JP2009047008A

JP2009047008A - 内燃機関の燃料供給装置

Info

Publication number: JP2009047008A
Application number: JP2007211225A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ashida; 耕一芦田; Isamu Hotta; 勇堀田; Tomoaki Kobayashi; 智明小林; Shinichiro Nakajima; 伸一郎中島; Yasushi Sekine; 泰関根
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2027-08-14
Also published as: JP4832380B2

Abstract

【課題】供給燃料より、安定した着火性（オクタン価）の燃料を複数生成する。
【解決手段】燃料タンク８に貯留された供給燃料（低着火性燃料）は、燃料温度調節装置１０にて温度調節された後、１段目分離膜１２にて、透過燃料（中着火性燃料）と、非透過燃料とに分離される。中着火性燃料は、分離燃料タンク１６と、燃料温度調節装置１８とに供給される。燃料温度調節装置１８にて温度調節された中着火性燃料は、２段目分離膜１９にて、透過燃料（高着火性燃料）と、非透過燃料とに分離される。高着火性燃料は、分離燃料タンク２２に供給される。燃料タンク８に貯留された低着火性燃料は燃料噴射弁１１を介して、分離燃料タンク１６に貯留された中着火性燃料は燃料噴射弁２０を介して、分離燃料タンク２２に貯留された高着火性燃料は燃料噴射弁２３を介して、それぞれ内燃機関１に供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、分離膜を有する内燃機関の燃料供給装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の燃料供給装置において、単数の分離膜を用いて、外部から供給される燃料（ガソリン）を、低オクタン価燃料（着火性の高い燃料）と高オクタン価燃料（着火性の低い燃料）とに分離し、機関の運転状態に応じて、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とを混合あるいは切り替えて使用することにより、機関性能の向上や排気性状の改善を図ることが示されている。
特表２００４−５２２０３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関の燃料供給装置のように、単数の分離膜にて分離した低オクタン価燃料（着火性の高い燃料）と高オクタン価燃料（着火性の低い燃料）とを混合することにより、中オクタン価燃料（中間的な着火性を有する燃料）を生成する場合、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料との混合比の制御精度や、生成された中オクタン価燃料の均質性などの影響により、中オクタン価燃料の着火性（オクタン価）が安定しないという問題がある。

本発明は、このような実情に鑑み、外部から供給される燃料より、異なる着火性（オクタン価）を有する燃料を、安定した着火性（オクタン価）にて、複数生成することを目的とする。

そのため本発明では、供給される燃料を、着火性の高い燃料と着火性の低い燃料とに分離する分離膜を複数設ける。更に、前段の分離膜にて分離した一方の燃料が、後段の分離膜に供給されるように、複数の分離膜を多段配置すると共に、各段の分離膜にて分離した燃料を内燃機関に供給可能な燃料供給手段を設ける。

本発明によれば、複数の分離膜を多段配置することにより、所望の着火性（オクタン価）の燃料を複数生成することが可能となるので、機関の運転状態に応じて最適な着火性（オクタン価）の燃料を選択的に内燃機関に供給し、機関の高効率と低エミッションとを実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態における内燃機関の燃料供給装置の構成を示す図である。

内燃機関１は、火花点火式内燃機関であり、燃焼室２内に点火プラグ３を備えている。また、燃焼室２は、吸気弁４を介して吸気通路である吸気ポート５から吸気が供給可能になっている一方、排気弁６を介して排気通路である排気ポート７へ排気を排出可能になっている。

燃料タンク８には、外部から供給された燃料が貯留されており、この燃料は、燃料ポンプ（分離膜前後差圧調整手段；燃料加圧手段）９により加圧された後、分岐して、燃料温度調節装置（燃料温度調節手段）１０と、燃料ポンプ（図示せず）を介して燃料噴射弁（燃料供給手段）１１とに供給される。ここで、燃料温度調節装置１０は、燃料を加熱するものであり、電気ヒータの他、機関排気熱を利用した熱交換器などを用いることも可能である。また、本実施形態では、燃料噴射弁１１を吸気ポート５に臨ませて配置しているが、この他に、燃焼室２に臨ませて配置してもよい。

燃料温度調節装置１０にて加熱された燃料は、１段目分離膜１２に供給される。１段目分離膜１２は、それに供給される燃料のうち、主としてノルマルパラフィン系炭化水素成分を透過する特性を有する。この特性により、１段目分離膜１２を透過する燃料（透過燃料）は、１段目分離膜１２に供給される燃料に比べ着火性が高く（オクタン価が低く）なり、１段目分離膜１２を透過しない燃料（非透過燃料）は、１段目分離膜１２に供給される燃料に比べ着火性が低く（オクタン価が高く）なる。

１段目分離膜１２の非透過燃料は、リターン通路１３を介して、燃料タンク８に戻る。一方、１段目分離膜１２の透過燃料は、透過燃料通路１４を通り、燃料ポンプ（分離膜前後差圧調整手段）１５を介して分岐し、分離燃料タンク１６と、分岐通路１７を介して燃料温度調節装置（燃料温度調節手段）１８とに供給される。ここで、燃料ポンプ１５は、１段目分離膜１２の透過燃料を吸引する燃料吸引手段であり、かつ、後述する２段目分離膜１９に供給される燃料を加圧する燃料加圧手段であるが、これら燃料吸引手段と燃料加圧手段とを各別に備えてもよい。

分離燃料タンク１６に貯留された燃料は、燃料ポンプ（図示せず）を介して燃料噴射弁（燃料供給手段）２０に供給される。本実施形態では、燃料噴射弁２０を吸気ポート５に臨ませて配置しているが、この他に、燃焼室２に臨ませて配置してもよい。

燃料温度調節装置１８にて温度調節された燃料は、２段目分離膜１９に供給される。この２段目分離膜１９は、上述した１段目分離膜１２と同一の特性を有する。すなわち、２段目分離膜１９の透過燃料は、２段目分離膜１９に供給される燃料に比べ着火性が高く（オクタン価が低く）なり、２段目分離膜１９の非透過燃料は、２段目分離膜１９に供給される燃料に比べ着火性が低く（オクタン価が高く）なる。

２段目分離膜１９の非透過燃料は、リターン通路１３を介して、燃料タンク８に戻る。一方、２段目分離膜１９の透過燃料は、燃料ポンプ（分離膜前後差圧調整手段；燃料吸引手段）２１を介して分離燃料タンク２２に供給される。分離燃料タンク２２に貯留された燃料は、燃料ポンプ（図示せず）を介して、燃料噴射弁（燃料供給手段）２３に供給される。本実施形態では、燃料噴射弁２３を燃焼室２に臨ませて配置しているが、この他に、吸気ポート５に臨ませて配置してもよい。

従って、１段目分離膜１２に供給される燃料に比べ、１段目分離膜１２の透過燃料は、着火性が高い（オクタン価が低い）ので、燃料タンク８に貯留されている燃料の着火性に比べ、分離燃料タンク１６に貯留されている燃料は、着火性が高く（オクタン価が低く）なる。また、２段目分離膜１９に供給される燃料に比べ、２段目分離膜１９の透過燃料は、着火性が高い（オクタン価が低い）ので、分離燃料タンク１６に貯留されている燃料に比べ、分離燃料タンク２２に貯留されている燃料は、着火性が高く（オクタン価が低く）なる。

従って、上述した構成により、燃料タンク８に貯留されている燃料（低着火性燃料；高オクタン価燃料）と、分離燃料タンク１６に貯留されている燃料（中着火性燃料；中オクタン価燃料）と、分離燃料タンク２２に貯留されている燃料（高着火性燃料；低オクタン価燃料）とを、内燃機関１に供給することが可能である。

また、燃料ポンプ９、燃料温度調節装置１０、燃料ポンプ１５、燃料温度調節装置１８、燃料ポンプ２１などは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２５に備えられた分離膜燃料制御部（分離膜燃料制御手段）により、制御される。従って、ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部は、分離膜ごとに、その燃料温度及び前後差圧（分離膜透過前の燃料圧力と分離膜透過後の燃料圧力との差圧）の制御を行うことが可能である。すなわち、１段目分離膜１２については、燃料温度調節装置１０を用いて燃料温度の制御が行われ、燃料ポンプ９と燃料ポンプ１５とを用いて前後差圧の制御が行われる。また、２段目分離膜１９については、燃料温度調節装置１８を用いて温度の制御が行われ、燃料ポンプ１５と燃料ポンプ２１とを用いて前後差圧の制御が行われる。

また、ＥＣＵ２５には、各種センサ（図示せず）から運転状態（機関回転数、機関負荷など）に関する信号が入力される。これにより、ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部は、運転状態に基づき、燃料温度調節装置１０と燃料温度調節装置１８とを用いて、１段目分離膜１２の燃料温度と２段目分離膜１９の燃料温度とを、それぞれ独立して制御することが可能であり、また、燃料ポンプ９と燃料ポンプ１５と燃料ポンプ２１とを用いて、１段目分離膜１２の前後差圧と２段目分離膜１９の前後差圧とを、それぞれ独立して制御することが可能である。

更に、ＥＣＵ２５には、分離燃料タンク１６の燃料量（液面レベル）を検出するレベルセンサ（分離燃料残量検出手段；図示せず）や、分離燃料タンク２２の燃料量（液面レベル）を検出するレベルセンサ（分離燃料残量検出手段；図示せず）からも信号が入力される。尚、本実施形態において、２段目分離膜１９は、複数の分離膜の最後段に配置されているので、分離燃料タンク２２は最後段分離燃料タンクであり、このタンクに備えられたレベルセンサは最後段分離燃料残量検出手段である。

また、本実施形態において、分離燃料タンク１６及び分離燃料タンク２２に、それぞれに貯留されている燃料のオクタン価（着火性）を測定するオクタン価測定装置を配置し、このオクタン価測定装置からの出力信号に基づき、ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部が、分離膜ごとに、その燃料温度及び前後差圧の制御を行うことも可能である。これにより、分離燃料タンク１６及び分離燃料タンク２２に貯留される燃料のオクタン価（着火性）をより安定化することができる。

図２は、本実施形態における分離膜の温度特性及び圧力特性を示す図である。
図２（ａ）は、分離膜の燃料温度及び前後差圧と、分離膜の透過燃料の透過速度との関係を示している。尚、透過速度とは、単位時間当たりに分離膜を透過する燃料量である。

図に示すように、燃料温度が高くなるほど、又は、前後差圧が大きくなるほど、透過燃料中の低オクタン価成分（主としてノルマルパラフィン炭化水素成分）の透過速度と、高オクタン価成分（主としてノルマルパラフィン炭化水素以外の成分）の透過速度とが、それぞれ大きくなる。これにより、燃料温度が高くなるほど、又は、前後差圧が大きくなるほど、透過燃料（図中の「透過燃料（合計）」）の透過速度も大きくなる。

しかし、燃料温度が高くなるほど、又は、前後差圧が大きくなるほど、透過燃料中の高オクタン価成分の割合が増加するため、図２（ｂ）に示すように、燃料温度が高くなるほど、又は、前後差圧が大きくなるほど、透過燃料（図中の「透過燃料（合計）」）のオクタン価が高くなる（着火性が低くなる）と共に、分離効率が低くなる。ここで、分離効率とは、透過燃料の純度を示すものである。

図３は、本実施形態における分離膜の温度制御及び圧力制御を示す図である。
ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部は、１段目分離膜１２の燃料温度を２５０〜３００℃程度になるように、燃料温度調節装置１０を用いて制御すると共に、２段目分離膜１９の燃料温度を１００〜１５０℃程度になるように、燃料温度調節装置１８を用いて制御する。これにより、１段目分離膜１２の透過燃料（図中の「透過燃料（合計）」）に比べ、２段目分離膜１９の透過燃料（図中の「透過燃料（合計）」）は、オクタン価が低く（着火性が高く）なり、分離効率が高くなる。

また、ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部は、１段目分離膜１２の前後差圧に比べ、２段目分離膜１９の前後差圧が小さくなるように、燃料ポンプ９と燃料ポンプ１５と燃料ポンプ２１とを用いて制御する。これにより、１段目分離膜１２の透過燃料（図中の「透過燃料（合計）」）に比べ２段目分離膜１９の透過燃料（図中の「透過燃料（合計）」）はオクタン価が低く（着火性が高く）なり、分離効率が高くなる。

また、２段目分離膜１９の分離燃料を貯留している分離燃料タンク２２の燃料量が第１閾値より少ないことをレベルセンサが検知した場合、ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部は、燃料温度調節装置１８を用いて、２段目分離膜１９の燃料温度を上昇させる制御を行うことが可能である。これにより、２段目分離膜１９の透過燃料が増加するので、分離燃料タンク２２内の燃料残量の不足分を迅速に補給することができる。ここで第１閾値とは、分離燃料タンク２２の燃料残量が不足したときに、その不足分を補充する制御を行うか否かの判定を行う閾値である。尚、この温度制御は、２段目分離膜１９のみならず、１段目分離膜１２にも用いることが可能である。

また、２段目分離膜１９の分離燃料を貯留している分離燃料タンク２２の燃料量が前記第１閾値より少ないことをレベルセンサが検知した場合、ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部は、燃料ポンプ１５と燃料ポンプ２１との少なくとも１つを用いて、２段目分離膜１９の前後差圧を上昇させる制御を行うことが可能である。これにより、２段目分離膜１９の透過燃料が増加するので、分離燃料タンク２２内の燃料残量の不足分を迅速に補給することができる。尚、この圧力制御は、２段目分離膜１９のみならず、１段目分離膜１２にも用いることが可能である。

また、２段目分離膜１９の分離燃料を貯留している分離燃料タンク２２の燃料量が第２閾値より少ないことをレベルセンサが検知した場合、ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部は、燃料ポンプ１５と燃料ポンプ２１との少なくとも１つを停止させる制御を行うことが可能である。この制御を行うことにより、２段目分離膜１９への燃料供給量が減少するので、その減少分を分離燃料タンク１６に振り分けることが可能となる。

本実施形態によれば、前段の分離膜（１段目分離膜１２）にて分離した一方の燃料が、後段の分離膜（２段目分離膜１９）に供給されるように、分離膜を多段配置すると共に、各段の分離膜（１段目分離膜１２、２段目分離膜１９）にて分離した燃料を内燃機関１に供給可能な燃料供給手段（燃料噴射弁１１、燃料噴射弁２０、燃料噴射弁２３）を設けるので、外部から供給された燃料より、異なる着火性（オクタン価）を有する燃料を、安定した着火性（オクタン価）にて、複数分離することができる。

また本実施形態によれば、燃料温度調節手段（燃料温度調節装置１０、燃料温度調節装置１８）と、分離膜前後差圧調節手段（燃料ポンプ９、燃料ポンプ１５、燃料ポンプ２１）との制御を行う分離膜燃料制御手段（ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部）を備えているので、各段の分離膜（１段目分離膜１２、２段目分離膜１９）ごとに、所望の燃料温度及び前後差圧になるように制御することができる。

また本実施形態によれば、分離膜前後差圧調節手段（燃料ポンプ９、燃料ポンプ１５、燃料ポンプ２１）は、各段の分離膜（１段目分離膜１２、２段目分離膜１９）の上流側にてその分離膜に供給される燃料を加圧する燃料加圧手段（燃料ポンプ９、燃料ポンプ１５）を含んで構成されるので、各段の分離膜（１段目分離膜１２、２段目分離膜１９）ごとに、各々の上流側（供給側）にて燃料圧力を制御することにより、所望の前後差圧を得ることができる。

また本実施形態によれば、分離膜前後差圧調節手段（燃料ポンプ９、燃料ポンプ１５、燃料ポンプ２１）は、各段の分離膜（１段目分離膜１２、２段目分離膜１９）の下流側にてその分離膜の透過燃料を吸引する燃料吸引手段（燃料ポンプ１５、燃料ポンプ２１）を含んで構成されるので、各段の分離膜（１段目分離膜１２、２段目分離膜１９）ごとに、各々の下流側（透過側）にて燃料圧力を制御することにより、所望の前後差圧を得ることができる。

また本実施形態によれば、分離膜燃料制御手段（ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部）は、燃料温度調節手段（燃料温度調節装置１０、燃料温度調節装置１８）を用いて、機関運転状態に基づき、各段の分離膜（１段目分離膜１２、２段目分離膜１９）ごとに、その分離膜に供給される燃料の温度を制御するので、機関運転状態に応じて、所望の着火性（オクタン価）の燃料を効率的に分離することが可能となり、機関の高効率と低エミッションとを実現することができる。

また本実施形態によれば、分離膜燃料制御手段（ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部）は、分離膜前後差圧調節手段（燃料ポンプ９、燃料ポンプ１５、燃料ポンプ２１）を用いて、機関運転状態に基づき、各段の分離膜（１段目分離膜１２、２段目分離膜１９）ごとに、その分離膜の前後差圧を制御するので、機関運転状態に応じて、所望の着火性（オクタン価）の燃料を効率的に分離することが可能となり、機関の高効率と低エミッションとを実現することができる。

また本実施形態によれば、分離燃料残量検出手段（レベルセンサ）にて検出された燃料残量が第１閾値より少ない場合に、分離膜燃料制御手段（ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部）は、分離燃料タンク内の燃料残量が第１閾値以上になるように、燃料温度調節手段（燃料温度調節装置１０、燃料温度調節装置１８）を用いて、分離膜の透過速度の制御（すなわち、分離膜に供給される燃料の温度を上昇させる制御）を行うので、分離燃料タンクの燃料残量の不足分を迅速に回復することできると共に、着火性（オクタン価）の変動による機関効率の低下を抑制することができる。

また本実施形態によれば、分離燃料残量検出手段（レベルセンサ）にて検出された燃料残量が第１閾値より少ない場合に、分離膜燃料制御手段（ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部）は、分離燃料タンク内の燃料残量が第１閾値以上になるように、分離膜前後差圧調節手段（燃料ポンプ９、燃料ポンプ１５、燃料ポンプ２１）を用いて、分離膜の透過速度の制御（すなわち、分離膜の前後差圧を上昇させる制御）を行うので、分離燃料タンクの燃料残量の不足分を迅速に回復することできると共に、着火性（オクタン価）の変動による機関効率の低下を抑制することができる。

また本実施形態によれば、最後段分離燃料残量検出手段（レベルセンサ）にて検出された燃料残量が第２閾値より少ない場合に、分離膜燃料制御手段（ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部）は、最後段の分離膜（２段目分離膜１９）の前後差圧を調節する前記分離膜前後差圧調節手段（燃料ポンプ１５、燃料ポンプ２１）を停止する制御を行うので、最後段の分離膜（２段目分離膜１９）への燃料供給量が減少するため、その減少分を分離燃料タンク１６に振り分けることが可能となる。このため、使用燃料を、最後段分離燃料タンク（分離燃料タンク２２）に貯留される高着火性燃料（低オクタン価燃料）から分離燃料タンク１６に貯留される中着火性燃料（中オクタン価燃料）に切り替えたときに、中着火性燃料（中オクタン価燃料）の使用量が増加しても、この燃料が不足するのを抑制することができる。

また本実施形態によれば、前段の分離膜（１段目分離膜１２）の透過燃料通路１４の分岐通路１７に、後段の分離膜（２段目分離膜１９）を配置し、分離膜燃料制御手段（ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部）は、前段の分離膜（１段目分離膜１２）に比べ後段の分離膜（２段目分離膜１９）の分離効率を高くするように、燃料温度調節手段（燃料温度調節装置１０、燃料温度調節装置１８）と分離膜前後差圧調節手段（燃料ポンプ９、燃料ポンプ１５、燃料ポンプ２１）との少なくとも１つを制御し、前段の分離膜（１段目分離膜１２）への供給源の燃料とは別に、少なくとも、前段の分離膜（１段目分離膜１２）の透過燃料と、後段の分離膜（２段目分離膜１９）の透過燃料とを得ることとしたので、外部から供給された燃料より、少なくとも３種類の異なる着火性（オクタン価）を有する燃料を、安定した着火性（オクタン価）にて、分離することができる。

また本実施形態によれば、１段目分離膜１２及び２段目分離膜１９は、それらの供給源の燃料に比べ透過燃料の着火性が高くなる特性を有するものであり、前段の分離膜（１段目分離膜１２）への供給源の燃料である低着火性燃料とは別に、少なくとも、前段の分離膜（１段目分離膜１２）の透過燃料である中着火性燃料と、後段の分離膜（２段目分離膜１９）の透過燃料である高着火性燃料とを得ることとしたので、外部から供給された燃料より、少なくとも３種類の異なる着火性（オクタン価）を有する燃料を、安定した着火性（オクタン価）にて、分離することができる。

また本実施形態によれば、１段目分離膜１２及び２段目分離膜１９は、それらの分離膜に供給される燃料の温度が高くなるほど、透過速度が増加して分離効率が低下する特性を有するものであり、分離膜燃料制御手段（ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部）は、燃料温度調節手段（燃料温度調節装置１０、燃料温度調節装置１８）を用いて、分離効率を高くする分離膜ほど、その分離膜に供給される燃料の温度を低くする（すなわち、１段目分離膜１２の燃料温度に比べ、２段目分離膜１９の燃料温度を低くする）ように制御を行うので、外部から供給された燃料より、所望の着火性（オクタン価）を有する燃料を、安定した着火性（オクタン価）にて、分離することができる。

また本実施形態によれば、１段目分離膜１２及び２段目分離膜１９は、それらの分離膜の前後差圧が大きくなるほど、透過速度が増加して分離効率が低下する特性を有するものであり、前記分離膜燃料制御手段（ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部）は、分離膜前後差圧調節手段（燃料ポンプ９、燃料ポンプ１５、燃料ポンプ２１）を用いて、分離効率を高くする分離膜ほど、その分離膜の前後差圧を小さくする（すなわち、１段目分離膜１２の前後差圧に比べ、２段目分離膜１９の前後差圧を小さくする）ように制御を行うので、外部から供給された燃料より、所望の着火性（オクタン価）を有する燃料を、安定した着火性（オクタン価）にて、分離することができる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態における内燃機関の燃料供給装置の構成を示す図である。

図１にて示した第１の実施形態との相違点について説明する。
燃料タンク３１には、外部から供給された燃料が貯留されており、この燃料は、燃料ポンプ３２により加圧された後、分岐して、燃料温度調節装置（燃料温度調節手段）３３と、燃料ポンプ（図示せず）を介して燃料噴射弁（燃料供給手段）３４とに供給される。ここで、燃料温度調節装置３３は、燃料を加熱するものであり、電気ヒータの他、機関排気熱を利用した熱交換器などを用いることも可能である。また、燃料噴射弁３４を燃焼室２に臨ませて配置しているが、この他に、吸気ポート５に臨ませて配置してもよい。

燃料温度調節装置３３にて加熱された燃料は、燃料改質器（燃料改質手段）３５に供給される。燃料改質器３５では、触媒（白金系触媒など）を利用した改質反応により、着火性の高い（オクタン価の低い）燃料から、水素ガス及び着火性の低い（オクタン価の高い）燃料が生成される。この反応例として、ノルマルヘプタン（Ｃ₇Ｈ₁₆）を、燃料改質器３５にて脱水素環化反応により燃料改質を行うときは、以下の化学反応式となる。

Ｃ₇Ｈ₁₆（ノルマルヘプタン）→Ｃ₇Ｈ₈（トルエン）＋４Ｈ₂
燃料改質器３５にて生成された水素ガス及び着火性の低い（オクタン価の高い）燃料は、気液分離装置３６に供給され、水素ガスと、着火性の低い（オクタン価の高い）燃料とに分離される。分離された水素ガスは、ガス燃料ポンプ３７を介してガス燃料タンク３８に貯蔵される。このガス燃料タンク３８に貯蔵された水素ガスは、ガス噴射弁３９に供給される。尚、ガス噴射弁３９を吸気ポート５に臨ませて配置しているが、この他に、燃焼室２に臨ませて配置してもよい。一方、気液分離装置３６にて分離された着火性の低い（オクタン価の高い）燃料は、燃料ポンプ（分離膜前後差圧調整手段；燃料加圧手段）４０を介して、１段目分離膜１２に供給され、透過燃料と非透過燃料とに分離される。尚、１段目分離膜１２の透過燃料は、１段目分離膜１２に供給される燃料に比べ着火性が高く（オクタン価が低く）なり、１段目分離膜１２の非透過燃料は、１段目分離膜１２に供給される燃料に比べ着火性が低く（オクタン価が高く）なる。

１段目分離膜１２の透過燃料は、リターン通路４１に備えられた燃料ポンプ（分離膜前後差圧調整手段；燃料吸引手段）４２を介して、燃料タンク３１に戻る。一方、１段目分離膜１２の非透過燃料は、非透過燃料通路４３を通り、燃料ポンプ（分離膜前後差圧調整手段；燃料加圧手段）４４を介して分岐し、分離燃料タンク４５と、分岐通路４６を介して燃料温度調節装置（燃料温度調節手段）４７とに供給される。尚、燃料温度調節装置４７は、その下流側に設置された２段目分離膜１９の分離効率が高くなるように、温度調節を行う。

分離燃料タンク４５に貯留された燃料は、燃料ポンプ（図示せず）を介して燃料噴射弁（燃料供給手段）４８に供給される。尚、燃料噴射弁４８を吸気ポート５に臨ませて配置しているが、この他に、燃焼室２に臨ませて配置してもよい。

燃料温度調節装置４７にて温度調節された燃料は、２段目分離膜１９に供給され、透過燃料と非透過燃料とに分離される。尚、２段目分離膜１９の透過燃料は、２段目分離膜１９に供給される燃料に比べ着火性が高く（オクタン価が低く）なり、２段目分離膜１９の非透過燃料は、２段目分離膜１９に供給される燃料に比べ着火性が低く（オクタン価が高く）なる。

２段目分離膜１９の透過燃料は、本実施形態における１段目分離膜１２の透過燃料と同様に、リターン通路４１に備えられた燃料ポンプ４２を介して、燃料タンク３１に戻る。一方、２段目分離膜１９の非透過燃料は、燃料ポンプ４９を介して分離燃料タンク５０に供給される。分離燃料タンク５０に貯留された燃料は、燃料ポンプ（図示せず）を介して、燃料噴射弁４８に供給される。尚、本実施形態において、燃料噴射弁４８には、分離燃料タンク４５に貯留された燃料と、分離燃料タンク５０に貯留された燃料との両方が供給されているが、これら燃料を噴射する燃料噴射弁を、各別に設けてもよい。

従って、１段目分離膜１２に供給される燃料に比べ、１段目分離膜１２の非透過燃料は、着火性が低い（オクタン価が高い）ので、燃料タンク３１に貯留されている燃料の着火性に比べ、分離燃料タンク４５に貯留されている燃料は、着火性が低く（オクタン価が高く）なる。また、２段目分離膜１９に供給される燃料に比べ、２段目分離膜１９の非透過燃料は、着火性が低い（オクタン価が高い）ので、分離燃料タンク４５に貯留されている燃料に比べ、分離燃料タンク５０に貯留されている燃料は、着火性が低く（オクタン価が高く）なる。

従って、上述した構成により、燃料タンク３１に貯留されている燃料（高着火性燃料；低オクタン価燃料）と、分離燃料タンク４５に貯留されている燃料（中着火性燃料；中オクタン価燃料）と、分離燃料タンク５０に貯留されている燃料（低着火性燃料；高オクタン価燃料）とを、内燃機関１に供給することが可能である。

また、燃料ポンプ３２、燃料温度調節装置３３、燃料ポンプ４０、燃料ポンプ４２、燃料ポンプ４４、燃料温度調節装置４７、燃料ポンプ４９などは、ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部により、制御される。従って、ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部は、分離膜ごとに、その燃料温度と前後差圧との制御を行うことが可能である。すなわち、１段目分離膜１２については、燃料温度調節装置３３を用いて燃料温度の制御が行われ、燃料ポンプ４０と燃料ポンプ４２とを用いて前後差圧の制御が行われる。また、２段目分離膜１９については、燃料温度調節装置４７を用いて温度の制御が行われ、燃料ポンプ４４と燃料ポンプ４２とを用いて前後差圧の制御が行われる。尚、本実施形態において、ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部は、１段目分離膜１２に比べ２段目分離膜１９の分離効率を高くするように、分離膜ごとに、その燃料温度と前後差圧との制御を行う。

特に本実施形態によれば、前段の分離膜（１段目分離膜１２）の非透過燃料通路４３の分岐通路４６に、後段の分離膜（２段目分離膜１９）を配置し、分離膜燃料制御手段（ＥＣＵ２５に備えられた分離膜燃料制御部）は、前段の分離膜（１段目分離膜１２）に比べ後段の分離膜（２段目分離膜１９）の分離効率を高くするように、燃料温度調節手段（燃料温度調節装置３３及び燃料温度調節装置４７）と分離膜前後差圧調節手段（燃料ポンプ４０、燃料ポンプ４２、燃料ポンプ４４）との少なくとも１つを制御し、少なくとも、前段又は後段の分離膜（１段目分離膜１２又は２段目分離膜１９）の透過燃料と、前段の分離膜（１段目分離膜１２）の非透過燃料と、後段の分離膜（２段目分離膜１９）の非透過燃料とを得ることとしたので、外部から供給された燃料より、少なくとも３種類の異なる着火性（オクタン価）を有する燃料を、安定した着火性（オクタン価）にて、分離することができる。

また本実施形態によれば、１段目分離膜１２及び２段目分離膜１９は、それらの供給源の燃料に比べ透過燃料の着火性が高くなる特性を有するものであり、少なくとも、前段又は後段の分離膜（１段目分離膜１２又は２段目分離膜１９）の透過燃料である高着火性燃料と、前段の分離膜（１段目分離膜１２）の非透過燃料である中着火性燃料と、後段の分離膜（２段目分離膜１９）の非透過燃料である低着火性燃料とを得ることとしたので、外部から供給された燃料より、少なくとも３種類の異なる着火性（オクタン価）を有する燃料を、安定した着火性（オクタン価）にて、分離することができる。

また本実施形態によれば、前段の分離膜（１段目分離膜１２）に供給される燃料は、着火性の高い燃料を燃料改質手段（燃料改質器３５）により着火性の低い燃料に改質したものであり、前段又は後段の分離膜（分離膜１２又は分離膜１９）の透過燃料として得た高着火性燃料は、燃料改質手段（燃料改質器３５）へ供給する燃料源（燃料タンク３１）に戻す構成になっているので、前段又は後段の分離膜（１段目分離膜１２又は２段目分離膜１９）の透過燃料を燃料改質手段（燃料改質器３５）にて燃料改質することができる。また、燃料源（燃料タンク３１）に貯留されている燃料に、前段又は後段の分離膜（１段目分離膜１２又は２段目分離膜１９）の透過燃料（高着火性燃料）が混合されるので、燃料源（燃料タンク３１）に貯留されている燃料の着火性を向上させることができる。

第１の実施形態における内燃機関の燃料供給装置の構成を示す図第１の実施形態における分離膜の温度特性及び圧力特性を示す図第１の実施形態における分離膜の温度制御及び圧力制御を示す図第２の実施形態における内燃機関の燃料供給装置の構成を示す図

符号の説明

１内燃機関
２燃焼室
３点火プラグ
４吸気弁
５吸気ポート
６排気弁
７排気ポート
８燃料タンク
９燃料ポンプ
１０燃料温度調節装置
１１燃料噴射弁
１２１段目分離膜
１３リターン通路
１４透過燃料通路
１５燃料ポンプ
１６分離燃料タンク
１７分岐通路
１８燃料温度調節装置
１９２段目分離膜
２０燃料噴射弁
２１燃料ポンプ
２２分離燃料タンク
２３燃料噴射弁
２５エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
３１燃料タンク
３２燃料ポンプ
３３燃料温度調節装置
３４燃料噴射弁
３５燃料改質器
３６気液分離装置
３７燃料ポンプ
３８ガス燃料タンク
３９ガス噴射弁
４０燃料ポンプ
４１リターン通路
４２燃料ポンプ
４３非透過燃料通路
４４燃料ポンプ
４５分離燃料タンク
４６分岐通路
４７燃料温度調節装置
４８燃料噴射弁
４９燃料ポンプ
５０分離燃料タンク

Claims

供給される燃料を、着火性の高い燃料と着火性の低い燃料とに分離する分離膜を備える内燃機関の燃料供給装置において、
前記分離膜を複数設け、前段の分離膜にて分離した一方の燃料が、後段の分離膜に供給されるように、前記複数の分離膜を多段配置すると共に、各段の分離膜にて分離した燃料を内燃機関に供給可能な燃料供給手段を設けることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
前記各段の分離膜に供給される燃料の温度を調節する燃料温度調節手段と、前記各段の分離膜の前後差圧を調節する分離膜前後差圧調節手段とを有し、更に、前記燃料温度調節手段と前記分離膜前後差圧調節手段との制御を行う分離膜燃料制御手段を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料供給装置。
前記分離膜前後差圧調節手段は、前記各段の分離膜の上流側にてその分離膜に供給される燃料を加圧する燃料加圧手段を含んで構成されることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃料供給装置。
前記分離膜前後差圧調節手段は、前記各段の分離膜の下流側にてその分離膜の透過燃料を吸引する燃料吸引手段を含んで構成されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の内燃機関の燃料供給装置。
前記分離膜燃料制御手段は、前記燃料温度調節手段を用いて、機関運転状態に基づき、前記各段の分離膜ごとに、その分離膜に供給される燃料の温度を制御することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。
前記分離膜燃料制御手段は、前記分離膜前後差圧調節手段を用いて、機関運転状態に基づき、前記各段の分離膜ごとに、その分離膜の前後差圧を制御することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。
前記分離膜にて分離した燃料を貯留する分離燃料タンクと、この分離燃料タンク内の燃料残量を検出する分離燃料残量検出手段とを有し、前記分離燃料残量検出手段にて検出された燃料残量が第１閾値より少ない場合に、前記分離膜燃料制御手段は、前記分離燃料タンク内の燃料残量が前記第１閾値以上になるように、前記燃料温度調節手段と前記分離膜前後差圧調節手段との少なくとも１つを用いて、前記分離膜の透過速度を制御することを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。
最後段の分離膜にて分離した燃料を貯留する最後段分離燃料タンクと、この最後段分離燃料タンク内の燃料残量を検出する最後段分離燃料残量検出手段とを有し、前記最後段分離燃料残量検出手段にて検出された燃料残量が第２閾値より少ない場合に、前記分離膜燃料制御手段は、前記最後段の分離膜の前後差圧を調節する前記分離膜前後差圧調節手段を停止する制御を行うことを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。
前段の分離膜の透過燃料通路の分岐通路に、後段の分離膜を配置し、前記分離膜燃料制御手段は、前段の分離膜に比べ後段の分離膜の分離効率を高くするように、前記燃料温度調節手段と前記分離膜前後差圧調節手段との少なくとも１つを制御し、前段の分離膜への供給源の燃料とは別に、少なくとも、前段の分離膜の透過燃料と、後段の分離膜の透過燃料とを得ることを特徴とする請求項２〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。
前記分離膜は、その供給源の燃料に比べ透過燃料の着火性が高くなる特性を有するものであり、前段の分離膜への供給源の燃料である低着火性燃料とは別に、少なくとも、前段の分離膜の透過燃料である中着火性燃料と、後段の分離膜の透過燃料である高着火性燃料とを得ることを特徴とする請求項９記載の内燃機関の燃料供給装置。
前段の分離膜の非透過燃料通路の分岐通路に、後段の分離膜を配置し、前記分離膜燃料制御手段は、前段の分離膜に比べ後段の分離膜の分離効率を高くするように、前記燃料温度調節手段と前記分離膜前後差圧調節手段との少なくとも１つを制御し、少なくとも、前段又は後段の分離膜の透過燃料と、前段の分離膜の非透過燃料と、後段の分離膜の非透過燃料とを得ることを特徴とする請求項２〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。
前記分離膜は、その供給源の燃料に比べ透過燃料の着火性が高くなる特性を有するものであり、少なくとも、前段又は後段の分離膜の透過燃料である高着火性燃料と、前段の分離膜の非透過燃料である中着火性燃料と、後段の分離膜の非透過燃料である低着火性燃料とを得ることを特徴とする請求項１１記載の内燃機関の燃料供給装置。
前段の分離膜に供給される燃料は、着火性の高い燃料を燃料改質手段により着火性の低い燃料に改質したものであり、前段又は後段の分離膜の透過燃料として得た高着火性燃料は、前記燃料改質手段へ供給する燃料源に戻して、その燃料源から内燃機関に供給されることを特徴とする請求項１２記載の内燃機関の燃料供給装置。
前記分離膜は、その分離膜に供給される燃料の温度が高くなるほど、透過速度が増加して分離効率が低下する特性を有するものであり、前記分離膜燃料制御手段は、前記燃料温度調節手段を用いて、前記分離効率を高くする分離膜ほど、その分離膜に供給される燃料の温度を低くするように制御を行うことを特徴とする請求項２〜請求項１３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。
前記分離膜は、その分離膜の前後差圧が大きくなるほど、透過速度が増加して分離効率が低下する特性を有するものであり、前記分離膜燃料制御手段は、前記分離膜前後差圧調節手段を用いて、前記分離効率を高くする分離膜ほど、その分離膜の前後差圧を小さくするように制御を行うことを特徴とする請求項２〜請求項１４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料供給装置。