JP2022112890A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成の燃料改質装置を提供する。【解決手段】酸化反応により燃料を改質する装置１００は、鉛直方向に延在する外管１９１と内管１９２とを有し、外管１９１と内管１９２との間に円筒空間１９３を形成する改質器１９を備える。外管１９１は、円筒空間１９３に燃料と空気とを導入するように外管１９１の下部を貫通する導入孔１９４と、円筒空間１９３から空気を排出するように外管１９１の上部を貫通する空気排出孔１９５と、円筒空間１９３から燃料を排出するように外管１９１の導入孔１９４と空気排出孔１９５との間を貫通する燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂとが設けられる。円筒空間１９３の上端１９３ａおよび下端１９３ｂは閉鎖される。改質器１９は、下端１９３ｂから燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂまでの円筒空間１９３で導入孔１９４を介して供給された燃料が触媒存在下で酸化反応するように構成される。【選択図】図６

Description

本発明は、圧縮着火式エンジンに供給される燃料を改質する燃料改質装置に関する。

従来、燃料を、酸化剤を用いて酸化させることにより改質するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。上記特許文献１記載の装置は、同軸に設けられた外管部材と内管部材との間を反応場とする二重管反応器として構成され、反応物として燃料と空気との混合気が供給され、生成物として改質燃料と空気との混合気を排出する。

特開２０１８－１７８９７４号公報

上記特許文献１記載の装置では、改質燃料と空気とが混合気として排出されるため、改質燃料を得るためには、二重管反応器の後段に気液分離器を設ける必要があり、燃料改質装置全体としての構成が複雑となる。

本発明の一態様は、酸化反応により燃料を改質する燃料改質装置であって、鉛直方向に延在する外管と内管とを有し、外管と内管との間に円筒空間を形成する二重管を備える。外管は、円筒空間に燃料と空気とを導入するように外管の下部を貫通する導入孔と、円筒空間から空気を排出するように外管の上部を貫通する空気排出孔と、円筒空間から燃料を排出するように外管の導入孔と空気排出孔との間を貫通する燃料排出孔と、が設けられる。円筒空間の上端および下端は閉鎖される。二重管は、下端から燃料排出孔までの円筒空間で導入孔を介して供給された燃料が触媒存在下で酸化反応するように構成される。

本発明によれば、簡易な構成の燃料改質装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料改質装置が適用されるエンジンの内部構成の一例を模式的に示す図。 燃料のオクタン価と着火性の関係について説明するための図。 燃料の酸化反応の進行度について説明するための図。 本発明の実施形態に係る燃料改質装置の構成の一例を模式的に示す図。 図４の燃料改質装置の切替弁周辺の構成の一例を模式的に示す図。 図４の改質器の構成の一例を模式的に示す図。 図４の改質器の断面図。 図７Ａの変形例を示す図。 図４の燃料改質装置のコントローラ周辺の要部構成の一例を概略的に示すブロック図。 本発明の実施形態に係る燃料改質装置により実行される改質切替処理の一例を示すフローチャート。 図９Ａの変形例を示す図。 本発明の実施形態に係る燃料改質装置により実行される改質率調整処理の一例を示すフローチャート。 図１０Ａの変形例を示す図。 図４の変形例を示す図。 図１１の燃料改質装置のコントローラ周辺の要部構成の一例を概略的に示すブロック図。

以下、図１～図１２を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る燃料改質装置は、車両などに搭載された圧縮着火式エンジンに適用され、燃料タンクからエンジンに供給される燃料を必要に応じて改質する。

地球の平均気温は、大気中の温室効果ガスにより、生物に適した温暖な状態に保たれている。具体的には、太陽光で暖められた地表面から宇宙空間へと放射される熱の一部を温室効果ガスが吸収し、地表面へと再放射することで、大気が温暖な状態に保たれている。このような大気中の温室効果ガスの濃度が増加すると、地球の平均気温が上昇する（地球温暖化）。

温室効果ガスの中でも地球温暖化への寄与が大きい二酸化炭素の大気中における濃度は、植物や化石燃料として地上や地中に固定された炭素と、二酸化炭素として大気中に存在する炭素とのバランスによって決定される。例えば、植物の生育過程での光合成により大気中の二酸化炭素が吸収されると大気中の二酸化炭素濃度が減少し、化石燃料の燃焼により二酸化炭素が大気中に放出されると大気中の二酸化炭素濃度が増加する。地球温暖化を抑制するには、化石燃料を太陽光や風力などの再生可能エネルギーやバイオマスなどに由来する再生可能燃料で代替し、炭素排出量を低減することが必要となる。

このような再生可能燃料として、ＦＴ（フィッシャー・トロプシュ）合成により得られる低オクタン価ガソリンが普及しつつある。低オクタン価ガソリンは、着火性が高く、圧縮着火式エンジンに適用することができるが、普及途上であり、販売されていない地域もある。一方、現在普及している火花点火式エンジン用の通常のオクタン価のガソリンは、着火性が低く、そのまま圧縮着火式エンジンに適用すると、排ガス性能を確保することが難しく、失火に至るおそれもある。そこで、本実施形態では、燃料タンクからエンジンに供給される燃料を必要に応じて改質し、低オクタン価ガソリンも通常のオクタン価のガソリンも単一のエンジンで圧縮着火させるよう、以下のように燃料改質装置を構成する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置が適用されるエンジン１の内部構成の一例を模式的に示す図である。エンジン１は、圧縮着火式のガソリンエンジンであり、例えば車両に搭載される。

図１に示すように、エンジン１は、シリンダ２が形成されるシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部を覆うシリンダヘッド４とを有する。シリンダヘッド４には、エンジン１への吸気が通過する吸気ポート５と、エンジン１からの排気が通過する排気ポート６とが設けられる。吸気ポート５には吸気ポート５を開閉する吸気バルブ７が設けられ、排気ポート６には排気ポート６を開閉する排気バルブ８が設けられる。吸気バルブ７と排気バルブ８とは不図示の動弁機構により開閉駆動される。

各シリンダ２には、シリンダ２内を摺動可能にピストン９が配置され、ピストン９に面して燃焼室１０が形成される。エンジン１には、燃焼室１０に臨むようにインジェクタ１１が設けられ、インジェクタ１１から燃焼室１０に燃料が噴射される。インジェクタ１１の動作（燃料噴射時期（開弁時期）、燃料噴射量（開弁時間））は、エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００（図６）により制御される。エンジン１には、水晶圧電式の圧力センサなどにより構成され、燃焼室１０内の圧力を検出する筒内圧センサ１２も設けられる。

吸気ポート５が開放、排気ポート６が閉鎖され、ピストン９が下降すると、吸気ポート５から燃焼室１０内に空気（新気）が吸い込まれる（吸気行程）。吸気ポート５および排気ポート６が閉鎖され、ピストン９が上昇すると、燃焼室１０内の空気が圧縮され、燃焼室１０内の圧力が徐々に上昇する（圧縮行程）。圧縮上死点ＴＤＣ（Top Dead Center）付近でインジェクタ１１から燃焼室１０に燃料が噴射されると、燃焼室１０内の燃料と空気の混合気が圧縮され、燃焼室１０内の圧力が徐々に上昇し、燃料が自己着火により燃焼する。燃焼室１０内で燃料の自己着火が開始すると、燃焼室１０内の圧力が急激に上昇し、ピストン９が下降する（膨張行程）。吸気ポート５が閉鎖、排気ポート６が開放され、ピストン９が上昇すると、燃焼室１０内の空気（排気）が排気ポート６から排出される（排気行程）。

ピストン９がシリンダ２の内壁に沿って往復動することで、コンロッド１３を介してクランクシャフト１４が回転する。エンジン１のクランクシャフト１４には、クランクシャフト１４の回転角（クランク角）を検出するクランク角センサ１５も設けられる。また、エンジン１の出力トルクを検出する、例えば磁歪式のトルクセンサ１６も設けられる。図示は省略するが、エンジン１には、エンジン１の冷却水の温度（エンジン水温）を検出する水温センサなども設けられる。

図２は、燃料のオクタン価と着火性の関係について説明するための図であり、オクタン価の異なる複数の燃料の着火時期ｔｉの一例を、圧縮上死点ＴＤＣを基準とするクランク角［°］として示す。より具体的には、筒内圧センサ１２により検出される燃焼室１０内の圧力と、クランク角センサ１５により検出されるクランク角とに基づいて特定される、燃焼室１０内で燃料の自己着火が開始し、燃焼室１０内の圧力が急激に上昇するクランク角の一例を示す。

図２に示すように、オクタン価が７０を超える着火性の低い燃料では、着火時期ｔｉが圧縮上死点ＴＤＣよりも大幅に遅れ、この場合、エンジン１の最大熱効率が著しく低下し、燃焼が不安定となる。エンジン１の十分な燃焼性能を確保するには、着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０（例えば、１０°）以上の場合は、燃料を改質する必要がある。

炭化水素を主成分とする燃料は、Ｎ－ヒドロキシフタルイミド（ＮＨＰＩ）などの触媒を用いて酸化改質し、過酸化物を生成することで、その着火性を向上することができる。具体的には、ＮＨＰＩは、酸素分子により容易に水素原子が引き抜かれ、フタルイミド－Ｎ－オキシル（ＰＩＮＯ）ラジカルを生成する。ＰＩＮＯラジカルは、燃料に含まれる炭化水素（ＲＨ）から水素原子を引き抜き、アルキルラジカル（Ｒ・）を生成する。アルキルラジカルは、酸素分子と結合してアルキルペルオキシラジカル（ＲＯＯ・）を生成する。アルキルペルオキシラジカルは、燃料に含まれる炭化水素から水素原子を引き抜き、過酸化物であるアルキルヒドロペルオキシド（ＲＯＯＨ）を生成する。

図３は、燃料の酸化反応の進行度について説明するための図であり、酸化反応が進行するときの過酸化物濃度ｃ１および酸化物濃度ｃ２の変化の一例を示す。図３に示すように、酸化反応が進行すると、過酸化物濃度ｃ１が増加し、さらに酸化反応が進行すると、過酸化物がアルコール、アルデヒド、ケトンなどの酸化物に分解され、過酸化物濃度ｃ１が減少するとともに酸化物濃度ｃ２が増加する。

燃料中の過酸化物濃度ｃ１を高め、圧縮着火に適した状態まで燃料の着火性を向上するには、酸化反応の進行度を適正な範囲内に調整する必要がある。具体的には、酸化改質後の燃料（改質燃料）のオクタン価が７０以下となるよう（図２）、改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０（例えば、０．１５［ｍｏｌ／ｌ］）以上となるように調整する必要がある。改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１は、適宜な濃度センサにより検出することができる。

過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０未満の場合、酸化反応の進行度が不足のときは過酸化物濃度ｃ１が酸化物濃度ｃ２以上、酸化反応の進行度が過剰のときは過酸化物濃度ｃ１が酸化物濃度ｃ２未満となる。燃料に含まれる炭化水素が酸化物まで分解されると、改質燃料の発熱量が低下し、エンジン出力が低下する。すなわち、エンジン１の出力トルクは、改質燃料の発熱量と燃料噴射量との積に比例する。酸化物濃度ｃ２は、エンジン１の燃料噴射量と出力トルクとに基づいて推定することができる。

図４～図８は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置（以下、装置）１００の構成の一例を模式的に示す図である。図４に示すように、装置１００は、燃料タンク１７からエンジン１のインジェクタ１１に至る燃料供給経路１８に介装され、燃料を酸化改質する改質器１９を有する改質ユニット２０と、改質ユニット２０の動作を制御するコントローラ５０とを備える。

燃料タンク１７には、燃料タンク１７に貯留された燃料の残量を検出する残量計１７ａが設けられる。残量計１７ａは、例えばフロート式のレベルセンサにより構成され、燃料タンク１７内の燃料の液面高さに応じた信号を出力する。

図４および図５に示すように、燃料供給経路１８は、燃料タンク１７から改質器１９を通過してエンジン１のインジェクタ１１に至る第１経路１８ａと、燃料タンク１７から改質器１９を迂回してエンジン１のインジェクタ１１に至る第２経路１８ｂとを有する。

改質ユニット２０は、燃料タンク１７から改質器１９に至る第１経路１８ａ上に、燃料タンク１７に貯留された燃料を汲み上げる燃料ポンプ２１ａと、燃料の流量を検出する流量計２２と、第１経路１８ａを開閉する開閉弁２３と、混合器２４とを有する。また、改質器１９からエンジン１のインジェクタ１１に至る第１経路１８ａ上に、改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１を検出する濃度センサ２６と、燃料を圧送する高圧ポンプ２７とを有する。濃度センサ２６は、例えば改質燃料の誘電率を測定する静電容量式の濃度センサにより構成され、改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１に応じた信号を出力する。

図４および図５に示すように、改質ユニット２０は、第２経路１８ｂ上にも燃料タンク１７に貯留された燃料を汲み上げる燃料ポンプ２１ｂを有し、燃料ポンプ２１ｂにより汲み上げられた燃料は、第２経路１８ｂを介して高圧ポンプ２７に供給される。高圧ポンプ２７の動作（燃料圧力）は、エンジンＥＣＵ２００（図８）により制御される。

図５に示すように、改質ユニット２０は、燃料供給経路１８を第１経路１８ａおよび第２経路１８ｂのいずれかに切り替える切替弁２８を有する。燃料供給経路１８が第１経路１８ａに切り替えられると、高圧ポンプ２７の動作に応じ、燃料タンク１７に貯留された燃料が改質器１９に供給されて改質され、改質燃料が高圧ポンプ２７を介してインジェクタ１１に供給され、燃焼室１０（図１）に噴射される。燃料供給経路１８が第２経路１８ｂに切り替えられると、高圧ポンプ２７の動作に応じ、燃料タンク１７に貯留された燃料が、改質器１９で改質されることなく、そのまま高圧ポンプ２７を介してインジェクタ１１に供給され、燃焼室１０（図１）に噴射される。

図４に示すように、改質ユニット２０は、混合器２４に空気を供給する空気供給経路３０上に、エアフィルタ３１と、空気を圧送する空気ポンプ３２と、空気の流量を検出する流量計３３と、空気供給経路３０を開閉する開閉弁３４とを有する。高圧ポンプ２７の動作に応じ、燃料供給経路１８（第１経路１８ａ）を介して混合器２４に供給された燃料と、空気ポンプ３２の動作に応じ、空気供給経路３０を介して混合器２４に供給された空気とは、混合器２４で混合され、改質器１９に供給される。

図６は、改質器１９の構成の一例を模式的に示す図である。図６に示すように、改質器１９は、鉛直方向に延在する外管１９１と内管１９２とを有し、外管１９１と内管１９２との間に円筒空間１９３を形成する二重管反応器として構成される。

改質器１９の外管１９１には、混合器２４（図４）で混合された燃料と空気とを、第１経路１８ａを介して円筒空間１９３に導入するように、外管１９１の下部を貫通する導入孔１９４が設けられる。また、第３経路１８ｃを介して円筒空間１９３から空気を排出するように、外管１９１の上部を貫通する空気排出孔１９５が設けられる。さらに、第１経路１８ａを介して円筒空間１９３から燃料を排出するように、外管１９１の導入孔１９４と空気排出孔１９５との間を貫通する燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂが設けられる。円筒空間１９３から排出された空気は、第３経路１８ｃを介してエンジン１の吸気ポート５に供給され（図１）、新気とともに燃焼室１０内に吸い込まれる。

改質器１９の内管１９２の径方向内側の空間は、還流経路１９７として構成され、熱媒としてのエンジン冷却水が還流される。すなわち、暖機後のエンジン１の冷却水が還流経路１９７の下方から供給されて改質器１９を昇温し、還流経路１９７の上方からエンジン１に還流される。暖機後のエンジン水温は、７０～１１０℃の温度範囲に維持されるため、燃料の酸化反応が好適に促進される。

改質器１９は、円筒空間１９３の上端１９３ａおよび下端１９３ｂが閉鎖される。導入孔１９４を介して円筒空間１９３に導入された燃料（液体）は、下端１９３ｂから燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂまでの円筒空間１９３を流通し、燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂを介して排出される。導入孔１９４を介して円筒空間１９３に導入された空気（気体）は、下端１９３ｂから上端１９３ａまでの円筒空間１９３を通過し、空気排出孔１９５を介して排出される。

下端１９３ｂから燃料の液面に対応する燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂまでの円筒空間１９３は、燃料と空気中の酸素とが反応（酸化反応）して改質燃料を生成する反応室１９８として機能する。一方、燃料の液面に対応する燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂから上端１９３ａまでの円筒空間１９３は、気液分離を行う気液分離室１９９として機能する。

図７Ａおよび図７Ｂは、図６に示す改質器１９のVII-VII断面図であり、反応室１９８に対応する部分の断面を示す。図７Ａに示すように、反応室１９８の内壁を構成する外管１９１の内壁１９１ａおよび内管１９２の外壁１９２ａには、ＮＨＰＩ触媒などの触媒１９０が担持され（壁面担持）、反応室１９８における酸化反応が促進される。

改質器１９は、外管１９１の内壁１９１ａと、内管１９２の外壁１９２ａとの間の隙間ｇが消炎距離の２倍以下、例えば消炎距離の２倍となるように構成される。これにより、反応物から消炎距離以内の範囲には必ず外管１９１の内壁１９１ａまたは内管１９２の外壁１９２ａが存在するため、改質器１９の安全性を高めることができる。安全性をさらに高める場合、改質器１９は、隙間ｇが最大安全隙間以下、例えば最大安全隙間となるように構成されてもよい。燃料の酸化反応が進行する反応室１９８を最大安全隙間で構成することで、例えば隣接する装置から火炎が侵入した場合でも直ちに消火するため、改質器１９の安全性をさらに高めることができる。

図６Ｂに示すように、改質器１９の反応室１９８には、壁面担持に代えて、シリカタブレットなどの担体に触媒が担持された固体触媒１９０を充填し、酸化応の反応場となる固体触媒１９０の隙間ｇが消炎距離の２倍または最大安全隙間となるように構成してもよい。

図４および図６に示すように、改質器１９の外管１９１には、鉛直方向に複数（図の例では、２つ）の燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂが設けられ、改質ユニット２０は、燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂを切り替える切替弁２９を有する。燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂが切り替えられると、燃料の液面高さが変化し、反応室１９８の高さｈ１ａ，ｈ１ｂが変化するとともに、気液分離室１９９の高さｈ２ａ，ｈ２ｂが変化する。反応室１９８の高さｈ１ａ，ｈ１ｂを変更することで、改質器１９における酸化反応の反応時間を調整することができる。

改質器１９は、燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂから上端１９３ａまでの気液分離室１９９の高さｈ２ａ，ｈ２ｂが、気液分離が可能な高さｈ０以上となるように構成される。気液分離室１９９の内壁を構成する外管１９１の内壁１９１ａおよび内管１９２の外壁１９２ａには、テフロン（登録商標）加工などの表面処理が施される。このような表面処理を施すことで、気液分離室１９９における毛管現象を抑制し、気液分離が可能な高さｈ０を最小限とすることができる。

図８は、コントローラ５０周辺の要部構成の一例を概略的に示すブロック図である。図８に示すように、コントローラ５０は、ＣＰＵ５１と、ＲＯＭ，ＲＡＭなどのメモリ５２と、Ｉ／Ｏインターフェースなどの図示しないその他の周辺回路とを有するコンピュータを含む電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成される。

コントローラ５０には、筒内圧センサ１２、クランク角センサ１５、トルクセンサ１６、流量計１７０、濃度センサ２６などのセンサが電気的に接続され、各センサからの信号が入力される。また、コントローラ５０には、燃料ポンプ２１ａ，２１ｂ、開閉弁２３，３４、切替弁２８，２９、空気ポンプ３２などのアクチュエータが電気的に接続され、コントローラ５０から各アクチュエータに制御信号が送信される。さらに、コントローラ５０は、車両に搭載されたＣＡＮ（Controller Area Network）などの通信ネットワークを介して、エンジンＥＣＵ２００などの他の車載ＥＣＵと通信可能に構成される。

メモリ５２には、各種制御のプログラムやプログラムで用いられる閾値などの情報が記憶される。ＣＰＵ５１は、機能的構成として、改質ユニット２０の動作を制御する改質ユニット制御部５３と、給油判定部５４と、改質要否判定部５５と、酸化進行度推定部５６とを有する。すなわち、ＣＰＵ５１は、改質ユニット２０の動作を制御する改質ユニット制御部５３と、給油判定部５４と、改質要否判定部５５と、酸化進行度推定部５６として機能する。

給油判定部５４は、残量計１７ａにより検出された、燃料タンク１７に貯留された燃料の残量の変化に基づいて、燃料タンク１７への燃料の給油の有無を判定する。例えば、車両およびコントローラ５０が起動されるたびに前回の燃料残量と今回の燃料残量とを比較することで、燃料タンク１７への燃料の給油の有無を判定する。フューエルリッドの開閉を検出することで給油の有無を判定してもよい。

改質要否判定部５５は、給油判定部５４により給油があったと判定されると、燃料の着火時期ｔｉに基づいて改質の要否を判定する。具体的には、筒内圧センサ１２により検出される燃焼室１０内の圧力と、クランク角センサ１５により検出されるクランク角とに基づいて燃料の着火時期ｔｉを算出し、着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０以上の場合は、改質が必要であると判定する。着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０未満の場合は、改質が不要であると判定する。

改質要否判定部５５は、改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１に基づいて改質の要否を判定してもよい。具体的には、濃度センサ２６により検出された改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０未満の場合は、改質が必要であると判定し、所定濃度ｃ０以上の場合は、改質が不要であると判定する。

改質ユニット制御部５３は、改質要否判定部５５により改質が必要と判定されると、燃料タンク１７に貯留された燃料が改質器１９で改質されてインジェクタ１１に供給されるよう、切替弁２８により燃料供給経路１８を第１経路１８ａに切り替える（改質オン）。一方、改質要否判定部５５により改質が不要と判定されると、燃料タンク１７に貯留された燃料が改質器１９で改質されることなくインジェクタ１１に供給されるよう、切替弁２８により燃料供給経路１８を第２経路１８ｂに切り替える（改質オフ）。

酸化進行度推定部５６は、改質オンのとき、燃料の着火時期ｔｉに基づいて、改質器１９における酸化反応の進行度（酸化進行度）が適正範囲内であるか否かを判定する。具体的には、筒内圧センサ１２により検出される燃焼室１０内の圧力とクランク角センサ１５により検出されるクランク角とに基づいて改質燃料の着火時期ｔｉを算出し、着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０未満の場合は酸化進行度が適正範囲内であると判定する。着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０以上の場合は、酸化進行度が適正範囲外であると判定する。

酸化進行度推定部５６は、改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１に基づいて酸化進行度が適正範囲内であるか否かを判定してもよい。具体的には、濃度センサ２６により検出された改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０以上の場合は、酸化進行度が適正範囲内であると判定し、過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０未満の場合は、酸化進行度が適正範囲外であると判定する。

さらに、酸化進行度推定部５６は、酸化進行度が適正範囲外であると判定すると、改質燃料中の酸化物濃度ｃ２に基づいて、酸化進行度の過不足を判定する。改質燃料中の酸化物濃度ｃ２は、インジェクタ１１による燃料噴射量と、トルクセンサ１６により検出されたエンジン１の出力トルクとに基づいて推定することができる。燃料噴射量は、流量計２２により検出される燃料流量に基づいて算出してもよく、エンジンＥＣＵ２００との通信により取得される燃料圧力（高圧ポンプ２７への指令値）と燃料噴射量（インジェクタ１１への指令値）とに基づいて算出してもよい。

酸化進行度推定部５６は、酸化物濃度ｃ２が濃度センサ２６により検出された過酸化物濃度ｃ１以上の場合は、酸化進行度が過剰であると判定し、過酸化物濃度ｃ１未満の場合は、酸化進行度が不足していると判定する。酸化物濃度ｃ２が所定濃度ｃ０以上のときに酸化進行度が過剰であると判定し、所定値未満のときに酸化進行度が不足していると判定してもよい。

改質ユニット制御部５３は、酸化進行度推定部５６により推定された酸化反応の進行度に応じて、改質ユニット２０の動作を制御し、改質器１９による改質率を調整する。具体的には、酸化進行度に応じて切替弁２９の動作を制御し、燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂを切り替えて反応室１９８の高さｈ１ａ，ｈ１ｂを変更し、改質器１９における酸化反応の反応時間を調整する。燃料排出孔１９６ａに切り替えると、反応室１９８の高さｈ１ａに対応して反応時間が短くなり、改質器１９による改質率が低下する。燃料排出孔１９６ｂに切り替えると、反応室１９８の高さｈ１ｂに対応して反応時間が長くなり、改質器１９による改質率が上昇する。

改質ユニット制御部５３は、燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂの切り替えによる反応時間の調整に加え、空気ポンプ３２の動作を制御して改質器１９に供給される空気量を調整し、改質器１９による改質率を調整してもよい。また、エンジン１と改質器１９との間で還流される冷却水の流量を調整することで反応温度を調整し、改質器１９による改質率を調整してもよい。

図９Ａおよび図９Ｂは、コントローラ５０のＣＰＵ５１により実行される改質切替処理の一例を示すフローチャートである。図９Ａおよび図９Ｂの処理は、例えば車両およびコントローラ５０が起動されると開始される。

図９Ａの処理では、先ずステップＳ１で、給油判定部５４での処理により、車両およびコントローラ５０の停止中に燃料タンク１７への燃料の給油があったか否かを判定する。ステップＳ１で肯定されると、ステップＳ２Ａに進み、否定されると、処理を終了する。ステップＳ２Ａでは、改質要否判定部５５での処理により、着火時期ｔｉを算出し、着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０以上であるか否かを判定する。

ステップＳ２Ａで肯定されると、燃料の着火性が不十分であるとしてステップＳ３に進み、改質ユニット制御部５３での処理により、切替弁２８の動作を制御して燃料供給経路１８を第１経路１８ａに切り替え、改質器１９での改質をオンにして処理を終了する。一方、ステップＳ２Ａで否定されると、燃料の着火性が十分であるとしてステップＳ４に進み、改質ユニット制御部５３での処理により、切替弁２８の動作を制御して燃料供給経路１８を第２経路１８ｂに切り替え、改質器１９での改質をオフにして処理を終了する。

図９Ｂの処理では、図９ＡのステップＳ２Ａに代えて、ステップＳ２Ｂで、改質要否判定部５５での処理により、過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０未満であるか否かを判定し、燃料の着火性が不十分で改質の必要があるか否かを判定する。

このように、着火時期ｔｉや過酸化物濃度ｃ１に基づいて給油後の燃料タンク１７内の燃料の着火性が評価され（ステップＳ１，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ）、圧縮着火に適さない着火性の場合は燃料が改質器１９で改質されてからエンジン１に供給される（ステップＳ３）。このため、低オクタン価ガソリンや通常のオクタン価のガソリンが給油され得るＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicle）に搭載される圧縮着火式エンジンの十分な燃焼性能を確保することができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、コントローラ５０のＣＰＵ５１により実行される改質率調整処理の一例を示すフローチャートである。図１０Ａおよび図１０Ｂの処理は、例えば改質器１９による改質がオンになると開始される。

図１０Ａの処理では、先ずステップＳ５で、改質器１９による改質がオンであるか否かを判定する。ステップＳ５で肯定されると、ステップＳ６Ａに進み、否定されると、処理を終了する。ステップＳ６Ａでは、酸化進行度推定部５６での処理により、改質燃料の着火時期ｔｉを算出し、着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０未満であるか否かを判定する。ステップＳ６Ａで肯定されると、改質器１９における酸化進行度が適正範囲内であると判定し、処理を終了する。

一方、ステップＳ６Ａで否定されると、改質器１９における酸化進行度が適正範囲外であると判定し、ステップＳ７に進んで改質燃料中の酸化物濃度ｃ２を算出し、酸化物濃度ｃ２が過酸化物濃度ｃ１以上であるか否かを判定する。ステップＳ７で肯定されると、ステップＳ８に進み、否定されると、ステップＳ９に進む。ステップＳ８では、酸化進行度が過剰であるとして、改質ユニット制御部５３での処理により、切替弁２９の動作を制御して燃料排出孔１９６ａに切り替え、反応時間を短くして改質器１９による改質率を低下させ、ステップＳ６Ａに戻る。

ステップＳ９では、酸化進行度推定部５６での処理により、酸化物濃度ｃ２が過酸化物濃度ｃ１未満であるか否かを判定する。ステップＳ９で肯定されると、ステップＳ１０に進み、否定されると、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１０では、酸化進行度が不足しているとして、改質ユニット制御部５３での処理により、切替弁２９の動作を制御して燃料排出孔１９６ｂに切り替え、反応時間を長くして改質器１９による改質率を上昇させ、ステップＳ６Ａに戻る。ステップＳ１１では、装置１００が故障していると判定し、例えばエンジンＥＣＵ２００に故障コードを送信して処理を終了する。

図１０Ｂの処理では、図１０ＡのステップＳ６Ａに代えて、ステップＳ６Ｂで、酸化進行度推定部５６での処理により、改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０以上であるか否かを判定する。

このように、改質器１９における酸化進行度を推定し（ステップＳ６Ａ，Ｓ６Ｂ，Ｓ７，Ｓ９）、酸化進行度に応じて改質器１９による改質率を調整することで（ステップＳ８，Ｓ１０）、燃料を圧縮着火に適した状態まで改質することができる。また、さまざまなオクタン価のガソリンが給油される場合や、オクタン価の異なる複数のガソリンが燃料タンク１７中で混合される場合であっても、ＦＦＶに搭載される圧縮着火式エンジンの十分な燃焼性能を確保することができる。

図１１は、装置１００の変形例である装置１００Ａの構成の一例を模式的に示す図である。装置１００Ａは、装置１００の構成に加え、ＮＨＰＩ触媒などの触媒（粉体）を適宜な溶媒に混合した触媒溶液が貯留された触媒タンク４０を有する。また、装置１００Ａは、改質器１９に触媒を供給する触媒供給経路４１上に、フィルタ４２と、触媒を圧送する触媒ポンプ４３と、触媒の流量を検出する流量計４４と、触媒供給経路４１を開閉する開閉弁４５とを有する。

装置１００Ａの改質器１９は、触媒溶液が反応物とともに反応器内を流動する流動床反応器として機能する。この場合、触媒（粉体）の粒子径を小さくすることができ、反応効率を向上することができる。また、ＮＨＰＩ触媒は、改質燃料から分離する必要がなく、そのままインジェクタ１１に供給することができるため、装置全体を簡易な構成とすることができる。

装置１００Ａの改質ユニット制御部５３は、反応時間、空気量、熱媒量の調整に加え、触媒ポンプ４３の動作を制御して触媒量を調整することで、改質器１９による改質率を調整することができる。具体的には、触媒ポンプ４３の動作を制御し、改質器１９に供給される触媒量を低下させることで改質器１９による改質率を低下させ、改質器１９に供給される触媒量を増加させることで改質器１９による改質率を上昇させることができる。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）酸化反応により燃料を改質する装置１００は、鉛直方向に延在する外管１９１と内管１９２とを有し、外管１９１と内管１９２との間に円筒空間１９３を形成する改質器１９を備える（図６）。外管１９１は、円筒空間１９３に燃料と空気とを導入するように外管１９１の下部を貫通する導入孔１９４と、円筒空間１９３から空気を排出するように外管１９１の上部を貫通する空気排出孔１９５と、円筒空間１９３から燃料を排出するように外管１９１の導入孔１９４と空気排出孔１９５との間を貫通する燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂとが設けられる（図６）。円筒空間１９３の上端１９３ａおよび下端１９３ｂは閉鎖される。改質器１９は、下端１９３ｂから燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂまでの円筒空間１９３で導入孔１９４を介して供給された燃料が触媒存在下で酸化反応するように構成される。これにより、単一の二重管反応器である改質器１９の下部の反応室１９８で酸化反応、上部の気液分離室１９９で気液分離を行うことができるため、装置１００全体を簡易な構成とすることができる。

（２）燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂから上端１９３ａまでの高さｈ２ａ，ｈ２ｂは、外管１９１の内壁１９１ａと内管１９２の外壁１９２ａとの間の隙間ｇを消炎距離の２倍としたときに、燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂから上端１９３ａまでの円筒空間１９３で気液分離が可能な高さｈ０以上である。反応物から消炎距離以内の範囲に改質器１９の内壁１９１ａが存在するため、改質器１９の安全性を高めることができる。

（３）燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂから上端１９３ａまでの高さｈ２ａ，ｈ２ｂは、外管１９１の内壁１９１ａと内管１９２の外壁１９２ａとの間の隙間ｇを最大安全隙間としたときに、燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂから上端１９３ａまでの円筒空間１９３で気液分離が可能な高さｈ０以上である。酸化反応が進行する反応室１９８を最大安全隙間で構成することで、改質器１９の安全性をさらに高めることができる。

（４）燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂは、鉛直方向に複数設けられる。複数の燃料排出孔１９６ａ，１９６ｂを切り替え、反応室１９８の高さｈ１ａ，ｈ１ｂを変更することで、酸化反応の反応時間を調整することができる。この場合、熱媒や空気、触媒の流量調整が不要となるため、装置全体を一層簡易な構成とすることができる。

上記実施形態では、通常のオクタン価のガソリンの着火性を向上させて低オクタン価ガソリン相当に改質する酸化反応を例に説明したが、燃料改質装置は、酸化反応により燃料を改質するものであればよく、例示したものに限定されない。例えば、酸化反応によりガソリン燃料をアルコール燃料に改質するものでもよい。

上記実施形態では、燃料の着火性が圧縮着火に適するか否かを評価するための閾値の一例として、具体的な燃料のオクタン価や、改質燃料中の過酸化物および酸化物の濃度を示して説明したが、各閾値は、これらに限定されるものではない。

上記実施形態では、燃料改質装置を車両（ＦＦＶ）に搭載されたエンジン１に適用する例を示したが、車載エンジンに限らず、発電機や作業機などの製品に適用してもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

１ エンジン、１０ 燃焼室、１１ インジェクタ、１２ 筒内圧センサ、１７ 燃料タンク、１７ａ 残量計、１８ 燃料供給経路、１８ａ 第１経路、１８ｂ 第２経路、１９ 改質器、２０ 改質ユニット、２３，３４，４５ 開閉弁、２６ 濃度センサ、２８ 切替弁、３２ 空気ポンプ、４０ 触媒タンク、４３ 触媒ポンプ、５０ コントローラ、５１ ＣＰＵ、５２ メモリ、５３ 改質ユニット制御部、５４ 給油判定部、５５ 改質要否判定部、５６ 酸化進行度推定部、１００，１００Ａ 燃料改質装置（装置）、１９１ 外管、１９２ 内管、１９３ 円筒空間、１９３ａ 上端、１９３ｂ 下端、１９４ 導入孔、１９５ 空気排出孔、１９６ａ，１９６ｂ 燃料排出孔、１９７ 還流経路、１９８ 反応室、１９９ 気液分離室

Claims (4)

1. 酸化反応により燃料を改質する燃料改質装置であって、
   鉛直方向に延在する外管と内管とを有し、前記外管と前記内管との間に円筒空間を形成する二重管を備え、
   前記外管は、前記円筒空間に燃料と空気とを導入するように前記外管の下部を貫通する導入孔と、前記円筒空間から空気を排出するように前記外管の上部を貫通する空気排出孔と、前記円筒空間から燃料を排出するように前記外管の前記導入孔と前記空気排出孔との間を貫通する燃料排出孔と、が設けられ、
   前記円筒空間の上端および下端は閉鎖され、
   前記二重管は、前記下端から前記燃料排出孔までの前記円筒空間で前記導入孔を介して供給された燃料が触媒存在下で酸化反応するように構成されることを特徴とする燃料改質装置。
2. 請求項１に記載の燃料改質装置において、
   前記燃料排出孔から前記上端までの高さは、前記外管の内壁と前記内管の外壁との間の隙間を消炎距離の２倍としたときに、前記燃料排出孔から前記上端までの前記円筒空間で気液分離が可能な高さ以上であることを特徴とする燃料改質装置。
3. 請求項１に記載の燃料改質装置において、
   前記燃料排出孔から前記上端までの高さは、前記外管の内壁と前記内管の外壁との間の隙間を最大安全隙間としたときに、前記燃料排出孔から前記上端までの前記円筒空間で気液分離が可能な高さ以上であることを特徴とする燃料改質装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料改質装置において、
   前記燃料排出孔は、鉛直方向に複数設けられることを特徴とする燃料改質装置。

Images