JP2008298000A - Fuel reforming system and fuel reforming method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイオマス系燃料を用いて改質反応を行うことにより、燃料効率の改善による燃費の向上、高出力化、及び排気ガスのクリーン化を達成することが可能な燃料改質システム及び燃料改質方法に関する。 The present invention relates to a fuel reforming system and a fuel that can achieve fuel efficiency improvement, high output, and exhaust gas cleaning by improving fuel efficiency by performing a reforming reaction using a biomass fuel. The present invention relates to a reforming method.
バイオマス系自動車燃料は、サトウキビ、とうもろこし、規格外小麦等の植物として豊富な資源となり得るバイオマスを原料とし、過去の石油危機時代を背景に代替燃料として導入されている。近年、再生可能エネルギであるバイオマス系燃料(以下、バイオ系燃料ともいう)は、二酸化炭素(CO2)の発生量を抑制する効果があること、また、バイオマス廃棄物が有効利用されることから、地球温暖化対策の重要課題の一つとして注目されるようになった。 Biomass-based automobile fuels are made from biomass that can be abundant resources as plants such as sugarcane, corn, and non-standard wheat, and have been introduced as alternative fuels in the background of the past oil crisis. In recent years, biomass-based fuels (hereinafter also referred to as bio-based fuels), which are renewable energies, have an effect of suppressing the amount of carbon dioxide (CO 2 ) generated, and biomass waste is effectively used. Attention has been focused on as one of the important issues for global warming countermeasures.
特に、自動車用燃料においては、オクタン価向上剤としての効果が期待できる含酸素燃料(例えば、メチルターシャリーブチルエーテル:MTBE)の代替として、バイオマス由来のエタノールをガソリンに混合したエタノール混合ガソリンの普及が進んでいる(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、エタノール燃料系自動車の燃費に関しては、エタノールの発熱量自体がガソリンに比べて小さいため、その混合量に応じて燃費が低下するという問題がある。
また、前記エタノール燃料系自動車の始動時の排気ガスに関しては、前述したエタノールの発熱量自体がガソリンに比べて小さいというエタノールの燃料特性により、その点火時期をリタード(遅延させる)することができず、始動直後に排気ガス成分を好適に浄化することができないという他の問題がある。
However, regarding the fuel consumption of ethanol fuel-based automobiles, there is a problem that the fuel consumption is lowered according to the amount of mixing because the calorific value of ethanol itself is smaller than that of gasoline.
In addition, regarding the exhaust gas at the start of the ethanol fuel vehicle, the ignition timing cannot be retarded (retarded) due to the ethanol fuel characteristic that the calorific value of ethanol itself is smaller than that of gasoline. There is another problem that the exhaust gas component cannot be suitably purified immediately after starting.
すなわち、自動車用燃料としてガソリンを用いた場合、例えば、ヒータ等の加熱手段によって三元触媒を早急に過熱し、排気ガス温度を早急に上昇させて点火時期をリタードすることにより三元触媒により排気ガス成分を浄化することができるのに対し、自動車燃料としてエタノールを用いた場合、ガソリンと比較して前記エタノールの発熱量が小さいことから、始動直後における三元触媒の温度上昇が緩やかとなり、始動直後に排気ガス成分を好適に浄化することができないという他の問題が発生する。 That is, when gasoline is used as a fuel for automobiles, for example, the three-way catalyst is quickly heated by heating means such as a heater, the exhaust gas temperature is quickly raised, and the ignition timing is retarded to exhaust the three-way catalyst. While it is possible to purify gas components, when ethanol is used as automobile fuel, the amount of heat generated by the ethanol is small compared to gasoline. Immediately after that, another problem arises that the exhaust gas component cannot be purified appropriately.
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の一般的な目的は、エタノール又はエタノール混合ガソリン等のバイオマス系燃料を、単に内燃機関の燃料として利用するだけではなく、吸熱反応を利用する改質を行い、水素を含む水素ガスに変換して内燃機関に供給することで、排気エネルギの回生、内燃機関の燃焼効率改善による燃費向上及び高出力化を達成することが可能な燃料改質システム及び燃料改質方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and a general object of the present invention is not only to use a biomass fuel such as ethanol or ethanol-mixed gasoline as a fuel for an internal combustion engine, but also an endothermic reaction. It is possible to achieve improved fuel efficiency and higher output by regenerating exhaust energy and improving the combustion efficiency of the internal combustion engine by reforming using hydrogen, converting it to hydrogen gas containing hydrogen and supplying it to the internal combustion engine A fuel reforming system and a fuel reforming method are provided.
また、本発明の主たる目的は、前記バイオマス系燃料を用い、内燃機関の始動時に発熱反応を利用する暖機を行うことで三元触媒の温度を上昇させ、始動時における排気ガス成分のクリーン化を達成することが可能な燃料改質システム及び燃料改質方法を提供することにある。 In addition, the main object of the present invention is to use the biomass fuel and raise the temperature of the three-way catalyst by warming up using an exothermic reaction at the start of the internal combustion engine, thereby cleaning the exhaust gas components at the start. It is an object to provide a fuel reforming system and a fuel reforming method capable of achieving the above.
さらに、本発明の他の目的は、前記バイオマス系燃料を用い、吸熱反応を利用する改質を行い、水素を含む水素ガスに変換して内燃機関に供給すると共に、発熱反応を利用する暖機を行うことで、排気エネルギの回生、内燃機関の燃焼効率改善による燃費向上、高出力化及び始動時における排気ガス成分のクリーン化を達成することが可能な燃料改質システム及び燃料改質方法を提供することにある。 Furthermore, another object of the present invention is to provide a warm-up using the biomass fuel, performing reforming utilizing an endothermic reaction, converting it into hydrogen gas containing hydrogen and supplying it to an internal combustion engine, and utilizing an exothermic reaction. A fuel reforming system and a fuel reforming method capable of achieving regeneration of exhaust energy, improving fuel efficiency by improving the combustion efficiency of an internal combustion engine, achieving higher output and cleaner exhaust gas components at start-up It is to provide.
前記目的を達成するため、本発明は、内燃機関から排気された排気ガスを前記内燃機関の吸気側に循環させる循環通路中に設けられ、改質触媒を有する燃料改質手段と、
前記燃料改質手段に対してバイオマス系燃料を供給するバイオ燃料供給手段と、
前記循環通路に接続され、前記燃料改質手段に対して空気を供給する空気供給手段と、
前記循環通路中に設けられ、前記燃料改質手段から送給される改質ガスを、前記内燃機関の排気側に導出し、又は、前記内燃機関側の循環通路へ導出するように通路を切り換える切換手段と、
を備えることを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention provides a fuel reforming means provided in a circulation passage for circulating exhaust gas exhausted from an internal combustion engine to the intake side of the internal combustion engine, and having a reforming catalyst;
Biofuel supply means for supplying biomass fuel to the fuel reforming means;
An air supply means connected to the circulation passage for supplying air to the fuel reforming means;
The passage is switched so that the reformed gas provided in the circulation passage and fed from the fuel reforming means is led out to the exhaust side of the internal combustion engine or to the circulation passage on the internal combustion engine side. Switching means;
It is characterized by providing.
本発明によれば、前記内燃機関の始動時において、燃料改質手段は、空気供給手段から供給される空気とバイオマス系燃料との間で発熱反応を行い、切換手段の切換作用下に、前記発熱反応によって発生した熱を内燃機関の排気側に導出する。この場合、前記発熱反応によって発生した熱によって、前記内燃機関の排気側に配置された三元触媒が暖機されることにより、排気ガス成分のクリーン化を早期に達成することができる。 According to the present invention, at the start of the internal combustion engine, the fuel reforming means performs an exothermic reaction between the air supplied from the air supply means and the biomass fuel, and under the switching action of the switching means, Heat generated by the exothermic reaction is derived to the exhaust side of the internal combustion engine. In this case, the three-way catalyst disposed on the exhaust side of the internal combustion engine is warmed up by the heat generated by the exothermic reaction, so that the exhaust gas component can be cleaned quickly.
一方、本発明によれば、通常運転時において、燃料改質手段は、循環通路によって循環された排気ガス中の熱と水蒸気とバイオマス系燃料との間で吸熱反応を行い、切換手段の切換作用下に、前記吸熱反応によって発生した水素を含有する改質ガスを循環通路に沿って前記内燃機関に送給する。この結果、内燃機関では、前記水素を含有する改質ガスが導入されることにより、水素エネルギが増大し且つ水素による燃料改善によって燃費向上(熱効率向上)及び高出力化を達成することができる。 On the other hand, according to the present invention, during normal operation, the fuel reforming means performs an endothermic reaction between the heat in the exhaust gas circulated through the circulation passage, the water vapor, and the biomass fuel, and the switching action of the switching means. Below, the reformed gas containing hydrogen generated by the endothermic reaction is fed to the internal combustion engine along a circulation path. As a result, in the internal combustion engine, by introducing the reformed gas containing hydrogen, hydrogen energy increases, and fuel improvement (thermal efficiency improvement) and high output can be achieved by improving the fuel with hydrogen.
また、本発明では、内燃機関の始動時に発熱反応を行う際、循環通路への排気ガスの循環を阻止するガス循環阻止手段が設けられるとよい。前記ガス循環阻止手段により、空気供給手段から燃料改質手段に対する空気の安定した供給を確保することができる。 Further, in the present invention, it is preferable to provide a gas circulation blocking means for blocking the circulation of the exhaust gas to the circulation passage when an exothermic reaction is performed at the start of the internal combustion engine. By the gas circulation preventing means, it is possible to ensure a stable supply of air from the air supply means to the fuel reforming means.
さらに、本発明では、燃料改質手段において空気を利用した発熱反応を行う際と循環通路に沿って循環する排気ガスの熱、水蒸気を利用して吸熱反応を行う際に、切換機構を制御する制御手段を設けることにより、簡便に改質ガスの流路が切り換えられる。 Further, in the present invention, the switching mechanism is controlled when an exothermic reaction utilizing air is performed in the fuel reforming means and when an endothermic reaction is performed utilizing the heat of the exhaust gas circulating along the circulation passage and water vapor. By providing the control means, the flow path of the reformed gas can be easily switched.
本発明は、内燃機関から排気された排気ガスを前記内燃機関の吸気側に循環させる循環通路中に、改質触媒を有する燃料改質手段と、前記燃料改質手段に対してバイオマス系燃料を供給するバイオ燃料供給手段とがそれぞれ設けられ、
前記内燃機関の始動時には、空気と前記バイオマス燃料との間で発熱反応を前記燃料改質手段上で行い、一方、通常運転時には、循環通路に沿って循環される排気ガス中の熱と水蒸気と前記バイオマス系燃料との間で吸熱反応を前記燃料改質手段上で行うことを特徴とする。この場合、前記内燃機関の始動時に前記バイオマス系燃料の酸化による発熱反応を行い、前記改質触媒がベーキング(baking)された後、通常運転時の吸熱反応に使用されるとよい。
The present invention provides a fuel reforming means having a reforming catalyst in a circulation passage for circulating exhaust gas exhausted from an internal combustion engine to the intake side of the internal combustion engine, and biomass fuel to the fuel reforming means. Biofuel supply means for supplying, respectively,
At the time of starting the internal combustion engine, an exothermic reaction is performed between the air and the biomass fuel on the fuel reforming means. On the other hand, during normal operation, heat and water vapor in the exhaust gas circulated along the circulation path An endothermic reaction with the biomass fuel is performed on the fuel reforming means. In this case, an exothermic reaction due to oxidation of the biomass fuel is performed at the start of the internal combustion engine, and the reforming catalyst is baked, and then used for an endothermic reaction during normal operation.
この場合、本発明によれば、改質触媒を有する燃料改質手段が、内燃機関から排気された排気ガスを前記内燃機関の吸気側に循環させる循環通路中に設けられているため、前記燃料改質手段上での吸熱反応後に排気ガスの温度を低下させ、クーラー効果を発揮させることができる。
また、本発明によれば、前記吸熱反応によって水素を含む改質ガスが内燃機関に供給されることにより、内燃機関内の異常燃焼を防止してノッキングの発生を抑制することができると共に、例えば、内燃機関を構成するピストンやシリンダ等に対する負荷が軽減されて耐久性を向上させることができる。
さらに、本発明では、循環通路中に設けられた単一の燃料改質手段によって発熱反応と吸熱反応とをそれぞれ発揮させるように構成されているため、燃料改質システム全体の小型化と製造コストの低減化を達成することができる。
In this case, according to the present invention, the fuel reforming means having the reforming catalyst is provided in the circulation passage for circulating the exhaust gas exhausted from the internal combustion engine to the intake side of the internal combustion engine. After the endothermic reaction on the reforming means, the temperature of the exhaust gas can be lowered and the cooler effect can be exhibited.
According to the present invention, the reformed gas containing hydrogen is supplied to the internal combustion engine by the endothermic reaction, thereby preventing abnormal combustion in the internal combustion engine and suppressing the occurrence of knocking. The load on the pistons and cylinders constituting the internal combustion engine can be reduced and the durability can be improved.
Further, in the present invention, since the exothermic reaction and the endothermic reaction are respectively exhibited by the single fuel reforming means provided in the circulation passage, the entire fuel reforming system can be reduced in size and the manufacturing cost. Can be achieved.
本発明において、改質燃料として使用される原料は、エタノール又はエタノール混合ガソリン(エタノール混合比3〜99%が利用可能範囲)等のバイオマス系燃料であり、前記バイオマス系燃料を用いることにより改質反応を容易に発生させることができる。バイオマス系燃料としては、例えば、エタノール、ガソリン、ディーゼル燃料、天然ガス、炭化水素ガス、バイオディーゼル等の炭化水素が挙げられる。炭化水素類としては、アルカン類、アルケン類、アルキン類、芳香族化合物、アルコール類、アルデヒド類等が含まれる。 In the present invention, the raw material used as the reformed fuel is a biomass-based fuel such as ethanol or ethanol-mixed gasoline (ethanol mixing ratio of 3 to 99% can be used), and reformed by using the biomass-based fuel. The reaction can be easily generated. Examples of the biomass fuel include hydrocarbons such as ethanol, gasoline, diesel fuel, natural gas, hydrocarbon gas, and biodiesel. Examples of the hydrocarbons include alkanes, alkenes, alkynes, aromatic compounds, alcohols, aldehydes and the like.
改質剤としては、空気、酸素、酸素富化空気、窒素富化空気、水、及び、二酸化炭素から選ばれた少なくとも一種を挙げることができる。また、水としては、純水の他、雨水、水道水、一次処理済み排水等を使用することも可能である。なお、酸化剤として用いられる酸素富化空気は、酸素が25〜100%未満までの濃度領域で実施することが可能である。通常、酸素富化空気は、酸素濃度が35〜45%の間にしておくことが望ましい。酸素濃度が高くなると、気体分離膜に対する負荷が大きくなり、トータルのエネルギ効率が低くなるからである。 Examples of the modifier include at least one selected from air, oxygen, oxygen-enriched air, nitrogen-enriched air, water, and carbon dioxide. In addition to pure water, rain water, tap water, primary treated waste water, or the like can be used as water. Note that the oxygen-enriched air used as the oxidant can be implemented in a concentration range where oxygen is 25 to less than 100%. In general, it is desirable that the oxygen-enriched air has an oxygen concentration of 35 to 45%. This is because as the oxygen concentration increases, the load on the gas separation membrane increases and the total energy efficiency decreases.
また、本発明において、内燃機関から排出される燃焼排気ガス成分としては、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、水、一酸化窒素、二酸化窒素、一酸化ニ窒素、炭化水素類が挙げられる。炭化水素類としては、アルカン類、アルケン類、アルキン類、芳香族類、多環芳香族類、アルコール類、アルデヒド類等が挙げられる。 In the present invention, the exhaust gas components discharged from the internal combustion engine include nitrogen, oxygen, carbon monoxide, carbon dioxide, water, nitric oxide, nitrogen dioxide, nitric oxide, and hydrocarbons. . Examples of the hydrocarbons include alkanes, alkenes, alkynes, aromatics, polycyclic aromatics, alcohols, aldehydes and the like.
本発明において、改質反応は、触媒、低温プラズマ、及び、低温プラズマ−触媒複合系から選ばれた少なくとも1種を用いた方法により行われる。ここで、「触媒」とは、金属酸化物系、ゼオライト系、金属担持系、貴金属担持系等の触媒を意味する。また、「低温プラズマ」とは、電子、イオン、及び、中性分子が熱平衡状態にないプラズマを意味する。この低温プラズマを利用した低温プラズマ反応器においては、電子温度は8000℃〜80000℃に達するものの、ガス温度はほぼ室温に抑えることができるという利点を有する。 In the present invention, the reforming reaction is performed by a method using at least one selected from a catalyst, a low temperature plasma, and a low temperature plasma-catalyst composite system. Here, the “catalyst” means a catalyst such as a metal oxide system, a zeolite system, a metal support system, or a noble metal support system. In addition, “low temperature plasma” means plasma in which electrons, ions, and neutral molecules are not in a thermal equilibrium state. In the low temperature plasma reactor using this low temperature plasma, although the electron temperature reaches 8000 ° C. to 80000 ° C., the gas temperature has an advantage that it can be suppressed to substantially room temperature.
本発明において、バイオマス系燃料の改質反応は、少なくとも、完全酸化法、部分酸化法、水蒸気改質法、及び前記部分酸化法と前記水蒸気改質法とを組み合わせたオートサーマル改質法のいずれか1つの反応が用いられるとよい。 In the present invention, the biomass fuel reforming reaction is at least one of a complete oxidation method, a partial oxidation method, a steam reforming method, and an autothermal reforming method in which the partial oxidation method and the steam reforming method are combined. One reaction may be used.
本発明において、燃料改質手段としては、従来公知のものがすべて使用でき、特に制限はない。このような反応装置として、例えば、固定床流通式反応器、バッチ式反応器等が挙げられる。また、低温プラズマを発生させる装置も従来公知のものがすべて使用でき、特に制限はない。このような低温プラズマ装置としては、例えば、パルスコロナ型、無声放電型、パックドベット型等が使用できる。 In the present invention, any conventionally known fuel reforming means can be used and is not particularly limited. Examples of such a reaction apparatus include a fixed bed flow reactor and a batch reactor. Also, any conventionally known apparatus for generating low-temperature plasma can be used and is not particularly limited. As such a low-temperature plasma apparatus, for example, a pulse corona type, a silent discharge type, a packed bed type, or the like can be used.
本発明において、燃料の改質反応は、いずれも、室温〜1200℃程度までの温度領域で実施することができる。燃料の改質反応においては、生成物の蒸気圧により、改質されたガス中の水素濃度を調整することができる。 In the present invention, the fuel reforming reaction can be carried out in a temperature range from room temperature to about 1200 ° C. In the fuel reforming reaction, the hydrogen concentration in the reformed gas can be adjusted by the vapor pressure of the product.
本発明において、燃料改質手段としては、反応装置に燃料を直接導入してもよいが、空気等のバックグラウンドガスに気化させた後、反応装置に導入するとよい。反応圧力に特に制限はないが、好ましくは常圧1気圧とする。 In the present invention, as the fuel reforming means, the fuel may be directly introduced into the reaction apparatus, but may be introduced into the reaction apparatus after being vaporized into a background gas such as air. Although there is no restriction | limiting in particular in reaction pressure, Preferably it is set as a normal pressure of 1 atmosphere.
本発明において、気体分離に使用される膜としては、特に制限はなく、従来公知のものが使用できる。このような気体分離膜としては、例えば、ポリイミド中空糸、ポリジメチルシロキサン平膜等が挙げられる。 In the present invention, the membrane used for gas separation is not particularly limited, and conventionally known membranes can be used. Examples of such a gas separation membrane include a polyimide hollow fiber and a polydimethylsiloxane flat membrane.
本発明によれば、燃焼効率の改善による燃費の向上、高出力化、及び、排出ガスのクリーン化が可能となる燃料改質システム及び燃料改質方法を提供することができる。ひいては、カーボンニュートラルの実現が可能な燃料改質システム及び燃料改質方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel reforming system and a fuel reforming method that can improve fuel efficiency by improving combustion efficiency, increase output, and clean exhaust gas. As a result, a fuel reforming system and a fuel reforming method capable of realizing carbon neutral can be provided.
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る燃料改質システムが適用された自動車システムの概略構成ブロック図である。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a schematic block diagram of an automobile system to which a fuel reforming system according to an embodiment of the present invention is applied.
図1に示すように、自動車システム10は、内燃機関12(以下、エンジン12という)を含む。前記エンジン12は、燃焼室が設けられた図示しないシリンダブロックを有し、前記燃焼室には図示しない吸気バルブを介して混合気を吸入する吸気通路14と、図示しない排気バルブを介して燃焼室で発生した燃焼ガス(以下、排気ガスという)を外部に排気する排気通路16とが連通接続されている。
As shown in FIG. 1, the
なお、本実施形態において、燃料は、エタノール又はエタノール混合ガソリン等のバイオマス系自動車燃料が用いられ、以下では、エタノールを用いた場合をその一例として説明する。 In this embodiment, biomass-based automobile fuel such as ethanol or ethanol-mixed gasoline is used as the fuel. Hereinafter, a case where ethanol is used will be described as an example.
排気通路16には、排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素センサ18と、排気ガス中に含まれる排気ガス成分を浄化する三元触媒20と、前記三元触媒20の温度を検出する第1温度センサ22とがそれぞれ設けられる。
In the exhaust passage 16, an
また、前記自動車システム10は、燃料改質装置(燃料改質手段)24を含み、前記燃料改質装置24は、エンジン12に近接する吸気通路14の所定部位に連通する第1循環通路26と、前記エンジン12に近接する排気通路16の所定部位に連通する排気循環通路28を介してエンジン12に連通接続される。この場合、燃料改質装置24、第1循環通路26、エンジン12及び排気循環通路28によって閉ループ(循環通路)が構成される。前記燃料改質装置24には、触媒温度を検出する第2温度センサ30が付設される(後記する実施例における三元触媒20の温度を検出している)。なお、前記第1循環通路26は、後記する三方切換弁を間にして燃料改質装置側の第1循環通路26aとエンジン側の第1循環通路26bとに分けて適宜説明する。
The
さらに、前記自動車システム10は、第1循環通路26の途中に三方切換弁(切換手段)32が設けられ、前記三方切換弁32の二次側(出力側)には、燃料改質装置側の第1循環通路26aと前記排気循環通路28とを連通させる第2循環通路34が接続される。
Further, the
すなわち、前記三方切換弁32は、例えば、3ポート電磁弁等からなり、図示しない弁ボデイに設けられたインレットポート36aが燃料改質装置側の第1循環通路26aに接続され、弁ボデイに設けられた第1アウトレットポート36bがエンジン側の第1循環通路26bに接続され、弁ボデイに設けられた第2アウトレットポート36cが第2循環通路34にそれぞれ接続される。
That is, the three-way switching valve 32 is composed of, for example, a three-port solenoid valve or the like, and an
この場合、後記するECUから出力される制御信号(オン/オフ信号)によって、インレットポート36a(第1循環通路26a)と第1アウトレットポート36b(第1循環通路26b)及び第2アウトレットポート36c(第2循環通路34)との間の連通状態が図示しない弁体を介して切り換え可能に設けられる。
In this case, an
前記排気循環通路28には、該排気循環通路28を開閉する図示しない弁体を有し、ECU40から導入される制御信号によって開弁状態と閉弁状態とが切換制御される排気ガス還流弁(ガス循環阻止手段)42と、連通路44を介して燃料改質装置24に対して空気を供給する空気供給装置(空気供給手段)46(例えば、コンプレッサ等)とがそれぞれ設けられる。
The exhaust circulation passage 28 has a valve body (not shown) that opens and closes the exhaust circulation passage 28, and an exhaust gas recirculation valve (switching between a valve opening state and a valve closing state is controlled by a control signal introduced from the ECU 40 ( Gas circulation prevention means) 42 and an air supply device (air supply means) 46 (for example, a compressor) for supplying air to the
従って、前記三方切換弁32によって、燃料改質装置24から供給される水素を含む改質ガスが第1循環通路26a、26bを介してエンジン12に供給される第1切換位置と、前記燃料改質装置24から供給される空気を含む改質ガスを第2循環通路34及び排気循環通路28及び排気通路16を介して三元触媒20に供給する第2切換位置とがそれぞれ切り換え可能に設けられる。
Therefore, the three-way switching valve 32 supplies the reformed gas containing hydrogen supplied from the
エンジン12は、ガソリン又はガソリンとアルコールとの混合燃料で運転可能な、例えば、4気筒のエンジンからなる。前記エンジン12の吸気通路14の上流側には、スロットル弁50が設けられ、前記スロットル弁50には、スロットル弁開度を検出するスロットル弁開度センサ52が付設される。前記スロットル弁開度センサ52によって検出されたストロット弁開度に対応する検出信号は、ECU(制御手段)40(Electronic Control Unit)に送給され、エンジン12に対する燃料噴射量の制御に用いられる。
The
第1燃料噴射弁54aは、吸気通路14の途中であってエンジン12とスロットル弁50との間の図示しない吸気弁の少し上流側の各気筒にそれぞれ設けられる。さらに、燃料改質装置24に対して燃料を供給する第2燃料噴射弁(バイオ燃料供給手段)54bが設けられる。前記第1燃料噴射弁54a及び第2燃料噴射弁54bは、それぞれ、燃料供給通路56を介して燃料タンク58に連通接続される。また、第2燃料噴射弁54bは、燃料改質装置24を介して排気循環通路28に連通接続されている。なお、前記第1燃料噴射弁54a及び前記第2燃料噴射弁54bは、部品の共通化を図るために、それぞれ同一に構成されるとよい。
The first
この場合、前記第1燃料噴射弁54a及び第2燃料噴射弁54bは、それぞれ、ECU40と電気的に接続され、ECU40から出力される制御信号に基づいて開弁時間が制御される。
In this case, the first
燃料改質装置24は、排気ガス、水、又は、空気中の酸素等を酸化剤として用い、燃料と反応させて水素を生成する機能(吸熱反応)と、始動時において燃料と反応させて熱を発生させ(発熱反応)、前記熱によって三元触媒20を暖める機能とを併有する。なお、前記酸化剤の利用割合は、燃料の成分、燃焼排気ガスの温度、水素の供給量、熱の供給量、供給タイミング等に対応して最適となるようにECU40によって制御される。
The
また、燃料改質装置24は、改質触媒により、酸化反応、部分酸化法、水蒸気改質法、及び、これらを組み合わせたオートサーマル改質法から選ばれる少なくとも1種の反応であることが好ましい。このような改質法を用いることにより、反応を促進し、水素、二酸化炭素、水、及び一酸化炭素の混合ガスが生成される。燃料改質装置24としては、従来公知のものが全て使用可能であり、例えば、図示しない流通式反応器、バッチ式反応器等用いられる。
In addition, the
各改質法を用いたエタノール改質反応式を図5の(a)〜(d)に参考として示す。ここで、部分酸化法とは、炭化水素類を酸素で改質して、水素と二酸化炭素を生成する反応をいう。水蒸気改質法とは、炭化水素類を水蒸気で改質して、水素と二酸化炭素を生成する反応をいう。また、オートサーマル法は、水蒸気改質法と部分酸化法を組み合わせたものであり、酸素及び水蒸気の両者が酸化剤として作用する。具体的には、空気中の酸素は部分酸化反応及び水蒸気改質反応を促進し、水蒸気は水蒸気改質反応を促進する。このため、自動車燃料をオートサーマル改質する場合には、改質反応中に存在する酸素量及び水蒸気量を制御することが重要である。 The ethanol reforming reaction formula using each reforming method is shown in FIGS. 5A to 5D for reference. Here, the partial oxidation method refers to a reaction in which hydrocarbons are reformed with oxygen to generate hydrogen and carbon dioxide. The steam reforming method refers to a reaction in which hydrocarbons are reformed with steam to generate hydrogen and carbon dioxide. The autothermal method is a combination of a steam reforming method and a partial oxidation method, and both oxygen and steam act as oxidizing agents. Specifically, oxygen in the air promotes a partial oxidation reaction and a steam reforming reaction, and steam promotes a steam reforming reaction. For this reason, when autothermal reforming of automobile fuel, it is important to control the amount of oxygen and water vapor present during the reforming reaction.
本実施形態に係る燃料改質システムが適用された自動車システム10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
The
先ず、エンジン12の始動時について説明する。
エンジン12の始動時において、ECU40は、空気供給装置46に付勢信号を導出して前記空気供給装置46を駆動させ、連通路44を介して燃料改質装置24に対して空気(酸素)を供給する。同時に、ECU40は、三方切換弁32の図示しないソレノイド部に制御信号を導出して図示しない弁体を第2切換位置に切換制御し、燃料改質装置側の第1循環通路26aと第2循環通路34とを連通させる(図1中の三方切換弁32における実線参照)。さらに、ECU40は、排気ガス還流弁42に制御信号を導出して前記排気ガス還流弁42を閉弁位置として燃料改質装置側への始動時における排気ガスの還流を遮断する。
First, the starting time of the
When starting the
従って、図示しないイグニッションスイッチが付勢され、エンジン12の排気ガスが排気通路16を介して三元触媒側に向かって流通するエンジン12の始動状態において、空気供給装置46から送給された空気が燃料改質装置24内に供給されると共に、燃料タンク58から第2燃料噴射弁54bを介してエタノールが燃料改質装置24内に供給される。従って、燃料改質装置24内に設けられた図示しない触媒を介して空気(酸素)と燃料(エタノール)とが発熱反応して熱を発生させ、この発生した熱量を保有する改質ガスが第1循環通路26a、三方切換弁32、第2循環通路34、エンジン側の排気ガス循環通路28の一部及び排気通路16を介して三元触媒20に導入され、エンジン12の始動時に前記三元触媒20を好適に暖機することができる。なお、図4中における実線は、エンジン始動時における発熱反応を簡略化して示したものである。
Accordingly, an ignition switch (not shown) is energized, and the air supplied from the
換言すると、燃料改質装置24は、空気供給装置46から供給される空気(酸素)を酸化剤として用い、第2燃料噴射弁54bから吐出される燃料(エタノール)と反応させて熱を発生させる発熱反応を営み、前記発生した熱を保有する改質ガスを三元触媒20に導入することにより、エンジン始動時における三元触媒20の温度特性を急速に上昇させることができる。この結果、三元触媒20の高速温度上昇により、前記三元触媒20が円滑に機能してエンジン始動時の排気ガス成分を浄化し、早期クリーン化を達成することができる。
In other words, the
なお、前記したエンジン12の始動状態が所定時間経過した後、ECU40は、空気供給装置46に滅勢信号を導出して前記空気供給装置46から燃料改質装置24への空気(酸素)の供給を停止すると共に、前記三方切換弁32に制御信号を導出して図示しない弁体を第1切換位置に切換制御し(図1中の三方切換弁における破線参照)、燃料改質装置側の第1循環通路26aとエンジン側の第1循環通路26bとを連通させる。同時に、ECU40は、排気ガス還流弁42に制御信号を導出して前記排気ガス還流弁42を開弁位置に切換制御し、燃料改質装置側への排気ガスの還流が可能な状態とする。
After the
このようなエンジン12の始動状態が所定時間経過した後の通常走行状態(定常運転時)では、エンジン12の排気ガスが排気循環通路28を介して燃料改質装置24内に導入され、燃料改質装置24内において、前記排気ガスに含有される水(水蒸気)と前記排気ガスが保有する熱(熱量)と第2燃料噴射弁54bによって吐出される燃料(エタノール)と反応させて水素を生成する吸熱反応が営まれる。このような吸熱反応によって生成された水素は、三方切換弁32を介してエンジン12に導入され、水素エネルギの増大によって排気エネルギの回生、内燃機関の燃焼効率改善による燃費向上及び高出力化を達成することができる。図4中における破線は、吸熱反応を簡略化して示したものである。
In such a normal running state (during steady operation) after the
なお、通常走行状態では、燃料改質装置24、第1循環通路26、エンジン12、及び、排気循環通路28によって閉ループが構成され、前述した吸気反応によって生成された水素を含む改質ガスが閉ループ内で常時連続的に生成される。
以上、本実施形態では、自動車システム10に搭載された内燃機関12に基づいて説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図示しない船舶、耕運機、発電機等の内燃機関に適用することができることは勿論である。
In the normal running state, the
As described above, the present embodiment has been described based on the
次に、本発明の効果を確認した実施例に基づいてさらに本発明を詳細に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。燃料改質装置では、触媒としてRh/Al2O3を用い、また、バイオ燃料としては、エタノールを用いた。 Next, the present invention will be further described in detail based on examples in which the effects of the present invention have been confirmed. In addition, this invention is not limited to this Example. In the fuel reformer, Rh / Al 2 O 3 was used as the catalyst, and ethanol was used as the biofuel.
先ず、触媒の調整方法について説明する。
[触媒γAl2O3の調整]
用意したγAl2O3(住友化学社製AKP−G015)約100gを1000mL容積のビーカ内で、300mLの超純水に懸濁した。得られた懸濁溶液に、テフロン(登録商標)製スターラピースを入れ、ホットプレート付きマグネティックスターラで数分間、室温で静かに攪拌した。攪拌後、水を除去して上記の操作を3回繰り返した。その後、得られたγAl2O3に、ゴミが入らないように覆いをして80℃で一晩かけて真空乾燥を行い、水を留去した。乾燥後、保存容器に移し替え、使用時までデシケータ内で保存した。
First, a method for adjusting the catalyst will be described.
[Adjustment of catalyst γAl 2 O 3 ]
About 100 g of the prepared γAl 2 O 3 (AKP-G015 manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) was suspended in 300 mL of ultrapure water in a 1000 mL beaker. A Teflon (registered trademark) stirrer piece was put into the obtained suspension solution, and gently stirred at room temperature for several minutes with a magnetic stirrer with a hot plate. After stirring, water was removed and the above operation was repeated three times. Thereafter, the obtained γAl 2 O 3 was covered so as not to enter dust, and vacuum-dried at 80 ° C. overnight to distill off water. After drying, it was transferred to a storage container and stored in a desiccator until use.
[燃料改質触媒Rh/Al2O3の調整(含浸法)]
乾燥したγAl2O3の粉末を25g秤量した。これに対し、ロジウム(Rh)金属として質量分率で5%となるように、硝酸ロジウム[Rh(NO3)3]を秤量した。
〔触媒担持〕
1000mL容積のビーカ内に、硝酸ロジウム[Rh(NO3)3]、350mLの超純水を入れて攪拌すると共に熱を加え、60℃に設定した。この1000mL容積のビーカ内に、γAl2O3の粉末を60℃の温度が保てるようゆっくりと少量ずつ加えた。γAl2O3の粉末を加えた後、60℃で1時間攪拌した。その後、スラリーから水分を留去し、100℃のオーブンに12時間入れ、乾固させた。乾固した触媒を600℃の電気炉に4時間入れ、焼成した。
[Adjustment of fuel reforming catalyst Rh / Al 2 O 3 (impregnation method)]
25 g of dried γAl 2 O 3 powder was weighed. On the other hand, rhodium nitrate [Rh (NO 3 ) 3 ] was weighed so that the mass fraction of rhodium (Rh) metal was 5%.
(Catalyst support)
In a beaker having a volume of 1000 mL, rhodium nitrate [Rh (NO 3 ) 3 ] and 350 mL of ultrapure water were added, stirred and heated, and set to 60 ° C. Into the 1000 mL beaker, γAl 2 O 3 powder was slowly added little by little so that the temperature of 60 ° C. could be maintained. After adding γAl 2 O 3 powder, the mixture was stirred at 60 ° C. for 1 hour. Thereafter, water was distilled off from the slurry, and the slurry was placed in an oven at 100 ° C. for 12 hours to dry. The dried catalyst was placed in an electric furnace at 600 ° C. for 4 hours and calcined.
[触媒Ag/Al2O3の調整(含浸法)]
乾燥したγAl2O3の粉末を25g秤量した。これに対し、銀(Ag)金属として質量分率で2%となるように硝酸銀[AgNO3]を秤量した。
〔触媒担持〕
1000mL容積のビーカ内に、硝酸銀[AgNO3]、350mLの超純水を入れて攪拌するとともに熱を加え、60℃に設定した。この1000mL容積のビーカ内に、γAl2O3の粉末を60℃の温度を保てるようゆっくりと少量ずつ加えた。γAl2O3の粉末を加えた後、60℃で1時間攪拌した。その後、スラリーから水分を留去し、100℃のオーブンに12時間入れ、乾固させた。乾固した触媒を600℃の電気炉に4時間入れ、焼成した。
[Adjustment of catalyst Ag / Al 2 O 3 (impregnation method)]
25 g of dried γAl 2 O 3 powder was weighed. On the other hand, silver nitrate [AgNO 3 ] was weighed so that the mass fraction of silver (Ag) metal was 2%.
(Catalyst support)
Silver nitrate [AgNO 3 ] and 350 mL of ultrapure water were placed in a 1000 mL beaker and stirred and heated to set the temperature at 60 ° C. Into the 1000 mL beaker, γAl 2 O 3 powder was slowly added little by little so that the temperature of 60 ° C. could be maintained. After adding γAl 2 O 3 powder, the mixture was stirred at 60 ° C. for 1 hour. Thereafter, water was distilled off from the slurry, and the slurry was placed in an oven at 100 ° C. for 12 hours to dry. The dried catalyst was placed in an electric furnace at 600 ° C. for 4 hours and calcined.
[バイオ燃料の改質反応条件]
本実施例では、改質反応に触媒Rh/Al2O3を用いた。また、バイオ燃料の改質として部分酸化反応を行った。具体的な反応条件は以下の通りであった。
[Reforming reaction conditions for biofuels]
In this example, the catalyst Rh / Al 2 O 3 was used for the reforming reaction. In addition, a partial oxidation reaction was performed as biofuel reforming. Specific reaction conditions were as follows.
触媒に対するGHSV(Gas hourly space velocity=1時間当たりの反応ガスの空間速度)は、1000〜100000h−1の範囲内で行った。バックグラウンドガスとして空気を用い、空気(Air)と燃料(Fuel)の質量比A/F比は、1〜30の範囲内で行った。改質反応の温度は、250℃〜1000℃の範囲内で行った。有機化合物の定量分析は、検出器としてFID(水素炎イオン化検出器)を備えたGC(GL Science社製GC−390B、Unipack S)を用いて行った。また、水素の定量分析は、検出器としてTCD(熱伝導度検出器)を備えたGC(Shimadzu社製GC−390B、MS−5A)を用いて行った。 The GHSV for the catalyst (Gas hourly space velocity = reaction gas space velocity per hour) was carried out in the range of 1000 to 100,000 h −1 . Air was used as the background gas, and the mass ratio A / F ratio of air (Air) to fuel (Fuel) was in the range of 1-30. The temperature of the reforming reaction was performed within a range of 250 ° C to 1000 ° C. The quantitative analysis of the organic compound was performed using GC (GL Science GC-390B, Unipack S) equipped with a FID (flame ionization detector) as a detector. Moreover, quantitative analysis of hydrogen was performed using GC (Shimadzu GC-390B, MS-5A) equipped with a TCD (thermal conductivity detector) as a detector.
<燃費に関する比較検討>
比較例として、燃料改質装置24が装着されていない一般的なFFV(Flexible Fuel Vehicle)を用い、本実施例として図1に示される自動車システム10の構造を備え燃料改質装置24が付設されたFFV(Flexible Fuel Vehicle)を用い、燃費に関して比較した実験結果を図2に示す。すなわち、燃料改質システムの有無が燃費に対してどのような影響を及ぼすかを検討するために本実験を行った。なお、前記比較例に係るFFVと、本実施例に係るFFVでは、燃料改質装置24の有無が異なる点を除いて、用いたFFVの構造や燃料、運転条件等は全て同一である。
<Comparison study on fuel consumption>
As a comparative example, a general FFV (Flexible Fuel Vehicle) without the
図2から諒解されるように、比較例ではエタノールのブレンド率(混合率)が増大するにつれて燃費が低下している。これは、エタノールの発熱量が、ガソリンに比べて小さいためである。これに対し、本実施例においても、エタノールのブレンド率の増大と共に燃費が低下しているが、エタノールのブレンド率の全範囲において、本実施例は、比較例の約15パーセントだけ燃費が向上していることが認められた。 As can be seen from FIG. 2, in the comparative example, the fuel consumption decreases as the blend ratio (mixing ratio) of ethanol increases. This is because the calorific value of ethanol is smaller than that of gasoline. In contrast, in this example as well, the fuel efficiency decreased with an increase in the ethanol blending ratio. However, in this example, the fuel efficiency improved by about 15% of the comparative example over the entire range of the ethanol blending ratio. It was recognized that
これは、燃料の吸熱反応で水素エネルギ量を、例えば、約20パーセントだけ上昇させたことと、水素による燃焼改善によって燃費の向上が達成されたものと判断される。さらにエタノールのブレンド率が約70パーセント以下のときには、ガソリン車の燃費を100パーセント(基準値)とした場合、前記ガソリン車を上回る燃費となった。このような実験結果から、本実施例では、燃料改質システムを用いることにより、前記燃料改質システムを用いない比較例と比較して燃費が向上し、有用性があることを確認することができた。 It is determined that the fuel efficiency has been improved by increasing the amount of hydrogen energy by, for example, about 20% by the endothermic reaction of the fuel and by improving the combustion with hydrogen. Further, when the blend ratio of ethanol was about 70% or less, the fuel consumption exceeded that of the gasoline vehicle when the fuel consumption of the gasoline vehicle was 100% (reference value). From these experimental results, in this embodiment, it can be confirmed that the use of the fuel reforming system improves the fuel consumption and is useful compared to the comparative example not using the fuel reforming system. did it.
<三元触媒温度に関する比較検討>
燃費に関する比較例及び本実施例と同一のFFVを用い、時間に対する三元触媒20の温度変化を比較した実験結果を図3に示す。なお、三元触媒20の温度は、図1に示される第1温度センサ22よって検出した。
<Comparison study on three-way catalyst temperature>
FIG. 3 shows the experimental results comparing the temperature change of the three-
比較例及び本実施例では、両者ともに時間の経過にしたがって三元触媒20の温度が上昇している。しかしながら、比較例では、三元触媒20の温度が約350℃以上となるまでに約310秒程度必要であったのに対し、本実施例では、350℃以上となるまでに必要な時間が約30秒程度で、比較例の十分の一程度の短時間で到達することができた(図3参照)。
In both the comparative example and the present example, the temperature of the three-
このことから、本実施例では、発熱作用による三元触媒20の暖機によって高速温度上昇が可能となり、始動時における排気ガスの早期クリーン化を達成することが示唆された(三元触媒20の暖機によって排気成分の浄化作用が好適に発揮されるものと推定されるから)。この結果、本実施例では、燃料改質システムを用いることにより、前記燃料改質システムを用いない比較例と比較して三元触媒20の高速温度上昇が可能となり、有用性があることを確認することができた。
From this, in this example, it was suggested that the temperature of the three-
12 内燃機関(エンジン)
14 吸気通路
16 排気通路
20 三元触媒
24 燃料改質装置
26(26a、26b) 第1循環通路
28 排気循環通路
32 三方切換弁(切換手段)
34 第2循環通路
40 ECU(制御手段)
42 排気ガス還流弁(ガス循環阻止手段)
46 空気供給装置(空気供給手段)
54b 燃料噴射弁(バイオ燃料供給手段)
12 Internal combustion engine
Reference Signs List 14 intake passage 16
34
42 Exhaust gas recirculation valve (gas circulation prevention means)
46 Air supply device (air supply means)
54b Fuel injection valve (biofuel supply means)
Claims (7)
前記燃料改質手段に対してバイオマス系燃料を供給するバイオ燃料供給手段と、
前記循環通路に接続され、前記燃料改質手段に対して空気を供給する空気供給手段と、
前記循環通路中に設けられ、前記燃料改質手段から送給される改質ガスを、前記内燃機関の排気側に導出し、又は、前記内燃機関側の循環通路へ導出するように通路を切り換える切換手段と、
を備えることを特徴とする燃料改質システム。 Fuel reforming means provided in a circulation passage for circulating exhaust gas exhausted from the internal combustion engine to the intake side of the internal combustion engine, and having a reforming catalyst;
Biofuel supply means for supplying biomass fuel to the fuel reforming means;
An air supply means connected to the circulation passage for supplying air to the fuel reforming means;
The passage is switched so that the reformed gas provided in the circulation passage and fed from the fuel reforming means is led out to the exhaust side of the internal combustion engine or to the circulation passage on the internal combustion engine side. Switching means;
A fuel reforming system comprising:
前記内燃機関の始動時において、前記空気供給手段から供給される空気と前記バイオマス系燃料との間で発熱反応を前記燃料改質手段上で行い、前記発熱反応によって発生した熱を前記内燃機関の排気側に設けられた三元触媒に導出し、一方、通常運転時において、前記循環通路によって循環された排気ガス中の熱と水蒸気と前記バイオマス系燃料との間で吸熱反応を前記燃料改質手段上で行い、水素を含有する改質ガスを前記循環通路によって前記内燃機関に送給するように、前記切換手段を制御する制御手段が設けられることを特徴とする燃料改質システム。 The fuel reforming system according to claim 1, wherein
At the start of the internal combustion engine, an exothermic reaction is performed on the fuel reforming unit between the air supplied from the air supply unit and the biomass fuel, and the heat generated by the exothermic reaction is generated by the internal combustion engine. The fuel reforming is conducted to the three-way catalyst provided on the exhaust side, and on the other hand, during normal operation, the endothermic reaction is performed between the heat in the exhaust gas circulated by the circulation passage, water vapor, and the biomass fuel. The fuel reforming system is characterized in that a control means for controlling the switching means is provided so that the reformed gas containing hydrogen is supplied to the internal combustion engine through the circulation passage.
前記発熱反応を行う際、前記内燃機関から排気された排気ガスが燃料改質手段側に向かって循環することを阻止するガス循環阻止手段が設けられることを特徴とする燃料改質システム。 The fuel reforming system according to claim 2, wherein
A fuel reforming system, characterized in that, when performing the exothermic reaction, a gas circulation preventing means is provided for preventing the exhaust gas exhausted from the internal combustion engine from circulating toward the fuel reforming means side.
前記内燃機関の始動時には、空気と前記バイオマス燃料との間で発熱反応を前記燃料改質手段上で行い、一方、通常運転時には、循環通路に沿って循環される排気ガス中の熱と水蒸気と前記バイオマス系燃料との間で吸熱反応を前記燃料改質手段上で行うことを特徴とする燃料改質方法。 A fuel reforming means having a reforming catalyst in a circulation passage for circulating exhaust gas exhausted from the internal combustion engine to the intake side of the internal combustion engine, and a biofuel supply for supplying biomass fuel to the fuel reforming means Means are provided,
At the time of starting the internal combustion engine, an exothermic reaction is performed between the air and the biomass fuel on the fuel reforming means. On the other hand, during normal operation, heat and water vapor in the exhaust gas circulated along the circulation path An endothermic reaction with the biomass fuel is performed on the fuel reforming means.
前記バイオマス系燃料は、エタノール又はエタノール混合ガソリンを含み、前記バイオマス系燃料の改質反応は、少なくとも、完全酸化法、部分酸化法、水蒸気改質法、及び前記部分酸化法と前記水蒸気改質法とを組み合わせたオートサーマル改質法のいずれか1つの反応からなることを特徴とする燃料改質方法。 The fuel reforming method according to claim 4, wherein
The biomass fuel includes ethanol or ethanol-mixed gasoline, and the reforming reaction of the biomass fuel includes at least a complete oxidation method, a partial oxidation method, a steam reforming method, and the partial oxidation method and the steam reforming method. A fuel reforming method comprising any one reaction of an autothermal reforming method in combination with
前記バイオマス系燃料の改質反応は、排気ガス、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、窒素、及び水蒸気雰囲気下のいずれか1つで行われることを特徴とする燃料改質方法。 The fuel reforming method according to claim 4 or 5,
The reforming reaction of the biomass fuel is performed in any one of exhaust gas, air, oxygen-enriched air, nitrogen-enriched air, oxygen, nitrogen, and steam atmosphere. .
前記内燃機関の始動時に前記バイオマス系燃料の酸化による発熱反応を行い、前記改質触媒がベーキング(baking)された後、通常運転時の吸熱反応に使用されることを特徴とする燃料改質方法。 The fuel reforming method according to any one of claims 4 to 6,
A fuel reforming method characterized in that an exothermic reaction due to oxidation of the biomass fuel is performed at the start of the internal combustion engine, and the reforming catalyst is baked and then used for an endothermic reaction during normal operation. .
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