WO2014103853A1

WO2014103853A1 - 内燃機関

Info

Publication number: WO2014103853A1
Application number: PCT/JP2013/084026
Authority: WO
Inventors: 惠一古関; 武虎内木
Original assignee: 東燃ゼネラル石油株式会社
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-07-03
Also published as: US20150330299A1; JP2014194212A; EP2940274A1; EP2940274A4; CN104870785A

Abstract

[課題]燃料油を燃焼させることにより動力を得る内燃機関であって、ＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が低減される内燃機関を提供する。 [解決手段]燃料油と、酸素を６５体積％以上含む気体とが燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有することを特徴とする内燃機関。

Description

内燃機関

本発明は、窒素酸化物（ＮＯＸ）や炭化水素等の排ガスの量を低減することができる内燃機関、その運転方法および上記内燃機関を搭載した気動車に関する。

ガソリン等の燃料油を燃焼させて動力を得る内燃機関、特に自動車用エンジンでは、燃料油が空気と混合されて燃焼に付される。空気中に７８．０％存在する窒素分子が、燃焼過程において１酸化１窒素、１酸化２窒素およびその二量体、２酸化３窒素などの窒素酸化物（ＮＯＸ）を生成し、それらが無視できない量で排出されるという問題がある。さらに、上記空気中に含まれる窒素は、酸素による燃焼の働きを抑える作用をするため、燃焼室において未燃の炭化水素が残り、それが排ガスとして排出され得る。ＮＯＸや全炭化水素（ＴＨＣ）の排出量を低減するために、三元触媒やＮＯＸ吸蔵還元触媒が使用されている。

しかし、三元触媒は、その効果を発揮するために、燃料油と空気の量が理論空燃比（ストイキオメトリ）を満たすことと共に厳しい温度管理が必要であり、また、白金やロジウムなどの高価な貴金属を必要とする。

また、水素を燃料として燃焼させて動力を得るエンジンが知られている（例えば特許文献１および２）。このエンジンでは、水素が、酸素と、作動ガスとしてのアルゴンガスとともに燃焼に付され、非常に高い熱効率を有するとともに、窒素を使用しないので、ＮＯＸを排出する恐れがない。しかし、水素を使用するので、爆発の危険性が高く、取扱いには注意が必要であり、簡便に利用できるものではない。

特開平１１－９３６８１号公報特開２００９－６８３９２号公報

本発明の目的は、燃料油を燃焼させることにより動力を得る内燃機関であって、ＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が低減される内燃機関を提供することである。

本発明者らは、燃料油の燃焼において、従来の空気に代えて、酸素を６５体積％以上含む気体を使用することにより、上記目的が達成されることを見出した。

すなわち、本発明は、燃料油と、酸素を６５体積％以上含む気体とが燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有することを特徴とする内燃機関である。
また、本発明は、内燃機関の始動時に、燃料油とともに、酸素、窒素および任意的な希ガスを含む気体が燃焼室に供給され、該酸素の量が気体の１０～５０体積％であり、該窒素の量が気体の５０～９０体積％であり、該希ガスの量が気体の０～２０体積％であり、次いで、内燃機関の運転が定常状態になったときに、該気体が酸素を６５体積％以上含むように調整される、上記内燃機関の運転方法、ならびに上記内燃機関を搭載した気動車も提供する。

本発明の内燃機関は、ＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量を低減することができ、したがって、三元触媒やＮＯＸ吸蔵還元触媒を使用する必要がない。また、本発明の内燃機関は、車両、例えば気動車や自動車等、に好適に使用することができる。

実施例で使用した内燃機関システムを示す模式図である。

本発明の内燃機関を含むシステムの一例を図１に示す。本発明の内燃機関１０は、燃焼室を有する。燃焼室では、燃料タンク１から供給された燃料油が、プリサーバ５を経由して供給される気体と一緒に燃焼に付される。上記気体は、定常状態の燃焼において、酸素を６５体積％以上含む。上記気体は、ＮＯＸの生成を抑える点から、窒素を含まないのが好ましい。

本発明の内燃機関は、その始動をより安定的に行うために、始動時（すなわち、燃焼の開始時）には、酸素とともに窒素および任意的な希ガスを含む気体が燃焼室に供給されるのが好ましい。上記酸素の量は気体の１０～５０体積％、好ましくは１０～４０体積％であり、窒素の量は気体の５０～９０体積％、好ましくは６０～９０体積％であり、希ガスの量は０～２０体積％、好ましくは０～１５体積％であるのが好ましい。なお、希ガスは、元素周期律表の１８族元素を意味し、典型的にはアルゴンである。

内燃機関の始動後は、上記気体中の酸素の割合を徐々にまたは段階的に増加させることができ、運転が定常状態に達すると（典型的には、始動時から１０～３０秒後）、酸素を６５体積％以上含む気体を、好ましくは酸素を７５～１００体積％含む気体を、さらに好ましくは酸素を８５～１００体積％含む気体を、さらに好ましくは酸素を９０～１００体積％含む気体を、最も好ましくは酸素のみからなる気体を燃焼に付すことにより、安定的に運転を続けることができるとともに、ＮＯＸの排出を抑えることができる。空気を使用する従来の内燃機関では、空気中に多量に含まれる窒素が酸素による燃焼の働きを抑える作用をするため、燃焼室において未燃の炭化水素が残り、排ガスとして排出されるが、本発明の内燃機関では、上記気体が６５体積％以上の酸素を含むので、未燃の炭化水素量を少なくすることができ、したがって、全炭化水素（ＴＨＣ）の排出量を抑えることができる。また、未燃の炭化水素量が少ないので、燃焼効率が高い。

運転が定常状態に達したときの気体は、本発明の効果を損なわない範囲で、窒素および／または希ガスを含んでいてもよい。含み得る窒素の量は、気体の０～３５体積％、好ましくは０～１５体積％であり、希ガスの量は、気体の０～１０体積％、好ましくは０～５体積％である。これらの量範囲であれば、燃焼温度低下効果があり、気体が窒素を含んでいても、ＮＯＸの排出量は少なめである。

始動時およびその後の気体の成分の割合が適宜調整できるように、かつ圧力変動を低減して気体を燃焼室に安定的に供給することができるように、上記酸素、窒素および希ガスは、好ましくは、図１に示されるように、各気体のボンベから燃焼室へ供給される。窒素の供給は、窒素ボンベの他に空気ボンベを使用して行ってもよく、あるいは、自然吸気によって行ってもよい。図１では、窒素、酸素および希ガス（アルゴン）がそれぞれ、空気ボンベ２、酸素ボンベ３およびアルゴンボンベ４からプリサーバ５を経由して燃焼室に供給される。

本発明の内燃機関では、燃焼に付される気体が酸素を６５体積％以上の量で含むので、ＮＯＸの排出が有意に低減され、したがって、高価な三元触媒や窒素酸化物吸蔵還元触媒を使用する必要がない。これは、内燃機関の簡素化および低コスト化をもたらす。しかし、本発明の内燃機関は、上記触媒を使用することを排除するものでない。本発明の内燃機関では、少量の三元触媒や慣用的に使用される他の触媒（例えば吸着剤）を必要に応じて使用してもよい。

本発明の内燃機関において使用され得る燃料油は、特に制限されない。例えば、軽質ナフサ、重質ナフサ、フルレンジナフサ、分解ガソリン、軽質分解ガソリン、重質分解ガソリン、改質ガソリン、軽質改質ガソリン、重質改質ガソリン、アルキレート、異性化ガソリン、直留ガソリン、熱分解ガソリンなどの周知のガソリン基材、およびこれを脱ベンゼン処理または脱硫処理したものを使用することができる。また、フィッシャー・トロプシュ合成により得られるＧＴＬナフサ、およびそれを水素化分解・異性化処理した異性化ナフサを使用することもできる。また、分解灯油、水素化分解灯油、直留灯油、減圧灯油、直脱灯油、間脱灯油などの灯油基材、およびこれを脱硫処理したものを使用することができ、また、フィッシャー・トロプシュ合成により得られるＧＴＬ灯油を使用することもできる。さらに、分解軽油、水素化分解軽油、直留軽油、減圧軽油、直脱軽油、間脱軽油などの軽油基材、およびこれを脱硫処理したものを使用することができ、また、フィッシャー・トロプシュ合成により得られるＧＴＬ軽油を使用することもできる。これらの燃料油は、任意の２種類以上を組合せて使用してもよい。

本発明の内燃機関において使用される好ましい燃料油としては、その蒸留の初留点が３０～１００℃でありかつ終点が１５０℃～２７０℃未満であるもの、および初留点が１００～２５０℃でありかつ終点が２７０℃～４１０℃であるものを挙げることができる。

前者の初留点３０～１００℃および終点１５０℃～２７０℃未満の蒸留性状を有する燃料油としては、ガソリン組成物、灯油組成物および重質ガソリン組成物が挙げられる。上記ガソリン組成物としては、周知のものが使用され得るが、必ずしも、市販のガソリン組成物のような、ＪＩＳによるリサーチオクタン価（ＲＯＮ）、硫黄含有量、ベンゼン含有量およびリード蒸気圧（ＲＶＰ）等の規格を満たすものである必要はない。空気を用いる従来の内燃機関では、排ガス規制の観点から、上記ＪＩＳ規格を満たす必要があるが、本発明の内燃機関では、空気に代えて、酸素を６５体積％以上含む気体を用いるので、ＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が大幅に低減し、したがって、ＪＩＳ規格を満たさない燃料油の使用も可能になる。たとえば、空気を使用する従来の内燃機関では、上述したように、ＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量を低減するために三元触媒等の触媒が使用され、硫黄含有量が規格よりも多いと触媒が失活し、排ガス規制の基準を満たさなくなる。本発明の内燃機関では、上述したようにＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が大幅に低減するため、三元触媒等の使用が不要であり、したがって、硫黄含有量が規格よりも多いガソリン組成物の使用が可能となる。灯油組成物についても、周知のものが使用できるが、上記ガソリン組成物の場合と同様の理由により、ＪＩＳによる硫黄含有量の規格を満たすものである必要はない。

上記重質ガソリン組成物としては、重質改質ガソリンおよび、重質分解ガソリンと５０体積％以上の量の重質改質ガソリンとを含む組成物が挙げられる。このような重質ガソリン組成物は、空気を用いる従来の内燃機関では、排ガス規制の観点から使用不可能であるが、本発明の内燃機関では、上述したようにＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が大幅に低減するため、使用が可能になる。

このように、本発明の内燃機関では、ＪＩＳ規格を外れる燃料油も使用することができる。

また、初留点１００～２５０℃および終点２７０℃～４１０℃の蒸留性状を有する燃料油としては、前述した灯油組成物とは組成の異なる灯油組成物、軽油組成物および重質軽油組成物が挙げられる。軽油組成物については、ＪＩＳ１号、２号、３号、特３号の規格があるものの、これに拘泥する必要はない。たとえば、硫黄含有量が規格より多くても、上記ガソリン組成物に関して述べたように、本発明の内燃機関ではＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が大幅に低減するため、使用が可能となる。また、本発明の内燃機関では、上述したようにＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が大幅に低減するため、終点が４１０℃と高いものまで、燃料油として使用でき、したがって、高沸点留分について有効活用ができるようになる。

本発明の内燃機関において使用され得る燃料油には、含酸素化合物を添加してもよい。上記含酸素化合物としては、たとえば、メチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ）およびエチルターシャリーブチルエーテル（ＥＴＢＥ）などのエーテル類、メタノール、エタノール、１－ブタノール、２－ブタノールおよびイソブタノールなどのアルコール類が挙げられる。燃料油中の上記含酸素化合物の量は、限定的ではないが、３５体積％以下が好ましく、より好ましくは２０体積％以下、さらに好ましくは１０体積％以下、さらに好ましくは７体積％以下である。

本発明の内燃機関は、必要に応じて、燃料油を改質するための改質器を備えることができる。これにより、重質化した燃焼効率の良い燃料油を内燃機関に供給することができる。この場合において、燃料油の改質は、燃料油の全体について行ってもよいが、必ずしもその必要はなく、一部についてのみ行ってももよい。燃料油の脱水素反応を行う改質器には、脱水素触媒が充填され得る。上記脱水素触媒としては、例えば、特開２００６－２５７９０６号公報に記載されているような、白金を担持した触媒を用いることができる。改質器では、脱水素触媒の存在下、例えば２５０℃以上、好ましくは３００℃以上の温度で燃料油の改質が行われ、燃料油中のナフテン等が脱水素して芳香族化合物に転化して、水素および改質燃料油が生成する。改質器での反応条件としては、例えば、「有機ハイドライドを利用する水素貯蔵・供給システムの特徴と将来性」、梅沢順子、ＰＥＴＲＯＴＥＣＨ（ペトロテック）第２９巻第４号第２５３～２５７頁、社団法人石油学会、２００６年、に記載されている脱水素反応の反応条件等を用いることができ、特には、温度が３００℃～４５０℃、圧力が常圧～１ＭＰａの反応条件を用いることが好ましい。

さらに、本発明の内燃機関は、ノッキング防止のために、圧縮比を例えば８．５以下に下げる、および／または冷却水出口温度を例えば５０～８０℃に下げるなどを、必要に応じて行うことができる。また、酸素吸入抵抗防止のために、膨張と収縮が可能なバッファバックを設置するのが好ましい。バックファイヤ防止のために、低回転域にしたり、吸入負圧を下げすぎないようにしたり（例えば、４００ｍｍＨｇ以下にしない）、および／またはバルブクリアランスを調整したりするのが好ましい。

以下に、本発明を実施例により説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

使用した内燃機関システムを図１に示す。内燃機関１０として、４サイクル２気筒で総排気量３５９ｃｃのものを使用した。燃料油は燃料タンク１から供給され、気体は、空気ボンベ２、酸素ボンベ３、アルゴンボンベ４からプリサーバ５に供給された後、内燃機関１０の燃焼室に供給された。排気は、酸化触媒６で処理した後、冷却管７を通って排出された。なお、排出された気体は、アルゴンガスおよび二酸化炭素が主体であり、その他に液体として水が排出された。ＮＯＸ排出量およびＴＣＨ排出量の測定は以下のように行った。

ＮＯＸ排出量の測定
燃焼が定常状態になったことを目視およびオシロスコープの回転数で確認し、その５～１０秒後にサンプリングバッグでの排ガスの採取を開始した。採取を１０秒間行った後、採取した排ガスを直ちにＮＯＸ検知管に導入し、色の変化からＮＯＸ量を決定した。

ＴＨＣ排出量の測定
燃焼が定常状態になったことを目視およびオシロスコープの回転数で確認し、その５～１０秒後にサンプリングバッグでの排ガスの採取を開始した。採取を１０秒間行った後、採取した排ガスを直ちにＴＨＣ検知管に導入し、色の変化からＴＨＣ量を決定した。

実施例１
燃料油として、市販のプレミアムガソリン５０体積％、ＭＴＢＥ３５体積％およびトルエン１５体積％を混合したものを使用した。この燃料油の蒸留性状は、ＩＢＰ（初留点）が３４．０℃、Ｔ１０（１０％留出温度）が５３．０℃、Ｔ５０（５０％留出温度）が７２．５℃、Ｔ９０（９０％留出温度）が１３６．０℃、Ｔ９５（９５％留出温度）が１６７℃、ＥＰ（終点）が１７２．５℃であった。燃料油とともに内燃機関に供給された気体は、始動時には、酸素、アルゴンおよび窒素をそれぞれ、２０．９体積％、０．９体積％および７８．１体積％の量で含んでいた。始動から３０秒経過後に目視によって定常状態になったことが確認され、さらに３０秒間運転を続け、その後、上記気体の組成を酸素８９．３体積％および窒素１０．７体積％に調整して運転を続けた。その結果、１００時間継続して支障なく運転された。なお、内燃機関の回転数を３０００ｒｐｍ、圧縮比を７．６、冷却水温度を６０℃とした。ＮＯＸ排出量は２ｐｐｍであった。

実施例２
燃料油として、市販のプレミアムガソリン６５体積％およびＭＴＢＥ３５体積％を混合したものを使用した。この燃料油の蒸留性状は、ＩＢＰ（初留点）が３４．０℃、Ｔ１０（１０％留出温度）が５５．０℃、Ｔ５０（５０％留出温度）が７５．０℃、Ｔ９０（９０％留出温度）が１３０℃、Ｔ９５（９５％留出温度）が１６０℃、ＥＰ（終点）が１７４．５℃であった。燃料油とともに内燃機関に供給された気体は、始動時には、酸素、アルゴンおよび窒素をそれぞれ、２０．９体積％、０．９体積％および７８．１体積％の量で含んでいた。始動から３０秒経過後に目視によって定常状態になったことが確認され、さらに３０秒間運転を続け、その後、上記気体の組成を酸素９１．３体積％および窒素８．７体積％に調整して運転を続けた。その結果、１００時間継続して支障なく運転された。なお、内燃機関の回転数を２０００ｒｐｍ、圧縮比を７．６、冷却水温度を８０℃とした。ＮＯＸ排出量は２ｐｐｍであった。

実施例３
燃料油として、市販のプレミアムガソリン６５体積％およびイソオクテン３５体積％を混合したものを使用した。この燃料油の蒸留性状は、ＩＢＰ（初留点）が３４．０℃、Ｔ１０（１０％留出温度）が５４．０℃、Ｔ５０（５０％留出温度）が７６．０℃、Ｔ９０（９０％留出温度）が１３４．５℃、Ｔ９５（９５％留出温度）が１６３℃、ＥＰ（終点）が１７０．５℃であった。燃料油とともに内燃機関に供給された気体は、始動時には、酸素、アルゴンおよび窒素をそれぞれ、２０．９体積％、０．９体積％および７８．１体積％の量で含んでいた。始動から３０秒経過後に目視によって定常状態になったことが確認され、さらに３０秒間運転を続け、その後、上記気体の組成を酸素９０．４体積％および窒素９．６体積％に調整して運転を続けた。その結果、１００時間継続して支障なく運転された。なお、内燃機関の回転数を２０００ｒｐｍ、圧縮比を７．６、冷却水温度を８０℃とした。ＮＯＸ排出量は２ｐｐｍであった。

実施例４
燃料油として、４０体積％の重質分解ガソリン、４３体積％の軽質分解ガソリンおよび１７体積％のイソオクテンを混合したものを使用した。この燃料油の蒸留性状は、ＩＢＰ（初留点）が３２．０℃、Ｔ１０（１０％留出温度）が５１．５℃、Ｔ５０（５０％留出温度）が７０．５℃、Ｔ９０（９０％留出温度）が１４０．０℃、Ｔ９５（９５％留出温度）が１７０℃、ＥＰ（終点）が１８０．５℃であった。燃料油とともに内燃機関に供給された気体は、始動時には、酸素、アルゴンおよび窒素をそれぞれ、２０．９体積％、０．９体積％および７８．１体積％の量で含んでいた。始動から３０秒経過後に目視によって定常状態になったことが確認され、さらに３０秒間運転を続け、その後、上記気体の組成を酸素８９．３体積％および窒素１０．７体積％に調整して運転を続けた。その結果、１００時間継続して支障なく運転された。なお、内燃機関の回転数を２０００ｒｐｍ、吸入負圧を４３０ｍｍＨｇ、圧縮比を７．６、冷却水温度を８０℃とした。ＴＨＣ排出量は２１０ｐｐｍであった。

比較例１
実施例２において、内燃機関１０の燃焼室に供給された気体を、始動時も定常状態時も共に空気のみにしたことを除いて、実施例２と同様にして運転を行った。ＮＯＸ排出量は６００ｐｐｍであった。

比較例２
実施例２において、始動時における気体として、酸素７０体積％、窒素２９体積％およびアルゴン０．９体積％を含むものを使用した。バックファイヤを生じ、燃焼が不安定になったため、運転を中止した。

比較例３
実施例４において、内燃機関１０の燃焼室に供給された気体を、始動時も定常状態時も共に空気のみにしたことを除いて、実施例４と同様にして運転を行った。ＴＨＣ排出量は７００ｐｐｍであった。

以上のように、本発明の内燃機関は、運転を安定的に継続することができるとともに、ＮＯＸ排出量およびＴＨＣ排出量を低減することができた。なお、上記実施例では、プレミアムガソリンをベースにした燃料油および分解ガソリンをベースにした燃料油について記載したが、軽油や灯油をベースにした燃料油についても同様の結果を得ることができる。

１　燃料タンク
２　空気ボンベ
３　酸素ボンベ
４　アルゴンボンベ
５　プリサーバ
６　酸化触媒
７　冷却管
１０　内燃機関

Claims

燃料油と、酸素を６５体積％以上含む気体とが燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有することを特徴とする内燃機関。
内燃機関の始動時に、酸素、窒素および任意的な希ガスを含む気体が燃焼室に供給されるように適合されており、該酸素の量が気体の１０～５０体積％であり、該窒素の量が気体の５０～９０体積％であり、該希ガスの量が気体の０～２０体積％である、請求項１記載の内燃機関。
該酸素の量が気体の１０～４０体積％であり、該窒素の量が気体の６０～９０体積％であり、該希ガスの量が気体の０～１５体積％である、請求項２記載の内燃機関。
前記燃料油の蒸留の初留点が３０～１００℃でありかつ終点が１５０℃～２７０℃未満である、請求項１～３のいずれか１項記載の内燃機関。
前記燃料油の蒸留の初留点が１００～２５０℃でありかつ終点が２７０℃～４１０℃である、請求項１～３のいずれか１項記載の内燃機関。
前記酸素が酸素ボンベから供給される、請求項１～５のいずれか１項記載の内燃機関。
内燃機関の始動時に、燃料油とともに、酸素、窒素および任意的な希ガスを含む気体が燃焼室に供給され、該酸素の量が気体の１０～５０体積％であり、該窒素の量が気体の５０～９０体積％であり、該希ガスの量が気体の０～２０体積％であり、次いで、内燃機関の運転が定常状態になったときに、該気体が酸素を６５体積％以上含むように調整される、請求項１～６のいずれか１項記載の内燃機関の運転方法。
内燃機関の始動時に供給される気体中の酸素の量が１０～４０体積％であり、窒素の量が６０～９０体積％であり、希ガスの量が０～１５体積％である、請求項７記載の方法。
内燃機関の運転が定常状態になったときの気体が希ガスを０～１０体積％含む、請求項７または８記載の方法。
内燃機関の運転が定常状態になったときの気体が窒素を０～３５体積％含む、請求項７～９のいずれか１項記載の方法。
前記燃料油の蒸留の初留点が３０～１００℃でありかつ終点が１５０℃～２７０℃未満である、請求項７～１０のいずれか１項記載の方法。
前記燃料油の蒸留の初留点が１００～２５０℃でありかつ終点が２７０℃～４１０℃である、請求項７～１０のいずれか１項記載の方法。
前記酸素が酸素ボンベから供給される、請求項７～１２のいずれか１項記載の方法。
請求項１～６のいずれか１項記載の内燃機関を搭載した気動車。