(57)【要約】【課題】ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを効率よく生成可能であり、容易に低コスト化およびコンパクト化することができる燃料改質システムの提供。【解決手段】ガソリンと空気との混合気を改質し、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを生成してエンジン１に供給する燃料改質システムＦＲＳは、混合気を改質するための触媒を含む改質反応部２３と、改質反応部２３で生成される改質ガスをエンジン１の燃焼室３に供給するための改質ガス分配室２４とを有する改質器２０を備え、改質器２０の少なくとも改質反応部２３と改質ガス分配室２４とは、エンジン１の吸気系統を構成する部品であるサージタンク８の外壁により囲まれている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料と空気との混合気を改質し、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを生成してエンジンに供給する燃料改質システムにおいて、
前記混合気を改質するための触媒を含む改質反応部と、該改質反応部で生成される改質ガスを前記エンジンに供給するための改質ガス供給部とを有する改質器を備え、この改質器の少なくとも前記改質反応部と前記改質ガス供給部とが、前記エンジンを構成する部材によって囲まれていることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
前記エンジンを構成する部材は、前記エンジンの吸気系統を構成する部材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
【請求項３】
前記エンジンを構成する部材は、前記エンジンの排気系統を構成する部材であり、前記排気系統には、前記エンジンからの排気を浄化するための排気浄化手段が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
【請求項４】
前記改質ガス供給部は、改質ガスを前記エンジンの燃焼室へと導くための管路が含まれており、前記管路の断面積は、要求される量の改質ガスを流通させるのに必要最小限となるように定められていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系燃料と空気との混合気を改質し、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを生成してエンジンに供給する燃料改質システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ガソリン等の炭化水素系燃料等を改質して、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを生成する改質器として、ケーシング内に設置されたメタルハニカムの電熱ヒータを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この改質器では、電熱ヒータ（メタルハニカム）の燃料流れ方向上流側の領域が蒸発部として用いられる一方、燃料流れ方向下流側の領域には、改質触媒が溶射され、この下流側領域は改質反応部として用いられる。そして、蒸発部には、電熱ヒータの外周に配置された熱交換器により加熱された燃料、水、空気が導入され、蒸発部で蒸発した燃料等は、改質反応部において水蒸気改質反応を起こす。これにより、改質器によって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、車両のエンジン等に対して供給される。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２４８５０６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような改質器において、ガソリン等の炭化水素系燃料から、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを効率よく得るためには、改質反応部（改質触媒）における反応温度をおよそ７００〜１０００℃の高温に維持する必要がある。このため、上述の従来の改質器では、その周辺に配置される他の装置や部品に対する熱の影響を緩和するために、改質反応部および熱交換器の周囲に断熱材が配置されている。しかしながら、改質器に対して断熱材や遮熱材を備えることは、改質器ひいてはそれを含むシステム全体の低コスト化やコンパクト化を図る上で好ましいものではない。
【０００５】
そこで、本発明は、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを効率よく生成可能であると共に、低コストで、コンパクトに構成することができる燃料改質システム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システムは、炭化水素系燃料と空気との混合気を改質し、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを生成してエンジンに供給する燃料改質システムにおいて、混合気を改質するための触媒を含む改質反応部と、該改質反応部で生成される改質ガスをエンジンに供給するための改質ガス供給部とを有する改質器を備え、この改質器の少なくとも改質反応部と改質ガス供給部とが、エンジンを構成する部材によって囲まれていることを特徴とする。
【０００７】
この燃料改質システムでは、改質器の少なくとも改質反応部と改質ガス供給部とが、エンジンを構成する部材（部品）によって囲まれている。これにより、専用の断熱部材や改質ガス冷却手段等を備えなくても、エンジンを構成する部材を利用して、高温に維持される改質反応部から発せられる熱を遮断したり、放熱させたりすることができると共に、改質器からの高温の改質ガスを冷却することが可能となる。従って、この燃料改質システムによれば、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを効率よく生成可能となり、かつ、システムの低コスト化およびコンパクト化を図ることができる。
【０００８】
この場合、エンジンを構成する部材は、エンジンの吸気系統を構成する部材であると好ましい。
【０００９】
このような構成のもとでは、吸気マニホールドやサージタンクといったエンジンの吸気系統を構成する部材（部品）を利用して、改質反応部から発せられる熱を遮断したり、放熱させたりすることが可能となる。また、吸気系統を流通する吸入空気を利用して、改質ガス供給部からエンジンに送られる改質ガスを冷却することが可能となる。かかる構成は、特に、吸気系統を構成する部材（部品）がアルミ鋳造体等の熱容量の大きな素材により形成されているエンジンに対して採用されると有効である。この場合、吸気系統を構成する部材の大きな熱容量を利用して、改質反応部からの熱を遮熱し、また、改質ガスから熱を奪うことが可能となる。
【００１０】
更に、エンジンを構成する部材は、エンジンの排気系統を構成する部材であり、排気系統には、エンジンからの排気を浄化するための排気浄化手段が含まれていると好ましい。
【００１１】
このような構成のもとでは、排気マニホールド等のエンジンの排気系統を構成する部材（部品）を利用して、改質反応部から発せられる熱を遮断したり、放熱させたりすることが可能となる。また、かかる構成によれば、改質反応部や、そこで生成される改質ガスから、排気系統を流通する排気ガスに熱を与えることができるので、排気系統に含まれる排気浄化手段（触媒）の暖気を促進させることが可能となる。これにより、特に冷間始動時等におけるエンジンの排気浄化性能をより一層向上させることができる。
【００１２】
また、改質ガス供給部には、改質ガスをエンジンの燃焼室へと導くための管路が含まれており、管路の断面積は、要求される量の改質ガスを流通させるのに必要最小限となるように定められていると好ましい。
【００１３】
このような構成を採用すれば、管路長を増大化させることにより、管路表面積を大きくすることができるので、改質ガスの冷却効率を向上させ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システムの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
〔第１実施形態〕
図１および図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料改質システムＦＲＳを説明するための概略構成図である。これらの図面のうち、図１は、本実施形態に係る燃料改質システムＦＲＳが適用されたエンジン１を示している。エンジン（内燃機関）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、給気ラインＬ１が接続されており、給気ライン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、給気ラインＬ１のの中途（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（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、給気ラインＬ１からは、エアクリーナ９とスロットル１０との間に定められた分岐部ＢＰにおいてバイパスラインＬ２が分岐されている。バイパスラインＬ２は、中途にエアポンプ１１を有し、その先端（分岐部ＢＰ側の端部と反対側の端部）は、本発明による燃料改質システムＦＲＳの改質器２０に接続されている。
【００１８】
燃料改質システムＦＲＳは、図２に示されるように、改質器２０、上記バイパスラインＬ２およびエアポンプ１１、燃料噴射弁１５等を含む。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である。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。本体２１内部の一端側の領域は、空燃混合部２２として定められており、この空燃混合部２２には、エアポンプ１１を有するバイパスラインＬ２が接続されると共に、燃料噴射弁１５が接続される。
【００１９】
また、改質器２０の本体２１の内部には、空燃混合部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。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を挟んで空燃混合部２２の反対側、すなわち、改質反応部２３の混合気の流れ方向下流側に位置する。ここで、改質器２０の本体２１は、少なくとも改質反応部２３と改質ガス分配室２４とがサージタンク８の内部に位置するように設置されている。すなわち、燃料改質システムＦＲＳでは、改質器２０の改質反応部２３と改質ガス分配室２４とが、エンジン１の吸気系統を構成するサージタンク８の外壁によって囲まれている。
【００２０】
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。
【００２１】
各管路２５としては、エンジン１を動作させるために要求される量の改質ガスを流通させるのに必要最小限となる流路断面積を有する一方、管路表面積をできるだけ大きくすべく長尺の管状部材が採用される。管路２５としては、例えば、内径６〜１０ｍｍ程度の細径円筒管（図３参照）、あるいは、これと同程度の流路断面積を有する細径管状部材を採用すると好ましい。そして、本実施形態では、図１に示されるように、各管路２５は、対応する吸気管５ａの外面や、サージタンク８内の空気との接触面積が大きくなるように、少なくとも１回屈曲された状態で配置される。
【００２２】
さて、上述のような燃料改質システムＦＲＳを含むエンジン１を動作させる場合、改質器２０の空燃混合部２２には、図示されないエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）によって開度調整されるバイパスラインＬ２のエアポンプ１１によって空気が導入されると共に、同様にＥＣＵによって制御される燃料噴射弁１５からガソリン等の燃料が噴射される。ガソリン等の燃料は、空燃混合部２２にて気化すると共にバイパスラインＬ２からの空気と混ざり合い、改質反応部２３へと流れ込む。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ことにより、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスが生成される。そして、生成された改質ガスは、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。
ＣｍＨｎ＋（ｍ／２）Ｏ２→ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ２  …（１）
【００２３】
また、サージタンク８内には、ＥＣＵによって開度調整される給気ラインＬ１のスロットル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。そして、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、これにより、エンジン１から動力を得ることができる。
【００２４】
ここで、改質反応部２３にて（１）式の部分酸化反応（改質反応）が進行する際には、改質反応部２３の温度（反応温度）は、およそ７００〜１０００℃の高温に設定される。従って、燃料改質システムＦＲＳにおいても、改質器２０周辺への熱の影響を十分に緩和する必要がある。また、燃焼室３よりも上流側の吸気管５ａにおいてＨ２等が燃焼してしまわないようにするために、改質器２０を出る改質ガスを適切に冷却する必要もある。
【００２５】
これらの点に鑑みて、本実施形態の燃料改質システムＦＲＳでは、改質器２０の改質反応部２３と改質ガス分配室２４とが、エンジンを構成する部材（部品）、すなわち、エンジン１の吸気系統を構成するサージタンク８の外壁によって囲まれている。これにより、燃料改質システムＦＲＳでは、高温に維持される改質反応部２３から発せられる熱がサージタンク８の外壁によって遮断されるので、サージタンク８の外部に配置された他の装置や部品に対する熱の影響を緩和することができる。
【００２６】
また、燃料改質システムＦＲＳでは、改質器２０の改質ガス分配室２４がサージタンク８内にあることから、改質ガス分配室２４内の改質ガスは、本体２１の外壁を介したサージタンク８内の空気との熱交換により冷却される。更に、燃料改質システムＦＲＳでは、改質ガス分配室２４から改質ガスをエンジン１の各燃焼室３へと導くための管路２５は、その断面積が上述のように必要最小限に設定される一方、その管路長ができるだけ長く定められている。そして、各管路２５は、対応する吸気管５ａの外面や、サージタンク８内の空気と十分に接触するように配置されている。従って、改質ガスは管路２５を流通する際にも、吸気管５ａ内の空気やサージタンク８内の空気と熱交換することになるので、改質ガスの冷却効率をより一層向上させることが可能となる。本実施形態の場合、改質反応部２３を出た際に９５０℃の温度をもつ改質ガスは、管路２５から吸気管５ａに流れ込む段階で発火しない程度の温度（例えば、およそ５００℃）になるように冷却される。
【００２７】
このように、燃料改質システムＦＲＳによれば、改質器２０に対して断熱部材や遮熱部材を配置したり、改質器２０で生成された改質ガスを冷却するための手段を備えたりする必要がなくなることから、システムの低コスト化およびコンパクト化を図ることが可能となり、かつ、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを効率よく生成することができる。また、燃料改質システムＦＲＳは、吸気マニホールド５等の吸気系統を構成する部材（部品）がアルミ鋳造体といった熱容量の大きな素材により形成されているエンジンに対して採用されると有効である。この場合、吸気系統を構成する部材の大きな熱容量を利用して、改質反応部２３からの熱を遮断したり、改質ガスから熱を奪うことが可能となるからである。なお、上述の燃料改質システムＦＲＳにおいて、改質器２０の空燃混合部２２は、サージタンク８の外部に配置されていたが、これに限られるものではなく、空燃混合部２２は、サージタンク８の内部に配置されてもよい。
【００２８】
図４および図５は、本発明の第１実施形態における変形例を示す概略構成図である。図４のエンジン１Ａに適用される燃料改質システムＦＲＳＡも、上述の燃料改質システムＦＲＳのものと同様に構成された改質器２０Ａを有する。ただし、本例において、改質器２０Ａは、サージタンク８Ａの内部に収容される代わりに、図４および図５からわかるように、エンジン１Ａの吸気系統を構成するサージタンク８Ａおよび吸気マニホールド（各吸気管５ａ）によって取り囲まれている。
【００２９】
また、図６は、本発明の第１実施形態における他の変形例を示す概略構成図である。図６に示されるエンジン１Ｂに適用される燃料改質システムＦＲＳＢも、上述の燃料改質システムＦＲＳのものと同様に構成された改質器２０Ｂを有する。ただし、本例では、エンジン１Ｂの吸気系統を構成するサージタンク８Ｂがエンジンブロック２に比較的近接して配置されており、改質器２０Ｂは、エンジン１Ｂの吸気系統を構成するサージタンク８Ｂ、吸気マニホールド５（各吸気管５ａ）、更には、エンジン１のエンジンブロック２（シリンダヘッド）によって取り囲まれている。
【００３０】
上述のように構成される燃料改質システムＦＲＳＡおよびＦＲＳＢによっても、サージタンク８Ａ，８Ｂや吸気管５ａ、更には、エンジンブロック２等のエンジン１Ａまたは１Ｂを構成する部材（部品）を利用して、高温に維持される改質反応部から発せられる熱を遮断したり、サージタンク８Ａまたは８Ｂや吸気管５ａ（吸気系統）を流通する空気との熱交換により改質反応部２３からの高温の改質ガスを冷却したりすることが可能となる。従って、燃料改質システムＦＲＳＡおよびＦＲＳＢにおいても、専用の断熱部材や改質ガス冷却手段等が不要となることから、システムの低コスト化およびコンパクト化を図ることができる。また、燃料改質システムＦＲＳＡおよびＦＲＳＢによっても、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを効率よく生成可能となる。
【００３１】
〔第２実施形態〕
以下、図７を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る燃料改質システムについて説明する。なお、上述の第１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。
【００３２】
図７に示される燃料改質システムＦＲＳＣも、第１実施形態に係る燃料改質システムＦＲＳ等のものと同様に構成された改質器２０Ｃを有するが、本実施形態では、エンジン１Ｃの排気系統を利用して、改質反応部２３の断熱や、改質ガスの冷却がなされる。
【００３３】
すなわち、本実施形態では、排気マニホールド６と排気浄化手段としての触媒装置１６との間に、これらの要素と共にエンジン１Ｃの排気系統を構成する改質器収容チャンバ１７が組み込まれている。そして、改質器２０Ｃの本体は、少なくとも改質反応部および改質ガス分配部（図示省略）が改質器収容チャンバ１７の内部に位置するように設置されている。すなわち、燃料改質システムＦＲＳＣでは、改質器２０の改質反応部と改質ガス分配室とは、エンジン１Ｃの排気系統を構成する改質器収容チャンバ１７の外壁によって囲まれている。
【００３４】
このように構成される燃料改質システムＦＲＳＣでは、高温に維持される改質器２０Ｃの改質反応部から発せられる熱が、改質器収容チャンバ１７の外壁によって遮断されるので、改質器収容チャンバ１７の外部に配置された他の装置や部品に対する熱の影響を緩和することができる。また、燃料改質システムＦＲＳＣでは、改質器２０Ｃの改質ガス分配部が改質器収容チャンバ１７内にあることから、改質ガス分配部内の改質ガスは、改質器２０Ｃの本体外壁を介した改質器収容チャンバ１７内の排気ガスとの熱交換により冷却される。
【００３５】
この結果、燃料改質システムＦＲＳＣによっても、改質器２０Ｃに対して断熱部材や遮熱部材を配置したり、改質器２０Ｃで生成された改質ガスを冷却するための手段を備えたりする必要がなくなることから、システムの低コスト化およびコンパクト化を図ることが可能となり、かつ、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを効率よく生成することができる。また、燃料改質システムＦＲＳＣにおいては、改質反応部や、そこで生成される改質ガスから、改質器収容チャンバ１７内の排気ガスに熱を与えることができるので、排気系統に含まれる触媒装置１６の暖気を促進させることが可能となる。従って、燃料改質システムＦＲＳＣによれば、特に冷間始動時等における触媒装置１６の排気浄化性能をより一層向上させることができる。
【００３６】
図８は、本発明の第２実施形態における変形例を示す概略構成図である。図８のエンジン１Ｄに適用される燃料改質システムＦＲＳＤも、上述の燃料改質システムＦＲＳＣのものと同様に構成された改質器２０Ｄを有する。ただし、本例では、エンジン１Ｄの排気系統に含まれる触媒装置１６がエンジンブロック２に比較的近接するように配置されており、改質器２０Ｄは、エンジン１Ｄの排気系統を構成する排気マニホールド６や触媒装置１６、更には、エンジン１Ｄのエンジンブロック２（シリンダヘッド）によって取り囲まれている。
【００３７】
このように構成される燃料改質システムＦＲＳＤによっても、排気マニホールド６や触媒装置１６、更には、エンジンブロック２等のエンジン１Ｄを構成する部材（部品）を利用して、高温に維持される改質反応部から発せられる熱を遮断したり、排気マニホールド６（吸気系統）を流通する空気との熱交換により改質反応部２３からの高温の改質ガスを冷却したりすることが可能となる。従って、燃料改質システムＦＲＳＤにおいても、専用の断熱部材や改質ガス冷却手段等が不要となることから、システムの低コスト化およびコンパクト化を図ることができる。また、燃料改質システムＦＲＳＤによっても、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを効率よく生成可能となる。
【００３８】
なお、上述の各実施形態に係るエンジン１〜１Ｄの各吸気管５ａに、個別に燃料噴射弁を装備しておくことにより、改質器２０等に対する空気および燃料の供給を停止させ、各吸気管５ａに装備された燃料噴射弁から燃料を噴射させてエンジン１等から動力を得られることができるのはいうまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスを効率よく生成可能であると共に、容易に低コスト化およびコンパクト化することができる燃料改質システム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システムの第１実施形態を説明するための概略構成図である。
【図２】図１の燃料改質システムを説明するための概略構成図である。
【図３】図１の燃料改質システムを説明するための断面図である。
【図４】本発明による燃料改質システムの第１実施形態における変形例を説明するための概略構成図である。
【図５】図４の燃料改質システムを説明するための概略構成図である。
【図６】本発明による燃料改質システムの第１実施形態における他の変形例を説明するための概略構成図である。
【図７】本発明による燃料改質システムの第２実施形態を説明するための概略構成図である。
【図８】本発明による燃料改質システムの第２実施形態における変形例を説明するための概略構成図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ    エンジン
５  吸気マニホールド
５ａ  吸気管
６  排気マニホールド
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ  サージタンク
１１  エアポンプ
１５  燃料噴射弁
１６  触媒装置
１７  改質器収容チャンバ
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ  改質器
２１  本体
２２  空燃混合部
２３  改質反応部
２４  改質ガス分配室
２５  管路
ＦＲＳ，ＦＲＳＡ，ＦＲＳＢ，ＦＲＳＣ，ＦＲＳＤ  燃料改質システム
【図１】
2004239203.tif 000003
【図２】
2004239203.tif 000004
【図３】
2004239203.tif 000005
【図４】
2004239203.tif 000006
【図５】
2004239203.tif 000007
【図６】
2004239203.tif 000008
【図７】
2004239203.tif 000009
【図８】
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