JP2006226167A - 水素利用内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素を安定して生成可能な水素利用内燃機関を提供する。
【解決手段】 脱水素反応が行われる触媒の温度が所定温度よりも低いか否かを判別する（ステップ１００）。触媒の温度が所定温度以上であると判別された場合、触媒への水素化燃料を実行する（ステップ１０２）。一方、触媒の温度が所定温度よりも低い場合、触媒への水素化燃料の供給を禁止した（ステップ１０４）後、触媒の温度を昇温させる制御を実行する（ステップ１０６）。触媒の温度を昇温させる制御は、排気ガスの温度を昇温させる制御である。
【選択図】 図２

Description

この発明は、水素利用内燃機関に係り、特に、燃料の改質反応もしくは脱水素反応により得られた水素を利用する水素利用内燃機関に関する。

内燃機関における燃焼を促進させることを目的として、近年、混合気に水素を添加する技術が開発されている。
水素の供給方法としては、タンク内に充填した水素を供給する方法や、車上で水素を生成する方法がある。車上で水素を生成する方法の１つとして、内燃機関の排気熱を利用して水素化燃料を脱水素反応させた後、水素と脱水素生成物（ガソリン）とを分離する方法がある。
また、特開昭５９−９９０５９号公報には、排気熱を利用してメタノールを可燃ガスに改質し、可燃ガスを吸気通路内に供給する装置が開示されている。

特開昭５９−９９０５９号公報

しかしながら、車輌運転中に触媒の温度が低下する場合がある。触媒の温度が所定温度を下回った状態で、触媒に水素化燃料を供給しても、脱水素反応が起こらない。よって、車上で水素を生成することができなくなり、混合気に水素を添加することができなくなってしまう。

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、水素を安定して生成可能な水素利用内燃機関を提供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、燃料の改質反応もしくは脱水素反応により得られた水素を利用する水素利用内燃機関であって、
燃料を貯留する燃料貯留部と、
内燃機関の排気熱により加熱可能に配置された触媒を有し、該触媒により燃料を改質反応もしくは脱水素反応させる反応器と、
前記触媒の温度を検出する温度検出部と、
前記触媒の温度が所定温度より低い場合に、排気ガスの温度を上昇させる昇温運転を実行する昇温運転実行手段とを備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記触媒の温度が所定温度よりも低い場合に、前記反応器への燃料の供給を禁止する供給禁止手段を更に備えたことを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記供給禁止手段は、前記昇温運転を実行してから所定時間経過後に前記触媒の温度が所定温度に達していない場合に、燃料の供給を禁止するものであることを特徴とする。

第１の発明によれば、触媒の温度が所定温度よりも低くなった場合に、排気ガスの温度を上昇させることにより、触媒の温度を早期に復帰させることができる。よって、安定して水素を生成することができる。

第２の発明によれば、触媒の温度が所定温度よりも低くなった場合に、水素化燃料の供給を禁止することにより、触媒の温度の更なる低下を防ぐことができる。よって、触媒の温度を早期に復帰させることができる。

第３の発明によれば、所定時間経過後に触媒の温度が所定温度に達していない場合には、触媒の温度の昇温効果が不十分であると判断され、水素化燃料の供給が停止される。従って、触媒床温の昇温効果に応じて触媒への水素化燃料の供給を禁止するか否かを決定することができ、水素の生成をより安定して行うことができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の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。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１によるシステムの構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態１のシステムは、水素化燃料を貯留する水素化燃料貯留部２を備えている。水素化燃料は、一般的なガソリンに水素が添加されたものであり、例えば、トルエンに水素が添加されてなるメチルシクロヘキサンである。水素化燃料貯留部２は、ポンプ４を介して水素化燃料供給用のインジェクタ６に連通している。インジェクタ６は、脱水素反応器１０内の触媒１２に水素化燃料を供給できるように設けられている。

脱水素反応器１０は、排気通路４６を取り巻くように設けられている。触媒１２は、排気通路４６を流れる排気ガスの熱（排気熱）により加熱されるように設けられている。触媒１２には、該触媒１２の温度（触媒床温）を検出する触媒温度センサ１４が設けられている。脱水素反応器１０は、配管１６を介して分離装置２０と接続されている。配管１６は、脱水素反応により得られた水素と脱水素生成物（すなわち、ガソリン）とを分離装置２０に排出するためのものである。

分離装置２０は、内部にタンクを有している。分離装置２０は、水素及び脱水素生成物を冷却させることにより、脱水素生成物を液化させるように構成されている。

分離装置２０の上部には、配管２１の一端が接続されている。配管２１の他端は、ポンプ２２とバッファタンク２３とレギュレータ２４を介して水素供給用のインジェクタ２５に連通している。インジェクタ２５は、吸気通路４０内に水素を添加できるように設けられている。ポンプ２２とバッファタンク２３の間には、リリーフバルブ２６を介して迂路２７が設けられている。
分離装置２０の下部は、配管２９を介して脱水素生成物貯留部３０に連通している。脱水素生成物貯留部３０には、配管３１の一端が接続されている。配管３１の他端は、ポンプ３２を介して脱水素生成物供給用のインジェクタ３３に連通している。インジェクタ３３は、吸気通路４０内に脱水素生成物を供給できるように設けられている。

吸気通路４０におけるインジェクタ２５の上流には、スロットルバルブ４１が設けられている。吸気通路４０は、吸気バルブ４２を介してシリンダ４３に連通している。シリンダヘッドには、点火プラグ４４が設けられている。シリンダ４３は、排気バルブ４５を介して排気通路４６に連通している。排気通路４６における脱水素反応器１０の下流には空燃比センサ４７が設けられ、さらにその下流には浄化触媒４８である３元触媒が設けられている。

本実施の形態１のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ポンプ４，２２，３２、インジェクタ６，２５，３３、触媒温度センサ１４、スロットルバルブ４１、点火プラグ４４、空燃比センサ４７等は、ＥＣＵ５０にそれぞれ接続されており、ＥＣＵ５０によって制御されている。

［実施の形態１の特徴］
次に、本実施の形態１における上記システムの動作について説明する。
内燃機関の始動後、シリンダ４３から排出された排気ガスの熱によって排気通路４６が加熱される。これと共に、脱水素反応器１０内の触媒１２が加熱される。ポンプ４が駆動されると、水素化燃料貯留部２からインジェクタ６に水素化燃料が供給され、加熱された触媒１２にインジェクタ６から水素化燃料が供給される。これにより、触媒１２において、水素化燃料の脱水素反応が行われる。該脱水素反応により生じた水素と脱水素生成物とは、配管１６を介して分離装置２０に送られる。分離装置２０において、水素及び脱水素生成物は冷却される。その結果、脱水素生成物が液化してタンク下部に溜まり、水素と分離される。このようにして、車上で水素が生成される。

分離された脱水素生成物は、配管２９を介して脱水素生成物貯留部３０に送られる。ポンプ３２が駆動されると、脱水素生成物貯留部３０から配管３１を介してインジェクタ３３に脱水素生成物が供給され、所定のタイミングでインジェクタ３３から吸気通路４０に脱水素生成物が供給される。一方、分離された水素は、ポンプ２２が駆動されると、配管２１を介してバッファタンク２３に供給される。さらに、水素は、レギュレータ２４を介してインジェクタ２５に供給される。そして、上記脱水素生成物の供給タイミングに合わせて、インジェクタ２５から吸気通路４０に水素が供給される。これにより、脱水素及び水素を含む混合気が得られる。

この混合気は、シリンダ４３内に供給される。そして、シリンダ４３内で点火プラグ４４による点火が行われると、混合気が燃焼する。その後、シリンダ４３から排出された排気ガスは、排気通路４６を通って浄化触媒４８に供給され、該浄化触媒４８において浄化される。

ところで、脱水素反応器１０の触媒１２上で起こる脱水素反応は吸熱反応である。よって、排気通路４６を流れる排気ガスの温度が低い場合や、脱水素反応を頻繁に行った場合等には、触媒１２の温度が低下してしまう可能性がある。触媒１２の温度が２５０℃未満であると、脱水素反応が起こらないか、脱水素反応が起こったとしてもその反応速度は遅く少量の水素しか得られない。この状態で車輌の運転を継続すると、必要とする量の水素を車上で生成することができなくなる。このため、混合気に水素を添加することができなくなり、所望の運転特性が得られなくなる。つまり、水素添加による超リーンバーン運転を行うことができなくなり、期待した燃費が得られなくなる。

そこで、本実施の形態１では、車輌運転中に触媒１２の温度を温度センサ１４によって測定し、触媒１２の温度が所定温度よりも下がった場合に、触媒１２の温度を昇温させる制御を行うようにする。すなわち、排気ガスの温度を上げる制御を行うことにより、間接的に触媒１２の温度を昇温させるようにする。
触媒１２の温度を昇温させる制御の一例としては、例えば、点火プラグ４４の点火時期を遅らせる制御がある。この制御によれば、燃焼により得られた熱エネルギーのうちピストン運動に使われるエネルギーを減少させることができるため、排気ガスの温度を上昇させることができる。
また、別の例としては、例えば、一時的に水素の添加によるリーン燃焼運転からストイキ燃焼運転に変更する制御がある。具体的には、インジェクタ２５からの水素の供給を中止し、スロットルバルブ４１の開度を小さくすると共に、インジェクタ３３からの脱水素生成物の供給量を増加させる制御を行う。この制御によれば、燃焼による熱エネルギーに対する排気ガスの量を小さくすることができるため、排気ガスの温度を上昇させることができる。
このような制御をＥＣＵ５０が実行することにより、触媒１２の温度を昇温させることができ、車上で安定して水素を生成することができる。

［実施の形態１の具体的処理］
図２は、本実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図２に示すルーチンによれば、先ず、脱水素反応が起こる触媒１２の温度（以下「水素生成触媒床温」という。）が、所定温度よりも低いか否かが判別される（ステップ１００）。
ステップ１００で水素生成触媒床温が所定温度以上であると判別された場合には、触媒１２は十分に加熱されている。すなわち、触媒１２により十分な反応速度で脱水素反応を行うことができる状態にある。この場合、ＥＣＵ５０は、触媒１２への水素化燃料の供給を実行する（ステップ１０２）。

一方、ステップ１００で水素生成触媒床温が所定温度よりも低いと判別された場合には、触媒１２に水素化燃料を供給すると、吸熱反応によって更に触媒１２の温度が低下する可能性がある。この場合、ＥＣＵ５０は、触媒１２への水素化燃料の供給を禁止する（ステップ１０４）。
さらに、ＥＣＵ５０は、水素生成触媒床温を昇温させる制御を実行する（ステップ１０６）。具体的には、上述したように、排気ガスの温度を上げるために、点火プラグ４４の点火時期を遅らせる制御、又は、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転に変更する制御を行う。

次回以降本ルーチンが起動されると、水素生成触媒床温が所定温度以上になるまで、触媒１２に水素化燃料を供給することなく、触媒床温昇温制御が実行される。

以上説明したように、図２に示すルーチンによれば、触媒１２の温度が所定温度に達していない場合には、触媒１２への水素化燃料の供給をすることなく、触媒１２の温度を昇温させる制御を行った。これにより、触媒１２の更なる温度低下を防止し、触媒１２の温度を早期に所定温度以上に復帰させることができ、水素生成能力を早期に回復させることができる。よって、車上において水素を安定して供給することができる。

ところで、本実施の形態１では、触媒１２の温度を昇温させる制御として点火時期の制御と燃焼状態の制御を例示したが、結果として排気ガスの温度を上げることができれば、これらの制御に限られない。
例えば、無段変速機を備えているシステムにおいて、その無段変速機の変速比を制御することにより、排気ガスの温度を上げるようにしてもよい。具体的には、無段変速機の変速比を制御することにより、図３において目標線で示すような機関回転数ＮＥと負荷（トルク）の関係を実現することができる場合に、変速比を制御してＡ点からＢ点に運転点を変更するようにしてもよい。すなわち、低回転数／高負荷の運転点に変更する制御を実行することによって、排気ガスの温度を向上させるシステムであってもよい。
また、有段変速機を用いて高負荷の運転点に変更する制御を行うことにより、排気ガスの温度を上げるようにしてもよい。また、オルタネータ等の負荷を増加することにより、内燃機関の負荷を高めてもよい。

また、本実施の形態１では、触媒１２における脱水素反応により水素を生成するシステムについて説明したが、触媒における燃料の改質反応により水素を生成するシステムを用いることができる。この場合も、上記本実施の形態１と同様の効果が得られる。

なお、本実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、ステップ１００及びステップ１０６の処理を実行することにより第１の発明における「昇温運転実行手段」が、ステップ１０４の処理を実行することにより第２の発明における「供給禁止手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
本実施の形態２のシステムは、図１に示すシステムを用いて、ＥＣＵ５０に、後述する図４に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

［実施の形態２の特徴］
上記実施の形態１では、触媒１２の温度が所定温度よりも低い場合には、無条件で水素化燃料の供給を停止していた。
触媒１２の温度が僅かに所定温度よりも低く、昇温制御の効果が大きい場合には、触媒床温昇温制御を実行してから短時間で触媒床温が所定温度以上に復帰する可能性が高い。よって、この場合、水素化燃料の供給を禁止する必要はない。
そこで、本実施の形態２では、昇温制御だけでは十分な昇温効果が得られない場合に、水素化燃料の供給を停止するようにする。すなわち、触媒床温昇温制御を実行してから所定時間後に、触媒１２の温度が所定温度以上に復帰していない場合には、昇温制御の効果が不十分であると判断し、水素化燃料の供給を停止するようにする。従って、昇温制御の効果の程度に応じて触媒１２への水素化燃料の供給を禁止するか否かを決定することができ、水素の生成をより安定して行うことができる。

［実施の形態２の具体的処理］
図４は、本実施の形態２においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンによれば、先ず、実施の形態１と同様に、水素生成触媒床温が、所定温度よりも低いか否かが判別される（ステップ１００）。
ステップ１００で水素生成触媒床温が所定温度以上であると判別された場合には、触媒１２は十分に加熱されているため、ＥＣＵ５０は、触媒１２への水素化燃料の供給を実行する（ステップ１０２）。

一方、ステップ１００で水素生成触媒床温が所定温度よりも低いと判別された場合には、ＥＣＵ５０は、触媒床温昇温制御を実行する（ステップ１０６）。具体的には、実施の形態１と同様に、排気ガスの温度を上げるための制御を行う。

そして、触媒床温昇温制御から所定時間経過後の水素生成触媒床温が、所定温度よりも低いか否かが判別される（ステップ１１０）。すなわち、昇温制御の効果が十分得られたか否かが判別される。昇温制御の効果が十分得られた場合には、所定時間経過後には触媒床温が所定温度以上に復帰するが、昇温制御の効果が不十分である場合には、触媒床温は所定温度まで復帰していない。

ステップ１１０で触媒床温が所定温度以上であると判別された場合には、ＥＣＵ５０は、触媒１２への水素化燃料の供給を実行する（ステップ１０２）。
一方、ステップ１１０で触媒床温が所定温度よりも低いと判別された場合には、昇温効果が不十分であると判断される。この場合、ＥＣＵ５０は、触媒１２への水素化燃料の供給を禁止する。これにより、触媒１２における吸熱反応を停止させることができ、更なる触媒床温の低下を防ぐことができる。

以上説明したように、図４に示すルーチンによれば、触媒昇温が所定温度に達していない場合でも、触媒床温昇温制御を実行してから所定時間経過後に触媒昇温が所定温度以上に復帰したときは、水素化燃料の供給を禁止せず、水素化燃料を供給するようにした。一方、所定時間が経過しても触媒床温が所定温度に達しないときは、昇温制御により得られる効果が不十分であるとして、水素化燃料供給を禁止するようにした。これにより、触媒１２における吸熱反応を停止させることができ、触媒床温の更なる低下を抑制することができる。従って、昇温制御の効果の程度に応じて触媒１２への水素化燃料の供給を禁止するか否かを決定することができ、水素の生成をより安定して行うことができる。

なお、本実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、ステップ１１０及びステップ１１２の処理を実行することにより第３の発明における「供給禁止手段」が、実現されている。

実施の形態３．
本実施の形態３のシステムは、図１に示すシステムを用いて、ＥＣＵ５０に、後述する図５に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

［実施の形態３の特徴］
上記実施の形態２では、触媒床温昇温制御を実行してから所定時間経過後の触媒床温に基づいて、昇温制御の効果の程度を判断した。そして、昇温制御の効果が不十分である場合には、水素化燃料の供給を禁止するようにした。

本実施の形態３では、触媒床温の判定を２段階で行うことにより、触媒床温の低下度合を判断するようにする。
触媒床温の低下度合が大きい場合は、昇温制御を実行してから所定時間を経過しても触媒床温の復帰が見込めない。この場合、水素化燃焼の供給を禁止した後、昇温制御を実行する。一方、触媒床温の低下度合が小さい場合は、昇温制御を実行してから所定時間経過後には触媒床温の復帰が見込まれる。この場合、水素化燃料の供給を禁止せず、昇温制御を実行した後、触媒１２への水素化燃料の供給を実行する。従って、触媒床温の低下の度合に応じて触媒１２への水素化燃料の供給を禁止するか否かを決定することができ、水素の生成をより安定して行うことができる。

［実施の形態３の具体的処理］
図５は、本実施の形態３においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンによれば、先ず、水素生成触媒床温が、所定温度Ａよりも低いか否かが判別される（ステップ１００）。所定温度Ａは、触媒床温の早期復帰が見込まれないか否かを判別するための温度である。
ステップ１００で水素生成触媒床温が所定温度Ａよりも低いと判別された場合には、昇温制御を実行しても触媒床温の早期復帰が見込まれないと判断される。この場合、ＥＣＵ５０は、触媒１２への水素化燃料の供給を禁止する（ステップ１０４）。その後、触媒床温昇温制御を実行する（ステップ１０６）。

一方、ステップ１００で水素生成触媒床温が所定温度Ａ以上であると判別された場合は、引き続いて触媒床温が所定温度Ｂよりも低いか否かが判別される（ステップ１１６）。所定温度Ｂは、実施の形態１，２で説明した所定温度と同様である。ステップ１１６で触媒床温が所定温度Ｂ以上であると判別された場合、触媒１２は十分に加熱されているため、ＥＣＵ５０は、触媒１２への水素化燃料の供給を実行する（ステップ１０２）。

ステップ１１６で水素生成触媒床温が所定温度よりも低いと判別された場合には、触媒床温は低下しているものの、昇温制御により触媒床温の早期復帰が見込まれると判断される。この場合、ＥＣＵ５０は、水素化燃料の供給を禁止することなく、触媒床温昇温制御を実行する（ステップ１１８）。その後、水素化燃料の供給を実行する。

以上説明したように、図５に示すルーチンによれば、触媒床温の低下が小さい場合には、水素化燃料の供給を禁止せずに、昇温制御を実行した後、水素化燃料を供給するようにした。一方、触媒床温の低下が大きい場合には、水素化燃料の供給を禁止するようにした。これにより、触媒１２における吸熱反応を停止させることができ、触媒床温の更なる低下を抑制することができる、従って、触媒床温の低下度合に応じて触媒１２への水素化燃料の供給を禁止するか否かを決定することができ、水素の生成をより安定して行うことができる。

本発明の実施の形態１によるシステムの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において、排気ガスの温度を上げる制御を示す図である。 本発明の実施の形態２においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。

符号の説明

２ 水素化燃料貯留部
６ インジェクタ
１０ 脱水素反応器
１２ 触媒
１４ 温度センサ
２０ 分離装置
２５ インジェクタ
３０ 脱水素生成物貯留部
３３ インジェクタ
４０ 吸気通路
４１ スロットルバルブ
４３ シリンダ
４４ 点火プラグ
４６ 排気通路
４７ 空燃比センサ
４８ 浄化触媒
５０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 燃料の改質反応もしくは脱水素反応により得られた水素を利用する水素利用内燃機関であって、
   燃料を貯留する燃料貯留部と、
   内燃機関の排気熱により加熱可能に配置された触媒を有し、該触媒により燃料を改質反応もしくは脱水素反応させる反応器と、
   前記触媒の温度を検出する温度検出部と、
   前記触媒の温度が所定温度より低い場合に、排気ガスの温度を上昇させる昇温運転を実行する昇温運転実行手段とを備えたことを特徴とする水素利用内燃機関。
2. 請求項１に記載の水素利用内燃機関において、
   前記触媒の温度が所定温度よりも低い場合に、前記反応器への燃料の供給を禁止する供給禁止手段を更に備えたことを特徴とする水素利用内燃機関。
3. 請求項２に記載の水素利用内燃機関において、
   前記供給禁止手段は、前記昇温運転を実行してから所定時間経過後に前記触媒の温度が所定温度に達していない場合に、燃料の供給を禁止するものであることを特徴とする水素利用内燃機関。

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