JP6005653B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
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Description
本発明は、改良された改質装置の設計に関し、より詳細には、ガソリン（火花点火）内燃機関からの排気のための改良された改質装置に関する。
合成ガス（Ｈ２およびＣＯ）を形成する炭化水素の改質は、十分に確立された工業プロセスである。この種のプロセスは、本質的に、定常状態でかつ制御された条件下で動作する。搭載された燃料改質装置が、燃料電池車両用に提案されているが、まだ商品化されていない。燃料電池触媒は、少量のＣＯによってさえ作用を阻害され、したがってこれは、ＣＯを除去するように、改質油のかなりのさらなる処理を必要とする。
たとえば米国自動車技術協会の文献ＳＡＥ−０７ＮＡＰＬＥＳ−１７５では、ガソリンエンジンからの排気ガス成分を改質することが提案されている。排気成分をより高い発熱量の燃料成分（Ｈ２およびＣＯ）に変換することによって排気時に、燃焼熱の形でエネルギーを回収できる可能性のため、改質に関する多少の現在の関心がある。これは、ガソリンエンジンの全効率の増大、および関連する燃料消費の低減、およびＣＯ２排出の低減を可能にすることもできる。さらに、規制物質のレベルの改善が、ガソリンエンジンの燃料に水素を含むことによって達成され得るものと考えられている。
ＳＡＥ−０７ＮＡＰＬＥＳ−１７５
今では、排気ガス再循環（ＥＧＲ）の使用は、第１にＮＯｘ汚染物質の低減のため、路面車両に対しては陳腐である。しかし、また、多少の効率利得を得る可能性もある。
改質する提案の全部ではないが大部分は、今までのところ理論的または学問的な研究であり、路面車両に取り付けるための実用的な装置に容易に変更され得るとは限らなかった。車両排気のガス量および温度の大きな変化により、改質が困難になる。本発明の目的は、この種の実用的な改質装置を提供することである。
ガソリンエンジンからのエンジンアウト排気ガスは、６００℃〜８００℃程度の温度のところにあり、改質装置の温度を吸熱水蒸気改質反応に要求される温度まで上昇させることができる。ストイキガソリンエンジンからの排気ガスは、少量の規制物質ＣＯ、未燃焼炭化水素（ＨＣ）、およびＮＯｘを有する、第１に入口空気からの窒素、ＣＯ２、および水蒸気である。補給水の追加なしで排気ガス改質に適したレベルで水蒸気改質を可能にするのに十分な水蒸気があるが、未燃焼ＨＣの量が非常に少なすぎて、有用な改質を実現できない。通常のストイキガソリンエンジンからの排気ガスは、著しく酸素が枯渇しており、したがって、酸化改質または部分酸化改質は、空気の追加なしでは実現され得ない。したがって、便利に燃料管路からエンジンにガソリンの形で、燃料を追加することが必要である。これは、搭載された車両にも燃料供給インフラにも追加の貯蔵および供給装置を必要とすることになる含酸素燃料（メタノール、エタノール、ＭＴＢＥ）などの、改質装置に他の燃料を供給することよりも非常に好ましい。
本発明は、現在、ターボチャージャー付き（またはスーパーチャージャー付き）ガソリンエンジンを目的とするものではない。
したがって、本発明は、環状のハウジング内に取り付けられた環状の改質触媒、および触媒と直接流体連通した燃料供給手段を備える排気ガスマニホールドと、触媒と直接流体連通した改質された燃料生成物用の出口と、エンジンアウト排気ガスの一部が燃料供給手段からの燃料と混合するように環状の触媒に入り、触媒を通過することができるようになっている手段とを備える、ガソリンエンジン用の排気ガス処理システムであって、環状のハウジングは、高温のエンジンアウト排気ガスがハウジングの中心の周りにかつハウジングの中心を通して流れることができるように配置され、それによって、熱が排気ガスからハウジング内の触媒に伝達される、排気ガス処理システムを提供する。
また、本発明は、本発明に記載の排気ガス処理システムの動作を含む、ガソリンエンジンの効率を増大させる方法を提供する。
改質装置触媒を通して排気ガスの良好な制御された流れを確保することが望ましい。エンジンアウト排気には僅かな正圧があるが、現在、流れを助けるように入口マニホールドに真空を利用することによって流れを補助することが有利であると考えられている。もちろん、何らかのポンピングなどの他の可能性が、特定のエンジン設計に有利であり得る。
触媒の組成は、本発明に対して重要ではなく、任意の適切な水蒸気改質触媒であり得る。これは、たとえばセリア上のＰｔおよび／またはＰｄであり得る。触媒は、フロースルー金属ハニカム担体に担持されることが望ましい。この種の金属担体は、非常に堅牢であり、また、これは、伝導性であり、アニュラスの外側および内側の高温ガスから熱を容易に移動させることができる。環状の触媒は、厚さが少数のセル、たとえば厚さが５または６セルだけであることが望ましい。
都合のよいことに、環状のハウジングは、高温排気ガスの流入を可能にする１つの開口端部と、改質油が出口のそばを去る前に捕集される閉鎖端部とを有する。この種のハウジングの閉鎖端部は、アニュラスの中心を通してガスの容易な流れを可能にする１つまたは複数の排気出口孔を有することが望ましい。環状の改質装置触媒はＳＡＥ−０７ＮＡＰＬＥＳ−１７５に開示されていることが認められるが、その装置は、排気ガスがアニュラスの中心を通して自由に流れることを推奨するのではなく、より高い性能がアニュラス内に取り付けられている三元排気触媒（ＴＷＣ）によって実現されることを述べている。ＴＷＣ内の発熱による熱は、伝導によって環状の触媒を加熱する。このように、このＳＡＥ論文は、ＴＷＣを有する環状の触媒を同じ場所に配置しており、これは、マイカーなどの車両の床下位置であろう。概して言えば、このＳＡＥ論文は、本発明の改質装置とは異なる改質装置の構造を教示している。
エンジンの燃料管路からのガソリンは、望ましくは電子式エンジン管理ユニットの制御の下で改質装置に供給される。従来の燃料噴射装置を使用することができ、燃料は、たとえば排気ガスによって加熱されるリブ付きアニュラスとの接触によって気化される。
排気マニホールドは、従来の排気管に接続される１つまたは複数の排気ポートを含み、これは、ＴＷＣおよび／または他の排気ガス後処理に入ることができる。
改質油は、適宜ＥＧＲラインに供給することによって、エンジンの入口側にフィードバックするための改質装置の中から導かれる。改質油が、ＥＧＲ弁の上流のＥＧＲラインに、かつ改質油のそれぞれの流量および容積ならびに再循環排気に応じて供給される場合には、再循環排気と混合する前に改質油を冷却することが望ましい場合がある。この種の冷却は、エンジン冷却液を利用する熱交換器によって、あるいは強制空冷によって実現され得る。
次に、本発明は、添付の図面を参照して説明され、これは、本発明の１つの実施形態の部分断面図、部分略図である。
直列６気筒ガソリンエンジンが、１で示されており、エンジンブロック１ａ、シリンダヘッド１ｂ、およびカムカバー１ｃを備える。シリンダヘッドの側部に、修正された排気マニホールド２が取り付けられる。マニホールドは、排気管３によって三元触媒４に接続される。
マニホールド内に、金属ハニカム担体（別個に図示せず）に担持される薄い環状の改質触媒を含む環状のハウジング５が取り付けられる。ハウジング５は、開口端部５ａおよび閉鎖端部５ｂを含む。開口端部において、燃料噴射装置６は、触媒と接続しているリブ付きアニュラス８の表面上に燃料を噴射することができる。リブ付きアニュラスは、排気ガスの通過によって加熱され、その上でガソリンが気化される拡張面を形成する。燃料噴射装置は、エンジンからの循環する冷却液を用いて冷却される。燃料噴射装置は、燃料の一定の流れを提供することができるが、エンジン管理システム（図示せず）の制御下にあることが好ましい。
環状のハウジングは、１つまたは複数の出口ポート９を有し、それにより、端部５ａを通して環状のハウジングに入る排気ガスが出て行き、排気管３に入る前に排気ガスの残部と混合できるようになっている。エンジンアウト高温排気ガスの流れは、矢印によって示されている。
燃料／排気ガス混合気は、触媒内で流れながら改質油に変換される。任意の未反応燃料および排気ガス成分を含む改質油は、マニホールド１０に捕集され、任意の改質油冷却器１２を通して改質油ライン１１を介して供給される。改質油冷却器は、冷却液ライン１３を通してエンジン冷却液を循環することによって冷却される。次いで、結果として得られる冷却された改質油が、改質油ラインを通して受け取られて、ＥＧＲ弁（図示せず）の上流の再循環された排気ガスに供給される。
本発明による、および上記の特定の説明による改質装置システムは、組み立てられており、直列６気筒ホールデン（Ｈｏｌｄｅｎ）ガソリンエンジンに取り付けられる修正された排気マニホールドに取り付けられている。
熟練した技術者は、本発明をいくつかの方法で、かついくつかの異なるエンジン設計に応用するように適合させることができる。
Claims (7)
- 環状のハウジング（５）内に取り付けられた環状の改質触媒、および該触媒と直接流体連通した燃料供給手段（６）を備える排気ガスマニホールド（２）と、前記触媒と直接流体連通した改質油用の出口（１０、１１）と、エンジンアウト排気ガスの一部が前記燃料供給手段からの燃料と混合するように前記環状の触媒に入り、前記触媒を通過することができるようになっている手段（５ａ）とを備える、ガソリンエンジン用の排気ガス処理システムであって、前記環状のハウジングは、高温のエンジンアウト排気ガスが前記ハウジングの中心の周りにかつそれを通して流れることができるように配置され、それによって、熱が前記排気ガスから前記ハウジング内の前記触媒に伝達され、燃料と排気ガスの混合気が触媒内を流れる間に改質油に変換され、環状のハウジング（５）が改質油が捕集される閉鎖端部（５ｂ）を備える、排気ガス処理システム。
- 前記環状の改質触媒が、金属フロースルー触媒担体に担持される、請求項１に記載のシステム。
- 前記出口からエンジンの入口マニホールドの方へ改質油を供給する手段を備える、請求項１または２に記載のシステム。
- 前記エンジンが排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置を備え、改質油を供給する前記手段が前記ＥＧＲ装置に接続される、請求項３に記載のシステム。
- 改質装置触媒を通して排気ガスおよび燃料の流れを助けるように、入口マニホールド真空を利用する手段が設けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記燃料供給手段が、エンジンの電子式エンジン管理ユニットによって制御される燃料噴射装置である、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載のシステムの動作を含む、ガソリンエンジンの効率を増加させる方法。
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