JP2008215322A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】改質ガスから分離された水に含まれる炭化水素を有効に利用する
【解決手段】炭化水素燃料と水分とを加熱して改質する燃料改質部１０６と、燃料改質部１０６からの改質ガスに含まれる水分を凝縮させて凝縮水として取り除いて水分分離改質ガスを生成すると共に、凝縮水を凝縮水タンク１２０に蓄えさせる凝縮部１１０と、凝縮水を水分分離改質ガスと共に燃焼させるために、凝縮水タンク１２０から燃焼室１０へ凝縮水を送り込む凝縮水供給部１２２とを備え、凝縮水タンク１２０に蓄えられている凝縮水に溶解している炭化水素濃度に基づいて凝縮水タンク１２０から燃焼室１０への凝縮水の供給を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化水素燃料を改質して得られる改質ガスを燃焼させるエンジンシステムに関する。

炭化水素ガスに水分を加えて、加熱して改質したうえで燃焼させるエンジンシステムが開発されている。

例えば、特許文献１には、排気ガスで駆動されるターボチャージャの後ろに、燃料を改質する燃料改質装置、高温蒸気を発生させる熱交換器、排気ガスから二酸化炭素を分離する分離装置、及び、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして取り込む制御弁とを備えたエンジンシステムが開示されている。

また、特許文献２には、燃料改質装置に水素分離装置を取り付け、燃料改質装置内でメタンガスと水蒸気との反応によって生成された水素ガスを水素分離装置によって分離抽出するガスエンジンシステムが開示されている。

特開２００１−１５２８４６号公報 特開２００２−２２１０９８号公報

ところで、従来のエンジンシステムでは、生成される改質ガスをいかに効率良く燃焼させるか、又は、エンジンシステムの熱効率を向上させることに着目されており、改質ガスから水分を取り除く際に、水分に溶け込んでいる炭化水素は無駄に排出されていた。

そこで、本発明は、改質ガスから分離された水分に残留する炭化水素を有効に利用することを可能とするエンジンシステムを提供することを目的とする。

本発明は、炭化水素燃料と水分とを加熱して改質する燃料改質部と、前記燃料改質部からの改質ガスに含まれる水分を凝縮させて凝縮水として取り除き水分分離改質ガスを生成する凝縮部と、前記凝縮部で取り除かれた凝縮水を蓄える凝縮水タンクと、前記凝縮水を前記水分分離改質ガスと共に燃焼させるために、前記凝縮水タンクから燃焼室へ凝縮水を送り込む凝縮水供給部と、を備え、前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水に溶解している炭化水素濃度に基づいて前記凝縮水タンクから前記燃焼室への凝縮水の供給を制御することを特徴とするエンジンシステムである。

ここで、前記燃料改質部において改質処理された炭化水素燃料と水分との全重量に対する、前記燃料改質部において所定温度より低い温度で改質処理された炭化水素燃料と水分との重量の割合、として表される低温改質割合に基づいて、前記凝縮水タンクから前記燃焼室への凝縮水の供給を制御することが好適である。

例えば、前記低温改質割合が所定の割合以上である場合には、エンジンの運転条件に関わらず改質ガスを理想空燃比において燃焼させるストイキメトリ燃焼条件で前記水分分離改質ガスを前記燃焼室へ供給しつつ、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給し、前記低温改質割合が所定の割合より低い場合には、エンジンの運転条件に合わせて前記ストイキメトリ燃焼条件又は前記ストイキメトリ燃焼条件より改質ガスを希釈させた希薄燃焼条件で前記水分分離改質ガスを前記燃焼室へ供給しつつ、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給する。

また、前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水の量を測定する水量センサを備え、前記水量センサによって前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水の量が所定の基準水量を超えた場合に前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給するものとしてもよい。

ここで、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ供給される凝縮水の量は、エンジンの回転数及び出力トルクに基づいて決定してもよい。また、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ供給される凝縮水の量は、前記燃焼室内の圧力の時間変化が所定の変動範囲に収まるようにフィードバック制御してもよい。

また、前記燃焼室においてノッキングが生ずる条件である場合に前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給するものとしてもよい。例えば、前記燃焼室で発生するノッキングを検出するノッキング検出センサを備え、前記ノッキング検出センサによってノッキングが検出された場合に前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給するものとする。また、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ供給される凝縮水の量は、エンジンの回転数及び出力トルクに基づいて決定してもよい。

また、本発明におけるエンジンシステムにおいて、前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水の全量に対して所定の割合以上に前記凝縮水タンクの上部に蓄えられている凝縮水を前記燃焼室へ供給する場合、エンジンの運転条件に関わらず改質ガスを理想空燃比において燃焼させるストイキメトリ燃焼条件で前記水分分離改質ガスを前記燃焼室へ供給しつつ、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給し、前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水の全量に対して所定の割合より前記凝縮水タンクの下部に蓄えられている凝縮水を前記燃焼室へ供給する場合、エンジンの運転条件に合わせて前記ストイキメトリ燃焼条件又は前記ストイキメトリ燃焼条件より改質ガスを希釈させた希薄燃焼条件で前記水分分離改質ガスを前記燃焼室へ供給しつつ、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給することが好適である。

ここで、前記凝縮水タンクに設けられた複数の出口の各々にバルブを備え、前記バルブを制御することによって、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ供給される凝縮水の前記凝縮水タンクにおける取り出し位置を制御するものとしてもよい。より具体的には、前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水の全量に基づいて前記バルブを制御することによって、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ供給される凝縮水の前記凝縮水タンクにおける取り出し位置を制御するものとしてもよい。

なお、本発明におけるエンジンシステムの前記燃料改質部は、前記燃焼室からの排ガスの熱を利用して炭化水素燃料と水分とを改質することが好適である。ただし、前記燃料改質部は、加熱ヒータを備え、前記熱ヒータの熱を利用して炭化水素燃料と水分とを改質するものであってもよい。

また、前記燃料改質部は、Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｎｉの少なくとも１つを含む金属触媒を備えることが好適である。

また、前記凝縮水タンクには入口及び出口に開閉弁を設け、エンジンシステムが停止した場合に前記開閉弁を閉じることによって前記凝縮水タンクを密閉できるようにすることも好適である。

本発明によれば、改質ガスから分離された水に含まれる炭化水素を有効に利用することができる。また、炭化水素成分の外気への放出量を低減することができ、外部環境への影響をより抑制することができる。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態におけるエンジンシステム１００は、図１に示すように、エンジン１０２、排気清浄部１０４、燃料改質部１０６、蒸発器１０８、凝縮部１１０、改質ガス貯蔵機構部１１２、改質ガスタンク１１４、改質ガス供給部１１６、凝縮水貯蔵機構部１１８、凝縮水タンク１２０、凝縮水供給部１２２、燃料供給部１２４、水供給部１２６及び電子制御部（ＥＣＵ）１２８を含んで構成される。

エンジン１０２は、燃焼室１０、吸気管１２、吸気バルブ１４、排気管１６、排気バルブ１８、スロットルバルブ２０、点火プラグ２２、エアフローセンサ２４及び燃焼室圧力センサ２６を含んで構成される。エンジン１０２は、ＥＣＵ１２８によって統合的に制御される。エンジン１０２の燃焼室１０には、コンプレッサ（図示しない）等を用いて吸気管１２へと供給される空気、及び、改質ガス供給部１１６に含まれる改質ガス噴射部５４から吸気管１２へと噴射される水分分離改質ガスが供給される。また、条件によって、凝縮水供給部１２２に含まれる凝縮水噴射部６２から吸気管１２へと噴射される凝縮水がエンジン１０２の燃焼室１０に供給される。吸気管１２へ送り込まれる空気の量はエアフローセンサ２４により測定され、エアフローセンサ２４の測定値に基づいてＥＣＵ１２８によってスロットルバルブ２０を制御することによって吸気管１２へ送り込まれる空気の量がフィードバック制御される。空気及び水分分離改質ガス、又は、空気、水分分離改質ガス及び凝縮水は、吸気管１２と燃焼室１０との間に設けられた吸気バルブ１４の開閉を制御することによって、所定のタイミングで燃焼室１０内へと送り込まれる。燃焼室１０にはピストンが設けられており、ピストンにより圧縮された状態で点火プラグ２２により送り込まれた空気及び水分分離改質ガス、又は、空気、水分分離改質ガス及び凝縮水が燃焼させられる。この燃焼の圧力によりピストンが燃焼室１０内を往復することによって駆動軸を回転させる。燃焼室１０内の排気ガスは、燃焼室１０と排気管１６との間に設けられた排気バルブ１８の開閉を制御することによって、所定のタイミングで排気清浄部１０４へと排気される。また、燃焼室圧力センサ２６によって燃焼室１０内の圧力が測定され、その測定値がＥＣＵ１２８へ送信される。

エンジン１０２における燃焼条件は、改質ガスを理想空燃比において燃焼させるストイキメトリ燃焼条件と、ストイキメトリ燃焼条件より改質ガスを希釈させた希薄燃焼条件とに分けられる。理想空燃比とは、燃料ガスと空気とを完全に燃焼させるために理論的に必要な最小の空気と燃料との量の重量比のことをいう。図２は、通常運転時におけるエンジン１０２の回転数及び出力トルクと燃焼条件との関係を示す図である。通常運転時においては、エンジン１０２の出力トルクが低い領域ではエンジン１０２の回転数の全域において希薄燃焼条件で運転し、エンジン１０２の出力トルクが高まるにつれてストイキメトリ燃焼条件に移行する。また、ストイキメトリ燃焼条件においてエンジン１０２の回転数が低い運転条件、及び、希薄燃焼条件においてエンジン１０２の回転数が低い一部の運転条件ではエンジン１０２においてノッキングが発生し易いノック条件となる。

排気清浄部１０４は、排気触媒２８及び酸素センサ３０を含んで構成される。排気ガスには、一酸化炭素（CO）、炭化水素（HC）、窒素酸化物（NOx）等の有害物質が含まれている。排気清浄部１０４では、プラチナ、パラジウム、ロジウム等の貴金属を組み合わせた排気触媒２８に排気ガスを接触させることによって、一酸化炭素（CO）、炭化水素（HC）等を酸素と結合させて二酸化炭素（CO₂）や水（H₂O)に変換し、窒素酸化物（NOx）から酸素を切り離して窒素（N₂）に変換する。酸素センサ３０は、排気触媒２８を通った後の排気ガス中の酸素濃度を測定しＥＣＵ１２８へ出力する。ＥＣＵ１２８では、酸素センサ３０で測定された酸素濃度により排気清浄部１０４における処理後の排気ガスの清浄度をモニタすることができる。排気清浄部１０４から排出された排気ガスは、燃料改質部１０６及び蒸発器１０８を介して大気中に排出される。

燃料供給部１２４は、燃料タンク３２、ポンプ３４及び流量制御弁３６を含んで構成される。燃料供給部１２４は、ＥＣＵ１２８により制御される。燃料タンク３２には、炭化水素燃料が蓄えられている。炭化水素燃料とは、ガソリン、軽油、メタン、メタノール、エタノール等の炭化水素化合物を含む燃料をいう。炭化水素燃料は、ポンプ３４により燃料タンク３２から蒸発器１０８へ送り込まれる。このとき、ポンプ３４及び流量制御弁３６をＥＣＵ１２８により制御することによって、蒸発器１０８へ送り込まれる炭化水素燃料の単位時間当りの量を制御することができる。流量制御弁３６は、通過する炭化水素燃料の単位時間当りの流量をセンシングしてＥＣＵ１２８へ出力する。

水供給部１２６は、水タンク３８、ポンプ４０及び流量制御弁４２を含んで構成される。水供給部１２６は、ＥＣＵ１２８により制御される。水タンク３８には、水が蓄えられている。水は、ポンプ４０により水タンク３８から蒸発器１０８へ送り込まれる。このとき、ポンプ４０及び流量制御弁４２をＥＣＵ１２８により制御することによって、蒸発器１０８へ送り込まれる水の単位時間当りの量を制御することができる。流量制御弁４２は、通過する水の単位時間当りの流量をセンシングしてＥＣＵ１２８へ出力する。

蒸発器１０８は、熱交換器を形成しており、排気清浄部１０４及び燃料改質部１０６を介して排出された排気ガスの熱を利用して、燃料供給部１２４及び水供給部１２６から供給される炭化水素燃料及び水を気化させる。気化された炭化水素燃料及び水は燃料改質部１０６へ供給される。

燃料改質部１０６は、改質触媒４４を含んで構成される。改質触媒４４は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属触媒とすることができる。燃料改質部１０６は、熱交換器を形成しており、排気清浄部１０４から排出された排気ガスの熱を利用して、蒸発器１０８から供給されてくる炭化水素燃料及び水を改質触媒４４の触媒作用により改質する。改質により生成される改質ガスは、一般的に、水素（Ｈ₂）、メタン（ＣＨ₄）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）及び水蒸気を含む。また、これらの成分の他に高沸点の炭化水素成分も含む。改質ガスは、凝縮部１１０へ送られる。また、改質触媒４４に温度センサを設け（図示しない）、その温度センサにより改質触媒４４の温度を測定してＥＣＵ１２８へ出力するものとしてもよい。

図３は、例として、ガソリンを改質した場合における改質触媒温度と改質ガス中の主要成分の割合を示すグラフである。図３に示すように、ガソリンを改質した場合、改質触媒４４の温度が高くなるにつれて、水蒸気、メタン（ＣＨ₄）、二酸化炭素（ＣＯ₂）の量は減少し、水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）の量が増加する。

凝縮部１１０は、コンプレッサ等を含んで構成される。凝縮部１１０は、燃料改質部１０６から供給される改質ガスを凝縮させて、改質ガスから水分を分離する。水分を取り除かれた改質ガス（以下、水分分離改質ガスという）は、改質ガス貯蔵機構部１１２を介して、改質ガスタンク１１４に蓄積される。また、改質ガスから分離された凝縮水は、凝縮水貯蔵機構部１１８を介して、凝縮水タンク１２０に蓄積される。

改質ガス貯蔵機構部１１２は、ポンプ４６及び入口弁４８を含んで構成される。改質ガス貯蔵機構部１１２は、ＥＣＵ１２８によって制御される。改質ガス貯蔵機構部１１２は、凝縮部１１０から水分分離改質ガスが供給されると、入口弁４８を開にし、ポンプ４６によって凝縮部１１０から改質ガスタンク１１４へ水分分離改質ガスを送り込む。また、改質ガス貯蔵機構部１１２は、凝縮部１１０からの水分分離改質ガスの供給が停止されると、入口弁４８を閉にし、ポンプ４６を停止させる。改質ガスタンク１１４は、改質ガス貯蔵機構部１１２により送り込まれてきた水分分離改質ガスを蓄える。改質ガス供給部１１６は、出口弁５０、ポンプ５２、改質ガス噴射部５４を含んで構成される。改質ガス供給部１１６は、ＥＣＵ１２８によって制御される。ＥＣＵ１２８から改質ガスの供給指令を受けると、改質ガス供給部１１６は、出口弁５０を開にし、改質ガスタンク１１４に蓄えられている水分分離改質ガスをポンプ５２により圧力を与え、改質ガス噴射部５４から水分分離改質ガスを吸気管１２内へ噴射させる。

凝縮水貯蔵機構部１１８は、入口弁を含んで構成される。凝縮水貯蔵機構部１１８は、ＥＣＵ１２８によって制御される。凝縮水貯蔵機構部１１８は、凝縮部１１０から凝縮水が供給されると、入口弁を開にし、凝縮部１１０から凝縮水タンク１２０へ凝縮水を送り込む。また、凝縮水貯蔵機構部１１８は、凝縮部１１０からの凝縮水の供給が停止されると、入口弁を閉にする。凝縮水タンク１２０は、凝縮水タンク１２０に送り込まれてきた凝縮水を蓄える。凝縮水タンク１２０には、水位センサ５６が設けられている。凝縮水タンク１２０に蓄積されている凝縮水の量（水位）は水位センサ５６で測定されて、その測定結果がＥＣＵ１２８へ入力される。凝縮水供給部１２２は、出口弁５８、ポンプ６０、凝縮水噴射部６２を含んで構成される。ＥＣＵ１２８は、凝縮水供給部１２２を制御して、凝縮水タンク１２０に蓄えられている凝縮水を吸気管１２内へ噴射させる。ＥＣＵ１２８から凝縮水の供給指令を受けると、凝縮水供給部１２２は、出口弁５８を開にし、凝縮水タンク１２０に蓄えられている凝縮水へポンプ６０により圧力を与え、凝縮水噴射部６２から凝縮水を吸気管１２内へ噴射させる。

電子制御部（ＥＣＵ）１２８は、エンジンシステム１００を統合的に制御する。ＥＣＵ１２８は、マイクロコンピュータを含んだ電子回路であり、エアフローセンサ２４，燃焼室圧力センサ２６，酸素センサ３０、流量制御弁３６，４２及び水位センサ５６からセンシング値を受けて、エンジンシステム１００の各部を制御することによってエンジンシステム１００の制御を行う。

本実施の形態では、吸気管１２内への水分分離改質ガス及び凝縮水の供給の制御に特徴があるので、図４のフローチャートを参照しつつ以下に説明する。以下の説明では、エンジンシステム１００は既に起動されており、改質ガスタンク１１４及び凝縮水タンク１２０には水分分離改質ガス及び凝縮水がそれぞれ蓄えられているものとする。

ステップＳ１０では、凝縮水タンク１２０の凝縮水の量が測定される。ＥＣＵ１２８は、水位センサ５６から凝縮水タンク１２０に蓄えられている凝縮水の量を受信する。

ステップＳ１２では、凝縮水タンク１２０に蓄えられている凝縮水の量が所定の基準量を超えているか否かが判断される。凝縮水の量が所定の基準量以下である場合にはステップＳ１４へ処理を移行させ、所定の基準量を超えている場合にはステップＳ１６へ処理を移行させる。

ステップＳ１４では、凝縮水を燃焼室１０へ供給することなく、水分分離改質ガス及び空気を燃焼室１０へ供給して燃焼させる。ＥＣＵ１２８は、エアフローセンサ２４、酸素センサ３０並びに要求される出力トルク及びエンジン回転数に基づいて、スロットルバルブ２０の開度並びに出口弁５０、ポンプ５２及び改質ガス噴射部５４による水分分離改質ガスの噴射量を調整して、図２に示した燃焼条件に一致するように水分分離改質ガス及び空気の混合比を制御しつつ燃焼室１０へ供給して燃焼させる。ステップＳ１４での処理が終了すると、処理をステップＳ１０へ戻す。

例えば、エンジン１０２の出力トルクが低い領域ではエンジン１０２の回転数の全域において希薄燃焼条件となるように水分分離改質ガス及び空気の混合比を制御する。エンジン１０２の出力トルクが高まるにつれて、ストイキメトリ燃焼条件となるように水分分離改質ガス及び空気の混合比を制御する。

ステップＳ１６では、凝縮水タンク１２０に蓄えられている凝縮水に溶解されている炭化水素量の推定が行われる。水に溶け込む可溶性炭化水素の重量割合は、図５に示すように、改質触媒４４の温度が低くなるほど多くなる傾向を示す。

そこで、本実施の形態では、低温改質割合により凝縮水に溶解されている炭化水素量の評価を行う。低温改質割合とは、燃料改質部１０６において改質処理された炭化水素燃料と水分との全重量に対する、燃料改質部１０６において所定の基準温度Ｔａより低い温度で改質処理された炭化水素燃料と水分との重量の割合をいう。具体的には、（低温改質割合）＝（基準温度Ｔａ以下で改質触媒に供給した炭化水素燃料と水の合計量）／（改質触媒に供給した炭化水素燃料と水の総量）で定義することができる。

ここで、基準温度Ｔａは、使用する炭化水素燃料の種類や混合割合、改質触媒４４の種類、改質触媒４４に供給する炭化水素燃料と水の重量等の条件に基づいて設定することが好ましい。例えば、炭化水素燃料としてガソリンを用いた場合には基準温度Ｔａは５００℃程度とし、炭化水素燃料としてエタノールを用いた場合には基準温度Ｔａは４００℃程度とすることが好適である。

ＥＣＵ１２８は、流量制御弁３６及び流量制御弁４２からそれぞれ出力される炭化水素燃料の流量及び水の流量、及び、燃料改質部１０６に設けられた温度センサから改質触媒４４の温度を受けて、所定時間毎の低温改質割合を算出する。

ステップＳ１８では、低温改質割合に基づいて制御の切替判断を行う。ＥＣＵ１２８は、低温改質割合が所定の基準重量比Ｒａ以上であれば処理をステップＳ２０へ移行させ、そうでなければ処理をステップＳ２２へ移行させる。ここで、基準重量比Ｒａは、使用する炭化水素燃料の種類や混合割合、改質触媒４４の種類、改質触媒４４に供給する炭化水素燃料と水の重量等の条件に基づいて設定することが好ましい。ここでは、例示として、基準重量比Ｒａは５０ｗｔ％とする。

ステップＳ２０では、低温改質割合が所定の基準重量比Ｒａ以上である場合の処理を行う。ＥＣＵ１２８は、スロットルバルブ２０の開度並びに出口弁５０、ポンプ５２及び改質ガス噴射部５４による水分分離改質ガスの噴射量を調整して、水分分離改質ガス及び空気の混合比を理想空燃比において燃焼させるストイキメトリ条件となるように制御する。さらに、ＥＣＵ１２８は、凝縮水供給部１２２を制御して、凝縮水タンク１２０に蓄えられている凝縮水を吸気管１２内へ噴射させる。すなわち、水分分離改質ガス及び空気をエンジンの運転条件に関わらずストイキメトリ条件となるように混合しつつ、さらに凝縮水を混合して燃焼室１０へ供給して燃焼させる。

ステップＳ２２では、低温改質割合が所定の基準重量比Ｒａより低い場合の処理を行う。ＥＣＵ１２８は、エアフローセンサ２４、酸素センサ３０並びに要求される出力トルク及びエンジン回転数に基づいて、スロットルバルブ２０の開度並びに出口弁５０、ポンプ５２及び改質ガス噴射部５４による水分分離改質ガスの噴射量を調整して、図２に示した燃焼条件に一致するように水分分離改質ガス及び空気の混合比を制御する。さらに、ＥＣＵ１２８は、凝縮水供給部１２２を制御して、凝縮水タンク１２０に蓄えられている凝縮水を吸気管１２内へ噴射させる。すなわち、水分分離改質ガス及び空気をエンジンの運転条件に合わせて混合しつつ、さらに凝縮水を混合して燃焼室１０へ供給して燃焼させる。

例えば、エンジン１０２の出力トルクが低い領域ではエンジン１０２の回転数の全域において希薄燃焼条件となるように水分分離改質ガス及び空気の混合比を制御しつつ、さらに凝縮水を混合して燃焼室１０へ供給して燃焼させる。また、エンジン１０２の出力トルクが高まるにつれて、ストイキメトリ燃焼条件となるように水分分離改質ガス及び空気の混合比を制御しつつ、さらに凝縮水を混合して燃焼室１０へ供給して燃焼させる。

ステップＳ２０及びステップＳ２２における凝縮水の噴射量は、エンジン１０２の回転数及び出力トルクに基づいて設定することが好適である。例えば、図６に示すように、エンジン１０２の回転数及び出力トルクの組み合わせ（図中、破線のマスで示す）に対して予め設定された凝縮水の噴射量のマップをＥＣＵ１２８の内部メモリに格納しておき、凝縮水の噴射量のマップから実際のエンジン１０２の回転数及び出力トルクに対応する凝縮水の噴射量を求める。また、エンジン１０２の回転数及び出力トルクを変数とする凝縮水の噴射量の算出関数を予め決めておき、その算出関数に実際のエンジン１０２の回転数及び出力トルクを導入することによって凝縮水の噴射量を求めてもよい。

また、図７は１サイクル毎における凝縮水の噴射量と燃焼室１０内の温度との関係、図８は凝縮水の噴射量と点火時期での燃焼室１０内の温度との関係を示す。燃焼安定性はこれらの温度と相関が高いので、凝縮水を多量に噴射することは燃焼サイクルの安定性を低下させる原因となる。そこで、燃焼室圧力センサ２６によって燃焼室１０内の圧力を測定し、その圧力に基づいてサイクル毎の仕事量の変動を算出し、各サイクルにおける仕事量の変動が所定の設定基準値以下となるように凝縮水の噴射量をフィードバック制御することも好ましい。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態ではエンジン１０２のノッキングの状態により凝縮水の噴射の制御を行う例について説明する。

図９のフローチャートを参照しつつ、第２の実施の形態について以下に説明する。以下の説明では、エンジンシステム１００は既に起動されており、改質ガスタンク１１４及び凝縮水タンク１２０には水分分離改質ガス及び凝縮水がそれぞれ蓄えられているものとする。なお、ステップＳ１４〜Ｓ２２までは第１の実施の形態と同様の処理を行うので説明を省略する。

ステップＳ３０では、エンジン１０２の運転状態がノッキングが発生し易いノック条件となっているか否かを判定する。ＥＣＵ１２８は、要求される出力トルク及びエンジン回転数に基づいて、エンジン１０２の運転状態が図２に示した燃焼条件におけるノック条件となっているか否かを判定する。エンジン１０２の運転状態がノック条件となっていれば処理をステップＳ１４に移行させ、そうでなければステップＳ１６へ移行させる。

（変形例）
本実施の形態では、図１０に示すように、エンジン１０２の燃焼室１０にノッキングセンサ７０を設けたエンジンシステム２００としてもよい。

この場合、ステップＳ３０では、ノッキングセンサ７０によりエンジン１０２の運転状態がノッキング状態となっているか否かに基づいて制御を行う。ＥＣＵ１２８は、ノッキングセンサ７０からの出力信号を受けて、エンジン１０２がノッキング状態であれば処理をステップＳ１６に移行させ、そうでなければステップＳ１４へ移行させる。

なお、変形例では、ステップＳ２０及びステップＳ２２における凝縮水の噴射量は、エンジン１０２のノッキングセンサ７０の出力に基づいて設定することが好適である。すなわち、エンジン１０２のノッキングが極端に酷くならないように、ノッキングセンサ７０からの信号に応じて凝縮水の噴射量をフィードバック制御することも好ましい。

［第３の実施の形態］
第１及び第２の実施の形態では凝縮水タンク１２０には１つの凝縮水供給部１２２のみを設けたが、第３の実施の形態におけるエンジンシステム３００では、図１１に示すように、凝縮水タンク１２０に複数の凝縮水供給部１２２ａ，１２２ｂを設ける例について説明する。

凝縮水供給部１２２ｂの凝縮水取り入れ口は凝縮水タンク１２０の上部に設けられており、凝縮水供給部１２２ａの凝縮水取り入れ口は凝縮水供給部１２２ｂの凝縮水取り入れ口よりも下部に設けられている。

第３の実施の形態では、図４又は図９のフローチャートにおけるステップＳ２０において、ＥＣＵ１２８は、スロットルバルブ２０の開度並びに出口弁５０、ポンプ５２及び改質ガス噴射部５４による水分分離改質ガスの噴射量を調整して、水分分離改質ガス及び空気の混合比を理想空燃比において燃焼させるストイキメトリ条件となるように制御する。さらに、ＥＣＵ１２８は、凝縮水供給部１２２ｂを制御して、凝縮水タンク１２０の上部に蓄えられている凝縮水を吸気管１２内へ噴射させる。

水の比重１．０に対して多くの炭化水素の比重は０．６〜０．８程度であるので、凝縮水タンク１２０の上部には炭化水素濃度の高い凝縮水が、下部には炭化水素濃度の低い凝縮水が蓄えられる。すなわち、ステップＳ２０では、水分分離改質ガス及び空気をエンジンの運転条件に関わらずストイキメトリ条件となるように混合しつつ、さらに凝縮水を混合する際に、炭化水素濃度の高い凝縮水を優先的に燃焼室１０へ供給して燃焼させる。

一方、図４又は図９のステップＳ２２では、ＥＣＵ１２８は、エアフローセンサ２４、酸素センサ３０並びに要求される出力トルク及びエンジン回転数に基づいて、スロットルバルブ２０の開度並びに出口弁５０、ポンプ５２及び改質ガス噴射部５４による水分分離改質ガスの噴射量を調整して、図２に示した燃焼条件に一致するように水分分離改質ガス及び空気の混合比を制御する。さらに、ＥＣＵ１２８は、凝縮水供給部１２２ａを制御して、凝縮水タンク１２０の下部に蓄えられている凝縮水を吸気管１２内へ噴射させる。

（変形例１）
本実施の形態では、図１１に示すように、凝縮水タンク１２０に完全に独立した複数の凝縮水供給部１２２ａ，１２２ｂを設ける例を示したが、図１２に示すように、複数の凝縮水供給部１２２ａ，１２２ｂにおいてポンプ６０や凝縮水噴射部６２を共通にしてもよい。この場合、ＥＣＵ１２８は、出口弁５８ａ，５８ｂの開閉を制御することによって凝縮水の取り出し位置を変更する。

（変形例２）
また、図１３に示すように、３つ以上の凝縮水供給部１２２ａ，１２２ｂ・・・１２２ｎ（ｎは３以上の整数）を設けてもよい。この場合、凝縮水タンク１２０に設けられている水位センサ５６により凝縮水タンク１２０に蓄積されている凝縮水の水位を測定し、その水位に基づいて凝縮水供給部１２２ａ，１２２ｂ・・・１２２ｎを上部と下部に割り当てることが好適である。

例えば、図１３に示すように、凝縮水タンク１２０に蓄積されている水位に基づいて、その水位の半分以下の位置に取り出し口が設けられている凝縮水供給部１２２を下部に割り当て、その水位の半分より高い位置に取り出し口が設けられている凝縮水供給部１２２を上部に割り当てて吸気管１２内へ供給する凝縮水の取り出し位置を制御する。

［第４の実施の形態］
第１から第３の実施の形態では燃料改質部１０６及び蒸発器１０８は排気ガスの熱を利用して燃料の改質を行う構成としたが、第４の実施の形態におけるエンジンシステム４００では、図１４に示すように、燃料改質部１３０及び蒸発器１３２に加熱ヒータ７２，７４を用いる構成とする。

このように、排気ガスの熱を利用するのではなく、加熱ヒータ７２，７４を用いることによって燃料改質部１３０及び蒸発器１３２における温度制御性が高くなり、エンジンシステム４００の動作安定性を高めることができる。

なお、第１から第４の実施の形態において、エンジンシステムを停止させる際に凝縮水タンク１２０の入口弁及び出口弁を総て閉じることが好ましい。これにより、凝縮水タンク１２０に蓄積されている凝縮水に溶解している炭化水素が気化して周囲に放出されることを防ぐことができる。

以上のように、改質ガスから分離された水に含まれる炭化水素を有効に利用することができる。また、炭化水素成分の外気への放出量を低減することができ、外部環境への影響をより抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるエンジンシステムの構成を示す図である。 エンジンシステムの燃焼条件を示す図である。 ガソリンを改質した場合の生成物の割合の温度依存性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるエンジンシステムの制御を示すフローチャートである。 改質触媒の温度と可溶性の炭化水素の量との関係を示す図である。 凝縮水の供給量を求めるためのマップを示す図である。 凝縮水の供給量と燃焼室内のガス温度との関係を示す図である。 凝縮水の供給量と点火時の燃焼室内のガス温度との関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態におけるエンジンシステムの制御を示すフローチャートである。 第２の実施の形態の変形例におけるエンジンシステムの構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態におけるエンジンシステムの構成を示す図である。 第３の実施の形態の変形例１におけるエンジンシステムの構成を示す図である。 第３の実施の形態の変形例２におけるエンジンシステムの構成を示す図である。 第４の実施の形態におけるエンジンシステムの構成を示す図である。

符号の説明

１０ 燃焼室、１２ 吸気管、１４ 吸気バルブ、１６ 排気管、１８ 排気バルブ、２０ スロットルバルブ、２２ 点火プラグ、２４ エアフローセンサ、２６ 燃焼室圧力センサ、２８ 排気触媒、３０ 酸素センサ、３２ 燃料タンク、３４ ポンプ、３６ 流量制御弁、３８ 水タンク、４０ ポンプ、４２ 流量制御弁、４４ 改質触媒、４６ ポンプ、４８ 入口弁、５０ 出口弁、５２ ポンプ、５４ 改質ガス噴射部、５６ 水位センサ、５８（５８ａ，５８ｂ） 出口弁、６０ ポンプ、６２ 凝縮水噴射部、７０ ノッキングセンサ、７２，７４ 加熱ヒータ、１００，２００，３００，４００ エンジンシステム、１０２ エンジン、１０４ 排気清浄部、１０６ 燃料改質部、１０８ 蒸発器、１１０ 凝縮部、１１２ 改質ガス貯蔵機構部、１１４ 改質ガスタンク、１１６ 改質ガス供給部、１１８ 凝縮水貯蔵機構部、１２０ 凝縮水タンク、１２２（１２２ａ，１２２ｂ・・・１２２ｎ） 凝縮水供給部、１２４ 燃料供給部、１２６ 水供給部、１３０ 燃料改質部、１３２ 蒸発器。

Claims (16)

1. 炭化水素燃料と水分とを加熱して改質する燃料改質部と、
   前記燃料改質部からの改質ガスに含まれる水分を凝縮させて凝縮水として取り除き水分分離改質ガスを生成する凝縮部と、
   前記凝縮部で取り除かれた凝縮水を蓄える凝縮水タンクと、
   前記凝縮水を前記水分分離改質ガスと共に燃焼させるために、前記凝縮水タンクから燃焼室へ凝縮水を送り込む凝縮水供給部と、を備え、
   前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水に溶解している炭化水素濃度に基づいて前記凝縮水タンクから前記燃焼室への凝縮水の供給を制御することを特徴とするエンジンシステム。
2. 請求項１に記載のエンジンシステムであって、
   前記燃料改質部において改質処理された炭化水素燃料と水分との全重量に対する、前記燃料改質部において所定温度より低い温度で改質処理された炭化水素燃料と水分との重量の割合、として表される低温改質割合に基づいて、前記凝縮水タンクから前記燃焼室への凝縮水の供給を制御することを特徴とするエンジンシステム。
3. 請求項２に記載のエンジンシステムであって、
   前記低温改質割合が所定の割合以上である場合には、エンジンの運転条件に関わらず改質ガスを理想空燃比において燃焼させるストイキメトリ燃焼条件で前記水分分離改質ガスを前記燃焼室へ供給しつつ、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給し、
   前記低温改質割合が所定の割合より低い場合には、エンジンの運転条件に合わせて前記ストイキメトリ燃焼条件又は前記ストイキメトリ燃焼条件より改質ガスを希釈させた希薄燃焼条件で前記水分分離改質ガスを前記燃焼室へ供給しつつ、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給することを特徴とするエンジンシステム。
4. 請求項３に記載のエンジンシステムであって、
   前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水の量を測定する水量センサを備え、
   前記水量センサによって前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水の量が所定の基準水量を超えた場合に前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給することを特徴とするエンジンシステム。
5. 請求項３又は４に記載のエンジンシステムであって、
   前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ供給される凝縮水の量は、エンジンの回転数及び出力トルクに基づいて決定することを特徴とするエンジンシステム。
6. 請求項３又は４に記載のエンジンシステムであって、
   前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ供給される凝縮水の量は、前記燃焼室内の圧力の時間変化が所定の変動範囲に収まるようにフィードバック制御することを特徴とするエンジンシステム。
7. 請求項３に記載のエンジンシステムであって、
   前記燃焼室においてノッキングが生ずる条件である場合に前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給することを特徴とするエンジンシステム。
8. 請求項７に記載のエンジンシステムであって、
   前記燃焼室で発生するノッキングを検出するノッキング検出センサを備え、
   前記ノッキング検出センサによってノッキングが検出された場合に前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給することを特徴とするエンジンシステム。
9. 請求項７又は８に記載のエンジンシステムであって、
   前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ供給される凝縮水の量は、エンジンの回転数及び出力トルクに基づいて決定することを特徴とするエンジンシステム。
10. 請求項１に記載のエンジンシステムであって、
    前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水の全量に対して所定の割合以上に前記凝縮水タンクの上部に蓄えられている凝縮水を前記燃焼室へ供給する場合、エンジンの運転条件に関わらず改質ガスを理想空燃比において燃焼させるストイキメトリ燃焼条件で前記水分分離改質ガスを前記燃焼室へ供給しつつ、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給し、
    前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水の全量に対して所定の割合より前記凝縮水タンクの下部に蓄えられている凝縮水を前記燃焼室へ供給する場合、エンジンの運転条件に合わせて前記ストイキメトリ燃焼条件又は前記ストイキメトリ燃焼条件より改質ガスを希釈させた希薄燃焼条件で前記水分分離改質ガスを前記燃焼室へ供給しつつ、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ凝縮水を供給することを特徴とするエンジンシステム。
11. 請求項１０に記載のエンジンシステムであって、
    前記凝縮水タンクに設けられた複数の出口の各々にバルブを備え、
    前記バルブを制御することによって、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ供給される凝縮水の前記凝縮水タンクにおける取り出し位置を制御することを特徴とするエンジンシステム。
12. 請求項１１に記載のエンジンシステムであって、
    前記凝縮水タンクに蓄えられている凝縮水の全量に基づいて前記バルブを制御することによって、前記凝縮水タンクから前記燃焼室へ供給される凝縮水の前記凝縮水タンクにおける取り出し位置を制御することを特徴とするエンジンシステム。
13. 請求項１〜１２のいずれか１つに記載のエンジンシステムであって、
    前記燃料改質部は、前記燃焼室からの排ガスの熱を利用して炭化水素燃料と水分とを改質することを特徴とするエンジンシステム。
14. 請求項１〜１２のいずれか１つに記載のエンジンシステムであって、
    前記燃料改質部は、加熱ヒータを備え、前記熱ヒータの熱を利用して炭化水素燃料と水分とを改質することを特徴とするエンジンシステム。
15. 請求項１〜１４のいずれか１つに記載のエンジンシステムであって、
    前記燃料改質部は、Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｎｉの少なくとも１つを含む金属触媒を備えることを特徴とするエンジンシステム。
16. 請求項１〜１５のいずれか１つに記載のエンジンシステムであって、
    前記凝縮水タンクには入口及び出口に開閉弁が設けられており、
    エンジンシステムが停止した場合に前記開閉弁を閉じることによって前記凝縮水タンクは密閉されることを特徴とするエンジンシステム。

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