(57)【要約】【課題】改質器に充分な水を供給しつつ、改質器の温度を適切な温度域に制御することができる燃料改質装置を提供する。【解決手段】エンジン１は、熱交換器２、改質室２１、排気ガス導入通路８、水噴射手段を備えることにより、排気ガス導入通路８へ水を噴射し、燃料と排気ガスとともに改質室２１に供給して燃料の改質反応を行うことで、水素を含んだ改質ガスを生成して燃焼室１５へ供給することができる。更に、エンジン１は改質室２１の温度に基づいて水の噴射形態を変化させることによって、改質室２１の温度を改質反応に適した温度域に制御しつつ、改質室２１に充分な水を供給することができる。よって、広い運転域において高い改質反応の効率を得ることができることから、エンジンに充分な量の水素を供給することができ、大幅な燃費の向上と低エミッション化を達成することができる。【選択図】  図１
2010025031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の燃料を改質して水素および一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成し、当該改質ガスをエンジンへ供給する内燃機関の燃料改質装置であって、
前記内燃機関の廃棄熱と熱交換可能に設置された熱交換器と、
前記熱交換器の内部に設けられ、改質触媒を備えた改質室と、
前記熱交換器の上流側の前記排気通路から分岐し、前記排気通路と前記改質室とを連結する排気ガス導入通路と、
前記排気ガス導入通路内に水を噴射可能な水噴射手段とを備え、
前記水噴射手段は、前記改質室の温度に応じて水の噴射形態を変化させることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
前記水噴射手段は、前記内燃機関の運転状態と、前記改質室に設けられた温度センサの検出結果と、前記改質室または前記排気通路のいずれかに設けられた排気ガスセンサの検出結果との少なくとも一つに基づいて前記改質室の温度を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記水噴射手段は、水の噴射パターンを変化させることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記水噴射手段は、単位時間当たりの水の噴射量を変化させることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項５】
前記水噴射手段は、噴射する水の粒径を変化させることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料改質装置に関する。特に、燃料改質効率の低下を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素系の燃料を改質触媒によって水素、一酸化炭素等に改質してエンジンへ供給する燃料改質装置が知られている。このような燃料改質装置を備えた内燃機関によれば、エンジンに水素が供給されることにより、希薄燃料限界が高く、高圧縮比下でもノッキングを起こさないために、希薄域でも安定した運転が可能である。更に、燃料改質装置をＥＧＲシステムと組み合わせることで、排気ガス中のＮＯｘ量を低減することができる。よって、大幅な燃費の向上や低エミッション化が実現可能である。
【０００３】
炭化水素系の燃料の改質反応としては、水蒸気改質反応と部分酸化反応との２つに大きく分けられる。ここで、水蒸気改質反応は次の反応で表わされる。
［水蒸気改質反応］
ＣｍＨｎ＋ｍＨ２Ｏ  →  （ｍ＋ｎ／２）Ｈ２＋ｍＣＯ  ・・・（１）
上記（１）式の反応は吸熱反応であるため、反応を維持するために外部から熱を吸収する。そのため、改質後のガスが有する発熱量は、改質前の燃料が有する発熱量よりも増加する。
【０００４】
一方、部分酸化反応は、燃料と空気の量を調節することによって次の反応が起こる。
［部分酸化反応］
ＣｍＨｎ＋（ｍ／２）Ｏ２  →  （ｎ／２）Ｈ２＋ｍＣＯ  ・・・（２）
上記（２）式の反応は発熱反応であるため、反応に伴って外部に熱を放出する。そのため、改質後のガスが有する発熱量は、改質前の燃料が有する発熱量よりも減少してしまう。
【０００５】
このように、内燃機関の効率をより向上させるためには、改質後のガスが有する発熱量が改質前の燃料が有する発熱量よりも増加する水蒸気改質反応の方が有効である。そのため、燃料の改質形態を水蒸気改質反応とするためには、（１）式より反応に水が必要となることから、改質反応が行われる改質器に水を供給する必要がある。更に、（１）式の反応は吸熱反応であることから、改質反応が行われる改質器の温度を高温に維持する必要がある。
【０００６】
このような燃料の改質を目的とした技術として、蒸発部で蒸発させた燃料と水を空気とともに改質部へ供給し、排気ガスの熱によって燃料を水蒸気改質反応および部分酸化反応により改質し、リーン限界を伸ばすことができる燃料改質装置付き内燃機関について、特許文献１に開示されている。
【０００７】
また、排ガスから凝縮回収した水を用いて炭化水素系の燃料を改質するための水回収装置についての技術が、特許文献２に開示されている。
【０００８】
更に、ケーシング内に配置されたメタルハニカムの電熱ヒータを備えた改質器であって、電熱ヒータの外周部に備えられた熱交換器によって加熱された燃料、水、空気を蒸発部で蒸発させて、改質反応部で水蒸気改質反応または部分酸化反応を起こすことによって水素および一酸化炭素を含む改質ガスを生成する技術が、特許文献３に開示されている。
【０００９】
また、内燃機関に水を供給する技術としては、排気マニホールドの冷却を目的として、排気マニホールドの周囲に形成されたウォータージャケット内に水を噴射し、エンジンの運転状態に基づいて水噴射量を制御する技術が特許文献４に開示されている。同様に、排気マニホールドの冷却を目的として、排気マニホールドの周囲に形成されたウォータージャケット内に水を噴射し、エンジンの排気温に基づいて水噴射量を制御する技術が特許文献５に開示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２９１４９９号広報
【特許文献２】特開２００２−０２１６５２号公報
【特許文献３】特開２００１−２４８５０５号公報
【特許文献４】特開昭６３−２０８６０７号公報
【特許文献５】特開昭６３−２１２７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ここで、燃料改質を効率よく行うためには、改質器の温度を適切な温度域に制御する必要がある。すなわち、特許文献１〜２の技術では、内燃機関が低負荷のときであって排気ガスの温度が低い場合や、改質器に水を供給することで改質器の温度が低下した場合は、（１）式の水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、燃料の改質反応の進行が停止してしまう。そのため、特許文献１〜２の技術では、改質器に充分な水を供給しつつ、改質器の温度をできるだけ低下させないために、改質器に供給する水や燃料をあらかじめ蒸発させてから改質器へ供給する。しかしながら、このような蒸発部を設けることによって燃料改質装置が大型化してしまうし、燃料改質装置を小型化するために蒸発部を設けない場合は、改質器に水を供給すると改質器の温度が低下するために改質反応の効率が低下してしまう、という問題点がある。また、特許文献３の技術は、燃料および水の蒸発部を設けているうえに、改質反応を促進するためのヒータを備えていることから、システムが大型化するうえに、ヒータに電力を使用するために内燃機関の効率が低下する、という問題点がある。そして、特許文献４〜５の技術では、排気ガス温度が低い場合には水の供給量を減少させなければならないことから、燃料改質装置に応用した場合、エンジン廃棄熱量が少ないときは改質器へ充分な水を供給することが困難である、といった問題点がある。
【００１２】
一方、内燃機関が高負荷のときであって排気ガスの温度が高い場合は、特許文献１〜２の技術では、改質反応の効率を向上させるために改質器の内部に設けられている改質触媒が劣化するために、改質反応の効率が低下する。このように、従来の技術では、燃料改質器の温度を制御しつつ、改質器に充分な水を供給することが難しいために、高い燃料改質効率を得ることが困難である、といった課題がある。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされてものであり、改質器に充分な水を供給しつつ、改質器の温度を適切な温度域に制御することができる燃料改質装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
かかる課題を解決するために、本発明の燃料改質装置は、炭化水素系の燃料を改質して水素および一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成し、当該改質ガスをエンジンへ供給する内燃機関の燃料改質装置であって、前記内燃機関の廃棄熱と熱交換可能に設置された熱交換器と、前記熱交換器の内部に設けられ、改質触媒を備えた改質室と、前記熱交換器の上流側の前記排気通路から分岐し、前記排気通路と前記改質室とを連結する排気ガス導入通路と、前記排気ガス導入通路内に水を噴射可能な水噴射手段とを備え、前記水噴射手段は、前記改質室の温度に応じて水の噴射形態を変化させることを特徴とする。
【００１５】
排気ガス導入部に燃料および水を噴射すると、それらは排気ガスと混合した後に改質室に供給されて、排気ガスやエンジン冷却水、潤滑油などからエンジン廃棄熱を得ることによって燃料の改質反応が実行される。ここで、内燃機関の負荷が低くエンジン廃棄熱量が少ない場合、排気ガスと共に燃料と水が改質室に到達すると、それらが気化することによる気化熱と燃料改質反応による吸熱によって改質室の温度が低下する。この場合、改質室へ向けて噴射された水が気化するのに消費する熱量が少なくなるように、改質室の温度に応じて水の噴射形態を変化させることで、改質室の温度低下を抑制しつつ改質室に充分な水を供給することができる。また、内燃機関の負荷を上昇させるとエンジン廃棄熱量も増加し、それに伴って改質室の温度も上昇するが、改質室の温度が所定の温度を超えることで、改質室に設けられた改質触媒の劣化が開始する。この場合、改質室へ向けて噴射された水が気化するのに消費する熱量が多くなるように、改質室の温度に応じて水の噴射形態を変化させることで、改質室の温度を適切な温度域に制御しつつ改質室に充分な水を供給することができる。
【００１６】
上記のように、改質室の温度を適切な温度域に制御しつつ、改質室に充分な水を供給することで、広い運転域において高い燃料改質効率を得ることができることから、エンジンに充分な量の水素を供給することができる。よって、ノッキングを抑制しつつ、排気ガス中の未燃ＨＣ量およびＮＯｘ量を低減することができることから、大幅な燃費の向上と低エミッション化を達成することができる。
【００１７】
特に、本発明の燃料改質装置は、前記水噴射手段が、前記内燃機関の運転状態と、前記改質室に設けられた温度センサの検出結果と、前記改質室または前記排気通路のいずれかに設けられた排気ガスセンサの検出結果との少なくとも一つに基づいて前記改質室の温度を検出する構成とすることができる。
【００１８】
このように、内燃機関の運転状態、温度センサ、排気ガスセンサの検出結果に基づいて、改質室の温度をより正確に検出することができる。そして、検出した改質室の温度に基づいて、排気ガス導入部への水の噴射形態を制御することで、広い運転域において高い燃料改質反応効率を得ることができる。よって、エンジンに充分な量の水素を供給することができることから、大幅な燃費の向上と低エミッション化を達成することができる。
【００１９】
また、本発明の燃料改質装置は、前記水噴射手段が、水の噴射パターンを変化させる構成とすることができる。
【００２０】
本発明の燃料改質装置は、水の噴射パターンを変化させることで、改質室の温度を適切な温度域に制御しつつ、改質室に充分な水を供給することができる。水の噴射パターンの例としては、水の噴射を連続的に行う、周期的に行う、または不規則的に行うことや、仕様の異なる複数の水噴射装置を備え、それらを改質室の温度によって使い分ける、水の噴射量や粒径を変更可能な水噴射装置を適用する、などが挙げられる。
【００２１】
そして、本発明の燃料改質装置は、前記水噴射手段が、単位時間当たりの水の噴射量を変化させる構成とすることができる。
【００２２】
本発明の燃料改質装置は、単位時間当たりの水の噴射量を変化させることで、改質室の温度を適切な温度域に制御しつつ、改質室に充分な水を供給することができる。例えば、内燃機関が低負荷であって改質室の温度が低い場合は、単位時間当たりの水の噴射量を減少させることで、改質室に水を供給しつつ、改質室の温度低下を抑制することができる。また、内燃機関が高負荷であって改質室の温度が高い場合には、単位時間当たりの水の噴射量を増加させることで、改質室に充分な水を供給しつつ、改質室の温度上昇を抑制することができる。よって、広い運転域において高い燃料改質反応効率を得ることができることから、エンジンに充分な量の水素が供給されることで、大幅な燃費の向上と低エミッション化を達成することができる。
【００２３】
更に、本発明の燃料改質装置は、前記水噴射手段が、噴射する水の粒径を変化させる構成とすることができる。
【００２４】
本発明の燃料改質装置は、噴射する水の粒径を変化させることで、改質室の温度を適切な温度域に制御しつつ、改質室に充分な水を供給することができる。同じ量の水を気化させる場合、水の粒径が小さいほど気化しやすいために、気化に使用される熱量が少なくてよい。そのため、例えば、内燃機関が低負荷であって改質室の温度が低い場合は、噴射する水の粒径を微細化することで、水の気化に使用される熱量を抑えることができることから、水の噴射量を減少させることなく改質室の温度低下を抑制することができる。一方、同じ量の水を気化させる場合、水の粒径が大きいほど気化しにくいために、気化に使用される熱量が多く必要となる。よって、内燃機関が高負荷であって改質室の温度が高い場合には、噴射する水の粒径を粗粒化することで、水の気化に使用される熱量を増加させることができることから、水の噴射量を増加させることなく改質室の温度上昇を抑制することができる。よって、広い運転域において高い燃料改質反応効率を得ることができることから、エンジンに充分な量の水素が供給されることで、大幅な燃費の向上と低エミッション化を達成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料改質装置によれば、改質室の温度に応じて水の噴射形態を変化させることで、改質室の温度を適切な温度域に制御しつつ、改質室に充分な水を供給することができることから、広い運転域において高い燃料改質反応効率が得られるために、エンジンに充分な量の水素を供給することができる。そのため、ノッキングを抑制しつつ、排気ガス中の未燃ＨＣ量およびＮＯｘ量を低減することができることから、大幅な燃費の向上と低エミッション化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の燃料改質装置を組み込んだエンジン１の概略構成を示した説明図である。なお、図１にはエンジンの１気筒の構成のみを示している。
【００２８】
エンジン１は、車両に搭載される多気筒エンジンであって、各気筒は燃焼室１５を構成するピストンを備えている。各燃焼室１５のピストンはそれぞれコネクティングロッドを介して出力軸であるクランクシャフトの軸に連結されており、各ピストンの往復運動がコネクティングロッドによってクランクシャフトの回転へと変換される。
【００２９】
クランクシャフトの軸の近傍には、クランク角センサ１８が配置されている。クランク角センサ１８はクランクシャフト軸の回転角度を検出するように構成されており、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。それにより、ＥＣＵ１００は、運転時のエンジン回転数など、クランク角に関する情報を取得することができる。
【００３０】
各気筒の燃焼室１５には、それぞれ燃焼室１５と連通する吸気ポート１４と、吸気ポート１４に連結し、吸入空気を吸気ポート１４、燃焼室１５へと導く吸気通路１３とが接続されている。更に、燃焼室１５の各気筒には、それぞれ燃焼室１５と連通する排気ポート１６と、燃焼室１５で発生した排気ガスをエンジン外へと導く排気通路９が接続されている。また、各気筒に接続された排気通路９は、下流側で合流して一本の合流排気通路１７となる。
【００３１】
各気筒の燃焼室１５の吸気通路、排気通路に対応して複数の吸気弁、排気弁が設けられている。図１には吸気通路、排気通路と吸気弁、排気弁をそれぞれ１つずつ示している。燃焼室１５の各吸気ポート１４には、それぞれ吸気弁および吸気カムシャフトが配置されている。更に、燃焼室１５の各排気ポート１６には、それぞれ排気弁および排気カムシャフトが配置されている。吸気弁および排気弁はクランクシャフトの回転が連結機構（例えばタイミングベルト、タイミングチェーンなど）により伝達された吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトの回転により開閉され、吸気ポート１４および排気ポート１６と燃焼室１５とを連通・遮断する。なお、吸気弁および排気弁の位相は、クランク角を基準にして表される。
【００３２】
エンジン１の吸気通路１３には、吸気通路１３を通過する吸入空気量を検出するエアフロメータが設置されている。また、吸気通路１３には、スロットルバルブ４およびスロットルポジションセンサが設置されている。このエアフロメータおよびスロットルポジションセンサはそれぞれの検出結果をＥＣＵ１００に出力する。それにより、ＥＣＵ１００は、吸気ポート１４および燃焼室１５へ吸入される吸入空気量を認識し、スロットルバルブ４の開度を調整することでエンジン１の運転に必要な吸入空気量を燃焼室１５へ取り込むことができる。
【００３３】
エンジン１の吸気ポート１４にはインジェクタ６が装着されている。燃料ポンプ（図示しない）より燃料配管を通じて供給された高圧燃料は、ＥＣＵ１００の指示によりインジェクタ６にて吸気ポート１４内に噴射供給される。ここで、インジェクタ６はエンジン１の各気筒に設けられることで、直接エンジン気筒内の燃焼室１５に燃料を噴射供給してもよい。ＥＣＵ１００は、エアフロメータおよびスロットルポジションセンサからの吸入空気量、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射量と噴射タイミングを決定しインジェクタ６に信号を送る。インジェクタ６はＥＣＵ１００の信号に従って、指示された燃料噴射量・噴射タイミングにて吸気ポート１４へ燃料を高圧噴射する。高圧噴射された燃料は霧化し、吸入空気と混合されてエンジン１の燃焼に適した混合ガスとなり、吸気弁が開弁することによって燃焼室１５へと供給される。そして、インジェクタ６のリーク燃料は、リリーフ配管を通って燃料タンク（図示しない）へと戻される。
【００３４】
各気筒の燃焼室１５はそれぞれ点火プラグを備えている。吸気ポート１４から流入された混合ガスは、ピストンの上昇運動により燃焼室１５内で圧縮される。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ１８からのピストンの位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、点火タイミングを決定し点火プラグを点火させることで、圧縮混合ガスを着火させて、燃焼室１５内を膨張させピストンを下降させる。これがコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１は動力を得る。燃焼後の排気ガスは、排気弁が開いた際に排気ポート１６、排気通路９を通って合流排気通路１７で合流する。更に、排気ガスは、合流排気通路１７より分岐した排気ガス導入通路８を通過して熱交換器２の内部に設けられた改質室２１へと進むものと、熱交換器２および排気通路２２を通過してエンジン１の外部へと排出されるものとに分岐される。
【００３５】
排気ガス導入通路８には、燃料供給装置３が備えられている。燃料供給装置３は、インジェクタ６と同様の構造であって、アクチュエータ（例えば、電磁バルブ、ピエゾ素子など）によって制御弁を稼動し、ＥＣＵ１００の指示に従って、燃料ポンプより供給された高圧燃料を排気ガス導入通路８内に噴射する。噴射された燃料は排気ガスと、高微粒化水噴射ノズル７１または低微粒化水噴射ノズル７２から噴射された水と混合され、改質室２１へと供給される。
【００３６】
また、排気ガス導入通路８には、高微粒化水噴射ノズル７１と低微粒化水噴射ノズル７２とが備えられている。高微粒化水噴射ノズル７１は、その先端に水の噴射孔を備えており、水の噴射孔が低微粒化水噴射ノズル７２よりも小さく設定されているために、噴射する水の粒径が微細化される。一方、低微粒化水噴射ノズル７２は、先端に備えられた水の噴射孔が高微粒化水噴射ノズル７１よりも大きく設定されているために、噴射する水の粒径が粗粒化される。なお、各ノズルの水の噴射孔は、噴射孔の大きさ、形状、噴射孔の数を任意に設定することができる。
【００３７】
高微粒化水噴射ノズル７１および低微粒化水噴射ノズル７２には水ポンプ７５から水が供給され、各ノズルへの水の供給量は水供給弁１１および低微粒化水供給弁１２によって調整される。水供給弁１１および低微粒化水供給弁１２は、ＥＣＵ１００の指示によって水ポンプ７５と高微粒化水噴射ノズル７１および低微粒化水噴射ノズル７２とを繋ぐ水の経路を連通、遮断する構成である。水供給弁１１および低微粒化水供給弁１２は、各ノズルへの水の供給量を制御するために、水の経路の遮蔽度合いを制御可能なソレノイドバルブ等の電磁弁を採用することができる。ＥＣＵ１００は、改質室２１の温度が燃料改質反応に充分な温度に到達したと判断すると、水供給弁１１を所定量開弁するように指示することで、高微粒化水噴射ノズル７１より排気ガス導入通路８内に粒径の小さい水が噴射される。噴射された水は排気ガスおよび燃料供給装置３より噴射された燃料と混合され、改質室２１へと供給されて燃料の改質反応が行われる。また、ＥＣＵ１００は、改質室２１の温度が高く改質触媒が劣化すると判断すると、低微粒化水供給弁１２を開弁するように指示することで、排気ガス導入通路８内に高微粒化水噴射ノズル７１から粒径の小さい水が、更に低微粒化水噴射ノズル７２から粒径の大きい水が噴射される。これによって、改質室２１へ粒径の大きい水が大量に供給されるために、改質室２１の温度を低下させつつ、燃料の改質反応を行うことができる。
【００３８】
合流排気通路１７には熱交換器２が設けられている。合流排気通路１７より分岐した排気ガスは、排気ガス導入通路８を通過する際に燃料供給装置３から噴射された燃料と、高微粒化水噴射ノズル７１および低微粒化水噴射ノズル７２から噴射された水と混合され、熱交換器２の内部の改質室２１に到達する。また、分岐せずに合流排気通路１７を進む排気ガスは、熱交換器２および排気通路２２を通過する際に、熱交換器２に熱を供給することで改質室２１の温度を上昇させる。なお、熱交換器２は、排気ガスのエンジン廃棄熱を用いる構成のみならず、エンジン冷却水や潤滑油などの他のエンジン廃棄熱を用いるように構成することもできる。
【００３９】
改質室２１には改質触媒が備えられており、改質室２１に到達した排気ガスと燃料と水との混合ガスが改質触媒と接触し、熱交換器２からの熱を吸熱することで、燃料の改質反応が行われる。改質触媒としては、例えば微細化したニッケルまたは酸化ニッケルや、ジルコニアにロジウムを担持させたものを用いることができる。改質触媒はその粒径を微細化することで、改質ガスとの接触面積が増加し改質効率が高くなる反面、高温での劣化が進行しやすくなる。そのため、改質室２１の温度はおおむね８００℃以下とすることが好ましい。また、改質触媒としては、耐熱性が高く炭素析出の生じにくいルテニウム系などのその他の触媒を適用することもできる。更に、改質室２１には温度センサ１９が備えられており、改質室２１の温度を検出してＥＣＵ１００へと送信することで、ＥＣＵ１００は改質室２１の温度を認識することができる。そして、合流排気通路１７には排気ガスセンサ２０が備えられており、排気ガス中のＯ２量やＮＯｘ量を検出してＥＣＵ１００へと送信する。ＥＣＵ１００は、排気ガスセンサ２０の検出結果とエンジン１の運転状態から、改質室２１の温度を算出することもできる。
【００４０】
改質室２１で生成された水素および一酸化炭素を主成分とする改質ガスは、改質ガス導管１０を通過して吸気通路１３へ進み、吸入空気とともに吸気ポート１４に噴射される燃料と混合されて、燃焼室１５へと供給される。この場合、改質ガス導管１０の途中に改質ガスを貯蔵するためのタンクを設けてもよい。ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態を判断し、ガス流量調整弁５に指示することで燃焼室１５への改質ガスの供給量を適切な量へと調整する。このように、運転状態に応じた適切な量の改質ガスを燃焼室１５に供給することにより、希薄燃料限界が高く、高圧縮比下でもノッキングを起こさない安定した運転が可能になる。更に、本発明の燃料改質装置はＥＧＲシステムも兼ねているため、燃焼室１５へ高温の改質ガスを供給することで、排気ガス中のＮＯｘ量を低減することができる。よって、大幅な燃費の向上や低エミッション化が実現可能となる。
【００４１】
合流排気通路１７には凝縮器７３が備えられている。凝縮器７３には冷却水が循環しており、凝縮器７３を通過する排気ガスを冷却することで、排気ガス中に含まれている水を凝縮回収する。この場合、冷却水に代えて空気などの他の冷却媒体を採用してもよい。凝縮器７３で凝縮回収された水は水タンク７４に送られて貯蔵され、そして水ポンプ７５によって高微粒化水噴射ノズル７１および低微粒化水噴射ノズル７２へと供給される。このように、本実施例では燃料の改質反応に試用する水をエンジン１の排気ガスから得ることができる。また、水の供給方法は、エンジンの排気ガスから凝縮回収する方法に代えて、外部から水タンク７４へ補給する形態を採用してもよい。
【００４２】
ＥＣＵ１００は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、を備えるコンピュータである。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ１８、カム角センサ、エアフロメータ、スロットルポジションセンサ、水温センサ等の検出結果を読み込み、スロットルバルブ４の動作、吸気弁、排気弁の動作、インジェクタ６の動作、点火プラグの点火時期、燃料供給装置３の動作、ガス流量調整弁５の動作など、エンジン１の運転動作を統合的に制御する。
【００４３】
そして、ＥＣＵ１００は、温度センサ１９の検出結果より改質室２１の温度を認識する。また、ＥＣＵ１００は、クランク角センサ１８の検出結果等からエンジン１の運転状態を判断し、更に排気ガスセンサ２０の検出結果と組み合わせることで、改質室２１の温度を算出することもできる。ＥＣＵ１００は、認識した改質室２１の温度に基づいて水供給弁１１および低微粒化水供給弁１２を制御することで、水の噴射形態を変化させて燃料の改質反応を高効率に制御する。
【００４４】
図２は、燃料の改質反応によって生成する水素量と反応温度との相関を示している。水の量を排気ガス中の水の含有率と同等（およそ１０％）としたものをベースとすると、燃料の改質反応による水素の生成は４００℃から開始し、反応温度が上昇するに伴って生成される水素量が増加する。一方、水を加えない場合はいずれの温度域でも水素はほとんど発生しないが、水の量を排気ガス中の水の含有率の３倍にした場合、いずれの温度域でもベースよりも水素の生成量が増加し、反応温度が７００℃以上では水素の生成量は一定となる。以上より、燃料の改質反応の効率を向上させるためには、反応系に大量の水を加えること、反応温度を４００℃以上に保つこと、そして、反応効率が高く改質触媒の劣化が生じにくい７００℃付近に反応温度を維持すること、が効果的である。よって、本実施例のＥＣＵ１００は、改質室２１の温度が４００℃以上で水供給弁１１および低微粒化水供給弁１２の制御を開始し、改質室２１の温度に基づいて水の噴射形態を変化させて、改質室２１へ充分な量の水を供給しつつ、改質室２１の温度を７００℃付近に維持する制御を実行する。
【００４５】
つづいて、ＥＣＵ１００の制御の流れに沿って、エンジン１の動作を説明する。図３はＥＣＵ１００の処理の一例を示すフローチャートである。本実施例のエンジン１は、熱交換器２、改質室２１、排気ガス導入通路８、水噴射手段を備えることにより、排気ガス導入通路８へ水を噴射し、燃料と排気ガスとともに改質室２１に供給して燃料の改質反応を行うことで、水素を含んだ改質ガスを生成して燃焼室１５へ供給する制御を実行する。また、本実施例のエンジン１は、エンジン１の運転状態、温度センサ１９、排気ガスセンサ２０の検出結果の少なくとも１つに基づいて、改質室２１の温度を検出する。更に、本実施例のエンジン１は、高微粒化水噴射ノズル７１および低微粒化水噴射ノズル７２を備えることにより、排気ガス導入通路８へ噴射する水の粒径および噴射パターンを変化させる。
【００４６】
ＥＣＵ１００の制御は、エンジンの始動要求がされると、すなわちイグニッションスイッチがＯＮにされると開始する。まず、ＥＣＵ１００はステップＳ１で、改質室２１の温度の検出を開始する。ここで、改質室２１の温度は、改質室２１に設置された温度センサ１９の検出結果に基づいて求めることができる。また、クランク角センサ１８やトルクセンサ等の検出結果に基づくエンジン１の運転状態や、排気ガスセンサ２０の検出結果に基づいて、改質室２１の温度を算出することもできる。ＥＣＵ１００はステップＳ１の処理を終えると、次のステップＳ２へ進む。
【００４７】
ステップＳ２で、ＥＣＵ１００は、検出された改質室２１の温度が４００℃以上であるか否かを判断する。ここで、４００℃とは、改質室２１において燃料の改質反応が適切に行われることで水素が生成されるために最低限必要とする温度である。この場合、改質室２１の構造や改質触媒の種類等によって、より低い温度を適用することもできる。改質室２１の温度が４００℃以上である場合（ステップＳ２／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は次のステップＳ３へ進む。改質室２１の温度が４００℃に満たない場合（ステップＳ２／ＮＯ）、ＥＣＵ１００は改質室２１の温度が４００℃以上となるまでステップＳ２の処理を繰り返す。
【００４８】
ステップＳ３で、ＥＣＵ１００は、燃料供給装置３より燃料の噴射を開始し、水供給弁１１を開弁させて高微粒化水噴射ノズル７１より水の噴射を開始する。この処理を実行することによって、排気ガス導入通路８に噴射された粒径の小さい水が、燃料供給装置３から噴射された燃料と混合され排気ガスとともに改質室２１へと供給されることで、改質室２１の温度低下を抑制しつつ燃料の改質反応を開始することができる。ＥＣＵ１００はステップＳ３の処理を終えると、つづいてステップＳ４へ進む。
【００４９】
ステップＳ４で、ＥＣＵ１００は、水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が４００℃以上であるか否かを判断する。噴射された燃料や水が改質室２１に到達すると、それらの気化熱や改質反応に伴う吸熱によって改質室２１が冷却される。よって、水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が、燃料の改質反応が適切に行われる温度域にあるか否かを確認する必要がある。水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が４００℃以上である場合（ステップＳ４／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００はステップＳ６へ進む。水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が４００℃に満たない場合（ステップＳ４／ＮＯ）は、ＥＣＵ１００は次のステップＳ５へ進む。
【００５０】
ステップＳ５で、ＥＣＵ１００は、排気ガス導入通路８への燃料の噴射および水の噴射を停止させる。この処理を実行することによって、低下した改質室２１の温度を、燃料の改質反応を適切に行うことができる温度域まで上昇させることができる。ＥＣＵ１００はステップＳ５の処理を終えるとステップＳ１へ戻り、上記の処理を繰り返す。
【００５１】
ステップＳ４の判断がＹＥＳの場合、ＥＣＵ１００はステップＳ６へ進む。ステップＳ６で、ＥＣＵ１００は、検出された改質室２１の温度が７００℃以上であるか否かを判断する。ここで、７００℃とは、改質室２１において燃料の改質反応が適切に行われることで水素が生成されるために最も効率の良い温度である。この場合、改質室２１の構造や改質触媒の種類等によって、異なる温度を適用することもできる。改質室２１の温度が７００℃以上である場合（ステップＳ６／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は次のステップＳ７へ進む。改質室２１の温度が７００℃に満たない場合（ステップＳ６／ＮＯ）、ＥＣＵ１００は改質室２１の温度が７００℃以上となるまでステップＳ６の処理を繰り返す。
【００５２】
ステップＳ７で、ＥＣＵ１００は、低微粒化水供給弁１２を開弁させて低微粒化水噴射ノズル７２より水の噴射を開始する。この処理を実行することによって、排気ガス導入通路８に噴射された粒径の小さい水と粒径の大きい水とが燃料供給装置３から噴射された燃料と混合され、排気ガスとともに改質室２１へと供給される。粒径の大きい水は、粒径の小さい水よりも大きな気化熱を必要とすることから、低微粒化水噴射ノズル７２より粒径の大きな水を噴射することで改質室２１をより冷却することができる。このように、噴射する水の粒径、および水の噴射パターンを変化させることによって、燃料の改質反応を行いつつ、必要以上に高温となった改質室２１を冷却することで、改質室２１に設けられた改質触媒の劣化を抑制することができる。ＥＣＵ１００はステップＳ７の処理を終えると、つづいてステップＳ８へ進む。
【００５３】
ステップＳ８で、ＥＣＵ１００は、低微粒化水噴射ノズル７２からの水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が７００℃以上であるか否かを判断する。燃料や粒径の大きい水が改質室２１に到達すると、それらの気化熱や改質反応に伴う吸熱によって改質室２１がより冷却される。よって、低微粒化ノズルからの水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が、燃料の改質反応が最も効率よく行われる温度域にあるか否かを確認する必要がある。水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が７００℃以上である場合（ステップＳ８／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００はステップＳ１０へ進む。低微粒化ノズルからの水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が７００℃に満たない場合（ステップＳ８／ＮＯ）は、ＥＣＵ１００は次のステップＳ９へ進む。
【００５４】
ステップＳ９で、ＥＣＵ１００は、低微粒化水噴射ノズル７２からの水の噴射を停止する。この処理を実行することによって、低下した改質室２１の温度を、燃料の改質反応を最も効率よく行うことができる温度域まで上昇させることができる。ＥＣＵ１００はステップＳ９の処理を終えるとステップＳ４へ戻り、上記の処理を繰り返す。
【００５５】
ステップＳ８の判断がＹＥＳである場合、ＥＣＵ１００はステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０で、ＥＣＵ１００は、イグニッションＯＦＦの要求があるか否かについて判断する。イグニッションＯＦＦの要求がない場合（ステップＳ１０／ＮＯ）、ＥＣＵ１００はステップＳ４に戻り、上記の処理を繰り返す。イグニッションＯＦＦの要求がある場合（ステップＳ１０／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は制御の処理を終了する。
【００５６】
以上のように、本実施例１のエンジン１は、改質室２１の温度に基づいて水の噴射形態を変化させることによって、改質室２１の温度を改質反応に適した温度域に制御しつつ、改質室２１に充分な水を供給することができる。よって、広い運転域において高い燃料改質効率を得ることができることから、エンジンに充分な量の水素を供給することができ、大幅な燃費の向上と低エミッション化を達成することができる。
【００５７】
また、本実施例１のエンジン１は、温度センサ１９、またはエンジン１の運転状態および排気ガスセンサ２０の検出結果に基づいて改質室２１の温度を求めることによって、求めた改質室２１の温度に基づいて水の噴射形態を制御することができる。よって、広い運転域において高い燃料改質反応効率を得ることができることから、エンジンに充分な量の水素を供給することができ、大幅な燃費の向上と低エミッション化を達成することができる。
【００５８】
そして、本実施例１のエンジン１は、改質室２１の温度に基づいて水の噴射パターンを変化させることによって、改質室２１の温度を改質反応に適した温度域に制御しつつ、改質室２１に充分な水を供給することができる。よって、高い効率で燃料改質反応が行われることから、燃焼室１５へ供給する充分な水素量を生成することができる。なお、実施例１のエンジン１は、水の噴射ノズルを３つ以上有することで、改質室２１の温度に応じて様々な水の噴射パターンを適用することもできる。
【００５９】
更に、本実施例１のエンジン１は、改質室２１の温度に基づいて噴射する水の粒径を変化させることによって、改質室２１へ供給する水の量を変化させることなく、改質室２１の温度を改質反応に適した温度域に制御することができる。なお、実施例１のエンジン１は、高微粒化水噴射ノズル７１および低微粒化水噴射ノズル７２の噴射孔を可変とすることで、噴射する水の粒径を変更することもできる。
【実施例２】
【００６０】
次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例のエンジン５０は、実施例１のエンジン１とほぼ同様の構成となっているが、エンジン５０は、改質室２１の温度に基づいて単位時間当たりの水の噴射量を変化させる制御を行う点でエンジン１と相違している。
【００６１】
図４は、本発明の燃料改質装置を組み込んだエンジン５０の概略構成を示した説明図である。なお、図４にはエンジンの５０気筒の構成のみを示している。本実施例のエンジン５０は、実施例１と同様にＥＣＵ１００を備えており、改質室２１の温度を検出し、その温度に基づいて水の噴射制御を実行する。さらに、エンジン５０は、実施例１の高微粒化水噴射ノズル７１および低微粒化水噴射ノズル７２に代えて、ノズル噴射孔の径を変化させて、噴射する水の量および粒径を可変とする可変水噴射ノズル７６を備えている。この可変水噴射ノズル７６が、単位時間当たりの水の噴射量を変化させる動作を行う。エンジン５０は、熱交換器２、改質室２１、排気ガス導入通路８、可変水噴射ノズル７６を備えることにより、改質室２１の温度に基づいて排気ガス導入通路８への単位時間あたりの水の噴射量および水の粒径を変化させる制御を実行する。
【００６２】
つづいて、ＥＣＵ１００の制御の流れに沿って、エンジン５０の動作を説明する。図５は、ＥＣＵ１００の処理の一例を示すフローチャートである。なお、実施例１と同様の処理については、その詳細な説明は省略する。実施例１と同様に、ＥＣＵ１００の制御は、エンジンの始動要求がされると、すなわちイグニッションスイッチがＯＮにされると開始する。
【００６３】
まず、ＥＣＵ１００はステップＳ１１で、改質室２１の温度の検出を開始する。ここで、改質室２１の温度は、改質室２１に設置された温度センサ１９の検出結果に基づいて求めることができる。また、クランク角センサ１８やトルクセンサ等の検出結果に基づくエンジン５０の運転状態や、排気ガスセンサ２０の検出結果に基づいて、改質室２１の温度を算出することもできる。ＥＣＵ１００はステップＳ１１の処理を終えると、次のステップＳ１２へ進む。
【００６４】
ステップＳ１２で、ＥＣＵ１００は、検出された改質室２１の温度が４００℃以上であるか否かを判断する。ここで、４００℃とは、改質室２１において燃料の改質反応が適切に行われることで水素が生成されるために最低限必要とする温度である。この場合、改質室２１の構造や改質触媒の種類等によって、より低い温度を適用することもできる。改質室２１の温度が４００℃以上である場合（ステップＳ１２／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は次のステップＳ１３へ進む。改質室２１の温度が４００℃に満たない場合（ステップＳ１２／ＮＯ）、ＥＣＵ１００は改質室２１の温度が４００℃以上となるまでステップＳ１２の処理を繰り返す。
【００６５】
ステップＳ１３で、ＥＣＵ１００は、燃料供給装置３より燃料の噴射を開始し、水供給弁１１を開弁させて可変水噴射ノズル７６より水の噴射を開始する。この場合、改質室２１の温度が急激に低下しないように、可変水噴射ノズル７６の噴射孔の径を小さく絞った状態から水の噴射を開始する。この処理を実行することによって、排気ガス導入通路８に噴射された粒径の小さい水が燃料供給装置３から噴射された燃料と混合され、排気ガスとともに改質室２１へと供給されることで、燃料の改質反応を開始することができる。なお、可変水噴射ノズル７６は、従来から用いられている噴射孔を変更可能なあらゆるタイプのノズルを適用することができる。ＥＣＵ１００はステップＳ１３の処理を終えると、つづいてステップＳ１４へ進む。
【００６６】
ステップＳ１４で、ＥＣＵ１００は、水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が４００℃以上であるか否かを判断する。噴射された燃料や水が改質室２１に到達すると、それらの気化熱や改質反応に伴う吸熱によって改質室２１が冷却される。よって、水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が、燃料の改質反応が適切に行われる温度域にあるか否かを確認する必要がある。水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が４００℃以上である場合（ステップＳ１４／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００はステップＳ１６へ進む。水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が４００℃に満たない場合（ステップＳ１４／ＮＯ）は、ＥＣＵ１００は次のステップＳ１５へ進む。
【００６７】
ステップＳ１５で、ＥＣＵ１００は、可変水噴射ノズル７６の噴射孔の径を絞ることで、排気ガス導入通路８への単位時間当たりの水の噴射量を減少させる。この処理を実行することによって、低下した改質室２１の温度を、燃料の改質反応を適切に行うことができる温度域まで上昇させることができる。また、可変水噴射ノズル７６の噴射孔の径を絞ることで、噴射される水の粒径も微細化されることから、改質室２１へ水を供給しつつ、低下した改質室２１の温度を適切な温度域までより早く上昇させることができる。更に、単位時間当たりの水の噴射量を減少させることで改質室２１の温度を上昇させることにより、改質室２１への燃料および水の供給を停止することなく、改質反応を継続させることができる。なお、排気ガス導入通路８への単位時間当たりの水の噴射量を減少させるためには、水供給弁１１の開度を制御してもよい。ＥＣＵ１００はステップＳ１５の処理を終えるとステップＳ１４へ戻り、上記の処理を繰り返す。
【００６８】
ステップＳ１４の判断がＹＥＳの場合、ＥＣＵ１００はステップＳ１６へ進む。ステップＳ１６で、ＥＣＵ１００は、検出された改質室２１の温度が７００℃以上であるか否かを判断する。ここで、７００℃とは、改質室２１において燃料の改質反応が適切に行われることで水素が生成されるために最も効率の良い温度である。この場合、改質室２１の構造や改質触媒の種類等によって、異なる温度を適用することもできる。改質室２１の温度が７００℃以上である場合（ステップＳ１６／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は次のステップＳ１７へ進む。改質室２１の温度が７００℃に満たない場合（ステップＳ１６／ＮＯ）、ＥＣＵ１００は改質室２１の温度が７００℃以上となるまでステップＳ１６の処理を繰り返す。
【００６９】
ステップＳ１７で、ＥＣＵ１００は、可変水噴射ノズル７６の噴射孔の径を拡大することで、排気ガス導入通路８への単位時間当たりの水の噴射量を増加させる。この処理を実行することによって、改質室２１へ充分な量の水を供給しつつ、粒径の大きな水を大量に噴射することで改質室２１を冷却し、改質室２１の温度を改質反応が最も効率よく行われる温度域まで低下させることができる。このように、単位時間当たりの水の噴射量および水の粒径を変化させることによって、燃料の改質反応を行いつつ、必要以上に高温となった改質室２１を冷却することで、改質室２１に設けられた改質触媒の劣化を抑制することができる。ＥＣＵ１００はステップＳ１７の処理を終えると、つづいてステップＳ１８へ進む。
【００７０】
ステップＳ１８で、ＥＣＵ１００は、可変水噴射ノズル７６からの水の噴射量を増加させてからの改質室２１の温度が７００℃以上であるか否かを判断する。粒径の大きな水が大量に改質室２１に到達すると、それらの気化熱や改質反応に伴う吸熱によって改質室２１がより冷却される。よって、可変水噴射ノズル７６からの水の噴射量を増加させてからの改質室２１の温度が、燃料の改質反応が最も効率よく行われる温度域にあるか否かを確認する必要がある。水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が７００℃以上である場合（ステップＳ１８／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００はステップＳ２０へ進む。低微粒化ノズルからの水の噴射を開始してからの改質室２１の温度が７００℃に満たない場合（ステップＳ１８／ＮＯ）は、ＥＣＵ１００は次のステップＳ１９へ進む。
【００７１】
ステップＳ１９で、ＥＣＵ１００は、可変水噴射ノズル７６の噴射孔の径を絞ることで、排気ガス導入通路８への単位時間当たりの水の噴射量を減少させる。この処理を実行することによって、低下した改質室２１の温度を、燃料の改質反応を最も効率よく行うことができる温度域まで上昇させることができる。また、可変水噴射ノズル７６の噴射孔の径を絞ることで、噴射される水の粒径も微細化されることから、改質室２１へ水を供給しつつ、低下した改質室２１の温度を適切な温度域までより早く上昇させることができる。ＥＣＵ１００はステップＳ１９の処理を終えるとステップＳ１４へ戻り、上記の処理を繰り返す。
【００７２】
ステップＳ１８の判断がＹＥＳである場合、ＥＣＵ１００はステップＳ２０へ進む。ステップＳ２０で、ＥＣＵ１００は、イグニッションＯＦＦの要求があるか否かについて判断する。イグニッションＯＦＦの要求がない場合（ステップＳ２０／ＮＯ）、ＥＣＵ１００はステップＳ１４に戻り、上記の処理を繰り返す。イグニッションＯＦＦの要求がある場合（ステップＳ２０／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は制御の処理を終了する。
【００７３】
以上のように、本実施例２のエンジン５０は、可変水噴射ノズル７６の噴射孔の径を制御し、改質室２１の温度に基づいて単位時間当たりの水の噴射量を変化させることによって、改質室２１の温度を改質反応に適した温度域に制御しつつ、改質室２１に充分な水を供給することができる。よって、広い運転域において高い燃料改質効率を得ることができることから、エンジンに充分な量の水素を供給することができ、大幅な燃費の向上と低エミッション化を達成することができる。
【００７４】
更に、本実施例２のエンジン５０は、可変水噴射ノズル７６の噴射孔の径を制御することで、噴射する水の粒径を変化させることができる。よって、改質室２１の温度を速やかに改質反応に適した温度域に制御することができる。
【００７５】
なお、本実施例２のエンジン５０は、実施例１と同様に、温度センサ１９、またはエンジン５０の運転状態および排気ガスセンサ２０の検出結果に基づいて改質室２１の温度を求めることによって、求めた改質室２１の温度に基づいて単位時間当たりの水の噴射量を変化させることができる。よって、広い運転域において高い燃料改質反応効率を得ることができることから、大幅な燃費の向上と低エミッション化を達成することができる。
【００７６】
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】実施例１の燃料改質装置を組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。
【図２】燃料の改質反応によって生成する水素量と反応温度との相関を示している。
【図３】実施例１のＥＣＵが行う制御のフローを示している。
【図４】実施例２の燃料改質装置を組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。
【図５】実施例２のＥＣＵが行う制御のフローを示している。
【符号の説明】
【００７８】
１  エンジン
２  熱交換器
３  燃料供給装置
４  スロットルバルブ
５  ガス流量調整弁
６  インジェクタ
８  排気ガス導入通路
９  排気通路
１０  改質ガス導管
１１  水供給弁
１２  低微粒化水供給弁
１３  吸気通路
１４  吸気ポート
１５  燃焼室
１６  排気ポート
１７  合流排気通路
１８  クランク角センサ
１９  温度センサ
２０  排気ガスセンサ
２１  改質室
２２  排気通路
７１  高微粒化水噴射ノズル（水噴射手段）
７２  低微粒化水噴射ノズル（水噴射手段）
７３  凝縮器
７４  水タンク
７５  水ポンプ
１００  ＥＣＵ
【図１】
2010025031.tif 000003
【図２】
2010025031.tif 000004
【図３】
2010025031.tif 000005
【図４】
2010025031.tif 000006
【図５】
2010025031.tif 000007