(57)【要約】【課題】燃料中の燃料成分を簡便に分離できる車載用の燃料分離装置を提供する。【解決手段】燃料分離装置１は、内燃機関に供給される燃料を貯留する燃料タンク２と、燃料タンク２から取出された燃料中の高着火性成分を選択的に吸着する吸着手段８と、吸着手段８に吸着された高着火性成分を脱着させる脱着手段１２とを備える。燃料を吸着手段８に選択的に吸着される高着火性成分とそれ以外の低着火性成分とに分離する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に供給される燃料を貯留する燃料タンクと、該燃料タンクから取出された燃料中の高着火性燃料成分を選択的に吸着する吸着手段と、該吸着手段に吸着された該高着火性燃料成分を脱着させる脱着手段とを備え、燃料を該吸着手段に選択的に吸着される高着火性燃料成分とそれ以外の低着火性燃料成分とに分離することを特徴とする車載用の燃料分離装置。
【請求項２】
請求項１記載の車載用燃料の分離装置において、前記高着火性燃料成分はｎ−ヘプタンであり、前記低着火性燃料成分はｉ−オクタンを含む燃料成分であることを特徴とする車載用の燃料分離装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の車載用燃料の分離装置において、前記吸着手段は、前記高着火性燃料成分を選択的に吸着するモレキュラーシーブであることを特徴とする車載用の燃料分離装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の車載用燃料の分離装置において、前記脱着手段は、前記吸着手段を減圧する減圧手段であることを特徴とする車載用の燃料分離装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の車載用燃料の分離装置において、前記脱着手段は、前記吸着手段を加熱する加熱手段であることを特徴とする車載用の燃料分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載用の燃料分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の要求負荷に広い範囲で対応するために、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料とを備え、両燃料を適宜混合して内燃機関に供給する技術が検討されている。前記技術において、着火性の高い燃料と着火性の低い燃料とがそれぞれ別に供給されるときには、複数の燃料タンクが必要になる。しかし、前記内燃機関が車両に搭載される場合、燃料タンクを設ける場所の制約があるため、複数の燃料タンクを設けることが難しいという問題がある。
【０００３】
そこで、単一の燃料を用い、該燃料に含まれる燃料成分の一部を抽出することにより性状の異なる２種類の燃料成分を得る技術が考えられる。このような技術として、例えば、燃料中の高オクタン価成分を選択的に透過させる分離膜を用い、燃料を高オクタン価成分と低オクタン価成分とに分離する車載用の燃料分離装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
前記燃料分離装置では、単に分離膜による分離では十分な分離性能が得られないため、該分離膜に供給される燃料の温度を制御している。この結果、前記燃料分離装置では、前記分離膜を透過する高オクタン価成分の量を増加させることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２３２６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の燃料分離装置では、燃料の温度を制御するために複雑な装置を必要とするので、車両に搭載するには不利になるという不都合がある。
【０００７】
本発明は、かかる不都合を解消して、燃料に含まれる特定の燃料成分を車両上で簡便に分離することができる車載用の燃料分離装置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】
かかる目的を達成するために、本発明の車載用の燃料分離装置は、内燃機関に供給される燃料を貯留する燃料タンクと、該燃料タンクから取出された燃料中の高着火性燃料成分を選択的に吸着する吸着手段と、該吸着手段に吸着された該高着火性燃料成分を脱着させる脱着手段とを備え、燃料を該吸着手段に選択的に吸着される高着火性燃料成分とそれ以外の低着火性燃料成分とに分離することを特徴とする。
【０００９】
前記燃料において、前記高着火性燃料成分は例えばｎ−ヘプタンであり、前記低着火性燃料成分は例えばｉ−オクタンを含む燃料成分である。そこで、本発明の車載用の燃料分離装置では、前記燃料タンクから取り出した前記燃料を前記吸着手段に供給して、前記高着火性燃料成分を選択的に吸着させる。ここで、前記吸着手段としては、例えば、前記高着火性燃料成分を選択的に吸着するモレキュラーシーブを用いることができる。
【００１０】
前記高着火性燃料成分が前記吸着手段に吸着された後の残余の燃料は、該高着火性燃料成分以外の成分として、前記低着火性燃料成分の含有量が高くなっている。前記残余の燃料は、前記燃料タンクに戻されてもよく、低着火性燃料成分として別のタンクに貯留されてもよい。
【００１１】
次に、前記吸着手段に吸着された前記高着火性燃料成分を、前記脱着手段により脱着させる。前記脱着手段としては、前記吸着手段を減圧する減圧手段または前記吸着手段を加熱する加熱手段を用いることができる。前記減圧手段と前記加熱手段とは、どちらか一方だけを用いてもよいが、実用的には両方を用いて、前記吸着手段を減圧下に加熱することが好ましい。
【００１２】
この結果、本発明の燃料分離装置によれば、前記燃料を、前記高着火性燃料成分とそれ以外の燃料成分とに確実に分離することができる。本発明の燃料分離装置は、前記燃料を前記吸着手段に供給して前記高着火性燃料成分を選択的に吸着させ、前記脱着手段により脱着させるという簡便な操作で、前記分離を行うことができるので、車載用の燃料分離装置として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の車載用の燃料分離装置の構成を示す説明的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の燃料分離装置１は、自動車等の車両に搭載されるものであって、内燃機関（以下、エンジンという）５１に供給する燃料を貯留する燃料タンク２と、燃料分離槽３と、高着火性燃料成分タンク４とを備えている。前記燃料は、高着火性燃料成分として例えばｎ−ヘプタンを含むと共に、前記低着火性燃料成分として例えばｉ−オクタン、オレフィン系炭化水素化合物、ナフテン系炭化水素化合物、芳香族系炭化水素化合物等を含んでいる。このような燃料として、例えばガソリンを挙げることができる。
【００１６】
燃料タンク２は、第１接続導管５により第１開閉弁６を介して燃料分離槽３に接続されている。第１接続導管５は、燃料タンク２の底部に配設された第１燃料ポンプ７により燃料タンク２内の燃料を燃料分離槽３に供給し、或いは分離槽３内の燃料を燃料タンク２に吸引する。
【００１７】
分離槽３は、内部に前記燃料中の前記高着火性燃料成分を選択的に吸着する吸着手段としてのモレキュラーシーブ８を備えると共に、モレキュラーシーブ８に吸着された前記高着火性燃料成分を脱着させる脱着手段として、真空ポンプ９を備えている。真空ポンプ９は、分離槽３内を減圧する減圧手段として作用する。
【００１８】
また、分離槽３は前記脱着手段として、分離槽３内を加熱する加熱手段（図示せず）を備えている。前記加熱手段は、例えば、分離槽３の外壁をジャケットとして、或いは分離槽３内に配管を設けて、該ジャケットまたは配管に熱媒体を流通させるようにしてもよく、分離槽３内にヒーター等を配設するようにしてもよい。
【００１９】
分離槽３は、第２接続導管１０により第２開閉弁１１ａ，１１ｂを介して高着火性燃料成分タンク４に接続されており、第２接続導管１０は高着火性燃料成分タンク４内に配設された第２燃料ポンプ１２と凝縮器１３とを備えている。前記脱着手段によりモレキュラーシーブ８から脱着された前記高着火性燃料成分は気体となっているので、第２接続導管１０は、第２燃料ポンプ１１により分離槽３内の前記高着火性燃料成分を、分離槽３と高着火性燃料成分タンク４との間で循環させ、凝縮器１３で液化させる。そして、凝縮器１３で液化された前記高着火性燃料成分を高着火性燃料成分タンク４に回収する。
【００２０】
一方、エンジン５１は、シリンダ５２とピストン５３とを備え、シリンダヘッド５４には燃焼室５５に混合気を導入する吸気管５６と、燃焼室５５内の排気を排出する排気管５７と、燃焼室５５内の混合気に点火する点火プラグ５８とが設けられている。また、吸気管５６の開口部には吸気弁５９が設けられており、排気管５７の開口部には排気弁６０が設けられている。
【００２１】
また、吸気管５６には、第１インジェクタ６１及び第２インジェクタ６２が設けられており、インジェクタ６１，６２の上流側にはスロットル弁６３が設けられている。第１インジェクタ６１は、第１燃料導管１４を介して燃料タンク２に接続されており、第２インジェクタ６２は、第２燃料導管１５を介して高着火性燃料成分タンク４に接続されている。
【００２２】
次に、本実施形態の燃料分離装置１の作動について説明する。
【００２３】
燃料分離装置１では、第２開閉弁１１ａ，１１ｂを閉弁すると共に第１開閉弁６を開弁した状態で、第１燃料ポンプ７を作動させ、燃料タンク２内の燃料を第１接続導管５を介して分離槽３に供給し、モレキュラーシーブ８を燃料に浸漬させる。分離槽３に対する前記燃料の供給量は、モレキュラーシーブ８が燃料に浸漬される量であれば特に限定は無いが、モレキュラーシーブ８の表面が分離槽３に供給された燃料の液面下になることが好ましい。
【００２４】
所定量の燃料が分離槽３に供給されたならば、第１開閉弁６を閉弁して、モレキュラーシーブ８が燃料に浸漬された状態を、１０〜６０分間、例えば１５分間保持する。このようにすることにより、モレキュラーシーブ８に十分な量の燃料を吸着させることができる。
【００２５】
モレキュラーシーブは、結晶性ゼオライトであり、一般にＭ２／ｎＯ・Ａｌ２Ｏ３・ｘＳｉＯ２・ｙＨ２Ｏ（Ｍは金属カチオン、ｎは原子価）で示される化学組成を持っている。前記化学組成は、例えば、４Ａ型ではＮａ１２〔（ＡｌＯ２）１２（ＳｉＯ２）１２〕・２７Ｈ２Ｏであり、１３Ｘ型ではＮａ８６〔（ＡｌＯ２）８６（ＳｉＯ２）１０６〕・２７６Ｈ２Ｏである。
【００２６】
前記結晶性ゼオライトの結晶構造は、Ｓｉ原子或いはＡｌ原子を取り囲んだ４個の酸素原子からなる正四面体を基本とし、４個の酸素原子が隣接する正四面体と共有されることにより三次元構造を備えている。また、Ｎａイオンまたは他の金属カチオンがアルミナ正四面体における正電荷の不足を補っている。
【００２７】
前記結晶構造を備える結晶性ゼオライトは、結晶水を加熱除去することにより、前記正四面体に囲まれた空洞が形成されると共に、該空洞がより小径の細孔を介して隣接する６個の空洞と連結する構造を備えるモレキュラーシーブとなる。例えば、前記４Ａ型では、直径約１．１ｎｍの空洞が、直径０．３５ｎｍの細孔により連結された構造を備えている。この結果、前記モレキュラーシーブでは、前記細孔の直径に対応する分子径の分子のみを選択的に前記細孔を通過させ、前記空洞部に吸着する。前記吸着は、ファンデルワールス力による物理的吸着と、結晶中の金属カチオンによる静電引力による吸着とによるものとされている。
【００２８】
前記モレキュラーシーブにおける前記細孔の直径は、前記４Ａ型或いは１３Ｘ型のナトリウムイオンを他の金属カチオンで置換することにより調整することができる。例えば、４Ａ型のナトリウムイオンをカルシウムイオンで置換すると、前記細孔の直径が０．４２ｎｍである５Ａ型のモレキュラーシーブとなる。５Ａ型のモレキュラーシーブでは、前記細孔は侵入しようとする分子の伸縮と運動エネルギーとにより、有効直径０．５１ｎｍまでの分子を通過させることができる。
【００２９】
そこで、本実施形態の燃料分離装置１では、モレキュラーシーブ８として、前記５Ａ型モレキュラーシーブを用いる。このとき、前記燃料に含まれる成分のうち、前記５Ａ型モレキュラーシーブの前記細孔を通過し得るものは、分子の有効直径が０．４３ｎｍであるｎ−ヘプタンのみであり、他の成分はいずれも分子の有効直径が０．５８ｎｍ以上である。従って、前述のように、モレキュラーシーブ８を燃料に浸漬させると、前記燃料中の高着火性燃料成分であるｎ−ヘプタンのみが選択的にモレキュラーシーブ８に吸着される。
【００３０】
燃料分離装置１は、モレキュラーシーブ８が燃料に浸漬された状態を前記範囲の時間保持したならば、再び第１開閉弁６を開弁すると共に、第１燃料ポンプ７を作動させ、分離槽３内の燃料を第１接続導管５を介して吸引し、燃料タンク２内に戻す。このとき、第１燃料ポンプ７は、燃料タンク２内の燃料を分離槽３に供給する場合とは逆方向に作動させる。
【００３１】
そして、分離槽３内の燃料が全て燃料タンク２内に吸引されたならば、再び第１開閉弁６を閉弁する。前記操作により燃料タンク２内に吸引された燃料は、実質的にｎ−ヘプタンを含まず、ｉ−オクタンを含む低着火性燃料成分となっている。
【００３２】
次に、燃料分離装置１は、真空ポンプ９を所定時間作動させて分離槽３内を所定の減圧状態、例えば３０ｋＰａとすると共に、図示しない加熱手段を作動させて分離槽３内を所定温度、例えば１８０℃に加熱する。このようにすることにより、モレキュラーシーブ８に吸着されていたｎ−ヘプタンが脱着、分離され、分離槽３内に高着火性燃料成分が得られる。前記高着火性燃料成分は、実質的にｎ−ヘプタンのみからなっている。
【００３３】
次に、燃料分離装置１は、第２開閉弁１１ａ，１１ｂを開弁すると共に、第２燃料ポンプ１２を作動させ、分離槽３内の前記高着火性燃料成分を分離槽３と高着火性燃料成分タンク４との間で循環させる。このとき、ｎ−ヘプタンは気体となっているので、高着火性燃料成分タンク４内に設置された凝縮器１３で凝縮させ、ｎ−ヘプタンを液体として回収する。そして、燃料分離装置１は、前記高着火性燃料成分の高着火性燃料成分タンク４への移送が完了したならば、第２開閉弁１１ａ，１１ｂを閉弁し、１サイクルの処理を完了する。
【００３４】
燃料分離装置１では、燃料タンク２内の燃料を第１燃料導管１４を介して第１インジェクタ６１に供給することができる。また、同時に、前述のようにして分離した前記高着火性燃料成分を高着火性燃料成分タンク４から、第２燃料導管１５を介して第１インジェクタ６２に供給することができる。
【００３５】
次に、モレキュラーシーブによる燃料の分離試験について説明する。
〔分離試験１〕
本分離試験では、ｎ−ヘプタン２０容積％、ｉ−オクタン８０容積％からなるオクタン価８０の試験燃料を用意した。次に、前記試験燃料５０ｍｌをガラス製容器に収容し、５Ａ型モレキュラーシーブ５０ｇを加えて、モレキュラーシーブを前記試験燃料中に浸漬させ常温で２４時間静置した。次に、前記モレキュラーシーブを取出し、３０ｋＰａの減圧下、１８０℃の温度に加熱して、３時間保持し、吸着されている燃料成分を脱着、分離し、冷却トラップで捕集した。
【００３６】
そして、前記試験燃料と、前記モレキュラーシーブを取出し後に前記ガラス製容器に残された燃料成分Ａと、前記モレキュラーシーブから脱着、分離され冷却トラップで捕集された燃料成分Ｂとについて、ガスクロマトグラフィーにより組成を分析した。結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１から、ｎ−ヘプタンとｉ−オクタンとの２成分からなる試験燃料では、前記モレキュラーシーブにより、分離された燃料成分Ｂとして、実質的にｎ−ヘプタンのみからなる高着火性燃料成分を得ることができることが明らかである。
〔分離試験２〕
本分離試験では、ｎ−ヘプタン２６．５容積％、ｉ−オクタン３９．１容積％、トルエン２３．６容積％、シクロヘキサン１０．８容積％からなるオクタン価７６の試験燃料を用意した。次に、前記試験燃料５０ｍｌをガラス製容器に収容し、５Ａ型モレキュラーシーブ５０ｇを加えて、モレキュラーシーブを前記試験燃料中に浸漬させ常温で２４時間静置した。次に、前記モレキュラーシーブを取出し、３０ｋＰａの減圧下、１８０℃の温度に加熱して、３時間保持し、吸着されている燃料成分を脱着、分離し、冷却トラップで捕集した。
【００３９】
そして、前記試験燃料と、前記モレキュラーシーブを取出し後に前記ガラス製容器に残された燃料成分Ａとについて、ガスクロマトグラフィーにより組成を分析した。結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
表２から、ｎ−ヘプタンとｉ−オクタンとを含む多成分からなる試験燃料では、前記燃料成分Ａにおいて、ｎ−ヘプタン以外の成分の組成比が実質的に変化していない一方で、実質的にｎ−ヘプタンが含まれていないことが明らかである。従って、前記モレキュラーシーブから脱着、分離され冷却トラップで捕集された燃料成分Ｂは、実質的にｎ−ヘプタンのみからなる高着火性燃料成分であると推測することができる。
【００４２】
前記分離試験１及び分離試験２の結果から、図１に示す本実施形態の燃料分離装置１において、モレキュラーシーブ８として５Ａ型モレキュラーシーブを用いることにより、ｎ−ヘプタンを含む燃料から、簡便な操作でｎ−ヘプタンを分離できることが明らかである。
【００４３】
尚、本実施形態の燃料分離装置１では、モレキュラーシーブ８に吸着されていたｎ−ヘプタンを脱着させる操作を減圧下に加熱することにより行っているが、該操作は減圧だけ、または加熱だけにより行うようにしてもよい。
【００４４】
また、エンジン５１は、低着火性燃料成分を燃焼室５５に直接噴射してもよく、或いは圧縮着火させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１…燃料分離装置、  ２…燃料タンク、  ８…モレキュラーシーブ（吸着手段）、  ９…真空ポンプ（脱着手段）。
【図１】
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