专利名称：带改性器的发动机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种搭载有改性器(改質器)的发动机系统。
背景技术：
在通过吸热反应将燃料改性而生成包含一部分氢等的改性气体，并将该改性气体 作为燃料向发动机供给的系统中，利用发动机废热而通过吸热反应将燃料改性，由此通过 废热回收可以预见效率提高。另外，在将汽油等的碳化氢燃料改性而得到的含氢的改性气 体向发动机供给时，由于能够降低泵送损失、提高燃料效率以及提高燃烧速度，因此可以预 见发动机的高效化。在将改性器安装在发动机的排气管的情况下，由于发动机的运转状态， 发动机的排气温度改变，因此根据条件不同，改性效率变动。另外，在通过改性反应生成含 氢气体的情况下，反应压力越低，反应效率越提高。作为现有的带改性器的发动机系统，例如专利文献1所示，在从发动机离开规定 长度量的位置排气管上安装改性器，通过改性器生成的改性气体与排气一起向吸气管供
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口 ο专利文献1 日本特开2007-138781号公报专利文献1所述的系统中，在例如怠速或低速时这样的低输出的运转条件时，向 改性器供给的排气的温度变低，因此难以提高改性效率。另外，由于改性后燃料与发动机的 排气一起向发动机的吸气管供给，因此常温的废气与改性后燃料一起向发动机内供给。因 此，由于发动机燃烧时的燃烧温度下降因而排气温度下降，产生改性效率下降的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在带改性器的发动机系统中，通过提高改性器的改性 效率，从而提高废热回收量、发动机的燃烧效率，并且系统效率优良的发动机系统。本发明提供一种带改性器的发动机系统，其具备改性器，并将通过所述改性器使 改性前燃料改性后所得到的改性后燃料作为燃料之一来驱动发动机，所述带改性器的发动 机系统的特征在于，在所述改性器上连接有改性前燃料供给量调整装置和改性后燃料供给 量调整装置，所述改性前燃料供给量调整装置调整向所述改性器供给的所述改性前燃料的 供给量，所述改性后燃料供给量调整装置调整向所述发动机供给的改性后燃料的供给量， 所述改性器经由所述改性后燃料供给量调整装置与发动机燃烧室相邻设置。另外，所述改 性器设置在所述发动机的排气管上，所述改性后燃料供给量调整装置为所述发动机的排气 阀。通过在发动机的燃烧室附近设置改性器，利用改性后燃料供给量调整装置将改性 后燃料向发动机内供给，由此提高发动机燃烧时的燃烧温度。向改性器供给的排气温度变 高，排气能量的回收效率提高。另外，通过发动机的吸气行程时的负压使改性后燃料从改性 器向发动机供给，由此能够降低改性器内的压力。此外，由于改性后燃料与高温的排气一起 向发动机供给，因此能够抑制伴随改性后燃料的供给量增加的燃烧温度下降，从而抑制排气温度下降。由此改性器的改性效率提高。发明效果根据本发明，能够提供一种可提高改性器的改性效率，提高废热回收量、发动机的 燃烧效率，且系统效率良好的发动机系统。
图1是具备改性器的发动机的第一结构图。图2是改性器的结构图。图3是表示改性反应中的平衡转化率与温度的关系的图。图4是表示相对于发动机转速及发动机转矩的排气管下游部的排气温度图的图。图5是表示相对于发动机转速及发动机转矩的排气管上游部的排气温度图的图。图6是表示向发动机缸内供给的混合气的空气过剩率为1时的EGR率与隔热火焰 温度的关系的图。图7是表示发动机缸内的混合气体中的EGR率与层流燃烧速度的关系的图。图8是表示在改性反应中使压力变化时的平衡转化率与温度的关系的图。图9是表示空气过剩率与隔热火焰温度的关系的图。图10是表示空气过剩率与三效催化剂净化率的关系的图。图11是表示空气过剩率与层流燃烧速度的关系的图。图12是表示第一结构图中的发动机的各行程中的排气阀的上升量、改性前供给 量调整装置的控制信号、发动机缸内压力与排气管压力的压差的变化过程。图13是具备改性器的发动机的第二结构图。图14是发动机的各行程中的排气阀上升量的时间序列变化图。图15是具备改性器的发动机的第三结构图。图16是第三结构图中的发动机的各行程中的吸气阀上升量的时间序列变化图。
具体实施例方式以下，利用
本发明的实施方式。图1是本系统的第一结构图。在排气管9的排气阀7附近的发动机头(engine head)内或刚从发动机头排出排气的排气管位置设置改性器1，从改性前燃料箱3经由改性 前燃料供给量调整装置11向改性器1供给改性前燃料3。在此，改性器1经由也作为改性 后燃料供给量调整装置发挥功能的排气阀7与发动机燃烧室相邻设置。根据本结构，向改 性器1供给刚从发动机缸内10排出的燃烧气体，且向改性器1供给高温的发动机排气热。排气阀7还作为将改性后燃料向发动机缸内10供给的改性后燃料供给量调整装 置而发挥功能。通常，若向发动机内供给规定量以上的排气则会导致失火、发动机效率的下 降，因此向发动机缸内10供给规定量以上排气会成为问题。为了解决该问题，在改性器1 的排气下游侧设置逆流防止装置12。其在从排气阀7向发动机缸内10内供给改性后燃料 时，防止位于比改性器1靠下游侧的排气管的排气向发动机缸内10供给。由此构成在改性 后燃料向发动机缸内10供给时不会供给规定以上排气的结构。逆流防止装置12可以使用 开闭阀。此时，在改性前燃料向改性器1供给时将开闭阀关闭，防止改性后燃料向排气下游进行排气。另外，在发动机的吸气管8上设置有供给改性前燃料3的燃料供给装置13，构成 为不经由改性器1而能够向发动机缸内10供给改性前燃料的结构。另外，在发动机的排气 管9上设置有检测排气中的氧浓度的氧浓度检测装置17。根据氧浓度检测装置17检测到 的氧浓度来控制发动机的空气过剩率。在发动机的吸气管8设置有调整空气量的空气流量 调整装置18。另外，吸气阀6、空气流量调整装置18、排气阀7、改性前燃料供给量调整装置 11、13、开闭阀、泵4等的动作由未图示的电子控制装置控制。另外，设置有检测发动机缸内10的压力的压力检测装置15。压力检测装置15能 够推定发动机缸内10的压力，可以是基于发动机的轴转矩传感器或离子电流的检测装置。 另外，在比排气管9的改性器1靠下游侧设置有测定排气管的压力的压力传感器14。由于 排气和改性前燃料这两方通过改性器1，因此改性器1通过形成为图2所示的蜂窝式结构来 增加与排气的接触面积。另外，在排气接触面上担载有催化剂，以使在排气接触面产生改性 反应。通过采用这样的结构，反应流路与排气流路通用，能够将发动机的排气中的水蒸气利 用于改性反应。另外，改性器1的催化剂使用沸石系催化剂。另外，改性器1也可以通过多 孔体结构、翼型结构、微小空间结构(microspace)等结构来增加排气接触面积。另外，改性 器1的催化剂为含有镍、钌、钼、钯、铼、铬、钴中的至少一个以上的元素的贵金属，载体利用 氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、氧化锆的任一单体或混合物。另外，改性器1可以通过多孔体 结构、翼型结构、小容结构等结构来增加排气接触面积。通过形成图1所示的系统结构，可以达到如下效果1.通过将排气中的水蒸气利用于改性，能够将水蒸气中的氢作为燃料利用。2.能够将高温排气向改性器供给。3.能够将高温EGR和改性后燃料向发动机缸内供给。4.能够将发动机的吸气行程时的负压利用于改性反应。5.无需增设改性后燃料的管线。6.改性后燃料不会部分液化。关于效果1，例如在改性前燃料为汽油时，在汽油中的一种成分为C8H18(辛烷)的 情况下，能够发生如下的水蒸气改性反应。C0Hlfi+ 8 H20=> 1 7 H2+ 8CO- 1 303kJ…(1 )上述改性反应为吸热反应，并且能够利用水蒸气中的氢作为燃料，因此可知相对 于改性前燃料，改性后燃料增加1303KJ的发热量。由于改性前燃料的发热量为5075KJ，改 性后燃料的发热量为6378KJ，因此改性后燃料相对于改性前燃料发热量提高25. 7%。即意 味着，通过改性反应使以C8Hw为基准的热效率提高25. %。关于效果2，图3中示出的改性反应⑴的平衡温度与转化率的关系。由此可知， 改性温度越高，改性效率越高。图4、图5中分别示出以发动机转速、发动机转矩将排气管 下游侧的排气歧管的集合部与紧靠发动机出口的排气温度图化而进行比较所得的结果。由 此可知，越接近发动机则排气温度越高，发动机的运转条件的不同所引起的排气温度的变 化很小。由此可知，通过如图1所示的结构那样在发动机的排气阀附近的排气管部或在发 动机头内设置改性器1，能够将更高温的排气向改性器1供给，能够提高改性器1的改性效 率。另外，由于能够将更高温的排气向改性器1供给，因此能够将汽油、甲醇、乙醇等酒精系燃料以及脂环式烃、芳香族烃等各种各样的燃料改性，能够应对燃料的多样化。说明效果3。通过采用图1所示的结构，能够从排气阀7供给改性后燃料。此时， 由于在改性中利用排气中的水蒸气，因此高温的EGR气体也与改性后燃料一起向发动机缸 内10供给。图6中示出向发动机缸内10供给的混合气的空气过剩率为1的EGR率与隔 热火焰温度的关系。在25度和800度温度下对EGR气体进行比较。由此可知，EGR率增大 引起惰性气体(不活性# ^ )增加，从而隔热火焰下降，但EGR气体温度越高，越抑制隔热 火焰温度的下降。即，意味着能够抑制伴随EGR率增大的发动机的排气温度下降。在将排 气中的水蒸气用于改性时，在改性后燃料中混入EGR气体，但通过为图1那样的结构，能够 提高EGR气体温度，能够抑制排气温度的下降，能够提高EGR气体供给时的改性效率。接下 来，在图7中示出横轴表示发动机缸内10的混合气体中的EGR率、纵轴表示层流燃烧速度 (SL)的图。比较此时的混合气体温度。由于燃烧速度影响发动机的等容度，因此燃烧速度 是热效率提高的重要因素。由图7可知，EGR率越低、混合气温度越高，则层流燃烧速度越 高。即表示即使EGR率变高，通过提高混合气温度，也能够提高燃烧速度。由于通过图1的 结构能够将高温EGR气体向发动机供给，因此与常温的EGR气体相比，能够提高混合气体温 度，因而能够提高燃烧速度，能够提高等容度。关于效果4，图8中示出了通过改性反应压力比较⑴的改性反应时的平衡温度与 转化率的关系的图。如式(1)所示，在改性后分子数增加的反应中，改性反应压力越低，转 化率越增加。通过采用图1的结构，能够将发动机的吸气行程时的负压用于改性反应，因此 改性效率增加，排热回收量增加，由此发动机的热效率增加。关于效果5、6，在采用专利文献1那样的结构时，改性后燃料从改性器1向吸气管 8供给，因此需要另外设置改性后燃料用的配管。另外，由于设置改性后燃料用的配管，在配 管中途，改性后燃料中的未能够改性的汽油变冷，一部分液化。与此相对，通过采用图1的 结构，从发动机的排气管9向发动机缸内10供给改性后燃料，因此无需改性后燃料用的配 管。并且，由于在改性后燃料变冷之前向发动机缸内供给改性后燃料，因此不会发生未改性 的汽油一部分液化的问题。接下来，对第一结构图中的控制方法进行说明。在第一结构中，进行在空气过剩率 为1附近运转的控制。图9中示出空气过剩率与隔热火焰温度的关系。如此可知，空气过 剩率越接近1则隔热火焰温度越高。即，表示排气温度变高，由此改性器1中的改性效率提 高，热效率提高。接下来，图10中示出空气过剩率与三效催化剂的净化率的关系。由此可 知，从排气净化的观点考虑，在空气过剩率为1附近运转最为适当。图11中示出层流燃烧 速度与空气过剩率的关系。据此，在空气过剩率比1稍低时层流燃烧速度最大。另外，若在 改性器1的改性反应时存在氧，则改性前燃料在改性时氧化，由此发热，从而改性时的吸热 量减少，因此热效率降低。因此，在空气过剩率为1以下运转，以使排气中不存在氧。根据 上述可知，在第一结构中，在空气过剩率为1的状态下运转最为适合。为了实现这一点，进 行控制设置在吸气管8上空气流量调整装置18、控制向改性前燃料的吸气管8的供给量、控 制向改性前燃料的改性器1的供给量中的至少任一项，以使排气管9中的氧浓度达到规定 范围。接下来，说明排气阀的开闭时刻及改性前燃料的供给时刻。图12中示出在发动机 的各行程中的排气阀7的上升量、改性前供给量调整装置11的控制信号、ΔΡ的变化过程。Δ P定义如下。Δ P =发动机缸内压力-排气管压力在发动机的排气行程中，排气阀7上升，发动机缸内10的排气向排气管9排出，排 气向改性器1供给，改性器1变暖。之后，在发动机的吸气行程中，在ΔΡ变为负压的时刻， 排气阀7再次打开，向改性前燃料供给量调整装置11输入供给指令信号。通过如此控制， 由于ΔΡ为负压，因此从改性前燃料供给量调整装置11向改性器1供给改性前燃料，在改 性前燃料在改性器1中被改性后，改性后燃料经由排气阀7与排气一起向发动机缸内10供 给。此时，由于改性后燃料从改性器1向发动机缸内10的供给中存在时间延迟，因此，在吸 气行程中排气阀7关闭前，改性前燃料的从改性前燃料供给量调整装置11向改性器1的供 给停止。另外，吸气阀6在排气阀7关闭后打开。这是因为，通过仅打开排气阀7而供给改 性后燃料，能够在改性器1内以低压进行改性反应，具有改性效率增加的效果。接下来说明不向改性器1供给改性前燃料的运转方法。由于改性器1的改性温度 在发动机起动时或预热时低，因而如图3所示，改性效率下降。因此，禁止向改性器1供给 改性前燃料，而将改性前燃料通过燃料供给装置13不经由改性器1向发动机缸内10供给。 此时，同时通过控制排气阀7以使其在吸气行程时不打开，从而防止EGR向发动机的混入。 通过如此运转，改性器1的预热时间变短，能够进行改性效率高的运转。接下来，在图13中示出第二结构。调整为在规定压力差以上时打开的调整阀16 设置在连接改性前燃料箱3与改性器1的配管上，通过排气的逆流防止装置12，发动机的吸 气行程时的改性器1内变为负压，由此在改性前燃料箱3与改性器1之间产生差压。通过 该差压，改性前燃料向改性器1供给。此时，由于存在调整阀16，因而防止在排气阀7关闭 后向改性器1供给改性前燃料。另外，关于向发动机缸内10供给的空气量，利用空气流量 调整装置18。空气流量调整装置18也可以为机械地进行调整的阀。与第一结构相比，第二结构中，不需要改性器前燃料供给量调整装置、电子控制装 置，能够机械地向改性器1供给改性前燃料，因此部件个数减少，能够以低成本系统可靠地 将改性后燃料从排气阀7向发动机缸内10供给。在第二结构中，在调整向发动机缸内10供 给的改性前燃料的供给量与吸入空气量的比例时，除了调整改性前燃料的供给量及节气门 开度，还可以调整排气阀7的开闭时期、开闭上升量，由此能够调整改性后燃料相对于向发 动机缸内10供给的空气量的供给量。图14中示出排气阀7的开闭上升量的调整方法。通 过这样连续或阶段性地使排气阀7的上升量、开闭时期变化，能够调整改性前燃料的供给 量。另外，也可以调整相对于调整阀16的差压的改性前燃料供给量、调整向发动机缸内10 供给的改性后燃料供给量。另外，在第二结构中，也可以设置配管，该配管在发动机起动时， 或对改性器1进行预热的预热运转时等改性器1的温度低于规定的温度时，或者在改性器1 出现故障时，使改性前燃料不经由改性器1而向吸气管8供给。在此，规定的温度设定为在 通过改性器1对燃料进行改性时的添加率例如为10%以下的温度。作为温度的检测方法， 可以使用直接检测改性器1的温度的方法或检测排气温度来推定改性器1的温度的方法。接下来，在图15中示出第三结构。为通过改性前供给量调整装置11向改性器1 供给改性前燃料的结构，改性器1设置在发动机缸内10内。改性前燃料供给量调整装置11 例如使用汽油直喷用喷射器，改性器1设置于汽油直喷用喷射器即可。通过构成第三结构，与第一结构相比，无需大幅改变发动机，就能够减少部件个
8数。另外，通过将改性器1设置在发动机缸内10内，因此改性后燃料能够可靠地向发动机缸 内10供给。具体的控制方法为，通过在吸气行程时将改性前燃料向改性器1供给，能够降 低改性时的反应压力，因此改性效率提高(参照图8)。此外，如图16所示，在吸气行程时， 在通过改性前燃料供给量调整装置11向改性器1供给改性前燃料后打开吸气阀6，从而能 够降低改性器1的改性反应压力，提高改性效率。符号说明
1改性器
2活塞
3改性前燃料箱
4改性前燃料泵
5火花塞
6吸气阀
7排气阀
8吸气管
9排气管
10发动机缸内
11改性前燃料供给量调整装置
12逆流防止装置
13改性前燃料供给量调整装置
14、15压力传感器
16调整阀
17氧浓度检测装置
18空气流量调整装置
权利要求
1.一种带改性器的发动机系统，其具备改性器，并将通过所述改性器使改性前燃料改 性后所得到的改性后燃料作为燃料之一来驱动发动机，所述带改性器的发动机系统的特征 在于，在所述改性器上连接有改性前燃料供给量调整装置和改性后燃料供给量调整装置，所 述改性前燃料供给量调整装置调整向所述改性器供给的所述改性前燃料的供给量，所述改 性后燃料供给量调整装置调整向所述发动机供给的改性后燃料的供给量，所述改性器经由 所述改性后燃料供给量调整装置与发动机燃烧室相邻设置。
2.根据权利要求1所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，所述改性器设置在所述发动机的排气管上，所述改性后燃料供给量调整装置为所述 发动机的排气阀，通过所述排气阀的开闭从所述改性器向所述发动机内供给所述改性后燃 料。
3.根据权利要求1所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，所述改性器搭载于发动机头内。
4.根据权利要求2所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，在所述改性器下游部的排气压力比所述发动机内的压力低时，禁止所述改性前燃料向 改性器供给。
5.根据权利要求2所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，在所述配管上设置有用于防止排气向所述发动机内逆流的逆流防止装置。
6.根据权利要求5所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，所述逆流防止装置为开闭阀，在所述改性前燃料向所述改性器供给时，关闭所述开闭阀。
7.根据权利要求2所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，在排气管上设置有检测氧浓度的氧浓度检测装置，对调整向所述发动机供给的空气量 的空气量调整装置、向所述发动机供给所述改性前燃料的第二改性前燃料供给量调整装置 或所述改性前燃料供给量调整装置中的至少任一个的供给量进行调整，以使通过所述氧浓 度检测装置检测到的氧浓度在规定范围内。
8.根据权利要求2所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，在所述发动机的吸气行程中所述排气阀打开时，所述吸气阀关闭。
9.根据权利要求2所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，在所述发动机的吸气行程时，在所述排气阀关闭前，停止所述改性前燃料供给量调整 装置向所述改性器的供给。
10.根据权利要求2所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，具有将所述改性前燃料向所述发动机供给的第二改性前燃料供给量调整装置，在所述改性器的温度为规定值以下时或所述改性器发生故障时，从所述第二改性前燃 料供给量调整装置向所述发动机供给所述改性前燃料。
11.一种带改性器的发动机系统，其至少具备发动机、储藏改性前燃料的燃料储藏箱、 对所述改性前燃料进行改性的改性器，并将通过所述改性器改性后的改性后燃料向所述发 动机供给，所述带改性器的发动机系统的特征在于，所述改性器配置在所述发动机的排气管上，具有从所述发动机的排气阀供给所述改性后燃料的结构，所述带改性器的发动机系统具有设置在比所述改性器靠下游侧的所述排气管上的排气逆流防止装置；设置在将所述燃料储藏箱与所述改性器连接的配管上，并且调整成在规定压力差以上 时打开的调整阀。
12.根据权利要求11所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，通过调整所述发动机的排气阀的开闭时刻或开闭上升量，从而控制所述改性前燃料向 所述改性器的供给量及所述改性后燃料向所述发动机的供给量。
13.根据权利要求11所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，通过所述调整阀调整所述改性前燃料向所述改性器的供给量，从而控制所述改性后燃 料向所述发动机的供给量。
14.一种带改性器的发动机系统，其具备改性器，并将通过所述改性器生成的改性气体 作为燃料之一来驱动发动机，所述带改性器的发动机系统的特征在于，所述改性器设置在所述发动机的燃烧室内，通过所述改性器生成的改性气体从所述改 性器直接向燃烧室内供给。
15.根据权利要求14所述的带改性器的发动机系统，其特征在于，在所述改性器上设置有改性前燃料供给量调整装置，所述改性前燃料供给量调整装置 在所述发动机的吸气行程中打开。
全文摘要
本发明提供一种带改性器的发动机系统，其具备改性器(1)，并将通过改性器(1)使改性前燃料(3)改性后所得到的改性后燃料作为燃料之一来驱动发动机，其中，在改性器(1)上连接有调整向改性器(1)供给的所述改性器燃料的供给量的改性前燃料供给量调整装置(11)、调整向所述发动机供给的改性后燃料的供给量的改性后燃料供给量调整装置，改性器(1)经由所述改性后燃料供给量调整装置与发动机燃烧室相邻设置。
文档编号C01B3/38GK102066736SQ20098012347
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者佐野理志, 岛田敦史, 石川敬郎 申请人:株式会社日立制作所