JP5029406B2

JP5029406B2 - エンジン装置

Info

Publication number: JP5029406B2
Application number: JP2008030893A
Authority: JP
Inventors: 進長野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: JP2009191651A

Description

本発明は、燃料を改質反応させることによって生成された改質ガスを燃焼して動力を得るエンジン装置に関する。

自動車用燃料を触媒によって長時間効率的に改質反応させるために、その触媒表面上の活性点に析出するコーク及び未反応成分や硫黄などの被毒物を除去し、低下した触媒活性を回復する方法は、従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法としては、例えば酸素富化空気を用いて、触媒の表面に析出したコーク及び未反応成分や硫黄などの被毒物をバーンオフすることであり、これによって、触媒活性をほぼ完全に回復させることができる。
特開２００５−２６２０４０号公報

しかしながら、触媒は、析出するコーク及び未反応成分や硫黄などの被毒物が多くなり過ぎると、低い温度域では回復不能となることが多い。また、通常のエンジン排気の温度域又は触媒のシンタリングを避け得る上限の温度（９００℃程度）であっても、完全にバーンオフ又は脱離除去できないか、或いは多大な時間を要する。このため、かなり余裕をもって回復動作を実施することになり、よって、改質反応を行わせる時間が減少することになる。

これは、例えば水素製造プラントなどでは、大きな問題にならないが、自動車用では、エンジン運転によって排気温度が決定されるため、改質反応や回復動作に寄与できる時間が限られる。したがって、余裕をもちすぎて回復動作を実施すると、改質反応による利得（水素含有改質ガスによる燃焼安定性の向上、ノック防止、希薄燃焼性の向上、排熱回収（吸熱反応）分に相当する低位発熱量の増加）を得る時間が短縮されてしまう。

そこで、本発明は、上記事情に鑑み、触媒の劣化度合いを的確にモニターし、その劣化度に応じて必要十分な回復動作を実施可能とするエンジン装置を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載のエンジン装置は、燃料を加熱しつつ、改質触媒によって改質反応させる改質器と、前記改質器の改質触媒によって生成された改質ガスを所定の圧力に蓄圧する蓄圧器と、前記蓄圧器から供給された改質ガスを吸気管内へ噴射する噴射手段と、前記噴射手段によって前記吸気管内へ噴射された改質ガスを燃焼させる燃焼室と、前記改質器の改質触媒における燃料流路と同一流路内の上流側に複数個流れる方向に一列に一体的に配置され、温度が測定されることにより前記改質触媒の劣化・回復度合いを検知するセンサー触媒と、を備えたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、改質器の改質触媒における燃料流路と同一流路内の上流側に、温度が測定されることにより改質触媒の劣化・回復度合いを検知するセンサー触媒が複数個流れる方向に一列に一体的に配置されているので、そのセンサー触媒に改質触媒と同じ環境下で未改質の燃料が接触する。したがって、そのセンサー触媒の温度を測定することにより、改質触媒の劣化・回復度合いを的確にモニターすることができる。

つまり、これにより、改質触媒の劣化度に応じて必要十分な回復動作を実施することができ、改質反応による利得をより多く享受することが可能となる。そして、改質触媒の性能を常に良好に維持することができるため、エンジン装置の耐久性を大幅に向上させることができる。

更に、例えば１つのセンサー触媒が劣化しても、他のセンサー触媒の温度を測定することができるため、長期に亘って改質触媒の劣化・回復度合いを的確にモニターすることができる。

また、請求項２に記載のエンジン装置は、請求項１に記載のエンジン装置において、前記センサー触媒が、前記改質触媒よりも劣化しやすい性質を有することを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、センサー触媒が、改質触媒よりも劣化しやすい性質を有するため、そのセンサー触媒の温度を測定することにより、改質触媒の劣化・回復度合いを的確にモニターすることができる。

また、請求項３に記載のエンジン装置は、請求項２に記載のエンジン装置において、前記センサー触媒の体積が、前記改質触媒の体積の０．０００１％〜５％であることを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、センサー触媒の体積が、改質触媒の体積の０．０００１％〜５％であるため、センサー触媒を改質触媒よりも劣化しやすくできる。

また、請求項４に記載のエンジン装置は、請求項２又は請求項３に記載のエンジン装置において、前記センサー触媒の貴金属担持密度が、前記改質触媒の貴金属担持密度の１／１００〜１／２であることを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、センサー触媒の貴金属担持密度が、改質触媒の貴金属担持密度の１／１００〜１／２であるため、センサー触媒を改質触媒よりも劣化しやすくできる。

また、請求項５に記載のエンジン装置は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のエンジン装置において、前記センサー触媒が、交換可能に配置されていることを特徴としている。

請求項５に記載の発明によれば、センサー触媒が、交換可能に配置されているので、センサー触媒が劣化したら、そのセンサー触媒だけを交換すれば済む（改質器全体を交換しなくて済む）。したがって、コスト的に有利となる。

また、請求項６に記載のエンジン装置は、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のエンジン装置において、前記改質器が、前記燃焼室で前記改質ガスを燃焼することによって発生した排気ガスの排熱によって加熱されることを特徴としている。

請求項６に記載の発明によれば、改質器が、燃焼室で改質ガスを燃焼することによって発生した排気ガスの排熱によって加熱されるため、エンジン装置全体の熱効率を向上させることができる。

以上のように、本発明によれば、触媒の劣化度合いを的確にモニターし、その劣化度に応じて必要十分な回復動作を実施可能とするエンジン装置を提供することができる。

以下、本発明の最良な実施の形態について、図面に示す実施例を基に詳細に説明する。図１は本実施形態に係るエンジン装置の一例を示す概略構成図である。また、図２は改質触媒を有する改質器に設けられたセンサー触媒を示す概略構成図であり、図３は回復動作を実施するタイミングを示す時間と温度及び水素濃度を表すグラフである。そして、図４〜図６は改質触媒を有する改質器に設けられたセンサー触媒の変形例を示す概略構成図である。

図１で示すように、本実施形態に係るエンジン装置１０は、燃料としてのエタノール水を貯留するタンク１２と、後述する排気管２４に設けられ、タンク１２からポンプ３８によって供給されたエタノール水を、その排気熱（排熱）によって加熱して気化（ガス化）させる蒸発器１４と、排気管２４に設けられ、蒸発器１４によって気化されたエタノールを、その排気熱（排熱）によって加熱しつつ、改質触媒５０（図２参照）によって改質反応（水蒸気改質）させる改質器１６と、を備えている。

また、このエンジン装置１０は、改質器１６の改質触媒５０によって生成された水素を含む改質ガスを所定の圧力に蓄圧するとともに、温度が下がることにより、改質に至らなかった未改質のエタノールが凝縮（液化）して得られるエタノール水を貯留する凝縮・蓄圧器１８と、凝縮・蓄圧器１８から供給された改質ガスを吸気管２２内へ噴射する噴射手段としてのガスインジェクター２０と、を備えている。

そして更に、このエンジン装置１０は、ガスインジェクター２０によって吸気管２２内へ噴射された改質ガスを燃焼させる燃焼室３０と、燃焼室３０に供給された改質ガスを燃焼させるための点火プラグ３２と、燃焼室３０で改質ガスが燃焼される（爆発する）ことによって駆動されるピストン３４と、燃焼室３０で改質ガスが燃焼されることによって発生する排気ガスを排気する排気管２４と、吸気管２２を所定のタイミングで開閉する吸気開閉弁２６と、排気管２４を所定のタイミングで開閉する排気開閉弁２８と、を備えている。

なお、凝縮・蓄圧器１８に貯留された未改質のエタノール水は、バルブ３６を開放させることにより、タンク１２内に戻される構成になっている。また、このエンジン装置１０は、タンク１２内のエタノール水を、ポンプ４２によって燃料インジェクター４０へ供給し、その燃料インジェクター４０から吸気管２２内へ噴射して、燃焼室３０で燃焼可能となっており、改質ガスと共にエタノール水も燃焼可能に構成されている。

更に、このエンジン装置１０には、図２（Ａ）で示すように、改質器１６の改質触媒５０における燃料流路５２と同一流路内で、かつ、その上流側（気化されたエタノールが供給される入口側であり、図２（Ａ）における左側）に、温度が測定されることによって、改質触媒５０の劣化・回復度合いを検知するセンサー触媒６０が配置されている。

このセンサー触媒６０は、図２（Ｂ）で示すように、熱電対５４の周りに改質触媒５０と例えば同じ種類の触媒５６を付着させることで構成され、改質触媒５０よりも劣化しやすい性質を有するように構成されている。すなわち、このセンサー触媒６０の体積は、改質触媒５０の体積の０．０００１％〜５％とされ、その貴金属担持密度は、改質触媒５０の貴金属担持密度の１／１００〜１／２とされている。

なお、このセンサー触媒６０は、改質触媒５０よりも回復しにくい性質を有していることが、劣化度を的確にモニターする上で更に望ましい。また、このセンサー触媒６０は改質器１６に交換不能に設けられてもよいが、図示しない取付ネジ等の取付手段によって交換可能に設けられていると、劣化したセンサー触媒６０だけを交換することができる（改質器１６全体を交換しなくて済む）ので、コスト的に有利となる。

以上のような構成とされたエンジン装置１０において、次にその作用について説明する。まず、タンク１２からエタノール水がポンプ３８によって、排気管２４に設けられた蒸発器１４へ供給される。供給されたエタノール水は、蒸発器１４の内部に設けられている熱交換パイプ（図示省略）を通過することによって排気熱を吸収し（排気熱によって加熱され）、気化（ガス化）される。そして、その気化されたエタノールは、同様に排気管２４に設けられ、その排気熱によって加熱されている改質器１６へ供給される。

改質器１６の改質触媒５０へ供給された気化されたエタノールは、その改質触媒５０によって水蒸気改質され、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、メタンを主成分とした改質ガスになる。そして、その水素を含む改質ガスが凝縮・蓄圧器１８へ供給されて所定の圧力に蓄圧されるとともに、未改質の気化されたエタノールも凝縮・蓄圧器１８へ送られる。凝縮・蓄圧器１８へ送られた未改質の気化されたエタノールは、温度が下がることにより凝縮（液化）して再度エタノール水となり、バルブ３６を開放させることにより、タンク１２内へ戻される。

一方、凝縮・蓄圧器１８に蓄圧された水素を含む改質ガスは、ガスインジェクター２０によって吸気管２２内へ噴射され、燃焼室３０において、点火プラグ３２によって燃焼される。すると、その爆発力によりピストン３４が下方に向かって加圧され、所望とする駆動力が得られる。なお、燃焼室３０で改質ガスが燃焼されることによって発生する排気ガスは、排気管２４を通って排気されるが、そのときの排気熱が蒸発器１４及び改質器１６に熱交換されて有効利用される。

ところで、このような改質反応（水蒸気改質）を繰り返し行うと、改質触媒５０が劣化して来る。改質触媒５０の劣化度を検出するだけであれば、改質触媒５０における燃料流路５２の上流側（入口側）の温度を測温すればよいが、劣化が進み過ぎると、回復不能の事態に陥ることがある。自動車のように、負荷変動（エンジン回転数の増減による温度変化）が激しい場合、その劣化が進み過ぎないようにするためには、早め早めの回復動作が必要となる。

しかし、あまりにも頻繁に回復動作を繰り返し実行すると、水素を生成して燃費改善等を図るというメリットが低減してしまう。また、水素を含む改質ガスは、そのガス組成により高応答な測定が困難であるため、それによる劣化度の検出も難しい。そこで、本実施形態に係るエンジン装置１０では、改質器１６の改質触媒５０における燃料流路５２の上流側（入口側）に、改質触媒５０よりも劣化しやすい（好ましくは更に回復しにくい）センサー触媒６０を配設し、改質触媒５０の劣化・回復度合いを的確にモニターできるようにしている。

すなわち、改質器１６における改質反応（水蒸気改質）は吸熱反応であり、この改質反応（水蒸気改質）が起こると、改質触媒５０の温度は、燃料流路５２を構成している加熱壁（改質触媒５０を包み込み、排気熱によって加熱される壁）４８（図２参照）の温度よりも低下する。しかし、改質触媒５０が劣化して来ると、改質触媒５０の温度と加熱壁４８の温度の差が小さくなる（改質触媒５０の温度が低下しなくなる）。

本実施形態に係るエンジン装置１０は、この性質を改質触媒５０よりも劣化しやすいセンサー触媒６０に利用して、改質触媒５０が劣化し過ぎる前に、迅速に改質触媒５０の劣化度の情報を検出し、適切なタイミングで適度な回復動作が実施できるように構成されている。

具体的に説明すると、まず図３のグラフで示すように、ある設定した回転数と負荷で排気温度を測定し（エンジン排気温度は通常のシステムでも測定される）、点線で示す改質触媒５０の温度と、その排気温度を比較するとともに、改質触媒５０の温度と、実線で示すセンサー触媒６０の温度との差を比較して、劣化度を検出し、それに基づく境界温度（劣化度）を設定する。

こうして、劣化度（境界温度）を設定したら、エンジン装置１０を作動させ、改質触媒５０と同じ環境下で未改質の気化されたエタノールが接触するセンサー触媒６０の温度を測定して行く。そして、センサー触媒６０の温度が上昇して行き（センサー触媒６０が劣化して行き）、境界温度（設定した劣化度）に達したら、回復動作を実施する。すなわち、改質器１６（燃料流路５２）に空気や水蒸気を送り込み、その劣化度に応じた必要十分な回復動作を実施する。

すると、センサー触媒６０及び改質触媒５０の温度が下がり（センサー触媒６０及び改質触媒５０の機能が回復し）、これによって、改質反応（水蒸気改質）が再び良好に行われ、一点鎖線で示すように水素濃度が上昇する。したがって、改質触媒５０は、常に良好な性能を維持することができ、エンジン装置１０の耐久性（長時間駆動できる性能）を大幅に向上させることができる。

つまり、センサー触媒６０の温度によって判断されるタイミングで改質触媒５０の回復動作を実施することにより、改質触媒５０が回復不能な劣化度に達する前に、適切な回復動作が実施可能となるため、改質反応による利得（水素含有改質ガスによる燃焼安定性の向上、ノック防止、希薄燃焼性の向上、排熱回収（吸熱反応）分に相当する低位発熱量の増加）をより多く享受することが可能となる。

また、このように、センサー触媒６０の温度を測定することにより、改質触媒５０の劣化・回復度合いが検知され、それに基づくタイミングで回復動作が実施される構成であると、改質触媒５０自体の耐久性（寿命）を向上させることができるため、例えば改質触媒５０自体の量を、従来よりも低減することが可能となる。したがって、コスト的にも従来より有利となる。

さて、本実施形態に係るエンジン装置１０は、以上の通りであるが、センサー触媒６０の取付態様は、図２で示したものに限定されるものではない。例えば図４で示すように、センサー触媒６０を改質触媒５０とは別体として設ける構成ではなく、改質触媒５０の一部をセンサー触媒５８として機能させる構成にしてもよい。この場合、そのセンサー触媒５８は、改質触媒５０における燃料流路５２の上流側（入口側）に設けられることが望ましい。

また、改質触媒５０の一部をセンサー触媒５８として、その温度を測定する場合、改質触媒５０の劣化度を、改質触媒５０とセンサー触媒５８との温度差で判断することができるため、特定の回転数と負荷でなくても、そのときの排気温度に対して劣化度を把握することができる。したがって、適時（例えば、減速時、信号待ち時、燃料補給時等）において回復動作を実施することができる。

また、図５で示すように、センサー触媒６０を、複数個（図示のものは３個）、気化されたエタノールが流れる方向に一列に一体的に配置してもよい。この場合、最初（例えば上流側）のセンサー触媒６０が劣化したら、次（例えば中央）のセンサー触媒６２を使用することができ、そのセンサー触媒６２が劣化したら、その次（例えば下流側）のセンサー触媒６４を使用することができるので、劣化したセンサー触媒６０、６２をいちいち交換しなくて済み、長期に亘って改質触媒５０の劣化・回復度合いを的確にモニターすることができる。

なお、この場合、センサー触媒６０、６２、６４は、図示のように複数個一列に一体的に配置された構成ではなく、個々に分割されて配置された構成にしてもよいが、個々に分割されて配置された構成であると、改質反応していない（未改質の）気化されたエタノールが、センサー触媒６０、６２、６４の間に入り込みやすくなるため、センサー触媒６０、６２、６４の劣化が進みやすくなる。したがって、センサー触媒６０、６２、６４は、一体的な構成とした方が、分割された構成とするよりも、劣化情報を的確に把握することができるので望ましい。

また、図６で示すように、センサー触媒６０を、改質触媒５０における燃料流路５２の上流側（入口側）だけではなく、改質触媒５０の内部にも設ける（例えば計２箇所設ける）構成にしてもよい。この場合、改質触媒５０における燃料流路５２の上流側（入口側）のセンサー触媒６０と、改質触媒５０の内部に設けられたセンサー触媒６６との温度差を測定することにより、改質触媒５０の劣化度を検知することができる。したがって、特定の回転数と負荷でなくても、そのときの排気温度に対して劣化度を把握することができ、適時（例えば、減速時、信号待ち時、燃料補給時等）において回復動作を実施することができる。

以上、本実施形態に係るエンジン装置１０について説明したが、本実施形態に係るエンジン装置１０は、図示のもの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内において、適宜設計変更可能なものである。例えば、図示の蒸発器１４及び改質器１６は、排気熱によって加熱される（排気熱と熱交換される）構成であるが、排気熱で加熱しなくてもよい。但し、排気熱を用いて、蒸発器１４及び改質器１６を加熱する構成にすると、エンジン装置１０全体の熱効率を向上させることができるので望ましい。

また、本実施形態に係るエンジン装置１０では、燃料としてエタノールを使用したが、本実施形態に係るエンジン装置１０に使用される燃料は、エタノールに限定されるものではなく、例えばガソリン、軽油、メタノールなど、炭化水素系燃料であればよい。また、天然ガスなどを使用してもよい。

本実施形態に係るエンジン装置の一例を示す概略構成図改質触媒を有する改質器に設けられたセンサー触媒を示す概略構成図回復動作を実施するタイミングを示す時間と温度及び水素濃度を表すグラフ改質触媒を有する改質器に設けられたセンサー触媒の変形例を示す概略構成図改質触媒を有する改質器に設けられたセンサー触媒の変形例を示す概略構成図改質触媒を有する改質器に設けられたセンサー触媒の変形例を示す概略構成図

符号の説明

１０エンジン装置
１２タンク
１４蒸発器
１６改質器
１８凝縮・蓄圧器（蓄圧器）
２０ガスインジェクター（噴射手段）
２２吸気管
２４排気管
３０燃焼室
４８加熱壁
５０改質触媒
５２燃料流路
５４熱電対
５６触媒
６０センサー触媒

Claims

燃料を加熱しつつ、改質触媒によって改質反応させる改質器と、
前記改質器の改質触媒によって生成された改質ガスを所定の圧力に蓄圧する蓄圧器と、
前記蓄圧器から供給された改質ガスを吸気管内へ噴射する噴射手段と、
前記噴射手段によって前記吸気管内へ噴射された改質ガスを燃焼させる燃焼室と、
前記改質器の改質触媒における燃料流路と同一流路内の上流側に複数個流れる方向に一列に一体的に配置され、温度が測定されることにより前記改質触媒の劣化・回復度合いを検知するセンサー触媒と、
を備えたことを特徴とするエンジン装置。
前記センサー触媒は、前記改質触媒よりも劣化しやすい性質を有することを特徴とする請求項１に記載のエンジン装置。
前記センサー触媒の体積は、前記改質触媒の体積の０．０００１％〜５％であることを特徴とする請求項２に記載のエンジン装置。
前記センサー触媒の貴金属担持密度は、前記改質触媒の貴金属担持密度の１／１００〜１／２であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のエンジン装置。
前記センサー触媒は、交換可能に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のエンジン装置。
前記改質器は、前記燃焼室で前記改質ガスを燃焼することによって発生した排気ガスの排熱によって加熱されることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のエンジン装置。