JP2005299501A - 水素利用内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】 水素化燃料を水素と脱水素燃料に分離して供給する水素利用内燃機関において、脱水素燃料の余剰分が生じることを抑止する。
【解決手段】 有機ハイドライド含有燃料を水素と脱水素燃料とに分離する脱水素反応を行う脱水素反応器２２と、分離された水素と脱水素燃料のそれぞれを内燃機関１０に供給する供給手段と、水素と脱水素燃料の両方を内燃機関１０に供給する第１のモードと、脱水素燃料のみを内燃機関１０に供給する第２のモードと、を切り換えて前記内燃機関を運転する制御手段と、を備える。
【選択図】 図３

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。
特開２００３−３４３３６０号公報 特開２００２−２５５５０３号公報 特開平７−６３１２８号公報
上記公報に開示されるシステムでは、脱水素生成物を一旦貯蔵した後、回収しているが、脱水素生成物を燃料（脱水素燃料）としてエンジンに供給するシステムも想定できる。この場合、機関効率と排気性能を両立させるためには、内燃機関に供給する水素と脱水素燃料の割合は所定の割合に定められる。
一方、水素と脱水素燃料は一定の割合で水素化燃料から分離される。そして、内燃機関が必要としている水素量を水素化燃料から分離すると、水素と同時に生成された脱水素燃料の量が内燃機関が必要とする脱水素燃料の量よりも多くなるという現象が生じる。このため、分離された水素に対して脱水素燃料は必ず余剰にな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、水素化燃料を水素と脱水素燃料に分離して供給する水素利用内燃機関において、脱水素燃料の余剰分が生じることを抑止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、有機ハイドライド含有燃料を水素と脱水素燃料とに分離する脱水素反応を行う脱水素反応手段と、分離された水素と脱水素燃料のそれぞれを内燃機関に供給する供給手段と、水素と脱水素燃料の両方を内燃機関に供給する第１のモードと、脱水素燃料のみを内燃機関に供給する第２のモードと、を切り換えて内燃機関を運転する制御手段と、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、前記脱水素反応手段は、前記第１のモードで前記脱水素反応を行い、前記第１のモードにおいて、分離された脱水素燃料を貯蔵する第１の貯蔵手段を備え、前記第２のモードでは、前記第１の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給することを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明において、前記脱水素反応手段は、前記第２のモードにおいて、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以下となった場合に前記脱水素反応を行い、前記第２のモードにおける前記脱水素反応により分離された水素を貯蔵する第２の貯蔵手段を備えたことを特徴とする。
第４の発明は、第３の発明において、前記第２のモードにおいて、第２の貯蔵手段における水素の貯蔵量が所定値以上となった場合は、前記第２の貯蔵手段に貯蔵されている水素を内燃機関に供給することを特徴とする。
第５の発明は、第２〜第４の発明のいずれかにおいて、前記第１のモードにおいて、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以上となった場合は、前記脱水素反応を停止し、前記第１の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給することを特徴とする。
第６の発明は、第１〜第５の発明のいずれかにおいて、前記第１のモードがストイキ燃焼モードであり、前記第２のモードがリーンバーン燃焼モードであることを特徴とする。
第７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水素と脱水素燃料とに分離する脱水素反応手段と、分離された水素と脱水素燃料のそれぞれを内燃機関に供給する供給手段と、水素のみを内燃機関に供給する第１のモードと、水素と脱水素燃料の両方を内燃機関に供給する第２のモードと、脱水素燃料のみを内燃機関に供給する第３のモードと、を切り換えて前記内燃機関を運転する制御手段と、分離された脱水素燃料を貯蔵する第１の貯蔵手段と、分離された水素を貯蔵する第２の貯蔵手段と、を備え、前記制御手段は、内燃機関の運転状態と、前記第１又は第２の貯蔵手段における水素又は脱水素燃料の貯蔵状態とに基づいて前記第１〜第３の運転モードを切り換えることを特徴とする。
第８の発明は、第７の発明において、前記脱水素反応手段は、前記第２のモードで前記脱水素反応を行い、前記第１の貯蔵手段は、前記第２のモードにおける前記脱水素反応で分離された脱水素燃料を貯蔵し、前記第３のモードでは、前記第１の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給することを特徴とする。
第９の発明は、第８の発明において、前記脱水素反応手段は、前記第３のモードにおいて、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以下となった場合に前記脱水素反応を行い、前記第２の貯蔵手段は、前記第３のモードにおける前記脱水素反応で分離された水素を貯蔵することを特徴とする。
第１０の発明は、第９の発明において、前記第３のモードにおいて、第２の貯蔵手段における水素の貯蔵量が所定値以上となった場合は、前記第２の貯蔵手段に貯蔵されている水素を内燃機関に供給することを特徴とする。
第１１の発明は、第８〜第１０の発明のいずれかにおいて、前記第２のモードにおいて、第２の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以上となった場合は、前記脱水素反応を停止し、前記第２の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給することを特徴とする。
第１の発明によれば、有機ハイドライド含有燃料を水素と脱水素燃料に分離して内燃機関に供給する場合、脱水素燃料の方が多く分離されるため脱水素燃料が余剰となるが、水素と脱水素燃料の両方を内燃機関に供給する第１のモードと、脱水素燃料のみを内燃機関に供給する第２のモードと、を切り換えて内燃機関を運転することで、余剰となった脱水素燃料を第２のモードで消費することができる。従って、システム内に余剰な脱水素燃料が溜まることを抑止できる。また、第１のモードにおいて水素を優先して使用することでリーン燃焼を行うことができ、燃費、効率を向上させるとともに、エミッションを向上させることができる。
第２の発明によれば、第１のモードにおいて、分離された脱水素燃料を第１の貯蔵手段に貯蔵し、第２のモードでは、第１の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給することで、余剰となった脱水素燃料を第２のモードで消費することができる。
第３の発明によれば、第２のモードにおいて、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以下となった場合に脱水素反応を行うことで、脱水素燃料を生成することができ、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が不足してしまうことを抑止できる。また、第２のモードにおける脱水素反応により分離された水素を第２の貯蔵手段に貯蔵するようにしたため、第１のモードに切り換わった際に貯蔵された水素を内燃機関に供給することができる。
第４の発明によれば、第２のモードにおいて、第２の貯蔵手段における水素の貯蔵量が所定値以上となった場合は、第２の貯蔵手段に貯蔵されている水素を内燃機関に供給するようにしたため、第１の貯蔵手段における水素の貯蔵量が飽和してしまうことを抑止できる。
第５の発明によれば、第１のモードにおいて、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以上となった場合は、脱水素反応を停止し、第１の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給するようにしたため、第１の貯蔵手段における水素の貯蔵量が飽和してしまうことを抑止できる。
第６の発明によれば、第１のモードをストイキ燃焼モードとし、第２のモードをリーンバーン燃焼モードとしたため、ストイキ燃焼モードでは主として高負荷、高回転域で運転を行うことができ、リーンバーン燃焼モードでは燃費、効率を向上させるとともにＮＯＸの排出を抑えることができる。
第７の発明によれば、内燃機関の運転状態と、第１又は第２の貯蔵手段における水素又は脱水素燃料の貯蔵状態とに基づいて第１〜第３の運転モードを切り換えるようにしたため、第１又は第２の貯蔵手段における水素又は脱水素燃料の貯蔵状態を最適に保った状態で、運転状態に応じた最適な運転を行うことが可能となる。
第８の発明によれば、第２のモードにおいて、分離された脱水素燃料を第１の貯蔵手段に貯蔵し、第３のモードでは、第１の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給することで、余剰となった脱水素燃料を第３のモードで消費することができる。
第９の発明によれば、第３のモードにおいて、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以下となった場合に脱水素反応を行うことで、脱水素燃料を生成することができ、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が不足してしまうことを抑止できる。また、第３のモードにおける脱水素反応により分離された水素を第２の貯蔵手段に貯蔵するようにしたため、第２のモードに切り換わった際に貯蔵された水素を内燃機関に供給することができる。
第１０の発明によれば、第３のモードにおいて、第２の貯蔵手段における水素の貯蔵量が所定値以上となった場合は、第２の貯蔵手段に貯蔵されている水素を内燃機関に供給するようにしたため、第２の貯蔵手段における水素の貯蔵量が飽和してしまうことを抑止できる。
第１１の発明によれば、第２のモードにおいて、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以上となった場合は、脱水素反応を停止し、第１の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給するようにしたため、第１の貯蔵手段における水素の貯蔵量が飽和してしまうことを抑止できる。
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（脱水素燃料）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、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。
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（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。
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（脱水素燃料）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。
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７２が連通している。水素供給管７２は、その途中にレギュレータ７４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７４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。
次に、図２に基づいて本実施形態のシステムの運転モードを説明する。本実施形態のシステムは、水素化ガソリンを脱水素化処理して得られたガソリン（脱水素燃料）のみを使用して内燃機関１０を運転するストイキ燃焼モードと、ガソリンと水素の両方を使用してリーンバーン燃焼により内燃機関１０を運転する水素添加燃焼モード（リーンバーン燃焼モード）の２種類のモードを備えている。
図２に示すように、アイドリング〜常用回転域では水素添加燃焼モードで運転が行われる。水素添加燃焼モードで運転が可能な範囲の上限は、脱水素反応器２２で生成できる最大の水素量から定められており、これ以上の高負荷、高回転域ではストイキ燃焼モードで運転が行われる。水素添加燃焼モードの運転では、リーンバーンにより燃費、効率を向上させることができ、また、ＮＯＸの排出を抑えることができるため、エミッションを向上させることができる。
水素添加燃焼モードの運転では、ガソリンに対して水素を適正な比率で添加することが必要である。この際、脱水素化処理して得られた水素とガソリンをそのまま内燃機関１０に供給すると、ガソリンの供給量に対して水素の供給量が不足する場合がある。
ここで、内燃機関１０に供給するガソリンと水素の供給量の比率は、ガソリンと水素の熱発生量に応じて定めることが望ましく、好適にはガソリンの供給熱量に対して水素の供給熱量を２０％程度とすることが望ましい。この場合のガソリンと水素のモル数の比率を以下に説明する。
水素化ガソリンを脱水素化処理して得られたガソリン（ＬＦＴ−１Ｃ）の１グラムあたりの熱発生量は４２．４２ｋＪ／ｇである。ガソリンの成分をＣ７Ｈ１２とすると、Ｃ７Ｈ１２の質量は１モルあたり９６ｇ／ｍｏｌであるため、１モルあたりの熱発生量は４０７２．３２ｋＪ／ｍｏｌとなる。
一方、水素の１グラムあたりの熱発生量は１２１ｋＪ／ｇであり、１モルあたり水素の質量は２ｇ／ｍｏｌであるため、水素１モルの熱発生量は２４２ｋＪ／ｍｏｌとなる。従って、ガソリン１モルの供給熱量（＝４０７２．３２ｋＪ／ｍｏｌ）の２０％を水素の供給熱量とすると、水素の供給熱量は４０７２．３２×０．２≒８１４ｋＪとなる。水素１モルの熱発生量は２４２ｋＪ／ｍｏｌであるため、８１４ｋＪの熱量を供給するための水素のモル数は、８１４／２４２＝３．３６モルとなる。
一方、（１）式によれば、１モルのメチルシクロヘキサンから１モルのトルエンと３モルの水素が生成される。上述したように通常のガソリンにはトルエンが４０％程度含まれているため、通常のガソリンを水素化して得られた水素化ガソリンの１モル中には、メチルシクロヘキサンが０．４モル含まれていることになる。従って、水素化ガソリン１モルに脱水素化処理を施すと、０．４モルのトルエンと１．２モルの水素が生成されることになる。
ところが、ガソリンの供給熱量に対して水素の供給熱量を２０％としてガソリンと水素の比率を定めた場合、上述したようにガソリン１モルに対して水素が３．３６モル必要となる。従って、３．３６−１．２＝２．１６モルの水素が不足することになる。
このため、ガソリンの供給量に対して水素を適正な比率で添加するためには、より多くの水素化ガソリンに脱水素化処理を施して、不足分の水素が発生しないようにする必要がある。しかし、脱水素化処理の際には水素とともにガソリンも生成されてしまうため、必要となる水素量に対応させて脱水素反応を行うとガソリンが余剰に生成されてしまう。
このため、本実施形態では、水素添加燃焼モードで生成された余剰なガソリンを貯蔵し、貯蔵したガソリンをストイキ燃焼モードで使用することとしている。これにより、水素添加燃焼モードで生成された余剰なガソリンがシステム内に溜まることを抑止できる。
図３は、本実施形態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、現在の運転条件が水素添加燃焼モード又はストイキ燃焼モードのいずれの状態に該当するかを判定する。
ステップＳ２で水素添加燃焼モードと判定された場合は、ステップＳ３へ進む。この場合、内燃機関１０に水素を供給するため、水素化ガソリンから水素を生成する必要がある。従って、水素化ガソリンインジェクタ２４から脱水素反応器２２へ水素化ガソリンを噴射し、脱水素反応により水素およびガソリンを生成する。
次のステップＳ４では、水素供給用インジェクタ１８、およびガソリン供給用インジェクタ２０から、運転条件に応じた所定量の水素とガソリンを内燃機関１０へ供給する。ここで、供給するガソリンおよび水素の量は、ステップＳ１で取得した機関回転数とスロットル開度に応じて計算される。また、ガソリン、水素の供給量は、機関回転数およびスロットル開度とガソリン、水素の供給量との関係を規定したマップから求めても良い。これにより、水素添加燃焼モードで内燃機関１０が運転される。
次のステップＳ５では、ステップＳ３の脱水素反応で生成され、内燃機関１０に供給されなかった余剰のガソリンをガソリンバッファタンク４８に貯蔵する。ステップＳ５の後は処理を終了する。
ステップＳ２でストイキ燃焼モードと判定された場合は、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では脱水素反応器２２への水素化ガソリンの噴射を停止する。
次のステップＳ７では、ガソリンバッファタンク４８に貯蔵されているガソリンをガソリン供給用インジェクタ２０へ送り、内燃機関１０へ噴射する。これにより、ストイキ燃焼モードで内燃機関１０が運転される。ステップＳ７の後は処理を終了する。
以上説明したように実施の形態１によれば、運転状態に応じて内燃機関１０を水素添加燃焼モードまたはストイキ燃焼モードで運転し、水素添加燃焼モードで余剰となったガソリンをガソリンバッファタンク４８に貯蔵し、貯蔵したガソリンをストイキ燃焼モードで使用するようにしたため、余剰なガソリンがシステム内に溜まることを抑止できる。また、ストイキ燃焼モードで脱水素反応を行う必要がないため、システムの効率を高め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。実施の形態２では、実施の形態１と同様に水素添加燃焼モードで余剰となったガソリンをストイキ燃焼モードで使用する。そして、実施の形態２では、ストイキ燃焼モードでの運転中にガソリンバッファタンク４８内のガソリンが所定値以下となった場合は、脱水素反応器２２に水素化ガソリンを噴射してガソリンを生成するようにしている。
図４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、現在の運転条件が水素添加燃焼モード又はストイキ燃焼モードのいずれの状態に該当するかを判定する。
ステップＳ１２で水素添加燃焼モードと判定された場合は、ステップＳ１３へ進む。この場合、内燃機関１０に水素を供給するため、水素化ガソリンから水素を生成する必要がある。従って、水素化ガソリンインジェクタ２４から脱水素反応器２２へ水素化ガソリンを噴射し、脱水素反応により水素およびガソリンを生成する。
次のステップＳ１４では、水素供給用インジェクタ１８、およびガソリン供給用インジェクタ２０から、運転条件に応じた所定量の水素とガソリンを内燃機関１０へ供給する。ここで、供給するガソリンおよび水素の量は、ステップＳ１１で取得した機関回転数とスロットル開度に応じて計算される。また、ガソリン、水素の供給量は、機関回転数およびスロットル開度とガソリン、水素の供給量との関係を規定したマップから求めても良い。これにより、水素添加燃焼モードで内燃機関１０が運転される。
次のステップＳ１５では、ステップＳ１３の脱水素反応で生成されて、内燃機関１０に供給されなかった余剰のガソリンをガソリンバッファタンク４８に貯蔵する。ステップＳ１５の後は処理を終了する。
ステップＳ１２でストイキ燃焼モードと判定された場合は、ステップＳ１６へ進む。ステップＳ１６では脱水素反応器２２への水素化ガソリンの噴射を停止する。
次のステップＳ１７では、ガソリンバッファタンク４８に貯蔵されているガソリンをガソリン供給用インジェクタ２０へ送り、内燃機関１０へ噴射する。これにより、ストイキ燃焼モードで内燃機関１０が運転される。
次のステップＳ１８では、ガソリンバッファタンク４８内に貯蔵されているガソリンの残量が所定値以下であるか否かを判定する。ステップＳ１８でガソリン残量が所定値以下の場合は、ステップＳ１９へ進む。一方、ガソリン残量が所定値よりも多い場合は、処理を終了する。ステップＳ１８の判定に用いる所定値は、ガソリンバッファタンク４８内のガソリンが不足することを防ぐため、機関回転数に応じて変化する値とし、各機関回転数における最大負荷時を考慮して設定する。
ステップＳ１９では、ストイキ燃焼モードでのガソリンの使用によりガソリンバッファタンク４８内のガソリンが不足する可能性があるため、水素化ガソリンインジェクタ２４から脱水素反応器２２へ水素化ガソリンを噴射し、脱水素反応によりガソリンと水素を生成する。生成したガソリンはガソリンバッファタンク４８に送られ、ストイキ燃焼モードでのでの運転に使用される。
次のステップＳ２０では、ステップＳ１９の脱水素反応で生成された水素を水素バッファタンク６４に貯蔵する。ストイキ燃焼モードでは、原則として水素が運転に使用されることはないため、脱水素反応で生成された水素は全て水素バッファタンク６４に貯蔵される。水素バッファタンク６４に貯蔵された水素は、水素添加燃焼モードによる運転時に使用される。
次のステップＳ２１では、水素バッファタンク６４内の水素量が所定値以上であるか否かを判定する。水素量が所定値以上の場合は、水素バッファタンク６４内に水素貯蔵量が飽和してしまうことを防ぐため、ステップＳ２２へ進み、水素供給用インジェクタ１８から内燃機関１０に水素を噴射する。一方、ステップＳ２１で水素量が所定値未満の場合は、処理を終了する。
以上説明したように実施の形態２によれば、ストイキ燃焼モードで内燃機関１０を運転している場合に、ガソリンバッファタンク４８内のガソリン残量が所定値以下となった場合は、脱水素反応器２２に水素化ガソリンを噴射してガソリンを生成するようにしたため、ガソリンバッファタンク４８内のガソリンが不足してしまうことを抑止できる。
また、ストイキ燃焼モードで運転中に脱水素反応を行った場合に、水素バッファタンク６４内の水素が所定値以上となった場合は、水素供給用インジェクタ１８から水素を噴射するようにしたため、水素バッファタンク６４内の水素貯蔵量が飽和してしまうことを抑止できる。
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。実施の形態３では、実施の形態１と同様に水素添加燃焼モードで余剰となったガソリンをストイキ燃焼モードで使用する。更に、実施の形態３では、水素添加燃焼モードによる運転中にガソリンバッファタンク４８内のガソリン量が所定値以上となった場合は、脱水素反応による水素の生成を停止してストイキ燃焼モードによる運転を一時的に行うようにしている。
図５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、現在の運転条件が水素添加燃焼モード又はストイキ燃焼モードのいずれの状態に該当するかを判定する。
ステップＳ２２で水素添加燃焼モードと判定された場合は、ステップＳ２３へ進む。この場合、内燃機関１０に水素を供給するため、水素化ガソリンから水素を生成する必要がある。従って、水素化ガソリンインジェクタ２４から脱水素反応器２２へ水素化ガソリンを噴射し、脱水素反応により水素およびガソリンを生成する。
次のステップＳ２４では、水素供給用インジェクタ１８、およびガソリン供給用インジェクタ２０から、運転条件に応じた所定量の水素とガソリンを内燃機関１０へ供給する。ここで、供給するガソリンおよび水素の量は、ステップＳ２１で取得した機関回転数とスロットル開度に応じて計算される。また、ガソリン、水素の供給量は、機関回転数およびスロットル開度とガソリン、水素の供給量との関係を規定したマップから求めても良い。これにより、水素添加燃焼モードで内燃機関１０が運転される。
次のステップＳ２５では、ステップＳ２３の脱水素反応で生成されて、内燃機関１０に供給されなかった余剰のガソリンをガソリンバッファタンク４８に貯蔵する。
次のステップＳ２６では、ガソリンバッファタンク４８内に貯蔵されているガソリンの残量が所定値以上であるか否かを判定する。ステップＳ２６でガソリン残量が所定値以上の場合は、ステップＳ２７へ進む。この場合、ガソリンバッファタンク４８内に多くガソリンが貯蔵されており、脱水素反応を継続するとガソリンバッファタンク４８内のガソリン貯蔵量が飽和してしまうため、ステップＳ２７では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、水素の生成を停止する。
次のステップＳ２８では、ストイキ燃焼モードで内燃機関１０を運転し、ガソリンバッファタンク４８内に貯蔵されているガソリンをガソリン供給用インジェクタ２０から噴射する。これにより、ガソリンバッファタンク４８内のガソリンが消費され、ガソリンの貯蔵量が飽和してしまうことが抑えられる。なお、ステップＳ２８では、現在の運転条件が水素添加燃焼モードに該当している場合であっても、ガソリンバッファタンク４８内のガソリンを消費するため、一時的にストイキ燃焼モードでの運転を行う。
ステップＳ２８の後はステップＳ２６に戻り、引き続きガソリンバッファタンク４８内に貯蔵されているガソリンの残量を監視する。
ステップＳ２２でストイキ燃焼モードと判定された場合は、ステップＳ２９へ進む。ステップＳ２９では脱水素反応器２２への水素化ガソリンの噴射を停止する。
次のステップＳ３０では、ガソリンバッファタンク４８に貯蔵されているガソリンをガソリン供給用インジェクタ２０へ送り、内燃機関１０へ噴射する。これにより、ストイキ燃焼モードで内燃機関１０が運転される。
次のステップＳ３１では、ガソリンバッファタンク４８内に貯蔵されているガソリンの残量が所定値以下であるか否かを判定する。ステップＳ３１でガソリン残量が所定値以下の場合は、ステップＳ３２へ進む。一方、ガソリン残量が所定値よりも多い場合は、処理を終了する。
ステップＳ３２では、ストイキ燃焼モードでのガソリンの使用によりガソリンバッファタンク４８内のガソリンが不足する可能性があるため、水素化ガソリンインジェクタ２４から脱水素反応器２２へ水素化ガソリンを噴射し、脱水素反応によりガソリンと水素を生成する。生成したガソリンはガソリンバッファタンク４８に送られ、ストイキ燃焼モードでのでの運転に使用される。
次のステップＳ３３では、ステップＳ３２の脱水素反応で生成された水素を水素バッファタンク６４に貯蔵する。ストイキ燃焼モードでは、原則として水素が運転に使用されることはないため、脱水素反応で生成された水素は全て水素バッファタンク６４に貯蔵される。
次のステップＳ３４では、水素バッファタンク６４内の水素量が所定値以上であるか否かを判定する。水素量が所定値以上の場合は、水素バッファタンク６４内に水素貯蔵量が飽和してしまうことを防ぐため、ステップＳ３５へ進み、水素供給用インジェクタ１８から内燃機関１０に水素を噴射する。一方、ステップＳ３４で水素量が所定値未満の場合は、処理を終了する。
以上説明したように実施の形態３によれば、水素添加燃焼モードで内燃機関１０を運転している場合に、ガソリンバッファタンク４８内のガソリン残量が所定値以上となった場合は、脱水素反応器２２への水素化ガソリンの噴射を停止するようにしたため、脱水素反応によって更にガソリンが生成されてしまうことを回避できる。これにより、ガソリンバッファタンク４８内のガソリン貯蔵量が飽和してしまうことを抑止できる。
また、水素添加燃焼モードで脱水素反応を停止した場合は、一時的にストイキ燃焼モードで内燃機関１０を運転するようにしたため、ガソリンバッファタンク４８内に貯蔵されているガソリンを使用して内燃機関１０を運転することができる。
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。実施の形態４のシステムは、水素のみで内燃機関１０を運転する水素エンジンモードを備えたものである。
アイドリング時、または低回転、低負荷の運転条件では、ガソリン供給用インジェクタ２０からのガソリン噴射量が燃費に与える影響が比較的大きくなるため、ガソリンの噴射量を抑制することが好適である。
このため、実施の形態４では、アイドリング時、または低回転、低負荷の運転条件では、ガソリン供給用インジェクタ２０からのガソリンの噴射を停止し、水素供給用インジェクタ１８から噴射した水素のみで内燃機関１０を運転する（水素エンジンモード）。これにより、燃費の低下を抑えることができるとともに、排気のエミッションを向上させることができる。
図６は、本実施形態のシステムの運転モードを示す模式図である。図６に示すように、ストイキ燃焼モードと水素添加燃焼モードは実施の形態１と同様に設けられている。そして、実施の形態４では、アイドリング時、低負荷、低回転時に水素のみで内燃機関１０を運転する水素エンジンモードを設けている。
図７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Ｓ４１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Ｓ４２では、ステップＳ４１で取得した機関回転数とスロットル開度に基づいて、現在の運転状態が、水素エンジンモード、水素添加燃焼モード又はストイキ燃焼モードのいずれの状態に該当するかを判定する。
ステップＳ４２で水素エンジンモードと判定された場合は、ステップＳ４３へ進む。ステップＳ４３では、水素バッファタンク６４内の水素の残量が所定値以上であるか否かを判定する。ステップＳ４３で水素の残量が所定値以上の場合は、ステップＳ４４に進む。一方、水素の残量が所定値未満の場合は、水素エンジンモードによる運転を行うためには水素量が不足しているため、ステップＳ４５以降の処理に移り、水素添加燃焼モードによる運転を行う。
ステップＳ４４では、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、水素の生成を停止する。ここで水素の生成を停止するのは、水素エンジンモードでは排気温がそれ程高くならないため、脱水素反応を生じさせるのに適していないためである。
次のステップＳ４５では、ガソリン供給用インジェクタ２０からのガソリンの噴射を停止し、水素バッファタンク６４内に貯蔵された水素を水素供給用インジェクタ１８から噴射して、水素エンジンモードにより内燃機関１０を運転する。
一方、ステップＳ４３で水素バッファタンク６４内の水素の残量が規定値未満の場合は、ステップＳ４６へ進み、ステップＳ４２で水素添加領域と判定された場合と同様の処理を行う。
ステップＳ４２で水素添加燃焼モードと判定された場合は、ステップＳ４５へ進む。この場合、内燃機関１０に水素を供給するため、水素化ガソリンから水素を生成する必要がある。従って、水素化ガソリンインジェクタ２４から脱水素反応器２２へ水素化ガソリンを噴射し、脱水素反応により水素およびガソリンを生成する。
次のステップＳ４６では、水素供給用インジェクタ１８、およびガソリン供給用インジェクタ２０から、運転条件に応じた所定量の水素とガソリンを内燃機関１０へ供給する。ここで、供給するガソリンおよび水素の量は、ステップＳ４１で取得した機関回転数とスロットル開度に応じて計算される。また、ガソリン、水素の供給量は、機関回転数およびスロットル開度とガソリン、水素の供給量との関係を規定したマップから求めても良い。これにより、水素添加燃焼モードで内燃機関１０が運転される。
次のステップＳ４７では、ステップＳ４５の脱水素反応で生成されて、内燃機関１０に供給されなかった余剰のガソリンをガソリンバッファタンク４８に貯蔵する。
次のステップＳ４８では、ガソリンバッファタンク４８内に貯蔵されているガソリンの残量が所定値以上であるか否かを判定する。ステップＳ４８でガソリン残量が所定値以上の場合は、ステップＳ４９へ進む。この場合、ガソリンバッファタンク４８内に多くガソリンが貯蔵されており、脱水素反応を継続するとガソリンバッファタンク４８内のガソリン貯蔵量が飽和してしまうため、ステップＳ４９では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、水素の生成を停止する。
次のステップＳ５０では、ストイキ燃焼モードで内燃機関１０を運転し、ガソリンバッファタンク４８内に貯蔵されているガソリンをガソリン供給用インジェクタ２０から噴射する。これにより、ガソリンバッファタンク４８内のガソリンが消費され、ガソリンの貯蔵量が飽和してしまうことが抑えられる。なお、ステップＳ５０では、現在の運転条件が水素添加燃焼モードに該当している場合であっても、ガソリンバッファタンク４８内のガソリンを消費するため、一時的にストイキ燃焼モードでの運転を行う。
ステップＳ５０の後はステップＳ４８に戻り、引き続きガソリンバッファタンク４８内に貯蔵されているガソリンの残量を監視する。
ステップＳ４２でストイキ燃焼モードと判定された場合は、ステップＳ５１へ進む。ステップＳ５１では脱水素反応器２２への水素化ガソリンの噴射を停止する。
次のステップＳ５２では、ガソリンバッファタンク４８に貯蔵されているガソリンをガソリン供給用インジェクタ２０へ送り、内燃機関１０へ噴射する。これにより、ストイキ燃焼モードで内燃機関１０が運転される。
次のステップＳ５３では、ガソリンバッファタンク４８内に貯蔵されているガソリンの残量が所定値以下であるか否かを判定する。ステップＳ５３でガソリン残量が所定値以下の場合は、ステップＳ５４へ進む。一方、ガソリン残量が所定値よりも多い場合は、処理を終了する。
ステップＳ５４では、ストイキ燃焼モードでのガソリンの使用によりガソリンバッファタンク４８内のガソリンが不足する可能性があるため、水素化ガソリンインジェクタ２４から脱水素反応器２２へ水素化ガソリンを噴射し、脱水素反応によりガソリンと水素を生成する。生成したガソリンはガソリンバッファタンク４８に送られ、ストイキ燃焼モードでのでの運転に使用される。
次のステップＳ５５では、ステップＳ５４の脱水素反応で生成された水素を水素バッファタンク６４に貯蔵する。ストイキ燃焼モードでは、原則として水素が運転に使用されることはないため、脱水素反応で生成された水素は全て水素バッファタンク６４に貯蔵される。
次のステップＳ５６では、水素バッファタンク６４内の水素量が所定値以上であるか否かを判定する。水素量が所定値以上の場合は、水素バッファタンク６４内に水素貯蔵量が飽和してしまうことを防ぐため、ステップＳ５７へ進み、水素供給用インジェクタ１８から内燃機関１０に水素を噴射する。一方、ステップＳ５６で水素量が所定値未満の場合は、処理を終了する。
以上説明したように実施の形態４によれば、アイドリング時、または低回転、低負荷の運転条件では、ガソリン供給用インジェクタ２０からのガソリンの噴射を停止し、水素供給用インジェクタ１８から噴射した水素のみで内燃機関１０を運転するようにしたため、燃費を向上させることが可能となり、また、排気のエミッションを向上させることができる。
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て得られた水素と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。
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１〜３に係るシステムの運転モードを示す模式図である。 実施の形態１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に係るシステムの運転モードを示す模式図である。 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。
符号の説明
１８ 水素供給用インジェクタ
２０ ガソリン供給用インジェクタ
２２ 脱水素反応器
４８ ガソリンバッファタンク
６４ 水素バッファタンク
８０ ＥＣＵ

Claims (11)

  1. 有機ハイドライド含有燃料を水素と脱水素燃料とに分離する脱水素反応を行う脱水素反応手段と、
    分離された水素と脱水素燃料のそれぞれを内燃機関に供給する供給手段と、
    水素と脱水素燃料の両方を内燃機関に供給する第１のモードと、脱水素燃料のみを内燃機関に供給する第２のモードと、を切り換えて内燃機関を運転する制御手段と、
    を備えたことを特徴とする水素利用内燃機関。
  2. 前記脱水素反応手段は、前記第１のモードで前記脱水素反応を行い、
    前記第１のモードにおいて、分離された脱水素燃料を貯蔵する第１の貯蔵手段を備え、
    前記第２のモードでは、前記第１の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給することを特徴とする請求項１記載の水素利用内燃機関。
  3. 前記脱水素反応手段は、前記第２のモードにおいて、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以下となった場合に前記脱水素反応を行い、
    前記第２のモードにおける前記脱水素反応により分離された水素を貯蔵する第２の貯蔵手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の水素利用内燃機関。
  4. 前記第２のモードにおいて、第２の貯蔵手段における水素の貯蔵量が所定値以上となった場合は、前記第２の貯蔵手段に貯蔵されている水素を内燃機関に供給することを特徴とする請求項３記載の水素利用内燃機関。
  5. 前記第１のモードにおいて、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以上となった場合は、前記脱水素反応を停止し、前記第１の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の水素利用内燃機関。
  6. 前記第１のモードがストイキ燃焼モードであり、前記第２のモードがリーンバーン燃焼モードであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の水素利用内燃機関。
  7. 有機ハイドライド含有燃料を水素と脱水素燃料とに分離する脱水素反応手段と、
    分離された水素と脱水素燃料のそれぞれを内燃機関に供給する供給手段と、
    水素のみを内燃機関に供給する第１のモードと、水素と脱水素燃料の両方を内燃機関に供給する第２のモードと、脱水素燃料のみを内燃機関に供給する第３のモードと、を切り換えて内燃機関を運転する制御手段と、
    分離された脱水素燃料を貯蔵する第１の貯蔵手段と、
    分離された水素を貯蔵する第２の貯蔵手段と、を備え、
    前記制御手段は、内燃機関の運転状態と、前記第１又は第２の貯蔵手段における水素又は脱水素燃料の貯蔵状態とに基づいて前記第１〜第３の運転モードを切り換えることを特徴とする水素利用内燃機関。
  8. 前記脱水素反応手段は、前記第２のモードで前記脱水素反応を行い、
    前記第１の貯蔵手段は、前記第２のモードにおける前記脱水素反応で分離された脱水素燃料を貯蔵し、
    前記第３のモードでは、前記第１の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給することを特徴とする請求項７記載の水素利用内燃機関。
  9. 前記脱水素反応手段は、前記第３のモードにおいて、第１の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以下となった場合に前記脱水素反応を行い、
    前記第２の貯蔵手段は、前記第３のモードにおける前記脱水素反応で分離された水素を貯蔵することを特徴とする請求項８記載の水素利用内燃機関。
  10. 前記第３のモードにおいて、第２の貯蔵手段における水素の貯蔵量が所定値以上となった場合は、前記第２の貯蔵手段に貯蔵されている水素を内燃機関に供給することを特徴とする請求項９記載の水素利用内燃機関。
  11. 前記第２のモードにおいて、第２の貯蔵手段における脱水素燃料の貯蔵量が所定値以上となった場合は、前記脱水素反応を停止し、前記第２の貯蔵手段に貯蔵されている脱水素燃料を内燃機関に供給することを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の水素利用内燃機関。
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