JP2945558B2

JP2945558B2 - 熱交換器及びそれを用いたアルコール改質エンジン

Info

Publication number: JP2945558B2
Application number: JP9653293A
Authority: JP
Inventors: 英男河村
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1993-04-01
Filing date: 1993-04-01
Publication date: 1999-09-06
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: JPH06288692A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高温ガスで液体を気
化させる熱交換器及びその熱交換器をアルコール燃料を
熱分解させて改質する燃料改質装置に用いたアルコール
改質エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エンジンから排気される排気ガス
による環境汚染が問題になり、最近、アルコールエンジ
ンが注目されるようになっている。アルコールエンジン
では、排気ガス中の炭酸ガス、炭化物の含有量は、ガソ
リン、軽油等の燃料に比較して非常に少ないものであ
る。ところが、アルコール燃料を使うアルコールエンジ
ンでは、着火性が悪くなるという問題点がある。即ち、
アルコールは、ガソリンに比較して気化するための潜熱
が高く、例えば、ガソリンが燃料の０．７％の気化潜熱
を要するのに対し、アルコールが燃料の５％の気化潜熱
を要するものであり、アルコール燃料は気化し難いとい
う性質を有しているからである。しかも、燃料噴射ノズ
ルから燃焼室内の圧縮空気中に噴射されたアルコール燃
料は、気化のために圧縮空気及び燃焼室壁面の温度を低
下させて着火を悪化させている。

【０００３】従来、アルコール改質エンジンとして、特
開平３−１４５５５８号公報、特開平３−１４５５５９
号公報等に開示されたものがある。例えば、特開平３−
１４５５５９号公報に開示されたアルコール改質エンジ
ンは、アルコール燃料と吸入空気の混合気を流す吸気通
路、燃焼室からの排気ガスを流す排気通路、吸入空気を
流す空気通路、前記各通路を横断して流体との間で熱交
換し且つ前記燃料を改質するハニカムリアクタ円板、該
円板の上流部位の前記吸気通路に配置され且つアルコー
ル燃料を噴射する燃料噴射ノズル、及び前記円板を回転
駆動するモータから成るものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、メタノール
等のアルコールを燃料とするアルコールエンジンにおい
て、メタノールの改質により燃費率の改善を図ること
は、従来良く知られていることである。その理由は、メ
タノールは、熱分解するものであり、メタノールに熱エ
ネルギーを与えることによって、水素ガスと一酸化炭素
に分解する。即ち、メタノール１モルあたり２０Ｋｃａ
ｌの熱量を与えると、メタノールは水素と一酸化炭素に
熱分解〔ＣＨ₃ＯＨ＋２０Ｋｃａｌ→２Ｈ₂＋ＣＯ〕す
る。従って、メタノールが燃料として水素ガスと一酸化
炭素を有することになり、メタノール燃料が改質される
ことになる。

【０００５】また、遮熱エンジンについては、燃焼室を
遮熱構造に構成した場合に、該燃焼室から排気される排
気ガスの温度は、エンジンの高速高負荷時には１５００
℃にも上昇しているものである。従って、遮熱エンジン
から排出される排気ガスを利用してアルコール燃料を熱
分解させて改質することは好ましいことである。しかし
ながら、エンジンの低速低負荷時には該燃焼室内壁面は
高温度の状態になっておらず、壁面から燃料が気化熱を
奪い、気化を促進することができず、燃料がアルコール
である場合には、気化するための潜熱が高いため、その
現象は大きく現れる。そこで、エンジン始動時等の排気
ガスの温度が低い時に、アルコール燃料を如何にして改
質するかの課題がある。

【０００６】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、アルコール燃料等の液体を気化さ
せるため、排気ガス等の気体を流すセラミックス製ガス
通路と該ガス通路を貫通したアルコール燃料等の液体を
導入して気体として放出するセラミックス製気化用通路
から構成し、高温ガスが有する熱エネルギーを液体に良
好に伝達して気化させる熱交換器を提供することであ
る。

【０００７】この発明の別の目的は、上記の課題を解決
することであり、排気ガスの熱エネルギーをアルコール
燃料に吸収させて該アルコールを水素ガスと一酸化炭素
とに熱分解させて改質する燃料改質装置を設け、該燃料
改質装置を上記熱交換器で構成し、前記熱交換器に高温
排気ガスを通して該排気ガスの熱エネルギーでアルコー
ル燃料を熱分解させ、燃料の発熱量を増大させ、刺激臭
等の中間生成物、ＨＣ、ＮＯ_X等の発生を抑制し、排気
ガスエネルギーを回収して燃費を向上させるアルコール
改質エンジンを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するため、次のように構成されている。即ち、この
発明は、ケース内に形成された高温ガスを通すガス通
路、該ガス通路を貫通して液体を気体に変換するため液
体を導入して気体を放出する気化用通路を有する熱交換
器において、前記ガス通路は前記ケース内に遮熱層を介
在して配置され、前記ガス通路は多孔質セラミックス製
コルゲート状シートを多段に積層して形成した多数のハ
ニカム状ガス通路から構成され、前記気化用通路は前記
ガス通路を貫通する外側が緻密質で且つ内側が多孔質の
セラミックス製流体通路から構成され且つヒータを通路
内に備えていることを特徴とする熱交換器に関する。

【０００９】また、この熱交換器において、前記気化用
通路を構成する前記流体通路は一対のセラミックス製コ
ルゲート状シートを積層して形成した多数のハニカム状
流体通路から構成され、前記ガス通路を構成する前記ハ
ニカム状ガス通路は前記気化用通路の両側に配置されて
いるものである。

【００１０】また、この熱交換器において、少なくとも
前記気化用通路を構成する前記ハニカム状流体通路は、
前記多孔質コルゲート状シート間に緻密質平板状シート
を介在させ、前記コルゲート状シートの頂面が前記平板
状シートに接合されているものである。

【００１１】また、この熱交換器において、前記ガス通
路を構成する前記ハニカム状ガス通路は筒形に形成した
前記シートを径方向に順次積層してリンク状に配置さ
れ、前記ガス通路の周辺から中央の前記気化用通路まで
伸びる熱伝導コアが複数個隔置して配置されているもの
である。

【００１２】また、この熱交換器において、前記ガス通
路を構成する材料はＳｉＣ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃等の熱
伝導率の良好な緻密質セラミックスで作製されているも
のである。

【００１３】また、この熱交換器において、前記気化用
通路の多孔質コルゲート通路を構成する材料は内部にＮ
ｉ，Ｃｕ，Ｐｔ等の金属を含むセラミックスで構成され
ている。該セラミックスはＡｌ₂Ｏ₃、コーディエライ
ト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂）である。

【００１４】或いは、この発明は、少なくとも排気弁を
配置した排気ポートを備えたシリンダヘッドに形成され
且つ燃料導入口を備えた副室、ピストンの往復動するシ
リンダ側に形成された主室、前記副室と前記主室とを連
通する連絡孔、燃料タンクからのアルコール燃料を燃料
導入通路を通じて前記副室に供給する燃料供給手段、前
記副室の前記燃料導入口に配置した燃料導入制御弁、前
記連絡孔に配置した制御弁、前記燃料導入通路に設けた
アルコール燃料を熱分解させて改質する熱交換器から構
成した燃料改質装置及び該燃料改質装置と前記排気ポー
トとを連通した排気ガス通路を有し、前記燃料改質装置
は前記排気ガス通路にガス通路を接続し且つ前記燃料導
入通路を気化用通路に接続することによって請求項１，
２，３，４又は５に記載の前記熱交換器で構成されてい
ることを特徴とするアルコール改質エンジンに関する。

【００１５】また、このアルコール改質エンジンは、前
記燃料導入制御弁は吸入行程から圧縮行程中間まで開弁
されており、前記制御弁は圧縮行程終端近傍で開弁さ
れ、前記排気ガス通路から分岐する外部開放通路を有
し、前記排気ポートを前記燃料改質装置又は前記外部開
放通路に連通させるため切り換えられる切換弁を有して
いるものである。

【００１６】

【作用】この発明による熱交換器及びそれを用いたアル
コール改質エンジンは、上記のように構成されており、
次のように作用する。即ち、この熱交換器は、ガス通路
はケース内に遮熱層を介在して配置され、前記ガス通路
は複数のセラミックス製コルゲート状シートを多段に積
層し且つ隣接する前記シートの頂面を互いに接合して形
成した多数の小ガス通路から構成され、前記ガス通路を
貫通する気化用通路はセラミックス製小通路から構成さ
れ且つヒータを備えているので、前記気化用通路と前記
ガス通路を流体漏洩のない安定した通路に構成でき、高
温ガスの熱エネルギーを液体に効率的に受熱させて気化
させることができ、また、ガス温度が低い時には前記ヒ
ータで前記気化用通路を加熱して液体を効率的に気化さ
せることができる。しかるに、一般的に、ガスから液体
への熱伝導は困難であるが、この熱交換器では、ガス側
の通路断面積を液体側の通路断面積に比較して大きく構
成でき、ガスが有する熱エネルギーを液体に受熱させる
ことができる。

【００１７】或いは、このアルコール改質エンジンは、
副室と主室とを連通する連絡孔に制御弁を配置し、燃料
タンクからのアルコール燃料を前記副室に供給する燃料
導入通路にアルコール燃料を熱分解させて改質する燃料
改質装置を設け、該燃料改質装置を上記熱交換器で構成
し、前記副室の前記燃料導入口に燃料導入制御弁を配置
し、排気ポートと前記燃料改質装置とを排気ガス通路で
連通したので、排気ガス温度が高温の時には排気ガスの
熱エネルギーでアルコール燃料を熱分解させて一酸化炭
素と水素に改質して燃料の発熱量を増大させることがで
きる。また、排気ガス温度が始動時等の低温の時には、
前記熱交換器に設けたヒータによってアルコール燃料を
気化又は熱分解させて一酸化炭素と水素に改質すること
ができる。燃料が気化されていれば、熱エネルギーは小
さいが、ガスエンジンとして作動できる。

【００１８】このアルコール改質エンジンについて、吸
入行程では燃料導入制御弁が開放され、圧縮行程中間ま
でに副室内へ燃料導入が完了する。次いで、圧縮行程終
端近傍で連絡孔が開弁し、主室から副室へ圧縮空気が導
入され、燃焼が開始される。このようなタイミングに構
成された機構では、高圧縮比化が実現でき、エンジンの
熱効率を向上させることができる。

【００１９】また、アルコール燃料は９０００ｋｃａｌ
／ｋｇであるが、アルコール燃料は温度５００℃〜６０
０℃の排気ガスから熱エネルギーを受けてＣＯとＨ₂と
から成る混合ガスに熱分解し、該混合ガスは１２０００
ｋｃａｌ／ｋｇに熱エネルギーがアップし、改質され
る。また、改質された混合ガスは、燃焼スピードが速く
且つ燃焼温度が低いので、スモーク、ＮＯ_X等の発生を
抑制できる。また、前記連絡孔を前記制御弁が開放する
ことで、前記主室から高圧縮の吸入空気が前記副室に流
入してアルコール燃料が改質して生成されたガス燃料と
吸入空気とが混合して着火し、当量比の大きい燃料リッ
チな状態で高速燃焼してＮＯ_Xの発生が抑制される。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による熱交
換器及びそれを用いたアルコール改質エンジンの実施例
を説明する。まず、この発明による熱交換器の実施例に
ついて説明する。図１はこの発明による熱交換器の一実
施例を示す斜視図である。この熱交換器９Ａは、カバー
等のケース２６内に形成された高温ガスＧを通すガス通
路４５、該ガス通路４５を貫通した流体Ｆを流す気化用
通路４０を有するものである。気化用通路４０は、液体
を気体に変換するため液体を導入して気体を放出するの
に利用できるものである。ガス通路４５はケース２６内
に遮熱層３５を介在して配置され、ガス通路４５は少な
くともセラミックス製コルゲート状シート４６を含む複
数のシートを多段に積層して形成した多数のハニカム状
ガス通路４７から構成されている。気化用通路４０は、
ガス通路４５を貫通するセラミックス製流体通路から構
成され且つヒータ４４を備えており、該流体通路は、一
対のセラミックス製コルゲート状シート４１と該コルゲ
ート状シート４１間に配置された平板状シート４３を積
層して形成した多数のハニカム状流体通路４２から構成
されている。ガス通路４５を構成するハニカム状ガス通
路４７は、気化用通路４０の両側に配置されている。

【００２１】また、この熱交換器において、多孔質コル
ゲート状シート４１，４６は、例えば、歯車状の成形機
によって、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃等のセラミック
スシートをコルゲート状に成形することによって作製で
きる。気化用通路４０とガス通路４５とを構成する各シ
ートは、順次交互に配置されたコルゲート状シート４
１，４６と平板状シート４３，４８から構成され、コル
ゲート状シート４１，４６の頂面が平板状シート４３，
４８に接合されているものである。コルゲート状シート
４１，４６の頂面を緻密質平板状シート４３，４８に接
合することによって、接合面を強固にすることができ、
ハニカム状ガス通路４７及びハニカム状流体通路４２は
それぞれ隔離した小通路が形成される。しかも、気化用
通路４０は、ガス通路４５に対して直角に交差するよう
に配置されている。更に、ガス通路４５を構成する各シ
ートの材料は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃等の熱伝導
率の良好なセラミックスで作製され、その板厚を０．５
〜１ｍｍ程度に形成されている。隣接した各シートの接
合面は、ガスＧ或いは流体Ｆが漏洩しないように接合さ
れている。また、気化用通路４０の多孔質コルゲート通
路を構成する材料は、内部にＮｉ，Ｃｕ，Ｐｔ等の金属
を含むセラミックスで構成され、そのセラミックスはＡ
ｌ₂Ｏ₃、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃
・５ＳｉＯ₂）である。

【００２２】特に、気化用通路４０を構成するハニカム
状流体通路４２は、多孔質コルゲート状シート４１を緻
密質平板状シート４３で挟むように配置され且つコルゲ
ート状シート４１の頂面を平板状シート４３に強固に接
合され、ハニカム状流体通路４２からハニカム状ガス通
路４７へ流体Ｆが漏洩することが阻止されている。しか
しながら、ガス通路４５は、周囲が遮熱層３５及びケー
ス２６で覆われているので、ガスＧが外部へ漏洩しない
ように構成し易く、従って、多数のハニカム状ガス通路
４７は、平板状シートを用いることなく、コルゲート状
シート４６のみの積層で形成することもできる。また、
気化用通路４０を構成するシートには、ヒータ４４即ち
電熱線が埋め込まれているので、ガス通路４５を通るガ
スが高温でない場合には、ガス通路４５へのガスＧの流
れを遮断し、ヒータ４４に電流を流すことによって、気
化用通路４０を流れる流体Ｆ即ち液体を気化させること
ができる。

【００２３】次に、この発明による熱交換器の別の実施
例について説明する。図２はこの発明による熱交換器の
別の実施例を示す斜視図である。この実施例の熱交換器
９Ｂは、上記実施例の熱交換器９Ａと比較して、熱交換
器自体の形状、気化用通路の構成及び熱伝導コアを設け
ている以外は実質的には機能が同等であるので、同一機
能を果たす部品には、同一符号を付し、ここでは重複す
る説明は省略する。

【００２４】この実施例の熱交換器９Ａでは、ガス通路
４５を構成するハニカム状ガス通路４７は筒形に形成さ
れており、コルゲート状シート４６は径方向に順次積層
してリンク状に配置されている。ガス通路４５の中央に
は気化用通路４０が貫通している。また、ガス通路４５
の周辺から中央の気化用通路４０まで伸び且つガスＧの
流れ方向に伸びる熱伝導コア４９が複数個（図２では、
４個）隔置して配置されている。熱伝導コア４９は、コ
ルゲート状シート４６の支柱として機能すると共に、ガ
ス通路４５の周辺のガスＧの熱エネルギーを中央の気化
用通路４０へ伝導する機能を果たすものである。

【００２５】次に、上記の熱交換器９Ａ，９Ｂを燃料改
質装置として構成したアルコール改質エンジンの一実施
例について、図面を参照して説明する。図３はこの発明
によるアルコール改質エンジンの一実施例を示す概略説
明図、図４は図３のシリンダヘッド下面を示す説明図、
及び図５は図３のアルコール改質エンジンにおけるバル
ブタイミングの一実施例を示す説明図である。このアル
コール改質エンジンは、メタノール等のアルコールを燃
料とする副室式エンジンであり、アルコール燃料即ち液
体を熱分解させて一炭酸ガスＣＯと水素ガスＨ₂とから
成る混合ガスに改質して熱効率を向上させるものであ
る。また、高温ガスは、エンジンから放出される排気ガ
スを利用するものである。

【００２６】このアルコール改質エンジンは、シリンダ
ブロック３９、シリンダブロック３９に固定されたシリ
ンダヘッド４、シリンダヘッド４に形成された吸気ポー
ト２５、シリンダヘッド４に形成された排気ポート２
４、吸気ポート２５に連通する吸気弁シート３１と排気
ポート２４に連通する排気弁シート３０を形成し且つシ
リンダヘッド４の穴部２９に配置したヘッドライナ２
０、吸気弁シート３１に配置された吸気弁２７、排気弁
シート３０に配置された排気弁６、シリンダヘッド４に
形成した穴部２９に配置した遮熱構造の副室壁体２３で
形成した副室２、シリンダブロック３９に形成した孔部
に嵌合したシリンダライナ２２、該シリンダライナ２２
に形成したシリンダ２１内を往復運動するピストン３、
シリンダ２１側に形成される遮熱構造の主室１、及び主
室１と副室２とを連通する副室壁体２３に形成した連絡
孔５を有している。なお、吸気ポート２５をシリンダヘ
ッド４に形成しているが、吸気ポートはシリンダヘッド
４に形成せず、シリンダ下部に形成することもできる。

【００２７】このアルコール改質エンジンにおいて、主
室１は、ピストン３の往復動するシリンダ２１側であ
り、シリンダヘッド４に形成した大径の穴部２９に嵌合
したヘッドライナ２０で形成されている。ヘッドライナ
２０は、シリンダ２１の一部を構成するライナ上部とヘ
ッド下面部から構成されている。ヘッド下面部の上面に
は、副室２を構成する副室式エンジン壁体２３が一体的
に形成されている。副室壁体２３は、シリンダヘッド４
の穴部２９に嵌合されている。

【００２８】このアルコール改質エンジンは、アルコー
ル燃料を収容した燃料タンク１７、燃料タンク１７から
のアルコール燃料を燃料導入通路１９を通じて副室２に
供給する燃料供給手段としての燃料ポンプ１６、燃料タ
ンク１７からのアルコール燃料を一旦溜める燃料溜室１
５、燃料タンク１７から副室２へ燃料を供給する燃料導
入通路１９、燃料導入通路１９に設けた燃料改質装置
９、燃料導入通路１９を副室２に連通する燃料導入口２
８、副室２の燃料導入口２８に配置した燃料導入制御弁
８、副室２と主室１とを連通する連絡孔５、連絡孔５に
配置した制御弁７、排気ポート２４と燃料改質装置９と
を連通する排気ガス通路３３、排気ガス通路３３に接続
した外部開放通路３２、排気ガス通路３３に配置した切
換弁１２、及び外部開放通路３２に配置した切換弁１１
を有するものである。勿論、これらの切換弁１１，１２
は、排気ガス通路３３と外部開放通路３２との分岐部に
配置した１つの切換弁で構成することもできる。

【００２９】このアルコール改質エンジンは、特に、燃
料改質装置９を上記熱交換器９Ａ又は９Ｂを適用したこ
とを特徴とするものである。即ち、燃料改質装置９は、
排気ガス通路３３に熱交換器９Ａ又は９Ｂのガス通路４
５を接続し、燃料導入通路１９を熱交換器９Ａ又は９Ｂ
の気化用通路４０に接続することによって熱交換器９Ａ
又は９Ｂを適用することができる。燃料導入通路１９に
は、ヒータ４４が埋設されており、ヒータ４４はコント
ローラ１０の指令で加熱されるように構成されている。

【００３０】また、燃料溜室１５は、燃料ポンプ１６の
作動によって燃料タンク１７からのアルコール燃料を一
旦溜めるものであり、燃料溜室１５にはアルコール燃料
を加熱するため、加熱装置として、アルコール燃料に対
して耐蝕性に富んだセラミックス製のグロープラグ１８
が配置されている。燃料改質装置９は、上記の熱交換器
９Ａ又は９Ｂであり、燃料溜室１５の下流の燃料導入通
路１９に設けられている。燃料改質装置９は、高温の排
気ガスの熱エネルギーを受熱してアルコール燃料を熱分
解させて一炭酸ガスＣＯと水素ガスＨ₂とから成る混合
ガスに改質するものである。燃料タンク１７から燃料ポ
ンプ１６で燃料溜室１５に送り込まれた燃料の圧力は、
１ｋｇ／ｃｍ²程度で低圧である。そこで、燃料溜室１
５にグロープラグ１８を設け、電気エネルギーによって
アルコール燃料を加熱し、アルコール燃料は気化されて
蒸気になって燃料改質装置９へ送り込まれ、燃料改質装
置９で燃料の気化が促進される。

【００３１】燃料改質装置９は、例えば、ケーシング即
ちケース２６の中央にアルコール燃料に対して耐蝕性に
富んだセラミックスから作製された気化用通路４０が貫
通し、気化用通路４０の外側にハニカム状のガス通路４
５が配置されている。気化用通路４０にはヒータ４４が
埋設され、燃料の気化を促進できるように構成されてい
る。

【００３２】また、燃料導入制御弁８は、図５に示すよ
うに、吸入行程から圧縮行程中間まで開弁して副室２の
燃料導入口２８を開放し、燃料導入通路１９と副室２と
を連通させ、燃料溜室１５又は燃料改質装置９で改質さ
れた改質燃料は副室２へ供給される。更に、制御弁７
は、図３に示すように、圧縮行程終端近傍で開弁される
連絡孔５を開放して主室１と副室２とを連通させ、主室
１で圧縮された圧縮空気が主室１から副室２へ供給され
る。場合によっては、燃料導入制御弁８は電磁力で駆動
され、燃料導入制御弁８はエンジン負荷の作動状態に応
答して開弁期間を決めるように設定することもでき、エ
ンジン負荷に対して適正な改質燃料量を副室２に供給す
ることもできる。

【００３３】また、このアルコール改質エンジンにおい
て、切換弁１１，１２は、コントローラ１０の指令でバ
ルブアクチュエータ１３，１４を作動することによって
開閉又は切り換えられる。コントローラ１０は、排気ガ
ス温度が所定値以下の時に、燃料導入通路１９に設けた
燃料溜室１５に配置したグロープラグ１８を通電即ち作
動してアルコール燃料を加熱して熱分解し、加熱改質す
ると共に、切換弁１１を開放し且つ切換弁１２を閉鎖す
るように切り換え、排気ガスを外部開放通路３２を通じ
て外部へ排出する制御を行う。また、コントローラ１０
は、排気ガス温度が所定値以上の時に、グロープラグ１
８への通電を切り即ち非作動状態にすると共に、切換弁
１１を閉鎖し且つ切換弁１２を開放するように切り換
え、排気ガスを燃料改質装置９へ供給してアルコール燃
料を加熱して熱分解し、加熱改質する制御を行う。

【００３４】また、このアルコール改質エンジンは、主
室１及び副室２の燃焼室、及びピストン３のピストンヘ
ッド部を、低熱伝導率のセラミックス及び耐熱性のセラ
ミックスによって遮熱構造に構成することによって、排
気ガス温度を高温に維持して排気ガスエネルギーを高く
し、アルコール燃料の熱分解を効率的に行うことが好ま
しいものである。例えば、主室１、副室２及びピストン
ヘッド部の遮熱構造としては、高温強度を有する耐熱性
に優れた窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスを燃
焼ガスに晒される面の壁体として使用し、該壁体の内側
にチタン酸アルミニウム、チタン酸カリウム等の遮熱材
を配置することによって高度の遮熱度を確保できる。

【００３５】このアルコール改質エンジンは、上記のよ
うに構成されており、次のように作動される。このアル
コール改質エンジンは、図５に示すように、吸入行程、
圧縮行程、膨張行程及び排気行程の４つの行程を順次繰
り返すことによって作動されるものであり、まず、エン
ジンの始動時及び始動後所定期間はコントローラ１０の
指令でバルブアクチュエータ１３を作動して切換弁１１
を開放し且つバルブアクチュエータ１４を作動して切換
弁１２を閉鎖し、更にグロープラグ１８及びヒータ４４
を通電即ち作動し、アルコール燃料を加熱して熱分解さ
せ、ＣＯとＨ₂とから成る混合ガス即ち改質燃料を生成
させる。そして、吸入行程では、吸気弁２７が吸気ポー
ト２５を開放して主室１に吸入空気が供給され、連絡孔
５に配置した制御弁７によって連絡孔５を閉鎖した状態
で燃料導入制御弁８を開放して燃料導入通路１９を通じ
て燃料溜室１５から副室２に改質燃料が供給される。こ
の時、副室２には、燃焼後の排気ガスが残留しているの
で、燃料溜室１５からの改質燃料が導入されると、改質
燃料は受熱して副室２内で活性化する。

【００３６】次に、このアルコール改質エンジンにおい
て、圧縮行程では、制御弁７によって連絡孔５を閉鎖し
ておき、主室１で吸入空気を高圧縮して圧縮比を大きく
する。次いで、圧縮行程終端近傍で制御弁７が連絡孔５
を開放し、連絡孔５を通じて高圧縮で高温化した圧縮空
気を主室１から副室２へ流入させ、該吸入空気は活性化
した改質燃料と混合を促進して着火燃焼し、燃焼が急速
に進展して燃料リッチでＮＯ_Xを低減した状態で燃焼
し、次いで、副室２の火炎が主室１へ噴出し、膨張行程
へ移行し、主室１に存在する新気と混合を促進して短期
間に二次燃焼を完結する。この膨張行程では、連絡孔５
の開放状態を維持して副室２から主室１へ火炎を噴出さ
せて仕事をさせ、排気行程終了付近で連絡孔５を制御弁
７を作動して閉鎖する。

【００３７】次いで、このアルコール改質エンジンは、
燃焼が盛んに行われ、排気ガスが高温になると、コント
ローラ１０の指令によってバルブアクチュエータ１３を
作動して切換弁１１を閉鎖し且つバルブアクチュエータ
１４を作動して切換弁１２を開放し、更にグロープラグ
１８及びヒータ４４への通電を停止する。排気ガスは排
気ポート２４から排気ガス通路３３を通じて燃料改質装
置９に送り込まれる。排気ガスは高温であるので、排気
ガスエネルギーをアルコール燃料に与えて、アルコール
燃料を加熱して熱分解させ、ＣＯとＨ₂とから成る混合
ガス即ち改質燃料を生成させる。改質燃料は、上記と同
様に、燃料導入制御弁８の開放によって副室２へ供給さ
れ、燃焼するものである。吸入行程では、吸気ポート２
５から主室１へ吸入した吸入空気を制御弁７で連絡孔５
を閉鎖して副室２に吸入空気が供給されない状態で、ピ
ストン３の上昇の圧縮行程で圧縮されるので、吸入空気
が主室１内で高圧縮されても、副室２内に供給された改
質燃料は主室１とは制御弁７で遮断されているので自己
着火してノッキングが発生することがない。

【００３８】また、制御弁７が連絡孔５を開放すること
で、主室１から高圧縮比の吸入空気が副室２に流入して
改質燃料と吸入空気とが混合して着火し、当量比の大き
い燃料リッチな状態で高速燃焼してＮＯ_Xの発生が抑制
される。更に、燃焼後に排気ガスを含んだ副室２には、
燃料溜室１５から燃料改質装置９を通って改質燃料が導
入され、該改質燃料は副室２内で受熱して活性化する。

【００３９】

【発明の効果】この発明による熱交換器及びそれを用い
たアルコール改質エンジンは、上記のように構成されて
おり、次のような効果を有する。即ち、この熱交換器
は、ガス通路はケース内に遮熱層を介在して配置され、
前記ガス通路は複数のセラミックス製コルゲート状シー
トを多段に積層し且つ隣接する前記シートの頂面を互い
に接合して形成した多数の小ガス通路から構成され、前
記ガス通路を貫通する気化用通路はセラミックス製小通
路から構成され且つヒータを備えているので、前記気化
用通路と前記ガス通路を流体漏洩のない安定した通路に
構成でき、高温ガスの熱エネルギーを液体に効率的に受
熱させて気化させることができ、また、ガス温度が低い
時には前記ヒータで前記気化用通路を加熱して液体を効
率的に気化させることができる。

【００４０】しかも、この熱交換器は、高温ガスの熱エ
ネルギーを液体に効率的に伝導して気化させることがで
きるので、アルコール改質エンジンの燃料改質装置の熱
交換器として有効に適用することができる。即ち、上記
熱交換器を燃料改質装置として適用したアルコール改質
エンジンは、副室と主室とを連通する連絡孔に圧縮行程
終端近傍で開弁される制御弁を配置し、燃料タンクから
のアルコール燃料を燃料導入通路を通じて前記副室に供
給し、燃料改質装置によって燃料導入通路に設けたアル
コール燃料を熱分解させて改質し、副室の燃料導入口に
配置した燃料導入制御弁を吸入行程から圧縮行程中間ま
で開弁して改質燃料を副室に供給し、更に、排気ポート
と前記燃料改質装置とを排気ガス通路によって連通し、
切換弁によって前記排気ポートを前記燃料改質装置又は
外部開放通路に連通させたので、前記燃料改質装置によ
ってアルコール燃料を排気ガスエネルギーによって熱分
解させてＣＯとＨ₂とに改質でき、着火性を向上させる
と共に熱エネルギーを向上させることができ、しかも排
気ガスエネルギーを利用するので、排気ガスエネルギー
を有効に回収することになる。

【００４１】また、このアルコール改質エンジンは、コ
ントローラによって排気ガス温度が所定値以下の時に、
前記燃料導入通路に設けた燃料溜室に配置した加熱装置
を作動してアルコール燃料を加熱改質すると共に排気ガ
スを前記外部開放通路を通じて排気する側へ前記切換弁
を切り換え、また、排気ガス温度が所定値以上の時に、
前記加熱装置を非作動状態にすると共に排気ガスを前記
燃料改質装置へ供給してアルコール燃料を加熱改質する
ため前記排気ポートを前記燃料改質装置に連通させるよ
うに前記切換弁を切り換える制御を行うので、アルコー
ル燃料を有効に改質することができる。

【００４２】また、連絡孔の制御を閉鎖して主室と副室
とを遮断した状態で吸入空気を主室に導入するので、吸
入空気を高圧縮する高圧縮比化が実現できる。また、前
記制御弁が作動して前記連絡孔が開放することで、前記
主室から高圧縮されて高温化した空気が前記副室に一気
に流入し、改質燃料と吸入空気との混合が一気に促進し
て着火し、前記副室では当量比の大きい燃料リッチな状
態で高速燃焼するので、ＮＯ_Xの発生が抑制される。そ
して、前記副室内は燃焼により一気に圧力が上昇し、燃
焼が促進され、それと同時に、前記連絡孔を通じて前記
副室から前記主室へその火炎が一気に噴出し、該火炎は
前記主室で新気と混合し、予混合燃焼を促進して燃焼ス
ピードを上昇して理想的な二次燃焼を完結する。従っ
て、このアルコール改質エンジンは、ＮＯ_X、ＨＣ等の
発生を大幅に低減でき、高効率のエンジンを提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による熱交換器の一実施例を示す斜視
図である。

【図２】この発明による熱交換器の別の実施例を示す斜
視図である。

【図３】この発明による熱交換器を用いたアルコール改
質エンジンの一実施例を示す説明図である。

【図４】図３のアルコール改質エンジンのシリンダヘッ
ド下面を示す説明図である。

【図５】図３のアルコール改質エンジンにおけるバルブ
タイミングの一実施例を示す説明図である。

【符号の説明】

１主室２副室３ピストン４シリンダヘッド５連絡孔６排気弁７制御弁８燃料導入制御弁９燃料改質装置１０コントローラ１１，１２切換弁１５燃料溜室１６燃料ポンプ１７燃料タンク１８グロープラグ（加熱装置）１９燃料導入通路２１シリンダ２４排気ポート２６ケース２８燃料導入口３３排気ガス通路４０気化用通路４１，４６コルゲート状シート４２ハニカム状流体通路４３，４８平板状シート４５ガス通路４７ハニカム状ガス通路４９熱伝導コア

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ケース内に形成された高温ガスを通すガ
ス通路、該ガス通路を貫通して液体を気体に変換するた
め液体を導入して気体を放出する気化用通路を有する熱
交換器において、前記ガス通路は前記ケース内に遮熱層
を介在して配置され、前記ガス通路は多孔質セラミック
ス製コルゲート状シートを多段に積層して形成した多数
のハニカム状ガス通路から構成され、前記気化用通路は
前記ガス通路を貫通する外側が緻密質で且つ内側が多孔
質のセラミックス製流体通路から構成され且つヒータを
通路内に備えていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】前記気化用通路を構成する前記流体通路
は一対のセラミックス製コルゲート状シートを積層して
形成した多数のハニカム状流体通路から構成され、前記
ガス通路を構成する前記ハニカム状ガス通路は前記気化
用通路の両側に配置されていることを特徴とする請求項
１に記載の熱交換器。
【請求項３】少なくとも前記気化用通路を構成する前
記ハニカム状流体通路は、前記多孔質コルゲート状シー
ト間に緻密質平板状シートを介在させ、前記コルゲート
状シートの頂面が前記平板状シートに接合されているこ
とを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】前記ガス通路を構成する前記ハニカム状
ガス通路は筒形に形成した前記シートを径方向に順次積
層してリンク状に配置され、前記ガス通路の周辺から中
央の前記気化用通路まで伸びる熱伝導コアが複数個隔置
して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の
熱交換器。
【請求項５】前記ガス通路を構成する材料はＳｉＣ、
ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃等の熱伝導率の良好なセラミックス
で作製されていることを特徴とする請求項１に記載の熱
交換器。
【請求項６】前記気化用通路の多孔質コルゲート通路
を構成する材料は内部にＮｉ，Ｃｕ，Ｐｔ等の金属を含
むセラミックスで構成されていることを特徴とする請求
項１に記載の熱交換器。
【請求項７】少なくとも排気弁を配置した排気ポート
を備えたシリンダヘッドに形成され且つ燃料導入口を備
えた副室、ピストンの往復動するシリンダ側に形成され
た主室、前記副室と前記主室とを連通する連絡孔、燃料
タンクからのアルコール燃料を燃料導入通路を通じて前
記副室に供給する燃料供給手段、前記副室の前記燃料導
入口に配置した燃料導入制御弁、前記連絡孔に配置した
制御弁、前記燃料導入通路に設けたアルコール燃料を熱
分解させて改質する熱交換器から構成した燃料改質装置
及び該燃料改質装置と前記排気ポートとを連通した排気
ガス通路を有し、前記燃料改質装置は前記排気ガス通路
にガス通路を接続し且つ前記燃料導入通路を気化用通路
に接続することによって請求項１，２，３，４，５又は
６に記載の前記熱交換器で構成されていることを特徴と
するアルコール改質エンジン。
【請求項８】前記燃料導入制御弁は吸入行程から圧縮
行程中間まで開弁されており、前記制御弁は圧縮行程終
端近傍で開弁され、前記排気ガス通路から分岐する外部
開放通路を有し、前記排気ポートを前記燃料改質装置又
は前記外部開放通路に連通させるため切り換えられる切
換弁を有していることを特徴とする請求項７に記載のア
ルコール改質エンジン。