(57)【要約】【課題】内燃機関の性能の悪化を抑制ないし防止し得る燃料改質装置、内燃機関システム及び燃料改質方法を提供すること。【解決手段】燃料改質装置は、内燃機関の燃料供給系に適用される燃料改質装置であって、少なくとも燃料供給部及び水供給部の下流側に接続された燃料−水供給部を流通する燃料及び水の圧力を超臨界状態等となる圧力に加圧する加圧手段と、少なくとも燃料−水供給部を流通する燃料及び水の温度を超臨界状態等となる温度に加熱する加熱手段と、燃料−水供給部を流通する燃料及び水を混合する混合手段と、燃料供給部、水供給部及び燃料−水供給部において、加熱手段、加圧手段及び混合手段のうち最も後段に配置されたものより後段に配置された、燃料−水供給部を流通する水を分離し得る分離手段と、分離手段で分離された水を回収し、水供給部に還送する水回収手段と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃料供給系に適用される燃料改質装置であって、
少なくとも燃料供給部及び水供給部の下流側に接続された燃料−水供給部を流通する燃料及び水の少なくとも一部の圧力を超臨界状態又は亜臨界状態となる圧力に加圧する加圧手段と、
少なくとも上記燃料−水供給部を流通する燃料及び水の少なくとも一部の温度を超臨界状態又は亜臨界状態となる温度に加熱する加熱手段と、
上記燃料−水供給部を流通する燃料及び水の少なくとも一部を混合する混合手段と、
上記燃料供給部、上記水供給部及び上記燃料−水供給部において、上記加熱手段、上記加圧手段及び上記混合手段のうち最も後段に配置されたものより後段に配置された、該燃料−水供給部を流通する水の少なくとも一部を分離し得る分離手段と、
上記分離手段で分離された水を回収し、上記水供給部に還送する水回収手段と、
を具備したことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
上記燃料供給部、上記水供給部及び上記燃料−水供給部において、上記加熱手段及び上記加圧手段が上記混合手段の前段に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
上記混合手段が、流路を有する静的ミキサーを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
上記混合手段が、上記燃料供給部に配置された燃料流路、上記水供給部に配置された水流路、並びに該燃料流路及び該水流路の下流側に接続された上記燃料−水供給部に配置された燃料−水流路を有する静的ミキサーを備えている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改質装置。
【請求項５】
上記分離手段が、油水分離膜を備えてい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改質装置。
【請求項６】
上記分離手段が、温度制御手段を有する油水分離槽を備えてい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改質装置。
【請求項７】
上記内燃機関の排気ガス排出部を流通する水の少なくとも一部を分離し得る他の分離手段と、
上記他の分離手段で分離された水を回収し、上記水供給部に還送する他の水回収手段と、を更に具備したことを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料改質装置を具備したことを特徴とする内燃機関システム。
【請求項９】
内燃機関の運転状態に応じて、上記分離手段及び上記水回収手段による水回収率と、上記他の分離手段及び上記他の水回収手段による水回収率とを制御することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関システム。
【請求項１０】
内燃機関へ供給する燃料を改質する燃料改質方法であって、
燃料及び水を超臨界状態又は亜臨界状態となる温度に加熱する加熱工程と、
燃料及び水を超臨界状態又は亜臨界状態となる圧力に加圧する加圧工程と、
燃料及び水の接触面積を増加させるように混合する混合工程と、
上記加熱工程、上記加圧工程及び上記混合工程を経て得られた改質燃料及び水から水を分離する分離工程と、
上記分離工程を経て得られた水を回収し、上記加熱工程、上記加圧工程及び上記混合工程における水として再利用する水回収工程と、
を含むことを特徴とする燃料改質方法。
【請求項１１】
上記加熱工程及び上記加圧工程を上記混合工程より先に実施することを特徴とする請求項１０に記載の燃料改質方法。
【請求項１２】
上記混合工程において、上記加熱工程及び上記加圧工程を別々に経た燃料及び水を乱流が生じるように合流させることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の燃料改質方法。
【請求項１３】
上記分離工程において、改質燃料と水の分子サイズの違いを利用することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１つの項に記載の燃料改質方法。
【請求項１４】
上記分離工程において、改質燃料と水の比重の違いを利用することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１つの項に記載の燃料改質方法。
【請求項１５】
内燃機関の排気ガスから水を分離する他の分離工程と、
上記他の分離工程を経て得られた水を回収し、上記加熱工程、上記加圧工程及び上記混合工程における水として再利用する他の水回収工程と、
を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料改質装置、内燃機関システム及び燃料改質方法に係り、更に詳細には、内燃機関の燃料供給系に適用される燃料改質装置、燃料改質装置を具備した内燃機関システム、及び燃料改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の運転状態に応じて、内燃機関に供給する燃料を変化させる内燃機関システムが提案されている（特許文献１参照。）。
この内燃機関システムにおいては、ガソリンとエタノールの混合燃料から水を用いてエタノール分離し、更に分離されたエタノールを改質して、ジエチルエーテルを生成しており、用いる水を内燃機関の排ガスから回収している。
また、この内燃機関システムにおいては、排ガスから水を回収するために、排ガスの流路にミストキャッチフィルタを設けている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２５５３２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関システムにおいては、用いる水を内燃機関の排ガスから回収するために、排ガスを冷却する必要がある。
このような構成においては、排ガスの流路における抵抗が上がり、内燃機関の性能を悪化させることがあるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の性能の悪化を抑制ないし防止し得る燃料改質装置、内燃機関システム及び燃料改質方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。
その結果、燃料及び水を超臨界状態又は亜臨界状態となる温度及び圧力に加熱及び加圧すると共に、燃料及び水の接触面積を増加させるように混合し、更に、得られた改質燃料及び水から水を分離すると共に、得られた水を回収して、再利用することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明の燃料改質装置は、内燃機関の燃料供給系に適用される燃料改質装置であって、少なくとも燃料供給部及び水供給部の下流側に接続された燃料−水供給部を流通する燃料及び水の少なくとも一部の圧力を超臨界状態又は亜臨界状態となる圧力に加圧する加圧手段と、少なくとも該燃料−水供給部を流通する燃料及び水の少なくとも一部の温度を超臨界状態又は亜臨界状態となる温度に加熱する加熱手段と、該燃料−水供給部を流通する燃料及び水の少なくとも一部を混合する混合手段と、該燃料供給部、該水供給部及び該燃料−水供給部において、該加熱手段、該加圧手段及び該混合手段のうち最も後段に配置されたものより後段に配置された、該燃料−水供給部を流通する水の少なくとも一部を分離し得る分離手段と、該分離手段で分離された水を回収し、該水供給部に還送する水回収手段とを具備したことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の内燃機関システムは、上記本発明の燃料改質装置を具備したことを特徴とする。
【０００９】
更に、本発明の燃料改質方法は、内燃機関へ供給する燃料を改質する燃料改質方法であって、燃料及び水を超臨界状態又は亜臨界状態となる温度に加熱する加熱工程と、燃料及び水を超臨界状態又は亜臨界状態となる圧力に加圧する加圧工程と、燃料及び水の接触面積を増加させるように混合する混合工程と、該加熱工程、該加圧工程及び該混合工程を経て得られた改質燃料及び水から水を分離する分離工程と、該分離工程を経て得られた水を回収し、該加熱工程、該加圧工程及び該混合工程における水として再利用する水回収工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料及び水を超臨界状態又は亜臨界状態となる温度及び圧力に加熱及び加圧すると共に、燃料及び水の接触面積を増加させるように混合し、更に、得られた改質燃料及び水から水を分離すると共に、得られた水を回収して、再利用することなどとしたため、内燃機関の性能の悪化を抑制ないし防止し得る燃料改質装置、内燃機関システム及び燃料改質方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料改質装置、内燃機関システム及び燃料改質方法について詳細に説明する。
【００１２】
なお、本発明において、「超臨界状態」とは、液体と気体との区別がつかない状態をいう。
つまり、一般に、物質には固体、液体及び気体の三態が存在するが、液体又は気体状態にある物質の温度及び圧力を上昇させると、液体と気体との区別がつかない状態に達することがある。この状態を「超臨界状態」と称し、超臨界状態では、温度及び圧力の双方が、物質固有の値である臨界点よりも高い。当該臨界点の温度を「臨界温度」と称し、臨界点の圧力を「臨界圧」と称する。超臨界状態の流体は、高密度な気体のような状態にあり、また、誘電率が小さく非極性の有機溶媒に近似した状態にある。よって、水と、有機物質である炭化水素等の燃料とは、超臨界状態においては良好に混和し得る。
【００１３】
また、一般に、単一成分系においては、系の温度が当該成分の臨界温度を超え、系の圧力が当該成分の臨界圧を超えると、当該成分は超臨界状態となる。しかしながら、本発明に用いる燃料及び水の混合物のような多成分系においては、系の温度及び圧力が、系に含まれるある成分の臨界温度及び臨界圧を上回ったとしても、当該成分が必ずしも超臨界状態になるとは限らない。これは、多成分系においてある成分が超臨界状態となるには、系における当該成分の分圧が、当該成分の臨界圧を上回る必要があるためである。すなわち、ある成分の臨界温度を超える温度の系において、当該成分のモル分率が大きい場合は、当該成分の分圧も比較的大きいため、系全体をわずかに加圧した場合であっても当該成分は超臨界状態となる場合がある。一方、当該成分のモル分率が小さい場合には、当該成分の分圧も比較的小さいため、当該成分を超臨界状態とするには、系を大幅に加圧する必要があるのが一般的である。
【００１４】
従って、混合物中の燃料及び水の双方が超臨界状態となるには、混合物の温度が燃料及び水の双方の臨界温度を超え、かつ、混合物に含まれる燃料成分の分圧が、当該燃料成分の臨界圧を超え、更に、混合物に含まれる水の分圧が、水の臨界圧を超えることが必要である。なお、「分圧」とは、元来、混合気体を対象とする概念であるが、超臨界状態の流体も気体の性質を有しているため、同様に「分圧」の概念が用いられ得る。すなわち、本発明において、「分圧」とは、混合流体に含まれる各成分が、容器の全体積を占めていると仮定したときの圧力を意味する。
【００１５】
また、本発明において、「亜臨界状態」とは、超臨界状態に準ずる状態を意味する。「亜臨界状態」についての統一した定義は存在しないが、本発明においては、「亜臨界状態」を、ある成分の温度が、当該成分の臨界温度から、好ましくは０〜１００℃低く、より好ましくは０〜５０℃低く、且つ、燃料及び水の混合物における当該成分の分圧が、当該成分の臨界圧から、好ましくは０〜５ＭＰａ低く、より好ましくは０〜２ＭＰａ低い状態と定義する。混合物中の燃料成分及び水の少なくとも一方が亜臨界状態であれば、たとえ超臨界状態ではなくとも、燃料成分の改質反応が効率よく進行し得る。
【００１６】
まず、本発明の一実施形態に係る燃料改質方法について詳細に説明する。
本実施形態の燃料改質方法は、内燃機関へ供給する燃料を改質する燃料改質方法であって、加熱工程と、加圧工程と、混合工程と、分離工程と、水回収工程と、を含む燃料改質方法である。
そして、加熱工程は、燃料及び水を超臨界状態又は亜臨界状態となる温度に加熱する工程である。
また、加圧工程は、燃料及び水を超臨界状態又は亜臨界状態となる圧力に加圧する工程である。
更に、混合工程は、燃料及び水の接触面積を増加させるように混合する工程である。
また、分離工程は、上記加熱工程、上記加圧工程及び上記混合工程を経て得られた改質燃料及び水から水を分離する工程である。
更にまた、水回収工程は、上記分離工程を経て得られた水を回収し、上記加熱工程、上記加圧工程及び上記混合工程における水として再利用する工程である。
【００１７】
このような工程を経ることにより、内燃機関の性能の悪化を抑制ないし防止しながら、内燃機関へ供給する燃料を改質することができる。
また、本発明の燃料改質方法の副次的な効果として、内燃機関で消費される水の量を減らすことが可能となるため、改質に用いる水が足りなくなるという不都合を回避することができると共に、改質に用いる水を補充するというユーザーの手間を軽減することができる。
なお、「内燃機関」とは、シリンダ内で燃料を爆発燃焼させ、そのエネルギによって仕事をする原動機をいう。本発明において、内燃機関の具体的な形態は特に制限されず、後述する燃料の性状に応じて選択され得る。内燃機関は、例えばガソリンエンジンのような火花点火式内燃機関であってもよく、ディーゼルエンジンのような圧縮着火式内燃機関であってもよい。
【００１８】
以下、各工程毎に更に詳細に説明する。
【００１９】
まず、加熱工程について説明する。
加熱工程は、上述したように、燃料及び水を超臨界状態又は亜臨界状態となる温度に加熱できればよく、例えば加熱するために内燃機関自体が放出する熱や内燃機関が排出する排ガスの熱を利用することができるが、これに限定されるものではない。すなわち、電気ヒーター、マイクロ波照射装置、電磁加熱プレートなどの他の加熱手段を利用することもできる。
【００２０】
上述したように、燃料の臨界温度とは、燃料が超臨界状態となり得る温度の下限値であり、水の臨界温度とは、水が超臨界状態となり得る温度の下限値である。よって、例えば混合物が超臨界状態となるには、混合物の温度が、燃料の臨界温度及び水の臨界温度のうち、いずれか高い温度以上であればよい。
【００２１】
ここで、水の臨界温度は３７４℃である。これに対し、燃料の臨界温度は、燃料の組成に応じて変動し得るため一概には決定できないが、例えばガソリン（平均炭素原子数：８前後）の場合には３００℃程度であり、軽油（平均炭素原子数：１２〜１８程度）の場合には４００〜５００℃程度である。なお、本発明において、燃料中に含まれる臨界温度の低い一部の燃料成分のみの改質を所望する場合には、混合物の温度が当該成分の臨界温度を超えていればよい。
なお、亜臨界状態となる温度であってもよいことは言うまでもない。
【００２２】
次に、加圧工程について説明する。
加圧工程は、上述したように、燃料及び水を超臨界状態又は亜臨界状態となる圧力に加圧できればよく、特に限定されるものではないが、例えば燃料供給系に設けられている燃料ポンプと燃料供給手段（インジェクタ）などを燃料を加圧するために利用することができる。なお、水を加圧するためには、水ポンプと燃料供給手段などを利用することができる。
【００２３】
また、上述したように、燃料及び水の混合物が超臨界状態又は亜臨界状態となる圧力に加圧できればよいが、混合物の圧力については、燃料及び水のそれぞれの分圧が、それぞれの臨界圧以上であることが望ましい。
このような工程を経ることにより、燃料と水との混合状態がより向上し、改質効率をより向上し得る。
なお、燃料が単一成分ではなく種々の燃料成分の混合物である場合には、燃料に含まれる各燃料成分の分圧が、それぞれの成分の臨界圧を超えていると良い。
【００２４】
ここで、水の臨界圧は２２．１ＭＰａである。これに対し、燃料の臨界圧は、例えばガソリンの場合には３ＭＰａ程度であり、軽油の場合には２ＭＰａ程度である。
なお、亜臨界状態となる圧力であってもよいことは言うまでもない。
【００２５】
次に、混合工程について説明する。
混合工程は、上述したように、燃料及び水の接触面積を増加させるように混合できれば、特に限定されるものではなく、従来公知の方法を適用することができる。
燃料（炭化水素）と水とは、常温では混ざり合うことがない。これは水分子が水素結合しているため、水分子同士の分子間力が燃料分子同士の分子間力よりもかなり大きく、水分子同士で集合している方が、ポテンシャルエネルギー的に安定なためである。しかしながら、温度が高くなり、分子の運動エネルギーが、水素結合と比較して相対的に大きくなった場合、燃料と水とは互いに拡散し合う。
【００２６】
なお、「燃料及び水の接触面積を増加させる」とは、燃料及び水が完全分離されていると巨視的に観察される場合の接触面積（界面面積）を基準とし、その接触面積より増加させることをいう。また、完全分離されていると巨視的に観察される場合の接触面積の基準は、混合する際の条件（例えば、混合容器の形状や被混合物の量など。）によって異なるものである。
【００２７】
また、本実施形態の燃料改質方法においては、特に限定されるものではないが、例えば上述した加熱工程及び上述した加圧工程を上述した混合工程より先に実施することが望ましい。換言すれば、超臨界状態又は亜臨界状態となった燃料と超臨界状態又は亜臨界状態となった水と混合させることが望ましい。
このような工程を経ることにより、上述したように燃料と水とが互いに拡散し合うため、より効率良く混合させることが可能となり、内燃機関の性能の悪化をより抑制ないし防止しながら、内燃機関へ供給する燃料を改質することができる。
また、一旦混同させた燃料と水とは、超臨界状態を保っていれば、互いに拡散し合うので、互いに分離してしまうことはなく、均一な割合を保つことができる。
なお、燃料及び水の双方が超臨界状態又は亜臨界状態でない場合には、相互に拡散し難くなるため、混合しようとしても時間を経ると分離し易くなる。従って、燃料及び水を混合させた後に、燃料及び水の双方を超臨界状態又は亜臨界状態とすることは上記の場合と比較すると効率的でない。
【００２８】
また、混合工程は、特に限定されるものではないが、例えば上述した加熱工程及び上述した加圧工程を別々に経た燃料及び水を乱流が生じるように合流させて、混合することが望ましい。換言すれば、超臨界状態又は亜臨界状態となった燃料と超臨界状態又は亜臨界状態となった水とを乱流が生じるように合流させて混合することが望ましい。
このような工程を経ることにより、より効率良く燃料と水とを混合させることが可能となり、内燃機関の性能の悪化をより抑制ないし防止しながら、内燃機関へ供給する燃料を改質することができる。
なお、本発明において、「乱流」とは、時間的、空間的に不規な変動、すなわち乱れを含む流れをいう。例えばレイノルズ数が２０００を超えるものを挙げることができるが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００２９】
上述した工程により、燃料及び水が超臨界状態又は亜臨界状態で混合された状態となると、超臨界状態又は亜臨界状態の水の酸化作用によって、燃料が軽質化されたり、重質化されて改質される。ここで「軽質化」とは、燃料の主鎖が短くなっていく反応であり、「重質化」とは、燃料分子同士が重合して分子量が大きくなっていく反応である。
なお、本発明者らは、軽質化と重質化という正反対の反応が、定常状態の条件ではほぼ同じ割合で起こるが、改質後に水を分離する条件とすることによって、軽質化が起こる割合が高くなると現時点においては推測している。
【００３０】
次に、分離工程について説明する。
分離工程は、上述したように、上述した加熱工程、上述した加圧工程及び上述した混合工程を経て得られた改質燃料及び水から水を分離することができれば、特に限定されるものではない。
【００３１】
例えば分離工程は、改質燃料と水の分子サイズの違いを利用して、分離することができる。このような分離方法には、例えば、詳しくは後述する油水分離膜を利用することができる。
このような工程を経ることにより、後述する改質燃料と水の比重の違いを利用する分離方法によるよりも、エネルギ効率に優れた方法となる。
【００３２】
また、例えば分離工程は、改質燃料と水の比重の違いを利用して、分離することもできる。このような分離方法には、例えば、詳しくは後述する温度制御手段を有する油水分離槽を利用することができる。なお、改質燃料と水とは、温度制御手段により冷却などの温度制御することにより、混合状態を解消させることができる。すなわち、一旦、超臨界状態で混合した改質燃料と水であっても、混合物の温度を下げることによって、水分子の運動エネルギーと比較して、水分子の水素結合が支配的になり、改質燃料と水とは分子する。また、水は燃料よりも比重が大きいため、重力の影響で水は下方に、燃料は上方に溜まる。
【００３３】
次に、水回収工程について説明する。
水回収工程は、上述したように、上述した分離工程を経て得られた水を回収し、上述した加熱工程、上述した加圧工程及び上述した混合工程における水として再利用することができれば、特に限定されるものではない。
例えば、加熱工程を経た後の水や加圧工程を経た後の水、加熱工程及び加圧工程を経た後の水に分離して得られた水を混合させることができる。
【００３４】
また、本実施形態の燃料改質方法においては、特に限定されるものではないが、例えば内燃機関の排気ガスから水を分離する他の分離工程と、他の分離工程を経て得られた水を回収し、上述した加熱工程、上述した加圧工程及び上述した混合工程における水として再利用する他の水回収工程と、を更に含む燃料改質方法とすることもできる。
このような工程を経ることにより、内燃機関に水を供給することを要する場合であっても、内燃機関の性能の悪化をより抑制ないし防止しながら、内燃機関へ供給する燃料を改質することができる。
【００３５】
次に、本発明の一実施形態に係る燃料改質装置について詳細に説明する。
なお、本実施形態に係る燃料改質装置は、上述した本発明の一実施形態に係る燃料改質方法に用いることができるものである。
本実施形態の燃料改質装置は、内燃機関の燃料供給系に適用される燃料改質装置であって、加圧手段と、加熱手段と、混合手段と、分離手段と、水回収手段と、を具備するものである。
そして、加圧手段は、少なくとも燃料供給部及び水供給部の下流側に接続された燃料−水供給部を流通する燃料及び水の少なくとも一部の圧力を超臨界状態又は亜臨界状態となる圧力に加圧するものである。
また、加熱手段は、少なくとも上記燃料−水供給部を流通する燃料及び水の少なくとも一部の温度を超臨界状態又は亜臨界状態となる温度に加熱するものである。
更に、混合手段は、上記燃料−水供給部を流通する燃料及び水の少なくとも一部を混合するものである。
また、分離手段は、上記燃料供給部、上記水供給部及び上記燃料−水供給部において、上記加熱手段、上記加圧手段及び上記混合手段のうち最も後段に配置されたものより後段に配置されており、該燃料−水供給部を流通する水の少なくとも一部を分離し得るものである。
更にまた、水回収手段は、上記分離手段で分離された水を回収し、上記水供給部に還送するものである。
【００３６】
このような構成とすることにより、内燃機関の性能の悪化を抑制ないし防止しながら、内燃機関へ供給する燃料を改質することができる。
【００３７】
以下、図面を参照しながら更に詳細に説明する。
【００３８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る燃料改質装置の構成の概略を示す図である。
同図に示すように、第１実施形態の燃料改質装置は、内燃機関の燃料供給系に適用される燃料改質装置であって、加圧手段１０の一例である燃料ポンプ１０ａと水ポンプ１０ｂと、加熱手段２０の一例であるヒーター２０ａ，２０ｂと、混合手段３０と、分離手段４０と、水回収手段５０とを具備している。
【００３９】
そして、燃料ポンプ１０ａとヒーター２０ａは燃料供給部Ａに配設されている。また、水ポンプ１０ｂとヒーター２０ｂは水供給部Ｂに配設されている。更に、混合手段３０は燃料−水供給部Ｃに配設されている。また、分離手段４０は、燃料−水供給部Ｃにおいて混合手段３０の後段に配設されている。更に、水回収手段５０は、分離手段４０と水供給部Ｂに配設された水ポンプ１０ｂとの間を連通するように配設されている。
【００４０】
加圧手段１０は、少なくとも燃料供給部Ａ及び水供給部Ｂの下流側に接続された燃料−水供給部Ｃを流通する燃料及び水の少なくとも一部の圧力を超臨界状態又は亜臨界状態となる圧力に加圧するものである。第１実施形態においては、燃料ポンプ１０ａとしては従来公知の燃料フィードポンプを適用しており、水ポンプとしては燃料フィードポンプとほぼ同様のものを適用している。
【００４１】
加熱手段２０は、少なくとも燃料−水供給部Ｃを流通する燃料及び水の少なくとも一部の温度を超臨界状態又は亜臨界状態となる温度に加熱するものである。第１実施形態においては、ヒーター２０ａ、２０ｂを適用している。
【００４２】
混合手段３０は、燃料−水供給部Ｃを流通する燃料及び水の少なくとも一部を混合するものである。第１実施形態においては、断熱容器に収納された静的ミキサーを適用している。
なお、加熱手段２０及び加圧手段１０が混合手段３０の前段に配置されている構成とすることにより、上述したように燃料と水とが互いに拡散し合うため、より効率良く混合させることが可能となり、内燃機関の性能の悪化をより抑制ないし防止しながら、内燃機関へ供給する燃料を改質することができる。
【００４３】
図２は、第１実施形態に適用した混合手段の概略的な構造を示す斜視図、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
図２に示すように、混合手段は、静的ミキサー３２と、仮想線で示すようにそれを収納する断熱容器３４とを有している。
また、図３に示すように、第１実施形態で適用した静的ミキサー３２は、燃料供給部Ａの下流側末端部に相当する燃料流路３２ａと、水供給部Ｂの下流側末端部に相当する水流路３２ｂと、燃料−水供給部Ｃの上流側末端部に相当する燃料−水流路３２ｃとを有している。
【００４４】
このような静的ミキサーは、通常の羽を回転させるようなミキサーと比較して構造が単純であり、高温・高圧条件下においても好適に用いることができる。
また、燃料流路や水流路、燃料−水流路は、高温・高圧条件下の使用に耐え得るものであれば例えば流路径について特に限定されるものではない。
【００４５】
このような静的ミキサーを構成する材料としては、金属であれば、超臨界水に腐食され難いハステロイ（登録商標）やインコネル（登録商標）などを好適例として挙げることができるが、これらに限定されるものではない。すなわち、超臨界水に腐食されにくく、耐熱性があるセラミックやガラス、更には単結晶シリコンなどを用いることもできる。
【００４６】
また、このような静的ミキサーは、例えば所定の形状に加工された円板状セグメントを所定の配置で組み合わせることによって、所定の流路を形成を有するように容易に製造することができるため、上述した比較的加工し難い材料であっても適用することができる。
また、図示しないが、静的ミキサーとしては、流路の表面に凹凸を有するもの、折れ曲がった流路を有するもの、途中にオリフィス構造を有する流路を有するもの、途中で分離・合流する流路を有するものなどを挙げることができる。
【００４７】
分離手段４０は、図１に示すように、燃料−水供給部Ｃを流通する水の少なくとも一部を分離するものである。なお、分離手段４０の下流側は、残りの改質燃料を図示しない内燃機関に供給するための改質燃料供給部Ｄに連通している。第１実施形態においては、油水分離膜を適用している。
【００４８】
図４は、第１実施形態に適用した分離手段の概略的な構造を示す断面図である。
同図に示すように、分離手段４０’は、油水分離膜４２を有している。
このような油水分離膜を構成する材料としては、超臨界状態又は亜臨界状態の燃料及び水の混合物の腐食に耐え得るセラミックを好適例として挙げることができるが、これに限定されるものではない。すなわち、温度と圧力とを若干低下させる必要はあるものの例えばポリマーを用いることもできる。
【００４９】
水回収手段５０は、図１に示すように、分離手段４０で分離される水を回収し、水供給部Ｂに還送するものである。第１実施形態においては、分離手段４０と水供給部Ｂに配設された水ポンプ１０ｂとを連通する配管により構成されている。
【００５０】
続いて、第１実施形態の燃料改質装置の動作について説明する。
【００５１】
まず、燃料タンクに貯留された燃料は、燃料ポンプによって超臨界状態又は亜臨界状態となる圧力に加圧されて静的ミキサーに送られる。この際、燃料は、ヒーターによって、超臨界状態又は亜臨界状態となる温度に加熱され、超臨界状態又は亜臨界状態となる。
【００５２】
一方、水タンクに貯留された水は、水ポンプによって超臨界状態又は亜臨界状態となる圧力に加圧された静的ミキサーに送られる。この際、水は、ヒーターによって、超臨界状態又は亜臨界状態とする温度に加熱され、超臨界状態又は亜臨界状態となる。
【００５３】
次に、超臨界状態又は亜臨界状態となった燃料及び水は、静的ミキサーにおいて、合流部において発生する乱流により混合され、局所的な燃料と水との割合の偏りが小さくなる。これにより、超臨界状態又は亜臨界状態の水の酸化作用が大きくなり、燃料が改質されて、改質燃料及び水となる。
更に、静的ミキサーで混合されて、改質された改質燃料と水との混合物は、分離手段に送られる。
【００５４】
次に、改質燃料と水とは、油水分離膜によって、透過可能な水が分離される（図４参照。）。分離された水は殆ど減圧されないでしないで水供給部に配設される水ポンプに還送される。一方、透過不可能な改質燃料は、分離手段の下流側に連通する改質燃料供給部により、内燃機関に供給される。
このように、分離された水を水供給部に配設された水ポンプに還送することにより、水を再利用する際に、超臨界状態又は亜臨界状態となる温度にまで加熱するためのエネルギーを節約することが可能である。なお、場合によっては、分離された水の温度を低下させ、水供給部に配設される水タンクに還送することも可能である。
【００５５】
油水分離膜を適用した分離手段では、分離手段内に燃料と水の混合物が存在する時間や圧力、温度を調整することによって、分離できる水の量を調整できる。例えば、燃料ポンプ、水ポンプの流量を上げると、燃料と水の混合物が分離手段内を通過する時間が短くなり、燃料に含まれる水の割合が高いまま、燃料供給手段（インジェクタ）に連通する改質燃料供給部により、内燃機関に供給されるので、このような効果を利用すれば、内燃機関に供給する燃料に含まれる水の割合を調節できる。また、圧力を上げると油水分離膜を透過可能な水の量が増えるため、圧力を制御しても、同様の効果が得られる。
【００５６】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に適用した分離手段の概略的な構造を示す断面図である。
同図に示すように、分離手段４０”は、油水分離槽４４と、温度制御手段の一例である冷却フィン４６とを有している。
なお、分離手段以外のその他の構成は、第１実施形態と同様であり、その説明は省略する。
【００５７】
続いて、第２実施形態の燃料改質装置の動作について説明する。
なお、分離手段以外のその他の動作は、第１実施形態とほぼ同様であり、その説明は省略する。
【００５８】
静的ミキサーで混合されて、改質された改質燃料と水との混合物は、分離手段に送られる。その際、油水分離槽に連通する燃料−水供給部に設けられた冷却フィンの作用により燃料−水供給部を流通する混合物は冷却されて、油水分離槽に送られる。油水分離槽においては、冷却されて超臨界状態又は亜臨界状態でなくなった改質燃料及び水は、水分子の水素結合の影響が強まり、改質燃料と水とに分離する。その際、比重の違いにより、改質燃料は上方に、水は下方に集まることになる。このように分離された水は、下方から水回収手段により回収され、例えば水供給部の水ポンプなどに還送される。一方、分離された改質燃料は、上方から燃料供給手段（インジェクタ）に連通する改質燃料供給部により、内燃機関に供給される。
【００５９】
温度制御手段を有する油水分離槽を適用した分離手段においても、改質燃料と水との混合物の温度や、分離手段内の温度、分離手段内の圧力を調整することによって、分離できる水の量を調整できる。例えば、内燃機関に供給する燃料に含まれる水の割合を調節できる。
【００６０】
また、上記各実施形態の燃料改質装置には、例えば上述した内燃機関の排気ガス排出部を流通する水の少なくとも一部を分離し得る他の分離手段と、該他の分離手段で分離された水を回収し、上述した水供給部に還送する他の水回収手段とを更に具備させることができる。
このような構成とすることにより、内燃機関に水を供給することを要する場合であっても、内燃機関の性能の悪化をより抑制ないし防止しながら、内燃機関へ供給する燃料を改質することができる。
【００６１】
更に、上記各実施形態の燃料改質装置には、例えば混合手段と分離手段との間に改質触媒を有する改質手段を更に具備させることができる。
このような構成とすることにより、超臨界状態又は亜臨界状態の水の酸化作用と改質触媒による改質作用とにより、燃料が効率良く改質されて、改質燃料及び水となるため、内燃機関の性能の悪化をより抑制ないし防止しながら、内燃機関へ供給する燃料を改質することができる。
【００６２】
以下、図面を参照しながら更に詳細に説明する。
【００６３】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係る燃料改質装置の構成の概略を示す図である。
なお、第１実施形態又は第２実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
同図に示すように、第３実施形態の燃料改質装置は、内燃機関の燃料供給系に適用される燃料改質装置であって、加圧手段１０の一例である燃料ポンプ１０ａと水ポンプ１０ｂと、加熱手段２０の一例であるヒーター２０ａ，２０ｂと、混合手段３０と、分離手段４０と、水回収手段５０とを具備している。
更に、第３実施形態の燃料改質装置は、他の分離手段６０と、他の水回収手段７０と、改質手段８０とを具備している。
【００６４】
そして、燃料ポンプ１０ａとヒーター２０ａは燃料供給部Ａに配設されており、燃料供給部Ａの上流側末端部には燃料タンクＡ’が配設されている。また、水ポンプ１０ｂとヒーター２０ｂは水供給部Ｂに配設されており、水供給部Ｂの上流側末端部には水タンクＢ’が配設されている。更に、混合手段３０と改質手段８０は燃料−水供給部Ｃに配設されている。また、分離手段４０は、燃料−水供給部Ｃにおいて改質手段８０の後段に配設されている。なお、分離手段４０の下流側は、残りの改質燃料を燃料供給手段１１０及び内燃機関１００に供給するための改質燃料供給部Ｄに連通している。更に、他の分離手段６０は、内燃機関１００の排気ガス排出部Ｅから分岐した状態で配設されている。更にまた、他の水回収手段７０は、他の分離手段６０と水供給部Ｂの一部である水タンクＢ’との間を連通するように配設されている。
【００６５】
他の分離手段６０は、内燃機関の排気ガス排出部Ｅを流通する水の少なくとも一部を分離し得るものである。第３実施形態においては、排ガス排出部Ｅから分岐された配管により構成されている。
【００６６】
他の水回収手段７０は、他の分離手段６０で分離された水を回収し、上述した水供給部Ｂに還送するものである。第３実施形態においては、他の分離手段６０で分離された水を凝縮させる凝縮器７２と凝縮器７２の下流側と水供給部Ｂの一部である水タンクＢ’との間を連通する配管７４とを有している。
なお、図示しないが、凝縮器７２は排ガスを排ガス排出部Ｅに戻す配管を有している。
【００６７】
改質手段８０は、改質触媒を有している。
ここで、改質触媒としては、例えば、白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属を挙げることができる。これらの改質触媒は流路の内壁に例えばメッキなどによって配置させることができる。
【００６８】
続いて、第３実施形態の燃料改質装置の動作について説明する。
なお、他の分離手段及び他の水回収手段並びに改質手段以外のその他の動作は、第１実施形態とほぼ同様であり、その説明は省略する。
【００６９】
超臨界状態又は亜臨界状態となった燃料及び水は、静的ミキサーにおいて、合流部において発生する乱流により混合され、局所的な燃料と水との割合の偏りが小さくなる。これにより、超臨界状態又は亜臨界状態の水の酸化作用が大きくなると共に、改質触媒の改質作用も働いて、燃料が効率良く改質されて、改質燃料及び水となる。このように改質された改質燃料と水との混合物は、分離手段に送られる。
【００７０】
次に、改質燃料と水とは、油水分離膜によって、透過可能な水が分離される（図４参照。）。分離された水は殆ど減圧されないでしないで水供給部に配設される水ポンプに還送される。一方、透過不可能な改質燃料は、分離手段の下流側に連通する改質燃料供給部により、燃料供給手段を通って内燃機関に供給される。
このように、分離された水を水供給部に配設された水ポンプに還送することにより、水を再利用する際に、超臨界状態又は亜臨界状態となる温度にまで加熱するためのエネルギーを節約することが可能である。なお、場合によっては、分離された水の温度を低下させ、水供給部に配設される水タンクに還送することも可能である。
【００７１】
一方、燃料は内燃機関で燃焼し、高温の排ガスが内燃機関から排出される。排ガスには燃料の酸化で生じる二酸化炭素や水が含まれる。そのため、排ガスの一部を他の分離手段で分離して、凝縮器で冷却することにより、水分が凝縮して液体の水が得られる。得られた水は水供給部の一部である水タンクに還送される。
このように、排ガスから分離された水を回収することにより、例えば改質で水が消費され減少してしまった場合でも、改質に用いる水を補充するというユーザーの手間を軽減することができる。
更に、分離手段で分離し、水回収手段で回収した水は、圧力は超臨界状態又は亜臨界状態となる高い圧力を維持している一方、他の分離手段で分離し、他の水回収手段で回収した水は、温度も圧力も低い。そこで、分離手段で分離した水と他の分離手段で分離した水とは別の配管により水供給部へ還送した方がよい。水ポンプは供給する水の圧力を切り替えられるものであることが望ましく、水タンク内と水回収手段内の水の量に応じて、いずれの水を混合手段に供給するかを切り替えることできるものであることが望ましい。
また、このような構成とすることにより、内燃機関に水を供給することを要する場合であっても、内燃機関の性能の悪化をより抑制ないし防止しながら、内燃機関へ供給する燃料を改質することができる。
【００７２】
次に、本発明の一実施形態に係る内燃機関システムについて詳細に説明する。
本実施形態の内燃機関システムは、上述した本発明の一実施形態に係る燃料改質装置を具備するものである。
このような構成とすることにより、内燃機関へ供給する燃料を改質しながら、内燃機関の性能の悪化を抑制ないし防止することができる。
また、内燃機関の運転状態に適した改質燃料を内燃機関に供給することが可能である。
【００７３】
図面を参照しながら更に詳細に説明する。
【００７４】
（第１実施形態）
図７は、第１実施形態に係る内燃機関システムの構成の概略を示す図である。
なお、上述した第１実施形態〜第３実施形態に係る燃料改質装置において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
同図に示すように、第１実施形態の内燃機関システムは、上述した燃料改質装置を具備するものであって、加圧手段１０の一例である燃料ポンプ１０ａと水ポンプ１０ｂと、加熱手段２０の一例であるヒーター２０ａ，２０ｂと、混合手段３０と、分離手段４０と、水回収手段５０と、他の分離手段６０と、他の水回収手段７０と、内燃機関１００と燃料供給手段１１０と、制御装置１２０とを具備している。
【００７５】
なお、図示しないが、内燃機関１００は温度センサーが配設されており、水タンクには貯留量センサーが配設されており、排ガス排出部ＥにはＮＯｘセンサーが配設されており、これらのセンサーは制御装置１２０に各々のデータを入力するようになっている。
また、制御手段１２０は、入力されたデータと予め設定された基準データとに基づいて、加圧手段１０や加熱手段２０、水回収手段５０、他の水回収手段６０などを制御する。
【００７６】
このような構成の内燃機関システムは、通常は、予め設定された通常運転データに基づいて、具備する燃料改質装置により燃料を改質し、改質された燃料を燃料供給手段（インジェクタ）により内燃機関に供給することによって、内燃機関へ供給する燃料を改質しながら、内燃機関の性能の悪化を抑制ないし防止している。
【００７７】
続いて、第１実施形態の内燃機関システムの別の動作について若干の具体例を挙げて説明する。
【００７８】
一般的に、内燃機関内の温度が高くなると内燃機関内における窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成割合が高くなる。
このとき、温度センサー又はＮＯｘセンサーからの入力データが予め設定された基準データを超えて、内燃機関の温度や排ガスのＮＯｘ濃度が基準を超えて高温になる前やＮＯｘが排出される前に、例えば分離手段で分離する水の割合を低減し、内燃機関に所定の割合で水を含む改質燃料ないし燃料を供給することができる。なお、分離手段で分離する水の割合は、加圧手段１０や加熱手段２０、分離手段４０、水回収手段５０などを適宜制御することにより調整することができる。これにより、内燃機関の運転状態を適切に制御することができる。また、このとき、他の分離手段により排ガス中の水を分離し、他の水回収手段により回収することとすれば、内燃機関へ供給する燃料を改質しながら、内燃機関の性能の悪化を抑制ないし防止することができる。
【００７９】
また、改質燃料への溶け込みや改質による消費により改質に用いる水が減少することがある。
このとき、貯留量センサーからの入力データが予め設定された基準データを超えて、水タンクの貯水量が基準を超えて少なくなる前に、例えば他の分離手段により排ガス中の水を分離し、水回収手段により回収することとすれば、内燃機関へ供給する燃料を改質しながら、内燃機関の性能の悪化を抑制ないし防止することができる。
【００８０】
このように、内燃機関の運転状態に応じて、分離手段及び水回収手段による水回収率と、他の分離手段及び他の水回収手段による水回収率とを制御することによって、内燃機関へ供給する燃料を改質しながら、内燃機関の性能の悪化を抑制ないし防止することができる。
また、内燃機関の運転状態により適した改質燃料を内燃機関に供給することが可能となる。
【００８１】
以上、本発明を若干の実施形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【００８２】
例えば、上述した各実施形態に記載した構成は、各実施形態毎に限定されるものではなく、例えば他の分離手段及び他の水回収手段の有無、改質手段の有無などの構成を変更したり、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたりすることができる。
【００８３】
また、上記実施形態においては、混合手段として静的ミキサーを適用した場合について説明したが、例えば高温、高圧状態における可動部をシールすることができれば、羽を回すような動的ミキサーを混合手段として適用した場合についても、本発明を適用することができる。
【００８４】
また、上記実施形態においては、温度制御手段として冷却フィンを適用した場合について説明したが、例えば温度を制御することができれば、各種の熱交換器を適用した場合についても、本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】第１実施形態に係る燃料改質装置の構成概略図である。
【図２】第１実施形態に適用した混合手段の概略的な構造を示す斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】第１実施形態に適用した分離手段の概略的な構造を示す断面図である。
【図５】第２実施形態に適用した分離手段の概略的な構造を示す断面図である。
【図６】第３実施形態に係る燃料改質装置の構成概略図である。
【図７】第１実施形態に係る内燃機関システムの構成概略図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０  加圧手段
２０  加熱手段
３０  混合手段
４０  分離手段
５０  水回収手段
【図１】
2010112315.tif 000003
【図２】
2010112315.tif 000004
【図３】
2010112315.tif 000005
【図４】
2010112315.tif 000006
【図５】
2010112315.tif 000007
【図６】
2010112315.tif 000008
【図７】
2010112315.tif 000009