JP4853773B2 - 燃料供給装置及び燃料供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関へ燃料を供給するための燃料供給装置及び燃料供給方法に関し、特に炭化水素系燃料に含酸素化合物燃料を含有する混合燃料を、内燃機関の運転状況に応じて供給する燃料供給装置及び燃料供給方法に関する。

地球環境に対する配慮から、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量の低減が叫ばれ、自動車の内燃機関の燃費向上を目的に各種の試みがなされている。たとえば、ガソリンのリーンバーンエンジン、直噴エンジン、ディーゼルエンジンにおける高圧噴射技術、燃料のオクタン価向上剤の添加など各種の施策が行われている。

さらに、燃料からのアプローチとして、従来用いられているガソリンや軽油の他に、水素、アルコール（メタノール、エタノールなど）、エーテル（ジメチルエーテル、メチルターシャリーブチルエーテルなど）、バイオディーゼル、合成燃料（ＧＴＬ）などの代替燃料も検討されている。

たとえば、エタノールは、バイオ起源にて製造することが可能であることから、バイオエタノールとも呼ばれ、再生可能であり、大気中のＣＯ２を増加させないカーボンニュートラル燃料として近年注目を集めている。既にブラジル、アメリカなどいくつかの国においては、ガソリンに一定量のエタノールを混合した燃料である、所謂、ガスホールが、内燃機関用燃料として使用されている。
アルコール類は、分子内に酸素原子を含有するため、ガソリンに混合させると、オクタン価を向上させ、燃料の燃焼性向上にも寄与することが期待される。

しかしながら、アルコールは、単純にガソリンと比較して熱量が劣るので、単純には混合した分だけ出力が低下することから、逆に燃費悪化につながる可能性もあり、従来の化石燃料に添加しただけでは、必ずしも燃料の節約に繋がるとは言い難い。
従来、ガソリンや軽油などとアルコールとの混合燃料を内燃機関へ供給する際の各種の条件を最適化することを目的として、これらの混合燃料を内燃機関へ供給する際の供給方法や噴射方法などの種々の技術が提案されている（例えば、特許文献１と特許文献２を参照）。

特許文献１の技術は、アルコール混合ガソリン燃料を、アルコールの改質温度以上に熱して改質ガスを得ると同時に、ガソリン燃料をガス化して、次いでガス化したガソリン燃料を冷却、凝縮して、改質ガスと分離し、それらを別系統でエンジンに供給するというものである。
特許文献２の技術は、たとえば、アルコール混合軽油燃料を効果的に供給して噴射するための、コンパクトな複燃料噴射弁を提案している。
特公昭６０−４７４６９号公報 特開平６−１０７８７号公報

ところが、特許文献１の技術では、アルコールとして、比較的改質が容易なメタノールの場合には有効と思われるが、より高い改質温度が必要なエタノールの場合には改質ガスへの転化が困難になる。また、改質によりアルコールから水素を得ることを主眼に考えられており、そのためには水を加える必要があり、エタノールのようなより改質し難いアルコールでは、所定の改質ガスを得るのが一層困難となる。さらに、内燃機関の運転条件と改質ガスの供給との関係も考慮されておらず、得られた改質ガスが内燃機関の効率向上に寄与できるかは不明である。

特許文献２の技術では、混合されたアルコール燃料からディーゼルエンジン燃焼に有利な燃料成分が得られれば、従来の噴射装置でも燃焼効率の向上効果が得られるものと考えられる。しかしながら、特許文献２では、燃料噴射弁に主眼が置かれており、燃料の特性、すなわち混合されるアルコール種などは考慮されていない。
これまでの含酸素化合物燃料、あるいはアルコール混合燃料の内燃機関への供給に関する提案では、アルコールとしては専ら比較的改質し易いメタノールを主眼に置いており、運転条件との関係も十分考慮しておらず、有効な活用が為されていない。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、含酸素化合物燃料を含む混合燃料を内燃機関用燃料に用いた場合に、内燃機関の運転条件に応じて好ましい燃料を供給でき、より燃費向上が図れる燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することを目的としており、アルコールとして、メタノールに限らず、エタノール、あるいはそれ以上の炭素数を有するアルコールにも有効に適用できるものである。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、複数の触媒層の中から、内燃機関の負荷状態に応じて混合燃料を通過させる触媒層を選択することにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の燃料供給装置は、炭化水素系燃料に含酸素化合物燃料を添加した混合燃料中の少なくとも一部の燃料成分を、触媒を用いて他の燃料成分に変換して内燃機関へ供給する燃料供給装置であり、２種類以上の触媒層を異なる温度条件にさらす触媒保持部と、複数の上記触媒層の中から、上記内燃機関の負荷状態に応じて上記混合燃料を通過させる上記触媒層を選択する触媒層選択部と、を備え、上記反応温度の異なる２種類以上の触媒層に組み込む触媒として、高温型触媒としてゼオライトを含む触媒であり、低温型触媒としてセリウム（Ｃｅ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルカリ金属及びアルカリ土類金属から成る群より選ばれた少なくとも１種の成分を含有させたことを特徴とする。

また、本発明の燃料供給方法は、炭化水素系燃料に含酸素化合物燃料を添加した混合燃料中の少なくとも一部の燃料成分を、触媒を用いて他の燃料成分に変換して内燃機関へ供給する燃料供給方法であって、２種類以上の触媒層を異なる温度条件にさらし、複数の上記触媒層が反応温度の異なる高温型触媒層と低温型触媒層とを有し、それらの中から、上記内燃機関の負荷状態に応じて上記混合燃料を通過させる上記触媒層を選択し、上記反応温度の異なる２種類以上の触媒層に組み込む触媒として、高温型触媒としてゼオライトを含む触媒であり、低温型触媒としてセリウム（Ｃｅ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）銅（Ｃｕ）、アルカリ金属及びアルカリ土類金属から成る群より選ばれた少なくとも１種の成分を含有させることを特徴とする。

本発明によれば、含酸素化合物燃料を含む混合燃料を内燃機関用燃料に用いた場合に、内燃機関の運転条件に応じて好ましい燃料を供給でき、より燃費向上が図れる。

本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、複数の上記触媒層は、高温型触媒層と低温型触媒層から成り、上記触媒層選択部は、上記内燃機関が高負荷時には、上記混合燃料を上記高温型触媒層に通過させる第１開閉部と、上記内燃機関が低負荷時には、上記混合燃料を上記低温型触媒層に通過させる第２開閉部と、を有する。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記触媒層の温度制御を、上記内燃機関からの廃熱を用いて行う。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記内燃機関からの排ガスの少なくとも一部を、上記混合燃料に混合させて上記触媒層に供給する排ガス供給部を備えている。

本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記内燃機関からの排ガスの酸素濃度を制御する。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記触媒層内の反応場の圧力を制御する。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記含酸素化合物燃料が、エタノール燃料である。

本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記反応温度の異なる２種類以上の触媒層に組み込む触媒として、高温型触媒としてゼオライトを含む触媒であり、低温型触媒としては、セリウム(Ｃｅ)、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、銅(Ｃｕ)、アルカリ金属及びアルカリ土類金属から成る群より選ばれた少なくとも１種の成分を含有させている。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記触媒に白金（Ｐｔ）を含有させる。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記ゼオライトのシリカ(ＳｉＯ２)／アルミナ(Ａｌ２Ｏ３)比が、２０以上である。

本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記触媒が、金属製の３次元連続細孔を有する担体に塗布されている。
本発明の燃料供給装置の好ましい実施形態では、上記高温型触媒層の温度を３５０℃以上に、低温型触媒層の温度を４００℃以下の範囲に制御する。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
本発明の燃料供給装置の好ましい実施例１について説明する。
図１は、本発明の燃料供給装置の好ましい実施例１を備える火花点火式内燃機関（以下、内燃機関という）の例を示している。図２は、図１に示す燃料供給装置１０と吸気部１２を拡大して示している。
図１に示す内燃機関１は、エンジン本体９と、燃料供給装置１０と、吸気部１２と、排気部１３と、そしてコンピュータ１００を有している。

エンジン本体９は、図示の簡単化のために簡略的に示されているが、シリンダヘッド１１と、ピストン１４と、コンロッド１５と、クランクシャフト１６などを有している。シリンダヘッド１１はシリンダブロック１７を有しており、ピストン１４がシリンダブロック１７内で往復運動する。シリンダブロック１１の上部には、主燃焼室１８が形成されている。

図１に示す吸気部１２は、吸気ポート１９と吸気弁２０を有する。排気部１３は、排気ポート２１と、排気弁２２と、排気マニホールド２３と、排気浄化触媒２４と、マフラー２５を有する。吸気ポート１９には空気と混合燃料や気体燃料が、インジェクタ（燃料噴射装置）２６，２９を通じて噴射して供給される。排気ポート２１は排気マニホールド２３に接続されており、排気マニホールド２３の途中には、排気ポート２１の下流側の位置に、排気浄化触媒２４とマフラー２５が設けられている。

図１の吸気ポート１９の途中には、２つのインジェクタ２６とインジェクタ２９が配置されており、主燃焼室１８にはスパークプラグ２７が取り付けられている。
る。

図１のコンピュータ１００は、内燃機関１の動作を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）である。コンピュータ１００は、インジェクタ２６とインジェクタ２９に対して、空燃比制御信号Ｓ１、Ｓ３をそれぞれ与えることで、インジェクタ２６とインジェクタ２９はそれぞれ吸気ポート１９内に燃料噴射を行う。
コンピュータ１００は、スパークプラグ２７に対して点火時期制御信号Ｓ２を与えることにより、主燃焼室１８内にスパークを発生して混合気に点火をする。

次に、図１の燃料供給装置１０について説明する。
図１に示すように、燃料供給装置１０は、混合燃料タンク４０と、第１系統５１と、第２系統５２と、熱交換器７０と、触媒層保持部７７と、経路７８，７９を有する。
図１と図２に示すように、燃料供給装置１０の燃料供給系統は、２系統用意されており、第１系統５１は、混合燃料タンク４０とインジェクタ２９との間を接続しており、第２系統５２は、混合燃料タンク４０とインジェクタ２６、２９との間を接続している。第２系統５２の途中には熱交換器７０が設けられている。

第１系統５１は、混合燃料５５をインジェクタ２９によりそのまま内燃機関１の吸気ポート１９を通じて主燃焼室１８に供給する。第２系統５２は、混合燃料５５を熱交換器７０と触媒層保持部７７内の触媒層に通して、インジェクタ２６，２９により吸気ポート１９に噴射して供給する。
吸気ポート１９にはエアーが供給される。図２に示すように、インジェクタ２６は、熱交換器７０からの気体燃料成分５５Ｖを吸気ポート１９内に噴射する。インジェクタ２９は、混合燃料タンク４０からの混合燃料５５と熱交換器７０からの液体燃料成分５５Ｖを吸気ポート１９内に噴射する。

混合燃料としては、一例としてエタノール／ガソリンの混合燃料を用い、アルコールであるエタノール燃料のような含酸素化合物燃料が、ガソリン燃料などの炭化水素系燃料に添加して用いられる。混合燃料を用いるのは、次の理由からである。すなわち、エタノール燃料は例えばサトウキビを発酵して分留することで得られるが、エタノール燃料をガソリン燃料に混合した混合燃料を使用することより、ガソリン燃料のような化石燃料だけを使用するのに比べて、排ガス中のＣＯ２を削減できるからである。
図１と図２の混合燃料タンク４０は、混合燃料を貯留するタンクである。図１の実施例１では、例えばガソリンに対して含酸素化合物燃料であるエタノールが添加されている。混合燃料の一例としては、エタノールを１０重量％含有するガソリン(レギュラーガソリン)が採用できる。

図３は、触媒層保持部７７と、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２と、そして触媒層選択部８０の構成例を示している。図４は、触媒層保持部７７が排気部１３の外側に配置されている例を示している。
図１と図３に示すように、触媒層保持部７７は、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２を収容して保持している。

図１の熱交換器７０は、気液分離装置ともいう。図１に示すように、熱交換器７０は、排気部１３側の触媒層保持部７７内の高温型触媒層３１と低温型触媒層３２に対して、経路７８と経路７９を介して接続されている。上流側の経路７８は、熱交換器７０から触媒層保持部７７内に接続されており、下流側の経路８１は、触媒層保持部７７内から熱交換器７０に接続されている。

図１の上流側の経路７８と下流側の経路７９は、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２に対して混合燃料５５を供給する混合燃料供給部８７を構成している。
図２の第２系統５２から熱交換器７０に供給される混合燃料５５は、熱交換器７０と混合燃料供給部８７の経路７８を通じて触媒層保持部７７の高温型触媒層３１と低温型触媒層３２に供給されることで、混合燃料５５の少なくとも一部の燃料成分を他の燃料成分に変換される。この他の燃料成分は、気体燃料成分５５Ｖであり、この気体燃料成分５５Ｖは、経路７９を通じて熱交換器７０側に戻る。

一方、図１と図４に示すように、戻し管９９が、排気部１３の排気マニホールド２３と、経路７８の間に設けられている。この戻し管９９は排ガス供給部であり、排気部２３の排ガスの一部がＥＧＲガス（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環ガス）６０として、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２の上流側において混合燃料５５と混合することができ、触媒層保持部７７内と、排ガスの一部は経路７９を介して熱交換器７０内に戻すことができる。

図４において、内燃機関１における排気部１３の排ガスの少なくとも一部は、戻し管９９と下流側の経路７８を通じて熱交換器７０にも戻すことができ、熱交換器７０において混合燃料５５と混合できる。つまり、排ガスの少なくとも一部と混合燃料５５は、経路７８を通じて、触媒層保持部７７内の高温型触媒層３３１と低温型触媒層３２に供給することができる。したがって、高温型触媒層３３１と低温型触媒層３２は、排ガス中の水分、窒素酸化物、ＣＯ、ＨＣなどの成分も反応に活用することができ、排気部１３の廃熱の回収に役立つとともに、排ガスのクリーン化にも貢献できる。

次に、図１に示す排気部１３側に配置されている触媒層保持部７７と高温型触媒層３１と低温型触媒層３２及び触媒層選択部８０について、図３を参照してさらに詳しく説明する。
図３（Ａ）は、内燃機関１が高負荷で運転されている時の状態を示し、図３（Ｂ）は、内燃機関１が低負荷で運転されている時の状態を示している。
まず、触媒保持部７７と高温型触媒層３１と低温型触媒層３２について説明する。高温型触媒層３１と低温型触媒層３２は、すでに説明したように、熱交換器７０から経路７８を通じて供給されてくる混合燃料５５中の少なくとも一部の燃料成分を、内燃機関１の負荷状態に応じて他の気体燃料成分５５Ｖに変換する機能を有する。

触媒保持部７７は、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２を直列にして収容して保持している。高温型触媒層３１は、低温型触媒層３２に比べて、排気部１３において上流側に配置されていることで、高温型触媒層３１は低温型触媒層３２に比べてより高い廃熱を受けることができる。高温型触媒層３１と低温型触媒層３２は、反応温度の異なる触媒層である。つまり、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２は、触媒層保持部７７に保持されながら異なる温度条件にさらされる。
高温型触媒層３１と低温型触媒層３２を支持するそれぞれの支持体としては、例えば、ニッケル合金など金属製の発泡担体、すなわち、３次元連続細孔を有し、気孔率が８０％以上のモノリス担体を用いると、少ない触媒量でも十分な変換機能が得られるので好ましい。

高温型触媒層３１とは、少なくとも３００℃以上で混合燃料の内少なくとも一部を他の気体燃料成分に変換を開始する触媒を意味し、３５０℃以上で実際に有効に働く触媒である。
高温型触媒層３１としては、ゼオライトを含む触媒を採用できる。ゼオライトの特性に関しては、シリカ(ＳｉＯ２)／アルミナ(Ａｌ２Ｏ３)比特性が重要であり、活性に影響を与えるので、使用温度域で十分な活性が得られるようにシリカ(ＳｉＯ２)／アルミナ(Ａｌ２Ｏ３)比を選ぶ必要がある。

シリカ(ＳｉＯ２)／アルミナ(Ａｌ２Ｏ３)比が２０未満のゼオライトは、活性が低く、かつ耐久性も不十分であるため、好ましくない。一方、シリカ(ＳｉＯ２)／アルミナ(Ａｌ２Ｏ３)比が２５以上のゼオライトは、耐久性も高い。さらに、低温活性が高く、低温〜高温の比較的幅広い温度条件に適合できるため、好ましい。
なお、ゼオライト系触媒の有する燃料の分解反応活性さらには異性化反応活性を促進するため、ゼオライトに白金（Ｐｔ）などの触媒成分を添加しても良い。さらには、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）などの貴金属を含ませても良い。
高温型触媒層３１としては、ゼオライト系触媒が典型であるが、この場合、ゼオライトは固体酸として作用し、アルコールの分解に加え、一部ガソリン軽質分の分解、異性化反応も起こし、側鎖パラフィン分を増して、オクタン価向上に貢献することもできる。また、ゼオライトは、一部アルコールの脱水反応によるエーテル、エチレン類の生成も引き起こす。ゼオライトとしては、ＭＦＩ型ゼオライト、ＵＳＹゼオライト、βゼオライトなど各種のものが有効である。

一方、低温型触媒層３２とは、１００℃以上で混合燃料の少なくとも一部を他の燃料成分に変換を開始する触媒を意味し、実際に有効に働く温度域は１８０℃以上であるが、むしろ４００℃以上の高温条件では、性能が低下する特性を有する触媒である。
低温型触媒層３２としては、セリウム(Ｃｅ)、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、銅(Ｃｕ)、アルカリ金属及びアルカリ土類金属から成る群より選ばれた少なくとも１種の成分を含有させると効果的であり、いずれの場合にも触媒に白金(Ｐｔ)を含有させることで、燃料の変換が効率よく行える。

このセリウム(Ｃｅ)、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、銅(Ｃｕ)、アルカリ金属及びアルカリ土類金属から成る群より選ばれた少なくとも１種の成分を含有させるとは、これらの２種以上を任意に組み合わせて使用することができることをいう。低温型触媒層３２としては、例えば酸化セリウム(ＣｅＯ２)に白金(Ｐｔ)を担持したもの、銅をアルミナに担持したものなどが典型的に用いられる。

酸化セリウム(ＣｅＯ２)に白金(Ｐｔ)を担持した場合には、さらに例えば、カリウム（Ｋ）、ナトリウム(Ｎａ)、セシウム(Ｃｓ)等を加えることで、低温活性を維持したまま、例えば、酸化反応、メタン化反応などの高温での不要な反応を抑制できる。
低温型触媒層３２の働きとしては、例えば、含有アルコールからの水素生成反応、アルコールの脱水、分解反応によるエーテル、エチレン生成、ＣＯ生成反応など、さらには、ガソリン軽質分からの水素生成反応、分解反応によるエチレン生成、異性化反応による側鎖パラフィン、環化反応による芳香族生成など各種の反応が挙げられ、内燃機関のリーンバーン領域拡大に寄与するため、燃費向上に寄与できる。水素生成反応、エチレンの生成反応は、吸熱反応であるため、結果的に排気の熱を回収できるため、燃費向上効果が増すことになる。

高温型触媒層３１の温度条件としては３５０℃以上に制御し、低温型触媒層３２の温度条件としては４００℃以下の範囲に制御するのが望ましい。３５０〜４００℃の範囲では、低温型触媒が高温型触媒と同様の作用を示すように触媒特性を制御しておくと効果的である。

次に、図３に示す燃料供給装置の触媒層選択部８０について説明する。
燃料供給装置の触媒層選択部８０は、第１開閉部としてのバルブ８１と、第２開閉部としてのバルブ８２を有している。バルブ８１，８２は、制御部１００からの指令により開閉可能な例えば電磁バルブである。高温型触媒層３１と低温型触媒層３２はチューブ１３０，１３１，１３２に接続されている。チューブ１３１は図１の上流側の経路７８に接続され、チューブ１３１，１３２は、図１の下流側の経路７９に接続されている。

図３（Ａ）には、内燃機関１が高負荷で運転されている場合の状態を示している。図３（Ｂ）には、内燃機関１が低負荷で運転されている場合の状態を示している。
図３（Ａ）において、高負荷での運転状態では、バルブ８２が閉じており、バルブ８１は開いているため、図１の熱交換器７０から上流側の経路７８を経て送られてくる混合燃料３５は、高温型触媒層３１を通るだけで、低温型触媒層３２は通らず、混合燃料は高オクタン価燃料成分に変換される。
内燃機関１の高負荷時には排気温度が高く、高温型触媒層３１のみに混合燃料が供給されるように経路を変えることにより、低温型触媒層３２の作用を起こさせずに、不要な反応を防止できる。

これに対して、図３（Ｂ）において、低負荷での運転状態では、バルブ８２が開いており、バルブ８１は閉じているため、図１の熱交換器７０から上流側の経路７８を経て送られてくる混合燃料５５は、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２を通る。内燃機関１の負荷が低い低速運転時には、排気の温度は低く、低温型触媒層３２のみが働く。すなわち、高温型触媒層３１は、まだ排気温度が低くて作用せず、低温型触媒層３２のみが作用して、混合燃料は水素、エチレン、ＣＯなどに変換される。

燃料供給装置の触媒層保持部７７は、内燃機関１の排気ガスからの熱を活用できる排気部１３の外側の位置に設置している。これにより、廃熱は触媒層保持部７７を通じて高温型触媒層３１と低温型触媒層３２に与えられる。つまり、触媒層保持部７７自体は熱交換器として働くように、排気部１３の外側の周囲に配置されている。

次に、本発明の実施例１になる燃料供給装置１０の動作について、図１ないし図４を参照して説明する。
図１の混合燃料タンク４０内の混合燃料５５は、内燃機関１の始動時には、図示しない燃料ポンプにより第１系統５１を通じてインジェクタ２９に供給されるので、混合燃料５５は吸気ポート１９から主燃焼室１８内に直接噴射して供給される。供給された混合燃料５５はスパークプラグ２７のスパークにより燃焼させる。内燃機関１の始動時には、第１系統５１のバルブは開いているが、第２系統５２のバルブは閉じている。

そして、内燃機関１の排気温度が上がった時点で、第１系統５１のバルブを閉めて第２系統４２のバルブを開けることにより、混合燃料５５の燃料供給系を第１系統５１から、熱交換器７０と触媒層保持部７７側に切り替える。
図１において、混合燃料５５は、熱交換器７０から経路７８を通じて、図３に示す触媒層保持部７７内の高温型触媒層３１と低温型触媒層３２に供給される。この際に、混合燃料５５は、図４に示すように戻し管９９を通じてＥＧＲガス６０を混合することができるので、排ガスの少なくとも一部と混合燃料５５は、経路７８を通じて、触媒層保持部７７内の高温型触媒層３３１と低温型触媒層３２に供給し、しかも熱交換器７０に戻すことができる。

したがって、高温型触媒層３３１と低温型触媒層３２は、排ガス中の水分、窒素酸化物、ＣＯ、ＨＣなどの成分も活用することができ、排気部１３の廃熱の回収に役立つとともに、排ガスのクリーン化にも貢献できる。
図４の排気部１３における排ガスの一部は、経路７８と戻し管９９により、触媒層保持部７７内の高温型触媒層３１と低温型触媒層３２に供給できるが、排ガスの一部が混合された混合燃料５５の経路は、次に説明するように内燃機関１の高負荷時と低負荷時では異なる。

図３（Ａ）に示すように、内燃機関１の高負荷時には、制御部１００は触媒層選択部８０のバルブ８２を閉じバルブ８１を開いている。排ガスの一部が混合された混合燃料５５は、経路７８のチューブ１３０から高活性状態の高温型触媒層３１を通過して、高オクタン価の気体燃料成分５５Ｖとなり、この気体燃料成分５５Ｖはバルブ８１からチューブ１３１と図１の経路７９を通じて熱交換器７０に入る。この場合には、排気温度が高いので、前段側にある高温型触媒層３１のみに混合燃料５５が供給されるので、低温型触媒層３２は作用を起こさなくてすみ、不要な反応を防止できる。
このように、排ガスの一部が混合された混合燃料５５が高温型触媒層３１を通過すると、気体燃料成分５５Ｖに変換される。

図３（Ｂ）に示すように、内燃機関１の低負荷時には、制御部１００は触媒層選択部８０のバルブ８２を開けてバルブ８１を閉じている。排ガスの一部が混合された混合燃料５５は、経路７８のチューブ１３０から低活性状態の高温型触媒層３１とバルブ８１と高活性状態の低温型触媒層３２を通過して水素、エチレン、ＣＯ、ＣＨ４などの気体燃料成分５５Ｖになり、この気体燃料成分５５Ｖはチューブ１３２から図１の経路７９と通じて熱交換器７０に入る。この場合には、排気温度はまだ低いので高温型触媒層３１は作用せず、低温型触媒層３２のみが作用して、水素、エチレン、ＣＯ、ＣＨ４が生成され、経路７９を通じて熱交換器７０へ送られる。
このように、排ガスの一部が混合された混合燃料５５が低温型触媒層３２を通過すると、気体燃料成分５５Ｖに変換される。

好ましくは内燃機関１の排ガスの酸素濃度を制御することで、不要に燃料を燃焼させることを防止するために、酸素濃度制御の機能を具備することも重要である。また、好ましくは触媒層内の反応場の圧力により燃料変換反応を制御する機能を備えることで、よりきめ細かに燃料特性を制御することができる。
図４に示すように、触媒層保持部７７内の高温型触媒層３１と低温型触媒層３２は、排気部１３側から廃熱を受けているので、触媒層保持部７７は高温型触媒層３１と低温型触媒層３２に対して廃熱を伝える熱交換装置の役割を果たしている。
上述のように、排ガスを混合燃料５５に混合した後に、混合燃料５５を触媒層に供給できるので、触媒層保持部７７内における圧力と酸素濃度の制御が可能になり、触媒層による混合燃料５５の気体成分燃料への変換反応の効率を高めることができる。

上述したように、排ガスを混合した混合燃料５５は、排気部１３側の高温型触媒層３１あるいは低温型触媒層３２を通過することで、気体燃料成分５５Ｖに変換されて、経路７９を介して熱交換器７０に戻る。熱交換器７０では、混合燃料５５と、戻ってきた気体燃料成分５５Ｖが熱交換を行うので、図２に示すように、気体燃料成分５５Ｖは冷却される。

触媒層保持部７７内の触媒層を通過した燃料成分は気体となっており、気体の燃料成分を内燃機関１の主燃焼室１８内に直接噴射することもできるが、熱交換器７０の途中で熱交換により冷却して、液体燃料成分と気体燃料成分に分離して燃料噴射している。そのため、図２に示すようにインジェクタ２６は気体燃料成分５５Ｖを吸気ポート１９に噴射し、インジェクタ２９は、混合燃料５５と液体燃料成分５５Ｌを吸気ポート１９に噴射する。
なお、気体燃料成分５５Ｖは、熱交換器７０を介さずにインジェクタ２６を通じて直接主燃焼室内に噴射することもできるが、実施例１では、熱交換器７０を用いている。

（実施例２）
次に、本発明の燃料供給装置の好ましい実施例２を、図５を参照して説明する。
図３の実施例１では、触媒層保持部７７内において、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２が混合燃料５５の流れ方向に対して直列に配置されているのに対して、図５に示す実施例２では、触媒層保持部１７７内において、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２が混合燃料５５の流れ方向に対して並列に配置されている。

チューブ１３０から分岐したチューブ１４１，１４２には、それぞれバルブ９１，９２が配置されている。バルブ９１は第１開閉部であり、バルブ９２は第２開閉部である。
図５（Ａ）に示す内燃機関１の高負荷時には、制御部１００は触媒層選択部１８０のバルブ９２を閉じバルブ９１を開いている。排ガスの一部が混合された混合燃料５５は、経路７８のチューブ１３０からバルブ９１を通り高温型触媒層３１を通過して、図１の経路７９を通じて熱交換器７０に入る。この場合には、排気温度が高く、前段側にある高温型触媒層３１のみに混合燃料５５が供給されるので、低温型触媒層３２は作用を起こさなくてすみ不要な反応を防止できる。
排ガスの一部が混合された混合燃料５５が高温型触媒層３１を通過すると、高オクタン価の気体燃料成分５５Ｖに変換される。

図５（Ｂ）に示す内燃機関１の低負荷時には、制御部１００は触媒層選択部１８０のバルブ９２を開けてバルブ９１を閉じている。排ガスの一部が混合された混合燃料５５は、経路７８のチューブ１３０からバルブ９２を通り低温型触媒層３２を通過して、図１の経路７９と通じて熱交換器７０に入る。この場合には、排気温度はまだ低く、低温型触媒層３２のみが作用して、水素、エチレン、ＣＯ、ＣＨ４などの気体燃料成分５５Ｖが生成され、経路７９を通じて熱交換器７０へ送られる。
排ガスの一部が混合された混合燃料５５が低温型触媒層３２を通過すると、気体燃料成分５５Ｖに変換される。

（実施例３）
次に、本発明の燃料供給装置の好ましい実施例３を、図６を参照して説明する。
図５に示す実施例２では、触媒層保持部１７７内において、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２が、混合燃料５５の流れ方向に対して並列に配置されているのに対して、図６の実施例３では、高温型触媒層３１と中温型触媒層３３と低温型触媒層３２が、触媒層保持部２７７内に並列に収容して保持されている。

チューブ１３０は、３つのチューブ１５１，１５２，１５３に分岐しており、それぞれバルブ１０１，１０２，１０３が配置されている。
図６（Ａ）に示す内燃機関１の高負荷時には、制御部１００は触媒層選択部２８０のバルブ１０２，１０３を閉じバルブ１０１を開いている。排ガスの一部が混合された混合燃料５５は、経路７８のチューブ１３０から高温型触媒層３１だけを通過して気体燃料成分になり、図１の経路７９を通じて熱交換器７０に入る。

図６（Ｃ）に示す内燃機関１の低負荷時には、制御部１００は触媒層選択部２８０のバルブ１０３を開けてバルブ１０１，１０２を閉じている。排ガスの一部が混合された混合燃料５５は、経路７８のチューブ１３０から低温型触媒層３２だけを通過して気体燃料成分になり、図１の経路７９と通じて熱交換器７０に入る。

さらに、内燃機関１の運転状態に応じてよりきめ細かく対応するために、図６（Ｂ）に示すように、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２の中間的な温度特性を有する中間型触媒層３３がバルブ１０２に対応して配置されている。この場合には、バルブ１０２が開いており、バルブ１０１，１０３は閉じている。排ガスの一部が混合された混合燃料５５は、チューブ１３０から中温型触媒層３３だけを通過して気体燃料成分になり、図１の経路７９を通じて熱交換器７０に入る。
中間型触媒層３３は、例えば、ロジウム(Ｒｈ)、パラジウム（Ｐｄ）等の成分をアルミナ(Ａｌ２Ｏ３)に担持した触媒であり、中間型触媒層３３は、より高温条件でアルコール、ガソリンからのからの水素、エチレンの生成が可能であり、いわば、中温型触媒として同様に燃料供給装置内に組み込むことが出来る。これにより、リーンバーン領域拡大の有効範囲が増やせるのでより一層の燃費向上効果が得られる。

（実施例４）
次に、本発明の燃料供給装置の好ましい実施例４を、図７を参照して説明する。
図４の実施例１では、排ガスを混合した混合燃料５５は、触媒層保持部７７内の高温型触媒層３１と低温型触媒層３２に供給できるので、排ガスの廃熱を利用して燃料の変換ができる。しかし、高温型触媒層３１と低温型触媒層３２に与える熱をもっと増やしたい場合には、図７に示すように高温型触媒層３１と低温型触媒層３２に対応してヒータ２００を設けて、このヒータ２００により必要に応じて加熱することができる。図７（Ａ）の例では高温型触媒層３１と低温型触媒層３２が直列に配置され、図７（Ｂ）の例では高温型触媒層３１と低温型触媒層３２が並列に配置されている。

（実施例５）
次に、本発明の燃料供給装置の好ましい実施例５を、図８を参照して説明する。
図４の実施例１では、触媒層保持部７７が排気部１３の外側に配置されているが、図８の実施例５では、触媒層保持部４７７が排気部１３の排気ポート２１の内部に配置されている。このようにしても、触媒層保持部４７７は排気部１３側の廃熱を熱交換して高温型触媒層３１と低温型触媒層３２を加熱できる。

図９と図１０には、高温型触媒層と低温型触媒層の典型的な燃料変換特性を示す。
図９において、１％Ｐｔ/ゼオライト触媒（ＭＦＩ、シリカ/アルミナ比＝約７００）および１％Ｐｔ/ゼオライト触媒（ＭＦＩ、シリカ/アルミナ比＝約２５）は、は、高温型触媒層の典型例である。ここでは、シリカ／アルミナ比の違う２種類の触媒のエタノール転化特性を示した。シリカ/アルミナ比＝約７００の触媒は、３５０℃以上の温度条件で高転化率が得られ、脱水、脱水素縮合反応が起こっている。一方、１％Ｐｔ/ゼオライト（ＭＦＩ、シリカ/アルミナ比＝約２５）の触媒は、低温での活性が高く、３５０℃以上の高温条件では転化率が１００％となり、脱水、脱水素縮合反応が起こっている。

図１０には、低温型触媒層として、１％Ｐｔ/ＣｅＯ２触媒のエタノール転化性能を示す。３００℃においてエタノール転化率が９５％以上を示しており、水素、エチレン、ＣＯ、ＣＨ４の生成がみられている。ここでは、代表的に水素生成特性を示したが、３００℃を超えるとむしろ転化率、水素濃度共に低下していることがわかる。
以上、内燃機関からの排気温度に応じて高温型触媒と低温型触媒を切り替えて使用することで、運転条件に応じて適切な燃料特性制御が可能になる。

本発明の実施例では、内燃機関の始動時には混合燃料を直接噴射供給し燃焼させる。内燃機関の排気温度が上がった時点で、熱交換器と触媒層保持部の燃料供給系側に切り替えて、混合燃料を供給して、液体燃料成分と気体燃料成分に分けて噴射供給し燃焼させる。高温型触媒と低温型触媒層は、排気の熱を利用して燃料変換できるようになっている。
アルコールなどの含酸素化合物燃料を含む混合燃料を内燃機関用燃料に用いた場合に、内燃機関の運転条件に応じて好ましい燃料を供給でき、より内燃機関の効率を高め、燃費向上が図れるので、ＣＯ２の削減が図れる。

本発明の実施例では、燃料供給装置及び燃料供給方法では、熱が不足する場合には、さらにヒータなどの加熱手段を組み込むことで、必要に応じてさらに加熱することが可能である。この場合、排気ガスの一部を触媒層に送り込むことで、圧力や酸素の制御が可能になり、燃料の変換反応の効率を高めることができる。
燃料供給装置の触媒層保持部は、内燃機関の排ガスからの熱を活用できる位置に設置することが望ましい。

本発明の実施例では、含酸素化合物燃料を含有する混合燃料の内の最適な特性の燃料を、内燃機関の運転状況に応じて内燃機関に供給できる。アルコールなどの含酸素化合物を含む混合燃料を用いた内燃機関の運転条件に応じて適当な燃料を供給できるので、内燃機関の効率を高め、燃費向上が為されるので、ＣＯ２削減を図ることができる。

本発明の実施例は、ガソリンなどの炭化水素系燃料にアルコールのような含酸素化合物燃料を添加した混合燃料中の少なくとも一部の燃料成分を、触媒層を用いて他の燃料成分に変換して、内燃機関へ供給する。この際に、２種類以上の触媒層は、異なる温度条件にさらすことできるあるいは異なる温度条件に制御できる触媒層支持部内に設置して、内燃機関の負荷状態に応じて混合燃料を通過させる触媒層を選択できる。

また、内燃機関からの排気ガスの少なくとも一部を混合燃料と混合させて触媒層に供給することで、排気ガス中の水分、窒素酸化物、ＣＯ，ＨＣなどの成分も活用でき、熱量の回収に役立つとともに、排気のクリーン化にも貢献できる。
本発明の実施例は、各種含酸素化合物混合燃料に有効であるが、一例としてエタノール燃料を主眼に置いたものであり、その場合に特に有効である。
本発明は上記の内容に限定されず、例えば本発明の各実施例は、任意に組み合わせることができる。内燃機関の型式は特に限定されない。
エタノール燃料以外の含酸素化合物燃料としては、例えばＤＭＥ（ジメチルエーテル）、ＭＴＢＥ（メチル−ターシャリー−ブチルエーテル）、ＤＥＥ（ジエチルエーテル）、ＥＴＢＥ（エチル−ターシャリー−ブチルエーテル）を採用できる。

本発明の燃料供給装置の好ましい実施例１を備える火花点火式内燃機関の例を示す図である。 実施例１の燃料供給装置と吸気部を示す図である。 実施例１において、触媒層保持部において高温型触媒層と低温型触媒層が直列に配置されている例を示す図である。 実施例１において、燃料供給装置の高温型触媒層と低温型触媒層が排気部側の外側の周囲に配置されている例を示す図である。 本発明の燃料供給装置の好ましい実施例２を示し、触媒層支持部において高温型触媒層と低温型触媒層が並列に配置されている例を示す図である。 本発明の燃料供給装置の好ましい実施例３を示し、触媒層支持部において高温型触媒と中温型触媒と低温型触媒が並列に配置されている例を示す図である。 本発明の別の実施例４を示す図である。 本発明のさらに別の実施例５であり、燃料供給装置の高温型触媒層と低温型触媒層が排気部の内部に配置されている例を示す図である。 高温型触媒層の特性例を示す図である。 低温型触媒層の特性例を示す図である。

符号の説明

１ 火花点火式内燃機関（内燃機関）
１０ 燃料供給装置
１１ シリンダヘッド
１４ ピストン
１８ 主燃焼室
１９ 吸気ポート
２０ 吸気弁
２１ 排気ポート
２２ 排気弁
２３ 排気マニホールド
２４ 排気浄化触媒
２６、２９ インジェクタ
３１ 高温型触媒層
３２ 低温型触媒層
３３ 中温型触媒層
４０ 混合燃料タンク
４１ 第１系統
４２ 第２系統
５５ 混合燃料
６０ ＥＧＲガス
７７、１７７、２７７ 触媒層支持部
７８，７９ 経路
８０、１８０、２８０ 触媒層選択部
８１ バルブ（第１開閉部）
８２ バルブ（第２開閉部）
９９ 戻し管（排ガス供給部）

Claims (12)

1. 炭化水素系燃料に含酸素化合物燃料を添加した混合燃料中の少なくとも一部の燃料成分を、触媒を用いて他の燃料成分に変換して内燃機関へ供給する燃料供給装置であって、
   ２種類以上の触媒層を異なる温度条件にさらす触媒保持部と、
   複数の上記触媒層の中から、上記内燃機関の負荷状態に応じて上記混合燃料を通過させる上記触媒層を選択する触媒層選択部と、
   を備え、
   上記反応温度の異なる２種類以上の触媒層に組み込む触媒として、高温型触媒としてゼオライトを含む触媒であり、低温型触媒としてセリウム（Ｃｅ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルカリ金属及びアルカリ土類金属から成る群より選ばれた少なくとも１種の成分を含有させたことを特徴とする燃料供給装置。
2. 複数の上記触媒層は、高温型触媒層と低温型触媒層とから成り、
   上記触媒層選択部は、上記内燃機関が高負荷時には、上記混合燃料を上記高温型触媒層に通過させる第１開閉部と、上記内燃機関が低負荷時には、上記混合燃料を上記低温型触媒層に通過させる第２開閉部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
3. 上記触媒層の温度制御を、上記内燃機関からの廃熱を用いて行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料供給装置。
4. 上記内燃機関からの排ガスの少なくとも一部を、上記混合燃料に混合させて上記触媒層に供給する排ガス供給部を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の燃料供給装置。
5. 上記内燃機関からの排ガスの酸素濃度を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料供給装置。
6. 上記触媒層内の反応場の圧力を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料供給装置。
7. 上記含酸素化合物燃料が、エタノール燃料であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の燃料供給装置。
8. 上記触媒に白金（Ｐｔ）を含有させたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料供給装置。
9. 上記ゼオライトのシリカ（ＳｉＯ２）／アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）比が、２０以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の燃料供給装置。
10. 上記触媒が、メタル製の３次元連続細孔を有する担体に塗布されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の燃料供給装置。
11. 上記高温型触媒層の温度を３５０℃以上に、低温型触媒層の温度を４００℃以下の範囲に制御することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の燃料供給装置。
12. 炭化水素系燃料に含酸素化合物燃料を添加した混合燃料中の少なくとも一部の燃料成分を、触媒を用いて他の燃料成分に変換して内燃機関へ供給する燃料供給方法であって、
    ２種類以上の触媒層を異なる温度条件にさらし、
    複数の上記触媒層が反応温度の異なる高温型触媒層と低温型触媒層とを有し、それらの中から、上記内燃機関の負荷状態に応じて上記混合燃料を通過させる上記触媒層を選択し、
    上記反応温度の異なる２種類以上の触媒層に組み込む触媒として、高温型触媒としてゼオライトを含む触媒であり、低温型触媒としてセリウム（Ｃｅ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）銅（Ｃｕ）、アルカリ金属及びアルカリ土類金属から成る群より選ばれた少なくとも１種の成分を含有させることを特徴とする燃料供給方法。

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