JP2018003800A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質反応の効率を向上でき、過度の反応を抑制できる燃料改質装置を提供すること。
【解決手段】炭化水素を主体とする燃料を、空気を用いて改質する燃料改質装置１であって、重力方向に沿って延びるように配置され、改質触媒１５０４が充填された複数の反応管１５０１を有する改質部１５０と、前記改質部１５０の下端に接続され、前記燃料と空気の混合流体Ｆを複数の反応管１５０１の下端から上端に向かって導入する入口部１５１と、を備え、複数の反応管１５０１はいずれも、空隙又は細孔によって各反応管の内部に形成されている空間における任意の位置から該空間の壁面までの距離が混合流体Ｆの消炎距離以下であり、入口部１５１は、多孔質体が充填されて形成されるとともに、空隙又は細孔によってその内部に形成されている空間における任意の位置から該空間の壁面までの距離が混合流体Ｆの消炎距離以下である燃料改質装置１を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料改質装置に関する。詳しくは、炭化水素を主体とする燃料を改質することで燃料のオクタン価を向上できる燃料改質装置に関する。

予め混合した燃料と空気の混合気を点火プラグによる火花点火で燃焼させるガソリンエンジンでは、点火プラグから離隔した未燃焼の混合気（エンドガス）が自着火することによりノッキングが生じることが知られている。ノッキングは、エンジンの圧縮比を高めると生じ易くなるため、近年の高圧縮比エンジンでは、ノッキングの抑制が強く求められている。

ノッキングを抑制する方法としては、点火時期を遅角する方法が挙げられる。しかしながら、点火時期を遅角すると、エンジンの熱効率が低下する。そのため、高圧縮比エンジンにおいても、ノッキングを抑制しつつ高い熱効率が得られる技術の開発が望まれる。

ところで、ノッキングは燃料のオクタン価を高めることで抑制できるため、オクタン価の高い燃料として、ガソリン中にエタノール等のアルコールを予め混合したアルコール含有燃料が一部の地域で広く用いられている。また、このようなアルコール含有燃料の普及に伴い、外部から給油されたアルコール含有燃料を、車両上で高ガソリン濃度の燃料と高アルコール濃度の燃料とに分離する技術の開発が進められている。ガソリンとアルコールとでは、例えばオクタン価や発熱量等の燃料物性において種々の相違点があるため、外部から給油されたアルコール含有燃料をそのまま利用するよりも、車両上で分離し、用途に応じてガソリンとアルコールとを使い分けた方が好ましいからである。ところが、エンジンの要求に応じた分離は容易ではないのが現状である。

一方、車両上に搭載される燃料の改質装置として、触媒を内部に含む複数本の反応管と、該反応管の上部に設ける多孔質板と、を有し、該多孔質板の貫通孔から各反応管の入り口に燃料を滴下し、該燃料と、反応管内に導入される空気との間で気液接触反応させる燃料改質装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−３０９２５８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、自動車のように水平を保てない環境下では各反応管に均等に流体を供給させることが難しく、改質反応の効率が悪いという課題があった。
また、液溜り空間内部や反応管の開口部等が消炎距離以下で形成されていない場合、これらの箇所において、過度に反応が進行してしまうおそれがあった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、改質反応の効率を向上でき、過度の反応を抑制できる燃料改質装置を提供することである。

（１）炭化水素を主体とする燃料を、空気を用いて改質する燃料改質装置（例えば、後述する燃料改質装置１）であって、重力方向に沿って延びるように配置され、改質触媒（例えば、後述する改質触媒１５０４）が充填された複数の反応管（例えば、後述する複数の反応管１５０１）を有する改質部（例えば、後述する改質部１５０）と、前記改質部の下端に接続され、前記燃料と空気の混合流体（例えば、後述する混合流体Ｆ）を前記複数の反応管の下端から上端に向かって導入する入口部（例えば、後述する入口部１５１）と、を備え、前記複数の反応管はいずれも、空隙又は細孔によって各反応管の内部に形成されている空間における任意の位置から該空間の壁面までの距離が前記混合流体の消炎距離以下であり、前記入口部は、多孔質体が充填されて形成されるとともに、空隙又は細孔によってその内部に形成されている空間における任意の位置から該空間の壁面までの距離が前記混合流体の消炎距離以下である燃料改質装置。

上記（１）の燃料改質装置では、上流側から順に、入口部と、重力方向に沿って延びるように配置される複数の反応管を有する改質部と、が設けられている。また、上記（１）の燃料改質装置では、複数の反応管の内部には改質触媒が充填され、空隙又は細孔が形成されている。また、入口部には、空隙又は細孔を有する多孔質体が充填され、空隙又は細孔が形成されている。
これにより、入口部から供給される混合流体は、入口部内の多孔質体による分散作用を受け、複数の反応管内部に均等に供給される。また、仮に１つの反応管に集中して流体が流入した場合であっても、その下部が多孔質体で繋がっているため、流体は装置内圧力に応じて多孔質体内部を移動し、各反応管に均等に分散される。従って、流体は１つの反応管に過度に集中することがなく、各反応管内部に均等に流体を供給することができる。その結果、改質反応の効率を向上できる。
また、各反応管の空隙又は細孔によって形成される空間と、多孔質体の空隙又は細孔によって形成されている空間は、消炎距離以下で設けられている。
これにより、各反応管の開口部近傍や多孔質体の表面において静電気等で発火が生じたとしてもすぐに確実に消炎でき、過度に反応が進行することがない。

（２）前記多孔質体の細孔間距離は、隣接する反応管同士の間隔である管ピッチ（例えば、後述する管ピッチＬ１）よりも小さい上記（１）の燃料改質装置。

上記（２）の燃料改質装置では、上記（１）の燃料改質装置において特に、多孔質体の細孔間距離が、隣接する反応管同士の間隔に比べて小さくなるよう調整される。
これにより、多孔質体中で発生した気泡を、特定の反応管に集中することなく、各反応管に対して均等に分配させることができる。

（３）前記入口部は、上流側から下流側に向かうに従い拡径して形成されるとともに、前記多孔質体が充填されている上流端から下流端までの距離が、該下流端における直径の１／２以上である（１）又は（２）の燃料改質装置。

上記（３）の燃料改質装置では、上記（１）又は（２）の燃料改質装置において、特に、入口部は、上流側から下流側に向かうに従い拡径して形成されるとともに、上流端から前記改質部に接続される下流端までの距離が、該下流端における直径の１／２以上となるように形成される。
これにより、多孔質体には混合流体の流通方向に対して所定の距離が確保される。その結果、混合流体は入口部の多孔質体中を水平方向にも広がりながら上昇し、各反応管に導入される流体の圧力をより均一にすることができる。従って、各反応管に対してより均等に流体を分配させることができる。

（４）前記複数の反応管はいずれも、空隙又は細孔によって各反応管の内部に形成されている空間における任意の位置から該空間の壁面までの距離が３ｍｍ未満である（１）から（３）の燃料改質装置。

上記（４）の燃料改質装置では、上記（１）から（３）の燃料改質装置において、特に、各反応管の内部に形成されている空間における任意の位置から該空間の壁面までの距離が３ｍｍとなるように、空隙又は細孔が形成される。より具体的には、１つの反応管内部は、最大安全隙間（ＭＥＳＧ）の数値及び、最大安全隙間、円管消炎直径、平行平板消炎距離の間の一般的な関係から導出される円管消炎直径よりも小さく形成される。
これにより、１つの反応管内で発火が生じたとしてもすぐに確実に消炎でき、過度に反応が進行することがない。そのため、（１）の効果をより確実に奏することができる。

本発明によれば、改質反応の効率を向上でき、過度の反応を抑制できる燃料改質装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る燃料改質装置の構成を示す図である。 図１の燃料改質装置の改質器の縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２に示す改質器の上流側端部を拡大して示す図である。 図２に示す改質器の分解斜視図である。

本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料改質装置１の構成を示す図である。本実施形態の燃料改質装置１は、図示しない車両に搭載され、車両上で図示しないエンジンの要求に応じて、燃料中に含まれる炭化水素をアルコールに改質して、エンジンに供給する

本実施形態の燃料改質装置１では、燃料としてガソリンを用い、酸化剤として空気を用いる。即ち、本実施形態の燃料改質装置１は、空気中の酸素による酸化反応を利用してガソリンを改質することから、例えば分解反応等を利用した改質と比べて低温で温和な条件下で改質が可能であるため、システム構成を簡易化でき、車両上でのオンデマンド運転に適する。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料改質装置１は、空気導入部１１と、燃料タンク部１２と、燃料導入部１３と、混合器１４と、改質器１５と、凝縮器１６と、燃料供給部１７と、気液分離器１８と、気相供給部１９と、改質燃料タンク部２０と、改質燃料供給部２１とを含んで構成される。この燃料改質装置１では、後述するように、改質器１５により、炭化水素を主体とする燃料を、空気を用いて改質してアルコールを生成させる。生成された改質燃料は、凝縮器１６を介して改質燃料タンク部２０に貯留され、該改質燃料タンク部２０から改質燃料ポンプ２１１により改質燃料供給管２１２を通してエンジン燃料供給系に供給される。

空気導入部１１は、後述する混合器１４の上流に設けられ、混合器１４内に酸化剤としての空気を導入する。
空気導入部１１は、空気導入管１１０の上流側から順に、空気フィルタ１１１と、空気ポンプ１１２と、空気流量計１１３と、空気バルブ１１４と、を備える。
空気導入部１１は、空気ポンプ１１２を駆動することで、空気フィルタ１１１を介して外気から空気を取り込む。また、空気導入部１１は、空気バルブ１１４を開弁することで、取り込んだ空気を混合器１４内に導入する。

空気流量計１１３で検出された空気流量に基づいて、図示しない電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）により、空気バルブ１１４の開度が調整され、この開度調整によって混合器１４内への空気の導入量が調整される。

燃料供給部１７は、燃料ポンプ１７１と、燃料供給管１７２と、図示しないインジェクタと、を備える。燃料供給部１７は、燃料ポンプ１７１を駆動することで、燃料供給管１７２及びインジェクタを介して、燃料タンク部１２内に貯留されたガソリンを図示しないエンジンの気筒内又は吸気ポート内に供給する。エンジンへのガソリン供給量は、ＥＣＵによりインジェクタの噴射量を調整することによって制御される。

燃料導入部１３は、後述する混合器１４の上流に設けられ、混合器１４内に燃料のガソリンを導入する。
燃料導入部１３は、燃料導入管１３０の上流側から順に、改質ポンプ１３１と、燃料流量計１３２と、燃料バルブ１３３と、を備える。燃料導入部１３は、改質ポンプ１３１を駆動するとともに燃料バルブ１３３を開弁することで、燃料タンク部１２内に貯留されたガソリンを混合器１４内に導入する。

燃料流量計１３２で検出された燃料流量に基づいて、ＥＣＵにより燃料バルブ１３３の開度が調整され、この開度調整によって混合器１４内へのガソリンの導入量が調整される。

この燃料改質装置１では、上述の空気導入部１１及び燃料導入部１３により、混合器１４に空気及び燃料を供給する供給装置１０が構成される。
この供給装置１０では、ＥＣＵの管理下で空気導入部１１及び燃料導入部１３が連係して動作し、混合器１４に供給される空気及び燃料の導入量の調整が行われる。

この調整が行われるため、混合器１４に供給される空気及び燃料は、当該燃料の割合が２２重量パーセント以上となる。この割合は爆発限界よりも燃料過濃な領域に該当する。従って、過度に急な反応が起こるおそれが極小となり、ガソリンを改質燃料に変換する変換プロセスが安定したものとなる。

混合器１４は、改質器１５の上流部に設けられる。また、混合器１４は、例えば、空気導入管１１０と混合器１４の接続部を小孔に形成することで、小さな空気泡を生成するように構成されていてもよい。また、混合器１４は、空気の強い流れで渦を発生させるように構成されていてもよい。或いはまた、混合器１４は、その内部に粒子状の物質又は多孔質物質が配されて、この粒子状の物質又は多孔質物質によって、供給装置１０から供給された空気と燃料とが、流れの分散、変転、転換（回転）を生じて、均一に混合されるように構成されていてもよい。
更にまた、混合器１４は、スタティックミキサを備え、これにより空気と燃料とが均一に混合されるように構成されていてもよい。
なお、混合器１４は、図示しないヒータを備えており、ガソリン及び空気を所定の温度まで昇温しながら混合することで、ガソリンと空気の混合流体Ｆを生成する。

凝縮器１６は、改質器１５の下流に設けられ、改質器１５で生成した生成物を、改質燃料を主体とする凝縮相と、気相とに分離する。凝縮器１６の内部は、その内部に備える図示しない熱交換器を使用するか、若しくは凝縮器１６の外周部を外気走行風に曝すことにより冷却される。これにより、改質器１５の出口から流出する生成物は冷却され、凝縮相と気相とに分離する。なお、凝縮相の物質には、アルコール、ケトンなどを含む改質燃料の他に副生成物の水等が含まれ、気相の物質には、窒素、酸素、その他気化した燃料などのガス成分等が含まれる。

気液分離器１８内に流入する生成物のうち液相（凝縮相）となった改質燃料（アルコールを主成分とする燃料）は重力により、気液分離器１８の底部側に設定された改質燃料タンク部２０に貯留される。
改質燃料タンク部２０に貯留された改質燃料は、ＥＣＵの制御下で所要に応じて、改質燃料供給部２１を通じてエンジン（不図示）の燃料供給系に送られる。

一方、気液分離器１８内に流入した生成物のうち気相となった物質は、気液分離器１８の上方に設けられた気相供給部１９から、エンジンの気筒内での燃焼に供される。

気相供給部１９は、凝縮器１６で分離された気相物質を、エンジン燃料供給系に供給する。気相供給部１９は、エンジン燃料供給系に接続された気相供給管１９１を備える。凝縮器１６で分離された気相物質は、気相供給管１９１を介して、エンジン燃料供給系に供給される。

改質燃料タンク部２０は、凝縮器１６で分離された凝縮相中の改質燃料を貯留する。改質燃料タンク部２０は、改質器１５によりガソリンを改質することで生成した改質燃料を、一時的に貯留するバッファタンクとして機能する。

改質燃料供給部２１は、改質燃料タンク部２０に貯留された改質燃料を、エンジンの気筒内又は吸気ポート内に供給する。改質燃料供給部２１は、改質燃料ポンプ２１１と、改質燃料供給管２１２と、図示しないインジェクタと、を備える。改質燃料供給部２１は、改質燃料ポンプ２１１を駆動することで、改質燃料供給管２１２及びインジェクタを介して、改質燃料を図示しないエンジン燃料供給系に供給する。改質燃料供給量は、ＥＣＵによりインジェクタの噴射量を調整することで制御される。

以下、図２〜図５を参照し、改質器１５について詳述する。
図２は、図１の燃料改質装置１の改質器１５の縦断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図４は、図２に示す改質器１５の上流側端部を拡大して示す図である。図５は、図２に示す改質器１５の分解斜視図である。
図２に示す改質器１５は、混合器１４から導入されたガソリンと空気の混合流体Ｆが、その前後に供給された混合流体と改質器内部で混合されることがなく、下流側に押し流されながら改質されて流出する流通反応器の一種である。この流通反応器では、反応器から流出する流体の組成と反応器内部の流体の組成は相違し、混合気が反応器内部に滞留している時間のばらつきが小さい特性を有する。

改質器１５は、改質部１５０と、入口部１５１と、出口部１５２と、を含んで構成される。改質部１５０は、混合器１４から導入される混合流体Ｆを、入口部１５１を介して、改質部１５０に供給することにより、混合流体Ｆ中のガソリンの主成分である炭化水素を、混合流体Ｆ中の空気を用いて改質し、改質燃料を生成する。

改質部１５０は、入口部１５１と、出口部１５２との間に設けられる。改質部１５０は、混合流体Ｆ中のガソリンの改質を行う。改質部１５０は、複数の反応管１５０１と、収容部材１５０２と、冷却部１５０３と、改質触媒１５０４と、パッキング部材１５０７と、により形成される。

複数の反応管１５０１は、収容部材１５０２内に設置された後、反応管の延出方向が重力方向に平行になるよう配置される。各反応管にはステンレス等腐食され難い材料を円筒状に成形したものが使用される。複数の反応管１５０１内部には、上流側に配される入口部１５１から各反応管の上流側開口部１５０５に均等に混合流体Ｆが分配され、供給される。複数の反応管１５０１の開口径Ｌ０は改質触媒１５０４が充填可能な直径で設けられる。また、隣接する管同士の間隔を管ピッチＬ１とした。

ここで、本発明における「消炎距離」とは、火炎伝播の理論における一つの特性であり、周囲への熱損失が化学燃焼反応により発生した熱を上回るために、火炎の伝播が生じない距離又は所定の形状に対する直径である。

また、燃料と考えられる成分の最大安全隙間（ＭＥＳＧ）の数値及び、最大安全隙間、円管消炎直径、平行平板消炎距離の間の一般的な関係から、燃料についての円管消炎直径は３ｍｍ未満と考えられる（新安全工学便覧 １９９９年発行 安全工学協会編 参照）。そこで、複数の反応管１５０１はいずれも、各反応管の内部に形成されている空間における任意の位置から該空間の壁面までの距離が３ｍｍ未満となるよう、空隙又は細孔を設けることが好ましい。

収容部材１５０２の内部には、複数の反応管１５０１と、収容部材１５０２と、パッキング部材１５０７（後述する第１仕切板１５１４及び第２仕切板１５２４）によって冷却部１５０３が形成される。この収容部材１５０２には、温度センサ（不図示）と、改質器１５内を冷却するためのエンジン冷却水の入出口とが、それぞれが設けられる。

冷却部１５０３は、温度センサの検出温度に基づいてＥＣＵにより制御され、エンジンの冷却水が供給されることで改質器１５を冷却する。
エンジン冷却水の温度は、７０℃〜１１０℃が好ましい。エンジン冷却水の温度が７０℃未満では改質反応速度が小さく、１１０℃を超えるとエンジン冷却水の使用が難しくなる。なお、冷却部１５０３は、改質反応が進行して改質器１５内の温度が高温に達しているときには、エンジン冷却水で改質器１５を冷却するが、改質反応の初期で改質器１５内の温度が低温の場合には、逆にエンジン冷却水で改質器１５を暖めるように作用する。

改質触媒１５０４は、小球状の多孔質担体と、当該多孔質担体の表面に担持された主触媒及び助触媒と、を含んで構成される。主触媒及び助触媒は、均一に混合された状態で、小球状の多孔質担体の表面に担持される。このように本実施形態の改質触媒１５０４は、多孔質担体が小球状であることにより、その表面に担持される主触媒及び助触媒の表面積が増大し、燃料のガソリンや酸化剤の空気との接触面積が増大する。
また、改質触媒１５０４によって各反応管内に形成される連続する空隙又は細孔の空間は、任意の位置から該空間の壁面までの距離が前記混合流体の消炎距離以下となるように設けられる。

小球状の多孔質担体としては、例えば、シリカビーズ、アルミナビーズ、シリカアルミナビーズ等が用いられる。中でも、シリカビースが好ましく用いられる。多孔質担体の粒径は、好ましくは３μｍ〜５００μｍである。

主触媒は、ガソリン中の炭化水素から水素原子を引き抜いてアルキルラジカルを生成させるように作用する。具体的には、主触媒としては、Ｎ−ヒドロキシイミド基を有するＮ−ヒドロキシイミド基含有化合物が用いられる。中でも、Ｎ−ヒドロキシフタルイミド（以下、「ＮＨＰＩ」という。）又はＮＨＰＩ誘導体がその作用が顕著である。

助触媒は、アルキルラジカルから生成するアルキルヒドロペルオキシドを還元してアルコールを生成させる能力を有する。具体的には、助触媒としては、遷移金属化合物が用いられる。中でも、コバルト化合物、マンガン化合物及び銅化合物からなる群より選ばれる化合物が好ましく用いられる。コバルト化合物としては酢酸コバルト（ＩＩ）等が用いられ、マンガン化合物としては酢酸マンガン（ＩＩ）等が用いられ、銅化合物としては塩化銅（Ｉ）等が用いられる。

上述した主触媒及び助触媒の多孔質担体への担持方法については、公知の含浸法等が採用される。例えば、主触媒及び助触媒を所定の混合比で含有するスラリーを調製した後、調製したスラリー中に小球状の多孔質担体を浸漬させる。次いで、スラリー中から多孔質担体を引き上げ、多孔質担体の表面に付着した余分なスラリーを除去した後、所定の条件で乾燥する。これにより、多孔質担体の表面に主触媒及び助触媒が均一に担持された改質触媒１５０４が得られる。

ここで、該改質触媒１５０４により進行する改質反応について、以下に詳しく説明する。
先ず、本実施形態の改質反応は、下記の反応式（１）に示すように、ガソリン中の炭化水素から水素原子が引き抜かれてアルキルラジカルが生成する水素引き抜き反応により開始される。この水素引き抜き反応は、主触媒、ラジカル及び酸素分子等の作用により進行する。
［化１］

ＲＨ → Ｒ・ ・・・反応式（１）

［反応式（１）中、ＲＨは炭化水素を表し、Ｒ・はアルキルラジカルを表す。］

次いで、水素引き抜き反応により生成したアルキルラジカルは、下記の反応式（２）に示すように、酸素分子と結合してアルキルペルオキシラジカルを生成する。
［化２］

Ｒ・ ＋ Ｏ_２ → ＲＯＯ・ ・・・反応式（２）

［反応式（２）中、Ｏ_２は酸素分子を表し、ＲＯＯ・はアルキルペルオキシラジカルを表す。］

次いで、反応式（２）により生成したアルキルペルオキシラジカルは、下記の反応式（３）に示すように、ガソリン中に含まれる炭化水素から水素原子を引き抜いて、アルキルヒドロペルオキシドを生成する。
［化３］

ＲＯＯ・ ＋ ＲＨ → ＲＯＯＨ ＋ Ｒ・ ・・・反応式（３）

［反応式（３）中、ＲＯＯＨはアルキルヒドロペルオキシドを表す。］

次いで、反応式（３）により生成したアルキルヒドロペルオキシドは、下記の反応式（４）に示すように、助触媒の作用によりアルコールに還元される。
［化４］

ＲＯＯＨ → ＲＯＨ ・・・反応式（４）

［反応式（４）中、ＲＯＨはアルコールを表す。］

また、反応式（３）により生成したアルキルヒドロペルオキシドは、下記の反応式（５）に示すように、助触媒又は熱の作用によりアルコキシラジカルとヒドロキシラジカルとに分解する。
［化５］

ＲＯＯＨ → ＲＯ・ ＋ ・ＯＨ ・・・反応式（５）

［反応式（５）中、ＲＯ・はアルコキシラジカルを表し、・ＯＨはヒドロキシラジカルを表す。］

次いで、反応式（５）により生成したアルコキシラジカルは、ガソリン中に含まれる炭化水素から水素原子を引き抜いて、アルコールを生成する。
［化６］

ＲＯ・ ＋ ＲＨ → ＲＯＨ ＋ Ｒ・ ・・・反応式（６）

以上のようにして、ガソリン中に主体的に含まれる炭化水素が酸化改質され、アルコールに変換される。より詳しくは、ガソリン中に含まれる炭化水素は炭素数４〜１０の炭化水素であるため、これら炭化水素が、炭素数４〜１０のアルコールに変換される。なお、上述のようにして生成したアルコールＲＯＨのうち、その大部分は第２級アルコールＲ−ＣＨＯＨ−Ｒ’である。

次いで、上述のようにして生成した第２級アルコールＲ−ＣＨＯＨ−Ｒ’は、下記の反応式（７）に示すように、例えばアルキルペルオキシラジカルＲＯＯ・のようなアルキルラジカルと反応して、ヒドロキシアルキルラジカルＲ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’を生成する。
［化７］

Ｒ−ＣＨＯＨ−Ｒ’ ＋ ＲＯＯ・ → Ｒ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’ ＋ ＲＯＯＨ
・・・反応式（７）

［反応式（７）中、Ｒ−ＣＨＯＨ−Ｒ’は第２級アルコールを表し、Ｒ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’はヒドロキシアルキルラジカルを表す。］

次いで、ヒドロキシアルキルラジカルＲ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’は、さらに下記の反応式（８）に示すように、例えばアルキルペルオキシラジカルＲＯＯ・のようなアルキルラジカルと反応して、ケトンＲ−Ｃ＝Ｏ−Ｒ’を生成する。
［化８］

Ｒ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’ ＋ ＲＯＯ・ → Ｒ−Ｃ＝Ｏ−Ｒ’ ＋ＲＯＯＨ
・・・反応式（８）

［反応式（８）中、Ｒ−Ｃ＝Ｏ−Ｒ’はケトンを表す。］

以上のようにして、本実施形態の燃料改質装置１では、ガソリンをケトンを含む高オクタン価燃料に改質することができ、燃料のオクタン価を向上できるようになっている。

続いて、図４に示す入口部１５１は、改質部１５０の上流側に設置される。
入口部１５１は、第１ケーシング１５１１と、第１多孔質体１５１３と、第１仕切板１５１４と、により構成される。入口部１５１は、混合流体入口１５１２から混合器１４により生成される混合流体Ｆが供給された後、第１多孔質体１５１３を介して第２仕切板１５２４まで上昇する間に、混合流体Ｆを入口部１５１内の所定の方向に分散させ、各反応管への流体の供給量及び供給圧を均一にさせる。

第１ケーシング１５１１は、円筒状の混合流体入口１５１２が下方に形成され、上流側から下流側に向かうに従い拡径して形成される。これにより、混合流体入口１５１２側の開口は、下流側の開口に比べて狭い。

第１多孔質体１５１３は、第１ケーシング１５１１の内部に、設置される。具体的には、第１多孔質体１５１３は、上流端１５１３Ａを混合流体入口１５１２に当接させるようにして第１ケーシング１５１１内に配置され、該第１多孔質体１５１３の下流端１５１３Ｂに第１仕切板１５１４が設けられる。

第１多孔質体１５１３には混合流体Ｆが流通可能な連続する空隙又は細孔が設けられる。第１多孔質体１５１３は混合流体Ｆの上昇に伴い、種々の方向に分散させ、各反応管への混合流体Ｆの供給量を等しく均一にさせる。第１多孔質体１５１３は粒子状の物質又は多孔質物質によって形成される。特に、第１多孔質体１５１３は、ステンレス粉、若しくはステンレスからなる小球状の部材がプレス等により加熱成形された、ステンレスの焼結体を適用される。より具体的には、ポーラスステンレスや、その他のポーラス金属を適用可能である。

第１多孔質体１５１３を構成する連続細孔を表す細孔間距離Ｌ２は、消炎距離以下となるように設けられる。
また、前記第１多孔質体１５１３の上流端１５１３Ａから第１多孔質体１５１３の下流端１５１３Ｂまでの間隔の長さＬ４は、下流端１５１３Ｂの直径Ｌ３の１／２以上となるように調整される。

図５に示す第１仕切板１５１４は、複数の反応管１５０１の上流側開口部１５０５に配置される。第１仕切板１５１４の中央部には、第１仕切板１５１４の厚み方向で複数の反応管１５０１が挿通可能な穴部１５１５が設けられる。
第１仕切板１５１４と第１多孔質体１５１３の下流端１５１３Ｂの距離Ｌ５は、消炎距離以下で設けることが好ましい。

出口部１５２は、改質部１５０の上方に設けられる。出口部１５２は、入口部１５１と同様に、第２ケーシング１５２１と、第２多孔質体１５２３と、第２仕切板１５２４と、により構成される。
出口部１５２は、改質部１５０からの生成物を、生成物出口１５２２から生成物供給管１５５（図１参照）に供給する。

第２多孔質体１５２３は、上記第１多孔質体と同様の素材及び同じ連続細孔の細孔間距離Ｌ２で成形されており、消炎機能を発揮する。

以上、図２〜図５を参照して説明した改質器１５の動作について更に詳述する。
図１の混合器１４により生成される混合流体Ｆは、改質器１５の底部の混合流体入口１５１２から入口部１５１内に供給され、第１ケーシング１５１１内の第１多孔質体１５１３の空隙に広がりながら上昇する。混合流体Ｆ中の空気は、第１多孔質体１５１３を上昇する間、第１多孔質体１５１３の隙間により、微細な気泡となりながら第１仕切板１５１４の底部まで上昇を続ける。そして、混合流体Ｆは、第１仕切板１５１４の穴部１５１５から複数の反応管１５０１内部に均等に供給される。
その後、混合流体Ｆは、冷却部１５０３により改質反応に最適な温度に調整された複数の反応管１５０１内部を上昇する。混合流体Ｆ中のガソリンは、各反応管を上昇する間、改質触媒１５０４により、改質燃料に改質される。
改質触媒１５０４との反応を行いながら複数の反応管１５０１の下流側開口部１５０６まで上昇した混合流体Ｆは、生成物として、出口部１５２の上端近傍に至り、該出口部１５２上部の生成物出口１５２２から生成物供給管１５５内に供給され、その後、凝縮器１６へと流入する。

以上の改質器１５を備える本実施形態の燃料改質装置１はＥＣＵにより制御され、以下のように動作する。
先ず、エンジンの運転状態に応じて、ガソリンの改質が必要であると判断された場合には、エンジン冷却水の温度が所定温度以上であるか否かを判別する。エンジン始動直後でエンジン冷却水の温度が所定温度未満であるときには、前回改質時に凝縮器１６の改質燃料タンク部２０内に貯留された改質燃料を、改質燃料ポンプ２１１によりエンジン燃料供給系に供給する。

エンジン冷却水の温度が所定温度以上の場合は、燃料バルブ１３３及び空気バルブ１１４を開弁する。次いで、改質ポンプ１３１により、燃料タンク部１２からガソリンを圧送して混合器１４内に導入する。同時に、空気ポンプ１１２により、空気フィルタ１１１を通過した空気を混合器１４内に導入する。

次いで、混合器１４内に導入されたガソリンと空気を、所定温度に暖めながら均一に混合して混合流体Ｆとした後、改質器１５内に供給する。改質器１５内に供給された混合流体Ｆ中のガソリンの主成分である炭化水素は、改質触媒１５０４の作用により上述の反応式（１）〜（８）が進行することで、改質燃料に変換される。このとき、温度センサでモニターされた温度に基づいて、エンジン冷却水の供給を制御する。これにより、改質器１５内の温度が所望の適正温度に維持される。

次いで、改質器１５で生成した改質後の生成物を、凝縮器１６で凝縮相と気相とに分離し、この改質燃料は改質燃料タンク部１６２１に貯留される。改質燃料タンク部１６２１内の改質燃料は、気相供給管１９１によりエンジン燃料供給系に供給する。一方、分離された気相物質は、気相供給部１９を通してエンジン燃料供給系に導入することで、エンジンの気筒内での燃焼に供される。

なお、エンジンの運転状態に応じて、ガソリンの改質が不要であると判断された場合には、先ず、空気ポンプ１１２を停止して空気バルブ１１４を閉弁する。その後、改質器１５内をガソリンで満たした後、改質ポンプ１３１を停止して燃料バルブ１３３を閉弁し、混合器１４内へのガソリンの供給を停止する。これにより、システム停止中に、改質器１５内に残存した酸素により改質反応が進行してしまう事態が回避される。

本実施形態の燃料改質装置１によれば、以下の効果が奏される。
（１）本実施形態の燃料改質装置１では、改質器１５が重力方向に沿って延びるように配置される複数の反応管１５０１の上流側開口部１５０５に入口部１５１が接続され、混合流体が該入口部１５１より供給されるように構成される。特に、複数の反応管１５０１の連続する空隙又は細孔の任意の位置から該空間の壁面までの距離が混合流体の消炎距離以下で構成されるとともに、入口部１５１の多孔質体の連続する空隙又は細孔の任意の位置から該空間の壁面までの距離が混合流体の消炎距離以下で設けられる。

このような、燃料改質装置１では、入口部１５１内の第１多孔質体１５１３の分散作用により、入口部１５１から供給される混合流体を複数の反応管内部に均等に供給できる。仮に１つの反応管に集中して混合流体が流入した場合であっても、その下部が第１多孔質体１５１３でつながっているため、流体は装置内圧力に応じて、第１多孔質体１５１３内部から各反応管に均等に供給できる。このため、混合流体は各反応管内部に均等に流体を供給させることができる。その結果、改質反応の効率を向上できる。

また、各反応管の空隙又は細孔によって形成される空間、及び、多孔質体の空隙又は細孔によって形成されている空間は、消炎距離以下で設けられる。
これにより、各反応管の開口部近傍や多孔質体の表面において静電気等で発火が生じたとしてもすぐに確実に消炎でき、過度に反応が進行することがない。

（２）前記多孔質体の細孔間距離は、隣接する反応管同士の間隔である管ピッチよりも小さい上記（１）の燃料改質装置。

上記（２）の燃料改質装置１では、上記（１）の燃料改質装置において特に、第１多孔質体１５１３の細孔間距離Ｌ２は、隣接する反応管同士の間隔に比べて十分に小さくなるよう調整される。これにより、第１多孔質体１５１３中で発生した気泡は第１多孔質体１５１３中の種々の方向に拡散される。
従って、特定の反応管に気泡が集中することなく、各反応管に対して気泡を均等に分配させることができる。

（３）前記入口部は、上流側から下流側に向かうに従い拡径して形成されるとともに、前記多孔質体が充填されている上流端１５１３Ａから下流端１５１３Ｂまでの距離が、該下流端における直径の１／２以上である（１）又は（２）の燃料改質装置。

上記（３）の燃料改質装置１では、上記（１）又は（２）の燃料改質装置において、特に、入口部１５１は、下流側に向かうに従い拡径して形成されるとともに、入口部１５１の上流端１５１３Ａから下流端１５１３Ｂまでの距離は、該下流端における直径の１／２以上となるように形成される。これにより、第１多孔質体１５１３には混合流体の流通方向に対して所定の距離が確保される。
これにより、混合流体は入口部１５１の第１多孔質体１５１３中を、水平方向にも広がりながら上昇し、各反応管に導入される流体の圧力を均一にさせることができる。
従って、各反応管に対して均等に流体を分配させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。

１…燃料改質装置
１５…改質器
１５０…改質部
１５０１…複数の反応管
１５１…入口部
１５１３…第１多孔質体（多孔質体）
１５１３Ａ…上流端
１５１３Ｂ…下流端
Ｆ…混合流体
Ｌ１…管ピッチ（隣接する反応管同士の間隔）
Ｌ２…細孔間距離
Ｌ３…下流端の直径
Ｌ４…上流端から下流端までの距離

Claims (4)

1. 炭化水素を主体とする燃料を、空気を用いて改質する燃料改質装置であって、
   重力方向に沿って延びるように配置され、改質触媒が充填された複数の反応管を有する改質部と、
   前記改質部の下端に接続され、前記燃料と空気の混合流体を前記複数の反応管の下端から上端に向かって導入する入口部と、を備え、
   前記複数の反応管はいずれも、空隙又は細孔によって各反応管の内部に形成されている空間における任意の位置から該空間の壁面までの距離が前記混合流体の消炎距離以下であり、
   前記入口部は、多孔質体が充填されて形成されるとともに、空隙又は細孔によってその内部に形成されている空間における任意の位置から該空間の壁面までの距離が前記混合流体の消炎距離以下である燃料改質装置。
2. 前記多孔質体の細孔間距離は、隣接する反応管同士の間隔である管ピッチよりも小さい請求項１に記載の燃料改質装置。
3. 前記入口部は、上流側から下流側に向かうに従い拡径して形成されるとともに、前記多孔質体が充填されている上流端から下流端までの距離が、該下流端における直径の１／２以上である請求項１又は２に記載の燃料改質装置。
4. 前記複数の反応管はいずれも、空隙又は細孔によって各反応管の内部に形成されている空間における任意の位置から該空間の壁面までの距離が３ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料改質装置。
   

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