JP2006329009A - 水素利用内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の炭化水素燃料と水素ガスとの混合性を改善し、且つ、その二種類の燃料の燃料供給手段に係る部品点数を削減すること。
【解決手段】液体の炭化水素燃料と水素ガスとを燃料として使用する水素利用内燃機関１において、その炭化水素燃料を噴射する燃料噴射装置１２と、この燃料噴射装置１２に炭化水素燃料を供給する燃料供給手段１５と、水素ガスの微細気泡を発生させ且つ当該水素ガスの微細気泡を燃料供給手段１５内の液体の炭化水素燃料中に混入させる微細気泡発生装置１６とを備えること。例えば、その水素ガスの微細気泡は、燃料供給手段１５を構成する燃料供給路（第２燃料供給路１５ｄ）内や燃料タンク１５ａ内に供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化水素燃料と水素ガスの双方を燃料として使用する水素利用内燃機関に関する。

従来、ガソリン等の炭化水素燃料で燃焼を行う内燃機関において、その炭化水素燃料と共に水素ガスを燃焼室内に送り込んで燃焼させる水素利用内燃機関がある。この種の水素利用内燃機関においては、炭化水素燃料に加えて水素ガスも燃料として使用することにより、その水素ガスの急速燃焼等の特性を活かして燃焼効率を改善させることができる。そして、その燃焼効率の改善に伴って空燃比をより希薄領域側に移行させることができ（即ち、リーン限界を伸ばすことができ）、燃料消費率の低減、ＮＯｘ（窒素酸化物）やＴＨＣ（全炭化水素）等の排出量の低減を図ることができる。例えば、この種の水素利用内燃機関としては、下記の特許文献１，２に開示されている。

特開２００４−１１６３９８号公報 特開２００４−２３９１５８号公報

しかしながら、上記従来の水素利用内燃機関においては、液体の炭化水素燃料は当該炭化水素燃料専用の燃料噴射装置，燃料デリバリパイプや燃料供給路等の燃料供給手段を経て、水素ガスについても当該水素ガス専用の燃料噴射装置，燃料デリバリパイプや燃料供給路等の水素ガス供給手段を経て吸気経路等に噴射される。このように、従来においては、夫々の燃料が別経路を経て噴射されるので、液体の炭化水素燃料と水素ガスとが燃焼室内で均等に混合され難く、また、その炭化水素燃料中に多量の水素ガスを混合させることができず、水素ガスの添加により燃焼効率の改善を図るという本来の目的を十分に達成することができない。即ち、従来の水素利用内燃機関の如く別々に炭化水素燃料と水素ガスとを噴射させた場合には、燃焼効率の改善を十分に図り得るだけの良好な混合性を得ることができない。

更に、この従来の水素利用内燃機関においては、夫々の燃料が別経路を経て供給されるので、夫々に専用の燃料噴射装置等が必要になり、部品点数の増加に伴う搭載性の悪化や製造原価の高騰を招いてしまう。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、液体の炭化水素燃料と水素ガスとの混合性に優れ、且つ、その二種類の燃料の燃料供給手段に係る部品点数を削減し得る水素利用内燃機関を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、液体の炭化水素燃料と水素ガスとを燃料として使用する水素利用内燃機関において、その炭化水素燃料を噴射する燃料噴射装置と、この燃料噴射装置に炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、水素ガスの微細気泡を発生させ且つ当該水素ガスの微細気泡を前記燃料供給手段内の液体の炭化水素燃料中に混入させる微細気泡発生装置とを備えている。

この請求項１記載の発明によれば、燃料噴射装置に到達する前の段階で予め液体の炭化水素燃料と水素ガスとを混合させるので、これらを別々に噴射して燃焼室内に送り込む場合よりも炭化水素燃料と水素ガスとの混合性が良好になる。そして、更にその水素ガスを微細気泡で炭化水素燃料中へと混入させるので、その炭化水素燃料中に多量の水素ガスを混合させることができ、これらの混合性がより良好になる。また、燃料噴射装置や燃料デリバリパイプ等を二種類の燃料で共用することができる。

また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の水素利用内燃機関において、微細気泡発生装置については燃料供給手段を構成する燃料供給路内の炭化水素燃料に対して水素ガスの微細気泡を供給するよう配置している。

この請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明と同様の効果を運転状態に応じて得ることができる。即ち、運転状態如何で水素ガスの添加が好ましくない場合には炭化水素燃料のみで燃焼させることもでき、また、水素ガスの添加を要する場合には水素ガスを微細気泡で混入させて請求項１記載の発明と同様に混合性の向上を図ることができる。

また、上記目的を達成する為、請求項３記載の発明では、上記請求項１又は２に記載の水素利用内燃機関において、微細気泡発生装置については燃料供給手段を構成する燃料タンク内の炭化水素燃料に対して水素ガスの微細気泡を供給するよう配置している。

この請求項３記載の発明によれば、燃料タンク内の炭化水素燃料に対してのみ水素ガスを微細気泡で混入させる場合には上記請求項１記載の発明と同様の効果を奏することができる一方、その燃料タンクと燃料供給路の双方の炭化水素燃料に対して水素ガスを微細気泡で混入させる場合にはより多くの水素ガスを混合させることができるので、炭化水素燃料と水素ガスとの混合性の更なる向上を図ることができる。

本発明に係る水素利用内燃機関は、液体の炭化水素燃料と水素ガスとの混合性が向上するので、水素ガスを添加した際には燃焼効率が大幅に改善され、従来よりも大幅にリーン限界を伸ばすことができる。これが為、この水素利用内燃機関によれば、燃料消費率やＮＯｘの排出量の大幅な低減が可能になる。また、液体の炭化水素燃料と水素ガスとを予め混合させる為に燃料噴射装置や燃料デリバリパイプ等を二種類の燃料で共用させているので、それらを夫々の燃料毎に配備せずともよく、部品点数の削減を図ることができる。

以下に、本発明に係る水素利用内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係る水素利用内燃機関の実施例１を図１及び図２に基づいて説明する。

最初に、本実施例１における水素利用内燃機関の構成を図１に基づき説明する。この図１の符号１は、本実施例１の水素利用内燃機関を示す。尚、ここでは１気筒のみを図示しているが、本発明は、直列やＶ型等の形式に拘らず多気筒の水素利用内燃機関にも適用される。

本実施例１の水素利用内燃機関１は、図１に示す如く、燃焼室２内に空気及び燃料を供給し且つ当該燃焼室２から燃焼後の筒内ガスを排出するシリンダヘッド３と、このシリンダヘッド３の下部にヘッドガスケット４を介してボルト等で締結されるシリンダブロック５と、このシリンダブロック５のシリンダボア５ａ内に配設された上下方向へと往復移動可能なピストン６とを備えている。その燃焼室２は、シリンダヘッド３の下面に形成された凹部３ａの壁面，シリンダボア５ａの壁面及びピストン６の頂面６ａで囲まれた空間によって構成される。

先ず、本実施例１のシリンダヘッド３には、図１に示す如く、燃焼室２に開口する少なくとも１つの吸気通路３ｂと少なくとも１つの排気通路３ｃが形成されている。その吸気通路３ｂには燃焼室２への開口を開閉させ得る吸気バルブ７が配設されており、その吸気バルブ７を開弁することによって吸気通路３ｂから燃焼室２内に空気が吸入される。また、その排気通路３ｃにも燃焼室２への開口を開閉させ得る排気バルブ８が配設されており、その排気バルブ８を開弁することによって燃焼室２から排気通路３ｃへと燃焼後の筒内ガスが排出される。

ここで、その燃焼室２内に吸入される空気量（吸入空気量）は、シリンダヘッド３の吸気通路３ｂと連通する吸気マニホルド９内に配設されたスロットルバルブ１０の開閉角度により調節される。このスロットルバルブ１０は、図１に示すスロットルバルブアクチュエータ１１によって開閉駆動される。

更に、そのシリンダヘッド３には、燃焼室２内に供給する燃料の噴射を行う燃料噴射装置１２と、その燃焼室２内に供給された燃料と空気の混合気に対して点火を行う点火プラグ１３とが配設されている。本実施例１の水素利用内燃機関１においては、その燃料噴射装置１２から上述した吸気通路３ｂに燃料を噴射し、その燃料が空気と混合されながら吸気通路３ｂを介して燃焼室２内へと導かれた後に点火プラグ１３で点火される。

ここで、上述したスロットルバルブアクチュエータ１１，燃料噴射装置１２及び点火プラグ１３は、その夫々の動作が図１に示す電子制御装置（ＥＣＵ）１４によって制御される。

例えば、その電子制御装置１４は、水素利用内燃機関１の要求トルクに応じて、予め用意されているマップデータから吸入空気量と燃料噴射量を求める。そして、この電子制御装置１４は、その吸入空気量となるようにスロットルバルブアクチュエータ１１を駆動制御してスロットルバルブ１０の開弁角度を調節させると共に、その燃料噴射量となるように燃料噴射装置１２を駆動制御する。これが為、吸気通路３ｂにはその吸入空気量の空気が導かれると共にその燃料噴射量の燃料が噴射され、その夫々の混合気が吸気バルブ７の開弁に伴って燃焼室２内に吸入される。しかる後、電子制御装置１４は、点火プラグ１３に対して点火制御を行い、要求トルクに応じた点火時期で混合気に対して点火させる。これにより、水素利用内燃機関１は、要求トルクを出力する。

尚、吸気バルブ７と排気バルブ８の開閉時期やリフト量が運転条件等によって適宜調節される所謂可変バルブ機構を具備している場合には、その可変バルブ機構の動作についても上述した電子制御装置１４により制御される。

ところで、本実施例１の水素利用内燃機関１においては、その燃焼に用いる燃料として炭化水素燃料（ここではガソリンを例示する。）と水素ガスの二種類の燃料を使用する。これが為、以下においては、その二種類の燃料を燃焼室２内に供給する為の具体的な方法について詳述する。

本実施例１の水素利用内燃機関１においては、上述した１つの燃料噴射装置１２を利用して炭化水素燃料と水素ガスの二種類の燃料を吸気通路３ｂに噴射させる。これが為、その二種類の燃料は、燃料噴射装置１２へと送り込まれる前段階で予め混合させる必要がある。

ここで、その二種類の燃料が燃料噴射装置１２に送り込まれる前段階においては、炭化水素燃料が液体である一方、水素ガスについては気体の状態にある。これが為、その炭化水素燃料と水素ガスとが混ぜ合わされた時点では、液体の炭化水素燃料中に水素ガスが気泡の状態で存在することになる。

一般に、液体中における通常の気泡は浮上速度が速く、その気泡同士の合体や吸収が起きてしまう。これが為、多量の水素ガスを液体の炭化水素燃料中に混入すると、その炭化水素燃料中においては合体又は吸収された体積の大きい水素ガスの気泡ができてしまい、これがそのままの状態で燃料噴射装置１２に送り込まれると、水素ガスのみの噴射と炭化水素燃料のみの噴射とが断続的に繰り返される可能性がある。これでは、炭化水素燃料と水素ガスの双方を燃料として同時に燃焼させることにより得られるリーン限界の向上等の本水素利用内燃機関１に課せられた本来的な目的を達成することができず、何ら意味をなさなくなってしまう。

そのようなことから、かかる体積の大きい水素ガスの気泡を炭化水素燃料中に作らないことが好ましく、その為には、例えば、液体の炭化水素燃料に対する水素ガスの混入量を減じることによって、その水素ガスの気泡同士の合体や吸収が起きても燃料噴射装置１２に到達するまでは体積が大きくならないようにする必要がある。しかしながら、炭化水素燃料に対する水素ガスの混入量が少なくなりすぎると、これによっても本水素利用内燃機関１の本来的な目的を達成することができなくなってしまう。

ここで、気泡としては、上述した通常の気泡の他に、その通常の気泡よりも径の小さい微細気泡が知られている。そして、この微細気泡には以下の如き特徴がある。

先ず第１に、微細気泡は、液体中における浮上速度が遅く、気泡同士の合体や吸収が起こらないので、単一気体のままの状態で液体中に長時間留まることができるという特徴を有している。

第２に、微細気泡は、単位体積当たりの気泡表面積が大きいので、液体中で溶解しながら縮小して最終的に消滅してしまうという特徴，即ち、液体中に溶け易いという特徴を有している。

そして、第３に、表面張力σの作用による自己加圧効果があるという特徴を有している。この圧力の上昇は下記の式１の如く気泡の直径Ｄに反比例する為、気泡の縮小と共に内部圧力Ｐ１が上昇していき、気泡の内部圧力Ｐ１と外部圧力Ｐ２の圧力差ΔＰが大きくなっていく。

ΔＰ＝４σ／Ｄ … （１）

このように微細気泡には上述した３つの特徴があるので、水素ガスを微細気泡にすることによって、より多くの水素ガスを液体の炭化水素燃料中に混入させることができ、更に、その多量の水素ガスを長期に渡り液体の炭化水素燃料中に存在させておくことが可能になる。

そこで、本実施例１にあっては、燃料噴射装置１２に燃料が送り込まれる前段階にて水素ガスを微細気泡の状態で液体の炭化水素燃料に混入させるように構成する。ここで、燃料噴射装置１２に燃料が送り込まれる前段階とは、その燃料噴射装置１２への燃料の供給を行う図１に示す燃料供給手段１５における段階のことをいう。

本実施例１の燃料供給手段１５は、図１に示す如く、液体の炭化水素燃料を貯留する燃料タンク１５ａと、燃料タンク１５ａ内の炭化水素燃料を第１燃料供給路１５ｂから吸い上げて所定の圧力に加圧した後に送出する燃料ポンプ１５ｃと、この燃料ポンプ１５ｃから送出された燃料を燃料噴射装置１２に導く第２燃料供給路１５ｄとを備えている。その燃料ポンプ１５ｃは、水素利用内燃機関１の運転状態に応じて電子制御装置１４により動作が制御される。

ここで、以下においては、複数の燃焼室２を有する多気筒の水素利用内燃機関１について例示する。従って、シリンダヘッド３には夫々の燃焼室２毎に吸気通路３ｂが形成されており、その各吸気通路３ｂには夫々に燃料噴射装置１２が配備されている。これが為、本実施例１の燃料供給手段１５には、上記の第２燃料供給路１５ｄから送られてきた燃料の圧力を一定にして各燃料噴射装置１２に供給する燃料デリバリパイプ１５ｅも設けられている。

この燃料供給手段１５により、燃料タンク１５ａ内に貯留されている液体の炭化水素燃料が各燃料噴射装置１２に供給される。

一方、もう１つの燃料たる水素ガスは、上述したが如く、その燃料供給手段１５を構成する燃料タンク１５ａ，第１燃料供給路１５ｂ，燃料ポンプ１５ｃ，第２燃料供給路１５ｄ又は燃料デリバリパイプ１５ｅの何れかにおいて存在している液体の炭化水素燃料中に微細気泡にして混入させる。これが為、本実施例１においては、その水素ガスを微細気泡にする図１に示す微細気泡発生装置１６を設けている。例えば、微細気泡としては直径が数μｍ〜数十μｍ程度のマイクロバブルが知られており、本実施例１にあっては、水素ガスのマイクロバブルを発生させる微細気泡発生装置１６を使用する。

ここでは、燃料ポンプ１５ｃから夫々の燃料噴射装置１２までの間で水素ガスを混入させる場合について例示する。具体的には、燃料ポンプ１５ｃや燃料デリバリパイプ１５ｅにて水素ガスの供給を行うと夫々の機能（ポンプとしての機能、圧力を一定にする機能）を損なわせる可能性があるので、第２燃料供給路１５ｄと微細気泡発生装置１６とを接続又は第２燃料供給路１５ｄ上に微細気泡発生装置１６を配備して、その第２燃料供給路１５ｄに水素ガスを微細気泡で供給する。

ここで、本実施例１の微細気泡発生装置１６は、水素ガスを微細気泡にすることができるものであれば、如何様な方法によるものであってもよい。以下に、その発生方法の代表的なものを例示する。

例えば、微細気泡発生装置１６としては、激しい流れの中に水素ガスを吹き込んでその水素ガスを引きちぎって細かくする旋回流を用いた方法のものがある。かかる微細気泡発生装置１６においては、装置中心部に液体及び水素ガスの２層旋回流を発生させ、その回転軸部分に空洞を形成させる。また、この空洞部分を竜巻状に細くして、強力なせん断力を発生させ、吸入した水素ガスを切断・粉砕させる。

また、別の発生方法による微細気泡発生装置１６としては、水素ガスを加圧してより多く液体中に溶解させた状態からその液体の流速を上げる等してキャビテーションを起こすことにより発生させるものがある。

更に別の発生方法による微細気泡発生装置１６としては、超音波を与えることにより水素ガスの気泡を加振させて分裂させるものがある。

このように、上記に例示したが如き代表的な発生方法を用いた微細気泡発生装置１６においては、この微細気泡発生装置１６に水素ガスを供給しなければ微細気泡を発生させることができない。これが為、本実施例１にあっては、水素ガスを微細気泡発生装置１６に供給する図１に示す水素ガス供給手段１７が設けられている。

例えば、その水素ガス供給手段１７は、図１に示す如く、圧縮された高圧の水素ガスが貯蔵されている水素燃料タンク１７ａと、この水素燃料タンク１７ａから水素ガスを吸い上げて所定の圧力に加圧した後に送出する水素燃料ポンプ１７ｂと、この水素燃料ポンプ１７ｂから送出された水素ガスを微細気泡発生装置１６に導く水素ガス供給路１７ｃとを備えている。

また、この水素ガス供給手段１７には、水素燃料ポンプ１７ｂから送出された水素ガス供給路１７ｃにおける水素ガスの流量を検出する水素ガス流量計１７ｄも設けられている。この水素ガス流量計１７ｄの検出信号は、電子制御装置１４に送られる。

電子制御装置１４は、水素利用内燃機関１の運転状態に応じて水素燃料ポンプ１７ｂを駆動制御すると共に、これに伴って水素ガスが供給される微細気泡発生装置１６を駆動制御して、水素ガスを微細気泡で第２燃料供給路１５ｄに供給する。

このように、燃料噴射装置１２に到達する前の段階で予め炭化水素燃料と水素ガスとを混合させるので、これらを別々に噴射して燃焼室２内に送り込む場合よりも炭化水素燃料と水素ガスとの混合性が良好になる。そして、更にその水素ガスを微細気泡で液体の炭化水素燃料中に混入させるので、その炭化水素燃料中に多量の水素ガスを混合させることができる。これが為、本実施例１の水素利用内燃機関１は、従来と比して多量の水素ガスを燃焼室２内に供給することができるので、燃焼効率を大幅に向上させ、更に薄い希薄空燃比の領域で運転することができる。即ち、本実施例１の水素利用内燃機関１においては、液体の炭化水素燃料と水素ガスの微細気泡とを予混合させることによって、従来よりも大幅にリーン限界を伸ばすことができ、これにより、燃料消費率やＮＯｘの排出量の大幅な低減が可能になる。

ここで、水素燃料ポンプ１７ｂを駆動させる際には、第２燃料供給路１５ｄを流れる炭化水素燃料の流量を考慮して制御することが好ましい。即ち、ある量の炭化水素燃料中に混合し得る水素ガスの微細気泡の供給量には限界があり、その混合可能な限界点よりも多く水素ガスの微細気泡を供給しても無駄になるので、その水素ガスの微細気泡の供給量が混合可能な限界点を超えないように水素燃料ポンプ１７ｂを駆動させることが好ましい。これが為、その際の電子制御装置１４は、第２燃料供給路１５ｄを流れる炭化水素燃料の流量に応じた水素ガスの微細気泡を混合可能な限界点を求め、その限界点を超えないように水素ガス流量計１７ｄの検出値をみながら水素燃料ポンプ１７ｂを駆動制御する。

その際、例えば、その炭化水素燃料の流量は、第２燃料供給路１５ｄに流量計を設けることにより検出することができるが、その流量の検出値と燃料ポンプ１５ｃの制御量（駆動力）とは略比例関係にあるので、その燃料ポンプ１５ｃの制御量から判断してもよい。また、その炭化水素燃料の流量又は燃料ポンプ１５ｃの制御量と当該流量又は制御量に応じた混合可能な水素ガスの微細気泡の限界供給量（換言すれば、水素燃料ポンプ１７ｂの制御量）との関係を示すマップデータを予め用意しておき、これに基づいて水素燃料ポンプ１７ｂを駆動制御する。

このように、本実施例１の水素利用内燃機関１においては、燃料噴射装置１２の上流側で液体の炭化水素燃料と水素ガスの微細気泡とを予混合させている。これが為、上述したが如く燃焼効率の改善によるリーン限界の向上に伴って、燃料消費率やＮＯｘの排出量を大幅に低減させることができる。

また、本実施例１の水素利用内燃機関１においては、そのように液体の炭化水素燃料と水素ガスの微細気泡とを予混合させることによって部品点数を低減することができる。即ち、従来、水素ガス用に用意されていた水素ガス専用の燃料噴射装置，燃料デリバリパイプ及び燃料供給路（第２燃料供給路１５ｄに相当するもの）等が不要になり、二種類の燃料で燃料噴射装置１２，第２燃料供給路１５ｄ及び燃料デリバリパイプ１５ｅを共有することができる。これが為、各々の部品の搭載性が向上し、製造原価を低減させることができる。

以下に、本実施例１における水素利用内燃機関１の動作の一例を図２のフローチャートに基づいて説明する。

先ず、電子制御装置１４は、水素利用内燃機関１の機関回転数やアクセル開度から水素利用内燃機関１の要求トルクを算出する（ステップＳＴ１）。例えば、その要求トルクは、機関回転数やアクセル開度をパラメータとする予め用意されたマップデータから求める。

しかる後、この電子制御装置１４は、その機関回転数やアクセル開度、空燃比等から運転状態を検出し、水素ガスの供給を行うか否か判断する（ステップＳＴ２）。例えば、低中負荷で且つ理論空燃比又は希薄空燃比での運転との運転状態を検出した際には水素ガスを供給すると判断し、高負荷運転との運転状態を検出した際には水素ガスを供給しないと判断する。

ここで、電子制御装置１４が水素ガスを供給すると判断した場合には、上記ステップＳＴ１の要求トルクに応じた吸入空気量並びに炭化水素燃料及び水素ガスの燃料噴射量を予め用意されているマップデータから求める（ステップＳＴ３）。その際、その炭化水素燃料及び水素ガスの燃料噴射量は、例えば、上記ステップＳＴ２の運転状態に応じた炭化水素燃料と水素ガスの混合比を予め用意されているマップデータから算出し、その混合比に基づいて上記のマップデータから求める。

そして、この電子制御装置１４は、その混合比となるように水素燃料ポンプ１７ｂと微細気泡発生装置１６を駆動制御して、多量の水素ガスを微細気泡で第２燃料供給路１５ｄの炭化水素燃料中に混入させる（ステップＳＴ４）。

しかる後、この電子制御装置１４は、上記ステップＳＴ３で求めた吸入空気量となるようにスロットルバルブアクチュエータ１１を駆動制御してスロットルバルブ１０の開弁角度を調節させると共に、同じく求めた燃料噴射量となるように燃料噴射装置１２を駆動制御する（ステップＳＴ５）。

これにより、吸気通路３ｂにはその吸入空気量の空気が導かれると共にその燃料噴射量で炭化水素燃料と水素ガスとの混合燃料が噴射され、その空気と炭化水素燃料及び水素ガスの混合気が吸気バルブ７の開弁に伴って燃焼室２内に吸入される。

その後、電子制御装置１４は、点火プラグ１３に対して点火制御を行って要求トルクに応じた点火時期で混合気に対する点火を行わせ（ステップＳＴ６）、水素利用内燃機関１に要求トルクを出力させる。

一方、上記ステップＳＴ２にて電子制御装置１４が水素ガスを供給しないと判断した場合には、上記ステップＳＴ１の要求トルクに応じた吸入空気量と炭化水素燃料の燃料噴射量を予め用意されているマップデータから求める（ステップＳＴ７）。

そして、この電子制御装置１４は、上記ステップＳＴ５にて、その吸入空気量となるようにスロットルバルブアクチュエータ１１を駆動制御してスロットルバルブ１０の開弁角度を調節させると共に、その燃料噴射量となるように燃料噴射装置１２を駆動制御する。

これにより、吸気通路３ｂにはその吸入空気量の空気が導かれると共にその燃料噴射量で炭化水素燃料が噴射され、その空気と炭化水素燃料の混合気が吸気バルブ７の開弁に伴って燃焼室２内に吸入される。

しかる後、電子制御装置１４は、上記ステップＳＴ６にて点火プラグ１３に対して要求トルクに応じた点火時期で点火を行わせ、水素利用内燃機関１に要求トルクを出力させる。

ここで、かかる動作の一例においては、運転状態に応じた炭化水素燃料と水素ガスの混合比を求める場合について例示した。かかる場合、その水素ガスは、液体の炭化水素燃料に対して混合可能な限界点まで混合させるときもあれば、その限界点に達しない混合比で混合させるときもある。このように、その２形態を使い分ける境界は運転状態に依存するものであり、緻密な燃焼制御を行う為には、その使い分けにより水素ガスの混合量を制御することは有用である。

しかしながら、水素利用内燃機関１によっては、そのような使い分けを必要としないものもあり、水素ガスの混合量を減ずるのであれば、炭化水素燃料のみで運転させる方がエミッション性能等の観点から好ましい場合も考えられる。そこで、かかる場合の水素利用内燃機関１においては、水素ガスの供給を要するときには常に液体の炭化水素燃料に対して混合可能な限界点まで水素ガスを供給して混合させる。

ところで、本実施例１にあっては微細気泡としてマイクロバブルを用いた場合について例示したが、その微細気泡としては、直径が１μｍ以下のナノバブルを用いてもよい。このナノバブルで水素ガスを液体の炭化水素燃料に供給すれば、マイクロバブルの場合よりも更に多量の水素ガスを炭化水素燃料に混合させることができる。これが為、上述した燃焼効率が更に改善されてリーン限界の更なる向上を図ることができ、燃料消費率やＮＯｘの排出量をより大幅に低減させることができる。

また、上述した水素燃料タンク１７ａは、水素吸蔵合金や水素吸着材料により水素ガスが吸蔵されているものであってもよい。また、メタノールやガソリン等の水蒸気改質，プラズマ放電による液体燃料改質又はマイクロチャンネルによる触媒反応改質によって水素ガスを生成する水素生成装置を設け、この水素生成装置から微細気泡発生装置１６に水素ガスを供給してもよい。また、有機ハイドライドによる水素分離で水素ガスを生成してもよい。更に、微細気泡発生装置１６自体が液体の水素から水素ガスを生成し、更に、その水素ガスを微細気泡にすることができるのであれば、上述した水素燃料タンク１７ａには液化された水素を充填しておいてもよい。

また、本実施例１の燃料噴射装置１２としては吸気通路３ｂへと燃料（炭化水素燃料、水素ガス）を噴射させるものを例示したが、その燃料噴射装置１２は、燃料を燃焼室２内に直接噴射するものであってもよい。即ち、上述した本発明に係る技術は、炭化水素燃料と水素ガスを利用する所謂筒内直接噴射式内燃機関にも適用することができる。

次に、本発明に係る水素利用内燃機関の実施例２を図３に基づいて説明する。

最初に、本実施例２における水素利用内燃機関の構成について説明する。その図３の符号２０は、本実施例２の水素利用内燃機関を示す。尚、本実施例２においても１気筒のみを図示しているが、本発明は、直列やＶ型等の形式に拘らず多気筒の水素利用内燃機関にも適用される。

本実施例２の水素利用内燃機関２０は、前述した実施例１の水素利用内燃機関１において、更に多くの水素ガスを液体の炭化水素燃料中に混合させる為に、燃料タンク１５ａに貯留されている液体の炭化水素燃料にも水素ガスを微細気泡で混入させるよう構成したものである。

これが為、先ず、本実施例２にあっては、図３に示す如く、第２燃料供給路１５ｄの炭化水素燃料中に供給する水素ガスの微細気泡を発生させる微細気泡発生装置（以下、本実施例２においては「第１微細気泡発生装置」という。）１６に加えて、燃料タンク１５ａ内の炭化水素燃料中に供給する水素ガスの微細気泡を発生させる第２微細気泡発生装置１８を設ける。この第２微細気泡発生装置１８についても、第１微細気泡発生装置１６と同様に電子制御装置１４で駆動制御される。

その第１及び第２の微細気泡発生装置１６，１８は、マイクロバブルを発生させるものであってもよく、ナノバブルを発生させるものであってもよい。

また、本実施例２においては、その第２微細気泡発生装置１８にも水素ガスを供給する為に水素ガス供給手段１７の構成に変更を加えている。

具体的には、図３に示す如く、水素ガス供給路（以下、本実施例２においては「第１水素ガス供給路」という。）１７ｃにおける水素燃料ポンプ１７ｂと水素ガス流量計（以下、本実施例２においては「第１水素ガス流量計」という。）１７ｄとの間から分岐し、その第１水素ガス供給路１７ｃから第２微細気泡発生装置１８へと水素ガスを導く第２水素ガス供給路１７ｅと、この第２水素ガス供給路１７ｅを流れる水素ガスの流量の検出を行う第２水素ガス流量計１７ｆとを新たに設けている。この第２水素ガス流量計１７ｆの検出信号についても電子制御装置１４に送られる。

更に、本実施例２の水素ガス供給手段１７においては、その第１水素ガス供給路１７ｃと第２水素ガス供給路１７ｅとの分岐点に流路切替弁１７ｇが設けられており、この流路切替弁１７ｇを電子制御装置１４が切り替えることによって、第１微細気泡発生装置１６又は第２微細気泡発生装置１８の何れから水素ガスの微細気泡を炭化水素燃料中に混入させるか選択することができる。

このように構成された本実施例２においては、先ず、電子制御装置１４が、流路切替弁１７ｇを第２微細気泡発生装置１８側に切り替え、第２水素ガス流量計１７ｆの検出値をみながら燃料タンク１５ａ内の炭化水素燃料の残存量に応じて水素燃料ポンプ１７ｂを駆動制御すると共に、これに伴って水素ガスが供給される第２微細気泡発生装置１８を駆動制御する。その炭化水素燃料の残存量は、図３に示す残存燃料検出手段１５ｆの検出信号から電子制御装置１４が判断している。

その際、例えば、炭化水素燃料の残存量に対して限界まで混入し得る水素ガスの微細気泡が燃料タンク１５ａ内に供給されるよう水素燃料ポンプ１７ｂを駆動制御する。この水素燃料ポンプ１７ｂの制御量（駆動力）は、燃料タンク１５ａ内の炭化水素燃料の残存量と当該残存量に応じた混合可能な水素ガスの微細気泡の限界供給量（換言すれば、水素燃料ポンプ１７ｂの制御量）との関係を示すマップデータを予め用意しておき、これに基づいて求めることができる。これが為、電子制御装置１４は、そのマップデータから求めた結果に基づいて、第２水素ガス流量計１７ｆの検出値をみながら水素燃料ポンプ１７ｂを駆動制御する。

これにより、燃料タンク１５ａ内の炭化水素燃料中には多量の水素ガスが微細気泡で混入され、これらが混合可能な限界点まで混合する。

かかる炭化水素燃料と水素ガスの混合燃料は、燃料ポンプ１５ｃにより吸い上げられて所定の圧力に加圧された後に第２燃料供給路１５ｄへと送出される。ここで、その混合燃料は、燃料ポンプ１５ｃを通過する際に加圧されて、更に水素ガスを混合させることができるようになる。

これが為、電子制御装置１４は、流路切替弁１７ｇを第１微細気泡発生装置１６側に切り替え、第２燃料供給路１５ｄの混合燃料に対して更に混合可能な水素ガスの微細気泡の限界供給量を求める。この限界供給量は、実施例１と同様の考えに基づいて、その第２燃料供給路１５ｄを流れる混合燃料の流量（又は燃料ポンプ１５ｃの制御量）と当該流量（又は制御量）に応じた混合可能な水素ガスの微細気泡の限界供給量（水素燃料ポンプ１７ｂの制御量）との関係を示すマップデータから求めることができる。

そして、電子制御装置１４は、その限界供給量の水素ガスの微細気泡が第２燃料供給路１５ｄに供給されるよう第１水素ガス流量計１７ｄの検出値をみながら水素燃料ポンプ１７ｂを駆動制御すると共に、第１微細気泡発生装置１６を駆動制御する。

これにより、その第２燃料供給路１５ｄに対して第１微細気泡発生装置１６で生成した水素ガスの微細気泡が供給され、その第２燃料供給路１５ｄを流れる混合燃料に対して更に多くの水素ガスを混合させることができる。

このように、本実施例２によれば、実施例１よりも多くの水素ガスを炭化水素燃料中に予混合させることができるので、その実施例１以上に燃焼効率を改善することができ、リーン限界の更なる向上を図ることができる。これが為、本実施例２の水素利用内燃機関２０においては、燃料消費率やＮＯｘの排出量を実施例１以上に大幅に低減させることができる。

また、実施例１と同様に、本実施例２の水素利用内燃機関２０においても、従来の水素ガス専用の燃料噴射装置，燃料デリバリパイプ及び燃料供給路等が不要になり、二種類の燃料で燃料噴射装置１２，第２燃料供給路１５ｄ及び燃料デリバリパイプ１５ｅを共有することができる。これが為、この実施例２においても、各々の部品の搭載性が向上し、製造原価を低減させることができる。

尚、本実施例２にあっても、燃料噴射装置１２から燃焼室２内へと燃料を直接噴射する所謂筒内直接噴射式内燃機関に適用することができる。

ところで、本実施例２にあっては２つの微細気泡発生装置（第１及び第２の微細気泡発生装置１６，１８）から夫々第２燃料供給路１５ｄと燃料タンク１５ａとに水素ガスの微細気泡を供給するものとして例示したが、１つの微細気泡発生装置から第２燃料供給路１５ｄと燃料タンク１５ａの双方に水素ガスの微細気泡を供給し得るよう構成してもよい。また、燃料タンク１５ａのみに対して水素ガスの微細気泡を供給するものであってもよい。

以上のように、本発明に係る水素利用内燃機関は、炭化水素燃料と水素ガスとを燃料にして燃焼させる内燃機関に有用であり、特に、多量の水素ガスを燃焼室内へと送り込む技術に適している。

本発明に係る水素利用内燃機関の実施例１の構成を示す図である。 実施例１の水素利用内燃機関の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明に係る水素利用内燃機関の実施例２の構成を示す図である。

符号の説明

１，２０ 水素利用内燃機関
２ 燃焼室
３ｂ 吸気通路
１２ 燃料噴射装置
１４ 電子制御装置（ＥＣＵ）
１５ 燃料供給手段
１５ａ 燃料タンク
１５ｂ 第１燃料供給路
１５ｃ 燃料ポンプ
１５ｄ 第２燃料供給路
１５ｅ 燃料デリバリパイプ
１５ｆ 残存燃料検出手段
１６ 微細気泡発生装置（第１微細気泡発生装置）
１７ 水素ガス供給手段
１７ａ 水素燃料タンク
１７ｂ 水素燃料ポンプ
１７ｃ 水素ガス供給路（第１水素ガス供給路）
１７ｄ 水素ガス流量計（第１水素ガス流量計）
１７ｅ 第２水素ガス供給路
１７ｆ 第２水素ガス流量計
１７ｇ 流路切替弁
１８ 第２微細気泡発生装置

Claims (3)

1. 液体の炭化水素燃料と水素ガスとを燃料として使用する水素利用内燃機関において、
   前記炭化水素燃料を噴射する燃料噴射装置と、該燃料噴射装置に前記炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、前記水素ガスの微細気泡を発生させ且つ当該水素ガスの微細気泡を前記燃料供給手段内の液体の炭化水素燃料中に混入させる微細気泡発生装置とを備えることを特徴とした水素利用内燃機関。
2. 前記微細気泡発生装置は、前記燃料供給手段を構成する燃料供給路内の炭化水素燃料に対して前記水素ガスの微細気泡を供給するよう配置し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. 前記微細気泡発生装置は、前記燃料供給手段を構成する燃料タンク内の炭化水素燃料に対して前記水素ガスの微細気泡を供給するよう配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の水素利用内燃機関。

Images