JPH0263104B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、自動車用内燃機関に用いる燃料アル
コールの分解と廃熱回収をおこなう燃料処理方法
に関する。

米国特許第4088450号は、反応室内に存在する
温度勾配に基いて複数の触媒を所望の順序で配列
することを開示し、触媒とこれを入れた反応室の
一部を適当な温度とすることにより、触媒の劣化
や不活性化を防ぐことができることを示してい
る。

一方、米国特許第4282835号は、２次合成器で
メタノールと水とからCOとH₂とを合成する方法
を示している。即ちこの方法は、メタノールを液
状状態でアルコールタンクに入れ、水を水タンク
に入れ、燃料と水をそれぞれ燃料ポンプと水ポン
プにより混合バルブに導いて混合し、熱交換器で
加熱してガス状とし、このガスを500℃の温度で
アルミナ担持ニツケル触媒と接触させ、メタノー
ルを一酸化炭素と水素とに解離させる。この後こ
のガスを２次合成器において500℃以上の温度で
アルミナ担持鉄触媒と接触させ、水と一酸化炭素
とを水素と二酸化炭素とに変換する。そしてこの
ガスを、空気と混合してエンジンに導く。

この発明は、これらの知見を利用してなされた
もので、その目的とするところは燃料アルコール
の解離と廃熱回収を効率よくおこなう燃料処理方
法を得んとするものである。

すなわち本発明は、部分燃焼触媒と解離触媒と
を有する触媒床を設けた断熱反応器を実質的に廃
熱を用いずに作動温度範囲で作動する工程と、吸
熱解離触媒を設けた吸熱反応器にエンジン廃熱を
供給する工程と、液状アルコールをアルコール蒸
気とする気化工程と、上記アルコール蒸気を空気
と混合して部分燃焼混合物を形成する工程と、上
記部分燃焼混合物と断熱反応器の部分燃焼触媒と
を接触させて解離混合物を形成し熱を発生する工
程と、上記解離混合物と断熱反応器の解離触媒と
を接触させて水素富化燃料を生成する工程と、上
記水素富化燃料と吸熱解離触媒とを接触させて燃
料生成物を形成し、それによつて少くとも上記水
素富化燃料中の残りの未解離アルコールを廃ガス
によつて供給されたエンジン廃熱を用いて水素と
一酸化炭素とに解離させる工程とを具備したこと
を特徴とする。

以下本発明を図面を参照して説明する。

まず第１図に示すように反応室壁１０は、支持
部材１６又はスプリング手段１４，１４′により
断熱反応器３内に支持されている。反応室壁１０
は、触媒床１１を囲んでいる。複数の内部フイン
９は、反応室壁１０に取付けられ、そこから反応
室壁で規定された反応室の内部に伸びている。複
数の外部フイン１３は、反応室壁１０に取付けら
れている。この外部フイン１３は、反応室壁１０
から熱交換室１２内にむけて伸びている。熱交換
室１２は、熱交換壁１７の内表面と反応室壁１０
の外表面とに囲まれて形成されている。

反応室壁１０の両端部は、内部の触媒床１１を
保持するために、スクリーン又はワイヤメツシユ
（図示せず）で被覆するのが好ましい。

熱交換壁１７は、第２図に示すように、反応室
壁１０を囲んでいる。これを支持するばね手段１
４，１４′は、熱交換壁１７の内表面と反応室壁
１０の外表面とに接続している。

断熱反応器３は、第３図に示すように、ライン
１９により過熱器５と接続している。過熱器５
は、ライン２０により、気化器２からのアルコー
ル蒸気を受けるものである。空気は、ライン１５
を通つてコンプレツサ２１からライン２０に送り
出される。空気とアルコール蒸気の混合物は、ラ
イン２０を通つて過熱器５に導かれる。アルコー
ル貯蔵タンク１のアルコールは、ポンプ２３によ
りライン２２を通つて気化器２に送られる。ライ
ン２２のバルブ２４は、アルコール貯蔵タンク１
から気化器２へ流れる液体アルコールの流量を制
御するものである。空気とアルコール蒸気の混合
物は、ライン１９を通つて断熱反応器３に流れ
る。断熱反応器３は、エンジン４からの廃ガスに
より加熱される。この廃ガスは、ライン２５を通
つて断熱反応器３に導かれる。ライン２５に設け
たバルブ２６は、断熱反応器３に流れる廃ガスの
流量を制御するものである。廃ガスは、反応器３
からライン２７を通つて流出する。気化器２に
は、冷却液がエンジンからライン２９を通つて供
給される。このエンジン冷却液は、気化器２から
ライン３０を通つて流出する。ライン３０は、エ
ンジン４に接続している。フイルタ６は、ライン
７１により吸熱反応器７０に接続している。吸熱
反応器７０は、ライン３１により断熱反応器３に
接続している。フイルタ６は、ここを通る水素富
化ガス混合物から固形物を除去する。フイルタ６
はライン３２によりエンジン４に接続している。
ライン３２のバルブ３６は、エンジンに流れるガ
ス状燃料の混合された水素の流量を制御するもの
である。バルブ２４と３６は、気化器を含めた解
離システムが作動していない時にこれをフイルタ
に対して完全に閉じる。

ライン８は、ライン３３に接続している。ライ
ン３３は、エンジン４に接続している。ライン３
２中の水素富化ガスは、ライン３３中においてラ
イン８から流入する空気と混合される。液体アル
コールは、ライン７からライン３３に導かれる。
ライン７のバルブ３４は、そこを流れる液体アル
コールの流量を制御する。ライン７を通る液体ア
ルコールは、エンジン４に供給するため、予じめ
霧状にされる。

アルコールタンク１のアルコール燃料として
は、メタノールが好適である。

フイン９，１３は、反応室壁の長さを伸長して
いる。内部フイン９と外部フイン１３は、いづれ
も反応室壁に沿つて熱を分配するために設けられ
ている。内部フイン９は、反応室壁１０から触媒
床１１内に熱を分配するものである。外部フイン
１３は、熱交換室１２から反応室壁１０に熱を移
動させるものである。

エンジンは、内燃機関を始動させる公知の方
法、例えばライン７から供給された液体メタノー
ルあるいはプロパンの如きガス状燃料を代替燃料
として使う方法により始動される。エンジン始動
後、高温の廃ガスは、熱交換室１２を通つて断熱
反応器３を加熱する。外部フイン１３は、この高
温廃ガスの熱を反応室壁１０に伝導する。内部フ
イン９は、この熱を反応室壁１０から触媒床１１
に伝える。そしてこの触媒床１１が初期作動温度
に達すると、空気とメタノール蒸気の混合物が反
応器に供給される。ここで反応器は、２個の触媒
床を持つのが好ましい。空気とメタノール蒸気の
混合物と接触する第１の触媒は、銅／ニツケルの
如き部分酸化触媒である。またアルコールと部分
燃焼生成物の混合物と接触する第２の触媒は、
銅／亜鉛の如き解離触媒である。部分燃焼は、断
熱反応器３の初期段階においてメタノールと空気
との間に生じる。この部分燃焼により、熱が発生
する。断熱反応器３の初期段階で発生した熱は内
部フイン９により、次の段階で熱交換される。

次にこの発明の好ましい具体例につき説明す
る。

触媒床がエンジン廃ガスにより初期反応温度に
予熱されると、温度スイツチによりバルブ２６が
閉じ、バルブ３５が開く。ライン７３のバルブ７
２は、バルブ２６が閉じる前に開かれ、高温廃ガ
スを吸熱反応器７０に送る。ライン３１の温度ス
イツチによりライン２２のバルブ２４を開き、タ
ンク１から液体メタノールを流し始めるとともに
ライン３２のバルブ３６を開いてエンジン４へ水
素富化燃料を流し始める。断熱反応器３内の反応
温度は部分燃焼速度を制御することにより保持さ
れる。部分燃焼速度は、ライン１５から注入され
る空気の流量をバルブ３５で調節することにより
制御される。バルブ３５は、ライン７１の出口ガ
ス温度に感応して開閉する。バルブ３５は温度制
御信号によりライン７１に接続されている。ライ
ン７１の温度制御は、TCとし図示されている。
バルブ２６は、バルブ７２を開き高温廃ガスの一
部をライン２７と７３を経て反応器３と７０とに
流した状態において、開放状態又はオリフイスと
なる。この方法により反応器３での熱損失が最小
限に抑制され、廃ガスの熱回収を反応器内でおこ
なうことができる。

コールドスタート中、エンジンからの高温廃ガ
スは、ライン２５とバルブ２６を通つて反応器３
の熱交換室に導かれる。この廃ガスは、ライン２
７を通つて熱交換室から導出される。反応器が作
動温度まで加熱されている間、バルブ７２と１８
は、閉じる。このためライン３７からの廃ガスは
ライン２５を通り、断熱反応器３の熱交換室に流
入する。反応器が作動温度に達すると、バルブ２
６が閉じバルブ１８と７２が開く。この結果廃ガ
スは、ライン３７から断熱反応器３に流入せず
に、ライン３９と７３とに流入する。吸熱反応器
７０からの廃ガスは、ライン７４を通つて系外に
排出される。バルブ１８は、過熱器への廃ガスの
流量を制御するもので、これにより過熱器５から
断熱反応器３へ流入するメタノール蒸気を所望の
温度とすることができる。このように断熱反応器
は、廃熱から断熱されている。断熱反応器３が作
動温度に達した後も過熱器５は、廃熱により加熱
され続ける。気化器２は必要に応じて設けられ
る。従つて液体メタノールは、アルコール貯蔵タ
ンク１から過熱器５に直接供給されることもあ
る。あるいは、エンジン廃ガスは、過熱器５の出
口ライン４０から気化器２の供給ライン２９に流
入する場合もある。この場合エンジン冷却液は、
気化器２の供給ライン２９に供給されない。

ライン１５を通つて供給されつつある空気は、
予熱器４１により予熱してもよい。予熱器４１は
ライン３７又は７４から廃ガスを受けて、ライン
１５を経てライン２０に供給される空気を予熱す
る熱を提供するようにしてもよい。空気を予熱す
ることにより、ライン２０から過熱器５に供給さ
れる液体アルコールおよび（または）アルコール
蒸気の温度を低下させることがなく、有効であ
る。

断熱反応器３は、内部温度を保持し、熱影響を
防ぐため熱交換壁１７上に断熱体を有するのが好
ましい。

アイドル中、吸熱反応器７０で吸熱変換が生じ
ても廃ガス温度が低いためこれを無視できるの
で、空気／アルコールの供給比は断熱比（約
0.16）に近い。高速運転中、空気の供給速度がゆ
つくり増加するのに対し、アルコールの供給速度
は実質的に増加する。従つて空気／アルコールの
供給比は、実質的に0.16より少なくなる。アイド
ル時断熱反応器は、供給されたメタノールの多く
を水素と一酸化炭素とに変換する。しかし空気／
アルコール比の低い高速運転中、断熱反応器での
変換率は低下する。反応器３の断熱触媒の後流側
に反応器７０を配置し、この反応器７０中の吸熱
分解触媒を使用することにより、高速運転中での
廃熱を用いた解離割合が実質的に増加する。

第１図と第２図は、反応器３の概略を示す。反
応器は２つの区域に区画され、内側の区域は、触
媒床を保持し、これを取り囲む外側区域は空室で
ある。反応室壁１０は、触媒床１１と熱交換室１
２とを隔離し、内部フイン９と外部フイン１３と
を設けている。コールドスタート中、高温廃ガス
は熱交換室を通り、熱を供給して触媒床を所望温
度に予熱する。反応室壁のフインは、熱交換を高
め、もつて予熱時間を減少させる。通常の解離操
作中、熱交換室は廃ガスの流れから隔離され、こ
のため絶縁体として働く。反応器３には、過熱メ
タノールと空気との混合物が供給される。熱的に
中和されたメタノールの変換をおこなうようにす
るため、混合物中の空気／メタノール比と反応器
入口温度とが制御される。

反応室壁の内部及び外部フインは、それぞれ床
内の反応物質と熱交換室内の廃ガスとの流れ方向
に平行に配置され、圧力降下を少なくするように
している。

反応室壁の内部フインは触媒活性と触媒の物理
的保持に重要な働きを持つ。すなわちこのフイン
は、断熱操作中、縦方向の熱交換を促進して、触
媒床中により均一な温度分配を達成する。従つて
触媒は高温時に焼結作用により、より不活性とな
るが、触媒床の前段の部分燃焼ゾーンにおいてメ
タノールと酸素との間の反応でピーク温度が生じ
た場合にも、フインの熱交換によりピーク温度が
低下するので、触媒活性を保持でき、有益であ
る。更に内部フインは、悪路での車の急激な速度
変化、振動が生じても、触媒ペレツトの動きを防
止することができる。

第２図に示すように動きを吸収するばね手段１
４，１４′（又は他の機械的手段）は、熱交換室
に備えられ、触媒の物理的保持を損うことなく自
動車の突然の動きを吸収する。

コールドスタート中、触媒床は熱交換器により
急速に予熱する必要があるので、反応室壁は同じ
触媒体積に対してより大きな熱交換面積を持つよ
うな形状が好ましい。この理由で、反応室壁は多
くの内部フイン９と外部フイン１３を持つ。第１
図と第２図は、この反応器の形状を示している。
第１図は、反応器の反応室壁の幅と深さの比を大
きくして体積当りの周囲表面積を大きくしている
ことを示している。

第３図はこの発明の自動車用燃料システムの概
略フローダイアグラムを示す。燃料システムの主
な構成は、断熱及び断熱反応器に加えて気化器
２、過熱器５、フイルタ６及びバイパスライン７
である。

気化器２中でエンジン冷却液は通常約93〜104
℃（200〜220〓）であり、メタノールに気化熱を
供給する。過熱器中ではメタノールは廃ガスとの
熱交換により所望反応器入口温度に上昇する。こ
こで気化器２は必要に応じて設ける。過熱器に直
接液体メタノールを入れて気化と過熱を行なうこ
とがあるためである。空気は通常過熱器の前段に
おいてライン１５からアルコールの供給経路に注
入され、反応器に流入する前に空気とアルコール
とが十分混合できるようにする。フイルタ６は、
触媒床からの微粒子を集塵する。

パイパスライン７は、コールドスタートあるい
は高負荷運転（加速運転又は高速運転）に応じて
液体アルコールを直接エンジンに送り出す。コー
ルドスタート中、エンジン４は解離反応器が開始
状態となるまで液体又は気化したアルコールで作
動しなければならない。高負荷運転中、反応器の
最大処理量を超えてより多くの燃料を必要とした
場合、バイパスライン７を通つてタンク１から液
体アルコールが供給される。

反応器の最大処理量を超えて液体アルコールを
直接供給した場合、アルコールを解離するという
効果をあまり損うことなく自動車全体の効率を高
めることができる。エンジンに液体アルコールを
供給することにより、高負荷条件下における燃料
のエネルギ密度を増加してエンジンのパワーを高
める。更にエンジンの燃焼温度を低下させて
NO_xの発散を少なくする。

解離メタノールエンジンにとつて好ましい運転
方式は、最大効率を得るために低負荷条件で運転
することであり、また最大性能を得るために一時
的な高負荷運転条件で運転することである。低負
荷運転（アイドルと一定速運転とからなる）で
は、エンジンは高出力を必要としない。低出力で
は、エンジンは最大の空気−燃料比で運転され、
あるいは最大効率となる最小の空気−燃料比で運
転される。解離メタノールでは、高濃度水素によ
るエンジンの円滑な運転を妨げることなくこの比
を0.3まで下げることができる。一方最大出力で
は、反応器の処理量を超えるメタノールは、迂回
してエンジンに直接供給される。ここで空気の流
量は、絞られない。この結果燃料密度は空気−燃
料比で1.0まで増加し、最大出力となる。

この操作はドライバーがアクセルをふむことに
よりなされ、この操作により信号がマイクロプロ
セツサに送られる。マイクロプロセツサはモニタ
ーとエンジン効率の調整を必要に応じておこな
う。この結果スパーク間隔、空気−燃料比などが
調整される。マイクロプロセツサは、低負荷運転
中バルブ７９で空気流量を絞ることにより所望の
空気−燃料比を維持する。また巡航速度までの加
速時、登坂時など一時的に高負荷となる場合、バ
イパスライン３４を開いて液体アルコールを追加
燃料として注入する。この場合空気−燃料比（燃
料密度）は所望のエンジン出力となるように調整
され、従つて運転効率が良好に維持される。

次に本発明の実施例につき説明する。

〔コールドスタート〕

断熱反応器をコールドスタートする際、断熱触
媒床を高温エンジン廃ガスで予熱する必要があ
る。このためエンジン４はメタノール変換システ
ムと独立した作動系統に切換えられる。この期間
エンジンはバイパスラインから導かれた液体アル
コールにより運転を続ける。

反応器中の断熱触媒床が初期作動温度まで上昇
すると、過熱されたアルコールが、ライン１５を
通つてきた空気とともに反応器に供給される。こ
こでアルコールの部分燃焼によつて熱が発生し、
このため断熱触媒床の温度が更に上昇し、吸熱ア
ルコール解離がおこなわれるようになる。ここで
シリカに担持された20/10銅／ニツケル触媒は、
メタノールの部分燃焼反応をおこなうのに約149
℃（300〓）又はそれ以上の床温度が必要である。
ただし別のより活性な触媒を使用すれば、この温
度より低くてもよい。

断熱反応器のコールドスタート中、吸熱反応器
もまた断熱反応器からの廃ガスにより予熱され
る。予熱後断熱反応器で得られたガスは、吸熱反
応器に遅滞なく供給される。吸熱触媒床は、生成
ガスと廃ガスからの熱によつて吸熱解離反応をお
こなうのに有効な温度に上昇する。このようにエ
ンジンは、プロパン、電気的に気化したメタノー
ル、微細霧状メタノールの如きガス状の始動用燃
料を用いることなく、始動することができる。

〔アルコール変換〕

断熱及び吸熱反応器のコールドスタート状態が
終ると、これら反応器の空気注入比を操作して吸
熱反応器で廃熱回収を最大限おこなえるようにす
る。通常酸素／メタノールの供給比は、メタノー
ルが断熱反応器で完全に変換された場合、0.16で
ある。この比は、理論値0.174より小さい。なぜ
ならこの発熱反応でメタンやジメチルエーテルが
少量生成するためである。

アイドル中、断熱反応器への空気／アルコール
供給比は、断熱比（約0.16）に近似する。なぜな
ら吸熱反応器の吸熱解離反応にとつて廃ガスから
の熱では充分でないからである。高速運転中、吸
熱反応器で廃熱を回収することにより必要空気量
が減少する。このため空気の供給割合がゆつくり
増加するのに対し、アルコールの供給割合が実質
的に上昇する。アイドル中、断熱反応器ではメタ
ノールから水素と一酸化炭素への変換がほぼ完全
におこなわれる。しかし、高速運転では、空気／
アルコール比が低いため、断熱反応器での解離反
応の割合が低くなる。断熱反応器３の後端側に設
けた吸熱反応器７０では、廃ガスの熱を用いてこ
の未変換メタノールを変換する。

Cu／NiとCu／Zn触媒とを備えた断熱触媒床で
は、次の３つの反応が主な反応として断熱反応器
で生じる。

CH₃OH（ｇ）＋1/20₂→H₂＋CO＋H₂O △H₂₉₈＝−36134cal ……（） CH₃OH（ｇ）→2H₂＋CO △H₂₉₈＝21664cal ……（） H₂O（ｇ）＋CO→H₂＋CO₂ △H₂₉₈＝−9838cal ……（） メタノールは、まずCu／Ni触媒ゾーンにおい
て反応式（）及び（）にもとづき変換され
る。変換されなかつたメタノールは、次のCu／
Zn触媒ゾーンにおいて反応式（）及び（）
にもとづき変換される。Cu／Ni触媒上で反応式
（）の反応速度が速いため、このゾーンで酸素
が急速に消尽される。反応式（）が急速におこ
なわれるため、このゾーンに温度ピークが生じ
る。酸素が消尽されると、吸熱反応（反応式
（））が支配的となる。このため床温度が低下す
る。断熱反応器から流出したガスは、Cu／Zn触
媒が優れた変換活性を有するため水／ガス変換反
応がほぼ平衡状態となつている。

以上好ましい具体例を参照して本発明を説明し
たが、これら具体例はあくまでも例示であり発明
の内容を制限するものではない。この発明の範囲
内で変形が可能であることは、勿論である。この
ような変形は、前述した好ましい具体例に基づけ
ば当業者には明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法に係る反応器の一例を示す
断面図、第２図は同反応器の縦断面図、第３図は
本発明に係る自動車の燃料系統の概略フローダイ
アグラム図である。 １……アルコール貯蔵タンク、２……気化器、
３……断熱反応器、４……エンジン、５……過熱
器、６……フイルタ、７……バイパスライン、９
……内部フイン、１０……反応室壁、１１……触
媒床、１２……熱交換室、１３……外部フイン、
１４……ばね手段、１６……支持部材、１７……
熱交換壁、２１……コンプレツサ、２３……ポン
プ、２４，２６，３４，３５，３６，７２，７９
……バルブ、２９……供給ライン、７０……吸熱
反応器、４０……出力ライン、４１……予熱器、
８，１５，１９，２０，２２，２５，２７，３０
〜３３，３７，７１，７３，７４……ライン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 部分燃焼触媒と解離触媒とを有する触媒床を
   設けた断熱反応器を実質的に廃熱を用いずに作動
   温度範囲で作動させる工程と、吸熱解離触媒を設
   けた吸熱反応器にエンジン廃熱を供給する工程
   と、液状アルコールをアルコール蒸気とする気化
   工程と、上記アルコール蒸気を空気と混合して部
   分燃焼混合物を形成する工程と、上記部分燃焼混
   合物と断熱反応器の部分燃焼触媒とを接触させて
   解離混合物を形成し熱を発生させる工程と、上記
   解離混合物と断熱反応器の解離触媒とを接触させ
   て水素富化燃料を生成する工程と、上記水素富化
   燃料と吸熱解離触媒とを接触させて燃料生成物を
   形成し、それによつて少くとも上記水素富化燃料
   中の残りの解離アルコールを廃ガスによつて供給
   されたエンジン廃熱を用いて水素と一酸化炭素と
   に解離させる工程とを具備したことを特徴とする
   自動車用内燃機関の燃料処理方法。 ２ 部分燃焼触媒が銅／ニツケルで、かつ解離触
   媒と吸熱解離触媒がそれぞれ銅／亜鉛である特許
   請求の範囲第１項記載の自動車用内燃機関の燃料
   処理方法。 ３ 燃料生成物と空気とを混合して総合燃焼混合
   物を生成し、この混合物を内燃機関で燃焼する特
   許請求の範囲第１項記載の自動車用内燃機関の燃
   料処理方法。