(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質装置付き内燃機関において、前記燃料改質装置として、燃料、水及び空気の供給を受けて、燃料タンクからの事前に分離されていない燃料を水蒸気改質反応及び部分酸化反応により改質する改質器と、該改質器から出たガスを導いて冷却することにより、改質されないままの炭化水素ガスを凝縮し、高オクタン価液体燃料として、改質ガスと分離する冷却器と、を設ける一方、運転条件に応じて、内燃機関に供給する燃料として、前記冷却器で分離した改質ガスと同じく前記冷却器で凝縮された高オクタン価液体燃料とを使い分ける切換手段を設けたことを特徴とする燃料改質装置付き内燃機関。
【請求項２】
前記切換手段は、機関の部分負荷運転時は改質ガスを使用し、高負荷運転時は高オクタン価液体燃料を使用することを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置付き内燃機関。
【請求項３】
前記改質器に供給する燃料及び水を機関の排気熱によりガス化する蒸発器を設けたことを特徴とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料改質装置付き内燃機関。
【請求項４】
前記冷却器により分離した改質ガス及び高オクタン価液体燃料をそれぞれ貯蔵する貯蔵タンクを設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料改質装置付き内燃機関。
【請求項５】
改質ガス及び高オクタン価液体燃料の貯蔵量をそれぞれ検出する貯蔵量検出手段と、改質ガス及び高オクタン価液体燃料の貯蔵量に応じて、前記改質器への燃料供給量又は前記改質器での改質温度のうち少なくとも一方を制御する改質制御手段とを設けたことを特徴とする請求項４記載の燃料改質装置付き内燃機関。
【請求項６】
前記改質制御手段は、水蒸気改質反応と部分酸化反応の比率を制御して、改質温度を制御することを特徴とする請求項５記載の燃料改質装置付き内燃機関。
【請求項７】
前記改質制御手段は、前記改質器への燃料供給量、水供給量及び空気供給量を制御して、水蒸気改質反応と部分酸化反応の比率を制御することを特徴とする請求項６記載の燃料改質装置付き内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置付き内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料改質装置付き内燃機関としては、例えば特開昭５２−９８８１９号公報に示されるようなものがある。
【０００３】
この燃料改質装置付き内燃機関において、燃料（炭化水素燃料）は、燃料タンクからポンプを介して分離器に圧送され、分離器内で、低沸点成分の炭化水素ガスと高沸点成分の液体炭化水素とに分離される。低沸点成分の炭化水素ガスは、改質器に送られ、改質器にて、水素含有の多いガスに改質され、混合器を介してエンジンに供給される。一方、高沸点成分の液体炭化水素は、そのまま、インジェクタを介してエンジンに供給される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭化水素の特性として、炭素量が多くなるほど、沸点は高くなるものの、オクタン価は必ずしも高くならないことから、従来の燃料改質装置付き内燃機関において、分離器にて分離された高沸点成分の液体炭化水素のオクタン価はもとの炭化水素燃料と同程度であるため、本来、燃料改質装置付き内燃機関は、改質ガスの使用により、高圧縮比で燃焼させて熱効率を向上することを狙いとするものであるが、液体炭化水素の使用時を考慮すると、圧縮比を上げることができないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、改質ガスと液体燃料とを使いわける場合に、液体燃料の使用時の高圧縮化を可能にし、燃費及び出力の大幅な向上を図ることのできる燃料改質装置付き内燃機関を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、燃料改質装置として、燃料、水及び空気の供給を受けて、燃料タンクからの事前に分離されていない燃料を水蒸気改質反応及び部分酸化反応により改質する改質器と、該改質器から出たガスを導いて冷却することにより、改質されないままの炭化水素ガスを凝縮し、高オクタン価液体燃料として、改質ガスと分離する冷却器と、を設ける一方、運転条件に応じて、内燃機関に供給する燃料として、前記冷却器で分離した改質ガスと同じく前記冷却器で凝縮された高オクタン価液体燃料とを使い分ける切換手段を設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明では、前記切換手段は、機関の部分負荷運転時は改質ガスを使用し、高負荷運転時は高オクタン価液体燃料を使用することを特徴とする。請求項３に係る発明では、前記改質器に供給する燃料及び水を機関の排気熱によりガス化する蒸発器を設けたことを特徴とすることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る発明では、前記冷却器により分離した改質ガス及び高オクタン価液体燃料をそれぞれ貯蔵する貯蔵タンクを設けたことを特徴とする。
請求項５に係る発明では、改質ガス及び高オクタン価液体燃料の貯蔵量をそれぞれ検出する貯蔵量検出手段と、改質ガス及び高オクタン価液体燃料の貯蔵量に応じて、前記改質器への燃料供給量又は前記改質器での改質温度のうち少なくとも一方を制御する改質制御手段とを設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項６に係る発明では、前記改質制御手段は、水蒸気改質反応と部分酸化反応の比率を制御して、改質温度を制御することを特徴とする。
請求項７に係る発明では、前記改質制御手段は、前記改質器への燃料供給量、水供給量及び空気供給量を制御して、水蒸気改質反応と部分酸化反応の比率を制御することを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、燃料を事前に分離することなく改質器を通し、改質器を出たガスを冷却することで、改質されないままの炭化水素ガスを凝縮し、高オクタン価液体燃料として、改質ガスと分離できる。
【００１１】
炭化水素の特性として、改質しずらい炭化水素は、原子間の結合が強く、より安定した分子であり、つまりオクタン価は高い。もとの炭化水素燃料内には、オクタン価の低い成分、高い成分が混在し、あるオクタン価となっているが、改質器を通しても改質されないままの炭化水素ガスを冷却器により凝縮して分離することで、オクタン価の高い成分を抽出したことになり、高オクタン価液体燃料を得ることができる。すなわち、液体燃料に含有される各炭化水素分子の改質のしにくさとオクタン価との強い相関を利用して、高オクタン価液体燃料を得ることができるのである。
【００１２】
よって、改質ガスと液体燃料とを使い分ける場合に、いずれの領域においても高圧縮比化を実現でき、熱効率の向上による燃費及び出力の大幅な向上を図ることができる。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、機関の部分負荷運転時は改質ガスを使用し、高負荷運転時は高オクタン価液体燃料を使用することで、特に部分負荷運転時の燃費向上と高負荷運転時の出力向上とを高い次元で両立させることができる。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、改質器に供給する燃料及び水を機関の排気熱によりガス化する蒸発器を設けることで、排気熱の回収により発熱量増大を図り、更に燃費向上を図ることができる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、冷却器により分離した改質ガス及び高オクタン価液体燃料をそれぞれ貯蔵する貯蔵タンクを設けることで、使い分けの自由度が向上する。
【００１６】
請求項５に係る発明によれば、改質ガス及び高オクタン価液体燃料の貯蔵量に応じて、改質器への燃料供給量又は改質器での改質温度のうち少なくとも一方を制御することで、各貯蔵量が規定範囲内になるよう、確保することができる。特に、燃料供給量を増大させることで、両方の貯蔵量を増大できる一方、改質温度を上昇させることで、改質ガスの収率を増大させ、逆に改質温度を低下させることで、高オクタン価液体燃料の収率を増大させることができる。
【００１７】
請求項６に係る発明によれば、吸熱反応である水蒸気改質反応の比率を増大させることで、改質温度を低下させて、高オクタン価液体燃料の収率を増大させ、発熱反応である部分酸化反応の比率を増大させることで、改質温度を上昇させて、改質ガスの収率を増大させることができる。
【００１８】
請求項７に係る発明によれば、改質器への燃料供給量、水供給量及び空気供給量を制御することで、特に水供給量を増大することで、水蒸気改質反応の比率を高め、空気供給量を増大することで、部分酸化反応の比率を高めることができ、これにより改質温度を的確に制御できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料改質装置付き内燃機関のシステム図である。
【００２０】
エンジン１の吸気系２には、ガス燃料を噴射するガス燃料インジェクタ３が取付けられ、燃焼室４には、直接液体燃料を噴射する液体燃料インジェクタ５が取付けられている。
【００２１】
エンジン１の排気系６には、燃料（炭化水素燃料）と水との混合液体を排気熱によりガス化する蒸発器７と、該蒸発器７からのガス（炭化水素ガス及び水蒸気）と空気との混合ガスを排気熱と改質触媒とにより改質する改質器８とが、改質器８を排気系上流側に配置して、取付けられている。
【００２２】
ここにおいて、燃料（炭化水素燃料）は、燃料タンク９から燃料ポンプ１０により供給され、水は、水タンク１１から水ポンプ１２により供給され、これらは事前に混合されて、蒸発器７に供給される。蒸発器７に供給された混合液体は、蒸発器７内の熱交換パイプ７ａを通過する過程で、排気熱を回収して、ガス化する。
【００２３】
蒸発器７からのガス（炭化水素ガス及び水蒸気）は、エアポンプ１３により供給される空気と混合された後、改質器８に供給される。改質器８に供給された混合ガスは、改質器８内の改質触媒が充填されている熱交換パイプ８ａを通過する過程で、一部は、水蒸気改質反応及び部分酸化反応により、水素ガスを含有する改質ガス（Ｈ2 ，ＣＯ）となって、残り（主にアロマ系）は、改質されないまま、炭化水素ガスとして、共に冷却器（凝縮器）１４に供給される。
【００２４】
冷却器１４は、その内部にエンジン冷却水が流通する冷却パイプ１５が配設されており、改質されないままの炭化水素ガスを凝縮し、高オクタン価液体燃料として、改質ガスと分離する。
【００２５】
すなわち、改質器８からのガスのうち、一部の改質ガスは、冷却器１４にて冷却されるだけで、冷却器１４の上方空間に分離され、残りの改質されないままの炭化水素ガスは、冷却器１４にて冷却されることで、凝縮されて、液化し、高オクタン価液体燃料として、冷却器１４の底部に分離される。
【００２６】
炭化水素の特性として、改質しずらい炭化水素は、原子間の結合が強く、より安定した分子であり、つまりオクタン価は高い。従って、改質器８を通しても改質されないままの炭化水素ガスを冷却器１４により凝縮して分離することで、オクタン価の高い成分を抽出したことになり、高オクタン価液体燃料を得ることができる。
【００２７】
冷却器１４にて分離された改質ガスは、上方空間から導出されて、改質ガスサージタンク１６に貯蔵され、この後、ガス燃料インジェクタ３に導かれる。
一方、高オクタン価液体燃料は、冷却器１４の底部から導出されて、高オクタン価液体燃料タンク１７に貯蔵され、この後、燃料ポンプ１８により、液体燃料インジェクタ５に導かれる。
【００２８】
ここで、改質ガスサージタンク１６には、改質ガスの貯蔵量の検出のため、貯蔵量検出手段として、タンク内圧を計測する圧力計１９が取付けられ、高オクタン価液体燃料タンク１７には、高オクタン価液体燃料の貯蔵量の検出のため、貯蔵量検出手段として、液面高さを計測するレベルセンサ２０が取付けられている。
【００２９】
上記の燃料改質装置付き内燃機関においては、エンジン制御用コントロールユニットにソフトウェア的に具備される切換手段により、運転条件に応じて、ガス燃料インジェクタ３による改質ガスと液体燃料インジェクタ５による高オクタン価液体燃料とを使い分ける。尚、改質ガスの使用時の空気過剰率λは２．５程度、高オクタン価液体燃料の使用時の空気過剰率λは１．０程度とする。
【００３０】
図２により運転条件に応じた使い分けの具体例を説明する。
エンジンの部分負荷運転時、すなわち、エンジン負荷が低くしかもエンジン回転数が低い領域（通常運転に使用している領域）では、改質ガスを使用する。排気熱を回収し、しかも水素ガスは希薄燃焼が可能で、高圧縮比下でノッキングを起こさない特性から、大幅な燃費向上が可能となる。
【００３１】
エンジンの高負荷運転時、すなわち、エンジン負荷が高い領域では、高オクタン価液体燃料を使用する。この領域でガス燃料を使用すると、吸気の充填効率が低下して出力が低下するため、液体燃料でかつ高オクタン価の燃料が必要となるからである。
【００３２】
これら以外の中間の領域では、改質ガスと高オクタン価液体燃料とを併用する。具体的には、主に改質ガスを使用し、不足分として高オクタン価液体燃料を使用する。
【００３３】
このような使い分けのため、改質ガスサージタンク１６及び高オクタン価液体燃料タンク１７の各貯蔵量を常に規定範囲内に保っておく必要があり、このために、燃料ポンプ１０による燃料供給量、水ポンプ１２による水供給量、及び、エアポンプ１３による空気供給量を的確に制御する。
【００３４】
このための制御フローを、図３により説明する。本フローが改質制御手段に相当する。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、燃料供給量Ｇｇ及び水蒸気改質割合Ａｗの初期値として、それぞれ所定値を与える。尚、０≦Ａｗ≦１である。
【００３５】
ステップ２では、燃料供給量Ｇｇとなるように、燃料ポンプ１０を制御する。
ステップ３では、次式により、燃料供給量Ｇｇと水蒸気改質割合Ａｗとに基づいて、水供給量Ｇｗを演算する。
【００３６】
Ｇｗ＝Ｋｗ×Ａｗ×Ｇｇ      但し、Ｋｗは定数である。
また、次式により、燃料供給量Ｇｇと水蒸気改質割合Ａｗ（部分酸化割合１−Ａｗ）とに基づいて、空気供給量Ｇａを演算する。
【００３７】
Ｇａ＝Ｋａ×（１−Ａｗ）×Ｇｇ      但し、Ｋａは定数である。
ステップ４では、水供給量Ｇｗとなるように、水ポンプ１２を制御し、また、空気供給量Ｇａとなるように、エアポンプ１３を制御する。
【００３８】
ステップ５では、高オクタン価液体燃料の貯蔵量、すなわち、高オクタン価液体燃料タンク１７に設けたレベルセンサ２０の出力（液面高さ）を読込む。
ステップ６では、高オクタン価液体燃料の貯蔵量（レベルセンサ２０の出力）が規定範囲（下限値〜上限値）内か否かを判定し、規定範囲外の場合は、ステップ７へ進む。
【００３９】
ステップ７では、上限値以上又は下限値以下のいずれであるかを判定する。
下限値以下の場合は、ステップ８へ進み、燃料供給量Ｇｇを一定量増加させ（Ｇｇ＝Ｇｇ＋ΔＧｇ；ΔＧｇは一定量）、ステップ２へ戻る。
【００４０】
上限値以上の場合は、ステップ９へ進み、燃料供給量Ｇｇを一定量減少させ（Ｇｇ＝Ｇｇ−ΔＧｇ）、ステップ２へ戻る。
ステップ６での判定で、高オクタン価液体燃料の貯蔵量（レベルセンサ２０の出力）が規定範囲内の場合は、燃料供給量Ｇｇを変更することなく、ステップ１０へ進む。
【００４１】
ステップ１０では、改質ガスの貯蔵量、すなわち、改質ガスサージタンク１６に設けた圧力計１９の出力（タンク内圧）を読込む。
ステップ１１では、改質ガスの貯蔵量（圧力計１９の出力）が規定範囲（下限値〜上限値）内か否かを判定し、規定範囲外の場合は、ステップ１２へ進む。
【００４２】
ステップ１２では、上限値以上又は下限値以下のいずれであるかを判定する。
下限値以下の場合は、ステップ１３へ進み、改質温度を上昇させるため、水蒸気改質割合Ａｗを一定値減少させ（Ａｗ＝Ａｗ−ΔＡｗ；ΔＡｗは一定値）、ステップ２へ戻る。
【００４３】
上限値以上の場合は、ステップ１３へ進み、改質温度を低下させるため、水蒸気改質割合Ａｗを一定値増加させ（Ａｗ＝Ａｗ＋ΔＡｗ）、ステップ２へ戻る。
ステップ１１での判定で、改質ガスの貯蔵量（圧力計１９の出力）が規定範囲内の場合は、水蒸気改質割合Ａｗを変更することなく、ステップ２へ戻る。
【００４４】
以上のように、高オクタン価液体燃料の貯蔵量が規定範囲外となった場合は、燃料供給量Ｇｇを増減することで、高オクタン価液体燃料の生成量を調整する。また、改質ガスの貯蔵量が規定範囲外となった場合は、水蒸気改質反応と部分酸化反応の比率（水蒸気改質割合Ａｗ）を増減することで、改質ガスの生成量を調整する。具体的には、改質ガスの貯蔵量が下限値以下となった場合は、水蒸気改質反応の比率を小さく、言い換えれば部分酸化反応の比率を大きくして（すなわち、水供給量を少なくし、空気供給量を多くして）、改質温度を上昇させることで、改質ガスの生成量を多くし、逆に、改質ガスの貯蔵量が上限値以上となった場合は、水蒸気改質反応の比率を大きく、言い換えれば部分酸化反応の比率を小さくして（すなわち、水供給量を多くし、空気供給量を少なくして）、改質温度を低下させることで、改質ガスの生成量を少なくする。
【００４５】
更に詳しく説明する。
炭化水素の特性として、改質しずらい炭化水素は、原子間の結合が強く、より安定した分子であり、オクタン価が高いことから、改質器８を通しても改質されないままの炭化水素ガスを冷却器１４により凝縮して分離することで、オクタン価の高い成分を抽出して、高オクタン価液体燃料を得るが、原子間の結合が強く、より安定した分子であっても、高温に曝せば、改質ガスとなる。従って、どの程度改質するかは、改質温度に左右されることになる。
【００４６】
ここで、改質には、吸熱反応の水蒸気改質反応と、発熱反応の部分酸化反応とがある。
・水蒸気改質反応
Ｃ7 Ｈ13＋７Ｈ2 Ｏ→１３．５Ｈ2 ＋７ＣＯ（吸熱反応）
・部分酸化反応
Ｃ7 Ｈ13＋３．５Ｏ2 →６．５Ｈ2 ＋７ＣＯ（発熱反応）
従って、水を減らして水蒸気改質反応を減少させると共に空気を多くして部分酸化反応を増加させることにより、改質温度は高温になり、改質ガスが多く生成される。
【００４７】
その逆に、水を増やして水蒸気改質反応を増加させると共に空気を少なくして部分酸化を減少させることにより、改質温度は低温になり、改質ガスが少なく生成される。
【００４８】
よって、水供給量及び空気供給量を制御することにより、改質ガスと高オクタン価液体燃料の各収率を制御できるのである。
図４は本発明の他の実施形態を示す燃料改質装置付き内燃機関のシステム図である。
【００４９】
本実施形態では、改質器８を排気系６外に配置して、改質用触媒が充填される流路８ａを断熱材８ｂにより覆っている。その他は図１と同じである。
改質器８を排気系６に設けた場合、排気温度が改質温度より低いと、逆に冷却されて、十分が改質作用がなされないため、改質器８を排気系６外に配置して、断熱する一方、部分酸化反応の割合を大きくして、所望の改質温度を得るのである。
【００５０】
尚、以上の実施形態では、水の供給のため、水タンク１１への水の補給が必要となるが、排気中の水蒸気を凝縮して、水を得るようにすれば、補給の必要をなくすことができる。
【００５１】
また、以上の実施形態では、高オクタン価液体燃料を液体燃料インジェクタ５により燃焼室４内に直接噴射供給するようにしているが、吸気系２に噴射するようにしてもよい。但し、排気温度を上昇させるために、膨張行程又は排気行程噴射が必要となる場合は、直噴式とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図２】  使い分けの具体例を示す図
【図３】  制御フローを示す図
【図４】  本発明の他の実施形態を示す内燃機関のシステム図
【符号の説明】
１  エンジン
２  吸気系
３  ガス燃料インジェクタ
４  燃焼室
５  液体燃料インジェクタ
６  排気系
７  蒸発器
７ａ  熱交換パイプ
８  改質器
８ａ  改質触媒が充填された熱交換パイプ
９  燃料タンク
１０  燃料ポンプ
１１  水タンク
１２  水ポンプ
１３  エアポンプ
１４  冷却器（凝縮器）
１５  冷却水パイプ
１６  改質ガスサージタンク
１７  高オクタン価液体燃料タンク
１８  燃料ポンプ
１９  圧力計
２０  レベルセンサ
【図１】
0004510173.tif 000002
【図２】
0004510173.tif 000003
【図３】
0004510173.tif 000004
【図４】
0004510173.tif 000005