JP2014152664A

JP2014152664A - 燃料改質システム

Info

Publication number: JP2014152664A
Application number: JP2013021731A
Authority: JP
Inventors: Masaki Takeyama; 雅樹武山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2014-08-25
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: JP5983449B2

Abstract

【課題】バックファイヤの抑制を図った燃料改質システムを提供する。
【解決手段】燃料改質システムは、燃料の性状を触媒上で改質する改質器３４と、改質器３４で改質された改質燃料を、内燃機関１０の燃焼室１０ａへ導く燃料管１３ｆと、を備える。そして、改質燃料が吸気と混合せずに燃焼室１０ａへ直接流入することとなるよう、燃料管１３ｆの通路出口１０ｆが燃焼室１０ａに接続されている。これによれば、改質燃料が吸気と混合せずに燃焼室１０ａへ直接流入するので、改質燃料と吸気の混合気が吸気管１３ｉｎ内に存在しないようにできる。よって、吸気管１３ｉｎ内で混合気が燃焼するバックファイヤの発生を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、改質した燃料を内燃機関の燃焼室で燃焼させる燃焼システムに関する。

従来より、燃料の性状を改質器の触媒上で改質させ、その改質した燃料を吸気管に噴射して燃焼室で燃焼させる技術が知られている（特許文献１）。これによれば、燃焼エネルギを増加させることができ、燃費向上（燃料消費率の低下）を図ることができる。

特開２００４−１９０５８６号公報

しかしながら、この種の改質燃料は最小着火エネルギが低い成分を含むので、着火し易くなる。そのため、吸気管のうち改質燃料の噴射位置より下流側の部分において、吸気と混合した改質燃料が、燃焼室内の残り火やホットスポット等を火種として吸気管内で燃焼するといった、バックファイヤの発生が懸念されるようになる。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、バックファイヤの抑制を図った燃料改質システムを提供することにある。

開示されたひとつの発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示された発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示された発明のひとつは、燃料の性状を触媒上で改質する改質器（３４）と、前記改質器で改質された改質燃料を、内燃機関（１０）の燃焼室（１０ａ）へ導く燃料管（１３ｆ）と、を備え、前記改質燃料が吸気と混合せずに前記燃焼室へ直接流入することとなるよう、前記燃料管の通路出口（１０ｆ）が前記燃焼室に接続されていることを特徴とする。

これによれば、改質燃料が吸気と混合せずに燃焼室へ直接流入するので、改質燃料と吸気の混合気が吸気管内に存在しないようにできる。よって、吸気管内で混合気が燃焼するバックファイヤの発生を抑制できる。

本発明の第１実施形態を示す、燃料改質システムの概略図。図１に示す燃焼室を上方から見た模式図。第１実施形態において、成層燃焼の状況を説明する図。第１実施形態において、燃料バルブと吸気バルブの開閉タイミングを示す図。本発明の第２実施形態を示す、燃料改質システムの概略図。

以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
以下に説明する燃焼システムは、定置式の内燃機関に適用されることを想定したものであり、例えば、発電機を駆動させる駆動源として設置された定置式内燃機関が具体例として挙げられる。

図１に示す内燃機関１０は複数の気筒を有した多気筒エンジンであり、これらの気筒は、シリンダブロック１１内にピストン１２を収容して燃焼室１０ａを形成する。シリンダブロック１１に組付けられたシリンダヘッドには、吸気管１３ｉｎが接続される吸気ポート、排気管１３ｅｘが接続される排気ポート、および燃料管１３ｆが接続される燃料ポートが形成されている。

吸気管１３ｉｎにより形成される吸気通路Ｒｉｎは、図示しないエアフィルタを通じて外気から取り込まれた空気（吸気）を、燃焼室１０ａまで流通させる。排気管１３ｅｘにより形成される排気経路Ｒｅｘは、燃焼室１０ａで生じた排気を排出する。燃料管１３ｆにより形成される燃料通路Ｒｆは、後述する改質器３４で改質された燃料（改質燃料）を燃焼室１０ａまで流通させる。

内燃機関１０は以下に説明する過給器２０を備える。過給器２０は、タービン２１、第１シャフト２２、吸気コンプレッサ２３、第２シャフト２４および燃料コンプレッサ２５を有して構成されている。タービン２１は、排気管１３ｅｘ内に配置され、排気の流速エネルギにより回転駆動する。吸気コンプレッサ２３は、排気管１３ｉｎ内に配置されるとともに、第１シャフト２２によりタービン２１と連結されている。燃料コンプレッサ２５は、燃料管１３ｆ内に配置されるとともに、第２シャフト２４により吸気コンプレッサ２３と連結されている。

これにより、タービン２１、吸気コンプレッサ２３および燃料コンプレッサ２５は連結されて一体に回転する。タービン２１の回転駆動力により吸気コンプレッサ２３が回転すると吸気が圧縮され、その圧縮吸気が燃焼室１０ａへ供給されて過給される。また、タービン２１の回転駆動力により燃料コンプレッサ２５が回転すると改質燃料が圧縮され、その圧縮燃料が燃焼室１０ａへ供給される。

シリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気バルブ１４ｉｎ、排気ポートを開閉する排気バルブ１４ｅｘ、および燃料ポートを開閉する燃料バルブ１４ｆ（図３参照）が取り付けられている。これらのバルブ１４ｉｎ、１４ｅｘ、１４ｆは、内燃機関１０の出力軸によりカムシャフトを回転駆動させてその駆動力で開閉作動させるように構成してもよいし、電動アクチュエータにより開閉作動させるように構成してもよい。

また、シリンダヘッドには燃料噴射弁１５が取り付けられている。そして、第１燃料タンクＴａに貯蔵された液体燃料が、図示しない燃料ポンプにより燃料噴射弁１５へ圧送され、燃料噴射弁１５を開弁作動させると液体燃料が燃焼室１０ａへ直接噴射される。第１燃料タンクＴａには、自着火性の高い自着火燃料（例えば軽油）が貯蔵されており、燃焼室１０ａへ噴射された軽油は、ピストン１２により圧縮されて自着火燃焼する。

一方、第２燃料タンクＴｂには、軽油に比べて自着火性が低い燃料（例えばメタノールやエタノール等のアルコール）が液体の状態で貯蔵されている。このアルコール燃料は燃料ポンプ３１により熱交換器３２へ送り込まれる（符号ｆ１参照）。熱交換器３２は、吸気コンプレッサ２３で断熱圧縮昇温した吸気でアルコールを加熱して気化させるものでる。

熱交換器３２で気化したアルコールガスｆ２は、プレヒート装置３３により加熱された後、改質器３４が有する触媒上で改質される。改質器３４は、排気管１３ｅｘに接続されており、かつ、触媒が配置されたガス通路（図示せず）を内部に形成している。このガス通路には、高温の排気とアルコールガスｆ２が別々の通路で流通するように構成されており、流通する高温排気との熱交換により触媒は活性化温度以上にまで温度上昇する。

例えばアルコールガスｆ２がメタノールＣＨ３−ＯＨである場合、加熱と触媒の作用により、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に変換（改質）される。つまり、これらの水素および一酸化炭素が改質燃料となる。このように、改質器３４は、最小着火エネルギの低下を招きつつも単位量当りの燃料から出力される燃焼エネルギが増加するよう、燃料の性状を触媒上で改質するものである。

また、アルコールガスｆ２がエタノールの場合は、排気中に含まれる水とメタノールとの混合が必要となるため、ガス通路とアルコールガスｆ２とが流通する構成にすればよい。

改質器３４から流出した改質燃料ｆ３は、プレヒート装置３３により冷却される。つまり、プレヒート装置３３内では、改質前のアルコールガスｆ２と改質燃料ｆ３とが熱交換することにより、アルコールガスｆ２は加熱され、改質燃料ｆ３は冷却される。その後、改質燃料ｆ３は燃料コンプレッサ２５により圧縮され、燃料通路Ｒｆを流通して燃焼室１０ａへ直接流入する（符号ｆ４参照）。

図２に示すように、吸気通路Ｒｉｎの通路出口（つまり燃焼室１０ａへの吸気流入口１０ｉｎ）は、シリンダ内周面１１ａに沿って吸気が環状に分布するように配置されている。要するに、図中の矢印に示すように、ピストン１２の軸線周りに吸気が環状に流れるスワール流となるよう、吸気流入口１０ｉｎは配置されている。燃料通路Ｒｆの通路出口（つまり燃焼室１０ａへの燃料流入口１０ｆ）は、環状に分布される吸気の環状中央部分に向けて改質燃料ｆ４が流入するように配置されている。因みに、図２中の符号１０ｅｘは、燃焼室１０ａからの排気流出口１０ｅｘを示す。

また、図３に示すように、燃料噴射弁１５はピストン１２の軸線上に配置されており、その軸線に沿って軽油を噴射する。したがって、軽油は、符号Ａ２に示すように燃焼室１０ａの中央に分布する。改質燃料ｆ４は、符号Ａ３に示すように軽油の周りに濃く分布する。吸気は、符号Ａ１に示すように改質燃料の周りに濃く分布する。換言すれば、シリンダ内周面１１ａに沿って環状に濃く分布する。

中央に分布する軽油は、燃焼室１０ａにて断熱圧縮されて自着火燃焼する。一方、軽油の周りに分布する改質燃料は、軽油の自着火燃焼を火種として着火し、燃焼する。要するに、軽油は改質燃料に比べて自着火温度が低いため自着火しやすい。その一方で、点火による着火に必要な最小エネルギは、改質燃料の方が軽油よりも小さい。そこで本実施形態では、先ず軽油を自着火させ、その燃焼を火種として改質燃料を燃焼させている。

図４に示すように、吸気バルブ１４ｉｎの開弁期間ｔ１〜ｔ２と、燃料バルブ１４ｆの開弁期間ｔ３〜ｔ４とは完全に一致するものではなく、各々独立して設定されている。本実施形態では、両開弁期間ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４が重複するオーバラップ期間が無くなるように設定されている。

そして、吸気バルブ１４ｉｎの開弁期間ｔ１〜ｔ２は燃料バルブ１４ｆの開弁期間ｔ３〜ｔ４よりも前であり、したがって、吸気バルブ１４ｉｎの開弁開始時期ｔ１は燃料バルブ１４ｆの開弁開始時期ｔ３よりも早く、かつ、吸気バルブ１４ｉｎの閉弁開始時期ｔ２は燃料バルブ１４ｆの閉弁開始時期ｔ４よりも早い。

図中の符号ＢＴＤＣは、ピストン１２が上昇を開始するタイミングであり、下死点位置にある時のタイミングである。そして、燃料バルブ１４ｆの閉弁開始時期ｔ４は、ピストン１２が上昇を開始するＢＴＤＣよりも先である。つまり、圧縮行程が開始される前に、燃料バルブ１４ｆを閉弁させている。

以上説明した本実施形態によれば、以下に列挙する特徴を備えるので、各々の特徴による以下の作用効果が発揮される。

＜特徴１＞
ここで、本実施形態に反し、燃料管１３ｆを吸気管１３ｉｎに接続し、改質燃料を吸気と混合させた状態で吸気管１３ｉｎの通路出口１０ｉｎから燃焼室１０ａへ混合気を流入させる構造にすると、吸気管１３ｉｎ内に混合気が存在することとなり、燃焼室内の燃焼を火種として吸気管内で燃焼するといった、バックファイヤの発生が懸念されるようになる。

この懸念に対し、本実施形態では、改質燃料が吸気と混合せずに燃焼室１０ａへ直接流入することとなるよう、燃料管１３ｆと吸気管１３ｉｎとを別々に備え、燃料管１３ｆの通路出口１０ｆを吸気管１３ｉｎに接続させることなく、燃焼室１０ａに接続している。そのため、改質燃料が吸気と混合せずに燃焼室１０ａへ直接流入するので、改質燃料と吸気の混合気が吸気管１３ｉｎ内に存在しないようにできる。よって、前記バックファイヤの発生を抑制できる。

＜特徴２＞
ここで、吸気を圧縮する過給器２０が搭載された内燃機関の場合、改質燃料を加圧して燃焼室１０ａへ流入させないと、燃焼室１０ａ内の混合気が燃料管１３ｆの通路出口１０ｆから逆流して、燃料管１３ｆ内でバックファイヤが発生することが懸念されるようになる。この点を鑑み、本実施形態では、過給器２０が搭載された内燃機関１０において、改質燃料を圧縮する燃料コンプレッサ２５を備えるので、上述した燃料管１３ｆ内でのバックファイヤ発生を抑制できる。

しかも、本実施形態に係る過給器２０は、タービン２１、吸気コンプレッサ２３および燃料コンプレッサ２５を有して構成されており、吸気コンプレッサ２３を回転させるタービン２１により燃料コンプレッサ２５も回転させている。そのため、燃料コンプレッサ２５専用のタービンを備える場合に比べて、改質燃料を圧縮するための構成を簡素にできる。特に、第１シャフト２２および第２シャフト２４を同軸上に配置しているので、上記構成をより一層簡素にできる。なお、両シャフト２２、２４は別体に形成してもよいし、共通する１本のシャフトで形成してもよい。

＜特徴３＞
吸気バルブ１４ｉｎの開弁期間ｔ１〜ｔ２と、燃料バルブ１４ｆの開弁期間ｔ３〜ｔ４とのオーバラップを無くしている。そのため、吸気バルブ１４ｉｎの開弁期間ｔ１〜ｔ２中に燃料室１０ａから改質燃料が吸気管１３ｉｎ内へ逆流してくるおそれを抑制でき、同様にして、燃料バルブ１４ｆの開弁期間ｔ３〜ｔ４中に燃料室１０ａから燃料管１３ｆ内へ吸気が逆流してくるおそれを抑制できる。よって、バックファイヤ回避の確実性を向上できる。

＜特徴４＞
ここで、本実施形態に反し、燃料バルブ１４ｆを開弁させた後に吸気バルブ１４ｉｎを開弁させると、燃焼室１０ａ内に流入した改質燃料が、燃焼室１０ａ内に吸入される吸気でかき乱されることになるので、燃焼室１０ａ内の所定箇所に改質燃料を分布させるといった成層燃焼が困難になる。

この点を鑑みた本実施形態では、吸気バルブ１４ｉｎを開弁させた後に燃料バルブ１４ｆを開弁させるので、燃焼室１０ａ内の所定箇所に改質燃料を分布させることを実現させやすくなる。よって、成層燃焼の実現性を向上できる。

＜特徴５＞
ここで、従来の内燃機関は、ＢＴＤＣを僅かに超えたタイミングで吸気弁１４ｉｎを閉弁させて、燃焼室１０ａへ吸入される吸気量の増大を図り、吸気効率を向上させることが一般的である。しかし本実施形態では、吸気期間ｔ１〜ｔ２および燃料流入期間ｔ３〜ｔ４を、ＢＴＤＣよりも前に終了させている。そのため、燃料室１０ａから改質燃料が吸気管１３ｉｎ内へ逆流することや、燃料室１０ａから燃料管１３ｆ内へ吸気が逆流するおそれを抑制できる。よって、バックファイヤ回避の確実性を向上できる。

＜特徴６＞
燃焼室１０ａ内において、吸気をスワール流で環状に分布させ、その中央に改質燃料を分布させるよう、吸気管１３ｉｎの通路出口１０ｉｎおよび燃料管１３Ｆの通路出口１０ｆを配置する。そのため、改質燃料の燃焼炎とシリンダ内周面１１ａとの間に吸気の層が介在することになるので、改質燃料の燃焼熱がシリンダ内周面１１ａからシリンダブロック１１へ伝達されて逃げていくことを抑制できる。よって、内燃機関１０の熱効率を向上できる。

＜特徴７＞
改質燃料に比べて自着火性の高い軽油（自着火燃料）を圧縮自着火燃焼させ、かつ、その圧縮自着火燃焼を火種として改質燃料を着火燃焼させる。これによれば、点火装置を用いることなく改質燃料を燃焼させることができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、燃料改質システムを、過給器２０を備えた内燃機関１０に適用させているのに対し、図５に示す本実施形態では、過給器２０を備えていない内燃機関１０に適用させている。そのため、改質燃料を加圧する手段（燃料コンプレッサ２５）も不要になる。

また、本実施形態では、改質燃料に点火するための点火装置１６を備えており、改質燃料を点火燃焼させることが可能である。この場合、軽油を噴射する燃料噴射弁１５Ａは、シリンダブロック１１に搭載すればよい（図５参照）。また、点火装置１６を備えた場合、軽油による着火が不要となるため燃料噴射弁１５Ａを廃止することも可能である。なお、本実施形態では、図１に示す熱交換器３２を廃止している。

このように、過給器２０を備えていない内燃機関１０に対しても、燃料管１３ｆと吸気管１３ｉｎとを別々に備え、燃料管１３ｆの通路出口１０ｆを吸気管１３ｉｎに接続させることなく、燃焼室１０ａに接続する、といった構成にすることは可能である。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

・上記第１実施形態では、成層燃焼させる内燃機関１０に本発明を適用させているが、燃焼室１０ａ内で改質燃料と吸気を撹拌させて燃焼させる内燃機関に本発明を適用させてもよい。

・上記各実施形態とは別に、改質器４０へ供給する燃料に排ガスを混合させることで、改質に必要な水成分を燃料に混合させることも可能である。また、燃料タンク３８に貯蔵させておく燃料に、予め水を混入させておき、上述した排ガスの混合を廃止するようにしてもよい。要するに、燃料タンク３８にアルコールを貯蔵することに替え、アルコール水を貯蔵させるようにしてもよい。

・上記第１実施形態では、吸気バルブ１４ｉｎの開弁期間ｔ１〜ｔ２と、燃料バルブ１４ｆの開弁期間ｔ３〜ｔ４とのオーバラップを無くしているが、オーバラップ期間が存在していてもよい。

・上記各実施形態では、本発明にかかる燃焼システムを定置式の内燃機関に適用させているが、車両に搭載された内燃機関に適用させることも可能である。

１０ｆ…燃料管の通路出口、１０ｉｎ…吸気管の通路出口、１３ｆ…燃料管、１３ｉｎ…吸気管、１４ｆ…燃料バルブ、１４ｉｎ…吸気バルブ、１５…燃料噴射弁、３４…改質器。

Claims

燃料の性状を触媒上で改質する改質器（３４）と、
前記改質器で改質された改質燃料を、内燃機関（１０）の燃焼室（１０ａ）へ導く燃料管（１３ｆ）と、
を備え、
前記改質燃料が吸気と混合せずに前記燃焼室へ直接流入することとなるよう、前記燃料管の通路出口（１０ｆ）が前記燃焼室に接続されていることを特徴とする燃料改質システム。
排気の流速エネルギにより回転駆動するタービン（２１）と、
前記タービンの回転駆動力により回転して吸気を圧縮する吸気コンプレッサ（２３）と、
前記タービンの回転駆動力により回転して前記改質燃料を圧縮する燃料コンプレッサ（２５）と、
を有して構成された過給器（２０）が前記内燃機関に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
前記燃焼室へ吸気を導く吸気管（１３ｉｎ）の通路出口（１０ｉｎ）を開閉する吸気バルブ（１４ｉｎ）の開弁期間と、前記燃料管の通路出口（１０ｆ）を開閉する燃料バルブ（１４ｆ）の開弁期間とのオーバラップ期間が無くなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質システム。
前記燃焼室へ吸気を導く吸気管（１３ｉｎ）の通路出口（１０ｉｎ）は、前記内燃機関のシリンダ内周面（１１ａ）に沿って吸気が環状に分布するように配置され、
前記燃料管の通路出口（１０ｆ）は、環状に分布される吸気の環状中央部分に向けて前記改質燃料が流入するように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料改質システム。
前記燃焼室へ吸気を導く吸気管（１３ｉｎ）の通路出口（１０ｉｎ）を開閉する吸気バルブ（１４ｉｎ）の開弁開始時期（ｔ１）が、前記燃料管の通路出口（１０ｆ）を開閉する燃料バルブ（１４ｆ）の開弁開始時期（ｔ３）よりも早く、かつ、前記吸気バルブの閉弁開始時期（ｔ２）が、前記燃料バルブの閉弁開始時期（ｔ４）よりも早くなるように設定されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料改質システム。
前記燃焼室へ吸気を導く吸気管（１３ｉｎ）の通路出口（１０ｉｎ）を開閉する吸気バルブ（１４ｉｎ）の閉弁開始時期（ｔ２）、および前記燃料管の通路出口（１０ｆ）を開閉する燃料バルブ（１４ｆ）の閉弁開始時期（ｔ４）が、前記内燃機関のピストン上昇開始時期以前に設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料改質システム。
前記改質燃料に比べて自着火性の高い自着火燃料を噴射する燃料噴射弁（１５）を備え、
前記自着火燃料を圧縮自着火燃焼させ、かつ、その圧縮自着火燃焼を火種として前記改質燃料を着火燃焼させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料改質システム。