(57)【要約】【課題】本発明は、改質反応器における連続的な改質運転を妨げないようにできかつ混合気を供給するポンプの負荷を軽減できる燃料改質システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料改質システム１は、燃料を改質してアルコールを含む改質燃料を生成するものであって、酸化ガスと燃料との混合気が供給されると、改質触媒の作用下で改質反応が進行し出口から改質燃料を排出する改質反応器３と、出口から排出される改質燃料を気相と凝縮相とに分離し、気相の改質燃料を気相排出部７９１から排出し、凝縮相の改質燃料を凝縮相排出部７９２から排出する低温気液分離器７９と、気相排出部７９１からエンジンＥの吸気通路Ｅ１に至る上流蒸気配管７８１及び下流蒸気配管７８２と、エンジンＥの運転状態に応じて気相排出部７９１から吸気通路Ｅ１への気相の改質燃料の流れを断続する流路切替弁７８３及びこれを制御するＥＣＵ９と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を主体とした燃料を、酸素を用いて改質してアルコールを含む改質燃料を生成する燃料改質システムであって、
酸化ガスと燃料との混合気が供給されると、改質触媒の作用下で改質反応が進行し出口から改質燃料を排出する改質反応器と、
前記出口から排出される改質燃料を気相と凝縮相とに分離し、気相の改質燃料を気相排出部から排出し、凝縮相の改質燃料を凝縮相排出部から排出する気液分離器と、
前記気相排出部から内燃機関の吸気通路に至る蒸気流路と、
前記内燃機関の運転状態に応じて前記気相排出部から前記吸気通路への気相の改質燃料の流れを断続する掃気制御手段と、を備えることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
前記蒸気流路は、前記気相排出部から前記吸気通路のうち吸気スロットルバルブの下流側に至る下流流路と、前記気相排出部から前記吸気通路のうち前記吸気スロットルバルブの上流側に設けられた過給機の上流側に至る上流流路と、を備え、
前記掃気制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記気相排出部から前記吸気通路への気相の改質燃料の流れを、遮断するか又は前記上流流路及び前記下流流路の何れかで切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
【請求項３】
前記掃気制御手段は、前記吸気通路のうち前記吸気スロットルバルブの下流側の圧力が所定圧以下であるとき、前記内燃機関でエンジンブレーキが発生しているとき、又は前記内燃機関の負荷が低い低負荷運転時には、前記気相排出部から前記吸気通路への気相の改質燃料の流れを前記下流流路に設定することを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
【請求項４】
前記掃気制御手段は、前記吸気通路のうち前記吸気スロットルバルブの下流側の圧力が前記所定圧より高いとき、前記内燃機関でエンジンブレーキが発生していないとき、又は前記低負荷運転時以外のときには、前記気相排出部から前記吸気通路への気相の改質燃料の流れを前記上流流路に設定することを特徴とする請求項３に記載の燃料改質システム。
【請求項５】
前記掃気制御手段は、前記内燃機関が停止しているときは前記気相排出部から前記吸気通路への気相の改質燃料の流れを遮断することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料改質システム。
【請求項６】
前記凝縮相排出部から排出された凝縮相の改質燃料を貯蔵する改質燃料タンクと、
前記改質燃料タンクと前記吸気通路とを接続し、当該改質燃料タンク内で発生した燃料蒸気を前記吸気通路へ導くタンク燃料蒸気流路と、
前記タンク燃料蒸気流路に設けられ燃料蒸気を吸着するキャニスタと、を備えることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素を主体とした燃料を、酸素を用いて改質してオクタン価を向上させる燃料改質システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の熱効率のさらなる向上を目指して、内燃機関の圧縮比を高くする技術の研究が進められている。例えばガソリンエンジンにおいて圧縮比を高くすると、エンドガス（点火プラグから離れた場所における未燃混合気）が、燃焼室全体に火炎が到達する前に圧縮によって自己着火してしまう、所謂ノッキングが発生しやすくなる。したがって内燃機関の高効率化を実現するには、高圧縮比にしながらノッキングの発生を回避することが重要である。近年、数多く提案されている高圧縮比の内燃機関では、点火時期を遅らせることによってノッキングの発生を抑制するものが多い。しかしながら点火時期を遅らせると熱効率が低下するため、ノッキングの発生を抑制する技術としては十分とは言い難い。
【０００３】
そこで、外部から車両に給油された燃料を車両上で改質することによって内燃機関で用いる燃料のオクタン価を向上する技術が注目されている。例えば特許文献１には、ガソリンを改質しアルコールを含む改質燃料を生成する燃料改質システムであって、車両に搭載可能なものが本願出願人によって提案されている。
【０００４】
特許文献１に記載の燃料改質システムは、炭化水素を主体とする燃料と空気とを混合して混合気を生成する混合器と、生成された混合気を改質触媒の作用下で改質してアルコールを生成する改質反応器と、改質反応器で生成した気液混合状態の改質燃料を凝縮する凝縮器と、凝縮した改質燃料を貯蔵する改質燃料タンクと、を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０７６３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような改質反応器に燃料と空気を供給すると、改質反応器からはアルコールを含む液相の改質燃料とともに気相の燃料蒸気も発生する。このため、改質反応器で連続的に改質燃料を生成するためには、改質反応器に新たな混合気を導入できるように、改質によって発生した燃料蒸気を改質反応器及び改質反応器から排出される改質燃料が流れる流路によって構成される改質系内を掃気する必要がある。またこのように改質系内を掃気しなければ、改質系内の圧力が高まり、改質反応器に混合気を供給するポンプの負荷も高くなるおそれがある。しかしながら従来の燃料改質システムでは、改質系内の掃気の必要性については十分に検討されていない。
【０００７】
本発明は、改質反応器における連続的な改質運転を妨げないようにできかつ混合気を供給するポンプの負荷を軽減できる燃料改質システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明の燃料改質システム（例えば、後述の燃料改質システム１）は、炭化水素を主体とした燃料を、酸素を用いて改質してアルコールを含む改質燃料を生成するものであって、酸化ガスと燃料との混合気が供給されると、改質触媒の作用下で改質反応が進行し出口から改質燃料を排出する改質反応器（例えば、後述の改質反応器３）と、前記出口から排出される改質燃料を気相と凝縮相とに分離し、気相の改質燃料を気相排出部（例えば、後述の気相排出部７９１）から排出し、凝縮相の改質燃料を凝縮相排出部（例えば、後述の凝縮相排出部７９２）から排出する気液分離器（例えば、後述の低温気液分離器７９）と、前記気相排出部から内燃機関（例えば、後述のエンジンＥ）の吸気通路（例えば、後述の吸気通路Ｅ１）に至る蒸気流路（例えば、後述の上流蒸気配管７８１、下流蒸気配管７８２）と、前記内燃機関の運転状態に応じて前記気相排出部から前記吸気通路への気相の改質燃料の流れを断続する掃気制御手段（例えば、後述のＥＣＵ９及び流路切替弁７８３）と、を備える。
【０００９】
（２）この場合、前記蒸気流路は、前記気相排出部から前記吸気通路のうち吸気スロットルバルブ（例えば、後述の吸気スロットルバルブＥ４）の下流側に至る下流流路（例えば、後述の下流蒸気配管７８２）と、前記気相排出部から前記吸気通路のうち前記吸気スロットルバルブの上流側に設けられた過給機（例えば、後述の過給機Ｅ３）の上流側に至る上流流路（例えば、後述の上流蒸気配管７８１）と、を備え、前記掃気制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記気相排出部から前記吸気通路への気相の改質燃料の流れを、遮断するか又は前記上流流路及び前記下流流路の何れかで切り替えることが好ましい。
【００１０】
（３）この場合、前記掃気制御手段は、前記吸気通路のうち前記吸気スロットルバルブの下流側の圧力が所定圧以下であるとき、前記内燃機関でエンジンブレーキが発生しているとき、又は前記内燃機関の負荷が低い低負荷運転時には、前記気相排出部から前記吸気通路への気相の改質燃料の流れを前記下流流路に設定することが好ましい。
【００１１】
（４）この場合、前記掃気制御手段は、前記吸気通路のうち前記吸気スロットルバルブの下流側の圧力が前記所定圧より高いとき、前記内燃機関でエンジンブレーキが発生していないとき、又は前記低負荷運転時以外のときには、前記気相排出部から前記吸気通路への気相の改質燃料の流れを前記上流流路に設定することが好ましい。
【００１２】
（５）この場合、前記掃気制御手段は、前記内燃機関が停止しているときは前記気相排出部から前記吸気通路への気相の改質燃料の流れを遮断することが好ましい。
【００１３】
（６）この場合、前記燃料改質システムは、前記凝縮相排出部から排出された凝縮相の改質燃料を貯蔵する改質燃料タンク（例えば、後述の改質燃料タンク７１）と、前記改質燃料タンクと前記吸気通路とを接続し、当該改質燃料タンク内で発生した燃料蒸気を前記吸気通路へ導くタンク燃料蒸気流路（例えば、後述の第１蒸気通路７７１）と、前記タンク燃料蒸気流路に設けられ燃料蒸気を吸着するキャニスタ（例えば、後述のキャニスタ７７２）と、を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
（１）本発明では、気液分離器によって、改質反応器の出口から排出される改質燃料を凝縮相と気相とに分離し、蒸気流路によって気液分離器の気相排出部と内燃機関の吸気通路と接続する。内燃機関の吸気通路には、内燃機関の運転状態に応じて変動する負圧が発生する。そこで本発明では、掃気制御手段によって、内燃機関の運転状態に応じて蒸気流路における気相の改質燃料の流れを断続する。これにより、吸気通路に適切な大きさの負圧が発生するタイミングで、この吸気通路と大気圧より高い正圧になっている改質反応器及び気液分離器とを接続し、改質反応器及び気液分離器等からなる改質系内の気相の改質燃料を、動力を用いることなく吸気通路へ排出することができる。すなわち、本発明によれば、内燃機関の運転状態の変化に応じた適切なタイミングで改質系内を掃気できるので、改質反応器における連続的な改質運転を妨げないように新たな混合気を改質反応器に供給することができる。またこのように吸気通路で発生する負圧を利用して改質系内を掃気することにより、動力を用いることなく改質運転中の改質系内の圧力を下げることができるので、その分だけ改質反応器に混合気を供給するために用いられるポンプの負荷を軽減することができる。
【００１５】
（２）吸気通路に過給機が設けられる場合、吸気スロットルバルブの下流側の圧力が正圧になる場合がある。このような場合に吸気スロットルバルブの下流側と気相排出部とを接続すると、吸気通路を流れる吸気が改質系内へ逆流してしまい、改質反応器では連続的な改質運転ができなくなるばかりか、内燃機関の気筒内に導入される空気の量まで変化するおそれがある。本発明では、蒸気流路を、気液分離器の気相排出部と過給機の上流側とを接続する上流流路と、気液分離器の気相排出部と吸気スロットルバルブの下流側とを接続する下流流路とに分け、さらに掃気制御手段では、内燃機関の運転状態に応じて気相排出部から吸気通路への気相の改質燃料の流れを、遮断するか、又は上流流路及び下流流路の何れかで切り替える。これにより本発明では、常に変動する負圧の大きさや負圧の発生箇所に応じて、気相排出部と吸気通路とを適切なタイミングかつ適切な位置で接続できるので、できるだけ多くの機会で改質系内を掃気でき、ひいてはポンプの負荷をさらに軽減できる。
【００１６】
（３）本発明では、吸気スロットルバルブの下流側の圧力が所定圧以下であるときには、気相排出部から吸気通路への気相の改質燃料の流れを下流流路に設定する。これにより、負圧を利用して適切なタイミングで改質系内を掃気することができる。また、内燃機関でエンジンブレーキが発生しているときや、吸気スロットルバルブを閉じ側にして吸気を絞る低負荷運転時にも、吸気スロットルバルブの下流側では大気圧より低い負圧が発生するので、このような場合にも、気相の改質燃料の流れを下流流路に設定することにより、負圧を利用して適切なタイミングで改質系内を掃気することができる。
【００１７】
（４）本発明では、吸気スロットルバルブの下流側の圧力が所定圧より高いときには、気相排出部から吸気通路への気相の改質燃料の流れを上流流路に設定する。これにより、吸気スロットルバルブの下流側から改質系内へ吸気が逆流するのを防止しながら、過給機より上流側で発生する負圧を利用して改質系内を掃気することができる。また、内燃機関でエンジンブレーキが発生していないときや低負荷運転時でないときにも、吸気スロットルバルブの下流側で正圧が発生する場合がある。本発明では、このような場合には気相の改質燃料の流れを上流流路に設定することにより、吸気の逆流を防止しながら過給機の上流側で発生する負圧を利用して改質系内を掃気することができる。
【００１８】
（５）内燃機関が停止しているときは、吸気通路で負圧は発生せず、また吸気通路内に気相の改質燃料を供給しても内燃機関で燃焼することができない。本発明では、内燃機関が停止しているときには、気相排出部から吸気通路への気相の改質燃料の流れを遮断する。これにより、内燃機関で気相の改質燃料を燃焼できる適切なタイミングで改質系内を掃気することができる。
【００１９】
（６）本発明では、気液分離器の凝縮相排出部と改質燃料タンクとを接続し、さらにこの改質燃料タンクで発生した燃料蒸気を、キャニスタが設けられたタンク燃料蒸気流路を介して内燃機関の吸気通路に導入する。これにより、例えば掃気制御手段によって蒸気流路を遮断することにより、気液分離器の気相排出部から吸気通路へ流れなくなった気相の改質燃料の一部は、気液分離器の凝縮相排出部を介して一旦改質燃料タンクに導かれ、その後キャニスタを経て内燃機関の吸気通路に供給される。これにより、気液分離器の気相排出部から排出される気相の改質燃料を一時的に内燃機関の吸気通路へ導入できない場合であっても、これを改質燃料タンクのキャニスタを利用して処理できるので、改質反応器における連続的な改質運転を妨げないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料改質システムの構成を示す図である。
【図２】未改質燃料に反応済みの改質燃料を所定の割合で混ぜて改質した場合と、未改質燃料に反応済みの改質燃料を混ぜずに改質した場合とで、最終的に得られた改質燃料の１時間当たりの酸化進行度を比較した図である。
【図３】第２蒸気処理装置によって改質運転中の改質燃料循環系内を掃気する手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料改質システム１の構成を示す図である。燃料改質システム１は、図示しない車両に搭載される。燃料改質システム１は、改質反応器３を備えており、炭化水素を主体とした燃料（例えば、ガソリン）と酸化ガスとしての空気を用いて改質反応器３によってアルコールやケトン等を含む改質燃料を生成し、この改質燃料を車両の動力発生源であるエンジンＥに供給する。図１には、燃料改質システム１と、エンジンＥと、その吸気系の構成のみ図示する。エンジンＥ１の吸気通路Ｅ１には、上流側から順に吸気中の異物を除去するエアフィルタが設けられたエアクリーナボックスＥ２と、排気のエネルギを用いて吸気を圧縮する過給機Ｅ３と、吸気の流量を制限する吸気スロットルバルブＥ４と、吸気スロットルバルブＥ４の下流側のインマニ圧を検出する圧力センサＥ５と、が設けられている。なお図１では、主に凝縮相の物質の経路や配管については実線の矢印で示し、主に気相の物質の経路や配管については破線の矢印で示す。
【００２２】
燃料改質システム１は、酸化ガスと燃料の混合気を生成する混合器２と、混合気が供給されると改質反応が進行しその出口から改質燃料を排出する改質反応器３と、混合器２に含酸素の酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置４と、混合器２に車外から給油された未改質燃料を供給する未改質燃料供給装置５と、混合器２に改質反応器３における改質反応を促進するための触媒を供給する主触媒供給装置６と、改質反応器３から排出された改質燃料を回収し再び混合器２に供給する改質燃料循環装置７と、改質反応器３から排出された改質燃料のうち主に気相のものを回収し再び混合器２に供給する気相還流装置８と、これらの電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）９と、を備える。
【００２３】
酸化ガス供給装置４は、メイン供給管４１と、サブ供給管４２と、導入経路切替弁４３と、サブ空気ポンプ４５と、酸化ガス処理装置４６と、を備え、これらを用いて吸気通路Ｅ１を流れる吸気の一部を酸化ガスとして混合器２に供給する。
【００２４】
メイン供給管４１は、吸気通路Ｅ１のうち過給機Ｅ３と吸気スロットルバルブＥ４との間と、混合器２と、を接続する配管である。吸気通路Ｅ１を流れ、過給機Ｅ３によって圧縮された吸気は、このメイン供給管４１を介して混合器２へ供給される。サブ供給管４２は、吸気通路Ｅ１のうち過給機Ｅ３より上流側に設けられたエアクリーナボックスＥ２の図示しないエアフィルタの下流側と、を接続する配管である。吸気通路Ｅ１のうち過給機Ｅ３の上流側を流れる吸気の一部は、このサブ供給管４２を介して混合器２へ供給される。サブ空気ポンプ４５は、サブ供給管４２に設けられ、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて吸気通路Ｅ１のうち過給機Ｅ３の上流側を流れる吸気の一部を圧縮し、圧縮空気を混合器２へ供給する。吸気通路Ｅ１のうち過給機Ｅ３の上流側は過給機Ｅ３の下流側よりも低圧である。このため、過給機Ｅ３の下流側の吸気は、ポンプを用いなくても混合器２へ供給できるが、過給機Ｅ３の上流側の吸気は、上記サブ空気ポンプ４５を駆動しなければ混合器２へ供給できない。なお以下では、サブ供給管４２を過給機Ｅ３より上流側のエアクリーナボックスＥ２に接続する場合について説明するが、サブ供給管４２の接続先は、エアクリーナボックスＥ２の上流側や吸気通路の外でもよい。
【００２５】
以上のように、酸化ガス供給装置４は、吸気通路Ｅ１のうち過給機Ｅ３の下流側からの吸気が流れるメイン供給管４１と、吸気通路Ｅ１のうち過給機Ｅ３の上流側からの吸気が流れるサブ供給管４２と、の２つの吸気導入経路が設けられている。導入経路切替弁４３は、メイン供給管４１のうちサブ供給管４２の分岐部に設けられた三方弁である。導入経路切替弁４３は、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて、上記吸気導入経路を過給機Ｅ３の下流側（メイン供給管４１側）と過給機Ｅ３の上流側（サブ供給管４２側）とで選択的に切り替える。すなわち、導入経路切替弁４３を過給機Ｅ３の下流側に設定すると、過給機Ｅ３によって圧縮された吸気が混合器２へ供給される。また導入経路切替弁４３を過給機Ｅ３の上流側に設定し、さらにサブ空気ポンプ４５を駆動すると、過給機Ｅ３の上流側の吸気が混合器２へ供給される。
【００２６】
酸化ガス処理装置４６は、メイン供給管４１のうち導入経路切替弁４３より下流側に設けられ、メイン供給管４１を流れて混合器２に供給される空気の酸化力を強化する。より具体的には、酸化ガス処理装置４６は、メイン供給管４１に設けられた酸素富化膜４６１と、メイン供給管４１のうち酸素富化膜４６１より下流側に設けられたオゾン発生装置４６２と、を備える。
【００２７】
酸素富化膜４６１は、メイン供給管４１を流れる吸気（空気）中の窒素を除去し、これにより吸気の酸素濃度を上昇させる。酸素富化膜４６１に用いられる材料としては、シリコン膜や中空糸膜等の既知のものが用いられる。またオゾン発生装置４６２は、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて、メイン供給管４１を流れる吸気中の酸素の一部を励起し、オゾンを発生させる。
【００２８】
次に酸化ガス供給装置４を用いて酸化ガスを混合器２へ供給する具体的な制御手順について説明する。上述のように酸化ガス供給装置４は、過給機Ｅ３の下流側から取得する経路と、過給機Ｅ３の上流側から取得する経路との２つの吸気導入経路を備える。ＥＣＵ９は、エンジンＥの運転状態に応じて導入経路切替弁４３を制御し、適切な経路を選択しながら吸気を酸化ガスとして混合器２に供給する。
【００２９】
より具体的には、エンジンＥの運転状態が過給機Ｅ３で吸気を圧縮する過給領域内である場合には、ＥＣＵ９は、導入経路切替弁４３を過給機Ｅ３の下流側に設定する。これにより、過給機Ｅ３によって圧縮された吸気の一部がメイン供給管４１を介して混合器２に供給される。またＥＣＵ９は、酸化ガスがメイン供給管４１を流れて混合器２に供給されている間は、オゾン発生装置４６２を駆動し、酸化ガス中にオゾンを発生させる。これにより、エンジンＥの運転状態が過給領域内である場合には、サブ空気ポンプ４５をあえて駆動するまでもなく吸気の一部を混合器２に供給できる。
【００３０】
またエンジンＥの運転状態が過給機Ｅ３で吸気を圧縮しない非過給領域内である場合には、ＥＣＵ９は、導入経路切替弁４３を過給機Ｅ３の上流側に設定するとともに、サブ空気ポンプ４５をオンにする。これにより、過給機Ｅ３の上流側の吸気の一部がサブ供給管４２及びメイン供給管４１を介して混合器２に供給される。またＥＣＵ９は、上述のように酸化ガスがメイン供給管４１を流れて混合器２に供給されている間は、オゾン発生装置４６２を駆動し、酸化ガス中にオゾンを発生させる。これにより、エンジンＥの運転状態が非過給領域内である場合であっても、サブ空気ポンプ４５によって流量が調整された酸化ガスを混合器２に供給できる。
【００３１】
以上のように酸化ガス供給装置４によって供給される酸化ガスは、吸気又は外気を利用するものであるため、改質反応器３を一度も経ていない。従って以下では、気相還流装置８によって供給される酸化ガスと区別するため、酸化ガス供給装置４によって供給される酸化ガスを新規酸化ガスともいう。
【００３２】
未改質燃料供給装置５は、給油燃料タンク５１と、燃料供給管５２と、フィードポンプ５３と、燃料供給弁５４と、高圧燃料ポンプ５５と、直接インジェクタ５６と、を備え、これらを用いることによって改質反応器３を未だ経ていない未改質燃料を混合器２やエンジンＥに供給する。
【００３３】
給油燃料タンク５１は、炭化水素を主体とした未改質燃料（例えば、ガソリン）を貯蔵する。車外から給油される未改質燃料は、始めにこの給油燃料タンク５１に供給される。燃料供給管５２は、給油燃料タンク５１と混合器２及びエンジンＥに設けられた直接インジェクタ５６とを接続する配管である。未改質燃料は、この燃料供給管５２を流れ、混合器２の内部や直接インジェクタ５６へ供給される。
【００３４】
フィードポンプ５３は、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて給油燃料タンク５１内に貯蔵された未改質燃料を燃料供給管５２内へ圧送する。燃料供給弁５４は、燃料供給管５２のうち混合器２側に設けられ、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて開閉する。これにより、燃料供給弁５４からは、開閉期間に応じた量の未改質燃料が混合器２内に供給される。ＥＣＵ９は、改質反応器３で燃料を改質する際には、改質反応器３内における酸素と、未改質燃料や後述の反応済みの改質燃料とを合わせた燃料との比が所定の目標範囲内で維持されるようにフィードポンプ５３及び燃料供給弁５４を駆動し、混合器２へ供給される未改質燃料の流量を制御する。
【００３５】
高圧燃料ポンプ５５は、エンジンＥのクランクシャフトの回転を利用することによって、燃料供給弁５４を介して供給された低圧の未改質燃料をさらに高圧に圧縮し、直接インジェクタ５６に供給する。直接インジェクタ５６は、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて開閉し、高圧燃料ポンプ５５から供給された高圧燃料をエンジンＥの気筒内に直接噴射する。なお、このエンジンＥにおける燃料噴射制御の具体的な手順については説明を省略する。
【００３６】
また給油燃料タンク５１には、タンク５１内で発生した燃料蒸気を処理する未改質燃料蒸気処理装置５７が設けられている。未改質燃料蒸気処理装置５７は、給油燃料タンク５１と吸気通路Ｅ１のエアクリーナボックスＥ２のうち上記サブ供給管４２の接続部より下流側とを接続する蒸気通路５７１と、この蒸気通路５７１に設けられたキャニスタ５７２と、を備える。給油燃料タンク５１内に貯蔵された未改質燃料から発生した燃料蒸気は、一旦キャニスタ５７２に吸着される。キャニスタ５７２に吸着された燃料蒸気は、吸気通路Ｅ１で負圧が発生するタイミングでパージされ、蒸気通路５７１を介して吸気通路Ｅ１に供給される。
【００３７】
主触媒供給装置６は、主触媒タンク６１と、触媒供給管６２と、触媒計量ポンプ６４と、を備え、これらを用いることによって改質反応器３における改質反応を促進する改質触媒を構成する主触媒を、混合器２へ供給する。主触媒タンク６１は、車外から供給される液体の主触媒を貯蔵する。なお、この主触媒の具体的な構成については、後述の助触媒の構成とともに後に詳細に説明する。触媒供給管６２は、主触媒タンク６１と混合器２とを接続する配管である。主触媒は、この触媒供給管６２を流れ、混合器２の内部へ供給される。触媒計量ポンプ６４は、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて主触媒タンク６１内に貯蔵されている主触媒を計量し所定の供給圧で混合器２に供給する。ＥＣＵ９は、改質反応器３に未改質燃料や酸化ガス等を供給し燃料を改質する際には、触媒計量ポンプ６４を駆動することによって、混合器２に供給される燃料の流量に応じた流量で主触媒を供給する。
【００３８】
混合器２は、酸化ガス導入部２１と未改質燃料導入部２２と触媒導入部２３と改質燃料導入部２４とが設けられた混合容器２５と、この混合容器２５の内部に充填された粒子状物質又は多孔質物質（図示せず）と、混合容器２５内に導入された流体を加熱するヒータ（図示せず）と、を備える。酸化ガス導入部２１には、酸化ガス供給装置のメイン供給管４１が接続されている。酸化ガス供給装置４又は後述の気相還流装置８によって流量が調整された含酸素のガスは、酸化ガス導入部２１を介して混合容器２５内に供給される。未改質燃料導入部２２には未改質燃料供給装置５の燃料供給管５２が接続されている。未改質燃料供給装置５によって流量が調整された未改質燃料は、未改質燃料導入部２２を介して混合容器２５内に供給される。触媒導入部２３には主触媒供給装置６の触媒供給管６２が接続されている。主触媒供給装置６によって流量が調整された主触媒は、触媒導入部２３を介して混合容器２５内に供給される。改質燃料導入部２４には、改質燃料循環装置７の後述の改質燃料供給管７５が接続されている。改質燃料循環装置７によって流量が調整された改質燃料は、改質燃料導入部２４を介して混合容器２５内に供給される。
【００３９】
また混合器２における粒子状物質としては、例えば、石英石、二酸化ケイ素、ゼオライト等が用いられる。また多孔質物質としては、例えば、ステンレスの焼結体であるポーラスステンレスや、その他のポーラス金属等が用いられる。各導入部２１〜２４から導入された流体が混合容器２５の内部で均一に混合され、さらにこのようにして生成された混合気が改質反応器３の複数の混合気の入口へ均等の圧力で供給されるように、これら粒子状物質や多孔質物質は混合容器２５内にむらなく充填されている。
【００４０】
各導入部２１〜２４を介して混合容器２５内に導入される空気や未改質燃料等の流体は、ヒータによって改質反応器３における改質反応に適した温度まで昇温されるとともに、混合容器２５の内部に設けられた粒子状物質又は多孔質物質によってその流れが分散、変転、転換（回転）され、均一な混合気が生成される。混合容器２５の内部で生成された混合気は、混合器２に接続された改質反応器３の複数の混合気の入口へ押し出される。
【００４１】
改質反応器３は、混合器２によって生成された混合気の流路となる複数の反応管（図示せず）と、これら複数の反応管を収容する筒状の胴体３２とを備え、胴体３２の内部のうち反応管の周囲に冷媒が流れる冷媒流路が形成された多管式熱交換器である。
【００４２】
各反応管の入口は上述の混合器２の内部と連通している。また各反応管の内部には、改質反応を促進するための改質触媒を構成する助触媒が担持された粒子状物質又は多孔質物質が充填されている。混合器２によって各反応管の入口へ均等の圧力で押し上げられた混合気は、各反応管の内部を流れ、その出口から排出される。混合器２において空気、主触媒、未改質燃料、及び改質燃料を所定の割合で混合して形成された混合気は、各反応管３１の内部を流れる過程で、改質触媒の作用下で酸素を用いた改質反応が進行し、改質燃料として気液混合の状態で出口から排出される。なお、混合器２から供給される混合気が水平方向に沿って流れるように、各反応管３１は水平方向に平行に設けてもよいし、混合器２から供給される混合気がその自重に逆らって鉛直方向に沿って下方から上方へ流れるように、各反応管の出口を入口より高くしかつ鉛直方向に対して平行に設けてもよい。
【００４３】
胴体３２のうち反応管の出口側には、外部から供給される冷媒を受け入れる冷媒導入部３３が設けられ、胴体３２のうち反応管の入口側には、胴体３２の内部から冷媒を排出する冷媒排出部３４が設けられている。冷媒導入部３３及び冷媒排出部３４は、エンジンを冷却するための冷却水が循環する冷却水循環回路（図示せず）に接続されている。これにより胴体３２の内部には、エンジンを熱源とし、ラジエタによって温度調整された冷却水が流れる。
【００４４】
改質反応器３に供給する冷却水の温度は、例えば７０〜１１０℃の範囲内であることが好ましい。冷却水の温度が７０℃未満になると、各反応管内における改質反応速度を上昇させる効果が低下する。また、冷却水の温度が高くなるほど改質反応速度を上昇させる効果も上昇するが、冷却水の温度が１１０℃を超えるとエンジンの冷却水の使用が難しくなる。そこでＥＣＵ９は、改質反応器３を用いて燃料を改質する時期であって、冷却水の温度が上記温度範囲内にある場合には、冷却水循環回路の冷却水ポンプを駆動し、改質反応器３に冷却水を循環させ、冷却水の温度が上記温度範囲外にある場合には、冷却水ポンプを停止し、冷却水の循環を停止する。これにより、反応管内における改質反応が進行して反応管内の温度が既に高温に達しているときには、冷却水は反応管を冷却するように作用し、改質反応の初期で反応管内の温度が低温の場合には、冷却水は反応管を暖めるように作用する。これにより、各反応管内の混合気の改質反応速度が向上する。
【００４５】
次に、主触媒及び助触媒の具体的な構成について説明する。上述の主触媒供給装置６によって混合器２を介して各反応管に供給される主触媒には、ガソリン中の炭化水素から水素原子を引き抜いてアルキルラジカルを生成させるように作用するものが用いられる。具体的には、主触媒としては、Ｎ−ヒドロキシイミド基を有するＮ−ヒドロキシイミド基含有化合物が用いられる。中でも、Ｎ−ヒドロキシフタルイミド（以下、「ＮＨＰＩ」という）やＮＨＰＩ誘導体は上記作用が顕著であるため、好ましく用いられる。
【００４６】
また反応管３１の内部に担持されている助触媒には、アルキルラジカルから生成するアルキルヒドロペルオキシドを還元してアルコールを生成させるとともに、このアルコールを上記アルキルラジカルと反応させてケトンを生成させる能力を有するものが用いられる。具体的には、助触媒としては、遷移金属化合物が用いられる。中でも、コバルト化合物、マンガン化合物及び銅化合物からなる群より選ばれる化合物が好ましく用いられる。コバルト化合物としては酢酸コバルト（ＩＩ）等が用いられ、マンガン化合物としては酢酸マンガン（ＩＩ）等が用いられ、銅化合物としては塩化銅（Ｉ）等が用いられる。
【００４７】
改質反応器の各反応管内では、以上のような主触媒及び助触媒から成る改質触媒の作用下で、以下のような改質反応が進行する。先ず、本実施形態の改質反応は、下記の反応式（１）に示すように、ガソリン中の炭化水素から水素原子が引き抜かれてアルキルラジカルが生成する水素引き抜き反応により開始される。この水素引き抜き反応は、主触媒、ラジカル及び酸素分子等の作用により進行する。
［化１］
ＲＨ  →  Ｒ・      …反応式（１）
［反応式（１）中、ＲＨは炭化水素を表し、Ｒ・はアルキルラジカルを表す。］
【００４８】
次いで、水素引き抜き反応により生成したアルキルラジカルは、下記の反応式（２）に示すように、酸素分子と結合してアルキルペルオキシラジカルを生成する。
［化２］
Ｒ・  ＋  Ｏ２  →  ＲＯＯ・      …反応式（２）
［反応式（２）中、Ｏ２は酸素分子を表し、ＲＯＯ・はアルキルペルオキシラジカルを表す。］
【００４９】
次いで、反応式（２）により生成したアルキルペルオキシラジカルは、下記の反応式（３）に示すように、ガソリン中に含まれる炭化水素から水素原子を引き抜いて、アルキルヒドロペルオキシドを生成する。
［化３］
ＲＯＯ・  ＋ＲＨ  →  ＲＯＯＨ  ＋  Ｒ・      …反応式（３）
［反応式（３）中、ＲＯＯＨはアルキルヒドロペルオキシドを表す。］
【００５０】
次いで、反応式（３）により生成したアルキルヒドロペルオキシドは、下記の反応式（４）に示すように、助触媒の作用によりアルコールに還元される。
［化４］
ＲＯＯＨ  →  ＲＯＨ      …反応式（４）
［反応式（４）中、ＲＯＨはアルコールを表す。］
【００５１】
また反応式（３）により生成したアルキルヒドロペルオキシドは、下記の反応式（５）に示すように、助触媒又は熱の作用によりアルコキシラジカルとヒドロキシラジカルとに分解する。
［化５］
ＲＯＯＨ  →  ＲＯ・  ＋  ・ＯＨ      …反応式（５）
［反応式（５）中、ＲＯ／はアルコキシラジカルを表し、・ＯＨはヒドロキシラジカルを表す。］
【００５２】
次いで、反応式（５）により生成したアルコキシラジカルは、ガソリン中に含まれる炭化水素から水素原子を引き抜いて、アルコールを生成する。
［化６］
ＲＯ・  ＋  ＲＨ  →  ＲＯＨ  ＋  Ｒ・      …反応式（６）
【００５３】
以上のようにして、ガソリン中に主体的に含まれる炭化水素が酸化改質され、アルコールに変換される。より詳しくは、ガソリン中に含まれる炭化水素は炭素数が４〜１０の炭化水素であるため、これら炭化水素が、炭素数４〜１０のアルコールに変換される。なお、上述のようにして生成したアルコールＲＯＨのうち、その大部分は第２級アルコールＲ−ＣＨＯＨ−Ｒ’である。
【００５４】
次いで、上述のようにして生成した第２級アルコールＲ−ＣＨＯＨ−Ｒ’は、下記の反応式（７）に示すように、例えばアルキルペルオキシラジカルＲＯＯ・のようなアルキルラジカルと反応して、ヒドロキシアルキルラジカルＲ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’を生成する。
［化７］
Ｒ−ＣＨＯＨ−Ｒ’  ＋  ＲＯＯ・  →  Ｒ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’  ＋  ＲＯＯＨ
…反応式（７）
［反応式（７）中、Ｒ−ＣＨＯＨ−Ｒ’は第２級アルコールを表し、Ｒ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’はヒドロキシアルキルラジカルを表す。］
【００５５】
次いで、ヒドロキシアルキルラジカルＲ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’は、さらに下記の反応式（８）に示すように、例えばアルキルペルオキシラジカルＲＯＯ・のようなアルキルラジカルと反応して、ケトンＲ−Ｃ＝Ｏ−Ｒ’を生成する。
［化８］
Ｒ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’  ＋  ＲＯＯ・  →  Ｒ−Ｃ＝Ｏ−Ｒ’  ＋ＲＯＯＨ
…反応式（８）
［反応式（８）中、Ｒ−Ｃ＝Ｏ−Ｒ’はケトンを表す。］
【００５６】
以上のようにして、本実施形態の燃料改質システム１では、外部から給油されたガソリンを、ケトンを含む高オクタン価燃料に改質することができ、燃料のオクタン価を向上できる。
【００５７】
改質燃料循環装置７は、改質燃料タンク７１と、改質燃料回収管７２と、高温気液分離器７３と、凝縮器７４と、低温気液分離器７９と、改質燃料供給管７５と、循環ポンプ７６と、第１蒸気処理装置７７と、第２蒸気処理装置７８と、を備え、これらを用いることによって改質反応器３を含む循環経路内で改質燃料を循環させる。
【００５８】
高温気液分離器７３は、改質反応器３の各反応管の出口に接続され、この出口から気液混合状態で排出される改質燃料を気相と凝縮相とに分離してそれぞれ別々の配管へ排出する。より具体的には、高温気液分離器７３は、気相の改質燃料については気相排出部７３１を介して後述の気相還流装置８に供給し、凝縮相の改質燃料については凝縮相排出部７３２から改質燃料回収管７２に排出する。なお、後述の気相還流装置８において気相の改質燃料を循環させることができない状態であり、行き場がない場合には、気相の改質燃料は、凝縮相排出部７３２を介して改質燃料回収管７２に排出される。
【００５９】
改質燃料回収管７２は、高温気液分離器７３の凝縮相排出部７３２から延び改質燃料タンク７１に至る配管である。改質反応器３の出口から排出され、上記高温気液分離器７３を経てその凝縮相排出部７３２から排出される反応済みの改質燃料は、この改質燃料回収管７２を介して改質燃料タンク７１に供給される。
【００６０】
凝縮器７４は、改質燃料回収管７２に設けられ、車両が走行することによって発生する走行風又は図示しない電動ファンを駆動することによって発生する冷却風を利用することにより、高温気液分離器７３の凝縮相排出部７３２から排出される反応済みの改質燃料（上述のように、主に凝縮相）を凝縮する。
【００６１】
低温気液分離器７９は、凝縮器７４から排出される改質燃料を気相と凝縮相とに分離してそれぞれ別々の配管へ排出する。より具体的には、低温気液分離器７９は、気相の改質燃料については気相排出部７９１から後述の第２蒸気処理装置７８へ排出し、凝縮相の改質燃料については凝縮相排出部７９２から改質燃料タンク７１に供給される。なお、後述の第２蒸気処理装置７８において気相の改質燃料を処理できない状態であり、行き場がない場合には、気相の改質燃料は、改質燃料回収管７２を介して改質燃料タンク７１に排出される。ここで凝縮相の物質には、改質反応によって生成されたアルコールや他の副生成物等が含まれ、気相の物質には、窒素、酸素、及び改質反応によって生成された他の副生成物等が含まれる。
【００６２】
改質燃料タンク７１は、改質反応器３から排出され、上記のように高温気液分離器７３、凝縮器７４、及び低温気液分離器７９を経た主に凝縮相の改質燃料を貯蔵する。この改質燃料タンク７１には、エンジン用改質燃料供給装置７１１と、レベルセンサ７１６と、が設けられている。レベルセンサ７１６は、改質燃料タンク７１内に貯蔵されている改質燃料の水位を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ９へ送信する。ＥＣＵ９では、このレベルセンサ７１６からの検出信号を用いて改質燃料タンク７１内の改質燃料の残量が把握される。
【００６３】
エンジン用改質燃料供給装置７１１は、エンジン用燃料ポンプ７１２と、エンジン用改質燃料供給管７１３と、ポートインジェクタ７１４と、を備える。エンジン用改質燃料供給管７１３は、改質燃料タンク７１とポートインジェクタ７１４とを接続する配管である。エンジン用燃料ポンプ７１２は、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて、改質燃料タンク７１内に貯蔵されている改質燃料を、エンジン用改質燃料供給管７１３を介してポートインジェクタ７１４へ圧送する。ポートインジェクタ７１４は、エンジンＥの吸気ポートに設けられ、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて開閉する。これにより、ポートインジェクタ７１４からは、開閉期間に応じた量の改質燃料がエンジンＥの吸気ポート内に供給される。なお、このエンジンＥにおける燃料噴射制御の具体的な手順については説明を省略する。
【００６４】
改質燃料供給管７５は、改質燃料タンク７１から混合器２の改質燃料導入部２４に至る配管である。改質燃料タンク７１に回収された反応済みの改質燃料は、この改質燃料供給管７５を介して混合器２に供給される。改質燃料供給管７５には、この改質燃料供給管７５から分岐し再び改質燃料タンク７１に至るリターン管７５１と、この分岐部に設けられた制御弁７５２と、が設けられている。制御弁７５２は、改質燃料の流路を、混合器２側（以下、「供給側」という）とリターン管７５１側（以下、「リターン側」という）とで切り替える三方弁である。制御弁７５２は、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて、改質燃料の供給経路を供給側とリターン側とで選択的に切り替える。循環ポンプ７６は、改質燃料タンク７１内に設けられ、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて改質燃料タンク７１内に貯蔵された改質燃料を、改質燃料供給管７５を介して混合器２へ圧送する。ＥＣＵ９は、後述のように改質反応速度を向上させる効果のある反応済みの改質燃料を混合器２へ供給する場合には、制御弁７５２を供給側にセットするとともに循環ポンプ７６を駆動することにより、改質燃料タンク７１から混合器２に供給される改質燃料の流量を調整する。一方、ＥＣＵ９は、混合器２へ反応済みの改質燃料を供給する必要がないと判断した場合には、制御弁７５２をリターン側にセットし、改質燃料の混合器２への供給を停止する。
【００６５】
第１蒸気処理装置７７は、第１蒸気通路７７１と、キャニスタ７７２と、を備え、これらを用いて改質燃料タンク７１内で貯蔵された改質燃料から発生した燃料蒸気を処理する。第１蒸気通路７７１は、改質燃料タンク７１と吸気通路Ｅ１のエアクリーナボックスＥ２のうち上記サブ供給管４２の接続部より下流側とを接続する配管である。改質燃料タンク７１に貯蔵された改質燃料から発生した燃料蒸気の多くは、第１蒸気通路７７１に設けられたキャニスタ７７２に一旦吸着される。キャニスタ７７２に吸着された燃料蒸気は、吸気通路Ｅ１で負圧が発生するタイミングでパージされ、第１蒸気通路７７１を介して吸気通路Ｅ１に供給される。
【００６６】
次に、以上のような改質燃料循環装置７を用いて改質反応器を経た反応済みの改質燃料を再度改質反応器に供給することの効果を検証するために行った実験とその結果について説明する。この実験では、改質反応器３を用いて所定量の未改質燃料を所定時間かけて改質し、最終的に得られた改質燃料のオクタン価の上昇速度と相関のある酸化進行度［％］を測定した。特に本実験では、上記実施形態の燃料改質システム１のように改質反応器３に未改質燃料と改質燃料と空気と主触媒とを供給した場合、すなわち、未改質燃料に所定量の反応済みの改質燃料を混ぜて改質反応器３に供給した場合の酸化進行度と、従来の燃料改質システムのように改質反応器に未改質燃料と空気と主触媒とを供給した場合、すなわち改質燃料を混ぜずに未改質燃料を改質反応器３に供給した場合の酸化進行度とを取得し、これらを比較した。
【００６７】
図２は、未反応済みの改質燃料に未改質燃料を所定の割合（反応済みの改質燃料を１．０とした場合、未改質燃料は０．２５の割合）で混ぜて改質した場合（図２の右側）、より具体的には目標オクタン価の改質燃料に未改質燃料を約１７％の割合で混ぜた場合と、未改質燃料に反応済みの改質燃料を混ぜずに改質した場合（図２の左側）とで、最終的に得られた改質燃料の１時間当たりの酸化進行度を比較した図である。
【００６８】
図２に示すように、未改質燃料に反応済みの改質燃料を混ぜて改質反応器に供給した場合、これらを混ぜずに未改質燃料のみを改質反応器に供給した場合と比較して１時間当たりの酸化進行度が上昇する。すなわち、酸素を用いた改質反応を利用して燃料を改質する場合、反応済みの改質燃料には改質反応器における改質反応速度を上昇させ、速やかにオクタン価を上昇させる効果がある。これは、反応済みの改質燃料には極性があり、このため反応速度が向上するものと考えられる。またこのような極性のある改質燃料を供給すると、混合気中の主触媒の溶解度が上昇し、これによって混合気の主触媒の濃度が高くなるので、このような理由によっても反応速度が向上すると考えられる。
【００６９】
図１に戻って、第２蒸気処理装置７８は、上流蒸気配管７８１と、下流蒸気配管７８２と、流路切替弁７８３と、を備え、低温気液分離器７９の気相排出部７９１から排出された気相の改質燃料であって、主として改質反応器３で改質運転を連続的に行うことによって発生する燃料蒸気をエンジンＥの吸気通路Ｅ１内に供給する。
【００７０】
上流蒸気配管７８１は、気相排出部７９１と吸気通路Ｅ１のうち過給機Ｅ３の上流側とを接続する配管である。気相排出部７９１から過給機Ｅ３の上流側に至る燃料蒸気の上流流路は、この上流蒸気配管７８１によって構成される。下流蒸気配管７８２は、上流蒸気配管７８１から分岐し、吸気通路Ｅ１のうち吸気スロットルバルブＥ４の下流側に至る配管である。気相排出部７９１から吸気スロットルバルブＥ４の下流側に至る燃料蒸気の下流流路は、この上流蒸気配管７８１と下流蒸気配管７８２とを組み合わせて構成される。
【００７１】
流路切替弁７８３は、上流蒸気配管７８１のうち下流蒸気配管７８２の分岐部に設けられた三方弁であり、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて、気相排出部７９１から吸気通路Ｅ１への燃料蒸気の流れを、遮断するか、又は上流流路及び下流流路の何れかで切り替える。ここで、吸気通路Ｅ１内で負圧が発生している間に流路切替弁７８３によって燃料蒸気の流れを上流流路又は下流流路の何れかに設定すると、吸気通路Ｅ１側の負圧の作用によって気相排出部７９１を介して気相の改質燃料が吸気通路Ｅ１内に導入され、エンジンＥにおける燃焼に供される。これにより、混合器２、改質反応器３、及び改質燃料循環装置７によって構成される改質燃料循環系内における気相の改質ガスの排出、すなわち改質燃料循環系内の掃気が促進される。また流路切替弁７８３によって燃料蒸気の流れを遮断すると、上述のように行き場を失った気相の改質燃料は、改質燃料改質管７２を介して改質燃料タンク７１に排出され、第１蒸気処理装置７７によってキャニスタ７７２に吸着された後、吸気通路Ｅ１で負圧が発生するタイミングで吸気通路Ｅ１に供給される。したがって、本実施形態における掃気制御手段は、流路切替弁７８３及びこれ制御するＥＣＵ９によって構成される。この第２蒸気処理装置７８によって蒸気改質燃料循環系内を掃気する具体的な手順については、後に図３を参照して説明する。
【００７２】
ＥＣＵ９は、改質反応器３で改質運転を行っており、このため低温気液分離器７９の気相排出部７９１から燃料蒸気が排出される可能性がある間は、エンジンＥの運転状態に応じて流路切替弁７８３を制御する。より具体的には、エンジンＥの運転状態が非過給領域内である場合には、ＥＣＵ９は、流路切替弁７８３を下流流路に設定する。これにより、気相排出部７４１から排出される燃料蒸気は、非過給領域であって吸気通路Ｅ１の中で比較的大きな負圧が発生する吸気スロットルバルブＥ４の下流側へ導入され、エンジンＥにおける燃焼に供される。またエンジンＥの運転状態が過給領域内である場合には、ＥＣＵ９は、流路切替弁７８３を上流流路に設定する。これにより、気相排出部７４１から排出される燃料蒸気は、過給領域であって吸気通路Ｅ１の中で比較的大きな負圧が発生する過給機Ｅ３の上流側へ導入され、エンジンＥにおける燃焼に供される。
【００７３】
またエンジンＥの運転状態が過給領域及び非過給領域の何れにも属さない場合、すなわちアイドルストップによってエンジンＥが停止している場合や、例えば図示しない走行モータによって走行していることによってエンジンＥが停止している場合等、何等かの理由によりエンジンＥが停止している場合、吸気通路Ｅ１内では負圧は発生しない。したがってエンジンＥが停止している時は、ＥＣＵ９は、流路切替弁７８３を遮断側に設定する。これにより、気相排出部７４１から排出される燃料蒸気は、吸気通路Ｅ１内へ供給できず行き場を失うことになる。しかしながらこのような場合であっても、本実施形態の燃料改質システム１によれば、以下で説明する気相還流装置８を用いれば、行き場を失った燃料蒸気を再び混合器２に還流できるので、燃料蒸気を適切に処理しながら改質反応器３における改質運転を停止する必要がない。
【００７４】
なお、例えば流路切替弁７８３を遮断側に設定している間であって、かつ後述の気相還流装置８によって燃料蒸気を還流できない場合には、この燃料蒸気は、低温気液分離器７９の凝縮相排出部７９２を介して改質燃料タンク７１に流れ込むことになる。しかしながら改質燃料タンク７１内に流れ込んだ燃料蒸気は、上述の第１蒸気処理装置７７によってキャニスタ７７２を介して適切なタイミングで吸気通路Ｅ１内に供給されるため、流路切替弁７８３を遮断側に設定しても、改質反応器３における改質運転を継続することができる。
【００７５】
気相還流装置８は、気相還流管８１と、気相還流ポンプ８２と、酸化ガス切替弁８３と、を備え、これらを用いることによって、高温気液分離器７３の気相排出部７３１から排出された気相の改質燃料の少なくとも一部を混合器２へ供給する。ここで、改質反応器３に混合気を供給すると、改質反応器３からは気液混合状態の改質燃料が排出される。そしてこの改質燃料を高温気液分離器７３で分離することによって得られる気相の改質燃料には、燃料蒸気だけでなく混合気が改質反応器３を通過する過程で改質反応に供されなかった未反応の酸素が少なからず含まれている。気相還流装置８は、この高温気液分離器７３によって得られた含酸素の気相の改質燃料の少なくとも一部を、再び改質反応器３における改質反応に供すべく酸化ガスとして混合器２へ供給する。以下では、気相還流装置８によって混合器２に供給される酸化ガスを、酸化ガス供給装置４によって供給される新規酸化ガスと区別するため、還流酸化ガスともいう。
【００７６】
気相還流管８１は、気相排出部７３１から延び、酸化ガス供給装置４のメイン供給管４１のうち酸化ガス処理装置４６と混合器２との間に接続された配管である。気相排出部７３１から排出された還流酸化ガスは、この気相還流管８１を介して混合器２に供給される。気相還流ポンプ８２は、気相還流管８１に設けられ、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて気相排出部７３１から排出される気相の改質燃料を圧縮し、還流酸化ガスとして混合器２へ供給する。このように、改質反応器３で改質運転を継続しながら気相還流装置８を用いて還流酸化ガスを混合器２に供給することにより、低温気液分離器７９の気相排出部７９１から排出され、第２蒸気処理装置７８で処理すべき燃料蒸気の量を０にするか又は減らすことができる。
【００７７】
酸化ガス切替弁８３は、気相還流管８１とメイン供給管４１との接続部に設けられた三方弁であり、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて、混合器２に至る酸化ガスの流路の接続先を酸化ガス供給装置４と気相還流装置８とで選択的に切り替える。すなわち、酸化ガス切替弁８３によって混合器２と酸化ガス供給装置４とを接続すると、酸化ガス供給装置４から混合器２へ新規酸化ガスの供給が可能となり、酸化ガス切替弁８３によって混合器２と気相還流装置８とを接続すると、気相還流装置８から混合器２へ還流酸化ガスの供給が可能となる。
【００７８】
次に酸化ガス供給装置４及び気相還流装置８を用いて酸化ガスを混合器２へ供給する具体的な制御手順について説明する。上述のように酸化ガス供給装置４を用いて新規酸化ガスを供給すると、改質反応器３には酸化ガス処理装置４６によって酸化力が強化された酸化ガスが供給されるので、改質反応器３における改質反応速度を向上できる効果があるものの、改質運転に伴って発生した燃料蒸気を第２蒸気処理装置７８で処理しなければならない。これに対し、気相還流装置８を用いて還流酸化ガスを混合器２へ供給すると、改質反応器３には未反応の酸素しか供給されないので、改質反応器３における改質反応速度を向上する効果は低いものの、第２蒸気処理装置７８における燃料蒸気の処理負担を軽減できる。
【００７９】
そこで、ＥＣＵ９は、エンジンＥの運転状態に応じて酸化ガス切替弁８３を切り替えることにより、酸化ガス供給装置４からの新規酸化ガスの混合器２への供給量と気相還流装置８からの酸化ガスの混合器２への供給量を制御する。
【００８０】
より具体的には、ＥＣＵ９は、アイドリングストップによってエンジンＥが停止している場合、換言すれば後に説明するように第２蒸気処理装置７８の流路切替弁７８３が遮断側に設定され（後述の図３のＳ３参照）、第２蒸気処理装置７８で燃料蒸気を処理できない場合には、酸化ガス切替弁８３を気相還流装置８側に設定し、酸化ガス供給装置４からの新規酸化ガスの供給量を減少させるとともに気相還流装置８からの還流酸化ガスの供給量を増加させる。これにより、改質反応器３における改質運転を継続しながら第２蒸気処理装置７８における負担を軽減することができる。
【００８１】
またＥＣＵ９は、エンジンＥが作動している場合、換言すれば後に説明するように第２蒸気処理装置７８の流路切替弁７８３が上流流路側又は下流流路側に設定され（後述の図３のＳ５，Ｓ６参照）、第２蒸気処理装置７８で燃料蒸気を処理できる場合には、酸化ガス切替弁８３を酸化ガス供給装置４側に設定し、気相還流装置８からの還流酸化ガスの供給量を減少させるとともに酸化ガス供給装置４からの新規酸化ガスの供給量を増加させる。これにより、改質反応器３における改質反応速度を向上しつつ、これによって発生した燃料蒸気を第２蒸気処理装置７８で適切に処理できる。
【００８２】
ＥＣＵ９は、センサの検出信号をＡ／Ｄ変換するＩ／Ｏインターフェース、各種データや各種プログラムを記憶するＲＡＭやＲＯＭ、各種プログラムを実行するＣＰＵ、並びにこの処理の下で決定した態様で酸化ガス供給装置４、未改質燃料供給装置５、主触媒供給装置６、改質燃料循環装置７、及び気相還流装置８等を構成する各種デバイスを駆動する駆動回路等で構成されるマイクロコンピュータである。ここで、ＥＣＵ９において実行されるプログラムとしては、酸化ガス供給装置４による新規酸化ガス供給量と未改質燃料供給装置５による未改質燃料供給量と主触媒供給装置６による主触媒供給量と改質燃料循環装置７による改質燃料供給量と気相還流装置８による還流酸化ガス供給量とを制御するプログラムや、第２燃料蒸気装置７８によって燃料蒸気を処理（すなわち、第２燃料蒸気装置７８によって改質燃料循環系内を掃気）するプログラム（後述の図３のプログラム参照）や、混合器２によって混合気を生成するタイミングに合わせてそのヒータを駆動するプログラムや、改質反応器３で混合気を改質するタイミングに合わせてその冷却水ポンプを駆動するプログラム等、がある。
【００８３】
図３は、第２蒸気処理装置によって改質運転中の改質燃料循環系内を掃気する手順を示すフローチャートである。図３の処理は、イグニッションスイッチがオンにされている間、ＥＣＵにおいて所定の周期毎に実行される。
【００８４】
始めにＳ１では、ＥＣＵは、現在改質運転中であるか否かを判定する。より具体的には、混合器に酸化ガス、燃料、主触媒等を供給し、改質反応器で改質燃料を生成しているか否かを判定する。Ｓ１の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、改質燃料循環系内を適宜掃気する必要があると判断し、Ｓ２に移る。
【００８５】
Ｓ２では、ＥＣＵは、エンジンが停止しているか否かを判定する。Ｓ２の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、吸気通路内では負圧が発生しえず、第２蒸気処理装置では燃料蒸気を処理できないと判断し、流路切替弁を遮断側に設定し（Ｓ３参照）、この処理を終了する。なお、流路切替弁を遮断側に設定することにより、低温気液分離器の気相排出部からは気相の改質燃料を排出できなくなる。しかしながらこの場合であっても、改質燃料循環系内の気相の改質燃料は、第１蒸気処理装置によって処理されるか、又は気相還流装置によって再度改質反応器における改質反応に用いられる。したがって、流路切替弁を遮断側に設定したとしても、直ちに改質運転を停止する必要はない。
【００８６】
Ｓ２の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、燃料蒸気の適切な供給経路を決定すべくＳ４に移る。Ｓ４では、ＥＣＵは、圧力センサの出力信号を用いることによって、吸気通路のうち吸気スロットルバルブの下流側のインマニ圧が、大気圧より低い所定圧以下であるか否かを判定する。なお、このインマニ圧は、エンジンでエンジンブレーキが発生しているときや、エンジンの負荷が低い低負荷運転時等において大気圧より低くなる。したがって、Ｓ４では、インマニ圧を圧力センサで直接検出する代わりに、エンジンブレーキが発生しているか否か、又は低負荷運転時であるか否か、を判定するようにしてもよい。
【００８７】
Ｓ４の判定がＹＥＳである場合、すなわち吸気スロットルバルブで大きな負圧が発生しているときには、ＥＣＵは、流路切替弁を下流流路に設定し（Ｓ５参照）、吸気通路で発生する負圧を利用して、低温気液分離器の気相排出部から排出される気相の改質燃料を、吸気スロットルバルブの下流側に供給する。一方、Ｓ４の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、過給機によって吸気が圧縮されている可能性があると判断し、流路切替弁を上流流路に設定し（Ｓ６参照）、吸気通路で発生する負圧を利用して、低温気液分離器の気相排出部から排出される気相の改質燃料を、過給機の上流側に供給する。
【００８８】
またＳ１の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、改質運転が行われておらず、改質燃料循環系内を掃気する必要がないと判断し、流路切替弁を遮断側に設定し（Ｓ３参照）、この処理を終了する。
【００８９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。
例えば上記実施形態では、主触媒を未改質燃料とともに混合器へ供給する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば主触媒は、助触媒と同様に、改質反応器の反応管内に充填された粒子状物質又は多孔質物質に担持させてもよい。
【符号の説明】
【００９０】
１…燃料改質システム
３…改質反応器
７…改質燃料循環装置
７１…改質燃料タンク
７４…凝縮器
７７…第１蒸気処理装置
７７１…第１蒸気通路（タンク燃料蒸気流路）
７７２…キャニスタ
７８…第２蒸気処理装置
７８１…上流蒸気配管（上流流路）
７８２…下流蒸気配管（下流流路）
７８３…流路切替弁（掃気制御手段）
７９…低温気液分離器（気液分離器）
７９１…気相排出部
７９２…凝縮相排出部
９…ＥＣＵ（掃気制御手段）
Ｅ…エンジン（内燃機関）
Ｅ１…吸気通路
Ｅ３…過給機
【図１】
2018003802.tif 000003
【図２】
2018003802.tif 000004
【図３】
2018003802.tif 000005