JP2006306687A - 燃料改質器 - Google Patents

Abstract

【課題】電力の使いすぎに伴う燃費悪化を回避しつつ改質に必要となる充分なエネルギーを確保し得、燃料の改質をより効率良く行うことができ、ＮＯx吸蔵還元触媒の還元や燃料電池等の分野に対し極めて有効に活用し得る燃料改質器を提供する。
【解決手段】接地電極となる導電管１２と、該導電管１２内に燃料と空気の混合ガス１３を導く混合ガス流路１４と、前記導電管１２との間に高電圧を印加することでプラズマを発生させ前記混合ガス流路１４から導電管１２内へ導かれる燃料を改質するための高電圧電極１５とを備えてなる燃料改質器７であって、前記導電管１２の内面を誘電体１９で覆うと共に、該誘電体１９の内面を導電体２０で覆うことにより、前記高電圧電極１５と導電管１２との間でバリア放電よりも強く且つアーク放電よりも弱い放電を行うよう構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯx吸蔵還元触媒の還元や燃料電池に使用される水素等を生成するための燃料改質器に関するものである。

従来より、排気管の途中に装備された排気浄化用触媒により排気浄化を図ることが行われており、この種の排気浄化用触媒としては、排気空燃比がリーンの時に排出ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排出ガス中のＯ₂濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒が知られている。

前記ＮＯx吸蔵還元触媒としては、白金・バリウム・アルミナ触媒や、白金・カリウム・アルミナ触媒等が前述の如き性質を有するものとして既に知られている。

そして、ＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排出ガスのＯ₂濃度を低下させてＮＯxを分解放出させる必要がある。

例えば、ガソリン機関に使用した場合であれば、機関の運転空燃比を低下（機関をリッチ空燃比で運転）させることにより、排出ガス中のＯ₂濃度を低下させ且つ排出ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加させてＮＯxの分解放出を促すことができるが、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼル機関の排気浄化装置として使用した場合には機関をリッチ空燃比で運転することが困難である。

このため、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で排出ガス中に軽油等の燃料（ＨＣ）を添加することにより、この添加燃料を還元剤としてＮＯx吸蔵還元触媒上でＯ₂と反応させることで排出ガス中のＯ₂濃度を低下させる必要がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５６１２７号公報

しかしながら、このようにＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で燃料添加を行う方式では、その添加燃料が蒸発して生じたＨＣの一部がＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で排出ガス中のＯ₂と反応（燃焼）し、ＮＯx吸蔵還元触媒の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度がほぼ零となってからＮＯxの分解放出が開始されることになるため、ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度（約２２０〜２５０［℃］）が得られない運転条件下（例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等）では、ＮＯx吸蔵還元触媒からＮＯxを効率良く分解放出させることができず、ＮＯx吸蔵還元触媒の再生が効率良く進まないことで触媒の容積中に占めるＮＯx吸蔵サイトの回復割合が小さくなって吸蔵能力が落ちるという問題があった。

このため、最近、前述のような問題を解消すべく、エンジンの排気流路における燃料の添加位置とＮＯx吸蔵還元触媒との間に、燃料をＨ₂とＣＯに分解するクラッキング触媒を設けることが提案されている。

この場合、還元剤として添加した燃料が前段のクラッキング触媒にてＨ₂とＣＯに分解されるので、後段のＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯが従来のＨＣの燃焼温度より低い燃焼温度から排出ガス中のＯ₂と反応（燃焼）し、これによりＮＯx吸蔵還元触媒の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯによりＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理される結果、燃料から生成されたＨＣをそのままＮＯx吸蔵還元触媒上で反応させる場合よりも比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率が得られることになる。

しかしながら、エンジンの排気流路における燃料の添加位置とＮＯx吸蔵還元触媒との間にクラッキング触媒を設けたとしても、排気温度がおよそ２００［℃］前後まで高くならないと、クラッキング触媒によって軽油等の燃料をＨ₂とＣＯに分解することが困難となるため、クラッキング触媒を用いた場合より更に低い温度で、燃料をＨ₂とＣＯ等に分解可能な装置の開発が望まれていた。

そこで、本発明者は、図３〜図６に示されるような燃料改質器を開発している。

先ず、図３は本発明者が既に開発している燃料改質器を搭載したディーゼルエンジンの一例を示すものであって、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排出ガス３が流通する排気管４の途中に、フロースルー方式のハニカム構造を有するＮＯx吸蔵還元触媒５をケーシング６に抱持させて装備すると共に、該ケーシング６より上流側の排気管４に、燃料改質器７が接続された噴射ノズル８を貫通設置し、燃料改質器７で改質されたＨ₂やＣＯ等を噴射ノズル８からケーシング６の入側に添加し得るようにしたものである。

尚、図３中、９はターボチャージャ、１０は吸気管、１１はインタークーラである。

前記燃料改質器７は、例えば、図４に示す如く、接地電極となる導電管１２と、該導電管１２内に軽油等の燃料と空気の混合ガス１３を導く混合ガス流路１４と、前記接地電極としての導電管１２との間に高電圧を印加することでプラズマを発生させ前記混合ガス流路１４から導電管１２内へ導かれる燃料を改質するための高電圧電極１５とを備えてなる構成を有している。

図４に示す燃料改質器７の構造をより詳細に説明すると、円板状の支持部材１６に対し、その軸心部を貫通するよう高電圧電極１５を電極支持絶縁体１７を介して配置すると共に、前記支持部材１６の一方の端面に対し接地電極となる導電管１２を導電管支持絶縁体１８を介して配置し、前記支持部材１６と導電管支持絶縁体１８とを貫通して導電管１２の内部空間１２ａへ通じるように混合ガス流路１４を形成してある。

そして、前記電極支持絶縁体１７は、支持部材１６の軸心部に貫通配置される円柱状部１７ａと、該円柱状部１７ａの先端側に一体に形成され且つ導電管１２の内部空間１２ａ側へ向け先細りとなる円錐台部１７ｂとを有し、前記円柱状部１７ａと円錐台部１７ｂの軸心部に対し高電圧電極１５を、その先端部が円錐台部１７ｂから所要量だけ突出するよう貫通配置すると共に、該高電圧電極１５の先端部に、混合ガス１３をプラズマ発生部分へ導くための円盤状の突起部１５ａを形成するようにしてある。

又、前記混合ガス流路１４は、燃料改質器７の外部から支持部材１６を貫通するように延びる管状部１４ａと、該管状部１４ａに接続されるよう導電管支持絶縁体１８の支持部材１６との接触面側に凹設され且つ誘電体１９と同芯状に配置される円形の凹溝部１４ｂと、該凹溝部１４ｂと同芯状に連なるよう導電管支持絶縁体１８の軸心部に沿って穿設され且つ導電管１２の内部空間１２ａへ向け先細りとなる円錐台状貫通孔部１４ｃとを備えており、前記導電管支持絶縁体１８には、円錐台状貫通孔部１４ｃの先端とつながるようその内径が漸次拡張される湾曲面部１８ａを形成してある。尚、前記混合ガス流路１４の管状部１４ａは、図５に示す如く、円形の凹溝部１４ｂの接線方向に接続され、管状部１４ａから供給される混合ガス１３が凹溝部１４ｂで旋回流となって円錐台状貫通孔部１４ｃから一様に導電管１２の内部空間１２ａ全体へ噴射されるようにしてある。

更に、前記導電管１２の内面は、前記導電管支持絶縁体１８の湾曲面部１８ａの先端部に接続される部分を、その内径が漸次拡張される湾曲面１２ｂとし、それより下流側の部分については一定の内径の流路が形成されるようにしてあるが、前記湾曲面１２ｂから一定の内径の流路が形成される部分までの所要範囲に亘る内面を、その部分に埋め込むように設けた誘電体１９で覆い、前記湾曲面部１８ａに対し前記導電管１２の内面を覆う誘電体１９の内面を滑らかに連続させるよう構成してある。

尚、前記導電管１２の先端側にはフランジ部１２ｃを形成してあり、該導電管１２のフランジ部１２ｃを、図示していない絶縁体を介して前記噴射ノズル８の基端側に形成されたフランジ部８ａ（図３参照）に接続するようにしてある。因みに、前記導電管１２のフランジ部１２ｃと噴射ノズル８の基端側に形成されたフランジ部８ａとの間には、絶縁体を特に介在させなくても良い。

図４に示す燃料改質器７においては、高電圧電極１５と、誘電体１９で覆われた接地電極となる導電管１２との間に高電圧（交流高電圧、交流パルス高電圧、又は直流パルス高電圧等）を印加すると、バリア放電により低温プラズマが発生し、支持部材１６を貫通する管状の混合ガス流路１４から導電管支持絶縁体１８の凹溝部１４ｂと円錐台状貫通孔部１４ｃを通って導電管１２の内部空間１２ａへ導かれる軽油等の燃料と空気の混合ガス１３が効率良く改質され、Ｈ₂やＣＯ等が生成される。しかも、前記混合ガス１３は円盤状の突起部１５ａに沿ってバリア放電によるプラズマ発生部分へ確実に導かれる形となるため、より効率良く燃料の改質を行うことが可能となる。

このため、図４に示す燃料改質器７を、図３に示すディーゼルエンジン１の排気管４におけるＮＯx吸蔵還元触媒５の上流側に配置して、改質されたＨ₂やＣＯ等を噴射ノズル８から供給すると、クラッキング触媒を用いた場合より更に低い温度で、軽油等の燃料をＨ₂とＣＯ等に分解可能となり、より低い温度領域から高いＮＯx低減率が得られることとなる。

こうして、燃料の改質を効率良く行うことができ、ＮＯx吸蔵還元触媒５の還元に対し有効に活用し得る。

図６は燃料改質器７の他の例を示す側断面図であって、図中、図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図４に示す例と同様であるが、本図示例の特徴とするところは、誘電体１９を省略し、図６に示す如く、高電圧電極１５と導電管１２との間でアーク放電を行うよう構成した点にある。尚、この場合、高電圧電極１５と接地電極となる導電管１２との間に印加する高電圧として、交流高電圧、交流パルス高電圧、又は直流パルス高電圧等を採用する代りに、直流高電圧を採用することも可能である。

図６に示す例のようにすると、アーク放電により高温プラズマが発生するため、混合ガス１３の温度が高くなり、燃料の改質には有効となり、しかも、高電圧電極１５の先端部に、混合ガス１３をプラズマ発生部分へ導くための円盤状の突起部１５ａを形成したことにより、混合ガス１３が円盤状の突起部１５ａに沿ってアーク放電によるプラズマ発生部分へ確実に導かれる形となるため、より効率良く燃料の改質を行うことが可能となる。

しかしながら、図４に示されるようなバリア放電を用いた燃料改質器７では、改質に必要なエネルギーを得ることが困難となる場合があり、又、図６に示されるようなアーク放電を用いた燃料改質器７では、電力を使いすぎてしまい、燃費が悪化する可能性があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、電力の使いすぎに伴う燃費悪化を回避しつつ改質に必要となる充分なエネルギーを確保し得、燃料の改質をより効率良く行うことができ、ＮＯx吸蔵還元触媒の還元や燃料電池等の分野に対し極めて有効に活用し得る燃料改質器を提供しようとするものである。

本発明は、接地電極となる導電管と、
該導電管内に燃料と空気の混合ガスを導く混合ガス流路と、
前記接地電極としての導電管との間に高電圧を印加することでプラズマを発生させ前記混合ガス流路から導電管内へ導かれる燃料を改質するための高電圧電極と
を備えてなる燃料改質器であって、
前記導電管の内面を誘電体で覆うと共に、該誘電体の内面を導電体で覆うことにより、前記高電圧電極と導電管との間でバリア放電よりも強く且つアーク放電よりも弱い放電を行うよう構成したことを特徴とする燃料改質器にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

前述の如く構成すると、高電圧電極と導電管との間でバリア放電よりも強く且つアーク放電よりも弱い放電が行われるため、単にバリア放電を用いた燃料改質器に比べ、改質に必要な充分なエネルギーを得ることが可能になると共に、アーク放電を用いた燃料改質器のように電力を使いすぎてしまう心配もなく、燃費が悪化することも避けられる。

前記燃料改質器においては、高電圧電極の先端部に、混合ガスをプラズマ発生部分へ導くための円盤状の突起部を形成することができ、このようにすると、混合ガスが円盤状の突起部に沿ってプラズマ発生部分へ確実に導かれる形となるため、より効率良く燃料の改質を行うことが可能となり、又、突起部の先端部における電場が強くなり、プラズマを発生させやすくなる。

又、前記燃料改質器においては、支持部材に対し導電管を導電管支持絶縁体を介して配置し、該導電管支持絶縁体に、高電圧電極と同芯状で且つ導電管の内部空間へ向け先細りとなる混合ガス流路としての円錐台状貫通孔部を穿設すると共に、該円錐台状貫通孔部の先端部からその内径が漸次拡張される湾曲面部を形成し、該湾曲面部に対し導電管の内面を覆う誘電体の内面を滑らかに連続させ、前記湾曲面部と誘電体の内面とを導電体で覆うよう構成することが望ましい。

本発明の燃料改質器によれば、電力の使いすぎに伴う燃費悪化を回避しつつ改質に必要となる充分なエネルギーを確保し得、燃料の改質をより効率良く行うことができ、ＮＯx吸蔵還元触媒の還元や燃料電池等の分野に対し極めて有効に活用し得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、図中、図３〜図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図３〜図５に示すものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図１に示す如く、誘電体１９の内面を導電体２０で覆うようにした点にある。

尚、図１に示す例の場合、前記誘電体１９の内面が滑らかに連続する導電管支持絶縁体１８の湾曲面部１８ａも前記導電体２０で覆うようにしてある。

ここで、原理的には、図２（ｂ）に示す如く、表面を誘電体（誘電体１９）で覆った一方の電極としての導電体（導電管１２）と、他方の電極としての導電体（高電圧電極１５）との間に高電圧（交流高電圧、交流パルス高電圧、又は直流パルス高電圧等）を印加すると、一方の電極としての導電体（導電管１２）の表面が誘電体（誘電体１９）であるため、広範囲に亘り弱い放電即ちバリア放電が起こるが、この場合、電荷が移動すると、外部電場と反対方向の電場が発生し、互いに打ち消し合う形で放電が終了するため、アークに至らない。これに対し、図２（ａ）に示す如く、前記誘電体（誘電体１９）の表面を更に導電体（導電体２０）で覆った一方の電極としての導電体（導電管１２）と、他方の電極としての導電体（高電圧電極１５）との間に高電圧（交流高電圧、交流パルス高電圧、又は直流パルス高電圧等）を印加すると、一方の電極としての導電体（導電管１２）の表面が誘電体（誘電体１９）を介して導電体（導電体２０）で覆われているため、一箇所放電した場合、導電体（導電体２０）の表面に溜まっている電荷がその一箇所に集中することから、前記バリア放電より強い放電が起こるが、この場合も、電荷が移動すると、外部電場と反対方向の電場が発生し、互いに打ち消し合う形で放電が終了するため、完全なアークには至らず、この結果、バリア放電よりも強く且つアーク放電よりも弱い放電（弱アーク放電）となる。

つまり、図１に示す例の如く構成すると、高電圧電極１５と導電管１２との間でバリア放電よりも強く且つアーク放電よりも弱い放電が行われるため、単にバリア放電を用いた燃料改質器７に比べ、改質に必要な充分なエネルギーを得ることが可能になると共に、アーク放電を用いた燃料改質器７のように電力を使いすぎてしまう心配もなく、燃費が悪化することが避けられる。

又、図１に示す燃料改質器７においては、高電圧電極１５の先端部に、混合ガス１３をプラズマ発生部分へ導くための円盤状の突起部１５ａを形成してあるため、混合ガス１３が円盤状の突起部１５ａに沿ってプラズマ発生部分へ確実に導かれる形となり、より効率良く燃料の改質を行うことが可能となり、又、突起部１５ａの先端部における電場が強くなり、プラズマを発生させやすくなる。

尚、前記プラズマが発生しやすい一箇所に静電容量分の電荷Ｑ＝ＣＶが流れるため、プラズマの強さは、印加電圧Ｖの他に、静電容量Ｃ（導電体２０の面積に比例）で調整することが可能となる。即ち、導電体２０の面積を大きくすると、静電容量Ｃが上がり、プラズマを強くすることが可能となり、又、逆に導電体２０の面積を小さくすると、静電容量Ｃが下がり、プラズマを弱くすることが可能となる。

こうして、電力の使いすぎに伴う燃費悪化を回避しつつ改質に必要となる充分なエネルギーを確保し得、燃料の改質をより効率良く行うことができ、ＮＯx吸蔵還元触媒の還元や燃料電池等の分野に対し極めて有効に活用し得る。

尚、本発明の燃料改質器は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す側断面図である。 （ａ）は誘電体（誘電体１９）の表面を導電体（導電体２０）で覆った一方の電極としての導電体（導電管１２）と、他方の電極としての導電体（高電圧電極１５）との間に高電圧を印加した場合の放電の状態を模式的に示す図、（ｂ）は表面を誘電体（誘電体１９）で覆った一方の電極としての導電体（導電管１２）と、他方の電極としての導電体（高電圧電極１５）との間に高電圧を印加した場合の放電の状態を模式的に示す図である。 本発明者が既に開発している燃料改質器を搭載したディーゼルエンジンの一例を示す全体概要構成図である。 図３における燃料改質器の一例を示す側断面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 図３における燃料改質器の他の例を示す側断面図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
３ 排出ガス
５ ＮＯx吸蔵還元触媒
７ 燃料改質器
８ 噴射ノズル
１２ 導電管
１２ｂ 湾曲面
１３ 混合ガス
１４ 混合ガス流路
１４ｃ 円錐台状貫通孔部
１５ 高電圧電極
１５ａ 突起部
１６ 支持部材
１７ 電極支持絶縁体
１８ 導電管支持絶縁体
１８ａ 湾曲面部
１９ 誘電体
２０ 導電体

Claims (3)

1. 接地電極となる導電管と、
   該導電管内に燃料と空気の混合ガスを導く混合ガス流路と、
   前記接地電極としての導電管との間に高電圧を印加することでプラズマを発生させ前記混合ガス流路から導電管内へ導かれる燃料を改質するための高電圧電極と
   を備えてなる燃料改質器であって、
   前記導電管の内面を誘電体で覆うと共に、該誘電体の内面を導電体で覆うことにより、前記高電圧電極と導電管との間でバリア放電よりも強く且つアーク放電よりも弱い放電を行うよう構成したことを特徴とする燃料改質器。
2. 高電圧電極の先端部に、混合ガスをプラズマ発生部分へ導くための円盤状の突起部を形成した請求項１記載の燃料改質器。
3. 支持部材に対し導電管を導電管支持絶縁体を介して配置し、該導電管支持絶縁体に、高電圧電極と同芯状で且つ導電管の内部空間へ向け先細りとなる混合ガス流路としての円錐台状貫通孔部を穿設すると共に、該円錐台状貫通孔部の先端部からその内径が漸次拡張される湾曲面部を形成し、該湾曲面部に対し導電管の内面を覆う誘電体の内面を滑らかに連続させ、前記湾曲面部と誘電体の内面とを導電体で覆うよう構成した請求項１又は２記載の燃料改質器。

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