(57)【要約】【課題】改質に供する排ガスの温度低下を抑制すること。【解決手段】排ガス改質システム１００が備える排ガス改質装置２０は、燃料と、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの一部との改質用混合気Ｇｍｒを改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスＥｘｒを生成するものである。内燃機関１と排ガス改質装置２０とは、排ガス通路９で接続されており、内燃機関１が排出した排ガスが排ガス改質装置２０へ供給される。排ガス通路９の内部は、仕切り部材２２で仕切られている。そして、仕切り部材２２と排ガス通路９とで囲まれる空間が、内燃機関１が排出した排ガスＥｘの一部を排ガス改質装置２０が備える改質触媒へ導く排ガス導入通路２１となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と、内燃機関が排出する排ガスの一部との改質用混合気を改質触媒によって改質することにより、水素を含む改質ガスを生成するものであり、
改質に供されない前記排ガスが通過する主排ガス通路と、
前記改質触媒が備えられて、前記改質用混合気が通過する改質通路と、
前記内燃機関が排出する排ガスを前記主排ガス通路と前記改質触媒とへ導く排ガス通路に沿って設けられて、前記排ガスの一部を改質に供する排ガスとして前記改質通路内へ導く排ガス導入通路と、
を含むことを特徴とする排ガス改質装置。
【請求項２】
前記排ガス導入通路は、前記排ガス通路の内部を仕切る仕切り部材と前記排ガス通路とで囲まれる空間で構成されることを特徴とする請求項１に記載の排ガス改質装置。
【請求項３】
前記排ガス導入通路は、前記主排ガス通路の外側に沿って設けられることを特徴とする請求項１に記載の排ガス改質装置。
【請求項４】
前記排ガス導入通路には、排ガス入口と排ガス出口との間に突起部が設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス改質装置。
【請求項５】
前記排ガス導入通路は、断熱材で覆われることを特徴とする請求項４に記載の排ガス改質装置。
【請求項６】
前記改質通路の排ガス入口には、前記改質用混合気を一時的に留めておく改質用混合気溜めが設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排ガス改質装置。
【請求項７】
前記改質通路の改質ガス出口には、前記改質通路を通った改質ガスを一時的に溜めておく改質ガス溜めが設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の排ガス改質装置。
【請求項８】
前記改質用混合気溜めは、断熱材で覆われることを特徴とする請求項６又は７に記載の排ガス改質装置。
【請求項９】
前記主排ガス通路の内部には、前記排ガスを浄化する浄化触媒が設けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の排ガス改質装置。
【請求項１０】
内燃機関と、
前記内燃機関が排出する排ガスが流れる排ガス通路の途中に設けられる請求項１〜９のいずれか１項に記載の排ガス改質装置と、
前記排ガス改質装置よって生成された改質ガスを前記内燃機関の吸気通路へ還流させるガス還流通路と、
前記排ガス改質装置と前記吸気通路との間に設けられる還流流量調整手段と、
を含むことを特徴とする排ガス改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と、内燃機関が排出する排ガスとの混合気を改質して得られた水素を含む改質ガスを、内燃機関の吸気通路へ還流させる排ガス改質装置及び排ガス改質システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関が排出する排ガスに炭化水素系の燃料を添加し、両者の混合気を改質触媒で改質して得られる改質ガスを、前記内燃機関の吸気管に供給可能とする排ガスの排ガス改質装置が知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３７８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、内燃機関が排出する排ガスを排ガス改質装置へ供給するための配管が必要で、この配管から排ガスの熱エネルギが逃げてしまう結果、改質に供する排ガスの温度が低下してしまい、改質効率の低下、生成水素量の低下等を招くという問題があった。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、改質に供する排ガスの温度低下を抑制できる排ガス改質装置及び排ガス改質システム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】
【０００５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る排ガス改質装置は、燃料と、内燃機関が排出する排ガスの一部との改質用混合気を改質触媒によって改質することにより、水素を含む改質ガスを生成するものであり、改質に供されない前記排ガスが通過する主排ガス通路と、前記改質触媒が備えられて、前記改質用混合気が通過する改質通路と、前記内燃機関が排出する排ガスを前記主排ガス通路と前記改質触媒とへ導く排ガス通路に沿って設けられて、前記排ガスの一部を改質に供する排ガスとして前記改質通路内へ導く排ガス導入通路と、を含むことを特徴とする。
【０００６】
この発明に係る排ガス改質装置は、内燃機関が排出する排ガスの一部を改質触媒へ導く排ガス導入通路を備え、この排ガス通路を、内燃機関と排ガス改質装置とを接続する主排ガス通路に沿って設ける。これによって、排ガスの温度低下を抑制できるので、この排ガスと燃料との改質用混合気の温度低下を抑制して、改質効率の低下を抑制できる。
【０００７】
次の本発明に係る排ガス改質装置のように、前記排ガス改質装置において、前記排ガス導入通路は、前記排ガス通路の内部を仕切る仕切り部材と前記排ガス通路とで囲まれる空間で構成することができる。
【０００８】
次の本発明に係る排ガス改質装置のように、前記排ガス改質装置において、前記排ガス導入通路は、前記主排ガス通路の外側に沿って設けることができる。
【０００９】
次の本発明に係る排ガス改質装置のように、前記排ガス改質装置において、前記排ガス導入通路には、排ガス入口と排ガス出口との間に突起部を設けることが好ましい。
【００１０】
次の本発明に係る排ガス改質装置のように、前記排ガス改質装置において、前記排ガス導入通路は、断熱材で覆うことが好ましい。
【００１１】
次の本発明に係る排ガス改質装置のように、前記排ガス改質装置において、前記改質通路の排ガス入口には、前記改質用混合気を一時的に留めておく改質用混合気溜めを設けるようにしてもよい。
【００１２】
次の本発明に係る排ガス改質装置のように、前記排ガス改質装置において、前記改質通路の改質ガス出口には、前記改質通路を通った改質ガスを一時的に溜めておく改質ガス溜めを設けるようにしてもよい。
【００１３】
次の本発明に係る排ガス改質装置のように、前記排ガス改質装置において、前記改質用混合気溜めは断熱材で覆われることが好ましい。
【００１４】
次の本発明に係る排ガス改質装置のように、前記排ガス改質装置において、前記主排ガス通路の内部には、前記排ガスを浄化する浄化触媒が設けてもよい。
【００１５】
次の本発明に係る排ガス改質システムは、内燃機関と、前記内燃機関が排出する排ガスが流れる排ガス通路の途中に設けられる前記排ガス改質装置と、前記排ガス改質装置よって生成された改質ガスを前記内燃機関の吸気通路へ還流させるガス還流通路と、前記排ガス改質装置と前記吸気通路との間に設けられる還流流量調整手段と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る排ガス改質装置及び排ガス改質システムは、改質に供する排ガスの温度低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。また、本発明は、特に乗用車やバス、あるいはトラック等の車両に搭載される内燃機関に対して好ましく適用できる。
【００１８】
本実施形態は、内燃機関が排出する排ガスの一部を排ガス改質装置が備える改質触媒へ導く排ガス導入通路を備え、この排ガス通路を、内燃機関と排ガス改質装置とを接続する主排ガス通路に沿って設ける点に特徴がある。
【００１９】
図１は、本実施形態に係る排ガス改質システムの全体構成図である。図２−１は、図１のＡ−Ａ断面であり、本実施形態に係る排ガス改質装置２０へ排ガスＥｘを導入する排ガス導入通路２１の構成を示す断面図である。本実施形態に係る排ガス改質システム１００は、内燃機関１と、排ガス改質装置２０とを備える。内燃機関１が排出する排ガスＥｘの一部は、排ガス改質手段である排ガス改質装置２０（以下排ガス改質装置という）へ導かれる。そして、排ガス改質装置２０に導かれた排ガスＥｘに、炭化水素（ＨＣ）を含む、改質に供する燃料（改質用燃料）Ｆｒを供給することによって水素（Ｈ2）を生成する。そして、この改質反応によって得られた水素を含むガス（以下改質ガスという）Ｅｘｒを内燃機関１の吸気側（吸気通路３）へ還流させる。
【００２０】
本実施形態に係る排ガス改質システム１００は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０によって制御される。機関ＥＣＵ５０は、いわゆるマイクロコンピュータであり、内燃機関１や排ガス改質装置２０を制御するための制御用コンピュータプログラムを記憶部５３に格納する。機関ＥＣＵ５０は、主として内燃機関１を制御するための内燃機関制御部５１と、主として排ガス改質装置２０への燃料供給や改質ガスＥｘｒの還流を制御する改質制御部５２とを備えている。
【００２１】
内燃機関１は、４個の気筒が直列に配置されているが、気筒数及び気筒配置はこれに限られるものではない。また、内燃機関１は、いわゆるロータリー式の内燃機関であってもよい。内燃機関１に供給される燃料（内燃機関用燃料）Ｆｅは、燃料タンク７０内のフィードポンプ７１によって内燃機関用燃料通路７３を介してポート噴射弁６に供給される。そして、内燃機関用燃料Ｆｅは、ポート噴射弁６から吸気通路３内に噴射され、吸気通路３を通過する空気Ａと混合気を形成する。この混合気は、吸気通路を構成するインテークマニホールド７1〜７4を通って各気筒１ｓ1〜１ｓ4へ導入される。
【００２２】
本実施形態においては、単独のポート噴射弁６により内燃機関１の各気筒へ内燃機関用燃料Ｆｅを供給するが、ポート噴射弁を気筒数分用意して、各気筒１ｓ1〜１ｓ4のインテークマニホールド７1〜７4へ内燃機関用燃料Ｆｅを供給してもよい。また、ポート噴射弁の代わりに、気筒内へ直接燃料を噴射する、いわゆる直噴噴射弁を用いて、内燃機関１へ内燃機関用燃料Ｆｅを供給してもよい。さらに、ポート噴射弁と直噴噴射弁とを備え、内燃機関１の運転条件に応じて両者の燃料噴射割合を変更して、内燃機関１へ内燃機関用燃料Ｆｅを供給してもよい。
【００２３】
内燃機関１に供給される空気Ａは、吸気通路３の入口に取り付けられるエアクリーナ１３でごみ等が除去されてから、内燃機関１へ送られる。内燃機関１へ供給される空気Ａは、吸気通路３に設けられるスロットル弁４によって流量が調整される。スロットル弁４の開度は、アクセル４７Ｐによって制御される。本実施形態において、アクセル４７Ｐの開度はアクセル開度センサ４７で検出されて、機関ＥＣＵ５０に取り込まれる。アクセル開度センサ４７からのアクセル開度情報を元に、機関ＥＣＵ５０が備える内燃機関制御部５１はスロットル弁４の開度を調整する。
【００２４】
アクセル開度が大きくなると、スロットル弁４の開度は大きくなり、アクセル開度が小さくなると、スロットル弁４の開度は小さくなる。内燃機関１へ供給される空気は、吸気通路３であってスロットル弁４の上流に設けられるエアフローセンサ４２で流量が計測されて、その計測値は機関ＥＣＵ５０に取り込まれる。機関ＥＣＵ５０の内燃機関制御部５１は、エアフローセンサ４２により計測された吸入空気量Ｇａと、回転数センサ４３で計測される内燃機関１の機関回転数ＮＥとから、内燃機関１に対する燃料噴射量Ｑｆを決定する。
【００２５】
内燃機関１の各気筒１ｓ1〜１ｓ4で燃焼した混合気は、排ガスＥｘとなってエキゾーストマニホールド８へ排出される。この排ガスＥｘは、エキゾーストマニホールド８に接続される排ガス通路９を通って排ガス改質装置２０へ導入され、排ガスＥｘを改質するための熱を与える。排ガス改質装置２０から排出された排ガスＥｘは、大気中へ放出される。このように、排ガス通路９は、内燃機関１と排ガス改質装置２０とを接続して、内燃機関１から排出された排ガスＥｘを、排ガス改質装置２０へ導く。また、排ガス通路９には、Ａ／Ｆ（Air／Fuel：空燃比）センサ４５が取り付けられており、排ガスＥｘの空燃比を計測する。そして、排ガスＥｘの空燃比から内燃機関１の燃焼状態を判定し、所定の空燃比から外れた場合には、機関ＥＣＵ５０で決定される燃料噴射量を補正する。なお、Ａ／Ｆセンサ４５の代わりにＯ2センサを用いてもよい。
【００２６】
排ガス通路９には排ガス改質装置２０が接続されており、内燃機関１が排出する排ガスＥｘが排ガス改質装置２０へ供給される。すなわち、排ガス通路９は、内燃機関１と排ガス改質装置２０とを接続して、内燃機関１が排出した排ガスを排ガス改質装置２０へ導く。本実施形態に係る排ガス改質装置２０は、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの一部を改質する。このため、図２−１に示すように、本実施形態に係る排ガス改質装置２０は、排ガス通路９に沿って設けられる排ガス導入通路２１から、内燃機関１が排出する排ガスの一部を排ガス改質装置２０の改質触媒へ導く。
【００２７】
本実施形態においては、排ガス導入通路２１は、排ガス通路９内に設けられる仕切り部材２２によって排ガス通路９内を仕切ることにより、排ガス通路９に沿って排ガス導入通路２１を形成する。このように、排ガス導入通路２１は、仕切り部材２２と排ガス通路９とで囲まれる空間で構成される。仕切り部材２２と排ガス通路９とで囲まれる空間は２つ存在するが、改質に供される排ガスＥｘは、改質に供されない排ガスＥｘよりも量が少ないため、通路断面積の小さいほうの空間を排ガス導入通路２１とする。
【００２８】
このように、排ガス通路９に沿って排ガス導入通路２１を形成することにより、排ガス導入通路２１を排ガス通路９とは別個に設けるよりも外気との接触面積を小さくでき、また、排ガス通路９を流れる改質に供さない排ガスＥｘからの受熱も可能になる。これによって、改質に供する排ガスＥｘの温度低下を効果的に抑制できるので、吸熱反応である排ガス改質装置２０内での改質効率低下を抑制することができる。特に、排ガス通路９内に、排ガス通路９に沿って排ガス導入通路２１を形成することにより、排ガス通路９を流れる排ガスＥｘからの仕切り部材２２を介した伝熱を効果的に利用することができる。さらに、排ガス通路９に沿って排ガス導入通路２１を形成することにより、排ガス導入通路２１を排ガス通路９とは別個に設ける必要はないので、排ガス導入通路２１を設けるためのスペースをコンパクトにすることができ、車両搭載時等における設置の自由度が向上する。
【００２９】
図２−２、図２−３は、排ガス導入通路の他の構成例を示す断面図である。図２−２に示す例では、排ガスＥｘが流れる内管９Ｉの外側に外管９Ｏを配置することによって、排ガス通路９ａを二重管としてある。そして、二重管で構成された範囲における内管９Ｉの内部に仕切り部材２２を配置することにより、内管９Ｉと仕切り部材２２との間に排ガス導入通路２１を形成する。このようにすれば、内管９Ｉと外管９Ｏとの間に形成される空間によって断熱効果が得られるため、排ガス導入通路２１を流れる排ガスＥｘの温度低下をより効果的に抑制できる。その結果、排ガス改質装置２０内での改質効率低下をより効果的に抑制することができる。
【００３０】
図２−３に示す例では、排ガスＥｘが流れる排ガス通路９の外側に断熱材ＨＩを配置してある。そして、断熱材ＨＩを配置した範囲における内管９Ｉの内部に仕切り部材２２を配置することにより、排ガス通路９と仕切り部材２２との間に排ガス導入通路２１を形成する。このようにすれば、排ガス通路９の外側に配置した断熱材ＨＩによって断熱効果が得られるため、排ガス導入通路２１を流れる排ガスＥｘの温度低下をより効果的に抑制できる。その結果、排ガス改質装置２０内での改質効率低下をより効果的に抑制することができる。ここで、断熱材ＨＩは、例えば、アルミナマットやロックウール等を保温カバーで覆うことにより構成することができる。
【００３１】
本実施形態において、改質に供される排ガスＥｘへ改質用燃料Ｆｒを供給するにあたっては、排ガス改質装置２０と接続される攪拌容器１６内に改質用燃料Ｆｒを噴射し、ここで十分に改質用燃料Ｆｒを攪拌してから、改質用燃料Ｆｒを前記排ガスＥｘへ供給する。前記攪拌容器１６には改質用燃料噴射弁２が取り付けられている。改質用燃料噴射弁２には、燃料タンク７０内のフィードポンプ７１から改質用燃料通路７２を介して改質用燃料Ｆｒが供給される。そして、改質用燃料噴射弁２は、攪拌容器１６内へ改質用燃料Ｆｒを供給し、改質用燃料Ｆｒは攪拌容器１６内で十分に攪拌される。これによって、改質用燃料Ｆｒと改質に供する排ガスＥｘとが混合しやすくなる。
【００３２】
ここで、攪拌容器１６は、高温にさらされる排ガス改質装置２０の近傍に配置されているため、攪拌容器１６に取り付けられる改質用燃料噴射弁２は高温にさらされて、耐久性が低下するおそれがある。このため、攪拌容器１６は、排ガスＥｘの温度を冷却する排ガス冷却手段を備える。排ガス冷却手段としては、例えば、ウォータージャケットを用い、これを攪拌容器１６に取り付ける。これによって、攪拌容器１６を冷却して、改質用燃料噴射弁２の昇温を抑制し、改質用燃料噴射弁２の耐久性低下を抑制する。
【００３３】
攪拌容器１６は、排ガス改質装置２０へ改質用の排ガスＥｘが供給される経路上（本実施形態では、改質用混合気溜め２３Ｉ）へ接続されており、攪拌容器１６内で攪拌された改質用燃料Ｆｒは、改質に供される排ガスＥｘへ供給される。本実施形態においては、排ガス改質装置２０が備える改質室２４の排ガス入口に配置される改質用混合気溜め２３Ｉ内に導入された排ガスＥｘへ、改質用燃料Ｆｒが供給される。そして、改質用混合気溜め２３Ｉでは、改質用燃料Ｆｒと排ガスＥｘとが混合されて、改質用混合気Ｇｍｒが形成される。なお、本実施形態において、改質用燃料Ｆｒは、内燃機関１の各気筒１ｓ1〜１ｓ4へ供給される内燃機関用燃料Ｆｅの一部であり、内燃機関１の運転条件や改質触媒の温度等に応じて改質用燃料Ｆｒの噴射量Ｑｆｒが決定される。
【００３４】
排ガスＥｘに改質用燃料Ｆｒを供給することにより、改質用燃料Ｆｒは液体から気体に相変化し、これによって、体積が膨張する。また、排ガス通路９内の排ガスＥｘは、内燃機関１の各気筒１ｓ1〜１ｓ4からのブローダウン圧と排ガス通路９内における共鳴によって常に変動している。このため、改質用混合気Ｇｍｒが排ガス通路９へ逆流して、浄化触媒へ流入する排ガスＥｘ中の未燃の炭化水素が増加する結果、エミッションが悪化するおそれがある。また、改質用混合気Ｇｍｒが排ガス通路９へ逆流する結果、改質に供される燃料が減少して改質ガスＥｘｒの生成量が減少する結果、内燃機関１の燃料消費の悪化を招くおそれもある。
【００３５】
本実施形態に係る排ガス改質装置２０及び排ガス改質システム１００のように、排ガス改質装置２０が備える改質室２４の入口側に改質用混合気溜め２３Ｉを設けることにより、改質用混合気Ｇｍｒが排ガス通路９へ逆流することを抑制できる。これによって、エミッションの悪化や、内燃機関１の燃料消費悪化を効果的に抑制することができる。また、改質用混合気溜め２３Ｉがいわゆるレゾネータの役割を果たすため、内燃機関１の排気音を低減する効果も得られる。ここで、排ガス通路９へ逆流する改質用混合気Ｇｍｒの量を抑制する観点からは、改質用混合気溜め２３Ｉの体積は、改質用燃料Ｆｒを改質に供する排ガスに噴射したときに改質用燃料Ｆｒ気化して得られた気化燃料ガスの２倍〜３倍以上とすることが好ましい。
【００３６】
また、改質用混合気溜め２３Ｉは、排ガス通路９の近傍に、好ましくは排ガス通路９に併設することが好ましい。これによって、改質用混合気溜め２３Ｉ内における改質用混合気Ｇｍｒの温度低下を抑制して、改質効率の低下を効果的に抑制できる。さらに、改質用混合気溜め２３Ｉを断熱材で覆うことにより、改質用混合気溜め２３Ｉ内における改質用混合気Ｇｍｒの温度低下をより効果的に抑制できるので、改質効率の低下をさらに抑制できる。
【００３７】
図３−１、図３−２は、本実施形態に係る排ガス改質装置が備える改質室の構成を示す説明図である。図３−２は、図３−１の排ガスＥｘの導入側（図３−１のＩＮ側）から排ガス改質装置２０を見た状態を示している。改質用混合気溜め２３Ｉ内で生成された改質用混合気Ｇｍｒは、排ガス改質装置２０が備える改質触媒で改質される。本実施形態に係る排ガス改質装置２０が備える改質室２４は、改質に供されない排ガスＥｘが通過する主排ガス通路２４Ｐを複数備える。そして、隣接する主排ガス通路２４Ｐの間、及び改質室２４の内面と主排ガス通路２４Ｐの外面との間に形成される空間が、改質通路２４Ｒとなる。改質通路２４Ｒには、改質触媒が備えられる。例えば、主排ガス通路２４Ｐの表面や改質室２４の内面に改質触媒を担持させて、改質通路２４Ｒに改質触媒を備えるようにする。
【００３８】
排ガス導入通路２１から改質用混合気溜め２３Ｉの排ガス入口２３ＩＯを通って改質用混合気溜め２３Ｉ内に導入された排ガスＥｘには、改質用燃料Ｆｒが供給されて改質用混合気Ｇｍｒが形成される。この改質用混合気Ｇｍｒは、改質室入口（排ガス入口）２４Ｉから、改質室入口（排ガス入口）２４Ｉに設けられる改質室２４内に導入される。改質室２４内を貫通する主排ガス通路２４Ｐには、改質に供されない（すなわち改質用混合気溜め２３Ｉへ導入されない）排ガスＥｘが導入され、この排ガスＥｘが主排ガス通路２４Ｐを通過する際に、改質に必要な熱を主排ガス通路２４Ｐの壁面を介して改質用混合気Ｇｍｒに供給する。そして、改質用混合気Ｇｍｒが改質室２４内の改質通路２４Ｒを通過する際に、改質用混合気Ｇｍｒが改質されて改質ガスＥｘｒとなる。
【００３９】
生成された改質ガスＥｘｒは、改質室出口（改質ガス出口）２４Ｅから、改質室出口（改質ガス出口）２４Ｅに設けられる改質ガス溜め２３Ｅに放出される。改質ガス溜め２３Ｅには、ガス還流通路１０が接続されている。すなわち、排ガス改質装置２０の改質室２４は、改質ガス溜め２３Ｅを介してガス設けることにより、ガス還流通路１０と接続される。本実施形態に係る排ガス改質装置２０のように、生成された改質ガスＥｘｒを一時的に溜めておく改質ガス溜め２３Ｅを備えることにより、改質室出口２４Ｅにおける背圧を小さくできるので、生成された改質ガスＥｘｒを効率よくガス還流通路１０へ流すことができる。改質ガス溜め２３Ｅの体積は、改質用燃料Ｆｒを改質に供する排ガスに噴射したときに改質用燃料Ｆｒ気化して得られた気化燃料ガスの２倍〜３倍以上とすることが好ましい。
【００４０】
これによって、改質通路２４Ｒを流れる改質用混合気Ｇｍｒが滑らかに流れるので、改質用混合気溜め２３Ｉ内の改質用混合気Ｇｍｒが排ガス通路９へ逆流することを抑制できる。なお、改質ガス溜め２３Ｅの周辺機器に対する熱害を抑制するため、改質ガス溜め２３Ｅを断熱材で覆ったり、ウォータージャケット等の冷却手段を改質ガス溜め２３Ｅに取り付けたりしてもよい。
【００４１】
ここで、本実施形態において、例えば、主排ガス通路２４Ｐの内面に浄化触媒（例えば、三元触媒）を担持する等の手法によって、主排ガス通路２４Ｐの内部には浄化触媒を設けてもよい。このようにすることで、改質通路２４Ｒに導かれない排ガスＥｘの熱を改質触媒へ与えることができるので、改質触媒の温度（以下改質触媒温度という）を、活性温度Ｔａ以上に保持しやすくなる。その結果、改質通路２４Ｒ内を流れる改質用混合気Ｇｍｒの改質効率を向上させ、効率的に改質用混合気Ｇｍｒを改質して水素を含む改質ガスＥｘｒを生成することができる。なお、浄化触媒は、内燃機関１と排ガス改質装置２０との間における排ガス通路９に設けてもよいし、排ガス改質装置２０の後流、すなわち、排ガス改質装置２０を通過した後の改質に供さない排ガスが通過する排ガスの通路に設けてもよい。
【００４２】
排ガス改質装置２０には、改質触媒の温度を測定するため、改質触媒床温度センサ４４が取り付けられる。改質触媒そのものの温度を測定することは困難であるため、改質触媒を担持する触媒床の温度を測定して、改質触媒温度とする。改質触媒温度が低い場合、改質ガスＥｘｒ中の水素濃度は低く、改質触媒温度が高くなるほど改質ガスＥｘｒ中の水素濃度は高くなる。
【００４３】
このため、改質触媒温度が活性温度Ｔａ以上になってから、排ガスＥｘの改質を開始するように、改質触媒床温度センサ４４により改質触媒温度を監視する。本実施形態において、改質触媒には、例えば、ロジウム（Ｒｈ）系の触媒や、ロジウム（Ｒｈ）とアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）とを組み合わせた触媒等が用いられ、改質用燃料がガソリンで、ロジウム系の改質触媒を用いる場合、活性温度Ｔａは約６００℃（６００℃〜７００℃）程度である。
【００４４】
排ガス改質装置２０の改質室２４と吸気通路３とは、改質ガス溜め２３Ｅに接続されたガス還流通路１０によって接続される。ガス還流通路１０は、排ガスＥｘ又は改質ガスＥｘｒを、内燃機関１の吸気側、すなわち吸気通路３へ還流させる。これによって、内燃機関１の各気筒１ｓ1〜１ｓ4の燃焼室へ改質ガスＥｘｒを還流させる。ガス還流通路１０にはガス冷却器１２が設けられており、改質ガスＥｘｒを冷却する。また、ガス冷却器１２とガス還流通路１０の出口１０ｏとの間には、還流流量調整手段である還流流量調整弁５が設けられており、機関ＥＣＵ５０からの指令により、吸気通路３へ還流させる改質ガスＥｘｒの流量を調整する。
【００４５】
本実施形態において、改質ガスＥｘｒは内燃機関１の吸気通路３へ一括で還流させているが、還流流量調整弁５を内燃機関１の気筒１ｓ1〜１ｓ4毎に設け、各気筒１ｓ1〜１ｓ4それぞれに対して個別に改質ガスＥｘｒを還流させてもよい。なお、吸気通路３へ還流させる改質ガスＥｘｒの流量は、還流流量調整弁５の開度、開弁時間によって調整される。
【００４６】
本実施形態においては、ガス冷却器１２の出口に、排ガス改質装置２０に向かう改質ガスＥｘｒの流れを抑える逆止弁１５が設けられており、改質ガスＥｘｒの逆流を抑制する。また、逆止弁１５と還流流量調整弁５との間には、脈動低減容器１４が設けられている。ガス還流通路１０は、排ガス改質装置２０の改質通路を介して排ガス通路９とつながっているため、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの脈動の影響によって改質ガスＥｘｒにも脈動が発生するおそれがある。その結果、吸気通路３へ還流させる改質ガスＥｘｒの流量が不正確になるおそれがある。
【００４７】
このため、本実施形態では、脈動低減容器１４及び逆止弁１５によって改質ガスＥｘｒの脈動を低減する。これによって、決定した流量で改質ガスＥｘｒを吸気通路３に還流させて、内燃機関１を安定して運転することができる。さらに、脈動低減容器１４により、改質ガスＥｘｒ中に含まれる水分を除去することもでき、また、改質ガスＥｘｒの脈動低減により、ガス冷却器１２の保護も期待できる。次に、排ガス改質装置２０での改質反応を説明する。
【００４８】
改質用燃料Ｆｒと排ガスＥｘとの改質用混合気Ｇｍｒは、排ガス改質装置２０の改質通路の内面に設けられる改質触媒により、式（１）に示す改質反応により改質されて改質ガスＥｘｒとなる。
１．５６（７．６ＣＯ2＋６．８Ｈ2Ｏ＋４０．８Ｎ2）＋３Ｃ7.6Ｈ13.6＋４１２２ｋＪ→３１Ｈ2＋３４．７ＣＯ＋６３．６Ｎ2・・・（１）
【００４９】
ここで、左辺第１項が排ガスＥｘ、左辺第２項が燃料（炭化水素ＣＨであり、本実施形態ではガソリン）、右辺が改質ガスＥｘｒを示す。右辺の改質ガスＥｘｒに含まれる水素は、全改質ガスの体積に対して２４ｖｏｌ％である。また、この改質反応は吸熱反応であり、これにより排ガスＥｘの熱エネルギを回収することになる。このように、吸熱反応により排ガスＥｘが改質されるため、内燃機関１に供給する燃料の量が同一であっても、排ガスＥｘの熱を吸収した分だけ内燃機関１での燃焼における発熱量が増加する。
【００５０】
また、水素（Ｈ2）の発熱量は２４１．７ｋＪ／ｍｏｌであり、ガソリン（ＣＨ1.869）の発熱量は５９６．５ｋＪ／ｍｏｌである。しかし、式（１）の改質反応により、３モルのガソリン（燃料）から３１モルの水素が発生する。したがって、前記発熱量と、式（１）の改質によるモル数変化とを乗ずると、ガソリン単独を燃焼させる場合と比較して、改質ガスＥｘｒの発熱量は大幅に増加する。これにより、内燃機関１の出力トルクが増加し、また燃料消費は低減される。
【００５１】
排ガス改質装置２０で生成された改質ガスＥｘｒは、ガス還流通路１０を通って、吸気通路３へ導入される。改質ガスＥｘｒは、７００℃前後の高温になるため、ガス還流通路１０の途中に設けられたガス冷却器１２で冷却されてから吸気通路３へ導入される。吸気通路３へ導入される改質ガスＥｘｒの流量（還流流量）は、還流流量調整弁５で制御される。吸気通路３へ導入される改質ガスＥｘｒの流量は、内燃機関１の運転条件に基づき、当該運転条件における最大限の改質ガスを内燃機関１に導入できるように決定されるが、その詳細については後述する。この場合、改質ガスＥｘｒに含まれる水素、一酸化炭素（ＣＯ）の量を考慮し、ポート噴射弁６の燃料噴射量を低減して空燃比Ａ／Ｆを最適化する。
【００５２】
改質ガスＥｘｒに含まれる水素（Ｈ2）は、ガソリンと比較して最大点火エネルギが１／１０程度であり、最大燃焼速度が１０倍弱である。このため、水素はガソリンと比較して急速燃焼する。上記改質反応によって得られた水素を含む改質ガスＥｘｒを内燃機関１に供給すると、改質ガスＥｘｒ中の水素により、燃焼改善効果が得られる。内燃機関１の運転においては、排ガスＥｘを吸気側に還流させる、いわゆるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を実行することがある。
【００５３】
内燃機関１が軽負荷で運転されているときにＥＧＲを実行すると、ポンプロスが低減されて燃料消費を低減できるが、排ガスＥｘの環流量（ＥＧＲ量）が多すぎると燃焼速度が遅くなって燃焼が悪化する。その結果、内燃機関１の出力トルクが低下し、ドライバビリティが悪化する。本実施形態に係る内燃機関１は、水素を含む改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させるので、改質ガスＥｘｒの還流量を増加させた場合でも、水素が急速燃焼することで、燃焼悪化が抑制される。その結果、燃焼悪化に起因する出力トルクの低下を抑制して、ドライバビリティの悪化を抑えることができる。
【００５４】
また、内燃機関１が高負荷（例えばＷＯＴ領域での運転や負荷率で８０％程度を超える領域での運転）においてＥＧＲを実行すると、燃焼室の温度を低下させることができるので、ストイキ（λ＝１）で運転できる領域が拡大する。しかし、ＥＧＲにより燃焼が悪化して、出力トルクが低下し、ドライバビリティを悪化させることがある。本実施形態に係る内燃機関１は、排ガスＥｘだけではなく、水素を含む改質ガスＥｘｒを内燃機関１に還流させるので、改質ガスＥｘｒ中の水素が急速燃焼することで燃焼悪化が抑制される。また、水素の急速燃焼によりノッキングを改善できるので、点火時期を進角させて、内燃機関１の出力トルクを向上させることができる。その結果、燃焼悪化に起因する出力トルクの低下を抑制して、ドライバビリティの悪化を抑えることができる。
【００５５】
図４は、本実施形態に係る排ガス改質装置が備える改質室の他の構成例を示す説明図である。図５−１は、図４に示す改質室が備える改質用構造体を示す斜視図である。図５−２は、図４に示す改質室が備える改質用構造体を示す正面図である。図５−３は、図４に示す改質室が備える改質用構造体を示す平面図である。この排ガス改質装置２０ａは、図４、図５−１、図５−２に示すように、改質通路２５Ｒと主排ガス通路２５Ｃとが互いに交差（この例では直交）して形成された改質用構造体２５を、改質室２４に備えるようにしてもよい。次に、改質用構造体２５について説明する。
【００５６】
図４に示すように、排ガス改質装置２０ａは、改質用混合気溜め２３Ｉと改質ガス溜め２３Ｅとの間に配置される改質室２４に、改質用構造体２５が備えられる。改質用構造体２５の改質用混合気入口２５Ｉから改質用混合気溜め２３Ｉ内の改質用混合気Ｇｍｒが導入されて改質され、改質用構造体２５の改質ガス出口２５Ｅから改質ガス溜め２３Ｅへ改質ガスＥｘｒが放出される。
【００５７】
図５−１、図５−２に示すように、改質用構造体２５には、複数の主排ガス通路２５Ｃ及び改質通路２５Ｒが設けられる。主排ガス通路２５Ｃと改質通路２５Ｒとは互いに直交して配置される。改質通路２５Ｒ内には改質触媒が担持され、改質用混合気入口２５Ｉから導入される改質用混合気Ｇｍｒは、改質通路２５Ｒを通過する間に改質されて、改質ガス出口２５Ｅから放出される。改質に供されない排ガスＥｘは主排ガス通路２５Ｃを通過して、その過程で改質通路２５Ｒ内の改質用混合気Ｇｍｒに改質に必要な熱を供給する。
【００５８】
また、主排ガス通路２５Ｃの内部（排ガスＥｘが通過する部分）に浄化触媒を担持して、改質に供されない排ガスＥｘが主排ガス通路２５Ｃを通過する間に、前記排ガスＥｘを浄化してもよい。この改質用構造体２５は、主排ガス通路２５Ｃと改質通路２５Ｒとが共通の構造体に形成される。このようにすることで、改質用構造体２５の強度を向上させることができ、また、組み立ても不要になるので、改質用構造体２５の製造を簡略化することができる。
【００５９】
図６−１は、本実施形態の第１変形例に係る排ガス改質装置の構成を示す説明図である。この排ガス改質装置２０ｂは、排ガス導入通路２１に突起部２２Ｔが形成される。突起部２２Ｔは、排ガス導入通路２１の排ガス入口２１Ｉと排ガス出口２１Ｅ（改質用混合気溜め２３Ｉの排ガス入口２３ＩＯと同じ）との間に設けられる。突起部２２Ｔは、排ガス導入通路２１を形成する仕切り部材２２に形成されるが、排ガス通路９に突起部を形成してもよい。なお、排ガス通路９に突起部を形成する場合と比較すると、仕切り部材２２に突起部２２Ｔを形成する方が容易である。この突起部２２Ｔを設けることにより、排ガス導入通路２１には絞りが形成されるので、改質用混合気溜め２３Ｉから排ガス通路９へ逆流する改質用混合気Ｇｍｒの量を抑制することができる。その結果、エミッションの悪化や、内燃機関１（図１参照）の燃料消費悪化を効果的に抑制することができる。
【００６０】
図６−２は、本実施形態の第２変形例に係る排ガス改質装置の構成を示す説明図である。この排ガス改質装置２０ｃは、排ガス通路９に沿って排ガス導入通路２１を形成する。排ガス導入通路２１は、中空状の排ガス導入通路筐体２６を排ガス通路９の外側に取り付けることにより構成される。改質に供される排ガスは、排ガス通路９に設けられた排ガス取出口９ｈから排ガス導入通路２１内へ導入される。排ガス導入通路２１の排ガス入口２１Ｉ（排ガス取出口９ｈと同じ）と排ガス出口２１Ｅ（改質用混合気溜め２３Ｉの排ガス入口２３ＩＯと同じ）との間には、突起部２６Ｔが形成される。この突起部２６Ｔを設ける必要は必ずしもないが、この突起部２６Ｔを設けることにより、排ガス導入通路２１には絞りが形成されるので、改質用混合気溜め２３Ｉから排ガス通路９へ逆流する改質用混合気Ｇｍｒの量を抑制することができる。その結果、エミッションの悪化や、内燃機関１（図１参照）の燃料消費悪化を効果的に抑制することができる。
【００６１】
本変形例では、排ガス導入通路２１と改質用混合気溜め２３Ｉとを一体として構成してある。これにより、排ガス導入通路筐体２６を排ガス通路９の外側に取り付けて排ガス導入通路２１を形成する場合には、部品点数を削減できるという利点がある。また、排ガス通路９の外側へ排ガス導入通路筐体２６を取り付ける構造は、排ガス通路９内へ排ガス通路を形成する構造と比較して、排ガス導入通路２１を形成する作業が容易になるという利点もある。なお、排ガス導入通路２１と改質用混合気溜め２３Ｉとは、別個の構造体として構成してもよい。このようにすれば、排ガス導入通路２１、改質用混合気溜め２３Ｉの設計の自由度が向上するので、より高い改質効率や車両への搭載性を追求した設計が可能になる。
【００６２】
本変形例では、排ガス通路９に沿って排ガス導入通路２１を形成することにより、排ガス導入通路２１を排ガス通路９とは別個に設けるよりも外気との接触面積を小さくでき、また、排ガス通路９を流れる改質に供さない排ガスＥｘからの受熱も可能になる。これによって、改質に供する排ガスＥｘの温度低下を効果的に抑制できるので、排ガス改質装置２０ｂ内での改質効率低下を抑制することができる。排ガス通路９と排ガス導入通路２１とは、排ガス通路９の通路壁を隔てているだけなので、改質に供さない排ガスＥｘから排ガス導入通路２１内を流れる排ガスへ効果的に熱を供給することができる。
【００６３】
さらに、排ガス通路９に沿って排ガス導入通路２１を形成することにより、排ガス導入通路２１を排ガス通路９とは別個に設ける必要はないので、排ガス導入通路２１を設けるためのスペースをコンパクトにすることができ、車両搭載時等における設置の自由度が向上するここで、排ガス導入通路筐体２６からの放熱を抑制するため、排ガス導入通路筐体２６（改質用混合気溜め２３Ｉの部分も含む）を断熱材で覆うことが好ましい。このようにすることで、排ガス導入通路筐体２６からの放熱を抑制できるので、改質用混合気溜め２３Ｉ内における改質用混合気Ｇｍｒの温度低下を抑制して、改質効率の低下を効果的に抑制できる。
【００６４】
図７は、本実施形態に係る排ガス改質システムの運転制御例を示すフローチャートである。次の説明では、適宜図１を参照されたい。本実施形態に係る排ガス改質システム１００を運転するにあたり、まず、改質を開始する条件にあるか否かを判定する。本実施形態では、改質触媒の温度によってこれを判定するが、これの代わりに、あるいはこれに加えて、内燃機関１の運転条件や内燃機関１が排出する排ガスの温度を用いてもよい。
【００６５】
機関ＥＣＵ５０の改質制御部５２は、改質触媒床温度センサ４４から改質触媒の温度（本実施形態では改質触媒床温度で代用する）を取得し、改質触媒の温度（以下改質触媒温度）Ｔｃが、改質触媒の活性温度Ｔａ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。改質触媒温度Ｔｃが活性温度Ｔａよりも低い場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、改質を開始する条件にはないので、改質制御部５２は、改質を開始する条件になるまで、排ガス改質システム１００の監視を継続する。
【００６６】
改質触媒温度Ｔｃが活性温度Ｔａ以上である場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、改質を開始する条件のうちの一つを満たす。この場合、改質制御部５２は、内燃機関１に対するＥＧＲ量が規定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。本実施形態では、改質を実行する際には、ＥＧＲの導入量を一定以上に保って、改質の効果を最大限得られるようにする。このため、内燃機関１に対するＥＧＲ量が規定値よりも小さい場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、改質制御部５２は、内燃機関１の運転条件や排ガス温度に基づいて、ＥＧＲ量が前記規定値以上になるようにＥＧＲ量を変更する（ステップＳ１０３）。これによって、ある内燃機関１の運転条件において、最大限の改質の効果が得られる。
【００６７】
次に、改質制御部５２は、ＥＧＲ量に基づいて改質用燃料Ｆｒの噴射量を決定し（ステップＳ１０４）、また、内燃機関１の制御マップ（燃料噴射量や点火時期等のマップ）を改質時におけるマップに変更する（ステップＳ１０５）。そして、改質制御部５２は、還流流量調整弁５を開き、また改質用燃料噴射弁２から改質用燃料Ｆｒを噴射して改質を開始するとともに、内燃機関制御部５１は、変更した制御マップにしたがって内燃機関１の運転を制御する（ステップＳ１０６）。その後、内燃機関制御部５１は、Ａ／Ｆセンサ４５からの情報に基づいて、Ａ／Ｆ制御を実行し（ステップＳ１０７）、排ガスの浄化性能を維持する。内燃機関１に対するＥＧＲ量が規定値以上である場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、一定量以上のＥＧＲ量が確保されているので、そのまま改質を実行する（ステップＳ１０４〜ステップＳ１０７）。
【００６８】
以上、本実施形態及びその変形例では、内燃機関が排出する排ガスの一部を改質触媒へ導く排ガス導入通路を備え、この排ガス通路を、内燃機関と排ガス改質装置とを接続する主排ガス通路に沿って設ける。これによって、改質用混合気を形成するための排ガスの温度低下を抑制できるので、この排ガスと燃料との改質用混合気の温度低下を抑制して、改質効率の低下を抑制できる。また、改質に供する排ガスの温度低下が抑制できる結果、改質触媒を必要な温度（活性温度）以上に保ちやすくなるため、改質可能な内燃機関の運転範囲が拡大する。
【００６９】
さらに、改質に供する排ガスの温度低下を抑制できるので、改質時においては、改質に供さない排ガスの温度低下が小さくなる。これによって、排ガス改質装置の後流に浄化触媒を配置した場合には、当該浄化触媒の暖機時間を短縮できる。また、内燃機関と排ガス改質装置とを接続する排ガス通路に沿って排ガス導入通路を設けるので、前記排ガス通路や排ガス改質装置の外側を取り回す配管が不要になり、排ガス改質装置をコンパクトにできる。その結果、排ガス改質装置の車両への搭載性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上のように、本発明に係る排ガス改質装置及び排ガス改質システムは、排ガスに燃料を供給して、水素を含む改質ガスを生成する排ガス改質に有用であり、特に、改質に供する排ガスの温度低下を抑制することに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本実施形態に係る排ガス改質システムの全体構成図である。
【図２−１】図１のＡ−Ａ断面であり、本実施形態に係る排ガス改質装置２０へ排ガスＥｘを導入する排ガス導入通路２１の構成を示す断面図である。
【図２−２】排ガス導入通路の他の構成例を示す断面図である。
【図２−３】排ガス導入通路の他の構成例を示す断面図である。
【図３−１】本実施形態に係る排ガス改質装置が備える改質室の構成を示す説明図である。
【図３−２】本実施形態に係る排ガス改質装置が備える改質室の構成を示す説明図である。
【図４】本実施形態に係る排ガス改質装置が備える改質室の他の構成例を示す説明図である。
【図５−１】図４に示す改質室が備える改質用構造体を示す斜視図である。
【図５−２】図４に示す改質室が備える改質用構造体を示す正面図である。
【図５−３】図４に示す改質室が備える改質用構造体を示す平面図である。
【図６−１】本実施形態の第１変形例に係る排ガス改質装置の構成を示す説明図である。
【図６−２】本実施形態の第２変形例に係る排ガス改質装置の構成を示す説明図である。
【図７】本実施形態に係る排ガス改質システムの運転制御例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１  内燃機関
２  改質用燃料噴射弁
３  吸気通路
５  還流流量調整弁
９、９ａ  排ガス通路
９ｈ  排ガス取出口
９Ｉ  内管
９Ｏ  外管
１０  ガス還流通路
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ  排ガス改質装置
２１  排ガス導入通路
２２  仕切り部材
２２Ｔ  突起部
２３ＩＯ  排ガス入口
２４  改質室
２４Ｅ  改質室出口
２４Ｒ  改質通路
２４Ｐ  主排ガス通路
２５  改質用構造体
２５Ｃ  主排ガス通路
２５Ｅ  改質ガス出口
２５Ｉ  改質用混合気入口
２５Ｒ  改質通路
２６Ｔ  突起部
２６  排ガス導入通路筐体
４４  改質触媒床温度センサ
４５  Ａ／Ｆセンサ
５０  機関ＥＣＵ
５１  内燃機関制御部
５２  改質制御部
５３  記憶部
１００  排ガス改質システム
【図１】
2008101549.tif 000003
【図２−１】
2008101549.tif 000004
【図２−２】
2008101549.tif 000005
【図２−３】
2008101549.tif 000006
【図３−１】
2008101549.tif 000007
【図３−２】
2008101549.tif 000008
【図４】
2008101549.tif 000009
【図５−１】
2008101549.tif 000010
【図５−２】
2008101549.tif 000011
【図５−３】
2008101549.tif 000012
【図６−１】
2008101549.tif 000013
【図６−２】
2008101549.tif 000014
【図７】
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