(57)【要約】内燃機関は、例えば、スロットル、点火タイミング、前記機関に結合された負荷、燃料圧力、過給機への電力、および予熱器への電力などの１つ以上の動作パラメータを調整することによって燃料リッチな条件で動作し、特定のエンジン速度と排気ガスの温度を維持する。これらの条件下で機関を作動させると、機関は、水素と一酸化炭素を含む合成ガスを製造する改質器として機能することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料リッチな条件下で内燃機関を反応器として使用する方法であって、
初期の燃料空気当量比を有する供給ガスを使用して前記機関を始動すること；
前記燃料空気当量比を段階的に増やして、燃料リッチな供給ガスを生成すること；および
前記燃料空気当量比を増加させながら、スロットル、点火タイミング、前記機関に結合された負荷、燃料圧力、前記供給ガスに作用する過給機への電力、および前記供給ガスに作用する予熱器への電力の１つ以上を調整して、燃料空気当量比を約１．６〜２．４に維持すること、
を含む、方法。
【請求項２】
前記供給ガスが、炭化水素化合物および酸素含有流を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記機関を始動する前の初期条件を、所定の燃料圧力、部分的に開いたスロットル、第１の所定の点火タイミング値、および前記機関に結合された負荷のうちの少なくとも１つとして設定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記部分的に開いたスロットルを設定することが、５０％未満の所定の設定で前記スロットルを設定することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の所定の点火タイミング値を設定することが、前記点火タイミングを上死点（ＢＴＤＣ）前の約５〜約１２度に設定することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記機関を始動することが、前記燃料圧力を約０インチのＨ２Ｏゲージに設定して、前記機関を始動させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
約１０００〜２０００回転／分（ＲＰＭ）のエンジン速度と約９００℃未満の排気ガス温度を維持する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記点火タイミングを調整することは、前記エンジン速度を約１０００〜２０００ＲＰＭの間に維持するために前記機関負荷を増加させながら、点前記火タイミングを第２の所定の値に進めることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記点火タイミング第２の所定値が、約８度ＢＴＤＣと約２８度ＢＴＤＣの間である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記過給機への前記電力を調整することは、最初に前記過給機に電力を供給することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記エンジン速度を約１０００〜２０００ＲＰＭに維持するために前記燃料圧力を増加させながら、前記過給機への前記電力を増加させることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記スロットルを調整することが、前記燃料圧力と前記機関負荷を増加させて前記エンジン速度を約１０００〜２０００ＲＰＭに維持しながら、前記スロットルを増加させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記排気ガス温度を監視することと、前記燃料圧力、前記スロットル、および前記機関負荷のうちの１つ以上を変更して、前記排気ガス温度を約９００℃未満に維持することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記予熱器への前記電力を調整することが、最初に前記予熱器に電力を供給することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記予熱器を初期温度に設定し、前記エンジン速度を約１０００〜２０００ＲＰＭに維持しながら前記予熱器温度が上昇するにつれて前記燃料圧力を上昇させることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記予熱器の初期温度が、約２００℃である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記点火タイミングを第３の所定値に調整することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記点火タイミング第３の所定値が、約２０〜約３０度ＢＴＤＣである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記燃料圧力および前記機関負荷を調整して所望のエンジン体積スループットに達するまで前記エンジン速度を約１０００〜２０００ＲＰＭに維持しながら、前記過給機への前記電力を増加させることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料圧力を調整して前記燃料空気当量が約１．６〜２．４に達するまで前記エンジン速度を約１０００〜２０００ＲＰＭに維持しながら、前記予熱器が前記初期温度に達したときに、前記予熱器温度を上げることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記燃料ガス初期燃料空気当量比が、約１である、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
燃料リッチな条件下で内燃機関を運転する方法であって、
前記機関の始動後、排気背圧、吸気マニホールド圧力、エンジン速度、点火タイミング、燃料ガス燃料空気当量比、および燃料ガス入口温度について、一連のメンテナンス動作条件を維持すること；
前記燃料ガス燃料空気当量比を維持しながら前記燃料ガス入口温度を上げること、およびエンジン排気ガスのメタンと酸素の含有量を監視すること；および
監視されたメタンと酸素含有量に応じて点火タイミングを調整すること、
を含む、方法。
【請求項２３】
前記初期動作排気背圧が、周囲〜５ｂａｒ絶対圧である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記動作吸気マニホールド圧力が、約周囲〜２ｂａｒ絶対圧の間である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記初期動作エンジン速度が、約１０００〜２０００回転毎分（ＲＰＭ）である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記初期動作点火タイミングが、上死点（ＢＴＤＣ）の約２５〜３５度前である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記動作燃料ガス燃料空気当量比が、約１．６〜２．４である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記初期動作燃料ガス入口温度が、約２００℃〜２７０℃である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
前記監視されたメタンおよび酸素含有量に応じて前記点火タイミングを調整することが、前記監視されたメタンまたは酸素含有量が許容レベルを超えて増加した場合に、前記点火タイミングを進めることを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
前記機関の各シリンダからの排気ガス温度を監視することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
各シリンダの点火タイミングを個別に調整して、各シリンダの前記排気ガス温度の変動を約７５℃の範囲内に低減することをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記排気ガスが、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、および微量成分のうちの少なくとも２つの組み合わせを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項３３】
前記先行請求項のいずれかに記載の方法を実行するように構成されたガス改質器システム。
【請求項３４】
前記ガス改質器システムが、シンガスを製造するように構成されている、請求項３３に記載のガス改質器システム。
【請求項３５】
前記シンガスが、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）を含む、請求項３４に記載のガス改質器システム。
【請求項３６】
ガス改質器システムであって、
燃料ガス入口、排気ガス出口、複数のシリンダ、点火タイミングシステム、スロットル、燃料ガス予熱器、および過給機を含む内燃機関
を含み、
前記内燃機関が、約１．６〜２．４の燃料ガス燃料空気当量比で動作するように構成されている、ガス改質器システム。
【請求項３７】
前記内燃機関が、約１．６〜２．４の燃料ガス燃料空気当量比で動作するために、燃料ガス燃料空気当量比、燃料ガス入口温度、吸気マニホールド圧力、点火タイミング、エンジン速度、排気マニホールド圧力、および排気ガス温度を個別に調整するように構成されている、請求項３６に記載のガス改質器システム。
【請求項３８】
前記内燃機関が、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を含む排気ガスを生成するように構成されている、請求項３６に記載のガス改質器システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２０１７年９月２９日に出願された「ＩＮＴＥＲＮＡＬ  ＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮ  ＥＮＧＩＮＥ  ＡＳ  Ａ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＡＣＴＯＲ  ＴＯ  ＰＲＯＤＵＣＥ  ＳＹＮＴＨＥＳＩＳ  ＧＡＳ  ＦＲＯＭ  ＨＹＤＲＯＣＡＲＢＯＮ  ＦＥＥＤＳ」というタイトルの米国仮特許出願第６２／５６５，８４４号の利益を主張し、その内容はその全体を参照により本明細書に含める。
【連邦政府の支援による研究または開発】
【０００２】
本発明は、米国エネルギー省から授与された認可番号ＤＥ−ＡＲ００００５０６に基づく政府の支援を受けて行われた。政府は本発明に一定の権利を有する。
【技術分野】
【０００３】
本発明は、概して、特に内燃機関を合成ガス発生器として使用する合成ガスの製造に関する。
【背景技術】
【０００４】
多くのプロセスおよび操作は、軽質炭化水素のガス流を生成する。多くの場合、これらのガス流は低圧であり、さまざまな汚染物質をさらに含む可能性がある。したがって、ガス流は本質的な価値がほとんどない可能性があり、汚染物質を除去してガスを圧縮する（天然ガス輸送パイプラインへの導入を可能にするために圧力を上げるなど）コストは、法外に高価になる可能性がある。これらの制約を考えると、ガス流は、フレア、焼却、またはベントによって処分されることがよくある。
【０００５】
最近、これらの低品質の炭化水素流をより生産的に使用することに関心が高まっている。そのような分野の１つは、合成ガス（シンガス）の生産における供給ガスとして炭化水素流を使用することである。シンガスは、有機原料（軽質炭化水素、石炭、石油コークス、バイオマス、オイル）の部分燃焼から製造され、主に水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）で構成される。シンガスには、出発原料によっては汚染物質（Ｈ２Ｓ、ＣＯＳを含む）が含まれていることがよくある。多くのシンガス製造プロセスは、触媒ベースの改質装置を利用して、有機原料を部分的に酸化する。触媒は反応速度を上げ、反応温度を下げるのに役立つが、多くの触媒は高価な材料から作られ、ガス流に存在する硫黄化合物による被毒、およびすすおよびその他の粒子による目詰まりの影響を受ける。
【０００６】
シンガスは、様々な化学物質を製造するための出発物質である。シンガスは、ガスタービンまたはエンジンベースの発電機での発電にも使用できる。シンガスは、ＣＯと水蒸気を水性ガスシフト（ＷＧＳ）プロセスを介してＨ２と二酸化炭素（ＣＯ２）に変換することによって、Ｈ２を生成するためにも使用できる。プロセスガスのＨ２とＣＯの比率は、通常、下流の用途の需要を満たすために注意深く調整する必要がある。
【０００７】
最近、米国特許第９，１６９，７７３号（Ｂｒｏｍｂｅｒｇら）は、水素リッチガスを生成するためにエンジンを利用する改質器−液体燃料製造システムを開示した。開示されているシステムは、空気/燃料比、当量比、２．５＜φ＜４．０で動作する。彼らはまた、効果的なエンジンベースの改質装置について、均質チャージ圧縮点火（ＨＣＣＩ）、部分予備混合圧縮点火（ＰＣＩ）、または反応制御圧縮点火（ＲＣＣＩ）を使用できることを開示している。彼らは、「流動バーナー火炎とシリンダ計算では、当量比が低いほど、変換で放出されるエネルギーが高くなり、シリンダ温度のピークが高くなり、水素とＣＯへの選択性が低くなる・・・」と報告している。
【０００８】
米国特許第２，３９１，６８７号（Ｅａｓｔｍａｎら）は、９０％以上の純粋なＯ２で作動し、２．８〜４．０の当量比を有するシンガスを生成するためのエンジンを開示している。
【発明の概要】
【０００９】
前述の問題の全体または一部、および／または当業者によって観察された可能性がある他の問題に対処するために、本開示は、以下に示される実装において例として説明される方法、プロセス、システム、装置、機器、および／またはデバイスを提供する。
【００１０】
一実施形態によれば、燃料リッチ条件下で内燃機関を使用する方法は、初期の燃料空気当量比を有する供給ガスを使用して前記機関を始動すること；燃料空気当量比を段階的に増やして、燃料リッチな供給ガスを生成すること；燃料空気当量比を増加させながら、スロットル、点火タイミング、前記機関に結合された負荷、燃料圧力、供給ガスに作用する過給機への電力、および供給ガスに作用する予熱器への電力の１つ以上を調整して、燃料空気当量比を約１．６〜２．４に維持すること、を含む。一実施形態では、約１０００〜２０００回転毎分（ＲＰＭ）のエンジン速度および約９００℃未満の排気ガスの温度が維持される。
【００１１】
別の実施形態によれば、燃料リッチ条件下で内燃機関を運転する方法は、前記機関の始動後、排気背圧、吸気マニホールド圧力、エンジン速度、点火タイミング、燃料ガス燃料空気当量比、および燃料ガス入口温度について初期条件セットを維持すること；燃料ガス燃料空気当量比を維持しながら燃料ガス入口温度を上げ、エンジン排気ガスのメタンと酸素の含有量を監視すること；監視されたメタンと酸素含有量に応じて点火タイミングを調整すること、を含む。
【００１２】
別の実施形態によれば、ガス改質器システムは、本明細書で開示される方法のいずれかを実行するように構成されている。
【００１３】
別の実施形態によれば、ガス改質器システムは、燃料ガス入口、排気ガス出口、複数のシリンダ、点火タイミングシステム、スロットル、燃料ガス予熱器、および過給機、を含む内燃機関を含み、内燃機関は、約１．６〜２．４の燃料ガス燃料空気当量比で動作するように構成されている。
【００１４】
本発明の他のデバイス、装置、システム、方法、特徴、および利点は、以下の図および詳細な説明を検討すると、当業者には明らかであるか、明らかになるであろう。そのようなすべての追加のシステム、方法、特徴、および利点は、この説明に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【００１５】
本発明は、以下の図を参照することによってよりよく理解することができる。図中の構成要素は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに本発明の原理を説明することに重点が置かれている。図面において、同様の参照番号は、異なる図を通して対応する部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、いくつかの実施形態による内燃機関の例示的なシリンダの概略断面図である。
【図２】いくつかの実施形態による、内燃機関を使用してシンガスを生成するためのシステムの概略図である。
【図３】いくつかの実施形態による、内燃機関を使用してシンガスを生成するためのシステムの概略図である。
【図４】いくつかの実施形態による、内燃機関を使用してシンガスを生成するためのシステムの概略図である。
【図５】図５は、いくつかの実施形態による、燃料リッチ条件下でエンジンを始動するための方法の例示的なフローチャートである。
【図６】図６は、いくつかの実施形態による、燃料リッチ条件下でエンジンを動作させるための方法の例示的なフローチャートである。
【図７】図７は、いくつかの実施形態による、様々な燃料空気当量比についての燃料空気吸入温度のグラフである。
【図８】図８は、いくつかの実施形態による、様々な燃料空気当量比についてのＨ２対ＣＯ比のグラフである。
【図９】図９は、いくつかの実施形態による、様々な燃料空気当量比についての天然ガスの分別変換のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書で使用される場合、用語「シンガス」は、合成ガスを指す。本開示の文脈では、シンガスは、少なくとも一酸化炭素（ＣＯ）と二原子水素ガス（Ｈ２）との混合物である。実施形態に応じて、シンガスは、例えば、水、空気、二原子窒素ガス（Ｎ２）、二原子酸素ガス（Ｏ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、硫黄化合物（例えば、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、硫化カルボニル（ＣＯＳ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）など）、窒素化合物（例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）など）、金属カルボニル、炭化水素（例えば、メタン（ＣＨ４））、アンモニア（ＮＨ３）、塩化物（例えば、塩化水素（ＨＣｌ））、シアン化水素（ＨＣＮ）、微量金属および半金属（例えば、水銀（Ｈｇ）、ヒ素（Ａｓ）、セレン（Ｓｅ）、カドミウム（Ｃｄ）など）およびその化合物、粒子状物質（ＰＭ）などの他の成分をさらに含み得る。
【００１８】
本明細書で使用される場合、用語「低級炭化水素」は、メタン、エタン、プロパンおよびブタンを含むがこれらに限定されない、低分子量の炭化水素を指す。
【００１９】
本明細書で使用する場合、用語「負荷」は、電気加熱器、動力計、水浴などを意味することがある。負荷を増減することによって、入力条件が変化するときにエンジンを一定速度で運転することができる。エンジン内の温度または出力コンポーネントの比率を変更するために、負荷を変えることもできる。
【００２０】
本明細書で使用される場合、用語「天然ガス」は、メタンとより少量の高級アルカンから主になる炭化水素（ＨＣ）ガスの混合物を指す。実施形態に応じて、天然ガスは、上記のものの１つ以上などの非ＨＣ種、ならびに二硫化炭素（ＣＳ２）および／または他のジスルフィド、およびメタンチオール（ＣＨ３ＳＨ）およびエタンチオール（Ｃ２Ｈ５ＳＨ）などのメルカプタン（チオール）、およびチオフェン（Ｃ４Ｈ４Ｓ）などのチオフェン、およびその他の有機硫黄化合物をさらに含み得る。
【００２１】
本開示は、内燃機関をシンガス発生器として利用する方法を提供する。さらに、このプロセスは、メタノールの生産および他の化学物質の生産プロセスと組み合わせて使用できる。開示された方法は、世界中に分散された多種多様な炭化水素源を利用することができる。例えば、石油と天然ガスの生産井は米国の多くの遠隔地にあり、個々の坑井、コンプレッサー、空気圧機器、および坑井の貯蔵容器が炭化水素排出流を製造することがある。これらの炭化水素流は、少量で低圧であり、汚染の可能性があるため、フレア状またはベント状になることがよくある。天然ガス輸送パイプラインに収集するためにこれらの異種の流れを圧縮および精製することは、非常に高価になる可能性がある。本開示の方法は、特定の条件下で運転される大量生産の内燃機関を利用して、これらの炭化水素を部分的に酸化し、より高い価値を有し得るシンガスを生成し、シンガスの収集を経済的に実現可能とする。
【００２２】
内燃機関は、典型的には車両の推進、機械装置の駆動、または発電のいずれかのために電力を製造するために何十年もの間開発され、利用されてきた。これらの使用のそれぞれにおいて、重点は製造される電力を最大化するための燃料の効率的で完全な燃焼にあった。しかしながら、内燃機関は、他の用途にとって興味深い特性を有する。エンジン温度を制御するためのクーラントおよびラジエータシステムからの熱管理、シリンダ内に高圧を生成する能力、シリンダ内の短い滞留時間の機能、バルブ圧力の制御などの特性は、すべて、エンジンが化学反応器として機能する化学変換のプロセスで使用できる。この用途では、エンジンパラメータを制御して、発電とは対照的に、望ましい化学変換を最大化することに重点が置かれる。場合によっては、化学反応は電力を発生し得る。あるいは、他の例では、シャフトを外部から回すことによって電力を追加することができる。短い滞留時間で動作し、上記の特性を利用する化学反応は、化学反応器としてエンジンを使用することに適応できる可能性がある。ここでは、軽質炭化水素をシンガスに変換するためのこのような用途について説明する。
【００２３】
図１は、様々な実施形態による内燃機関１００の１つのシリンダ１０５の断面概略図を示す。内燃機関１００は、シリンダ１０５内に燃焼室１１０をさらに備えることができる。ピストン１１５は、シリンダ１０５内に配置され、シリンダ１０５内で上下に移動することができ、それによって、燃焼室１１０の可変容積を画定する。燃焼室１１０は、ピストン１１５がシリンダ１０５内の最も高い位置（上死点（ＴＤＣ）と呼ばれる）にあるときにその最小容積となり、ピストン１１５がシリンダ１０５内の最も低い位置（下死点（ＢＤＣ）と呼ばれる）にあるときにその最大容積となる。ピストン１１５は、連接棒１２５によってクランクシャフト１２０に結合され得る。内燃機関１００は、シリンダ１０５の上部に結合されたヘッド１３０をさらに含み得る。ヘッド１３０は、１つ以上の吸気弁１３５および１つ以上の排気弁１４０を収容し得る。各吸気弁１３５は、吸気ポート１４５を開閉する働きをすることができ、一方、各排気弁１４０は、排気ポート１５０を開閉する働きをすることができる。吸気ポート１４５は、燃焼室１１０と流体連通して、燃料と酸化剤との混合物（チャージと呼ばれる）を燃焼室１１０に流入させる。排気ポート１５０はまた、燃焼室１１０と流体連通して、排気ガスを燃焼室１１０から流出させる。ヘッド１３０はまた、少なくとも部分的に燃焼室１１０内に延在し、チャージのための点火源を提供することができる１つ以上の点火プラグ１５５を含むことができる。
【００２４】
図１には示されていないが、内燃機関１００は、吸気ポート１４５に入る前に燃料および酸化剤の一方または両方の温度を上昇させる予熱器、および吸気ポート１４５に入る前に燃料および酸化剤の一方または両方の圧力を上昇させる過給機をさらに含み得る。予熱器は、例えば内燃機関１００からの排気ガスの熱の一部を抽出するための熱交換器を備えることができる。あるいは、予熱器は、電動加熱器、二次燃料の燃焼、または別のプロセスからの熱の除去など、当技術分野で既知の他のプロセスによって熱エネルギーを得ることができる。過給機は、内燃機関１００からの排気ガスからエネルギーを抽出するためのタービンを含み得る。あるいは、過給機は、電気モータまたは別のプロセスからのエネルギーの除去などの当技術分野で既知の他のプロセスによって動力を供給され得る。
【００２５】
特定の非限定的な実施形態では、内燃機関１００は、４ストロークプロセスを使用して動作するように適合され得る。４ストロークプロセスは、例えば、ピストン１１５がＴＤＣにあるところから始まり、次に下向きに動き始める。吸気弁１３５は下に動き、それによって吸気ポート１４５を燃焼室１１０と流体連通させる。ピストン１１５は下向きに動き、チャージが燃焼室１１０に入ることを可能にする。ピストン１１５がＢＤＣに到達すると、吸気弁１３５が閉じる。次に、ピストン１１５が上方に移動し、チャージを圧縮する。ピストン１１５がＴＤＣに近づくと、スパークプラグ１５５は、チャージを点火する火花を生成する。様々な実施形態では、以下でさらに説明するように、ピストン１１５がＴＤＣに到達する前に火花を生成することができる。チャージが燃焼すると、燃焼室１１０内の圧力が増加し、ピストン１１５を押し下げる。ピストン１１５がＢＤＣに到達すると、排気弁１４０が下降し、それによって排気ポート１５０が燃焼室１１０と流体連通する。ピストン１１５がＴＤＣに向かって移動すると、燃焼したチャージからの燃焼ガスが排気ポート１５０から押し出される。ピストン１１５がＴＤＣに到達すると、排気弁１４０が閉じ、サイクルが繰り返される。
【００２６】
各プロセスの詳細は本明細書では説明されていないが、様々な実施形態の内燃機関１００は、２ストロークプロセス、５ストロークプロセス、６ストロークプロセス、圧縮点火プロセス（例えば、ディーゼル）、ジェットエンジン、タービン、ロータリーエンジン、または当技術分野で知られている他の任意のエンジンタイプに従って動作するように構成されてもよい。本開示は、その普及および容易な利用可能性のために、４ストロークプロセスに焦点を当てているが、本開示の範囲に対する制限は推論されるべきではない。
【００２７】
典型的には、炭化水素および酸素は、それぞれ内燃機関１００で燃焼される燃料および酸化剤である。
酸素中の炭化水素の燃焼に関する一般的な化学量論的化学方程式は、式１によって与えられる：
【化１】
2020537727.tif 000003
したがって、化学量論的完全燃焼では、すべての炭化水素と酸素が反応して二酸化炭素と水を形成する。したがって、化学量論的完全燃焼の場合、ある比率の燃料と空気が必要である。実際の空気燃料比が化学量論的な空気燃料比とどのように比較されるかを示す１つの尺度は、当量比（φと表記）である。当量比は、実際の空気燃料比を化学量論的な空気燃料比で割って計算される。１より大きい当量比の値は、燃料リッチな条件を示す。
【００２８】
化学量論的完全燃焼に従って運転される内燃機関１００は、通常、有用な仕事および熱を抽出するように運転される。しかしながら、様々な実施形態は、内燃機関１００を化学反応器として利用するために、化学量論的条件以外で内燃機関１００を作動させることを含み得る。特定の実施形態は、炭化水素を部分的に酸化するために、燃料リッチな条件（すなわち、化学量論的量未満の酸素がすべての炭化水素を燃焼する）を利用することができる。特定の作用メカニズムに限定されることを意図せずに、いくつかの条件下で、内燃機関１００は改質装置として動作して、次式によって与えられる化学反応に従って水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を含む合成ガス（シンガス）を生成することができる。
【化２】
2020537727.tif 000004
炭化水素がメタン（ＣＨ４）の場合、部分酸化反応は式３で与えられる。
ＣＨ４  ＋  ０．５Ｏ２  →  ＣＯ  ＋  ２Ｈ２      式３
さらに、完全燃焼（式１）、式４および式５（メタンの場合を示す）などの改質反応、およびその他の既知の改質および燃焼反応など、他の反応も発生する可能性がある。
２ＣＨ４  ＋  Ｏ２  ＋  ＣＯ２  →  ３ＣＯ  ＋  ３Ｈ２  ＋  Ｈ２Ｏ      式４
４ＣＨ４  ＋  Ｏ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ４ＣＯ  ＋  １０Ｈ２      式５
【００２９】
図２は、例えば、シンガスを生成するための化学反応器として内燃機関１００を利用することができる、様々な実施形態によるプロセス２００の概略図である。前述のように、内燃機関１００へのチャージは、酸化剤および燃料を含み得る。酸化剤は、空気、リッチ化空気、または十分な酸素を含むガスを含み得る。酸化剤は、フィルタ２０５を通過して、粒子および他の固体汚染物、ならびに水などの液体またはガス状汚染物を除去することができる。酸化剤の流れは、スロットル２１０によって制御することができる。スロットル２１０は、当技術分野で知られている任意の流れ調整装置を備えることができ、手動でまたは電子的に制御することができる。酸化剤の圧力は、過給機２１５によって増加させることができる。過給機２１５は、圧力を増加させるコンプレッサーとして機能し、それにより、より多くの酸素を内燃機関１００の各シリンダ１０５に送達することができる。過給機２１５は、電気モータによって駆動されてもよく、または内燃機関１００の排気流または別のプロセス流中の残留エネルギーを利用するなど、別の方法で動力を供給されてもよい。酸化剤はまた、内燃機関１００に入る前に、酸化剤の温度を上げるために加熱器２２０を通過してもよい。加熱器２２０は、電気的に加熱されるコイル、または内燃機関１００の排気流（例えば、図４を参照）などのプロセス流からエネルギーを抽出する熱交換器を利用してもよい。燃料はまた、フィルタ２２５を通過して、固体、液体、または気体の汚染物質を除去し、流れ調整器２３０を通過してもよい。燃料流の温度は、酸化剤加熱器２２０と同様に動作する加熱器２３５によって上昇させることができる。ミキサ２４０は、酸化剤と燃料を所望の比率で混合して、内燃機関１００の各シリンダ１０５に供給されるチャージを形成することができる。次に、内燃機関１００は、前述のようにチャージを部分的に酸化して、排気流中にシンガスを生成する。内燃機関１００の動作はまた、機械的動力および熱を生成し得る。
【００３０】
様々な実施形態では、プロセス２００は、中央処理装置（図示せず）をさらに含むことができる。中央処理装置は、プロセス２００の個々の構成要素の１つ以上と通信し、それらをアクティブ化および制御することができる。中央処理装置は、コンピュータコードを格納および実行して、内燃機関１００の監視された動作条件および内燃機関１００によって製造されたシンガスの分析に応じてプロセス２００の動作を開始することができる。例えば、内燃機関１００の排気流中のＨ２対ＣＯの比を監視することができ、中央処理装置は、監視されたＨ２対ＣＯの比に応じて、プロセス２００の個々の構成要素の１つ以上を調整することができる。さらに、中央処理装置は、１つ以上のシリンダ１０５内の燃焼温度、吸気圧力、排気圧力などの内燃機関１００の監視されたパラメータに応じて、プロセス２００の１つ以上の個々の構成要素を調整することができる。
【００３１】
図３は、例えばシンガスを製造するための化学反応器として内燃機関１００を利用し得る、様々な実施形態によるプロセス３００の概略図である。図３は、内燃機関１００が発電機３０５に結合されて、内燃機関１００によって生成された機械的動力を電力に変換し得ることを示す。電力は、酸化剤加熱器２２０、ガス加熱器２３５、または任意の他の目的に電力を供給するために使用され得る。
【００３２】
図４は、例えば、シンガスを製造するための化学反応器として内燃機関１００を利用し得る、様々な実施形態によるプロセス４００の概略図である。プロセス４００では、シンガス中の残留熱を利用して、酸化剤および燃料を加熱することができる。酸化剤加熱器２２０および燃料加熱器２３５は、シンガスから酸化剤および燃料流に熱を伝達するために熱交換器を含むことができる。熱交換器は、シェルとチューブ、プレートとシェル、プレートフィンなど、当技術分野で知られている任意のタイプでよく、例えば、平行流、向流、または直交流構成で動作することができる。
【００３３】
燃料リッチな条件下で作動する内燃機関１００は、デトネーションまたはノッキングとして知られる異常燃焼の影響を受けやすい場合がある。ノッキングは、チャージのポケットが火花によって生成された火炎前面の外側で点火したときに発生し、シリンダ１０５内の圧力を設計限界を超えて上昇させる可能性がある。この圧力の増加は、ピストン１１５またはヘッド１３０の穴を引き裂く可能性があり、内燃機関１００の壊滅的な故障につながる。
【００３４】
様々な実施形態は、内燃機関１００を始動して燃料リッチ状態での動作に到達し、その後、ノッキングなし（または最小）で定常状態下で動作する方法を含む。図５は、内燃機関１００を始動して燃料リッチな状態での運転に到達するための方法５００の様々な実施形態の一般的なフローチャートを示す。内燃機関１００は、ステップ５０５で初期燃料空気当量比を有する供給ガスを使用して始動することができる。ステップ５１０で燃料空気当量比を漸増させて、燃料リッチな供給ガスを生成することができる。ステップ５１５で、燃料空気当量比を増加させながら、エンジン速度を約１０００〜２０００ＲＰＭに維持し、排気ガスの温度を約９００℃未満に維持しながら、以下の１つ以上を調整することができる：スロットル２１０、点火タイミング、内燃機関１００に結合された負荷、燃料圧力、供給ガスに作用する過給機２１５への電力、および供給ガスに作用する予熱器２２０、２３５への電力。
【００３５】
内燃機関１００を始動する前に、燃料圧力が通常は周囲圧力より低い値であり、スロットル２１０が所定の値、通常は５０％未満に部分的に開かれ、点火タイミングが第１の所定値に設定され、負荷が内燃機関１００に結合されるように、初期動作条件を設定することができる。様々な実施形態において、点火タイミングは、点火プラグ１５５によっていつ火花が発生するかを決定し、ピストン１１５がＴＤＣにあるときのクランクシャフト１２０の回転位置に対して測定される。一般に、点火タイミングは、ピストン１１５がＴＤＣに到達する前に火花を生成するように進められてもよい。点火タイミングを進めることにより、チャージの燃焼（または所望の量の部分燃焼）を、ピストン１１５がＴＤＣに到達する点の近くで完了することができる。点火タイミングは、通常、ピストン１１５がＴＤＣに到達する前のクランクシャフト１２０の回転運動の角度、または単に上死点の前（ＢＴＤＣ）の角度として表される。様々な実施形態では、第１の所定の点火タイミング値は、約８度のＢＤＴＣ、または約５度〜約１５度のＢＤＴＣであってもよい。他の実施形態では、第１の所定の点火タイミング値は、最大約３０度のＢＤＴＣであってもよい。
【００３６】
内燃機関１００の始動を開始し、エンジンが始動するまで内燃機関１００が短時間回転するのを可能にした後、燃料圧力は、通常、周囲圧力近くまで増加して、内燃機関１００がそれ自体で稼働できるようにする。始動後、エンジン回転数を監視したほうがよい。点火タイミングは、エンジン速度を約１０００〜２０００ＲＰＭの間に維持するために負荷を追加しながら、第２の所定の値まで徐々に進めることができる。第２の所定の点火タイミング値は、約１６度ＢＴＤＣであってもよい。他の実施形態では、第２の所定の点火タイミング値は、約８度〜約２８度のＢＴＤＣ、好ましくは約１０度〜約２０度のＢＴＤＣの範囲とすることができる。
【００３７】
前述のように、過給機２１５は、特定の実施形態では、電気モータによって電力を供給され得る。このような実施形態では、過給機２１５に最初に電力を供給し、次に、約１０００〜２０００ＲＰＭの間にエンジン速度を維持するために、燃料圧力を段階的に増加させながら、出力を段階的に増加させることができる。様々な実施形態において、過給機２１５は、最初は最初の所定値、通常はエンジンを自然に吸引するのと同様の空気を供給する設定で電力供給され、最初の所定値と第２の所定値の間の約１０％〜１５％の増分で第２の所定値まで徐々に増加する。様々な実施形態では、より大きな増分を使用してもよいが、燃料圧力は約０．１インチＨ２Ｏだけ増分的に増加してもよい。
【００３８】
スロットル２１０は、約９０％開いた最終的なスロットル位置に到達するまで、１％〜１０％まで増加する増分を使用して、初期設定から徐々に増加させることができる。スロットル２１０を増加させる間、エンジン速度を約１０００〜２０００ＲＰＭに維持するために、燃料圧力を増加させることができる。燃料圧力を追加している間に内燃機関１００の性能が急速に低下する場合、燃料空気混合物がリッチすぎる可能性がある。この状況では、燃料圧力が低下し、負荷がエンジン速度の制御に使用される場合がある。排気ガスの温度も監視することができ、燃料圧力、スロットル２１０、およびエンジン負荷の１つ以上を変更することによって、９００℃未満に維持したほうがよい。
【００３９】
予熱器２２０、２３５は、最初に電力を供給されて、吸気ポート１４５に入る前にチャージの温度を予熱器２２０、２３５は約２００℃に維持することができる。次に、点火タイミングをさらにＢＴＤＣ進めることができる。当技術分野で知られているように、最適な点火タイミングおよび点火タイミングを進めるための特定のプロセスは、例えば、燃料条件（温度、圧力、汚染物質の存在など）、燃料噴射のタイミング、点火システムのタイプと状態、エンジン速度、エンジン負荷、使用するエンジンの具体的なタイプなど、多くの要因に依存する。過給機２１５への電力は、空気供給速度を増加させるために段階的に増加させることができる。過給機の出力が増加し、予熱器２２０、２３５が加熱すると、燃料圧力と負荷を調整することによって、エンジン速度を約１０００〜２０００ＲＰＭに維持できる。所望のエンジンスループットが達成されたら、過給機の出力増加を中止することができる。
【００４０】
予熱器２２０、２３５が約２００℃に達すると、予熱器の温度は、設定温度のオーバーシュートを回避するために、通常、設定の１５％以下の所定の増分で増加させることができる。当技術分野で知られているように、自動制御システムを使用すると、設定温度をオーバーシュートするリスクを増大させることなく、より大きな温度増分を可能にすることができる。燃料圧力は、予熱器の温度が上昇する間、エンジン速度を約１０００〜２０００ＲＰＭに維持するように調整できる。所望の燃料空気当量比が得られたら、予熱器温度のさらなる上昇を中止することができる。様々な実施形態では、所望の燃料空気当量比は、約１．６〜２．４であってよい。
【００４１】
予熱器温度を上げている間に内燃機関１００が突然安定性を失う場合、現在のマニホールド圧力での現在の燃料対空気比に対して、シリンダ１０５内の動作温度が高すぎる可能性がある。この状況では、安定性が回復するまで予熱器２２０、２３５への電力をオフにしてから、予熱器２２０、２３５への電力をオンにして、予熱器の温度と燃料圧力の上昇を再開することができる。
【００４２】
チャージに酸化剤を供給するために空気がしばしば使用されるが、濃縮空気（例えば、最大約３５体積パーセントＯ２）が様々な実施形態で使用されてもよい。濃縮空気を使用すると、エンジンのスループットが向上し、単位スループットあたりの下流コストが削減され、液体生成物の収集と触媒活性が向上する。また、ガス供給に加湿空気または蒸気添加を使用することができる。湿度を上げるか、または追加の蒸気を追加すると、シリンダ内の水蒸気濃度が増加し、上記式５で説明されているように、水蒸気改質反応によって水素の収量が増加する。
【００４３】
主要な燃料を説明するためにここではメタンが使用されているが、様々な実施形態では様々な炭化水素燃料組成物を使用することができる。多くの場合、システムの運用は、天然ガスパイプラインから取られるメタン、油井からの関連ガス、一般にフレアされる廃ガス流、バイオガス流、および他のそのようなガス状軽質炭化水素流を利用する。パイプライン天然ガスは主にメタンで構成されているが、１〜６％のエタンレベルと、微量の他の炭化水素、二酸化炭素、窒素、および他の分子がある。同様に、油井からの関連ガスは、高濃度のエタンと、通常プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサンなどの天然ガス液体と呼ばれるより高級の炭化水素を含む。いくつかの例では、残りの天然ガスがパイプラインのために収集され、利用され、またはフレアされる前に、天然ガス液体が収集される。シンガスを製造するためのエンジンの動作は、変換を維持し、すす生成を回避するように動作パラメータを調整することにより、天然ガス液体の除去の有無にかかわらず、この燃料で実行できる。エンジンの別の燃料流は、廃棄物または副産物としてのさまざまな化学、製造、または工業プロセスまたは貯蔵システムからのガス流であり得、そのような燃料はさまざまな軽質炭化水素を含み得る。これらの流れが（燃料濃度に応じて）十分に高い燃料濃度を有するか、そのような濃度を達成するように処理できる場合、これらは、これらの流れを利用するシンガス製造の潜在的な燃料源になると考えられる。さらに、エンジンを使用してシンガスを製造するための燃料として使用できるバイオガスの多くの供給源がある。本発明の目的のために、バイオガスは、主にメタンと二酸化炭素およびバイオガス分野で知られている他の微量成分を含むバイオマス材料の分解から生成されるガス流として定義される。バイオガスの源の例としては、埋立地、動物の排泄物を処理する場所、廃水処理プラントなどがある。バイオガスの使用では、エンジンを効率的に運転するために、燃料から二酸化炭素を（濃度に応じて）除去するために前処理が必要になる場合があるが、エンジンの運転には完全な除去は必要とされない。エンジンの動作は、一般的に二酸化炭素の存在に耐性がある。天然ガスの組成で説明したように、エタンは通常天然ガス流に含まれている。他の実施形態は、燃料として、または燃料として天然ガスと混合して、追加のエタンを使用することができる。燃料流への水素の添加はまた、いくつかの実施形態において、様々な燃料組成物に利益を提供し得る。この水素は、外部の供給源から入手する、またはエンジンの運転または下流プロセスからリサイクルすることができる。一実施形態は、エンジン排気ガスから選択的に除去された水素をリサイクルする、またはエンジン排気の一部をリサイクルすることである。
【００４４】
燃料リッチ状態に到達するための内燃機関１００の始動が達成されると（例えば、図５を参照して上述した方法を実施することなどによって）、図６は、燃料リッチな条件下で内燃機関１００を継続して動作させるための方法６００の様々な実施形態の別の一般的なフロー図を示している。ステップ６０５では、排気背圧、吸気マニホールド圧力、エンジン速度、点火タイミング、燃料ガス燃料空気当量比、および燃料ガス入口温度について、内燃機関１００の始動後、初期の一連の動作条件を維持することができる。燃料空気当量比を維持しながら予熱器への電力を増加させることによって、ステップ６１０で燃料ガス入口温度を増加させることができる。排気ガスのメタンと酸素の含有量（メタンは燃料中の炭化水素であると仮定）を監視できる。点火タイミングは、監視されたメタンおよび酸素含有量に応じて、ステップ６１５で調整することができる。
【００４５】
様々な実施形態において、初期動作排気背圧は、ほぼ周囲〜５ｂａｒ絶対圧であってもよく、初期動作吸気マニホールド圧力は、ほぼ周囲〜２ｂａｒ絶対圧であってもよく、初期動作エンジン速度は、約１０００〜２０００ＲＰＭであってもよく、初期動作点火タイミングは約２５〜３５度ＢＴＤＣであってもよく、初期動作燃料空気当量比は約１．６〜２．４であってもよく、初期燃料ガス温度は約２００〜２７０℃であってもよい。図７は、１〜２の燃料空気当量比に対するおおよその燃料ガス温度範囲を示す。
【００４６】
様々な実施形態では、監視されたメタンおよび酸素に応じて点火タイミングを調整することは、メタンおよび酸素スリップ（すなわち、内燃機関１００を通過する未反応のメタンおよび酸素）を監視することを含む。排気ガス中のメタン含有量または排気ガス中の酸素含有量が許容レベルを超える場合、スリップを低減するために点火タイミングを早めることができる。点火タイミングを進めながら排気ガス温度を監視することによって、排気ガス温度を図７に示す範囲内に維持することができる。様々な実施形態では、内燃機関１００のすべてのシリンダ１０５の点火タイミングを等しく進めるのではなく、点火タイミングをシリンダ１０５ごとに個別に調整して、各個々のシリンダ１０５の排気ガスの温度の変動が約７５℃の範囲内になるようにすることができる。
【００４７】
本質的に定常状態の動作条件下で、図８は、所定の燃料空気当量比についての排気ガス中のＨ２対ＣＯの予想比を示している。したがって、内燃機関１００は、下流のプロセスに必要な場合に、所望のＨ２対ＣＯ比を生成するように調整されてもよい。図９は、所定の燃料空気当量比に対する内燃機関１００の燃料としての天然ガスの分別変換を示す。様々な実施形態によれば、図８を使用して、所望のＨ２対ＣＯ比を生成するのに必要な燃料空気当量比を決定することができ、次に図９を使用して、選択された燃料空気当量比で発生する可能性がある燃料の予想される分別変換を決定することができる。
【実施例】
【００４８】
エンジンシステムは、ローカルユーティリティ天然ガスパイプラインから供給された天然ガスでシンガスを製造するように構成した。商業的に入手可能な８シリンダ、８．８Ｌの火花点火エンジンは、リッチ操作でシンガスを製造するシステムに構成した。周囲の環境から空気を取り入れ、過給機を使用して、圧力を約２ｂａｒの吸気マニホールド圧力にブーストした。天然ガスは、パイプライン天然ガスの通常の米国仕様を満たすユーティリティパイプラインから供給した。記載した実行期間全体の典型的な組成は、９５体積％のメタン（ＣＨ４）、４体積％のエタン（Ｃ２Ｈ６）、１体積％の二酸化炭素（ＣＯ２）および測定されていない微量成分であった。混合する前に、空気と天然ガスの混合物を２００℃を超えて加熱した。混合フィードは、吸気マニホールドを通してエンジンシリンダに供給した。火花点火を利用して、フィードをシリンダ内でシンガスに変換した。エンジンは１５００ＲＰＭの速度で運転し、排気ガス温度は９００℃未満に維持した。製造したシンガスは排気マニホールドを通して収集し、下流の圧力調整を使用して４〜５ｂａｒの圧力に維持した。
【００４９】
表１は、本開示による内燃機関１００の動作によるこの実施例からのシンガス組成（４回の実行の平均）を示す。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
上記の実施例は、例示のみを目的としており、本発明を実施例で使用されるプロセスに限定するものではない。
【００５２】
一般に、「通信する」および「・・・連通」などの用語（例えば、第１の構成要素が第２の構成要素「と通信する」または「と連通している」）は、本明細書では、２以上の構成要素または要素間の構造的、機能的、機械的、電気的、信号的、光学的、磁気的、電磁気的、イオン的または流体的関係を示す。したがって、１つの構成要素が第２の構成要素と通信するという事実は、追加の構成要素が第１および第２の構成要素の間に存在し、および／または動作可能に関連または係合する可能性を排除することを意図しない。
【００５３】
本発明の様々な態様または詳細は、本発明の範囲から逸脱することなく変更され得ることが理解されよう。さらに、前述の説明は、例示のみを目的とするものであり、限定を目的とするものではなく、本発明は、特許請求の範囲によって規定される。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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