(57)【要約】【課題】運転状態に応じた速い反応で燃料を改質し、運転状態に適したオクタン価の燃料を供給することができるので、着火時期を制御することができ、例えばＨＣＣＩガソリン内燃機関に好適に用いることができる内燃機関の光触媒燃料改質システムを提供する。【解決手段】内燃機関２と、内燃機関２に燃料を供給するための燃料タンク３と、光を照射する光源６と、燃料タンク３から内燃機関２に供給される燃料の流通路４に設けた光触媒７とを備えた内燃機関の光触媒燃料改質システム１であって、光源６から照射される光の波長領域及び／又は光量を変更する光制御手段を備え、光制御手段は、内燃機関２の運転状態に応じて、光触媒７が光源から照射された光の少なくとも一部を吸収して燃料のオクタン価を向上させるように、光源６から照射される光の波長領域及び／又は光量を変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、該内燃機関に燃料を供給するための燃料タンクと、光を照射する光源と、上記燃料タンクから内燃機関に供給される燃料の流通路に設けた光触媒とを備えた内燃機関の光触媒燃料改質システムであって、
上記光源から照射される光の波長領域及び／又は光量を変更する光制御手段を備え、
上記光制御手段は、上記内燃機関の運転状態に応じて、上記光触媒が光源から照射された光の少なくとも一部を吸収して燃料のオクタン価を向上させるように、上記光源から照射される光の波長領域及び／又は光量を変化させることを特徴とする内燃機関の光触媒燃料改質システム。
【請求項２】
上記内燃機関が予混合圧縮着火燃焼を行う内燃機関であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の光触媒燃料改質システム。
【請求項３】
バンドギャップエネルギーの異なる複数種類の光触媒を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光触媒燃料改質システム。
【請求項４】
波長領域の異なる光を照射する複数の光源を設け、
上記光制御手段は、上記内燃機関の運転状態に応じて、上記複数の光源を選択的に使用して、上記光源から照射される光の波長領域を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の内燃機関の光触媒燃料改質システム。
【請求項５】
特定の波長領域の光を透過させる光学フィルターを有する光源と、該光学フィルターを有していない光源とを設け、
上記光制御手段は、上記内燃機関の運転状態に応じて、上記光学フィルターを有する光源又は光学フィルターを有していない光源を選択的に使用して、上記光源から照射される光の波長領域を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の内燃機関の光触媒燃料改質システム。
【請求項６】
上記光制御手段は、上記光源に供給される電流の電流値及び／又は上記光源に印加される電圧の電圧値を変化させて光量を増減することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の内燃機関の光触媒燃料改質システム。
【請求項７】
透過率の異なる複数の減光フィルターを設け、上記光制御手段は、透過率の異なる減光フィルターを選択的に使用して光量を増減することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の光触媒燃料改質システム。
【請求項８】
上記光触媒に熱を伝達する熱伝達装置を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の光触媒燃料改質システム。
【請求項９】
上記熱伝達装置は、上記光触媒に赤外線を照射する光源であることを特徴とする請求項８に記載の光触媒燃料改質システム。
【請求項１０】
上記熱伝達装置は、上記内燃機関から排出された排熱を伝達する配管装置であることを特徴とするにより熱エネルギーを供給する配管であることを特徴とする請求項８に記載の光触媒燃料改質システム。
【請求項１１】
上記熱伝達装置は、上記光触媒を加熱する加熱装置であることを特徴とする請求項８に記載の光触媒燃料改質システム。
【請求項１２】
上記光触媒が酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ及び酸化セリウムから成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つの項に記載の光触媒燃料改質システム。
【請求項１３】
光触媒によってオクタン価を向上させた燃料を貯留する貯留タンクを備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つの項に記載の光触媒燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒を用いて燃料を改質し、運転状態に応じて適したオクタン価の燃料を供給する光触媒燃料改質システムに関する。特に、運転状態に応じた速い反応で燃料のオクタン価を制御することが可能であり、予備混合圧縮着火燃焼を行う内燃機関に好適に用いることできる内燃機関の光触媒燃料改質システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
予混合圧縮着火燃焼を行う内燃機関（Homogeneous Charge Compression Ignition 以下「ＨＣＣＩガソリン内燃機関」と称する。圧縮自己着火式ガソリン内燃機関ともいう。）は、ＮＯｘやＣＯ２の排出量が少なく、優れた排ガス性能と高い熱効率を両立でき、理想に近い燃焼を実現できる。
【０００３】
しかし、ＨＣＣＩガソリン内燃機関は、吸気行程又は圧縮行程に燃料を噴射して予混合気を形成し、圧縮により着火・燃焼させるために、燃料が比較的早期に噴射される。そのため、高負荷時などに予混合気の燃焼速度が過大になると、過早着火（圧縮行程の途中で混合気の爆発が始まってしまう現象）が生じ、振動等が生じてしまう場合がある。このように、ＨＣＣＩガソリン内燃機関は、着火や燃焼の制御が難しく、運転領域が制限されるという課題がある。
【０００４】
着火時期を制御するために、吸気温度の制御や、内部ＥＧＲ（排気再循環）装置の導入、可変圧縮装置の制御等、多くの制御システムが試みられている（非特許文献１）。
【非特許文献１】畑村耕一，「ＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）ガソリンエンジンの可能性と課題」．自動車技術会論文集  ２００５４１７２，ＶＯｌ．３６，Ｎｏ．２，（２００５）。
【０００５】
ところで、近年において、様々な燃料の着火遅れは、ある程度燃料のオクタン価を相関があることが知られており、燃料のオクタン価が高くなると、着火遅れが長く成る傾向があることが報告されている（非特許文献２）。
【非特許文献２】田中重行ら著，「リデューストスキームを用いたノルマルヘプタン・イソオクタン混合燃料混合気のＨＣＣＩ燃焼特性に関する化学反応速度論的検討（第１報）−０次元モデルによる検討−」，自動車技術会論文集  ２００４４２５５，Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．２，（２００４）。
【０００６】
上記非特許文献２によれば、オクタン価の異なる燃料を複数使用することで、着火時期を制御できる可能性があることを示している。
【０００７】
オクタン価の異なる燃料を複数使用するシステムとして、内燃機関の燃焼室内に高オクタン価燃料を供給する第１の燃料供給手段と、低オクタン価燃料を供給する第２の燃料供給手段を備えたシステムが提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−１９７６６０号公報
【０００８】
また、組成が異なる複数種類の燃料に分離する燃料分離部を備え、複数種類の燃料の中からいずれかの燃料を選択又は混合して、内燃機関に所望の燃焼を供給するシステムが提案されている（特許文献２）。
【特許文献２】特開２００７−２３１７６１号公報
【０００９】
さらに、触媒反応を利用して燃料を改質し、運転状態に応じて改質ガスと高オクタン価燃料とを使い分けて使用するシステムが提案されている（特許文献３）。また、燃料を低オクタン価燃料と高オクタン価燃料に分離分留し、触媒反応を利用して、低オクタン価燃料のオクタン価を高める改質を行ってから、この燃料を分離した高オクタン価燃料と所定の比率で混合させて供給するようにしたシステムが提案されている（特許文献４）。
【特許文献３】特開２０００−２９１４９９号公報
【特許文献４】特開２０００−３２９０１３号公報
【００１０】
上記特許文献３又は４に記載されているような触媒反応は、一般的に熱エネルギーを利用する熱触媒反応を意味する。近年は、太陽光等の光エネルギーを利用する、よりクリーンなイメージの光触媒反応も着目されており、光触媒の研究が盛んになっている。
【００１１】
光触媒は、バンドギャップエネルギー以上の光を吸収すると価電子帯の電子が伝導帯に励起されることにより正孔を生じる。この正孔と電子が触媒表面に移動することによって、ヒドロキシラジカル、スーパーオキサイドアニオンなどの活性種が生成すると考えられている。
これらの活性種は、非常に高い酸化力を持っており、有機物を容易に酸化分解することができる。近年、光触媒反応を利用して、光触媒を用いた空気浄化、水浄化、防汚・防曇などが実用化されている（非特許文献３）。
【非特許文献３】藤島  昭，「セラミックス」，３９，２００４，Ｎｏ．７
【００１２】
光触媒は光の吸収により、上記メカニズムによって光触媒反応が進行するので、クリーンなイメージの太陽光等の光エネルギーを利用することができる。
このように、光触媒は、従来の触媒とは異なり、熱エネルギーなどを供給する必要がない特徴を有する。
しかし、光触媒は十分な反応速度が得られていないという不都合がある。この理由として、光の利用効率が少ない点が挙げられる。
【００１３】
現在、価格や化学安定性などの観点から酸化チタンが光触媒として最も使用されているが、酸化チタンは、そのバンドギャップが３．２ｅＶと高く、紫外光しか吸収できない。
この紫外光は、太陽光中には約３％程度しか含まれておらず、室内で使用される蛍光灯では、蛍光物質により紫外光を可視光に変換しているために、蛍光灯から照射される光には殆ど含まれていない。また、自動車等の車内においては、紫外線をカットするガラスが多く使用されているために、可視光のみが利用可能であり、紫外線を利用しにくい。
このように、光触媒として酸化チタンを使用した場合は、酸化チタンを励起するバンドギャップエネルギー以上の光エネルギーが得られていないのが実情である。
【００１４】
これに対して、可視光は太陽光に約５０％程度含まれおり、室内や車内などにおいても、可視光の利用が可能であるので、可視光によって励起されるバンドギャップを有する物質を光触媒として利用できれば、さらに速い反応速度で光触媒反応を利用できる。
そのため、可視光領域に新たな吸収バンドが現れるように、バンドギャップエネルギーの縮小化が検討されている。
【００１５】
伝導帯及び価電子帯のエネルギーは、酸素の軌道によって支配されるため、バンドギャップエネルギーを縮小化するためには、いずれかの軌道を制御すればよい。
しかし、金属側の軌道を制御すると、電子と正孔の再結合中心を生成するために、光触媒活性が低下することが知られている。
そのため、価電子帯のエネルギーが酸素よりも高い元素に置換してから軌道を制御する必要がある。
【００１６】
窒素原子の価電子は、酸素原子の価電子よりも高いエネルギーを持つため、バンドギャップエネルギーを縮小化することができ、可視光を利用できる可能性がある。
例えばＮＯｘ処理、アンモニア処理による窒素をドープした酸化チタン（例えば、非特許文献４参照）や、オキシナイトライド系材料（例えば、特許文献５及び特許文献６参照）が提案されている。
【非特許文献４】佐藤しんり，「光触媒とはなにか」，講談社，２００４年
【特許文献５】特開２００２−０６６３３３号公報
【特許文献６】特開２００４−２３０３０６号公報
【００１７】
一方、触媒活性そのものを向上させるためにも様々な研究・開発がなされている。
例えば反応物の触媒表面への吸着量を増加させるために、多孔質物質と光触媒を組み合わせたり、光励起により生成された電子や正孔を失活させずに触媒表面に到達させるために、結晶性を向上させたり、粉末を微粉化したりしている（例えば、特許文献７参照）。また、電荷分離を促進させたりするために、金属を担持させたりしている（例えば、特許文献８参照）。
【００１８】
光触媒の応用研究・開発も盛んであり、水分解による水素生成や汚れ取りなどの有機物分解以外にも光触媒を応用した例が多数報告されている。
このような応用例として、光触媒含有層を有する親水性メッシュシートを温室屋内に設置し、この親水性メッシュシートに水を流下して蒸発させ、気化熱や気化した水蒸気により周囲の温度や湿度を調節する方法が提案されている（特許文献９）
【特許文献９】特開２００５−０１３１３２号公報
【００１９】
また、光触媒は、有機物分解ではなく有機物合成にも応用されている。光学活性体である（Ｓ）−リシン（Ｌ−リシン）を原料として、光触媒を反応させると、環状アミノ酸の一種であるピペコリン酸が生成される。このピペコリン酸は医薬品の原料となるものの、天然物から得ることは殆ど不可能であるため、光触媒反応により人工的にピペコリン酸（光学活性体）を合成することができる（非特許文献５）。
【非特許文献５】大谷文章，「光触媒のしくみがわかる本」，技術評論社，２００３年
【００２０】
また、燃料の脱硫効率を改善するために、光触媒を適用する方法も提案されている（特許文献１０）。その他、燃料を貯留するタンク内に光触媒を配置し、この光触媒によってタンク内の燃料を改質する燃料タンクが提案されている（特許文献１１，１２）。
【特許文献１０】特許第３７２３８４１号公報
【特許文献１１】特開平１０−１７６６１５号公報
【特許文献１２】特開２００６−３０７７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
燃料の改質に触媒反応を適用する例は多く見られるものの、例えば、熱触媒反応は、熱エネルギーによって触媒反応が進行するため、刻々と変化する運転状態に応じた速い反応で、燃料を改質することは難しい。また、上記のように光触媒を利用した場合であっても、光触媒反応は、燃料タンク内で進行するため、運転状態に応じた速い反応で燃料を改質することは困難である。
【００２２】
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、運転状態に応じた速い反応で燃料を改質し、運転状態に適したオクタン価の燃料を供給することができるので、着火時期を制御することができ、例えばＨＣＣＩ（予混合圧縮着火式）ガソリン内燃機関に好適に用いることができる内燃機関の光触媒燃料改質システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意検討を重ねた結果、光を照射する光源と、燃料タンクから内燃機関の燃焼室に供給される燃料の流通路に配置した光触媒とを設け、上記光源から照射される光の波長領域及び／又は光量を変化させる光制御手段を備えたことによって、上記目的を達成し得ることを見出した。
【００２４】
即ち、本発明は、内燃機関と、該内燃機関に燃料を供給するための燃料タンクと、光を照射する光源と、上記燃料タンクから内燃機関に供給される燃料の流通路に設けた光触媒とを備えた内燃機関の光触媒燃料改質システムであって、上記光源から照射される光の波長領域及び／又は光量を変更する光制御手段を備え、上記光制御手段は、上記内燃機関の運転状態に応じて、上記光触媒が光源から照射された光の少なくとも一部を吸収して燃料のオクタン価を向上させるように、上記光源から照射される光の波長領域及び／又は光量を変化させる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、内燃機関の運転状態に応じて、光源から照射される光の波長領域及び／又は光量を変更する光制御手段を備えたことによって、光触媒の反応性を向上させることができ、刻々と変化する運転状態に応じた速い反応で、運転状態に適したオクタン価となるように燃料の改質を行うことができる。
このように本発明によれば、運転状態に応じてオクタン価を制御した燃料を内燃機関に供給することができるので、内燃機関の着火時期を制御することができ、着火や燃焼の制御が難しく、運転領域が制限されるＨＣＣＩガソリン内燃機関に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。なお、本明細書において、収率などの「％」は、特記しない限り、質量百分率を表すものとする。
【００２７】
図１は、本発明の内燃機関の光触媒燃料改質システムを適用したＨＣＣＩガソリン内燃機関（以下、「エンジン２」という。）を示すシステム構成図である。
【００２８】
光触媒燃料改質システム１は、エンジン２と、エンジン２に燃料を供給するための燃料タンク３と設けている。
【００２９】
燃料タンク３からエンジン２に燃料を供給するための流通路４には、光触媒改質部５を設けている。光触媒改質部５には、光を照射する光源６と、該光源６から照射された光の少なくとも一部を吸収可能な部位に光触媒７が設けられている。
また、光触媒改質部５を構成する流通路４の側壁の少なくとも一部には、光源５から照射された光を透過させて、該透過した光の少なくとも一部を光触媒７が吸収可能となるように、光透過性基板８が配置されている。
【００３０】
エンジン２のコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」と称する。）１０には、エンジン２の制御のため、図示を省略した各種センサからの検出信号が入力される。各種センサとしては、機関回転速度Ｎｅを検出する機関回転センサ、アクセル開度（要求負荷）ＡＰＯを検出するアクセル開度センサなどがあり、これらのセンサにより検出される結果に基づいて、運転状態パラメータ（運転状態信号）を監視する。
【００３１】
また、ＥＣＵ１０は、エンジン２の運転状態信号に基づいて、光源６に信号を出力し、光源６から照射された光によって光触媒７が活性化されて燃料のオクタン価を向上させるように、光源６から光触媒７に照射される光の波長領域及び／又は光量を変更する。
光源６は、後述するように波長領域が異なる光を照射する複数の光源６を選択的に使用して、光源から照射される光の波長領域を変化させることができるもの、光源に供給される電流又は電圧を変更することによって光源６から照射される光の光量を変化させることができるものを使用することが好ましい。
【００３２】
次に、光触媒について説明する。
光触媒７は、光源６から照射される光を吸収可能な位置に配置されていればよく、流通路４を流通する燃料中に懸濁させてもよく、燃料の流通路４を構成する配管の内壁に固定化させてもよい。
光触媒７は、光源６から照射された光を吸収することが可能な部位であれば、燃料タンク３からエンジン２の燃焼室内に供給される燃料の流通路４の一部となる燃料タンク３の底面を含む内壁等に固定化されていてもよい。
【００３３】
光触媒７は、光源６から照射された光を吸収して励起され、活性種を放出することによって、燃料中のオクタン価の低い物質（例えばｎ−ヘキサン）をオクタン価の高い物質（例えば２−メチルペンタン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサンなど）に転化する。
【００３４】
光触媒７は、バンドギャップエネルギーの異なる複数種類の光触媒を設けることが好ましい。
バンドギャップエネルギーの異なる複数種類の光触媒は、１種類ずつ別々の箇所に配置してもよく、複数種類の光触媒を所定の比率（例えば等量）で混合したものを同じ箇所に配置してもよい。
【００３５】
バンドギャップエネルギーの異なる複数種類の光触媒を設けた場合には、照射する光の波長領域を変更することによって、燃料のオクタン価を制御することができる。
バンドギャップが比較的広い光触媒は、短波長側の光を吸収して燃料中のオクタン価の低い物質をオクタン価の高い物質に転化する。一方、バンドギャップの比較的狭い光触媒は、より長波長側の光も吸収して燃料中のオクタン価の低い物質をオクタン価の高い物質に転化する。
【００３６】
即ち、バンドギャップが比較的狭い光触媒と、バンドギャップが比較的広い光触媒を設けた場合は、長波長側の光を照射するとバンドギャップの狭い光触媒のみが活性化される。一方、短波長側の光を照射すると、バンドギャップの広い光触媒と狭い光触媒の両方が活性化される。
【００３７】
このように光触媒に照射される光の波長領域を変更することによって、光触媒の反応性を制御することができ、活性化された光触媒によって改質される燃料のオクタン価を制御することができる。
【００３８】
光触媒改質部５で燃料のオクタン価が制御され、運転状態に応じて適したオクタン価の燃料がエンジン２に供給されると、着火遅れ期間が変化し、着火時期の制御が可能となる。
例えば高負荷運転状態である場合に、光触媒改質部５でオクタン価が向上された高オクタン価の燃料がエンジン２に供給されると、着火遅れ期間が長くなり、ＨＣＣＩガソリン内燃機関における過早着火を回避して、着火時期を制御することができる。
【００３９】
光触媒７は、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ３）及び酸化セリウム（ＣｅＯ２）から成る群より選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。
【００４０】
例えばＴｉＯ２のバンドギャップエネルギーは３．２ｅＶであり、ＺｒＯ２のバンドギャップエネルギーは５．０ｅＶであり、Ｎｂ２Ｏ３のバンドギャップエネルギーは３．０ｅＶである。３．０ｅＶのエネルギーを持つ光の波長は４１３ｎｍであり、５．０ｅＶのエネルギーを持つ光の波長は２４８ｎｍである。
ＴｉＯ２とＺｒＯ２の２種類の光触媒を設けた場合は、４１３ｎｍ以上の長波長側の光を照射すると、ＴｉＯ２のみが活性化され、２４８ｎｍ以下の短波長側の光を照射すると、ＴｉＯ２とＺｒＯ２の両方が活性化される。
【００４１】
図２は、バンドギャップの異なる２種類の光触媒（ＺｒＯ２；５．０ｅＶ，ＴｉＯ２；３．２ｅＶ）を設けた場合の燃料の転化率（オクタン価）と、波長との関係を示すグラフである。
図２に示すように、例えば４１３ｎｍ以上の長波長側の光が照射された場合は、バンドギャップの比較的大きいＴｉＯ２のみが長波長側の光を吸収して、燃料中のオクタン価の低い物質をオクタン価の高い物質に転化する。
一方、例えば２４８ｎｍ以上の短波長側の光が照射された場合は、バンドギャップの小さいＺｒＯ２とバンドギャップの大きいＴｉＯ２が短波長側の光を吸収して活性化され、燃料の転化率が大きくなり、よりオクタン価を向上させる。
【００４２】
次に、本発明の一実施形態（第１実施形態）の光触媒改質システムの制御について説明する。
図３は、本発明の第１実施形態に係るエンジン２の光触媒燃料改質システムの処理動作を示すフローチャートである。
図３において、Ｓ１では、エンジン２の燃焼室内で図示を省略した点火装置によって点火が行われた後、図示を省略した各種センサから入力されたエンジン回転数や要求負荷信号等に基づいて、運転状態を読み込む。
Ｓ２では、Ｓ１で読み込んだ値に基づいて、エンジン２のトルクが所定の値Ｎｍ１に達しているか否かを判定する。
Ｎｍ１に達している場合は、Ｓ３の光触媒改質制御に進む。Ｎｍ１に達していない場合は、再度、エンジン２のトルクが所定の値にＮｍ１に達しているか否かを判定する。
【００４３】
Ｓ３では、光触媒改質制御を行う。
Ｓ３で行う光触媒改質制御は、エンジン２の運転状態に応じて、光制御手段によって、光源から照射される光の波長領域及び／又は光量を変更することで、光触媒が活性化される度合いを変更し、燃料のオクタン価の低い物質からオクタン価の高い物質へ転化率を変化させる。
【００４４】
機関回転センサ及びアクセル開度センサによって読み込んだ値に基づいて、ＥＣＵ１０が高負荷運転と判定した場合は、ＥＣＵ１０から光源６へ信号を出力し、光源６から照射される光の波長領域及び／又は光量を変更して、光触媒の活性化させる度合いを大きくし、燃料のオクタン価を向上させる。
【００４５】
Ｓ４では、ＥＣＵ１０が、エンジン２の吸気弁、排気弁の作動特性を示す信号等に基づいて筒内圧力を検出し、この筒内圧力が所定値Ｐ１に達しているか否かを判定する。また、ＥＣＵ１０は、図示しない各種センサから入力されたエンジン回転数検出信号等に基づいて、エンジン回転数が所定値ｒ１に達しているか否かを判定する。
筒内圧力がＰ１に達していない場合、又は、エンジン回転素がｒ１に達していない場合は、光触媒改質制御を繰り返す。
筒内圧力がＰ１に達しており、エンジン回転数がｒ１に達している場合は、本制御を終了する。
【００４６】
図４は、機関回転数及びトルク（負荷）と、光触媒に照射される光の波長の関係を示すグラフであり、横軸は機関回転数、縦軸はトルクを示している。
バンドギャップが３．２ｅＶ程度の光触媒は、４１３ｎｍ以上の長波長側の可視光を吸収できず、短波長側の紫外光しか吸収できない。トルクが大きい高負荷運転状態においては、高オクタン価の燃料が要求される。
図４に示すように、高負荷運転状態において要求される高オクタン価の燃料に改質するためには、光触媒が活性化される短波長側の光を多く照射する必要がある。
【００４７】
次に、本発明の実施形態（第２〜８実施形態）に係る光触媒改質システムについて説明する。
図５は、本発明の第２実施形態における光触媒改質部５の構成を示す概略図である。
図５に示すように、本例においては、光触媒改質部５は、長波長（例えば４１０〜４２０ｎｍ）側の光を照射する光源６Ａと、短波長（例えば２４５〜２５０ｎｍ）側の光を照射する光源６Ｂを設けている。また、光触媒７として、バンドギャップの狭い光触媒とバンドギャップの広い光触媒の両方を設けている。
【００４８】
ＥＣＵは、各種センサから入力された信号に基づいて、エンジンの運転状態に応じて、例えば、高負荷、高速回転の運転状態の場合は、短波長側の光を照射する光源６Ｂを選択的に点灯させる信号を出力し、光源６Ｂを点灯させる。
【００４９】
光源６Ｂから光が照射されると、光触媒７が活性化されて、燃料中のオクタン価の低い物質をオクタン価の高い物質へ転化する。光源６Ｂから短波長の光が照射されると、この短波長の光を吸収するバンドギャップの狭い光触媒とバンドギャップの広い光触媒の両方が活性化され、オクタン価の高い物質への転化率が大きくなり、燃料のオクタン価が向上される。
【００５０】
高負荷運転状態において、光触媒改質部５から高オクタン価の燃料がエンジン２に供給されると、着火遅れ期間が長くなり、ＨＣＣＩガソリン内燃機関における過早着火等の不具合を回避して、着火時期を制御することができる。
【００５１】
一方、低負荷、低速回転の運転状態の場合は、ＥＣＵは、高オクタン価の燃料を供給する必要性が低いため、長波長側の光を照射する光源６Ａを選択的に点灯させる信号を出力し、光源Ａを点灯させる。
【００５２】
光源６Ａから長波長の光が照射されると、この長波長の光を吸収するバンドギャップの狭い光触媒のみ活性化され、この長波長の光を吸収しないバンドギャップの広い光触媒は活性化されず、燃料の転化率は小さくなり、燃料のオクタン価はやや大きくなる。
【００５３】
低負荷運転状態においては、予混合気の燃焼速度が過大になりにくく、過早着火等が起こりにくいため、着火遅れ期間を変化させる必要性が低く、比較的オクタン価の低い燃料が供給されても容易に着火時期を制御することができる。
【００５４】
図６は、本発明の第３実施形態における光触媒改質部５の構成を示す概略図である。
図６に示すように、本例において、光触媒改質部５に設けた光源６には、特定の波長領域の光を透過させ、他の波長領域の光をカットするカットオフフィルター（光学フィルター）９を設けている。また、光触媒７として、バンドギャップの狭い光触媒とバンドギャップの広い光触媒の両方を設けている。
【００５５】
ＥＣＵは、各種センサから入力された信号に基づいて、エンジンの運転状態に応じて、例えば、高負荷、高速回転の運転状態の場合は、短波長側（例えば波長領域が２５０ｎｍ以下）の光を透過するカットオフフィルター９を設けた光源６を選択的に点灯させる信号を出力し、光源６を点灯させる。
【００５６】
光触媒７には、カットオフフィルター９を透過した短波長側（例えば波長領域が２５０ｎｍ以下）の光のみが照射される。
光源６からカットオフフィルター９を介して短波長側の光が照射されると、この短波長の光を吸収するバンドギャップの狭い光触媒とバンドギャップの広い光触媒の両方が活性化され、オクタン価の高い物質への転化率が大きくなり、燃料のオクタン価が向上される。
【００５７】
一方、低負荷、低速回転の運転状態の場合は、ＥＣＵは、高オクタン価の燃料を供給する必要性が低いため、短波長側（例えば波長領域が２５０ｎｍ以下）の光をカットし、長波長側（例えば波長領域が２５０ｎｍを超える）の光を透過するカットオフフィルター９を設けた光源６を選択的に点灯させる信号を出力し、光源６を点灯させる。
【００５８】
光触媒７には、カットオフフィルター９を透過した長波長側（例えば波長領域が２５１〜４５０ｎｍ程度）の光のみが照射される。
光源６からカットオフフィルター９を介して長波長側の光が照射されると、この長波長の光を吸収するバンドギャップの狭い触媒のみが活性化され、バンドギャップの広い触媒は活性化されないので、燃料の転化率は小さくなり、燃料のオクタン価はやや大きくなる。
【００５９】
光制御手段によって、光源から光触媒に照射される光の波長領域を変更することが可能であると、光触媒反応によって、燃料の転化率を制御して、燃料のオクタン価を制御することができる。本例の光触媒燃料改質システムによれば、エンジンの運転状態に応じた速い反応で、オクタン価が制御された燃料を供給することができ、着火時期を制御することができる。
【００６０】
図７は、本発明の第４実施形態における光触媒改質部５の構成を示す概略図である。
図７に示すように、本例において、光触媒改質部５に複数の光源６を設け、各光源６には、電源１１から電流（Ａ）が供給され、電圧（Ｖ）が印加される。
【００６１】
ＥＣＵは、エンジンの運転状態に応じて、例えば高負荷、高速回転の運転状態の場合は、電流値及び／又は電圧値を大きくする信号を出力し、光源６から照射される光量を増大させる。
【００６２】
図８は、光触媒の燃料の転化率（オクタン価）と、光源６から照射される光の光量（ｍＷ／ｃｍ２）との関係を示すグラフである。
図８に示すように、光量が多量となる程、光触媒が活性化されて、燃料の転化率が高くなる。
【００６３】
したがって、高負荷運転状態において、光源６から照射される光の光量が多量となるように制御されると、光触媒が活性化して燃料の転化率（オクタン価）が高くなり、高オクタン価の燃料がエンジンに供給される。そして、高オクタン価の燃料供給によって、着火遅れ期間が長くなり、ＨＣＣＩガソリン内燃機関における過早着火等の不具合を回避して、着火時期を制御することができる。
【００６４】
一方、低負荷、低速回転の運転状態の場合は、高オクタン価の燃料を供給する必要性が低いため、ＥＣＵは、電流値及び／又は電圧値を大きくする信号を出力し、光源６から照射される光量を減少させる。
【００６５】
図８に示すように、光量が少なくなると、燃料の転化率が低くなる。低負荷運転状態においては、予混合気の燃焼速度が過大になりにくく、過早着火等が起こりにくいため、着火遅れ期間を長くする必要性が低く、比較的オクタン価の低い燃料が供給されても容易に着火時期を制御することができる。
【００６６】
なお、第２実施形態又は第３実施形態と、第４実施形態とを組み合わせて、光源から照射される光の波長領域及び光量を変更して、光触媒による燃料の転化率（オクタン価）を制御し、着火時期を制御するようにしてもよい。例えば異なる波長領域の光を照射する光源を選択的に点灯させる（第２実施形態）と共に、各々の光源の電流値及び／又は電圧値を変化させるようにしてもよい（第４実施形態）。また、例えば異なる波長領域の光を透過するカットオフフィルターを設けた光源を選択的に点灯させる（第３実施形態）と共に、各々の光源の電流値及び／又は電圧値を選択的に変化させるようにしてもよい（第４実施形態）。
【００６７】
図９は、本発明の第５実施形態における光触媒改質部５の構成を示す概略図である。
図９に示すように、本例において、光触媒改質部５に複数の光源６を設け、各光源６には、光源６から照射された光の一部を吸収する透過率の異なる減光（Neutral Density，ND）フィルター１２Ａ，１２Ｂを設けている。本例において、複数の光源６のうち、半数の光源には透過率の高い減光フィルター１２Ａを設け、他の半数の光源には透過率の低い減光フィルター１２Ｂを設けている。
【００６８】
ＥＣＵは、各種センサから入力された信号に基づいて、エンジンの運転状態に応じて、例えば高負荷の運転状態の場合は、透過率の高い減光フィルター１２Ａを設けた光源を選択的に点灯させる信号を出力し、光源６を点灯させる。
【００６９】
光触媒７には、光源６から透過率の高い減光フィルター１２Ａを介してフォトン数が高く、光量の多い光が照射される。光触媒７は、この光量の多い光を吸収して活性化され、燃料が改質されて燃料のオクタン価が向上される。光触媒改質部５から高オクタン価の燃料が、ＨＣＣＩガソリン内燃機関に供給されると、着火遅れ期間が長くなり、着火時期を制御することができる。
【００７０】
一方、低負荷、低速回転の運転状態の場合は、ＥＣＵは、高オクタン価の燃料を供給する必要性が低いため、透過率の低い減光フィルター１２Ｂを設けた光源を選択的に点灯させる信号を出力し、光源６を点灯させる。
【００７１】
光触媒７には、光源６から透過率の低い減光フィルター１２Ｂを介してフォトン数が低く、光量の少ない光が照射される。光触媒７は、この光量の少ない光を吸収して活性化され、オクタン価の低い物質への転化率が低くなり、燃料のオクタン価がやや大きくなる。
低負荷運転状態においては、予混合気の燃焼速度が過大になりにくく、過早着火等が起こりにくいため、比較的オクタン価の低い燃料が供給されても容易に着火時期を制御することができる。
【００７２】
なお、第２実施形態又は第３実施形態と、第５実施形態とを組み合わせて、光源から照射される光の波長領域及び光量を変更して、光触媒による燃料の転化率（オクタン価）を制御し、着火時期を制御するようにしてもよい。例えば異なる波長領域の光を照射する光源（第２実施形態）に、透過率の異なる減光フィルター（第５実施形態）を設け、各々の光源を選択的に点灯させるようにしてもよい。また、例えば複数の光源の各々に、異なる波長領域の光を透過するカットオフフィルター（第３実施形態）と、透過率の異なる減光フィルター（第５実施形態）とを設け、各々の光源を選択的に点灯させるようにしてもよい。
【００７３】
本発明の第１実施形態に係る、図１に示す光触媒改質部５において、光触媒７を加熱する加熱装置として、光源６を用いてもよい。
光源６から発生する熱エネルギーを光触媒７に供給することによって、光触媒７を活性化する光を照射した場合に、光触媒７の反応性が大幅に向上し、ＥＣＵ１０から出力された信号に素早く応答して、燃料のオクタン価を向上させることができる。
【００７４】
図１０は、本発明の第６実施形態における光触媒改質部５の概略を示す構成図である。
図１０に示すように、本例の光触媒改質部５には、光触媒７に熱を伝達するための熱伝達装置として、赤外線を照射する光源１３を設けている。
赤外線を照射する光源１３から熱エネルギーを光触媒７に供給することによって、特定の波長領域の光を吸収して光触媒７が活性化する際に、光触媒７の反応性を大幅に向上させることができ、エンジン２の運転状態に応じた速い反応で、燃料のオクタン価を向上させることができる。
【００７５】
図１１は、本発明の第７実施形態における光触媒改質部５の概略を示す構成図である。
図１１に示すように、本例の光触媒改質部５には、光触媒７に熱を伝達するための熱伝達装置として、エンジン２から排出された排熱を利用する伝熱配管１４を設けている。
伝熱配管１４を通じて、排熱の熱エネルギーを光触媒７に供給することによって、光触媒７が活性化する際に、光触媒７の反応性を大幅に向上させることができ、エンジン２の運転状態に応じた速い反応で、燃料のオクタン価を向上させることができる。
【００７６】
図１２は、本発明の第８実施形態における光触媒改質部５の概略を示す構成図である。
図１２に示すように、本例の光触媒改質部５には、光触媒７に熱を伝達するための熱伝達装置として、ヒータ１５を設けている。このヒータ１５は、流通路４の内壁に配置された光触媒７に伝熱ができるように配置している。
ヒータ１５を通じて、排熱の熱エネルギーを光触媒７に供給することによって、光触媒７が活性化する際に、光触媒７の反応性を大幅に向上させることができ、エンジン２の運転状態に応じた速い反応で、燃料のオクタン価を向上させることができる。
【００７７】
図１３は、本発明の第９実施形態に係り、内燃機関の光触媒燃料改質システムを示すシステム構成図である。
図１３に示すように、本例の光触媒燃料改質システム１は、光触媒改質部５によりオクタン価を向上させた燃料を貯留する貯留タンク１６を設けている。
貯留タンク１６にオクタン価を向上させた燃料を予め貯留しておくことによって、例えば高負荷の運転状態において、貯留タンク１６から高オクタン価の燃料を多量にエンジン２に供給することができる。
このように運転状態に応じて、予め改質された後に貯留されていた高オクタン価の燃料を多量にエンジン２に供給することができると、応答性が良好となり、運転状態に即応した着火時期の制御が可能となる。
【００７８】
第１〜９の実施形態は、各々を選択して組み合わせて用いてもよい。
例えば第１〜５の実施形態に係る光触媒改質部５に、第６〜９のいずれかに示す加熱装置を設けることによって、光触媒７の反応性を大幅に向上させて、エンジン２の運転状態に応じた速い反応で、燃料のオクタン価を向上させることができる。
【実施例】
【００７９】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００８０】
（実施例１）
光触媒として、市販の酸化チタン（Ｐ−２５、ＴｉＯ２；バンドギャップエネルギー３．０ｅＶ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ３：バンドギャップエネルギー３．４ｅＶ）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３：バンドギャップエネルギー４．０ｅＶ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２：バンドギャップエネルギー５．０ｅＶ）を各０．２ｇ（但し、酸化チタン（Ｐ−２５）は０．０２ｇ）を用いた。
改質する燃料としてｎ−ヘキサンを用いた。
上記各光触媒とｎ−ヘキサン１．５ｍＬをビーカーに投入し、撹拌子を用いて撹拌して、ｎ−ヘキサンに光触媒を懸濁させた懸濁液を得た。
上記懸濁液を入れた反応容器に、光源として超高圧Ｈｇランプを用いて、可視光（３６０〜４００ｎｍ）領域から３５０ｎｍの短波長領域に、波長領域を変更した光を照射した。照射時間は５時間であった。
上記のように、波長領域を変更した光を光触媒に照射したところ、活性化された光触媒は、酸化チタンと酸化ニオブであった。
また、上記のように波長領域を変更した光を光触媒に照射すると、燃料中のｎ−ヘキサンの一部がメチルペンタン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサンに転化（異性化）した。燃料（ｎ−ヘキサン）の転化率（オクタン価）を下記の測定方法により算出した。実施例１における燃料のオクタン価の向上代は約６であった。
【００８１】
〔オクタン価の測定方法〕
燃料中に含まれる生成物の量をＧＣ−ＦＩＤ（Gas chromatograph - Flame ionization detector）、ＧＣ−ＭＳ（Gas chromatograph - Mass spectrometer）にて測定した。
測定の結果、燃料中には、メチルペンタン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサンが検出され、ｎ−ヘキサンが極小量ではあるが、異性化、環化、部分酸化したことを確認された。
ｎ−ヘキサンのオクタン価は２４．８と低いのに対して、異性化して得られた２−メチルペンタンのオクタン価は７３．４、シクロヘキサンのオクタン価は８３．０、メチルシクロペンタンのオクタン価は９１．３と高い。
表１に、各触媒によってｎ−ヘキサンを異性化して得られた２−メチルペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロペンタンの転化率（収率：％）を示す。この表１及び上記オクタン価に基づいて、各実施例及び比較例におけるオクタン価の向上代を算出した。
【００８２】
【表１】
2010106689.tif 000003
【００８３】
（実施例２）
可視光（３６０〜４００ｎｍ）領域から３００ｎｍの短波長領域に、波長領域を変更したこと以外は、実施例１と同様にして、光を照射した。
上記のように、波長領域を変更した光を光触媒に照射したところ、活性化された光触媒は、酸化チタン、酸化ニオブ及び酸化タンタルであった。
実施例２の燃料のオクタン価の向上代は約８であった。
【００８４】
（実施例３）
可視光（３６０〜４００ｎｍ）領域から２３０ｎｍの短波長領域に、波長領域を変更したこと以外は、実施例１と同様にして、光を照射した。
上記のように、波長領域を変更した光を光触媒に照射したところ、活性化された光触媒は、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル及び酸化ジルコニウムであった。
実施例３の燃料のオクタン価の向上代は約１２であった。
【００８５】
（比較例）
波長領域を４００ｎｍにして、波長領域を変更しなかったこと以外は、実施例１と同様にして、光を照射した。
上記のように、一定の波長領域（４００ｎｍ）の光を光触媒に照射したところ、活性化された光触媒は、酸化チタンのみあった。
比較例の燃料のオクタン価の向上代は約４であった。
【００８６】
図１４は、実施例１〜３及び比較例における照射した光の波長領域と、光触媒によるオクタン価の向上代の関係を示すグラフである。
図１４に示すように、光触媒が、光源から照射された光の少なくとも一部を吸収して燃料のオクタン価を向上させるように、光源から照射される光の波長領域を変更する制御を行うと、燃料のオクタン価が向上された。
この結果から、内燃機関の運転状態に応じて、光源から照射される光の波長領域を変更する光制御手段を備えたことによって、刻々と変化する運転状態に応じて、光触媒の反応性を向上させて、燃料のオクタン価を制御することができ、着火時期の制御が可能であることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】第１実施形態における内燃機関の光触媒燃料改質システムを示すシステム構成図である。
【図２】２種類の光触媒（ＺｒＯ２，ＴｉＯ２）を設けた場合の燃料の転化率（オクタン価）と、波長の関係を示すグラフである。
【図３】第１実施形態の内燃機関の光触媒燃料改質システムの処理動作を示すフローチャートである。
【図４】機関回転数及びトルク（負荷）と、光触媒に照射される光の波長の関係を示すグラフである。
【図５】第２実施形態における光触媒改質部を概略的に示す構成図である。
【図６】第３実施形態における光触媒改質部を概略的に示す構成図である。
【図７】第４実施形態における光触媒改質部を概略的に示す構成図である。
【図８】光触媒による燃料の転化率（オクタン価）と光量（ｍＷ／ｃｍ２）との関係を示すグラフである。
【図９】第５実施形態における光触媒改質部を概略的に示す構成図である。
【図１０】第６実施形態における光触媒改質部を概略的に示す構成図である。
【図１１】第７実施形態における光触媒改質部を概略的に示す構成図である。
【図１２】第８実施形態における光触媒改質部を概略的に示す構成図である。
【図１３】第９実施形態における内燃機関の光触媒燃料改質システムを示すシステム構成図である。
【図１４】実施例１〜３及び比較例における照射した光の波長領域と、光触媒によるオクタン価の向上代の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８８】
１      内燃機関の光触媒燃料改質システム
２      ＨＣＣＩガソリン内燃機関（エンジン）
３      燃料タンク
４      流通路
５      光触媒燃料改質部
６      光源
６Ａ，６Ｂ    光源
７      光触媒
８      光透過性基板
９      カットオフフィルター
１０    ＥＣＵ
１１    電源
１２Ａ，１２Ｂ    減光フィルター
１３    赤外線を照射する光源
１４    伝熱配管
１５    ヒータ
１６    貯留タンク
【図１】
2010106689.tif 000004
【図２】
2010106689.tif 000005
【図３】
2010106689.tif 000006
【図４】
2010106689.tif 000007
【図５】
2010106689.tif 000008
【図６】
2010106689.tif 000009
【図７】
2010106689.tif 000010
【図８】
2010106689.tif 000011
【図９】
2010106689.tif 000012
【図１０】
2010106689.tif 000013
【図１１】
2010106689.tif 000014
【図１２】
2010106689.tif 000015
【図１３】
2010106689.tif 000016
【図１４】
2010106689.tif 000017