(57)【要約】  全体に高空燃比の安定状態かつ燃料希薄動作状態下で、改良された燃料効率と減少する排気ガス排出量を生ずる点火式内燃機関の作動方法を提供する。ガソリン又は天然ガス等の第１の供給高オクタン価炭化水素燃料と、第１の供給酸化剤とを燃料改質装置に供給して、平衡状態に対し７５%を超える改質効率で気体改質油を生成する。気体改質油を第２の供給酸化剤に混合した後、得られる改質油配合酸化剤を、第２の供給高オクタン価炭化水素燃料と共に、火花点火内燃機関に供給して燃焼させる。改質油が、内燃機関に供給する改質油混合酸化剤の全容積の約１%を超えて約１８%未満のとき、安定状態の燃料効率は、３%を超えて改善される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)  部分酸化反応の平衡状態に対し７５%より高い改質効率で、水素と一酸化炭素を含む気体改質油を発生するのに十分な部分酸化反応状態下で、第１の供給高オクタン価炭化水素燃料と第１の供給酸化剤とを、燃料改質装置の触媒反応領域の改質触媒に接触させる供給過程と、
(b)  第２の供給酸化剤に気体改質油を混合して、改質油配合酸化剤の全容積の１容量%〜１８容量%に改質油が相当する改質油配合酸化剤を生成する混合過程と、
(c)  過程(b)で得られる改質油配合酸化剤と、第２の供給高オクタン価炭化水素燃料とを点火式内燃機関に供給して、燃焼状態で得られる混合物を点火する燃焼過程と含むことを特徴とする内燃機関作動法。
【請求項２】
８０を超える平均オクタン価を有する液体と気体の炭化水素燃料から、第１の供給炭化水素燃料と、第２の供給炭化水素燃料を個別に選択する選択過程を含む請求項１に記載の内燃機関作動法。
【請求項３】
第１の供給炭化水素燃料と、第２の供給炭化水素燃料をガソリンから選択する選択過程を含む請求項２に記載の内燃機関作動法。
【請求項４】
第１の供給炭化水素燃料と、第２の供給炭化水素燃料を天然ガス又はメタンから個別に選択する選択過程を含む請求項２に記載の内燃機関作動法。
【請求項５】
分子状酸素、酸素−窒素混合物、酸素−不活性ガス混合物から、第１の供給酸化剤と、第２の供給酸化剤とを個別に選択する選択過程を含む請求項１〜４の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項６】
改質触媒は、超短空洞長を有する金属製又はセラミック製の網状組織の基材を含む請求項１〜５の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項７】
基材の超短流路長は、２５μm〜５００μmの範囲にある請求項６に記載の内燃機関作動法。
【請求項８】
網状組織の基材は、平方cm当たり１００個〜１,０００個の流路を形成する請求項６又は７に記載の内燃機関作動法。
【請求項９】
網状組織の基材は、直径約０.２５mm〜約１.０mm範囲の多空洞又は多孔と、６０%を超える空隙率とを有する請求項６〜８の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項１０】
改質触媒は、２５.４mm（１in）当たり５〜８０個の開放殻形態の多孔を形成する相互連結型網目構造の固体支柱を有する多孔性構造の基材を備え、
固体支柱形成時の材料密度と比較して、２%〜１５%の相対密度を有する請求項１〜６の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項１１】
改質触媒は、基材に付着する少なくとも一種のVIII族金属を更に含む請求項１〜１０の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項１２】
第１の供給酸化剤の酸素原子に対する第１の供給炭化水素燃料の炭素原子のO：C比範囲０.５：１〜１.２：１でかつ７００℃〜１,１００℃の温度範囲で改質装置を作動する請求項１〜１１の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項１３】
供給過程で供給する第１の供給炭化水素燃料と第２の供給炭化水素燃料の合計供給量に対する第１の酸化剤と第２の酸化剤の合計供給量の重量比（g/g）の全空燃比範囲は、１４.７：１〜３０.０：１である請求項１〜１２の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項１４】
第２の供給酸化剤の混合前に気体改質油を冷却する過程を含む請求項１〜１３の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項１５】
水素は、改質装置から排出される気体改質油総量の１８%〜２５体積%を有する請求項１〜１４の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項１６】
内燃機関から流出する排気ガスの一部を改質装置で再利用する過程を含む請求項１〜１５の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項１７】
点火式内燃機関は、２行程又は４行程の内燃機関を構成する請求項１〜１６の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項１８】
安定作動状態で点火式内燃機関を作動する方法において、
(a)  部分酸化反応の平衡状態と比較して約７５%より高い改質効率で、水素と一酸化炭素とを含む気体改質油を発生するのに十分な部分酸化反応状態で、超短流路長を有しかつ少なくとも１種のVIII族金属を担持する網状基材を備える改質触媒の存在下で、８０を超える平均オクタン価の第１の供給炭化水素燃料と、第１の供給酸化剤とを車載燃料改質装置内で接触させる接触過程と、
(b)  改質油配合酸化剤の全容積に基づき、１容量%を超えかつ１８容量%未満の気体改質油に第２の供給酸化剤を混合して、改質油配合酸化剤を生成する生成過程と、
(c)  生成過程(b)で得られる改質油配合酸化剤と、平均オクタン価８０を超える第２の供給炭化水素燃料とを点火式内燃機関内に供給して、得られる混合物に点火して、安定状態下で燃焼を維持する燃焼過程とを含むことを特徴とする点火式内燃機関作動法。
【請求項１９】
ガソリン、天然ガス、メタン又はこれらの混合物から第１の供給炭化水素燃料と第２の供給炭化水素燃料を個別に選択する過程を含む請求項１８に記載の内燃機関作動法。
【請求項２０】
網状基材の超短流路長範囲は、２５μm〜５００μmである請求項１８又は１９に記載の内燃機関作動法。
【請求項２１】
網状基材は、平方cm当たり１００〜１,０００個の流路を有する請求項１８〜２０の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項２２】
温度範囲７００℃〜１,１００℃でかつ第１の供給酸化剤の酸素原子と第１の供給炭化水素燃料の炭素原子とのO：C比は、０.５：１〜１.２：１の範囲で改質装置を作動する過程を含む請求項１８〜２１の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項２３】
接触過程に供給する第１の供給炭化水素燃料と第２の供給炭化水素燃料との合計に対する第１の供給酸化剤と第２の供給酸化剤との合計重量比（g/g）を表す全体空燃比は、１４.７：１〜３０.０：１の範囲である請求項１８〜２２の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項２４】
第２の供給酸化剤との混合前に気体改質油を冷却する過程を含む請求項１８〜２３の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項２５】
水素は、改質装置から排出される改質油の総量の１８体積%〜２５体積%を有する請求項１８〜２４の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【請求項２６】
内燃機関から排出される排気ガスの一部を改質装置で再利用する過程を含む請求項１８〜２５の何れか１項に記載の内燃機関作動法。
【発明の詳細な説明】
【政府の権利】
【０００１】
本発明は、第DE-SC0013709号契約書の下でアメリカ合衆国（米国）政府から支援されかつ米国エネルギ省（DOE）により後援された出願である。米国政府は、本発明の特定の権利を享有する。
【関連出願の表示】
【０００２】
本願は、２０１６年１２月２１日付け提出の米国仮特許出願第６２／４３７,０９８号の優先権を主張する。
【技術分野】
【０００３】
本発明は、改善燃料効率と減少排気量を生ずる点火式内燃機関の作動法に関連する。
【背景技術】
【０００４】
点火式内燃機関（SI-ICE）は、高オクタン価炭化水素燃料、通常８０を超える平均オクタン価のガソリンで作動するように設計される。４行程内燃機関の基本的作動の第１行程では、往復運動ピストンを収容する燃焼室内に炭化水素燃料が注入され、そこで、通常空気として供給される酸化剤と混合されて、混合気体が生成される。第２行程では、ピストンが移動されて、混合気体は、圧縮される。第３行程では、圧縮された混合気体に点火（SI）され、混合気体が燃焼されて、気体燃焼生成物の爆発・膨張が発生する。気体爆発物は、ピストンに爆発力を付与して、一定距離ピストンを移動させる。移動するピストンから派生する機械エネルギは、連接棒とクランク軸による回転作用等の機械エネルギ又は発電機による有効な電気エネルギに変換される。燃焼混合気体の最大膨張後、第４行程でピストンは、収縮行程に移行して、燃焼室から燃焼混合気体を排出して、その後、４行程が多数回反復される。点火式内燃機関では、燃焼は、間欠的に行われる。
【０００５】
自動車、バス、自動二輪車、小型船舶、芝刈機等の小型ガソリン発動機の主要な動力供給源への動力用途に、内燃機関が利用される。内燃機関は、物流と救援（即ち、野外活動）、送電網停電時の一時的電力源に使用される発電機にも利用される。
【０００６】
従来技術は、ガソリン駆動式内燃機関への水素添加法を開示する。ガソリン燃料に水素を添加すると、高空気量の空燃比（AFR）で生じる希薄燃料の空燃比（リーン）状態での火炎伝播速度と火炎安定性とを強化できる利点があることは認識されている。ガソリンに水素を添加すると、炭化水素排気量を減少できる反面、窒素酸化物（NOx）の排出量が容認できないレベルに増加することも知られている。炭化水素燃料よりエネルギ密度の低い気体増量添加物は、水素又は他の気体燃料添加物で容積増量添加物量を増加すると、内燃機関は、出力を減少する不具合を生ずることも認識されている。
【０００７】
ガソリンに水素を添加して点火式内燃機関に燃料を供給する効果を示す資料には、下記非特許文献１〜３がある。
【０００８】
水素を使用して炭化水素燃料を添加するとき、水素の供給が必要である。車載式加圧貯蔵シリンダ、車載式水電気分解装置、液体燃料を水素に変換する車載式燃料改質装置の何れかにより、水素を供給する従来技術が提案されている。加圧貯蔵シリンダも水電解装置も実用的でない。加圧貯蔵シリンダは、重量が増加する上、シリンダを再加圧する水素供給網を容易には利用できない。水電気分解装置は、車載式給水器を必要とし、電気分解装置は、不都合にも電極電解液複合装置と多量の電力とを必要とする。燃料改質装置は、車載式水素発生装置に対し潜在的に実行できる可能性のある技術に過ぎないと思われる。
【０００９】
従来技術は、水素と一酸化炭素を含む気体改質油で点火式内燃機関を作動する方法を開示する。特許文献１と特許文献２は、例えば、ガソリンで象徴される液体燃料を改質した改質油で作動する内燃機関を開示する。安定動作状態時ではなく、燃料効率と動力出力のない始動時に改質装置を使用するので、始動時にのみ、低温発進時に排気量を減少する外見から識別不能な利点が改質装置から得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４,１３１,０９５号
【特許文献２】米国特許第７,１７４,８６１号
【特許文献３】米国特許第７,９７６,５９４号
【特許文献４】米国特許第８,５５７,１８９号
【特許文献５】国際公開第２００４／０６０５４６号
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１１／００６１２９９号
【特許文献７】米国特許第８,４３９,９９０号
【特許文献８】米国特許第６,３２８,９３６号
【特許文献９】米国特許第７,１４１,０９２号
【特許文献１０】米国特許第５,０５１,２４１号
【特許文献１１】米国特許第６,１５６,４４４号
【特許文献１２】米国特許第６,７４６,６５７号
【特許文献１３】米国特許第７,５０４,０４７号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】「点火式高速ガソリン内燃機関の燃焼性能と排気特性に対する水素添加の実験研究」と称するケー・ブイ・シバプラサドらの報告書、プロセディア・テクノロジー社２０１４年発行第１４巻第１４１頁〜第１４８頁
【非特許文献２】「高速点火式機関の燃焼排気特性に対する水素添加−実験研究」と称するケー・ブイ・シバプラサドらの報告書、米国自動車技術者協会国際誌第２０１５−０１−１６８４号、２０１５年４月４日発行
【非特許文献３】「水素富有ガソリンを燃料とする路面車両の実現可能性論証」と称するエフ・ダブル・ヘオンとエム・ダブル・ドウディによる報告書、カリフォルニア州サンフランシスコで１９７４年８月２６日〜３０日に開催された第９回学会間エネルギ交換工学協議会会議録
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
点火式内燃機関への気体水素又は気体改質油を添加すると、従来の改質装置は、不具合の原因となる悪質な改質効率を示す傾向がある。前記のように、気体水素は、炭化水素燃料よりエネルギ密度が低い。従って、内燃機関の燃焼室に添加する水素容量が増加する程、内燃機関の出力は、低下する。燃焼系に水素を添加する全体的利点は、水素の容積増大により燃料効率の損失を補填できるはずだからである。このように、内燃機関の安定動作時に改質装置を適切に使用して、内燃機関から改質装置に転流する炭化水素燃料量に対する水素生成比を増加して、全燃焼系利点を得るべきである。
【００１３】
一酸化炭素を含む改質油への未変換炭化水素と部分的に酸化された化学物質が改質油中に存在すると、内燃機関内の燃料組成物と燃焼特性が変化することも、理解すべきである。従って、安定動作中の添加のため、全動作期間を通じて、改質油の組成を実質的に均質な信頼性のある品質にすべきである。また、従来の改質装置は、急激に性能が劣化して、骸炭（コークス）を発生し、水素収量を低下する傾向がある。骸炭は、改質触媒を劣化して、内燃機関に損傷を与える。このように、長年研究されてきが、車載式燃料改質装置で発生する水素を高オクタン価燃料に添加して、点火式内燃機関、特に安定動作時の燃料効率を改善する方法に実用的で有利な提案はされなかった。
【００１４】
高オクタン価炭化水素燃料で点火式内燃機関の作動を継続するとき、エネルギ需要、輸送の増加と許容排気量減少の目標に対する特別な要求として、燃料効率と内燃機関の性能を更に改良する余地がある。この観点から、特に、安定動作状態での改善性能、改善燃料効率と改善動力出力で点火式内燃機関を作動する方法を見出すことには、技術的利益があると認められる。内燃機関から改質装置に貫流する炭化水素燃料に対し増加する水素収量と改質油使用量、燃焼安定性の向上、出力損失の無い燃料消費量の削減、ノッキングの削減、炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物（NOx）の放出の調和する削減が、改善性能と燃料効率の指標に必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、燃料効率の改善と排気量の低減を伴う点火式内燃機関の新規な作動法を発明するに至った。本発明の新規方法は、下記過程を含む：
【００１６】
(a)  部分酸化反応の平衡状態に対し約７５%を超える改質効率で水素と一酸化炭素を含む気体改質油を発生するのに十分な部分酸化反応状態でかつ燃料改質装置の触媒反応領域内の改質触媒の存在下で、第１の供給高オクタン価炭化水素燃料と、第１の供給酸化剤とを接触させる過程と、
【００１７】
(b)  酸化剤配合改質油の全容積の約１容量%を超え約１８容量%未満の気体改質油に第２の供給酸化剤を配合して、改質油配合酸化剤を生成する過程と、
【００１８】
(c)  改質油配合酸化剤と、第２の供給高オクタン価炭化水素燃料とを点火式内燃機関内に供給して、燃焼可能状態下で得られる混合物に点火する過程。
【００１９】
本発明の新規な内燃機関作動法は、第１の供給高オクタン価炭化水素燃料と、第１の供給酸化剤とを、下記のように、部分酸化反応の平衡状態に対し約７５%を超える改質効率を得る気体改質油に変換するものである。気体改質油は、水素と一酸化炭素との混合物を合理的に含み、微量な未気化炭化水素と骸炭とを含むこともあり得る。制御法と作動条件に基づき、実時間、一定出力又は変動出力で、高効率で気体改質油が生成される。改質装置自体は、点火式内燃機関に搭載できる車載式に容易に適合できる小型、軽量かつ高処理量の装置である。
【００２０】
本明細書に記載の通り製造される気体改質油は、吸気等の第２の供給酸化剤に配合されて、改質油と第２の供給酸化剤とを含む「酸化剤配合改質油」と呼ぶ気体混合物を生成する。その後、改質油配合酸化剤は、第２の供給高オクタン価炭化水素燃料と共に、点火式内燃機関に供給されて、改善された燃料効率と全般的な機関性能で燃焼が発生する。特に、改質油の添加で、燃料効率が向上するが、装置出力当たり（g/kW-hr）の燃料流量で表わされる計器特定燃料消費率（ISFC）の減少として、燃料効率の向上が立証される。本発明の内燃機関作動法では、本発明の目的に対し、全燃焼系で約１８：１を超える空燃比による希薄燃料空燃比（AFR）の下で、燃焼安定性の向上、ノッキングの減少及び延長動作に改善が認められる。炭化水素と一酸化炭素の排出量にも減少が認められる。広範囲の動作条件で窒素酸化物（NOx）の排出量の驚くべき合理的減少が更に認められる。改質油の低容積添加で好都合にも前記の利点が、発生し、改質油の低容積添加は、具体的には、酸化剤配合改質油の全容積、即ち、内燃機関に供給する改質油と第２の酸化剤の全容積に基づき算出される約１容量%を超え、約１８容量%未満である。改質油の低容積添加により、内燃機関の動力出力を有利に保全・節約して、低温始動時の動作改善のみならず、安定動作状態を通じて、動作改善が可能となる。本発明の内燃機関作動法の組合せ特性は、点火式内燃機関に車載式燃料改質装置を組み込むのに関連する問題に対する唯一の実用的解決手段を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】車載式燃料改質装置で製造される気体改質油を添加する炭化水素燃料で点火式内燃機関を作動する本発明の内燃機関作動法の動作過程を示す概略図
【００２２】
【図２】本発明の内燃機関作動法の実施の形態での点火時期関数となる上死点前クランク角度（英語頭文字表記「CAbTDC」）（角度単位は度（°））と、振動圧力最大振幅値（英語頭文字表記「MAPO」）（振幅値単位は「bar」）との関係を示すグラフ
【００２３】
【図３】本発明の内燃機関作動法の実施の形態での点火時期関数となる上死点前クランク角度（英語頭文字表記「CAbTDC」）（角度単位は度（°））と、計器特定燃料消費率（英語頭文字表記「ISFC」）との関係を示すグラフ
【００２４】
【図４】本発明の内燃機関作動法の実施の形態での点火時期関数となる上死点後クランク角度（英語頭文字表記「CAbTDC」）（角度単位は度（°））と、放熱量との関係を示すグラフ
【００２５】
【図５】本発明の内燃機関作動法の実施の形態の３曲線：底部特性曲線、中間特性曲線及び頂部特性曲線を、上死点前クランク角度（英語頭文字表記「CAbTDC」）（角度単位は度（°））を表す点火時期の関数として表示し、底部特性曲線は、上死点後クランク角度（英語頭文字表記「CAaTDC」）（角度単位は度（°））の点火時期を示し、中間特性曲線は、充填燃料１０%が燃焼したクランク角度（英語頭文字表記「CA10」）を示し、頂部特性曲線は、充填燃料９０%が燃焼したクランク角度（英語頭文字表記「CA90」）を示すグラフ
【００２６】
【図６】本発明の内燃機関作動法の実施の形態での点火時期関数となる上死点前クランク角度（英語頭文字表記「CAbTDC」）（角度単位は度（°））と、計器特定窒素酸化物排出量（英語頭文字表記「ISNO」）との関係を曲線で示すグラフ
【００２７】
【図７】本発明の内燃機関作動法の実施の形態での点火時期関数となる上死点後クランク角度（英語頭文字表記「CAbTDC」）（角度単位は度（°））と、計器特定炭化水素排出量（英語頭文字表記「ISHC」）との関係を示すグラフ
【００２８】
【図８】本発明の内燃機関作動法の実施の形態での点火時期関数となる上死点後クランク角度（英語頭文字表記「CAbTDC」）（角度単位は度（°））と、計器特定一酸化炭素排出量（英語頭文字表記「ISCO」）との関係を示すグラフ
【００２９】
【図９】本発明の内燃機関作動法の実施の形態での空燃比（AFR）の関数として計器特定平均有効圧力（英語頭文字表記「IMEP」）の最大変動係数（英語頭文字表記「CoV」）特性を表す一方のグラフ及び空燃比（AFR）の関数として改質油配合酸化剤中の改質油容量（%）を示す他方のグラフ
【００３０】
比較のため、図２〜図９は、改質油を添加せずに点火式内燃機関を作動した比較実施の形態の類似グラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の新規な内燃機関作動法では、点火式内燃機関は、高効率燃料改質装置内で生成した気体改質油を添加した炭化水素燃料で作動される。水素と一酸化炭素とを含む気体改質油に第１の供給高オクタン価炭化水素燃料が変換するのに十分な触媒部分酸化（CPOX）状態の改質触媒の存在下で、第１の供給高オクタン価炭化水素燃料を第１の供給酸化剤に接触させて、触媒部分酸化過程が高効率燃料改質装置で実施される。許容できる小量の二酸化炭素と水も同時に生成する。約５,０００ppmv（体積百万分率）未満、好適には、改質油に変換されない約１,０００ppmv未満で小量の未変換炭化水素が生成される。改質装置は、部分酸化反応の平衡状態に対し約７５%より大きい改質効率で、炭化水素燃料を気体改質油に変換する性能を有する。
【００３２】
本発明の目的に対し、改質装置の効率を示す用語「改質効率」は、気体改質油の総真発熱値に対する、実際に得られる気体改質油の総真発熱値（LHV）の百分率の比として定義され（気体改質油の総真発熱値（LHV）は、水素、一酸化炭素及び未気化燃料を含む改質油で特定される全気化成分の真発熱値の和である）、気体改質油の総真発熱値は、温度と、改質装置の下記空燃比（O：C）とを含む特定の燃料-選択された触媒部分酸化状態に対する平衡状態で算出される。気体改質油の用語「低位発熱値」（又は真発熱値）は、反応生成物内の水蒸気の潜熱が回復しないと仮定して、当初温度２５℃の気体改質油の特定組成物と特定量を完全燃焼生成物（CO2及びH2O）に燃焼して、燃焼生成物の温度を１５０℃に戻して放出される全熱量として定義される。「平衡状態」において炭化水素燃料を改質油に変換する正反応速度は、改質油を化水素燃料に変換する逆反応速度に等しいことは、当業者に認識されよう。触媒部分酸化過程での改質油生成物の分布は、部分酸化反応の平衡状態で進行し、気体改質油の真発熱量は、改質装置に供給される炭化水素燃料の真発熱量より少ない。例えば、特定の作動状態でガソリンから生成される気体改質油の真発熱量は、改質装置に供給されるガソリン燃料の真発熱量の８０%に過ぎない。本発明では、実際に発生する気体改質油の真発熱量と、特定燃料と選択処理条件での平衡状態から算出する気体改質油の真発熱量とを比較する。本発明の一実施の形態では、改質有効性は、第１の供給炭化水素燃料と第１の供給酸化剤とを１回のみ改質装置に通過させることを意味する１回改質有効性を示す。
【００３３】
本発明の一実施の形態では、改質触媒は、下記に詳述する網状基材又は多孔性構造基材を備える。他の例示的実施の形態では、改質触媒は、超短流路長を有する網状基材又は多孔性構造基材を備える。更に別の例示的実施の形態では、改質触媒は、超短流路長を有しかつVIII族金属の少なくとも一種を基材に付着した金属製又はセラミック製の網状基材を備える。
【００３４】
一実施の形態では、改質過程後に、改質油内のどの気体成分も実質的に凝縮せずに、冷却気体改質油に気体改質油を冷却することが望ましい。必ずしも冷却過程は、必要ではない。冷却過程の有無にかかわらず、得られる混合物の全容積の約１容量%を超え約１８容量%未満の気体改質油となるように、第２の供給酸化剤に気体改質油を混合した混合物を、本明細書では、「酸化剤配合改質油」と称する。最後に、改質油配合酸化剤は、第２の供給高オクタン価炭化水素燃料と共に、点火と燃焼を行う点火式内燃機関に供給される。
【００３５】
他の例示的実施の形態では、本発明は、安定作動状態で改善燃料効率と削減排気量で点火式内燃機関を作動する新規な内燃機関作動法を提供する。本発明の内燃機関作動法は、下記過程を含む：
【００３６】
(a)  部分酸化反応の平衡状態に対し約７５%より高い改質効率で水素と一酸化炭素を含む気体改質油を発生するのに十分な部分酸化反応状態で、約８０を超える平均オクタン価の第１の供給炭化水素燃料と、第１の供給酸化剤とを、超短流路長を有する網状基材又は多孔性構造基材を備える改質触媒に車載燃料改質装置内で接触させる過程と、
【００３７】
(b)  第２の供給酸化剤に気体改質油を混合して、改質油配合酸化剤の全容積の約１容量%を超え約１８容量%未満の気体改質油の改質油配合酸化剤を生成する過程と、
【００３８】
(c)  改質油配合酸化剤と、約８０を超える平均オクタン価の第２の供給高オクタン価炭化水素燃料とを点火式内燃機関に供給して、得られる混合物に点火して安定状態の燃焼を維持する過程。
【００３９】
他の例示的実施の形態では、本発明は、下記過程を含む定常作動状態下で燃料効率を改善しかつ排気を削減する点火式内燃機関を作動する新規方法を提供する。
【００４０】
(a)  部分酸化反応の平衡状態に対し約７５%を超える改質効率で、水素と一酸化炭素を含む気体改質油を発生するのに十分な部分酸化反応状態で、少なくとも１種のVIII族金属を担持する超短流路長を有する網状又は多孔構造の基材を備える改質触媒の存在下で、約８０を超える平均オクタン価の第１の供給炭化水素燃料と、第１の供給酸化剤とを、車載燃料改質装置内で接触させる過程と、
【００４１】
(b)  気体改質油を冷却して、冷却気体改質油にする過程と、
【００４２】
(c)  改質油配合酸化剤の全容積の約１容量%を超えて約１８容量%未満の冷却した気体改質油を第２の供給酸化剤に混合して、改質油配合酸化剤を生成する過程と、
【００４３】
(d)  約８０を超える平均オクタン価の第２の供給高オクタン価炭化水素燃料と改質油配合酸化剤とを点火式内燃機関内に供給し、得られる混合物に点火して、安定状態下で混合物の燃焼を維持する過程。
【００４４】
改質装置と点火式内燃機関に供給する炭化水素燃料（本明細書では、「第１の供給炭化水素燃料」及び「第２の供給炭化水素燃料」と夫々称する）は、石油化石燃料、生物由来の再生可能な有機性資源又は触媒反応を用いて一酸化炭素と水素から液体炭化水素を合成するフィッシャー・トロプシュ法等の方法により合成燃料源から誘導されて、本明細書でのオクタン価仕様に適合する液体又は気体の炭化水素燃料を個別に含む。液体炭化水素燃料は、通常気圧約１atm（１０１kPa）、温度範囲約−４５℃〜約＋１４０℃の液体に見られる。液体状炭化水素燃料の沸点又は蒸留温度は、液体燃料に特有であるが、通常、圧力約１atm（１０１kPa）で温度範囲約１６０℃〜約３５０℃にある。一例示的実施の形態では、第１の供給液体炭化水素燃料と第２の供給液体炭化水素燃料は、本質的に単一の炭化水素成分から構成される。他の例示的実施の形態では、第１の供給液体炭化水素燃料と第２の供給液体炭化水素燃料は、公知のように、パラフィン系、環状脂肪族及び芳香族炭化水素の複合混合物を含む。対照的に、気体炭化水素燃料は、圧力約１atm（１０１kPa）で温度範囲約−４５℃〜約＋１４０℃の気相で通常存在する。同様に、一実施の形態では、第１の供給気体炭化水素燃料と第２の供給気体炭化水素燃料は、単一の炭化水素成分で本質的に構成され、別の実施の形態では、第１の供給気体炭化水素燃料と第２の供給気体炭化水素燃料は、気体成分の混合物を含む。
【００４５】
公知のように、炭化水素燃料が爆発又は自己点火するまでにどのレベルまで圧縮に耐えられるかの評価として、用語「オクタン価」が使用される。意図する点火前に発生する自己発火は、ノッキングと内燃機関の損傷を招来する。炭化水素燃料のオクタン価は、イソオクタン（2,2,4-トリメチルペンタン）とヘプタンとの公知の混合物の耐ノッキング性との比較で定義される。自然発火しない圧縮性能の上限を示すオクタン価１００と、自然発火前の圧縮機能の下限を示すオクタン価０がイソオクタンとヘプタンにそれぞれ割り当てられる。試験する燃料の耐ノッキング特性に最適な公知の混合物が、その燃料のオクタン価を決定する。例えば、ガソリンの試験時に、一番近い混合物は、イソオクタン９０%とヘプタン１０%であるから、試験ガソリンのオクタン価は、９０になろう。
【００４６】
異なるオクタン価試験法が知られている。リサーチ法オクタン価（RON）は、回転数６００RPM動作時の内燃機関の燃料を試験して、イソオクタンとヘプタンとの混合物と結果物を比較する。モーター法オクタン価（MON）は、異なる試験状態で回転数９００RPM動作時の内燃機関の燃料を試験する。ガソリンのモーター法オクタン価は、リサーチ法よりも約８〜１２オクタン価ポイントが低い。米国では、ガソリン汲上ポンプでの燃料は、リサーチ法とモーター法との平均オクタン価で評価される。従って、本発明の目的に対し、本明細書での用語「オクタン価」は、米国評価制度により、リサーチ法オクタン価とモーター法オクタン価の和の１／２で算出する平均オクタン価（AVE ON）である。本発明では、第１の供給炭化水素燃料と第２の供給炭化水素燃料は、個別に約８０を超える平均オクタン価を有し、一実施の形態では、約８５を超え、別の実施の形態では、約８７を超え、更に別の実施の形態では、約９０を超える。
【００４７】
一例示的実施の形態では、第１の供給液体炭化水素燃料と第２の供給液体炭化水素燃料は、約８０を超えるオクタン価のガソリンから選択される。更に別の例示的実施の形態では、８０を超える平均オクタン価の第１の供給液体炭化水素燃料と第２の供給液体炭化水素燃料は、メタン、天然ガス、エタン及びこれらの混合物から選択される。別の例示的実施の形態では、改質装置に供給される炭化水素燃料（第１の供給炭化水素燃料）は、点火式内燃機関に供給される炭化水素燃料（第２の供給炭化水素燃料）と同一である。別の例示的実施の形態では、改質装置に供給される炭化水素燃料（第１の供給炭化水素燃料）は、点火式内燃機関に供給される炭化水素燃料（第２の供給炭化水素燃料）とは相違する。
【００４８】
改質装置に供給する酸化剤（第１の供給酸化剤）は、高オクタン価炭化水素燃料を部分的に酸化して、水素と一酸化炭素（合成ガス）とを含む気体改質油に選択的に変換できる全ての化学物質を含む。適切な酸化剤は、限定列挙ではなく、本質的に純粋な分子状酸素、空気等の酸素と窒素との混合物、ヘリウム及びアルゴン等の単一又は複数の不活性気体と酸素との混合物を含む。点火式内燃機関に供給する酸化剤（第２の供給酸化剤）は、二酸化炭素と水を含む完全燃焼生成物に、改質油と第２の供給炭化水素燃料を完全に燃焼できる本質的に純粋な酸素又は空気として通常供給される酸素等の全化学物質を含む。一例示的実施の形態では、第１の供給酸化剤と第２の供給酸化剤は、同一である。別の例示的実施の形態では、第１の供給酸化剤と第２の供給酸化剤の各々は、空気を含む。必要に応じて、第１の供給酸化剤と第２の供給酸化剤は、異なるものでもよい。
【００４９】
二酸化炭素と水の完全な酸化生成物に全燃料を変換するのには、不十分な酸化剤量の「富裕燃料」比で、第１の供給燃料と第１の供給酸化剤は、改質装置に供給される。第１の供給酸化剤の酸素原子を「O」で示し、第１の供給炭化水素燃料の炭素原子を「C」示すと、O：C比について第１の供給酸化剤と第１の供給燃料に使用する量を充分に記載する。改質装置に供給する酸化剤と炭化水素燃料のO：C比は、通常約０.５：１より大きく、約１.２：１未満である。
【００５０】
一実施の形態では、水、蒸気又はこれらの混合物が外部から同時に供給しない状態で、改質過程は、第１の供給炭化水素燃料と第１の供給酸化剤とを接触させる過程を含むことが望ましい。用語「外部から同時に供給する水、蒸気又はこれらの混合物」は、例えば、車載式水槽、蒸気発生器又は蒸発器等の外部供給源から搬送される水、蒸気又はそれらの混合物を第１の供給燃料と第１の供給酸化剤に同時に供給することを意味する。本発明では、改質過程への水及び／又は蒸気の同時供給を概括的に禁止するのではなく、同時供給される水及び／又は蒸気の添加により改質油の収量が改善することもあるが、本発明では、同時供給される外部の水及び／又は蒸気は、ある種の不具合を招来することがある。一例として、水供給槽と水蒸発器又は蒸気発生器の搬送は、通常輸送適用への負担となろう。また、改質油の増加する蒸気容積と熱含量は、下流の内燃機関の最適動作を阻害する可能性がある。他面、比較的小量の蒸気を含む内燃機関排気ガス（EGR）の一部を改質装置に再循環する構成は、許容でき有益な可能性もある。このように、他の実施の形態では、排気ガスは、内燃機関から改質装置に再利用される。
【００５１】
本発明の内燃機関作動法に有効に使用できる改質装置は、公知の全ての改質装置を使用して、前記の通り、平衡状態に対し約７５%を超える改質効率で、炭化水素燃料を水素と一酸化炭素を含む気体改質油に変換するものである。適切な改質装置の例は、特許文献３〜特許文献６に記載される改質装置を含み、本明細書の一部を構成するものとして特許文献３〜特許文献６の内容を援用する。単一の内燃機関に対し単一の改質装置単位のみを使用する観点から本発明を説明するが、例えば、２以上複数の改質装置単位を単一の内燃機関に内蔵する本発明の他の実施の形態も説明する。殆どの応用実施の形態では、単一の改質装置単位が、内燃機関の改質油条件を充足しよう。
【００５２】
本発明では、改質装置、特にまず改質装置内の混合機に燃料入口を通じて、燃料槽等の燃料供給源から第１の供給高オクタン価炭化水素燃料を供給することが好ましい。混合機（混合領域）の燃料入口は、例えば、ノズル、噴霧器、蒸発器、注入器、質量流量計又は他の適切な流量制御器等の気体又は液体炭化水素燃料を改質装置に供給する公知装置を備える。注入器は、改質装置に供給する燃料を定量化（又は計量）する機能も有する。同様に、例えば、ノズル、注入器又は質量流量計等の従来の入口装置を備える酸化剤入口を通じて、第１の供給酸化剤は、混合機に供給される。
【００５３】
一実施の形態では、改質装置の混合機は、第１の供給炭化水素燃料と第１の供給酸化剤を容易に混合しかつ全ての液体燃料を容易に噴霧化する旋回羽根と調整板を備える。更に別の実施の形態の混合機に設けられるパルス電磁式液体燃料注入器とパルス酸化剤注入器との組合せ装置は、第１の供給液体燃料と第１の供給酸化剤とを噴霧器にそれぞれ供給し、噴霧器は、液体燃料を完全に噴霧して酸化剤と混合する。注入器−噴霧器両組合せ装置は、特許文献７に記載され、本明細書の一部を構成するものとして特許文献７の内容を援用する。
【００５４】
一実施の形態では、予備加熱せずに、第１の供給炭化水素燃料を周辺温度で混合機に供給する。別の実施の形態では、混合機への供給前に第１の供給炭化水素燃料を予備加熱する。本発明者らは、改質触媒を通じて安定な部分酸化が必要な水準で液体燃料の蒸発を支援するのに十分な熱量が改質装置の触媒反応領域に発生する事実を確認した。この結果、本発明に使用する改質装置と改質法は、改質装置に熱又は蒸気を外部から供給せずに液体燃料を気化することができる。通常炭化水素燃料と同一の温度で混合機に第１の供給酸化剤を供給するが、必要に応じてより高温又はより低温で第１の供給酸化剤を混合機に供給してもよい。一実施の形態では、第１の供給酸化剤は、周辺温度で混合機に供給される。別の実施の形態では、熱交換流体として熱交換器に供給される第１の供給酸化剤は、改質装置に酸化剤を供給する前に熱交換器を予備加熱する。
【００５５】
燃料改質装置は、基材を通過する燃料と酸化剤を完全に混合するように構成されかつ改質触媒を担持（支持）する基材を配置する触媒反応領域を備える。一実施の形態では、混合目的の達成のため設けられる網状基材は、複数の孔、小室又は流路、好ましくは、下記の超短流路長を有する網材又は網目状幕である。一実施の形態では、内径と、内径より大きい外径を有する円筒形のコイル状に設けられる網材内を流動する反応体が、内径に沿う入口から外径に沿う出口に向かう放射状流路に沿って移動することが好適である。別の実施の形態では、一枚薄膜又は複数の積層薄膜で網材を形成して、積層薄膜の一端に入口を形成し、積層薄膜の反対端に出口を形成することが好ましい。何れの場合でも、基材の容積形態は、入口から出口までの流路に沿い本質的に不規則な空洞を形成する順不同の多数の空隙を備える。
【００５６】
改質装置の作動時温度に耐えられる材料で網材が通常形成される。形成する材料は、金属材料とセラミック材料を含む。限定列挙ではなく、許容可能な耐温度特性を有するニッケルクロム鉄合金、鉄クロム合金、鉄クロムアルミニウム合金及び鉄クロムニッケル合金で、適切な金属製網材が形成される。用語「セラミック」は、限定列挙ではなく、ゼオライト及びチタン酸塩と同様に、アルミニウム、シリコン、マグネシウム、ジルコニウム、チタン、ニオブ及びクロムの酸化物等の金属酸化物を含む通常の共有結合を有する非金属製無機固形物をいう。超短流路長を有する織物状シリカ等のセラミック製網材の絶縁被膜は、特許文献８及び特許文献９に詳細に記載され、本明細書の一部を構成するものとして特許文献８と特許文献９の内容を援用する。
【００５７】
一例示的実施の形態では、基材は、超短流路長を有する網材を備え、より好適な実施の形態では、アメリカ合衆国コネチカット州ノース・ヘブン所在のプレシジョン・コンバスチョン社から入手できる商標「MICROLITH」と称する超短流路長網材である。超短流路長を有する網材は、例えば、特許文献１０に記載され、本明細書の一部を構成するものとして特許文献１０の内容を援用する。網材は、長流路長を有する従来の単体網材とは対称的な、短流路長を有する低熱質量単体を通常備える。本発明に使用する網材に対する用語「超短流路長」は、約２５μm（マイクロメータ）（０.００１in）〜約５００μm（０.０２in）の範囲の流路長を意味する。対照的に、従来の単体網材に対する用語「長流路」は、少なくとも約５mm（０.２０in）〜１２７mm（５in）を超過する流路長を意味する。本発明では、用語「流路長」は、例えば、網材薄膜の片側の入口から薄膜の反対側の出口までに測定される入口から出口までの孔又は流路に沿う距離である。（この測定値は、例えば、網材の渦巻状内径の入口から網材の外径の渦巻状出口までの網状基材の全渦巻状流路の全長とは区別すべきである。）他の実施の形態では、流路長は、網材を構成する部材の直径より長くはないので、２５μm（０.００１in）から約１００μm（０.００４in）までの範囲、好ましくは、約３５０μm（０.０１４in）を超えない範囲で流路長を構成してもよい。超短流路長を考慮すると、網材と網材上に担持される触媒と反応剤との接触時間は、約５ミリ秒（５msec）から約３５０ミリ秒までの好都合範囲となる。
【００５８】
超短流路長を有する商標「MICROLITH」網材は、１cm2当たり約１００〜１,０００個又はそれ以上の個数の流路を通常備える。詳細には、網材の各層は、約６０%、好ましくは８０%を超える空隙又はボイドと、約０.２５mm〜約１.０mm範囲の直径を有する複数の流路又は孔が通常形成される。流路長対直径比は、通常約２：１未満、好ましくは約１：１未満、より好ましくは約０.５：１未満である。金網、セラミック繊維網、プレス成型金網又はプレス成型セラミック網の形態で製造される商標「MICROLITH」網材は、特許文献１０に記載されるように金属製薄膜を穿孔し拡張して製造され又は三次元印刷若しくは高分子骨格形成法により製造され、特許文献１１の内容を援用して、本明細書の一部とする。
【００５９】
超短流路長を有する商標「MICROLITH」網材は、従来の単体基材に比べて、より活性な面領域を小容積に容易に集約し、反応領域を増大しかつ圧力降下を低減できる利点がある。従来の蜂巣状単体網材は、殆どの流路長さに沿って長くかつ厚い境界層を形成するのとは対照的に、本発明の網材は、境界層の増大を回避する特性の超短流路長を形成する。伝熱係数は、境界層の厚さに依存するので、境界層の増大を回避すると、網材の伝熱性が改善される。超短流路長を有する商標「MICROLITH」等の網材を使用して、網材を通過する流体の境界層の増大を制御しかつ制限することは、カスタルディ名義の特許文献１２の一部継続出願である特許文献１３に記載され、本明細書の一部を構成するものとして特許文献１２と特許文献１３の記載内容を援用する。また、超短流路長を有する好適な商標「MICROLITH」網材は、セラミック製単体基材と円筒（ペレット）状基材を含む別の基材より、軽量で携帯型寸法、高処理能力、水素含有改質油の最小生産単位毎の高収率、骸炭と骸炭前駆体の低収率、触媒の容認可能な長期作動時間等好都合にも多くの利点を示す。
【００６０】
他の例示的実施の形態では、網材は、金属、セラミック又は他の多孔性構造基板材の類似多孔構造により形成され、多孔構造は、超短流路長を有しかつ開放殻形態の多数の孔を形成する固形支柱の相互に接続する網状組織を備える。如何なる形状又は直径の孔でもよいが、通常２５.４mm（１in）当たりの孔数は、「孔寸法」を意味し、多くの目的に対し、孔数は、２５.４mm当たり約５〜約８０個の範囲にある。支柱の中実母材密度で多孔性構造密度を除算して得られる多孔性構造体の相対密度は、通常約２%〜約１５%の範囲である。製造され又は構築される超短流路長の基材は、改質装置の動作温度に耐え得る種々の材料で市販されている。
【００６１】
改質装置の改質領域に配置される網状基材は、部分酸化生成物、即ち、水素と一酸化炭素を含む合成気体の改質油に炭化水素燃料を変換する部分酸化反応を促進できる改質触媒を担持する。適切な改質触媒は、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、プラチナ及びこれらの混合物を含む元素周期表VIII族の少なくとも一種の金属を有する。単数又は複数のVIII族金属は、周知の方法で網状基材に付着され又は堆積する。別法として、商標「MICROLITH」網状基材に担持される単数又は複数のVIII族金属を含む触媒製品は、コネチカット州ノース・ヘブン所在のプレシジョン・コンバスチョン社から入手できる。
【００６２】
改質法では、網状基材に近接して改質装置内に配置されるグロープラグ抵抗発熱体等市販の点火装置を使用して、改質触媒を担持する網状基材が加熱される。改質装置に供給される第１の供給燃料と、第１の供給酸化剤も同様に、点火装置で加熱される。改質装置内の温度センサが触媒を活性化するのに十分な温度（「点火温度」）に達するまで、点火装置が通電される。一旦触媒が発火すると、点火装置への通電切断後も、外部から加熱する必要なく、得られる発熱部分酸化反応エネルギにより触媒作用が維持される。燃料蒸発器又は他の外部熱源を必要とせずに、点火装置は、低温時又は周辺燃料状態から始動を可能にする。
【００６３】
改質過程は、約７００℃を超え約１,１００℃未満の温度と、周囲以下の気圧（亜大気圧）から約１psig（６.９kPa）までの圧力範囲で実行される。温度２１℃、圧力１atm（１０１kPa）で測定される適切な気体空間時速は、毎時触媒床容積リットル当たり、第１の供給炭化水素燃料と第１の供給酸化剤との組み合わせの約１０,０００リットル（１０,０００hr-1）から高処理能力を示す約７５０,０００リットル（hr-1）の範囲である。部分酸化反応の平衡状態と比較して約７５%を超え、好ましくは、約８０%を超える改質効率を達成できる。骸炭の生成と触媒劣化の徴候なく、約１,０００時間を超えて、改質装置を作動できる。
【００６４】
本発明の内燃機関作動法では、内燃機関が必要とする限り、単一又は複数の加圧貯蔵容器に気体改質油を貯蔵できるが、必ずしも改質油を貯蔵する必要はない。代わりに、必要に応じてかつ内燃機関に直接供給する要求があるとき、現場で気体改質油を燃料改質装置内で生成できる。
【００６５】
一実施の形態では、改質装置から排出される気体改質油を冷却し、改質油の容積密度を増大して、得られるエネルギ密度を増加できる。また、第２の供給酸化剤に高温の改質油を供給するとき、冷却過程により、水素の無駄な前燃焼を遅延することができる。通常の熱交換器に気体改質油を通過させる過程を含む気体改質油の全ての冷却法を適切に使用できる。別法として、内燃機関のターボ過給機で気体改質油を冷却することができる。冷却の際に、冷却される改質油の温度は、約４０℃〜約１５０℃が望ましい。尤も、必ずしも冷却過程は、必要でなく、他の実施の形態では、改質装置から発生する気体改質油を冷却せずに、第２の供給酸化剤に直接供給して、その後、内燃機関に供給できる。
【００６６】
冷却過程の有無にかかわらず、水素と一酸化炭素とを含む改質油は、例えば、内燃機関の吸気を構成する適切量の第２の供給酸化剤に混合される。改質油と第２の供給酸化剤とを含む改質油配合酸化剤として得られる気体混合物は、点火式内燃機関の各シリンダ内に供給される。改質装置の作動効率が高いので、小容積の改質油のみで確実に機関性能を改善できる。従って、内燃機関に供給される改質油配合酸化剤の全容積に基づき、内燃機関に供給される気体改質油は、通常約１容量%より多く、一例示的実施の形態では、約３.５容量%より多い。内燃機関に供給する気体改質油は、内燃機関に供給する改質油配合酸化剤の全容積に基づき、通常約１８容量%未満であり、一例示的実施の形態では、約１６.５容量%未満、他の例示的実施の形態では、約１０容量%未満である。内燃機関に供給される水素は、改質油配合酸化剤に含まれる改質油の全容積の通常約１８容量%〜約２５容量%である。ほぼ正常容量である前記容量の酸化剤（空気又は酸素）を内燃機関に供給すると、エネルギ出力の節減が可能となる。内燃機関の安定作動状態に本発明の内燃機関作動法を利用できる点で有利である。
【００６７】
約８０を超えるオクタン価の液体又は気体の炭化水素燃料で作動する従来の点火式内燃機関に本発明の内燃機関作動法を適用できる。本発明の内燃機関作動法を内燃機関に適用する適切な例は、芝刈機等の小型機関又は自動車、バス、船舶又は自動二輪車等の輸送手段に採用されるガソリン機関及び天然ガス機関等の従来の点火式内燃動力機関を含む。前記実施の形態のいずれも、内燃機関は、単一又は複数の燃焼シリンダを備え、各燃焼シリンダには、往復運動ピストンが嵌合されかつ吸気マニホールドに接続され、改質油と第２の供給酸化剤とを含む改質油配合酸化剤と高オクタン価燃料（第２の供給炭化水素燃料又は内燃機関燃料）とが吸気マニホールドに供給される。公知のように、内燃機関は、２行程と４行程の従来の機関とを含む。公知のように、各燃焼シリンダ内には点火器が設けられる。気体燃焼生成物を排出するため、各シリンダは、排気弁を有する。点火式内燃機関は、１〜１２個の往復運動ピストンが通常設けられる。
【００６８】
図１は、燃料改質装置(2)に接続される点火式内燃機関(14)を備える本発明の内燃機関作動法を実施する統合システム(10)の概略図を示す。燃料供給管路(1)から供給される高オクタン価炭化水素燃料は、改質装置(2)に連絡する燃料供給管(6)（第１の供給燃料）と、点火式内燃機関(14)に連絡する燃料供給管(7)（第２の供給燃料）とに区分される。改質装置に分配する高オクタン価炭化水素燃料の量は、改質装置の交換効率と、内燃機関吸気管に供給するのが望ましい水素の百分率とに依存する。通常空気である酸化剤を搬送する図１に示す酸化剤供給管(5)は、燃料改質装置(2)に連絡する第１の酸化剤供給管(9)と、点火式内燃機関(14)に接続される第２の酸化剤供給管(12)とに分岐される。統合システム(10)に供給される総炭化水素燃料に対する総酸化剤の重量比（g/g）として示す空燃比（AFR）は、通常範囲約１４.７：１〜約３０.０：１であり、用語「総酸化剤」は、第１の供給酸化剤と第２の供給酸化剤との和であり、用語「総炭化水素燃料」は、第１の供給高オクタン価炭化水素燃料と第２の供給高オクタン価炭化水素燃料との和である。高オクタン価ガソリン燃料では、空燃比１４.７：１は、化学量論的比率であり、約１５.０：１を超える空燃比は、希薄燃料比と判断される。本発明は、通常燃焼が不安定になる実質的な燃料状態下での安定動作が可能とする。
【００６９】
図１では、燃料供給管(6)による第１の供給燃料と、第１の酸化剤供給管(9)による第１の供給酸化剤は、混合領域(18)を通じて触媒改質領域(20)に供給され、触媒改質領域(20)内で、改質触媒(24)が付着又は堆積する網材(22)として示す改質触媒に混合物が接触する。反応過程状態では、第１の供給燃料と第１の供給酸化剤は、水素と一酸化炭素とを含む気体改質油に変換され、改質装置(2)の出口管(4)から排出される。その後、出口管(4)の改質油は、第２の酸化剤供給管(12)に搬送される第２の供給酸化剤に供給管(8)内で混合される。改質油と第２の供給酸化剤との得られる気体混合物（改質油配合酸化剤）は、改質油配合酸化剤管(8)から点火式内燃機関(14)に供給される。改質油配合酸化剤管(8)の改質油は、点火式内燃機関(14)に供給される改質油配合酸化剤の総容積に対して算出される約１容量%を超え約１８容量%未満を含む。改質装置(2)の出口管(4)の水素は、改質油の総容積から算出される約１８容量%〜約２５容量%を含む。燃料供給管(7)を通る高オクタン価炭化水素燃料の第２の供給燃料は、点火式内燃機関(14)に供給され、点火されかつ燃焼して、燃焼生成物となって、排気管(16)を通じて点火式内燃機関(14)から排出される。
【００７０】
本発明の内燃機関作動法により、改質油を添加して点火式内燃機関を上記の通り作動すると、改質油を添加せずに作動したときと比較して、安定作動状態でも種々の機関性能指標の改善を示す。機関性能指標の一媒介変数として、広範囲の点火時期の変化に対し、耐ノッキング性が非常に改善する。本質的に動力出力損失が低下して、燃料消費量は、少なくとも約３%減少し、燃料効率が向上する。点火式内燃機関からの炭化水素と一酸化炭素の各排出量は、約８%と約３%を超えてそれぞれ減少する。点火式内燃機関からの窒素酸化物排出量の減少量は、驚くべき約１０%を超え、好ましくは、約１３%を超える。改質油の添加により、１８：１を超える希薄燃料空燃比（AFR）でも、点火-燃焼速度は、より迅速となる。最後に、１８：１を超える希薄燃料空燃比でも、計器特定平均有効圧力（IMEP）の減少する変動係数（CoV）を測定できるので、内燃機関は、より安定な燃焼を行う。
【実施例】
【００７１】
例
ガソリンで作動する市販の点火式内燃機関（０.７５リットル、３気筒マーキュリーマリン社製船外発動機）を本発明により改造して、気体改質油を添加したガソリン混合物で作動した。自然吸気式の内燃機関の仕様を表１に示す。
【表１】
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【００７２】
機関用加圧空気貯蔵部（７.５７リットル（２ガロン））に貯蔵される室内空気は、図１の酸素供給管(5)に供給され、酸素供給管(5)内の空気は、改質装置(2)に連絡する第１の酸化剤供給管(9)と、改質油配合酸化剤管(8)及び点火式内燃機関(14)に接続される第２の酸化剤供給流管(12)（機関空気）とに分岐される。燃料改質装置(2)は、改質油配合酸化剤管(8)の上流に接続され、水素（H2）と一酸化炭素（CO）とを含む気体改質油が流出する燃料改質装置(2)の出口管(4)は、第２の酸化剤供給流管(12)に流入して、改質油配合酸化剤管(8)を流れる改質油配合酸化剤流を形成する。
【００７３】
図１に示す改質装置(2)には、燃料計を有する液体燃料入口流(6)と、空気流量計を有する第１の酸化剤供給管(9)とが接続され、改質装置(2)は、液体燃料と空気とを噴霧して混合する改質装置(2)の前段に設けられる混合領域(18)と、混合領域(18)の後段に接続されて超短流路長（USCL）の金属製網状基材(22)を有する触媒反応領域(20)とを備え、金属製網状基材(22)は、ロジウム基触媒(24)（商標「MICROLITH」の超短流路長触媒基材、コネチカット州ノース・ヘブン所在のプレシジョン・コンバスチョン社製）を担持する。網状基材は、内径部で燃料空気混合が流入する入口経路と、外径部で気体改質油を排出する出口経路と、金属製網材に任意に配置される空隙容量を通じて入口直径部から出口直径部に連絡する流路とを備える円筒形のコイル状に形成される。点火源となる白熱プラグは、円筒形コイルの内径部で形成される空間の一部に配置される。
【００７４】
改質装置投入前に何れも濾過した空気とガソリンとの混合物により、改質装置を作動した（ガソリンは、高エネルギ効率エンジン（EEE）用潤滑油認証ガソリン、ハルターマン・ソリューションズ社製、リサーチ法オクタン価９６.０、モーター法オクタン価８８.４、平均オクタン価９２.２を使用した）。安定状態の改質装置動作条件は、空燃比０.９、平均触媒温度８００℃〜８５０℃であった。空気流量を変更して、指定温度を維持した。生成された気体改質油成分（注記のない限り、乾燥基準モル%で表す）は、水素（H2）２１.７、一酸化炭素（CO）２４.２、二酸化炭素（CO2）１.４、メタン（CH4）１.７、高級炭化水素（C2+）５,０００ppm、窒素（N2）５０.５であった。選択した燃料の真発熱量、改質油種及び処理条件で算出すると、改質装置と改質過程の改質効率は、平衡状態に対し７５%を超えた。
【００７５】
改質装置(2)の出口管(4)から排出される改質油を、第２の酸化剤供給流管(12)からの十分な空気と混合して、１容量%〜１８容量%の改質油を含む改質油配合酸化剤を作成した。内燃機関(14)のシリンダに連絡する改質油配合酸化剤管(8)に改質油配合酸化剤を供給した。
【００７６】
内燃機関の標準開口噴射式装置を介して、燃料供給管(7)から内燃機関(14)に液体燃料を供給した。マーキュリーマリン社製の機関制御装置（ECU）で燃料の供給を完全に制御した。較正したコリオリ流量計で、液体燃料流量を決定した。米国第２次排気規制対応高エネルギ効率エンジン（EEE）用潤滑油認証ガソリン燃料を使用して、気体改質油の添加に関する内燃機関の試験を行った。排気口の酸素センサを使用して、内燃機関に供給される燃料の空燃比（AFR）を測定した。機関制御装置の燃料流量と測定した空燃比を使用して、空気流量を逆算した。全試験期間を通じて円板に直接流入する圧力を連続的に抽出する時系列式の圧力データを取得した。十分に正確なノッキング圧力を検出する２００kHzの試料採取周波数を使用して、１５００周期の本試験圧力データを取得した。多周期の全集合統計値を確保した。
【００７７】
下記２手順を使用して、改質油を添加する効果を機関性能で試験した。比較のために、改質油無添加の米国第２次排気規制対応高エネルギ効率エンジン（EEE）用潤滑油認証ガソリン燃料を使用して、同様に機関性能を試験した。
【００７８】
改質油添加による燃焼安定性効果を検査する６モード試験：表２に示す６組の試験条件を選択して、本発明によるシステムを評価した。点火時期を手動で最適化した。比較のため、まず改質油無添加のガソリン（高エネルギ効率エンジン（EEE）、ハルターマン・ソリューションズ社製）により動作確認した。スロットルで燃料供給率を調整し、一定の負荷で試験を行った。次に、本発明の内燃機関作動法により改質装置を作動し、水素と一酸化炭素を含む改質油を内燃機関の吸入空気流（第２の供給酸化剤）に添加して、標準燃料流量を減少し、標準燃料最適点火時期での同一動作状態を確立した。現行の試験する内燃機関は、排気ガスを再循環（EGR）する規則がなかったので、付加空気を使用して、希薄燃料限度を審査した。空燃比範囲を１５：１〜２０：１として、希薄燃料状態での内燃機関燃焼安定性に対する改質油添加効果を研究した。
【表２】
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【００７９】
改質装置を作動して改質油を添加する全６モード試験条件では、改質油無添加の作動と比べて、少なくとも燃焼安定性が良好となり、多くの場合に改善された。計器特定平均有効圧力（IMEP）の下記変動係数（CoV）の低下により改善が立証された。
【００８０】
ノッキング発生限界点火時期（KLSA）試験：圧縮比と点火時期及び燃料効率を確実に阻害するノッキングの発生により、点火機関効率が削減される。最適効率値から点火時期を遅延させて、低速度かつ高負荷状態でのノッキングを回避すべきである。１２.１５kW出力での９５%の名目負荷条件と回転速度２０００RPMにおいて、エンジン制御媒介変数（パラメータ）を点火時期について掃引（スイープ）して、第２のシリンダでノッキング発生限界点火時期を測定した。一定の１５：１に空燃比を維持した。本発明の内燃機関作動法による改質油添加物使用時と、改質油添加物不使用時での媒介変数を、比較のため点火時期について掃引（一定負荷を維持）した。高域濾過圧力データに表示される圧力振動最大振幅値（MAPO）を使用して、ノッキング強度を決定した。遮断周波数５kHzのバタワースフィルタを使用して、低周波圧力信号からノッキング圧力振動を絶縁した。
【００８１】
ノッキング強度：内燃機関燃料に改質油を添加すると、図２に示す上死点前のクランク角度（°CAbTDC）範囲２０〜３５度の点火時期では、圧力振動最大振幅値（MAPO）で示すノッキング強度は、全実施例で本質的に低レベルで、耐ノッキング性が向上した。ノッキング強度の減少、即ち耐ノッキング性を向上できる利点は、最良トルク（MBT）値に対し最小の移動量で点火時期を進行できることにある。高エネルギ効率エンジン（EEE）ガソリン燃料の高オクタン価は、図２のノッキング強度レベルが適性であることを意味し、100kPa（１bar）の圧力閾値レベルを使用してノッキングの存在が特定されることもある。低オクタン価燃料を使用するとき、本実施例で使用するように、９２.２未満の燃料は、ノッキング強度が更に高いから、改質油添加による前記圧力振動最大振幅値の利点の増大が期待される。
【００８２】
計器特定燃料消費率（ISFC）：内燃機関燃料に改質油を添加すると、図３に示す上死点前クランク角度（°CAbTDC）範囲１５〜３５度の全点火時期で単位動力出力（g/kW-hr）当たりの燃料流量で表す計器特定燃料消費率は、低いことが判明した。燃料効率の基準となる計器特定燃料消費率（ISFC）が低いと、燃料効率は、高い。改質油無添加の場合、内燃機関の全３個シリンダの上死点前クランク角度（°CA bTDC）２０度付近の点火時期に、最大燃料効率が発生した。内燃機関の吸気に改質油を添加すると、全３気筒シリンダの上死点前クランク角度（°CA bTDC）約２２度付近の点火時期に、最大燃料効率が発生した。改質油を添加すると、上死点前クランク角度（°CA bTDC）２０〜２２度の点火時期に、計器特定燃料消費率が５%低下した。
【００８３】
燃焼特性：図４は、上死点後クランク角度（°CA aTDC）に対する空燃比２０：１（希薄燃料）の最適点火時期で試験を実施した内燃機関の放熱量（kJ/°CA）特性を示すグラフである。３個の内燃機関シリンダの各一方のグラフは、改質油を添加した本発明の実施例を示し、各他方のグラフは、改質油無添加の比較例を示す。各シリンダに設置した高速応答圧力センサの圧力計測値から得られるグラフは、改質油の添加により、迅速放熱速度を示した。同一点火時期に対する各シリンダの放熱（圧力頂点）グラフは、改質油無添加のグラフ頂点よりも低いクランク角度で改質油添加のグラフ頂点が早期に発生した。
【００８４】
ノッキング発生限界点火時期試験では、燃料混合物の化学作用が支配する燃焼初期段階を観測して、１０%の充填燃料が完全に燃焼する上死点後クランク角度（°CA aTDC）１０度の変化を調べた。９０%の充填燃料が完全燃焼する上死点後クランク角度（°CA aTDC）９０度で、燃焼現象の全期間での効果を測定した。シリンダ内圧測定値を後処理で作成して、X%の充填燃料が完全に燃焼するクランク軸角度を一般的にCAxで表示した。
【００８５】
図５は、全点火時期を通じて改質油を添加した短縮点火遅延（上死点後クランク角度（°CA aTDC））０〜１０度（CA0 - CA10）と、全点火時期を通じて改質油を添加した短縮燃焼時間（上死点後クランク角度（°CA aTDC））１０〜９０度（CA10 - CA90）とを示す。例えば、改質油無添加では、点火時のクランク角度から測定したクランク角度２０.５度で燃料１０%が燃焼したと比較して、上死点前クランク角度（CA bTDC）２０度の点火時期で、改質油の存在下でクランク角度１９度で最初に燃料１０%が燃焼した。同様に、同一の点火時期（上死点前クランク角度（CA bTDC）２０度）で、改質油添加では、次の燃料８０%がクランク角度３２.３度で燃焼したが、改質油無添加では、クランク角度３７.３度で次の燃料８０%が燃焼した。改質油添加に起因する高速燃料燃焼速度は、ノッキング限界点火時期試験で観測される改質油添加に伴う良好な燃料効率（ISFC）を証明する理想の４行程周期に近い動作を示す。また、点火時期の遅延が短期間でかつ燃焼時間が高速となる両効果により、より少ない点火進角と一定量の燃料投入での出力を改善して、内燃機関を作動できた。
【００８６】
排出量：ガソリン燃料に改質油を添加すると、計器特定窒素酸化物（ISNO）、計器特定炭化水素（ISHC）及び計器特定一酸化炭素（ISCO）の記録した排出量g/(kW-hr)は、全点火試験時間に亘り夫々１６.５%、１１%及び５%だけ低いことが判明した。前記の結果を図６、図７及び図８に示す。水素の添加により増大する窒素酸化物排出量は公知であるから、図６に示す窒素酸化物排出量の減少は、驚愕に値する。
【００８７】
燃焼安定性：計器特定平均有効圧力（IMEP）の変動係数（CoV）により内燃機関燃焼安定性を示す。計器特定平均有効圧力の２.５%未満の変動係数は、燃焼安定性と周期間変動低減性を示す。表２のモード３試験条件による理論的条件（即ち、空燃比１５：１）で内燃機関を作動すると、改質油添加の有無にかかわらず、図９に示すように、計器特定平均有効圧力の変動係数は、同様であった。しかし、空燃比１８：１と２０：１の希薄燃料状態で高オクタン価燃料を使用し、改質油を燃料に添加して試験を実施すると、有意な燃焼安定性の驚くべき改善を示した。
【００８８】
限られた数の実施例のみで本発明を詳細に記載したが、開示した実施例に限定して本発明を解釈してはならないことは、当然理解すべきである。むしろ、本発明の精神と範囲に含まれる明細書中に記載しない多数の変更、代替、置換又は同等の装置を組み込んで本発明の実施例を変更できよう。本明細書に記載した本発明の各種実施の形態は、明細書に記載する実施例の一部に過ぎないことは、理解されよう。従って、明細書の記載内容に限定して本発明を解釈してはならず、添付の特許請求の範囲のみにより限定すべきである。
【符号の説明】
【００８９】
(1)・・燃料供給管路、  (2)・・燃料改質装置、  (4)・・出口管、  (5)・・酸化剤供給管、  (6)・・燃料供給管（第１の供給燃料）、  (7)・・燃料供給管（第２の供給燃料）、  (8)・・改質油配合酸化剤管、  (9)・・第１の酸化剤供給管、  (10)・・統合システム、  (12)・・第２の酸化剤供給管、  (14)・・点火式内燃機関、  (18)・・混合領域、  (20)・・触媒改質領域、  (22)・・網材、  (24)・・改質触媒、  (16)・・排気管、
【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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【国際調査報告】
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