JP2013524065A - 圧縮着火エンジンをアルコール含有燃料で運転する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

アルコール含有主要燃料の車両搭載状態での転化によって得られるエーテル含有燃料で圧縮着火エンジンを運転する方法、及び該方法における使用のためのシステム。

Description

本発明は、圧縮着火エンジンを運転する方法に関し、より詳細には、搭載した状態で製造されたエーテル含有燃料でそれらエンジンを運転することに関する。

本発明は更に、上記の本発明の方法を遂行するのに有用なシステムを提供する。

圧縮着火エンジンの最も典型的な例は、高セタン価のディーゼル燃料で運転されるディーゼルエンジンである。ディーゼル燃料の燃焼から生じる環境汚染を低減すべく、ディーゼル燃料を、環境に対する影響が低減された代替燃料と置き換えるといういくつかの試みが過去になされてきた。

エーテル、特に、低級アルコールの脱水によって製造された、ジメチルエーテル及びジエチルエーテルのようなエーテルは、環境に対する影響の見地から優れたディーゼル燃料であることが示されている。

ディーゼル燃料としての低級エーテル類を使用することは、多数の刊行物、例えば、米国特許第４，８９２，５６１号明細書（特許文献１）、同第５，９０６，６６４号明細書（特許文献２）及び同第７，４４９，０３４号明細書（特許文献３）に記載されている。

ディーゼルエンジンにおけるその清浄な燃焼特性及び高い効率にも拘わらず、エーテルベース燃料の主たる欠点は、困難な貯蔵及び車両に搭載した状態での困難な取り扱いである。周囲の条件において、ジメチルエーテルは気体の形態にある。ジメチルエーテルを、そのより都合の良い液体形態に転換するために、燃料を加圧下で貯蔵して取り扱わなければならない。

エタノールは、圧縮着火エンジンに適用される場合には欠陥のある燃料であることが文献から知られている。しかしながら、エタノール／ジエチルエーテル（ＤＥＥ）混合物は、この制限を克服し、そして効率的で及び非常に清浄なディーゼルエンジン運転への道を開くことが報告された。しかしながら、取り扱うべき実際上の問題がある。ＤＥＥには、現在利用できる流通機構がなく、また、加圧燃料タンクの使用を含む比較的厳格な安全制限がある。エタノール又はエタノール含有の燃料の使用を、車両に搭載した状態での転化と一緒にすることが提唱されている。

慣習的には、ＤＥＥの製造は、適切な触媒によるエタノールの脱水により、適度な圧力（２０バール）で行われる。そのような搭載式（ｏｎ−ｂｏａｒｄ）システムを含むということは、エタノール含有燃料を蒸発させること、その転化を行うこと、その生成物を凝縮すること、及びエンジン中への噴射前にその混合物を更に圧縮（６００〜２，４００バールまで）することを意味している。その不安定な運転はまた、現存の設備を複雑にし、そして製造費用も追加されて、車両に余分な重量も追加されることになる。

最新式のディーゼルエンジンには、コモンレール式（ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌ）燃料システムが設けられている。そのシステムは、従来、高圧ポンプ及び燃料を約８０バール、そして度々それよりも高い高圧で燃料を貯蔵する燃料蓄積室を含む。その蓄積室は、複数の燃料噴射装置で高圧の燃料を供給する。残りの燃料は、該室から抜き出され、減圧され、そして燃料タンクへ再循環される。

米国特許第４，８９２，５６１号明細書 米国特許第５，９０６，６６４号明細書 米国特許第７，４４９，０３４号明細書

本発明は、車両に搭載した状態でアルコール／エーテル／水含有燃料混合物を製造し、貯蔵しそして噴射するのを可能にする、小型の、触媒活性コモンレール式システムに焦点を当てている。本発明はまた、順応性があり、そして他の燃料、例えば、触媒的な事前転化が適当でない、アルコール不含のディーゼル燃料で使用できる。

それ故、本発明の一般的な特徴は、アルコール脱水触媒をエンジンのコモンレールの蓄積室中に組み入れること、及び高圧で運転することである。

その最も広い実施形態において、本発明は、アルコール含有主要燃料を車両に搭載した状態で転化することによって得られるエーテル含有燃料で圧縮着火エンジンを運転する方法であって、次の連続工程、
（ａ） 該アルコール含有主要燃料を燃料タンクから抜き出し、そして該主要燃料をその液体形態で最終的なエンジン噴射圧までに加圧する工程；
（ｂ） 該加圧された主要燃料を燃料蓄積室中に導入する工程；
（ｃ） 該加圧された主要燃料を、該蓄積室を該エンジンの燃料噴射装置に連結する管中へ分配する工程；
（ｄ） 該燃料噴射装置の前に、該加圧された主要燃料の少なくとも一部を、該蓄積室内に配置されたアルコール脱水触媒と接触させることによってエーテル含有燃料へ転化する工程；
（ｅ） 該エーテル含有燃料を該エンジン中へ噴射する工程；
（ｆ） 任意に、該蓄積室から該燃料タンクへ、該アルコール含有主要燃料の一部を再循環させる工程、
を含む、該方法である。

本発明は、更に、エタノール含有燃料で圧縮着火エンジンを運転するのに使用されるシステムであって、
圧縮着火エンジン；
主要アルコール含有燃料を貯蔵するように適合された燃料タンク；
該主要燃料を加圧するための高圧ポンプ；
該加圧された主要燃料を収容するように適合された燃料蓄積室；
該蓄積室を、該圧縮エンジン中へ燃料噴射するための燃料噴射装置に連結するための連結管；及び
該燃料蓄積室の内側に配置されるアルコール脱水触媒、
を含む、上記のシステムを提供する。

本発明による上記のシステムは、上記の蓄積室のアウトレット端、及び燃料タンクのインレット端に連結される燃料再循環管、及び該蓄積室のアウトレット端と該燃料タンクのインレット端との間の圧力制御弁を更に含む。

アルコール脱水触媒は、燃料蓄積室内に搭載された反応器中に好ましくは固定床方式で配置され、それによって、加圧された主要燃料が該蓄積室のインレットから、該触媒床を通過し、そして転化後、エーテル含有燃料はエンジン中へ噴射される。

好ましくは、反応器は、アルコール含有の主要燃料が、反応器の中心から触媒床をラジアル方向（径方向）に通って、該反応器と蓄積室の内壁との間の環状の空間に向かう、ラジアルフロー型リアクターである。

そのような実施形態では、アルコール脱水触媒は、反応器の中心に面した、触媒的に不活性の多孔質層上に担持されてもよい。

その多孔質層は、好ましくはセラミック及び金属材料、典型的にはセラミック又は金属フォームから選択される。

本発明による方法及びシステムの主たる利点は、形成されたエーテル燃料の全てが、エンジン内での燃焼に即座に使用されるため、残ったエーテル含有燃料の貯蔵が回避される点である。

本発明によって、主要燃料の転化は液相で行われるため、主要燃料の蒸発及びエーテル含有燃料の凝縮の必要性がない。

コモンレールの蓄積室により、転化された燃料混合物の緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）が確実なものとなり、それにより高速の、かつ準一定のマスフロー噴射を可能にする。

エーテル含有燃料の形成は、次の反応による、アルコールの、その対応するエーテルへの触媒的脱水によって達成される。

２Ｃ_ｎＨ_{（２ｎ＋１）}ＯＨ ⇔ Ｃ_ｎＨ_{（２ｎ＋１）}−Ｏ−Ｃ_ｎＨ_{（２ｎ＋１）} ＋ Ｈ_２Ｏ

アルコールのエーテルへの脱水は、一般に、硫酸、アルミナ、シリカアルミナ、ゼオライト、スルホン酸、タングステン酸ジルコニア、及びリン酸アルミナのような液体酸又は固体酸による触媒作用である。

アルコールの脱水は平衡反応である。そのため、平衡の限界により、アルコールのエーテル及び水への１００％の転化が阻止される。

例えば、９５重量％のエタノール及び５重量％の水からなる主要エタノール燃料の反応温度において、１５０〜３５０℃の間の脱水温度で液相において平衡している組成は、典型的には、９〜２１重量％のエタノール、１９〜２２重量％のＨ_２Ｏ、及び５９〜７１重量％のジエチルエーテルである。

圧縮着火エンジンで使用するために有用な着火特性及び燃焼特性を有するエーテル燃料は、例えば、ジエチルエーテル／エタノール／水の混合物、及び２０％までのメタノール含有量及び２０％までの含水量を有するジメチルエーテル／メタノール／水の混合物である。

米国特許第７，４４９，０３４号明細書（特許文献３には、ジメチルエーテル、メタノール及び４８％までの水を含有するディーゼル燃料が、圧縮着火エンジンにおける効率的な燃料であることが示されている。

メタノール及びエタノールの他に、高級アルコール類の混合物もまた、本発明における使用に適した主要燃料である。

好ましいアルコール混合物は、メタノール及びエタノールの混合物である。

その他の好適なアルコール含有の主要燃料は、バイオディーゼル及びアルコール類、例えば、クロヨナ油（Ｐｏｎｇａｍｉａ ｏｉｌ）及びエタノール（６０〜４０体積％）のような、炭化水素類と、一種又は複数種のアルコール類との混合物であり、それらは、〜１５〜２０体積％のＤＥＥを含有するバイオディーゼル／ＤＥＥ／水の混合物に触媒的に転化されることになる。

本発明における使用に更に適した主要燃料は、ガソリン及びアルコールの混合物、例えば、スウェーデン国のガソリンスタンドで入手可能な８５％エタノール含有のガソリンである。

エーテルディーゼル燃料組成物の上記の範囲内において、本発明の方法の運転条件は、典型的には、１２０℃〜３５０℃の噴射温度、及び８０〜２，４００バールの噴射圧力に調節されるであろう。それにより、アルコールの、エーテル、水及びアルコールの混合物への転化は、脱水触媒の存在下での適当な反応速度における液相中、断熱的に進行する。

アルコール含有主要燃料の温度を脱水反応温度に上昇させるため、燃料は、好ましくは周囲温度から加熱される。これは、好ましくは、加圧された燃料を、蓄積室内の触媒中に導入する前に、熱交換器に通過させて、エンジンからの高温の排ガスと間接的に熱交換させることによって行われる。

エンジンの始動の間、排ガスは、アルコール含有主要燃料を加熱するのに必要な温度を供給するには不十分な温度であり得る。それらの条件では、上述の運転方法において、加圧された燃料を、例えば、蓄積室に搭載された電気加熱器又はエンジン加熱器で加熱する更なる工程を追加的に含むのが好ましい。

脱水触媒は、典型的には、蓄積室の内側の固定床として配置される。

図面の図1に示すように、転化のために、触媒は、蓄積室全体を満たすことができるか、又は触媒床中での滞留時間を制御するために逆方向に液体を流すよう配置することができる。

上述したように、触媒は、図面の図２に示すように、蓄積室内で中央に配置されたラジアルフロー型リアクター中に好ましく配置される。

ラジアルフロー型リアクターを用いる場合、主要燃料はそのリアクターのインレットから蓄積室中へ導入される。該リアクターの運転の間、蓄積室のアウトレットは制限されるか、又は閉じられており、そして主要燃料はそのリアクターの中心から主として径方向で、触媒を通って蓄積室の内壁に向かって流される。

典型的には、燃料噴射装置への改善された分配及び該触媒床を通過する際に形成されるエーテル含有燃料の改善された貯蔵のために、触媒床と蓄積室内壁との間に同心空間が配置される。

触媒中の径方向の流れにより、低い圧力低下及び長い滞留時間が確保される。

触媒が不活性多孔質材料の層又は床上に担持されている場合、主要燃料が触媒と接触するようになるのが阻止される。これは、主要燃料の転化が望ましくない場合、又は主要燃料の一部だけを転化しなければならない場合に有利である。主要燃料の非転化部分は、燃料タンクへ再循環される。

好ましい不活性材料は電気伝導性を有し、そして同時に、電源に接続された場合、例えば、エンジンの始動の間にその主要燃料が触媒を通過する前に、該燃料を加熱するための電気加熱器としての機能を有するものであってよい。

触媒を通過するアルコール含有主要燃料の量は、ラジアルフロー型リアクターによる本発明の実施形態では、蓄積室と燃料タンク又は高圧ポンプとを連結するアウトレットライン中の圧力制御弁によって制御される。

アルコール含有燃料が入手できず、そしてエンジンを、例えば従来のディーゼル燃料で運転しなければならない時に、システムを利用できるようにするためには、ラジアル型リアクターに、少なくともそのリアクターの一部を取り囲み、かつ、該リアクターのアウトレットと、蓄積室のアウトレットとを連結する可動式の不浸透性シートを設ける。制御弁が閉じた位置にある際、主要燃料、例えばディーゼルは、その不浸透性の可動式シートが、リアクターのアウトレットから、リアクターの外壁と蓄積室内壁との間の空間中へ燃料を流す位置に至ったとき、触媒的不活性材料に沿ってリアクターを通過し、そして軸方向においてリアクターを通る。

本発明の上述の特徴及び局面を、図面を参照しながら以下により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による、軸方向フローの触媒床に配置されたアルコール脱水触媒が設けられたコモンレール燃料噴射ユニットを備えたシステムの概略的断面図である。 図２は、本発明の更なる実施形態による、コモンレールの蓄積室内のラジアルフロー型触媒床を備えたシステムの概略的断面図である。 図３は、従来のディーゼル燃料で運転されるときの図２のシステムを示す図である。

図１を参照すると、本発明の特定の実施形態で使用するためのコモンレール燃料噴射システムを備えた圧縮着火エンジンは、高圧ポンプ（図示せず）に連結されたエタノール主要燃料タンク（図示せず）を含む。エタノール含有燃料は、そのポンプにより最終的な噴射圧に加圧され、そしてコモンレールシステムの蓄積室へ送られる。蓄積室には、蓄積室内で中央に配置され、そして該室の内壁から離間された反応器内に触媒床が設けられている。

通常のエンジン負荷サイクルの間、任意に予熱された、加圧されたアルコール含有主要燃料は連続的に蓄熱室に送られ、そしてアルコール脱水触媒床を保持し、かつ該蓄熱室内で同心的に配置された反応器中へ分配される。

その脱水触媒と接触することにより、該アルコール含有主要燃料は、上述のエーテル、アルコール及び水の燃料混合物に転化される。

そのように形成されたエーテル含有燃料は、蓄積室の内壁と反応器との間の空間から、エンジンの燃料噴射装置へ導入される。

図２は、蓄熱室内に設けられたラジアルフロー型リアクターを用いる本発明の実施形態を示している。

該リアクターは、蓄熱室の壁内に同心的に配置されている。

アルコール含有主要燃料は、高圧ポンプ（図示せず）により加圧され、そしてリアクターの中央部中へ供給される。リアクターのアウトレット部分では、転化されていない主要燃料のための蓄熱室のアウトレットへの、そして、その転化されていない主要燃料を、燃料タンク（図示せず）又は高圧ポンプへ再循環させるための再循環管への経路をもたらす不浸透性の可動式シートがリアクターシェルに設けられている。その再循環管には、圧力制御弁が設けられている。

図に示すように、リアクター中へ導入される、例えばエタノール含有主要燃料混合物は、ラジアル（放射、径）方向でリアクターを通り、そしてそのリアクターの中央部分を取り囲んでいる不活性層又は触媒床を最初に通過させられる。不活性層又は触媒床を通過することにより、主要燃料は、触媒床又は不活性層上に担持された層を径（放射）式に通過して、リアクターと蓄積室の内壁との間の周囲空間へ送られる。アルコール脱水触媒を有する触媒床への経路により、主要燃料はエーテル含有燃料、例えば、エタノール、ＤＥＥ及び水の混合物へ転化される。エーテル含有燃料は、引き続き、その環状の空間からエンジンの燃料噴射装置（図示せず）へと送られる。

転化される主要燃料の量は、この実施形態において、制御弁及び触媒床の体積の調整によって制御される。閉じた弁の位置において、主要燃料の全部の量は、触媒を径方向に通過することによって転化される。開いた弁の位置では、主要燃料の全部の量は、軸フロー方向でリアクターを通過して蓄積室のアウトレットへ向かい、そして燃料タンク又は高圧ポンプへ再循環される。

不活性層は、リアクターの中央部分を通って蓄積室のアウトレットへ流れる主要燃料部分の接触及び転化を防止するよう機能する。

示されている本発明の実施形態において、ラジアルフロー型リアクターのアウトレット部分には、リアクターのアウトレットと、蓄積室のアウトレットとを連結する不浸透性の円柱状シートが設けられている。

例えば、転化する必要のない従来の非アルコール含有ディーゼル燃料が上記のシステム中へ導入される場合、該燃料は燃料としてエンジンで直接使用され、不浸透性環状シートは蓄積室のアウトレットから撤収され、そしてその後、図３に示すように、リアクターのアウトレットから燃料噴射装置へのその環状空間を介した燃料の通過が可能となる。

上記の説明及び図面は、単に概略的なものであって、コモンレール噴射システムにおける尺度、部及び手段は、別途示さない限り従来のものであり、それらは当業者には自明であるため、図には示されていない。

Claims (16)

1. アルコール含有主要燃料を車両に搭載した状態で転化することによって得られる、エーテル含有の燃料で圧縮着火エンジンを運転する方法であって、次の連続工程、
   （ａ） 該アルコール含有主要燃料を燃料タンクから抜き出し、そして該主要燃料をその液体形態で最終的なエンジン噴射圧までに加圧する工程；
   （ｂ） 該加圧された主要燃料を燃料蓄積室中に導入する工程；
   （ｃ） 該加圧された主要燃料を、該蓄積室を該エンジンの燃料噴射装置に連結する管中へ分配する工程；
   （ｄ） 該燃料噴射装置の前に、該加圧された主要燃料の少なくとも一部を、該蓄積室内に配置されたアルコール脱水触媒と接触させることによってエーテル含有燃料へ転化させる工程；
   （ｅ） 該エーテル含有燃料を該エンジン中へ噴射する工程；
   （ｆ） 任意に、該蓄積室から該燃料タンクへ、該アルコール含有主要燃料の一部を再循環させる工程、
   を含む、上記の方法。
2. 前記脱水触媒が、前記燃料蓄積室内で固定床として配置され、そして前記加圧された主要燃料が、該蓄積室のインレットから該触媒床を通過し、そして前記エーテル含有燃料への転化後に前記エンジン中へ噴射される、請求項１に記載の方法。
3. 前記加圧された主要燃料が、ラジアルフロー型リアクター及び前記アルコール脱水触媒を通って、該リアクターの中心から、該リアクターと、該蓄積室の内壁との間の環状空間に向かい径方向に通過する、請求項１に記載の方法。
4. 前記アルコール脱水触媒が、前記ラジアルフロー型リアクターの中心に面する、多孔質の触媒不活性層上に担持される、請求項３に記載の方法。
5. 前記不活性層が、セラミック及び金属材料から選択される多孔質材料からなる、請求項４に記載の方法。
6. 前記エンジンからの高温の排ガスとの間接的な熱交換によって前記アルコール含有の主要燃料を予熱する更なる工程を含む、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 前記蓄積室内で前記加圧された燃料を加熱する更なる工程を含む、請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
8. 前記アルコール含有の主要燃料が、異なるアルコール類の混合物を含む、請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
9. 前記アルコール含有の主要燃料が、メタノール及び／又はエタノールを含む、請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
10. 前記アルコール含有の主要燃料が、炭化水素類と一種又は複数種のアルコール類との混合物を含む、請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
11. エタノール含有燃料で圧縮着火エンジンを運転するのに使用されるシステムであって、
    圧縮着火エンジン；
    主要アルコール含有燃料を貯蔵するように適合された燃料タンク；
    該主要燃料を加圧するための高圧ポンプ；
    該加圧された主要燃料を収容するように適合された燃料蓄積室；
    該蓄積室を、該圧縮エンジン中へ燃料噴射するための燃料噴射装置に連結するための連結管；及び
    該燃料蓄積室の内側に配置されるアルコール脱水触媒、
    を含む、上記のシステム。
12. 前記蓄積室のアウトレット端部及び前記燃料タンクのインレット端部に連結された燃料再循環管、及び前記蓄積室のアウトレット端部と前記燃料タンクのインレット端部との間の圧力制御弁を更に含む、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記アルコール脱水触媒が、リアクター中の固定床として配置される、請求項１１又は１２に記載のシステム。
14. 前記リアクターがラジアルフロー型リアクターである、請求項１１〜１３のいずれか一つに記載のシステム。
15. 不活性材料の層が、前記ラジアルフロー型リアクター内に、該リアクターの中心に面して配置され、そして前記触媒が該層上に担持される、請求項１４に記載のシステム。
16. 不浸透性の可動シートが、前記リアクターのアウトレットを取り囲み、そして前記リアクターのアウトレットと前記蓄積室のアウトレットとを連結する、請求項１４又は１５に記載のシステム。
    

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