JP2004315318A

JP2004315318A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2004315318A
Application number: JP2003113527A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Ito; 隆晟伊藤; Kazuhiro Wakao; 和弘若尾; Kazuhiro Sakurai; 計宏桜井; Hiroki Ichinose; 宏樹一瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】改質触媒に対する液化燃料の流入を確実に防止可能であると共に、改質効率を向上させることができ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ための改質器２０は、混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応部２３と、改質反応部２３に導入される前に液化した燃料を回収するための燃料捕捉室２８および気液分離フィン２９等を備える。燃料捕捉室２８は、中途に開閉弁１８を有する接続管Ｌ３を介して、改質反応部２３に対して空気を供給するためのバイパス管Ｌ２と接続され、燃料捕捉室２８内に回収された燃料は、接続管Ｌ３からバイパス管Ｌ２内に再供給される。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、車両用エンジンの燃焼室に供給すべき改質ガスを得るための燃料改質装置として、炭化水素系燃料と空気との混合気を改質触媒にて部分酸化反応させてＣＯおよびＨ_２を含む改質ガスを生成するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。かかる従来の燃料改質装置では、その始動時に、燃料が燃料タンクから燃料気化器に送られ、燃料気化器で気化させられた燃料が改質触媒に対して供給される。また、かかる従来の燃料改質装置では、改質触媒の温度が所定温度を上回るようになると、改質触媒の熱を利用して気化させた燃料が改質触媒に対して供給される。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−１７９１２１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の燃料改質装置では、特に改質触媒の温度が十分に高まっていない場合、燃料が改質触媒に達するまでの間に液化し、液状の燃料が改質触媒に流れ込んでしまうこともあり得る。このように、燃料が改質触媒に導入される前に液化してしまう場合、均一に混ざり合った燃料と空気との混合気を改質触媒に対して安定に供給し得なくなってしまうので、所望の改質効率、すなわち、理論値に近い量の改質ガスを得ることができなくなる。また、液状の燃料が改質触媒に流入した場合、改質装置からの未改質燃料（未改質ＨＣ）の送出量が増加してしまうので、エンジン排気中の未改質ＨＣ等をゼロに近づけることが困難となる。
【０００５】
そこで、本発明は、改質触媒に対する液化燃料の流入を確実に防止可能であると共に、改質効率を向上させることができる燃料改質装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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、混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応部と、改質反応部に導入される前に液化した燃料を回収するための液化燃料回収手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この燃料改質装置では、例えば改質触媒の温度が十分に高まっていないような場合に燃料が改質反応部に導入される前に液化してしまったとしても、改質反応部に対する液化した燃料の流入が液化燃料回収手段により防止される。従って、この燃料改質装置では、改質反応部に、均一に混ざり合った燃料と空気との混合気を安定的に供給できるので、所望の改質効率、すなわち、理論値に近い量の改質ガスを得ることが可能となる。また、この燃料改質装置では、液化した燃料の改質反応部に対する流入が確実に防止されるので、燃料改質装置からの未改質燃料（未改質ＨＣ）の送出量を極めて少なくすることが可能となる。
【０００８】
この場合、改質反応部に対して空気を供給するための空気供給路と、液化燃料回収手段と空気供給路とを接続する接続路とを更に備えると好ましい。
【０００９】
このような構成を採用すれば、液化燃料回収手段によって回収された燃料を空気供給路内の空気に混合させて改質反応部に再供給することが可能となる。
【００１０】
更に、液化燃料回収手段は、改質反応部で発生した熱を利用して、回収した燃料を気化させ得ると好ましい。このような構成を採用すれば、回収された燃料を空気に均一に混合させて改質反応部に再供給することが可能となる。
【００１１】
また、液化燃料回収手段は、液化した燃料を吸着可能な吸着材を更に含んでいてもよい。このような構成を採用すれば、液化した燃料がそのまま空気に再度混合させられることを確実に抑制することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による燃料改質装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明による燃料改質装置を備えた車両Ｃを示す概略構成図である。同図に示される車両Ｃは、走行用駆動源として、エンジン（内燃機関）１を有している。エンジン１は、エンジンブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃焼成分を含む混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、本実施形態において、エンジン１は、図２からわかるように４気筒エンジンとして構成されている（ただし、図１には、１気筒のみが示される）。
【００１４】
各燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールド５を構成する吸気管５ａにそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールド６を構成する排気管６ａにそれぞれ接続されている。また、エンジン１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが各燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、エンジン１のシリンダヘッドには、複数の点火プラグ７が各燃焼室３内に臨むように配設されている。また、排気マニホールド６は、図示されない触媒装置（三元触媒）に接続されている。
【００１５】
図１および図２からわかるように、吸気マニホールド５を構成する各吸気管５ａは、サージタンク８に接続されており、吸気マニホールド５（各吸気管５ａ）とサージタンク８とは、エンジン１の吸気系統を構成する。また、サージタンク８には、給気管Ｌ１が接続されており、給気管Ｌ１は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気管Ｌ１の中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子スロットル）１０が組み込まれている。
【００１６】
更に、給気管Ｌ１には、エアクリーナ９とスロットルバルブ１０との間に位置するようにエアフローメータＡＦＭが設置されている。そして、給気管Ｌ１からは、スロットルバルブ１０とエアフローメータＡＦＭとの間に定められた分岐部ＢＰにおいてバイパス管（空気供給路）Ｌ２が分岐されている。バイパス管Ｌ２は、その中途に分岐部ＢＰ側から順番にエアポンプ１１と開閉弁１２とを有し、その先端（分岐部ＢＰ側の端部と反対側の端部）は、本発明による改質器（燃料改質装置）２０に接続されている。なお、開閉弁１２としては、電磁弁またはモータ弁等が採用される。
【００１７】
改質器２０は、図２に示されるように、両端が閉鎖された筒状の本体２１を有する。この本体２１の一端側（図２における右端側）の領域は、混合室２２として定められており、混合室２２には、上述のバイパス管Ｌ２からの空気と、燃料噴射弁１５によって噴射される燃料との混合気が導入される。また、改質器２０の本体２１の内部には、混合室２２に隣接するように改質反応部２３が画成されており、改質反応部２３には、例えばジルコニアにロジウムを担持させた改質触媒が配置されている。更に、改質器２０の本体２１の内部には、改質ガス分配室（改質ガス供給部）２４が画成されている。改質ガス分配室２４は、改質反応部２３を挟んで混合室２２の反対側、すなわち、改質反応部２３の下流側に位置する。
【００１８】
そして、改質器２０の本体２１には、図１および図２に示されるように、エンジン１の燃焼室３の数（本実施形態では、４室）に応じた本数の管路２５の一端が改質ガス分配室２４と連通するように接続されている。各管路２５の他端は、図１および図２からわかるように、対応する１本の吸気管５ａに接続されている。これにより、エンジン１の各燃焼室３の吸気ポートは、吸気管５ａおよび管路２５を介して改質ガス分配室２４の内部と連通可能となる。
【００１９】
改質器２０に対して燃料を供給するための燃料噴射弁１５は、図示されない燃料ポンプを介して燃料タンクに接続されており、ガソリン等の炭化水素系燃料を噴射可能なものである。図３に示されるように、燃料噴射弁１５は、改質器２０の本体２１に接続された弁収容部２６の内部に収容されている。そして、弁収容部２６には、当該弁収容部２６内の燃料噴射弁１５の燃料噴射孔１５ａ近傍に空気が吹き込まれるように、エアポンプ１１および開閉弁１２を含むバイパス管Ｌ２の先端が接続されている。すなわち、バイパス管Ｌ２は、燃料噴射弁１５（燃料噴射孔１５ａ）に対して側方から空気を吹き付けるように弁収容部２６に接続されている。
【００２０】
また、燃料噴射弁１５の先端には、ノズル部材１６が接続されている。ノズル部材１６は、その径方向に放射状に形成された複数の空気噴孔１６ａと、その軸方向に延びるように形成されて各空気噴孔１６ａと連通するノズル混合室１６ｂとを有する。ノズル部材１６のノズル混合室１６ｂは、図３に示されるように、改質器２０の混合室２２の内部と連通している。そして、弁収容部２６と燃料噴射弁１５およびノズル部材１６との間には、燃料や空気の外部への漏洩を防止するためにＯリング１７ａ，１７ｂが介設されている。
【００２１】
一方、改質器２０の本体２１には、混合室２２の周囲を覆うように、スリーブ２７が固定されている。スリーブ２７は、一端側から他端側に向けて（弁収容部２６から改質反応部２３に向けて）徐々に外径が増加するように形成されており、その内部の一箇所に液体が溜まり易くなるように構成されている。このスリーブ２７の内壁面と本体２１の外周面との間には、混合室２２の外周に位置するように燃料捕捉室２８が画成され、混合室２２と燃料捕捉室２８とは、本体２１に形成された複数の孔２１ａを介して互いに連通する。また、本体２１の孔２１ａの周辺には、気液分離フィン２９が固定されている。気液分離フィン２９は、孔２１ａの周辺の液体を孔２１ａ内へと案内することができるように形成・配置されている。
【００２２】
更に、スリーブ２７の最も外径が大きい部位の周辺には、中途に開閉弁１８を有する接続管（接続路）Ｌ３の一端が接続されている。接続管Ｌ３の他端は、開閉弁１２の下流側においてバイパス管Ｌ２に接続されており、この接続管Ｌ３を介して、燃料捕捉室２８とバイパス管Ｌ２とは互いに連通可能となる。図３に示されるように、バイパス管Ｌ２の内部には、長手方向中央部に最も内径が小さい最狭部（のど部）を有するベンチュリー管１９が固定されており、接続管Ｌ３は、ベンチュリー管１９の長手方向中央部を貫通し、その先端をベンチュリー管１９の最狭部付近からバイパス管Ｌ２内へと覗かせている。なお、開閉弁１８としても、電磁弁またはモータ弁等が採用される。
【００２３】
さて、車両Ｃのエンジン１は、図１に示されるように、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）３０を備える。ＥＣＵ３０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ＥＣＵ３０には、上述の点火プラグ（イグナイタ）７、図示されない動弁機構、スロットルバルブ１０、エアポンプ１１、バイパス管Ｌ２の開閉弁１２、燃料噴射弁１５、接続管Ｌ３の開閉弁１８およびエアフローメータＡＦＭ等が接続されており、ＥＣＵ３０は、エンジン１の運転状態を検出する各種センサの検出値や、各種制御プログラム、マップ等に従ってこれらの機器類を制御する。
【００２４】
上述のように構成される車両Ｃを作動させる場合、ＥＣＵ３０は、燃料噴射弁１５を作動させて改質器２０に対する燃料噴射を開始させ、これと同時に、開閉弁１２を開放させると共にエアポンプ１１を作動させて、改質器２０に対するバイパス管Ｌ２からの空気供給を開始させる。これにより、エアポンプ１１は、バイパス管Ｌ２を介して給気管Ｌ１から空気を吸い込んで吐出する。エアポンプ１１から吐出された空気は、バイパス管Ｌ２から弁収容部２６内の燃料噴射弁１５の燃料噴射孔１５ａ近傍に送り込まれ、ノズル部材１６の各空気噴孔１６ａを介してノズル混合室１６ｂに達する。そして、バイパス管Ｌ２からの空気は、ノズル部材１６のノズル混合室１６ｂにて、燃料噴射孔１５ａから噴射される炭化水素系燃料と混ざり合い、改質器２０の混合室２２に流れ込む。
【００２５】
ノズル部材１６から混合室２２内に供給された燃料と空気との混合気は、図３において白抜矢印で示されるように改質反応部２３へと向かう。ここで、改質反応部２３の改質触媒の温度が十分に高まっていないような場合、燃料噴射孔１５ａから噴射された後、ノズル混合室１６ｂで気化して空気と混ざり合った燃料が、改質反応部２３に達するまでの間に液化してしまい、液化した燃料が混合室２２（本体２１）の内壁面に付着してしまうこともあり得る。
【００２６】
この点に鑑みて、改質器２０では、上述のように、混合室２２の外周に、複数の孔２１ａを介して混合室２２と連通する燃料捕捉室２８が画成されており、かつ、孔２１ａの周辺には気液分離フィン２９が配置されており、これら燃料捕捉室２８や気液分離フィン２９は、液化燃料回収手段として機能する。すなわち、本発明による改質器２０では、燃料がノズル部材１６から混合室２２に流れ込んだ後、改質反応部２３に達する前に液化しても、混合室２２の内壁面に達した液状の燃料は、気液分離フィン２９により混合気から分離されて孔２１ａへと案内され、燃料捕捉室２８へと流れ込むことになる。
【００２７】
この結果、改質器２０では、改質反応部２３に対する液化した燃料の流入を確実に防止することが可能となる。従って、改質器２０によれば、改質反応部２３に均一に混ざり合った燃料と空気との混合気を安定的に供給できるので、所望の改質効率、すなわち、理論値に近い量の改質ガスを得ることが可能となる。また、改質器２０では、液化した燃料の改質反応部２３に対する流入が確実に防止されるので、改質器２０からの未改質燃料（未改質ＨＣ）の送出量を極めて少なくすることも可能となる。これにより、エンジン１の排気中の未改質ＨＣ等をゼロに近づけることができる。
【００２８】
上述のようにして液化した燃料が分離・回収され、気化した燃料と空気とが均一に混ざり合っている混合室２２内の混合気は、改質反応部２３へと流れ込む。改質反応部２３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、次の（１）式にて表わされる部分酸化反応が進行する。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋（ｍ／２）Ｏ_２ → ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ_２ …（１）
そして、上記（１）式の反応が進行することにより、燃焼成分であるＣＯおよびＨ_２を含む改質ガスが生成され、得られた改質ガスは、改質ガス分配室２４から、管路２５を介して、各吸気管５ａの内部に供給される。
【００２９】
また、サージタンク８内には、ＥＣＵ３０によって開度調整される給気管Ｌ１のスロットルバルブ１０を介して空気が導入され、サージタンク８内の空気は、各吸気管５ａ内に分配される。従って、改質ガス分配室２４から各吸気管５ａ内に導入された改質ガスは、吸気管５ａ内で空気と混ざり合った後、各燃焼室３内に吸入される。なお、本実施形態では、改質器２０への空気がエアフローメータＡＦＭの下流側で給気管Ｌ１から取り出され、エアフローメータＡＦＭの指示値がエンジン１の総吸入空気量を示すことから、各燃焼室３における空燃比制御は良好に実行され得る。
【００３０】
そして、各燃料室３に改質ガスと空気との混合気が供給され、所定のタイミングで各点火プラグ７が点火されると、各燃焼室３内で燃焼成分であるＣＯおよびＨ_２が燃焼してピストン４を往復移動させる。これにより、エンジン１が作動し、トルクコンバータ、変速機、デファレンシャル機構等を含むトランスアクスルＴを介して車輪Ｗを回転駆動することになる。
【００３１】
また、ＥＣＵ３０は、改質器２０に対する混合気の供給が開始され、改質反応部２３にて改質反応が開始された段階で、接続管Ｌ３の開閉弁１８を開放させ、燃料捕捉室２８とバイパス管Ｌ２とを連通させる。この際、バイパス管Ｌ２内のベンチュリー管１９によって接続管Ｌ３のバイパス管Ｌ２側の端部近傍に負圧が生じさせられることから、燃料捕捉室２８の内部（下部）に溜まった液状の燃料および燃料捕捉室２８内で気化した燃料は、接続管Ｌ３を介してバイパス管Ｌ２へと吸引される。
【００３２】
これにより、燃料捕捉室２８内の液化した燃料およびそこで気化した燃料は、ベンチュリー管１９の作用により、接続管Ｌ３の端部からバイパス管Ｌ２内に噴出され、バイパス管Ｌ２内を流通する空気に均一に混合させられる。この結果、改質器２０では、燃料捕捉室２８内に回収された燃料をバイパス管Ｌ２内の空気に均一に混合させて混合室２２から改質反応部２３へと再供給することが可能となる。なお、本実施形態において、ＥＣＵ３０は、改質器２０に対する混合気の供給が停止され、改質反応部２３における改質反応が停止された段階で、接続管Ｌ３の開閉弁１８を閉鎖させ、接続管Ｌ３を介した燃料捕捉室２８内の燃料の改質反応部２３に対する再供給を停止させる。
【００３３】
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拡大断面図である。図４に示される改質器２０Ａでは、本体２１と共に燃料捕捉室２８を画成するスリーブ２７Ａが、混合室２２の外周だけではなく、改質反応部２３の外周をも覆うように、その長手方向に延長されている。これにより、改質器２０Ａでは、燃料捕捉室２８が混合室２２および改質反応部２３の周囲に画成される。この場合、スリーブ２７Ａは、その両端から中央部に向けて徐々に外径が増加するように形成されており、その長手方向中央部付近に液体が溜まり易くなるように構成されている。そして、接続管Ｌ３は、スリーブ２７Ａの最も外径が大きい中央部付近に接続されている。
【００３４】
このように構成される改質器２０Ａでは、燃料捕捉室２８が改質反応部２３の外周にも形成されることから、改質反応に伴って改質反応部２３で発生した熱が本体２１を介して燃料捕捉室２８内に良好に伝えられる。従って、改質器２０Ａによれば、改質反応部２３で発生した熱を利用して燃料捕捉室２８内に滞留している液状の燃料を気化させることが可能となる。
【００３５】
そして、燃料捕捉室２８の内部で気化した燃料は、ベンチュリー管１９の作用により、接続管Ｌ３の端部からバイパス管Ｌ２内の空気に対して噴出され、バイパス管Ｌ２を流通する空気と均一に混ざり合う。この結果、改質器２０Ａによれば、燃料捕捉室２８内に回収された燃料をバイパス管Ｌ２内の空気に極めて良好かつ均一に混合させた上で、混合室２２から改質反応部２３へと再供給することが可能となる。なお、図４の改質器２０Ａでは、接続管Ｌ３の開閉弁１８が省略されてもよい。
【００３６】
図５は、本発明による燃料改質装置の更に他の実施形態を示す拡大断面図である。図５に示される改質器２０Ｂは、基本的には、図３等に示された改質器２０と同様の構成を有するが、改質器２０Ｂの燃料捕捉室２８の内部には、ゼオライトや活性炭といった炭化水素（燃料）を吸着可能な吸着材４０が配置されている。本実施形態では、吸着材４０は、接続管Ｌ３の端部に連なるように、スリーブ２７の最も外径の大きい部位付近に配置されている。
【００３７】
このように構成された改質器２０Ｂでは、気液分離フィン２９等により燃料捕捉室２８内に回収された液状の燃料が吸着材４０によって吸着されるので、液化した燃料の捕捉効率を向上させることが可能となる。また、吸着材４０によって吸着された燃料（炭化水素）は、吸着材４０の周囲温度が所定温度以上になった段階で気化して吸着材４０から脱離することになる。従って、改質器２０Ｂでは、燃料捕捉室２８内に回収された燃料が液状のままで接続管Ｌ３からバイパス管Ｌ２へと流入してしまうことを確実に防止することができる。この結果、改質器２０Ｂによっても、燃料捕捉室２８内に回収された燃料をバイパス管Ｌ２内の空気に極めて良好かつ均一に混合させた上で、混合室２２から改質反応部２３へと再供給することが可能となる。
【００３８】
更に、改質器２０Ｂでは、エアポンプ１１および燃料噴射弁１５の動作が停止させられ、改質器２０Ｂに対する混合気の供給が停止された際に、混合室２２内に残存している炭化水素が燃料捕捉室２８内の吸着材４０によって吸着されることになる。従って、改質器２０Ｂでは、改質反応部２３に対する混合気の供給が停止された後、改質反応部２３における改質反応を速やかに停止させることが可能となる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、改質触媒に対する液化燃料の流入を確実に防止可能であると共に、改質効率を向上させることができる燃料改質装置の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料改質装置を説明するための概略構成図である。
【図２】本発明による燃料改質装置を説明するための概略構成図である。
【図３】本発明による燃料改質装置を示す拡大断面図である。
【図４】本発明による燃料改質装置の他の実施形態を示す拡大断面図である。
【図５】本発明による燃料改質装置の更に他の実施形態を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１エンジン
３燃焼室
１１エアポンプ
１２，１８開閉弁
１５燃料噴射弁
１９ベンチュリー管
２０，２０Ａ，２０Ｂ改質器
２１本体
２２混合室
２３改質反応部
２４改質ガス分配室
２６弁収容部
２７，２７Ａスリーブ
２８燃料捕捉室
２９気液分離フィン
３０ＥＣＵ
４０吸着材
Ｃ車両
Ｌ１給気管
Ｌ２バイパス管
Ｌ３接続管

Claims

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、
前記混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応部と、
前記改質反応部に導入される前に液化した燃料を回収するための液化燃料回収手段とを備えることを特徴とする燃料改質装置。
前記改質反応部に対して空気を供給するための空気供給路と、前記液化燃料回収手段と前記空気供給路とを接続する接続路とを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
前記液化燃料回収手段は、前記改質反応部で発生した熱を利用して、回収した燃料を気化させ得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。
前記液化燃料回収手段は、液化した燃料を吸着可能な吸着材を更に含んでいることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料改質装置。