JP4013398B2 - 燃料改質装置付き内燃機関 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気熱により燃料をガス化する蒸発器と、ガス化された燃料を排気熱と改質触媒とにより水素、一酸化炭素等に改質する改質器とを備えて、改質ガスを機関に供給する燃料改質装置付き内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料改質装置、特にその改質器は、高温雰囲気下で使用されるため、その構成材料(母材)にSUS304等の耐熱・耐蝕鋼が使用されているが、燃料蒸気が接触することで、すすが発生し、触媒の表面に付着して触媒の活性を低下させるという問題を有している。
【0003】
このため、従来においては、例えば特開昭58−74501号公報に記載されているように、改質器の内壁を銅−マンガン−ニッケル合金からなるろう材によりコーティングすることで、すすの発生を抑制している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、改質器の内部は極めて複雑かつ微細な構造であることから、均一にコーティングすることは難しく、わずかなコーティング不良部分からすすが発生し、触媒の表面に付着したすすや不純物は除去されないため、触媒の活性が低下し、また圧力損失の増大により燃料が流れにくくなって、改質反応が十分に行われず、改質ガスの供給が不十分となるという問題があった。
【0005】
本発明は、このような実状に鑑み、改質器内に付着したすすや不純物を除去可能として、改質器の活性を回復できるようにすることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1に係る発明では、排気熱により燃料をガス化する蒸発器と、ガス化された燃料を排気熱と改質触媒とにより改質する改質器とを備えて、改質ガスを機関に供給する燃料改質装置付き内燃機関において、図1に示すように、改質器の活性状態を判定する改質器活性状態判定手段と、活性状態が低下したと判定されたときに、改質器に空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給手段による改質器への空気供給時に、所定の条件下で、改質器に直接燃料を供給する燃料供給手段と、を設けたことを特徴とする。
【0007】
請求項7に係る発明では、前記改質器活性状態判定手段は、改質器前後の圧力差、改質器前後の温度差又は改質器出口側の改質ガス濃度のうち少なくとも1つに基づいて、活性状態を判定することを特徴とする。
【0009】
請求項2に係る発明では、前記燃料供給手段は、前記空気供給手段による改質器への空気供給時に、排気温度が低い状態であることを条件として、改質器に直接燃料を供給することを特徴とする。ここで、排気温度が低い状態は、排気温度を直接検出する他、機関負荷や改質器入口側温度より検出してもよい。
【0010】
請求項3に係る発明では、改質器に対し、空気及び燃料を噴射供給可能な2流体噴射弁を設けて、前記空気供給手段及び前記燃料供給手段を構成することを特徴とする。
【0011】
請求項4に係る発明では、前記燃料供給手段による改質器への燃料供給時に、蒸発器への燃料供給を停止する手段を設けたことを特徴とする(図1参照)。
請求項5、6に係る発明では、前記空気供給手段による改質器への空気供給時に、機関に直接燃料を供給する一方、改質ガスの機関への供給を停止させて、改質ガスを排気系へ供給する燃料切換手段を設けたことを特徴とする(図1参照)。
【0012】
請求項8に係る発明では、過渡運転状態を検出する過渡運転状態検出手段と、過渡運転状態のときに改質器へ直接燃料を供給する燃料供給手段とを設けたことを特徴とする(図1参照)。
【0013】
【発明の効果】
請求項1に係る発明によれば、改質器の活性状態を判定し、活性状態が低下したと判定されたときに、改質器に空気を供給することで、改質器での酸化反応(改質器内に付着している燃料の燃焼)の促進により、改質器内の温度を上昇させ、これによりすすを燃やすことで、触媒の活性を回復することができる。従って、改質器の母材やコーティング材にかかわらず、触媒の活性を維持して、安定した改質ガスの供給が可能となる。
また、活性回復のための改質器への空気供給時に、所定の条件下で、改質器に直接燃料を供給することで、空気のみの供給では燃焼が不十分な場合にも燃焼を促進でき、また蒸発器を経由して燃料を供給する場合に比して応答良く燃焼を促進でき、触媒の活性をより確実に回復できる。
【0014】
請求項7に係る発明によれば、改質器の活性低下の原因となるすすの付着により、圧力損失が増大して改質器出口側圧力が低下し、また改質器の活性低下による改質反応の低下により、改質器出口側温度が低下したり、改質ガスの発生量が減少することから、改質器前後の圧力差、改質器前後の温度差又は改質器出口側の改質ガス濃度に基づいて、活性状態を的確にとらえることができる。
【0016】
請求項2に係る発明によれば、活性回復のための空気供給時に、排気温度が低い状態であることを条件として、改質器に直接燃料を供給することで、触媒温度が低く反応しにくい低排温時に、触媒の活性をより確実に回復できる。
【0017】
請求項3に係る発明によれば、改質器に対し、2流体噴射弁を設けて、空気及び燃料をそれぞれ噴射供給可能とすることで、簡易に構成できると共に、空気、燃料、空気+燃料の3つの噴射形態で用いることができる。
【0018】
請求項4に係る発明によれば、活性回復のための改質器への燃料供給時に、蒸発器への燃料供給を停止することで、燃料供給が過剰となるのを防止できる。
請求項5、6に係る発明によれば、改質器の活性回復中は、機関に直接燃料を供給することで、改質ガスの生成が不十分な状態で機関の安定度を損なうことなく運転を可能とする一方、改質ガスの機関への供給を停止させて、改質ガスを排気系へ供給することで、排気中で燃焼させ、熱源となる排気の温度を高めることができる。
【0019】
請求項8に係る発明によれば、急加速時等の過渡運転状態のときに改質器へ直接燃料を供給することで、蒸発器を経由して供給される燃料に上乗せする形で、燃料増量を図ることができると共に、蒸発器を経由して供給される燃料に比べレスポンスを向上でき、過渡運転性(加速性能)を向上させることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態についてを説明する。
図2は本発明の一実施形態を示す燃料改質装置付き内燃機関のシステム図である。
【0021】
機関1には、各気筒毎に、吸気系にガス燃料(改質ガス)を噴射する電磁式のガス燃料噴射弁2と、燃焼室内に直接液体燃料(未改質の燃料)を噴射する電磁式の液体燃料噴射弁3とが設けられている。
【0022】
機関1の排気系4には、排気熱により燃料をガス化する蒸発器5と、ガス化された燃料を排気熱と改質触媒とにより水素、一酸化炭素等に改質する改質器6とが、改質器6を排気系上流側に配置して、取付けられている。
【0023】
ここにおいて、燃料(ガソリン又はメタノール)は、図示しない燃料タンクから燃料ポンプ7によりレギュレータ8を介し、更に電磁式の流量調整弁9を介して、蒸発器5に供給される。蒸発器5に供給された燃料は、ここで排気熱を回収して、ガス化する。
【0024】
蒸発器5からのガス化された燃料は、改質器6に供給され、ここで排気熱と改質触媒とにより、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスに変換される。
改質器6からの改質ガスは、電磁式の流路切換弁10を介し、更にレギュレータ11を介して、ガス燃料噴射弁2に供給され、このガス燃料噴射弁2によって機関1に噴射供給される。
【0025】
また、燃料ポンプ7により蒸発器5へ至る燃料供給ラインL1の流量調整弁9上流より分岐して、液体燃料噴射弁3へ至る燃料供給ラインL2が設けられ、燃料をそのまま、液体燃料噴射弁3によって機関1に噴射供給可能としてある。
【0026】
一方、改質器6の入口側に空気噴射弁と燃料噴射弁とを兼ねる2流体噴射弁12が設けられ、改質器6内に空気及び燃料をそれぞれ噴射供給可能としてある。尚、2流体噴射弁12は、いわゆるアシストエア噴射機構付きの燃料噴射弁を使用すればよい。
【0027】
この2流体噴射弁12への空気の供給は、機関1のクランク軸によりベルト駆動されるプーリ13により電磁クラッチ14を介して駆動されるエアポンプ15を用いて行い、エアポンプ15からの圧縮空気をレギュレータ16を介して2流体噴射弁12に供給する。
【0028】
また、2流体噴射弁12への燃料の供給は、燃料ポンプ7より液体燃料噴射弁3に至る燃料供給ラインL2の途中から分岐したラインL3により行う。
前記流量調整弁9は、開度制御されるものの、通常は開弁状態であるが、所定の条件にて閉弁されて、蒸発器5への燃料供給を停止する。
【0029】
前記流路切換弁10は、通常は改質器6からの改質ガスをガス燃料噴射弁2へ導くが、所定の条件にて切換えられると、ガス燃料噴射弁2側を閉止して、改質器6からの改質ガスを通路17により排気系4へ供給する。
【0030】
ここにおいて、ガス燃料噴射弁2、液体燃料噴射弁3、2流体噴射弁12、電磁クラッチ14、流量調整弁9及び流路切換弁10は、マイクロコンピュータ内蔵のコントロールユニット20により制御される。
【0031】
コントロールユニット20には、通常の燃料噴射制御に用いられる図示しないクランク角センサ、エアフローメータ、スロットル開度センサ、水温センサ等の他、次のようなセンサ類からの信号が入力されている。
【0032】
すなわち、改質器6の入口側圧力Pinを検出する入口側圧力センサ21、改質器6の出口側圧力Poutを検出する出口側圧力センサ22が設けられ、アンプ23により、これらの出力差(改質器前後の圧力差)ΔP=Pin−Poutが検出されて、コントロールユニット20に入力されている。
【0033】
また、改質器6の入口側温度Tinを検出する入口側温度センサ24、改質器6の出口側温度Toutを検出する出口側温度センサ25が設けられ、アンプ26により、これらの出力差(改質器前後の温度差)ΔT=Tin−Toutが検出されて、コントロールユニット20に入力されている。
【0034】
また、改質器6の出口側にて、改質ガス濃度、具体的には水素濃度H2 を検出する水素濃度センサ27が設けられ、その出力がコントロールユニット20に入力されている。
【0035】
また、排気系4にて、排気温度Texhを検出する排気温度センサ28が設けられ、その出力もコントロールユニット20に入力されている。
次にコントロールユニット20による制御の詳細を図3及び図4のフローチャートにより説明する。
【0036】
図3は改質器の活性状態を判定するルーチンのフローチャートである。本ルーチンが改質器活性状態判定手段に相当する。
ステップ1(図にはS1と記す。以下同様)では、アンプ23からの信号に基づいて、改質器前後の圧力差ΔPを検出する。尚、アンプ23を用いず、圧力センサ21,22からの信号(Pin,Pout)を直接読込んで、圧力差ΔP=Pin−Poutを算出してもよい。
【0037】
ステップ2では、機関運転状態のパラメータとする機関回転数Ne及び負荷(基本燃料噴射量)Tpに応じてしきい値mPを予め定めて記憶させてあるマップを参照し、実際のNe,Tpから、しきい値mPを設定する。
【0038】
ステップ3では、改質器前後の圧力差ΔPとしきい値mPとを比較し、ΔP≧mPか否かを判定する。
改質器6の触媒の表面にすすや不純物が付着すると、圧力損失が増大し、出口側圧力Poutが大きく低下することで、改質器前後の圧力差ΔPが大きくなる。従って、改質器前後の圧力差ΔPがしきい値mP以上になったことで、すすや不純物の付着により改質器6が不活性状態にあることを検出し得る。
【0039】
ΔP<mPの場合は、一応、活性状態とみなして、次のチェックを行う。
ステップ4では、アンプ26からの信号に基づいて、改質器前後の温度差ΔTを検出する。尚、アンプ26を用いず、温度センサ24,25からの信号(Tin,Tout)を直接読込んで、温度差ΔT=Tin−Toutを算出してもよい。
【0040】
ステップ5では、機関回転数Ne及び負荷Tpに応じてしきい値mTを予め定めて記憶させてあるマップを参照し、実際のNe,Tpから、しきい値mTを設定する。
【0041】
ステップ6では、改質器前後の温度差ΔTとしきい値mTとを比較し、ΔT≧mTか否かを判定する。
改質器6の触媒の表面にすすや不純物が付着したりして、改質器6の活性が低下すると、改質器6での反応が十分に起きなくなり、出口側温度Toutが低下することで、改質器前後の温度差ΔTが大きくなる。従って、改質器前後の温度差ΔTがしきい値mT以上になったことで、改質器6が不活性状態にあることを検出し得る。
【0042】
ΔT<mTの場合は、一応、活性状態とみなして、次のチェックを行う。
ステップ7では、水素濃度センサ27により、改質器出口側の水素濃度H2 を検出する。
【0043】
ステップ8では、機関回転数Ne及び負荷Tpに応じてしきい値mH2 を予め定めて記憶させてあるマップを参照し、実際のNe,Tpから、しきい値mH2 を設定する。
【0044】
ステップ9では、改質器出口側の水素濃度H2 としきい値mH2 とを比較し、H2 ≦mH2 か否かを判定する。
改質器6の触媒の表面にすすや不純物が付着したりして、改質器6の活性が低下すると、改質器6での反応が十分に起きなくなり、出口側の水素濃度H2 が低下する。従って、出口側の水素濃度H2 がしきい値mH2 以下になったことで、改質器6が不活性状態にあることを検出し得る。
【0045】
H2 >mH2 の場合は、いずれのチェックにおいてもOKであるので、活性状態とみなす。すなわち、ステップ10へ進んで、活性状態判定フラグFcを活性状態を示すFc=0として、本ルーチンを終了する。
【0046】
一方、ステップ3での判定でΔP≧mP、又はステップ6での判定でΔT≧mT、又はステップ9での判定でH2 ≦mH2 の場合は、不活性状態とみなす。すなわち、ステップ11へ進んで、活性状態判定フラグFcを不活性状態を示すFc=1として、本ルーチンを終了する。
【0047】
図5は実際のΔP、ΔT、H2 の変化に対して、活性状態フラグFが設定される様子を示している。
尚、本実施形態では、ΔP≧mP、又はΔT≧mT、又はH2 ≦mH2 の場合に不活性状態と判定したが、ΔP≧mP、かつΔT≧mT、かつH2 ≦mH2 の場合に不活性状態と判定してもよいし、いずれか2つのアンド条件で不活性状態と判定するようにしてもよい。
【0048】
また、本判定は、精度向上のため、暖機完了後(水温が例えば80℃以上)の定常運転状態において実施するのが望ましい。
図4は活性状態の判定結果(活性状態判定フラグFc)に応じた制御を行うルーチンのフローチャートである。
【0049】
ステップ21では、活性状態判定フラグFcの値を判定する。
Fc=0(活性状態)の場合は、ステップ22へ進む。
ステップ22では、電磁クラッチ14をOFFにして、エアポンプ15を停止状態とする。
【0050】
ステップ23では、流量調整弁9を開弁させ、かつ機関運転状態のパラメータとする機関回転数Ne及び負荷(基本燃料噴射量)Tpに応じて開度制御して、蒸発器5へ燃料を供給する。
【0051】
ステップ24では、流路切換弁10により、改質ガスをガス燃料噴射弁2に供給し、ガス燃料噴射弁2により改質ガスを機関1に供給することで、機関1を改質ガスにより運転する。
【0052】
ステップ25では、過渡運転状態(例えばスロットル開度の変化率ΔTvoが所定値以上)か否かを判定する。尚、スロットル開度の変化率ΔTvoは、時刻t1(直前)でのスロットル開度をTvo1、時刻t2(現時点)でのスロットル開度をTvo2とすると、ΔTvo=(Tvo2−Tvo1)/(t2−t1)より求める。
【0053】
そして、過渡運転状態の場合のみ、ステップ26で、2流体噴射弁12を燃料噴射弁として用い、これにより燃料を改質器6へ噴射供給して、本ルーチンを終了する。
【0054】
以上のように、改質器6が活性状態にある場合は、燃料を蒸発器5に供給してガス化した後、改質器6に供給して、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスに変換し、この改質ガスをガス燃料噴射弁2により機関1に供給して、改質ガスによる運転を行う。
【0055】
但し、急加速時等の過渡運転状態の場合は、蒸発器5への燃料供給とは別に、2流体噴射弁12を用いて、改質器6へ直接燃料を噴射供給することで、蒸発器5を経由して供給される燃料に上乗せする形で、燃料増量を図ることができると共に、蒸発器5を経由して供給される燃料に比べレスポンスを向上でき、過渡運転性(加速性能)を向上させることができる。尚、燃料増量を行う過渡運転状態について、排気温度Texhが所定値以上であることを条件とするようにしてもよい。
【0056】
ここで、ステップ25の部分が過渡運転状態検出手段に相当し、ステップ26の部分が過渡運転状態での改質器への燃料供給手段に相当する。
Fc=1(不活性状態)の場合は、ステップ27へ進む。
【0057】
ステップ27では、液体燃料噴射弁3により、機関1へ直接燃料を供給する。すなわち、液体燃料をそのまま用いて機関1を運転する。
ステップ28では、電磁クラッチ14をONにして、エアポンプ15を作動させる。これにより、2流体噴射弁12による空気噴射が可能となる。このように触媒活性回復のための空気供給時のみ電磁クラッチ14を締結してエアポンプ15を駆動することで、エアポンプ15を駆動するための機関負荷を最小限に抑えることができる。
【0058】
ステップ29では、排気温度センサ28からの信号で、排気温度Texhを検出する。
ステップ30では、機関運転状態のパラメータとする機関回転数Ne及び負荷(基本燃料噴射量)Tpに応じてしきい値vTexhを予め定めて記憶させてあるマップを参照し、実際のNe,Tpから、しきい値vTexhを設定する。
【0059】
ステップ31では、排気温度Texhとしきい値vTexhとを比較し、Texh≦vTexh(低排気温度)か否かを判定する。
Texh>vTexh(高排気温度)の場合は、ステップ32へ進み、流量調整弁9を開弁させて、蒸発器5へ燃料を供給した上で、ステップ33で、2流体噴射弁12を空気噴射弁として用い、改質器6へ空気のみを噴射供給する。ここで、噴射する空気量は機関運転状態(Ne,Tp)によって決定する。
【0060】
Texh≦vTexh(低排気温度)の場合は、ステップ34へ進み、2流体噴射弁12により、改質器6へ空気及び燃料を噴射供給する。ここで、噴射する空気量は機関運転状態(Ne,Tp)によって決定し、燃料量は空気量に対し機関運転状態(Ne,Tp)に応じた任意の比率で決定する。このときは、ステップ35で、流量調整弁9を閉弁させて、蒸発器5への燃料供給を停止する。
【0061】
これらの後、ステップ36では、流路切換弁10の切換えにより、改質器6からの改質ガスをガス燃料噴射弁2側(機関1側)へ供給することなく、通路17により排気系4へ供給する。
【0062】
以上のように、改質器6が不活性状態にある場合は、活性回復のため、2流体噴射弁12により改質器6に空気を噴射供給することで、改質器6での酸化反応(改質器6内に付着している燃料の燃焼)の促進により、改質器6内の温度を上昇させ、これによりすすを燃やすことで、触媒の活性を回復する。
【0063】
また、排気温度が高い状態では、2流体噴射弁12により改質器6に空気のみを噴射供給するが、排気温度が低い状態では、2流体噴射弁12により空気と共に燃料を噴射供給することで、触媒温度が低く反応しにくい低排温時にも燃焼を促進でき、また蒸発器5を経由して燃料を供給する場合に比して応答良く燃焼を促進でき、触媒の活性をより確実に回復できる。
【0064】
また、活性回復のための改質器6への燃料供給時は、流量調整弁9を閉弁させて、蒸発器5への燃料供給を停止することで、燃料供給が過剰となるのを防止できる。
【0065】
また、改質器6の活性回復中は、液体燃料噴射弁3により機関1に直接燃料を供給することで、改質ガスの生成が不十分な状態で機関1の安定度を損なうことなく運転を可能とする一方、流路切換弁10により、改質ガスの機関1への供給を停止させて、改質ガスを排気系4へ供給することで、排気中で燃焼させ、改質ガスを排気温度の上昇に用いることができる。
【0066】
ここで、ステップ28,33,34の部分が活性回復のための改質器への空気供給手段に相当し、ステップ31,34の部分が活性回復のための改質器への燃料供給手段に相当する。また、ステップ35の部分が蒸発器への燃料停止手段に相当する。また、ステップ27,36の部分が燃料切換手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の構成を示す機能ブロック図
【図2】 本発明の一実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図3】 改質器活性状態判定のフローチャート
【図4】 判定結果に応じた制御のフローチャート
【図5】 活性状態判定フラグFcの変化の様子を示す図
【符号の説明】
1 機関
2 ガス燃料噴射弁
3 液体燃料噴射弁
4 排気系
5 蒸発器
6 改質器
7 燃料ポンプ
9 流量調整弁
10 流路切換弁
12 2流体噴射弁
14 電磁クラッチ
15 エアポンプ
20 コントロールユニット
21 入口側圧力センサ
22 出口側圧力センサ
24 入口側温度センサ
25 出口側温度センサ
27 水素濃度センサ
28 排気温度センサ
Claims (8)
- 排気熱により燃料をガス化する蒸発器と、ガス化された燃料を排気熱と改質触媒とにより改質する改質器とを備えて、改質ガスを機関に供給する燃料改質装置付き内燃機関において、
改質器の活性状態を判定する改質器活性状態判定手段と、
活性状態が低下したと判定されたときに、改質器に空気を供給する空気供給手段と、
前記空気供給手段による改質器への空気供給時に、所定の条件下で、改質器に直接燃料を供給する燃料供給手段と、
を設けたことを特徴とする燃料改質装置付き内燃機関。 - 前記燃料供給手段は、前記空気供給手段による改質器への空気供給時に、排気温度が低い状態であることを条件として、改質器に直接燃料を供給することを特徴とする請求項1記載の燃料改質装置付き内燃機関。
- 改質器に対し、空気及び燃料を噴射供給可能な2流体噴射弁を設けて、前記空気供給手段及び前記燃料供給手段を構成することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の燃料改質装置付き内燃機関。
- 前記燃料供給手段による改質器への燃料供給時に、蒸発器への燃料供給を停止する手段を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の燃料改質装置付き内燃機関。
- 前記空気供給手段による改質器への空気供給時に、機関に直接燃料を供給する一方、改質ガスの機関への供給を停止させて、改質ガスを排気系へ供給する燃料切換手段を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の燃料改質装置付き内燃機関。
- 排気熱により燃料をガス化する蒸発器と、ガス化された燃料を排気熱と改質触媒とにより改質する改質器とを備えて、改質ガスを機関に供給する燃料改質装置付き内燃機関において、
改質器の活性状態を判定する改質器活性状態判定手段と、
活性状態が低下したと判定されたときに、改質器に空気を供給する空気供給手段と、
前記空気供給手段による改質器への空気供給時に、機関に直接燃料を供給する一方、改質ガスの機関への供給を停止させて、改質ガスを排気系へ供給する燃料切換手段と、
を設けたことを特徴とする燃料改質装置付き内燃機関。 - 前記改質器活性状態判定手段は、改質器前後の圧力差、改質器前後の温度差又は改質器出口側の改質ガス濃度のうち少なくとも1つに基づいて、活性状態を判定することを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の燃料改質装置付き内燃機関。
- 過渡運転状態を検出する過渡運転状態検出手段と、過渡運転状態のときに改質器へ直接燃料を供給する燃料供給手段とを設けたことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の燃料改質装置付き内燃機関。
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JP10486199A JP4013398B2 (ja) | 1999-04-13 | 1999-04-13 | 燃料改質装置付き内燃機関 |
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