JP6392548B2 - Reformer - Google Patents
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Description
本発明は、改質触媒により炭化水素系の燃料から改質燃料を生成し、生成された改質燃料を内燃機関へと供給する改質器に関する。 The present invention relates to a reformer that generates reformed fuel from a hydrocarbon-based fuel by a reforming catalyst and supplies the generated reformed fuel to an internal combustion engine.
従来、改質器を備える内燃機関として、特許文献1に記載のものがある。特許文献1に記載された内燃機関では、排気経路に改質器を設け、排気熱により、原燃料(メタン)を発熱量がより大きい燃料である改質燃料(水素と一酸化端)に改質し、吸気に導入して燃焼させている。特許文献1に記載された内燃機関は、排気通路の改質器上流側と下流側とをつないで改質器をバイパスするバイパス通路と、排気の流路を、改質器とバイパスとに切り替えるバイパス弁をさらに備えており、改質器が排気熱量を回収できるときに排気を改質器側に導き、改質器が排気熱量を回収できないときに、排気をバイパス通路側へ導いている。
Conventionally, as an internal combustion engine provided with a reformer, there is one described in
ところで、内燃機関の負荷の増加に伴い排気の温度が上昇した場合等には、原燃料の温度が改質の適温よりも高温となり、改質燃料と共に副生成物が生成される。また、排気の温度が低い場合には、原燃料の温度が改質の適温よりも低温となり、原燃料が十分に改質されず、原燃料の吹き抜けが生ずる。 By the way, when the temperature of the exhaust gas rises as the load of the internal combustion engine increases, the temperature of the raw fuel becomes higher than the appropriate temperature for reforming, and a by-product is generated together with the reformed fuel. Further, when the temperature of the exhaust gas is low, the temperature of the raw fuel becomes lower than the appropriate temperature for reforming, the raw fuel is not sufficiently reformed, and the raw fuel is blown out.
特許文献1に記載された発明では、排気の温度が上昇した場合等に、排気をバイパス側に導き、原燃料の温度の上昇を抑制することもできる。しかしながら、バイパスを利用することにより、排気経路から改質器へと流入する熱量を調整することはできるものの、原燃料の温度を改質の適温とし、副生成物の生成及び原燃料の吹き抜けを抑制するためには、熱量の調整を細かく行う必要が生ずる。すなわち、細かなバイパス弁の制御が必要となり、それに伴い、バイパス弁の構造の複雑化、及び、バイパス弁の制御系の複雑化が必要となる。
In the invention described in
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、内燃機関の排気温度が上昇した場合の副生成物の増加、及び、内燃機関の排気温度が低い場合の原燃料の吹き抜けを抑制することが可能な、簡易な構造の改質器を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its main purpose is to increase by-products when the exhaust temperature of the internal combustion engine rises and to reduce the amount of by-products when the exhaust temperature of the internal combustion engine is low. An object of the present invention is to provide a reformer having a simple structure capable of suppressing fuel blow-through.
本発明は、内燃機関の排気経路に設けられ、内燃機関の排気熱により原燃料を改質燃料へと改質する改質器であって、排気が通過する排気通路と、排気通路と略平行に設けられ、燃料が通過する燃料通路と、燃料の通過方向と排気の通過方向とを、並行方向と対向方向とに切り替える切替手段と、を備えることを特徴とする。 The present invention is a reformer that is provided in an exhaust path of an internal combustion engine and reforms raw fuel into reformed fuel by exhaust heat of the internal combustion engine, and is substantially parallel to an exhaust passage through which exhaust passes and an exhaust passage. And a switching means for switching a fuel passage direction and an exhaust passage direction between a parallel direction and an opposing direction.
温度の異なる流体を並行方向に流して熱交換を行う場合、通路の出口におけるそれぞれの流体の温度は中間値となる。一方、温度の異なる流体を対向方向に流して熱交換を行う場合、通路の出口における低温の流体の温度は、高温の流体の温度に近い値となる。すなわち、温度の異なる流体を対向方向に流す場合は、温度の異なる流体を並行方向に流す場合と比較して、熱交換効率が高いということができる。そして、これらの場合は、原燃料の改質状態を比較的制御しやすい状態である。 When heat exchange is performed by flowing fluids having different temperatures in parallel directions, the temperature of each fluid at the outlet of the passage becomes an intermediate value. On the other hand, when heat exchange is performed by flowing fluids having different temperatures in the opposite direction, the temperature of the low-temperature fluid at the outlet of the passage is close to the temperature of the high-temperature fluid. That is, it can be said that when fluids having different temperatures are flowed in the opposite direction, the heat exchange efficiency is higher than when fluids having different temperatures are flowed in the parallel direction. In these cases, the reformed state of the raw fuel is relatively easy to control.
ところで、原燃料を改質燃料へと改質する場合、高温の状況下で改質が行われれば、副生成物が生成され、原燃料に対する改質燃料の割合を示す改質効率が低下する。一方、原燃料を改質燃料へと改質する場合、低温の状況下で改質が行われれば、改質が十分に行われず、原燃料に対する改質燃料の割合を示す改質効率が低下する。 By the way, when reforming raw fuel into reformed fuel, if reforming is performed under high temperature conditions, by-products are generated, and reforming efficiency indicating the ratio of the reformed fuel to the raw fuel decreases. . On the other hand, when reforming raw fuel to reformed fuel, if reforming is performed under low temperature conditions, reforming is not sufficiently performed, and the reforming efficiency indicating the ratio of reformed fuel to raw fuel decreases. To do.
上記構成とすることで、燃料の通過方向と排気の通過方向とを、熱交換効率の高い対向方向と、熱交換効率が低い並行方向とに切り替えることができる。このため、原燃料の改質状態を比較的制御し易い2つの状態で切り替えることができ、簡易な構造により改質効率の低下を抑制することができる。 By setting it as the said structure, the passage direction of a fuel and the passage direction of exhaust_gas | exhaustion can be switched to the opposing direction with high heat exchange efficiency, and the parallel direction with low heat exchange efficiency. For this reason, the reforming state of the raw fuel can be switched between two states that are relatively easy to control, and a reduction in reforming efficiency can be suppressed with a simple structure.
以下、各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、図中、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。 Hereinafter, each embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, in the figure, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is mutually the same or equivalent, The description is used about the part of the same code | symbol.
<実施形態>
図1は、本実施形態に係る発電システムを示している。発電システムは、原燃料を改質燃料へと改質する改質器を備えており、改質燃料を燃焼させることで得られる動力により発電を行うシステムである。
<Embodiment>
FIG. 1 shows a power generation system according to this embodiment. The power generation system includes a reformer that reforms raw fuel into reformed fuel, and is a system that generates power using power obtained by burning the reformed fuel.
発電システムは、内燃機関10と、エアクリーナ30と、原燃料タンク31と、原燃料気化器32と、排気浄化装置33と、改質器50とを含んで構成されている。内燃機関10は、ディーゼル機関である。エアクリーナ30は、外部の空気から粉塵等を取り除き、清浄な空気を発電システムへと取り込む。原燃料タンク31は、液体の燃料である原燃料を貯留している。原燃料気化器32は、内部に原燃料流路を備えており、液体の原燃料を蒸発させ気体の原燃料へと変化させる。排気浄化装置33は、排気を浄化する触媒を備えている。改質器50は、排気通路50aと燃料通路50bとを備えており、排気通路50a内を通過する流体と燃料通路50b内を通過する流体との間で熱交換が可能となっている。また、改質器50は、切替手段として機能する第1切替弁V1と第2切替弁V2とを備えている。
The power generation system includes an
内燃機関10は、シリンダブロック11とシリンダヘッド12とを含んで構成されている。シリンダブロック11にはシリンダ13が形成されており、シリンダ13内にはシリンダ13に対して上下方向に往復動するピストン14が配設されている。ピストン14はコンロッド15を介してクランク軸16に連結されている。ピストン14の上方には、シリンダブロック11とシリンダヘッド12により区画形成された燃焼室17が設けられ、燃焼室17は吸気バルブ18及び排気バルブ19を介して、シリンダヘッド12に形成された吸気ポート20及び排気ポート21に連通している。また、シリンダヘッド12には、燃焼室17へ副燃料を供給する副燃料供給装置22が設けられている。なお、副燃料としては、圧縮着火が可能な軽油等が用いられる。
The
クランク軸16には図示しない発電機が接続されており、ピストン14の上下動に伴うクランク軸16の回転により発電機で発電が行われ、外部機器または蓄電装置への給電がなされる。
A power generator (not shown) is connected to the
内燃機関10の吸気ポート20は、吸気通路40を介して、エアクリーナ30と接続されており、内燃機関10の排気ポート21は、第1排気通路41を介して、改質器50の排気通路50aの排気入口に接続されている。一方、改質器50の排気通路50aの排気出口は、第2排気通路42により、排気浄化装置33の排気入口に接続されており、排気浄化装置33の浄化排気出口は、第3排気通路43に接続されている。すなわち、第1排気通路41、第2排気通路42、及び、第3排気通路43により、排気経路を構成している。
The
原燃料タンク31は、原燃料を送出する燃料ポンプ44aが設けられた原燃料通路44を介して、原燃料気化器32の原燃料入口に接続されている。原燃料気化器32の気化原燃料出口は、気化原燃料通路45を介して、改質器50の燃料通路50bの燃料供給口に接続されている。なお、原燃料気化器32は、内燃機関10と熱交換通路46a、46bを介して接続されており、内燃機関10において発生した熱を、原燃料気化器32内を流通する原燃料へ供給可能な構成となっている。改質器50の燃料通路50bの改質燃料出口は、改質燃料導入通路47を介して、エアクリーナ30と吸気ポート20との間に介在する吸気通路40に接続されている。
The
また、内燃機関10には、計測装置として、内燃機関10のクランク軸16の回転数を計測するクランク角センサ60が設けられている。第1排気通路41には、排気温度センサ61が設けられており、改質燃料導入通路47には、燃料温度センサ62が設けられている。排気温度センサ61は、排気温度計測手段として機能し、改質器50の排気通路50aへ流入する排気の温度を示す排気温度T_exを計測する。また、燃料温度センサ62は、燃料温度計測手段として機能し、改質器50の燃料通路50bから送出される燃料の温度を示す燃料温度T_foを計測する。
Further, the
発電システムは、制御装置70を備えており、クランク角センサ60により計測された内燃機関10のクランク軸16の回転数、排気温度センサ61により計測された排気温度T_ex、燃料温度センサ62により計測された燃料温度T_foが制御装置70に入力される。また、外部から入力された発電システムの駆動命令、または、制御装置70内で生成された発電システムの駆動命令に基づいて、燃料ポンプ44a、第1切替弁V1、第2切替弁V2へ制御信号を送信する。
The power generation system includes a
本実施形態に係る発電システムにおいて、原燃料タンク31から供給される原燃料はメタノールである。原燃料タンク31から改質器50へと供給されたメタノールは、改質器50内において、下記熱化学方程式1に示す吸熱反応である化学反応により、水素と一酸化炭素とに改質される。そして、この化学反応により生成された水素と一酸化炭素が改質燃料となる。
In the power generation system according to the present embodiment, the raw fuel supplied from the
吸気ポート20へ供給された混合気は、吸気行程における吸気バルブ18の開放に伴い、燃焼室17内へと流入する。圧縮行程において、ピストン14の上昇に伴い、混合気が圧縮され、燃焼室17内は高温高圧となる。ここで、クランク角センサ60が、ピストン14が上死点近傍まで上昇したことを検出すれば、制御装置70からの指令により、副燃料供給装置22から副燃料が燃焼室17内へと供給される。供給された副燃料は、高温高圧の環境下で自己発火し、発生した火炎が改質燃料へと伝播して改質燃料の燃焼が行われる。そして、副燃料及び改質燃料の燃焼により、燃焼室17内の混合気が膨張し、ピストン14が下降する。ピストン14が下死点近傍まで下降すれば、排気バルブ19が開放され、排気が排気ポート21から排出される。
The air-fuel mixture supplied to the
排気ポート21から排出された排気は、第1排気通路41を介して改質器50の排気通路50aの排気入口へと流入し、改質器50の燃料通路50bの原燃料と熱交換を行った後、改質器50の排気通路50aの排気出口から、第2排気通路42を経て排気浄化装置33の排気入口へ流入し、浄化される。浄化された排気は、排気浄化装置33の浄化排気出口から第3排気通路43を介して、外部へ排出される。
The exhaust discharged from the
図2は、図1で示した改質器50の拡大図である。排気通路50aは、排気流入部51と、排気流出部52と、排気分岐部53と、複数の排気平行通路54とにより構成されている。
FIG. 2 is an enlarged view of the
排気流入部51は、第1排気通路41から流入する排気を分岐させる第1排気流入部51aと、第2排気流入部51bとにより構成されている。また、排気流出部52は、第2排気通路42へと流出する排気を合流させる第1排気流出部52aと、第2排気流出部52bとにより構成されている。
The
排気分岐部53は、第1排気分岐部53aと、第2排気分岐部53bとにより構成されている。第1排気分岐部53aは、第1端が第1排気流入部51aに接続されており、第2端が第1排気流出部52aに接続されている。第2排気分岐部53bは、第1端が第2排気流入部51bに接続されており、第2端が第2排気流出部52bに接続されている。
The
第1排気分岐部53aの第1端と第2端との間には、排気平行通路54の第1端が、それぞれ所定の間隔を空けて接続されており、第2排気分岐部53bの第1端と第2端との間には、排気平行通路54の第2端が、それぞれ所定の間隔を空けて接続されている。
A first end of the
排気流入部51には、第1切替弁V1が設けられており、第1切替弁V1の切替制御により、第1排気流入部51aの閉塞及び開放、第2排気流入部51bの閉塞及び開放が可能となっている。また、排気流出部52には、第2切替弁V2が設けられており、第2切替弁V2の切替制御により、第1排気流出部52aの閉塞及び開放、第2排気流出部52bの閉塞及び開放が可能となっている。すなわち、第1切替弁V1の切替制御により、排気流入部51と、排気平行通路54の第1端と第2端との一方とを選択的に接続することが可能となっており、第2切替弁V2の切替制御により、排気流出部52と、排気平行通路54の第1端と第2端との一方とを選択的に接続することが可能となっている。
The
一方、燃料通路50bは、燃料入口が気化原燃料通路45に接続された燃料流入部55と、燃料出口が改質燃料導入通路47に接続された燃料流出部56と、複数の燃料平行通路57とにより構成されている。
On the other hand, the
燃料平行通路57は、排気平行通路54とそれぞれが互い違いとなるように設けられており、各排気平行通路54と各燃料平行通路57とは、略平行となるように設けられている。そして、燃料平行通路57の第1端は、燃料流入部55に、それぞれ所定の間隔を空けて接続されており、燃料平行通路57の第2端は、燃料流出部56に、それぞれ所定の間隔を空けて接続されている。すなわち、各排気平行通路54と各燃料平行通路57とが略平行となるように設けられ、且つ、第1排気分岐部53aと、第2排気分岐部53bと、燃料流入部55と、燃料流出部56とが、略平行となるように設けられている。
The
本実施形態では、第1切替弁V1、第2切替弁V2の位置を0〜1で表されるバルブ位置を用いて制御している。図3は、第1切替弁V1及び第2切替弁V2のバルブ位置と、第1排気流入部51a、第2排気流入部51b、第1排気流出部52a、第2排気流出部52bの通路面積との関係を示している。
In this embodiment, the position of the 1st switching valve V1 and the 2nd switching valve V2 is controlled using the valve position represented by 0-1. FIG. 3 shows valve positions of the first switching valve V1 and the second switching valve V2, and passage areas of the first
第1切替弁V1のバルブ位置を0とすれば、第1排気流入部51aが閉塞されるとともに、第2排気流入部51bが開放され、第1切替弁V1のバルブ位置を1とすれば、第1排気流入部51aが開放されるとともに、第2排気流入部51bが閉塞される。一方、第2切替弁V2のバルブ位置を0とすれば、第1排気流出部52aが閉塞されるとともに、第2排気流出部52bが開放され、第2切替弁V2のバルブ位置を1とすれば、第1排気流出部52aが開放されるとともに、第2排気流出部52bが閉塞される。
If the valve position of the first switching valve V1 is 0, the first
また、第1切替弁V1のバルブ位置を0よりも大きく1よりも小さい値とすれば、第1排気流入部51a及び第2排気流入部51bが共に開放され、第2切替弁V2のバルブ位置を0よりも大きく1よりも小さい値とすれば、第1排気流出部52a及び第2排気流出部52bが共に開放される。
If the valve position of the first switching valve V1 is set to a value larger than 0 and smaller than 1, both the first
本実施形態では、第1切替弁V1のバルブ位置を切り替えることにより、排気流入部51と、排気平行通路54の両端の一方とを選択的に接続している。また、第2切替弁V2のバルブ位置を切り替えることにより、排気流出部52と、排気平行通路54の両端の他方とを接続している。こうすることにより、排気平行通路54を通過する排気の通過方向を変更している。
In the present embodiment, the
図4は、第1切替弁V1の位置を0とし、第2切替弁V2の位置を1とした場合の、排気の通過方向と、燃料の通過方向とを示している。図中、排気の通過方向を破線で示し、燃料の通過方向を実線で示している。第1切替弁V1の位置を0としており、第2切替弁V2の位置を1としているため、第1排気流入部51a及び第2排気流出部52bが閉塞され、第2排気流入部51b及び第1排気流出部52aが開放されている。
FIG. 4 shows the exhaust passage direction and the fuel passage direction when the position of the first switching valve V1 is 0 and the position of the second switching valve V2 is 1. In the figure, the exhaust passage direction is indicated by a broken line, and the fuel passage direction is indicated by a solid line. Since the position of the first switching valve V1 is 0 and the position of the second switching valve V2 is 1, the first
第1排気通路41から流入した排気は、第2排気流入部51b、第2排気分岐部53bを経て、各排気平行通路54へと流入する。各排気平行通路54を通過した排気は、第1排気分岐部53a、第1排気流出部52aを経て、第2排気通路42へと送出される。
Exhaust gas flowing in from the
一方、気化原燃料通路45から流入した原燃料は、燃料流入部55を経て、各燃料平行通路57へと流入する。燃料平行通路57を通過する燃料は、排気平行通路54を通過する排気と熱交換を行う。このとき、燃料平行通路57を通過する燃料の通過方向と、排気平行通路54を通過する排気の通過方向とは、対向方向である。そして、燃料平行通路57を通過した燃料は、燃料流出部56を経て、改質燃料導入通路47へ送出される。
On the other hand, the raw fuel flowing in from the vaporized
図5は、第1切替弁V1の位置を1とし、第2切替弁V2の位置を0とした場合の、排気の通過方向と、燃料の通過方向とを示している。図中、排気の通過方向を破線で示し、燃料の通過方向を実線で示している。第1切替弁V1の位置を1としており、第2切替弁V2の位置を0としているため、第1排気流入部51a及び第2排気流出部52bが開放され、第2排気流入部51b及び第1排気流出部52aが閉塞されている。
FIG. 5 shows the exhaust passage direction and the fuel passage direction when the position of the first switching valve V1 is 1 and the position of the second switching valve V2 is 0. In the figure, the exhaust passage direction is indicated by a broken line, and the fuel passage direction is indicated by a solid line. Since the position of the first switching valve V1 is 1, and the position of the second switching valve V2 is 0, the first
第1排気通路41から流入した排気は、第1排気流入部51a、第1排気分岐部53aを経て、各排気平行通路54へと流入する。各排気平行通路54を通過した排気は、第2排気分岐部53b、第2排気流出部52bを経て、第2排気通路42へと送出される。
Exhaust gas flowing in from the
一方、気化原燃料通路45から流入した原燃料は、燃料流入部55を経て、各燃料平行通路57へと流入する。燃料平行通路57を通過する燃料は、排気平行通路54を通過する排気と熱交換を行う。このとき、燃料平行通路57を通過する燃料の通過方向と、排気平行通路54を通過する排気の通過方向とは、並行方向である。そして、燃料平行通路57を通過した燃料は、燃料流出部56を経て、改質燃料導入通路47へ送出される。
On the other hand, the raw fuel flowing in from the vaporized
図6は、第1切替弁V1の位置を1とし、第2切替弁V2の位置を0よりも大きく1よりも小さい値に対応した位置とした場合の、排気の通過方向と、燃料の通過方向とを示している。図中、排気の通過方向を破線で示し、燃料の通過方向を実線で示している。第1切替弁V1の位置を1としているため、第1排気流入部51aが開放され、第2排気流入部51bが閉塞されている。また、第2切替弁V2の位置を0よりも大きく1よりも小さい値に対応した位置としているため、第1排気流出部52a及び第2排気流出部52bはともに開放されている。
FIG. 6 shows the passage direction of the exhaust gas and the passage of fuel when the position of the first switching valve V1 is 1 and the position of the second switching valve V2 is a position corresponding to a value larger than 0 and smaller than 1. Direction. In the figure, the exhaust passage direction is indicated by a broken line, and the fuel passage direction is indicated by a solid line. Since the position of the first switching valve V1 is 1, the first
第1排気通路41から流入した排気は、第1排気流入部51a、第1排気分岐部53aを経て、一部は各排気平行通路54へと流入し、一部は第1排気流出部52aへ流入する。各排気平行通路54を通過した排気は、第2排気分岐部53b、第2排気流出部52bを経て、第1排気流出部52aを通過した排気と合流し、第2排気通路42へと送出される。すなわち、排気は、第1排気流入部51aから第1排気流出部52aへと直接通過しており、第1切替弁V1及び第2切替弁V2をバイパス手段として機能させているということができる。
Exhaust gas flowing in from the
一方、気化原燃料通路45から流入した原燃料は、燃料流入部55を経て、各燃料平行通路57へと流入する。燃料平行通路57を通過する燃料は、排気平行通路54を通過する排気と熱交換を行う。このとき、燃料平行通路57を通過する燃料の通過方向と、排気平行通路54を通過する排気の通過方向とは、並行方向である。そして、燃料平行通路57を通過した燃料は、燃料流出部56を経て、改質燃料導入通路47へ送出される。
On the other hand, the raw fuel flowing in from the vaporized
ところで、改質器50内では、下記熱化学方程式2に示す化学反応により、副生成物も生成される。
By the way, in the
図7は、燃料温度T_foと、改質効率との関係性を示している。ここで、改質効率とは、改質器50へ導入された原燃料の、熱化学方程式1に係る化学反応が起こる割合を示している。燃料温度T_foが低い場合、改質が十分に行われず、原燃料の吹き抜けが生ずる。そのため、改質効率が低下する。一方、燃料温度T_foが高い場合、熱化学方程式1に係る化学反応の割合が低下し、上述した熱化学方程式2に係る化学反応の割合が上昇する。そのため、改質効率が低下する。本実施形態では、図7で示した改質効率に基づいて、原燃料の吹き抜けにより改質効率が低下すると見なすことができる温度を第1温度閾値T1と定義し、副生成物の生成により改質効率が低下すると見なすことができる温度を第2温度閾値T2と定義する。すなわち、燃料温度T_foの、第1温度閾値T1よりも高く、第2温度閾値T2よりも低い温度範囲を、改質の適正温度帯ということができる。
FIG. 7 shows the relationship between the fuel temperature T_fo and the reforming efficiency. Here, the reforming efficiency indicates the rate at which the chemical reaction according to
図8(a)〜(c)は、燃料の通過方向と排気の通過方向が対向方向である場合の、排気通路50a中の排気の温度変化と、燃料通路50b中の燃料の温度変化を示している。燃料の通過方向と排気の通過方向とが対向方向である場合、燃料は、燃料平行通路57の燃料流入部55側において、熱交換により温度が低下した排気からの熱を得る。燃料が燃料通路50bを通過する過程で、対向方向に流れる排気の温度は上昇し、それに伴い、燃料の温度も上昇する。そして、燃料温度T_foは、排気温度T_exと同等の値、または、排気温度T_exよりも低く、且つ、排気温度T_exに近似した値となる。なお、上記熱化学方程式1に係る化学反応により改質燃料が生成される限りは、排気から燃料へと熱を供給しており、且つ、化学反応が吸熱反応であるため、燃料温度T_foが排気温度T_exよりも高くなることはない。
8A to 8C show the temperature change of the exhaust gas in the exhaust passage 50a and the temperature change of the fuel in the
図8(a)は、排気温度T_exが第2温度閾値T2よりも高い場合の、排気通路50a中の排気の温度変化と、燃料通路50b中の燃料の温度変化を示している。燃料温度T_foは、排気温度T_exと同等の値、または、排気温度T_exよりも低く、且つ、排気温度T_exに近似した値となるため、燃料温度T_foが第2温度閾値T2よりも高くなるおそれがある。そのため、副生成物の生成が促進され、改質効率が低下する。
FIG. 8A shows the temperature change of the exhaust gas in the exhaust passage 50a and the temperature change of the fuel in the
図8(b)、(c)は、排気温度T_exが第2温度閾値T2よりも低い場合の、排気通路50a中の排気の温度変化と、燃料通路50b中の燃料の温度変化を示している。燃料温度T_foは、排気温度T_exと同等の値、または、排気温度T_exよりも低く、且つ、排気温度T_exに近似した値となるため、燃料温度T_foは、第2温度閾値T2よりも低い値となる。
8B and 8C show the temperature change of the exhaust gas in the exhaust passage 50a and the temperature change of the fuel in the
したがって、排気温度T_exが第2温度閾値T2よりも低い場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを対向方向とすれば、燃料温度T_foを第2温度閾値T2よりも低くすることができるといえる。 Therefore, when the exhaust gas temperature T_ex is lower than the second temperature threshold value T2, the fuel temperature T_fo can be made lower than the second temperature threshold value T2 if the fuel passage direction and the exhaust passage direction are opposite directions. I can say that.
図9(a)〜(c)は、燃料の通過方向と排気の通過方向が対向方向である場合の、排気温度T_exと、燃料温度T_foとを示している。ここで、図9(a)における排気温度T_exは、図8(a)における排気温度T_exと同じであり、図9(b)における排気温度T_exは、図8(b)における排気温度T_exと同じであり、図9(c)における排気温度T_exは、図8(c)における排気温度T_exと同じである。 FIGS. 9A to 9C show the exhaust temperature T_ex and the fuel temperature T_fo when the fuel passage direction and the exhaust passage direction are opposite directions. Here, the exhaust temperature T_ex in FIG. 9 (a) is the same as the exhaust temperature T_ex in FIG. 8 (a), and the exhaust temperature T_ex in FIG. 9 (b) is the same as the exhaust temperature T_ex in FIG. 8 (b). The exhaust temperature T_ex in FIG. 9 (c) is the same as the exhaust temperature T_ex in FIG. 8 (c).
燃料の通過方向と排気の通過方向とが並行方向である場合、燃料は、燃料平行通路57の燃料流入部55側において、高温の排気からの熱を得る。燃料が燃料通路50bを通過する過程で、燃料の温度が上昇するとともに、並行方向に流れる排気の温度は低下する。そして、燃料温度T_foは、燃料通路50bの出口において、排気温度T_exと、気化原燃料通路45から燃料通路50bに流入する燃料の温度との中間値となる。したがって、燃料の通過方向と排気の通過方向が並行方向である場合、排気温度T_exが低いほど、燃料温度T_foが第1温度閾値T1よりも低くなるおそれが生ずる。一方、排気温度T_exが第2温度閾値T2よりも高くても、燃料温度T_foが第2温度閾値T2よりも高くなるおそれは小さくなる。
When the fuel passage direction and the exhaust passage direction are parallel, the fuel obtains heat from the high-temperature exhaust gas on the
そこで、本実施形態では、排気温度T_exが第2温度閾値T2以下の場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを対向方向とし、燃料温度T_foの低下を防ぎ、改質効率を上昇させる。一方、排気温度T_exが第2温度閾値T2よりも高い場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向とし、燃料温度T_foが第2温度閾値T2よりも高くなることを防ぎ、改質効率を上昇させる。さらに、排気温度T_exの上昇に伴い、燃料温度T_foが第2温度閾値T2よりも高くなった場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向とするとともに、排気の一部を排気流入部51から排気流出部52へと直接通過させ、熱交換に用いられる排気の量を低減する。すなわち、第1切替弁V1及び第2切替弁V2の切替制御を行う際に閾値として用いる所定値を、第2温度閾値T2としている。
Therefore, in the present embodiment, when the exhaust gas temperature T_ex is equal to or lower than the second temperature threshold T2, the fuel passage direction and the exhaust passage direction are opposite to each other to prevent the fuel temperature T_fo from decreasing and increase the reforming efficiency. Let On the other hand, when the exhaust gas temperature T_ex is higher than the second temperature threshold value T2, the fuel passage direction and the exhaust passage direction are set in parallel to prevent the fuel temperature T_fo from becoming higher than the second temperature threshold value T2. Increase reforming efficiency. Further, when the fuel temperature T_fo becomes higher than the second temperature threshold T2 as the exhaust temperature T_ex rises, the fuel passage direction and the exhaust passage direction are set in parallel and a part of the exhaust gas is reduced. Directly passing from the
図10は、制御装置70が実行する制御を示すフローチャートである。図10に示すフローチャートは、所定の制御周期で実行される。
FIG. 10 is a flowchart showing the control executed by the
まず、排気温度T_exが第2温度閾値T2以下であるか否かの判定がなされる(S101)。ここで、上述した通り、排気と燃料との間で熱交換が行われるため、排気温度T_exが第2温度閾値T2以下である場合、燃料温度T_foも第2温度閾値T2以下となる。したがって、排気温度T_exが第2温度閾値T2以下と判定された場合には(S101:YES)、第1切替弁V1を1とし、第2切替弁V2を0として(S102)、燃料の通過方向と排気の通過方向を対向方向とすることにより、熱交換効率を上昇させる。これにより、燃料温度T_foが第2温度閾値T2よりも大きくならないという条件のもとで、燃料温度T_foの低下を抑止する。 First, it is determined whether the exhaust temperature T_ex is equal to or lower than the second temperature threshold T2 (S101). Here, as described above, since heat exchange is performed between the exhaust and the fuel, when the exhaust temperature T_ex is equal to or lower than the second temperature threshold T2, the fuel temperature T_fo is also equal to or lower than the second temperature threshold T2. Therefore, when it is determined that the exhaust temperature T_ex is equal to or lower than the second temperature threshold value T2 (S101: YES), the first switching valve V1 is set to 1, the second switching valve V2 is set to 0 (S102), and the fuel passage direction The heat exchange efficiency is increased by making the passage direction of the exhaust gas the opposite direction. Accordingly, the decrease in the fuel temperature T_fo is suppressed under the condition that the fuel temperature T_fo does not become higher than the second temperature threshold T2.
一方、排気温度T_exが第2温度閾値T2以下でないと判定された場合(S101:NO)、燃料温度T_foが第2温度閾値T2以下であるか否かの判定がなされる(S103)。排気温度T_exが第2温度閾値T2以下であると判定された場合(S103:YES)、第1切替弁V1を1とし、第2切替弁V2を0として(S104)、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向として、熱交換効率を低下させる。すなわち、燃料温度T_foは第2温度閾値T2以下であるものの、排気温度T_exは第2温度閾値T2よりも高いため、排気と燃料の通過方向とを対向方向とする制御を継続した場合、燃料温度T_foが第2温度閾値T2よりも高くなるおそれがある。そのため、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向として、熱交換効率を低下させている。これにより、燃料温度T_foが第2温度閾値T2よりも高くなることを抑止する。 On the other hand, when it is determined that the exhaust temperature T_ex is not equal to or lower than the second temperature threshold T2 (S101: NO), it is determined whether or not the fuel temperature T_fo is equal to or lower than the second temperature threshold T2 (S103). When it is determined that the exhaust temperature T_ex is equal to or lower than the second temperature threshold T2 (S103: YES), the first switching valve V1 is set to 1, the second switching valve V2 is set to 0 (S104), the fuel passage direction and the exhaust The heat exchange efficiency is reduced by setting the direction of passage of the gas to the parallel direction. That is, although the fuel temperature T_fo is equal to or lower than the second temperature threshold value T2, the exhaust gas temperature T_ex is higher than the second temperature threshold value T2. T_fo may be higher than the second temperature threshold T2. For this reason, the heat exchange efficiency is lowered by setting the fuel passage direction and the exhaust passage direction as parallel directions. This suppresses the fuel temperature T_fo from becoming higher than the second temperature threshold T2.
さらに、燃料温度T_foが第2温度閾値T2以下でないと判定された場合(S103:NO)、すなわち、燃料温度T_foが第2温度閾値T2よりも高くなり、上記熱化学方程式2に係る化学反応の割合が上昇した場合、排気の一部を排気流入部51から排気流出部52へと直接通過させる。このとき、まず、第2切替弁V2の位置を示す変数x(0<x<1)を、燃料温度T_foと第2温度閾値T2との差分を変数として用いる関数を用いて算出する(S105)。そして、第2切替弁V2の位置をxとする。この制御により、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向とするとともに、排気の一部を排気流入部51から排気流出部52へと直接通過させることとなり、熱交換に用いられる排気の量を低減する。
Furthermore, when it is determined that the fuel temperature T_fo is not equal to or lower than the second temperature threshold T2 (S103: NO), that is, the fuel temperature T_fo becomes higher than the second temperature threshold T2, and the chemical reaction according to the thermochemical equation 2 is performed. When the ratio increases, a part of the exhaust is directly passed from the
上記構成により、本実施形態に係る改質器50を備える発電システムは、以下の効果を奏する。
With the above configuration, the power generation system including the
・燃料の通過方向と排気の通過方向とを、熱交換効率の高い対向方向と、熱交換効率が低い並行方向とに切り替えることができる。このため、原燃料の改質状態を比較的制御し易い2つの状態で切り替えることができ、簡易な構造により改質効率の低下を抑制することができる。 The fuel passage direction and the exhaust passage direction can be switched between a facing direction having a high heat exchange efficiency and a parallel direction having a low heat exchange efficiency. For this reason, the reforming state of the raw fuel can be switched between two states that are relatively easy to control, and a reduction in reforming efficiency can be suppressed with a simple structure.
・排気温度T_exが第2温度閾値T2よりも低い場合に、燃料の通過方向と排気の通過方向とを対向方向として熱交換効率を高めているため、改質温度の低下を抑制することができ、それにより、改質が十分に行われない事態を回避することができる。また、排気温度T_exが第2温度閾値T2よりも高い場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向として熱交換効率を低下させているため、燃料温度T_foの上昇を抑制することができ、それにより、副生成物の生成を抑制することができる。 -When the exhaust gas temperature T_ex is lower than the second temperature threshold value T2, the heat exchange efficiency is increased by setting the fuel passage direction and the exhaust passage direction as opposite directions, so that the reduction of the reforming temperature can be suppressed. Thus, it is possible to avoid a situation where the reforming is not sufficiently performed. Further, when the exhaust gas temperature T_ex is higher than the second temperature threshold value T2, the heat exchange efficiency is lowered with the fuel passage direction and the exhaust passage direction being parallel to each other, and therefore, an increase in the fuel temperature T_fo is suppressed. And thereby the production of by-products can be suppressed.
・燃料温度T_foが第2温度閾値T2よりも高い場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向とし、且つ、一部の排気を排気流入部51から排気流出部52へと直接通過させることで、燃料に供給される排気熱を低減することができる。それにより、副生成物の生成を抑制することができるため、改質効率を向上させることができる。
When the fuel temperature T_fo is higher than the second temperature threshold value T2, the fuel passage direction and the exhaust passage direction are parallel to each other, and a part of the exhaust gas is transferred from the
<変形例>
・上記実施形態において、発電機として用いる内燃機関10の排気経路に改質器50を設けたものを示した。しかしながら、改質器50は、内燃機関10の排気経路に設けられ、内燃機関10の排気の熱により改質を行うものであればよく、その内燃機関10は、発電機以外として用いるものであってもよい。
<Modification>
In the above embodiment, the
・上記実施形態では、排気の通過方向を切り替えることにより、燃料の通過方向と排気の通過方向とを、対向方向と並行方向とに切り替えるものとしたが、燃料の通過方向を切り替えることにより、燃料の通過方向と排気の通過方向とを、対向方向と並行方向とに切り替えるものとしてもよい。例えば、上記実施形態における改質器50の排気通路50aを燃料通路として用い、燃料通路50bを排気通路として用いればよい。
In the above-described embodiment, the fuel passage direction and the exhaust passage direction are switched between the facing direction and the parallel direction by switching the exhaust passage direction. It is good also as what switches the passage direction and the passage direction of exhaust_gas | exhaustion to an opposing direction and a parallel direction. For example, the exhaust passage 50a of the
・上記実施形態において、原燃料としてメタノールを用いるものとしたが、原燃料は、メタノールに限られることはない。すなわち、改質反応が吸熱反応であり、所定温度よりも低い場合では、燃料の吹き抜けによる改質効率の低下が発生し、所定温度よりも高い場合には、副生成物が発生するものであればよい。また、改質の際に空気や水等が必要な原燃料を用いることもでき、その場合には、改質器50の燃料通路50bに空気や水等を供給する構成とすればよい。
In the above embodiment, methanol is used as the raw fuel, but the raw fuel is not limited to methanol. That is, if the reforming reaction is an endothermic reaction and the temperature is lower than a predetermined temperature, the reforming efficiency is reduced due to fuel blow-through, and if the temperature is higher than the predetermined temperature, a by-product is generated. That's fine. In addition, raw fuel that requires air, water, or the like can be used for reforming. In that case, a configuration may be adopted in which air, water, or the like is supplied to the
・上記実施形態では、第2切替弁V2のバルブ位置を0よりも大きく1よりも小さい値に対応する位置とすることで、排気の一部を排気流入部51から排気流出部52へと直接通過させている。しかしながら、第1切替弁V1のバルブ位置を0よりも大きく1よりも小さい値に対応する位置とすることで、排気の一部を排気流入部51から排気流出部52へと直接通過させてもよい。
In the above embodiment, by setting the valve position of the second switching valve V2 to a position corresponding to a value larger than 0 and smaller than 1, a part of the exhaust is directly transferred from the
・上記実施形態において、第1切替弁V1、第2切替弁V2を、それぞれ単一の切替弁とした。しかしながら、第1排気流入部51a、第2排気流入部51bのそれぞれに第1切替弁V1を設け、第1排気流入部51aの開放及び閉塞と、第2排気流入部51bの開放及び閉塞とを独立して制御可能なものとしてもよい。また、第1排気流出部52a、第2排気流出部52bのそれぞれに第2切替弁V2を設け、第1排気流出部52aの開放及び閉塞と、第2排気流出部52bの開放及び閉塞とを独立して制御可能なものとしてもよい。また、第1切替弁V1及び第2切替弁V2は、少なくとも、通路の開放及び閉塞を切り替えることが可能な構造を有していればよく、その具体的な構造は任意に設計可能である。
In the above embodiment, each of the first switching valve V1 and the second switching valve V2 is a single switching valve. However, the first switching valve V1 is provided in each of the first
・上記実施形態における排気通路50aの具体的な構造、及び、燃料通路50bの具体的な構造は、上記実施形態で示した構造に限られることはない。すなわち、少なくとも燃料の通過方向と排気の通過方向とを、対向方向の並行方向とに切り替えられる構造であればよい。すなわち、排気平行通路54、燃料平行通路57とは、厳密に平行な構造である必要はなく、直線形状の通路である必要もない。例えば、排気平行通路54中で排気平行通路54の形状が変形していてもよい。
In the above embodiment, the specific structure of the exhaust passage 50a and the specific structure of the
・上記各実施形態では、内燃機関10において、副燃料を燃焼させることにより発生する火炎を改質燃料に伝播させ、改質燃料を燃焼させるものとした。しかしながら、供給する改質燃料によっては、内燃機関10に副燃料供給装置22を設けず、点火プラグを設け、点火プラグにより発生した火花により改質燃料を燃焼させるものとしてもよい。
In each of the above embodiments, in the
・上記実施形態において、改質器50の燃料通路50bの出口の温度を燃料温度センサ62で計測し、その温度を燃料温度T_foとしたが、改質器50の燃料通路50bの内部の温度を計測し、その温度を燃料温度T_foとしてもよい。
In the above embodiment, the temperature of the outlet of the
10…内燃機関、41…第1排気通路、42…第2排気通路、50…改質器、50a…排気通路、50b…燃料通路、51…排気流入部、52…排気流出部、54…排気平行通路、61…排気温度センサ、62…燃料温度センサ、V1…第1切替弁、V2…第2切替弁。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記排気が通過する排気通路(50a)と、
前記排気通路と略平行に設けられ、前記燃料が通過する燃料通路(50b)と、
前記燃料の通過方向と前記排気の通過方向とを、並行方向と対向方向とに切り替える切替手段(V1,V2)と、
前記改質器へ流入する前記排気の温度を計測する排気温度計測手段(61)と、
前記排気を、前記排気通路の入口から前記排気通路の出口へと直接通過させるバイパス手段と、
前記改質器から流出する前記燃料の温度を計測する燃料温度計測手段(62)と、を備え、
前記排気の温度が、前記改質燃料とは異なる副生成物の生成により改質効果が低下すると見なすことができる所定値(T2)よりも低い場合に、前記対向方向とし、
前記排気の温度が前記所定値よりも高く、且つ、前記燃料の温度が前記所定値よりも低い場合に、前記並行方向とし、
前記燃料の温度が前記所定値よりも高く、且つ、前記燃料の温度が前記所定値よりも高い場合に、前記並行方向とすると共に、前記バイパス手段により前記排気の一部を前記排気通路の入口から前記排気通路の出口へと直接通過させることを特徴とする改質器。 A reformer (50) provided in an exhaust path (41, 42) of an internal combustion engine (10) for reforming raw fuel into reformed fuel by exhaust heat of the internal combustion engine,
An exhaust passage (50a) through which the exhaust passes;
A fuel passage (50b) provided substantially parallel to the exhaust passage and through which the fuel passes;
Switching means (V1, V2) for switching the fuel passage direction and the exhaust passage direction between a parallel direction and a facing direction;
Exhaust gas temperature measuring means (61) for measuring the temperature of the exhaust gas flowing into the reformer;
Bypass means for allowing the exhaust to pass directly from an inlet of the exhaust passage to an outlet of the exhaust passage;
Fuel temperature measuring means (62) for measuring the temperature of the fuel flowing out of the reformer ,
When the temperature of the exhaust gas is lower than a predetermined value (T2) that can be considered that the reforming effect is reduced due to generation of a by-product different from the reformed fuel, the facing direction is set.
When the temperature of the exhaust gas is higher than the predetermined value and the temperature of the fuel is lower than the predetermined value, the parallel direction is set.
When the temperature of the fuel is higher than the predetermined value and the temperature of the fuel is higher than the predetermined value, the parallel direction is set, and a part of the exhaust is made into the inlet of the exhaust passage by the bypass means. A reformer characterized in that the reformer is directly passed to the outlet of the exhaust passage .
前記切替手段は、前記排気流入部に設けられ、前記排気流入部を前記排気平行通路の両端の一方に選択的に接続する第1切替弁(V1)と、前記排気流出部に設けられ、前記排気流出部を前記排気平行通路の両端の他方に選択的に接続する第2切替弁(V2)とにより構成されることを特徴とする請求項2に記載の改質器。 The exhaust passage includes an exhaust parallel passage (54) provided substantially parallel to the fuel passage, and an exhaust inflow portion (51) for introducing the exhaust flowing in from the inlet of the exhaust passage into one of both ends of the exhaust parallel passage. And an exhaust outlet portion (52) for introducing the exhaust gas flowing out from the other end of the exhaust parallel passage to the outlet of the exhaust passage,
The switching means is provided at the exhaust inflow portion, and is provided at a first switching valve (V1) for selectively connecting the exhaust inflow portion to one of both ends of the exhaust parallel passage, and at the exhaust outflow portion, The reformer according to claim 2 , wherein the reformer is configured by a second switching valve (V2) that selectively connects an exhaust outlet portion to the other end of the exhaust parallel passage.
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