WO2010073698A1 - 改質器付エンジンシステム - Google Patents

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島田敦史
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Definitions

  • the present invention relates to an engine system equipped with a reformer.
  • Patent Document 1 can obtain high reforming efficiency because the temperature of the exhaust gas supplied to the reformer is low under low power operating conditions such as idling or low speed operation. Have difficulty. Therefore, in order to increase the reforming efficiency in a wide operating range, it is necessary to increase the contact area between the exhaust gas and the reformer, and there is a problem that the reformer becomes large.
  • An object of the present invention is to provide an engine system capable of improving the amount of exhaust heat recovered from the engine to the reactor and reducing the size of the reformer in the engine system with a reformer.
  • the present invention has an adjustment valve that adjusts the exhaust gas flow rate downstream of the reformer mounting portion of the exhaust pipe. Is an engine system with a reformer.
  • the reformer by closing the adjustment valve in the middle of the exhaust stroke, a part of the exhaust gas can be confined between the reformer and the engine room, so that the reforming efficiency of the reformer can be increased. Thereby, since a predetermined amount of reformed gas can be generated by the reformer, the reformer can be made smaller.
  • the block diagram of this system The structural diagram of a reformer.
  • Fig. 1 is a block diagram of this system.
  • the reformer 1 is installed in an exhaust pipe 9 near the exhaust valve 7.
  • the position of the exhaust pipe 9 where the reformer 1 is provided is installed in the engine head near the exhaust valve 7 or in the exhaust pipe just after being discharged from the engine head.
  • an adjustment valve 25 for adjusting the exhaust gas flow rate is installed downstream of the reformer mounting portion of the exhaust pipe 9 where the reformer 1 is installed.
  • the pre-reform fuel filled in the pre-reform fuel tank 3 is supplied to the reformer 1 from the pre-reform fuel supply amount adjusting device 11 via the pre-reform fuel pump 4.
  • the reformed fuel reformed by the reformer 1 is separated into the hydrogen rich gas and the dehydrogenated fuel by the gas-liquid separator 22, and the dehydrogenated fuel is collected in the dehydrogenated fuel tank 23. Further, the hydrogen rich gas is supplied from the hydrogen rich gas supply amount adjusting device 13 to the intake pipe 8 of the engine.
  • the reformer 1 since the reformer 1 is provided in the exhaust pipe positioned near the exhaust valve 7, the reformer 1 is supplied with the combustion gas immediately after being exhausted from the engine cylinder 10 so that the high-temperature engine Exhaust heat is supplied. Further, the exhaust heat supplied to the reformer 1 can be adjusted by controlling the adjusting valve 25 installed on the exhaust downstream side of the reformer 1 to adjust the exhaust gas flow rate.
  • the intake pipe 8 of the engine is provided with a dehydrogenation fuel supply amount adjusting device 12 for supplying the dehydrogenated fuel separated by the gas-liquid separation device 22 so that the dehydrogenated fuel can be supplied to the engine cylinder 10. It has become.
  • An air flow rate adjusting device 14 for adjusting the air amount is installed in the intake pipe 8 of the engine.
  • the operations of the intake valve 6, the exhaust valve 7, the air flow rate adjustment device 14, the pre-reformation fuel supply amount adjustment device 11, the hydrogen rich gas supply amount adjustment device 13, the adjustment valve 25, the pumps 4, 24, etc. It is controlled by an electronic control device (not shown).
  • fuels before reforming include hydrocarbon fuels such as gasoline, light oil, kerosene, heavy oil, decalin, cyclohexane, methylcyclohexane, naphthalene, benzene, toluene, ammonia, hydrogen peroxide, nitrogen, oxygen, etc.
  • hydrocarbon fuels such as gasoline, light oil, kerosene, heavy oil, decalin, cyclohexane, methylcyclohexane, naphthalene, benzene, toluene, ammonia, hydrogen peroxide, nitrogen, oxygen, etc.
  • Those capable of chemically releasing hydrogen by a reforming reaction using a catalyst can be used.
  • the fuel after reforming is hydrogen and toluene
  • the hydrogen separated by the gas-liquid separation device 22 is supplied from the hydrogen rich gas supply amount adjusting device 13 to the intake pipe 8 of the engine. Then, toluene as dehydrogenated fuel is collected in the dehydrogenated fuel
  • the reformer 1 is configured such that a catalyst layer 15 made of a Pt / alumina catalyst is formed on a high thermal conductive substrate 17 provided with flow path protrusions 18.
  • a structure in which a hydrogen separation membrane 19 that selectively permeates only hydrogen is laminated on the catalyst layer 15 and a hydrogen flow path 21 is laminated via a spacer 20 is a basic structure and is installed in an engine exhaust pipe.
  • the medium supplied to the reformer 1 passes through the fuel flow path 16 and proceeds with the dehydrogenation reaction in contact with the catalyst layer 15 formed on the surface of the high thermal conductive substrate 17 to generate a hydrogen rich gas.
  • the generated hydrogen rich gas passes through the hydrogen separation membrane 19 and is discharged from the reformer 1 through the hydrogen flow path 21 via the spacer 20. Further, the hydrogen rich gas and the dehydrogenated fuel that have not passed through the hydrogen separation membrane 19 are discharged out of the reformer 1 through the fuel flow path 16.
  • the hydrogen-rich gas and dehydrogenated fuel discharged here merge with the hydrogen-rich gas discharged from the hydrogen flow path 21, mixed, and supplied to the gas-liquid separator 22 in FIG.
  • the hydrogen rich gas discharged from the hydrogen flow path 21 may be supplied to the hydrogen rich gas supply amount adjusting device 13 without being mixed with the fuel discharged from the fuel flow path 16. Further, when the hydrogen-rich gas and the dehydrogenated fuel can be sufficiently separated by the hydrogen separation membrane 19 of the reformer 1, the gas-liquid separation device 22 described in FIG. 1 can be omitted. In FIG. 2, the hydrogen separation membrane 19 is provided in order to efficiently perform the dehydrogenation reaction from the medium at a low temperature, but the reformer 1 may be configured without the hydrogen separation membrane 19. Is possible. Further, the basic structure shown in FIG.
  • Fig. 3 shows a time chart for control of this system.
  • the abscissa indicates the engine cycle process
  • the ordinate indicates the valve lift amounts of the adjusting valve 25, the exhaust valve 7, and the intake valve 6, the pressure history in the engine, and the temperature history of the reformer.
  • the adjustment valve 25 is closed during the exhaust stroke of the engine.
  • the exhaust valve 7 since the exhaust valve 7 is open, exhaust gas remains between the engine cylinder 10 and the adjustment valve 25 by closing the adjustment valve 25, and the temperature and pressure of the residual exhaust gas are reduced by piston compression. improves. As a result, the amount of heat supplied to the reformer 1 is improved.
  • the intake valve 6 In the next intake stroke, the intake valve 6 is closed halfway through the intake stroke, the piston is lowered, and the gas in the engine cylinder 10 expands to reduce the pressure in the engine cylinder 10 to near normal pressure. Open the intake valve 6.
  • the loss work of the compression energy in the engine cylinder 10 after closing the adjustment valve 25 at the exhaust stroke is used as the work at the time of piston expansion of the next intake stroke. can do. Thereby, pumping loss can be reduced.
  • the residual gas (exhaust gas) in the exhaust process is supplied over the next cycle (intake process).
  • the adjustment valve 25 is closed after the exhaust valve 7 of the engine is closed.
  • hydrogen which is a part of the fuel reformed by the reformer 1, is supplied to the engine, so that misfire and engine efficiency decrease with respect to the exhaust residual gas compared to when only gasoline is supplied to the engine. It is suppressed. This is because hydrogen has a characteristic that it can be burnt lean and rapidly compared to gasoline.
  • the present system can reduce the size of the reformer 1 with the exhaust residual gas without reducing the system efficiency.
  • the adjustment valve 25 can be opened and closed via a rotating shaft connected to the crankshaft of the engine.
  • the amount of exhaust gas that passes through the reformer varies depending on the timing of closing the regulating valve. Since the steam in the exhaust gas is used for reforming, the amount of reformed gas generated varies depending on the amount of exhaust gas, and the amount of reformed gas supplied to the engine varies. By changing the supply amount of the reformed gas, the amount of hydrogen which is the main component of the reformed gas changes. At this time, it is preferable to delay the ignition timing as the hydrogen content increases so that the optimum ignition timing of the engine is obtained. For this reason, it is preferable to adjust the ignition timing according to the closing timing of the adjusting valve. Specifically, the amount of exhaust gas that passes through the reformer increases as the closing timing of the regulating valve is delayed. This increases the amount of reformed gas generated and increases the amount of hydrogen supplied to the engine. For this reason, it is preferable to perform a control for delaying the ignition timing of the engine as the timing for closing the adjusting valve is delayed.

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Abstract

　排気管に燃料を改質する改質器を搭載したエンジンシステムにおいて、前記排気管の改質器出口より下流側に排気流量を調整する調整バルブを有することを特徴とする改質器付エンジンシステムである。この改質器付エンジンシステムにおいて、排気行程途中において調整バルブを閉めることで、排ガスの一部を改質器とエンジン室の間に閉じ込めることができるため、改質器の改質効率を高めることができる。

Description

改質器付エンジンシステム
　本発明は、改質器を搭載したエンジンシステムに関するものである。
　エンジンに供給する燃料を改質して一部水素等を生成するシステムにおいては、エンジン排熱を利用して燃料を吸熱反応で改質することで、排熱回収により効率向上が見込める。また、ガソリン等の炭化水素燃料を改質して水素を含む改質ガスをエンジンに供給する場合は、ポンピングロス低減や燃焼効率向上、また燃焼速度向上が可能となることでエンジンの高効率化が見込める。改質器をエンジンの排気管に装着する場合、エンジンの運転状態によって、エンジンの排ガス温度が変動するため、条件によっては、改質効率が変動する。従来の改質器付エンジンシステムとしては、たとえば、特許文献１に記載されたエンジンシステムが知られている。特許文献１のエンジンシステムでは、エンジンから所定長さ分、離れた位置の排気管に改質器が装着されており、改質器より生成した改質ガスは、排ガスとともに吸気管に供給する構成となっている。
特開２００７－１３８７８１号公報
　特許文献１に記載のシステムは、たとえばアイドリングや低速運転時のような低出力の運転条件の際には、改質器に供給する排ガスの温度が低くなるため、高い改質効率を得ることが困難である。そのため、広い運転域で改質効率を高めるには、排ガスと改質器との接触面積を大きくする必要があり、改質器が大きくなるという課題がある。
　本発明の目的は、改質器付エンジンシステムにおいて、エンジンからリアクターへの排熱回収量を向上し、改質器の小型化を可能なエンジンシステムを提供することにある。
　本発明は、排気管に燃料を改質する改質器を搭載した改質器付エンジンシステムにおいて、前記排気管の改質器搭載部より排気下流側に排気流量を調整する調整バルブを有することを特徴とする改質器付エンジンシステムである。
　本発明により、排気行程途中において調整バルブを閉めることで、排ガスの一部を改質器とエンジン室の間に閉じ込めることができるため、改質器の改質効率を高めることができる。これにより、改質器で所定量の改質ガスを生成できるため、改質器を小さくすることが可能となる。
本システムの構成図。 改質器の構造図。 システムの制御フロー図。
　以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。
　図１は、本システムの構成図である。本システムでは、改質器１は排気バルブ７付近の排気管９に設置されている。改質器１を設ける排気管９の位置としては、排気バルブ７付近のエンジンヘッド内またはエンジンヘッドから排出された直後の排気管に設置される。また、改質器１が設置された排気管９の改質器搭載部より排気下流側に排気流量を調整する調整バルブ２５が設置されている。改質器１には、改質前燃料タンク３に充填された改質前燃料が、改質前燃料ポンプ４を介して改質前燃料供給量調整装置１１から供給される。改質器１で改質された改質後燃料は、気液分離装置２２により水素リッチガスと脱水素燃料に分離され、脱水素燃料は脱水素燃料タンク２３に回収される。また、水素リッチガスは、水素リッチガス供給量調整装置１３からエンジンの吸気管８に供給される。この構成では、改質器１が排気バルブ７付近に位置する排気管に設けられているため、改質器１にはエンジン筒内１０から排出された直後の燃焼ガスが供給され、高温のエンジン排気熱が供給される。また、改質器１の排気下流側に設置された調整バルブ２５を制御して排気流量を調整することで、改質器１へ供給される排気熱を調整することができる。
　また、エンジンの吸気管８には、気液分離装置２２で分離した脱水素燃料を供給する脱水素燃料供給量調整装置１２が設置されており、脱水素燃料をエンジン筒内１０に供給できる構成となっている。エンジンの吸気管８には空気量を調整する空気流量調整装置１４が設置されている。
　なお、本システムでは、吸気バルブ６，排気バルブ７，空気流量調整装置１４，改質前燃料供給量調整装置１１，水素リッチガス供給量調整装置１３，調整バルブ２５，ポンプ４，２４等の動作は、図示しない電子制御装置により制御される。
　本システムにおいて、改質前燃料としては、ガソリン，軽油，灯油，重油，デカリン，シクロヘキサン，メチルシクロヘキサン，ナフタレン，ベンゼン，トルエンなどの炭化水素系燃料や、アンモニア，過酸化水素，窒素，酸素など、触媒による改質反応により水素を化学的に放出することが可能なものを用いることができる。例えば、改質前燃料にメチルシクロヘキサンを使用する場合、改質後燃料は水素とトルエンとなり、気液分離装置２２により分離された水素は水素リッチガス供給量調整装置１３よりエンジンの吸気管８に供給され、脱水素燃料であるトルエンは脱水素燃料タンク２３に回収される。
　次に、図２を用いて改質器１の構成の一例を説明する。改質器１の構成は、図２に記載のように、流路突起１８が設けられた高熱伝導基板１７の上に、Ｐｔ／アルミナ触媒からなる触媒層１５が形成されている。この触媒層１５の上に水素のみを選択的に透過する水素分離膜１９が積層され、スペーサ２０を介して水素流路２１が積層された構造を基本構造とし、エンジン排気管に設置される。
　改質器１へ供給される媒体は、燃料流路１６を通り、高熱伝導基板１７の表面上に形成された触媒層１５と接触しながら脱水素反応が進行し、水素リッチガスが生成する。生成された水素リッチガスは、水素分離膜１９を透過し、スペーサ２０を介して、水素流路２１を通って改質器１から排出される。また、水素分離膜１９を透過しなかった水素リッチガスと脱水素燃料は、燃料流路１６を通って改質器１の外に排出される。ここで排出された水素リッチガスと脱水素燃料は、水素流路２１より排出された水素リッチガスと合流し、混合され、図１の気液分離装置２２に供給される。なお、水素流路２１より排出される水素リッチガスは、燃料流路１６から排出された燃料と混合せずに、水素リッチガス供給量調整装置１３へ供給する構成としてもよい。また、改質器１の水素分離膜１９で十分に水素リッチガスと脱水素燃料を分離できる場合には、図１で説明した気液分離装置２２を省略することも可能である。なお、図２では、媒体からの脱水素化反応を低温で効率よく行うために水素分離膜１９を設ける構成としたが、改質器１としては水素分離膜１９を設けない構成とすることも可能である。また、図２に示した基本構造を積層して配置してもよい。
　次に、本システムの制御に関するタイムチャートを図３に示す。図３では、横軸にエンジンサイクル工程，縦軸に調整バルブ２５，排気バルブ７、及び、吸気バルブ６のバルブリフト量と、エンジン内の圧力履歴，改質器の温度履歴を示した。
　まず、エンジンの排気行程の途中で調整バルブ２５を閉める。この際、排気バルブ７は開いた状態のため、調整バルブ２５を閉めることにより、エンジン筒内１０と調整バルブ２５の間に排ガスが残留し、ピストン圧縮により、その残留した排ガスの温度と圧力が向上する。その結果、改質器１への熱供給量が向上する。次の吸気行程においては、吸気バルブ６は吸気行程の途中まで閉じられており、ピストンが下降し、エンジン筒内１０のガスの膨張によりエンジン筒内１０の圧力が常圧付近まで下がってから、吸気バルブ６をあける。このような吸気バルブ６の開閉制御を行うことで、排気行程時の調整バルブ２５を閉めた後のエンジン筒内１０における圧縮エネルギーのロス仕事を、次の吸気行程のピストン膨張時の仕事として利用することができる。これにより、ポンピング損失を低減することができる。
　図３で説明した運転制御を行うことで、排気工程の残留ガス（排ガス）は次のサイクル（吸気工程）にまたがって供給される。通常のガソリンを燃料とした火花点火機関の場合、排ガスが所定量以上エンジン内に供給されると失火，エンジン効率の低下を招く。そのため、エンジンの排気バルブ７が閉じた後に調整バルブ２５を閉じる。また、本システムでは、改質器１により改質した燃料の一部である水素をエンジンに供給するため、ガソリンのみをエンジンに供給するときに比べ、排気残留ガスに対する、失火，エンジン効率低下が抑制される。これは、水素はガソリンに対して、希薄，急速燃焼ができるという特性であることが要因である。また、エンジンへの水素の供給量によっては、排気残留ガスが存在することで、エンジン効率が向上する領域も存在する。これは、水素のみをエンジンに供給した際、エンジン内で急速な燃焼をするため、冷却損失が大きくなり、効率が低下する領域が存在するが、排気の残留ガスを供給することで、急速燃焼を抑制することが可能となるため、エンジン効率が向上する。このような特性から、本システムは、排気残留ガスによる改質器１の小型化をシステム効率を低下することなく行うことが可能となる。
　また、調整バルブ２５の開閉制御として図３の運転を行う場合、エンジンの駆動力を利用する方法がもっとも安定に開閉制御が可能である。具体的には、エンジンのクランクシャフトに接続された回転軸を介して調整バルブ２５を開閉することができる。
　なお、調整バルブを閉じるタイミングにより、改質器を通過する排ガスの量が変化する。改質には排ガス中の水蒸気を使用するため、排ガス量によって改質ガスの生成量が変化し、エンジンに供給される改質ガスの量が変化する。改質ガスの供給量が変化することにより、改質ガスの主成分である水素の量が変わってくる。この際にエンジンの最適な点火時期となるように水素の含有量が増加するほど点火時期を遅らせることが好ましい。このため、調整バルブの閉じるタイミングに応じて、点火時期を調整することが好ましい。具体的には、調整バルブの閉じるタイミングが遅くなるほど、改質器を通過する排ガスの量が多くなる。これにより、改質ガスの生成量が増加し、エンジンに供給される水素量も多くなる。このため、調整バルブの閉じるタイミングが遅くなるにしたがって、エンジンの点火時期も遅くする制御を行うことが好ましい。
１：改質器、２：ピストン、３：改質前燃料タンク、４：改質前燃料ポンプ、５：点火プラグ、６：吸気バルブ、７：排気バルブ、８：吸気管、９：排気管、１０：エンジン筒内、１１：改質前燃料供給量調整装置、１２：脱水素燃料供給量調整装置、１３：水素リッチガス供給量調整装置、１４：空気流量調整装置、１５：触媒層、１６：燃料流路、１７：高熱伝導基板、１８：流路突起、１９：水素分離膜、２０：スペーサ、２１：水素流路、２２：気液分離装置、２３：脱水素燃料タンク、２４：脱水素燃料ポンプ、２５：調整バルブ。

Claims (5)

  1. 　排気管に燃料を改質する改質器を搭載した改質器付エンジンシステムにおいて、
    　前記排気管の改質器搭載部より排気下流側に排気流量を調整する調整バルブを有することを特徴とする改質器付エンジンシステム。
  2. 　請求項１に記載の改質器付エンジンシステムにおいて、前記調整バルブの閉じるタイミングに応じて、エンジンの点火時期を調整することを特徴とする改質器付エンジンシステム。
  3. 　請求項１に記載の改質器付エンジンシステムにおいて、前記調整バルブの開閉制御は、前記エンジンの駆動力を利用することを特徴とする改質器付エンジンシステム。
  4. 　請求項１に記載の改質器付エンジンシステムにおいて、排気行程の途中で前記調整バルブを閉め、前記エンジンの排気バルブが閉まった後に前記調整バルブを開けることを特徴とする前記改質器付エンジンシステム。
  5. 　請求項４に記載の改質器付エンジンシステムにおいて、前記エンジンの吸気バルブの開弁タイミングは、前記調整バルブの閉弁タイミングに応じて調整することを特徴とする前記改質器付エンジンシステム。
PCT/JP2009/007245 2008-12-25 2009-12-25 改質器付エンジンシステム Ceased WO2010073698A1 (ja)

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