JP2008196349A - 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とに分離する機能を有する水素利用内燃機関に関し、水素化燃料を内燃機関の燃料として使用しつつ、高効率且つ低エミッションを実現できるようにする。
【解決手段】水素化燃料を燃料として圧縮自着火拡散燃焼による運転を行う制御手段を備える。好ましくは、内燃機関が所定の運転領域で運転されているときには、水素化燃料を燃料として圧縮自着火拡散燃焼による運転を行い、内燃機関が前記所定運転領域よりも低負荷域で運転されるときには、脱水素燃料と水素を燃料として火花点火燃焼による運転を行うようにする。
【選択図】図３

Description

この発明は、水素利用内燃機関、特に、水素化燃料を水素と脱水素燃料とに分離する機能を有する水素利用内燃機関に関する。
従来、例えば、特開２００５−１４７１２４号公報には、触媒を用いて有機ハイドライドを含む水素化燃料を脱水素反応させることにより、水素リッチガスと脱水素燃料とを生成するシステムが開示されている。このシステムによれば、有機ハイドライドを含む水素化燃料だけを給油することにより、車両上で、水素リッチガス、脱水素燃料、および水素化燃料の３種の燃料を内燃機関の作動に供する燃料として使用することができる。
特開２００５−１４７１２４号公報 特開２００４−１８９５８５号公報 特開２００５−２９９５０１号公報 特開２００５−２９９４９７号公報
ところで、上記従来のシステムによれば、車両上で生成された水素を脱水素燃料等のガソリンに添加して使用することで、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発生量の低減といった顕著な効果を得ることができる。
しかしながら、水素の生成に排熱を利用するシステムでは、内燃機関の冷間時等、水素を生成することができない場合があり、貯留タンクの容量によっては、時として水素が不足する事態も考えられる。そこで、水素化燃料を内燃機関の燃料として使用することが考えられるが、水素化燃料は通常のガソリンとは異なる特性を有するため、これらの特性を考慮した上で、最適な運転領域および運転方法等を選択する必要がある。この点、上記従来の技術においては、水素化燃料を内燃機関の燃料として使用するための具体的な手法が開示されておらず、改善の余地があった。
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とに分離する機能を有する水素利用内燃機関に関し、水素化燃料を内燃機関の燃料として使用しつつ、高効率且つ低エミッションを実現できるように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、水素利用内燃機関であって、
圧縮自着火運転と火花点火運転とが可能な水素利用内燃機関において、
有機ハイドライドを含む水素化燃料を、水素と脱水素燃料とに分離する燃料分離手段と、
前記水素化燃料、前記水素、および前記脱水素燃料の何れかを選択的に、或いは複数を組み合わせて前記内燃機関に供給するための燃料供給手段と、
前記水素化燃料を燃料として圧縮自着火拡散燃焼による運転を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記制御手段は、前記内燃機関が所定の運転領域で運転されているときには、前記水素化燃料を燃料として圧縮自着火拡散燃焼による運転を行い、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも低負荷域で運転されるときには、前記脱水素燃料と前記水素とを燃料として火花点火燃焼による運転を行うことを特徴とする。
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記制御手段は、前記内燃機関が前記脱水素燃料と前記水素とを燃料として運転を行う運転領域よりもさらに低負荷域で運転されるときには、前記水素化燃料を燃料として圧縮自着火拡散燃焼による運転を行うことを特徴とする。
また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記内燃機関の水温を取得する水温取得手段を更に備え、
前記制御手段は、前記水温が判定値以下であり、且つ、前記内燃機関が圧縮自着火燃焼による運転領域で運転されるときには、燃料である前記水素化燃料の供給に先立って、前記内燃機関に前記水素を供給すると共に、燃焼室内に配置された着火装置を作動させることを特徴とする。
また、第５の発明は、上記の目的を達成するため、水素利用内燃機関であって、
火花点火運転が可能な水素利用内燃機関において、
有機ハイドライドを含む水素化燃料を、水素と脱水素燃料とに分離する燃料分離手段と、
前記水素化燃料、前記水素、および前記脱水素燃料の何れかを選択的に、或いは複数を組み合わせて前記内燃機関に供給するための燃料供給手段と、
前記内燃機関が所定の運転領域で運転されているときには、前記水素化燃料を燃料として予混合火花点火燃焼による運転を行い、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷域で運転されるときには、前記予混合火花点火燃焼による運転を禁止する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第６の発明は、第５の発明において、
前記制御手段は、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷域で運転されるときには、前記脱水素燃料を燃料として予混合火花点火燃焼による運転を行うことを特徴とする。
また、第７の発明は、第５または６の発明において、
前記制御手段は、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷域で運転されるときには、前記水素と前記脱水素燃料とを燃料として希薄燃焼による運転を行うことを特徴とする。
また、第８の発明は、上記の目的を達成するため、水素利用内燃機関であって、
圧縮自着火運転と火花点火運転とが可能な水素利用内燃機関において、
有機ハイドライドを含む水素化燃料を、水素と脱水素燃料とに分離する燃料分離手段と、
前記水素化燃料、前記水素、および前記脱水素燃料の何れかを選択的に、或いは複数を組み合わせて前記内燃機関に供給するための燃料供給手段と、
前記内燃機関が所定の運転領域で運転されているときには、前記水素化燃料を燃料としてＨＣＣＩ燃焼による運転を行い、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷域で運転されるときには、前記脱水素燃料を燃料としてＨＣＣＩ燃焼による運転を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする水素利用内燃機関。
また、第９の発明は、上記の目的を達成するため、水素利用内燃機関であって、
圧縮自着火運転と火花点火運転とが可能な水素利用内燃機関において、
有機ハイドライドを含む水素化燃料を、水素と脱水素燃料とに分離する燃料分離手段と、
前記水素化燃料、前記水素、および前記脱水素燃料の何れかを選択的に、或いは複数を組み合わせて前記内燃機関に供給するための燃料供給手段と、
前記制御手段は、前記内燃機関が前記水素化燃料を燃料としたＨＣＣＩ燃焼による運転が可能な運転領域よりもさらに低負荷域で運転されるときには、前記脱水素燃料と前記水素化燃料とを燃料として予混合火花点火燃焼による運転を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする水素利用内燃機関。
第１の発明によれば、水素化燃料を燃料とする圧縮自着火拡散燃焼が行われることになる。水素化燃料は通常のガソリン（脱水素燃料）に比較してオクタン価が低いため、自着火性が良好である。このため、本発明によれば、水素化燃料の圧縮自着火燃焼により、良好な燃費と出力とを両立することができる。また、水素化燃料は耐ノッキング性が悪いが、本発明によれば、圧縮行程の後期に燃料が噴射される拡散燃料が行われるため、ノッキングの発生を完全に払拭し、排気エミッションの悪化を防止することができる。
第２の発明によれば、内燃機関が比較的高負荷で運転されているときには、水素化燃料を燃料とする圧縮自着火拡散燃焼が行われることになる。内燃機関が高負荷で運転されているときには自着火性が良好なため、脱水素燃料と水素とを燃料とする予混合火花点火燃焼による運転よりも高効率な運転が可能となる。このため、本発明によれば、水素化燃料の圧縮自着火燃焼により、高効率且つ低エミッションを実現することができる。
第３の発明によれば、内燃機関が比較的低負荷で運転されているときには、水素化燃料を燃料とする圧縮自着火拡散燃焼が行われることになる。内燃機関が低負荷で運転されているときには、吸気の無絞り運転が可能となる。このため、本発明によれば、脱水素燃料と水素燃料ポンピング損失を低減することができ、脱水素燃料と水素とを燃料とする予混合火花点火燃焼による運転よりも高効率な運転が可能となる。また、冷却損失が小さいので、燃費を向上させることもできる。
また、内燃機関の暖機が完了していない冷間始動時等は自着火燃焼し難い。第４の発明によれば、かかる状況において、水素化燃料の供給に先立って微量の水素が燃焼されるので、燃焼室内の温度を効果的に上昇させることができる。このため、本発明によれば、内燃機関の冷間始動時においても、水素化燃料を燃料とする圧縮自着火拡散燃焼を確実に行うことができる。
第５の発明によれば、火花点火運転が可能な内燃機関において、内燃機関が比較的高負荷で運転されているときには、水素化燃料を燃料とする予混合火花点火燃焼が禁止される。水素化燃料は耐ノッキング性が悪い。このため、本発明によれば、水素化燃料を燃料とする予混合火花点火燃焼によりノッキングが発生する事態を効果的に回避することができ、高効率且つ低エミッションを実現することができる。
また、脱水素燃料は水素化燃料よりもオクタン価が高く、耐ノッキング性がよい。第６の発明によれば、内燃機関が比較的高負荷で運転されているときには、脱水素燃料を燃料とする予混合火花点火燃焼が行われるので、ノッキングの発生を効果的に抑制し、高効率且つ低エミッションを実現することができる。
また、燃焼性に優れた水素が脱水素燃料に添加されることで、脱水素燃料のみを燃料とするリーンバーン運転に比較して空燃比をよりリーン化することが可能となって、更なる燃費の向上とＮＯｘ発生量の低減とが可能になる。第７の発明によれば、内燃機関が比較的高負荷で運転されているときには、脱水素燃料に水素を添加する水素添加リーンバーン燃焼が行われるので、ノッキングの発生を効果的に抑制しつつ、高効率且つ低エミッションを実現することができる。
第８の発明によれば、ＨＣＣＩ燃焼運転と火花点火運転とが可能な水素利用内燃機関において、水素化燃料によるＨＣＣＩ燃焼が行われる運転領域よりも高負荷域で、脱水素燃料によるＨＣＣＩ燃焼が行われる。水素化燃料は脱水素燃料に比して耐ノッキング性が悪い。このため、本発明によれば、水素化燃料によるＨＣＣＩ燃焼によるノッキングの発生を効果的に抑制することができ、高効率且つ低エミッションを実現することができる。
第９の発明によれば、ＨＣＣＩ燃焼運転と火花点火運転とが可能な水素利用内燃機関において、水素化燃料を燃料としてＨＣＣＩ燃焼が行われる運転領域よりも低負荷域で、水素化燃料と脱水素燃料とを燃料として予混合火花点火燃焼が行われる。低負荷域では圧縮比が低下するため自着火性が低下する。このため、本発明によれば、水素化燃料を燃料としたＨＣＣＩ燃焼による失火の発生を効果的に抑制することができ、高効率且つ低エミッションを実現することができる。
以下、図面に基づいてこの発明のいくつか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。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。
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すとおり、本実施の形態のシステムは、内燃機関（以下、「エンジン」とも称す）１０を備えている。本実施の形態にかかる内燃機関１０は火花点火式の４ストロークエンジンであり、エンジン本体２に形成された燃焼室４に点火プラグ２２を備えている。この内燃機関１０は、燃料混合気に点火プラグ２２で点火することで実現される火炎伝播燃焼に加え、圧縮行程後期において、高圧の燃焼室４に燃料が噴射されることで自着火し、燃料が空気と拡散混合しながら燃焼する圧縮自着火拡散燃焼（以下、「ディーゼル燃焼」とも称す）を実現可能な構成を有している。より具体的には、吸気バルブ、或いは吸気／排気バルブに可変動弁機構（図示せず）を有し、バルブオーバーラップや吸気バルブの閉タイミングを制御することで、実質的な圧縮比を変更可能に構成されている。燃焼形式として、火炎伝播燃焼を選択する場合には、可変動弁機構の設定が低圧縮比側に設定され、燃焼形式としてディーゼル燃焼を選択する場合には設定が高圧縮比に変更されるようになっている。
本実施の形態の内燃機関１０は、その燃料として、ガソリンと水素とを利用することができる水素利用内燃機関である。本実施の形態では、一方の燃料であるガソリンは、外部（例えば、ガソリンステーション等の給油設備）から供給されるのに対して、他方の燃料である水素はシステム内で生成されるようになっている。より具体的には、以下に説明する構成によってガソリンから水素が生成されるようになっている。
図１に示すとおり、内燃機関１０の燃焼室４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が配置されている。スロットルバルブ１６の下流には、水素噴射弁１８が配置されている。また、水素噴射弁１８の下流には、ガソリン噴射弁２０が配置されている。
水素噴射弁１８には、後述するように、水素リッチガスが所定の圧力で供給されている。水素噴射弁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。
ガソリン噴射弁２０には、後述するように、ガソリンが所定の圧力で供給されている。ガソリン噴射弁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、その開弁時間に応じた量のガソリンを吸気管１２の内部に噴射することができる。
排気管１４の途中には、脱水素反応器２４が配置されている。脱水素反応器２４の内部には、熱交換器２６および脱水素触媒２８が配置されている。この脱水素反応器２４は、水素化燃料である水素化ガソリンを脱水素反応させることにより、水素とガソリンに分離させる装置である。脱水素触媒２８は、脱水素反応器２４内において、更に筒状のケーシングに収納されている。脱水素触媒２８の近傍には、脱水素触媒２８の温度THCを検出する温度センサ８０が設置されている。
また、熱交換器２６は、排気管１４を流通する排気ガスが脱水素反応器２４内を通過するときに排気ガスの熱を吸収し、かかる熱を利用して脱水素触媒２８を加熱することができる装置である。これにより、脱水素触媒２８は、脱水素反応が可能な温度（例えば３００℃以上）に加熱にされる。
本実施の形態における水素化ガソリンとは、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ものである。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。水素化ガソリンは、例えばガソリンから生成することができる。すなわち、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ことにより、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。
上述した水素化ガソリンを脱水素反応させると、水素リッチガスと通常のガソリンとが生成される。本実施の形態では、説明の便宜上、水素化燃料として上述した組成を有する水素化ガソリンが使用されることとし、本実施の形態における「ガソリン」とは、水素化ガソリンの脱水素反応により生成された脱水素燃料に相当するものとする。
図１に示すとおり、脱水素触媒２８の上部には、水素化ガソリン噴射弁３０が配置されている。水素化ガソリン噴射弁３０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、外部から受ける駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁時間に応じた量の水素化ガソリンを脱水素触媒２８に供給することができる。
また、内燃機関１０には、燃焼室４内に水素化ガソリンを噴射するための筒内水素化ガソリン噴射弁３２が配置されている。筒内水素化ガソリン噴射弁３２には、上述した水素化ガソリンが所定の圧力で供給されている。筒内水素化ガソリン噴射弁３２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、その開弁時間に応じた量の水素化ガソリンを筒内に噴射することができる。
本実施の形態のシステムは、水素化ガソリンを貯留する水素化ガソリンタンク３４を備えている。水素化ガソリンタンク３４には、上述した水素化ガソリンが給油される。水素化ガソリンタンク３４には、水素化ガソリン供給管３６が連通している。水素化ガソリン供給管３６は、その途中にポンプ（図示せず）を備え、その端部において水素化ガソリン噴射弁３０および筒内水素化ガソリン噴射弁３２に連通している。水素化ガソリンタンク３４内の水素化ガソリンは、内燃機関１０の運転中に、ポンプにより汲み上げられて、所定の圧力で水素化ガソリン噴射弁３０または筒内水素化ガソリン噴射弁３２に供給される。これにより、水素化ガソリンタンク３４内の水素化ガソリンを、水素化ガソリン噴射弁３０から噴射することもできるし、また、筒内水素化ガソリン噴射弁３２から噴射することもできる。
脱水素触媒２８の下部には、管路３８の一端が接続されている。管路３８の他端は、分離装置４０に連通している。脱水素触媒２８において生成された水素リッチガスとガソリンとの混合物は、管路３８を通って分離装置４０に流入する。
分離装置４０は、脱水素触媒２８から供給される高温の水素リッチガスおよび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、効率よく水素リッチガスおよび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、ガソリンタンク４８に連通している。ガソリンタンク４８には、ガソリン供給管５０が連通している。ガソリン供給管５０は、その途中にポンプ（図示せず）を備え、その端部においてガソリン噴射弁２０に連通している。ガソリンタンク内のガソリンは、内燃機関１０の運転中に、ポンプにより汲み上げられて、所定の圧力でガソリン噴射弁２０に供給される。
水素管路４４は、水素タンク５２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タンク５２に圧送するためのポンプ（図示せず）が組み込まれている。また、水素タンク５２には、水素供給管５４が連通している。水素供給管は、その途中にレギュレータ（図示せず）を備え、その端部において水素噴射弁１８に連通している。このような構成によれば、水素噴射弁１８には、水素タンク５２に水素リッチガスが貯留されていることを条件に、レギュレータにより調圧される圧力により水素リッチガスが供給される。
本実施の形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０を備えている。内燃機関１０の総合制御はＥＣＵ７０により行われる。ＥＣＵ７０の出力部には、上述した水素噴射弁１８、ガソリン噴射弁２０、水素化ガソリン噴射弁３０、筒内水素化ガソリン噴射弁３２の他、ポンプ等の図示しない種々の機器が接続されている。ＥＣＵ７０の入力部には、エンジン回転数センサ７２、アクセル開度センサ７４、車速センサ７６、冷却水の温度を検知する温度センサ７８、脱水素触媒２８の温度を検知する温度センサ８０等の種々のセンサ類が接続されている。これらセンサ７２、７４、７６、７８、８０から入力されるエンジン回転数NE(rpm)、アクセル開度ACCP(%)、車速SPD(m/s)、水温THW(℃)、触媒温度THC(℃)は、何れもエンジン制御に係る情報として用いられる。ＥＣＵ７０は、入力された各種の情報に基づいて、所定のプログラムに従って各機器を駆動する。
［実施の形態１における動作］
次に、本実施の形態１の動作について説明する。本実施の形態のシステムは、内燃機関１０の運転状態に基づいて、水素化ガソリンのディーゼル燃焼による運転（以下、「ディーゼル燃焼運転」と称す）と、ガソリンに水素リッチガスを添加して行うリーンバーン運転（以下、水素添加リーンバーン運転）とを選択することができる。
水素添加リーンバーン運転時には、脱水素触媒２８における水素およびガソリンの生成動作と、これらの燃料の燃焼動作がそれぞれ実行される。より具体的には、本実施の形態のシステムでは、脱水素反応器２４内の脱水素触媒２８の温度が３００℃程度になると、水素化ガソリンを水素リッチガスとガソリンに分離し得る状態となる。ＥＣＵ７０は、内燃機関１０の始動後、温度センサ８０の出力に基づいて、脱水素反応器２４がその分離処理を実行しうる状態になったか否かを判断する。そして、その処理が実行可能であると判断すると、水素化ガソリン噴射弁３０に適量の水素化ガソリンを噴射させ始める。
このようにして水素化ガソリンの噴射が開始されると、脱水素反応器２４の底部から、水素リッチガスとガソリンとが混じり合った高温のガスが流出し始める。この高温のガスが分離装置４０で冷却されることにより、ガソリン管路４２にはガソリンが、また、水素管路４４には水素リッチガスがそれぞれ流通し始める。これにより、ガソリンおよび水素リッチガスが、それぞれガソリンタンク４８、および水素タンク５２に供給される。
また、水素添加リーンバーン運転時には、水素供給管５４を介して水素タンク５２内の水素リッチガスが水素噴射弁１８へ供給される。同時に、ガソリン供給管５０を介してガソリンタンク４８に貯留されていたガソリンがガソリン噴射弁２０へ供給される。そして、ガソリン噴射弁２０の作動によりガソリンが吸気管１２内に噴射されるとともに、水素噴射弁１８の作動によって水素リッチガスが吸気管１２内に噴射される。吸気管１２内に噴射された水素リッチガスおよびガソリンは、空気と混合しながら燃焼室４内に吸入され、点火プラグ２２によって点火されることで燃焼（火炎伝播燃焼）する。
一方、ディーゼル燃焼運転時には、水素化ガソリン供給管３６を介して水素化ガソリンタンク３４内に貯留されていた水素化ガソリンが筒内水素化ガソリン噴射弁３２へ供給される。そして、ディーゼル燃焼運転時には、筒内水素化ガソリン噴射弁３２のみが作動し、圧縮行程の後期に水素化ガソリンが燃焼室４内に噴射される。メチルシクロヘキサン等のナフテン系炭化水素を主成分とする水素化ガソリンは、トルエン等のアロマ系炭化水素を主成分とするガソリンよりもオクタン価が低く、より低温で着火しやすいため、ディーゼル燃焼には適している。圧縮行程の後期は燃焼室４内が高温高圧となっている。このため、燃焼室４内に噴射された水素化ガソリンは、自己着火して燃焼を開始し、該水素化ガソリンが継続的に噴射されることにより、水素化ガソリンが空気と拡散混合しながら燃焼する。
本実施の形態にかかるエンジンにおいて実行可能な２つの運転方法のうち、水素添加リーンバーン運転によれば、燃焼性に優れた水素リッチガスが添加されることで、ガソリンのみを燃料とするリーンバーン運転に比較して空燃比をよりリーン化することが可能となって、更なる燃費の向上とＮＯｘ発生量の低減とが可能になる。
しかしながら、水素添加リーンバーン運転においては、高負荷域におけるノッキングが発生する可能性があり、かかる場合に燃費や排気エミッションの悪化が懸念される。また、水素添加リーンバーン運転を行うには、当然のことながら水素リッチガスが必要であり、水素リッチガスの不足する状況では、水素添加リーンバーン運転を実行することができない。本実施の形態のように、水素化ガソリンを脱水素反応させることで水素リッチガスを生成するシステムの場合、エンジンの排熱が少なく脱水素触媒２８を十分に加熱することができない低負荷域では、水素添加リーンバーン運転に必要な量の水素リッチガスを生成することができないおそれがある。
一方、ディーゼル燃焼運転によれば、自着火性に優れた水素化燃料が使用されることで、高負荷域においてもノッキングを完全に払拭することができるので、良好な燃費と出力とを両立することができる。また、低負荷域では吸気の無絞り運転が可能となるため、ポンピング損失や冷却損失の低減が可能となり、燃費を向上させることができる。
そこで、本実施の形態におけるシステムでは、図２のマップに従いエンジンの運転領域に応じてエンジンの運転方法を選択することとする。図２のマップは、エンジン負荷とエンジン回転数を軸とする多次元マップであり、エンジンの運転領域のうち低負荷域および高負荷域は、ディーゼル燃焼運転を行う領域に設定され、中負荷域は水素添加リーンバーン運転を行う領域に設定されている。
図２のマップにおいて、低負荷のディーゼル燃焼運転が選択される運転領域と、水素添加リーンバーン運転が選択される運転領域との境界は、低負荷のディーゼル燃焼運転が水素添加リーンバーン運転よりも効率がよい限界負荷を意味している。また、高負荷のディーゼル燃焼運転が選択される運転領域と、水素添加リーンバーン運転が選択される運転領域との境界は、高負荷のディーゼル燃焼運転が水素添加リーンバーン運転よりも効率がよい限界負荷を意味している。
図２のマップによれば、水素リッチガスの不足によって、水素添加リーンバーン運転が困難となる低負荷域を、低負荷のディーゼル燃焼によって補完することができる。また、ノッキングの発生によって、水素添加リーンバーン運転が困難となる高負荷域を、高負荷のディーゼル燃焼によって補完することができる。したがって、図２のマップに従いエンジンの運転方法を切り替えることで、水素化ガソリンを内燃機関１０の燃料として使用しつつ、幅広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現することができる。
［実施の形態１における具体的処理］
次に、図３を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図３は、ＥＣＵ７０が燃料の噴射制御を実行するルーチンのフローチャートである。
図３に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の運転状態が入力される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、回転数センサ７２の回転信号から検出される機関回転数NE、アクセル開度センサ７４の出力信号から検出されるアクセル開度ACCP、車速センサから検出される車速SPD、およびこれらの値から算出されるエンジン負荷、温度センサ７８から検出される水温THW等が内燃機関１０の運転状態として入力される。
次に、各燃料の貯蔵量が入力される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、水素化ガソリンタンク３４、水素タンク５２、およびガソリンタンク４８に設けられた液量センサの出力信号に基づいて、貯留されている燃料量がそれぞれ検出される。
次に、ガソリンの貯留量が下限値V1を超えているか否かが判定される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２において入力されたガソリンの貯留量と、所定の下限値V1とが比較される。下限値V1は、水素添加リーンバーン運転を行うことができるガソリンの貯留量の最低貯留量として、予め設定された値が使用される。
その結果、ガソリン貯留量＞下限値V1の成立が認められない場合には、ガソリンの水素添加リーンバーン運転を実行することができないと判断され、次のステップに移行し、水素化ガソリンのディーゼル燃焼運転が行われる（ステップ１０６）。
一方、上記ステップ１０４において、ガソリン貯留量＞下限値V1の成立が認められた場合には、次のステップに移行し、現在の運転状態におけるエンジン負荷が高負荷のディーゼル燃焼運転領域か否かが判定される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において取得された運転状態が、図２に示すマップにおいて高負荷のディーゼル燃焼運転が選択される領域に属しているか否かが判定される。その結果、高負荷のディーゼル運転が選択される領域に属していると判定された場合には、上記ステップ１０６に移行し、ディーゼル燃焼運転が実行される。
一方、上記ステップ１０８において、高負荷のディーゼル運転が選択される領域に属していないと判定された場合には、次のステップに移行し、現在の運転状態におけるエンジン負荷が低負荷のディーゼル燃焼運転領域か否かが判定される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において取得された運転状態が、図２に示すマップにおいて低負荷のディーゼル燃焼運転が選択される領域に属しているか否かが判定される。その結果、低負荷のディーゼル運転が選択される領域に属していると判定された場合には、上記ステップ１０６に移行し、ディーゼル燃焼運転が実行される。一方、低負荷のディーゼル運転が選択される領域に属していないと判定された場合には、次のステップに移行し、ガソリンの水素添加リーンバーン運転が実行される（ステップ１１２）。
以上説明したとおり、本実施の形態１によれば、水素リッチガスの不足によって、水素添加リーンバーン運転が困難となる低負荷域を、低負荷のディーゼル燃焼によって補完することができる。また、ノッキングの発生によって、水素添加リーンバーン運転が困難となる高負荷域を、高負荷のディーゼル燃焼によって補完することができる。したがって、エンジンの燃料として水素化ガソリンを使用しつつ、幅広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現することができる。
ところで、上述した実施の形態１においては、水素噴射弁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、水素噴射弁１８は、筒内に水素を噴射できるようにエンジン本体２に組み込んでもよい。また、ガソリン噴射弁２０に関しても、その配置は吸気管１２に限定されず、筒内に水素を噴射できるようにエンジン本体２に組み込んでもよい。この点は、以下に説明する他の実施の形態においても同様である。
また、上述した実施の形態１においては、有機ハイドライドを含む水素化燃料としてガソリンを水素化することによって製造された水素化ガソリンを使用することとしているが、使用する水素化燃料はこれに限られない。すなわち、有機ハイドライド成分を多く含む留分を改質あるいはブレンド調製することで生成された水素化燃料でもよい。また、水素化燃料に含まれる有機ハイドライドはメチルシクロヘキサンに限定されず、デカリンやシクロヘキサンでもよい。また、水素化燃料における有機ハイドライドの含有比率に関しても、通常のガソリンよりも高いのであれば特に限定しない。この点は、以下に説明する他の実施の形態においても同様である。
また、上述した実施の形態１においては、中負荷域において水素添加リーンバーン運転が選択されることとしているが、かかる領域に選択される運転はリーンバーン運転に限られない。すなわち、水素添加リーンバーン運転は、エンジン負荷が高負荷になるにつれて耐ノッキング性が悪化する。このため、中負荷域における高負荷側において水素添加によるストイキあるいはリッチ運転を行い、ノッキングの発生を抑制した燃焼を行うこととしてもよい。この場合、高負荷のディーゼル燃焼運転が選択される運転領域は、高負荷のディーゼル燃焼運転が水素添加ストイキ（或いはリッチ）運転よりも高効率となる限界負荷を境界とすればよい。
尚、上述した実施の形態１においては、水素化ガソリンが第１の発明における「水素化燃料」に、ガソリンが第１の発明における「脱水素燃料」に、前記脱水素反応器２４が前記第１の発明における「燃料分離手段」にそれぞれ相当している。また、ＥＣＵ７０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「制御手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ７０が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより、前記第２の発明における「制御手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ７０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第３の発明における「制御手段」が実現されている。
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ７０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。
上述した実施の形態１では、所定の運転領域において、水素化ガソリンのディーゼル燃焼による運転を行うこととしている。実施の形態１において上述したとおり、メチルシクロヘキサン等のナフテン系炭化水素を主成分とする水素化ガソリンは、トルエン等のアロマ系炭化水素を主成分とするガソリンよりもオクタン価が低く、より低温で着火しやすい特性を有している。しかしながら、エンジンの冷間始動時等の運転条件においては、燃焼室４内が水素化ガソリンが自己着火しうる圧力および温度まで到達せず、失火によりエミッションが悪化する事態が想定される。
そこで、本実施の形態２においては、内燃機関１０の冷間始動時に、燃焼サイクルにおける水素化ガソリンの噴射に先立って、微量の水素リッチガスを燃焼室４内で燃焼させる自着火アシストを実行することとする。具体的には、先ず、水素タンク５２に貯留されている水素リッチガスが、水素供給管５４を介して水素噴射弁１８に供給される。そして、吸気行程において、水素噴射弁１８の極短時間の作動により、微量の水素リッチガスが吸気管１２内に噴射される。吸気管１２内に噴射された水素リッチガスは、空気と混合しながら燃焼室４内に吸入される。そして、圧縮行程の前期に点火プラグ２２の点火によって、燃焼性に優れた水素リッチガスが燃焼する。これにより、燃焼室４内の温度を上昇させることができる。
圧縮行程の後期には、筒内水素化ガソリン噴射弁３２のみが作動し、水素化ガソリンが高圧の燃焼室４内に噴射される。この際、直前の水素リッチガスの燃焼により、燃焼室４内の温度は上昇している。このため、噴射された水素化ガソリンを確実に自己着火させることができ、失火によるエミッション悪化を効果的に抑制することができる。
［実施の形態２における具体的処理］
次に、図４を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図４は、ディーゼル燃焼運転が実行される場合に、ＥＣＵ７０が燃料の噴射制御を実行するルーチンのフローチャートである。
図４に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の運転状態が入力される（ステップ２００）。次に、各燃料の貯蔵量が入力される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００および１０２と同様の処理が実行される。
次に、冷却水温THWが、判定値T1よりも小さいか否かが判定される（ステップ２０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ２００において入力された冷却水温THWと、内燃機関１０の暖機状態を判定するための判定値T1との大小が比較される。判定値T1は、内燃機関１０の暖機が完了する水温として予め設定された値が使用される。
その結果、水温THW＜判定値T1の成立が認められた場合には、次のステップに移行し、水素の燃焼による自着火アシストを伴うディーゼル燃焼が実行される（ステップ２０６）。一方、上記ステップ２０４において、水温THW＜判定値T1の成立が認められない場合には、内燃機関１０の暖機が完了しており、自着火のアシストは必要ないと判断され、次のステップに移行し、通常の水素化ガソリンのディーゼル燃焼が実行される（ステップ２０８）。
以上説明したとおり、本実施の形態２によれば、水素化ガソリンのディーゼル燃焼において、内燃機関１０の冷間始動時等の自着火しにくい運転条件であっても、確実に自着火させることができる。これにより、失火による効率低下、エミッション悪化を効果的に抑制することができる。
ところで、上述した実施の形態２においては、水素添加による自着火アシスト燃焼時に、水素リッチガスに着火する着火装置として点火プラグ２２を利用しているが、専用の着火装置を点火プラグ２２とは別に備える構成としてもよい。
尚、上述した実施の形態２においては、水素化ガソリンが第１の発明における「水素化燃料」に、ガソリンが第１の発明における「脱水素燃料」に、脱水素反応器２４が前記第１の発明における「燃料分離手段」にそれぞれ相当している。また、ＥＣＵ７０が、上記ステップ２０６または２０８の処理を実行することにより、前記第１の発明における「制御手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、点火プラグ２２が前記第１の発明における「着火装置」に、温度センサ７８が前記第４の発明における「水温取得手段」にそれぞれ相当している。また、ＥＣＵ７０が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより、前記第４の発明における「制御手段」が実現されている。
実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、図５および６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ７０に後述する図６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。但し、本実施の形態の内燃機関１０は低圧縮比の火花点火式４ストロークエンジンであり、燃料混合気に点火プラグ２２で点火することで実現される火炎伝播燃焼のみを実現可能な構成を有している。
本実施の形態のシステムは、内燃機関１０の運転状態に基づいて、水素化ガソリンの火炎伝播燃焼による運転（以下、「水素化ガソリン運転」と称す）と、ガソリンの火炎伝播燃焼による運転（以下、「ガソリン運転」と称す）と、ガソリンに水素リッチガスを添加して行う水素添加リーンバーン運転とを選択することができる。
水素添加リーンバーン運転時には、水素供給管５４を介して水素タンク５２内の水素リッチガスが水素噴射弁１８へ供給される。同時に、ガソリン供給管５０を介してガソリンタンク４８に貯留されていたガソリンがガソリン噴射弁２０へ供給される。そして、ガソリン噴射弁２０の作動によりガソリンが吸気管１２内に噴射されるとともに、水素噴射弁１８の作動によって水素リッチガスが吸気管１２内に噴射される。吸気管１２内に噴射された水素リッチガスおよびガソリンは、空気と混合しながら燃焼室４内に吸入され、点火プラグ２２によって点火されることで燃焼（火炎伝播燃焼）する。
一方、水素化ガソリン運転時には、水素化ガソリン供給管３６を介して水素化ガソリンタンク３４内に貯留されていた水素化ガソリンが筒内水素化ガソリン噴射弁３２へ供給される。そして、水素化ガソリン運転時には、筒内水素化ガソリン噴射弁３２のみが作動し、吸気行程の早い時期に水素化ガソリンが燃焼室４内に噴射される。噴射された水素化ガソリンは燃焼室４内で空気と混合し、点火プラグ２２によって点火されることで燃焼（火炎伝播燃焼）する。
さらに、ガソリン運転時には、ガソリン供給管５０を介してガソリンタンク４８内に貯留されていたガソリンがガソリン噴射弁２０へ供給される。そして、ガソリン運転時には、ガソリン噴射弁２０のみが作動し、ガソリンが吸気管１２内に噴射される。吸気管１２内に噴射されたガソリンは、空気と混合しながら燃焼室４内に吸入され、点火プラグ２２によって点火されることで燃焼（火炎伝播燃焼）する。
また、水素添加リーンバーン運転時およびガソリン運転時には、これらの燃料の燃焼動作に加え、脱水素触媒２８における水素およびガソリンの生成動作が実行される。尚、かかる動作に関しては、実施の形態１において上述した動作と同様のため、その詳細な説明を省略する。
本実施の形態にかかるエンジンにおいて実行可能な３つの運転方法のうち、水素添加リーンバーン運転によれば、燃焼性に優れた水素リッチガスが添加されることで、ガソリンのみを燃料とするリーンバーン運転に比較して空燃比をよりリーン化することが可能となって、更なる燃費の向上とＮＯｘ発生量の低減とが可能になる。しかしながら、水素添加リーンバーン運転を行うには、当然のことながら水素リッチガスが必要であり、水素リッチガスの不足する状況では、水素添加リーンバーン運転を実行することができない。本実施の形態のように、水素化ガソリンを脱水素反応させることで水素リッチガスを生成するシステムの場合、エンジンの排熱が少なく脱水素触媒２８を十分に加熱することができない低負荷域では、水素添加リーンバーン運転に必要な量の水素リッチガスを生成することができないおそれがある。
一方、水素化ガソリン運転によれば、水素リッチガスやガソリンが不足している状況においても水素化ガソリンを燃焼させて運転することができる。しかしながら、メチルシクロヘキサン等のナフテン系炭化水素を主成分とする水素化ガソリンは、トルエン等のアロマ系炭化水素を主成分とするガソリンよりもオクタン価が低く、より低温で着火しやすいため、耐ノッキング性が悪い。このため、水素化ガソリン運転においては、高負荷域におけるノッキングが発生する可能性があり、かかる場合に燃費や排気エミッションの悪化が懸念される。
そこで、本実施の形態におけるシステムでは、図５のマップに従いエンジンの運転領域に応じてエンジンの運転方法を選択することとする。図５のマップは、エンジン負荷とエンジン回転数を軸とする多次元マップであり、エンジンの運転領域のうち低負荷域は水素化ガソリン運転を行う領域に設定され、中負荷域はガソリン運転を行う領域に設定され、高負荷域は水素添加リーンバーン運転を行う領域に設定されている。
図５のマップにおいて、低負荷の水素化ガソリン運転が選択される運転領域と、ガソリン運転が選択される運転領域との境界は、ノッキングの発生により水素化ガソリンによる火炎伝播燃焼が困難となる限界負荷を意味している。また、中負荷のガソリン燃焼運転が選択される運転領域と、高負荷の水素添加リーンバーン運転が選択される運転領域との境界は、高負荷の水素添加リーンバーン運転がガソリン運転よりも効率がよい限界負荷を意味している。
図５のマップによれば、ノッキングが発生しない範囲で水素化ガソリンを最大限に使用することができる。したがって、図５のマップに従いエンジンの運転方法を切り替えることで、水素化ガソリンを使用しつつ、幅広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現することができる。
［実施の形態３における具体的処理］
次に、図６を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図６は、ＥＣＵ７０が燃料の噴射制御を実行するルーチンのフローチャートである。
図６に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の運転状態が入力される（ステップ３００）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００と同様の処理が実行される。次に、現在の運転状態におけるエンジン負荷が水素化ガソリン運転領域か否かが判定される（ステップ３０２）。ここでは、具体的には、上記ステップ３００において取得された運転状態が、図５に示すマップにおいて水素化ガソリン運転が選択される領域に属しているか否かが判定される。その結果、水素化ガソリン運転が選択される領域に属していると判定された場合には、次のステップに移行し、水素化ガソリン運転が実行される（ステップ３０４）。
一方、上記ステップ３０２において、水素化ガソリン運転が選択される領域に属していないと判定された場合には、次のステップに移行し、現在の運転状態におけるエンジン負荷が水素添加リーンバーン運転領域か否かが判定される（ステップ３０６）。ここでは、具体的には、上記ステップ３００において取得された運転状態が、図５に示すマップにおいて水素添加リーンバーン運転が選択される領域に属しているか否かが判定される。その結果、水素添加リーンバーン運転が選択される領域に属していると判定された場合には、次のステップに移行し、ガソリンの水素添加リーンバーン運転が実行される（ステップ３０８）。一方、上記ステップ３０６において、水素添加リーンバーン運転が選択される領域に属していないと判定された場合には、次のステップに移行し、ガソリン運転が実行される（ステップ３１０）。
以上説明したとおり、本実施の形態３によれば、水素化ガソリンによりノッキングが発生する領域では、水素化ガソリン運転が禁止されガソリンを使用した予混合火花点火燃焼が行われるため、ノッキングの発生を効果的に防止することができる。また、水素リッチガスの不足によって、水素添加リーンバーン運転が困難となる低負荷域を、水素化ガソリンによる火炎伝播燃焼によって補完することができる。したがって、水素化ガソリンをエンジンの燃料として使用しつつ、幅広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現することができる。
ところで、上述した実施の形態３においては、燃焼室４内に水素化ガソリンを直接噴射できるように筒内水素化ガソリン噴射弁３２をエンジン本体２に組み込むこととしているが、その配置はこれに限定されるものではない。すなわち、筒内水素化ガソリン噴射弁３２を吸気管１２に配置し、水素化ガソリンを吸気管１２内に噴射して、空気と混合しながら燃焼室４内に吸入される構成としてもよい。
また、上述した実施の形態３においては、水素化ガソリン運転領域以外の領域では、ガソリンの水素添加リーンバーン運転、或いはガソリン運転が実行されることとしているが、選択される運転はこれに限られない。すなわち、水素化ガソリン運転よりも耐ノッキング性を向上させることができるのであれば、運転状態に応じて他の運転を選択して実行することとしてもよい。
尚、上述した実施の形態３においては、水素化ガソリンが第５の発明における「水素化燃料」に、ガソリンが第５の発明における「脱水素燃料」にそれぞれ相当している。また、ＥＣＵ７０が、上記ステップ３０４の処理を実行することにより、前記第５の発明における「制御手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ７０が、上記ステップ３１０の処理を実行することにより、前記第６の発明における「制御手段」が実現されている。
尚、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ７０が、上記ステップ３０８の処理を実行することにより、前記第７の発明における「制御手段」が実現されている。
実施の形態４．
［実施の形態４の特徴］
次に、図７および８を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ７０に後述する図８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。但し、本実施の形態の内燃機関１０は、燃料混合気に点火プラグ２２で点火することで、実現される火炎伝播燃焼に加え、火炎伝播よらないＨＣＣＩ（Homogeneous Change Compression Ignition）燃焼も実現可能な構成を有している。より具体的には、吸気バルブ、或いは吸気／排気バルブに可変動弁機構（図示せず）を有し、バルブオーバーラップや吸気バルブの閉タイミングを制御することで、実質的な圧縮比を変更可能に構成されている。燃焼形式として、火炎伝播燃焼を選択する場合には、可変動弁機構の設定が低圧縮比側に設定され、燃焼形式としてＨＣＣＩ燃焼を選択する場合には設定が高圧縮比に変更されるようになっている。
本実施の形態のシステムは、その燃焼方法として、ガソリンに水素リッチガスを添加して行う水素添加リーンバーン運転と、ガソリンのＨＣＣＩ燃焼による運転（以下、「ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転」と称す）と、水素化ガソリンのＨＣＣＩ燃焼による運転（以下、「水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転」と称す）と、ガソリンおよび水素化ガソリンの火炎伝播燃焼による運転（以下、「混合ガソリン運転」と称す）とを選択することができる。
水素添加リーンバーン運転時には、水素供給管５４を介して水素タンク５２内の水素リッチガスが水素噴射弁１８へ供給される。同時に、ガソリン供給管５０を介してガソリンタンク４８に貯留されていたガソリンがガソリン噴射弁２０へ供給される。そして、ガソリン噴射弁２０の作動によりガソリンが吸気管１２内に噴射されるとともに、水素噴射弁１８の作動によって水素リッチガスが吸気管１２内に噴射される。吸気管１２内に噴射された水素リッチガスおよびガソリンは、空気と混合しながら燃焼室４内に吸入され、点火プラグ２２によって点火されることで燃焼（火炎伝播燃焼）する。
一方、ガソリンＨＣＣＩ運転時には、ガソリン供給管５０を介してガソリンタンク４８内に貯留されていたガソリンがガソリン噴射弁２０へ供給される。そして、ガソリンＨＣＣＩ運転時には、ガソリン噴射弁２０のみが作動し、ガソリンが吸気管１２内に噴射される。噴射されたガソリンは空気と混合して燃焼室４内に吸入され、圧縮されることで自己着火して燃焼する。
また、水素化ガソリンＨＣＣＩ運転時には、水素化ガソリン供給管３６を介して水素化ガソリンタンク３４内に貯留されていた水素化ガソリンが筒内水素化ガソリン噴射弁３２へ供給される。そして、水素化ガソリン運転時には、筒内水素化ガソリン噴射弁３２のみが作動し、吸気行程の早い時期に水素化ガソリンが燃焼室４内に噴射される。メチルシクロヘキサン等のナフテン系炭化水素を主成分とする水素化ガソリンは、トルエン等のアロマ系炭化水素を主成分とするガソリンよりもオクタン価が低く、より低温で着火しやすいため、ＨＣＣＩ燃焼には適している。噴射された水素化ガソリンは燃焼室４内で空気と混合し、圧縮されることで自己着火して燃焼する。
さらに、混合ガソリン運転時には、ガソリン供給管５０を介してガソリンタンク４８内に貯留されていたガソリンがガソリン噴射弁２０へ供給される。また、水素化ガソリン供給管３６を介して水素化ガソリンタンク３４内に貯留されていた水素化ガソリンが筒内水素化ガソリン噴射弁３２へ供給される。そして、混合ガソリン運転時には、ガソリン噴射弁２０と筒内水素化ガソリン噴射弁とが作動し、ガソリンと水素化ガソリンとが吸気管１２内に噴射される。吸気管１２内に噴射されたガソリンおよび水素化ガソリンは、空気と混合しながら燃焼室４内に吸入され、点火プラグ２２によって点火されることで燃焼（火炎伝播燃焼）する。
また、水素添加リーンバーン運転時およびガソリンＨＣＣＩ運転時には、これらの燃料の燃焼動作に加え、脱水素触媒２８における水素およびガソリンの生成動作が実行される。尚、かかる動作に関しては、実施の形態１において上述した動作と同様のため、その詳細な説明を省略する。
本実施の形態にかかるエンジンにおいて実行可能な４つの運転方法のうち、水素添加リーンバーン運転によれば、燃焼性に優れた水素リッチガスが添加されることで、ガソリンのみを燃料とするリーンバーン運転に比較して空燃比をよりリーン化することが可能となって、更なる燃費の向上とＮＯｘ発生量の低減とが可能になる。しかも、本実施の形態では、原燃料である水素化ガソリンではなく、オクタン価が高いガソリン（脱水素ガソリン）を使用することで、高負荷におけるより安定した燃焼が可能となる。
しかしながら、水素添加リーンバーン運転においては、水素添加リーンバーン運転を行うには、当然のことながら水素リッチガスが必要であり、水素リッチガスの不足する状況では、水素添加リーンバーン運転を実行することができない。本実施の形態のように、水素化ガソリンを脱水素反応させることで水素リッチガスを生成するシステムの場合、エンジンの排熱が少なく脱水素触媒２８を十分に加熱することができない低負荷域では、水素添加リーンバーン運転に必要な量の水素リッチガスを生成することができないおそれがある。
一方、ＨＣＣＩ燃焼運転によれば、火炎伝播燃焼の燃焼限界を超えた超希薄混合気を燃焼させることができる。これにより、火炎伝播燃焼の一形態である水素添加リーンバーン運転よりも、ＮＯｘの生成量をさらに低く抑えることができ、より高い熱効率を実現することもできる。また、特に本実施の形態における水素化ガソリンＨＣＣＩ運転では、オクタン価が低く低温で着火しやすい水素化ガソリンを燃料として使用するため、低負荷域における安定したＨＣＣＩ燃焼が可能となる。
しかしながら、その一方で、ＨＣＣＩ燃焼はエンジン負荷が高くなってくると燃焼音の発生が顕著になっていくため、高負荷域でＨＣＣＩ燃焼を実行することは難しい。また、逆にエンジン負荷が極低負荷域まで低くなってくると圧縮比が低下し自着火性が悪化するため、ＨＣＣＩ燃焼を実行することは難しい。
そこで、本実施の形態におけるシステムでは、図７のマップに従いエンジンの運転領域に応じてエンジンの運転方法を選択することとする。図７のマップは、エンジン負荷とエンジン回転数を軸とする多次元マップであり、エンジンの運転領域の中で、設定された水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転を行う領域より低負荷域は混合ガソリン運転を行う領域に設定され、高負荷域はガソリンによるＨＣＣＩ燃焼運転を行う領域に設定され、さらに高負荷域は水素添加リーンバーン運転を行う領域に設定されている。
図７のマップにおいて、混合ガソリン運転が選択される運転領域と、水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が選択される運転領域との境界は、水素化ガソリンによるＨＣＣＩ燃焼が困難となる限界負荷を意味している。また、ガソリンによるＨＣＣＩ燃焼運転が選択される運転領域と、水素添加リーンバーン運転が選択される運転領域との境界は、ガソリンによるＨＣＣＩ燃焼が困難となる限界負荷を意味している。また、水素化ガソリンによるＨＣＣＩ燃焼運転と、ガソリンによるＨＣＣＩ燃焼運転との境界は、水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼が困難となる限界負荷を意味している。
つまり、図７のマップは、混合ガソリン運転よりも水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転の方を優先し、また、水素添加リーンバーン運転よりもガソリンＨＣＣＩ燃焼運転の方を優先することにより、可能な限り広い運転領域でＨＣＣＩ燃焼運転が選択されるように作成されている。これは、ＨＣＣＩ燃焼運転と水素添加リーンバーン運転および混合ガソリン運転とを比較した場合に、ＨＣＣＩ燃焼運転の方が水素添加リーンバーン運転や混合ガソリン運転よりもさらに熱効率が高く、また、ＮＯｘ発生量を極めて低レベルに抑制することができるからである。
図７のマップによれば、圧縮比の低下によって水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が困難となる低負荷域を、混合ガソリンによる火炎伝播燃焼によって補完することができる。また、ノッキングの発生によって、水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が困難となる中負荷域を、ガソリンＨＣＣＩ燃焼によって補完することができる。また、燃焼音の発生によって、ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が困難となる高負荷域を、ガソリンＨＣＣＩ燃焼によって補完することができる。したがって、図７のマップに従いエンジンの運転方法を切り替えることで、水素化ガソリンをエンジンの燃料として使用しつつ、幅広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現することができる。
［実施の形態４における具体的処理］
次に、図８を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図８は、ＥＣＵ７０が燃料の噴射制御を実行するルーチンのフローチャートである。
図８に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の運転状態が入力される（ステップ４００）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００と同様の処理が実行される。次に、現在の運転状態におけるエンジン負荷が水素添加リーンバーン運転領域か否かが判定される（ステップ４０２）。ここでは、具体的には、上記ステップ４００において取得された運転状態が、図７に示すマップにおいて水素添加リーンバーン運転が選択される領域に属しているか否かが判定される。その結果、水素添加リーンバーン運転が選択される領域に属していると判定された場合には、次のステップに移行し、水素添加リーンバーン運転が実行される（ステップ４０４）。
一方、上記ステップ４０２において、水素化ガソリン運転が選択される領域に属していないと判定された場合には、次のステップに移行し、現在の運転状態におけるエンジン負荷がガソリンＨＣＣＩ燃焼運転領域か否かが判定される（ステップ４０６）。ここでは、具体的には、上記ステップ３００において取得された運転状態が、図７に示すマップにおいてガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が選択される領域に属しているか否かが判定される。その結果、ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が選択される領域に属していると判定された場合には、次のステップに移行し、ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が実行される（ステップ４０８）。
一方、上記ステップ４０６において、ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が選択される領域に属していないと判定された場合には、次のステップに移行し、現在の運転状態におけるエンジン負荷が水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転領域か否かが判定される（ステップ４１０）。ここでは、具体的には、上記ステップ３００において取得された運転状態が、図７に示すマップにおいて水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が選択される領域に属しているか否かが判定される。その結果、水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が選択される領域に属していると判定された場合には、次のステップに移行し、水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が実行される（ステップ４１２）。
一方、上記ステップ４１０において、水素化ガソリンＨＣＣＩ燃焼運転が選択される領域に属していないと判定された場合には、次のステップに移行し、混合ガソリン運転が実行される（ステップ４１４）。
以上説明したとおり、本実施の形態４によれば、可能な限り広い運転領域でＨＣＣＩ燃焼運転を実行することができる。これにより、幅広い運転領域での高効率化および低エミッション化を実現することができる。
ところで、上述した実施の形態４においては、燃焼室４内に水素化ガソリンを直接噴射できるように、筒内水素化ガソリン噴射弁３２をエンジン本体２に組み込むこととしているが、その配置はこれに限定されるものではない。すなわち、筒内水素化ガソリン噴射弁３２を吸気管１２に配置し、水素化ガソリンを吸気管１２内に噴射して、空気と混合しながら燃焼室４内に吸入される構成としてもよい。
尚、上述した実施の形態４においては、水素化ガソリンが第８の発明における「水素化燃料」に、ガソリンが第８の発明における「脱水素燃料」にそれぞれ相当している。また、ＥＣＵ７０が、上記ステップ４０８または４１２の処理を実行することにより、前記第８の発明における「制御手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態４においては、水素化ガソリンが第９の発明における「水素化燃料」に、ガソリンが第９の発明における「脱水素燃料」にそれぞれ相当している。また、ＥＣＵ７０が、上記ステップ４１２または４１４の処理を実行することにより、前記第９の発明における「制御手段」が実現されている。
本発明の実施の形態１の水素利用内燃機関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において内燃機関の運転方法の選択に用いられるマップを示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンの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において内燃機関の運転方法の選択に用いられるマップを示す図である。 本発明の実施の形態３において実行され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４において内燃機関の運転方法の選択に用いられるマップを示す図である。 本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。
符号の説明
２ エンジン本体
４ 燃焼室
１０ 内燃機関（エンジン）
１２ 吸気管
１４ 排気管
１６ スロットルバルブ
１８ 水素噴射弁
２０ ガソリン噴射弁
２２ 点火プラグ
２４ 脱水素反応器
２６ 熱交換器
２８ 脱水素触媒
３０ 水素化ガソリン噴射弁
３２ 筒内水素化ガソリン噴射弁
３４ 水素化ガソリンタンク
３６ 水素化ガソリン供給管
３８ 管路
４０ 分離装置
４２ ガソリン管路
４４ 水素管路
４８ ガソリンタンク
５０ ガソリン供給管
５２ 水素タンク
５４ 水素供給管
７０ ＥＣＵ(Electrical Control Unit)
７２ 回転数センサ
７４ アクセル開度センサ
７６ 車速センサ
７８ 温度センサ
８０ 温度センサ

Claims (9)

  1. 圧縮自着火運転と火花点火運転とが可能な水素利用内燃機関において、
    有機ハイドライドを含む水素化燃料を、水素と脱水素燃料とに分離する燃料分離手段と、
    前記水素化燃料、前記水素、および前記脱水素燃料の何れかを選択的に、或いは複数を組み合わせて前記内燃機関に供給するための燃料供給手段と、
    前記水素化燃料を燃料として圧縮自着火拡散燃焼による運転を行う制御手段と、
    を備えることを特徴とする水素利用内燃機関。
  2. 前記制御手段は、前記内燃機関が所定の運転領域で運転されているときには、前記水素化燃料を燃料として圧縮自着火拡散燃焼による運転を行い、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも低負荷域で運転されるときには、前記脱水素燃料と前記水素とを燃料として火花点火燃焼による運転を行うことを特徴とする請求項１記載の水素利用内燃機関。
  3. 前記制御手段は、前記内燃機関が前記脱水素燃料と前記水素とを燃料として運転を行う運転領域よりもさらに低負荷域で運転されるときには、前記水素化燃料を燃料として圧縮自着火拡散燃焼による運転を行うことを特徴とする請求項２記載の水素利用内燃機関。
  4. 前記内燃機関の水温を取得する水温取得手段を更に備え、
    前記制御手段は、前記水温が判定値以下であり、且つ、前記内燃機関が圧縮自着火燃焼による運転領域で運転されるときには、燃料である前記水素化燃料の供給に先立って、前記内燃機関に前記水素を供給すると共に、燃焼室内に配置された着火装置を作動させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の水素利用内燃機関。
  5. 火花点火運転が可能な水素利用内燃機関において、
    有機ハイドライドを含む水素化燃料を、水素と脱水素燃料とに分離する燃料分離手段と、
    前記水素化燃料、前記水素、および前記脱水素燃料の何れかを選択的に、或いは複数を組み合わせて前記内燃機関に供給するための燃料供給手段と、
    前記内燃機関が所定の運転領域で運転されているときには、前記水素化燃料を燃料として予混合火花点火燃焼による運転を行い、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷域で運転されるときには、前記予混合火花点火燃焼による運転を禁止する制御手段と、
    を備えることを特徴とする水素利用内燃機関。
  6. 前記制御手段は、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷域で運転されるときには、前記脱水素燃料を燃料として予混合火花点火燃焼による運転を行うことを特徴とする請求項５記載の水素利用内燃機関。
  7. 前記制御手段は、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷域で運転されるときには、前記水素と前記脱水素燃料とを燃料として希薄燃焼による運転を行うことを特徴とする請求項５または６記載の水素内燃機関。
  8. 圧縮自着火運転と火花点火運転とが可能な水素利用内燃機関において、
    有機ハイドライドを含む水素化燃料を、水素と脱水素燃料とに分離する燃料分離手段と、
    前記水素化燃料、前記水素、および前記脱水素燃料の何れかを選択的に、或いは複数を組み合わせて前記内燃機関に供給するための燃料供給手段と、
    前記内燃機関が所定の運転領域で運転されているときには、前記水素化燃料を燃料としてＨＣＣＩ燃焼による運転を行い、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷域で運転されるときには、前記脱水素燃料を燃料としてＨＣＣＩ燃焼による運転を行う制御手段と、
    を備えることを特徴とする水素利用内燃機関。
  9. 圧縮自着火運転と火花点火運転とが可能な水素利用内燃機関において、
    有機ハイドライドを含む水素化燃料を、水素と脱水素燃料とに分離する燃料分離手段と、
    前記水素化燃料、前記水素、および前記脱水素燃料の何れかを選択的に、或いは複数を組み合わせて前記内燃機関に供給するための燃料供給手段と、
    前記制御手段は、前記内燃機関が前記水素化燃料を燃料としたＨＣＣＩ燃焼による運転が可能な運転領域よりもさらに低負荷域で運転されるときには、前記脱水素燃料と前記水素化燃料とを燃料として予混合火花点火燃焼による運転を行う制御手段と、
    を備えることを特徴とする水素利用内燃機関。
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