专利名称：内燃机用氢供给装置及内燃机的运转方法
技术领域：
本发明涉及利用了内燃机的排气系统的废热、通过液态氢供给体的脱氢反应供给 氢的氢供给装置以及使用所产生的氢的内燃机的运转方法。
背景技术：
本发明人提出了将芳族化合物等不饱和化合物等氢化而得到的液态有机化合物 可以比较容易地进行氢的脱离和再结合，将该化合物用作液态的氢供给体，将由这些有机 物构成的氢供给体称为有机氢化物。在以将有机氢化物等氢化燃料搭载在车辆上、通过脱氢反应得到的氢以及脱氢产 物作为内燃机燃料的利用氢的内燃机中，提出了存积脱氢产物，任意选择氢化燃料、脱氢产 物、氢中的至少一种作为内燃机的燃料(例如参照专利文献1)。然而，脱氢反应催化剂负载在蜂窝载体上，围绕内燃机的排气管形成的蜂窝载体 虽然将排气所具有的热能热传导给排气管而加以利用，但是热传导速度慢，在加速时存在 不能充分追从氢产生量的问题。专利文献1 日本特开2005-147124号公报
发明内容
本发明的目的在于，提供将由作为氢供给体的有机氢化物通过脱氢反应生成的氢 与烃类燃料一起供给到内燃机中，烃的燃烧效率得到改善，从而能以高的空燃比运转，可以 实现二氧化碳排出的减少和烃的燃料消耗量的提高的内燃机，其目的在于，提供具有根据 内燃机的负荷变动由氢供给体通过脱氢反应快速地产生氢的氢供给装置的内燃机。本发明是内燃机用氢供给装置，该装置以氢供给体和烃类燃料中的至少任意一方 作为燃料源，具有由氢供给体生成氢的脱氢反应器，脱氢反应器在一面具有负载有脱氢催 化剂的氢产生部，在另一面具有让来自内燃机的排气通过、并且负载有将由氢供给体生成 的脱氢产物氧化而放热的氧化催化剂的氧化反应部，该内燃机用氢供给装置还具有将产生 的氢与脱氢产物分离的氢分离设备、储存分离的氢的储存设备及储存脱氢产物的设备，和 将产生的氢添加供给到燃料源的设备。此外，本发明是上述内燃机用氢供给装置，其中，脱氢反应器的脱氢催化剂和氧化 催化剂负载在多孔质氧化铝层的表面上，该多孔质氧化铝层是使层压在基材金属上的铝层 变成耐酸铝后形成的。本发明是上述内燃机用氢供给装置，其中，具有通过对基材金属本身进行通电加 热来对脱氢催化剂进行加热的通电加热设备。本发明是上述内燃机用氢供给装置，其中，脱氢反应器中设置有温度传感器、氢供 给体喷射用喷嘴，并且设置有用于加热氢反应部的脱氢产物供给喷嘴和空气供给管。此外，本发明是上述内燃机用氢供给装置，其中，在与脱氢反应器连接的排气管设 置有将排气管分支的分支部，分支部设置有根据氢产生设备的温度来调整流量的排气流量调整阀。本发明是上述内燃机用氢供给装置，其中，设置有将产生的氢供给到排气净化催 化剂转换器的氢供给设备。内燃机的运转方法，该内燃机以氢供给体和烃类燃料中的至少任意一方作为燃料 源，具有由氢供给体生成氢的脱氢反应器，脱氢反应器在一面具有负载有脱氢催化剂的氢 产生部，在另一面具有让来自内燃机的排气通过、并且负载有将由氢供给体生成的脱氢产 物氧化而放热的氧化催化剂的氧化反应部，该内燃机还具有将产生的氢与脱氢产物分离的 氢分离设备、储存分离的氢的储存设备及储存脱氢产物的设备，和将产生的氢添加供给到 燃料源的设备，在所述内燃机的运转方法中，通过浓度传感器对从内燃机的排气管释放到 大气中的二氧化碳浓度的量进行测定，对氢与烃燃料的混合比率进行控制以使二氧化碳的 测定值达到规定值以下。本发明是上述内燃机的运转方法，其中，通过对构成脱氢反应器的部件进行通电 加热来对脱氢催化剂进行加热。本发明是上述内燃机的运转方法，其中，在脱氢反应器的氢反应部的温度为规定 以下时，通过由脱氢产物供给喷嘴供给的脱氢产物和由空气供给管供给的空气使脱氢产物 燃烧，将氢反应部加热至规定温度后，从氢供给体喷射用喷嘴喷射氢供给体进行脱氢反应。本发明是上述内燃机的运转方法，其中，将由氢供给体产生的氢的一部分供给到 排气净化催化剂转换器，对排出的氮氧化物的浓度进行调整。本发明利用内燃机的排气系统的废热，使用具有形成有催化剂反应层的面和形成 有氧化催化剂层的面的脱氢反应器进行氢供给体的脱氢反应。因此，由于可以实现排气系 统废热的有效利用，可以有效地产生氢。此外，与内燃机的燃料并用时，由于可以以高空燃 比稳定地燃烧，可以提高燃料消耗量的同时，可以抑制二氧化碳的产生。进一步地，向排气 催化剂转换器供给氢时，可以在空燃比大的状态下，降低产生量增加的氮氧化物的浓度。
[图1]图1为对具有本发明的氢供给装置的内燃机的整体结构进行说明的图。[图2]图2为对本发明的内燃机用氢供给装置的工作进行说明的图。[图3]图3为对脱氢反应器的一个实施例进行说明的图。1…内燃机、3…空气净化器、5…空气流量计、7…燃料罐、9…供给泵、11···汽油喷 嘴、13…火花塞、15…排气管、17…排气净化催化剂转换器、19…脱氢反应器、21…氢供给 体贮槽、23···供给泵、24···氢供给体喷嘴、25…混合物排出管、26…氢分离装置、27…压缩 泵、29…氢贮槽、31···脱氢产物贮槽、33···排气管、35···空气供给设备、37···脱氢产物供给 管、38···供给泵、39…消音器、40…喷嘴、41…流量调整阀、43···旁通管路、45、45A···氢喷嘴、 47…控制装置、61···外壳、62···反应管、63···脱氢反应部、65···氧化反应部、67···金属基材、 69…铝层、71···脱氢催化剂、73···氧化催化剂
具体实施例方式本发明在使用甲基环己烷等脱氢容易的氢供给体作为内燃机的氢源时，具有作为 氢生成反应器的加热方法，利用内燃机的排气具有的废热来进行脱氢反应的氢生成反应器。进一步地发现，在氢生成反应器的一面具有设置有脱氢反应催化剂的氢产生反应部，另 一面设置负载有将由氢供给体生成的脱氢产物氧化而放热的氧化催化剂的氧化反应部，由 此可以提供即使通过内燃机的废热进行的加热不充分时，也可以达到规定的温度，总是稳 定地供给氢的内燃机用的氢供给装置。以下参照附图对本发明进行说明。图1为对具有本发明的氢供给装置的内燃机的整体结构进行说明的图。向内燃机1中通过空气流量计5供给用空气净化器3净化过的空气，此外，储存在 燃料罐7中的汽油等烃通过供给泵9由汽油喷嘴11供给喷射，由吸气系统供给到汽缸内， 通过火花塞13点火进行内燃机的运转。燃烧后的排气通过排气管15送到排气净化催化剂转换器17中进行净化后，供给 到脱氢反应器19中。在脱氢反应器19中，甲基环己烷等氢供给体由氢供给体贮槽21通过供给泵23供 给，通过氢供给体喷嘴24喷射，通过配置在脱氢反应器19的脱氢反应部的催化剂引发脱氢 反应。生成的氢与脱氢产物的混合物，通过混合物排出管25送入到氢分离装置26中，被 分离为氢和脱氢产物。氢通过压缩泵27压缩，储存在氢贮槽29中。此外，甲苯等脱氢产物 储存在氢储存体贮槽31中以再次用作氢储存体。作为氢供给体，可以举出环己烷、甲基环己烷、二甲基环己烷、四氢化萘、十氢化 萘、甲基十氢化萘等通过对芳烃及其衍生物等具有不饱和键的烃及其衍生物进行氢化而生 成的、比较容易发生脱氢反应而生成氢的化合物。向脱氢反应器19供给排气的排气管33与空气供给设备35和脱氢产物供给管37 结合，脱氢反应器19的脱氢催化剂温度低于脱氢反应温度时，在脱氢反应器19内部，由脱 氢产物供给管37供给的脱氢产物与由空气供给设备35供给的空气通过氧化催化剂的作用 而燃烧，从而将脱氢催化剂加热至规定的反应温度。此外，通过了脱氢反应器19的排气由 消音器39释放到外部。另一方面，排气管33具有旁通脱氢反应器19的流量调整阀41和旁通管路43，由 于由排气管大量流入高温的排气，脱氢反应器19达到规定温度以上时，通过向旁通管路侧 送入排气，可以将脱氢反应器19的温度降低至规定的反应温度。此外，储存在氢贮槽29中的氢由氢喷嘴45供给到吸气系统中，作为内燃机的燃 料。此外，储存在氢贮槽29中的氢，若通过氢喷嘴45A供给到排气催化剂转换器17，则 可以在稀混合气燃烧的状态下降低产生量增加的氮氧化物的浓度。以上的汽油喷嘴、氢气喷嘴、泵、流量计、流量调整阀、温度传感器、火花塞等与控 制装置47连接，根据内燃机的负荷、加速器的打开程度、加速度等运转状况对喷嘴的注入 量、喷射间隔、流量、必要氢量等进行控制。此外，以上说明中，对氢在汽缸的外部与吸气系统的空气混合的情况进行了说明， 但是氢也可以由加压储存氢的氢贮槽直接供给到汽缸内。图2为对本发明的内燃机用氢供给装置的工作进行说明的图。内燃机1起动时，通过步骤S21检测运转条件，通过步骤S22计算必要氢量。接着通过步骤S23，检测脱氢反应器19的脱氢反应部的脱氢催化剂温度，通过步骤S24算出应该 喷射的氢供给体量，根据算出量喷射氢供给体。此时，脱氢反应器中脱氢催化剂的温度通过步骤S25判断为300°C以下时，通过步 骤S26，为了升高脱氢催化剂温度，通过驱动供给泵38、喷嘴40、使氢储存体燃烧的空气供 给设备35来提高温度，所述供给泵38通过氢储存体供给管37供给储存在氢储存体贮槽31 中的作为脱氢产物的氢储存体。此外，本发明的脱氢反应器中，还可以装配用于加热的电加热器进行通电加热，或 对脱氢反应器的脱氢反应部的基材金属直接通电来进行加热。此外，脱氢反应器温度通过步骤S27判断为450°C以上时，驱动排气流量调整阀 41，排气的一部分在排气旁通管路43中送入到消音器39 —侧，将脱氢反应器温度控制在 300°C 450°C之间。 此外，通过步骤S29，根据空燃比、用设置在排气管口的二氧化碳传感器检测的信 号，对系统整体进行控制以达到通过步骤S30设定的二氧化碳排出量。图3为对脱氢反应器的一个实施例进行说明的图。图3(A)为平面图，图3(B)为在A_A’线切断得到的截面图，图3 (C)为在B_B’线 切断得到的截面图，图3(D)为图3(C)所示的一个反应管的放大图。脱氢反应器19在内部由不锈钢等耐热性金属材料形成的外壳61之内，具有在两 面形成有脱氢反应部63、氧化反应部65的至少1个反应管62。反应管62是在不锈钢、镍合金等金属基材67的两面通过包覆、无电解电镀等方法 层压铝层69而成的，铝层的表面在进行耐酸铝处理后，进一步通过热水处理等方法形成多 孔质的氧化铝层。然后在多孔质氧化铝层上负载脱氢催化剂71和氧化催化剂73。脱氢催化剂、氧化催化剂可以通过涂布含有选自钼、钯、铑、铼、钌中的至少一种元 素的化合物的溶液后进行煅烧来制备。反应管62的外部空间在排气通过而将脱氢催化剂加热至规定的温度后排气。此 外，向反应管62的内部空间通过氢供给体喷嘴24喷射甲基环己烷等氢供给体，产生氢和甲 苯等脱氢产物，并通过混合物排出管25导出。此外，由于在反应管62的外表面形成了负载有氧化催化剂73的氧化反应部65，即 使利用所供给的排气也未使脱氢催化剂的温度达到反应温度时，由喷嘴40喷射作为氢储 存体的脱氢产物的同时，由排气管通过空气供给设备(未图示)供给空气，通过氧化催化剂 73的作用而放热，由此可以将脱氢催化剂的温度加热至规定的温度。此外，本发明的脱氢反应器是在耐热性的金属材料的表面上层压热传导性良好的 铝后，形成催化剂层，因此热传导性良好，可以有效地利用排气所具有的废热。此外，也可以使耐热性的金属材料与通电设备连接，由搭载在车辆上的电池等电 源通电，对耐热性的金属材料本身进行加热，由此使脱氢催化剂达到规定的温度。对于图3所示的脱氢反应器，举出管状反应器的例子进行说明，但是也可以在连 续的瓦楞薄板上的部件的两面分别设置脱氢催化剂层、氧化催化剂层。此外，本发明的内燃机中，将氢混合在烃类燃料中时，排气中的烃减少，但是与不 混合氢的情况相比，氮氧化物有可能增加。此时，通过将作为内燃机用燃料配合的氢的一部 分通过氢喷嘴45A注入到排气净化催化剂转换器17中，可以减少排出的氮氧化物的浓度。
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实施例以下举出实施例、比较例对本发明进行说明。实施例1和比较例1在搭载有IL引擎的车辆上搭载图3所示的具有管状反应器的氢产生装置，该管状 反应器负载有板翅式钼负载耐酸铝催化剂，所述氢产生装置通过利用引擎排气进行的加热 将催化剂的温度保持在300°C -350°C之间，作为有机氢化物，将甲基环己烷喷射到催化剂 中使其产生氢。将产生的氢以10-50L/分钟的供给速度由氢喷嘴导入到引擎中。对于在汽油中添 加氢而成的汽油-氢混合燃烧系统和以往的仅利用汽油的汽油燃烧系统，在底盘测功计中 对排出二氧化碳浓度和燃料消耗率进行测定，结果以及引擎转速(rpm)、空气/燃料比如表 1所示。实施例示于试验1-1 1-4中，比较例示于比1-1 1-2中。在相对于汽油添加氢3-6%而成的汽油-氢混合燃烧的内燃机中，在高空燃比(稀 混合气燃烧条件)下实现稳定的引擎燃烧运转，此外得到排出二氧化碳浓度与仅利用汽油 的情况相比，降低22 34%，进而燃料消耗率提高26-66%的添加氢的结果。而且，试验1-1、1-2、1-4、1-5中，在汽油供给量3. lL/h的条件下运转，试验1-3中，在汽油供给量4. 2L/h的条件下运转，比较1-1、1-2中，在汽油供给量6. lL/h的条件下运转。此外，以上情况都在加速 器的打开程度为30%的条件下运转引擎。[表
权利要求
1.内燃机用氢供给装置，其特征在于，以氢供给体和烃类燃料中的至少任意一方作为 燃料源，该内燃机用氢供给装置具有由氢供给体生成氢的脱氢反应器，脱氢反应器在一面 具有负载有脱氢催化剂的氢产生部，在另一面具有让来自内燃机的排气通过、并且负载有 将由氢供给体生成的脱氢产物氧化而放热的氧化催化剂的氧化反应部，该内燃机用氢供给 装置还具有将产生的氢与脱氢产物分离的氢分离设备、储存分离的氢的储存设备和储存脱 氢产物的设备、以及将产生的氢添加供给到燃料源的设备。
2.如权利要求1所述的内燃机用氢供给装置，其特征在于，脱氢反应器的脱氢催化剂 和氧化催化剂负载在多孔质氧化铝层的表面上，该多孔质氧化铝层是使层压在基材金属上 的铝层变成耐酸铝后形成的。
3.如权利要求2所述的内燃机用氢供给装置，其特征在于，具有通过对基材金属本身 进行通电加热来对脱氢催化剂进行加热的通电加热设备。
4.如权利要求1 3中任意一项所述的内燃机用氢供给装置，其特征在于，脱氢反应器 中设置有温度传感器、氢供给体喷射用喷嘴，并且设置有用于加热氢反应部的脱氢产物供 给喷嘴和空气供给管。
5.如权利要求1 4中任意一项所述的内燃机用氢供给装置，其特征在于，与脱氢反应 器连接的排气管设置有将排气管分支的分支部，分支部设置有根据氢产生设备的温度来调 整流量的排气流量调整阀。
6.如权利要求1 5中任意一项所述的内燃机用氢供给装置，其特征在于，设置有将产 生的氢供给到排气净化催化剂转换器的氢供给设备。
7.内燃机的运转方法，其特征在于，该内燃机以氢供给体和烃类燃料中的至少任意一 方作为燃料源，具有由氢供给体生成氢的脱氢反应器，脱氢反应器在一面具有负载有脱氢 催化剂的氢产生部，在另一面具有通过来自内燃机的排气、并且负载有将由氢供给体生成 的脱氢产物氧化而放热的氧化催化剂的氧化反应部，该内燃机还具有将产生的氢与脱氢产 物分离的氢分离设备、储存分离的氢的储存设备和储存脱氢产物的设备、以及将产生的氢 添加供给到燃料源的设备，在所述内燃机的运转方法中，通过浓度传感器对从内燃机的排 气管释放到大气中的二氧化碳浓度的量进行测定，对氢与烃燃料的混合比率进行控制以使 二氧化碳的测定值达到规定值以下。
8.如权利要求7所述的内燃机的运转方法，其特征在于，通过对构成脱氢反应器的部 件进行通电加热来对脱氢催化剂进行加热。
9.如权利要求7或8中任意一项所述的内燃机的运转方法，其特征在于，在脱氢反应器 的氢反应部的温度为规定以下时，通过由脱氢产物供给喷嘴供给的脱氢产物和由空气供给 管供给的空气使脱氢产物燃烧，将氢反应部加热至规定温度后，从氢供给体喷射用喷嘴喷 射氢供给体进行脱氢反应。
10.如权利要求7 9中任意一项所述的内燃机的运转方法，其特征在于，将由氢供给 体产生的氢的一部分供给到排气净化催化剂转换器，对排出的氮氧化物的浓度进行调整。
全文摘要
本发明提供并用由氢供给体脱氢得到的氢的高效内燃机，该内燃机用氢供给装置以氢供给体和烃类燃料中的至少任意一方作为燃料源，该内燃机用氢供给装置具有由氢供给体生成氢的脱氢反应器，脱氢反应器在一面具有负载有脱氢催化剂的氢产生部，在另一面具有让来自内燃机的排气通过、并且负载有将由氢供给体生成的脱氢产物氧化而放热的氧化催化剂的氧化反应部，该内燃机用氢供给装置还具有将产生的氢与脱氢产物分离的氢分离设备、储存分离的氢的储存设备及储存脱氢产物的设备，和将产生的氢添加供给到燃料源的设备。
文档编号F02M21/02GK102007286SQ20088012862
公开日2011年4月6日 申请日期2008年7月4日 优先权日2008年2月13日
发明者伊藤猛志郎, 小森国生, 小池田章, 市川胜, 菊池哲 申请人:市川胜, 有限会社伊藤赛马服务, 株式会社莱恩能源, 株式会社铝表面技术研究所