JP7154326B2 - fuel reformer - Google Patents
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Description
本発明は、圧縮着火式エンジンに供給される燃料を改質する燃料改質装置に関する。 The present invention relates to a fuel reformer that reforms fuel supplied to a compression ignition engine.
従来、燃料を、酸化剤を用いて酸化させることにより改質するようにした装置が知られている(例えば特許文献1参照)。上記特許文献1記載の装置は、同軸に設けられた外管部材と内管部材との間を反応場とする二重管反応器として構成され、反応物として燃料と空気との混合気が供給され、生成物として改質燃料と空気との混合気を排出する。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known an apparatus for reforming fuel by oxidizing it with an oxidizing agent (see, for example, Patent Document 1). The apparatus described in
上記特許文献1記載の装置では、改質燃料と空気とが混合気として排出されるため、改質燃料を得るためには、二重管反応器の後段に気液分離器を設ける必要があり、燃料改質装置全体としての構成が複雑となる。
In the device described in
本発明の一態様は、酸化反応により燃料を改質する燃料改質装置であって、鉛直方向に延在する外管と内管とを有し、外管と内管との間に円筒空間を形成する二重管を備える。外管は、円筒空間に燃料と空気とを導入するように外管の下部を貫通する導入孔と、円筒空間から空気を排出するように外管の上部を貫通する空気排出孔と、円筒空間から燃料を排出するように外管の導入孔と空気排出孔との間を貫通する燃料排出孔と、が設けられる。円筒空間の上端および下端は閉鎖される。二重管は、下端から燃料排出孔までの円筒空間で導入孔を介して供給された燃料が触媒存在下で酸化反応するように構成される。 One aspect of the present invention is a fuel reformer that reforms fuel by an oxidation reaction, which includes an outer tube and an inner tube extending in a vertical direction, and a cylindrical space between the outer tube and the inner tube. with a double tube forming a The outer tube has an introduction hole penetrating the lower portion of the outer tube to introduce fuel and air into the cylindrical space, an air discharge hole penetrating the upper portion of the outer tube to discharge air from the cylindrical space, and a cylindrical space. A fuel discharge hole is provided extending between the inlet hole of the outer tube and the air discharge hole for discharging fuel from the outer tube. The upper and lower ends of the cylindrical space are closed. The double pipe is configured such that the fuel supplied through the introduction hole is oxidized in the presence of a catalyst in the cylindrical space from the lower end to the fuel discharge hole.
本発明によれば、簡易な構成の燃料改質装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel reformer with a simple configuration.
以下、図1~図12を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る燃料改質装置は、車両などに搭載された圧縮着火式エンジンに適用され、燃料タンクからエンジンに供給される燃料を必要に応じて改質する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 12. FIG. A fuel reformer according to an embodiment of the present invention is applied to a compression ignition engine mounted on a vehicle or the like, and reforms fuel supplied to the engine from a fuel tank as necessary.
地球の平均気温は、大気中の温室効果ガスにより、生物に適した温暖な状態に保たれている。具体的には、太陽光で暖められた地表面から宇宙空間へと放射される熱の一部を温室効果ガスが吸収し、地表面へと再放射することで、大気が温暖な状態に保たれている。このような大気中の温室効果ガスの濃度が増加すると、地球の平均気温が上昇する(地球温暖化)。 Greenhouse gases in the atmosphere keep the average temperature of the earth warm enough for life. Specifically, greenhouse gases absorb part of the heat radiated from the ground surface warmed by sunlight into outer space and radiate it back to the ground surface, keeping the atmosphere warm. It's dripping When the concentration of such greenhouse gases in the atmosphere increases, the average temperature of the earth rises (global warming).
温室効果ガスの中でも地球温暖化への寄与が大きい二酸化炭素の大気中における濃度は、植物や化石燃料として地上や地中に固定された炭素と、二酸化炭素として大気中に存在する炭素とのバランスによって決定される。例えば、植物の生育過程での光合成により大気中の二酸化炭素が吸収されると大気中の二酸化炭素濃度が減少し、化石燃料の燃焼により二酸化炭素が大気中に放出されると大気中の二酸化炭素濃度が増加する。地球温暖化を抑制するには、化石燃料を太陽光や風力などの再生可能エネルギーやバイオマスなどに由来する再生可能燃料で代替し、炭素排出量を低減することが必要となる。 The concentration of carbon dioxide in the atmosphere, which contributes greatly to global warming among greenhouse gases, is the balance between the carbon fixed on and in the ground as plants and fossil fuels and the carbon existing in the atmosphere as carbon dioxide. determined by For example, when carbon dioxide in the atmosphere is absorbed by photosynthesis during the growth process of plants, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere decreases, and when carbon dioxide is released into the atmosphere by burning fossil fuels, carbon dioxide in the atmosphere concentration increases. In order to curb global warming, it is necessary to replace fossil fuels with renewable energy sources such as solar and wind power, and renewable fuels derived from biomass, thereby reducing carbon emissions.
このような再生可能燃料として、FT(フィッシャー・トロプシュ)合成により得られる低オクタン価ガソリンが普及しつつある。低オクタン価ガソリンは、着火性が高く、圧縮着火式エンジンに適用することができるが、普及途上であり、販売されていない地域もある。一方、現在普及している火花点火式エンジン用の通常のオクタン価のガソリンは、着火性が低く、そのまま圧縮着火式エンジンに適用すると、排ガス性能を確保することが難しく、失火に至るおそれもある。そこで、本実施形態では、燃料タンクからエンジンに供給される燃料を必要に応じて改質し、低オクタン価ガソリンも通常のオクタン価のガソリンも単一のエンジンで圧縮着火させるよう、以下のように燃料改質装置を構成する。 As such renewable fuel, low octane gasoline obtained by FT (Fischer-Tropsch) synthesis is becoming popular. Low octane gasoline is highly ignitable and can be applied to compression ignition engines, but it is still in the process of being popularized and is not sold in some areas. On the other hand, ordinary octane gasoline for spark-ignited engines, which is currently in widespread use, has low ignitability. Therefore, in this embodiment, the fuel supplied from the fuel tank to the engine is reformed as necessary, and the fuel is changed as follows so that both low octane gasoline and normal octane gasoline can be ignited by compression in a single engine. Construct a reformer.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置が適用されるエンジン1の内部構成の一例を模式的に示す図である。エンジン1は、圧縮着火式のガソリンエンジンであり、例えば車両に搭載される。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the internal configuration of an
図1に示すように、エンジン1は、シリンダ2が形成されるシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上部を覆うシリンダヘッド4とを有する。シリンダヘッド4には、エンジン1への吸気が通過する吸気ポート5と、エンジン1からの排気が通過する排気ポート6とが設けられる。吸気ポート5には吸気ポート5を開閉する吸気バルブ7が設けられ、排気ポート6には排気ポート6を開閉する排気バルブ8が設けられる。吸気バルブ7と排気バルブ8とは不図示の動弁機構により開閉駆動される。
As shown in FIG. 1 , an
各シリンダ2には、シリンダ2内を摺動可能にピストン9が配置され、ピストン9に面して燃焼室10が形成される。エンジン1には、燃焼室10に臨むようにインジェクタ11が設けられ、インジェクタ11から燃焼室10に燃料が噴射される。インジェクタ11の動作(燃料噴射時期(開弁時期)、燃料噴射量(開弁時間))は、エンジンECU(Electronic Control Unit)200(図6)により制御される。エンジン1には、水晶圧電式の圧力センサなどにより構成され、燃焼室10内の圧力を検出する筒内圧センサ12も設けられる。
A piston 9 is arranged in each
吸気ポート5が開放、排気ポート6が閉鎖され、ピストン9が下降すると、吸気ポート5から燃焼室10内に空気(新気)が吸い込まれる(吸気行程)。吸気ポート5および排気ポート6が閉鎖され、ピストン9が上昇すると、燃焼室10内の空気が圧縮され、燃焼室10内の圧力が徐々に上昇する(圧縮行程)。圧縮上死点TDC(Top Dead Center)付近でインジェクタ11から燃焼室10に燃料が噴射されると、燃焼室10内の燃料と空気の混合気が圧縮され、燃焼室10内の圧力が徐々に上昇し、燃料が自己着火により燃焼する。燃焼室10内で燃料の自己着火が開始すると、燃焼室10内の圧力が急激に上昇し、ピストン9が下降する(膨張行程)。吸気ポート5が閉鎖、排気ポート6が開放され、ピストン9が上昇すると、燃焼室10内の空気(排気)が排気ポート6から排出される(排気行程)。
When the
ピストン9がシリンダ2の内壁に沿って往復動することで、コンロッド13を介してクランクシャフト14が回転する。エンジン1のクランクシャフト14には、クランクシャフト14の回転角(クランク角)を検出するクランク角センサ15も設けられる。また、エンジン1の出力トルクを検出する、例えば磁歪式のトルクセンサ16も設けられる。図示は省略するが、エンジン1には、エンジン1の冷却水の温度(エンジン水温)を検出する水温センサなども設けられる。
The reciprocating motion of the piston 9 along the inner wall of the
図2は、燃料のオクタン価と着火性の関係について説明するための図であり、オクタン価の異なる複数の燃料の着火時期tiの一例を、圧縮上死点TDCを基準とするクランク角[°]として示す。より具体的には、筒内圧センサ12により検出される燃焼室10内の圧力と、クランク角センサ15により検出されるクランク角とに基づいて特定される、燃焼室10内で燃料の自己着火が開始し、燃焼室10内の圧力が急激に上昇するクランク角の一例を示す。
FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between the octane number of fuel and ignitability, and an example of ignition timing ti of a plurality of fuels with different octane numbers is shown as a crank angle [°] with compression top dead center TDC as a reference. show. More specifically, the self-ignition of fuel in the
図2に示すように、オクタン価が70を超える着火性の低い燃料では、着火時期tiが圧縮上死点TDCよりも大幅に遅れ、この場合、エンジン1の最大熱効率が著しく低下し、燃焼が不安定となる。エンジン1の十分な燃焼性能を確保するには、着火時期tiが所定クランク角ti0(例えば、10°)以上の場合は、燃料を改質する必要がある。
As shown in FIG. 2, with low ignitability fuel having an octane number exceeding 70, the ignition timing ti is significantly delayed from compression top dead center TDC, and in this case, the maximum thermal efficiency of the
炭化水素を主成分とする燃料は、N-ヒドロキシフタルイミド(NHPI)などの触媒を用いて酸化改質し、過酸化物を生成することで、その着火性を向上することができる。具体的には、NHPIは、酸素分子により容易に水素原子が引き抜かれ、フタルイミド-N-オキシル(PINO)ラジカルを生成する。PINOラジカルは、燃料に含まれる炭化水素(RH)から水素原子を引き抜き、アルキルラジカル(R・)を生成する。アルキルラジカルは、酸素分子と結合してアルキルペルオキシラジカル(ROO・)を生成する。アルキルペルオキシラジカルは、燃料に含まれる炭化水素から水素原子を引き抜き、過酸化物であるアルキルヒドロペルオキシド(ROOH)を生成する。
図3は、燃料の酸化反応の進行度について説明するための図であり、酸化反応が進行するときの過酸化物濃度c1および酸化物濃度c2の変化の一例を示す。図3に示すように、酸化反応が進行すると、過酸化物濃度c1が増加し、さらに酸化反応が進行すると、過酸化物がアルコール、アルデヒド、ケトンなどの酸化物に分解され、過酸化物濃度c1が減少するとともに酸化物濃度c2が増加する。 FIG. 3 is a diagram for explaining the degree of progress of the fuel oxidation reaction, and shows an example of changes in the peroxide concentration c1 and the oxide concentration c2 as the oxidation reaction progresses. As shown in FIG. 3, as the oxidation reaction progresses, the peroxide concentration c1 increases. As c1 decreases, oxide concentration c2 increases.
燃料中の過酸化物濃度c1を高め、圧縮着火に適した状態まで燃料の着火性を向上するには、酸化反応の進行度を適正な範囲内に調整する必要がある。具体的には、酸化改質後の燃料(改質燃料)のオクタン価が70以下となるよう(図2)、改質燃料中の過酸化物濃度c1が所定濃度c0(例えば、0.15[mol/l])以上となるように調整する必要がある。改質燃料中の過酸化物濃度c1は、適宜な濃度センサにより検出することができる。 In order to increase the peroxide concentration c1 in the fuel and improve the ignitability of the fuel to a state suitable for compression ignition, it is necessary to adjust the degree of progress of the oxidation reaction within an appropriate range. Specifically, the peroxide concentration c1 in the reformed fuel is set to a predetermined concentration c0 (for example, 0.15 [ mol/l]) or more. The peroxide concentration c1 in the reformed fuel can be detected by an appropriate concentration sensor.
過酸化物濃度c1が所定濃度c0未満の場合、酸化反応の進行度が不足のときは過酸化物濃度c1が酸化物濃度c2以上、酸化反応の進行度が過剰のときは過酸化物濃度c1が酸化物濃度c2未満となる。燃料に含まれる炭化水素が酸化物まで分解されると、改質燃料の発熱量が低下し、エンジン出力が低下する。すなわち、エンジン1の出力トルクは、改質燃料の発熱量と燃料噴射量との積に比例する。酸化物濃度c2は、エンジン1の燃料噴射量と出力トルクとに基づいて推定することができる。
When the peroxide concentration c1 is less than the predetermined concentration c0, the peroxide concentration c1 is equal to or higher than the oxide concentration c2 when the oxidation reaction progresses insufficiently, and the peroxide concentration c1 when the oxidation reaction progresses excessively. becomes less than the oxide concentration c2. When the hydrocarbons contained in the fuel are decomposed into oxides, the calorific value of the reformed fuel is reduced and the engine output is reduced. That is, the output torque of the
図4~図8は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置(以下、装置)100の構成の一例を模式的に示す図である。図4に示すように、装置100は、燃料タンク17からエンジン1のインジェクタ11に至る燃料供給経路18に介装され、燃料を酸化改質する改質器19を有する改質ユニット20と、改質ユニット20の動作を制御するコントローラ50とを備える。
4 to 8 are diagrams schematically showing an example of the configuration of a fuel reforming device (hereinafter referred to as device) 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the
燃料タンク17には、燃料タンク17に貯留された燃料の残量を検出する残量計17aが設けられる。残量計17aは、例えばフロート式のレベルセンサにより構成され、燃料タンク17内の燃料の液面高さに応じた信号を出力する。
The
図4および図5に示すように、燃料供給経路18は、燃料タンク17から改質器19を通過してエンジン1のインジェクタ11に至る第1経路18aと、燃料タンク17から改質器19を迂回してエンジン1のインジェクタ11に至る第2経路18bとを有する。
As shown in FIGS. 4 and 5, the fuel supply path 18 includes a
改質ユニット20は、燃料タンク17から改質器19に至る第1経路18a上に、燃料タンク17に貯留された燃料を汲み上げる燃料ポンプ21aと、燃料の流量を検出する流量計22と、第1経路18aを開閉する開閉弁23と、混合器24とを有する。また、改質器19からエンジン1のインジェクタ11に至る第1経路18a上に、改質燃料中の過酸化物濃度c1を検出する濃度センサ26と、燃料を圧送する高圧ポンプ27とを有する。濃度センサ26は、例えば改質燃料の誘電率を測定する静電容量式の濃度センサにより構成され、改質燃料中の過酸化物濃度c1に応じた信号を出力する。
The reforming
図4および図5に示すように、改質ユニット20は、第2経路18b上にも燃料タンク17に貯留された燃料を汲み上げる燃料ポンプ21bを有し、燃料ポンプ21bにより汲み上げられた燃料は、第2経路18bを介して高圧ポンプ27に供給される。高圧ポンプ27の動作(燃料圧力)は、エンジンECU200(図8)により制御される。
As shown in FIGS. 4 and 5, the reforming
図5に示すように、改質ユニット20は、燃料供給経路18を第1経路18aおよび第2経路18bのいずれかに切り替える切替弁28を有する。燃料供給経路18が第1経路18aに切り替えられると、高圧ポンプ27の動作に応じ、燃料タンク17に貯留された燃料が改質器19に供給されて改質され、改質燃料が高圧ポンプ27を介してインジェクタ11に供給され、燃焼室10(図1)に噴射される。燃料供給経路18が第2経路18bに切り替えられると、高圧ポンプ27の動作に応じ、燃料タンク17に貯留された燃料が、改質器19で改質されることなく、そのまま高圧ポンプ27を介してインジェクタ11に供給され、燃焼室10(図1)に噴射される。
As shown in FIG. 5, the reforming
図4に示すように、改質ユニット20は、混合器24に空気を供給する空気供給経路30上に、エアフィルタ31と、空気を圧送する空気ポンプ32と、空気の流量を検出する流量計33と、空気供給経路30を開閉する開閉弁34とを有する。高圧ポンプ27の動作に応じ、燃料供給経路18(第1経路18a)を介して混合器24に供給された燃料と、空気ポンプ32の動作に応じ、空気供給経路30を介して混合器24に供給された空気とは、混合器24で混合され、改質器19に供給される。
As shown in FIG. 4, the reforming
図6は、改質器19の構成の一例を模式的に示す図である。図6に示すように、改質器19は、鉛直方向に延在する外管191と内管192とを有し、外管191と内管192との間に円筒空間193を形成する二重管反応器として構成される。
FIG. 6 is a diagram schematically showing an example of the configuration of the
改質器19の外管191には、混合器24(図4)で混合された燃料と空気とを、第1経路18aを介して円筒空間193に導入するように、外管191の下部を貫通する導入孔194が設けられる。また、第3経路18cを介して円筒空間193から空気を排出するように、外管191の上部を貫通する空気排出孔195が設けられる。さらに、第1経路18aを介して円筒空間193から燃料を排出するように、外管191の導入孔194と空気排出孔195との間を貫通する燃料排出孔196a,196bが設けられる。円筒空間193から排出された空気は、第3経路18cを介してエンジン1の吸気ポート5に供給され(図1)、新気とともに燃焼室10内に吸い込まれる。
In the
改質器19の内管192の径方向内側の空間は、還流経路197として構成され、熱媒としてのエンジン冷却水が還流される。すなわち、暖機後のエンジン1の冷却水が還流経路197の下方から供給されて改質器19を昇温し、還流経路197の上方からエンジン1に還流される。暖機後のエンジン水温は、70~110℃の温度範囲に維持されるため、燃料の酸化反応が好適に促進される。
A space radially inside the
改質器19は、円筒空間193の上端193aおよび下端193bが閉鎖される。導入孔194を介して円筒空間193に導入された燃料(液体)は、下端193bから燃料排出孔196a,196bまでの円筒空間193を流通し、燃料排出孔196a,196bを介して排出される。導入孔194を介して円筒空間193に導入された空気(気体)は、下端193bから上端193aまでの円筒空間193を通過し、空気排出孔195を介して排出される。
The
下端193bから燃料の液面に対応する燃料排出孔196a,196bまでの円筒空間193は、燃料と空気中の酸素とが反応(酸化反応)して改質燃料を生成する反応室198として機能する。一方、燃料の液面に対応する燃料排出孔196a,196bから上端193aまでの円筒空間193は、気液分離を行う気液分離室199として機能する。
A
図7Aおよび図7Bは、図6に示す改質器19のVII-VII断面図であり、反応室198に対応する部分の断面を示す。図7Aに示すように、反応室198の内壁を構成する外管191の内壁191aおよび内管192の外壁192aには、NHPI触媒などの触媒190が担持され(壁面担持)、反応室198における酸化反応が促進される。
7A and 7B are VII-VII cross-sectional views of the
改質器19は、外管191の内壁191aと、内管192の外壁192aとの間の隙間gが消炎距離の2倍以下、例えば消炎距離の2倍となるように構成される。これにより、反応物から消炎距離以内の範囲には必ず外管191の内壁191aまたは内管192の外壁192aが存在するため、改質器19の安全性を高めることができる。安全性をさらに高める場合、改質器19は、隙間gが最大安全隙間以下、例えば最大安全隙間となるように構成されてもよい。燃料の酸化反応が進行する反応室198を最大安全隙間で構成することで、例えば隣接する装置から火炎が侵入した場合でも直ちに消火するため、改質器19の安全性をさらに高めることができる。
The
図6Bに示すように、改質器19の反応室198には、壁面担持に代えて、シリカタブレットなどの担体に触媒が担持された固体触媒190を充填し、酸化応の反応場となる固体触媒190の隙間gが消炎距離の2倍または最大安全隙間となるように構成してもよい。
As shown in FIG. 6B, the
図4および図6に示すように、改質器19の外管191には、鉛直方向に複数(図の例では、2つ)の燃料排出孔196a,196bが設けられ、改質ユニット20は、燃料排出孔196a,196bを切り替える切替弁29を有する。燃料排出孔196a,196bが切り替えられると、燃料の液面高さが変化し、反応室198の高さh1a,h1bが変化するとともに、気液分離室199の高さh2a,h2bが変化する。反応室198の高さh1a,h1bを変更することで、改質器19における酸化反応の反応時間を調整することができる。
As shown in FIGS. 4 and 6, the
改質器19は、燃料排出孔196a,196bから上端193aまでの気液分離室199の高さh2a,h2bが、気液分離が可能な高さh0以上となるように構成される。気液分離室199の内壁を構成する外管191の内壁191aおよび内管192の外壁192aには、テフロン(登録商標)加工などの表面処理が施される。このような表面処理を施すことで、気液分離室199における毛管現象を抑制し、気液分離が可能な高さh0を最小限とすることができる。
The
図8は、コントローラ50周辺の要部構成の一例を概略的に示すブロック図である。図8に示すように、コントローラ50は、CPU51と、ROM,RAMなどのメモリ52と、I/Oインターフェースなどの図示しないその他の周辺回路とを有するコンピュータを含む電子制御ユニット(ECU)により構成される。
FIG. 8 is a block diagram schematically showing an example of the main configuration around the
コントローラ50には、筒内圧センサ12、クランク角センサ15、トルクセンサ16、流量計170、濃度センサ26などのセンサが電気的に接続され、各センサからの信号が入力される。また、コントローラ50には、燃料ポンプ21a,21b、開閉弁23,34、切替弁28,29、空気ポンプ32などのアクチュエータが電気的に接続され、コントローラ50から各アクチュエータに制御信号が送信される。さらに、コントローラ50は、車両に搭載されたCAN(Controller Area Network)などの通信ネットワークを介して、エンジンECU200などの他の車載ECUと通信可能に構成される。
Sensors such as the in-
メモリ52には、各種制御のプログラムやプログラムで用いられる閾値などの情報が記憶される。CPU51は、機能的構成として、改質ユニット20の動作を制御する改質ユニット制御部53と、給油判定部54と、改質要否判定部55と、酸化進行度推定部56とを有する。すなわち、CPU51は、改質ユニット20の動作を制御する改質ユニット制御部53と、給油判定部54と、改質要否判定部55と、酸化進行度推定部56として機能する。
The
給油判定部54は、残量計17aにより検出された、燃料タンク17に貯留された燃料の残量の変化に基づいて、燃料タンク17への燃料の給油の有無を判定する。例えば、車両およびコントローラ50が起動されるたびに前回の燃料残量と今回の燃料残量とを比較することで、燃料タンク17への燃料の給油の有無を判定する。フューエルリッドの開閉を検出することで給油の有無を判定してもよい。
The fuel
改質要否判定部55は、給油判定部54により給油があったと判定されると、燃料の着火時期tiに基づいて改質の要否を判定する。具体的には、筒内圧センサ12により検出される燃焼室10内の圧力と、クランク角センサ15により検出されるクランク角とに基づいて燃料の着火時期tiを算出し、着火時期tiが所定クランク角ti0以上の場合は、改質が必要であると判定する。着火時期tiが所定クランク角ti0未満の場合は、改質が不要であると判定する。
When the
改質要否判定部55は、改質燃料中の過酸化物濃度c1に基づいて改質の要否を判定してもよい。具体的には、濃度センサ26により検出された改質燃料中の過酸化物濃度c1が所定濃度c0未満の場合は、改質が必要であると判定し、所定濃度c0以上の場合は、改質が不要であると判定する。
The reforming
改質ユニット制御部53は、改質要否判定部55により改質が必要と判定されると、燃料タンク17に貯留された燃料が改質器19で改質されてインジェクタ11に供給されるよう、切替弁28により燃料供給経路18を第1経路18aに切り替える(改質オン)。一方、改質要否判定部55により改質が不要と判定されると、燃料タンク17に貯留された燃料が改質器19で改質されることなくインジェクタ11に供給されるよう、切替弁28により燃料供給経路18を第2経路18bに切り替える(改質オフ)。
When the reforming
酸化進行度推定部56は、改質オンのとき、燃料の着火時期tiに基づいて、改質器19における酸化反応の進行度(酸化進行度)が適正範囲内であるか否かを判定する。具体的には、筒内圧センサ12により検出される燃焼室10内の圧力とクランク角センサ15により検出されるクランク角とに基づいて改質燃料の着火時期tiを算出し、着火時期tiが所定クランク角ti0未満の場合は酸化進行度が適正範囲内であると判定する。着火時期tiが所定クランク角ti0以上の場合は、酸化進行度が適正範囲外であると判定する。
When the reforming is on, the
酸化進行度推定部56は、改質燃料中の過酸化物濃度c1に基づいて酸化進行度が適正範囲内であるか否かを判定してもよい。具体的には、濃度センサ26により検出された改質燃料中の過酸化物濃度c1が所定濃度c0以上の場合は、酸化進行度が適正範囲内であると判定し、過酸化物濃度c1が所定濃度c0未満の場合は、酸化進行度が適正範囲外であると判定する。
The
さらに、酸化進行度推定部56は、酸化進行度が適正範囲外であると判定すると、改質燃料中の酸化物濃度c2に基づいて、酸化進行度の過不足を判定する。改質燃料中の酸化物濃度c2は、インジェクタ11による燃料噴射量と、トルクセンサ16により検出されたエンジン1の出力トルクとに基づいて推定することができる。燃料噴射量は、流量計22により検出される燃料流量に基づいて算出してもよく、エンジンECU200との通信により取得される燃料圧力(高圧ポンプ27への指令値)と燃料噴射量(インジェクタ11への指令値)とに基づいて算出してもよい。
Furthermore, when the oxidation
酸化進行度推定部56は、酸化物濃度c2が濃度センサ26により検出された過酸化物濃度c1以上の場合は、酸化進行度が過剰であると判定し、過酸化物濃度c1未満の場合は、酸化進行度が不足していると判定する。酸化物濃度c2が所定濃度c0以上のときに酸化進行度が過剰であると判定し、所定値未満のときに酸化進行度が不足していると判定してもよい。
If the oxide concentration c2 is equal to or higher than the peroxide concentration c1 detected by the
改質ユニット制御部53は、酸化進行度推定部56により推定された酸化反応の進行度に応じて、改質ユニット20の動作を制御し、改質器19による改質率を調整する。具体的には、酸化進行度に応じて切替弁29の動作を制御し、燃料排出孔196a,196bを切り替えて反応室198の高さh1a,h1bを変更し、改質器19における酸化反応の反応時間を調整する。燃料排出孔196aに切り替えると、反応室198の高さh1aに対応して反応時間が短くなり、改質器19による改質率が低下する。燃料排出孔196bに切り替えると、反応室198の高さh1bに対応して反応時間が長くなり、改質器19による改質率が上昇する。
The reforming
改質ユニット制御部53は、燃料排出孔196a,196bの切り替えによる反応時間の調整に加え、空気ポンプ32の動作を制御して改質器19に供給される空気量を調整し、改質器19による改質率を調整してもよい。また、エンジン1と改質器19との間で還流される冷却水の流量を調整することで反応温度を調整し、改質器19による改質率を調整してもよい。
The reforming
図9Aおよび図9Bは、コントローラ50のCPU51により実行される改質切替処理の一例を示すフローチャートである。図9Aおよび図9Bの処理は、例えば車両およびコントローラ50が起動されると開始される。
9A and 9B are flowcharts showing an example of the reforming switching process executed by the
図9Aの処理では、先ずステップS1で、給油判定部54での処理により、車両およびコントローラ50の停止中に燃料タンク17への燃料の給油があったか否かを判定する。ステップS1で肯定されると、ステップS2Aに進み、否定されると、処理を終了する。ステップS2Aでは、改質要否判定部55での処理により、着火時期tiを算出し、着火時期tiが所定クランク角ti0以上であるか否かを判定する。
In the process of FIG. 9A, first, in step S1, the
ステップS2Aで肯定されると、燃料の着火性が不十分であるとしてステップS3に進み、改質ユニット制御部53での処理により、切替弁28の動作を制御して燃料供給経路18を第1経路18aに切り替え、改質器19での改質をオンにして処理を終了する。一方、ステップS2Aで否定されると、燃料の着火性が十分であるとしてステップS4に進み、改質ユニット制御部53での処理により、切替弁28の動作を制御して燃料供給経路18を第2経路18bに切り替え、改質器19での改質をオフにして処理を終了する。
If the result in step S2A is affirmative, the ignitability of the fuel is insufficient, and the process proceeds to step S3. Switching to the
図9Bの処理では、図9AのステップS2Aに代えて、ステップS2Bで、改質要否判定部55での処理により、過酸化物濃度c1が所定濃度c0未満であるか否かを判定し、燃料の着火性が不十分で改質の必要があるか否かを判定する。
In the process of FIG. 9B, instead of step S2A of FIG. 9A, in step S2B, the process in the reforming
このように、着火時期tiや過酸化物濃度c1に基づいて給油後の燃料タンク17内の燃料の着火性が評価され(ステップS1,S2A,S2B)、圧縮着火に適さない着火性の場合は燃料が改質器19で改質されてからエンジン1に供給される(ステップS3)。このため、低オクタン価ガソリンや通常のオクタン価のガソリンが給油され得るFFV(Flexible Fuel Vehicle)に搭載される圧縮着火式エンジンの十分な燃焼性能を確保することができる。
In this way, the ignitability of the fuel in the
図10Aおよび図10Bは、コントローラ50のCPU51により実行される改質率調整処理の一例を示すフローチャートである。図10Aおよび図10Bの処理は、例えば改質器19による改質がオンになると開始される。
10A and 10B are flowcharts showing an example of the reforming rate adjustment process executed by the
図10Aの処理では、先ずステップS5で、改質器19による改質がオンであるか否かを判定する。ステップS5で肯定されると、ステップS6Aに進み、否定されると、処理を終了する。ステップS6Aでは、酸化進行度推定部56での処理により、改質燃料の着火時期tiを算出し、着火時期tiが所定クランク角ti0未満であるか否かを判定する。ステップS6Aで肯定されると、改質器19における酸化進行度が適正範囲内であると判定し、処理を終了する。
In the process of FIG. 10A, first, in step S5, it is determined whether reforming by the
一方、ステップS6Aで否定されると、改質器19における酸化進行度が適正範囲外であると判定し、ステップS7に進んで改質燃料中の酸化物濃度c2を算出し、酸化物濃度c2が過酸化物濃度c1以上であるか否かを判定する。ステップS7で肯定されると、ステップS8に進み、否定されると、ステップS9に進む。ステップS8では、酸化進行度が過剰であるとして、改質ユニット制御部53での処理により、切替弁29の動作を制御して燃料排出孔196aに切り替え、反応時間を短くして改質器19による改質率を低下させ、ステップS6Aに戻る。
On the other hand, if the result of step S6A is NO, it is determined that the degree of progress of oxidation in the
ステップS9では、酸化進行度推定部56での処理により、酸化物濃度c2が過酸化物濃度c1未満であるか否かを判定する。ステップS9で肯定されると、ステップS10に進み、否定されると、ステップS11に進む。ステップS10では、酸化進行度が不足しているとして、改質ユニット制御部53での処理により、切替弁29の動作を制御して燃料排出孔196bに切り替え、反応時間を長くして改質器19による改質率を上昇させ、ステップS6Aに戻る。ステップS11では、装置100が故障していると判定し、例えばエンジンECU200に故障コードを送信して処理を終了する。
In step S9, it is determined whether or not the oxide concentration c2 is less than the peroxide concentration c1 by processing in the oxidation
図10Bの処理では、図10AのステップS6Aに代えて、ステップS6Bで、酸化進行度推定部56での処理により、改質燃料中の過酸化物濃度c1が所定濃度c0以上であるか否かを判定する。
In the process of FIG. 10B, instead of step S6A of FIG. 10A, in step S6B, the oxidation
このように、改質器19における酸化進行度を推定し(ステップS6A,S6B,S7,S9)、酸化進行度に応じて改質器19による改質率を調整することで(ステップS8,S10)、燃料を圧縮着火に適した状態まで改質することができる。また、さまざまなオクタン価のガソリンが給油される場合や、オクタン価の異なる複数のガソリンが燃料タンク17中で混合される場合であっても、FFVに搭載される圧縮着火式エンジンの十分な燃焼性能を確保することができる。
Thus, by estimating the degree of progress of oxidation in the reformer 19 (steps S6A, S6B, S7, S9) and adjusting the reforming rate of the
図11は、装置100の変形例である装置100Aの構成の一例を模式的に示す図である。装置100Aは、装置100の構成に加え、NHPI触媒などの触媒(粉体)を適宜な溶媒に混合した触媒溶液が貯留された触媒タンク40を有する。また、装置100Aは、改質器19に触媒を供給する触媒供給経路41上に、フィルタ42と、触媒を圧送する触媒ポンプ43と、触媒の流量を検出する流量計44と、触媒供給経路41を開閉する開閉弁45とを有する。
FIG. 11 is a diagram schematically showing an example of the configuration of a
装置100Aの改質器19は、触媒溶液が反応物とともに反応器内を流動する流動床反応器として機能する。この場合、触媒(粉体)の粒子径を小さくすることができ、反応効率を向上することができる。また、NHPI触媒は、改質燃料から分離する必要がなく、そのままインジェクタ11に供給することができるため、装置全体を簡易な構成とすることができる。
The
装置100Aの改質ユニット制御部53は、反応時間、空気量、熱媒量の調整に加え、触媒ポンプ43の動作を制御して触媒量を調整することで、改質器19による改質率を調整することができる。具体的には、触媒ポンプ43の動作を制御し、改質器19に供給される触媒量を低下させることで改質器19による改質率を低下させ、改質器19に供給される触媒量を増加させることで改質器19による改質率を上昇させることができる。
The reforming
本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)酸化反応により燃料を改質する装置100は、鉛直方向に延在する外管191と内管192とを有し、外管191と内管192との間に円筒空間193を形成する改質器19を備える(図6)。外管191は、円筒空間193に燃料と空気とを導入するように外管191の下部を貫通する導入孔194と、円筒空間193から空気を排出するように外管191の上部を貫通する空気排出孔195と、円筒空間193から燃料を排出するように外管191の導入孔194と空気排出孔195との間を貫通する燃料排出孔196a,196bとが設けられる(図6)。円筒空間193の上端193aおよび下端193bは閉鎖される。改質器19は、下端193bから燃料排出孔196a,196bまでの円筒空間193で導入孔194を介して供給された燃料が触媒存在下で酸化反応するように構成される。これにより、単一の二重管反応器である改質器19の下部の反応室198で酸化反応、上部の気液分離室199で気液分離を行うことができるため、装置100全体を簡易な構成とすることができる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The
(2)燃料排出孔196a,196bから上端193aまでの高さh2a,h2bは、外管191の内壁191aと内管192の外壁192aとの間の隙間gを消炎距離の2倍としたときに、燃料排出孔196a,196bから上端193aまでの円筒空間193で気液分離が可能な高さh0以上である。反応物から消炎距離以内の範囲に改質器19の内壁191aが存在するため、改質器19の安全性を高めることができる。
(2) The heights h2a and h2b from the
(3)燃料排出孔196a,196bから上端193aまでの高さh2a,h2bは、外管191の内壁191aと内管192の外壁192aとの間の隙間gを最大安全隙間としたときに、燃料排出孔196a,196bから上端193aまでの円筒空間193で気液分離が可能な高さh0以上である。酸化反応が進行する反応室198を最大安全隙間で構成することで、改質器19の安全性をさらに高めることができる。
(3) The heights h2a and h2b from the
(4)燃料排出孔196a,196bは、鉛直方向に複数設けられる。複数の燃料排出孔196a,196bを切り替え、反応室198の高さh1a,h1bを変更することで、酸化反応の反応時間を調整することができる。この場合、熱媒や空気、触媒の流量調整が不要となるため、装置全体を一層簡易な構成とすることができる。
(4) A plurality of
上記実施形態では、通常のオクタン価のガソリンの着火性を向上させて低オクタン価ガソリン相当に改質する酸化反応を例に説明したが、燃料改質装置は、酸化反応により燃料を改質するものであればよく、例示したものに限定されない。例えば、酸化反応によりガソリン燃料をアルコール燃料に改質するものでもよい。 In the above embodiment, the oxidation reaction for improving the ignitability of normal octane gasoline and reforming it to a low octane gasoline is explained as an example, but the fuel reformer reforms the fuel by the oxidation reaction. It is not limited to the exemplified ones. For example, gasoline fuel may be reformed into alcohol fuel by an oxidation reaction.
上記実施形態では、燃料の着火性が圧縮着火に適するか否かを評価するための閾値の一例として、具体的な燃料のオクタン価や、改質燃料中の過酸化物および酸化物の濃度を示して説明したが、各閾値は、これらに限定されるものではない。 In the above embodiment, examples of threshold values for evaluating whether the ignitability of the fuel is suitable for compression ignition include the specific octane number of the fuel and the concentrations of peroxides and oxides in the reformed fuel. However, each threshold is not limited to these.
上記実施形態では、燃料改質装置を車両(FFV)に搭載されたエンジン1に適用する例を示したが、車載エンジンに限らず、発電機や作業機などの製品に適用してもよい。
In the above embodiment, an example in which the fuel reformer is applied to the
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の1つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。 The above description is merely an example, and the present invention is not limited by the above-described embodiments and modifications as long as the features of the present invention are not impaired. It is also possible to arbitrarily combine one or more of the above embodiments and modifications, and it is also possible to combine modifications with each other.
1 エンジン、10 燃焼室、11 インジェクタ、12 筒内圧センサ、17 燃料タンク、17a 残量計、18 燃料供給経路、18a 第1経路、18b 第2経路、19 改質器、20 改質ユニット、23,34,45 開閉弁、26 濃度センサ、28 切替弁、32 空気ポンプ、40 触媒タンク、43 触媒ポンプ、50 コントローラ、51 CPU、52 メモリ、53 改質ユニット制御部、54 給油判定部、55 改質要否判定部、56 酸化進行度推定部、100,100A 燃料改質装置(装置)、191 外管、192 内管、193 円筒空間、193a 上端、193b 下端、194 導入孔、195 空気排出孔、196a,196b 燃料排出孔、197 還流経路、198 反応室、199 気液分離室
Claims (4)
鉛直方向に延在する外管と内管とを有し、前記外管と前記内管との間に円筒空間を形成する二重管を備え、
前記外管は、前記円筒空間に燃料と空気とを導入するように前記外管の下部を貫通する導入孔と、前記円筒空間から空気を排出するように前記外管の上部を貫通する空気排出孔と、前記円筒空間から燃料を排出するように前記外管の前記導入孔と前記空気排出孔との間を貫通する燃料排出孔と、が設けられ、
前記円筒空間の上端および下端は閉鎖され、
前記二重管は、前記下端から前記燃料排出孔までの前記円筒空間で前記導入孔を介して供給された燃料が触媒存在下で酸化反応するように構成されることを特徴とする燃料改質装置。 A fuel reformer that reforms fuel by an oxidation reaction,
A double tube having an outer tube and an inner tube extending in a vertical direction and forming a cylindrical space between the outer tube and the inner tube,
The outer tube has an introduction hole penetrating the lower part of the outer tube to introduce fuel and air into the cylindrical space, and an air outlet penetrating the upper part of the outer tube to discharge air from the cylindrical space. a hole and a fuel discharge hole penetrating between the introduction hole of the outer tube and the air discharge hole to discharge fuel from the cylindrical space;
the upper and lower ends of said cylindrical space are closed;
The fuel reformer, wherein the double pipe is configured such that the fuel supplied through the introduction hole is oxidized in the presence of a catalyst in the cylindrical space from the lower end to the fuel discharge hole. Device.
前記燃料排出孔から前記上端までの高さは、前記外管の内壁と前記内管の外壁との間の隙間を消炎距離の2倍としたときに、前記燃料排出孔から前記上端までの前記円筒空間で気液分離が可能な高さ以上であることを特徴とする燃料改質装置。 The fuel reformer of claim 1, wherein
The height from the fuel discharge hole to the upper end is the distance from the fuel discharge hole to the upper end when the gap between the inner wall of the outer tube and the outer wall of the inner tube is twice the flame extinction distance. A fuel reformer having a height equal to or higher than that capable of separating gas and liquid in a cylindrical space.
前記燃料排出孔から前記上端までの高さは、前記外管の内壁と前記内管の外壁との間の隙間を最大安全隙間としたときに、前記燃料排出孔から前記上端までの前記円筒空間で気液分離が可能な高さ以上であることを特徴とする燃料改質装置。 The fuel reformer of claim 1, wherein
The height from the fuel discharge hole to the upper end is the cylindrical space from the fuel discharge hole to the upper end when the gap between the inner wall of the outer pipe and the outer wall of the inner pipe is the maximum safe clearance. A fuel reformer characterized by having a height higher than that at which gas-liquid separation is possible.
前記燃料排出孔は、鉛直方向に複数設けられることを特徴とする燃料改質装置。 In the fuel reformer according to any one of claims 1 to 3,
A fuel reformer, wherein a plurality of said fuel discharge holes are provided in a vertical direction.
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