JP2008240624A - 燃料改質機構付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料改質機構付き内燃機関において、改質ガス中に残存する未改質燃料成分を改質燃料成分と精度良く凝縮分離して、内燃機関の燃費性能と出力を向上する。
【解決手段】改質装置４で生成された改質ガスに含まれる沸点の異なる凝縮性成分を、凝縮装置９において２つの凝縮器１６，１９の作動圧力を異ならせて凝縮する。即ち、下流側凝縮器１９の圧力を上流側凝縮器１６の圧力より高くし、上流側凝縮器１６で未改質の高沸点液体燃料（低オクタン価燃料）を凝縮し、下流側凝縮器１６で改質後の低沸点液体燃料（高オクタン価燃料）と気体燃料を凝縮分離する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を改質し、生成した改質ガスを液体燃料と気体燃料とに凝縮分離する燃料改質機構付き内燃機関に関し、特に、改質ガス中に残存する未改質燃料成分を改質燃料成分から精度良く分離可能な燃料改質機構付き内燃機関に関する。

内燃機関の効率向上や排気低減を狙いとして、例えば、特許文献１に示されているように、既存の液体燃料（炭化水素等）に加えて水素を燃料として用いることによる燃焼改善が検討されている。更に、特許文献１では、既存の液体燃料を内燃機関の排気熱を利用して改質装置での脱水素反応により水素を生成することにより、内燃機関の効率を向上させている。この際、改質装置で得られる燃料は気体（改質ガス）であるため、凝縮装置により冷却して液体燃料と気体燃料に凝縮分離している。

このような構成の燃料改質機構を用いれば、改質前の液体燃料として例えば軽油のような低オクタン価燃料を用い、改質装置での脱水素反応により水素と例えばガソリンのような高オクタン価燃料を生成し、運転状態に応じて、低オクタン価燃料、高オクタン価燃料、水素の内燃機関への供給割合を変更することにより、内燃機関の効率と出力の両立を実現するシステムが構築できる。
特開２００５−１４７１２４号公報

しかしながら、内燃機関の排気熱は、常に改質効率が１００％になるように改質装置に供給されるとは限らず、改質装置から未改質成分（低オクタン価燃料）を含んだ改質ガスが凝縮装置に供給されることが十分に考えられる。このような改質ガスを一度の凝縮処理により凝縮性成分（低オクタン価燃料と高オクタン価燃料）と非凝縮性成分（気体燃料）とに凝縮分離した場合、凝縮によって得られた高オクタン価燃料中に未改質の低オクタン価燃料が含まれることになり、改質によって生成された高オクタン価燃料は、所望のオクタン価より低いオクタン価の燃料になってしまう。このため、高負荷時に内燃機関に改質によって得た高オクタン価燃料を供給しても、ノッキングの影響により出力が低下してしまう虞れがある。

本発明は上記問題点に着目してなされたもので、改質ガス中の未改質燃料成分を改質燃料成分から精度良く凝縮分離することで燃費性能と出力の向上が図れる燃料改質機構付き内燃機関を提供することを目的とする。

このため、本発明は、燃料の改質を行う改質装置と、該改質装置で生成される改質ガスを液体燃料と気体燃料とに凝縮分離する凝縮装置とを備える燃料改質機構付き内燃機関であって、前記凝縮装置は、少なくとも２つの異なる作動条件で前記改質ガスを凝縮分離する構成であることを特徴とする。

本発明によれば、改質ガス内に含まれる各凝縮性成分に適した、凝縮のための異なる作動条件で凝縮するので、改質ガス中の未改質液体燃料成分を精度良く分離することができるようになる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の燃料改質機構付き内燃機関の第１実施例を示すシステム構成図である。

図１において、本実施形態の内燃機関システムは、エンジン１へ空気を供給するための吸気管２とエンジン１からの排気を排出するための排気管３を有し、排気管３には燃料改質装置４が設置されている。

図２に燃料改質装置４の詳細を示す。燃料改質装置４は、排気管３を囲むように環状空間を形成して、ハニカム状のコーデュライトにＰｔ系触媒を担持させた改質触媒５を配置し、改質触媒５の入口側に、改質用の１次燃料を供給する燃料噴射弁６を有する。また、図示しないが、燃料改質装置４には、その温度（改質温度）の検出のため、改質触媒５に臨ませて温度センサ（熱電対）を設ける。

ここで、燃料改質装置４は、エンジン１の排気熱を利用して燃料を改質する構成であり、燃料の気化潜熱及び顕熱を利用して燃料改質装置４の温度を制御する。これによれば、燃料噴射量を制御することで、簡易に温度制御が可能となる。また、図示しないが、改質触媒５の入口側に空気導入口を設け、エアフローメータで空気量を計測して空気導入バルブにより導入空気量を制御可能な構成とすれば、導入する空気と燃料との空燃比により燃料改質装置４の温度を制御することができる。これによれば、酸化反応を利用して温度制御範囲を拡大できる。即ち、排気温度が低い場合等に空気を導入して燃料を部分的に反応させることで温度上昇させることができる。尚、空気導入口に代えて排気導入口を設け、排気を導入する構成としてもよく、これにより、排気と燃料との比率により燃料改質装置４の温度を制御することができる。これによれば、排気の熱量を直接燃料の改質に利用でき、温度制御範囲が拡大する。

燃料改質装置４には、燃料噴射弁６により１次燃料タンク７内の１次燃料を供給する。本実施形態では、１次燃料としてガソリンよりオクタン価の低い低オクタン価燃料（例えば軽油）を用いており、燃料改質装置４にて、脱水素反応により、オクタン価がガソリンのオクタン価以上である高オクタン価燃料と水素を生成する。ここで、燃料改質装置４の改質効率が１００％でない場合、燃料改質装置４で生成される改質ガスには、未改質の１次燃料が含まれることになる。

燃料改質装置４で生成された改質ガスは、燃料配管８により凝縮装置９へ導かれて液体燃料と水素に富む気体燃料とに凝縮分離される。改質ガスに未改質の１次燃料が含まれていれば、液体燃料は、更に、高沸点液体燃料と低沸点液体燃料にそれぞれ分離される。この場合、高沸点液体燃料は低オクタン価の未改質１次燃料を主成分とする液体燃料であり、燃料配管１０を通って１次燃料タンク７へ戻される。低沸点液体燃料は改質によって生成された高オクタン価燃料であり、配管１１を通って２次燃料タンク１２に貯蔵される。また、水素に富む気体燃料は、燃料配管１３を通ってポンプ１４により圧縮されて気体燃料タンク１５に貯蔵される。

ここで、本実施形態の凝縮装置９の構成を詳述する。凝縮装置９は、燃料改質装置４からの改質ガスが燃料配管８を通って導入される第１凝縮器１６と、第１凝縮器１６で凝縮されなかった改質ガスが燃料配管１７を通ってポンプ１８により加圧されて導入される第２凝縮器１９とを従続接続した２段構成となっている。そして、本実施形態では、例えば、改質ガスの流れに対して上流側に位置する第１凝縮器１６内の作動圧力を大気圧とし、下流側に位置する第２凝縮器１９内の作動圧力を大気圧よりも高い圧力とする。尚、第１凝縮器１６内の作動圧力を大気圧にする必要はなく、第１凝縮器１６内の作動圧力よりも第２凝縮器１９内の作動圧力の方が高い構成であればよい。また、各凝縮器１６、１９内には、ウォータポンプ２０、ラジエータ２１及び冷却水配管２２からなる同一系統の冷却水循環系が配置されており、冷却水配管２２内の冷却水が、ウォータポンプ２０により改質ガスの流れに対して下流側の第２凝縮器１９から上流側の第１凝縮器１６へと循環して改質ガスを冷却する構成としている。即ち、第２凝縮器１９に流入する冷却水温度より第１凝縮器１６に流入する冷却水温度の方が高い構成となっている。改質ガスから熱量を受け取って温度上昇した第１凝縮器１６を通った冷却水はラジエータ２１で冷却され、冷却水配管２２を介して第２凝縮器１９に導入されて循環する。

かかる構成の凝縮装置９では、第１凝縮器１６と第２凝縮器１９の作動条件（圧力と温度）が異なり、前述のように第１凝縮器１６より第２凝縮器１９の方が低温高圧である。これにより、第１凝縮器１６で凝縮分離される液体燃料は高沸点液体燃料、即ち未改質の１次燃料を主成分とする低オクタン価燃料であり、１次燃料タンク７に戻して再び改質を行う。また、第２凝縮器１９で凝縮分離される液体燃料は、第１凝縮器１６で凝縮できない低沸点液体燃料、即ち改質により生成された高オクタン価燃料であり、２次燃料タンク１２に貯蔵する。また、第２凝縮器１９に導入される改質ガスは、常温常圧で液体となる低沸点の凝縮性成分と常温常圧で気体の非凝縮性成分の混合ガスであり、共沸効果のために凝縮性成分が凝縮し難いが、本実施形態のように、第２凝縮器１９の作動条件を低温高圧とすることで、共沸効果で凝縮し難い低沸点液体燃料も十分に凝縮することが可能となる。従って、第２凝縮器１９から排出される気体燃料（水素）は純度の高いものが得られる。

図３に、一例として、温度と圧力の異なる条件下でＨ2とＣ6Ｈ6（沸点：約８０℃）とＣ15Ｈ32（沸点：約２７０℃）とを混合した場合（Ｈ2：Ｃ6Ｈ6：Ｃ15Ｈ32＝４：３：３）の各成分の気液平衡状態を示す。

図３から、高沸点成分（Ｃ15Ｈ32）は高温（１００℃）の大気圧でほとんどが凝縮され、低沸点成分（Ｃ6Ｈ6）は低温高圧（４０℃、５気圧）でほとんどが凝縮されることがわかる。従って、この場合、例えば、第１凝縮器１６において大気圧・１００℃で沸点の高いＣ15Ｈ32を主成分とする液体燃料を分離し、第２凝縮器１６において残ったガスから５気圧・４０℃で沸点の低いＣ6Ｈ6を主成分とする液体燃料を分離することが可能となる。

以上のようにして分離された低沸点液体燃料（高オクタン価燃料）と気体燃料（水素）及び改質前の１次燃料（低オクタン価燃料）は、燃料噴射弁２３、２４、２５により吸気管２に噴射されて新気と混合気を形成する。

エンジン１は、シリンダヘッド２６とシリンダブロック２７及びピストン２８により構成される燃焼室２９を有し、カム機構によりそれぞれ全開位置と全閉位置との間を周期的に往復動する吸気弁３０と排気弁３１の開閉動作により、燃焼室２９への混合気の導入及び燃焼室２９からの排気の排出を行う。即ち、吸気行程において吸気弁３０を開弁して吸気管２から燃焼室２９へ混合気を導入し、燃焼室２９で圧縮行程後半又は膨張行程前半において点火プラグ３２により点火・燃焼し、排気行程において排気弁３１を開弁して燃焼室２９から排気管３へ排気を排出する。

尚、燃料噴射弁２３、２４、２５の少なくとも１つを燃焼室２９へ取り付けることで燃焼室２９に直接燃料噴射する構成としてもよく、燃焼室２９に燃料供給できる構成であれば本実施形態の構成に限定しない。また、燃焼室２９内の混合気の着火手段としてグロープラグを用いてもよい。

そして、本実施形態では、前述の各燃料噴射弁６、２３〜２５の燃料噴射タイミングと噴射期間及び点火プラグ３２の点火タイミングは、エンジン１のクランク角と回転速度を検出するクランク角センサ、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ、アクセルペダルの踏込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ等の各信号等の情報に基づきコントロールユニット３３により制御される。また、各ポンプ１４，１８，２０の運転もコントロールユニット３３により制御される。

図４に、本実施形態におけるエンジン１の運転条件と燃料供給割合との関係の一例を示す。

図４において、低負荷時はポンピングロス低減のために希薄燃焼を行うため、気体燃料タンク１５内の燃焼速度の速い気体燃料（水素）の供給割合を増やし、高負荷時は充填効率を上げるために気体燃料（水素）の供給割合を減らして１次及び２次燃料タンク７，１２内の液体燃料の供給割合を増やす。また、高負荷で特に機関速度の低い場合には、ノッキング抑制のため２次燃料タンク１２内の高オクタン価燃料の供給割合を増やす。また、機関の要求負荷が小さいほど低オクタン価燃料の供給割合を増やし、機関の要求負荷が大きいほど高オクタン価燃料の供給割合を増やす。このように、エンジン１の運転状態に応じて、気体燃料、高オクタン価燃料、低オクタン価燃料の燃料供給割合を調整制御することによって、内燃機関の大幅な燃費性能を改善できると共に出力向上を図れる。

以上のように本実施形態によれば、凝縮装置９を、複数の凝縮器１６，１９を設けて多段化構成とし、各凝縮器１６，１９の作動条件（作動圧力と冷却温度）を異ならせて沸点の違いを利用して改質ガスを順次凝縮する構成としたので、沸点の異なる液体燃料、即ちオクタン価の異なる液体燃料及び気体燃料を精度良く分離することができる。これにより、前述したような燃料供給割合を実現することが可能となって、内燃機関の大幅な燃費性能改善と出力向上が実現できる。

また、複数の凝縮器を従続接続して多段に配置し改質ガスの流れに対して下流側ほど作動圧力を高圧とし、また、冷却温度は下流側ほど低温としたことで、最も沸点の高い液体燃料から順次沸点の異なる液体燃料を連続的に凝縮することができる。

また、１つの冷却水循環系で改質ガスの流れに対して下流側の凝縮器から上流側の凝縮器へと冷却水が流れるようにしたので、下流側凝縮器の作動温度を低く上流側凝縮器の作動温度を高く制御でき、より一層上流側凝縮器での凝縮液における高沸点液体燃料の比率を高めることができ、延いては、下流側凝縮器でより多くの低沸点液体燃料を凝縮することができる。

次に、本発明の燃料改質機構付き内燃機関の第２実施形態について説明する。

図５に、第２実施形態のシステム構成図を示す。尚、第１実施形態と同一要素には同一符号を付してある。

本実施形態は、凝縮装置の構成が第１実施形態と異なり、その他の構成は第１実施形態と同様である。

図５において、本実施形態の凝縮装置４０は、改質ガスを冷却して液体燃料の凝縮を行う凝縮器４１と、燃料配管４２、４３、４４、４５、４６と、凝縮器４１に改質ガスを送るポンプ４７と、改質ガスを一次的に貯蔵しておくためのバッファタンク４８と、切替弁４９、５０、５１と、冷却水配管５２、ウォータポンプ５３及びラジエータ５４で構成される冷却水循環系とを有する。ポンプ４７、切替弁４９、５０、５１及び冷却水ポンプ５３は、コントロールユニット５５によりその動作が制御される。

本実施形態の燃料改質システムは、コントロールユニット５５により制御され、以下のステップを繰り返すことにより、１つの凝縮器４１を用いて凝縮分離処理を２回繰り返し、凝縮分離処理毎に作動条件、例えば後述するように作動圧力を変更することにより、改質ガスからの高沸点液体燃料（低オクタン価の１次燃料）の分離処理及び１次燃料分離後の改質ガスからの低沸点液体燃料（高オクタン価の２次燃料）と気体燃料の分離処理を行う構成である。

以下に凝縮装置４０による凝縮処理動作について説明する。
≪ＳＴＥＰ１≫ １次燃料の改質
まず、切替弁４９、５０、５１をそれぞれ駆動制御し、切替弁４９を介して燃料配管８と燃料配管４２を、切替弁５０を介して燃料配管４３と燃料配管１０を、切替弁５１を介して燃料配管４４と燃料配管４５を、それぞれ連通させる。この状態において、燃料噴射弁６を駆動して１次燃料タンク７内の１次燃料を燃料改質装置４に噴射して１次燃料の改質を行う。
≪ＳＴＥＰ２≫ 高沸点液体燃料の分離
ＳＴＥＰ１によって燃料改質装置４で生成した改質ガスは、切替弁４９を介して燃料配管４２を通過し、ポンプ４７により凝縮器４１に導入する。第１実施形態と同様に、凝縮器４１内には冷却水配管５２が配設されており、ウォータポンプ５３により冷却水配管５２内を循環する冷却水で改質ガスを冷却する。改質ガスから熱量を受け取って温度上昇した冷却水はラジエータ５４で冷却され、再び冷却水配管５２内を循環する。このＳＴＥＰ２では、凝縮器４１内に導入する改質ガスの圧力が比較的低圧（例えば大気圧）となるようポンプ４７を駆動制御する。このように、凝縮器４１の作動圧力を低圧とすることで高沸点液体燃料が凝縮液として得られる。この高沸点液体燃料の主成分は未改質の１次燃料（低オクタン価燃料）であるので、燃料配管４３から切替弁５０を経由し、燃料配管１０を通って１次燃料タンク７に戻す。燃料改質により得られた低沸点液体燃料（高オクタン価燃料）成分と気体燃料（水素）成分とから成る凝縮されなかった改質ガスは、燃料配管４４から切替弁５１を経由し、燃料配管４５を通ってバッファタンク４８に一時的に貯蔵する。
≪ＳＴＥＰ３≫ 低沸点液体燃料の分離
次に、燃料噴射弁６を停止して燃料改質装置４への１次燃料の噴射を停止した後、各切替弁４９、５０、５１をそれぞれ切替制御し、切替弁４９を介して燃料配管４６と燃料配管４２を、切替弁５０を介して燃料配管４３と燃料配管１１を、切替弁５１を介して燃料配管４４と燃料配管１３を、それぞれ連通させる。これにより、ＳＴＥＰ２でバッファタンク４８内に貯蔵された凝縮されなかった改質ガスを燃料配管４６から切替弁４９を経由し、燃料配管４２を通ってポンプ４７により凝縮器４１に導入する。このとき、このＳＴＥＰ３では、凝縮器４１内に導入する改質ガスの圧力を、ＳＴＥＰ２の場合よりも高い圧力となるようポンプ４７を駆動制御する。このように、凝縮器４１の作動圧力を高圧とすることで、共沸効果によりその沸点よりも遥かに低温でなければ凝縮しない低沸点液体燃料が凝縮液として得られる。この低沸点液体燃料の主成分は改質により生成された高オクタン価燃料であり、燃料配管４３から切替弁５０を経由し、燃料配管１１を通って２次燃料タンク１２に貯蔵する。この結果、凝縮器４１内には水素を主成分とする気体燃料が残り、この気体燃料は燃料配管４４から切替弁５１を経由し、燃料配管１３を通ってポンプ１４により圧縮して気体燃料タンク１５に貯蔵する。

以上のようにして分離貯蔵された低沸点液体燃料（高オクタン価燃料）と気体燃料（水素）及び改質前の１次燃料（低オクタン価燃料）は、第１実施形態と同様に、エンジン１の運転状態に応じてその供給割合を調整制御して燃料噴射弁２３、２４、２５により噴射供給する。これにより、内燃機関の大幅な燃費性能改善と出力向上が実現できる。

尚、第１実施形態では、凝縮装置における作動条件として作動圧力と冷却温度を選択してこれら両方をそれぞれ異ならせる構成とし、第２実施形態では凝縮装置における作動条件として作動圧力を選択し作動圧力だけを異ならせる構成としたが、凝縮装置における作動条件として冷却温度を選択し冷却温度だけを異ならせるようにしてもよい。ここで、車載を前提とする場合、ラジエータによる冷却水の冷却には限界があり、冷却水の最低温度に限界があるため、凝縮装置の作動条件として圧力を異ならせることが、沸点の異なる各凝縮性成分を凝縮分離するには望ましい。

また、上記各実施形態では、２つの異なる作動条件で２回の凝縮処理を行う構成であるが、凝縮処理の回数はこれに限るものではなく、分離する液体燃料数に対応した回数を、作動条件をそれぞれ異ならせて行うことようにすることは言うまでもない。

第１実施例の燃料改質機構付き内燃機関のシステム構成図 燃料改質装置の一例 混合物の気液平衡状態の例 運転条件（負荷）と各燃料の内燃機関への供給割合との関係 第２実施例の燃料改質機構付き内燃機関のシステム構成図

符号の説明

１ エンジン
３ 排気管
４ 改質装置
６，２３〜２５ 燃料噴射弁
７ １次燃料タンク
９，４０ 凝縮装置
１２ ２次燃料タンク
１５ 気体燃料タンク
１６，１９，４１ 凝縮器
２０，５３ ウォータポンプ
２１，５４ ラジエータ
２２，５２ 冷却水配管
３３，５５ コントロールユニット
４８ バッファタンク
４９〜５１ 切替弁

Claims (12)

1. 燃料の改質を行う改質装置と、該改質装置で生成される改質ガスを液体燃料と気体燃料とに凝縮分離する凝縮装置とを備える燃料改質機構付き内燃機関であって、
   前記凝縮装置は、少なくとも２つの異なる作動条件で前記改質ガスを凝縮分離する構成であることを特徴とする燃料改質機構付き内燃機関。
2. 前記作動条件が、圧力であることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質機構付き内燃機関。
3. 前記凝縮装置は、１つの凝縮器を有し、該凝縮器で前記改質ガスを少なくとも２回以上繰り返し凝縮分離処理し、凝縮分離処理毎に前記作動条件を変更する構成としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質機構付き内燃機関。
4. 前記作動条件が圧力であるとき、前記凝縮分離処理を繰り返す毎に前記圧力を高くすることを特徴とする請求項３に記載の燃料改質機構付き内燃機関。
5. 前記凝縮装置は、少なくとも２つ以上の凝縮器を従続接続し、前記各凝縮器の作動条件を異ならせる構成としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質機構付き内燃機関。
6. 前記作動条件が圧力であるとき、前記改質ガスの流れに対して上流側の凝縮器の圧力より下流側の凝縮器の圧力を高圧としたことを特徴とする請求項５に記載の燃料改質機構付き内燃機関。
7. 前記凝縮装置内に、冷却媒体循環系を設け、前記改質ガスの流れに対して上流側の凝縮器における冷却媒体温度より下流側の凝縮器における冷却媒体温度を高くすることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料改質機構付き内燃機関。
8. 前記冷却媒体循環系を１つ設け、該冷却媒体循環系の冷却媒体の流れを、前記下流側の凝縮器から前記上流側の凝縮器へ向かって流れるようにしたことを特徴とする請求項７に記載の燃料改質機構付き内燃機関。
9. 前記改質装置へ供給する前記改質前液体燃料と、前記凝縮装置により凝縮分離された液体燃料及び気体燃料とのうち少なくとも１種の燃料を内燃機関に供給して出力を得る構成とことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料改質機構付き内燃機関。
10. 少なくとも前記改質前液体燃料と前記凝縮装置により凝縮分離された液体燃料を内燃機関に供給する構成であるとき、各液体燃料の供給割合は、機関要求負荷が小さいほど前記改質前液体燃料又は前記凝縮装置において先に凝縮された液体燃料の供給割合を大きくし、機関要求負荷が大きいほど前記凝縮装置において後に凝縮された液体燃料の供給割合を大きくすることを特徴とする請求項９に記載の燃料改質機構付き内燃機関。
11. 前記液体燃料と前記気体燃料を内燃機関に供給する構成であるとき、液体燃料と気体燃料の供給割合は、機関要求負荷が大きいほど液体燃料の供給割合を大きくすることを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料改質機構付き内燃機関。
12. 前記凝縮装置で最初に凝縮分離された液体燃料を、前記改質装置に供給する改質前液体燃料を貯蔵する燃料タンクへ戻すことを特徴とする請求項１〜１１に記載の燃料改質機構付き内燃機関。

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