JP2005299500A - 水素利用内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気ガスのエネルギーを用いて脱水素化反応を起こす場合に、反応効率を向上させて水素の生成量を増大させる。
【解決手段】 有機ハイドライド含有燃料を触媒７２に供給する水素化ガソリンインジェクタ２４と、触媒７２上での脱水素反応により有機ハイドライド含有燃料から取り出された水素を内燃機関１０に供給する水素供給用インジェクタ１８と、を備え、内燃機関１０は複数の気筒を有し、各気筒毎又は気筒群毎に設けられた複数の排気通路１４ａ〜１４ｄ内に、当該排気通路１４ａ〜１４ｄを流れる排気ガスとの接触を遮断した状態で複数の触媒７２のそれぞれを内蔵した。
【選択図】 図４

Description

この発明は、水素利用内燃機関に関する。

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。

上記公報に開示されるシステムは、水素エンジンの作動中に、その作動に伴って発生する熱を利用して、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。より具体的には、水素化燃料を触媒上に噴射し、触媒上で脱水素化反応を起こさせて水素を取り出している。この際、水素を効率良く取り出すために、触媒をエンジンの廃熱を用いて加熱している。

特開２００３−３４３３６０号公報 特開２００２−２５５５０３号公報 特開平６−２６１５号公報

エンジンの廃熱を用いて触媒を加熱する方法として、エンジンの排気ガスのエネルギーを用いて触媒を加熱することが考えられる。しかしながら、排気ガスのエネルギーを用いて触媒を加熱して水素を取り出す場合に、排気熱を有効に利用できないとエンジンが要求する水素量に対して取り出した水素量が不足してしまう場合がある。

また、脱水素化反応は吸熱反応であるため、反応に伴う吸熱によって触媒の温度が低下し、反応性が低下してしまう虞も生じる。

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、排気ガスのエネルギーを用いて脱水素化反応を起こす場合に、反応効率を向上させて水素の生成量を増大させ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、有機ハイドライド含有燃料を触媒に供給する燃料供給手段と、前記触媒上での脱水素反応により前記有機ハイドライド含有燃料から取り出された水素を内燃機関に供給する水素供給手段と、を備え、前記内燃機関は複数の気筒を有し、各気筒毎又は気筒群毎に設けられた複数の排気通路内に、当該排気通路を流れる排気ガスとの接触を遮断した状態で複数の前記触媒のそれぞれを内蔵したことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記内燃機関が必要とする水素量を取得する水素量取得手段と、前記水素量が所定のしきい値以下の場合は、前記複数の触媒のうちの一部の触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止する燃料供給停止手段と、有機ハイドライド含有燃料の供給が停止された触媒が内蔵された排気通路を流れる排気ガスを、有機ハイドライド含有燃料の供給が停止されていない触媒が内蔵された排気通路へ供給する排気ガス供給制御手段と、を更に備えたことを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記触媒の温度を検出する温度検出手段を更に備え、有機ハイドライド含有燃料が供給されている前記触媒の温度が所定のしきい値以下となった場合は、当該触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止し、供給が停止されていた前記触媒へ有機ハイドライド含有燃料を供給することを特徴とする。

第４の発明は、第２の発明において、所定の時間が経過した場合に、有機ハイドライド含有燃料が供給されている前記触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止し、供給が停止されていた前記触媒へ有機ハイドライド含有燃料を供給することを特徴とする。

第１の発明によれば、複数の排気通路内のそれぞれに複数の触媒を内蔵したため、各触媒において脱水素反応を生じさせることができる。従って、水素の生成量を増大させることができる。

第２の発明によれば、有機ハイドライド含有燃料の供給が停止された触媒が内蔵された排気通路を流れる排気ガスを、有機ハイドライド含有燃料の供給が停止されていない触媒が内蔵された排気通路へ供給するようにしたため、有機ハイドライド含有燃料が供給されて脱水素反応が生じている触媒の温度を高めることができる。これにより、脱水素反応の効率を向上させることができ、水素への転換割合を大きくして水素の生成量を増大させることが可能となる。

第３の発明によれば、有機ハイドライド含有燃料が供給されている前記触媒の温度が所定のしきい値以下となった場合は、当該触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止し、供給が停止されていた触媒へ有機ハイドライド含有燃料を供給するようにしたため、脱水素反応の吸熱作用に起因して温度が低下した触媒に有機ハイドライド含有燃料が供給されてしまうことを抑止できる。従って、脱水素反応の効率を高めることが可能となる。

第４の発明によれば、所定の時間が経過した場合に、有機ハイドライド含有燃料が供給されている触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止し、供給が停止されていた触媒へ有機ハイドライド含有燃料を供給するようにしたため、脱水素反応の吸熱作用に起因して温度が低下した触媒に有機ハイドライド含有燃料が供給されてしまうことを抑止できる。従って、脱水素反応の効率を高めることが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施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。

図１は、本発明の各実施形態に係る内燃機関システムの構成を説明するための図である。このシステムは、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が組み込まれている。スロットルバルブ１６の下流には、水素供給用インジェクタ１８が配置されている。また、内燃機関１０の吸気ポートには、ガソリン供給用インジェクタ２０が配置されている。

水素供給用インジェクタ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。水素供給用インジェクタ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管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、水素供給用インジェクタ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、水素供給用インジェクタ１８は、筒内に水素が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。

ガソリン供給用インジェクタ２０には、後述するように、所定の圧力でガソリンが供給されている。ガソリン供給用インジェクタ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ポート内に噴射することができる。

排気管１４には、脱水素反応器２２が装着されている。また、脱水素反応器２２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反応器２２の内部に供給することができる。ここで、内燃機関１０が必要とする水素量は、内燃機関１０の運転状態に応じて変動する。ＥＣＵ８０は、内燃機関１０が必要とする水素量と、運転状態（機関回転数、負荷（スロットル開度））との関係を定めたマップを記憶しており、このマップから必要水素量を求め、水素化ガソリンインジェクタ２４の開弁・閉弁状態を制御する。また、脱水素反応器２２は、排気管１４から放射される排気熱を利用して、上記の如く供給される水素化ガソリンを水素リッチガスと脱水素化ガソリンとに分離し、それらを流出させる機能を有している。

排気管１４には、脱水素反応器２２の上流において、排気温度センサ２５が組み込まれている。また、排気管１４には、脱水素反応器２２の下流において、Ｏ_２センサ２６およびＮＯxセンサ２８が組み込まれている。Ｏ_２センサ２６は、排気ガス中の酸素の有無を基礎として、排気空燃比に応じた出力を発するセンサである。また、ＮＯxセンサ２８は、排気ガス中のＮＯx濃度に応じた出力を発するセンサである。これらのセンサ２６，２８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。

本実施形態のシステムは、水素化ガソリンタンク３２を備えている。水素化ガソリンタンク３２の中には、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水素化ガソリンが貯留される。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。

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（Ｃ_７Ｈ_１４）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。本実施形態では、便宜上、水素化ガソリンタンク３２には、このような組成を有する水素化ガソリンが給油されるものとする。

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。

水素化ガソリンインジェクタ２４は、上述した通り、脱水素反応器２２の上部に組み付けられている。脱水素反応器２２は、排気熱を利用して水素化ガソリンを処理するための装置である。このため、内燃機関の運転中は、脱水素反応器２２の内部は、３００℃を超える温度に上昇する。

水素化ガソリンインジェクタ２４は、その内部温度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。

尚、図１に示すシステムでは、水素化ガソリンインジェクタ２４を空冷することとしているが、その冷却の手法はこれに限定されるものではない。例えば、内燃機関１０の冷却水を水素化ガソリンインジェクタ２４の周囲に導くための冷却水通路を設けて、水素化ガソリンインジェクタ２４を水冷することとしても良い。

脱水素反応器２２の内部には、反応室が形成されている。水素化ガソリンインジェクタ２４から噴射された燃料は、その反応室の内部で水素リッチガスと脱水素化ガソリンとに分離され、脱水素反応器２２に接続された管路３８に導かれる。脱水素反応器２２には管路３８を介して分離装置４０が連通している。

既述した通り、本実施形態において用いられる水素化ガソリンは、通常のガソリンに含まれているトルエンを、有機ハイドライド化したものである。従って、その水素化ガソリンに脱水素処理を施せば、その結果生成されるのは、水素リッチガスと通常のガソリンである。具体的には、有機ハイドライドであるメチルシクロヘキサンＣ_７Ｈ_１４は、脱水素反応により、下記の通り水素Ｈ_２とトルエンＣ_７Ｈ_８に分離される。
Ｃ_７Ｈ_１４→Ｃ_７Ｈ_８＋３Ｈ_２ ・・・（１）
（１）式で示される脱水素反応は吸熱反応である。

このため、脱水素反応器２２から分離装置４０へは、具体的には、水素リッチガスと、通常のガソリンとの混合物が供給されることになる。

分離装置４０は、脱水素反応器２２から供給される高温の水素リッチガスおよび脱水素化ガソリン（通常のガソリン）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及び脱水素化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脱水素化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。

ガソリンバッファタンク４８には、液量センサ５８が組み付けられている。液量センサ５８は、その内部に貯留されている脱水素化ガソリンの液量に応じた出力を発するセンサである。また、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供給用インジェクタ２０に連通している。ガソリンバッファタンク４８内の脱水素化ガソリンは、内燃機関の運転中に、ポンプ６２により汲み上げられて、所定の圧力でガソリン供給用インジェクタ２０に供給される。

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。

水素バッファタンク６４には、圧力センサ７０が組み付けられている。圧力センサ７０は、水素バッファタンク６４の内圧に応じた出力を発するセンサである。圧力センサ７０の出力によれば、水素バッファタンク６４内に貯留されている水素リッチガスの量を推定することができる。

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供給用インジェクタ１８に連通している。このような構成によれば、水素供給用インジェクタ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。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ８０を備えている。ＥＣＵ８０は、本実施形態のシステムを制御する機能を有している。すなわち、ＥＣＵ８０には、上述したＯ_２センサ２６、ＮＯxセンサ２８、液量センサ５８および圧力センサ７０などの各種センサの出力が供給されている。また、ＥＣＵ８０には、上述したポンプ３６，６２，６６、並びにインジェクタ１８，２０，２４などのアクチュエータが接続されている。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、上述した各種のアクチュエータを適当に駆動することができる。

次に、図２及び図３に基づいて、脱水素反応器２２の構成を詳細に説明する。図２は、脱水素反応器２２の構成を示す断面図である。図２に示すように、脱水素反応を生じさせるための触媒７２はケーシング７４内に設けられ、ケーシング７４は排気ガスの流れ方向にその長手方向を向けた状態で排気管１４内に挿入されている。ケーシング７４の両端部は排気管１４の外に突出しており、上端にはインジェクタ２４が設けられている。また、ケーシング７４が挿入された領域の排気管１４の外周には、断熱材７６が巻き付けられている。

図３は、図２の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面を示す断面図である。図３に示すように、ケーシング７４は排気管１４内の中心に配置されており、ケーシング７４が挿入された領域では、排気管１４内が２層構造とされている。従って、排気管１４内において、ケーシング７４は外側を流れる排気ガスによって囲まれることになり、触媒７２への熱供給を効率良く行うことが可能となる。

これにより、排気熱の利用効率を大幅に高めることができ、触媒７２における脱水素反応を促進することができる。上述したように脱水素反応は吸熱反応であるため、触媒７２の温度が低下すると反応効率が低下してしまうが、本実施形態の構成によれば、内燃機関１０で必要とされる水素量が大量になった場合でも、触媒７２の内部温度の低下を最小限に抑えることが可能となる。これにより、水素を常に安定して生成することができる。また、ケーシング７４が挿入された領域において排気管１４に断熱材７６を巻いているため、排気熱が外部に漏れることを最小限に抑えることができ、排気熱の利用効率をより高めることができる。

また、ケーシング７４の端部を排気管１４の外側に突出させたため、端部にインジェクタ２４を装着するだけで触媒７２に燃料を供給することが可能となる。これにより、触媒７２に燃料を供給するための開口を排気管１４自体に設ける必要がなくなり、簡素な構成で触媒７２に燃料を供給することが可能となる。従って、脱水素反応器２２の生産性を高めることが可能となる。また、脱水素反応器２２を２層構造にしたため、径を縮小することができ、搭載性を高めることが可能となる。

次に、図４に基づいて、内燃機関１０の各気筒と脱水素反応器２２との関係について説明する。本実施形態では、図４に示すように２つの脱水素反応器２２ａ，２２ｂを備えている。それぞれの脱水素反応器２２ａ，２２ｂは管路７８で接続されており、水素化ガソリン供給管３４から供給された水素化ガソリンは、管路７８によって脱水素反応器２２ａ，２２ｂにそれぞれ設けられたインジェクタ２４に分配される。

図４に示すように、本実施形態の内燃機関１０は＃１〜＃４の４つの気筒から構成されている。各気筒には、それぞれ排気管１４ａ〜１４ｄが接続され、各気筒と脱水素反応器２２ａ，２２ｂは排気管１４ａ〜１４ｄによって接続されている。すなわち、＃１気筒は排気管１４ａによって脱水素反応器２２ａと接続され、＃４気筒は排気管１４ｄによって脱水素反応器２２ａと接続されている。また、＃２気筒は排気管１４ｂによって脱水素反応器２２ｂと接続され、＃３気筒は排気管１４ｃによって脱水素反応器２２ｂと接続されている。

このように、本実施形態では、脱水素反応器２２を２つ設けることで、それぞれの脱水素反応器２２ａ，２２ｂで脱水素反応を生じさせ、水素の生成量を増大させるようにしている。

脱水素反応器２２における水素生成量を増大するためには、触媒７２の容積を増大させることも考えられる。しかし、単に触媒７２を大型化するのみでは、インジェクタ２４から噴射した燃料が触媒７２の全域に届かなくなる場合があるため、反応効率を高めることは難しい。本実施形態では、２つの脱水素反応器２２ａ，２２ｂを設けているため、各脱水素反応器２２ａ，２２ｂを比較的小型に構成することができ、双方の脱水素反応器２２ａ，２２ｂ触媒７２のほぼ全域で脱水素反応を生じさせることができる。従って、水素の生成量を大幅に増大することができる。

また、４気筒の内燃機関の場合、＃１−＃３−＃４−＃２の順でクランク角１８０°毎に爆発行程が行われるため、この順に各気筒から排気ガスが排出される。このとき、図４に示すように、脱水素反応器２２ａと＃１，＃４気筒を接続し、脱水素反応器２２ｂと＃２，＃３気筒を接続することで、＃１−＃３−＃４−＃２の順に排出された排気ガスは交互に脱水素反応器２２ａ，２２ｂに送られる。これにより、それぞれの脱水素反応器２２ａ，２２ｂには、クランク角３６０°毎の等間隔で排気ガスが送られることとなり、触媒７２の温度変動を最小限に抑えることができる。また、各爆発行程で排出された排気ガスを交互に脱水素反応器２２ａ，２２ｂへ送ることで、双方の脱水素反応器２２ａ，２２ｂの温度をほぼ均一に維持することが可能となる。これにより、安定して水素を生成することが可能となる。内燃機関が４気筒以外の機関の場合も、各爆発行程で排出された排気ガスをバランス良く複数の脱水素反応器２２に送ることが好適である。

以上説明したように実施の形態１によれば、内燃機関１０から排出された排気ガスを２つの脱水素反応器２２ａ，２２ｂに供給するようにしたため、双方の脱水素反応器２２ａ，２２ｂで水素を生成することが可能となる。これにより、各脱水素反応器２２ａ，２２ｂにおける反応効率を高めることができ、水素の生成量を増大することが可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。図５は実施の形態２の構成を示す模式図であって、図４と同様に内燃機関１０の各気筒と脱水素反応器２２ａ，２２ｂとの関係を示している。実施の形態２においても、実施の形態１と同様に２つの脱水素反応器２２ａ，２２ｂを設けている。

図５に示すように、実施の形態２では排気管１４ｂと排気管１４ｃを切換バルブ８２に導入している。そして、切換バルブ８２と脱水素反応器２２ａを接続する排気管１４ｅ、および切換バルブ８２と脱水素反応器２２ｂを接続する排気管１４ｆをそれぞれ設けている。切換バルブ８２は、排気管１４ｂ，１４ｃから送られた排気ガスを排気管１４ｅまたは排気管１４ｆのいずれか一方に送る機能を有している。

通常の制御では、排気管１４ｂ，１４ｃから送られた排気ガスが排気管１４ｆを経由して脱水素反応器２２ｂに送られるように切換バルブ８２の状態が設定される。一方、脱水素反応器２２ａには、排気管１４ａ，１４ｂから排気ガスが送られる。これにより、実施の形態１と同様に、双方の脱水素反応器２２ａ，２２ｂで水素を生成することができ、水素の生成量を増大することができる。

ところで、実施の形態１で説明したように、内燃機関が必要とする水素量は、機関の運転状態（回転数、負荷）に応じて変動し、インジェクタ２４からの燃料噴射量を制御することで水素の生成量が制御される。これに加えて、実施の形態２では、脱水素反応器２２ａ，２２ｂの一方又は双方で水素を生成することで、水素の生成量を制御することが可能である。

すなわち、実施の形態２では、内燃機関１０が必要とする水素量が少ない場合は、脱水素反応器２２ａのインジェクタ２４のみから燃料を噴射し、脱水素反応器２２ｂのインジェクタ２４からの燃料噴射を停止する。これにより、脱水素反応器２２ａのみで水素を生成することができ、運転状態に応じた必要水素量を内燃機関１０に供給することができる。

脱水素反応器２２ａのみで水素を生成した場合、水素を生成していない脱水素反応器２２ｂに送られる排気熱を有効利用するため、排気管１４ｂ，１４ｃから送られた排気ガスが排気管１４ｅに送られるように切換バルブ８２の状態が設定される。これにより、＃１，＃４気筒の排気と＃２，＃３気筒の排気が融合され、全気筒の排気ガスが脱水素反応器２２ａに送られる。従って、水素の生成に伴う吸熱が生じても、脱水素反応器２２ａの触媒７２の温度を高温に維持することができ、脱水素反応器２２ａにおいて安定して水素を生成することが可能となる。

なお、この場合、例えば排気管１４ｃを流れる排気の一部を脱水素反応器２２ｂへ送り、脱水素反応器２２ｂの触媒７２の温度が低下しないようにしておくことが好適である。これにより、脱水素反応器２２ｂによる水素の生成を再開した際に、反応効率が低下してしまうことを抑止できる。

図６は、実施の形態２の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１では、機関回転数とスロットル開度を取得する。次のステップＳ２では、ステップＳ１で取得した機関回転数とスロットル開度に基づいて、現在の運転状態で必要とされる水素量をマップから算出する。

次のステップＳ３では、ステップＳ２で求めた必要水素量が所定のしきい値以上であるか否かを判定する。ここでは、１つの脱水素反応器２２で生成可能な限界水素量をＡリットル／ｍｉｎとし、必要水素量≧Ａであるか否かを判定する。

ステップＳ３で必要水素量≧Ａの場合は、１つの脱水素反応器２２で生成可能な限界水素量よりも、現在の運転状態で必要とされる水素量が多いため、ステップＳ４へ進み、両方の脱水素反応器２２ａ，２２ｂのインジェクタ２４から水素化ガソリンを噴射し、両方の脱水素反応器２２ａ，２２ｂで水素を生成する。

一方、ステップＳ３で必要水素量＜Ａの場合は、１つの脱水素反応器２２で生成可能な限界水素量よりも必要水素量が少ないため、ステップＳ５へ進み、切換バルブ８２を作動して＃２，＃３気筒の排気ガスを脱水素反応器２２ａへ流す。そして、次のステップＳ６では、脱水素反応器２２ｂのインジェクタ２４からの燃料噴射を停止し、脱水素反応器２２ａのみで水素を生成する。

以上説明したように実施の形態２によれば、必要水素量が少ない運転状態では、一方の脱水素反応器２２ａのみで水素を生成するようにしたため、運転状態に応じた適量の水素を生成することができる。また、切換バルブ８２を作動させることにより、水素を生成していない脱水素反応器２２ｂに供給する排気ガスを、水素を生成している脱水素反応器２２ａに送るようにしたため、水素を生成している脱水素反応器２２ａの触媒７２の温度を常に高温に維持することができる。従って、脱水素反応器２２ａにおいて安定して水素を生成することが可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。図７は実施の形態３の構成を示す模式図であって、図４と同様に内燃機関１０の各気筒と脱水素反応器２２との関係を示している。

実施の形態２と同様に、排気管１４ｂと排気管１４ｃは切換バルブ８２に導入されている。そして、切換バルブ８２と脱水素反応器２２ａを接続する排気管１４ｅ、および切換バルブ８２と脱水素反応器２２ｂを接続する排気管１４ｆがそれぞれ設けられている。切換バルブ８２は、排気管１４ｂ，１４ｃから送られた排気ガスを排気管１４ｅまたは排気管１４ｆのいずれか一方に送る機能を有している。

また、排気管１４ａと排気管１４ｄは切換バルブ８４に導入されている。そして、切換バルブ８４脱水素反応器２２ａを接続する排気管１４ｇ、および切換バルブ８４と脱水素反応器２２ｂを接続する排気管１４ｈをそれぞれ設けている。切換バルブ８４は、排気管１４ａ，１４ｄから送られた排気ガスを排気管１４ｇまたは排気管１４ｈのいずれか一方に送る機能を有している。

また、実施の形態３では、脱水素反応器２２ａと脱水素反応器２２ｂの双方の触媒７２の温度を検出するため、触媒温度センサ８８，９０が設けられている。

通常の制御では、排気管１４ｂ，１４ｃから送られた排気ガスが排気管１４ｆを経由して脱水素反応器２２ｂに送られるように切換バルブ８２の状態が設定される。また、排気管１４ａ，１４ｄから送られた排気ガスが排気管１４ｇを経由して脱水素反応器２２ａに送られるように切換バルブ８４の状態が設定される。これにより、実施の形態１と同様に、双方の脱水素反応器２２ａ，２２ｂで水素を生成することができ、水素の生成量を増大することができる。

内燃機関１０が必要とする水素量が少ない場合は、脱水素反応器２２ａ，２２ｂのいずれか一方で水素を生成する。脱水素反応器２２ａのみで水素を生成する場合は、脱水素反応器２２ａのインジェクタ２４のみから燃料を噴射し、脱水素反応器２２ｂのインジェクタ２４からの燃料噴射を停止する。そして、水素を生成していない脱水素反応器２２ｂに送られる排気熱を有効利用するため、排気管１４ｂ，１４ｃから送られた排気ガスが排気管１４ｅに送られるように切換バルブ８２の状態が設定される。これにより、脱水素反応器２２ａのみで水素を生成することができ、運転状態に応じた必要水素量を内燃機関１０に供給することができる。

脱水素反応器２２ｂのみで水素を生成する場合は、脱水素反応器２２ｂのインジェクタ２４のみから燃料を噴射し、脱水素反応器２２ａのインジェクタ２４からの燃料噴射を停止する。そして、水素を生成していない脱水素反応器２２ａに送られる排気熱を有効利用するため、排気管１４ａ，１４ｄを流れる排気ガスが排気管１４ｈに送られるように切換バルブ８４の状態が設定される。これにより、脱水素反応器２２ｂのみで水素を生成することができ、運転状態に応じた必要水素量を内燃機関１０に供給することができる。

このように、脱水素反応器２２ａ，２２ｂのいずれか一方で水素を生成する場合に、水素を生成していない脱水素反応器２２に送られる排気ガスを水素を生成している脱水素反応器に送ることで、全気筒の排気ガスを水素を生成している脱水素反応器２２に送ることができる。従って、水素を生成している脱水素反応器２２の触媒７２の温度を高温に維持することができ、安定して水素を生成することが可能となる。

ところで、一方の脱水素反応器２２のみで水素を生成した場合、水素を生成していない脱水素反応器２２の触媒７２の温度が低下し、水素の生成を再開した際に反応効率が低下する場合がある。

このため、実施の形態３では、脱水素反応器２２ａのみで水素を生成している場合に、脱水素反応器２２ｂの触媒７２の温度を触媒温度センサ８８で検出し、検出値が所定値よりも低下している場合は、脱水素反応器２２ａによる水素生成を停止し、脱水素反応器２２ｂによる水素生成に切り換えるようにしている。

同様に、脱水素反応器２２ｂのみで水素を生成している場合は、脱水素反応器２２ａの触媒７２の温度を触媒温度センサ８８で検出し、検出値が所定値よりも低下している場合は、脱水素反応器２２ｂによる水素生成を停止し、脱水素反応器２２ａによる水素生成に切り換えるようにしている。

このように、１つの脱水素反応器２２のみで水素を生成する場合に、水素を生成していない脱水素反応器２２の触媒７２の温度をモニタし、触媒７２の温度が所定値よりも低下した場合は、水素を生成する脱水素反応器２２を切り換えることで、双方の脱水素反応器２２の触媒２２の温度を反応に適した所定の温度に維持することができる。従って、脱水素反応の効率が低下してしまうことを抑止でき、安定して水素を生成することが可能となる。

図８は、実施の形態３の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１１では、機関回転数とスロットル開度を取得する。次のステップＳ１２では、ステップＳ１１で取得した機関回転数とスロットル開度に基づいて、現在の運転状態で必要とされる水素量をマップから算出する。

次のステップＳ１３では、ステップＳ１２で求めた必要水素量が所定のしきい値以上であるか否かを判定する。ここでは、１つの脱水素反応器２２で生成可能な限界水素量をＡリットル／ｍｉｎとし、必要水素量≧Ａであるか否かを判定する。

ステップＳ１３で必要水素量≧Ａの場合は、１つの脱水素反応器２２で生成可能な限界水素量よりも、現在の運転状態で必要とされる水素量が多いため、ステップＳ１４へ進み、両方の脱水素反応器２２ａ，２２ｂのインジェクタ２４から水素化ガソリンを噴射し、両方の脱水素反応器２２ａ，２２ｂで水素を生成する。

一方、ステップＳ１３で必要水素量＜Ａの場合は、１つの脱水素反応器２２で生成可能な限界水素量よりも必要水素量が少ないため、ステップＳ１５へ進み、切換バルブ８４を作動して＃１，＃４気筒の排気ガスを脱水素反応器２２ａへ流すとともに、切換バルブ８２を作動して＃２，＃３気筒の排気ガスを脱水素反応器２２ａへ流す。そして、次のステップＳ１６では、脱水素反応器２２ｂのインジェクタ２４からの燃料噴射を停止し、脱水素反応器２２ａのみで水素を生成する。

次のステップＳ１７では、水素を生成していない脱水素反応器２２ｂの触媒７２の温度を検出し、触媒温度≦Ｔ℃であるか否かを判定する。ここで、Ｔ℃は、触媒７２の温度の下限値となるしきい値である。ステップＳ１７で触媒温度≦Ｔ℃の場合は、ステップＳ１８へ進み、切換バルブ８４を作動して＃１，＃４気筒の排気ガスを脱水素反応器２２ｂへ流すとともに、切換バルブ８２を作動して＃２，＃３気筒の排気ガスを脱水素反応器２２ｂへ流す。一方、ステップＳ１７で触媒温度＞Ｔ℃の場合は、ステップＳ１７で待機し、脱水素反応器２２ａのみによる水素の生成を継続する。

ステップＳ１８の後はステップＳ１９へ進み、脱水素反応器２２ｂのインジェクタ２４から燃料を噴射し、脱水素反応器２２ａのインジェクタ２４からの燃料噴射を停止することで、脱水素反応器２２ｂのみで水素を生成する。

以上説明したように実施の形態３によれば、１つの脱水素反応器２２のみで水素を生成する場合に、水素を生成していない脱水素反応器２２の触媒７２の温度が所定値よりも低下した場合は、水素を生成する脱水素反応器２２を切り換えるようにしたため、脱水素反応器２２の触媒２２の温度が低下してしまうことを抑止できる。従って、脱水素反応の効率が低下してしまうことを抑止でき、安定して水素を生成することが可能となる。

なお、実施の形態３においても、排気の一部を水素を生成していない脱水素反応器２２へ送り、触媒７２の温度が低下しないようにしても良い。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４は、実施の形態３と同様に水素を生成する脱水素反応器２２を切り換えるものであるが、触媒７２の温度を検出することなく、所定時間毎に水素を生成する脱水素反応器２２を切り換えるものである。

図９は、実施の形態４の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ２１では、機関回転数、スロットル開度および排気温度を取得する。次のステップＳ２２では、ステップＳ２１で取得した機関回転数とスロットル開度に基づいて、現在の運転状態で必要とされる水素量をマップから算出する。

次のステップＳ２３では、ステップＳ２２で求めた必要水素量が所定のしきい値以上であるか否かを判定する。ここでは、１つの脱水素反応器２２で生成可能な限界水素量をＡリットル／ｍｉｎとし、必要水素量≧Ａであるか否かを判定する。

ステップＳ２３で必要水素量≧Ａの場合は、１つの脱水素反応器２２で生成可能な限界水素量よりも、現在の運転状態で必要とされる水素量が多いため、ステップＳ１４へ進み、両方の脱水素反応器２２ａ，２２ｂのインジェクタ２４から水素化ガソリンを噴射し、両方の脱水素反応器２２ａ，２２ｂで水素を生成する。

一方、ステップＳ２３で必要水素量＜Ａの場合は、１つの脱水素反応器２２で生成可能な限界水素量よりも必要水素量が少ないため、ステップＳ２５へ進み、切換バルブ８４を作動して＃１，＃４気筒の排気ガスを脱水素反応器２２ａへ流すとともに、切換バルブ８２を作動して＃２，＃３気筒の排気ガスを脱水素反応器２２ａへ流す。そして、次のステップＳ２６では、脱水素反応器２２ｂのインジェクタ２４からの燃料噴射を停止し、脱水素反応器２２ａのみで水素を生成する。

次のステップＳ２７では、所定時間が経過したか否かを判定する。ここで、所定時間は排気温度に応じて変動するしきい値であってマップから算出される。触媒７２の温度は内燃機関１０の運転条件に応じて変動し、排気温度が低いほど触媒７２の温度が低下するため、ステップＳ２７における所定時間は排気温度が低いほど短く設定される。

ステップＳ２７で所定時間が経過した場合は、ステップＳ２８へ進み、切換バルブ８４を作動して＃１，＃４気筒の排気ガスを脱水素反応器２２ｂへ流すとともに、切換バルブ８２を作動して＃２，＃３気筒の排気ガスを脱水素反応器２２ｂへ流す。一方、ステップＳ２７で所定時間が経過していない場合は、ステップＳ２７で待機し、脱水素反応器２２ａのみによる水素の生成を継続する。

次のステップＳ２８の後はステップＳ２９へ進み、脱水素反応器２２ａのインジェクタ２４からの燃料噴射を停止し、脱水素反応器２２ｂのみで水素を生成する。

図９の処理によれば、ステップＳ２７における所定時間を排気温度に応じて変動させることで、水素を生成していない側の触媒７２の温度が低下する前に、水素を生成する脱水素反応器２２の切り換えを行うことができる。

以上説明したように実施の形態４によれば、１つの脱水素反応器２２のみで水素を生成する場合に、所定の時間間隔で水素を生成する脱水素反応器２２を切り換えるようにしたため、脱水素反応器２２の触媒７２の温度が低下してしまうことを抑止できる。従って、脱水素反応の効率が低下してしまうことを抑止でき、安定して水素を生成することが可能となる。

なお、上述した各実施形態では、２つの脱水素反応器２２ａ，２２ｂを設けることで水素の生成量を増大させているが、より多くの脱水素反応器２２を設けても良い。

また、上述した各実施形態では、水素化ガソリンのみを燃料として供給し、脱水素化処理により水素化ガソリンから脱離した水素と、脱水素化ガソリンを内燃機関１０に供給する一元燃料のシステムに本発明を適用した例を示したが、燃料としてメチルシクロヘキサンと通常のガソリンの２種類を供給し、メチルシクロヘキサンから脱離させた水素と、通常のガソリンを内燃機関１０に供給する２元燃料のシステムに適用することも勿論可能である。

本発明の各実施形態に係る内燃機関システムの構成を説明するための図である。 脱水素反応器の構成を示す断面図である。 図２の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面を示す断面図である。 実施の形態１において、内燃機関の各気筒と脱水素反応器との関係を示す模式図である。 実施の形態２において、内燃機関の各気筒と脱水素反応器との関係を示す模式図である。 実施の形態２の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態３において、内燃機関の各気筒と脱水素反応器との関係を示す模式図である。 実施の形態３の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態４の水素利用内燃機関における処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１８ 水素供給用インジェクタ
２４ 水素化ガソリンインジェクタ
１４，１４ａ〜１４ｈ 排気通路
７２ 触媒
８２，８４ 切換バルブ

Claims (4)

1. 有機ハイドライド含有燃料を触媒に供給する燃料供給手段と、
   前記触媒上での脱水素反応により前記有機ハイドライド含有燃料から取り出された水素を内燃機関に供給する水素供給手段と、を備え、
   前記内燃機関は複数の気筒を有し、各気筒毎又は気筒群毎に設けられた複数の排気通路内に、当該排気通路を流れる排気ガスとの接触を遮断した状態で複数の前記触媒のそれぞれを内蔵したことを特徴とする水素利用内燃機関。
2. 前記内燃機関が必要とする水素量を取得する水素量取得手段と、
   前記水素量が所定のしきい値以下の場合は、前記複数の触媒のうちの一部の触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止する燃料供給停止手段と、
   有機ハイドライド含有燃料の供給が停止された前記触媒が内蔵された前記排気通路を流れる排気ガスを、有機ハイドライド含有燃料の供給が停止されていない前記触媒が内蔵された前記排気通路へ供給する排気ガス供給制御手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の水素利用内燃機関。
3. 前記触媒の温度を検出する温度検出手段を更に備え、
   有機ハイドライド含有燃料が供給されている前記触媒の温度が所定のしきい値以下となった場合は、当該触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止し、供給が停止されていた前記触媒へ有機ハイドライド含有燃料を供給することを特徴とする請求項２記載の水素利用内燃機関。
4. 所定の時間が経過した場合に、有機ハイドライド含有燃料が供給されている前記触媒への有機ハイドライド含有燃料の供給を停止し、供給が停止されていた前記触媒へ有機ハイドライド含有燃料を供給することを特徴とする請求項２記載の水素利用内燃機関。

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