向上させることができる。また、改質用燃料Frと改質に供されない排ガスExとの混合を抑制できるので、適切な空燃比の排ガスが主排ガス通路25Cを通過するので、浄化性能の低下を抑制できる。
In the reforming
攪拌容器16からの改質用燃料投入口16Sは、排ガスガイド36の排ガス出口側端部36etよりも、導入通路37の排ガス入口37i側に設けることが好ましい。あるいは、攪拌容器16からの改質用燃料投入口16Sは、改質通路25Rの開口部よりも導入通路37の排ガス入口37i側に設けることが好ましい。これによって、改質用燃料Frと改質用排ガスExとの混合を促進して、より均一な改質用混合気Gmrを改質通路25Rへ供給することができる。
The reforming
また、この実施形態では、排ガスガイド36の途中に、筐体21(排ガス導入部筐体21H)に向かって、すなわち導入通路37の内部へ向かって突出する突起36Tが形成される。この突起36Tは、必ずしも設ける必要はないが、突起36Tを設けることにより、改質に供しない排ガスExが改質用混合気溜26Iへ流入すること、排気脈動により改質用燃料Frが改質に供されない排ガスExと混合すること、及び排気脈動により改質用排ガスExが主排ガス通路25C側へ逆流することをより効果的に抑制できる。その結果、改質効率を向上させ、また、ガス浄化性能の低下を抑制できる。
Further, in this embodiment, a
以上、この実施形態では、改質装置の内部で改質用排ガスを分流し、かつ排ガスガイドを設けて改質用排ガスを改質用混合気溜へ導くようにした。これによって、改質用排ガスの温度低下を抑制して、改質効率の向上を図ることができる。また、排ガスガイドによって改質用混合気や改質用燃料が主排ガス通路に流出することを抑制できるので、改質効率を向上させ、また水素生成量を増加させることができるとともに、排ガス浄化性能の低下を抑制することができる。なお、実施形態2で開示した構成は、以下の実施形態でも適宜適用できる。 As described above, in this embodiment, the reforming exhaust gas is divided into the reformer, and the exhaust gas guide is provided to guide the reforming exhaust gas to the reforming gas mixture. As a result, the temperature reduction of the reforming exhaust gas can be suppressed and the reforming efficiency can be improved. In addition, the exhaust gas guide can suppress the reforming air-fuel mixture and reforming fuel from flowing into the main exhaust gas passage, so that the reforming efficiency can be improved, the amount of hydrogen generation can be increased, and the exhaust gas purification performance Can be suppressed. Note that the configuration disclosed in the second embodiment can be appropriately applied to the following embodiments.
(実施形態3)
実施形態3に係る排ガス改質システムは、実施形態1に係る排ガス改質システムと略同様であるが、改質用に供する排ガスへ、さらに水を水蒸気の形で添加して、改質効率を向上させる点が異なる。他の構成は、実施形態1に係る改質装置と同様である。
(Embodiment 3)
The exhaust gas reforming system according to
図7は、実施形態3に係る排ガス改質システムの全体構成図である。図7に示す排ガス改質システム100gでは、ガス還流通路10に設けられて、改質ガスExrを冷却するガス冷却器12に、蒸気発生手段である沸騰冷却装置60を設ける。ガス冷却器12は、水(H2O)を用いて改質ガスExrを冷却する、水冷式の冷却器である。沸騰冷却装置60とガス冷却器12とは、沸騰冷却装置60で液体に戻った水をガス冷却器12へ戻す第1冷却水通路63と、ガス冷却器12で昇温した水を沸騰冷却装置60へ送る第2冷却水通路64とで接続されている。第1冷却水通路63には逆止弁66が設けられており、ガス冷却器12から沸騰冷却装置60への水の逆流を防止する。
FIG. 7 is an overall configuration diagram of the exhaust gas reforming system according to the third embodiment. In the exhaust
沸騰冷却装置60は、改質ガスExrを冷却する際に、ガス冷却器12が改質ガスExrから奪った熱を利用して、改質に供するための蒸気(水蒸気)を発生させる。沸騰冷却装置60の蒸気溜60Eには、ガス冷却器12で改質ガスExrを冷却して得られた蒸気が溜められている。沸騰冷却装置60は、蒸気溜60Eの蒸気を蒸気流量調整弁62から取り出す。そして、取り出された蒸気は、蒸気供給通路65を介して水分供給手段である蒸気供給弁11から攪拌容器16内へ供給されて、改質に供される。蒸気流量調整弁62の開度は機関ECU50によって開弁量や開弁時間を制御されて、攪拌容器16内へ供給される蒸気量が制御される。
When cooling the reformed gas Exr, the boiling
攪拌容器16内へ供給されなかった蒸気は、沸騰冷却装置60の冷却部60Cで冷却されて水に戻されて、再びガス冷却器12へ供給されて改質ガスExrを冷却する。なお、冷却部60Cは、走行風やファンの風等により冷却されて、蒸気の液化を促進する。攪拌容器16内へ蒸気が供給されると、ガス冷却器12に流れる水の量が減少し、改質ガスExrの冷却能力が低下する。このため、沸騰冷却装置60は、補給用の補助タンク61を備えており、攪拌容器16へ供給して減少した水を補助タンク61から供給して補う。
The steam that has not been supplied into the stirring
この実施形態に係る排ガス改質システム100gでは、改質ガスExrの熱を利用して蒸気を生成し、これを改質に供する。これにより、水の蒸発熱を改質ガスExrの熱で補うことができるので、攪拌容器16へ水(水蒸気)を供給する際には、水の蒸発に用いられる熱を低減できる。その結果、改質に必要な熱を確保できるので、水を供給することによる水素の生成量増加、及び改質効率の向上を図ることができる。また、改質ガスExrの熱も有効に利用できる。さらに、ガス冷却器12による改質ガスExrの冷却効率も向上し、ガス冷却器12自体の冷却も期待できる。次に、この実施形態3の変形例を説明する。
In the exhaust
(変形例)
実施形態3の変形例は、実施形態3と略同様の構成であるが、改質用排ガスへ供給する水蒸気を、改質用燃料を攪拌する攪拌容器の冷却手段に接続した沸騰冷却装置で生成する点が異なる。他の構成は、実施形態3と同様である。
(Modification)
The modification of the third embodiment has substantially the same configuration as that of the third embodiment, but the steam supplied to the reforming exhaust gas is generated by a boiling cooling device connected to the cooling means of the stirring vessel for stirring the reforming fuel. The point to do is different. Other configurations are the same as those of the third embodiment.
図8は、実施形態3に係る排ガス改質システムが備える沸騰冷却装置の変形例の構成を示す説明図である。図8に示す例では、改質用燃料Frが供給される攪拌容器16(図7参照)を冷却するウォータージャケット16Wに、蒸気発生手段である沸騰冷却装置60を設ける。ウォータージャケット16Wは、水(H2O)を用いて攪拌容器16を冷却する、水冷式の冷却器である。沸騰冷却装置60とウォータージャケット16Wとは、沸騰冷却装置60で液体に戻った水をウォータージャケット16Wへ戻す第1冷却水通路63と、ガス冷却器12で昇温した水を沸騰冷却装置60へ送る第2冷却水通路64とで接続されている。第1冷却水通路63には逆止弁66が設けられており、ウォータージャケット16Wから沸騰冷却装置60への水の逆流を防止する。
FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a variation of the boiling cooling device provided in the exhaust gas reforming system according to the third embodiment. In the example shown in FIG. 8, a boiling
沸騰冷却装置60は、攪拌容器16を冷却する際に、ウォータージャケット16Wが攪拌容器16から奪った熱を利用して、改質に供するための蒸気(水蒸気)を発生させる。沸騰冷却装置60の蒸気溜60Eには、ウォータージャケット16Wにより攪拌容器16を冷却することにより得られた蒸気が溜められている。沸騰冷却装置60は、蒸気溜60Eの蒸気を蒸気流量調整弁62から取り出す。そして、取り出された蒸気は、蒸気供給通路65を介して水分供給手段である蒸気供給弁11から攪拌容器16内へ供給されて、改質に供される。蒸気流量調整弁62の開度は機関ECU50によって開弁量や開弁時間を制御されて、攪拌容器16内へ供給される蒸気量が制御される。
When cooling the stirring
攪拌容器16内へ供給されなかった蒸気は、沸騰冷却装置60の冷却部60Cで冷却されて水に戻されて、再びガス冷却器12へ供給されて改質ガスExrを冷却する。なお、冷却部60Cは、走行風やファンの風等により冷却されて、蒸気の液化を促進する。攪拌容器16内へ蒸気が供給されると、ガス冷却器12に流れる水の量が減少し、改質ガスExrの冷却能力が低下する。このため、沸騰冷却装置60は、補給用の補助タンク61が備えており、攪拌容器16へ供給して減少した水を補助タンク61から供給して補う。この変形例でも、実施形態3に係る排ガス改質システムと同様の作用、効果が得られる。また、攪拌容器16の冷却効率が向上するので、改質用燃料噴射弁2をより効果的に冷却して、耐久性低下をより効果的に抑制できる。
The steam that has not been supplied into the stirring
以上、この実施形態及びその変形例では、改質ガスの熱を利用して蒸気を生成し、これを改質に供するので、水の蒸発に用いられる熱を低減できる。これによって、改質に必要な熱を確保できるので、水を供給することによる水素の生成量増加、及び改質効率の向上を図ることができる。また、改質ガスExrの熱を有効に利用できる。また、改質ガス等の冷却効率も向上する。 As mentioned above, in this embodiment and its modification, since the steam is generated using the heat of the reformed gas and used for reforming, the heat used for water evaporation can be reduced. As a result, heat necessary for reforming can be secured, so that the amount of hydrogen generated by supplying water can be increased and the reforming efficiency can be improved. Further, the heat of the reformed gas Exr can be used effectively. In addition, the cooling efficiency of the reformed gas and the like is improved.
以上のように、本発明に係る排ガス改質装置及び排ガス改質システムは、排ガスに燃料を供給して、水素を含む改質ガスを生成する排ガス改質に有用であり、特に、改質に供する排ガスの温度低下を抑制することに適している。 As described above, the exhaust gas reforming apparatus and the exhaust gas reforming system according to the present invention are useful for exhaust gas reforming in which fuel is supplied to exhaust gas to generate reformed gas containing hydrogen. It is suitable for suppressing the temperature drop of the exhaust gas to be provided.
1 内燃機関
2 改質用燃料噴射弁
3 吸気通路
5 還流流量調整弁
9 排気通路
10 ガス還流通路
11 蒸気供給弁
12 ガス冷却器
13 エアクリーナ
14 脈動低減容器
15 逆止弁
16 攪拌容器
16W ウォータージャケット
16S 改質用燃料投入口
20、20e、20f 改質装置(排ガス改質装置)
21、21e 筐体
21B 胴部
21F 排ガス排出部筐体
21H 排ガス導入部筐体
21I 内面
24、24'、24a、24b、24c、24d、24e 熱交換用構造体
25R、25Re 改質通路
25C、25Ce 主排ガス通路
26E 改質ガス溜
26I 改質用混合気溜
27E 排ガス出口側密封手段
27I 排ガス入口側密封手段
36 排ガスガイド
36T 突起
36et 排ガス出口側端部
37 導入通路
50 機関ECU
60 沸騰冷却装置
61 補助タンク
62 蒸気流量調整弁
65 蒸気供給通路
66 逆止弁
100、100g 排ガス改質システム
DESCRIPTION OF
21,
60 Boiling cooler 61
Claims (11)
前記排ガスが内部を通過する主排ガス通路と、
内部には、前記改質触媒が設けられるとともに、前記主排ガス通路と交差して配置されて、前記内燃機関が排出する排ガスの一部が通過する改質通路と、
前記主排ガス通路と改質通路とを内部に格納する筐体と、
前記排ガスの入口側における前記筐体の内部で前記内燃機関から排出される排ガスを分流して、前記主排ガス通路と改質通路とへ振り分ける排ガス分配部と、
を含むことを特徴とする排ガス改質装置。 A reformed gas containing hydrogen produced by reforming an air-fuel mixture of fuel and exhaust gas discharged from the internal combustion engine with a reforming catalyst is recirculated to the intake passage of the internal combustion engine;
A main exhaust gas passage through which the exhaust gas passes;
Inside, the reforming catalyst is provided, and is disposed so as to intersect with the main exhaust gas passage, and a reforming passage through which a part of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine passes,
A housing that houses the main exhaust gas passage and the reforming passage;
An exhaust gas distribution unit that divides the exhaust gas discharged from the internal combustion engine inside the housing on the exhaust gas inlet side, and distributes the exhaust gas to the main exhaust gas passage and the reforming passage;
An exhaust gas reforming apparatus comprising:
前記改質ガスを冷却してから前記吸気通路へ還流させるガス冷却手段の熱を利用して蒸気を発生させ、この蒸気を前記水分供給手段へ供給する沸騰冷却装置と、
を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の排ガス改質装置。 Moisture supply means for supplying moisture to the exhaust gas flowing into the reforming passage;
A boiling cooling device that generates steam using the heat of the gas cooling means that cools the reformed gas and then recirculates to the intake passage, and supplies the steam to the moisture supply means;
The exhaust gas reforming apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the exhaust gas reforming apparatus is provided.
前記燃料は、前記攪拌容器内に噴射されてから前記改質通路へ流入する前記排ガスに供給されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の排ガス改質装置。 A stirring vessel into which the fuel is injected;
The exhaust gas reforming apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the fuel is supplied to the exhaust gas flowing into the reforming passage after being injected into the stirring vessel.
前記内燃機関が排出する排ガスが流れる排ガス通路の途中に設けられる請求項1〜8のいずれか1項に記載の排ガス改質装置と、
前記排ガス改質装置よって生成された改質ガスを前記内燃機関の吸気通路へ還流させるガス還流通路と、
前記排ガス改質装置と前記吸気通路との間に設けられる還流流量調整手段と、
を含むことを特徴とする排ガス改質システム。 An internal combustion engine;
The exhaust gas reforming apparatus according to any one of claims 1 to 8, provided in the middle of an exhaust gas passage through which exhaust gas discharged from the internal combustion engine flows.
A gas recirculation passage for recirculating the reformed gas generated by the exhaust gas reformer to the intake passage of the internal combustion engine;
A reflux flow rate adjusting means provided between the exhaust gas reforming device and the intake passage;
An exhaust gas reforming system comprising:
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