JP2016508938A - エンジンブレーキ機構を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から回収される運動および／またはポテンシャルエネルギから、水素を含む気体燃料を生成するための方法、およびそのような方法の実行に有用なシステム - Google Patents

エンジンブレーキ機構を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から回収される運動および／またはポテンシャルエネルギから、水素を含む気体燃料を生成するための方法、およびそのような方法の実行に有用なシステム Download PDF

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Abstract

減速の段階においてジェイコブスエンジンブレーキを備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から回収される運動および／またはポテンシャルエネルギから水素気体燃料を生成するための方法。そのような方法は、以下の段階、すなわちａ）予熱された蒸気の流れをもたらす段階、ｂ）予熱された炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流をもたらす段階、ｃ）段階ａ）からの炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流を、段階ｂ）からの蒸気の流れと混合する段階を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関を動力とする自動車においてエネルギの回収を可能にするシステムおよび機構に関し、特に車両の制動段階において熱へと消散される運動エネルギを回収するために使用されるシステムおよび機構に関する。特に、本発明は、車両の制動段階において通常であれば消散してしまう運動エネルギを気体燃料（好ましくは、合成ガス）に含まれる化学エネルギへと変換するための装置に関する。変換は、エンジンの燃焼からもたらされる排気ガスの圧縮によって達成される。次いで、これらのガスが、追加の炭素化合物による改質プロセスに使用され、後に同じエンジンによって燃料として使用される合成ガスが得られる。
背景技術は、燃料に含まれる化学エネルギを変換することによって気体の圧力および温度を高め、このエネルギを車両の駆動に用いられる機械的なエネルギへと変換する膨張サイクルを気体に実行させる内燃機関などの車両推進機構を特徴とし、車両が、結果として、このエネルギをそれ自体の運動における運動エネルギとして蓄える。
この働きは、熱力学サイクルとして技術的に知られている。オットーサイクル、ディーゼルサイクル、およびランキンサイクルなど、それぞれの動作の特徴に応じて、いくつかの熱力学サイクルが存在する。
内燃機関の重要な特徴は、熱力学の法則によって説明されるとおり、それ自体の熱の一部を冷熱源へと移動させるがゆえに、燃料に蓄えられた化学エネルギをすべては変換できない点にある。熱力学サイクルの最高理論効率は、カルノーサイクルと呼ばれる理想サイクルによって決定される。
これらの機関の他の主要な特徴は、不可逆な物理化学プロセスを含む熱サイクルにもとづいている点にある。これは、エンジンを発生器へと変化させることができず、機械的なエネルギを取り入れて燃料に含まれる化学エネルギを生み出すことができないことを意味する。
加えて、大部分の車両の制動プロセスは、摩擦にもとづく外部の装置を使用し、したがって運動エネルギが最終的に熱として消散させられる。
熱力学サイクルおよび制動プロセスの両方におけるエネルギの損失は、不変の懸案事項となっており、燃焼機関の車両における燃料の消費の最適化を目的とする手段、装置、および革新の探求を促し続けている。
研究方針のうちの１つは、ブレーキにおいて消散される運動エネルギの多くの部分を回収し、車両の加速に再利用する試みに注力している。この考え方にもとづく装置は、運動エネルギ回収システム（Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ）の頭文字ＫＥＲＳのもとに分類されている。
典型的には、ＫＥＲＳ装置は、車両を減速させ、運動エネルギの一部を他の種類のエネルギへと変化させることを可能にする。
ＫＥＲＳ装置は、電気エネルギによって駆動される車両、すなわち列車および地下鉄に主に使用されているが、最近では、内燃機関および電気モータ発電機を備えるハイブリッド車両においても使用されている。
これらのＫＥＲＳ装置は、回生制動システムとしても知られている。電気鉄道において、ＫＥＲＳ装置は、それ自体の電源への供給に使用される。電池式の車両およびハイブリッド車両においては、エネルギが、後の使用のために蓄電池群またはコンデンサバンクに蓄えられる。
回生制動は、一種の発電ブレーキ（ｄｙｎａｍｉｃ ｂｒａｋｉｎｇ）を指す。発電ブレーキは、制動によって生成される電気エネルギを熱として消散させるレオスタット制動（ｒｈｅｏｓｔａｔｉｃ ｂｒａｋｉｎｇ）などのプロセスを含む。
回生制動は、電気モータを発電機として使用することができるという原理にもとづく。電気走行モータが、制動の際に発電機として接続し直され、電源端子が、充電へともたらされるエネルギを供給するために使用され、この充電が、制動効果をもたらす。
電車の制動時、走行モータの接続が、発電機として働く電子装置を介して変更される。例えば、ブラシレスＤＣモータは、典型的には、車両についての情報をもたらすロータ位置を割り出すためのホール効果センサを有し、モータにおいて生成される電流を電池またはスーパーキャパシタで構成できる貯蔵システムへとどのように供給するのかについての計算を可能にする。
モータ界磁が、主走行モータへと接続され、モータの電機子が、負荷へと接続される。走行モータが、モータ界磁を励磁し、車両の車輪、すなわち自動車、路面電車、または機関車の車輪が、モータの電機子を回転させ、モータが発電機として機能する。モータが発電機として機能しているとき、モータによって生成される電気エネルギを、電気抵抗を通って送ることができ、これがレオスタット制動と呼ばれるプロセスである。電流が路面電車または機関車の場合の供給配線へと送られる場合、電流を電池またはスーパーキャパシタへと導くことができ、別の電力線を備える自立した車両の場合、これを回生制動と呼ぶことができる。
車両の運動が減速される場合、制動時のモータの電機子を通る電流は、モータの駆動に使用される電流の流れと反対でなければならない。
制動の作動力は、力線の磁気強度に電機子の角周波数を掛け算した積に比例する。
例えば、文献米国特許出願公開第２００２１７４７９８号が、エネルギ貯蔵部および回生システムを有するハイブリッドエネルギ機関車システムを記載している。一形態において、システムは、既存の機関車への後付けが可能であり、あるいは新規の車両の最初からの設備として設置可能である。エネルギ貯蔵部および回生システムが、動的な制動エネルギ、余分なモータのエネルギ、および外部から供給されるエネルギを捕らえ、それらのエネルギをフライホイール、電池、ウルトラキャパシタ、またはそのようなサブシステムの組み合わせを含む１つ以上のエネルギ貯蔵サブシステムに蓄える。エネルギ貯蔵部および回生システムを、別途のエネルギ付随車に配置することができる。別途のエネルギ付随車は、走行モータを装備してもよい。エネルギ管理システムが、現在および将来の軌道の形状情報を表すデータを含む電力の貯蔵および電力の伝達のパラメータに応答し、現在および将来の電気エネルギの貯蔵および供給の要件を判断する。エネルギ管理システムは、それに応じて、エネルギの貯蔵および回生を制御する。
電気回生ブレーキは、自動車においても使用される。このシステムの初期の例は、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｍｏｔｏｒｓ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＡｍｉｔｒｏｎ ａｎｄ Ｇｕｌｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓのために１９６７年に開発された回生ブレーキであった。この自動車は、回生制動によって充電され、車両の性能の向上をもたらす初期段階の電池によって全面的に駆動されていた。
制動時に運動エネルギを解消するための別のシステムは、フライホイールである。この構成部品は、制動時に通常であれば熱として消散させられてしまうエネルギを受け取り、回収したエネルギをフライホイールに蓄える。このシステムは、Ｆｏｒｍｕｌａ Ｏｎｅの２００９年シーズンの技術規則において最初に使用された。コストの削減に加え、この装置は、競争の最中の追い越しの回数を増やし、追い越しを運転者にとってより容易にするように設計されていた。このシステムは、Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ ｄｅ Ｌ’Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ（国際自動車連盟）および欧州連合（ＥＵ）によって説明された仕様により、Ｘｔｒａｃ社、Ｔｏｒｏｔｒａｃｋ社、およびＦｌｙｂｒｉｄ Ｓｙｓｔｅｍ社によって設計および開発された。
広くは使用されていないが、その使用は、後に通常の自動車へと展開された。例えば、Ｔｏｙｏｔａ社は、他の改良のなかでもとりわけ回生制動システムを備えるＡｕｒｉｓ ＨＳＤというハイブリッド型を２０１０年から販売している。ＢＭＷ社は、制動エネルギ回生システムを含む種々の改善を備えるＥｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｄｙｎａｍｉｃｓという方針のもとで、ディーゼルおよびガソリンエンジンを備えるいくつかの一連の型式を２００７年から販売している。現時点において、このシステムは、車両の電池を充電するために使用され、したがって電池を充電するためにオルタネータを常には使用する必要がなく、燃料が節約され、あるいは出力が大きくなる。
スウェーデンの自動車メーカーであるＶｏｌｖｏ Ｃａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎも、Ｖｏｌｖｏ Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ社およびＳＫＦ社と協力して、通常の自動車においてエンジンの性能を高めつつ燃料の消費を最大２５％も削減できる新たなＫＥＲＳ技術を開発している。
このシステムは、制動の際に失われる運動エネルギを回収するためにフライホイールを使用する。自動車の減速時に、自動車の運動量によって、フライホイールの回転が６０，０００ｒｐｍまで加速される。自動車の発進時に、フライホイールの回転力が、特別に設計された変速機を介して後輪に伝えられる。
前輪を駆動する燃焼機関は、制動が始まるや否や停止させられる。フライホイールのエネルギを、再発進時に車両を加速させるために使用することができ、あるいはひとたび巡航速度に達した車両の動力として使用することができる。フライホイールは制動によって動作し、エネルギを限られた時間についてのみ蓄えることができるため、この技術は、繰り返しの停止および発進を特徴とする走行において最も有効である。換言すると、燃料効率が、交通混雑の都市を走行する場合および積極的な運転においてより高い。
このシステムの基本原理を、例えば、２０，０００ｒｐｍ以上の速度で動作することができる車両用の高速フライホイールシステムを記載している文献国際公開第２０１２１２３７１０号に見出すことができ、この文献の高速フライホイールシステムは、シャフトに取り付けられてハウジングに収容されたフライホイールと、少なくとも１つの軸受装置とを備えており、軸受装置は、騒音、振動、および粗さ（ＮＶＨ）を軽減するとともに、互いに干渉するフライホイールおよびハウジングの共振モードを防止するために、リングおよび／またはメタラスティック（ｍｅｔａｌａｓｔｉｃ）ブシュなどの弾性部品を介してフライホイールまたはハウジングへと取り付けられている。
他方で、刊行物国際公開第２０１１０８０５１２号が、フライホイールと、第１および第２組の歯車と、複数の湿式多板クラッチとを備えており、各歯車組の１つがクラッチのうちの１つとクラッチシャフトに沿って同軸に配置されている車両用のエネルギ貯蔵および回収システム装置を記載しており、この装置は、クラッチの作動によって歯車経由のトルク経路が変更されることで、複数の割り当て、したがって複数の速度が可能になるように、車両の変速機へと接続される。
しかしながら、これまでのところ、制動から回収される車両の運動エネルギを同じ車両における後の使用のための燃料へと変換する装置は、存在していない。
したがって、運動エネルギから燃料を得ることによって全体的なエネルギの消費を減らし、環境汚染を少なくし、地球温暖化への対処を手助けするために、既存のプロセスまたはシステムを改良することが必要である。加えて、機械的な構成部品の代わりに可動部のない設備を使用することで、投資および維持のコストを大幅に削減することができる。
したがって、この積年の課題の解決を助けるために使用することができる代案を提供するために、全サイクルを通じての燃料消費を改善しつつ、制動時に消散させられる車両の運動エネルギを回収するシステムを促進することが、望ましいと考えられる。
この目的のため、考えられる車両は、大型車両に搭載されるディーゼルエンジンなど、ジェイクブレーキ（Ｊａｋｅ Ｂｒａｋｅ）を備える４ストロークの燃焼サイクルを有するディーゼルエンジンによって駆動される車両であった。この点に関し、米国特許第３２２０３９２号が本明細書に引用され、全体が参照により本明細書に組み込まれる。この特許は、１９６５年１１月３０日にＣ．Ｌ．Ｃｕｍｍｉｎｓへと付与され、この種の制動システムを開示している。
米国特許出願公開第２００２１７４７９８号 国際公開第２０１２１２３７１０号 国際公開第２０１１０８０５１２号 米国特許第３２２０３９２号
本発明は、減速の段階において、エンジンブレーキ（ジェイコブスブレーキ）を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から回収される運動および／またはポテンシャルエネルギから水素気体燃料を生成するための方法に関する。そのようなシステムは、以下の段階、すなわち
ａ）予熱された蒸気の流れをもたらす段階、
ｂ）予熱された炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流をもたらす段階、
ｃ）段階ａ）からの炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流を、段階ｂ）からの蒸気の流れと混合する段階、
ｄ）炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種と蒸気との混合物を、減速時にエンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からの高温の空気によって加熱された改質反応炉の触媒床において反応させ、水素を含む合成ガスの出口流を生成する段階、
ｅ）水素を含む合成ガスの出口流において水を凝縮させ、水を含まない合成ガスの流れを生成する段階、および
ｆ）段階ｅ）において得られた合成ガスの流れを、後に車両の加速段階において使用するためにリザーバに蓄える段階
を含む。
好ましくは、段階ａ）の予熱を、通常の動作においてエンジンによって生成される排気ガスによる熱の交換によって達成することができる。
やはり好ましくは、段階ａ）の予熱を、段階ｄ）からもたらされる高温の合成ガスによる熱の交換によって達成することができる。
やはり好ましくは、段階ａ）の予熱を、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からもたらされる高温の空気との熱交換によって達成することができる。
基本的に、蒸気は、通常の動作の際にエンジンによって生成される排気ガスによって水を加熱するボイラにおいて生成される。
好ましくは、段階ｂ）の予熱を、通常の動作においてエンジンによって生成される排気ガスによる熱の交換によって達成することができる。
代案として、段階ｂ）の予熱を、段階ｄ）からもたらされる高温の合成ガスによる熱の交換によって達成することができる。
やはり代案として、段階ｂ）の予熱を、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からもたらされる高温の空気との熱交換によって達成することができる。
気体燃料を生成するための好ましい方法においては、段階ａ）からの蒸気の流れについて、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からの段階ｂ）からのガス流との混合が、ガス混合装置において行われる。
気体燃料を生成するための別の好ましい方法においては、段階ａ）からの蒸気の流れについて、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からの段階ｂ）からのガス流との混合が、改質反応炉の触媒床において生じる。
特に、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、およびこれらの混合物で構成されるアルカンのグループ、ならびにメタノール、エタノール、プロパノール、およびこれらの混合物で構成されるアルコールのグループから選択される。
方法の１つにおいて、合成ガスは、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される燃料と混合される。
別の形態において、合成ガスは、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される給気と混合される。
特に、混合の比が、電子燃料噴射コントローラ（ＥＦＩＣ）によって制御される。
基本的に、４ストロークディーゼルエンジンは、大型車両に搭載される。
好ましくは、大型車両は、トラック、バス、より大型の長距離バス、農業機械、および機関車であるべきである。
本発明のさらなる目的は、減速の段階において、エンジンブレーキ（ジェイコブスブレーキ）を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両において使用される水素を含む気体燃料の形態の運動エネルギ回収システムを提供することにある。そのようなシステムは、
水容器と、容器から水を取り出すポンプと、エンジンブレーキのように働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気と熱を交換でき、到来する水を気化させ、生成された蒸気の温度を高める交換器と、
炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種を有する容器と、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気と熱を交換でき、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの到来する化学種を気化させ、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種の温度を高める交換器と、
炭素および水素の供給源として使用される前記化学種の容器から到来する予熱された炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種を、水容器から到来する予熱された蒸気によって改質するための反応炉であって、水素を含む合成ガスのための出口ダクトをさらに備えており、減速時にエンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンからもたらされる高温の空気と熱を交換することもできる反応炉と、
改質反応炉の出口における合成ガスを冷却する熱交換器と、外部の熱損失を備えており、合成ガスから未反応の水を回収するために反応炉へと接続された気液分離装置と、水素を含みかつ改質反応炉から到来する気体燃料を構成する前記合成ガスのための容器と
を備える。
好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、システムにおける熱の使用を最適化するために稼働ユニットの間に散在する種々の熱交換器を備えてもよい。
やはり好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、予熱された蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置を備えてもよい。
やはり好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、水容器から送られる水を受け取る水気化ボイラを備えてもよく、水気化ボイラの加熱は、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気の熱交換によってもたらされ、さらには／あるいは加速時のディーゼルエンジンによって生み出される排気ガスからもたらされ、さらには／あるいはシステム自体の熱回収によってもたらされる。
やはり好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、気化ボイラからの蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置を備える。
実質的に、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、液体の状態である場合の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種の容器と、炭素および水素の供給源として使用されるこの少なくとも１つの化学種を取り出し、この少なくとも１つの化学種を蒸気へと変化させて予熱する少なくとも１つの熱交換器へともたらすポンプとを、備えてもよい。
やはり基本的に、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、到来する予熱された蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置を備えてもよい。
特に、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、およびこれらの混合物で構成されるアルカンのグループ、ならびにメタノール、エタノール、プロパノール、およびこれらの混合物で構成されるアルコールのグループから選択される。
車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムの好ましい実施形態において、合成ガスは、リザーバから取り出され、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される燃料と混合される。
車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムの別の好ましい実施形態において、合成ガスは、リザーバから取り出され、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される給気と混合される。
特に、混合の比が、電子燃料噴射コントローラ（ＥＦＩＣ）によって制御される。
基本的に、４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、大型車両に搭載される。
好ましくは、大型車両は、トラック、バス、より大型の長距離バス、農業機械、および機関車であるべきである。
炭素および水素の供給源としてメタンを使用する本発明の方法を実行するように設計されたシステムのフロー図の好ましい形態を示している。 炭素および水素の供給源としてメタノールを使用する本発明の方法を実行するように設計されたシステムのフロー図の好ましい形態を示している。 炭素および水素の供給源としてエタノールを使用する本発明の方法を実行するように設計されたシステムのフロー図の好ましい形態を示している。 熱交換のためのジャケットの内側で合成ガスを生成する反応が生じる触媒粒子が充填された１つ以上の管を備える先行技術の固定床反応炉を示している。
上述のように、車両のエネルギ消費を少なくするために、近年では、燃料消費を減らすために同じ車両において使用すべく制動エネルギを回収するハイブリッドシステムの開発に、力が注がれている。この考え方は古くからあり、最初の商業的な展開は、電車システムにおいて行われた。
現在では、ハイブリッドシステムは、通常の自動車において開発および展開されており、回収した制動エネルギを電池に蓄えている。これらは、内燃機関にもとづく駆動システムを、電池によって動作する電気モータと組み合わせることを必要とするため、比較的複雑なシステムである。
熱化学的な手段にもとづいてエネルギを回収するための方法およびシステムが、本明細書において提案される。考え方は、圧縮開放エンジンブレーキあるいはこの種の装置の最も知られた銘柄の１つであるＪａｃｏｂｓ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ（登録商標）を指してジェイコブスエンジンブレーキまたは単純にジェイクブレーキとして知られるシステムを通じて高温空気として環境へと消失させられる制動エネルギを回収することにもとづく。蒸気によって炭素および水素の供給源として使用される化学種を改質する触媒によるこのエネルギの使用を達成することが目的である。改質ガスは、元の燃料よりも高い発熱量を有し、エネルギの獲得を呈する。
基本的に、ディーゼルエンジンは、この種のエンジンを備える車両の制動段階において圧縮機となり、大気を圧縮する。圧縮の作業が、車両の制動を生じさせる。この考え方は、上述のように、１９６５年にＣｌｅｅｓｅ Ｌ．Ｃｕｍｍｉｎｓによって特許化（米国特許第３２２０３９２号）され、ジェイクブレーキとして広く知られている。
ディーゼルエンジンによって駆動される車両の運動および／またはポテンシャルエネルギの減少が、高温空気として熱エネルギに変換される。空気は、約６００℃〜約６５０℃の間で吐出され、圧縮比は約１８：１であり、圧縮の断熱効率は、約９８％である。高くなった温度が、吸熱性の改質プロセスに熱をもたらすために使用される。
次いで、水素豊富な改質ガスが圧縮され、後にディーゼルエンジンにおいて燃料として加速時にディーゼル燃料と組み合わせて使用するために、貯蔵される。
換言すると、本発明は、後に車両の加速の段階において同じエンジンによって使用される合成ガスとして知られる気体燃料または改質ガスを生成するために、減速の段階において、ジェイコブスブレーキまたは「ジェイクブレーキ」として知られるエンジンブレーキを備えるディーゼルエンジンからの高温空気に含まれるエネルギを回収し、貯蔵し、後に使用するための方法に関する。
エンジンブレーキ機構またはジェイコブスブレーキは、制動時にエネルギを吸収するために、エンジンのシリンダへの燃料の供給を遮断して、これらのシリンダにおける空気の圧縮を使用し、エンジンブレーキは、制動時に運転者が操作することができる制御ユニットによって制御され、４ストロークディーゼルエンジンは、少なくとも１つの吸気管および１つの排気管を有する。
したがって、減速の段階において車両の運動エネルギを回収することによって気体燃料または「合成ガス」を得るための方法は、基本的に、
ｉ）改質チャンバにおいて実行され、炭素および水素の供給源として使用される化学種と蒸気とを、減速時にエンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からの高温の空気によって加熱された高温の触媒床を通って混合して、合成ガスを生成する改質段階と、
ｉｉ）気液分離装置において実行され、残った水を合成ガスから分離する分離段階と、
ｉｉｉ）複数の交換器によって実行され、改質後の空気またはガスの熱を蒸気および／または燃料へと移動させる熱交換段階と、
ｉｖ）ボイラにおいて実行され、蒸気を通常の動作の際にエンジンによって生成される排気ガスによって加熱する蒸気加熱段階と
を含む。
特に、本発明は、減速の段階において、エンジンブレーキ（ジェイコブスブレーキ）を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から回収される運動および／またはポテンシャルエネルギから水素気体燃料を生成するための方法に関する。そのようなシステムは、以下の段階、すなわち
ａ）予熱された蒸気の流れをもたらす段階、
ｂ）予熱された炭素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流をもたらす段階、
ｃ）段階ａ）からの炭素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流を、段階ｂ）からの蒸気の流れと混合する段階、
ｄ）炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種と蒸気との混合物を、減速時にエンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からの高温の空気によって加熱された改質反応炉の触媒床において反応させ、水素を含む合成ガスの出口流を生成する段階、
ｅ）水素を含む合成ガスの出口流において水を凝縮させ、水を含まない合成ガスの流れを生成する段階、および
ｆ）段階ｅ）において得られた合成ガスの流れを、後に車両の加速段階において使用するためにリザーバに蓄える段階
を含む。
好ましくは、段階ａ）の予熱を、通常の動作においてエンジンによって生成される排気ガスによる熱の交換によって達成することができる。この方法は、車両の加速の際にエンジンによって生成される熱の回収の範囲を広げる。
やはり好ましくは、段階ａ）の予熱を、段階ｄ）からもたらされる高温の合成ガスによる熱の交換によって達成することができる。この代案は、ガスの改質によって生じた熱を蒸気の予熱に使用することを可能にする。
やはり好ましくは、段階ａ）の予熱を、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からもたらされる高温の空気との熱交換によって達成することができる。この代案は、制動の際に圧縮機として働くエンジンによって生成される同じ高温の空気を使用する。これは、実行可能な代案ではあるが、制動の際にエンジンによって生成される高温の空気は改質においてより上手く使用されるがゆえに、最良の選択肢ではない。
最終的に、蒸気を、所与の車両にとって最も効率的であるように、エンジンおよび実現すべきシステムの設計に応じて、上述の代案を組み合わせ、ペアにて適用し、あるいは代案のうちの３つを使用することによって予熱することができる。
基本的に、蒸気は、通常の動作の際にエンジンによって生成される排気ガスによって水を加熱するボイラにおいて生成される。蒸気を、この目的のために、加速または制動時にエンジンからもたらされるガスおよび／または高温の空気ならびに／あるいは得られた改質ガスの余熱によって温度が維持されるボイラの内部で生成することができる。
これは、改質のための炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種の流れについても当てはまり、段階ｂ）における予熱が、通常の動作においてエンジンによって生成される排気ガスによる熱の交換によって達成され、あるいは予熱を、段階ｄ）からの高温の合成ガスとの熱の交換によって達成することができ、さらには／あるいは予熱を、ディーゼルエンジンがエンジンブレーキとして働く圧縮段階からの高温の空気との熱交換によって達成することもできる。
改質によって気体燃料を生成するために、段階ａ）からの蒸気の流れは、改質反応炉への進入の前に、ガス混合装置において炭素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からの段階ｂ）のガス流と混合される。
別の好ましい形態においては、段階ａ）からの蒸気の流れの、炭素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からの段階ｂ）のガス流との混合が、改質反応炉の触媒床において生じる。
好ましくは、混合は、より良好な効率のために改質反応炉への進入に先立って実行されるべきであり、最終的に、両方の流れを、反応炉において各管の直前に取り付けられた混合チャンバによって完全に混ぜ合わせることができる。
特に、炭素および水素の供給源として使用されるこの化学種は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、およびこれらの混合物で構成されるアルカンのグループ、ならびにメタノール、エタノール、プロパノール、およびこれらの混合物で構成されるアルコールのグループから選択される。これらの化学種はいずれも、炭素および水素の供給源として使用可能であり、いずれも市場において比較的入手可能である。
水素合成ガスまたは燃料は、後の加速時のエンジンによる使用に利用できるように、特別な容器に貯蔵される。別の形態においては、合成ガスが、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される燃料と混ぜ合わせられるが、合成ガスを、加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される給気と混ぜ合わせてもよい。
特に、エンジンによって使用されるディーゼル燃料または給気に対する合成ガスの混合の比は、電子燃料噴射コントローラ（ＥＦＩＣ）によって制御される。
基本的に、上述の方法を適用するために使用されるジェイコブスブレーキを備える４ストロークディーゼルエンジンは、トラック、バス、より大型の長距離バス、道路建設機械、農業機械、および機関車であるはずの大型の車両に搭載される。
したがって、本発明の方法は、乗客および荷物の輸送に使用される車両など、ディーゼルエンジンを備える好ましくは大型の車両について、減速の段階において典型的には消散させられる運動および／またはポテンシャルエネルギの回収を可能にする。制動の段階において通常であればブレーキに捨てられるエネルギを、約２０〜５０％、好ましくは約３０〜４０％の範囲において燃料へと変換することができる。
この方法は、充分に成熟した技術にもとづき、産業の用途における数十年の経験によって裏付けられ、したがってきわめて高度の信頼性を保証する設備によって適用される。設備は、最小限の保守しか必要とせず、既存のエンジンにおいて提案される方法を実行するためのシステムの組み立ては、高い資格の技量または専門家の作業を必要としない。
炭素および水素の供給源として使用される化学種、すなわちメタン、エタン、プロパン、ブタン、メタノール、エタノール、プロパノール、またはこれらの互換種の混合物は、必要に応じて、一様な管状の連続流の触媒反応炉において合成ガス、一酸化炭素、および水素を生成するために蒸気と反応させられる。
固定床反応炉は、通常は、図４に示されるように触媒粒子が充填された１つ以上の管を有し、この場合には、熱が管に対して垂直に流れる（すなわち、クロスフローの）高温の空気によってもたらされる一方で、反応させられるべき生成物が管を通って循環する。触媒粒子として、ニッケル、好ましくはＮｉ／Ａｌ２Ｏ３、鉄、貴金属、希土類元素、およびこれらの組み合わせが挙げられ、それらの構成材料、サイズ、および形状は、さまざまであってよく、粒状、円柱形、球形などであってよい。いくつかの場合には、とりわけ白金などの金属触媒において、金網が金属粒子の代わりに使用される。
熱の使用を最適化する必要に鑑み、触媒が充填されたただ１本の大径の管を使用することは、不可能である。代わりに、反応炉は、単一の円筒形の本体に取り付けられた特定の本数の管によって作られなければならない。エネルギの交換は、ブレーキとして働くエンジンの圧縮サイクルからもたらされる高温の空気を、これらの管を包むジャケットの内部へと流すことによって達成させる。
顕著な熱効果を達成するために、触媒管は、例えば最大約２．５４ｃｍ（約１インチ）の直径など、小さくなければならない。管の直径および管の本数を、本明細書に記載の方法を使用して各々のエンジンにおいて得られる制動力にもとづいて正確に計算する必要がある。
さらに、この方法を適用するために必要な設備は、熱交換器を備える。これらの装置は、現在の技術水準において一般的に使用されており、交換されるべき熱にもとづいて、制動の段階においてエンジンからもたらされるエネルギを高温の空気によって届けることを可能にするように設計されている。
試験したシステムにおいて使用したポンプおよびセパレータも、この技術分野の平均的な知識を有する者であれば技術的に取り扱うことが可能である広く使用されている装置である。
したがって、本発明のさらなる目的は、制動時に大型車両が消散させる運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するための方法を実行するためのシステムであって、圧縮機として働くエンジンによって生み出される熱エネルギを使用して改質反応が行われる固定床反応炉を備えるシステムを説明することにある。
減速の段階において、エンジンブレーキ（ジェイコブスブレーキ）を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを水素気体燃料の形態で回収するためのシステムが、
水容器と、容器から水を取り出すポンプと、エンジンブレーキのように働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気と熱を交換でき、到来する水を気化させ、生成された蒸気の温度を高める交換器と、
炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種を有する容器と、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気と熱を交換でき、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの到来する化学種を気化させ、少なくとも１つの化学種の温度を高める交換器と、
炭素および水素の供給源として使用される前記化学種の容器から到来する予熱された炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種を、水容器から到来する予熱された蒸気によって改質するための反応炉であって、水素を含む合成ガスのための出口ダクトをさらに備えており、減速時にエンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンからもたらされる高温の空気と熱を交換することもできる反応炉と、
改質反応炉の出口における合成ガスを冷却する熱交換器と、外部の熱損失を備えており、合成ガスから未反応の水を回収するために反応炉へと接続された気液分離装置と、水素を含みかつ改質反応炉から到来する気体燃料を構成する前記合成ガスのための容器と
を備える。
好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、熱の使用を最適化するために稼働ユニットの間に散在する種々の熱交換器を備えてもよい。熱交換器は、エンジンおよびシステム自体が発生させる熱の回収を最大化するように相互接続される。
やはり好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、予熱された蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置を備えてもよい。
あるいは、予熱された蒸気と、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流とが、同じ改質反応炉において混合され、もしくは各々の管の入り口において反応炉の内部に取り付けられた特定の混合チャンバの内部で混合される。
やはり好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、水容器から送られる水を受け取る水気化ボイラを備えてもよく、水気化ボイラの加熱は、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気の熱交換によってもたらされ、さらには／あるいは加速時のディーゼルエンジンによって生み出される排気ガスからもたらされ、さらには／あるいはシステム自体の熱回収によってもたらされる。
車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、気化ボイラからの蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置を備える。
同様に、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、液体の状態の炭素および水素の少なくとも１つの化学種の容器と、前記少なくとも１つの化学種を取り出し、この少なくとも１つの化学種を蒸気へと変化させて予熱する少なくとも１つの熱交換器へともたらすポンプとを備えてもよい。
やはり基本的に、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、到来する予熱された蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置を備えてもよい。
特に、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、およびこれらの混合物で構成されるアルカンのグループ、ならびにメタノール、エタノール、プロパノール、およびこれらの混合物で構成されるアルコールのグループから選択される。これらの化合物は、改質反応炉の内部での反応を実行するために必要な炭素および水素の供給源である。
好ましい実施形態において、車両の運動および／またはポテンシャルエネルギを回収することによって得られた合成ガスは、リザーバから取り出され、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される燃料と混合される。合成ガスをリザーバから取り出し、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される給気と混合してもよい。
特に、エンジンに進入するディーゼル燃料または給気における合成ガスの混合の比は、電子燃料噴射コントローラ（ＥＦＩＣ）によって制御される。
４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、トラック、バス、より大型の長距離バス、道路建設機械、農業機械、および機関車であってよい大型の車両に搭載される。
以下の特徴を備え、４ストロークにつきただ１回の圧縮を考慮するジェイコブスエンジンブレーキまたはジェイクブレーキとして知られる制動機構を備えるディーゼルエンジンに適用される方法およびシステムを、以下で説明する。
Figure 2016508938
このやり方で、次に本発明を、以下の実施例に従って本発明の好ましい実施形態を示している添付の図面を参照して詳しく説明する。
［実施例］
その応用の実現可能性を判断するために、このプロセスのエネルギ効率を解析した。本方法を、マスおよびエネルギの種々の割合ならびに種々の作動分子を使用することにより、回収システムの熱力学を解析することによって試験した。
以下の分子を作動分子、すなわち炭素および水素の供給源としての化学種あるいは改質すべき燃料として選択した。
１）メタン。圧縮天然ガス（ＣＮＧ）の形態で容易に入手できるため。
２）メタノール。低コストであり、大気温度において液体のままであり、メタンよりも大幅に低い温度で水素へと改質できるため。
３）エタノール。再生可能な原材料から得ることができ、大気温度において液体のままであるため。
解析を、約２５℃の気温および圧縮機吸気口における約１００ｋＰａ（絶対）ならびに排気ガスによって予熱された水の容器にて、定常状態のシステムにおいて実行した。水を、約１８０℃の温度にて飽和した液体の状態で使用した。メタンの改質のために、メタンを約２５℃および約２２００ｋＰａ（絶対）に保った。メタノールの場合には、メタノールを約２５℃および約１００ｋＰａ（絶対）に保つ一方で、エタノールの改質については、エタノールを約２５℃および約１００ｋＰａ（絶対）に保った。
圧縮機として働くエンジンの断熱効率（ηＣ）は、約９８％であった。エンジンの全体効率（ηＥ）は、エンジンの回転数にかかわらず一定であった。ＭＰ［％］を、約４０％というηＥの値から計算した。
試験した事例の各々において、約１１６ｋＷの定格圧縮機出力を使用した。圧縮機として働くエンジンにおける消散エネルギを計算するために、すべての事例について固定された１１６ｋＷの定格出力を、試験したプロセスの各々に関与するポンプおよび圧縮機によって必要とされる出力に加えた。
熱交換プロセスのために、低温流体と高温流体との間に１２℃の最大の温度の近似が存在した。
熱交換設備の間のチャージの損失は、ゼロに等しかった。
ＴＰ［％］およびＭＰ［％］の計算の目的で、エンジンの性能を、試薬の燃焼および改質反応の生成物の燃焼の両方について同じであると考えた。
各々の事例について得られるエネルギを比較するときに、燃焼流を約２００℃へと冷却した。
約２％のモル体積という酸素濃度を、エンジンの出口において使用した。
改質反応からもたらされるガスを、約４０℃まで再調節した。
評価は、２つの異なる性能の考慮事項にもとづく。
ｉ）熱的性能。基本的に、最適化プロセスのエネルギ効率の評価を目的とする。
ｉｉ）全体としての機械的性能。基本的に、制動から得られる使用可能エネルギの正味の量の評価を目的とする。この性能の評価は、内燃機械、すなわち車両のディーゼルエンジンの熱力学的効率を考慮に入れている。
すべての事例において、目的は、図１〜３にそれぞれのフロー図が示されている熱回収システムの構成を最適化することであった。
蒸気を生成するために使用される水を、車両の通常の動作速度において排気ガスによって予熱した。これは、消散エネルギを活用するさらなる選択肢としてのやり方と考えられる。
このように、プロセスの熱的性能を、試薬の流れから得られたと考えられる総エネルギからの回収エネルギの百分率として定義した（ここで、総エネルギおよび回収エネルギはどちらも、試薬として使用される燃料または改質ガスから燃焼によって得られる）。
ＲＴ［％］＝（ＥＲｅｃｏｖｅｒｅｄ／ＥＲｅａｇｅｎｔｓ）×１００＝（（ＥＰ．Ｒ．−ＥＲｅａｇｅｎｔｓ）／ＥＲｅａｇｅｎｔｓ）×１００
ここで、ＴＰ［％］は、エネルギ回収および最適化プロセスにおける熱的性能の百分率である。
ＥＰ．Ｒ．は、改質反応の生成物の燃焼から得られるエネルギである。
ＥＲｅａｇｅｎｔｓは、改質反応に使用される試薬の燃焼から得られるエネルギである。
ＥＲｅｃｏｖｅｒｅｄは、改質反応の生成物の燃焼から得られるエネルギから、改質反応に使用される試薬の燃焼から得られるエネルギを引いた差である。
まさに定義のとおり、熱的性能がエンジンの効率に関係しておらず、試薬および生成物の流れに含まれるエネルギに関係していることに、注目すべきである。したがって、熱的性能は、最適化プロセスのエネルギ効率に結び付けられる。
他方で、プロセスの機械的性能は、本来は制動において環境へと消散させられる総エネルギに対する再使用されるエネルギの百分率として定義された。
ＲＭ［％］＝（ＥＲｅｃｏｖｅｒｅｄ／ＥＤｉｓｓｉｐａｔｅｄ）×ηＭ×１００＝（（ＥＰ．Ｒ．−ＥＲｅａｇｅｎｔｓ）／ＥＤｉｓｓｉｐａｔｅｄ）×ηＭ×１００
ここで、ＭＰ［％］は、エネルギ回収および最適化プロセスにおける機械的性能の百分率である。
ＥＰ．Ｒ．は、改質反応の生成物の燃焼から得られるエネルギである。
ＥＲｅａｇｅｎｔｓは、改質反応に使用される試薬の燃焼から得られるエネルギである。
ＥＲｅｃｏｖｅｒｅｄは、改質反応の生成物の燃焼から得られるエネルギから、改質反応に使用される試薬の燃焼から得られるエネルギを引いた差である。
ＥＤｉｓｓｉｐａｔｅｄは、圧縮機として働くエンジンにおいて消散させられるエネルギに、プロセスに関与するポンプおよび圧縮機の駆動に必要なエネルギを加えたものである。いずれの場合も、制動において消散させられるエネルギを指す。
ηＥは、エンジンの全体効率である。
提示のモデルが連続的なやり方で動作し、すなわち単位時間あたりの物質の量として表すことができるボリューム（ｖｏｌｕｍｅ）に関係することに、注目すべきである。したがって、モデルに関するエネルギの流れは、単位時間あたりのエネルギ、すなわち力に関して表現される。
［実施例１］：
このデータを考慮して、エネルギの回収を、炭素および水素の供給源としてメタンを使用して実行した。
図１が、炭素および水素の供給源としてのメタン（ＣＨ４）についての従来の改質反応を使用し、車両の制動の際にエンジンを圧縮機として使用し、この圧縮機の排気ガスに含まれる熱エネルギを使用して、車両の制動に対応するエネルギの一部を回収するように設計されたフロー図を示している。
図１の図は、流れ１による圧縮機Ｋ−１００（すなわち、車両のエンジン）への空気の取り入れを示している。流れ２、４８、３、４、１８、および１９が、種々の交換器を通って流れ、それ自体の熱を触媒反応炉、交換器Ｅ−１００、交換器Ｅ−１０１における水の流れ、および交換器Ｅ−１０４におけるメタンの流れへと移動させる高温の空気を指している。
水が、流れ２７によって進入し、ポンプＰ−１００によって送られる。加圧されたメタンが、流れ１７によって進入する。
水およびメタンの流れが、混合装置ＭＩＸ−１００において合流し、触媒反応炉ＧＢＲ−１００に進入する。内部において、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を動作条件に応じた種々の量にて生成する化学反応が生じる。
触媒反応炉の出口、すなわち流れ９において、得られる混合物は、水蒸気および未反応のメタン、一酸化炭素、二酸化炭素、および水素で構成される。
流れ９は、依然として使用することができるエネルギを伴って触媒反応炉ＧＢＲ−１００を離れ、次いで交換器Ｅ−１０２およびＥ−１０３のそれぞれのメタンおよび水を予熱するために使用される。
次に、流れ１６は、交換器Ｅ−１０５に進入し、熱を環境へと消散させる（捨てられるエネルギ）。このように、反応の残留水が凝縮させられ、ガスが貯蔵に向けて調整される。２相分離装置Ｖ−１００が、凝縮した水の底部からの抽出（流れ２２）を可能にし、上部からのガスの流れの貯蔵（流れ２１）を可能にする。
得られた結果およびデータが、下記の表１にまとめられている。
Figure 2016508938
アルカンについての好ましい実施形態として使用されるメタンによる改質プロセスの熱的性能は、主として、改質反応炉の出口において得られる水素の濃度に関係し、さらに後者は、反応炉の出口におけるガスの温度に関係している。出口における温度が高いほど、より大きな反応の平衡が生成物（すなわち、水素、一酸化炭素など）に向かって移動し、したがってより良好な熱的性能が得られる。反応炉へと供給される物質の量が少ないほど、熱的性能の値が高くなる。
しかしながら、反応炉へと供給される物質の量が増えると、ガス流における水素の濃度は低下するが、生成される水素の総モル数も増加し、プロセスの機械的性能の向上がもたらされる。
他方で、反応炉へと供給されるモル数を一定に保ちつつ、Ｈ２Ｏ／ＣＨ４のモル供給比を大きくすると、反応の平衡のより大きな移動に起因して、プロセスの熱的性能の向上が生じる。反対に、Ｈ２Ｏ／ＣＨ４のモル供給比が大きいほど、改質反応の後で残留水を凝縮させて分離するために追い出さなければならない熱の量が多くなる。
従来のメタン改質プロセスにおける熱的および機械的性能は、メタン改質プロセスが顕著な変換を達成するためにより高い温度を必要とするという事実ゆえに、比較的低い。
［実施例２］：
同じやり方で、エネルギの回収を、メタンの代わりに炭素および水素の供給源としてメタノールを使用して実行した。
図１の図は、従来のメタン改質プロセスについての実施例１における図（図１を参照）によく似ており、リザーバに大気圧で貯蔵された液体メタノールの流れ４７を送ることを可能にするポンプＰ−１０１が追加されている。
この生成の方法においては、メタノールが、動作条件に応じて、種々の量にて水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を得るために、水と反応させられる。
得られた結果およびデータが、下記の表２にまとめられている。
Figure 2016508938
プロセスの熱的性能は、改質反応炉の出口において達成される水素および一酸化炭素の濃度に関係し、したがって反応炉のガスの出口温度に関係する。出口における温度が高いほど、一酸化炭素の濃度が高くなる一方で、水素の濃度は大きくは変わらない。したがって、反応炉へと供給される物質の量が少ないほど、熱的性能の値は高くなる。
しかしながら、反応炉へと供給される物質の量が増えると、生成される水素の総モル数も増加し、プロセスの機械的性能の向上がもたらされる。
他方で、プロセスの熱的性能は、Ｈ２Ｏ／ＣＨ３ＯＨのモル供給比が反応炉へと供給されるモル数を一定に保ちつつ１．００から２．５０へと増やされるとき、実質的に変わらないままである。これは、１．００というＨ２Ｏ／ＣＨ３ＯＨのモル供給比において、反応の平衡がすでに生成物に向かって移動しているという事実に起因する。他方で、Ｈ２Ｏ／ＣＨ３ＯＨのモル供給比の同様の変化において、変換の大きな増加を可能にしない反応炉へと供給されるメタノールのモルの量の減少に起因して、機械的性能の大きな低下が生じる。
従来のメタノール改質プロセスに関する熱的および機械的性能の値は、改質反応が大型車両の制動の際の運動エネルギ回収プロセスにおいて達成できる温度範囲においてかなりの変換をもたらすがゆえに高い。
［実施例３］：
同じやり方で、エネルギの回収を、メタンの代わりに炭素および水素の供給源としてエタノールを使用して実行した。
図３の図は、従来のメタン改質プロセスについての実施例１の図（図１を参照）によく似ており、リザーバに大気圧で貯蔵された液体エタノールの流れ４７を送ることを可能にするポンプＰ−１０１が追加されている。
この場合、エタノールが、動作条件に応じて、種々の量にて水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を得るために、水と反応させられる。
このプロセスは、Ｅ−１０５において凝縮し、未反応の水と一緒に分離装置Ｖ−１００においてガス流から分離される未反応のエタノールゆえに、きわめて低い性能を示す結果をもたらす。このように、エタノールに含まれる大量の化学エネルギが、分離装置Ｖ−１００の底部から去り、貯蔵されてエンジンにおいて使用されることがない。
エタノールにおけるこの固有の問題が、エタノールを、改質反応炉のための試薬としては魅力のない選択肢にしている。いずれせよ、その使用は、例えば水−エタノールの混合物をリサイクルすることによるシステムに合わせた調整を通じて、その性能を高めることによって実現可能である。
結論
メタノールの使用は、メタンと比べて、前者がより低い温度で改質され、より多くの水素を生み出す改質反応のより良好な前進を達成することに鑑みて、大幅に良好な性能を生む。
メタノールは、エネルギ濃度がより高いというさらなる利点も有する。１ガロンのメタノールは、２００ｂａｒの圧力の１ガロンの天然ガスよりも１．８倍も多くのエネルギを有する。これは、メタノールにおいては天然ガスと比べて制動時の消費がはるかに少なく、したがって燃料リザーバがより小さく、より安価になることを意味する。
この性能は、メタノールにおいて、１０９ヤードの斜面においてそれ自体のポテンシャルエネルギを減少させる車両が、改質ガスを燃料として燃焼させることによって斜面において最大１９ヤードを回復できることを意味する。
この問題に対してより現実的な見通しをもたらすために、２０トンの車両が１８マイルの距離にて４３７ヤードの斜面を下るために必要とするメタノール、水、および改質ガスの量を計算したが、それはそのような車両の制動システムをかなりのストレスに曝す。制動を、もっぱら「ジェイクブレーキ」システムにもとづく提案のエネルギ回収システムによって行われると仮定した。
メタノールから得られる化学的なエネルギが、この車両が７７ヤードのポテンシャルエネルギを得ることを可能にする。ポテンシャルエネルギの４３７ヤードの損失が、４ガロンのメタノールの消費および１．８ガロンの水の消費を生じさせる。生成される改質ガスを貯蔵するために必要な体積は、改質反応炉の動作圧力である２２ｂａｒにおいて０．４ガロンである。
関係する試薬の体積は過度には大きくないが、合成ガスとして得られる生成物の体積が、問題となるほどに大きくなりかねないと考えられる。この問題を、貯蔵されるべき改質ガスについて２００ｂａｒの圧力への圧縮を実行することによって処理することができる。そのような場合、得られる改質ガスを貯蔵するために必要な体積は４６ガロンになり、プロセスの機械的性能はほぼ１５％へと低下し、これは、プロセスによって得られる化学的なエネルギによって、車両が２２ｂａｒでの貯蔵の７７ヤードの代わりに、６６ヤードのポテンシャルエネルギを獲得できることを意味すると考えられる。
したがって、燃料改質による車両の制動エネルギの回収および最適化プロセスは、実現可能であると結論付けられる。
しかしながら、プロセスの経済的実現可能性は、ディーゼル燃料の相対価格ならびにどのような炭素および水素の供給源が改質において使用されるかに大きく左右される。相対価格は時間とともに変化するため、経済的な実現可能性もやはり時間とともに変化する。
一連の変更および改良を、本発明の精神および範囲から外れることなく実行することができ、そのような変更および改良は、以下の特許請求の範囲によって包含されると考えられることが意図される。
本発明の以上の説明に鑑み、新規であるとして請求され、保護が求められる内容は、以下のとおりである。
本発明は、内燃機関を動力とする自動車においてエネルギの回収を可能にするシステムおよび機構に関し、特に車両の制動段階において熱へと消散される運動エネルギを回収するために使用されるシステムおよび機構に関する。特に、本発明は、車両の制動段階において通常であれば消散してしまう運動エネルギを気体燃料（好ましくは、合成ガス）に含まれる化学エネルギへと変換するための装置に関する。変換は、エンジンの燃焼からもたらされる排気ガスの圧縮によって達成される。次いで、これらのガスが、追加の炭素化合物による改質プロセスに使用され、後に同じエンジンによって燃料として使用される合成ガスが得られる。
背景技術は、燃料に含まれる化学エネルギを変換することによって気体の圧力および温度を高め、このエネルギを車両の駆動に用いられる機械的なエネルギへと変換する膨張サイクルを気体に実行させる内燃機関などの車両推進機構を特徴とし、車両が、結果として、このエネルギをそれ自体の運動における運動エネルギとして蓄える。
この働きは、熱力学サイクルとして技術的に知られている。オットーサイクル、ディーゼルサイクル、およびランキンサイクルなど、それぞれの動作の特徴に応じて、いくつかの熱力学サイクルが存在する。
内燃機関の重要な特徴は、熱力学の法則によって説明されるとおり、それ自体の熱の一部を冷熱源へと移動させるがゆえに、燃料に蓄えられた化学エネルギをすべては変換できない点にある。熱力学サイクルの最高理論効率は、カルノーサイクルと呼ばれる理想サイクルによって決定される。
これらの機関の他の主要な特徴は、不可逆な物理化学プロセスを含む熱サイクルにもとづいている点にある。これは、エンジンを発生器へと変化させることができず、機械的なエネルギを取り入れて燃料に含まれる化学エネルギを生み出すことができないことを意味する。
加えて、大部分の車両の制動プロセスは、摩擦にもとづく外部の装置を使用し、したがって運動エネルギが最終的に熱として消散させられる。
熱力学サイクルおよび制動プロセスの両方におけるエネルギの損失は、不変の懸案事項となっており、燃焼機関の車両における燃料の消費の最適化を目的とする手段、装置、および革新の探求を促し続けている。
研究方針のうちの１つは、ブレーキにおいて消散される運動エネルギの多くの部分を回収し、車両の加速に再利用する試みに注力している。この考え方にもとづく装置は、運動エネルギ回収システム（Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ）の頭文字ＫＥＲＳのもとに分類されている。
典型的には、ＫＥＲＳ装置は、車両を減速させ、運動エネルギの一部を他の種類のエネルギへと変化させることを可能にする。
ＫＥＲＳ装置は、電気エネルギによって駆動される車両、すなわち列車および地下鉄に主に使用されているが、最近では、内燃機関および電気モータ発電機を備えるハイブリッド車両においても使用されている。
これらのＫＥＲＳ装置は、回生制動システムとしても知られている。
電気鉄道において、ＫＥＲＳ装置は、それ自体の電源への供給に使用される。電池式の車両およびハイブリッド車両においては、エネルギが、後の使用のために蓄電池群またはコンデンサバンクに蓄えられる。
回生制動は、一種の発電ブレーキ（ｄｙｎａｍｉｃ ｂｒａｋｉｎｇ）を指す。発電ブレーキは、制動によって生成される電気エネルギを熱として消散させるレオスタット制動（ｒｈｅｏｓｔａｔｉｃ ｂｒａｋｉｎｇ）などのプロセスを含む。
回生制動は、電気モータを発電機として使用することができるという原理にもとづく。電気走行モータが、制動の際に発電機として接続し直され、電源端子が、充電へともたらされるエネルギを供給するために使用され、この充電が、制動効果をもたらす。
電車の制動時、走行モータの接続が、発電機として働く電子装置を介して変更される。例えば、ブラシレスＤＣモータは、典型的には、車両についての情報をもたらすロータ位置を割り出すためのホール効果センサを有し、モータにおいて生成される電流を電池またはスーパーキャパシタで構成できる貯蔵システムへとどのように供給するのかについての計算を可能にする。
モータ界磁が、主走行モータへと接続され、モータの電機子が、負荷へと接続される。走行モータが、モータ界磁を励磁し、車両の車輪、すなわち自動車、路面電車、または機関車の車輪が、モータの電機子を回転させ、モータが発電機として機能する。モータが発電機として機能しているとき、モータによって生成される電気エネルギを、電気抵抗を通って送ることができ、これがレオスタット制動と呼ばれるプロセスである。電流が路面電車または機関車の場合の供給配線へと送られる場合、電流を電池またはスーパーキャパシタへと導くことができ、別の電力線を備える自立した車両の場合、これを回生制動と呼ぶことができる。
車両の運動が減速される場合、制動時のモータの電機子を通る電流は、モータの駆動に使用される電流の流れと反対でなければならない。
制動の作動力は、力線の磁気強度に電機子の角周波数を掛け算した積に比例する。
例えば、文献米国特許出願公開第２００２１７４７９８号が、エネルギ貯蔵部および回生システムを有するハイブリッドエネルギ機関車システムを記載している。一形態において、システムは、既存の機関車への後付けが可能であり、あるいは新規の車両の最初からの設備として設置可能である。エネルギ貯蔵部および回生システムが、動的な制動エネルギ、余分なモータのエネルギ、および外部から供給されるエネルギを捕らえ、それらのエネルギをフライホイール、電池、ウルトラキャパシタ、またはそのようなサブシステムの組み合わせを含む１つ以上のエネルギ貯蔵サブシステムに蓄える。エネルギ貯蔵部および回生システムを、別途のエネルギ付随車に配置することができる。別途のエネルギ付随車は、走行モータを装備してもよい。エネルギ管理システムが、現在および将来の軌道の形状情報を表すデータを含む電力の貯蔵および電力の伝達のパラメータに応答し、現在および将来の電気エネルギの貯蔵および供給の要件を判断する。エネルギ管理システムは、それに応じて、エネルギの貯蔵および回生を制御する。
電気回生ブレーキは、自動車においても使用される。このシステムの初期の例は、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｍｏｔｏｒｓ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＡｍｉｔｒｏｎ ａｎｄ Ｇｕｌｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓのために１９６７年に開発された回生ブレーキであった。この自動車は、回生制動によって充電され、車両の性能の向上をもたらす初期段階の電池によって全面的に駆動されていた。
制動時に運動エネルギを解消するための別のシステムは、フライホイールである。この構成部品は、制動時に通常であれば熱として消散させられてしまうエネルギを受け取り、回収したエネルギをフライホイールに蓄える。このシステムは、Ｆｏｒｍｕｌａ Ｏｎｅの２００９年シーズンの技術規則において最初に使用された。コストの削減に加え、この装置は、競争の最中の追い越しの回数を増やし、追い越しを運転者にとってより容易にするように設計されていた。このシステムは、Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ ｄｅ Ｌ’Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ（国際自動車連盟）および欧州連合（ＥＵ）によって説明された仕様により、Ｘｔｒａｃ社、Ｔｏｒｏｔｒａｃｋ社、およびＦｌｙｂｒｉｄ Ｓｙｓｔｅｍ社によって設計および開発された。
広くは使用されていないが、その使用は、後に通常の自動車へと展開された。例えば、Ｔｏｙｏｔａ社は、他の改良のなかでもとりわけ回生制動システムを備えるＡｕｒｉｓ ＨＳＤというハイブリッド型を２０１０年から販売している。
ＢＭＷ社は、制動エネルギ回生システムを含む種々の改善を備えるＥｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｄｙｎａｍｉｃｓという方針のもとで、ディーゼルおよびガソリンエンジンを備えるいくつかの一連の型式を２００７年から販売している。現時点において、このシステムは、車両の電池を充電するために使用され、したがって電池を充電するためにオルタネータを常には使用する必要がなく、燃料が節約され、あるいは出力が大きくなる。
スウェーデンの自動車メーカーであるＶｏｌｖｏ Ｃａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎも、Ｖｏｌｖｏ Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ社およびＳＫＦ社と協力して、通常の自動車においてエンジンの性能を高めつつ燃料の消費を最大２５％も削減できる新たなＫＥＲＳ技術を開発している。
このシステムは、制動の際に失われる運動エネルギを回収するためにフライホイールを使用する。自動車の減速時に、自動車の運動量によって、フライホイールの回転が６０，０００ｒｐｍまで加速される。自動車の発進時に、フライホイールの回転力が、特別に設計された変速機を介して後輪に伝えられる。
前輪を駆動する燃焼機関は、制動が始まるや否や停止させられる。フライホイールのエネルギを、再発進時に車両を加速させるために使用することができ、あるいはひとたび巡航速度に達した車両の動力として使用することができる。フライホイールは制動によって動作し、エネルギを限られた時間についてのみ蓄えることができるため、この技術は、繰り返しの停止および発進を特徴とする走行において最も有効である。換言すると、燃料効率が、交通混雑の都市を走行する場合および積極的な運転においてより高い。
このシステムの基本原理を、例えば、２０，０００ｒｐｍ以上の速度で動作することができる車両用の高速フライホイールシステムを記載している文献国際公開第２０１２１２３７１０号に見出すことができ、この文献の高速フライホイールシステムは、シャフトに取り付けられてハウジングに収容されたフライホイールと、少なくとも１つの軸受装置とを備えており、軸受装置は、騒音、振動、および粗さ（ＮＶＨ）を軽減するとともに、互いに干渉するフライホイールおよびハウジングの共振モードを防止するために、リングおよび／またはメタラスティック（ｍｅｔａｌａｓｔｉｃ）ブシュなどの弾性部品を介してフライホイールまたはハウジングへと取り付けられている。
他方で、刊行物国際公開第２０１１０８０５１２号が、フライホイールと、第１および第２組の歯車と、複数の湿式多板クラッチとを備えており、各歯車組の１つがクラッチのうちの１つとクラッチシャフトに沿って同軸に配置されている車両用のエネルギ貯蔵および回収システム装置を記載しており、この装置は、クラッチの作動によって歯車経由のトルク経路が変更されることで、複数の割り当て、したがって複数の速度が可能になるように、車両の変速機へと接続される。
しかしながら、これまでのところ、制動から回収される車両の運動エネルギを同じ車両における後の使用のための燃料へと変換する装置は、存在していない。
したがって、運動エネルギから燃料を得ることによって全体的なエネルギの消費を減らし、環境汚染を少なくし、地球温暖化への対処を手助けするために、既存のプロセスまたはシステムを改良することが必要である。
加えて、機械的な構成部品の代わりに可動部のない設備を使用することで、投資および維持のコストを大幅に削減することができる。
したがって、この積年の課題の解決を助けるために使用することができる代案を提供するために、全サイクルを通じての燃料消費を改善しつつ、制動時に消散させられる車両の運動エネルギを回収するシステムを促進することが、望ましいと考えられる。
この目的のため、考えられる車両は、大型車両に搭載されるディーゼルエンジンなど、ジェイクブレーキ（Ｊａｋｅ Ｂｒａｋｅ）を備える４ストロークの燃焼サイクルを有するディーゼルエンジンによって駆動される車両であった。この点に関し、米国特許第３２２０３９２号が本明細書に引用され、全体が参照により本明細書に組み込まれる。この特許は、１９６５年１１月３０日にＣ．Ｌ．Ｃｕｍｍｉｎｓへと付与され、この種の制動システムを開示している。
米国特許出願公開第２００２１７４７９８号 国際公開第２０１２１２３７１０号 国際公開第２０１１０８０５１２号 米国特許第３２２０３９２号
本発明は、減速の段階において、エンジンブレーキ（ジェイコブスブレーキ）を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から回収される運動および／またはポテンシャルエネルギから水素気体燃料を生成するための方法に関する。そのようなシステムは、以下のステップ、すなわち
ａ）予熱された蒸気の流れをもたらすステップ、
ｂ）予熱された炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流をもたらすステップ、
ｃ）ステップａ）からの炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流を、ステップｂ）からの蒸気の流れと混合するステップ、
ｄ）炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種と蒸気との混合物を、減速時にエンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からの高温の空気によって加熱された改質反応炉の触媒床において反応させ、水素を含む合成ガスの出口流を生成するステップ、
ｅ）水素を含む合成ガスの出口流において水を凝縮させ、水を含まない合成ガスの流れを生成するステップ、および
ｆ）ステップｅ）において得られた合成ガスの流れを、後に車両の加速段階において使用するためにリザーバに蓄えるステップ
を含む。
好ましくは、ステップａ）の予熱を、通常の動作においてエンジンによって生成される排気ガスによる熱の交換によって達成することができる。
やはり好ましくは、ステップａ）の予熱を、ステップｄ）からもたらされる高温の合成ガスによる熱の交換によって達成することができる。
やはり好ましくは、ステップａ）の予熱を、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からもたらされる高温の空気との熱交換によって達成することができる。
基本的に、蒸気は、通常の動作の際にエンジンによって生成される排気ガスによって水を加熱するボイラにおいて生成される。
好ましくは、ステップｂ）の予熱を、通常の動作においてエンジンによって生成される排気ガスによる熱の交換によって達成することができる。
代案として、ステップｂ）の予熱を、ステップｄ）からもたらされる高温の合成ガスによる熱の交換によって達成することができる。
やはり代案として、ステップｂ）の予熱を、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からもたらされる高温の空気との熱交換によって達成することができる。
気体燃料を生成するための好ましい方法においては、ステップａ）からの蒸気の流れについて、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのステップｂ）からのガス流との混合が、ガス混合装置において行われる。
気体燃料を生成するための別の好ましい方法においては、ステップａ）からの蒸気の流れについて、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのステップｂ）からのガス流との混合が、改質反応炉の触媒床において生じる。
特に、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、およびこれらの混合物で構成されるアルカンのグループ、ならびにメタノール、エタノール、プロパノール、およびこれらの混合物で構成されるアルコールのグループから選択される。
方法の１つにおいて、合成ガスは、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される燃料と混合される。
別の形態において、合成ガスは、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される給気と混合される。
特に、混合の比が、電子燃料噴射コントローラ（ＥＦＩＣ）によって制御される。
基本的に、４ストロークディーゼルエンジンは、大型車両に搭載される。
好ましくは、大型車両は、トラック、バス、より大型の長距離バス、農業機械、および機関車であるべきである。
本発明のさらなる目的は、減速の段階において、エンジンブレーキ（ジェイコブスブレーキ）を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両において使用される水素を含む気体燃料の形態の運動エネルギ回収システムを提供することにある。そのようなシステムは、
水容器と、容器から水を取り出すポンプと、エンジンブレーキのように働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気と熱を交換でき、到来する水を気化させ、生成された蒸気の温度を高める交換器と、
炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種を有する容器と、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気と熱を交換でき、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの到来する化学種を気化させ、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種の温度を高める交換器と、
炭素および水素の供給源として使用される前記化学種の容器から到来する予熱された炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種を、水容器から到来する予熱された蒸気によって改質するための反応炉であって、水素を含む合成ガスのための出口ダクトをさらに備えており、減速時にエンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンからもたらされる高温の空気と熱を交換することだけができる反応炉と、
エンジンの制動の際にのみ反応炉へと高温の空気をもたらすための手段と、
改質反応炉の出口における合成ガスを冷却する熱交換器と、外部の熱損失を備えており、合成ガスから未反応の水を回収するために反応炉へと接続された気液分離装置と、水素を含みかつ改質反応炉から到来する気体燃料を構成する前記合成ガスのための容器と
を備える。
好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、システムにおける熱の使用を最適化するために稼働ユニットの間に散在する１つ以上の追加の熱交換器をさらに備える。
やはり好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、予熱された蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置をさらに備える。
やはり好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、水容器から送られる水を受け取る水気化ボイラをさらに備え、水気化ボイラの加熱は、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気の熱交換によってもたらされ、さらには／あるいは加速時のディーゼルエンジンによって生み出される排気ガスからもたらされ、さらには／あるいはシステム自体の熱回収によってもたらされる。
やはり好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、気化ボイラからの蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置をさらに備える。
実質的に、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、液体の状態である場合の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種の容器と、炭素および水素の供給源として使用されるこの少なくとも１つの化学種を取り出し、この少なくとも１つの化学種を蒸気へと変化させて予熱する少なくとも１つの熱交換器へともたらすポンプとを、さらに備える。
やはり基本的に、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、到来する予熱された蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置をさらに備える。
特に、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、およびこれらの混合物で構成されるアルカンのグループ、ならびにメタノール、エタノール、プロパノール、およびこれらの混合物で構成されるアルコールのグループから選択される。
車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムの好ましい実施形態において、合成ガスは、リザーバから取り出され、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される燃料と混合される。
車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムの別の好ましい実施形態において、合成ガスは、リザーバから取り出され、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される給気と混合される。
特に、混合の比が、電子燃料噴射コントローラ（ＥＦＩＣ）によって制御される。
基本的に、４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、大型車両に搭載される。
好ましくは、大型車両は、トラック、バス、より大型の長距離バス、農業機械、および機関車であるべきである。
炭素および水素の供給源としてメタンを使用する本発明の方法を実行するように設計されたシステムのフロー図の好ましい形態を示している。 炭素および水素の供給源としてメタノールを使用する本発明の方法を実行するように設計されたシステムのフロー図の好ましい形態を示している。 炭素および水素の供給源としてエタノールを使用する本発明の方法を実行するように設計されたシステムのフロー図の好ましい形態を示している。 熱交換のためのジャケットの内側で合成ガスを生成する反応が生じる触媒粒子が充填された１つ以上の管を備える先行技術の固定床反応炉を示している。
上述のように、車両のエネルギ消費を少なくするために、近年では、燃料消費を減らすために同じ車両において使用すべく制動エネルギを回収するハイブリッドシステムの開発に、力が注がれている。この考え方は古くからあり、最初の商業的な展開は、電車システムにおいて行われた。
現在では、ハイブリッドシステムは、通常の自動車において開発および展開されており、回収した制動エネルギを電池に蓄えている。これらは、内燃機関にもとづく駆動システムを、電池によって動作する電気モータと組み合わせることを必要とするため、比較的複雑なシステムである。
熱化学的な手段にもとづいてエネルギを回収するための方法およびシステムが、本明細書において提案される。考え方は、圧縮開放エンジンブレーキあるいはこの種の装置の最も知られた銘柄の１つであるＪａｃｏｂｓ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ（登録商標）を指してジェイコブスエンジンブレーキまたは単純にジェイクブレーキとして知られるシステムを通じて高温空気として環境へと消失させられる制動エネルギを回収することにもとづく。蒸気によって炭素および水素の供給源として使用される化学種を改質する触媒によるこのエネルギの使用を達成することが目的である。
改質ガスは、元の燃料よりも高い発熱量を有し、エネルギの獲得を呈する。
基本的に、ディーゼルエンジンは、この種のエンジンを備える車両の制動段階において圧縮機となり、大気を圧縮する。圧縮の作業が、車両の制動を生じさせる。この考え方は、上述のように、１９６５年にＣｌｅｅｓｅ Ｌ．Ｃｕｍｍｉｎｓによって特許化（米国特許第３２２０３９２号）され、ジェイクブレーキとして広く知られている。
ディーゼルエンジンによって駆動される車両の運動および／またはポテンシャルエネルギの減少が、高温空気として熱エネルギに変換される。空気は、約６００℃〜約６５０℃の間で吐出され、圧縮比は約１８：１であり、圧縮の断熱効率は、約９８％である。高くなった温度が、吸熱性の改質プロセスに熱をもたらすために使用される。
次いで、水素豊富な改質ガスが圧縮され、後にディーゼルエンジンにおいて燃料として加速時にディーゼル燃料と組み合わせて使用するために、貯蔵される。
換言すると、本発明は、後に車両の加速の段階において同じエンジンによって使用される合成ガスとして知られる気体燃料または改質ガスを生成するために、減速の段階において、ジェイコブスブレーキまたは「ジェイクブレーキ」として知られるエンジンブレーキを備えるディーゼルエンジンからの高温空気に含まれるエネルギを回収し、貯蔵し、後に使用するための方法に関する。
エンジンブレーキ機構またはジェイコブスブレーキは、制動時にエネルギを吸収するために、エンジンのシリンダへの燃料の供給を遮断して、これらのシリンダにおける空気の圧縮を使用し、エンジンブレーキは、制動時に運転者が操作することができる制御ユニットによって制御され、４ストロークディーゼルエンジンは、少なくとも１つの吸気管および１つの排気管を有する。
したがって、減速の段階において車両の運動エネルギを回収することによって気体燃料または「合成ガス」を得るための方法は、基本的に、
ｉ）改質チャンバにおいて実行され、炭素および水素の供給源として使用される化学種と蒸気とを、減速時にエンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からの高温の空気によって加熱された高温の触媒床を通って混合して、合成ガスを生成する改質段階と、
ｉｉ）気液分離装置において実行され、残った水を合成ガスから分離する分離段階と、
ｉｉｉ）複数の交換器によって実行され、改質後の空気またはガスの熱を蒸気および／または燃料へと移動させる熱交換段階と、
ｉｖ）ボイラにおいて実行され、蒸気を通常の動作の際にエンジンによって生成される排気ガスによって加熱する蒸気加熱段階と
を含む。
特に、本発明は、減速の段階において、エンジンブレーキ（ジェイコブスブレーキ）を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から回収される運動および／またはポテンシャルエネルギから水素気体燃料を生成するための方法に関する。そのようなシステムは、以下のステップ、すなわち
ａ）予熱された蒸気の流れをもたらすステップ、
ｂ）予熱された炭素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流をもたらすステップ、
ｃ）ステップａ）からの炭素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流を、ステップｂ）からの蒸気の流れと混合するステップ、
ｄ）炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種と蒸気との混合物を、減速時にエンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からの高温の空気によってのみ加熱された改質反応炉の触媒床において反応させ、水素を含む合成ガスの出口流を生成するステップ、
ｅ）水素を含む合成ガスの出口流において水を凝縮させ、水を含まない合成ガスの流れを生成するステップ、および
ｆ）ステップｅ）において得られた合成ガスの流れを、後に車両の加速段階において使用するためにリザーバに蓄えるステップ
を含む。
好ましくは、ステップａ）の予熱を、通常の動作においてエンジンによって生成される排気ガスによる熱の交換によって達成することができる。この方法は、車両の加速の際にエンジンによって生成される熱の回収の範囲を広げる。
やはり好ましくは、ステップａ）の予熱を、ステップｄ）からもたらされる高温の合成ガスによる熱の交換によって達成することができる。この代案は、ガスの改質によって生じた熱を蒸気の予熱に使用することを可能にする。
やはり好ましくは、ステップａ）の予熱を、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンの圧縮段階からもたらされる高温の空気との熱交換によって達成することができる。この代案は、制動の際に圧縮機として働くエンジンによって生成される同じ高温の空気を使用する。これは、実行可能な代案ではあるが、制動の際にエンジンによって生成される高温の空気は改質においてより上手く使用されるがゆえに、最良の選択肢ではない。
最終的に、蒸気を、所与の車両にとって最も効率的であるように、エンジンおよび実現すべきシステムの設計に応じて、上述の代案を組み合わせ、ペアにて適用し、あるいは代案のうちの３つを使用することによって予熱することができる。
基本的に、蒸気は、通常の動作の際にエンジンによって生成される排気ガスによって水を加熱するボイラにおいて生成される。蒸気を、この目的のために、加速または制動時にエンジンからもたらされるガスおよび／または高温の空気ならびに／あるいは得られた改質ガスの余熱によって温度が維持されるボイラの内部で生成することができる。
これは、改質のための炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種の流れについても当てはまり、ステップｂ）における予熱が、通常の動作においてエンジンによって生成される排気ガスによる熱の交換によって達成され、あるいは予熱を、ステップｄ）からの高温の合成ガスとの熱の交換によって達成することができ、さらには／あるいは予熱を、ディーゼルエンジンがエンジンブレーキとして働く圧縮段階からの高温の空気との熱交換によって達成することもできる。
改質によって気体燃料を生成するために、ステップａ）からの蒸気の流れは、改質反応炉への進入の前に、ガス混合装置において炭素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのステップｂ）のガス流と混合される。
別の好ましい形態においては、ステップａ）からの蒸気の流れの、炭素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのステップｂ）のガス流との混合が、改質反応炉の触媒床において生じる。
好ましくは、混合は、より良好な効率のために改質反応炉への進入に先立って実行されるべきであり、最終的に、両方の流れを、反応炉において各管の直前に取り付けられた混合チャンバによって完全に混ぜ合わせることができる。
特に、炭素および水素の供給源として使用されるこの化学種は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、およびこれらの混合物で構成されるアルカンのグループ、ならびにメタノール、エタノール、プロパノール、およびこれらの混合物で構成されるアルコールのグループから選択される。これらの化学種はいずれも、炭素および水素の供給源として使用可能であり、いずれも市場において比較的入手可能である。
水素合成ガスまたは燃料は、後の加速時のエンジンによる使用に利用できるように、特別な容器に貯蔵される。別の形態においては、合成ガスが、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される燃料と混ぜ合わせられるが、合成ガスを、加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される給気と混ぜ合わせてもよい。
特に、エンジンによって使用されるディーゼル燃料または給気に対する合成ガスの混合の比は、電子燃料噴射コントローラ（ＥＦＩＣ）によって制御される。
基本的に、上述の方法を適用するために使用されるジェイコブスブレーキを備える４ストロークディーゼルエンジンは、トラック、バス、より大型の長距離バス、道路建設機械、農業機械、および機関車であるはずの大型の車両に搭載される。
したがって、本発明の方法は、乗客および荷物の輸送に使用される車両など、ディーゼルエンジンを備える好ましくは大型の車両について、減速の段階において典型的には消散させられる運動および／またはポテンシャルエネルギの回収を可能にする。制動の段階において通常であればブレーキに捨てられるエネルギを、約２０〜５０％、好ましくは約３０〜４０％の範囲において燃料へと変換することができる。
この方法は、充分に成熟した技術にもとづき、産業の用途における数十年の経験によって裏付けられ、したがってきわめて高度の信頼性を保証する設備によって適用される。設備は、最小限の保守しか必要とせず、既存のエンジンにおいて提案される方法を実行するためのシステムの組み立ては、高い資格の技量または専門家の作業を必要としない。
炭素および水素の供給源として使用される化学種、すなわちメタン、エタン、プロパン、ブタン、メタノール、エタノール、プロパノール、またはこれらの互換種の混合物は、必要に応じて、一様な管状の連続流の触媒反応炉において合成ガス、一酸化炭素、および水素を生成するために蒸気と反応させられる。
図１は、制動時にジェイコブスブレーキまたは「ジェイクブレーキ」として知られるエンジンブレーキ機構を備える車両によって利用可能になるエネルギの一部を、メタン（ＣＨ４）の従来の改質反応を利用し、エンジンを圧縮機として使用し、圧縮機の排気ガスに含まれるエネルギを活用して回収するためのフロー図を示している。
図１のフロー図には、車両のエンジンである圧縮機Ｋ−１００への流れ１による大気の取り込みが示されている。流れ２、４８、３、４、および１９が、高温の空気の流れに相当し、流れ２が減圧弁ＶＬＶ−１００を通過して流れ４８をもたらし、流れ４８が、熱交換器を通過し、したがってそれ自体の熱または熱エネルギを、熱交換器Ｅ−１００および反応ゾーンＧＢＲ−１００に一致する触媒反応炉へとＱ−１０１を介して引き渡し、熱交換器Ｅ−１０１における水の流れへと引き渡し、さらに熱交換器Ｅ−１０４におけるメタンの流れへと引き渡し、流れ１９が冷却された空気の流出である。
水は、流れ２７によって進入し、水ポンプＰ−１００によって駆動され、水ポンプＰ−１００の動作のエネルギは、Ｑ−１０３によって表されている。流れ１４、５、および６が、それぞれ送られる水、予熱された水、および蒸気に相当する。
加圧されたメタンが、流れ１７によって取り入れられる一方で、流れ７および８は、予熱されたメタンである。
蒸気としての水の流れ６および高温のメタンの流れ８は、混合装置ＭＩＸ−１００において一緒になり、流れ１１として触媒反応炉ＧＢＲ−１００の反応ゾーンに進入する。ここで、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を動作条件に応じた種々の量にて得ることを可能にする化学反応が生じる。
触媒反応炉の反応ゾーンＧＢＲ−１００の出口に、すなわち流れ９において、蒸気および未反応のメタン、一酸化炭素、二酸化炭素、および水素で構成される混合物が存在する。
流れ９は、依然として利用することが可能な熱エネルギを伴ってＧＢＲ−１００を出て、それぞれの熱交換器Ｅ−１０２およびＥ−１０３においてメタンおよび水の予熱に使用される。
次いで、この予冷済みの合成ガスの流れ１３および流れ１６は、熱交換器Ｅ−１０５に進入し、熱交換器Ｅ−１０５において、Ｑ−１０２によって表されるように環境へと熱を消散させる（消散熱エネルギ）。このように、反応の残留水が凝縮させられ、ガスが貯蔵に向けて調整される。２相分離装置Ｖ−１００の凝縮ゾーンが、流れ２０から、凝縮した水を底部、すなわち流れ２２にて得、貯蔵すべきガスの流れを上部、すなわち流れ２１において得ることを可能にする。Ｅ−１０５およびＶ−１００が一緒に、凝縮器を表す。
図１の構成要素を素早く参照するために、下記の表を参照されたい。
Figure 2016508938
Figure 2016508938
次に、図２は、制動時にジェイコブスブレーキまたは「ジェイクブレーキ」として知られるエンジンブレーキ機構を備える車両によって利用可能になるエネルギの一部を、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）の改質反応を利用し、エンジンを圧縮機として使用し、圧縮機の排気ガスに含まれるエネルギを活用して回収するためのフロー図を示している。
このフロー図は、メタンの改質のための図１のフロー図によく似ているが、ポンプＰ−１０１が追加されており、ポンプＰ−１０１の動作のエネルギがＱー１０３によって表されており、ポンプＰ−１０１は、大気圧でタンクに貯蔵された液体のメタノールの流れ４７を送ることを可能にする。次いで、流れ１７、７、および８は、送られる液体のメタノール、予熱されたメタノール、および気化したメタノールにそれぞれ相当する。
蒸気としての水の流れ６および高温の気化したメタノールの流れ８は、混合装置ＭＩＸ−１００において一緒になり、流れ１１として触媒反応炉ＧＢＲ−１００の反応ゾーンに進入する。
この場合に、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を動作条件に応じた種々の量にて得ることを可能にするメタノールおよび水の改質反応が生じる。
図２の残りの参照は、図１の参照と同等である。図２の構成要素を素早く参照するために、下記の表を参照されたい。
Figure 2016508938
Figure 2016508938
図３は、制動時にジェイコブスブレーキまたは「ジェイクブレーキ」として知られるエンジンブレーキ機構を備える車両によって利用可能になるエネルギの一部を、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）の改質反応を利用し、エンジンを圧縮機として使用し、圧縮機の排気ガスに含まれるエネルギを活用して回収するためのフロー図を示している。フロー図は、メタンの改質に関する図１のフロー図によく似ており、ポンプＰ−１０１が、大気圧でタンクに貯蔵された液体のエタノールの流れ４７を送ることを可能にしている。
次いで、流れ１７、７、および８は、送られる液体のエタノール、予熱されたエタノール、および気化したエタノールにそれぞれ相当する。
蒸気としての水の流れ６および高温の気化したエタノールの流れ８は、混合装置ＭＩＸ−１００において一緒になり、流れ１１として触媒反応炉ＧＢＲ−１００の反応ゾーンに進入する。
この場合に、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を動作条件に応じた種々の量にて得ることを可能にするエタノールおよび水の改質反応が生じる。
図３の残りの参照は、図１の参照と同等である。
図３の構成要素を素早く参照するために、下記の表を参照されたい。
Figure 2016508938
Figure 2016508938
固定床反応炉は、通常は、図４に示されるように触媒粒子が充填された１つ以上の管を有し、この場合には、熱が管に対して垂直に流れる（すなわち、クロスフローの）高温の空気によってもたらされる一方で、反応させられるべき生成物が管を通って循環する。触媒粒子として、ニッケル、好ましくはＮｉ／Ａｌ２Ｏ３、鉄、貴金属、希土類元素、およびこれらの組み合わせが挙げられ、それらの構成材料、サイズ、および形状は、さまざまであってよく、粒状、円柱形、球形などであってよい。いくつかの場合には、とりわけ白金などの金属触媒において、金網が金属粒子の代わりに使用される。
熱の使用を最適化する必要に鑑み、触媒が充填されたただ１本の大径の管を使用することは、不可能である。代わりに、反応炉は、単一の円筒形の本体に取り付けられた特定の本数の管によって作られなければならない。
エネルギの交換は、ブレーキとして働くエンジンの圧縮サイクルからもたらされる高温の空気を、これらの管を包むジャケットの内部へと流すことによって達成させる。
顕著な熱効果を達成するために、触媒管は、例えば最大約２．５４ｃｍ（約１インチ）の直径など、小さくなければならない。管の直径および管の本数を、本明細書に記載の方法を使用して各々のエンジンにおいて得られる制動力にもとづいて正確に計算する必要がある。さらに、この方法を適用するために必要な設備は、熱交換器を備える。これらの装置は、現在の技術水準において一般的に使用されており、交換されるべき熱にもとづいて、制動の段階においてエンジンからもたらされるエネルギを高温の空気によって届けることを可能にするように設計されている。
試験したシステムにおいて使用したポンプおよびセパレータも、この技術分野の平均的な知識を有する者であれば技術的に取り扱うことが可能である広く使用されている装置である。
したがって、本発明のさらなる目的は、制動時に大型車両が消散させる運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するための方法を実行するためのシステムであって、圧縮機として働くエンジンによって生み出される熱エネルギを使用して改質反応が行われる固定床反応炉を備えるシステムを説明することにある。
減速の段階において、エンジンブレーキ（ジェイコブスブレーキ）を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを水素気体燃料の形態で回収するためのシステムが、
水容器と、容器から水を取り出すポンプと、エンジンブレーキのように働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気と熱を交換でき、到来する水を気化させ、生成された蒸気の温度を高める交換器と、
炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種を有する容器と、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気と熱を交換でき、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの到来する化学種を気化させ、少なくとも１つの化学種の温度を高める交換器と、
炭素および水素の供給源として使用される前記化学種の容器から到来する予熱された炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種を、水容器から到来する予熱された蒸気によって改質するための反応炉であって、水素を含む合成ガスのための出口ダクトをさらに備えており、減速時にエンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンからもたらされる高温の空気と熱を交換することだけができる反応炉と、
エンジンの制動の際にのみ反応炉へと高温の空気をもたらすための手段と、
改質反応炉の出口における合成ガスを冷却する熱交換器と、外部の熱損失を備えており、合成ガスから未反応の水を回収するために反応炉へと接続された気液分離装置と、水素を含みかつ改質反応炉から到来する気体燃料を構成する前記合成ガスのための容器と
を備える。
好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、熱の使用を最適化するために稼働ユニットの間に散在する１つ以上の追加の熱交換器をさらに備える。熱交換器は、エンジンおよびシステム自体が発生させる熱の回収を最大化するように相互接続される。
やはり好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、予熱された蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置をさらに備える。
あるいは、予熱された蒸気と、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流とが、同じ改質反応炉において混合され、もしくは各々の管の入り口において反応炉の内部に取り付けられた特定の混合チャンバの内部で混合される。
やはり好ましくは、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、水容器から送られる水を受け取る水気化ボイラをさらに備え、水気化ボイラの加熱は、エンジンブレーキとして働くディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気の熱交換によってもたらされ、さらには／あるいは加速時のディーゼルエンジンによって生み出される排気ガスからもたらされ、さらには／あるいはシステム自体の熱回収によってもたらされる。
車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、気化ボイラからの蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置をさらに備える。
同様に、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、液体の状態の炭素および水素の少なくとも１つの化学種の容器と、前記少なくとも１つの化学種を取り出し、この少なくとも１つの化学種を蒸気へと変化させて予熱する少なくとも１つの熱交換器へともたらすポンプとをさらに備える。
やはり基本的に、車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、到来する予熱された蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種とを、改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置をさらに備える。
特に、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、およびこれらの混合物で構成されるアルカンのグループ、ならびにメタノール、エタノール、プロパノール、およびこれらの混合物で構成されるアルコールのグループから選択される。これらの化合物は、改質反応炉の内部での反応を実行するために必要な炭素および水素の供給源である。
好ましい実施形態において、車両の運動および／またはポテンシャルエネルギを回収することによって得られた合成ガスは、リザーバから取り出され、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される燃料と混合される。合成ガスをリザーバから取り出し、車両の加速の段階においてディーゼルエンジンによって使用される給気と混合してもよい。
特に、エンジンに進入するディーゼル燃料または給気における合成ガスの混合の比は、電子燃料噴射コントローラ（ＥＦＩＣ）によって制御される。
４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステムは、トラック、バス、より大型の長距離バス、道路建設機械、農業機械、および機関車であってよい大型の車両に搭載される。
以下の特徴を備え、４ストロークにつきただ１回の圧縮を考慮するジェイコブスエンジンブレーキまたはジェイクブレーキとして知られる制動機構を備えるディーゼルエンジンに適用される方法およびシステムを、以下で説明する。
Figure 2016508938
このやり方で、次に本発明を、以下の実施例に従って本発明の好ましい実施形態を示している添付の図面を参照して詳しく説明する。
［実施例］
その応用の実現可能性を判断するために、このプロセスのエネルギ効率を解析した。本方法を、マスおよびエネルギの種々の割合ならびに種々の作動分子を使用することにより、回収システムの熱力学を解析することによって試験した。
以下の分子を作動分子、すなわち炭素および水素の供給源としての化学種あるいは改質すべき燃料として選択した。
１）メタン。圧縮天然ガス（ＣＮＧ）の形態で容易に入手できるため。
２）メタノール。低コストであり、大気温度において液体のままであり、メタンよりも大幅に低い温度で水素へと改質できるため。
３）エタノール。再生可能な原材料から得ることができ、大気温度において液体のままであるため。
解析を、約２５℃の気温および圧縮機吸気口における約１００ｋＰａ（絶対）ならびに排気ガスによって予熱された水の容器にて、定常状態のシステムにおいて実行した。水を、約１８０℃の温度にて飽和した液体の状態で使用した。メタンの改質のために、メタンを約２５℃および約２２００ｋＰａ（絶対）に保った。メタノールの場合には、メタノールを約２５℃および約１００ｋＰａ（絶対）に保つ一方で、エタノールの改質については、エタノールを約２５℃および約１００ｋＰａ（絶対）に保った。
圧縮機として働くエンジンの断熱効率（ηＣ）は、約９８％であった。エンジンの全体効率（ηＥ）は、エンジンの回転数にかかわらず一定であった。ＭＰ［％］を、約４０％というηＥの値から計算した。
試験した事例の各々において、約１１６ｋＷの定格圧縮機出力を使用した。圧縮機として働くエンジンにおける消散エネルギを計算するために、すべての事例について固定された１１６ｋＷの定格出力を、試験したプロセスの各々に関与するポンプおよび圧縮機によって必要とされる出力に加えた。
熱交換プロセスのために、低温流体と高温流体との間に１２℃の最大の温度の近似が存在した。
熱交換設備の間のチャージの損失は、ゼロに等しかった。
ＴＰ［％］およびＭＰ［％］の計算の目的で、エンジンの性能を、試薬の燃焼および改質反応の生成物の燃焼の両方について同じであると考えた。
各々の事例について得られるエネルギを比較するときに、燃焼流を約２００℃へと冷却した。
約２％のモル体積という酸素濃度を、エンジンの出口において使用した。
改質反応からもたらされるガスを、約４０℃まで再調節した。
評価は、２つの異なる性能の考慮事項にもとづく。
ｉ）熱的性能。基本的に、最適化プロセスのエネルギ効率の評価を目的とする。
ｉｉ）全体としての機械的性能。基本的に、制動から得られる使用可能エネルギの正味の量の評価を目的とする。この性能の評価は、内燃機械、すなわち車両のディーゼルエンジンの熱力学的効率を考慮に入れている。
すべての事例において、目的は、図１〜３にそれぞれのフロー図が示されている熱回収システムの構成を最適化することであった。
蒸気を生成するために使用される水を、車両の通常の動作速度において排気ガスによって予熱した。これは、消散エネルギを活用するさらなる選択肢としてのやり方と考えられる。
このように、プロセスの熱的性能を、試薬の流れから得られたと考えられる総エネルギからの回収エネルギの百分率として定義した（ここで、総エネルギおよび回収エネルギはどちらも、試薬として使用される燃料または改質ガスから燃焼によって得られる）。
ＲＴ［％］＝（ＥＲｅｃｏｖｅｒｅｄ／ＥＲｅａｇｅｎｔｓ）×１００＝（（ＥＰ．Ｒ．−ＥＲｅａｇｅｎｔｓ）／ＥＲｅａｇｅｎｔｓ）×１００
ここで、ＴＰ［％］は、エネルギ回収および最適化プロセスにおける熱的性能の百分率である。
ＥＰ．Ｒ．は、改質反応の生成物の燃焼から得られるエネルギである。
ＥＲｅａｇｅｎｔｓは、改質反応に使用される試薬の燃焼から得られるエネルギである。
ＥＲｅｃｏｖｅｒｅｄは、改質反応の生成物の燃焼から得られるエネルギから、改質反応に使用される試薬の燃焼から得られるエネルギを引いた差である。まさに定義のとおり、熱的性能がエンジンの効率に関係しておらず、試薬および生成物の流れに含まれるエネルギに関係していることに、注目すべきである。したがって、熱的性能は、最適化プロセスのエネルギ効率に結び付けられる。
他方で、プロセスの機械的性能は、本来は制動において環境へと消散させられる総エネルギに対する再使用されるエネルギの百分率として定義された。
ＲＭ［％］＝（ＥＲｅｃｏｖｅｒｅｄ／ＥＤｉｓｓｉｐａｔｅｄ）×ηＭ×１００＝（（ＥＰ．Ｒ．−ＥＲｅａｇｅｎｔｓ）／ＥＤｉｓｓｉｐａｔｅｄ）×ηＭ×１００
ここで、ＭＰ［％］は、エネルギ回収および最適化プロセスにおける機械的性能の百分率である。
ＥＰ．Ｒ．は、改質反応の生成物の燃焼から得られるエネルギである。
ＥＲｅａｇｅｎｔｓは、改質反応に使用される試薬の燃焼から得られるエネルギである。
ＥＲｅｃｏｖｅｒｅｄは、改質反応の生成物の燃焼から得られるエネルギから、改質反応に使用される試薬の燃焼から得られるエネルギを引いた差である。
ＥＤｉｓｓｉｐａｔｅｄは、圧縮機として働くエンジンにおいて消散させられるエネルギに、プロセスに関与するポンプおよび圧縮機の駆動に必要なエネルギを加えたものである。いずれの場合も、制動において消散させられるエネルギを指す。
ηＥは、エンジンの全体効率である。
提示のモデルが連続的なやり方で動作し、すなわち単位時間あたりの物質の量として表すことができるボリューム（ｖｏｌｕｍｅ）に関係することに、注目すべきである。したがって、モデルに関するエネルギの流れは、単位時間あたりのエネルギ、すなわち力に関して表現される。
［実施例１］：
このデータを考慮して、エネルギの回収を、炭素および水素の供給源としてメタンを使用して実行した。
図１が、炭素および水素の供給源としてのメタン（ＣＨ４）についての従来の改質反応を使用し、車両の制動の際にエンジンを圧縮機として使用し、この圧縮機の排気ガスに含まれる熱エネルギを使用して、車両の制動に対応するエネルギの一部を回収するように設計されたフロー図を示している。
図１の図は、流れ１による圧縮機Ｋ−１００（すなわち、車両のエンジン）への空気の取り入れを示している。流れ２、４８、３、４、１８、および１９が、種々の交換器を通って流れ、それ自体の熱を触媒反応炉、交換器Ｅ−１００、交換器Ｅ−１０１における水の流れ、および交換器Ｅ−１０４におけるメタンの流れへと移動させる高温の空気を指している。
水が、流れ２７によって進入し、ポンプＰ−１００によって送られる。加圧されたメタンが、流れ１７によって進入する。
水およびメタンの流れが、混合装置ＭＩＸ−１００において合流し、触媒反応炉ＧＢＲ−１００に進入する。内部において、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を動作条件に応じた種々の量にて生成する化学反応が生じる。
触媒反応炉の出口、すなわち流れ９において、得られる混合物は、水蒸気および未反応のメタン、一酸化炭素、二酸化炭素、および水素で構成される。
流れ９は、依然として使用することができるエネルギを伴って触媒反応炉ＧＢＲ−１００を離れ、次いで交換器Ｅ−１０２およびＥ−１０３のそれぞれのメタンおよび水を予熱するために使用される。
次に、流れ１６は、交換器Ｅ−１０５に進入し、熱を環境へと消散させる（捨てられるエネルギ）。このように、反応の残留水が凝縮させられ、ガスが貯蔵に向けて調整される。２相分離装置Ｖ−１００が、凝縮した水の底部からの抽出（流れ２２）を可能にし、上部からのガスの流れの貯蔵（流れ２１）を可能にする。
得られた結果およびデータが、下記の表１にまとめられている。
Figure 2016508938
Figure 2016508938
アルカンについての好ましい実施形態として使用されるメタンによる改質プロセスの熱的性能は、主として、改質反応炉の出口において得られる水素の濃度に関係し、さらに後者は、反応炉の出口におけるガスの温度に関係している。出口における温度が高いほど、より大きな反応の平衡が生成物（すなわち、水素、一酸化炭素など）に向かって移動し、したがってより良好な熱的性能が得られる。反応炉へと供給される物質の量が少ないほど、熱的性能の値が高くなる。
しかしながら、反応炉へと供給される物質の量が増えると、ガス流における水素の濃度は低下するが、生成される水素の総モル数も増加し、プロセスの機械的性能の向上がもたらされる。
他方で、反応炉へと供給されるモル数を一定に保ちつつ、Ｈ２Ｏ／ＣＨ４のモル供給比を大きくすると、反応の平衡のより大きな移動に起因して、プロセスの熱的性能の向上が生じる。反対に、Ｈ２Ｏ／ＣＨ４のモル供給比が大きいほど、改質反応の後で残留水を凝縮させて分離するために追い出さなければならない熱の量が多くなる。
従来のメタン改質プロセスにおける熱的および機械的性能は、メタン改質プロセスが顕著な変換を達成するためにより高い温度を必要とするという事実ゆえに、比較的低い。
［実施例２］：
同じやり方で、エネルギの回収を、メタンの代わりに炭素および水素の供給源としてメタノールを使用して実行した。
図１の図は、従来のメタン改質プロセスについての実施例１における図（図１を参照）によく似ており、リザーバに大気圧で貯蔵された液体メタノールの流れ４７を送ることを可能にするポンプＰ−１０１が追加されている。
この生成の方法においては、メタノールが、動作条件に応じて、種々の量にて水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を得るために、水と反応させられる。
得られた結果およびデータが、下記の表２にまとめられている。
Figure 2016508938
プロセスの熱的性能は、改質反応炉の出口において達成される水素および一酸化炭素の濃度に関係し、したがって反応炉のガスの出口温度に関係する。出口における温度が高いほど、一酸化炭素の濃度が高くなる一方で、水素の濃度は大きくは変わらない。したがって、反応炉へと供給される物質の量が少ないほど、熱的性能の値は高くなる。
しかしながら、反応炉へと供給される物質の量が増えると、生成される水素の総モル数も増加し、プロセスの機械的性能の向上がもたらされる。
他方で、プロセスの熱的性能は、Ｈ２Ｏ／ＣＨ３ＯＨのモル供給比が反応炉へと供給されるモル数を一定に保ちつつ１．００から２．５０へと増やされるとき、実質的に変わらないままである。これは、１．００というＨ２Ｏ／ＣＨ３ＯＨのモル供給比において、反応の平衡がすでに生成物に向かって移動しているという事実に起因する。他方で、Ｈ２Ｏ／ＣＨ３ＯＨのモル供給比の同様の変化において、変換の大きな増加を可能にしない反応炉へと供給されるメタノールのモルの量の減少に起因して、機械的性能の大きな低下が生じる。
従来のメタノール改質プロセスに関する熱的および機械的性能の値は、改質反応が大型車両の制動の際の運動エネルギ回収プロセスにおいて達成できる温度範囲においてかなりの変換をもたらすがゆえに高い。
［実施例３］：
同じやり方で、エネルギの回収を、メタンの代わりに炭素および水素の供給源としてエタノールを使用して実行した。
図３の図は、従来のメタン改質プロセスについての実施例１の図（図１を参照）によく似ており、リザーバに大気圧で貯蔵された液体エタノールの流れ４７を送ることを可能にするポンプＰ−１０１が追加されている。
この場合、エタノールが、動作条件に応じて、種々の量にて水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を得るために、水と反応させられる。
このプロセスは、Ｅ−１０５において凝縮し、未反応の水と一緒に分離装置Ｖ−１００においてガス流から分離される未反応のエタノールゆえに、きわめて低い性能を示す結果をもたらす。このように、エタノールに含まれる大量の化学エネルギが、分離装置Ｖ−１００の底部から去り、貯蔵されてエンジンにおいて使用されることがない。
エタノールにおけるこの固有の問題が、エタノールを、改質反応炉のための試薬としては魅力のない選択肢にしている。いずれせよ、その使用は、例えば水−エタノールの混合物をリサイクルすることによるシステムに合わせた調整を通じて、その性能を高めることによって実現可能である。
結論
メタノールの使用は、メタンと比べて、前者がより低い温度で改質され、より多くの水素を生み出す改質反応のより良好な前進を達成することに鑑みて、大幅に良好な性能を生む。
メタノールは、エネルギ濃度がより高いというさらなる利点も有する。１ガロンのメタノールは、２００ｂａｒの圧力の１ガロンの天然ガスよりも１．８倍も多くのエネルギを有する。これは、メタノールにおいては天然ガスと比べて制動時の消費がはるかに少なく、したがって燃料リザーバがより小さく、より安価になることを意味する。
この性能は、メタノールにおいて、１０９ヤードの斜面においてそれ自体のポテンシャルエネルギを減少させる車両が、改質ガスを燃料として燃焼させることによって斜面において最大１９ヤードを回復できることを意味する。
この問題に対してより現実的な見通しをもたらすために、２０トンの車両が１８マイルの距離にて４３７ヤードの斜面を下るために必要とするメタノール、水、および改質ガスの量を計算したが、それはそのような車両の制動システムをかなりのストレスに曝す。制動を、もっぱら「ジェイクブレーキ」システムにもとづく提案のエネルギ回収システムによって行われると仮定した。
メタノールから得られる化学的なエネルギが、この車両が７７ヤードのポテンシャルエネルギを得ることを可能にする。ポテンシャルエネルギの４３７ヤードの損失が、４ガロンのメタノールの消費および１．８ガロンの水の消費を生じさせる。生成される改質ガスを貯蔵するために必要な体積は、改質反応炉の動作圧力である２２ｂａｒにおいて０．４ガロンである。
関係する試薬の体積は過度には大きくないが、合成ガスとして得られる生成物の体積が、問題となるほどに大きくなりかねないと考えられる。この問題を、貯蔵されるべき改質ガスについて２００ｂａｒの圧力への圧縮を実行することによって処理することができる。そのような場合、得られる改質ガスを貯蔵するために必要な体積は４６ガロンになり、プロセスの機械的性能はほぼ１５％へと低下し、これは、プロセスによって得られる化学的なエネルギによって、車両が２２ｂａｒでの貯蔵の７７ヤードの代わりに、６６ヤードのポテンシャルエネルギを獲得できることを意味すると考えられる。
したがって、燃料改質による車両の制動エネルギの回収および最適化プロセスは、実現可能であると結論付けられる。
しかしながら、プロセスの経済的実現可能性は、ディーゼル燃料の相対価格ならびにどのような炭素および水素の供給源が改質において使用されるかに大きく左右される。相対価格は時間とともに変化するため、経済的な実現可能性もやはり時間とともに変化する。
一連の変更および改良を、本発明の精神および範囲から外れることなく実行することができ、そのような変更および改良は、以下の特許請求の範囲によって包含されると考えられることが意図される。
本発明の以上の説明に鑑み、新規であるとして請求され、保護が求められる内容は、以下のとおりである。

Claims (29)

  1. 減速の段階において、エンジンブレーキ（ジェイコブスブレーキ）を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から回収される運動および／またはポテンシャルエネルギから、水素を含む気体燃料を生成するための方法であって、
    ａ）予熱された蒸気の流れをもたらす段階と、
    ｂ）予熱された炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からのガス流をもたらす段階と、
    ｃ）段階ｂ）からの炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種からの前記ガス流を、段階ａ）からの前記蒸気の流れと混合する段階と、
    ｄ）炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種と蒸気との混合物を、減速時にエンジンブレーキとして働く前記ディーゼルエンジンの圧縮段階からの高温の空気によって加熱された改質反応炉の触媒床において反応させ、水素を含む合成ガスの出口流を生成する段階と、
    ｅ）前記水素を含む合成ガスの出口流において水を凝縮させ、水を含まない合成ガスの流れを生成する段階と、
    ｆ）前記段階ｅ）において得られた前記合成ガスの流れを、後に前記車両の加速段階において使用するためにリザーバに蓄える段階と
    を含む方法。
  2. 段階ａ）の前記予熱は、通常の動作の際に前記エンジンによって生成される排気ガスによる熱の交換によって達成される、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  3. 段階ａ）の前記予熱は、段階ｄ）からの高温の合成ガスと熱を交換することによって達成される、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  4. 段階ａ）の前記予熱は、前記ディーゼルエンジンがエンジンブレーキとして働く前記圧縮段階からの前記高温の空気と熱を交換することによって達成される、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  5. 前記蒸気は、通常の動作の際に前記エンジンによって生成される前記排気ガスによって水を加熱するボイラにおいて生成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  6. 段階ｂ）の前記予熱は、通常の動作の際に前記エンジンによって生成される前記排気ガスによる熱の交換によって達成される、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  7. 段階ｂ）の前記予熱は、段階ｄ）からの前記高温の合成ガスと熱を交換することによって達成される、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  8. 段階ｂ）の前記予熱は、前記ディーゼルエンジンがエンジンブレーキとして働く前記圧縮段階からの前記高温の空気と熱を交換することによって達成される、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  9. 段階ａ）からの前記蒸気の流れと、炭素および水素の供給源として使用される前記少なくとも１つの化学種からの段階ｂ）の前記ガス流との混合が、ガス混合装置において行われる、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  10. 段階ａ）からの前記蒸気の流れと、炭素および水素の供給源として使用される前記少なくとも１つの化学種からの段階ｂ）の前記ガス流との混合が、改質反応炉の前記触媒床において生じる、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  11. 炭素および水素の供給源として使用される前記少なくとも１つの化学種は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、およびこれらの混合物で構成されるアルカンのグループ、ならびにメタノール、エタノール、プロパノール、およびこれらの混合物で構成されるアルコールのグループから選択される、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  12. 前記合成ガスは、前記車両の加速の段階において前記ディーゼルエンジンによって使用される前記燃料と混合される、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  13. 前記合成ガスは、前記車両の加速の段階において前記ディーゼルエンジンによって使用される給気と混合される、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  14. 前記混合の比は、電子燃料噴射コントローラ（ＥＦＩＣ）によって制御される、請求項１２または１３に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  15. 前記４ストロークディーゼルエンジンは、大型車両に搭載されている、請求項１に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  16. 前記大型車両は、トラック、バス、より大型の長距離バス、道路建設機械、農業機械、および機関車から選択される、請求項１５に記載の水素を含む気体燃料を生成するための方法。
  17. 減速の段階において、エンジンブレーキ（ジェイコブスブレーキ）を備える４ストロークディーゼルエンジンによって駆動される車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを水素気体燃料の形態で回収するためのシステムであって、
    水容器と、前記容器から水を取り出すポンプと、エンジンブレーキのように働く前記ディーゼルエンジンによって生み出される高温の空気と熱を交換でき、到来する水を気化させ、生成された蒸気の温度を高める交換器と、
    炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種を有する容器と、エンジンブレーキとして働く前記ディーゼルエンジンによって生み出される前記高温の空気と熱を交換でき、炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの到来する化学種を気化させ、少なくとも１つの炭素化学種の温度を高める交換器と、
    炭素および水素の供給源として使用される前記化学種の前記容器から到来する予熱された炭素および水素の供給源として使用される少なくとも１つの化学種を、前記水容器から到来する予熱された蒸気によって改質するための反応炉であって、水素を含む合成ガスのための出口ダクトをさらに備えており、減速時にエンジンブレーキとして働く前記ディーゼルエンジンからもたらされる前記高温の空気と熱を交換することもできる反応炉と、
    改質反応炉の出口における前記合成ガスを冷却する熱交換器と、外部の熱損失を備えており、前記合成ガスから未反応の水を回収するために前記反応炉へと接続された気液分離装置と、水素を含みかつ前記改質反応炉から到来する前記気体燃料を構成する前記合成ガスのための容器と
    を備えるシステム。
  18. 前記システムにおける前記熱の使用を最適化するために稼働ユニットの間に散在する種々の熱交換器を備えてもよい、請求項１７に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
  19. 前記予熱された蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される前記少なくとも１つの化学種とを、前記改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置を備えてもよい、請求項１７または１８に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
  20. 前記水容器から送られた前記水を受け取る水気化ボイラを備えてもよく、前記水気化ボイラの加熱は、エンジンブレーキとして働く前記ディーゼルエンジンによって生み出される前記高温の空気の熱交換によってもたらされ、さらには／あるいは加速時の前記ディーゼルエンジンによって生み出される排気ガスからもたらされ、さらには／あるいは前記システム自体の熱回収によってもたらされる、請求項１７に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
  21. 前記水気化ボイラからの蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される前記少なくとも１つの化学種とを、前記改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置を備えてもよい、請求項１９に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
  22. 液体の状態である場合の炭素および水素の供給源として使用される前記少なくとも１つの化学種の容器と、炭素および水素の供給源として使用される前記少なくとも１つの化学種を取り出し、前記少なくとも１つの化学種を蒸気へと変化させて予熱する少なくとも１つの熱交換器へともたらすポンプとを備えてもよい、請求項１７に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
  23. 前記予熱された蒸気の流れと、予熱された気相の状態の炭素および水素の供給源として使用される前記少なくとも１つの化学種とを、前記改質反応炉への進入に先立って合流させて均一化するガス混合装置を備えてもよい、請求項２２に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
  24. 炭素および水素の供給源として使用される前記少なくとも１つの化学種は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、およびこれらの混合物で構成されるアルカンのグループ、ならびにメタノール、エタノール、プロパノール、およびこれらの混合物で構成されるアルコールのグループから選択される、請求項１７〜２３のいずれか一項に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
  25. 前記合成ガスは、前記リザーバから取り出され、前記車両の加速の段階において前記ディーゼルエンジンによって使用される前記燃料と混合される、請求項１７に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
  26. 前記合成ガスは、前記貯蔵容器から取り出され、前記車両の加速の段階において前記ディーゼルエンジンによって使用される給気と混合される、請求項１７に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
  27. 前記混合の比は、電子燃料噴射コントローラ（ＥＦＩＣ）によって制御される、請求項２５または２６に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
  28. 前記４ストロークディーゼルエンジンは、大型車両に搭載されている、請求項１７に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
  29. 前記大型車両は、トラック、バス、より大型の長距離バス、道路建設機械、農業機械、および機関車から選択される、請求項２８に記載の車両から運動および／またはポテンシャルエネルギを回収するためのシステム。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3190287B1 (en) * 2014-09-05 2019-05-08 Yanmar Co., Ltd. Engine
CN114278469B (zh) * 2021-12-30 2022-10-21 重庆望江摩托车制造有限公司 一种利用甲醇裂解制氢的混合能源摩托车
CN114320583B (zh) * 2021-12-30 2022-10-21 重庆望江摩托车制造有限公司 采用甲醇裂解制氢的氢能源摩托车

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3220392A (en) 1962-06-04 1965-11-30 Clessie L Cummins Vehicle engine braking and fuel control system
CN2237727Y (zh) * 1995-05-31 1996-10-16 上海华联机电技术研究所 汽车节油降污器
US6591758B2 (en) 2001-03-27 2003-07-15 General Electric Company Hybrid energy locomotive electrical power storage system
US7401578B2 (en) 2004-05-21 2008-07-22 Gemini Energy Technologies, Inc. System and method for the co-generation of fuel having a closed-loop energy cycle
US7210467B2 (en) * 2004-06-22 2007-05-01 Gas Technology Institute Advanced high efficiency, ultra-low emission, thermochemically recuperated reciprocating internal combustion engine
US7089888B2 (en) * 2004-12-30 2006-08-15 Council Of Scientific And Industrial Research Device for production of hydrogen from effluents of internal combustion engines
JP2006316679A (ja) * 2005-05-11 2006-11-24 Yamaha Motor Co Ltd 自動二輪車用のエンジン装置
US7637971B2 (en) 2005-06-29 2009-12-29 Hsu Yang Wang Hydrogen fuel supply system
US9188086B2 (en) 2008-01-07 2015-11-17 Mcalister Technologies, Llc Coupled thermochemical reactors and engines, and associated systems and methods
ATE537334T1 (de) * 2008-03-12 2011-12-15 Kawasaki Heavy Ind Ltd Ventilbetätigungsmechanismus
JP4523978B2 (ja) 2008-03-28 2010-08-11 株式会社日立製作所 エンジンシステム
CN201261385Y (zh) * 2008-11-14 2009-06-24 周登荣 空气混合动力汽车
GB2476676B (en) 2010-01-04 2011-12-07 Flybrid Systems Llp Clutched flywheel transmission
US20120201557A1 (en) * 2011-02-07 2012-08-09 Toshiba Tec Kabushiki Kaisha Image forming apparatus
WO2012108906A1 (en) * 2011-02-08 2012-08-16 Icr Turbine Engine Corporation Gas turbine engine braking method
GB2489021B (en) 2011-03-16 2013-08-14 Flybrid Automotive Ltd High speed flywheel
CN102259595B (zh) * 2011-05-13 2013-07-10 北京工业大学 一种回收制动能量随车制取氢、氧气的装置及方法

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