JP2003193913A

JP2003193913A - 低燃費型エンジン装置および低燃費型車輌

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Publication number: JP2003193913A
Application number: JP2001403273A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hatanaka; 武史畑中
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2003-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】小型高性能、簡単構造、低コストの低燃費型エ
ンジン装置および低燃費型車輌を提供することを目的と
する。【解決手段】第１高圧ポンプ２０により高圧給水を燃料
生成装置２４に供給し、燃料生成装置２４に装填したカ
ートリッジ燃料変換器１００の上流で高圧給水から水蒸
気に変換して、水蒸気を上流側から下流側にかけて高速
で移動させながら微小アークの存在下で固形状炭素材１
１２と接触反応させて水素リッチ燃料を生成してコモン
レール２６に蓄圧し、水素リッチ燃料と炭化水素燃料と
の混合燃料を燃料噴射弁２８で燃焼室１２ｃ内に噴射す
ることにより、希薄状態の炭化水素燃料の燃焼を可能と
することでエンジンの低燃費化と低公害化とを測る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は水素リッチ燃料を利用
するようにした低燃費型エンジン装置および低燃費型車
輌に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、石油資源の枯渇化、自動車、工場お
よび発電プラント等における有害排ガスによる大気汚染
ならびに炭酸ガス排出による地球温暖化が世界的に深刻
な問題となり、低燃費、低公害型のコジェネ装置や車輌
の動力システムの研究開発が活発化している。その中
で、米国では燃料１リットル当たり３３．４Ｋｍ以上走
行可能で低燃費・低公害型の次世代車輌開発プロジェク
トＰＮＧＶ（ＰｒｏｊｅｃｔＦｏｒＮｅｘｔＧｅ
ｎｅｒａｔｉｏｎＶｅｈｉｃｌｅ）が官民共同で積極
的に推進されている。さらに、最近ではＨＣ燃料を水ま
たは空気で改質するようにした低公害型エンジンが提案
されている。

【０００３】米国特許第５、４２５，３３２号および同
第５，４３７，２５０号にはプラズマ反応装置内に水と
炭化水素燃料を供給してスチームリフォーミングにより
水素リッチ燃料を生成するプラズマ反応装置を備えたエ
ンジンが提案されている。プラズマ反応装置は給水通路
を有する棒状陽極と、該棒状陽極の上端部のコーナに近
接させて円筒状陰極を配置し、該棒状陽極の外周と該円
筒状陰極の内周との間に貯水部を備え、その上部に炭化
水素燃料とスチームとを接触反応させるスチームリフォ
ーム室を備える構造となっている。この構造において、
水はアーク発生領域以外の対抗電極の下端部において電
極と接しているため、オンサイトで必要量のスチームを
瞬時に発生させることはできない。しかも、アークはス
チームリフォーミング室において局部的にのみ発生する
ため、均一な温度分布が得られない。したがって、ＨＣ
燃料の改質効率が極めて悪く、ＨＣ燃料は未処理のまま
でエンジンに供給されることとなり、エンジンの低燃費
化と低公害化とを達成することが困難である。しかも、
局部的な電極磨耗を防ぐために、プラズマ反応室の外周
にアークを回転移動させるための電磁コイルを配置して
いるが、装置が大型化するとともにコストアップ要因と
なる。さらに、貯水部がプラズマ反応装置の下部に配置
されているため、該プラズマ反応装置を所定角度以上に
変位させることができないため、姿勢が大幅に変化する
船舶、陸上車輌、航空機、宇宙船その他の車輌に適用す
ることは困難である。

【０００４】米国特許第５、８８７，５５４号には陽極
と陰極との間に空気と炭化水素燃料を同時に供給して水
素リッチ燃料を生成するプラズマトロン並びにエンジン
のシリンダーヘッドにプラズマトロンを配置してＨＣ燃
料と空気との混合ガスをリフォームすることで水素リッ
チ燃料を生成する構造が開示されている。この構造では
前述の米国特許のプラズマ反応装置と同様に陽極と陰極
との間ではアークが局部的にのみ発生し、ＨＣ燃料と空
気との混合ガスは限定領域においてのみ高温に曝される
ため、ＨＣ燃料の大部分は改質されることなく、未処理
のままエンジンに供給されることになり、エンジンの低
燃費化と低公害化とを達成することが困難である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術では炭化水
素燃料を原料とした改質燃料の生成効率が低いため、効
率的なエンジンの低燃費化と低公害化が困難であった。
したがって、自動車、トラック、バス、建設機械、特殊
車輌等の陸上車輌や船舶、航空機あるいは自家用発電機
などに適用できる低燃費、低公害のエンジン装置および
車輌を実用化することが困難であった。

【０００６】本発明は、このような従来技術の問題点を
解消するためになされたもので、小型高性能で、高効
率、コンパクト、低コストの低燃費型エンジン装置およ
び低燃費型車輌を提供することを目的とする。

【０００７】

【問題を解決するための手段】請求項１に記載の発明の
低燃費型エンジンは、水素リッチ燃料と炭化水素燃料と
の混合燃料と空気との混合気を爆発させて動力を発生さ
せるエンジンと、外部アーク電極を有するケース本体と
該ケース本体内に着脱自在に装着された内部アーク電極
と該内部アーク電極に隣接して充填された複数の固形状
炭素材を備えていて高圧給水を水蒸気に変換して該水蒸
気を前記固形状炭素材と接触反応させることで前記水素
リッチ燃料を生成する燃料生成装置と、前記内部アーク
電極にアーク電力を供給するアーク電源と、前記高圧給
水を前記ケース本体の上流側に供給する第１高圧ポンプ
と、前記炭化水素燃料を高圧で供給する第２高圧ポンプ
と、前記水素リッチ燃料と前記炭化水素燃料との混合燃
料を前記エンジンに供給する燃料供給手段とを備えるこ
とを特徴とする。

【０００８】請求項２に記載の発明において、前記ケー
ス本体が前記第１高圧ポンプに連結されたインレット
と、前記燃料供給手段に連通するアウトレットと、前記
インレットと前記アウトレットの間に形成されたカート
リッジ収納室と、前記カートリッジ収納室に隣接して配
置されて前記内部電極に接続される外部アーク電極と、
前記カートリッジ収納室に着脱自在に装填されるカート
リッジ燃料変換器を備えることを特徴とする。

【０００９】請求項３に記載の発明において、前記カー
トリッジ燃料変換器が前記外部アーク電極と電気的に接
続される前記内部アーク電極を有するカートリッジケー
スを備え、前記カートリッジケースが前記内部アーク電
極に隣接して前記上流側から前記下流側に沿って充填さ
れた前記複数の固形状炭素材を内蔵することを特徴とす
る。

【００１０】請求項４に記載の発明において、さらに、
前記燃料生成装置と前記燃料供給手段との間に配置され
た蓄圧装置と、前記燃料生成装置と前記蓄圧装置との間
に配置された逆止弁とを備え、前記燃料供給手段が燃料
噴射弁からなることを特徴とする。

【００１１】請求項５に記載の低燃費型車輌は、車輌本
体と、車輌本体に搭載された動力システムと、動力シス
テムにより駆動される推進装置とを備え、前記動力シス
テムが水素リッチ燃料と炭化水素燃料との混合燃料と空
気との混合気を爆発させて動力を発生させるエンジン
と、ケース本体と該ケース本体内に収納された内部アー
ク電極と該内部アーク電極に隣接して上流側から下流側
に亘って充填された複数の固形状炭素材を備えていて高
圧給水を水蒸気に変換して該水蒸気を前記固形状炭素材
と接触反応させることで前記水素リッチ燃料を生成する
燃料生成装置と、前記内部アーク電極にアーク電力を供
給するアーク電源と、前記高圧給水を前記ケース本体の
上流側に供給する第１高圧ポンプと、前記炭化水素燃料
を高圧で供給する第２高圧ポンプと、前記水素リッチ燃
料と前記炭化水素燃料との混合燃料を前記エンジンに供
給する燃料供給手段とを備えることを特徴とする。

【００１２】請求項６に記載の低燃費型車輌において、
前記燃料生成装置のケース本体が前記第１高圧ポンプに
連結されたインレットと、前記燃料供給手段に連通する
アウトレットと、前記インレットと前記アウトレットの
間に形成されたカートリッジ収納室と、前記カートリッ
ジ収納室に隣接して配置された外部アーク電極と、前記
カートリッジ収納室に着脱自在に装填されるカートリッ
ジ燃料変換器を備えることを特徴とする。

【００１３】請求項７に記載の低燃費型車輌において、
さらに、前記燃料生成装置と前記燃料供給手段との間に
連結されたコモンレールと、前記燃料発生装置と前記コ
モンレールとの間に配置された逆止弁とを備え、前記燃
料供給手段が燃料噴射弁からなることを特徴とする。

【００１４】請求項８記載の低燃費型車輌において、前
記燃料生成装置が前記コモンレールと一体的に形成され
ていることを特徴とする。

【００１５】請求項９記載の低燃費型車輌において、前
記燃料噴射弁がケース本体と、前記コモンレールと連通
するようにケース本体に形成された第１燃料通路と、前
記第２高圧ポンプに連通する第２燃料通路と、前記第１
燃料通路と前記第２燃料通路と連通する燃料混合質と、
前記燃料混合室を周期的に開口するプランジャーとを備
えることを特徴とする。

【００１６】請求項１０記載の低燃費型車輌において、
さらに、前記車輌本体に搭載されて前記アーク電源に電
力を供給する充電装置と、前記充電装置に接続されて交
流出力と直流出力との間でパワー変換を行うパワーコン
バータと、パワーコンバータに接続されて推進装置を駆
動するモータ／発電機を備え、モータ／発電機で発生し
た回生電力をパワーコンバータを介して前記充電装置に
充電することを特徴とする。

【００１７】

【発明の効果】請求項１の発明の低燃費型エンジンで
は、燃料生成装置に複数の固形状炭素材を上流側から下
流側に亘って充填していて複数の固形状炭素材の隙間に
広域に亘って多量の微小アークを発生させながら、上流
側で高圧給水から水蒸気を発生させてこれを高速で上流
側から下流側に通過させて該固形状炭素材と満遍なく接
触反応させ、水素リッチ燃料を瞬時に効率的に大量発生
させることで希薄状態のＨＣ燃料と混合して混合燃料を
エンジンに供給可能としたものである。このとき、ＨＣ
燃料の混合比率を削減して燃料のクリーン化を促進し
て、エンジンの低燃費化と低公害化とを達成可能とす
る。また、上記構成によって、燃料生成装置の小型軽量
化と高性能化が容易となり、低燃費型エンジンのコンパ
クト化、低コスト化が実現可能となる。

【００１８】請求項２の発明の低燃費型エンジンでは、
燃料生成装置のケース本体内にカートリッジ収納室を形
成するとともに、該カートリッジ収納室に隣接して外部
アーク電極を配置したため、カートリッジ燃料変換器を
交換可能としたものである。すなわち、エンジンにおい
て一定の長時間運転周期毎に、エンジンへのカートリッ
ジ燃料変換器の交換を容易に可能としたものである。

【００１９】請求項３の発明の低燃費型エンジンでは、
カートリッジ燃料変換器を内部アーク電極と複数の固形
状炭素材とをカートリッジケースに内蔵したため、カー
トリッジ燃料変換器の構造を簡略化して、生産性の向上
と低コスト化を図ったものである。

【００２０】請求項４の発明の低燃費型エンジンでは、
逆止弁によって、蓄圧装置内に水素リッチ燃料を蓄圧し
たままで、カートリッジ燃料変換器の交換を可能とし
た。このため、カートリッジ燃料変換器の交換作業中に
も、高圧の水素リッチ燃料をエンジンへ継続して供給可
能としたため、エンジンの連続運転が可能となる。

【００２１】請求項５の発明の低燃費型車輌では、現存
する陸上車輌、船舶、航空機、潜水艦等の主要な動力シ
ステムに大幅な変更を加えることなく、エンジンの燃料
供給系の簡単な改造で容易に、しかも、低コストにて低
燃費型車輌を実現化できる。このため、当該車輌の市場
への普及が一段と容易になり、環境汚染対策と地球温暖
化防止への貢献度が大となる。さらに、本発明を船舶に
利用したときは、船底部分に高圧ポンプの給水口を形成
することによって淡水または海水を燃料用原料水として
燃料発生装置に直接供給することが可能となり、水タン
クの設置が不要となる。。

【００２２】請求項６の発明の低燃費型車輌では、燃料
生成装置のケース本体内部にカートリッジ収納室を形成
するとともに、該カートリッジ収納室に隣接してアーク
電極を配置したため、カートリッジ燃料変換器を容易に
交換可能としたものである。すなわち、車輌のエンジン
において一定の長時間運転周期毎に、エンジンへのカー
トリッジ燃料変換器の交換を可能としたものである。ま
た、カートリッジ燃料変換器を内部アーク電極と多数の
固形状炭素材とにより構成したため、カートリッジ燃料
変換器の構造を簡略化して、低コスト化を図ったもので
ある。

【００２３】請求項７の発明の低燃費型車輌では、逆止
弁によって、コモンレール内に水素リッチ燃料を蓄圧し
たままで、カートリッジ燃料変換器の交換作業を可能と
したため、エンジンの運転を中断する必要がない。

【００２４】請求項８の発明の低燃費型車輌では、燃料
生成装置をコモンレールと一体的に形成することで、燃
料生成装置のより一層の小型軽量化と低コスト化を図っ
たものである。

【００２５】請求項９の発明の低燃費型車輌では、燃料
供給手段が混合燃料の供給通路とＨＣ燃料の供給通路な
らびに燃料混合室を形成した燃料噴射弁からなり、炭化
水素燃料を燃料混合室で高温の水素リッチ燃料と混合す
ることで均一なガス状混合燃料を生成したので、エンジ
ンの燃焼室における均一な混合気を生成して燃焼を促進
させ、低燃費化と低公害化とを実現可能とする。

【００２６】請求項１０の発明の低燃費型車輌では、車
輌の充電装置に回収電力を充電してこの電力の一部をア
ーク電源に供給することにより、アーク電源への電力を
常時、安定して供給できるようにし、充電装置の小型軽
量化を図ったものである。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の望ましい実施例の低燃費
型車輌について、図１を参照しながら説明する。図１に
おいて、低燃費型車輌は低燃費型エンジン装置１０を有
する動力システム１２を搭載したハイブリッド車輌１４
に適用したものとして示される。ハイブリッド車両１４
は動力システム１２を搭載した車輌本体１４ａと、動力
システム１２により駆動される前輪、後輪からなる推進
装置１４ｂとを備える。

【００２８】低燃費型エンジン装置１０は水素リッチ燃
料と単価水素燃料との混合燃料と空気との混合気を爆発
燃焼させることにより動力を発生させる往復動型ピスト
ンエンジン、ワンケル型ロータリエンジン、ベーン型ロ
ータリエンジンその他の熱機関を含むが、ここでは１例
として、往復動型ピストンのディーゼルエンジンに適用
したものとして説明する。低燃費型エンジン１０の一端
はトランスミッション１１、クラッチ１３およびデファ
レンシアル１５を介して前輪１４ｂに駆動連結され、他
端は交流発電機１７に連結される。

【００２９】低燃費型エンジン１０は、さらに、給水タ
ンク１６、低圧ポンプ１８および高圧給水を供給する第
１可変吐出量高圧ポンプ２０からなる原料水供給部２２
と、高圧給水を水蒸気に変換して、該水蒸気を多量の微
小アークの存在下で多数の固形状炭素材と接触反応させ
て水素、一酸化炭素、二酸化炭素を主成分とする水素リ
ッチ燃料を生成する燃料生成装置２４と、水素リッチ燃
料を蓄圧するコモンレールからなる蓄圧装置２６と、エ
ンジンの各気筒に配置されてコモンレール２６の水素リ
ッチ燃料と後述のＨＣ燃料との混合燃料を各気筒に供給
する電磁燃料噴射弁２８と、ガソリン、軽油、天然ガ
ス、ＬＰガス、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）等のＨＣ燃
料タンク３０と、ＨＣ燃料を電磁燃料噴射弁２８に供給
する第２可変吐出量高圧ポンプ３２とを備える。給水タ
ンク１６の原料水には望ましくは少量のＮａＯＨ、ＫＯ
Ｈ等のアルカリ剤もしくは酢酸等のイオン化剤を添加し
て導電性を付与して後述の燃料生成装置２４の微小アー
クの発生率を増加させて水素リッチ燃料の生成効率を向
上させても良い。

【００３０】第１、第２可変吐出量高圧ポンプ２０、３
２は例えば、特開平１１−２７０４３３号に開示された
構造のものでよい。すなわち、この高圧ポンプは電磁コ
イルの通電時間により流体の吐出量を可変制御できる電
磁弁とエンジンのクランク軸に連結されたカムにより往
復駆動されるプランジャ（流体加圧部材）とを備えてお
り、インレットから流入した水または燃料を加圧してア
ウトレットから吐出するように作動する。

【００３１】動力システム１２は、交流発電機１７の交
流出力を直流出力に変換する整流器３４と、直流出力を
充電するコンデンサバンクまたはバッテリからなる充電
装置３６と、エンジンの運転状態に応じて整流器３４お
よび充電装置３６の一方または双方の直流出力を受けて
交流出力に変換して後輪１４ｂに連結されたモータ／発
電機４０を駆動するパワーコンバータ３８とを備える。
パワーコンバータ３８はハイブリッド車輌１４の減速時
にモータ／発電機４０で発生した交流の回生電力を直流
出力に変換して充電装置３６に供給する。さらに、充電
装置３６にはアーク電源４２が接続される。アーク電源
４２は単相交流、または三相交流インバータから構成し
てよいが、本実施例では単相交流インバータからなるも
のとして説明する。アーク電源４２はエンジンの運転パ
ラメータに応じて後述のごとく燃料発生装置２４にアー
ク電力を供給する。

【００３２】図１において、低燃費型エンジン装置１０
は、さらに、エンジンの必要トルクまたはエンジン負荷
を表すアクセル開度Ａｃを出力するアクセル開度センサ
４４と、エンジンの回転速度を表すエンジン回転数Ｎｅ
を出力するエンジン回転数センサ４６と、エンジンのク
ランク軸が３０度回転する毎にパルス状のクランク角信
号Ｃｓを出力するクランク角センサ４８と、エンジンの
クランク軸が２回転する毎で且クランク軸が特定の回転
角度位置に到達する毎にパルス状の気筒判別信号Ｋｓを
出力する気筒判別センサ５０と、燃焼室の混合気の燃焼
開始時期ＳＴＣを検出するための振動センサまたは音響
センサからなる燃焼開始検出センサ５２と、コモンレー
ル２６内の実際の燃料ガス圧（実コモンレール圧）Ｐｒ
を検出するためのコモンレール圧センサ５４とを備え、
これら出力信号をフイードバック信号としてコントロー
ルユニットとしての電子制御装置（ＥＣＵ）６０に供給
する。

【００３３】図２は図１の燃料生成装置２４の具体的構
造の一例を示す。燃料生成装置２４はエンジン装置１０
のシリンダヘッド上部またはその他の本体部１０ａに装
着されたものとして示されているが、シリンダ本体１０
ａとは独立して配置してもよい。図２において、燃料生
成装置２４はコモンレール本体２６ａと一体的に形成さ
れたケース本体８０と該ケース本体８０の端部に着脱自
在に配置されたカートリッジホルダー８１とを備える。
ケース本体８０はコモンレール２６の蓄圧室２６ｂと同
心的に形成されたカートリッジ収納室８２と、カートリ
ッジ収納室８２に隣接して配置された電極ホルダー８４
を備える。さらに詳しくは、コモンレール２６の蓄圧室
２６ｂと高圧室８２との間に形成された環状フランジ部
８６に一端が密着するように圧入される。中間電極ホル
ダー８４は高圧室８２に面する凹部８８ａと、軸方向に
延びる複数のガス通路８８ｂからなるアウトレットと、
中央部に固定支持された中間電極９０とを有するセラミ
ック等の第１の耐熱性絶縁円形部材８８と、円形部材８
８の外周に隣接して配置された第２の耐熱性絶縁部材９
２とを備える。第１、第２耐熱性絶縁部材８８，９２は
それぞれ半径方向に伸びる外部アーク電極（陽極）９４
と外部アーク電極（陰極）９６を支持する。陽極９４の
内側先端は中央電極９０に圧入される。カートリッジ収
納室８２には交換可能な円形状カートリッジ燃料変換器
（以下、カートリッジ燃料と称する）１００が装填され
る。

【００３４】図２において、カートリッジ燃料１００は
断面カップ状の絶縁性カートリッジケース１０２と、そ
の内部に収納されたカーボンまたはグラファイトからな
る円筒状陰極１０４と、円筒状陰極１０４の端部に圧入
されてフランジ状端子部１０４ａを有する内部電極ホル
ダ１０６と、円形電極ホルダ１０６により支持されたカ
ーボンまたはグラファイトからなる中央電極１０８と、
内部電極ホルダ１０６の内側に配置された絶縁性フイル
タ１０８と、中央電極１０８と円筒状陰極１０４の間で
上流側から下流側に沿って充填された直径２〜３０ｍｍ
の球状炭素材（カーボンまたはグラファイト）１１２と
を備える。球状炭素材１１２はこれらと略同一径のセラ
ミック等の耐熱性球状絶縁体１１４と１：１．５〜１．
５：１の範囲の混合物から構成してもよい。

【００３５】球状炭素材１１２または球状炭素材１１２
と球状絶縁体１１４との混合物の隙間には球状炭素材に
通電されたときに上流側から下流側にかけて広範囲でス
パークによる微小アークを同時に多量に発生させるため
のものである。この結果、高圧給水噴射ノズル１０２ｂ
から高圧給水がカートリッジケース１０２の上流側に噴
射されたときに、上流側で微小アークと接触して瞬時に
高温高圧水蒸気となり、次いで、高温高圧水蒸気は上流
側から下流側にかけて高速で移動しながら多段階にわた
ってアークの存在下で複数の球状炭素（固形状炭素材）
と順次接触反応して水素リッチ燃料を大量発生させるも
のである。

【００３６】上記構成のカートリッジ燃料１００はケー
ス本体８０の端部に着脱自在にねじ込まれたカートリッ
ジホルダ８１によってカートリッジ収納室８２内で所定
位置に保持され、このとき、陰極１０４のフランジ状端
子部１０４ａが外部アーク電極９６と電気的に接続さ
れ、一方、中央電極１０８が中間電極９０を介して外部
アーク電極９４と電気的に接続される。カートリッジホ
ルダー８１は高圧ポンプ２０と連結されるインレット８
１ａと、高圧給水路１１８と、円錐状の分配室１２０を
備える。カートリッジケース１０２は分配室１２０に供
給された高圧給水をカートリッジケース１０２の球状炭
素材１１２の隙間に噴射するための複数の噴射ノズル１
０２ｂを有する。内部電極ホルダ１０６は複数の吐出ポ
ート１０６ａを備える。

【００３７】変形例において、カートリッジ燃料１００
は絶縁ケース内で周方向に等間隔で配置された棒状の三
相交流内部アーク電極を内部電極ホルダ１０６により支
持して円筒電極１０４を内部アース電極としてもよい。
この場合、図２に示す構造と同様な方法で、ケース本体
８０には三相の内部アーク電極とそれぞれ接続される三
相の中間電極を内部電極ホルダー８４に固定して三相交
流の外部アーク電極をケース本体８０に支持するととも
に内部アース電極と電気的に接続されるように外部アー
ス電極をケース本体に支持してもよい。一方、アーク電
源４２は三相交流インバータから構成して、前述の外部
アーク電極に接続し、インバータの中性点を前述の外部
アース電極に接続するように構成してもよい。なお、他
の変形例において、外部アーク電極９４，９６をケース
本体８０に支持したものとして示したが、これら外部ア
ーク電極９４，９６をカートリッジホルダー８１に支持
するようにしてもよい．この場合、カートリッジ燃料変
換器１００を図２とは逆向きに挿入して、内部アーク電
極をカートリッジホルダー８１に支持した外部アーク電
極と電気的に接続するように設計変更してもよい。

【００３８】コモンレール２６の蓄圧室２６ｂの底部に
はカートリッジ燃料変換器１００の交換時に蓄圧室２６
ｂの高圧燃料ガスが外部に逆流しないように保護するた
めに環状フランジ８６に隣接して逆止弁１２２が圧入そ
の他の適当な手段で固定支持される。逆止弁１２２は円
形プレート１２４を備える。円形プレート１２４には小
径のボア１２６と大径のボア１２８が同心的に形成さ
れ、さらに、小径のボア１２６連通するように形成され
た複数のガス通路１３０と、大径のボア１２８と蓄圧室
２６ｂとに連通するガス導入ポート１３２を備える。大
径のボア１２８の底部には弁座１３４が形成され、これ
にボール弁１３６が圧縮バネ１３８により所定の圧力で
押圧される。符号１４０は大径のボア１２８の上部を密
閉するためのキャップを示す。蓄圧室２６ｂの高圧燃料
ガスは吐出ポート２６ｂを介して図１の燃料噴射弁２８
からエンジンの気筒に供給される。なお、コモンレール
２６の左側端部には図示しないキャップが着脱自在に結
合され、逆止弁１２２は図２において左側から圧入され
た後、キャップでコモンレール２６の左端部が密閉され
る。符号１４２はガス漏洩を防ぐためのパッキングであ
る。

【００３９】図３は図１の電磁燃料噴射弁２８の具体的
構造を示す。図３において、燃料噴射弁２８はエンジン
ノシリンダーヘッド１０ｂに先端が燃焼室１０ｃに混合
燃料を噴射できる位置に配置される。燃料噴射弁２８は
上部に配置されたソレノイドにより駆動される鉄心１５
０と、弁本体１５２とを備える。弁本体１５２には上下
方向に延びる第１、第２燃料通路１５４、１５６が形成
され、これらはそれぞれ導入ポート１５４ａ，１５６ａ
を介してコモンレール２６ならびに高圧ポンプ３２に接
続される。第２燃料通路１５６の中間にはチェック弁１
５８が配置され、第１燃料通路１５４の燃料ガスが導入
ポート１５６ａに逆流しない構造となっている。

【００４０】弁本体１５２の下部には燃料混合室１６０
が形成され、さらに下方には燃焼室１０ｃに開口する複
数の噴射ノズル１６２，１６２が形成される。第２燃料
通路１５６の下部には燃料混合室１６０に隣接して第２
燃料室１６４が形成される。燃料混合室１６０と第２燃
料室１６４は弁本体１５２に上下方向に摺動可能に収納
されたニードル弁１６６により開閉される。ニードル弁
１６６の下端部には第２燃料室１６４と連通して延びる
トラバース通路１６６ａが形成され、これと連通するよ
うに弁本体１５２に開口部１５２ａが形成される。この
ように、開口部１５２ａと燃料混合室１６０との間には
第１、第２燃料通路１５４、１５６の合流部１５２ｂが
形成され、ここで、高温の水素リッチ燃料とＨＣ燃料が
合流し、燃料混合室１６０で均一に混合される。ニード
ル弁１６６の上端部はプランジャ１６８を介してバネ１
７０によって下方向に押圧される。図示しない電磁コイ
ルに通電されると、ソレノイド鉄心１５０が上昇する
と、バネ圧に抗してニードル弁１６６が燃料ガスの圧力
によって上方に移動して燃料混合室１６０と噴射ノズル
１６２とを連通させる。図３において、符号ＦＧは水素
リッチ燃料を表し、ＡＦはＨＣ燃料を表す。燃料噴射弁
２８のソレノイド鉄心１５０は電磁コイルの代わりに圧
電素子タイプの微調整型構造のものでもよい。上記構造
の燃料噴射弁２８はＥＣＵ６０によってエンジンの運転
状態に応じて制御される。

【００４１】一方、ＥＣＵ６０は、図１に示すように、
エンジンを制御するためのプログラムを実行するＣＰＵ
２００、ＣＰＵが実行するプログラムを格納するＲＯＭ
２０２およびＣＰＵ２００の演算結果一時記憶するＲＡ
Ｍ２０４からなる周知のマイクロコンピュータを主要部
として構成される。

【００４２】また、ＥＣＵ６０には、エンジンの回転数
センサ４６、クランク角センサ４８、気筒判別センサ５
０、水温センサ５２、圧力センサ５４からのエンジン回
転数Ｎｅ，クランク角信号Ｃｓ，気筒判別信号Ｋｓ，燃
焼開始信号ＳＴＣおよびコモンレール圧信号Ｐｒ等のエ
ンジンパラメータを表すフイードバック信号を入力させ
るための入力回路２０６と、高圧ポンプ２０、３２、燃
料噴射弁２８およびアーク電源４２をＣＰＵ２００から
の指令に応じて駆動する出力回路２０８とを備える。

【００４３】ＥＣＵ６０は上記エンジンの運転状態を表
すフイードバック信号に基づき、コモンレール２６の目
標燃料圧力ＴＧＰを算出するとともに、クランク角信号
Ｃｓや気筒判別信号Ｋｓならびに燃焼開始信号ＳＴＣに
基づき、エンジンの回転数に同期したタイミングで各燃
料噴射弁２８の開閉タイミングと開閉時間を制御するこ
とにより、エンジンへの燃料噴射を制御する。このと
き、燃料噴射はシングルモード（通常噴射）またはマル
チモード（パイロット噴射および通常噴射）のいづれか
の方式で実行してもよい。ＥＣＵ６０によって、コモン
レール圧をアクセル開度Ａｃに対応した所定値にすべく
高圧ポンプ２０およびアーク電源４２を起動したときの
作動時間が予め定められた例えば、１５秒以上かかると
判断されたときは、カートリッジ燃料変換器の交換時期
を表す交換指令信号ＲｅｐｌがＥＣＵ６０から出力され
る。

【００４４】上記構成において、エンジンの始動時に、
ＥＣＵ６０によりアーク電源４２、高圧ポンプ２０がス
ィッチオンされ、燃料生成装置２４の外部アーク電極９
４，９６にアーク電源４２からアーク電力が供給され
る。このとき、中間電極９０およびフランジ状端子部１
０４を介して内部アーク電極１０４，１０８に電圧が供
給される。この状態において、図２に示すように、カー
トリッジ燃料１００内では上流側から下流側にかけて同
時に球状炭素材１１２と球状絶縁体１１４との間でスパ
ークによる微小アークが大量に発生する。この状態で、
分配室１２０に導入された高圧給水は複数の噴射ノズル
１０４ｂから絶縁ケース１０２の上流側に噴射されて微
小アークと接触して瞬時に高温高圧水蒸気となる。次い
で、高温高圧水蒸気は、図２で矢印で示すごとく、下流
方向に高速で移動しながら、次々と、微小アークの存在
下で複数の球状炭素材１１２と接触し、次式で示すよう
な反応式で水素リッチ燃料が生成される。

【化学式】Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２（１）ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２（２）上記反応において、具体的には、カートリッジ燃料１０
０の平均温度が１０００℃の時、水素リッチ燃料は水素
７５．５％、一酸化炭素１３．４％、二酸化炭素７．６
％、メタン２．０％、アセチレン０．３％、その他０．
２％の成分から構成され、反応温度を可変することによ
り水素濃度、一酸化炭素およびメタンの生成比率を制御
できるので、カートリッジ燃料１００に供給する電流を
制御することにより、水素リッチ燃料の水素濃度の制御
が可能となる。

【００４５】以上のように生成された水素リッチ燃料は
カートリッジ燃料１００の中間電極ホルダー８４のアウ
トレット８８ｂから噴出して逆止弁１２２のガス通路１
３０を経由して小径ボア１２６に導入される。このと
き、水素リッチ燃料は高圧であるため、バネ１３８のバ
ネ圧に抗してボール弁１３６を持ち上げ、水素リッチ燃
料をガス導入ポート１３２からコモンレール２６の蓄圧
室２６ｂに供給し、この中で、水素リッチ燃料の圧力が
上昇する。この圧力は圧力センサ５４で検出され、フー
ドバック信号ＰｒとしてＥＣＵ６０に供給される。

【００４６】ＥＣＵ６０において、ＲＯＭ２０４にエン
ジンの負荷を表すアクセル開度信号Ａｃに対してコモン
レール圧が比例的に上昇する制御マップ（図示せず）を
格納していて、アクセル開度信号Ａｃに対応した所定圧
力と検出されたフイードバック信号とがＣＰＵ２００で
比較され、比較値が一致したときに高圧ポンプ２０およ
びアーク電源４２を遮断する指令信号がＥＣＵ６０から
出力され、水素リッチ燃料の生成が停止される。車輌の
加速時にアクセルをさらに踏み込むと、これに対応して
制御マップの所定圧力が上昇するので、このとき、コモ
ンレール圧が所定圧に達するまでＥＣＵ６０は高圧ポン
プ２０およびアーク電源４２を再度起動する。このよう
に、燃料生成装置２４はエンジンの運転状態にマッチン
グするようにＥＣＵ６０により制御されて水素リッチ燃
料の生成量が可変制御される。

【００４７】ＥＣＵ６０によって高圧ポンプ２０および
アーク電源４２が連続的に作動された状態で、コモンレ
ール圧が所定圧に達するまでの作動時間が予め定められ
た時間の例えば、１５秒以上かかる場合は、カートリッ
ジ燃料１００（図２参照）が交換時期に来たことを表
し、ＥＣＵ６０から交換指令信号Ｒｅｐｌが出力され、
車輌１４のインスツルメントパネル（図示せず）上に点
滅信号として表示され、一方、高圧ポンプ２０およびア
ーク電源４２がオフとされる。この後、図２において、
キャップ部材１１６を本体８０から取り外し、カートリ
ッジ燃料１００を新品と交換して、再度、キャップ部材
１１６を所定位置に固定する。この交換作業中におい
て、逆止弁１２２はコモンレール圧により閉じられるた
め、コモンレール２６内水素リッチ燃料は外部に漏洩し
ない。したがって、エンジン１０はカートリッジ燃料変
換器１００の交換作業中にも停止させる必要がない。

【００４８】なお、ＥＣＵ６０はＲＯＭ２０４に格納し
たＨＣ燃料供給マップに応じて第２高圧ポンプ３２の電
磁コイルの通電時間を制御することで水素リッチ燃料に
対するＨＣ燃料の混合比率を可変制御する。このとき、
水素リッチ燃料に対してＨＣ燃料を容量比で５〜６０
％、望ましくは１０〜３０％の範囲となるようにＨＣ燃
料供給マップは選択される。このように、ＨＣ燃料が希
薄状態で水素リッチ燃料と混合され、低燃費化と低公害
化とが図れる。

【００４９】また、ＥＣＵ６０は前述したように、クラ
ンク角信号Ｃｓおよび気筒判別信号Ｋｓならびに燃焼開
始信号ＳＴＣに基づいて目標の混合燃料の燃料噴射量と
燃料噴射時期を算出して、エンジンの回転数Ｎｅに同期
したタイミングで各気筒の燃料噴射弁２８を開閉駆動す
ることにより、エンジンへの燃料噴射量を制御する。

【００５０】車輌の軽負荷運転時にはクラッチ１３をオ
フにしてエンジン１０を駆動することにより、交流発電
機１７を駆動して、交流出力を発生させる。交流出力は
整流器３４で直流変換され、充電装置３６に充電され
る。整流器３４と充電装置３６との接続部にはパワーコ
ンバータ３８を介してモータ／発電機４０が接続されて
いるため、車輌１４の減速時にはモータ／発電機４０で
発生したブレーキ回生電力はパーワーコンバータ３８で
直流変換されて充電装置３６に充電される。なお、車輌
１４の加速時にはモータ／発電機４０に整流器３４と充
電装置３６の双方の電力が供給され、パーワーアップさ
れる。

【００５１】上記実施例において、ＨＣ燃料は燃料噴射
弁で水素リッチ燃料と混合される構造について説明した
が、第２高圧ポンプをチェック弁を介してコッモンレー
ル２６の蓄圧室２６ｂに直結して、この中で高温の水素
リッチ燃料とＨＣ燃料とを混合するように変形しても良
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の望ましい実施例による低燃費型エンジ
ン装置を組み込んだ低燃費型ハイブリッド車両のブロッ
ク図である。

【図２】図１の燃料生成装置の断面図である。

【図３】図１の電磁燃料噴射弁の断面図である。

【符号の説明】

１０エンジン、１２動力システム、１４車輌、１
６水タンク、１７交流発電機、２０第１高圧ポン
プ、２４燃料生成装置、２６コモンレール、２８
燃料噴射弁、３０ＨＣ燃料タンク、３２第２高圧ポ
ンプ、３４整流器、３６充電装置、３８パワーコ
ンバータ、４０モータ／発電機、４２アーク電源、６
０ＥＣＵ、８０ケース本体、９４，９６外部アー
ク電極、１００カートリッジ燃料変換器、１０４，１
０８内部アーク電極、１２２逆止弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素リッチ燃料と炭化水素燃料との混合燃
料と空気との混合気を爆発させて動力を発生させるエン
ジンと、外部アーク電極を有するケース本体と該ケース
本体内に着脱自在に装着された内部アーク電極と該内部
アーク電極に隣接して充填された複数の固形状炭素材を
備えていて高圧給水を水蒸気に変換して該水蒸気を前記
固形状炭素材と接触反応させることで前記水素リッチ燃
料を生成する燃料生成装置と、前記内部アーク電極にア
ーク電力を供給するアーク電源と、前記高圧給水を前記
ケース本体の上流側に供給する第１高圧ポンプと、前記
炭化水素燃料を高圧で供給する第２高圧ポンプと、前記
水素リッチ燃料と前記炭化水素燃料との混合燃料を前記
エンジンに供給する燃料供給手段とを備える低燃費型エ
ンジン装置。
【請求項２】請求項１において、前記ケース本体が前記
第１高圧ポンプに連結されたインレットと、前記燃料供
給手段に連通するアウトレットと、前記インレットと前
記アウトレットの間に形成されたカートリッジ収納室
と、前記カートリッジ収納室に隣接して配置されて前記
内部電極と接続される外部アーク電極と、前記カートリ
ッジ収納室に着脱自在に装填されるカートリッジ燃料変
換器を備える低燃費型エンジン装置。
【請求項３】請求項２において、前記カートリッジ燃料
変換器が前記外部アーク電極と電気的に接続される前記
内部アーク電極を内蔵するカートリッジケースを備え、
前記カートリッジケースが前記内部アーク電極に隣接し
て前記上流側から前記下流側に沿って充填された前記複
数の固形状炭素材を内蔵する低燃費型エンジン装置。
【請求項４】請求項１乃至請求項３の何れか１項におい
て、さらに、前記燃料生成装置と前記燃料供給手段との
間に配置された蓄圧装置と、前記燃料生成装置と前記蓄
圧装置との間に配置された逆止弁とを備え、前記燃料供
給手段が燃料噴射弁からなる低燃費型エンジン装置。
【請求項５】車輌本体と、車輌本体に搭載された動力シ
ステムと、動力システムにより駆動される推進装置とを
備え、前記動力システムが水素リッチ燃料と炭化水素燃
料との混合燃料と空気との混合気を爆発させて動力を発
生させるエンジンと、ケース本体と該ケース本体内に収
納された内部アーク電極と該内部アーク電極に隣接して
上流側から下流側に亘って充填された複数の固形状炭素
材を備えていて高圧給水を水蒸気に変換して該水蒸気を
前記固形状炭素材と接触反応させることで前記水素リッ
チ燃料を生成する燃料生成装置と、前記内部アーク電極
にアーク電力を供給するアーク電源と、前記高圧給水を
前記ケース本体の上流側に供給する第１高圧ポンプと、
前記炭化水素燃料を高圧で供給する第２高圧ポンプと、
前記水素リッチ燃料と前記炭化水素燃料との混合燃料を
前記エンジンに供給する燃料供給手段とを備える低燃費
型車輌。
【請求項６】請求項５において、前記燃料生成装置のケ
ース本体が前記高圧ポンプに連結されたインレットと、
前記燃料供給手段に連通するアウトレットと、前記イン
レットと前記アウトレットの間に形成されたカートリッ
ジ収納室と、前記カートリッジ収納室に隣接して配置さ
れた外部アーク電極と、前記カートリッジ収納室に着脱
自在に装填されるカートリッジ燃料変換器を備える低燃
費型車輌。
【請求項７】請求項５または請求項６において、さら
に、前記燃料生成装置と前記燃料供給手段との間に連結
されたコモンレールと、前記燃料発生装置と前記コモン
レールとの間に配置された逆止弁とを備え、前記燃料供
給手段が前記水素リッチ燃料と前記炭化水素燃料との混
合燃料を前記エンジンに供給する燃料噴射弁からなる低
燃費型車輌。
【請求項８】請求項６または請求項７において、前記燃
料生成装置が前記コモンレールと一体的に形成されてい
る低燃費型車輌。
【請求項９】請求項５乃至請求項８の何れか１項におい
て、前記燃料噴射弁がケース本体と、前記コモンレール
と連通するようにケース本体に形成された第１燃料通路
と、前記第２高圧ポンプに連通する第２燃料通路と、前
記第１燃料通路と前記第２燃料通路と連通する燃料混合
室と、前記燃料混合室を周期的に開口するプランジャー
とを備える低燃費型車輌。
【請求項１０】請求項５乃至請求項９において、さら
に、前記車輌本体に搭載されて前記アーク電源に電力を
供給する充電装置と、前記充電装置に接続されて交流出
力と直流出力との間でパワー変換を行うパワーコンバー
タと、パワーコンバータに接続されて推進装置を駆動す
るモータ／発電機を備え、モータ／発電機で発生した回
生電力をパワーコンバータを介して前記充電装置に充電
する低燃費型車輌。