JP2013524066A - アルコール含有の主要燃料で圧縮着火エンジンを運転するための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

アルコール含有の主要燃料を車両上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、及び該方法での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、特に、車両に搭載した状態（ｏｎ ｂｏａｒｄ）で製造されたエーテル含有燃料でそれらのエンジンを運転することに関する。

本発明はさらに、上記の本発明の方法を実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いる。

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きた。

ディーゼル燃料としての低級エーテル類の使用は、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、車両に搭載した状態における困難な貯蔵及び取り扱いである。周囲の条件で、ジメチルエーテルは気体の形態にある。ジメチルエーテル燃料を、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、そ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）混合物が、この制限を克服し、そして効率が良く、かつ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。

ＤＥＥの製造は、適当な触媒によるエタノールの脱水によって行うことができる。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、及びさらにはエンジン中への噴射前にその混合物を圧縮（６００〜２，４００バールまで）することを意味している。更に、供給原料は、転化を開始する前に予熱しなければならない。その予熱は、高温の排ガスとの熱交換によるか又は電気加熱器によって行われる。それ故、２００℃周辺における、そのシステム効率に対する悪影響を伴う触媒的転化を可能にするためにいくつかの余分な加熱システムが必要となる。

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

必要な設備の複雑さには不安定な運転もまた加わり、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。

本発明者等は、主要なアルコール燃料をエーテル含有エンジン燃料へ転化するための公知の方法及びシステムを、アルコールのエーテルへの転化を自熱式、好ましくは液相で行うことで改善できることを見出した。

それ故、本発明の一般的な実施形態は、アルコール含有の主要燃料の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り、該方法は、次の工程、
（ａ） 燃料タンクから該アルコール含有の主要燃料を抜き出し、そして該主要燃料を加圧して最終的なエンジン噴射圧にする工程；
（ｂ） 該加圧された主要燃料を触媒的脱水反応器中へ導入する工程；
（ｃ） 該反応器において、該加圧された主要燃料をアルコール脱水触媒に接触させることによって触媒的に脱水してエーテル含有燃料にする工程；及び
（ｄ） 該エーテル含有燃料を該反応器から抜き出し、そして該エーテル含有燃料を該エンジン中へ噴射する工程、
を含み、
その際、該加圧された主要燃料が、該触媒的脱水の前に、該反応器内で該エーテル含有燃料との間接熱交換によって反応温度に加熱され、そしてそれにより、該反応器から引き出す前に該エーテル燃料を冷却する。

本発明による方法の更なる実施形態は、請求項２〜９及び以下の記載で説明される。

本発明は、更に、エーテル含有燃料で圧縮着火エンジンを運転する場合に使用するためのシステムであって、
圧縮着火エンジン；
主要な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；
該主要な燃料を加圧するための高圧ポンプ；
該加圧された主要な燃料を収容するように適合され、そして共通の圧力シェル内に、該加圧された主要な燃料を間接的に加熱し、そしてエーテル含有燃料を冷却するように適合された熱交換器、及び下流で、該加熱された加圧された主要な燃料を該エーテル含有燃料に転化するためのアルコール脱水触媒を有する触媒床を含む、少なくとも一つの脱水反応器；及び
該脱水反応器のアウトレットを、該エーテル含有燃料を該エンジン中へ噴射するための、一つ又はより多くの燃料噴射装置と連結させる、少なくとも一つの連結管、
を含む、該システムを提供する。

本発明によるシステムの更なる実施形態は、請求項１０〜１６及び以下の記載で説明される。

本発明の方法の運転条件は、典型的には、１５０℃〜３５０℃の触媒入口温度及び８０〜２，４００バールの噴射圧力に調節されることになる。それにより、エーテル、水及びアルコールの混合物へのアルコールの転化は、脱水触媒の存在下での適当な反応速度における液相中で、断熱的に進行する。

本発明によれば、必要な熱は、主要なアルコール含有燃料の、エーテル含有燃料への、発熱的脱水反応から回収される。主要なアルコール含有燃料は、脱水触媒中への入口温度で該燃料を液相に維持し、そして形成されたエーテル含有燃料の必要なエンジン噴射圧力を提供するために、高圧ポンプ中で噴射圧に加圧される。

標準的な熱交換器（すなわち、適正な軽量の装置）は、燃料ループにおける高圧に耐えることができない。しかしながら、触媒的脱水反応器の内部に熱交換器を組み入れることにより、この制限は克服される。主要な燃料と触媒からの流出物、すなわち、エーテル含有燃料との差圧は、せいぜい数バールであり、これは、例えば、本発明の使用において好ましい熱交換器である、軽量で、小型で、かつ効率的な平板熱交換器の標準的範囲内にある。

本発明による方法及びシステムの利点は、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、そして余剰なエーテル含有燃料の貯蔵が回避されるという点である。

本発明による方法及びシステムの更なる利点は、主要な燃料のエーテル含有燃料への転化が液相で実行でき、そしてその場合、主要な燃料の蒸発及びエーテル含有燃料生成物の凝縮の必要がないという点である。熱回復は自熱運転を可能にする。始動時を除いて、主要な燃料を予熱する追加の必要がない。

エンジンの始動の間、脱水されたアルコール含有の主要燃料に含まれる熱は、アルコール含有の主要燃料を予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る。

これらの条件において、上述の、加圧された燃料を追加的に加熱する上記の運転方法において更なる工程、例えば、反応器内部に設置された電気加熱器、又は、反応器インレットの上流のエンジン加熱器による更なる工程を含むことが好ましい。

そのため、本発明の実施形態において、加圧された液体の主要燃料は、脱水触媒中への導入前に、始動加熱器を通過させることにより周期的に予熱される。

エーテル含有燃料の形成は、次の反応に従い、アルコールを触媒的脱水によってその対応するエーテルにすることにより達成される。

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

本発明における使用に適した脱水触媒は、アルミナ、シリカアルミナ、ゼオライト、タングステン酸塩酸化物、硫酸塩酸化物、リン酸アルミナのような固体酸、スルホン化ポリスチレン、スルホン化フルオロカーボンポリマー、スルホン酸官能化酸化物材料（アルミナ、ＳＢＡ−１５、シリカ）のようなスルホン酸の官能基を含む材料、及びそれらの混合物の全てを含む。

アルコール脱水触媒は、反応器中に固定床の方式で好ましく配置され、それにより、加圧された主要燃料は、反応器のインレットから熱交換器及び後続の触媒床を通過する。

本発明の一実施形態において、触媒の固定床は、反応器の外壁と、該触媒床内において中央に配置された同心の空間との間に配置される。

更なる実施形態において、触媒床は、反応器の内壁と同心的に、そしてその反応器の内壁から離間して配置される。

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％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％の水を含有する主要な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成分は、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。

圧縮着火エンジンにおける使用のための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）では、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。

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。

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場合に、該システムを使用するのを可能にするために、高圧ポンプ又はコモンレールからの供給管と、燃料噴射管とを連結させるバイパス管中にバイパス弁を設置することによって、反応器を迂回させることができる。制御弁の開位置において、主要燃料、例えばディーゼルはバイパス管を通ってエンジンへ直接行くことができる。

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でより詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態による方法及びシステムにおける使用のための反応器の断面を示す概略図である。

触媒的脱水反応器システムは、車両上で利用可能な自由体積に依存して、全てのシリンダーに共通する単一の反応器、又はシリンダー毎に一つの反応器の集合からなることができる。

コモンレール（図示せず）は、高圧ポンプ及び触媒的脱水反応器の間に配置することができる。

反応器を運転する際、低温のアルコールを含有する主要燃料を、１００〜２，０００バール、好ましくは２００〜４００バールの圧力で、高圧ポンプ（図示せず）から反応器へ送る。これらの圧力において、アルコール含有の主要燃料及び形成されたエーテル含有燃料の両方は、液体又は超臨界である。アルコール含有の主要燃料は反応器中へ導入され、そしてその反応器の圧力シェル内に配置された熱交換器を通過する。低温のアルコール含有の主要燃料は、その反応器のインレット部分の熱交換器内において、後続の触媒床からのエーテル含有燃料との間接的な熱交換によって、脱水反応温度に加熱される。例えば、５０バールでの運転により、アルコール含有燃料は、２０℃で熱交換器に進入して２２０℃まで加熱されることができる。

熱交換器後のアルコール含有の主要燃料の温度が低すぎる場合、その熱交換器の下流で該反応器の軸周囲の軸方向空間内に配置された電気加熱器により、その流体を適当な温度に予熱する。予熱されたアルコール含有の主要燃料は、その軸方向空間を、触媒床のインレットに向かって通過する。示されている実施形態において、触媒床は、反応器の外壁と、軸方向空間との間に配置されている。

脱水触媒を含む触媒床を通る経路により、主要燃料中のアルコールは部分的に脱水されてエーテル及び水になる。転化率は、触媒床中に入るアルコール含有の主要燃料の入口温度によって制御される。脱水反応は発熱的である。主要燃料が９５％のエタノール及び５％の水を含み、２２０℃で触媒床に入るものと想定した場合、脱水生成物は、２４０℃周辺で、エタノールからのジエチルエーテル及び水への８０％の転化率で触媒床を出る。

結果として得られる触媒床からの流出物は、熱交換器を通過し、新たに入ってくるアルコール含有の主要燃料と間接的に熱交換される、高温のエーテル含有燃料を含む。エーテル含有燃料は、それによって冷却される一方で、低温のアルコール含有の主要燃料を予熱する。エーテル含有燃料は、２４０℃超から約４０℃に冷却され、その温度は主要燃料側に対する２００℃の予熱（前に説明したように、２０℃から２２０℃）に相当する。

流体と、流出物との間の差圧は、触媒床及び予熱器にわたる圧力低下に相当する。それ故、それは、簡単で標準的な熱交換器の使用を可能にするのに十分に低い。

連続運転の間、高温のエーテル含有燃料は、発熱性の脱水反応に起因して触媒床を出る。上記で例示したように、燃料は、典型的には、（主要燃料のアルコール含有量及び触媒床全体にわたる転化率に依存して）反応器インレットにおけるアルコール含有の主要燃料よりも１０〜２０℃暖かい。その温度差は、アルコール含有の主要燃料を脱水のために適切に予熱するのに十分である。高温のエーテル含有燃料は、それにより冷却され、そしてエンジンの噴射器（図示せず）へ送られる。

高圧ポンプ又は弁を設けたコモンレールの間のバイパス管により、燃料は脱水反応器を迂回することができる。エンジンがエーテル含有燃料の代わりに従来のディーゼル燃料で運転される場合、そのバイパス弁は開かれ、そして燃料噴射が、高圧ポンプ又はコモンレールから直接発せられて、従来のエンジン運転が可能となる。

更に、そのバイパス弁は、アルコール含有の主要燃料の一部だけが反応器を通過するように操作することができる。それにより、エーテル含有燃料をアルコール含有の主要燃料で希釈するという選択肢が与えられるため、最終的な燃料の組成をエンジンの型に合わせることができる。

弁の操作により、例えば、エンジンシリンダーへエーテル含有燃料を最初に噴射し、そしてシリンダー中で燃焼が一旦開始されると、アルコール含有の主要燃料の噴射に切り替えることを確実なものとすることができる。これにより、エンジン運転を最適化するためのさらなる自由度が提供される。

上記の説明及び図面は単に概念的なものであって、他の点では、当業者には自明であろう噴射システムにおける尺度、部及び手段は従来のものであって、図中では示されていない。

Claims (16)

1. アルコール含有の主要燃料の車両上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であって、次の工程、
   （ａ） 燃料タンクから該アルコール含有の主要燃料を抜き出し、そして該主要燃料を加圧して最終的なエンジン噴射圧にする工程；
   （ｂ） 該加圧された主要燃料を触媒的脱水反応器中へ導入する工程；
   （ｃ） 該反応器において、該加圧された主要燃料を、アルコール脱水触媒に接触させることによって触媒的に脱水してエーテル含有燃料にする工程；及び
   （ｄ） 該エーテル含有燃料を該反応器から抜き出し、そして該エーテル含有燃料を該エンジン中へ噴射する工程、
   を含み、
   その際、前記加圧された主要燃料が、前記反応器内で前記触媒的脱水の前に、前記エーテル含有燃料との間接熱交換によって反応温度に加熱され、そしてそれにより、該反応器から引き出す前に該エーテル燃料を冷却する、上記の方法。
2. 前記脱水触媒が、固定床として前記脱水反応器内に配置される、請求項１に記載の方法。
3. 前記間接熱交換が、平板熱交換器で行われる、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記アルコール含有の主要燃料が、別のアルコール類の混合物を含む、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 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１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. 前記アルコール含有の主要燃料が、炭化水素類及び一種又は複数種のアルコール類の混合物を含む、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 前記加圧された主要燃料の一部を、前記触媒的脱水を迂回させ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. 前記加圧されたアルコール含有燃料が液相にある、請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
9. 前記加圧された主要燃料を、前記間接的な熱交換に続いて、そして前記触媒的脱水の前に追加的に加熱する更なる工程を含む、請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
10. エーテル含有燃料で圧縮着火エンジンを運転する場合に使用するためのシステムであって、
    圧縮着火エンジン；
    主要な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；
    該主要な燃料を加圧するための高圧ポンプ；
    前記加圧された主要な燃料を収容するように適合され、そして共通の圧力シェル内において、該加圧された主要な燃料を間接的に加熱し、そしてエーテル含有燃料を冷却するように適合された熱交換器、及び該加熱された加圧された主要な燃料を該エーテル含有燃料に転化するための、アルコール脱水触媒を有する下流の触媒床を含む、少なくとも一つの脱水反応器；及び
    該脱水反応器のアウトレットと、該エーテル含有燃料を該エンジン中へ噴射するための、一つ又はより多くの燃料噴射器とを連結させる、少なくともひとつの連結管、
    を含む、上記のシステム。
11. 前記触媒床が、前記反応器の該壁と、該触媒床内で中央に配置された同心の空間との間に配置される、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記反応器が、前記熱交換器の下流に配置される加熱器を更に含む、請求項１０又は１１に記載のシステム。
13. 前記熱交換器が平板熱交換器である、請求項１０〜１２のいずれか一つに記載のシステム。
14. 前記高圧ポンプと前記脱水反応器のインレットとの間で共通するレールを更に含む、請求項１０〜１３のいずれか一つに記載のシステム。
15. 前記高圧ポンプと前記少なくとも一つの連結管との間に弁で制御されるバイパス管を更に含む、請求項１０〜１３のいずれか一つに記載のシステム。
16. 前記共通するレールと前記少なくとも一つの連結管との間に弁で御されるバイパス管を更に含む、請求項１４に記載のシステム。

Images