JP4803186B2 - Fuel reformer - Google Patents
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Description
本発明は、燃料改質装置に関し、特には内燃機関の排気管内又は燃焼室内に供給される燃料を改質するのに用いられる燃料改質装置に関する。 The present invention relates to a fuel reformer, and more particularly to a fuel reformer used to reform fuel supplied into an exhaust pipe or a combustion chamber of an internal combustion engine.
ディーゼルエンジンや希薄燃焼エンジン等における排ガスの浄化では、常時は酸素過剰のリーン雰囲気下でＮＯxを吸蔵し、ＮＯxの吸蔵量が増加すると、瞬間的に空燃比をリッチにする（リッチスパイクを発生させる）ことでＮＯxを放出して還元浄化するＮＯx吸蔵還元型触媒が知られている。 In exhaust gas purification in diesel engines, lean-burn engines, etc., NO x is occluded in a lean atmosphere with excess oxygen at all times, and when the occluded amount of NO x increases, the air-fuel ratio is instantaneously made rich (rich spikes are reduced). NO x storage-and-reduction type catalyst is known to reduce and purify by releasing NO x in generated thereby) that.
このようなＮＯx吸蔵還元型触媒をガソリンエンジンにおいて使用する場合には、運転空燃比（Ａ/Ｆ）を低下させること、すなわち、リッチ空燃比で運転することによりリッチスパイクを発生させ、排ガス中の未燃ＨＣ（炭化水素）やＣＯ等の還元成分を増加させてＮＯx吸蔵還元型触媒からＮＯxを放出し還元浄化することができる。しかしながら、ディーゼルエンジンの場合には、リッチ空燃比での運転が困難であり、上記のような方法によってＮＯxを還元浄化することが難しい。そこで、ＮＯx吸蔵還元型触媒よりも上流側の排気管に燃料噴射管を配置し、この燃料噴射管からＮＯx吸蔵還元型触媒に燃料を還元剤として添加し、ＮＯx吸蔵還元型触媒からＮＯxを放出させて還元浄化する技術が従来から提案されている。 When using such a NO x storage-and-reduction type catalyst in a gasoline engine, to reduce the operating air-fuel ratio (A / F), i.e., to generate a rich spike by operating at a rich air-fuel ratio, the exhaust gas it can be increased unburned HC (hydrocarbon) and reducing components such as CO of releasing NO x from the NO x storage-reduction catalyst reduces and purifies. However, in the case of a diesel engine, it is difficult to operate at a rich air-fuel ratio, and it is difficult to reduce and purify NO x by the above method. Therefore, the fuel injection tube is placed into the exhaust pipe upstream of the NO x storage-and-reduction type catalyst, the fuel to the NO x storage reduction catalyst from the fuel injection pipe is added as a reducing agent, a NO x storage-and-reduction type catalyst Techniques for reducing and purifying by releasing NO x have been proposed.
しかしながら、ディーゼルエンジンにおいて燃料として用いられる軽油などの高級炭化水素は、上記のような還元剤として使用した場合に、特に低温下において反応性が乏しく、ＮＯx吸蔵還元型触媒からＮＯxを効率よく放出して還元浄化することができないという問題がある。 However, higher hydrocarbons, such as gas oil used as fuel in a diesel engine, when used as a reducing agent as described above, especially poor reactivity at a low temperature, efficient NO x storage-and-reduction type catalyst from the NO x There is a problem that it cannot be released and reduced and purified.
特許文献１では、ＮＯx吸蔵還元型触媒の上流側にプラズマ燃料改質手段を設けた排気浄化装置が記載され、このような排気浄化装置によれば、燃料リッチ時に当該プラズマ燃料改質手段により燃料をＨ2とＣＯに分解して排気ガス中へ供給することでＮＯx吸蔵還元型触媒に吸蔵されたＮＯxを効率的に還元することができると記載されている。 Patent Document 1 describes an exhaust purification device in which a plasma fuel reforming means is provided on the upstream side of an NO x storage reduction catalyst. According to such an exhaust purification device, the plasma fuel reforming means is used when the fuel is rich. fuel is described as capable of reducing the NO x occluded in the NO x storage reduction catalyst by supplying decomposed into H 2 and CO into the exhaust gas efficiently.
特許文献２では、排気ガス上流側から順に、還元剤添加装置と、放電装置と、触媒とを備えた排気ガス浄化装置が記載され、このような排気ガス浄化装置によれば、還元剤である炭化水素の存在下で排気ガスに放電を施すことによりＮＯからＮＯ2への酸化が促進され、さらには還元剤が部分分解又はイオン化されることで低温における触媒活性が向上すると記載されている。
特許文献１では、プラズマ燃料改質手段は、軽油等の燃料をＨ2とＣＯに分解してＮＯx吸蔵還元型触媒のＮＯxを還元するよう制御されると記載されている。しかしながら、軽油等の燃料をプラズマによってＨ2とＣＯにまで分解しかつそのような分解反応を適切に制御することは極めて困難であり、また、特許文献１では、このような燃料改質の実施について何ら具体的には記載されていない。 In Patent Document 1, a plasma fuel reformer unit is described as being controlled such that the fuel such as light oil is decomposed into H 2 and CO reducing NO x of the NO x storage reduction catalyst. However, it is extremely difficult to decompose a fuel such as light oil into H 2 and CO by plasma and to appropriately control such a decomposition reaction. There is no specific description about.
特許文献２の排気ガス浄化装置では、排気ガス流路内に放電装置が配置され、還元剤を含む排気ガス全体に放電処理が施されている。したがって、放電装置の消費電力が大きく、また、還元剤としての炭化水素を効率よく改質することについても依然として改善の余地があった。 In the exhaust gas purification device of Patent Document 2, a discharge device is disposed in the exhaust gas flow path, and the entire exhaust gas including the reducing agent is subjected to a discharge process. Therefore, the power consumption of the discharge device is large, and there is still room for improvement in efficiently reforming the hydrocarbon as the reducing agent.
そこで、本発明は、内燃機関等で使用される燃料を効率よく反応性の高い成分に改質するための燃料改質装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel reformer for efficiently reforming a fuel used in an internal combustion engine or the like into a highly reactive component.
上記課題を解決する本発明は下記にある。
（１）燃料を微粒化するための燃料微粒化手段と、該燃料微粒化手段によって微粒化された燃料にプラズマを照射するためのプラズマ発生手段とを備え、前記燃料微粒化手段が直流、交流又はパルスの電圧印加手段を接続した燃料噴射装置であることを特徴とする、燃料改質装置。
（２）前記プラズマ発生手段が高電圧電極と接地電極を含む３つ以上の電極を備え、これらの電極が同一平面上で対向して配置されていることを特徴とする、上記（１）に記載の燃料改質装置。
（３）前記高電圧電極と前記接地電極が円周上に交互に配置されていることを特徴とする、上記（２）に記載の燃料改質装置。
（４）前記プラズマ発生手段の電極からガスを流すことを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の燃料改質装置。
The present invention for solving the above problems is as follows.
(1) A fuel atomizing means for atomizing the fuel and a plasma generating means for irradiating the fuel atomized by the fuel atomizing means with plasma , wherein the fuel atomizing means is a direct current or an alternating current. Alternatively , the fuel reformer is a fuel injection device to which a pulse voltage applying means is connected .
( 2 ) The above (1 ) is characterized in that the plasma generating means includes three or more electrodes including a high voltage electrode and a ground electrode, and these electrodes are arranged to face each other on the same plane. The fuel reformer as described.
( 3 ) The fuel reformer as described in ( 2 ) above, wherein the high voltage electrode and the ground electrode are alternately arranged on a circumference.
( 4 ) The fuel reformer according to any one of (1) to ( 3 ), wherein a gas is allowed to flow from an electrode of the plasma generating means.
本発明の燃料改質装置によれば、燃料を効率よく反応性の高い低分子量成分に改質することができるので、例えば、内燃機関の排気管内において適用した場合には、ＮＯx吸蔵還元型触媒等のＮＯx還元能を顕著に改善することができる。さらには、本発明の燃料改質装置を内燃機関の燃焼室内への燃料供給に適用することで、反応性の高い低分子量成分に改質された燃料を内燃機関の燃焼室内に供給することができるので、燃料の燃焼効率を顕著に改善することが可能である。 According to the fuel reforming apparatus of the present invention, the fuel can be efficiently reformed into a low molecular weight component having high reactivity. For example, when applied in the exhaust pipe of an internal combustion engine, the NO x storage reduction type it can be significantly improved the NO x reduction capability of catalysts. Furthermore, by applying the fuel reforming apparatus of the present invention to the fuel supply into the combustion chamber of the internal combustion engine, the fuel reformed to a low-reactivity low molecular weight component can be supplied into the combustion chamber of the internal combustion engine. Therefore, the fuel combustion efficiency can be remarkably improved.
本発明の燃料改質装置は、燃料を微粒化するための燃料微粒化手段と、該燃料微粒化手段によって微粒化された燃料にプラズマを照射するためのプラズマ発生手段とを備えたことを特徴としている。 The fuel reforming apparatus of the present invention comprises fuel atomization means for atomizing fuel, and plasma generation means for irradiating plasma to the fuel atomized by the fuel atomization means. It is said.
本発明によれば、燃料としては、特に限定されないが、一般に内燃機関等で用いられる任意の液体燃料を使用することができる。例えば、燃料としては、ガソリン、軽油、アルコールなどの液体炭化水素を使用することができる。 According to the present invention, the fuel is not particularly limited, but any liquid fuel generally used in an internal combustion engine or the like can be used. For example, liquid hydrocarbons such as gasoline, light oil, and alcohol can be used as the fuel.
本発明によれば、燃料微粒化手段としては、特に限定されないが、上記の液体燃料を微粒化することのできる任意の微粒化装置を使用することができる。例えば、燃料微粒化手段としては、内燃機関等で用いられるキャブレターや、圧搾空気の高速の流れを利用して液体を噴霧化する二流体ノズルなどを使用することができ、好ましくは、電気流体アトマイザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ、以下、ＥＨＤＡと称する）を使用することができる。 According to the present invention, the fuel atomization means is not particularly limited, but any atomization apparatus capable of atomizing the liquid fuel can be used. For example, as the fuel atomization means, a carburetor used in an internal combustion engine or the like, a two-fluid nozzle that atomizes a liquid using a high-speed flow of compressed air, or the like can be used. (Electrohydrodynamic Atomization, hereinafter referred to as EHDA) can be used.
図１は、本発明における燃料微粒化手段の一例である電気流体アトマイザー（ＥＨＤＡ）を模式的に示す図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing an electrofluid atomizer (EHDA) which is an example of a fuel atomization means in the present invention.
図１を参照すると、ＥＨＤＡ１０は、導電性材料からなる燃料導入管１１と、その先端に取り付けられた、例えば、金属、導電プラスチック、導電セラミック等の導電性材料からなる燃料噴射管１２とを具備し、燃料導入管１１はセラミックスなどの絶縁性材料からなる筒体１３によって覆われている。一方、燃料導入管１１には電圧印加装置１４が電気的に接続されており、燃料導入管１１の先端に取り付けられた燃料噴射管１２に高電圧を印加できるようにしている。なお、筒体１３は帯電しないよう接地されている。 Referring to FIG. 1, the EHDA 10 includes a fuel introduction pipe 11 made of a conductive material, and a fuel injection pipe 12 made of a conductive material such as metal, conductive plastic, or conductive ceramic attached to the tip of the EHDA 10. The fuel introduction pipe 11 is covered with a cylindrical body 13 made of an insulating material such as ceramics. On the other hand, a voltage application device 14 is electrically connected to the fuel introduction pipe 11 so that a high voltage can be applied to the fuel injection pipe 12 attached to the tip of the fuel introduction pipe 11. The cylinder 13 is grounded so as not to be charged.
ＥＨＤＡ１０による燃料の微粒化では、まず、燃料が燃料導入ライン１５を介して燃料導入管１１に供給され、次いで、燃料導入管１１を通って先端の燃料噴射管１２から噴射される。このとき電圧印加装置１４によって電圧が燃料に印加される。このように燃料に電圧を印加することで燃料が同一極性に帯電されるので、燃料噴射管１２から開放された系に燃料を噴射したときに、同一極性に帯電された燃料の液滴間に生じる静電気的な反発力によって燃料を微粒化することができる。 In the atomization of fuel by the EHDA 10, first, fuel is supplied to the fuel introduction pipe 11 through the fuel introduction line 15, and then injected from the fuel injection pipe 12 at the tip through the fuel introduction pipe 11. At this time, a voltage is applied to the fuel by the voltage application device 14. Since the fuel is charged with the same polarity by applying the voltage to the fuel in this way, when the fuel is injected into the system opened from the fuel injection pipe 12, the fuel is charged between the droplets of the fuel charged with the same polarity. Fuel can be atomized by the generated electrostatic repulsion.
本発明者らは、上記ＥＨＤＡなどの燃料微粒化手段によって炭化水素等からなる液体燃料を微粒化し、当該微粒化された液体燃料にさらにプラズマ発生手段によってプラズマを照射することで、液体燃料を反応性の高い低分子量成分に効率よく改質することができることを見出した。 The present inventors atomize liquid fuel made of hydrocarbons or the like by fuel atomization means such as the above-mentioned EHDA, and irradiate the atomized liquid fuel with plasma by means of plasma generation means to react the liquid fuel. It has been found that it can be efficiently modified to a low molecular weight component having high properties.
本発明によれば、プラズマ発生手段としては、特に限定されないが、安定にプラズマを発生させることのできる任意のプラズマ発生装置を使用することができる。 According to the present invention, the plasma generating means is not particularly limited, but any plasma generating apparatus capable of generating plasma stably can be used.
従来、内燃機関等で用いられるプラズマ発生装置として種々のものが知られている。例えば、このようなプラズマ発生装置としては、線状電極の周りに筒状電極を配置したものや、２枚の平行平板を電極として配置したもの、電極間に絶縁物を配置したものなどを挙げることができる。本発明の燃料改質装置では、これら従来のプラズマ発生装置をプラズマ発生手段として使用することも可能である。しかしながら、従来のプラズマ発生装置では、プラズマを安定して発生させなおかつこのような安定なプラズマを広い領域において作り出すことが難しく、また、このようなプラズマを発生させるためには、一般にサイズの大きな電極が必要とされる。一方、電極のサイズが大きくなると、当然ながら電極において発生する熱量も大きくなるため、このような熱によって温度が上昇した電極表面をいかにして冷却するかという問題が生じる。従来技術では、冷却水等を用いて電極を冷却する方法などが知られているが、自動車等で使用するプラズマ発生装置において、このような追加の冷却設備を設けることは好ましくない。 Conventionally, various types of plasma generators used in internal combustion engines and the like are known. For example, as such a plasma generator, a device in which a cylindrical electrode is disposed around a linear electrode, a device in which two parallel flat plates are disposed as electrodes, a device in which an insulator is disposed between the electrodes, and the like can be given. be able to. In the fuel reformer of the present invention, these conventional plasma generators can be used as plasma generating means. However, in the conventional plasma generator, it is difficult to stably generate plasma and to generate such a stable plasma in a wide region. In order to generate such plasma, generally a large electrode is used. Is needed. On the other hand, when the size of the electrode is increased, the amount of heat generated in the electrode is naturally increased. Therefore, there is a problem of how to cool the electrode surface whose temperature is increased by such heat. In the prior art, a method of cooling an electrode using cooling water or the like is known, but it is not preferable to provide such additional cooling equipment in a plasma generator used in an automobile or the like.
本発明者らは、先に記載した燃料微粒化手段とプラズマ発生手段の組み合わせによる燃料改質に加えて、高電圧電極と接地電極を含む３つ以上の電極を備え、これらの電極が同一平面上で対向して配置されたプラズマ発生装置を使用することにより、従来のプラズマ発生装置と比べて容易に安定なプラズマを発生させることができることを見出した。 In addition to the fuel reforming by the combination of the fuel atomization means and the plasma generation means described above, the present inventors have three or more electrodes including a high voltage electrode and a ground electrode, and these electrodes are in the same plane. It has been found that stable plasma can be generated easily by using the plasma generators arranged facing each other as compared with the conventional plasma generator.
以下、本発明の燃料改質装置におけるプラズマ発生手段として使用するのに好適なプラズマ発生装置であるリング状コロナ放電ラディカルシャワー（Ｒｉｎｇ Ｔｙｐｅ Ｃｏｒｏｎａ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｒａｄｉｃａｌ Ｓｈｏｗｅｒ、以下、ＲＴ−ＣＤＲＳと称する）についてより詳細に説明する。 Hereinafter, a ring-shaped corona discharge radical shower (hereinafter referred to as RT-CDRS) which is a plasma generator suitable for use as a plasma generator in the fuel reformer of the present invention will be described in more detail. Explained.
図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明におけるプラズマ発生手段の一例であるリング状コロナ放電ラディカルシャワー（ＲＴ−ＣＤＲＳ）の複数の態様を模式的に示す断面図である。 2A to 2C are cross-sectional views schematically showing a plurality of aspects of a ring-shaped corona discharge radical shower (RT-CDRS) which is an example of the plasma generating means in the present invention.
図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＲＴ−ＣＤＲＳ２０は、内部にプラズマを形成するための中空部を有する絶縁性材料からなる支持体２１に、高電圧電極と接地電極を含む導電性材料からなる複数の電極２２を、それらの先端が支持体２１の内壁面から突き出るようにして配置された構成を有する。ここで、図２（ａ）は３つの高電圧電極と３つの接地電極を含むＲＴ−ＣＤＲＳを例示し、図２（ｂ）は２つの高電圧電極と２つの接地電極を含むＲＴ−ＣＤＲＳを例示し、図２（ｃ）は１つの高電圧電極と２つの接地電極を含むＲＴ−ＣＤＲＳを例示している。なお、各高電圧電極には直流やパルスの電源２３が電気的に接続される。 As shown in FIGS. 2A to 2C, the RT-CDRS 20 is a conductive material including a high voltage electrode and a ground electrode on a support 21 made of an insulating material having a hollow portion for forming plasma therein. A plurality of electrodes 22 made of a conductive material are arranged so that their tips protrude from the inner wall surface of the support 21. Here, FIG. 2A illustrates an RT-CDRS including three high voltage electrodes and three ground electrodes, and FIG. 2B illustrates an RT-CDRS including two high voltage electrodes and two ground electrodes. Illustratively, FIG. 2 (c) illustrates an RT-CDRS including one high voltage electrode and two ground electrodes. Each high voltage electrode is electrically connected to a direct current or pulse power source 23.
このように３つ以上の複数の電極を同一平面上で対向して配置することにより、２つの電極によって構成される従来のプラズマ発生装置と比べて各高電圧電極に印加する電圧を小さくすることができるので、プラズマをより安定して発生させることが可能である。 In this way, by arranging three or more electrodes facing each other on the same plane, the voltage applied to each high-voltage electrode can be reduced as compared with the conventional plasma generator composed of two electrodes. Therefore, it is possible to generate plasma more stably.
本発明の好ましい態様によれば、ＲＴ−ＣＤＲＳにおける高電圧電極と接地電極は、円周上に交互に配置される。 According to the preferable aspect of this invention, the high voltage electrode and ground electrode in RT-CDRS are alternately arrange | positioned on the circumference.
図３（ａ）〜（ｃ）は、３つの高電圧電極と３つの接地電極を含むＲＴ−ＣＤＲＳに関する電極配置の組み合わせの例を示す図である。図中の実線は高電圧電極を表し、点線は接地電極を表している。 FIGS. 3A to 3C are diagrams showing examples of combinations of electrode arrangements related to RT-CDRS including three high voltage electrodes and three ground electrodes. The solid line in the figure represents the high voltage electrode, and the dotted line represents the ground electrode.
図４は、図３（ａ）の電極配置を有するＲＴ−ＣＤＲＳにおいてプラズマを発生させた場合のプラズマ放電の様子を示す写真である。なお、ＲＴ−ＣＤＲＳとしては、テフロン（登録商標）製の支持体（中空部の径１０１．４ｍｍ）にステンレス製チューブ（外径３．２ｍｍ、内径１．７ｍｍ）からなる電極を配置したものを使用し、このＲＴ−ＣＤＲＳの高電圧電極にパルス電圧（３０ｋＶ、周波数２００Ｈｚ）を印加した。また、後で詳述するが、ＲＴ−ＣＤＲＳの高電圧電極には乾燥空気を２．２Ｌ／分の流量で流している。 FIG. 4 is a photograph showing a state of plasma discharge when plasma is generated in the RT-CDRS having the electrode arrangement of FIG. As RT-CDRS, a Teflon (registered trademark) support (hollow part diameter: 101.4 mm) and an electrode made of a stainless steel tube (outer diameter: 3.2 mm, inner diameter: 1.7 mm) are arranged. A pulse voltage (30 kV, frequency 200 Hz) was applied to the high voltage electrode of this RT-CDRS. As will be described in detail later, dry air is allowed to flow through the RT-CDRS high voltage electrode at a flow rate of 2.2 L / min.
図４の写真から明らかなように、図３（ａ）の高電圧電極と接地電極が円周上に交互に配置された構成を有するＲＴ−ＣＤＲＳにおいて安定なプラズマ放電を得ることができた。また、図３（ｂ）及び（ｃ）の電極配置を有するＲＴ−ＣＤＲＳについても同様にプラズマ放電を行った。しかしながら、今回の放電条件、すなわち、３０ｋＶ及び周波数２００Ｈｚのパルス電源、乾燥空気流量２．２Ｌ／分等の条件下では、図３（ｂ）及び（ｃ）の構成を有するＲＴ−ＣＤＲＳについてもプラズマ放電自体を確認することはできたものの、図３（ａ）の構成を有するＲＴ−ＣＤＲＳについて得られたような安定なプラズマ放電を得ることはできなかった。これらの結果から、高電圧電極と接地電極を対照的に配置することでより安定にプラズマを発生させることができることがわかった。以下、すべての実験及び実施態様においてＲＴ−ＣＤＲＳは同じ構成のものを使用し、その電極配置は、図３（ａ）に示す電極配置、すなわち、３つの高電圧電極と３つの接地電極が円周上に交互に配置された電極配置とした。 As is clear from the photograph of FIG. 4, a stable plasma discharge could be obtained in the RT-CDRS having the configuration in which the high voltage electrodes and the ground electrodes of FIG. 3A are alternately arranged on the circumference. Moreover, plasma discharge was similarly performed also about RT-CDRS which has the electrode arrangement | positioning of FIG.3 (b) and (c). However, under the current discharge conditions, i.e., a pulse power supply of 30 kV and a frequency of 200 Hz, a dry air flow rate of 2.2 L / min, etc., the RT-CDRS having the configuration shown in FIGS. Although the discharge itself could be confirmed, a stable plasma discharge as obtained for the RT-CDRS having the configuration of FIG. 3A could not be obtained. From these results, it was found that plasma can be generated more stably by arranging the high voltage electrode and the ground electrode in contrast. Hereinafter, in all experiments and embodiments, RT-CDRSs having the same configuration are used, and the electrode arrangement thereof is the electrode arrangement shown in FIG. 3A, that is, three high voltage electrodes and three ground electrodes are circular. The electrode arrangement was alternately arranged on the circumference.
本発明の好ましい態様によれば、プラズマ発生手段の電極、特には高電圧電極からガスが流される。 According to a preferred embodiment of the present invention, gas is flowed from the electrode of the plasma generating means, particularly from the high voltage electrode.
図５は、ＲＴ−ＣＤＲＳの高電圧電極に乾燥空気を７．２Ｌ／分の流量で流した場合のプラズマ放電の様子を示す写真である。なお、乾燥空気の流量以外の条件は、図４の場合と同じ条件としている。図４及び図５から明らかなように、ＲＴ−ＣＤＲＳの電極に流すガス流量を２．２Ｌ／分から７．２Ｌ／分に増加することでプラズマが形成される領域が広くなることを確認した。 FIG. 5 is a photograph showing a state of plasma discharge when dry air is allowed to flow at a flow rate of 7.2 L / min through a high voltage electrode of RT-CDRS. The conditions other than the flow rate of the dry air are the same as those in FIG. As apparent from FIGS. 4 and 5, it was confirmed that the region in which plasma was formed was increased by increasing the gas flow rate flowing through the RT-CDRS electrode from 2.2 L / min to 7.2 L / min.
ＲＴ−ＣＤＲＳの電極に導入されるガスとしては、特に限定されないが、例えば、空気、酸素、窒素、希ガス、二酸化炭素等の純ガス又はそれらの混合ガスを使用することができる。 Although it does not specifically limit as gas introduced into the electrode of RT-CDRS, For example, pure gas, such as air, oxygen, nitrogen, a noble gas, a carbon dioxide, or those mixed gas can be used.
何ら特定の理論に束縛されることを意図するものではないが、電極に空気等のガスを流すことでプラズマを構成するイオンや電子などがこのガスの流れによって運ばれ、プラズマの発生領域が広がるものと考えられる。このようにプラズマの発生領域を広げることで、燃料を通過させるときに燃料が満遍なくプラズマと作用することができるため、燃料の改質、特にはクラッキングがより一層促進されると考えられる。さらには、電極からガスを流すことで電極を冷却することができる。一般に、電極の温度が上昇すると、放電の特性が変化して放電を作るための運転条件が安定しないという問題がある。しかしながら、本発明の好ましい態様によれば、放電の際に常に電極からガスを流すことでこのような電極の温度上昇を確実に抑えることできる。したがって、本発明の好ましい態様によれば、従来のプラズマ発生装置のように冷却水等を用いた追加の冷却設備を設けることなく、放電のための安定な運転条件を確実に実現することができる。 Although it is not intended to be bound by any particular theory, ions and electrons that make up the plasma are carried by the gas flow by flowing a gas such as air through the electrodes, and the plasma generation area is expanded. It is considered a thing. By expanding the plasma generation region in this way, it is considered that the fuel can uniformly interact with the plasma when the fuel is allowed to pass therethrough, so that reforming of the fuel, particularly cracking, is further promoted. Furthermore, the electrode can be cooled by flowing gas from the electrode. In general, when the temperature of the electrode rises, there is a problem that the operating conditions for producing a discharge are not stable because the characteristics of the discharge change. However, according to a preferred aspect of the present invention, it is possible to reliably suppress such an increase in temperature of the electrode by always flowing gas from the electrode during discharge. Therefore, according to a preferred embodiment of the present invention, stable operating conditions for discharge can be reliably realized without providing additional cooling equipment using cooling water or the like as in the conventional plasma generator. .
さらに言えば、電極にガスを流すことで、このガス自体も放電によってイオン化されると考えられる。例えば、ガスとして空気を流すと、この空気中の成分、特には酸素や窒素がイオン化されてラジカルが生成する。このようなラジカルは、図４及び５においてプラズマが発生していない領域も含め、ＲＴ−ＣＤＲＳの中空部分全体に存在していると考えられる。したがって、このようなプラズマ発生装置を本発明の燃料改質装置におけるプラズマ発生手段として使用することで、酸素ラジカル等のラジカルが燃料の炭化水素と満遍なく反応して炭化水素を部分的に酸化し、燃料の炭化水素をアルコールやケトンなど、より低沸点の成分に改質するという効果も得ることができると考えられる。 Furthermore, it is considered that the gas itself is ionized by the discharge by flowing the gas through the electrode. For example, when air is flowed as a gas, components in the air, particularly oxygen and nitrogen, are ionized to generate radicals. Such radicals are considered to exist in the entire hollow portion of the RT-CDRS, including the region where no plasma is generated in FIGS. Therefore, by using such a plasma generator as a plasma generating means in the fuel reformer of the present invention, radicals such as oxygen radicals uniformly react with the hydrocarbons of the fuel to partially oxidize the hydrocarbons, It is considered that the effect of reforming the fuel hydrocarbon to a component having a lower boiling point such as alcohol or ketone can be obtained.
図６は、ＲＴ−ＣＤＲＳの高電圧電極に流す空気の流量を変化させた場合のＲＴ−ＣＤＲＳの最大放電電流に関する印加電圧依存性を示すグラフである。図６は、横軸にＲＴ−ＣＤＲＳに印加するパルス電圧（Ｖｄ）の値（ｋＶ）を示し、縦軸に最大放電電流（Ｉｄ）の値（ｍＡ）を示している。図６を参照すると、空気の流量を０．４５Ｌ／分から２．２Ｌ／分に増やすことでＲＴ−ＣＤＲＳの最大放電電流が一旦減少したが、空気の流量をさらに４．５Ｌ／分に増やすことでその値が大きく増加した。このことからも、ＲＴ−ＣＤＲＳの電極にガスを流すことでＲＴ−ＣＤＲＳの消費電力（電圧値×電流値）が影響を受け、しかもそのガス流量に最適値が存在することがわかった。但し、ガス流量の最適値は、ＲＴ−ＣＤＲＳのサイズやＲＴ−ＣＤＲＳにおいて使用される電極の数及び配置、さらには導入されるガスの組成等、種々の因子によって影響を受けかつ変化することが考えられるため、電極に流すガスの流量は、実際に使用するＲＴ−ＣＤＲＳの構成や導入するガスの組成等に応じて適宜決定することが必要である。なお、図４〜６においては、すべてＲＴ−ＣＤＲＳの高電圧電極にガスを導入しているが、このようなガスの導入は、高電圧電極のみに限定されるものではなく、接地電極において行ってもよいし、あるいはまた、高電圧電極と接地電極の両方において行ってもよい。 FIG. 6 is a graph showing the applied voltage dependency on the maximum discharge current of RT-CDRS when the flow rate of air flowing through the high-voltage electrode of RT-CDRS is changed. FIG. 6 shows the value (kV) of the pulse voltage (Vd) applied to the RT-CDRS on the horizontal axis, and the value (mA) of the maximum discharge current (Id) on the vertical axis. Referring to FIG. 6, the maximum discharge current of RT-CDRS once decreased by increasing the air flow rate from 0.45 L / min to 2.2 L / min, but the air flow rate is further increased to 4.5 L / min. The value greatly increased. From this, it was found that the power consumption (voltage value × current value) of the RT-CDRS was affected by flowing a gas through the electrode of the RT-CDRS, and there was an optimum value for the gas flow rate. However, the optimum value of the gas flow rate may be affected and changed by various factors such as the size of RT-CDRS, the number and arrangement of electrodes used in RT-CDRS, and the composition of the introduced gas. Therefore, it is necessary to appropriately determine the flow rate of the gas flowing to the electrode according to the configuration of the RT-CDRS actually used, the composition of the introduced gas, and the like. 4 to 6, all of the gas is introduced into the high voltage electrode of the RT-CDRS. However, the introduction of such gas is not limited to the high voltage electrode but is performed at the ground electrode. Alternatively, it may be performed on both the high voltage electrode and the ground electrode.
上記のプラズマ発生装置において用いられる電極としては、導電性でかつ空気等のガスを流すことができる中空形状のものを使用することができ、例えば、内径０．１〜１ｍｍ程度の市販のステンレス鋼管等を使用することができる。 As an electrode used in said plasma generator, the hollow thing which can flow gas, such as air, can be used, for example, for example, a commercially available stainless steel pipe about 0.1-1 mm in internal diameter Etc. can be used.
また、電極の形状としては、安定にプラズマを発生させることができる形状であればよく、特に限定されるものではないが、上記のような市販のステンレス鋼管のほか、例えば、ガスを通すための孔を設けた球状の導電性材料を上記の電極の先端に取り付けたものを使用してもよい。このように電極の端面を球状にすることで電極の先端に電界が集中するエッジがなくなるため、プラズマを空間に満遍なく発生させることができる。 The shape of the electrode is not particularly limited as long as it can stably generate plasma. For example, in addition to the commercially available stainless steel pipe as described above, for example, for passing gas. You may use what attached the spherical conductive material which provided the hole to the front-end | tip of said electrode. By making the end face of the electrode spherical in this way, there is no edge where the electric field concentrates at the tip of the electrode, so that plasma can be generated evenly in the space.
上記のプラズマ発生装置において用いられる支持体としては、内部にプラズマを形成するための中空部を有するテフロン（登録商標）、セラミック等の絶縁性材料を使用することができる。中空部の形状及びサイズは、プラズマ発生装置の上流において用いられる燃料微粒化手段の大きさや処理すべき燃料の組成及び量において適宜決定すればよい。一般的には、中空部の形状は円形であり、その径は２〜１０ｃｍの範囲とすることが好ましい。 As the support used in the above plasma generator, an insulating material such as Teflon (registered trademark) or ceramic having a hollow portion for forming plasma therein can be used. The shape and size of the hollow portion may be appropriately determined depending on the size of the fuel atomization means used upstream of the plasma generator and the composition and amount of the fuel to be processed. In general, the shape of the hollow portion is circular, and the diameter is preferably in the range of 2 to 10 cm.
以下、図面を参照して、本発明の燃料改質装置についてより詳細に説明する。 Hereinafter, the fuel reformer of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
図７は、本発明の燃料改質装置の１つの実施態様を示す模式図である。図７に示すように、本発明の燃料改質装置３０は、燃料微粒化手段としてＥＨＤＡ１０を具備し、当該燃料微粒化手段の下流に配置されるプラズマ発生手段としてＲＴ−ＣＤＲＳ２０を具備している。 FIG. 7 is a schematic diagram showing one embodiment of the fuel reformer of the present invention. As shown in FIG. 7, the fuel reformer 30 of the present invention includes an EHDA 10 as fuel atomization means, and an RT-CDRS 20 as plasma generation means disposed downstream of the fuel atomization means. .
本実施態様では、ＥＨＤＡ１０の筒体１３はアルミナ製のチューブから構成され、燃料噴射管１２はステンレス製のチューブ（長さ２．５ｃｍ、内径０．６ｍｍ）から構成されている。また、ＲＴ−ＣＤＲＳ２０の支持体２１はテフロン（登録商標）（中空部の径１０１．４ｍｍ）から構成され、高電圧電極と接地電極を含む電極２２はステンレス製チューブ（外径３．２ｍｍ、内径１．７ｍｍ）から構成され、３つの高電圧電極と３つの接地電極をそれぞれ円周上に交互に配置している。 In this embodiment, the cylindrical body 13 of the EHDA 10 is made of an alumina tube, and the fuel injection pipe 12 is made of a stainless steel tube (length 2.5 cm, inner diameter 0.6 mm). The support 21 of the RT-CDRS 20 is made of Teflon (registered trademark) (hollow part diameter 101.4 mm), and the electrode 22 including the high voltage electrode and the ground electrode is a stainless steel tube (outer diameter 3.2 mm, inner diameter). 1.7 mm), and three high voltage electrodes and three ground electrodes are alternately arranged on the circumference.
次に、上記のＥＨＤＡとＲＴ−ＣＤＲＳからなる燃料改質装置を使用し、図８に示す実験装置によって燃料改質実験を行った。 Next, a fuel reforming experiment was performed using the fuel reformer composed of the above-mentioned EHDA and RT-CDRS using the experimental apparatus shown in FIG.
図８を参照すると、ガラス製のチャンバー３１の上部にＥＨＤＡ１０が取り付けられ、その下流にＲＴ−ＣＤＲＳ２０が取り付けられている。なお、本実験装置では、ＥＨＤＡ１０の燃料噴射管１２の先端からＲＴ−ＣＤＲＳ２０の電極２２までの距離ｄを１２ｃｍとしている。また、サンプリングライン３２がチャンバー３１に連結され、このサンプリングライン３２には分析計３３が連結されている。さらに、測定成分を分析計に送るためのサンプリング用ガス（乾燥空気）の導入ライン３４がチャンバー３１に連結されている。 Referring to FIG. 8, the EHDA 10 is attached to the upper part of a glass chamber 31, and the RT-CDRS 20 is attached downstream thereof. In this experimental apparatus, the distance d from the tip of the fuel injection pipe 12 of the EHDA 10 to the electrode 22 of the RT-CDRS 20 is set to 12 cm. A sampling line 32 is connected to the chamber 31, and an analyzer 33 is connected to the sampling line 32. Furthermore, a sampling gas (dry air) introduction line 34 for sending the measurement component to the analyzer is connected to the chamber 31.
本実験は室温で行い、燃料としてｎ−デカン（Ｃ10Ｈ22）を使用した。この燃料を４ｍＬ／分の流量でＥＨＤＡ１０に連続的に供給し、ＥＨＤＡ１０とＲＴ−ＣＤＲＳ２０に印加する電圧の組み合わせを変化させ、それぞれの場合において気相の炭化水素濃度を分析計３３によって測定した。なお、本実験では、ＥＨＤＡ１０には直流電圧（Ｖｄｃ＝３０ｋＶ）を印加し、ＲＴ−ＣＤＲＳ２０にはパルス電圧（Ｖｄ＝２０ｋＶ、周波数２００Ｈｚ）を印加して、キャリアガスとして乾燥空気２．２Ｌ／分をＲＴ−ＣＤＲＳ２０の高電圧電極に流した。その結果を図９（ａ）及び（ｂ）に示す。 This experiment was performed at room temperature, and n-decane (C 10 H 22 ) was used as a fuel. This fuel was continuously supplied to the EHDA 10 at a flow rate of 4 mL / min, and the combination of voltages applied to the EHDA 10 and the RT-CDRS 20 was changed. In each case, the hydrocarbon concentration in the gas phase was measured by the analyzer 33. In this experiment, a DC voltage (Vdc = 30 kV) is applied to EHDA 10, a pulse voltage (Vd = 20 kV, frequency 200 Hz) is applied to RT-CDRS 20, and dry air is 2.2 L / min as a carrier gas. Was passed through the high voltage electrode of RT-CDRS20. The results are shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b).
図９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の燃料改質装置による燃料改質実験の結果を示すグラフである。図９（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ横軸に分析時間（分）を示し、縦軸に気相の炭化水素濃度（ｐｐｍ）を示している。図９（ａ）を参照すると、ＥＨＤＡ１０とＲＴ−ＣＤＲＳ２０に電圧を印加しなかった場合（すなわち、Ｖｄｃ＝０ｋＶ及びＶｄ＝０ｋＶの場合）には、わずかな量の炭化水素のみを検出した。これは室温での蒸気圧に相当するｎ−デカンの蒸気が単に検出されたものと考えられる。また、ＥＨＤＡ１０にのみ電圧を印加した場合（すなわち、Ｖｄｃ＝３０ｋＶ及びＶｄ＝０ｋＶの場合）には、検出される炭化水素濃度がわずかに増加することを確認した。このことは、ＥＨＤＡ１０に直流電圧を印加することで燃料が微粒化され、このような微粒化によって燃料の表面積が増加してその蒸発が多少促進されたことに起因するものと考えられる。これに対し、ＥＨＤＡ１０とＲＴ−ＣＤＲＳ２０のそれぞれに電圧を印加した場合（すなわち、Ｖｄｃ＝３０ｋＶ及びＶｄ＝２０ｋＶの場合）には、検出される炭化水素の濃度が急激に増加した。この結果は、ＥＨＤＡ１０によって微粒化された燃料にＲＴ−ＣＤＲＳ２０によりプラズマを照射することで燃料のｎ−デカンが低分子量の成分に改質、特にはクラッキングされ、室温で気化する炭化水素の量が増加したことを示すものである。 FIGS. 9A and 9B are graphs showing the results of a fuel reforming experiment using the fuel reforming apparatus of the present invention. In FIGS. 9A and 9B, the horizontal axis indicates the analysis time (minutes) and the vertical axis indicates the hydrocarbon concentration (ppm) in the gas phase. Referring to FIG. 9A, when no voltage was applied to EHDA 10 and RT-CDRS 20 (that is, when Vdc = 0 kV and Vd = 0 kV), only a small amount of hydrocarbon was detected. This is considered that the vapor of n-decane corresponding to the vapor pressure at room temperature was simply detected. In addition, when a voltage was applied only to EHDA 10 (that is, when Vdc = 30 kV and Vd = 0 kV), it was confirmed that the detected hydrocarbon concentration slightly increased. This is considered to be because the fuel was atomized by applying a DC voltage to the EHDA 10 and the surface area of the fuel was increased by such atomization, and the evaporation thereof was somewhat promoted. In contrast, when a voltage was applied to each of the EHDA 10 and the RT-CDRS 20 (that is, when Vdc = 30 kV and Vd = 20 kV), the concentration of the detected hydrocarbon increased rapidly. This result shows that the fuel atomized by EHDA10 is irradiated with plasma by RT-CDRS20, so that the n-decane of the fuel is reformed into a low molecular weight component, particularly cracked, and the amount of hydrocarbon vaporized at room temperature is reduced. It shows that it increased.
一方、図９（ｂ）に示すように、ＲＴ−ＣＤＲＳ２０にのみ電圧を印加した場合（すなわち、Ｖｄｃ＝０ｋＶ及びＶｄ＝２０ｋＶの場合）には、検出される炭化水素の濃度は、ＥＨＤＡ１０とＲＴ−ＣＤＲＳ２０の両方に電圧を印加しない場合と比べてほとんど変化しなかった。図９（ａ）及び（ｂ）の結果から、単に燃料を微粒化するか又は燃料にプラズマを照射するだけでは、燃料を効果的に低分子量の成分に改質することはできず、それゆえ、このような燃料の改質には、燃料の微粒化とプラズマ照射の両方を組み合わせて使用することが有効であることを確認した。 On the other hand, as shown in FIG. 9B, when a voltage is applied only to the RT-CDRS 20 (that is, when Vdc = 0 kV and Vd = 20 kV), the detected hydrocarbon concentrations are EHDA 10 and RT -Almost no change compared to the case where no voltage was applied to both CDRS20. From the results of FIGS. 9 (a) and 9 (b), it is not possible to effectively reform the fuel into low molecular weight components simply by atomizing the fuel or irradiating the fuel with plasma. It was confirmed that the use of a combination of atomization of fuel and plasma irradiation is effective for such reforming of fuel.
何ら特定の理論に束縛されることを意図するものではないが、上記のような燃料の改質は燃料の液滴表面から徐々に進行すると考えられる。したがって、燃料を微粒化せずに単に燃料にプラズマを照射するだけでは、プラズマと接触する燃料の表面積が小さいために燃料の改質がほとんど進行しない。しかしながら、燃料微粒化手段とプラズマ発生手段を組み合わせて使用することで、プラズマと接触する燃料の表面積を大幅に増加させることができるので、燃料の低分子量成分への改質、特にはクラッキングを促進させることができると考えられる。 While not intending to be bound by any particular theory, it is believed that such fuel reforming proceeds gradually from the surface of the fuel droplets. Therefore, by simply irradiating the fuel with plasma without atomizing the fuel, reforming of the fuel hardly proceeds because the surface area of the fuel in contact with the plasma is small. However, the use of a combination of fuel atomization means and plasma generation means can greatly increase the surface area of the fuel in contact with the plasma, thus promoting the reforming of the fuel to low molecular weight components, especially cracking. It is thought that it can be made.
本発明によれば、ＥＨＤＡ１０による微粒化処理とＲＴ−ＣＤＲＳ２０によるプラズマ処理を繰り返し行うことで燃料の改質をさらに向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to further improve the reforming of the fuel by repeatedly performing the atomization process using the EHDA 10 and the plasma process using the RT-CDRS 20.
図１０は、本発明の燃料改質装置を用いた実験装置を示す模式図である。図１０を参照すると、図８における実験装置の場合と同様に、ガラス製のチャンバー３１の上部にＥＨＤＡ１０が取り付けられ、その下流にＲＴ−ＣＤＲＳ２０が取り付けられている。なお、本実験装置では、ＥＨＤＡ１０の燃料噴射管１２の先端からＲＴ−ＣＤＲＳ２０の電極２２までの距離ｄを９ｃｍとしている。また、チャンバー３１の底部にはトレイ３５が配置されている。このトレイ３５は、循環ライン３６を介して燃料の導入ライン１５に連結されている。なお、循環ライン３６中にはポンプ３７が配置されており、このポンプ３７を用いてＥＨＤＡ１０とＲＴ−ＣＤＲＳ２０によって処理されたトレイ３５内の燃料を再び循環ライン３６を介してＥＨＤＡ１０に供給できるようにしている。 FIG. 10 is a schematic diagram showing an experimental apparatus using the fuel reformer of the present invention. Referring to FIG. 10, as in the case of the experimental apparatus in FIG. 8, the EHDA 10 is attached to the upper portion of the glass chamber 31, and the RT-CDRS 20 is attached downstream thereof. In this experimental apparatus, the distance d from the tip of the fuel injection pipe 12 of the EHDA 10 to the electrode 22 of the RT-CDRS 20 is 9 cm. A tray 35 is disposed at the bottom of the chamber 31. The tray 35 is connected to the fuel introduction line 15 via a circulation line 36. A pump 37 is disposed in the circulation line 36, and the fuel in the tray 35 processed by the EHDA 10 and the RT-CDRS 20 can be supplied to the EDHA 10 again via the circulation line 36 by using the pump 37. ing.
本実験は室温で行い、燃料として軽油を使用した。この軽油を４ｍＬ／分の流量でＥＨＤＡ１０に供給し、ＥＨＤＡ１０による微粒化処理とＲＴ−ＣＤＲＳ２０によるプラズマ処理を行った後、トレイ３５内に溜まった燃料をポンプ３７によって再びＥＨＤＡ１０に供給して循環させ、同様の微粒化処理とプラズマ処理を複数回繰り返して行った。なお、本実験では、ＥＨＤＡ１０に直流電圧２６ｋＶを印加し、ＲＴ−ＣＤＲＳ２０にパルス電圧２６ｋＶ（周波数２００Ｈｚ）を印加して、キャリアガスとして乾燥空気４．５Ｌ／分をＲＴ−ＣＤＲＳ２０の高電圧電極に流した。 This experiment was performed at room temperature and light oil was used as the fuel. This light oil is supplied to the EHDA 10 at a flow rate of 4 mL / min. After the atomization process using the EHDA 10 and the plasma process using the RT-CDRS 20, the fuel accumulated in the tray 35 is supplied to the EHDA 10 again by the pump 37 and circulated. The same atomization treatment and plasma treatment were repeated a plurality of times. In this experiment, a DC voltage of 26 kV is applied to the EHDA 10, a pulse voltage of 26 kV (frequency: 200 Hz) is applied to the RT-CDRS 20, and 4.5 L / min of dry air as a carrier gas is applied to the high voltage electrode of the RT-CDRS 20. Washed away.
本実験では、各循環操作後にトレイ３５内に溜まった燃料を取り出して分析計によって測定し、得られたクロマトグラムのピーク面積から改質された成分の量を測定した。なお、本実験では、このような改質処理操作によって軽油が改質された結果、分析計において非常に多くの低分子量成分を検出した。しかしながら、これらの成分はクロマトによる分離が困難であったため、それらの組成及び量を正確に同定することができなかった。そこで、本実験では、各循環操作によって改質された燃料中の炭素数１０の炭化水素成分（Ｃ１０）と炭素数１５の炭化水素成分（Ｃ１５）の量を比較することによって循環の効果を確認した。その結果を図１１に示す。 In this experiment, the fuel accumulated in the tray 35 after each circulation operation was taken out and measured by an analyzer, and the amount of the modified component was measured from the peak area of the obtained chromatogram. In this experiment, as a result of the light oil being reformed by such a reforming operation, a very large number of low molecular weight components were detected in the analyzer. However, since these components were difficult to separate by chromatography, their composition and amount could not be accurately identified. Therefore, in this experiment, the effect of the circulation was confirmed by comparing the amount of the hydrocarbon component having 10 carbon atoms (C10) and the hydrocarbon component having 15 carbon atoms (C15) in the fuel reformed by each circulation operation. did. The result is shown in FIG.
図１１は、本発明の燃料改質装置による燃料改質実験の結果を示すグラフである。図１１から明らかなように、燃料を循環させて微粒化処理とプラズマ処理からなる改質操作を繰り返し行うことで、燃料中のＣ１５成分に対するＣ１０成分の割合が大きくなっており、このような循環操作によって燃料の軽質成分への改質を促進できることを確認した。 FIG. 11 is a graph showing the results of a fuel reforming experiment using the fuel reforming apparatus of the present invention. As is clear from FIG. 11, the ratio of the C10 component to the C15 component in the fuel is increased by repeating the reforming operation including the atomization process and the plasma process by circulating the fuel. It was confirmed that the operation can promote the reforming of fuel to light components.
本発明の燃料改質装置は、種々の用途において適用することができる。例えば、本発明の燃料改質装置は、内燃機関の排気管内又は燃焼室内に供給される燃料を改質するのに適用することができる。 The fuel reformer of the present invention can be applied in various applications. For example, the fuel reformer of the present invention can be applied to reform fuel supplied into an exhaust pipe or a combustion chamber of an internal combustion engine.
ディーゼル排気中のＮＯxを還元浄化するために、ＮＯx吸蔵還元型触媒（以下、ＮＳＲ触媒と称する）にＮＯxを吸蔵させ、排気管に燃料を還元剤として噴射することによりＮＯxをＮＳＲ触媒から放出して還元浄化する方法が知られている。しかしながら、この場合に用いられるディーゼル燃料は還元力が低く、上記のような還元剤として使用したときに、ＮＳＲ触媒に吸蔵されたＮＯxを十分に還元することができないという問題がある。 To reduce and purify NO x in the diesel exhaust, NO x storage reduction catalyst (hereinafter, NSR catalyst hereinafter) to thereby occluding NO x, NSR the NO x by injecting fuel into the exhaust pipe as the reducing agent A method of reducing and purifying by releasing from a catalyst is known. However, the diesel fuel used in this case has a low reducing power, and there is a problem that NO x stored in the NSR catalyst cannot be sufficiently reduced when used as a reducing agent as described above.
図１２は、本発明の燃料改質装置を用いた場合のＮＳＲ触媒のＮＯx還元能を調べるための実験装置を示す模式図である。図１２を参照すると、ＮＳＲ触媒４１が排気管４２内に配置され、その上流側に本発明の燃料改質装置３０が連結されている。燃料改質装置３０の燃料導入管１１は燃料導入ライン１５を介して燃料ボトル４３に連結され、燃料導入ライン１５内にはポンプ４４が配置されている。また、燃料改質装置３０の入口には導入管４５が連結され、この導入管４５にはＮＯ／Ｎ2ガスを含有するボンベ４６からのライン４７と圧縮空気の供給ライン４８が連結され、この圧縮空気供給ライン４８内にはオイルミストトラップ４９とヒーター５０が配置されている。また、圧縮空気供給ライン４８からはキャリアガス供給ライン５１が分岐されており、このキャリアガス供給ラインは燃料改質装置３０におけるＲＴ−ＣＤＲＳ２０の高電圧電極に連結されている。また、導入ライン４５及びＮＳＲ触媒４１にはリボンヒーター（図示せず）が巻き付けられており、燃料改質装置３０の上流側及びＮＳＲ触媒４１の下流側に設けられた熱電対（図示せず）によって導入ライン４５及びＮＳＲ触媒４１の温度が制御される。さらに排気管４２には分析計５２が連結されている。なお、図１２においてＦＭは流量計を表している。 Figure 12 is a schematic diagram showing an experimental apparatus for examining the NO x reduction capability of the NSR catalyst in the case of using the fuel reforming apparatus of the present invention. Referring to FIG. 12, the NSR catalyst 41 is disposed in the exhaust pipe 42, and the fuel reformer 30 of the present invention is connected to the upstream side thereof. The fuel introduction pipe 11 of the fuel reformer 30 is connected to the fuel bottle 43 via the fuel introduction line 15, and a pump 44 is disposed in the fuel introduction line 15. An inlet pipe 45 is connected to the inlet of the fuel reformer 30, and a line 47 from a cylinder 46 containing NO / N 2 gas and a compressed air supply line 48 are connected to the inlet pipe 45. An oil mist trap 49 and a heater 50 are disposed in the compressed air supply line 48. Further, a carrier gas supply line 51 is branched from the compressed air supply line 48, and this carrier gas supply line is connected to a high voltage electrode of the RT-CDRS 20 in the fuel reformer 30. Further, a ribbon heater (not shown) is wound around the introduction line 45 and the NSR catalyst 41, and thermocouples (not shown) provided on the upstream side of the fuel reformer 30 and the downstream side of the NSR catalyst 41. Thus, the temperatures of the introduction line 45 and the NSR catalyst 41 are controlled. Further, an analyzer 52 is connected to the exhaust pipe 42. In FIG. 12, FM represents a flow meter.
図１３は、本実験で用いた本発明の燃料改質装置３０を模式的に示す断面図である。図１３に示すように、ＮＳＲ触媒４１への排ガス流路の外側に鉄等の材料からなるケーシング５３を設け、このケーシング５３にＥＨＤＡ１０とＲＴ−ＣＤＲＳ２０からなる本発明の燃料改質装置３０が取り付けられている。このように排ガス流路外に本発明の燃料改質装置を設置することで、排ガス流路内に設置した場合と比べて高温の排ガスによる熱の影響を回避することができるので、より安定にプラズマを発生させることができる。さらには、排ガス流路外に本発明の燃料改質装置を設置することで、還元剤として使用する燃料にのみプラズマを照射すればよいので、燃料改質装置を小型化することができ、消費電力も小さくすることができるので経済的である。 FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing the fuel reformer 30 of the present invention used in this experiment. As shown in FIG. 13, a casing 53 made of a material such as iron is provided outside the exhaust gas flow path to the NSR catalyst 41, and the fuel reformer 30 of the present invention comprising the EHDA 10 and the RT-CDRS 20 is attached to the casing 53. It has been. By installing the fuel reformer of the present invention outside the exhaust gas flow path in this way, the influence of heat due to the high temperature exhaust gas can be avoided as compared with the case where it is installed inside the exhaust gas flow path, so that it is more stable. Plasma can be generated. Furthermore, by installing the fuel reformer of the present invention outside the exhaust gas flow path, it is only necessary to irradiate plasma to the fuel used as the reducing agent, so that the fuel reformer can be downsized and consumed. It is economical because electric power can be reduced.
本実験では、ジニトロジアミン白金溶液（白金４．４％）及び酢酸バリウムを用い、市販のγ−Ａｌ2Ｏ3１００ｇに対してバリウム０．２ｍｏｌ、白金２ｗｔ％を担持したＮＳＲ触媒４１を調製した。また、燃料改質装置３０から添加される燃料としてディーゼル燃料を用いた。 In this experiment, a dinitrodiamine platinum solution (platinum 4.4%) and barium acetate were used to prepare an NSR catalyst 41 supporting barium 0.2 mol and platinum 2 wt% with respect to 100 g of commercially available γ-Al 2 O 3 . . Further, diesel fuel was used as the fuel added from the fuel reformer 30.
本実験では、まず、ボンベ４６からのＮＯ／Ｎ2ガスとヒーター５０によって２５０℃の温度に昇温された圧縮空気供給ライン４８からの圧縮空気とを混合して模擬排ガス（ＮＯ：１００ｐｐｍ、Ｏ2：１９％、Ｎ2バランス）を作り、次いで、この模擬排ガスを約９０Ｌ／分の流量で以って２５０℃の温度に制御されたＮＳＲ触媒４１に導入管４５を介して供給し、ＮＳＲ触媒４１にＮＯを吸蔵させる。次いで、ＮＳＲ触媒４１から排出されるガス中のＮＯ量が模擬排ガス中のＮＯ量（１００ｐｐｍ）とほぼ等しくなった後、すなわち、ＮＳＲ触媒４１のＮＯ吸蔵量が飽和に達した後、燃料ボトル４３から燃料改質装置３０へディーゼル燃料を１５ｍＬ／分の流量で以って１０秒間供給し、燃料改質装置３０によって軽質化された燃料をＮＳＲ触媒４１に供給した。なお、本実験では、ＥＨＤＡ１０に直流電圧２２ｋＶを印加し、ＲＴ−ＣＤＲＳ２０にパルス電圧１８ｋＶ（周波数２００Ｈｚ）を印加して、キャリアガスとして乾燥空気６Ｌ／分をＲＴ−ＣＤＲＳ２０の高電圧電極に流した。ＮＳＲ触媒４１から排気管４２に排出されるガスを分析計５２によって測定した。その結果を図１４に示す。 In this experiment, first, NO / N 2 gas from the cylinder 46 and compressed air from the compressed air supply line 48 heated to 250 ° C. by the heater 50 are mixed to simulate exhaust gas (NO: 100 ppm, O 2 : 19%, N 2 balance), and then the simulated exhaust gas is supplied to the NSR catalyst 41 controlled to a temperature of 250 ° C. at a flow rate of about 90 L / min via the introduction pipe 45, NO is stored in the catalyst 41. Next, after the NO amount in the gas discharged from the NSR catalyst 41 becomes substantially equal to the NO amount (100 ppm) in the simulated exhaust gas, that is, after the NO storage amount of the NSR catalyst 41 reaches saturation, the fuel bottle 43 The diesel fuel was supplied to the fuel reformer 30 at a flow rate of 15 mL / min for 10 seconds, and the fuel lightened by the fuel reformer 30 was supplied to the NSR catalyst 41. In this experiment, a DC voltage of 22 kV was applied to the EHDA 10, a pulse voltage of 18 kV (frequency of 200 Hz) was applied to the RT-CDRS 20, and dry air of 6 L / min was passed through the high voltage electrode of the RT-CDRS 20 as a carrier gas. . The gas discharged from the NSR catalyst 41 to the exhaust pipe 42 was measured by the analyzer 52. The result is shown in FIG.
図１４は、ＮＳＲ触媒のＮＯx還元能に関する本発明の燃料改質装置によって改質された燃料の添加効果を示すグラフである。図１４は、横軸に分析時間（分）を示し、縦軸にＮＳＲ触媒４１から排出されたガス中のＮＯx量（ｐｐｍ）を示している。図１４から明らかなように、ＮＳＲ触媒４１のＮＯx吸蔵量が飽和してＮＳＲ触媒４１から排出されるガス中のＮＯ量が模擬排ガス中のＮＯ量（１００ｐｐｍ）とほぼ等しくなった後、本発明の燃料改質装置によって改質された燃料を添加すると、分析ガス中のＮＯx量が約１００ｐｐｍから約１５００ｐｐｍまで急激に増加し、その後、０ｐｐｍ付近まで大きく減少していることがわかる。一方で、分析ガス中のＮＯx量が０ｐｐｍ付近まで大きく減少した後、再び徐々に増加しているのは、模擬排ガス中のＮＯが再びＮＳＲ触媒４１によって吸蔵されていることを示している。これらのことは、ＮＳＲ触媒４１上に吸着されるか及び／又は硝酸塩として吸蔵されて蓄えられていたＮＯxが、本発明の燃料改質装置から供給された改質燃料によってＮＳＲ触媒から吐き出され、還元浄化されたことを意味している。 Figure 14 is a graph showing the effect of adding fuel reformed by the fuel reformer of the present invention relates to the NO x reduction capability of the NSR catalyst. In FIG. 14, the horizontal axis represents the analysis time (minutes), and the vertical axis represents the NO x amount (ppm) in the gas discharged from the NSR catalyst 41. As apparent from FIG. 14, after substantially equal to the NO content of NO content in the gas is simulated in the exhaust gas the NO x storage amount is discharged from the NSR catalyst 41 is saturated in the NSR catalyst 41 (100 ppm), the It can be seen that when the fuel reformed by the fuel reformer of the invention is added, the amount of NO x in the analysis gas increases rapidly from about 100 ppm to about 1500 ppm and then greatly decreases to near 0 ppm. On the other hand, after the amount of NO x analysis gas is greatly decreased to around 0 ppm, is of gradually increasing again, NO in the simulated exhaust gas indicates that it is occluded by the NSR catalyst 41 again. These things, NO x, which have been stored occluded as either and / or nitrate adsorbed on the NSR catalyst 41, is discharged from the NSR catalyst by the supplied reformed fuel from the fuel reforming apparatus of the present invention It means that it has been reduced and purified.
実験結果として特に示していないが、燃料改質装置３０のプラズマ発生手段であるＲＴ−ＣＤＲＳ２０にパルス電圧を印加せず、すなわち、燃料の改質を実施せず、ＥＨＤＡ１０によって単に微粒化されたディーゼル燃料をＮＳＲ触媒４１に供給した場合には、本実験のような低温下（２５０℃）においてＮＳＲ触媒４１からの上記のようなＮＯxの脱離を検出することはできなかった。それゆえ、本発明の燃料改質装置によって改質された燃料を添加することで、低温下においてもＮＳＲ触媒のＮＯx還元能を顕著に向上させることができることがわかった。 Although not specifically shown as an experimental result, diesel which is not atomized by the EHDA 10 without applying a pulse voltage to the RT-CDRS 20 that is a plasma generation means of the fuel reformer 30, that is, without reforming the fuel. When fuel was supplied to the NSR catalyst 41, the above-described desorption of NO x from the NSR catalyst 41 could not be detected at a low temperature (250 ° C.) as in this experiment. Therefore, by adding the fuel reformed by the fuel reformer of the present invention, it was found that it is possible to remarkably improve the NO x reduction capability of the NSR catalyst even at low temperatures.
本明細書では、本発明の燃料改質装置は、特に内燃機関の排気管内に供給される燃料を改質する場合について詳しく説明された。しかしながら、本発明の燃料改質装置によれば、軽油やガソリンなどの炭化水素等からなる液体燃料をより反応性の高い低分子量成分に改質することができるので、本発明の燃料改質装置を内燃機関の燃焼室内への燃料供給に適用することで、燃料の燃焼効率を顕著に改善することが可能である。 In the present specification, the fuel reformer of the present invention has been described in detail particularly in the case of reforming the fuel supplied into the exhaust pipe of the internal combustion engine. However, according to the fuel reforming apparatus of the present invention, the liquid fuel composed of hydrocarbons such as light oil and gasoline can be reformed into a low molecular weight component having higher reactivity. By applying to the fuel supply to the combustion chamber of the internal combustion engine, it is possible to remarkably improve the fuel combustion efficiency.
１０ ＥＨＤＡ
１１ 燃料導入管
１２ 燃料噴射管
１３ 筒体
１４ 電圧印加装置
１５ 燃料導入ライン
２０ ＲＴ−ＣＤＲＳ
２１ 支持体
２２ 電極
２３ 電源
３０ 燃料改質装置
10 EHDA
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Fuel introduction pipe 12 Fuel injection pipe 13 Tubular body 14 Voltage application apparatus 15 Fuel introduction line 20 RT-CDRS
21 Support 22 Electrode 23 Power Supply 30 Fuel Reformer
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