JP2006105140A - 内燃機関からの排出を減少させるシステムおよび方法 - Google Patents

内燃機関からの排出を減少させるシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 内燃機関からの排出を減少させるシステムおよび方法を提供すること。
【解決手段】 内燃機関システム（１０）は、混合燃料（１６）を燃焼させて排気ガス（３４）を生成するように構成された複数のシリンダ（３０）と、燃料の第１部分（２２）を受け取り、改質された水素含有ガス（２６）を送達するように構成された少なくとも１つの改質シリンダ（２４）とを備える。水素含有ガス（２６）は、燃料の第２部分（１４）に導入されて混合燃料（１６）が形成され、それによって内燃機関システム（１０）からの排出が減少する。
【選択図】 図１

Description

本開示は、一般に、内燃機関からの排出物を減少させるシステムおよび方法に関し、詳細には、燃焼燃料に水素含有ガスを混入することによって、内燃機関からの排出物を減少させるシステムおよび方法に関する。
燃料として天然ガスを使用する往復動機関からＮＯｘなどの有毒ガスの排出を減少させる現在の技術は、希薄燃焼によるものである。希薄燃焼では、機関のシリンダ内のピーク温度が低くなり、したがって、ＮＯｘの生成が減少する。ＮＯｘなどのガスは、機関内での燃焼に使用する空気中の窒素と酸素の反応によって形成される。ＮＯｘの形成は、燃焼温度に大きく依存する。天然ガスの火炎速度は遅いので、燃焼の安定性に影響を及ぼさない希薄燃焼には限界がある。ＮＯｘを減少させる他の方法は、後処理技術を使用するというものであるが、この方法にはコストがかかり、天然ガス以外の燃料とともに用いたときに信頼性の問題が生じることがある。ＮＯｘの生成および排出を低減する別のやり方は、燃料に水素を混入させることである。
燃焼前の燃料に混入させるのに使用する水素ガスは、外部部分酸化反応器、外部水蒸気改質器、電気分解装置などを含めて異なる手段で生成することができる。ただし、燃焼燃料に混入させるのに必要とされる水素ガスの貯蔵および送達は、燃焼システムのコストを上昇させるばかりでなく、安全性の問題も生じる。
米国特許６，６０９，５８２号公報
したがって、燃焼燃料に水素を混入させるために、水素を安全かつ効率よく生成し得る内燃機関システムが求められている。
一態様では、内燃機関システムは、混合燃料を燃焼させて排気ガスを生成するように構成された複数のシリンダと、燃料の第１部分を受け取り、改質された水素含有ガスを送達するように構成された少なくとも１つの改質シリンダとを備える。この水素含有ガスは、燃料の第２部分に導入されて混合燃料が形成され、それによってこの内燃機関システムからの排出が減少する。
別の態様では、往復動機関システムは、混合燃料を燃焼させて排気ガスを生成するように構成された複数のシリンダと、燃料の第１部分を受け取り、改質された水素含有ガスを送達するように構成された少なくとも１つの改質シリンダとを備える。この水素含有ガスは、燃料の第２部分に導入されて混合燃料が形成され、それによってこの内燃機関システムからの排出が減少する。
別の態様では、内燃機関からの排出を減少させる方法は、内燃機関の少なくとも１つの改質シリンダ内に燃料の第１部分を導入するステップと、この改質シリンダ内で燃料の第１部分を改質して、水素含有ガスを生成するステップとを含む。この方法はさらに、この水素含有ガスと燃料の第２部分とを混合して混合燃料を生成するステップと、内燃機関の複数のシリンダ内でこの混合燃料を燃焼させて排気ガスを生成するステップとを含む。
例示の図面を参照するが、添付の図では、同じ要素は同じ番号が付けられている。
内燃機関システムは、混合燃料を燃焼させて排気ガスを生成するように構成された複数のシリンダと、燃料の第１部分を受け取り、改質された水素含有ガスを送達するように構成された少なくとも１つの改質シリンダとを備える。この水素含有ガスは、燃料の第２部分に導入されて混合燃料が形成され、それによってこの内燃機関システムからの排出が減少する。
図１に、複数のシリンダ３０を備える内燃機関システムの例１０を示す。これら複数のシリンダ３０は、混合燃料１６を燃焼させて排気ガス３４および仕事３２を生成するように構成される。内燃機関システム１０は、燃料源２０から燃料２２の第１部分を受け取り、改質された水素含有ガス２６を送達するように構成された少なくとも１つの改質シリンダ２４を備える。水素含有ガス２６は、別の燃料源１２からの燃料１４の第２部分に導入されて、混合燃料１６が形成される。混合燃料１６は複数のシリンダ３０内で燃焼し、それによって内燃機関システム１０からの排出が減少する。
有利には、改質シリンダ２４を使用して、ガス状組成物の総重量に基づき、約０．０１ｗｔ％（重量％）以上の水素を含む水素含有ガス２６を生成する。
ここで開示する内燃機関システムに使用する燃料は、脂肪族炭化水素および／または芳香属炭化水素などの炭化水素を含み得る。燃料として使用し得る炭化水素の好適な例は、アルカン、アルケン、アルキンなど、あるいは、上記炭化水素の少なくとも１つを含む組合せである。一実施形態では、この燃料は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなど、または上記アルケンの少なくとも１つを含む組合せからなる群から選択される。ある実施形態の例では、この内燃機関システムに使用する燃料は一般に、天然ガス、または埋立ガス、バイオガスなどの低エネルギー含量燃料を含む。燃焼工程では、燃料を燃焼させる酸化剤が必要とされる。ここで説明する実施形態では、燃焼工程に使用する酸化剤は空気である。ある種の実施形態では、使用する燃料は、メタンガスまたは天然ガスである。天然ガスなどの燃料が、燃焼工程において空気を使用して燃焼すると、機関内での燃焼に使用する空気中の窒素と酸素の反応によってＮＯｘなどのガスが形成される。ＮＯｘの形成は、燃焼温度に大きく依存する。天然ガスは、そのＣＯ（一酸化炭素）および粒子状の排出物が少ないため、「クリーンな燃焼」燃料である。ただし、天然ガスの燃焼によるＮＯｘ排出物は、例えば往復動機関などの機関内で使用されると多くなる。ＮＯｘの形成は、天然ガスを希薄燃焼させることによって制御することができる。希薄燃焼では、天然ガスに空気を混合させるときに空気の割合を多くし、それによって天然ガスの濃度が低くなる。ただし、天然ガスの火炎速度は遅いので、燃焼の安定性に影響を及ぼさずにＮＯｘのさらなる減少を実現する天然ガスの希薄化には限界がある。この制限を緩和するために水素を混入させると、水素の火炎速度が大きい（天然ガスの火炎速度の約８倍）ために、希薄燃焼の制限値を高くすることが容易になる。
図２に、複数のシリンダ３０が、発電所の発電機などの電気エネルギー生成システム４２と動作可能に連結する内燃機関システムの別の例を示す。別の実施形態では、これら複数のシリンダ３０内での混合燃料１６の燃焼によって生成される仕事３２を利用して、（図示しない）圧縮機その他の機械装置を駆動する。
図３に、分離ユニット４６内で、熱交換器２８からの出口流１８をさらに処理する内燃機関システムの別の例４４を示す。分離ユニット４６は、Ｈ２（水素ガス分子）は透過させるが、ＣＨ４（メタン）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＣＯ２（二酸化炭素）、またはＨ２Ｏ（水）の分子は透過させない膜、あるいは、ＰＳＡ（圧力スウィング吸着）装置を備えて、上記他の分子から水素ガス分子を分離することができ、それによって、水素に富んだガス流４８が生成される。水素に富んだガス流４８を燃料１４の第２部分と混合して、混合燃料１６が生成される。ある種の実施形態では、分離ユニット４６は、水素に富んだ流れ４８を分離する前に、水素含有ガス２６中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換する水性ガス転化反応器を含み得る。
本明細書で説明する内燃機関システムでは、水素含有ガス２６は、この機関のシリンダの少なくとも１つを改質シリンダ２４として使用して、車両上で（すなわち、内燃機関システム内で）生成される。内燃機関システム内で水素含有ガス２６を生成して燃焼燃料に混入させることは、水素含有ガスを貯蔵する必要がないため、コスト効率が高く、安全である。また、本明細書で説明する実施形態では、内燃機関における往復動ピストンおよびシリンダを示すが、例えばロータリーエンジンなどの他の循環機関を使用し得ることを理解されたい。
改質シリンダ２４は、改質シリンダ２４を循環させる駆動システムを含み得る。図４に、３シリンダ式内燃機関５０のシリンダ構成の例を示す。内燃機関５０は、２つのＩＣＣ（内部燃焼シリンダ）５２および１つの改質シリンダ２４を含む複数のシリンダ３０を備える。ある実施形態では、ＩＣＣ５２はそれぞれ、ピストン５４およびシリンダ５６を含む。このＩＣＣ５２は、混合燃料を受け取り、タイミングを合わせて点火されて、機械的な駆動力を提供する。改質シリンダ２４も、ピストン５７およびシリンダ５５を備える。クランク５９を備えた駆動軸５８により、改質シリンダ２４と各ＩＣＣ５２が機械的に連結され、それによって、シリンダ５５内でピストン５７が循環するように駆動される。３シリンダ式のシステム５０を示すが、必要に応じて、任意の構成の内部燃焼シリンダおよび改質シリンダを使用することができ、それによってスケーラブルなシステム５０が得られることを理解されたい。
改質シリンダ２４は、いくつかの改質技術を利用して、燃料を水素含有ガスに転換することができる。このような改質技術には、例えば、部分酸化法、触媒部分酸化法、および水蒸気メタン改質法が含まれる。一実施形態では、部分酸化法または触媒部分酸化法を利用して、燃料を水素含有ガスに転換する。改質シリンダ２４への供給流は、燃料に対する酸素のモル比が約０．０５〜約２．０である、空気または酸素と燃料との混合物を含むことが好ましい。一実施形態では、この供給流は、燃料に対する酸素のモル比が約０．１〜約１．９である、空気または酸素と燃料との混合物を含み得る。別の実施形態では、この供給流は、燃料に対する酸素のモル比が約０．５〜約１．７５である、空気または酸素と燃料との混合物を含み得る。
図５に、供給流７６を受け取るための、入口バルブ６４を備えた入口ポート６２と、水素含有ガス２６を送達するための、出口バルブ６８を備えた出口ポート６６とを有する改質シリンダ２４の例を示す。供給流７４は、燃料と空気の混合物を含むこともできるし、図１および図２に示すように、燃料および空気を別々に改質シリンダ２４内に導入することもできる。改質シリンダ２４は、供給流７６の燃焼を開始させるための、例えばスパークプラグなどの点火源７０も備える。一実施形態では、入口ポート６２を介して改質シリンダ２４に入る前に、供給流７４を予熱することができる。
改質シリンダ２４の容積は、約５ｍｌ（ミリリットル）以上とし得る。一実施形態では、改質シリンダ２４の容積は、約１０ｍｌ以上とする。別の実施形態では、改質シリンダ２４の容積は、約１００ｍｌ以上とする。別の実施形態では、改質シリンダ２４の容積は、約５００ｍｌ以上とする。別の実施形態では、改質シリンダ２４の容積は、約１０００ｍｌ以上とする。
部分酸化プロセスは、天然ガスまたは石炭などの炭化水素燃料と、水蒸気および酸素との高温高圧での非触媒反応を含み、それによって水素および酸化炭素が生成される。部分酸化プロセスにおける主反応は以下のとおりである。
ＣＨ４＋１／２Ｏ２＝ＣＯ＋２Ｈ２
部分酸化反応は、発熱反応であり、触媒なしで進行し得る。ただし、投入するメタン１モル当たりの水素の収率およびシステムの効率は、触媒を使用することによって大きく増加させることができる。大型のシステムには一般に、純粋酸素源が組み込まれている。というのは、空気ではなく、純粋な酸素で動作させると、反応器のサイズおよびコストが低減するからである。供給流７６は、改質シリンダ２４内で圧縮および燃焼を受ける。圧縮中、改質シリンダ２４内での体積圧縮比は、約３：１以上であり、詳細には約５：１以上、より詳細には約１０：１以上である。燃焼中、改質シリンダ内の圧力は、約１〜約１００ｋｇ／ｃｍ２である。一実施形態では、燃焼中の圧力は、約１〜約２５ｋｇ／ｃｍ２である。燃焼中、改質シリンダ２４内の温度は、約８００〜約１５００℃である。一実施形態では、燃焼中の温度は約１０００℃である。部分酸化反応の生成物は、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、未燃焼燃料、水蒸気、および窒素など供給流中の空気の不活性成分を含む。改質プロセスを高速に進行させるのに必要とされる温度は、燃焼および圧縮によって、あるいは、図４に示す駆動システムによって内部で生成される。後者では、複数のシリンダ３０によってなされた仕事の一部を利用して、改質シリンダ２４内での改質反応に必要とされる温度に達するのに必要とされる圧力が生成される。
図６に、水蒸気メタン改質プロセスによって燃料を改質する改質シリンダ２４の別の例を示す。改質シリンダ２４に、燃料、空気または酸素、および水蒸気を含む供給流７６を、別々に、あるいは混合物の形態で導入する。供給流７６において、燃料に対する酸素のモル比は一般に、約０．１〜約２である。先に述べたように、改質シリンダ２４内に導入する前に、供給流７６を予熱することができる。供給流７６は、改質シリンダ２４に導入する前に、予圧することもできる。一実施形態では、改質シリンダ２４に導入する前は、空気または酸素の温度および圧力を、燃料の温度および圧力と異なるものとし得る。別の実施形態では、循環圧縮チャンバに導入する前は、空気または酸素の温度および圧力を、燃料の温度および圧力と同じにし得る。燃料と、空気または酸素とを別々に改質シリンダ２４内に導入するとき、一実施形態では、燃料を導入する前に空気または酸素を導入する。あるいは、別の実施形態では、空気または酸素を導入する前に、燃料を導入する。
一実施形態では、供給流７６は、改質シリンダ２４に導入する前は、（約１８〜約２８℃であり得る）おおよそ周囲温度以上の温度から、約８００℃以下の温度で供給することができる。空気または酸素と別に燃料を改質シリンダ２４に導入する場合、導入前に、この燃料を約１００〜約４００℃の温度に予熱することができる。好ましい予熱温度は、約３５０℃である。空気または酸素は、導入前に、１００〜約８００℃の温度に予熱することができる。空気または酸素の好ましい予熱温度は約５００℃である。
別の実施形態では、改質シリンダ２４内に導入する前に、約１〜約５ｋｇ／ｃｍ２の圧力に供給流７６を予圧することができる。好ましい予圧圧力は、約２ｋｇ／ｃｍ２である。
水蒸気メタン改質反応では、以下に示す反応に従って、天然ガス中のメタンが水蒸気と反応して、水素が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ２
上記に示す反応は一般に、ＳＭＲ（水蒸気改質）反応と称する。水蒸気メタン改質プロセス中、水性ガス転化反応が行われることもあり、この水性ガス転化反応により、ＣＯがＣＯ２に転換される。
図６を再度参照すると、改質シリンダ２４は、供給流７６を受け取るための、入口バルブ６４を備えた入口ポート６２と、改質された水素含有ガス２６を送達するための、出口バルブ６８を備えた出口ポート６６とを有するように構成される。この改質シリンダ２４は、燃焼を行わずに内部の圧力および温度を作り出す動作サイクルを有する。これは、水蒸気の存在下で供給流７６を改質するのに効果的である。この改質シリンダ２４は、シリンダ５５内の触媒８０によって内部的に、あるいは、供給流７６に付加し得る水蒸気によって外部的に水素含有ガスを不燃温度に加熱する構成も含み得る。代替実施形態では、水蒸気用に、異なる入口ポート（入口ポート８４）を使用し得る。別の代替形態では、入口ポート６２を介して改質シリンダ２４に入る前に、例えば水蒸気を使用して供給流７６を予熱し得る。
シャフト５８を連続してクランク運動させると、改質シリンダ２４の内部の容積が減少する。このような減少は、燃料の圧力および温度を増加させるのに役立つ。
改質反応の改質区域で使用し得る触媒は、水蒸気改質触媒である。水蒸気改質触媒の好適な例は、金属、合金、および遷移金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、または典型元素酸化物などの酸化物である。これらの触媒は、均一系または不均一系の触媒とし得る。これらの触媒は一般に、モノリス触媒であることが望ましい。金属の好適な例は、ニッケル、鉄、亜鉛、銅、またはパラジウム、白金、ロジウムなどの貴金属、あるいは、上記金属の少なくとも１つを含む組合せである。上記酸化物の好適な例は、酸化ニッケル、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化マンガン、酸化亜鉛、酸化銅、酸化鉄など、あるいは上記酸化物の少なくとも１つを含む組合せである。
一実施形態では、これらの金属触媒を、表面積が大きい支持体に配設し得る。好適な支持体は、ヒュームドシリカ、ヒュームドアルミナ、アルファアルミナ、ガンマアルミナ、デルタアルミナ、チタニア、セリアなど、または上記支持体の少なくとも１つを含む組合せである。これらの多孔質支持体の表面積は一般に、約１０ｍ２／ｇｍ（平方メートル／グラム）以上、好ましくは約２０ｍ２／ｇｍ以上、より好ましくは約１００ｍ２／ｇｍ以上であることが望ましい。これらの触媒は、アルコール、アセトン、水などの適切な溶媒から、イオン注入、化学気相成長、スパッタリングによってこれらの多孔質支持体上に配設することができる。一般に、支持された触媒を使用するのは、改質区域が流動床のときである。
改質された水素含有ガス２６は、任意選択で、水素含有ガス２６と燃料１４の第２部分とを混合して混合燃料１６を形成する前に、（図１〜図２に示す）熱交換器２８内で冷却することができる。図１〜図２に示すように、混合燃料１６は、複数のシリンダ３０内で空気３６とともに燃焼させ、それによって排気ガス３４および仕事３２が生成される。燃料２２の第１部分および空気３８の改質シリンダ２４への流量を変化させて、所望の水素混入レベルを実現することができる。一実施形態では、水素含有ガス２６は、少なくとも５体積％の水素を含み得る。
本明細書で説明した内燃機関システムは、発電所、車両、航空機、船舶、住宅およびオフィス用の建物などで、エネルギーを生成するのに有利に使用し得る。
本発明では、内燃機関からの排出を減少させる方法も説明する。この方法は、内燃機関システムの少なくとも１つの改質シリンダ内に燃料の第１部分を導入するステップと、この改質シリンダ内で燃料の第１部分を改質して、水素含有ガスを生成するステップとを含む。この方法は、この水素含有ガスと燃料の第２部分とを混合して混合燃料を生成するステップと、内燃機関の複数のシリンダ内でこの混合燃料を燃焼させて排気ガスを生成するステップとを含む。
本明細書で説明した内燃機関システムは、いくつかの利点を有する。燃焼前に燃料に水素を混入させると、ＮＯｘなどのガスの排出が減り、それによって環境にプラスの影響が及ぼされる。内燃機関システム内で水素を生成すると、改質プロセスに関する外部加熱要件および圧縮要件がなくなる。さらに、開示した内燃機関システムは、水素ガスの貯蔵が不要なので、安全でコスト効果が高い。
実施形態の例を参照して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、これらの実施形態の要素の代わりに均等物を使用し得ることが当業者には理解されよう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために多くの改変を加えることができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図された最良または唯一の形態として開示した特定の実施形態に限定されるのではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲に含まれるあらゆる実施形態を含むことが意図されている。さらに、第１、第２などの用語を使用しているが、これらは、いかなる順序または重要性も示すものではなく、第１、第２などの用語は、１つの要素と別の要素を区別するために使用している。さらに、「ある」などの用語を使用しているが、これらは、量を制限することを示すのではなく、引用した要素が少なくとも１つ存在することを示す。
内燃機関システムの例の概略図である。 内燃機関システムの別の例の概略図である。 内燃機関システムの別の例の概略図である。 内燃機関システム内のシリンダの構成の例を示す図である。 改質シリンダの例の模式図である。 改質シリンダの別の例の模式図である。
符号の説明
１０ 内燃機関システム
１２ 燃料源
１４ 燃料
１６ 混合燃料
１８ 出口流
２０ 燃料源
２２ 燃料
２４ 改質シリンダ
２６ 水素含有ガス
２８ 熱交換器
３０ シリンダ
３２ 仕事
３４ 排気ガス
３６ 空気
３８ 空気
４２ 電気エネルギー生成システム
４４ 内燃機関システム
４６ 分離ユニット
４８ 水素に富んだガス流
５０ 内燃機関
５２ 内部燃焼シリンダ
５４ ピストン
５５ シリンダ
５６ シリンダ
５７ ピストン
５８ 駆動軸
５９ クランク
６２ 入口ポート
６４ 入口バルブ
６６ 出口ポート
６８ 出口バルブ
７０ 点火源
７４ 供給流
７６ 供給流
８０ 触媒
８４ 入口ポート

Claims (10)

  1. 内燃機関システム（１０）であって、
    混合燃料（１６）を燃焼させて排気ガス（３４）を生成するように構成された複数のシリンダ（３０）と、
    燃料の第１部分（２２）を受け取り、改質された水素含有ガス（２６）を送達するように構成された少なくとも１つの改質シリンダ（２４）とを備え、
    前記水素含有ガス（２６）は、前記燃料の第２部分（１４）に導入されて前記混合燃料（１６）が形成され、それによって前記内燃機関システム（１０）からの排出が減少する、内燃機関システム。
  2. 前記少なくとも１つの改質シリンダ（２４）を循環させる駆動システムをさらに備える、請求項１記載のシステム。
  3. 前記駆動システムは、前記複数のシリンダ（３０）および少なくとも１つの改質シリンダ（２４）と動作可能に連結される駆動軸（５８）を備える、請求項２記載のシステム。
  4. 前記内燃機関は往復動機関である、請求項１記載のシステム。
  5. 前記複数のシリンダ（３０）は、電気エネルギー生成システムと動作可能に連結される、請求項１記載のシステム。
  6. 前記燃料は、天然ガス、バイオガス、又はこれらの組合せを含む、請求項１記載のシステム。
  7. 前記混合燃料は、少なくとも５体積％の水素を含む、請求項１記載のシステム。
  8. 前記水素含有ガスは、前記燃料の前記第２部分（１４）に導入される前に、熱交換器（２８）内で冷却される、請求項１記載のシステム。
  9. 前記改質シリンダは、約１〜約１００ｋｇ／ｃｍ２の圧力および約３００〜約１，５００℃の温度で動作する、請求項１記載のシステム。
  10. 前記改質シリンダ（２４）は、部分酸化反応器、触媒部分酸化反応器、または前記反応器の少なくとも１つを含む組合せを備える、請求項１記載のシステム。
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