JP6318000B2 - エタノールエンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、エタノールを燃料とするエタノールエンジンシステムに関する。

エタノールは、さとうきび、とうもろこし等のバイオマスからいわゆるバイオ燃料として得ることができる。このようなカーボンニュートラルなエタノールは、石油燃料に代替することでＣＯ₂を削減することができる。しかしながら、エタノールは、石油燃料よりも市場価格が高く、そのことが燃料としてのエタノールの普及の妨げにもなっている。

ところで、バイオマス由来のエタノールの製造工程は、大きく糖化工程、発酵工程、脱水工程に分けられる。これらの各工程を実施するうえで所定のエネルギーを要するが、中でも脱水工程は、製造工程に要する全エネルギーの２５％ほどになる。したがって、脱水工程を行わずに、エタノール水溶液をそのまま燃料として利用できれば、アルコールの製造工程に要するエネルギー量を低減することができ、エタノールの価格を低く抑えることができる。

一方、様々な分野で広く動力源として利用されているエンジンは、その排熱回収を行うことで高効率化を効果的に図ることができる。中でも燃料の改質を利用した排熱回収システムは、他の排熱回収システムに比べて、部品点数が少なく低コストで実施できることから、エンジンの高効率化を図るために重要であると考えられる。

特許文献１には、貯留タンクに貯留されたエタノール水溶液をエンジンの燃焼室に直接噴射するとともに、エタノール水溶液を原料として改質器で生成された改質ガスをエンジンに供給し、燃焼室内でエタノール水溶液に含まれるエタノールと改質ガスが燃焼することにより動力を発生させるエタノールエンジンシステムが開示されている。

エタノール水溶液は排熱を利用することで吸熱反応により、水素を含む改質ガスを生成できることから、上記排熱回収システムに適した燃料である。

さらに、含水エタノールはその発熱量に対する蒸発潜熱が大きいことから、含水エタノールを直接エンジンに供給することで燃焼室内を冷却することが可能となる。それによりエンジンの冷却水へ逃げる熱量を低減でき、軸動力および排気熱へのエネルギーを増大することで、システムの高効率化が可能となる。

特開２０１３−２０４５７２

特許文献１では、改質器から送出される改質ガスと未改質のエタノール水溶液を分離装置で分離し、分離されたエタノール水溶液を再び貯留タンクに返送する構成を採用している。そのため、貯留タンク内の含水エタノールのエタノール濃度が低下していくことから、エンジンに供給するエタノールの熱量、改質器で生成する改質ガス成分、改質時の吸熱量が変化しやすく、熱効率低下の要因となる。また、特許文献１では貯留タンクにエタノール濃度センサを設けてエタノール濃度を管理しているが、エタノール濃度の変動に対応した制御が必要となり制御、システムが複雑となり、エタノール濃度の変動によって運転の制限を受ける等の課題がある。

そこで、本発明は、改質器から生成する改質ガス成分およびエンジンに供給する燃料熱量を安定化し、かつ熱効率の高いエタノールエンジンシステムを提供することにある。

本発明のエタノールエンジンシステムは、エタノール水溶液の貯留タンクと、前記貯留タンクのエタノール水溶液を改質器に供給する第一の供給装置と、前記改質器から送出される改質ガスを含む混合ガスを冷却し、混合ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて気液分離する分離装置と、前記分離装置で分離された改質ガスをエンジンに供給する改質ガス供給装置と、前記分離装置で分離された回収液を回収する回収タンクと、前記回収タンクの回収液を前記改質器に供給する第一の回収液供給装置、または、前記回収タンクの回収液をエンジンの燃焼室に供給する第二の回収液供給装置と、を備えることを特徴とする。

本発明により、改質器から生成する改質ガス成分およびエンジンに供給する燃料熱量を安定化し、かつ熱効率の高いエタノールエンジンシステムを提供できる。

本発明の実施形態に係るエタノールエンジンシステムの構成説明図である。 本発明の実施形態に係るエタノールエンジンシステムを構成するエンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る含水エタノール供給エンジンシステムを構成する改質器の断面図であり、（ｂ）は、改質器に内蔵する反応セルの断面図であり、（ｃ）は、反応セルに内蔵する反応シートの断面図である。 本発明の実施形態に係るエタノールエンジンシステムを構成する分離装置の構成説明図である。 本発明の実施形態に係るエタノールエンジンシステムの始動運転モードの制御フロー図である。 本発明の実施形態に係るエタノールエンジンシステムの定常運転モードの制御フロー図である。 本発明の実施形態に係るエタノールエンジンシステムの変形例の構成説明図である。 本発明の実施形態に係るエタノールエンジンシステム（変形例）を構成するエンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図である。 すす、ＮＯｘの排出領域と当量比Φ、燃焼温度Ｔｃの関係を示す図である。 含水エタノールの温度と平衡転化率の関係図である。

以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

［第一の実施形態］
本実施形態に係るエタノールエンジンシステムは、エタノールを炭素源とする改質ガスと、エタノール水溶液とがエンジンに供給されることによって動力を発生するものである。以下に、エタノールエンジンシステムの構成、改質原料及び燃料として使用されるエタノール水溶液、並びにエタノールエンジンシステムの動作について説明する。

＜エタノールエンジンシステムの構成＞
図１は、本発明の実施形態に係るエタノールエンジンシステムの構成説明図である。図１に示すように、本実施形態に係るエタノールエンジンシステムＳは、エタノール水溶液を貯留する貯留タンク４と、エンジン１と、改質器２と、分離装置３と、回収タンク５と、制御部７と、を備えて構成されている。エンジン１には、図１に示すように、貯留タンク４からエタノール水溶液が第二の供給装置１０７を介して供給されると共に、改質器２からの改質ガスが分離装置３および改質ガス供給装置１０１を介して供給される。これによりエンジン１はエタノール水溶液に含まれるエタノール及び改質ガスの燃焼により動力を発生するように構成されている。この際、改質器２では、貯留タンク４から第一の供給装置１０３を介して供給されるエタノール水溶液を原料として改質反応によって生成した改質ガスと、未反応成分であるエタノール蒸気と水蒸気を含む混合ガスが生成される。改質器２で生成された混合ガスは分離装置３に送られ、混合ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて、改質ガス、エタノール蒸気と水とを気液分離して、改質ガス及びエタノール蒸気が改質ガス供給装置１０１からエンジン１に供給される。一方、分離装置３で気液分離された回収液（高濃度の水）は回収タンク５に回収される。本実施形態のエタノールエンジンシステムＳでは、回収タンク５で回収した回収液を、第一の回収液供給装置１０２および第二の回収液供給装置１０４を介して改質器２、エンジン１の燃焼室にそれぞれ供給する構成としたことを特徴とする。このように分離装置２で分離した回収液を回収タンク５で回収し、回収液を改質器２またはエンジン１の燃焼室に供給する構成を採用したことにより、貯留タンク４内のエタノール水溶液の濃度が変動することがなく、貯留タンク４内のエタノール濃度の変動に対応した制御が不要となり、システムの簡素化を図ることができる。また、貯留タンク４内のエタノール濃度の変動によるエンジン１の運転の制約もない。

また、回収タンク５の回収液を改質器２に供給する構成により、改質器２で改質ガス成分を安定して生成でき、また改質ガス中の水素濃度を高く保つことができ、それによるシステム効率向上効果が得られる。また、回収タンク５の回収液をエンジン１の燃焼室に供給する構成により、エンジン１の燃焼室に水リッチ液体を供給でき、それにより、エンジンの冷却損失を低減し、熱効率向上効果が得られる。特に、エンジン燃焼室に遮熱材を組み込んだエンジンに適用することでより顕著な効果が得られる。また水リッチ液体を燃焼室に直接供給することで、水リッチ液体の気化潜熱により筒内作動ガスの温度を低下でき、耐ノッキング性が向上する。またエタノールは高オクタン価燃料であることから、化学的にも耐ノッキング性が高いことから、高圧縮比燃焼が実現でき、高効率なシステムとなる。

なお、図１に示したエタノールエンジンシステムＳでは、回収タンク５から回収液を改質器２とエンジン１の燃焼室の両者に供給可能な構成を示したが、回収液を改質器２とエンジン１の燃焼室のいずれか一方のみに供給する構成としてもよい。

第一、第二の供給装置１０３、１０７、改質ガス供給装置１０１、及び、第一、第二の回収液供給装置１０２、１０４としては、インジェクタ、ポンプ等の公知の供給手段が適用され、制御部７により供給量、供給圧等が制御される。

≪エンジン≫
図２は、本実施形態に係るエタノールエンジンシステムを構成するエンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図である。エンジン１は、シリンダ内で往復移動するピストン１１を備え、シリンダ内の燃焼室１２には、吸気管１３及び排気管１４が接続されている。吸気管１３には、エタノール水溶液をエンジンに供給するための第二の供給装置１０７が取り付けられている。なお、エタノール水溶液をエンジンに供給するための第二の供給装置１０７はエンジンの燃焼室に直接噴射する構造でもよい。これにより、エンジン内に水リッチな液体が供給され、エンジンを燃焼室内部から冷却できる構造となっている。その結果、エンジンの冷却損失が低減され、エンジンの熱効率および排気熱が増加する。また、吸気管１３には、分離装置３から送出された改質ガスをエンジンに供給するための改質ガス供給装置１０１が取り付けられ、吸入空気と共に改質ガスがエンジンに供給される。また、回収タンク５の回収液をエンジン１の燃焼室に供給するための第二の回収液供給装置１０２がエンジン１の燃焼室に接続されている。第二の回収液供給装置１０２からエンジン１の燃焼室に回収液を直接供給することにより、比較的高濃度のエタノール水溶液を用いた場合にも燃焼室内部の冷却に必要な水量を確保することが可能となる。

また、ピストン１１は熱伝導率の低い材料を使うことが望ましく、たとえば、ＳＵＳ３０４、ダクタイル鋳鉄、Ｍｇ合金などを使用する。またアルミ合金や鉄系材料などの基材表面にジルコニア膜などをコーティングした複合材料でもよい。このような低熱伝導ピストン材料を使用して、水リッチな液体を燃焼室に直接供給することで、エンジン燃焼室をより効果的に遮熱化することができ、エンジンの冷却損失を低減できる。

≪改質器≫
図１に示すように、改質器２には、貯留タンク４から第一の供給装置１０３を介してエタノール水溶液が供給されると共に、エンジン１から排気ガスが供給される。これによって、改質器２は、エタノール水溶液を原料に改質ガスを生成する。また、改質器２には、回収タンク５から回収液を第一の回収液供給装置１０２を介して供給できる構成となっている。

更に詳しく説明すると、改質器２は、エンジン１の排気ガスで暖機され、エタノール水溶液と熱交換することで一酸化炭素と水素を主成分とする改質ガスになる。改質反応を下記式（１）に示す。

Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ（エタノール水溶液）→２ＣＯ＋４Ｈ₂（改質ガス）−２９８ｋＪ・・・式（１）
式（１）に示すように、エタノール水溶液から一酸化炭素（ＣＯ）、及び水素（Ｈ₂）に改質する反応は吸熱反応であり、１モルのエタノール（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）を改質することで２９８ｋＪのエネルギーが吸収される。１モルのエタノールの低位発熱量は１２３５ ［ｋＪ］であり、式（１）の改質反応がすべて行われた場合、改質ガスの低位発熱量は１５３３ ［ｋＪ］となり、１．２４倍に向上する。エンジン排熱を利用してこの反応を行うことで、排熱が燃料のエネルギーとして回収され、結果として、システムの効率が向上する。

改質器２へのエタノール水溶液の供給量については、改質器２の温度及び圧力に応じて調節されるが、エンジン１の要求トルク等に応じて設定される改質ガス供給装置１０１から噴射する改質ガス量を確保できる範囲で調整できれば特に制限はない。

ちなみに、エタノールの改質温度は、他のガソリン、トルエン等の燃料の改質温度に比べて低く、２５０℃〜５００℃程度である。したがって、本実施形態におけるエンジンの排気ガスによる改質器の暖機工程終了の判断の目安は、例えば、改質器の後記する反応セル３１（図３（ａ）参照）の温度が、２５０℃〜５００℃程度となったとき、とすることができる。また、改質ガス供給装置１０１の噴射制御についても反応セル３１の温度が２５０℃〜５００℃程度を基準に行うことができる。

次に参照する図３（ａ）は、本発明の実施形態に係るエタノールエンジンシステムを構成する改質器の断面図であり、図３（ｂ）は、改質器に内蔵する反応セルの断面図であり、図３（ｃ）は、反応セルに内蔵する反応シートの断面図である。

図３（ａ）に示すように、改質器は、外形が円柱状を呈する複数本の反応セル３１と、複数の反応セル３１を収容した円筒状の第１ケーシング３２と、を備えている。

そして、貯留タンク４内のエタノール水溶液が各反応セル３１内を通流するようになっている。また、エンジン１の排気管１４（図２参照）を介して排出された高温の排気ガスが反応セル３１の外であって第１ケーシング３２内を通流するようになっている。

第１ケーシング３２及び後記する第２ケーシング３４は、熱伝導率が高くなるように金属製（例えば、ＳＵＳ）で形成されている。

なお、第１ケーシング３２、第２ケーシング３４の形状は、円筒状に限定されず、その他に例えば、四角形筒状、多角形筒状でもよい。

反応セル３１は、図３（ｂ）に示すように、積層された複数枚の反応シート３３と、複数枚の反応シート３３を収容した第２ケーシング３４と、を備えている。

各反応シート３３は、図３（ｃ）に示すように、ベースとなる金属箔３５と、金属箔３５の両面にそれぞれ形成された多孔質層３６と、多孔質層３６に担持された触媒３７と、を備えている。

つまり、各反応シート３３は、触媒３７を担持した多孔質層３６、金属箔３５、触媒３７を担持した多孔質層３６の順で積層した三層構造である。

なお、厚さ方向において隣り合う反応シート３３，３３間には、エタノール水溶液、生成した水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）が通流可能な隙間が形成されている。

また、反応シート３３はシート状であるから、その熱容量が小さく、熱が反応シート３３を速やかに伝導し、触媒３７がその触媒機能を良好に発揮する温度に速やかに昇温する。

これにより、エタノール水溶液を水素（Ｈ₂）と一酸化炭素（ＣＯ）とに分解する分解反応の効率は、高くなっている。

さらに、各反応シート３３には、複数の貫通孔３３ａが形成されている。

これにより、排気ガスの熱が厚さ方向に良好に伝導し、また、エタノール水溶液、生成した水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）が、厚さ方向にも良好に通流するようになっている。

金属箔３５は、例えばアルミニウム箔で構成され、その厚さは５０〜２００μｍ程度とされる。ただし、金属箔３５を備えず、又は金属箔３５に代えて、ベースとなる多孔質層を備え、反応シート３３全体を多孔質構造としてもよい。

多孔質層３６は、触媒３７を担持するための層であって、エタノール水溶液、生成した水素及び一酸化炭素が通流可能な複数の細孔を有している。

このような多孔質層３６は、例えば、アルミナ、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム等を主体とする酸化物で構成される。

触媒３７は、前記式（１）で示すように、エタノール水溶液を分解し、改質ガス（水素、一酸化炭素）を生成させるための触媒である。

このような触媒３７は、例えば、白金、ニッケル、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、モリブデン、レニウム、タングステン、バナジウム、オスミウム、クロム、コバルト、鉄、ニオブ、銅、亜鉛等から選択された少なくとも１種で構成される。

≪分離装置≫
分離装置３は、改質器２から送出される改質ガスを含む混合ガスを冷却して、混合ガスに含まれる水蒸気を凝集させて気液分離によって、改質ガス及びエタノール蒸気と水とを分離する装置である。改質器２から生成したガスには、未反応成分であるエタノール蒸気および水蒸気が混在する場合がある。未反応成分である水蒸気を改質ガスと共にエンジン１に供給すると、燃焼効率低下の原因となる。そのため、分離装置３により、水蒸気を液化させ、回収タンク５に回収する。一方、エンジンに供給する燃料の熱量を安定化する観点からは、エタノール蒸気は液化させずにエンジンに供給することが望ましい。分離装置３で水を優先的に回収するために、分離装置３から排出される混合ガスの温度がエタノールの沸点である７８℃以上、水の沸点である１００℃未満になるよう制御することが望ましい。これにより、分離装置３で混合ガスから高濃度の水を回収液として回収することができる。ここで、回収液は水または水を主成分とする水溶液である。水溶液は具体的にはエタノール水溶液であり、エタノール濃度は１０［ｗｔ％］以下とすることができ、その濃度はできる限り低いことが望ましい。

なお、分離装置３は例えば、エンジン１の冷却水と熱交換する構造、または改質器２で生成したガスと改質器２へ供給するエタノール水溶液で熱交換する構造でもよい。後者の場合には、改質器２で生成したガスの冷却熱を含水エタノールの加熱に利用できるため、エタノール水溶液の加熱分を減少できる。その結果、改質器２内で改質反応に使われる熱量を増加させることができる。

一方、回収タンクに回収された回収液はポンプ１０５により昇圧し、第一の回収液供給装置１０２により再度改質器２に供給される。回収液を再度改質器２に供給する理由は以下の通りである。

式（１）のエタノール水溶液の改質反応はエタノールと水が同じモル数で量論となるが、安定して転化率を高めるためには、水のモル数を高め、水過剰条件にて水とエタノールの割合を安定させて反応させることが重要となる。その理由として水のモル数が量論に近いほど、触媒表面にカーボンが析出し、触媒活性が低下しやすくなり、結果としてエタノール水溶液から改質ガスへの転化率が低下するからである。また水とエタノールの割合が変化すると、エタノールの脱水素反応等の式（１）以外の下記副反応式（２）〜（４）等が起こり、改質ガスの成分が変化しやすくなる。特にエンジンの燃焼に影響が大きい水素の割合が変化するとエンジンの熱効率にも影響を与える。

Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ（エタノール水溶液）→ＣＨ₃ＣＨＯ＋Ｈ₂（改質ガス）・・・式（２）
Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ（エタノール水溶液）＋Ｈ₂Ｏ→ＣＨ₄＋ＣＯ₂＋２Ｈ₂（改質ガス）・・・式（３）
Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ（エタノール水溶液）＋Ｈ₂Ｏ→０．５ＣＨ₄＋ＣＯ＋０．５ＣＯ₂＋３Ｈ₂（改質ガス）・・・式（４）
つまり、エタノール水溶液から改質ガスを安定して生成し、水素濃度を高めるためには、改質器２に供給するエタノールと水の割合を安定して水リッチにする必要がある。これに対して、回収タンク５で回収した水を改質器２へ供給することで、改質器２に供給されるエタノール水溶液の水濃度を高めることができ、改質ガス中の水素濃度を安定して高めることができる。その結果、水素リッチガスをエンジンに供給することが可能となり、エンジン内の燃焼速度を高めることができる。また、式（１）の反応が積極的に起こるため、吸熱量が安定して高くなることから、結果的にエンジンの排熱回収量が多くなり、システム効率が安定して高くなる。

このように回収液を改質器２に供給することで、改質器２内の含水エタノールの水の濃度を安定して高めることができる。これにより、改質器２で生成できる改質ガス成分が安定することに加え、改質ガス内の水素濃度を高めることができる。これにより改質器２での吸熱量およびエンジンに供給する改質ガスの水素濃度を安定して高めることができる。

また、回収タンクに回収された回収液はポンプ１０５により昇圧し、第二の回収液供給装置１０２によりエンジン１の燃焼室に供給される。回収液をエンジンに供給することで、エンジンに供給する燃料熱量を変化させずに、エンジンを内部から冷却できる。これによりエンジンを安定に燃焼させながら、冷却損失を減少、排気熱量の増加することができる。

図４に分離装置の構成の一例を示す。図４に示すように分離装置３００は、凝縮器３０１と、ドレインタンク３０２と、を備えて構成されている。改質器２から送出される改質ガス、エタノール蒸気、及び、水蒸気を含む混合ガスは３００℃付近の高温状態である。凝縮器３０１は、改質器２から送出される混合ガスと、所定の冷却媒体（クーラント）とを熱交換させて、混合ガスに含まれる水蒸気を凝縮させるものである。凝縮器３０１で水蒸気を凝縮させた混合ガスと水はドレインタンク３０２に送られて気液分離される。そして、ドレインタンク３０２で気液分離された改質ガスとエタノール蒸気がエンジン１に供給される。また、凝縮した高濃度の水はドレインタンク３０２の底部から抜き出されて回収タンク５で回収される。

凝縮器３０１で混合ガスを冷却するためのクーラントとしては、エンジン１の冷却水や空気等の流体を用いることも可能であるが、貯留タンク４から改質器２に供給するエタノール水溶液を用いることが好ましい。すなわち、貯留タンク４からエタノール水溶液が凝縮器３０１に供給され、凝縮器３０１で混合ガスとの熱交換によって加熱された後、改質器２に供給される。このようにすることで、凝縮器３０１において改質器２へ供給するエタノール水溶液の顕熱、潜熱が回収でき、その結果、改質器２での改質反応に使われる排熱割合が増加する。これにより全体システムの効率を高めることができる。

分離装置３００の凝縮器３０１で水蒸気のみを凝縮させて高濃度の水を回収するために、凝縮器３０１から送出される混合ガスの温度をエタノールの沸点である７８℃以上、水の沸点である１００℃未満になるよう制御することが望ましい。

温度制御は以下の方法により実行する。図４に示すようにエタノール水溶液を貯留タンク４から改質器２に凝縮器３０１を介して供給するライン３０６と、凝縮器３０１を介さずに直接改質器２に供給するバイパスライン３０７を設け、それぞれのラインに流量を調整できる調整バルブ３０３、３０４を設けておく。制御部７により、温度センサ３０５で検出された凝縮器３０１から送出された混合ガスの温度に基づいて、調整バルブ３０３、３０４の開度を調整することにより、熱交換器へ供給するエタノール水溶液の供給量を調整し、凝縮器３０１を通過した後の混合ガス温度を制御する。なお、図４では、温度センサ３０５をドレインタンク３０２から改質ガスをエンジン１に供給するラインに設置しているが、凝縮器３０１からドレインタンク３０２の間や、ドレインタンク３０２内にせ知してもよい。また、図４に示した装置構成による温度制御方法は一例であって、混合ガスの温度が制御できればよく他の手法を採用してもよい。

また、凝縮器３０１に供給するクーラントとして、貯留タンク４からのエタノール水溶液と、回収タンク５から改質器２に供給する回収水の両方を用いてもよい。この場合、改質器２に供給する回収水の顕熱、潜熱を凝縮器１にて回収することができ、改質器でのエタノール水溶液の改質に利用される排熱割合が増加する。

≪エタノール水溶液≫
貯留タンク４に入れるエタノール水溶液のエタノール濃度は７２［ｗｔ％］未満を利用することで式（１）のエタノール水溶液の改質反応で水が過剰となり、改質器２を介して分離装置３で液化された水が回収タンクへ回収される。特に、貯留タンク４に入れるエタノール水溶液は６０［ｗｔ％］未満のものを使うことが望ましい。これは、エタノール水溶液のエタノール濃度が６０［ｗｔ％］未満の場合、消防法の危険物に該当しないため、取り扱いが容易になるためである。また、エタノール水溶液の貯蔵量に制限がないことから、より安全に大容量の燃料を使用することができ、ユーザメリットが大きくなる。なお貯留タンク４内のエタノール濃度が６０［ｗｔ％］未満の場合、回収タンク５内の液体の濃度が６０［ｗｔ％］以上になることはないことから、本システムで使用される液体はすべて危険物範囲外になる。

≪制御部≫
次に、エタノールエンジンシステムＳを電子制御する制御部７（図１参照）について説明する。

制御部７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インターフェース、電子回路等を含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、エタノールエンジンシステムＳを総合的に制御する。そして、制御部７は後述する手順に従って、図１に示す各供給装置やポンプ、スロットル等を制御するようになっている。この制御部７の実行する手順については、エタノールエンジンシステムＳの動作の説明と共に後に詳しく説明する。

≪エタノールエンジンシステムの動作≫
次に、本実施形態に係るエタノールエンジンシステムＳの動作について説明する。

図５に始動から定常運転にかけての運転モードを示す。始動時は改質器２の温度が低いため、改質器２においてエタノール水溶液から改質ガスの生成が難しいため、エタノール水溶液を直接エンジンへ供給するよう、制御部７から第二の供給装置１０７へ制御信号が送られる（ステップＳ１）。エンジン始動後はエンジンの目標トルク、回転数を計測する（ステップＳ２）。その後、目標トルク、回転数に応じてエンジンへ供給するエタノール水溶液量を決定し、制御部７から第二の含水エタノール供給装置１０７へ制御信号が送られる（ステップＳ３）。その後、改質器２の反応セルの適所に配置された図示しない温度センサによって改質器２の温度Ｔ_reを計測する（ステップ４）。そして、改質器２の温度が所定値以上かを判定する（ステップ５）。所定温度は改質器２が所定の改質温度に暖機されたか否かを判断するものであり、たとえば、２５０℃〜５００℃の範囲内で予め設定される。改質器２の温度が所定値以下の場合、改質器２で改質ガスを生成することが困難なため、再度ステップＳ２へ戻る。改質器２の温度が所定値以上の場合、改質器２で改質ガスを生成可能と判断し、定常運転モードへ移行する（ステップＳ６）。

図６はエタノールエンジンシステムＳの定常運転モードにおける制御部の実行する手順を示すフロー図である。

制御部７は、エンジン１の目標トルクＴｒ、回転数Ｎを計測し（ステップＳ７）、それに応じてエンジン１に供給する燃料の熱量Ｈ_totalを決める（ステップＳ８）。次に、制御部７は、改質器２の反応セルの適所に配置された図示しない温度センサによって改質器２の温度を計測する（ステップＳ９）。その後、貯留タンク４内のエタノール濃度Ｄ_et1、回収タンク５のエタノール濃度Ｄ_et2を濃度検出装置１０８，１０６で計測する（ステップＳ１０、Ｓ１１）。この際、貯留タンク４内のエタノール濃度Ｄ_et1が既知の場合には計測は不要である。次に、改質器２へ供給するエタノール水溶液の水蒸気、カーボン比Ｘ_scを決定し（ステップＳ１２）、改質器へ供給するエタノール水溶液量: Ｑ_{et_r}および改質器へ供給する回収液の量: Ｑ_{wa_r}を決定する（ステップＳ１３）。そして、制御部７より第一の供給装置１０３および第一の回収液供給装置１０２に制御指令を出し、改質器２にエタノール水溶液及び回収液が供給される。算出式は下記にて定義する。
改質器へ供給するエタノール量をＡ, 水の量をＢとする。

Ａ＝ Ｑ_{et_r}・Ｄ_et1 ＋ Ｑ_{wa_r}・Ｄ_et2 ・・・式（５）
Ｂ＝ Ｑ_{et_r}・（１−Ｄ_et1） ＋ Ｑ_{wa_r}・（１−Ｄ_et2） ・・・式（６）
Ｘ_s/c＝ Ｂ／（０．５・Ａ） ・・・式（７）
式（１）の改質反応が行われた場合、エタノールの熱量は１．２４倍になることから、エンジンに要求された燃料の熱量から改質器に供給されるエタノールの供給量を下記式により算出する。

Ａ＝ Ｈ_total／Ｈ_et／１．２４ ・α ・・・式（８）
Ｈ_etはエタノールの低位発熱量とする。αは補正係数であり、後述に説明する。式（５）〜（８）から以下の式（９）、式（１０）により、改質器へ供給するエタノール水溶液量：Ｑ_etおよび改質器へ供給する回収液の量：Ｑ_{wa_r}が決定される。

Ｑ_{wa_r}＝ Ａ（１−Ｄ_et1）（１−０．５Ｘ_s/c）／Ｄ_et1／｛ Ｄ_et2 （１−Ｄ_et1） ／Ｄ_et1−（１−Ｄ_et2）｝・・・式（９）
Ｑ_{et_r}＝ （Ａ−Ｄ_et2・Ｑ_{wa_r}）／Ｄ_et1・・・式（１０）
なお、式（８）により、エンジンに供給する改質ガスの熱量はＨ_total以下となる。改質器はエンジンの排熱が供給されることから、改質反応場の温度、圧力、触媒の状態が変動するため、エタノール水溶液から水素、一酸化炭素へ改質する際の転化率が変動する。そのためにユーザの要求するトルクを改質ガスの供給熱量のみで対応することが難しい。よって、式（８）を使い、改質ガスの熱量はＨ_total以下にする。

次に、改質ガスの圧力が所定以上（改質ガスの圧力は図示しない圧力計により計測）になると制御部７より改質ガス供給装置１０１へ信号を出し、改質ガスをエンジンに供給する（ステップ１４）。その後、要求トルクを満足するようにエンジンに供給するエタノール水溶液（Ｑ_{et_e}）を決定し、制御部７より第二の供給装置１０７へ信号を送りエンジンに供給するエタノール水溶液量を調整する（ステップ１５）。そして、制御部７は、要求トルクを満たしているか否かを判定し（ステップ１６）、要求トルクを満たしていない場合には、ステップ１５に戻り、エンジンに供給するエタノール水溶液（Ｑ_{et_e}）を調整する。このようにすることで、改質ガスの成分に変化があった場合においても、エタノール水溶液を直接エンジンに供給することで、ユーザの要求するエンジントルクを出力することができる。

次に、要求トルクを満たしている場合には、制御部７は、改質器２の温度Ｔ_reが所定温度範囲か否かを判定する（ステップＳ１７）。所定温度は改質器２が所定の改質温度の範囲内か否かを判断するものであり、たとえば、２５０℃〜５００℃の範囲内で予め設定される。ステップＳ１７において、改質器２の温度が所定範囲外と判定された場合には、改質器２の温度を所定範囲にするために、エタノール水溶液量: Ｑ_{et_r}および改質器２へ供給する回収液の量: Ｑ_{wa_r}の供給量を調整する。具体的には所定温度より低い場合は、エタノール水溶液量: Ｑ_{et_r}および改質器２へ供給する回収液の量: Ｑ_{wa_r}の供給量を減少し、所定温度より高い場合は、エタノール水溶液量: Ｑ_{et_r}および改質器２へ供給する回収液の量: Ｑ_{wa_r}の供給量を増加する。これは改質反応が温度に依存し、所定温度以下の場合、改質反応の効率が大幅に低くなるためである（図１０：式（１）のエタノール水溶液の改質反応時の平衡転化率参照）。また改質器の温度Ｔ_reが所定範囲より高い場合は、改質器２がコーキングなどの劣化が起こりやすくなるためである。式（１）の改質反応は吸熱反応のため、エタノール水溶液量: Ｑ_{et_r}を増加すると、改質器の温度Ｔ_reが低下する。このことから、改質反応の転化率を所定以上にするため、また改質器２の劣化を抑制するために、エタノール水溶液量: Ｑ_{et_r}および改質器へ供給する回収液の量: Ｑ_{wa_r}の供給量を調整し、改質器の温度Ｔ_reを所定範囲内とする。このようにすることで、エンジンに供給する改質ガスの割合を最大限に高めながら、ユーザの要求するエンジントルクを出力することができる。

ステップＳ１７からステップＳ１３への指令により、エタノール水溶液量: Ｑ_{et_r}および改質器２へ供給する回収液の量: Ｑ_{wa_r}の供給量を調整する際、具体的には式（８）の補正係数αにて調整する。改質器の温度Ｔ_reが所定範囲より大きいとき、補正係数αを大きくし、改質器２の温度Ｔ_reが所定範囲より小さいとき、補正係数αを小さくする。その際、補正係数αが１よりも大きくなる場合は、改質器の温度Ｔ_reの異常通知を行う。これはユーザの要求トルク以上の改質ガスをエンジンに供給すること、および触媒の劣化を防止のためである。このとき、改質器２への排ガスの供給を停止する。（例えば改質器２とエンジンの間に搭載した切換えバルブを利用。切換えバルブは図示しない）。補正係数αはエンジンの回転数、トルクに対してマップ化されており、随時更新され、エンジンが停止した際においても制御部７内にて保存される。このようにすることで、外気温度変化や改質器２内の触媒の劣化状態に応じて、最適な制御が行われ、エンジンに供給する改質ガスの割合を最大限に高めながら、ユーザの要求するエンジントルクを出力することができる。

次に、ステップＳ１７において、改質器２の温度が所定範囲内と判断されると、制御部７は、エンジンに供給する回収水の量Ｑ_{wa_e}を決定し、制御部より第二の回収液供給装置１０４より回収水をエンジンに供給する（ステップＳ１２）。これはエンジンの回転トルク:Ｔｒ、回転数:Ｎにより決められる。

次に、制御部７は、要求トルクを満足しているか否かを判定する（ステップＳ１９）。ステップＳ１９にて要求トルクを満足すれば、リターンに移り、要求トルクと異なる場合、ステップＳ２０に移り、エンジンに供給するエタノール水溶液量: Ｑ_{et_e}を決定する。改質ガスの発熱量は改質器の転化率に依存することから、改質ガスの発熱量がエンジンの要求する燃料の発熱量と一致することが困難である。また回収水をエンジンに供給することで、エンジンの冷却損失が低減し、その結果エンジントルクが増大する。これらのことから、エンジンに供給するエタノール水溶液量: Ｑ_{et_e}を調整することで、ユーザの要求トルクに合わせて、エンジンに燃料を供給可能となる。

なお、図１の構成において、第二の回収液供給装置１０４を省略して回収液を改質器２のみに供給するシステム構成の場合には、図６のステップ１８を省略して制御部７の制御が実行される。また、第一の回収液供給装置１０２を省略して回収液をエンジン１のみに供給するシステム構成の場合には、ステップ１１、１２が省略され、ステップ１３内の「改質器へ供給する回収液の量：Ｑ_{wa_r}を決定し、制御」の部分が省略される。改質器への供給するエタノール水溶液量：Ｑ_{et_r}は下記式（１１）より決定される。なお改質器へ供給するエタノール量をＡは式（８）により算出される。

Ｑ_{et_r}＝ Ａ／Ｄ_et1・・・式（１１）
［第二の実施形態］
本実施形態に係るエタノールエンジンシステムは、エタノールを炭素源とする改質ガスと、第二の燃料とがエンジンに供給されることによって動力を発生するものである。第一の実施形態と同じ構成については説明を省略する。

＜エタノールエンジンシステムの構成（変形例）＞
図７にエタノールエンジンシステムＳの別の構成例を示す。エタノール水溶液を貯留する貯留タンク４とは別の燃料タンク８があり、その第二の燃料タンク８からエンジン１に第二の燃料が供給される。第二の燃料はガソリンや軽油、天然ガス、重油などの炭化水素系燃料であるが、特にそれに限らずにアンモニア等炭素分を含まない燃料でもよい。第二の燃料は燃料供給装置１０９を介して、供給量を調整し、エンジン１に供給される。エタノール水溶液の改質ガスは水素を一部含むことから、第二の燃料に比べると可燃範囲が広く、燃焼速度が速い。そのため、第二の燃料と改質ガスを混合燃焼させることで、燃焼効率、サイクル効率が向上する。また、回収タンク５に回収された回収液は、第一の回収液供給装置１０２、第二の回収液供給装置１０４を介して改質器２とエンジン１に直接供給される。改質器２とエンジン１への回収液の供給量は、第一の回収液供給装置１０２、第二の回収液供給装置１０４により調整される。

図８に本実施形態に係るシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図を示す。図８は、第二の燃料がエタノール水溶液に比べて着火性のよい軽油や重油などの場合のエンジンの概略である。エンジンはディーゼルエンジンである。第一の実施形態と同様に分離装置５を通過した改質ガスは改質ガス供給装置１０１によりエンジン１の吸気管に供給され、空気と予混合されエンジン内へ供給される。一方、第二の燃料は第二の燃料供給装置１０９により、エンジン１内へ直接供給され、ピストン圧縮により自己着火燃焼される。第二の燃料が自己着火燃焼することで、改質ガスと空気の予混合気が引火され（一部は自己着火）、ピストンの膨張仕事を取り出すことができる。軽油や重油は通常のディーゼルエンジンで燃焼する際、拡散燃焼のため、すすやＮＯｘが多く排出され、排気管に後処理等を設置する必要がある。本実施形態のエタノールエンジンシステムでは、水素を一部燃料とする改質ガスを空気との予混合状態でエンジンに供給するため、軽油や重油による拡散燃焼割合が減少し、予混合燃焼割合が増加する。その結果、比較的均一な混合気を燃焼することができ、すすやＮＯｘの排出を低減できるため、後処理等の設備を低減できる。また、着火性に優れる軽油や重油が燃焼開始のきっかけとなり、その着火の空間配置が多点となることから、改質ガスと空気の予混合気が空気過剰条件（希薄条件）においても燃焼でき、結果として、サイクル効率が高くなる効果がある。

第二の回収液供給装置１０４はたとえばエンジンの燃焼室に接続されており、エンジンの燃焼室へ水を直接供給できる構造である。これによりピストンなど燃焼室内の部品を冷却できる。ピストンはアルミ合金に比べ熱伝導率の低い材料である。そのため、ピストンの温度上昇を抑制する効果がある。エンジン燃焼室内の熱はピストン等の燃焼室部材を通って、エンジンの冷却水へ熱伝導するが、エンジン内に水を供給することで、エンジン燃焼室部材を内部から冷却することができ、エンジンの冷却水への熱移動量を低減できる。その結果、冷却損失を小さくでき、熱効率が向上する。特に、本実施形態のエタノールエンジンシステムでは、エタノール水溶液をエンジン１に供給しない構成であるため、エンジン１の燃焼室への回収液供給による効果が大きい。

図９は軽油や重油の拡散燃焼時のすす、ＮＯｘの排出領域と当量比(Φ)、燃焼温度(Ｔc)の関係を示したものである。従来燃焼（第二の燃料のみ）では拡散燃焼割合が大きく、不均一燃焼のため、燃焼温度や当量比の幅が広く、すすやＮＯｘの排出領域に入る。これに対して、回収液をエンジンに供給することで、燃焼温度が低温化でき、結果としてＮＯｘ排出が低減する。また、改質ガスをエンジンに供給することで、拡散燃焼割合が小さくなることから、図に示すように当量比、燃焼温度範囲が狭くなり、その結果、すす排出も小さくなる。これらのことから、第二の燃料を用いたディーゼルエンジンにエタノール水溶液の改質ガス、回収液を供給することで、熱効率向上とすす、ＮＯｘといった排気成分低下を同時に実現することができる。

第二の燃料にバイオ燃料等の別の燃料が供給された際の効果について説明する。バイオ燃料は単体でディーゼルエンジンに使用することもあれば、それを軽油に混合して使用される場合もある。また、バイオ燃料のほかにＧＴＬといった燃料もディーゼルエンジンには使われる。バイオディーゼル燃料やＧＴＬはその着火特性が異なることから、通常は燃料の噴射時期や噴射量、ＥＧＲ量、過給圧を制御する等によって熱効率向上、ＮＯｘ、すすなどの排気成分低減を図る。本実施形態のエタノールエンジンシステムでは第二の回収液供給装置１０４から水が供給されることで、水の蒸発潜熱でエンジン内の温度を低下できる。つまり、エンジンへの回収液の供給量を制御することで、エンジン内のガス温度を制御でき、これにより第二の燃料の着火時期を制御できる。また、エンジン内のガス温度を調整できることから、燃焼温度を制御でき、ＮＯｘ、すすといった排気成分の低減も可能となる。これらのことから、第二の燃料の成分が変化した際に、第二の回収液供給装置１０４から供給する回収液の量を制御することで、熱効率が高く、すす、ＮＯｘといった排気成分の低い燃焼を実現することができる。つまり、多種燃料に対応可能なシステムとなる。第二の回収液供給装置１０４は、燃焼室に直接設置せずに、エンジンの吸気管に接続してもよい。その場合、水の蒸発潜熱により吸気を冷却することができ、上記と同様の効果が得られる。

図７に示した本実施形態のエタノールエンジンシステムＳの動作は、図５及び図６に示した制御フローを一部変更して実行される。始動時の運転モードでは、図５に示したステップＳ１を「第二の燃料をエンジンに供給し、エンジン始動」、ステップＳ３を「エンジンへ供給する第二の燃料量を決定し、制御」に変更して運転することができる。また、定常運転モードでは、図６に示したステップＳ９およびステップＳ１４において、「エンジンへ供給するエタノール水溶液量を決定し、制御」を、「エンジンへ供給する第二の燃料供給量を決定し、制御」に変更して運転することができる。

また、図７に示したエタノールエンジンシステムＳでは、回収液をエンジン１及び改質器２の両方に供給できる構成を示しているが、第一の実施形態と同様に回収液を改質器２とエンジン１の燃焼室のいずれか一方のみに供給する構成としてもよい。

１ エンジン
２ 改質器
３ 分離装置
４ 貯留タンク
５ 回収タンク
６ スロットル
７ 制御部
８ 第二の燃料タンク
１０１ 改質ガス供給装置
１０２ 第一の回収液供給装置
１０３ 第一の供給装置
１０４ 第二の回収液供給装置
１０５ ポンプ
１０６，１０８ 濃度検出装置
１０７ 第二の供給装置
１０９ 燃料供給装置

Claims (10)

1. エタノール水溶液の貯留タンクと、
   前記貯留タンクのエタノール水溶液を改質器に供給する第一の供給装置と、
   前記改質器から送出される改質ガスを含む混合ガスを冷却し、混合ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて気液分離する分離装置と、
   前記分離装置で分離された改質ガスをエンジンに供給する改質ガス供給装置と、
   前記分離装置で分離された回収液を回収する回収タンクと、
   前記回収タンクの回収液を前記貯留タンクを介さずにエンジンの燃焼室に供給する回収液供給装置を備えたエタノールエンジンシステム。
2. 請求項１において、前記改質ガス供給装置から供給される改質ガスにエタノール蒸気を含むことを特徴とするエタノールエンジンシステム。
3. 請求項１において、前記回収液が水または水を主成分とする水溶液であることを特徴とするエタノールエンジンシステム。
4. 請求項１において、前記貯留タンクのエタノール水溶液をエンジンの燃焼室に供給する第二の供給装置を備えることを特徴とするエタノールエンジンシステム。
5. 請求項１において、前記分離装置から排出される混合ガスの温度が７８℃以上１００℃未満であることを特徴とするエタノールエンジンシステム。
6. 請求項５において、前記分離装置は、前記改質器から送出される混合ガスと冷却媒体とを熱交換させる凝縮器と、前記凝縮器から排出される混合ガスの温度を検出する温度センサとを備え、
   前記温度センサで検出された混合ガスの温度に基づいて、前記凝縮器に供給する冷却媒体の流量を調整して前記分離装置から排出される混合ガスの温度を制御する制御手段を備えることを特徴とするエタノールエンジンシステム。
7. 請求項１において、前記分離装置は、前記改質器から送出される混合ガスと冷却媒体とを熱交換させる凝縮器を備え、前記冷却媒体として前記改質器に供給するエタノール水溶液または前記改質器に供給する回収液の少なくとも一方を用いることを特徴とするエタノールエンジンシステム。
8. 請求項１において、前記エンジンにエタノール水溶液以外の第二の燃料を供給する燃料供給装置を備えることを特徴とするエタノールエンジンシステム。
9. 請求項８において、前記第二の燃料はエタノール水溶液よりも着火性が高いことを特徴とするエタノールエンジンシステム。
10. 請求項８において、前記エンジンがディーゼルエンジンであり、前記第二の燃料がピストン圧縮により自己着火燃焼することを特徴とするエタノールエンジンシステム。