(57)【要約】 【課題】  内燃機関の排気ガスの一部を利用して改質反応を進行させて少なくとも水素を含む改質燃料を生成する際に、排気ガスに含まれる水分を有効に活用して所望量の改質燃料を得ることを目的とする。【解決手段】  内燃機関１は、燃焼室２から排出される排気ガスの一部を利用して改質反応を進行させて少なくとも水素を含む改質ガスを生成する改質装置２０を有する。内燃機関１のシリンダヘッド７内では、主排気通路７ａから改質用排気通路７０が分岐されており、主排気通路７ａと改質用排気通路７０との分岐部は、排気脈動を利用して両者間で排気ガスを出入させることができるように位置決めされている。また、改質用排気通路７０は、シリンダヘッド７内の冷却水通路７ｂに近接するように形成されている。【選択図】  図１
2005226497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内で所定の燃料成分を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
前記燃焼室から排出される排気ガスの一部を利用して改質反応を進行させ、少なくとも水素を含む改質燃料を生成する改質装置と、
前記改質装置に送り込まれない排気ガス中の水分を回収して、前記改質装置に送り込まれる排気ガスに含ませる手段とを備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記燃焼室からの排気ガスを流通させる主排気通路と、
前記主排気通路から分岐され、前記改質装置に接続される改質用排気通路とを更に備え、前記主排気通路と前記改質用排気通路との分岐部は、排気脈動を利用して前記主排気通路と前記改質用排気通路との間で排気ガスを出入させることができるように位置決めされており、前記改質用排気通路の周辺には、その内部の排気ガスを冷却するための冷却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】
前記分岐部は、シリンダヘッド内に設けられており、前記冷却手段には、前記シリンダヘッドを冷却するための冷却系統が含まれることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記冷却手段には、前記改質用排気通路内の排気ガスに対して改質用の燃料を供給するための改質燃料供給手段が含まれることを特徴とする請求項２または３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、燃焼室内で所定の燃料成分を燃焼させて動力を発生する内燃機関に関し、特に、燃焼室から排出される排気ガスの一部を利用して改質反応を進行させて少なくとも水素を含む改質燃料を生成する改質装置を備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧縮自己着火燃焼を実現し得る内燃機関として、燃料タンクで蒸発した燃料と排気ガスの一部とを混合させて、当該燃料を圧縮自己着火燃焼に適した性状に改質可能なものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、従来から、燃料タンクからのガソリンと排気ガスの一部とを混合させたガスをプラズマ化して、水素と低級炭化水素とに改質する手段を備えたリーンバーンエンジンも知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３５５５２３号公報
【特許文献２】特開平７−２９２３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような従来の内燃機関では、燃料改質に際して、排気ガスに含まれている水分（水蒸気）が利用されるので、改質燃料（水素や一酸化炭素といった燃料成分）の生成量は、改質手段に流入する排気ガス中の水分の量に依存する。しかしながら、排気ガス中の水分量には限りがあり、しかも、改質手段に供給される排気ガスは、燃焼室から排出される全排気ガス中の一部である。従って、従来の内燃機関では、燃料改質に際して水分が不足し、所望量の改質燃料を得るためには、改質手段に対して水分を供給するための手段が別途必要となることもあり得る。
【０００５】
そこで、本発明は、内燃機関の排気ガスの一部を利用して改質反応を進行させて少なくとも水素を含む改質燃料を生成するに際して、排気ガスに含まれる水分を有効に活用して所望量の改質燃料を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による内燃機関は、燃焼室内で所定の燃料成分を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、燃焼室から排出される排気ガスの一部を利用して改質反応を進行させ、少なくとも水素を含む改質燃料を生成する改質装置と、改質装置に送り込まれない排気ガス中の水分を回収して、改質装置に送り込まれる排気ガスに含ませる手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この内燃機関では、燃焼室からの排気ガスの一部が改質装置へと送り込まれ、改質装置では、排気ガスを利用した改質反応が進行して、少なくとも水素を含む改質燃料が生成される。そして、このような燃料改質を良好に実行するために、本発明の内燃機関には、改質装置に送り込まれない排気ガス中の水分を回収して、改質装置に送り込まれる排気ガスに含ませる手段が備えられている。これにより、改質装置に供給される水分の量を増加させることができるので、排気ガスに含まれる水分を有効に活用して所望量の改質燃料を得ることが可能となる。
【０００８】
また、本発明の内燃機関は、燃焼室からの排気ガスを流通させる主排気通路と、主排気通路から分岐され、改質装置に接続される改質用排気通路とを更に備え、主排気通路と改質用排気通路との分岐部は、排気脈動を利用して主排気通路と改質用排気通路との間で排気ガスを出入させることができるように位置決めされており、改質用排気通路の周辺には、その内部の排気ガスを冷却するための冷却手段が設けられていると好ましい。
【０００９】
かかる構成のもとでは、排気脈動により主排気通路内の圧力が高まると、主排気通路から改質用排気通路へと排気ガスが流れ込む。そして、当該排気ガスは、改質用排気通路内で冷却手段によって冷却され、それにより、排気ガス中の水分が凝縮する。また、排気脈動により主排気通路内の圧力が低下すると、改質用排気通路内に入り込んだ排気ガスの一部は、改質装置へと送り込まれることなく、主排気通路へと戻される。この際、上述のように、改質用排気通路内に入り込んだ排気ガス中の水分は、冷却手段によって冷却されて凝縮していることから、主排気通路へと戻される凝縮水はごく僅かであり、改質用排気通路内に残留した凝縮水は、排気ガスと共に改質装置へと送り込まれることになる。従って、かかる構成を採用すれば、改質装置に送り込まれない排気ガス中の水分を良好に回収して、改質装置に送り込まれる排気ガスに確実に含ませることが可能となる。
【００１０】
この場合、分岐部は、シリンダヘッド内に設けられており、冷却手段には、シリンダヘッドを冷却するための冷却系統が含まれると好ましい。
【００１１】
このように、主排気通路と改質用排気通路との分岐部をシリンダヘッド内に設けることにより、排気脈動を利用して主排気通路と改質用排気通路との間で排気ガスを確実に出入させることが可能となる。そして、シリンダヘッドには、通常それ自体を冷却するための冷却系統が備えられていることから、当該冷却系統を利用して改質用排気通路内の排気ガスを冷却することが可能となる。
【００１２】
更に、冷却手段には、改質用排気通路内の排気ガスに対して改質用の燃料を供給するための改質燃料供給手段が含まれると好ましい。
【００１３】
このように、改質用排気通路内の排気ガスに対して改質用の燃料を供給することにより、当該燃料の気化潜熱を利用して排気ガスを冷却して水分の凝縮を促進させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、内燃機関の排気ガスの一部を利用して改質反応を進行させて少なくとも水素を含む改質燃料を生成するに際して、排気ガスに含まれる水分を有効に活用して所望量の改質燃料を得ることが可能となる。
【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、車両用の多気筒内燃機関（例えば、４気筒内燃機関、ただし、図１には１気筒のみが示される。）として構成されており、各燃焼室２内での混合気の燃焼によりピストン３を往復移動させて、クランクシャフト（図示省略）から動力を得るものである。図１に示されるように、各燃焼室２に連なる吸気ポート４は、吸気マニホールド６にそれぞれ接続されており、各燃焼室２に連なる排気ポート５は、シリンダヘッド７に形成された主排気通路７ａを介して排気マニホールド８にそれぞれ接続されている。なお、主排気通路７ａの周囲には、シリンダヘッド７を冷却するための冷却系統を構成する冷却水通路７ｂが形成されている。
【００１７】
内燃機関１のシリンダヘッド７には、吸気ポート４を開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポート５を開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室２ごとに配設されており、各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、動弁機構９によって開閉させられる。この動弁機構９は、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅの少なくとも何れか一方の開弁特性を変化させることができる可変バルブタイミング機構等を含むものである。加えて、内燃機関１は、気筒数に応じた数の点火プラグ１０を有し、点火プラグ１０は、対応する燃焼室２内に臨むようにシリンダヘッド７に配設されている。
【００１８】
更に、内燃機関１は、筒内噴射用インジェクタ１１ｃを気筒数に応じた数だけ有している。各筒内噴射用インジェクタ１１ｃは、ガソリン等の燃料を対応する燃焼室２の内部に直接噴射可能なものであり、燃料供給管を介してガソリン等の液体燃料を貯留する燃料タンク（何れも図示省略）に接続されている。また、内燃機関１は、図１に示されるように、複数のポート噴射用インジェクタ１１ｐを気筒数に応じた数だけ有している。各ポート噴射用インジェクタ１１ｐは、ガソリン等の燃料を対応する吸気ポート４の内部に噴射可能なものであり、図示されない燃料供給管を介してガソリン等の液体燃料を貯留する上記燃料タンクに接続されている。筒内噴射用インジェクタ１１ｃは、燃焼室２ごとに少なくとも１体ずつ備えられ、ポート噴射用インジェクタ１１ｐも、吸気ポート４ごとに少なくとも１体ずつ備えられる。
【００１９】
本実施形態では、内燃機関１の各ピストン３は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部が形成されている。そして、内燃機関１では、各燃焼室２内に空気を吸入させた状態で、各筒内噴射用インジェクタ１１ｃから各燃焼室２内のピストン３の凹部に向けてガソリン等の燃料を直接噴射することができる。これにより、内燃機関１では、点火プラグ１０の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。
【００２０】
また、図１に示されるように、吸気マニホールド６は、サージタンク１２に接続されており、サージタンク１２は、給気管１４を介して図示されないエアクリーナに接続されている。また、給気管１４の中途には、吸入空気量を調節するための図示されないスロットルバルブ（例えば電子制御式スロットルバルブ）が設置されている。一方、排気マニホールド８は、排気管１５に接続されており、排気管１５の中途には、排気浄化触媒を含む排気浄化装置（図示省略）が組み込まれている。
【００２１】
そして、本実施形態の内燃機関１では、シリンダヘッド７の内部に、改質用排気通路７０が形成されている。改質用排気通路７０は、主排気通路７ａから分岐されており、図２に示されるように、上流側から順番に、入口部７１、上流側凝縮部７２、逆流防止部７３および下流側凝縮部７４を含む。この場合、主排気通路７ａと改質用排気通路７０との分岐部は、排気脈動を利用して主排気通路７ａと改質用排気通路７０との間で排気ガスを出入させることができるように位置決めされる。そして、改質用排気通路７０は、その周辺、特に、入口部７１や上流側凝縮部７２の周囲が上述の冷却水通路７ｂに近接するように形成される。
【００２２】
図２に示されるように、改質用排気通路７０の入口部７１は、主排気通路７ａとの分岐部から上方に向けて延在している。これに対して、入口部７１に連通する上流側凝縮部７２、更には、逆流防止部７３および下流側凝縮部７４は、それぞれ下方に向けて傾斜した状態で延在する。また、逆流防止部７３の流路断面積は、入口部７１、上流側凝縮部７２および下流側凝縮部７４の流路断面積よりも小さい。そして、改質用排気通路７０の最下流側に位置する下流側凝縮部７４には、その内部の排気ガスに対して改質用の燃料を供給するための改質用インジェクタ１１ｒが接続されている。改質用インジェクタ１１ｒも、各筒内噴射用インジェクタ１１ｃや各ポート噴射用インジェクタ１１ｐと同様に、ガソリン等の液体燃料を貯留する上記燃料タンクに接続されている。
【００２３】
改質用排気通路７０は、図１および図２に示されるように、連絡管１６を介して改質装置２０に接続されている。改質装置２０は、各燃焼室２から排出される排気ガスの一部を利用して所定の改質反応を進行させ、少なくとも水素を含む改質ガス（改質燃料）を生成するものである。改質装置２０は、連絡管１６が接続される混合室２０ａと、例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｒｈといった燃料改質触媒が配置されている改質反応室２０ｂと、改質反応室２０ｂの下流側の改質燃料供給室２０ｃとを有する。本実施形態において、改質装置２０は、排気管１５内を流通する排気ガスを熱源として混合室２０ａ、改質反応室２０ｂおよび改質燃料供給室２０ｃの内部を加熱できるように構成されている。また、改質燃料供給室２０ｃには、改質燃料供給管１７が接続されている。改質燃料供給管１７は、加熱用の熱交換器１８と流量調整弁１９とを中途に有し、その先端は、サージタンク１２に接続されている。
【００２４】
次に、上述のように構成される内燃機関１の動作について説明する。
【００２５】
内燃機関１から動力を得るために燃焼室２内で混合気を燃焼させると、排気ガスが燃焼室２から排気ポート５を介して主排気通路７ａへと流出する。この際、排気ガスの一部は、主排気通路７ａから改質用排気通路７０へと流れ込み、改質用排気通路７０に流れ込んだ排気ガスには、下流側凝縮部７４に接続された改質用インジェクタ１１ｒからガソリン等の燃料が噴射される。そして、排気ガスと燃料とは、連絡管１６を介して改質装置２０に供給され、改質装置２０の改質反応室２０ｂでは、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が進行することになる。
１．５６（７．６ＣＯ２＋６．８Ｈ２Ｏ＋４０．８Ｎ２）＋３Ｃ７．６Ｈ１３．６＋９８４．８Ｋｃａｌ  →  ３１Ｈ２＋３４．７ＣＯ＋６３．６Ｎ２  …（１）
【００２６】
すなわち、改質装置２０では、排気ガスと共に改質反応室２０ｂに送り込まれた燃料が排気ガス中の水分を利用して改質され、それにより、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生成される。そして、得られた改質ガスは、改質燃料供給室２０ｃから改質燃料供給管１７を介してサージタンク１２の内部（吸気系統）に供給（吸入）されることになる。ここで、上述の燃料改質に際しては、排気ガスに含まれている水分（水蒸気）が利用されるので、改質ガス（水素や一酸化炭素といった燃料成分）の生成量は、改質装置２０へと送り込まれる排気ガス中の水分の量に依存することになる。
【００２７】
このため、内燃機関１では、その稼動中に少なからず排気脈動が発生することに鑑みて、上述のように、主排気通路７ａから改質用排気通路７０が排気脈動を利用して両者間で排気ガスを出入させることができるように分岐されている。そして、改質用排気通路７０は、その周辺、特に、入口部７１や上流側凝縮部７２の周囲が上述の冷却水通路７ｂに近接するように形成されている。
【００２８】
これにより、内燃機関１では、排気脈動により主排気通路７ａ内の圧力が高まると、主排気通路７ａから改質用排気通路７０へと排気ガスが流れ込む。この際、改質用排気通路７０の内壁面、特に、入口部７１や上流側凝縮部７２の内壁面は、冷却水通路７ｂを流通する冷却水（冷却媒体）によって冷却されていることから、入口部７１や上流側凝縮部７２において、排気ガスが冷却され、排気ガス中の水分（水蒸気）が凝縮することになる。
【００２９】
また、排気脈動により主排気通路７ａ内の圧力が低下すると、改質用排気通路７０内に入り込んだ排気ガスの一部は、改質用排気通路７０を介して改質装置２０へと送り込まれることなく、主排気通路７ａへと戻される。この際、改質用排気通路７０内に入り込んだ排気ガス中の水分は冷却されて凝縮しており、凝縮水は、改質装置２０へと向かう排気ガスと共に、下方に傾斜している上流側凝縮部７２から逆流防止部７３や下流側凝縮部７４へと重力により流下していく。従って、主排気通路７ａへと戻される水分は、主排気通路７ａへと戻される排気ガスに比べて大幅に少なくなる。
【００３０】
このように、本発明の内燃機関１によれば、改質装置２０に送り込まれない排気ガス中の水分を良好に回収して、改質装置２０に送り込まれる排気ガスに確実に含ませることができるので、改質装置２０に供給される排気ガス中の水分含有率を増大化させることが可能となる。従って、内燃機関１では、他の水分供給手段を用いることなく改質装置２０に供給される水分の量を増加させることが可能となり、排気ガスに含まれる水分を有効に活用して所望量の改質ガス（水素や一酸化炭素といった燃料成分）を確実に得ることができる。
【００３１】
また、本実施形態では、改質用排気通路７０の最下流側に位置する下流側凝縮部７４にて、排気ガスに対して改質用インジェクタ１１ｒから燃料が噴射される。これにより、燃料の上流側への逆流を防止すると共に、燃料の気化潜熱を利用して排気ガスを冷却することが可能となるので、下流側凝縮部７４においても水分の凝縮を促進させることができる。更に、上流側凝縮部７２と下流側凝縮部７４との間には、流路断面積が小さい逆流防止部７３が設けられているので、下流側凝縮部７４に達した水分や、下流側凝縮部７４で排気ガスに噴射された燃料が上流側凝縮部７２へと逆流してしまうことを確実に抑制することができる。
【００３２】
また、本実施形態のように、主排気通路７ａと改質用排気通路７０との分岐部をシリンダヘッド７内に設けることにより、排気脈動を利用して主排気通路７ａと改質用排気通路７０との間で排気ガスを確実に出入させることが可能となり、シリンダヘッド７の冷却水通路７ｂを利用して改質用排気通路７０内の排気ガスを冷却することが可能となる。ただし、４気筒エンジンであれば、排気マニホールドにて、また、Ｖ型エンジンであれば、片側のバンクにて、排気脈動を利用して主排気通路と改質用排気通路との間で排気ガスを出入させることが可能である。そして、改質用排気通路７０における水分の冷却効率を高めるためには、入口部７１や上流側凝縮部７２、更には、下流側凝縮部７４の内壁の表面積をある程度大きくすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【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】図１の内燃機関の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  内燃機関
２  燃焼室
７  シリンダヘッド
７ａ  主排気通路
７ｂ  冷却水通路
１１ｒ  改質用インジェクタ
２０  改質装置
２０ｂ  改質反応室
７０  改質用排気通路
７１  入口部
７２  上流側凝縮部
７３  逆流防止部
７４  下流側凝縮部
【図１】
2005226497.tif 000003
【図２】
2005226497.tif 000004