(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックに取り付けられたシリンダヘッド，前記シリンダブロック側に形成されたシリンダ内を往復運動するピストン，前記ピストン側に形成された主燃焼室，前記シリンダヘッドに設けられた副燃焼室，前記主燃焼室と前記副燃焼室とを連通する連絡口に配置された副室制御弁，前記主燃焼室から排出される排気ガスの熱エネルギとＣＯ2 とＨ2 Ｏを利用して天然ガスをＨ2 とＣＯとに改質する燃料改質装置，吸気管に配置された改質燃料通路に設けられた改質燃料弁，及び前記副燃焼室に天然ガスを供給するため天然ガス供給通路に設けられた天然ガス弁を有し，
前記副燃焼室で前記天然ガスを燃焼させるため，前記副室制御弁は圧縮行程後半で開弁して前記主燃焼室から空気と改質燃料との希薄混合気を前記副燃焼室へ吹き込んで前記副燃焼室内の前記天然ガスを着火燃焼させ，前記副燃焼室から噴き出す燃焼火炎によって前記主燃焼室に存在する前記改質燃料を燃焼させることから成るガスエンジン。
【請求項２】
前記副室制御弁に対向する前記副燃焼室の上部にはグロープラグが配設されていることから成る請求項１に記載のガスエンジン。
【請求項３】
前記燃料改質装置は，筒状のハウジングに回転可能に支持され且つ内部が隔壁プレートによって回転方向に複数の区画室に分割されている筒状の回転容器，及び前記排気管から前記排気ガス，前記水蒸気管から水蒸気及び前記天然ガス管から前記天然ガスを前記回転容器に順次に供給するための燃料改質制御弁を有し，前記回転容器の前記区画室には吸着材と触媒を担持した金属多孔質体がそれぞれ収容され，前記ハウジングの入口側開口と出口側開口には排気管，水蒸気管及び天然ガス管がそれぞれ接続されており，前記天然ガス弁は前記副燃焼室へ前記天然ガスを供給するため吸気行程後半から圧縮行程の前半において前記副室制御弁の閉弁状態である時期に開放し，前記改質燃料弁は前記主燃焼室へ前記改質燃料を供給するため吸気行程において開放し，前記副室制御弁は圧縮行程後半で開弁して排気行程後半で閉弁するように設定されていることから成る請求項１又は２に記載のガスエンジン。
【請求項４】
前記副燃焼室及び前記副室制御弁の燃焼ガスに接触する部分には，耐食性のジルコニア等のセラミックスによってコーティングされていることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスエンジン。
【請求項５】
前記燃料改質装置は，前記排気ガスの熱エネルギーを回収する熱交換器，前記排気ガス中のＣＯ2 を吸着する吸着装置，及び前記天然ガスを前記改質燃料に改質する触媒装置を備えていることから成る請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，天然ガスを改質燃料に改質する燃料改質装置を備えたガスエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの熱効率の向上は地球の温暖化，エネルギー資源の枯渇等の地球の大きな問題を解決するため不可欠である。従来技術の延長上ではこれらの問題を解決することが出来なくなったので，新しい手法として燃料の改質が考えられた。熱効率を改善するためには，エンジンから発生する有効仕事の動力が増加すれば良いのだが，現在最も良いとされる圧縮比が大きいディーゼルエンジンの熱効率が大体４０〜４８％であり，これ以上の改善が出来なくなっている。しかし，大半の熱は排気ガス，冷却水に放散されているのでこれらの熱を回収する手段が考えられてきたが，数％の熱効率の向上が出来たが，それ以上は無理であった。
【０００３】
従来，天然ガスを主燃料とするガスエンジンは，コージェネレーションシステムとして開発が進められている。コージェネレーションシステムは，エンジン動力で駆動される発電機から電気エネルギとして取り出すと共に，排気ガスエネルギが有する熱を熱交換器で水を加熱して温水にし，該温水を給湯用として利用している。従来，天然ガスを燃料とするエンジンとして，例えば，特開平６−１０８８６５号公報，特開平６−１０１４９５号公報に開示されたものがある。
【０００４】
特開平６−１０８８６５号公報に開示されたコージェネレーション型ガスエンジンは，排気ガスをターボチャージャ，エネルギ回収装置及び蒸気発生装置を通して排気ガス温度を低下させ，低温の排気ガスをＥＧＲに使用してＮＯX を低減するものであり，遮熱型ガスエンジンからの排気ガスによってターボチャージャを駆動し，該ターボチャージャからの排気ガスで発電機を備えたエネルギ回収装置を駆動する。該コージェネレーション型ガスエンジンは，エネルギ回収装置からの排気ガスを熱交換器の蒸気発生装置に送り込み，蒸気発生装置で水を蒸気に変換し，該蒸気で蒸気タービンを駆動して電気エネルギとして回収する。
【０００５】
また，天然ガスを改質した燃料を用いるガスエンジンとして，例えば，特開平１１−９３７７７号公報に開示されたものが知られている。該公報に開示された天然ガス改質装置は，天然ガス主成分のＣＨ4 をＣＯとＨ2 の改質燃料に熱分解し，熱効率を改善すると共に排気ガス中のＣＯ2 を熱分解に使用して放出する排気ガス中のＣＯ2 含有量を低減し，ＮＯX の発生を抑制するものである。天然ガス改質装置は，排気ガスパイプ内に排気ガス通路を形成する排気ガス通路体を配置し，排気ガスパイプの外側にガス燃料が流れるガス燃料ケースを配置し，ガス燃料ケース内にガス燃料通路を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材を配置し，多孔質部材の表面にＣＨ4 とＣＯ2 をＣＯとＨ2 の改質燃料に変換させる作用を有する触媒を被覆し，更にガス燃料パイプの外周に断熱材を配置したものである。
【０００６】
また，熱交換装置として，特開平１１−６６０１号公報に開示されたものがある。該熱交換装置は，エンジンからの排気ガスで蒸気を加熱する排気通路に設けられた第１段熱交換器と第２段熱交換器から成る。第１段熱交換器は，第１ケーシング内に配置された蒸気が流れる蒸気通路と，蒸気通路に配置された排気ガスが流れる排気ガス通路とから構成されている。第２段熱交換器は，第１ケーシングの下方に設けられた第２ケーシング内に配置された水を貯留できる水・蒸気通路と，水・蒸気通路の周りに配置された排気ガスが流れる排気ガス通路とから構成されている。各通路には，多孔質セラミック部材が配置されている。
【０００７】
また，特開平１１−９３７７７号公報には，熱交換器を天然ガス改質装置に適用したものが開示されている。該天然ガス改質装置は，天然ガス主成分のＣＨ4 をＣＯとＨ2 の改質燃料に熱分解するものであり，熱効率を改善すると共に排気ガス中のＣＯ2 を熱分解に使用して放出する排気ガス中のＣＯ2 含有量を低減するものである。天然ガス改質装置は，排気ガスパイプ内に排気ガス通路を形成する排気ガス通路体を配置し，排気ガスパイプの外側にガス燃料が流れるガス燃料ケースを配置し，ガス燃料ケース内にガス燃料通路を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材を配置し，多孔質部材の表面にＣＨ4 とＣＯ2 をＣＯとＨ2 の改質燃料に変換させる作用を有する触媒を被覆し，更にガス燃料パイプの外周に断熱材を配置したものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，天然ガスをエンジンの燃料として使用するため，排気ガスの熱エネルギーを利用して天然ガスを改質する技術的思想は，本発明者によって研究開発されているが，天然ガスの燃焼を実際にテストすると，天然ガスの場合には着火が極めて困難であり，始動性等の問題が極めて難しいことが分かった。天然ガスを改質して改質ガスを燃料として用いると，改質された燃料はＣＯとＨ2 となり，その発熱量が３０％ほど増加するが改質が完全に進行しない混合ガスの場合もあり，その性状は必ずしも安定していないことが分かった。また，天然ガスを燃料とするガスエンジンでは，燃焼室をセラミックス等の材料で遮熱構造に構成すると，空気の圧縮温度が天然ガスの自己着火温度以上に上昇するので，点火装置が不要になるが，ノッキングが発生する。そこで，極めて希薄混合でかつＯ2 濃度が小さいようにするためＥＧＲと空気を導入する主燃焼室の他に，濃い混合気を作るため燃料を導入する副燃焼室を設け，主燃焼室と副燃焼室とを連絡する連絡口に制御弁を設け，ディーゼルサイクルによる作動によって高い効率のコージェネレーション用のエンジンを提供することができる。このような構造によると，ガスエンジンの排気ガスは，燃焼室を遮熱構造に構成した場合に，８５０℃以上の高温になる。高温の排気ガスから熱エネルギを回収して，エンジンの熱効率をトータル的に向上させることができる。
【０００９】
ところで，天然ガスは，その主成分がメタンＣＨ4 であり，発熱量が大きく，自然界に多く存在するので，将来の石油代替燃料として期待されている。また，ＣＨ4 をＣＯ2 の存在のもとで触媒を介して熱分解させると，ＣＨ4 はＣＯとＨ2 に変換されるが，ＣＯとＨ2 の合計の発熱量は，ＣＨ4 の発熱量以上のもの，即ち，１．３倍になる。そこで，遮熱型ガスエンジンの高温の排気ガスの熱エネルギを，ＣＨ4 の熱分解に利用して天然ガスを改質燃料に改質することによって，改質燃料の発熱を増加させ，エンジンの熱効率を向上させ，省資源にすると共に，ＣＯ2 の排出を抑制することができる。
【００１０】
しかしながら，天然ガス中のＣＨ4 をＣＯ2 の存在によって排気ガスの熱エネルギによってＨ2 とＣＯに改質する天然ガス改質装置において，排気ガスから分離されたＣＯ2 を使用する場合に，ＣＯ2 を含む分離ガス中にＯ2 が含まれていると，天然ガス改質装置における触媒装置内でＯ2 とＨ2 やＣＯが反応を起こし，場合によっては，反応爆発するという危険性がある。従って，天然ガス改質装置に送り込む排気ガスから分離されたＣＯ2 を含む分離ガス中に含まれるＯ2 を可及的に低減する必要がある。
【００１１】
一般に，ディーゼルエンジンから排出される排気ガスは，空気過剰率のため，Ｎ2 が７５％，ＣＯ2 が１５％及びＯ2 が１０％程度であるが，必ずしもこのような割合ではなく，Ｏ2 が多く含まれることがある。また，排気ガスをＣＯ2 分離器のＣＯ2 分離膜を通すことによって，排気ガスから分離されたＣＯ2 を含む分離ガスは，ＣＯ2 が９０％，Ｎ2 が８％及びＯ2 が２％程度になり，通常であれば，このような成分の分離ガスを天然ガス改質装置に送り込んでも，それほど問題にならないが，排気ガス濃度が高いＣＯ2 分離膜の異常が発生し易く，Ｏ2 が５％以上も含まれる現象が発生することがある。そのため，５％以上のＯ2 を含む分離ガスを天然ガス改質装置に送り込むと，天然ガス改質装置で生成したＨ2 とＣＯとが分離ガス中のＯ2 と反応爆発し，非常に危険な状態が発生する。上記のように苦労して生成した改質燃料を用いて，該改質燃料をエンジンに供給しても，改質燃料の燃焼が完全に行わなければ，エンジンの性能改善ができない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，天然ガスを改質した改質燃料を用いてエンジンで有効に燃焼させて性能を改善することができる天然ガスとその改質燃料とを燃料としてエンジンに供給するガスエンジンに関し，主燃焼室のシリンダ上部に副燃焼室を設け，排気管の出口付近に天然ガスを改質する燃料改質装置を設け，副燃焼室には改質前の天然ガスを供給し，吸気管には改質燃料と空気とを供給する予混合圧縮ディーゼル燃焼を行う燃料改質装置を備えたガスエンジンを提供することである。
【００１３】
この発明は，シリンダブロックに取り付けられたシリンダヘッド，前記シリンダブロック側に形成されたシリンダ内を往復運動するピストン，前記ピストン側に形成された主燃焼室，前記シリンダヘッドに設けられた副燃焼室，前記主燃焼室と前記副燃焼室とを連通する連絡口に配置された副室制御弁，前記主燃焼室から排出される排気ガスの熱エネルギとＣＯ2 とＨ2 Ｏを利用して天然ガスをＨ2 とＣＯとに改質する燃料改質装置，吸気管に配置された改質燃料通路に設けられた改質燃料弁，及び前記副燃焼室に天然ガスを供給するため天然ガス供給通路に設けられた天然ガス弁を有し，
前記副燃焼室で前記天然ガスを燃焼させるため，前記副室制御弁は圧縮行程後半で開弁して前記主燃焼室から空気と改質燃料との希薄混合気を前記副燃焼室へ吹き込んで前記副燃焼室内の前記天然ガスを着火燃焼させ，前記副燃焼室から噴き出す燃焼火炎によって前記主燃焼室に存在する前記改質燃料を燃焼させることから成るガスエンジンに関する。
【００１４】
このガスエンジンは，前記副室制御弁に対向する前記副燃焼室の上部にはグロープラグが配設されている。
【００１５】
また，このガスエンジンにおいて，前記燃料改質装置は，筒状のハウジングに回転可能に支持され且つ内部が隔壁プレートによって回転方向に複数の区画室に分割されている筒状の回転容器，及び前記排気管から前記排気ガス，前記水蒸気管から水蒸気及び前記天然ガス管から前記天然ガスを前記回転容器に順次に供給するための燃料改質制御弁を有し，前記回転容器の前記区画室には吸着材と触媒を担持した金属多孔質体がそれぞれ収容され，前記ハウジングの入口側開口と出口側開口には排気管，水蒸気管及び天然ガス管がそれぞれ接続されており，前記天然ガス弁は前記副燃焼室へ前記天然ガスを供給するため吸気行程後半から圧縮行程の前半において前記副室制御弁の閉弁状態である時期に開放し，前記改質燃料弁は前記主燃焼室へ前記改質燃料を供給するため吸気行程において開放し，前記副室制御弁は圧縮行程後半で開弁して排気行程後半で閉弁するように設定されている。【００１６】
前記副燃焼室及び前記副室制御弁の燃焼ガスに接触する部分には，耐食性のジルコニア等のセラミックスによってコーティングされている。
【００１７】
前記燃料改質装置は，前記排気ガスの熱エネルギーを回収する熱交換器，前記排気ガス中のＣＯ2 を吸着する吸着装置，及び前記天然ガスを前記改質燃料に改質する触媒装置を備えている。
【００１８】
この燃料改質装置を備えたガスエンジンは，上記のように構成されており，改質燃料は性状が必ずしも決まっておらず，着火温度が変化すると共に主燃焼室内の混合気が自着火しないように希薄混合気にされているので，主燃焼室と副燃焼室とを連通する連絡口に制御弁を置き，副燃焼室に天然ガス燃料を充満させ，主燃焼室には極めて希薄な改質燃料を供給し，圧縮行程後半で制御弁を開き高温の圧縮ガスを副燃焼室に送り込むと濃混合気が副燃焼室の奥部のグロープラグに接触して着火し，燃焼の核ができ，着実に着火が進行する。また，副燃焼室での燃焼は，グロープラグの熱源によって着火が発生するように構成されたものであり，副燃焼室及び副室制御弁の燃焼ガスに触れる壁面には熱の授受が少ないようなジルコニア等のセラミックスがコーティングされている。この時，主燃焼室には燃焼の不安定な改質燃料と空気とを供給し，副燃焼室には着火等の性状が決まっている天然ガスを供給すれば，副燃焼室での着火条件がはっきりしているので，制御弁の開度を一定にでき，副燃焼室で着実に燃焼を行わせることができる。また，副燃焼室への燃料供給は，ガス圧力又はガスの圧送時間を変えると，その量を変えることができるので，副燃焼室での燃料供給量は逐次変化させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による燃料改質装置を備えたガスエンジンの実施例を説明する。この発明による燃料改質装置を備えたガスエンジンは，天然ガスを燃料とするものであり，天然ガス即ちその主成分であるＣＨ4 を，エンジンの排気ガスの熱エネルギを利用すると共に排気ガス中に含まれるＣＯ2 を利用して，ＣＯとＨ2 とから成る改質燃料に改質し，燃料の熱量を増加させ，エンジンの熱効率をアップさせるものであり，コージェネレーションシステム，自動車，船舶等のエンジンとして適用して好ましいものである。
【００２０】
このガスエンジンは，燃焼室を遮熱構造に構成し，天然ガスを燃料とするディーゼルサイクルで駆動されるものであり，主として，シリンダ４内を往復運動するピストン５側に設けた主燃焼室即ち主室１とシリンダヘッド１２に設けた副燃焼室即ち副室２を有し，主室１と副室２とを連通する連絡口２７に副室制御弁８を設け，主室１には吸気を供給する吸気管３３及び吸気マニホルド１６を通じて天然ガスを改質したＣＯとＨ2 から成る改質燃料と空気とを供給し，副室２には天然ガスを直接供給し，圧縮行程の終端で副室制御弁８を開弁し，主室１から副室２内に空気と改質燃料との混合気を吹き込み，副室２に供給されている天然ガスをグロープラグ１８の助けで着火燃焼させるものである。このガスエンジンは，排気管３０の直後には，排気管３０の熱エネルギを吸収する熱交換器から成る燃料改質装置１５が設けられており，燃料改質装置１５には，排気ガス中のＣＯ2 を吸収するゼオライト（沸石：zeolite)及び／又は活性炭素等の吸着装置と天然ガスを改質するＰｔ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｌ2 Ｏ3 等から成る触媒装置とが設けられている。
【００２１】
このガスエンジンは，図１に示すように，シリンダヘッド１２を中間ヘッド１３を介してシリンダブロック１１に固定し，シリンダヘッド１２に形成した孔部には遮熱構造の副室２を形成する副室構造体２１が配置されている。シリンダヘッド１２に固定した中間ヘッド１３に形成した孔部５０，即ち，シリンダヘッド１２のキャビティには，遮熱構造の主室１を形成する燃焼室部材１４が配置されている。このガスエンジンは，シリンダブロック１１に形成した孔部にシリンダライナ３４が嵌合され，シリンダライナ３４に形成したシリンダ４内をピストン５が往復運動するように構成されている。主室１と副室２とを連通する連絡口２７は，副室構造体２１に形成されている。
【００２２】
また，図２に示すように，燃焼室部材１４に形成された連絡口２７には，連絡口２７を開閉するため副室制御弁８が配置されている。副室構造体２１は，副室制御弁８が副室２を貫通して配置され，副室制御弁８のステムにはシールリング２４が配置され，副室２が密閉されている。副室制御弁８は，例えば，動弁機構２０によって開弁作動され，リターンスプリング２３によって閉弁するように構成されている。副室２には，上部に天然ガス通路２２に接続する天然ガス供給口２８が形成され，天然ガス供給口２８にはカムによって開閉駆動される天然ガス弁３が配置されている。従って，天然ガス供給口２８は，天然ガス弁３によって開閉されるように構成されている。更に，副室２の連絡口２７とは反対側の上部にはグロープラグ１８が配置されている。グロープラグ１８は，天然ガスの着火燃焼を補助する機能を果たし，副室２の上部即ち奥部に設けてあるので，副室２内に供給された天然ガスは着火燃焼によって副室２から残留することなく，主室１へと確実に噴き出される。
【００２３】
このガスエンジンは，シリンダヘッド１２に吸気ポート９と排気ポート１０が形成されている。燃焼室部材１４は，シリンダ４の一部を構成するライナ上部３５とヘッド下面部３６から構成されている。ヘッド下面部３６には，シリンダヘッド１２に形成された吸気ポート９と排気ポート１０に対応するポートが形成され，図示していないが，ポートに排気弁と吸気弁が配置されている。シリンダヘッド１２のキャビティと燃焼室部材１４の外面との間には，ガスケットを介在すると共に，遮熱空気層３１が形成され，主室１が遮熱構造に構成されている。また，シリンダヘッド１２のキャビティの壁面と副室構造体２１の外面との間には遮熱空気層３２が形成され，副室２が遮熱構造に構成されている。また，ピストン５は，耐熱性に優れた窒化ケイ素等のセラミックスから成るピストンヘッド６と，ピストンヘッド６に結合リングで固定したピストンスカート３７とから構成されている。ピストンヘッド６には，凹状のキャビティ７から成る主室１が形成されている。ピストンヘッド６とピストンスカート３７との間に遮熱空気層３８を形成し，主室１が遮熱構造に構成されている。
【００２４】
副室構造体２１は，シリンダヘッド１２のキャビティ，具体的には，シリンダヘッドの一部である中間ヘッド１３の孔部５０には，必要に応じてガスケット６２を介在して嵌合されている。副室構造体２１の下部は，燃焼室部材１４に形成された孔部３９に嵌合され，副室構造体２１に形成された連絡口２７は，主室１と副室２とを連通する。従って，燃焼室構造体は，副室２を構成する副室構造体２１と主室１を構成する燃焼室部材１４とから成り，副室構造体２１は燃焼室部材１４の中央に形成された孔部３９に嵌挿して配置され，燃焼室部材１４の中央には，副室構造体２１に形成された連絡口２７が主室１と副室２とを連通するように形成されている。従って，副室構造体２１に形成される副室２は，シリンダ軸線のほぼ中央に配置されている。また，シリンダヘッド１２にはガス燃料通路２２が形成され，副室構造体２１に形成された天然ガス供給口２８に連通している。
【００２５】
燃料としての天然ガスのガス燃料は，適宜の場所に設けられたタンク等の燃料供給源に収容されている。ガス燃料供給源の天然ガス燃料は，送油燃料ポンプの作動によって，例えば，５〜７ｋｇ／ｃｍ2 に加圧され，その加圧された天然ガス燃料は，燃料供給通路を通じてガス燃料通路２２に送り込まれる。ガス燃料通路２２の天然ガス燃料は，天然ガス弁が天然ガス供給口２８を開放することによって副室２へ供給される。
【００２６】
このガスエンジンでは，主室１を形成するピストンヘッド６，副室２を形成する副室構造体２１及びシリンダライナ３４は，例えば，耐熱性に優れた窒化ケイ素，炭化ケイ素，サイアロン等のセラミックスで作製されている。また，ピストンヘッド６及び副室構造体２１では高温になるため，連絡口２７に配置した副室制御弁８は高温強度を有する耐熱性に優れた耐熱金属，窒化ケイ素，炭化ケイ素等のセラミックスから製作されている。
【００２７】
このガスエンジンでは，燃料改質装置１５は，例えば，排気ポート９の直近の排気管３０に配置され，排気ガスが有する熱エネルギを利用できるように構成されている。吸気ポート１０へ連通する吸気マニホルド１６に改質燃料通路４０が接続され，改質燃料通路４０が吸気マニホルド１６に開口する改質燃料供給口２９には，電磁弁から成る改質燃料弁１７が配設されている。改質燃料弁１７は，コントローラ２５の指令によって開閉作動され，吸気弁のアクチュエータ２６と同期して開閉作動されるように構成されている。従って，燃料改質装置１５によって天然ガスが改質された改質燃料は，燃料改質装置１５から改質燃料通路４０を通じて改質燃料弁１７の開放によって吸気マニホルド１６を通じて主室１へ空気と共に供給されるように構成されている。即ち，燃料供給源に収容された天然ガスは，排気管３０に配置された燃料改質装置１５に送り込まれ，排気ガスの熱エネルギを受けてＨ2 とＣＯとの改質燃料に改質され，燃料ポンプによって燃料供給通路を通じて主室１に供給される。
【００２８】
このガスエンジンは，上記のように構成されており，次のように作動される。このガスエンジンは，図４に示すように，排気行程，吸入行程，圧縮行程及び膨張行程の４つの行程を順次繰り返すことによって作動される。このガスエンジンは，吸気弁が吸気ポート６を主室１に開放した吸気行程の初期から後半にわたって吸気管３３及び吸気マニホルド１６にそれぞれ開口する改質燃料供給口２９を改質燃料弁１７が開放し，改質燃料が改質燃料装置１５から吸気マニホルド１６中に吸気と共に主室１へ供給される。一方，吸気行程の後半から吸気弁が吸気ポート６を閉鎖した圧縮行程の前半にわたって，天然ガス通路２２を通じて天然ガス供給口２８を天然ガス弁３が開放し，天然ガスが副室２に供給される。主室１と副室２とに供給される燃料の割合は，例えば，副室２に供給される天然ガスの供給量は燃料流量の全量の５〜２０％程度であり，主室１に供給される改質燃料の供給量は燃料流量の全量の９５〜８０％程度であり，主室１で自己着火しない希薄な混合気である。
【００２９】
このガスエンジンは，圧縮行程の終端において，連絡口２７を副室制御弁８が開放し，圧縮されて高圧になっている改質燃料と空気との混合気が主室１から副室２へ流入し，図４で示す圧力線図に示すように，副室２内の天然ガスが高圧高温となってグロープラグ１８の助けによって副室２で着火燃焼し，一気に副室２内の圧力が上昇し，副室２から主室１へ燃焼火炎が連絡口２７を通って副室２内に天然ガスが残留することなく火炎となって全量が噴き出し，次いで，主室１の改質燃料と空気との混合気に燃焼が伝播して二次燃焼を短期に完結して熱効率をアップし，膨張行程に移行してピストン５を押し下げて仕事をする。副室制御弁８は，排気弁が排気ポート１０を開放して排気行程に移行し，排気行程の後半において連絡口２７を閉鎖する。次いで，排気弁が排気ポート１０を閉鎖し，吸気弁が吸気ポート９を開放して吸気行程に移行するものであり，これらの行程を繰り返してエンジンが駆動される。
【００３０】
次に，図５及び図６を参照して，燃料改質装置１５の一例を説明する。燃料改質装置１５は，主として，排気ガス，水蒸気，天然ガス，及び空気を順次圧送する制御弁装置，即ち，排気ガス弁６６，水蒸気弁６７，天然ガス燃料弁６８及び空気弁６５が設けられている。燃料改質装置１５は，一端面に複数の入口側開口５２と他端面に複数の出口側開口５３が形成された筒状のハウジング４１，ハウジング４１に回転可能に支持され且つ内部が隔壁プレート４９によって回転方向に複数の区画室５５に分割されている筒状の回転容器４２を有する。また，燃料改質装置１５は，ハウジング４１の入口側開口５２にシール部材５９を介して密封状態に，排気管３０，水蒸気管４５，天然ガスを導入する天然ガス管４６及び空気導入管６４がそれぞれ接続され，また，ハウジング４１の出口側開口５３にシール部材５９を介して密封状態に，排気管３０，水蒸気管４５，改質ガスを送り出す改質燃料管４０及び空気導入管６４がそれぞれ接続されている。また，出口側の空気導入管６４と改質燃料管４０とは接続され，吸気管３３に連通している。天然ガス管４６と改質燃料通路４０とは，長手方向に対応して位置決めされている。特に，回転容器４２の区画室５５には，金属多孔質体４３がそれぞれ収容され，天然ガスを改質する機能を有している。
【００３１】
回転容器４２は，ハウジング４１に軸受５６を介して回転自在に取り付けられた回転軸５４に固定されている。回転容器４２の一端面に形成された入口４７は，ハウジング４１の入口側開口５２に整合することができるように位置決めされている。また，回転容器４２の他端面に形成された出口４８は，ハウジング４１の出口側開口５３に整合することができるように位置決めされている。燃料管は，ハウジング４１の入口側開口５２に接続された天然ガスを導入する天然ガス管４６と，ハウジング４１の出口側開口５３に接続された改質燃料を送り出す改質燃料通路４０とから成り，天然ガス管４６と改質燃料通路４０とは回転容器４２の長手方向に対応して位置決めされている。また，回転容器４２は，ハウジング４１内に形成された真空層５８においてベース５７に軸受５６を介して回転可能に支持されている。また，回転容器４２は，コントローラ２５の指令で回転速度が制御されるモータ５１によって回転駆動される。
【００３２】
金属多孔質体４３は，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｆｅ等の金属材料から成る。金属多孔質体４３の表面には，アルミナがコーティングされ，アルミナの表面には，排気ガス中のＣＯ2 を捕捉するゼオライトの粉末がコーティングされている。更に，ゼオライト粉末の表面には，天然ガスをＨ2 とＣＯとの改質燃料に熱分解させる時の触媒となるＰｔ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｐｄ（パラジウム），Ａｌ2 Ｏ3 等の触媒層が配置されている。
【００３３】
コントローラ２５の指令で，回転容器４２には，回転容器４２の回転，停止，間欠的な回転，回転速度を可変に制御することができるモータ５１が取り付けられている。燃料改質装置１５は，回転容器４２の区画室５５に排気管３０を通じて排気ガスが導入され，排気ガス中のＣＯ2 が金属多孔質体４３の表面のゼオライトによって吸着され，次いで，排気ガスの熱エネルギで気化した水蒸気を区画室５５に水蒸気管４５を通じて導入することによって区画室５５から酸素を含む排気ガスが排出され，次いで，区画室５５に天然ガス管４６を通じて導入された天然ガスがゼオライト及び／又は活性炭素によって吸着されたＣＯ2 と，水蒸気の存在の下で，天然ガスをＣＯとＨ2 とに反応させて改質するものである。
【００３４】
回転容器４２は，例えば，円筒形等の筒体に形成されている。回転容器４２は，半径方向に延びる複数の隔壁プレート４９によって複数の空間６１となる区画室５５に仕切られており，それらの空間６１には耐熱金属から成る金属多孔質体４３が配置即ち充填されている。改質燃料装置１５は，ハウジング４１内で回転容器４２が回転すると，回転容器４２に形成された入口４７と出口４８とは，排気管３０，水蒸気管４５，天然ガス管４６，及び空気導入管６４が接続されているハウジング４１の入口側開口５２と出口側開口５３とに順次通過するようになる。コントローラ２５は，天然ガスを改質するのに回転容器４２の最適の作動状態にするため，モータ５１に作動指令を出して回転容器４２の回転作動を制御するものであり，回転容器４２の可変速度回転，停止，連続回転，或いは断続的回転の制御をすることができる。
【００３５】
このガスエンジンに適用された燃料改質装置１５は，上記のように構成されているので，回転容器４２の区画室５５に排気管３０を通じて排気ガスが導入され，排気ガス中のＣＯ2 が金属多孔質体４３の表面のゼオライト及び／又は活性炭素によって吸着され，次いで，排気ガスの熱エネルギで気化した水蒸気を区画室５５に送り込み，区画室５５に残留するＯ2 を水蒸気で除去し，そこで，天然ガスが区画室５５に送り込まれ，天然ガスのＣＨ4 がゼオライト及び／又は活性炭素に捕捉されているＣＯ2 の存在の下でＣＯとＨ2 との改質燃料に改質させると共に，ＣＨ4 とＨ2 ＯでＣＯとＨ2 との改質燃料に改質させ，それによって，全ての天然ガスをＣＯとＨ2 との改質燃料に反応させて改質し，空気導入管６４から区画室５５に空気を送り込んで，空気と共に改質燃料を吸気管３３，次いで吸気マニホルド１６を通じてエンジンに供給するものである。
【００３６】
このガスエンジンに適用できる燃料改質装置は，上記の構成に限らず，図７及び図８に示すように，簡易型の構造に構成することもできる。簡易型の燃料改質装置１５Ｓを示す図７及び図８では，図５及び図６に示す燃料改質装置１５の部材と同一のものには同一の符号を付している。簡易型の燃料改質装置１５Ｓは，ハウジング４１の入口側開口５２にシール部材５９を介して密封状態にそれぞれ接続された排気管３０，天然ガスを導入する天然ガス管４６，水蒸気管４５，及び空気導入管６４を接続し，また，出口側開口５３にシール部材５９を介して密封状態にそれぞれ接続された排気管３０，改質ガスを送り出す改質燃料通路４０，及び空気導入管６４を接続する。また，回転容器４２の区画室５５に排気ガス，天然ガス，水蒸気及び空気を順次圧送する制御弁装置，即ち，排気ガス弁６６，天然ガス燃料弁６８，水蒸気弁６７及び空気弁６５が設けられている。簡易型の燃料改質装置１５Ｓは，コントローラ２５の指令で，回転容器４２には，回転容器４２の回転，停止，間欠的な回転，回転速度を可変に制御することができるモータ５１が取り付けられている。
【００３７】
簡易型の燃料改質装置１５Ｓは，上記のように構成されているので，回転容器４２の区画室５５に排気管３０を通じて排気ガスが導入され，金属多孔質体４３の表面のゼオライト及び／又は活性炭素によって排気ガス中のＣＯ2 が吸着され，次いで，天然ガスを送り込み，排気ガス中のＯ2 とＣＨ4 とを反応させてＣＯとＨ2 とに転化させると共に，ＣＯ2 とＣＨ4 を反応させてＣＯとＨ2 Ｏとの改質燃料に改質させ，次いで，排気ガスの熱エネルギで気化した水蒸気を区画室５５に水蒸気管４５を通じて導入することによって反応の遅れたＣＨ4 を水蒸気即ちＨ2 Ｏによって改質させてＣＯとＨ2 との改質燃料に改質させ，それによって全ての天然ガスをＣＯとＨ2 との改質燃料に反応させて改質し，空気導入管６４から区画室５５に空気を送り込んで，改質燃料を空気と共に吸気管３３，次いで吸気マニホルド１６を通じてエンジンに供給するものである。
【００３８】
【発明の効果】
この発明による燃料改質装置を持つガスエンジンは，上記のように，主燃焼室と副燃焼室とを連通する連絡口を副室制御弁で遮断している状態で，主燃焼室に天然ガスの改質燃料と空気を供給し，副燃焼室に天然ガスを供給するので，副燃焼室において性状の一定している天然ガスを所定の温度で確実に着火燃焼させることができ，次いで，副燃焼室から噴き出す燃焼火炎によって主燃焼室に存在する改質燃料と空気との混合気へと燃焼伝播させ，二次燃焼の燃焼期間を短縮して熱効率を向上させることができる。また，天然ガスは，排気ガスが有する熱エネルギと排気ガス中のＣＯ2 とを利用して改質燃料装置によって有効にＣＯとＨ2 との改質燃料に改質され，エンジンの熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明による天然ガス改質装置を持つガスエンジンの一実施例を示す断面図である。
【図２】  図１のガスエンジンにおける副室を示す拡大断面図である。
【図３】  このガスエンジンにおける燃料供給系を示す概略説明図である。
【図４】  このガスエンジンのバルブタイミングを示す線図である。
【図５】  このガスエンジンに設けられた燃料改質装置の一例を示し，図６のＢ−Ｂ断面における断面図である。
【図６】  図５の燃料改質装置を示し，図５のＡ−Ａ断面における断面図である。
【図７】  このガスエンジンに設けられた燃料改質装置の別の例を示し，図８のＤ−Ｄ断面における断面図である。
【図８】  図５の燃料改質装置を示し，図７のＣ−Ｃ断面における断面図である。
【符号の説明】
１    主室
２    副室
３    天然ガス弁
４    シリンダ
５    ピストン
８    副室制御弁
１１  シリンダブロック
１２  シリンダヘッド
１４  燃焼室部材
１５  燃料改質装置
１６  吸気マニホルド
１７  改質燃料弁
１８  グロープラグ
２２  天然ガス通路
２７  連絡口
３０  排気管
３３  吸気管
４０  改質燃料通路
４１  ハウジング
４２  回転容器
４３  金属多孔質体
４５  水蒸気管
４６  天然ガス管
４９  隔壁プレート
５２  入口側開口
５３  出口側開口
５５  区画室
６０  改質燃料管
６３  ジルコニア
６４  空気導入管
６５  空気弁
６６  排気ガス弁
６７  水蒸気弁
６８  天然ガス燃料弁
【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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