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JP3985771B2 - 燃料改質装置および燃料改質方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質装置および燃料改質方法に関する。
一般に、燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質装置は、当該混合気を改質する改質触媒と、改質触媒の上流側に配置され、燃料と空気とが供給される混合室とを有する。そして、従来から、燃料改質装置として、改質触媒の側方に配置された混合室内に、混合気を上下に蛇行させるように設けられた複数の伝熱板を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この燃料改質装置では、十分に気化（微粒化）されず比較的大きな重量を有したままの燃料の粒子（未気化燃料）や、混合室壁面で結露した液状の燃料が伝熱板によって遮られ、改質触媒に到達してしまうことが抑制される。従って、未改質燃料が燃料改質装置から排出されてしまうことを抑制することができる。
特開２００１−２２７４１９号公報
しかしながら、上述のような従来の燃料改質装置では、伝熱板によって改質触媒への流入が阻止された未気化燃料等がそのまま混合室内に残留してしまい、しかも、混合室内が伝熱板によって複数に仕切られているため、残留した燃料の回収を実行することが困難となっていた。
そこで、本発明は、未気化燃料等の改質触媒に対する流入を良好に抑制すると共に、未気化燃料等を効率よく回収可能とする燃料改質装置および燃料改質方法の提供を目的とする。
本発明による燃料改質装置は、燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質装置において、燃料と空気とが導入されると共に燃料と空気との混合気が上向きに進行するように構成された混合室と、混合室の下流側に設けられており、混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応室と、混合室の下部に設けられており、改質反応室内に到達しなかった燃料を回収するための燃料回収手段とを備えることを特徴とする。
この燃料改質装置は、燃料と空気とが導入されると共に燃料と空気との混合気が上向きに進行するように構成された混合室と、混合室の下流側に設けられて改質触媒を含む改質反応室とを有し、燃料と空気との混合気は、混合室内を上向きに進行しながら下流側の改質反応室に流入することになる。これにより、この燃料改質装置では、十分に気化（微粒化）されず比較的大きな重量を有したままの燃料の粒子や、混合室壁面で結露した液状の燃料が混合室下流側の改質反応室に流入することを、重力を利用しながら容易かつ確実に抑制することが可能となる。そして、改質反応室内に到達しなかった未気化燃料等は、混合室の下部へと下降し、混合室の下部に設けられている燃料回収手段により回収されることになる。この結果、この燃料改質装置によれば、未気化燃料等の改質触媒に対する流入を良好に抑制すると共に、未気化燃料等を効率よく回収することが可能となる。
この場合、混合室の下部には、燃料を上方に噴射可能な燃料噴射弁が接続され、燃料回収手段は、燃料噴射弁の周囲に配置された傾斜面を含み、当該傾斜面は、燃料噴射弁に向かって下向きに傾斜していると好ましい。
このような構成を採用すれば、特別な動力を用いることなく、改質反応室内に到達しなかった燃料を容易かつ確実に回収することが可能となる。
また、本発明による燃料改質装置は、燃料回収手段によって回収された燃料を混合室に再供給可能にするための手段を更に備えると好ましい。
更に、改質反応室は、混合室の外周に設けられていると好ましい。
このような構成のもとでは、燃料改質に伴って改質反応室において発生する熱を利用して、混合室の壁部および混合室の内部を昇温させることができる。従って、かかる構成によれば、混合室の壁部内面に付着した未気化燃料や液状燃料の気化を促進させると共に、混合室内における燃料と空気との混合を促進させることが可能となる。
更に、本発明の燃料改質装置は、燃料回収手段による燃料の回収量を取得する燃料回収量取得手段と、燃料回収量取得手段によって取得された回収量に基づいて、混合室に導入される燃料の量を設定する手段とを更に備えると好ましい。
このように、燃料回収手段によって回収される燃料の量、すなわち、混合室に導入されたにも拘らず改質反応室に流入しなかった燃料の量を把握することにより、改質反応室における燃料と空気との空燃比を所望の値に精度よく設定することが可能となり、改質反応室における改質効率を良好に保つことができる。
本発明による燃料改質方法は、燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質方法において、所定の混合室内に燃料と空気とを導入すると共に、当該混合室内で燃料と空気との混合気を上向きに進行させながら下流側の改質反応室に流入させる一方、混合室の下部で、改質反応室内に到達しなかった燃料を回収することを特徴とするものである。
本発明によれば、未気化燃料等の改質触媒に対する流入を良好に抑制すると共に未気化燃料等を効率よく回収可能とする燃料改質装置および燃料改質方法の実現が可能となる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明による燃料改質装置の第１実施形態を示す概略構成図である。同図に示される燃料改質装置１は、例えばガソリン等の炭化水素系燃料と空気との混合気を改質可能なものであり、例えば自動車の駆動源である内燃機関の燃料（改質ガス）を生成するのに用いられる。図１に示されるように、燃料改質装置１は、概ね筒状に形成された本体２を有し、この本体２の軸心が概ね垂直に延在する状態で使用される。また、燃料改質装置１は、本体２の一端部（図１における下部）に接続された燃料噴射弁（燃料供給手段）３を有する。燃料噴射弁３は、燃料供給管Ｌ１と図示されない燃料ポンプとを介して燃料タンク（図示省略）に接続されており、燃料改質装置１の使用時にガソリン等の炭化水素系燃料を上方に噴射するものである。
図１および図２に示されるように、燃料噴射弁３は、本体２に接続された弁収容部４の内部に収容されている。そして、弁収容部４には、中途にエアポンプＡＰおよび流量調整弁ＦＣＶを含む給気管Ｌ２の先端が接続されている。また、弁収容部４の内部には、給気管Ｌ２と連通すると共に燃料噴射弁３のノズル３ａの周囲を囲むように空気流路４ａが形成されている。更に、弁収容部４には、空気流路４ａと連通すると共にノズル３ａの上方に位置すると共に燃料改質装置１の使用時に概ね垂直に延在する混合気噴霧口４ｂが形成されている。これにより、エアポンプＡＰを作動させると共に流量調整弁ＦＣＶを開放状態にすれば、燃料噴射弁のノズル３ａ（燃料噴射孔）に対して側方から空気が吹き付けられる。従って、この状態で燃料噴射弁３を開弁させて燃料を噴射させれば、弁収容部４の混合気噴霧口４ｂから燃料と空気との混合気が噴射されることになる。
また、本体２の内部には、弁収容部４から所定の間隔を隔てて、所定の改質触媒を含む改質反応室５が設けられており、弁収容部４と改質反応室５との間には、混合気噴霧口４ｂと連通する混合室６が画成されている。すなわち、燃料改質装置１の使用時に、改質反応室５は、混合室６の上方に位置することになる。本実施形態において、改質反応室５は、所定の改質触媒を担持させたハニカム材を本体２の内部に配置することにより構成される。改質触媒としては、例えばジルコニアにロジウムを担持させたものを採用することができる。更に、本体２の改質反応室５の下流側には、改質ガス供給室７が画成されており、この改質ガス供給室７には、例えば内燃機関等の供給対象に改質ガスを供給するための改質ガス供給管（図示省略）が接続されている。
なお、改質反応室５における改質反応を開始させるためには、混合気の供給が適正に行われることに加えて、改質反応室５（改質触媒）を所定温度（例えばおよそ４００℃）以上に設定する必要がある。このためには、図示されない公知の電気加熱式触媒を利用する手法（改質触媒の担体をメタル薄膜により構成したいわゆるメタルハニカムに給電して当該ハニカム体を加熱する手法）や、バーナー式加熱法（改質触媒の上流側にバーナーを配置し、このバーナーによる熱で改質触媒を加熱する手法）等を採用して、改質反応の開始前に改質触媒を予熱（プレヒート）するとよい。改質反応が一旦開始されれば、改質反応に伴って発生する熱により改質反応が持続されることになるので、ハニカム体への給電や、バーナーによる加熱を停止してよい。
一方、図２に示されるように、本体２の下端部（底部）は、混合気を上方に噴出する弁収容部４（燃料噴射弁３）の周囲に傾斜面２ａを含むように形成されており、この傾斜面２ａは、弁収容部４（燃料噴射弁３）に向かって下向きに傾斜している。また、本体２（混合室６）の傾斜面２ａの最下部近傍には、中途に燃料回収ポンプＲＰを有する燃料回収管Ｌ３の一端が接続されており、この燃料回収管Ｌ３の他端は、燃料噴射弁３に燃料を供給するための燃料供給管Ｌ１と合流している。
そして、燃料改質装置１は、図１および図２に示されるように、その制御手段として機能する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）１０を備える。ＥＣＵ１０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。このＥＣＵ１０の入出力ポートには、上述の燃料噴射弁３、エアポンプＡＰ、流量調整弁ＦＣＶ、燃料回収ポンプＲＰ等が接続されている。また、本体２には、改質ガス供給室７内の改質ガスの温度（改質反応室５の触媒床温）を検出する温度センサ８が備えられており、この温度センサ８も、図示されない他の各種センサ（例えば、外気温度センサ等）と共に、ＥＣＵ１０の入出力ポートに接続されている。更に、ＥＣＵ１０の入出力ポートには、ＥＣＵ１０により起動されるとその段階から計時を行うタイマ９が接続される。ＥＣＵ１０は、温度センサ８の検出値やタイマ９の計測値等に基づくと共に、各種制御プログラム、マップ等に従って、燃料噴射弁３、エアポンプＡＰ、流量調整弁ＦＣＶ、燃料回収ポンプＲＰ等を制御する。
上述のように構成された燃料改質装置１を用いて燃料と空気との混合気を改質する際、燃料改質装置１のＥＣＵ１０は、温度センサ８からの信号に基づくと共に予め定められたマップ等を用いて、改質反応室５に供給される混合気の空燃比が所望の値（本実施形態では、概ね一定の値であり、例えば、混合室６に供給される燃料中の炭素原子に対する空気中の酸素原子の比Ｏ／Ｃがおよそ０．８〜１．０５範囲に設定される。）になるように燃料噴射弁３、エアポンプＡＰおよび流量調整弁ＦＣＶの少なくとも何れかを制御する。これにより、燃料を噴射する燃料噴射弁３のノズル３ａ（燃料噴射孔）に対して側方から空気が吹き付けられ、弁収容部４の混合気噴霧口４ｂから燃料と空気との混合気が噴出する。
弁収容部４の混合気噴霧口４ｂから噴出した燃料と空気との混合気は、混合室６内を上向きに進行しながら下流側の改質反応室５に流入する。そして、改質反応室５では、改質触媒により炭化水素系燃料と空気とが反応させられ、次の（１）式にて表わされる部分酸化反応が進行することにより、ＣＯおよびＨ２を含む改質ガスが生成される。得られた改質ガスは、改質反応室５から改質ガス供給室７に流入し、改質ガス供給室７から例えば内燃機関等の供給対象に供給されることになる。
ＣｍＨｎ＋（ｍ／２）Ｏ２→ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ２ …（１）
一方、混合気噴霧口４ｂから混合室６内に噴出した燃料の中には、十分に気化（微粒化）されず比較的大きな重量を有したままの粒子（未気化燃料）や、混合室６の壁面で結露した液状の燃料も含まれる。この場合、燃料改質装置１では、上述のように、燃料と空気との混合気が混合室６内を上向きに進行しながら下流側の改質反応室５に流入するので、このような比較的大きな重量を有する未気化燃料や液状燃料の粒子は、重力により改質反応室５に対する流入を阻止され、混合室６の下部へと下降する。
未気化燃料等は、傾斜面２ａ上に落下すると共に傾斜面２ａに沿って弁収容部４の周りに集められる。すなわち、混合室６の下部に設けられた本体２の傾斜面２ａは、改質反応室５の内部に到達しなかった燃料を回収するための燃料回収手段として機能し、これにより、特別な動力を用いることなく、改質反応室５に到達しなかった燃料を容易かつ確実に回収することが可能となる。そして、ＥＣＵ１０によって所定のタイミングで燃料回収ポンプＲＰが作動されると、混合室６の下部に集められた燃料は、燃料回収ポンプＲＰによって燃料回収管Ｌ３を介して吸引されて本体２の内部から燃料供給管Ｌ１内へと返送され、燃料タンクから燃料ポンプにより圧送されてきた燃料と混ざり合う。これにより、燃料回収手段としての傾斜面２ａにより回収された燃料を混合室６に再供給することが可能となる。
このように、燃料改質装置１では、十分に気化（微粒化）されず比較的大きな重量を有したままの燃料の粒子や、混合室６の壁面で結露した液状の燃料が改質反応室５に流入することを、重力を利用しながら容易かつ確実に抑制することが可能となる。また、改質反応室５に到達しなかった未気化燃料等は、混合室６の下部へと下降し、混合室６の下部に設けられている燃料回収手段としての傾斜面２ａを利用して回収されることになる。この結果、燃料改質装置１では、未気化燃料等の改質反応室５に対する流入を良好に抑制すると共に、未気化燃料等を効率よく回収することが可能となる。
ところで、上述の未気化燃料等は、混合室６の内部温度等が比較的低い改質開始時等に多く存在し、混合室６の内部温度や混合室６の壁部（本体２）の温度が十分に高まるにつれて減少する。このため、改質反応室５に流入せずに混合室６内で回収される燃料の量も改質開始からの経過時間等に応じて変化することになるが、このように、未気化燃料等の量が変化すれば、改質反応が実際に進行する改質反応室５における燃料と空気との空燃比もそれに応じて変化してしまう。
このような点を踏まえて、燃料改質装置１のＥＣＵ１０は、改質反応が実際に進行する改質反応室５における空燃比を所望の値に精度よく設定するために、図３に示される手順に従って、混合室６における燃料の回収量を正確に把握しながら、燃料噴射弁３、エアポンプＡＰおよび流量調整弁ＦＣＶを制御する。
図３に示される燃料改質装置１の制御手順について説明すると、燃料改質装置１を始動させるに際して、ＥＣＵ５０は、まず、タイマ９をリセットした上で（Ｓ１０）、タイマ９の作動を開始させる（Ｓ１２）。これにより、タイマ９は、改質開始からの経過時間ｔｘの計測を開始し、経過時間ｔｘを示す信号をＥＣＵ１０に与える。ＥＣＵ１０は、タイマ９の作動を開始させるのとほぼ同時に、温度センサ８からの信号に基づくと共に予め定められたマップ等を用いて、燃料噴射弁３からの燃料噴射量Ｇｆと弁収容部４（混合室６）に対する空気供給量Ｇａとを定め、燃料噴射弁３、エアポンプＡＰおよび流量調整弁ＦＣＶに所定の制御信号を与える。これにより、燃料噴射弁３から燃料が噴射されると共に、弁収容部４に対して空気が供給されることになる（Ｓ１４）。
Ｓ１４の処理の後、ＥＣＵ１０は、タイマ９からの信号に基づいて改質開始からの経過時間ｔｘを読み込む（Ｓ１６）。そして、経過時間ｔｘと所定の係数との関数α（Ｋ，ｔｘ）を用いて、混合室６における未気化燃料および液状燃料の回収量Ｇｆｒを算出（推定）する（Ｓ１８）。ここで、関数α（Ｋ，ｔｘ）は、改質開始からの経過時間ｔｘと混合室６の内部温度や壁部温度との関係を踏まえた上で実験データ等に基づいて予め定められ、ＥＣＵ１０の記憶装置に記憶されるものである。ただし、Ｓ１８の処理では、燃料の回収量Ｇｆｒを算出するために、改質開始からの経過時間ｔｘと未気化燃料等の回収量との関係を規定するマップが関数α（Ｋ，ｔｘ）の代わりに用いられてもよい。
更に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１８にて算出（推定）された未気化燃料等の回収量Ｇｆｒを補正するための回収量補正マップから、経過時間ｔｘに対応する補正値Ｇｆｇを読み出す（Ｓ２０）。ここで用いられる回収量補正マップは、実験データ等に基づいて予め定められたものであり、ＥＣＵ１０の記憶装置に記憶されている。そして、ＥＣＵ１０は、Ｓ１８にて求めた燃料の回収量Ｇｆｒと、Ｓ２０にて求めた補正値Ｇｆｇとを用いて、燃料噴射弁３から噴射させる燃料の量Ｇｆを補正する（Ｓ２２）。すなわち、ＥＣＵ１０は、Ｓ２２にて、新たな燃料噴射量Ｇｆを、Ｇｆ＝Ｇｆ＋Ｇｆｒ＋Ｇｆｇとして再設定した上で、少なくとも流量調整弁ＦＣＶ（必要に応じて、燃料噴射弁３およびエアポンプＡＰ）に所定の制御信号を与える（Ｓ２４）。
Ｓ２４の処理の後、ＥＣＵ１０は、温度センサ８からの信号に基づいて改質ガス供給室７内の改質ガスの温度（触媒床温）Ｔｇを読み込む（Ｓ２６）。更に、ＥＣＵ１０は、改質反応室５における改質効率（燃料転化率）等を踏まえて予め定められている最適触媒床温Ｔ０と、Ｓ２６にて取得した改質ガス温度（触媒床温）Ｔｇとの偏差ΔＴを、ΔＴ＝Ｔ０−Ｔｇとして算出する（Ｓ２８）。
ここで、改質反応室５における改質効率、すなわち、燃料をＣＯおよびＨ２に転化する燃料転化率は、改質反応室５に供給される混合気の空燃比に応じて変化し、実用上良好な改質効率を得るための上記最適触媒床温Ｔ０は、実験データ等に基づいて予め求めておくことができる。そして、最適触媒床温Ｔ０と実際の触媒床温（改質ガス温度）との偏差ΔＴがわかれば、改質反応室５における混合気の空燃比を推定することが可能となる。従って、偏差ΔＴに基づいて、改質反応室５における理想的な空燃比を実現する上での燃料の不足分または過剰分を把握することにより、Ｓ１８にて求められた未気化燃料等の回収量Ｇｆｒを補正するためにＳ２０にて用いられる回収量補正マップを修正することが可能となる。
このような点に鑑みて、燃料改質装置１では、Ｓ２０で読み出される改質開始からの経過時間ｔｘに対応した補正値Ｇｆｇを修正するために、最適触媒床温Ｔ０と改質ガス温度Ｔｇとの偏差および所定の係数との関数β（Ｋ，ΔＴ）が実験データ等に基づいて予め定められており、ＥＣＵ１０の記憶装置に記憶されている。そして、ＥＣＵ１０は、Ｓ２８にて偏差ΔＴを求めると、関数β（Ｋ，ΔＴ）を用いて、経過時間ｔｘに対応した補正値Ｇｆｇを修正するための修正係数Ｋｇを求める（Ｓ３０）。
Ｓ３０にて修正係数Ｋｇを求めると、ＥＣＵ１０は、経過時間ｔｘに対応した新たな補正値Ｇｆｇを、Ｇｆｇ＝（１＋Ｋｇ）×Ｇｆｇとして算出し（Ｓ３２）、上述の回収量補正マップの経過時間ｔｘに対応した補正値Ｇｆｇを、Ｓ３２にて求めた新たな値で書き換える（Ｓ３４）。Ｓ３４の処理の後、ＥＣＵ１０は、Ｓ３６にて燃料改質を停止させるべきと判断するまで、上述のＳ１４からＳ３４までの処理を繰り返し実行する。
上述のように、図３に示される手順に従って制御される燃料改質装置１では、未気化燃料等の回収量、すなわち、混合室６に導入されたにも拘らず改質反応室５に流入しなかった燃料の量が取得され（Ｓ１８等）、取得された回収量に基づいて混合室６に導入される燃料の量が補正（設定）されることになる（Ｓ２２）。これにより、改質反応室５における燃料と空気との空燃比を所望の値に精度よく設定することが可能となり、改質反応室５における改質効率（燃料転化率）を常時良好に保つことができる。
更に、図３の制御手順が繰り返し実行されていくことにより、回収量補正マップが初期状態において比較的ラフに適合されたものであっても、燃料改質装置１の稼動時間が長期化していくにつれて、当該回収量補正マップは、燃料改質装置１の運転状態や周囲環境等に応じて順次更新（学習）されていくことになる。従って、燃料改質装置１では、回収量補正マップの適合に要するコストを低減させることが可能となると共に、回収量補正マップを用いた空燃比制御自体の精度を向上させていくことができる。
なお、上述のような回収量補正マップを用いると共に、最適触媒床温Ｔ０と改質ガス温度（触媒床温）Ｔｇとの偏差ΔＴに基づいて当該回収量補正マップを時間の経過と共に更新していく代わりに、改質開始からの経過時間ｔｘと未気化燃料等の回収量との関係を規定するマップを用意し、このマップを上記偏差ΔＴに基づいて時間の経過と共に更新するようにしてもよい。また、上述のＳ１８にて用いられる燃料の回収量を推定するための関数またはマップを予め精度よく適合させておけば、図４に示されるように、上述の回収量補正マップの使用（Ｓ２０）や、マップの更新処理（学習制御、上述のＳ２６からＳ３４までの処理）を省略することも可能である。
図５は、上述の燃料改質装置１に適用可能な他の制御手順を示すフローチャートである。図５に示される手順に従って燃料改質装置１を制御する場合、ＥＣＵ１０は、燃料改質装置１が始動されると、タイマ９をリセットした上で（Ｓ４０）、タイマ９の作動を開始させる（Ｓ４２）。また、ＥＣＵ１０は、タイマ９の作動を開始させるのとほぼ同時に、温度センサ８からの信号に基づくと共に予め定められたマップ等を用いて、燃料噴射弁３からの燃料噴射量Ｇｆと弁収容部４に対する空気供給量Ｇａとを定め、燃料噴射弁３から燃料を噴射させると共に弁収容部４に対して空気を供給すべく、燃料噴射弁３、エアポンプＡＰおよび流量調整弁ＦＣＶに所定の制御信号を与える（Ｓ４４）。
Ｓ４４の処理の後、ＥＣＵ１０は、タイマ９からの信号に基づいて改質開始からの経過時間ｔｘを読み込み（Ｓ４６）、更に、図示されない外気温度センサからの信号に基づいて、この時点（改質開始から時間ｔｘだけ経過した時点）における外気温度（大気温度）Ｔｘを読み込む（Ｓ４８）。そして、経過時間ｔｘおよび外気温度Ｔｘ並びに所定の係数との関数σ（Ｋ１，ｔｘ，Ｔｘ）を用いて、混合室６における未気化燃料等の回収量Ｇｆｒを算出（推定）する（Ｓ５０）。なお、関数σ（Ｋ１，ｔｘ，Ｔｘ）も、実験データ等に基づいて予め定められ、ＥＣＵ１０の記憶装置に記憶されるものである。ただし、Ｓ５０の処理においても、燃料の回収量Ｇｆｒを算出するために、改質開始からの経過時間ｔｘおよび外気温度Ｔｘと未気化燃料等の回収量との関係を規定するマップが関数σ（Ｋ１，ｔｘ，Ｔｘ）の代わりに用いられてもよい。
Ｓ５０にて燃料の回収量Ｇｆｒを算出すると、ＥＣＵ１０は、求めた燃料の回収量Ｇｆｒを用いて、燃料噴射弁３から噴射させる燃料の量Ｇｆを補正する（Ｓ５２）。すなわち、ＥＣＵ１０は、Ｓ５２にて、新たな燃料噴射量Ｇｆを、Ｇｆ＝Ｇｆ＋Ｇｆｒとして再設定し、Ｓ５４にて燃料改質を継続すべきと判断した場合には、Ｓ４４に戻って、少なくとも流量調整弁ＦＣＶ（必要に応じて、燃料噴射弁３およびエアポンプＡＰ）に所定の制御信号を与える。これにより、燃料噴射弁３からの燃料噴射量が、未気化燃料等の回収量に基づいて補正（設定）されることになる。
このように、混合室６における燃料の回収量の算出（推定）に際して、更に、外気温度Ｔｘをも考慮すれば、未気化燃料等の回収量をより精度よく算出（推定）することが可能となる。すなわち、改質反応室５の内部温度（反応温度）は、概ね一定であるから、外気温度がわかれば、改質開始当初の燃料および空気の温度や、混合室６の内部および壁部の温度といったパラメータを精度よく推定することが可能となるので、これらのパラメータの影響を受けやすい未気化燃料等の量（回収量）を算出（推定）するための関数やマップを実態に良好に適合させることが可能となる。
また、混合室６における燃料の回収量の推定に際しては、図６に示される例のように、混合室６の内部温度Ｔｃおよび壁部温度Ｔｗを検出し、これらの温度Ｔｗおよびｔｃに基づいて混合室６における未気化燃料等の回収量を算出（推定）してもよい。これにより、未気化燃料等の回収量を極めて高精度に算出（推定）することが可能となる。この場合、ＥＣＵ１０は、燃料改質を開始すべく、燃料噴射弁３からの燃料噴射と、エアポンプＡＰ等による空気供給とを開始させると（Ｓ６０）、混合室６の内部温度Ｔｃを検出する温度センサおよび混合室６の壁部（本体２）の温度Ｔｗを検出する温度センサ（何れも図示省略）からの信号に基づいて、混合室６の内部温度Ｔｃおよび壁部温度Ｔｗを取得する（Ｓ６２）。
Ｓ６２の処理の後、ＥＣＵ１０は、混合室６の内部温度Ｔｃおよび壁部温度Ｔｗ並びに所定の係数との関数δ（Ｋ２，Ｔｗ，Ｔｃ）を用いて、混合室６における未気化燃料等の回収量Ｇｆｒを算出（推定）する（Ｓ６４）。なお、関数δ（Ｋ２，Ｔｗ，Ｔｃ）は、実験データ等に基づいて予め定められ、ＥＣＵ１０の記憶装置に記憶されるものである。もちろん、Ｓ６４の処理においても、燃料の回収量Ｇｆｒを算出するために、混合室６の内部温度Ｔｃおよび壁部温度Ｔｗと未気化燃料等の回収量との関係を規定するマップが関数δ（Ｋ２，Ｔｗ，Ｔｃ）の代わりに用いられてもよい。
Ｓ６４にて燃料の回収量Ｇｆｒを算出すると、ＥＣＵ１０は、求めた燃料の回収量Ｇｆｒを用いて、燃料噴射弁３から噴射させる燃料の量Ｇｆを補正する（Ｓ６６）。すなわち、ＥＣＵ１０は、Ｓ６６にて、新たな燃料噴射量Ｇｆを、Ｇｆ＝Ｇｆ＋Ｇｆｒとして再設定し、Ｓ６８にて燃料改質を継続すべきと判断した場合には、Ｓ６０に戻って、少なくとも流量調整弁ＦＣＶ（必要に応じて、燃料噴射弁３およびエアポンプＡＰ）に所定の制御信号を与える。これにより、燃料噴射弁３からの燃料噴射量が、未気化燃料等の回収量に基づいて補正（設定）されることになる。
なお、上述の図５および図６の例において、図３に関連して説明した例と同様に、回収量補正マップを使用すると共に、マップの更新処理を実行することも可能である。また、上述の図５および図６の例において、未気化燃料等の回収量を直接求めるためのマップを用意し、このマップを時間の経過と共に更新するようにしてもよい。
〔第２実施形態〕
以下、図７を参照しながら、本発明による燃料改質装置の第２実施形態について説明する。なお、上述の第１実施形態に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。
図７に示される燃料改質装置１Ａでは、図１および図２に示される燃料改質装置１の場合と比較して、弁収容部４の本体２の内部への突出量が大きく設定されている。そして、弁収容部４の外周面と本体２の傾斜面２ａとにより、傾斜面２ａによって集められた未気化燃料等を溜めておく燃料溜め部２ｂが画成されている。また、弁収容部４には、その外周の燃料溜め部２ｂと、混合気噴霧口４ｂとを連通させる連通路４ｃが少なくとも１本（本実施形態では、放射状に複数本）形成されている。
このように構成される燃料改質装置１Ａでは、燃料噴射弁３から噴射された燃料とエアポンプＡＰにより圧送される空気との混合気が混合気噴霧口４ｂから噴出されるので、混合気噴霧口４ｂ内の混合気の流速は、燃料溜め部２ｂ内の未気化燃料等の流速よりも高くなる。従って、混合気噴霧口４ｂ内の圧力が燃料溜め部２ｂ内の圧力よりも低くなるので、この圧力差により、燃料溜め部２ｂ内の燃料は、弁収容部４の混合気噴霧口４ｂへと吸引され、そこで混合気と混ざり合うことになる。
上述のように、混合室６内で回収された燃料を混合室６に再供給するための手段として、弁収容部４の外周面と本体２の傾斜面２ａとにより画成される燃料溜め部２ｂと、混合気噴霧口４ｂとを連通する連通路４ｃを弁収容部４に形成してもよい。これにより、混合室６内で回収された燃料を確実に混合室６に再供給することが可能となる。また、かかる構成を採用すれば、燃料回収ポンプ等の動力を要する手段を用いる必要がなくなるので、改質装置全体をコンパクト化し、低コスト化すると共に、その信頼性を向上させることが可能となる。
〔第３実施形態〕
以下、図８を参照しながら、本発明による燃料改質装置の第３実施形態について説明する。なお、上述の第１実施形態等に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。
図８に示される燃料改質装置１Ｂでは、傾斜面２ａの内周に連続する本体２の底部２ｃを弁収容部４の上面よりも下方に配置することにより、弁収容部４の周囲に燃料溜め部２ｂが画成されている。そして、本体２の底部２ｃには、連通管２０の一端が接続されており、この連通管２０の他端は、流量調整弁ＦＣＶと空気流路４ａとの間で給気管Ｌ２に接続されている。この結果、混合室６内の燃料溜め部２ｂと給気管Ｌ２の内部とは、連通管２０を介して連通される。また、給気管Ｌ２の内部には、ベンチュリー管（低圧形成手段）２１が配置されている。ベンチュリー管２１は、長手方向中央部に、最も内径が小さい最狭部（のど部）を有する管状部材として形成されている。そして、上述の連通管２０の他端は、給気管Ｌ２を貫通すると共に、ベンチュリー管２１の長手方向中央部を貫通しており、ベンチュリー管２１内の最狭部付近に臨んでいる。
このように構成される燃料改質装置１Ｂでは、エアポンプＡＰにより圧送される空気が給気管Ｌ２内のベンチュリー管２１の内部を流通するが、空気の流速は、ベンチュリー管２１の最も内径が小さい部分である最狭部付近、すなわち、連通管２０との接続部（合流部）近傍で最も高まることになる。これにより、当該接続部付近における給気管Ｌ２の内部圧力は、燃料溜め部２ｂ内の圧力よりも低くなるので、この圧力差により、燃料溜め部２ｂ内の燃料は、給気管Ｌ２の内部へと吸引され、そこで空気と混ざり合うことになる。
上述のように、混合室６内で回収された燃料を混合室６に再供給するための手段として、弁収容部４の外周に画成された燃料溜め部２ｂと給気管Ｌ２とを連通させる連通管２０と、給気管Ｌ２の内部を燃料溜め部２ｂよりも低圧にするベンチュリー管２１とを用いてもよい。これにより、混合室６内で回収された燃料を確実に混合室６に再供給することが可能となる。また、かかる構成を採用しても、燃料回収ポンプ等の動力を要する手段を用いる必要がなくなるので、改質装置全体をコンパクト化し、低コスト化すると共に、その信頼性を向上させることが可能となる。
〔第４実施形態〕
以下、図９を参照しながら、本発明による燃料改質装置の第４実施形態について説明する。なお、上述の第１実施形態等に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。
図９に示される燃料改質装置１Ｃにおいても、本体２の下端に弁収容部４（燃料噴射弁３）に向かって下向きに傾斜する傾斜面２ａが形成されるが、本実施形態では、本体２の傾斜面２ａを含む下端部が漏斗状に形成されており、当該下端部の開口２ｄが弁収容部４の混合気噴霧口４ｂに直接接続されている。これにより、傾斜面２ａ上に落下した未気化燃料や液状燃料は、傾斜面２ａに沿って開口２ｄから混合気噴霧口４ｂへと流入し、そこで混合気と混ざり合うことになる。
このように、混合室６内で回収された未気化燃料等を本体２の傾斜面２ａにより混合気噴霧口４ｂに直接導いて混合気に混入させても、混合室６内で回収された燃料を混合室６に確実に再供給することができる。そして、かかる構成を採用しても、燃料回収ポンプ等の動力を要する手段を用いる必要がなくなるので、改質装置全体をコンパクト化し、低コスト化することが可能となると共に、その信頼性を向上させることができる。
〔第５実施形態〕
以下、図１０を参照しながら、本発明による燃料改質装置の第５実施形態について説明する。なお、上述の第１実施形態等に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。
図１０に示される燃料改質装置１Ｄでは、本体２が上述の各実施形態におけるものよりも小さい全高を有すると共に、本体２の上端が開放されている。また、本体２の内部には改質反応室５が設けられておらず、本体２の内部は、混合室６のみとして利用される。更に、燃料改質装置１Ｄは、所定の間隔を隔てて本体２の外周を同心に覆う外筒部材３０を備えている。図１０に示されるように、外筒部材３０の上端および下端は、完全に閉鎖されており、本体２と外筒部材３０との間には、混合室６と連通する空間が画成される。また、外筒部材３０の天井部３１は、その中央部が本体２に向けて下方に突出するように形成されており、これにより、外筒部材３０の天井面は、外側から中心に向かうにつれて下向きに傾斜することになる。
そして、本体２の外周面と外筒部材３０の外周部３２との間に画成される環状空間部には、所定の改質触媒を担持させたハニカム材を配置することにより、改質反応室５が画成されている。すなわち、本実施形態の燃料改質装置１Ｄでは、改質反応室５が混合室６の外周に設けられることになる。更に、改質反応室５の下方には、外筒部材３０の外周部３２および底部３３と本体２とにより、改質ガス供給室７が画成されており、外筒部材３０には、改質ガス供給室７と連通するように改質ガス供給管Ｌ４が接続されている。
このように、混合室６の外周に設けられた改質反応室５を有する燃料改質装置１Ｄでは、燃料改質に伴って改質反応室５において発生する熱を利用して、混合室６の壁部（本体２）および混合室６の内部を昇温させることができる。従って、かかる構成によれば、混合室６の壁部（本体２）の内面に付着した未気化燃料や液状燃料の気化を効果的に促進させると共に、混合室６内における燃料と空気との混合を極めて良好に促進させることが可能となる。この結果、改質反応室５における混合気の空燃比を所望の値に精度よく保つことが可能となるので、改質反応室５における改質効率（燃料転化率）を常時良好に保つことができる。
また、燃料改質装置１Ｄでは、外筒部材３０の天井面が外側から中心に向かうにつれて下向きに傾斜しているので、仮に未気化燃料等が外筒部材３０の天井面に付着しても、当該燃料は、外筒部材３０の天井面に沿って流下し、混合室６内へと下降していくことになる。従って、燃料改質装置１Ｄにおいても、十分に気化（微粒化）されず、または混合室６内で結露し、比較的大きな重量を有したままの燃料の粒子が下流側の改質反応室５に流入することを、重力を利用しながら容易かつ確実に抑制することが可能となる。
更に、本実施形態では、本体２の開放された上縁部２ｅが、図１０に示されるように、内方かつ下方に折り返されている。従って、混合室６を上昇した未気化燃料等を当該上縁部２ｅに衝突させて混合室６内へと戻し、下流側の改質反応室５に流入することを確実に抑制することが可能となる。そして、本体２の上縁部２ｅを内側かつ下方に折り返すことにより、本体２の全高を低くすることが可能となるので、装置全体をコンパクト化することができる。なお、先に説明された各実施形態の燃料改質装置１，１Ａ，１Ｂおよび１Ｃにおいて混合室６の外周に改質反応室５が設けられてもよいことはいうまでもない。
本発明による燃料改質装置の第１実施形態を示す概略構成図である。 図１に示される燃料改質装置の要部拡大部分断面図である。 図１および図２の燃料改質装置の制御手順を説明するためのフローチャートである。 図１および図２の燃料改質装置に適用可能な他の制御手順を説明するためのフローチャートである。 図１および図２の燃料改質装置に適用可能な他の制御手順を説明するためのフローチャートである。 図１および図２の燃料改質装置に適用可能な他の制御手順を説明するためのフローチャートである。 本発明による燃料改質装置の第２実施形態を示す要部拡大部分断面図である。 本発明による燃料改質装置の第３実施形態を示す要部拡大部分断面図である。 本発明による燃料改質装置の第４実施形態を示す要部拡大部分断面図である。 本発明による燃料改質装置の第５実施形態を示す概略構成図である。
符号の説明
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 燃料改質装置
２ 本体
２ａ 傾斜面
２ｂ 燃料溜め部
２ｃ 底部
２ｄ 開口
２ｅ 上縁部
３ 燃料噴射弁
３ａ ノズル
４ 弁収容部
４ａ 空気流路
４ｂ 混合気噴霧口
４ｃ 連通路
５ 改質反応室
６ 混合室
７ 改質ガス供給室
８ 温度センサ
９ タイマ
１０ ＥＣＵ
２０ 連通管
２１ ベンチュリー管
３０ 外筒部材
３１ 天井部
３２ 外周部
３３ 底部
ＡＰ エアポンプ
ＦＣＶ 流量調整弁
Ｌ１ 燃料供給管
Ｌ２ 給気管
Ｌ３ 燃料回収管
Ｌ４ 改質ガス供給管
ＲＰ 燃料回収ポンプ

Claims (6)

  1. 燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質装置において、
    燃料と空気とが導入されると共に燃料と空気との混合気が上向きに進行するように構成された混合室と、
    前記混合室の下流側に設けられており、前記混合気を改質するための改質触媒を含む改質反応室と、
    前記混合室の下部に設けられており、前記改質反応室内に到達しなかった燃料を回収するための燃料回収手段とを備えることを特徴とする燃料改質装置。
  2. 前記混合室の下部には、燃料を上方に噴射可能な燃料噴射弁が接続されており、前記燃料回収手段は、前記燃料噴射弁の周囲に配置された傾斜面を含み、当該傾斜面は、前記燃料噴射弁に向かって下向きに傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
  3. 前記燃料回収手段によって回収された燃料を前記混合室に再供給可能にするための手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置。
  4. 前記改質反応室は、前記混合室の外周に設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料改質装置。
  5. 前記燃料回収手段による燃料の回収量を取得する燃料回収量取得手段と、
    前記燃料回収量取得手段によって取得された前記回収量に基づいて、前記混合室に導入される燃料の量を設定する手段とを更に備えることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料改質装置。
  6. 燃料と空気との混合気を改質するための燃料改質方法において、
    所定の混合室内に燃料と空気とを導入すると共に、当該混合室内で燃料と空気との混合気を上向きに進行させながら下流側の改質反応室に流入させる一方、前記混合室の下部で、前記改質反応室内に到達しなかった燃料を回収することを特徴とする燃料改質方法。
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