JP2019070358A - 燃料改質システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の状態によらず燃料の改質を継続できる燃料改質システムを提供すること。【解決手段】燃料改質システム１は、炭化水素を主体とした燃料を改質するものであって、入口から空気及び燃料の混合気が供給されると改質触媒の作用下で酸化改質が進行し出口から改質燃料を排出する改質器３と、改質器３の出口から排出する改質燃料を凝縮する凝縮器７４と、凝縮器７４を経た改質燃料を気相と凝縮相に分離する気液分離器７５と、気液分離器７５の凝縮相流出部７５１から流出する凝縮相を貯留する改質燃料タンク７２と、気液分離器７５の気相流出部７５２とエンジンの吸気系とを接続する第１バイパス管９２と、気相流出部７５２と改質器３の入口に至る空気供給管４１とを接続する第２バイパス管９３と、エンジンの状態に応じて第１バイパス管９２及び第２バイパス管９３の何れかを選択的に連通させる三方弁９４及びＥＣＵ８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料改質システムに関する。より詳しくは、炭化水素を主体とした燃料を改質触媒の作用下で酸化改質する燃料改質システムに関する。

近年、内燃機関の熱効率のさらなる向上を目指して、内燃機関の圧縮比を高くする技術の研究が進められている。例えばガソリンエンジンにおいて圧縮比を高くすると、エンドガス（点火プラグから離れた場所における未燃混合気）が、燃焼室全体に火炎が到達する前に圧縮によって自己着火してしまう、所謂ノッキングが発生しやすくなる。したがって内燃機関の高効率化を実現するには、高圧縮比にしながらノッキングの発生を回避することが重要である。近年、数多く提案されている高圧縮比の内燃機関では、点火時期を遅らせることによってノッキングの発生を抑制するものが多い。しかしながら点火時期を遅らせると熱効率が低下するため、ノッキングの発生を抑制する技術としては十分とは言い難い。

そこで、外部から車両に給油された燃料を車両上で改質することによって内燃機関で用いる燃料のオクタン価を向上する技術が注目されている。例えば特許文献１には、ガソリンを、改質触媒の作用下で酸化改質し、アルコールを含む改質燃料を生成する燃料改質システムであって、車両に搭載可能なものが示されている。

ところでガソリンを酸化改質することによって生成される改質燃料は、凝縮器や気液分離器等を経て、主成分であるアルコール及び副生成物である安息香酸や水等の凝縮相と、窒素、酸素、その他の副生成物のガス成分等の気相と、に分けられる。このうち凝縮相は、一旦タンクに貯留され、適宜燃料噴射装置を介して内燃機関に供給される。一方気相は、凝縮相のように多くの量を溜めることはできない。このため、気相は生成され次第速やかに内燃機関の吸気ポートに供給され、燃焼に供されるようになっている。

特開２０１６−２１１４９３号公報

ところで、内燃機関がアイドリングストップによって一時的に停止している場合、燃料改質システムにおいて生成される気相を内燃機関で燃焼させることはできないが、特許文献１ではこの点については十分に検討されていない。このため従来は、内燃機関におけるアイドリングストップと連動して燃料改質システムにおける燃料の改質も一時的に停止させたり、燃料改質システムで発生する気相を多く吸着できるよう大きなキャニスタを用いたりする必要があった。

本発明は、内燃機関の状態によらず燃料の改質を継続できる燃料改質システムを提供することを目的とする。

（１）本発明の燃料改質システム（例えば、後述の燃料改質システム１）は、炭化水素を主体とした燃料を改質するものであって、入口から酸化ガス及び燃料が供給されると改質触媒の作用下で酸化改質が進行し出口から改質燃料を排出する改質器（例えば、後述の改質器３）と、前記出口から排出する改質燃料を凝縮する凝縮器（例えば、後述の凝縮器７４）と、前記凝縮器を経た改質燃料を気相と凝縮相に分離する気液分離器（例えば、後述の気液分離器７５）と、前記気液分離器の凝縮相流出部（例えば、後述の凝縮相流出部７５１）から流出する凝縮相を貯留するタンク（例えば、後述の改質燃料タンク７２）と、前記気液分離器の気相流出部（例えば、後述の気相流出部７５２）と内燃機関の吸気系とを接続する第１気相流路（例えば、後述の第１バイパス管９２）と、前記気相流出部と前記入口に至る流路とを接続する第２気相流路（例えば、後述の第２バイパス管９３）と、前記内燃機関の状態に応じて前記第１及び第２気相流路の何れかを選択的に連通させる気相流路切替手段（例えば、後述のＥＣＵ８及び三方弁９４）と、を備えることを特徴とする。

（２）この場合、前記燃料改質システムは、前記出口と前記凝縮器と前記気液分離器と前記タンクと前記入口とをこの順で接続する循環流路と、前記改質器内において前記入口から前記出口へ向かう流れが生じるように、前記循環流路内で改質燃料を循環させる循環ポンプ（例えば、後述の燃料回収ポンプ７３及び改質燃料ポンプ７９）と、を備えることが好ましい。

（１）本発明の燃料改質システムは、改質器の出口から排出される改質燃料を凝縮する凝縮器と、凝縮器を経た改質燃料を気相と凝縮相に分離する気液分離器と、気液分離器の気相流出部と内燃機関の吸気系とを接続する第１気相流路と、気相分離部と改質器の入口に至る流路とを接続する第２気相流路と、内燃機関の状態に応じて上記２つの気相流路の何れかを選択的に連通させる気相流路切替手段と、を備える。改質器で改質燃料を生成することによって生じる気相は、第１気相流路を連通させると吸気系を介して内燃機関における燃焼に供され、第２気相流路を連通させると改質器における改質反応に供される。以上のように本発明の燃料改質システムでは、内燃機関だけでなく改質器においても改質に伴って生じる気相を消費させることができる。したがって本発明では、内燃機関において一時的に気相を処理できない場合であっても、この気相を改質器で処理できる。

また本発明の燃料改質システムでは、気液分離器において分離された気相を、改質器の入口に至る流路に還流する。ここで例えば、改質器の出口から排出した直後の改質燃料の燃料蒸気を、改質器の入口に至る流路に還流することも考えられるが、しかしながらこのようにすると、燃料の蒸気圧が高くなり、改質器内における酸素分圧が低下してしまい、ひいては改質効率が低下するおそれがある。また改質器の出口における高温の燃料蒸気を還流すると、その度に改質器の温度が上昇してしまい、安定した改質反応を実現できなくなるおそれがある。これに対し本発明の燃料改質システムでは、改質器の出口から排出し、凝縮器、及び気液分離器を経て十分に冷却された改質燃料の気相を改質器の入口に至る流路に還流することにより、上記のように改質器内における酸素分圧を低下させることもなく、また還流する度に改質器の温度を大きく上昇させることもない。よって本発明の燃料改質システムによれば、安定しかつ効率的な改質を実現できる。

（２）改質触媒の作用下で酸素を用いた改質反応によって改質燃料を生成する場合、改質器を経た反応済みの改質燃料は、反応速度を向上する効果がある。そこで本発明の燃料改質システムでは、改質器の出口と凝縮器と気液分離器とタンクと改質器の入口とを循環流路で接続し、循環ポンプによって改質器内において入口から出口へ向かう流れが生じるように循環流路内で改質燃料を循環させる。これにより、反応済みの改質燃料が再び改質器に供給されるので、従来と比較して速やかに目標とするオクタン価の改質燃料を得ることができる。またこのように改質燃料を循環させると、気液分離器の気相流出部からは連続して気相が発生するため、気相を処理できない事情が生じた場合には、循環を停止させる必要がある。これに対し本発明の燃料改質システムでは、改質によって生じる気相を内燃機関の状態に応じて常に適切に処理できるので、内燃機関の状態によらず循環を継続できる。

本発明の一実施形態に係る燃料改質システムの構成を示す図である。 未改質燃料に反応済みの改質燃料を所定の割合で混ぜて改質した場合と、未改質燃料に反応済みの改質燃料を混ぜずに改質した場合とで、最終的に得られた改質燃料の１時間当たりの酸化進行度を比較した図である。 酸化ガス供給装置や気相還流装置等を用いて混合器に酸化ガスや燃料等を供給する手順を示すフローチャートである。

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、本実施形態に係る燃料改質システム１の構成を示す図である。燃料改質システム１は、動力発生源として少なくともエンジンを備える車両に搭載される。また以下では、車両は所謂アイドリングストップ機能を備えるものである場合について説明するが、本発明はこれに限らない。またアイドリングストップ機能とは、走行中に所定の自動停止条件（例えば、車速がほぼ０であること、アクセルペダルの開度がほぼ０であること、及びブレーキペダルが踏み込まれていること）が満たされた場合にエンジンを一時的に停止した後、所定の自動復帰条件（例えば、ブレーキペダルの踏み込みが解除されたこと）が満たされた場合にエンジンを再始動する機能である。

燃料改質システム１は、改質器３を備えており、炭化水素を主体とした燃料（例えば、ガソリン）と酸化ガスとしての空気を用いて改質器３によってアルコールやケトン等を含む改質燃料を生成し、この改質燃料を車両の動力発生源であるエンジンに供給する。

燃料改質システム１は、空気と燃料の混合気を生成する混合器２と、その入口から混合気が供給されると改質反応が進行しその出口から改質燃料を排出する改質器３と、混合器２に空気を供給する空気供給装置４と、混合器２に車外から給油された未改質燃料を供給する未改質燃料供給装置５と、改質器３から排出された改質燃料を回収し再び混合器２に供給する循環装置７と、循環装置７において生成される気相を還流する気相還流装置９と、これらの電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）８と、を備える。

空気供給装置４は、空気供給管４１と、空気フィルタ４２と、空気ポンプ４３と、空気流量計４５と、空気弁４６と、を備え、これらを用いて空気を混合器２に供給する。空気供給管４１は、燃料改質システム１の外と混合器２とを接続する配管である。外気（空気）は、この空気供給管４１を流れ、混合器２の内部へ供給される。空気フィルタ４２は、空気供給管４１に設けられ、空気中の異物を取り除く。空気ポンプ４３は、空気供給管４１に設けられ、ＥＣＵ８からの制御信号に応じて空気供給管４１から導入される外気を圧縮し、圧縮空気を混合器２へ供給する。空気流量計４５は、空気供給管４１に設けられ、空気供給管４１を流れる空気の流量を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ８へ送信する。空気弁４６は、空気供給管４１に設けられ、ＥＣＵ８からの制御信号に応じて開閉する。ＥＣＵ８は、空気流量計４５の検出信号を用いて空気ポンプ４３の回転数及び空気弁４６の開度を制御することによって、混合器２に供給される空気の流量（以下、「空気供給量」ともいう）を調整する。

未改質燃料供給装置５は、給油燃料タンク５１と、燃料供給管５２と、燃料ポンプ５３と、燃料流量計５４と、燃料弁５５と、エンジン用燃料ポンプ５６と、チャージ管５７と、キャニスタ５８と、パージ管５９と、を備え、これらを用いることによって改質器３を未だ経ていない未改質燃料を混合器２に供給する。給油燃料タンク５１は、炭化水素を主体とした未改質燃料（例えば、ガソリン）を貯留する。車外から給油される未改質燃料は、始めにこの給油燃料タンク５１に供給される。燃料供給管５２は、給油燃料タンク５１と混合器２とを接続する配管である。未改質燃料は、この燃料供給管５２を流れ、混合器２の内部へ供給される。燃料ポンプ５３は、ＥＣＵ８からの制御信号に応じて給油燃料タンク５１内に貯留された未改質燃料を混合器２へ圧送する。燃料流量計５４は、燃料供給管５２を流れる未改質燃料の流量を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ８へ送信する。燃料弁５５は、燃料供給管５２に設けられ、ＥＣＵ８からの制御信号に応じて開閉する。ＥＣＵ８は、燃料流量計５４の検出信号を用いて燃料ポンプ５３の回転数及び燃料弁５５の開度を制御することにより、混合器２に供給される未改質燃料の流量（以下、「未改質燃料供給量」ともいう）を調整する。エンジン用燃料ポンプ５６は、給油燃料タンク５１内に貯留された未改質燃料を、改質器３を介さずにエンジンの燃料噴射装置（図示せず）へ供給する。燃料噴射装置は、例えば、エンジン用燃料ポンプ５６から供給される未改質燃料を、直噴インジェクタを用いてエンジンの各気筒内へ直接噴射する。

チャージ管５７は、給油燃料タンク５１とキャニスタ５８とを接続する配管である。給油燃料タンク５１内で発生した燃料蒸気は、チャージ管５７を介してキャニスタ５８に導入され、キャニスタ５８内に設けられた活性炭等の吸着剤に吸着される。またキャニスタ５８内は、パージ管５９を介してエンジンの吸気系（より具体的には、例えば吸気ポート）と連通する。したがってキャニスタ５８内に吸着された燃料蒸気は、吸気系で発生する負圧を利用してパージされ、ひいてはエンジンにおける燃焼に供される。

混合器２は、空気導入部２１、未改質燃料導入部２２、及び改質燃料導入部２４が設けられた混合容器２５と、この混合容器２５の内部に充填された粒子状物質又は多孔質物質（図示せず）と、混合容器２５内に導入された流体を加熱するヒータ（図示せず）と、を備える。空気導入部２１には空気供給管４１が接続されている。空気供給装置４によって流量が調整された空気は、空気導入部２１を介して混合容器２５内に供給される。未改質燃料導入部２２には燃料供給管５２が接続されている。未改質燃料供給装置５によって流量が調整された未改質燃料は、未改質燃料導入部２２を介して混合容器２５内に供給される。改質燃料導入部２４には、循環装置７の後述の燃料還流管７５１が接続されている。循環装置７によって流量が調整された改質燃料は、改質燃料導入部２４を介して混合容器２５内に供給される。

また混合器２における粒子状物質としては、例えば、石英石、二酸化ケイ素、ゼオライト等が用いられる。また多孔質物質としては、例えば、ステンレスの焼結体であるポーラスステンレスや、その他のポーラス金属等が用いられる。各導入部２１，２２，２４から導入された流体が混合容器２５の内部で均一に混合され、さらにこのようにして生成された混合気が改質器３の複数の混合気の入口へ均等の圧力で供給されるように、これら粒子状物質や多孔質物質は混合容器２５内にむらなく充填されている。

各導入部２１，２２，２４を介して混合容器２５内に導入される空気や未改質燃料等の流体は、ヒータによって改質器３における改質反応に適した温度まで昇温されるとともに、混合容器２５の内部に設けられた粒子状物質又は多孔質物質によってその流れが分散、変転、転換（回転）され、均一な混合気が生成される。混合容器２５の内部で生成された混合気は、鉛直方向上方に設けられた改質器３の複数の混合気の入口へ押し出される。

改質器３は、混合器２によって生成された混合気の流路となる複数の反応管３１と、これら複数の反応管３１を収容する筒状の胴体３２とを備え、胴体３２の内部のうち反応管３１の周囲に冷媒が流れる冷媒流路が形成された多管式熱交換器である。

各反応管３１の入口は上述の混合器２の内部と連通している。また各反応管３１の内部には、改質反応を促進するための改質触媒を構成する主触媒及び助触媒が担持された粒子状物質又は多孔質物質が充填されている。混合器２によって各反応管３１の入口へ均等の圧力で押し上げられた混合気は、各反応管３１の内部を流れ、その出口から排出される。混合器２において空気、未改質燃料、及び改質燃料を所定の割合で混合して形成された混合気は、各反応管３１の内部を流れる過程で、改質触媒の作用下で酸素を用いた改質反応が進行し、改質燃料として気液混合の状態で出口から排出される。なお図１に示すように、混合器２から供給される混合気がその自重に逆らって鉛直方向に沿って下方から上方へ流れるように、各反応管３１の出口を入口より高くしかつ鉛直方向に対して平行に設けられるが、本発明はこれに限らない。例えば、混合器２から供給される混合気が水平方向に沿って流れるように、各反応管３１は水平方向に対して平行に設けてもよい。

胴体３２のうち反応管３１の出口側には、外部から供給される冷媒を受け入れる冷媒導入部３３が設けられ、胴体３２のうち反応管３１の入口側には、胴体３２の内部から冷媒を排出する冷媒排出部３４が設けられている。冷媒導入部３３及び冷媒排出部３４は、エンジンを冷却するための冷却水が循環する冷却水循環回路（図示せず）に接続されている。これにより胴体３２の内部には、エンジンを熱源とし、ラジエタによって温度調整された冷却水が流れる。

改質器３に供給する冷却水の温度は、例えば７０〜１１０℃の範囲内であることが好ましい。冷却水の温度が７０℃未満になると、各反応管３１内における改質反応速度を上昇させる効果が低下する。また、冷却水の温度が高くなるほど改質反応速度を上昇させる効果も上昇するが、冷却水の温度が１１０℃を超えるとエンジンの冷却水の使用が難しくなる。そこでＥＣＵ８は、改質器３を用いて燃料を改質する時期であって、冷却水の温度が上記温度範囲内にある場合には、冷却水循環回路の冷却水ポンプを駆動し、改質器３に冷却水を循環させ、冷却水の温度が上記温度範囲外にある場合には、冷却水ポンプを停止し、冷却水の循環を停止する。これにより、反応管３１内における改質反応が進行して反応管３１内の温度が既に高温に達しているときには、冷却水は反応管３１を冷却するように作用し、改質反応の初期で反応管３１内の温度が低温の場合には、冷却水は反応管３１を暖めるように作用する。これにより、各反応管３１内の混合気の改質反応速度が向上する。

次に、主触媒及び助触媒の具体的な構成について説明する。各反応管３１の内部に担持されている主触媒には、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ものが用いられる。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）やＮＨＰＩ誘導体は上記作用が顕著であるため、好ましく用いられる。

また各反応管３１の内部に担持されている助触媒には、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とともに、このアルコールを上記アルキルラジカルと反応させてケトンを生成させる能力を有するものが用いられる。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。

各反応管３１内では、以上のような主触媒及び助触媒から成る改質触媒の作用下で、以下のような改質反応が進行する。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が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システム１では、外部から給油されたガソリンを、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。

循環装置７は、改質器３の出口から排出された反応済み改質燃料を回収する回収装置７１と、回収装置７１によって回収した改質燃料を混合器２へ再度供給する再供給装置７７と、を備え、これらを用いることによって改質器３を含む循環経路内で改質燃料を循環させる。

回収装置７１は、改質燃料タンク７２と、燃料回収ポンプ７３と、凝縮器７４と、気液分離器７５と、燃料回収管７６と、を備える。燃料回収管７６は、改質器３の反応管３１の出口から延び改質燃料タンク７２に至る配管である。改質器３の出口から排出された反応済みの改質燃料は、この燃料回収管７６を介して改質燃料タンク７２に供給される。

凝縮器７４は、燃料回収管７６に設けられ、車両が走行することで発生する走行風又は図示しない電動ファンを駆動することによって発生する冷却風を利用することにより、改質器３の出口から気液混合の状態で排出される改質燃料を凝縮する。

気液分離器７５は、燃料回収管７６のうち凝縮器７４の下流側に設けられ、凝縮器７４を経て凝縮された改質燃料を、凝縮相と気相とに分離し、それぞれ凝縮相流出部７５１及び気相流出部７５２から排出る。より具体的には、凝縮器７４を経た改質燃料のうち凝縮相は、気液分離器７５によって凝縮相流出部７５１から改質燃料タンク７２へ排出される。また凝縮器７４を経た改質燃料のうち気相は、気液分離器７５によって気相排出部７５２から後述の気相還流装置９へ排出される。ここで凝縮相の物質には、改質反応によって生成されたアルコールや多の副生成物等が含まれ、気相の物質には、窒素、酸素、及び改質反応によって生成された他の副生成物等が含まれる。

改質燃料タンク７２は、改質器３から排出され、上記のように凝縮器７４及び気液分離器７５を経た凝縮相の改質燃料を貯留する。この改質燃料タンク７２には、エンジン用燃料ポンプ７２１が設けられている。エンジン用燃料ポンプ７２１は、改質燃料タンク７２内に貯留された改質燃料を、エンジンの燃料供給系へ送り出す。燃料供給系では、エンジン用燃料ポンプ７２１から送り出される改質燃料を、ポートインジェクタを用いてエンジンの各気筒に連通する吸気ポート内に噴射する。

再供給装置７７は、燃料還流管７８と、改質燃料ポンプ７９と、を備える。燃料還流管７８は、改質燃料タンク７２から混合器２の改質燃料導入部２４に至る配管である。改質燃料タンク７２に回収された反応済みの改質燃料は、この燃料還流管７８を介して混合器２に供給される。循環装置７では、これら燃料回収管７６と燃料還流管７８とによって、改質器３の出口と、燃料回収ポンプ７３と、凝縮器７４と、気液分離器７５と、改質燃料タンク７２と、改質器３の入口に連通する混合器２と、をこの順で接続する循環流路が形成される。

改質燃料ポンプ７９は、改質燃料タンク７２内に設けられ、ＥＣＵ８からの制御信号に応じて改質燃料タンク７２内の底部に溜まった改質燃料を混合器２へ圧送する。また燃料還流管７８には、燃料還流管７８を流れる改質燃料の流量を検出する流量計（図示せず）や、燃料還流管７８を流れる改質燃料の流量を調整する流量調整弁（図示せず）等が設けられており、ＥＣＵ８は、これらを制御することによって改質燃料タンク７２から混合器２に供給される改質燃料の流量（以下、「改質燃料供給量」ともいう）を調整する。

燃料回収ポンプ７３は、例えば、燃料回収管７６のうち、改質器３の出口と凝縮器７４との間に設けられる。燃料回収ポンプ７３は、ＥＣＵ８からの制御信号に応じて改質器３の反応管３１の出口から反応済みの改質燃料を吸い込み、凝縮器７４へ吐出する。この燃料回収ポンプ７３によって改質器３の出口から改質燃料を吸い込むとともに、改質燃料ポンプ７９によって改質燃料タンク７２内の反応済みの改質燃料を改質器３の入口へ供給することにより、改質器３の反応管３１内において入口から出口へ向かう流れが生じるように、上記循環流路内で改質燃料を循環させることができる。

気相還流装置９は、気相還流管９１と、第１バイパス管９２と、第２バイパス管９３と、三方弁９４と、を備える。気相還流管９１は、気液分離器７５の気相流出部７５２と三方弁９４とを接続する配管である。第１バイパス管９２は、三方弁９４とチャージ管５７とを接続する配管である。また第２バイパス管９３は、三方弁９４と空気供給管４１のうち空気弁４６と混合器２の空気導入部２１との間を接続する。

三方弁９４は、ＥＣＵ８からの制御信号に応じて、気相還流管９１と第１バイパス管９２及び第２バイパス管９３の何れかと、を選択的に接続し１つの流路を形成する。三方弁９４によって気相還流管９１と第１バイパス管９２とを接続すると、気液分離器７５の気相流出部７５２とエンジンの吸気系に連通するチャージ管５７とを接続する第１気相流路が形成される。第１気相流路が形成されると、気液分離器７５によって分離された気相は、チャージ管５７を介してキャニスタ５３内の吸着剤に吸着される。またキャニスタ５３内に吸着された気相は、給油燃料タンク５１内で生じた燃料蒸気とともにエンジンの吸気系に供給される。

また三方弁９４によって気相還流管９１と第２バイパス管９２とを接続すると、気液分離器７５の気相流出部７５２と混合器２に至る空気供給管４１とを接続する第２気相流路が形成される。第２気相流路が形成されると、気液分離器７５によって分離された気相は、空気供給管４１を介して混合器２内に供給される。ＥＣＵ８は、エンジンの状態に応じて三方弁９４によって第１気相流路及び第２気相流路の何れかを選択的に連通させる。

ＥＣＵ８は、センサの検出信号をＡ／Ｄ変換するＩ／Ｏインターフェース、各種データや各種プログラムを記憶するＲＡＭやＲＯＭ、各種プログラムを実行するＣＰＵ、並びにこの処理の下で決定した態様で空気供給装置４、未改質燃料供給装置５、循環装置７、及び気相還流装置９等を構成する各種デバイスを駆動する駆動回路等で構成されるマイクロコンピュータである。ここで、ＥＣＵ８において実行されるプログラムとしては、空気供給装置４による空気供給量と未改質燃料供給装置５による未改質燃料供給量と循環装置７による改質燃料供給量とを制御するプログラムや、混合器２によって混合気を生成するタイミングに合わせてそのヒータを駆動するプログラムや、改質器３で混合気を改質するタイミングに合わせてその冷却水ポンプを駆動するプログラムや、エンジンの状態に応じて三方弁９４を制御し第１気相流路及び第２気相流路の何れかを選択的に連通させるプログロラム等、がある。

次に、循環装置７を用いて改質器を経た反応済みの改質燃料を再度改質器に供給することの効果を検証するために行った実験とその結果について説明する。この実験では、改質器を用いて所定量の未改質燃料を所定時間かけて改質し、最終的に得られた改質燃料のオクタン価の上昇速度と相関のある酸化進行度［％］を測定した。特に本実験では、上記実施形態の燃料改質システムのように改質器に未改質燃料と改質燃料と空気とを供給した場合、すなわち、未改質燃料に所定量の反応済みの改質燃料を混ぜて改質器に供給した場合の酸化進行度と、従来の燃料改質システムのように改質器に未改質燃料と空気とを供給した場合、すなわち改質燃料を混ぜずに未改質燃料を改質器に供給した場合の酸化進行度とを取得し、これらを比較した。

図２は、未改質燃料に反応済みの改質燃料を所定の割合（反応済みの改質燃料を１．０とした場合、未改質燃料は０．２５の割合）で混ぜて改質した場合（図２の右側）と、未改質燃料に反応済みの改質燃料を混ぜずに改質した場合（図２の左側）とで、最終的に得られた改質燃料の１時間当たりの酸化進行度を比較した図である。

図２に示すように、未改質燃料に反応済みの改質燃料を混ぜて改質器に供給した場合、これらを混ぜずに未改質燃料のみを改質器に供給した場合と比較して１時間当たりの酸化進行度が上昇する。すなわち、酸素を用いた改質反応を利用して燃料を改質する場合、反応済みの改質燃料には改質器における改質反応速度を上昇させ、速やかにオクタン価を上昇させる効果がある。これは、反応済みの改質燃料には極性があり、このため反応速度が向上するものと考えられる。またこのような極性のある改質燃料を供給すると、混合気中の主触媒の溶解度が上昇し、これによって混合気の主触媒の濃度が高くなるので、このような理由によっても反応速度が向上すると考えられる。

図３は、空気供給装置や気相還流装置等を用いて混合器に空気や燃料等を供給する手順を示すフローチャートである。図３の処理は、イグニッションスイッチがオンにされている間、ＥＣＵにおいて所定の周期毎に実行される。

始めにＳ１では、ＥＣＵは、燃料改質システムによる燃料改質が完了したか否かを判定する。ここで燃料改質が完了したか否かは、例えば、改質燃料タンク内に目標オクタン価より高くかつ目標残量より多い改質燃料が貯蔵されているか否かによって判断される。ここで改質燃料タンク内の改質燃料の残量は、改質燃料タンクに設けられたレベルセンサの出力を用いてＥＣＵにおいて取得することができる。また改質燃料のオクタン価を推定する方法としては、エンジンに供給する燃料の未改質燃料と改質燃料の割合を変化させたときにノッキングの発生を検出したタイミングに基づいてオクタン価を推定する方法や、空燃比センサを用いたフィードバック制御におけるフィードバック補正係数の値に基づいてオクタン価を推定する方法等、既知の推定方法が用いられる。

Ｓ１の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、混合器に空気と未改質燃料と反応済みの改質燃料とを供給することによって改質器にこれらの混合気を供給し、改質器で燃料を酸化改質する改質運転を行う（Ｓ２以降、参照）。Ｓ２では、ＥＣＵは、未改質燃料供給量と改質燃料供給量とを予め定められた割合になるように制御し、混合器に未改質燃料と反応済みの改質燃料とを供給する。

Ｓ３では、ＥＣＵは、アイドリングストップによってエンジンが停止しているか否かを判定する。Ｓ３の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、改質器において酸化改質を行うことによって生じる気相をエンジンで連続的に処理できると判断し、気相還流装置の三方弁を第１バイパス管側に設定し、第１気相流路を連通させる（Ｓ４参照）。これにより気液分離器７５の気相流出部７５２から排出される気相は、第１気相流路を介してエンジンにおける燃焼に供される。またＳ５では、ＥＣＵは、空気供給装置から混合器へ空気を供給する。ここで空気供給量は、改質器内における酸化改質が最適化されるように、改質器への未改質燃料供給量及び改質燃料供給量に応じて定められる量に設定される。

Ｓ３の判定がＹＥＳである場合、すなわちアイドリングストップによってエンジンが一時的に停止している場合、ＥＣＵは、改質器において酸化改質を行うことによって生じる気相をエンジンで連続的に処理できないと判断し、気相還流装置の三方弁を第２バイパス管側に設定し、第２気相流路を連通させる（Ｓ７参照）。これにより気液分離器７５の気相流出部７５２から排出される気相は、第２気相流路を介して混合器２に供給され、改質器３における酸化改質に供される。またＳ８では、ＥＣＵは、気液分離器において気相流出部から排出される気相の量を減らすため、空気供給装置から混合器への空気の供給を停止するか又はＳ５における供給量よりも低減する。

またＳ１の判定がＹＥＳである場合には、すなわち改質燃料タンクには目標オクタン価より高くかつ目標残量より多い改質燃料が既に貯留されている場合には、ＥＣＵは、混合器への未改質燃料、改質燃料、及び空気の供給を停止し、改質器における改質運転を停止する（Ｓ８参照）。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば上記実施形態では、主触媒を助触媒とともに、改質器３の反応管３１内に充填された粒子状物質に担持させた場合について説明したが、本発明はこれに限らない。主触媒は、未改質燃料とともに混合器２へ適宜供給してもよい。

１…燃料改質システム
３…改質器
７２…改質燃料タンク（タンク）
７３…燃料回収ポンプ（循環ポンプ）
７４…凝縮器
７５…気液分離器
７５１…凝縮相流出部
７５２…気相流出部
７６…燃料回収管（循環流路）
７８…燃料還流管（循環流路）
７９…改質燃料ポンプ（循環ポンプ）
８…ＥＣＵ（気相流路切替手段）
９２…第１バイパス管（第１気相流路）
９３…第２バイパス管（第２気相流路）
９４…三方弁（気相流路切替手段）

Claims (2)

1. 炭化水素を主体とした燃料を改質する燃料改質システムであって、
   入口から酸化ガス及び燃料が供給されると改質触媒の作用下で酸化改質が進行し出口から改質燃料を排出する改質器と、
   前記出口から排出する改質燃料を凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器を経た改質燃料を気相と凝縮相に分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の凝縮相流出部から流出する凝縮相を貯留するタンクと、
   前記気液分離器の気相流出部と内燃機関の吸気系とを接続する第１気相流路と、
   前記気相流出部と前記入口に至る流路とを接続する第２気相流路と、
   前記内燃機関の状態に応じて前記第１及び第２気相流路の何れかを選択的に連通させる気相流路切替手段と、を備えることを特徴とする燃料改質システム。
2. 前記出口と前記凝縮器と前記気液分離器と前記タンクと前記入口とをこの順で接続する循環流路と、
   前記改質器内において前記入口から前記出口へ向かう流れが生じるように、前記循環流路内で改質燃料を循環させる循環ポンプと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。

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