JP2008298045A - 内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】別途の加熱手段を設置せずとも内燃機関用燃料を改質して内燃機関へと供給しうる内燃機関システムを提供する。
【解決手段】本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、燃料貯留手段と、燃料改質手段とを有する。前記内燃機関は、燃料の燃焼により動力を発生する。前記燃料貯留手段は、前記内燃機関に供給する燃料を貯留する。前記燃料改質手段は、前記燃料貯留手段から前記燃料が供給される燃料極と、含酸素物質含有流体が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とを分離する酸素イオン伝導体とを含む。そして、前記燃料改質手段は、前記燃料極に供給された前記燃料に含まれる炭化水素成分の少なくとも一部を部分酸化して、前記内燃機関に供給するための改質燃料を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関へ燃料を供給するための燃料供給装置に関する。詳細には、本発明は、燃料供給装置において、内燃機関の運転状況に応じて供給される燃料の特性を最適化するための改良に関する。

近年、地球環境に対する配慮から、自動車等の内燃機関の燃費を改善し、内燃機関からの排気をより一層浄化する（特に、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量を低減させる）目的で種々の試みがなされている。

例えば、エンジンシステムにおいてリーンバーン化や直噴化などの工夫を施すことにより、エンジン中での燃焼効率をより一層向上させる技術が盛んに開発されている。

また、ガソリンエンジンでは、燃料であるガソリンのオクタン価を上昇させると（いわゆる、ハイオクガソリン）、高圧縮比でもノッキングを起こし難くなる。従って、大きい出力が必要とされる運転時（例えば、車両の始動時）には比較的オクタン価の高いガソリンをエンジンに供給することが好ましい。これに対し、ガソリンのオクタン価を低下させると、リーンバーン（希薄燃焼）状態でも均一な燃焼状態が維持されることから、それほど大きい出力を必要としない運転時（例えば、車両の定速運転時）には比較的オクタン価の低いガソリンをエンジンに供給することが好ましい。

一方、ディーゼルエンジンでは、燃料である軽油のセタン価を上昇させると、着火性が向上するという利点がある。特に着火性に劣る寒冷地用軽油について、セタン価の向上により着火性を向上させることは有利である。

これらの知見に基づき、従来、エンジンに供給される燃料について、そのオクタン価・セタン価を制御する技術が提案されている。例えば、エンジン中での燃料の燃焼性や燃費の改善などを目的とした技術として、燃料を超臨界状態として改質触媒と接触させることにより、重質成分を軽質成分に変換させる技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００４−１６２５８６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術によって内燃機関用燃料を改質するには、ヒータ等の加熱手段を別途設けて改質器を加熱する必要がある。このため、例えば車両に適用される場合には車内空間の減少、車両重量の増加という問題や、加熱のために別途エネルギを必要とするなどの問題があった。

そこで本発明は、別途の加熱手段を設置せずとも内燃機関用燃料を改質して内燃機関へと供給しうる内燃機関システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、上述した課題を解決すべく鋭意研究を行った。その結果、従来広く知られている電源の１つである固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の構成を参考にして改質器を構成するという簡便な手段によって、燃料の効率的な改質が可能となることを見出し、本発明を完成させるに至った。なお、従来、ＳＯＦＣの構成は周知であり、これに関連する非常に多数の技術が提案されている。しかしながら、内燃機関用燃料を改質するための改質手段としてこのＳＯＦＣの構成を利用した技術は皆無である。

本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、燃料貯留手段と、燃料改質手段とを有する。前記内燃機関は、燃料の燃焼により動力を発生する。前記燃料貯留手段は、前記内燃機関に供給する燃料を貯留する。前記燃料改質手段は、前記燃料貯留手段から前記燃料が供給される燃料極と、含酸素物質含有流体が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とを分離する酸素イオン伝導体とを含む。そして、前記燃料改質手段は、前記燃料極に供給された前記燃料に含まれる炭化水素成分の少なくとも一部を部分酸化して、前記内燃機関に供給するための改質燃料を生成する。

なお、従来、内燃機関から排出される排気ガスのＮＯ_ｘ濃度を検出する検出手段に、酸素イオン伝導体を用いた酸素ポンプを配置する技術が提案されている（例えば、特開２００１−３２７４５号公報を参照）。ただし、この技術は、炭化水素（ＨＣ）濃度検出手段なしでも排気ガスのＨＣ濃度増大量を推定可能とすることを目的としたものであり、酸素イオン伝導体を燃料の改質に利用する本願とは構成が異なる。

また、従来、酸素イオン伝導体の固体電解質を用いた酸化還元反応器を利用して酸化還元反応を行う技術が提案されている（例えば、特開２００４−１５４６５７号公報を参照）。ただし、この技術は化学合成や有害物質の除去に用いることを念頭に開発されたものであり、内燃機関に供給するための燃料の改質に利用する本願とは構成が異なる。

本発明の内燃機関システムによれば、別途の加熱手段を設置せずとも内燃機関用燃料を改質して内燃機関へと供給することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ、内燃機関が火花点火式内燃機関の１つであるガソリンエンジンである形態を例に挙げて、本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るガソリンエンジンシステム１０を示す構成図である。図２は、図１に示す燃料改質器１２の主要な構成要素である電極積層体４０を示す斜視図である。

ガソリンエンジンシステム１０は、ガソリンタンク１１と、燃料改質器１２と、ガソリンエンジン１３とを有する。ガソリンタンク１１は、ガソリンエンジン１３に供給するガソリンを貯留する。燃料改質器１２は、ガソリンエンジン１３に供給するための改質ガソリンを生成する。ガソリンエンジン１３は、燃料であるガソリンの燃焼により動力を発生する。

ガソリンエンジン１３は、火花着火式内燃機関の１種であり、燃料であるガソリンと空気との混合気をシリンダ中に吸入し、この混合気をピストンで圧縮した後に、火花を発生させて点火し、燃焼・膨張させることによりピストンを往復運動させる内燃機関である。本実施形態において、ガソリンエンジン１３には、ガソリンエンジン１３からの排気ガスを燃料改質器１２に供給するための排気管１６、および、ガソリンエンジン１３におけるノッキング強度を検出するためのノッキングセンサ３１が設置されている。

燃料改質器１２は、燃料改質器１２は、ガソリンタンク１１とガソリンエンジン１３とを接続する燃料配管１４の途上に設置されている。ガソリンタンクからのガソリンの供給を受けて、ガソリンに含まれる炭化水素成分の少なくとも一部を部分酸化し、ガソリンエンジン１３に供給するための改質ガソリンを生成する。燃料改質器１２の上流側の燃料配管１４の途上には燃料用電動ポンプ１５が設置されている。また、燃料改質器１２には、燃料改質器１２を加熱するためのヒータ３２、および燃料改質器１２の温度を検出するための温度計３３が設置されている。

ガソリンエンジンシステム１０は、ガソリンタンク１１に接続され、燃料改質器１２を経由せずにガソリンをガソリンエンジン１３に供給するためのバイパス配管１７をさらに有する。このバイパス配管１７の途上にもバイパス用電動ポンプ１８が設置されている。

ガソリンエンジンシステム１０は、ガソリンエンジン１３に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御するコントローラ３０をさらに有する。

燃料改質器１２は、燃料極４１／酸素イオン伝導体４２／空気極４３がこの順に積層されてなる単セル４４が、集電体４５を介して複数積層されてなる電極積層体４０を主要な構成要素として有する。集電体４５は、導電性材料から構成される。集電体４５を構成する導電性材料としては、例えば、ニッケルめっきされたランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ_３）系酸化物が挙げられる。

集電体４５の燃料極４１側表面には、燃料極４１に供給されるガソリンが流通するためのガソリン流路４６が設けられている。一方、集電体４５の空気極４３側表面には、空気極４３に供給される排気ガスが流通するためのガス流路４７が設けられている。本実施形態においては、図２に示すように、ガソリン流路４６の方向とガス流路４７の方向とは直交している。かような構成とすることにより、ガス流路の断面積に対し酸素イオン伝導体の面積を最大化することができる。その結果、燃料改質器１２を小型化することが可能となり、本実施形態のシステムが例えば車両搭載用のシステムである場合には、より広い車内空間が確保されうる。ただし、燃料極４１にガソリンを供給するためのガソリン流路４６、および空気極４３に排気ガスを供給するためのガス流路４７の形態は図２に示す形態のみには制限されない。例えば、ガソリン流路４６とガス流路４７とは平行に設けられていてもよい。また、図２に示すように、ガソリン流路４６およびガス流路４７はそれぞれ複数の流路を有することが、抵抗を低減するという観点からは好ましいが、かような形態にも制限されない。

空気極４３は、供給された排気ガスに含まれる酸素（Ｏ_２）や一酸化窒素（ＮＯ）から酸素イオン（Ｏ^２−）を生成させる機能を有する多孔質の層である。空気極４３を構成する材料について特に制限はなく、供給された排気ガス中の酸素や一酸化窒素と接触して下記反応式１で表される酸素イオン生成反応を進行させうる材料であればよい。空気極４３を構成する材料としては、例えば、ランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ_３）系酸化物が挙げられる。

酸素イオン伝導体４２は、空気極４３に隣接し、酸素イオン（Ｏ^２−）を選択的に伝導する機能を有する。酸素イオン伝導体４２を構成する材料は特に制限されず、酸素イオンを選択的に伝導しうる材料であればよい。酸素イオン伝導体４２を構成する材料としては、例えば、イットリア、スカンジア、ジルコニア、セリアなどの酸化物が挙げられ、なかでもイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が好ましい。

燃料極４１は、酸素イオン伝導体４２を介して空気極４３と対向する側に位置し、供給されたガソリンに含まれる炭化水素成分の少なくとも一部を部分酸化する機能を有する多孔質の層である。燃料極４１を構成する材料について特に制限はなく、酸素イオン（Ｏ^２−）の存在下で、供給されたガソリン中の炭化水素成分と接触して下記反応式２で表される部分酸化反応を進行させうる材料であればよい。燃料極４１を構成する材料としては、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺサーメットが挙げられる。

本実施形態では、電極積層体４０の最上層および最下層の集電体４５は、外部回路５０を介して互いに電気的に接続されている。具体的には、外部回路５０は、電極積層体４０の両端に電気的に接続された充放電回路５１と、当該充放電回路５１にさらに電気的に接続された、充放電可能な二次電池５２とから構成されている。充放電回路５１は、燃料改質器１２を構成する電極積層体４０を流れる電流を検出するための電流計として兼用される。二次電池５２は、充放電可能であればその具体的な形態に特に制限されないが、例えば、電気自動車などにおいて用いられているリチウムイオン二次電池が用いられうる。

コントローラ３０は、ＣＰＵやメモリを主体に構成され、電動ポンプ（１５、１８）、ノッキングセンサ３１、温度計３３、充放電回路５１、ヒータ３２に接続されている。コントローラ３０は、システムの始動に従って、ノッキングセンサ３１、温度計３３、充放電回路５１がそれぞれ検出したノッキング強度、温度、電流に応じて、これらを駆動制御する。

次に、本実施形態のガソリンエンジンシステム１０の作用を説明する。

ガソリンエンジンシステム１０が始動すると、コントローラ３０は、電動ポンプ（１５、１８）の作動を制御して、図中実線矢印で示すように、燃料配管１４およびバイパス配管１７に、ガソリンタンク１１に貯留されたガソリンを流通させる。燃料配管１４を経たガソリンは、燃料改質器１２の燃料極４１に流入する。一方、バイパス配管１７を経たガソリン（未改質ガソリン）は、ガソリンエンジン１３に直接流入する。バイパス配管１７を経てガソリンエンジン１３に直接流入した未改質ガソリンは、燃料改質器１２で生成する改質ガソリンとともに、ガソリンエンジン１３において空気と混合されて混合気となり、圧縮・火花点火により燃焼する。これにより、ガソリンエンジン１３は、動力を発生する。ガソリンエンジン１３では、ガソリンの燃焼に伴って、排気ガスが生成する。生成した排気ガスは、排気管１６を経て、燃料改質器１２の空気極４３に流入する。

燃料改質器１２の空気極４３に排気ガスが流入すると、排気ガスに含まれる分子状酸素は、上記反応式１に従って、酸素イオンを生成する。また、排気ガスに含まれる一酸化窒素も、上記反応式１に従って、同様に酸素イオンを生成する。また、一酸化窒素からは、分子状窒素も生成する。すなわち、本実施形態のガソリンエンジンシステム１０において、燃料改質器１２は、ガソリンエンジン１３から排出される排気ガス中の一酸化窒素を窒素へと浄化する浄化手段としても機能する。このように、本実施形態のガソリンエンジンシステム１０は、別途の排気ガス浄化手段を必要としないことから、システムの小型化が図られうる。さらに、排気ガスの温度は、通常、燃料改質器１２の温度よりも高いことから、排気ガスを燃料改質器１２の空気極４３に供給することにより、燃料改質器１２を加熱して、酸素イオン伝導体における酸素イオン伝導性を向上させるという利点もある。ただし、かような形態のみには制限されず、例えば、別途設置した電動ポンプを介して、空気を含酸素物質含有流体として空気極４３に供給してもよい。

空気極４３で生成した酸素イオンは、拡散により、酸素イオン伝導体４２を介して空気極４３と対向する燃料極４１に移動する。燃料極４１に移動した酸素イオンは、上記反応式２に従って、燃料極４１に流入したガソリンに含まれる炭化水素成分と反応し、当該炭化水素成分を部分酸化する。これにより、改質ガソリンが生成する。生成した改質ガソリンは、燃料改質器１２の下流側の燃料配管１４を経て、ガソリンエンジン１３に流入し、ガソリンエンジン１３における動力発生のエネルギ源として機能する。

本実施形態の燃料改質器１２においては、単セル４４が集電体４５を介して複数積層されて電極積層体４０を構成している。このため、ある燃料極４１での部分酸化反応により生成した電子（ｅ⁻）は、当該燃料極４１に隣接する集電体４５を介して、隣接する単セル４４の空気極４３へと移動する。そしてこの電子は、当該空気極４３での酸素イオン生成反応（上記反応式１）に利用される。酸素イオン伝導体４２では酸素イオン（Ｏ^２−）が空気極４３から燃料極４２へと移動することから、電極積層体４０全体では、電子および酸素イオンをキャリアとして、電極積層体４０全体の燃料極４１側から空気極４３側に向かって電流が流れる。かような構成とすることにより、簡便な構成によって、燃料改質器１２を流れる電流が大きくなりすぎるのを抑制することができ、配線等で生じる抵抗損失を減らすことができる。また、かような構成によれば、燃料改質器１２での燃料の部分酸化に伴って発生する電気エネルギを、燃料改質器１２から充放電回路５１を経て二次電池５２に至る方向（図１に示す実線矢印の方向）に流すことで二次電池５２に充電することが可能となり、システムのエネルギ効率が向上しうる。なお、上述した部分酸化反応が進行するほど、充放電回路５１に流れる電流は大きくなる。また、後述するように、燃料改質器１２における反応を制御する目的で二次電池５２に充電された電気エネルギを利用することも可能である。さらに、充放電回路５１には、二次電池５２に代えてまたはこれとともに、車両を駆動するためのモータが電気的に接続されていてもよい。かような形態によれば、燃料改質器１２での改質に伴って生成した電力がモータの駆動に用いられ、効率的な動力発生が可能となる。また、改質に伴って生成した電力が、非動力用途の電力として用いられてもよい。

続いて、本実施形態のガソリンエンジンシステム１０のコントローラ３０による制御ルーチンについて、特にガソリンエンジン１３の負荷が変化したときに、ガソリンエンジン１３に供給されるガソリン（改質ガソリンと未改質ガソリンとの合計）中の部分酸化された炭化水素成分の割合が変化するように反応制御を行う制御ルーチンを説明する。

図３は、ガソリンエンジンシステム１０の動作を示すフローチャートである。

まず、コントローラ３０は、ガソリンエンジンシステム１０が作動しているか否かを判断する（ステップＳ１）。システムが作動していない場合（ステップＳ１：ＮＯ）、本ルーチンは終了する。

システムが作動している場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、ノッキングセンサ３１によりガソリンエンジン１３におけるノッキング強度Ｉが検出される（ステップＳ２）。「ノッキング強度」とは、ガソリンエンジン１３において単位時間に発生するノッキングの回数を意味する。ノッキングセンサ３１によるノッキング強度Ｉの検出は反復して行われ、ノッキング強度Ｉが検出されるたびに、続けて検出されるノッキング強度の変化量ΔＩ（＝Ｉ_ｎ−Ｉ_ｎ−１（ｎ≧２））が算出される（ステップＳ３）。そして、算出された変化量ΔＩが規定値（第１所定値）Ｉ１以下であるか否かが判断される（ステップＳ４）。規定値Ｉ１は負の値であり、ガソリンエンジン１３の負荷が高負荷から低負荷に変化した場合（例えば、始動直後から定常運転への移行時など）に、ガソリンエンジン１３への負荷の減少に伴ってオクタン価の低下を反映させるためのノッキング強度の変化量である。

ノッキング強度の変化量ΔＩが規定値Ｉ１以下である（ΔＩ≦Ｉ１）場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、コントローラ３０は、ガソリンエンジン１３の負荷が高負荷から低負荷に変化したと判断し、電動ポンプ（１５、１８）の少なくとも一方を制御して、改質ガソリンの流量（Ｑ１）と未改質ガソリンの流量（Ｑ２）との流量比（Ｒ_Ｑ＝Ｑ１／Ｑ２）をＲ_Ｑ１に増加させる（ステップＳ５）。流量比Ｒ_Ｑ１はノッキング強度の変化量ΔＩによって予め設定される流量比であり、ガソリンエンジン１３の負荷の減少に応じてエンジンでのリーンバーンを効率的に行わせるのに適した流量比である。Ｒ_Ｑ１は、変化量ΔＩの大きさ（絶対値）の大小に応じて、例えば当該絶対値が大きい場合には、Ｒ_Ｑが比較的大きく変化するように設定されうる。

以上のような制御により、ガソリンエンジン１３に供給されるガソリンに含まれる部分酸化された炭化水素成分の割合が増加し、供給されるガソリン全体としてのオクタン価が減少する。その結果、ガソリンエンジン１３の低負荷状態にオクタン価の小さいガソリンがエンジンに供給され、エンジンでのリーンバーンが効率的に行われることとなる。

ノッキング強度の変化量ΔＩが規定値Ｉ１より大きい（ΔＩ＞Ｉ１）場合（ステップＳ４：ＮＯ）、ガソリンエンジン１３の負荷が高負荷から低負荷には変化していないと判断され、続いて、変化量ΔＩが規定値（第２所定値）Ｉ２以上であるか否かが判断される（ステップＳ６）。規定値Ｉ２は正の値であり、ガソリンエンジン１３の負荷が低負荷から高負荷に変化した場合（例えば、システムの始動時など）に、ガソリンエンジン１３への負荷の増加に伴って高圧縮比条件下におけるノッキングの発生回数が増加する可能性のあるノッキング強度の変化量である。

ノッキング強度の変化量ΔＩが規定値Ｉ２未満である（ΔＩ＜Ｉ２）場合（ステップＳ６：ＮＯ）、ガソリンエンジン１３の負荷が低負荷から高負荷には変化していないと判断され、ステップＳ１に戻って本ルーチンが繰り返される。

ノッキング強度の変化量ΔＩが規定値Ｉ２以上である（ΔＩ≧Ｉ２）場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、コントローラ３０は、ガソリンエンジン１３の負荷が低負荷から高負荷に変化したと判断し、電動ポンプ（１５、１８）の少なくとも一方を制御して、改質ガソリンの流量（Ｑ１）と未改質ガソリンの流量（Ｑ２）との流量比（Ｒ_Ｑ＝Ｑ１／Ｑ２）をＲ_Ｑ２に減少させる（ステップＳ７）。流量比Ｒ_Ｑ２はノッキング強度の変化量ΔＩによって予め設定される流量比であり、ガソリンエンジン１３の負荷の増加に応じてエンジンでのノッキングの発生を効果的に抑制しうる流量比である。Ｒ_Ｑ２は、変化量ΔＩの大きさ（絶対値）の大小に応じて、例えば当該絶対値が大きい場合には、Ｒ_Ｑが比較的大きく変化するように設定されうる。

以上のような制御により、ガソリンエンジン１３に供給されるガソリンに含まれる部分酸化された炭化水素成分の割合が減少し、供給されるガソリン全体としてのオクタン価が増加する。その結果、ガソリンエンジン１３の高負荷状態にオクタン価の大きいガソリンが供給され、エンジン１３での高圧縮比条件下でのノッキングの発生が効果的に抑制されうる。

以上、改質ガソリンの流量（Ｑ１）と未改質ガソリンの流量（Ｑ２）との流量比を変化させることにより、ガソリンエンジン１３に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する場合を例に挙げて本実施形態における反応制御を説明したが、他の手段によって、ガソリンエンジン１３に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御することも可能である。

例えば、ヒータ３２の作動によって燃料改質器１２を昇温させることにより、燃料改質器１２における部分酸化反応の進行を促進させて、ガソリンエンジン１３に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を増加させてもよい。同様に、ヒータ３２の作動停止によって燃料改質器１２を冷却することにより、燃料改質器１２における部分酸化反応の進行を抑制して、ガソリンエンジン１３に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を減少させてもよい。

このように、ヒータ３２による加熱を利用して反応制御を行うことにより、システム動作の安定性が向上しうる。なお、燃料改質器１２の加熱は、ヒータ３２以外の加熱手段（例えば、バーナ、誘導加熱装置など）により行われてもよい。

あるいは、充放電回路５１の作動によって二次電池５２を放電させて、図１に示す破線矢印の方向に電流を流し、燃料改質器１２に流れる電流を増加させることにより、燃料改質器１２における部分酸化反応の進行を促進させて、ガソリンエンジン１３に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を増加させてもよい。同様に、充放電回路５１の作動によって、図１に示す実線矢印の方向に電流を流し、二次電池５２を充電させて燃料改質器１２に流れる電流を減少させることにより、燃料改質器１２における部分酸化反応の進行を抑制して、ガソリンエンジン１３に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を減少させてもよい。

燃料改質器１２での改質に伴って改質器および充放電回路を流れる電流は、ガソリンエンジン１３の負荷などに応じて変動しうるが、上述したように二次電池５２の放電を利用して反応制御を行うことにより、改質器を流れる電流を安定化して、燃料改質器１２における部分酸化反応の進行度合を所望の程度に制御することが可能となる。

続いて、本実施形態のガソリンエンジンシステム１０の始動時におけるコントローラ３０による制御ルーチンについて、燃料改質器１２の温度が所定温度まで上昇するようにヒータ３２の駆動制御を行う制御ルーチンを説明する。

図４は、ガソリンエンジンシステム１０の始動時の動作を示すフローチャートである。

まず、コントローラ３０は、ガソリンエンジンシステム１０が始動されたか否かを判断する（ステップＳ１１）。システムが始動されていない場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、始動されるまで待機する。

システムが始動された場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、コントローラ３０は、バイパス配管１７に設置されたバイパス用電動ポンプ１８を作動させるとともに、ヒータ３２を作動させる（ステップＳ１２）。電動ポンプ３２の作動により、バイパス配管１７を介してガソリンエンジン１３に未改質ガソリンが供給され、ガソリンエンジン１３でのガソリン燃焼・動力発生が開始する。燃焼に伴って生成する排気ガスは、排気管１６を介して燃料改質器１２の空気極４３に供給される。その結果、ヒータ３２による加熱と相俟って、燃料改質器１２の温度が上昇を開始する。

このように、システムの始動時には未改質ガソリンのみがガソリンエンジン１３に供給されることで、改質ガソリンとの混合ガソリンが供給される場合と比較して、オクタン価の比較的大きいガソリンが供給される。その結果、ガソリンエンジン１３の始動時の高負荷状態においても、エンジンにおけるノッキングの発生が効果的に抑制されうる。

続いて、コントローラ３０は、バイパス用電動ポンプ１８の始動からの経過時間ｔが規定値ｔ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。ここで、規定値ｔ１は、システムの始動時に未改質ガソリンのみの供給によってガソリンエンジン１３での燃焼・動力発生を行うのに必要な時間である。

検出時間ｔが規定値ｔ１未満である（ｔ＜ｔ１）場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、経過時間ｔがｔ１以上となるまでステップＳ１３が繰り返される。

経過時間ｔがｔ１以上（ｔ≧ｔ１）となったら（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、コントローラ３０は、燃料配管１４に設置された燃料用電動ポンプ１５を作動させる（ステップＳ１４）。燃料用電動ポンプ１５の作動により、燃料配管１４を介して燃料改質器１２の燃料極４１にガソリンが供給される。これにより、燃料改質器１２における改質（すなわち、ガソリンに含まれる炭化水素成分の部分酸化反応）が開始する。改質の進行に伴い、燃料改質器１２の温度上昇は加速する。

続いて、温度計３３により燃料改質器１２の温度Ｔが検出される（ステップＳ１５）。そして、検出温度Ｔが規定値Ｔ１以上であるか否かが判断される（ステップＳ１６）。規定値Ｔ１は、燃料改質器１２における部分酸化反応が効率的に進行するのに十分な温度である。
検出温度Ｔが規定値Ｔ１未満である（Ｔ＜Ｔ１）場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、燃料改質器１２の昇温が不十分であると判断され、検出温度ＴがＴ１以上となるまで、燃料改質器１２の温度の検出・判断（ステップＳ１５およびステップＳ１６）が繰り返される。

一方、検出温度Ｔが規定値Ｔ１以上（Ｔ≧Ｔ１）となったら（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、もはや燃料改質器１２を加熱する必要がないため、コントローラ３０は、ヒータ３２の作動を停止する（ステップＳ１７）。これにより、本ルーチンは終了する。

以上、ガソリンエンジンシステム１０の始動時において、燃料改質器１２が十分に昇温したか否かの判断基準として、温度計３３により検出される検出温度（燃料改質器１２の温度）を採用した場合を例に挙げて、始動時の制御ルーチンを説明したが、当該判断基準として、電流計（充放電回路５１）により検出される検出電流（燃料改質器１２を流れる電流）を採用してもよい。かような場合にも、同様の制御ルーチンによってシステムの始動制御が可能である。

以上、燃料改質器１２を構成する電極積層体４０の最外層の燃料極４１と空気極４３とが外部回路５０により電気的に接続される形態を例に挙げて説明したが、本発明においては、燃料改質器１２は外部回路に接続されていなくてもよい。かような場合においては、燃料改質器１２を構成する酸素イオン伝導体４２が導電性材料を含む。導電性材料の具体的な形態は特に制限されないが、例えば、金、白金、ニッケルなどの金属材料、カーボンなどの炭素材料、酸化スズ、酸化チタン、酸化カルシウム-酸化アルミニウムなどの酸化物材料が挙げられる。これにより、単セル４４を構成する燃料極４１と空気極４３とが、単セル４４の内部において電気的に接続される。かような形態によれば、外部回路の設置が不要となり、燃料改質器１２の小型化が図れる。

ここまで、本発明の内燃機関システムを構成する内燃機関がガソリンエンジンである場合を例に挙げて本発明を詳細に説明したが、内燃機関はガソリンエンジンのような火花点火式内燃機関のみには限定されない。例えば、本発明の内燃機関システムを構成する内燃機関は、ディーゼルエンジンのような自己着火式内燃機関であってもよい。

例えば、内燃機関がディーゼルエンジンのような自己着火式内燃機関の場合には、燃料としてガソリンに代えて軽油が用いられる。軽油を燃料として用いる場合のエンジンにおける燃焼状態の指標としては、オクタン価に代えてセタン価が用いられる。セタン価は、大きいほど自己着火しやすく、ディーゼルエンジンにおけるアンチノック性に優れる。本発明においては、軽油を燃料改質器１２において改質する、すなわち、軽油に含まれる炭化水素成分の少なくとも一部を部分酸化することにより、軽油のセタン価を上昇させることが可能である。

従って、本発明において、内燃機関がディーゼルエンジンである場合には、コントローラは、ディーゼルエンジンの負荷が低負荷から高負荷に変化したときに、ディーゼルエンジンに供給される軽油のセタン価が低負荷時よりも大きくなるように、ディーゼルエンジンに供給される軽油中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する。具体的には、例えば、燃料配管を経てディーゼルエンジンに供給される軽油（未改質軽油）の流量と、燃料改質器を経てエンジンに供給される軽油（改質軽油）の流量との流量比を、改質軽油の流量が多くなるように電動ポンプを制御することで、上記制御が可能となる。また、燃料改質器の温度を上昇させるか、燃料改質器を流れる電流を大きくすることによっても、上記制御が可能となる。

本発明の内燃機関システムを構成する内燃機関は、上述したガソリンエンジンやディーゼルエンジンのほか、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）エンジンであってもよい。かような形態によれば、従来ＨＣＣＩエンジンにおいて課題とされていた着火時期制御が、エンジンに供給される燃料の性状を制御することによって達成されうる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、上記第１実施形態の内燃機関システムを車両駆動用動力発生装置として搭載して車両を構成する。

参考までに、第１実施形態のガソリンエンジンシステム１０を搭載する自動車１００の概略図を図５に示す。自動車１００に搭載されたガソリンエンジンシステム１０は、上述した特性を有する。このため、燃料改質器１２を加熱するための加熱手段を別途設けなくとも、燃料の効率的な改質（部分酸化）が可能となる。その結果、自動車１００においては広い車内空間が確保されうる。

本発明の第１実施形態に係るガソリンエンジンシステムを示す構成図である。 図１に示す燃料改質器の主要な構成要素である電極積層体を示す斜視図である。 ガソリンエンジンシステムの動作を示すフローチャートである。 ガソリンエンジンシステムの始動時の動作を示すフローチャートである。 内燃機関システムを搭載する自動車の概略図である。

符号の説明

１０ ガソリンエンジンシステム、
１１ ガソリンタンク、
１２ 燃料改質器、
１３ ガソリンエンジン、
１４ 燃料配管、
１５ 燃料用電動ポンプ、
１６ 排気管、
１７ バイパス配管、
１８ バイパス用電動ポンプ、
３０ コントローラ、
３１ ノッキングセンサ、
３２ ヒータ、
３３ 温度計、
４０ 電極積層体、
４１ 燃料極、
４２ 酸素イオン伝導体、
４３ 空気極、
４４ 単セル、
４５ 集電体、
４６ ガソリン流路、
４７ ガス流路、
５０ 外部回路、
５１ 充放電回路、
５２ 二次電池、
１００ 自動車。

Claims (20)

1. 燃料の燃焼により動力を発生するための内燃機関と、
   前記内燃機関に供給する燃料を貯留するための燃料貯留手段と、
   前記燃料貯留手段から前記燃料が供給される燃料極と、含酸素物質含有流体が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とを分離する酸素イオン伝導体とを含み、前記燃料極に供給された前記燃料に含まれる炭化水素成分の少なくとも一部を部分酸化して、前記内燃機関に供給するための改質燃料を生成する燃料改質手段と、
   を有する、内燃機関システム。
2. 前記燃料極の少なくとも１つと前記空気極の少なくとも１つとが、外部回路を介して電気的に接続されている、請求項１に記載の内燃機関システム。
3. 前記外部回路が、充放電可能な二次電池を含む、請求項２に記載の内燃機関システム。
4. 前記外部回路が、車両を駆動するためのモータを含む、請求項２または３に記載の内燃機関システム。
5. 前記燃料極と前記空気極とが、前記酸素イオン伝導体を介して電気的に接続されている、請求項１または２に記載の内燃機関システム。
6. 前記酸素イオン伝導体が、導電性材料を含む、請求項５に記載の内燃機関システム。
7. 前記燃料貯留手段に接続され、前記燃料改質手段を経由せずに前記燃料を前記内燃機関に供給するための未改質燃料供給手段をさらに有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
8. 前記含酸素物質含有ガスが、前記内燃機関から排出される排気ガスである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
9. 前記燃料改質手段を加熱するための加熱手段をさらに備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
10. 前記燃料極と前記空気極と前記酸素イオン伝導体とからなる積層体が、隣接する積層体の燃料極と空気極とが向き合うように、集電体を介して複数積層されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
11. 前記酸素イオン伝導体を構成する材料が酸化物である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
12. 前記燃料改質手段は、供給される前記燃料と前記含酸素物質含有流体とを、互いに略直交する方向に流通させる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
13. 前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
    検出された前記負荷に基づいて、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する制御手段と、
    をさらに有する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
14. 前記内燃機関が火花点火式内燃機関であり、
    前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が高負荷から低負荷に変化したときに、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合が増加するように制御して、前記内燃機関に供給される燃料のオクタン価を高負荷時よりも小さくし、前記内燃機関の負荷が低負荷から高負荷に変化したときに、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合が減少するように制御して、前記内燃機関に供給される燃料のオクタン価を低負荷時よりも大きくする、請求項１３に記載の内燃機関システム。
15. 前記内燃機関が圧縮着火式内燃機関であり、
    前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が低負荷から高負荷に変化したときに、前記内燃機関に供給される燃料のセタン価が低負荷時よりも大きくなるように、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御し、前記内燃機関の負荷が高負荷から低負荷に変化したときに、前記内燃機関に供給される燃料のセタン価が高負荷時よりも小さくなるように、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する、請求項１３に記載の内燃機関システム。
16. 前記負荷検出手段は、前記内燃機関におけるノッキング強度を検出し、
    前記制御手段は、検出された前記ノッキング強度の変化量が所定値以上である場合に、前記内燃機関の負荷が低負荷から高負荷に変化したと判断し、検出された前記ノッキング強度の変化量が所定値以下である場合に、前記内燃機関の負荷が高負荷から低負荷に変化したと判断する、請求項１４または１５に記載の内燃機関システム。
17. 前記制御手段は、前記燃料改質手段を介して前記内燃機関に供給される燃料の流量と、前記未改質燃料供給手段を介して前記内燃機関に供給される燃料の流量との流量比を変化させることによって、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
18. 前記燃料改質手段を加熱するための加熱手段をさらに有し、
    前記制御手段は、前記加熱手段により前記燃料改質手段の温度を変化させることによって、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
19. 前記燃料極の少なくとも１つと前記空気極の少なくとも１つとが、充放電可能な二次電池を含む外部回路を介して電気的に接続されており、
    前記制御手段は、前記二次電池の作動を制御して前記燃料改質手段に流れる電流を変化させることによって、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する、請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項に記載の内燃機関システムを搭載した車両。

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