JP2009162173A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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する、燃料改質装置が提供される。
【選択図】図７

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。

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ＮＯ_xを吸蔵し、ＮＯ_x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ＮＯ_xを放出して還元浄化するＮＯ_x吸蔵還元型触媒が知られている。

このようなＮＯ_x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ＮＯ_x吸蔵還元型触媒からＮＯ_x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ＮＯ_xを還元浄化することが難しい。そこで、ＮＯ_x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ＮＯ_x吸蔵還元型触媒に燃料を還元剤として添加し、ＮＯ_x吸蔵還元型触媒からＮＯ_x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。

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、ＮＯ_x吸蔵還元型触媒からＮＯ_x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。

特許文献１では、ＮＯ_x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ＮＯ_x吸蔵還元型触媒に吸蔵されたＮＯ_xを効率的に還元することができると記載されている。

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。
特開２００６−１６１７６８号公報 特開２００１−１５９３０９号公報

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ＮＯ_x吸蔵還元型触媒のＮＯ_x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。

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。

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。

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たことを特徴とする、燃料改質装置。
（２）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、上記（１）に記載の燃料改質装置。
（３）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）又は（２）に記載の燃料改質装置。
（４）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（３）に記載の燃料改質装置。
（５）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）〜（４）のいずれか１つに記載の燃料改質装置。

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、ＮＯ_x吸蔵還元型触媒等のＮＯ_x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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ディーゼル排気中のＮＯ_xを還元浄化するために、ＮＯ_x吸蔵還元型触媒（以下、ＮＳＲ触媒と称する）にＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_xを十分に還元することができないという問題がある。

図１２は、本発明の燃料改質装置を用いた場合のＮＳＲ触媒のＮＯ_x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。

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。

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。

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。

図１４は、ＮＳＲ触媒のＮＯ_x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ＮＯ_x量（ｐｐｍ）を示している。図１４から明らかなように、ＮＳＲ触媒４１のＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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。

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ＮＯ_x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ＮＯ_x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。

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。

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。 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。 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放電の様子を示す写真である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 本発明の燃料改質装置を用いた場合のＮＳＲ触媒のＮＯ_x還元能を調べるための実験装置を示す模式図である。 本発明の燃料改質装置３０を模式的に示す断面図である。 ＮＳＲ触媒のＮＯ_x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。

符号の説明

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

Claims (5)

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たことを特徴とする、燃料改質装置。
2. 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、請求項１に記載の燃料改質装置。
3. 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、請求項１又は２に記載の燃料改質装置。
4. 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、請求項３に記載の燃料改質装置。
5. 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、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料改質装置。