JP4569373B2 - Internal combustion engine using hydrogen - Google Patents
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Description
この発明は、水素利用内燃機関に関する。 The present invention relates to a hydrogen-utilizing internal combustion engine.
従来、例えば特開2003−343360号公報に開示されるように、水素生成機能を有する内燃機関のシステムが知られている。このシステムは、具体的には、デカリン等の有機ハイドライドを含む水素化燃料を原料として、水素リッチガスと、ナフタレン等の脱水素生成物とを生成する機構、並びに、生成された水素リッチガスを燃料として作動する水素エンジンを備えている。 Conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-343360, an internal combustion engine system having a hydrogen generation function is known. Specifically, this system uses a hydrogenated fuel containing an organic hydride such as decalin as a raw material to generate a hydrogen rich gas and a dehydrogenated product such as naphthalene, and the generated hydrogen rich gas as a fuel. It has a working hydrogen engine.
上記公報に開示されるシステムは、脱水素触媒を備えており、この脱水素触媒に水素化燃料を供給して脱水素化反応を起こさせることにより、水素化燃料を水素リッチガスと脱水素生成物に分離する。脱水素触媒は、水素エンジンの廃熱により、脱水素化反応が可能な温度に加熱される。 The system disclosed in the above publication includes a dehydrogenation catalyst. By supplying a hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst to cause a dehydrogenation reaction, the hydrogenated fuel is converted into a hydrogen rich gas and a dehydrogenated product. To separate. The dehydrogenation catalyst is heated to a temperature at which a dehydrogenation reaction can be performed by waste heat of the hydrogen engine.
脱水素触媒は、温度が高くなり過ぎると、劣化し易くなる。より具体的には、脱水素触媒の温度が高くなり過ぎると、触媒を構成する貴金属のシンタリング(凝集)を生じたり、水素化燃料中の炭素が遊離して触媒表面を覆うコーキングを生じたりして、脱水素触媒の機能低下を招来し易くなる。 The dehydrogenation catalyst tends to deteriorate when the temperature becomes too high. More specifically, if the temperature of the dehydrogenation catalyst becomes too high, sintering of the precious metals constituting the catalyst may occur, or carbon in the hydrogenated fuel may be liberated and coking may occur covering the catalyst surface. Thus, the function of the dehydrogenation catalyst is likely to be reduced.
上記公報に開示されるシステムは、脱水素触媒を冷却する冷却水循環系と、この冷却水循環系の作動を制御する温度制御装置とを備えている(上記公報の段落番号0037参照)。これにより、脱水素触媒の温度が高くなり過ぎるのを防止している。 The system disclosed in the above publication includes a cooling water circulation system that cools the dehydrogenation catalyst, and a temperature control device that controls the operation of the cooling water circulation system (see paragraph number 0037 of the publication). This prevents the temperature of the dehydrogenation catalyst from becoming too high.
しかしながら、上述した従来のシステムでは、脱水素触媒を冷却する冷却水の水路や冷却水ポンプなどを設ける必要があるので、システムが複雑かつ大型になる。このため、より簡単なシステムで、脱水素触媒の劣化を抑制したいという要求がある。 However, in the above-described conventional system, since it is necessary to provide a cooling water channel or a cooling water pump for cooling the dehydrogenation catalyst, the system becomes complicated and large. For this reason, there is a demand for suppressing deterioration of the dehydrogenation catalyst with a simpler system.
また、上述した従来のシステムでは、冷却水の定期的な交換等の管理が必要となるので、メンテナンスが煩雑になる。このため、メンテナンスの容易なシステムで、脱水素触媒の劣化を抑制したいという要求もある。 Further, in the above-described conventional system, management such as periodic replacement of cooling water is necessary, so that maintenance becomes complicated. For this reason, there is also a demand to suppress degradation of the dehydrogenation catalyst with a system that is easy to maintain.
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、脱水素触媒の劣化を有効に抑制することができるとともに、構造が簡単で、かつメンテナンスの容易な水素利用内燃機関を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a hydrogen-based internal combustion engine that can effectively suppress deterioration of a dehydrogenation catalyst, has a simple structure, and is easy to maintain. The purpose is to do.
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、
内燃機関の排気ガスの熱で加熱されるように設けられ、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させる脱水素触媒と、
前記脱水素触媒の温度を検出する温度検出手段と、
前記脱水素触媒の温度が第1の判定値を超える場合には、前記脱水素触媒の温度が前記第1の判定値以下の場合よりも、前記脱水素触媒への水素化燃料の供給量を増量する増量手段と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a hydrogen-utilizing internal combustion engine,
A dehydrogenation catalyst which is provided to be heated by the heat of exhaust gas of an internal combustion engine and separates hydrogenated fuel containing organic hydride into hydrogen and dehydrogenated fuel;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the dehydrogenation catalyst;
When the temperature of the dehydrogenation catalyst exceeds the first determination value, the supply amount of the hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst is made larger than when the temperature of the dehydrogenation catalyst is equal to or lower than the first determination value. An increasing means for increasing the amount;
It is characterized by providing.
また、第2の発明は、第1の発明において、
前記脱水素触媒により分離された水素および脱水素燃料を前記内燃機関に供給する供給手段と、
前記増量手段により前記脱水素触媒への水素化燃料の供給量が増量されている場合には、水素化燃料の供給量が増量されていない場合よりも、前記内燃機関に供給される水素の添加割合を大きくする水素割合増大手段と、
を備えることを特徴とする。
The second invention is the first invention, wherein
Supply means for supplying hydrogen and dehydrogenated fuel separated by the dehydrogenation catalyst to the internal combustion engine;
When the supply amount of hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst is increased by the increasing means, the addition of hydrogen supplied to the internal combustion engine is greater than when the supply amount of hydrogenated fuel is not increased. Means for increasing the proportion of hydrogen to increase the proportion;
It is characterized by providing.
また、第3の発明は、第2の発明において、
リーンバーン条件の成立時に前記内燃機関をリーンバーン運転させるリーンバーン運転手段と、
前記リーンバーン運転時に、前記水素割合増大手段により前記内燃機関に供給される水素の添加割合が大きくされている場合には、水素の添加割合が大きくされていない場合よりも混合気を更にリーンにする手段と、
を備えることを特徴とする。
The third invention is the second invention, wherein
Lean-burn operation means for lean-burning the internal combustion engine when a lean-burn condition is established;
In the lean burn operation, when the addition ratio of hydrogen supplied to the internal combustion engine is increased by the hydrogen ratio increasing means, the air-fuel mixture is made leaner than when the addition ratio of hydrogen is not increased. Means to
It is characterized by providing.
また、第4の発明は、第2または第3の発明において、
リーンバーン条件の不成立時にストイキまたはリッチな混合気で前記内燃機関を通常運転させる通常運転手段と、
前記通常運転時に、前記水素割合増大手段により前記内燃機関に供給される水素の添加割合が大きくされている場合には、水素の添加割合が大きくされていない場合よりも点火時期を進角する点火時期進角手段と、
を備えることを特徴とする。
Moreover, 4th invention is 2nd or 3rd invention,
Normal operating means for normally operating the internal combustion engine with stoichiometric or rich air-fuel mixture when lean burn conditions are not established;
Ignition that advances the ignition timing when the hydrogen addition ratio supplied to the internal combustion engine is increased by the hydrogen ratio increasing means during the normal operation than when the hydrogen addition ratio is not increased. Timing advance means,
It is characterized by providing.
また、第5の発明は、第1乃至4の発明の何れかにおいて、
前記脱水素触媒の温度が前記第1の判定値より大きい第2の判定値を超える場合に、前記脱水素触媒への水素化燃料の供給を禁止する禁止手段を備えることを特徴とする。
Further, a fifth invention is any one of the first to fourth inventions,
The apparatus further comprises prohibiting means for prohibiting the supply of hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst when the temperature of the dehydrogenation catalyst exceeds a second determination value that is greater than the first determination value.
また、第6の発明は、第2乃至4の発明の何れかにおいて、
前記脱水素触媒の温度が前記第1の判定値より大きい第2の判定値を超える場合に、前記脱水素触媒への水素化燃料の供給を禁止する禁止手段と、
前記禁止手段により前記脱水素触媒への水素化燃料の供給が禁止された場合に、前記内燃機関への水素の供給を禁止する水素供給禁止手段と、
を備えることを特徴とする。
Further, a sixth invention is any one of the second to fourth inventions,
Prohibiting means for prohibiting the supply of hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst when the temperature of the dehydrogenation catalyst exceeds a second determination value greater than the first determination value;
Hydrogen supply prohibiting means for prohibiting supply of hydrogen to the internal combustion engine when supply of hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst is prohibited by the prohibiting means;
It is characterized by providing.
第1の発明によれば、脱水素触媒の温度が過度に高くなりそうな場合、脱水素触媒への水素化燃料の供給量を増大することができる。この水素化燃料の供給量増大により、脱水素触媒において、吸熱反応である脱水素反応がより多量に生じることとなるので、脱水素触媒の温度を降下させることができる。このため、本発明によれば、脱水素触媒が過度に高温になることを有効に抑制することができるので、脱水素触媒の劣化を防止することができる。更に、脱水素触媒を冷却するための特別な機構が不要であるので、構造が簡単であり、また、メンテナンスも容易である。 According to the first invention, when the temperature of the dehydrogenation catalyst is likely to be excessively high, it is possible to increase the amount of hydrogenated fuel supplied to the dehydrogenation catalyst. By increasing the supply amount of the hydrogenated fuel, a larger amount of dehydrogenation reaction, which is an endothermic reaction, occurs in the dehydrogenation catalyst, so that the temperature of the dehydrogenation catalyst can be lowered. For this reason, according to this invention, since it can suppress effectively that a dehydrogenation catalyst becomes high temperature too much, degradation of a dehydrogenation catalyst can be prevented. Furthermore, since a special mechanism for cooling the dehydrogenation catalyst is unnecessary, the structure is simple and maintenance is easy.
第2の発明によれば、脱水素触媒への水素化燃料の供給量を増量した場合には、水素の消費量を増大させることができる。気体である水素は、貯蔵スペースを多く必要とする。本発明によれば、脱水素触媒への水素化燃料の供給量を増量することによって水素の生成量が増大した場合に、その水素を消費することができるので、水素の貯蔵量が貯蔵スペースに比して過多になるのを有効に防止することができる。 According to the second invention, when the amount of hydrogenated fuel supplied to the dehydrogenation catalyst is increased, the amount of hydrogen consumption can be increased. Hydrogen, which is a gas, requires a lot of storage space. According to the present invention, when the amount of hydrogen produced increases by increasing the amount of hydrogenated fuel supplied to the dehydrogenation catalyst, the hydrogen can be consumed. It is possible to effectively prevent an excessive amount.
第3の発明によれば、内燃機関に供給される水素の添加割合が大きくされた状況下でリーンバーン運転を行った場合に、混合気を更にリーンにすることができる。混合気がリーンになるほど排気温度が下がる特性があるので、混合気を更にリーンにすることにより、排気温度を低下させることができる。その結果、脱水素触媒の温度をより迅速に降下させることができる。この場合、燃焼促進効果を有する水素の添加割合が大きくされているので、通常の水素添加割合のときよりも更にリーンな混合気でも良好に燃焼させることができる。 According to the third aspect of the present invention, when the lean burn operation is performed under the condition that the addition ratio of hydrogen supplied to the internal combustion engine is increased, the air-fuel mixture can be further leaned. Since the exhaust gas temperature decreases as the air-fuel mixture becomes leaner, the exhaust gas temperature can be lowered by further reducing the air-fuel mixture. As a result, the temperature of the dehydrogenation catalyst can be lowered more rapidly. In this case, since the addition ratio of hydrogen having a combustion promoting effect is increased, even a lean air-fuel mixture can be combusted better than the normal hydrogen addition ratio.
第4の発明によれば、内燃機関に供給される水素の添加割合が大きくされた状況下で通常運転を行った場合に、点火時期を早めることができる。点火時期を早めると、MBTに近づく。点火時期をMBTに近づけると、既燃ガスのする仕事量が増大する、つまり排気損失が低下するので、排気温度が下がる特性がある。よって、通常運転において点火時期を進角することにより、排気温度を低下させることができる。その結果、脱水素触媒の温度をより迅速に降下させることができる。この場合、ノック防止効果を有する水素の添加割合が大きくされていることにより、水素を添加しない場合や水素の添加割合が小さい場合と比べてノッキングが起きにくいので、点火時期の進角が可能となる。 According to the fourth aspect of the invention, the ignition timing can be advanced when the normal operation is performed under the condition that the addition ratio of hydrogen supplied to the internal combustion engine is increased. If the ignition timing is advanced, it approaches MBT. When the ignition timing is brought close to MBT, the work amount of the burned gas increases, that is, exhaust loss decreases, so that the exhaust temperature decreases. Therefore, the exhaust gas temperature can be lowered by advancing the ignition timing in normal operation. As a result, the temperature of the dehydrogenation catalyst can be lowered more rapidly. In this case, since the addition ratio of hydrogen having an anti-knock effect is increased, knocking is less likely to occur than when hydrogen is not added or when the hydrogen addition ratio is small, and the ignition timing can be advanced. Become.
第5の発明によれば、脱水素触媒の温度が何らかの理由で過度の高温になっている場合に、脱水素触媒への水素化燃料の供給を禁止することができる。これにより、脱水素触媒が過度の高温になっている場合であっても、コーキング等の触媒劣化の発生を防止することができる。 According to the fifth invention, when the temperature of the dehydrogenation catalyst is excessively high for some reason, the supply of hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst can be prohibited. Thereby, even when the dehydrogenation catalyst is at an excessively high temperature, the occurrence of catalyst deterioration such as coking can be prevented.
第6の発明によれば、脱水素触媒への水素化燃料の供給を禁止されたことによって水素の生成が停止した状況下で、水素を消費することを回避することができる。よって、貯蔵量の比較的少ない水素が無くなってしまうのを防止することができる。 According to the sixth aspect of the present invention, it is possible to avoid consuming hydrogen in a situation where the production of hydrogen is stopped by prohibiting the supply of hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst. Therefore, it can be prevented that hydrogen with a relatively small storage amount is lost.
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のシステム構成を説明するための図である。図1に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関10を備えている。内燃機関10には、吸気通路12および排気通路14が連通している。また、内燃機関10には、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ13が設けられている。
Embodiment 1 FIG.
[Description of system configuration]
FIG. 1 is a diagram for explaining a system configuration according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the system of the present embodiment includes an
吸気通路12には、内燃機関10に流入する吸入空気量を検出するためのエアフロメータ15が配置されている。エアフロメータ15の下流には、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、水素インジェクタ18が配置されている。水素インジェクタ18の下流には、ガソリンインジェクタ20が配置されている。
An
水素インジェクタ18には、後述するように、所定の圧力で水素リッチガスが供給されている。水素インジェクタ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、その開弁の時間に応じた量の水素リッチガスを吸気通路12の内部に噴射することができる。図1に示すシステムでは、水素インジェクタ18を吸気通路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、水素インジェクタ18は、筒内に水素を噴射できるように内燃機関10の本体に組み込んでも良い。
A hydrogen rich gas is supplied to the
ガソリンインジェクタ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。ガソリンインジェクタ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、その開弁の時間に応じた量のガソリンを吸気通路12内に噴射することができる。図1に示すシステムでは、ガソリンインジェクタ20を吸気通路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、ガソリンインジェクタ20は、筒内にガソリンを噴射できるように内燃機関10の本体に組み込んでも良い。
As will be described later, gasoline is supplied to the gasoline injector 20 at a predetermined pressure. The gasoline injector 20 opens a valve in response to a drive signal supplied from the outside, and can inject an amount of gasoline into the
排気通路14の途中には、脱水素反応器22が配置されている。脱水素反応器22内には、脱水素触媒21が設置されている。この脱水素触媒21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、水素とガソリンとに分離させるものである。脱水素触媒21は、脱水素反応器22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21の近傍には、脱水素触媒21の温度を検出する温度センサ23が設置されている。
A
排気通路14を通る排気ガスは、脱水素反応器22内を通過するとき、脱水素触媒21を収納するケーシングの外側を流れる。これにより、排気ガスの熱で、脱水素触媒21を、脱水素反応が可能な温度(例えば300℃以上)に加熱することができる。また、排気ガスと脱水素触媒21とが直接に接触することはない。
When the exhaust gas passing through the
本実施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(HC)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、例えば次のようにして生成することができる。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と、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。 The hydrogenated gasoline in the present embodiment contains a large amount of organic hydride as compared with general gasoline. Here, the “organic hydride” is a hydrocarbon (HC) component that causes a dehydrogenation reaction at a temperature of about 300 ° C., and specifically, decalin and cyclohexane correspond to this. Hydrogenated gasoline can be produced, for example, as follows. Ordinary gasoline (LFT-1C) contains about 40% of toluene. When toluene is hydrogenated, methylcyclohexane (C 7 H 14 ), which is an organic hydride, can be produced. That is, hydrogenation gasoline containing about 40% of methylcyclohexane can be generated by hydrogenating toluene contained in ordinary gasoline as a raw material.
このような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。このような脱水素反応は、吸熱反応である。このように、本実施形態における「ガソリン」とは、水素化ガソリンの脱水素反応によって生成された脱水素燃料に相当するものである。 When such hydrogenated gasoline is dehydrogenated, hydrogen-rich gas and normal gasoline are produced. Such a dehydrogenation reaction is an endothermic reaction. Thus, “gasoline” in the present embodiment corresponds to dehydrogenated fuel produced by the dehydrogenation reaction of hydrogenated gasoline.
尚、本実施形態では、水素化燃料および脱水素燃料が、それぞれ、水素化ガソリンおよびガソリンであるものとして説明するが、本発明における水素化燃料、脱水素燃料はこれに限定されるものではない。すなわち、水素化燃料は、ガソリンを水素化することによって製造されたものに限らず、他種の燃料を水素化することによって製造されたものであってもよい。 In the present embodiment, the hydrogenated fuel and the dehydrogenated fuel are described as hydrogenated gasoline and gasoline, respectively. However, the hydrogenated fuel and the dehydrogenated fuel in the present invention are not limited thereto. . That is, the hydrogenated fuel is not limited to one produced by hydrogenating gasoline, but may be one produced by hydrogenating another type of fuel.
脱水素触媒21の上部には、水素化ガソリンインジェクタ24が組み付けられている。水素化ガソリンインジェクタ24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、その開弁の時間に応じた量の水素化ガソリンを脱水素触媒21に供給することができる。脱水素触媒21に供給された水素化ガソリンは、前述したように、脱水素反応し、水素リッチガスとガソリンとに分離される。脱水素反応器22の下流には、排気ガスを浄化するための触媒30が配置されている。
A
本実施形態のシステムは、水素化ガソリンを貯留する水素化ガソリンタンク32を備えている。この水素化ガソリンタンク32には、前述したような水素化ガソリンが給油される。水素化ガソリンタンク32には、水素化ガソリン供給管34が連通している。水素化ガソリン供給管34は、その途中にポンプ36を備え、その端部において水素化ガソリンインジェクタ24に連通している。水素化ガソリンタンク32内の水素化ガソリンは、内燃機関の運転中に、ポンプ36により汲み上げられて、所定の圧力で水素化ガソリンインジェクタ24に供給される。
The system of this embodiment includes a
水素化ガソリンインジェクタ24は、脱水素反応器22内の高温に直接晒されるのを避けるべく、脱水素反応器22の上方空間に主要部分が突出するように組み付けられている。このため、本実施形態のシステムによれば、水素化ガソリンインジェクタ24の温度が、不当に高温となることはない。
The
脱水素触媒21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21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。
One end of a
分離装置40は、脱水素触媒21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、効率良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。
The
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。
A liquid storage space for storing gasoline liquefied by being cooled is provided at the bottom of the
ガソリン管路42は、ガソリンバッファタンク48に連通している。図1には、水素化ガソリンタンク32とガソリンバッファタンク48とが離れた位置に配置された構成が示されているが、その構成はこれに限定されるものではない。すなわち、それらは、単一の筐体に収めることとしてもよい。
The
ガソリンバッファタンク48には、ガソリン供給管60が連通している。ガソリン供給管60は、その途中にポンプ62を備え、その端部においてガソリンインジェクタ20に連通している。ガソリンバッファタンク48内のガソリンは、内燃機関10の運転中に、ポンプ62により汲み上げられて、所定の圧力でガソリンインジェクタ20に供給される。
A
水素管路44は、水素バッファタンク64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バッファタンク64に圧送するためのポンプ66と、ポンプ66の吐出側圧力が過大となるのを防ぐためのリリーフ弁68が組み込まれている。ポンプ66およびリリーフ弁68によれば、水素バッファタンク64内に、その内圧が過剰とならない範囲で水素リッチガスを送り込むことができる。
The
水素バッファタンク64には、水素供給管71が連通している。水素供給管71は、その途中にレギュレータ73を備え、その端部において水素インジェクタ18に連通している。このような構成によれば、水素インジェクタ18には、水素バッファタンク64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73により調整される圧力により水素リッチガスが供給される。
A
また、本実施形態のシステムは、アクセル開度センサ76と、クランク角センサ78とを備えている。アクセル開度センサ76は、アクセルペダルの踏み込み量を検出するセンサである。クランク角センサ78は、内燃機関10のクランク軸が所定回転角だけ回転する毎に、Hi出力とLo出力とを反転させるセンサである。クランク角センサ78の出力によれば、クランク軸の回転位置や回転速度、更には、機関回転数などを検知することができる。
The system of this embodiment includes an accelerator opening sensor 76 and a crank angle sensor 78. The accelerator opening sensor 76 is a sensor that detects the amount of depression of the accelerator pedal. The crank angle sensor 78 is a sensor that reverses the Hi output and the Lo output each time the crankshaft of the
更に、本実施形態のシステムは、ECU(Electronic Control Unit)80を備えている。ECU80には、上述したエアフロメータ15、温度センサ23、アクセル開度センサ76、クランク角センサ78などの各種センサが接続されている。また、ECU80には、点火プラグ13、スロットルバルブ16、インジェクタ18,20,24、ポンプ36,62,66などの機器が接続されている。ECU80は、それらのセンサ出力を基礎として所定の処理を行うことにより、上述した各種の機器の駆動することができる。
Furthermore, the system of this embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 80. The
[実施の形態1の動作の概要]
ECU80は、内燃機関10が始動すると、その運転状態に基づいて、予め定められている規則に従って、内燃機関10に供給するべき水素リッチガスの目標値、およびガソリンの目標値を算出し始める。そして、内燃機関10の運転中は、それらの目標値が実現されるように、水素インジェクタ18およびガソリンインジェクタ20を駆動する。その結果、水素バッファタンク64に貯留されている水素リッチガス、およびガソリンバッファタンク48に貯留されているガソリンが、それぞれ適当に吸気通路12に噴射される。
[Outline of Operation of Embodiment 1]
When the
内燃機関10に対して水素とガソリンを同時に供給することとすると、水素のみが燃料とされる場合に比して大幅に大きな出力を得ることができる。また、ガソリンのみが燃料とされる場合に比べると、安定した燃焼を確保しうる空気過剰率の限界が大幅に上昇して、燃費特性およびエミッション特性を著しく改善することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃費特性、出力特性、およびエミッション特性の良好な内燃機関10を実現することができる。
If hydrogen and gasoline are supplied to the
本実施形態のシステムでは、脱水素反応器22内の脱水素触媒21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とに分離し得る状態となる。ECU80は、内燃機関10の始動後、温度センサ23の出力に基づいて、脱水素反応器22がその分離処理を実行し得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、水素化ガソリンインジェクタ24に水素化ガソリンを噴射させ始める。
In the system of this embodiment, when the temperature of the
水素化ガソリンインジェクタ24からの水素化ガソリンの噴射量は、水素インジェクタ18からの水素噴射量およびガソリンインジェクタ20からのガソリン噴射量等に基づいて、予め定められている規則に従い、ECU80により算出される。
The injection amount of hydrogenated gasoline from the
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22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バッファタンク48および水素バッファタンク64に供給される。
When injection of hydrogenated gasoline is started in this way, high-temperature gas in which hydrogen-rich gas and gasoline are mixed begins to flow out from the bottom of the
既述したように、脱水素触媒21は排気ガスの熱で加熱されている。このため、排気温度の高い運転状態が続いたような場合には、脱水素触媒21の温度が必要以上に高くなることがある。脱水素触媒21の温度がそのまま上昇し続けて、脱水素触媒21が過度に高温になると、触媒を構成する貴金属のシンタリング(凝集)を生じたり、水素化ガソリン中の炭素が遊離して触媒表面を覆うコーキングを生じたりすることにより、脱水素触媒21の機能低下を招来し易くなる。よって、脱水素触媒21の温度が過度に高くなりそうな場合には、脱水素触媒21を冷却する必要がある。
As described above, the
本実施形態では、水素化ガソリンの脱水素反応による吸熱を積極的に利用して、脱水素触媒21を冷却することとした。より具体的には、脱水素触媒21を冷却する必要がある場合には、脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給量を増量することとした。脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給量を増量することにより、吸熱反応である脱水素反応がより多量に起こるので、脱水素触媒21での吸熱量が多くなる。その結果、脱水素触媒21の温度を降下させることができる。
In the present embodiment, the
このようにして脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給量を増量した場合には、水素およびガソリンの生成量も増大する。既述したように、生成されたガソリンは、液体となって貯留されるので、嵩張らない。このため、ガソリンの生成量が増えても、ガソリンバッファタンク48が短時間に満杯になるようなことにはなりにくい。これに対し、水素は、気体の状態で貯留されるので、嵩張る。このため、水素の生成量が増大すると、水素バッファタンク64が比較的早期に満杯になり易い。そこで、本実施形態では、脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給量を増量した場合には、通常より多量に生成される水素を消費するべく、内燃機関10に供給される燃料中の水素の添加割合を大きくするようにした。これにより、水素バッファタンク64が満杯になるのを有効に抑制することができる。
Thus, when the supply amount of hydrogenated gasoline to the
更に、本実施形態では、内燃機関10に供給される燃料中の水素の添加割合を大きくした場合には、脱水素触媒21の温度をより迅速に降下させるべく、排気温度が低下するように内燃機関10の運転条件を変更することとした。より具体的には、リーンバーン運転を行う場合には、混合気が更にリーンになるようにし、ストイキまたはリッチな混合気の燃焼による通常運転を行う場合には、点火時期を早めるようにする。以下、この点について、リーンバーン運転の場合と、通常運転の場合とに分けて、順次詳しく説明する。
Further, in the present embodiment, when the hydrogen addition ratio in the fuel supplied to the
リーンバーン運転においては、混合気がリーンになるほど、排気温度が下がるという特性がある。よって、リーンバーン運転において混合気を更にリーンにすることにより、排気温度が低下するので、脱水素触媒21の温度をより迅速に降下させることができる。尚、この場合に混合気を更にリーンにすることができる理由は、燃焼促進効果を有する水素の添加割合を大きくしたことにより、通常の水素添加割合のときよりも更にリーンな混合気でも良好に燃焼させることができるからである。
In lean burn operation, the exhaust gas temperature decreases as the air-fuel mixture becomes leaner. Therefore, since the exhaust gas temperature is lowered by making the air-fuel mixture further lean in the lean burn operation, the temperature of the
通常運転においては、一般に、点火時期を早めると、MBT(Minimum advance for the Best Torque)に近づく。点火時期をMBTに近づけると、既燃ガスのする仕事量が増大する、つまり排気損失が低下するので、排気温度が下がるという特性がある。よって、通常運転において点火時期を進角することにより、排気温度が低下するので、脱水素触媒21の温度をより迅速に降下させることができる。尚、この場合に点火時期を進角することができる理由は、ノック防止効果を有する水素の添加割合を大きくしたことにより、水素を添加しない場合や水素の添加割合が小さい場合と比べて、点火時期を早めてもノッキングが起きにくいからである。
In normal operation, generally, when the ignition timing is advanced, it approaches MBT (Minimum advance for the Best Torque). When the ignition timing is brought close to MBT, the work amount of burned gas increases, that is, exhaust loss decreases, so that the exhaust temperature decreases. Accordingly, the exhaust gas temperature is lowered by advancing the ignition timing in the normal operation, so that the temperature of the
また、本実施形態では、脱水素触媒21の温度が何らかの理由で過度の高温になっている場合には、コーキングの発生を防止するべく、脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給を禁止するようにした。更に、脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給を禁止した場合には、水素の生成が停止するので、貯留された水素を温存するべく、ガソリンのみを内燃機関10に供給してストイキ燃焼をすることとした。
In the present embodiment, when the temperature of the
[実施の形態1における具体的処理]
図2は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU80が実行するルーチンのフローチャートである。図2に示すルーチンでは、まず、脱水素触媒21の温度が第1の判定値を超えているか否かが判別される(ステップ100)。この第1の判定値は、脱水素触媒21の温度を降下させ始める必要があるか否かを判定するための温度である。より具体的には、第1の判定値は、脱水素触媒21の温度がこの第1の判定値以下であればシンタリングやコーキング等の脱水素触媒21の劣化が生じるおそれはなく、かつ、この第1の判定値を超えて脱水素触媒21の温度が更に上昇し続けると脱水素触媒21の劣化につながるおそれがある、というような温度とされる。本実施形態では、第1の判定値は、具体的には500℃とされる。
[Specific Processing in Embodiment 1]
FIG. 2 is a flowchart of a routine executed by the
上記ステップ100において脱水素触媒21の温度が500℃以下であることが認められた場合には、脱水素触媒21の温度を降下させる必要はまだないと判断できる。そこで、この場合には、通常通りの量の水素化ガソリンを脱水素触媒21へ供給する(ステップ102)。この場合の水素化ガソリンの供給量は、内燃機関10への水素およびガソリンの供給量等に基づいて、所定の規則に従い、ECU80により算出される。
If it is determined in
上記ステップ102において通常通りの量の水素化ガソリンを脱水素触媒21へ供給している場合は、ECU80は、リーンバーン運転が可能なリーンバーン条件が成立しているか否かを判定する。このリーンバーン条件の成立の判定は、アクセル開度や機関回転数などに基づいて、公知の手法により行うことができる。そして、リーンバーン条件の成立が認められた場合には、所定の規則により演算された量の水素およびガソリンを内燃機関10に供給する。これにより、リーンバーン運転が行われる。また、リーンバーン条件の不成立が認められた場合には、ストイキまたはリッチな混合気が形成されるように、水素およびガソリン、あるいはガソリンのみを内燃機関10に供給する。これにより、ストイキまたはリッチな混合気の燃焼による通常運転が行われる。
When the normal amount of hydrogenated gasoline is supplied to the
一方、上記ステップ100において脱水素触媒21の温度が500℃を超えていることが認められた場合には、脱水素触媒21の劣化を回避するために、脱水素触媒21の温度を降下させ始める必要があると判断できる。しかしながら、何らかの原因によって、脱水素触媒21の温度が、水素化ガソリンを供給するとコーキングを生じてしまうほどの高温になっている場合には、水素化ガソリンの供給を避ける必要がある。そこで、脱水素触媒21の温度が500℃を超えていることが認められた場合には、次に、脱水素触媒21の温度が第2の判定値を超えているか否かが判別される(ステップ104)。この第2の判定値は、前記第1の判定値より大きい値であり、脱水素触媒21の劣化を防止するためには水素化ガソリンの供給を避けなければならないような温度である。より具体的には、第2の判定値は、水素化ガソリンを脱水素触媒21に供給すると、コーキング等の劣化が生じるおそれのあるような温度とされる。本実施形態では、第2の判定値は、具体的には650℃とされる。
On the other hand, if it is found in
上記ステップ104において脱水素触媒21の温度が650℃を超えていることが認められた場合には、脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給が禁止される(ステップ106)。これにより、脱水素触媒21の温度が何らかの理由によって650℃を超えていた場合であっても、コーキングの発生を回避することができる。
When it is determined in
このようにして脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給が禁止された場合には、ストイキの混合気が形成される量のガソリンのみが内燃機関10へ供給される。すなわち、ガソリンのみのストイキ燃焼による運転が行われる(ステップ108)。つまり、内燃機関10への水素の供給が禁止される。これにより、脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給が禁止されたことにより水素およびガソリンの生成が停止している状況下で、ガソリンに比して貯蔵量の少ない水素がなくなってしまうのを防止することができる。
In this way, when the supply of hydrogenated gasoline to the
上記ステップ104において脱水素触媒21の温度が650℃以下であることが認められた場合には、脱水素触媒21の温度は、500℃より大きく650℃以下であることになる。この場合には、脱水素触媒21の温度を降下させ始める必要があり、かつ、水素化ガソリンを脱水素触媒21に供給してもコーキング等の劣化が生じるおそれはないと判断できる。そこで、脱水素触媒21を冷却するべく、脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給量を増量する(ステップ110)。すなわち、上記ステップ102の処理において供給する量よりも多い量の水素化ガソリンを脱水素触媒21に供給する。これにより、脱水素触媒21において、吸熱反応である水素化ガソリンの脱水素反応がより多量に行われるので、脱水素触媒21の温度が降下していく。
When it is recognized in
上記ステップ110の処理に続き、リーンバーン条件が成立しているか否かが判定される(ステップ112)。このリーンバーン条件の成否は、上記ステップ102の処理で説明したのと同様に、アクセル開度や機関回転数などに基づき、公知の手法により判定することができる。
Following the processing of
上記ステップ112においてリーンバーン条件の成立が認められた場合には、リーンバーン運転が実行される(ステップ114)。ここでのリーンバーン運転は、上記ステップ102の処理を経た場合、すなわち脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給量が増量されていない場合のリーンバーン運転と比べて、次の二点で運転条件が異なるものとされる。一点目は、水素化ガソリンの供給量が増量されていない場合よりも、内燃機関10に供給される燃料中の水素の添加割合が大きくされることである。これにより、水素の消費量が増大するので、水素化ガソリン供給量の増大によって水素生成量が増大している状況下であっても、水素バッファタンク64が満杯になるのを有効に抑制することができる。二点目は、水素化ガソリンの供給量が増量されていない場合よりも、混合気が更にリーンになるように、水素噴射量、ガソリン噴射量、吸入空気量等が設定されることである。燃焼性の高い水素の添加量増大によって希薄燃焼限界が広がるので、上記のように通常よりも希薄な混合気での燃焼が可能となる。このようにして混合気を更にリーンにすることにより、排気温度が低下する。このため、脱水素触媒21の温度を更に迅速に降下させることができる。
If the lean burn condition is confirmed in
一方、上記ステップ112においてリーンバーン条件の不成立が認められた場合には、リーンバーン運転を行うことができないと判断できるので、ストイキまたはリッチな混合気の燃焼による通常運転が実行される(ステップ116)。ここでの通常運転は、上記ステップ102の処理を経た場合、すなわち脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給量が増量されていない場合の通常運転と比べて、次の二点で運転条件が異なるものとされる。一点目は、水素化ガソリンの供給量が増量されていない場合よりも、内燃機関10に供給される燃料中の水素の添加割合が大きくされることである。これにより、水素の消費量が増大するので、水素化ガソリン供給量の増大によって水素生成量が増大している状況下であっても、水素バッファタンク64が満杯になるのを有効に抑制することができる。二点目は、水素化ガソリンの供給量が増量されていない場合よりも、点火時期を早める(進角する)ことである。ノック防止効果の高い水素の添加量増大によって、このような点火時期の進角が可能となる。点火時期を進角すると、MBTに近づくので、排気損失が低下する結果、排気温度が下がる。このため、脱水素触媒21の温度を更に迅速に降下させることができる。
On the other hand, if the lean burn condition is not established in
上記ステップ110〜116の処理からなる触媒降温制御を開始した場合、ECU80は、触媒降温制御の終了条件の成立を監視している(ステップ118)。そして、この終了条件が成立するまで、ステップ110〜116の処理が繰り返し行われる。触媒降温制御の終了条件としては、例えば、脱水素触媒21の温度が所定温度(例えば400℃)まで降下したこと、あるいは、触媒降温制御を開始してから所定時間が経過したこと、などの条件を設定することができる。
When the catalyst temperature decrease control including the processing of
ところで、上述した実施の形態1では、脱水素触媒21への水素化ガソリンの供給量を増量した場合には、内燃機関10に供給される燃料中の水素の添加割合を大きくすることとしているが、水素の貯蔵スペースが十分にある場合などには、水素の消費量を増やさなくてもよいので、水素の添加割合を通常と同じままにすることとしてもよい。
By the way, in the first embodiment described above, when the supply amount of hydrogenated gasoline to the
尚、上述した実施の形態1においては、温度センサ23が前記第1の発明における「温度検出手段」に相当している。また、ECU80が、上記ステップ100および110の処理を実行することにより前記第1の発明における「増量手段」が実現されている。
In the first embodiment described above, the
また、上述した実施の形態1においては、水素インジェクタ18およびガソリンインジェクタ20が前記第2の発明における「供給手段」に相当している。また、ECU80が、上記ステップ114または116の処理を実行することにより前記第2の発明における「水素割合増大手段」が実現されている。
In the first embodiment described above, the
また、上述した実施の形態1においては、ECU80が、リーンバーン条件の成立時にリーンバーン運転を実行することにより前記第3の発明における「リーンバーン運転手段」が、上記ステップ114の処理を実行することにより前記第3の発明における「混合気を更にリーンにする手段」が、それぞれ実現されている。
Further, in the first embodiment described above, the
また、上述した実施の形態1においては、ECU80が、リーンバーン条件の不成立時にストイキまたはリッチな混合気の燃焼による通常運転を実行することにより前記第4の発明における「通常運転手段」が、上記ステップ116の処理を実行することにより前記第4の発明における「点火時期進角手段」が、それぞれ実現されている。
Further, in the first embodiment described above, the
また、上述した実施の形態1においては、ECU80が、上記ステップ104および106の処理を実行することにより前記第5および第6の発明における「禁止手段」が、上記ステップ108の処理を実行することにより前記第6の発明における「水素供給禁止手段」が、それぞれ実現されている。
In the first embodiment described above, the
10 内燃機関
12 吸気通路
13 点火プラグ
14 排気通路
15 エアフロメータ
16 スロットルバルブ
18 水素インジェクタ
20 ガソリンインジェクタ
21 脱水素触媒
22 脱水素反応器
23 温度センサ
24 水素化ガソリンインジェクタ
32 水素化ガソリンタンク
36 ポンプ
40 分離装置
48 ガソリンバッファタンク
62 ポンプ
64 水素バッファタンク
66 ポンプ
73 レギュレータ
80 ECU
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記脱水素触媒の温度を検出する温度検出手段と、
前記脱水素触媒の温度が第1の判定値を超える場合には、前記脱水素触媒の温度が前記第1の判定値以下の場合よりも、前記脱水素触媒への水素化燃料の供給量を増量する増量手段と、
を備えることを特徴とする水素利用内燃機関。 A dehydrogenation catalyst which is provided to be heated by the heat of exhaust gas of an internal combustion engine and separates hydrogenated fuel containing organic hydride into hydrogen and dehydrogenated fuel;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the dehydrogenation catalyst;
When the temperature of the dehydrogenation catalyst exceeds the first determination value, the supply amount of the hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst is made larger than when the temperature of the dehydrogenation catalyst is equal to or lower than the first determination value. An increasing means for increasing the amount;
An internal combustion engine using hydrogen.
前記増量手段により前記脱水素触媒への水素化燃料の供給量が増量されている場合には、水素化燃料の供給量が増量されていない場合よりも、前記内燃機関に供給される水素の添加割合を大きくする水素割合増大手段と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の水素利用内燃機関。 Supply means for supplying hydrogen and dehydrogenated fuel separated by the dehydrogenation catalyst to the internal combustion engine;
When the supply amount of hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst is increased by the increasing means, the addition of hydrogen supplied to the internal combustion engine is greater than when the supply amount of hydrogenated fuel is not increased. Means for increasing the proportion of hydrogen to increase the proportion;
The hydrogen-utilized internal combustion engine according to claim 1, comprising:
前記リーンバーン運転時に、前記水素割合増大手段により前記内燃機関に供給される水素の添加割合が大きくされている場合には、水素の添加割合が大きくされていない場合よりも混合気を更にリーンにする手段と、
を備えることを特徴とする請求項2記載の水素利用内燃機関。 Lean-burn operation means for lean-burning the internal combustion engine when a lean-burn condition is established;
In the lean burn operation, when the addition ratio of hydrogen supplied to the internal combustion engine is increased by the hydrogen ratio increasing means, the air-fuel mixture is made leaner than when the addition ratio of hydrogen is not increased. Means to
The internal combustion engine using hydrogen according to claim 2, comprising:
前記通常運転時に、前記水素割合増大手段により前記内燃機関に供給される水素の添加割合が大きくされている場合には、水素の添加割合が大きくされていない場合よりも点火時期を進角する点火時期進角手段と、
を備えることを特徴とする請求項2または3記載の水素利用内燃機関。 Normal operating means for normally operating the internal combustion engine with stoichiometric or rich air-fuel mixture when lean burn conditions are not established;
Ignition that advances the ignition timing when the hydrogen addition ratio supplied to the internal combustion engine is increased by the hydrogen ratio increasing means during the normal operation than when the hydrogen addition ratio is not increased. Timing advance means,
The hydrogen-utilizing internal combustion engine according to claim 2 or 3, characterized by comprising:
前記禁止手段により前記脱水素触媒への水素化燃料の供給が禁止された場合に、前記内燃機関への水素の供給を禁止する水素供給禁止手段と、
を備えることを特徴とする請求項2乃至4の何れか1項記載の水素利用内燃機関。 Prohibiting means for prohibiting the supply of hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst when the temperature of the dehydrogenation catalyst exceeds a second determination value greater than the first determination value;
Hydrogen supply prohibiting means for prohibiting supply of hydrogen to the internal combustion engine when supply of hydrogenated fuel to the dehydrogenation catalyst is prohibited by the prohibiting means;
5. The hydrogen-utilizing internal combustion engine according to claim 2, comprising:
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