JP4193860B2

JP4193860B2 - 水素利用内燃機関

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Publication number: JP4193860B2
Application number: JP2006104561A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　　誠; 知広品川; 匡彦増渕
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2026-04-05
Also published as: JP2007278151A

Description

本発明は、炭化水素系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、ガソリン等の炭化水素系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。水素ガスは炭化水素系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、炭化水素系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、炭化水素系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、液状の炭化水素系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つの噴射弁から炭化水素系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号公報特開２００５−２４５８１７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、炭化水素系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、炭化水素系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、炭化水素系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、炭化水素系燃料と水素とを燃料として使用可能な水素利用内燃機関であって、
液体燃料を噴射する燃料噴射装置と、
液状の炭化水素系燃料に水素ガスが微細気泡状態で含まれてなる水素混合燃料を前記燃料噴射装置に供給する燃料供給手段と、
を備えることを特徴としている。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料供給手段は、
水素混合燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンク内で水素混合燃料から分離したガス燃料を微細気泡状態にして水素混合燃料に再混合する混合手段と、
を含むことを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、
前記混合手段は、前記燃料タンクと前記燃料噴射装置とを接続する燃料供給通路において、前記燃料噴射装置へ供給途中の水素混合燃料に前記の分離ガス燃料を再混合することを特徴としている。

第４の発明は、第２の発明において、
前記混合手段は、前記燃料タンクから出た水素混合燃料が再び前記燃料タンクへ戻る燃料循環通路において、前記燃料循環通路を循環中の水素混合燃料に前記の分離ガス燃料を再混合することを特徴としている。

また、第５の発明は、第１の発明において、
前記燃料供給手段は、
液状の炭化水素系燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンク内の炭化水素系燃料から水素ガスを生成する水素生成手段と、
炭化水素系燃料から生成した水素ガスを微細気泡状態にして炭化水素系燃料に混合する混合手段と、
を含むことを特徴としている。

第６の発明は、第５の発明において、
前記混合手段は、前記燃料タンクと前記燃料噴射装置とを接続する燃料供給通路において、前記燃料噴射装置へ供給途中の炭化水素系燃料に前記の炭化水素系燃料から生成した水素ガスを混合することを特徴としている。

第７の発明は、第５の発明において、
前記混合手段は、前記燃料タンクから出た炭化水素系燃料が再び前記燃料タンクへ戻る燃料循環通路において、前記燃料循環通路を循環中の炭化水素系燃料に前記の炭化水素系燃料から生成した水素ガスを混合することを特徴としている。

第８の発明は、第５乃至第７の何れか１つの発明において、
車両の減速エネルギを電気エネルギとして回収する回生発電手段をさらに備え、
前記水素生成手段は、前記回生発電手段により回収された減速エネルギを利用して炭化水素系燃料から水素ガスを生成することを特徴としている。

第１の発明によれば、液状の炭化水素系燃料に水素ガスが微細気泡状態で含まれてなる水素混合燃料を内燃機関の燃料として使用するので、水素ガスと炭化水素系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、水素ガスは炭化水素系燃料に微細気泡状態で含まれて貯蔵されるので、水素ガスを炭化水素系燃料とは別に貯蔵しておくための手段が不要であり、システム構成をより簡略化することができる。また、長期間の放置によって水素混合燃料から水素ガスが分離してしまったとしても、分離した水素ガスを微細気泡状態にして再混合することができるので、水素混合燃料を安定した水素濃度で内燃機関に供給することができるという利点もある。

第３の発明によれば、水素ガスの分離によって燃料タンク内の水素混合燃料の水素濃度が低下している場合でも、燃料噴射装置からは規定の水素濃度の水素混合燃料を噴射することができる。

第４の発明によれば、水素混合燃料を長期間安定して貯蔵することが可能であり、常に安定した水素濃度の水素混合燃料を燃料タンクから燃料噴射装置に供給することができる。

第５の発明によれば、炭化水素系燃料に混合する水素ガスは炭化水素系燃料から生成されるので、水素ガスを炭化水素系燃料とは別に貯蔵しておくための手段が不要であり、システム構成をより簡略化することができる。

第６の発明によれば、燃料噴射装置に供給される段階で炭化水素系燃料に水素ガスが混合されるので、水素ガスの分離を最小限に抑えることができ、燃料噴射装置からは安定した水素濃度の水素混合燃料を噴射することができる。

第７の発明によれば、炭化水素系燃料を水素混合燃料に改質して燃料タンク内に戻すことで、燃料タンク内に貯蔵される炭化水素系燃料の水素濃度を予め高めておくことができる。

第８の発明によれば、車両の減速エネルギを電気エネルギとして回収し、この回収した減速エネルギを水素ガスの生成に有効利用することで、高いエネルギ効率を実現することができる。

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。本実施の形態のエンジンは、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。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、第１の発明にかかる「燃料噴射装置」に相当する。この筒内インジェクタ１８は、燃料供給流路３４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、ガソリン等の液状の炭化水素系燃料（液体燃料）に水素ガスが微細気泡状態で含まれてなる水素混合燃料が貯蔵されている。ここでいう微細気泡とは直径数十μｍ以下の微細気泡である。このサイズまで微細気泡化された水素ガスは通常の気泡に比較して炭化水素系燃料中に大量に且つ均一に存在することができ、また、それが混合した水素混合燃料は実質的に液体として扱うことができる。特に直径１μｍ以下の超微細気泡（いわゆるナノバブル）は、液体中に長期間安定して存在することができ、水素混合燃料中での水素ガスの混合形態としてより好ましい。本実施の形態にかかる水素混合燃料中には、水素ガスがナノバブルまで微細気泡化されて含まれているものとする。ただし、微細気泡は必ずしもナノバブルである必要は無く、エンジンの運転に支障が生じない程度の期間、分離することなく微細気泡状態で液体燃料中に存在しうる限りは。より大きいサイズの微細気泡であってもよい。

本実施の形態では、水素混合燃料は予め車外で製造され、給油装置によって燃料タンク３０に供給されることを想定している。水素混合燃料の製造方法、つまり、液体燃料中で水素ガスを微細気泡化する方法には限定はない。例えば、以下に列挙するような方法を採ることができる。

微細気泡化の第１例は、液体燃料の激しい流れを作り、その中に水素ガスを吹き込むことで、液体燃料の激流中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。

微細気泡化の第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、微細気泡化の第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。水素ガスをナノバブルまで微細気泡化する場合には、この第３例の方法を採ることが容易である。水素ガスの微細気泡に超音波を与えて急激に縮小させると、気泡表面の電化密度の上昇によって静電的な反発が生じる。これにより微細気泡の縮小は停止し、水素ガスは液体燃料中に拡散することなく微細気泡状態で存在するようになる。

水素ガスを微細気泡状態、特にナノバブルの状態でより長時間維持するためには、液体燃料中にイオンが存在することが好ましい。液体燃料中にイオンが存在する場合、微細気泡化した水素ガスの気液界面に吸着したイオンと、界面近傍に静電気的引力で引き寄せられた液体燃料中の反対符号のイオンが微小な体積中に高濃度に濃縮する。これにより、微細気泡内の水素ガスが液体燃料中へ拡散することが阻害され、水素ガスは微細気泡状態を安定して維持できるようになる。なお、液体燃料中にイオンを存在させる方法には限定はない。改質により電導度を増大させた液体燃料中に、電解質である有機塩類を添加する方法を採ることもできる。

燃料タンク３０内の水素混合燃料は、燃料ポンプ３２によって燃料供給流路３４に吸い上げられ、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、燃料タンク３０内の圧力に応じた信号を出力する圧力センサ４６が取り付けられている。

燃料供給流路３４の途中には流路切替弁３８が配置されている。流路切替弁３８は２つの出口ポートと１つの入口ポートを有する３方弁であり、その出口ポートの１つにリターン流路３６が接続されている。リターン流路３６はその他方の端部を燃料タンク３０に接続されている。流路切替弁３８の出口ポートをリターン流路３６に切替えることで、燃料タンク３０から出た水素混合燃料は再び燃料タンク３０へ戻ることになる。以下では、流路切替弁３８の出口ポートを筒内インジェクタ１８側に切り替えることで実現される燃料ラインを通常供給ラインといい、流路切替弁３８の出口ポートを燃料タンク３０側に切り替えることで実現される燃料ラインを循環ラインという。

燃料供給流路３４における燃料ポンプ３２と流路切替弁３８との間には、微細気泡発生装置４０が配置されている。微細気泡発生装置４０は、水素ガスを微細気泡にして燃料供給流路３４を流れる液体に混合する装置である。微細気泡発生装置４０による微細気泡化の方法としては、超音波により水素ガスの気泡を加振して分裂させる方法を採ることができる。ただし、水素混合燃料に元から含まれている微細気泡と同サイズの微細気泡を発生させることができるならば、微細気泡発生装置４０による微細気泡化の方法には限定はない。

本実施の形態のエンジンは、微細気泡発生装置４０が搭載されることで車上でも水素混合燃料を生成することが可能になっている。ただし、微細気泡発生装置４０は水素混合燃料の新たな製造を目的としたものではなく、燃料タンク３０内の水素混合燃料から分離した水素ガスの水素混合燃料への再混合を目的として搭載されている。

水素混合燃料に含まれる水素ガスは、いつまでも微細気泡状態を維持することはできず、時間が経過するにつれて水素混合燃料から分離していく。このため、時間の経過に伴い水素混合燃料の水素濃度は次第に低下していき、水素混合燃料の使用によって得られるはずの所望の性能を得ることができなくなってしまう。そこで、本実施の形態のエンジンでは、水素混合燃料から分離して燃料タンク３０内に溜まっている水素ガスを回収し、微細気泡発生装置４０によって再び水素混合燃料へ混合することとしている。

このため、燃料タンク３０の上部には、燃料タンク３０内の水素ガスを回収して微細気泡発生装置４０へ供給するためのガス回収流路４４が接続されている。必要な場合にのみ燃料タンク３０を微細気泡発生装置４０に連通させるため、ガス回収流路４４には開閉弁４２が設けられている。開閉弁４２を開くことで、水素混合燃料から分離した水素ガスは、燃料タンク３０内に溜まっている気化燃料とともに微細気泡発生装置４０に供給される。そして、微細気泡発生装置４０によって微細気泡化されて燃料供給流路３４を流れる水素混合燃料に再混合される。

なお、微細気泡発生装置４０や開閉弁４２は、エンジンの制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０によって制御されている。ＥＣＵ５０の出力部には微細気泡発生装置４０や開閉弁４２の他、点火プラグ１６、筒内インジェクタ１８、燃料ポンプ３２、流路切替弁３８等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ５０の入力部には、前述の圧力センサ４６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５２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５４等の種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサ類から入力される信号に基づき、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。

上記のシステム構成によれば、液状の炭化水素系燃料に水素ガスが微細気泡状態で含まれてなる水素混合燃料をエンジンの燃料として使用することができるので、水素ガスと炭化水素系燃料を別々の燃料供給系を用いてインジェクタに供給する場合のような複雑なシステムは不要となる。また、水素ガスは炭化水素系燃料に微細気泡状態で含まれて貯蔵されるので、炭化水素系燃料を貯蔵する燃料タンクとは別に水素ガスを貯蔵する手段を備える必要はなく、また、車上で水素を生成するための手段を備える必要もない。

さらに、上記のシステム構成によれば、長期間の放置によって水素混合燃料から水素ガスが分離してしまったとしても、分離した水素ガスを回収して水素混合燃料に再混合することができる。その場合、流路切替弁３８により燃料ラインが通常供給ラインに切り替わっている場合には、筒内インジェクタ１８へ供給途中の水素混合燃料に水素ガスを再混合することができる。一方、流路切替弁３８により燃料ラインが循環ラインに切り替わっている場合には、燃料タンク３０と微細気泡発生装置４０との間で水素混合燃料を循環させながら、水素混合燃料に水素ガスを再混合することができる。

通常供給ラインの選択時に再混合処理を実行する場合には、水素ガスの分離によって燃料タンク３０内の水素混合燃料の水素濃度が低下していたとしても、筒内インジェクタ１８からは規定の水素濃度の水素混合燃料を噴射することが可能になる。循環ラインの選択時に再混合処理を実行する場合には、燃料タンク３０内の水素混合燃料の水素濃度を安定させることができる。何れにしても、上記のシステム構成によれば、水素ガスの再混合処理によって常に安定した水素濃度の水素混合燃料を筒内インジェクタ１８から噴射することが可能になる。

本実施の形態では、燃料タンク３０、燃料ポンプ３２及び燃料供給流路３４によって、第１の発明にかかる「燃料供給手段」が実現されている。また、微細気泡発生装置４０、開閉弁４２及びガス回収流路４４によって、第２の発明にかかる「混合手段」が実現されている。また、流路切替弁３８によって燃料ラインが通常供給ラインに切り替えられることで、第３の発明にかかる「混合手段」が実現され、流路切替弁３８によって燃料ラインが循環ラインに切り替えられることで、第４の発明にかかる「混合手段」が実現される。

以上説明した水素ガスの再混合処理は、ＥＣＵ５０によるシステム制御の一環として行われる。図２のフローチャートは、本実施の形態においてＥＣＵ５０により実施される水素ガスの再混合処理にかかるシステム制御のルーチンを示している。

図２に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、水素ガスの再混合の実行条件が成立しているか否か判定される。水素ガスの再混合は、水素混合燃料からの水素ガスの分離が進んだ場合に行われる動作であり、その実行条件の成立／不成立は圧力センサ４６によって測定されるタンク内圧に基づいて判定される。タンク内圧は水素ガスの分離状況と関係を有し、気体で存在する水素ガス量が増大するにつれて上昇する。ＥＣＵ５０は、タンク内圧が基準値を超えたら水素ガスの分離が進んだものと判断し、再混合の実行条件が成立しているとの判定を行う。その場合、ステップＳ１０２乃至ステップＳ１１０の処理によって水素混合燃料への水素ガスの再混合が実行される。

ステップＳ１０２では、燃料カット制御が実行されている途中か否か判定される。燃料カット制御が実行されていない場合には、筒内インジェクタ１８からの燃料噴射によって水素混合燃料が消費される。したがって、筒内インジェクタ１８へ向けて水素混合燃料を流すことで、微細気泡発生装置４０に水素混合燃料を供給することができる。これに対し、燃料カット制御が実行されている場合には、燃料噴射による水素混合燃料の消費は無いため、筒内インジェクタ１８へ向けて水素混合燃料を流すことはできない。

そこで、燃料カット制御が実行されている場合には、次の処理としてステップＳ１０４が選択される。ステップＳ１０４では、流路切替弁３８によって燃料ラインが循環ラインに切り替えられ、燃料タンク３０と微細気泡発生装置４０との間で水素混合燃料を循環させることが行われる。

一方、燃料カット制御が実行されていない場合には、次の処理としてステップＳ１０６が選択される。ステップＳ１０６では、水素混合燃料を筒内インジェクタ１８へ供給すべく、流路切替弁３８によって燃料ラインが通常供給ラインに切り替えられる。

燃料ラインの選択の後は、ステップＳ１０８の処理によって開閉弁４２が開かれる。開閉弁４２が開かれることで、燃料タンク３０は微細気泡発生装置４０と連通状態となる。これにより、燃料タンク３０内に溜まっている水素ガスは、気化した炭化水素系燃料とともに微細気泡発生装置４０によって回収される。

次のステップＳ１１０では、回収されたガス燃料（水素ガスと気化した炭化水素系燃料の混合気）が微細気泡発生装置４０により微細気泡化され、この微細気泡化されたガス燃料が水素混合燃料に再混合される。これにより、水素ガスの分離による水素濃度の低下を防止することができ、常に安定した水素濃度の水素混合燃料を筒内インジェクタ１８から噴射することが可能になる。

なお、ステップＳ１００の判定で水素ガスの再混合の実行条件が成立しなかったときには、開閉弁４２が閉じられて燃料タンク３０と微細気泡発生装置４０との連通は解除され（ステップＳ１１２）、続いて、微細気泡発生装置４０による微細気泡化処理も停止される（ステップＳ１１４）。

実施の形態２．
以下、図３及び図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

図３は本発明の実施の形態２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。本実施の形態のエンジンは、エンジン本体２を有している。エンジン本体２の構成は実施の形態１と同じであるのでその説明は省略する。図３中、実施の形態１にかかるエンジンと同一の要素については同一の符号を付している。

本実施の形態では、燃料タンク３０には、ガソリン等の液状の炭化水素系燃料が貯蔵されている。燃料タンク３０は、燃料供給流路３４によって筒内インジェクタ１８に接続されている。燃料タンク３０内の炭化水素系燃料は、燃料供給流路３４に配置された燃料ポンプ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。

燃料供給流路３４の途中には流路切替弁３８が配置され、流路切替弁３８の出口ポートの１つにリターン流路３６が接続されている。リターン流路３６はその他方の端部を燃料タンク３０に接続されている。流路切替弁３８の出口ポートが筒内インジェクタ１８側のときには燃料ラインは通常供給ラインとなり、流路切替弁３８の出口ポートを燃料タンク３０側に切り替えることで燃料ラインは循環ラインに切り替わる。

燃料供給流路３４における燃料ポンプ３２と流路切替弁３８との間には、もう一方の燃料である水素ガスを炭化水素系燃料に混合するための微細気泡発生装置４０が配置されている。微細気泡発生装置４０は、水素ガスを直径数十μｍ以下の微細気泡にして燃料供給流路３４中の炭化水素系燃料に混合する。微細気泡発生装置４０により水素ガスを微細気泡化して炭化水素系燃料に混合することで、水素ガスを炭化水素系燃料中に大量に且つ均一に存在させることができる。そして、筒内インジェクタ１８からは、液状の炭化水素系燃料に水素ガスが微細気泡状態で含まれてなる、実質的に液体の水素混合燃料を噴射することが可能になる。なお、微細気泡発生装置４０による微細気泡化の方法には限定はなく、実施の形態１において例示した方法（第１乃至第３例）を採ることができる。微細気泡発生装置４０により発生させる微細気泡のサイズには限定はないが、好ましくは直径１μｍ以下の超微細気泡とする。

微細気泡発生装置４０により炭化水素系燃料に混合される水素ガスは、水素生成装置６０から水素ガス供給流路６６を介して供給される。水素生成装置６０は、炭化水素系燃料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。水素生成装置６０において水素ガスの生成に用いられる炭化水素系燃料は、燃料タンク３０から燃料供給流路６４を介して供給される。燃料供給流路６４には、燃料タンク３０から炭化水素系燃料を吸い上げて水素生成装置６０に供給するための燃料ポンプ６２が配置されている。

水素生成装置６０において炭化水素系燃料から水素ガスを生成する方法に限定はなく、公知の生成方法を採ることができる。例えば、炭化水素系燃料を低温プラズマにより分解する方法や、炭化水素系燃料を触媒によって改質する方法を採ることができる。低温プラズマを用いた改質方法としては、具体的には、炭化水素系燃料に対し直流パルス放電を行う方法を採ることができる。また、触媒を用いた改質方法としては、水蒸気改質、部分酸化反応による改質、或いは、有機ハイドライドの脱水素化による改質等が挙げられる。

なお、炭化水素系燃料から水素ガスを生成する場合、何れの生成方法を用いても生成物には水素ガス以外の成分が含まれている。その水素ガス以外の成分がガス成分である場合には、水素ガスとともに微細気泡発生装置４０に供給すればよい。一方、水素ガス以外の成分が液体成分である場合には、燃料タンク３０に戻してもよく、或いは、水素ガスとともに微細気泡発生装置４０に供給してもよい。

微細気泡発生装置４０や水素生成装置６０は、エンジンの制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０によって制御されている。ＥＣＵ５０の出力部には微細気泡発生装置４０や水素生成装置６０の他、点火プラグ１６、筒内インジェクタ１８、燃料ポンプ３２，６２、流路切替弁３８等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ５０の入力部には、運転状態測定装置５２や大気状態測定装置５４等の種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサ類から入力される信号に基づき、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。

上記のシステム構成によれば、液状の炭化水素系燃料に水素ガスが微細気泡状態で含まれてなる水素混合燃料をエンジンの燃料として使用することができるので、水素ガスと炭化水素系燃料を別々の燃料供給系を用いてインジェクタに供給する場合のような複雑なシステムは不要となる。また、炭化水素系燃料に混合する水素ガスは炭化水素系燃料から生成されるので、炭化水素系燃料を貯蔵する燃料タンクとは別に水素ガスを貯蔵する手段を備える必要はない。

さらに、上記のシステム構成によれば、水素ガスの生成及び混合処理を実行するときの燃料ラインを通常供給ラインと循環ラインとで切り替えることができる。通常供給ラインの選択時に生成及び混合処理を実行する場合には、筒内インジェクタ１８に供給される段階で炭化水素系燃料に水素ガスが混合されるので、水素ガスの分離を最小限に抑えることができ、筒内インジェクタ１８からは安定した水素濃度の水素混合燃料を噴射することができる。循環ラインの選択時に生成及び混合処理を実行する場合には、炭化水素系燃料を水素混合燃料に改質して燃料タンク３０内に戻すことにより、燃料タンク３０内の炭化水素系燃料の水素濃度を高めておくことができる。

本実施の形態では、燃料タンク３０、燃料ポンプ３２及び燃料供給流路３４によって、第１の発明にかかる「燃料供給手段」が実現されている。また、本実施の形態では、水素生成装置６０が第５の発明にかかる「水素生成手段」に相当し、微細気泡発生装置４０が第５の発明にかかる「混合手段」に相当している。また、流路切替弁３８によって燃料ラインが通常供給ラインに切り替えられることで、第６の発明にかかる「混合手段」が実現され、流路切替弁３８によって燃料ラインが循環ラインに切り替えられることで、第７の発明にかかる「混合手段」が実現される。

以上説明した水素ガスの生成及び混合処理は、ＥＣＵ５０によるシステム制御の一環として行われる。図４のフローチャートは、本実施の形態においてＥＣＵ５０により実施される水素ガスの生成及び混合処理にかかるシステム制御のルーチンを示している。

図４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５２よって測定されるエンジン本体２の運転状態、及び大気状態測定装置５４によって測定される大気状態に基づき、水素ガスの生成及び混合の実行条件が成立しているか否か判定される。水素ガスの生成及び混合の実行条件とは、例えば、エンジン本体２がノッキングが発生しうる運転領域で運転されていることとか、燃焼変動が発生しうる運転領域で運転されていること等である。水素ガスの生成及び混合の実行条件が成立している場合に、ステップＳ２０２乃至ステップＳ２１０の処理によって水素ガスの生成と炭化水素系燃料への水素ガスの混合が行われる。

ステップＳ２０２では、燃料カット制御が実行されている途中か否か判定される。燃料カット制御が実行されていない場合には、筒内インジェクタ１８からの燃料噴射によって水素混合燃料が消費される。したがって、微細気泡発生装置４０で生成された水素混合燃料を筒内インジェクタ１８へ向けて流すことで、燃料タンク３０から微細気泡発生装置４０へ連続して炭化水素系燃料を供給することができる。これに対し、燃料カット制御が実行されている場合には、燃料噴射による水素混合燃料の消費は無いため、微細気泡発生装置４０で生成された水素混合燃料を筒内インジェクタ１８へ向けて流すことはできない。

そこで、燃料カット制御が実行されている場合には、次の処理としてステップＳ２０４が選択される。ステップＳ２０４では、流路切替弁３８によって燃料ラインが循環ラインに切り替えられ、燃料タンク３０と微細気泡発生装置４０との間で炭化水素系燃料を循環させることが行われる。これにより、燃料タンク３０から微細気泡発生装置４０へ連続して炭化水素系燃料を供給することが可能になる。

一方、燃料カット制御が実行されていない場合には、次の処理としてステップＳ２０６が選択される。ステップＳ２０６では、水素混合燃料を筒内インジェクタ１８へ供給すべく、流路切替弁３８によって燃料ラインが通常供給ラインに切り替えられる。

次のステップＳ２０８では、水素ガスの要求生成量に応じた炭化水素系燃料が燃料タンク３０から水素生成装置６０に供給され、水素生成装置６０における水素生成処理によって要求生成量の水素ガスが生成される。水素ガスの要求生成量は、燃料ラインが循環ラインか通常供給ラインかによって異なる算出方法が採られる。燃料ラインが循環ラインのときには、要求水素生成量は一定値に設定される。一方、燃料ラインが通常供給ラインのときには、まず、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、この要求負荷とエンジン本体２の運転状態から決まる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。次に、水素ガスの単位量当たりの発熱量に基づいて、水素負荷に応じた水素ガス量が要求生成量として算出される。ただし、燃料タンク３０内の炭化水素系燃料には水素ガスが含まれているので、要求生成量は炭化水素系燃料の水素濃度に応じて補正される。炭化水素系燃料の水素濃度は、循環ラインが選択されている間に生成された水素ガスの積算生成量から推定することができる。

次のステップＳ２１０では、水素生成装置６０で生成された水素ガス（或いは、水素ガスを含むガス燃料）が微細気泡発生装置４０により微細気泡化され、この微細気泡化された水素ガスが燃料供給流路３４を流れる炭化水素系燃料に混合される。これにより、筒内インジェクタ１８からは、水素ガスを微細気泡状態で含む水素混合燃料を噴射することが可能になる。

なお、ステップＳ２００の判定で水素ガスの生成及び混合の実行条件が成立しなかったときには、水素生成装置６０における水素生成処理が停止され（ステップＳ２１２）、続いて、微細気泡発生装置４０による微細気泡化処理も停止される（ステップＳ２１４）。

実施の形態３．
以下、図５及び図６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。

図５は本発明の実施の形態３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。本実施の形態のエンジンは、エンジン本体２を有している。エンジン本体２の構成は実施の形態１と同じであるのでその説明は省略する。図５中、実施の形態１或いは実施の形態２にかかるエンジンと同一の要素については同一の符号を付している。

本実施の形態にかかる燃料タンク３０には、ガソリン等の液状の炭化水素系燃料に水素ガスが微細気泡状態で含まれてなる水素混合燃料が貯蔵されている。ただし、実施の形態１とは異なり、燃料タンク３０に貯蔵されている水素混合燃料は車上で製造されたものである。本実施の形態では、給油装置によって燃料タンク３０に供給される燃料は炭化水素系燃料であり、後述するように、炭化水素系燃料を原料として車上で水素混合燃料が製造されるようになっている。

燃料タンク３０は、燃料供給流路３４によって筒内インジェクタ１８に接続されている。燃料タンク３０内の水素混合燃料（或いは炭化水素系燃料）は、燃料供給流路３４に配置された燃料ポンプ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。燃料タンク３０には、燃料タンク３０内の圧力に応じた信号を出力する圧力センサ４６が取り付けられている。

燃料供給流路３４には、水素ガスを炭化水素系燃料に混合するための微細気泡発生装置４０が配置されている。微細気泡発生装置４０は、水素ガスを直径数十μｍ以下の微細気泡、より好ましくは直径１μｍ以下の超微細気泡にして燃料供給流路３４内の炭化水素系燃料に混合する。微細気泡発生装置４０による微細気泡化の方法には限定はなく、実施の形態１において例示した方法（第１乃至第３例）を採ることができる。

微細気泡発生装置４０において微細気泡化される水素ガスは、水素生成装置６０から水素ガス供給流路６６を介して供給される。水素生成装置６０は炭化水素系燃料を改質して水素ガスを生成する装置であり、原料となる炭化水素系燃料は燃料タンク３０から供給される。水素生成装置６０と燃料タンク３０とは燃料供給流路６４によって接続され、燃料供給流路６４に配置された燃料ポンプ６２によって燃料タンク３０内の炭化水素系燃料が吸い上げられるようになっている。水素生成装置６０による水素ガスの生成方法には限定はなく、実施の形態２において例示した方法を採ることができる。

水素生成装置６０の動力としては電気エネルギが用いられる。水素生成装置６０は、バッテリー７０からの電気エネルギの供給を受けて作動する。本実施の形態のエンジンは、バッテリー７０に充電する手段として回生発電装置７２を備えている。回生発電装置７２は、車両の駆動系に配置され、車両の減速エネルギを電気エネルギとして回収する装置である。回生発電装置７２が回収した電気エネルギ（回生エネルギ）は一旦バッテリー７０に充電され、バッテリー７０から水素生成装置６０に供給されるようになっている。

燃料供給流路３４における微細気泡発生装置４０の上流には、流路切替弁３８が配置されている。流路切替弁６８は２つの出口ポートと１つの入口ポートを有する３方弁であり、その出口ポートの１つにリターン流路３６が接続されている。リターン流路３６はその他方の端部を燃料タンク３０に接続されている。流路切替弁３８の出口ポートが筒内インジェクタ１８側のときには燃料ラインは通常供給ラインとなり、流路切替弁３８の出口ポートを燃料タンク３０側に切り替えることで燃料ラインは循環ラインに切り替わる。燃料ラインを循環ラインとし、燃料タンク３０と微細気泡発生装置４０との間で炭化水素系燃料を循環させながら水素ガスを混合していくことで、燃料タンク３０内の炭化水素系燃料を水素混合燃料に置換していくことができる。

また、微細気泡発生装置４０に水素ガスを供給する水素ガス供給流路６６の途中には、流路切替弁６８が配置されている。流路切替弁６８は１つの出口ポートと２つの入口ポートを有する３方弁であり、その入口ポートの１つにガス回収流路４４が接続されている。ガス回収流路４４はその他方の端部を燃料タンク３０の上部に接続されている。流路切替弁６８の入口ポートをガス回収流路４４に切り替えることで、燃料タンク３０内は微細気泡発生装置４０と連通する。これにより、燃料タンク３０内で水素混合燃料から分離した水素ガスを微細気泡発生装置４０に供給し、燃料供給流路３４内の水素混合燃料に再混合することができる。以下では、流路切替弁６８の入口ポートを水素生成装置６０側に切り替えることで実現される水素ガスラインを生成ガス供給ラインといい、流路切替弁６８の入口ポートを燃料タンク３０側に切り替えることで実現される水素ガスラインを回収ガス供給ラインという。

微細気泡発生装置４０や水素生成装置６０は、エンジンの制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０によって制御されている。ＥＣＵ５０の出力部には微細気泡発生装置４０や水素生成装置６０の他、点火プラグ１６、筒内インジェクタ１８、燃料ポンプ３２，６２、流路切替弁３８，６８，回生発電装置７２等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ５０の入力部には、運転状態測定装置５２や大気状態測定装置５４等の種々のセンサ類が接続されている。また、回生発電装置７２の発電状況を示す信号も入力されている。ＥＣＵ５０は、各センサ類から入力される信号に基づき、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。

また、上記のシステム構成によれば、回生発電装置７２で得られた回生エネルギを水素生成装置６０における水素生成処理に利用することができる。特に、回生発電装置７２の作動時に水素ガスの生成及び混合処理を実行することで、バッテリー７０が満充電の場合でも車両の減速エネルギを回収することができ、高いエネルギ効率を実現することができる。また、減速燃料カット時のように、燃料ラインが循環ラインのときに集中して水素ガスの生成及び混合処理を実行し、燃料タンク３０内の炭化水素系燃料を水素混合燃料に改質することで、水素ガスの生成及び混合処理にかかる精密な制御を不要にしてシステムのロバスト性を高めることもできる。

さらに、上記のシステム構成によれば、長期間の放置によって水素混合燃料から水素ガスが分離してしまったとしても、分離した水素ガスを回収して水素混合燃料に再混合することができる。通常供給ラインの選択時に再混合処理を実行する場合には、水素ガスの分離によって燃料タンク３０内の水素混合燃料の水素濃度が低下していたとしても、筒内インジェクタ１８からは規定の水素濃度の水素混合燃料を噴射することが可能になる。循環ラインの選択時に再混合処理を実行する場合には、燃料タンク３０内の水素混合燃料の水素濃度を安定させることができる。何れにしても、上記のシステム構成によれば、水素ガスの再混合処理によって常に安定した水素濃度の水素混合燃料を筒内インジェクタ１８から噴射することが可能になる。

本実施の形態では、燃料タンク３０、燃料ポンプ３２及び燃料供給流路３４によって、第１の発明にかかる「燃料供給手段」が実現されている。また、微細気泡発生装置４０及びガス回収流路４４によって、第２の発明にかかる「混合手段」が実現されている。また、流路切替弁６８によって回収ガス供給ラインが選択されているときに燃料ラインが通常供給ラインに切り替えられることで、第３の発明にかかる「混合手段」が実現され、燃料ラインが循環ラインに切り替えられることで、第４の発明にかかる「混合手段」が実現される。

さらに、本実施の形態では、水素生成装置６０が第５の発明及び第７の発明にかかる「水素生成手段」に相当し、微細気泡発生装置４０は第５の発明にかかる「混合手段」にも相当している。また、流路切替弁６８によって生成ガス供給ラインが選択されているときに燃料ラインが通常供給ラインに切り替えられることで、第６の発明にかかる「混合手段」が実現され、燃料ラインが循環ラインに切り替えられることで、第７の発明にかかる「混合手段」が実現される。

以上説明した水素ガスの生成及び混合処理は、ＥＣＵ５０によるシステム制御の一環として行われる。図６のフローチャートは、本実施の形態においてＥＣＵ５０により実施される水素ガスの生成及び混合処理にかかるシステム制御のルーチンを示している。

図６に示すルーチンの最初のステップＳ３００では、水素ガスの再混合の実行条件が成立しているか否か判定される。再混合の実行条件は、圧力センサ４６によって測定されるタンク内圧が基準値を超えたら成立していると判定される。再混合の実行条件が未だ成立していない場合には、ステップＳ３０８乃至ステップＳ３２２の処理が実行される。

ステップＳ３０８では、回生制御が実行されている途中か否か判定される。回生制御の実行中か否かは回生発電装置７２からの信号に基づいて判断される。回生制御が実行されているとき、つまり、回生発電装置７２によって車両の減速エネルギの回収が行われているときには、次にステップＳ３１０の判定が行われる。

ステップＳ３１０では、燃料カット制御が実行されている途中か否か判定される。回生制御中であって燃料カット制御が実行されているとき、例えば減速燃料カット時には、次の処理としてステップＳ３１２が選択される。ステップＳ３１２では、流路切替弁３８によって燃料ラインが循環ラインに切り替えられ、燃料タンク３０と微細気泡発生装置４０との間で炭化水素系燃料を循環させることが行われる。

次のステップＳ３１４では、水素ガスの要求生成量に応じた炭化水素系燃料が燃料タンク３０から水素生成装置６０に供給され、水素生成装置６０における水素生成処理によって要求生成量の水素ガスが生成される。水素生成装置６０で生成された水素ガス（或いは、水素ガスを含むガス燃料）は、次のステップＳ３１６で微細気泡発生装置４０により微細気泡化され、この微細気泡化された水素ガスが燃料供給流路３４内の炭化水素系燃料に混合される。これにより、燃料タンク３０内の炭化水素系燃料は、循環ラインを循環している間に次第に水素混合燃料に置換されていく。

一方、回生制御中であっても燃料カット制御が実行されていないときには、次の処理としてステップＳ３１８が選択される。ステップＳ３１８では、燃料タンク３０内に貯蔵されている水素混合燃料を筒内インジェクタ１８へ供給すべく、流路切替弁３８によって燃料ラインが通常供給ラインに切り替えられる。なお、本実施の形態では、水素ガスの生成及び混合処理は循環ラインが選択されているときに集中して行い、通常供給ラインが選択されているときには行わないことで、生成及び混合処理にかかる精密な制御を不要にしている。

ステップＳ３０８の判定の結果、回生制御が実行されていないときには、水素生成装置６０における水素生成処理が停止され（ステップＳ３２０）、続いて、微細気泡発生装置４０による微細気泡化処理も停止される（ステップＳ３２２）。

また、ステップＳ３００の判定の結果、水素ガスの再混合の実行条件が成立していると判定された場合、例えば、長時間の放置によって水素混合燃料からの水素ガスの分離が進んだ場合には、ステップＳ３０２乃至ステップＳ３０６の処理によって水素混合燃料への水素ガスの再混合が実行される。

ステップＳ３０２では、燃料カット制御の有無に応じた燃料ラインの切り替えが行われる。具体的には、燃料カット制御が実行されている場合には、流路切替弁３８によって燃料ラインが循環ラインに切り替えられ、燃料タンク３０と微細気泡発生装置４０との間で水素混合燃料を循環させることが行われる。一方、燃料カット制御が実行されていない場合には、燃料タンク３０内の水素混合燃料を筒内インジェクタ１８へ供給すべく、燃料ラインが通常供給ラインに切り替えられる。

燃料ラインの選択の後は、ステップＳ３０４の処理が実行される。ステップＳ３０４では、流路切替弁６８によって水素ガスラインが生成ガス供給ラインから回収ガス供給ラインに切り替えられる。回収ガス供給ラインへの切り替えによって燃料タンク３０は微細気泡発生装置４０と連通状態となる。これにより、燃料タンク３０内に溜まっている水素ガスは、気化した炭化水素系燃料とともに微細気泡発生装置４０によって回収される。

次のステップＳ３０６では、回収されたガス燃料（水素ガスと気化した炭化水素系燃料の混合気）が微細気泡発生装置４０により微細気泡化され、この微細気泡化されたガス燃料が水素混合燃料に再混合される。これにより、水素ガスの分離による水素濃度の低下を防止することができ、常に安定した水素濃度の水素混合燃料を筒内インジェクタ１８から噴射することが可能になる。

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。

各実施の形態にかかるシステム構成において、筒内インジェクタ１８の代わりに吸気ポートに燃料を噴射するポートインジェクタを備えてもよい。或いは、筒内インジェクタ１８に加えてポートインジェクタを備え、２つのインジェクタを状況に応じて使い分けるようにしてもよい。

また、各実施の形態にかかるシステム構成において、微細気泡発生装置４０を燃料タンク３０内に配置し、燃料タンク３０内の炭化水素系燃料或いは水素混合燃料に水素ガスを混合するようにしてもよい。或いは、燃料供給流路３４と燃料タンク３０内の２箇所に微細気泡発生装置４０を配置し、それぞれの箇所で水素ガスを混合するようにしてもよい。

また、実施の形態１及び実施の形態３にかかるシステム構成において、圧力センサ４６の代わりに水素センサを燃料タンク３０に配置し、水素センサによってタンク内ガスの水素濃度を測定してもよい。この場合は、タンク内ガスの水素濃度が基準値を超えたら、水素ガスの再混合の実行条件が成立していると判断することができる。

また、実施の形態３かかるシステム構成において、回生発電装置７２から水素生成装置６０へ直接、電気エネルギを供給してもよい。その場合、水素生成装置６０の停止時には、発電した電気エネルギはバッテリー７０に充電すればよい。

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において実施される水素ガスの再混合処理にかかるシステム制御のルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施の形態２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２において実施される水素ガスの生成及び混合処理にかかるシステム制御のルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施の形態３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３において実施される水素ガスの生成及び混合処理にかかるシステム制御のルーチンを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
３０燃料タンク
３２燃料ポンプ
３４燃料供給流路
３６リターン流路
３８流路切替弁
４０微細気泡発生装置
４２開閉弁
４４ガス回収流路
４６圧力センサ
５２運転状態測定装置
５４大気状態測定装置
６０水素生成装置
６２燃料ポンプ
６４燃料供給流路
６６水素ガス供給流路
６８流路切替弁
７０バッテリー
７２回生発電装置

Claims

液体燃料を噴射する燃料噴射装置と、
液状の炭化水素系燃料に水素ガスが微細気泡状態で含まれてなる水素混合燃料を前記燃料噴射装置に供給する燃料供給手段と、
水素混合燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンク内で水素混合燃料から分離したガス燃料を微細気泡状態にして水素混合燃料に再混合する再混合手段と、
を備えることを特徴とする水素利用内燃機関。
前記再混合手段は、前記燃料タンクと前記燃料噴射装置とを接続する燃料供給通路において、前記燃料噴射装置へ供給途中の水素混合燃料に前記の分離ガス燃料を再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。
前記再混合手段は、前記燃料タンクから出た水素混合燃料が再び前記燃料タンクへ戻る燃料循環通路において、前記燃料循環通路を循環中の水素混合燃料に前記の分離ガス燃料を再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。
液体燃料を噴射する燃料噴射装置と、
液状の炭化水素系燃料に水素ガスが微細気泡状態で含まれてなる水素混合燃料を前記燃料噴射装置に供給する燃料供給手段と、
水素ガスが混合される前の液状の炭化水素系燃料及び水素混合燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンク内の炭化水素系燃料から水素ガスを生成する水素生成手段と、
炭化水素系燃料から生成した水素ガスを微細気泡状態にして炭化水素系燃料に混合する混合手段と、
水素ガスを炭化水素系燃料に混合して得られた水素混合燃料の一部或いは全部を前記燃料タンクに戻すリターン手段と、
前記燃料タンク内で水素混合燃料から分離したガス燃料を微細気泡状態にして水素混合燃料に再混合する再混合手段と、
を備えることを特徴とする水素利用内燃機関。
前記混合手段は、前記燃料タンクと前記燃料噴射装置とを接続する燃料供給通路において、前記燃料噴射装置へ供給途中の炭化水素系燃料に前記の炭化水素系燃料から生成した水素ガスを混合することを特徴とする請求項４記載の水素利用内燃機関。
前記混合手段は、前記燃料タンクから出た炭化水素系燃料が再び前記燃料タンクへ戻る燃料循環通路において、前記燃料循環通路を循環中の炭化水素系燃料に前記の炭化水素系燃料から生成した水素ガスを混合することを特徴とする請求項４記載の水素利用内燃機関。
車両の減速エネルギを電気エネルギとして回収する回生発電手段をさらに備え、
前記水素生成手段は、前記回生発電手段により回収された減速エネルギを利用して炭化水素系燃料から水素ガスを生成することを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項に記載の水素利用内燃機関。