JP2007255226A - 燃料供給装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化が図れて大幅なCOの削減ができ、燃費の改善と排ガスのクリーン化が実現できる燃料供給装置を提供する。
【解決手段】炭化水素系燃料に含酸素化合物燃料を添加した混合燃料55を、火花点火式内燃機関1へ供給するための燃料供給装置10であり、この燃料供給装置10は、混合燃料55を貯蔵している混合燃料タンク40の下流に設置されていて混合燃料55を炭化水素リッチ燃料58と含酸素化合物リッチ燃料であるエタノールリッチ燃料56とに分離する分離膜41を備えた第1系統51と、この混合燃料55を内燃機関1の主燃焼室18あるいは副燃焼室370に対して直接供給する第2系統52とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、混合燃料を内燃機関へ供給するための燃料供給装置に関し、特にガソリンなどの炭化水素系燃料に含酸素化合物燃料を添加した混合燃料を、内燃機関に供給するための燃料供給装置に関する。
近年、地球温暖化防止の観点からCO2削減のための様々な努力がなされており、たとえば、内燃機関の高効率化のために、希薄燃焼領域の拡大を狙った施策が検討されている。また、内燃機関に供給する燃料の改良も検討されており、内燃機関での燃焼改良のために、燃料のオクタン価の向上を狙った各種成分の添加も種々検討されている。
一方、バイオエタノールは、例えば、サトウキビを発酵させ、分留することで得られるため、CO2サイクルの観点から、リニューアブル(再使用可能)と言えるエネルギー源である。したがって、バイオエタノールをガソリンに混合して使用することで、ガソリンだけを使用するのに比べて排出されるCO2の削減に寄与できる。さらに、エタノールは高オクタン価の含酸素化合物であり、混合することで燃料のオクタン価も改善できる。
ブラジル、アメリカなどでは、既にバイオエタノールをガソリン燃料に混合して用いられている。この場合、バイオエタノールはガソリンとともに直接内燃機関の燃焼室内で燃焼しても良いが、燃料からアルコールを分離、他の燃料に変換することで、さらに利用価値が高まる。
アルコール混合燃料からアルコール分を分離するために、分留装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開昭58−35258号公報
ところが、上述した従来の分留装置を用いようとすると、その装置のサイズが大きいためにその装置を例えば自動車に搭載するには向かないという問題点があった。
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、該装置の大幅な小型化が図れ、さらにエタノールをはじめとする含酸素燃料をうまく活用することで内燃機関の高効率化、クリーン化が図れ、大幅なCO2の削減ができる燃料供給装置を提供することを目的としている。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、混合燃料を炭化水素リッチ燃料と含酸素化合物リッチ燃料とに分離する分離膜を備えた第1系統と、混合燃料を内燃機関の主燃焼室に直接供給する第2系統とを備えることにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の燃料供給装置は、炭化水素系燃料に含酸素化合物燃料を添加した混合燃料を、内燃機関へ供給するための燃料供給装置であり、上記混合燃料を貯蔵している混合燃料タンクの下流に設置され、上記混合燃料を炭化水素リッチ燃料と含酸素化合物リッチ燃料とに分離する分離膜を備えた第1系統と、上記混合燃料を上記内燃機関の主燃焼室に直接供給する第2系統と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、燃料供給装置の小型化が図れて、高効率かつクリーンな内燃機関が実現できるため、大幅なCO2の削減が可能となる。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記混合燃料を分離する分離膜が、無機金属酸化物からなる膜及び/又は高分子化合物からなる膜を用いる。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記含酸素化合物燃料がエタノール燃料である。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記分離されたエタノールリッチ燃料から水素リッチガスを取り出すための改質部を有する。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記改質部は触媒である。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、取り出された上記水素リッチガスは、上記内燃機関の主燃焼室または副室に供給される。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、分離された上記エタノールリッチ燃料は、排気浄化触媒の上流に供給して噴射される。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記混合燃料を分離する上記分離膜と上記エタノールリッチ燃料から水素リッチガスを取り出す上記触媒が一体化されている。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記混合燃料からの上記エタノールリッチ燃料の分離及び/又は分離された上記エタノールリッチ燃料から水素リッチガスを取り出す反応に必要なエネルギーが、上記内燃機関から発生した熱を回収することで得られる。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記混合燃料からの上記エタノールリッチ燃料の分離及び/又は上記エタノールリッチ燃料の反応器への導入と反応のために、上記内燃機関の排気再循環ガスを掃引ガスとして用いている。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
まず、本発明の燃料供給装置の好ましい実施例1について説明する。
図1は、本発明の燃料供給装置の好ましい実施例1を備える内燃機関の例を示している。
図1に示す内燃機関1は、エンジン本体9と、燃料供給装置10と、吸気部12と、排気部13と、そしてコンピュータ100を有している。
エンジン本体9は、図示の簡単化のために簡略的に示されているが、シリンダヘッド11と、ピストン14と、コンロッド15と、クランクシャフト16などを有している。シリンダヘッド11はシリンダブロック17を有しており、ピストン14がシリンダブロック17内で往復運動する。シリンダブロック11の上部には、主燃焼室18が形成されている。
図1に示す吸気部12は、吸気ポート19と吸気弁20を有する。排気部13は、排気ポート21と、排気弁22と、排気マニホールド23と、排気浄化触媒24と、マフラー25を有する。吸気ポート19には空気と燃料が供給される。排気ポート21は排気マニホールド23に接続されており、排気マニホールド23の途中には、排気ポート21の下流側の位置に、排気浄化触媒24とマフラー25が設けられている。
図1の吸気ポート19の途中には、インジェクタ(燃料噴射装置)26が配置されており、主燃焼室18にはスパークプラグ27が取り付けられている。吸気ポート19にはエアーが供給される。
コンピュータ100は、内燃機関1の動作を制御するための電子制御装置(ECU)である。コンピュータ100は、インジェクタ26に対して空燃比制御信号S1を与えることで、吸気ポート19内に燃料噴射を行う。コンピュータ100は、スパークプラグ27に対して点火時期制御信号S2を与えることにより、主燃焼室18内にスパークを発生して混合気に点火をする。
次に、図1の燃料供給装置10について説明する。
燃料供給装置10は、混合燃料55と水素リッチガス57を、内燃機関1の主燃焼室18内に供給する装置である。燃料供給装置10は、混合燃料タンク40と、第1系統51と、第2系統52を有する。第1系統51と第2系統52は、混合燃料タンク40とインジェクタ26との間に並列に配置されている。
燃料としては一例としてエタノール/ガソリンの混合燃料を用い、エタノール燃料のような含酸素化合物燃料をガソリン燃料などの炭化水素系燃料に添加して用いる。混合燃料を用いるのは、次の理由からである。すなわち、エタノール燃料は例えばサトウキビを発酵して分留することで得られるが、エタノール燃料をガソリン燃料に混合した混合燃料を使用することより、ガソリン燃料のような化石燃料だけを使用するのに比べて、排ガス中のCO2を削減できるからである。しかもエタノール燃料は比較的低温条件で改質でき、水素リッチガスを取り出すことができるメリットがある。
図1の混合燃料タンク40は、混合燃料を貯留するタンクである。この混合燃料は、ガソリンのような炭化水素系燃料に対して含酸素化合物燃料を添加したものであり、図1の実施例1では、例えばガソリンに対して含酸素化合物燃料であるエタノールが添加されている。
図1の第1系統51と第2系統52の上流側は、混合燃料タンク40に接続されており、混合燃料が供給される。第1系統51は、分離膜41と、燃料の改質部42とを有している。分離膜41は混合燃料タンク40の下流側に設置され、改質部42は分離膜41とインジェクタ26の間に設定されている。
40% 図1の第2系統52は、インジェクタ26に対して直接接続されており、混合燃料55は、第2系統52とインジェクタ26を通じて、主燃焼室18内に噴射して直接供給される。
図1の分離膜41は、混合燃料55を炭化水素リッチ燃料58と含酸素化合物リッチ燃料であるエタノールリッチ燃料56とに分離する機能を有している。
分離膜41としては、無機金属酸化物からなる膜及び/又は高分子化合物からなる膜を用いており、すなわち分離膜41は、無機金属酸化物からなる膜、高分子化合物からなる膜のいずれか一方又は双方である。
分離膜41の材質としては、例えば無機金属酸化物からなる膜としてゼオライトを用いる場合には、例えばβゼオライト、Y型ゼオライト、モルデナイト、MFIゼオライトなどが採用できる。
分離膜41がゼオライトの場合に、そのシリカ/アルミナ比は、15〜40であることが好ましく、より好ましくは20〜30である。
シリカ/アルミナ比が15よりも小さいと構造が不安定になり、耐久性が悪くなる場合がある。また、シリカ/アルミナ比が40よりも大きいと、疎水性が大きくなり親水性がなくなり水系のエタノールを分離できなくなることがある。
この分離膜41が、混合燃料55を、炭化水素リッチ燃料58であるガソリンと、含酸素化合物リッチ燃料であるエタノールリッチ燃料56と、に分離する分離実験は、エタノールとトルエンの50:50混合燃料をモデル燃料として以下に示す結果を得た。
この場合に使用した分離膜41の材質は、シリカ/アルミナ比が約28のMFIゼオライトである。ゼオライト膜の支持体として、約0.8mm厚さのコージェライト板を用い、この上に平均厚さ約25μmのゼオライトを成膜したものをモデル実験に用いた。
エタノール/トルエンの混合物を予熱し、その蒸気を140℃で該ゼオライト膜に通し、透過した燃料の成分をガスクロマトグラフで分析した。混合燃料蒸気を該膜に透過させる際、真空ポンプを用い、膜の出口側を10-1mmHg以下に減圧した。
その結果、エタノール/トルエン比は、約96/4となり、エタノールリッチ燃料が得られた。
分離膜41の別の材質としては、高分子化合物からなる膜も使用できる。この場合に用いられる材料は、親水性材料で、例えば、ポリビニルアルコール、キトサン、ポリエチレンオキサイド、カルボキシメトロセルロースなど各種のものが有効である。
図1において、分離膜41により混合燃料55から分離されたエタノールリッチ燃料56は、図1に示す改質部42に供給されるとともに、排気部13の例えば排気マニホールド23内に供給して噴射される。図1に示す改質部42は触媒であり、この触媒は例えば白金(Pt)、パラジウム(Pb)、ニッケル(Ni)などを採用できる。
エタノールリッチ燃料56がこの改質部42を通ることにより、水素リッチガス57が取り出される。このように、水素リッチガス57の取り出しが触媒を用いてなされることで、効率を高めていることが特徴的である。
エタノールリッチ燃料56から取り出された水素リッチガス57は、吸気弁20を開くと、インジェクタ26から吸気ポート19を通じて主燃焼室18内に供給される。つまり、第1系統51からは水素リッチガス57が主燃焼室18内に供給される。また、第2系統52から混合燃料55が、吸気弁20を開くと、インジェクタ26から吸気ポート19を通じて主燃焼室18内に供給される。この水素リッチガス57が、混合燃料55とともに主燃焼室18内に供給されることで、燃焼速度を大幅に高めることができ、燃焼のリーン領域の拡大を図ることができる。
図1のエタノールリッチ燃料56が、排気浄化触媒24の上流側のマニホールド23内に供給して噴射される。このように、エタノールリッチ燃料56が排気浄化触媒24の上流側に、NOX還元剤として噴射されると、特にNOX浄化機能を低温から作動させることができるので、排ガスのNOX浄化対策に極めて有効である。しかも、排気浄化触媒24の材質としては、高価なPt系の触媒を使用しなくてよく、より安価なAg/Al2O3系の触媒であっても十分に使用できるメリットがある。
この場合に、エタノールリッチ燃料56中のエタノール濃度を高めることで、排気浄化触媒24のリーンNOX触媒の性能をより高めることができるので、好ましい。
図1においては、混合燃料55からのエタノールリッチ燃料56の分離及び/又は分離されたエタノールリッチ燃料から水素リッチガスを取り出す反応に必要はエネルギーは、内燃機関1から発生する熱を回収して利用することで得るのが、熱の有効利用をして熱効率を高めて燃費向上を図る点から望ましい。
ここで、混合燃料55からのエタノールリッチ燃料56の分離及び/又は分離されたエタノールリッチ燃料から水素リッチガスを取り出す反応とは、混合燃料55からのエタノールリッチ燃料56の分離、分離されたエタノールリッチ燃料から水素リッチガスを取り出す反応のいずれか一方又は双方のことである。
そこで、図1の実施例1では、混合燃料55からのエタノールリッチ燃料56の分離及び/又は分離されたエタノールリッチ燃料の反応器への導入と反応のために、排気部13側のEGR(Exhaust Gas Recirculation)ガス60が掃引ガスとして、混合燃料55からのエタノールリッチ燃料56の分離のため、分離されたエタノールリッチ燃料の反応器への導入と反応のためのいずれか一方又は双方のために供給される。
図1の例では、EGRガス60は、排気ポート21側から分離膜41、改質部42のいずれか一方又は双方に供給される。EGR方式は、排気の一部を燃焼室側に還流することで、燃焼温度を低下させてNOXを低減する。
図1の例では、EGRガス60は、一例として分離膜41と改質部42の双方に供給されている。これにより、さらに熱効率を高めて燃費向上が図れる。なお、分離膜41での温度は、例えば200℃位であり、改質部42での温度は300℃〜400℃である。
(実施例1の動作例)
次に、本発明の好ましい実施例1の動作について、図1を参照しながら説明する。
燃料供給装置10の混合燃料タンク40内の混合燃料55は、図示しない燃料ポンプにより混合燃料タンク4から送り出されて、第1系統51の例えばチューブを通じて分離膜41に供給される。しかもこの混合燃料55は、第2系統52の例えばチューブを通じてインジェクタ26に供給される。
図1の混合燃料55は、分離膜41により炭化水素リッチ燃料58と含酸素化合物リッチ燃料であるエタノールリッチ燃料56に分離される。この分離膜41を使用することにより、大型の分留装置を用いなくても、混合燃料55を炭化水素リッチ燃料58とエタノールリッチ燃料56に簡単に効率良く分離できる。分離された炭化水素リッチ燃料58は第2系統52の混合燃料55に混ざる。
エタノールリッチ燃料56は、改質部42に供給されるとともに、排気部13の排気マニホールド23内に供給して噴射される。改質部42は、エタノールリッチ燃料56を改質して水素リッチガス57をインジェクタ26に供給する。インジェクタ26には、第1系統51から水素リッチガス57が供給されるとともに、第2系統52からは混合燃料55が供給される。
インジェクタ26は、水素リッチガス57を混合燃料55とともに主燃焼室18内に直接噴射するので、主燃焼室18内における混合燃料の燃焼速度を大幅に高めることができ、燃焼のリーン領域の拡大を図ることができる。
図1においてエタノールリッチ燃料56が、排気浄化触媒24の上流側の排気マニホールド23内に噴射されることにより、排気浄化触媒24のNOX浄化機能を低温から作動させることができるので、排ガスのNOX浄化対策に極めて有効である。この場合に、エタノールリッチ燃料56中のエタノール濃度を高めることで、排気浄化触媒24のリーンNOX触媒の性能をより高めることができる
排気マニホールド23側で発生している排気部13の熱は、EGRガス60を用いて回収されて分離膜41と改質部42に供給されることから、図1の実施例1では、混合燃料55からのエタノールリッチ燃料56の分離と、分離されたエタノールリッチ燃料の反応器への導入と反応を促進することができる。これにより、さらに内燃機関1の熱効率を高めて、燃費向上が図れる。
(実施例2)
次に、本発明の燃料供給装置の好ましい実施例2を説明する。
図2は、本発明の燃料供給装置の好ましい実施例2を備える火花点火式内燃機関(以下、内燃機関という)の例を示している。
図2の実施例2の燃料供給装置210が、図1の実施例1の燃料供給装置10と異なるのは、分離膜41と改質部42が一体化された構造を有していることである。図2の実施例2の燃料供給装置210の他の構成要素と内燃機関201の構成要素は、図1の実施例1の燃料供給装置10の他の構成要素と内燃機関1の構成要素と同じであるので、その説明を用いる。
図2に示すように、分離膜41と改質部42は、一体化構造になって分離改質部290となっていることが特徴的である。この分離改質部290は、図3に例示するように、分離膜41と改質部42が一体構造になっており、これにより混合燃料55の分離と分離されたエタノールリッチ燃料56の改質がより高い効率で行うことができる。
図2と図3の分離改質部290は、図1の実施例1における分離膜41と改質部42が別体になっている場合に比べて、燃料供給装置210の部品点数を減らし、燃料供給装置210と分離改質部のサイズをコンパクト化できるメリットがある。
(実施例3)
次に、本発明の燃料供給装置の好ましい実施例3を説明する。
図4は、本発明の燃料供給装置の好ましい実施例3を備える火花点火式内燃機関(以下、内燃機関という)の例を示している。
図4の実施例3の燃料供給装置310の構成は、図2の燃料供給装置210の構成
と同じである。
しかし、図4の実施例3の燃料供給装置310が適用されている内燃機関301は、図1と図2に示す内燃機関1,201とは異なり、内燃機関301は主燃焼室318と副燃焼室370を有している。主燃焼室318と副燃焼室370を有すること以外は、内燃機関301の他の構成要素は、図1と図2の内燃機関1,201の対応する構成要素と同様なので、同じ符号を記してその説明を用いる。
図4の副燃焼室370には吸気ポート19が接続されており、吸気ポート19にはエアーが供給される。インジェクタ26が副燃焼室370に対応して配置され、スパークプラグ27が副燃焼室370内の燃料を点火する。
混合燃料55は第2系統52を介してインジェクタ26に供給され、分離された水素リッチガス57は第1系統51を介してインジェクタ26に供給されることにより、インジェクタ26は、混合燃料55と、エタノールリッチ燃料56から取り出された水素リッチガス57を供給する。
水素リッチガス57が、混合燃料55とともに副燃焼室370に供給されることにより、副燃焼室370と主燃焼室318内における混合燃料の燃焼速度を大幅に高めることができ、燃焼のリーン領域の拡大を図ることができる。
このように、図4に示す主燃焼室318と副燃焼室(副室ともいう)370を有する内燃機関301であっても、あるいは図1と図2に示す主燃焼室18を有する内燃機関であっても、本発明の好ましい実施例の燃料供給装置は適用できる。なお、図1に示す分離膜41と改質部42が別体となっている燃料供給装置10は、図4の内燃機関301に対して適用してももちろん良い。
本発明の各実施例によれば、混合燃料55が分離膜41を用いて炭化水素リッチ燃料とエタノールリッチ燃料に分離できるので、従来の分留装置を用いるのに比べて、燃料供給装置の小型化が図れる。エタノール/ガソリン混合燃料を用いることから、ガソリンだけを用いる場合に比べて、排ガスにおける大幅なCO2の削減ができ、燃費の改善と排ガスのクリーン化が実現できる。
ところで、本発明は上記実施例に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない限り、種々の変形例を採用することができる。内燃機関の型式は特に限定されない。
エタノール燃料以外の含酸素化合物燃料としては、例えばDME(ジメチルエーテル)、MTBE(メチルtert−ブチルエーテル)、DEE(ジエチルエーテル)、ETBE(エチルtert−ブチルエーテル)を採用できる。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施例1を備える火花点火式内燃機関の例を示す図である。 本発明の燃料供給装置の好ましい実施例2を備える火花点火式内燃機関の例を示す図である。 図2の実施例2における分離膜と触媒が一体に形成されている例を示す図である。 本発明の燃料供給装置の好ましい実施例3を備え、主燃焼室と副燃焼室を有する火花点火式内燃機関の例を示す図である。
符号の説明
1 火花点火式内燃機関(内燃機関)
9 エンジン本体
10 燃料供給装置
11 シリンダヘッド
12 吸気部
13 排気部
14 ピストン
15 コンロッド
16 クランクシャフト
17 シリンダブロック
18 主燃焼室
19 吸気ポート
20 吸気弁
21 排気ポート
22 排気弁
23 排気マニホールド
24 排気浄化触媒
35 マフラー
26 インジェクタ
27 スパークプラグ
40 混合燃料タンク
41 分離膜
42 改質部
51 第1系統
52 第2系統
55 混合燃料
56 分離されたエタノールリッチ燃料
57 水素リッチガス
58 炭化水素リッチ燃料
60 EGRガス
100 コンピュータ
201 火花点火式内燃機関(内燃機関)
290 分離改質部
301 火花点火式内燃機関(内燃機関)
318 主燃焼室
370 副燃焼室

Claims (10)

  1. 炭化水素系燃料に含酸素化合物燃料を添加した混合燃料を、内燃機関へ供給するための燃料供給装置であって、
    上記混合燃料を貯蔵している混合燃料タンクの下流に設置され、上記混合燃料を炭化水素リッチ燃料と含酸素化合物リッチ燃料とに分離する分離膜を備えた第1系統と、
    上記混合燃料を上記内燃機関の燃焼室に直接供給する第2系統と、
    を備えたことを特徴とする燃料供給装置。
  2. 上記混合燃料を分離する分離膜が、無機金属酸化物からなる膜及び/又は高分子化合物からなる膜を用いたことを特徴とする請求項1に記載の燃料供給装置。
  3. 上記含酸素化合物燃料がエタノール燃料であることを特徴とする請求項1に記載の燃料供給装置。
  4. 上記分離されたエタノールリッチ燃料から水素を取り出すための改質部を有することを特徴とする請求項3に記載の燃料供給装置。
  5. 上記改質部には触媒が設置されたことを特徴とする請求項4に記載の燃料供給装置。
  6. 取り出された上記水素は、上記内燃機関の主燃焼室または副室に供給されることを特徴とする請求項4又は5に記載の燃料供給装置。
  7. 分離された上記エタノールリッチ燃料は、排気浄化触媒の上流に供給して噴射されることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1つの項に記載の燃料供給装置。
  8. 上記混合燃料を分離する上記分離膜と上記エタノールリッチ燃料から上記水素を取り出す上記触媒が一体化されていることを特徴とする請求項5に記載の燃料供給装置。
  9. 上記混合燃料からの上記エタノールリッチ燃料の分離及び/又は分離された上記エタノールリッチ燃料から上記水素を取り出す反応に必要なエネルギーが、上記内燃機関から発生した熱を回収することで得られることを特徴とする請求項4〜8のいずれか1つの項に記載の燃料供給装置。
  10. 上記混合燃料からの上記エタノールリッチ燃料の分離及び/又は上記エタノールリッチ燃料の反応器への導入と反応のために、上記内燃機関の排気再循環ガスを掃引ガスとして用いることを特徴とする請求項9に記載の燃料供給装置。
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