(57)【要約】【課題】耐ノッキング性に優れ、熱効率の高いエンジンシステムを提供する。【解決手段】改質ガスを用いて動力を得るエンジンシステムにおいて、燃料を改質して水素を含む改質ガスを得て、改質ガスに含まれる水素を分離し、分離水素を含む燃料ガス及び未分離改質ガスのうち燃焼性の高い一方をエンジンの燃焼室の中央付近に、他方を燃焼室の外周付近に供給するように制御することにより、耐ノッキング性を向上し、熱効率を高くすることができる。【選択図】図１
2007332892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質して水素を含む改質ガスを得る改質手段と、
前記改質ガスに含まれる水素を分離する水素分離手段と、
前記分離された分離水素を含む燃料ガス及び前記分離された残りの未分離改質ガスが供給され、それらを燃焼させることにより動力を得るエンジンと、
前記燃料ガスと前記未分離改質ガスのうち燃焼性の高い一方が前記エンジンの燃焼室の中央付近に、他方が前記燃焼室の外周付近に供給されるように制御する供給制御手段と、
を有することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンシステムであって、
前記エンジンから排出されるエンジン排気が通過する流路に、前記エンジン排気中の未燃燃料を触媒燃焼する触媒燃焼手段を有し、
前記触媒燃焼の反応熱を利用して前記改質を行うことを特徴とするエンジンシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のエンジンシステムであって、
前記分離水素の少なくとも一部を前記未分離改質ガスに混合する混合手段を有することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンシステムであって、
前記分離水素に空気を混合する空気混合手段と、
前記分離水素と空気との混合比を検出する空気混合比検出手段と、
前記混合比を当量比で１〜１０の範囲に制御する混合比制御手段と、
を有することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンシステムであって、
空気をスイープガスとして前記水素分離手段に供給するスイープガス供給手段と、
前記分離水素と前記スイープガスとの混合比を検出するスイープガス混合比検出手段と、
前記混合比を当量比で１〜１０の範囲に制御するスイープガス混合比制御手段と、
を有することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項６】
燃料を改質して水素を含む改質ガスを得る改質行程と、
前記改質ガスに含まれる水素を分離する水素分離行程と、
前記分離された分離水素を含む燃料ガス及び前記分離された残りの未分離改質ガスのうち燃焼性の高い一方をエンジンの燃焼室の中央付近に、他方を前記燃焼室の外周付近に供給するように制御する供給制御行程と、
前記供給された燃料ガス及び未分離改質ガスを燃焼させることにより動力を得る燃焼行程と、
を含むことを特徴とするエンジン制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料の改質によって得た改質ガスを用いて動力を得るエンジンシステム及びエンジン制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンなどの炭化水素系（ＣｍＨｎ）の液体燃料を改質することにより、発熱量の大きな改質ガスを得て、これを内燃機関の燃料の一部として用いることでエンジンの熱効率の向上を図ることが従来より提案されている。炭化水素系（ＣｍＨｎ）燃料の改質においては、以下の吸熱反応が行われる。
ＣｍＨｎ  ＋  ｍＨ２Ｏ  →  ｍＣＯ  ＋  （ｎ／２＋ｍ）Ｈ２
【０００３】
この反応により、改質後の燃料（改質ガス）の発熱量は元の炭化水素系燃料よりも大幅に上昇し、これによってエンジンの熱効率の向上を図ることが可能な燃料が得られることになる。
【０００４】
このようなエンジンの熱効率をさらに向上するために、例えば、特許文献１には、改質反応促進の目的で、炭化水素系燃料を改質した後に改質ガスから水素を分離する手段を備えたガスエンジンが提案されている。この方法は、分離水素を燃焼させ改質器の温度上昇に使用すること、改質用水蒸気を直接筒内（燃焼室内）に供給することで燃焼室温度を制御すること、改質割合に応じてＡ／Ｆ（Ａｉｒ／Ｆｕｅｌ  Ｒａｔｉｏ）を制御すること、水素吸蔵合金タンク及び脱硫装置を備えること、ノッキングセンサによりＡ／Ｆを制御することなどを特徴としている。なお、特許文献１の方法では、水素分離の際にスイープガスを使用していないため分離側の水素濃度を低くすることができず、水素の分離量が少ない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２２１０９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の方法では、希薄燃焼をするために燃焼室に供給する分離水素や改質ガスの混合比調整を行うものの、それぞれのガスの燃焼室への供給方法については考慮しておらず、これらを混合したガスを燃焼室へ供給するため、耐ノッキング性に劣り、熱効率の向上も不十分である。
【０００７】
本発明は、耐ノッキング性に優れ、熱効率の高いエンジンシステムである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、燃料を改質して水素を含む改質ガスを得る改質手段と、前記改質ガスに含まれる水素を分離する水素分離手段と、前記分離された分離水素を含む燃料ガス及び前記分離された残りの未分離改質ガスが供給され、それらを燃焼させることにより動力を得るエンジンと、前記燃料ガスと前記未分離改質ガスのうち燃焼性の高い一方が前記エンジンの燃焼室の中央付近に、他方が前記燃焼室の外周付近に供給されるように制御する供給制御手段と、を有するエンジンシステムである。
【０００９】
また、前記エンジンシステムにおいて、前記エンジンから排出されるエンジン排気が通過する流路に、前記エンジン排気中の未燃燃料を触媒燃焼する触媒燃焼手段を有し、前記触媒燃焼の反応熱を利用して前記改質を行うことが好ましい。
【００１０】
また、前記エンジンシステムにおいて、前記分離水素の少なくとも一部を前記未分離改質ガスに混合する混合手段を有することが好ましい。
【００１１】
また、前記エンジンシステムにおいて、前記分離水素に空気を混合する空気混合手段と、前記分離水素と空気との混合比を検出する空気混合比検出手段と、前記混合比を当量比で１〜１０の範囲に制御する混合比制御手段と、を有することが好ましい。
【００１２】
また、前記エンジンシステムにおいて、空気をスイープガスとして前記水素分離手段に供給するスイープガス供給手段と、前記分離水素と前記スイープガスとの混合比を検出するスイープガス混合比検出手段と、前記混合比を当量比で１〜１０の範囲に制御するスイープガス混合比制御手段と、を有することが好ましい。
【００１３】
また、本発明は、燃料を改質して水素を含む改質ガスを得る改質行程と、前記改質ガスに含まれる水素を分離する水素分離行程と、前記分離された分離水素を含む燃料ガス及び前記分離された残りの未分離改質ガスのうち燃焼性の高い一方をエンジンの燃焼室の中央付近に、他方を前記燃焼室の外周付近に供給するように制御する供給制御行程と、前記供給された燃料ガス及び未分離改質ガスを燃焼させることにより動力を得る燃焼行程と、を含むエンジン制御方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、改質ガスを用いて動力を得るエンジンシステムにおいて、燃料を改質して水素を含む改質ガスを得て、改質ガスに含まれる水素を分離し、分離水素を含む燃料ガス及び未分離改質ガスのうち燃焼性の高い一方をエンジンの燃焼室の中央付近に、他方を燃焼室の外周付近に供給するように制御することにより、耐ノッキング性を向上し、熱効率を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１６】
＜実施形態１＞
本実施形態１に係るエンジンシステムの一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。エンジンシステム１は、水素分離膜型改質器１０と、エンジン１２と、熱交換器１４とを備える。
【００１７】
水素分離膜型改質器１０は、改質手段として機能する改質反応部１６と、水素透過部１８と、触媒燃焼手段として機能する触媒燃焼部２０との３流路により構成されており、改質反応部１６と水素透過部１８との間に水素分離手段として水素透過膜２２が配置されており、改質反応部１６と触媒燃焼部２０との間に熱交換手段として熱交換部２４が配置されている。
【００１８】
図１のエンジンシステム１において、混合気導入管２６が熱交換器１４を介して水素分離膜型改質器１０の改質反応部１６の入口に接続されている。改質反応部１６の出口は、未分離改質ガス管２８により熱交換器１４を介してエンジン１２の燃焼室４８の外周部寄りに設けられた吸気管３０に接続されている。水素分離膜型改質器１０の水素透過部１８の出口は、分離水素ガス管３２により熱交換器１４を介してエンジン１２の燃焼室４８中央付近上部の筒内直噴用インジェクタ３４に接続されている。燃焼室４８中央付近上部には点火手段として点火栓３５が設けられている。この吸気管３０及び筒内直噴用インジェクタ３４が、燃料ガスと未分離改質ガスのうちいずれか一方をエンジン１２の燃焼室４８の中央付近の点火栓３５近傍に、他方が燃焼室４８の外周付近に供給されるように制御する供給制御手段として機能する。また、分離水素ガス管３２は途中で分岐されて分岐管５０により未分離改質ガス管２８の途中にバルブ３６を介して接続されている。このバルブ３６及び分岐管５０が分離水素の一部を未分離改質ガスに混合する混合手段として機能する。エンジン１２の排気管３８は、排気ガス管４０により水素分離膜型改質器１０の触媒燃焼部２０の入口に接続されている。触媒燃焼部２０の出口は、排気ガス放出管４２により熱交換器１４と接続されている。分離水素ガス管３２の熱交換器１４と筒内直噴用インジェクタ３４との間には空気混合手段としてインジェクタ４４が接続されている。また、分離水素ガス管３２のインジェクタ４４の接続部と筒内直噴用インジェクタ３４との間には水素濃度等を検出するセンサ４６が空気混合比検出手段として設置されている。
【００１９】
本実施形態に係るエンジン制御方法及びエンジンシステム１の動作について説明する。ガソリンなどの炭化水素系（ＣｍＨｎ）燃料等の燃料と水と混合物が熱交換器１４における温度上昇により燃料−水混合気となり、燃料−水混合気が混合気導入管２６を通り水素分離膜型改質器１０の改質反応部１６に導入され、改質触媒により改質反応が行われる（改質行程）。炭化水素系（ＣｍＨｎ）燃料の場合、以下に示す反応式のような改質反応が吸熱反応で行われる。
ＣｍＨｎ  ＋  ｍＨ２Ｏ  →  ｍＣＯ  ＋  （ｎ／２＋ｍ）Ｈ２
【００２０】
改質反応により水素を含む改質ガスが生成され、その中の水素が水素透過膜２２を通って水素透過部１８に分離される（水素分離行程）。分離された分離水素は熱交換器１４で冷却されて分離水素ガス管３２を通り、インジェクタ４４により供給される空気と混合された後、水素−空気予混合気（燃料ガス）としてエンジン１２の筒内直噴用インジェクタ３４に供給され、エンジン１２の圧縮行程中もしくは圧縮上死点付近に燃焼室４８内へ直接噴射される。一方、改質反応部１６での水素と分離された残りの未分離改質ガスは、未分離改質ガス管２８を通り、熱交換器１４を介してエンジン１２の吸気行程中に吸気管３０へ噴射され、エンジン１２の燃焼室４８内へ導入される（供給制御行程）。すなわち燃焼性のより高い水素−空気予混合気が燃焼室４８の中央付近の点火栓３５近傍に、燃焼性のより低い未分離改質ガスが燃焼室４８の外周付近に供給されるように制御される。エンジン１２の燃焼室においてこれら水素−空気予混合気及び未分離改質ガスを燃焼させることにより動力が得られる（燃焼行程）。エンジン排気は、排気管３８から排気ガス管４０を通り、水素分離膜型改質器１０の触媒燃焼部２０へ導入され、エンジン排気中の未燃燃料が燃焼触媒により触媒燃焼された後、排気される。このとき、エンジン排気の排気熱及び触媒燃焼の反応熱は熱交換部２４を介して改質反応熱として回収される。
【００２１】
本実施形態に係るエンジンシステム１に用いられる燃料としては、ガソリン、軽油、重油などの炭化水素系燃料、メタノール、エタノール等のアルコール系燃料等が挙げられる。このような炭化水素系燃料等を改質して得られる改質ガス成分は、例えば、燃料としてガソリン等を採用し、これを水によって改質した場合（水蒸気改質方法）、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを主成分とする改質ガスが得られる。または、液体有機化合物燃料（上記のような炭化水素系液体燃料）と、水と、空気と、を改質器に供給して、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、窒素を主成分とする改質ガスを得ることもできる。
【００２２】
水素分離膜型改質器１０の水素透過膜２２としては、選択的に水素を透過、分離できるものであれば特に制限はなく、種々の材料を採用することが可能である。例えば、パラジウム合金、無機分離膜、多孔質ガラス膜、多孔質中空ガラス繊維膜、多孔質セラミックス膜、ゼオライト膜、酢酸セルロース膜、ポリイミド膜、ポリアミド膜、ポリスルホン多孔質膜／シリコーン膜などが挙げられる。例えば、無機分離膜は水素分子が選択的に通過可能な細孔を有する膜である。これらの中でも、無機分離膜、多孔質ガラス膜、多孔質中空ガラス繊維膜、多孔質セラミックス膜は、耐熱性に優れ、かつ機械的強度も高いため好ましい。また、多孔質セラミックス膜を構成する材料としては例えば、ジルコニア、ゼオライト、シリカ、アルミナ等が挙げられる。水素透過膜２２により、改質反応部１６における改質反応によって生成された水素が順次透過、分離されることで、改質反応部１６における改質反応が促進される。
【００２３】
水素分離膜型改質器１０の改質反応部１６において使用される改質触媒としては、ガソリンなどの炭化水素系（ＣｍＨｎ）燃料、アルコール燃料等の燃料の改質を行うことができればよく特に制限はないが、例えば、Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｚｎ等の金属やその酸化物、Ｋ２ＣＯ３等のアルカリ炭酸塩、ＭｇＯ，ＣａＯ，Ｋ２Ｏ，ＳｉＯ２，ＴｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２，ＣｅＯ２等の酸化物等が挙げられる。
【００２４】
水素分離膜型改質器１０の触媒燃焼部２０において使用される燃焼触媒としては、エンジン排気中の未燃燃料の燃焼を行うことができればよく特に制限はないが、例えば、Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｕ系触媒等が挙げられる。
【００２５】
水素分離膜型改質器１０では改質反応部１６の圧力を高圧化し、水素透過部１８の圧力は筒内噴射完了時の圧力と分離水素量とがバランスするように調整することが好ましい。つまり、水素−空気予混合気を燃焼室４８内（筒内）に噴射し終わる時点の筒内圧力よりも高い水素透過部１８圧力となるように調整することが好ましい。水素−空気予混合気をすべて噴射することができない場合は、水素−空気予混合気の一部がバルブ３６を介して、分岐された分岐管５０を通り、未分離改質ガス管２８の途中で未分離改質ガスに加えられ、量が低減されることが好ましい。
【００２６】
水素透過部１８で得られる分離水素とインジェクタ４４により供給される空気とが混合された水素−空気予混合気については、分離水素ガス管３２に備え付けられたセンサ４６により当量比が算出され、所定の当量比（例えば、１．８付近、好ましくは１．０〜４．０の範囲の過濃混合気）となるようにインジェクタ４４により空気量が制御される。なお、図２に層流の燃焼速度について水素と炭化水素との違いを示すが、水素は過濃側に燃焼速度のピークがあり、広い範囲で炭化水素の速度を上回る。
【００２７】
このインジェクタ４４の制御は、センサ４６からの信号に基づいて、図示しないエンジン制御部（例えば、ＥＣＵ：電子制御ユニット）により行われることが好ましい。このエンジン制御部が分離水素と空気との混合比を制御する混合比制御手段として機能する。
【００２８】
改質反応部１６での未分離改質ガスは吸気行程中に吸気管３０へ噴射され、エンジン１２の燃焼室４８内の外周部へ導入される。水素−空気予混合気は筒内直噴用インジェクタ３４に供給され、圧縮行程中に燃焼室４８中央付近上部から噴射される。水素−空気予混合気は点火栓３５近傍に集まるように噴射されるため、吸気行程中に吸入された未分離改質ガスと成層化される。トータル当量比は量論から希薄になるような空気量にスロットルが調整される。
【００２９】
一般に水素は比熱比が高いため、圧縮による温度上昇が他のガスに比べ顕著であり、点火前に自ら着火してしまいノッキングの原因となる。本実施形態のように未分離改質ガス及び水素−空気予混合気の２種ガスの独立供給系を備えていれば、例えば分離した水素以外のガスを吸気行程中に吸入し、分離水素を含む水素−空気予混合気を圧縮行程中に噴射することで燃焼室内の温度上昇を抑えることができるため耐ノッキング性が高くなる。
【００３０】
一方、図３に示すような、水素透過部１８で得られる分離水素と改質反応部１６から得られる未分離改質ガスとを混合したガスを吸気管３０から燃焼室４８へ供給する従来型のエンジンシステム５の場合は、耐ノッキング性に劣り、熱効率の向上も不十分である。
【００３１】
また、本実施形態では、分離した水素と空気とを混合し、その当量比が１〜１０程度の範囲、好ましくは１．０〜４．０の範囲で過濃にし、それを点火時に点火栓３５近傍に配置するように吸気制御することにより、
（１）過濃水素の燃焼速度は極めて早いため、点火栓３５の周りの過濃水素部の燃焼は迅速に行われる。また過濃燃焼の燃焼温度は低いため、低ＮＯｘである。
すなわち、図４（ａ），（ｂ）に燃焼の様子を示すように、点火（図４（ａ）の１）が起こると付近の過濃水素予混合気がまず燃焼する（図４（ａ）の２）。この混合気は燃焼速度が極めて早く（層流燃焼速度は常温、常圧でもガソリンの約６〜７倍）、分離水素混合気領域が火種となる。この混合気は過濃のため燃焼温度は低く、低ＮＯｘである。
【００３２】
（２）過濃水素の燃焼により燃焼室壁付近の改質ガスへの熱供給が迅速に行われ、燃焼速度の遅いガスでも燃焼しやすくなる。またこの混合気は希薄のため低ＮＯｘである。
すなわち、周囲の希薄改質ガスは中央部での水素燃焼熱が早い時期に伝わるため、燃焼が容易となり（図４（ｂ）の３）、ノッキングの起こる確率が低下する。
【００３３】
（３）過濃水素の燃焼後の水素は周りの希薄混合気からの酸素供給により拡散的な燃焼となるため、壁面付近での燃焼が起こらず、冷却損失が低減する。また混合気は水素・水蒸気・窒素混合気のため低ＮＯｘである。
すなわち、周囲の希薄改質ガスの燃焼と同時に中央部での残水素は周囲の希薄混合気からの空気の拡散により拡散燃焼する（図４（ｂ）の４）。このため高温の火炎面が壁面付近で形成されることがなく、壁への熱損失（冷却損失）を大幅に低減することが可能となる。また残水素混合気中には点火時の燃焼で生成したＨ２ＯやＮ２等が存在するため純水素燃焼ではなく、低ＮＯｘが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態では、筒内燃焼で未燃分が排出されても、エンジン排気中の未燃燃料は水素分離膜型改質器１０の触媒燃焼部２０で燃焼され、その熱が改質熱に利用されるため、排気はクリーンでエネルギロスも少なくなる。
【００３５】
また、本実施形態では、分離水素の一部を未分離改質ガスと混合することにより、成層燃焼や均質燃焼など運転条件に応じて制御することができ、自由度が増す。
【００３６】
＜実施形態２＞
本実施形態２に係るエンジンシステムの一例の概略を図５に示し、その構成について説明する。エンジンシステム２は、エンジン１２が少なくとも２つの吸気管３０及び５２を有し、筒内直噴用インジェクタ３４を有さない点で、図１のエンジンシステム１とは異なる。吸気管３０は燃焼室４８外周部寄りに、吸気管５２は燃焼室４８の中央部寄りに設けられている。この吸気管３０及び５２が供給制御手段として機能する。他の構成は図１のエンジンシステム１と同様である。
【００３７】
図５のエンジンシステム２において、改質反応部１６の出口は、未分離改質ガス管２８により熱交換器１４を介してエンジン１２の吸気管３０に接続されている。また、水素分離膜型改質器１０の水素透過部１８の出口は、分離水素ガス管３２により熱交換器１４を介してエンジン１２の吸気管５２に接続されている。
【００３８】
本実施形態では、水素分離膜型改質器１０では改質反応部１６の圧力を高圧化し、水素透過部１８の圧力は常圧とする。未分離改質ガスと水素−空気予混合気はそれぞれ吸気行程中に別々の吸気管３０及び吸気管５２へ噴射され、燃焼室４８内へ導入される。各吸気管の設置位置は点火時に吸入ガスが成層化できるように、かつ燃焼性の高い水素−空気予混合気が点火栓３５近傍に集まるように設計されている。また、点火時に吸入ガスが成層化できるように、吸気タイミングを制御、例えば、最初に燃焼性の低い未分離改質ガス、次に燃焼性の高い水素−空気予混合気を吸気するように吸気タイミングを制御してもよい。あるいは各吸気管の設置位置及び吸気タイミングの制御の両方により点火時に吸入ガスが成層化できるようにしてもよい。エンジンでの燃焼形態は実施形態１と同様であり、実施形態１と同様の効果が得られる。本実施形態では、吸入ガスの成層化の均質性の点では実施形態１に比べてやや劣るが、常圧で水素−空気予混合気を燃焼室４８内へ導入できるという利点がある。
【００３９】
＜実施形態３＞
本実施形態３に係るエンジンシステムの一例の概略を図６に示し、その構成について説明する。エンジンシステム３は、スイープガス供給手段として空気導入管５４と、流量コントローラ５６と、圧力コントローラ５８とを有し、インジェクタ４４を有さない点で、図１のエンジンシステム１とは異なる。他の構成は図１のエンジンシステム１と同様である。なお、水素濃度等を検出するセンサ４６が、分離水素とスイープガスとの混合比を検出するスイープガス混合比検出手段として機能する。
【００４０】
図６のエンジンシステム３において、空気導入管５４が流量コントローラ５６を介して水素透過部１８の入口に接続されている。また、水素透過部１８の出口は、分離水素ガス管３２により圧力コントローラ５８及び熱交換器１４を介して筒内直噴用インジェクタ３４に接続されている。
【００４１】
本実施形態では、水素分離膜型改質器１０において、水素透過部１８の分離流路にスイープガスとしてエンジン１２に吸入する空気の一部が用いられ、分離水素は空気によりスイープされ、分離水素ガス管３２を通りエンジン１２へ供給される。この際に形成される水素−空気予混合気については、分離水素ガス管３２に備え付けられたセンサ４６により当量比が算出され、所定の当量比（例えば、１．８付近、好ましくは１．０〜４．０の範囲の過濃混合気）となるようにスイープ空気量が流量コントローラ５６により制御される。また、圧力コントローラ５８により分離水素量を制御できるため、水素−空気予混合気の燃焼室４８内への噴射量が制御可能である。この流量コントローラ５６の制御は、センサ４６からの信号に基づいて、図示しないエンジン制御部（例えば、ＥＣＵ：電子制御ユニット）により行われることが好ましい。このエンジン制御部が分離水素とスイープガスとの混合比を制御するスイープガス混合比制御手段として機能する。
【００４２】
本実施形態では、吸入空気を水素分離のスイープガスに用いることで水素分離性能を高め、その結果、改質反応部１６内の平衡のずれる割合が大きくなるため改質性能が向上する。図７に、本実施形態において、スイープガス使用の有無による改質ガス特性の違いを示す。横軸は改質温度（℃）、縦軸は転化率（％）を示す。これより、水素分離にスイープガスを用いることにより水素分離性能が高まり、転化率が向上することがわかる。エンジンでの燃焼形態は実施形態１と同様である。
【００４３】
なお、本実施形態に用いられる燃料としては、ガソリン等に比べて改質温度が低いアルコール系燃料等が好ましく用いられる。改質温度が低いアルコール系燃料等を燃料として用いることにより、分離流路内で水素−空気予混合気の燃焼が起こることを防止することができる。
【００４４】
また、本実施形態では、スイープガスとして空気を用いることにより、分離水素を空気によりスイープすると共に、過濃かつ燃焼性に優れた水素−空気予混合気を形成することができる。スイープガスとして空気を用いることができるので、従来スイープガスとして使用されている窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素ガス等の供給設備を別途設ける必要がない。
【００４５】
＜実施形態４＞
本実施形態４に係るエンジンシステムの一例の概略を図８に示し、その構成について説明する。エンジンシステム４は、水素分離膜型改質器１０の代わりに、改質手段として改質器６０と、ガス冷却器６２と、水素分離器６４とを有する点で、図６のエンジンシステム３とは異なる。水素分離器６４は、改質ガス導入部６６及び水素透過部６８の２流路により構成されており、改質ガス導入部６６と水素透過部６８との間に水素分離手段として水素透過膜７０が配置されている。他の構成は図６のエンジンシステム３と同様である。
【００４６】
図８のエンジンシステム４において、混合気導入管２６が熱交換器１４を介して改質器６０の入口に接続されている。改質器６０の出口はガス冷却器６２の入口に接続され、ガス冷却器６２の出口は水素分離器６４の改質ガス導入部６６の入口に接続されている。改質ガス導入部６６の出口は未分離改質ガス管２８により熱交換器１４を介してエンジン１２の吸気管３０に接続されている。空気導入管５４が流量コントローラ５６を介して水素透過部６８の入口に接続されており、水素透過部６８の出口は、分離水素ガス管３２により熱交換器１４を介してエンジン１２の筒内直噴用インジェクタ３４に接続されている。この吸気管３０及び筒内直噴用インジェクタ３４が、供給制御手段として機能する。なお、熱交換器１４をガス冷却器６２として使用してもよい。
【００４７】
本実施形態では、燃料の改質に、水素−空気予混合気が分離流路内で燃焼が起こるような高温（例えば改質温度が７００℃以上）を必要とする場合、例えば燃料としてガソリン、軽油等を用いる場合に、水素分離膜を有さない従来型の改質器６０の後に配置したガス冷却器６２でガス温度を十分に下げ、その改質ガスを水素分離器６４に導入する。これにより分離時の分離水素の燃焼を抑制することができる。エンジンでの燃焼形態は実施形態１と同様である。
【００４８】
以上の実施形態により、耐ノッキング性向上、冷却損失の低減、改質性能向上が同時に可能であり、結果的にエンジンシステムの熱効率を大幅に高めることができ、かつ低ＮＯｘ化が可能となる。なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態１に係るエンジンシステムの一例を示す概略図である。
【図２】層流の燃焼速度について水素と炭化水素との違いを示すグラフである。
【図３】従来方式のエンジンシステムの一例を示す概略図である。
【図４】（ａ），（ｂ）本発明の実施形態に係るエンジンシステムにおける燃焼の様子の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の実施形態２に係るエンジンシステムの一例を示す概略図である。
【図６】本発明の実施形態３に係るエンジンシステムの一例を示す概略図である。
【図７】本発明の実施形態３において、スイープガス使用の有無による改質ガス特性の違いを示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態４に係るエンジンシステムの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５０】
１，２，３，４，５  エンジンシステム、１０  水素分離膜型改質器、１２  エンジン、１４  熱交換器、１６  改質反応部、１８，６８  水素透過部、２０  触媒燃焼部、２２，７０  水素透過膜、２４  熱交換部、２６  混合気導入管、２８  未分離改質ガス管、３０，５２  吸気管、３２  分離水素ガス管、３４  筒内直噴用インジェクタ、３５  点火栓、３６  バルブ、３８  排気管、４０  排気ガス管、４２  排気ガス放出管、４４  インジェクタ、４６  センサ、４８  燃焼室、５０  分岐管、５４  空気導入管、５６  流量コントローラ、５８  圧力コントローラ、６０  改質器、６２  ガス冷却器、６４  水素分離器、６６  改質ガス導入部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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