(57)【要約】【課題】改質ガス内燃機関における改質効率の改善。【解決手段】改質原料の水蒸気改質を実行して水素を含む改質ガスを得る内燃機関において、例えばＣｕ触媒等、改質効率が高くかつ活性化温度の上限が通常の排気ガス温度より低い低温用改質部３０を採用し、低温用改質部３０よりも活性化温度上限の高い触媒を用いた高温用改質部３２又は過給機５０のいずれか又は両方を排気経路の上流側に設ける。排気経路の上流側に高温用改質部３２を設けることで、排気ガス温度を、その熱を吸熱反応である水蒸気改質に利用し低下させることができる。過給機５０を低温用改質部３０の上流側に設けることで、排気ガスの熱エネルギーを確実に奪って排気温度を低下させることができ、低温用改質部３０が熱劣化することを防止し、同時に吸気管２０への空気過給を実行するので高い出力を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質ガスを気筒内に供給して動力を得る内燃機関であって、
前記改質ガスは、改質原料を水蒸気改質によって生成した水素を含むガスであり、
改質部は、気筒からの排気経路に設けられ、排気ガスと熱交換して吸熱反応である前記水蒸気改質を実行し、該改質部は、高温用改質部と低温用改質部とを備え、
前記低温用改質部の改質触媒は、その活性温度上限が、前記高温用改質部の改質触媒の活性温度上限よりも低く、
前記低温用改質部よりも前記排気経路の上流側に前記高温用改質部が設けられていることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の改質ガス内燃機関において、
前記高温用改質部よりも前記排気経路の下流側であって、前記低温用改質部よりも前記排気経路の上流側に、前記気筒への空気を過給する過給機が設けられ、
前記過給機は、吸気管への空気過給を行うと共に、前記高温用改質部を通った排気ガスの熱エネルギを回収して排気ガス温度を低下させ、前記過給機で降温された前記排気ガスが前記低温用改質部に供給されることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項３】
請求項２に記載の改質ガス内燃機関において、
前記過給機は、排気タービンの入口と出口の排気ガス圧力の圧力比の可変機構を備え、
該過給機からの排気ガス出口温度に応じて前記排気タービンの圧力比を調整し、前記過給器から前記低温用改質部に供給される排気ガス温度が、前記低温用改質部の前記改質触媒の活性温度範囲の上限を超えないように制御されることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記改質原料は、改質原料流路を経て前記低温用改質部に供給されてから前記高温用改質部に供給され、
前記高温用改質部からの改質ガス流路と、前記低温用改質部への前記改質原料流路との間には、熱交換器が設けられ、前記改質ガスの熱を利用して前記低温用改質部に供給する前記改質原料を昇温させることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記高温用改質部は、３５０℃より高い温度で改質反応を実行し、
前記低温用改質部は、３５０℃以下の温度で改質反応を実行することを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項６】
請求項５に記載の改質ガス内燃機関において、
前記過給機からの排気ガス温度が前記３５０℃以下となるように、前記高温用改質部の熱交換性と、前記過給機の排気タービンの入口と出口の排気ガス圧力の圧力比が設定されていることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項７】
請求項２、請求項３及び請求項６のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
さらに、前記過給機の前記排気タービンの回転動力を利用して前記気筒に供給する前記改質ガスの圧力を上昇させる改質ガス用コンプレッサを備えることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記改質原料は、エタノール、または、エタノールと水との混合液であることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項９】
請求項８に記載の改質ガス内燃機関において、
前記改質原料のエタノール濃度は３０体積％〜９６体積％であることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記低温用改質部の前記改質触媒は、触媒成分として銅を含有することを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記気筒での燃焼の当量比は、１未満であることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記気筒での燃焼の当量比は、１．５以下に設定され、
前記気筒には、前記改質ガスの他に、液体燃料が供給されることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項１３】
改質ガスを気筒内に供給して動力を得る内燃機関であって、
前記気筒での燃焼の当量比は、１未満に設定され、
前記改質ガスは、エタノールと水の混合液である改質原料を水蒸気改質によって生成した水素含有ガスであり、
前記水蒸気改質を実行する改質部は、気筒からの排気経路に設けられ、触媒成分として銅を含有し、３５０℃以下を適性温度範囲とする改質触媒を有する低温改質部を備え、
前記低温改質部よりも前記排気経路の上流側に前記気筒への空気を過給する過給機が設けられ、
前記過給機は、排気ガスの熱エネルギを回収して排気ガス温度を低下させ、
前記過給機で降温された前記排気ガスを前記低温用改質部に供給することを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項１４】
請求項１３に記載の改質ガス内燃機関において、
前記低温改質部よりも前記排気経路の上流側には、活性温度範囲上限が３５０℃より高い改質触媒を備える高温用改質部をさらに備えることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項１５】
請求項８、請求項１３又は請求項１４に記載の改質ガス内燃機関において、
前記改質燃料のエタノール濃度は、７０体積％〜８０体積％であることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項１６】
請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記気筒の外部の燃焼室周辺に、少なくとも、前記改質原料の蒸発熱と、前記改質原料を前記水蒸気改質する際の吸熱反応熱とを、前記気筒の冷却に用いるための冷却機構が設けられていることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【請求項１７】
請求項１６に記載の内燃機関において、
前記気筒の外側の燃焼室周辺には、さらに、前記気筒内との熱交換により前記改質原料液を加熱する液体加熱部が設けられていることを特徴とする改質ガス内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気熱を利用して改質原料を水蒸気改質する改質ガス内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンなどの炭化水素系（ＣmＨn）の液体燃料や天然ガスなど水蒸気改質することで、水素などの発熱量を増加させた改質ガスを得て、これを内燃機関の燃料として用いることでエンジンの熱効率の向上を図ることが従来より提案されている。また、このような水蒸気改質には、少なくとも改質触媒を活性化させるための熱と、吸熱反応である上記水蒸気改質を実行するための反応熱が必要とされるが、その熱を排気ガスから回収し、熱の有効利用を図る。例えば特許文献１は、燃料として天然ガスを用い、排気ガスの熱エネルギをこの天然ガスを水蒸気改質に利用している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０２４３号公報
【特許文献２】特開２００４−３００００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献１では、排気ガス温度が７００℃〜９００℃といった高温であることを利用し、このような高温を活性温度範囲とするいわゆる高温改質触媒を用いて、改質反応を行っている。
【０００５】
一方で、水素を含む改質ガスは、ガソリン燃料などと比較して燃焼性に優れており、当量比１未満の希薄燃焼に適している。このような希薄燃焼を行った場合、当量比１以上の過濃燃焼させた場合と比較して、排気ガス温度を低くすることができる。しかし、上記特許文献１のように、従来、ガソリンや天然ガスなどの改質に採用されている高温の活性化温度を備える改質触媒は、低温下では活性がない。したがって、改質ガスの混合気を希薄燃焼させた場合のような低温の排気ガスからは、十分な熱エネルギを回収できず、改質反応を効率的に実行することができない。排気ガスの熱エネルギは改質原料の昇温・気化に利用することができるだけとなり、内燃機関全体の熱効率の向上への寄与は非常に小さいものとなる。また、エンジン始動時や、低温環境下などでは、排気ガス温度が低く、その温度が改質に必要な高温になるまで暖機運転などを実行する必要が発生し、改質ガスを利用した低燃費の内燃機関の意義が薄れてしまう。
【０００６】
さらに、特許文献１に紹介されているように、メタノール燃料について、３００℃程度を活性化温度範囲とする触媒を用いて改質することが知られている。しかし、この３００℃程度の低温で活性な改質触媒は、高温環境に晒されると熱劣化が発生する。したがって、特許文献１のように、改質触媒部と熱交換する排気ガス室に３５０℃以上の排気ガスが流入するような運転条件が存在する場合、低温で活性の優れた改質触媒を使用することはできない。
【０００７】
一方、特許文献２では、改質反応を低温条件で実行するために、炭化水素系燃料と水との改質を行う改質反応器を高圧状態とすることが提案されている。しかし、このような高圧状態での改質を実現するためには、炭化水素系燃料と水をそれぞれ汲み上げて改質反応器に向けて高圧で吐出させる必要があり、非常に大きな動力を必要とする。また、改質反応器は、低温条件といっても反応温度は２００℃〜６００℃程度であり、かつ十分な耐圧性を実現するため、この改質反応器は非常に大きな質量を持つことになる。したがって、高効率で簡易かつ小型の改質反応器とすることはできず、自動車のような移動体の内燃機関用に採用することは、非常に困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、改質ガスを気筒内に供給して動力を得る内燃機関であって、前記改質ガスは、改質原料を水蒸気改質によって生成した水素を含むガスであり、改質部は、気筒からの排気経路に設けられ、排気ガスと熱交換して吸熱反応である前記水蒸気改質を実行し、該改質部は、高温用改質部と低温用改質部とを備え、前記低温用改質部の改質触媒は、その活性温度上限が、前記高温用改質部の改質触媒の活性温度上限よりも低く、前記低温用改質部よりも前記排気経路の上流側に前記高温用改質部が設けられている。
【０００９】
本発明の他の態様は、上記改質ガス内燃機関において、前記高温用改質部よりも前記排気経路の下流側であって、前記低温用改質部よりも前記排気経路の上流側に、前記気筒への空気を過給する過給機が設けられ、前記過給機は、吸気管への空気過給を行うと共に、前記高温用改質部を通った排気ガスの熱エネルギを回収して排気ガス温度を低下させ、前記過給機で降温された前記排気ガスが前記低温用改質部に供給される。
【００１０】
本発明の他の態様では、改質ガスを気筒内に供給して動力を得る内燃機関であって、前記気筒での燃焼の当量比は、１未満に設定され、前記改質ガスは、エタノールと水の混合液である改質原料を水蒸気改質によって生成した水素含有ガスであり、前記水蒸気改質を実行する改質部は、気筒からの排気経路に設けられ、触媒成分として銅を含有し、３５０℃以下を適性温度範囲とする改質触媒を有する低温改質部を備え、前記低温改質部よりも前記排気経路の上流側に前記気筒への空気を過給する過給機が設けられ、前記過給機は、排気ガスの熱エネルギを回収して排気ガス温度を低下させ、前記過給機で降温された前記排気ガスを前記低温用改質部に供給する。
【００１１】
本発明の他の態様では、上記改質ガス内燃機関において、前記改質燃料のエタノール濃度は、７０体積％〜８０体積％である。
【００１２】
本発明の他の態様では、上記いずれかの改質ガス内燃機関において、前記気筒の外部の燃焼室周辺に、少なくとも、前記改質原料の蒸発熱と、前記改質原料を前記水蒸気改質する際の吸熱反応熱とを、前記気筒の冷却に用いるための冷却機構が設けられている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、改質原料の水蒸気改質を実行して水素を含む改質ガスを得る内燃機関において、排気熱を利用した改質部に低温用改質部を採用する。さらに高温用改質部又は過給機のいずれか又は両方をこの低温用改質部より排気側の上流側（気筒側）に設ける。このため、例えば、負荷変動で数１００℃以上も温度変化する排気ガスと熱交換するような内燃機関においても、低温用改質部に、高温用改質部と過給機のいずれか又は両方を通過した排気ガスが供給されることとなり、低温用改質部に流入する排気ガス温度を確実に低下させることができる。
【００１４】
高温用改質部を低温用改質部より排気経路の上流側に設けることで、排気ガス温度が高い場合にも、この高温用改質部で効率的に排気ガスと熱交換して、吸熱反応である水蒸気改質が行われると共に、排気ガス温度を低下させることができる。
【００１５】
低温用改質部より排気経路の上流側に過給機を設けることで、排気ガスの熱エネルギーを確実に奪って排気温度を低下させることができ、低温用改質部を熱劣化させることなく、低温用改質触媒の交換頻度の低減し、或いは触媒の交換を不要とすることも可能とできる。
【００１６】
さらに、過給機の排気タービンは、過給コンプレッサを回転させ吸気管への空気を過給する。ガスエンジンでは、例えば、吸気ポート噴射するシステムの場合、燃料としてガスを用いるが故に、吸込み空気量が減少し、直噴エンジンや液体燃料ポート噴射エンジンに比べて最大トルクが低下する傾向を持つ。しかし、過給機を設けることで、ガスエンジンのポート噴射の場合であっても、空気流量低下を払拭でき、低燃費と高出力を両立することが可能となる。
【００１７】
低温用改質部により、排気ガス温度が低い状態でも確実に改質原料の水蒸気改質を実行することができ、燃費の向上に寄与できる。また、排気ガス温度が高い場合でも、確実に低下させてから低温改質部に供給できる。このため低温用改質部には、３５０℃以下の低温で極めて高効率に水蒸気改質を実行できるＣｕを触媒成分として含む改質触媒を採用することができる。改質燃料として、例えばエタノールと水の混合液を用いた場合など、この銅を含む改質触媒を用いることで、エタノールを低温（２００〜３５０℃）で非常に効率的に水蒸気改質することができる。したがって、例えばエタノール等を改質原料に用いた改質ガスエンジン車の燃費を大幅向上することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態）について説明する。
【００１９】
［実施形態１］
図１は、本実施形態に係る内燃機関の概略構成を表している。この内燃機関（エンジン）では、気筒１０の排気ポートに連接された排気管４０に改質部４００を設け、排気ガスの熱を用いて改質原料の水蒸気改質（吸熱反応）を実行する。
【００２０】
改質部４００は、低温用改質部３０と高温用改質部３２を備え、低温用改質部３０は、高温用改質部３２よりもその活性温度範囲の上限が低い改質触媒が用いられ、低温用改質部３０よりも排気経路の上流側（気筒１０側）に高温用改質部３２が設けられている。
【００２１】
また、低温用改質部３０より排気経路の上流側であって、高温用改質部３２よりも下流側の位置、本実施形態では、高温用改質部３２と低温用改質部３０との間には、過給機５０が設けられている。
【００２２】
したがって、本実施形態では、排気管４０に気筒１０から排出された排気ガスは、まず高温用改質部３２に流入し、高温用改質部３２と熱交換し、高温用改質部３２において、高温環境下で改質原料の水蒸気改質が行われる。
【００２３】
高温用改質部３２から流出する排気ガスは、次に過給機５０に供給される。過給機５０は、排気タービンを備え、排気ガスでこの排気タービンを回転させることで排ガスから熱エネルギを奪ってその温度を低下させる。また、過給機５０は、排気管内のタービンをエンジンの排気圧力で高速回転させ、その回転力で圧縮機を駆動することによって吸気管２０内を貫流する空気を圧縮し、気筒１０内に送り込む。
【００２４】
過給機５０でさらに温度が低下した排気ガスは、次に、低温用改質部３０に流入し、低温用改質部３０と熱交換し、上記高温用改質部３２と比較して低温で改質原料の水蒸気改質が行われる。
【００２５】
低温改質部３０から流出した排気ガスは、排気管４０のさらに下流に設けられた図示しない三元触媒などに供給され、ここで排気ガスの浄化が行われ、その後、大気中に放出される。尚、排気ガス浄化のための触媒は改質部４００の上流にあっても、中間にあってもよい。
【００２６】
ここで、気筒１０には、吸気弁１４、点火プラグ１６、排気弁１８、図示しないピストンが設けられている。また、上記改質部４００で得られた改質ガスは、アキュムレータ２８に蓄積される。このアキュムレータ２８には、吸気管２０の吸気ポート２６付近に設けられたガス噴射弁２２が接続されており、改質ガスは、ガス噴射弁２２から燃料として吸気ポート２６に噴射され、吸気管２０に過給される空気と共に気筒１０内に供給される。
【００２７】
本実施形態において、改質原料の水蒸気改質反応は、上述のように排気管４０に設けた改質部４００において実行するが、改質原料液タンク７０から汲み上げた改質原料を改質部４００に供給するまでの経路において、改質原料液を加熱し、また気化させることで、改質部４００には、改質の容易な改質原料蒸気を供給する。
【００２８】
改質原料液の加熱及び気化には熱が必要であるが、本実施形態では、そのための専用の加熱器を設けることなく、エンジン周囲の冷却または排熱を利用している。具体的には、まず、吸気管２０に設けられるいわゆるインタークーラの冷却液としてタンク７０から汲み上げた改質原料液を用いて、ここに改質原料液と過給空気との熱交換器６０を構成し、吸気管２０を流れる過給空気と改質原料液との熱交換を行う。熱交換器６０で液温が上昇した改質原料液は、次に、熱交換器６２において高温用改質部３２から流出する高温の改質ガスと熱交換することで、気化される。
【００２９】
熱交換器６２で得られた改質原料蒸気は、先に低温用改質部３０に供給され、上述のように排気ガスとの熱交換により吸熱反応である改質反応し水素含有ガスを生成する。低温用改質部３０から流出するガス（改質ガスを含む）は、次に、高温用改質部３２に流入する。高温用改質部３２では、まだ高温の排気ガスとの熱交換が行われ、低温用改質部３０から流出したガスの改質反応がさらに進行し、水素濃度やＣＯ濃度が増加する。このように、高温用改質部３２において改質程度が一層進んだガス（改質ガス）は、この高温用改質部３２から熱交換器６２を通って上述のようにアキュムレータ２８に供給される。アキュムレータ２８において、より低温の改質ガスの方が体積が小さいため蓄積効率が高く、高温用改質部３２の出力部に熱交換器６２を設けることは、低温用改質部３０に供給する改質原料を気化させるだけでなく、高温用改質部３２から流出する改質ガス温度を低下させる点でも意義が大きい。
【００３０】
アキュムレータ２８に蓄積された改質ガスは、上述のように、噴射弁２２から気筒１０内に供給され、気筒１０内で空気と燃焼させ、動力を発生する。このように、エンジン周囲の冷却と、排熱を無駄なく回収し、改質によって発熱量を増加させた改質ガスを燃料として燃焼させることで動力を発生するため、本実施形態では、非常に高い熱効率のエンジンの提供を実現している。
【００３１】
なお、改質ガスは燃焼の燃料だけでなく、気液分離により得たガス成分のみ（例えば水素ガス）を排気管４０に供給し、排気ガスの浄化（ＮＯｘ低減、パティキュレート燃焼）に用いても良い。
【００３２】
ここで、改質原料液としては、ガソリン、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、或いは軽油、重油などが挙げられる。このような有機化合物系液体燃料を改質して得られるガス成分は水素や、一酸化炭素を含む。本実施形態では、改質原料液として、エタノールを採用しており、さらに具体的には、無水エタノールよりも蒸気圧が低い３０ｖ／ｖ％（体積％）〜９６ｖ／ｖ％の濃度のエタノールと水との混合液を採用している。エバポエミッションを低減し、かつ効率的な改質を実行する上で、エタノール濃度は７０ｖ／ｖ％〜８０ｖ／ｖ％とすることがより好適であり、本実施形態では一例としてエタノール濃度７７ｖ／ｖ％のエタノール水を改質原料として用い、これのエタノール水をタンク７０内に備蓄している。バイオ技術により製造されるエタノールは多量の水分中にあることが多く、無水エタノールまで精製するには多大なエネルギーを要する。しかし、本実施形態のように水分の多いエタノール水は燃料の製造コスト低減にも好適である。
【００３３】
次に、本実施形態において採用する改質触媒について説明する。図２は、改質触媒活性の温度特性を示しており、この特性は、固定床流通式反応管にて実験した結果である。
【００３４】
実験に使用した触媒は、Ｃｕ触媒（（株）東洋ＣＣＩ製の銅亜鉛触媒ＭＤＣ−４）とＲｈ触媒（第一希元素（株）製のＣａ５ｍｏｌ％ＺｒＯ2に硝酸Ｒｈ溶液にてＲｈを３ｗｔ％担持したもの）である。篩を用い、目開き１ｍｍと１．７ｍｍの間の破砕ペレットを使用した。内径φ９．８ｍｍの石英製反応管に、Ｃｕ触媒は１．１５ｇ、Ｒｈ触媒は１．１４ｇを充填した。電気炉により改質熱（吸熱）を供給した。エタノールは和光純薬１級で、イオン交換水と混合され、気化して供給した。実験は、Ｓ／Ｃ＝０．５〜２．０  （Ｓｔｅａｍ／Ｃａｒｂｏｎモル比）の範囲で行い反応管から出る水素含有ガスの乾きガス成分のガス組成をガスクロマトグラフで測定した。同時に乾きガスの流量を測定した。
【００３５】
図２では、Ｓ／Ｃ＝１の混合液（エタノール０．１８５ｇ／ｍｉｎ、イオン交換水０．１４６ｇ／ｍｉｎ）と希釈のために窒素ガスを０．８Ｌ／ｍｉｎ供給した。温度は石英管の外壁にφ１ｍｍのＣＡ熱電対を接触させ測定した。分解率は、Ｃ含有出ガス濃度をＣ１換算したものの総和に出ガスのモル流量を乗じた後、投入したエタノールモル流量をＣ１換算したもので除した値である。エタノールが完全に別の物質に変化すると分解率１００％となる。ただし、Ｃｕ触媒では、乾きガス成分として、ほぼ水素のみしか検出できなかったため、エタノールが下記式（１）のように水素とアセトアルデヒドに分解したとして、水素モル流量をアセトアルデヒドモル流量と等しく置いて整理した。
【００３６】
Ｃ2Ｈ5ＯＨ  →  Ｈ2＋ＣＨ3ＣＨＯ  ・・・（１）
この結果、３５０℃付近にて両触媒は活性のあることがわかる。Ｃｕ触媒は同一質量でＲｈ触媒よりも分解活性があるが、Ｃｕ触媒は、３５０℃以上の長時間使用で熱劣化する。
【００３７】
したがって、Ｃｕ触媒を改質触媒として用いた場合、その触媒床の温度管理は重要である。本実施形態では、このＣｕ触媒を低温用改質部３０の改質触媒として用いるが、上述のように高温用改質部３２及び過給機５０が低温用改質部３０よりも排気経路の上流側に設けることで、低温用改質部３０に流入する排気ガス温度を３５０℃以下になるようにすることができる。
【００３８】
一方、高温用改質部３２の改質触媒としては、上記Ｒｈ触媒など、Ｃｕ触媒よりも活性温度範囲、特にその活性温度上限がＣｕ触媒よりも高い改質触媒を採用する。例えば上記Ｒｈ触媒の活性化温度の上限は、８００〜９００℃程度であり、低温用改質部３０と比較して高温の排気ガスが供給される高温用改質部３２にこのような高温活性の触媒を用いることで、高効率の水蒸気改質反応を実行できる。また、内燃機関への要求トルクが大きく排気ガス温度が上昇するような状況下であっても、この高温用改質部３２で、確実に水蒸気改質反応を実行することができる。
【００３９】
ここで上記のようなＣｕ触媒、Ｒｈ触媒を用いたエタノールの水蒸気改質は、以下の反応式（ｉ）（ｉｉ）で示される。
【００４０】
Ｃ2Ｈ5ＯＨ  →  Ｈ2＋ＣＨ3ＣＨＯ  ・・・（ｉ）
ＣＨ3ＣＨＯ  ＋  Ｈ2Ｏ  →  ３Ｈ2＋２ＣＯ  ・・・（ｉｉ）
（ｉ）式（ｉｉ）式を総合すると、最終的に水蒸気改質反応は、
Ｃ2Ｈ5ＯＨ  ＋  Ｈ2Ｏ  →  ４Ｈ2＋２ＣＯ  ・・・（ｉｉｉ）
で表される。反応式（ｉ）における発熱量増加率は１０９％であり、反応式（ｉｉｉ）で表されるトータルの反応での発熱量増加率は１２３％である。なお、発熱量増加率は、（改質ガス低位発熱量／投入燃料低位発熱量）×１００％で求めている。ここで、上述のように、エタノール濃度が７０ｖ／ｖ％〜８０ｖ／ｖ％のエタノールと水との混合液を改質原料として採用し、これを改質することで、改質反応は、上記反応式（ｉｉｉ）の当量比におおよそ一致することとなり、改質効率の向上を図ることができる（エタノール１ｍｏｌと水１ｍｏｌ当量比は約７７ｖ／ｖ％）。
【００４１】
低温用改質部３０における改質触媒壁温については、最高温度部位の温度を計測し、温度に応じて低温用改質部３０や、排気ガスを冷却水や改質原料液の循環により冷却する構成を採用することもできる。しかし、本実施形態では、低温用改質部３０よりも上流側に過給機５０を設け、高温の排気ガスで排気タービンを回転させることで熱エネルギーを奪い、温度低下させる。よって、排気ガスの持つ熱エネルギを捨てることなく効率的に改質、冷却、吸気等に利用できる。
【００４２】
図３は、排気タービンのＴｓ線図であり、図４は、所定圧力比の場合の排気タービンの入口出口温度を示す。図３に示すように、排気タービンへの入口と出口の排気ガスの温度差（Ｔ４−Ｔ６）は、下記式（２）のように、排気タービンへの入口圧力Ｐ４、出口圧力Ｐ６との（圧力比）に応じて決まる。
【００４３】
Ｔ４−Ｔ６＝（１−１／（Ｐ４／Ｐ６）((k-1)/k)×  ηｔ        ・・・（２）
なお、上記式（２）において、ηtは、タービン効率、kは、比熱比である。
【００４４】
したがって、排気タービンに入力される排気ガスの想定温度範囲と、排気タービンから出て低温用改質部３０に供給される排気ガスの要求温度範囲とに基づいて適切な圧力比の排気タービンを採用することで、所望の出口温度（Ｔ６）が実現されることが理解できる。
【００４５】
図４（ａ）に示すように、例えば圧力比２を採用した場合（タービン効率が８０％の時）、高温用改質部３２の出口、つまり排気タービンの入口で４５０℃（７２３Ｋ）の排気ガスは、排気タービンにおいて温度低下し、排気タービン出口、つまり低温用改質触媒の入口での排気ガス温度は、３５０℃（６２３Ｋ）以下が達成されている。ここで、一例として、Ｒｈ触媒を高温用改質部３２に採用した場合、上記７２０Ｋ付近が、このＲｈ触媒の活性範囲の下限である。つまり、Ｒｈ触媒による効率的な改質が実行されるような条件で該触媒から流出する排気ガスが排気タービンに供給された場合にも、この排気タービンにより、低温用改質部３０のＣｕ触媒活性範囲内の温度の排気ガスをこの低温用改質部３０に供給することができ、Ｃｕ触媒の熱劣化を避けることができる。
【００４６】
また、図４（ｂ）に示すように、同一のタービン効率でも圧力比が３の場合には、タービンへの入口温度が圧力比２の場合より高くとも（例えば７９０Ｋ）、低温用改質部３０に対し、その触媒活性上限である３５０℃（６２３Ｋ）程度以下の排気ガスを供給することが可能となっている。
【００４７】
本実施形態では、このような過給機５０を設け、吸気管内の空気を過給することにより、ガスエンジンにおける空気供給量不足による出力不足を払拭できる。ここで、通常、排気タービンはエンジンが低速回転の低負荷時には効率が悪く、排気ガスの熱エネルギーを回収できない。しかし、本実施形態では、低温用改質部３０を採用しているため、排気ガス温度の低い運転条件下で、排気タービンで排気ガス温度を低下させずにこれを低温用改質部３０に供給しても、供給される排気ガス温度は、低温用改質部３０の触媒活性範囲内であり、排気タービンによる排気温度の低下は必要ない。逆に、高速回転、高負荷時の排気ガス温度が高い運転条件下では、排気タービンの効率は高く、排気ガス温度の低下能力を十分発揮することができ、また、過給できるため、低温用改質部３０での熱劣化を防止しつつ、内燃機関を高出力とすることができる。
【００４８】
また、本実施形態において、過給機５０に、排気ターボの圧力比を可変な機構を設けても良い。このような圧力比可変機構を備え、排気タービンの出口温度を検知して、その出口温度が３５０℃以下になるように可変機構で圧力比を調節することで、より高い熱効率での運転範囲が広がる。
【００４９】
なお、低温用改質部３０への供給排気ガス温度がこの低温用改質部３０の適性温度範囲となるようにするためには、上記過給機５０の圧力比の設定の他、高温用改質部３２における熱交換性を最適化することがより好ましい。
【００５０】
また、高温用改質部３２の上流に、さらに排気タービンを配置し、高温用改質部３２への流入する排気ガス温度を低下させることにより、高温用改質触媒の熱劣化を防止することも可能となる。また、このように高温用改質部３２についても熱劣化しない貴金属触媒を使用しなくとも良いという利点がある。
【００５１】
ここで、本実施形態に係る内燃機関は、エンジン制御部（ＥＣＵ）３００で制御され運転される。エンジン制御部３００は、高負荷運転した後のアクセルペダルオフ時の低負荷や無負荷、エンジンブレーキへの移行期間、改質部４００が改質反応可能な温度を維持している間、これを冷却するために、改質原料液を多く供給するような制御を行う。また、エンジン制御部３００は、多く生成した改質ガスは開弁圧を調整された蓄圧用導管からアキュムレータ（蓄圧部）２８に貯めるように制御する。エンジンの温度が低いときや、加速時にはこの蓄圧した改質ガスを吸気管内に噴射すると、未燃炭化水素や一酸化炭素、窒素酸化物といった有害燃焼排気成分を大幅に低減できる。とくに冷始動時には、従来のガソリンエンジンで実施されてきた多大な燃料増量が必要なく、アイドルストップにも非常に都合がよい。
【００５２】
また、過給機５０の排気タービンの回転動力は、空気過給に利用するだけでなく、吸気ポートに供給する改質ガス圧力上昇のための改質ガス用コンプレッサ動力として利用することも可能である。このように改質ガス用コンプレッサ動力にも利用すれば、改質ガスの吸気管２０への噴射量を制御するためのガス噴射弁２２の制御性を高めることができる（噴射期間の長さの変化幅が大きく取れる）。また、改質原料液の供給圧力を低下させ、図示しない改質原料液供給ポンプの負荷を減少することができ、或いはポンプを小型化することができる。
【００５３】
また、本実施形態のように、改質部４００と過給機５０を組み合わせ、空気を過給することを前提とした場合、エンジンの燃焼の当量比が、１未満、さらには０．８以下のいわゆる希薄燃焼条件下においても、十分なトルクを発生でき、かつ、このような運転を、ＮＯｘ排出量を低減できる当量比で実行することができる。
【００５４】
さらに、エンジンの燃焼の当量比を１．５以下の設定とする場合には、筒内直噴燃料噴射弁、または、液体燃料ポート噴射弁を設けても良い。このようにガソリン、エタノールなどの有機化合物系の液体燃料を改質ガスと併用することにより、改質ガスを供給することで吸入空気量が減少し、出力がでない運転領域をカバーすることが容易となる。なお、このときは、当量比１．０のストイキ燃焼を中心とすることで、通常のガソリンエンジンのごとく３元触媒による排気ガス浄化を実施できる。
【００５５】
［実施形態２］
図５は、実施形態２に係る内燃機関の概略構成を示している。実施形態１では、低温用改質部３０の排気経路の上流側に過給機５０と高温用改質部３２を設けているが、本実施形態２では、図５のように、高温用改質部３２を省略し、排気管４０には低温用改質部３０と過給機５０を設け、過給機５０を低温用改質部３０よりも排気経路の上流に設けている。なお、改質原料タンク７０から汲み上げ、熱交換器６０で昇温した改質原料液の気化は、実施形態１では、高温用改質部３２からの改質ガスとの熱交換で行っている。本実施形態２では、排気管４０に排気ガスとの熱交換を行う熱交換器６６を設け、この熱交換器で排気ガスの熱を利用して気化させている。そして熱交換器６６で得られた改質原料蒸気を低温改質部３０に供給している。さらに、低温用改質部３０から流出する改質ガス温度は３５０℃程度と低いことから、実施形態１のように熱交換器等を設けて冷却することなく、自然冷却してアキュムレータ２８に供給する。
【００５６】
改質原料液としては、実施形態１においても説明したが、改質効率の高いエタノール濃度が７０ｖ／ｖ％〜８０ｖ／ｖ％のエタノール水を採用する。また、低温用改質部３０の改質触媒としては、３５０℃以下が適性活性化温度範囲であるＣｕを触媒成分とする改質触媒を用いている。
【００５７】
エタノール水を水蒸気改質して得た改質ガスは、発熱量が高く、また燃焼性の高い水素を多く含むため、改質ガスを燃料として用いた内燃機関は、当量比１未満の希薄燃焼条件でも、ノッキングが少なく、かつ、ＮＯｘ排出量を低減できる当量比で実行することができる。一方で、希薄燃焼条件で燃焼させるので、排気ガス温度は、例えば当量比が０．４〜０．５程度の場合には、６００℃〜４００℃程度か、それ以下、例えば３５０℃程度となる。
【００５８】
一方で、希薄燃焼の場合、要求トルクが増大しても、出力が得られにくい特性があるが、本実施形態のように、過給機５０を採用し、吸気管２０への空気を過給することで、内燃機関の出力を増大させることが可能となる。
【００５９】
また、上記のように希薄燃焼条件を採用すれば、排気ガス温度が７００℃〜９００℃というような高温となることはなく、一例として、６００℃〜４００℃程度以下の排気温度が達成される。
【００６０】
つまり、図４において説明したように、６００℃程度以下の排気ガスが過給機５０に供給されることとなり、過給機５０の上流に高温用改質部を設けることなく、過給機５０のみによって排気ガスを低温用改質部３０の触媒活性範囲の上限以下にすることができる。
【００６１】
なお、当量比が１．０未満、より好適には、０．８以下となるような運転の制御は、エンジン制御部３００により、ガス噴射弁２２からの改質ガス噴射量、吸気量等を制御することにより達成可能である。
【００６２】
［実施形態３］
図６は、実施形態３に係る内燃機関の概略構成を示している。実施形態３では、上実施形態１のように排気管４０に排気熱を利用して改質原料を水蒸気改質する改質部４００及び過給機５０を設けると共に、気筒１０の外側の燃焼室周辺に、改質原料液の蒸発部１２０及び改質原料蒸気の改質部１３０が設けられ、改質原料液の気化熱と、改質部での水蒸気改質（吸熱反応）における反応熱が気筒１０の冷却に用いられている。
【００６３】
ここで、気筒の外側とは、より具体的には気筒１０の気筒内壁を規定するシリンダライナーの外側部分である。シリンダライナーは、シリンダブロック内に挿入され、又はシリンダブロック形成時に同時に鋳込まれ、このシリンダライナー及びシリンダブロックのライナー側の中空部に、蒸発部１２０、改質部１３０等を形成している。以下、このライナー及びシリンダブロックのライナー側をライナー部１００として説明する。
【００６４】
ライナー部１００には、さらに、改質原料液を加熱する液体加熱部１１０が設けられており、この液体加熱部１１０には、タンク７０から汲み上げて供給される改質原料液が循環し、気筒と改質原料液との熱交換が行われ、その結果、気筒は冷却され、改質原料液は加熱される。加熱部１１０で加熱された改質原料液は、蒸発部１２０に供給され、ここでさらに気筒の熱により気化される。蒸発部１２０で得られた改質原料蒸気は、次に改質部１３０に供給され、改質部１３０に設けられた改質触媒によって水蒸気改質が行われる。
【００６５】
ライナー部１００において、蒸発部１２０は、ライナーの上部であって、燃焼室の周囲に相当する位置に設けられており、改質部１３０は蒸発部１２０と液体加熱部１１０との間に配置している。蒸発部１２０は、蒸発室と、この蒸発室内に改質原料液を噴射する噴射弁１２４を備える。噴射弁１２４の噴射タイミング、噴射量は、エンジン制御部（ＥＣＵ）３００の管理の下制御され、気化熱を利用して、気筒の冷却を防止すると共に、ノッキングや異常燃焼の発生も防止している。
【００６６】
また、本実施形態３では、ラジエータ８２の冷却液として、エタノール水からなる改質原料液を用いており、タンク７０から供給ポンプ８０によって汲み上げられた改質原料液はラジエータ８２に供給され、ラジエータの冷却用循環路８８を循環する。この循環液の一部が、液体加熱部１１０に供給される。液体加熱部１１０において気筒１０との熱交換により液温の上昇した改質原料液は、減圧弁１２６で減圧され、液体噴射弁１２４から蒸発部１２０の蒸発室１２２内に噴射される。なお、気筒１０をさらに冷却する必要がある場合や、液体加熱部１１０から蒸発部１２０への改質原料液供給量を調整する場合には、液体加熱部１１０から流出する改質原料液を、液循環ポンプ８４を経てラジエータ８２に戻し、ラジエータ８２で冷却して、再び液体加熱部１１０に循環する。
【００６７】
蒸発部１２０において、液体噴射弁１２４から蒸発室１２２内に噴射された改質原料液は、噴射によりさらに減圧され、蒸発室の壁面に衝突した後、または、噴射後すぐに気化する。そして、この気化熱により、ライナー部１００の最上部が冷却される。ここで、点火位置から遠い燃焼室の壁面付近での温度上昇は、ノッキングや異常燃焼の原因の一つであるが、本実施形態では、ライナー部１００の最上部に設けた蒸発部１２０によって、この燃焼室の壁面を冷却することができ、燃焼室壁温度の低下、すなわち、ノッキング等の防止に寄与する。
【００６８】
ノッキングや異常燃焼は、気筒の圧縮上死点（ＴＤＣ：top dead center） 付近が最も発生しやすい期間である。したがって、蒸発部１２０での改質原料液の噴射は、この圧縮ＴＤＣ付近とすることが効果的である。特に、噴射タイミングを圧縮ＴＤＣの少し前のタイミングとすることで、燃焼室壁温が最も高くなるタイミングに合わせて改質原料液を気化させ、気化熱により燃焼室壁温を効率的に冷却することが可能となる。
【００６９】
気筒の改質部１３０の近くには、さらに改質触媒を冷却するための冷却部が設けられ、この冷却部として、改質原料液を循環させて触媒を冷却する触媒冷却用循環部１４４が採用されている。触媒冷却用循環部１４４には、液体加熱部１１０を通った改質原料液が供給され、触媒冷却用循環部１４４を経てここから流出する改質原料液の一部は、そのまま減圧弁１２６を介して液体噴射弁１２４から蒸発室に噴射され、残りは冷却液循環路８８を経てラジエータ８２で冷却され、再び液体加熱部１１０に戻る。
【００７０】
なお、液体加熱部１１０を通った改質原料液の一部は、液体加熱部１１０と触媒冷却用循環部１４４との間に設けられた循環量制御弁１４６を介して触媒冷却用循環部１４４に供給され、残りはラジエータ８２に戻る。改質触媒温度の検出結果に応じて、循環部１４４へ改質原料液の流量は、この循環量制御弁１４６によって制御される。
【００７１】
改質部１３０と蒸発部１２０との間には、蒸気通路が設けられており、この蒸気通路を通って改質部１３０に流入した改質原料蒸気は、改質部１３０内に設けられた改質触媒によって水蒸気改質される。この改質触媒としては、上記排気部の低温用改質部３０に採用した例えばＣｕを触媒成分とする触媒であり、触媒温度が３５０℃程度以下となるように、上記触媒冷却用循環部１４４が設けられている。
【００７２】
改質部１３０において得られた改質ガスは、改質部１３０のライナー下側に設けられた改質ガス流出通路からアキュムレータ２８（図５参照）へ供給される。
【００７３】
また、改質部１３０からの改質ガスの一部は、流量制御弁１３６を介し、排気側の改質部４００に供給される。具体的には、この流量制御弁１３６を介して改質部４００に供給されるガスは、改質部１３０の触媒温度が３５０℃程度に制限されていることから、そのまま低温用改質部３０に供給される。
【００７４】
低温用改質部３０から流出するガスは、熱交換器６８で、高温用改質部３２から流出するより高温のガスと熱交換させ、昇温してから高温用改質部３２に供給する。そして、高温用改質部３２でさらに改質反応を進行させる。
【００７５】
高温用改質部３２から流出する改質ガスは熱交換器６８を通り、次に熱交換器６４を通過してアキュムレータ２８に供給され、アキュムレータ２８に、ライナー部１００の改質部１３０で得た改質ガスと共に蓄積される。
【００７６】
熱交換器６４には、ラジエータ８２に連通された冷却循環路８８に設けられており、上記高温用改質部３２からの改質ガスと、ライナー部１００の改質部１３０から改質ガスの両方が、この冷却循環路８８を流れる改質原料液との熱交換によって冷却される。なお、熱交換器６４を通った改質原料液は、液循環ポンプ８４を経てラジエータ８２に戻り、ラジエータ８２で冷却される。
【００７７】
図６に示す構成においても、吸気管２０には、流入する空気を冷却するためのいわゆるインタークーラからなる熱交換器６０が設けられ、この熱交換器６０の冷却液としても改質原料液が採用されている。そして、ラジエータ８２から送出され循環経路８８を経て上記熱交換器６０を通過した改質原料液は、液循環ポンプ８４を経て再びラジエータ８２に戻り、ここで冷却される。
【００７８】
上述のように、液循環ポンプ８４には、ラジエータ８２から送出され、液体加熱部１１０を循環した改質原料液（循環液）、触媒冷却用循環部１４４を循環した改質原料液、上記熱交換器６０，６４を循環した改質原料液等が戻る。ここで液体加熱部１１０を循環する改質原料液は、その後、蒸発部１２０で効率的に気化するように、気筒によって加熱することを主たる目的としている。一方、熱交換器６０、６４、触媒冷却用循環部１４４では、改質原料液によって対象を冷却することを主たる目的としており、これらを循環した改質原料液は、液体加熱部１１０を循環する原料液よりも優先してラジエータ８２に戻す必要がある。そこで、図６に示すように、液体加熱部１１０から液循環ポンプ８４に向かう流路にはオリフィスなどの圧力損失部８６を設け、他の熱交換器６４等からの循環液が冷却循環路８８に優先して流れ込めるようにしている。
【００７９】
以上図６を参照して説明したように、本実施形態３では、気筒側に改質部１３０、蒸発部１２０、液体加熱部１１０を設け、気筒の熱を利用して改質原料液の加熱、気化、そして水蒸気改質を実行し、同時に気筒の冷却を行う。そして、気筒側の改質部１３０で得た改質ガスを排気管側の改質部４００に供給し、排気熱を利用してさらに改質を進行させる。これにより、内燃機関で発生する熱を、極めて効率的に、改質に必要な熱として利用し、かつ気筒や内燃機関の必要な部分を確実に冷却することができる。したがって、改質原料から得る改質ガスに含まれる水素、一酸化炭素の濃度を非常に高くすることができ、かつ、内燃機関の熱効率、燃費を飛躍的に上昇させることが可能となる。
【００８０】
また、内燃機関の各部を冷却するための冷却液として、最終的には加熱し、蒸発させ、さらに改質反応を行う改質原料液を採用することで、内燃機関の冷却を効率的に行うことができる。もちろん、気筒１０の冷却を、改質原料液の液温上昇、蒸発、吸熱の水蒸気改質反応によって実行することで、ラジエータの負荷を最小限とでき、ラジエータの小型化等を達成することも可能となる。また、ラジエータ用の冷却水と改質原料液を別に備蓄する必要がなく、内燃機関の小型化を図ることができる。
【００８１】
なお、排気管側に設ける改質部４００として実施形態２のように、高温用改質部３２を省略する構成を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】実施形態１に係る内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】改質触媒の活性特性を示す図である。
【図３】排気タービンのＴｓ線図である。
【図４】所定圧力比における排気タービンの入口出口温度の特性を示す図である。
【図５】実施形態２の変形例に係る内燃機関の概略構成を示す図である。
【図６】実施形態３に係る内燃機関の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０  気筒、１４  吸気弁、１６  点火プラグ、１８  排気弁、２０  吸気管、２２  ガス噴射弁、３０  低温用改質部、３２  高温用改質部、４０  排気管、５０  過給機、６０，６２，６４，６６，６８  熱交換器、７０  改質原料タンク、８０  供給ポンプ、８２  ラジエータ、８４  液循環ポンプ、８８  冷却循環路、１００  ライナー部、１１０  液体加熱部、１２０  蒸発部、１２４  液体噴射弁、１２６  減圧弁、１３０  改質部、１４４  触媒冷却用循環部、１４６  循環量制御弁、１６０  障壁、２００  シリンダブロック、３００  エンジン制御部（エンジンＥＣＵ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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