(57)【要約】【課題】燃料改質装置で発生した熱を効率よく回収することができる車両の提供を目的とする。【解決手段】車両Ｃは、エンジン１と、炭化水素系燃料と空気との混合気を改質する改質器２０とを有し、エンジン１は、改質器２０で生成された改質ガスを用いて駆動される。改質器２０の改質反応部２３の周囲には、伝熱管４０が装備されており、伝熱管４０には、改質器２０以外の機器であるエンジン１を流通させるエンジン冷却水が導入される。これにより、車両Ｃでは、改質器２０の改質反応部２３で発生した熱によってエンジン冷却水を昇温させ、昇温したエンジン冷却水を用いてエンジン１の暖機を実行することが可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、燃料を改質する燃料改質装置とを備え、前記燃料改質装置で生成された燃焼成分を用いて前記エンジンを駆動可能な車両であって、
前記燃料改質装置の外周に配置されており、前記燃料改質装置以外の機器を流通させる熱媒体が導入される熱交換器を更に備えることを特徴とする燃料改質装置を備えた車両。
【請求項２】
前記燃料改質装置は、改質触媒が配置されている改質反応部を含み、前記熱交換器は、前記改質反応部の外周に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置を備えた車両。
【請求項３】
前記熱媒体は、エンジン用冷却媒体であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置を備えた車両。
【請求項４】
前記熱媒体は、車室内空気調和用の伝熱媒体であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置を備えた車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンと、燃料を改質する燃料改質装置とを備え、燃料改質装置で生成された燃焼成分を用いてエンジンを駆動可能な車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、車両に搭載される燃料改質装置として、炭化水素系燃料と空気との混合気を改質触媒にて部分酸化反応させてＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを生成するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。かかる従来の燃料改質装置は、改質触媒の下流側に配置された熱交換器を含み、この熱交換器では、改質触媒に対して供給される空気が、改質触媒で生成された高温の改質ガスを熱源として昇温させられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−１７９１２１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の燃料改質装置や、それを備えた車両では、熱源として、改質触媒で生成された高温の改質ガスが用いられるだけであり、エネルギの有効利用という面から見れば、なお改善の余地が存在している。
【０００５】
そこで、本発明は、改質装置で発生した熱を効率よく回収することができる車両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を備えた車両は、エンジンと、燃料を改質する燃料改質装置とを備え、燃料改質装置で生成された燃焼成分を用いてエンジンを駆動可能な車両であって、燃料改質装置の外周に配置されており、燃料改質装置以外の機器を流通させる熱媒体が導入される熱交換器を備えることを特徴とする。
【０００７】
この車両では、燃料改質装置の外周に配置された熱交換器に燃料改質装置以外の機器を流通させられる熱媒体が導入され、当該熱媒体は、燃料改質装置で発生した熱により昇温させられる。これにより、燃料改質装置を熱源として利用して上記熱媒体を昇温させ、昇温した熱媒体を各種機器の暖機や空気調和といった様々な用途に利用することが可能となる。すなわち、本発明によれば、燃料改質装置で発生した熱を効率よく回収することが可能となる。
【０００８】
また、燃料改質装置は、改質触媒が配置されている改質反応部を含み、熱交換器は、改質反応部の外周に配置されていると好ましい。このような構成を採用すれば、燃焼成分の生成時に特に高温となる改質反応部を熱源として有効に利用することが可能となり、かつ、燃料改質装置以外の機器を流通させられる熱媒体との熱交換によって改質反応部の改質触媒を冷却することが可能となる。
【０００９】
更に、上述の熱交換器に導入される熱媒体は、エンジン用冷却媒体であると好ましく、熱媒体は、車室内空気調和用の伝熱媒体であってもよい。
【００１０】
【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を備えた車両の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明による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）。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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を有し、この本体２１の一端部（図２における右側端部）には、燃料噴射弁１５が接続される。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、改質器２０の本体２１に接続された弁収容部２２の内部に収容されている。そして、弁収容部２２には、当該弁収容部２２内の燃料噴射弁１５の燃料噴射孔１５ａ近傍に空気が吹き込まれるように、エアポンプ１２および開閉弁１４を含むバイパス管Ｌ２の先端が接続されている。すなわち、バイパス管Ｌ２は、燃料噴射弁１５（燃料噴射孔１５ａ）に対して側方から空気を吹き付けるように弁収容部２２に接続されている。
【００１６】
また、燃料噴射弁１５の先端には、ノズル部材１６が接続されている。ノズル部材１６は、その径方向に放射状に形成された複数の空気噴孔１６ａと、その軸方向に延びるように形成されて各空気噴孔と連通する空燃混合室１６ｂとを有する。ノズル部材１６の空燃混合室１６ｂは、図３に示されるように、改質器２０の本体２１の内部と連通している。そして、弁収容部２２と燃料噴射弁１５およびノズル部材１６との間には、燃料や空気の外部への漏洩を防止するためにＯリング１７ａ，１７ｂが介設されている。
【００１７】
一方、改質器２０の本体２１の内部には、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。また、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を挟んで弁収容部２２の反対側、すなわち、改質反応部２３の下流側に位置する。
【００１８】
更に、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。
【００１９】
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。
【００２０】
上述のように構成される車両Ｃを作動させる場合、ＥＣＵ３０は、燃料噴射弁１５を作動させて改質器２０に対する燃料噴射を開始させ、これと同時に、開閉弁１４を開放させると共にエアポンプ１２を作動させて、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。これにより、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。エアポンプ１２から吐出された空気は、バイパス管Ｌ２から弁収容部２２内の燃料噴射弁１５の燃料噴射孔１５ａ近傍に送り込まれ、ノズル部材１６の各空気噴孔１６ａを介して空燃混合室１６ｂに達する。そして、バイパス管Ｌ２からの空気は、ノズル部材１６の空燃混合室１６ｂにて、燃料噴射孔１５ａから噴射される燃料と混ざり合い、改質器２０の本体２１の内部に流れ込む。
【００２１】
本体２１の内部に導入された混合気は、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。
【００２２】
また、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。従って、車両Ｃの走行中には、熱害を防止すべく、改質器２０の放熱・冷却を促進させる必要がある。その一方で、エネルギの有効利用という観点から見れば、改質反応に伴って生じる反応熱を熱源として利用するのが好ましいといえる。このため、本実施形態の車両Ｃでは、改質器２０の放熱・冷却を促進させ、かつ、改質器２０で発生した熱を効率よく回収すべく、次のような対策が講じられている。
【００２５】
まず、本実施形態の車両Ｃでは、図２に示されるように、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。すなわち、バイパス管Ｌ２は、改質器２０の本体２１の端部（弁収容部２２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。
【００２６】
かかる構成のもとでは、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。これにより、改質反応に伴って生じた熱を有効に利用して、改質反応部２３に供給すべき空気を予熱することが可能となる。また、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。
【００２７】
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。
【００２８】
これに加えて、本実施形態では、図２に示されるように、改質器２０の本体２１の外周に伝熱管４０が複数回巻回されている。伝熱管４０は、改質反応部２３の外周に位置し、かつ、本体２１の表面と接触する状態で、本体２１に対して固定されている。伝熱管４０の流体出口は、冷却水ポンプ４１を介してエンジン１の冷却系統ＣＳに接続されている。また、伝熱管４０の流体入口は、エンジン１の冷却系統ＣＳからのエンジン冷却水（クーラント）が導入されるラジエータＲの流体出口と接続されている。
【００２９】
かかる構成のもとでは、伝熱管４０は、改質反応部２３を熱源として、その内部を流通するエンジン冷却水を昇温させる熱交換器として機能する。すなわち、本実施形態の車両Ｃでは、改質器２０の改質反応部２３の周囲に配置された伝熱管４０に、改質器２０以外の機器であるエンジン１（エンジンブロック２）を流通させられるエンジン冷却水が導入され、エンジン冷却水は、改質反応部２３で発生した熱により昇温させられる。これにより、改質器２０を熱源として利用してエンジン冷却水を昇温させ、昇温したエンジン冷却水を用いてエンジン１の暖機を実行することが可能となる。
【００３０】
このように、本発明によれば、改質器２０で発生した熱を効率よく回収することが可能となる。また、熱交換器として機能する伝熱管４０を改質反応部２３の周囲に配置することにより、改質ガスの生成時に特に高温（およそ７００〜１０００℃）となる改質反応部２３を熱源として有効に利用することが可能となり、かつ、改質器２０以外の機器を流通させられる熱媒体との熱交換によって改質反応部２３に配置されている改質触媒を冷却することも可能となる。
【００３１】
なお、上記実施形態では、伝熱管（熱交換器）４０内を流通させる流体として、エンジン冷却水が選択されているが、これに限られるものではない。すなわち、エンジン冷却水の代わりに、オイルポンプを用いてエンジンオイルを伝熱管４０に導入し、改質ガスとの熱交換により昇温したエンジンオイルを用いてエンジン１の暖機を実行してもよい。
【００３２】
また、図４に例示されるように、伝熱管（熱交換器）４０内を流通させる流体として、車両Ｃの車室用空気調和機５０の伝熱媒体が選択されてもよい。すなわち、図４に示される例では、改質器２０の改質反応部２３を熱源として、空気調和機５０のヒータコア５１を流通させる伝熱媒体が加熱される。
【００３３】
この場合、空気調和機５０は、ヒータコア５１に加えて、空調ケーシング５２、ブロア５３、エバポレータ５４、エアミックスダンパ（図示省略）等を含み、ヒータコア５１は、ブロア５３およびエバポレータ５４の下流側に位置するように、空調ケーシング５２内に配置される。そして、ヒータコア５１には、熱媒ポンプ４２が接続され、この熱媒ポンプ４２により、改質反応部２３の周囲の伝熱管（熱交換器）４０とヒータコア５１との間で伝熱媒体が循環させられる。このような構成を採用した場合、改質器２０の改質反応部２３を熱源として昇温させた伝熱媒体を利用して車室内の空気調和を実行することができるので、改質器２０で発生した熱を効率よく回収することが可能となる。
【００３４】
更に、改質器２０の改質反応部２３で発生した熱を有効に回収するために、図５に示されるような構成が採用されてもよい。図５に示される例では、改質反応部２３付近で本体２１の外部に一旦露出されたバイパス管Ｌ２が、更に改質反応部２３の周囲に位置するように本体２１に巻回された後、弁収容部２２に接続されている。
【００３５】
かかる構成のもとでは、エアポンプ１２によって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した後、更に、改質反応部２３を熱源として加熱されることになる。これにより、改質器２０で発生した熱を効率よく回収しつつ、改質反応部２３に供給すべき空気の温度をより上昇させると共に、改質反応部２３に配置されている改質触媒を冷却することが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、改質装置で発生した熱を効率よく回収することができる燃料改質装置を備えた車両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】図１の車両に備えられた改質装置を説明するための概略構成図である。
【図３】図１の車両に備えられた改質装置を説明するための拡大断面図である。
【図４】本発明による燃料改質装置を備えた車両の変形例を示す概略構成図である。
【図５】本発明による燃料改質装置を備えた車両の他の変形例を説明するための概略構成図である。
【符号の説明】
１  エンジン
３  各燃料室
４  ピストン
５  吸気マニホールド
６  排気マニホールド
７  点火プラグ
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
２０  改質器
２３  改質反応部
２４  改質ガス分配室
２５  管路
３０  ＥＣＵ
４０  伝熱管
４１  冷却水ポンプ
４２  熱媒ポンプ
５０  空気調和機
５１  ヒータコア
Ｃ  車両
ＣＳ  冷却系統
Ｆ  フィン
Ｌ１  給気管
Ｌ２  バイパス管
Ｗ  車輪
【図１】
2004285926.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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