(57)【要約】【課題】  燃焼室からの排気ガスに含まれる燃料の一部を効率よく改質して有効に再利用可能とし、かつ、排気ガス中の燃料の大気への放出を確実に抑制することを目的とする。【解決手段】  燃焼室２からの排気ガスに含まれる燃料の一部を改質して再利用可能な内燃機関１は、燃焼室２からの排気ガスを流通させる排気通路７と、燃料改質触媒１６を含む改質反応室１５を有する改質装置１０と、改質装置１０の上流側に定められた分岐部ＢＰで排気通路７から分岐され、改質反応室１５に排気ガスを導く分岐通路８と、分岐部ＢＰよりも下流側に設けられた燃料除去手段としての二次空気供給装置ＡＩおよび排気浄化触媒１７とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室からの排気ガスに含まれる燃料の一部を改質して再利用することができる内燃機関であって、
前記燃焼室からの排気ガスを流通させる排気通路と、
燃料改質触媒を含む改質反応室を有する改質装置と、
前記改質装置の上流側に定められた分岐部で前記排気通路から分岐されており、前記改質反応室に排気ガスを導く分岐通路と、
前記分岐部よりも下流側に設けられた燃料除去手段とを備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記排気通路の中途に設けられており、排気ガスを熱源として流通させる熱媒通路を更に備え、前記改質装置は、前記熱媒通路内の排気ガスとの熱交換が可能となるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記燃焼室における燃料および空気の混合気をリッチ化させることができる制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記燃料除去手段は、前記改質装置の前記熱媒通路に配置された排気浄化触媒と、前記分岐部と前記改質装置との間に配置されており、前記熱媒通路に対して空気を供給可能な二次空気供給手段とを含むことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室からの排気ガスに含まれる燃料の一部を改質して再利用することができる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、排気通路の中途に、排気ガスを流通させる通路と、当該通路を流通する排気ガスによって加熱されるように配置された改質触媒とを含む改質装置（触媒装置）を備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。この種の内燃機関では、改質装置の下流側で排気通路から一部取り出された排気ガスに燃料が混ぜ合わされ、当該混合気は、上記通路内の排気ガスの熱により加熱される改質触媒に送り込まれる。そして、当該改質触媒では、排気ガスの熱を利用した吸熱改質反応が進行して水素と一酸化炭素を含む改質燃料が生成され、得られた改質燃料は吸気系に燃料として供給され、再利用される
【０００３】
また、従来から、天然ガス等の原料ガスを改質してエンジンに供給する天然ガス改質エンジンシステムとして、排気ガスの一部を原料ガスの改質用添加ガスとして用いるものが知られている（例えば、特許文献３参照。）。このエンジンシステムでは、原料ガス供給源とエンジンとを接続する燃料供給通路に、上流側から順番に原料ガス加熱用熱交換器とガス改質装置とが設置されている。また、ガス改質装置は、エンジンの排気ガスの熱を熱源とするために、エンジンの排気通路に組み込まれている。そして、このシステムでは、ガス改質装置の下流側で排気通路から排気ガスが一部取り出され、取り出された排気ガスは、排気分岐通路を介して原料ガスに混入させられる。
【０００４】
【特許文献１】特公昭６０−３７３１０号公報
【特許文献２】特公昭６１−３５３７５号公報
【特許文献３】特開２０００−９８０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来の内燃機関等では、燃料や原料ガスに混入させる排気ガスが排気通路の最下流部付近から取り出されているため、排気ガス中に残留する燃料を増加させると、改質されないまま大気に放出されてしまう燃料がその分だけ増加してしまうことになる。
【０００６】
そこで、本発明は、燃焼室からの排気ガスに含まれる燃料の一部を効率よく改質して有効に再利用可能とし、かつ、排気ガス中の燃料の大気への放出を確実に抑制することができる内燃機関の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による内燃機関は、燃焼室からの排気ガスに含まれる燃料の一部を改質して再利用することができる内燃機関であって、燃焼室からの排気ガスを流通させる排気通路と、燃料改質触媒を含む改質反応室を有する改質装置と、改質装置の上流側に定められた分岐部で排気通路から分岐されており、改質反応室に排気ガスを導く分岐通路と、分岐部よりも下流側に設けられた燃料除去手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この内燃機関は、燃料改質触媒を含む改質反応室をもった改質装置を排気通路の中途に有しており、改質反応室には、改質装置の上流側に定められた分岐部で排気通路から取り出された排気ガスが分岐通路を介して導入される。そして、改質反応室では、流れ込んだ排気ガスに含まれている燃料が改質され、得られた改質燃料は吸気系に燃料として再度供給可能となる。一方、排気通路から分岐通路へ流れ込まなかった排気ガス中の燃料は、分岐部よりも下流側に設けられた燃料除去手段によって取り除かれる。
【０００９】
このように、この内燃機関では、改質反応室への排気ガスが燃料除去手段の上流側に定められた分岐部で排気通路から取り出されるので、燃料を含んでいる排気ガスを改質反応室に供給すると共に、排気ガスに含まれる燃料を効率よく改質して有効に再利用することが可能となる。そして、分岐部から改質装置の熱媒通路へと向かう排気ガス中の燃料は、分岐部よりも下流側に設けられた燃料除去手段によって取り除かれるので、排気ガス中の燃料の大気への放出は確実に抑制されることになる。
【００１０】
この場合、排気通路の中途に設けられており、排気ガスを熱源として流通させる熱媒通路を更に備え、改質装置は、熱媒通路内の排気ガスとの熱交換が可能となるように設けられると好ましい。これにより、熱媒通路内の排気ガスの熱を利用して燃料改質触媒における改質反応を良好に促進させることが可能となる。
【００１１】
また、上記内燃機関は、燃焼室における燃料および空気の混合気をリッチ化させることができる制御手段を更に備えると好ましい。これにより、燃焼室における燃料および空気の混合気をリッチ化させるだけで、改質装置で得られる改質燃料を随時増量させることが可能となる。
【００１２】
更に、燃料除去手段は、改質装置の熱媒通路に配置された排気浄化触媒と、分岐部と改質装置との間に配置されており、熱媒通路に対して空気を供給可能な二次空気供給手段とを含むと好ましい。
【００１３】
このような構成のもとでは、分岐部から改質装置の熱媒通路へと向かう排気ガス中の燃料が、二次空気供給手段から空気の供給を受ける熱媒通路内の排気浄化触媒にて反応、浄化される。従って、排気ガス中の燃料を良好に浄化して、燃料の大気への放出を確実に抑制することが可能となる。また、かかる構成のもとでは、排気浄化触媒での反応により発生する熱を利用して改質反応室を昇温させ、燃料改質触媒における改質反応を更に促進させることが可能となる。この場合、二次空気供給手段は、燃焼室内の空燃比に基づいて制御されると好ましい。これにより、分岐部から改質装置の熱媒通路へと向かう排気ガス中の燃料を除去するために二次空気供給手段から供給すべき空気の量を精度よく設定することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃焼室からの排気ガスに含まれる燃料の一部を効率よく改質して有効に再利用可能とし、かつ、排気ガス中の燃料の大気への放出を確実に抑制することができる内燃機関の実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロックに形成された複数の燃焼室２内でガソリン等の燃料と空気との混合気を燃焼させ、ピストンを往復移動させることにより動力を発生するものであり、例えば、車両の走行駆動源として用いられる。そして、内燃機関１では、各燃焼室２からの排気ガスに含まれる燃料の一部を改質して再利用することが可能となっている。
【００１７】
図１に示されるように、各燃焼室２の吸気ポートは、吸気マニホールド３の分岐管にそれぞれ接続され、各燃焼室２の排気ポートは、排気マニホールド４の分岐管にそれぞれ接続されている。吸気マニホールド３の各分岐管には、各燃焼室２の吸気ポートに向けて燃料を噴射可能な燃料噴射弁５（燃料供給手段）が燃焼室２ごとに配設されている。各燃料噴射弁５は、図示されない燃料供給源に接続される。また、吸気マニホールド３は、吸気通路６に接続されており、吸気通路６には、例えばドライブバイワイヤ式等のスロットルバルブＴＶが設置されている。なお、内燃機関１のシリンダヘッドには、各吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、各排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室２ごとに（本実施形態では、２体ずつ）配設されている。これらの吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅは、例えば可変バルブタイミング機構を含む図示されない動弁機構によって開閉させられる。
【００１８】
一方、排気マニホールド４は、各燃焼室２からの排気ガスを流通させる排気通路７に接続されており、排気通路７の中途には、改質装置１０が組み込まれている。改質装置１０は、筒状の本体１１を有し、本体１１の内部には、熱伝導性の良好な素材からなる隔壁１２によって、排気通路７からの排気ガスを熱源として流通させる熱媒通路１４が画成され、隔壁１２の内部には、熱媒通路１４内の排気ガスとの熱交換が可能となるように改質反応室１５が画成されている。そして、改質反応室１５内には、例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｒｈといった燃料改質触媒１６が配置されている。
【００１９】
また、排気通路７からは、改質装置１０の上流側に定められた分岐部ＢＰにおいて分岐通路８が分岐されている。図１に示されるように、分岐通路８は、改質装置１０の改質反応室１５に接続されており、これにより、排気通路７から排気ガスを取り出して改質反応室１５に供給することが可能となる。更に、改質装置１０の改質反応室１５には、改質燃料返送通路９の一端が接続されている。改質燃料返送通路９は、中途に流量調整弁ＦＣＶを有し、その他端は、スロットルバルブＴＶの下流側で吸気通路６と合流している。
【００２０】
加えて、排気通路７には、分岐部ＢＰの下流側かつ改質装置１０の上流側にエアポンプ等の二次空気供給装置ＡＩが接続されている。二次空気供給装置ＡＩを作動させることにより、改質装置１０の熱媒通路１４に対して空気（酸素）を供給することができる。また、上述の改質装置１０の隔壁１２の外表面（熱媒通路１４側の面）には、例えば白金触媒等の排気浄化触媒１７が付着（積層）させられている。これらの二次空気供給装置ＡＩおよび改質装置１０の熱媒通路１４に配置された排気浄化触媒１７は、分岐部よりも下流側に位置する燃料除去手段として機能する。
【００２１】
そして、内燃機関１は、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）２０を含む。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、各種情報やマップ等が記憶される記憶装置等を含むものである。このＥＣＵ２０の入出力ポートには、上述の各燃料噴射弁５、スロットルバルブＴＶ、流量調整弁ＦＣＶ、二次空気供給装置ＡＩのほか、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅを開閉させる動弁機構や各種センサ類が接続されている。ＥＣＵ５０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に、各種センサの検出値等に基づいて、燃焼室２ごとに設けられた燃料噴射弁５からの燃料噴射量等を制御する。
【００２２】
さて、上述のように構成される内燃機関１における排気ガス中の燃料の改質および再利用について説明すると、内燃機関１の稼動中、改質装置１０の改質反応室１５には、改質装置１０の上流側に定められた分岐部ＢＰで排気通路７から取り出された排気ガスが分岐通路８を介して導入されることになる。そして、改質装置１０の改質反応室１５では、熱媒通路１４内を流通する排気ガスの熱を利用した例えば次の（１）式に示されるような改質反応（吸熱反応）が進行する。  
１．５６（７．６ＣＯ２＋６．８Ｈ２Ｏ＋４０．８Ｎ２）＋３Ｃ７．６Ｈ１３．６＋９８４．８Ｋｃａｌ  →  ３１Ｈ２＋３４．７ＣＯ＋６３．６Ｎ２  …（１）
【００２３】
これにより、排気通路７から分岐通路８を介して改質反応室１５に流れ込んだ排気ガス中の燃料（例えば未燃燃料）が改質され、燃料成分であるＨ２およびＣＯを含む改質燃料が得られる。そして、得られた改質燃料は、流量調整弁ＦＣＶを有する改質燃料返送通路９を介して吸気通路６へと供給され、有効に再利用されることになる。
【００２４】
一方、排気通路７から分岐通路８へ流れ込まず、改質装置１０の熱媒通路１４へと向かう排気ガス中の燃料は、分岐部よりも下流側に設けられた燃料除去手段としての二次空気供給装置ＡＩおよび排気浄化触媒１７を利用して取り除かれることになる。すなわち、分岐部ＢＰを経て改質装置１０の熱媒通路１４に流れ込んだ排気ガス中の燃料は、二次空気供給装置ＡＩから空気の供給を受ける熱媒通路１４内の排気浄化触媒１７にて反応、浄化されることになる。
【００２５】
ここで、本実施形態のＥＣＵ２０は、二次空気供給装置ＡＩを各燃焼室２内の混合気の空燃比に基づいて制御する。すなわち、内燃機関１では、各燃焼室２に対する燃料供給（空燃比制御）と連動して排気浄化触媒１７に対する空気供給量が制御され、これにより、分岐部ＢＰから改質装置１０の熱媒通路１４に流れ込んだ排気ガス中の燃料を除去するために二次空気供給装置ＡＩから熱媒通路１４内に供給すべき空気の量が高精度に設定されることになる。
【００２６】
このように、内燃機関１では、ＥＣＵ２０により、各燃焼室２における燃料および空気の混合気がリッチ化されれば、改質装置１０で得られる改質燃料を随時増量させることが可能となる。すなわち、各燃焼室２からの排気ガス中に燃料を多く残留させておくことにより、改質装置１０の改質反応室１５に対して専用の燃料供給手段から燃料を供給しなくても、各燃焼室２からの排気ガスに含まれる燃料を効率よく改質して有効に再利用することが可能となる。
【００２７】
また、内燃機関１の作動中に高温になる排気通路７や改質反応室１５等の近傍に専用の燃料供給装置（燃料噴射弁）を配置する必要がなくなるので、機関全体を低コスト化、単純化すると共に信頼性を向上させることが可能となり、当該燃料供給装置の冷却やエネルギ効率の低下を考慮する必要もなくなる。更に、内燃機関１では、改質反応室１５への排気ガスが、燃料除去手段としての二次空気供給装置ＡＩおよび排気浄化触媒１７の上流側に定められた分岐部ＢＰで排気通路７から取り出される。従って、十分な量の燃料を含む排気ガスを改質反応室１５に確実に供給することが可能となる。
【００２８】
そして、分岐部ＢＰから改質装置１０の熱媒通路１４へと向かう排気ガス中の燃料は、分岐部ＢＰよりも下流側に設けられた二次空気供給装置ＡＩおよび排気浄化触媒１７により確実に取り除かれる。この結果、内燃機関１では、排気ガス中の燃料を良好に浄化して、燃料の大気への放出を確実に抑制することが可能となる。また、燃料除去手段として二次空気供給装置ＡＩおよび排気浄化触媒１７を備えた内燃機関１では、排気浄化触媒１７での反応により発生する熱を利用して改質反応室１５を昇温させ、燃料改質触媒１６における上記（１）式の改質反応を極めて良好に促進させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による内燃機関を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  内燃機関
２  燃焼室
３  吸気マニホールド
４  排気マニホールド
５  燃料噴射弁
６  吸気通路
７  排気通路
８  分岐通路
９  改質燃料返送通路
１０  改質装置
１１  本体
１２  隔壁
１４  熱媒通路
１５  改質反応室
１６  燃料改質触媒
１７  排気浄化触媒
２０  ＥＣＵ
ＡＩ  二次空気供給装置
ＢＰ  分岐部
ＦＣＶ  流量調整弁
ＴＶ  スロットルバルブ
Ｖｅ  排気弁
Ｖｉ  吸気弁
【図１】
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