(57)【要約】【課題】酸素を用いて燃料を改質する燃料改質システムにおいて、空気ポンプを用いることなく改質反応器に酸素を供給できる燃料改質システムを提供すること。【解決手段】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を生成する混合器２と、混合器２から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する改質反応器３と、エンジンＥの吸気通路Ｅ１を流れる吸気の一部を酸化ガスとして混合器２へ供給する酸化ガス供給装置４と、を備え、酸化ガス供給装置４は、吸気通路Ｅ１のうち吸気通路Ｅ１に設けられた過給機Ｅ３の下流側と混合器２とを接続するメイン供給管４１と、このメイン供給管４１に設けられ混合器２へ供給される酸化ガスの酸素濃度を高くする酸素富化装置４６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を生成する混合器と、
前記混合器から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する改質反応器と、
内燃機関の吸気通路を流れる吸気の一部を酸化ガスとして前記混合器へ供給する酸化ガス供給装置と、を備え、
前記酸化ガス供給装置は、前記吸気通路のうち当該吸気通路に設けられた過給機の下流側と前記混合器とを接続する酸化ガス供給路と、当該酸化ガス供給路に設けられ前記混合器へ供給される酸化ガスの酸素濃度を高くする酸素富化装置と、を備えることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
前記酸素富化装置は、前記酸化ガス供給路に設けられ、酸化ガス中の窒素を分離することによって前記混合器へ供給される酸化ガスの酸素濃度を高くする気体分離膜を備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】
前記酸化ガス供給路のうち前記酸素富化装置の下流側に設けられ、酸化ガス中の酸素を用いてオゾンを発生させるオゾン発生装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質システム。
【請求項４】
前記酸化ガス供給装置は、前記過給機より上流側と前記酸化ガス供給路とを接続する低圧導入路と、当該低圧導入路に設けられた空気ポンプと、をさらに備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料改質システム。
【請求項５】
前記酸化ガス供給装置は、前記低圧導入路と前記酸化ガス供給路との接続部に設けられ前記混合器へ供給される酸化ガスの供給元を前記過給機より上流側と下流側とで切り替える流路切替弁をさらに備え、
前記酸素富化装置は、前記酸化ガス供給路のうち前記流路切替弁より下流側に設けられることを特徴とする請求項４に記載の燃料改質システム。
【請求項６】
前記酸化ガス供給装置は、前記過給機より上流側と前記酸化ガス供給路とを接続する低圧導入路と、前記酸化ガス供給路のうち前記低圧導入路と接続する部分より下流側に設けられた空気ポンプと、をさらに備えることを特徴とする請求項１から３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酸化ガス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含む改質燃料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】
特許文献１の発明において、改質反応器で改質運転を行うためには、改質反応器へ酸素を供給し続ける必要がある。このため、特許文献１の発明では、改質反応器に圧縮空気を供給するための空気ポンプを搭載する必要があり、また改質反応器で改質運転を行う度に空気ポンプを駆動せねばならず、その分だけエネルギに無駄が生じていた。
【０００７】
本発明は、酸素を用いて燃料を改質する燃料改質システムにおいて、空気ポンプを用いることなく改質反応器に酸素を供給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１，１Ａ）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を生成する混合器（例えば、後述の混合器２）と、前記混合器から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する改質反応器（例えば、後述の改質反応器３）と、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）を流れる吸気の一部を酸化ガスとして前記混合器へ供給する酸化ガス供給装置（例えば、後述の酸化ガス供給装置４，４Ａ）と、を備え、前記酸化ガス供給装置は、前記吸気通路のうち当該吸気通路に設けられた過給機（例えば、後述の過給機Ｅ３）の下流側と前記混合器とを接続する酸化ガス供給路（例えば、後述のメイン供給管４１，４１Ａ）と、当該酸化ガス供給路に設けられ前記混合器へ供給される酸化ガスの酸素濃度を高くする酸素富化装置（例えば、後述の酸素富化装置４６，４６Ａ）と、を備える。
【０００９】
（２）この場合、前記酸素富化装置は、前記酸化ガス供給路に設けられ、酸化ガス中の窒素を分離することによって前記混合器へ供給される酸化ガスの酸素濃度を高くする気体分離膜（例えば、後述の気体分離膜４６３）を備えることが好ましい。
【００１０】
（３）この場合、前記燃料改質システムは、前記酸化ガス供給路のうち前記酸素富化装置の下流側に設けられ、酸化ガス中の酸素を用いてオゾンを発生させるオゾン発生装置（例えば、後述のオゾン発生装置４７）を備えることが好ましい。
【００１１】
（４）この場合、前記酸化ガス供給装置は、前記過給機より上流側と前記酸化ガス供給路とを接続する低圧導入路（例えば、後述のサブ供給管４２）と、当該低圧導入路に設けられた空気ポンプ（例えば、後述のサブ空気ポンプ４５）と、をさらに備えることが好ましい。
【００１２】
（５）この場合、前記酸化ガス供給装置は、前記低圧導入路と前記酸化ガス供給路との接続部に設けられ前記混合器へ供給される酸化ガスの供給元を前記過給機より上流側と下流側とで切り替える流路切替弁（例えば、後述の導入経路切替弁４３）をさらに備え、前記酸素富化装置は、前記酸化ガス供給路のうち前記流路切替弁より下流側に設けられることが好ましい。
【００１３】
（６）この場合、前記酸化ガス供給装置は、前記過給機より上流側と前記酸化ガス供給路とを接続する低圧導入路（例えば、後述のサブ供給管４２Ａ）と、前記酸化ガス供給路のうち前記低圧導入路と接続する部分より下流側に設けられた空気ポンプ（例えば、後述のサブ空気ポンプ４５Ａ）と、をさらに備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
（１）本発明では、吸気通路のうち過給機の下流側と混合器とを酸化ガス供給路で接続し、過給機によって圧縮された吸気を改質反応器に流用することにより、改質反応器に空気を供給するための空気ポンプをあえて設ける必要がなくなる。また、空気ポンプを設ける場合であっても、空気ポンプを駆動し続ける必要がなくなるので、その分だけ空気ポンプを駆動するエネルギの消費を抑制できる。また空気ポンプを設ける場合であっても、従来と比較して小型のものを用いることができる。また過給機によって圧縮された吸気を燃料改質に流用する場合、安定して酸素を供給できず、改質反応器では安定して改質運転を継続できなくなるおそれがある。しかしながら本発明では、混合器へ供給される酸化ガスの酸素濃度を高くする酸素富化装置を設けることにより、改質反応器には空気よりも高酸素濃度の酸化ガスを用いて形成した混合気を供給できるので、吸気を流用しながらも改質反応器では安定して改質運転を継続することができる。
【００１５】
（２）本発明では、酸素濃度を高くする酸素富化装置として、酸化ガス中の窒素を分離することによって混合器へ供給される酸化ガスの酸素濃度を高くする気体分離膜を用いる。これにより、改質反応器には、改質反応に寄与しない窒素が除かれるので、改質反応速度が向上するだけでなく、改質反応器から気液混合状態で排出される改質燃料に含まれる窒素の量も減らすことができる。混合気を空気で生成した場合、改質反応器から排出される改質燃料のうち、気相のものの大半は窒素が占める。したがって、このような窒素を予め除いておくことにより、改質反応器から排出される改質燃料を例えば凝縮器で凝縮する場合、この凝縮器に流入するガスの量も減らすことができるので、凝縮器で凝縮するために必要なエネルギの消費も抑制でき、またその分だけ凝縮器を小さくすることもできる。また、上記のように気相の大半を占める窒素を予め除いておくことにより、その分だけ改質反応器や改質燃料が流れる流路内のガスの量を減らすことができるので、混合器に酸化ガスや燃料等を供給するポンプの負荷を軽減することもできる。
【００１６】
（３）本発明では、酸化ガス供給路にオゾン発生装置を設けることにより、酸素分子よりも酸化力の高いオゾンを改質反応器に供給できるので、改質反応器における改質反応をさらに促進できる。また本発明では、このようなオゾン発生装置を上記酸素富化装置より下流側に設ける。すなわち、オゾン発生装置に供給する酸化ガスから予め窒素を除いておくことにより、オゾン発生装置におけるオゾンの生成効率を向上することもできる。
【００１７】
（４）本発明では、過給機より上流側と酸化ガス供給路とを接続する低圧導入路を設け、さらにこの低圧導入路に空気ポンプを設ける。これにより、過給機によって圧縮された吸気の一部を混合器に導入しつつ、これに加えて空気ポンプを用いて過給機より上流側の低圧の吸気を混合器に導入することもできる。また本発明では、低圧の吸気を圧送するための空気ポンプを、過給機による圧縮空気の流路である酸化ガス供給路ではなく、これと分岐した低圧導入路に設けることにより、酸化ガス供給路で空気ポンプによる圧力降下が発生するのを防止できる。これにより、混合器には十分な量の酸化ガスを供給しつつ、燃料改質システム全体での効率を向上できる。
【００１８】
（５）本発明では、低圧導入路と酸化ガス供給路との接続部に酸化ガスの供給元を過給機より上流側と下流側とで切り替える流路切替弁を設け、さらに酸素富化装置を酸化ガス供給路のうち流路切替弁より下流側に設ける。これにより、酸化ガス供給路を介して過給機の下流側から取得された吸気と、低圧導入路を介して過給機の上流側から取得された吸気との両方を酸素富化装置に通過させることができる。
【００１９】
（６）本発明では、過給機より上流側と酸化ガス供給路とを接続する低圧導入路を設け、さらに酸化ガス供給路のうち低圧導入路と接続する部分より下流側に空気ポンプを設ける。これにより、過給機によって圧縮された吸気の一部を混合器に導入しつつ、これに加えて空気ポンプを用いて過給機より上流側の低圧の吸気を混合器に導入することもできる。また本発明では、空気ポンプを酸化ガス供給路のうち低圧導入路と接続する部分より下流側に設けることにより、過給機の下流側から取得した吸気の流量と過給機の上流側から取得した低圧の吸気の流量との両方を単一の空気ポンプで制御することができる。よって本発明では、混合器に供給する酸化ガスの流量を精度良く制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１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】酸素富化装置の構成を示す図である。
【図３】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４】酸化ガス供給装置や気相還流装置等を用いて混合器に酸化ガスや燃料等を供給する手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜第１実施形態＞
本発明の第１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Ｅ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、酸素富化装置４６と、オゾン発生装置４７と、を備え、これらを用いることによって吸気通路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、メイン供給管４１と吸気通路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の上流側の低圧の吸気が混合器２へ供給される。
【００２６】
酸素富化装置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に供給される吸気の酸素濃度を高くする。
【００２７】
図２は、酸素富化装置４６の構成を示す図である。
酸素富化装置４６は、筐体４６１と、この筐体４６１の内部に圧縮空気を導入する圧縮空気導入部４６２と、筐体４６１の内部に設けられ圧縮空気導入部４６２から導入された吸気中の窒素と酸素を分離する気体分離膜４６３と、空気より高酸素濃度の酸素リッチガスを排出する酸素リッチガス排出部４６４と、空気より高窒素濃度の窒素リッチガスを排出する窒素リッチガス排出部４６５と、を備える。
【００２８】
圧縮空気導入部４６２は、メイン供給管４１の上流側、すなわち導入経路切替弁４３側に接続される。過給機Ｅ３の下流側から取得された圧縮空気やサブ空気ポンプ４５を駆動することによって取得された圧縮空気は、この圧縮空気導入部４６２を介して筐体４６１の内部に導入される。
【００２９】
気体分離膜４６３は、筐体４６１内に導入された圧縮空気中の気体分子のうち酸素分子を選択的に溶解又は透過させることによって、圧縮空気中の酸素と窒素とを分離する。この気体分離膜４６３で分離することによって得られた酸素リッチガスは酸素リッチガス排出部４６４から排出される。またこの酸素リッチガス排出部４６４は、メイン供給管４１の下流側、すなわちオゾン発生装置４７側に接続されており、これによりオゾン発生装置４７には酸素富化装置４６によって得られた酸素リッチガスが供給される。また気体分離膜４６３で分離することによって得られた窒素リッチガスは、窒素リッチガス排出部４６５を介して、燃料改質システムの外、すなわち外気に放出される。
【００３０】
図１に戻って、オゾン発生装置４７は、メイン供給管４１のうち酸素富化装置４６の下流側に設けられ、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて、酸素富化装置４６の酸素リッチガス排出部４６４から排出されるガス中の酸素の一部を励起し、オゾンを発生させる。
【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。酸化ガス供給装置４を用いて新規酸化ガスを混合器２へ供給する具体的な手順については、後に図４を参照して説明する。
【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３は、未改質燃料に反応済みの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３の右側）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３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３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。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る。流路切替弁７８３は、ＥＣＵ９からの制御信号に応じて、気相排出部７４１側から吸気通路Ｅ１側への燃料蒸気の流れを、遮断するか又は上述の上流流路及び下流流路の何れかで切り替える。
【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、改質燃料回収管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。
【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に混合器２から酸化ガス及び燃料等を混合して形成される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によって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のうちオゾン発生装置４７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。以上のような気相還流装置８を用いて還流酸化ガスを混合器２へ供給する手順については、後に図４を参照して説明する。
【００７８】
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（後述の図４参照）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。
【００７９】
図４は、酸化ガス供給装置や気相還流装置等を用いて混合器に酸化ガスや燃料等を供給する手順を示すフローチャートである。図４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。
【００８０】
始めにＳ１では、ＥＣＵは、燃料改質システムによる燃料改質が完了したか否かを判定する。ここで燃料改質が完了したか否かは、例えば、改質燃料タンク内に目標オクタン価より高くかつ目標残量より多い改質燃料が貯蔵されているか否かによって判断される。ここで改質燃料タンク内の改質燃料の残量は、レベルセンサの出力を用いて取得することができる。また改質燃料のオクタン価を推定する方法としては、エンジンに供給する燃料の未改質燃料と改質燃料の割合を変化させたときにノッキングの発生を検出したタイミングに基づいてオクタン価を推定する方法や、空燃比センサを用いたフィードバック制御におけるフィードバック補正係数の値に基づいてオクタン価を推定する方法等、既知の推定方法が用いられる。
【００８１】
Ｓ１の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、混合器に酸化ガスと未改質燃料と主触媒と反応済みの改質燃料とを供給することによって改質反応器にこれらの混合気を供給し、改質反応器で燃料を改質する改質運転を行う（Ｓ２以降、参照）。Ｓ２では、ＥＣＵは、未改質燃料供給量と主触媒供給量と改質燃料供給量とを予め定められた割合になるように制御し、混合器に未改質燃料と主触媒と反応済みの改質燃料とを供給する。より具体的には、ＥＣＵは、フィードポンプをオンにしかつ燃料供給弁を開き、触媒計量ポンプをオンにし、制御弁を供給側にセットするとともに循環ポンプをオンにする。これに加えて、以下で説明するように酸化ガス供給装置及び気相還流装置を用いて酸化ガスを混合器に供給することにより、改質反応器には、未改質燃料と主触媒と改質燃料と酸化ガスとを混合した混合気が供給される。
【００８２】
次に酸化ガス供給装置及び気相還流装置を用いて酸化ガスを混合器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を用いて酸化ガスを供給すると、改質反応器には酸素富化装置やオゾン発生装置によって空気より酸化力が強化された新規酸化ガスが供給されるので、改質反応器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蒸気処理装置で処理しなければならない。これに対し、気相還流装置を用いて還流酸化ガスを混合器へ供給すると、改質反応器には未反応の酸素しか供給されないので、改質反応器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蒸気処理装置における燃料蒸気の処理負担を軽減できる。そこでＥＣＵは、エンジンの運転状態に応じて酸化ガス切替弁を切り替えることにより、酸化ガス供給装置から混合器への新規酸化ガス供給量と気相還流装置から混合器への還流酸化ガス供給量とを制御する。
【００８３】
より具体的には、Ｓ３では、ＥＣＵは、アイドリングストップによってエンジンが停止しているか否かを判定する。Ｓ３の判定がＮＯである場合、上述のように第２蒸気処理装置の流路切替弁は上流流路側又は下流流路側に設定されており、第２蒸気処理装置で燃料蒸気を処理できる。この場合、ＥＣＵは、酸化ガス切替弁を酸化ガス供給装置側に設定し（Ｓ４参照）、酸化ガス供給装置から混合器へ新規酸化ガスを供給する。Ｓ５では、ＥＣＵは、ＥＣＵは、圧力センサの出力信号を用いることによって、吸気通路のうち過給機の下流側のインマニ圧が、大気圧より高い所定圧以上であるか否かを判定する。
【００８４】
Ｓ５の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、過給機の下流側から圧縮空気を取得し、これを混合器に供給すべく、導入経路切替弁を過給機の下流側に設定し（Ｓ６参照）、さらにオゾン発生装置をオンにする（Ｓ７参照）。これにより、過給機の下流側の圧縮空気は、酸素富化装置を経ることによって酸素濃度が高められ、さらにオゾン発生装置を経ることによって酸素の一部がオゾンに変換された後、混合器に供給される。
【００８５】
Ｓ５の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、過給機の上流側から吸気を取得し、これを混合器に供給すべく、導入経路切替弁を過給機の上流側に設定し（Ｓ８参照）、サブ空気ポンプをオンにし（Ｓ９参照）、さらにオゾン発生装置をオンにする（Ｓ１０参照）。これにより、過給機の上流側で取得された吸気は、サブ空気ポンプによって圧縮され、酸素富化装置を経ることによって酸素濃度が高められ、さらにオゾン発生装置を経ることによって酸素の一部がオゾンに変換された後、混合器に供給される。
【００８６】
またＳ３の判定がＹＥＳである場合、上述のように第２蒸気処理装置の流路切替弁は遮断側に設定され、第２蒸気処理装置では燃料蒸気を十分に処理できない。この場合、ＥＣＵは、酸化ガス切替弁を気相還流装置側に設定し（Ｓ１１参照）、気相還流装置から混合器へ還流酸化ガスを供給する。
【００８７】
またＳ１の判定がＹＥＳである場合には、すなわちＳ２〜Ｓ１１の改質運転を行うことによって改質燃料タンクには目標オクタン価より高くかつ目標残量より多い改質燃料を取得できた場合には、ＥＣＵは、混合器への未改質燃料、主触媒、改質燃料、及び酸化ガスの供給を停止し、改質反応器における改質運転を停止する（Ｓ１２参照）。
【００８８】
＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料改質システム１Ａの構成を示す図である。本実施形態の燃料改質システム１Ａは、図１に示された第１実施形態の燃料改質システム１と、酸化ガス供給装置４Ａ及びＥＣＵ９Ａの構成が異なる。以下では、燃料改質システム１Ａについて燃料改質システム１と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００８９】
酸化ガス供給装置４Ａは、メイン供給管４１Ａと、サブ供給管４２Ａと、導入経路切替弁４３Ａと、サブ空気ポンプ４５Ａと、酸素富化装置４６Ａと、オゾン発生装置４７Ａと、逆止弁４８Ａと、を備え、これらを用いることによって吸気通路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。
【００９０】
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４２Ａは、メイン供給管４１Ａと吸気通路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４２Ａを介して混合器２へ供給される。サブ空気ポンプ４５Ａは、メイン供給管４１Ａのうち、メイン供給管４１Ａとサブ供給管４２Ａとを接続する部分より下流側に設けられ、ＥＣＵ９Ａからの制御信号に応じて、過給機Ｅ３の上流側又は下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。
【００９１】
以上のように、酸化ガス供給装置４Ａ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４１Ａ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４２Ａ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４３Ａは、メイン供給管４１Ａのうちサブ供給管４２Ａの分岐部に設けられた三方弁である。導入経路切替弁４３Ａ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４１Ａ側）と過給機Ｅ３の上流側（サブ供給管４２Ａ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の下流側に設定し、サブ空気ポンプ４５Ａを駆動すると、過給機Ｅ３及びサブ空気ポンプ４５Ａ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４３Ａ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の上流側の低圧の吸気が混合器２へ供給される。
【００９２】
メイン供給管４１Ａのうち、導入経路切替弁４３Ａの上流側には、酸素富化装置４６Ａと逆止弁４８Ａと、が設けられている。逆止弁４８Ａは、過給機Ｅ３の下流側の圧力が酸素富化装置４６Ａ側の圧力よりも高くなると開き、過給機Ｅ３の下流側から酸素富化装置４６Ａ側への吸気の流れを許容し、酸素富化装置４６Ａ側から過給機Ｅ３の下流側への吸気の流れを遮断する。
【００９３】
酸素富化装置４６Ａは、過給機Ｅ３の下流側から逆止弁４８Ａを介して導入した高圧の空気の酸素濃度を高くする。酸素富化装置４６Ａの構成は、図２を参照して説明した第１実施形態の酸素富化装置４６と同じである。酸素富化装置４６Ａの圧縮空気導入部４６２Ａは、メイン供給管４１Ａの上流側すなわち逆止弁４８Ａ側に接続され、酸素リッチガス排出部４６４Ａは、メイン供給管４１Ａの下流側すなわちオゾン発生装置４７側に接続され、窒素リッチガス排出部４６５Ａは、吸気通路Ｅ１に接続されている。
【００９４】
以上のような本実施形態の酸化ガス供給装置４Ａによれば、第１実施形態の酸化ガス供給装置４と同様に、過給機Ｅ３の下流側から圧縮空気を取得し、その酸化力を酸素富化装置４６Ａ及びオゾン発生装置４７を用いることによって強化し、混合器２に供給することができる。なお本実施形態によれば、第１実施形態の燃料改質システム１と異なり、サブ空気ポンプ４５Ａをメイン供給管４１Ａのうち導入経路切替弁４３Ａより下流側に設ける。これにより、単一のサブ空気ポンプ４５Ａを用いて過給機Ｅ３の上流側の吸気及び下流側の吸気の両方の流量を精度良く制御できる。
【００９５】
以上、本発明の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。
【００９６】
また上記実施形態では、酸素濃度を高くする酸素富化装置として気体分離膜を用いた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、その内部に圧縮空気が流れると、圧縮空気中の酸素を選択的に透過させる中空糸膜を用いることによって、酸素濃度を高くしてもよい。
【符号の説明】
【００９７】
１，１Ａ…燃料改質システム
２…混合器
３…改質反応器
４，４Ａ…酸化ガス供給装置
４１，４１Ａ…メイン供給管（酸化ガス供給路）
４２，４２Ａ…サブ供給管（低圧導入路）
４３，４３Ａ…導入経路切替弁（流路切替弁）
４５，４５Ａ…サブ空気ポンプ（空気ポンプ）
４６，４６Ａ…酸素富化装置
４６３…気体分離膜
４７…オゾン発生装置
Ｅ…エンジン（内燃機関）
Ｅ１…吸気通路
Ｅ３…過給機
【図１】
2018003804.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2018003804.tif 000006
【図５】
2018003804.tif 000007