JP2007077930A - 水素利用内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素利用内燃機関に関し、システムの複雑化を招くことなく、液体燃料に加えて水素ガスも燃料として利用できるようにする。
【解決手段】 内燃機関２に水素ガスを供給する必要性を判定する。水素ガスを供給する必要があると判断されたときには、水素生成手段５０を作動させて、貯蔵手段４０に貯蔵されている液体水素化合物から水素ガスを生成する。また、水素混合手段５２を作動させて、燃料噴射装置１８に供給される液体燃料に水素生成手段５０によって生成された水素ガスを混合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化水素系の液体燃料と水素ガスとを燃料として使用可能な水素利用内燃機関に関する。

従来、ガソリン等の液体燃料とともに水素ガスを燃料として使用する内燃機関（水素利用内燃機関）が知られている。水素ガスは液体燃料に比較して燃焼性に優れている特性を有している。このため、低負荷時には、液体燃料に水素ガスを添加することで内燃機関のリーンバーン領域を拡大することができ、燃費の向上やＮＯｘ排出量の低減といった顕著な効果を得られるようになる。一方、高負荷時には、液体燃料に水素ガスを添加することでノッキングを抑制することができ、出力を向上させて車両の加速性能を維持することができる。

このような水素利用内燃機関の１つの例が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の水素利用内燃機関は、液体燃料を噴射する噴射弁と水素タンクとを水素導管を介して接続し、１つの噴射弁から液体燃料と水素ガスとを同時に噴射できるようにしている。
特開２００３−２９３８０９号公報 特開２００４−１００５０１号公報

しかしながら、上記の従来の水素利用内燃機関では、２系統の燃料供給系、すなわち、水素ガスを噴射弁に供給する供給系と、液体燃料を噴射弁に供給する供給系を別々に設ける必要がある。このため、液体燃料のみを使用する内燃機関に比較して、システム構成は極めて複雑になり、部品点数の増加に伴う車両への搭載性の悪化や、製造コストの増加を招いてしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、システムの複雑化を招くことなく、液体燃料に加えて水素ガスも燃料として利用できるようにした、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、炭化水素系の液体燃料と水素ガスとを燃料として使用可能な水素利用内燃機関において、
液体燃料を噴射する燃料噴射装置と、
液体水素化合物を貯蔵する貯蔵手段と、
前記貯蔵手段に貯蔵されている液体水素化合物から水素ガスを生成する水素生成手段と、
前記燃料噴射装置に供給される液体燃料に前記水素生成手段によって生成された水素ガスを混合する水素混合手段と、
前記内燃機関に水素ガスを供給する必要性を判定する判定手段と、
前記判定手段により水素ガスを供給する必要があると判断されたとき、前記水素生成手段及び前記水素混合手段を作動させる制御手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記水素混合手段は、水素ガスの微細気泡を発生させる手段を含み、水素ガスの微細気泡を液体燃料に混合することを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記判定手段により水素ガスを供給する必要があると判断された場合に、必要な水素混合量を決定する水素混合量決定手段を備え、
前記制御手段は、前記水素混合量決定手段により決定された水素混合量に従って前記水素生成手段に水素ガスを生成させることを特徴としている。

第４の発明は、第３の発明において、
前記水素混合量決定手段は、前記内燃機関の運転状態に基づいて必要な水素混合量を決定することを特徴としている。

第５の発明は、第３の発明において、
前記水素混合量決定手段は、液体燃料の性状に基づいて必要な水素混合量を決定することを特徴としている。

第６の発明は、第３の発明において、
前記水素混合量決定手段は、大気の状態に基づいて必要な水素混合量を決定することを特徴としている。

第７の発明は、第３の発明において、
前記水素混合量決定手段は、前記内燃機関の排気通路に配置される触媒の状態に基づいて必要な水素混合量を決定することを特徴としている。

また、第８の発明は、第７の発明の水素利用内燃機関とモータとを有し、少なくとも前記モータにより車両を駆動可能なハイブリッド車両の制御装置において、
水素ガスを供給する必要があると判断されたとき、前記内燃機関の燃焼が停止している状態において前記モータによって前記内燃機関を強制的に回転させるとともに、前記水素生成手段及び前記水素混合手段を作動させ、水素ガスが混合した液体燃料を前記燃料噴射装置から噴射することを特徴としている。

第１の発明によれば、水素ガスは液体水素化合物の状態で貯蔵され、水素ガスを供給する必要があるときに液体水素化合物から生成されるので、水素ガスを取り扱いが難しく且つ搭載効率の劣る気体の状態で貯蔵する必要が無い。また、生成された水素ガスは液体燃料へ混合されて燃料噴射装置に供給されるので、水素ガスを気体の状態で扱う範囲は水素ガスの生成から液体燃料への混合までの間に限定され、さらに、水素ガスを液体燃料と一体に液体として噴射することができる。したがって、第１の発明によれば、水素ガスと液体燃料を別々の燃料供給系を用いて燃料噴射装置に供給する場合のような複雑なシステムは不要であり、システムの複雑化を招くことなく液体燃料に加えて水素ガスも燃料として使用することができる。

第２の発明によれば、水素ガスを微細気泡にして液体燃料に混合することで、水素ガスを液体燃料中に均一に混合することができ、また、水素ガスの液体燃料への溶解を促進することができる。これにより、水素ガスの混合から燃料噴射までの間に水素ガスが液体燃料から分離する可能性は少なく、分離した水素ガスに対する対策が不要になって、システム構成をより簡略化することができる。

第３の発明によれば、水素ガスを供給する必要があるときに必要な量の水素ガスが生成されるので、必要量の水素ガスを過不足なく液体燃料に混合することができる。これにより、水素ガスの生成量と供給量とのずれを調整するためのバッファタンクは不要となり、システム構成をより簡略化することができる。

第４の発明によれば、内燃機関の運転状態に応じた混合割合で水素を液体燃料に混合することができる。

第５の発明によれば、液体燃料の性状に応じた混合割合で水素を液体燃料に混合することができる。

第６の発明によれば、大気の状態に応じた混合割合で水素を液体燃料に混合することができる。

第７の発明によれば、触媒の状態に応じた混合割合で水素を液体燃料に混合することができる。

第８の発明によれば、触媒の還元や暖機のために水素ガスを供給する必要があると判断されたときには、モータにより内燃機関を強制回転させた時のポンプ作用によって、水素ガスが混合された液体燃料を排気通路に送ることができ、触媒の還元処理や暖機処理を効率的に行うことができる。また、第８の発明によれば、内燃機関の燃焼を停止させてもモータによって走行が可能であるので、触媒の還元処理や暖機処理を必要なときに行うことができる。

実施の形態１．
以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

図１は本発明の実施の形態１としての水素利用内燃機関（以下、単にエンジンという）のシステム構成を示す図である。本実施形態のエンジンは、複数の気筒（図１では１つの気筒のみを示している）からなるエンジン本体２を有している。エンジン本体２は、気筒毎にピストン８を有し、各気筒の内部にはピストン８の上下運動によって膨張と収縮を繰り返す燃焼室１０が形成されている。エンジン本体２には、各気筒の燃焼室１０に空気を供給するための吸気通路４と、燃焼室１０から燃焼ガスを排出するための排気通路６が接続されている。排気通路６には燃焼ガスを浄化するための触媒（例えばＮＯｘ触媒）２０が配置されている。

エンジン本体２において、吸気通路４と燃焼室１０との接続部には、その連通状態を制御する吸気バルブ１２が設けられ、排気通路６と燃焼室１０との接続部には、その連通状態を制御する排気バルブ１４が設けられている。また、燃焼室１０には、その内部に燃料を直接噴射する筒内インジェクタ１８と、その内部の混合ガスに点火する点火プラグ１６が取り付けられている。

上記の筒内インジェクタ１８は、燃料供給ライン３６によって燃料タンク３０に接続されている。燃料タンク３０には炭化水素系の液体燃料であるガソリンが貯蔵されている。燃料タンク３０内の液体燃料は、燃料供給ライン３６に配置された燃料ポンプ（高圧ポンプ）３２によって吸い上げられ、燃焼室１０内の燃焼ガス圧よりも高い所定圧まで圧縮されてから筒内インジェクタ１８へ供給される。燃料ポンプ３２は、エンジン本体２によって駆動される機械式ポンプでもよく、モータによって駆動される電動式ポンプでもよい。燃料タンク３０には、重質度、オクタン価、アルコール添加度等、燃料タンク３０内の液体燃料の性状（燃料性状）に応じた信号を出力する燃料性状センサ５４が取り付けられている。

燃料供給ライン３６における燃料ポンプ３２の下流には、もう一方の燃料である水素ガスを液体燃料に混合するためのマイクロバブル発生装置５２が配置されている。マイクロバブル発生装置５２は、水素ガスを直径数十μｍ以下の微細気泡（マイクロバブルという）にして燃料供給ライン３６中の液体燃料に混合する。なお、マイクロバブル発生装置５２によるマイクロバブルの発生方法は、液体燃料中で水素ガスをマイクロバブルにすることができるものであれば、その方法に限定はない。以下に列挙するマイクロバブルの発生方法は、本実施形態のマイクロバブル発生装置５２において採り得る方法の一例である。

まず、マイクロバブルの発生方法の第１例は、液体燃料の激しい流れの中に水素ガスを吹き込むことで、そこに発生する強いせん断力により水素ガスを粉砕する方法である。

マイクロバブルの発生方法の第２例は、水素ガスを加圧してより多く液体燃料中に溶解させた状態から、液体燃料の流速を上げる等してキャビテーションを発生させる方法である。

そして、マイクロバブルの発生方法の第３例は、超音波を与えることで液体燃料中の水素ガスの気泡を加振して分裂させる方法である。

マイクロバブル発生装置５２により水素ガスをマイクロバブル化して液体燃料に混合することで、水素ガスを液体燃料中に均一に混合することができ、また、水素ガスの液体燃料への溶解を促進することができる。また、水素ガスをマイクロバブル化することで、飽和水素量を超える水素ガスを供給した場合であっても、ある程度の量であれば、液体燃料から分離することなくマイクロバブルの状態で液体燃料中に均一に存在させることができる。したがって、一旦混合された水素ガスが燃料噴射までの間に液体燃料から分離する可能性は少なく、マイクロバブル発生装置５２から筒内インジェクタ１８まで、水素ガスを液体燃料と一体に実質的に液体の状態で取り扱うことが可能になる。

マイクロバブル発生装置５２により液体燃料に混合される水素ガスは、水素生成装置５０から水素ガス供給ライン４６を介して供給される。水素生成装置５０は、液体水素化合物から水素ガスを即座に生成することができる装置である。液体水素化合物としては、水、アルコール、ガソリン、軽油等が使用可能である。本実施形態では、液体水素化合物として水が用いられている。水素生成装置５０による水素ガスの生成方法としては、以下に例示するような方法を採ることができる。

まず、水素生成方法の第１例は、燃料電池に逆起電力を印加することで水を電気分解する方法である。

水素生成方法の第２例は、液体水素化合物を低温プラズマで分解する方法である。具体的には、液体水素化合物に対し直流パルス放電を行うことにより、水素ガスを生成することができる。

水素生成方法の第３例は、高活性状態の金属によって水を還元する方法である。例えば、純水中でアルミニウムやアルミニウム合金を摩擦することで、金属に対する水の腐食反応を加速させて水分子を分解し、純粋な水素ガスを発生させることができる。また、水素化マグネシウムや水素化マグネシウム合金の粉末に水を供給することでも、純粋な水素ガスを発生させることができる。さらに、酸化鉄を還元して得られた金属鉄に水蒸気を反応させることでも、金属鉄の酸化に伴って純粋な水素ガスを発生させることができる。

上記の何れの方法によっても、必要に応じて即座に水等の液体水素化合物から水素ガスを生成することができる。特に、第３例の方法によれば、純粋な水素ガスのみを生成することができる。また、上記の何れの方法でも、比較的低温或いは常温で水素ガスを生成することができるので、マイクロバブル発生装置５２による液体燃料への混合時に、より多くの水素ガスを液体燃料に溶解させることができるという利点もある。

水素生成装置５０により水素ガスを生成することで、水素ガスを液体の状態で貯蔵することが可能になる。これにより、水素ガスを圧力タンク等で気体の状態で貯蔵する場合に比較して、その取り扱いが容易になるだけでなく、高い搭載効率を実現することが可能になる。本実施形態では、水素生成装置５０において水素ガスの生成に用いられる水は、水タンク４０から水供給ライン４４を介して供給される。水供給ライン４４には、水タンク４０から水を吸い上げて水素生成装置５０に供給するための水ポンプ４２が配置されている。

上記のようなシステム構成によれば、水素ガスを気体の状態で取り扱う必要のある範囲は、水素生成装置５０からマイクロバブル発生装置５２までの水素ガス供給ライン４６に限定される。これにより、従来のように貯蔵タンクから燃料噴射までの間、水素ガスを気体の状態で取り扱う場合に比較して、水素ガスの漏れ等への対策が簡単になる。また、筒内インジェクタ１８に供給される液体燃料に水素ガスが混合した水素添加燃料は、実質的に液体であるので、従来の液体燃料用の筒内インジェクタをそのまま用いることができる。

本実施形態のエンジンは、その制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。ＥＣＵ６０の出力側には前述の点火プラグ１６、筒内インジェクタ１８、燃料ポンプ３２、水ポンプ４２、マイクロバブル発生装置５２、水素生成装置５０等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ６０の入力側には、前述の燃料性状センサ５４の他、エンジン本体２の運転状態に関する情報（アクセル開度、車速、エンジン回転数、空燃比、水温、ノック信号等）を取得する運転状態測定装置６２や、大気の状態に関する情報（温度、湿度、大気圧等）を取得する大気状態測定装置６４等の種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ６０は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムにしたがって各機器を制御している。

本実施形態のエンジンは、液体燃料への水素ガスの添加を高負荷運転時におけるノッキングの抑制に用いている。図２は、本実施形態においてＥＣＵ６０により実行される水素添加制御のルーチンを示すフローチャートである。図２に示すルーチンは、所定のクランク角毎に周期的に実行されている。

図２に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、運転状態測定装置６２によってエンジン本体２に発生しているノッキングの大きさ（ノックレベル）が測定される。次のステップＳ１０２では、測定されたノックレベルから水素添加なしのときのノックレベルが求められ、この水素無添加時のノックレベルに基づいて水素添加の実行条件の成否が判定される。水素添加の実行条件が成立した場合には、ステップＳ１０４乃至ステップＳ１１０の処理によって液体燃料への水素ガスの添加が行われる。

ステップＳ１０４では、予め記憶されているマップから、ノックレベルとそれ以外のエンジン本体２の運転状態、例えば、アクセル開度、エンジン回転数、水温、空燃比等に応じた要求水素添加割合が求められる。水素添加割合は、例えば、液体燃料と水素ガスを合わせた燃料全体の総発熱量に対する水素ガスの発熱量の比として定義することができる。マップでは、水素添加なしのときのノックレベルが大きいほど要求水素添加割合も大きく設定されている。

次のステップＳ１０６では、要求水素添加割合に応じた要求水素生成量（水素ガスの必要生成量）が求められる。具体的には、アクセル開度やエンジン回転数等からエンジン本体２の要求負荷が求められ、この要求負荷と要求水素添加割合とから、水素ガスが分担する負荷（水素負荷）が求められる。そして、水素ガスの単位量当たりの発熱量等に基づいて、水素負荷に応じた水素ガス量が要求水素生成量として算出される。

次のステップＳ１０８では、水ポンプ４２の作動により要求水素生成量に応じた水が水タンク４０から水素生成装置５０に供給される。そして、水素生成装置５０の作動により水素生成処理が実行されて要求水素生成量の水素ガスが生成される。生成された水素ガスが、水素生成装置５０からマイクロバブル発生装置５２へ供給される。

次のステップＳ１１０では、マイクロバブル発生装置５２により水素ガスがマイクロバブル化され、このマイクロバブル化された水素ガスが液体燃料に混合される。水素ガスが混合された液体燃料は、マイクロバブル発生装置５２から筒内インジェクタ１８に供給され、筒内インジェクタ１８から燃焼室１０内に直接噴射される。

燃焼性に優れた水素ガスを含む燃料が噴射されることで、高負荷時のノッキングは抑制され、ステップＳ１００で測定されるノックレベルは小さくなる。ステップＳ１０２の判定において水素添加実行条件が成立しなかったときには、水素生成装置５０における水素生成処理が停止され（ステップＳ１１２）、続いて、マイクロバブル発生装置５２によるマイクロバブル化処理も停止される（ステップＳ１１４）。

上記の水素添加制御ルーチンによれば、ノッキング抑制のために水素ガスが必要となったとき、水素生成装置５０により水から水素ガスが即座に生成され、生成された水素ガスはマイクロバブル化されて液体燃料に混合される。これにより、高負荷運転時におけるノッキングを速やかに抑制することができ、点火時期の進角等による高効率な運転が可能になる。

また、上記のように、必要に応じて水から水素ガスを生成することで、水素ガスを取り扱いが難しく且つ搭載効率の劣る気体の状態で貯蔵する必要が無い。しかも、水素ガスは必要量のみ生成され、生成された必要量の水素ガスは全てマイクロバブル化されて液体燃料に混合されるので、水素ガスの生成量と供給量とのずれを調整するためのバッファタンクを設ける必要もない。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ６０によりステップＳ１００及びＳ１０２の処理が実行されることにより、第１の発明にかかる「判定手段」が実現されている。また、ＥＣＵ６０によりステップＳ１０８及びＳ１１０、或いはＳ１１２及びＳ１１４の処理が実行されることにより、第１の発明にかかる「制御手段」が実現されている。また、ＥＣＵ６０によりステップＳ１０４及びＳ１０６の処理が実行されることにより、第３の発明にかかる「水素混合量決定手段」が実現されている。

実施の形態２.
以下、図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

本実施形態のエンジンは、実施の形態１にかかるシステム構成において、ＥＣＵ６０に、図２のルーチンに代えて図３の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。本実施形態のエンジンは、液体燃料への水素ガスの添加をリーンバーン運転時における燃焼変動の抑制に用いている。図３は、本実施形態においてＥＣＵ６０により実行される水素添加制御のルーチンを示すフローチャートである。図３に示すルーチンは、所定のクランク角毎に周期的に実行されている。

図３に示すルーチンの最初のステップＳ２００では、運転状態測定装置６２によってエンジン本体２に発生している燃焼変動の大きさ（燃焼変動レベル）が測定される。燃焼変動レベルは、具体的には、エンジン回転数や筒内圧力の変動から測定することができる。次のステップＳ２０２では、測定された燃焼変動レベルから水素添加なしのときの燃焼変動レベルが求められ、この水素無添加時の燃焼変動レベルに基づいて水素添加の実行条件の成否が判定される。水素添加の実行条件が成立した場合には、ステップＳ２０４乃至ステップＳ２１０の処理によって液体燃料への水素ガスの添加が行われる。

ステップＳ２０４では、予め記憶されているマップから、燃焼変動レベルとそれ以外のエンジン本体２の運転状態、例えば、アクセル開度、エンジン回転数、水温、空燃比等に応じた要求水素添加割合が求められる。マップでは、水素添加なしのときの燃焼変動レベルが大きいほど、また、アクセル開度やエンジン回転数から求まるエンジン負荷が低いほど、要求水素添加割合も大きく設定されている。次のステップＳ２０６では、要求水素添加割合に応じた要求水素生成量が求められる。

次のステップＳ２０８では、水ポンプ４２及び水素生成装置５０の作動により要求水素生成量に応じた水素生成処理が実行される。水素生成装置５０により生成された水素ガスは、マイクロバブル発生装置５２によってマイクロバブル化されて液体燃料に混合される（ステップＳ２１０）。水素ガスが混合された液体燃料は、マイクロバブル発生装置５２から筒内インジェクタ１８に供給され、筒内インジェクタ１８から燃焼室１０内に直接噴射される。

燃焼性に優れた水素ガスを含む燃料が噴射されることで、低負荷時の燃焼変動は抑制され、ステップＳ２００で測定される燃焼変動レベルは小さくなる。ステップＳ２０２の判定において水素添加実行条件が成立しなかったときには、水素生成装置５０における水素生成処理が停止され（ステップＳ２１２）、続いて、マイクロバブル発生装置５２によるマイクロバブル化処理も停止される（ステップＳ２１４）。

上記の水素添加制御ルーチンによれば、燃焼変動の抑制のために水素ガスが必要となったとき、水素生成装置５０により水から水素ガスが即座に生成され、生成された水素ガスはマイクロバブル化されて液体燃料に混合される。これにより、リーンバーン運転時の燃焼変動を速やかに抑制することができ、リーンバーン領域を拡大することができる。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ６０によりステップＳ２００及びＳ２０２の処理が実行されることにより、第１の発明にかかる「判定手段」が実現されている。また、ＥＣＵ６０によりステップＳ２０８及びＳ２１０、或いはＳ２１２及びＳ２１４の処理が実行されることにより、第１の発明にかかる「制御手段」が実現されている。また、ＥＣＵ６０によりステップＳ２０４及びＳ２０６の処理が実行されることにより、第３の発明にかかる「水素混合量決定手段」が実現されている。

実施の形態３.
以下、図４を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。

本実施形態のエンジンは、実施の形態１にかかるシステム構成において、ＥＣＵ６０に、図２のルーチンに代えて図４の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。本実施形態のエンジンは、液体燃料への水素ガスの添加を燃料性状の補正に用いている。液体燃料の燃料性状が変化すると、それに応じてエンジン本体２の運転性能（失火限界、ノック限界等）も変化してしまう。本実施形態では、水素ガスの添加により燃料性状を補正することで、常に一定のエンジン性能が得られるようにしている。図４は、本実施形態においてＥＣＵ６０により実行される水素添加制御のルーチンを示すフローチャートである。図４に示すルーチンは、所定のクランク角毎に周期的に実行されている。

図４に示すルーチンの最初のステップＳ３００では、燃料性状センサ５４の信号から燃料タンク３０に貯蔵されている液体燃料の燃料性状（重質度、オクタン価、アルコール添加度等）が推定される。なお、燃料性状は、エンジン回転数や筒内圧力の変動状態から推定することもできる。次のステップＳ３０２では、推定された燃料性状が水素添加を必要とする燃料性状か否か判定される。水素添加を必要とする燃料性状とは、例えば、重質燃料、低オクタン燃料、アルコール添加度の高い燃料等である。そして、水素添加を必要とする燃料性状と推定された場合に、ステップＳ３０４乃至ステップＳ３１０の処理によって液体燃料への水素ガスの添加が行われる。

ステップＳ３０４では、予め記憶されているマップから、燃料性状とエンジン本体２の運転状態に応じた要求水素添加割合が求められる。マップでは、重質なほど、オクタン価が低いほど、また、アルコール添加度が高いほど要求水素添加割合は大きく設定されている。次のステップＳ３０６では、要求水素添加割合に応じた要求水素生成量が求められる。

次のステップＳ３０８では、水ポンプ４２及び水素生成装置５０の作動により要求水素生成量に応じた水素生成処理が実行される。水素生成装置５０により生成された水素ガスは、マイクロバブル発生装置５２によってマイクロバブル化されて液体燃料に混合される（ステップＳ３１０）。水素ガスが混合された液体燃料は、マイクロバブル発生装置５２から筒内インジェクタ１８に供給され、筒内インジェクタ１８から燃焼室１０内に直接噴射される。

給油等により燃料タンク３０内の液体燃料の性状が変化したときには、ステップＳ３０２の判定で水素添加の必要はないと判断される場合がある。その場合には、水素生成装置５０における水素生成処理が停止され（ステップＳ３１２）、続いて、マイクロバブル発生装置５２によるマイクロバブル化処理も停止される（ステップＳ３１４）。

上記の水素添加制御ルーチンによれば、液体燃料の性状が水素添加の必要な燃料性状のときには、水素生成装置５０により水から水素ガスが即座に生成され、生成された水素ガスはマイクロバブル化されて液体燃料に混合される。これにより、燃料性状の差は水素の添加度によって補正され、燃料性状によらず常に一定のエンジン性能を維持することができる。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ６０によりステップＳ３００及びＳ３０２の処理が実行されることにより、第１の発明にかかる「判定手段」が実現されている。また、ＥＣＵ６０によりステップＳ３０８及びＳ３１０、或いはＳ３１２及びＳ３１４の処理が実行されることにより、第１の発明にかかる「制御手段」が実現されている。また、ＥＣＵ６０によりステップＳ３０４及びＳ３０６の処理が実行されることにより、第３の発明にかかる「水素混合量決定手段」が実現されている。

実施の形態４.
以下、図５を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。

本実施形態のエンジンは、実施の形態１にかかるシステム構成において、ＥＣＵ６０に、図２のルーチンに代えて図５の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。本実施形態のエンジンは、大気状態がエンジン本体２の運転性能（失火限界、ノック限界等）に与える影響を補正すため、水素ガスを液体燃料に添加する。図５は、本実施形態においてＥＣＵ６０により実行される水素添加制御のルーチンを示すフローチャートである。図５に示すルーチンは、所定のクランク角毎に周期的に実行されている。

図５に示すルーチンの最初のステップＳ４００では、大気状態測定装置６４によって現在の大気の状態（温度、湿度、大気圧等）が測定される。次のステップＳ４０２では、測定された大気状態が水素添加を必要とする大気状態か否か判定される。例えば、ノッキングは高温、高圧、低湿度ほど発生しやすく、大気状態によってはノッキング抑制のために水素添加が必要となる。一方、失火は低温、低圧ほど発生しやすく、大気状態によっては失火防止のために水素添加が必要となる。水素添加を必要とする大気状態である場合には、ステップＳ４０４乃至ステップＳ４１０の処理によって液体燃料への水素ガスの添加が行われる。

ステップＳ４０４では、予め記憶されているマップから、大気状態とエンジン本体２の運転状態に応じた要求水素添加割合が求められる。マップでは、アクセル開度とエンジン回転数から求まるエンジン負荷が高負荷の場合には、高温ほど、高圧ほど、また、低湿度ほど要求水素添加割合は大きく設定されている。エンジン負荷が低負荷の場合には、低温ほど、また、低圧ほど要求水素添加割合は大きく設定されている。次のステップＳ４０６では、要求水素添加割合に応じた要求水素生成量が求められる。

次のステップＳ４０８では、水ポンプ４２及び水素生成装置５０の作動により要求水素生成量に応じた水素生成処理が実行される。水素生成装置５０により生成された水素ガスは、マイクロバブル発生装置５２によってマイクロバブル化されて液体燃料に混合される（ステップＳ４１０）。水素ガスが混合された液体燃料は、マイクロバブル発生装置５２から筒内インジェクタ１８に供給され、筒内インジェクタ１８から燃焼室１０内に直接噴射される。

天気の変化や車両の走行高度の変化等により大気状態が変化したときには、ステップＳ４０２の判定で水素添加の必要はないと判断される場合がある。その場合には、水素生成装置５０における水素生成処理が停止され（ステップＳ４１２）、続いて、マイクロバブル発生装置５２によるマイクロバブル化処理も停止される（ステップＳ４１４）。

上記の水素添加制御ルーチンによれば、現時点の大気状態が水素添加の必要な大気状態のときには、水素生成装置５０により水から水素ガスが即座に生成され、生成された水素ガスはマイクロバブル化されて液体燃料に混合される。これにより、温度、湿度、大気圧等の影響による高負荷運転時のノッキングや低負荷運転時の失火は抑制され、大気状態によらず常に一定のエンジン性能を維持することができる。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ６０によりステップＳ４００及びＳ４０２の処理が実行されることにより、第１の発明にかかる「判定手段」が実現されている。また、ＥＣＵ６０によりステップＳ４０８及びＳ４１０、或いはＳ４１２及びＳ４１４の処理が実行されることにより、第１の発明にかかる「制御手段」が実現されている。また、ＥＣＵ６０によりステップＳ４０４及びＳ４０６の処理が実行されることにより、第３の発明にかかる「水素混合量決定手段」が実現されている。

実施の形態５.
以下、図６を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。

本実施形態のエンジンは、実施の形態１にかかるシステム構成において、ＥＣＵ６０に、図２のルーチンに代えて図６の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。本実施形態のエンジンは、触媒２０の還元処理或いは暖機処理のために水素ガスを液体燃料に添加する。図６は、本実施形態においてＥＣＵ６０により実行される水素添加制御のルーチンを示すフローチャートである。図６に示すルーチンは、所定のクランク角毎に周期的に実行されている。

図６に示すルーチンの最初のステップＳ５００では、運転状態測定装置６２によって触媒２０の状態、具体的には、触媒２０のＮＯｘ吸蔵量と触媒２０の温度が測定される。触媒２０のＮＯｘ吸蔵量は、前回の還元処理からのリーンバーン運転時間によって間接的に測定することができる。また、触媒２０の温度は、温度センサにより直接測定することも、排気ガスの温度から間接的に測定することもできる。

次のステップＳ５０２では、ステップＳ５００で測定された触媒２０の状態から、触媒処理の要求の有無が判定される。例えば、触媒２０のＮＯｘ吸蔵量が限界に近い場合は、触媒２０の還元処理が必要と判断される。また、触媒２０の温度がその浄化性能が最大となる適正温度よりも低い場合には、触媒２０の暖機処理が必要と判断される。何れの場合にも、その処理の方法としては水素ガスを液体燃料に添加して触媒２０に供給すればよい。還元処理のために水素ガスを添加する場合は、水素ガスを還元剤として触媒２０に作用させて触媒２０の吸蔵能力を効率的に回復することができる。暖機処理のために水素ガスを添加する場合は、水素ガスを触媒２０上で酸素と反応させ、その際の反応熱によって触媒２０を効率的に暖機することができる。したがって、何れかの触媒処理要求が有る場合には、ステップＳ５０４乃至ステップＳ５１０の処理によって液体燃料への水素ガスの添加が行われる。

ステップＳ５０４では、予め記憶されているマップから、触媒処理要求の内容（還元処理の要求か、或いは暖機処理の要求か）とエンジン本体２の運転状態に応じた要求水素添加割合が求められる。次のステップＳ５０６では、要求水素添加割合に応じた要求水素生成量が求められる。

次のステップＳ５０８では、水ポンプ４２及び水素生成装置５０の作動により要求水素生成量に応じた水素生成処理が実行される。水素生成装置５０により生成された水素ガスは、マイクロバブル発生装置５２によってマイクロバブル化されて液体燃料に混合される（ステップＳ５１０）。水素ガスが混合された液体燃料は、マイクロバブル発生装置５２から筒内インジェクタ１８に供給され、筒内インジェクタ１８から燃焼室１０内に直接噴射される。その際の燃料噴射の方法としては、吸気行程或いは圧縮行程で噴射する主噴射と、膨張行程或いは排気行程で噴射する副噴射の２段噴射が採られる。副噴射で噴射された燃料中の水素ガスは、燃焼することなくそのまま触媒２０まで流れ、触媒２０の還元処理或いは暖機処理に供せられる。

触媒２０の還元処理或いは暖機処理が完了した場合には、ステップＳ５０２の判定において触媒処理の要求は撤回される。その場合には、水素生成装置５０における水素生成処理が停止され（ステップＳ５１２）、続いて、マイクロバブル発生装置５２によるマイクロバブル化処理も停止される（ステップＳ５１４）。

上記の水素添加制御ルーチンによれば、触媒２０の還元処理或いは暖機処理が必要とされるときには、水素生成装置５０により水から水素ガスが即座に生成され、生成された水素ガスはマイクロバブル化されて液体燃料に混合される。これにより、還元処理が要求されている場合には、触媒２０のＮＯｘ吸蔵能力を速やかに回復することができ、また、暖機処理が要求されている場合には、触媒２０の温度を適正温度まで速やかに暖機することができる。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ６０によりステップＳ５００及びＳ５０２の処理が実行されることにより、第１の発明にかかる「判定手段」が実現されている。また、ＥＣＵ５０によりステップＳ５０８及びＳ５１０、或いはＳ５１２及びＳ５１４の処理が実行されることにより、第１の発明にかかる「制御手段」が実現されている。また、ＥＣＵ６０によりステップＳ５０４及びＳ５０６の処理が実行されることにより、第３の発明にかかる「水素混合量決定手段」が実現されている。

実施の形態６．
以下、図７及び図８を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。

図７は本発明の水素利用内燃機関が適用されたハイブリッド車両の駆動システムの構成を示す図である。本実施形態にかかるハイブリッド車両の駆動システムは、その動力装置として、実施の形態１にかかるシステム構成のエンジン（図１に示すエンジン）を備えている。図７中、実施の形態１と同一の要素は同一の符号を付している。

この駆動システムは、もう１つの動力装置としてモータ７２を備えている。また、駆動力の供給を受けて電力を発生するジェネレータ７６も備えている。エンジン本体２、モータ７２及びジェネレータ７６は、動力分割機構７０を介して相互に連結されている。動力分割機構７０につながるモータ７２の回転軸には、減速機７４が接続されている。減速機７４は、モータ７２の回転軸と駆動輪９２につながる駆動軸９０とを連結している。動力分割機構７０は、エンジン本体２の駆動力をジェネレータ７６側と減速機７４側とに分割する装置である。動力分割機構７０による駆動力の配分は任意に変更することができる。

この駆動システムには、さらに、インバータ７８、コンバータ８０及び高圧バッテリ８２が含まれている。インバータ７８は、ジェネレータ７６及びモータ７２に接続されるとともに、コンバータ８０を介して高圧バッテリ８２にも接続されている。ジェネレータ７６で発電された電力は、インバータ７８を介してモータ７２に供給することもできるし、インバータ７８及びコンバータ８０を介して高圧バッテリ８２に充電することもできる。また、高圧バッテリ８２に充電されている電力は、コンバータ８０及びインバータ７８を介してモータ７２に供給することができる。

この駆動システムによれば、モータ７２を停止させてエンジン本体２の駆動力のみによって駆動輪９２を回転させることもできるし、逆に、エンジン本体２を停止させてモータ７２の駆動力のみによって駆動輪９２を回転させることもできる。モータ７２とエンジン本体２の双方を作動させ、双方の駆動力によって駆動輪９２を回転させることもできる。また、この駆動システムによれば、モータ７２をエンジン本体２のスタータとして機能させることもできる。つまり、エンジン本体２の始動時、モータ７２の駆動力の一部或いは全部を動力分割機構７０を介してエンジン本体２に入力することで、エンジン本体２をクランキングすることができる。さらに、エンジン本体２の始動に関係なく、停止しているエンジン本体２を必要に応じて強制的に回転させることもできる。

本実施形態の駆動システムは、ＥＣＵ６０によって制御されている。ＥＣＵ６０は、エンジン本体２を含むエンジンシステムのみならず、モータ７２、ジェネレータ７６、動力分割機構７０、インバータ７８及びコンバータ８０等を含む駆動システムの全体を総合的に制御している。図８は、本実施形態においてＥＣＵ６０により実行される水素添加制御のルーチンを示すフローチャートである。図８に示すルーチンは、所定のクランク角毎に周期的に実行されている。

図８に示すルーチンの最初のステップＳ６００では、エンジン本体２が燃焼作動しているか否か判定される。エンジン本体２が燃焼作動している場合には、ステップＳ６０２乃至ステップＳ６０８の処理によって液体燃料への水素ガスの添加が行われる。

ステップＳ６０２では、予め記憶されているマップから、エンジン本体２の運転状態に応じた要求水素添加割合が求められる。例えば、高負荷運転時にはノッキングを抑制するための水素添加割合が求められ、低負荷運転時には失火や燃焼変動を抑制するための水素添加割合が求められる。次のステップＳ６０４では、要求水素添加割合に応じた要求水素生成量が求められる。

次のステップＳ６０６では、水素生成装置５０の作動により要求水素生成量に応じた水素生成処理が実行される。水素生成装置５０により生成された水素ガスは、マイクロバブル発生装置５２によってマイクロバブル化されて液体燃料に混合される（ステップＳ６０８）。水素ガスが混合された液体燃料がエンジン本体２に供給されることで、高負荷運転時には、ノッキングを速やかに抑制して点火時期の進角等による高効率な運転が可能になる。また、低負荷運転時には、失火や燃焼変動を速やかに抑制してリーンバーン領域を拡大することが可能になる。

一方、ステップＳ６００の判定でエンジン本体２の燃焼が停止している場合には、続いてステップＳ６１０の判定が行われる。ステップＳ６１０では、触媒２０の状態から触媒処理の要求の有無が判定される。触媒２０のＮＯｘ吸蔵量が限界に近い場合は、触媒２０の還元処理が必要と判断される。また、触媒２０の温度がその浄化性能が最大となる適正温度よりも低い場合には、触媒２０の暖機処理が必要と判断される。ステップＳ６１０の判定の結果、何れかの触媒処理要求が有る場合には、以下に説明するステップＳ６１６乃至ステップＳ６２４の処理によって液体燃料への水素ガスの添加と、水素ガスが添加された液体燃料の触媒２０への供給が行われる。

まず、ステップＳ６１６では、予め記憶されているマップから、触媒処理要求の内容（還元処理の要求か、或いは暖機処理の要求か）に応じた要求水素添加割合が求められる。ステップＳ６１８では、要求水素添加割合に応じた要求水素生成量が求められる。次のステップＳ６２０では、水素生成装置５０の作動により要求水素生成量に応じた水素生成処理が実行される。水素生成装置５０により生成された水素ガスは、マイクロバブル発生装置５２によってマイクロバブル化されて液体燃料に混合される（ステップＳ６２２）。

次のステップＳ６２４では、動力分割機構７０が操作され、モータ７２の駆動力の一部或いは全部が動力分割機構７０を介してエンジン本体２に入力される。これにより、エンジン本体２はモータ７２の駆動力によって強制的に回転させられ、吸気通路から空気を吸い込んで排気通路６へ排出するポンプとして作動する。

また、ステップ６２４では、モータ７２によるエンジン本体２の強制回転と同時に、ＥＣＵ６０から筒内インジェクタに噴射指令が供給され、水素ガスが混合された液体燃料（水素添加燃料）が筒内インジェクタから燃焼室内に噴射される。この場合、各気筒の筒内インジェクタを作動させてもよく、特定気筒の筒内インジェクタのみ作動させてもよい。或いは、水素添加燃料の供給量に応じて作動させる筒内インジェクタの本数を決めてもよい。

筒内インジェクタから燃焼室内に噴射された水素添加燃料は、エンジン本体２のポンプ作用によって、吸気通路から吸入された空気とともにそのまま排気通路６へ排出される。このとき、要求されている触媒処理が還元処理の場合には、吸気通路のスロットルは閉じられる。スロットルを閉じることで吸入空気量を絞り、水素添加燃料の空気による希釈度を小さくすることができる。これにより、触媒２０には極めて水素濃度の高いガスが流入することとなり、触媒２０の周囲雰囲気は濃い還元雰囲気とされる。

要求されている触媒処理が暖機処理の場合には、スロットルが開かれて燃料噴射量に応じた量の空気が燃焼室内へ吸入される。スロットルの開度は、水素添加燃料と空気の空燃比が触媒２０上での燃焼反応に適した所定の空燃比になるように制御される。水素添加燃料と空気の混合気が排気通路６を通って触媒２０に供給され、水素添加燃料と酸素が触媒２０上で燃焼反応を起こすことで、触媒２０の温度は上昇していく。

触媒２０の還元処理或いは暖機処理が完了した場合には、ステップＳ６１０の判定において触媒処理の要求は撤回される。その場合には、水素生成装置５０における水素生成処理が停止され（ステップＳ６１２）、続いて、マイクロバブル発生装置５２によるマイクロバブル化処理も停止される（ステップＳ６１４）。

上記の水素添加制御ルーチンによれば、エンジン本体２の燃焼作動中は、エンジン本体２の運転状態に応じて液体燃料への水素添加を行うことで、ノック限界やリーン限界を拡大してエンジン本体２を効率的に運転することができる。そして、エンジン本体２の燃焼停止時に、モータ７２によってエンジン本体２を回転させながら水素添加燃料の噴射を行うことで、エンジン本体２の運転性能に影響を与えることなく、触媒２０の還元処理や暖機処理を効率良く行うことができる。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ６０により上記の水素添加制御ルーチンが実行されることにより、第８の発明にかかる「制御装置」が実現されている。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

図１に示すエンジンでは、燃料噴射装置として、燃焼室１０内に直接燃料を噴射する筒内インジェクタ１８を備えているが、吸気ポートに燃料を噴射するポートインジェクタであってもよい。また、図１に示すエンジンは、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンとして構成されているが、本発明は軽油を燃料とするディーゼルエンジンにも適用することができる。

また、図７の構成では、ハイブリッド車両はエンジン本体２によってもモータ７２によっても走行可能に構成されているが、本発明を適用するにあたってはハイブリッド車両は少なくともモータ７２によって走行可能であればよい。つまり、エンジン本体２は発電専用であってもよい。

本発明の実施の形態１としての水素利用内燃機関のシステム構成を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行される水素添加制御のルーチンについて示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行される水素添加制御のルーチンについて示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３において実行される水素添加制御のルーチンについて示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４において実行される水素添加制御のルーチンについて示すフローチャートである。 本発明の実施の形態５において実行される水素添加制御のルーチンについて示すフローチャートである。 本発明の水素利用内燃機関が適用されたハイブリッド車両の駆動システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態６において実行される水素添加制御のルーチンについて示すフローチャートである。

符号の説明

２ エンジン本体
４ 吸気通路
６ 排気通路
１０ 燃焼室
１８ 筒内インジェクタ
２０ 触媒
３０ 燃料タンク
３２ 燃料ポンプ
３６ 燃料供給ライン
４０ 水タンク
４２ 水ポンプ
４４ 水供給ライン
４６ 水素ガス供給ライン
５０ 水素生成装置
５２ マイクロバブル発生装置
５４ 燃料性状センサ
６０ ＥＣＵ
６２ 運転状態測定装置
６４ 大気状態測定装置
７０ 動力分割機構
７２ モータ
７４ 減速機
７６ ジェネレータ
７８ インバータ
８０ コンバータ
８２ 高圧バッテリ

Claims (8)

1. 炭化水素系の液体燃料と水素ガスとを燃料として使用可能な水素利用内燃機関において、
   液体燃料を噴射する燃料噴射装置と、
   液体水素化合物を貯蔵する貯蔵手段と、
   前記貯蔵手段に貯蔵されている液体水素化合物から水素ガスを生成する水素生成手段と、
   前記燃料噴射装置に供給される液体燃料に前記水素生成手段によって生成された水素ガスを混合する水素混合手段と、
   前記内燃機関に水素ガスを供給する必要性を判定する判定手段と、
   前記判定手段により水素ガスを供給する必要があると判断されたとき、前記水素生成手段及び前記水素混合手段を作動させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする水素利用内燃機関。
2. 前記水素混合手段は、水素ガスの微細気泡を発生させる手段を含み、水素ガスの微細気泡を液体燃料に混合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. 前記判定手段により水素ガスを供給する必要があると判断された場合に、必要な水素混合量を決定する水素混合量決定手段を備え、
   前記制御手段は、前記水素混合量決定手段により決定された水素混合量に従って前記水素生成手段に水素ガスを生成させることを特徴とする請求項１又は２記載の水素利用内燃機関。
4. 前記水素混合量決定手段は、前記内燃機関の運転状態に基づいて必要な水素混合量を決定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. 前記水素混合量決定手段は、液体燃料の性状に基づいて必要な水素混合量を決定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。
6. 前記水素混合量決定手段は、大気の状態に基づいて必要な水素混合量を決定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。
7. 前記水素混合量決定手段は、前記内燃機関の排気通路に配置される触媒の状態に基づいて必要な水素混合量を決定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。
8. 請求項７記載の水素利用内燃機関とモータとを有し、少なくとも前記モータにより車両を駆動可能なハイブリッド車両の制御装置において、
   水素ガスを供給する必要があると判断されたとき、前記内燃機関の燃焼が停止している状態において前記モータによって前記内燃機関を強制的に回転させるとともに、前記水素生成手段及び前記水素混合手段を作動させ、水素ガスが混合した液体燃料を前記燃料噴射装置から噴射することを特徴とする水素利用内燃機関を有するハイブリッド車両の制御装置。
   

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