JP4229773B2 - 車載用燃料分離装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載用燃料分離装置に関し、詳細には原料燃料を高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とに分離する分離膜を備えた車載用燃料分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原料として供給される燃料（すなわち原料燃料）を分離して、原料燃料とは性状の異なる燃料を生成する分離膜を用いた分離装置が知られている。
この種の分離装置のとしては、例えば特許文献１に開示されたものがある。
【０００３】
上記特許文献１の装置は、パーベーパレーション膜を用いてガソリンタンクのガソリンを沸点の高い高沸点燃料と沸点の低い低沸点燃料とに分離し、得られた低沸点燃料を燃料タンクに貯蔵し、機関の始動時や冷間運転時に燃料タンクにこの低沸点燃料を機関に供給する。すなわち、特許文献１の装置は、原料燃料から分離した低沸点燃料を用いて、機関の始動や冷間運転を行うことにより、機関の始動性の向上と冷間運転時の排気性状の改善を図るものである。
【０００４】
特許文献１の装置では、分離装置を用いて通常のガソリンから低沸点燃料を分離するようにしたことにより、別途補給することなく通常のガソリンから低沸点燃料を得ることができ、この低沸点燃料を用いて機関の始動性と冷間運転時の排気性状を向上させることが可能となっている。
なお、特許文献１の装置では、ガソリンから分離した低沸点燃料は使用するものの、低沸点燃料を分離した後の燃料はガソリンタンクに戻され、原料燃料と混合される。
【０００５】
後で説明するように、特許文献１の装置で使用される分離膜は、高沸点成分を選択的に透過させるパーベーパレーション膜である。しかし、使用されている膜は成分の種類に対する選択性、すなわち芳香族成分か直鎖パラフィンかについての選択性が低いものである。このため、分離後の燃料のオクタン価（ＲＯＮ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｃｔａｎｅ Ｎｕｍｂｅｒ）と原料油のオクタン価との差は大きくなっていない。
【０００６】
非特許文献１には、自動車に使用する異なる燃焼性質を有する分離燃料を生成する分別装置の最近の調査結果が記載されている。
非特許文献１には、連続分別装置が開発され、テストベンチ上の機関とともに運転されたことが記載されている。この分別装置はオクタン価レベルが多少異なる分離生成物を連続的に生成するものであるが、高オクタン分離生成物と原料燃料とのオクタン価の差は非常に限られており、わずか３．３ＲＯＮ（原料燃料９４．７ＲＯＮに対して高オクタン生成物９８ＲＯＮ）であった。
【０００７】
分別装置を使用して高オクタン価燃料と低オクタン価燃料との両方を生成することができれば、機関の運転状況に応じて燃料のオクタン価を選択することが可能となる。また、分別装置による分別をオクタン価の低いレギュラーガソリン、すなわちオクタン価が９０〜９２ＲＯＮ程度より低いガソリンに適用し、高オクタン価ガソリンと低オクタン価ガソリンとを生成することは特に好ましい。
しかし、この場合には、高オクタン価燃料のオクタン価が原料燃料に較べて充分に高く、更に高オクタン価燃料の収量が充分にあることが必要となる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−３１２１１５号公報
【０００９】
【非特許文献１】
ＳＡＥ ＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮ ２００１−０１−１１９３
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、特許文献１、或いは非特許文献１の装置では、高オクタン価生成物のオクタン価を大幅に増大させることは困難である。
【００１１】
上記問題に鑑み、本発明は分離膜を使用しながらオクタン価の分離効率が高く、原料燃料からのオクタン価の差が大きい高オクタン価燃料を充分な量だけ得ることができる車載用燃料分離装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、燃料中の高オクタン価成分を選択的に透過させる分離膜を備え、原料燃料中の高オクタン価成分を前記分離膜を透過させて前記分離膜の一方の側に原料燃料より高オクタン価成分含有率が多い高オクタン価燃料を生成し、前記分離膜の他方の側に原料燃料より高オクタン価成分含有率が少ない低オクタン価燃料を生成する車載用燃料分離装置であって、前記分離膜に供給される燃料の温度を制御することにより、燃料中に含まれる高オクタン価成分の量のうち前記分離膜を透過する高オクタン価成分の量の割合を増大させる透過率増大手段を備えた、車載用燃料分離装置が提供される。
【００１３】
すなわち、請求項１の発明では透過率増大手段が設けられている。透過率増大手段は、分離膜に供給される燃料の温度を制御することにより、分離膜を通過する高オクタン価成分量と原料燃料中の高オクタン価成分量との比を増大させるものである。このため、本発明では分離後の高オクタン価燃料の収量が増大するとともに、原料燃料のオクタン価と分離後の高オクタン価燃料とのオクタン価差が増大する。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、前記透過率増大手段は、分離後の前記低オクタン価燃料の有する熱を分離膜に供給される原料燃料に移動させる熱交換器を備えた、請求項１に記載の車載用燃料分離装置が提供される。
【００１５】
すなわち、請求項２の発明では分離後の低オクタン価燃料の有する熱を用いて熱交換器により原料燃料を加熱する。これにより、原料燃料加熱に要するエネルギーが低減される。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、前記熱交換器は、前記分離膜から前記熱交換器に供給される低オクタン価燃料配管の距離が最小になる位置に配置された、請求項２に記載の車載用燃料分離装置が提供される。
【００１７】
すなわち、請求項３の発明では請求項２の熱交換器は、分離膜から熱交換器までの低オクタン価燃料配管の距離が最小になるように配置されているため、分離膜から出た高温の低オクタン価燃料が配管壁を通した熱放射により冷却されることが防止され、低オクタン価燃料の有する熱を有効に利用することが可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、前記透過率増大手段は更に、前記分離膜の高オクタン価燃料側における低オクタン価成分の分圧を増大させることにより原料燃料中に含まれる高オクタン価成分の量のうち前記分離膜を通過する高オクタン価成分の量の割合を増大させる、請求項１に記載の車載用燃料分離装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項４の発明では分離膜の高オクタン価燃料側では、低オクタン価成分の分圧が増大されるため、低オクタン価成分が分離膜を透過することが抑制され、結果として分離膜を通過する高オクタン価成分の量が増大する。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、前記透過率増大手段は、前記分離膜の高オクタン価燃料側から供給される燃料蒸気を冷却して液体高オクタン価燃料を回収する気液分離器を備え、更に、前記液体高オクタン価燃料が回収された後の前記気液分離器中の燃料蒸気を前記分離膜の高オクタン価燃料側に戻すことにより、前記分離膜の高オクタン価燃料側における低オクタン価成分の分圧を増大させる、請求項４に記載の車載用燃料分離装置が提供される。
【００２１】
すなわち、請求項５の発明では分離膜の高オクタン価燃料側から回収した燃料蒸気を気液分離器により分離して生成した低オクタン価燃料蒸気を分離膜の高オクタン価燃料側に戻すようにしているため、簡易に分離膜の高オクタン価燃料側における低オクタン価成分の分圧を増大させることができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、前記透過率増大手段は更に、分離膜に供給される前の原料燃料中の高オクタン価成分の濃度を増大させることにより、原料燃料中に含まれる高オクタン価成分の量のうち前記分離膜を通過する高オクタン価成分の量の割合を増大させる、請求項１に記載の車載用燃料分離装置が提供される。
【００２３】
すなわち、請求項６の発明では、分離膜に供給する前に原料燃料中の高オクタン価成分を増大させているため、分離膜を透過する高オクタン価成分の量が増大し、分離膜の高オクタン価成分の透過率が増大する。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、前記透過率増大手段は、分離膜に供給される前の原料燃料から低オクタン価成分を蒸発させることにより、原料燃料中に含まれる高オクタン価成分の量のうち前記分離膜を通過する高オクタン価成分の量の割合を増大させる、請求項１に記載の車載用燃料分離装置が提供される。
【００２５】
すなわち、請求項７の発明では分離膜に供給する前の原料燃料から低オクタン価成分を蒸発させることにより、原料燃料中の高オクタン価成分濃度を相対的に増大させるようにしたため、簡易に原料燃料中の高オクタン価成分の濃度を増大させることが可能となる。
【００２６】
請求項８に記載の発明によれば、前記透過率増大手段は、前記分離膜に供給される燃料の温度を約３５３°Ｋから３９８°Ｋの範囲に制御する、請求項１に記載の車載用燃料分離装置が提供される。
【００２７】
すなわち、請求項８の発明では分離膜に供給される燃料の温度は、分離膜の高オクタン価成分の透過率が最大になる温度範囲に制御されるため、分離後の燃料のオクタン価差と収量とが増大する。
【００２８】
請求項９に記載の発明によれば、前記分離膜は、少なくとも原料燃料の量の１５％以上の高オクタン価燃料を分離生成する、請求項８に記載の車載用燃料分離装置が提供される。
【００２９】
すなわち、請求項９の発明では分離膜により原料燃料の１５％以上の高オクタン価燃料が生成されるため、機関の運転状態に応じて供給する燃料のオクタン価を調整し、機関性能と排気性状とを同時に向上させることが可能となる。
【００３０】
請求項１０に記載の発明によれば、前記分離膜は少なくとも原料燃料の量の１５％以上の高オクタン価燃料を生成し、透過燃料のオクタン価は原料燃料のオクタン価より少なくとも７ＲＯＮ以上高い、請求項９に記載の車載用燃料分離装置が提供される。
【００３１】
すなわち、請求項１０の発明では高オクタン価燃料の収量、オクタン価とも充分に大きな値となるため、機関の運転状態に応じて供給する燃料のオクタン価を調整し、機関性能と排気性状とを同時に向上させることが可能となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の車載用燃料分離装置の実施形態の概略構成を模式的に示す図である。
図１において、１は内燃機関、１１、１２は内燃機関１の燃料噴射弁を示している。本実施形態では、後述するようにオクタン価の高い高オクタン価燃料とオクタン価の低い低オクタン価燃料とが使用され、それぞれの燃料を個別に噴射するために各気筒にそれぞれ２つの燃料噴射弁１１、１２が設けられている。図１の例では、低オクタン価燃料用の燃料噴射弁１１は各気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁とされ、高オクタン価燃料用の燃料噴射弁１２は各気筒の吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁とされている。
【００３３】
図１において３は燃料（ガソリン）を貯留する燃料タンクである。タンク３には通常の（市販の）ガソリンが給油され、貯留されている。なお、本明細書では、燃料タンク３内に貯留されるガソリンは後述する分離燃料と区別するために原料燃料と呼んでいる。
原料燃料タンク３内の燃料は、後述する燃料分離装置１０に供給され、そこで原料燃料よりオクタン価の高い高オクタン価燃料と原料燃料よりオクタン価の低い低オクタン価燃料とに分離され、分離された燃料はそれぞれ低オクタン価燃料用タンク５と高オクタン価燃料用タンク７とに貯留される。
【００３４】
なお、本実施形態では分離装置１０、各燃料タンク３、５、７は機関１とともに車両１００上に搭載されている。
燃料タンク５内の低オクタン価燃料はフィードポンプ５１により高圧燃料噴射ポンプ５３に供給され、ポンプ５３で昇圧されて低オクタン価燃料用燃料噴射弁１１から各気筒内に直接噴射される。
【００３５】
また、燃料タンク７内の高オクタン価燃料は、フィードポンプ７１により高オクタン価燃料用燃料噴射弁１２に供給され、燃料噴射弁１２から各気筒の吸気ポートに噴射される。
このように、本実施形態では低オクタン価燃料用と高オクタン価燃料用とに互いに独立した燃料噴射弁を使用しているため、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の一方を選択的に、或いは両方の燃料を所定の比率で同時に、機関１の各気筒に供給することが可能となっている。
【００３６】
図１にその全体を１０で示すのは、燃料タンク３から供給される原料燃料を高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とに分離する燃料分離装置である。分離装置１０は、、後述する分離膜を用いた分離ユニット１１０と、熱交換器１２０、気液分離器１３０、原料燃料の循環ライン１４０及び循環ポンプ１４１等を備えている。
【００３７】
分離ユニット１１０は、更に、分離膜モジュール１１００と原料燃料ヒータ１１０２とを備えている。分離膜モジュール１１００は、耐圧容器からなるハウジング１１００ａ内をアロマ分離膜１１０１で２つの区画１１０３と１１０５とに区分した構成とされている。
アロマ分離膜１１０１としては、ガソリン中の芳香族成分を選択的に透過させる性質を有するものが使用される。すなわち、アロマ分離膜１１０１では、原料燃料を分離膜の一方の側（例えば区画１１０３側、すなわち低オクタン価燃料側）に比較的高い圧力で供給し、もう一方の側（例えば区画１１０５側、すなわち高オクタン価燃料側）を比較的低圧に保持すると、主に原料燃料中の芳香族成分が分離膜１１０１内を透過して膜１１０１の低圧側（区画１１０５側、すなわち高オクタン価燃料側）の表面に浸出して低圧側１１０５に面した膜表面を覆うようになる。
【００３８】
この、低圧側の膜表面を覆う液状の浸出燃料を除去することにより、高圧区画１１０３側から低圧区画１１０５側に連続的に分離膜１１０１を通して芳香族成分の浸出が生じるようになる。本実施形態では、低圧側（区画１１０５側内）の圧力を浸出した芳香族成分の蒸気圧より低い圧力に維持することにより、低圧側の膜表面を覆う芳香族成分を多く含む浸出燃料を蒸発させて連続的に表面から除去し、燃料蒸気の形で回収するようにしている。
【００３９】
分離膜モジュール１１００の低圧側区画１１０５から回収された燃料蒸気は、気液分離器１３０に送られてそこで冷却される。これにより、比較的沸点の高い芳香族成分は液化し、気液分離器１３０の下部には芳香族成分を多く含む液体高オクタン価燃料が生成される。
【００４０】
このため、気液分離器１３０の上部には底部に生成される液体燃料よりオクタン価の低い低沸点の燃料蒸気が分離される。この低沸点燃料蒸気は液化して分離膜からの低オクタン価生成物と混合しても良いし、或いは低オクタン価生成物とは別の生成燃料（低沸点物質）として貯蔵して始動用に使用することもできる。この低沸点物質は、その高い揮発性のために低温時には始動用燃料として優れた特性を示す。
【００４１】
よく知られているように、ガソリン中の芳香族成分量が増大するとガソリンのオクタン価（ＲＯＮ）は高くなる。このため、気液分離器１３０から回収される、芳香族成分を多く含む分離燃料油のオクタン価は原料燃料のオクタン価より大幅に高くなる。また、分離膜１１０１のの高圧側区画１１０３に残った、芳香族成分の一部が除去され高オクタン価成分含有量が少なくなった燃料は原料燃料よりオクタン価の低い低オクタン価燃料として回収される。
【００４２】
すなわち、分離膜モジュール１１００の高圧側区画１１０３に原料燃料を供給すると、低圧側区画１１０５からは原料燃料よりオクタン価の高い高オクタン価燃料がベーパの形で回収され、更に気液分離器１３０で生成した液体を分離回収することにより芳香族成分とオクタン価が更に増大された高オクタン価燃料が生成される。また、高圧側区画１１０３からは原料燃料から高オクタン価成分（芳香族成分）の一部が除去されて原料燃料よりオクタン価が低下した燃料が回収され、そのままの形で、あるいは気液分離器１３０で液体を分離した後の蒸気と混合されて低オクタン価燃料となる。つまり、分離膜モジュール１１００に原料燃料を供給する事により、原料燃料は高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とに分離される。
【００４３】
本実施形態では、車載の分離装置１０により原料燃料を高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とに分離して、それぞれを低オクタン価燃料用タンク５と高オクタン価燃料用タンク７とに貯留しておき、機関の運転状態に応じて高オクタン価燃料と低オクタン価燃料のいずれか、或いは両方の燃料を所定の比率で機関に供給することにより機関性能の向上と排気性状の改善とを達成している。
【００４４】
低オクタン価燃料は、気液分離器１３０で気体として分離される低沸点燃料と同様に着火性が非常に良好であるため、例えばこれらの燃料のうち一方もしくは両方を機関始動時や冷間運転時に使用すると機関性能の向上や排気性状の改善を得ることができる。一方、高オクタン価燃料は自己着火が生じにくいため、高出力運転時に使用することにより点火時期を進角させて機関の出力を増大させることができる。
【００４５】
ところで、上記のように高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とを機関運転状態に応じて使い分けるためには、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とのオクタン価の差ができるだけ大きく、しかも高オクタン価燃料の収量が少なくとも原料燃料の１５％以上で、かつオクタン価が原料燃料より７ＲＯＮ以上高いことが好ましい。
【００４６】
ところが、一般的には広い範囲の沸点成分を含む通常の市販のガソリンにを処理するには分離膜１１０１単体での分離効率は充分ではなく、単に分離膜１１０１を用いただけでは分離燃料の必要とされる上記オクタン価差や収量を得ることができない。この問題は、特に冬季用ガソリンを使用した場合に顕著である。これは、冬季用ガソリンが多量の揮発成分を含んでおり、芳香族以外の低沸点成分分子がに分離膜を透過して透過物の芳香族成分を希釈してしまうためである。
【００４７】
しかし、分離膜の分離効率は膜の作動条件により大きく変化する。
そこで、本実施形態では、以下に説明する分離膜作動条件の制御により、分離膜１１０１の分離性能を向上させ、分離後の高オクタン価燃料の収量が原料燃料の１５％以上、かつオクタン価が原料燃料のオクタン価より７ＲＯＮ以上高くなるようにしている。
（１）分離膜に供給される原料燃料温度の最適範囲への制御。
（２）分離膜モジュール低圧区画の低オクタン価低沸点成分分圧の増大。
（３）原料燃料成分中の低沸点成分の分離膜モジュールのバイパス（低沸点成分のモジュールへの供給の抑制）。
以下、それぞれについて詳細に説明する。
（１）分離膜に供給される原料燃料温度の最適範囲への制御。
原料燃料中の芳香族成分の量のうち分離膜を透過するものの割合（透過率）は、室温からある温度に到達するまでは原料燃料の温度上昇に応じて増大する。この温度は分離膜１１０１の低圧側（区画１１０５）温度がある下限温度に到達する温度である。この下限温度は分離膜低圧側の圧力の関数であり、例えば低圧側の圧力が５ｋＰａで３５３°Ｋ（８０°Ｃ）程度になる。
【００４８】
また、この下限温度値は燃料の成分と目標とする収量とによっても変化するが、重要な点は大量に分離膜を透過させたい芳香族成分の最も高い蒸気圧が低圧側の圧力より大幅に高くなるようにすることである。
低圧側での温度が上記下限温度を越えて上昇を続けると、透過率はある温度以上では低下するようになる。すなわち、低圧側での温度を維持すべき最適温度範囲が存在し、この最適温度範囲は、例えば低圧側圧力が５〜２０ｋＰａの範囲で３４８〜３９８°Ｋ（約７５〜１２５°Ｃ）程度となる。
【００４９】
従って、分離燃料のオクタン価差と収量とを最大にするためには、分離膜１１０１の低圧側温度が最適温度範囲になるような値に原料燃料温度を維持する必要がある。
このため、本実施形態では分離膜モジュール１１００に供給する前に熱交換器１２０、ヒーター１１０２を用いて原料燃料を加熱して、最も分離効率が高くなるような温度に維持するようにしている。
【００５０】
熱交換器１２０は、例えば通常のシェルアンドチューブまたはプレート型等の熱交換器とされ、分離ユニット１１０で分離された低オクタン価燃料の燃料タンク５への戻りライン５４中の低オクタン価燃料と、原料燃料タンク３から分離ユニット１１０への原料燃料供給ライン中の原料燃料とを熱交換させる。
分離ユニット１１０から出た低オクタン価燃料は約３５０°Ｋ（７５°Ｃ）であり、低オクタン価燃料の沸点よりはるかに高いため、低オクタン価燃料タンク５に貯留する前に低オクタン価燃料の温度を低下させることが好ましい。このため、熱交換器１２０を用いて原料燃料と低オクタン価燃料とを熱交換させることにより、低オクタン価燃料を冷却するとともに、原料燃料を加熱するためのエネルギーを低減することができる。
【００５１】
なお、本実施形態では分離ユニット１１０内には熱交換器１２０とは別に、電気式ヒーターや燃焼式ヒーター等の適宜な形式のヒーター１１０２が設けられており、原料燃料を更に加熱して後述する循環ライン１４０内を循環する燃料温度を、芳香族成分の分離膜１１０１透過率が最大になる温度に維持している。
本実施形態では、上記のように分離膜の原料燃料側温度を上昇させる熱交換器１２０と、原料燃料ヒータ１１０２とを設けたことにより、原料燃料温度を最適値まで上昇させ、分離膜の分離性能を増大させている。
【００５２】
なお、熱交換器１２０は低オクタン価燃料の温度が最も高い部分で原料燃料と低オクタン価燃料とを熱交換させることが好ましい。従って、熱交換器１２０は、低オクタン価燃料配管及び原料燃料配管の最も分離ユニット１１０に近い部分に設け、熱交換器１２０到達以前に配管壁を通じた熱放散により低オクタン価燃料温度が低下することを防止するとともに、熱交換器１２０を出た原料燃料が配管壁を通じた熱放散により温度が低下する前に分離ユニット１１０に到達するようにすることが好ましい。
【００５３】
上述のように、分離膜１１０１の分離効率は、熱交換器１２０とヒーター１１０２とを用いて原料燃料の温度を上昇させることにより大幅に増大する。
本実施形態では、分離ユニット１１０には循環ライン１４０と循環ポンプ１４１とが設けられている。循環ポンプ１４１は、分離膜モジュール１１００の高圧区画１１０３側から出た低オクタン価燃料を循環ライン１４０を通して高圧区画１１０３に再循環させるものである。
【００５４】
図１に示すように、原料燃料はタンク３から原料燃料供給ポンプ３１により熱交換器１２０を経て分離ユニット１１０の循環ライン１４０に供給される。循環ライン１４０内では、原料燃料は高圧区画１１０３に供給され分離膜１１０１と接触する。分離膜と接触した後の原料燃料、すなわち低オクタン価燃料は循環ポンプ１４１により循環ライン１４０を経て分離膜モジュール１１００の高圧区画１１０３に供給される。
【００５５】
この循環ライン１４０は必ずしも必要ではないものの、透過物を蒸発させるための熱を分離膜に追加供給し、分離膜低圧側の温度を制御して透過物の収量を最大にするための簡易な手段として有用である。しかし、循環ライン１４０を設けたことにより、分離膜の低圧側に供給される原料燃料を循環する低オクタン価燃料が希釈してしまい、芳香族成分濃度の低下のために芳香族成分の透過率が低下するというデメリットも生じる場合がある。
【００５６】
循環ライン１４０内の低オクタン価燃料は回収ライン５４を通って低オクタン価燃料タンク５に回収されるが、本実施形態では、回収配管５４には制御弁５５が設けられており、この制御弁５５の開度を制御することにより、分離膜の温度制御のために循環ライン１４０内の流れと原料燃料の分離ユニット１１０への供給量及び圧力が制御される。
【００５７】
すなわち、制御弁５５の開度を増大すると循環ライン１４０から低オクタン価燃料タンク５に流入する低オクタン価燃料の流量が増大するとともに、分離膜モジュール１１００の高圧区画１１０３側の圧力が低下する。また、循環ライン１４０から低オクタン価燃料タンク５に流入する低オクタン価燃料の流量に等しい量の原料燃料が原料燃料タンク３から循環ライン１４０に流入するため、制御弁５５の開度が増大すると循環ライン１４０に供給される原料燃料の流量も増大するようになる。
【００５８】
上述したように、本実施形態では循環ライン１４０内の燃料圧力は原料燃料供給ポンプ３１により決定される。このため、循環ポンプ１４１は循環ライン１４０内で低オクタン価燃料を流動させるのに必要なだけのヘッドを発生するものであればよい。
（２）分離膜モジュール低圧区画の低オクタン価低沸点成分分圧の増大。
【００５９】
本実施形態では、分離膜１１０１を透過した燃料は前述したように分離膜モジュール１１００の低圧区画１１０５で燃料蒸気として回収される。また、前述したように、分離膜１１０１は高圧区画１１０３内の燃料の芳香族成分を選択的に透過させるものの、分離膜の芳香族成分の選択性はあまり高くなく、芳香族成分とともにそれ以外の成分（すなわち、低オクタン価成分）もかなり透過してしまう。
【００６０】
分離膜１１０１を透過した燃料は分離膜の低圧区画側の表面を覆うようになるが、この分離膜表面を覆う燃料を蒸発させて膜表面から取り除くことにより分離膜１１０１を透過して芳香族成分が連続的に低圧区画１１０５に流入する。
このため、低圧区画１１０５における低オクタン価成分の分圧を高くすると、膜表面における低オクタン価成分の蒸発が抑制され、膜表面における低オクタン価成分の濃度が高くなる。このように、分離膜１１０１の低圧区画側表面で低オクタン価成分濃度が高くなると、高圧区画１１０３側から低圧区画１１０５側への低オクタン価成分の透過が抑制されるようになる。
【００６１】
一方、低圧区画１１０５における芳香族成分（高オクタン価成分）の蒸気圧力を低く維持すれば、分離膜の芳香族成分の透過量は増大する。従って、低圧区画１１０５における低オクタン価成分（芳香族成分以外の燃料成分）の分圧（蒸気圧）を増大すれば、分離膜を透過する低オクタン価成分量をを低減し、しかも分離膜を透過する芳香族成分量を増大させることができ、それにより分離膜の芳香族成分の選択透過性を向上させることが可能となる。
【００６２】
本実施形態では、低オクタン価成分蒸気を分離膜モジュール１１００の低圧区画側に供給することにより、分離膜の芳香族成分の選択透過性を向上させている。
図１において、低圧区画１１０５内の燃料蒸気（高オクタン価成分と低オクタン価成分との混合蒸気）は後述するジェットポンプ１３０１により気液分離器１３０内に吸引され、低圧区画１１０５内の圧力は例えば５０ｋＰａ程度の圧力に維持される。
【００６３】
気液分離器１３０には、冷却フィン１３０３のような空冷装置及び／または水冷装置（図示せず）が設けられており、低圧区画１１０５から気液分離器１３０に吸引された燃料の混合蒸気は冷却され、混合蒸気中の芳香族成分が気液分離器１３０内で液化する。気液分離器１３０内の温度と圧力は、芳香族成分のほとんどが液化し、かつ、それ以外の成分（低オクタン価成分）が気体の状態を維持するような値に設定されている。従って、低圧区画１１０５から吸引された燃料蒸気は、気液分離器１３０内で液相の高オクタン価燃料と気相の低オクタン価燃料蒸気とに分離される。
【００６４】
本実施形態では、気液分離器１３０と分離膜モジュール低圧区画１１０５とを接続する低オクタン価燃料蒸気循環ライン１３０７が設けられており、気液分離器１３０内の気相の低オクタン価燃料蒸気を分離膜モジュール低圧区画１１０５に供給するようにされている。
前述したように、低圧区画１１０５は比較的低圧に維持されており、気液分離器１３０は比較的高圧に維持する必要がある。本実施形態では、循環ライン１３０７には流量制御弁１３０５が設けられており、循環ライン１３０７を流れる低オクタン価燃料蒸気流量を制御することにより、低圧区画１１０５と気液分離器１３０との圧力差を適宜な値に維持している。
【００６５】
すなわち、本実施形態では分離膜１１０１を透過した低圧区画１１０５内の燃料蒸気のうち、高オクタン価成分は気液分離器１３０により液体の高オクタン価燃料として回収され、低オクタン価成分はその一部が気相のまま低圧区画１１０５に再循環される。これにより、低圧区画１１０５内では高オクタン価成分の蒸気圧を低く維持したまま低オクタン価成分の蒸気圧のみが増大し、高オクタン価成分（芳香族成分）の選択透過性が向上する。
【００６６】
なお、気液分離器１３０には、液相の高オクタン価燃料の循環ライン１３０８と循環ポンプ１３０９、及び循環ライン１３０８と高オクタン価燃料タンク７とを接続する高オクタン価燃料の回収ライン７７が設けられており、この回収ライン７７上には液面制御弁７５が配置されている。
気液分離器１３０内の液相高オクタン価燃料は、循環ポンプ１３０９により循環ライン１３０８から気液分離器１３０上部のジェットポンプ１３０１を通って気液分離器１３０内に循環する。ジェットポンプ１３０１は、一種のエジェクターとして機能し、循環ライン１３０８から供給される液相高オクタン価燃料がポンプ内のベンチュリー部（図示せず）を通過する際に生じる負圧により、分離モジュール１１００の低圧部１１０５内の燃料蒸気を気液分離器内に吸引するものである。
【００６７】
ジェットポンプは、通常の機械式真空ポンプより熱効率が高いため、本実施形態では通常の機械式真空ポンプを使用せずにジェットポンプ１３０１のみで分離膜モジュール１１００の低圧区画１１０５内を所定の低圧に維持するようにしているが、必要に応じてジェットポンプ１３０３に加えて、またはジェットポンプ１３０１に代えて機械式真空ポンプを使用することも可能である。
【００６８】
液面制御弁７５は、気液分離器１３０内の高オクタン価燃料液面を所定の範囲内に維持するように開閉操作される。すなわち、本実施形態では気液分離器１３０には、気液分離器内の液面を検出する液面検出部７５ａが設けられており装置内の高オクタン価燃料液面が所定の高位高さに到達すると液面制御弁７５が開弁される。液面制御弁７５が開弁すると、循環ポンプ１３０９から吐出された高オクタン価燃料は回収ライン７７から高オクタン価燃料タンク７に流入する。これにより、燃料分離装置１０で分離生成された高オクタン価燃料は燃料タンク７に移送されるようになる。
【００６９】
また、気液分離器１３０内の液面が所定の低位高さまで低下すると液面制御弁７５は閉弁され、循環ポンプ１３０９から吐出された高オクタン価燃料は再び循環ライン１３０７を通って循環するようになる。
本実施形態のように、気液分離器１３０内の低オクタン価燃料蒸気を分離モジュール１１００の低圧区画１１０５に再循環させていると、気液分離器１３０内には徐々に低オクタン価燃料蒸気が蓄積され、気液分離器１３０内の圧力が増大する。
【００７０】
本実施形態では、これを防止するために低オクタン価燃料蒸気の循環ライン１３０７と低オクタン価燃料タンク５とを接続する低オクタン価燃料蒸気回収ライン５７が設けられている。低オクタン価燃料蒸気回収ライン５７は、前述の分離後の低オクタン価燃料回収ライン５４の制御弁５５下流側に配置した、ジェットポンプ１３０１と同様なジェットポンプ５９の吸引側に接続されている。従って、制御弁５５が開弁してジェットポンプ５９内を液状の低オクタン価燃料が流れると、気液分離器１３０内の低オクタン価燃料蒸気がジェットポンプ５９により吸引され、ジェットポンプ５９内で液状の低オクタン価燃料と混合して低オクタン価燃料タンク５に回収される。これにより、気液分離器１３０内の低オクタン価燃料蒸気がタンク５に回収され、分離器１３０内の圧力上昇が防止される。
【００７１】
以上説明したように、本実施形態によれば分離膜の分離性能を向上させることにより、分離燃料相互のオクタン価の差を大きく、かつ分離燃料の収量を増大させることが可能となる。
（３）原料燃料中の低沸点成分の分離膜モジュールのバイパス（低沸点成分のモジュールへの供給の抑制）。
【００７２】
次に、図２を用いて本発明の燃料分離装置の別の実施形態について説明する。
本実施形態では、分離膜に供給する前に予め原料燃料中の低沸点低オクタン価成分を除去して減少させ、原料燃料中の高オクタン価成分の含有率を増大させてから、分離膜により燃料を分離する。原料燃料から除去された低オクタン価成分は、分離膜モジュールをバイパスして分離膜を通過することなく貯留、或いは分離後の低オクタン価燃料と混合される。
【００７３】
図２において、図１と同じ参照符号は同様な要素を示している。
図２の分離装置１０は、図１と同様に分離膜モジュール１１００と原料燃料（低オクタン価燃料）側の循環ライン１４０を備えている。しかし、本実施形態では原料燃料はヒーター（または分離後の低オクタン価燃料との熱交換器）１２０で３８８°Ｋ（１１５°Ｃ）程度に加熱された後、分離膜モジュール１１００に供給される前にフラッシュドラム（蒸留器）２０１に供給される。
【００７４】
常圧下で３８８°Ｋ（１１５°Ｃ）程度に原料燃料を加熱することにより、低沸点低オクタン価成分はフラッシュドラム２０１で気化するが、高オクタン価成分のほとんどは液相のままに維持される。従って、フラッシュドラム２０１を用いて処理した後の原料燃料は、低オクタン価成分濃度の低い、言い換えればフラッシュドラムでの処理前に較べて高オクタン価成分濃度の増大したものとなっている。
【００７５】
上記のように、フラッシュドラムにより処理した高オクタン価成分含有率の増大した原料燃料を分離膜モジュール１１００に供給することにより、フラッシュドラムによる処理を行わない原料燃料を分離膜モジュールに供給する場合に較べて分離膜を透過する高オクタン価成分の量が増大する。
図２の例では、高オクタン価燃料蒸気は分離膜モジュール１１００の低圧区画１１０５から機械式真空ポンプ２１０により回収された後、図１と同様な気液分離器２３０により高オクタン価燃料のみを液化してタンク７に回収される。
【００７６】
なお、図示していないが、本実施形態ではフラッシュドラム２０１及び気液分離器２３０で発生した低オクタン価燃料蒸気は、図１と同様な方法で低オクタン価燃料タンク５に回収される。しかし、これらの分離生成物を低オクタン価燃料タンク５に回収する代わりに別途貯蔵て、機関始動用燃料として使用するようにしても良い。特に気温の低い場合にはこの低沸点生成物はその高い揮発性のために始動用燃料として使用すると有利である。
【００７７】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、高オクタン価成分を選択的に透過させる分離膜を用いて原料燃料から高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とを生成する場合に、分離後の燃料相互のオクタン価差と収量とを増大することが可能となる共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車載用燃料分離装置の一実施形態の概略構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の車載用燃料分離装置の他の実施形態の概略構成を模式的に示すずである。
【符号の説明】
１…内燃機関
３…原料燃料タンク
５…低オクタン価燃料タンク
７…高オクタン価燃料タンク
１０…分離装置
１００…車両
１１０…分離ユニット
１２０…熱交換器
１３０…気液分離器
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１１００手分離膜モジュール
１１０１…分離膜

Claims (10)

  1. 燃料中の高オクタン価成分を選択的に透過させる分離膜を備え、原料燃料中の高オクタン価成分を前記分離膜を透過させて前記分離膜の一方の側に原料燃料より高オクタン価成分含有率が多い高オクタン価燃料を生成し、前記分離膜の他方の側に原料燃料より高オクタン価成分含有率が少ない低オクタン価燃料を生成する車載用燃料分離装置であって、
    前記分離膜に供給される燃料の温度を制御することにより、燃料中に含まれる高オクタン価成分の量のうち前記分離膜を透過する高オクタン価成分の量の割合を増大させる透過率増大手段を備えた、車載用燃料分離装置。
  2. 前記透過率増大手段は、分離後の前記低オクタン価燃料の有する熱を分離膜に供給される原料燃料に移動させる熱交換器を備えた、請求項１に記載の車載用燃料分離装置。
  3. 前記熱交換器は、前記分離膜から前記熱交換器に供給される低オクタン価燃料配管の距離が最小になる位置に配置された、請求項２に記載の車載用燃料分離装置。
  4. 前記透過率増大手段は更に、前記分離膜の高オクタン価燃料側における低オクタン価成分の分圧を増大させることにより原料燃料中に含まれる高オクタン価成分の量のうち前記分離膜を通過する高オクタン価成分の量の割合を増大させる、請求項１に記載の車載用燃料分離装置。
  5. 前記透過率増大手段は、前記分離膜の高オクタン価燃料側から供給される燃料蒸気を冷却して液体高オクタン価燃料を回収する気液分離器を備え、更に、前記液体高オクタン価燃料が回収された後の前記気液分離器中の燃料蒸気を前記分離膜の高オクタン価燃料側に戻すことにより、前記分離膜の高オクタン価燃料側における低オクタン価成分の分圧を増大させる、請求項４に記載の車載用燃料分離装置。
  6. 前記透過率増大手段は更に、分離膜に供給される前の原料燃料中の高オクタン価成分の濃度を増大させることにより、原料燃料中に含まれる高オクタン価成分の量のうち前記分離膜を通過する高オクタン価成分の量の割合を増大させる、請求項１に記載の車載用燃料分離装置。
  7. 前記透過率増大手段は、分離膜に供給される前の原料燃料から低オクタン価成分を蒸発させることにより、原料燃料中に含まれる高オクタン価成分の量のうち前記分離膜を通過する高オクタン価成分の量の割合を増大させる、請求項１に記載の車載用燃料分離装置。
  8. 前記透過率増大手段は、前記分離膜に供給される燃料の温度を約３５３°Ｋから３９８°Ｋの範囲に制御する、請求項１に記載の車載用燃料分離装置。
  9. 前記分離膜は、少なくとも原料燃料の量の１５％以上の高オクタン価燃料を分離生成する、請求項８に記載の車載用燃料分離装置。
  10. 前記分離膜は少なくとも原料燃料の量の１５％以上の高オクタン価燃料を生成し、透過燃料のオクタン価は原料燃料のオクタン価より少なくとも７ＲＯＮ以上高い、請求項９に記載の車載用燃料分離装置。
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