JPH06193480A - 水素エンジンの燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水素エンジンにおいてその排気の清浄化を図
りながら空燃比の増大及び長い航続距離の確保を図る。 【構成】 水素ガス燃料を収容するＭＨタンク１４を燃
料供給通路１６，２０等を介して水素ガスポート１１，
１２に接続するとともに、吸気通路７の途中にガソリン
燃料供給用のインジェクタ３６を設ける。ＭＨタンク１
４にはその内部の圧力及び温度を検出する圧力センサ４
４及び温度センサ４６を設ける。ＥＣＵ５０は、上記圧
力センサ４４及び温度センサ４６の検出結果に基づいて
水素ガス燃料の残量を判定し、この残量が切換量以上の
場合には水素ガス燃料のみを供給させ、切換量未満の場
合は水素ガス燃料とガソリン燃料の双方を同時に供給さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水素ガスを含む気体を
燃料に用いる水素エンジンの燃料供給装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、水素ガスを含む可燃性気体を燃料
として使用する水素エンジンの開発が進められている。
上記水素ガスはＨＣやＣＯの発生のおそれがなく、また
着火性に優れ、エンジン内の隅々まで均一に燃焼するた
め、エンジンの排気の清浄化（特にＨＣやＣＯといった
未燃成分の減少）に大きく寄与する反面、ガソリンと比
べて容積率が格段に大きく、長い航続距離（途中に燃料
補充を行わずに連続して走行できる距離）が得られにく
いため、その対策が種々検討されている。

【０００３】例えば特開平１−２１６０２４号公報に
は、メインの気体燃料タンクに加えて補助タンクを備
え、上記メインの気体燃料タンクから燃料供給を行うと
ともに、この気体燃料タンク内の気体燃料が下限許容値
を下回った時点からは上記補助タンクより燃料供給を行
うようにしたものが開示されている。

【０００４】また、特開平１−２３２１１９号公報に
は、水素ガス燃料と液化天然ガス燃料とを用意し、比較
的エンジン点火温度の低い低負荷運転時には水素ガス燃
料を用い、この水素ガス燃料が欠乏した時や、エンジン
点火温度が高くて水素ガスの過早着火やバックファイア
ーの生じやすい高負荷運転時に液化天然ガスを供給する
ようにしたものが示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開平１−２１６０２
４号公報に示される装置では、メインの気体燃料タンク
内の気体燃料が欠乏した後も、補助タンクから同等の気
体燃料を供給するものであるため、補助タンクへの切換
後、連続して長い距離を走行することは困難である。ま
た、この補助タンク切換後も長い航続距離を確保しよう
とすると、補助タンクを大型化しなければならず、この
補助タンク及び上記メインの気体燃料タンクの双方を設
置するには非常に大きなスペースを要することになる。

【０００６】一方、特開平１−２３２１１９号公報の装
置は、水素ガス燃料欠乏後は液化天然ガス燃料のみを供
給するので、この液化天然ガス使用時には燃料水素ガス
燃料による運転時に比べて燃焼性が悪くなり、よってエ
ンジンの排気の清浄性を損なうことになる。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑み、長い航
続距離を確保しながら気体燃料の良好な着火性を有効に
利用してエンジンの排気の清浄化を図ることができる水
素エンジンの液体燃料装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、水素ガスを含
む気体燃料を気体燃料タンク内からエンジンに供給する
気体燃料供給手段を備えた水素エンジンの燃料供給装置
において、上記エンジンに液体燃料を供給する液体燃料
供給手段と、上記気体燃料タンク内の気体燃料の残量が
予め設定された切換量以上であるか否かを検出する残量
検出手段と、上記残量が上記切換量以上である場合には
上記気体燃料供給手段により気体燃料の供給のみを行わ
せ、上記切換量未満である場合には上記切換量以上であ
る場合よりも気体燃料の供給量を減少させるとともに予
め設定された気体／液体燃料供給比で気体燃料供給手段
による気体燃料供給と液体燃料供給手段による液体燃料
供給とを同時に行わせる燃料供給制御手段とを備えたも
のである（請求項１）。

【０００９】ここで、上記燃料供給制御手段は、上記残
量検出手段で検出される残量が上記切換量未満である場
合に、窒素酸化物発生量が最大となる空燃比よりも大き
な空燃比で気体燃料供給及び液体燃料供給を行わせるも
のであることが、より好ましい（請求項２）。

【００１０】また、上記残量検出手段として、上記気体
燃料タンク内の圧力を検出する圧力検出手段を備えると
ともに、上記切換量として、上記気体燃料タンク内の気
体燃料残量の減少に伴うタンク内圧力の減少割合が急増
する時の残量を設定したり（請求項３）、上記残量検出
手段で検出される残量が上記切換量以下である場合に、
気体燃料が液体燃料のアシストガスとなるようにその供
給位置を設定したりする（請求項４）ことにより、後述
のようなより優れた効果が得られる。

【００１１】

【作用】上記装置において、残量検出手段で検出される
残量が予め設定された切換量以上である場合には上記気
体燃料供給手段による気体燃料（着火性に優れた水素ガ
ス含有燃料）のみが供給され、これにより燃焼性の向上
ひいてはエンジンの排気の清浄化（特にＨＣやＣＯの低
減）が果たされる。これに対し、上記残量が上記切換量
未満である場合には、上記切換量以上である場合よりも
気体燃料の供給量が削減されるとともに液体燃料が供給
されるので、気体燃料のみの運転に比べて長い航続距離
が確保される。この場合も、予め設定された気体／液体
燃料供給比で気体燃料が添加されているので、液体燃料
のみによる運転時よりも高い着火性が確保され、エンジ
ン排気は清浄な状態に維持される。

【００１２】さらに、請求項２記載の装置では、上記残
量が上記切換量未満である場合に、供給する燃料の空燃
比を窒素酸化物発生量が最大となる空燃比よりも大きく
しているので、両空燃比のずれにより窒素酸化物の発生
が抑制される。この場合も、混合燃料には着火性の高い
気体燃料が混合されているので、空燃比を大きくしても
良好な燃焼は確保され、ＨＣやＣＯの未燃成分の発生も
抑制される。

【００１３】請求項３記載の装置では、上記切換量とし
て、上記気体燃料タンク内の気体燃料残量の減少に対す
るタンク内圧力の減少割合が急増する時の残量を設定し
ているので、上記気体燃料タンク内の圧力検出によって
上記残量が上記切換量以上であるか否かを判定すること
ができる。

【００１４】また、請求項４記載の装置では、液体燃料
の供給と同時に供給される気体燃料が液体燃料供給のア
シストガスに利用されることにより、液体燃料の霧化が
促進されるとともに、両燃料の混合も促進され、その着
火性が高められる。

【００１５】

【実施例】本発明の第１実施例を図１〜図３に基づいて
説明する。なお、この実施例ではロータリピストンエン
ジンを示すが、本発明はレシプロエンジン等の他のエン
ジンにも広く適用できるものである。

【００１６】図１に示すように、上記ロータリピストン
エンジンはロータハウジング１を備え、このロータハウ
ジング１とその両側に位置するサイドハウジングとでシ
リンダが形成されている。このシリンダ内にはロータ３
が収容され、このロータ３によりシリンダ内が３つの作
動室２に仕切られている。そして、この状態でロータ３
が偏心軸４に支承されながら偏心回転することにより、
各作動室２が容積変化し、オットーサイクルを行うよう
になっている。

【００１７】サイドハウジングにおいて、吸気行程の作
動室２に臨む位置には吸気ポート６が設けられ、この吸
気ポート６に吸気通路７が接続されている。この吸気通
路７には、ステップモータ９により駆動されるスロット
ル弁８が設けられるとともに、図略のエアクリーナやエ
アフローメータ等が配設されている。また、ロータハウ
ジング１において排気行程の作動室２に臨む位置には排
気ポート１３が形成され、この排気ポートに図略の排気
通路が接続されている。同ロータハウジング１において
爆発行程の作動室に臨む位置には点火プラグ５が配設さ
れている。

【００１８】このエンジンでは、水素ガス燃料（気体燃
料）をシリンダ内に供給するため、２つの水素ガスポー
ト１１，１２が設けられている。水素ガスポート１１
は、吸気行程途中から圧縮行程途中まで作動室２に開口
するような位置に設けられ、水素ガスポート１２は上記
吸気ポート６と重なる位置に設けられている。

【００１９】なお、本発明では水素ガスの供給位置及び
供給個所の個数を問わず、エンジンの構造に応じて適宜
設定すればよい。

【００２０】ハウジングの外部にはメタルハイドライド
タンク（以下ＭＨタンクという）１４が設置されてい
る。このＭＨタンク１４は、水素が吸脱着可能な合金を
収容し、この合金に水素ガス燃料を吸着した状態でこれ
を保持している。そして、エンジンウォータジャケット
から供給される冷却水で上記合金が加熱されることによ
り、この合金から水素が脱着されてタンク外に放出され
るようになっている。

【００２１】このＭＨタンク１４は、高圧燃料供給通路
１６及びタイミング弁１８を介して上記水素ガスポート
１１に接続されるとともに、低圧燃料供給通路２０を介
して水素ガスポート１２に接続されている。高圧燃料供
給通路１６の途中には、圧力調整器２２及び流量調整弁
２４が、低圧燃料供給通路２０の途中には圧力調整器２
６及び流量調整弁２８がそれぞれ設けられ、これらによ
って本発明における気体燃料供給手段が構成されてい
る。すなわち、上記流量調整弁２４が開いた状態では、
上記ＭＨタンク１４から放出される水素ガス燃料が、圧
力調整器２２で適度の圧力（具体的には吸気行程後の作
動室内の圧力に抗して水素ガス燃料を充填できる程度の
比較的高い圧力）に調圧され、かつ上記流量制御弁２４
で流量制御されてタイミング弁１８に供給される一方、
上記流量調整弁２８が開いた状態では、上記ＭＨタンク
１４から放出される水素ガス燃料が圧力調整器２６で調
圧された後に水素ガスポート１２を通じてエンジン内に
供給されるようになっている。

【００２２】上記タイミング弁１８は、エンジンの作動
と同期して所定タイミングで水素ガスポート１１に燃料
供給を行うものである。具体的には、図略のポペット弁
と、このポペット弁駆動用のカムシャフト３０とを備
え、その一端にカム３２が固定されるとともに、他端に
装着されたプーリ３３がタイミングベルト３４を介して
前記偏心軸４に連結されている。そして、このタイミン
グベルト３４からカム３２を介して伝達される駆動力で
上記ポペット弁が作動し、上記水素ガスポート１１と高
圧燃料供給通路１６との連通部分を開閉するとともに、
その開時期が必ず吸気ポート１２の全閉後となるように
タイミング弁１８が構成されている。

【００２３】さらに、このような水素ガス燃料供給シス
テムに加え、前記吸気通路７の途中にはガソリン燃料
（液体燃料）を供給するためのインジェクタ（液体燃料
供給手段）３６が配設されている。このインジェクタ３
６はガソリン供給通路３８を介してガソリンタンク４０
に接続され、このガソリン供給通路３８の途中にはガソ
リン燃料を圧送するためのヒューエルポンプ４２が設け
られている。

【００２４】また、前記ＭＨタンク１４には、その内部
の圧力及び温度を検出するための圧力センサ（圧力検出
手段）４４及び温度センサ４６がそれぞれ設けられ、こ
れらをはじめとする各センサの検出信号がＥＣＵ（エン
ジンコントロールユニット）５０に入力されるようにな
っている。

【００２５】このＥＣＵ５０は、図２に示すような残水
素量判定手段５２及び燃料供給制御手段５４を備えてい
る。

【００２６】残水素量判定手段５２は、上記圧力センサ
４６及び温度センサ４８の検出するタンク内圧力及びタ
ンク内温度に基づき、ＭＨタンク１４内の水素ガス燃料
の残量が予め設定された切換量以上であるか否かを判定
するものである。

【００２７】その判定原理及び上記切換量について図３
（ａ）（ｂ）のグラフに基づき説明する。同図（ａ）
は、ＭＨタンク温度Ｔが温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３（Ｔ１＜
Ｔ２＜Ｔ３）に等しいときの残量−タンク内圧力の特性
を示したものである。この図に示されるように、タンク
内圧力の絶対値はタンク内温度によって変化するもの
の、残量の減少に伴ってタンク内圧力Ｐが急激に低下す
る時の残量はタンク内温度Ｔにかかわらず略一定となっ
ている。

【００２８】そこでこの装置では、上記圧力が急低下す
る時の残量が切換量として設定され、この切換量におけ
るタンク内温度Ｔとタンク内圧力Ｐとの関係が図３
（ｂ）に示すような直線のグラフとして残水素量判定手
段５２に記憶されるとともに、実際に検出されるタンク
内温度Ｔ及び圧力Ｐが上記直線よりも上の領域にある場
合（すなわち、残量が上記切換量に等しい場合にタンク
内温度Ｔに対応するタンク内圧力よりも、実際に検出さ
れるタンク内圧力Ｐの方が高い場合）には、実際の残量
が上記切換量以上であると判定し、実際に検出されるタ
ンク内温度Ｔ及び圧力Ｐが上記直線よりも下の領域にあ
る場合（すなわち、残量が上記切換量に等しい場合にタ
ンク内温度Ｔに対応するタンク内圧力よりも、実際に検
出されるタンク内圧力Ｐの方が低い場合）には、実際の
残量が上記切換量未満であると判定するように、上記残
水素量判定手段５２が構成されている。すなわち、この
残水素量判定手段５２及び上記両センサ４６，４８によ
り、本発明における残量検出手段が構成されている。

【００２９】燃料供給制御手段５４は、上記残水素量判
定手段５２による判定結果と、図略のスロットルセンサ
等で検出されるエンジン負荷に基づき、次のような燃料
供給制御を行うように構成されている。 １）水素ガス燃料残量が切換量以上と判定され、かつ低
負荷運転領域にある場合：流量調整弁２４及びインジェ
クタ３６を閉じ、流量調整弁２８を開いて水素ガスポー
ト１２から水素ガス燃料の供給を行わせる。ここで、水
素ガス燃料を水素ガスポート１１でなく水素ガスポート
１２から供給しているのは、エンジンが低負荷運転領域
にあってエンジン温度が比較的低く、過早着火やバック
ファイアー発生のおそれが極めて少ないので、吸気とと
もに燃料を供給して両者の混合性を高めるためである。 ２）水素ガス燃料残量が切換量以上と判定され、かつ高
負荷運転領域にある場合：流量調整弁２８及びインジェ
クタ３６を閉じ、流量調整弁２４を開いて水素ガスポー
ト１１から水素ガス燃料の供給を吸気行程終了後に行わ
せる。ここで、水素ガス燃料を水素ガスポート１２でな
く水素ガスポート１１から供給しているのは、吸気と同
時に燃料供給を行うのを避けるためであり、この吸気と
同時供給を避けているのは、エンジンが高負荷運転領域
にあってエンジン温度が比較的高いために過早着火やバ
ックファイアー発生を積極的に防ぐこと、及び水素ガス
供給量が多いときに空気吸入が妨げられるのを防ぐこと
を目的としている。

【００３０】３）水素ガス燃料残量が切換量未満と判定
された場合：流量調整弁２４を閉じ、流量調整弁２８及
びインジェクタ３６を開いて水素ガスポート１２からの
水素ガス燃料の供給とインジェクタ３６からのガソリン
燃料の供給とを同時に行わせるとともに、前記１）及び
２）の場合に比して水素ガス燃料の供給量を減じて所定
の気体／液体燃料供給比が得られるようにし、かつ窒素
酸化物（ＮＯx）発生量が最大となる空燃比よりも大き
な空燃比が得られるように流量調整弁２８及びインジェ
クタ３６の開度を制御する。ここで、水素ガス燃料を水
素ガスポート１１でなく水素ガスポート１２から供給し
ているのは、この水素ガス燃料の供給量が少なく過早着
火やバックファイアー発生のおそれが低いので、吸気ポ
ート６と同等の位置から水素ガス燃料を供給してこれと
エア及びガソリン燃料との混合性を高めるためであり、
また比較的低圧で供給できるので供給量が少ないときの
燃料供給制御が有利になるからである。

【００３１】このような装置によると、ＭＨタンク１４
内の水素ガス燃料残量が切換量以上である間は、着火性
が高くかつＨＣやＣＯの発生のおそれのない水素ガス燃
料のみが水素ガスポート１１もしくは水素ガスポート１
２からエンジン内に供給されるので、これによりエンジ
ンの排気の清浄化が果たされる。そして、ＭＨタンク１
４内の水素ガス燃料残量が上記切換量未満となった時点
からは、上記水素ガス燃料とガソリン燃料とが所定の混
合比で同時に供給されるため、水素ガス燃料のみを供給
する場合に比べて長い航続距離が得られる。しかも、こ
の混合燃料も上記水素ガス燃料の添加によって高い着火
性を有しているため、エンジンの隅々まで良好な燃焼を
行うことができ、ＨＣやＣＯ等の未燃焼成分の発生を抑
制してエンジンの排気を清浄な状態に保つことができ
る。

【００３２】さらに、この実施例では、上記混合燃料の
空燃比を窒素酸化物発生量が最大となる空燃比よりも大
きくしているため、この空燃比のずれにより窒素酸化物
の発生を抑制することができる。しかも、上記混合燃料
には着火性の高い水素ガス燃料を添加しているので、空
燃比を高めてもエンジンの排気の清浄性を損なうことが
ない。

【００３３】またこの実施例では、水素ガス燃料単独運
転と水素ガス燃料及びガソリン燃料の混合運転との境界
となる切換量が、水素ガス燃料残量の減少に伴うＭＨタ
ンク内圧力Ｐの減少率が急激に高まる残量に設定されて
いるため、タンク内圧力及び温度を検出するだけの簡単
な構成で残量の判定を容易に行うことが可能となってい
る。

【００３４】なお、この残量の判定は温度を検出しなく
ても行うことが可能である。すなわち、上記図３（ａ）
に示すように、上記残量の減少に伴うタンク内圧力の減
少率が急激に高まる残量はタンク内温度にかかわらず一
定であるため、上記タンク内圧力の減少度合いを検出す
ればタンク内温度を検出せずに残量判定を行うことも可
能である。この場合には、上記タンク内圧力の減少速度
とともに、実際の水素ガス燃料の消費速度を検出するこ
とにより、正確な判定を行うことができる。

【００３５】次に、第２実施例を図４に基づいて説明す
る。この実施例では、前記第１実施例における低圧燃料
供給通路２０をインジェクタ３６に接続し、このインジ
ェクタ３６から水素ガス燃料をガソリン燃料のアシスト
ガスとして同時に噴射するようにしている。

【００３６】このような装置によれば、特別なアシスト
エア供給手段を設けることなく、水素ガス燃料を用いて
ガソリン燃料の霧化を促進することができるとともに、
ガソリン燃料と水素ガス燃料との混合も同時に促進し、
これにより混合燃料の着火性を高め、エンジンの排気を
清浄な状態に維持することができる。この効果は、水素
ガス燃料をインジェクタ３６からガソリン燃料と一緒に
噴射する装置に限らず、ガソリン燃料噴射口の上流側か
らエンジン側に向けて水素ガス燃料を噴射する装置によ
っても得ることができる。

【００３７】なお、以上の実施例では、気体燃料として
水素ガス燃料を用いたものを示したが、この気体燃料は
少なくとも水素ガスを含有するものであればよく、ＣＮ
Ｇ（加圧天然ガス）等も適用が可能である。液体燃料に
ついても、上記ガソリン燃料に限らず、軽油やアルコー
ル等を用いても、水素ガス含有気体燃料の添加によって
高い着火性を得ることができる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、気体燃
料の残量が予め設定された切換量以上である間は、上記
気体燃料のみを供給することにより、エンジン内の良好
な燃焼を確保し、エンジンの排気の清浄化を果たすこと
ができるとともに、上記残量が切換量未満となった時点
からは上記気体燃料の供給量を減じて所定の混合比で気
体燃料と液体燃料とを同時に供給することにより、気体
燃料のみの運転に比べて長い航続距離を稼ぐとともに、
上記気体燃料の添加によって高い着火性を維持し、エン
ジン排気を清浄な状態に保つことができる効果がある。

【００３９】さらに、請求項２記載の装置では、上記残
量が上記切換量未満である場合に、供給する燃料の空燃
比を窒素酸化物発生量が最大となる空燃比よりも大きく
しているので、両空燃比のずれにより窒素酸化物の発生
を抑制するとともに、空燃比を増大させながらも上記気
体燃料の添加によって良好な燃焼及びエンジンの排気の
清浄な状態を維持することができる効果がある。

【００４０】請求項３記載の装置では、上記切換量とし
て、上記気体燃料タンク内の気体燃料残量の減少に対す
るタンク内圧力の減少割合が急増する量を設定している
ので、上記気体燃料タンク内の圧力を検出することによ
って、上記残量が上記切換量未満であるか否かを簡単な
構成で容易に判定することができる効果がある。

【００４１】また、請求項４記載の装置は、液体燃料の
供給と同時に供給される気体燃料を上記液体燃料のアシ
ストガスとして利用するものであるので、特別なアシス
トエア供給装置を不要にしながら液体燃料の霧化を促進
すると同時に、両燃料の混合も促進して着火性をより高
めることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における水素エンジン及び
その燃料供給装置の全体構成図である。

【図２】上記燃料供給装置におけるＥＣＵの機能構成を
示すブロック図である。

【図３】（ａ）はＭＨタンク内の水素ガス燃料の残量と
同タンク内圧力との関係を示すグラフ、（ｂ）は上記残
量が切換量に等しい時のＭＨタンク内温度とタンク内圧
力との関係を示すグラフである。

【図４】本発明の第２実施例における水素エンジン及び
その燃料供給装置の全体構成図である。

【符号の説明】

１４ ＭＨタンク（気体燃料タンク） ２２，２６ 圧力調整器（気体燃料供給手段を構成） ３６ インジェクタ（液体燃料供給手段） ４４ 圧力センサ（圧力検出手段） ４６ 温度センサ（残量検出手段を構成） ５０ ＥＣＵ ５２ 残水素量判定手段（残量検出手段を構成） ５４ 燃料供給制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 間宮 清孝 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素ガスを含む気体燃料を気体燃料タン
   ク内からエンジンに供給する気体燃料供給手段を備えた
   水素エンジンの燃料供給装置において、上記エンジンに
   液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、上記気体燃料
   タンク内の気体燃料の残量が予め設定された切換量以上
   であるか否かを検出する残量検出手段と、上記残量が上
   記切換量以上である場合には上記気体燃料供給手段によ
   り気体燃料の供給のみを行わせ、上記切換量未満である
   場合には上記切換量以上である場合よりも気体燃料の供
   給量を減少させるとともに予め設定された気体／液体燃
   料供給比で気体燃料供給手段による気体燃料供給と液体
   燃料供給手段による液体燃料供給とを同時に行わせる燃
   料供給制御手段とを備えたことを特徴とする水素エンジ
   ンの燃料供給装置。
2. 【請求項２】 上記燃料供給制御手段は、上記残量検出
   手段で検出される残量が上記切換量未満である場合に、
   窒素酸化物発生量が最大となる空燃比よりも大きな空燃
   比で気体燃料供給及び液体燃料供給を行わせることを特
   徴とする請求項１記載の水素エンジンの燃料供給装置。
3. 【請求項３】 上記残量検出手段として、上記気体燃料
   タンク内の圧力を検出する圧力検出手段を備えるととも
   に、上記切換量として、上記気体燃料タンク内の気体燃
   料残量の減少に伴うタンク内圧力の減少割合が急増する
   時の残量を設定したことを特徴とする請求項１または２
   記載の水素エンジンの燃料供給装置。
4. 【請求項４】 上記残量検出手段で検出される残量が上
   記切換量以下である場合に、気体燃料が液体燃料のアシ
   ストガスとなるようにその供給位置を設定したことを特
   徴とする上記請求項１〜３のいずれかに記載の水素エン
   ジンの燃料供給装置。