JP2012225324A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの一部を改質して吸気側に還流させる排気再循環を行う内燃機関において、従来では、高温領域で高濃度の一酸化炭素が生成され、より多くの水素を生成することが困難になるという問題点があった。
【解決手段】シリンダＣＹの排気管ＥＭから分岐して吸気管ＩＭに至る再循環通路Ｒを備えた内燃機関において、再循環通路Ｒに流れる排気ガスに改質用燃料を噴射する改質用燃料噴射器１と、改質用燃料を含む排気ガスを導入して改質触媒により水素を含む改質ガスを生成する改質器２と、改質器２で生成した改質ガスに水蒸気を添加する水蒸気添加手段３と、水蒸気を添加した改質ガスを導入して同改質ガス中の一酸化炭素を転化反応させるシフト反応器４を備えたことにより、排気ガスが高温領域でも、より多くの水素を生成することを実現した。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の移動体の動力源として用いられる内燃機関に関し、とくに、排気ガスの一部を改質して吸気側に還流させる排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）の構造を有する内燃機関に関するものである。

この種の内燃機関としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の内燃機関は、排気管から分岐して吸気管に至る還流管を備えると共に、還流管に、燃料噴射弁、燃料蒸発器、及び改質触媒を備えた構造である。そして、上記内燃機関は、還流管に排気ガスの一部を導入して、その排気ガスに燃料を噴射し、燃料蒸発器により燃料を気化させた後、改質触媒によって水素と一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、その改質ガスを吸気管に還流させるものとなっている。

特開２００４−９２５２０号公報

上記した従来の内燃機関において、改質触媒による改質反応は、排気ガス中の水蒸気を利用した水蒸気改質反応（吸熱反応）であって、平衡反応である。このため、排気ガスの温度により改質ガスの組成が変化し、高温領域では高濃度の一酸化炭素が生成され、より多くの水素を生成することが困難になるという問題点があった。また、近年、導入が進んでいるハイブリッドカーでは、高負荷で内燃機関を作動させることが多く、排気ガスの高温領域が増えることから、上記の問題がより顕著になる。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、排気ガスの一部を改質して吸気側に還流させる内燃機関であって、排気ガスが高温領域であってもより多くの水素の生成を実現することができる内燃機関を提供することを目的としている。

本発明者らは、改質触媒の下流に水蒸気添加手段及びシフト反応器を設けることで、排気ガスの高温領域で生成した改質ガス、すなわち一酸化炭素を比較的多く含む改質ガスに水蒸気を供給することでシフト反応を進行させ、より多くの水素を得ることができる内燃機関を見出した。

本発明の内燃機関は、シリンダの排気管から分岐して前記シリンダの吸気管に至る再循環通路を備えた内燃機関である。この内燃機関は、再循環通路に、前記再循環通路に流れる排気ガスに改質用燃料を噴射する改質用燃料噴射器と、前記改質用燃料を含む排気ガスを導入して改質触媒により水素を含む改質ガスを生成する改質器を備えている。

そして、内燃機関は、前記改質器で生成した改質ガスに水蒸気を添加する水蒸気添加手段と、前記水蒸気を添加した改質ガスを導入して同改質ガス中の一酸化炭素を転化反応させるシフト反応器を備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の内燃機関によれば、排気ガスが高温領域でも、より多くの水素を生成することができる。これにより、耐ノック性の改善、排気再循環機能の限界の拡大、及び燃費の向上などを実現することができる。

本発明の内燃機関の一実施形態を示す説明図である。 本発明の内燃機関の他の実施形態を示す説明図である。 本発明の内燃機関のさらに他の実施形態を示す説明図である。 本発明の内燃機関のさらに他の実施形態を示す説明図である。 本発明の内燃機関のさらに他の実施形態を示す説明図である。 シフト反応による水素生成量の一例を説明するグラフである。 シフト反応による水素生成量の他の例を説明するグラフである。 シフト反応による水素生成量のさらに他の例を説明するグラフである。

以下、図面に基づいて、本発明の内燃機関の実施形態を説明する。
図１に示す内燃機関は、吸気管ＩＭ、シリンダＣＹ、及び排気管ＥＭを備え、シリンダヘッドに、吸気バルブＩＶ，排気バルブＥＶ及び点火プラグＰを備えると共に、吸気管ＩＭに主燃料噴射器Ｆを備えている。

また、上記内燃機関は、シリンダＣＹの排気管ＥＭから分岐して前記シリンダＣＹの吸気管ＩＭに至る再循環通路Ｒを備えており、再循環通路Ｒに、改質用燃料噴射器１、改質器２、水蒸気添加手段３、シフト反応器４及びクーラー５を備えている。この実施形態では、前記改質器２、シフト反応器４及びクーラー５を直列に配置している。

改質用燃料噴射器１は、再循環通路Ｒに流れる排気ガスに改質用燃料を噴射する。改質用燃料としては、主燃料噴射器Ｆから噴射する主燃料と同じものを使用することができ、例えば、ガソリン、ＬＰＧ若しくはエタノールなどの炭化水素系燃料である。

改質器２は、改質用燃料噴射器１の下流側に配置してあり、上記の改質用燃料を含む排気ガスを導入して、改質触媒により水素を含む改質ガスを生成する。

水蒸気添加手段３は、改質器２の下流側に配置してあり、流量調整バルブ３Ａのほか、図示しない水タンクや加熱器等を含む構成である。この水蒸気添加手段３は、再循環通路Ｒ内に水蒸気（水）を供給し、前記改質器２で生成した改質ガスに水蒸気を添加する。

シフト反応器４は、水蒸気添加手段３の下流側に配置してあり、前記水蒸気を添加した改質ガスを導入して同改質ガス中の一酸化炭素を転化反応させる。また、クーラー５は、シフト反応器４の下流側に配置してあり、シフト反応器４の生成ガスを冷却する。このクーラー５の冷却源には、例えばエンジンの冷却水を利用することができる。

上記構成を備えた内燃機関は、シリンダＣＹ内でストイキ燃焼させた排気ガスの一部を排気管ＥＭから再循環通路Ｒに導入し、その排気ガス中に改質用燃料噴射器１から改質用燃料を噴射して、この改質用燃料を含む排気ガスを改質器２に導入する。改質器２では、改質触媒において、排気ガスに含まれている水蒸気及び二酸化炭素を利用した改質反応が進行する。

このとき、改質器２における改質反応は、平衡反応（吸熱反応）であり、反応場の温度及び圧力によって改質ガスの組成が変化する。すなわち、高温領域では、一酸化炭素が比較的多く含まれた改質ガスが得られる。他方、低温領域では、一酸化炭素が少ない改質ガスが得られる。このようにして、改質器２は、一酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成する。

さらに、内燃機関は、水蒸気添加手段３により、改質器２からの改質ガスに水蒸気を添加し、これをシフト反応器４に導入して、改質ガス中の一酸化炭素を転化反応させる。このとき、シフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２）は、平衡反応（発熱反応）であり、一酸化炭素１ｍｏｌから水素１ｍｏｌが生成可能である。

排気再循環システムにおいて、排気ガスの温度が高い場合には、数％の一酸化炭素が生成される。この一酸化炭素を、シフト反応に利用することにより水素及び二酸化炭素に変換できれば、数％の水素をさらに生成することができる。ただし、平衡反応（発熱反応）であるシフト反応を進行させるためには、温度を下げ、水蒸気を添加する必要がある。

そこで、上記内燃機関では、改質ガスに水蒸気を添加してシフト反応を行うものとなっている。水蒸気を添加する方法は、様々な方法が考えられ、水を気化させて供給する方法や、水を噴霧して供給する方法などがある。また、水蒸気の添加量は、シフト反応が進行して水素が生成し得る量が望ましい。さらに、シフト反応器４には、シフト触媒を設ける。このシフト触媒は、一般的な触媒で構わないが、比較的高温でのシフト性能が求められることから、銅系のシフト触媒よりも、鉄系若しくは貴金属系のシフト触媒を用いることがより望ましい。

その後、内燃機関は、上記の如くシフト反応器４において、改質ガスを水素及び二酸化炭素に変換し、変換したガスをクーラー５で冷却した後、吸気管ＩＭに還流させる。

上記の実施形態で説明した内燃機関は、排気ガスの温度が高い場合に生じた一酸化炭素を利用してシフト反応を行うことにより、より多くの水素を生成することができる。これにより、耐ノック性の改善、排気再循環機能の限界の拡大、及び燃費の向上等を実現することができる。また、上記の内燃機関は、ガソリン等を燃料とする自動車や、高負荷で内燃機関を作動させるハイブリッドカーの動力源として非常に好適なものとなる。

さらに、上記の内燃機関は、より好ましい実施形態として、水蒸気添加手段３が、改質器２の改質触媒温度、改質用燃料噴射器１の改質用燃料噴射量、及び再循環通路Ｒの排気ガス量に応じて水蒸気の添加を行う手段とすることができる。この場合、内燃機関は、温度や流量を検知するセンサ類と、制御装置を備え、センサ類の検知信号に基づいて流量調整バルブ３Ａの開度を制御する。

上記のように、改質触媒温度、改質用燃料噴射量、及び排気ガス量に応じて水蒸気添加手段３を制御することにより、シフト反応により水素生成が可能な領域でのみシフト反応を進行させることができる。

図２は、本発明の内燃機関の他の実施形態を説明する図である。なお、以下の実施形態において、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図示の内燃機関は、再循環通路Ｒの入口側にバイパス通路Ｂが設けてあり、このバイパス通路Ｂに水蒸気添加手段としてのクーラー１５を設けて、改質器２と前記クーラー１５を並列に配置した構造になっている。また、改質器２の出口側及びクーラー１５の出口側に、流量調整バルブ２Ａ，１５Ａが夫々設けてある。

シリンダＣＹからの排気ガス中には、水蒸気が約１２．５％含まれている。そこで、この実施形態では、排気ガス中の水蒸気を、改質器２における改質反応と、シフト反応器４におけるシフト反応の両方に用いる。

また、シフト反応を進行させるためには、反応温度を４００〜６００℃程度にする必要がある。改質器２では、その出口温度が６００〜８００℃程度のときに改質反応が進行して、水素を生成し得る。そこで、この実施形態では、高温の改質ガスと、クーラー１５により冷却した排気ガスとを混合して、４００〜６００℃のガス（改質ガス）を生成し、これをシフト反応器４に導入する。

なお、クーラー１５における排気ガスの冷却は、様々な方法を用いることが可能であるが、最も簡便な方法としては、エンジンの冷却水を利用する。この冷却水を利用することにより、排気ガスの一部を１００℃程度まで冷却することが可能である。このように冷却した排気ガスと高温の改質ガスを混合することで、シフト反応が可能な温度域（４００〜６００℃）のガスを得ることができる。

上記の内燃機関は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、水蒸気添加手段としてのクーラー１５を採用したことにより、専用の水タンクを搭載することなく、シフト反応に必要な水蒸気を添加することができる。

図３に示す内燃機関は、図２に示す実施形態と同様のバイパス通路Ｂ及びクーラー１５を備えると共に、シフト反応器４が、シフト反応部４Ａとその下流側の水素透過部４Ｂを有するメンブレンリアクタである。

メンブレンリアクタとしては、一般的なもので良いが、４００〜６００℃程度で水素を選択的に透過することが可能な膜を用いる。具体的には、Ｐｄ系合金膜などである。

上記の内燃機関は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、水素の生成量を増すことができる。つまり、シフト反応は、平衡反応であるため、反応場の温度及び圧力により、生成可能な水素量が決まる。そこで、シフト反応器４としてのメンブレンリアクタを採用することで、平衡をずらすことが可能になる。これにより、平衡反応では生成不可能な量まで水素を生成することが可能になって、より多くの水素を生成することができ、ひいては燃費向上などに貢献することができる。

図４に示す内燃機関は、図３に示す実施形態と同様の構成であって、シフト反応器４としてのメンブレンリアクタが、シフト反応部４Ａ及び水素透過部４Ｂを備えており、さらに、バイパス通路Ｂに設けたクーラー１５が、排気ガスを導入して冷却すると共に、その排気ガスの一部をスイープガスとして前記水素透過部４Ｂに供給するものとなっている。

ここで、スイープガスとしては、水素透過膜に影響を与えないガスが望ましく、Ｐｄ系合金の場合には、酸素を含まないガスが望ましい。したがって、酸素を含まないガスとして、ストイキ燃焼ガス（排気ガス）を有効に利用することができる。

上記の内燃機関は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、メンブレンリアクタ（シフト反応器４）にスイープガスを導入することにより、水素透過部４Ｂにおける水素透過を促進させることができる。これにより、メンブレンリアクタにおける水素生成を促進し、より多くの水素を得ることができる。

図５に示す内燃機関は、図４に示す実施形態と同様の構成であって、シフト反応器４としてのメンブレンリアクタが、シフト反応部４Ａ及び水素透過部４Ｂを備えており、さらに、シフト反応部４Ａに導入した排気ガスの一部をスイープガスとして前記水素透過部４Ｂに供給するものとなっている。上記の内燃機関にあっても、先の実施形態と同様に、水素透過部４Ｂにおける水素透過を促進し、より多くの水素を得ることができる。

（実施例）
図２に示す内燃機関において、改質器２の改質触媒には、ロジウム系触媒を担持し、シフト反応器４のシフト触媒には、白金系触媒を担持し、排気ガスの改質を行いながら駆動した。その結果、水蒸気添加手段３及びシフト反応器４がない内燃機関と比較して、水素生成量が２０％増大し、燃費向上や排気再循環機能の限界の拡大を確認した。

また、図３に示す内燃機関において、シフト反応器４としてメンブレンリアクタを用いた場合、さらに水素生成量が増大することを確認した。さらに、図４及び図５に示す内燃機関において、メンブレンリアクタ（シフト反応器４）における水素透過部４Ｂにスイープガスを供給した場合、さらなる水素生成量の増大を確認した。

このように、改質器２の下流に水蒸気添加手段３及びシフト反応器４を設けることで、温度が高い領域において、より多くの水素を得ることができ、燃費向上や、排気再循環機能の限界の拡大を実現した内燃機関を提供することができる。

図６〜図８は、シフト反応による水素生成量の増大効果を平衡計算により算出した結果を示すグラフであり、ＥＧＲガス温度（排気ガス温度）や、Ｓ／Ｃ比（Steam/Carbon）を異ならせた三例を示している。

図６の例では、図２に示す実施形態の内燃機関において、８００℃の排気ガスをＥＧＲガスとして使用すると共に、Ｓ／Ｃ比を４０として改質反応を行い、その改質ガスに、クーラー１５により１００℃まで冷却したガスを加え、その冷却ガスの割合を変えた場合に水素生成量がどのようになるか平衡計算を行った。

シフト反応器が無く、シフト反応が進行しない場合は、図中破線で示すように、冷却ガスを加えても水素生成量はほとんど変化しない。これに対して、シフト反応器によりシフト反応が進行した場合は、図中実線で示すように、冷却ガスの割合により水素生成量が変化する。すなわち、冷却ガスの割合がある程度までは水素生成量が増加し、シフト反応の効果を得ることができる。また、冷却ガスの割合が多くなると、混合ガス（改質ガス及び冷却ガス）の温度が低下し、メタンが生成する温度領域になるため、水素生成量が低下する。

図７の例では、図２に示す実施形態の内燃機関において、８００℃の排気ガスをＥＧＲガスとして使用すると共に、Ｓ／Ｃ比を８として、改質反応を行った。この例においても、冷却ガスの割合がある程度までは水素生成量が増加し、シフト反応の効果が得られることを確認した。

図８の例では、図２に示す実施形態の内燃機関において、６００℃の排気ガスをＥＧＲガスとして使用すると共に、Ｓ／Ｃ比を８として、改質反応を行った。この例においても、冷却ガスの割合がある程度までは水素生成量が増加し、シフト反応の効果が得られることを確認した。

上記のように、ＥＧＲ改質の条件が異なり、ガスの温度やＳ／Ｃ比が異なる場合には、シフト反応による水素生成量も異なる。また、Ｓ／Ｃ比は、ＥＧＲ率と改質用燃料の噴射量により決定される。したがって、ＥＧＲ率、改質用燃料の噴射率、改質触媒温度に応じて、シフト反応を進行させるための水蒸気添加量（図２の実施形態では冷却ガスの温度及び量）を変化させることがより望ましい。これにより、運転状況等に応じて、シフト反応による水素生成を効率的に行うことができる。

本発明の内燃機関は、その構成が上記の各実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。

ＣＹ シリンダ
ＩＭ 吸気管
ＥＭ 排気管
Ｒ 再循環通路
１ 改質用燃料噴射器
２ 改質器
３ 水蒸気添加手段
４ シフト反応器
４Ａ シフト反応部（メンブレンリアクタ）
４Ｂ 水素透過部（メンブレンリアクタ）
１５ クーラー（水蒸気添加手段）

Claims (6)

1. シリンダの排気管から分岐して前記シリンダの吸気管に至る再循環通路を備えた内燃機関において、
   再循環通路に、
   前記再循環通路に流れる排気ガスに改質用燃料を噴射する改質用燃料噴射器と、
   前記改質用燃料を含む排気ガスを導入して改質触媒により水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器で生成した改質ガスに水蒸気を添加する水蒸気添加手段と、
   前記水蒸気を添加した改質ガスを導入して同改質ガス中の一酸化炭素を転化反応させるシフト反応器を備えたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記水蒸気添加手段が、排気ガスを導入して冷却するクーラーであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記水蒸気添加手段が、改質器の改質触媒温度、改質用燃料噴射器の改質用燃料噴射量、及び再循環通路の排気ガス量に応じて水蒸気の添加を行う手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記シフト反応器が、メンブレンリアクタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記メンブレンリアクタが、シフト反応部及び水素透過部を備えており、
   排気ガスを導入して冷却するとともにその排気ガスの一部をスイープガスとして前記水素透過部に供給するクーラーを備えたことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
6. 移動体の動力源であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関。

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