JPH0211736B2

JPH0211736B2 -

Info

Publication number: JPH0211736B2
Application number: JP56094370A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Tsuruga
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-06-17
Filing date: 1981-06-17
Publication date: 1990-03-15
Also published as: JPS57210153A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、排気ガスの熱を利用して燃料をガス
化し、ガス化した燃料を吸入空気とは独立の経路
によつて燃焼室に導入する、内燃機関の燃料供給
方法に関する。

以下、本明細書においては、「ガス化燃料」と
は、一部または全部を気化させた燃料、もしくは
その一部または全部を化学反応によつて組成の異
なる改質ガスにした燃料を言う。

内燃機関では、原理的に、燃料が燃焼して発生
する熱エネルギーの数十パーセントが排気ガスの
熱として捨てられてしまう。この排気ガスの熱を
何らかの方法で回収し、機関の出力に加えること
ができれば、機関の熱効率は向上する。

従来から、排気ガスの熱の回収方法の１つとし
て、排気ガスの熱によつて燃料を気化させて、燃
料の気化潜熱に相当する熱量を排気ガスから回収
する方法がある。さらに改質触媒を作用させて、
たとえば燃料がメタノールの場合には、 CH₄O→CO＋2H₂ のような吸熱反応によつて、もとの燃料より発熱
量の大きい組成の改質ガス燃料にして、排気ガス
の熱を回収する方法もある。このような方法で排
気ガスの熱を回収すれば、燃料の気化熱、あるい
は吸熱反応に伴つて吸収した熱に応じて機関の熱
効率は向上する。

ところがこのように燃料がガス化されると、そ
の体積は液体のときよりも増加するために、これ
を従来のように吸入空気といつしよに燃焼室に吸
入しようとすると、機関の吸入できる空気量が減
少してしまい、熱効率は向上しても、機関の出力
は増加しなかつたり、ときには減少したりする。

本発明は、吸気時には空気のみを吸入し、ガス
化燃料を空気の通路とは異なる経路によつて直接
に燃焼室内に導入することによつて、前述のよう
な吸入空気量の減少を防ぎ、もつて出力低下を防
止することを消極的な目的とする。

本発明の積極的な目的は、特許請求の範囲第１
項に記載したごとく、ガス化燃料を燃焼室内に直
接導入するのに、その導入時期を、主として圧縮
行程の後半とすることによつて、機関の出力と熱
効率をともに向上させることである。

本発明の原理を図面を参照しながら説明する。

第１図は、燃料ガス化による吸入空気量減少
と、本発明の消極的な目的である、その防止効果
の説明図であつて、Ａは機関が吸入できる気体の
体積を表している。Ｂは空気といつしよに液体燃
料を吸入する場合、Ｃは空気といつしよにガス化
燃料を吸入する場合、Ｄは空気のみを吸入してか
ら、ガス化燃料を直接燃焼室内に導入する場合を
示しており、白地部分は空気の占める体積を、斜
線部分は燃料の占める体積を示している。D′は
Ｄの場合の、ガス化燃料導入後の燃焼室内での空
気とガス化燃料が占める体積を示す。

Ｂの場合、液体燃料の体積は空気の体積に比較
して極くわずかであるので、燃料を空気といつし
よに吸入することによる吸入空気量減少は無視し
うる程度である。Ｃの場合、ガス化燃料の体積は
吸入空気の体積の数パーセントから数十パーセン
トに及ぶので、空気といつしよに燃料を吸入する
ことによる吸入空気量の減少は大きく、したがつ
て機関の出力は低下することがある。とくに前述
のメタノール改質ガス化燃料の場合、燃料の分子
数が増加するので、それを空気といつしよに吸入
することによる吸入空気量の減少は激しく、した
がつて出力の低下も著しい。Ｄの場合、すなわち
本発明による燃料供給方法では、空気だけを吸入
するので、ガス化燃料による吸入空気量減少を生
じない。

第２図は、本発明の積極的な目的を説明する、
模式化したサイクル線図で、横軸は機関の燃焼室
内容積を、縦軸は燃焼室内の空気または空気と燃
料の混合気体または燃焼ガスの圧力を示す。実線
の閉曲線EFGHEは通常のサイクルすなわち燃料
を空気といつしよに吸入するサイクルであり、
EFは圧縮行程、FGは燃焼による圧力上昇、GH
は膨張行程、HEはブローダウンによる圧力降下
を示す。破線の閉曲線EJKLMNEは本発明によ
るサイクルである。

本発明によるサイクルでは、空気のみを圧縮し
（Ｅ→Ｊ）、圧縮行程の途中で、ガス化燃料を燃焼
室内の空気より高い圧力で燃焼室内に直接導入す
る。そうすると燃焼室内の気体の量が増加するた
めに、その圧力は上昇する（Ｊ→Ｋ）。さらに空
気とガス化燃料の混合気を上死点まで圧縮（Ｋ→
Ｌ）したのちに燃焼させる。燃焼前の圧力（Ｌ）
が通常のサイクルの燃焼前の圧力Ｆより高いの
で、燃焼後の圧力Ｍは通常のサイクルの燃焼後の
圧力Ｇより高くなる。

サイクル仕事は、通常のサイクルでは閉曲線
EFGHEの面積に相当し、本発明のサイクルでは
閉曲線EJKLMNEの面積に相当する。本発明の
サイクルでは通常のサイクルに比較して、膨張仕
事の増加（閉曲線HGMNHの面積に相当）から
圧縮仕事の増加（閉曲線JFLKJの面積に相当）
を差し引いた量だけサイクル仕事が増加し、した
がつて機関の出力は増加する。また、圧縮仕事の
増加量を小さくするためには、ガス化燃料を燃焼
室内に導入する時期（第２図のＪ）はできるだけ
圧縮行程の最後（同図のＦ）に近くするのが望ま
しい。これが特許請求の範囲第１項に記載した内
容の主旨である。

燃料に水を加えておいてガス化すると、ガス化
燃料の全体積が増加するので、ガス化燃料を燃焼
室内に導入したときの圧力（第２図のＫ）が高く
なり、よつて圧縮後の圧力（同図Ｌ）および燃焼
後の圧力（同図Ｍ）が高くなる。したがつて、燃
料に水を加えてガス化することによつて、本発明
のサイクル仕事は、より大きくなる。これが特許
請求の範囲第２項または第３項に記載の内容の主
旨である。

なお第２図は模式的なサイクル線図であるの
で、ガス化燃料導入に要する時間を無視している
（Ｊ→Ｋが垂直）が、実際の機関においては燃料
の導入に有限の時間を要するので、燃料導入の開
始時期は圧縮行程の前半もしくは圧縮行程の始ま
る前でもよく、燃料導入の完了時期は膨張行程が
始まつてからになつてもよい。

ガス化燃料を燃焼室内に導入するには、それよ
り先に燃焼室内に存在する空気より高い圧力でガ
ス化燃料を押し込む必要があり、ガス化燃料を高
圧にしておく必要がある。燃料をガス化してから
高圧に圧縮しようとすると多量のエネルギーを必
要とする。ところが本発明では、後出の実施例の
説明で述べるように、燃料が液体のうちにポンプ
または圧さく空気等で圧力を加えておき、圧力の
加わつた状態で排気ガスの熱によつて燃料をガス
化するので、高圧のガス化燃料を得るためのエネ
ルギーの大部分は排気ガスの熱から供給されるの
で、ポンプ等から与えなければならないエネルギ
ーは、液体燃料を圧送するに要するエネルギーだ
けであつて、本発明によるサイクル仕事の増加量
に比較すれば、無視しうる程度にわずかである。

圧力の加わつた状態で液体燃料をガス化させる
には、その圧力よりも燃料の蒸気圧が高くなる温
度にまで加熱しなければならない。燃料がメタノ
ールの場合について、温度と蒸気圧との関係を示
すのが第３図である。たとえば圧力10Kg／cm²のも
とでメタノールを気化させてガス化燃料にするに
は、点Ｐで示されるように約140℃まで加熱すれ
ばよく、この温度は排気ガスの熱によつて容易に
加熱できる温度である。

触媒の作用と排気ガスの熱によつて燃料に吸熱
反応を生じさせると、燃料はより発熱量の大きな
組成の改質ガス燃料となり、したがつて機関の熱
効率を向上させることができる。たとえば燃料が
メタノールの場合、 CH₄O→CO＋2H₂ なる吸熱反応により、その発熱量は反応前より約
20パーセント増加する。ところが、このような分
解反応をすると、燃料ガスの分子数が増加するた
めにその体積が増加し、ガス化燃料を空気といつ
しよに吸入するための吸入空気量減少が一層はな
はだしくなる。それゆえ、ガス化燃料を燃焼室内
に直接導入するという本発明の方法は、燃料を吸
熱分解反応によつて改質ガス化して機関の熱効率
を向上させようとする場合において、一層その効
果を発揮する。これが特許請求の範囲第４項記載
の内容の主旨である。

高圧のもとで燃料を分解反応させるには高い温
度が必要になる。第４図はメタノールの98パーセ
ントが前述の分解反応によつてCOとH₂に改質さ
れる温度と圧力との平衡関係を示す図であるが、
たとえば圧力が10Kg／cm²の場合で約290℃であつ
て、排気ガスの熱による加熱で十分に到達しうる
温度である。

またメタノールのように自己着火温度の高い燃
料は、圧縮点火機関に使用するのは困難である
が、 2CH₄O→CH₃OCH₃＋H₂O のような反応によつて自己着火温度の低い組成の
燃料に改質することにより、メタノールを圧縮点
火機関の燃料として使用できるようになる。特許
請求の範囲第４項記載の内容は、この目的も含ん
でいる。

本発明の具体的な実施方法を、４サイクル往復
動機関に実施した場合を例にして、第５図を参照
しながら説明する。

イ機関１の燃焼室壁の一部に、ガス化燃料導入
孔３を設け、そのガス化燃料導入孔３の燃焼室
２への開口部に、ガス化燃料導入弁４を設け
る。

ロ排気ガス通路６の途中に、排気ガスと燃料と
が熱交換壁７で隔てられ、かつ熱交換壁７を介
して排気ガスの熱が燃料に伝えられる、燃料ガ
ス化装置８を設ける。

ハ燃料ガス化装置８の燃料入口に、燃料ポンプ
９によつて液体燃料を圧送し、ガス化された燃
料をガス化燃料導管５によつてガス化燃料導入
孔３に導く。

ニガス化燃料導入弁４を、カム、油圧、電磁力
等によつて、機関１の回転速度、負荷、ガス化
燃料の圧力等に応じた適当な時期に適当な時間
だけ開くように駆動する。

特許請求の範囲第３項の場合は、液体燃料を燃
料ガス化装置８に供給する経路の途中で水を燃料
に混入させる。

特許請求の範囲第４項の場合は、燃料ガス化装
置８の燃料通路中に触媒を充てんするか、または
熱交換壁７の燃料通路側の面に触媒を担持させる
か、もしくは熱交換壁７自体を触媒で作る。ある
いはそのような燃料改質装置と、それとは別の単
に燃料を気化させるだけの装置を直列に接続して
もよい。

燃焼ガスから燃焼室壁に伝達される熱を、燃料
の予熱に利用し、あるいはガス化の補助熱源とし
て利用することも可能である。

第５図の実施例では、機関１が往復動４サイク
ル機関の場合について示したが、２サイクル機関
にも、ロータリー機関にも、本発明は全く同様に
実施できる。

ガス化燃料導入弁４は、第５図ではきのこ弁の
場合を示したが、ロータリー弁、スリーブ弁等、
他の形式の弁でも全く同様の作用を果たす。

副室式燃焼室を持つ機関の場合には、ガス化燃
料導入孔３の燃焼室２への開口部は、主室として
も副室としてもよい。

ガス化燃料導入孔３の開口部と点火プラグとを
近接して設けることによつて、成層燃焼を具現す
ることも可能である。

ガス化燃料導管５の途中に、リザーバタンクを
設ければ、ガス化燃料の燃焼室への導入を安定化
することができる。特許請求の範囲第４項の場
合、このリザーバタンクと燃料ガス化装置８との
中間、またはリザーバタンクの入口、もしくは燃
料ガス化装置８のガス化燃料出口に逆止弁を設け
て、リザーバタンク内に改質ガス化燃料を貯留し
ておけば、機関の始動時にも改質ガス化燃料によ
る運転が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の吸入空気量減少防止効果を示
す説明図。第２図は本発明による出力と熱効率の
向上の原理を示す模式的なサイクル線図。第３図
はメタノールの温度―蒸気圧線図。第４図はメタ
ノールの98パーセント分解温度―圧力平衡線図。
第５図は本発明の往復動４サイクル機関における
実施例。閉曲線EFGHE：通常のサイクル、閉曲線
EJKLMNE：本発明によるサイクル、１：機関、
２：燃焼室、３：ガス化燃料導入孔、４：ガス化
燃料導入弁、５：ガス化燃料導管、６：排気ガス
通路、７：熱交換壁、８：燃料ガス化装置、９：
燃料ポンプ。

Claims

【特許請求の範囲】１液体燃料の全部または一部を排気ガスの熱に
よつてガス化する燃料ガス化装置を有し、全部ま
たは一部がガス化された燃料を吸入空気通路とは
独立した経路によつて直接に燃焼室内に導入する
内燃機関のガス化燃料供給方法において、前記燃
料ガス化装置に液体燃料を圧送する手段を備え、
該手段により全部または一部がガス化された燃料
が前記燃焼室内に導入される時期を圧縮行程の後
半としたことを特徴とする内燃機関のガス化燃料
供給方法。２前記液体燃料はあらかじめ加水したことを特
徴とする、特許請求の範囲第１項記載の内燃機関
のガス化燃料供給方法。３前記液体燃料はガス化する前に加水したこと
を特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の内燃
機関のガス化燃料供給方法。４前記液体燃料もしくは前記全部または一部が
ガス化された燃料に触媒を作用させて、その一部
または全部に化学反応を生ぜしめてその組成をも
との燃料の組成とは異なつたものとすることを特
徴とする、特許請求の範囲第１項ないし第３項の
いずれかの項記載の内燃機関のガス化燃料供給方
法。