JPS5821099B2 - ネンリヨウカイシツソウチツキナイネンキカン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の燃焼において発生し、大気中に排出
される有害物質を減少させるために、炭化水素燃料と水
とをより有効に着火燃焼し得る生成ガスに変換し、着火
、燃焼の改善が達成できる燃料改質装置付内燃機関に関
するものである。

従来化学工業における炭化水素の変換法としては、部分
酸化法、水蒸気改質法および熱分解法が知られており、
これらは変換効率を向上するため一般には触媒反応によ
るものである。

このような化学工業プラントの如く定常運転を目的とす
る装置においては、炭化水素原料の供給量の制御、反応
温度の制御、熱源の確保等反応条件の設定は容易であり
、装置容積も比較的制約を受けることはない。

しかしながら、内燃機関における炭化水素燃料の改質に
おいてはその変動する作動条件のために上記のような反
応条件の設定および装置容積等にきびしい制約が課せら
れる。

即ち機関の冷却時の始動時から直ちに反応に必要な温度
を維持するための熱源が有効に確保でき、かつ燃料、水
、および空気の供給量さらには反応温度の制御が容易で
あり、しかも装置容積は可能なかぎりコンパクトなもの
でなければならない。

本発明は上記の特性を満たすべき本質的には水蒸気改質
法に基ずく炭化水素燃料改質装置付内燃機関である。

このことは本発明によれば、炭化水素燃料の一部を可燃
範囲の適正空燃比において燃焼器にて着火燃焼させ、そ
の際に発生する燃焼熱を熱源とし、内燃機関に供給する
主たる燃料の全部もしくは一部と水とを、もしくはこれ
らと燃焼器からの燃焼ガスとを燃焼熱により高温に保持
された反応器に導入通過させ、水と燃料を反応させるこ
とにより、これらをとくに水素に富む生成ガスに変換す
ることによって達成される。

本発明では燃焼器により熱源を確保するものであり、機
関冷却時の始動時においても、直ちにこのことは達成さ
れる。

その際反応器に導入される上記の混合物中には酸素は全
く含まないかあるいは含まれてもわずかなものである。

即ち第１段階として燃料の一部を可燃範囲の適正空燃比
において空気と混合しこの混合気を燃焼器にて着火燃焼
し、その際発生する燃焼熱を改質反応の熱源として利用
する。

燃焼量つまり燃焼のための空気および燃料の量は、燃焼
に際して発生する熱量が反応器に導入される全部もしく
は一部の主たる燃料と添加される水とを高温に保持し、
有効な改質反応をひきおこすに充分な熱量であるように
定められる。

更に前記燃焼ガスは一酸化炭素、二酸化炭素、水、過剰
炭化水素燃料の分解生成物等を成分としており、酸素は
含まれない。

第２段階として反応器内に導入された主たる燃料および
水は改質され前記の有効な生成ガスに変換される。

この反応器に導入される主たる燃料および水、さらには
前記燃焼ガス中には酸素は含まれてないか、あるいは含
まれてもわずかなものである。

したがって、この改質反は本質的に吸熱水蒸気改質反応
であり、改質による熱暴走をひきおこすことはない。

また適正な燃焼器燃焼量を決定し、添加する水の量を調
節することにより反応温度の制御は極めて容易になる。

本発明においては燃料改質反応は、反応温度を５００〜
８００℃に保つことが望ましい。

この反応では必ずしも触媒の使用を必要とするものでは
ない。

しかしながら一般には反応条件の緩和及び変換効率の向
上を目的として水蒸気改質反応を接触的選択的に促進す
る触媒の使用が望ましい。

この触媒としてはニラクル触媒、鉄触媒、クロム触媒ま
たはそれらの混合触媒が好んで用いられる。

いずれにせよ触媒は炭化水素燃料および水を水素、エチ
レン及び一酸化炭素に富む有効な生成ガスに変換しつる
様な性質のものでなくてはならない。

本発明においては燃料としては芳香族炭化水素や炭素数
の多い高級炭化水素が含まれていてもよく炭化水素燃料
ならば程んど使用可能で、種類を限定されることはない
。

これは反応器内に水を添加することによって改質反応に
おける煤の発生を防ぐことができるためである。

また、従来燃料としてのガソリンに添加されていた鉛化
合物等の添加物も本発明においては加える必要はない。

これは原料の炭化水素燃料がたとえオクタン価が低いも
のであっても改質反応により高オクタン価の生成ガスに
変換されるためである。

さらに水の添加は燃焼器による反応器の加熱条件の変動
（つまりこれは機関運転状態の変動によるが）に対して
も反応の温度制御を容易なものとする。

本発明においては反応器から得られた生成ガスはとくに
水素に富み、この水素は通常の炭化水素燃料であるガソ
リンに比べ燃料速度は約８倍であり、従って燃焼速度の
改善つまりは機関燃焼室での燃焼の改善が行なえる。

特に水素の存在により従来の気化器付内燃機関では着火
、燃焼ができないような稀薄混合気を着火燃焼させるこ
とが可能となり、従って排気ガス中の有害成分を低減す
ることができる。

またこの生成ガスは完全にガス化されたものであり、従
来の気化器等により霧化した燃料に比べ機関容気筒への
分配が改善されこのことによっても排気ガス中の有害成
分を低減することが可能となる。

またこの生成ガスは各気筒燃焼室内に供給することによ
り機関の熱効率を高めることができるとともに必要によ
っては圧縮比を高めることができ、燃料消費率を向上さ
せることができる。

さらに一般に内燃機関は高いオクタン価を得るため芳香
族炭化水素をある量含み、かつ鉛化合物のような添加物
を含有する燃料を使用していたが、本発明ではこのよう
な燃料に限定されることなく、ナフサの様な燃料までも
使用することができ、使用する燃料の種類が多くなるつ
まりは安価な燃料も使用可能になるという優れた利点を
もつ。

さらに生成ガス中には水、二酸化炭素が残留しており、
これらは機関の燃焼温度を程よく下げて有害な窒素酸化
物の発生を抑止する働きをする。

以下本発明を図に示す実施例について説明する。

第１図は第１実施例を示すもので１は内燃機関に吸入さ
れる空気を清浄化するエアフィルタ、２は吸気管、３は
燃料タンク３ａ内の炭化水素燃料を圧送する燃料ポンプ
、４は内燃機関の運転状態例えば吸入空気量に応じて開
度が制御される調量弁、５はこの調量弁４を介して導入
される主たる炭化水素燃料を有効かつ迅速に接触反応さ
せる触媒が充填された反応器、６はこの反応器に熱を供
給するため炭化水素燃料の一部を燃焼させる燃焼器で燃
焼ガスは熱交換室６′にて反応器５を加熱する。

６ｂは燃焼器の点火栓である。

７および８は外部信号つまり反応器５の温度に応じて開
度が制御される調量弁で、調量弁７は空気の量を、調量
弁８は燃料の量を調節する。

９は反応器５に導入する水の量を調節する調量弁で機関
運転状態に応じて開度が制御される。

９ａは水タンク、９ｂはポンプである。

１９は調量弁４から送られる主たる燃料と調量弁９から
送られる水とを燃焼器６からの燃焼ガス中に混合して反
応器５に導入させるための混合器である。

１０は反応器５内の温度つまり触媒の温度を検出する温
度センサーである。

１３は反応器５で反応され生成された生成ガスを冷却す
る熱交換器で、熱交換媒体としてはエアポンプ等からの
空気あるいは機関冷却水の使用が可能である。

１４は熱交換器１３で冷却後の生成ガスを吸気管２の吸
入空気に混合させる混合器、１５はスロットルバルブ、
１６は温度センサー１０からの信号および内燃機関の運
転状態例えば吸入空気量の信号が入力する制御回路で、
この入力信号に応じて調量弁４，７，８および９の開度
を制御する。

１７は内燃機関である。上記構成の作動を説明する。

燃焼器６には反応器５の温度つまり温度センサー１０の
信号に応じて開度が制御される調量弁７．８を介して燃
料と空気とが供給される。

この燃料と空気との比は可燃範囲の適正空燃比に保たれ
る。

そしてこの混合気は点火栓６ａにより点火されて燃焼す
る。

この燃焼ガスは燃焼器６の熱交換室６′にて反応器５を
加熱する。

その後燃焼ガスは混合器１９にて機関運転状態例えば吸
入空気量に応じて制御回路１６により開度が制御される
調量弁４を介して主たる燃料と、調量弁９を介してこの
主たる燃料の量に応じた量の水とが混合され反応器５に
導入される。

前記燃焼器６への燃料の量は主たる燃料の量の２０％以
下である。

この主たる燃料と水との供給量比は反応器５の改質反応
により生じる煤の析出量、改質反応により生成する有効
ガスたる水素の生成量、および改質反応に必要な熱を供
給する燃焼器６の燃焼量を考慮した熱効率が充分良好な
結果が得られる値に決める必要があり、従って調量弁９
より供給する水の量は調量弁４からの主たる燃料の量（
つまり機関運転状態）に応じて制御回路１６により調量
弁９の開度を制御して調節するかもしくは主たる燃料の
量および反応器５内の温度に応じて同様に調節する。

このようにして燃焼ガスとともに導入された主たる燃料
および水は燃焼器６の燃焼ガスの熱により５００°Ｃ〜
８００℃に保たれた反応器５内にて水素、エチレン、一
酸化炭素を主成分とした生成ガスに変換される。

この生成ガスは熱交換器１３によって凝縮しない程度に
冷却された後、混合器１４にて吸入空気に混ν合され、
機関燃焼室に供給されて良好に着火され燃焼する。

第２図は本考案の第２実施例を示すもので、２０１は内
燃機関２１７に吸入される空気を清浄化するエアフィル
タ、２０２は吸気管、２０３は１燃料タンク２０３ａか
ら炭化水素燃料を圧送する燃料ポンプ、２０４は空気と
燃料とを空燃比が１以下で混合される混合器、２０７は
外部信号に応じてこの混合器２０４に導入する空気の量
を調節する調量弁、２０６は混合器２０４から濃混合気
ンの一部と空気とが導入される燃焼器、２０６ａは燃焼
器２０６の上流、下流に設置された消炎板、２０６ｂは
点火栓である。

２２７は外部信号に応じて燃焼器２０６に供給する空気
の量を調節する調量弁、２２８は混合器２０４からの濃
混合気を１燃焼器２０６と反応器２０５とに分割するた
めのバタフライ型の調整弁である。

２０５は混合器２０４からの残りの濃混合気が導入され
る反応器、２０９はこの反応器２０５に導入する水の量
を調節する調量弁で、反応器２０５内には導入される；
濃混合気と水とを有効かつ迅速に接触反応させるための
触媒が充填されている。

２０９ａは水タンク、２０９ｂは水を圧送するポンプで
ある。

２１０は反応器２０５内の温度を検出する温度センサー
、２１５は機関のスロットルバルブ、２１６は機関；運
転状態、例えば吸入空気量を示す信号と前記温度センサ
ー２１０の信号とが入力する制御回路で、前記調量弁２
０７，２０９、および２２７と前記調整弁２２８の開度
を制御する。

２１７は内燃機関である。

） 上記構成の作動を説明する。

調量弁２０７は機関運転状態に応じて制御回路２１６に
より開度が制御され、この調量弁２０７によって量を調
節された空気が混合器２０４に導入される。

混合器２０４においてはこの空気に空燃比を１以下の所
定の値に保って燃料タンク２０３ａからの炭化水素燃料
が混合される。

混合器２０４で形成された濃混合気は反応器２０５内の
温度に応じて制御回路２１６により開度の制御される調
整弁２２８によって一部が燃焼器２０６へ残りが反応器
２０５へ導入される。

反応器２０５内の温度に応じた量の濃混合気が導入され
た燃焼器２０６内には、同様に反応器２０５内の温度に
応じて制御回路２１６により開度が制御される調量弁２
２７がら空気が供給され、この濃混合気と空気とは可燃
範囲の適正空燃比を保って点火ｆｆ１２０６ ｂにより
点火され燃焼する。

そしてこの燃焼器２０６の燃焼ガスは反応器２０５内に
導入され反応器２０５内の温度を５００℃〜８００℃に
保持する。

反応器２０５内には前記混合器２０４からの残りの燃料
と、機関運転状態を示す信号に応じてもしくはこの信号
と反応器２０５内の温度の信号とに応じて制御回路２１
６により開度が制御される調量弁２０９を介して水タン
ク２０９ａ内の水とが導入され、燃焼ガス熱および触媒
の働きで、水素、エチレン、および−酸、化炭素に富む
生成ガスに変換される。

この生成ガスは機関２１７の吸入空気に混合され機関２
１７に吸入されてより良好に着火され燃焼する。

この実施例のものでは、第１実施例のものに比べ、燃料
量の制御が１個所でよく比較的燃料量の制御が容易とな
る。

この実施例においても、第１実施例同様生成ガスを吸入
空気に混合する際、生成ガスを熱交換器にて冷却し、締
りを介して吸入空気に混合することは有効である。

以上の実施例では機関に供給する主たる燃料は全部反応
器にて改質し機関に供給するものを示したが、主たる燃
料の一部をそのまま吸入空気に混合し、残りを反応器に
て改質後機関に供給するものでもよく、要は機関燃焼室
内での燃焼が、有害排気ガスを多大に放出しないよう改
善できればよい。

また燃焼器の燃焼ガスは反応器に導入したが、有効に反
応器を加熱さえできれば、この燃焼ガスは反応器に導入
せず機関の吸排気系に流出させることも可能である。

ただ熱効率の点あるいは燃焼ガス中の組成物を反応器で
の反応に寄与させる点等からみれば燃焼ガスを反応器に
導入する方が有利である。

反応器より得られた生成ガスは、通常の内燃機関の燃焼
室に稀薄な状態で供給して燃焼させてもよく、さらには
例えば成層燃焼内燃機関においてであれば副燃焼室等の
点火栓付近にこの生成ガス・の濃混合気を供給して、主
燃焼室にこの生成ガスの稀薄な混合気をあるいは改質し
ない炭化水素燃料の稀薄な混合気を供給しても良好に着
火燃焼でき有害排気ガスの低減を計ることが可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す構成図、第２図は本
発明の第２実施例を示す構成図である。 ５ 、２０５・・・・・・反応器、６ 、２０６・・・
・・・燃焼器、１３・・・・・・熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化水素燃料の一部を燃焼させる燃焼器と、内燃機
   関に供給する主たる炭化水素燃料の全部もしくは一部と
   水とを酸素を含まないかあるいは極（僅かに含まれた状
   態で前記燃焼器の燃焼熱により水素を主成分とする生成
   ガスに変換する反応器とを備え、この生成ガスと前記束
   たる炭化水素燃料の残りと吸入空気とが内燃機関燃焼室
   に吸入されることを特徴とする燃料改質装置付内燃機関
   。 ２ 前記反応器からの生成ガスを冷却する熱交換器を備
   え、この熱交換器で冷却した後の生成ガスを機関燃焼室
   に供給することを特徴とする特許請求の範囲１に記載の
   燃料改質装置付内燃機関。 ３ 前記燃焼室で燃焼された後の燃焼ガスを前記反応器
   に導入することを特徴とする特許請求の範囲１に記載の
   燃料改質装置付内燃機関。 ４ 空気と前記炭化水素燃料との濃混合気を、一部を前
   記燃焼器に供給して燃焼させ、残りを水とともに前記反
   応器に導入して前記生成ガスに変換することを特徴とす
   る特許請求の範囲１に記載の燃料改質装置付内燃機関。