JP2008014138A - 改質ガス内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】改質原料の水蒸気改質を実行して水素を含む改質ガスを得る内燃機関において、例えばCu触媒等、改質効率が高くかつ活性化温度の上限が通常の排気ガス温度より低い低温用改質部30を採用し、低温用改質部30よりも活性化温度上限の高い触媒を用いた高温用改質部32又は過給機50のいずれか又は両方を排気経路の上流側に設ける。排気経路の上流側に高温用改質部32を設けることで、排気ガス温度を、その熱を吸熱反応である水蒸気改質に利用し低下させることができる。過給機50を低温用改質部30の上流側に設けることで、排気ガスの熱エネルギーを確実に奪って排気温度を低下させることができ、低温用改質部30が熱劣化することを防止し、同時に吸気管20への空気過給を実行するので高い出力を得ることができる。
【選択図】図1
Description
図1は、本実施形態に係る内燃機関の概略構成を表している。この内燃機関(エンジン)では、気筒10の排気ポートに連接された排気管40に改質部400を設け、排気ガスの熱を用いて改質原料の水蒸気改質(吸熱反応)を実行する。
この結果、350℃付近にて両触媒は活性のあることがわかる。Cu触媒は同一質量でRh触媒よりも分解活性があるが、Cu触媒は、350℃以上の長時間使用で熱劣化する。
CH3CHO + H2O → 3H2+2CO ・・・(ii)
(i)式(ii)式を総合すると、最終的に水蒸気改質反応は、
C2H5OH + H2O → 4H2+2CO ・・・(iii)
で表される。反応式(i)における発熱量増加率は109%であり、反応式(iii)で表されるトータルの反応での発熱量増加率は123%である。なお、発熱量増加率は、(改質ガス低位発熱量/投入燃料低位発熱量)×100%で求めている。ここで、上述のように、エタノール濃度が70v/v%〜80v/v%のエタノールと水との混合液を改質原料として採用し、これを改質することで、改質反応は、上記反応式(iii)の当量比におおよそ一致することとなり、改質効率の向上を図ることができる(エタノール1molと水1mol当量比は約77v/v%)。
なお、上記式(2)において、ηtは、タービン効率、kは、比熱比である。
図5は、実施形態2に係る内燃機関の概略構成を示している。実施形態1では、低温用改質部30の排気経路の上流側に過給機50と高温用改質部32を設けているが、本実施形態2では、図5のように、高温用改質部32を省略し、排気管40には低温用改質部30と過給機50を設け、過給機50を低温用改質部30よりも排気経路の上流に設けている。なお、改質原料タンク70から汲み上げ、熱交換器60で昇温した改質原料液の気化は、実施形態1では、高温用改質部32からの改質ガスとの熱交換で行っている。本実施形態2では、排気管40に排気ガスとの熱交換を行う熱交換器66を設け、この熱交換器で排気ガスの熱を利用して気化させている。そして熱交換器66で得られた改質原料蒸気を低温改質部30に供給している。さらに、低温用改質部30から流出する改質ガス温度は350℃程度と低いことから、実施形態1のように熱交換器等を設けて冷却することなく、自然冷却してアキュムレータ28に供給する。
図6は、実施形態3に係る内燃機関の概略構成を示している。実施形態3では、上実施形態1のように排気管40に排気熱を利用して改質原料を水蒸気改質する改質部400及び過給機50を設けると共に、気筒10の外側の燃焼室周辺に、改質原料液の蒸発部120及び改質原料蒸気の改質部130が設けられ、改質原料液の気化熱と、改質部での水蒸気改質(吸熱反応)における反応熱が気筒10の冷却に用いられている。
Claims (17)
- 改質ガスを気筒内に供給して動力を得る内燃機関であって、
前記改質ガスは、改質原料を水蒸気改質によって生成した水素を含むガスであり、
改質部は、気筒からの排気経路に設けられ、排気ガスと熱交換して吸熱反応である前記水蒸気改質を実行し、該改質部は、高温用改質部と低温用改質部とを備え、
前記低温用改質部の改質触媒は、その活性温度上限が、前記高温用改質部の改質触媒の活性温度上限よりも低く、
前記低温用改質部よりも前記排気経路の上流側に前記高温用改質部が設けられていることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項1に記載の改質ガス内燃機関において、
前記高温用改質部よりも前記排気経路の下流側であって、前記低温用改質部よりも前記排気経路の上流側に、前記気筒への空気を過給する過給機が設けられ、
前記過給機は、吸気管への空気過給を行うと共に、前記高温用改質部を通った排気ガスの熱エネルギを回収して排気ガス温度を低下させ、前記過給機で降温された前記排気ガスが前記低温用改質部に供給されることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項2に記載の改質ガス内燃機関において、
前記過給機は、排気タービンの入口と出口の排気ガス圧力の圧力比の可変機構を備え、
該過給機からの排気ガス出口温度に応じて前記排気タービンの圧力比を調整し、前記過給器から前記低温用改質部に供給される排気ガス温度が、前記低温用改質部の前記改質触媒の活性温度範囲の上限を超えないように制御されることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記改質原料は、改質原料流路を経て前記低温用改質部に供給されてから前記高温用改質部に供給され、
前記高温用改質部からの改質ガス流路と、前記低温用改質部への前記改質原料流路との間には、熱交換器が設けられ、前記改質ガスの熱を利用して前記低温用改質部に供給する前記改質原料を昇温させることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記高温用改質部は、350℃より高い温度で改質反応を実行し、
前記低温用改質部は、350℃以下の温度で改質反応を実行することを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項5に記載の改質ガス内燃機関において、
前記過給機からの排気ガス温度が前記350℃以下となるように、前記高温用改質部の熱交換性と、前記過給機の排気タービンの入口と出口の排気ガス圧力の圧力比が設定されていることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項2、請求項3及び請求項6のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
さらに、前記過給機の前記排気タービンの回転動力を利用して前記気筒に供給する前記改質ガスの圧力を上昇させる改質ガス用コンプレッサを備えることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記改質原料は、エタノール、または、エタノールと水との混合液であることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項8に記載の改質ガス内燃機関において、
前記改質原料のエタノール濃度は30体積%〜96体積%であることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記低温用改質部の前記改質触媒は、触媒成分として銅を含有することを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記気筒での燃焼の当量比は、1未満であることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記気筒での燃焼の当量比は、1.5以下に設定され、
前記気筒には、前記改質ガスの他に、液体燃料が供給されることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 改質ガスを気筒内に供給して動力を得る内燃機関であって、
前記気筒での燃焼の当量比は、1未満に設定され、
前記改質ガスは、エタノールと水の混合液である改質原料を水蒸気改質によって生成した水素含有ガスであり、
前記水蒸気改質を実行する改質部は、気筒からの排気経路に設けられ、触媒成分として銅を含有し、350℃以下を適性温度範囲とする改質触媒を有する低温改質部を備え、
前記低温改質部よりも前記排気経路の上流側に前記気筒への空気を過給する過給機が設けられ、
前記過給機は、排気ガスの熱エネルギを回収して排気ガス温度を低下させ、
前記過給機で降温された前記排気ガスを前記低温用改質部に供給することを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項13に記載の改質ガス内燃機関において、
前記低温改質部よりも前記排気経路の上流側には、活性温度範囲上限が350℃より高い改質触媒を備える高温用改質部をさらに備えることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項8、請求項13又は請求項14に記載の改質ガス内燃機関において、
前記改質燃料のエタノール濃度は、70体積%〜80体積%であることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項1〜請求項15のいずれか一項に記載の改質ガス内燃機関において、
前記気筒の外部の燃焼室周辺に、少なくとも、前記改質原料の蒸発熱と、前記改質原料を前記水蒸気改質する際の吸熱反応熱とを、前記気筒の冷却に用いるための冷却機構が設けられていることを特徴とする改質ガス内燃機関。 - 請求項16に記載の内燃機関において、
前記気筒の外側の燃焼室周辺には、さらに、前記気筒内との熱交換により前記改質原料液を加熱する液体加熱部が設けられていることを特徴とする改質ガス内燃機関。
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