(57)【要約】【課題】  内燃機関用燃料を改質する際の応答速度を向上させうる手段を提供する。【解決手段】  内燃機関用燃料に、１〜１５０ＭＰａの圧力条件下で超音波を印加することにより、前記燃料を改質する。【選択図】図１
2005200633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用燃料に、１〜１５０ＭＰａの圧力条件下で超音波を印加して、前記燃料を改質する、内燃機関用燃料の改質方法。
【請求項２】
前記超音波を印加する際の前記燃料の温度条件が、−１０〜５００℃である、請求項１に記載の改質方法。
【請求項３】
前記燃料に超音波を印加する際に、前記燃料を触媒と接触させることを含む、請求項１または２のいずれか１項に記載の改質方法。
【請求項４】
前記燃料に超音波を印加する際に、前記燃料は、前記燃料を改質しうる流体と混合されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の改質方法。
【請求項５】
前記触媒が、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化ランタン、ゼオライト、および層状粘土化合物、並びにこれらの２種以上の複合酸化物およびこれらの混合物からなる群から選択される担体に、ロジウム元素、ルテニウム元素、パラジウム元素および白金元素からなる群から選択される１種または２種以上の貴金属元素が担持されてなる触媒である、請求項３または４に記載の改質方法。
【請求項６】
前記担体が酸化ジルコニウムを含む、請求項５に記載の改質方法。
【請求項７】
内燃機関用燃料を加圧するための燃料加圧手段と、
前記燃料に超音波を印加して前記燃料を改質するための、超音波印加手段と、
を有する、内燃機関用燃料改質装置。
【請求項８】
前記燃料を加温するための燃料加温手段を有する、請求項７に記載の内燃機関用燃料改質装置。
【請求項９】
前記燃料に接触して、前記燃料を改質する触媒を有する、請求項７または８に記載の内燃機関用燃料改質装置。
【請求項１０】
前記燃料と前記燃料を改質しうる流体との混合物を生成するための混合手段を有する、請求項７〜９のいずれか１項に記載の内燃機関用燃料改質装置。
【請求項１１】
前記流体を加圧するための流体加圧手段を有する、請求項１０に記載の内燃機関用燃料改質装置。
【請求項１２】
前記混合物を加温するための加温手段を有する、請求項１０または１１に記載の内燃機関用燃料改質装置。
【請求項１３】
前記触媒が、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化ランタン、ゼオライト、および層状粘土化合物、並びにこれらの２種以上の複合酸化物およびこれらの混合物からなる群から選択される担体に、ロジウム元素、ルテニウム元素、パラジウム元素および白金元素からなる群から選択される１種または２種以上の貴金属元素が担持されてなる触媒である、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の内燃機関用燃料改質装置。
【請求項１４】
前記担体が酸化ジルコニウムを含む、請求項１３に記載の内燃機関用燃料改質装置。
【請求項１５】
請求項７〜１４のいずれか１項に記載の内燃機関用燃料改質装置を搭載した車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用燃料の改質に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境に対する配慮から、自動車等の内燃機関の排気をより一層浄化することが求められている。ここで、内燃機関に供給される燃料の性状により、機関の燃焼状態が変化し、これにより排気の成分組成が影響を受けることが知られている。従って、燃料を改質することにより内燃機関に供給される燃料の性状を変化させて、排気中の有害成分を低減させることが可能である。
【０００３】
従来、車載可能な装置を用いて燃料を改質する技術として、超臨界状態を利用するものが知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１に記載の技術がある。前記文献１によれば、水と燃料との超臨界混合物を非対称ミラーサイクルに導入することにより、燃料の一部を水素と一酸化炭素に改質するとともに軽質化し、水素の優れた着火性を利用して有効セタン価を向上させている。
【０００５】
ここで、前記文献１に記載の技術において、水と燃料との混合物を超臨界混合物とするにあたっては、ヒーターを用いて加温する必要がある。このため、車両の始動時、特に冷間（エンジン常温状態）での始動時においては、前記混合物を加温して超臨界状態とするのに時間がかかり、応答性に問題があった。また、冷間始動時においては、排ガス浄化システムの触媒活性が得られず内燃機関の排気が浄化されないため、厳しい排ガス基準をクリアするために排気中の有害成分を一時的に吸着するなどの方法を取らざるを得ず、排気ガスの処理コストが高くなる問題があった。従って内燃機関の始動時において、内燃機関そのものからの有害排気成分を低減することが望まれている。そのための一つの方法として、内燃機関に供給する燃料の燃焼性を向上させることが上げられる。しかしながら冷間始動時用の燃料と通常走行時用の燃料というように多種の燃料を車両などに積載することは現実的ではない。そこで積載している燃料を改質する方法が考えられる。しかしながら燃料の改質反応は吸熱反応であるため３００℃〜８００℃程度の熱源が必要となり、冷間始動時に燃料をヒーター等で加温する方法ではやはり応答性が悪く現実的ではない。以上のように、内燃機関の冷間始動時に燃料改質を行う場合、応答性を向上させることが切に望まれている。
【特許文献１】特表２００２−５１９５６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、内燃機関用燃料を改質する際の応答性を向上させうる手段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】
【０００７】
本発明は、内燃機関用燃料に、１〜１５０ＭＰａの圧力条件下で超音波を印加して、前記燃料を改質する、内燃機関用燃料の改質方法である。
【０００８】
また本発明は、内燃機関用燃料を加圧するための燃料加圧手段と、前記燃料に超音波を印加して前記燃料を改質するための、超音波印加手段と、を有する、内燃機関用燃料改質装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、内燃機関用燃料に所定の圧力条件下で超音波を印加して前記燃料を改質することにより、高温の熱源の得られない車両等の駐車時や始動時においても燃料の改質が可能となり、特に冷間始動時に燃焼性の高い改質燃料を供給することが可能となり、冷間始動時における排気中への有害成分の混入が抑制されうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
従来、内燃機関用燃料を改質する技術としては、超臨界状態を利用するものが知られている。ここで「超臨界状態」とは、物質ごとに存在する臨界温度および臨界圧力をともに超えた条件下において、前記物質が凝縮しなくなった状態をいう。超臨界状態の物質は、気体および液体の中間的な性質を示す。例えば、他の物質を溶解させうる溶媒としての能力を示す。従来の技術はこの性質を利用しており、内燃機関用燃料を超臨界状態で種々の物質に溶解させて反応させることにより、前記燃料の改質を図っている。しかし、超臨界状態を利用する従来の技術では、上述したように高温の熱源を必要とするため、内燃機関の停止中あるいは始動直後等に改質を行うことは困難であるという問題があった。
【００１１】
上記の問題は、本発明によって解決されうる。本発明の第１は、内燃機関用燃料に所定の圧力条件下で超音波を印加することで、前記燃料を改質する方法に関する。すなわち、本発明の第１は、内燃機関用燃料に、１〜１５０ＭＰａの圧力条件下で超音波を印加して、前記燃料を改質する、内燃機関用燃料の改質方法である。
【００１２】
まず、図面を用いながら、本発明の概要について説明する。ただし、図示する実施形態は、単なる一実施形態に過ぎず、本発明の技術的範囲が、図示する実施形態に限定されるわけではない。
【００１３】
図１は本発明により内燃機関用燃料を改質するための改質装置の好ましい一実施形態を示す概略図である。
【００１４】
まず、図示しない供給手段により内燃機関用燃料１００が供給され、燃料用高圧ポンプ１０１により加圧され、燃料用予熱ヒーター１０２により予熱され、混合容器１２０へと供給される。一方、図示しない供給手段により内燃機関用燃料を改質しうる流体（本明細書中、「改質用流体」とも称する）１１０が供給され、改質用流体用高圧ポンプ１１１により加圧され、改質用流体用予熱ヒーター１１２により予熱され、混合容器１２０へと供給される。混合容器１２０へ供給された内燃機関用燃料１００および改質用流体１１０は、混合容器１２０内において混合して混合物となり、次いで混合物用ヒーター１３０により予熱され、超音波反応器１４０へと供給される。なお、場合によっては、混合容器１２０を設置せず、燃料流路と改質用流体流路とを合流させてなる合流部において混合物を生成させ、超音波反応器１４０へと供給してもよい。超音波反応器１４０へ供給された前記混合物は、超音波反応器１４０に隣接して設置された超音波発生装置１４１により超音波を印加され、これによって燃料が改質される。また、超音波反応器１４０は触媒１４２を備えており、前記触媒１４２は、超音波反応器１４０へ供給されて超音波を印加された前記混合物と接触して、前記燃料を改質する。なお、超音波反応器１４０に備えられる触媒１４２は、触媒１４２を保護する目的で金属メッシュ等により保持されていてもよい。燃料の改質された混合物は、超音波反応器１４０から排出され、分離槽１５０へと供給される。分離槽１５０において、供給された混合物は改質燃料１６０、気体生成物１７０および回収水１８０に分離される。この際、分離槽１５０における分離を促進させる目的で、前記分離槽１５０は冷却されてもよい。分離された改質燃料１６０は最終的に、図示しない内燃機関へと供給され、前記内燃機関において燃料として用いられる。なお、分離槽１５０に接続された各流路からどの成分を取り出すかは任意であり、燃料や改質用流体の種類などに応じて適宜設定されうる。また、改質燃料１６０を、貯蔵槽（図示せず）などの改質燃料貯蔵手段に一時的に貯蔵し、必要に応じて内燃機関へと供給してもよい。
【００１５】
本発明の改質方法においては、所定の圧力条件下で内燃機関用燃料に超音波を印加することにより、高温の熱源を利用しなくとも前記燃料が改質されうる。つまり、本発明によれば、熱を得られない状態においても内燃機関用燃料を改質することが可能となる。その結果、内燃機関の冷間始動時などにおいて燃料を供給する際の応答性が向上しうる。
【００１６】
以下、本発明により得られる効果について、より詳細に説明する。
【００１７】
一般に、液体に超音波を印加すると、局所的に圧力変動が生じ、多数の微小な気泡が発生する。この気泡は「キャビテーション」と呼ばれる。キャビテーションは時間とともに成長するが、ある程度大きくなると不安定になり崩壊する。前記気泡が崩壊する際、気泡内の気体は断熱圧縮過程により収縮するため、局所的に高温高圧状態の場が生じる。かような場をホットスポットと称する。前記ホットスポットの温度および圧力は、混合物の粘度、蒸気圧、表面張力等の物理化学的性質や、超音波の印加条件に応じて変化しうるが、通常は、温度は数千〜数万度、圧力は数十〜数百ＭＰａに達する。
【００１８】
本発明においても、内燃機関用燃料に超音波を印加すると、印加後瞬時に多数のキャビテーションが発生し、崩壊する。これにより、多数のホットスポットが発生する。前記ホットスポットの高温高圧状態は、局所的な擬似超臨界状態とみなされうる。したがって、本発明によれば、別途の加温手段を用いることが必要であった従来の改質方法とは異なり、内燃機関用燃料が改質しうる温度条件が瞬時に得られる。このため、従来問題となっていた熱源が得られないような内燃機関の停止時や始動直後における燃料供給の応答性が改善され、始動直後でも速やかに内燃機関を運転することが可能となるのである。
【００１９】
次に、本発明の方法において用いられる材料、条件、設備構成などについて、詳細に説明する。ただし、以下に記載された態様に、本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、特に記載されていない事項については、公知の知見が適用されうる。例えば、超音波発生装置の構造については特に触れないが、例えば市販されているようなボルト締めランジュバン型構造の超音波発生装置が採用されうる。公知の構造を元に、超音波発生装置の構造が改良されてもよい。
【００２０】
内燃機関用燃料に超音波を印加する際の前記燃料の圧力条件は、１〜１５０ＭＰａであり、好ましくは、前記燃料の臨界圧力〜１３０ＭＰａである。かかる圧力条件下で超音波を印加することで、前記燃料と前記改質用流体との混合性が向上し、また、キャビテーションによるホットスポットが発生することにより改質反応が進行しうる。なお、前記内燃機関用燃料が複数の成分を含有する場合、「内燃機関用燃料の臨界圧力」とは、含有される各燃料成分の臨界圧力のうち最低の圧力をいう。また、本発明において、前記圧力条件は、前記燃料における、ホットスポット以外の部分の圧力条件をさす。
【００２１】
内燃機関用燃料に超音波を印加する際の前記燃料の温度条件は、特に制限されず、適宜設定されうる。好ましくは−１０〜５００℃，より好ましくは１００〜３５０℃である。かかる温度条件下で超音波を印加することで、局所的に擬似的な超臨界状態を形成させることができ、熱源が得られないような条件下においても効率的に燃料が改質されうる。なお、本発明において、前記温度条件は、前記燃料における、ホットスポット以外の部分の温度条件をさす。
【００２２】
圧力条件および温度条件を所望の値とする手段としては、特に制限されないが、超臨界を利用する従来の内燃機関用燃料の改質方法において用いられている加圧手段および加温手段が適宜用いられうる。前記加圧手段としては、例えば、高圧ポンプが例示され、前記加温手段としては、ヒーター、排気熱との熱交換器等が例示される。かような加温手段を利用することが好ましいが、加温手段が利用しにくい場合には、これらの加温手段を使用しなくても、勿論よい。
【００２３】
超音波を印加する態様や超音波の印加条件等の態様は、特に制限されない。ここで「超音波」とは、人間の可聴域を超えた周波数の音波をいい、その周波数は通常２０〜１００００ｋＨｚである。本発明において超音波を印加する態様としては、例えば、従来公知の圧電セラミックス等を用いた超音波発生装置を備えた超音波反応器に内燃機関用燃料を供給する態様が例示される。また、印加される超音波の強度は、特に制限されず、反応器の形状や大きさ、燃料の種類等に応じて適宜決定されればよい。さらに、印加される超音波の周波数は、好ましくは５０〜５００ｋＨｚ、より好ましくは１００〜４００ｋＨｚである。ここで、キャビテーションは超音波により生じる定在波の腹の位置において主に発生する。このため、印加される超音波の周波数が増加すると、キャビテーションにより発生する気泡の数は増加する。ただし周波数が高いとキャビテーションの安定性が低くなるため周波数の範囲は、上述のような範囲で、反応器の形状や大きさ、燃料の種類等に応じて適宜決定すればよい。
【００２４】
本発明の改質方法に用いられる内燃機関用燃料は、内燃機関において燃料として用いられうる燃料であれば、特に制限されない。前記燃料は、改質後に供給される内燃機関の種類に応じて決定されればよい。本発明に用いられる燃料は、高圧力条件下で超音波を印加されることにより改質されうるのであれば、単一成分からなるものであってもよく、複数の成分の混合物であってもよい。
【００２５】
本発明においては、好ましくは、内燃機関用燃料に超音波を印加する際に、前記燃料を触媒と接触させる。これにより、前記燃料が高効率で選択的に改質されうる。
【００２６】
以下、内燃機関用燃料を触媒と接触させる態様について、詳細に説明する。
【００２７】
用いられる触媒については、燃料を改質しうる触媒であればよく、特に制限はない。例えば、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化ランタン、ゼオライト、および層状粘土化合物、並びにこれらの２種以上の複合酸化物およびこれらの混合物からなる群から選択される担体に、ロジウム元素、ルテニウム元素、パラジウム元素および白金元素からなる群から選択される１種または２種以上の貴金属元素が担持されてなる形態が例示される。これらの成分を用いることにより、超音波印加により発生するホットスポットのような局所的で寿命の短い反応場においても、継続的に改質反応を進行させることができ、長時間の安定した改質反応が可能となる。また、触媒中に含有される金属元素等の種類を選択することで、所望の成分組成を有する改質燃料が得られる。例えば、内燃機関用燃料中の環状芳香族炭化水素化合物を良燃化させることを目的とする場合には、好ましくは貴金属元素としてロジウム元素が用いられ、担体として酸化ジルコニウムが用いられる。また、多環ナフテン類を良燃化させることを目的とする場合には、好ましくは貴金属元素として白金元素が用いられ、担体として酸化セリウムが用いられる。
【００２８】
さらに、酸化ジルコニウムを担体として用いると、触媒の耐久性に優れ、長期にわたって触媒活性が維持されうる。これは、酸化ジルコニウムを担体として用いると、担持されている貴金属原子の分散度が長期間にわたって高く維持されるためであると思われる。このメカニズムは明らかではないが、酸化ジルコニウムの表面に貴金属原子が強く吸着しているために、貴金属原子のシンタリングが起こりにくいことによるものと推測される。
【００２９】
なお、参考までに、超臨界条件下における改質反応の前後の触媒において、担持された貴金属原子の分散度を測定した試験の結果を表すグラフを、図２に示す。なお、本試験においては、触媒として、担体（酸化ジルコニウムまたは酸化アルミニウム）上に、貴金属原子であるロジウム原子を担持させたものを準備した。そして、超音波発生装置１４１を備えていないこと以外は後述する実施例と同様の燃料改質装置を用い、トルエンおよび水をそれぞれ４００℃および４５０℃に予熱して供給し、さらに、改質反応器において、５００℃の温度、３０ＭＰａの圧力に設定し、トルエンを改質した。
【００３０】
そして、上記の改質試験の前後で、触媒における貴金属の分散度を測定した。具体的な測定条件は、以下の通りである。
【００３１】
まず、触媒サンプル０．２ｇを反応管に入れ、この反応管に酸素を２０ｍＬ／ｍｉｎで流通させながら、４００℃で１時間酸化処理を行い、触媒表面に付着した不純物等を除去した。次いで、反応管に水素を２０ｍＬ／ｍｉｎで流通させながら、４００℃で１時間還元処理を行った。その後、反応管にヘリウムを５０ｍＬ／ｍｉｎで流通させながら、一酸化炭素をパルス状に流通させた。この際、反応管の入口および出口における一酸化炭素濃度の差を測定することで、触媒サンプルへの一酸化炭素の吸着量を測定した。
【００３２】
ここで、一酸化炭素は、表面に露出している貴金属原子に一層だけ吸着する。このため、一酸化炭素の吸着量は表面に露出している貴金属原子数に比例する。この際、比例定数は貴金属原子の種類によって異なり、通常は１であるが、ロジウム原子の場合は比例定数として２が用いられる場合が多く、本実施例においてもロジウム原子の比例定数としては２を採用し、その他の貴金属原子の比例定数としては１を採用した。
【００３３】
上記の原理により、下記数式１に従って貴金属分散度を算出した。結果を図２に示す。図２において、横軸は改質試験において反応に使用された時間を示し、縦軸は貴金属分散度を示す。
【００３４】
【数１】
2005200633.tif 000003
【００３５】
上述したように、触媒表面に露出している貴金属原子の割合が多いほど貴金属分散度は上昇する。触媒活性を示すのは触媒表面に露出している貴金属原子であることから、触媒の貴金属分散度が高いほど、触媒活性も高いことが期待される。
【００３６】
図２に示す結果から、担体として酸化ジルコニウムを用いると、酸化アルミニウムを用いた場合と比較して、高い貴金属分散度を示すことがわかる。従って、担体として酸化ジルコニウムを用いることにより、触媒の貴金属分散度が高い値に長時間維持され、その結果、耐久性に優れる触媒を構築可能となることが示唆される。
【００３７】
なお、本発明において、燃料を改質する系の全体が超臨界条件下におかれるわけではないが、上述したように、超音波の印加により生じたキャビテーションの崩壊により発生する高温高圧状態の多数のホットスポットの個々について微視的に見れば、局所的な擬似超臨界状態とみなされうる。従って、本発明においても、担体に酸化ジルコニウムを含ませることで、触媒の耐久性を向上させうると考えられる。
【００３８】
本発明において用いられる触媒は、通常、超音波にさらされる。したがって、かかる場合には、用いられる触媒はある程度の機械的強度を有していることが好ましい。具体的には、本発明の改質方法を使用する際に印加される超音波によっても破壊されない程度の強度を有していればよく、特に制限されない。
【００３９】
また、本発明の触媒は、上記以外にも必要な添加剤を含有していてもよい。前記添加剤としては、例えば適当なバインダーとして、アルミナゾル等が例示される。
【００４０】
本発明に用いられる触媒には、例えば金属元素、前記金属元素が担持される担体、その他必要な添加剤が含有されるが、かかる場合にこれら各成分の含有量は特に制限されず、目的に応じて適宜決定されうる。好ましくは、触媒全量を１００質量％として金属元素を０．１〜１０質量％程度含む。
【００４１】
前記触媒の形状としては特に限定されず、従来公知の形態が適宜用いられうる。しかしながら自動車のような移動体に搭載される場合もある点を考慮すると、振動により磨耗が生じるペレット式、造粒法で得られた粒状、打錠成形された円筒形状、ラヒシリングなどの塊粒状の触媒を容器に充填するものよりも、ハニカム、フォーム、プレートなど各種の形状を有するモノリス式のものが好ましい。モノリス式とすることにより、特に車載時に必要となる高空間速度条件下における性能にも優れる。
【００４２】
本発明に用いられる触媒の製造方法としては特に制限されず、従来公知の方法が適宜使用されうる。通常は、金属元素を担体に担持させることにより製造される。金属元素を担体に担持させる方法としては、例えば特開２００２−６６３１３号公報に記載されているような攪拌法、含浸法および流通法等のイオン交換法や、その他通常の混練法、沈殿法、共沈法、吸着法、ゾルゲル法など各種の方法が用いられ、さらには、メッキ法、蒸着法なども用いられうる。また、その後乾燥および焼成させることにより触媒が製造されうるが、焼成は必ずしも必須ではない。
【００４３】
内燃機関用燃料を触媒に接触させる態様は、特に制限されない。例えば、図１に示すように、前記燃料を、触媒を備えた前記超音波反応器へ供給する態様が例示される。
【００４４】
また、内燃機関用燃料が触媒と接触する際に、供給される前記燃料の空間速度（ＬＨＳＶ）は特に制限されず、内燃機関の負荷状態に応じて適宜調節されうる。
【００４５】
上述したように、本発明において、燃料は、超音波を印加される際に改質用流体と混合されていることが好ましい。かかる態様によれば、超音波の印加により発生するホットスポットにおいて内燃機関用燃料と改質用流体とが反応し、前記燃料の改質効率が向上しうる。
【００４６】
改質用流体の種類は、特に制限されない。例えば、水、アルコール、炭化水素、二酸化炭素、アルデヒド類、ケトン類等が例示される。なかでも、水、炭化水素、アルコール等が好ましい。なお、改質用流体は、液体状態、気体状態または超臨界状態のいずれであってもよい。
【００４７】
本発明において用いられる内燃機関用燃料と改質用流体との改質用流体／燃料（炭素原子換算）比は、特に制限されないが、好ましくは０．０１〜２、より好ましくは０．１〜０．５である。
【００４８】
本発明において進行する反応は、用いられる内燃機関用燃料および改質用流体の種類や、ホットスポットにおける温度条件および圧力条件等により異なる。例えば、改質用流体として水およびアルコールのような含水素流体を用いると、前記内燃機関用燃料は水素化改質される。これにより、例えば、燃料中に含有される環状芳香族化合物やナフテン類（シクロパラフィン類）のような環状化合物が開環するとともに水素化し、鎖状の炭化水素化合物が生成しうる。また、改質用流体として二酸化炭素、水、およびアルコールのような含酸素化合物を用いると、前記内燃機関用燃料は、例えば、アルデヒド類やケトン類の含酸素化合物へと改質されうる。
【００４９】
改質用流体に酸素原子が含まれる場合は、直鎖型飽和炭化水素に対してもさらに着火性を向上させることが可能である。具体的には直鎖型飽和炭化水素を部分酸化し、含酸素化合物とすることで着火性を向上させうる。ここで、含酸素化合物としては、アルコール類、エーテル類、アルデヒド類、ケトン類、カルボン酸類等が例示される。
【００５０】
内燃機関用燃料と改質用流体とを混合するための混合手段は、特に制限されない。例えば、超音波の印加に耐えうる程度の強度、予熱ヒーターの温度に耐えうる程度の耐熱性および圧力条件に耐えうる程度の耐圧性を有している混合容器が例示される。
【００５１】
内燃機関用燃料と改質用流体との混合物に超音波を印加する態様も特に制限されず、例えば、前記混合物を、上記の混合容器から超音波発生装置を備えた反応器（本明細書中、「超音波反応器」とも称する）へ供給する態様が例示される。なお、内燃機関用燃料と改質用流体とを混合させて混合物とする段階と、前記混合物に超音波を印加する段階とは、必ずしも分離して行われる必要はなく、同時に行われてもよい。かかる態様としては、例えば、前記混合容器に、超音波発生装置のような超音波印加手段が備えられる態様が例示される。
【００５２】
本願においては、内燃機関用燃料の改質方法に加えて、前記改質方法に用いられうる改質装置が提供される。すなわち、本発明の第２は、内燃機関用燃料を加圧するための燃料加圧手段と、前記燃料に超音波を印加して前記燃料を改質するための、超音波印加手段と、を有する、内燃機関用燃料改質装置である。
【００５３】
図１は、本発明の内燃機関用燃料改質装置の好ましい一実施形態を示す概略図である。
【００５４】
以下、本発明の内燃機関用燃料改質装置の好ましい一実施形態につき説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態に制限されない。
【００５５】
図１に示す改質装置により内燃機関用燃料を改質する具体的方法については、本発明の第１において説明したとおりであるので、ここでは説明を省略する。
【００５６】
本発明によれば、印加される超音波により発生するキャビテーションによって、擬似超臨界状態であるホットスポットが局所的に発生する。この現象は極めて短時間に起こることから、内燃機関用燃料が改質しうる温度条件が瞬時に得られる。このため、従来問題となっていた始動時の応答性が向上し、所望の組成を有する改質燃料が速やかに得られる。
【００５７】
以下、本発明の第２の内燃機関用燃料改質装置の各構成要素について、その好ましい一実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態に制限されない。
【００５８】
まず、本発明の内燃機関用燃料改質装置に供給される内燃機関用燃料の種類、性状等の態様については、本発明の第１について説明した好ましい実施態様と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００５９】
次いで、内燃機関用燃料を加圧するための燃料加圧手段について説明する。
【００６０】
前記燃料加圧手段としては、前記燃料を所望の圧力に加圧できるのであれば特に制限されず、従来公知の手段が用いられうる。詳細には、例えば、本発明の第１の好ましい実施形態において説明した、図１に示す燃料用高圧ポンプ１０１のような態様が好ましく用いられうる。
【００６１】
次に、超音波印加手段の好ましい態様について説明する。
【００６２】
前記超音波印加手段は、前記燃料加圧手段により加圧された前記燃料に超音波を印加して、前記燃料を改質しうるのであれば、特に制限されず従来公知の手段が用いられうる。詳細には、例えば、本発明の第１の好ましい実施形態において説明した、図１に示す超音波発生装置１４１を備えた超音波反応器１４０のような態様が好ましく用いられうる。この際、超音波発生装置１４１は、前記燃料に超音波を印加しうるのであれば、前記超音波反応器１４０の外部に備えられてもよく、内部に備えられてもよい。
【００６３】
本発明の内燃機関用燃料改質装置は、図１に示す燃料用予熱ヒーター１０２のような、前記燃料を加温するための燃料加温手段をさらに有することが好ましい。これにより、内燃機関の冷間起動時など反応器の温度が低い場合には応答性に優れる前記超音波印加手段を用いて燃料を改質し、また、燃料の改質をさらに進行させたい場合には前記加温手段を併用しうる。さらに、前記加温手段により反応器の温度が充分に上昇した後には前記加温手段のみを用いて燃料を改質することも可能である。このように、加温手段をさらに有することで、運転の切替えを行うことができ、最適な状態で燃料を改質しうる。かかる加温手段としては、前記燃料を所望の温度に加温できるのであれば特に制限されず、従来公知の手段が用いられうる。詳細には、本発明の第１の好ましい実施形態において説明したような態様が同様に好ましく用いられうる。
【００６４】
本発明の内燃機関用燃料改質装置は、図１に示すように、内燃機関用燃料に接触して、前記燃料を改質する触媒１４２をさらに有することが好ましい。これにより、前記燃料が高効率で選択的に改質されうる。
【００６５】
ここで「燃料を改質する触媒」としては、前記燃料を改質しうる触媒であれば特に制限されないが、例えば、本発明の第１の好ましい実施形態に記載されたような触媒が同様に好ましく用いられうる。
【００６６】
前記触媒が配置される部位は、内燃機関用燃料と接触して前記燃料を改質しうるのであれば特に制限されない。例えば、超音波印加装置１４１が備えられた超音波改質器１４０内に配置される態様が例示される。かかる態様としては、例えば、内燃機関としてディーゼルエンジンを選択する際に、前記エンジンに設けられているコモンレールを前記超音波改質器１４０として用い、ここに前記触媒１４２を配置する態様が例示される。
【００６７】
本発明の内燃機関用燃料改質装置は、内燃機関用燃料と前記燃料を改質しうる流体（改質用流体）との混合物を生成するための、混合手段をさらに有していることが好ましい。
これにより、超音波の印加により発生するホットスポットにおいて内燃機関用燃料と改質用流体とが反応し、前記燃料の改質効率が向上しうる。
【００６８】
前記混合手段は、内燃機関用燃料と改質用流体とを混合して混合物とすることができるのであれば、その具体的態様は特に制限されない。例えば、図１に示すような混合容器１２０が例示される。なお、かかる態様において用いられる改質用流体の種類、性状等の態様については、本発明の第１について説明した好ましい実施態様と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００６９】
本発明においては、内燃機関用燃料および改質用流体は、それぞれの供給手段により前記混合手段へ供給されることが好ましい。かかる供給手段は特に制限されず、従来公知の供給ポンプ等が用いられうる。また、図１に示すような高圧ポンプ１０１，１１１を前記供給手段として用いてもよい。
【００７０】
本発明の内燃機関用燃料改質装置は、さらに、改質用流体を加圧するための流体加圧手段を有することが好ましい。前記流体加圧手段により加圧された改質用流体は、内燃機関用燃料と混合され、前記超音波印加手段により高圧条件下で超音波を印加される。これにより、前記燃料と前記改質用流体との混合性が向上する。前記流体加圧手段としては、従来公知の高圧ポンプが例示される。
【００７１】
また、上記で説明した図１に示す態様において、内燃機関用燃料と改質用流体との混合物を加圧する態様としては、予め各高圧ポンプ１０１および１１１により加圧した後に、超音波反応器１４０へ供給する態様、および、前記混合物が超音波反応器１４０へ供給される際に、前記混合物を図示しない別途の高圧ポンプにより加圧し、超音波反応器１４０へ供給する態様のいずれもが採用されうる。ここで好ましくは、別途の高圧ポンプは設置されずに、各高圧ポンプ１０１および１１１から背圧弁１４３までの圧力は一定に維持される。
【００７２】
本発明の内燃機関用燃料改質装置は、前記混合物を加温するための加温手段をさらに有することが好ましい。これにより、内燃機関の停止時や冷間起動直後などの熱源が得られない状況においても燃料が改質されうる。また、燃料の改質をさらに進行させたい場合には前記加温手段を併用しうる。さらに、前記加温手段により反応器の温度が充分に上昇した後には前記加温手段のみを用いて燃料を改質することも可能である。このように、加温手段をさらに有することで、運転の切替えを行うことができ、最適な状態で燃料を改質しうる。かかる加温手段としては、前記混合物を所望の温度に加温できるのであれば特に制限されず、従来公知の手段が用いられうる。詳細には、本発明の第１の好ましい実施形態において説明したような態様が同様に好ましく用いられうる。
【００７３】
上記のように、本発明の第２の内燃機関用燃料改質装置によれば、冷間起動時の起動応答性の向上、改質効率および選択性の向上などの効果が得られる。したがって、本発明の内燃機関用燃料改質装置は、例えば自動車等に搭載されるオンボード内燃機関システムや燃料電池用の燃料改質（水素製造）システム等の種々の用途に適用されうる。
【００７４】
すなわち本発明の第３は、本発明の内燃機関用燃料改質装置を搭載した車両である。かかる場合に好ましくは、内燃機関へ供給される燃料が貯蔵された燃料タンクから本発明の内燃機関用燃料改質装置へ前記燃料が供給され、前記装置において改質された燃料は前記装置から内燃機関へ供給される。すなわち、本発明の内燃機関用燃料改質装置は、燃料タンクと内燃機関との間に配置されることが好ましい。
【実施例】
【００７５】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
【００７６】
（実施例１）
図１に示す燃料改質装置に若干変更を加えた改質装置を用いて、燃料改質試験を行った。具体的には、図１に示す混合容器１２０は設けず、燃料流路と改質用流体流路とを合流させてなる合流部において混合物を生成させ、超音波反応器１４０へと供給した。
【００７７】
（燃料改質触媒の調製）
７０ｇの硝酸ロジウムを含有する水溶液１０００ｇに、酸化ジルコニウム５００ｇを分散させて室温で１時間攪拌することにより、酸化ジルコニウム上にロジウム元素が担持された触媒粉末を得た。該触媒粉末を１５０℃で一晩乾燥させた後、６００℃で２時間焼成し、焼成触媒粉末を得た。さらに、造粒装置を用いて該焼成触媒粉末を粒状とし、ふるいで５００〜７００μｍの触媒粒を分級して、触媒１３１を調製した。
【００７８】
（燃料改質試験）
本実施例では、図１に示す燃料改質装置における超音波反応器１４０として、入口および出口に金属メッシュを備えた内容積１０ｃｍ３のハステロイ製円筒管を用いた。そして、上記で調製した触媒１４２  １．４ｇを超音波反応器１４０の中央に配置し、触媒１４２の前後に３φのアルミナボールを充填した。
【００７９】
本実施例においては、モデル燃料として、芳香族化合物であるトルエン（臨界温度：３１８．６℃、臨界圧：４．１ＭＰａ）を用いた。また試験時には、水／燃料（炭素原子換算）比が０．５、液空間速度が１５ｈ−１となるようにトルエンおよび水をそれぞれ供給した。供給時には、それぞれ高圧ポンプにより加圧して供給し、高圧ポンプ１０１、１１１から超音波反応器１４０を経て、超音波反応器１４０の下流に設置した背圧弁１４３までの領域を３０ＭＰａに維持した。また、トルエンおよび水は高圧ポンプ１０１、１１１から超音波反応器１４０の区間に備えられた予熱用ヒーターを用いて、トルエンおよび水をそれぞれ３２０℃に予熱した。
【００８０】
さらに、本実施例においては、ボルト締めランジュバン型の超音波発生装置１４１を、超音波反応器１４０の外側に隣接するように２基配置し、超音波反応器１４０の内部に対して１００ｋＨｚの超音波を印加した。
【００８１】
改質試験開始後、１時間毎に、分離槽１５０から改質燃料１６０、気体生成物１７０および回収水１８０をサンプリングし、燃料改質後の成分組成を分析し、転化率および選択率を算出した。その結果得られた転化率および選択率の値を表１に示す。なお、ここで「転化率」とは、供給されたトルエンが改質されてトルエン以外の物質へ転化された割合を炭素原子換算による百分率（％）で表したものであり、「選択率」とは、トルエンから転化した全成分中に占める、水素原子および炭素原子を含む各成分の割合を各原子ごとに百分率（％）で表したものである。
【００８２】
（実施例２）
トルエンおよび水を予熱せず室温で供給したこと以外は、実施例１と同様の方法および装置により、燃料改質試験を行った。その結果得られた転化率および選択率の値を表１に示す。
【００８３】
（比較例１）
超音波発生装置１４１により超音波を印加しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法および装置により、燃料改質試験を行った。その結果得られた転化率および選択率の値を表１に示す。
【００８４】
（比較例２）
超音波発生装置１４１により超音波を印加しなかったこと以外は、実施例２と同様の方法および装置により、燃料改質試験を行った。その結果得られた転化率および選択率の値を表１に示す。
【００８５】
（比較例３）
超音波反応器１４０の圧力を０．１ＭＰａに維持したこと以外は、実施例２と同様の方法および装置により、燃料改質試験を行った。その結果得られた転化率および選択率の値を表１に示す。
【００８６】
（比較例４）
超音波発生装置１４１により超音波を印加しなかったこと以外は、比較例３と同様の方法および装置により、燃料改質試験を行った。その結果得られた転化率および選択率の値を表１に示す。
【００８７】
【表１】
2005200633.tif 000004
【００８８】
※水：臨界温度＝３７４℃；臨界圧＝２２．１ＭＰａ
トルエン：臨界温度＝３１８．６℃；臨界圧＝４．１ＭＰａ  表１からわかるように、実施例１および２のように超音波を印加した場合においては、比較例１および２のように超音波を印加しない場合と比べて、いずれも優れた転化率を示した。すなわち、燃料に対して所定の圧力条件下で超音波を印加することにより、燃料の改質効率が向上しうることが示される。
【００８９】
また実施例１と実施例２との比較から、燃料を予熱した上で、所定の圧力条件下で超音波を印加することにより、改質効率をさらに向上させうることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の内燃機関用燃料改質装置の好ましい一態様を示す概略図である。
【図２】燃料改質試験に使用される前後の触媒の貴金属分散度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９１】
１００    内燃機関用燃料、
１０１    燃料用高圧ポンプ、
１０２    燃料用予熱ヒーター、
１０３    燃料用逆止弁、
１１０    改質用流体、
１１１    改質用流体用高圧ポンプ、
１１２    改質用流体用予熱ヒーター、
１１３    改質用流体用逆止弁、
１２０    混合容器、
１３０    混合物用ヒーター、
１４０    超音波反応器、
１４１    超音波発生装置、
１４２    触媒、
１４３    背圧弁、
１５０    分離槽、
１６０    改質燃料、
１７０    気体生成物、
１８０    回収水。
【図１】
2005200633.tif 000005
【図２】
2005200633.tif 000006