(57)【要約】  専用の排気ガスリサイクルシステムと共に稼動することもある自動車用ガソリン燃料火花点火式内燃機関（ＩＣＥ）の性能を、注入水の存在下で燃料を改質して水素の収量を増加することにより向上させる。水素収量の増加により、高圧縮比が可能となり、燃料の早期点火に伴うエンジンのノッキングが低減される。改質は次の箇所で行われる：（ａ）１以上の専用排気ガス再循環シリンダの吸気マニホールドに注入された水に由来する水蒸気と燃料リッチ混合物との反応が起こるシリンダ、（ｂ）エンジン上流に位置する接触改質器、（ｃ）燃料及び専用排気ガス再循環シリンダからの排気ガス流を受け取り、冷却リフォーメートを吸気マニホールドに戻す、エンジン下流に位置する接触改質器、及び（ｄ）燃料及びエンジン排気ガスマニホールドからの排気ガス流を受け取り、リフォーメートを吸気マニホールドに送る接触改質器。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連携する車載式接触改質器を備える火花点火式ガソリン燃料内燃機関（ＩＣＥ）を稼動する方法であって、
ａ．所定量の水と燃料とを含む混合物を気化器内で予備加熱して気化された水蒸気燃料混合物を生産することと、
ｂ．前記気化された水蒸気燃料混合物と所定量の空気を前記車載式接触改質器に導入して水素と一酸化炭素を含むリフォーメート流を発生し、一酸化炭素は水性ガスシフト反応に付して追加的な水素と二酸化炭素を生産することにより水素増加リフォーメート流を発生することと、
ｃ．前記リフォーメート流に水を注入することと、
ｄ．前記水素増加リフォーメート流を注入水、フレッシュ燃料及び外気と共にＩＣＥの吸気マニホールドに導入することと、
ｅ．注入水の存在下、増加されたリフォーメート、空気及び燃料をＩＣＥにて燃焼させて熱排気ガス流を発生することとを特徴とする方法。
【請求項２】
前記リフォーメート流の温度を下げて冷却リフォーメート流を発生することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、前記リフォーメート流の温度を感知するセンサを提供することと、制御された外気との熱交換関係において前記リフォーメートを車載式熱交換器に送ることにより、前記リフォーメートを所定の温度範囲に冷却することを含む方法。
【請求項４】
前記温度センサは、外気状態に応じて前記熱交換器の作動を制御する車載式エンジン管理システム（ＥＭＳ）に向けてシグナルを発する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
段階１（ｅ）の排気ガス流の少なくとも一部は排気ガスリサイクル（ＥＧＲ）ループに送られ、前記ＩＣＥの吸気マニホールドに導入される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、前記熱排気ガス流の少なくとも一部はまず熱交換器又は自動車用インタークーラに送られて冷却排気ガス流が提供され、前記冷却排気ガス流は前記排気ガスリサイクル（ＥＲＧ）ループに送られ、前記ＩＣＥの吸気マニホールドに導入される方法。
【請求項７】
前記冷却排気流の少なくとも一部は前記熱交換器又はインタークーラからコンデンサに送られ、前記排気ガス流から水を凝縮回収する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記コンデンサからの水は、本プロセスで使用するために車載式水貯蔵容器に送られるか、或いは燃料と共に前記気化器に直接導入される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ＩＣＥはターボチャージャ又はスーパーチャージャと合わせて稼動される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
リサイクルされた排気ガスのソースである改質シリンダとして稼動する少なくとも１本の専用エンジンシリンダを備える火花点火式ガソリン燃料内燃機関（ＩＣＥ）を稼動する方法であって、
ａ．エンジン吸気と冷却排気ガスリサイクル（ＥＧＲ）流とをＥＧＲミキサにて混合し、空気／ＥＧＲ混合流を発生することと、
ｂ．前記空気／ＥＧＲ混合流を、前記ＩＣＥのシリンダに送るために前記ＩＣＥの吸気マニホールドに導入することと、
ｃ．前記吸気マニホールドにて水蒸気を前記空気／ＥＧＲ混合物に注入して、空気、ＥＧＲ及び水蒸気の混合流を発生することと、
ｄ．吸気行程の前又は吸気行程中であって燃焼サイクルの前に、一定量の燃料を前記空気、ＥＧＲ及び水蒸気混合物と共に前記少なくとも１本の専用排気ガスリサイクル改質シリンダに注入して燃料リッチ混合物を提供することと、
ｅ．前記空気、ＥＧＲ、蒸気と燃料リッチ混合物を前記少なくとも１本の専用排気ガスリサイクル改質シリンダにて燃焼改質して水素と一酸化炭素を含む混合物を生産し、一酸化炭素は水性ガスシフト反応に付して追加的な水素と二酸化炭素を生産し、前記改質シリンダで燃焼を行い熱排気ガス流を発生することと、
ｆ．水素と一酸化炭素を含む前記熱排気ガス流を冷却して段階（ａ）の前記冷却再循環排気ガス流を発生すること及び前記冷却排気ガス流を前記ＥＲＧミキサに送ることと、
ｇ．所定量の燃料を残りのＩＣＥシリンダに注入して、これらのシリンダに存在する前記空気、ＥＲＧ及び水蒸気との完全燃焼を行うこと及び排気ガス流を大気中に放出することとを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記熱排気ガス流を、所定の温度範囲に冷却するために車載式熱交換器又は自動車用インタークーラに送る、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記熱交換器又はインタークーラは外気によって冷却される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記冷却排気流の少なくとも一部は、前記熱交換器又はインタークーラからコンデンサに送られて、前記排気ガス流から水を凝縮回収する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記コンデンサからの水は、本プロセスで使用するために車載式水貯蔵容器に送られるか、或いは燃料と共に気化器に直接導入される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
リサイクルされた排気ガスのソースである少なくとも１本の専用排気ガス再循環シリンダ及び連携する車載式接触改質器を備える火花点火式ガソリン燃料内燃機関（ＩＣＥ）を稼動する方法であって、
ａ．燃料リーン／酸素リッチ条件下での燃焼のために、前記車載式接触改質器で生産された所定量の燃料、空気及び冷却リフォーメートの混合物に水蒸気を注入し、前記ＩＣＥの吸気マニホールドに送ることと、
ｂ．前記燃料、空気及び冷却リフォーメート流を前記ＩＣＥのそれぞれのシリンダで燃焼させて残留酸素を含む熱排気ガス流を発生することと、
ｃ．燃料を（ｉ）燃焼生成物と共に少なくとも１本の専用排気ガス再循環シリンダに注入するか、（ｉｉ）前記専用排気ガス再循環シリンダ排気ガスポートにおいて熱排気ガス流に注入するか、或いは（ｉｉｉ）前記車載式改質器の上流において少なくとも１本の専用排気ガス再循環シリンダからの排気ガス流に注入することと、
ｄ．前記少なくとも１本の専用排気ガス再循環シリンダからの燃料と残留酸素を含む前記熱排気ガス流を前記車載式改質器に送ることと、
ｅ．前記車載式改質器において燃料と残留酸素を含む前記熱排気ガス流を接触改質して、水素と一酸化炭素を含むリフォーメート流を発生することと、
ｆ．前記リフォーメート流を冷却して段階（ｂ）の前記冷却リフォーメートを生産することと、
ｇ．エンジン吸気流と前記冷却リフォーメート流を混合して空気／リフォーメート吸気混合流を発生することと、
ｈ．前記混合空気／リフォーメート混合物を、前記ＩＣＥのシリンダに送り注入燃料と共に燃焼させるために、前記ＩＣＥの吸気マニホールドに導入することとを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記熱排気ガス流は、所定の温度範囲に冷却するために車載式熱交換器に送られる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱交換器は外気によって冷却される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記冷却排気流の少なくとも一部は前記熱交換器からコンデンサに送られて、前記排気ガス流から水を凝縮回収する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記コンデンサからの水は、本プロセスで使用するために車載式水貯蔵容器に送られるか、或いは燃料と共に気化器に直接導入される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
車載式接触改質器を備える火花点火式ガソリン燃料内燃機関（ＩＣＥ）を稼動する方法であって、
ａ．燃料リーン／酸素リッチ条件下でＩＣＥを稼動して残留酸素を含む熱排気ガス流を発生することと、
ｂ．一定部分の前記熱排気ガス流を大気中に放出することと、
ｃ．燃料を前記改質器の上流において残留酸素を含む前記熱排気ガス流の残部に注入して燃料と熱排気ガスリサイクル（ＥＧＲ）の混合流を発生することと、
ｄ．前記燃料と熱排気ガスの混合物を前記改質器にて接触改質して、水素と一酸化炭素を含むリフォーメート流を発生することと、
ｅ．前記リフォーメート流を冷却して冷却リフォーメート流を発生することと、
ｆ．エンジン吸気流と前記冷却リフォーメート流をＥＲＧミキサにて混合して冷却リフォーメートと空気の混合流を発生することと、
ｇ．前記冷却リフォーメートと空気の混合物を前記ＩＣＥの吸気マニホールドに導入することと、
ｈ．前記吸気マニホールドの前記可燃性燃料混合物に、前記冷却リフォーメート水素／一酸化炭素及び空気の混合物と共に水を注入することと、
ｉ．前記ＩＣＥの吸気マニホールド又はエンジンシリンダに燃料を注入することと、
ｊ．前記可燃性混合物を燃焼させて、過剰の酸素を含む段階（ａ）の前記熱排気ガス流を発生することとを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記熱排気ガス流は、所定の温度範囲に冷却するために車載式熱交換器に送られる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記熱交換器は外気によって冷却される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記冷却排気流の少なくとも一部は前記熱交換器からコンデンサに送られて、前記排気ガス流から水を凝縮回収する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記コンデンサからの水は、本プロセスで使用するために車載式水貯蔵容器に送られるか、或いは燃料と共に前記気化器に直接導入される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
段階（ｆ）の燃焼の前に、追加的な吸気を前記ＩＣＥに導入して、前記改質段階のための酸素を補充する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
前記燃料は全混合物中１ｍｏｌ％〜２．５ｍｏｌ％の範囲の量で存在する、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項２７】
改質中の酸素／炭素比が０．５：１〜１：１の範囲にある、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記燃料はガソリンであり、改質中の酸素／炭素比が０．８：１〜１：１の範囲にある、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記燃料はガソリンであり、改質中の酸素／炭素比が約０．９：１である、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項３０】
改質中の酸素／炭素比が約０．６：１である、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項３１】
改質中のＨ２Ｏ／Ｏ２モル比が１：１より大きい、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項３２】
Ｈ２Ｏのモル濃度が１５％より大きく、且つ改質中のＨ２Ｏ／Ｏ２比が３：１より大きい、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項３３】
Ｈ２Ｏのモル濃度が１５％より大きく、且つ改質中のＨ２Ｏ／Ｏ２比が６：１より小さい、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項３４】
前記燃料はガソリンであり、燃料のモル濃度が約２％、Ｈ２Ｏのモル濃度が約２０％及び酸素のモル濃度が約６％である、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項３５】
改質中のＨ２Ｏ／ＣＯ２モル比が１．２：１より大きい、請求項１５又は２０に記載の方法。
【請求項３６】
改質中のＨ２Ｏ／ＣＯ２モル比が３：１より大きい、請求項１５又は２０に記載の方法。
【請求項３７】
改質中のＨ２Ｏのモル濃度が１０〜３０％である、請求項１０に記載の方法。
【請求項３８】
空燃当量モル比が０．４〜０．９である、請求項１０に記載の方法。
【請求項３９】
空燃当量モル比が０．５〜０．８である、請求項１０に記載の方法。
【請求項４０】
触媒が周期表のＶＩ族、ＶＩＩ族及びＶＩＩＩＢ族から選択される少なくとも１種の活性金属を含む、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項４１】
前記触媒はロジウムを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記接触改質は、空間速度１０，０００ｈｒ−１〜１００，０００ｈｒ−１の範囲で行われる、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項４３】
前記接触改質は、空間速度２０，０００ｈｒ−１〜５０，０００ｈｒ−１の範囲で行われる、請求項１又は１５に記載の方法。
【請求項４４】
前記接触改質は、空間速度約３６，０００ｈｒ−１で行われる、請求項１又は１５に記載の方法。
【請求項４５】
前記燃料は芳香族炭化水素を体積基準で０％〜２０％の範囲で含む、請求項１、１０、１５又は２０に記載の方法。
【請求項４６】
前記燃料は芳香族炭化水素を体積基準で０％〜１０％の範囲で含む、請求項１、１０、１５又は２０に記載の方法。
【請求項４７】
前記燃料は芳香族炭化水素を体積基準で０％〜１％の範囲で含む、請求項１、１０、１５又は２０に記載の方法。
【請求項４８】
前記燃料はオレフィン性炭化水素を体積基準で０％〜５％の範囲で含む、請求項１、１０、１５又は２０に記載の方法。
【請求項４９】
前記燃料はオレフィン性炭化水素を体積基準で０％〜１％の範囲で含む、請求項１、１０、１５又は２０に記載の方法。
【請求項５０】
前記燃料は酸素化炭化水素化合物を含む、請求項１、１０、１５又は２０に記載の方法。
【請求項５１】
前記燃料混合物は、前記酸素化燃料を体積基準で０％〜５０％含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記酸素化燃料は、Ｃ１〜Ｃ１２アルキルアルコール又はＣ１〜Ｃ１２アルキルエーテルを含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
前記酸素化燃料は、Ｃ１〜Ｃ４アルキルアルコールを含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５４】
前記酸素化燃料は、メチルｔｅｒｔ−ブチルエーテル、エチルｔｅｒｔ−ブチルエーテル、アセトン、ジメチルエーテル、ｔｅｒｔ−アミルメチルエーテル、ｔｅｒｔ−ヘキシルメチルエーテル、ｔｅｒｔ−アミルエチルエーテル及びジイソプロピルエーテルからなる群から選択される、請求項５０に記載の方法。
【請求項５５】
前記燃料は２−ブタノールであり、改質中の酸素／炭素比が約０．５：１である、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【請求項５６】
２−ブタノール燃料のモル濃度が約３％、Ｈ２Ｏのモル濃度が約２０％及び酸素のモル濃度が約３％である、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記燃料は、初期沸点が約４０℃、最終沸点が約１００℃及び芳香族含有量が重量基準で０〜５％の範囲にある、請求項１、１５又は２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生産されたリフォーメートガス混合物の水素分を増加させるための水注入を伴う車載式統合燃料改質システムを備える自動車用火花点火式内燃機関（ＩＣＥ）のオペレーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
車上改質とは、燃料を水素リッチなリフォーメートガスに転換するプロセスである。このプロセスではＨ２ＯとＣＯ２の生産よりもＨ２とＣＯの生産が好ましい。しかし、燃料の総転化率、各種改質反応間の競合、燃料の水素濃度や炭素濃度によって収率には限りがある。燃焼混合物に水を添加すると水蒸気改質反応の速度が増加し、水中の水素の一部が効果的にＨ２に変換されるため、生産されるリフォーメートガスの総Ｈ２量が増加する。
【０００３】
当業界では、水性ガスシフト反応とスチ−ム／メタン改質化学に基づく工業的水素プラントの生産量増加方法が各種知られており、これらにはプロセス温度圧力の管理、触媒の選択及び水蒸気注入が含まれる。現在の車上改質方法には、１以上のシリンダの下流にある触媒の存在下で燃料を高温の排気ガス流に注入する排気ガス改質と、エンジンに入る前又はエンジン中の燃料の部分酸化とが含まれる。水素生産量の向上には、完全酸化（以下の表に例示する例えば反応（２））よりも部分酸化（以下の表に例示する反応（１））を採用することが好ましい。例えば、リッチ条件のエンジン内で燃料を燃焼させれば、最大理論収率は燃料の水素濃度によって限定される。エンジン後の排気ガス改質プロセスにおいては、排気ガス中の水の一部をリサイクルして水素を生産する。しかし、これらプロセスにおいて利用可能な水は燃焼過程で生産される水に限られる。更に、触媒は汚染と不活化により時間と共に活性が低下する可能性がある。
【０００４】
例えば典型的なガソリン成分であるイソオクタン（Ｃ８Ｈ１８）を用いる場合の各反応シナリオの反応熱を次の表Ａに示す。表において、正の値は吸熱反応と正味エンタルピー増加を示し、負の値は発熱反応と正味エンタルピー減少を示す。
【０００５】
【表１】
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【０００６】
しかし、これらの技術は、水素と一酸化炭素が共に燃焼サイクルにおける有益な構成成分であるガソリン自動車向けの車上改質の用途に対しては適用されてこなかった。
【０００７】
自動車用ＩＣＥシステムにおける水又は水蒸気の注入は種々の目的で提案されてきた。これらには、給気冷却、ノッキング低減、燃焼室の堆積物除去、ディーゼルエンジンの排気物（ＮＯｘ、煤等）低減が含まれる。
【０００８】
合成ガスの発生に頼らない、火花点火式エンジンの希釈許容度を増加するための各種方法が存在する。しかし、これらのシステムはコストが高く、実証されておらず、究極的には提供される希釈許容量に限度がある。更に、これらのシステムには、車上改質が有するようなノッキング耐性の改善も組み合わせた利点がない。
【０００９】
ガソリン４サイクル内燃機関を備える量産車にはノッキング緩和やスロットルロス低減のための設計戦略が各種採用されている一方、エンジンの圧縮比を上げて燃費を改善している。これらの努力には、限界ノッキング条件でのミラーサイクル運転や、直接注入による付加的な給気冷却、残留物除去のためのバルブタイミングの最適化、排気ガスの外内再循環（即ちＥＧＲ）、高ロードにおける点火タイミングの遅延化、水素ブーストが挙げられる。
【００１０】
車上改質の概念は今のところ検証フェーズにあり、商用生産には至っていないが、更なる効率向上のための他のツールを追加している。このツールは他の多くのノッキング緩和の戦略に代わって、或いは追加的に利用することができる。例えば、この専用排気ガスリサイクルシステムは、再循環排気ガスの利点に改質燃料の燃焼の利点を組み合わせる。この燃焼改質プロセスは、燃料過剰で稼動されるパワーシリンダ内部で起こる。リッチ燃焼により排気ガス流に水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）が生成した後、冷却してエンジンに再循環させられる。燃料改質はパワー創出シリンダ内部で起こり、且つ全ての燃焼物が再循環されるため、火花点火式エンジンの効率が低下したエンジンの弱点（熱損失、ポンピング動作ロス、エンジンノッキング等）を一部克服する効果となる。低いＥＧＲレベルにおいてＥＧＲレートを上げると効率が上昇する。しかし結局のところ、エンジンは追加的ＥＧＲによってこれ以上効率が上がらない限界点に達する。この効率頭打ちのメカニズムは燃焼効率とフレーム速度に関連する。高レベルにおける再循環排気ガスによって燃焼反応速度が遅くなり、エンジンノッキングが低減されるが、フレーム速度も低下するため不安定な燃焼（特に低パワー条件）を引き起こす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本開示が解決する課題は、種々の車載式改質システムの稼動における水素生産量の増加を目的とした更なる改善を達成することにある。
【００１２】
本明細書において「ブーストされた」又は「ブースティング」とは、吸気をエンジンに向け圧縮するためのターボチャージャ又はスーパーチャージャの使用を意味する。
【００１３】
「熱交換器」とは自動車用のインタークーラをも含む。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ガソリン燃料を水素と一酸化炭素の混合物又は合成ガスに変換した後、水性ガスシフト反応で更なる水素と二酸化炭素を生産する車載式自動車用改質システムにおける水素収量の増加を目的とする水の注入の利用に関する。この合成ガスは、酸欠で燃料リッチの条件下での燃料の燃焼による部分酸化、或いは二酸化炭素、水蒸気又は他のオキシダントを含むガス混合物の反応による部分酸化によって生成する。水性ガスシフト反応においては、一酸化炭素が存在する水分と反応して更なる水素と二酸化炭素を産生する。この水分はまた、燃料と直接反応して水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を生成する。
【００１５】
本発明は、レシプロエンジンのシリンダにおいて燃料の改質が起こるシステム及び方法、並びにエンジン外部における付加的な装置やプロセスを利用するシステムや方法を包含する。シリンダ内改質は当業界で知られており、本発明は、主に一酸化炭素を犠牲にする水素の生産量を改善する目的でシリンダに水を注入することによって、或いは、燃料の直接水蒸気改質によって改質プロセスを更に改善する。燃料、一酸化炭素又は他の部分燃焼産物と反応する水は水素収量を改善し、その結果、以下に詳述する理由で車両全体の性能を向上させる。
【００１６】
本開示における「外部改質」とは、シリンダ内部改質と異なり改質反応がシリンダ外部で起こる方法、システム又は装置を意味する。
【００１７】
車内搭載改質システムへの水の添加の他の利点は、煤の発生を低減することにより改質システムの稼動性と耐久性を共に改善することによって、シリンダ内改質システムのリッチ限界又は最大燃料装荷、触媒効率、スループット及び外部改質システムの寿命をそれぞれ延長させることである。
【００１８】
試験結果においては、水素収量は水性ガスシフト反応及びルシャトリエの法則によって増加し、この水素収量増加がエンジン性能を顕著に改善することが示された。ＩＣＥ吸気システムへの水添加は排気ガスの湿度（通常約１２％）を効果的に上げる。その結果、燃料が接触改質器の上流の熱排気ガス流に添加されたときに、或いは接触改質器に直接導入されたときに、水素収量を増加させる。
【００１９】
水添加が高い触媒温度での水素収量を実質的に増加させ、排気エンタルピーの熱化学的回復（正のエネルギー収支で示される）を改善することも見いだされた。水素収量と燃料エネルギー収支を最大化するのに効果的な改質器入口組成は、酸素約０〜７．５ｍｏｌ％、水蒸気１０〜３０ｍｏｌ％、燃料１〜３ｍｏｌ％であることが見出された。また、改質器の入口流の水蒸気／炭素（Ｓ／Ｃ）モル比は１．５〜３であり、最適なＳ／Ｃ比は１．５である。酸素／炭素比は０．５〜１．０であり、最適には０．９である。水蒸気濃度は１５ｍｏｌ％超である。
【００２０】
更に、水富化を利用するとシリンダ内改質が改善されることが示された。リッチ条件で稼動する火花点火式エンジンに入る吸気の湿潤化により水素の生産量が増加する。次の条件：水のモル濃度：３６％未満、シリンダ内の相対空燃当量比：０．６５超が、有効であることが示されている。
【００２１】
本明細書において、空燃当量比（λ）は量論的空燃比に対する実際の空燃比の比として定義され、燃空当量比（ψ）は量論的燃空比に対する実際の燃空比の比として定義される。
【００２２】
本開示の方法及びシステムは、高圧縮比を可能とすること、燃焼フェージングを改善すること、スロットルロスを低減すること、更には排気エンタルピーの一部を利用可能な燃料エネルギーにリサイクルすることにより、火花点火式ガソリンエンジンの効率を改善する。重要なことは、本システムは、最小限の技術と設計変更及びそれに関する出費にて現存する自動車用ＩＣＥ配置と共に利用可能なことである。
【００２３】
補足的な水注入を行うことなく燃料改質又は水性ガスシフト触媒を用いる方法の効率は、燃焼で生み出される排気中で得られる水によって限定されてしまう。シリンダ上流において水注入と水性ガスシフト触媒又は燃料改質触媒を利用すると、シリンダ吸気に対する水素収量は著しく増加する。
【００２４】
水注入は、コークスや他の炭素系物質が堆積する可能性がある触媒、シリンダ及び他のエンジン部品をスチームクリーニングするため、従来技術による車載式改質システムを改善することもできる。改質シリンダ内の炭素堆積の蓄積は、これまで専用ＥＧＲエンジン技術の商業化への障害の一つとなっていたが、本発明はこの問題を解決するものである。
【００２５】
いかなるエンジンにおいても水素収量の増加を狙った水の注入はこれまでになく、特に車載式改質システムと組み合わせて利用するケースでは新規である。
【００２６】
各種比較研究から、改質燃料から生成する合成ガス中の水素は一酸化炭素よりも多大な利益を生み出し、また、車載式改質システムを利用する専用排気ガス再循環エンジンや他の車両における水素収量を増加する改善方法を構成することが示された。
【００２７】
車載式水注入システムに伴ういくらかの追加的な資本コストやメンテナンスは、利益・利点と相殺される。これら利益とは例えば、ノッキングの傾向を低減しパワー密度を改善する吸気冷却や、やはりノッキングを低減するピーク温度低下、ＮＯｘ生成の低減、排気粒子状物質／粒子数（ＰＭ／ＰＮ）の低減、燃焼室堆積物の除去等である。
エンジン効率
【００２８】
本開示のシステム及びプロセスは、火花点火式ガソリンエンジンの効率改善への二つの基本的障壁、即ち低圧縮比とスロットルロスに焦点をあてる。当業界において、スロットルロスはスロットル弁が閉じられた結果低下するマニホールド圧により生じ、マニホールド圧と常圧との差に比例する負のポンプ動作を招くことが良く知られている。この効果によりエンジン効率が失われる。これら効果を図５Ａ，５Ｂのグラフに示す。図５Ａは良く知られた圧力対体積プロットであり、暗部が代表的な損失を示す。これに対し、図５Ｂはオットーサイクルエンジンの理想的或いは理論的な様子を示す。
【００２９】
ガソリンエンジンの熱力学的サイクルは理想オットーサイクルを用いて表すことができ、サイクル効率は次の式で表すことができる。
【００３０】
【数１】
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【００３１】
（式中、ηはサイクル効率、ｒは圧縮比、γは作用液体の定圧定容熱容量比を表す）。実際の作用液体のγは常に１より大きいので、圧縮比が高い（指数（γ−１）が大きい）と式（５）の分母が大きくなり、エンジンサイクル効率が高くなる。
【００３２】
実際には、ｒはエンジンノッキングとして知られる異常な燃焼現象により制約を受ける。ノッキングは、エンドガス（即ち、伝播炎の前の未燃焼ガスとして定義される）が高温高圧状態にあることによりエンドガスが自己発火する際に発生する。ノッキングの結果、エンジンのノイズとなり得る高い圧力波が発生する。これが持続するならば、ベアリングや他のエンジン部品のダメージを引き起こし得る。圧縮比が高いとエンドガスの温度と圧力が上昇して、自己発火とエンジンのノッキングが起こりやすくなる。自己発火を防止する燃料組成とすれば、高圧縮比でエンジンを作動させることができる。
【００３３】
合成ガスに燃料をブレンドするとエンドガスの自己発火耐性が改善され、ノッキングを防止しつつ高い圧縮比を実現できる。水素の場合、水素ラジカルの反応が高速で起こるため、耐自己発火性が一酸化炭素の場合よりもかなり高い。水素は圧縮比の増加を可能とし、スパークタイミングを改善することができるので、理想オットーサイクルの効率を直接改善できる。これらの結果を次の表１に示す。表１は、３種の温度及び水素と一酸化炭素で達成可能な比較的高い圧縮比における式（６）及び（７）の反応速度定数（ｋ）を比較した結果を明示している。
【００３４】
【数２】
2021522440.tif 000005
【００３５】
【表２】
2021522440.tif 000006
【００３６】
高い圧縮比での稼動で得られた高い正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）は、エンジンの更なる小型化を可能とし、同一のパワー出力に対する熱伝達と摩擦による効率低下を低減する。
【００３７】
水素のブレンドは燃焼安定性を大幅に改善することもできるため、排気ガス再循環（ＥＧＲ）又は希釈リーンオペレーションを高いレベルで容易にする。これにより、部分的な負荷においてスロットルを開けることができ、図５Ａ、５Ｂに関して記載したポンプロスと負の仕事を低減でき、また、上の式（５）のγ値を改善することができる。
【００３８】
次の表２に示すように、水素の最大層流火炎速度は、一酸化炭素やイソオクタンの最大層流火炎速度をはるかに超える。また、水素のリーン可燃限界は他の燃料成分のいずれよりもはるかに低い。
【００３９】
【表３】
2021522440.tif 000007
【００４０】
燃空比で表したリーン限界が低い燃料を使用すると、他のパワーマネジメントシステムによって引き起こされるロス（スロットルロス等）を低減することができる。
燃料組成の影響
【００４１】
従来の燃料組成の変更は、大量の水素を発生すること、リフォーメートブレンドのノッキング耐性及び希釈耐性による利益を最大化すること、エンジンシリンダ外部での改質を完了するための滞留時間の短縮を必要とすることを踏まえて、車載式改質システムと共に相乗的に行われることもわかっている。以下で議論され、請求項で使われるパーセンテージはモル濃度であり、燃焼混合物の総量を基準とする。簡便のため、モルパーセント以下単にパーセンテージ（％）として記載することがある。
【００４２】
通常、芳香族が２５〜３５％存在する標準的なガソリン組成と比較して、約１ｍｏｌ％以下の芳香族を含む燃料は、幾つかの異なる経路で車載式改質システムを改善することがわかっている。
【００４３】
その一経路においては、芳香族含有量が低い燃料ブレンドにより性能が改善され、燃料の水素含有量が大きいと、より多くの水素含有化合物（Ｈ２、Ｈ２Ｏ等）が生成する。上述のように、水素はＣＯに比べ、自己発火耐性の低減と希釈耐性に対してより多くの利益をもたらす。
【００４４】
改質プロセスにおける燃料の芳香族含有量の低さの他の利点は、水素選択率（即ちＨ２／Ｈ２Ｏ）の改善である。Ｈ２の大部分が希釈耐性を改善し自己発火を低減する一方、Ｈ２Ｏは希釈耐性を改善しない。低芳香族含有量の燃料は水素リッチガスと混合した際、高芳香族含有量の燃料と比べてより高い自己発火耐性も示す。
【００４５】
更に、高Ｈ／Ｃ比をもたらす低芳香族含有量の燃料は、リッチ条件下で燃焼させた場合でも煤を発生し難い。従って、触媒のコーキングと不活化を招く傾向が低い。
【００４６】
これら燃料を使用する他の利点は、容易に改質される酸素化物（oxygenates）と組み合わせ可能なことである。この酸素化物は、芳香族含有量を低下させることにより減ずる可能性があるオクタン価の回復や、高エネルギー密度の維持、Ｈ／Ｃ比の更なる増大、外部改質システムにおける滞留時間の短縮等の相乗的利益を生む。
【００４７】
加えて、通常の燃料ブレンドよりも芳香族含有量の低い燃料は、高芳香族含有量の燃料に比べ、改質プロセス中により好適なエネルギー収支を提供する。このことは、熱排気ガスからより多くのエネルギーを取り出せ、且つ低芳香族燃料ブレンドとして有用な燃料エネルギーに変換できることを意味する。
【００４８】
この分析に基づけば、約１ｍｏｌ％、更にはそれ以下の芳香族化合物を含む燃料は、車載式改質システムの性能と転化率を改善するはずであり、それ故好ましい。しかし、従来の燃料ブレンドに対する著しい改善は、芳香族含有量１〜１０ｍｏｌ％とすると達成可能である。燃料ブレンド成分の入手可能性及びコストが、必然的に燃料ブレンドの調製において役割を果たすであろうことは、当業界の通常の知識を有する技術者には明らかであろう。
【００４９】
好ましい改質触媒としては、周期表のＶＩ族、ＶＩＩ族及びＶＩＩＩＢ族（即ちＩＵＰＡＣ周期表の６族〜１０族）から選択される少なくとも１種の活性金属を含む触媒が挙げられる。ロジウムを含む触媒が好適であることがわかっている。この触媒は、コージエライト基材にアルミナをウオッシュコートした基体に２重量％未満程度のＲｈを含ませて調製した。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
以下、添付の図面を参照して本発明を詳述する。図面中、同一又は同様の要素は同じ番号で示す。
【００５１】
【図１】水注入を利用した吸気接触改質システムのプロセスフロー図。
【００５２】
【図２】水注入を利用したシリンダ内改質システムのプロセスフロー図。
【００５３】
【図３】水排除を利用した排気ガス改質システムのプロセスフロー図。
【００５４】
【図４】水注入を利用した排気ガス改質システムと、改質器用の燃料を供給するための燃焼後注入のプロセスフロー図。
【００５５】
【図５】図５Ａ、５Ｂは、スロットルロスの効果をグラフで示した理想オットーサイクルを表す代表的先行技術のパワー曲線である。
【００５６】
【図６】図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃは、３種の異なる燃料ブレンドからの排気ガスの接触改質で得られる水素の比較プロット（２種の温度、改質器への水注入は有りと無しの両者）である。
【００５７】
【図７】ガソリン及びエタノール燃料の水富化で得られる水素収量に及ぼす効果を示す比較グラフ。
【００５８】
【図８】図８は、Ｈ２添加ガソリンブレンド及び同ＣＯ添加ガソリンブレンドの予測研究オクタン価のプロットを含む。
【００５９】
【図９】図９は、７００ｏＣ〜９００ｏＣの温度範囲での（ａ）従来の燃料ブレンド、（ｂ）同燃料とＨ２及び（ｃ）同燃料とＣＯについての点火遅れをモデル化した比較プロットを提供する。
【００６０】
【図１０】エンジンシリンダに存在するＨ２とＣＯの体積％に基づくノッキング制限圧縮比（ＣＲ）の予測増加のプロット。
【００６１】
【図１１】図１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃは、３種の温度における水素収量を酸素／炭素（モル）比の関数として表した一連の比較プロットである。
【００６２】
【図１２】図１２Ａ〜１２Ｆは、燃料組成とブレンド成分（図１４Ａのキー挿入部に示す）に対するエネルギー比（上部は水注入無し、下部は水注入有り）とＯ／Ｃモル比の増加（左から右）を表す一連のチャートである。
【００６３】
【図１３】示された３種の温度に対する水添加の有無による燃料１のエネルギー収支を示すチャート。
【００６４】
【図１４】リッチ燃料混合物を用いた再の水注入速度増加に対する水素生産量のプロット。
【００６５】
【図１５】空燃等量比（λ）の関数として表した水素濃度のプロット（水無し、１５％有、２４％有）。
【００６６】
【図１６】ガソリン及びエタノール（水有り又は無し）に対する空燃等量比（λ）の関数として表した水素生産量（ｍｏｌ％）を表すプロット。
【００６７】
【図１７】ガソリン及びエタノールの燃料供給（水注入有り又は無し）に対する空燃等量比の関数として表したＮＯｘ放出量（ｐｐｍ）を表すプロット。
【発明の詳細な説明】
【００６８】
本開示のプロセス及びシステムを、火花点火式でガソリンを燃料とするＩＣＥの自動車向け応用例に対する外部改質及びシリンダ内改質の概略図に関する説明のための実施形態を参照しつつ説明する。
【００６９】
当業者には理解されるように、燃料やウォーターポンプ等の通常の要素、ターボチャージャ及び／又はスーパーチャージャ（まとめて「ブースタ」とも称する）、バルブ、インジェクタ、センサ、制御装置、電気ワイヤ及びエンジン管理制御システム（ＥＭＳ）は簡略化した概略図には示さない。これは、簡便のためと、本開示の各形態の主たる特徴と作動特性の理解と説明を容易とするためである。
【００７０】
図１にリフォーメートへの水注入を伴う吸気接触改質の簡略プロセスフロー図を示す。簡便のため、４気筒ＩＣＥで示した統合システムは燃料タンク１０４及び水ソース（水貯蔵タンク又は容器１０６等）を含む。
【００７１】
水はライン１０７ａを通過し、燃料は１０５ａを通過して気化器１７０に入る。ここで、これらは水の蒸発温度に加熱される。気化燃料とスチームとの混合物１７２及び空気１０１は車載式改質器１３０に導入され、ここにて接触改質されてまず水素と一酸化炭素を含む熱リフォーメート（即ち合成ガス）が生成する。続いてこのリフォーメートは水性ガスシフト反応により増量された水素と二酸化炭素になる。場合によっては、この水素増加リフォーメート流１３２を熱交換器１６０で２５℃〜７０℃に冷却して、冷却Ｈ２増加リフォーメート流１６２とする。
【００７２】
一実施形態においてセンサは、改質器に存在するリフォーメートの温度に対応するシグナルを車載式エンジン管理システム（即ちＥＭＳ）に向けて発し、外気温度センサからのシグナルと比較する。仮にリフォーメートの温度が所定の望ましい範囲を超える場合、リフォーメート温度を所定の範囲に下げるよう調整するために車載式空気熱交換器にシグナルを送る。
【００７３】
冷却されたリフォーメート１６２はライン１０７ｂから追加される水と共に注入され、燃料１０５ｂ、空気１０３及び水１０７と共にエンジン１２０に送られて燃焼に付され、熱排気ガス流１２２が生じる。この熱排気ガスの一部或いは全部を大気ビア１２４に排出することができる。
【００７４】
やはり図１に表し、点線のプロセスフローラインによって示される任意的なＥＧＲの実施形態においては、熱排気ガス１２２の一部或いは全部はＥＲＧ流１２６として熱交換器１４０に送り温度を下げることができる。冷却された排気ガス１４２の一部或いは全部はライン１４４及び１０９を通じてリサイクルされて直接エンジン１２０に送られる。任意であるが、冷却された排気ガス１４２の一部或いは全部は制御弁１４２とライン１４６を通してコンデンサ１５０に送ることができ、水蒸気の一部或いは全部を除去捕捉して、ライン１５２を通して水貯蔵タンク１０６にリサイクルすることができる。一実施形態において、ライン１５４を通して凝縮された水はリフォーメート流１６２に注入することができる。ＥＲＧの一部或いは全部はライン１５４でリサイクルされ、ループ１０９を通してエンジン１２０に送られる。
【００７５】
次に図２を参照して、水注入を利用するシリンダ内接触改質用のシステムの実施形態のプロセスフロー図を示す。この統合システムは、燃料ライン２０５と繋がる燃料タンク２０４と水ライン２０７と繋がる水タンク２０６を含む。
【００７６】
図２に示すＥＧＲの実施形態は、排気ガスリサイクルループ２０９と共に稼動する。本明細書の目的で説明したように、ＩＣＥ２２０のシングルシリンダ２２２ａはＥＧＲの専用ソースとすることができる。また、ＥＧＲは当業界で知られている方法に従う２以上のシリンダから回収することができる。図２には４気筒エンジンを示すが、任意の数のシリンダをエンジンが有し得ることは当業界における通常の知識を有する技術者には理解されよう。更に、エンジンが吸気又は吸気混合物圧縮のために補助的なブースト装置（ターボチャージャ、スーパーチャージャ等）を利用し得ること、また、ＥＧＲでの空気混合がブースト装置を通過する前又は後に起こり得ることは当業界における通常の知識を有する技術者には明白であろう。
【００７７】
冷却排気ガスリサイクル流２０９（ソースについては後に記載）と外気２０２はＥＧＲミキサ２０８で混合され、混合空気／ＥＧＲ流２１１として吸気マニホールド２１８に導入される。タンク２０６からの水はマニホールド２１８又はシリンダインテイク２１８ａ〜２１８ｄのそれぞれにライン２０７ａ〜２０７ｄを介して注入される。混合空気／ＥＧＲ流２１１と水流２０７ａ〜２０７ｄはエンジン２２０のシリンダ２２２ａ〜２２２ｄに吸引される。
【００７８】
ライン２０５ａからの所定量の燃料は、吸気行程中又はその前にエンジンシリンダ２２２ａに注入され、ＥＭＳプログラムに従う専用ＥＧＲシリンダに燃料リッチ混合物を提供する。本実施形態においては、シリンダ２２２ａ内の燃料リッチ混合物は、燃料の一部だけの燃焼と過剰な未燃焼燃料の改質の両者を同時にもたらす。注入された水の存在下でのシリンダ２２２ａ内の燃焼と改質によって熱排気ガス流２２６ａが生産され、この中でリフォーメートは水性ガスシフト反応の生成物としての水素と二酸化炭素を含む。
【００７９】
所定の量論量の燃料は、例えばエンジン管理システム（図示せず）によって他のシリンダ２２２ｂ〜２２２ｄのそれぞれに注入され、シリンダ中で空気と完全燃焼する。シリンダ２２２ｂ〜２２２ｄ内の燃焼により、通常組成の熱排気ガス流２２６ｂ〜２２６ｄが発生し、通常の排気マニホールド２２８を介して外気に放出される。
【００８０】
熱排気ガスとリフォーメート流２２６ａは熱交換器２４０に送られ、外気との熱交換により所定の温度範囲に温度が下げられる。冷却排気ガスの一部或いは全部はライン２４４及び２０９を介して、吸気マニホールド２１８と液体連通するＥＧＲミキサ２０８に直接リサイクルされる。任意であるが、冷却排気ガス２４６の一部或いは全部はコンデンサ２５０に送ることができ、水の一部或いは全部を回収し、２５２を介して水貯蔵タンク２０６にリサイクルすることができる。熱交換器２４０と任意的なコンデンサの作動は、図１に関連して上で説明したように制御することができる。
【００８１】
図３に、ＩＣＥ３２０のための水注入を伴う排気ガス接触改質の実施形態のプロセスフロー図を示す。この統合システムは、燃料ライン３０５と繋がる燃料タンク３０４と水ライン３０７と繋がる水タンク３０６を含む。図示するエンジン３２０は４気筒エンジンであるが、任意の数のシリンダをエンジン３２０が有し得ることは当業界における通常の知識を有する技術者には理解されよう。
【００８２】
吸気３０２と冷却リフォーメートＥＧＲ流３０９（ソースは以下に記載）はＥＧＲミキサ３０８で混合されて混合空気／リフォーメートＥＧＲ流３１１を生み出すが、これは吸気マニホールド３１８に吸引される。この混合空気／リフォーメートＥＧＲ流３１１と水流３０７ａ〜３０７ｄは、図２に関連して上で説明した方法と同様にエンジン３２０のシリンダ３２２ａ〜３２２ｄに導入される。
【００８３】
燃料リーン／酸素リッチ条件下での燃焼のために、燃料は任意にライン３０５ａ〜３０５ｄを経由してエンジンシリンダ３２２ａ〜３２２ｄに注入される。
【００８４】
シリンダ３２２ｂ〜３２２ｄ内の燃焼によって、残留酸素を含む熱排気ガス流３２６ｂ〜３２６ｄが生成し、排気システム３２７を介して大気に放出される。当業界における通常の知識を有する技術者にはわかるように、前もってプログラムされたシリンダ２２２ｂ〜２２２ｄへの燃料フローを変更することなく排気ガスセンサで検知した酸素の存在を許容するためには、ＥＭＳがプログラム化される必要があろう。シリンダ３２２ａ内での燃焼によって、残留酸素も含む熱排気ガス流３２６ａが生成し、混合される。即ち、接触改質器３３０に入る前に燃料ライン３０５ｅを介して導入された燃料と共に注入される。シリンダ３２２ａからの排気ガス中の酸素による改質のために別個の燃料インジェクタで燃料を送達して、まず水素と一酸化炭素を製造し、次に水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応により転化して、Ｈ２増加リフォーメートの水素量を増加させる代わりに、排気行程中或いは排気行程前のシリンダ３２２ａにおける燃焼後の燃料注入を利用することができる。
【００８５】
増加リフォーメート流３３２はＷＧＳ反応に由来する排気ガス、水素及び二酸化炭素を含むが、改質器３３０から熱交換器３４０に通され、その温度を望ましい範囲に低下させる。冷却排気ガスの一部或いは全部はライン３４４及び３０９を介してＥＧＲミキサ３０８に直接リサイクルできる。任意であるが、冷却排気ガスの一部或いは全部はライン３４６を介してコンデンサ３５０に送ることができ、含まれる水蒸気の一部或いは全部を回収し、ライン３５１を介して水貯蔵タンク３０６にリサイクルすることができる。熱交換器及びコンデンサの機能と制御については、図２に関連して上の記載したとおりである。図示するエンジン４２０は４気筒エンジンであるが、任意の数のシリンダをエンジンが有し得ることは当業界における通常の知識を有する技術者には理解されよう。
【００８６】
図４に、ＩＣＥ４２０のための水注入と燃焼後の燃料注入を伴う排気ガス接触改質システムの実施形態のプロセスフロー図を示す。この図示する統合システムは、燃料タンク４０４と水貯蔵容器又はタンク４０６を含む。
【００８７】
冷却リフォーメートＥＧＲ流４０９（ソースは後に記載）と外気４０２はＥＧＲミキサ４０８で混合されて混合空気／リフォーメートＥＧＲ流４１１を生み出すが、これはＩＣＥの吸気マニホールド４１８に吸引される。この混合空気／リフォーメートＥＧＲ流４１８ａ〜４１８ｄと水流４０７ａ〜４０７ｄは、図２に関連して上で説明した方法と同様にエンジン４２０のシリンダ４２２ａ〜４２２ｄに導入される。燃料リーン／酸素リッチ条件下での燃焼の目的で、燃料タンク４０４からの燃料は任意にライン４０５ａ〜４０５ｄを経由してエンジンシリンダ４２２ａ〜４２２ｄに注入される。
【００８８】
シリンダ４２２ａ〜４２２ｄ内の燃焼によって、排気マニホールドを通過する残留酸素を含む熱排気ガス流４２４ａ〜４２４ｄが生成する。これらガス流は合流して、残留酸素を含む合流熱排気ガス流４２６を生成する。合流熱排気ガス流４２６の一部は流４２８として通過し、ライン４０５ｅから注入される燃料と結合して合流熱排気ガス／燃料混合物４２９を生成する。図３に関連して上に記載したように、この混合物は接触改質器４３０に導入されて、ＷＧＳ反応に由来する量の増加した水素を含むリフォーメート流４３２を生成する。
【００８９】
合流熱排気ガス流４２６の残部はライン４２５を介して大気中に放出される。
【００９０】
ＷＧＳ反応に由来する排気ガスと増量した水素及び二酸化炭素とを含むリフォーメート流４３２は熱交換器４４０に送られ、その温度が所定の温度範囲に下げられる。冷却リフォーメートガス流の一部或いは全部はライン４０９を介して流４４４として、直接ＥＧＲミキサ２０８にリサイクルされる。任意であるが、冷却リフォーメートの一部或いは全部は、ＥＧＲバルブ４４２を通したライン４４６及びライン４４８を介してコンデンサ４５０に送ることができ、水の一部或いは全部を凝縮回収し、ライン４５２を介して水タンク４０６に送ることができる。また任意ではあるが、ライン４０７及び吸気マニホールドライン４１８ａ〜４１８ｄに直接送ることができる。また、コンデンセートはライン４５４を介して大気中に放出することができる。
【００９１】
上述の方法及びシステムから明らかなように、水注入には車両内に貯蔵された水の供給が必要とされる。この水貯蔵システムは、ＥＭＳと水量を表示して全てのコンデンセートの経路を制御（大気への直接放出、貯蔵容器への移送、エンジン要素へ直接の送りを含む）するための可視／可聴装置を伴う１以上のセンサを備えることができる。コンデンセート水は排気ガス流から得られるものの、水の消費速度にもよるが運転者には、あたかも燃料や、ウォッシャ液、オイル又はウレア／ディーゼル排出液を添加するように、車両に定期的に水を添加することが求められる。水の補充間隔は水素製造に使う水の量に依存する。水の注入は、充填間隔を最大化するために車両が運転される地域に従って設定することができる。
【００９２】
上述の４種の実施形態のそれぞれにおいて、インタークーラ（即ち熱交換器）を設けて、直接又は改質器の下流において、ＩＣＥへ導入される排気ガスリサイクル流を冷却する。リフォーメートが熱交換器／インタークーラを通過すると、液体の摩擦力や渦によってある程度のエネルギー損失が生じてしまうことも理解されよう。従って、温度が外気温度（例えば、季節変動及び／又は地理的変化に起因する）を考慮に入れた所定の値を超える場合のみにリフォーメートが熱交換器／インタークーラを通過するのであれば、ある程度の効率や全体的性能の利益を達成することができる。
【００９３】
これに代わる他の実施形態においては、適切に制御されたプログラム済みエンジン制御ユニット又はエンジン管理システムにリンクする、適切な温度センサ、流量計及びバルブのそれぞれによって、任意的に熱交換器／インタークーラを迂回し且つリフォーメートを直接ＥＲＧループに送る、或いは任意的にリフォーメート流を水蒸気回収のためのコンデンサに送る。後者の態様においては、リフォーメート流の温度が、水の一部又は全部が凝縮する温度まで下げられることが理解されよう。
【００９４】
吸気と混合されたリフォーメートの体積が比較的小さい場合（例えばエンジンのｒｐｍが低い場合）、及び／又は外気が比較的低温の場合、リフォーメートを冷却する利益は全体的性能に関して最小限となろう。例えば、ＩＣＥが常に冷涼又は寒冷な環境で稼動するならば、熱交換器又はインタークーラを取り外すことにより全体的なシステムコストを下げることができる。
【００９５】
図１〜４の実施形態の具体的利点と利益を、以下のグラフのプロット及びチャートに記載され、分析され、示されたデータによって説明する。これらデータは実験による観察とコンピュータシュミレーションの両者に基づく。
【００９６】
図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃに示すように、一連のプロットは３種の異なる燃料を用い、水注入を行った場合と行わない場合の排気ガス改質方法により生産されたＨ２の物質量（ｍｏｌ）を表す。ここで、酸素／炭素比（Ｏ／Ｃ）は約０．１：１〜１：１である。排気ガスは、上の記載に従って調製したロジウムを含む触媒と接触するように通過させた。図６Ｂの凡例に示すように、各図の一点鎖線は、３種の燃料に対する対照としての通常のガソリン（６００℃）を表す。各ケースにおいて、水注入のプロットは三角印及び四角印で表す。３種の燃料のそれぞれの排気を、水注入を伴うか或いは伴わない６００℃及び８００℃の接触改質に付した。
【００９７】
高い方の温度の８００℃では、燃料１の排気からほぼ同量のＨ２が同じＯ／Ｃ比で得られ、６００℃においては水を注入した場合に燃料１の排気から幾分少ないＨ２が得られた。温度が高くなると常に多くの量のＨ２が得られた
【００９８】
図６Ｂのプロットを参照すると、燃料２の排気ガスからほぼ等しいｍｏｌ％のＨ２が６００℃と８００℃で共に得られたことがわかるであろう。６００℃に対して高めの温度の８００℃の操作温度では、Ｏ／Ｃ比で約０．５まではより多くのＨ２が得られたが、この比が１に近づくと全てのＨ２生産曲線が減少に転じ、一つにまとまり始めた。
【００９９】
燃料３についての図６Ｃのプロットは、２種の温度及び水の添加に対するＨ２生産量によって得られた燃料２のプロットに相似する。両温度において同一Ｏ／Ｃ比に対し、水添加を行わなかったリフォーメートで得られたよりも若干多い水素が水添加の場合に生産された。
【０１００】
通常、水素量の最大が認められるのは、酸素／炭素（Ｏ／Ｃ）比が１未満且つ０．５以上のときである。酸素／炭素比が低いと、部分酸化反応から得られる改質プロセスを開始するための熱が不十分となる一方、酸素／炭素比が高いと、完全酸化が始まるため水素選択性が低下する。
【０１０１】
図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃに試験結果を報告した燃料の選択した幾つかの物性を次の表３に示す。従来のガソリンブレンドは２５％の芳香族を含んでいて、燃料１、２及び３の芳香族量は少なめであり、燃料３は芳香族を全く含んでいなかったことは注目されよう。燃料３のＯ／Ｃ比は、ブレンド中にアルコールが存在するため０．２５であった。燃料２は最大の総加熱量値（ＭＪ／ｋｇ）と最低の密度を示した。
【０１０２】
【表４】
2021522440.tif 000008
【０１０３】
水素収量に与える水富化の影響を図７にグラフで示す。燃料３の物性データと図６Ｃに示した試験結果に述べたように、Ｏ／Ｃ比は０．２５であり、エタノールの存在を反映している。８００℃においてガソリン及びエタノール単独（燃料３のようにブレンドの一部ではない）に対して、水素収量に与える水富化（２０ｍｏｌ％の水）の効果により、約６ｍｏｌ％又は約３８％の増加となる。
【０１０４】
図８のプロットを参照すると、温度の逆数（０．０１４３Ｋ−１〜０．１１１Ｋ−１）の関数としての定容点火遅れ（秒（ｓ））の比較を、２０ａｔｍにおける従来のガソリンブレンドに対しモデル化している。これに等価な温度は７００℃〜９００℃の範囲のＫであり、ｘ−軸下段に示す。２体積％のＨ２を含む同燃料（最上段の曲線）及び２体積％のＣＯを含む同燃料（中段の曲線）を示す。モデル化データのように、Ｈ２添加はＣＯに比べ点火遅れの増加に関して顕著な長所を示している（特に温度範囲約７２５ｏＦ〜８５０ｏＦにおいて）。
【０１０５】
次に図９を参照すると、Ｈ２及びＣＯの添加量（ｍｏｌ％）を増加した同じガソリンブレンドの予測研究オクタン価（ＲＯＮ）のプロットは、約１／３のモル量のＨ２の添加で同様のＲＯＮの増加が得られること（即ち、ＲＯＮの同様の予測増加を達成するにはＨ２の約３倍超のＣＯが必要であること）を示している。
【０１０６】
図１０のプロットは、火花点火ガソリンエンジンノッキング制限圧縮比（シリンダ内に存在するＨ２及びＣＯの体積％基準）の予測増加の相対差を示す。ここに示すように、圧縮比の増加速度は、ある体積のＣＯよりも同じ体積のＨ２においてはるかに大きい。このプロット結果は、Ｈ２及びＣＯのｍｏｌ％基準のＲＯＮの増加を示した図８の結果と同様である。
【０１０７】
２種の三元プロット（図示せず）を作成し、（１）水素収量及び（２）水素選択性をイソオクタン、ｎ−ヘプタン及びトルエンのブレンドの燃料組成の関数として予測した。第１のプロットによれば、Ｈ２の予測収量は、ブレンド中の芳香族トルエンの量が減るにつれて増加する。前述のように、この水素収量増加のための燃料ブレンド化の効果は、芳香族ブレンド成分を、実際に考慮すべき事由（経済、改質器のオペレータに対する非芳香族成分の入手性）によって許容される程度まで低減すれば最大化することができる。
【０１０８】
イソオクタン、ｎ−ヘプタン及びトルエンのブレンドに対してＨ２／Ｈ２Ｏ（ｍｏｌ）として表された予測水素選択性の三元プロットは、ブレンド中の芳香族トルエンの量が減るにつれて水素選択性が増加することも示した。
【０１０９】
図１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃの比較チャートは、図６Ａの燃料１の３種の異なる温度（４００℃、６００℃及び８００℃）における酸素／炭素比及びＨ２Ｏ（水蒸気）／炭素比の関数としての水素収量を示す。図１１Ａ〜１１Ｃのチャートは、最適な水素生産（最も薄い影部として示す）は最高温度８００℃及びＯ／Ｃ比が０．８〜１．０の範囲においてであることを示す。
【０１１０】
次に、キーとなる挿入影部で特定された組成に対するエネルギー比（出／入）を表す図１２Ａ〜１２Ｆの一連の比較チャートを参照する。図１２Ａ〜１２Ｃは水を含まず、図１２Ｄ〜１２Ｆは水注入を伴う操作を表す。図１２Ａ〜１２Ｆでは、３種の異なる燃料供給のケースのエネルギー収支をＯ／Ｃ比の関数として表す。図１２Ａは８００℃での低度燃料供給（即ちＳ／Ｃ比０．５０）を示す。図１２Ｂは８００℃での中間燃料供給（即ちＳ／Ｃ比０．６７）を示す。図１２Ｃは８００℃での高度燃料供給（即ちＳ／Ｃ比１．００）を示す。図１４Ｃは８００℃での低度燃料供給（即ちＳ／Ｃ比１．５０）を示す。図１２Ｄは８００℃での中間燃料供給（即ちＳ／Ｃ比２．００）を示す。図１２Ｅは８００℃での高度燃料供給（即ちＳ／Ｃ比３．００）を示す。リフォーメートの各生成物成分の寄与を、総投入（燃料）エネルギーの関数として異なる影部で示す。６種のプロットのそれぞれがエネルギー収支について同様の全体的傾向を示す。エネルギー収支は、エネルギーの出をエネルギーの入りで割ったもので、最初に酸素／炭素比が増加すると増加し、最大値１．０付近に達する。しかし、水注入を伴ったプロットは対応する水注入を伴わなかったプロットよりも高いエネルギー収支を示す。これは、水と燃料との吸熱的水蒸気改質反応によるもので、ガスのエンタルピーを熱化学的な回復を経由して化学ポテンシャルエネルギーに変換するものである。
【０１１１】
次に図１３に示す燃料１のエネルギー収支図を参照して、オートサーマル改質、水蒸気改質のみ（ＳＲ）及び部分酸化のみ（ＰＯＸ）の３種の理論的条件を示す。操作データの点の４００℃と６００℃では水注入を行わず、操作データの点の８００℃では水注入を行うケース（星印）と行わないケース（三角印）がある。これら異なる温度のケースのうち、８００℃のデータ点の水注入を行うケース（星印）で最高のエネルギー収支（いくつかのケースで１．０を超える）が示された。このことは、水注入を伴う燃料改質を利用すると、燃料に化学的ポテンシャルエネルギーが付加され、更に改善されたエネルギー効率を提供できることを示している。
【０１１２】
図１４のプロットは、水注入速度（ｇ／ｍｉｎ）の増加がリッチ燃料混合物（λ：０．７）の水素生産量（ｍｏｌ％）に及ぼす影響を示している。示された条件下で、水注入によって、全範囲において迅速で確実なシリンダ内の水素濃度の増加がもたらされる。
【０１１３】
水素生産量に及ぼす影響をシリンダ内空気／燃料の相対的当量比（λ）の関数として図１５に表す。チャート（下段の線は水注入なしのプロット）からわかるように、水注入（１５％及び２４％）を伴う水素生産量は全ての当量比に亘り増加した。
【０１１４】
図１６を参照すると、ガソリン（Ｔ３）及びエタノールに対して空燃当量比（λ）の関数としての水素生産量が水注入により共に増加することがわかるであろう。水無しでエタノールからの水素生産量は、水の有り又は無しでのガソリンからの水素生産量より比較的大きいことは注目される。
【０１１５】
図１７を参照すると、空燃当量比（λ）の関数としてのＮＯｘ排出量（ｐｐｍ）低減に及ぼす水注入の有益な効果がはっきりと示されている。空燃当量比が約０．７を超える増加の場合、ガソリン及びエタノールの両者についての水注入によって顕著にＮＯｘ放出量が減少する。
【０１１６】
上の各表及び図面のグラフやチャートに示すデータは、ガソリン燃料花火点火内燃機関のオペレーションを改善するために水注入を伴う車上改質によって達成される利点を反映している。
【０１１７】
本発明の方法とシステムを本明細書と添付の図面にて詳述したが、当業界において通常の知識を有する技術者には、本明細書からの各種変形例は明らかであろう。本発明の権利範囲は次の特許請求の範囲によって定められる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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