JP2010101194A - Gasoline engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、火花点火エンジン用燃料、例えばガソリン留分を燃料とするエンジンであって、エンジンの排気ガスの熱を利用した脱水素触媒による脱水素反応によってガソリン等のベース燃料をよりオクタン価の高い改質燃料に改質する反応器を備えたガソリンエンジンに係り、火花点火（ＳＡ）式のガソリンエンジンにおける性能向上や、予混合圧縮着火（ＣＡＩ）式のガソリンエンジンにおいてＣＡＩ燃焼領域の拡大による燃費向上を図り、ＣＯ2 の排出量を抑制したガソリンエンジンに関するものである。 The present invention relates to a fuel for a spark ignition engine, for example, an engine using gasoline fraction as a fuel, and a base fuel such as gasoline has a higher octane number by a dehydrogenation reaction by a dehydrogenation catalyst using heat of exhaust gas of the engine. The present invention relates to a gasoline engine equipped with a reactor for reforming into reformed fuel, and is improved in performance in a spark ignition (SA) type gasoline engine, and fuel consumption due to expansion of a CAI combustion region in a premixed compression ignition (CAI) type gasoline engine. The present invention relates to a gasoline engine that improves and suppresses CO 2 emissions.
自動車から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）と、これら有害成分の大気中の濃度との間には一定の関係があると考えられる。このため、大気環境改善の観点から、自動車から排出されるこれら有害排出ガス成分の削減が強く求められている。さらに、地球温暖化防止のためには、化石燃料の燃焼で排出されるＣＯ2 の削減が必要であり、自動車からのＣＯ2 排出の削減が求められている。このように、自動車においては、有害排出ガス成分の排出削減とＣＯ2 の排出削減を同時に達成する必要があり、そのためにガソリンを利用する火花点火（ＳＡ）エンジン（以下、ＳＡガソリンエンジンと呼ぶ）の熱効率向上が求められている。さらには、ＳＡガソリンエンジンの熱効率を向上させるために、ＳＡガソリンエンジンの運転領域の全部または一部の領域を予混合圧縮着火（ＣＡＩ：Controlled Auto-ignition）燃焼させるＣＡＩエンジン（以下、ＣＡＩガソリンエンジンと呼ぶ）が注目されている。 There is a fixed relationship between nitrogen oxides (NOx), particulate matter (PM), carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) emitted from automobiles and the concentration of these harmful components in the atmosphere. It is believed that there is. For this reason, from the viewpoint of improving the air environment, there is a strong demand for reducing these harmful exhaust gas components emitted from automobiles. Furthermore, in order to prevent global warming, it is necessary to reduce CO 2 emitted by the combustion of fossil fuels, and reduction of CO 2 emission from automobiles is required. As described above, in automobiles, it is necessary to simultaneously achieve emission reduction of harmful emission components and CO 2 emission reduction, and therefore, a spark ignition (SA) engine using gasoline (hereinafter referred to as SA gasoline engine). There is a need for improved thermal efficiency. Furthermore, in order to improve the thermal efficiency of the SA gasoline engine, a CAI engine (hereinafter referred to as CAI gasoline engine) that burns premixed compression ignition (CAI: Controlled Auto-ignition) in all or a part of the operating range of the SA gasoline engine. Called it).
ＳＡガソリンエンジンでの熱効率向上策としては、圧縮比の向上、水素の利用、排気ガスの熱回収などの手段が研究されている。圧縮比の向上はノッキングの増大を招くので、燃料のオクタン価を高める必要があるが、高オクタン価ガソリンの製造に伴って製油所ではＣＯ2 の増大が起こってしまう。また水素はオクタン価が高く、且つ燃焼速度が速い優れた燃料であるが、水素を自動車に供給・貯蔵するシステムの構築が必要であり、社会的なインフラの整備も含めて、水素の利用は極めて困難である。また排気ガスの熱回収については、比較的低温である排気ガスの熱回収は困難であり実用化には至っていない。 As measures for improving the thermal efficiency of the SA gasoline engine, measures such as improvement of the compression ratio, use of hydrogen, and heat recovery of exhaust gas have been studied. The improvement in the compression ratio leads to an increase in knocking, so it is necessary to increase the octane number of the fuel. However, as the high-octane gasoline is produced, CO 2 increases at the refinery. Hydrogen is an excellent fuel with a high octane number and high combustion speed. However, it is necessary to construct a system for supplying and storing hydrogen in automobiles, and it is extremely difficult to use hydrogen, including social infrastructure. Have difficulty. As for heat recovery of exhaust gas, it is difficult to recover heat of exhaust gas at a relatively low temperature, and it has not been put into practical use.
一方、予混合圧縮着火（ＣＡＩ）燃焼は、排出ガスの低減と燃費の向上を同時に達成できる燃焼方式として注目され、広範囲に渡る研究が進められている。ＣＡＩガソリンエンジンでは、燃焼の開始（着火）を燃料の自己着火に依存しているので、燃焼室内の温度が低い冷機時や低負荷条件下では、着火性に優れた（セタン価の高い、すなわちオクタン価の低い）燃料が求められている。一方、燃焼室内の温度が高い高負荷条件下では、着火性の良好な燃料は、燃焼室内で多点同時着火による急激な燃焼（ノッキング）を起こすので、ＮＯｘや燃焼騒音の急増やエンジンの損傷を起こす事から、着火性の低い（セタン価の低い、すなわちオクタン価の高い）燃料が有効である。エンジンの運転条件によって着火性を変化させる燃料は見出されていないので、ＣＡＩ燃焼が可能な運転領域は限定され、ＣＡＩガソリンエンジンの優位性が制限されている。すなわち、運転条件によって着火性の異なる燃料を供給できれば、より広範囲な運転領域でＣＡＩ燃焼が成立し、ＣＯ2 削減に大きく貢献できる。 On the other hand, premixed compression ignition (CAI) combustion is attracting attention as a combustion method that can simultaneously achieve reduction of exhaust gas and improvement of fuel efficiency, and extensive research is being conducted. In the CAI gasoline engine, the start (ignition) of combustion depends on the self-ignition of the fuel, so that it has excellent ignitability (high cetane number, that is, a low cetane number when the temperature in the combustion chamber is low or in a low load condition) There is a need for low octane fuels. On the other hand, under high-load conditions where the temperature in the combustion chamber is high, fuel with good ignitability causes sudden combustion (knocking) due to simultaneous ignition in the combustion chamber, resulting in a sudden increase in NOx and combustion noise and engine damage. Therefore, a fuel with low ignitability (low cetane number, that is, high octane number) is effective. Since no fuel that changes the ignitability depending on the engine operating conditions has been found, the operating range in which CAI combustion is possible is limited, and the superiority of the CAI gasoline engine is limited. That is, if fuels with different ignitability can be supplied depending on the operating conditions, CAI combustion is established in a wider operating region, which can greatly contribute to CO 2 reduction.
そこで、低温条件下ではセタン価の高い燃料を供給し、高温条件下ではオクタン価の高い燃料を供給する方法として、下記特許文献１乃至２に開示されているように、着火性の異なる二種類の燃料を自動車に供給し、運転条件によって使用する燃料を変更するシステムが提案されている。しかしながら、該システムを有する自動車を実用化するためには、二種類の燃料を供給する社会インフラの構築が必要であり、かつ消費者は二種類の燃料を適宜給油する必要があり、実用化に向けた大きな障害になっている。
ＳＡガソリンエンジンでの熱効率向上策としては、排気ガスの熱を利用して（廃熱回収）、燃料を改質（オクタン価の向上）し、水素を回収できる装置を自動車に搭載できれば、ＳＡガソリンエンジンの熱効率向上に大きく貢献できると考えられる。 As a measure for improving the thermal efficiency of the SA gasoline engine, if the exhaust gas heat (waste heat recovery), reforming the fuel (improving octane number) and recovering hydrogen can be installed in the vehicle, the SA gasoline engine It is thought that it can greatly contribute to the improvement of thermal efficiency.
また、予混合圧縮着火（ＣＡＩ）燃焼のＣＡＩガソリンエンジンでは、一種類の燃料を自動車に供給し、自動車で（オンサイトで）燃料を改質して着火性を変化させ、運転条件に適合させて改質前後の燃料を適宜供給できれば、社会インフラの構築や消費者の利便性悪化を来たすことなく、ＣＡＩ燃焼領域を大きく拡大でき、ＣＯ2 の削減に寄与できると考えられる。 A CAI gasoline engine with premixed compression ignition (CAI) combustion supplies one type of fuel to the vehicle, and reforms the fuel (on-site) to change the ignitability and adapt it to the operating conditions. If the fuel before and after reforming can be supplied as appropriate, it is considered that the CAI combustion area can be greatly expanded without contributing to the construction of social infrastructure and the deterioration of convenience for consumers, thereby contributing to the reduction of CO 2 .
そこで、本発明は、自動車に設置され排気ガスの熱を有効に利用して作動する反応器によって燃料を改質するとともに水素を生成できるガソリンエンジンを提供することにより、ＳＡガソリンエンジンの性能向上を図るとともに、予混合化圧縮着火（ＣＡＩ）ガソリンエンジンにおいては広範囲の運転条件下でＣＡＩ燃焼を成立させうるようにすることを目的としている。 Therefore, the present invention improves the performance of the SA gasoline engine by providing a gasoline engine capable of reforming fuel and generating hydrogen by a reactor that is installed in an automobile and operates by effectively using the heat of exhaust gas. In addition, an object of the present invention is to enable CAI combustion to be established under a wide range of operating conditions in a premixed compression ignition (CAI) gasoline engine.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究に励んだ結果、火花点火エンジン用燃料、例えばガソリン留分であるナフテン系燃料をベース燃料としてエンジン本体に供給するガソリンエンジンにおいて、エンジン本体からの排気ガスの熱を利用してベース燃料を脱水素反応で改質できる脱水素触媒を充填した反応器を設け、これにベース燃料、例えばナフテンを通過させ、これによってベース燃料よりも高い適切なオクタン価を有する改質燃料、例えば芳香族系燃料をオンサイトで製造し、これをエンジンに供給するエンジンシステムが有効であることを見出し、以下に説明する本発明を完成させるに至った。 As a result of diligent research in order to achieve the above object, the inventors of the present invention have found that in a gasoline engine that supplies a spark ignition engine fuel, for example, a naphthenic fuel that is a gasoline fraction, to the engine body as a base fuel, the engine body A reactor filled with a dehydrogenation catalyst capable of reforming the base fuel by a dehydrogenation reaction using the heat of exhaust gas from the reactor is provided, and a base fuel, for example, naphthene is passed through it, so that the base fuel is appropriately higher It has been found that an engine system for producing a reformed fuel having a good octane number, for example, an aromatic fuel on site and supplying it to an engine is effective, and has completed the present invention described below.
請求項１に記載されたガソリンエンジンは、
供給された燃料に点火するスパークプラグを備えたエンジン本体と、前記エンジン本体から排出される排気ガスの熱と脱水素触媒を用いてベース燃料の一部をベース燃料よりオクタン価の高い改質燃料に改質するとともに水素を生成する反応器とを有し、
前記ベース燃料と前記改質燃料を前記エンジン本体に供給して燃焼させることにより駆動されることを特徴としている。
The gasoline engine according to claim 1 is:
An engine body with a spark plug that ignites the supplied fuel, and heat of exhaust gas discharged from the engine body and a dehydrogenation catalyst to convert a part of the base fuel into a reformed fuel having a higher octane number than the base fuel Having a reactor for reforming and generating hydrogen,
It is driven by supplying the base fuel and the reformed fuel to the engine body and burning them.
請求項２に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記水素を、前記エンジン本体に供給して燃焼させることを特徴としている。
The gasoline engine according to
The hydrogen is supplied to the engine body and burned.
請求項３に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記反応器から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒を備え、前記水素を前記排気ガス浄化触媒に供給して還元させることを特徴としている。
The gasoline engine according to
An exhaust gas purification catalyst for purifying exhaust gas discharged from the reactor is provided, and the hydrogen is supplied to the exhaust gas purification catalyst for reduction.
請求項４に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記改質燃料を、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して前記スパークプラグにより点火して燃焼させることを特徴としている。
The gasoline engine according to
The reformed fuel is supplied to the engine body only during high-load operation and is ignited and burned by the spark plug.
請求項５に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御し、前記スパークプラグにより点火して燃焼させることを特徴としている。
The gasoline engine according to
The base fuel is used in such a manner that the reformed fuel is used in a larger amount under the operation condition of a relatively high load, and the base fuel is used in a greater amount of the operation condition in which the load is relatively low. And the supply of the reformed fuel is controlled and ignited and burned by the spark plug.
請求項６に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記改質燃料を、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して、燃料と空気の混合気を圧縮して自己着火により点火して燃焼させることを特徴としている。
The gasoline engine according to
The reformed fuel is supplied to the engine main body only during high-load operation, and a mixture of fuel and air is compressed and ignited and burned by self-ignition.
請求項７に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御し、燃料と空気の混合気を圧縮して自己着火により点火して燃焼させることを特徴としている。
The gasoline engine according to
The base fuel is used in such a manner that the reformed fuel is used in a larger amount under the operation condition of a relatively high load, and the base fuel is used in a greater amount of the operation condition in which the load is relatively low. And controlling the supply of the reformed fuel, compressing the fuel / air mixture, and igniting and burning by self-ignition.
このように、本発明のガソリンエンジンは、吸熱反応により例えばナフテンを芳香族に転化する脱水素触媒を充填した反応器を具えており、この反応器を排気ガスの熱で作動させるものであるため、排気ガスの熱を有効利用して燃料改質を行ない、水素を生成することができる。従って、特定の蒸留性状（ガソリン留分）を有し、例えばナフテンが豊富な燃料油組成物を、これよりも高いオクタン価を有する改質燃料、例えば芳香族系燃料に改質して火花点火エンジン（ＳＡガソリンエンジン）や予混合圧縮着火エンジン（ＣＡＩガソリンエンジン）に供給することができ、排気ガスとＣＯ2 の効果的な同時削減を達成することが可能となる。 As described above, the gasoline engine of the present invention includes a reactor filled with a dehydrogenation catalyst that converts, for example, naphthene into aromatics by an endothermic reaction, and this reactor is operated by the heat of exhaust gas. The fuel can be reformed by effectively using the heat of the exhaust gas to generate hydrogen. Therefore, a spark ignition engine is produced by reforming a fuel oil composition having a specific distillation property (gasoline fraction) and rich in naphthene, for example, into a reformed fuel having a higher octane number, such as an aromatic fuel. (SA gasoline engine) and a premixed compression ignition engine (CAI gasoline engine), and effective simultaneous reduction of exhaust gas and CO 2 can be achieved.
また、本発明のガソリンエンジンによれば、生成した水素は希薄燃焼条件下でエンジン本体に供給して燃焼させることにより、熱効率をさらに向上させることができる。 Further, according to the gasoline engine of the present invention, the generated hydrogen can be further supplied to the engine body under lean combustion conditions and burned to further improve the thermal efficiency.
また、本発明のガソリンエンジンが、反応器から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒を備えている場合、生成した水素を排気ガス浄化触媒に供給して還元させることができる。 Further, when the gasoline engine of the present invention includes an exhaust gas purification catalyst that purifies the exhaust gas discharged from the reactor, the generated hydrogen can be supplied to the exhaust gas purification catalyst for reduction.
また、本発明のガソリンエンジンが火花点火エンジンシステムであるＳＡエンジンである場合には、低温条件下（反応器が作動しない排気ガス温度条件下）では、オクタン価の低い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給し、高温条件下ではオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）をエンジンに供給することにより、廃熱回収、高オクタン価燃料の供給、水素の活用を行うことができる。 When the gasoline engine of the present invention is an SA engine that is a spark ignition engine system, for example, a naphthenic fuel (base fuel) having a low octane number under low temperature conditions (exhaust gas temperature conditions where the reactor does not operate). Is supplied to the engine and, for example, an aromatic fuel (reformed fuel) having a high octane number under high-temperature conditions is supplied to the engine, waste heat recovery, supply of high octane fuel, and utilization of hydrogen can be performed.
また、本発明のガソリンエンジンが火花点火エンジンシステムであるＳＡエンジンである場合において、相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御して駆動することもできる。 In addition, when the gasoline engine of the present invention is an SA engine that is a spark ignition engine system, under the operating conditions where the load is relatively high, the reformed fuel is used more and the load is relatively low. It is also possible to drive by controlling the supply of the base fuel and the reformed fuel so that the base fuel is used more under the operating conditions.
また、本発明のガソリンエンジンが予混合化圧縮着火エンジンシステムであるＣＡＩ エンジンである場合には、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して駆動することもできる。 Further, when the gasoline engine of the present invention is a CAI engine that is a premixed compression ignition engine system, it can be supplied and driven to the engine body only during high load operation.
また、本発明のガソリンエンジンが予混合化圧縮着火エンジンシステムであるＣＡＩエンジンである場合には、低温条件下ではセタン価の高い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給して低負荷限界を拡大し、高温条件下ではオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）を供給して高負荷限界を拡大すると同時に、廃熱回収と水素の活用を図ることができる。 In addition, when the gasoline engine of the present invention is a CAI engine that is a premixed compression ignition engine system, for example, naphthenic fuel (base fuel) having a high cetane number is supplied to the engine under a low temperature condition and the low load limit is reached. It is possible to expand the high load limit by supplying, for example, an aromatic fuel (reformed fuel) having a high octane number under high temperature conditions, and at the same time, it is possible to recover waste heat and utilize hydrogen.
１．第１実施形態（図１）
以下に、本発明の第１実施形態を図１を参照して詳細に説明する。
本例は、混合気を圧縮してスパークプラグで着火するガソリンエンジンに係り、特に排気ガスの熱と脱水素触媒を用いてベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質して水素を生成する反応器を備えたガソリンエンジンに関するものである。
1. First embodiment (FIG. 1)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
This example relates to a gasoline engine that compresses an air-fuel mixture and ignites with a spark plug, and in particular, a reactor that generates hydrogen by reforming a base fuel into a high octane fuel using heat of exhaust gas and a dehydrogenation catalyst. It is related with the gasoline engine provided with.
ベース燃料は、市販ガソリンエンジンの場合と同様に、例えばガソリンのような火花点火エンジン用燃料を使用する。本例のガソリンエンジンでは、ベース燃料と改質燃料を燃焼させることが主目的であり、水素は副燃料としても使用可能な副生産物として位置づけられるため、ベース燃料及び改質燃料が共にガソリンの性状を有していれば、ベース燃料のナフテン含有量は少なくてもよい。 As the base fuel, a spark ignition engine fuel such as gasoline is used as in the case of a commercially available gasoline engine. In the gasoline engine of this example, the main purpose is to burn base fuel and reformed fuel, and hydrogen is positioned as a by-product that can also be used as a by-fuel. If it has properties, the naphthene content of the base fuel may be small.
ベース燃料は、ＭＰＩ（マルチポートインジェクション）エンジンのように、ベース燃料タンク(1) から、ポンプ(2) に加圧されて噴射弁(3) から吸気管(4) に噴射され、エンジン本体(5) に供給されてスパークプラグ(13)により着火し、燃焼される構成としてもよいし、またＳＩＤＩ（スパークイグニッションダイレクトインジェクション）エンジンのように、噴射弁(3) からエンジン本体(5) に直接噴射供給してスパークプラグ(13)により着火し、燃焼される構成としてもよい。 The base fuel is pressurized from the base fuel tank (1) to the pump (2) and injected from the injection valve (3) to the intake pipe (4) as in an MPI (multi-port injection) engine. 5) and can be ignited and burned by the spark plug (13), or directly from the injection valve (3) to the engine body (5) as in a SIDI (spark ignition direct injection) engine. A configuration may be adopted in which fuel is injected and ignited by the spark plug (13) and burned.
本例のガソリンエンジンは、ベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質して水素を生成する反応器(6) を備えている。反応器(6) の容器内には、吸熱反応である脱水素反応によってベース燃料から水素を引き抜く脱水素触媒が収納されている。この反応器(6) には、ベース燃料タンク(1) からベース燃料を供給するためにポンプ(2) が接続されており、またエンジン本体(5) から排気ガスを排出する排気管が接続されている。これによって、ベース燃料タンクから反応器(6) に供給されたベース燃料は、エンジン本体(5) から排出される排気ガスの熱を有効に利用して脱水素触媒により脱水素反応を起こし、オクタン価の高い改質燃料に改質され、また副産物として水素が生成される。なお、反応器(6) から排出された排気ガスは排気ガス浄化触媒（例えばＮＯX 吸蔵触媒）(10)を経て排出される。 The gasoline engine of this example includes a reactor (6) that generates hydrogen by reforming a base fuel into a fuel having a high octane number. The reactor (6) contains a dehydrogenation catalyst that extracts hydrogen from the base fuel by a dehydrogenation reaction that is an endothermic reaction. The reactor (6) is connected to a pump (2) for supplying base fuel from the base fuel tank (1), and an exhaust pipe for discharging exhaust gas from the engine body (5). ing. As a result, the base fuel supplied from the base fuel tank to the reactor (6) undergoes a dehydrogenation reaction by the dehydrogenation catalyst by effectively using the heat of the exhaust gas discharged from the engine body (5), resulting in an octane number. It is reformed into a high reformed fuel, and hydrogen is produced as a by-product. The exhaust gas discharged from the reactor (6) is discharged through an exhaust gas purifying catalyst (e.g., the NO X storage catalyst) (10).
排気ガスの温度が反応器(6) が作動する温度以上に高まると、ベース燃料は上述のように反応器(6) を経て改質され、得られた改質燃料は、改質燃料系として設けたタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) を経てエンジン本体(5) に供給される。改質燃料の供給は、図１中実線で示すように直噴ガソリンエンジンのごとく直接エンジン本体(5) に噴射してもよいし、図１中破線で示すように吸気管(4) に供給しても良い。 When the exhaust gas temperature rises above the temperature at which the reactor (6) operates, the base fuel is reformed through the reactor (6) as described above, and the resulting reformed fuel is used as a reformed fuel system. It is supplied to the engine body (5) through the tank (7), the pump (8) and the injection valve (9). The reformed fuel may be supplied directly to the engine body (5) as indicated by the solid line in FIG. 1 or to the intake pipe (4) as indicated by the broken line in FIG. You may do it.
改質燃料専用の供給系であるタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) を用いてエンジン本体(5) に必要に応じて改質燃料を供給できる構成をとることにより、オクタン価が高い改質燃料を、高いオクタン価の燃料が必要になる高負荷時のみに特化して供給することが可能となるので、熱効率が改善され、エンジン出力性能が向上する。また、エンジン条件（負荷、速度等）を図示しないセンサ等によって検出し、適当なエンジン条件を境として燃料の種類を切り替え、又はエンジン条件の変化に伴って前記ベース燃料と前記改質燃料の二種類の燃料の供給比率を適宜に変更していくように、図示しない制御手段による燃料供給制御を行うこともできる。 By adopting a configuration that can supply reformed fuel to the engine body (5) as needed using the tank (7), pump (8), and injection valve (9), which are dedicated supply systems for reformed fuel, However, it is possible to supply a reformed fuel that is high only at high loads when high octane fuel is required, so that thermal efficiency is improved and engine output performance is improved. Further, the engine conditions (load, speed, etc.) are detected by a sensor or the like (not shown), and the fuel type is switched with the appropriate engine conditions as a boundary, or when the engine conditions change, the base fuel and the reformed fuel are switched. Fuel supply control by control means (not shown) can be performed so that the supply ratio of the types of fuel is appropriately changed.
ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、精製することなく図１中破線で示すように吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼に利用しても良いし、また同図中実線で示すようにタンク(11)に貯蔵し、噴射系(12)で吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼させてもよい。水素専用のタンク(11)及び噴射系(12)を設けた場合には、水素を希薄燃焼条件下でのみ利用することができ、水素による燃焼効率のさらなる向上が得られる。すなわち、高負荷時にはより多くの空気を供給するために充填効率が高い条件下で燃焼する必要があるため、かかる条件下で水素を供給するとその分だけ空気量が減少して充填効率が低下し、好ましくないが、出力が低い希薄燃焼条件下であれば水素を供給することによって燃焼効率向上の効果が得られるからである。 The hydrogen obtained when reforming the base fuel in the reactor (6) is supplied to the intake pipe (4) as shown by the broken line in FIG. 1 without being purified, and is combusted in the engine body (5). It may be used or stored in the tank (11) as shown by the solid line in the figure, supplied to the intake pipe (4) by the injection system (12), and burned by the engine body (5) . When the tank (11) and the injection system (12) dedicated to hydrogen are provided, hydrogen can be used only under lean combustion conditions, and further improvement in combustion efficiency by hydrogen can be obtained. That is, in order to supply more air at high loads, it is necessary to burn under conditions with high filling efficiency. Therefore, when hydrogen is supplied under such conditions, the amount of air decreases and the filling efficiency decreases accordingly. Although not preferable, it is because the effect of improving the combustion efficiency can be obtained by supplying hydrogen under the lean combustion condition where the output is low.
また、ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、上述のようにエンジン本体(5) に供給して燃焼効率の向上に役立てる他、又はかかる用途と共に、図１中破線で示すように排気ガス浄化触媒(10)に供給して触媒の被毒回復運転時の還元剤として利用することもできる。 In addition, hydrogen obtained by reforming the base fuel in the reactor (6) is supplied to the engine body (5) as described above to help improve combustion efficiency, or together with such applications, As indicated by the broken line in FIG. 1, it can be supplied to the exhaust gas purification catalyst (10) and used as a reducing agent during the poisoning recovery operation of the catalyst.
このように、排気ガス浄化触媒として例えばＮＯX 吸蔵触媒を装着したエンジンでは、触媒の硫黄被毒回復のために、反応器(6) で生成した水素を使用すれば、被毒回復運転に必用な燃料（リッチスパイク）の節約を通じて、燃費の向上に寄与できる。 Thus, in the engine mounted as an exhaust gas purifying catalyst such as the NO X storage catalyst, for catalytic sulfur poisoning recovery, using the hydrogen produced in the reactor (6), necessity to driving poisoning recovery Contributes to improving fuel efficiency through saving of rich fuel (rich spike).
なお、得られた改質燃料は、上述のように改質燃料系からエンジン本体(5) に供給してもよいが、ベース燃料タンク(1) に直接戻してもよい。この場合には、改質燃料系としてのタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) は不要であり、改質燃料はベース燃料とともにポンプ(2) によって加圧して噴射弁(3) から吸気管(4) に噴射され、エンジン本体(5) に供給されて燃焼されてもよいし、また噴射弁(3) からエンジン本体(5) に直接噴射供給して燃焼されてもよい。これらの場合には、高負荷時のみに高いオクタン価の改質燃料を供給することによる熱効率の改善は得られないが、少なくとも排気ガスの熱を回収して水素を燃焼することによる熱効率の向上又は排気ガス浄化触媒の還元の効果は得られる。 The obtained reformed fuel may be supplied from the reformed fuel system to the engine body (5) as described above, but may be returned directly to the base fuel tank (1). In this case, the tank (7), the pump (8), and the injection valve (9) as the reformed fuel system are unnecessary, and the reformed fuel is pressurized together with the base fuel by the pump (2) and injected into the injection valve (3 ) May be injected into the intake pipe (4) and supplied to the engine body (5) for combustion, or may be injected directly from the injection valve (3) to the engine body (5) for combustion. . In these cases, improvement in thermal efficiency cannot be obtained by supplying a reformed fuel having a high octane number only at a high load, but at least improvement in thermal efficiency by recovering heat of exhaust gas and burning hydrogen or The reduction effect of the exhaust gas purification catalyst can be obtained.
なお、ナフテン系燃料から水素を引き抜く脱水素触媒としては、例えば特開２００６−２５７９０６に記載されているように、２５０℃以上に加熱した白金を担持した触媒が利用可能であり、これによってベース燃料から、水素と、脱水素燃料である改質燃料としての芳香族系燃料を得ることができる。反応器(6) 中の脱水素触媒の温度は２５０℃以上、望ましくは３００℃以上が必用であるが、高転化率、すなわち、より多くの芳香族系燃料が必用な運転条件は高負荷条件下であり、その条件下では高い排気ガス温度が得られるので上記脱水素触媒によるベース燃料の脱水素反応は問題なく行なわれる。 As a dehydrogenation catalyst for extracting hydrogen from a naphthenic fuel, for example, a catalyst supporting platinum heated to 250 ° C. or higher can be used as described in JP-A-2006-257906. Therefore, it is possible to obtain hydrogen and an aromatic fuel as a reformed fuel that is a dehydrogenated fuel. The temperature of the dehydrogenation catalyst in the reactor (6) is 250 ° C. or higher, desirably 300 ° C. or higher. However, the high conversion rate, that is, the operating conditions that require more aromatic fuel are high load conditions. Under these conditions, a high exhaust gas temperature can be obtained, so that the dehydrogenation reaction of the base fuel by the dehydrogenation catalyst can be performed without any problem.
なお、ベース燃料としては、セタン価が高く、かつ転化後のオクタン価が高い燃料が好ましく、エチルシクロヘキサン（ＣＮ＝４３、ＯＮ＝４５で転化後のエチルベンゼンではＣＮ＝８、ＯＮ＝１２４）、エチルシクロヘキサンとパラフィン系燃料（例えば、異性化ガソリン基材）の混合物、同左燃料にセタン価向上剤を添加した燃料を用いることができる。上述の燃料は、市販ガソリン（ＲＧでは ＣＮ＝１１、ＯＮ＝９０．５）に比較して、飛躍的にＣＮとＯＮを変化させることができる。 As the base fuel, a fuel having a high cetane number and a high octane number after conversion is preferable. Ethylcyclohexane (CN = 43, ON = 45 and CN = 8, ON = 124 for ethylbenzene after conversion), ethylcyclohexane And a paraffinic fuel (for example, isomerized gasoline base material), and a fuel obtained by adding a cetane number improver to the left fuel can be used. The above-mentioned fuel can drastically change CN and ON as compared with commercially available gasoline (CN = 11, ON = 90.5 in RG).
また、改質に伴う反応の一例を以下に示すが、１モルのシクロヘキサンから１モルのトルエンと３モルの水素が生成し、廃熱回収となっている。
Ｃ7 Ｈ14→Ｃ7 Ｈ8 ＋３Ｈ2 ＋△Ｈ＝２０５ｋＪ／ｍｏｌ
Moreover, although an example of reaction accompanying reforming is shown below, 1 mol of toluene and 3 mol of hydrogen are generated from 1 mol of cyclohexane, and waste heat is recovered.
C 7 H 14 → C 7 H 8 + 3H 2 + ΔH = 205 kJ / mol
以上説明した第１実施形態のガソリンエンジンであるＳＡエンジンによれば、低温条件下（反応器が作動しない排気ガス温度条件下）では、オクタン価の低い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給し、改質によって得られたオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）は高温条件下においてのみエンジンに供給することにより、廃熱回収、高オクタン価燃料の供給、水素の活用（燃焼効率の向上、排気ガス浄化触媒の還元）を行うことができる。 According to the SA engine, which is the gasoline engine of the first embodiment described above, for example, naphthenic fuel (base fuel) having a low octane number is supplied to the engine under low temperature conditions (exhaust gas temperature conditions where the reactor does not operate). However, for example, aromatic fuel (reformed fuel) with high octane number obtained by reforming is supplied to the engine only under high temperature conditions, so that waste heat recovery, high octane number fuel supply, hydrogen utilization (combustion efficiency) Improvement of the exhaust gas purification catalyst).
２．第２実施形態（図２）
以下に、本発明の第２実施形態を図２を参照して詳細に説明する。
本例は、混合気を圧縮して自己着火させるガソリンエンジンに係り、特に排気ガスの熱と脱水素触媒を用いてベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質するとともに水素を生成する反応器を備え、これらオクタン価の異なる２種類の燃料を負荷に応じて適宜に供給制御することで排出ガスの低減と燃費の向上を同時に達成できるＣＡＩガソリンエンジンに関するものである。
2. Second Embodiment (FIG. 2)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
This example relates to a gasoline engine that compresses an air-fuel mixture and self-ignites, and in particular includes a reactor that reforms base fuel into a high-octane fuel and generates hydrogen using the heat of exhaust gas and a dehydrogenation catalyst. The present invention relates to a CAI gasoline engine that can simultaneously achieve reduction in exhaust gas and improvement in fuel consumption by appropriately controlling supply of these two types of fuels having different octane numbers according to the load.
ベース燃料は、市販ガソリンエンジンの場合と同様に、例えばガソリンのような火花点火エンジン用燃料を使用する。本例のガソリンエンジンでは、オクタン価が大きく異なる二種類の燃料を適宜制御して供給・燃焼させる必要があり、ベース燃料としてはナフテンリッチな燃料を用いることが前提となる。 As the base fuel, a spark ignition engine fuel such as gasoline is used as in the case of a commercially available gasoline engine. In the gasoline engine of this example, it is necessary to appropriately control and supply and burn two kinds of fuels having greatly different octane numbers, and it is assumed that a naphthenic rich fuel is used as the base fuel.
低温度条件下では、ベース燃料は、ＭＰＩ（マルチポートインジェクション）エンジンのように、ベース燃料タンク(1) から、ポンプ(2) に加圧されて噴射弁(3) から吸気管(4) に噴射され、エンジン本体(5) に供給されて燃焼される構成としてもよいし、またＳＩＤＩ（スパークイグニッションダイレクトインジェクション）エンジンのように、噴射弁(3) からエンジン本体(5) に直接噴射供給して燃焼される構成としてもよい。 Under low temperature conditions, the base fuel is pressurized from the base fuel tank (1) to the pump (2) and injected from the injection valve (3) to the intake pipe (4), like an MPI (multi-port injection) engine. The engine may be configured to be injected and supplied to the engine body (5) for combustion, or directly injected from the injection valve (3) to the engine body (5) as in a SIDI (Spark Ignition Direct Injection) engine. It is good also as a structure burned by.
本例のガソリンエンジンは、ベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質して水素を生成する反応器(6) を備えている。反応器(6) の容器内には、吸熱反応である脱水素反応によってベース燃料から水素を引き抜く脱水素触媒が収納されている。この反応器(6) には、ベース燃料タンク(1) からベース燃料を供給するためにポンプ(2) が接続されており、またエンジン本体(5) から排気ガスを排出する排気管が接続されている。これによって、ベース燃料タンクから反応器(6) に供給されたベース燃料は、エンジン本体(5) から排出される排気ガスの熱を有効に利用して脱水素触媒により脱水素反応を起こし、オクタン価の高い改質燃料に改質され、また副産物として水素が生成される。なお、反応器(6) から排出された排気ガスは排気ガス浄化触媒（例えばＮＯX 吸蔵触媒）(10)を経て排出される。 The gasoline engine of this example includes a reactor (6) that generates hydrogen by reforming a base fuel into a fuel having a high octane number. The reactor (6) contains a dehydrogenation catalyst that extracts hydrogen from the base fuel by a dehydrogenation reaction that is an endothermic reaction. The reactor (6) is connected to a pump (2) for supplying base fuel from the base fuel tank (1), and an exhaust pipe for discharging exhaust gas from the engine body (5). ing. As a result, the base fuel supplied from the base fuel tank to the reactor (6) undergoes a dehydrogenation reaction by the dehydrogenation catalyst by effectively using the heat of the exhaust gas discharged from the engine body (5), resulting in an octane number. It is reformed into a high reformed fuel, and hydrogen is produced as a by-product. The exhaust gas discharged from the reactor (6) is discharged through an exhaust gas purifying catalyst (e.g., the NO X storage catalyst) (10).
高温度条件下では、排気ガスの温度が反応器(6) が作動する温度以上に高まると、ベース燃料は上述のように反応器(6) を経て改質され、得られた改質燃料は、改質燃料系として設けたタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) を経てエンジン本体(5) に供給される。改質燃料の供給は、図２中実線で示すように直噴ガソリンエンジンのごとく直接エンジン本体(5) に噴射してもよいし、図２中破線で示すように吸気管(4) に供給しても良い。 Under high temperature conditions, when the exhaust gas temperature rises above the temperature at which the reactor (6) operates, the base fuel is reformed through the reactor (6) as described above, and the resulting reformed fuel is Then, it is supplied to the engine body (5) through a tank (7) provided as a reformed fuel system, a pump (8), and an injection valve (9). The reformed fuel may be supplied directly to the engine body (5) as shown by the solid line in FIG. 2, or to the intake pipe (4) as shown by the broken line in FIG. You may do it.
このように、本例のようなＣＡＩガソリンエンジンでは、燃焼の開始（着火）を燃料の自己着火に依存しているので、燃焼室内の温度が低い冷機時や低負荷条件下では、着火性に優れた（セタン価の高い、すなわちオクタン価の低い）燃料が必要であり、一方、燃焼室内の温度が高い高負荷条件下では、着火性の良好な燃料は、燃焼室内で多点同時着火による急激な燃焼（ノッキング）を起こすので、ＮＯX や燃焼騒音の急増やエンジンの損傷を起こす事から、着火性の低い（セタン価の低い、すなわちオクタン価の高い）燃料が必要となる。そこで、低温条件下ではセタン価の高い燃料を供給し、高温条件下ではオクタン価の高い燃料を供給するために、エンジン条件（負荷、速度等）を図示しないセンサ等によって検出し、適当なエンジン条件を境として燃料の種類を切り替え、又はエンジン条件の変化に伴って二種類の燃料の供給比率を適宜に変更していくように、図示しない制御手段による燃料供給制御を行い、より広範囲な運転領域でＣＡＩ燃焼を成立させて、排出ガスの低減と燃費の向上を同時に達成している。 Thus, in the CAI gasoline engine as in this example, since the start of combustion (ignition) depends on the self-ignition of the fuel, it becomes ignitable when the temperature in the combustion chamber is low or the load is low. Excellent fuel (high cetane number, that is, low octane number) is required. On the other hand, under high-load conditions where the temperature in the combustion chamber is high, fuel with good ignitability is abrupt due to the simultaneous ignition of multiple points in the combustion chamber. Since this causes a sudden combustion (knocking), it causes a sudden increase in NO x , combustion noise and engine damage, so a fuel with low ignitability (low cetane number, ie high octane number) is required. Therefore, in order to supply a high cetane fuel under low temperature conditions and a high octane fuel under high temperature conditions, the engine conditions (load, speed, etc.) are detected by a sensor (not shown) and the like. The fuel supply control is performed by a control means (not shown) so that the fuel type is switched at the boundary or the supply ratio of the two types of fuel is changed as the engine conditions change. In this way, CAI combustion is established, and reduction of exhaust gas and improvement of fuel efficiency are achieved at the same time.
ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、精製することなく図１中破線で示すように吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼に利用しても良いし、また同図中実線で示すようにタンク(11)に貯蔵し、噴射系(12)で吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼させてもよい。水素専用のタンク(11)及び噴射系(12)を設けた場合には、水素を希薄燃焼条件下でのみ利用することができ、水素による燃焼効率のさらなる向上が得られる。すなわち、高負荷時にはより多くの空気を供給するために充填効率が高い条件下で燃焼する必要があるため、かかる条件下で水素を供給するとその分だけ空気量が減少して充填効率が低下し、好ましくないが、出力が低い希薄燃焼条件下であれば水素を供給することによって燃焼効率向上の効果が得られるからである。 The hydrogen obtained when reforming the base fuel in the reactor (6) is supplied to the intake pipe (4) as shown by the broken line in FIG. 1 without being purified, and is combusted in the engine body (5). It may be used or stored in the tank (11) as shown by the solid line in the figure, supplied to the intake pipe (4) by the injection system (12), and burned by the engine body (5) . When the tank (11) and the injection system (12) dedicated to hydrogen are provided, hydrogen can be used only under lean combustion conditions, and further improvement in combustion efficiency by hydrogen can be obtained. That is, in order to supply more air at high loads, it is necessary to burn under conditions with high filling efficiency. Therefore, when hydrogen is supplied under such conditions, the amount of air decreases and the filling efficiency decreases accordingly. Although not preferable, it is because the effect of improving the combustion efficiency can be obtained by supplying hydrogen under the lean combustion condition where the output is low.
また、ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、上述のようにエンジン本体(5) に供給して燃焼効率の向上に役立てる他、又はかかる用途と共に、図１中破線で示すように排気ガス浄化触媒(10)に供給して触媒の被毒回復運転時の還元剤として利用することもできる。 In addition, hydrogen obtained by reforming the base fuel in the reactor (6) is supplied to the engine body (5) as described above to help improve combustion efficiency, or together with such applications, As indicated by the broken line in FIG. 1, it can be supplied to the exhaust gas purification catalyst (10) and used as a reducing agent during the poisoning recovery operation of the catalyst.
このように、排気ガス浄化触媒として例えばＮＯX 吸蔵触媒を装着したエンジンでは、触媒の硫黄被毒回復のために、反応器(6) で生成した水素を使用すれば、被毒回復運転に必用な燃料（リッチスパイク）の節約を通じて、燃費の向上に寄与できる。 Thus, in the engine mounted as an exhaust gas purifying catalyst such as the NO X storage catalyst, for catalytic sulfur poisoning recovery, using the hydrogen produced in the reactor (6), necessity to driving poisoning recovery Contributes to improving fuel efficiency through saving of rich fuel (rich spike).
なお、ナフテン系燃料から水素を引き抜く脱水素触媒や、ベース燃料の具体例、改質に伴う反応の一例は第１実施形態で説明したものと同様であるのでその記述を援用するものとする。 Note that the dehydrogenation catalyst for extracting hydrogen from the naphthenic fuel, a specific example of the base fuel, and an example of the reaction accompanying the reforming are the same as those described in the first embodiment, so the description thereof is incorporated.
以上説明した第２実施形態のガソリンエンジンであるＣＡＩエンジンによれば、低温条件下ではセタン価の高い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給して低負荷限界を拡大し、高温条件下ではオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）を供給して高負荷限界を拡大すると同時に、廃熱回収と水素の活用（燃焼効率の向上、排気ガス浄化触媒の還元）を図ることができる。 According to the CAI engine which is the gasoline engine of the second embodiment described above, the low load limit is increased by supplying, for example, a naphthenic fuel (base fuel) having a high cetane number to the engine under low temperature conditions. In order to expand the high load limit by supplying aromatic fuel (reformed fuel) with high octane number, waste heat recovery and hydrogen utilization (improving combustion efficiency, reducing exhaust gas purification catalyst) can be achieved. it can.
このように、本発明のガソリンエンジンは、吸熱反応により例えばナフテンを芳香族に転化する脱水素触媒を充填した反応器を具えており、この反応器を排気ガスの熱で作動させるものであるため、排気ガスの熱を有効利用して燃料改質を行ない、水素を生成することができる。従って、特定の蒸留性状（ガソリン留分）を有し、例えばナフテンが豊富な燃料油組成物を、これよりも高いオクタン価を有する改質燃料、例えば芳香族系燃料に改質して火花点火エンジン（ＳＡガソリンエンジン）や予混合圧縮着火エンジン（ＣＡＩガソリンエンジン）に供給することができ、排気ガスとＣＯ2 の効果的な同時削減を達成することができる。 As described above, the gasoline engine of the present invention includes a reactor filled with a dehydrogenation catalyst that converts, for example, naphthene into aromatics by an endothermic reaction, and this reactor is operated by the heat of exhaust gas. The fuel can be reformed by effectively using the heat of the exhaust gas to generate hydrogen. Therefore, a spark ignition engine is produced by reforming a fuel oil composition having a specific distillation property (gasoline fraction) and rich in naphthene, for example, into a reformed fuel having a higher octane number, such as an aromatic fuel. (SA gasoline engine) and a premixed compression ignition engine (CAI gasoline engine), and effective simultaneous reduction of exhaust gas and CO 2 can be achieved.
(1) …ベース燃料タンク
(2) …ポンプ
(3) …噴射弁
(4) …吸気管
(5) …エンジン本体
(6) …反応器
(7) …改質燃料系のタンク
(8) …改質燃料系のポンプ
(9) …改質燃料系の噴射弁
(10)…排気ガス浄化触媒
(11)…水素貯蔵用のタンク
(12)…水素供給用の噴射系
(13)…スパークプラグ
(1)… Base fuel tank
(2)… Pump
(3)… Injection valve
(4)… Intake pipe
(5)… Engine body
(6)… Reactor
(7)… reformed fuel tank
(8)… reformed fuel pump
(9) ... reformed fuel injection valve
(10)… Exhaust gas purification catalyst
(11)… Hydrogen storage tank
(12)… Hydrogen supply injection system
(13)… Spark plug
Claims (7)
前記ベース燃料と前記改質燃料を前記エンジン本体に供給して燃焼させることにより駆動されることを特徴とするガソリンエンジン。 An engine body with a spark plug that ignites the supplied fuel, and heat of exhaust gas discharged from the engine body and a dehydrogenation catalyst to convert a part of the base fuel into a reformed fuel having a higher octane number than the base fuel Having a reactor for reforming and generating hydrogen,
A gasoline engine driven by supplying the base fuel and the reformed fuel to the engine body and burning them.
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