JP2005299499A - 水素利用内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気ガスのエネルギーを用いて脱水素化反応を起こす際に、反応効率を向上させて水素の生成量を増大させるとともに、脱水素化反応を生じさせる機構を簡素に構成する。
【解決手段】 内燃機関１０の排気通路１４の内部に導入され、端部が排気通路１４の外に配置されたケーシング７４と、ケーシング７４の内部に設けられた触媒７２と、ケーシング７４の端部に設けられ、触媒７２に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給する燃料供給手段２４と、触媒７２上での脱水素反応により有機ハイドライド含有燃料から取り出された水素を内燃機関１０に供給する水素供給手段１８と、を備える。
【選択図】 図２

Description

この発明は、水素利用内燃機関に関する。

従来、例えば特開２００３−３４３３６０号公報に開示されるように、水素生成機能を有する内燃機関のシステムが知られている。このシステムは、具体的には、デカリン等の有機ハイドライドを含む水素化燃料を原料として、水素リッチガスと、ナフタレン等の脱水素生成物とを生成する機構、並びに、生成された水素リッチガスを燃料として作動する水素エンジンを備えている。

上記公報に開示されるシステムは、水素エンジンの作動中に、その作動に伴って発生する熱を利用して、水素化燃料を水素リッチガスと脱水素生成物に分離する。より具体的には、水素化燃料を触媒上に噴射し、触媒上で脱水素化反応を起こさせて水素を取り出している。この際、水素を効率良く取り出すために、触媒をエンジンの廃熱を用いて加熱している。

特開２００３−３４３３６０号公報 特開平６−２６１５号公報 特開２００２−２５５５０３号公報

エンジンの廃熱を用いて触媒を加熱する方法として、エンジンの排気ガスのエネルギーを用いて触媒を加熱することが考えられる。しかしながら、排気ガスのエネルギーを用いて触媒を加熱して水素を取り出す場合に、排気熱を有効に利用できないとエンジンが要求する水素量に対して取り出した水素量が不足してしまう場合がある。

また、排気ガスの熱により触媒を加熱する場合、触媒を排気管に導入する必要がある。このため、排気管と触媒を含む構造が複雑となり、製造コストが増大するという問題が生じる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気ガスのエネルギーを用いて脱水素化反応を起こす際に、反応効率を向上させて水素の生成量を増大させるとともに、脱水素化反応を生じさせる機構を簡素に構成して製造を容易とすることを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路の内部に導入され、端部が前記排気通路の外に配置されたケーシングと、前記ケーシングの内部に設けられた触媒と、前記ケーシングの前記端部に設けられ、前記触媒に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給する燃料供給手段と、前記触媒上での脱水素反応により前記有機ハイドライド含有燃料から取り出された水素を内燃機関に供給する水素供給手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記ケーシングが前記排気通路の長手方向に延在するように設けられたことを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、前記ケーシングが前記排気通路と直交する方向に延在するように設けられたことを特徴とする。

第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記ケーシングの両側の前記端部が前記排気通路の外に配置され、前記燃料供給手段は、前記ケーシングの両側の前記端部に設けられたことを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明において、前記内燃機関が必要とする水素量が所定のしきい値以上のときは、前記ケーシングの両側の前記端部に設けられた前記燃料供給手段から前記触媒に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給することを特徴とする。

第６の発明は、第４の発明において、前記内燃機関が必要とする水素量が所定のしきい値未満のときは、前記ケーシングの一方の前記端部に設けられた前記燃料供給手段から前記触媒に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給することを特徴とする。

第７の発明は、第６の発明において、所定の場合に、有機ハイドライド含有燃料を供給する前記燃料供給手段を、一方の前記燃料供給手段から他方の前記燃料供給手段へ切り換えることを特徴とする。

第８の発明は、第６の発明において、前記燃料供給手段の前記触媒側の先端温度を検出する手段を備え、有機ハイドライド含有燃料を供給していない前記燃料供給手段の前記先端温度が所定値以上となった場合に、前記燃料供給手段の切り換えを行うことを特徴とする。

第９の発明は、第６の発明において、前記触媒の温度を検出する手段を備え、有機ハイドライド含有燃料を供給している側の前記触媒の温度が所定値以下となった場合に、前記燃料供給手段の切り換えを行うことを特徴とする。

第１０の発明は、第６の発明において、所定時間間隔毎に前記燃料供給手段の切り換えを行うことを特徴とする。

第１１の発明は、第５〜第１０の発明のいずれかにおいて、前記所定のしきい値は、前記ケーシングの一方の前記端部に設けられた前記燃料供給手段からの有機ハイドライド含有燃料の供給によって前記有機ハイドライド含有燃料から取り出すことのできる最大の水素量であることを特徴とする。

第１の発明によれば、触媒が内部に設けられたケーシングを排気通路の内部に導入したため、触媒の周囲を排気ガスで囲むことができ、排気ガスの熱を触媒に十分に与えることが可能となる。従って、触媒の温度を高温に維持することができ、脱水素反応の効率を向上させることが可能となる。また、ケーシングの端部を排気通路の外に配置し、燃料供給手段をケーシングの端部に設けたため、排気通路に燃料供給手段を貫通させる必要がなくなり、排気通路の内部の触媒に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給する構造を容易に製造することができる。更に、触媒の周囲が排気ガスで囲まれる２層構造としたため、脱水素反応を生じさせる構造を簡素かつ小型に構成することができ、生産性を高めるとともにシステムへの搭載性を良好にすることができる。

第２の発明によれば、ケーシングを排気通路の長手方向に延在するように設けたため、排気ガスの流れ方向とケーシングの長手方向を一致させることができ、触媒の表面積を最大限に拡大することができる。従って、触媒の利用効率を高めることができ、脱水素反応の反応量を増大させることができる。

第３の発明によれば、ケーシングを排気通路と直交する方向に延在するように設けたため、ケーシングの内部に設けられた触媒に均一に排気ガスの熱を伝えることができ、排気ガスから触媒への熱交換効率を高めることが可能となる。

第４の発明によれば、ケーシングの両側の端部に燃料供給手段を設けたため、ケーシングの内部に設けられた触媒の全域に有機ハイドライド含有燃料を供給することが可能となる。従って、脱水素反応の効率を向上させることが可能となり、反応量を増大させることが可能となる。

第５の発明によれば、内燃機関が必要とする水素量が所定のしきい値以上のときは、ケーシングの両側の端部に設けられた燃料供給手段から有機ハイドライド含有燃料を供給するため、触媒の全域で脱水素反応を生じさせることができ、必要水素量に応じた多量の水素を生成することが可能となる。

第６の発明によれば、内燃機関が必要とする水素量が所定のしきい値未満のときは、ケーシングの一方の端部に設けられた燃料供給手段から触媒に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給するため、一方の燃料供給手段のみの作動によって必要水素量に応じた量の水素を生成することが可能となる。

第７の発明によれば、所定の場合に、有機ハイドライド含有燃料を供給する燃料供給手段を、一方の燃料供給手段から他方の燃料供給手段へ切り換えるため、脱水素反応の吸熱作用に起因して触媒の温度が低下した場合であっても、燃料が供給されている側の触媒の温度は常に高温状態に保たれる。これにより、脱水素反応の効率を高めることが可能となる。

第８の発明によれば、有機ハイドライド含有燃料を供給していない燃料供給手段の先端温度が所定値以上となった場合に、有機ハイドライド含有燃料を供給する燃料供給手段を切り換えるため、先端温度が所定値以上となった燃料供給手段からの燃料供給によって、先端温度を低下させることができる。従って、燃料供給手段の先端温度が過度に上昇してしまうことを抑えることができる。

第９の発明によれば、有機ハイドライド含有燃料を供給している側の触媒の温度が所定値以下となった場合に、有機ハイドライド含有燃料を供給する燃料供給手段を切り換えるため、脱水素反応の吸熱作用に起因して触媒の温度が低下した場合であっても、燃料が供給されている側の触媒の温度は常に高温状態に保たれることになる。これにより、脱水素反応の効率を高めることが可能となる。

第１０の発明によれば、所定時間間隔毎に有機ハイドライド含有燃料を供給する燃料供給手段を切り換えることで、脱水素反応の吸熱作用に起因して触媒の温度が低下した場合であっても、燃料が供給されている側の触媒の温度は高温状態に維持することができる。これにより、脱水素反応の効率を高めることが可能となる。

第１１の発明によれば、所定のしきい値を、ケーシングの一方の端部に設けられた燃料供給手段からの有機ハイドライド含有燃料の供給によって有機ハイドライド含有燃料から取り出すことのできる最大の水素量としたことで、内燃機関が必要とする水素量が所定のしきい値以上のときはケーシングの両側の端部に設けられた燃料供給手段の両方から燃料を供給することで必要水素量を満足することができ、内燃機関が必要とする水素量が所定のしきい値未満のときは燃料供給手段の一方から燃料を供給することで必要水素量を満足することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の各実施形態に係る内燃機関システムの構成を説明するための図である。このシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気管１２および排気管１４が連通している。

吸気管１２には、吸入空気量を制御するためのスロットルバルブ１６が組み込まれている。スロットルバルブ１６の下流には、水素供給用インジェクタ１８が配置されている。また、内燃機関１０の吸気ポートには、ガソリン供給用インジェクタ２０が配置されている。

水素供給用インジェクタ１８には、後述するように、所定の圧力で水素リッチガスが供給されている。水素供給用インジェクタ１８は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の水素リッチガスを吸気管１２の内部に噴射することができる。図１に示すシステムでは、水素供給用インジェクタ１８を吸気管１２に配置することとしているが、その配置はこれに限定されるものではない。すなわち、水素供給用インジェクタ１８は、筒内に水素が噴射できるように内燃機関１０の本体に組み込んでも良い。

ガソリン供給用インジェクタ２０には、後述するように、所定の圧力でガソリンが供給されている。ガソリン供給用インジェクタ２０は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量のガソリンを吸気ポート内に噴射することができる。

排気管１４には、脱水素反応器２２が装着されている。また、脱水素反応器２２の上部には、水素化ガソリンインジェクタ２４が組み付けられている。

水素化ガソリンインジェクタ２４は、後述するように、所定の圧力で水素化ガソリンの供給を受けており、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の水素化ガソリンを脱水素反応器２２の内部に供給することができる。ここで、内燃機関１０が必要とする水素量は、内燃機関１０の運転状態に応じて変動する。ＥＣＵ８０は、内燃機関１０が必要とする水素量と、運転状態（機関回転数、負荷（スロットル開度））との関係を定めたマップを記憶しており、このマップから必要水素量を求め、水素化ガソリンインジェクタ２４の開弁・閉弁状態を制御する。また、脱水素反応器２２は、排気管１４から放射される排気熱を利用して、上記の如く供給される水素化ガソリンを水素リッチガスと脱水素化ガソリンとに分離し、それらを流出させる機能を有している。

排気管１４には、脱水素反応器２２の上流において、排気温度センサ２５が組み込まれている。また、排気管１４には、脱水素反応器２２の下流において、Ｏ_２センサ２６およびＮＯxセンサ２８が組み込まれている。Ｏ_２センサ２６は、排気ガス中の酸素の有無を基礎として、排気空燃比に応じた出力を発するセンサである。また、ＮＯxセンサ２８は、排気ガス中のＮＯx濃度に応じた出力を発するセンサである。これらのセンサ２６，２８の下流には、排気ガスを浄化するための触媒３０が配置されている。

本実施形態のシステムは、水素化ガソリンタンク３２を備えている。水素化ガソリンタンク３２の中には、一般的なガソリンに比して有機ハイドライドを多量に含む水素化ガソリンが貯留される。ここで、「有機ハイドライド」とは、３００℃程度の温度で脱水素反応を起こす炭化水素（ＨＣ）成分であり、具体的には、デカリンやシクロヘキサンがこれに該当する。

通常のガソリン（ＬＦＴ−１Ｃ）には、トルエンが４０％程度含まれている。トルエンを水素化すると、有機ハイドライドであるメチルシクロヘキサン（Ｃ_７Ｈ_１４）を生成することができる。つまり、通常のガソリンを原料として、その中に含まれるトルエンを水素化すると、メチルシクロヘキサンを４０％程度含有する水素化ガソリンを生成することができる。本実施形態では、便宜上、水素化ガソリンタンク３２には、このような組成を有する水素化ガソリンが給油されるものとする。

水素化ガソリンタンク３２には、水素化ガソリン供給管３４が連通している。水素化ガソリン供給管３４は、その途中にポンプ３６を備え、その端部において水素化ガソリンインジェクタ２４に連通している。水素化ガソリンタンク３２内の水素化ガソリンは、内燃機関の運転中に、ポンプ３６により汲み上げられて、所定の圧力で水素化ガソリンインジェクタ２４に供給される。

水素化ガソリンインジェクタ２４は、上述した通り、脱水素反応器２２の上部に組み付けられている。脱水素反応器２２は、排気熱を利用して水素化ガソリンを処理するための装置である。このため、内燃機関の運転中は、脱水素反応器２２の内部は、３００℃を超える温度に上昇する。

水素化ガソリンインジェクタ２４は、その内部温度に直接晒されるのを避けるべく、脱水素反応器２２の上方空間に主要部分が突出するように組み付けられている。このため、本実施形態のシステムによれば、水素化ガソリンインジェクタ２４の温度が、不当に高温となることはない。

尚、図１に示すシステムでは、水素化ガソリンインジェクタ２４を空冷することとしているが、その冷却の手法はこれに限定されるものではない。例えば、内燃機関１０の冷却水を水素化ガソリンインジェクタ２４の周囲に導くための冷却水通路を設けて、水素化ガソリンインジェクタ２４を水冷することとしても良い。

脱水素反応器２２の内部には、反応室が形成されている。水素化ガソリンインジェクタ２４から噴射された燃料は、その反応室の内部で水素リッチガスと脱水素化ガソリンとに分離され、脱水素反応器２２に接続された管路３８に導かれる。脱水素反応器２２には管路３８を介して分離装置４０が連通している。

既述した通り、本実施形態において用いられる水素化ガソリンは、通常のガソリンに含まれているトルエンを、有機ハイドライド化したものである。従って、その水素化ガソリンに脱水素処理を施せば、その結果生成されるのは、水素リッチガスと通常のガソリンである。具体的には、有機ハイドライドであるメチルシクロヘキサンＣ_７Ｈ_１４は、脱水素反応により、下記の通り水素Ｈ_２とトルエンＣ_７Ｈ_８に分離される。
Ｃ_７Ｈ_１４→Ｃ_７Ｈ_８＋３Ｈ_２ ・・・（１）
（１）式で示される脱水素反応は吸熱反応である。

このため、脱水素反応器２２から分離装置４０へは、具体的には、水素リッチガスと、通常のガソリンとの混合物が供給されることになる。

分離装置４０は、脱水素反応器２２から供給される高温の水素リッチガスおよび脱水素化ガソリン（通常のガソリン）を冷却して、それらを分離する機能を有している。分離装置４０は、内燃機関１０と同様に冷却水の循環により水冷されている。このため、分離装置４０は、効率良く水素リッチガス及び脱水素化ガソリンを冷却することができる。

分離装置４０の底部には、冷却されることにより液化した脱水素化ガソリンを貯留しておくための液体貯留スペースが設けられている。また、その貯留スペースの上方には、気体のまま残存する水素リッチガスを貯留するための気体貯留スペースが確保されている。分離装置４０には、液体貯留スペースに連通するようにガソリン管路４２が連通していると共に、気体貯留スペースに連通するように水素管路４４が連通している。

ガソリン管路４２は、ガソリンバッファタンク４８に連通している。図１には、水素化ガソリンタンク３２とガソリンバッファタンク４８とが離れた位置に配置された構成が示されているが、その構成はこれに限定されるものではない。すなわち、それらは、単一の筐体に収めることとしてもよい。

ガソリンバッファタンク４８には、液量センサ５８が組み付けられている。液量センサ５８は、その内部に貯留されている脱水素化ガソリンの液量に応じた出力を発するセンサである。また、ガソリンバッファタンク４８には、ガソリン供給管６０が連通している。ガソリン供給管６０は、その途中にポンプ６２を備え、その端部においてガソリン供給用インジェクタ２０に連通している。ガソリンバッファタンク４８内の脱水素化ガソリンは、内燃機関の運転中に、ポンプ６２により汲み上げられて、所定の圧力でガソリン供給用インジェクタ２０に供給される。

水素管路４４は、水素バッファタンク６４に連通している。また、水素管路４４には、分離装置４０内の水素リッチガスを水素バッファタンク６４に圧送するためのポンプ６６と、ポンプ６６の吐出側圧力が過大となるのを防ぐためのリリーフ弁６８が組み込まれている。ポンプ６６およびリリーフ弁６８によれば、水素バッファタンク６４内に、その内圧が過剰とならない範囲で水素リッチガスを送り込むことができる。

水素バッファタンク６４には、圧力センサ７０が組み付けられている。圧力センサ７０は、水素バッファタンク６４の内圧に応じた出力を発するセンサである。圧力センサ７０の出力によれば、水素バッファタンク６４内に貯留されている水素リッチガスの量を推定することができる。

水素バッファタンク６４には、水素供給管７１が連通している。水素供給管７１は、その途中にレギュレータ７３を備え、その端部において水素供給用インジェクタ１８に連通している。このような構成によれば、水素供給用インジェクタ１８には、水素バッファタンク６４に水素リッチガスが貯留されていることを条件に、レギュレータ７３により調整される圧力により水素リッチガスが供給される。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ８０を備えている。ＥＣＵ８０は、本実施形態のシステムを制御する機能を有している。すなわち、ＥＣＵ８０には、上述したＯ_２センサ２６、ＮＯxセンサ２８、液量センサ５８および圧力センサ７０などの各種センサの出力が供給されている。また、ＥＣＵ８０には、上述したポンプ３６，６２，６６、並びにインジェクタ１８，２０，２４などのアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ８０は、それらのセンサ出力を基礎として所定の処理を行うことにより、上述した各種のアクチュエータを適当に駆動することができる。

次に、図２及び図３に基づいて、脱水素反応器２２の構成を詳細に説明する。図２は、脱水素反応器２２の構成を示す断面図である。図２に示すように、脱水素反応を生じさせるための触媒７２はケーシング７４内に設けられ、ケーシング７４は排気ガスの流れ方向にその長手方向を向けた状態で排気管１４内に挿入されている。ケーシング７４の両端部は排気管１４の外に突出しており、上端には水素化ガソリンインジェクタ２４が設けられている。また、ケーシング７４が挿入された領域の排気管１４の外周には、断熱材７６が巻き付けられている。このように、排気ガスの流れ方向とケーシング７４の長手方向を一致させることで、排気管１４の径の拡大を最小限に抑えた状態で、触媒７２の容積（表面積）を最大限に拡大することができる。従って、触媒７２の利用効率を高めることができる。

図３は、図２の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面を示す断面図である。図３に示すように、ケーシング７４は排気管１４内の中心に配置されており、水素化ガソリンが供給される領域の外側に排気ガスが流れる領域が配置された２層構造が構成されている。従って、排気管１４内において、ケーシング７４は外側を流れる排気ガスによって囲まれることになり、触媒７２への熱供給を効率良く行うことが可能となる。

これにより、排気熱の利用効率を大幅に高めることができ、触媒７２における脱水素反応を促進することができる。上述したように脱水素反応は吸熱反応であるため、反応量が増えるに従って触媒７２の温度が低下し、反応効率が低下してしまうが、本実施形態の構成によれば、反応量が多い場合であっても触媒７２の内部温度の低下を最小限に抑えることが可能となる。これにより、大量の水素を常に安定して生成することができる。また、ケーシング７４が挿入された領域において排気管１４に断熱材７６を巻いているため、排気熱が外部に漏れることを最小限に抑えることができ、排気熱の利用効率をより高めることができる。

また、ケーシング７４の端部を排気管１４の外側に突出させたため、端部に水素化ガソリンインジェクタ２４を装着するだけで触媒７２に燃料を供給することが可能となる。これにより、触媒７２に燃料を供給するための開口を排気管１４自体に設ける必要がなくなり、簡素な構成で触媒７２に燃料を供給することが可能となる。従って、脱水素反応器２２の生産性を高めることが可能となる。また、脱水素反応器２２を２層構造にしたため、３層以上の構造と比較すると径を縮小することができ、システムへの搭載性を高めることが可能となる。また、脱水素反応器２２を２層構造にしたため、製造を容易に行うことが可能となる。

図４は、実施の形態１の他の構成を示す模式図である。図４の例では、管路３８をケーシング７４の上部に設けている。ケーシング７４内では、脱水素反応により水素リッチガスと通常のガソリンが生成され、ケーシング７４内での生成量が多くなると水素リッチガスとガソリンは順次に管路３８から排出される。従って、ケーシング７４と管路３８が接続される位置は特に限定されるものではなく、図４に示すようにケーシング７４の上部に管路３８を接続することも可能である。

以上説明したように実施の形態１によれば、触媒７２を内包したケーシング７４を排気管１４内に挿入し、ケーシング７４を高温の排気ガスで囲むようにしたため、排気熱の利用効率を高めることが可能となる。これにより、触媒７２への熱供給の効率を高めることができ、触媒７２の温度の低下を抑制することができるため、触媒７２における脱水素反応の効率を高めることが可能となる。従って、大量の水素を常に安定して生成することができる。また、ケーシング７４の端部を排気管１４の外に配置したため、ケーシング７４の端部から触媒７２へ燃料を容易に供給することが可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。図５は実施の形態２に係る脱水素反応器２２を示す断面図である。実施の形態１と同様に、触媒７２を内包するケーシング７４は排気管１４内に挿入されている。

図５に示すように、実施の形態２では、触媒７２へ水素化ガソリンを噴射する水素化ガソリンインジェクタ２４を、ケーシング７４の上下２ヶ所に設けている。そして、触媒７２に向けて上下から燃料を噴射するようにしている。

これにより、触媒７２の全域に確実に燃料を供給することが可能となり、触媒７２の全体を脱水素反応に活用することができる。従って、水素の生成量を大幅に増加させることが可能となる。

ところで、実施の形態１で説明したように、内燃機関が必要とする水素量は、機関の運転状態（回転数、負荷）に応じて変動し、水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射量を制御することで水素の生成量が制御される。これに加えて、実施の形態２では水素化ガソリンインジェクタ２４を２つ設けているため、必要水素量を上下の水素化ガソリンインジェクタ２４で吹き分けることで水素の生成量を制御することが可能である。

すなわち、実施の形態２では、内燃機関１０が必要とする水素量が少ない場合は、一方の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから燃料を噴射するようにしている。この際、ケーシング７４の上部が排気の上流側になるため、より高温の排気熱を受けることができる。従って、一方の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから燃料を噴射する場合は、上側の水素化ガソリンインジェクタ２４から燃料を噴射することで、触媒７２の温度を高温に維持することができる。これにより、反応効率を高めることが可能となる。

図６は、実施の形態２の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１では、機関回転数とスロットル開度を取得する。次のステップＳ２では、ステップＳ１で取得した機関回転数とスロットル開度に基づいて、現在の運転状態で必要とされる水素量をマップから算出する。

次のステップＳ３では、ステップＳ２で求めた必要水素量が所定のしきい値以上であるか否かを判定する。ここでは、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４による燃料噴射で生成可能な限界水素量をＡリットル／ｍｉｎとし、必要水素量≧Ａであるか否かを判定する。

ステップＳ３で必要水素量≧Ａの場合は、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射で生成できる限界水素量よりも、現在の運転状態で必要とされる水素量が多いため、ステップＳ４へ進み、上下の水素化ガソリンインジェクタ２４から水素化ガソリンを噴射する。

一方、ステップＳ３で水素量＜Ａの場合は、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射で生成できる限界水素量よりも必要水素量が少ないため、ステップＳ５へ進み、上側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから水素化ガソリンを噴射する。

以上説明したように実施の形態２によれば、ケーシング７４の上下に水素化ガソリンインジェクタ２４を装着し、上下の水素化ガソリンインジェクタ２４から水素化ガソリンを噴射するようにしたため、触媒７２の全体を脱水素反応に活用することが可能となる。これにより、水素の生成量を大幅に増大させることが可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。図７は実施の形態３に係る脱水素反応器２２を示す断面図である。実施の形態３では、実施の形態２と同様にケーシング７４の上下に水素化ガソリンインジェクタ２４を設けている。そして、上下の水素化ガソリンインジェクタ２４の噴射口近傍に、水素化ガソリンインジェクタ２４の先端温度を検出する温度センサ７８をそれぞれ設けている。温度センサ７８はＥＣＵ８０に接続されている。

一方の水素化ガソリンインジェクタ２４から水素化ガソリンを噴射した場合、燃料を噴射している水素化ガソリンインジェクタ２４は燃料によって冷却されるが、燃料を噴射していない水素化ガソリンインジェクタ２４の温度は排気熱によって上昇する。

このとき、水素化ガソリンインジェクタ２４の先端の温度が過度に上昇すると、水素化ガソリンインジェクタ２４の噴射口近傍に残存する燃料が固着し、燃料の噴射に影響を及ぼす場合がある。このため、実施の形態３では、一方の水素化ガソリンインジェクタ２４から燃料を噴射している場合に、燃料を噴射していない他方の水素化ガソリンインジェクタ２４の先端の温度が所定の温度よりも高くなった場合は、一方の水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射を停止し、先端温度が上昇した他方の水素化ガソリンインジェクタ２４から燃料を噴射する。

これにより、先端温度が上昇した水素化ガソリンインジェクタ２４を噴射燃料によって冷却することができ、水素化ガソリンインジェクタ２４が過度に加熱してしまうことを抑止できる。

図８は、実施の形態３の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１１では、機関回転数とスロットル開度を取得する。次のステップＳ１２では、ステップＳ１１で取得した機関回転数とスロットル開度に基づいて、現在の運転状態で必要とされる水素量をマップから算出する。

次のステップＳ１３では、ステップＳ１２で求めた必要水素量が所定のしきい値以上であるか否かを判定する。ここでは、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４による燃料噴射で生成可能な限界水素量をＡリットル／ｍｉｎとし、必要水素量≧Ａであるか否かを判定する。

ステップＳ１３で水素量≧Ａの場合は、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射で生成できる限界水素量よりも、現在の運転状態で必要とされる水素量が多いため、ステップＳ１４へ進み、上下の水素化ガソリンインジェクタ２４から水素化ガソリンを噴射する。ステップＳ１４の後は処理を終了する。

一方、ステップＳ１３で水素量＜Ａの場合は、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射で生成できる限界水素量よりも必要水素量が少ないため、ステップＳ１５へ進み、上側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから水素化ガソリンを噴射する。

ステップＳ１５の後はステップＳ１６へ進み、温度センサ７８により燃料を噴射していない下側の水素化ガソリンインジェクタ２４の先端温度を検出し、先端温度≧Ｔ_１℃であるか否かを判定する。ここで、Ｔ_１℃は、水素化ガソリンインジェクタ２４の先端温度の上限値となるしきい値である。ステップＳ１６で先端温度≧Ｔ℃の場合は、ステップＳ１７へ進み、下側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから燃料を噴射する。一方、ステップＳ１６で先端温度＜Ｔ℃の場合は、ステップＳ１５へ戻り、上側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみによる燃料噴射を継続する。

ステップＳ１７の後はステップＳ１８へ進み、温度センサ７８により燃料を噴射していない上側の水素化ガソリンインジェクタ２４の先端温度を検出し、先端温度≧Ｔ℃であるか否かを判定する。ステップＳ１８で先端温度≧Ｔ℃の場合は、ステップＳ１９へ進み、上側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから燃料を噴射し、処理を終了する。一方、ステップＳ１８で先端温度＜Ｔ℃の場合は、ステップＳ１７へ戻り、下側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみによる燃料噴射を継続する。

以上説明したように実施の形態３によれば、一方の水素化ガソリンインジェクタ２４から燃料を噴射している場合に、燃料を噴射していない他方の水素化ガソリンインジェクタ２４の温度が所定の温度よりも高くなった場合は、他方の水素化ガソリンインジェクタ２４から燃料を噴射するようにしたため、排気熱によって温度が上昇した水素化ガソリンインジェクタ２４を噴射燃料によって冷却することが可能となる。これにより、水素化ガソリンインジェクタ２４が過度に加熱してしまうことを抑止できる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４について説明する。図９は実施の形態４に係る脱水素反応器２２を示す断面図である。図９に示すように、実施の形態４では、触媒７２の温度を検出するため、触媒温度センサ８２が設けられている。触媒温度センサ８２は触媒７２の上部と下部にそれぞれ設けられている。また、ケーシング７４が挿入された領域の上流には、排気ガスの温度を検出する排気ガス温度センサ８４が設けられている。触媒温度センサ８２、排気ガス温度センサ８４はそれぞれＥＣＵ８０に接続されている。

実施の形態４では、実施の形態２と同様に、内燃機関１０が必要とする水素量に応じて、上下の水素化ガソリンインジェクタ２４から水素化ガソリンを噴射する。この際、脱水素反応は吸熱反応であるため、水素を生成すると触媒７２の温度が低下する。そして、触媒７２の温度が著しく低下した状態では、脱水素反応の効率が低下する。

上側の水素化ガソリンインジェクタ２４から燃料を噴射した場合、脱水素反応は主として触媒７２の上部で生じ、触媒７２の上部の温度が次第に低下していく。一方、触媒７２の下部の温度は排気熱によって高温に維持される。同様に、下側の水素化ガソリンインジェクタ２４から燃料を噴射した場合、触媒７２の下部の温度は次第に低下するが、触媒７２の上部の温度は排気熱によって高温に維持される。

このため、実施の形態４では、内燃機関１０が必要とする水素量が比較的少なく、一方の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから水素化ガソリンを噴射している場合に、触媒温度センサ８２によって燃料が噴射されている側の触媒７２の温度を検出する。そして、検出値が所定の温度よりも低下した場合は、燃料噴射を停止し、反対側の水素化ガソリンインジェクタ２４から燃料を噴射する。これにより、高温状態の触媒７２に燃料を噴射することができ、脱水素反応の反応効率を高めることができる。

このように、燃料が噴射されている側の触媒７２の温度が低下した場合は、燃料噴射を反対側の水素化ガソリンインジェクタ２４に切り換えることで、常に高温状態の触媒７２に向けて燃料を噴射することが可能となる。従って、脱水素反応の反応効率を高めることができ、安定して水素を供給することが可能となる。

図１０は、実施の形態４の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ２１では、機関回転数とスロットル開度を取得する。次のステップＳ２２では、ステップＳ２１で取得した機関回転数とスロットル開度に基づいて、現在の運転状態で必要とされる水素量をマップから算出する。

次のステップＳ２３では、ステップＳ２２で求めた必要水素量が所定のしきい値以上であるか否かを判定する。ここでは、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４による燃料噴射で生成可能な限界水素量をＡリットル／ｍｉｎとし、必要水素量≧Ａであるか否かを判定する。

ステップＳ２３で必要水素量≧Ａの場合は、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射で生成できる限界水素量よりも、現在の運転状態で必要とされる水素量が多いため、ステップＳ２４へ進み、上下の水素化ガソリンインジェクタ２４から水素化ガソリンを噴射する。ステップＳ２４の後は処理を終了する。

一方、ステップＳ２３で必要水素量＜Ａの場合は、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射で生成できる限界水素量よりも必要水素量が少ないため、ステップＳ２５へ進み、上側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから水素化ガソリンを噴射する。

ステップＳ２５の後はステップＳ２６へ進み、触媒７２の上部に設けられた触媒温度センサ８２により、触媒７２の上部の温度を検出し、触媒温度≧Ｔ_２℃であるか否かを判定する。ここで、Ｔ_２℃は、触媒７２の温度の下限値となるしきい値である。ステップＳ２６で触媒温度≧Ｔ_２℃の場合はステップＳ２７へ進み、燃料噴射を下側の水素化ガソリンインジェクタ２４に切り換えて、下側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから燃料を噴射する。一方、ステップＳ２６で先端温度＜Ｔ_２℃の場合は、ステップＳ２５へ戻り、上側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみによる燃料噴射を継続する。

ステップＳ２７の後はステップＳ２８へ進み、触媒７２の上部に設けられた触媒温度センサ８２により、触媒７２の下部の温度を検出し、触媒温度≧Ｔ_２℃であるか否かを判定する。ステップＳ２８で触媒温度≧Ｔ℃の場合はステップＳ２９へ進み、燃料噴射を上側の水素化ガソリンインジェクタ２４に切り換えて、上側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから燃料を噴射する。一方、ステップＳ２８で触媒温度＜Ｔ_２℃の場合は、ステップＳ２７へ戻り、下側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみによる燃料噴射を継続する。

図１０の処理では、触媒温度センサ８２の検出値に基づいて燃料を噴射する水素化ガソリンインジェクタ２４を切り換えているが、脱水素反応による触媒７２の温度の低下の度合いは、排気温度、水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射量などと相関があるため、これらのパラメータに基づいて燃料を噴射する水素化ガソリンインジェクタ２４を切り換えるようにしても良い。例えば、上下の水素化ガソリンインジェクタ２４を切り換える周期と排気温度との関係を定めた２次元マップ、若しくは、上下の水素化ガソリンインジェクタ２４を切り換える周期、排気温度、および水素化ガソリンインジェクタ２４による燃料噴射量の関係を定めた３次元マップを作成しておき、排気温度センサ８４の検出値、水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射量をこれらのマップに当てはめて水素化ガソリンインジェクタ２４の切換周期を求めるようにする。

以上説明したように実施の形態４によれば、触媒７２の温度、または排気温度に基づいて燃料を噴射する水素化ガソリンインジェクタ２４を切り換えるようにしたため、脱水素反応に伴って触媒７２の温度が低下してしまうことを抑止することができ、安定して水素を生成することが可能となる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５について説明する。実施の形態５は、実施の形態２と同様に燃料を噴射する上下の水素化ガソリンインジェクタ２４を切り換える場合において、所定の時間間隔で切り換えを行うものである。

図１１は、実施の形態５の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ３１では、機関回転数とスロットル開度を取得する。次のステップＳ３２では、ステップＳ３１で取得した機関回転数とスロットル開度に基づいて、現在の運転状態で必要とされる水素量をマップから算出する。

次のステップＳ３３では、ステップＳ３２で求めた必要水素量が所定のしきい値以上であるか否かを判定する。ここでは、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４による燃料噴射で生成可能な限界水素量をＡリットル／ｍｉｎとし、必要水素量≧Ａであるか否かを判定する。

ステップＳ３３で必要水素量≧Ａの場合は、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射で生成できる限界水素量よりも、現在の運転状態で必要とされる水素量が多いため、ステップＳ３４へ進み、上下の水素化ガソリンインジェクタ２４から水素化ガソリンを噴射する。ステップＳ３４の後は処理を終了する。

一方、ステップＳ３３で必要水素量＜Ａの場合は、１本の水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料噴射で生成できる限界水素量よりも必要水素量が少ないため、ステップＳ３５へ進み、上側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから水素化ガソリンを噴射する。

次のステップＳ３６では、所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過した場合は、ステップＳ３７へ進み、燃料噴射を下側の水素化ガソリンインジェクタ２４に切り換え、下側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみから水素化ガソリンを噴射する。ここで、所定時間は排気温度に応じて変動するしきい値であって、排気温度が低いほど脱水素反応に伴って触媒７２の温度が低下するため、排気温度が低いほど所定時間は短く設定される。そして、ステップＳ３７の後は処理を終了する。

一方、ステップＳ３６で所定時間が経過していない場合は、ステップＳ３５へ戻り、上側の水素化ガソリンインジェクタ２４のみによる燃料噴射を継続する。

以上説明したように実施の形態５によれば、上下の水素化ガソリンインジェクタ２４からの燃料の噴射を所定時間毎に切り換えるようにしたため、脱水素反応に伴って触媒７２の温度が低下してしまうことを抑止することができ、安定して水素を生成することが可能となる。

実施の形態６．
次に、この発明の実施の形態６について説明する。図１２は、実施の形態６の構成を示す模式図である。上述した実施の形態１〜５では、触媒７２を内包するケーシング７４の長手方向に排気ガスを流すようにしたが、図１２に示すように、実施の形態６ではケーシング７４の長手方向に対して直交する方向に排気ガスを流すようにしている。

このように、ケーシング７４の長手方向に対して直交する方向に排気ガスを流すことで、排気ガスから触媒７２への熱交換率を高めることができる。従って、脱水素反応による触媒７２の温度低下を最小限に抑えることができ、脱水素反応の効率を最大限に高めることが可能となる。

また、排気ガスの触媒７２の全域に直接当てることで、触媒７２に温度勾配が生じることを抑えることができる。従って、触媒７２の内部で均一に脱水素反応を生じさせることができ、反応効率を向上させることができる。

図１３は、排気ガスの流れ方向に複数のケーシング７４を配置した例を示す模式図である。このように、複数のケーシング７４を並べて配置することで、触媒７２の容積（表面積）を拡大することができ、水素の生成量を増大することができる。

以上説明したように実施の形態６によれば、ケーシング７４の長手方向に対して直交方向に排気ガスを流すようにしたため、排気ガスから触媒７２への熱交換率を高めることができる。これにより、触媒７２の温度低下を最小限に抑えることができ、脱水素反応の効率を最大限に高めることが可能となる。

なお、上述した各実施形態では、水素化ガソリンのみを燃料として供給し、水素化ガソリンから脱離した水素と、脱離後の燃料を内燃機関１０に供給する一元燃料のシステムに本発明を適用した例を示したが、燃料としてメチルシクロヘキサンと通常のガソリンの２種類を供給し、メチルシクロヘキサンから脱離させた水素と、通常のガソリンを内燃機関１０に供給する２元燃料のシステムに適用することも勿論可能である。

本発明の各実施形態に係る内燃機関システムの構成を説明するための模式図である。 実施の形態１に係る脱水素反応器の構成を示す断面図である。 図２の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面を示す断面図である。 実施の形態１の他の構成を示す模式図である。 実施の形態２に係る脱水素反応器を示す断面図である。 実施の形態２の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る脱水素反応器を示す断面図である。 実施の形態３の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態４に係る脱水素反応器を示す断面図である。 実施の形態４の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態５の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態６の構成を示す模式図である。 排気ガスの流れ方向に複数のケーシングを配置した例を示す模式図である。

符号の説明

１４ 排気管
１８ 水素供給用インジェクタ
２４ 水素化ガソリンインジェクタ
２５ 排気温度センサ
３０ 触媒
７４ ケーシング
７８ 温度センサ
８２ 触媒温度センサ

Claims (11)

1. 内燃機関の排気通路の内部に導入され、端部が前記排気通路の外に配置されたケーシングと、
   前記ケーシングの内部に設けられた触媒と、
   前記ケーシングの前記端部に設けられ、前記触媒に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記触媒上での脱水素反応により前記有機ハイドライド含有燃料から取り出された水素を内燃機関に供給する水素供給手段と、
   を備えたことを特徴とする水素利用内燃機関。
2. 前記ケーシングが前記排気通路の長手方向に延在するように設けられたことを特徴とする請求項１記載の水素利用内燃機関。
3. 前記ケーシングが前記排気通路と直交する方向に延在するように設けられたことを特徴とする請求項１記載の水素利用内燃機関。
4. 前記ケーシングの両側の前記端部が前記排気通路の外に配置され、
   前記燃料供給手段は、前記ケーシングの両側の前記端部に設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素利用内燃機関。
5. 前記内燃機関が必要とする水素量が所定のしきい値以上のときは、前記ケーシングの両側の前記端部に設けられた前記燃料供給手段から前記触媒に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給することを特徴とする請求項４記載の水素利用内燃機関。
6. 前記内燃機関が必要とする水素量が所定のしきい値未満のときは、前記ケーシングの一方の前記端部に設けられた前記燃料供給手段から前記触媒に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給することを特徴とする請求項４記載の水素利用内燃機関。
7. 所定の場合に、有機ハイドライド含有燃料を供給する前記燃料供給手段を、一方の前記燃料供給手段から他方の前記燃料供給手段へ切り換えることを特徴とする請求項６記載の水素利用内燃機関。
8. 前記燃料供給手段の前記触媒側の先端温度を検出する手段を備え、
   有機ハイドライド含有燃料を供給していない前記燃料供給手段の前記先端温度が所定値以上となった場合に、前記燃料供給手段の切り換えを行うことを特徴とする請求項６記載の水素利用内燃機関。
9. 前記触媒の温度を検出する手段を備え、
   有機ハイドライド含有燃料を供給している側の前記触媒の温度が所定値以下となった場合に、前記燃料供給手段の切り換えを行うことを特徴とする請求項６記載の水素利用内燃機関。
10. 所定時間間隔毎に前記燃料供給手段の切り換えを行うことを特徴とする請求項６記載の水素利用内燃機関。
11. 前記所定のしきい値は、前記ケーシングの一方の前記端部に設けられた前記燃料供給手段からの有機ハイドライド含有燃料の供給によって前記有機ハイドライド含有燃料から取り出すことのできる最大の水素量であることを特徴とする請求項５〜１０のいずれかに記載の水素利用内燃機関。

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