JP2005299500A - Internal combustion engine using hydrogen - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、水素利用内燃機関に関する。 The present invention relates to a hydrogen-utilizing internal combustion engine.
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。 Conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-343360, an internal combustion engine system having a hydrogen generation function is known. Specifically, this system uses a hydrogenated fuel containing an organic hydride such as decalin as a raw material to generate a hydrogen rich gas and a dehydrogenated product such as naphthalene, and the generated hydrogen rich gas as a fuel. It has a working hydrogen engine.
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。 The system disclosed in the above publication separates hydrogenated fuel into a hydrogen-rich gas and a dehydrogenated product using heat generated during the operation of the hydrogen engine. More specifically, hydrogenated fuel is injected onto the catalyst, and a dehydrogenation reaction is caused on the catalyst to take out hydrogen. At this time, in order to efficiently extract hydrogen, the catalyst is heated using the waste heat of the engine.
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。 As a method of heating the catalyst using the waste heat of the engine, it is conceivable to heat the catalyst using the energy of the exhaust gas of the engine. However, when hydrogen is extracted by heating the catalyst using the energy of the exhaust gas, if the exhaust heat cannot be used effectively, the amount of hydrogen extracted with respect to the amount of hydrogen required by the engine may be insufficient.
また、脱水素化反応は吸熱反応であるため、反応に伴う吸熱によって触媒の温度が低下し、反応性が低下してしまう虞も生じる。 Further, since the dehydrogenation reaction is an endothermic reaction, the temperature of the catalyst is lowered due to the endotherm accompanying the reaction, and the reactivity may be lowered.
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場合に、反応効率を向上させて水素の生成量を増大させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In the case where the dehydrogenation reaction is caused by using the energy of the exhaust gas, the reaction efficiency is improved and the amount of hydrogen generated is increased. Objective.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、有機ハイドライド含有燃料を触媒に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、前記内燃機関は複数の気筒を有し、各気筒毎又は気筒群毎に設けられた複数の排気通路内に、当該排気通路を流れる排気ガスとの接触を遮断した状態で複数の前記触媒のそれぞれを内蔵したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the first invention provides a fuel supply means for supplying an organic hydride-containing fuel to a catalyst, and an internal combustion engine for removing hydrogen extracted from the organic hydride-containing fuel by a dehydrogenation reaction on the catalyst. The internal combustion engine has a plurality of cylinders, and a plurality of exhaust passages provided for each cylinder or each cylinder group, in contact with the exhaust gas flowing through the exhaust passages Each of the plurality of catalysts is incorporated in a state where the catalyst is cut off.
第2の発明は、第1の発明において、前記内燃機関が必要とする水素量を取得する水素量取得手段と、前記水素量が所定のしきい値以下の場合は、前記複数の触媒のうちの一部の触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止する燃料供給停止手段と、有機ハイドライド含有燃料の供給が停止された触媒が内蔵された排気通路を流れる排気ガスを、有機ハイドライド含有燃料の供給が停止されていない触媒が内蔵された排気通路へ供給する排気ガス供給制御手段と、を更に備えたことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, a hydrogen amount acquisition unit that acquires a hydrogen amount required by the internal combustion engine; and, if the hydrogen amount is equal to or less than a predetermined threshold value, The fuel supply stopping means for stopping the supply of the organic hydride-containing fuel to a part of the catalyst, and the exhaust gas flowing through the exhaust passage incorporating the catalyst for which the supply of the organic hydride-containing fuel is stopped, Exhaust gas supply control means for supplying to an exhaust passage containing a catalyst whose supply is not stopped.
第3の発明は、第2の発明において、前記触媒の温度を検出する温度検出手段を更に備え、有機ハイドライド含有燃料が供給されている前記触媒の温度が所定のしきい値以下となった場合は、当該触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止し、供給が停止されていた前記触媒へ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。 When the temperature of the said catalyst to which the organic hydride containing fuel is supplied in the 2nd invention is further provided with the temperature detection means which detects the temperature of the said catalyst, and becomes below a predetermined threshold value Is characterized in that the supply of the organic hydride-containing fuel to the catalyst is stopped, and the organic hydride-containing fuel is supplied to the catalyst that has been stopped.
第4の発明は、第2の発明において、所定の時間が経過した場合に、有機ハイドライド含有燃料が供給されている前記触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止し、供給が停止されていた前記触媒へ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。 According to a fourth invention, in the second invention, when a predetermined time has elapsed, the supply of the organic hydride-containing fuel to the catalyst to which the organic hydride-containing fuel is supplied is stopped, and the supply is stopped An organic hydride-containing fuel is supplied to the catalyst.
第1の発明によれば、複数の排気通路内のそれぞれに複数の触媒を内蔵したため、各触媒において脱水素反応を生じさせることができる。従って、水素の生成量を増大させることができる。 According to the first invention, since a plurality of catalysts are built in each of the plurality of exhaust passages, a dehydrogenation reaction can be caused in each catalyst. Accordingly, the amount of hydrogen produced can be increased.
第2の発明によれば、有機ハイドライド含有燃料の供給が停止された触媒が内蔵された排気通路を流れる排気ガスを、有機ハイドライド含有燃料の供給が停止されていない触媒が内蔵された排気通路へ供給するようにしたため、有機ハイドライド含有燃料が供給されて脱水素反応が生じている触媒の温度を高めることができる。これにより、脱水素反応の効率を向上させることができ、水素への転換割合を大きくして水素の生成量を増大させることが可能となる。 According to the second aspect of the present invention, the exhaust gas flowing through the exhaust passage containing the catalyst in which the supply of the organic hydride-containing fuel is stopped is transferred to the exhaust passage containing the catalyst in which the supply of the organic hydride-containing fuel is not stopped. Since the fuel is supplied, the temperature of the catalyst in which the dehydration reaction is generated by supplying the organic hydride-containing fuel can be increased. As a result, the efficiency of the dehydrogenation reaction can be improved, and the amount of hydrogen produced can be increased by increasing the conversion ratio to hydrogen.
第3の発明によれば、有機ハイドライド含有燃料が供給されている前記触媒の温度が所定のしきい値以下となった場合は、当該触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止し、供給が停止されていた触媒へ有機ハイドライド含有燃料を供給するようにしたため、脱水素反応の吸熱作用に起因して温度が低下した触媒に有機ハイドライド含有燃料が供給されてしまうことを抑止できる。従って、脱水素反応の効率を高めることが可能となる。 According to the third invention, when the temperature of the catalyst to which the organic hydride-containing fuel is supplied becomes equal to or lower than a predetermined threshold value, the supply of the organic hydride-containing fuel to the catalyst is stopped and the supply is stopped. Since the organic hydride-containing fuel is supplied to the stopped catalyst, it is possible to prevent the organic hydride-containing fuel from being supplied to the catalyst whose temperature has decreased due to the endothermic action of the dehydrogenation reaction. Therefore, the efficiency of the dehydrogenation reaction can be increased.
第4の発明によれば、所定の時間が経過した場合に、有機ハイドライド含有燃料が供給されている触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止し、供給が停止されていた触媒へ有機ハイドライド含有燃料を供給するようにしたため、脱水素反応の吸熱作用に起因して温度が低下した触媒に有機ハイドライド含有燃料が供給されてしまうことを抑止できる。従って、脱水素反応の効率を高めることが可能となる。 According to the fourth invention, when a predetermined time has elapsed, the supply of the organic hydride-containing fuel to the catalyst to which the organic hydride-containing fuel is supplied is stopped, and the supply of the catalyst that has been stopped contains the organic hydride Since the fuel is supplied, it is possible to suppress the supply of the organic hydride-containing fuel to the catalyst whose temperature has decreased due to the endothermic action of the dehydrogenation reaction. Therefore, the efficiency of the dehydrogenation reaction can be increased.
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。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.
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。
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of an internal combustion engine system according to each embodiment of the present invention. This system includes an
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。
A
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。
A hydrogen rich gas is supplied to the
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。 As will be described later, gasoline is supplied to the gasoline supply injector 20 at a predetermined pressure. The gasoline supply injector 20 opens a valve in response to a drive signal supplied from the outside, so that an amount of gasoline corresponding to the valve opening time can be injected into the intake port.
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。
A
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。
As will be described later, the hydrogenated
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、O2センサ26およびNOxセンサ28が組み込まれている。O2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。
An exhaust temperature sensor 25 is incorporated in the
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。
The system of this embodiment includes a hydrogenated
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(C7H14)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。
Ordinary gasoline (LFT-1C) contains about 40% of toluene. When toluene is hydrogenated, methylcyclohexane (C 7 H 14 ), which is an organic hydride, can be produced. That is, hydrogenation gasoline containing about 40% of methylcyclohexane can be produced by hydrogenating toluene contained in ordinary gasoline as a raw material. In the present embodiment, for the sake of convenience, the
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。
A hydrogenated
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。
The
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。
The
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。
In the system shown in FIG. 1, the
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。
A reaction chamber is formed inside the
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C7H14は、脱水素反応により、下記の通り水素H2とトルエンC7H8に分離される。
C7H14→C7H8+3H2 ・・・(1)
(1)式で示される脱水素反応は吸熱反応である。
As described above, the hydrogenated gasoline used in the present embodiment is obtained by organically hydrating toluene contained in normal gasoline. Therefore, if the hydrogenated gasoline is subjected to a dehydrogenation treatment, hydrogen-rich gas and ordinary gasoline are generated as a result. Specifically, methylcyclohexane C 7 H 14 which is an organic hydride is separated into hydrogen H 2 and toluene C 7 H 8 as follows by a dehydrogenation reaction.
C 7 H 14 → C 7 H 8 + 3H 2 (1)
The dehydrogenation reaction represented by the formula (1) is an endothermic reaction.
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。
For this reason, specifically, a mixture of hydrogen-rich gas and ordinary gasoline is supplied from the
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。
The
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。
A liquid storage space for storing dehydrogenated gasoline liquefied by being cooled is provided at the bottom of the
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。
The
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。
A
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。
The
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。
A
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。
A
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O2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。
The system of this embodiment includes an ECU 80. The ECU 80 has a function of controlling the system of this embodiment. That is, the ECU 80 is supplied with outputs from various sensors such as the O 2 sensor 26, the
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。
Next, based on FIG.2 and FIG.3, the structure of the
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、ケーシング74が挿入された領域では、排気管14内が2層構造とされている。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。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the alternate long and short dash line I-I ′ of FIG. 2. As shown in FIG. 3, the
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、触媒72の温度が低下すると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、内燃機関10で必要とされる水素量が大量になった場合でも、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、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。
Thereby, the utilization efficiency of exhaust heat can be significantly increased, and the dehydrogenation reaction in the
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、径を縮小することができ、搭載性を高めることが可能となる。
Further, since the end portion of the
次に、図4に基づいて、内燃機関10の各気筒と脱水素反応器22との関係について説明する。本実施形態では、図4に示すように2つの脱水素反応器22a,22bを備えている。それぞれの脱水素反応器22a,22bは管路78で接続されており、水素化ガソリン供給管34から供給された水素化ガソリンは、管路78によって脱水素反応器22a,22bにそれぞれ設けられたインジェクタ24に分配される。
Next, the relationship between each cylinder of the
図4に示すように、本実施形態の内燃機関10は#1〜#4の4つの気筒から構成されている。各気筒には、それぞれ排気管14a〜14dが接続され、各気筒と脱水素反応器22a,22bは排気管14a〜14dによって接続されている。すなわち、#1気筒は排気管14aによって脱水素反応器22aと接続され、#4気筒は排気管14dによって脱水素反応器22aと接続されている。また、#2気筒は排気管14bによって脱水素反応器22bと接続され、#3気筒は排気管14cによって脱水素反応器22bと接続されている。
As shown in FIG. 4, the
このように、本実施形態では、脱水素反応器22を2つ設けることで、それぞれの脱水素反応器22a,22bで脱水素反応を生じさせ、水素の生成量を増大させるようにしている。
As described above, in this embodiment, by providing two
脱水素反応器22における水素生成量を増大するためには、触媒72の容積を増大させることも考えられる。しかし、単に触媒72を大型化するのみでは、インジェクタ24から噴射した燃料が触媒72の全域に届かなくなる場合があるため、反応効率を高めることは難しい。本実施形態では、2つの脱水素反応器22a,22bを設けているため、各脱水素反応器22a,22bを比較的小型に構成することができ、双方の脱水素反応器22a,22b触媒72のほぼ全域で脱水素反応を生じさせることができる。従って、水素の生成量を大幅に増大することができる。
In order to increase the amount of hydrogen produced in the
また、4気筒の内燃機関の場合、#1−#3−#4−#2の順でクランク角180°毎に爆発行程が行われるため、この順に各気筒から排気ガスが排出される。このとき、図4に示すように、脱水素反応器22aと#1,#4気筒を接続し、脱水素反応器22bと#2,#3気筒を接続することで、#1−#3−#4−#2の順に排出された排気ガスは交互に脱水素反応器22a,22bに送られる。これにより、それぞれの脱水素反応器22a,22bには、クランク角360°毎の等間隔で排気ガスが送られることとなり、触媒72の温度変動を最小限に抑えることができる。また、各爆発行程で排出された排気ガスを交互に脱水素反応器22a,22bへ送ることで、双方の脱水素反応器22a,22bの温度をほぼ均一に維持することが可能となる。これにより、安定して水素を生成することが可能となる。内燃機関が4気筒以外の機関の場合も、各爆発行程で排出された排気ガスをバランス良く複数の脱水素反応器22に送ることが好適である。
In the case of a four-cylinder internal combustion engine, an explosion stroke is performed every crank angle of 180 ° in the order of # 1- # 3- # 4- # 2, and exhaust gas is discharged from each cylinder in this order. At this time, as shown in FIG. 4, by connecting the
以上説明したように実施の形態1によれば、内燃機関10から排出された排気ガスを2つの脱水素反応器22a,22bに供給するようにしたため、双方の脱水素反応器22a,22bで水素を生成することが可能となる。これにより、各脱水素反応器22a,22bにおける反応効率を高めることができ、水素の生成量を増大することが可能となる。
As described above, according to the first embodiment, since the exhaust gas discharged from the
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の構成を示す模式図であって、図4と同様に内燃機関10の各気筒と脱水素反応器22a,22bとの関係を示している。実施の形態2においても、実施の形態1と同様に2つの脱水素反応器22a,22bを設けている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the second embodiment, and shows the relationship between each cylinder of the
図5に示すように、実施の形態2では排気管14bと排気管14cを切換バルブ82に導入している。そして、切換バルブ82と脱水素反応器22aを接続する排気管14e、および切換バルブ82と脱水素反応器22bを接続する排気管14fをそれぞれ設けている。切換バルブ82は、排気管14b,14cから送られた排気ガスを排気管14eまたは排気管14fのいずれか一方に送る機能を有している。
As shown in FIG. 5, in the second embodiment, the
通常の制御では、排気管14b,14cから送られた排気ガスが排気管14fを経由して脱水素反応器22bに送られるように切換バルブ82の状態が設定される。一方、脱水素反応器22aには、排気管14a,14bから排気ガスが送られる。これにより、実施の形態1と同様に、双方の脱水素反応器22a,22bで水素を生成することができ、水素の生成量を増大することができる。
In normal control, the state of the switching
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、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、脱水素反応器22a,22bの一方又は双方で水素を生成することで、水素の生成量を制御することが可能である。
By the way, as explained in the first embodiment, the amount of hydrogen required by the internal combustion engine varies according to the operating state (rotation speed, load) of the engine and controls the fuel injection amount from the
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、脱水素反応器22aのインジェクタ24のみから燃料を噴射し、脱水素反応器22bのインジェクタ24からの燃料噴射を停止する。これにより、脱水素反応器22aのみで水素を生成することができ、運転状態に応じた必要水素量を内燃機関10に供給することができる。
That is, in the second embodiment, when the amount of hydrogen required by the
脱水素反応器22aのみで水素を生成した場合、水素を生成していない脱水素反応器22bに送られる排気熱を有効利用するため、排気管14b,14cから送られた排気ガスが排気管14eに送られるように切換バルブ82の状態が設定される。これにより、#1,#4気筒の排気と#2,#3気筒の排気が融合され、全気筒の排気ガスが脱水素反応器22aに送られる。従って、水素の生成に伴う吸熱が生じても、脱水素反応器22aの触媒72の温度を高温に維持することができ、脱水素反応器22aにおいて安定して水素を生成することが可能となる。
When hydrogen is generated only by the
なお、この場合、例えば排気管14cを流れる排気の一部を脱水素反応器22bへ送り、脱水素反応器22bの触媒72の温度が低下しないようにしておくことが好適である。これにより、脱水素反応器22bによる水素の生成を再開した際に、反応効率が低下してしまうことを抑止できる。
In this case, for example, it is preferable to send a part of the exhaust gas flowing through the
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。 FIG. 6 is a flowchart showing a processing procedure in the hydrogen-utilizing internal combustion engine of the second embodiment. First, in step S1, the engine speed and the throttle opening are acquired. In the next step S2, the amount of hydrogen required in the current operating state is calculated from the map based on the engine speed and throttle opening acquired in step S1.
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つの脱水素反応器22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。
In the next step S3, it is determined whether or not the necessary hydrogen amount obtained in step S2 is equal to or greater than a predetermined threshold value. Here, the limit hydrogen amount that can be generated in one
ステップS3で必要水素量≧Aの場合は、1つの脱水素反応器22で生成可能な限界水素量よりも、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、両方の脱水素反応器22a,22bのインジェクタ24から水素化ガソリンを噴射し、両方の脱水素反応器22a,22bで水素を生成する。
If the required hydrogen amount ≧ A in step S3, the amount of hydrogen required in the current operation state is larger than the limit hydrogen amount that can be generated in one
一方、ステップS3で必要水素量<Aの場合は、1つの脱水素反応器22で生成可能な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、切換バルブ82を作動して#2,#3気筒の排気ガスを脱水素反応器22aへ流す。そして、次のステップS6では、脱水素反応器22bのインジェクタ24からの燃料噴射を停止し、脱水素反応器22aのみで水素を生成する。
On the other hand, if the required hydrogen amount <A in step S3, the required hydrogen amount is smaller than the limit hydrogen amount that can be generated by one
以上説明したように実施の形態2によれば、必要水素量が少ない運転状態では、一方の脱水素反応器22aのみで水素を生成するようにしたため、運転状態に応じた適量の水素を生成することができる。また、切換バルブ82を作動させることにより、水素を生成していない脱水素反応器22bに供給する排気ガスを、水素を生成している脱水素反応器22aに送るようにしたため、水素を生成している脱水素反応器22aの触媒72の温度を常に高温に維持することができる。従って、脱水素反応器22aにおいて安定して水素を生成することが可能となる。
As described above, according to the second embodiment, in the operation state where the required hydrogen amount is small, hydrogen is generated only by one of the
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の構成を示す模式図であって、図4と同様に内燃機関10の各気筒と脱水素反応器22との関係を示している。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the third embodiment, and shows the relationship between each cylinder of the
実施の形態2と同様に、排気管14bと排気管14cは切換バルブ82に導入されている。そして、切換バルブ82と脱水素反応器22aを接続する排気管14e、および切換バルブ82と脱水素反応器22bを接続する排気管14fがそれぞれ設けられている。切換バルブ82は、排気管14b,14cから送られた排気ガスを排気管14eまたは排気管14fのいずれか一方に送る機能を有している。
As in the second embodiment, the
また、排気管14aと排気管14dは切換バルブ84に導入されている。そして、切換バルブ84脱水素反応器22aを接続する排気管14g、および切換バルブ84と脱水素反応器22bを接続する排気管14hをそれぞれ設けている。切換バルブ84は、排気管14a,14dから送られた排気ガスを排気管14gまたは排気管14hのいずれか一方に送る機能を有している。
Further, the
また、実施の形態3では、脱水素反応器22aと脱水素反応器22bの双方の触媒72の温度を検出するため、触媒温度センサ88,90が設けられている。
In the third embodiment,
通常の制御では、排気管14b,14cから送られた排気ガスが排気管14fを経由して脱水素反応器22bに送られるように切換バルブ82の状態が設定される。また、排気管14a,14dから送られた排気ガスが排気管14gを経由して脱水素反応器22aに送られるように切換バルブ84の状態が設定される。これにより、実施の形態1と同様に、双方の脱水素反応器22a,22bで水素を生成することができ、水素の生成量を増大することができる。
In normal control, the state of the switching
内燃機関10が必要とする水素量が少ない場合は、脱水素反応器22a,22bのいずれか一方で水素を生成する。脱水素反応器22aのみで水素を生成する場合は、脱水素反応器22aのインジェクタ24のみから燃料を噴射し、脱水素反応器22bのインジェクタ24からの燃料噴射を停止する。そして、水素を生成していない脱水素反応器22bに送られる排気熱を有効利用するため、排気管14b,14cから送られた排気ガスが排気管14eに送られるように切換バルブ82の状態が設定される。これにより、脱水素反応器22aのみで水素を生成することができ、運転状態に応じた必要水素量を内燃機関10に供給することができる。
When the amount of hydrogen required by the
脱水素反応器22bのみで水素を生成する場合は、脱水素反応器22bのインジェクタ24のみから燃料を噴射し、脱水素反応器22aのインジェクタ24からの燃料噴射を停止する。そして、水素を生成していない脱水素反応器22aに送られる排気熱を有効利用するため、排気管14a,14dを流れる排気ガスが排気管14hに送られるように切換バルブ84の状態が設定される。これにより、脱水素反応器22bのみで水素を生成することができ、運転状態に応じた必要水素量を内燃機関10に供給することができる。
When hydrogen is generated only by the
このように、脱水素反応器22a,22bのいずれか一方で水素を生成する場合に、水素を生成していない脱水素反応器22に送られる排気ガスを水素を生成している脱水素反応器に送ることで、全気筒の排気ガスを水素を生成している脱水素反応器22に送ることができる。従って、水素を生成している脱水素反応器22の触媒72の温度を高温に維持することができ、安定して水素を生成することが可能となる。
In this way, when hydrogen is generated in one of the
ところで、一方の脱水素反応器22のみで水素を生成した場合、水素を生成していない脱水素反応器22の触媒72の温度が低下し、水素の生成を再開した際に反応効率が低下する場合がある。
By the way, when hydrogen is generated only in one of the
このため、実施の形態3では、脱水素反応器22aのみで水素を生成している場合に、脱水素反応器22bの触媒72の温度を触媒温度センサ88で検出し、検出値が所定値よりも低下している場合は、脱水素反応器22aによる水素生成を停止し、脱水素反応器22bによる水素生成に切り換えるようにしている。
For this reason, in the third embodiment, when hydrogen is generated only by the
同様に、脱水素反応器22bのみで水素を生成している場合は、脱水素反応器22aの触媒72の温度を触媒温度センサ88で検出し、検出値が所定値よりも低下している場合は、脱水素反応器22bによる水素生成を停止し、脱水素反応器22aによる水素生成に切り換えるようにしている。
Similarly, when hydrogen is generated only by the
このように、1つの脱水素反応器22のみで水素を生成する場合に、水素を生成していない脱水素反応器22の触媒72の温度をモニタし、触媒72の温度が所定値よりも低下した場合は、水素を生成する脱水素反応器22を切り換えることで、双方の脱水素反応器22の触媒22の温度を反応に適した所定の温度に維持することができる。従って、脱水素反応の効率が低下してしまうことを抑止でき、安定して水素を生成することが可能となる。
As described above, when only one
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。 FIG. 8 is a flowchart showing a processing procedure in the hydrogen-utilizing internal combustion engine of the third embodiment. First, in step S11, the engine speed and the throttle opening are acquired. In the next step S12, the amount of hydrogen required in the current operating state is calculated from the map based on the engine speed and throttle opening acquired in step S11.
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つの脱水素反応器22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。
In the next step S13, it is determined whether or not the required hydrogen amount obtained in step S12 is greater than or equal to a predetermined threshold value. Here, the limit hydrogen amount that can be generated in one
ステップS13で必要水素量≧Aの場合は、1つの脱水素反応器22で生成可能な限界水素量よりも、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、両方の脱水素反応器22a,22bのインジェクタ24から水素化ガソリンを噴射し、両方の脱水素反応器22a,22bで水素を生成する。
If the required hydrogen amount ≧ A in step S13, the amount of hydrogen required in the current operating state is larger than the limit hydrogen amount that can be generated in one
一方、ステップS13で必要水素量<Aの場合は、1つの脱水素反応器22で生成可能な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、切換バルブ84を作動して#1,#4気筒の排気ガスを脱水素反応器22aへ流すとともに、切換バルブ82を作動して#2,#3気筒の排気ガスを脱水素反応器22aへ流す。そして、次のステップS16では、脱水素反応器22bのインジェクタ24からの燃料噴射を停止し、脱水素反応器22aのみで水素を生成する。
On the other hand, if the required hydrogen amount <A in step S13, the required hydrogen amount is smaller than the limit hydrogen amount that can be generated by one
次のステップS17では、水素を生成していない脱水素反応器22bの触媒72の温度を検出し、触媒温度≦T℃であるか否かを判定する。ここで、T℃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S17で触媒温度≦T℃の場合は、ステップS18へ進み、切換バルブ84を作動して#1,#4気筒の排気ガスを脱水素反応器22bへ流すとともに、切換バルブ82を作動して#2,#3気筒の排気ガスを脱水素反応器22bへ流す。一方、ステップS17で触媒温度>T℃の場合は、ステップS17で待機し、脱水素反応器22aのみによる水素の生成を継続する。
In the next step S17, the temperature of the
ステップS18の後はステップS19へ進み、脱水素反応器22bのインジェクタ24から燃料を噴射し、脱水素反応器22aのインジェクタ24からの燃料噴射を停止することで、脱水素反応器22bのみで水素を生成する。
After step S18, the process proceeds to step S19, where fuel is injected from the
以上説明したように実施の形態3によれば、1つの脱水素反応器22のみで水素を生成する場合に、水素を生成していない脱水素反応器22の触媒72の温度が所定値よりも低下した場合は、水素を生成する脱水素反応器22を切り換えるようにしたため、脱水素反応器22の触媒22の温度が低下してしまうことを抑止できる。従って、脱水素反応の効率が低下してしまうことを抑止でき、安定して水素を生成することが可能となる。
As described above, according to the third embodiment, when only one
なお、実施の形態3においても、排気の一部を水素を生成していない脱水素反応器22へ送り、触媒72の温度が低下しないようにしても良い。
In the third embodiment, a part of the exhaust gas may be sent to the
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。実施の形態4は、実施の形態3と同様に水素を生成する脱水素反応器22を切り換えるものであるが、触媒72の温度を検出することなく、所定時間毎に水素を生成する脱水素反応器22を切り換えるものである。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, the
図9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、スロットル開度および排気温度を取得する。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。 FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure in the hydrogen-utilizing internal combustion engine of the fourth embodiment. First, in step S21, the engine speed, throttle opening, and exhaust temperature are acquired. In the next step S22, the amount of hydrogen required in the current operating state is calculated from the map based on the engine speed and throttle opening obtained in step S21.
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つの脱水素反応器22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。
In the next step S23, it is determined whether or not the required hydrogen amount obtained in step S22 is greater than or equal to a predetermined threshold value. Here, the limit hydrogen amount that can be generated in one
ステップS23で必要水素量≧Aの場合は、1つの脱水素反応器22で生成可能な限界水素量よりも、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、両方の脱水素反応器22a,22bのインジェクタ24から水素化ガソリンを噴射し、両方の脱水素反応器22a,22bで水素を生成する。
If the required hydrogen amount ≧ A in step S23, the amount of hydrogen required in the current operating state is larger than the limit hydrogen amount that can be generated in one
一方、ステップS23で必要水素量<Aの場合は、1つの脱水素反応器22で生成可能な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、切換バルブ84を作動して#1,#4気筒の排気ガスを脱水素反応器22aへ流すとともに、切換バルブ82を作動して#2,#3気筒の排気ガスを脱水素反応器22aへ流す。そして、次のステップS26では、脱水素反応器22bのインジェクタ24からの燃料噴射を停止し、脱水素反応器22aのみで水素を生成する。
On the other hand, if the required hydrogen amount <A in step S23, the required hydrogen amount is smaller than the limit hydrogen amount that can be generated by one
次のステップS27では、所定時間が経過したか否かを判定する。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マップから算出される。触媒72の温度は内燃機関10の運転条件に応じて変動し、排気温度が低いほど触媒72の温度が低下するため、ステップS27における所定時間は排気温度が低いほど短く設定される。
In the next step S27, it is determined whether or not a predetermined time has elapsed. Here, the predetermined time is a threshold value that varies according to the exhaust gas temperature, and is calculated from the map. The temperature of the
ステップS27で所定時間が経過した場合は、ステップS28へ進み、切換バルブ84を作動して#1,#4気筒の排気ガスを脱水素反応器22bへ流すとともに、切換バルブ82を作動して#2,#3気筒の排気ガスを脱水素反応器22bへ流す。一方、ステップS27で所定時間が経過していない場合は、ステップS27で待機し、脱水素反応器22aのみによる水素の生成を継続する。
When the predetermined time has elapsed in step S27, the process proceeds to step S28, the switching
次のステップS28の後はステップS29へ進み、脱水素反応器22aのインジェクタ24からの燃料噴射を停止し、脱水素反応器22bのみで水素を生成する。
After the next step S28, the process proceeds to step S29, the fuel injection from the
図9の処理によれば、ステップS27における所定時間を排気温度に応じて変動させることで、水素を生成していない側の触媒72の温度が低下する前に、水素を生成する脱水素反応器22の切り換えを行うことができる。
According to the process of FIG. 9, the dehydrogenation reactor that generates hydrogen before the temperature of the
以上説明したように実施の形態4によれば、1つの脱水素反応器22のみで水素を生成する場合に、所定の時間間隔で水素を生成する脱水素反応器22を切り換えるようにしたため、脱水素反応器22の触媒72の温度が低下してしまうことを抑止できる。従って、脱水素反応の効率が低下してしまうことを抑止でき、安定して水素を生成することが可能となる。
As described above, according to the fourth embodiment, when only one
なお、上述した各実施形態では、2つの脱水素反応器22a,22bを設けることで水素の生成量を増大させているが、より多くの脱水素反応器22を設けても良い。
In each of the above-described embodiments, the amount of hydrogen generated is increased by providing two
また、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、脱水素化処理により水素化ガソリンから脱離した水素と、脱水素化ガソリンを内燃機関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。
Further, in each of the above-described embodiments, a hydrogen fuel gasoline is supplied as fuel, hydrogen desorbed from the hydrogenated gasoline by the dehydrogenation process, and a single fuel system that supplies the dehydrogenated gasoline to the
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
14,14a〜14h 排気通路
72 触媒
82,84 切換バルブ
18
Claims (4)
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、
前記内燃機関は複数の気筒を有し、各気筒毎又は気筒群毎に設けられた複数の排気通路内に、当該排気通路を流れる排気ガスとの接触を遮断した状態で複数の前記触媒のそれぞれを内蔵したことを特徴とする水素利用内燃機関。 A fuel supply means for supplying an organic hydride-containing fuel to the catalyst;
Hydrogen supply means for supplying hydrogen extracted from the organic hydride-containing fuel to the internal combustion engine by a dehydrogenation reaction on the catalyst,
The internal combustion engine has a plurality of cylinders, and each of the plurality of catalysts in a plurality of exhaust passages provided for each cylinder or each cylinder group is cut off from contact with exhaust gas flowing through the exhaust passages. An internal combustion engine using hydrogen.
前記水素量が所定のしきい値以下の場合は、前記複数の触媒のうちの一部の触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止する燃料供給停止手段と、
有機ハイドライド含有燃料の供給が停止された前記触媒が内蔵された前記排気通路を流れる排気ガスを、有機ハイドライド含有燃料の供給が停止されていない前記触媒が内蔵された前記排気通路へ供給する排気ガス供給制御手段と、
を更に備えたことを特徴とする請求項1記載の水素利用内燃機関。 A hydrogen amount acquisition means for acquiring a hydrogen amount required by the internal combustion engine;
A fuel supply stopping means for stopping supply of the organic hydride-containing fuel to a part of the plurality of catalysts when the amount of hydrogen is a predetermined threshold value or less;
Exhaust gas for supplying exhaust gas flowing through the exhaust passage in which the supply of organic hydride-containing fuel is stopped to the exhaust passage in which the supply of organic hydride-containing fuel is not stopped Supply control means;
The hydrogen-based internal combustion engine according to claim 1, further comprising:
有機ハイドライド含有燃料が供給されている前記触媒の温度が所定のしきい値以下となった場合は、当該触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止し、供給が停止されていた前記触媒へ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2記載の水素利用内燃機関。 A temperature detection means for detecting the temperature of the catalyst;
When the temperature of the catalyst to which the organic hydride-containing fuel is supplied falls below a predetermined threshold value, the supply of the organic hydride-containing fuel to the catalyst is stopped, and the supply of the organic catalyst is stopped. The hydrogen-containing internal combustion engine according to claim 2, wherein a hydride-containing fuel is supplied.
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