JP7229281B2 - 燃料改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮着火式エンジンに供給される燃料を改質する燃料改質装置に関する。

従来、低オクタン価ガソリンを圧縮着火させるようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。上記特許文献１記載の装置では、着火遅れ時間が所定時間以内となるように、インジェクタを加熱して低オクタン価ガソリンを所定温度まで昇温する。

米国特許出願公開第２０１１/２０９６８６号明細書

ところで、低オクタン価ガソリンは普及途上であり、販売されていない地域もあるため、通常のオクタン価のガソリンが給油されるおそれがある。そのような場合であっても正常な燃焼を確保することが好ましい。しかしながら、上記特許文献１記載の装置では、通常のオクタン価のガソリンが給油された場合に適切に対処することが難しい。

本発明の一態様である燃料改質装置は、燃料タンクから導かれた燃料を燃焼室に噴射するインジェクタを有し、燃焼室で圧縮着火により燃焼が行われるように構成された内燃機関と、燃料タンクからインジェクタに至る燃料供給経路に介装され、燃料タンクに貯留された燃料を酸化反応により改質する改質器を有する改質ユニットと、改質ユニットの動作を制御する改質制御部と、改質器における酸化反応の進行度を推定する酸化進行度推定部と、燃焼室の内部の筒内圧を検出する筒内圧センサと、を備える。酸化進行度推定部は、筒内圧センサにより検出された筒内圧に基づいて、燃焼室に燃料が噴射されてから燃料が圧縮着火されるまでの着火遅れ時間を算出し、算出された着火遅れ時間が所定時間未満のとき、改質器における酸化反応の進行度が適正範囲内であると判定する一方、所定時間以上のとき、改質器における酸化反応の進行度が適正範囲外であると判定する。改質制御部は、酸化進行度推定部により推定された酸化反応の進行度に応じて改質ユニットの動作を制御する。
本発明の別の態様である燃料改質装置は、燃料タンクから導かれた燃料を燃焼室に噴射するインジェクタを有し、燃焼室で圧縮着火により燃焼が行われるように構成された内燃機関と、燃料タンクからインジェクタに至る燃料供給経路に介装され、燃料タンクに貯留された燃料を酸化反応により改質する改質器を有する改質ユニットと、改質ユニットの動作を制御する改質制御部と、改質器における酸化反応の進行度を推定する酸化進行度推定部と、改質器により改質された燃料に含まれる過酸化物の濃度を検出する濃度センサと、を備える。酸化進行度推定部は、濃度センサにより検出された過酸化物の濃度が所定濃度以上のとき、改質器における酸化反応の進行度が適正範囲内であると判定する一方、所定濃度未満のとき、改質器における酸化反応の進行度が前記適正範囲外であると判定する。改質制御部は、酸化進行度推定部により推定された酸化反応の進行度に応じて改質ユニットの動作を制御する。

本発明によれば、低オクタン価ガソリンでも通常のオクタン価のガソリンでも圧縮着火させることができる。

本発明の実施形態に係る燃料改質装置が適用されるエンジンの内部構成の一例を模式的に示す図。 燃料のオクタン価と着火性の関係について説明するための図。 燃料の酸化反応の進行度について説明するための図。 本発明の実施形態に係る燃料改質装置の構成の一例を模式的に示す図。 図４の燃料改質装置の切替弁周辺の構成の一例を模式的に示す図。 図４の燃料改質装置のコントローラ周辺の要部構成の一例を概略的に示すブロック図。 本発明の実施形態に係る燃料改質装置により実行される改質切替処理の一例を示すフローチャート。 図７Ａの変形例を示す図。 本発明の実施形態に係る燃料改質装置により実行される改質率調整処理の一例を示すフローチャート。 図８Ａの変形例を示す図。 図４の変形例を示す図。 図４の別の変形例を示す図。 図１０の燃料改質装置のコントローラ周辺の要部構成の一例を概略的に示すブロック図。 図１０の変形例を示す図。

以下、図１～図１２を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る燃料改質装置は、車両などに搭載された圧縮着火式エンジンに適用され、燃料タンクからエンジンに供給される燃料を必要に応じて改質する。

地球の平均気温は、大気中の温室効果ガスにより、生物に適した温暖な状態に保たれている。具体的には、太陽光で暖められた地表面から宇宙空間へと放射される熱の一部を温室効果ガスが吸収し、地表面へと再放射することで、大気が温暖な状態に保たれている。このような大気中の温室効果ガスの濃度が増加すると、地球の平均気温が上昇する（地球温暖化）。

温室効果ガスの中でも地球温暖化への寄与が大きい二酸化炭素の大気中における濃度は、植物や化石燃料として地上や地中に固定された炭素と、二酸化炭素として大気中に存在する炭素とのバランスによって決定される。例えば、植物の生育過程での光合成により大気中の二酸化炭素が吸収されると大気中の二酸化炭素濃度が減少し、化石燃料の燃焼により二酸化炭素が大気中に放出されると大気中の二酸化炭素濃度が増加する。地球温暖化を抑制するには、化石燃料を太陽光や風力などの再生可能エネルギーやバイオマスなどに由来する再生可能燃料で代替し、炭素排出量を低減することが必要となる。

このような再生可能燃料として、ＦＴ（フィッシャー・トロプシュ）合成により得られる低オクタン価ガソリンが普及しつつある。低オクタン価ガソリンは、着火性が高く、圧縮着火式エンジンに適用することができるが、普及途上であり、販売されていない地域もある。一方、現在普及している火花点火式エンジン用の通常のオクタン価のガソリンは、着火性が低く、そのまま圧縮着火式エンジンに適用すると、排ガス性能を確保することが難しく、失火に至るおそれもある。そこで、本実施形態では、燃料タンクからエンジンに供給される燃料を必要に応じて改質し、低オクタン価ガソリンも通常のオクタン価のガソリンも単一のエンジンで圧縮着火させるよう、以下のように燃料改質装置を構成する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置が適用されるエンジン１の内部構成の一例を模式的に示す図である。エンジン１は、圧縮着火式のガソリンエンジンであり、例えば車両に搭載される。

図１に示すように、エンジン１は、シリンダ２が形成されるシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部を覆うシリンダヘッド４とを有する。シリンダヘッド４には、エンジン１への吸気が通過する吸気ポート５と、エンジン１からの排気が通過する排気ポート６とが設けられる。吸気ポート５には吸気ポート５を開閉する吸気バルブ７が設けられ、排気ポート６には排気ポート６を開閉する排気バルブ８が設けられる。吸気バルブ７と排気バルブ８とは不図示の動弁機構により開閉駆動される。

各シリンダ２には、シリンダ２内を摺動可能にピストン９が配置され、ピストン９に面して燃焼室１０が形成される。エンジン１には、燃焼室１０に臨むようにインジェクタ１１が設けられ、インジェクタ１１から燃焼室１０に燃料が噴射される。インジェクタ１１の動作（燃料噴射時期（開弁時期）、燃料噴射量（開弁時間））は、エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００（図６）により制御される。エンジン１には、水晶圧電式の圧力センサなどにより構成され、燃焼室１０内の圧力を検出する筒内圧センサ１２も設けられる。

吸気ポート５が開放、排気ポート６が閉鎖され、ピストン９が下降すると、吸気ポート５から燃焼室１０内に空気（新気）が吸い込まれる（吸気行程）。吸気ポート５および排気ポート６が閉鎖され、ピストン９が上昇すると、燃焼室１０内の空気が圧縮され、燃焼室１０内の圧力が徐々に上昇する（圧縮行程）。圧縮上死点ＴＤＣ（Top Dead Center）付近でインジェクタ１１から燃焼室１０に燃料が噴射されると、燃焼室１０内の燃料と空気の混合気が圧縮され、燃焼室１０内の圧力が徐々に上昇し、燃料が自己着火により燃焼する。燃焼室１０内で燃料の自己着火が開始すると、燃焼室１０内の圧力が急激に上昇し、ピストン９が下降する（膨張行程）。吸気ポート５が閉鎖、排気ポート６が開放され、ピストン９が上昇すると、燃焼室１０内の空気（排気）が排気ポート６から排出される（排気行程）。

ピストン９がシリンダ２の内壁に沿って往復動することで、コンロッド１３を介してクランクシャフト１４が回転する。エンジン１のクランクシャフト１４には、クランクシャフト１４の回転角（クランク角）を検出するクランク角センサ１５も設けられる。また、エンジン１の出力トルクを検出する、例えば磁歪式のトルクセンサ１６も設けられる。図示は省略するが、エンジン１には、エンジン１の冷却水の温度（エンジン水温）を検出する水温センサなども設けられる。

図２は、燃料のオクタン価と着火性の関係について説明するための図であり、オクタン価の異なる複数の燃料の着火時期ｔｉの一例を、圧縮上死点ＴＤＣを基準とするクランク角［°］として示す。より具体的には、筒内圧センサ１２により検出される燃焼室１０内の圧力と、クランク角センサ１５により検出されるクランク角とに基づいて特定される、燃焼室１０内で燃料の自己着火が開始し、燃焼室１０内の圧力が急激に上昇するクランク角の一例を示す。

図２に示すように、オクタン価が７０を超える着火性の低い燃料では、着火時期ｔｉが圧縮上死点ＴＤＣよりも大幅に遅れ、この場合、エンジン１の最大熱効率が著しく低下し、燃焼が不安定となる。エンジン１の十分な燃焼性能を確保するには、着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０（例えば、１０°）以上の場合は、燃料を改質する必要がある。

炭化水素を主成分とする燃料は、Ｎ－ヒドロキシフタルイミド（ＮＨＰＩ）などの触媒を用いて酸化改質し、過酸化物を生成することで、その着火性を向上することができる。具体的には、ＮＨＰＩは、酸素分子により容易に水素原子が引き抜かれ、フタルイミド－Ｎ－オキシル（ＰＩＮＯ）ラジカルを生成する。ＰＩＮＯラジカルは、燃料に含まれる炭化水素（ＲＨ）から水素原子を引き抜き、アルキルラジカル（Ｒ・）を生成する。アルキルラジカルは、酸素分子と結合してアルキルペルオキシラジカル（ＲＯＯ・）を生成する。アルキルペルオキシラジカルは、燃料に含まれる炭化水素から水素原子を引き抜き、過酸化物であるアルキルヒドロペルオキシド（ＲＯＯＨ）を生成する。

図３は、燃料の酸化反応の進行度について説明するための図であり、酸化反応が進行するときの過酸化物濃度ｃ１および酸化物濃度ｃ２の変化の一例を示す。図３に示すように、酸化反応が進行すると、過酸化物濃度ｃ１が増加し、さらに酸化反応が進行すると、過酸化物がアルコール、アルデヒド、ケトンなどの酸化物に分解され、過酸化物濃度ｃ１が減少するとともに酸化物濃度ｃ２が増加する。

燃料中の過酸化物濃度ｃ１を高め、圧縮着火に適した状態まで燃料の着火性を向上するには、酸化反応の進行度を適正な範囲内に調整する必要がある。具体的には、酸化改質後の燃料（改質燃料）のオクタン価が７０以下となるよう（図２）、改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０（例えば、０．１５［ｍｏｌ／ｌ］）以上となるように調整する必要がある。改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１は、適宜な濃度センサにより検出することができる。

過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０未満の場合、酸化反応の進行度が不足のときは過酸化物濃度ｃ１が酸化物濃度ｃ２以上、酸化反応の進行度が過剰のときは過酸化物濃度ｃ１が酸化物濃度ｃ２未満となる。燃料に含まれる炭化水素が酸化物まで分解されると、改質燃料の発熱量が低下し、エンジン出力が低下する。すなわち、エンジン１の出力トルクは、改質燃料の発熱量と燃料噴射量との積に比例する。酸化物濃度ｃ２は、エンジン１の燃料噴射量と出力トルクとに基づいて推定することができる。

図４～図６は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置（以下、装置）１００の構成の一例を模式的に示す図である。図４～図６に示すように、装置１００は、燃料タンク１７からエンジン１のインジェクタ１１に至る燃料供給経路１８に介装され、燃料を酸化改質する改質器１９を有する改質ユニット２０と、改質ユニット２０の動作を制御するコントローラ５０とを備える。

燃料タンク１７には、燃料タンク１７に貯留された燃料の残量を検出する残量計１７ａが設けられる。残量計１７ａは、例えばフロート式のレベルセンサにより構成され、燃料タンク１７内の燃料の液面高さに応じた信号を出力する。

図４および図５に示すように、燃料供給経路１８は、燃料タンク１７から改質器１９を通過してエンジン１のインジェクタ１１に至る第１経路１８ａと、燃料タンク１７から改質器１９を迂回してエンジン１のインジェクタ１１に至る第２経路１８ｂとを有する。

改質ユニット２０は、燃料タンク１７から改質器１９に至る第１経路１８ａ上に、燃料タンク１７に貯留された燃料を汲み上げる燃料ポンプ２１ａと、燃料の流量を検出する流量計２２と、第１経路１８ａを開閉する開閉弁２３と、混合器２４とを有する。また、改質器１９からエンジン１のインジェクタ１１に至る第１経路１８ａ上に、車両の走行風などにより改質燃料を冷却する凝集器２５と、改質燃料の気液分離を行う気液分離器２６と、燃料を圧送する高圧ポンプ２７とを有する。なお、図４および図１に示すように、改質燃料の気相は、第３経路１８ｃを介してエンジン１の吸気ポート５に供給され、新気とともに燃焼室１０内に吸い込まれる。

気液分離器２６には、改質燃料（液相）中の過酸化物濃度ｃ１を検出する濃度センサ２６ａが設けられる。濃度センサ２６ａは、例えば気液分離器２６の底部に設けられて気液分離器２６内の改質燃料の誘電率を測定する静電容量式の濃度センサにより構成され、改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１に応じた信号を出力する。

図４および図５に示すように、改質ユニット２０は、第２経路１８ｂ上にも燃料タンク１７に貯留された燃料を汲み上げる燃料ポンプ２１ｂを有し、燃料ポンプ２１ｂにより汲み上げられた燃料は、第２経路１８ｂを介して高圧ポンプ２７に供給される。高圧ポンプ２７の動作（燃料圧力）は、エンジンＥＣＵ２００（図６）により制御される。

図５に示すように、改質ユニット２０は、燃料供給経路１８を第１経路１８ａおよび第２経路１８ｂのいずれかに切り替える切替弁２８を有する。燃料供給経路１８が第１経路１８ａに切り替えられると、高圧ポンプ２７の動作に応じ、燃料タンク１７に貯留された燃料が改質器１９に供給されて改質され、改質燃料が高圧ポンプ２７を介してインジェクタ１１に供給され、燃焼室１０（図１）に噴射される。燃料供給経路１８が第２経路１８ｂに切り替えられると、高圧ポンプ２７の動作に応じ、燃料タンク１７に貯留された燃料が、改質器１９で改質されることなく、そのまま高圧ポンプ２７を介してインジェクタ１１に供給され、燃焼室１０（図１）に噴射される。

図４に示すように、改質ユニット２０は、混合器２４に空気を供給する空気供給経路３０上に、エアフィルタ３１と、空気を圧送する空気ポンプ３２と、空気の流量を検出する流量計３３と、空気供給経路３０を開閉する開閉弁３４とを有する。高圧ポンプ２７の動作に応じ、燃料供給経路１８（第１経路１８ａ）を介して混合器２４に供給された燃料と、空気ポンプ３２の動作に応じ、空気供給経路３０を介して混合器２４に供給された空気とは、混合器２４で混合され、改質器１９に供給される。

改質器１９は、例えば外管と内管とを有する二重管により構成され、外管と内管との間の円筒空間および内管内の空間の一方にＮＨＰＩ触媒などの固体触媒１９０が充填され、燃料が触媒存在下で酸化反応する反応器（固定床型反応器）として構成される。固体触媒１９０は、例えば、ＮＨＰＩ触媒が担持された直径１ｍｍ、高さ１ｍｍのシリカタブレットとして構成される。固体触媒１９０の担体としてシリカ・アルミナやゼオライトなどを用いてもよく、固体触媒１９０の形状をビーズや粉体としてもよい。

改質器１９は、円筒空間および内管内の空間の他方に経路１９１を介して暖機後のエンジン１から冷却水が供給され、反応器を昇温する還流管として構成される。暖機後のエンジン水温は、７０～１１０℃の温度範囲に維持されるため、燃料の酸化反応が好適に促進される。改質器１９（反応器）を昇温した後の冷却水は、経路１９２を介してエンジン１に還流される。

図６は、コントローラ５０周辺の要部構成の一例を概略的に示すブロック図である。
図６に示すように、コントローラ５０は、ＣＰＵ５１と、ＲＯＭ，ＲＡＭなどのメモリ５２と、Ｉ／Ｏインターフェースなどの図示しないその他の周辺回路とを有するコンピュータを含む電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成される。

コントローラ５０には、筒内圧センサ１２、クランク角センサ１５、トルクセンサ１６、流量計１７０、濃度センサ２６ａなどのセンサが電気的に接続され、各センサからの信号が入力される。また、コントローラ５０には、燃料ポンプ２１ａ，２１ｂ、開閉弁２３，３４、切替弁２８、空気ポンプ３２などのアクチュエータが電気的に接続され、コントローラ５０から各アクチュエータに制御信号が送信される。さらに、コントローラ５０は、車両に搭載されたＣＡＮ（Controller Area Network）などの通信ネットワークを介して、エンジンＥＣＵ２００などの他の車載ＥＣＵと通信可能に構成される。

メモリ５２には、各種制御のプログラムやプログラムで用いられる閾値などの情報が記憶される。ＣＰＵ５１は、機能的構成として、改質ユニット２０の動作を制御する改質ユニット制御部５３と、給油判定部５４と、改質要否判定部５５と、酸化進行度推定部５６とを有する。すなわち、ＣＰＵ５１は、改質ユニット２０の動作を制御する改質ユニット制御部５３と、給油判定部５４と、改質要否判定部５５と、酸化進行度推定部５６として機能する。

給油判定部５４は、残量計１７ａにより検出された、燃料タンク１７に貯留された燃料の残量の変化に基づいて、燃料タンク１７への燃料の給油の有無を判定する。例えば、車両およびコントローラ５０が起動されるたびに前回の燃料残量と今回の燃料残量とを比較することで、燃料タンク１７への燃料の給油の有無を判定する。フューエルリッドの開閉を検出することで給油の有無を判定してもよい。

改質要否判定部５５は、給油判定部５４により給油があったと判定されると、燃料の着火時期ｔｉに基づいて改質の要否を判定する。具体的には、筒内圧センサ１２により検出される燃焼室１０内の圧力と、クランク角センサ１５により検出されるクランク角とに基づいて燃料の着火時期ｔｉを算出し、着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０以上の場合は、改質が必要であると判定する。着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０未満の場合は、改質が不要であると判定する。

改質要否判定部５５は、改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１に基づいて改質の要否を判定してもよい。具体的には、濃度センサ２６ａにより検出された改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０未満の場合は、改質が必要であると判定し、所定濃度ｃ０以上の場合は、改質が不要であると判定する。

改質ユニット制御部５３は、改質要否判定部５５により改質が必要と判定されると、燃料タンク１７に貯留された燃料が改質器１９で改質されてインジェクタ１１に供給されるよう、切替弁２８により燃料供給経路１８を第１経路１８ａに切り替える（改質オン）。一方、改質要否判定部５５により改質が不要と判定されると、燃料タンク１７に貯留された燃料が改質器１９で改質されることなくインジェクタ１１に供給されるよう、切替弁２８により燃料供給経路１８を第２経路１８ｂに切り替える（改質オフ）。

酸化進行度推定部５６は、改質オンのとき、燃料の着火時期ｔｉに基づいて、改質器１９における酸化反応の進行度（酸化進行度）が適正範囲内であるか否かを判定する。具体的には、筒内圧センサ１２により検出される燃焼室１０内の圧力とクランク角センサ１５により検出されるクランク角とに基づいて改質燃料の着火時期ｔｉを算出し、着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０未満の場合は酸化進行度が適正範囲内であると判定する。着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０以上の場合は、酸化進行度が適正範囲外であると判定する。

酸化進行度推定部５６は、改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１に基づいて酸化進行度が適正範囲内であるか否かを判定してもよい。具体的には、濃度センサ２６ａにより検出された改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０以上の場合は、酸化進行度が適正範囲内であると判定し、過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０未満の場合は、酸化進行度が適正範囲外であると判定する。

さらに、酸化進行度推定部５６は、酸化進行度が適正範囲外であると判定すると、改質燃料中の酸化物濃度ｃ２に基づいて、酸化進行度の過不足を判定する。改質燃料中の酸化物濃度ｃ２は、インジェクタ１１による燃料噴射量と、トルクセンサ１６により検出されたエンジン１の出力トルクとに基づいて推定することができる。燃料噴射量は、流量計２２により検出される燃料流量に基づいて算出してもよく、エンジンＥＣＵ２００との通信により取得される燃料圧力（高圧ポンプ２７への指令値）と燃料噴射量（インジェクタ１１への指令値）とに基づいて算出してもよい。

酸化進行度推定部５６は、酸化物濃度ｃ２が濃度センサ２６ａにより検出された過酸化物濃度ｃ１以上の場合は、酸化進行度が過剰であると判定し、過酸化物濃度ｃ１未満の場合は、酸化進行度が不足していると判定する。酸化物濃度ｃ２が所定濃度ｃ０以上のときに酸化進行度が過剰であると判定し、所定値未満のときに酸化進行度が不足していると判定してもよい。

改質ユニット制御部５３は、酸化進行度推定部５６により推定された酸化反応の進行度に応じて、改質ユニット２０の動作を制御し、改質器１９による改質率を調整する。具体的には、酸化進行度が過剰と判定されると、空気ポンプ３２の動作を制御して改質器１９に供給される空気量を低下させ、改質器１９による改質率を低下させる。一方、酸化進行度が不足と判定されると、空気ポンプ３２の動作を制御して改質器１９に供給される空気量を増加させ、改質器１９による改質率を上昇させる。エンジン１と改質器１９との間で還流される冷却水の流量を調整することで改質器１９による改質率を調整してもよい。

図７Ａおよび図７Ｂは、コントローラ５０のＣＰＵ５１により実行される改質切替処理の一例を示すフローチャートである。図７Ａおよび図７Ｂの処理は、例えば車両およびコントローラ５０が起動されると開始される。

図７Ａの処理では、先ずステップＳ１で、給油判定部５４での処理により、車両およびコントローラ５０の停止中に燃料タンク１７への燃料の給油があったか否かを判定する。ステップＳ１で肯定されると、ステップＳ２Ａに進み、否定されると、処理を終了する。ステップＳ２Ａでは、改質要否判定部５５での処理により、着火時期ｔｉを算出し、着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０以上であるか否かを判定する。

ステップＳ２Ａで肯定されると、燃料の着火性が不十分であるとしてステップＳ３に進み、改質ユニット制御部５３での処理により、切替弁２８の動作を制御して燃料供給経路１８を第１経路１８ａに切り替え、改質器１９での改質をオンにして処理を終了する。一方、ステップＳ２Ａで否定されると、燃料の着火性が十分であるとしてステップＳ４に進み、改質ユニット制御部５３での処理により、切替弁２８の動作を制御して燃料供給経路１８を第２経路１８ｂに切り替え、改質器１９での改質をオフにして処理を終了する。

図７Ｂの処理では、図７ＡのステップＳ２Ａに代えて、ステップＳ２Ｂで、改質要否判定部５５での処理により、過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０未満であるか否かを判定し、燃料の着火性が不十分で改質の必要があるか否かを判定する。

このように、着火時期ｔｉや過酸化物濃度ｃ１に基づいて給油後の燃料タンク１７内の燃料の着火性が評価され（ステップＳ１，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ）、圧縮着火に適さない着火性の場合は燃料が改質器１９で改質されてからエンジン１に供給される（ステップＳ３）。このため、低オクタン価ガソリンや通常のオクタン価のガソリンが給油され得るＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicle）に搭載される圧縮着火式エンジンの十分な燃焼性能を確保することができる。

図８Ａおよび図８Ｂは、コントローラ５０のＣＰＵ５１により実行される改質率調整処理の一例を示すフローチャートである。図８Ａおよび図８Ｂの処理は、例えば改質器１９による改質がオンになると開始される。

図８Ａの処理では、先ずステップＳ５で、改質器１９による改質がオンであるか否かを判定する。ステップＳ５で肯定されると、ステップＳ６Ａに進み、否定されると、処理を終了する。ステップＳ６Ａでは、酸化進行度推定部５６での処理により、改質燃料の着火時期ｔｉを算出し、着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０未満であるか否かを判定する。ステップＳ６Ａで肯定されると、改質器１９における酸化進行度が適正範囲内であると判定し、処理を終了する。

一方、ステップＳ６Ａで否定されると、改質器１９における酸化進行度が適正範囲外であると判定し、ステップＳ７に進んで改質燃料中の酸化物濃度ｃ２を算出し、酸化物濃度ｃ２が過酸化物濃度ｃ１以上であるか否かを判定する。ステップＳ７で肯定されると、ステップＳ８に進み、否定されると、ステップＳ９に進む。ステップＳ８では、酸化進行度が過剰であるとして、改質ユニット制御部５３での処理により、空気ポンプ３２の動作を制御して改質器１９に供給される空気量を低下させ、改質器１９による改質率を低下させ、ステップＳ６Ａに戻る。

ステップＳ９では、酸化進行度推定部５６での処理により、酸化物濃度ｃ２が過酸化物濃度ｃ１未満であるか否かを判定する。ステップＳ９で肯定されると、ステップＳ１０に進み、否定されると、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１０では、酸化進行度が不足しているとして、改質ユニット制御部５３での処理により、空気ポンプ３２の動作を制御して改質器１９に供給される空気量を増加させ、改質器１９による改質率を上昇させ、ステップＳ６Ａに戻る。ステップＳ１１では、装置１００が故障していると判定し、例えばエンジンＥＣＵ２００に故障コードを送信して処理を終了する。

図８Ｂの処理では、図８ＡのステップＳ６Ａに代えて、ステップＳ６Ｂで、酸化進行度推定部５６での処理により、改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０以上であるか否かを判定する。

このように、改質器１９における酸化進行度を推定し（ステップＳ６Ａ，Ｓ６Ｂ，Ｓ７，Ｓ９）、酸化進行度に応じて改質器１９による改質率を調整することで（ステップＳ８，Ｓ１０）、燃料を圧縮着火に適した状態まで改質することができる。また、さまざまなオクタン価のガソリンが給油される場合や、オクタン価の異なる複数のガソリンが燃料タンク１７中で混合される場合であっても、ＦＦＶに搭載される圧縮着火式エンジンの十分な燃焼性能を確保することができる。

図９は、装置１００の変形例である装置１００Ａの構成の一例を模式的に示す図である。装置１００Ａは、装置１００と異なり、燃料タンク１７から改質器１９を迂回してエンジン１のインジェクタ１１に至る第２経路１８ｂおよび燃料ポンプ２１ｂ（図４）を有さず、第１経路１８ａと第２経路１８ｂとを切り替える切替弁２８（図５）を有しない。

装置１００Ａの改質ユニット制御部５３は、開閉弁３４および空気ポンプ３２の動作を制御して改質器１９に供給される空気の供給、遮断を切り替え、改質器１９による改質のオン、オフを切り替える。すなわち、改質が必要な場合は、開閉弁３４を開放して空気ポンプ３２により改質器１９に空気を供給し、改質器１９における酸化反応を進行させる。一方、改質が必要な場合は、開閉弁３４を閉鎖して改質器１９への空気の供給を遮断し、改質器１９における酸化反応を停止させる。エンジン１と改質器１９との間で還流される冷却水の供給、遮断を切り替え、改質器１９による改質のオン、オフを切り替えてもよい。この場合、燃料供給経路１８が第１経路１８ａに統一されるため、装置全体を小型化することができる。

図１０および図１１は、装置１００の変形例である装置１００Ｂの構成の一例を模式的に示す図である。装置１００Ｂは、装置１００の構成に加え、ＮＨＰＩ触媒などの触媒（粉体）を適宜な溶媒に混合した触媒溶液が貯留された触媒タンク４０を有する。また、装置１００Ｂは、改質器１９に触媒を供給する触媒供給経路４１上に、フィルタ４２と、触媒を圧送する触媒ポンプ４３と、触媒の流量を検出する流量計４４と、触媒供給経路４１を開閉する開閉弁４５とを有する。

装置１００Ｂの改質器１９には、タブレットやビーズ、粉体などの適宜な充填剤１９０Ｂが充填され、酸化反応の反応場となる充填剤１９０Ｂの隙間が消炎距離に対応する２ｍｍ以下となるように構成される。充填剤１９０Ｂの隙間が最大安全隙間以下、例えば最大安全隙間となるように構成してもよい。改質器１９（反応器部分）を多孔質素材により構成してもよく、二重管反応器の外管内壁と内管外壁との距離が２ｍｍ以下となるように構成してもよい。これにより、改質器１９の安全性を高めることができる。

装置１００Ｂの改質器１９は、触媒溶液が反応物とともに反応器内を流動する流動床反応器として機能する。この場合、触媒（粉体）の粒子径を小さくすることができ、反応効率を向上することができる。また、ＮＨＰＩ触媒は、改質燃料から分離する必要がなく、そのままインジェクタ１１に供給することができるため、装置全体を簡易な構成とすることができる。

装置１００Ｂの改質ユニット制御部５３は、空気ポンプ３２に加え、触媒ポンプ４３の動作を制御することで、改質器１９による改質率を調整する。具体的には、触媒ポンプ４３の動作を制御し、改質器１９に供給される触媒量を低下させることで改質器１９による改質率を低下させ、改質器１９に供給される触媒量を増加させることで改質器１９による改質率を上昇させる。

図１２は、装置１００Ｂの変形例である装置１００Ｃの構成の一例を模式的に示す図である。装置１００Ｃは、装置１００Ｂと異なり、燃料タンク１７から改質器１９を迂回してエンジン１のインジェクタ１１に至る第２経路１８ｂおよび燃料ポンプ２１ｂ（図１０）を有さず、第１経路１８ａと第２経路１８ｂとを切り替える切替弁２８（図５）を有しない。

装置１００Ｃの改質ユニット制御部５３は、開閉弁３４，４５および空気ポンプ３２、触媒ポンプ４３の動作を制御して改質器１９に供給される空気および触媒の供給、遮断を切り替え、改質器１９による改質のオン、オフを切り替える。すなわち、改質が必要な場合は、開閉弁３４，４５を開放して空気ポンプ３２、触媒ポンプ４３により改質器１９に空気および触媒を供給し、改質器１９における酸化反応を進行させる。一方、改質が必要な場合は、開閉弁３４，４５を閉鎖して改質器１９への空気および触媒の供給を遮断し、改質器１９における酸化反応を停止させる。エンジン１と改質器１９との間で還流される冷却水の供給、遮断を切り替え、改質器１９による改質のオン、オフを切り替えてもよい。この場合、燃料供給経路１８が第１経路１８ａに統一されるため、装置全体を小型化することができる。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）装置１００は、燃料タンク１７から導かれた燃料を燃焼室１０に噴射するインジェクタ１１を有し、燃焼室１０で圧縮着火により燃焼が行われるように構成されたエンジン１と、燃料タンク１７からインジェクタ１１に至る燃料供給経路１８に介装され、燃料タンク１７に貯留された燃料を酸化反応により改質する改質器１９を有する改質ユニット２０と、改質ユニット２０の動作を制御する改質ユニット制御部５３と、改質器１９における酸化反応の進行度を推定する酸化進行度推定部５６とを備える（図４～図６、図９～図１２）。改質ユニット制御部５３は、酸化進行度推定部５６により推定された酸化反応の進行度に応じて改質ユニット２０の動作を制御する。酸化進行度に応じて改質率を調整することで、燃料を圧縮着火に適した状態まで改質することができる。

（２）装置１００は、燃焼室１０の内部の筒内圧を検出する筒内圧センサ１２をさらに備える（図１）。酸化進行度推定部５６は、筒内圧センサ１２により検出された筒内圧に基づいて、燃焼室１０に燃料が噴射されてから燃料が圧縮着火されるまでの着火遅れ時間（着火時期ｔｉ）を算出する。酸化進行度推定部５６は、算出された着火時期ｔｉが所定クランク角ｔｉ０未満のとき、改質器１９における酸化反応の進行度が適正範囲内であると判定する。一方、所定クランク角ｔｉ０以上のとき、改質器１９における酸化反応の進行度が適正範囲外であると判定する。改質燃料の実際の着火性を評価することで、燃料が圧縮着火に適した状態まで改質されているか否かを確認することができる。

（３）装置１００は、改質器１９により改質された改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１を検出する濃度センサ２６ａをさらに備える（図４～図６、図９～図１２）。酸化進行度推定部５６は、濃度センサ２６ａにより検出された過酸化物濃度ｃ１が所定濃度ｃ０以上のとき、改質器１９における酸化反応の進行度が適正範囲内であると判定する。一方、所定濃度ｃ０未満のとき、改質器１９における酸化反応の進行度が適正範囲外であると判定する。改質燃料中の過酸化物濃度ｃ１を確認することで、実際の着火性を確認することなく、燃料が圧縮着火に適した状態まで改質されているか否かを確認することができる。

（４）酸化進行度推定部５６は、改質器１９における酸化反応の進行度が適正範囲外であると判定すると、インジェクタ１１による燃料噴射量とエンジン１の出力トルクとに基づいて改質器１９により改質された改質燃料中の酸化物濃度ｃ２を推定する。推定された酸化物濃度ｃ２が所定濃度ｃ０以上のとき、改質器１９における酸化反応の進行度が過剰であると判定する。一方、所定濃度ｃ０未満のとき、改質器１９における酸化反応の進行度が不足していると判定する。酸化進行度の過不足を判定することで、改質器１９による改質率を適切に調整することができる。

（５）酸化進行度推定部５６は、改質器１９における酸化反応の進行度が適正範囲外であると判定すると、インジェクタ１１による燃料噴射量とエンジン１の出力トルクとに基づいて改質器１９により改質された改質燃料中の酸化物濃度ｃ２を推定する。推定された酸化物濃度ｃ２が濃度センサ２６ａにより検出された過酸化物濃度ｃ１以上のとき、改質器１９における酸化反応の進行度が過剰であると判定する。一方、濃度センサ２６ａにより検出された過酸化物濃度ｃ１未満のとき、改質器１９における酸化反応の進行度が不足していると判定する。酸化物濃度ｃ２と過酸化物濃度ｃ１とを比較することで、酸化進行度の過不足を正確に判定することができる。

上記実施形態では、改質器における酸化反応の進行度を評価するための閾値の一例として、具体的なオクタン価や、改質燃料中の過酸化物および酸化物の濃度を示して説明したが、各閾値は、これらに限定されるものではない。

上記実施形態では、燃料改質装置を車両（ＦＦＶ）に搭載されたエンジン１に適用する例を示したが、内燃機関は、車載エンジンに限定されず、発電機や作業機などの製品に搭載されるものでもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

１ エンジン、１０ 燃焼室、１１ インジェクタ、１２ 筒内圧センサ、１７ 燃料タンク、１７ａ 残量計、１８ 燃料供給経路、１８ａ 第１経路、１８ｂ 第２経路、１９ 改質器、２０ 改質ユニット、２３，３４，４５ 開閉弁、２６ａ 濃度センサ、２８ 切替弁、３２ 空気ポンプ、４０ 触媒タンク、４３ 触媒ポンプ、５０ コントローラ、５１ ＣＰＵ、５２ メモリ、５３ 改質ユニット制御部、５４ 給油判定部、５５ 改質要否判定部、５６ 酸化進行度推定部、１００，１００Ａ～１００Ｃ 燃料改質装置（装置）

Claims (4)

1. 燃料タンクから導かれた燃料を燃焼室に噴射するインジェクタを有し、前記燃焼室で圧縮着火により燃焼が行われるように構成された内燃機関と、
   前記燃料タンクから前記インジェクタに至る燃料供給経路に介装され、前記燃料タンクに貯留された燃料を酸化反応により改質する改質器を有する改質ユニットと、
   前記改質ユニットの動作を制御する改質制御部と、
   前記改質器における酸化反応の進行度を推定する酸化進行度推定部と、
   前記燃焼室の内部の筒内圧を検出する筒内圧センサと、を備え、
   前記酸化進行度推定部は、前記筒内圧センサにより検出された筒内圧に基づいて、前記燃焼室に燃料が噴射されてから燃料が圧縮着火されるまでの着火遅れ時間を算出し、算出された着火遅れ時間が所定時間未満のとき、前記改質器における酸化反応の進行度が適正範囲内であると判定する一方、前記所定時間以上のとき、前記改質器における酸化反応の進行度が前記適正範囲外であると判定し、
   前記改質制御部は、前記酸化進行度推定部により推定された酸化反応の進行度に応じて前記改質ユニットの動作を制御することを特徴とする燃料改質装置。
2. 燃料タンクから導かれた燃料を燃焼室に噴射するインジェクタを有し、前記燃焼室で圧縮着火により燃焼が行われるように構成された内燃機関と、
   前記燃料タンクから前記インジェクタに至る燃料供給経路に介装され、前記燃料タンクに貯留された燃料を酸化反応により改質する改質器を有する改質ユニットと、
   前記改質ユニットの動作を制御する改質制御部と、
   前記改質器における酸化反応の進行度を推定する酸化進行度推定部と、
   前記改質器により改質された燃料に含まれる過酸化物の濃度を検出する濃度センサと、を備え、
   前記酸化進行度推定部は、前記濃度センサにより検出された過酸化物の濃度が所定濃度以上のとき、前記改質器における酸化反応の進行度が適正範囲内であると判定する一方、前記所定濃度未満のとき、前記改質器における酸化反応の進行度が前記適正範囲外であると判定し、
   前記改質制御部は、前記酸化進行度推定部により推定された酸化反応の進行度に応じて前記改質ユニットの動作を制御することを特徴とする燃料改質装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料改質装置において、
   前記酸化進行度推定部は、前記改質器における酸化反応の進行度が前記適正範囲外であると判定すると、前記インジェクタによる燃料噴射量と前記内燃機関の出力トルクとに基づいて前記改質器により改質された燃料に含まれる酸化物の濃度を推定し、推定された酸化物の濃度が所定値以上のとき、前記改質器における酸化反応の進行度が過剰であると判定する一方、前記所定値未満のとき、前記改質器における酸化反応の進行度が不足していると判定することを特徴とする燃料改質装置。
4. 請求項２に記載の燃料改質装置において、
   前記酸化進行度推定部は、前記改質器における酸化反応の進行度が前記適正範囲外であると判定すると、前記インジェクタによる燃料噴射量と前記内燃機関の出力トルクとに基づいて前記改質器により改質された燃料に含まれる酸化物の濃度を推定し、推定された酸化物の濃度が前記濃度センサにより検出された過酸化物の濃度以上のとき、前記改質器における酸化反応の進行度が過剰であると判定する一方、前記濃度センサにより検出された過酸化物の濃度未満のとき、前記改質器における酸化反応の進行度が不足していると判定することを特徴とする燃料改質装置。

Images