JP7245746B2 - 燃料改質方法および燃料改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料改質方法および燃料改質装置に関する。

特許文献１には、燃料改質触媒を有して水素を生成し、この生成した水素を燃料の一部として用いる内燃機関が開示されている。

特開２０１１－７０４７号公報

上記特許文献１においては、未暖機の燃料改質触媒に未燃燃料が接触し、燃料改質触媒に炭素が堆積して、性能が低下するおそれがある。
本発明の目的は、早期に燃料改質触媒の暖機を完了することができ、性能の低下を抑制した燃料改質方法および燃料改質装置を提供することにある。

本発明の燃料改質方法および燃料改質装置は、燃料改質触媒の暖機完了前には、再循環する排気ガスを昇温するとともに、燃料改質触媒の燃料改質触媒本体に再循環する排気ガスと改質用燃料が流入し、直接接触する第１通路と、燃料改質触媒本体の近傍で再循環する排気ガスが流入する第２通路を、第１通路を遮断するように切り替えることにより、燃料改質触媒の暖機を促進し、燃料改質触媒の暖機完了後には、再循環する排気ガスの昇温を中止するとともに、第１通路を開放するように切り替えることにより、燃料改質触媒による再循環する排気ガスと改質用燃料とから水素ガスを含む改質ガスの生成を開始する。

よって、早期に燃料改質触媒の暖機を完了することができ、性能の低下を抑制することができる。

実施形態１を適用する内燃機関システムの構成図である。 実施形態１の燃料改質触媒の暖機完了前の状態を示す図である。 実施形態１の燃料改質触媒の暖機完了後の状態を示す図である。 実施形態１の制御処理実行時の一例を示すタイムチャートである。 実施形態２の燃料改質触媒の暖機完了前と暖機完了後の状態を示す図である。

〔実施形態１〕
図１は、実施形態１を適用する内燃機関システムの構成図である。

本実施形態の内燃機関１は、自動車等の駆動源として用いられる、内燃機関であり、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１８によって制御される排気弁の開閉時期を変更する可変動弁装置（昇温手段）５０を有している。
この可変動弁装置５０は、後述するように、排気ガス（ＥＧＲガス）の昇温が必要な場合には、排気弁の開時期を早く（進角）するようにしている。
すなわち、可変動弁装置５０の例としては、ＶＴＣ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、ＶＶＥＬ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｅｖｅｎｔ ＆ Ｌｉｆｔ）などがある。
内燃機関１には、吸気通路２と排気通路３とが接続されている。吸気通路２には、スロットルチャンバ４が設けられている。
スロットルチャンバ４の下流側には、過給装置２６と、燃料タンク６から供給される燃料を吸気通路２内に向けて噴射する燃料噴射弁７とが設けられている。
また、スロットルチャンバ４の上流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ８が設けられている。
なお、過給装置２６は、例えばターボ過給機のコンプレッサとする。
排気通路３には、例えば三元触媒のように、排気浄化作用を有する排気触媒９が設けられている。
排気触媒９の上流側には、内燃機関１から排出された排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１０が設けられている。空燃比センサ１０は、空燃比に応じたリニアな出力特性を有する。
また、排気触媒９の下流側には、空燃比が理論空燃比よりリッチなのかリーンなのかのみを検出する酸素センサ１１が設けられている。

また、内燃機関１は、排気ガスの一部を吸気系に再循環させる排気再循環（ＥＧＲ）装置を備える。ＥＧＲ装置は、排気触媒９の上流側で排気通路３から分岐し、スロットルチャンバ４の下流側かつ過給装置２６の上流側で吸気通路２に合流するＥＧＲ通路（排気再循環通路）１２を含む。
そして、ＥＧＲ通路１２には、排気通路３側から順に、改質燃料用噴射弁１４、燃料蒸発器１５、燃料改質触媒１６、ＥＧＲクーラ１７、ＥＧＲ制御弁１３が設けられている。
ＥＧＲ制御弁１３の弁開度は、運転条件に応じた所定のＥＧＲ率が得られるように、ＥＣＵ１８によって制御される。

改質燃料用噴射弁１４は、燃料タンク６から図示しない燃料ポンプを介して供給される燃料を改質用燃料としてＥＧＲ通路１２内に噴射する。噴射された改質用燃料は、燃料蒸発器１５で気化され、ＥＧＲ通路１２内を流れる排気ガス（ＥＧＲガス）と共に燃料改質触媒１６に流入する。
なお、詳細は、後述するが、燃料改質触媒１６は、燃料改質触媒本体１６ａに直接接触するように排気ガス（ＥＧＲガス）と気化した改質用燃料が流入する第１通路Ａと燃料改質触媒本体１６ａの近傍において、燃料改質触媒ケース１６ｃの内周面とマット１６ｂ間の隙間である燃料改質触媒本体１６ａの外周を取り巻くように形成され、排気ガス（ＥＧＲガス）が流入する第２通路Ｂを有し、ＥＣＵ１８によって制御され、その通路切り替えを行うバタフライ弁（切替え弁）３０が、燃料改質触媒本体１６ａの燃料蒸発器１５側に設けられている（図２参照）。
このように、切替え弁をバタフライ弁３０で構成するようにしたので、単純な構造により、コストの増加を抑制することができる。
燃料改質触媒１６は、ＥＧＲガスと改質用燃料とを用いて水素を生成可能なものである。
つまり、燃料改質触媒１６は、ＥＧＲ実施中に、改質燃料用噴射弁１４から改質用燃料が噴射されると、ＥＧＲガスと改質用燃料とから水素を含んだ改質ガスを生成する。
なお、燃料改質触媒１６の温度は、温度センサ（暖機状態検出手段）１９により検出される。
すなわち、燃料改質装置は、改質燃料用噴射弁１４、燃料改質触媒１６、温度センサ１９、可変動弁装置５０を含む。
ＥＧＲガス及び改質ガスは、燃料改質触媒１６よりも吸気通路２側に設けられたＥＧＲクーラ１７にて冷却される。改質ガスに含まれる水素の濃度は、吸気通路２に配置された水素センサ２０により検出される。
なお、水素センサ２０は、吸気通路２のＥＧＲ通路１２との合流部よりも下流側、つまり内燃機関１側に配置されている。

なお、ＥＧＲ通路１２の改質燃料用噴射弁１４よりも排気通路３側には、ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温度センサ２１が設けられている。
また、ＥＧＲ制御弁１３とＥＧＲクーラ１７との間には、理論空燃比に対してリッチなのかリーンなのかのみを検出する酸素センサ２２が設けられている。

ＥＣＵ１８には、エアフローメータ８、空燃比センサ１０、酸素センサ１１、２２、ＥＧＲガス温度センサ２１、及び水素センサ２０の検出信号の他、クランク角センサ２３、アクセルペダル開度センサ２４、車速センサ２５、筒内圧センサ５等、各種センサ類の検出信号が入力される。
ＥＣＵ１８は、これらの検出信号に基づいて種々の制御を行うものであり、運転状態に応じて排気再循環量（ＥＧＲ量）を制御するＥＧＲ制御や、アクセルペダル開度に応じたスロットルチャンバ４の開度、燃料噴射弁７からの燃料噴射量、および改質燃料用噴射弁１４からの改質用燃料の噴射量、バタフライ弁３０の切替え等の制御を行う。
なお、ＥＣＵ１８は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＥＣＵ１８を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

ところで、ＥＧＲ通路１２内のガス流れは、排気通路３と吸気通路２との差圧により生じる。
また、排気通路３内には排気脈動が生じる。このため、排気脈動によって排気通路３の圧力が吸気通路２よりも低圧になると、ＥＧＲ通路１２内には吸気通路２側から排気通路３側へ向かうガス流れが生じる。
なお、以下の説明において、排気通路３側から吸気通路２側への向かうガス流れを「順流」といい、その反対方向のガス流れを「逆流」という。

ＥＧＲ通路１２内に逆流が生じている状態で改質燃料用噴射弁１４から改質用燃料を噴射すると、噴射された改質用燃料はＥＧＲ通路１２から排気通路３へ流入する。
つまり、未燃焼の燃料が排気通路３へ流入する。これにより、排気触媒９に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比よりもリッチになり、排気エミッションの悪化を招くこととなる。
また、改質用燃料が排気通路３へ流入してしまうと、改質ガスが内燃機関１へ供給されなくなり、燃費性能の低下を招くこととなる。
そこで、ＥＣＵ１８は、逆流によって改質用燃料が排気通路３へ流入することを防止し得る期間内で、運転状態に応じた量の改質用燃料を噴射する。

図２は、実施形態１の燃料改質触媒の暖機完了前の状態を示す図であり、図３は、実施形態１の燃料改質触媒の暖機完了後の状態を示す図である。

燃料改質触媒１６は、燃料改質触媒ケース１６ｃ内の中央に、燃料改質触媒本体１６ａと燃料改質触媒本体１６ａの外周を包囲するマット１６ｂを配置している。
また、燃料改質触媒ケース１６ｃの内周面とマット１６ｂの外周面との間には、マット１６ｂの外周を取り巻くように形成された隙間が設けられている。
すなわち、燃料改質触媒１６は、燃料改質触媒本体１６ａに直接接触するように排気ガス（ＥＧＲガス）と気化した改質用燃料が流入する第１通路Ａと、燃料改質触媒本体１６ａの近傍において、排気ガス（ＥＧＲガス）が流入する燃料改質触媒ケース１６ｃの内周面とマット１６ｂ間の隙間である燃料改質触媒本体１６ａの外周を取り巻くように形成された第２通路Ｂを有している。
また、燃料改質触媒本体１６ａのＥＧＲ通路１２の燃料蒸発器１５側には、第１通路Ａと第２通路Ｂの通路切り替えを、電動モータ３１により行う、中央部に回転中心を有するバタフライ弁３０が設けられている。

図２に示している状態が、燃料改質触媒１６の暖機完了前であり、バタフライ弁３０は第１通路Ａを遮断しており、燃料改質触媒本体１６ａの近傍において、燃料改質触媒ケース１６ｃの内周面とマット１６ｂ間の隙間である燃料改質触媒本体１６ａの外周を取り巻くように形成された第２通路Ｂに、排気ガス（ＥＧＲガス）が流入する。
図３に示している状態が、燃料改質触媒１６の暖機完了後であり、バタフライ弁３０は第１通路Ａを開放しており、燃料改質触媒本体１６ａに直接接触するように、第１通路Ａに、排気ガス（ＥＧＲガス）と気化した改質用燃料が流入し、燃料改質触媒１６は、ＥＧＲガスと改質用燃料とから水素を含んだ改質ガスの生成を開始する。
これにより、暖機完了前には、燃料改質触媒１６の暖機を促進することができ、燃料改質触媒１６の暖機完了後に、燃料改質触媒本体１６ａに直接接触するように、第１通路Ａに、排気ガス（ＥＧＲガス）と気化した改質用燃料が流入するので、燃料改質触媒本体１６ａに、炭素が堆積することを防止でき、性能の低下を抑制することができる。

図４は、実施形態１の制御処理実行時の一例を示すタイムチャートである。
横軸は、時間であり、一番上が燃料改質触媒１６の温度、その下がバタフライ弁３０の開度、排気弁の開時期、ＥＧＲ制御弁１３の開度、燃料改質触媒１６の燃料改質の実行状態、内燃機関１の水温の変化を示している。

時刻ｔ０で、内燃機関１が始動する。
このとき、バタフライ弁３０は、第１通路Ａを遮断する全閉状態である。
時刻ｔ１で、不図示の内燃機関１の水温センサからの情報により、内燃機関１の水温が所定温度Ｔ０（約６０°Ｃ）に達すると、可変動弁装置５０にて排気弁の開時期を早く（進角）させるとともに、ＥＧＲ制御弁１３の開度を全閉から全開にする。
時刻ｔ０以降、排気ガス（ＥＧＲガス）は、第２通路Ｂに流入しており、早期に燃料改質触媒１６の暖機を完了することができる。

時刻ｔ２では、燃料改質触媒１６の温度センサ１９からの情報により、燃料改質触媒１６の温度が第１所定値Ｔ１に達すると、第１通路Ａを閉じていたバタフライ弁３０の開度を、２／３開度ほど第１通路Ａが開放される開度とする。
これにより、燃料改質触媒１６は、排気ガス（ＥＧＲガス）と気化した改質用燃料とから水素を含んだ改質ガスの生成を開始する。

時刻ｔ３では、燃料改質触媒１６の温度センサ１９からの情報により、燃料改質触媒１６の温度が第２所定値Ｔ２（約６００°Ｃ）に達すると、バタフライ弁３０の開度を全開とし、解放された第１通路Ａに、排気ガス（ＥＧＲガス）と気化した改質用燃料が流入し、燃料改質触媒１６は、排気ガス（ＥＧＲガス）と気化した改質用燃料とから水素を含んだ改質ガスの生成を継続する。
このように、燃料改質触媒１６が暖機完了後に、排気ガス（ＥＧＲガス）と気化した改質用燃料を、燃料改質触媒本体１６ａに直接接触するように、第１通路Ａに流入するようにしたので、燃料改質触媒本体１６ａに、炭素が堆積することを防止でき、性能の低下を抑制することができる。
また、第２通路Ｂが、断熱層として機能するので、燃料改質触媒１６の温度低下を効果的に抑制することができる。

次に、作用効果を説明する。
実施形態１の内燃機関の燃料改質方法および燃料改質装置にあっては、以下に列挙する作用効果を奏する。

（１）燃料改質触媒１６が暖機完了前には、燃料改質触媒本体１６ａに直接接触する第１通路Ａをバタフライ弁３０で遮断することにより、燃料改質触媒本体１６ａの近傍において、燃料改質触媒ケース１６ｃの内周面とマット１６ｂ間の隙間である燃料改質触媒本体１６ａの外周を取り巻くように形成された第２通路Ｂに、排気ガス（ＥＧＲガス）が流入するようにした。
よって、早期に、燃料改質触媒１６の暖機を完了することができる。

（２）燃料改質触媒１６が暖機完了後には、第１通路Ａを、バタフライ弁３０を開放することにより、燃料改質触媒本体１６ａに直接接触するように排気ガス（ＥＧＲガス）と気化した改質用燃料を、第１通路Ａに流入するようにした。
よって、燃料改質触媒本体１６ａに、炭素が堆積することを防止でき、性能の低下を抑制することができる。

（３）燃料改質触媒１６が暖機完了前に、内燃機関１の水温が所定温度Ｔ０（約６０°Ｃ）に達すると、可変動弁装置５０にて排気弁の開時期を早く（進角）させるとともに、ＥＧＲ制御弁１３の開度を全閉から全開にするようにした。
よって、より早期に、燃料改質触媒１６の暖機を完了することができる

（４）燃料改質触媒１６が暖機完了後には、第２通路Ｂが、断熱層として機能するようにした。
よって、燃料改質触媒１６の温度低下を効果的に抑制することができる。

（５）切替え弁をバタフライ弁３０で構成するようにした。
よって、単純な構造により、コストの増加を抑制することができる。

図５は、実施形態２の燃料改質触媒の暖機完了前と暖機完了後の状態を示す図である。

第１通路Ａと第２通路Ｂを、それぞれ第１通路用内管１６１と第２通路用外管１６２で構成される二重管１６０とした。
また、バタフライ弁は、電動モータ３１ａで駆動される第１通路Ａ用の第１バタフライ弁３０ａと中央に第１通路Ａと同じ大きさの穴３０ｂ１を有する電動モータ３１ｂで駆動される第２通路Ｂ用の第２バタフライ弁３０ｂで構成している。
実線で示す第１バタフライ弁３０ａの位置は、第１通路Ａを遮断した状態であり、実線で示す第２バタフライ弁３０ｂの位置は、二重管と平行の位置にあり、第２通路を開放している状態である。
また、二点鎖線で示す第１バタフライ弁３０ａの位置は、第１通路Ａを開放した状態であり、二点鎖線で示す第２バタフライ弁３０ｂの位置は、第２通路Ｂを遮断した状態である。
なお、第２バタフライ弁３０ｂが第２通路Ｂを遮断した状態でも、穴３０ｂ１により、第１通路Ａは開放された状態である。
この点を除き、実施形態１と同じ構成であるため、同じ構成には同一符号を付して、説明は省略する。

以上説明したように、実施形態２にあっては実施形態１の作用効果に加え、以下に列挙する作用効果を奏する。
（１）第１通路Ａと第２通路Ｂを、それぞれ第１通路用内管１６１と第２通路用外管１６２で構成される二重管１６０とした。
よって、燃料改質触媒１６を単純な構成にできるので、コストをより安価にできる。

［他の実施例］
以上、本発明を実施するための形態を実施例に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は実施例に示した構成に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

１ 内燃機関
１２ ＥＧＲ通路（排気再循環通路）
１６ 燃料改質触媒
１６ａ 燃料改質触媒本体
１９ 温度センサ（暖機状態検出手段）
３０ バタフライ弁（切替え弁）
３０ａ 第１バタフライ弁（切替え弁）
３０ｂ 第２バタフライ弁（切替え弁）
５０ 可変動弁装置（昇温手段）
１６０ 二重管
Ａ 第１通路
Ｂ 第２通路

Claims (6)

1. 内燃機関の排気ガスの一部を吸気通路に再循環させ、燃料改質触媒により前記再循環する排気ガスと改質用燃料とから水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質方法において、
   前記燃料改質触媒の暖機状態を検出し、
   前記燃料改質触媒の暖機完了前には、前記再循環する排気ガスを昇温するとともに、
   前記燃料改質触媒の燃料改質触媒本体に前記再循環する排気ガスと改質用燃料が流入し、直接接触する第１通路と、前記燃料改質触媒本体の近傍で前記再循環する排気ガスが流入する第２通路を、前記第１通路を遮断し、前記第２通路を開放するように切り替えることにより、前記燃料改質触媒の暖機を促進し、
   前記燃料改質触媒の暖機完了後には、前記再循環する排気ガスの昇温を中止するとともに、
   前記第２通路を遮断し、前記第１通路を開放するように切り替えることにより、前記燃料改質触媒による前記再循環する排気ガスと改質用燃料とから水素ガスを含む改質ガスの生成を開始する、
   ことを特徴とする燃料改質方法。
2. 請求項１に記載の燃料改質方法において、
   前記内燃機関の排気弁の開閉時期を可変にできる可変動弁装置により、前記排気弁の開時期を進角させることで、前記再循環する排気ガスを昇温する、
   ことを特徴とする燃料改質方法。
3. 請求項１または２に記載の燃料改質方法において、
   前記第２通路は、前記第１通路の外周を取り巻くように形成し、
   前記第１通路と第２通路を切り替える、
   ことを特徴とする燃料改質方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料改質方法において、
   前記第１通路と第２通路は、二重管にて形成し、
   前記第１通路と第２通路を切り替える、
   ことを特徴とする燃料改質方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料改質方法において、
   前記第１通路と第２通路を切り替えは、バタフライ弁により行う、
   ことを特徴とする燃料改質方法。
6. 内燃機関の排気ガスの一部を吸気通路に再循環させる排気再循環通路に配置され、前記再循環する排気ガスと改質用燃料とから水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質触媒と、
   前記燃料改質触媒の暖機状態を検出する暖機状態検出センサと、
   前記再循環する排気ガスを昇温する昇温手段と、
   を有する燃料改質装置において、
   前記燃料改質触媒は、前記再循環する排気ガスと改質用燃料が流入し、前記燃料改質触媒の燃料改質触媒本体に直接接触する第１通路と、
   前記燃料改質触媒本体の近傍で、前記再循環する排気ガスが流入する第２通路と、
   前記第１通路と第２通路を切り替える切替え弁と、を有し、
   前記暖機状態検出センサの検出による前記燃料改質触媒が暖機完了前は、前記燃料改質触媒の暖機を促進するように、前記昇温手段により排気ガスを昇温するとともに、前記切替え弁が前記第１通路を閉鎖することにより、前記再循環する排気ガスを前記第２通路に流入させ、
   前記暖機状態検出センサの検出による前記燃料改質触媒が暖機完了後は、前記昇温手段による排気ガスの昇温を中止するとともに、前記切替え弁が前記第１通路を開放することにより、前記燃料改質触媒による前記再循環する排気ガスと改質用燃料とから水素ガスを含む改質ガスの生成を開始するように、前記再循環する排気ガスと改質用燃料を前記第１通路に流入させる、
   ことを特徴とする燃料改質装置。

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