JP2007040231A - 内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】炭化水素とアルコールとの混合燃料を用い、広範囲の要求負荷に対し効率よく運転できる内燃機関システムを提供する。
【解決手段】内燃機関１と、混合燃料をアルコール−水混合液２１と液体炭化水素２２とに分離する第１の分離手段２と、アルコール−水混合液をエーテル−水混合液に改質する改質手段１３と、該エーテル−水混合液を該エーテルと該水とに分離する第２の分離手段１４と、液体炭化水素２２と、アルコール−水混合液２１と、該エーテルとの割合を制御する制御手段１６とを備える。内燃機関１は圧縮着火内燃機関である。液体炭化水素２１を供給する第１のインジェクター１２ａと、アルコール−水混合液２１を供給する第２のインジェクター１２ｂと、前記エーテルを供給する第３のインジェクター１２ｃとを備える。制御手段１６は、要求負荷が高くなるほどアルコール−水混合液２１を増加させ、低くなるほど前記エーテルを増加させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化水素とアルコールとの混合燃料を用いる内燃機関システムに関するものである。

近年、内燃機関の燃費を向上し、排出物を低減するために、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。圧縮着火内燃機関は、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダ内に導入し、圧縮して自着火させるものである。

しかし、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く、安定に運転することができる運転領域が狭いという問題がある。前記問題は、さらに詳しくは、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く、着火性の低い燃料を用いると該機関の要求負荷が低くなったときに失火しやすいということである。

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準備し収容しておく必要がある。

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。

ところで、内燃機関の燃料として、炭化水素とアルコールとの混合燃料を用いることが検討されている。前記混合燃料は前記アルコールとしてエタノールを用いる場合、エタノールによる所謂カーボンニュートラル効果を得ることができるので、二酸化炭素排出量の削減に寄与することができる。尚、前記カーボンニュートラル効果とは、エタノールの原料となる植物は、その成育過程で光合成を行うことにより二酸化炭素を吸収しているので、エタノールを燃焼させて二酸化炭素を発生しても、全体としては新たな二酸化炭素を排出したことにならない、というものである。

しかしながら、前記混合燃料は、ガソリンと同様の単一燃料としてシリンダーに供給し、火花点火により着火するときには、十分に高い効率を得ることができない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、炭化水素とアルコールとの混合燃料を用い、広い範囲の要求負荷に対して、効率よく運転することができる内燃機関システム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、本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、液体炭化水素とアルコールとからなる混合燃料に水を混合して該水と該アルコールとが混合されたアルコール−水混合液と該液体炭化水素とに分離する第１の分離手段と、該アルコール−水混合液の少なくとも一部に触媒を作用させて該アルコール−水混合液をエーテル−水混合液に改質する改質手段と、該エーテル−水混合液を該エーテルと該水とに分離する第２の分離手段と、該液体炭化水素と該アルコール−水混合液と該エーテルとを燃料として該内燃機関に供給するときに該内燃機関の要求負荷に応じて該燃料全体に対する該液体炭化水素と該アルコール−水混合液と該エーテルとの割合を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明の内燃機関システムでは、まず、前記第１の分離手段により、前記液体炭化水素とアルコールとからなる混合燃料に水が混合される。前記混合燃料を構成する前記液体炭化水素とアルコールとの内、アルコールは水との相溶性を備えているが、液体炭化水素は水に不溶である。このため、前記混合燃料に水を混合すると、前記アルコールが水と混合してアルコール−水混合液を形成する一方、前記液体炭化水素が該アルコール−水混合液から容易に分離する。

次に、前記アルコール−水混合液の少なくとも一部が、前記改質手段に供給される。前記改質手段では、前記アルコール−水混合液に触媒を作用させることによりアルコールが脱水縮合せしめられ、該アルコールに対応するジアルキルエーテルが生成される。この結果、前記改質手段によれば、供給された前記アルコール−水混合液がエーテル−水混合液に改質される。

次に、前記エーテル−水混合液は、前記第２の分離手段に供給される。前記エーテルは、水と不溶であるので、前記エーテル−水混合液は前記第２の分離手段で容易にエーテルと水とに分離される。従って、前記混合燃料という単一の燃料から、前記液体炭化水素と、前記アルコール−水混合液と、前記エーテルとの３種類の燃料が容易に分離されることになる。

前記液体炭化水素と、前記アルコール−水混合液と、前記エーテルとは、燃料として前記内燃機関に供給されるが、本発明の内燃機関システムでは、このとき、前記制御手段により、該内燃機関の要求負荷に応じて、燃料全体に対する各燃料の割合が制御される。ここで、前記アルコール−水混合液は前記液体炭化水素に比較して着火性が低く、前記エーテルは前記液体炭化水素に比較して着火性が高い。

従って、本発明の内燃機関システムによれば、前記内燃機関の要求負荷に応じて、燃料全体に対する各燃料の割合を制御することにより、広い範囲の要求負荷に対して、効率よく運転することができる。

本発明の内燃機関システムでは、前記内燃機関は、シリンダー内に供給された燃料に火花を供給して着火する火花点火式内燃機関であってもよいが、シリンダー内に供給された燃料を圧縮して自己着火させる圧縮着火内燃機関であることが好ましい。本発明の内燃機関システムによれば、前記制御手段により、前記内燃機関に供給される燃料を、前記液体炭化水素と、前記アルコール−水混合液と、前記エーテルとの３種類の燃料について任意の組成とすることができる。従って、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷に対して、常に好適な組成の燃料を供給することができ、該圧縮着火内燃機関を優れた効率で運転することができる。

また、本発明の内燃機関システムは、前記液体炭化水素を噴射して前記内燃機関に供給する第１のインジェクターと、前記アルコール−水混合液を噴射して該内燃機関に供給する第２のインジェクターと、前記エーテルを噴射して該内燃機関に供給する第３のインジェクターとを備え、各インジェクターの噴射量は前記制御手段により制御されることが好ましい。前記構成を備える本発明の内燃機関システムによれば、前記制御手段により燃料全体に対する各燃料の割合を容易に制御することができる。

本発明の内燃機関システムにおいて、前記制御手段による燃料全体に対する各燃料の割合の制御は、具体的には、要求負荷が高くなるほど前記燃料全体に対する前記アルコール−水混合液の割合を増加させ、要求負荷が低くなるほど該燃料全体に対する前記エーテルの割合を増加させるように行う。

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は本実施形態の内燃機関システムの構成を示すシステム構成図であり、図２は図１に示す第１分離器の構成を示す説明的断面図、図３は図１に示す改質器の構成を示す説明的断面図である。

図１に示すように、本実施形態の内燃機関システムは、内燃機関１と、液体炭化水素とアルコールとからなる混合燃料に水を混合して、アルコール−水混合液と、該液体炭化水素とに分離する第１分離器２とを備えている。第１分離器２は、図示しない燃料タンクから前記混合燃料を導入する第１導管３と、該混合燃料に混合する水を導入する第１水導管４とを備えると共に、分離されたアルコール−水混合液を取り出す第２導管５と、分離された液体炭化水素を取り出す第３導管６とを備えている。

第２導管５は、ポンプ７を介して分配装置８に接続されており、分配装置８から第４導管９と第５導管１０とが分岐している。第３導管６は、ポンプ１１を介して、内燃機関１に設けられた第１インジェクタ１２ａに接続されており、第１分離器２で分離された前記液体炭化水素は、第３導管６を介して第１インジェクター１２ａに供給される。

分配装置８から分岐する第４導管９は、内燃機関１に設けられた第２インジェクター１２ｂに接続されており、第１分離器２で分離された前記アルコール−水混合液は、第２導管５、第４導管９を介して第２インジェクター１２ｂに供給される。

また、第５導管１０は途中に設けられた改質器１３、第２分離器１４を介して、内燃機関１に設けられた第３インジェクター１２ｃに接続されている。改質器１３は第５導管１０を介して供給されるアルコール−水混合液に触媒を作用させてエーテル−水混合液に改質するものであり、第２分離器１４は改質器１３から供給されるエーテル−水混合液をエーテルと水に分離するものである。第２分離器１４で分離されたエーテルは、第５導管１０を介して第３インジェクター１２ｃに供給される。一方、第２分離器１３は、第１分離器２に接続される第２水導管１５を備えており、第２分離器１４で分離された水は、第２水導管１５を介して第１分離器２に還流される。

さらに、本実施形態の内燃機関システムは、各インジェクター１２ａ，１２ｂ，１２ｃの噴射量を制御する制御装置１６を備え、制御装置１６は内燃機関１の運転状態に係る各種の量を検知する運転状態量センサ１７ａ，１７ｂ，・・・，１７ｎに接続されている。

次に、本実施形態の内燃機関システムの作動について説明する。

本実施形態の内燃機関システムでは、まず、図示しない燃料タンクから、液体炭化水素とアルコールとからなる混合燃料が第１導管３を介して第１分離器２に導入される。前記液化炭化水素としては例えばガソリン、ナフサ等を挙げることができ、前記アルコールとしては例えばエタノール等を挙げることができる。前記混合燃料は、第１分離器２内で、第１水導管４、第２水導管１５から導入される水と混合される。

ここで、エタノール等の前記アルコールは水との相溶性を備えているが、ガソリン、ナフサ等の液体炭化水素は水に不溶である。このため、前記混合燃料に水を混合すると、前記アルコールが水と混合してアルコール−水混合液を形成する一方、前記液体炭化水素が該アルコール−水混合液から容易に分離する。

前記アルコール−水混合液と、前記液体炭化水素とでは、比重が異なり、例えば該炭化水素がガソリン、ナフサ等である場合には、水を含む該アルコール−水混合液の方が比重が大である。従って、図２に示すように、アルコール−水混合液２１と液体炭化水素２２とは、第１分離器２内で、重力の作用により上下２層に分離する。尚、図２では、アルコール−水混合液２１が下層となり、液体炭化水素２２が上層となるものとして示している。

そこで、第１分離器２では、底部にアルコール−水混合液取出装置２３を設けてアルコール−水混合液取出装置２３に第２導管５を接続すると共に、上層の液体炭化水素２２の液面に浮上するように液体炭化水素取出装置２４を設けて液体炭化水素取出装置２４に第３導管６を接続している。また、第１分離器２は、底部と液体炭化水素取出装置２４とに、アルコール濃度センサ２５ａ，２５ｂを設け、アルコール濃度センサ２５ａ，２５ｂの検知信号によりアルコール−水混合液２１と液体炭化水素２２との分離完了を検知するようになっている。そして、アルコール−水混合液取出装置２３、液体炭化水素取出装置２４は、アルコール−水混合液２１と液体炭化水素２２との分離完了が検知された後に、それぞれアルコール−水混合液２１と液体炭化水素２２との取り出しを開始する。

尚、第１分離器２では、上部に第１導管３と、第１水導管４、第２水導管１５とが接続されており、第１水導管４、第２水導管１５は制御弁２６により所要量の水を第１分離器２に供給するようになっている。

次に、第１分離器２で分離された液体炭化水素２２は、図１に示すように第３導管６を介して第１インジェクター１２ａに供給される。

また、第１分離器２で分離されたアルコール−水混合液２１は、第２導管５を介して分配装置８に送られる。分配装置８は、第２導管５を介して供給されたアルコール−水混合液２１を所定量ずつ、第４導管９と第５導管１０に分配する。分配装置８により、第４導管９に分配されたアルコール−水混合液２１は、第４導管９を介して第２インジェクター１２ｂに供給される。

一方、分配装置８により、第５導管１０に分配されたアルコール−水混合液２１は、次いで改質器１３に供給される。改質器１３は、例えば図３に示すように、第５導管１０の途中に設けられアルコール−水混合液２１が導入される触媒装置３１と、触媒装置３１を加熱する加熱装置３２とからなる。

図３に示す加熱装置３２は、隔壁３３を介して内燃機関１の排気管３４に隣接する排気通路３５を触媒装置３１の周囲に設けることにより構成され、触媒装置３１に導入されるアルコール−水混合液２１と対向するように排気通路３５に流通される排気により触媒装置３１を加熱するようになっている。排気通路３５は、隔壁３３に設けられた排気流入口３３ａと排気流出口３３ｂとを介して排気管３４に連通しており、排気管３４に設けられた制御弁３６の開度により、流通する排気量を調整することができる。触媒装置３１は、例えば、活性アルミナ、ヘテロポリ酸、ゼオライト、シリカアルミナ、硫酸化ジルコニア等の酸触媒が充填されており、温度センサ３７により検知される温度に従って、制御弁３６の開度を調整することにより、適温に加熱される。

そこで、改質器１３に供給されたアルコール−水混合液２１は、触媒装置３１に充填された前記酸触媒に所定の温度で接触せしめられ、該酸触媒の作用により、アルコールが脱水縮合を起こして該アルコールに対応するエーテルを生成する。前記アルコールがエタノールである場合、前記エーテルはジエチルエーテルとなる。この結果、アルコール−水混合液２１は、改質器１３でエーテル−水混合液に改質される。

次に、前記エーテル−水混合液は、図１に示すように、第５導管１０を介して第２分離器１４に送られる。ここで、前記エーテルと水とは互いに不溶であり、比重が異なっている。このため、前記エーテルと水とは、第２分離器１４内で、重力の作用により容易に上下２層に分離する。

次に、第２分離器１４で分離された前記エーテルは、第５導管１０を介して第３インジェクター１２ｃに供給される。また、第２分離器１４で分離された水は、第２水導管１５を介して第１分離器２に還流される。

本実施形態の内燃機関システムでは、前述のようにして分離された液体炭化水素２２、アルコール−水混合液２１、前記エタノールを燃料として、各インジェクター１２ａ，１２ｂ，１２ｃから内燃機関１に供給する。このとき、制御装置１６は運転状態量センサ１７ａ，１７ｂ，・・・，１７ｎの検知信号により内燃機関１の運転状態を把握し、各インジェクター１２ａ，１２ｂ，１２ｃから噴射される液体炭化水素２２、アルコール−水混合液２１、前記エタノールの量を制御する。運転状態量センサ１７ａ，１７ｂ，・・・，１７ｎは、例えば、内燃機関１の温度、圧力、トルク、回転数等の運転状態量を検知する。

前述のようにすることにより、制御装置１６は、燃料全体に対する液体炭化水素２２、アルコール−水混合液２１、前記エタノールの各燃料の割合を容易に変更することができる。制御装置１６は、燃料全体に対する液体炭化水素２２、アルコール−水混合液２１、前記エタノールの各燃料の割合の制御を、具体的には、要求負荷が高くなるほど前記燃料全体に対するアルコール−水混合液２１の割合を増加させ、要求負荷が低くなるほど該燃料全体に対する前記エーテルの割合を増加させるように行う。

この結果、本実施形態の内燃機関システムでは、内燃機関１の要求負荷に応じて適切な組成の燃料を供給して、内燃機関１を効率よく運転することができる。

次に、液体炭化水素とアルコールとからなる前記混合燃料の分離に関する実施例を示す。

本実施例では、まず、３０体積％のエタノールを含むガソリン（Ｅ３０ガソリン）を混合燃料として、第１導管３から第１分離器２に供給すると共に、第１水導管４から該混合燃料の３．５重量％の水を供給し、該該混合燃料と水とを混合した。この結果、第１分離器２内で、アルコール−水混合液２１としてのエタノール−水混合液と、液体炭化水素２２としてのガソリンとが分離し、上層にガソリン、下層にエタノール−水混合液が得られた。ガソリンは全量の約６３重量％、エタノール−水混合液は全量の約３７重量％であった。

次に、第１分離器２から取り出したエタノール−水混合液の一部を、１０ｋｇ／時の流量で、第５導管１０を介して改質器１３に供給した。改質器１３の触媒装置３１には、酸触媒として約１ｋｇのヘテロポリ酸を充填し、制御弁３６の開度を調整して触媒装置３１内の該酸触媒が約２１０℃に加熱されるようにした。この結果、前記エタノール−水混合液中のエタノールが脱水縮合してジエチルエーテルを生成し、該エタノール−水混合液がエーテル−水混合液に改質された。

次に、前記エーテル−水混合液を第２分離器１４に供給して、エーテルと水とに分離した。この結果、改質器１３に供給されたエタノール−水混合液の全量に対して、７：３（重量比）の割合でジエチルエーテルと水とが得られた。

本実施例では、まず、５０体積％のエタノールを含むナフサ（Ｅ５０ナフサ）を混合燃料として、第１導管３から第１分離器２に供給すると共に、第１水導管４から該混合燃料の９重量％の水を供給し、該該混合燃料と水とを混合した。この結果、第１分離器２内で、アルコール−水混合液２１としてのエタノール−水混合液と、液体炭化水素２２としてのナフサとが分離し、上層にナフサ、下層にエタノール−水混合液が得られた。ナフサは全量の約３７重量％、エタノール−水混合液は全量の約６３重量％であった。

次に、第１分離器２から取り出したエタノール−水混合液の一部を、実施例１と全く同一にして改質器１３に供給してエーテル−水混合液に改質し、該エーテル−水混合液を第２分離器１４に供給して、エーテルと水とに分離した。この結果、改質器１３に供給されたエタノール−水混合液の全量に対して、約８０重量％のジエチルエーテルと、約２０重量％の水とが得られた。

本発明の内燃機関システムの構成例を示すシステム構成図。 図１に示す第１分離器の構成を示す説明的断面図。 図１に示す改質器の構成を示す説明的断面図。

符号の説明

１…内燃機関、 ２…第１の分離手段、 １２ａ…第１のインジェクター、 １２ｂ…第２のインジェクター、 １２ｃ…第３のインジェクター、 １３…改質手段、 １４…第２の分離手段、 １６…制御手段、 ２１…アルコール−水混合液、 ２２…液体炭化水素、 ３１…触媒。

Claims (4)

1. 内燃機関と、
   液体炭化水素とアルコールとからなる混合燃料に水を混合して、該水と該アルコールとが混合されたアルコール−水混合液と、該液体炭化水素とに分離する第１の分離手段と、
   該アルコール−水混合液の少なくとも一部に触媒を作用させて該アルコール−水混合液をエーテル−水混合液に改質する改質手段と、
   該エーテル−水混合液を該エーテルと該水とに分離する第２の分離手段と、
   該液体炭化水素と、該アルコール−水混合液と、該エーテルとを燃料として該内燃機関に供給するときに、該内燃機関の要求負荷に応じて該燃料全体に対する該液体炭化水素と、該アルコール−水混合液と、該エーテルとの割合を制御する制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関システム。
2. 前記内燃機関は、シリンダー内に供給された燃料を圧縮して自己着火させる圧縮着火内燃機関であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関システム。
3. 前記液体炭化水素を噴射して前記内燃機関に供給する第１のインジェクターと、前記アルコール−水混合液を噴射して該内燃機関に供給する第２のインジェクターと、前記エーテルを噴射して該内燃機関に供給する第３のインジェクターとを備え、各インジェクターの噴射量は前記制御手段により制御されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関システム。
4. 前記制御手段は、要求負荷が高くなるほど前記燃料全体に対する前記アルコール−水混合液の割合を増加させ、要求負荷が低くなるほど該燃料全体に対する前記エーテルの割合を増加させ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項記載の内燃機関システム。

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