JP2007120369A - Fuel reforming device and fuel ignition system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料改質装置及びこれを用いた燃料点火システムに係り、更に詳細には、光触媒による水分解反応を利用することでエネルギー利用効率を向上できる燃料改質装置及びこれを用いた燃料点火システムに関する。 The present invention relates to a fuel reformer and a fuel ignition system using the same, and more specifically, a fuel reformer capable of improving energy utilization efficiency by utilizing a water splitting reaction by a photocatalyst and a fuel using the same It relates to an ignition system.
地球温暖化ガスの一つである二酸化炭素を削減する手段として、希薄燃焼による燃料消費率の改善が挙げられる。特に、筒内噴射ガソリンエンジンにおいては、タンブルやスワールの強化、点火系の強化により空燃比が50〜60程度まで拡大している。
しかし、これ以上の空燃比では火炎が筒内に十分に伝播することが困難となり、燃焼が不安定になる。
One way to reduce carbon dioxide, one of the global warming gases, is to improve the fuel consumption rate through lean combustion. In particular, in an in-cylinder injection gasoline engine, the air-fuel ratio is expanded to about 50 to 60 by strengthening tumble and swirl and strengthening the ignition system.
However, if the air-fuel ratio is higher than this, it becomes difficult for the flame to sufficiently propagate into the cylinder, and the combustion becomes unstable.
また、超希薄混合気においても筒内に火炎を十分伝播する方法としては、火炎核をより大きくすることや、点火プラグを複数配置して火炎伝播距離をすることや、更には火炎伝播速度が向上する混合気とすることなどが知られている。 In addition, even in an extremely lean mixture, flames can be sufficiently propagated into the cylinder by making the flame kernel larger, arranging a plurality of spark plugs to increase the flame propagation distance, and further the flame propagation speed. It is known to improve the air-fuel mixture.
例えば、プラグの電極間距離を拡大し高電圧を供給することにより、火炎核を大きくすることが提案されているが、より高電圧を供給するため、電極の寿命を短くすることがある(非特許文献1参照)。
また、点火プラグを複数配置することにより火炎伝播距離を短縮することが提案されているが、シリンダヘッドの吸排気バルブがあるため、点火プラグを3個以上設置することは難しい(特許文献1参照)。
更に、水素を供給することにより火炎伝播速度を向上する方法が提案されているが、水素貯蔵用タンクや水素吸蔵合金を利用するため、非常に高価である(特許文献2参照)。 Furthermore, although a method for improving the flame propagation speed by supplying hydrogen has been proposed, it is very expensive because a hydrogen storage tank or a hydrogen storage alloy is used (see Patent Document 2).
また、触媒によるアルコール改質反応により、火炎伝播速度が向上する混合気とすることが提案されているが、この方法には、高温の反応温度を必要とし、また水の電気分解に要する消費電力も多い(特許文献4参照)。
このように、従来の方法はいずれもコストや効率に問題があり、また水やアルコールなどの水素発生源を別途供給する必要があった。 Thus, all the conventional methods have problems in cost and efficiency, and it is necessary to separately supply a hydrogen generation source such as water and alcohol.
一方、混合気の点火にレーザー光を利用する方法が知られている(非特許文献2参照)。
この方法は、任意の位置で焦点を結び、この焦点で混合気が点火ができるため、点火自由度が高く、また安定した燃焼が実現できる。
In this method, the focal point is focused at an arbitrary position, and the air-fuel mixture can be ignited at this focal point. Therefore, the degree of freedom of ignition is high and stable combustion can be realized.
他方、光触媒と水を共存させ、光を照射すると水素と酸素が生成することが知られている。
これは、光触媒が光を吸収し価電子帯の電子を伝導帯へ励起することで電子と正孔が生成し、この電子が水を還元して水素を発生させ、正孔が水を酸化して酸素を発生させることによる。
On the other hand, it is known that hydrogen and oxygen are produced when photocatalyst and water coexist and light is irradiated.
This is because the photocatalyst absorbs light and excites electrons in the valence band to the conduction band to generate electrons and holes, which reduce water to generate hydrogen, and the holes oxidize water. By generating oxygen.
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関のリーン燃焼領域を拡大し燃費を大幅に向上しうる燃料改質装置及びこれを用いた燃料点火システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to expand a lean combustion region of an internal combustion engine and greatly improve fuel efficiency and a fuel reformer It is to provide a fuel ignition system using the above.
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、混合気を燃焼するときに発生する10%程度の水を光触媒と共存させるとともに、光を照射することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor solved about 10% of the water generated when the air-fuel mixture is burned together with the photocatalyst and irradiates light. The present inventors have found that this can be done and have completed the present invention.
即ち、本発明の燃料改質装置は、内燃機関の燃焼室において、光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光源と、燃焼行程で生成される水を燃焼室内に保持・回収する手段とを備える燃料改質装置であって、
光源から照射された光の少なくとも一部を光触媒が吸収し、燃焼室に存在する水から水素を生成することを特徴とする。
That is, the fuel reformer of the present invention comprises a photocatalyst in a combustion chamber of an internal combustion engine, a light source capable of irradiating the photocatalyst with light, and means for holding and collecting water generated in the combustion stroke in the combustion chamber. A fuel reformer comprising:
The photocatalyst absorbs at least a part of the light emitted from the light source, and hydrogen is generated from water existing in the combustion chamber.
また、本発明の燃料点火システムは、上記燃料改質装置を適用したことを特徴とする。 The fuel ignition system of the present invention is characterized by applying the fuel reformer.
本発明によれば、混合気を燃焼するときに発生する10%程度の水を光触媒と共存させるとともに、光を照射することとしたため、内燃機関のリーン燃焼領域を拡大し燃費を大幅に向上しうる。 According to the present invention, about 10% of the water generated when the air-fuel mixture is combusted is made to coexist with the photocatalyst and is irradiated with light, so that the lean combustion region of the internal combustion engine is expanded and fuel efficiency is greatly improved. sell.
以下、本発明の燃料改質装置について詳細に説明する。なお、本特許請求の範囲及び本明細書において、「%」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。 Hereinafter, the fuel reformer of the present invention will be described in detail. In the claims and the specification, “%” represents a mass percentage unless otherwise specified.
本発明の燃料改質装置は、内燃機関の燃焼室において、光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光源と、燃焼行程で生成される水を燃焼室内に保持・回収する手段とを備えて成る。 The fuel reformer of the present invention includes a photocatalyst in a combustion chamber of an internal combustion engine, a light source capable of irradiating the photocatalyst with light, and means for holding and collecting water generated in the combustion stroke in the combustion chamber. Become.
これより、光源から照射された光の少なくとも一部を光触媒が吸収し、燃焼室に存在する水から水素が生成される。
言い換えれば、従来のように水素発生源となる水やアルコールを外部から供給する必要がなく、既存のシステムにおける燃料の燃焼によって生成した水から光触媒水分解反応を利用して水素を生成できる。
Thus, the photocatalyst absorbs at least part of the light emitted from the light source, and hydrogen is generated from the water present in the combustion chamber.
In other words, it is not necessary to supply water or alcohol as a hydrogen generation source from the outside as in the prior art, and hydrogen can be generated from water generated by the combustion of fuel in an existing system using a photocatalytic water splitting reaction.
また、生成した水素を混合気に供給することにより、燃焼速度が増加し、希薄燃焼領域が大幅に拡大する。
更に、図1に示すように、光触媒はバンドギャップ以上の光を吸収すると価電子帯の電子が伝導帯に励起して電子と正孔を生成する。そして、電子は水を還元して水素を生成し、正孔は水を酸化して酸素を生成する。このように、水素を生成する際は同時に酸素も生成するため、混合気中の酸素濃度が増大できるので出力も向上しうる。
In addition, by supplying the generated hydrogen to the air-fuel mixture, the combustion speed is increased and the lean combustion region is greatly expanded.
Furthermore, as shown in FIG. 1, when the photocatalyst absorbs light having a band gap or more, electrons in the valence band are excited to the conduction band to generate electrons and holes. The electrons reduce water to produce hydrogen, and the holes oxidize water to produce oxygen. As described above, since oxygen is generated at the same time when hydrogen is generated, the oxygen concentration in the air-fuel mixture can be increased, so that the output can be improved.
ここで、上記光触媒は、伝導帯の下端のエネルギー順位が水からの水素発生電位よりマイナス側にあることが必要である。
上記光触媒としては、例えば、酸化チタン、酸化ニオブ、タンタル酸カリウムなどを用いることができる。
これら光触媒は、燃焼室内の任意の部位、具体的には、ピストンヘッド上部や、シリンダヘッド外周辺に配設することができる。また、多孔質無機担体に担持した形態で光触媒を配設してもよい。
なお、燃焼室は、特に限定されるものではなく、例えば、半球形型、多球形型、くさび型、バスタブ型、ペントルーフ型などを所望の排気量で使用できる。
Here, the above-mentioned photocatalyst needs to have an energy ranking at the lower end of the conduction band on the negative side of the hydrogen generation potential from water.
As the photocatalyst, for example, titanium oxide, niobium oxide, potassium tantalate, or the like can be used.
These photocatalysts can be disposed at any part in the combustion chamber, specifically, at the upper part of the piston head or around the cylinder head. Further, the photocatalyst may be arranged in a form supported on a porous inorganic carrier.
The combustion chamber is not particularly limited, and for example, a hemispherical type, a multispherical type, a wedge type, a bathtub type, a pent roof type, etc. can be used with a desired displacement.
また、上記光源は、燃焼させる混合気や光触媒の種類などにより異なるが、固体レーザー、気体レーザー、半導体レーザー、エキシマレーザー、自由電子レーザーなどを適宜用いることができる。更に、キセノンランプ、ハロゲンランプ、高圧水銀灯などを使用してもよい。 Moreover, although the said light source changes with the air-fuel | gaseous mixture to be burned, the kind of photocatalyst, etc., a solid laser, a gas laser, a semiconductor laser, an excimer laser, a free electron laser, etc. can be used suitably. Further, a xenon lamp, a halogen lamp, a high pressure mercury lamp, or the like may be used.
なお、これら光源は、光触媒のバンドギャップ以上の波長を有する光を発生できればよく、連続でもパルスでもよい。 These light sources need only generate light having a wavelength longer than the band gap of the photocatalyst, and may be continuous or pulsed.
本発明の燃料改質装置において、上記水保持・回収手段としては、水トラップ材を用いることが好適である。
このときは、燃焼室内の水をより多く吸着させることで水の利用効率を向上できる。これにより、より多くの水素を生成させて、混合気中の水素濃度を増大できる。
In the fuel reformer of the present invention, it is preferable to use a water trap material as the water retention / recovery means.
At this time, the water utilization efficiency can be improved by adsorbing more water in the combustion chamber. Thereby, more hydrogen can be produced | generated and the hydrogen concentration in air-fuel | gaseous mixture can be increased.
上記水トラップ材としては、例えば、ゼオライト、酸化マグネシウムなどを使用できる。
また、これら水トラップ材は、光触媒と接触していること又は光触媒の近傍に配置することが望ましく、代表的には、光触媒上に配設したり、該水トラップ材上に光触媒を配設して使用できる。
As said water trap material, a zeolite, magnesium oxide, etc. can be used, for example.
These water trap materials are preferably in contact with the photocatalyst or disposed in the vicinity of the photocatalyst. Typically, the water trap material is disposed on the photocatalyst or the photocatalyst is disposed on the water trap material. Can be used.
また、上記水保持・回収手段としては、内部EGR(Exhoust Gas Recirculation)、外部EGRのいずれか一方又は双方を用いることも好適である。
このときは、該EGRが燃焼行程で生成した水を燃焼室内に供給することで、光触媒水分解反応素により水素が生成し、混合気中の水素濃度が増加しうる。なお、EGRを用いるときは、上記水トラップ材を併用して燃焼室内に配設し、供給した水を吸着させることが望ましい。
例えば、図3に示すように、EGRコントロールバルブ、EGRバルブ、サーモバルブ、ダイヤフラムから構成される外部EGRを設置し、排気バルブ4から排出された排ガス中の水を吸気側へ回収することができる。
In addition, as the water holding / recovering means, it is also preferable to use one or both of internal EGR (Exhaust Gas Recirculation) and external EGR.
At this time, by supplying water generated in the combustion stroke by the EGR into the combustion chamber, hydrogen is generated by the photocatalytic water splitting reactant, and the hydrogen concentration in the air-fuel mixture can be increased. In addition, when using EGR, it is desirable to arrange | position in the combustion chamber combining the said water trap material, and to adsorb the supplied water.
For example, as shown in FIG. 3, an external EGR composed of an EGR control valve, an EGR valve, a thermo valve, and a diaphragm can be installed to collect water in the exhaust gas discharged from the
本発明の燃料改質装置においては、光触媒による酸化反応を促進させる観点から、犠牲試薬を供給する手段を備えることが好適である。
光触媒水分解反応では、水から水素を生成する還元反応は容易に進行するが、水を酸化して酸素を生成する酸化反応は進行しにくい。このため、図2に示すように、犠牲試薬を供給して酸化反応を促進させれば、水の還元反応により水素の生成が阻害されることを回避できるので有効である。
上記犠牲試薬供給手段としては、例えば、パイロット噴射や主噴射の一部を利用するものが挙げられる。
In the fuel reforming apparatus of the present invention, it is preferable to include means for supplying a sacrificial reagent from the viewpoint of promoting the oxidation reaction by the photocatalyst.
In the photocatalytic water splitting reaction, a reduction reaction that generates hydrogen from water proceeds easily, but an oxidation reaction that generates oxygen by oxidizing water hardly proceeds. For this reason, as shown in FIG. 2, if a sacrificial reagent is supplied to promote the oxidation reaction, it is possible to prevent the generation of hydrogen from being inhibited by the reduction reaction of water, which is effective.
Examples of the sacrificial reagent supply means include those that use part of pilot injection or main injection.
上記犠牲試薬としては、代表的には、燃料を使用することができる。
このときは、燃焼行程で生成した水と、犠牲試薬として水よりも容易に酸化される燃料を用いることで、これら光触媒水分解反応素により水素を円滑に生成でき、混合気中の水素濃度を増大できる。
言い換えれば、水分解反応での半反応である酸化還元反応において、酸化反応に水の代わりに燃料が用いられるので、水の還元反応が促進され水素生成量が増加しうる。
As the sacrificial reagent, typically, fuel can be used.
At this time, by using water generated in the combustion process and a fuel that is more easily oxidized than water as a sacrificial reagent, hydrogen can be generated smoothly by these photocatalytic water splitting reactants, and the hydrogen concentration in the mixture can be reduced. Can increase.
In other words, in the oxidation-reduction reaction, which is a semi-reaction in the water splitting reaction, fuel is used instead of water for the oxidation reaction, so that the reduction reaction of water is promoted and the amount of hydrogen generation can be increased.
なお、上記燃料とは、代表的には、ガソリン、軽油、LPGなど、一般的な内燃機関の燃焼室に混合気体として噴射される燃料をいう。 In addition, the said fuel typically means the fuel injected as a mixed gas into the combustion chamber of a general internal combustion engine, such as gasoline, light oil, and LPG.
また、上記犠牲試薬としては、アルコールを使用することもできる。
このときは、燃焼行程で生成した水と、犠牲試薬として上記燃料よりもより酸化されやすいアルコールを用いることで、これら光触媒水分解反応素により水素を更に円滑に生成でき、混合気中の水素濃度を増大できる。
言い換えれば、水分解反応での半反応である酸化還元反応において、酸化反応に水の代わりにアルコールが用いられるので、水の還元反応が更に促進され水素生成量が増加しうる。
In addition, alcohol can be used as the sacrificial reagent.
At this time, by using water generated in the combustion process and alcohol more easily oxidized than the above fuel as a sacrificial reagent, hydrogen can be generated more smoothly by these photocatalytic water splitting reactants, and the hydrogen concentration in the mixture Can be increased.
In other words, in the oxidation-reduction reaction, which is a semi-reaction in the water splitting reaction, alcohol is used in the oxidation reaction instead of water, so that the reduction reaction of water can be further promoted and the amount of hydrogen generated can be increased.
なお、上記アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノールなどが使用できる。
また、アルコールの使用形態としては、単体での使用や複数種を混合して使用する他にも、例えば、ガソリンや軽油などの燃料にエタノールを添加したり、バイオ燃料を利用することなどができる。
In addition, as said alcohol, methanol, ethanol, propanol etc. can be used, for example.
In addition to the use of a single substance or a mixture of a plurality of types of alcohol, for example, ethanol can be added to a fuel such as gasoline or light oil, or biofuel can be used. .
更に、上記犠牲試薬としては、排気から回収した未燃の炭化水素を使用することもできる。
このときは、燃焼行程で生成した水と、犠牲試薬として炭化水素を用いることで、これら光触媒水分解反応素により水素を更に円滑に生成でき、混合気中の水素濃度を増大できる。
言い換えれば、炭化水素は酸化されれば二酸化炭素と水になるため、逆反応が進行する水に比べて非常に有効となる。
Furthermore, unburned hydrocarbons recovered from the exhaust can be used as the sacrificial reagent.
At this time, by using water generated in the combustion process and hydrocarbon as a sacrificial reagent, hydrogen can be generated more smoothly by these photocatalytic water splitting reactants, and the hydrogen concentration in the air-fuel mixture can be increased.
In other words, since hydrocarbons become carbon dioxide and water when oxidized, they are much more effective than water in which the reverse reaction proceeds.
なお、上記炭化水素としては、例えば、エチレン、プロピレン、ベンゼン、トルエンなどが挙げられる。
また、排気中の未燃の炭化水素を利用するには、内部EGRや外部EGRを適宜使用すればよい。
In addition, as said hydrocarbon, ethylene, propylene, benzene, toluene etc. are mentioned, for example.
In order to use unburned hydrocarbons in the exhaust, internal EGR or external EGR may be used as appropriate.
次に、本発明の燃料点火システムについて詳細に説明する。
本発明の燃料点火システムは、上述した燃料改質装置を適用して成る。
具体的には、例えば、図3に示すように、シリンダ2とピストン1で形成される燃焼室に、吸気バルブ3、排気バルブ4、図示しない点火手段を備えている。また、燃料改質装置として、光源5、光触媒6、水トラップ材7を備えている。
Next, the fuel ignition system of the present invention will be described in detail.
The fuel ignition system of the present invention is formed by applying the fuel reformer described above.
Specifically, for example, as shown in FIG. 3, the combustion chamber formed by the
図3に示すように、まず、燃焼行程で生成した水は、排気行程〜吸気行程〜圧縮行程においては、光触媒6の近傍に配設した水トラップ材に吸着される。
また、混合気を爆発させるまでの吸気行程〜圧縮行程においては、光源5から光触媒6に照射する光の作用で、水素に分解される。
次いで、圧縮行程において水素濃度が増大された混合気は、点火手段により点火される。
As shown in FIG. 3, first, water generated in the combustion stroke is adsorbed by a water trap material disposed in the vicinity of the photocatalyst 6 in the exhaust stroke, the intake stroke, and the compression stroke.
Further, in the intake stroke to the compression stroke until the air-fuel mixture is exploded, it is decomposed into hydrogen by the action of light irradiated from the
Next, the air-fuel mixture whose hydrogen concentration has been increased in the compression stroke is ignited by the ignition means.
このように、本発明の燃料点火システムは、混合気の水素濃度を増加させてから点火するので、リーン限界が拡大し、燃料の利用効率に優れた内燃機関が実現できる。 Thus, since the fuel ignition system of the present invention performs ignition after increasing the hydrogen concentration of the air-fuel mixture, an internal combustion engine with an extended lean limit and excellent fuel utilization efficiency can be realized.
なお、上記点火手段としては、例えば、光源5により照射する光の波長を切り替えることにより行うことができ、光源5の照射角度、照射範囲などを調製して点火タイミングを制御することができる。
また、従来の点火プラグを用いた火花点火により点火することもできる。点火プラグとしては、例えば、U溝型、突出し型、2極型、沿面型、ワイドU型、ワイド型、4極型、レジスター内蔵型、レーシング用などが挙げられる。
In addition, as said ignition means, it can carry out by changing the wavelength of the light irradiated with the
It can also be ignited by spark ignition using a conventional spark plug. Examples of the spark plug include a U-groove type, a protruding type, a two-pole type, a creeping type, a wide U-type, a wide type, a four-pole type, a register built-in type, and a racing type.
以下、本発明を実施例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
燃焼室に、光触媒として酸化チタンを0.1g配設した。また、この光触媒に光を照射し得る光源としてキセノンランプを配設した。
次いで、燃焼行程で生成される水と同程度の水分(質量換算で10%)を含み、メタンと酸素を1:2の割合で含むモデルガスを燃焼室内に供給し、光源から光触媒へ300〜400nmの光を照射した。
光照射後に燃料室内の水素濃度を測定したところ、0.1%であった。
Example 1
0.1 g of titanium oxide was disposed as a photocatalyst in the combustion chamber. Further, a xenon lamp was provided as a light source capable of irradiating the photocatalyst with light.
Next, a model gas containing water (10% in terms of mass) equivalent to the water generated in the combustion stroke and containing methane and oxygen in a ratio of 1: 2 is supplied into the combustion chamber, and the light source to the photocatalyst is 300 to Irradiated with 400 nm light.
When the hydrogen concentration in the fuel chamber was measured after the light irradiation, it was 0.1%.
(実施例2)
光触媒の近傍に水トラップ材としてゼオライトを0.1g配設した以外は、実施例1と同様の操作を繰返した。
光照射後に燃料室内の水素濃度を測定したところ、0.13%であった。
(Example 2)
The same operation as in Example 1 was repeated except that 0.1 g of zeolite was disposed as a water trap material in the vicinity of the photocatalyst.
When the hydrogen concentration in the fuel chamber was measured after the light irradiation, it was 0.13%.
(実施例3)
更にモデルガスに犠牲試薬としてメタノールを2%混合した以外は、実施例2と同様の操作を繰返して、モデルガスの改質を行った。
光照射後に燃焼室内の水素濃度を測定したところ、0.3%であった。
(Example 3)
Further, the model gas was modified by repeating the same operation as in Example 2 except that 2% methanol was mixed as a sacrificial reagent with the model gas.
When the hydrogen concentration in the combustion chamber was measured after the light irradiation, it was 0.3%.
本発明の好適形態である実施例1〜3の燃料改質装置によれば、水素濃度が増大することがわかった。特に水トラップ材や犠牲試薬を用いるとより水素生成能が大きい。
また、本発明の好適形態である実施例4の燃料点火システムでは、混合気の水素濃度の増大により、リーン限界が拡大するので、特に燃焼行程〜排気行程〜吸気行程〜圧縮行程が繰返される自動車等の内燃機関では、良好なエネルギー効率が得られることが明らかである。
According to the fuel reformers of Examples 1 to 3, which are preferred embodiments of the present invention, it has been found that the hydrogen concentration increases. In particular, when a water trap material or a sacrificial reagent is used, the hydrogen generating ability is greater.
In the fuel ignition system according to the fourth embodiment, which is a preferred embodiment of the present invention, the lean limit increases due to an increase in the hydrogen concentration of the air-fuel mixture. It is clear that good energy efficiency can be obtained in an internal combustion engine such as the above.
1 ピストン
2 シリンダ
3 吸気バルブ
4 排気バルブ
5 光源
6 光触媒
7 犠牲試薬
1
Claims (8)
光源から照射された光の少なくとも一部を光触媒が吸収し、燃焼室に存在する水から水素を生成することを特徴とする燃料改質装置。 In a combustion chamber of an internal combustion engine, a fuel reformer comprising a photocatalyst, a light source capable of irradiating the photocatalyst with light, and means for holding and collecting water generated in the combustion stroke in the combustion chamber,
A fuel reformer characterized in that a photocatalyst absorbs at least part of light emitted from a light source, and generates hydrogen from water present in a combustion chamber.
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