JP2006022731A

JP2006022731A - 水素利用内燃機関

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Publication number: JP2006022731A
Application number: JP2004202033A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Shinagawa; 知広品川; Takeshi Okumura; 猛奥村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】水素利用機関において、反応効率を向上させて水素の生成量を増大させるとともに、脱水素化反応性能と排気浄化性能を共に向上させる。
【解決手段】内燃機関１０の排気管１４の内部に導入されたケーシング７４と、排気管１４内において、ケーシング７４の近傍に配置された排気浄化触媒７８と、ケーシング７４の内部に設けられた触媒７２と、触媒７２に向けて有機ハイドライド含有燃料を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、を備える。
【選択図】図２

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号公報特開平６−２６１５号公報特開２００２−２５５５０３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、内燃機関から排出された排気ガスを浄化する必要があるが、脱水素反応のために排気ガスのエネルギーを用いると、排気を浄化するための触媒に供給される熱量が減少して排気浄化性能が低下するという問題が生じる。従って、脱水素化反応の性能と排気浄化性能を共に向上させる必要がある。

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水素利用機関において、反応効率を向上させて水素の生成量を増大させるとともに、脱水素化反応性能と排気浄化性能を共に向上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、内燃機関の排気通路の内部に導入されたケーシングと、前記排気通路内において、前記ケーシングの周辺を囲むように配置された排気浄化触媒と、前記ケーシングの内部に設けられた脱水素反応触媒と、前記脱水素反応触媒に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給する燃料供給手段と、前記脱水素反応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、前記ケーシングが前記排気通路の長手方向に延在するように設けられたことを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記ケーシングの端部が前記排気通路の外に配置され、前記燃料供給手段が前記ケーシングの前記端部に設けられたことを特徴とする。

第１の発明によれば、脱水素反応触媒が内部に設けられたケーシングを排気通路の内部に導入したため、脱水素反応触媒の周囲を排気ガスで囲むことができ、排気ガスの熱を脱水素反応触媒に十分に与えることが可能となる。また、排気通路内において、ケーシングの周辺を囲むように排気浄化触媒を設けたため、排気浄化触媒内で排気ガス中の未燃成分を燃焼させた際に発生する燃焼熱をケーシング内の脱水素反応触媒へ与えることができる。従って、排気ガスの排気熱と排気浄化触媒における燃焼熱を脱水素反応触媒へ与えることができ、脱水素反応触媒への熱供給を確実に行うことができる。更に、ケーシングが設けられた領域の近傍で脱水素反応と排気浄化の双方を行うことができるため、システムの小型化を達成することができる。

第２の発明によれば、ケーシングを排気通路の長手方向に延在するように設けたため、排気ガスの流れ方向とケーシングの長手方向を一致させることができ、脱水素反応触媒の表面積を最大限に拡大することができる。従って、脱水素反応触媒の利用効率を高めることができ、脱水素反応の反応量を増大させることができる。

第３の発明によれば、ケーシングの端部を排気通路の外に配置し、燃料供給手段をケーシングの端部に設けたため、排気通路に燃料供給手段を貫通させる必要がなくなり、排気通路の内部の脱水素反応触媒に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給する構造を容易に製造することができる。

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。

このように構成された本実施形態のシステムでは、水素化ガソリンを脱水素化処理して得られたガソリン（脱水素燃料）と水素の両方を使用してリーンバーン燃焼により内燃機関１０を運転することができる。リーンバーン燃焼による運転によれば、燃費、効率を向上させることができる。また、ＮＯ_Ｘの排出を抑えることができるため、エミッションを向上させることができる。

また、本実施形態のシステムによれば、高負荷、高回転域等において出力が要求される場合は、ガソリン（脱水素燃料）のみを使用したストイキ燃焼により内燃機関１０を運転することができる。

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、上端には水素化ガソリンインジェクタ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。

ケーシング７４と排気管１４の内壁との間には、リング状に排気浄化触媒７８が挿入されている。そして、排気管１４内を流れる排気ガスが排気浄化触媒７８が設けられた領域を通過するように構成されている。排気浄化触媒７８は、通常の三元触媒と同様の機能を有しており、排気ガス中に含まれる未燃成分（ＨＣ，ＣＯ）を酸化し、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を還元する機能を有している。本実施形態の内燃機関システムでは、主としてリーンバーン燃焼を行うため、排気ガス中における窒素酸化物の含有量は比較的少ない。従って、排気浄化触媒７８では、主として排気ガス中の未燃成分を燃焼して酸化する反応が行われる。

図２に示すように、排気ガスの流れ方向とケーシング７４の長手方向を一致させることで、排気管１４の径の拡大を最小限に抑えた状態で、触媒７２の容積（表面積）を最大限に拡大することができる。従って、触媒７２の利用効率を高めることができる。

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、水素化ガソリンが供給される領域の外側に排気ガスが流れる領域が配置された２層構造が構成されている。そして、排気ガスが流れる領域に排気浄化触媒７８が挿入されている。これにより、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。

また、排気浄化触媒７８では、主として排気ガス中の未燃成分の燃焼が行われるため、排気浄化触媒７８において燃焼熱が発生する。従って、排気ガスの排気熱と燃焼による反応熱をケーシング７４内の触媒７２へ与えることができる。

特に、リーンバーン燃焼の場合、ストイキ燃焼よりも排気温度が低下するため、排気熱のみでは触媒７２への熱供給が不足する場合がある。従って、排気浄化触媒７８による燃焼熱をケーシング７４内に供給することで、触媒７２を確実に昇温させることができ、反応効率を高めることが可能となる。

これにより、排気ガスの排気熱、および排気浄化触媒７８における燃焼熱を利用して、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、反応量が増えるに従って触媒７２の温度が低下して反応効率が低下する場合があるが、本実施形態の構成によれば、反応量が多い場合であっても触媒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、大量の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、排気浄化触媒７８を脱水素反応器２２に設けることができるため、排気管１４のより上流側へ排気を浄化するための触媒を配置することができる。従って、排気浄化触媒７８に対してより高温の排気ガスを送ることが可能となり、排気浄化触媒７８をより短時間で暖機することが可能となる。これにより、機関始動後の早期に排気浄化触媒７８を活性状態にすることができ、排気浄化性能を発揮させることができる。

更に、本実施形態の構成によれば、ケーシング７４の端部を排気管１４の外側に突出させているため、端部に水素化ガソリンインジェクタ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、３層以上の構造と比較すると径を縮小することができ、システムへの搭載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、製造を容易に行うことが可能となる。

また、脱水素反応器２２内に排気浄化触媒７８を設けているため、脱水素反応器２２において水素生成と排気浄化の双方を行うことができる。従って、脱水素反応器２２の下流の触媒３０を小型化することができ、排気浄化触媒７８の浄化機能によっては触媒３０を設ける必要がなくなる。これにより、システムを簡素に構成することが可能となり、システムの小型化を達成することができる。

なお、図２及び図３では、脱水素反応が行われる領域の外側に排気ガスの流路を設けた２層構造の例を示したが、本発明はこの構造に限定されるものではない。図４は、脱水素反応器２２の他の構成を示す模式図であって、図３と同様に排気ガスの流れ方向と直交する方向に沿った断面を示している。図４に示すように、排気管１４内にリング状のケーシング７４を導入し、リング状のケーシング７４の中心部と周囲に排気浄化触媒７８を配置しても良い。この構成によっても、排気熱と燃焼熱の双方をケーシング７４内の触媒７２に与えることができる。

また、図２ではケーシング７４の上端部のみに水素化ガソリンインジェクタ２４を設けているが、ケーシング７４の両端部に水素化ガソリンインジェクタ２４をそれぞれ設けて、双方の水素化ガソリンインジェクタ２４から触媒７２に向けて水素化ガソリンを噴射するようにしても良い。これにより、触媒７２における反応効率を高めることができ、水素の生成量を増加させることができる。

以上説明したように本実施形態によれば、触媒７２を内包したケーシング７４を排気管１４内に挿入し、ケーシング７４を高温の排気ガスで囲むようにしたため、排気熱の利用効率を高めることが可能となる。また、排気管１４内において、ケーシング７４の外側に排気浄化触媒７８を設けたため、排気浄化触媒７８で未燃成分を燃焼した際の燃焼熱をケーシング７４内の触媒７２へ与えることができる。従って、排気ガスの排気熱と燃焼による反応熱をケーシング７４内の触媒７２へ与えることができ、触媒７２への熱供給を確実に行うことができる。

これにより、触媒７２への熱供給の効率を高めることができ、触媒７２の温度の低下を抑制することができるため、触媒７２における脱水素反応の効率を高めることが可能となる。従って、大量の水素を常に安定して生成することができる。また、脱水素反応器２２において水素生成と排気浄化の双方を行うことができるため、システムを簡素に構成することが可能となり、システムの小型化を達成することができる。

本発明の一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模式図である。本発明の一実施形態に係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。本発明の一実施形態の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１４排気管
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
２５排気温度センサ
７２触媒
７４ケーシング
７８排気浄化触媒

Claims

内燃機関の排気通路の内部に導入されたケーシングと、
前記排気通路内において、前記ケーシングの周辺を囲むように配置された排気浄化触媒と、
前記ケーシングの内部に設けられた脱水素反応触媒と、
前記脱水素反応触媒に向けて有機ハイドライド含有燃料を供給する燃料供給手段と、
前記脱水素反応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、
を備えたことを特徴とする水素利用内燃機関。
前記ケーシングが前記排気通路の長手方向に延在するように設けられたことを特徴とする請求項１記載の水素利用内燃機関。
前記ケーシングの端部が前記排気通路の外に配置され、前記燃料供給手段が前記ケーシングの前記端部に設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の水素利用内燃機関。