JP6258779B2 - 燃料供給システム - Google Patents

Description

本発明は、改質触媒により炭化水素系の原燃料から改質燃料を生成し、生成された改質燃料を内燃機関へ供給する燃料供給システムに関する。

従来、この種の燃料供給システムとして、特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載された燃料供給システムでは、排気通路に改質器を設け、排気熱により、原燃料（メタン）を発熱量がより大きい燃料である改質燃料（水素と一酸化炭素）に改質し、吸気に導入して燃焼させている。

特開２００１−２４１３６４号公報

特許文献１の燃料供給システムでは、内燃機関の停止後においても、改質器に残留する原燃料と熱とにより原燃料の改質が継続し、改質燃料が生成される。そして、生成された改質燃料が、吸気通路を逆流して外部に漏れ出したり、吸気通路に充満して次回の始動時に異常燃焼が発生したりするおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、内燃機関の停止後に、改質器で生成された改質燃料を処理することができる燃料供給システムを提供することにある。

本発明は、燃料供給システムであって、内燃機関の排気通路に設けられ、内燃機関の排気熱により原燃料を改質燃料へと改質する改質器と、内燃機関の排気通路に設けられ、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置と、改質器に接続され、改質燃料を内燃機関の吸気通路に導入する改質燃料導入通路と、改質器に接続され、改質燃料を排気浄化装置に導入する改質燃料排出通路と、改質燃料排出通路を開閉する第１開閉機構と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、内燃機関が停止された場合に、改質燃料を改質燃料排出通路を介して排気浄化装置に導入し、排気浄化装置により改質ガスを酸化することができる。したがって、内燃機関の停止後に、改質器内に残留する原燃料と排気熱とにより生成された改質ガスが、吸気通路を逆流して外部に漏れ出したり、吸気通路に充満して次回の始動時に異常燃焼が発生したりすることを抑制することができる。

第１実施形態に係る発電システムの構成を示している。 第１実施形態における、内燃機関の運転時の流路を示している。 第１実施形態における、内燃機関の停止時の流路を示している。 第２実施形態に係る発電システムの構成を示している。 第２実施形態における、内燃機関の運転時の流路を示している。 第２実施形態における、内燃機関の停止時の流路を示している。 第３実施形態に係る発電システムの構成を示している。 第３実施形態における、内燃機関の運転時の流路を示している。 第３実施形態における、内燃機関の停止時の流路を示している。 第４実施形態に係る発電システムの構成を示している。 第４実施形態おける、熱量不足時の流路を示している。

以下、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＞
図１は、本実施形態に係る発電システムを示している。発電システムは、燃料供給システムを含んで構成されており、原燃料を改質燃料へと改質し、改質燃料を燃焼させることで得られる動力により発電を行うシステムである。

発電システムは、内燃機関１０と、エアクリーナ３０と、原燃料タンク３１と、原燃料気化器３２と、改質器３３と、排気浄化装置３４とを含んで構成されている。内燃機関１０は、ディーゼル機関である。エアクリーナ３０は、外部の空気から粉塵等を取り除き、清浄な空気を発電システムへと取り込む。原燃料タンク３１は、液体の燃料である原燃料を貯留している。原燃料気化器３２は、内部に原燃料流路を備えており、液体の原燃料を蒸発させ気体の原燃料へと変化させる。改質器３３は、排気通路３３ａと燃料通路３３ｂとを備えており、排気通路３３ａ内を通過する流体と燃料通路３３ｂ内を通過する流体との間で熱交換が可能となっている。排気浄化装置３４は、排気を浄化する触媒を備えている。

内燃機関１０は、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とを含んで構成されている。シリンダブロック１１にはシリンダ１３が形成されており、シリンダ１３内にはシリンダ１３に対して上下方向に往復動するピストン１４が配設されている。ピストン１４はコンロッド１５を介してクランク軸１６に連結されている。ピストン１４の上方には、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２により区画形成された燃焼室１７が設けられ、燃焼室１７は吸気バルブ１８及び排気バルブ１９を介して、シリンダヘッド１２に形成された吸気ポート２０及び排気ポート２１に連通している。また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１７へ副燃料を供給する副燃料供給装置２２が設けられている。なお、副燃料としては、圧縮着火が可能な軽油等が用いられる。

クランク軸１６には図示しない発電機が接続されており、ピストン１４の上下動に伴うクランク軸１６の回転により発電機で発電が行われ、外部機器または蓄電装置への給電がなされる。

内燃機関１０の吸気ポート２０は、吸気通路４０を介して、エアクリーナ３０と接続されており、内燃機関１０の排気ポート２１は、第１排気通路４１を介して、改質器３３の排気通路３３ａの排気入口に接続されている。一方、改質器３３の排気通路３３ａの排気出口は、第２排気通路４２により、排気浄化装置３４の排気入口に接続されており、排気浄化装置３４の浄化排気出口は、第３排気通路４３に接続されている。

原燃料タンク３１は、原燃料を送出する燃料ポンプ４４ａが設けられた原燃料通路４４を介して、原燃料気化器３２の原燃料入口に接続されている。原燃料気化器３２の気化原燃料出口は、気化原燃料通路４５を介して、改質器３３の燃料通路３３ｂの燃料供給口に接続されている。気化原燃料通路４５には、原燃料気化器３２から改質器３３の燃料通路３３ｂへと流入する原燃料の量を調整又は遮断する、燃料遮断弁４５ａが設けられている。燃料遮断弁４５ａは、改質器３３へ原燃料を供給する気化原燃料通路４５の開閉を行う第３開閉機構の機能を備えている。なお、原燃料気化器３２は、内燃機関１０と熱交換通路４６ａ、４６ｂを介して接続されており、内燃機関１０において発生した熱を、原燃料気化器３２内を流通する原燃料へ供給可能な構成となっている。改質器３３の燃料通路３３ｂの改質燃料出口は、改質燃料導入通路４７を介して、エアクリーナ３０と吸気ポート２０との間に介在する吸気通路４０に接続されている。

一方、改質燃料導入通路４７には、２箇所の分岐部が設けられており、改質器３３の燃料通路３３ｂの改質燃料出口側の分岐部には、改質燃料排出通路４８の第１端が接続されており、吸気通路４０側の分岐部には、空気導入通路４９の第１端が接続されている。一方、改質燃料排出通路４８の第２端は、第２排気通路４２に接続されており、空気導入通路４９の第２端は、改質燃料排出通路４８の第１端と第２端との間に接続されている。

改質燃料導入通路４７と改質燃料排出通路４８との接続部には、改質燃料導入通路４７と改質燃料排出通路４８とのいずれかを閉塞することにより、改質燃料の流路を改質燃料導入通路４７と改質燃料排出通路４８とのいずれかに切り替える、通路切替弁４７ａが設けられている。すなわち、通路切替弁４７ａは、改質燃料排出通路４８を開閉する第１開閉機構の機能と、改質燃料導入通路４７を開閉する第２開閉機構の機能とを備えている。

空気導入通路４９には、送風ファンの回転により空気導入通路４９から改質燃料排出通路４８へと空気を送出する送風機４９ａと、空気導入通路４９から改質燃料排出通路４８へ送出される空気量の調節、及び、空気導入通路４９と改質燃料排出通路４８との遮断を行う空気遮断弁４９ｂとが設けられている。空気遮断弁４９ｂは、空気導入通路４９を開閉する第４開閉機構として機能する。

また、内燃機関１０には、計測装置として、内燃機関１０のクランク軸１６の回転数を検出するクランク角センサ６０が設けられており、第３排気通路４３には、排気温を検出する温度センサ６１が設けられている。

発電システムは、制御装置７０を備えており、クランク角センサ６０により検出された内燃機関１０のクランク軸１６の回転数、温度センサ６１により検出された排気温が制御装置７０に入力される。また、外部から入力された発電システムの駆動命令、または、制御装置内で生成された発電システムの駆動命令に基づいて、燃料ポンプ４４ａ、燃料遮断弁４５ａ、通路切替弁４７ａ、送風機４９ａ、空気遮断弁４９ｂへ制御信号を送信する。ここで、制御装置７０は、通路切替弁４７ａの開閉制御を行うことにより、燃料通路制御装置として機能し、空気遮断弁４９ｂの開閉制御を行うことにより、空気通路制御装置として機能する。

本実施形態に係る発電システムにおいて、原燃料タンク３１から供給される原燃料はメタノールである。原燃料タンク３１から改質器３３へと供給されたメタノールは、改質器３３内において、下記熱化学方程式１に示す吸熱反応である化学反応により、水素と一酸化炭素とに改質される。そして、この化学反応により生成された水素と一酸化炭素が改質燃料となる。

排気浄化装置３４では、触媒により、下記熱化学方程式２に示す発熱反応である化学反応により、改質燃料を酸化する。

図２は、本実施形態に係る発電システムにおいて、内燃機関１０へ改質燃料及び副燃料を供給して燃焼させて発電を行う際の、内燃機関１０の運転時の、原燃料、改質燃料、空気及び排気の通路を示している。制御装置７０から送信される制御信号により、燃料遮断弁４５ａは気化原燃料通路４５を開放しており、通路切替弁４７ａは、改質燃料導入通路４７を開放し、改質燃料排出通路４８を閉塞している。また、空気遮断弁４９ｂは空気導入通路４９を閉塞している。

まず、制御装置７０から燃料ポンプ４４ａへ送信された制御信号により燃料ポンプ４４ａが作動し、原燃料タンク３１に蓄えられた原燃料が、原燃料通路４４を介して原燃料気化器３２へと供給される。原燃料気化器３２へ供給された原燃料は、内燃機関１０から熱交換通路４６ａ、４６ｂを介して流入した熱により、気化される。気化された原燃料は、気化原燃料通路４５を介して改質器３３の燃料通路３３ｂの原燃料入口へと供給され、改質器３３の燃料通路３３ｂを通過し、上述した化学反応により改質燃料へと改質される。改質器３３の燃料通路３３ｂの改質燃料出口から送出された改質燃料は、改質燃料導入通路４７を通過し、吸気通路４０へと流入する。一方、エアクリーナ３０から吸入された空気も吸気通路４０へと流入する。吸気通路４０内では、改質燃料と空気とが混合して混合気となり、混合気は吸気ポート２０へ供給される。

吸気ポート２０へ供給された混合気は、吸気行程における吸気バルブ１８の開放に伴い、燃焼室１７内へと流入する。圧縮行程において、ピストン１４の上昇に伴い、混合気が圧縮され、燃焼室１７内は高温高圧となる。ここで、クランク角センサ６０が、ピストン１４が上死点近傍まで上昇したことを検出すれば、制御装置７０からの指令により、副燃料供給装置２２から副燃料が燃焼室１７内へと供給される。供給された副燃料は、高温高圧の環境下で自己発火し、発生した火炎が改質燃料へと伝播して改質燃料の燃焼が行われる。そして、副燃料及び改質燃料の燃焼により、燃焼室１７内の混合気が膨張し、ピストン１４が下降する。ピストン１４が下死点近傍まで下降すれば、排気バルブ１９が開放され、排気が排気ポート２１から排出される。

排気ポート２１から排出された排気は、第１排気通路４１を介して改質器３３の排気通路３３ａの排気入口へと流入し、改質器３３の燃料通路３３ｂの原燃料と熱交換を行った後、改質器３３の排気通路３３ａの排気出口から、第２排気通路４２を経て排気浄化装置３４の排気入口へ流入し、浄化される。浄化された排気は、排気浄化装置３４の浄化排気出口から第３排気通路４３を介して、外部へ排出される。

図３は、本実施形態に係る発電システムにおいて、内燃機関１０が停止している場合の、改質燃料、空気及び排気の通路を示している。制御装置７０から送信される制御信号により、燃料遮断弁４５ａは気化原燃料通路４５を閉塞しており、通路切替弁４７ａは、改質燃料導入通路４７を閉塞し、改質燃料排出通路４８を開放している。また、空気遮断弁４９ｂは空気導入通路４９を開放している。

燃料遮断弁４５ａは閉塞されているため、改質器３３への原燃料の供給は停止されている。ところが、改質器３３内には、原燃料が残存しており、また、熱も残存している。したがって、改質器３３内では改質反応が継続し、改質燃料が生成される。生成された改質燃料は、改質燃料排出通路４８へと流入する。

一方、エアクリーナ３０から流入する空気は、改質燃料導入通路４７を逆流し、空気導入通路４９へと流入する。空気導入通路４９では、制御装置７０からの制御信号により送風機４９ａが動作しており、流入した空気を改質燃料排出通路４８へと送出する。

改質燃料排出通路４８で空気と合流した改質燃料は、第２排気通路４２を経て排気浄化装置３４へと流入する。排気浄化装置３４へと流入した改質燃料は、上述した熱化学方程式２の化学反応により酸化され、第３排気通路４３を介して外部へと排出される。

ところで、上記の熱化学方程式２で示したとおり、排気浄化装置３４内で起こる化学反応は発熱反応である。したがって、排気温の経時変化を温度センサ６１により検出することにより、排気浄化装置３４内へ流入する改質燃料の量を推定することが可能である。制御装置７０は、温度センサ６１が検出した排気温に基づいて、排気浄化装置３４内へ流入する改質燃料の量を概算する。そして、空気導入通路４９から改質燃料排出通路４８へと導入される空気の量が、改質燃料の酸化に十分な量となるように、送風機４９ａの送風ファンの回転数及び空気遮断弁４９ｂの開度を制御する。

上記構成により、本実施形態に係る燃料供給システムは、以下の効果を奏する。

（１）内燃機関１０が停止された場合に、改質燃料を改質燃料排出通路４８を介して排気浄化装置３４に導入し、排気浄化装置３４により改質燃料を酸化することができる。したがって、内燃機関１０の停止後に、改質器３３内に残留する原燃料と排気熱とにより生成された改質燃料が、吸気通路４０を逆流して外部に漏れ出したり、吸気通路４０に充満して次回の始動時に異常燃焼が発生したりすることを抑制することができる。

（２）内燃機関１０が停止された場合に、改質器３３への原燃料の供給が継続されれば、改質器３３内に残留する排気熱と、供給された原燃料とにより改質燃料が生成されることとなる。本実施形態では、内燃機関１０の停止時に改質器３３への原燃料の供給を遮断するため、内燃機関１０の停止後に改質器３３内で生成される改質燃料は、改質器３３内に残留する原燃料から生成されるもののみとなる。したがって、内燃機関１０の停止後に生成される改質燃料の量を低減することができる。

（３）改質燃料が排気浄化装置３４に導入された場合、改質燃料の酸化反応が行われる。ところが、改質燃料の酸化反応に十分な量の酸素が排気浄化触媒に導入されない場合には、酸化されなかった改質燃料が排気浄化装置３４から排出されることとなる。本実施形態では、改質燃料排出通路４８へ空気を導入する空気導入通路４９を備えるため、改質燃料排出通路４８を介して排気浄化装置３４に導入された改質燃料の酸化を十分に行うことができ、その結果として、酸化されていない改質燃料の排気浄化装置３４からの排出を抑制することができる。また、空気導入通路４９に空気遮断弁４９ｂを設けているため、内燃機関１０の動作時に、排気が空気導入通路４９を逆流することを抑制することができる。

＜第２実施形態＞
図４は、本実施形態に係る発電システムを示している。発電システムは、第１実施形態に係る発電システムと同様に、燃料供給システムを含んで構成されており、原燃料を改質燃料へと改質し、改質燃料を燃焼させることで得られる動力により発電を行うシステムである。

発電システムは、内燃機関１０と、エアクリーナ３０と、原燃料タンク３１と、原燃料気化器３２と、改質器３３と、排気浄化装置３４とに加えて、ターボ過給機３５及び空気リザーバ３６を含んで構成されている。ターボ過給機３５は、コンプレッサ３５ａと、コンプレッサ３５ａと回転軸３５ｂにより連結されたタービン３５ｃとにより構成されている。空気リザーバ３６は、内部に圧縮空気を蓄積する。

内燃機関１０の吸気ポート２０は、吸気通路４０’を介して、エアクリーナ３０と接続されており、内燃機関１０の排気ポート２１は、第１排気通路４１’を介して、改質器３３の排気通路３３ａの排気入口に接続されている。吸気通路４０’及び第１排気通路４１’には、それぞれ、ターボ過給機３５のコンプレッサ３５ａ及びタービン３５ｃが設けられている。改質器３３の排気通路３３ａの排気出口は、第２排気通路４２により、排気浄化装置３４の排気入口に接続されており、排気浄化装置３４の浄化排気出口は第３排気通路４３に接続されている。

原燃料タンク３１は、原燃料を送出する燃料ポンプ４４ａ、及び、燃料遮断弁４４ｂが設けられた原燃料通路４４を介して、原燃料気化器３２の原燃料入口に接続されている。燃料遮断弁４４ｂは、原燃料通路４４の開放と閉塞とを切り替える第３開閉機構の機能を備えている。一方、原燃料気化器３２の気化原燃料出口は、気化原燃料通路４５を介して、改質器３３の燃料通路３３ｂの原燃料入口に接続されている。なお、原燃料気化器３２は、内燃機関１０と熱交換通路４６ａ、４６ｂを介して熱交換可能に接続されている。改質器３３の燃料通路３３ｂの改質燃料出口は、改質燃料導入通路４７を介して、ターボ過給機３５のコンプレッサ３５ａと吸気ポート２０との間に介在する吸気通路４０’に接続されている。

改質燃料導入通路４７には、分岐部が設けられており、分岐部には、改質燃料排出通路４８の第１端が接続されている。また、改質燃料排出通路４８の第２端は、第２排気通路４２に接続されている。改質燃料導入通路４７と改質燃料排出通路４８との接続部には、改質燃料導入通路４７と改質燃料排出通路４８とのいずれかを閉塞することにより、改質燃料の流路を改質燃料導入通路４７と改質燃料排出通路４８とのいずれかに切り替える、通路切替弁４７ａが設けられている。すなわち、通路切替弁４７ａは、改質燃料排出通路４８を開閉する第１開閉機構の機能と、改質燃料導入通路４７を開閉する第２開閉機構の機能とを備えている。

吸気通路４０’の、改質燃料導入通路４７との分岐部と、コンプレッサ３５ａとの間には、分岐部が設けられており、分岐部には、逆止弁５０ａが設けられた空気流入通路５０の第１端が接続されている。一方、空気流入通路５０の第２端は、空気リザーバ３６の空気流入部に接続されている。逆止弁５０ａは、吸気通路４０’から空気リザーバ３６への空気の流入を許容し、空気リザーバ３６から吸気通路４０’への空気の流出を遮断する向きに取り付けられている。

空気リザーバ３６の空気流出部には、空気遮断弁５１ａが設けられた空気導入通路５１の第１端が接続されている。空気導入通路５１の第２端は、原燃料気化器３２の内部の原燃料流路に接続されている。空気遮断弁５１ａは、空気導入通路５１を開閉する第４開閉機構として機能する。

発電システムが備える制御装置７０は、外部から入力された発電システムの駆動命令、または、制御装置７０内で生成された発電システムの駆動命令に基づいて、燃料ポンプ４４ａ、燃料遮断弁４４ｂ、通路切替弁４７ａ、空気遮断弁５１ａへ制御信号を送信する。ここで、制御装置７０は、通路切替弁４７ａの開閉制御を行うことにより、燃料通路制御装置として機能し、空気遮断弁５１ａの開閉制御を行うことにより、空気通路制御装置として機能する。

図５は、本実施形態に係る発電システムにおいて、内燃機関１０へ改質燃料及び副燃料を供給して燃焼させて発電を行う際の、内燃機関１０の運転時の、原燃料、改質燃料、空気及び排気の通路を示している。制御装置７０から送信される制御信号により、燃料遮断弁４４ｂは原燃料通路４４を開放しており、通路切替弁４７ａは、改質燃料導入通路４７を開放し、改質燃料排出通路４８を閉塞している。また、空気遮断弁５１ａは空気導入通路５１を閉塞している。

まず、制御装置７０から燃料ポンプ４４ａへ送信された制御信号により燃料ポンプ４４ａが作動し、原燃料タンク３１に蓄えられた原燃料が、原燃料通路４４を介して原燃料気化器３２へと供給される。原燃料気化器３２へ供給された原燃料は、内燃機関１０から熱交換通路４６ａ、４６ｂを介して流入した熱により、気化される。気化された原燃料は、気化原燃料通路４５を介して改質器３３の燃料通路３３ｂの原燃料入口へと供給され、改質器３３の燃料通路３３ｂを通過し、上述した化学反応により改質燃料へと改質される。改質器３３の燃料通路３３ｂの改質燃料出口から送出された改質燃料は、改質燃料導入通路４７を通過し、吸気通路４０’へと流入する。一方、エアクリーナ３０から吸入された空気は、コンプレッサ３５ａにより圧縮空気となる。圧縮空気の一部は、空気流入通路５０から空気リザーバ３６へと流入し、空気リザーバ３６の充填に用いられる。また、圧縮空気の残余は吸気通路４０’内で、改質燃料と混合して混合気となり、その混合気は吸気ポート２０へ供給される。

吸気ポート２０へ供給された混合気は、吸気行程における吸気バルブ１８の開放に伴い、燃焼室１７内へと流入する。圧縮行程において、ピストン１４の上昇に伴い、混合気が圧縮され、燃焼室１７内は高温高圧となる。ここで、クランク角センサ６０が、ピストン１４が上死点近傍まで上昇したことを検出すれば、副燃料供給装置２２から副燃料が燃焼室１７内へと供給される。供給された副燃料は、高温高圧の環境下で自己発火し、発生した火炎が改質燃料へと伝播して改質燃料の燃焼が行われる。そして、副燃料及び改質燃料の燃焼により、燃焼室１７内の混合気が膨張し、ピストン１４が下降する。ピストン１４が下死点近傍まで下降すれば、排気バルブ１９が開放され、排気が排気ポート２１から排出される。

排気ポート２１から排出された排気は、第１排気通路４１’においてタービン３５ｃを経た後、改質器３３の排気通路３３ａの排気入口へと流入する。このとき、第１排気通路４１を流通する排気は、タービン３５ｃを回転させ、タービン３５ｃの回転が回転軸３５ｂによりコンプレッサ３５ａへ伝播し、コンプレッサ３５ａが駆動する。改質器３３の排気通路３３ａの排気入口へ流入した排気は、改質器３３の燃料通路３３ｂの原燃料と熱交換を行った後、改質器３３の排気通路３３ａの排気出口から、第２排気通路４２を経て排気浄化装置３４へ流入し、浄化される。浄化された排気は、排気浄化装置３４の浄化排気出口から第３排気通路４３を介して、外部へ排出される。

図６は、内燃機関１０が停止した際の、原燃料、改質燃料、空気及び排気の通路を示している。制御装置７０から送信される制御信号により、燃料遮断弁４４ｂは原燃料通路４４を閉塞しており、通路切替弁４７ａは、改質燃料導入通路４７を閉塞し、改質燃料排出通路４８を開放している。また、空気遮断弁５１ａは空気導入通路５１を開放している。

燃料遮断弁４４ｂが閉塞されているため、原燃料タンク３１から原燃料気化器３２への原燃料の供給は停止している。また、空気遮断弁５１ａが空気導入通路５１を開放するため、空気リザーバ３６に蓄積された圧縮空気は、空気導入通路５１を経て原燃料気化器３２へと流入する。圧縮空気は原燃料気化器３２内に残留する原燃料と共に、原燃料気化器３２から、気化原燃料通路４５を経て、改質器３３の燃料通路３３ｂへ流入する。改質器３３の燃料通路３３ｂ内では、圧縮空気と共に流入した原燃料が改質燃料へと改質され、改質燃料排出通路４８、第２排気通路４２を経て排気浄化装置３４へと流入する。排気浄化装置３４へ空気とともに流入した改質燃料は、上述した熱化学方程式２の化学反応により酸化され、第３排気通路４３を介して外部へと排出される。

本実施形態に係る発電システムは、上記構成により、第１実施形態が奏する（１）及び（２）の効果に加えて、以下の効果を奏する。

（４）改質器３３の燃料通路３３ｂの原燃料入口から空気を導入することにより、改質器３３内に残存する原燃料及び改質燃料を空気により押し出して排出することができる。したがって、改質器３３内に残存する原燃料及び改質燃料の量をより少なくすることができると共に、改質器３３内に残存する原燃料及び改質燃料を押し出すために用いられた空気により、排気浄化装置３４内での原燃料及び改質燃料の酸化を行うことができる。

（５）ターボ過給機３５を利用して空気リザーバ３６に充填した圧縮空気を用いるため、改質燃料排出通路４８に空気を導入するための送風機４９ａ等を省略することができる。

＜第３実施形態＞
図７は、本実施形態に係る発電システムを示している。発電システムは、第１実施形態に係る発電システム、及び、第２実施形態に係る発電システムと同様に、燃料供給システムを含んで構成されており、原燃料を改質燃料へと改質し、改質燃料を燃焼させることで得られる動力により発電を行うシステムである。

本実施形態に係る発電システムと第２実施形態に係る発電システムとは、空気リザーバ３６からの圧縮空気の導入先が異なっている。すなわち、空気リザーバ３６の空気流出部には、空気遮断弁５１ａ’が設けられた空気導入通路５１’の第１端が接続されており、空気導入通路５１の第２端は、改質燃料排出通路４８に接続されている。空気遮断弁５１ａ’は、空気導入通路５１’を開閉する第４開閉機構として機能する。

図８は、本実施形態に係る発電システムにおいて、内燃機関１０へ改質燃料及び副燃料を供給して燃焼させて発電を行う際の、内燃機関１０の運転時の、原燃料、改質燃料、空気及び排気の通路を示している。制御装置７０から送信される制御信号により、燃料遮断弁４４ｂは原燃料通路４４を開放しており、通路切替弁４７ａは、改質燃料導入通路４７を開放し、改質燃料排出通路４８を閉塞している。また、空気遮断弁５１ａ’は空気導入通路５１’を閉塞している。

まず、制御装置７０から燃料ポンプ４４ａへ送信された制御信号により燃料ポンプ４４ａが作動し、原燃料タンク３１に蓄えられた原燃料が、原燃料通路４４を介して原燃料気化器３２へと供給される。原燃料気化器３２へ供給された原燃料は、内燃機関１０から熱交換通路４６ａ、４６ｂを介して流入した熱により、気化される。気化された原燃料は、気化原燃料通路４５を介して改質器３３の燃料通路３３ｂの原燃料入口へと供給され、改質器３３の燃料通路３３ｂを通過し、上述した化学反応により改質燃料へと改質される。改質器３３の燃料通路３３ｂの改質燃料出口から送出された改質燃料は、改質燃料導入通路４７を通過し、吸気通路４０’へと流入する。一方、エアクリーナ３０から吸入された空気は、コンプレッサ３５ａにより圧縮空気となる。圧縮空気の一部は、空気流入通路５０から空気リザーバ３６へと流入し、空気リザーバ３６の充填に用いられる。また、圧縮空気の残余は吸気通路４０’内で、改質燃料と混合して混合気となり、その混合気は吸気ポート２０へ供給される。

吸気ポート２０へ供給された混合気は、吸気行程における吸気バルブ１８の開放に伴い、燃焼室１７内へと流入する。圧縮行程において、ピストン１４の上昇に伴い、混合気が圧縮され、燃焼室１７内は高温高圧となる。ここで、クランク角センサ６０が、ピストン１４が上死点近傍まで上昇したことを検出すれば、副燃料供給装置２２から副燃料が燃焼室１７内へと供給される。供給された副燃料は、高温高圧の環境下で自己発火し、発生した火炎が改質燃料へと伝播して改質燃料の燃焼が行われる。そして、副燃料及び改質燃料の燃焼により、燃焼室１７内の混合気が膨張し、ピストン１４が下降する。ピストン１４が下死点近傍まで下降すれば、排気バルブ１９が開放され、排気が排気ポート２１から排出される。

排気ポート２１から排出された排気は、第１排気通路４１’においてタービン３５ｃを経た後、改質器３３の排気通路３３ａの排気入口へと流入する。このとき、第１排気通路４１を流通する排気は、タービン３５ｃを回転させ、タービン３５ｃの回転が回転軸３５ｂによりコンプレッサ３５ａへ伝播し、コンプレッサ３５ａが駆動する。改質器３３の排気通路３３ａの排気入口へ流入した排気は、改質器３３の燃料通路３３ｂの原燃料と熱交換を行った後、改質器３３の排気通路３３ａの排気出口から、第２排気通路４２を経て排気浄化装置３４へ流入し、浄化される。浄化された排気は、排気浄化装置３４の浄化排気出口から第３排気通路４３を介して、外部へ排出される。

図９は、内燃機関１０が停止した際の、原燃料、改質燃料、空気及び排気の通路を示している。制御装置７０から送信される制御信号により、燃料遮断弁４４ｂは原燃料通路４４を閉塞しており、通路切替弁４７ａは、改質燃料導入通路４７を閉塞し、改質燃料排出通路４８を開放している。また、空気遮断弁５１ａ’は空気導入通路５１’を開放している。

燃料遮断弁４４ｂが閉塞されているため、原燃料タンク３１から原燃料気化器３２への原燃料の供給は停止している。ところが、改質器３３内には、原燃料が残存しており、また、熱も残存している。したがって、改質器３３内では改質反応が継続し、改質燃料が生成される。生成された改質燃料は、改質燃料排出通路４８へと流入する。一方、空気遮断弁５１ａ’が空気導入通路５１’を開放するため、空気リザーバ３６に蓄積された圧縮空気は、空気導入通路５１’を経て改質燃料排出通路４８へと流入する。

改質燃料排出通路４８で空気と合流した改質燃料は、第２排気通路４２を経て排気浄化装置３４へと流入する。排気浄化装置３４へと流入した改質燃料は、上述した熱化学方程式２の化学反応により酸化され、第３排気通路４３を介して外部へと排出される。

本実施形態に係る発電システムは、上記構成により、第１実施形態が奏する（１）及び（２）の効果と同様の効果、及び、第２実施形態が奏する（５）の効果と同様の効果を奏する。

＜第４実施形態＞
図１０は、本実施形態に係る発電システムを示している。発電システムは、第１実施形態に係る発電システム、第２実施形態に係る発電システム、及び、第３実施形態に係る発電システムと同様に、燃料供給システムを含んで構成されており、原燃料を改質燃料へと改質し、改質燃料を燃焼させることで得られる動力により発電を行うシステムである。

本実施形態に係る発電システムでは、第１実施形態に係る発電システムに加えて、第３排気通路４３に熱交換器３７を備える点が異なっている。熱交換器３７は、例えば、給湯器であり、内部に排気流路と液体流路とが熱交換可能に設けられ、排気浄化装置３４から第３排気通路４３へ流入した排気が排気流路を通過し、液体流路を通過する水の温度を上昇させる。

本実施形態では、内燃機関１０の運転時、及び、内燃機関１０の停止時における空気、原燃料、改質燃料の流路は、第１実施形態と同様の流路である。

ところで、給湯量が増加した場合等、熱交換器３７に要求される熱量が増加した場合、内燃機関１０の排気熱のみでは、熱量が足りない場合が生ずる。上述したとおり、改質燃料が排気浄化装置３４で酸化される場合の化学反応は、発熱反応である。そこで、本実施形態では、熱交換器３７に要求される熱量が増加した場合に、改質燃料を内燃機関１０へ供給せず、排気浄化装置３４へ供給する。

図１１は、本実施形態に係る発電システムにおいて、熱交換器３７に要求される熱量が増加した場合の、空気、原燃料、改質燃料の流路を示している。制御装置７０は、温度センサ６１により計測された排気温と、必要とする熱量とに基づいて、燃料遮断弁４５ａ及び空気遮断弁４９ｂの開度を制御する。また、制御装置７０からの制御信号により、通路切替弁４７ａは、改質燃料導入通路４７を閉塞し、改質燃料排出通路４８を開放している。

エアクリーナ３０から吸入された空気は、吸気通路４０を経由して吸気ポート２０へと導入され、吸気バルブ１８の開放に伴い、燃焼室１７内へと流入する。燃焼室１７内では、副燃料供給装置２２から供給された副燃料が燃焼し、それにより、内燃機関１０での発電が行われる。排気ポート２１から排出された排気は、第１排気通路４１を経て、改質器３３へと流入する。

一方、改質器３３へと流入した原燃料は、改質器３３内で副燃料の燃焼に伴う排気の熱により、改質燃料へと改質される。改質燃料は、改質燃料排出通路４８を経て、第２排気通路４２で排気と合流し、排気浄化装置３４へ流入する。

また、エアクリーナ３０から吸入された空気の一部は、吸気通路４０と改質燃料導入通路４７との接続部から改質燃料導入通路４７へも流入し、改質燃料導入通路４７を逆流して空気導入通路４９へと流入する。そして、制御装置７０からの制御信号により送風機４９ａが駆動され、空気が、改質燃料排出通路４８及び第２排気通路４２を経て、排気浄化装置３４へと供給される。排気浄化装置３４では、上述した熱化学方程式２に係る化学反応が起こり、改質燃料が浄化されるとともに、化学反応に伴う熱が放出される。

そして、排気は第３排気通路４３に設けられた熱交換器３７に流入し、熱交換器３７内で熱交換を行った後、第３排気通路４３から外部へと排出される。

上記構成により、本実施形態に係る発電システムは、第１実施形態が奏する（１）〜（３）の効果に加えて、以下の効果を奏する。

（５）改質燃料を排気浄化装置３４へ直接導入すれば、改質燃料の酸化反応により発生したエネルギーを、内燃機関１０の動力としてではなく熱エネルギーとして利用することができる。したがって、内燃機関１０に要求される動力に比べて、熱交換器３７に要求される熱量が増加した場合に、改質燃料を排気浄化装置３４へ導入することにより、熱交換器３７へ供給される熱量を増加させることができる。

＜変形例＞
・上記各実施形態に係る各図において、各通路の幅は模式的に表されており、実際の通路の径や流量を具体的に示しているわけではない。

・第１、第３、第４実施形態において、空気導入通路４９、５１’を改質燃料排出通路４８に接続するものとした。しかしながら、空気導入通路４９、５１’の接続先は、改質燃料排出通路４８に限られることはなく、第２排気通路４２に接続してもよく、排気浄化装置３４に空気が直接流入する構造であってもよい。すなわち、改質燃料の排出時に、改質燃料と空気とが混合する構造であればよい。

・第２実施形態において、空気導入通路５１を原燃料気化器３２に接続し、内燃機関１０の停止時には空気リザーバ３６に蓄積された圧縮空気を原燃料気化器３２へと送出するものとした。しかしながら、空気導入通路５１の接続先は原燃料気化器３２に限られることはなく、例えば、気化原燃料通路４５に接続されていてもよい。この場合、燃料遮断弁４４ｂは、例えば、原燃料気化器３２の気化原燃料出口設けられるものとすればよい。すなわち、空気導入通路５１は、改質器３３と原燃料タンク３１との間の任意の位置に接続することができ、その際に、燃料遮断弁４４ｂは、空気導入通路５１の接続部よりも原燃料タンク３１側に設けられていればよい。

・上記各実施形態において、改質燃料の流路を、通路切替弁４７ａにより改質燃料導入通路４７と改質燃料排出通路４８とに切り替えるものとした。しかしながら、改質燃料の流路を切り替える機構は、これに限られない。例えば、改質燃料導入通路４７と改質燃料排出通路４８とのそれぞれに、開放状態と閉塞状態とを切り替える弁を設け、制御装置７０がそれぞれの弁の開閉状態を制御することにより、改質燃料の流路を切り替えるものとしてもよい。

・上記各実施形態における各弁は、少なくとも、通路の開放と閉塞とを切り替えられる機能を有していればよく、その具体的な構造は、任意に設計可能である。

・原燃料は、メタノールに限られることはない。また、改質の際に空気や水等が必要な原燃料を用いることもでき、その場合には、改質器３３の燃料通路３３ｂに空気や水等を供給する構成とすればよい。

・上記各実施形態では、内燃機関１０において、副燃料を燃焼させることにより発生する火炎を改質燃料に伝播させ、改質燃料を燃焼させるものとした。しかしながら、供給する改質燃料によっては、内燃機関１０に副燃料供給装置２２を設けず、点火プラグを設け、点火プラグにより発生した火花により改質燃料を燃焼させるものとしてもよい。

・第４実施形態で示した熱交換器３７は、第２、３実施形態に係る発電システムに設けてもよい。

・第１、第４実施形態における燃料遮断弁４５ａの位置、第３実施形態における燃料遮断弁４４ｂの位置は、上述した位置に限られることはなく、原燃料タンク３１から改質器３３への原燃料の供給を停止することができる位置に変更することができる。

・第２、第３実施形態において、ターボ過給機３５を用いて、内燃機関１０及び空気リザーバ３６へ空気を供給するものとしたが、機械式過給機を用いて、内燃機関１０及び空気リザーバ３６へ空気を供給するものとしてもよい。また、第１、第４実施形態において、ターボ過給機又は機械式過給機を用いて、内燃機関１０へ空気を供給するものとしてもよい。

・第１、第４実施形態において、送風ファンを備える送風機４９ａを送風機構として用いており、第２、第３実施形態において、空気リザーバ３６を送風機構として用いているが、送風機構としては、その他の送風機構を採用することもできる。例えば、改質燃料排出通路４８に容積式モータを設け、その回転出力を容積式送風機に伝達することにより送風を行ってもよい。こうすることで、改質器３３内に残存する原燃料と熱とにより改質燃料が生成され、改質器３３から改質燃料が流出する間は、容積式モータが駆動して容積式送風機から送風が行われ、改質燃料の流出が終われば容積式モータが停止し、それに伴い容積式送風機からの送風も停止する構造とすることができる。

・第４実施形態において、熱交換器３７を第３排気通路４３に設けるものとしたが、熱交換器３７を設ける位置は、第３排気通路４３に限られない。例えば、排気浄化装置３４に熱交換機能を持たせてもよい。

１０…内燃機関、３３…改質器、３４…排気浄化装置、４０…吸気通路、４１…第１排気通路、４２…第２排気通路、４３…第３排気通路、４７…改質燃料導入通路、４７ａ…通路切替弁、４８…改質燃料排出通路。

Claims (13)

1. 内燃機関（１０）の排気通路（４１、４１’、４２、４３）に設けられ、前記内燃機関の排気熱により原燃料を改質燃料へと改質する改質器（３３）と、
   前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置（３４）と、
   前記改質器に接続され、前記改質燃料を前記内燃機関の吸気通路（４０、４０’）に導入する改質燃料導入通路（４７）と、
   前記改質器に接続され、前記改質燃料を前記排気浄化装置に導入する改質燃料排出通路（４８）と、
   前記改質燃料排出通路を開閉する第１開閉機構（４７ａ）と、
   前記改質燃料導入通路を開閉する第２開閉機構（４７ａ）と、
   前記第１開閉機構及び前記第２開閉機構の開閉制御を行う燃料通路制御装置（７０）と、を備え、
   前記燃料通路制御装置は、前記内燃機関が停止された場合に、前記第１開閉機構を開放し、前記第２開閉機構を閉塞することを特徴とする燃料供給システム。
2. 前記改質器へ前記原燃料を供給する燃料通路の開閉を行う第３開閉機構（４４ｂ、４５ａ）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給システム。
3. 前記改質燃料排出通路へ空気を導入する空気導入通路（４９、５１、５１’）と、
   前記空気導入通路を開閉する第４開閉機構（４９ｂ、５１ａ、５１ａ’）と、をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料供給システム。
4. 内燃機関（１０）の排気通路（４１、４１’、４２、４３）に設けられ、前記内燃機関の排気熱により原燃料を改質燃料へと改質する改質器（３３）と、
   前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置（３４）と、
   前記改質器に接続され、前記改質燃料を前記内燃機関の吸気通路（４０、４０’）に導入する改質燃料導入通路（４７）と、
   前記改質器に接続され、前記改質燃料を前記排気浄化装置に導入する改質燃料排出通路（４８）と、
   前記改質燃料排出通路を開閉する第１開閉機構（４７ａ）と、
   前記改質燃料排出通路へ空気を導入する空気導入通路（４９、５１、５１’）と、
   前記空気導入通路を開閉する第４開閉機構（４９ｂ、５１ａ、５１ａ’）と、を備えることを特徴とする燃料供給システム。
5. 前記空気導入通路（４９、５１’）は、前記改質器と前記排気浄化装置との間に空気を導入することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料供給システム。
6. 前記空気導入通路（５１）は、前記改質器へ前記原燃料を供給する燃料通路（４５）に空気を導入することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料供給システム。
7. 前記空気導入通路に送風機構（３６、４９ａ）を設けたことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料供給システム。
8. 前記送風機構は、送風ファンの回転により空気を送出する送風機（４９ａ）であることを特徴とする請求項７に記載の燃料供給システム。
9. 前記送風機構は、圧縮空気を蓄積する空気リザーバ（３６）であることを特徴とする請求項７に記載の燃料供給システム。
10. 前記排気通路を流通する排気により駆動されるターボ過給機（３５）をさらに備え、
    前記ターボ過給機により前記空気リザーバに圧縮空気を充填することを特徴とする請求項９に記載の燃料供給システム。
11. 前記第４開閉機構の開閉制御を行う空気通路制御装置をさらに備え、
    前記空気通路制御装置は、前記内燃機関が運転されている場合に前記第４開閉機構を閉塞し、前記内燃機関が停止されている場合に前記第４開閉機構を開放することを特徴とする請求項３〜１０のいずれか１項に記載の燃料供給システム。
12. 熱交換機（３７）をさらに備え、
    前記内燃機関が運転されている場合に、前記熱交換機が要求する熱量に応じて、前記改質器で生成された前記改質燃料を前記排気浄化装置へ導入することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料供給システム。
13. 内燃機関（１０）の排気通路（４１、４１’、４２、４３）に設けられ、前記内燃機関の排気熱により原燃料を改質燃料へと改質する改質器（３３）と、
    前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置（３４）と、
    前記改質器に接続され、前記改質燃料を前記内燃機関の吸気通路（４０、４０’）に導入する改質燃料導入通路（４７）と、
    前記改質器に接続され、前記改質燃料を前記排気浄化装置に導入する改質燃料排出通路（４８）と、
    前記改質燃料排出通路を開閉する第１開閉機構（４７ａ）と、
    熱交換機（３７）を備え、
    前記内燃機関が運転されている場合に、前記熱交換機が要求する熱量に応じて、前記改質器で生成された前記改質燃料を前記排気浄化装置へ導入することを特徴とする燃料供給システム。

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