JPS60548B2 - 内燃機関の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、排気ガスの清浄化を可能にした内燃機関の駆
動方法に関する。

自動車等の内燃機関から排出される排気ガス中には、有
害成分として窒素酸化物、および一酸化炭素、炭化水素
等の可燃性物質が含まれており、これらを大気中に放出
しない様にすることが切望されている。

そこで、ガソリン等の液体燃料を水素および一酸化炭素
を主成分とする改質ガスに改質し、該敬質ガスに多量の
空気を混入して希薄混合ガスとなし、これを内燃機関に
送入していわゆる希薄燃焼（じａｎＢｍｎ）を行なわせ
て内燃機関を作動させる方法が提案されている。

しかして、かかる希薄燃焼によるときには内燃機関内の
燃焼温度が比較的低くなるために、窒素酸化物の生成は
極く少量（約１００〜２■肌）に抑えることができる。
しかしながら、一方では未燃焼の一酸化炭素、上記改質
ガス中に残存していた炭化水素等の未燃焼物質が排気ガ
ス中に比較的大量（一酸化炭素０．２％Ｌ炭化水素約５
０■肌）に残存するという欠点がある。本発明は、良質
の改質ガスの製造と希薄燃焼による内燃機関（エンジン
）の有効な燃焼効率を図ると共に、改質ガス製造時の反
応熱を利用して排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化
水素（ＨＣ）等の可燃性物質を効率的に除去することに
より、上記の問題点を克服しようとするものである。即
ち、本発明は「内燃機関の排気ガスの通路内に炭化水素
の部分酸化用触媒を充填してなる反応筒を、該反応筒内
で発生する反応熱を排気ガスに与えるべく、気密に配設
すると共に、該反応筒内に炭化水素系燃料と対酸素原子
比が０．３ないし１．２である酸素を含有するガスとの
混合ガスを送入して、８００ないし１２００ｏｏの触媒
層温度において上記燃料を水素（日２）とＣＯとを主成
分とし、低級の炭化水素を少量含有する改質ガスに部分
酸化し、次いで該改質ガスに酸素過剰率１．１なし、し
２．０の酸素を含有するガスを混入すると共にこれらを
内燃機関内に送入して希薄燃焼を行なわしめ、また上記
部分酸化により発生する酸化反応熱を反応筒の外壁より
上記排気ガスに与えて該排気ガス中に残存するＣ０，Ｈ
Ｃなどの可燃性物質を燃焼除去せしめることを特徴とす
る内燃機関の駆動方法にある。しかして、本発明によれ
ば炭化水素系燃料を、８００ないい２００００に保持し
た前記反応筒内に、対酸素原子比が０．３なし、し１．
２である酸素を含有するガスと共に送入するので、上記
燃料は高能率で日２およびＣＯを主成分とする希薄燃焼
に通した改質ガスに部分酸化される。

また、このように改質されたガスは酸素過剰率１．１な
し、し２．０の酸素を含有するガスと共に内燃機関に送
入されるので、内燃機関は極めて効率良く希薄燃焼を行
ない、内燃機関の燃焼効率を高く維持することができる
。また、前記反応筒を内燃機関の排気ガス通路内に配設
したので、反応筒内で発生する反応熱は反応筒の外壁よ
り排気ガス中に伝熱され、排気ガス中に残存しているＣ
○、更には未改質かつ未燃焼のＨＣは上記伝熱によって
高温に熱せられ、これらは排気ガス中に残存する酸素に
よって燃焼除去せしめられる。さらに、上言己のごとき
希薄条件で内燃機関を作動させるので、その爆発燃焼温
度は比較的低くなり、したがって窒素酸化物は殆んど生
成しなくなる。それ故、本発明によれば清浄な排気ガス
を大気に排出せしめるようにすることができる。本発明
において、前記部分酸化用触媒としてはロジウム触媒、
ランタンーコバルト触媒、ニッケル触媒、コバルト触媒
等を用いる。しかして、該触媒を充填した反応筒は内燃
機関の排気ガス通路内に配設する。この配設場所は、特
に限定するものではないが、内燃機関の排気ガス出口で
あるマニホールド内が好ましい。けだし、マニホールド
内は排気ガス温度が高いので、該ガスに更に反応筒内の
反応熱を与えて前記可燃性ガスを燃焼除去するのに好都
合であるからである。なお、反応筒は排気ガスに効率良
く伝熱させるために、複数個設けること、或いは反応筒
の外壁に放熱用のフィンを設けること等の手段を取るこ
とが好ましい。前記炭化水素とはガソリン、ナフサ、中
質油など炭素と水素とから構成されている物質をいう。
しかして、この燃料は反応筒に送入するに当ってガス状
となすと共に、これに空気等の酸素を含有するガスを混
入する。この酸素は、部分酸化用の酸化剤である。しか
して、炭化水素に混入する酸素の量は対酸素原子比で０
．３なし、し１．２である。ここに、「対酸素原子比」
とは上記の燃料たる炭化水素の分子中の炭素原子数に対
する酸素原子の比（０／０）をいう。したがって、例え
ばＣ７日，．なる炭化水素１モルを用い、対酸素原子比
１．０の酸素を供給する場合には、３．５モルの酸素ガ
スを供給することになる。炭化水素と混合する酸素は、
酸素ガス単独でも良いし、また空気、更には酸素と他の
ガスとの混合ガスであっても良い。しかして、ここに空
気を用いる場合には、酸素（０２）は空気中に約２０％
含有されているので、必要とされる酸素の５倍容量の空
気を炭化水素ガスに混入することになる。上記において
、対酸素原子比を０．３ないし１．２としたのは、０．
３以下では酸素が不足し過ぎて、前記のごとき高い触媒
温度下においては原料たる炭化水素が炭化し、そのため
に触媒活性が低下するおそれがあるからである。また、
１．沙〆上では炭化水素の酸化が進行し過ぎて、内燃機
関へ送入する改質ガス中の燃料分（Ｃ○，日２，および
ＣＨ４，Ｃ２日４等の低級炭化水素）が減少してしまう
からである。しかして、上記の反応筒内においては炭化
水素は酸素によって部分酸化され、その殆んどがＣＯと
日２である改質ガスとなる。

しかし、炭化水素の全てを完全にＣＯと日２とに部分酸
化することは困難で、その一部はメタン、エチレン、プ
ロピレン、ブチレンなど炭素数１なし、し４の低級炭化
水素に分解された状態で改質ガス中に含まれてくる。な
お、これら低級炭化水素が改質ガス中に少量含まれてい
ることは、内燃機関の作動状態をより好ましくするもの
である。次いで、上記改質ガスを内燃機関内に送入する
に先立って、該ガスを内燃機関内において爆発燃焼させ
るために、該ガスに対して酸素を混入する。

この酸素量は、改質ガスに対して酸素過剰率１．１なし
、し２．０の割合である。ここに「酸素過剰率」とは、
「改質ガス中の、Ｃ０，日２，残留炭化水素等の可燃物
質を完全燃焼するために必要な酸素量（理論酸素量）」
の「該可燃物質」に対する割合（酸素／可燃物質）を１
．０としたときの、上記可燃物質に対する酸素の割合を
いう。酸素過剰率を上記の範囲としたのは、２．０以上
では燃料量が不足して内燃機関における爆発燃焼速度が
小さく、内燃機関の出力効率が低下し、一方１．１以下
では内燃機関内の燃焼温度が高くなりＮ○×の生成が増
加するからである。

また、上記の部分酸化における触媒層の温度は８００な
し・し１２００『０に保持する。

８００午０以下では、反応速度が低くてＣ０，日２への
部分酸化が充分に達成されず、また１２００ｑＣ以上で
は触媒の劣化を早めることとなるからである。

これらの温度調節は、反応筒内へ窒素ガスなどの不活性
ガスを送入して部分酸化反応を抑制すること、或いは触
媒層内に電熱器等の発熱体を設けることにより行なう。
しかし、実際上は排気ガスは３００なし、し７００ｑ○
であるから反応筒壁から排気ガス中への放熱によって触
媒層の温度の異常上昇は殆んど起らない。また、上記部
分酸化は、炭化水素系燃料としてガソリンを例にとれば
ガソリンｌｃｃ当り約泌ｃａｌという高い発熱反応であ
る故、触媒層の温度が内燃機関の作動中に８００００以
下となることは殆んどない。しかして、本発明において
は反応筒の温度は８００ないし１２００００に維持され
、内燃機関から排出される排気ガスはマニホールド内に
おいては約５００℃であるから、該排気ガスは反応筒よ
り熱を与えられて８００なし、し１０００ｏ０に加熱さ
れ、該排気ガス中に存在する可燃性物質は共存している
酸素によって燃焼除去される。以下にし本発明に関する
実験例および実施例を示す。

実験例 部分酸化用触媒としてロジウム触媒を使用し、炭化水素
としてのガソリンに、酸素を含有するガスとしての空気
を混合して、種々の条件下において上記ガソリンの部分
酸化を行ない、得られた政質ガス中の成分を測定した。

上記ロジウム触媒は、塩化ロジウム水溶液に直径約３肌
の球状の触媒担体用Ｑーアルミナ・マグネシァ粒子を浸
潰し、その後乾燥、焼成したもので、担体に対して０．
１重量％のロジウムを担持してなるものである。部分酸
化に当っては、ロジウム触媒を内径約３０帆の石英筒転
化器内に充填し、触媒層にガソリン（平均組成Ｃ７日，
４．４）と空気との混合ガスを送入した。

ここにガソリンは、約２５０３０において予めガス化し
ておきこれを空気と混合した。実験は、対酸素原子比（
０／Ｃ）、換言すればガソリンに対する空気の量（空燃
比Ａ／Ｆ）を変化させることによって行なった。また、
触媒層中へ送入するガソリンの量はＬＨＳＶ表示で１０
又は２０とした。また、触媒層の温度は８００なし、し
１１００℃の範囲になるよう調節した。ここに、一「空
燃比」とは、送入ガソＩＪン量（重量）に対する送入空
気量（重量）の割合をいう。「空燃比」は、「対酸素原
子比」を５．１４倍することによって算出される。「Ｌ
ＨＳＶ」とは、単位容量（ｃｃ）の触媒層を１時間当り
に通過するガソリンの液状換算量（ｃｃ）をいう。実験
の結果を第１表に示す。

第１表において「「変化率（％）Ｊとはガソリンがそれ
以外のものに変化した割合を示す。

また、改質ガス中には「その他」としてエチレン、プロ
パン、ブタン、炭素数５の炭化水素などの混合物が検出
された。なお、第１表のうちＣ○，比，ＣＨ４について
「第１図にも横軸に対酸素原子比（０／Ｃ）および空燃
比（Ａ／Ｆ）をとって、縦軸に改質ガス中のこれらのも
のの濃度（容量％）をとって示した。

また、Ｃ○，日２についてはその収率（供給ガソリンか
ら理論的に得られるＣ○，比の量に対する取得Ｃ○，日
２の量の割合％）も示した。図中の各曲線は、それぞれ
それらに付した上記各成分の値を示す。上記より知られ
るごとく、空気中に含まれていたＮ２の量を除けば、改
質ガス中には多量の日２，ＣＯが含まれていると共に少
量の低級炭化水素も含有されていることが分る。

また、目的とするＣ○，日２の収率は、対酸素原子比０
．３以下ではかなり低いことが分る。また、対酸素原子
比１．沙〆上ではＣ○，日２の収率の減少化が大きく、
また、炭化水素の完全燃焼の増大を示すＣ０２，日２０
の増加が見られる。以下に、本発明を自動車の内燃機関
の駆動に実施した例を示す。

次の実施例１および２において用いた装置は、第２図の
説明図に示すごとく、内燃機関の排気ガスマニホールド
１３内に反応筒３を配設してなり、該反応筒３のガス入
口部３３には空気供給パイプ３２を接続せしめ、一方故
質ガス出口部３５には内燃機関１への改質ガス送入パイ
プ１１を接続し」談送入パイプ１１は内燃機関１の吸気
マニホールド１２に接続する。

反応筒３は、部分酸化用触媒３４を充填してなる。前記
改質ガス送入パイプ１１の外周には液体燃料を子熱する
ための熱交換器２３を設ける。前記ガス入口部３３には
液体燃料供給パイプ２２を閉口せしめ、該パイプ２２は
上言己熱交換器２３内を通して液体燃料タンク２に接続
する。また、前記改質ガス送入パイプ１１には前記吸気
マニホールド１２の近傍において燃焼用空気送入パイプ
１６を接続する。なお、符号１５，２１，３１はバルブ
、１４は排気パイプ３６は内燃機関のスタート時におい
て液体燃料を燃焼せしめて触媒層３４を加熱するための
点火栓である。上記装置により内燃機関を駆動させるに
当っては、反応筒３のガス入口部３３に、液体燃料供給
パイプ２２より液体燃料を供給すると共に、酸素を含有
するガスとしての空気供鎌倉パイプ３２より供給し、空
気と気化した液体燃料との混合ガスを、高温の触媒層３
４内に送入して、該触媒によって上記液体燃料を部分酸
化して改質ガスとなす。

次いで、該改質ガスにパイプ１６から供給される燃焼用
空気を混入させてこれらを吸気マニホールド１２を介し
て内燃機関１内に送入し、内燃機関を駆動させる。しか
して、この際上記部分酸化により発生する多量の熱は反
応筒３の外壁より排気ガスに伝えられ、該排気ガス中に
残存するＣ○、炭化水素等の可燃性物質が燃焼除去され
る。また、前記液体燃料は熱交換器２３により予熱され
て、前記ガス入口部３３において気化され易くなる。な
お、本装置の始動時においては、前記のごとく点火栓３
６１こより空気と霧化した燃料との混合ガスを燃焼させ
て触媒層を予熱する。実施例 １上記装置の作動条件お
よび結果は次のようである。

‘ａ’使用した内燃機関とその駆動条件 ピストン式、容量１５８８ｃｃ、圧縮比８．５回転数１
５０仇ｐｍ、吸気弁全開、点火時期３７ＢＴＤＣ（Ｍ旧
Ｔ）〔最大トルク発生条件〕、トルク５．７ｋ９−ｍ、
燃焼用空気量５７０ぞ／ｍｊｎ、酸素過剰率１．５‘ｂ
ー 反応筒の条件 液体燃料としてのガソリン（組成Ｃ７日，４．４）の供
給量１２８ｃｃ／ｍｉｎ、空気量２９５そノｍｉｎ、対
酸素原子比（０／Ｃ）０．７＆触媒はＱ−アルミナーマ
グネシア担体粒径３側に０．１重量％のロジウムを担持
させたもの、触媒量５０仇ｈｌ、触媒層の大きさは直径
６弧、長さ１７．５伽、ＬＨＳＶ約１６（１／時）、触
媒層中心温度１０１０ｑｏ、反応筒壁温８００ＱＯ。

Ｗ結果 反応′筒にて生成された軟質ガスの組成（容量％）は、
日２１９％、Ｃ〇２３％、ＣＨ４１‐９％、Ｃ〇２１‐
０％、日２０２．３％、Ｎ２４９．４％、その他（Ｃ２
日６、Ｃ３日６など）３．４％、改質ガス量３８０１／
ｍｉｎ、内燃機関からの排気ガス量１２００夕／ｍｉｎ
、排気ガスの温度および該ガス中のＮ○×，ＨＣ，ＣＯ
の量は第２表のようであった。

なお、上記においてガス容量は２０００換算した値であ
る。

（以下同じ）。第２表 表中「夕／ＰＳ・ｈｒ」とは、内燃機関１馬力（ＰＳ）
、１時間当りに排出される有害物質の量（夕）をいう。

実施例 ２内燃機関の運転条件および反応筒内の反応条
件を変えて、上記装置を作動させた。

その条件および結果は、次のようである。【ａ｝ 使用
した内燃機関とその駆動条件ピストン式、容量１５８８
ｃｃ、圧縮比８．１回転数１５０位ｐｍ、吸気圧１９８
脚Ｈｇ、点火時期６０８ＴＤＣ、トルク２．６Ｘ９−ｍ
、燃焼用空気量１５４１／ｍｉｎ、酸素過剰率１．６５
。

【ｂ｝ 反応筒の条件 ガソリン（Ｃ７日，４．４）供給量３０ｃｃ／ｍｉｎ、
空気量？７１／ｍｉｎ、対酸素原子比（○／Ｃ）０．８
８、触媒は実施例と同様の損体に４重量％のランタンと
１．５重量％のコバルトとを担持させたもの。

触媒量５０帆１、ＬＨＳＶ３．６（１／時）、触媒層中
心温度９００００、反応筒壁温８００００、触媒層の大
ささは実施例１に同じ。Ｗ結果 生成改質ガスの組成日２１３．１％，ＣＯｌ３．１％，
Ｃは２．１％，Ｃ２日４３．３％，Ｃ０２５．４％，日
２０５．０％，Ｎ２５４．３％，その他（Ｃ２〜ちの炭
化水素）３‐７％、敦質ガス量９３．５１１／ｍｉｎ、
内燃機関からの排気ガス量２３３／ｍ対、排気ガスの温
度およびＮ○×、ＨＣ，ＣＯの量は第３表のようであっ
た。

第３表 なお、上記の内燃機関を用いて、ガソリンを敦質ガスに
することなく、従来と同様に、ガソリンを霧化した状態
で空気と共に内燃機関に供給する方法を取った場合、通
常の運転条件（空燃比１４．７なし、し１６）において
は、排気ガス中には大体Ｎ○×７タノＰＳ・ｈｒ，ＨＣ
７夕／ＰＳ・ｈｒ，Ｃ０４５夕／ＰＳ・ｈｒが鹿入して
いた。

上記より知られるごとく、本発明によれば、大気へ放出
する排気ガス中のＮ○×，ＨＣ，ＣＯがともに騒く少な
い状態において、内燃機関を駆動させることができる。

図面の簡単な説明第１図は、本発明にかかる実験例にお
ける対酸素原子比と改質ガスの生成量との関係を示す図
、第２図は本発明の実施例における排気ガス浄化装置を
示す説明図である。

１・・・…内燃機関、１１・・・・・・改質ガス送入パ
イプ、２２・・…・液体燃料供給パイプ、３・・…・反
応筒、３２・・・…空気供給パイプ、３４・・・・・・
触媒。

第１図第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内燃機関の排気ガス通路内に炭化水素の部分酸化用
   触媒を充填してなる反応筒を、該反応筒内で発生する反
   応熱を排気ガスに与えるべく、気密に配設すると共に、
   該反応筒内に炭化水素系燃料と対酸素原子比が０．３な
   いし１．２である酸素を含有とするガスとの混合ガスを
   送入して、８００ないし１２００℃の触媒層温度におい
   て該燃料を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガス
   に部分酸化し、次いて該改質ガスに酸素過剰率１．１な
   いし２．０の酸素を含有するガスを添加すると共に、こ
   れら混合ガスを内燃機関内に送入して該内燃機関におい
   て希薄燃焼を行なわしめ、また上記部分酸化により発生
   する反応筒内の反応熱を反応筒の外壁より上記排気ガス
   に与えて該排気ガス中に残存する一酸化炭素、炭化水素
   などの可燃性物質を燃焼除去せしめることを特徴とする
   内燃機関の駆動方法。