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JP2000291499A - 燃料改質装置付き内燃機関 - Google Patents

燃料改質装置付き内燃機関

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JP2000291499A
JP2000291499A JP11098416A JP9841699A JP2000291499A JP 2000291499 A JP2000291499 A JP 2000291499A JP 11098416 A JP11098416 A JP 11098416A JP 9841699 A JP9841699 A JP 9841699A JP 2000291499 A JP2000291499 A JP 2000291499A
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reformer
gas
reforming
liquid fuel
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JP11098416A
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質ガスと液体燃料とを使い分ける場合に、
液体燃料のオクタン価を高くして、高圧縮比化を可能に
する。 【解決手段】 蒸発器７により、燃料（炭化水素燃料）
及び水を排気熱によりガス化する。蒸発器７からのガス
（炭化水素ガス及び水蒸気）と空気との混合ガスを改質
器８に供給して、燃料を水蒸気改質反応及び部分酸化反
応により改質する。改質器８からのガスを冷却器１４に
供給して、冷却することで、改質されないままの炭化水
素ガスを凝縮し、高オクタン価液体燃料として、改質ガ
スと分離する。改質ガスはタンク１６に貯蔵して、部分
負荷運転時にガス燃料インジェクタ３よりエンジン１に
供給する。高オクタン価液体燃料はタンク１７に貯蔵し
て、高負荷運転時に液体燃料インジェクタ５よりエンジ
ン１に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料改質装置付き
内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の燃料改質装置付き内燃機関として
は、例えば特開昭５２−９８８１９号公報に示されるよ
うなものがある。
【０００３】この燃料改質装置付き内燃機関において、
燃料（炭化水素燃料）は、燃料タンクからポンプを介し
て分離器に圧送され、分離器内で、低沸点成分の炭化水
素ガスと高沸点成分の液体炭化水素とに分離される。低
沸点成分の炭化水素ガスは、改質器に送られ、改質器に
て、水素含有の多いガスに改質され、混合器を介してエ
ンジンに供給される。一方、高沸点成分の液体炭化水素
は、そのまま、インジェクタを介してエンジンに供給さ
れる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、炭化水
素の特性として、炭素量が多くなるほど、沸点は高くな
るものの、オクタン価は必ずしも高くならないことか
ら、従来の燃料改質装置付き内燃機関において、分離器
にて分離された高沸点成分の液体炭化水素のオクタン価
はもとの炭化水素燃料と同程度であるため、本来、燃料
改質装置付き内燃機関は、改質ガスの使用により、高圧
縮比で燃焼させて熱効率を向上することを狙いとするも
のであるが、液体炭化水素の使用時を考慮すると、圧縮
比を上げることができないという問題点があった。
【０００５】本発明は、このような従来の問題点に鑑
み、改質ガスと液体燃料とを使いわける場合に、液体燃
料の使用時の高圧縮化を可能にし、燃費及び出力の大幅
な向上を図ることのできる燃料改質装置付き内燃機関を
提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明では、燃料改質装置として、燃料、水及び空気の
供給を受けて、燃料を水蒸気改質反応及び部分酸化反応
により改質する改質器と、該改質器から出たガスを導い
て冷却することにより、改質されないままの炭化水素ガ
スを凝縮し、高オクタン価液体燃料として、改質ガスと
分離する冷却器と、を設ける一方、運転条件に応じて、
改質ガスと高オクタン価液体燃料とを使い分ける切換手
段を設けたことを特徴とする。
【０００７】請求項２に係る発明では、前記切換手段
は、機関の部分負荷運転時は改質ガスを使用し、高負荷
運転時は高オクタン価液体燃料を使用することを特徴と
する。請求項３に係る発明では、前記改質器に供給する
燃料及び水を機関の排気熱によりガス化する蒸発器を設
けたことを特徴とすることを特徴とする。
【０００８】請求項４に係る発明では、前記冷却器によ
り分離した改質ガス及び高オクタン価液体燃料をそれぞ
れ貯蔵する貯蔵タンクを設けたことを特徴とする。請求
項５に係る発明では、改質ガス及び高オクタン価液体燃
料の貯蔵量をそれぞれ検出する貯蔵量検出手段と、改質
ガス及び高オクタン価液体燃料の貯蔵量に応じて、前記
改質器への燃料供給量又は前記改質器での改質温度のう
ち少なくとも一方を制御する改質制御手段とを設けたこ
とを特徴とする。
【０００９】請求項６に係る発明では、前記改質制御手
段は、水蒸気改質反応と部分酸化反応の比率を制御し
て、改質温度を制御することを特徴とする。請求項７に
係る発明では、前記改質制御手段は、前記改質器への燃
料供給量、水供給量及び空気供給量を制御して、水蒸気
改質反応と部分酸化反応の比率を制御することを特徴と
する。
【００１０】
【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、燃料を事
前に分離することなく改質器を通し、改質器を出たガス
を冷却することで、改質されないままの炭化水素ガスを
凝縮し、高オクタン価液体燃料として、改質ガスと分離
できる。
【００１１】炭化水素の特性として、改質しずらい炭化
水素は、原子間の結合が強く、より安定した分子であ
り、つまりオクタン価は高い。もとの炭化水素燃料内に
は、オクタン価の低い成分、高い成分が混在し、あるオ
クタン価となっているが、改質器を通しても改質されな
いままの炭化水素ガスを冷却器により凝縮して分離する
ことで、オクタン価の高い成分を抽出したことになり、
高オクタン価液体燃料を得ることができる。すなわち、
液体燃料に含有される各炭化水素分子の改質のしにくさ
とオクタン価との強い相関を利用して、高オクタン価液
体燃料を得ることができるのである。
【００１２】よって、改質ガスと液体燃料とを使い分け
る場合に、いずれの領域においても高圧縮比化を実現で
き、熱効率の向上による燃費及び出力の大幅な向上を図
ることができる。
【００１３】請求項２に係る発明によれば、機関の部分
負荷運転時は改質ガスを使用し、高負荷運転時は高オク
タン価液体燃料を使用することで、特に部分負荷運転時
の燃費向上と高負荷運転時の出力向上とを高い次元で両
立させることができる。
【００１４】請求項３に係る発明によれば、改質器に供
給する燃料及び水を機関の排気熱によりガス化する蒸発
器を設けることで、排気熱の回収により発熱量増大を図
り、更に燃費向上を図ることができる。
【００１５】請求項４に係る発明によれば、冷却器によ
り分離した改質ガス及び高オクタン価液体燃料をそれぞ
れ貯蔵する貯蔵タンクを設けることで、使い分けの自由
度が向上する。
【００１６】請求項５に係る発明によれば、改質ガス及
び高オクタン価液体燃料の貯蔵量に応じて、改質器への
燃料供給量又は改質器での改質温度のうち少なくとも一
方を制御することで、各貯蔵量が規定範囲内になるよ
う、確保することができる。特に、燃料供給量を増大さ
せることで、両方の貯蔵量を増大できる一方、改質温度
を上昇させることで、改質ガスの収率を増大させ、逆に
改質温度を低下させることで、高オクタン価液体燃料の
収率を増大させることができる。
【００１７】請求項６に係る発明によれば、吸熱反応で
ある水蒸気改質反応の比率を増大させることで、改質温
度を低下させて、高オクタン価液体燃料の収率を増大さ
せ、発熱反応である部分酸化反応の比率を増大させるこ
とで、改質温度を上昇させて、改質ガスの収率を増大さ
せることができる。
【００１８】請求項７に係る発明によれば、改質器への
燃料供給量、水供給量及び空気供給量を制御すること
で、特に水供給量を増大することで、水蒸気改質反応の
比率を高め、空気供給量を増大することで、部分酸化反
応の比率を高めることができ、これにより改質温度を的
確に制御できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本発明の一実施形態を示す燃料改質
装置付き内燃機関のシステム図である。
【００２０】エンジン１の吸気系２には、ガス燃料を噴
射するガス燃料インジェクタ３が取付けられ、燃焼室４
には、直接液体燃料を噴射する液体燃料インジェクタ５
が取付けられている。
【００２１】エンジン１の排気系６には、燃料（炭化水
素燃料）と水との混合液体を排気熱によりガス化する蒸
発器７と、該蒸発器７からのガス（炭化水素ガス及び水
蒸気）と空気との混合ガスを排気熱と改質触媒とにより
改質する改質器８とが、改質器８を排気系上流側に配置
して、取付けられている。
【００２２】ここにおいて、燃料（炭化水素燃料）は、
燃料タンク９から燃料ポンプ１０により供給され、水
は、水タンク１１から水ポンプ１２により供給され、こ
れらは事前に混合されて、蒸発器７に供給される。蒸発
器７に供給された混合液体は、蒸発器７内の熱交換パイ
プ７ａを通過する過程で、排気熱を回収して、ガス化す
る。
【００２３】蒸発器７からのガス（炭化水素ガス及び水
蒸気）は、エアポンプ１３により供給される空気と混合
された後、改質器８に供給される。改質器８に供給され
た混合ガスは、改質器８内の改質触媒が充填されている
熱交換パイプ８ａを通過する過程で、一部は、水蒸気改
質反応及び部分酸化反応により、水素ガスを含有する改
質ガス（Ｈ2 ，ＣＯ）となって、残り（主にアロマ系）
は、改質されないまま、炭化水素ガスとして、共に冷却
器（凝縮器）１４に供給される。
【００２４】冷却器１４は、その内部にエンジン冷却水
が流通する冷却パイプ１５が配設されており、改質され
ないままの炭化水素ガスを凝縮し、高オクタン価液体燃
料として、改質ガスと分離する。
【００２５】すなわち、改質器８からのガスのうち、一
部の改質ガスは、冷却器１４にて冷却されるだけで、冷
却器１４の上方空間に分離され、残りの改質されないま
まの炭化水素ガスは、冷却器１４にて冷却されること
で、凝縮されて、液化し、高オクタン価液体燃料とし
て、冷却器１４の底部に分離される。
【００２６】炭化水素の特性として、改質しずらい炭化
水素は、原子間の結合が強く、より安定した分子であ
り、つまりオクタン価は高い。従って、改質器８を通し
ても改質されないままの炭化水素ガスを冷却器１４によ
り凝縮して分離することで、オクタン価の高い成分を抽
出したことになり、高オクタン価液体燃料を得ることが
できる。
【００２７】冷却器１４にて分離された改質ガスは、上
方空間から導出されて、改質ガスサージタンク１６に貯
蔵され、この後、ガス燃料インジェクタ３に導かれる。
一方、高オクタン価液体燃料は、冷却器１４の底部から
導出されて、高オクタン価液体燃料タンク１７に貯蔵さ
れ、この後、燃料ポンプ１８により、液体燃料インジェ
クタ５に導かれる。
【００２８】ここで、改質ガスサージタンク１６には、
改質ガスの貯蔵量の検出のため、貯蔵量検出手段とし
て、タンク内圧を計測する圧力計１９が取付けられ、高
オクタン価液体燃料タンク１７には、高オクタン価液体
燃料の貯蔵量の検出のため、貯蔵量検出手段として、液
面高さを計測するレベルセンサ２０が取付けられてい
る。
【００２９】上記の燃料改質装置付き内燃機関において
は、エンジン制御用コントロールユニットにソフトウェ
ア的に具備される切換手段により、運転条件に応じて、
ガス燃料インジェクタ３による改質ガスと液体燃料イン
ジェクタ５による高オクタン価液体燃料とを使い分け
る。尚、改質ガスの使用時の空気過剰率λは２．５程
度、高オクタン価液体燃料の使用時の空気過剰率λは
１．０程度とする。
【００３０】図２により運転条件に応じた使い分けの具
体例を説明する。エンジンの部分負荷運転時、すなわ
ち、エンジン負荷が低くしかもエンジン回転数が低い領
域（通常運転に使用している領域）では、改質ガスを使
用する。排気熱を回収し、しかも水素ガスは希薄燃焼が
可能で、高圧縮比下でノッキングを起こさない特性か
ら、大幅な燃費向上が可能となる。
【００３１】エンジンの高負荷運転時、すなわち、エン
ジン負荷が高い領域では、高オクタン価液体燃料を使用
する。この領域でガス燃料を使用すると、吸気の充填効
率が低下して出力が低下するため、液体燃料でかつ高オ
クタン価の燃料が必要となるからである。
【００３２】これら以外の中間の領域では、改質ガスと
高オクタン価液体燃料とを併用する。具体的には、主に
改質ガスを使用し、不足分として高オクタン価液体燃料
を使用する。
【００３３】このような使い分けのため、改質ガスサー
ジタンク１６及び高オクタン価液体燃料タンク１７の各
貯蔵量を常に規定範囲内に保っておく必要があり、この
ために、燃料ポンプ１０による燃料供給量、水ポンプ１
２による水供給量、及び、エアポンプ１３による空気供
給量を的確に制御する。
【００３４】このための制御フローを、図３により説明
する。本フローが改質制御手段に相当する。ステップ１
（図にはＳ１と記す。以下同様）では、燃料供給量Ｇｇ
及び水蒸気改質割合Ａｗの初期値として、それぞれ所定
値を与える。尚、０≦Ａｗ≦１である。
【００３５】ステップ２では、燃料供給量Ｇｇとなるよ
うに、燃料ポンプ１０を制御する。ステップ３では、次
式により、燃料供給量Ｇｇと水蒸気改質割合Ａｗとに基
づいて、水供給量Ｇｗを演算する。
【００３６】Ｇｗ＝Ｋｗ×Ａｗ×Ｇｇ 但し、Ｋｗ
は定数である。 また、次式により、燃料供給量Ｇｇと水蒸気改質割合Ａ
ｗ（部分酸化割合１−Ａｗ）とに基づいて、空気供給量
Ｇａを演算する。
【００３７】Ｇａ＝Ｋａ×（１−Ａｗ）×Ｇｇ 但
し、Ｋａは定数である。 ステップ４では、水供給量Ｇｗとなるように、水ポンプ
１２を制御し、また、空気供給量Ｇａとなるように、エ
アポンプ１３を制御する。
【００３８】ステップ５では、高オクタン価液体燃料の
貯蔵量、すなわち、高オクタン価液体燃料タンク１７に
設けたレベルセンサ２０の出力（液面高さ）を読込む。
ステップ６では、高オクタン価液体燃料の貯蔵量（レベ
ルセンサ２０の出力）が規定範囲（下限値〜上限値）内
か否かを判定し、規定範囲外の場合は、ステップ７へ進
む。
【００３９】ステップ７では、上限値以上又は下限値以
下のいずれであるかを判定する。下限値以下の場合は、
ステップ８へ進み、燃料供給量Ｇｇを一定量増加させ
（Ｇｇ＝Ｇｇ＋ΔＧｇ；ΔＧｇは一定量）、ステップ２
へ戻る。
【００４０】上限値以上の場合は、ステップ９へ進み、
燃料供給量Ｇｇを一定量減少させ（Ｇｇ＝Ｇｇ−ΔＧ
ｇ）、ステップ２へ戻る。ステップ６での判定で、高オ
クタン価液体燃料の貯蔵量（レベルセンサ２０の出力）
が規定範囲内の場合は、燃料供給量Ｇｇを変更すること
なく、ステップ１０へ進む。
【００４１】ステップ１０では、改質ガスの貯蔵量、す
なわち、改質ガスサージタンク１６に設けた圧力計１９
の出力（タンク内圧）を読込む。ステップ１１では、改
質ガスの貯蔵量（圧力計１９の出力）が規定範囲（下限
値〜上限値）内か否かを判定し、規定範囲外の場合は、
ステップ１２へ進む。
【００４２】ステップ１２では、上限値以上又は下限値
以下のいずれであるかを判定する。下限値以下の場合
は、ステップ１３へ進み、改質温度を上昇させるため、
水蒸気改質割合Ａｗを一定値減少させ（Ａｗ＝Ａｗ−Δ
Ａｗ；ΔＡｗは一定値）、ステップ２へ戻る。
【００４３】上限値以上の場合は、ステップ１３へ進
み、改質温度を低下させるため、水蒸気改質割合Ａｗを
一定値増加させ（Ａｗ＝Ａｗ＋ΔＡｗ）、ステップ２へ
戻る。ステップ１１での判定で、改質ガスの貯蔵量（圧
力計１９の出力）が規定範囲内の場合は、水蒸気改質割
合Ａｗを変更することなく、ステップ２へ戻る。
【００４４】以上のように、高オクタン価液体燃料の貯
蔵量が規定範囲外となった場合は、燃料供給量Ｇｇを増
減することで、高オクタン価液体燃料の生成量を調整す
る。また、改質ガスの貯蔵量が規定範囲外となった場合
は、水蒸気改質反応と部分酸化反応の比率（水蒸気改質
割合Ａｗ）を増減することで、改質ガスの生成量を調整
する。具体的には、改質ガスの貯蔵量が下限値以下とな
った場合は、水蒸気改質反応の比率を小さく、言い換え
れば部分酸化反応の比率を大きくして（すなわち、水供
給量を少なくし、空気供給量を多くして）、改質温度を
上昇させることで、改質ガスの生成量を多くし、逆に、
改質ガスの貯蔵量が上限値以上となった場合は、水蒸気
改質反応の比率を大きく、言い換えれば部分酸化反応の
比率を小さくして（すなわち、水供給量を多くし、空気
供給量を少なくして）、改質温度を低下させることで、
改質ガスの生成量を少なくする。
【００４５】更に詳しく説明する。炭化水素の特性とし
て、改質しずらい炭化水素は、原子間の結合が強く、よ
り安定した分子であり、オクタン価が高いことから、改
質器８を通しても改質されないままの炭化水素ガスを冷
却器１４により凝縮して分離することで、オクタン価の
高い成分を抽出して、高オクタン価液体燃料を得るが、
原子間の結合が強く、より安定した分子であっても、高
温に曝せば、改質ガスとなる。従って、どの程度改質す
るかは、改質温度に左右されることになる。
【００４６】ここで、改質には、吸熱反応の水蒸気改質
反応と、発熱反応の部分酸化反応とがある。 ・水蒸気改質反応 Ｃ7 Ｈ13＋７Ｈ2 Ｏ→１３．５Ｈ2 ＋７ＣＯ（吸熱反
応） ・部分酸化反応 Ｃ7 Ｈ13＋３．５Ｏ2 →６．５Ｈ2 ＋７ＣＯ（発熱反
応） 従って、水を減らして水蒸気改質反応を減少させると共
に空気を多くして部分酸化反応を増加させることによ
り、改質温度は高温になり、改質ガスが多く生成され
る。
【００４７】その逆に、水を増やして水蒸気改質反応を
増加させると共に空気を少なくして部分酸化を減少させ
ることにより、改質温度は低温になり、改質ガスが少な
く生成される。
【００４８】よって、水供給量及び空気供給量を制御す
ることにより、改質ガスと高オクタン価液体燃料の各収
率を制御できるのである。図４は本発明の他の実施形態
を示す燃料改質装置付き内燃機関のシステム図である。
【００４９】本実施形態では、改質器８を排気系６外に
配置して、改質用触媒が充填される流路８ａを断熱材８
ｂにより覆っている。その他は図１と同じである。改質
器８を排気系６に設けた場合、排気温度が改質温度より
低いと、逆に冷却されて、十分が改質作用がなされない
ため、改質器８を排気系６外に配置して、断熱する一
方、部分酸化反応の割合を大きくして、所望の改質温度
を得るのである。
【００５０】尚、以上の実施形態では、水の供給のた
め、水タンク１１への水の補給が必要となるが、排気中
の水蒸気を凝縮して、水を得るようにすれば、補給の必
要をなくすことができる。
【００５１】また、以上の実施形態では、高オクタン価
液体燃料を液体燃料インジェクタ５により燃焼室４内に
直接噴射供給するようにしているが、吸気系２に噴射す
るようにしてもよい。但し、排気温度を上昇させるため
に、膨張行程又は排気行程噴射が必要となる場合は、直
噴式とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示す内燃機関のシステ
ム図
【図２】 使い分けの具体例を示す図
【図３】 制御フローを示す図
【図４】 本発明の他の実施形態を示す内燃機関のシス
テム図
【符号の説明】
１ エンジン ２ 吸気系 ３ ガス燃料インジェクタ ４ 燃焼室 ５ 液体燃料インジェクタ ６ 排気系 ７ 蒸発器 ７ａ 熱交換パイプ ８ 改質器 ８ａ 改質触媒が充填された熱交換パイプ ９ 燃料タンク １０ 燃料ポンプ １１ 水タンク １２ 水ポンプ １３ エアポンプ １４ 冷却器（凝縮器） １５ 冷却水パイプ １６ 改質ガスサージタンク １７ 高オクタン価液体燃料タンク １８ 燃料ポンプ １９ 圧力計 ２０ レベルセンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 25/00 Ｆ０２Ｍ 25/00 Ｇ Ｔ 31/08 31/20 Ｃ 31/20 Ｃ０１Ｂ 3/38 // Ｃ０１Ｂ 3/38 Ｆ０２Ｍ 31/08 ３１１Ｚ Ｆターム(参考） 3G092 AA06 AB01 AB06 AB12 BB01 DE16S DE17S DE18S GA05 GA06 HB09Z 3G301 HA04 HA22 HA24 JA02 KA08 KA09 LB04 PB00Z 4G040 EA03 EA06 EB03 EB35 EB43 EB44

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料改質装置付き内燃機関において、 前記燃料改質装置として、燃料、水及び空気の供給を受
    けて、燃料を水蒸気改質反応及び部分酸化反応により改
    質する改質器と、該改質器から出たガスを導いて冷却す
    ることにより、改質されないままの炭化水素ガスを凝縮
    し、高オクタン価液体燃料として、改質ガスと分離する
    冷却器と、を設ける一方、 運転条件に応じて、改質ガスと高オクタン価液体燃料と
    を使い分ける切換手段を設けたことを特徴とする燃料改
    質装置付き内燃機関。
  2. 【請求項２】前記切換手段は、機関の部分負荷運転時は
    改質ガスを使用し、高負荷運転時は高オクタン価液体燃
    料を使用することを特徴とする請求項１記載の燃料改質
    装置付き内燃機関。
  3. 【請求項３】前記改質器に供給する燃料及び水を機関の
    排気熱によりガス化する蒸発器を設けたことを特徴とす
    ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料改
    質装置付き内燃機関。
  4. 【請求項４】前記冷却器により分離した改質ガス及び高
    オクタン価液体燃料をそれぞれ貯蔵する貯蔵タンクを設
    けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１
    つに記載の燃料改質装置付き内燃機関。
  5. 【請求項５】改質ガス及び高オクタン価液体燃料の貯蔵
    量をそれぞれ検出する貯蔵量検出手段と、改質ガス及び
    高オクタン価液体燃料の貯蔵量に応じて、前記改質器へ
    の燃料供給量又は前記改質器での改質温度のうち少なく
    とも一方を制御する改質制御手段とを設けたことを特徴
    とする請求項４記載の燃料改質装置付き内燃機関。
  6. 【請求項６】前記改質制御手段は、水蒸気改質反応と部
    分酸化反応の比率を制御して、改質温度を制御すること
    を特徴とする請求項５記載の燃料改質装置付き内燃機
    関。
  7. 【請求項７】前記改質制御手段は、前記改質器への燃料
    供給量、水供給量及び空気供給量を制御して、水蒸気改
    質反応と部分酸化反応の比率を制御することを特徴とす
    る請求項６記載の燃料改質装置付き内燃機関。
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