(57)【要約】【課題】炭化水素を主体としたガソリンを車両上でアルコールに変換でき、この変換プロセスが一層安定したものとなる燃料改質装置及びこの装置に用いる混合器を提供すること。【解決手段】ガソリンと空気を混合器１４（１４ａ）で混合して改質器１５に供給し、空気を用いてガソリンを改質してアルコールを生成させ、生成した生成ガスを凝縮器１６で凝縮相と気相とに分離する。混合器１４（１４ａ）はその管状ケーシング１４３内の収納部１４６に旋回方向が整列順に反転する旋回羽根１４５ａ，１４５bを備え、全残余空間が粒子状物質又は多孔質物質で埋め尽くされ、且つ、当該埋め尽くされた残余空間の隙間の大きさが燃料に係る消炎距離以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を主体とする燃料を、空気を用いて改質してアルコールを生成させる改質触媒を備える改質器と、
前記改質器の上流に設けられ、前記燃料と空気を混合して前記改質器に供給する混合器と、
前記改質器の下流に設けられ、前記改質器で生成した生成ガスを、改質燃料を主体とする凝縮相と、気相とに分離する凝縮器と、を備え、
前記混合器は、
２以上の流体入口と１以上の流体出口と、
前記流体入口と前記流体出口との間に軸方向に延長した全体として略管状のケーシングと、
前記ケーシング内部に軸方向に整列して設けられ捩れの旋回方向が整列順に従って順次反転するように配された複数の固定式撹拌羽根と、
前記ケーシング内を含む空間に少なくとも前記複数の固定式撹拌羽根を収納するように設定された前記流体入口から前記流体出口に至る収納部の全残余空間を埋め尽くすように配された粒子状物質又は多孔質物質と、を含んで構成され、
前記粒子状物質又は多孔質物質が配された当該全残余空間内に生じている隙間の大きさが前記流体入口から供給される燃料の消炎距離未満である、
ことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
前記混合器は、前記収納部内面の角部におけるＲ寸法が前記粒子状物質の最大径寸法以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記混合器は、前記複数の固定式撹拌羽根が、前記収納部内面との間隙が前記流体入口から供給される燃料の消炎距離未満となるように設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記混合器は、前記流体入口及び／又は前記流体出口と前記収納部との間を仕切る多孔質物質の仕切部材を有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料改質装置。
【請求項５】
前記混合器は、前記流体入口のうち一方の流体入口は前記ケーシングの軸方向に向けて空気を導入する空気導入口を構成し、前記流体入口のうち他方の流体入口は前記空気導入口の下流で前記ケーシングの軸に交差する方向から燃料を導入する燃料導入口を構成し、更に、前記燃料導入口から導入された燃料を前記空気導入口に向かう向きに噴出させる燃料ノズルが設けられたことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料改質装置。
【請求項６】
前記混合器に空気及び燃料を供給する供給装置を更に備え、前記供給装置は空気及び燃料の合計量に対する当該燃料の割合が２２重量パーセント以上になるように調節することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料改質装置及びこの装置に用いる混合器に関する。詳しくは、炭化水素を主体とする燃料のオクタン価を向上させることがきる燃料改質装置及びこの装置に用いる混合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のとおり、アンチノック性はガソリンエンジンの燃料に求められる一つの重要な特性である。一般に、この値はオクタン価で表される。近年の高圧縮比エンジン向けには、特に高オクタン価の燃料が求められている。
【０００３】
燃料のオクタン価が一定である条件下でエンジンのノッキングを抑制するためには、着火のタイミングを遅らせる方法がある。しかしながら、着火のタイミングを遅らせるとエンジンの熱効率が低下する。そのため、高圧縮比エンジンにおいても、ノッキングを抑制しつつ高い熱効率が得られる技術の開発が望まれる。
【０００４】
ところで、ガソリンのオクタン価を高めるために有害な鉛などを添加せず、また、エンジンの排気に含まれる有害物質を低減するために、適量のアルコール（メタノール）を添加すること自体は夙に知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、後述する本発明に係る技術では、炭化水素を主体としたガソリンを車両上でアルコールに変換するが、この変換プロセスでは、ガソリンを接触改質する改質器の前段に空気とガソリンとを混合する混合器を設けている。一般に、２つの流体を連続的な流れの中で混合処理する混合器は従来より種々提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，２４４，３２８号明細書
【特許文献２】特開平４−１９３３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１には、ガソリンに対し触媒リアクタを含む排気再循環経路を通してメタノールを混合させてエンジンに供給することにより、排気中の有害物質を低減させることが開示されている。
しかしながら、特許文献１の技術では、ガソリンタンクとは別のタンクに予めメタノールを保有しておく必要がある。
【０００８】
このような現状にあって、本出願人は、炭化水素を主体としたガソリンを車両上でアルコールに変換できる燃料改質装置を最近提案するに至った（特願２０１３−２４０４００）。
本出願人による上記燃料改質装置は、上流側から順に、炭化水素を主体とする燃料と空気とを混合して改質器に供給する混合器と、空気を用いて燃料を改質してアルコールを生成させる改質器と、改質器で生成した生成ガスを凝縮相と気相とに分離する凝縮器とを備えたものである。
【０００９】
この燃料改質装置における改質器では、燃料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主触媒と、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助触媒とが作用する。
【００１０】
上述のような燃料改質装置では、燃料と空気とを混合して改質器に投入する混合器において、過度に反応が進み処理プロセスが不安定にならないようにすることが望まれる。
今般、出願人は、上述の改質器の上流側に配置された混合器についても種々考究し、混合器における混合処理を安定させることについて解を得た。
【００１１】
本発明は、上述のような過程を経て完成されるに至ったものであり、炭化水素を主体としたガソリンを車両上でアルコールに変換でき、この変換プロセスが一層安定したものとなる優れた燃料改質装置及びこの装置に用いる混合器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】
【００１２】
（１）炭化水素を主体とする燃料を空気を用いて改質してアルコールを生成させる燃料改質装置（例えば、後述の燃料改質装置１）であって、
炭化水素を主体とする燃料を、空気を用いて改質してアルコールを生成させる改質触媒を備える改質器（例えば、後述の改質器１５）と、
前記改質器の上流に設けられ、前記燃料と空気を混合して前記改質器に供給する混合器（例えば、後述の混合器１４）と、
前記改質器の下流に設けられ、前記改質器で生成した生成ガスを、改質燃料を主体とする凝縮相と、気相とに分離する凝縮器（例えば、後述の凝縮器１６）と、を備え、
前記混合器は、
２以上の流体入口（例えば、後述の空気導入口１４１a及び燃料導入口１４１b）と１以上の流体出口（例えば、後述の流体出口１４２）と、
前記流体入口と前記流体出口との間に軸方向に延長した全体として略管状のケーシング（例えば、後述のケーシング１４３）と、
前記ケーシング内部に軸方向に整列して設けられ捩れの旋回方向が整列順に従って順次反転するように配された複数の固定式撹拌羽根（例えば、後述の第１旋回型撹拌羽根１４５ａ及び第２旋回型撹拌羽根１４５b）と、
前記ケーシング内を含む空間に少なくとも前記複数の固定式撹拌羽根を収納するように設定された前記流体入口から前記流体出口に至る収納部（例えば、後述の収納部１４６）の全残余空間を埋め尽くすように配された粒子状物質（例えば、後述の粒子状物質１４７）又は多孔質物質（例えば、後述の多孔質物質１４７０）と、を含んで構成され、
前記粒子状物質又は多孔質物質が配された当該全残余空間内に生じている隙間の大きさが前記流体入口から供給される燃料の消炎距離未満である、
ことを特徴とする燃料改質装置。
【００１３】
上記（１）の燃料改質装置では、上流側から順に、炭化水素を主体とする燃料と空気を混合して改質器に供給する混合器と、空気を用いて燃料を改質してアルコールを生成させる改質器と、改質器で生成した生成ガスを凝縮相と気相とに分離する凝縮器とが設けられている。特に、混合器は、２以上の流体入口と１以上の流体出口と、前記流体入口と前記流体出口との間に軸方向に延長した全体として略管状のケーシングと、前記ケーシング内部に軸方向に整列して設けられ捩れの旋回方向が整列順に従って順次反転するように配された複数の固定式撹拌羽根と、前記ケーシング内を含む空間に少なくとも前記複数の固定式撹拌羽根を収納するように設定された前記流体入口から前記流体出口に至る収納部の全残余空間を埋め尽くすように配された粒子状物質又は多孔質物質と、を含んで構成され、前記粒子状物質又は多孔質物質が配された当該全残余空間内に生じている隙間の大きさが前記流体入口から供給される燃料の消炎距離未満である。
従って、過度に急な反応が起こることがなく、ガソリンをアルコールに変換する変換プロセスが安定したものとなる。
なお、ここに隙間の大きさとは、粒子状物質については粒子間の空隙の平均距離（平均寸法）であり、多孔質物質については孔径の平均距離（平均寸法）である。
【００１４】
（２）前記混合器は、前記収納部内面の角部（例えば、後述の図２のＣ部）におけるＲ寸法が前記粒子状物質の最大径寸法（例えば、後述のＤmax）以上であることを特徴とする上記（１）の燃料改質装置。
【００１５】
上記（２）の燃料改質装置では、上記（１）の燃料改質装置において特に、混合器の収納部に前記粒子状物質が配される場合に、収納部内面の角部にも流体入口から供給される燃料の消炎距離を超える隙間が生じない。即ち、消炎距離を超える寸法の連通空間が生じるおそれがない。このため、過度に急な反応が起こるおそれが確実に防止される。
【００１６】
（３）前記混合器は、前記複数の固定式撹拌羽根が、前記収納部内面との間隙が前記流体入口から供給される燃料の消炎距離未満となるように設けられていることを特徴とする上記（１）又は（２）の燃料改質装置。
【００１７】
上記（３）の燃料改質装置では、上記（１）又は（２）の燃料改質装置において特に、混合器における複数の固定式撹拌羽根と収納部内面との間隙が前記流体入口から供給される燃料の消炎距離未満である。この結果、複数の固定式撹拌羽根と前記収納部内面との間隙が消炎距離を超える寸法の連通空間を形成するおそれがない。このため、過度に急な反応が起こるおそれが確実に防止される。
【００１８】
（４）前記混合器は、前記流体入口及び／又は前記流体出口と前記収納部との間を仕切る多孔質物質の仕切部材（例えば、後述のフィルタ１４８ａ、１４８ｂ、及び、１４８ｃ）を有することを特徴とする上記（１）から（３）の何れかの燃料改質装置。
【００１９】
上記（４）の燃料改質装置では、上記（１）から（３）の何れかの燃料改質装置において特に、収納部に粒子状物質が配される場合に、混合器における流体入口及び／又は流体出口と収納部との間を仕切る多孔質物質の仕切部材によって、収納部内に充填された粒子状物質が流出するおそれが確実に防止される。
【００２０】
（５）前記混合器は、前記流体入口のうち一方の流体入口は前記ケーシングの軸方向に向けて空気を導入する空気導入口（例えば、後述の空気導入口１４１a）を構成し、前記流体入口のうち他方の流体入口は前記空気導入口の下流で前記ケーシングの軸に交差する方向から燃料を導入する燃料導入口（例えば、後述の燃料導入口１４１ｂ）を構成し、更に、前記燃料導入口から導入された燃料を前記空気導入口に向かう向きに噴出させる燃料ノズル（例えば、後述の燃料ノズル１４９）が設けられたことを特徴とする上記（１）から（４）の何れかの燃料改質装置。
【００２１】
上記（５）の燃料改質装置では、上記（１）から（５）の何れかの燃料改質装置において特に、空気導入口に向かう向きに燃料を噴出させる燃料ノズルによって空気と燃料とが効果的に混合される。
【００２２】
（６）前記混合器に空気及び燃料を供給する供給装置（例えば、後述の供給装置１０）を更に備え、前記供給装置は空気及び燃料の合計量に対する当該燃料の割合が２２重量パーセント以上になるように調節することを特徴とする上記（１）から（５）の何れかの燃料改質装置。
【００２３】
上記（６）の燃料改質装置では、上記（１）から（５）の何れかの燃料改質装置において特に、混合器に供給される空気及び燃料の合計量に対する当該燃料の割合が２２重量パーセント以上となるため、この割合は爆発限界よりも燃料過濃な領域に該当する。従って、過度に急な反応が起こるおそれが極小となり、ガソリンをアルコールに変換する変換プロセスが安定したものとなる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、炭化水素を主体としたガソリンを車両上でアルコールに変換でき、この変換プロセスが一層安定したものとなる優れた燃料改質装置及びこの装置に用いる混合器を具現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料改質装置の構成を示す図である。
【図２】図１の燃料改質装置に用いられる一の態様の混合器の側断面図である。
【図３】図２の混合器の分解斜視図である。
【図４】図２の混合器の一つの部位を拡大して示す模式図である。
【図５】図２の混合器の収納部内の角部を拡大して示す模式図である。
【図６】図１の燃料改質装置に用いられる他の態様の混合器の側断面図である。
【図７】図６の混合器の一つの部位を拡大して示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について詳述することにより本発明を明らかにする。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料改質装置１の構成を示す図である。本実施形態の燃料改質装置１は、図示しない車両に搭載され、車両上で図示しないエンジンの要求に応じて、燃料中に含まれる炭化水素をアルコールに改質してエンジンに供給する。
【００２７】
本実施形態の燃料改質装置１では、燃料としてガソリンを用い、酸化剤として空気を用いる。即ち、本実施形態の燃料改質装置１は、空気中の酸素による酸化反応を利用してガソリンを改質することから、例えば分解反応等を利用した改質と比べて低温で温和な条件下で改質が可能であるため、システム構成を簡易化でき、車両上でのオンデマンド運転に適する。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料改質装置１は、空気導入部１１と、燃料タンク１２と、燃料導入部１３と、混合器１４（１４ａ）と、改質器１５と、凝縮器１６と、燃料供給部１７と、改質燃料供給部１９と、気相供給部２０とを含んで構成される。この燃料改質装置１では、後述するように、凝縮器１６はその所定部が改質燃料を貯留する燃料タンク部を構成している。凝縮器１６（その燃料タンク部）から改質燃料ポンプ１９１により改質燃料管１９２を通してエンジン燃料供給系に改質燃料が供給される。
【００２９】
空気導入部１１は、後述する混合器１４（１４ａ）の上流に設けられ、混合器１４（１４ａ）内に酸化剤としての空気を導入する。
空気導入部１１は、空気導入管１１０の上流側から順に、空気フィルタ１１１と、空気ポンプ１１２と、空気流量計１１３と、空気バルブ１１４と、を備える。
空気導入部１１は、空気ポンプ１１２を駆動することで、空気フィルタ１１１を介して外気から空気を取り込む。また、空気導入部１１は、空気バルブ１１４を開弁することで、取り込んだ空気を混合器１４（１４ａ）内に導入する。
【００３０】
空気流量計１１３で検出された空気流量に基づいて、図示しない電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）により、空気バルブ１１４の開度が調整され、この開度調整によって混合器１４内への空気の導入量が調節される。
【００３１】
燃料供給部１７は、燃料ポンプ１７１と、燃料供給管１７２と、図示しないインジェクタと、を備える。燃料供給部１７は、燃料ポンプ１７１を駆動することで、燃料供給管１７２及びインジェクタを介して、燃料タンク１２内に貯留されたガソリンを図示しないエンジンの気筒内又は吸気ポート内に供給する。
エンジンへのガソリン供給量は、ＥＣＵによりインジェクタの噴射量を調整することによって制御される。
【００３２】
燃料導入部１３は、後述する混合器１４の上流に設けられ、混合器１４内に燃料のガソリンを導入する。
燃料導入部１３は、燃料導入管１３０の上流側から順に、改質ポンプ１３１と、燃料流量計１３２と、燃料バルブ１３３と、を備える。
燃料導入部１３は、改質ポンプ１３１を駆動するとともに燃料バルブ１３３を開弁することで、燃料タンク１２内に貯留されたガソリンを混合器１４内に導入する。
【００３３】
燃料流量計１３２で検出された燃料流量に基づいて、ＥＣＵにより燃料バルブ１３３の開度が調整され、この開度調整によって混合器１４内へのガソリンの導入量が調節される。
【００３４】
この燃料改質装置１では、上述の空気導入部１１及び燃料導入部１３を含んで混合器１４（１４ａ）に空気及び燃料を供給する供給装置１０が構成されている。
供給装置１０ではＥＣＵの管理下で空気導入部１１及び燃料導入部１３が連係して動作し、混合器１４に供給される空気及び燃料について、当該燃料の割合が２２重量パーセント以上になるように調節が行われる。
【００３５】
この調節が行われるため、混合器１４に供給される空気及び燃料は、当該燃料の割合が２２重量パーセント以上となる。この割合は爆発限界よりも燃料過濃な領域に該当する。従って、過度に急な反応が起こるおそれが極小となり、ガソリンをアルコールに変換する変換プロセスが安定したものとなる。
【００３６】
本実施形態の燃料改質装置１では、混合器１４（１４ａ）の構成にも特徴を有する。
図２は、図１の燃料改質装置１の実施形態に用いられる一の態様の混合器１４の側断面図である。
また、図３は、図２の混合器の分解斜視図である。
図２及び図３において、同一部位には同一の符号が付されている。
図２及び図３において、混合器１４は、一方の流体入口である空気導入口１４１aと他方の流体入口である燃料導入口１４１bとの２つの入口を有する。この実施形態の混合器１４は、これら２つの流体入口に対して１つの流体出口１４２を有する。
【００３７】
上記２つの流体入口１４１a及び１４１bと、流体出口１４２との間に、軸ＡＸ１方向に延長した全体として略管状のケーシング１４３が備えられている。図示の例では、２つの流体入口１４１a及び１４１bはケーシング１４３の始端部（流体入口側の端部）側に嵌装されるキャップ部１４４に設けられ、流体出口１４２はケーシング１４３自体の終端部側に設けられている。
このケーシング１４３内部に軸ＡＸ１方向に整列して複数（図示の例では６つ）の固定式撹拌羽根１４５ａ、１４５ｂが設けられている。これらの固定式撹拌羽根１４５ａ、１４５ｂは、捩れの旋回方向が流体入り口側（流体入口１４１a及び１４１bがある側）から流体出口側（流体出口１４２がある側）を見た場合の軸ＡＸ１方向での位置の推移に従って、時計回りの旋回をするように捩れた第１旋回型撹拌羽根１４５ａと、反時計回りの旋回をするように捩れた第２旋回型撹拌羽根１４５ｂとの２つのタイプがある。
【００３８】
上記２つのタイプの撹拌羽根１４５ａ及び１４５ｂは軸ＡＸ１に沿って順次交互に配置され、図示の例では、隣接するものどうしがそれらの軸位置で相互に接続されて一連のものとして構成されている。
第１旋回型撹拌羽根１４５ａと第２旋回型撹拌羽根１４５ｂとが軸ＡＸ１に沿って順次交互に配置されているため、これら整列順に従って、撹拌羽根の捩れの旋回方向が順次反転する形態をなしている。
この実施形態では、キャップ部１４４内とケーシング１４３内とを含む流体入口１４１a、１４１bから流体出口１４２に至る空間は、複数（本例では合計６つ）の固定式撹拌羽根１４５ａ、１４５ｂを収納するように設定された収納部１４６を構成している。
【００３９】
そして、このように固定式撹拌羽根１４５ａ、１４５ｂを収納する収納部１４６の全残余空間には粒子状物質１４７が細密充填されている。即ち、収納部１４６の全残余空間を埋め尽くすように粒子状物質１４７が配されている。
【００４０】
図４は、図２の混合器１４における収納部１４６内の一つの部位Ｐ１を拡大して示す模式図である。
この実施形態では、特に、粒子状物質１４７の細密充填により当該全残余空間内に生じている隙間の大きさＤ１が、燃料導入口１４１ｂから供給される燃料（例えばガソリン）の消炎距離未満である。隙間の大きさＤ１とは、粒子状物質１４７の粒子相互間、及び、粒子と収納部１４６内壁との間の隙間の平均的大きさ（相互間の距離）である。
ここに消炎距離とは、火炎伝播の理論における一つの特性であり、周囲への熱損失が化学燃焼反応により発生した熱を上回るために火炎の伝播が生じない距離又は直径（所定の形状に対する）である。
従って、混合器１４において過度に急な反応が起こることがなく、ガソリンをアルコールに変換する変換プロセスが安定したものとなる。
【００４１】
図５は、既述の収納部１４６の内側の角部Ｃ（図２）を拡大して示す模式図である。なお、図示において角部Ｃは収納部１４６の内側であってキャップ部１４４内に該当する一つの角部であるが、技術思想としては、ここに言う角部とは、図示のものにて代表的に表された収納部１４６内の全ての角部である。
【００４２】
図５に表されたとおり、内側の角部ＣのＲ寸法は、収納部１４６に細密充填された粒子状物質１４７の最大径寸法Ｄmax以上である。この結果、角部Ｃに生じる隙間は燃料導入口１４１ｂから供給される燃料（例えばガソリン）の消炎距離を超える寸法には至らない。即ち、消炎距離を超える寸法の連通空間が生じるおそれがない。
従って、本実施形態の燃料改質装置１では、混合器１４において過度に急な反応が起こるおそれが確実に防止される。
【００４３】
更に、本実施形態では、複数の固定式撹拌羽根１４５ａ、１４５ｂが、収納部１４６内面との間隙が流体入口から供給される燃料の消炎距離未満となるように設けられている。この結果、複数の固定式撹拌羽根１４５ａ、１４５ｂと収納部１４６内面との間隙が消炎距離を超える寸法の連通空間を形成するおそれがない。
従って、本実施形態の燃料改質装置１では、混合器１４において過度に急な反応が起こるおそれが確実に防止される。
【００４４】
図２及び図３にて図示のように、キャップ部１４４の空気導入口１４１aには多孔質物質でなるフィルタ１４８ａが内側に嵌装されている。また、キャップ部１４４の燃料導入口１４１bには多孔質物質でなるフィルタ１４８ｂが内側に嵌装されている。そして、ケーシング１４３の流体出口１４２には、多孔質物質でなるフィルタ１４８ｃが内側に嵌装されている。
これらフィルタ１４８ａ、１４８ｂ、及び、１４８ｃは、空気導入口１４１a、燃料導入口１４１b、及び、流体出口１４２と収納部１４６との間を仕切る仕切部材を構成する多孔質物質である。そして、これらの多孔質物質は、その孔の大きさが、何れも、収納部１４６に細密充填された粒子状物質１４７の最小径寸法Ｄmin以下である。
従って、収納部１４６内に充填された粒子状物質１４７が流出するおそれが確実に防止される。
【００４５】
なお、収納部１４６の残余空間に粒子状物質１４７を細密充填するに当たっては、例えば、フィルタ１４８ａ、１４８ｂで収納空間１４６の一方側を塞いだ状態で、未だ開放している流体出口１４２から粒子状物質１４７（直接にはケーシング１４３）に振動を与えるなどしながら充填し、十分細密に充填されたところで、フィルタ１４８ｃを嵌装して流体出口１４２を封止する。
或いは、上記とは反対に、まずフィルタ１４８ｃで流体出口１４２を封止しておき、フィルタ１４８ａまたは１４８ｂを何れか未嵌装の入口から粒子状物質１４７を充填し、十分細密に充填されたところで、未嵌装のフィルタで該当する入口を封止するようにしてもよい。
【００４６】
また、図２及び図３に示されたように、キャップ部１４４の一方の流体入口である空気導入口１４１aは、ケーシング１４３の軸ＡＸ１方向に向けて空気を導入するように設けられ、他方の流体入口である燃料導入口１４１ｂは、空気導入口１４１aの下流でケーシング１４３の軸ＡＸ１に交差する方向から燃料を導入するように設けられている。
更に、燃料導入口１４１ｂから導入された燃料を空気導入口１４１aに向かう向きに噴射させる燃料ノズル１４９が設けられている。図示のように、この燃料ノズル１４９は、ケーシング１４３の軸ＡＸ１に交差する方向（この例では直交する方向）から軸ＡＸ１方向に向きを変える曲管部を有し先端側が先細りに絞られて噴射口をなしている。また燃料ノズル１４９の燃料導入口１４１ｂ側の燃料導入開口にフィルタ１４８ｂが全周で隙間なく接している。
本実施形態では、燃料ノズル１４９によって空気導入口１４１aに向かう向きに燃料を噴射させるため、空気と燃料とが効果的に混合される。
【００４７】
以上、図２から図５を参照して説明した混合器の一態様においては、内部の収納部１４６には、軸ＡＸ１方向に複数の一連の固定式撹拌羽根（１４５ａ、１４５ｂ）が設けられ、残余空間には隙間なく粒子状物質が充填されている。これにより、２つの流体入口（空気導入口１４１a、燃料導入口１４１ｂ）から導入された流体（空気と燃料）が、固定式撹拌羽根（１４５ａ、１４５ｂ）により構成されるスタティックミキサーと粒子状物質との相互作用によって、流れの分散、変転、転換（回転）を活発に生じて、均一に混合される。収納部１４６内に生じる隙間は流体の流路でもあるが、既述のように、その大きさは消炎距離未満である。従って、混合器１４において、過度に急な反応が生じるおそれが十全に抑制される。
【００４８】
次に、図６及び図７を参照して、他の態様の混合器について説明する。図７において図２及び図３と同一の部位には同一の符号を附して示し、それら各部位について詳述することは省略する。
【００４９】
図６の混合器１４ａは、始端側にキャップ部１４４０が嵌装され、終端側に流体出口１４２が設けられたケーシング１４３内部に軸ＡＸ２方向に整列して設けられ捩れの旋回方向が整列順に従って順次反転するように複数の固定式撹拌羽根１４５ａ、１４５ｂが配されている。
キャップ部１４４０には、軸ＡＸ２方向に空気を導入する一方の流体入口である空気導入口１４１０ａと、軸ＡＸ２に交差する方向（この例では直交する方向）に上側から燃料を導入する他方の流体入口である燃料導入口１４１０ｂとが設けられている。
空気導入口１４１０ａ、燃料導入口１４１０ｂ、及び、流体出口１４２の各内側に多孔質物質でなるフィルタ１４８０ａ、１４８０ｂ、及び、１４８ｃが嵌装されている点は図２及び図３の態様と同様である。
【００５０】
図６の混合器１４ａにおいても、キャップ部１４４０内とケーシング１４３内とを含むキャップ部１４４０の流体入口（１４１０ａ、１４１０ｂ）からケーシング１４３の流体出口１４２に至る空間は、複数（本例では合計６つ）の固定式撹拌羽根１４５ａ、１４５ｂを収納するように設定された収納部１４６を構成している。
図６の混合器１４ａでは、収納部１４６内の全残余空間を埋め尽くすように多孔質物質１４７０が配されている。
【００５１】
図７は、図６の混合器１４ａにおける収納部１４６内の一つの部位Ｐ２を拡大して示す模式図である。
この実施形態では、特に、多孔質物質１４７０を配した状態で当該全残余空間内に生じている隙間の大きさ（多くは多孔質物質１４７０の孔の大きさ、即ち、多孔質物質１４７０の平均孔径）Ｄ２が、燃料導入口１４１０ｂから供給される燃料（例えばガソリン）の消炎距離未満である。
【００５２】
図６及び図７を参照して説明した態様の混合器１４ａにおいては、内部の収納部１４６には、軸ＡＸ２方向に複数の一連の固定式撹拌羽根（１４５ａ、１４５ｂ）が設けられ、残余空間には隙間なく多孔質物質１４７０が配されている。これにより、２つの流体入口（空気導入口１４１０a、燃料導入口１４１０ｂ）から導入された流体（空気と燃料）が、固定式撹拌羽根（１４５ａ、１４５ｂ）により構成されるスタティックミキサーと多孔質物質との相互作用によって、流れの分散、変転、転換（回転）を活発に生じて、均一に混合される。収納部１４６内に生じる隙間は流体の流路でもあるが、既述のように、その大きさＤ２は消炎距離未満である。従って、混合器１４ａにおいて、過度に急な反応が生じるおそれが十全に抑制される。
【００５３】
なお、図６の混合器１４ａにおいても、キャップ部１４４０に替えて、図２及び図３におけるような、内部に燃料ノズル１４９を備えたキャップ部１４４を適用することもできる。この場合は、空気導入口に向かう向きに燃料を噴出させる燃料ノズル１４９によって空気と燃料とがより効果的に混合される。
【００５４】
図６の混合器１４ａにおいて、収納部１４６内の全残余空間を埋め尽くすように多孔質物質１４７０を配するには、例えば、発泡樹脂のような泡状の液体を、開放状態にした空気導入口１４１０ａ、燃料導入口１４１０ｂ、又は、流体出口１４２から圧入し、内部で固化させるなどの方法を用いる。或いは、流体状の樹脂を充填したのち空気或いは発泡剤を混入させて多孔質化するようにしてもよい。
【００５５】
混合器１４（１４ａ）は、例えば、図示しないヒータを備え、このヒータによってガソリン及び空気を所定の温度まで昇温しながら混合することで、ガソリンと空気の混合気を生成するように構成され得る。
【００５６】
なお、混合器１４（１４ａ）のケーシング１４３はキャップ部１４４（１４４０）を嵌装する始端側から流体出口１４２が設けられている終端側に向かって軸ＡＸ１（ＡＸ２）方向に次第に小径となるようなテーパーをなす形状に構成すれば、製造工程において、内部に一連の複数の固定式撹拌羽根（第１旋回型撹拌羽根１４５ａ及び第２旋回型撹拌羽根１４５b）を設ける場合の取り扱いが容易になり、量産に適する。
【００５７】
上述のような混合器１４又は１４ａ（以下、適宜、単に混合器１４という）の後段に設けられた改質器１５は、混合器１４から供給される混合気中のガソリンの主成分である炭化水素を、混合気中の空気を用いて改質してアルコールを生成させる。具体的には、改質器１５としては、流通反応器及び完全混合反応器のいずれであってもよい。
【００５８】
ここで、流通反応器とは、混合器１４から導入されたガソリンと空気の混合気が、その前後に供給された混合気と反応器内部で混合されることなく、ピストンのように押し流されながら改質されて流出する反応器である。この流通反応器では、反応器から流出する流体の組成と反応器内部の流体の組成は相違し、混合気が反応器内部に滞留している時間のばらつきが小さい特性を有する。
【００５９】
これに対して、完全混合反応器とは、混合器１４から導入されたガソリンと空気の混合気が、改質器内で反応物と均一に混合されて改質される反応器である。この完全混合反応器では、反応器から流出する流体の組成と反応器内部の流体の組成は同一であり、混合気が反応器内部に滞留している時間のばらつきが大きい特性を有する。
【００６０】
図１の燃料改質装置１では、改質器１５には、温度センサ（不図示）と、改質器１５内を冷却するための冷却部１５３と、が設けられる。冷却部１５３は、温度センサの検出温度に基づいてＥＣＵにより制御され、エンジンの冷却水を改質器１５に供給することで改質器１５を冷却する。
【００６１】
エンジン冷却水の温度は、７０℃〜１００℃が好ましい。エンジン冷却水の温度が７０℃未満では改質反応速度が小さく、１００℃を超えるとエンジン冷却水の使用が難しくなる。なお、冷却部１５３は、改質反応が進行して改質器１５内の温度が高温に達しているときには、エンジン冷却水で改質器１５を冷却するが、改質反応の初期で改質器１５内の温度が低温の場合には、逆にエンジン冷却水で改質器１５を暖めるように作用する。
【００６２】
また、改質器１５は、ガソリン中に主体的に含まれる炭化水素を、酸化剤としての空気を用いて改質し、アルコールを生成させる改質触媒１５２を備える。具体的には、改質器１５は、円筒状のケーシング１５１と、ケーシング１５１内に充填された固体状の改質触媒１５２と、を備える。
【００６３】
固体状の改質触媒１５２は、小球状の多孔質担体と、当該多孔質担体の表面に担持された主触媒及び助触媒と、を含んで構成される。主触媒及び助触媒は、均一に混合された状態で、小球状の多孔質担体の表面に担持される。このように本実施形態の改質触媒１５２は、多孔質担体が小球状であることにより、その表面に担持される主触媒及び助触媒の表面積が増大し、燃料のガソリンや酸化剤の空気との接触面積が増大する。
【００６４】
小球状の多孔質担体としては、例えば、シリカビーズ、アルミナビーズ、シリカアルミナビーズ等が用いられる。中でも、シリカビースが好ましく用いられる。多孔質担体の粒径は、好ましくは３μｍ〜５００μｍである。
【００６５】
主触媒は、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。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。）又はＮＨＰＩ誘導体がその作用が顕著である。
【００６６】
助触媒は、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能力を有する。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。
【００６７】
上述した主触媒及び助触媒の多孔質担体への担持方法については、公知の含浸法等が採用される。例えば、主触媒及び助触媒を所定の混合比で含有するスラリーを調製した後、調製したスラリー中に小球状の多孔質担体を浸漬させる。次いで、スラリー中から多孔質担体を引き上げ、多孔質担体の表面に付着した余分なスラリーを除去した後、所定の条件で乾燥する。これにより、多孔質担体の表面に主触媒及び助触媒が均一に担持された改質触媒１５２が得られる。
【００６８】
ここで、改質器１５内で進行する改質反応について、以下に詳しく説明する。
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。］
【００６９】
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。］
【００７０】
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。］
【００７１】
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。］
【００７２】
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。］
【００７３】
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）
【００７４】
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。このようにして、本実施形態の燃料改質装置１では、ガソリンのオクタン価を向上できるようになっている。
【００７５】
上述のような改質器１５の下流に、凝縮器１６が設けられている。凝縮器１６は、改質器１５で生成した生成ガスを、改質燃料を主体とする凝縮相と、気相とに分離する。凝縮器１６は、改質器１５から生成ガス供給管１５５を通して供給される生成ガスを冷却することで、改質燃料を主体とする凝縮相と気相とに分離する。なお、凝縮相の物質には、アルコールを主成分とする改質燃料の他に副生成物の水等が含まれ、気相の物質には、窒素、酸素、その他の副生成物のガス成分等が含まれる。
【００７６】
この凝縮器１６は図示しない内容器と外容器によって二重容器が構成され、内容器と外容器との隙間である混合流体流通部を遡上した混合流体が冷却器として機能する外容器によって冷却され、内部の気液分離部で凝縮相と気相とに分離される。この二重容器の底部側は、改質燃料を貯留する改質燃料タンク部を構成している。即ち、この凝縮器１６は改質燃料タンクの機能を兼ねている。
【００７７】
以上の構成を備える本実施形態の燃料改質装置１は、ＥＣＵにより制御されて以下のように動作する。
先ず、エンジンの運転状態に応じて、ガソリンの改質が必要であると判断された場合には、エンジン冷却水の温度が所定温度以上であるか否かを判別する。エンジン始動直後でエンジン冷却水の温度が所定温度未満であるときには、前回改質時に凝縮器１６の改質燃料タンク部内に貯留された改質燃料を、改質燃料ポンプ１９１によりエンジンの吸気ポート内に供給する。
【００７８】
これに対して、エンジン冷却水の温度が所定温度以上であるときには、燃料バルブ１３３及び空気バルブ１１４を開弁する。次いで、改質ポンプ１３１により、燃料タンク１２からガソリンを圧送して混合器１４内に導入する。同時に、空気ポンプ１１２により、空気フィルタ１１１を通過した空気を混合器１４内に導入する。
【００７９】
本実施形態の燃料改質装置１では、供給装置１０において、ＥＣＵの管理下で、空気導入部１１及び燃料導入部１３が連係して動作し、混合器１４に供給される空気及び燃料について、当該燃料（ガソリン）の割合が２２重量パーセント以上になるように調節が行われる。
【００８０】
また、ＥＣＵの管理下で、所望の適正な改質反応時間が得られるように、燃料流量計１３２でモニターされたガソリン流量及び空気流量計１１３でモニターされた空気流量に基づいて、燃料バルブ１３３及び空気バルブ１１４の各開度についてフィードバック制御が行われる。
【００８１】
次いで、混合器１４内に導入されたガソリンと空気を、所定温度に暖めながら均一に混合して混合気とした後、改質器１５内に供給する。改質器１５内に供給された混合気中のガソリンの主成分である炭化水素は、改質触媒１５２の作用により上述の反応式（１）〜（６）が進行することで、アルコールに変換される。このとき、温度センサでモニターされた温度に基づいて、エンジン冷却水の供給を制御する。これにより、改質器１５内の温度が所望の適正温度に維持される。
【００８２】
次いで、改質器１５で生成した生成ガスを、凝縮器１６で凝縮相と気相とに分離する。分離された凝縮相には改質燃料のアルコールが主として含まれており、この改質燃料は凝縮器１６の底部側に設定された改質燃料タンク部に貯留される。改質燃料タンク部内の改質燃料は、改質燃料ポンプ１９１によりエンジンの吸気ポート内に供給する。一方、分離された気相物質は、気相供給部２０を通してエンジンの吸気ポートに導入することで、エンジンの気筒内での燃焼に供される。
【００８３】
エンジンの運転状態に応じて、ガソリンの改質が不要であると判断された場合には、先ず、空気ポンプ１１２を停止して空気バルブ１１４を閉弁し、混合器１４内への空気の供給を停止する。次いで、改質器１５内がガソリンで満たされて空気が全て流出した後に、改質ポンプ１３１を停止して燃料バルブ１３３を閉弁し、混合器１４内へのガソリンの供給を停止する。これにより、システム停止中に、改質器１５内に残存した酸素により改質反応が進行してしまう事態が回避される。
【００８４】
本実施形態の燃料改質装置１によれば、以下の効果が奏される。
（１）本実施形態の燃料改質装置１では、上流側から順に、炭化水素を主体とする燃料と空気を混合して改質器１５に供給する混合器１４と、空気を用いて燃料を改質してアルコールを生成させる改質器１５と、改質器１５で生成した生成ガスを凝縮相と気相とに分離する凝縮器１６とが設けられている。
特に、混合器１４は、２以上の流体入口である空気導入口１４１a及び燃料導入口１４１bと１以上の流体出口である流体出口１４２と、流体入口である空気導入口１４１a及び燃料導入口１４１bと流体出口１４２との間に軸方向に延長した全体として略管状のケーシング１４３と、ケーシング１４３内部に軸ＡＸ１（ＡＸ２）方向に整列して設けられ捩れの旋回方向が整列順に従って順次反転するように配された複数（例えば、合計６つ）の固定式撹拌羽根である第１旋回型撹拌羽根１４５ａ及び第２旋回型撹拌羽根１４５bと、ケーシング１４３内を含む空間に、少なくとも複数の固定式撹拌羽根である第１旋回型撹拌羽根１４５ａ及び第２旋回型撹拌羽根１４５bを収納するように設定された、流体入口である空気導入口１４１a及び燃料導入口１４１bから流体出口１４２に至る収納部１４６の、全残余空間を埋め尽くすように配された粒子状物質１４７又は多孔質物質１４７０と、を含んで構成され、粒子状物質１４７又は多孔質物質１４７０が配された当該全残余空間内に生じている隙間の大きさが流体入口である燃料導入口１４１bから供給される燃料の消炎距離未満である。
【００８５】
上記（１）燃料改質装置１では、混合器１４において、２つの流体入口（空気導入口１４１a、燃料導入口１４１ｂ）から導入された流体（空気と燃料）が、固定式撹拌羽根（１４５ａ、１４５ｂ）により構成されるスタティックミキサーと粒子状物質との相互作用によって、流れの分散、変転、転換（回転）を活発に生じて、均一に混合される。この場合、収納部１４６内に生じる流体の流路でもある隙間の大きさは消炎距離未満である。従って、混合器１４において、過度に急な反応が生じるおそれが十全に抑制され、ガソリンをアルコールに変換する変換プロセスが安定したものとなる。
【００８６】
（２）また、本実施形態の燃料改質装置１では、混合器１４は、収納部１４６内面の角部（図２のＣ部、図５）におけるＲ寸法が粒子状物質１４７の最大径寸法（図５のＤmax）以上である。
このため、混合器の収納部１４６に粒子状物質１４７が配される場合に、収納部１４６内面の角部（図２のＣ部、図５）にも流体入口である燃料導入口１４１ｂから供給される燃料の消炎距離をこえる隙間が生じない。即ち、消炎距離を超える寸法の連通空間が生じるおそれがない。このため、過度に急な反応が起こるおそれが確実に防止される。
【００８７】
（３）また、本実施形態の燃料改質装置１では、混合器１４は、複数の固定式撹拌羽根である第１旋回型撹拌羽根１４５ａ及び第２旋回型撹拌羽根１４５bが、収納部１４６内面との間隙が流体入口である燃料導入口１４１ｂから供給される燃料の消炎距離未満となるように設けられている。
このため、複数の固定式撹拌羽根（１４５ａ、１４５ｂ）と収納部１４６内面との間隙が消炎距離を超える寸法の連通空間を形成するおそれがない。従って、過度に急な反応が起こるおそれが確実に防止される。
【００８８】
（４）また、本実施形態の燃料改質装置１では、混合器１４は、流体入口である空気導入口１４１a、燃料導入口１４１ｂ及び／又は流体出口１４２と収納部１４６との間を仕切る多孔質物質の仕切部材（フィルタ１４８ａ、１４８ｂ、及び、１４８ｃ）を有する。
このため、収納部１４６内に粒子状物質１４７を充填する場合に、この粒子状物質１４７が流出するおそれが確実に防止される。
【００８９】
（５）また、本実施形態の燃料改質装置１では、混合器１４は、流体入口のうち一方の流体入口はケーシング１４３の軸方向に向けて空気を導入する空気導入口１４１aを構成し、流体入口のうち他方の流体入口は空気導入口１４１aの下流でケーシング１４３の軸に交差する方向から燃料を導入する燃料導入口１４１ｂを構成し、更に、燃料導入口１４１ｂから導入された燃料を空気導入口１４１aに向かう向きに噴出させる燃料ノズル１４９が設けられている。
このため、空気導入口に向かう向きに燃料を噴出させる燃料ノズルによって空気と燃料とが効果的に混合される。
【００９０】
（６）また、本実施形態の燃料改質装置１では、混合器１４（１４ａ）に空気及び燃料を供給する供給装置１０を更に備え、供給装置１０は空気及び燃料の合計量に対する当該燃料の割合が２２重量パーセント以上になるように調節する。
このため、混合器１４（１４ａ）に供給される空気及び燃料の合計量に対する当該燃料の割合が２２重量パーセント以上となるため、この割合は爆発限界よりも燃料過濃な領域に該当する。従って、過度に急な反応が起こるおそれが極小となり、ガソリンをアルコールに変換する変換プロセスが安定したものとなる。
【００９１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００９２】
１…燃料改質装置
１０…供給装置
１２…燃料タンク
１３…燃料導入部
１４，１４a…混合器
１５…改質器
１６…凝縮器／改質燃料タンク部
１７…燃料供給部
１４１a，１４１０a…空気導入口
１４１b，１４１０b…燃料導入口
１４２…流体出口
１４３…ケーシング
１４４，１４４０…キャップ部
１４５ａ…第１旋回型撹拌羽根
１４５ｂ…第２旋回型撹拌羽根
１４６…収納部
１４７…粒子状物質
１４８a，１４８b，１４８ｃ…フィルタ（仕切部材）
１４９…燃料ノズル
１４７０…多孔質物質
１４８０a，１４８０b…フィルタ
【図１】
2016211492.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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【図６】
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【図７】
2016211492.tif 000009