(57)【要約】【課題】内燃機関の燃焼効率改善による燃費向上、高出力化及び排気ガス成分のクリーン化を達成することにある。【解決手段】内燃機関１２の始動時において、空気供給装置４６から供給される空気とエタノール燃料との間で発熱反応を燃料改質装置２４上で行い、前記発熱反応によって発生した熱（改質ガス）を三方切換弁３２及び第２循環通路３４を介して排気側の三元触媒２０に導出して前記三元触媒２０を暖機する。一方、通常走行時において、排気循環通路２８によって循環された排気ガス中の熱と水蒸気とエタノール燃料との間で吸熱反応を前記燃料改質装置２４上で行い、三方切換弁３２の切換作用下に、前記吸熱反応によって発生した水素を含有する改質ガスを第１循環通路２６に沿って前記内燃機関１２に送給する。【選択図】図１
2008298000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排気された排気ガスを前記内燃機関の吸気側に循環させる循環通路中に設けられ、改質触媒を有する燃料改質手段と、
前記燃料改質手段に対してバイオマス系燃料を供給するバイオ燃料供給手段と、
前記循環通路に接続され、前記燃料改質手段に対して空気を供給する空気供給手段と、
前記循環通路中に設けられ、前記燃料改質手段から送給される改質ガスを、前記内燃機関の排気側に導出し、又は、前記内燃機関側の循環通路へ導出するように通路を切り換える切換手段と、
を備えることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料改質システムにおいて、
前記内燃機関の始動時において、前記空気供給手段から供給される空気と前記バイオマス系燃料との間で発熱反応を前記燃料改質手段上で行い、前記発熱反応によって発生した熱を前記内燃機関の排気側に設けられた三元触媒に導出し、一方、通常運転時において、前記循環通路によって循環された排気ガス中の熱と水蒸気と前記バイオマス系燃料との間で吸熱反応を前記燃料改質手段上で行い、水素を含有する改質ガスを前記循環通路によって前記内燃機関に送給するように、前記切換手段を制御する制御手段が設けられることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料改質システムにおいて、
前記発熱反応を行う際、前記内燃機関から排気された排気ガスが燃料改質手段側に向かって循環することを阻止するガス循環阻止手段が設けられることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項４】
内燃機関から排気された排気ガスを前記内燃機関の吸気側に循環させる循環通路中に改質触媒を有する燃料改質手段と、前記燃料改質手段に対してバイオマス系燃料を供給するバイオ燃料供給手段とがそれぞれ設けられ、
前記内燃機関の始動時には、空気と前記バイオマス燃料との間で発熱反応を前記燃料改質手段上で行い、一方、通常運転時には、循環通路に沿って循環される排気ガス中の熱と水蒸気と前記バイオマス系燃料との間で吸熱反応を前記燃料改質手段上で行うことを特徴とする燃料改質方法。
【請求項５】
請求項４記載の燃料改質方法において、
前記バイオマス系燃料は、エタノール又はエタノール混合ガソリンを含み、前記バイオマス系燃料の改質反応は、少なくとも、完全酸化法、部分酸化法、水蒸気改質法、及び前記部分酸化法と前記水蒸気改質法とを組み合わせたオートサーマル改質法のいずれか１つの反応からなることを特徴とする燃料改質方法。
【請求項６】
請求項４又は５記載の燃料改質方法において、
前記バイオマス系燃料の改質反応は、排気ガス、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、窒素、及び水蒸気雰囲気下のいずれか１つで行われることを特徴とする燃料改質方法。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項記載の燃料改質方法において、
前記内燃機関の始動時に前記バイオマス系燃料の酸化による発熱反応を行い、前記改質触媒がベーキング（ｂａｋｉｎｇ）された後、通常運転時の吸熱反応に使用されることを特徴とする燃料改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス系燃料を用いて改質反応を行うことにより、燃料効率の改善による燃費の向上、高出力化、及び排気ガスのクリーン化を達成することが可能な燃料改質システム及び燃料改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマス系自動車燃料は、サトウキビ、とうもろこし、規格外小麦等の植物として豊富な資源となり得るバイオマスを原料とし、過去の石油危機時代を背景に代替燃料として導入されている。近年、再生可能エネルギであるバイオマス系燃料（以下、バイオ系燃料ともいう）は、二酸化炭素（ＣＯ２）の発生量を抑制する効果があること、また、バイオマス廃棄物が有効利用されることから、地球温暖化対策の重要課題の一つとして注目されるようになった。
【０００３】
特に、自動車用燃料においては、オクタン価向上剤としての効果が期待できる含酸素燃料（例えば、メチルターシャリーブチルエーテル：ＭＴＢＥ）の代替として、バイオマス由来のエタノールをガソリンに混合したエタノール混合ガソリンの普及が進んでいる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２８５３４６号公報（段落０００９〜０００１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、エタノール燃料系自動車の燃費に関しては、エタノールの発熱量自体がガソリンに比べて小さいため、その混合量に応じて燃費が低下するという問題がある。
また、前記エタノール燃料系自動車の始動時の排気ガスに関しては、前述したエタノールの発熱量自体がガソリンに比べて小さいというエタノールの燃料特性により、その点火時期をリタード（遅延させる）することができず、始動直後に排気ガス成分を好適に浄化することができないという他の問題がある。
【０００５】
すなわち、自動車用燃料としてガソリンを用いた場合、例えば、ヒータ等の加熱手段によって三元触媒を早急に過熱し、排気ガス温度を早急に上昇させて点火時期をリタードすることにより三元触媒により排気ガス成分を浄化することができるのに対し、自動車燃料としてエタノールを用いた場合、ガソリンと比較して前記エタノールの発熱量が小さいことから、始動直後における三元触媒の温度上昇が緩やかとなり、始動直後に排気ガス成分を好適に浄化することができないという他の問題が発生する。
【０００６】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の一般的な目的は、エタノール又はエタノール混合ガソリン等のバイオマス系燃料を、単に内燃機関の燃料として利用するだけではなく、吸熱反応を利用する改質を行い、水素を含む水素ガスに変換して内燃機関に供給することで、排気エネルギの回生、内燃機関の燃焼効率改善による燃費向上及び高出力化を達成することが可能な燃料改質システム及び燃料改質方法を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の主たる目的は、前記バイオマス系燃料を用い、内燃機関の始動時に発熱反応を利用する暖機を行うことで三元触媒の温度を上昇させ、始動時における排気ガス成分のクリーン化を達成することが可能な燃料改質システム及び燃料改質方法を提供することにある。
【０００８】
さらに、本発明の他の目的は、前記バイオマス系燃料を用い、吸熱反応を利用する改質を行い、水素を含む水素ガスに変換して内燃機関に供給すると共に、発熱反応を利用する暖機を行うことで、排気エネルギの回生、内燃機関の燃焼効率改善による燃費向上、高出力化及び始動時における排気ガス成分のクリーン化を達成することが可能な燃料改質システム及び燃料改質方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、内燃機関から排気された排気ガスを前記内燃機関の吸気側に循環させる循環通路中に設けられ、改質触媒を有する燃料改質手段と、
前記燃料改質手段に対してバイオマス系燃料を供給するバイオ燃料供給手段と、
前記循環通路に接続され、前記燃料改質手段に対して空気を供給する空気供給手段と、
前記循環通路中に設けられ、前記燃料改質手段から送給される改質ガスを、前記内燃機関の排気側に導出し、又は、前記内燃機関側の循環通路へ導出するように通路を切り換える切換手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、前記内燃機関の始動時において、燃料改質手段は、空気供給手段から供給される空気とバイオマス系燃料との間で発熱反応を行い、切換手段の切換作用下に、前記発熱反応によって発生した熱を内燃機関の排気側に導出する。この場合、前記発熱反応によって発生した熱によって、前記内燃機関の排気側に配置された三元触媒が暖機されることにより、排気ガス成分のクリーン化を早期に達成することができる。
【００１１】
一方、本発明によれば、通常運転時において、燃料改質手段は、循環通路によって循環された排気ガス中の熱と水蒸気とバイオマス系燃料との間で吸熱反応を行い、切換手段の切換作用下に、前記吸熱反応によって発生した水素を含有する改質ガスを循環通路に沿って前記内燃機関に送給する。この結果、内燃機関では、前記水素を含有する改質ガスが導入されることにより、水素エネルギが増大し且つ水素による燃料改善によって燃費向上（熱効率向上）及び高出力化を達成することができる。
【００１２】
また、本発明では、内燃機関の始動時に発熱反応を行う際、循環通路への排気ガスの循環を阻止するガス循環阻止手段が設けられるとよい。前記ガス循環阻止手段により、空気供給手段から燃料改質手段に対する空気の安定した供給を確保することができる。
【００１３】
さらに、本発明では、燃料改質手段において空気を利用した発熱反応を行う際と循環通路に沿って循環する排気ガスの熱、水蒸気を利用して吸熱反応を行う際に、切換機構を制御する制御手段を設けることにより、簡便に改質ガスの流路が切り換えられる。
【００１４】
本発明は、内燃機関から排気された排気ガスを前記内燃機関の吸気側に循環させる循環通路中に、改質触媒を有する燃料改質手段と、前記燃料改質手段に対してバイオマス系燃料を供給するバイオ燃料供給手段とがそれぞれ設けられ、
前記内燃機関の始動時には、空気と前記バイオマス燃料との間で発熱反応を前記燃料改質手段上で行い、一方、通常運転時には、循環通路に沿って循環される排気ガス中の熱と水蒸気と前記バイオマス系燃料との間で吸熱反応を前記燃料改質手段上で行うことを特徴とする。この場合、前記内燃機関の始動時に前記バイオマス系燃料の酸化による発熱反応を行い、前記改質触媒がベーキング（ｂａｋｉｎｇ）された後、通常運転時の吸熱反応に使用されるとよい。
【００１５】
この場合、本発明によれば、改質触媒を有する燃料改質手段が、内燃機関から排気された排気ガスを前記内燃機関の吸気側に循環させる循環通路中に設けられているため、前記燃料改質手段上での吸熱反応後に排気ガスの温度を低下させ、クーラー効果を発揮させることができる。
また、本発明によれば、前記吸熱反応によって水素を含む改質ガスが内燃機関に供給されることにより、内燃機関内の異常燃焼を防止してノッキングの発生を抑制することができると共に、例えば、内燃機関を構成するピストンやシリンダ等に対する負荷が軽減されて耐久性を向上させることができる。
さらに、本発明では、循環通路中に設けられた単一の燃料改質手段によって発熱反応と吸熱反応とをそれぞれ発揮させるように構成されているため、燃料改質システム全体の小型化と製造コストの低減化を達成することができる。
【００１６】
本発明において、改質燃料として使用される原料は、エタノール又はエタノール混合ガソリン（エタノール混合比３〜９９％が利用可能範囲）等のバイオマス系燃料であり、前記バイオマス系燃料を用いることにより改質反応を容易に発生させることができる。バイオマス系燃料としては、例えば、エタノール、ガソリン、ディーゼル燃料、天然ガス、炭化水素ガス、バイオディーゼル等の炭化水素が挙げられる。炭化水素類としては、アルカン類、アルケン類、アルキン類、芳香族化合物、アルコール類、アルデヒド類等が含まれる。
【００１７】
改質剤としては、空気、酸素、酸素富化空気、窒素富化空気、水、及び、二酸化炭素から選ばれた少なくとも一種を挙げることができる。また、水としては、純水の他、雨水、水道水、一次処理済み排水等を使用することも可能である。なお、酸化剤として用いられる酸素富化空気は、酸素が２５〜１００％未満までの濃度領域で実施することが可能である。通常、酸素富化空気は、酸素濃度が３５〜４５％の間にしておくことが望ましい。酸素濃度が高くなると、気体分離膜に対する負荷が大きくなり、トータルのエネルギ効率が低くなるからである。
【００１８】
また、本発明において、内燃機関から排出される燃焼排気ガス成分としては、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、水、一酸化窒素、二酸化窒素、一酸化ニ窒素、炭化水素類が挙げられる。炭化水素類としては、アルカン類、アルケン類、アルキン類、芳香族類、多環芳香族類、アルコール類、アルデヒド類等が挙げられる。
【００１９】
本発明において、改質反応は、触媒、低温プラズマ、及び、低温プラズマ−触媒複合系から選ばれた少なくとも１種を用いた方法により行われる。ここで、「触媒」とは、金属酸化物系、ゼオライト系、金属担持系、貴金属担持系等の触媒を意味する。また、「低温プラズマ」とは、電子、イオン、及び、中性分子が熱平衡状態にないプラズマを意味する。この低温プラズマを利用した低温プラズマ反応器においては、電子温度は８０００℃〜８００００℃に達するものの、ガス温度はほぼ室温に抑えることができるという利点を有する。
【００２０】
本発明において、バイオマス系燃料の改質反応は、少なくとも、完全酸化法、部分酸化法、水蒸気改質法、及び前記部分酸化法と前記水蒸気改質法とを組み合わせたオートサーマル改質法のいずれか１つの反応が用いられるとよい。
【００２１】
本発明において、燃料改質手段としては、従来公知のものがすべて使用でき、特に制限はない。このような反応装置として、例えば、固定床流通式反応器、バッチ式反応器等が挙げられる。また、低温プラズマを発生させる装置も従来公知のものがすべて使用でき、特に制限はない。このような低温プラズマ装置としては、例えば、パルスコロナ型、無声放電型、パックドベット型等が使用できる。
【００２２】
本発明において、燃料の改質反応は、いずれも、室温〜１２００℃程度までの温度領域で実施することができる。燃料の改質反応においては、生成物の蒸気圧により、改質されたガス中の水素濃度を調整することができる。
【００２３】
本発明において、燃料改質手段としては、反応装置に燃料を直接導入してもよいが、空気等のバックグラウンドガスに気化させた後、反応装置に導入するとよい。反応圧力に特に制限はないが、好ましくは常圧１気圧とする。
【００２４】
本発明において、気体分離に使用される膜としては、特に制限はなく、従来公知のものが使用できる。このような気体分離膜としては、例えば、ポリイミド中空糸、ポリジメチルシロキサン平膜等が挙げられる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃焼効率の改善による燃費の向上、高出力化、及び、排出ガスのクリーン化が可能となる燃料改質システム及び燃料改質方法を提供することができる。ひいては、カーボンニュートラルの実現が可能な燃料改質システム及び燃料改質方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料改質システムが適用された自動車システムの概略構成ブロック図である。
【００２７】
図１に示すように、自動車システム１０は、内燃機関１２（以下、エンジン１２という）を含む。前記エンジン１２は、燃焼室が設けられた図示しないシリンダブロックを有し、前記燃焼室には図示しない吸気バルブを介して混合気を吸入する吸気通路１４と、図示しない排気バルブを介して燃焼室で発生した燃焼ガス（以下、排気ガスという）を外部に排気する排気通路１６とが連通接続されている。
【００２８】
なお、本実施形態において、燃料は、エタノール又はエタノール混合ガソリン等のバイオマス系自動車燃料が用いられ、以下では、エタノールを用いた場合をその一例として説明する。
【００２９】
排気通路１６には、排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素センサ１８と、排気ガス中に含まれる排気ガス成分を浄化する三元触媒２０と、前記三元触媒２０の温度を検出する第１温度センサ２２とがそれぞれ設けられる。
【００３０】
また、前記自動車システム１０は、燃料改質装置（燃料改質手段）２４を含み、前記燃料改質装置２４は、エンジン１２に近接する吸気通路１４の所定部位に連通する第１循環通路２６と、前記エンジン１２に近接する排気通路１６の所定部位に連通する排気循環通路２８を介してエンジン１２に連通接続される。この場合、燃料改質装置２４、第１循環通路２６、エンジン１２及び排気循環通路２８によって閉ループ（循環通路）が構成される。前記燃料改質装置２４には、触媒温度を検出する第２温度センサ３０が付設される（後記する実施例における三元触媒２０の温度を検出している）。なお、前記第１循環通路２６は、後記する三方切換弁を間にして燃料改質装置側の第１循環通路２６ａとエンジン側の第１循環通路２６ｂとに分けて適宜説明する。
【００３１】
さらに、前記自動車システム１０は、第１循環通路２６の途中に三方切換弁（切換手段）３２が設けられ、前記三方切換弁３２の二次側（出力側）には、燃料改質装置側の第１循環通路２６ａと前記排気循環通路２８とを連通させる第２循環通路３４が接続される。
【００３２】
すなわち、前記三方切換弁３２は、例えば、３ポート電磁弁等からなり、図示しない弁ボデイに設けられたインレットポート３６ａが燃料改質装置側の第１循環通路２６ａに接続され、弁ボデイに設けられた第１アウトレットポート３６ｂがエンジン側の第１循環通路２６ｂに接続され、弁ボデイに設けられた第２アウトレットポート３６ｃが第２循環通路３４にそれぞれ接続される。
【００３３】
この場合、後記するＥＣＵから出力される制御信号（オン／オフ信号）によって、インレットポート３６ａ（第１循環通路２６ａ）と第１アウトレットポート３６ｂ（第１循環通路２６ｂ）及び第２アウトレットポート３６ｃ（第２循環通路３４）との間の連通状態が図示しない弁体を介して切り換え可能に設けられる。
【００３４】
前記排気循環通路２８には、該排気循環通路２８を開閉する図示しない弁体を有し、ＥＣＵ４０から導入される制御信号によって開弁状態と閉弁状態とが切換制御される排気ガス還流弁（ガス循環阻止手段）４２と、連通路４４を介して燃料改質装置２４に対して空気を供給する空気供給装置（空気供給手段）４６（例えば、コンプレッサ等）とがそれぞれ設けられる。
【００３５】
従って、前記三方切換弁３２によって、燃料改質装置２４から供給される水素を含む改質ガスが第１循環通路２６ａ、２６ｂを介してエンジン１２に供給される第１切換位置と、前記燃料改質装置２４から供給される空気を含む改質ガスを第２循環通路３４及び排気循環通路２８及び排気通路１６を介して三元触媒２０に供給する第２切換位置とがそれぞれ切り換え可能に設けられる。
【００３６】
エンジン１２は、ガソリン又はガソリンとアルコールとの混合燃料で運転可能な、例えば、４気筒のエンジンからなる。前記エンジン１２の吸気通路１４の上流側には、スロットル弁５０が設けられ、前記スロットル弁５０には、スロットル弁開度を検出するスロットル弁開度センサ５２が付設される。前記スロットル弁開度センサ５２によって検出されたストロット弁開度に対応する検出信号は、ＥＣＵ（制御手段）４０（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）に送給され、エンジン１２に対する燃料噴射量の制御に用いられる。
【００３７】
第１燃料噴射弁５４ａは、吸気通路１４の途中であってエンジン１２とスロットル弁５０との間の図示しない吸気弁の少し上流側の各気筒にそれぞれ設けられる。さらに、燃料改質装置２４に対して燃料を供給する第２燃料噴射弁（バイオ燃料供給手段）５４ｂが設けられる。前記第１燃料噴射弁５４ａ及び第２燃料噴射弁５４ｂは、それぞれ、燃料供給通路５６を介して燃料タンク５８に連通接続される。また、第２燃料噴射弁５４ｂは、燃料改質装置２４を介して排気循環通路２８に連通接続されている。なお、前記第１燃料噴射弁５４ａ及び前記第２燃料噴射弁５４ｂは、部品の共通化を図るために、それぞれ同一に構成されるとよい。
【００３８】
この場合、前記第１燃料噴射弁５４ａ及び第２燃料噴射弁５４ｂは、それぞれ、ＥＣＵ４０と電気的に接続され、ＥＣＵ４０から出力される制御信号に基づいて開弁時間が制御される。
【００３９】
燃料改質装置２４は、排気ガス、水、又は、空気中の酸素等を酸化剤として用い、燃料と反応させて水素を生成する機能（吸熱反応）と、始動時において燃料と反応させて熱を発生させ（発熱反応）、前記熱によって三元触媒２０を暖める機能とを併有する。なお、前記酸化剤の利用割合は、燃料の成分、燃焼排気ガスの温度、水素の供給量、熱の供給量、供給タイミング等に対応して最適となるようにＥＣＵ４０によって制御される。
【００４０】
また、燃料改質装置２４は、改質触媒により、酸化反応、部分酸化法、水蒸気改質法、及び、これらを組み合わせたオートサーマル改質法から選ばれる少なくとも１種の反応であることが好ましい。このような改質法を用いることにより、反応を促進し、水素、二酸化炭素、水、及び一酸化炭素の混合ガスが生成される。燃料改質装置２４としては、従来公知のものが全て使用可能であり、例えば、図示しない流通式反応器、バッチ式反応器等用いられる。
【００４１】
各改質法を用いたエタノール改質反応式を図５の（ａ）〜（ｄ）に参考として示す。ここで、部分酸化法とは、炭化水素類を酸素で改質して、水素と二酸化炭素を生成する反応をいう。水蒸気改質法とは、炭化水素類を水蒸気で改質して、水素と二酸化炭素を生成する反応をいう。また、オートサーマル法は、水蒸気改質法と部分酸化法を組み合わせたものであり、酸素及び水蒸気の両者が酸化剤として作用する。具体的には、空気中の酸素は部分酸化反応及び水蒸気改質反応を促進し、水蒸気は水蒸気改質反応を促進する。このため、自動車燃料をオートサーマル改質する場合には、改質反応中に存在する酸素量及び水蒸気量を制御することが重要である。
【００４２】
本実施形態に係る燃料改質システムが適用された自動車システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００４３】
先ず、エンジン１２の始動時について説明する。
エンジン１２の始動時において、ＥＣＵ４０は、空気供給装置４６に付勢信号を導出して前記空気供給装置４６を駆動させ、連通路４４を介して燃料改質装置２４に対して空気（酸素）を供給する。同時に、ＥＣＵ４０は、三方切換弁３２の図示しないソレノイド部に制御信号を導出して図示しない弁体を第２切換位置に切換制御し、燃料改質装置側の第１循環通路２６ａと第２循環通路３４とを連通させる（図１中の三方切換弁３２における実線参照）。さらに、ＥＣＵ４０は、排気ガス還流弁４２に制御信号を導出して前記排気ガス還流弁４２を閉弁位置として燃料改質装置側への始動時における排気ガスの還流を遮断する。
【００４４】
従って、図示しないイグニッションスイッチが付勢され、エンジン１２の排気ガスが排気通路１６を介して三元触媒側に向かって流通するエンジン１２の始動状態において、空気供給装置４６から送給された空気が燃料改質装置２４内に供給されると共に、燃料タンク５８から第２燃料噴射弁５４ｂを介してエタノールが燃料改質装置２４内に供給される。従って、燃料改質装置２４内に設けられた図示しない触媒を介して空気（酸素）と燃料（エタノール）とが発熱反応して熱を発生させ、この発生した熱量を保有する改質ガスが第１循環通路２６ａ、三方切換弁３２、第２循環通路３４、エンジン側の排気ガス循環通路２８の一部及び排気通路１６を介して三元触媒２０に導入され、エンジン１２の始動時に前記三元触媒２０を好適に暖機することができる。なお、図４中における実線は、エンジン始動時における発熱反応を簡略化して示したものである。
【００４５】
換言すると、燃料改質装置２４は、空気供給装置４６から供給される空気（酸素）を酸化剤として用い、第２燃料噴射弁５４ｂから吐出される燃料（エタノール）と反応させて熱を発生させる発熱反応を営み、前記発生した熱を保有する改質ガスを三元触媒２０に導入することにより、エンジン始動時における三元触媒２０の温度特性を急速に上昇させることができる。この結果、三元触媒２０の高速温度上昇により、前記三元触媒２０が円滑に機能してエンジン始動時の排気ガス成分を浄化し、早期クリーン化を達成することができる。
【００４６】
なお、前記したエンジン１２の始動状態が所定時間経過した後、ＥＣＵ４０は、空気供給装置４６に滅勢信号を導出して前記空気供給装置４６から燃料改質装置２４への空気（酸素）の供給を停止すると共に、前記三方切換弁３２に制御信号を導出して図示しない弁体を第１切換位置に切換制御し（図１中の三方切換弁における破線参照）、燃料改質装置側の第１循環通路２６ａとエンジン側の第１循環通路２６ｂとを連通させる。同時に、ＥＣＵ４０は、排気ガス還流弁４２に制御信号を導出して前記排気ガス還流弁４２を開弁位置に切換制御し、燃料改質装置側への排気ガスの還流が可能な状態とする。
【００４７】
このようなエンジン１２の始動状態が所定時間経過した後の通常走行状態（定常運転時）では、エンジン１２の排気ガスが排気循環通路２８を介して燃料改質装置２４内に導入され、燃料改質装置２４内において、前記排気ガスに含有される水（水蒸気）と前記排気ガスが保有する熱（熱量）と第２燃料噴射弁５４ｂによって吐出される燃料（エタノール）と反応させて水素を生成する吸熱反応が営まれる。このような吸熱反応によって生成された水素は、三方切換弁３２を介してエンジン１２に導入され、水素エネルギの増大によって排気エネルギの回生、内燃機関の燃焼効率改善による燃費向上及び高出力化を達成することができる。図４中における破線は、吸熱反応を簡略化して示したものである。
【００４８】
なお、通常走行状態では、燃料改質装置２４、第１循環通路２６、エンジン１２、及び、排気循環通路２８によって閉ループが構成され、前述した吸気反応によって生成された水素を含む改質ガスが閉ループ内で常時連続的に生成される。
以上、本実施形態では、自動車システム１０に搭載された内燃機関１２に基づいて説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図示しない船舶、耕運機、発電機等の内燃機関に適用することができることは勿論である。
【実施例】
【００４９】
次に、本発明の効果を確認した実施例に基づいてさらに本発明を詳細に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。燃料改質装置では、触媒としてＲｈ／Ａｌ２Ｏ３を用い、また、バイオ燃料としては、エタノールを用いた。
【００５０】
先ず、触媒の調整方法について説明する。
［触媒γＡｌ２Ｏ３の調整］
用意したγＡｌ２Ｏ３（住友化学社製ＡＫＰ−Ｇ０１５）約１００ｇを１０００ｍＬ容積のビーカ内で、３００ｍＬの超純水に懸濁した。得られた懸濁溶液に、テフロン（登録商標）製スターラピースを入れ、ホットプレート付きマグネティックスターラで数分間、室温で静かに攪拌した。攪拌後、水を除去して上記の操作を３回繰り返した。その後、得られたγＡｌ２Ｏ３に、ゴミが入らないように覆いをして８０℃で一晩かけて真空乾燥を行い、水を留去した。乾燥後、保存容器に移し替え、使用時までデシケータ内で保存した。
【００５１】
［燃料改質触媒Ｒｈ／Ａｌ２Ｏ３の調整（含浸法）］
乾燥したγＡｌ２Ｏ３の粉末を２５ｇ秤量した。これに対し、ロジウム（Ｒｈ）金属として質量分率で５％となるように、硝酸ロジウム［Ｒｈ（ＮＯ３）３］を秤量した。
〔触媒担持〕
１０００ｍＬ容積のビーカ内に、硝酸ロジウム［Ｒｈ（ＮＯ３）３］、３５０ｍＬの超純水を入れて攪拌すると共に熱を加え、６０℃に設定した。この１０００ｍＬ容積のビーカ内に、γＡｌ２Ｏ３の粉末を６０℃の温度が保てるようゆっくりと少量ずつ加えた。γＡｌ２Ｏ３の粉末を加えた後、６０℃で１時間攪拌した。その後、スラリーから水分を留去し、１００℃のオーブンに１２時間入れ、乾固させた。乾固した触媒を６００℃の電気炉に４時間入れ、焼成した。
【００５２】
［触媒Ａｇ／Ａｌ２Ｏ３の調整（含浸法）］
乾燥したγＡｌ２Ｏ３の粉末を２５ｇ秤量した。これに対し、銀（Ａｇ）金属として質量分率で２％となるように硝酸銀［ＡｇＮＯ３］を秤量した。
〔触媒担持〕
１０００ｍＬ容積のビーカ内に、硝酸銀［ＡｇＮＯ３］、３５０ｍＬの超純水を入れて攪拌するとともに熱を加え、６０℃に設定した。この１０００ｍＬ容積のビーカ内に、γＡｌ２Ｏ３の粉末を６０℃の温度を保てるようゆっくりと少量ずつ加えた。γＡｌ２Ｏ３の粉末を加えた後、６０℃で１時間攪拌した。その後、スラリーから水分を留去し、１００℃のオーブンに１２時間入れ、乾固させた。乾固した触媒を６００℃の電気炉に４時間入れ、焼成した。
【００５３】
［バイオ燃料の改質反応条件］
本実施例では、改質反応に触媒Ｒｈ／Ａｌ２Ｏ３を用いた。また、バイオ燃料の改質として部分酸化反応を行った。具体的な反応条件は以下の通りであった。
【００５４】
触媒に対するＧＨＳＶ（Ｇａｓ ｈｏｕｒｌｙ ｓｐａｃｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ＝１時間当たりの反応ガスの空間速度）は、１０００〜１０００００ｈ−１の範囲内で行った。バックグラウンドガスとして空気を用い、空気（Ａｉｒ）と燃料（Ｆｕｅｌ）の質量比Ａ／Ｆ比は、１〜３０の範囲内で行った。改質反応の温度は、２５０℃〜１０００℃の範囲内で行った。有機化合物の定量分析は、検出器としてＦＩＤ（水素炎イオン化検出器）を備えたＧＣ（ＧＬ Ｓｃｉｅｎｃｅ社製ＧＣ−３９０Ｂ、Ｕｎｉｐａｃｋ Ｓ）を用いて行った。また、水素の定量分析は、検出器としてＴＣＤ（熱伝導度検出器）を備えたＧＣ（Ｓｈｉｍａｄｚｕ社製ＧＣ−３９０Ｂ、ＭＳ−５Ａ）を用いて行った。
【００５５】
＜燃費に関する比較検討＞
比較例として、燃料改質装置２４が装着されていない一般的なＦＦＶ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｆｕｅｌ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）を用い、本実施例として図１に示される自動車システム１０の構造を備え燃料改質装置２４が付設されたＦＦＶ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｆｕｅｌ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）を用い、燃費に関して比較した実験結果を図２に示す。すなわち、燃料改質システムの有無が燃費に対してどのような影響を及ぼすかを検討するために本実験を行った。なお、前記比較例に係るＦＦＶと、本実施例に係るＦＦＶでは、燃料改質装置２４の有無が異なる点を除いて、用いたＦＦＶの構造や燃料、運転条件等は全て同一である。
【００５６】
図２から諒解されるように、比較例ではエタノールのブレンド率（混合率）が増大するにつれて燃費が低下している。これは、エタノールの発熱量が、ガソリンに比べて小さいためである。これに対し、本実施例においても、エタノールのブレンド率の増大と共に燃費が低下しているが、エタノールのブレンド率の全範囲において、本実施例は、比較例の約１５パーセントだけ燃費が向上していることが認められた。
【００５７】
これは、燃料の吸熱反応で水素エネルギ量を、例えば、約２０パーセントだけ上昇させたことと、水素による燃焼改善によって燃費の向上が達成されたものと判断される。さらにエタノールのブレンド率が約７０パーセント以下のときには、ガソリン車の燃費を１００パーセント（基準値）とした場合、前記ガソリン車を上回る燃費となった。このような実験結果から、本実施例では、燃料改質システムを用いることにより、前記燃料改質システムを用いない比較例と比較して燃費が向上し、有用性があることを確認することができた。
【００５８】
＜三元触媒温度に関する比較検討＞
燃費に関する比較例及び本実施例と同一のＦＦＶを用い、時間に対する三元触媒２０の温度変化を比較した実験結果を図３に示す。なお、三元触媒２０の温度は、図１に示される第１温度センサ２２よって検出した。
【００５９】
比較例及び本実施例では、両者ともに時間の経過にしたがって三元触媒２０の温度が上昇している。しかしながら、比較例では、三元触媒２０の温度が約３５０℃以上となるまでに約３１０秒程度必要であったのに対し、本実施例では、３５０℃以上となるまでに必要な時間が約３０秒程度で、比較例の十分の一程度の短時間で到達することができた（図３参照）。
【００６０】
このことから、本実施例では、発熱作用による三元触媒２０の暖機によって高速温度上昇が可能となり、始動時における排気ガスの早期クリーン化を達成することが示唆された（三元触媒２０の暖機によって排気成分の浄化作用が好適に発揮されるものと推定されるから）。この結果、本実施例では、燃料改質システムを用いることにより、前記燃料改質システムを用いない比較例と比較して三元触媒２０の高速温度上昇が可能となり、有用性があることを確認することができた。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料改質システムが適用された自動車システムの概略構成ブロック図である。
【図２】本実施例及び比較例に係るエタノール混合率と燃費との関係を示す特性図である。
【図３】本実施例及び比較例に係る三元触媒の温度特性図である。
【図４】図１に示す自動車システムにおいて、燃料改質システムの発熱反応及び吸熱反応の説明に供されるブロック構成図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、各改質法を用いたエタノール改質反応式を示した説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１２    内燃機関（エンジン）
１４    吸気通路
１６    排気通路
２０    三元触媒
２４    燃料改質装置
２６（２６ａ、２６ｂ）    第１循環通路
２８    排気循環通路
３２    三方切換弁（切換手段）
３４    第２循環通路
４０    ＥＣＵ（制御手段）
４２    排気ガス還流弁（ガス循環阻止手段）
４６    空気供給装置（空気供給手段）
５４ｂ    燃料噴射弁（バイオ燃料供給手段）
【図１】
2008298000.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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