(57)【要約】  ＣＰＯ（１８）などの改質装置が点火器（２６、６６）を有すると共に不活性セラミックフォーム（１９）を備え得る混合領域（２１）から燃料、水分及び酸素の混合物を受け入れ、噴霧ノズル（２２）により燃料が供給されるので、使用前に気化器を必要としない。この酸素と水分はエンジン排気（１１、１２）とし得る。車両燃料タンク（９）からの燃料は、ガソリン、ディーゼル燃料、ケロシン、ジェット燃料又はＪＰ-８とし得る。噴霧ノズルは、（ａ）エンジン排気（１０）、（ｂ）ターボチャージャー（３３）、（ｃ）空気ポンプ（５０）又は（ｄ）水蒸気発生器（５７）からアシストガスを受け取るガスアシスト式ノズル（２２ａ）とし得る。上記の酸素と水分は、加湿された空気とすることができ、この加湿された空気はポンプ（５０）から導管（４７）を通る空気の流れに応じてタンク（４３）から水を取り込む排出器（４１）によって得られる。この空気はＣＰＯ排気を用いて復熱式に加熱（４８）できる。点火器はグロープラグ（２６）又は触媒で被覆されたヒーター線（６６）とし得る。
2008502847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＰＯ、ＰＯＸ及びＡＴＲから選択された入口付きの改質装置（１８）と；
前記改質装置に隣接して配置されると共に前記改質装置の出力を用いて排気から汚染物質を除去する排気処理手段（１６）と；
前記改質装置の入口に隣接して配置されると共に流体について該入口に連通している混合室（１９、２１）と；
液体炭化水素燃料の供給源（９、３８）と；
前記液体炭化水素燃料を燃焼させて排気（１２）を出すエンジン（１１）と；
を備え、
酸素と水分とを前記混合室に供給すると共に、エンジン排気の供給源（１２）と加湿空気の供給源（３９、４１、４３、４８、５０）から選択された供給源と；
燃料の前記供給源から燃料を受け入れ、噴霧化された液体炭化水素燃料を前記改質装置の入口にて前記混合室に供給する液体燃料噴霧ノズル（２２、２２ａ）と；
前記噴霧ノズルと前記改質装置の入口との間で前記混合室内にある高温構造用支持材（１９）と；
前記ノズルに隣接し前記噴霧化された液体炭化水素燃料を点火できると共に、ＣＰＯ触媒で被覆されたヒーター線からなる点火器（２６）と、
を備えることを特徴とする液体炭化水素燃料処理システム。
【請求項２】
ＣＰＯ、ＰＯＸ及びＡＴＲから選択された入口付きの改質装置（１８）と；
液体炭化水素燃料の供給源（９、３８）と；
を備え、
噴霧化された液体炭化水素燃料を前記改質装置の入口に供給するための液体燃料噴霧ノズル（２２、２２ａ）と；
前記ノズルに隣接し前記噴霧化された液体炭化水素燃料を点火できる点火器（２６）と、
を備えることを特徴とする液体炭化水素燃料処理システム。
【請求項３】
混合室（１９）と；
液体炭化水素燃料の供給源（９）と；
前記液体炭化水素燃料を燃焼させると共に排気（１２）を前記混合室に供給するエンジン（１１）と；
を備え、
燃料の前記供給源から燃料を受け入れると共に噴霧化された液体炭化水素燃料を前記混合室に供給する液体燃料噴霧ノズル（２２、２２ａ）と；
前記ノズルに隣接し前記噴霧化された液体炭化水素燃料を点火できることで、前記混合室をＰＯＸ改質装置として機能させる点火器（２６）と；
前記ＰＯＸ改質装置に隣接して配置されると共に前記改質装置の出力を用いて前記排気から汚染物質を除去する排気処理手段（１６）と、
を備えることを特徴とする液体炭化水素燃料処理システム。
【請求項４】
ＣＰＯ、ＰＯＸ及びＡＴＲから選択された入口付きの改質装置（１８）と；
前記改質装置の入口に隣接して配置されると共に流体について該入口に連通している混合室（１９、２１）と；
液体炭化水素燃料の供給源（９、３８）と；
酸素と水分とを前記混合室に供給すると共に、エンジン排気の供給源（１２）と加湿空気の供給源（３９、４１、４３、４８、５０）から選択された供給源と；
を備え、
燃料の前記供給源から燃料を受け入れると共に、噴霧化された液体炭化水素燃料を前記改質装置の入口にて前記混合室に供給する液体燃料噴霧ノズル（２２、２２ａ）と；
前記噴霧ノズルと前記改質装置の入口との間で前記混合室内に設けられた高温構造用支持材（１９）と；
前記ノズルに隣接し前記噴霧化された液体炭化水素燃料を点火できる点火器（２６、６６）と、
を備えることを特徴とする液体炭化水素燃料処理システム。
【請求項５】
前記液体燃料噴霧ノズルがアシストガスを（ａ）エンジン排気（１２）、（ｂ）送風機（５０）、（ｃ）ターボチャージャー（３３）又は（ｄ）水蒸気発生器（５７）から受け入れるガスアシスト式ノズル（２２ａ）である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記高温構造用支持材（１９）が不活性セラミックフォームである請求項１又は４に記載のシステム。
【請求項７】
前記点火器（２６）がグロープラグである請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記点火器（６６）が触媒で被覆されたヒーター線である請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記ヒーター線がつる巻き線の形状を有する請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
ＣＰＯ、ＰＯＸ及びＡＴＲから選択された改質装置（１８）の入口にて液体炭化水素燃料を噴霧化し（２２、２２ａ）；
前記入口にて酸素を供給し（１２）；
前記入口にて空気／噴霧化燃料の混合物を点火する（２６）、
ことを含む炭化水素燃料の改質方法。
【請求項１１】
ＣＰＯ、ＰＯＸ及びＡＴＲから選択された改質装置（１８）；
を備え、
前記改質装置の入口にて液体炭化水素燃料を噴霧化するための燃料噴霧器（２２、２２ａ）と；
前記入口にて酸素を供給する手段（１２；３９、４１、４３、４８、５０）と；
前記入口にて空気／噴霧化燃料の混合物を点火するための点火器（２６）と、
を備えることを特徴とする炭化水素燃料の改質装置。
【請求項１２】
ＣＰＯ、ＰＯＸ及びＡＴＲから選択された入口付きの改質装置（１８）と；
液体炭化水素燃料を前記改質装置の入口に供給する供給源（９、３８）と；
前記ノズルに隣接し前記液体炭化水素燃料を点火できると共に、ＣＰＯ触媒で被覆されたヒーター線（１６）からなる点火器（２６）と、
を備える液体炭化水素燃料処理システム。
【請求項１３】
前記ヒーター線がつる巻き線（６６）の形状を有する請求項１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒部分酸化装置（ＣＰＯ）又は無触媒均一部分酸化装置（ＰＯＸ）、又は自己熱改質装置（ＡＴＲ）などの改質装置の上流にて、液体炭化水素燃料を噴霧ノズルを通して高温のエンジン排気又は予熱された加湿空気に直接注入することによって燃料を気化することなく液体炭化水素燃料を改質することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンやディーゼル燃料などの液体炭化水素燃料を改質する従来技術では、ＣＰＯ、ＰＯＸ、又はＡＴＲなどの改質装置に供給する前に液体燃料を気化させなければならない。
【０００３】
図１を参照すると、タンク９からの燃料（ディーゼル燃料、ガソリン、ケロシン、ＪＰ-８（軍用燃料）、又はジェット燃料とし得る）を管路１０にて内燃機関１１に供給し、内燃機関１１が排気を生成して管路１２に送る。この排気は排気浄化用の後処理システム１６を通過する。排気浄化用の後処理システム１６は、排気中の粒子を低減すると共に排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するような様々な形式をとり得る。
【０００４】
排気浄化プロセス１６では、周知のように水素といくらかのＣＯといくらかのＣＯ２を含有した改質油である合成ガスを、導管１７にて改質装置（この態様ではＣＰＯ１８）から受け入れる。排気浄化プロセスの例は、出願番号と出願日が第１０／２４３，１０５号、２００２年９月１３日；第１０／３０９，７１２号、２００２年１２月４日；及び第１０／６５８，４９４号、２００３年９月８日の米国特許出願に記載されている。本発明により生成される合成ガスの使用方法は本発明には関連せず、本発明は内燃機関の排出削減のために合成ガスを生成する方法に関するものである。
【０００５】
従来技術では、管路１０中の燃料を、気化器を包囲している加熱器６６によって十分高温に加熱された気化器６５の中で気化させる。気化した燃料を導管６８中で導管６９からの予熱された空気と混合し、その両方をＣＰＯ１８（又は他の改質装置）への入口にある混合器７０に供給する。
【０００６】
従来技術にて公知の別のアプローチを図２に示す。図２では、高温のエンジン排気を気化器６５に直接送ることができ、また、燃料を気化器に注入することができる。このことにより、加熱器６６で必要とされるエネルギーがより少なくなる。
【０００７】
液体燃料、特にディーゼル燃料を気化すると、気化器内にコークスが堆積してしまい、コークス粒子が流れに入って改質装置に流入して触媒の失活を生じさせ得る。気化器によりシステムの費用、重量及び複雑さが増大する。
【特許文献１】米国特許出願第１０／２４３，１０５号
【特許文献２】米国特許出願第１０／３０９，７１２号
【特許文献３】米国特許出願第１０／６５８，４９４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的として、改質装置に供給される液体炭化水素燃料の供給原料用の別個の気化器を不要とすること；液体炭化水素燃料の改質においてコークスが形成されることにより生じる問題を解消すること；コークスによる触媒の失活を回避すること；内燃機関システムにおいてＮＯｘ及び粒子の吸着器を再生する際に用いる合成ガスの生成を改善すること；液体炭化水素燃料からの水素の生成を改善すること；及び液体炭化水素燃料改質装置のコストを削減することが挙げられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によると、ＣＰＯ、ＰＯＸ又はＡＴＲなどの炭化水素燃料改質装置への入口にて液体炭化水素燃料をディーゼルエンジンの高温のエンジン排気又は予熱された加湿空気の中へ直接注入する。エンジン排気中又は加湿空気中に含まれる酸素と液体炭化水素燃料との高度の混合が、液体炭化水素燃料についてのガスアシスト式の噴霧化とその結果生じる気化とに対して同時に実行される。
【００１０】
更に本発明によると、不活性セラミックフォームなどの混合器が、噴霧ノズルと改質装置との間に配置される。ＣＰＯ改質装置の場合、輻射熱により混合器は高温に達し、７００℃（１２９２°Ｆ）〜１２００℃（２１９２°Ｆ）のオーダーになり得る。加熱された酸素と気化された燃料との混合により、ＣＰＯ改質装置自体に到達する前に炭化水素燃料がその成分になる初期の部分改質が起こる。このプレ改質は「冷炎」改質プロセスと称されており、ここでもそのようにいう。冷炎プロセスを用いることで、改質装置においてより完全な改質が行われるだけでなく、ＣＰＯの最高温度が下げられ、それによってＣＰＯ触媒の長期劣化が緩和される。本発明の使用により、数百時間後の水素と一酸化炭素の収率が初期収率の約１又は２％内であることが示されている。このことは本発明を利用する場合に触媒の劣化が最小となることを示している。
【００１１】
更に本発明によると、燃料を噴霧化しグロープラグ点火器を使用することにより、引火性についての空気／燃料比の下限が一般には０．２であると考えられているにも関わらず、高濃度の空気／燃料混合物（空気／燃料が約０．０１４）を迅速に着火することができ、ＣＰＯ改質装置の着火が約１７５℃（３５０°Ｆ）で起こり、これは本発明を用いない場合での着火に名目上必要とされる３５０℃（６６０°Ｆ）よりも十分に低い温度である。
【００１２】
更に本発明によると、炭化水素燃料の点火器は触媒で被覆されたヒーター線を備える。
【００１３】
本発明のその他の目的、特徴及び利点は、添付図面に示す本発明の代表的な態様についての下記の詳細な説明から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図３に示される本発明の第１の態様では、ＣＰＯ１８が隙間２０によりＣＰＯ入口から分離した不活性セラミックフォーム１９などの高温構造用支持材を有してもよく、これは炭化水素燃料が高温に達する際に炭化水素燃料を部分転化する。混合室２１内では、燃料が噴霧ノズル２２により供給される。この燃料は燃料管路１０からパルス調節されたバルブ２３を通って受け入れられる。混合室２１はまた、エンジン排気管１２からバルブ２５を介してエンジン排気を受け入れる。迅速に始動する必要があれば、低い空気／燃料比の混合物の点火を起こすためにグロープラグ点火器２６を用いてＣＰＯ１８を動作温度まで素早く加熱する。バルブ２３、２５、点火器２６、及び排気処理器１６はすべてコントローラ２８により制御される。
【００１５】
本発明によると、燃料は周囲温度であり、混合室２１に注入される前は気化されず、混合室２１内で噴霧ノズル２２を通して注入されて混合物になる際に単に噴霧化され、混合室２１において気化する。バルブ２５を通過するエンジン排気は、ＣＰＯ１８における接触改質プロセスのために酸素と水分とを供給する。
【００１６】
本発明によると、不活性セラミックフォーム１９を使用すると、いくらかの燃料をそのいくつかの成分に転化することによって改質プロセスが開始する。燃料はまたいくらかの酸素を消費するのでＣＰＯの最高温度が下げられ、それにより、ＣＰＯ触媒がより長持ちしてプロセスがより完全なものになる。
【００１７】
図４では、噴霧ノズル２２ａをガスアシスト式噴霧ノズルとしてもよく、このガスアシスト式噴霧ノズルは、例えば住宅の炉において燃料油を噴霧するのに用いられるものと同様のＯｒｂｉｔａｌ製の空気アシスト式ノズルとし得る。図４の態様では、アシストガスはコントローラ２８の制御下でバルブ３０を通過する排気である。
【００１８】
また、図４の態様が示す本発明の一側面では、入口付近に不活性セラミックフォーム１９を備えていないＣＰＯ１８において燃料の気化器を不要とする噴霧ノズル２２を使用してもよい。
【００１９】
図５の態様では、ガスアシスト式噴霧ノズルのためのガスを、車両のターボチャージャー３３により供給できる。ターボチャージャー３３は少量の空気をコントローラ２８の制御下のバルブ３４を介して供給する。ガスアシスト式ノズルのためのアシストガスは加湿空気、エンジン排気又は水蒸気とし得る。しかし、本発明の任意の構成に適合すべく必要なら別の噴霧ノズルを使用してもよい。
【００２０】
よって、上述したように噴霧燃料ノズルを用いて液体炭化水素燃料の気化器を不要にする本発明は、例えば粒子除去装置やＮＯｘ除去装置などでの内燃機関の排気の浄化に有効な用途を見出すことができる。しかし、本発明はまた内燃機関を有する車両以外にも使用できる。
【００２１】
図６では、噴霧ノズル２２は燃料の供給源３８からバルブ３７を介して燃料を受け入れている。この燃料はガソリン、ディーゼル燃料、又はケロシン、ＪＰ-８及びジェット燃料などの他の任意の液体炭化水素燃料とし得る。混合領域２１には、エンジン排気の代わりに、排出器４１からバルブ４０を介して導管３９にて加湿空気が供給される。排出器４１は水タンク４３から管路４２にて水を取り込む。熱交換器４８により高温空気が管路４７に供給される。熱交換器４８は空気ターボチャージャー又は空気ポンプ５０から管路４９で空気を受け入れる。
【００２２】
７００℃〜９００℃（１２９２°Ｆ〜１６５２°Ｆ）のオーダーであるＣＰＯ１８の排気が、導管５３を介して熱交換器４８に送られ、それにより、入口空気の温度を３００℃〜５００℃（５７２°Ｆ〜９３２°Ｆ）のオーダーに上昇させる。導管５５の出力は改質油であり、しばしば「合成ガス」と称され、当該技術において周知のように窒素、水蒸気及び未転化の炭化水素と共に水素、ＣＯ及びいくらかのＣＯ２を含有する。
【００２３】
図６の態様では、空気／燃料比が一般に許容される引火限界よりも十分に低い０．０１４である未予熱の空気／燃料混合物を点火させるプロセスの開始時に点火器２６が用いられる。いったん点火すると、混合物は接触プロセスが開始する約１７５℃（３５０°Ｆ）まで急速に上昇し、ＣＰＯを１０５０℃〜１２５０℃（１９２２°Ｆ〜２２８２°Ｆ）のオーダーのその最高温度に導き、その後、点火器２６は停止してよく、本プロセスはＣＰＯの熱で自立的に継続する。図６に示されるシステムのような静止システムでは、ガスアシスト式の噴霧ノズルが用いられる場合には、図７の水蒸気発生器５７により示されるように水蒸気をアシストガスとして使用できる。
【００２４】
熱交換器４８を介して導管５５に供給される改質油はそのまま用いるか、又は水／ガスシフト反応などの更なる処理を行なって、ＣＯを転化してより多くの水素を提供し、また優先的ＣＯ酸化剤でＣＯを削減することができる。図６の態様の生成物の使用は本発明には関係ない。
【００２５】
図８には、エンジンと共に利用される本発明が示され、上記の米国特許出願第１０／２４３、１０５号に記載のように、ターボチャージャー３３からの空気がバブラー／水タンクの組み合わせ６０において加湿される。
【００２６】
図９は混合領域２１が事実上ＰＯＸになり得ることを示しており、点火器２６がガスアシスト式噴霧ノズルを通過した燃料と排気の混合物を点火し、混合室２１において余分な排気成分を燃焼させる。次に、この高温の合成ガス混合物が排気処理装置に直接流入する。排気処理装置は、当該技術において公知のように、触媒粒子フィルター６２と触媒ＮＯｘ吸着器６３とを備え得る。図示されているように、ガスアシスト式の噴霧ノズルを使用することにより、生成された合成ガスを排気中に直接適用できる。
【００２７】
混合室２１内に噴霧された液体燃料は、特にそれがガソリンの場合は極めて爆発しやすい。したがって、安全のため、点火器はスパークプラグとすべきでない。しかし、グロープラグを用いる代わりに、点火器は図１０に示されるようにヒーター線とすることもできる。このヒーター線は、ＣＰＯ触媒でウォッシュコートされたつる巻き線６６の形状に形成し、セラミックフォーム１９の前に配置できる。これにより燃料が部分酸化され、セラミックフォームが加熱される。この点火器はＰＯＸにおいて使用してもよいし、ＣＰＯ又はＡＴＲの着火を助けるのに使用してもよい。
【００２８】
本発明では、ＣＰＯ温度に達するのに十分なだけの酸素を使用すべきであり、余分な酸素は単に水素の収率を下げるだけである。均一なＰＯＸなどの触媒を使用しない場合には、グロープラグを十分高い温度にし、かつ連続的に付勢しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】エンジンの排気を浄化するのに用いる合成ガスを生成するために燃料気化器を使用した従来技術のエンジンシステムの概略図である。
【図２】気化器を用いた別の従来技術のシステムの概略図である。
【図３】エンジンの排気を浄化するのに用いる合成ガスを生成するために本発明を利用するエンジンシステムの概略図である。
【図４】図１の構成の部分的な概略図であり、高温のエンジン排気をアシストガスとして使用するガスアシスト式ノズルを備えている。
【図５】図１の構成の部分的な概略図であり、ターボチャージャーの空気をアシストガスとして使用するガスアシスト式ノズルを備えている。
【図６】気化されていない燃料と加湿空気とから合成ガスを生成するためのシステムの概略図である。
【図７】水蒸気アシスト式ノズルの部分概略図である。
【図８】空気−水バブラーを用いて気化されていない燃料と加湿空気とから合成ガスを生成するための別のシステムの概略図である。
【図９】燃料と排気とをガスアシスト式噴霧化燃料ノズルを通し、浄化プロセスへの入口にて点火して合成ガスを生成するシステムの概略図である。
【図１０】本発明による別の点火器の部分簡略斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
９    燃料タンク
１１  内燃機関
１２  排気管
１６  排気浄化用の後処理システム
１８  改質装置
１９  不活性セラミックフォーム
２０  隙間
２１  混合室
２２  噴霧ノズル
２６  点火器
２８  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008502847.tif 000009
【図８】
2008502847.tif 000010
【図９】
2008502847.tif 000011
【図１０】
2008502847.tif 000012
【国際調査報告】
2008502847.tif 000013