(57)【要約】【課題】  改質装置に充分な量の排気ガスを確実に供給可能であり、排気ガスを利用した改質反応を良好に進行させることができる内燃機関の提供を目的とする。【解決手段】  燃焼室２からの排気ガスを利用して改質反応を進行させ、所定の燃料成分を得ることができる内燃機関１は、燃焼室２からの排気ガスを流通させる排気通路８と、排気通路８に接続されており、上記改質反応を進行させるための改質触媒を含む改質装置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８から分岐されており、テールパイプ１８に向けて排気ガスを導く分岐通路１６とを備え、分岐部ＢＰと改質装置１０との間における排気通路８内の流体抵抗は、分岐通路１６内の流体抵抗よりも小さくなっている。【選択図】  図１
2005307834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室からの排気ガスを利用して改質反応を進行させ、所定の燃料成分を得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、
前記排気通路に接続されており、前記改質反応を進行させるための改質触媒を含む改質装置と、
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、テールパイプに向けて排気ガスを導く分岐通路とを備え、
前記分岐部と前記改質装置との間における前記排気通路内の流体抵抗は、前記分岐通路内の流体抵抗よりも小さくなっていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記排気通路の前記分岐部と前記改質装置との間には、排気ガスに改質用燃料を混入させるための燃料供給手段が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】
前記排気通路の前記分岐部よりも上流側の部分と下流側の部分とがなす角度は、前記排気通路の前記分岐部よりも上流側の部分と前記分岐通路とがなす角度よりも大きくなってい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】
前記分岐通路内の流体抵抗を変化させる抵抗調整手段と、
機関負荷に基づいて前記抵抗調整手段を制御する制御手段とを更に備える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。
【請求項５】
前記分岐通路には、排気ガスを熱源として前記改質装置を昇温させるための熱交換器が接続されており、前記抵抗調整手段は、前記熱交換器の下流側に設けられていることを特徴とする請求項４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を利用して改質反応を進行させ、所定の燃料成分を得ることができる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃焼室からの排気ガスを利用して改質反応を進行させ、それにより得られた燃料成分を燃焼室に供給可能な内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この内燃機関は、排気管に設けられている排気浄化触媒と一体化された改質器を備えており、この改質器には、排気浄化触媒の下流側で排気管から分岐された分岐管が接続されている。また、当該分岐管の中途には、排気ガスに改質用の燃料を混入させるためのインジェクタと、改質用の燃料が排気管に逆流することを防止するための逆止弁とが設けられている。かかる内燃機関では、排気浄化触媒で発生した熱によって吸熱反応である改質反応が良好に進行させられ、それにより、排気ガスと燃料との混合気から一酸化炭素や水素といった燃料成分を含む改質ガスが得られる。そして、改質器で生成された改質ガスは、吸気系統へと供給される。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２６４７３２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、上述の従来の内燃機関では、排気管から分岐された分岐管を介して改質装置に排気ガスが導入され、しかも分岐管には逆止弁等が設けられていることから、分岐管内の流体抵抗が比較的大きく、改質装置に充分な量の排気ガスが導入されないおそれがあった。
【０００５】
そこで、本発明は、改質装置に充分な量の排気ガスを確実に供給可能であり、排気ガスを利用した改質反応を良好に進行させ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】
【０００６】
本発明による内燃機関は、燃焼室からの排気ガスを利用して改質反応を進行させ、所定の燃料成分を得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、排気通路に接続されており、改質反応を進行させるための改質触媒を含む改質装置と、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、テールパイプに向けて排気ガスを導く分岐通路とを備え、分岐部と改質装置との間における排気通路内の流体抵抗は、分岐通路内の流体抵抗よりも小さくなっていることを特徴とする。
【０００７】
この内燃機関では、排気ガスが排気通路を介して改質装置に導かれると共に、排気通路から分岐された分岐管を介して排気ガスがテールパイプへと導かれる。そして、この内燃機関では、分岐部と改質装置との間における排気通路内の流体抵抗が、分岐通路内の流体抵抗よりも小さくなっている。これにより、改質装置に対する排気ガスの流入を促進させることができるので、改質装置に充分な量の排気ガスを確実に供給することが可能となる。この結果、この内燃機関では、排気ガスを利用した改質反応を良好に進行させることができる。
【０００８】
また、排気通路の分岐部と改質装置との間に、排気ガスに改質用燃料を混入させるための燃料供給手段が設けられていると好ましい。
【０００９】
すなわち、本発明による内燃機関では、分岐通路内の流体抵抗が、分岐部と改質装置との間における排気通路内の流体抵抗よりも大きく、分岐通路内の排気ガスの圧力が高まることから、分岐部と改質装置との間で改質用燃料を排気ガスに混入させることにより、特に逆止弁等を用いなくても、改質用燃料が分岐部に向けて逆流してしまうことを確実に抑制することが可能となる。
【００１０】
更に、本発明による内燃機関において、排気通路の分岐部よりも上流側の部分と下流側の部分とがなす角度は、排気通路の分岐部よりも上流側の部分と分岐通路とがなす角度よりも大きくなっていると好ましい。
【００１１】
これにより、分岐部と改質装置との間における排気通路内の流体抵抗を分岐通路内の流体抵抗よりも小さくするための構成を低コストかつ容易に実現することができる。
【００１２】
また、本発明による内燃機関は、分岐通路内の流体抵抗を変化させる抵抗調整手段と、機関負荷に基づいて抵抗調整手段を制御する制御手段とを更に備えると好ましい。
【００１３】
かかる構成のもとでは、排気圧が低下する低負荷時に、制御手段によって、分岐通路内を流通する排気ガスへの抵抗が増加するように抵抗調整手段が制御される。これにより、分岐通路内の排気ガスの圧力が高まるので、改質装置に対する排気ガスの流入を促進させると共に分岐部から改質装置に向かった排気ガス等の逆流を抑制することが可能となる。また、かかる構成のもとでは、機関負荷が高い場合に、制御手段によって、分岐通路内を流通する排気ガスへの抵抗が減少するように抵抗調整手段が制御され、これにより、背圧を低下させることが可能となる。
【００１４】
また、分岐通路には、排気ガスを熱源として改質装置を昇温させるための熱交換器が接続されており、抵抗調整手段は、熱交換器の下流側に設けられていると好ましい。
【００１５】
このような構成を採用すれば、排気ガスの熱を利用して吸熱反応である改質反応を良好に進行させることが可能となる。また、排気圧が低下する低負荷時に、抵抗調整手段によって分岐通路内を流通する排気ガスへの抵抗を増加させることにより、分岐通路内の排気ガスの流速を低下させて、排気ガスから改質触媒等へと熱を確実に移動させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、改質装置に充分な量の排気ガスを確実に供給可能であり、排気ガスを利用した改質反応を良好に進行させ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】
【００１７】
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。
【００１８】
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。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ガソリン等の炭化水素系燃料を噴射可能なインジェクタ５が燃焼室２ごとに配設されており、各インジェクタ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７が設置されている。
【００１９】
更に、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。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８に接続されており、排気通路８の中途には、それぞれ三元触媒を備えた前段触媒装置９ａおよび後段触媒装置９ｂが組み込まれている。
【００２０】
そして、排気通路８は、図１に示されるように、改質装置１０に接続されている。改質装置１０は、筒状の本体１１を有し、本体１１の内部には、例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｒｈ等の燃料改質触媒が配置された改質反応室が画成されている。そして、この改質反応室の周囲には、当該改質反応室内を昇温させるための熱交換器１２が配置されている。更に、改質装置１０の本体１１には、改質反応室の下流側において改質ガス供給通路１４の一端が接続されている。改質ガス供給通路１４は、中途に流量調整弁１５を有し、その他端は、スロットルバルブ７の下流側で吸気通路６と合流している。
【００２１】
また、排気通路８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１６が分岐されている。本実施形態において、図１に示されるように、排気通路８の分岐部ＢＰよりも上流側の部分８ａと下流側の部分８ｂとがなす角度θ１（本実施形態では、１８０°）は、排気通路８の分岐部ＢＰよりも上流側の部分８ａと分岐通路１６とがなす角度θ２よりも大きくなっている（ただし、３６０°−θ１＞θ２が満たされるものとする）。すなわち、本実施形態では、排気通路８の分岐部ＢＰよりも上流側の部分８ａと下流側の部分８ｂとは真っ直ぐ同軸に延在しており、分岐通路１６は、このような排気通路８から斜めに角度（１８０°−θ２）をつけた状態で分岐されている。
【００２２】
図１に示されるように、分岐通路１６は、改質装置１０熱交換器１２の熱媒入口に接続されている。これにより、排気通路８から排気ガスを取り出して熱交換器１２に熱源として供給することが可能となる。また、熱交換器１２の熱媒出口は、排出通路１７を介してテールパイプ１８に接続されている。これにより、排気通路８から分岐通路１６に流れ込んだ排気ガスは、熱交換器１２および排出通路１７を介して最終的にテールパイプ１８へと導かれる。
【００２３】
更に、本実施形態では、排出通路１７の中途に抵抗調整弁（抵抗調整手段）１９が設けられている。抵抗調整弁１９は、その開度を自在に変化させることができるものである。すなわち、抵抗調整弁１９の開度を絞ることにより、分岐通路１６内を流通する排気ガスへの抵抗が増加し、抵抗調整弁１９の開度を増加させることにより、分岐通路１６内を流通する排気ガスへの抵抗が減少する。また、排気通路８の分岐部ＢＰと改質装置１０との間には、排気ガスに改質用燃料を混入させるための改質用インジェクタ（燃料供給手段）２０が設置されている。この改質用インジェクタ２０は、図示されない燃料供給源に接続されており、改質用インジェクタ２０を作動させることにより、改質装置１０に供給される排気ガスに改質用の燃料（例えばガソリン等の炭化水素系燃料）を混入させることが可能となる。
【００２４】
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）３０を含む。ＥＣＵ３０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ＥＣＵ３０の入出力ポートには、上述の各インジェクタ５、スロットルバルブ７、流量調整弁１５、抵抗調整弁１９、改質用インジェクタ２０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。ＥＣＵ３０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ごとに設けられたインジェクタ５からの燃料噴射量等を制御する。
【００２５】
さて、上述のように構成される内燃機関１の稼動時には、各燃焼室２から排出された後、前段触媒装置９ａおよび後段触媒装置９ｂにて浄化された排気ガス（不活性ガス）が排気通路８から改質装置１０の改質反応室へと流れ込む。また、当該排気ガスには、分岐部ＢＰと改質装置１０との間で改質用インジェクタ２０から改質用の燃料が混入させられる。一方、分岐部ＢＰにて排気通路８から分岐通路１６へと流れ込んだ排気ガスは、分岐通路１６を介して熱交換器１２へと供給される。熱交換器１２において、分岐通路１６からの排気ガスは、改質反応室内の流体や改質触媒等に熱を与え、それにより、改質反応室内の温度が上昇することになる。従って、内燃機関１では、排気ガスの熱を利用して吸熱反応である改質反応を良好に進行させることが可能となる。
【００２６】
すなわち、改質装置１０の改質反応室では、熱交換器１２に供給された排気ガスの熱を利用して例えば次の（１）式に示されるような改質反応（吸熱反応）が進行することになる。
【００２７】
１．５６（７．６ＣＯ２＋６．８Ｈ２Ｏ＋４０．８Ｎ２）＋３Ｃ７．６Ｈ１３．６＋９８４．８Ｋｃａｌ  →  ３１Ｈ２＋３４．７ＣＯ＋６３．６Ｎ２  …（１）
【００２８】
これにより、排気ガスと改質用の燃料との混合気が改質され、燃料成分である水素および一酸化炭素を含む改質ガスが得られる。そして、得られた改質ガスは、流量調整弁１５によって流量調整されながら改質ガス供給通路１４を介して吸気通路６へと供給され、燃料として有効に利用されることになる。
【００２９】
ここで、上述のように、内燃機関１では、排気通路８の分岐部ＢＰよりも上流側の部分８ａと下流側の部分８ｂとのなす角度θ１が、排気通路８の分岐部ＢＰよりも上流側の部分８ａと分岐通路１６とのなす角度θ２よりも大きくなっている。従って、分岐部ＢＰと改質装置１０との間における排気通路８内の流体抵抗は、分岐通路１６内の流体抵抗よりも小さくなる。これにより、分岐部ＢＰに達した排気ガスは、テールパイプ１８へと連なる分岐通路１６よりも改質装置１０に向けて流れやすくなるので、改質装置１０に対する排気ガスの流入が促進させられる。この結果、内燃機関１では、改質装置１０に充分な量の排気ガスを確実に供給することが可能となり、排気ガスを利用した上記（１）式等の改質反応を良好に進行させることができる。
【００３０】
また、内燃機関１では、上述のように、分岐通路１６内の流体抵抗が、分岐部ＢＰと改質装置１０との間における排気通路８内の流体抵抗よりも大きく、分岐通路１６内の圧力が高くなる。従って、特に逆止弁等を用いなくても、分岐部ＢＰと改質装置１０との間において改質用インジェクタ２０から噴射された改質用燃料が分岐部ＢＰに向けて逆流してしまうことは確実に抑制される。更に、上述のように、分岐通路１６を排気通路８から斜めに角度（１８０°−θ２）をつけた状態で分岐させれば、分岐部ＢＰと改質装置１０との間における排気通路８内の流体抵抗を分岐通路１６内の流体抵抗よりも小さくするための構成を低コストかつ容易に実現することができる。
【００３１】
そして、分岐部ＢＰと改質装置１０との間における排気通路８内の流体抵抗を分岐通路１６内の流体抵抗よりも小さくすることは、特に、内燃機関１の負荷が低い場合に有利となる。すなわち、内燃機関１の負荷が低い場合、改質ガス供給通路１４の流量調整弁１５の開度が絞られることから、負圧を利用した吸気通路６への改質ガスの吸引効果がさほど得られず、それにより、当該負圧を利用した改質装置１０への排気ガスの吸引効果もさほど得られない。また、内燃機関１の負荷が低い場合には、排気圧力自体も小さくなる。従って、このような低負荷時には、何ら対策を施さなければ、改質装置１０への排気ガスの流入量が低下してしまうが、本発明の構成を採用することにより、内燃機関１の負荷が低い場合であっても、改質装置１０に充分な量の排気ガスを確実に供給することが可能となる。
【００３２】
加えて、本実施形態では、分岐通路１６内の流体抵抗を変化させる抵抗調整弁１９がＥＣＵ３０によって内燃機関１の負荷に応じて制御される。すなわち、内燃機関１の作動中、ＥＣＵ３０は、図示されないエアフローメータの検出値あるいはスロットルバルブ７の開度等に基づいて吸入空気量を算出すると共に、算出した吸入空気量に基づいてその時点における内燃機関１の負荷を算出している。そして、ＥＣＵ３０は、例えば内燃機関１の負荷が所定値を下回った場合、分岐通路１６内を流通する排気ガスへの抵抗が増加するように抵抗調整弁１９の開度を減少させる。これにより、分岐通路１６内の排気ガスの圧力が高まるので、改質装置１０に対する排気ガスの流入を促進させると共に分岐部ＢＰから改質装置１０に向かった排気ガスや改質用燃料の逆流を抑制することが可能となる。また、ＥＣＵ３０は、例えば内燃機関１の負荷が所定値を上回った場合、分岐通路１６内を流通する排気ガスへの抵抗が減少するように抵抗調整弁１９の開度を増加させる。これにより、背圧の過剰な上昇が抑制される。
【００３３】
なお、分岐通路１６内の流体抵抗を変化させる抵抗調整弁１９は、熱交換器１２の下流側の排出通路１７ではなく、図２の内燃機関１Ａのように、分岐通路１６の中途に組み込まれてもよい。このような構成を採用しても、分岐通路１６（分岐部ＢＰと抵抗調整弁１９との間）における流体抵抗を自在に変化させることができる。ただし、図１に示されるように、抵抗調整弁１９を熱交換器１２の下流側（排出通路１７）に設ければ、排気圧が低下する低負荷時に、抵抗調整弁１９によって分岐通路１６内を流通する排気ガスへの抵抗を増加させることにより、分岐通路１６内の排気ガスの流速を低下させ、それにより、熱交換器１２における排気ガスの滞留時間を延ばすことができる。これにより、排気ガスから改質反応室へと熱を確実に移動させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】本発明による内燃機関の変形例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  内燃機関
２  燃焼室
６  吸気通路
８  排気通路
１０  改質装置
１１  本体
１２  熱交換器
１４  改質ガス供給通路
１５  流量調整弁
１６  分岐通路
１７  排出通路
１８  テールパイプ
１９  抵抗調整弁
２０  改質用インジェクタ
３０  ＥＣＵ
ＢＰ  分岐部
【図１】
2005307834.tif 000003
【図２】
2005307834.tif 000004