JPS5844860B2

JPS5844860B2 - ネンリヨウカイシツソウチツキナイネンキカン

Info

Publication number: JPS5844860B2
Application number: JP50134931A
Authority: JP
Inventors: 正治住吉; 太郎田中; 槌男分田; 正秋野口
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1975-11-10
Filing date: 1975-11-10
Publication date: 1983-10-05
Also published as: JPS5259216A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は排気ガス中の有害成分であるＮＯｘ、ＨＣ，Ｃ
ｏの低減および燃料消費率向上を四指した内燃機関に関
するもので、特には炭化水素系燃料を水素に富む改質ガ
スに変換し、供給することにより燃焼を改良する燃料改
質装置付内燃機関に関する。

近年、内燃機関の排気ガス対策として燃料の霧化および
気筒間分配を良好にし、混合気をより有効に点火燃焼さ
せることが望まれている。

このため従来では、副燃焼室付内燃機関に混合気を供給
するための機関吸気系を改良して燃料と空気との混合気
を機関排気ガス熱あるいは機関冷却温水等により加熱し
、これにより燃料を気化させる装置が考え出されても・
る。

しかしながら、この公知の装置では機関のあらゆる運転
域において、排気ガス中の有害成分、特にＮＯｘの低減
と良好なる燃焼安定性を図るには未だ不完全である。

例えば副燃焼室付内燃機関を次のような条件で運転した
場合、排気ガス中のＮＯｘと軸トルクとの関係は第１
図の曲線Ａ、Ｂで示すような実験結果を本発明者らは得
ている。

ここで、Ａは副燃焼室に空燃比４のガソリン混合気を供
給した場合であり、Ｂは副燃焼室に空燃比１．８のガソ
リン混合気を供給した場合である。

なお、供試機関は４気筒、総排気量１９６８ｃｃ、圧縮
比８．２、副燃焼室容積５．４ｃｃ、トーｆＪＬ８ｍ
ｍφ、ウェッジ型燃焼室で、試験条件は回転数２００Ｏ
ｒ、ｐ、ｍｏ、吸気量１８？／Ｓｅｅ、画然焼室に供給
する混合気の平均空燃比は１８、主燃焼室供給燃料はガ
ソリンである。

この第１図に示した実験結果から明らかなように、曲線
Ａで示す成層混合気による運転では、燃焼の安定性は優
れているが、ＮＯｘの排出量が未だ多いという問題があ
る。

これに対して曲線Ｂで示すように均一混合気による運転
ではＮＯｘの排出量は比較的少ないが、点火時期を進め
たり遅らせたりする場合に失火が始まり、また、失火し
ない点火時期においても着火遅れによるサイクル変動が
多く、トルク変動が激しいという問題がある。

これは、従来の成層燃焼では通常の混合気の濃、薄２層
の分布を利用するものであり、希薄混合気領域で安定し
た燃焼を得るには、一般に点火プラグによる点火直前時
の副燃焼室内の空燃比を９〜１４の範囲内に保つことが
不可決であるからである。

つまり、副燃焼室内の局部的な濃混合気領域と主燃焼室
内の希薄混合気領域とを共存させるものであるが故に、
本質的に濃混合気領域と希薄混合気領域との間に、ＮＯ
ｘの低減に不都合な空燃比１５〜１６の混合気領域が介
在してしまい、この結果、ＮＯｘの排出量が主、副燃焼
室の平均空燃比と同一で均一の空燃比の混合気を失火す
ることなく確実に燃焼させた場合に比べて多くなるので
ある。

従って、上記のように従来方式では、トルク変動の少な
い安定した燃焼とＮＯｘの低減とを両立させることは未
だ不充分であった。

本発明は上記の諸問題に鑑みなされたもので、副燃焼室
付内燃機関において、ガソリン、アルコール等の炭化水
素系燃料と空気との混合気を濃度１５％以上の水素に富
む改質ガスに変換し、この改質ガスを副燃焼室に供給す
ること、主燃焼室にガソリンと空気との希薄混合気を供
給すること、および主、副燃焼室に供給される希薄混合
気と改質ガスの全体としての当量比を０．７８以下とす
ることを特徴としており、有害排気ガス成分特にＮＯｘ
を効果的に低減でき、かつトルク変動の少ない安定した
燃焼が得られる燃料改質装置付内燃機関を提供すること
を目的とするものである。

以下本発明を図に示す実施例について説明する。

第１実施例を示す第２図において、１０は炭火水素系燃
料であるメタノールを噴霧供給するメタノール用気化器
で、空燃比Ｏ〜２の過濃混合気を形成する。

１１は気化器１０の下流に設置された点火プラグで、気
化器１０からのメタノールの濃混合気が比較的希薄にな
る部分に位置している。

そして、気化器１０と点火プラグ１１との間には火災が
気化器１０側に伝播しないように金網、セラミックス等
からなる消炎装置１２が設置しである。

この点火プラグ１１はとくに内燃機関の冷間始動時には
混合気の一部を部分酸化反応させてそのときの反応熱に
より後述する触媒１４の温度を高め分解反応を促進し、
また機関暖機後においては機関加減速時等の過渡時にお
けるときもメタノールの気化を良好に促進し、そのとき
の応答性を良好なものとする。

なお、この点火プラグの代りとして０クロム線、タンタ
ル線等の電気式ヒータを用いることも可能である。

１３は点火プラグ１１の下流に設けられた改質反応器で
、内部には改質反応用の触媒１４が充填されている。

そして、この改質反応器１３の外側は断熱材１３ａで覆
われている。

また、改質反応器１３は、排気マニホールド１５から排
出される高温排気ガスの流路の一部をなしており、内部
に排気ガス通路１３ｂが形成されている。

こうして、排気ガスの排気熱により触媒１４を保温する
ようにしである。

触媒１４は改質反応を有効に促進する上で有用なもので
、本実施例ではＮｉ−Ｃｕ系触媒を使用している。

この触媒としては普通一般に用いられている触媒ならど
の様なものでも可能で、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ
、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ等の金属あ
るいは、これらの金属合金や金属酸化物、さらにＡｌ２
Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ，Ｃａｂ、ＺｎＯ等の一部セラ
ミックス成分として用いられる材料を含む触媒ならどの
様なものでも用いることができる。

しかし、触媒の種類により改質ガスの組成、および量、
あるいは分解反応開始温度、煤の析出量に多少Ｑ差があ
る。

これら列挙した中ではｐｔ系、Ｎｉ系触媒が有効であっ
た。

反応温度は、２５０℃以上ならガスを生成し始めるが、
実質的には３００〜７００℃程度が好ましい。

そして、改質反応器１３から流出する改質ガスは少なく
とも水素濃度が１５％以上となるようになっている。

１６は副吸気通路で、途中に改質反応器１３からの改質
ガスを冷却するための冷却フィン１７が設けられている
。

また、この副吸気通路１６には図示しないリンク機構を
介して主スロットＡ−１Ｐ２１と連動する副スロツトル
弁１８が設けられており、副燃焼室２５に供給する改質
ガス量を調節するようになっている。

２０は２連式２段作用の主気化器で、混合気供給手段を
なしておりガソリンを噴霧供給し、ガソリンと空気との
希薄混合気を形成する。

ここで、この希薄混合気と前記改質ガスとからなる混合
気は全体として当量比０．７８以下になるように設定し
である。

ここで、当量比とは供給空気中に含まれる全供給酸素量
に対する改質ガスと希薄混合気中の可燃成分を完全燃焼
させるに要する酸素量の割合を示している。

２１は主スロットル弁で２個のバタフライ弁２１ａ＞２
１ｂからなり、図示しないアクセルペダルと連動する。

２２は気化器２０で形成された希薄混合気を導く主吸気
通路で、この主吸気通路２２は主吸気バルブ２３を介し
て機関の主燃焼室２４と連通している。

また、主吸気通路２２は一部にフィンが設けてあり、排
気マニホールド１５を流れる排気ガスにより加熱される
ようになっている。

２５はカップ体で形成された副燃焼室で、この副燃焼室
２５と副吸気通路１６とは副吸気バルブ２６を介して連
通している。

また、カップ体にはトーチ孔２５ａ、点火孔２５ｂが開
口してあり、トーチ孔２５ａにより副燃焼室２５と主燃
焼室２４とを通している。

さらに、カップ体には点火孔２５ｂにより点火プラグ２
７から副燃焼室２５に火花が導かれるようになっている
。

上記構成において、メタノール用気化器１０で形成され
たメタノールの濃混合気は点火プラグ１２で加熱気化さ
れ一部は部分酸化されて改質反応器１３に導入される。

そして機関排気ガス熱で有効に高温に保持された触媒１
４０作用で水素を含む改質ガスに変換され、冷却フィン
１７で適温にまで冷却される。

このとき、改質ガスは少なくとも濃度１５％の水素を含
んた状態で副吸気通路１６から副燃焼室２５に供給され
る。

一方、主燃焼室２４には機関の吸気行程時に主気化器２
０からのガソリンの希薄混合気が主として導入され、副
燃焼室２５内の改質ガスの一部がｌ・−チ孔２５ａを介
して流入する。

そして、機関の圧縮行程において圧縮され点火プラグ２
５によりまず副燃焼室２５内の改質ガスが着火され、主
燃焼室２４内の希薄混合気が燃焼される。

こうして、副燃焼室２５内に導入されるのは着火性の良
好な水素を含んだ改質ガスであるため、副燃焼室２５内
の空燃比が希薄な状態のままで着火が向上し、ＮＯｘの
発生が抑止、低減され、かつ改質ガスの存在により、燃
焼のサイクル変動を抑止されつつ希薄混合気は安定に燃
焼する。

このときの軸トルクとＮＯｘの排出量の特性は、例えば
第１図曲線Ｃに示すように、前述した従来の成層燃焼運
転と均一希薄燃焼運転の両者の優れた特性を合わせ持っ
たものとなり、燃焼の安定性と低ＮＯｘとを両立させる
ことができ、しかも、Ｍ、Ｂ、Ｔ、（Ｍｉｎｉｍｕｍ
５ｐａｒｋａｄｖａｎｃｅｆｏｒＢｅｓｔＴｏ
ｒｑｕｅ）において、軸トルクが大きく燃料消費率も
向上することがわかる。

以上のようにメタノール改質ガスを副燃焼室に導入する
ことによって、内燃機関の排気ガス成分、漕費、燃焼安
定性に関して大幅な改善を行ない得るが、この場合改質
ガスは主に着火源としての役割を担うものであるので、
以下述べるように改質ガス中に含まれる水素濃度は大き
な意味を持っている。

第３図および第４図は本発明者らが行った実験結果を示
すもので、通常の単一燃焼室内燃機関において、空燃比
を変化させて良好な燃焼安定性、ＮＯｘの低減を得るた
めに必要な供給水素量の全燃料重量に対する重量割合ｗ
ｔ（％）を求めたものである。

ここで、点火時期は実用的なＭ、Ｂ、Ｔ。から１０％ト
ルクダウンした点火時期を選んである。

この第３図、第４図から充分にＮｏＸを制御できる空燃
比領域すなわち空燃比１９以上（当量比０．７８以下）
で良好な燃焼安定性を得るために、供給すべき混合気中
の水素の重量割合ωｔは２．８％以上であることがわか
る。

一方、副燃焼室付内燃機関の副燃焼室に改質ガスを導入
する場合には、吸入行程終了時に副燃焼室に供給された
改質ガスが圧縮行程時に主燃焼室から流入してくる希薄
混合気によって希釈されてしまう。

従って、改質ガスは、圧縮行程終了の時点で副燃焼室内
の水素が重量割合ωｔ≧２．８％となるようにその水素
成分を決定する必要がある。

いま、空気、水素、ガソリンの分子量をそれぞれ２９．
２．９７とすると、ガソリン濃度ρと空燃比αとの間に
次の関係が成立する。

また、副燃焼室に水素濃度ｐＨ２の改質ガスを供給し、
圧縮比をεとして、圧縮行程時に主燃焼室から副燃焼室
に空燃比α（濃度ρ）の混合気が流入してくることを考
慮すると、上死点において副燃焼室内に存在する水素量
は２×ｐＨ２×−にε ε−−１比例し、同様にガソリン量は、９７×ρ×ε に比例する。

従って、上死点における水素の重量割合ωｔ（％）は、となる。

ここで、一般的な機関の代表値として６＝８とし、α≧
１９、ωｔ≧２．８％の条件てズ１）、（２）式よりｐ
Ｈ２を求めると、となる。

こうして、圧縮終了時に副燃焼室内の水素重量割合を２
．８％以上とするためには、改質ガス中の水素濃度はほ
ぼ１５％以上必要であることがわかる。

ここで、第２図に示した実施例でも東メタノールを空燃
比０〜２でＮｉ−Ｃｕ系触媒によって改質することによ
り要求される水素を含んだ改質ガスを得ており、全供給
燃料に対するメタノールの体積割合は１０％としである
。

このとき、機関の軸トルクは第５図破線で示すように改
質ガス中の水素濃度によって変化するが、この第５図か
ら明らかに改質ガス中の水素濃度が１５％以下では軸ト
ルクが急減し、機関性能が悪化することがわかる。

なお、このときの機関運転条件ＱＪ回転数；２０００ｒ
、ｐｏｍ、、吸気量；ｌ８？／ｓｅｃ、点火時
期；Ｍ、Ｂ、Ｔ、から１０％トルクダウンした点
火時期である。

このように、改質ガス中の水素濃度１５％以上という条
件は副燃焼室に改質ガスを導入することによってＮＯｘ
を充分抑制し得る希薄燃焼を行な際には不可決な条件と
なっている。

第６図は本発明は第２実施例の要部を示すもので、以下
、燃料改質装置の変形例を示す第２実施例について説明
する。

１００は吸入空気と燃料とを混合するガソリン用気化器
で、フロート室１００ａに貯められたガソリンと空気と
の空燃比５〜７．５の濃混合気を生成する。

１０６は図示されていないアクセルペダルに連動する副
スロツトル弁、１０７は熱交換器で、気化器１００で生
成された濃混合気を改質ガスと熱交換させ、ガソリンが
熱分解を起こさない程度に蒸発気化させるものであり、
改質ガス通路１０７ａ、濃混合気通路１０７ｂがそれぞ
れ隣接して形成されている。

つまり、この熱交換器１０７においては、両端にエンド
プレート１０７ｃ、１０７ｄを設け、このエンドプレー
）１０７ｃ、１０７ｄ間に複数本のパイプを設けてこれ
らのパイプの内部空間を濃混合気通路１０７ｂとし、エ
ンドプレート１０７ｃ。

１０７ｄ間において他の空間を改質ガス通路１０７ａと
しである。

そして、この改質ガス通路１０７ａには改質ガスフィル
ター１０８が設けられている。

１０９は熱交換器１０７で蒸発気化された濃混合気の通
路で、この通路の下流側端部は遮蔽板１０９ａによって
２個０通路１０９ｂ、１０９ｃに分岐されている。

この分岐点には上流側に火炎が逆火しないように金網、
セラミック等からなる消炎装置１０９ｄが設置されてい
る。

また、分岐された２つの通路１０９ｂ、１０９ｃのうち
一方の通路１０９ｂには濃混合気の燃焼用２次空気を導
入するための２次空気導入パイプ１１０が設けられてお
り、通路１０９ｂ内の負圧により新気な空気を導入する
ようになっている。

この２次空気導入パイプ１１０には電磁作動型の開閉弁
１１１が設置されている。

そして、この開閉弁１１１は後述する触媒１１４の温度
を検出する温度センサー１１７の出力を入力される制御
回路１１７ａの判別信号によって開閉されるようになっ
ており、機関の始動時等のように触媒１１４の温度が要
求温度以下のときに開弁して２次空気を導入可能にする
。

１１２は火花を発生する点火プラグで通路１０９ｂにお
いて２次空気導入パイプ１０の下流に設置され、点火装
置１１８に接続されている。

この点火プラグ１１２０点火は制御回路１１７ａの出力
に応じて２次空気の導入時のみ行うようにしであるが、
機関の運転中点火装置１１８のみにより点火するように
してもよい。

点火装置１１８としては図示しない機関容気筒の副燃焼
室に設置された一般の点火プラグに電力を供給する公知
のディストリビュータおよびイグニッションコイルによ
り構成したもの、あるいはこれと同等の手段が使用可能
である。

１１３は触媒１１４が充填しである改質反応器で、触媒
１１４はペレット状のもので熱分解反応および水蒸気改
質反応を接触的、選択的に促進するＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、
ｐｔ、Ｒｈ系触媒またはそれらの混合触媒よりなり、
通路１０９ｂ、１０９ｃから流入する混合気を部分酸化
してオクタン価が高く水素に富む改質ガスに変換する。

そして、内燃機関の始動時には通路１０９ｂ内での混合
気の燃焼熱で活性化し、暖機後は混合気中に含まれる酸
素により触媒１１４の表層部で部分酸化反応が進行し常
に８００℃〜１０００℃の高温に保たれる。

１１５は改質ガス導管で、他端は熱交換器１０７の改質
ガス通路入口に開口している。

１１６は改質反応器１３で生成された改質ガス濃混合気
と熱交換され、凝縮しない程度に冷却された後取り出さ
れるための改質ガス取り出し口で、図示しない・副吸気
通路に通じている。

こうして、改質ガスは図示しないが副吸気通路により副
吸気バルブを介して機関の副燃焼室内に導入され、点火
プラグにより点火される。

ここで、改質ガスは空燃比５〜９．５の混合気を改！温
度８００〜１０００”Ｃ堝虫媒１１４により部分酸化し
て得ている。

なお、全供給ガソリン量の８〜１５％を改質し、副吸気
系への供給空気量は全吸入空気量に対して４％とした。

このときの水素濃度と機関の軸トルクとの特性は、第５
図の実線で示すような曲線となり、メタノールを改質し
た場合に比較して水素濃度が低い。

例えば、本発明者らの実験によれば、第７図に示すよう
に改質するガソリン混合気の空燃比を７．５以上とする
と水素濃度が１５％以下となってしまい望ましくない。

また、空燃比を５以下とすると、多量の煤が発生し機関
の運転に問題が生じる。

従って、ガソリン混合気を部分酸化して改質ガスを得、
副燃焼室に供給する場合の条件としては、改質するガソ
リン混合気の空燃比を５〜７．５とするのが望ましい。

また、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく
、例えば空燃比０．５〜５のガソリン混合気に水を加え
、Ｐｔ−Ｒｈ系等の触媒によって水蒸気改質するよ
うにすれば、第５図の１点鎖線で示すように水素濃度１
５％以上の改質ガスが得ら水の体積れ４・７お・水添加量（カッ、７゜体積）＆ｉｌ“程度
が望ましい。

以上述べたように本発明では、副燃焼室付内燃機関にお
いて、炭化水素系燃料と空気との濃混合気を燃料改質装
置により燃焼室内で有効に点火する濃度１５％以上の水
素を含ｔＡｒ−質ガスに変換して副燃焼室に導入し、主
燃焼室に供給する希薄混合気と改質ガスとの全体として
の当量比を０．７８以下としであるから、（１）良好なる燃焼安定性が得られトルク変動が少ない
。

（２）従来の副燃焼室付内燃機関では着火燃焼できない
ような空燃比の大きい希薄混合気を燃焼させることが可
能となり、ＮＯｘを大幅に低減できる。

（３）さらに通常の内燃機関は高いオクタン価の燃料を
必要とし、鉛化合物等の添加物を混入していたが、改質
ガスのオクタン価は充分高いため有害な添加物の混入は
不必要になる。

という優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は機関の軸トルクとＮＯ排出量との関係を示す特
性図、第２図は本発明の第１実施例を示す全体構成図、
第３図は空燃比と水素重量割合との関係を示す特性図、
第４図は空燃比とＮＯｘ排出量との関係を示す特性図、
第５図は水素濃度と軸トルクとの関係を示す特性図、第
６図は本発明の第２実施例の要部を示す断面構成図、第
７図は空燃比とＨ２、ＣＯ，ＣＯ２濃度との関係を示す
特性図である。１０・・・・・・メタノール用気化器、１００・・・・
・・ガソリン用気化器、１１，１１２・・−・・・点火
プラグ、１３．１１３・・・・・・改質反応器、１４，
１１４・・・・・・触媒、１５・・・・・・排気マニホ
ールド、１６・・・・・・副吸気通路、１８，１０６・
・・・・・副スロツトル弁、２０・・−・・・混合気供
給手段をなす主気化器、２２・・・・・・主吸気通路、
２４・・・・・・主燃焼室、２５・・・・・・副燃焼室
、２７・・・・・・点火プラグ。

Claims

【特許請求の範囲】

１燃焼室が主燃焼室と、点火プラグが設置された前燃
焼室とからなる内燃機関において、炭化水素系燃料と空
気との濃混合気が供給され、濃度１５％以上の水素を含
む改質ガスに変換する触媒を有する改質反応器と、前記
改質ガスを前記副燃焼室に供給するための副吸気通路と
、ガソリンと空気との希薄混合気を形成する混合気供給
手段と、前記希薄混合気を前記主燃焼室に供給する主吸
気通路とを備え、前記改質ガスと希薄混合気との全体と
しての当量比を０．７８以下とすることを特徴とする燃
料改質装置付内燃機関。