(57)【要約】【課題】燃料と空気とを良好に混合させることが可能であり、高い改質効率を有する燃料改質装置の提供。【解決手段】改質触媒が配置された改質反応部２３を有し、改質反応部２３にて燃料と空気との混合気を改質する改質器２０は、焼結体からなるエマルジョンチューブ１７を一部に含む燃料供給路１９と、エマルジョンチューブ１７に空気を導くための空気導入管Ｌ３と、燃料供給路１９の改質触媒に近い側の端部近傍に負圧を生じさせるベンチュリー管２７とを備え、エマルジョンチューブ１７にて、空気を微粒化すると共に、微粒化された空気を燃料に混入させることが可能である。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒を有し、当該改質触媒にて燃料と空気との混合気を改質する燃料改質装置において、
空気を微粒化すると共に、微粒化された空気を燃料に混入させることができる空燃混合手段を備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
前記空燃混合手段は、
焼結体からなる部位を一部に含む燃料供給路と、
前記焼結体からなる部位に空気を導くための空気導入路と、
前記燃料供給路の前記改質触媒に近い側の端部近傍に負圧を生じさせる負圧発生手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記改質触媒の上流側に配置されており、空気が導入される混合室を更に備え、前記負圧発生手段は、前記混合室内に配置されると共に前記燃料供給路に接続される管状部材であり、この管状部材の内径は、前記燃料供給路との接続部近傍で最も小さくなっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記管状部材の外周面と、前記混合室の内壁面との間に空間が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
改質触媒を有し、当該改質触媒にて燃料と空気との混合気を改質する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、この種の分野に属する技術として、吸気管の内部に燃料噴射弁よりも上流側に位置するように配置された改質触媒を備えたエンジンが知られている（例えば、特許文献１参照。）。そして、このエンジンの吸気管には、更に、改質触媒よりも上流側に位置するように、燃料供給弁、超音波霧化装置（超音波振動部材）、点火装置および消炎器が配置されている。このエンジンを始動させる場合、燃料供給弁から超音波霧化装置に燃料が供給され、燃料は、超音波霧化装置により微細液滴へと霧化された後、点火装置により着火・燃焼させられる。また、吸気管内で発生した火炎は、消炎器により消炎される。そして、加熱された混合気が改質触媒に導入され、改質触媒にて所定の改質反応が進行することにより、燃焼室内に吸入させる燃焼成分が得られる
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−５８０６４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように燃料を微細液滴へと霧化した上で燃料と空気との混合気を形成し、改質触媒に供給しても、理論的に予測される量の改質ガスを得ることができない。これは、改質触媒に供給される前に燃料と空気とが十分に混ざり合っておらず、改質触媒に供給される流体に燃料層と空気層とが形成されてしまっているからと考えられる。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料と空気とを良好に混合させることが可能であり、高い改質効率を有する燃料改質装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃料改質装置は、改質触媒を有し、当該改質触媒にて燃料と空気との混合気を改質する燃料改質装置において、空気を微粒化すると共に、微粒化された空気を燃料に混入させることができる空燃混合手段を備えることを特徴とする。
【０００７】
この燃料改質装置では、改質触媒に燃料と空気との混合気を供給するに先立って、空燃混合手段によって微粒化された空気が燃料に混入される。これにより、燃料は、微粒化された空気と混ざり合って均質な気泡を形成し、更なる空気の流れに対して噴出された際に微粒化され、当該空気と均一かつ良好に混ざり合う。従って、この燃料改質装置によれば、燃料と空気とを良好に混合させることが可能となり、改質効率を大幅に向上させることができる。
【０００８】
また、空燃混合手段は、焼結体からなる部位を一部に含む燃料供給路と、焼結体からなる部位に空気を導くための空気導入路と、燃料供給路の改質触媒に近い側の端部近傍に負圧を生じさせる負圧発生手段とを含むと好ましい。
【０００９】
このような構成のもとでは、負圧発生手段により燃料供給路の改質触媒に近い側の端部近傍に負圧が生じさせられると、燃料供給路の焼結体からなる部位には、空気導入路を介して空気が導かれる。これにより、燃料供給路を流通する燃料に対し、多数の微小な孔を有する焼結体からなる部位から、微粒化された空気が送り込まれる。そして、燃料は、微粒化された空気と混ざり合って均質な気泡を形成した後、燃料供給路の端部から、その近傍を流れる空気に対して噴出される。従って、このような構成を採用すれば、極めて良好かつ容易に、燃料と空気とを混合させることが可能となる。
【００１０】
この場合、改質触媒の上流側に配置されており、空気が導入される混合室を更に備え、負圧発生手段は、混合室内に配置されると共に燃料供給路に接続される管状部材であり、この管状部材の内径は、燃料供給路との接続部近傍で最も小さくなっていると好ましい。
【００１１】
このような構成を採用すれば、いわゆるベンチュリー効果を利用して、燃料供給路の改質触媒に近い側の端部近傍に負圧を生じさせることが可能となる。
【００１２】
また、管状部材の外周面と、混合室の内壁面との間に空間が形成されていると好ましい。
【００１３】
かかる構成のもとでは、管状部材の外周面と、混合室の内壁面との間に空気の流れが形成される。従って、管状部材と混合室の内壁面との間の空間に流れ込んだ燃料を空気の流れにより吹き飛ばし、混合室の内壁面に燃料（液滴）が付着してしまうことを防止することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による燃料改質装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明による燃料改質装置を備えた車両を示す概略構成図である。同図に示される車両Ｃは、走行用駆動源として、エンジン（内燃機関）１を有している。エンジン１は、エンジンブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃焼成分を含む混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、本実施形態において、エンジン１は、図２からわかるように４気筒エンジンとして構成されている（ただし、図１には、１気筒のみが示される）。
【００１６】
各燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールド５を構成する吸気管５ａにそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールド６を構成する排気管６ａにそれぞれ接続されている。また、エンジン１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが各燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、エンジン１のシリンダヘッドには、複数の点火プラグ７が各燃焼室３内に臨むように配設されている。また、排気マニホールド６は、図示されない触媒装置（三元触媒）に接続されている。
【００１７】
図１および図２からわかるように、吸気マニホールド５を構成する各吸気管５ａは、サージタンク８に接続されており、吸気マニホールド５（各吸気管５ａ）とサージタンク８とは、エンジン１の吸気系統を構成する。また、サージタンク８には、給気管Ｌ１が接続されており、給気管Ｌ１は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気管Ｌ１の中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子スロットル）１０が組み込まれている。更に、給気管Ｌ１には、エアクリーナ９とスロットルバルブ１０との間に位置するようにエアフローメータＡＦＭが設置されている。
【００１８】
また、給気管Ｌ１からは、スロットルバルブ１０とエアフローメータＡＦＭとの間に定められた分岐部ＢＰにおいて熱伝導性材料からなるバイパス管Ｌ２が分岐されている。バイパス管Ｌ２は、その中途に分岐部ＢＰ側から順番に脈動防止タンク１１、エアポンプ１２および開閉弁１４を有し、その先端（分岐部ＢＰ側の端部と反対側の端部）は、改質器（改質装置）２０に接続されている。なお、開閉弁１４としては、電磁弁またはモータ弁等が採用される。
【００１９】
改質器２０は、図２に示されるように、両端が閉鎖された筒状の本体２１を有する。上述のバイパス管Ｌ２は、本体２１の一端部（図２における右側の端部）に接続されており、本体２１の当該一端側の領域は、混合室２２として定められている。また、改質器２０の本体２１の内部には、混合室２２に隣接するように改質反応部２３が画成されており、改質反応部２３には、例えばジルコニアにロジウムを担持させた改質触媒が配置されている。
【００２０】
更に、改質器２０の本体２１の内部には、改質ガス分配室（改質ガス供給部）２４が画成されている。改質ガス分配室２４は、改質反応部２３を挟んで混合室２２の反対側、すなわち、改質反応部２３の下流側に位置する。また、改質器２０の本体２１には、図１および図２に示されるように、エンジン１の燃焼室３の数（本実施形態では、４室）に応じた本数の管路２５の一端が改質ガス分配室２４と連通するように接続されている。そして、各管路２５の他端は、図１および図２からわかるように、対応する１本の吸気管５ａに接続されている。これにより、エンジン１の各燃焼室３の吸気ポートは、吸気管５ａおよび管路２５を介して改質ガス分配室２４の内部と連通可能となる。
【００２１】
ここで、本実施形態では、上述のバイパス管Ｌ２の一部が改質器２０の改質ガス分配室２４内に配置されている。すなわち、バイパス管Ｌ２は、改質器２０の本体２１の端部（混合室２２側の端部とは反対側の端部）から改質ガス分配室２４内に挿入され、改質反応部２３付近から再度本体２１の外部に露出されている。更に、改質ガス分配室２４内に位置するバイパス管Ｌ２の外周面には、図２に示されるように複数のフィンＦが取り付けられている。なお、本実施形態において、脈動防止タンク１１は、分岐部ＢＰと改質器２０との間に位置するようにバイパス管Ｌ２に組み込まれている。また、エアポンプ１２および開閉弁１４は、バイパス管Ｌ２の本体２１からの露出部分に組み込まれており、改質器２０の本体２１の外側に位置する。
【００２２】
図２および図３に示されるように、改質器２０の混合室２２には、バイパス管Ｌ２に加えて、燃料噴射弁１５が接続されている。燃料噴射弁１５は、図示されない燃料ポンプを介して燃料タンクに接続されており、ガソリン等の炭化水素系燃料を噴射可能なものである。図３に示されるように、燃料噴射弁１５は、混合室２２に側方（下側）に位置するように本体２１に固定された接続部材１６に取り付けられている。接続部材１６は、その内部に流路１６ａを有し、燃料噴射弁１５は、その燃料噴射孔が流路１６ａに臨むように接続部材１６に固定されている。
【００２３】
また、接続部材１６の内部には、焼結体（焼結金属）からなり、多数の微小な孔をもった短尺管状部材であるエマルジョンチューブ１７が配置されている。図３に示されるように、エマルジョンチューブ１７の中空部は、接続部材１６の流路１６ａに隙間なく接続される。また、接続部材１６には、エマルジョンチューブ１７に対して側方から空気を導入することができるように空気導入管（空気導入路）Ｌ３が接続されている。空気導入管Ｌ３は、エアポンプ１２の上流側にてバイパス管Ｌ２から分岐されており、空気導入管Ｌ３の中途（分岐部の近傍）にはオリフィスＯＲが備えられている。なお、空気導入管Ｌ３は、エアポンプ１２の下流側にてバイパス管Ｌ２から分岐されてもよい。
【００２４】
更に、接続部材１６には、燃料噴出管１８が連結されており、この燃料噴出管１８は、本体２１を貫通して混合室２２内へと突出している。燃料噴出管１８は、図３に示されるように、エマルジョンチューブ１７に隙間なく接続される。これにより、流路１６ａ、エマルジョンチューブ１７および燃料噴出管１８は、燃料噴射弁１５から噴射された燃料を混合室２２へと導く一連の燃料供給路１９を形成する。言い換えれば、燃料供給路１９には、焼結体からなるエマルジョンチューブ１７がその一部として含まれる。
【００２５】
一方、混合室２２内には、ベンチュリー管（負圧発生手段）２７が配置されている。本実施形態において、ベンチュリー管２７は、長手方向中央部に、最も内径が小さい最狭部（のど部）を有する管状部材として形成されており、その中空部がバイパス管Ｌ２から改質反応部２３へと向かう空気の流れ方向と概ね平行に延在するように混合室２２（本体２１）の内壁面に固定されている。上述の燃料噴出管１８は、本体２１を貫通すると共に、ベンチュリー管２７の長手方向中央部を貫通し、その先端をベンチュリー管２７の最狭部付近から混合室２２内へと覗かせる。
【００２６】
この場合、バイパス管Ｌ２から混合室２２内に供給された空気は、ベンチュリー管２７の内部へと流れ込むが、空気の流速は、ベンチュリー管２７の最も内径が小さい部分である最狭部付近、すなわち、燃料噴出管１８（燃料供給路１９）との接続部（合流部）近傍で最も高まることになる。これにより、ベンチュリー管２７は、燃料供給路１９（燃料噴出管１８）の改質反応部２３に近い側の端部（図３における上側の端部）近傍に負圧を生じさせる負圧発生手段として機能する。
【００２７】
さて、車両Ｃのエンジン１は、図１に示されるように、制御手段として機能する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）３０を備える。ＥＣＵ３０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。このＥＣＵ３０には、上述の点火プラグ（イグナイタ）７、図示されない動弁機構、スロットルバルブ１０、エアポンプ１２、開閉弁１４、燃料噴射弁１５およびエアフローメータＡＦＭ等が接続されており、ＥＣＵ３０は、エンジン１の運転状態を検出する各種センサの検出値や、各種制御プログラム、マップ等に従ってこれらの機器類を制御する。
【００２８】
上述のように構成される車両Ｃを作動させる場合、ＥＣＵ３０は、開閉弁１４を開放させると共にエアポンプ１２を作動させ、改質器２０に対するバイパス管Ｌ２からの空気供給を開始させる。エアポンプ１２は、脈動防止タンク１１やバイパス管Ｌ２を介して給気管Ｌ１から空気を吸い込んで吐出する。そして、エアポンプ１２から吐出された空気は、バイパス管Ｌ２から混合室２２へと供給される。また、ＥＣＵ３０は、エアポンプ１２の始動と同時に、燃料噴射弁１５を作動させ、燃料噴射弁１５は、接続部材１６の流路１６ａに対して炭化水素燃料を噴射する。
【００２９】
バイパス管Ｌ２から混合室２２内に供給された空気は、図３において白抜矢印で示されるように、ベンチュリー管２７を通過して改質反応部２３へと向かう。この際、空気の流速は、上述のように、ベンチュリー管２７の最も内径が小さい部分である最狭部付近で最も高まり、これにより、燃料噴出管１８（燃料供給路１９）の改質反応部２３に近い側の端部（図３における上側の端部）近傍に負圧が生じさせられる。
【００３０】
燃料噴出管１８の改質触媒に近い側の端部近傍の圧力が低下させられると、燃料供給路１９を構成するエマルジョンチューブ１７には、中途にオリフィスＯＲを有する空気導入管Ｌ３を介して、バイパス管Ｌ２から空気が導かれる（吸い入れられる）。これにより、燃料噴射弁１５から噴射された後、エマルジョンチューブ１７付近を流通する燃料に対して、多数の微小な孔を有するエマルジョンチューブ１７から、微粒化された空気が送り込まれる。そして、エマルジョンチューブ１７の近傍にて、燃料は、微粒化された空気と混ざり合って均質な気泡を形成することになる。
【００３１】
このように、本発明による改質器２０では、改質反応部（改質触媒）２３に燃料と空気との混合気を供給するに先立って、エマルジョンチューブ１７を中途に有する燃料供給路１９、ベンチュリー管２７、空気導入管Ｌ３等からなる空燃混合手段によって微粒化された空気が燃料噴射弁１５により噴射された燃料に混入される。そして、微粒化された空気と混ざり合って均質な気泡を形成した燃料は、ベンチュリー管２７の作用により、図３において破線で示されるように、燃料噴出管１８（燃料供給路１９）の端部から、その近傍、すなわち、ベンチュリー管２７の内部を流通する空気に対して噴出される。そして、ベンチュリー管２７内の空気に対して噴出された際、燃料は、微粒化され、空気と均一かつ良好に混ざり合うことになる。この結果、本発明によれば、燃料と空気とを良好に混合させることが可能となり、改質反応部２３における改質効率を大幅に向上させて理論値に近い量の改質ガスを得ることができる。
【００３２】
上述のようにして混合室２２にて形成された混合気は、改質反応部２３へと流れ込み、改質反応部２３では、改質触媒により炭化水素系燃料と空気とが反応させられ、次の（１）式にて表わされる部分酸化反応が進行する。
ＣｍＨｎ＋（ｍ／２）Ｏ２  →  ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ２  …（１）
そして、上記（１）式の反応が進行することにより、燃焼成分であるＣＯおよびＨ２を含む改質ガスが生成され、得られた改質ガスは、改質ガス分配室２４から、管路２５を介して、各吸気管５ａの内部に供給される。
【００３３】
ここで、改質反応部２３にて（１）式の部分酸化反応（発熱反応）が進行する際、改質反応部２３の温度（改質触媒の温度）は、およそ７００〜１０００℃に達する。また、本実施形態では、上述のようにバイパス管Ｌ２の一部が改質器２０の改質ガス分配室２４内に配置されている。従って、エアポンプ１２によって給気管Ｌ１から吸い込まれた空気は、改質ガス分配室２４内に位置するバイパス管Ｌ２を流通する際に、バイパス管Ｌ２を介して、改質ガス分配室２４内の高温の改質ガスから熱を奪って昇温することになる。
【００３４】
これにより、本実施形態では、改質反応に伴って生じた熱を利用して、混合室２２に供給される空気、更には、エマルジョンチューブ１７に導入される空気を予熱しておくことが可能となる。この結果、エマルジョンチューブ１７における微粒化された空気と燃料との混合と、燃料噴出管１８から噴出される燃料とベンチュリー管２７を流通する空気との混合を極めて効果的に促進させることが可能となる。
【００３５】
また、上述のような空気の予熱に伴って、改質ガス分配室２４から各吸気管５ａへと流れ込む改質ガスが冷却されることになるので、各吸気管５ａの内部で改質ガス中のＨ２等が燃焼してしまうことを防止することも可能となる。この場合、図２に示されるように、バイパス管Ｌ２の外周面に複数のフィンＦを取り付けておくことにより、バイパス管Ｌ２と改質ガスとの接触面積を増加させて熱交換効率を向上させることができる。また、バイパス管Ｌ２と改質ガスとの接触面積を増加させるために、バイパス管Ｌ２の改質器２０の内部に位置する部分を螺旋状に屈曲させてもよい。
【００３６】
一方、サージタンク８内には、ＥＣＵ３０によって開度調整される給気管Ｌ１のスロットルバルブ１０を介して空気が導入され、サージタンク８内の空気は、各吸気管５ａ内に分配される。従って、改質ガス分配室２４から各吸気管５ａ内に導入された改質ガスは、吸気管５ａ内で空気と混ざり合った後、各燃焼室３内に吸入される。なお、本実施形態では、改質器２０への空気がエアフローメータＡＦＭの下流側で給気管Ｌ１から取り出され、エアフローメータＡＦＭの指示値がエンジン１の総吸入空気量を示すことから、各燃焼室３における空燃比制御は良好に実行され得る。
【００３７】
そして、各燃料室３に改質ガスと空気との混合気が供給され、所定のタイミングで各点火プラグ７が点火されると、各燃焼室３内で燃焼成分であるＣＯおよびＨ２が燃焼してピストン４を往復移動させる。これにより、エンジン１が作動し、トルクコンバータ、変速機、デファレンシャル機構等を含むトランスアクスルＴを介して車輪Ｗを回転駆動することになる。
【００３８】
図４は、本発明による燃料改質装置の他の実施形態を示す要部拡大断面図である。なお、先の実施形態に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。
【００３９】
図４に示される改質器２０Ａは、混合室２２の内部に配置された内側ベンチュリー管２７ｉおよび外側ベンチュリー管２７ｏを備える。内側ベンチュリー管２７ｉは、混合室２２の内部寸法（内径あるいは内部の高さ及び内部の幅）よりも小さい外径を有し、その外周面と混合室２２の内壁面との間に空間が形成されるようにして混合室２２内に固定されている。この場合、燃料噴出管１８は、本体２１（および外側ベンチュリー管２７ｏ）を貫通すると共に、内側ベンチュリー管２７ｉの長手方向中央部を貫通し、燃料噴出管１８の先端は、内側ベンチュリー管２７ｉの最狭部付近から僅かに内方に突出する。一方、外側ベンチュリー管２７ｏは、内側ベンチュリー管２７ｉの外径よりも大きい内径および外径を有する。そして、外側ベンチュリー管２７ｏは、その最狭部が内側ベンチュリー管２７ｉの最狭部よりも改質反応部２３に近接するようにして状態で本体２１の内壁面に固定されている。そして、内側ベンチュリー管２７ｉの外周面と外側ベンチュリー管２７ｏの内壁面との間にも空間が形成される。
【００４０】
このように構成される改質器２０Ａでは、内側ベンチュリー管２７ｉの外周面と、混合室２２の内壁面との間に、改質反応部２３へと向かう空気の流れが形成される。従って、燃料噴出管１８から噴出された燃料が内側ベンチュリー管２７ｉと混合室２２の内壁面との間の空間に流れ込んだとしても、その燃料を空気の流れにより吹き飛ばし、混合室２２の内壁面に燃料が付着してしまうことを防止することが可能となる。特に、図４に示される改質器２０Ａでは、外側ベンチュリー管２７ｏによって、内側ベンチュリー管２７ｉの下流側（改質反応部２３側）に負圧が生じさせられるので、内側ベンチュリー管２７ｉの外周面と、混合室２２および外側ベンチュリー管２７ｏの内壁面との間の空気の流速を更に高めることができる。これにより、内側ベンチュリー管２７ｉと混合室２２の内壁面との間に流れ込んだ燃料の微粒化と空気への混入をより確実に促進させることが可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、燃料と空気とを良好に混合させることが可能であり、高い改質効率を有する燃料改質装置の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料改質装置を備えた車両を示す概略構成図である。
【図２】本発明による燃料改質装置を示す概略構成図である。
【図３】本発明による燃料改質装置の要部拡大断面図である。
【図４】本発明による燃料改質装置の他の実施形態を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１  エンジン
３  燃焼室
５  吸気マニホールド
６  排気マニホールド
８  サージタンク
１０  スロットルバルブ
１１  脈動防止タンク
１２  エアポンプ
１４  開閉弁
１５  燃料噴射弁
１６  接続部材
１６ａ  流路
１７  エマルジョンチューブ
１８  燃料噴出管
１９  燃料供給路
２０，２０Ａ  改質器
２１  本体
２２  混合室
２３  改質反応部
２４  改質ガス分配室
２５  管路
２７  ベンチュリー管
２７ｉ  内側ベンチュリー管
２７ｏ  外側ベンチュリー管
３０  ＥＣＵ
ＡＦＭ  エアフローメータ
Ｃ  車両
Ｌ１  給気管
Ｌ２  バイパス管
Ｌ３  空気導入管
【図１】
2004284891.tif 000003
【図２】
2004284891.tif 000004
【図３】
2004284891.tif 000005
【図４】
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