JPS5923031A - 酸性触媒燃焼方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明し１−１内燃機関の燃焼領域での炭化水素・燃料
の・県焼に関し、特に炭化水素燃料分子をクラッキング
１．て咀に揮発性の高い炭化水素燃料を造り出すために
倣焼領域内に触媒を設置するととに関する 発熱燃焼を触媒的に藉持する方法は、１９７５年６月１
１日付発行の米国特許第３，８７０，４５５　号明細鮮
に開示さ１１ており、この場合白金族金属を含む触々ν
、活性物質は、アルミナ、稀土類金属酸化物、同期律表
４Ｂ族金属および６　Ｂ族金属から選定された金属の酸
化物、寸だＱまこれらの混合物を含む小片ないし複合物
上に沈積され、火熱エネルギーを放出させるために空気
と混合した炭化水素燃１を触媒と接触する様にされてい
る。この触媒は、炭素含有燃料の燃焼によって生じる排
ガス中にしげしげ見られる物質の酸化を促進するのに特
に有用である。この既知の特許は、炭化水素燃料を触媒
と接触することによって発熱燃焼を触媒的に改良する試
みではあるが、この特許は、触媒を内燃機関、特に自動
車重体上に取付けられた内燃機関の燃焼領域内に喉込み
イｌる触媒の有効な設置方法を特別には開示していない
。直に、この特許が開示している触媒は、炭化水素燃料
分子の酸化を促進するだめのものであり、炭素−炭素結
合を切断することによって炭化水素ｖＡ１４分子のクラ
ッキングを目的と１．て、生じた小分子（’ｉＭ−リμ
；料分子の更に効、Ｉζ的な酸化を可能とすることを第
一義として使用する本発明の酸触１ｌｌ１１．の使用と
しｌ非常に相違している、更に、本発明は、内燃機関の
構造を変えること力く内燃機関の燃焼領域内に触媒を取
込斗せ得る方法を提供する。

本発明によれば、内燃機関の燃焼領域はその中に触媒を
含む様に処理されるが、この触媒は、炭化水素燃料との
接触によって比較的大きい炭化水素分子の炭素−炭素結
合をクランキング、即ち破断して燃焼室内の燃料の燃焼
の直前に、より揮発性の燃料を作るものである　燃料の
高炭化水素分子のクラッキングは、発生した軽燃料分子
の炭素原子と水素原子の良好な酸化を可能とし、よυ完
全な燃焼と燃料の発熱エネルギーの抽出をもたらすと共
に、排気ガスが事実上炭化水素を含まない様な叱較的清
浄な排気を生じる１、 触媒は、炭化水素燃料分子が燃焼の直前に触媒に接触す
る様に、内燃機関の燃焼領域内に固形の形状で設置行さ
れる。このことは、内燃機関の運動部品間の金属と金属
の接触による機１成約磨耗作用を受けない燃焼領域の基
体表明に、固形触媒の薄層叩ち゛フーティングを形成す
ることによって達成される。触媒は固形の形状でシリン
ダヘッドの内面、スパーク発生点を除くシリンダの内部
に露出する点火栓の表面お工びピストンの頂（ｎｌに設
置し得る。固形触媒は、との様な表面上に触媒を定位置
に保持するだめに固化する溶融金属またはプ１ラスによ
′つて、所望の表面に結合された粒子のＪ杉で１イ＋Ｈ
される、 大形炭化水素燃料分子をクラッキングするのに有用な固
形触媒は酸性酸化金属混合物から成り、この混合物の一
部はキャリアを有し、該キーヤ１）アはその中にキャリ
アよりも陰性度の小さい金属原子を含む金属酸化物が取
り込壕れ、水素イオンを取入れて１１１炭化水素燃料分
イをクラッキングするのに必要な触媒活性を作る酸化金
属混合物を作っている。固形酸性触媒内で有用なキャリ
アは、シリカ、アルミナおよび例えばＺ　ｊＷ化ジルコ
ニウムならびにｆ４を化クロムの様な周Ｗ１律表の４１
３　ｈ￥および６Ｂ族金属の酸化物が含まれる８水素イ
オンを受入れる酸化金属混合物を作るためにキャリアに
添加し得る金属酸化物＋ｄ　、酸化アルミニウム、酸化
マグネシウムおよび例えばフバルトならびにチタンの２
酸化物の様な周朋律表の６Ｂ族および８族金屈酸化物で
ある。金属酸化物（，１，キャリア内に市η℃比で約１
０ないし約６０チの範囲の階で添加されるが、添加金属
酸化物の約２５％は比較的大きな空隙容積を有する。

従りて、本発明の目的は、内燃機関の燃焼領域内で炭化
水素燃料の燃焼を促進−」ることである、上述の目的に
従って、本発明の別の目的は、燃焼領域内で燃焼を生じ
る直前に炭化水素燃料分子を触媒的にクラッキングを行
って容易に酸化する燃料を作ることである。

本発明の別の目的シシ、燃焼領域内に固形触媒を設けろ
ことにより、燃焼の直前に内燃機関の燃焼領域内で比較
的大きい燃料分子を触媒的にクラッキングすることであ
る。

本発明の更に別の目的は、比較的大きな燃料分子のクラ
ッキングのために燃焼領域の燃料接触表面を被覆によっ
て内燃機関の燃焼領域内に固形酸性触媒を取込むことで
ある。

本発明は、内ＰＩＩ関の燃焼領域内に触媒剤を取込むと
とかも成るが、この場合触媒は、炭化水素燃料と接触す
るととにより、比較的大べな炭化水素分子を燃焼直前に
Ｃ−Ｃ結合を破断して軽重分子にクラッキングできるも
のである。触媒の作用で生じた軽歇炭化水素燃料分子目
、燃焼中により容易に酸化される。より完全な燃焼は、
より大きｉ燃料エネルギーをもたらすと共に、触Ｗなし
の燃焼にＩｔ較して排気中の炭化水素を非常に減少する
。触婢。、即ち酸性無機金属酸化物は、内燃機（男の燃
焼領域の燃料接触面上に被覆物として設置される１、し
１を参照すると、シリンダ１０には、その内壁１２上に
７リンダヘツドにそって接触によって比較的大きな炭化
水素燃料分子をクランキングするのに有用な固形酸性触
媒の神覆１４が設けられてい机、同様に、ピストン１６
にはその頂ｍ１に触Ｏ＃被覆１８が設けられている１、
好ましくは、不発明の固形触媒は、金属−Ｌに金属が接
触して生じる機械的な磨耗作用を受けない燃焼領域の表
面上に層状に設ける　・燃焼領域内のその他の炭化水素
□燃料接触面も点火栓２０を含んで本発明の触媒剤で処
理してもよく、この点火栓２０には、シリンダ１０の内
ｉ／＋ｉ内の燃焼領域に露出する点火栓上の表面Ｃ（固
形触媒の被世２２を設ｉ１ろ。点火栓２０を固形触媒で
処）４１１する用台、スパーク発生電極２４と２６に（
ｄ固形触媒を塗付しない祥にすべきであル、　固＋１’
６　Ｍｙｋ　／＃、ｌｄ１、触媒粒イカＦ５：　’；ｉ
材から突出してその畳面の大部分が然１，１．７領域に
露出したま捷になる様に、基体表面に触媒粒子を保持す
る可融ガラストた１ｄ余属の様な接着材ｐ４よって燃焼
領域内の所ｑ１の基体表面上に粒状の形で施す、。

不発明において使用する触媒は、燃焼中に完全に酸化す
ることのできる燃料分子に、比較的大きい炭化水素分子
を変化させる様に炭化水宋の炭素−炭素結合を破断する
ことが可能でなければなら々い１．有用な触媒は、弱酸
性の固形無機金属酸化物を沈む。これらの弱酸性固形触
媒は、シリカ。

アルミナおよびジルコニウムおよびクロムの杵な周期律
表４Ｂ族および６　Ｂ族金屈牛たはその混合物の酸化物
の様なキャリアを有する。キャリアには、アルミニウム
、マグネ−／ウム、チタン°またはコバルトの様な周期
律表６　Ｂ族および８族金属を含む金属酸化物を添加す
る。触媒の酸性は、金属酸化物の低陰性原子のキャリア
への添加に支って陰性格子荷覗と結合することとなる水
素イメー／の（νり着を可能ならしめることによって牛
しろ。炭化水素燃料分子のクラッキングに有用な酸性旧
情触媒を生じる特別のキャリアと酸化金属混合物の例は
、コバルト、マグネシラ！・寸たはチタンの酸化物のど
れかを添加した酸化アルミニウムキーＹ　ＩＪア酸化ア
ルミニウムを添加した２酸化硅素および２酸化ジルコニ
ウム、べ／トナイトの様な粘土を含む酸付活アルミナー
シリカを含んでいる。添加金属酸化物は、キャリア酸化
物中に触媒の車！ｔに対して約１０％ないし約ろ０％の
範囲の財を導入し、取戻化水素燃料分子の炭素−炭素、
Ｉ、１７合を有効に触媒破断をするために充分な空隙容
積と表面績が必要とされよう。

以下の記載例ｕ本発明の原理を例示するん、１／）に作
成したもので、本発明を不当に限定するために作成し、
たものではない。炭化水素分子のクラ・ソキングを触媒
するであろう＄数の酸性無機金属酸化物混合物があるべ
きξとけ当然理解すべきである。

本発明１ｒｌ１、触媒による炭化水素分子のクラッキン
グが内燃機関の燃焼領域内で発生させ得る方法を示すも
ので、ヒ述しあるいは以下の例示で示す特定の無機金属
酸化物触媒に限定するものではない。

例　　１゜ 本例は、本発明に使用するシリカーアＪレミナ酸付活触
媒の形成について１４くべる。

最初、シリカヒドロゲルを形成し、これに酸化アルミニ
ウムを添加１７てアルミナーンリカヒドロゲルを形成す
る１、これ目、硅酸ナトリウムの稀薄溶液に例えば塩酸
の様な酸を組合わせて硅酸（水利シリカ）を作ることに
よって行なわれる。このシリカヒドロゲルに２５％硫酸
アルミニウム溶液を加えて、シリカ格子にア７１ベニウ
ムイオンを’ｆｆ、入する１、水酸化アン（−ニウム水
溶液を添加することにより加水分解を行ってアルミナー
ンリカヒドロゲルを形成し、フィルタとヒドロゲル１ボ
ンド（約４５４ｇ）当り約８ガロン（約３６．３７４）
の高純度の水を使用［７−Ｃ水溶性塩類を洗浄除去する
。

ついで沖過形成したケーキを水でスラリ化し７、とれに
酸化アルミニウムと酸化鉛の様な金属フラックスを添加
して重駄比で５６チのアルミナ−シリカと、２チのアル
ミナ及び４５チの酸化鉛をさむ混合物にする７、この混
合物から水分を除去し、次いで２４０℃で乾燥して四に
約８１０℃のキルンで溶融する８溶融群合物は、次いで
ボールミルで、或いは冷水クエンチングで破砕して≠６
０タイラースクリーンを通過しない粒子を作る。

触媒物質を受入れるべき金属表面は、すべてのごみと油
脂を除去し、錆およびスケールを除去］〜て金属を軽く
エツチングする通常の酸類を表面に与えて酸処理し、触
媒混合物の接着が可能な表面を作る１、９ノ係ないし９
５チのアルミニウムと６チないし５チの鋼の様なアルミ
ニウム合金製接着用金属が、アルミニウム基体が使用、
ｔ　、ｌ］ているときに触稈を４５ｇ着するのに使用し
得る、基体の融点が高いとき＆、１．６７　％銅とろろ
チ亜鉛の銅合金が基板に触媒を接着するのに使用し得る
１、１ｘ着（」は−ヰた′Ｐｌ細粉末の形で％ｉｉさ）
１５、粉末の温度を上げて接着祠が溶融状態で！ｉＶ”
　ｉｆ！“１”される様にする。ついで固形酸性触媒粒
子を溶（４ｏｐ接９／Ｑ　ｔＡ中にＩＦ接、即設する　
隣Ｍ柑刺１７）でき−）す）９さは２０ないし３０ミル
（〔土５２ないｌ、　ｆ−１，７６ｖａｎ　）とずべき
である。冷却中に粉末角虫Ｉ）、ｌ／、（ｒ↓をにヰ面
に固デ（１六１１、触媒粒子表面の大部分がｔ゛に出式
ｌ］で柑い→ノンドペーハ状の外針１をイイするＪｌ（
２体ができる。

接ノー１川金属と触媒粒子とを受入わる接体１ｌ−ｅ、
燃焼宇椿でも塗付用へヒで、次いで金属スクリューその
仙、の１１（１，何部Ｈで４１．）４　□胤完の金属面
上に取付けらねる薄い金属板でも、しい、 例　　２゜ ベントナイトの酸付活け、アルミラーシリ：７７　触媒
混合物を得る別の方法である５、ベント−Ｊイトけ、高
温の硫酸で処３４１！−Ｊ−るＪ−必要とする酸性アル
ミナ−シリカ混合物とたる　ベントナイト粘土を才ず粉
末状に粉砕し、次いで粘土１ボンド（４５１）当り約４
オンス（１１３ｇ）の硫酸と混和すると、これが粘土と
反応して粘土から約８０チのアルミニウムを除去する。

粘土は１ボンド（４５４ｇ）当り８ガロン（３６，３７
ｚ）の純水で洗い、乾燥した−に約４５ｑ６の酸化鉛フ
ラックスと混合する。

この触媒混合物ｒ」、次いで乾燥の−Ｌ例１と同様にし
て粒子に形成する、 例１および例２によって形成した酸性触媒の触媒活性度
の増大１ｚｔ　、例えば触媒１ボンド（４５４ｇ）当り
［，１，０２オンス（［Ｊ、５７．９）の硝酸の様な酸
性浴を施し、接着材に加える前に充分に水洗いすること
によって成し得る。

例　　６ 第６の方法ｔ、１、酸化“ｒルミニウノ、にｔ′Ｐ化コ
バルト、窒化マグネシウムあるいは２酸化チタ／のどれ
かを混合することから成る。これらの′吻質Ｑ、１、ア
ルミナ粉末の形で混合物の型組の約２５係のｍ。

を添加する。混合物は次いで２１００℃で溶融して溶融
混合物を≠４０り・イラースクリーンを通過するが’ｔ
　＋６ｏタイラースクリーンけ１１ｆ）過Ｌ２ない寸法
範囲の粒子に粉砕する。この粒子ｉ：ｔ−＋−述した方
法で金ＩＴ＜表面に容易にＩ妾着可能で・（５ろ、同様
に、この触媒混合物Ｖ：１．２０チの酸化鉛と、１２係
の酸仕カル／ウムと、４チのカリウムナトリウム酸化物
と、７チのｒ１俊化アルミニウムと、５７チの石英とか
ら成るガラス１好着材と一緒に使用することができる。

この混合物は、キルン内で約１１００℃で溶融１，２て
次いで粉砕の一ヒト述の要領で使用する。

内燃（再開の燃（：Ｃ，ξ室の内面に固形酸性触媒を取
イ；］Ｇ→ることによって、炭化水素燃料は揮発性の篩
い燃料１に破断することができ、燃料の更に完全な燃焼
を生じる。１１′１較的大きな燃料分子、例えばガソリ
ン寸たはディーゼル燃料に含まれる様なものは、酸性触
媒に接触すると軽い燃＊１、例えばブタン、プロパンお
上びｒｒｉ似のアルカンに破断づれ、これらは燃焼温度
で完全に酸化することができる。より完全な酸化は、単
位体積尚υ多喰のエネルギーを発生１−１更に殆んど０
０２と水から成り小量の酸素を含有する炭化水素が比較
的すくない排気を生じる。酸性触＃１．４が炭素の沈着
によって不活化しない様にするために燃料に小計の水を
加える必要があろう。

【図面の簡単な説明】

図は燃焼領域の燃Ｎ接触面上に位１ｆｉする固形酸性触
媒の設置づを示す内燃機関内の単１シリンダの断面図で
ある。 １０・・・シリンダ、１２・・・シリンダ内壁、１４゜
１８．２２・・・触媒被覆、１６・・・ピストン、２０
・・・点火栓、２４．２６・・・スパーク発生電極１、
代理人　弁理士　　木　村　三　朗

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　燃焼室内で気化惨刺を圧縮する装置と前記燃
   料の点火および燃焼を開始させる点火装置とを有する内
   燃機関の閉止燃焼室に前記燃焼室の内壁面に・燃料の炭
   化水素分子のクラッキングを可能とする触媒を塗料する
   方法において、ｉ’ｉｆｌ記内壁面の耐刷１点よりも低
   い溶融９点を有する。吸着Ｍを該内壁面に！１ｉｌｉξ
   し、該内壁面を接着材が溶融状Ｔ−１：になる壕で接着
   月と内１１４而の溶融点の間の温度に加熱し、溶融状態
   にある間に接着材１月（触媒を埋設する各工程を有する
   ことをｒｐ！ｐ徴とする燃焼室の内壁面に触媒を塗＋１
   する方法。 （２）　　重炭化水素分子を有する燃料混合・物が供給
   される可変容ＪＲ燃焼領域と、前ｍｌ燃’＋４混合物に
   露山された基体表面とをイイする燃焼室に燃料混合物の
   接触に応じて重炭化水素分子をクラッキングするだめの
   触媒的酸素反撥部材を有する前記燃焼領域内で燃焼を促
   進する部利と、前記触媒部材を機緘的卿耗を受し）ない
   基体表面の少く共１つに取付ける部材とが釦合わΔれ、
   Ｍ記燃料混合物の接触によって？焼領域内において２重
   炭化水素分子から軽分＋４の高揮発性の炭化水素分子を
   発生させる燃催宰装置１、 （３１ｔｉｉｔ記触媒部月ｖし、キャリアと、金属酸化
   物と、キャリアよりも低電気陰性レベルの添加物とを含
   む触媒粒子の固体層である特許請求の範囲第２項に記載
   の相合せ燃焼室装置。 （４）　　前記ｒＩ！：着部利（は、前記基体表面の少
   く共１つに接灯し７基体表面の溶融点よりも低い溶哨点
   を有−４−る倍煎（Ａから成る慣許請求の範囲第２項に
   記載の組合せ燃焼室装置。