JP2005188500A

JP2005188500A - 圧縮着火内燃機関の制御方法

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Publication number: JP2005188500A
Application number: JP2004112017A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Hashimoto; 公太郎橋本; Kojiro Aimoto; 康次郎相本; Takahiro Gunji; 貴浩郡司; Riyougo Sakamoto; 良悟坂本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2024-04-06
Also published as: JP4382559B2

Abstract

【課題】単一の燃料で広い範囲の要求負荷に対し容易に対処できる圧縮着火内燃機関の制御方法を提供する。
【解決手段】圧縮着火内燃機関１に、着火性向上剤を含む燃料２を備え、圧縮着火内燃機関１の要求負荷が高くなると、燃料２に含まれる該着火性向上剤の少なくとも一部を多孔質担体に担持された触媒５に接触させて分解し、着火性の低下した燃料を圧縮着火内燃機関２に供給する。前記多孔質担体は、球状シリカである。前記着火性向上剤は、有機過酸化物、硝酸エステル、ニトロ化合物、アゾ化合物から選択される１種である。触媒５は、塩化鉄（ＩＩＩ）、硫酸化ジルコニア、ゼオライト、１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物、酸性白土、モンモリロナイトから選択される１種である。前記着火性向上剤の一部が分解されて着火性が低下した燃料と、該着火性向上剤が未分解の燃料とを任意の割合で混合して、圧縮着火内燃機関１に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮着火内燃機関の制御方法に関するものである。

近年、内燃機関の所定負荷、所定時間当たりの燃料消費量や、排出物の量を低減するために、予混合圧縮着火内燃機関に代表される圧縮着火内燃機関が検討されている。ところが、前記圧縮着火内燃機関は、火花点火方式の内燃機関と異なり着火のタイミングを制御することが難しい。また、前記圧縮着火内燃機関は、着火性の高い燃料を用いると該機関の要求負荷が高くなったときにノッキングを起こしやすい一方で、着火性の低い燃料を用いると前記要求負荷が低くなったときに失火しやすく、運転領域が狭いとの問題がある。

前記問題を解決するために、従来、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料とを備え、両燃料を混合して該機関に供給する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。前記技術によれば、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷に対応して、両燃料の混合比を調整することにより、広い範囲の要求負荷に対して安定して運転することができる。しかし、前記技術では、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料とをそれぞれ別に収容しておくために、複数のタンクが必要になる。

これに対して、単一の燃料を用い、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くなったときには、該燃料の一部を部分酸化して着火性抑制物質を生成させる技術も知られている（例えば特許文献２参照）。前記技術は、具体的には、軽油等の炭化水素系燃料の一部を部分酸化してホルムアルデヒド等の着火性抑制物質を生成させるものであり、燃料タンクが１つで済むという利点がある。

しかしながら、前記軽油等の炭化水素を部分酸化してホルムアルデヒドを生成させるには、高温で長時間の反応が必要になるという不都合がある。
特開２００１−３５５４７１号公報特開２０００−２１３４４４号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、単一の燃料により、広い範囲の要求負荷に対して容易に対処することができる圧縮着火内燃機関の制御方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダー内に導入し、圧縮して自着火させる圧縮着火内燃機関の制御方法であって、該圧縮着火内燃機関に、着火性向上剤を含む燃料を備え、該圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くなるに伴って、該燃料に含まれる該着火性向上剤の少なくとも一部を多孔質担体に担持された触媒に接触させることにより分解して該燃料の着火性を低下させ、着火性の低下した燃料を該圧縮着火内燃機関に供給することを特徴とする。

本発明の方法では、前記燃料は前記着火性向上剤を含んでいるので、着火性が高く、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が低くなったときにも、失火等を起こすことなく、該圧縮着火内燃機関を安定して運転することができる。

一方、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くなったときには、本発明の方法では、前記着火性向上剤の少なくとも一部を、多孔質担体に担持された触媒に接触させることにより分解する。この結果、前記着火性向上剤は、炭化水素の部分酸化等のように高温にする必要がなく、常温、短時間で分解される。

前記着火性向上剤が分解されると、前記燃料は該着火性向上剤を含有しているときに比較して相対的に着火性が低下する。そこで、前記着火性向上剤が分解されて着火性が相対的に低下した燃料を前記圧縮着火内燃機関に供給することにより、該圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くても、ノッキング等を起こすことなく、該圧縮着火内燃機関を安定して運転することができる。

また、本発明の方法では、前記着火性向上剤を、球状シリカ等の多孔質担体に担持された触媒に接触させて分解することにより、該分解を短時間で行うことができると共に、該触媒の量を低減することができる。

前記圧縮自着火可能な燃料としては、例えば、軽油、灯油、ガソリン等の既存燃料、ジメチルエーテル、ヘプタン等の合成燃料等の炭化水素系燃料を挙げることができる。特に、前記ヘプタンは、天然ガスの液体化（ＧＴＬ：gas to liquid）プロセスにより得られるナフサ留分に含まれ、低沸点で合成しやすく、圧縮着火内燃機関用の燃料に適している。

前記燃料に対する前記着火性向上剤としては、常温、短時間で容易に分解されることから、有機過酸化物、硝酸エステル、ニトロ化合物、アゾ化合物からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を挙げることができる。

本発明の方法で、前記着火性向上剤を分解する前記触媒としては、前記着火性向上剤を容易に分解できることから、塩化鉄（ＩＩＩ）、硫酸ジルコニア、ゼオライト、１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物、酸性白土、モンモリロナイトからなる群から選択される少なくとも１種の触媒等を挙げることができる。

また、本発明の方法では、前記着火性向上剤の一部が分解されて相対的に着火性が低下した燃料をそのまま前記圧縮着火内燃機関に供給するようにしてもよいが、該着火性向上剤の一部が分解されて着火性が低下した燃料と、該着火性向上剤が未分解の燃料とを任意の割合で混合して、該圧縮着火内燃機関に供給するようにしてもよい。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の制御方法を示すブロック図であり、図２乃至図４は他の実施形態の制御方法を示すブロック図である。また、図５、図６は、クメンヒドロペルオキシドを含む燃料を多孔質担体に担持された触媒に接触させたときの燃料組成の経時変化を示すグラフである。

本実施形態の制御方法は、図１に示す圧縮着火内燃機関１により実施することができる。圧縮着火内燃機関１は、着火性向上剤を含む燃料を収容した燃料タンク２を備え、燃料タンク２は供給導管３、４を介して圧縮着火内燃機関１に接続されている。供給導管３は圧縮着火内燃機関１に接続されており、供給導管４は途中に前記着火性向上剤を分解する触媒を収容する触媒装置５が介装されている。また、供給導管３，４には燃料タンク２側（供給導管４においては燃料タンク２と触媒装置５との間）に流量調整弁６，７が設けられている。

燃料タンク２に収容される燃料としては、例えばヘプタン（Ｃ₇Ｈ₁₆）等の炭化水素が、前記着火性向上剤として、有機過酸化物、硝酸エステル、ニトロ化合物、アゾ化合物からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含むものを挙げることができる。前記着火性向上剤は、分解されやすいことから前記有機過酸化物が特に適している。前記有機酸化物としては、例えば、アルキルヒドロペルオキシド、ケトンペルオキシド、ジアルキルペルオキシド、ジアシルペルオキシド、アルキルパーエステル、パーカーボネート等を挙げることができる。

また、触媒装置５に収容される触媒は多孔質担体に担持されており、該触媒としては、金属単体、金属化合物、固体酸触媒、固体塩基触媒からなる群から選択される少なくとも１種の材料を挙げることができる。前記金属単体としては、鉄、銅、ニッケル、コバルト、マンガン等の金属を挙げることができ、前記金属化合物としては塩化鉄（ＩＩＩ）等の各種金属化合物を挙げることができる。また、前記固体酸触媒としては、金属酸化物、金属塩、金属酸化物担持酸、イオン交換樹脂等を挙げることができ、具体的には硫酸ジルコニア、ゼオライト、１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物、酸性白土、モンモリロナイトからなる群から選択される少なくとも１種の材料等を挙げることができる。さらに、前記固体塩基触媒としては、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、担持アルカリ金属、担持アルカリ水酸化物、陰イオン交換樹脂等を挙げることができる。

また、前記触媒を担持する前記多孔質担体としては、球状シリカ等を挙げることができる。前記球状シリカは、比表面積が大きく、触媒の反応面積を大きくすることができることから、前記多孔質担体として好適に用いることができる。

本実施形態の制御方法では、まず、圧縮着火内燃機関１の要求負荷が低いときには、流量調整弁７を閉じ、流量調整弁６のみを開いて、燃料タンク１に収容されている前記燃料を供給導管３から直接圧縮着火内燃機関１に供給する。このとき、前記燃料は前記着火性向上剤を含んでいるので着火性が向上されており、失火等を起こすことなく、圧縮着火内燃機関１を安定して運転することができる。

次に、圧縮着火内燃機関１の要求負荷が高いときには、該要求負荷の高さに対応して、流量調整弁７を所定の割合で開き、燃料タンク１に収容されている前記燃料の一部を触媒装置５を介して圧縮着火内燃機関１に供給する。前記燃料は、触媒装置５内で前記多孔質担体に担持された触媒に触れることにより前記着火性向上剤が分解されるので、該着火性向上剤を含有する燃料に比較して着火性が低下する。

この結果、供給導管３からは前記着火性向上剤を含み着火性の向上された燃料が圧縮着火内燃機関１に供給され、供給導管４からは前記着火性向上剤が分解されて着火性の低下した燃料が供給される。そこで、流量調整弁６，７の開度を調整して、着火性の向上された燃料と着火性の低下した燃料との割合を適宜調整することにより、圧縮着火内燃機関１に供給される燃料の着火性を、圧縮着火内燃機関１の要求負荷の高さに対応して低くすることができる。従って、圧縮着火内燃機関１の要求負荷が高いときにも、ノッキング等を起こすことなく、圧縮着火内燃機関１を安定して運転することができる。

図１の圧縮着火内燃機関１は、供給導管３，４に流量調整弁６，７を設けて、着火性の向上された燃料と着火性の低下した燃料との割合を調整するようにしているが、図２に示すように、燃料タンク２と触媒装置５との間に、主供給導管８を介して燃料タンク２に接続される流量調整装置９を設け、流量調整装置９から供給導管３，４を分岐させるようにしてもよい。図２に示す圧縮着火内燃機関１によれば、流量調整装置９により着火性の向上された燃料と着火性の低下した燃料との割合が調整される。

また、図３に示すように、触媒装置５と圧縮着火内燃機関１との間に供給導管３，４が接続される混合調整装置１０を設け、混合調整装置１０を主供給導管８を介して圧縮着火内燃機関１に接続するようにしてもよい。図３に示す圧縮着火内燃機関１によれば、混合調整装置１０により着火性の向上された燃料と着火性の低下した燃料とが所定の割合で混合されて、圧縮着火内燃機関１に供給される。

さらに、図４に示すように、供給導管４の触媒装置５と圧縮着火内燃機関１との間に、着火性の低下した燃料を貯留する補助タンク１１を設け、補助タンク１１と圧縮着火内燃機関１との間に、流量調整弁７を設けるようにしてもよい。図３に示す圧縮着火内燃機関１によれば、予め補助タンク１１に貯留された着火性の低下した燃料を流量調整弁７を介して圧縮着火内燃機関１に供給することにより、圧縮着火内燃機関１の要求負荷の高くなったときに迅速に対処することができる。尚、着火性の向上された燃料と着火性の低下した燃料との割合を調整は、流量調整弁６，７の開度を調整することにより行う。

本実施形態の制御方法では、燃料タンク２に収容される燃料として、例えば主燃料としてのヘプタンが、着火性向上剤として次式（１）で示されるクメンヒドロペルオキシドを０．０１〜６．０重量％の範囲で含有する燃料を用いることができる。前記ヘプタンは、前記クメンヒドロペルオキシドの含有量が０．０１重量％未満では着火性を向上する効果が得られず、前記クメンヒドロペルオキシドの含有量が６．０重量％を超えると高分子系沈着物質が生成されて燃料として適さなくなる。

本実施形態では、触媒装置５に収容される触媒として、球状シリカに担持された１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物を用いる。前記着火性向上剤としてのクメンヒドロペルオキシドは、前記触媒に接触すると、次式（２）で示すように、フェノールとアセトンとに分解される。前記フェノールは着火性抑制剤として作用するので、クメンヒドロペルオキシドが分解された燃料の着火性を、純ヘプタンよりさらに低下させることができ、好都合である。

前記触媒は、前記球状シリカ等の多孔質担体に担持された状態で用いることにより、前記着火性向上剤であるクメンヒドロペルオキシドを短時間で分解することができ、しかも触媒の量を少量にすることができる。

次に、本発明の実施例と比較例とを示す。

本実施例では、まず、ヘプタン９９重量％と、イソプロピルベンゼンで希釈したクメンヒドロペルオキシド８０重量％溶液１重量％とからなる燃料１００ｇを調製した。次に、燃料タンク２から供給される燃料を触媒装置５内の触媒に接触させる状況を模して、前記燃料を５００ｍｌ平底フラスコに入れて、スターラー付き恒温槽中で撹拌しながら液温を５０℃に保持し、該フラスコ中に１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物を多孔質担体である球状シリカに担持させた触媒を投入して、該燃料を該触媒に接触させた。

前記触媒は、１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物１２．８ｇを３０ｍｌの水に溶解させた水溶液を、スプレーを用いて球状シリカ３０ｇに噴霧し、該水溶液と球状シリカとを均一に混合した後、室温中に一晩放置し、恒温槽中で１２０℃に３時間保持して水分を蒸発させ、真空デシケータ内で室温まで冷却した後、マッフル炉を用い４００℃に１時間保持して焼成することにより調製したものを用いた。前記球状シリカとしては、富士シリシア化学株式会社製、比表面積３２３ｍ²／ｇ、細孔容積１．０３ｍｌ／ｇ、かさ密度０．４３ｇ／ｍｌのものを用いた。前記球状シリカは、〜０．８５ｍｍ：０．２％、０．８５〜１．７０ｍｍ：９３．６％、１．７ｍｍ〜：６．２％の粒子径分布を備えている。

調製された触媒は、前記球状シリカを含む全量に対して、２９重量％の１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物を担持していた。また、調製された触媒の比表面積を、島津製作所製フローソーブＩＩ２３００（商品名）により、ＢＥＴ法を用いて測定したところ、２２５ｍ²／ｇであった。

次に、前記触媒の量を３．３ｇ（１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物を１ｇ担持）とし、液温５０℃に保持された前記燃料を該触媒に接触させたときに、反応前（反応時間０時間）と、反応開始から５分、１５分、３０分、９０分、９０分、１２０分後（それぞれ反応時間５分、１５分、３０分、９０分、９０分、１２０分）とに、それぞれ反応溶液を約２ｇ採取し、燃料組成の経時変化を調べた。前記燃料の組成は、採取した各反応溶液から前記触媒を濾別した濾液を炭酸水素ナトリウムで中和し、トリフェニルホスフィンを加えて該濾液中のクメンヒドロペルオキシドをクミルアルコールに還元した後、ＧＣ／ＭＳ（ガスクロマトグラフィー−質量分析）により分析した。前記分析は、予め前記燃料にトリフェニルホスフィンを加えて該燃料中のクメンヒドロペルオキシドをクミルアルコールに還元した後、ＧＣ／ＭＳで分析して、クミルアルコールとイソプロピルベンゼンとのピーク面積を求めておき、該クミルアルコールのピーク面積と該燃料中の各成分のピーク面積との比を求めることにより行った。結果を図５に示す。

図５から、反応時間１５分でクミルアルコールが急峻に減少して０になる一方、クメンヒドロペルオキシドの分解生成物であるフェノールとアセトンとが増加してほぼ一定になっており、前記燃料中のクメンヒドロペルオキシドが全て分解されていることが明らかである。

次に、前記燃料と、液温５０℃に保持された該燃料を前記触媒に１２０分接触させた後の前記反応溶液とを、それぞれ４５０℃、２０気圧の空気が入った容積６５０ｍｌの高圧容器中に噴射し、圧力が上昇するまでの時間を着火遅れ時間として測定し、着火性を比較した。この結果、前記触媒に接触させていない前記燃料の着火遅れ時間が６．０７ミリ秒であるのに対して、前記燃料を前記触媒に接触させた前記反応溶液の着火遅れ時間は７．６５ミリ秒であり、該燃料は前記触媒と接触させることにより着火性が低くなることが明らかである。
〔比較例１〕
本比較例では、前記燃料１００ｇを５００ｍｌ平底フラスコに入れて、スターラー付き恒温槽中で撹拌しながら液温を５０℃に保持し、球状シリカに担持されていない１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物１ｇに接触させた。この結果、前記燃料中のクメンヒドロペルオキシドが全て分解されるまでに２時間を要した。

本実施例では、前記触媒の量を１．０ｇ（１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物を０．３ｇ担持）とした以外は、実施例１と全く同一にして、燃料組成の経時変化を調べた。結果を図６に示す。

図６から、前記触媒の量を１．０ｇとしても、該触媒の量を３．３ｇとした場合とした場合とほぼ同様の結果が得られ、反応時間１５分でクミルアルコールが急峻に減少して０になる一方、クメンヒドロペルオキシドの分解生成物であるフェノールとアセトンとが増加してほぼ一定となっており、前記燃料中のクメンヒドロペルオキシドが全て分解されていることが明らかである。

実施例１と比較例１との結果から、１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物を多孔質担体である球状シリカに担持させた触媒を用いることにより、同量の１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物を多孔質担体に担持させずに用いる場合に比較して、格段に短時間で前記燃料中のクメンヒドロペルオキシドを分解できることが明らかである。また、実施例１と実施例２との結果から、１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物は、多孔質担体である球状シリカに担持させることにより、その量を少量にすることができることが明らかである。

本発明の圧縮着火内燃機関の制御方法の一実施形態を示すブロック図。本発明の圧縮着火内燃機関の制御方法の他の実施形態を示すブロック図。本発明の圧縮着火内燃機関の制御方法の他の実施形態を示すブロック図。本発明の圧縮着火内燃機関の制御方法の他の実施形態を示すブロック図。クメンヒドロペルオキシドを含む燃料を多孔質担体に担持された触媒に接触させたときの燃料組成の経時変化を示すグラフ。クメンヒドロペルオキシドを含む燃料を多孔質担体に担持された触媒に接触させたときの燃料組成の経時変化を示すグラフ。

符号の説明

１…圧縮着火内燃機関、２…燃料、５…触媒。

Claims

酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダー内に導入し、圧縮して自着火させる圧縮着火内燃機関の制御方法であって、
該圧縮着火内燃機関に、着火性向上剤を含む燃料を備え、
該圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くなるに伴って、該燃料に含まれる該着火性向上剤の少なくとも一部を多孔質担体に担持された触媒に接触させることにより分解して該燃料の着火性を低下させ、着火性の低下した燃料を該圧縮着火内燃機関に供給することを特徴とする圧縮着火内燃機関の制御方法。
前記多孔質担体は、球状シリカであることを特徴とする請求項１記載の圧縮着火内燃機関の制御方法。
前記着火性向上剤は、有機過酸化物、硝酸エステル、ニトロ化合物、アゾ化合物からなる群から選択される少なくとも１種の化合物であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧縮着火内燃機関の制御方法。
前記触媒は、塩化鉄（ＩＩＩ）、硫酸化ジルコニア、ゼオライト、１２タングスト（ＶＩ）リン酸水和物、酸性白土、モンモリロナイトからなる群から選択される少なくとも１種の触媒であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の圧縮着火内燃機関の制御方法。
前記着火性向上剤の一部が分解されて着火性が低下した燃料と、該着火性向上剤が未分解の燃料とを任意の割合で混合して、前記圧縮着火内燃機関に供給することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の圧縮着火内燃機関の制御方法。