JP4052847B2 - Gas engine with fuel reformer - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は,天然ガスを改質燃料に改質する燃料改質装置を備えたガスエンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】
エンジンの熱効率の向上は地球の温暖化,エネルギー資源の枯渇等の地球の大きな問題を解決するため不可欠である。従来技術の延長上ではこれらの問題を解決することが出来なくなったので,新しい手法として燃料の改質が考えられた。熱効率を改善するためには,エンジンから発生する有効仕事の動力が増加すれば良いのだが,現在最も良いとされる圧縮比が大きいディーゼルエンジンの熱効率が大体40〜48%であり,これ以上の改善が出来なくなっている。しかし,大半の熱は排気ガス,冷却水に放散されているのでこれらの熱を回収する手段が考えられてきたが,数%の熱効率の向上が出来たが,それ以上は無理であった。
【0003】
従来,天然ガスを主燃料とするガスエンジンは,コージェネレーションシステムとして開発が進められている。コージェネレーションシステムは,エンジン動力で駆動される発電機から電気エネルギとして取り出すと共に,排気ガスエネルギが有する熱を熱交換器で水を加熱して温水にし,該温水を給湯用として利用している。従来,天然ガスを燃料とするエンジンとして,例えば,特開平6−108865号公報,特開平6−101495号公報に開示されたものがある。
【0004】
特開平6−108865号公報に開示されたコージェネレーション型ガスエンジンは,排気ガスをターボチャージャ,エネルギ回収装置及び蒸気発生装置を通して排気ガス温度を低下させ,低温の排気ガスをEGRに使用してNOX を低減するものであり,遮熱型ガスエンジンからの排気ガスによってターボチャージャを駆動し,該ターボチャージャからの排気ガスで発電機を備えたエネルギ回収装置を駆動する。該コージェネレーション型ガスエンジンは,エネルギ回収装置からの排気ガスを熱交換器の蒸気発生装置に送り込み,蒸気発生装置で水を蒸気に変換し,該蒸気で蒸気タービンを駆動して電気エネルギとして回収する。
【0005】
また,天然ガスを改質した燃料を用いるガスエンジンとして,例えば,特開平11−93777号公報に開示されたものが知られている。該公報に開示された天然ガス改質装置は,天然ガス主成分のCH4 をCOとH2 の改質燃料に熱分解し,熱効率を改善すると共に排気ガス中のCO2 を熱分解に使用して放出する排気ガス中のCO2 含有量を低減し,NOX の発生を抑制するものである。天然ガス改質装置は,排気ガスパイプ内に排気ガス通路を形成する排気ガス通路体を配置し,排気ガスパイプの外側にガス燃料が流れるガス燃料ケースを配置し,ガス燃料ケース内にガス燃料通路を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材を配置し,多孔質部材の表面にCH4 とCO2 をCOとH2 の改質燃料に変換させる作用を有する触媒を被覆し,更にガス燃料パイプの外周に断熱材を配置したものである。
【0006】
また,熱交換装置として,特開平11−6601号公報に開示されたものがある。該熱交換装置は,エンジンからの排気ガスで蒸気を加熱する排気通路に設けられた第1段熱交換器と第2段熱交換器から成る。第1段熱交換器は,第1ケーシング内に配置された蒸気が流れる蒸気通路と,蒸気通路に配置された排気ガスが流れる排気ガス通路とから構成されている。第2段熱交換器は,第1ケーシングの下方に設けられた第2ケーシング内に配置された水を貯留できる水・蒸気通路と,水・蒸気通路の周りに配置された排気ガスが流れる排気ガス通路とから構成されている。各通路には,多孔質セラミック部材が配置されている。
【0007】
また,特開平11−93777号公報には,熱交換器を天然ガス改質装置に適用したものが開示されている。該天然ガス改質装置は,天然ガス主成分のCH4 をCOとH2 の改質燃料に熱分解するものであり,熱効率を改善すると共に排気ガス中のCO2 を熱分解に使用して放出する排気ガス中のCO2 含有量を低減するものである。天然ガス改質装置は,排気ガスパイプ内に排気ガス通路を形成する排気ガス通路体を配置し,排気ガスパイプの外側にガス燃料が流れるガス燃料ケースを配置し,ガス燃料ケース内にガス燃料通路を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材を配置し,多孔質部材の表面にCH4 とCO2 をCOとH2 の改質燃料に変換させる作用を有する触媒を被覆し,更にガス燃料パイプの外周に断熱材を配置したものである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら,天然ガスをエンジンの燃料として使用するため,排気ガスの熱エネルギーを利用して天然ガスを改質する技術的思想は,本発明者によって研究開発されているが,天然ガスの燃焼を実際にテストすると,天然ガスの場合には着火が極めて困難であり,始動性等の問題が極めて難しいことが分かった。天然ガスを改質して改質ガスを燃料として用いると,改質された燃料はCOとH2 となり,その発熱量が30%ほど増加するが改質が完全に進行しない混合ガスの場合もあり,その性状は必ずしも安定していないことが分かった。また,天然ガスを燃料とするガスエンジンでは,燃焼室をセラミックス等の材料で遮熱構造に構成すると,空気の圧縮温度が天然ガスの自己着火温度以上に上昇するので,点火装置が不要になるが,ノッキングが発生する。そこで,極めて希薄混合でかつO2 濃度が小さいようにするためEGRと空気を導入する主燃焼室の他に,濃い混合気を作るため燃料を導入する副燃焼室を設け,主燃焼室と副燃焼室とを連絡する連絡口に制御弁を設け,ディーゼルサイクルによる作動によって高い効率のコージェネレーション用のエンジンを提供することができる。このような構造によると,ガスエンジンの排気ガスは,燃焼室を遮熱構造に構成した場合に,850℃以上の高温になる。高温の排気ガスから熱エネルギを回収して,エンジンの熱効率をトータル的に向上させることができる。
【0009】
ところで,天然ガスは,その主成分がメタンCH4 であり,発熱量が大きく,自然界に多く存在するので,将来の石油代替燃料として期待されている。また,CH4 をCO2 の存在のもとで触媒を介して熱分解させると,CH4 はCOとH2 に変換されるが,COとH2 の合計の発熱量は,CH4 の発熱量以上のもの,即ち,1.3倍になる。そこで,遮熱型ガスエンジンの高温の排気ガスの熱エネルギを,CH4 の熱分解に利用して天然ガスを改質燃料に改質することによって,改質燃料の発熱を増加させ,エンジンの熱効率を向上させ,省資源にすると共に,CO2 の排出を抑制することができる。
【0010】
しかしながら,天然ガス中のCH4 をCO2 の存在によって排気ガスの熱エネルギによってH2 とCOに改質する天然ガス改質装置において,排気ガスから分離されたCO2 を使用する場合に,CO2 を含む分離ガス中にO2 が含まれていると,天然ガス改質装置における触媒装置内でO2 とH2 やCOが反応を起こし,場合によっては,反応爆発するという危険性がある。従って,天然ガス改質装置に送り込む排気ガスから分離されたCO2 を含む分離ガス中に含まれるO2 を可及的に低減する必要がある。
【0011】
一般に,ディーゼルエンジンから排出される排気ガスは,空気過剰率のため,N2 が75%,CO2 が15%及びO2 が10%程度であるが,必ずしもこのような割合ではなく,O2 が多く含まれることがある。また,排気ガスをCO2 分離器のCO2 分離膜を通すことによって,排気ガスから分離されたCO2 を含む分離ガスは,CO2 が90%,N2 が8%及びO2 が2%程度になり,通常であれば,このような成分の分離ガスを天然ガス改質装置に送り込んでも,それほど問題にならないが,排気ガス濃度が高いCO2 分離膜の異常が発生し易く,O2 が5%以上も含まれる現象が発生することがある。そのため,5%以上のO2 を含む分離ガスを天然ガス改質装置に送り込むと,天然ガス改質装置で生成したH2 とCOとが分離ガス中のO2 と反応爆発し,非常に危険な状態が発生する。上記のように苦労して生成した改質燃料を用いて,該改質燃料をエンジンに供給しても,改質燃料の燃焼が完全に行わなければ,エンジンの性能改善ができない。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は,上記の課題を解決することであり,天然ガスを改質した改質燃料を用いてエンジンで有効に燃焼させて性能を改善することができる天然ガスとその改質燃料とを燃料としてエンジンに供給するガスエンジンに関し,主燃焼室のシリンダ上部に副燃焼室を設け,排気管の出口付近に天然ガスを改質する燃料改質装置を設け,副燃焼室には改質前の天然ガスを供給し,吸気管には改質燃料と空気とを供給する予混合圧縮ディーゼル燃焼を行う燃料改質装置を備えたガスエンジンを提供することである。
【0013】
この発明は,シリンダブロックに取り付けられたシリンダヘッド,前記シリンダブロック側に形成されたシリンダ内を往復運動するピストン,前記ピストン側に形成された主燃焼室,前記シリンダヘッドに設けられた副燃焼室,前記主燃焼室と前記副燃焼室とを連通する連絡口に配置された副室制御弁,前記主燃焼室から排出される排気ガスの熱エネルギとCO2 とH 2 を利用して天然ガスをH2 とCOとに改質する燃料改質装置,吸気管に配置された改質燃料通路に設けられた改質燃料弁,及び前記副燃焼室に天然ガスを供給するため天然ガス供給通路に設けられた天然ガス弁を有し,
前記副燃焼室で前記天然ガスを燃焼させるため,前記副室制御弁は圧縮行程後半で開弁して前記主燃焼室から空気と改質燃料との希薄混合気を前記副燃焼室へ吹き込んで前記副燃焼室内の前記天然ガスを着火燃焼させ,前記副燃焼室から噴き出す燃焼火炎によって前記主燃焼室に存在する前記改質燃料を燃焼させることから成るガスエンジンに関する。
【0014】
このガスエンジンは,前記副室制御弁に対向する前記副燃焼室の上部にはグロープラグが配設されている。
【0015】
また,このガスエンジンにおいて,前記燃料改質装置は,筒状のハウジングに回転可能に支持され且つ内部が隔壁プレートによって回転方向に複数の区画室に分割されている筒状の回転容器,及び前記排気管から前記排気ガス,前記水蒸気管から水蒸気及び前記天然ガス管から前記天然ガスを前記回転容器に順次に供給するための燃料改質制御弁を有し,前記回転容器の前記区画室には吸着材と触媒を担持した金属多孔質体がそれぞれ収容され,前記ハウジングの入口側開口と出口側開口には排気管,水蒸気管及び天然ガス管がそれぞれ接続されており,前記天然ガス弁は前記副燃焼室へ前記天然ガスを供給するため吸気行程後半から圧縮行程の前半において前記副室制御弁の閉弁状態である時期に開放し,前記改質燃料弁は前記主燃焼室へ前記改質燃料を供給するため吸気行程において開放し,前記副室制御弁は圧縮行程後半で開弁して排気行程後半で閉弁するように設定されている。【0016
前記副燃焼室及び前記副室制御弁の燃焼ガスに接触する部分には,耐食性のジルコニア等のセラミックスによってコーティングされている。
【0017
前記燃料改質装置は,前記排気ガスの熱エネルギーを回収する熱交換器,前記排気ガス中のCO2 を吸着する吸着装置,及び前記天然ガスを前記改質燃料に改質する触媒装置を備えている。
【0018
この燃料改質装置を備えたガスエンジンは,上記のように構成されており,改質燃料は性状が必ずしも決まっておらず,着火温度が変化すると共に主燃焼室内の混合気が自着火しないように希薄混合気にされているので,主燃焼室と副燃焼室とを連通する連絡口に制御弁を置き,副燃焼室に天然ガス燃料を充満させ,主燃焼室には極めて希薄な改質燃料を供給し,圧縮行程後半で制御弁を開き高温の圧縮ガスを副燃焼室に送り込むと濃混合気が副燃焼室の奥部のグロープラグに接触して着火し,燃焼の核ができ,着実に着火が進行する。また,副燃焼室での燃焼は,グロープラグの熱源によって着火が発生するように構成されたものであり,副燃焼室及び副室制御弁の燃焼ガスに触れる壁面には熱の授受が少ないようなジルコニア等のセラミックスがコーティングされている。この時,主燃焼室には燃焼の不安定な改質燃料と空気とを供給し,副燃焼室には着火等の性状が決まっている天然ガスを供給すれば,副燃焼室での着火条件がはっきりしているので,制御弁の開度を一定にでき,副燃焼室で着実に燃焼を行わせることができる。また,副燃焼室への燃料供給は,ガス圧力又はガスの圧送時間を変えると,その量を変えることができるので,副燃焼室での燃料供給量は逐次変化させることができる。
【0019
【発明の実施の形態】
以下,図面を参照して,この発明による燃料改質装置を備えたガスエンジンの実施例を説明する。この発明による燃料改質装置を備えたガスエンジンは,天然ガスを燃料とするものであり,天然ガス即ちその主成分であるCH4 を,エンジンの排気ガスの熱エネルギを利用すると共に排気ガス中に含まれるCO2 を利用して,COとH2 とから成る改質燃料に改質し,燃料の熱量を増加させ,エンジンの熱効率をアップさせるものであり,コージェネレーションシステム,自動車,船舶等のエンジンとして適用して好ましいものである。
【0020
このガスエンジンは,燃焼室を遮熱構造に構成し,天然ガスを燃料とするディーゼルサイクルで駆動されるものであり,主として,シリンダ4内を往復運動するピストン5側に設けた主燃焼室即ち主室1とシリンダヘッド12に設けた副燃焼室即ち副室2を有し,主室1と副室2とを連通する連絡口27に副室制御弁8を設け,主室1には吸気を供給する吸気管33及び吸気マニホルド16を通じて天然ガスを改質したCOとH2 から成る改質燃料と空気とを供給し,副室2には天然ガスを直接供給し,圧縮行程の終端で副室制御弁8を開弁し,主室1から副室2内に空気と改質燃料との混合気を吹き込み,副室2に供給されている天然ガスをグロープラグ18の助けで着火燃焼させるものである。このガスエンジンは,排気管30の直後には,排気管30の熱エネルギを吸収する熱交換器から成る燃料改質装置15が設けられており,燃料改質装置15には,排気ガス中のCO2 を吸収するゼオライト(沸石:zeolite)及び/又は活性炭素等の吸着装置と天然ガスを改質するPt,Ru,Ni,Pd,Al2 3 等から成る触媒装置とが設けられている。
【0021
このガスエンジンは,図1に示すように,シリンダヘッド12を中間ヘッド13を介してシリンダブロック11に固定し,シリンダヘッド12に形成した孔部には遮熱構造の副室2を形成する副室構造体21が配置されている。シリンダヘッド12に固定した中間ヘッド13に形成した孔部50,即ち,シリンダヘッド12のキャビティには,遮熱構造の主室1を形成する燃焼室部材14が配置されている。このガスエンジンは,シリンダブロック11に形成した孔部にシリンダライナ34が嵌合され,シリンダライナ34に形成したシリンダ4内をピストン5が往復運動するように構成されている。主室1と副室2とを連通する連絡口27は,副室構造体21に形成されている。
【0022
また,図2に示すように,燃焼室部材14に形成された連絡口27には,連絡口27を開閉するため副室制御弁8が配置されている。副室構造体21は,副室制御弁8が副室2を貫通して配置され,副室制御弁8のステムにはシールリング24が配置され,副室2が密閉されている。副室制御弁8は,例えば,動弁機構20によって開弁作動され,リターンスプリング23によって閉弁するように構成されている。副室2には,上部に天然ガス通路22に接続する天然ガス供給口28が形成され,天然ガス供給口28にはカムによって開閉駆動される天然ガス弁3が配置されている。従って,天然ガス供給口28は,天然ガス弁3によって開閉されるように構成されている。更に,副室2の連絡口27とは反対側の上部にはグロープラグ18が配置されている。グロープラグ18は,天然ガスの着火燃焼を補助する機能を果たし,副室2の上部即ち奥部に設けてあるので,副室2内に供給された天然ガスは着火燃焼によって副室2から残留することなく,主室1へと確実に噴き出される。
【0023
このガスエンジンは,シリンダヘッド12に吸気ポート9と排気ポート10が形成されている。燃焼室部材14は,シリンダ4の一部を構成するライナ上部35とヘッド下面部36から構成されている。ヘッド下面部36には,シリンダヘッド12に形成された吸気ポート9と排気ポート10に対応するポートが形成され,図示していないが,ポートに排気弁と吸気弁が配置されている。シリンダヘッド12のキャビティと燃焼室部材14の外面との間には,ガスケットを介在すると共に,遮熱空気層31が形成され,主室1が遮熱構造に構成されている。また,シリンダヘッド12のキャビティの壁面と副室構造体21の外面との間には遮熱空気層32が形成され,副室2が遮熱構造に構成されている。また,ピストン5は,耐熱性に優れた窒化ケイ素等のセラミックスから成るピストンヘッド6と,ピストンヘッド6に結合リングで固定したピストンスカート37とから構成されている。ピストンヘッド6には,凹状のキャビティ7から成る主室1が形成されている。ピストンヘッド6とピストンスカート37との間に遮熱空気層38を形成し,主室1が遮熱構造に構成されている。
【0024
副室構造体21は,シリンダヘッド12のキャビティ,具体的には,シリンダヘッドの一部である中間ヘッド13の孔部50には,必要に応じてガスケット62を介在して嵌合されている。副室構造体21の下部は,燃焼室部材14に形成された孔部39に嵌合され,副室構造体21に形成された連絡口27は,主室1と副室2とを連通する。従って,燃焼室構造体は,副室2を構成する副室構造体21と主室1を構成する燃焼室部材14とから成り,副室構造体21は燃焼室部材14の中央に形成された孔部39に嵌挿して配置され,燃焼室部材14の中央には,副室構造体21に形成された連絡口27が主室1と副室2とを連通するように形成されている。従って,副室構造体21に形成される副室2は,シリンダ軸線のほぼ中央に配置されている。また,シリンダヘッド12にはガス燃料通路22が形成され,副室構造体21に形成された天然ガス供給口28に連通している。
【0025
燃料としての天然ガスのガス燃料は,適宜の場所に設けられたタンク等の燃料供給源に収容されている。ガス燃料供給源の天然ガス燃料は,送油燃料ポンプの作動によって,例えば,5〜7kg/cm2 に加圧され,その加圧された天然ガス燃料は,燃料供給通路を通じてガス燃料通路22に送り込まれる。ガス燃料通路22の天然ガス燃料は,天然ガス弁が天然ガス供給口28を開放することによって副室2へ供給される。
【0026
このガスエンジンでは,主室1を形成するピストンヘッド6,副室2を形成する副室構造体21及びシリンダライナ34は,例えば,耐熱性に優れた窒化ケイ素,炭化ケイ素,サイアロン等のセラミックスで作製されている。また,ピストンヘッド6及び副室構造体21では高温になるため,連絡口27に配置した副室制御弁8は高温強度を有する耐熱性に優れた耐熱金属,窒化ケイ素,炭化ケイ素等のセラミックスから製作されている。
【0027
このガスエンジンでは,燃料改質装置15は,例えば,排気ポート9の直近の排気管30に配置され,排気ガスが有する熱エネルギを利用できるように構成されている。吸気ポート10へ連通する吸気マニホルド16に改質燃料通路40が接続され,改質燃料通路40が吸気マニホルド16に開口する改質燃料供給口29には,電磁弁から成る改質燃料弁17が配設されている。改質燃料弁17は,コントローラ25の指令によって開閉作動され,吸気弁のアクチュエータ26と同期して開閉作動されるように構成されている。従って,燃料改質装置15によって天然ガスが改質された改質燃料は,燃料改質装置15から改質燃料通路40を通じて改質燃料弁17の開放によって吸気マニホルド16を通じて主室1へ空気と共に供給されるように構成されている。即ち,燃料供給源に収容された天然ガスは,排気管30に配置された燃料改質装置15に送り込まれ,排気ガスの熱エネルギを受けてH2 とCOとの改質燃料に改質され,燃料ポンプによって燃料供給通路を通じて主室1に供給される。
【0028
このガスエンジンは,上記のように構成されており,次のように作動される。このガスエンジンは,図4に示すように,排気行程,吸入行程,圧縮行程及び膨張行程の4つの行程を順次繰り返すことによって作動される。このガスエンジンは,吸気弁が吸気ポート6を主室1に開放した吸気行程の初期から後半にわたって吸気管33及び吸気マニホルド16にそれぞれ開口する改質燃料供給口29を改質燃料弁17が開放し,改質燃料が改質燃料装置15から吸気マニホルド16中に吸気と共に主室1へ供給される。一方,吸気行程の後半から吸気弁が吸気ポート6を閉鎖した圧縮行程の前半にわたって,天然ガス通路22を通じて天然ガス供給口28を天然ガス弁3が開放し,天然ガスが副室2に供給される。主室1と副室2とに供給される燃料の割合は,例えば,副室2に供給される天然ガスの供給量は燃料流量の全量の5〜20%程度であり,主室1に供給される改質燃料の供給量は燃料流量の全量の95〜80%程度であり,主室1で自己着火しない希薄な混合気である。
【0029
このガスエンジンは,圧縮行程の終端において,連絡口27を副室制御弁8が開放し,圧縮されて高圧になっている改質燃料と空気との混合気が主室1から副室2へ流入し,図4で示す圧力線図に示すように,副室2内の天然ガスが高圧高温となってグロープラグ18の助けによって副室2で着火燃焼し,一気に副室2内の圧力が上昇し,副室2から主室1へ燃焼火炎が連絡口27を通って副室2内に天然ガスが残留することなく火炎となって全量が噴き出し,次いで,主室1の改質燃料と空気との混合気に燃焼が伝播して二次燃焼を短期に完結して熱効率をアップし,膨張行程に移行してピストン5を押し下げて仕事をする。副室制御弁8は,排気弁が排気ポート10を開放して排気行程に移行し,排気行程の後半において連絡口27を閉鎖する。次いで,排気弁が排気ポート10を閉鎖し,吸気弁が吸気ポート9を開放して吸気行程に移行するものであり,これらの行程を繰り返してエンジンが駆動される。
【0030
次に,図5及び図6を参照して,燃料改質装置15の一例を説明する。燃料改質装置15は,主として,排気ガス,水蒸気,天然ガス,及び空気を順次圧送する制御弁装置,即ち,排気ガス弁66,水蒸気弁67,天然ガス燃料弁68及び空気弁65が設けられている。燃料改質装置15は,一端面に複数の入口側開口52と他端面に複数の出口側開口53が形成された筒状のハウジング41,ハウジング41に回転可能に支持され且つ内部が隔壁プレート49によって回転方向に複数の区画室55に分割されている筒状の回転容器42を有する。また,燃料改質装置15は,ハウジング41の入口側開口52にシール部材59を介して密封状態に,排気管30,水蒸気管45,天然ガスを導入する天然ガス管46及び空気導入管64がそれぞれ接続され,また,ハウジング41の出口側開口53にシール部材59を介して密封状態に,排気管30,水蒸気管45,改質ガスを送り出す改質燃料管40及び空気導入管64がそれぞれ接続されている。また,出口側の空気導入管64と改質燃料管40とは接続され,吸気管33に連通している。天然ガス管46と改質燃料通路40とは,長手方向に対応して位置決めされている。特に,回転容器42の区画室55には,金属多孔質体43がそれぞれ収容され,天然ガスを改質する機能を有している。
【0031
回転容器42は,ハウジング41に軸受56を介して回転自在に取り付けられた回転軸54に固定されている。回転容器42の一端面に形成された入口47は,ハウジング41の入口側開口52に整合することができるように位置決めされている。また,回転容器42の他端面に形成された出口48は,ハウジング41の出口側開口53に整合することができるように位置決めされている。燃料管は,ハウジング41の入口側開口52に接続された天然ガスを導入する天然ガス管46と,ハウジング41の出口側開口53に接続された改質燃料を送り出す改質燃料通路40とから成り,天然ガス管46と改質燃料通路40とは回転容器42の長手方向に対応して位置決めされている。また,回転容器42は,ハウジング41内に形成された真空層58においてベース57に軸受56を介して回転可能に支持されている。また,回転容器42は,コントローラ25の指令で回転速度が制御されるモータ51によって回転駆動される。
【0032
金属多孔質体43は,Ni,Cr,Fe等の金属材料から成る。金属多孔質体43の表面には,アルミナがコーティングされ,アルミナの表面には,排気ガス中のCO2 を捕捉するゼオライトの粉末がコーティングされている。更に,ゼオライト粉末の表面には,天然ガスをH2 とCOとの改質燃料に熱分解させる時の触媒となるPt,Ru,Ni,Pd(パラジウム),Al2 3 等の触媒層が配置されている。
【0033
コントローラ25の指令で,回転容器42には,回転容器42の回転,停止,間欠的な回転,回転速度を可変に制御することができるモータ51が取り付けられている。燃料改質装置15は,回転容器42の区画室55に排気管30を通じて排気ガスが導入され,排気ガス中のCO2 が金属多孔質体43の表面のゼオライトによって吸着され,次いで,排気ガスの熱エネルギで気化した水蒸気を区画室55に水蒸気管45を通じて導入することによって区画室55から酸素を含む排気ガスが排出され,次いで,区画室55に天然ガス管46を通じて導入された天然ガスがゼオライト及び/又は活性炭素によって吸着されたCO2 と,水蒸気の存在の下で,天然ガスをCOとH2 とに反応させて改質するものである。
【0034
回転容器42は,例えば,円筒形等の筒体に形成されている。回転容器42は,半径方向に延びる複数の隔壁プレート49によって複数の空間61となる区画室55に仕切られており,それらの空間61には耐熱金属から成る金属多孔質体43が配置即ち充填されている。改質燃料装置15は,ハウジング41内で回転容器42が回転すると,回転容器42に形成された入口47と出口48とは,排気管30,水蒸気管45,天然ガス管46,及び空気導入管64が接続されているハウジング41の入口側開口52と出口側開口53とに順次通過するようになる。コントローラ25は,天然ガスを改質するのに回転容器42の最適の作動状態にするため,モータ51に作動指令を出して回転容器42の回転作動を制御するものであり,回転容器42の可変速度回転,停止,連続回転,或いは断続的回転の制御をすることができる。
【0035
このガスエンジンに適用された燃料改質装置15は,上記のように構成されているので,回転容器42の区画室55に排気管30を通じて排気ガスが導入され,排気ガス中のCO2 が金属多孔質体43の表面のゼオライト及び/又は活性炭素によって吸着され,次いで,排気ガスの熱エネルギで気化した水蒸気を区画室55に送り込み,区画室55に残留するO2 を水蒸気で除去し,そこで,天然ガスが区画室55に送り込まれ,天然ガスのCH4 がゼオライト及び/又は活性炭素に捕捉されているCO2 の存在の下でCOとH2 との改質燃料に改質させると共に,CH4 とH2 OでCOとH2 との改質燃料に改質させ,それによって,全ての天然ガスをCOとH2 との改質燃料に反応させて改質し,空気導入管64から区画室55に空気を送り込んで,空気と共に改質燃料を吸気管33,次いで吸気マニホルド16を通じてエンジンに供給するものである。
【0036
このガスエンジンに適用できる燃料改質装置は,上記の構成に限らず,図7及び図8に示すように,簡易型の構造に構成することもできる。簡易型の燃料改質装置15Sを示す図7及び図8では,図5及び図6に示す燃料改質装置15の部材と同一のものには同一の符号を付している。簡易型の燃料改質装置15Sは,ハウジング41の入口側開口52にシール部材59を介して密封状態にそれぞれ接続された排気管30,天然ガスを導入する天然ガス管46,水蒸気管45,及び空気導入管64を接続し,また,出口側開口53にシール部材59を介して密封状態にそれぞれ接続された排気管30,改質ガスを送り出す改質燃料通路40,及び空気導入管64を接続する。また,回転容器42の区画室55に排気ガス,天然ガス,水蒸気及び空気を順次圧送する制御弁装置,即ち,排気ガス弁66,天然ガス燃料弁68,水蒸気弁67及び空気弁65が設けられている。簡易型の燃料改質装置15Sは,コントローラ25の指令で,回転容器42には,回転容器42の回転,停止,間欠的な回転,回転速度を可変に制御することができるモータ51が取り付けられている。
【0037
簡易型の燃料改質装置15Sは,上記のように構成されているので,回転容器42の区画室55に排気管30を通じて排気ガスが導入され,金属多孔質体43の表面のゼオライト及び/又は活性炭素によって排気ガス中のCO2 が吸着され,次いで,天然ガスを送り込み,排気ガス中のO2 とCH4 とを反応させてCOとH2 とに転化させると共に,CO2 とCH4 を反応させてCOとH2 Oとの改質燃料に改質させ,次いで,排気ガスの熱エネルギで気化した水蒸気を区画室55に水蒸気管45を通じて導入することによって反応の遅れたCH4 を水蒸気即ちH2 Oによって改質させてCOとH2 との改質燃料に改質させ,それによって全ての天然ガスをCOとH2 との改質燃料に反応させて改質し,空気導入管64から区画室55に空気を送り込んで,改質燃料を空気と共に吸気管33,次いで吸気マニホルド16を通じてエンジンに供給するものである。
【0038
【発明の効果】
この発明による燃料改質装置を持つガスエンジンは,上記のように,主燃焼室と副燃焼室とを連通する連絡口を副室制御弁で遮断している状態で,主燃焼室に天然ガスの改質燃料と空気を供給し,副燃焼室に天然ガスを供給するので,副燃焼室において性状の一定している天然ガスを所定の温度で確実に着火燃焼させることができ,次いで,副燃焼室から噴き出す燃焼火炎によって主燃焼室に存在する改質燃料と空気との混合気へと燃焼伝播させ,二次燃焼の燃焼期間を短縮して熱効率を向上させることができる。また,天然ガスは,排気ガスが有する熱エネルギと排気ガス中のCO2 とを利用して改質燃料装置によって有効にCOとH2 との改質燃料に改質され,エンジンの熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明による天然ガス改質装置を持つガスエンジンの一実施例を示す断面図である。
【図2】 図1のガスエンジンにおける副室を示す拡大断面図である。
【図3】 このガスエンジンにおける燃料供給系を示す概略説明図である。
【図4】 このガスエンジンのバルブタイミングを示す線図である。
【図5】 このガスエンジンに設けられた燃料改質装置の一例を示し,図6のB−B断面における断面図である。
【図6】 図5の燃料改質装置を示し,図5のA−A断面における断面図である。
【図7】 このガスエンジンに設けられた燃料改質装置の別の例を示し,図8のD−D断面における断面図である。
【図8】 図5の燃料改質装置を示し,図7のC−C断面における断面図である。
【符号の説明】
1 主室
2 副室
3 天然ガス弁
4 シリンダ
5 ピストン
8 副室制御弁
11 シリンダブロック
12 シリンダヘッ
14 燃焼室部材
15 燃料改質装置
16 吸気マニホルド
17 改質燃料弁
18 グロープラグ
22 天然ガス通
27 連絡口
30 排気管
33 吸気管
40 改質燃料通路
41 ハウジング
42 回転容器
43 金属多孔質体
45 水蒸気管
46 天然ガス管
49 隔壁プレート
52 入口側開口
53 出口側開口
55 区画
60 改質燃料
63 ジルコニア
64 空気導入管
65 空気弁
66 排気ガス弁
67 水蒸気弁
68 天然ガス燃料弁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a gas engine equipped with a fuel reformer that reforms natural gas into reformed fuel.
[0002]
[Prior art]
  Improvement of engine thermal efficiency is indispensable for solving major global problems such as global warming and depletion of energy resources. Since these problems could not be solved by extending the conventional technology, reforming the fuel was considered as a new method. In order to improve the thermal efficiency, it is only necessary to increase the power of the effective work generated from the engine. However, the thermal efficiency of a diesel engine with a large compression ratio, which is currently considered to be the best, is approximately 40 to 48%, and more Improvement is not possible. However, since most of the heat is dissipated in the exhaust gas and cooling water, a means to recover these heats has been considered, but it has been possible to improve the thermal efficiency by several percent, but it was impossible.
[0003]
  Conventionally, a gas engine using natural gas as a main fuel has been developed as a cogeneration system. The cogeneration system extracts electric energy from a generator driven by engine power, heats the exhaust gas energy to heat water with a heat exchanger, and uses the hot water for hot water supply. Conventionally, as an engine using natural gas as a fuel, for example, there are those disclosed in JP-A-6-108865 and JP-A-6-101495.
[0004]
  The cogeneration type gas engine disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-108865 uses an exhaust gas to reduce the exhaust gas temperature through a turbocharger, an energy recovery device and a steam generator, and uses a low temperature exhaust gas for EGR.XThe turbocharger is driven by the exhaust gas from the heat-insulated gas engine, and the energy recovery device equipped with the generator is driven by the exhaust gas from the turbocharger. The cogeneration type gas engine sends exhaust gas from an energy recovery device to a steam generator of a heat exchanger, converts water into steam by the steam generator, and drives the steam turbine with the steam to recover it as electric energy. To do.
[0005]
  Further, as a gas engine using a fuel obtained by reforming natural gas, for example, one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-93777 is known. The natural gas reforming apparatus disclosed in the publication is a natural gas main component CH.FourCO and H2Pyrolysis to reformed fuels of CO2 to improve thermal efficiency and CO in exhaust gas2In the exhaust gas discharged using pyrolysis for pyrolysis2Reduce content, NOXIt suppresses generation | occurrence | production of this. In the natural gas reformer, an exhaust gas passage body that forms an exhaust gas passage is disposed in an exhaust gas pipe, a gas fuel case through which gas fuel flows is disposed outside the exhaust gas pipe, and the gas fuel passage is disposed in the gas fuel case. A porous member made of porous ceramics to be formed is arranged, and CH is formed on the surface of the porous member.FourAnd CO2CO and H2A catalyst having the effect of converting to a reformed fuel is coated, and a heat insulating material is arranged on the outer periphery of the gas fuel pipe.
[0006]
  Further, there is a heat exchange device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-6601. The heat exchanger comprises a first stage heat exchanger and a second stage heat exchanger provided in an exhaust passage for heating steam with exhaust gas from the engine. The first stage heat exchanger is composed of a steam passage through which steam flows disposed in the first casing and an exhaust gas passage through which exhaust gas disposed in the steam passage flows. The second stage heat exchanger includes a water / steam passage capable of storing water disposed in a second casing provided below the first casing, and an exhaust gas through which exhaust gas disposed around the water / steam passage flows. It consists of a gas passage. A porous ceramic member is disposed in each passage.
[0007]
  Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-93777 discloses a heat exchanger applied to a natural gas reformer. The natural gas reformer is composed of CH, the main component of natural gas.FourCO and H2It is thermally decomposed into a reformed fuel, which improves the thermal efficiency and reduces the CO in the exhaust gas.2In the exhaust gas discharged using pyrolysis for pyrolysis2The content is reduced. In the natural gas reformer, an exhaust gas passage body that forms an exhaust gas passage is disposed in an exhaust gas pipe, a gas fuel case through which gas fuel flows is disposed outside the exhaust gas pipe, and the gas fuel passage is disposed in the gas fuel case. A porous member made of porous ceramics to be formed is arranged, and CH is formed on the surface of the porous member.FourAnd CO2CO and H2A catalyst having the effect of converting to a reformed fuel is coated, and a heat insulating material is arranged on the outer periphery of the gas fuel pipe.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
  However, in order to use natural gas as engine fuel, the technical idea of reforming natural gas using the thermal energy of exhaust gas has been researched and developed by the present inventors. In the test, it was found that ignition was extremely difficult in the case of natural gas, and problems such as startability were extremely difficult. When natural gas is reformed and the reformed gas is used as fuel, the reformed fuel is CO and H.2In some cases, however, the calorific value increases by about 30%, but reforming does not proceed completely, and the properties are not always stable. In a gas engine using natural gas as a fuel, if the combustion chamber is made of a material such as ceramics with a heat shield structure, the compression temperature of the air rises above the self-ignition temperature of natural gas, eliminating the need for an ignition device. However, knocking occurs. So, very dilute and O2In addition to the main combustion chamber that introduces EGR and air to reduce the concentration, a secondary combustion chamber that introduces fuel to create a rich air-fuel mixture is provided, and a communication port that connects the main combustion chamber and the auxiliary combustion chamber. A control valve is provided, and a high-efficiency cogeneration engine can be provided by operation with a diesel cycle. According to such a structure, the exhaust gas of the gas engine becomes a high temperature of 850 ° C. or higher when the combustion chamber is configured as a heat shield structure. By recovering thermal energy from the high-temperature exhaust gas, it is possible to improve the total thermal efficiency of the engine.
[0009]
  By the way, the main component of natural gas is methane CH.FourBecause it has a large calorific value and exists in nature, it is expected to be a future alternative fuel for oil. CHFourCO2When pyrolyzed through a catalyst in the presence ofFourIs CO and H2Is converted into CO and H2The total calorific value is CHFourThe amount of heat is more than 1.3 times, that is, 1.3 times. Therefore, the thermal energy of the high-temperature exhaust gas from the heat shield gas engine isFourBy reforming natural gas into reformed fuel by using it for thermal decomposition of the fuel, the heat generation of the reformed fuel is increased, the thermal efficiency of the engine is improved, and resources are saved.2Can be suppressed.
[0010]
  However, CH in natural gasFourCO2Due to the heat energy of the exhaust gas due to the presence of2Separated from exhaust gas in a natural gas reformer that reforms to CO and CO2CO when using2O in the separation gas containing2Is contained in the catalytic device of the natural gas reformer.2And H2There is a risk that CO and CO may react, and in some cases, cause a reaction explosion. Therefore, the CO separated from the exhaust gas fed to the natural gas reformer2O contained in the separation gas containing2Must be reduced as much as possible.
[0011]
  In general, exhaust gas discharged from a diesel engine is N2Is 75%, CO215% and O2Is about 10%, but this is not always the case.2May be included. Also, the exhaust gas is CO2Separator CO2CO separated from exhaust gas by passing through a separation membrane2The separation gas containing CO is CO290%, N28% and O2The separation gas of such a component is normally sent to a natural gas reformer, but it does not matter so much, but CO with a high exhaust gas concentration.2Separation membrane abnormalities easily occur, O2May occur in an amount of 5% or more. Therefore, more than 5% O2When the separated gas containing is fed into the natural gas reformer, the H produced by the natural gas reformer2And CO are O in the separated gas.2Reaction explosion occurs and a very dangerous situation occurs. Even if the reformed fuel generated with difficulty as described above is supplied to the engine, the performance of the engine cannot be improved unless the reformed fuel is completely burned.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  An object of the present invention is to solve the above-described problem, and a natural gas that can be effectively burned in an engine using a reformed fuel obtained by reforming natural gas and the performance thereof can be improved. A gas engine that supplies fuel to the engine as a fuel is provided with a secondary combustion chamber in the upper part of the cylinder of the main combustion chamber, a fuel reformer that reforms natural gas near the outlet of the exhaust pipe, and a reformation in the secondary combustion chamber The object is to provide a gas engine equipped with a fuel reformer that supplies pre-natural gas and performs premixed compression diesel combustion that supplies reformed fuel and air to the intake pipe.
[0013]
  The present invention relates to a cylinder head attached to a cylinder block, a piston reciprocating in a cylinder formed on the cylinder block side, a main combustion chamber formed on the piston side, and a sub-combustion chamber provided on the cylinder head , A sub-chamber control valve disposed at a communication port communicating the main combustion chamber and the sub-combustion chamber, heat energy of exhaust gas discharged from the main combustion chamber, and CO2 And H 2 ONatural gas using H2A fuel reformer for reforming to CO and CO, a reformed fuel valve provided in a reformed fuel passage disposed in an intake pipe, and a natural gas supply passage for supplying natural gas to the auxiliary combustion chamber Natural gas valve
  In order to burn the natural gas in the auxiliary combustion chamber,The sub chamber control valve is opened in the latter half of the compression stroke, and a lean mixture of air and reformed fuel is blown from the main combustion chamber into the sub combustion chamber to ignite and burn the natural gas in the sub combustion chamber., The reformed fuel present in the main combustion chamber is burned by the combustion flame ejected from the sub-combustion chamber.Relates to a gas engine.
[0014]
  In this gas engine, a glow plug is disposed on the upper portion of the auxiliary combustion chamber facing the auxiliary chamber control valve.
[0015]
  Further, in this gas engine, the fuel reformer includes a cylindrical rotary container that is rotatably supported by a cylindrical housing and is internally divided into a plurality of compartments in a rotation direction by a partition plate, and A fuel reforming control valve for sequentially supplying the exhaust gas from the exhaust pipe, water vapor from the water vapor pipe, and the natural gas from the natural gas pipe to the rotary container; A porous metal body carrying an adsorbent and a catalyst is accommodated, and an exhaust pipe, a water vapor pipe and a natural gas pipe are connected to the inlet side opening and the outlet side opening of the housing,Said natural gas valveBeforeIn order to supply the natural gas to the auxiliary combustion chamber, it is opened from the latter half of the intake stroke to the first half of the compression stroke when the sub chamber control valve is closed.The reformed fuel valve is opened in the intake stroke to supply the reformed fuel to the main combustion chamber, and the sub chamber control valve is opened in the latter half of the compression stroke and closed in the latter half of the exhaust stroke. Is set.0016]
  The portions of the sub-combustion chamber and the sub-chamber control valve that are in contact with the combustion gas are coated with a ceramic such as corrosion-resistant zirconia.
0017]
  The fuel reformer includes a heat exchanger that recovers thermal energy of the exhaust gas, and a CO in the exhaust gas.2And a catalyst device for reforming the natural gas into the reformed fuel.
0018]
  The gas engine equipped with this fuel reformer is configured as described above, and the properties of the reformed fuel are not necessarily determined, so that the ignition temperature changes and the air-fuel mixture in the main combustion chamber does not self-ignite. Therefore, a control valve is placed at the communication port that connects the main combustion chamber and the auxiliary combustion chamber, and the auxiliary combustion chamber is filled with natural gas fuel. When fuel is supplied and the control valve is opened in the latter half of the compression stroke and high-temperature compressed gas is sent to the auxiliary combustion chamber, the rich mixture comes into contact with the glow plug at the back of the auxiliary combustion chamber and ignites, creating a combustion nucleus. Ignition progresses steadily. Combustion in the sub-combustion chamber is configured so that ignition is generated by the heat source of the glow plug, so that heat is not transferred to the wall in contact with the combustion gas of the sub-combustion chamber and the sub-chamber control valve. Ceramics such as zirconia are coated. At this time, if reformed fuel and air with unstable combustion are supplied to the main combustion chamber, and natural gas with fixed properties such as ignition is supplied to the auxiliary combustion chamber, the ignition conditions in the auxiliary combustion chamber Therefore, the opening of the control valve can be made constant and combustion can be steadily performed in the auxiliary combustion chamber. Further, since the amount of fuel supplied to the auxiliary combustion chamber can be changed by changing the gas pressure or the gas pumping time, the amount of fuel supplied to the auxiliary combustion chamber can be changed successively.
0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Embodiments of a gas engine equipped with a fuel reformer according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The gas engine equipped with the fuel reformer according to the present invention uses natural gas as fuel, and natural gas, that is, CH as its main component.FourCO2 contained in the exhaust gas while utilizing the thermal energy of the engine exhaust gas2Using CO and H2The fuel is reformed to increase the amount of heat of the fuel and the thermal efficiency of the engine is increased, which is preferable when applied to engines such as cogeneration systems, automobiles and ships.
0020]
  This gas engine has a combustion chamber having a heat shielding structure and is driven by a diesel cycle using natural gas as fuel, and is mainly a main combustion chamber provided on the side of a piston 5 that reciprocates in a cylinder 4. There is a sub-combustion chamber or sub-chamber 2 provided in the main chamber 1 and the cylinder head 12, and a sub-chamber control valve 8 is provided in the communication port 27 that communicates the main chamber 1 and the sub-chamber 2. CO and H modified natural gas through the intake pipe 33 and the intake manifold 16 for supplying2The reformed fuel and air are supplied, natural gas is directly supplied to the sub chamber 2, the sub chamber control valve 8 is opened at the end of the compression stroke, and air and An air-fuel mixture with reformed fuel is injected, and natural gas supplied to the sub chamber 2 is ignited and burned with the help of the glow plug 18. This gas engine is provided with a fuel reformer 15 consisting of a heat exchanger that absorbs the heat energy of the exhaust pipe 30 immediately after the exhaust pipe 30. CO2For adsorbing zeolite (zeolite) and / or activated carbon, etc. and Pt, Ru, Ni, Pd, Al for modifying natural gas2OThreeEtc., and a catalyst device made up of, etc. is provided.
0021]
  In this gas engine, as shown in FIG. 1, a cylinder head 12 is fixed to a cylinder block 11 via an intermediate head 13, and a sub-chamber 2 having a heat shielding structure is formed in a hole formed in the cylinder head 12. A chamber structure 21 is arranged. In the hole 50 formed in the intermediate head 13 fixed to the cylinder head 12, that is, in the cavity of the cylinder head 12, a combustion chamber member 14 that forms the main chamber 1 having a heat shield structure is disposed. This gas engine is configured such that a cylinder liner 34 is fitted into a hole formed in the cylinder block 11, and the piston 5 reciprocates in the cylinder 4 formed in the cylinder liner 34. A communication port 27 for communicating the main chamber 1 and the sub chamber 2 is formed in the sub chamber structure 21.
0022]
  Further, as shown in FIG. 2, a sub chamber control valve 8 is disposed at the communication port 27 formed in the combustion chamber member 14 in order to open and close the communication port 27. In the sub chamber structure 21, the sub chamber control valve 8 is disposed through the sub chamber 2, a seal ring 24 is disposed on the stem of the sub chamber control valve 8, and the sub chamber 2 is sealed. The sub chamber control valve 8 is configured to be opened by a valve mechanism 20 and closed by a return spring 23, for example. A natural gas supply port 28 connected to the natural gas passage 22 is formed in the upper portion of the sub chamber 2, and a natural gas valve 3 that is driven to open and close by a cam is disposed in the natural gas supply port 28. Therefore, the natural gas supply port 28 is configured to be opened and closed by the natural gas valve 3. Further, a glow plug 18 is disposed on the upper side of the sub chamber 2 opposite to the communication port 27. The glow plug 18 functions to assist the ignition and combustion of natural gas, and is provided in the upper portion, that is, the back portion of the sub chamber 2, so that the natural gas supplied into the sub chamber 2 remains from the sub chamber 2 by ignition and combustion. It is surely ejected to the main room 1 without doing.
0023]
  In this gas engine, an intake port 9 and an exhaust port 10 are formed in a cylinder head 12. The combustion chamber member 14 includes a liner upper portion 35 and a head lower surface portion 36 that constitute a part of the cylinder 4. Ports corresponding to the intake port 9 and the exhaust port 10 formed in the cylinder head 12 are formed in the head lower surface portion 36. Although not shown, an exhaust valve and an intake valve are arranged in the ports. A gasket is interposed between the cavity of the cylinder head 12 and the outer surface of the combustion chamber member 14, a heat insulating air layer 31 is formed, and the main chamber 1 is configured with a heat insulating structure. Further, a heat insulating air layer 32 is formed between the wall surface of the cavity of the cylinder head 12 and the outer surface of the sub chamber structure 21, and the sub chamber 2 has a heat insulating structure. The piston 5 includes a piston head 6 made of ceramics such as silicon nitride having excellent heat resistance, and a piston skirt 37 fixed to the piston head 6 with a coupling ring. The piston head 6 is formed with a main chamber 1 composed of a concave cavity 7. A heat insulating air layer 38 is formed between the piston head 6 and the piston skirt 37, and the main chamber 1 is configured to have a heat insulating structure.
0024]
  The sub chamber structure 21 is fitted into the cavity of the cylinder head 12, specifically, the hole 50 of the intermediate head 13 which is a part of the cylinder head, with a gasket 62 interposed as necessary. . A lower portion of the sub chamber structure 21 is fitted into a hole 39 formed in the combustion chamber member 14, and a communication port 27 formed in the sub chamber structure 21 communicates the main chamber 1 and the sub chamber 2. . Therefore, the combustion chamber structure is composed of the sub chamber structure 21 constituting the sub chamber 2 and the combustion chamber member 14 constituting the main chamber 1, and the sub chamber structure 21 is formed at the center of the combustion chamber member 14. A communication port 27 formed in the sub chamber structure 21 is formed at the center of the combustion chamber member 14 so as to communicate with the main chamber 1 and the sub chamber 2. Therefore, the sub chamber 2 formed in the sub chamber structure 21 is arranged at the substantially center of the cylinder axis. Further, a gas fuel passage 22 is formed in the cylinder head 12 and communicates with a natural gas supply port 28 formed in the sub chamber structure 21.
0025]
  Natural gas fuel as a fuel is stored in a fuel supply source such as a tank provided at an appropriate location. The natural gas fuel of the gas fuel supply source is, for example, 5 to 7 kg / cm depending on the operation of the oil feed fuel pump.2The pressurized natural gas fuel is fed into the gas fuel passage 22 through the fuel supply passage. The natural gas fuel in the gas fuel passage 22 is supplied to the sub chamber 2 when the natural gas valve opens the natural gas supply port 28.
0026]
  In this gas engine, the piston head 6 that forms the main chamber 1, the sub chamber structure 21 that forms the sub chamber 2, and the cylinder liner 34 are made of ceramics such as silicon nitride, silicon carbide, and sialon, which have excellent heat resistance. Have been made. Further, since the piston head 6 and the sub chamber structure 21 become high temperature, the sub chamber control valve 8 disposed in the communication port 27 is made of ceramics such as heat resistant metal having high temperature strength and excellent heat resistance, silicon nitride, silicon carbide and the like. It has been produced.
0027]
  In this gas engine, the fuel reformer 15 is arranged, for example, in the exhaust pipe 30 in the immediate vicinity of the exhaust port 9 so that the thermal energy of the exhaust gas can be used. A reformed fuel passage 40 is connected to the intake manifold 16 communicating with the intake port 10, and the reformed fuel supply port 29 where the reformed fuel passage 40 opens into the intake manifold 16 is provided with a reformed fuel valve 17 including an electromagnetic valve. It is arranged. The reformed fuel valve 17 is opened / closed by a command from the controller 25, and is configured to open / close in synchronization with the actuator 26 of the intake valve. Accordingly, the reformed fuel whose natural gas has been reformed by the fuel reformer 15 is brought together with air into the main chamber 1 through the intake manifold 16 by opening the reformed fuel valve 17 from the fuel reformer 15 through the reformed fuel passage 40. It is configured to be supplied. That is, the natural gas accommodated in the fuel supply source is sent to the fuel reformer 15 disposed in the exhaust pipe 30 and receives the heat energy of the exhaust gas to generate H2And reformed fuel of CO and supplied to the main chamber 1 through the fuel supply passage by the fuel pump.
0028]
  This gas engine is configured as described above, and operates as follows. As shown in FIG. 4, this gas engine is operated by sequentially repeating four strokes of an exhaust stroke, an intake stroke, a compression stroke, and an expansion stroke. In this gas engine, the reformed fuel valve 17 opens the reformed fuel supply port 29 that opens to the intake pipe 33 and the intake manifold 16 from the initial stage to the latter half of the intake stroke when the intake valve opens the intake port 6 to the main chamber 1. Then, the reformed fuel is supplied from the reformed fuel device 15 to the main chamber 1 together with the intake air into the intake manifold 16. On the other hand, the natural gas valve 3 opens the natural gas supply port 28 through the natural gas passage 22 and the natural gas is supplied to the sub chamber 2 from the latter half of the intake stroke to the first half of the compression stroke in which the intake valve closes the intake port 6. The The ratio of the fuel supplied to the main chamber 1 and the sub chamber 2 is, for example, that the supply amount of the natural gas supplied to the sub chamber 2 is about 5 to 20% of the total amount of the fuel flow rate. The amount of reformed fuel to be supplied is about 95 to 80% of the total amount of fuel flow, and is a lean mixture that does not self-ignite in the main chamber 1.
0029]
  In this gas engine, at the end of the compression stroke, the sub-chamber control valve 8 opens the communication port 27, and the mixture of reformed fuel and air that has been compressed to a high pressure flows from the main chamber 1 to the sub-chamber 2. As shown in the pressure diagram shown in FIG. 4, the natural gas in the sub chamber 2 becomes high pressure and high temperature and is ignited and combusted in the sub chamber 2 with the help of the glow plug 18. Ascending, the combustion flame from the sub chamber 2 to the main chamber 1 passes through the communication port 27 and becomes a flame without any remaining natural gas in the sub chamber 2, and then the entire amount is blown out. Combustion propagates to the air-fuel mixture, completes secondary combustion in a short period of time, increases thermal efficiency, shifts to the expansion stroke, and pushes down the piston 5 to work. In the sub chamber control valve 8, the exhaust valve opens the exhaust port 10 to shift to the exhaust stroke, and closes the communication port 27 in the latter half of the exhaust stroke. Next, the exhaust valve closes the exhaust port 10 and the intake valve opens the intake port 9 to shift to the intake stroke. The engine is driven by repeating these strokes.
0030]
  Next, an example of the fuel reformer 15 will be described with reference to FIGS. The fuel reformer 15 is mainly provided with a control valve device that sequentially pumps exhaust gas, steam, natural gas, and air, that is, an exhaust gas valve 66, a steam valve 67, a natural gas fuel valve 68, and an air valve 65. ing. The fuel reformer 15 is a cylindrical housing 41 having a plurality of inlet-side openings 52 formed at one end surface and a plurality of outlet-side openings 53 formed at the other end surface. Has a cylindrical rotating container 42 divided into a plurality of compartments 55 in the rotation direction. The fuel reformer 15 includes an exhaust pipe 30, a water vapor pipe 45, a natural gas pipe 46 for introducing natural gas, and an air introduction pipe 64 in a sealed state at the inlet side opening 52 of the housing 41 via a seal member 59. The exhaust pipe 30, the steam pipe 45, the reformed fuel pipe 40 for sending the reformed gas, and the air introduction pipe 64 are connected to the outlet opening 53 of the housing 41 through a seal member 59. Has been. Further, the air introduction pipe 64 on the outlet side and the reformed fuel pipe 40 are connected and communicated with the intake pipe 33. The natural gas pipe 46 and the reformed fuel passage 40 are positioned corresponding to the longitudinal direction. In particular, the metal porous bodies 43 are accommodated in the compartments 55 of the rotating container 42, respectively, and have a function of modifying natural gas.
0031]
  The rotating container 42 is fixed to a rotating shaft 54 that is rotatably attached to the housing 41 via a bearing 56. An inlet 47 formed on one end surface of the rotary container 42 is positioned so as to be aligned with the inlet side opening 52 of the housing 41. The outlet 48 formed on the other end surface of the rotating container 42 is positioned so as to be aligned with the outlet side opening 53 of the housing 41. The fuel pipe includes a natural gas pipe 46 that introduces natural gas connected to the inlet side opening 52 of the housing 41 and a reformed fuel passage 40 that sends out the reformed fuel connected to the outlet side opening 53 of the housing 41. The natural gas pipe 46 and the reformed fuel passage 40 are positioned corresponding to the longitudinal direction of the rotary container 42. The rotary container 42 is rotatably supported on a base 57 via a bearing 56 in a vacuum layer 58 formed in the housing 41. The rotating container 42 is rotationally driven by a motor 51 whose rotational speed is controlled by a command from the controller 25.
0032]
  The metal porous body 43 is made of a metal material such as Ni, Cr, or Fe. The surface of the metal porous body 43 is coated with alumina, and the surface of the alumina is coated with CO in the exhaust gas.2It is coated with zeolite powder that traps. Furthermore, natural gas is added to the surface of the zeolite powder.2And Pt, Ru, Ni, Pd (palladium), Al as catalysts for thermal decomposition into reformed fuel of CO and CO2OThreeEtc. are arranged.
0033]
  A motor 51 capable of variably controlling the rotation, stop, intermittent rotation, and rotation speed of the rotating container 42 is attached to the rotating container 42 in accordance with a command from the controller 25. In the fuel reformer 15, exhaust gas is introduced into the compartment 55 of the rotating vessel 42 through the exhaust pipe 30, and CO in the exhaust gas is introduced.2Is adsorbed by the zeolite on the surface of the metal porous body 43, and then, by introducing water vapor vaporized by the heat energy of the exhaust gas into the compartment 55 through the steam pipe 45, the exhaust gas containing oxygen is discharged from the compartment 55. Next, the natural gas introduced into the compartment 55 through the natural gas pipe 46 is adsorbed by zeolite and / or activated carbon.2In the presence of water vapor, natural gas is converted to CO and H2And reforming.
0034]
  The rotating container 42 is formed in a cylindrical body such as a cylindrical shape. The rotating container 42 is partitioned into a plurality of compartments 55 that form a plurality of spaces 61 by a plurality of partition plates 49 extending in the radial direction, and the metal porous body 43 made of a refractory metal is arranged or filled in the spaces 61. ing. In the reformed fuel device 15, when the rotating container 42 rotates in the housing 41, the inlet 47 and the outlet 48 formed in the rotating container 42 include an exhaust pipe 30, a steam pipe 45, a natural gas pipe 46, and an air introduction pipe. 64 sequentially passes through the inlet-side opening 52 and the outlet-side opening 53 of the housing 41 connected thereto. The controller 25 outputs an operation command to the motor 51 to control the rotation operation of the rotating container 42 in order to bring the rotating container 42 into an optimum operating state for reforming the natural gas. Speed rotation, stop, continuous rotation, or intermittent rotation can be controlled.
0035]
  Since the fuel reformer 15 applied to this gas engine is configured as described above, exhaust gas is introduced into the compartment 55 of the rotating vessel 42 through the exhaust pipe 30 and the CO in the exhaust gas.2Is adsorbed by the zeolite and / or activated carbon on the surface of the porous metal body 43, and then vaporized by the heat energy of the exhaust gas is sent into the compartment 55, and the O remaining in the compartment 552Is removed with steam, where natural gas is fed into the compartment 55 and the natural gas CHFourCO trapped in zeolite and / or activated carbon2CO and H in the presence of2And reformed fuel with CHFourAnd H2O and CO and H2Reformed into a reformed fuel with all the natural gas to CO and H2The reformed fuel reacts with the reformed fuel, and air is sent from the air introduction pipe 64 to the compartment 55, and the reformed fuel is supplied to the engine through the intake pipe 33 and then the intake manifold 16 together with the air.
0036]
  The fuel reformer that can be applied to this gas engine is not limited to the above-described configuration, and may be configured in a simple structure as shown in FIGS. 7 and 8 showing the simplified fuel reformer 15S, the same members as those of the fuel reformer 15 shown in FIGS. 5 and 6 are denoted by the same reference numerals. The simplified fuel reformer 15S includes an exhaust pipe 30 connected in a sealed state to an inlet side opening 52 of a housing 41 via a seal member 59, a natural gas pipe 46 for introducing natural gas, a steam pipe 45, and An air introduction pipe 64 is connected, and an exhaust pipe 30, a reformed fuel passage 40 for sending reformed gas, and an air introduction pipe 64 are connected to the outlet opening 53 in a sealed state via a seal member 59, respectively. To do. In addition, a control valve device that sequentially pumps exhaust gas, natural gas, water vapor, and air, that is, an exhaust gas valve 66, a natural gas fuel valve 68, a water vapor valve 67, and an air valve 65, is provided in the compartment 55 of the rotating container 42. ing. In the simple fuel reformer 15S, a motor 51 capable of variably controlling the rotation, stop, intermittent rotation, and rotation speed of the rotating container 42 is attached to the rotating container 42 in response to a command from the controller 25. ing.
0037]
  Since the simple fuel reformer 15S is configured as described above, exhaust gas is introduced into the compartment 55 of the rotating vessel 42 through the exhaust pipe 30, and the surface of the metal porous body 43 has zeolite and / or CO in exhaust gas by activated carbon2Is adsorbed, and then natural gas is fed into the exhaust gas.2And CHFourReacts with CO and H2As well as CO2And CHFourReacts with CO and H2The reaction was delayed by introducing the water vapor reformed into the reformed fuel with O and then vaporized by the heat energy of the exhaust gas into the compartment 55 through the water vapor pipe 45.FourWater vapor or H2CO and H modified by O2To reformed fuel, thereby converting all natural gas to CO and H2The reformed fuel reacts with the reformed fuel, and air is sent from the air introduction pipe 64 into the compartment 55, and the reformed fuel is supplied to the engine through the intake pipe 33 and then the intake manifold 16 together with the air.
0038]
【The invention's effect】
  As described above, the gas engine having the fuel reformer according to the present invention is the main engine.combustionChamber and vicecombustionWith the communication port communicating with the chamber blocked by the sub chamber control valve,combustionSupply the natural gas reformed fuel and air to the chamber.combustionSince natural gas is supplied to the chamber,combustionNatural gas with constant properties in the chamber can be reliably ignited and combusted at a predetermined temperature.combustionMainly by the combustion flame that spewsIn the combustion chamberIt is possible to improve the thermal efficiency by reducing the combustion period of secondary combustion by propagating the mixture to the mixture of reformed fuel and air. Natural gas consists of the thermal energy of the exhaust gas and the CO in the exhaust gas.2And CO and H effectively by reforming fuel device2It can be reformed into reformed fuel and improve the thermal efficiency of the engine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a gas engine having a natural gas reforming apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged sectional view showing a sub chamber in the gas engine of FIG.
FIG. 3 is a schematic explanatory view showing a fuel supply system in the gas engine.
FIG. 4 is a diagram showing valve timing of the gas engine.
FIG. 5 shows an example of a fuel reformer provided in the gas engine, and is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
6 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 5, showing the fuel reformer of FIG.
7 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG. 8, showing another example of the fuel reformer provided in the gas engine.
8 shows the fuel reformer of FIG. 5, and is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG.
[Explanation of symbols]
  1 main room
  2 Sub-room
  3 Natural gas valve
  4 cylinders
  5 piston
  8 Sub chamber control valve
  11 Cylinder block
  12 cylinder headDo
  14  Combustion chamber components
  15 Fuel reformer
  16 Intake manifold
  17 Reformed fuel valve
  18 Glow plug
  22 Natural gasRoad
  27  Contact
  30 Exhaust pipe
  33 Intake pipe
  40 Reformed fuel passage
  41 Housing
  42 Rotating container
  43 Metal porous body
  45 Steam pipe
  46 Natural gas pipe
  49 Bulkhead plate
  52 Entrance side opening
  53 Exit opening
  55 sectionsRoom
  60  Reformed fueltube
  63  Zirconia
  64 Air introduction pipe
  65 Air valve
  66 Exhaust gas valve
  67 Steam valve
  68 Natural Gas Fuel Valve

Claims (5)

シリンダブロックに取り付けられたシリンダヘッド,前記シリンダブロック側に形成されたシリンダ内を往復運動するピストン,前記ピストン側に形成された主燃焼室,前記シリンダヘッドに設けられた副燃焼室,前記主燃焼室と前記副燃焼室とを連通する連絡口に配置された副室制御弁,前記主燃焼室から排出される排気ガスの熱エネルギとCO2 とH 2 を利用して天然ガスをH2 とCOとに改質する燃料改質装置,吸気管に配置された改質燃料通路に設けられた改質燃料弁,及び前記副燃焼室に天然ガスを供給するため天然ガス供給通路に設けられた天然ガス弁を有し,
前記副燃焼室で前記天然ガスを燃焼させるため,前記副室制御弁は圧縮行程後半で開弁して前記主燃焼室から空気と改質燃料との希薄混合気を前記副燃焼室へ吹き込んで前記副燃焼室内の前記天然ガスを着火燃焼させ,前記副燃焼室から噴き出す燃焼火炎によって前記主燃焼室に存在する前記改質燃料を燃焼させることから成るガスエンジン。
A cylinder head attached to the cylinder block, a piston reciprocatingly moved in a cylinder formed on the cylinder block side, a main combustion chamber formed on the piston side, a sub-combustion chamber provided on the cylinder head, the main combustion A sub chamber control valve disposed at a communication port that communicates the chamber with the sub combustion chamber, heat energy of exhaust gas discharged from the main combustion chamber, and CO 2 and H 2 O are used to convert natural gas into H 2. A fuel reformer for reforming to CO and CO, a reformed fuel valve provided in a reformed fuel passage disposed in an intake pipe, and a natural gas supply passage for supplying natural gas to the auxiliary combustion chamber Natural gas valve
In order to burn the natural gas in the sub-combustion chamber, the sub-chamber control valve is opened in the latter half of the compression stroke to blow a lean mixture of air and reformed fuel from the main combustion chamber into the sub-combustion chamber. wherein the natural gas auxiliary combustion chamber is ignited and burned, wherein the gas engine comprising a Rukoto the reformed fuel is burned existing in said main combustion chamber by the combustion flames spewing from the secondary combustion chamber.
前記副室制御弁に対向する前記副燃焼室の上部にはグロープラグが配設されていることから成る請求項1に記載のガスエンジン。  The gas engine according to claim 1, wherein a glow plug is disposed in an upper portion of the sub-combustion chamber facing the sub-chamber control valve. 前記燃料改質装置は,筒状のハウジングに回転可能に支持され且つ内部が隔壁プレートによって回転方向に複数の区画室に分割されている筒状の回転容器,及び前記排気管から前記排気ガス,前記水蒸気管から水蒸気及び前記天然ガス管から前記天然ガスを前記回転容器に順次に供給するための燃料改質制御弁を有し,前記回転容器の前記区画室には吸着材と触媒を担持した金属多孔質体がそれぞれ収容され,前記ハウジングの入口側開口と出口側開口には排気管,水蒸気管及び天然ガス管がそれぞれ接続されており,前記天然ガス弁は前記副燃焼室へ前記天然ガスを供給するため吸気行程後半から圧縮行程の前半において前記副室制御弁の閉弁状態である時期に開放し,前記改質燃料弁は前記主燃焼室へ前記改質燃料を供給するため吸気行程において開放し,前記副室制御弁は圧縮行程後半で開弁して排気行程後半で閉弁するように設定されていることから成る請求項1又は2に記載のガスエンジン。 The fuel reformer includes a cylindrical rotary container that is rotatably supported by a cylindrical housing and is internally divided into a plurality of compartments in a rotation direction by a partition plate, and the exhaust gas from the exhaust pipe, A fuel reforming control valve for sequentially supplying water vapor from the water vapor pipe and the natural gas from the natural gas pipe to the rotary container; and an adsorbent and a catalyst are carried in the compartment of the rotary container Each of the porous metal bodies is accommodated, and an exhaust pipe, a water vapor pipe and a natural gas pipe are respectively connected to the inlet side opening and the outlet side opening of the housing, and the natural gas valve is connected to the sub-combustion chamber. The sub-chamber control valve is opened when the sub-chamber control valve is closed from the latter half of the intake stroke to the first half of the compression stroke, and the reformed fuel valve feeds the reformed fuel to the main combustion chamber. Open at, the gas engine according to claim 1 or 2 subchamber control valve consists of being configured to close the second half exhaust stroke to open in the latter half of the compression stroke. 前記副燃焼室及び前記副室制御弁の燃焼ガスに接触する部分には,耐食性のジルコニア等のセラミックスによってコーティングされていることから成る請求項1〜のいずれか1項に記載のガスエンジン。The gas engine according to any one of claims 1 to 3 , wherein portions of the sub-combustion chamber and the sub-chamber control valve that are in contact with the combustion gas are coated with ceramics such as corrosion-resistant zirconia. 前記燃料改質装置は,前記排気ガスの熱エネルギーを回収する熱交換器,前記排気ガス中のCO2 を吸着する吸着装置,及び前記天然ガスを前記改質燃料に改質する触媒装置を備えていることから成る請求項1〜のいずれか1項に記載のガスエンジン。The fuel reformer includes a heat exchanger that recovers thermal energy of the exhaust gas, an adsorption device that adsorbs CO 2 in the exhaust gas, and a catalyst device that reforms the natural gas into the reformed fuel. The gas engine according to any one of claims 1 to 4 , comprising:
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