(57)【要約】 【課題】  燃料と空気とを均一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】  燃料と空気との混合気を改質する燃料改質装置１は、燃料と空気とが互いに混ざり合うように供給される空燃混合室５０と、空燃混合室５０の下流側に設けられており、混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応室７と、空燃混合室５０と改質反応室７との間に設けられた混合気流通室６とを備えており、空燃混合室５０の出口断面積は、改質反応室７の入口断面積よりも小さく、混合気流通室６の内壁面６ａは、空燃混合室５０の出口と改質反応室７の入口とを滑らかに連続させるように形成されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質装置において、
燃料と空気とが供給される混合室と、
前記混合室の下流側に設けられており、前記混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応室とを備え、
前記混合室の出口断面積が前記改質反応室の入口断面積よりも小さいことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
前記混合室と前記改質反応室との間に設けられた混合気流通室を更に備え、この混合気流通室の内壁面は、前記混合室の出口と前記改質反応室の入口とを滑らかに連続させるように形成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。
【請求項３】
前記混合室内に旋回流を形成するための旋回流形成手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、改質触媒を含む燃料改質装置を備え、この燃料改質装置で各種燃料を改質して得た燃料成分を燃焼室内で燃焼させることにより、安定した燃焼を得ると共に、排気中のＨＣやＮＯｘの低減化を図る内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この種の内燃機関に適用可能な燃料改質装置は、一般に、燃料および空気の混合気を改質する改質触媒と、改質触媒の上流側に配置された混合室とを有しており（例えば、特許文献２参照。）、混合室には、その内部に燃料を供給する燃料噴射弁や、その内部に空気を供給するための空気供給管が接続される。なお、燃料の微粒化と空気との混合を促進させることができる燃料噴射装置としては、燃料を噴射するノズルの噴口から噴射される燃料の周りに空気の旋回流を形成可能なものが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２４１３６５号公報
【特許文献２】特開２００１−２２７４１９号公報
【特許文献３】実開平５−５７３５６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、従来の燃料改質装置では、混合室内に供給された燃料と空気とが均一に混ざり合わず、混合室から改質反応室に流入する混合気に濃度ムラを生じさせてしまうことがあり、改質反応室における改質反応を良好に進行させて所望の改質効率を得ることは容易ではなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料と空気とを均一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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による燃料改質装置は、燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質装置において、燃料と空気とが供給される混合室と、混合室の下流側に設けられており、混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応室とを備え、混合室の出口断面積が改質反応室の入口断面積よりも小さいことを特徴とする。
【０００７】
この燃料改質装置では、改質反応室の入口断面積よりも小さい出口断面積を有する混合室に、燃料と空気とが互いに混ざり合うように供給される。これにより、燃料は、流速が高まっている混合室の内部で良好に微粒化されると共に、混合室の内部で空気と確実に接触することになる。従って、この燃料改質装置によれば、燃料と空気とを均一に混合させることが可能となり、改質反応室における改質反応を良好に進行させて高い改質効率を得ることができる。
【０００８】
また、混合室と改質反応室との間に設けられた混合気流通室を更に備え、この混合気流通室の内壁面は、混合室の出口と改質反応室の入口とを滑らかに連続させるように形成されていると好ましい。
【０００９】
これにより、混合室内で均一に混ざり合った燃料および空気の混合気は、混合室から、混合気流通室の内壁面に沿って拡散しながら改質反応室へと流れ込んでいくことになるので、混合気流通室における混合気の濃度ムラの発生を確実に抑制することが可能となる。
【００１０】
更に、混合室内に旋回流を形成するための旋回流形成手段を更に備えると好ましい。
【００１１】
このような構成を採用すれば、混合室において燃料と空気とをより一層均一に混合させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料と空気とを均一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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１は、本発明による燃料改質装置を示す概略構成図である。同図に示される燃料改質装置１は、例えばガソリン等の炭化水素系燃料と空気との混合気を改質可能なものであり、例えば自動車の駆動源である内燃機関の燃料（改質ガス）を生成するのに用いられる。図１に示されるように、燃料改質装置１は、概ね筒状に形成された本体２と、本体２の一端部（図１における右側の端部）に接続されたインジェクタ（燃料供給手段）３とを有している。
【００１５】
インジェクタ３は、燃料供給管Ｌ１と図示されない燃料ポンプとを介して燃料タンク（図示省略）に接続されており、燃料改質装置１の使用時にガソリン等の炭化水素系燃料を噴射するものである。図２に示されるように、インジェクタ３は、燃料改質装置１の本体２に接続されたインジェクタ収容部４の内部に収容されている。インジェクタ収容部４の内部には、インジェクタ３の燃料噴射孔３ａの周囲を囲む環状の空気室４０が画成されている。そして、インジェクタ収容部４には、空気室４０と連通するように、エアポンプＡＰおよび流量調整弁ＦＣＶを含む給気管Ｌ２の先端が接続されている。なお、燃料改質装置１が内燃機関に適用される場合には、図１に示されるように、燃料改質装置１に当該内燃機関の排気ガスを導入するために、給気管Ｌ２（流量調整弁ＦＣＶの下流）に排気還流管が接続されてもよい。
【００１６】
また、インジェクタ３の先端には、ノズル部材５が接続されており、ノズル部材５は、その中心に形成されて軸方向に延びる空燃混合室５０を有する。この空燃混合室５０は、本体２の内径よりも小さな内径（例えば、本体２の内径の５〜１５％程度）を有する断面円形の小容積の空間であり、インジェクタ３の燃料噴射孔３ａと連通すると共に燃料改質装置１の本体２の内部と連通している。更に、ノズル部材５には、空燃混合室５０と上述の空気室４０とを連通させる複数の空気噴孔５１が形成されている。なお、インジェクタ収容部４とインジェクタ３およびノズル部材５との間には、燃料や空気の外部への漏洩を防止するためのＯリングが介設されている。
【００１７】
本実施形態において、各空気噴孔５１は、図３に示されるように、空燃混合室５０の断面の略接線方向に延在するように形成されている。これにより、空気室４０から空燃混合室５０へと流れ込んだ空気（および混合気）は、空燃混合室５０内でノズル部材５の軸周りに旋回することになる。すなわち、ノズル部材５の各空気噴孔５１は、インジェクタ３の燃料噴射孔３ａの周りに空気を導くと共に、空燃混合室５０内に旋回流を形成するための旋回流形成手段としても機能する。なお、空気噴孔５１は、空燃混合室５０内に旋回流を形成するための旋回流形成手段として機能しないものであってもよく、ノズル部材５の径方向に放射状に延在するように形成されてもよい。
【００１８】
一方、本体２の内部には、インジェクタ収容部４から所定の間隔を隔てて、所定の改質触媒を含む改質反応室７が設けられており、インジェクタ収容部４と改質反応室７との間には、空燃混合室５０と連通する混合気流通室６が画成されている。混合気流通室６の容積は、ノズル部材５の空燃混合室５０の容積よりも大きく、その全長（本体２の軸方向における長さ）は、空燃混合室５０の容積や出口断面積、更には、インジェクタ３による燃料噴霧範囲等を踏まえて設定される。そして、本実施形態において、混合気流通室６の内壁面６ａは、図２に示されるように、空燃混合室５０から改質反応室７に向かうにつれて内径が漸増すると共に空燃混合室５０の出口と改質反応室７の入口とを滑らかに連続させる曲面として形成されている。
【００１９】
また、本実施形態において、改質反応室７は、所定の改質触媒を担持させたハニカム材を本体２の内部に配置することにより構成される。本実施形態では、当該ハニカム材は、本体２の内径とほぼ同寸の外径を有しており、これにより、改質反応室７の入口断面積は、上述のノズル部材５の空燃混合室５０の出口断面積よりも大きくなる。このような改質反応室７に含まれる改質触媒としては、例えばジルコニアにロジウムを担持させたものを採用することができる。更に、本体２の改質反応室７の下流側には、改質ガス供給室８が画成されており、この改質ガス供給室８には、例えば内燃機関等の供給対象に改質ガスを供給するための改質ガス供給管Ｌ３（図１参照）が接続されている。
【００２０】
そして、燃料改質装置１は、図１に示されるように、その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）１０を備える。ＥＣＵ１０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ＥＣＵ１０の入出力ポートには、上述のインジェクタ３、エアポンプＡＰ、流量調整弁ＦＣＶ、各種センサ等が接続される。ＥＣＵ１０は、各種センサの検出値等に基づくと共に、各種制御プログラム、マップ等に従って、インジェクタ３、エアポンプＡＰ、流量調整弁ＦＣＶ等を制御する。
【００２１】
上述のように構成された燃料改質装置１を用いて燃料と空気との混合気を改質する際、燃料改質装置１のＥＣＵ１０は、各種センサからの信号に基づくと共に予め定められたマップ等を用いて、改質反応室７に供給される混合気の空燃比が所望の値（本実施形態では、概ね一定の値であり、例えば、空燃混合室５０に供給される燃料中の炭素原子に対する空気中の酸素原子の比Ｏ／Ｃがおよそ０．８〜１．０５範囲に設定される。）になるようにインジェクタ３、エアポンプＡＰおよび流量調整弁ＦＣＶの少なくとも何れかを制御する。これにより、空燃混合室５０内には、インジェクタ３から燃料が噴射される。また、給気管Ｌ２からインジェクタ収容部４内の空気室４０に空気が供給され、空気室４０内に流入した空気は、インジェクタ３から噴射されている燃料と衝突するように、ノズル部材５の各空気噴孔５１から空燃混合室５０内に噴出し、更に空燃混合室５０内で旋回流を形成する。
【００２２】
このように、燃料改質装置１では、改質反応室７の入口断面積よりも小さい出口断面積を有すると共に混合気流通室６よりも容積が小さい空燃混合室５０に、燃料と空気とが互いに混ざり合うように供給される。これにより、燃料は、流速が高まっている空燃混合室５０の内部で良好に微粒化されると共に、狭隘な空間である空燃混合室５０にて空気と確実に接触することになる。従って、燃料改質装置１によれば、燃料と空気とを均一に混合させることが可能となり、改質反応室７における改質反応を良好に進行させて高い改質効率（燃料転化率）を得ることができる。また、燃料改質装置１では、各空気噴孔５１から空燃混合室５０内に流入した空気（および混合気）が、上述のように空燃混合室５０内で旋回流を形成することから、空燃混合室５０において燃料と空気とをより一層均一に混合させることが可能となる。
【００２３】
このようして空燃混合室５０にて均一に混ざり合った燃料および空気の混合気は、空燃混合室５０から混合気流通室６内へと流れ込む。ここで、混合気流通室６の内壁面６ａは空燃混合室５０の出口と改質反応室７の入口とを滑らかに連続させるように形成されているので、空燃混合室５０内で均一に混ざり合った混合気は、空燃混合室５０から混合気流通室６の内壁面６ａに沿って拡散しながら改質反応室７へと流れ込んでいくことになる。この結果、燃料改質装置１では、混合気流通室６における混合気の濃度ムラの発生を確実に抑制することが可能となる。
【００２４】
そして、改質反応室７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、例えば次の（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。得られた改質ガスは、改質反応室７から改質ガス供給室８に流入し、改質ガス供給室８から例えば内燃機関等の供給対象に供給されることになる。
ＣｍＨｎ＋（ｍ／２）Ｏ２→ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ２  …（１）
【００２５】
なお、本実施形態では、給気管Ｌ２を介した空燃混合室５０に対する空気供給と、インジェクタ３による空燃混合室５０への燃料噴射とがＥＣＵ１０によって独立に実行される。これにより、燃料改質装置１の適用対象である内燃機関の運転条件や、改質反応室７における改質触媒の状態等に応じて、改質反応室７に供給される混合気の空燃比を自在に設定可能となる。また、燃料改質装置１が内燃機関に適用された場合、当該内燃機関の燃焼室内の負圧により、燃料改質装置１の空燃混合室５０内に空気を吸引することが可能となるので、この場合は、エアポンプＡＰが省略されてもよい。
【００２６】
更に、改質反応室７における改質反応を開始させるためには、混合気の供給が適正に行われることに加えて、改質反応室７（改質触媒）を所定温度（例えばおよそ４００℃）以上に設定する必要がある。このためには、図示されない公知の電気加熱式触媒を利用する手法（改質触媒の担体をメタル薄膜により構成したいわゆるメタルハニカムに給電して当該ハニカム体を加熱する手法）や、バーナー式加熱法（改質触媒の上流側にバーナーを配置し、このバーナーによる熱で改質触媒を加熱する手法）等を採用して、改質反応の開始前に改質触媒を予熱（プレヒート）するとよい。改質反応が一旦開始されれば、改質反応に伴って発生する熱により改質反応が持続されることになるので、ハニカム体への給電や、バーナーによる加熱を停止してよい。
【００２７】
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部分断面図である。同図に示される燃料改質装置１Ａは、改質触媒（例えばジルコニアにロジウムを担持させたもの等）を含む改質反応室７Ａを有し、改質反応室７Ａにてメタノール等の炭化水素燃料、空気および水を用いた水蒸気改質を実行させて所定の燃料ガスを得るものである。この場合、燃料改質装置１Ａは、燃料インジェクタ３Ｆと、水インジェクタ３Ｗとを有し、各インジェクタ３Ｆ，３Ｗは、インジェクタ収容部４Ａに形成されている狭隘な空燃混合室５０Ａに、燃料または水を噴射する。この空燃混合室５０Ａも、改質反応室７Ａの入口断面積よりも小さい出口断面積を有するものである。また、インジェクタ収容部４Ａには、各インジェクタ３Ｆ，３Ｗの流体噴射孔の周囲を囲むように空気室４０Ａが形成されており、この空気室４０Ａは、複数の空気噴孔５１Ａを介して空燃混合室５０Ａと連通されている。
【００２８】
このように構成される燃料改質装置１Ａにおいても、燃料および水は、流速が高まっている空燃混合室５０Ａの内部で良好に微粒化されると共に、狭隘な空間である空燃混合室５０Ａにて空気と確実に接触することになる。従って、燃料改質装置１Ａにおいても、燃料、水および空気を均一に混合させることが可能となり、改質反応室７Ａにおける改質反応を良好に進行させて高い改質効率を得ることができる。すなわち、本発明は、少なくとも燃料噴射弁を含む複数の液体噴射手段を備えた燃料改質装置に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による燃料改質装置を示す概略構成図である。
【図２】図１の燃料改質装置の要部を示す拡大部分断面図である。
【図３】図１の燃料改質装置に含まれるノズル部材の断面図である。
【図４】本発明による燃料改質装置の他の実施形態を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１，１Ａ  燃料改質装置
２  本体
３，３Ｆ，３Ｗ  インジェクタ
３ａ  燃料噴射孔
４，４Ａ  インジェクタ収容部
５  ノズル部材
６  混合気流通室
６ａ  内壁面
７，７Ａ  改質反応室
８  改質ガス供給室
４０，４０Ａ  空気室
５０，５０Ａ        空燃混合室
５１，５１Ａ  空気噴孔
Ｌ１  燃料供給管
Ｌ２  給気管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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