JP2008286097A - エタノール改質システム - Google Patents

Abstract

【課題】エタノールを触媒に接触させてジエチルエーテルに改質する際に、煩雑な操作によらず、ジエチルエーテルの生成量を明確に把握できるエタノール改質システムを提供する。
【解決手段】改質手段３と、改質手段３にエタノールを供給するエタノール供給手段１と、触媒とエタノールとを加熱する加熱手段と、加熱温度を制御する温度制御手段６と、ジエチルエーテルを取り出す液体取出手段７と、エチレンを含む気体を取り出す気体取出手段１０と、気体の流量を検知する流量検知手段１２とを備える。流量検知手段１２の検知信号に基づいて、エタノールの反応率を管理する。温度制御手段６は、気体の流量から算出されるエチレンの生成率に対応して、エタノールの反応率が７０〜８０％になるように、加熱温度を制御する。ジエチルエーテルを予混合圧縮着火内燃機関に供給する。エチレンを空気と共に予混合圧縮着火内燃機関に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エタノールを触媒に接触させてジエチルエーテルに改質するエタノール改質システムに関する。

近年、内燃機関の所定負荷、所定時間当たりの燃料消費量を低減し、かつ排出物の量の低減を図るために、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。前記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て圧縮することにより、該燃料に自着火させるものである。

ところが、前記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い。また、前記圧縮着火内燃機関は、着火性の高い燃料を用いたときには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たときには前記要求負荷が低くなったときに失火しやすい。従って、前記圧縮着火内燃機関は、安定に運転することができる運転領域が狭いとの問題がある。

前記問題を解決するために、従来、要求負荷に応じて、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料との２種類の燃料を混合して前記圧縮着火内燃機関に供給する技術が知られている。しかし、前記圧縮着火内燃機関を自動車等に搭載する場合に、前記技術を適用しようとすると２つの燃料タンクが必要になり、燃料補給も燃料の種類毎に行わなければならず煩雑である。

そこで、１種類の燃料の一部を改質することにより、着火性の異なる２種類の燃料を得ることが検討されている。前記のように改質される燃料としては、例えば、エタノールを含むガソリンを用いることができ、該燃料に含まれるエタノールをジエチルエーテルに改質する技術が提案されている（特許文献１参照）。

前記技術は、第１の燃料としてエタノールを含むガソリンを用い、該第１の燃料の一部を、改質器に収容された酸触媒に接触させると共に、該第１の燃料と触媒とを加熱することにより、エタノールをジエチルエーテルに改質するものである。このようにすることにより、第２の燃料としてジエチルエーテルを含むガソリンが得られる。ここで、ジエチルエーテルはエタノールよりも着火性が高いので、第１の燃料は着火性の低い燃料となり、第２の燃料は着火性の高い燃料となる。

従って、第１の燃料と第２の燃料とを混合して前記圧縮着火内燃機関に供給する際に、高負荷側では着火性の低い第１の燃料の割合を高くし、低負荷側では着火性の高い第２の燃料の割合を高くすることにより、安定に運転することができる運転領域を拡大することができるものと考えられる。

ところで、第１の燃料と第２の燃料とを混合して前記圧縮着火内燃機関に供給する際には、各燃料の組成、特にエタノールの改質により得られる第２の燃料の組成が明らかであることが望まれる。ここで、エタノールは、前述のように酸触媒を用い、加熱することにより、容易にジエチルエーテルに改質することができる。

しかしながら、エタノールをジエチルエーテルに改質する反応は、加熱温度による影響を受けやすいので、エタノールの実際の反応率を把握することが困難であり、改質により生成したジエチルエーテルの量が不明確になるという不都合がある。

エタノールをジエチルエーテルに改質する際に、改質器における前記第１の燃料と前記酸触媒との加熱温度を厳密に制御すれば、エタノールの反応率を略一定にすることができ、第２の燃料のジエチルエーテル含有量を把握することができる。しかし、前記加熱温度を厳密に制御するためには、多くの測定点で温度を測定し、かつ各測定点の温度を同時に制御する必要があり、煩雑な操作が避けられない。

また、第２の燃料のジエチルエーテル含有量が不明であっても、前記圧縮着火内燃機関の燃焼を安定に制御できれば、該第２の燃料を前記第１の燃料と共に、該圧縮着火内燃機関に供給することができる。しかし、前記圧縮着火内燃機関の燃焼を制御するには、燃焼状態を把握するために多数のパラメータを測定し、かつ各パラメータに対するフィードバック制御を行う必要がある。従って、この場合にも煩雑な操作が避けられない。
特開２００６−２２６１７２号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、エタノールを触媒に接触させてジエチルエーテルに改質する際に、煩雑な操作によることなく、ジエチルエーテルの生成量を明確に把握することができるエタノール改質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、本発明は、エタノールを触媒に接触させてジエチルエーテルに改質するエタノール改質システムであって、エタノールをジエチルエーテルに改質する触媒を収容する改質手段と、該改質手段にエタノールを含む液体を供給するエタノール供給手段と、該改質手段に収容されている触媒と該改質手段に供給されるエタノールを含む液体とを加熱する加熱手段と、該加熱手段による加熱温度を制御する温度制御手段と、該改質手段からジエチルエーテルを含む液体を取り出す液体取出手段と、該改質手段からエタノールをジエチルエーテルに改質する際に副生するエチレンを含む気体を取り出す気体取出手段と、前記気体取出手段により取出された気体の流量を検知する流量検知手段とを備え、前記流量検知手段により検知される気体の流量に基づいて、エタノールの反応率を管理することを特徴とする。

本発明のエタノール改質システムでは、まず、前記エタノール供給手段から前記改質手段にエタノールを供給し、該改質手段に収容されている触媒に接触させる。そして、前記温度制御手段により前記加熱手段を制御して、所定の温度でエタノールと触媒とを加熱する。このようにすると、エタノールは、次式（１）に示すように容易にジエチルエーテルに改質される。また同時に、次式（２）に示す副反応によりエチレンが生成する。

２Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ → Ｃ_２Ｈ_５ＯＣ_２Ｈ_５ ＋ Ｈ_２Ｏ ・・・（１）
Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ → Ｃ_２Ｈ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
式（１）の反応で生成するジエチルエーテルは液相であり、式（２）の反応で生成するエチレンは気相である。そこで、ジエチルエーテルを含む液体は前記液体取出手段により、エチレンを含む気体は前記気体取出手段により、それぞれ前記改質手段から取り出す。

このとき、前記改質手段におけるエタノールの反応率と、エチレンの生成率との間には相関関係がある。従って、前記気体取出手段により取出された気体中の気体の流量を前記流量検知手段により検知することにより、前記改質手段におけるエタノールの反応率が間接的に検出される。

そこで、本発明のエタノール改質システムは、前記流量検知手段により検知される気体の流量に基づいて、エタノールの反応率を管理することができる。

本発明のエタノール改質システムでは、前記エタノールの反応率の管理として、例えば、単位時間毎のエタノールの反応率を積算することにより、前記液体取出手段により取出されたジエチルエーテルを含む液体の組成を把握するようにしてもよい。また、前記エタノールの反応率の管理として、前記改質手段におけるエタノールの反応率自体を制御するようにしてもよい。

前記改質手段におけるエタノールの反応率自体の制御は、前記温度制御手段が、前記流量検知手段により検知される気体の流量から算出されるエチレンの生成率に対応して、前記加熱手段による加熱温度を制御することにより行うことができる。具体的には、前記温度制御手段は、前記エチレンの生成率が所定のエタノールの反応率に対応する値より大きいときには、前記加熱手段による加熱温度を低くして、エタノールのジエチルエーテルへの改質反応を抑制する。また、前記温度制御手段は、前記エチレンの生成率が所定のエタノールの反応率に対応する値より小さいときには、前記加熱手段による加熱温度を高くして、エタノールのジエチルエーテルへの改質反応を促進する。

また、前述のようにして前記改質手段におけるエタノールの反応率自体を制御するときに、前記温度制御手段は、エタノールの反応率が７０〜８０％の範囲となるように、前記加熱手段による加熱温度を制御することが好ましい。エタノールの反応率が７０％未満では、必要量のジエチルエーテルを得ることができない。また、エタノールの反応率が８０％を超えると、前記副反応によるエチレンの生成量が過大になる。

本発明のエタノール改質システムにおいて、前記液体取出手段は、前記改質手段から取り出したジエチルエーテルを含む液体を予混合圧縮着火内燃機関に供給するようにしてもよい。この結果、本発明のエタノール改質システムでは、ジエチルエーテルを含む液体を、前記予混合圧縮着火内燃機関の燃料として使用することができる。

また、本発明のエタノール改質システムにおいて、前記気体取出手段は、前記改質手段から取り出したエチレンを含む気体を空気と共に予混合圧縮着火内燃機関に供給するようにしてもよい。この結果、本発明のエタノール改質システムでは、エチレンを含む気体を前記予混合圧縮着火内燃機関で燃焼させて処理することができる。

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は本発明のエタノール改質システムの一実施形態を示すシステム構成図であり、図２はエタノールの反応率と、エチレンの生成率との相関関係を示すグラフである。

図１に示すように、本実施形態のエタノール改質システムは、エタノールを含む液体燃料を収容する燃料タンク１と、燃料タンク１から導管２を介してエタノールを含む液体燃料が供給される改質器３とを備え、改質器３にはエタノールをジエチルエーテルに改質する酸触媒等の触媒が収容されている。

改質器３は、予混合圧縮着火内燃機関４の排気管５を流通する排気との熱交換により、前記触媒とエタノールを含む液体燃料とを加熱する熱交換器（図示せず）を備えている。前記熱交換器は、温度制御装置６により、前記触媒とエタノールを含む液体燃料とを加熱する温度を制御できるようにされている。

改質器３は、ジエチルエーテルを含む液体からなる改質燃料を取り出す改質燃料導管７を備えており、改質燃料導管７は改質燃料タンク８を介して、予混合圧縮着火内燃機関４の吸気ポート９に接続されている。また、改質器３は、エタノールをジエチルエーテルに改質する際に副生するエチレンを含む気体を取り出す気体導管１０を備えており、気体導管１０はエチレンタンク１１を介して、予混合圧縮着火内燃機関４の吸気ポート９に接続されている。気体導管１０は、改質器３とエチレンタンク１１との間に流量センサ１２を備えており、流量センサ１２の検知信号は温度制御装置６に入力されるようになっている。

また、燃料タンク１は、エタノールを含む液体燃料を予混合圧縮着火内燃機関４に供給する燃料導管１３を備えており、燃料導管１３は吸気ポート９に接続されている。

次に、図１に示すエタノール改質システムの作動について説明する。

燃料タンク１には、例えば、エタノールを含むガソリン（以下、エタノール含有ガソリンと略記する）が収容されている。エタノール含有ガソリンは、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物の発酵、蒸留により得たエタノールを含有することにより、所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。前記カーボンニュートラル効果は、前記植物性物質自体が既に二酸化炭素を吸収しているので、係る植物性物質を原料とするエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しく、総計としての二酸化炭素の排出量は理論的にはゼロになるというものである。従って、前記エタノール含有ガソリンによれば、二酸化炭素の排出量を削減し、地球の温暖化防止に寄与することができる。

燃料タンク１に収容されているエタノール含有ガソリンは、その一部が導管２を介して改質器３に送られ、改質器３でエタノールがジエチルエーテルに改質される。そして、改質されたジエチルエーテルを含むガソリン（以下、ジエチルエーテル含有ガソリンと略記する）が、改質燃料導管７、改質燃料タンク８を介して、予混合圧縮着火内燃機関４の吸気ポート９に供給される。また、燃料タンク１に収容されているエタノール含有ガソリンの他の一部は、改質されることなく、導管１３を介して吸気ポート９に供給される。

ここで、改質燃料導管７から吸気ポート９に供給されるジエチルエーテル含有ガソリンは着火性が高く、燃料導管１３から吸気ポート９に供給されるエタノール含有ガソリンは着火性が低い。従って、ジエチルエーテル含有ガソリンと、エタノール含有ガソリンとの供給割合を調整することにより、予混合圧縮着火内燃機関４を安定に運転することができる運転領域を拡大することができる。前記供給割合は、具体的には、予混合圧縮着火内燃機関４の要求負荷が高くなるほど着火性の低いエタノール含有ガソリンの割合を多くし、要求負荷が低くなるほど着火性の高いジエチルエーテル含有ガソリンの割合を多くする。

また、前記エタノール含有ガソリンは、燃料タンク１内で水と混合することにより、ガソリンと、エタノール−水混合液とに分離されてもよい。この場合には、エタノール−水混合液が導管２を介して改質器３に送られ、改質器３でエタノールがジエチルエーテルに改質される。そして、改質されたジエチルエーテルを含む液体が、改質燃料導管７、改質燃料タンク８を介して、予混合圧縮着火内燃機関４の吸気ポート９に供給される。また、燃料タンク１内でエタノール含有ガソリンから分離されたガソリンは、改質されることなく、燃料導管１３を介して吸気ポート９に供給される。

ここで、改質されたジエチルエーテルを含む液体は着火性の高い燃料として用いられ、エタノール含有ガソリンから分離されたガソリンは着火性の低い燃料として用いられる。従って、ジエチルエーテルを含む液体と、ガソリンとの供給割合を調整することにより、ジエチルエーテル含有ガソリンと、エタノール含有ガソリンとの場合と同様にして、予混合圧縮着火内燃機関４を安定に運転することができる運転領域を拡大することができる。

本実施形態では、前記エタノール含有ガソリンを燃料タンク１内で水と混合することなく、該エタノール含有ガソリンの一部を導管２を介して改質器３に供給し、他の一部を燃料導管１３を介して吸気ポート９に供給する場合について説明する。

本実施形態のエタノール改質システムでは、まず、燃料タンク１に収容されているエタノール含有ガソリンの一部が導管２を介して改質器３に供給され、改質器３内に収容されている酸触媒に接触せしめられる。前記酸触媒としては、ゼオライトを好ましく用いることができるが、活性アルミナ、ヘテロポリ酸、シリカアルミナ、硫酸化ジルコニア、イオン交換樹脂等を用いることもできる。前記ヘテロポリ酸としては、１２タングストリン酸等を挙げることができ、前記イオン交換樹脂としては、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ（登録商標）等を挙げることができる。

次に、エタノール含有ガソリンは、改質器３内で前記酸触媒と共に加熱される。前記加熱は、図示しない熱交換器を介して、予混合圧縮着火内燃機関４の排気管５に流通する排気と熱交換することにより行われる。前記熱交換による加熱温度は、温度制御装置６により、例えば前記熱交換器に供給される排気量を調整することにより制御される。

エタノール含有ガソリンは、前記酸触媒と共に加熱されることにより、含有するエタノールの一部が、次式（１）に示すようにジエチルエーテルに改質される。また同時に、次式（２）に示す副反応により、エチレンが生成する。

２Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ → Ｃ_２Ｈ_５ＯＣ_２Ｈ_５ ＋ Ｈ_２Ｏ ・・・（１）
Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ → Ｃ_２Ｈ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
前記副反応によるエチレンの生成率は、図２に示すように、エタノールの反応率との間に相関関係があり、例えば、前記加熱温度が２００℃であるときには、エタノールの反応率８０％に対してエチレンの生成率は４％である。尚、図２では、実線でエチレンの生成率を示し、破線でエタノールの反応率を示す。

前述のように、エタノールの一部がジエチルエーテルに改質されることにより、ジエチルエーテル含有ガソリンが得られる。ジエチルエーテル含有ガソリンは、実際にはジエチルエーテルの他、未反応のエタノールと微量の水とを含む混合液であるが、本明細書では説明の便宜上、「ジエチルエーテル含有ガソリン」と記載する。一方、副生するエチレンは気体となるので、改質器３内で容易にジエチルエーテル含有ガソリンから分離する。

次に、ジエチルエーテル含有ガソリンは、改質燃料導管７により改質器３から取り出され、一旦、改質燃料タンク８に貯留される。そして、ジエチルエーテル含有ガソリンは、改質燃料タンク８から吸気ポート９に供給される。

一方、ジエチルエーテル含有ガソリンから分離したエチレンを含む気体は、気体導管１０により改質器３から取り出され、一旦、エチレンタンク１１に貯留される。そして、エチレンを含む気体は、エチレンタンク１１から吸気ポート９に供給され、空気と共に予混合圧縮着火内燃機関４に供給されて燃焼せしめられる。

このとき、ジエチルエーテル含有ガソリンは、予混合圧縮着火内燃機関４を安定に運転するために、燃料導管１３から吸気ポート９に供給されるエタノール含有ガソリンとの供給割合が調整されるが、該供給割合を調整するためには、ジエチルエーテル含有ガソリンに含まれているジエチルエーテルの量を明確に把握する必要がある。

そこで、本実施形態のエタノール改質システムは、気体導管１０に備えられた流量センサ１２により、導管１０に流通するエチレンを含む気体の流量を検知し、該流量に基づいてエタノールの反応率を制御する。

前記エタノール反応率の制御は、温度制御装置６が、流量センサ１２で検知された前記気体の流量から、エチレンの生成率を算出することにより行われる。このとき、導管１０に流通する気体は、実際には微量の水蒸気等を含むが、実質的にはエチレンのみからなると見なすことができるので、該気体の流量から、エチレンの生成率を容易に算出することができる。そして、温度制御装置６は、前記エチレンの生成率に対応して、改質器３におけるエタノール含有ガソリンと前記酸触媒との加熱温度を制御する。

改質器３におけるエチレンの生成率は、前述のようにエタノールの反応率と相関関係がある。そこで、温度制御装置６は、例えば図２に示すグラフをマップとして持つことにより、エチレンの生成率が所定のエタノールの反応率に対応する値より大きいときには、前記熱交換器による加熱温度を低くして、エタノールのジエチルエーテルへの改質反応を抑制する。また、温度制御装置６は、前記エチレンの生成率が所定のエタノールの反応率に対応する値より小さいときには、前記加熱手段による加熱温度を高くして、エタノールのジエチルエーテルへの改質反応を促進する。

この結果、温度制御装置６は、多くの測定点で温度を測定し、かつ各測定点の温度を同時に制御するような煩雑な操作によることなく、改質器３におけるエタノール含有ガソリンと前記酸触媒との加熱温度を略２００℃に制御し、エタノールの反応率を７０〜８０％の範囲に維持することができる。従って、本実施形態のエタノール改質システムでは、改質器３から取出されるジエチルエーテル含有ガソリンに含有されるジエチルエーテルの量を、前記エタノールの反応率から明確に把握することができ、ジエチルエーテル含有ガソリンとエタノール含有ガソリンとの供給割合を確実に調整することができる。

また、本実施形態のエタノール改質システムでは、図示しない積算装置を設け、流量センサ１２で検知される前記気体の流量からエチレンの生成率を算出し、該エチレンの生成率を単位時間毎に積算するようにしてもよい。このようにするときには、前記エチレンの生成率の積算値から、改質燃料タンク８に貯留されるジエチルエーテル含有ガソリンのジエチルエーテル含有量を明確に把握することができ、ジエチルエーテル含有ガソリンとエタノール含有ガソリンとの供給割合をさらに確実に調整することができる。

エタノール改質システムの一実施形態を示すシステム構成図。 エタノールの反応率と、エチレンの生成率との相関関係を示すグラフ。

符号の説明

１…エタノール供給手段、 ３…改質手段、 ６…温度制御手段、 ７…液体取出手段、 １０…気体取出手段、 １２…流量検知手段。

Claims (5)

1. エタノールを触媒に接触させてジエチルエーテルに改質するエタノール改質システムであって、
   エタノールをジエチルエーテルに改質する触媒を収容する改質手段と、該改質手段にエタノールを含む液体を供給するエタノール供給手段と、該改質手段に収容されている触媒と該改質手段に供給されるエタノールを含む液体とを加熱する加熱手段と、該加熱手段による加熱温度を制御する温度制御手段と、該改質手段からジエチルエーテルを含む液体を取り出す液体取出手段と、該改質手段からエタノールをジエチルエーテルに改質する際に副生するエチレンを含む気体を取り出す気体取出手段と、前記気体取出手段により取出された気体の流量を検知する流量検知手段とを備え、
   前記流量検知手段により検知される気体の流量に基づいて、エタノールの反応率を管理することを特徴とするエタノール改質システム。
2. 請求項１記載のエタノール改質システムにおいて、前記温度制御手段は、前記流量検知手段により検知される気体の流量から算出されるエチレンの生成率に対応して、前記加熱手段による加熱温度を制御することを特徴とするエタノール改質システム。
3. 請求項１または請求項２記載のエタノール改質システムにおいて、前記温度制御手段は、エタノールの反応率が７０〜８０％の範囲となるように、前記加熱手段による加熱温度を制御することを特徴とするエタノール改質システム。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のエタノール改質システムにおいて、前記液体取出手段は、前記改質手段から取り出したジエチルエーテルを含む液体を予混合圧縮着火内燃機関に供給することを特徴とするエタノール改質システム。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のエタノール改質システムにおいて、前記気体取出手段は、前記改質手段から取り出したエチレンを含む気体を空気と共に予混合圧縮着火内燃機関に供給することを特徴とするエタノール改質システム。

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