WO2009104735A1 - 燃料改質装置 - Google Patents

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WO2009104735A1
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剛 本橋
仁志 三上
岩本　淳
真也 石丸
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel reformer capable of generating and supplying a reformed gas in a responsive manner when a reformed gas is required.
  • Non-Patent Document 1 Patent Document 1 and 2
  • NOx on the NOx absorption and purification catalyst NO 3 - is oxidized and absorbed in the form of.
  • the internal combustion engine controls the internal combustion engine to a rich condition, a state in which the exhaust gas contains less oxygen and a large amount of carbon monoxide and hydrocarbons are periodically formed, and under rich conditions (under a reducing atmosphere), Catalytic reduction and purification of NOx absorbed under lean conditions using carbon monoxide and hydrocarbons efficiently.
  • hydrogen enrichment means is provided upstream of the NOx absorption / purification catalyst made of platinum or the like containing alkali metal or alkaline earth metal disposed in the exhaust flow path, where hydrogen-containing gas A technique for producing (hereinafter referred to as a reformed gas) and introducing it to a NOx absorption / purification catalyst disposed downstream has been studied (see, for example, Patent Document 3).
  • a reformed gas consisting of hydrogen and carbon monoxide produced by the upstream hydrogen-enriching means is used in place of the hydrocarbon usually used as a reducing agent in the purification of NOx in the rich state.
  • Patent Document 4 the hydrogen enrichment means provided separately from the exhaust flow path of the internal combustion engine is operated independently of the internal combustion engine, and the manufactured reformed gas is introduced into the exhaust flow path.
  • This technology does not depend on the operating conditions of the internal combustion engine, such as the exhaust temperature, and therefore, it is possible to stably produce a reformed gas to be a reducing agent for NOx, as compared with the technology of Patent Document 3.
  • the fuel reforming reaction is a reaction in which the reaction proceeds at a high temperature of about 600 ° C. to 1200 ° C. using hydrocarbon which is a fuel, to generate a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide.
  • Fuel reforming reactions are roughly classified into two types, partial oxidation reactions and steam reforming reactions, depending on the difference in oxidant.
  • Reaction formula (I) Reaction which produces
  • This reaction is an exothermic reaction based on fuel and oxygen. For this reason, as a result of the reaction proceeding spontaneously, once the reaction is started, the supply of heat from the outside is unnecessary. However, when the fuel and oxygen coexist in the high temperature state, the combustion reaction (complete oxidation reaction) as shown in reaction formula (II) also proceeds simultaneously on the catalyst. Therefore, the catalyst temperature may increase more than intended, and the control of the reaction is not easy.
  • Reaction formula (III) Reaction formula (III).
  • This reaction is an endothermic reaction using fuel and water as raw materials. For this reason, as a result of the fact that the reaction does not proceed spontaneously, the supply of heat from the outside is indispensable, but the control of the reaction is easy.
  • the emission of NOx in an internal combustion engine is characterized in that the air-fuel ratio of the internal combustion engine (hereinafter also referred to as engine A / F) is lean and is discharged at high load, and is always discharged. Do not mean. Under such a situation where NOx and the like are not discharged, even if the reformed gas is produced and supplied, it is naturally impossible to obtain the purification effect of NOx and the like. Conversely, it consumes fuel unnecessarily and adversely affects fuel efficiency. Further, when the reformed gas is introduced at cold start when the exhaust catalyst is not sufficiently activated, carbon monoxide in the reformed gas is discharged without being purified in the exhaust flow path of the internal combustion engine. Will occur. Therefore, in the techniques of Patent Documents 3 and 4, when the manufactured reformed gas is used as a reducing agent such as NOx, the reformed gas is produced and supplied with good responsiveness in synchronization with the discharge timing of NOx etc. Is required.
  • the maximum temperature of the reforming catalyst needs to be 300 ° C. or higher (activation start temperature) in order for the reforming reaction to start to occur spontaneously.
  • activation start temperature in order to react instantaneously at the time of startup to produce and supply the reformed gas, it is preferable to keep the maximum temperature of the reforming catalyst within the range of 600 ° C. to 1200 ° C. (reaction temperature). Therefore, usually, when the internal combustion engine discharges NOx and the like, the catalyst is heated to the activation start temperature by the heating unit provided outside. Next, after the catalyst is further heated to the reaction temperature by self-heating of the reaction, the reformed gas is produced and supplied while maintaining the reaction temperature.
  • the supply of the reformed gas to the exhaust flow path is stopped by stopping the input of the raw material to the reforming catalyst. Then, when the internal combustion engine discharges NOx and the like again, if the maximum temperature of the reforming catalyst is equal to or higher than the activation start temperature, the temperature of the reforming catalyst is raised only by the reforming reaction by self heat generation without using heating means. . On the other hand, if the maximum temperature of the reforming catalyst is lower than the activation start temperature, the reforming catalyst is heated using an external heating means up to the activation start temperature, and then the temperature is raised to the reaction temperature by self-heating. Process to produce and supply a reformed gas while maintaining the reaction temperature.
  • a tank for temporarily storing the reformed gas was provided at the rear stage of the fuel reformer and manufactured.
  • a system may be considered in which the reformed gas is temporarily stored in the tank, and the reformed gas stored in the tank is introduced into the exhaust flow path, for example, at the timing of discharging NOx.
  • a target requiring a responsive supply synchronized with the discharge time of NOx and the like is a supply means for supplying the reformed gas stored in the tank into the exhaust flow path of the internal combustion engine, Excellent response is not required for the vessel itself. Therefore, according to this system, it is possible to supply the reformed gas, for example, in synchronization with the NOx discharge timing.
  • the pressure in the fuel reformer needs to be set higher than the internal pressure of the tank in the subsequent stage, so the reformer must be operated under more pressure. Therefore, the reforming reaction can not be performed efficiently, the amount of fuel used may increase, and there is a possibility that the non-reformed HC is discharged.
  • a large tank is required in order to supply a sufficient amount of reformed gas into the exhaust flow path. As a result, on-boarding of the vehicle is restricted in its layout.
  • the auxiliary equipment other than the reformer such as the tank itself and the reformed gas supply means to the exhaust flow path, is required, the system becomes complicated and the cost increases.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to be able to generate and supply a reformed gas with good responsiveness when reformed gas is required, and to be inexpensively installed in a vehicle Providing a fuel reformer suitable for
  • the present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, in addition to the stop mode and the reforming mode, according to the fuel reforming apparatus provided with the standby mode capable of instantaneously shifting to the reforming mode, it is found that the above problems can be solved, and the present invention is completed. It came to More specifically, the present invention provides the following inventions.
  • the present invention provides a fuel reformer for supplying a reforming catalyst with a raw material comprising air and fuel, and producing a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide at a pressure higher than atmospheric pressure.
  • the fuel reforming apparatus includes a raw material supply unit that supplies the raw material to the reforming catalyst, and the reforming catalyst, and reforms the raw material supplied from the raw material supply unit to generate the reformed gas. And a control unit configured to control the operation of the fuel reformer.
  • the operation control means stops the driving of the raw material supply means and stops the generation of the reformed gas, the reforming mode which drives the raw material supply means and generates the reformed gas, and A standby mode capable of instantaneously shifting to the reforming mode by driving the raw material supply means and maintaining the temperature of the reforming catalyst within a predetermined range without generating the reformed gas as much as possible; It is feasible to drive.
  • the fuel reformer supplies the raw material to the reforming catalyst without supplying the raw material consisting of air and fuel to the reforming catalyst, and supplies the raw material to the reforming catalyst.
  • the raw material is supplied to the reforming catalyst, and the temperature of the reforming catalyst is maintained within a predetermined range without generating the reforming gas as much as possible, so that the reforming mode is instantaneously generated. It is characterized by having a standby mode that enables transition to the For this reason, as in the conventional fuel reformer, when switching to the reforming mode, it is possible to shift to the reforming mode instantaneously without requiring time until the reforming catalyst is activated. Therefore, only when the reformed gas is required, the reformed gas can be generated and supplied with good responsiveness. Further, since it is not necessary to separately use storage means such as a tank, it is inexpensive and compact, and is suitable for mounting on a vehicle.
  • FIG. 1 shows the operation mode of the fuel reformer, the operation state of the internal combustion engine corresponding to each operation mode, and the fuel reformer when the fuel reformer of the present invention is used for exhaust gas purification of the internal combustion engine.
  • the driving situation etc. are shown schematically.
  • the operation mode of the fuel reformer according to the present invention is roughly classified into three types: stop mode, reforming mode and standby mode.
  • oxygen contained in air and used for the reforming reaction is shown instead of air.
  • the stop mode no raw material is input to the reforming catalyst, and there is no generation of the reforming gas and the temperature rise of the reforming catalyst accompanying it.
  • the stop mode is preferably used, for example, when the internal combustion engine is stopped or when the internal combustion engine does not require reformed gas for a long time even when the internal combustion engine is in operation. .
  • the raw material is supplied to the reforming catalyst at an optimum air amount, fuel amount, and reforming air-fuel ratio A / F to efficiently generate the reforming gas, and the reforming gas is generated.
  • the reforming catalyst is kept at a high temperature.
  • the reforming mode is used, for example, when exhausting NOx during high-speed operation and high-load operation when the internal combustion engine is in operation and when it is used in the exhaust flow path of the internal combustion engine, or adsorption / storage in the NOx adsorption / storage catalyst. It is preferable to use it at the time of processing NOx.
  • the standby mode it is optimal to prepare for a quick mode transition to the reforming mode, keep the reforming catalyst temperature as high as possible with a small amount of fuel, and minimize the formation of reformed gases such as hydrogen and carbon monoxide.
  • the raw material is supplied to the reforming catalyst and operated with the amount of air, the amount of fuel, and the reforming air-fuel ratio A / F.
  • the standby mode is, for example, used during the transition from the stop mode to the reforming mode, or between the reforming mode and the reforming mode, but is temporarily changed when used in the exhaust flow path of the internal combustion engine. It is preferable to be used when not requiring quality gas.
  • the reforming mode is changed to the standby mode except when the internal combustion engine has a high speed and a high load, so that reformed gas is not generated as much as possible.
  • the temperature of the quality catalyst can be maintained at the optimum temperature for the reforming reaction. Therefore, even when the internal combustion engine is shifted to the condition where NOx and the like are discharged again, the mode can be instantly switched to the reforming mode, and the reformed gas can be generated and supplied again with a time difference of several seconds. Therefore, according to the fuel reformer of the present invention, it is possible to generate and supply the reformed gas with good responsiveness, for example, in synchronization with the NOx discharge timing of the internal combustion engine.
  • the operation control means sets a maximum temperature of the reforming catalyst in a range of 300 ° C. to 1200 ° C. in the operation of the standby mode and at the transition between the standby mode and the reforming mode. Control within.
  • the fuel reformer sets the maximum temperature of the reforming catalyst within the range of 300 ° C. to 1200 ° C. at the time of operation in the standby mode and at the transition between the standby mode and the reforming mode. Control is performed.
  • the maximum temperature of the reforming catalyst means the temperature of the highest temperature portion of the reforming catalyst.
  • the maximum temperature of the reforming catalyst falls below 300 ° C., which is the temperature at which the reforming reaction starts to occur spontaneously (activation start temperature), unless it is externally heated Even if the raw materials are charged, the reforming reaction does not proceed. That is, in the case of transition from the stop mode to the direct reforming mode, a heating means is required.
  • the temperature of the reforming catalyst is controlled by controlling the maximum temperature of the reforming catalyst within the range of 300 ° C. to 1200 ° C.
  • the reformed gas can be generated and supplied with good responsiveness in synchronization with the NOx emission timing without deterioration.
  • the fuel reformer further comprises catalyst temperature detection means for detecting the temperature of the reforming catalyst.
  • the operation control means includes a raw material control means for controlling the amount of air, the amount of fuel, and the reforming air-fuel ratio [A / F] of the raw material supplied by the raw material supply means, and is detected by the catalyst temperature detection means The operation of the standby mode is performed by driving the raw material control means based on the temperature of the reforming catalyst.
  • the fuel reformer includes catalyst temperature detection means for detecting the temperature of the reforming catalyst, and supplies the reforming catalyst to the reforming catalyst based on the temperature of the reforming catalyst detected by the catalyst temperature detection means.
  • the standby mode is executed by controlling the amount of air of the raw material, the amount of fuel, and the reforming air-fuel ratio [A / F].
  • the reforming air-fuel ratio [A / F] is different from the engine air-fuel ratio [A / F] and the exhaust air-fuel ratio [A / F], and the reforming means included in the reforming means of the fuel reforming apparatus It means the air-fuel ratio [A / F] of the raw material gas supplied to the catalyst.
  • the catalyst temperature detection means is provided, it is possible to accurately grasp the temperature, reaction state, etc. of the reforming catalyst due to fluctuation of the raw material supply amount during mode transition, so that mode transition can be performed quickly and safely. be able to.
  • the temperature of the catalyst when transitioning between the reforming mode and the standby mode, depending on the ratio and amount of raw materials, the temperature of the catalyst may be increased or reduced depending on the ratio of amounts of raw materials when changing the amount of supplied raw materials. Since there is a risk that the temperature will be too low below the activation start temperature, mode transition can be made while constantly monitoring the temperature of the reforming catalyst, and such a risk can be avoided. Also, by monitoring the temperature of the reforming catalyst, even if the reforming catalyst has deteriorated for some reason, the temperature fluctuates according to the state of deterioration in a steady state such as the reforming mode. Therefore, it can also be used as means for detecting deterioration of the reforming catalyst.
  • the temperature of the reforming catalyst for example, it is also conceivable to monitor the temperature of the reformed gas, but the temperature of the reformed gas has a smaller absolute value than the temperature of the reforming catalyst, and the mode transition It is preferable to measure the temperature of the reforming catalyst because the temperature fluctuation range in the interval etc. becomes smaller.
  • the raw material control unit controls the reforming air-fuel ratio [A / F] s and the fuel amount [C] s of the raw material supplied by the raw material supply unit in the reforming mode.
  • the air of the raw material so as to satisfy the relationship of the following formulas (1) and (2) with respect to the reforming air-fuel ratio [A / F] r and the fuel amount [C] r of the raw material supplied by the supply means
  • the amount, fuel amount, and reforming air-fuel ratio [A / F] are controlled.
  • the reforming air-fuel ratio [A / F] s and the fuel amount [C] s of the raw material supplied by the raw material supply means in the standby mode are the raw material supply means in the reforming mode
  • the amount of air and fuel of the raw material to satisfy the relationship of the above equations (1) and (2) with respect to the reformed air-fuel ratio [A / F] r and the amount of fuel [C] r of the raw material supplied by And the reforming air-fuel ratio [A / F].
  • FIG. 2 shows the relationship between the amount of fuel, the temperature of the reforming catalyst, and the amount of generated reformed gas with respect to the reforming air-fuel ratio [A / F] in the fuel reforming reaction by the partial oxidation reaction.
  • the catalyst can be prevented from being exposed to ultra-high temperature to be deteriorated or generating coke by operating in such a manner as to satisfy the relationship as in the above equation.
  • the temperature optimum for the reforming reaction can be maintained without generating a reforming gas, and the standby mode can be executed more reliably.
  • the raw material control means controls the reforming air-fuel ratio [A / F] s to be higher than stoichiometric in the standby mode.
  • the raw material control means controls the reforming air-fuel ratio [A / F] r to less than the stoichiometric ratio in the reforming mode.
  • the reforming air-fuel ratio [A / F] s of the raw material is controlled to the stoichiometry or higher, and in the reforming mode, the reforming air-fuel ratio of the raw material / F] r is controlled to less than stoichiometry. Therefore, the temperature of the reforming catalyst can be maintained at a high temperature without generating the reformed gas in the standby mode, and the reformed gas can be efficiently generated and supplied in the reforming mode.
  • stoichiometry means the stoichiometry ratio in the complete combustion reaction.
  • the amount of fuel when the amount of fuel is constant, the amount of reformed gas produced changes depending on the reforming air-fuel ratio [A / F] of the raw material supplied to the reforming catalyst. Then, when the reforming air-fuel ratio [A / F] becomes stoichiometric or higher, there is a characteristic that the reforming gas is not generated. This is because, as the reforming air-fuel ratio [A / F] becomes smaller at the stoichiometry, the partial oxidation reaction for producing the reformed gas proceeds more dominantly, whereas the reforming air-fuel ratio [A / F] becomes the stoichiometry As the boundary becomes larger, the complete oxidation reaction which does not generate a reformed gas proceeds more dominantly.
  • the calorific value in the reforming reaction is also characterized in that the complete oxidation reaction is larger than the partial oxidation reaction.
  • the present invention utilizes these characteristics, that is, in the reforming mode, the partial oxidation reaction can be favorably advanced to generate reformed gas efficiently, and the reforming air-fuel ratio [A / F] is less than the stoichiometry Carry out the operation at On the other hand, in the standby mode, heat is generated efficiently to keep the reforming catalyst at high temperature (in addition, at this time, the amount of fuel used is reduced relative to the reforming mode) and the reformed gas The operation is carried out at a reforming air-fuel ratio [A / F] of at least the stoichiometry, where as little as possible, preferably not at all, are generated. Thereby, the role of each mode can be sufficiently achieved.
  • the reforming catalyst comprises at least one metal catalyst component selected from the group consisting of rhodium, platinum, palladium, nickel and cobalt, and at least one group selected from the group consisting of ceria, zirconia, alumina and titania. Species oxides or complex oxides based on these.
  • the fuel reformer comprises, as the reforming catalyst, at least one metal catalyst component selected from the group consisting of rhodium, platinum, palladium, nickel and cobalt, ceria, zirconia, alumina and titania.
  • a catalyst prepared by using at least one oxide selected from the group consisting of or a complex oxide having these basic compositions is used. This achieves efficient operation of the reforming mode and the standby mode.
  • the characteristics required of the reforming catalyst in the present invention include an activation start temperature of 300 ° C. or less, high partial oxidation reaction activity in the reforming mode, high complete oxidation reaction activity in the standby mode, up to 1200 ° C. The thermal degradation is small with respect to the use temperature of the above, and the like.
  • the reforming catalyst selected from the above has these characteristics.
  • a reforming catalyst other than the above for example, as a result of the activation start temperature becoming as high as 300 ° C. or more, more time is required for mode transition, and as a result, the catalyst activity itself becomes lower, the reforming mode This is not preferable because sufficient reformed gas can not be generated in the above, or high temperature can not be maintained in the standby mode.
  • the fuel reformer is used to supply the reformed gas to an exhaust system of an internal combustion engine.
  • the operation control means includes mode switching timing determination means for determining the switching timing of each mode based on the operation information of the internal combustion engine.
  • the fuel reformer is used to supply the reformed gas to the exhaust system of the internal combustion engine, and the switching timing of each mode of the stop mode, the reforming mode, and the standby mode is A mode switching timing determination means is provided which makes a determination based on the driving information. Therefore, the reformed gas can be generated and supplied with good responsiveness in synchronization with the NOx discharge timing of the internal combustion engine.
  • the operation information of the internal combustion engine includes an engine rotational speed, a fuel injection amount, an exhaust air-fuel ratio [A / F], an intake air amount, an exhaust purification catalyst temperature and the like. From these pieces of operation information, for example, the NOx emission behavior of the internal combustion engine is estimated, and the switching timing of the operation mode is determined.
  • the NOx storage and adsorption amount has dependency on the temperature of the exhaust purification catalyst, so the temperature information of the exhaust purification catalyst It is preferable to determine the mode switching timing based on the above.
  • FIG. 3 is a block diagram of a fuel reformer 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel reforming apparatus 10 includes a raw material supply unit 11 as a raw material supply unit, a reforming unit 12 as a reforming unit, a catalyst temperature sensor 13 as a catalyst temperature detection unit, and an electronic control unit (ECU) 14. Equipped with
  • the fuel used in the present embodiment is not particularly limited as long as it contains a hydrocarbon, such as gasoline and light oil.
  • a hydrocarbon such as gasoline and light oil.
  • a fuel containing a larger amount of heavy hydrocarbons is used, and light oil is more preferably used.
  • the raw material supply part 11 should just be what can supply the raw material which consists of air and a fuel to the reforming part 12, and is comprised from the fuel supply part 11a, the air supply part 11b, the mixing part 11c etc.
  • the raw material supply unit 11 configured of these components is electrically connected by the ECU 14, and the ECU 14 controls the amount of fuel, the amount of air, and the reforming air-fuel ratio through the fuel supply unit 11 a, the air supply unit 11 b, and the mixing unit 11 c. A / F] is controlled.
  • the fuel supply unit 11a includes a fuel flow passage through which the fuel flows, a fuel supply valve whose opening and closing times are controlled by the ECU 14, and an injector which injects the fuel flowing through the fuel passage. It may be.
  • One end of the fuel flow path is connected to the fuel tank, and the other end is connected to the injector.
  • the fuel flow path leads the fuel stored in the fuel tank from the fuel tank to the injector.
  • the injector injects the fuel flowing through the fuel flow path into the mixing unit 11c.
  • the injected fuel is vaporized in the mixing unit 11c and uniformly mixed with air.
  • the air supply unit 11 b has an air flow path through which air flows, an air supply valve whose opening and closing times are controlled by the ECU 14, and a negative pressure in the air flow path to make the air And a suction pump that sucks and leads the mixture into the mixing unit 11c.
  • One end of the air flow passage 12a is connected to the air filter, and the other end is connected to the mixing unit 11c.
  • the mixing unit 11c a mixed gas in which the fuel supplied from the fuel supply unit 11a and the air supplied from the air supply unit 11b are uniformly mixed is generated.
  • the mixed gas mixed in the mixing unit 11 c is introduced into the reforming unit 12.
  • the reforming unit 12 includes a reforming catalyst.
  • the raw material supplied from the raw material supply unit 11 is reformed by the reforming reaction by the action of the reforming catalyst, and is converted into a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide.
  • the reforming catalyst is not particularly limited, and a conventionally known reforming catalyst can be used. Specifically, at least one metal catalyst component selected from the group consisting of rhodium, platinum, palladium, nickel and cobalt and at least one oxide selected from the group consisting of ceria, zirconia, alumina and titania Alternatively, a reforming catalyst containing a complex oxide containing these as a basic composition is preferably used. These reforming catalysts are preferably supported on a cordierite honeycomb structure and used.
  • the catalyst temperature sensor 13 may be any sensor capable of detecting the temperature of the reforming catalyst, and a conventionally known temperature sensor is used.
  • the catalyst temperature sensor 13 is electrically connected by the ECU 14, and a signal detected by the catalyst temperature sensor 13 is supplied to the ECU 14.
  • the ECU 14 shapes input signal waveforms from various sensors, corrects a voltage level to a predetermined level, converts an analog signal value to a digital signal value, and the like, and an central processing unit (hereinafter referred to as “central processing unit And the CPU).
  • the ECU 14 includes a memory circuit that stores various calculation programs executed by the CPU, calculation results, and the like, and an output circuit that outputs control signals to the raw material supply unit 11, the reforming unit 12, and the like.
  • the ECU 14 is configured by an operation control unit that controls the operation of the fuel reformer 10.
  • the operation control means stops the drive of the raw material supply unit 11 and stops the generation of the reformed gas
  • the reforming mode drives the raw material supply unit 11 and generates the reformed gas
  • the raw material supply unit 11 Drive the motor and hold the temperature of the reforming catalyst within a predetermined range without generating the reformed gas as much as possible, and execute the operation of the standby mode that enables the transition to the reforming mode in an instant It has become possible.
  • the operation control means controls the maximum temperature of the reforming catalyst within the range of 300 ° C. to 1200 ° C. in the operation of the standby mode and at the transition between the standby mode and the reforming mode.
  • the operation control means includes a raw material control means for controlling the amount of air, the amount of fuel, and the air fuel ratio of the raw material supplied by the raw material supply unit 11. Further, when the fuel reformer 10 is used to supply the reformed gas to the exhaust system of the internal combustion engine, the operation control means determines the switching timing of each mode based on the operation information of the internal combustion engine The apparatus further comprises switching time determination means.
  • the raw material is supplied to the reforming catalyst, and the temperature of the reforming catalyst is maintained within the predetermined range without generating the reformed gas, so that the reform can be instantaneously performed.
  • the standby mode that enables the transition to the quality mode, when switching to the reforming mode, it is possible to instantaneously transition to the reforming mode without requiring time until the reforming catalyst is activated. .
  • the maximum temperature of the reforming catalyst is 300 ° C. to 1200 ° C. in the operation of the standby mode and at the transition between the standby mode and the reforming mode.
  • the amount of air, fuel, and the amount of raw material supplied to the reforming catalyst based on the temperature of the reforming catalyst detected by the catalyst temperature sensor 13
  • the air-fuel ratio [A / F] By controlling the air-fuel ratio [A / F], the state of the reforming reaction can be accurately grasped.
  • the temperature of the reforming catalyst can be reliably maintained within a predetermined range without generating a reformed gas. It is possible to shift to the reforming mode instantly.
  • the temperature, reaction state, and the like of the reforming catalyst can be accurately grasped due to the fluctuation of the raw material supply amount between the mode transition, the transition between the modes can be performed quickly and safely.
  • the reforming air-fuel ratio [A / F] s and the fuel amount [C] s of the raw material supplied by the raw material supply unit 11 in the standby mode are The raw material so as to satisfy the relationships of the above equations (1) and (2) with respect to the reforming air-fuel ratio [A / F] r and the fuel amount [C] r of the raw material supplied by the raw material supply unit 11 in the mode
  • By controlling the amount of air, the amount of fuel, and the reforming air-fuel ratio [A / F] it is possible to prevent the catalyst from being exposed to ultra-high temperature and deteriorating or generating coke.
  • by reducing the amount of fuel used for the reforming mode it is possible to maintain the temperature optimum for the reforming reaction without generating a reforming gas, and the standby mode can be reliably executed.
  • the reforming air-fuel ratio [A / F] s of the raw material is controlled to be at least stoichiometric, and in the reforming mode, the reforming air-fuel ratio of the raw material
  • the [A / F] r is less than the stoichiometry
  • the partial oxidation reaction can be advanced favorably and the reformed gas can be efficiently generated
  • the complete oxidation reaction is advanced more favorably. It is possible to efficiently generate the amount of heat for maintaining the reforming catalyst at a high temperature without generating the reforming gas.
  • the fuel reformer 10 according to the present embodiment when used to supply the reformed gas to the exhaust system of the internal combustion engine, the switching timing of each mode of the stop mode, the reforming mode, and the standby mode
  • the reformed gas can be generated and supplied with good responsiveness in synchronization with the NOx discharge timing of the internal combustion engine.
  • the reformed gas generated by the fuel reformer 10 according to the present embodiment is supplied upstream of the NOx purification catalyst disposed in the exhaust system of the lean or rich controlled internal combustion engine. The effect is noticeable.
  • ⁇ Preparation of reforming catalyst> The raw material powder was weighed so that rhodium was 1% by mass ratio to ceria, and was put into a ball mill together with an aqueous medium, and was stirred and mixed to prepare a slurry. The resulting slurry was coated on a 50 cc metal carrier at 100 g / L, dried at 600 ° C. for 2 hours, and calcined to prepare a 1% by mass Rh / CeO 2 reforming catalyst.
  • ⁇ Reforming test> The prepared reforming catalyst was packed in a reformer, and a reforming test was performed.
  • the reforming test the operating conditions of the reformer were divided into three stages. Specifically, in Example 1, the reforming test was performed by sequentially adopting (1) reforming mode, (2) standby mode, and (3) reforming mode as the operation mode of the reformer. In Comparative Example 1, (1) reforming mode, (2) stop mode, and (3) reforming mode are sequentially adopted, and in Comparative Example 2, (1) reforming mode, (2) reforming mode, (3) A reforming test was conducted by sequentially adopting the reforming mode. In addition, the amount of air and the amount of fuel of the raw material in each operation mode were as follows.
  • ⁇ ⁇ represents the ratio of air to fuel when the reforming air-fuel ratio [A / F] is 1 at stoichiometry.
  • Air volume 20 L / min.
  • Fuel amount: 4.8 g / min. ( ⁇ 0.33)
  • Fuel amount: 0.05 g / min. ( ⁇ 1.16)
  • the reforming test is performed under the above conditions, the amount of fuel used in mode (2), the amount of hydrogen generated in mode (2), the reforming catalyst temperature at the transition from mode (2) to mode (3), mode ( The time required for hydrogen regeneration in 3) was measured.
  • the amount of generated hydrogen was measured using a mass spectrometer manufactured by PHEIFFER VACUUM.
  • Table 1 shows the test conditions and test results in the example and each comparative example.
  • FIG. 4 shows changes with time of the amount of fuel, the temperature of the reforming catalyst, and the amount of generated hydrogen in Examples and Comparative Examples.
  • the hydrogen generation amount is almost zero, and that no reformed gas is generated.
  • the fuel amount in the standby mode of Example 1 was 0.05 g / min, which was about 1/100 of the fuel amount in the reforming mode of Comparative Example 2.
  • the amount of fuel used can be suppressed while the supply of the reformed gas is continued in the reforming mode by setting the reforming air-fuel ratio [A / F] to 1 or more in the standby mode. Therefore, the test results proved the effects of the present invention.

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Abstract

改質ガスが要求されたときに応答性良く改質ガスを生成・供給でき、且つ安価で車両への搭載に適した燃料改質装置を提供する。 原料を改質触媒に供給し、大気圧より大きい圧力で改質ガスを生成するための燃料改質装置において、前記原料を前記改質触媒に供給する原料供給手段と、前記改質触媒を備え、前記原料供給手段から供給された原料を改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、前記燃料改質装置の運転を制御する運転制御手段と、を備え、前記運転制御手段は、前記原料供給手段の駆動を停止し、前記改質ガスの生成を停止させる停止モードと、前記原料供給手段を駆動させ、前記改質ガスを生成させる改質モードと、前記原料供給手段を駆動させ、前記改質ガスを極力生成させることなく前記改質触媒の温度を所定の範囲内に保持することで、瞬時に前記改質モードへの移行を可能とするスタンバイモードと、を有する。

Description

燃料改質装置
　本発明は、改質ガスが要求されたときに応答性良く改質ガスを生成・供給できる燃料改質装置に関する。
　近年、発電機や自動車等の内燃機関から大気中へ排出される様々な環境汚染物質が問題視されている。環境汚染物質は、酸性雨や光化学スモッグの原因となるうえ、人体の健康被害の原因ともなり、世界的にその排出量を規制する動きがある。特に、ディーゼルエンジンやガソリンのリーンバーンエンジン等の内燃機関では、希薄燃焼を行うため、例えば窒素酸化物（以下、ＮＯｘともいう）が多く排出される。ＮＯｘ等は、車両上での浄化が容易ではないため、その効率的な浄化技術の検討が進められている。
　例えば、希薄燃焼が行われる内燃機関からの排気中に含まれるＮＯｘを浄化する方法として、排気が酸素過剰となるリーン条件下において、ＮＯｘ吸蔵・吸着触媒を通してＮＯｘを一時的に吸収・吸着する技術が知られている。この技術では、ＮＯｘを吸収・吸着した後、一時的に燃料噴射量を増加させることで排気中の酸素濃度が低いリッチ条件を作り出し、吸収・吸着されたＮＯｘを還元する。
　例えば、カリウム等のアルカリ金属、バリウム等のアルカリ土類金属等と、白金等を組み合わせてなるＮＯｘ吸収・浄化触媒を用いた技術が検討されている（例えば、非特許文献１、特許文献１及び２参照）。この技術では、先ず、リーン条件下において酸素を利用し、ＮＯｘ吸収・浄化触媒上でＮＯｘをＮＯ３ －の形で酸化・吸収する。次いで、内燃機関をリッチ条件に制御することにより、排気中に酸素が少なく、且つ一酸化炭素及び炭化水素が多く存在する状態を周期的に形成するとともに、リッチ条件下（還元雰囲気下）において、リーン条件下で吸収されたＮＯｘを、一酸化炭素及び炭化水素を用いて効率良く接触還元・浄化する。
　また、上記の技術をベースとして、排気流路内に配置されたアルカリ金属やアルカリ土類金属を含有した白金等からなるＮＯｘ吸収・浄化触媒の上流に水素富化手段を設け、そこで水素含有気体（以下、改質ガスという）を製造し、下流に配置されたＮＯｘ吸収・浄化触媒に導入する技術が検討されている（例えば、特許文献３参照）。この技術では、リッチ時のＮＯｘの浄化に際し、還元剤として通常使用される炭化水素の代わりに、上流の水素富化手段で製造される水素及び一酸化炭素からなる改質ガスが利用される。
　また、特許文献３に類似した技術として、内燃機関の排気流路とは別に設けられた水素富化手段を内燃機関とは独立して運転し、製造した改質ガスを排気流路内に導入する技術が検討されている（例えば、特許文献４参照）。この技術は、排気温度等の内燃機関の運転条件に左右されることがないため、特許文献３の技術に比して、ＮＯｘの還元剤となる改質ガスを安定して製造できる。
　上記水素富化手段としては、燃料を用いた燃料改質反応がよく利用される。燃料改質反応とは、燃料である炭化水素を用いて、約６００℃～１２００℃の高温にて反応を進め、水素及び一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する反応である。燃料改質反応は、酸化剤の違いにより、部分酸化反応と水蒸気改質反応の２種類に大きく分類される。
　部分酸化反応により、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する反応を、反応式（Ｉ）に示す。この反応は、燃料及び酸素を原科とした発熱反応である。このため、自発的に反応が進行する結果、一旦反応が開始されると、外部からの熱の供給が不要である。ただし、高温状態で燃料と酸素とを共存させた場合には、反応式（ＩＩ）に示すような燃焼反応（完全酸化反応）も触媒上で同時に進行する。このため、触媒温度が意図する以上に上昇するおそれがあり、反応の制御が容易ではない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
　水蒸気改質反応により、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する反応を、反応式（ＩＩＩ）に示す。この反応は、燃料及び水を原料とした吸熱反応である。このため、自発的には反応が進行しない結果、外部からの熱の供給が不可欠である一方、反応の制御は容易である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 特許第２５８６７３８号公報 特許第２６００４９２号公報 特許第３６４２２７３号公報 特開２００６－２４２０２０号 「ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒システムの開発」自動車技術会論文集　Ｖｏｌ．２６，ＮＯ．４，Ｏｃｔｏｂｅｒ　１９９５
　しかしながら、例えば、内燃機関におけるＮＯｘの排出は、主に内燃機関の空燃比（以下、エンジンＡ／Ｆともいう）がリーンで、且つ高負荷時に排出されるという性質があり、常時排出されているわけではない。このようなＮＯｘ等が排出されない状況下では、改質ガスを製造・供給しても、当然にＮＯｘ等の浄化効果を得ることはできない。逆に、燃料を不必要に消費してしまい、燃費に悪影響を与える。また、排気触媒が十分に活性化されていないコールドスタート時に改質ガスを導入すると、改質ガス中の一酸化炭素が、内燃機関の排気流路内で浄化されずに排出されてしまうといった問題が生ずる。従って、特許文献３及び４の技術においては、製造された改質ガスをＮＯｘ等の還元剤として使用する場合、改質ガスはＮＯｘ等の排出時期に同期して応答性良く製造・供給されることが求められる。
　ところで、部分酸化反応を利用した燃料改質装置では、改質反応が自発的に起こり始めるためには、改質触媒の最高温度が３００℃以上（活性開始温度）であることが必要である。また、起動時に瞬時に反応させて改質ガスを製造・供給するためには、改質触媒の最高温度を６００℃～１２００℃（反応温度）の範囲内に保持することが好ましい。このため、通常、内燃機関がＮＯｘ等を排出する時には、外部に設けられた加熱手段により、活性開始温度まで触媒が加熱される。次いで、反応による自己発熱で反応温度までさらに触媒が加熱された後、反応温度を維持しながら改質ガスが製造・供給される。内燃機関がＮＯｘ等を排出しない時には、改質触媒への原料の投入を停止することで排気流路への改質ガスの供給を停止する。そして、再度、内燃機関がＮＯｘ等を排出する時には、改質触媒の最高温度が活性開始温度以上であれば、加熱手段を用いることなく自己発熱による改質反応のみで改質触媒を昇温させる。一方、改質触媒の最高温度が活性開始温度以下であれば、活性開始温度までは外部からの加熱手段を用いて改質触媒を加熱し、次いで自己発熱により反応温度まで改質触媒を昇温させ、反応温度を維持しながら改質ガスを製造・供給するといったプロセスを経る。
　しかしながら、再製造・再供給の際に、特に改質触媒の最高温度が活性開始温度をも下回った状態で、再度、改質ガスを製造・供給しようとする場合、活性開始温度までの加熱手段による加熱に加え、自己発熱による反応温度までの昇温といった動作には、少なくとも数十秒の時間を要する。このため、例えば内燃機関のＮＯｘの排出時期に同期して、改質ガスを応答性良く製造・供絵することができないといった問題を抱えている。
　上記問題の解決方法として、再起動する際に必要な温度を得るために、外部の加熱手段を利用し、改質触媒の最高温度を常に活性開始温度以上に保持する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、加熱に要するエネルギー量が膨大となり、特に車両オンボード用としては大幅な燃費の悪化を招く。
　また、水蒸気改質反応を利用した燃料改質装置においても、水蒸気改質反応が吸熱反応であるため、反応中も外部からの加熱が必要となる。このため、外部の加熱手段を常時用いることができれば、反応温度が低下することを回避できるものの、加熱に用いるエネルギー量は膨大であり、特に車両オンボード用としては大幅な燃費の悪化を招く。
　一方、上記以外の他の解決方法として、特に排気流路外に設置された水素含有ガス供給装置においては、改質ガスを一時的に貯蔵するタンクを燃料改質器の後段に備え、製造した改質ガスを一時的にタンクに貯蔵し、例えばＮＯｘの排出時期に合わせて、タンクに貯蔵された改質ガスを排気流路内に導入するシステムが考えられる。このシステムでは、ＮＯｘ等の排出時期に同期した応答性の良い供給が求められる対象が、タンクに貯蔵された改質ガスを内燃機関の排気流路内に供給する供給手段であり、燃料改質器自体には優れた応答性は求められない。従って、このシステムによれば、例えばＮＯｘの排出時期に同期して改質ガスを供給できる。
　しかしながら、このシステムは、構成上、燃料改質器内の圧力を後段のタンクの内圧以上に設定する必要があるため、より加圧下で改質器を運転しなければならない。このため、効率良く改質反応を行うことができず、燃料の使用量が増加し、未改質ＨＣが排出されるおそれがある。また、十分な量の改質ガスを排気流路内に供給するためには、大型のタンクが必要となる結果、車両へのオンボードの際には、そのレイアウトに制約が生ずる。さらには、タンク自体や排気流路への改質ガス供給手段等、改質器以外の補機類が必要となるため、システムが複雑化してコストの増加に繋がる等の問題が生ずる。
　本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質ガスが要求されたときに応答性良く改質ガスを生成・供給でき、且つ安価で車両への搭載に適した燃料改質装置を提供することにある。
　本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、停止モード及び改質モードに加えて、瞬時に改質モードへの移行を可能とするスタンバイモードを設けた燃料改質装置によれば、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のような発明を提供する。
　上記目的を達成するため本発明は、空気及び燃料からなる原料を改質触媒に供給し、大気圧より大きい圧力で水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成するための燃料改質装置を提供する。前記燃料改質装置は、前記原料を前記改質触媒に供給する原料供給手段と、前記改質触媒を備え、前記原料供給手段から供給された原料を改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、前記燃料改質装置の運転を制御する運転制御手段と、を備える。前記運転制御手段は、前記原料供給手段の駆動を停止し、前記改質ガスの生成を停止させる停止モードと、前記原料供給手段を駆動させ、前記改質ガスを生成させる改質モードと、前記原料供給手段を駆動させ、前記改質ガスを極力生成させることなく前記改質触媒の温度を所定の範囲内に保持することで、瞬時に前記改質モードへの移行を可能とするスタンバイモードと、の運転を実行可能である。
　この構成によれば、燃料改質装置は、空気及び燃料からなる原料を改質触媒に供給せずに、改質ガスを生成させない停止モードと、原料を改質触媒に供給し、改質ガスを効率良く生成させる改質モードに加え、原料を改質触媒に供給し、改質ガスを極力生成させることなく改質触媒の温度を所定の範囲内に保持することで、瞬時に改質モードへの移行を可能とするスタンバイモードを有することを特徴とする。このため、従来の燃料改質装置のように、改質モードへの切換の際に、改質触媒が活性化されるまでの時間を要することなく、瞬時に改質モードへ移行できる。従って、改質ガスが要求された時にのみ、応答性良く改質ガスを生成・供給できる。また、タンク等の貯蔵手段を別途用いる必要が無いため、安価で小型であり、車両への搭載に適する。
　図１に、本発明の燃料改質装置を内燃機関の排気浄化に利用する場合において、燃料改質装置の各運転モード、各運転モードに対応した内燃機関の運転状況、及び燃料改質装置の運転状況等を模式的に示す。図１に示されるように、本発明の燃料改質装置の運転モードは、停止モード、改質モード、スタンバイモードの３種類に大別される。なお、図１では、空気中に含まれ、且つ改質反応に利用される酸素を、空気の代わりに示してある。
　停止モードでは、改質触媒に原料は投入されず、改質ガスの生成やそれに伴う改質触媒の温度上昇もない。停止モードは、内燃機関の排気流路に用いられる場合、例えば、内燃機関停止時やあるいは内燃機関が運転時であっても明らかに長時間改質ガスを要求しない時等で用いられることが好ましい。
　改質モードでは、改質ガスを効率良く生成させるために最適な空気量、燃料量、及び改質空燃比Ａ／Ｆで原料が改質触媒に供給され、改質ガスが生成されるに伴い改質触媒が高温に保たれる。改質モードは、内燃機関の排気流路に用いられる場合、例えば、内燃機関が運転時であって高回転・高負荷時等のＮＯｘを排出する時や、ＮＯｘ吸着・吸蔵触媒において吸着・吸蔵ＮＯｘを処理する時等で用いられることが好ましい。
　スタンバイモードでは、改質モードへの迅速なモード移行に備え、改質触媒温度をできるだけ少ない燃料量にて高温に保ち、且つ水素や一酸化炭素等の改質ガスを極力生成させない様、最適な空気量、燃料量、及び改質空燃比Ａ／Ｆで原料が改質触媒に供給され運転される。スタンバイモードは、内燃機関の排気流路に用いられる場合、例えば、停止モードから改質モードへの移行間に用いられたり、改質モードと改質モードの間であって、しかしながら一時的に改質ガスを要求しない時等で用いられることが好ましい。
　一般に、内燃機関は高回転、高負荷時にＮＯｘ等が多量に排出され、それ以外での運転条件ではＮＯｘ等の排出量は少ない。このため、改質ガスを内燃機関の排気流路内に供給する場合には、高回転、高負荷時にのみ改質ガスを生成・供給し、それ以外での運転条件においては、改質ガスを生成しないことが望ましい。この点、仮に、一旦停止モードにしてしまうと、改質触媒の温度が低下してしまう結果、内燃機関が再びＮＯｘ等が排出される運転条件に移行した場合であっても、再び改質ガスを生成・供給できるまでに少なくとも数十秒もの時間を要してしまい、例えばＮＯｘの排出時期に同期して応答性良く改質ガスを生成・供給できない。また、仮に、改質モードのまま保持した場合には、常時改質ガスを排気流路内に供給することになり、特に、排気浄化触媒が未活性の時には、供給された改質ガス中の一酸化炭素がそのまま大気中に放出され、エミッションに悪影響を与える。また、供給された改質ガスが有効利用されないまま放出されてしまうため、燃費にも悪影響を与える。
　これに対して、本発明の燃料改質装置では、内燃機関が高回転、高負荷である時以外は、改質モードをスタンバイモードとしておくことにより、改質ガスを極力生成させることなく、改質触媒の温度を改質反応に最適な温度に保持できる。このため、内燃機関で再びＮＯｘ等が排出される条件に移行した際にも、瞬時に改質モードへと切換でき、数秒の時間差で再び改質ガスを生成・供給できる。従って、本発明の燃料改質装置によれば、例えば内燃機関のＮＯｘの排出時期に同期して、改質ガスを応答性良く生成・供給できる。
　好ましくは、前記運転制御手段は、前記スタンバイモードの運転時、及び、前記スタンバイモードと前記改質モードとのモード間移行時において、前記改質触媒の最高温度を、３００℃～１２００℃の範囲内に制御する。
　この構成によれば、燃料改質装置は、スタンバイモードの運転時、及び、スタンバイモードと改質モードとのモード間移行時において、改質触媒の最高温度を３００℃～１２００℃の範囲内に制御して運転が行われる。ここで、改質触媒の最高温度とは、改質触媒のうち最も高温化している部分の温度を意味する。改質触媒を利用した燃料の改質反応では、改質触媒の最高温度が、改質反応が自発的に起こり始める温度（活性開始温度）である３００℃を下回った場合、外部から加熱しない限り、原料を投入しても改質反応は進行しない。即ち、停止モードから直接改質モードへ移行する場合には、加熱手段が必要である。従って、改質触媒の最高温度を３００℃以上に制御することにより、スタンバイモードの設定による効果が十分に発揮される。一方、改質触媒の最高温度が１２００℃を上回った場合、改質触媒の熱劣化が促進され、改質性能を保持できなくなるおそれがある。このため、スタンバイモードの運転時、及び、スタンバイモードと改質モードとのモード間移行時に、改質触媒の最高温度を３００℃～１２００℃の範囲内に制御することにより、改質触媒を熱劣化させることがなく、例えばＮＯｘの排出時期に同期して応答性良く改質ガスを生成・供給できる。なお、改質触媒の最高温度が高いほど、改質モード移行時の応答性が良くなる傾向があり、改質触媒の最高温度が６００℃～１２００℃の範囲内に制御されることがより好ましい。この場合には、スタンバイモードから改質モードへの移行に要する時間がさらに短縮される。
　好ましくは、前記燃料改質装置は、前記改質触媒の温度を検出する触媒温度検出手段をさらに備える。前記運転制御手段は、前記原料供給手段により供給される原料の空気量、燃料量、及び改質空燃比［Ａ／Ｆ］を制御する原料制御手段を備え、前記触媒温度検出手段により検出された前記改質触媒の温度に基づいて前記原料制御手段を駆動させることにより、前記スタンバイモードの運転を実行する。
　この構成によれば、燃料改質装置は、改質触媒の温度を検出する触媒温度検出手段を備え、この触媒温度検出手段により検出された改質触媒の温度に基づいて、改質触媒に供給する原料の空気量、燃料量、及び改質空燃比［Ａ／Ｆ］を制御することで、スタンバイモードを実行する。触媒温度検出手段により改質触媒の温度を検出することで、改質反応の状況を正確に把握することができる結果、改質ガスを生成させることなく改質触媒の温度を所定の範囲内に保持でき、瞬時に改質モードへの移行を可能とするスタンバイモードを確実に実行できる。ここで、改質空燃比［Ａ／Ｆ］とは、エンジン空燃比［Ａ／Ｆ］や排気空燃比［Ａ／Ｆ］とは異なり、燃料改質装置の改質手段に備えられた改質触媒に供給された原料ガスの空燃比［Ａ／Ｆ］を意味する。
　また、触媒温度検出手段を備えていることにより、モード移行間での原料供給量の変動による改質触媒の温度や反応状況等を正確に把握できるため、モード間の移行を迅速且つ安全に行うことができる。特に、改質モードとスタンバイモードの間を移行する場合、原料供給量を変動させて移行させる際に、原料の比率や量によっては、触媒を超高温化させてしまったり、逆に低温化させすぎて活性開始温度を下回ってしまう危険性があるところ、改質触媒の温度を常にモニターしながらモード移行することができ、そのような危険を回避できる。また、改質触媒の温度をモニターすることで、仮に何らかの理由で改質触媒が劣化してしまった場合であっても、改質モード等の定常状態にてその温度が劣化状況に応じて変動するため、改質触媒の劣化検知手段としても利用できる。なお、改質触媒の温度以外にも、例えば改質ガス温度等をモニターすることも考えられるが、改質ガスの温度は改質触媒の温度に比して温度の絶対値が小さく、モード移行間等での温度変動幅がより小さくなるため、改質触媒の温度を測定することが好ましい。
　好ましくは、前記原料制御手段は、前記スタンバイモードで前記原料供給手段により供給される前記原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｓ及び燃料量［Ｃ］ｓが、前記改質モードで前記原料供給手段により供給される前記原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｒ及び燃料量［Ｃ］ｒに対して、下記式（１）及び（２）の関係を満足するように前記原料の空気量、燃料量、及び改質空燃比［Ａ／Ｆ］を制御する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　この構成によれば、燃料改質装置は、スタンバイモードで原料供給手段により供給される原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｓ及び燃料量［Ｃ］ｓが、改質モードで原料供給手段により供給される原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｒ及び燃料量［Ｃ］ｒに対して、上記式（１）及び（２）の関係を満足するように原料の空気量、燃料量、及び改質空燃比［Ａ／Ｆ］を制御する。
　図２に、部分酸化反応による燃料改質反応において、改質空燃比［Ａ／Ｆ］に対する、燃料量、改質触媒温度、及び改質ガス生成量の関係を示す。改質反応においては、改質ガスが効率的に生成するある原料比率が存在する。このため、改質モードでは、その原料比率下で、改質触媒が耐熱性を維持できる温度を示す改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｒにて運転されることが最も効率的で好ましい。また、図２に示されるように、スタンバイモードでは、改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｓが改質モードでの改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｒに対し、小さくても大きくてもいずれでも改質ガス生成量を減少させることができる。しかしながら、改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｒに対し改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｓを小さくした場合には、コークや未改質ＨＣが発生し易くなり、改質触媒の活性低下を引き起こすため好ましくない。加えて、基本的には燃料量を増加させる方向であり、燃費にも悪影響を与えるため好ましくない。このため、［Ａ／Ｆ］ｓ＞［Ａ／Ｆ］ｒであることが求められるが、この条件下で仮に［Ｃ］ｓ≧［Ｃ］ｒとすると、改質モード時に比して改質触媒の温度が上昇して超高温状態となる結果、改質触媒の熱劣化を招くため好ましくない。
　従って、上記式のような関係を満たすようにして運転することにより、触媒が超高温に晒されて劣化したり、コークが発生したりすることを回避できる。また、改質モードに対して使用燃料量を少なくすることで、改質ガスを生成させることなく改質反応に最適な温度を保持でき、スタンバイモードをより確実に実行できる。
　好ましくは、前記原料制御手段は、前記スタンバイモードにおいて前記改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｓをストイキ以上に制御する。
　好ましくは、前記原料制御手段は、前記改質モードにおいて前記改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｒをストイキ未満に制御する。
　この構成によれば、燃料改質装置は、スタンバイモードにおいて、原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｓがストイキ以上に制御され、また、改質モードにおいて、原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｒがストイキ未満に制御される。このため、スタンバイモードでは改質ガスを生成させることなく、改質触媒の温度を高温に保持することができ、改質モードでは改質ガスを効率良く生成・供給できる。ここで、ストイキとは、完全燃焼反応における化学量論比を意味する。
　図２に示されるように、燃料量を一定にした場合、改質ガス生成量は、改質触媒に供給される原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］によって変化する。そして、改質空燃比［Ａ／Ｆ］がストイキ以上となると、改質ガスが生成されなくなるという特性を有している。これは、改質空燃比［Ａ／Ｆ］がストイキを境に小さくなるほど、改質ガスを生成する部分酸化反応がより優位に進行するのに対し、改質空燃比［Ａ／Ｆ］がストイキを境に大きくなるほど、改質ガスを生成しない完全酸化反応がより優位に進行するようになるからである。
　また、燃料量を一定にした場合、改質反応における発熱量は、部分酸化反応よりも完全酸化反応の方が大きいという特性も有している。本発明は、これらの特性を利用したものであり、即ち、改質モードでは、部分酸化反応を優位に進めて改質ガスを効率良く生成できる、改質空燃比［Ａ／Ｆ］がストイキ未満で運転を実施する。一方、スタンバイモードでは、改質触媒を高温に保持しておくための熱量を効率的に発生させ（加えて、この時、燃料使用量は改質モードに対して減少させる）、且つ改質ガスを極力生成させない、好ましくは全く生成させない、改質空燃比［Ａ／Ｆ］がストイキ以上で運転を実施する。これにより、各モードの役割を十分に達成させることができる。
　好ましくは、前記改質触媒は、ロジウム、白金、パラジウム、ニッケル、及びコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属触媒成分と、セリア、ジルコニア、アルミナ、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物又はこれらを基本組成とした複合酸化物と、を含む。
　この構成によれば、燃料改質装置は、改質触媒として、ロジウム、白金、パラジウム、ニッケル、及びコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属触媒成分と、セリア、ジルコニア、アルミナ、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物又はこれらを基本組成とした複合酸化物によって調製された触媒が用いられる。これにより、改質モード及びスタンバイモードの効率的な運転が達成される。本発明において改質触媒に求められる特性としては、活性開始温度が３００℃以下であること、改質モードにおいて部分酸化反応活性が高いこと、スタンバイモードにおいて完全酸化反応活性が高いこと、１２００℃までの使用温度に対し熱劣化が小さいこと、等が挙げられるところ、上記の中から選ばれた改質触媒であれば、これらの特性を備える。上記以外の改質触媒を用いた場合には、例えば、活性開始温度が３００℃以上と高くなる結果、モード移行により多くの時間が必要となったり、触媒活性自体が低くなる結果、改質モードにおいて十分な改質ガスを生成できなかったり、スタンバイモードで高温を保持できなかったりするため好ましくない。
　好ましくは、燃料改質装置は、内燃機関の排気系に前記改質ガスを供給するために用いられる。前記運転制御手段は、前記各モードの切換時期を、前記内燃機関の運転情報に基づいて判断するモード切換時期判断手段を備える。
　この構成によれば、燃料改質装置は、内燃機関の排気系に改質ガスを供給するために用いられ、停止モード、改質モード、及びスタンバイモードの各モードの切換時期を、内燃機関の運転情報に基づいて判断するモード切換時期判断手段を備える。このため、内燃機関のＮＯｘ排出時期に同期して改質ガスを応答性良く生成・供給できる。内燃機関の運転情報としては、エンジン回転数、燃料噴射量、排気空燃比［Ａ／Ｆ］、吸入空気量、排気浄化触媒温度等が挙げられる。これらの運転情報から、例えば内燃機関のＮＯｘ排出挙動を推定し、運転モードの切換時期が判断される。また、排気浄化触媒としてＮＯｘ吸蔵・吸着触媒を排気系に設置して用いる場合には、ＮＯｘ吸蔵・吸着量は排気浄化触媒の温度に対し依存性を持つことから、排気浄化触媒の温度情報に基づいてモード切換時期を判断することが好ましい。
本発明に係る燃料改質装置の運転モードを説明するための図である。 本発明に係る燃料改質装置の改質モードとスタンバイモードを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る燃料改質装置のブロック図である。 実施例及び比較例のテスト結果を示す図である。
符号の説明
　１０　　燃料改質装置
　１１　　原料供給部
　１２　　改質部
　１３　　触媒温度センサ
　１４　　ＥＣＵ
発明を実施するための形態
　以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
　図３は、本発明の一実施形態に係る燃料改質装置１０のブロック図である。本実施形態に係る燃料改質装置１０は、原料供給手段としての原料供給部１１、改質手段としての改質部１２、触媒温度検出手段としての触媒温度センサ１３、ＥＣＵ（電子制御ユニット）１４を備える。
　本実施形態で用いられる燃料は、炭化水素を含有するものであればよく、ガソリン、軽油等、特に限定されない。好ましくは、重質の炭化水素をより多く含有する燃料が用いられ、軽油がより好ましく用いられる。
　原料供給部１１は、空気及び燃料からなる原料を改質部１２に供給できるものであればよく、燃料供給部１１ａ、空気供給部１１ｂ、混合部１１ｃ等から構成される。これらから構成される原料供給部１１は、ＥＣＵ１４により電気的に接続され、ＥＣＵ１４により、燃料供給部１１ａ、空気供給部１１ｂ、及び混合部１１ｃを通じて、燃料量、空気量、及び改質空燃比［Ａ／Ｆ］が制御される。
　燃料供給部１１ａは、燃料が流通する燃料流路と、ＥＣＵ１４により開弁時間及び閉弁時間が制御される燃料供給弁と、燃料流路を流通した燃料を噴射する噴射器と、を備えるものであってよい。燃料流路は、一端が燃料タンクに接続され、他端が噴射器に接続される。燃料流路は、燃料タンク中に貯留されている燃料を、燃料タンクから噴射器へと導く。噴射器は、燃料流路を流通した燃料を、混合部１１ｃ内に噴射する。噴射された燃料は、混合部１１ｃ内で気化され、空気と均一に混合される。
　空気供給部１１ｂは、空気が流通する空気流路と、ＥＣＵ１４により開弁時間及び閉弁時間が制御される空気供給弁と、この空気流路内の圧力を負圧とすることにより、空気を吸引して混合部１１ｃ内に導く吸引ポンプと、を備えるものであってよい。空気流路１２ａの一端はエアフィルタに接続され、他端は混合部１１ｃに接続される。
　混合部１１ｃでは、燃料供給部１１ａから供給された燃料と、空気供給部１１ｂから供給された空気とが均一に混合された混合ガスが生成される。混合部１１ｃ内において混合された混合ガスは、改質部１２内に導かれる。
　改質部１２は、改質触媒を備える。原料供給部１１から供給された原料は、改質触媒の作用による改質反応により改質され、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスに変換される。改質触媒としては特に限定されず、従来公知の改質触媒を用いることができる。具体的には、ロジウム、白金、パラジウム、ニッケル、及びコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属触媒成分と、セリア、ジルコニア、アルミナ、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物又はこれらを基本組成とした複合酸化物と、を含む改質触媒が好ましく用いられる。これらの改質触媒は、好ましくは、コーディエライト製ハニカム構造体に担持されて用いられる。
　触媒温度センサ１３は、改質触媒の温度を検出できるものであればよく、従来公知の温度センサが用いられる。触媒温度センサ１３はＥＣＵ１４により電気的に接続され、触媒温度センサ１３により検出された信号は、ＥＣＵ１４に供給される。
　ＥＣＵ１４は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ１４は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、原料供給部１１、改質部１２等に制御信号を出力する出力回路とを備える。
　本実施形態に係る燃料改質装置１０では、燃料改質装置１０の運転を制御する運転制御手段等によりＥＣＵ１４は構成される。運転制御手段は、原料供給部１１の駆動を停止し、改質ガスの生成を停止させる停止モードと、原料供給部１１を駆動させ、改質ガスを生成させる改質モードと、原料供給部１１を駆動させ、改質ガスを極力生成させることなく改質触媒の温度を所定の範囲内に保持することで、瞬時に改質モードへの移行を可能とするスタンバイモードと、の運転を実行することが可能となっている。
　運転制御手段は、スタンバイモードの運転時、及び、スタンバイモードと改質モードとのモード間移行時において、改質触媒の最高温度を、３００℃～１２００℃の範囲内に制御する。また、運転制御手段は、原料供給部１１により供給される原料の空気量、燃料量、及び空燃比を制御する原料制御手段を備える。また、燃料改質装置１０が内燃機関の排気系に改質ガスを供給するために用いられる場合に、運転制御手段は、各モードの切換時期を、内燃機関の運転情報に基づいて判断するモード切換時期判断手段をさらに備える。
　本実施形態に係る燃料改質装置１０の効果について説明する。本実施形態に係る燃料改質装置１０によれば、原料を改質触媒に供給し、改質ガスを生成させることなく改質触媒の温度を所定の範囲内に保持することで、瞬時に改質モードへの移行を可能とするスタンバイモードを有することから、改質モードへの切換の際に、改質触媒が活性化されるまでの時間を要することなく、瞬時に改質モードへ移行できる。
　また、本実施形態に係る燃料改質装置１０によれば、スタンバイモードの運転時、及び、スタンバイモードと改質モードとのモード間移行時において、改質触媒の最高温度を３００℃～１２００℃の範囲内に制御して運転することにより、改質触媒を熱劣化させることがなく、例えばＮＯｘの排出時期に同期して応答性良く改質ガスを生成・供給できる。
　また、本実施形態に係る燃料改質装置１０によれば、触媒温度センサ１３により検出された改質触媒の温度に基づいて、改質触媒に供給する原料の空気量、燃料量、及び改質空燃比［Ａ／Ｆ］を制御することにより、改質反応の状況を正確に把握することができる結果、改質ガスを生成させることなく改質触媒の温度を所定の範囲内に確実に保持でき、瞬時に改質モードへ移行できる。また、モード移行間での原料供給量の変動による改質触媒の温度や反応状況等を正確に把握できるため、モード間の移行を迅速且つ安全に行うことができる。
　また、本実施形態に係る燃料改質装置１０によれば、スタンバイモードで原料供給部１１により供給される原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｓ及び燃料量［Ｃ］ｓが、改質モードで原料供給部１１により供給される原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｒ及び燃料量［Ｃ］ｒに対して、上記式（１）及び（２）の関係を満足するように原料の空気量、燃料量、及び改質空燃比［Ａ／Ｆ］を制御することにより、触媒が超高温に晒されて劣化したり、コークが発生したりすることを回避できる。また、改質モードに対して使用燃料量を少なくすることで、改質ガスを生成させることなく改質反応に最適な温度を保持でき、スタンバイモードを確実に実行できる。
　また、本実施形態に係る燃料改質装置１０によれば、スタンバイモードにおいて、原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｓをストイキ以上に制御し、改質モードにおいて、原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｒがストイキ未満に制御することにより、改質モードでは、部分酸化反応を優位に進めて改質ガスを効率良く生成できる一方、スタンバイモードでは、完全酸化反応をより優位に進め、改質ガスを生成させることなく、改質触媒を高温に保持しておくための熱量を効率的に発生させることができる。
　また、本実施形態に係る燃料改質装置１０を、内燃機関の排気系に改質ガスを供給するために用いた場合には、停止モード、改質モード、及びスタンバイモードの各モードの切換時期が、内燃機関の運転情報に基づいて判断できるため、例えば内燃機関のＮＯｘ排出時期に同期して改質ガスを応答性良く生成・供給できる。特に、リーン又はリッチ制御される内燃機関の排気系に配置されるＮＯｘ浄化触媒の上流に、本実施形態に係る燃料改質装置１０により生成された改質ガスを供給することにより、本発明の効果が顕著に発揮される。
　以下、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
＜改質触媒の調製＞
　セリアに対してロジウムが質量比で１％となるように原料粉末を秤量し、水系媒体とともにボールミルに投入して撹拌・混合することにより、スラリーを調製した。得られたスラリーを、５０ｃｃのメタル製担体に１００ｇ／Ｌにてコーティングし、６００℃で２時間の乾燥、焼成を行うことにより、１質量％Ｒｈ／ＣｅＯ２の改質触媒を調製した。
＜改質テスト＞
　調製した改質触媒を改質器内に充填し、改質テストを実施した。改質テストは、改質器の運転条件を３段階に分けて行った。具体的には、実施例１では、改質器の運転モードとして、（１）改質モード、（２）スタンバイモード、（３）改質モードを順次採用して改質テストを実施した。また、比較例１では、（１）改質モード、（２）停止モード、（３）改質モードを順次採用し、比較例２では、（１）改質モード、（２）改質モード、（３）改質モードを順次採用して改質テストを実施した。なお、各運転モードにおける原料の空気量及び燃料量は以下の通りとした。なお、空気としては、Ｏ２＝２０．９％の模擬空気ボンベを用い、燃料としては、ＵＳ認定軽油（Ｈ／Ｃ）＝１．８１（ｍｏｌ／ｍｏｌ）をそれぞれ用いた。また、下記のΛは、改質空燃比［Ａ／Ｆ］でストイキを１とした時の空気と燃料の比率を表す。
［改質モード］
空気量：２０Ｌ／ｍｉｎ．
燃料量：４．８ｇ／ｍｉｎ．（Λ＝０．３３）
［スタンバイモード］
空気量：０．７Ｌ／ｍｉｎ．
燃料量：０．０５ｇ／ｍｉｎ．（Λ＝１．１６）
［停止モード］
空気量：０Ｌ／ｍｉｎ．
燃料量：０ｇ／ｍｉｎ．
　上記の条件で改質テストを実施し、モード（２）における燃料使用量、モード（２）における水素生成量、モード（２）からモード（３）への移行時の改質触媒温度、モード（３）における水素の再生成に要した時間をそれぞれ測定した。改質ガスの分析には、ＰＨＥＩＦＦＥＲ　ＶＡＣＵＵＭ製の質量分析計を用い、水素生成量を測定した。表１に実施例、各比較例におけるテスト条件、及びテスト結果を示す。また、図４に、実施例、各比較例における燃料量、改質触媒温度、水素生成量の経時変化を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
＜結果＞
　表１及び図４に示されるように、停止モードから改質モードへの移行を行った比較例１では、一旦停止モードにした後、再び改質モードに移行して改質ガス（水素）が十分に生成されるまでに３４秒もの時間を要した。これに対して、スタンバイモードから改質モードへの移行を行った実施例１では、一旦スタンバイモードにした後、再び改質モードに移行してわずか３秒で改質ガス（水素）を生成できた。これは、スタンバイモードにて改質触媒温度を９１０℃と高温に保っていたため、改質モードへの移行時に応答性良く改質ガス（水素）を生成できたと考えられる。また、スタンバイモード中では水素生成量はほぼ０であり、改質ガスを生成していないことも確認された。一方、実施例１のスタンバイモードにおける燃料量は０．０５ｇ／ｍｉｎと、比較例２の改質モードにおける燃料量の約１／１００であった。これにより、スタンバイモードにおいて改質空燃比［Ａ／Ｆ］を１以上にすることにより、改質モードで改質ガスを供給し続けるのに対して、燃料使用量を抑制できることも確認できた。従って、本テスト結果により、本発明の効果が立証された。

Claims (8)

  1. 　空気及び燃料からなる原料を改質触媒に供給し、大気圧より大きい圧力で水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成するための燃料改質装置において、
    　前記原料を前記改質触媒に供給する原料供給手段と、
    　前記改質触媒を備え、前記原料供給手段から供給された原料を改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、
    　前記燃料改質装置の運転を制御する運転制御手段と、を備え、
    　前記運転制御手段は、前記原料供給手段の駆動を停止し、前記改質ガスの生成を停止させる停止モードと、前記原料供給手段を駆動させ、前記改質ガスを生成させる改質モードと、前記原料供給手段を駆動させ、前記改質ガスを極力生成させることなく前記改質触媒の温度を所定の範囲内に保持することで、瞬時に前記改質モードへの移行を可能とするスタンバイモードと、の運転を実行可能であることを特徴とする燃料改質装置。
  2. 　前記運転制御手段は、前記スタンバイモードの運転時、及び、前記スタンバイモードと前記改質モードとのモード間移行時において、前記改質触媒の最高温度を、３００℃～１２００℃の範囲内に制御することを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
  3. 　前記燃料改質装置は、前記改質触媒の温度を検出する触媒温度検出手段をさらに備え、
    　前記運転制御手段は、前記原料供給手段により供給される原料の空気量、燃料量、及び改質空燃比［Ａ／Ｆ］を制御する原料制御手段を備え、前記触媒温度検出手段により検出された前記改質触媒の温度に基づいて前記原料制御手段を駆動させることにより、前記スタンバイモードの運転を実行することを特徴とする請求項２記載の燃料改質装置。
  4. 　前記原料制御手段は、前記スタンバイモードで前記原料供給手段により供給される前記原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｓ及び燃料量［Ｃ］ｓが、前記改質モードで前記原料供給手段により供給される前記原料の改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｒ及び燃料量［Ｃ］ｒに対して、下記式（１）及び（２）の関係を満足するように前記原料の空気量、燃料量、及び改質空燃比［Ａ／Ｆ］を制御することを特徴とする請求項３記載の燃料改質装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  5. 　前記原料制御手段は、前記スタンバイモードの運転時において前記改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｓをストイキ以上に制御することを特徴とする請求項４記載の燃料改質装置。
  6. 　前記原料制御手段は、前記改質モードの運転時において前記改質空燃比［Ａ／Ｆ］ｒをストイキ未満に制御することを特徴とする請求項４又は５記載の燃料改質装置。
  7. 　前記改質触媒は、ロジウム、白金、パラジウム、ニッケル、及びコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属触媒成分と、セリア、ジルコニア、アルミナ、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物又はこれらを基本組成とした複合酸化物と、を含むことを特徴とする請求項１から６いずれか記載の燃料改質装置。
  8. 　内燃機関の排気系に前記改質ガスを供給するために用いられる請求項１から７いずれか記載の燃料改質装置において、
    　前記運転制御手段は、前記各モードの切換時期を、前記内燃機関の運転情報に基づいて判断するモード切換時期判断手段を備えることを特徴とする請求項１から７いずれか記載の燃料改質装置。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9178235B2 (en) * 2009-09-04 2015-11-03 Lg Fuel Cell Systems, Inc. Reducing gas generators and methods for generating a reducing gas
JP6090136B2 (ja) * 2013-12-05 2017-03-08 株式会社デンソー 還元剤添加装置
JP2023031006A (ja) 2021-08-24 2023-03-08 株式会社デンソー 触媒構造体、燃料改質方法および燃料改質システム

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2586738B2 (ja) 1991-10-14 1997-03-05 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
JP2600492B2 (ja) 1991-10-03 1997-04-16 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
JP2002161735A (ja) * 2000-11-30 2002-06-07 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関の排気浄化装置
JP2002179405A (ja) * 2000-12-12 2002-06-26 Nissan Motor Co Ltd 燃料改質器の温度制御方法
JP2002235594A (ja) * 2001-02-08 2002-08-23 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関の排気浄化装置
JP2003128401A (ja) * 2001-10-19 2003-05-08 Fuji Electric Co Ltd 水素発生装置とその運転方法
JP2004217439A (ja) * 2003-01-09 2004-08-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料蒸発装置
JP3642273B2 (ja) 1999-10-21 2005-04-27 日産自動車株式会社 排気ガス浄化システム
JP2006506581A (ja) * 2002-11-15 2006-02-23 カタリティカ エナジー システムズ， インコーポレイテッド 希薄燃焼エンジンからのＮＯｘ排出を低減するための装置および方法
JP2006242020A (ja) 2005-03-01 2006-09-14 Hino Motors Ltd 排気浄化装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2104943T5 (es) 1991-10-03 2005-04-16 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Dispositivo de purificacion de los gases de escape de un motor de combustion interna.
JPH1179703A (ja) 1997-09-04 1999-03-23 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池用改質装置
US7082753B2 (en) 2001-12-03 2006-08-01 Catalytica Energy Systems, Inc. System and methods for improved emission control of internal combustion engines using pulsed fuel flow
RU2004120435A (ru) 2001-12-03 2005-05-27 Каталитика Энерджи Системз, Инк. (Us) Система и способы для управления содержанием вредных компонентов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания и блок обработки топлива
US6964156B2 (en) 2003-10-23 2005-11-15 Hydrogensource Llc Intermittent application of syngas to NOx trap and/or diesel engine
JP4778858B2 (ja) 2006-08-01 2011-09-21 本田技研工業株式会社 気化器の残存燃料自動抜取装置
JP5015025B2 (ja) * 2008-02-13 2012-08-29 本田技研工業株式会社 燃料改質器の制御装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2600492B2 (ja) 1991-10-03 1997-04-16 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
JP2586738B2 (ja) 1991-10-14 1997-03-05 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
JP3642273B2 (ja) 1999-10-21 2005-04-27 日産自動車株式会社 排気ガス浄化システム
JP2002161735A (ja) * 2000-11-30 2002-06-07 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関の排気浄化装置
JP2002179405A (ja) * 2000-12-12 2002-06-26 Nissan Motor Co Ltd 燃料改質器の温度制御方法
JP2002235594A (ja) * 2001-02-08 2002-08-23 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関の排気浄化装置
JP2003128401A (ja) * 2001-10-19 2003-05-08 Fuji Electric Co Ltd 水素発生装置とその運転方法
JP2006506581A (ja) * 2002-11-15 2006-02-23 カタリティカ エナジー システムズ， インコーポレイテッド 希薄燃焼エンジンからのＮＯｘ排出を低減するための装置および方法
JP2004217439A (ja) * 2003-01-09 2004-08-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料蒸発装置
JP2006242020A (ja) 2005-03-01 2006-09-14 Hino Motors Ltd 排気浄化装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Development of NOx Storage Reduction Three-way Catalyst System", COLLECTIVE PAPERS OF SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS OF JAPAN, vol. 26, no. 4, October 1995 (1995-10-01)

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