(57)【要約】【課題】エタノールをジエチルエーテルに改質反応の温度を一定に保持し、該反応を安定に維持できる内燃機関用エタノール燃料改質システムを提供する。【解決手段】改質触媒を収容する改質手段２と、内燃機関５の排気により熱媒体を加熱する第１の熱交換器７と、該熱媒体によりエタノール燃料を加熱する第２の熱交換器８と、該熱媒体を循環させる熱媒体循環手段９とを備える。前記熱媒体により改質手段２内の温度分布を均一にする。前記熱媒体により改質手段２と、エタノール燃料とを同一の温度に加熱する。改質手段は、触媒が充填されたエタノール燃料流路１２を備え、エタノール燃料流路１２は改質手段２内部で屈曲している。【選択図】  図１
2008286106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に用いられるエタノール燃料を触媒に接触させてエタノールをジエチルエーテルに改質するエタノール燃料改質システムであって、
エタノールをジエチルエーテルに改質する触媒を収容する改質手段と、
該内燃機関の排気と熱媒体との熱交換を行い該熱媒体を加熱する第１の熱交換器と、
該熱媒体と該改質手段に供給されるエタノール燃料との熱交換を行い該エタノール燃料を加熱する第２の熱交換器と、
該熱媒体を第１の熱交換器から第２の熱交換器を経て該改質手段に供給して該改質手段を加熱した後、該改質手段から第１の熱交換器に循環させる熱媒体循環手段とを備えることを特徴とする内燃機関用エタノール燃料改質システム。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関用エタノール燃料改質システムにおいて、前記熱媒体により前記改質手段内の温度分布を均一にすることを特徴とする内燃機関用エタノール燃料改質システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の内燃機関用エタノール燃料改質システムにおいて、前記熱媒体により前記改質手段と、該改質手段に供給されるエタノール燃料とを同一の温度に加熱することを特徴とする内燃機関用エタノール燃料改質システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項の内燃機関用エタノール燃料改質システムにおいて、前記改質手段は、前記触媒が充填されたエタノール燃料流路を備え、該エタノール燃料流路は該改質手段内部で屈曲していることを特徴とする内燃機関用エタノール燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に用いられるエタノール燃料を触媒に接触させて、エタノールをジエチルエーテルに改質するエタノール改質システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の所定負荷、所定時間当たりの燃料消費量を低減し、かつ排出物の量の低減を図るために、予混合圧縮着火内燃機関に代表される圧縮着火内燃機関が検討されている。前記圧縮着火内燃機関は、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダ内に導入して圧縮することにより、該燃料に自着火させるものである。
【０００３】
ところが、前記圧縮着火内燃機関は、火花点火方式の内燃機関と異なり着火のタイミングを制御することが難しい。また、前記圧縮着火内燃機関は、着火性の高い燃料を用いたときには該機関の要求負荷が高くなったときにノッキングを起こしやすく、着火性の低い燃料を用いたときには前記要求負荷が低くなったときに失火しやすい。従って、前記圧縮着火内燃機関は、安定に運転することができる運転領域が狭いとの問題がある。
【０００４】
前記問題を解決するために、従来、要求負荷に応じて、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料との２種類の燃料を混合して前記圧縮着火内燃機関に供給する技術が知られている。しかし、前記圧縮着火内燃機関を自動車等に搭載する場合に、前記技術を適用しようとすると２つの燃料タンクが必要になり、燃料補給も燃料の種類毎に行わなければならず煩雑である。
【０００５】
そこで、１種類の燃料の一部を改質することにより、着火性の異なる２種類の燃料を得ることが検討されている。前記のように改質される燃料としては、例えば、エタノールを含むガソリン等のエタノール燃料を用いることができ、該エタノール燃料に含まれるエタノールをジエチルエーテルに改質する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
エタノールは、酸触媒を用いて２００℃程度の温度に加熱することにより、容易にジエチルエーテルに改質することができる。そこで、前記技術は、第１の燃料としてエタノールを含むガソリンを用い、該第１の燃料の一部を、改質器に収容された酸触媒に接触させると共に、該第１の燃料と触媒とを加熱することにより、エタノールをジエチルエーテルに改質するものである。
【０００７】
このようにすることにより、第２の燃料としてジエチルエーテルを含むガソリンが得られる。ここで、ジエチルエーテルはエタノールよりも着火性が高いので、第１の燃料は着火性の低い燃料となり、第２の燃料は着火性の高い燃料となる。
【０００８】
従って、第１の燃料と第２の燃料とを混合して前記圧縮着火内燃機関に供給する際に、高負荷側では着火性の低い第１の燃料の割合を高くし、低負荷側では着火性の高い第２の燃料の割合を高くすることにより、安定に運転することができる運転領域を拡大することができるものと考えられる。
【０００９】
しかしながら、エタノールをジエチルエーテルに改質する反応は、加熱温度による影響を受けやすいので、エタノールをジエチルエーテルに改質する反応を安定に維持することが難しいという不都合がある。
【特許文献１】特開２００６−２２６１７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる不都合を解消して、エタノールをジエチルエーテルに改質する際の温度を一定に保持し、エタノールをジエチルエーテルに改質する反応を安定に維持することができる内燃機関用エタノール燃料改質システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる目的を達成するために、本発明の内燃機関用エタノール燃料改質システムは、内燃機関に用いられるエタノール燃料を触媒に接触させてエタノールをジエチルエーテルに改質するエタノール燃料改質システムであって、エタノールをジエチルエーテルに改質する触媒を収容する改質手段と、該内燃機関の排気と熱媒体との熱交換を行い該熱媒体を加熱する第１の熱交換器と、該熱媒体と該改質手段に供給されるエタノール燃料との熱交換を行い該エタノール燃料を加熱する第２の熱交換器と、該熱媒体を第１の熱交換器から第２の熱交換器を経て該改質手段に供給して該改質手段を加熱した後、該改質手段から第１の熱交換器に循環させる熱媒体循環手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の内燃機関用エタノール燃料改質システムでは、まず第１の熱交換器で、前記熱媒体循環手段により循環される熱媒体を、内燃機関の排気と熱交換することにより加熱する。次に第２の熱交換器で、前記改質手段に供給されるエタノール燃料を、前記のように加熱された熱媒体と熱交換することにより加熱する。次に、前記熱媒体は、前記改質手段に供給されることにより、該改質手段を加熱した後、再び第１の熱交換器に循環せしめられる。
【００１３】
前記内燃機関の排気は、３００〜７００℃の範囲の温度であり、約２００℃であるエタノールをジエチルエーテルに改質する温度（以下、改質温度と略記する）よりも十分に高温である。従って、本発明の内燃機関用エタノール燃料改質システムによれば、前記排気との熱交換により加熱された熱媒体を用いて、前記改質手段に供給されるエタノール燃料と該改質手段とを加熱することにより、該エタノール燃料を前記改質温度に保持することができる。また、前記改質手段に収容されている前記触媒を、急速に前記改質温度に加熱して、該改質温度に安定に保持することができる。
【００１４】
そして、本発明の内燃機関用エタノール燃料改質システムによれば、前記エタノール燃料と前記触媒とを、前記改質温度に保持することができる結果として、エタノールをジエチルエーテルに改質する反応を安定に維持することができる。
【００１５】
エタノールをジエチルエーテルに改質する反応は、前記改質手段に前記エタノール燃料を供給する入口付近では活発であるが、出口付近では反応し得るエタノールの絶対量が低減するので反応が不活発になる。また、エタノールをジエチルエーテルに改質する反応は発熱反応であるので、前記のように前記改質手段の入口付近では活発に反応が起き、出口付近で反応が不活発になると、該改質手段は入口付近で温度が高く、出口付近で温度が低くなる。
【００１６】
そこで、本発明の内燃機関用エタノール燃料改質システムは、前記熱媒体により前記改質手段内の温度分布を均一にすることが好ましい。前記改質手段内の温度分布を均一にすることにより、該改質手段内でのエタノールをジエチルエーテルに改質する反応を均一化することができる。
【００１７】
また、本発明の内燃機関用エタノール燃料改質システムは、前記熱媒体により前記改質手段と、該改質手段に供給されるエタノール燃料とを同一の温度に加熱することが好ましい。このようにすることにより、前記改質手段内でのエタノールをジエチルエーテルに改質する反応を安定に制御することができ、ジエチルエーテルの生成量を増加させることができる。
【００１８】
また、本発明の内燃機関用エタノール燃料改質システムにおいて、前記改質手段は、前記触媒が充填されたエタノール燃料流路を備え、該エタノール燃料流路は該改質手段内部で屈曲していることが好ましい。前記エタノール燃料流路は屈曲していることにより、前記改質手段内部で前記熱媒体と接触する面積が大きくなり、該熱媒体との熱の授受が容易になる。
【００１９】
この結果、前記熱媒体と、前記エタノール燃料及び前記触媒との温度差が小さくなり、前記改質手段内でのエタノールをジエチルエーテルに改質する反応の制御が容易になる。また、前記改質手段の加熱を迅速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本発明のエタノール改質システムの一実施形態を示すシステム構成図であり、図２は図１に示す改質反応器の構成を示す説明的断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態のエタノール燃料改質システムは、エタノール燃料を供給する供給導管１と、供給導管１を介して前記エタノール燃料が供給される改質反応器２と、改質反応器２に熱媒体を流通させる熱媒体導管３とを備えている。改質反応器２にはエタノールをジエチルエーテルに改質する酸触媒等の触媒が収容されており、出口側に、ジエチルエーテルを含む燃料を取り出す取出導管４が接続されている。
【００２２】
熱媒体導管３は、途中に、内燃機関５の排気管６を流通する排気との熱交換により熱媒体を加熱する第１熱交換器７を備え、第１熱交換器７の下流側に、供給導管１を流通する前記エタノール燃料との熱交換により該エタノール燃料を加熱する第２熱交換器８を備えている。そして、第２熱交換器８の下流側に前記改質反応器２が配設されている。
【００２３】
熱媒体導管３は、改質反応器２の下流側で、第１熱交換器７の上流側に接続されており、第１熱交換器７で加熱された熱媒体を、第２熱交換器８、改質反応器２の順に供給し、再び第１熱交換器７に戻す熱媒体循環手段９を構成している。
【００２４】
改質反応器２は、図２に示すように、円筒状のハウジング１１の内部に、エタノール燃料が流通されるエタノール燃料流路１２を備えており、エタノール燃料流路１２の内部には、図示しない触媒が充填されている。エタノール燃料流路１２は、円筒状のハウジング１１の中央に軸方向に配設され上流側で供給導管１に接続する主流路１２ａと、主流路１２ａの下流端で放射状に分岐し、主流路１２ａの周囲に配設された複数の分岐流路１２ｂとからなる。各分岐流路１２ｂは、ハウジング１１の供給導管１と主流路１２ａとが接続されている側で、相互に集合せしめられ、取出導管４に接続されている。
【００２５】
この結果、エタノール燃料流路１２は、主流路１２ａから各分岐流路１２ｂを経て取出導管４に至る、屈曲した流路を形成している。
一方、ハウジング１１とエタノール燃料流路１２との間隙は、熱媒体が流通される熱媒体流路１３となっており、熱媒体流路１３はハウジング１１の軸方向の両端で熱媒体導管３に接続されている。熱媒体は、エタノール燃料流路１２の主流路１２ａが屈曲して複数の分岐流路１２ｂに分岐する側から熱媒体流路１３に流入し、主流路１２ａが供給導管１に接続され、分岐流路１２ｂが取出導管４に接続されている側で熱媒体流路１３から流出するようになっている。
【００２６】
次に、本実施形態のエタノール燃料改質システムの作動について説明する。
【００２７】
前記エタノール燃料は、例えば、エタノールを含むガソリンであってもよく、エタノールを含むガソリンに水を混合することにより分離されたエタノール−水混合液であってもよい。前記エタノール燃料は、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物の発酵、蒸留により得たエタノールを含有することにより、所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。前記カーボンニュートラル効果は、前記植物性物質自体が既に二酸化炭素を吸収しているので、係る植物性物質を原料とするエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しく、総計としての二酸化炭素の排出量は理論的にはゼロになるというものである。従って、前記エタノール燃料によれば、二酸化炭素の排出量を削減し、地球の温暖化防止に寄与することができる。
【００２８】
本実施形態では、前記エタノールを含むガソリン自体を前記エタノール燃料とする場合について説明する。
【００２９】
本実施形態のエタノール燃料改質システムでは、内燃機関５が始動されて、排気管６から排出される排気の温度が３００〜７００℃の範囲の温度に上昇したならば、熱媒体循環手段９により熱媒体導管３に熱媒体を循環させる。熱媒体循環手段９は、熱媒体導管３の途中に図示しないポンプを備えており、該ポンプを始動することにより前記熱媒体の循環を開始する。
【００３０】
前記熱媒体は、特に限定されるものではないが、例えばパーフルオロポリエーテルを用いることができる。パーフルオロポリエーテルは、フッ素化合物であり、不燃性であることから好適に用いることができる。
【００３１】
前記熱媒体は、まず、第１熱交換器７で排気管６に流通される排気と熱交換することにより、約２００℃の温度に加熱される。次に、前記熱媒体は、第２熱交換器８を介して改質反応器２に供給される。
【００３２】
改質反応器２のエタノール燃料流路１２には、エタノールをジエチルエーテルに改質する触媒が充填されている。前記酸触媒としては、ゼオライトを好ましく用いることができるが、活性アルミナ、ヘテロポリ酸、シリカアルミナ、硫酸化ジルコニア、イオン交換樹脂等を用いることもできる。前記ヘテロポリ酸としては、１２タングストリン酸等を挙げることができ、前記イオン交換樹脂としては、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ（登録商標）等を挙げることができる。
【００３３】
前記触媒は、前記熱媒体の循環が開始された時点では冷却された状態となっている。しかし、エタノール燃料流路１２は前述のように屈曲して形成されており、熱媒体流路１３に流通される該熱媒体との熱の授受が容易となっている。従って、前記触媒は、熱媒体流路１３に流通される前記熱媒体により迅速に加熱され、該熱媒体と略等温の約２００℃の温度に達する。またこのとき、改質反応器２内は、前記熱媒体により均一に加熱されている。
【００３４】
そこで、前記触媒が約２００℃の温度に達したならば、供給導管１から改質反応器２に前記エタノール燃料を供給し、エタノールのジエチルエーテルへの改質を開始する。供給導管１から供給される前記エタノール燃料は、まず、第２熱交換器８で前記熱媒体と熱交換することにより加熱される。
【００３５】
このとき、熱媒体導管３に流通される前記熱媒体の流量は、例えば内燃機関５が排気量２リットル、１５００ｒｐｍ、中〜高負荷の場合に、８００〜１５００ｍｌ／分、例えば１０００ｍｌ／分とされており、供給導管１から供給される前記エタノール燃料の流量は、１〜８０ｍｌ／分、例えば５０ｍｌ／分とされている。この結果、前記熱媒体の流量は、前記エタノール燃料の流量に対して大過剰となっており、該エタノール燃料を該熱媒体及び改質反応器２と略等温の約２００℃の温度に加熱することができる。
【００３６】
前記温度に加熱された前記エタノール燃料は、次いで改質反応器２に供給され、エタノール燃料流路１２に充填されている前記触媒に接触せしめられる。ここで、改質反応器２及び前記触媒は、前述のように前記熱媒体と略等温の約２００℃の温度に、均一に加熱されており、この温度は前記エタノール燃料と同一になっている。
【００３７】
従って、前記エタノール燃料に含まれるエタノールのジエチルエーテルへの改質反応を安定に維持することができ、該エタノールは均一に加熱された改質反応器２内の全体で同様にジエチルエーテルに改質される。この結果、取出導管４から、高濃度のジエチルエーテルを含むガソリンを持続的に取り出すことができる。
【００３８】
尚、取出導管４から取出されるジエチルエーテルを含むガソリンは、ジエチルエーテルの他、未反応のエタノール、前記改質反応により生成する微量の水を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の内燃機関用エタノール燃料改質システムの一実施形態を示すシステム構成図。
【図２】図１に示す改質反応器の構成を示す説明的断面図。
【符号の説明】
【００４０】
２…改質手段、  ４…内燃機関、  ７…第１の熱交換器、  ８…第２の熱交換器、  ９…熱媒体循環手段、  １２…エタノール燃料流路。
【図１】
2008286106.tif 000003
【図２】
2008286106.tif 000004