ガソリンエンジン
【課題】排気ガスの熱でナフテンを芳香族に転化できる反応器を具えた火花点火（ＳＡ）エンジン及び予混合化圧縮着火（ＣＡＩ）エンジンを提供する。
【解決手段】ＳＡエンジンに排気ガスの熱を利用してナフテンを芳香族に転化できる反応器（６）を装着することで、廃熱回収、熱効率の向上を図る。また、ＣＡＩエンジンに反応器を装着することで、低負荷などの低温度条件下ではセタン価の高いベース燃料（ナフテン系燃料）を、高負荷条件下ではオクタン価の高い改質油（芳香族系燃料）を供給することで、予混合化圧縮着火（ＣＡＩ）運転領域を飛躍的に拡大させてＣＯ2 の削減を図る。
【解決手段】ＳＡエンジンに排気ガスの熱を利用してナフテンを芳香族に転化できる反応器（６）を装着することで、廃熱回収、熱効率の向上を図る。また、ＣＡＩエンジンに反応器を装着することで、低負荷などの低温度条件下ではセタン価の高いベース燃料（ナフテン系燃料）を、高負荷条件下ではオクタン価の高い改質油（芳香族系燃料）を供給することで、予混合化圧縮着火（ＣＡＩ）運転領域を飛躍的に拡大させてＣＯ2 の削減を図る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火エンジン用燃料、例えばガソリン留分を燃料とするエンジンであって、エンジンの排気ガスの熱を利用した脱水素触媒による脱水素反応によってガソリン等のベース燃料をよりオクタン価の高い改質燃料に改質する反応器を備えたガソリンエンジンに係り、火花点火（ＳＡ）式のガソリンエンジンにおける性能向上や、予混合圧縮着火（ＣＡＩ）式のガソリンエンジンにおいてＣＡＩ燃焼領域の拡大による燃費向上を図り、ＣＯ2 の排出量を抑制したガソリンエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）と、これら有害成分の大気中の濃度との間には一定の関係があると考えられる。このため、大気環境改善の観点から、自動車から排出されるこれら有害排出ガス成分の削減が強く求められている。さらに、地球温暖化防止のためには、化石燃料の燃焼で排出されるＣＯ2 の削減が必要であり、自動車からのＣＯ2 排出の削減が求められている。このように、自動車においては、有害排出ガス成分の排出削減とＣＯ2 の排出削減を同時に達成する必要があり、そのためにガソリンを利用する火花点火（ＳＡ）エンジン（以下、ＳＡガソリンエンジンと呼ぶ）の熱効率向上が求められている。さらには、ＳＡガソリンエンジンの熱効率を向上させるために、ＳＡガソリンエンジンの運転領域の全部または一部の領域を予混合圧縮着火（ＣＡＩ：Controlled Auto-ignition）燃焼させるＣＡＩエンジン（以下、ＣＡＩガソリンエンジンと呼ぶ）が注目されている。
【０００３】
ＳＡガソリンエンジンでの熱効率向上策としては、圧縮比の向上、水素の利用、排気ガスの熱回収などの手段が研究されている。圧縮比の向上はノッキングの増大を招くので、燃料のオクタン価を高める必要があるが、高オクタン価ガソリンの製造に伴って製油所ではＣＯ2 の増大が起こってしまう。また水素はオクタン価が高く、且つ燃焼速度が速い優れた燃料であるが、水素を自動車に供給・貯蔵するシステムの構築が必要であり、社会的なインフラの整備も含めて、水素の利用は極めて困難である。また排気ガスの熱回収については、比較的低温である排気ガスの熱回収は困難であり実用化には至っていない。
【０００４】
一方、予混合圧縮着火（ＣＡＩ）燃焼は、排出ガスの低減と燃費の向上を同時に達成できる燃焼方式として注目され、広範囲に渡る研究が進められている。ＣＡＩガソリンエンジンでは、燃焼の開始（着火）を燃料の自己着火に依存しているので、燃焼室内の温度が低い冷機時や低負荷条件下では、着火性に優れた（セタン価の高い、すなわちオクタン価の低い）燃料が求められている。一方、燃焼室内の温度が高い高負荷条件下では、着火性の良好な燃料は、燃焼室内で多点同時着火による急激な燃焼（ノッキング）を起こすので、ＮＯｘや燃焼騒音の急増やエンジンの損傷を起こす事から、着火性の低い（セタン価の低い、すなわちオクタン価の高い）燃料が有効である。エンジンの運転条件によって着火性を変化させる燃料は見出されていないので、ＣＡＩ燃焼が可能な運転領域は限定され、ＣＡＩガソリンエンジンの優位性が制限されている。すなわち、運転条件によって着火性の異なる燃料を供給できれば、より広範囲な運転領域でＣＡＩ燃焼が成立し、ＣＯ2 削減に大きく貢献できる。
【０００５】
そこで、低温条件下ではセタン価の高い燃料を供給し、高温条件下ではオクタン価の高い燃料を供給する方法として、下記特許文献１乃至２に開示されているように、着火性の異なる二種類の燃料を自動車に供給し、運転条件によって使用する燃料を変更するシステムが提案されている。しかしながら、該システムを有する自動車を実用化するためには、二種類の燃料を供給する社会インフラの構築が必要であり、かつ消費者は二種類の燃料を適宜給油する必要があり、実用化に向けた大きな障害になっている。
【特許文献１】特開２００１−２５４６６０号広報
【特許文献２】特開２００５−１３９９４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳＡガソリンエンジンでの熱効率向上策としては、排気ガスの熱を利用して（廃熱回収）、燃料を改質（オクタン価の向上）し、水素を回収できる装置を自動車に搭載できれば、ＳＡガソリンエンジンの熱効率向上に大きく貢献できると考えられる。
【０００７】
また、予混合圧縮着火（ＣＡＩ）燃焼のＣＡＩガソリンエンジンでは、一種類の燃料を自動車に供給し、自動車で（オンサイトで）燃料を改質して着火性を変化させ、運転条件に適合させて改質前後の燃料を適宜供給できれば、社会インフラの構築や消費者の利便性悪化を来たすことなく、ＣＡＩ燃焼領域を大きく拡大でき、ＣＯ2 の削減に寄与できると考えられる。
【０００８】
そこで、本発明は、自動車に設置され排気ガスの熱を有効に利用して作動する反応器によって燃料を改質するとともに水素を生成できるガソリンエンジンを提供することにより、ＳＡガソリンエンジンの性能向上を図るとともに、予混合化圧縮着火（ＣＡＩ）ガソリンエンジンにおいては広範囲の運転条件下でＣＡＩ燃焼を成立させうるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究に励んだ結果、火花点火エンジン用燃料、例えばガソリン留分であるナフテン系燃料をベース燃料としてエンジン本体に供給するガソリンエンジンにおいて、エンジン本体からの排気ガスの熱を利用してベース燃料を脱水素反応で改質できる脱水素触媒を充填した反応器を設け、これにベース燃料、例えばナフテンを通過させ、これによってベース燃料よりも高い適切なオクタン価を有する改質燃料、例えば芳香族系燃料をオンサイトで製造し、これをエンジンに供給するエンジンシステムが有効であることを見出し、以下に説明する本発明を完成させるに至った。
【００１０】
請求項１に記載されたガソリンエンジンは、
供給された燃料に点火するスパークプラグを備えたエンジン本体と、前記エンジン本体から排出される排気ガスの熱と脱水素触媒を用いてベース燃料の一部をベース燃料よりオクタン価の高い改質燃料に改質するとともに水素を生成する反応器とを有し、
前記ベース燃料と前記改質燃料を前記エンジン本体に供給して燃焼させることにより駆動されることを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記水素を、前記エンジン本体に供給して燃焼させることを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記反応器から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒を備え、前記水素を前記排気ガス浄化触媒に供給して還元させることを特徴としている。
【００１３】
請求項４に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記改質燃料を、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して前記スパークプラグにより点火して燃焼させることを特徴としている。
【００１４】
請求項５に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御し、前記スパークプラグにより点火して燃焼させることを特徴としている。
【００１５】
請求項６に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記改質燃料を、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して、燃料と空気の混合気を圧縮して自己着火により点火して燃焼させることを特徴としている。
【００１６】
請求項７に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御し、燃料と空気の混合気を圧縮して自己着火により点火して燃焼させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
このように、本発明のガソリンエンジンは、吸熱反応により例えばナフテンを芳香族に転化する脱水素触媒を充填した反応器を具えており、この反応器を排気ガスの熱で作動させるものであるため、排気ガスの熱を有効利用して燃料改質を行ない、水素を生成することができる。従って、特定の蒸留性状（ガソリン留分）を有し、例えばナフテンが豊富な燃料油組成物を、これよりも高いオクタン価を有する改質燃料、例えば芳香族系燃料に改質して火花点火エンジン（ＳＡガソリンエンジン）や予混合圧縮着火エンジン（ＣＡＩガソリンエンジン）に供給することができ、排気ガスとＣＯ2 の効果的な同時削減を達成することが可能となる。
【００１８】
また、本発明のガソリンエンジンによれば、生成した水素は希薄燃焼条件下でエンジン本体に供給して燃焼させることにより、熱効率をさらに向上させることができる。
【００１９】
また、本発明のガソリンエンジンが、反応器から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒を備えている場合、生成した水素を排気ガス浄化触媒に供給して還元させることができる。
【００２０】
また、本発明のガソリンエンジンが火花点火エンジンシステムであるＳＡエンジンである場合には、低温条件下（反応器が作動しない排気ガス温度条件下）では、オクタン価の低い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給し、高温条件下ではオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）をエンジンに供給することにより、廃熱回収、高オクタン価燃料の供給、水素の活用を行うことができる。
【００２１】
また、本発明のガソリンエンジンが火花点火エンジンシステムであるＳＡエンジンである場合において、相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御して駆動することもできる。
【００２２】
また、本発明のガソリンエンジンが予混合化圧縮着火エンジンシステムであるＣＡＩ エンジンである場合には、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して駆動することもできる。
【００２３】
また、本発明のガソリンエンジンが予混合化圧縮着火エンジンシステムであるＣＡＩエンジンである場合には、低温条件下ではセタン価の高い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給して低負荷限界を拡大し、高温条件下ではオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）を供給して高負荷限界を拡大すると同時に、廃熱回収と水素の活用を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
１．第１実施形態（図１）
以下に、本発明の第１実施形態を図１を参照して詳細に説明する。
本例は、混合気を圧縮してスパークプラグで着火するガソリンエンジンに係り、特に排気ガスの熱と脱水素触媒を用いてベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質して水素を生成する反応器を備えたガソリンエンジンに関するものである。
【００２５】
ベース燃料は、市販ガソリンエンジンの場合と同様に、例えばガソリンのような火花点火エンジン用燃料を使用する。本例のガソリンエンジンでは、ベース燃料と改質燃料を燃焼させることが主目的であり、水素は副燃料としても使用可能な副生産物として位置づけられるため、ベース燃料及び改質燃料が共にガソリンの性状を有していれば、ベース燃料のナフテン含有量は少なくてもよい。
【００２６】
ベース燃料は、ＭＰＩ（マルチポートインジェクション）エンジンのように、ベース燃料タンク(1) から、ポンプ(2) に加圧されて噴射弁(3) から吸気管(4) に噴射され、エンジン本体(5) に供給されてスパークプラグ(13)により着火し、燃焼される構成としてもよいし、またＳＩＤＩ（スパークイグニッションダイレクトインジェクション）エンジンのように、噴射弁(3) からエンジン本体(5) に直接噴射供給してスパークプラグ(13)により着火し、燃焼される構成としてもよい。
【００２７】
本例のガソリンエンジンは、ベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質して水素を生成する反応器(6) を備えている。反応器(6) の容器内には、吸熱反応である脱水素反応によってベース燃料から水素を引き抜く脱水素触媒が収納されている。この反応器(6) には、ベース燃料タンク(1) からベース燃料を供給するためにポンプ(2) が接続されており、またエンジン本体(5) から排気ガスを排出する排気管が接続されている。これによって、ベース燃料タンクから反応器(6) に供給されたベース燃料は、エンジン本体(5) から排出される排気ガスの熱を有効に利用して脱水素触媒により脱水素反応を起こし、オクタン価の高い改質燃料に改質され、また副産物として水素が生成される。なお、反応器(6) から排出された排気ガスは排気ガス浄化触媒（例えばＮＯX 吸蔵触媒）(10)を経て排出される。
【００２８】
排気ガスの温度が反応器(6) が作動する温度以上に高まると、ベース燃料は上述のように反応器(6) を経て改質され、得られた改質燃料は、改質燃料系として設けたタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) を経てエンジン本体(5) に供給される。改質燃料の供給は、図１中実線で示すように直噴ガソリンエンジンのごとく直接エンジン本体(5) に噴射してもよいし、図１中破線で示すように吸気管(4) に供給しても良い。
【００２９】
改質燃料専用の供給系であるタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) を用いてエンジン本体(5) に必要に応じて改質燃料を供給できる構成をとることにより、オクタン価が高い改質燃料を、高いオクタン価の燃料が必要になる高負荷時のみに特化して供給することが可能となるので、熱効率が改善され、エンジン出力性能が向上する。また、エンジン条件（負荷、速度等）を図示しないセンサ等によって検出し、適当なエンジン条件を境として燃料の種類を切り替え、又はエンジン条件の変化に伴って前記ベース燃料と前記改質燃料の二種類の燃料の供給比率を適宜に変更していくように、図示しない制御手段による燃料供給制御を行うこともできる。
【００３０】
ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、精製することなく図１中破線で示すように吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼に利用しても良いし、また同図中実線で示すようにタンク(11)に貯蔵し、噴射系(12)で吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼させてもよい。水素専用のタンク(11)及び噴射系(12)を設けた場合には、水素を希薄燃焼条件下でのみ利用することができ、水素による燃焼効率のさらなる向上が得られる。すなわち、高負荷時にはより多くの空気を供給するために充填効率が高い条件下で燃焼する必要があるため、かかる条件下で水素を供給するとその分だけ空気量が減少して充填効率が低下し、好ましくないが、出力が低い希薄燃焼条件下であれば水素を供給することによって燃焼効率向上の効果が得られるからである。
【００３１】
また、ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、上述のようにエンジン本体(5) に供給して燃焼効率の向上に役立てる他、又はかかる用途と共に、図１中破線で示すように排気ガス浄化触媒(10)に供給して触媒の被毒回復運転時の還元剤として利用することもできる。
【００３２】
このように、排気ガス浄化触媒として例えばＮＯX 吸蔵触媒を装着したエンジンでは、触媒の硫黄被毒回復のために、反応器(6) で生成した水素を使用すれば、被毒回復運転に必用な燃料（リッチスパイク）の節約を通じて、燃費の向上に寄与できる。
【００３３】
なお、得られた改質燃料は、上述のように改質燃料系からエンジン本体(5) に供給してもよいが、ベース燃料タンク(1) に直接戻してもよい。この場合には、改質燃料系としてのタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) は不要であり、改質燃料はベース燃料とともにポンプ(2) によって加圧して噴射弁(3) から吸気管(4) に噴射され、エンジン本体(5) に供給されて燃焼されてもよいし、また噴射弁(3) からエンジン本体(5) に直接噴射供給して燃焼されてもよい。これらの場合には、高負荷時のみに高いオクタン価の改質燃料を供給することによる熱効率の改善は得られないが、少なくとも排気ガスの熱を回収して水素を燃焼することによる熱効率の向上又は排気ガス浄化触媒の還元の効果は得られる。
【００３４】
なお、ナフテン系燃料から水素を引き抜く脱水素触媒としては、例えば特開２００６−２５７９０６に記載されているように、２５０℃以上に加熱した白金を担持した触媒が利用可能であり、これによってベース燃料から、水素と、脱水素燃料である改質燃料としての芳香族系燃料を得ることができる。反応器(6) 中の脱水素触媒の温度は２５０℃以上、望ましくは３００℃以上が必用であるが、高転化率、すなわち、より多くの芳香族系燃料が必用な運転条件は高負荷条件下であり、その条件下では高い排気ガス温度が得られるので上記脱水素触媒によるベース燃料の脱水素反応は問題なく行なわれる。
【００３５】
なお、ベース燃料としては、セタン価が高く、かつ転化後のオクタン価が高い燃料が好ましく、エチルシクロヘキサン（ＣＮ＝４３、ＯＮ＝４５で転化後のエチルベンゼンではＣＮ＝８、ＯＮ＝１２４）、エチルシクロヘキサンとパラフィン系燃料（例えば、異性化ガソリン基材）の混合物、同左燃料にセタン価向上剤を添加した燃料を用いることができる。上述の燃料は、市販ガソリン（ＲＧでは ＣＮ＝１１、ＯＮ＝９０．５）に比較して、飛躍的にＣＮとＯＮを変化させることができる。
【００３６】
また、改質に伴う反応の一例を以下に示すが、１モルのシクロヘキサンから１モルのトルエンと３モルの水素が生成し、廃熱回収となっている。
Ｃ7 Ｈ14→Ｃ7 Ｈ8 ＋３Ｈ2 ＋△Ｈ＝２０５ｋＪ／ｍｏｌ
【００３７】
以上説明した第１実施形態のガソリンエンジンであるＳＡエンジンによれば、低温条件下（反応器が作動しない排気ガス温度条件下）では、オクタン価の低い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給し、改質によって得られたオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）は高温条件下においてのみエンジンに供給することにより、廃熱回収、高オクタン価燃料の供給、水素の活用（燃焼効率の向上、排気ガス浄化触媒の還元）を行うことができる。
【００３８】
２．第２実施形態（図２）
以下に、本発明の第２実施形態を図２を参照して詳細に説明する。
本例は、混合気を圧縮して自己着火させるガソリンエンジンに係り、特に排気ガスの熱と脱水素触媒を用いてベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質するとともに水素を生成する反応器を備え、これらオクタン価の異なる２種類の燃料を負荷に応じて適宜に供給制御することで排出ガスの低減と燃費の向上を同時に達成できるＣＡＩガソリンエンジンに関するものである。
【００３９】
ベース燃料は、市販ガソリンエンジンの場合と同様に、例えばガソリンのような火花点火エンジン用燃料を使用する。本例のガソリンエンジンでは、オクタン価が大きく異なる二種類の燃料を適宜制御して供給・燃焼させる必要があり、ベース燃料としてはナフテンリッチな燃料を用いることが前提となる。
【００４０】
低温度条件下では、ベース燃料は、ＭＰＩ（マルチポートインジェクション）エンジンのように、ベース燃料タンク(1) から、ポンプ(2) に加圧されて噴射弁(3) から吸気管(4) に噴射され、エンジン本体(5) に供給されて燃焼される構成としてもよいし、またＳＩＤＩ（スパークイグニッションダイレクトインジェクション）エンジンのように、噴射弁(3) からエンジン本体(5) に直接噴射供給して燃焼される構成としてもよい。
【００４１】
本例のガソリンエンジンは、ベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質して水素を生成する反応器(6) を備えている。反応器(6) の容器内には、吸熱反応である脱水素反応によってベース燃料から水素を引き抜く脱水素触媒が収納されている。この反応器(6) には、ベース燃料タンク(1) からベース燃料を供給するためにポンプ(2) が接続されており、またエンジン本体(5) から排気ガスを排出する排気管が接続されている。これによって、ベース燃料タンクから反応器(6) に供給されたベース燃料は、エンジン本体(5) から排出される排気ガスの熱を有効に利用して脱水素触媒により脱水素反応を起こし、オクタン価の高い改質燃料に改質され、また副産物として水素が生成される。なお、反応器(6) から排出された排気ガスは排気ガス浄化触媒（例えばＮＯX 吸蔵触媒）(10)を経て排出される。
【００４２】
高温度条件下では、排気ガスの温度が反応器(6) が作動する温度以上に高まると、ベース燃料は上述のように反応器(6) を経て改質され、得られた改質燃料は、改質燃料系として設けたタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) を経てエンジン本体(5) に供給される。改質燃料の供給は、図２中実線で示すように直噴ガソリンエンジンのごとく直接エンジン本体(5) に噴射してもよいし、図２中破線で示すように吸気管(4) に供給しても良い。
【００４３】
このように、本例のようなＣＡＩガソリンエンジンでは、燃焼の開始（着火）を燃料の自己着火に依存しているので、燃焼室内の温度が低い冷機時や低負荷条件下では、着火性に優れた（セタン価の高い、すなわちオクタン価の低い）燃料が必要であり、一方、燃焼室内の温度が高い高負荷条件下では、着火性の良好な燃料は、燃焼室内で多点同時着火による急激な燃焼（ノッキング）を起こすので、ＮＯX や燃焼騒音の急増やエンジンの損傷を起こす事から、着火性の低い（セタン価の低い、すなわちオクタン価の高い）燃料が必要となる。そこで、低温条件下ではセタン価の高い燃料を供給し、高温条件下ではオクタン価の高い燃料を供給するために、エンジン条件（負荷、速度等）を図示しないセンサ等によって検出し、適当なエンジン条件を境として燃料の種類を切り替え、又はエンジン条件の変化に伴って二種類の燃料の供給比率を適宜に変更していくように、図示しない制御手段による燃料供給制御を行い、より広範囲な運転領域でＣＡＩ燃焼を成立させて、排出ガスの低減と燃費の向上を同時に達成している。
【００４４】
ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、精製することなく図１中破線で示すように吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼に利用しても良いし、また同図中実線で示すようにタンク(11)に貯蔵し、噴射系(12)で吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼させてもよい。水素専用のタンク(11)及び噴射系(12)を設けた場合には、水素を希薄燃焼条件下でのみ利用することができ、水素による燃焼効率のさらなる向上が得られる。すなわち、高負荷時にはより多くの空気を供給するために充填効率が高い条件下で燃焼する必要があるため、かかる条件下で水素を供給するとその分だけ空気量が減少して充填効率が低下し、好ましくないが、出力が低い希薄燃焼条件下であれば水素を供給することによって燃焼効率向上の効果が得られるからである。
【００４５】
また、ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、上述のようにエンジン本体(5) に供給して燃焼効率の向上に役立てる他、又はかかる用途と共に、図１中破線で示すように排気ガス浄化触媒(10)に供給して触媒の被毒回復運転時の還元剤として利用することもできる。
【００４６】
このように、排気ガス浄化触媒として例えばＮＯX 吸蔵触媒を装着したエンジンでは、触媒の硫黄被毒回復のために、反応器(6) で生成した水素を使用すれば、被毒回復運転に必用な燃料（リッチスパイク）の節約を通じて、燃費の向上に寄与できる。
【００４７】
なお、ナフテン系燃料から水素を引き抜く脱水素触媒や、ベース燃料の具体例、改質に伴う反応の一例は第１実施形態で説明したものと同様であるのでその記述を援用するものとする。
【００４８】
以上説明した第２実施形態のガソリンエンジンであるＣＡＩエンジンによれば、低温条件下ではセタン価の高い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給して低負荷限界を拡大し、高温条件下ではオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）を供給して高負荷限界を拡大すると同時に、廃熱回収と水素の活用（燃焼効率の向上、排気ガス浄化触媒の還元）を図ることができる。
【００４９】
このように、本発明のガソリンエンジンは、吸熱反応により例えばナフテンを芳香族に転化する脱水素触媒を充填した反応器を具えており、この反応器を排気ガスの熱で作動させるものであるため、排気ガスの熱を有効利用して燃料改質を行ない、水素を生成することができる。従って、特定の蒸留性状（ガソリン留分）を有し、例えばナフテンが豊富な燃料油組成物を、これよりも高いオクタン価を有する改質燃料、例えば芳香族系燃料に改質して火花点火エンジン（ＳＡガソリンエンジン）や予混合圧縮着火エンジン（ＣＡＩガソリンエンジン）に供給することができ、排気ガスとＣＯ2 の効果的な同時削減を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１実施形態の全体構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の全体構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
(1) …ベース燃料タンク
(2) …ポンプ
(3) …噴射弁
(4) …吸気管
(5) …エンジン本体
(6) …反応器
(7) …改質燃料系のタンク
(8) …改質燃料系のポンプ
(9) …改質燃料系の噴射弁
(10)…排気ガス浄化触媒
(11)…水素貯蔵用のタンク
(12)…水素供給用の噴射系
(13)…スパークプラグ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火エンジン用燃料、例えばガソリン留分を燃料とするエンジンであって、エンジンの排気ガスの熱を利用した脱水素触媒による脱水素反応によってガソリン等のベース燃料をよりオクタン価の高い改質燃料に改質する反応器を備えたガソリンエンジンに係り、火花点火（ＳＡ）式のガソリンエンジンにおける性能向上や、予混合圧縮着火（ＣＡＩ）式のガソリンエンジンにおいてＣＡＩ燃焼領域の拡大による燃費向上を図り、ＣＯ2 の排出量を抑制したガソリンエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）と、これら有害成分の大気中の濃度との間には一定の関係があると考えられる。このため、大気環境改善の観点から、自動車から排出されるこれら有害排出ガス成分の削減が強く求められている。さらに、地球温暖化防止のためには、化石燃料の燃焼で排出されるＣＯ2 の削減が必要であり、自動車からのＣＯ2 排出の削減が求められている。このように、自動車においては、有害排出ガス成分の排出削減とＣＯ2 の排出削減を同時に達成する必要があり、そのためにガソリンを利用する火花点火（ＳＡ）エンジン（以下、ＳＡガソリンエンジンと呼ぶ）の熱効率向上が求められている。さらには、ＳＡガソリンエンジンの熱効率を向上させるために、ＳＡガソリンエンジンの運転領域の全部または一部の領域を予混合圧縮着火（ＣＡＩ：Controlled Auto-ignition）燃焼させるＣＡＩエンジン（以下、ＣＡＩガソリンエンジンと呼ぶ）が注目されている。
【０００３】
ＳＡガソリンエンジンでの熱効率向上策としては、圧縮比の向上、水素の利用、排気ガスの熱回収などの手段が研究されている。圧縮比の向上はノッキングの増大を招くので、燃料のオクタン価を高める必要があるが、高オクタン価ガソリンの製造に伴って製油所ではＣＯ2 の増大が起こってしまう。また水素はオクタン価が高く、且つ燃焼速度が速い優れた燃料であるが、水素を自動車に供給・貯蔵するシステムの構築が必要であり、社会的なインフラの整備も含めて、水素の利用は極めて困難である。また排気ガスの熱回収については、比較的低温である排気ガスの熱回収は困難であり実用化には至っていない。
【０００４】
一方、予混合圧縮着火（ＣＡＩ）燃焼は、排出ガスの低減と燃費の向上を同時に達成できる燃焼方式として注目され、広範囲に渡る研究が進められている。ＣＡＩガソリンエンジンでは、燃焼の開始（着火）を燃料の自己着火に依存しているので、燃焼室内の温度が低い冷機時や低負荷条件下では、着火性に優れた（セタン価の高い、すなわちオクタン価の低い）燃料が求められている。一方、燃焼室内の温度が高い高負荷条件下では、着火性の良好な燃料は、燃焼室内で多点同時着火による急激な燃焼（ノッキング）を起こすので、ＮＯｘや燃焼騒音の急増やエンジンの損傷を起こす事から、着火性の低い（セタン価の低い、すなわちオクタン価の高い）燃料が有効である。エンジンの運転条件によって着火性を変化させる燃料は見出されていないので、ＣＡＩ燃焼が可能な運転領域は限定され、ＣＡＩガソリンエンジンの優位性が制限されている。すなわち、運転条件によって着火性の異なる燃料を供給できれば、より広範囲な運転領域でＣＡＩ燃焼が成立し、ＣＯ2 削減に大きく貢献できる。
【０００５】
そこで、低温条件下ではセタン価の高い燃料を供給し、高温条件下ではオクタン価の高い燃料を供給する方法として、下記特許文献１乃至２に開示されているように、着火性の異なる二種類の燃料を自動車に供給し、運転条件によって使用する燃料を変更するシステムが提案されている。しかしながら、該システムを有する自動車を実用化するためには、二種類の燃料を供給する社会インフラの構築が必要であり、かつ消費者は二種類の燃料を適宜給油する必要があり、実用化に向けた大きな障害になっている。
【特許文献１】特開２００１−２５４６６０号広報
【特許文献２】特開２００５−１３９９４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳＡガソリンエンジンでの熱効率向上策としては、排気ガスの熱を利用して（廃熱回収）、燃料を改質（オクタン価の向上）し、水素を回収できる装置を自動車に搭載できれば、ＳＡガソリンエンジンの熱効率向上に大きく貢献できると考えられる。
【０００７】
また、予混合圧縮着火（ＣＡＩ）燃焼のＣＡＩガソリンエンジンでは、一種類の燃料を自動車に供給し、自動車で（オンサイトで）燃料を改質して着火性を変化させ、運転条件に適合させて改質前後の燃料を適宜供給できれば、社会インフラの構築や消費者の利便性悪化を来たすことなく、ＣＡＩ燃焼領域を大きく拡大でき、ＣＯ2 の削減に寄与できると考えられる。
【０００８】
そこで、本発明は、自動車に設置され排気ガスの熱を有効に利用して作動する反応器によって燃料を改質するとともに水素を生成できるガソリンエンジンを提供することにより、ＳＡガソリンエンジンの性能向上を図るとともに、予混合化圧縮着火（ＣＡＩ）ガソリンエンジンにおいては広範囲の運転条件下でＣＡＩ燃焼を成立させうるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究に励んだ結果、火花点火エンジン用燃料、例えばガソリン留分であるナフテン系燃料をベース燃料としてエンジン本体に供給するガソリンエンジンにおいて、エンジン本体からの排気ガスの熱を利用してベース燃料を脱水素反応で改質できる脱水素触媒を充填した反応器を設け、これにベース燃料、例えばナフテンを通過させ、これによってベース燃料よりも高い適切なオクタン価を有する改質燃料、例えば芳香族系燃料をオンサイトで製造し、これをエンジンに供給するエンジンシステムが有効であることを見出し、以下に説明する本発明を完成させるに至った。
【００１０】
請求項１に記載されたガソリンエンジンは、
供給された燃料に点火するスパークプラグを備えたエンジン本体と、前記エンジン本体から排出される排気ガスの熱と脱水素触媒を用いてベース燃料の一部をベース燃料よりオクタン価の高い改質燃料に改質するとともに水素を生成する反応器とを有し、
前記ベース燃料と前記改質燃料を前記エンジン本体に供給して燃焼させることにより駆動されることを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記水素を、前記エンジン本体に供給して燃焼させることを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記反応器から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒を備え、前記水素を前記排気ガス浄化触媒に供給して還元させることを特徴としている。
【００１３】
請求項４に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記改質燃料を、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して前記スパークプラグにより点火して燃焼させることを特徴としている。
【００１４】
請求項５に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御し、前記スパークプラグにより点火して燃焼させることを特徴としている。
【００１５】
請求項６に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
前記改質燃料を、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して、燃料と空気の混合気を圧縮して自己着火により点火して燃焼させることを特徴としている。
【００１６】
請求項７に記載されたガソリンエンジンは、請求項１記載のガソリンエンジンにおいて、
相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御し、燃料と空気の混合気を圧縮して自己着火により点火して燃焼させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
このように、本発明のガソリンエンジンは、吸熱反応により例えばナフテンを芳香族に転化する脱水素触媒を充填した反応器を具えており、この反応器を排気ガスの熱で作動させるものであるため、排気ガスの熱を有効利用して燃料改質を行ない、水素を生成することができる。従って、特定の蒸留性状（ガソリン留分）を有し、例えばナフテンが豊富な燃料油組成物を、これよりも高いオクタン価を有する改質燃料、例えば芳香族系燃料に改質して火花点火エンジン（ＳＡガソリンエンジン）や予混合圧縮着火エンジン（ＣＡＩガソリンエンジン）に供給することができ、排気ガスとＣＯ2 の効果的な同時削減を達成することが可能となる。
【００１８】
また、本発明のガソリンエンジンによれば、生成した水素は希薄燃焼条件下でエンジン本体に供給して燃焼させることにより、熱効率をさらに向上させることができる。
【００１９】
また、本発明のガソリンエンジンが、反応器から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒を備えている場合、生成した水素を排気ガス浄化触媒に供給して還元させることができる。
【００２０】
また、本発明のガソリンエンジンが火花点火エンジンシステムであるＳＡエンジンである場合には、低温条件下（反応器が作動しない排気ガス温度条件下）では、オクタン価の低い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給し、高温条件下ではオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）をエンジンに供給することにより、廃熱回収、高オクタン価燃料の供給、水素の活用を行うことができる。
【００２１】
また、本発明のガソリンエンジンが火花点火エンジンシステムであるＳＡエンジンである場合において、相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御して駆動することもできる。
【００２２】
また、本発明のガソリンエンジンが予混合化圧縮着火エンジンシステムであるＣＡＩ エンジンである場合には、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して駆動することもできる。
【００２３】
また、本発明のガソリンエンジンが予混合化圧縮着火エンジンシステムであるＣＡＩエンジンである場合には、低温条件下ではセタン価の高い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給して低負荷限界を拡大し、高温条件下ではオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）を供給して高負荷限界を拡大すると同時に、廃熱回収と水素の活用を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
１．第１実施形態（図１）
以下に、本発明の第１実施形態を図１を参照して詳細に説明する。
本例は、混合気を圧縮してスパークプラグで着火するガソリンエンジンに係り、特に排気ガスの熱と脱水素触媒を用いてベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質して水素を生成する反応器を備えたガソリンエンジンに関するものである。
【００２５】
ベース燃料は、市販ガソリンエンジンの場合と同様に、例えばガソリンのような火花点火エンジン用燃料を使用する。本例のガソリンエンジンでは、ベース燃料と改質燃料を燃焼させることが主目的であり、水素は副燃料としても使用可能な副生産物として位置づけられるため、ベース燃料及び改質燃料が共にガソリンの性状を有していれば、ベース燃料のナフテン含有量は少なくてもよい。
【００２６】
ベース燃料は、ＭＰＩ（マルチポートインジェクション）エンジンのように、ベース燃料タンク(1) から、ポンプ(2) に加圧されて噴射弁(3) から吸気管(4) に噴射され、エンジン本体(5) に供給されてスパークプラグ(13)により着火し、燃焼される構成としてもよいし、またＳＩＤＩ（スパークイグニッションダイレクトインジェクション）エンジンのように、噴射弁(3) からエンジン本体(5) に直接噴射供給してスパークプラグ(13)により着火し、燃焼される構成としてもよい。
【００２７】
本例のガソリンエンジンは、ベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質して水素を生成する反応器(6) を備えている。反応器(6) の容器内には、吸熱反応である脱水素反応によってベース燃料から水素を引き抜く脱水素触媒が収納されている。この反応器(6) には、ベース燃料タンク(1) からベース燃料を供給するためにポンプ(2) が接続されており、またエンジン本体(5) から排気ガスを排出する排気管が接続されている。これによって、ベース燃料タンクから反応器(6) に供給されたベース燃料は、エンジン本体(5) から排出される排気ガスの熱を有効に利用して脱水素触媒により脱水素反応を起こし、オクタン価の高い改質燃料に改質され、また副産物として水素が生成される。なお、反応器(6) から排出された排気ガスは排気ガス浄化触媒（例えばＮＯX 吸蔵触媒）(10)を経て排出される。
【００２８】
排気ガスの温度が反応器(6) が作動する温度以上に高まると、ベース燃料は上述のように反応器(6) を経て改質され、得られた改質燃料は、改質燃料系として設けたタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) を経てエンジン本体(5) に供給される。改質燃料の供給は、図１中実線で示すように直噴ガソリンエンジンのごとく直接エンジン本体(5) に噴射してもよいし、図１中破線で示すように吸気管(4) に供給しても良い。
【００２９】
改質燃料専用の供給系であるタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) を用いてエンジン本体(5) に必要に応じて改質燃料を供給できる構成をとることにより、オクタン価が高い改質燃料を、高いオクタン価の燃料が必要になる高負荷時のみに特化して供給することが可能となるので、熱効率が改善され、エンジン出力性能が向上する。また、エンジン条件（負荷、速度等）を図示しないセンサ等によって検出し、適当なエンジン条件を境として燃料の種類を切り替え、又はエンジン条件の変化に伴って前記ベース燃料と前記改質燃料の二種類の燃料の供給比率を適宜に変更していくように、図示しない制御手段による燃料供給制御を行うこともできる。
【００３０】
ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、精製することなく図１中破線で示すように吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼に利用しても良いし、また同図中実線で示すようにタンク(11)に貯蔵し、噴射系(12)で吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼させてもよい。水素専用のタンク(11)及び噴射系(12)を設けた場合には、水素を希薄燃焼条件下でのみ利用することができ、水素による燃焼効率のさらなる向上が得られる。すなわち、高負荷時にはより多くの空気を供給するために充填効率が高い条件下で燃焼する必要があるため、かかる条件下で水素を供給するとその分だけ空気量が減少して充填効率が低下し、好ましくないが、出力が低い希薄燃焼条件下であれば水素を供給することによって燃焼効率向上の効果が得られるからである。
【００３１】
また、ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、上述のようにエンジン本体(5) に供給して燃焼効率の向上に役立てる他、又はかかる用途と共に、図１中破線で示すように排気ガス浄化触媒(10)に供給して触媒の被毒回復運転時の還元剤として利用することもできる。
【００３２】
このように、排気ガス浄化触媒として例えばＮＯX 吸蔵触媒を装着したエンジンでは、触媒の硫黄被毒回復のために、反応器(6) で生成した水素を使用すれば、被毒回復運転に必用な燃料（リッチスパイク）の節約を通じて、燃費の向上に寄与できる。
【００３３】
なお、得られた改質燃料は、上述のように改質燃料系からエンジン本体(5) に供給してもよいが、ベース燃料タンク(1) に直接戻してもよい。この場合には、改質燃料系としてのタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) は不要であり、改質燃料はベース燃料とともにポンプ(2) によって加圧して噴射弁(3) から吸気管(4) に噴射され、エンジン本体(5) に供給されて燃焼されてもよいし、また噴射弁(3) からエンジン本体(5) に直接噴射供給して燃焼されてもよい。これらの場合には、高負荷時のみに高いオクタン価の改質燃料を供給することによる熱効率の改善は得られないが、少なくとも排気ガスの熱を回収して水素を燃焼することによる熱効率の向上又は排気ガス浄化触媒の還元の効果は得られる。
【００３４】
なお、ナフテン系燃料から水素を引き抜く脱水素触媒としては、例えば特開２００６−２５７９０６に記載されているように、２５０℃以上に加熱した白金を担持した触媒が利用可能であり、これによってベース燃料から、水素と、脱水素燃料である改質燃料としての芳香族系燃料を得ることができる。反応器(6) 中の脱水素触媒の温度は２５０℃以上、望ましくは３００℃以上が必用であるが、高転化率、すなわち、より多くの芳香族系燃料が必用な運転条件は高負荷条件下であり、その条件下では高い排気ガス温度が得られるので上記脱水素触媒によるベース燃料の脱水素反応は問題なく行なわれる。
【００３５】
なお、ベース燃料としては、セタン価が高く、かつ転化後のオクタン価が高い燃料が好ましく、エチルシクロヘキサン（ＣＮ＝４３、ＯＮ＝４５で転化後のエチルベンゼンではＣＮ＝８、ＯＮ＝１２４）、エチルシクロヘキサンとパラフィン系燃料（例えば、異性化ガソリン基材）の混合物、同左燃料にセタン価向上剤を添加した燃料を用いることができる。上述の燃料は、市販ガソリン（ＲＧでは ＣＮ＝１１、ＯＮ＝９０．５）に比較して、飛躍的にＣＮとＯＮを変化させることができる。
【００３６】
また、改質に伴う反応の一例を以下に示すが、１モルのシクロヘキサンから１モルのトルエンと３モルの水素が生成し、廃熱回収となっている。
Ｃ7 Ｈ14→Ｃ7 Ｈ8 ＋３Ｈ2 ＋△Ｈ＝２０５ｋＪ／ｍｏｌ
【００３７】
以上説明した第１実施形態のガソリンエンジンであるＳＡエンジンによれば、低温条件下（反応器が作動しない排気ガス温度条件下）では、オクタン価の低い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給し、改質によって得られたオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）は高温条件下においてのみエンジンに供給することにより、廃熱回収、高オクタン価燃料の供給、水素の活用（燃焼効率の向上、排気ガス浄化触媒の還元）を行うことができる。
【００３８】
２．第２実施形態（図２）
以下に、本発明の第２実施形態を図２を参照して詳細に説明する。
本例は、混合気を圧縮して自己着火させるガソリンエンジンに係り、特に排気ガスの熱と脱水素触媒を用いてベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質するとともに水素を生成する反応器を備え、これらオクタン価の異なる２種類の燃料を負荷に応じて適宜に供給制御することで排出ガスの低減と燃費の向上を同時に達成できるＣＡＩガソリンエンジンに関するものである。
【００３９】
ベース燃料は、市販ガソリンエンジンの場合と同様に、例えばガソリンのような火花点火エンジン用燃料を使用する。本例のガソリンエンジンでは、オクタン価が大きく異なる二種類の燃料を適宜制御して供給・燃焼させる必要があり、ベース燃料としてはナフテンリッチな燃料を用いることが前提となる。
【００４０】
低温度条件下では、ベース燃料は、ＭＰＩ（マルチポートインジェクション）エンジンのように、ベース燃料タンク(1) から、ポンプ(2) に加圧されて噴射弁(3) から吸気管(4) に噴射され、エンジン本体(5) に供給されて燃焼される構成としてもよいし、またＳＩＤＩ（スパークイグニッションダイレクトインジェクション）エンジンのように、噴射弁(3) からエンジン本体(5) に直接噴射供給して燃焼される構成としてもよい。
【００４１】
本例のガソリンエンジンは、ベース燃料をオクタン価の高い燃料に改質して水素を生成する反応器(6) を備えている。反応器(6) の容器内には、吸熱反応である脱水素反応によってベース燃料から水素を引き抜く脱水素触媒が収納されている。この反応器(6) には、ベース燃料タンク(1) からベース燃料を供給するためにポンプ(2) が接続されており、またエンジン本体(5) から排気ガスを排出する排気管が接続されている。これによって、ベース燃料タンクから反応器(6) に供給されたベース燃料は、エンジン本体(5) から排出される排気ガスの熱を有効に利用して脱水素触媒により脱水素反応を起こし、オクタン価の高い改質燃料に改質され、また副産物として水素が生成される。なお、反応器(6) から排出された排気ガスは排気ガス浄化触媒（例えばＮＯX 吸蔵触媒）(10)を経て排出される。
【００４２】
高温度条件下では、排気ガスの温度が反応器(6) が作動する温度以上に高まると、ベース燃料は上述のように反応器(6) を経て改質され、得られた改質燃料は、改質燃料系として設けたタンク(7) 、ポンプ(8) 、噴射弁(9) を経てエンジン本体(5) に供給される。改質燃料の供給は、図２中実線で示すように直噴ガソリンエンジンのごとく直接エンジン本体(5) に噴射してもよいし、図２中破線で示すように吸気管(4) に供給しても良い。
【００４３】
このように、本例のようなＣＡＩガソリンエンジンでは、燃焼の開始（着火）を燃料の自己着火に依存しているので、燃焼室内の温度が低い冷機時や低負荷条件下では、着火性に優れた（セタン価の高い、すなわちオクタン価の低い）燃料が必要であり、一方、燃焼室内の温度が高い高負荷条件下では、着火性の良好な燃料は、燃焼室内で多点同時着火による急激な燃焼（ノッキング）を起こすので、ＮＯX や燃焼騒音の急増やエンジンの損傷を起こす事から、着火性の低い（セタン価の低い、すなわちオクタン価の高い）燃料が必要となる。そこで、低温条件下ではセタン価の高い燃料を供給し、高温条件下ではオクタン価の高い燃料を供給するために、エンジン条件（負荷、速度等）を図示しないセンサ等によって検出し、適当なエンジン条件を境として燃料の種類を切り替え、又はエンジン条件の変化に伴って二種類の燃料の供給比率を適宜に変更していくように、図示しない制御手段による燃料供給制御を行い、より広範囲な運転領域でＣＡＩ燃焼を成立させて、排出ガスの低減と燃費の向上を同時に達成している。
【００４４】
ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、精製することなく図１中破線で示すように吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼に利用しても良いし、また同図中実線で示すようにタンク(11)に貯蔵し、噴射系(12)で吸気管(4) に供給し、エンジン本体(5) で燃焼させてもよい。水素専用のタンク(11)及び噴射系(12)を設けた場合には、水素を希薄燃焼条件下でのみ利用することができ、水素による燃焼効率のさらなる向上が得られる。すなわち、高負荷時にはより多くの空気を供給するために充填効率が高い条件下で燃焼する必要があるため、かかる条件下で水素を供給するとその分だけ空気量が減少して充填効率が低下し、好ましくないが、出力が低い希薄燃焼条件下であれば水素を供給することによって燃焼効率向上の効果が得られるからである。
【００４５】
また、ベース燃料を反応器(6) で改質して際に得られた水素は、上述のようにエンジン本体(5) に供給して燃焼効率の向上に役立てる他、又はかかる用途と共に、図１中破線で示すように排気ガス浄化触媒(10)に供給して触媒の被毒回復運転時の還元剤として利用することもできる。
【００４６】
このように、排気ガス浄化触媒として例えばＮＯX 吸蔵触媒を装着したエンジンでは、触媒の硫黄被毒回復のために、反応器(6) で生成した水素を使用すれば、被毒回復運転に必用な燃料（リッチスパイク）の節約を通じて、燃費の向上に寄与できる。
【００４７】
なお、ナフテン系燃料から水素を引き抜く脱水素触媒や、ベース燃料の具体例、改質に伴う反応の一例は第１実施形態で説明したものと同様であるのでその記述を援用するものとする。
【００４８】
以上説明した第２実施形態のガソリンエンジンであるＣＡＩエンジンによれば、低温条件下ではセタン価の高い例えばナフテン系燃料（ベース燃料）をエンジンに供給して低負荷限界を拡大し、高温条件下ではオクタン価の高い例えば芳香族系燃料（改質燃料）を供給して高負荷限界を拡大すると同時に、廃熱回収と水素の活用（燃焼効率の向上、排気ガス浄化触媒の還元）を図ることができる。
【００４９】
このように、本発明のガソリンエンジンは、吸熱反応により例えばナフテンを芳香族に転化する脱水素触媒を充填した反応器を具えており、この反応器を排気ガスの熱で作動させるものであるため、排気ガスの熱を有効利用して燃料改質を行ない、水素を生成することができる。従って、特定の蒸留性状（ガソリン留分）を有し、例えばナフテンが豊富な燃料油組成物を、これよりも高いオクタン価を有する改質燃料、例えば芳香族系燃料に改質して火花点火エンジン（ＳＡガソリンエンジン）や予混合圧縮着火エンジン（ＣＡＩガソリンエンジン）に供給することができ、排気ガスとＣＯ2 の効果的な同時削減を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１実施形態の全体構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の全体構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
(1) …ベース燃料タンク
(2) …ポンプ
(3) …噴射弁
(4) …吸気管
(5) …エンジン本体
(6) …反応器
(7) …改質燃料系のタンク
(8) …改質燃料系のポンプ
(9) …改質燃料系の噴射弁
(10)…排気ガス浄化触媒
(11)…水素貯蔵用のタンク
(12)…水素供給用の噴射系
(13)…スパークプラグ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された燃料に点火するスパークプラグを備えたエンジン本体と、前記エンジン本体から排出される排気ガスの熱と脱水素触媒を用いてベース燃料の一部をベース燃料よりオクタン価の高い改質燃料に改質するとともに水素を生成する反応器とを有し、
前記ベース燃料と前記改質燃料を前記エンジン本体に供給して燃焼させることにより駆動されることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項２】
前記水素を、前記エンジン本体に供給して燃焼させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【請求項３】
前記反応器から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒を備え、前記水素を前記排気ガス浄化触媒に供給して還元させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【請求項４】
前記改質燃料を、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して前記スパークプラグにより点火して燃焼させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【請求項５】
相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御し、前記スパークプラグにより点火して燃焼させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【請求項６】
前記改質燃料を、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して、燃料と空気の混合気を圧縮して自己着火により点火して燃焼させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【請求項７】
相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御し、燃料と空気の混合気を圧縮して自己着火により点火して燃焼させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【請求項１】
供給された燃料に点火するスパークプラグを備えたエンジン本体と、前記エンジン本体から排出される排気ガスの熱と脱水素触媒を用いてベース燃料の一部をベース燃料よりオクタン価の高い改質燃料に改質するとともに水素を生成する反応器とを有し、
前記ベース燃料と前記改質燃料を前記エンジン本体に供給して燃焼させることにより駆動されることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項２】
前記水素を、前記エンジン本体に供給して燃焼させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【請求項３】
前記反応器から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒を備え、前記水素を前記排気ガス浄化触媒に供給して還元させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【請求項４】
前記改質燃料を、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して前記スパークプラグにより点火して燃焼させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【請求項５】
相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御し、前記スパークプラグにより点火して燃焼させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【請求項６】
前記改質燃料を、高負荷運転時にのみ前記エンジン本体に供給して、燃料と空気の混合気を圧縮して自己着火により点火して燃焼させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【請求項７】
相対的に高負荷とされる運転条件下では、前記改質燃料をより多く使用するとともに、相対的に低負荷とされる運転条件下では、前記ベース燃料をより多く使用するように前記ベース燃料と前記改質燃料の供給を制御し、燃料と空気の混合気を圧縮して自己着火により点火して燃焼させることを特徴とする請求項１記載のガソリンエンジン。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−１０１１９４（Ｐ２０１０−１０１１９４Ａ）
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７０８６４（Ｐ２００８−２７０８６４）
【出願日】平成２０年１０月２１日（２００８．１０．２１）
【出願人】（３０４００３８６０）株式会社ジャパンエナジー (344)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２１日（２００８．１０．２１）
【出願人】（３０４００３８６０）株式会社ジャパンエナジー (344)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]