水素供給装置
【課題】内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する場合に、内燃機関の始動時に速やかに供給用の水素の生成を開始できる水素供給装置を提供すること。
【解決手段】内燃機関１の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する水素供給装置であって、燃焼時に水素を含む燃焼ガスとなる水素発生燃料を燃焼する水素生成手段３を備え、水素生成手段により燃焼された燃焼ガスに含まれる水素を燃焼室に供給する。
【解決手段】内燃機関１の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する水素供給装置であって、燃焼時に水素を含む燃焼ガスとなる水素発生燃料を燃焼する水素生成手段３を備え、水素生成手段により燃焼された燃焼ガスに含まれる水素を燃焼室に供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素供給装置に関し、特に、内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する水素供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関におけるＣＯ２（二酸化炭素）の排出量の削減、および熱効率の向上のニーズが高まっている。熱機関の効率を向上させるためには様々な手法が存在するが、火花点火式の内燃機関においては、燃焼速度の向上と高圧縮比化が有効であることが知られている。しかしながら、燃焼速度の向上や高圧縮比化は、吸気の流速や混合気の自着火性による制限を受ける。ここで、水素は燃焼速度の向上や耐ノック性に優れているため、燃焼室に主燃料と共に水素を供給する方法は、内燃機関の熱効率の向上に有効である。しかしながら、水素は保管や搭載等が困難であるという問題がある。このため、水素そのものを搭載するのではなく、水素を生成して内燃機関に供給する技術が考案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、改質用燃料と内燃機関から排出される排気ガスとの改質用混合気を改質触媒により改質して、水素を含む改質ガスを生成する改質器を備える内燃機関が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９１９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１のように改質用触媒により水素を生成させる場合、改質のために高温の環境や大きな体積が必要とされる。しかしながら、内燃機関の始動時に短時間で改質用の触媒を高温とすることは困難である。例えば、熱源として内燃機関の排気ガスの熱が利用される場合、内燃機関が始動されてから排気ガスの温度が上昇するまでには所定の時間を要するため、始動時にすぐに水素を生成させることが困難であるという問題がある。
【０００６】
内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する場合に、内燃機関の始動時に速やかに供給用の水素の生成を開始できることが望まれている。
【０００７】
本発明の目的は、内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する場合に、内燃機関の始動時に速やかに供給用の水素の生成を開始できる水素供給装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の水素供給装置は、内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する水素供給装置であって、燃焼時に前記水素を含む燃焼ガスとなる水素発生燃料を燃焼する水素生成手段を備え、前記水素生成手段により燃焼された前記燃焼ガスに含まれる前記水素を供給することを特徴とする。
【０００９】
本発明の水素供給装置において、更に、前記水素生成手段による前記水素発生燃料の燃焼時の燃焼エネルギーを前記内燃機関の出力が伝達される駆動軸を駆動する動力に変換する変換手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の水素供給装置において、前記水素生成手段は、前記内燃機関に設けられた複数の気筒のうちの一部の前記気筒で前記水素発生燃料を燃焼し、前記変換手段は、前記一部の前記気筒における前記水素発生燃料の燃焼時の前記燃焼エネルギーを前記内燃機関の出力軸を回転させる回転エネルギーに変換することを特徴とする。
【００１１】
本発明の水素供給装置において、前記変換手段は、前記燃焼ガスで駆動されて前記内燃機関に供給される吸気を過給する過給機を有していることを特徴とする。
【００１２】
本発明の水素供給装置において、前記水素生成手段による前記水素発生燃料の燃焼時の燃焼エネルギーを前記内燃機関が搭載された車両で利用される電力に変換する発電機を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する場合に、内燃機関の始動時に速やかに供給用の水素の生成を開始することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の水素供給装置の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１および図２を参照して、第１実施形態について説明する。本実施形態は、内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する水素供給装置に関する。
【００１６】
前述したように、内燃機関に供給する水素の生成方法として、改質用燃料と内燃機関から排出される排気ガスとの改質用混合気を改質触媒により改質して、水素を含む改質ガスを生成する技術が考案されている。しかしながら、改質触媒により水素を生成させる場合、内燃機関の始動時に早期に水素の生成を開始することは困難であった。これは、水素を生成させるためには改質触媒を高温とする必要があるためである。
【００１７】
本実施形態の水素供給装置では、改質触媒により水素を生成させることに代えて、アミン系燃料を燃焼させることにより水素を生成させる。アミン系燃料の燃焼により水素を生成させる場合、内燃機関の始動時に応答性よく速やかに水素の生成を開始することができる。これにより、内燃機関の始動時に速やかに水素を内燃機関の気筒に供給することができると共に、内燃機関の始動性を向上させることが可能となる。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る装置の概略構成図である。図２は、図１の要部拡大図である。
【００１９】
図１において、符号１は、火花点火式のエンジン（内燃機関）を示す。エンジン１には、４つの気筒２、および後述するアミン系燃料燃焼装置３が設けられている。気筒２には、気筒２の内部を往復動可能なピストン４がそれぞれ設けられている。ピストン４は、コンロッド５を介してエンジン１のクランク軸（出力軸）６に接続されている。気筒２の図示しない燃焼室には、主燃料（例えば、ガソリン等の炭化水素系燃料や後述するアミン系燃料等）に加えて、以下に説明するように、アミン系燃料燃焼装置３で生成される水素を含む燃焼ガスが供給される。気筒２に供給される燃料（主燃料および水素）の燃焼エネルギーは、ピストン４およびコンロッド５によりクランク軸６の回転エネルギーに変換される。
【００２０】
本実施形態のエンジン１には、アミン系燃料（水素発生燃料）を燃焼させて水素を発生させるアミン系燃料燃焼装置３が設けられている。アミン系燃料燃焼装置３は、本実施形態の水素生成手段および変換手段としての機能を有する。アミン系燃料は、例えば、アンモニアやヒドラジンなどであり、燃焼時に水素を含む燃焼ガスとなる。なお、アミン系燃料燃焼装置３で燃焼させる水素発生燃料は、アミン系燃料には限定されない。燃焼時に水素を含む燃焼ガスとなる燃料であれば水素発生燃料として用いることができる。
【００２１】
本実施形態では、水素を含む燃焼ガスを気筒２に供給することにより、気筒２における熱効率の向上を図る。また、アミン系燃料燃焼装置３は、以下に説明するように、水素を発生させるのみならず、アミン系燃料を燃焼させる際の燃焼エネルギーをクランク軸６を回転させる回転エネルギーに変換する変換手段としての機能を有する。
【００２２】
図２は、図１におけるアミン系燃料燃焼装置３付近の拡大図である。図２に示すように、アミン系燃料燃焼装置３は、気筒２（図１参照）と同様の構成を有し、かつ気筒２よりも小型の気筒３２を有する。気筒３２の内部には、気筒３２の内部を往復動可能なピストン３４が設けられている。ピストン３４は、コンロッド３５を介してクランク軸６（図１）と接続されている。ピストン３４の上方には、燃焼室３１が形成されている。気筒３２には、燃焼室３１にアミン系燃料を噴射する噴射弁３６、および燃焼室３１の混合気に点火する点火装置３７が設けられている。噴射弁３６には、図示しない燃料タンクからアミン系燃料が供給される。噴射弁３６から燃焼室３１に噴射されたアミン系燃料は、図示しない吸気通路から燃焼室３１に導入される吸気と混合して混合気となる。吸気通路と燃焼室３１が図示しない吸気弁により遮断された状態で点火装置３７により混合気が点火されることで、アミン系燃料が燃焼する。
【００２３】
エンジン１が搭載された車両（図示せず）には、車両各部を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）を有する制御部２０が設けられている。噴射弁３６および点火装置３７は、制御部２０に接続されており、制御部２０によりそれぞれ制御される。
【００２４】
アミン系燃料燃焼装置３では、アミン系燃料を高温で過濃燃焼させることにより水素を発生させる。制御部２０は、燃焼室３１の混合気におけるアミン系燃料の濃度を理論空燃比（理論当量比）よりも高濃度（リッチ）とするように、噴射弁３６によるアミン系燃料の噴射量を制御する。燃焼室３１内の混合気は、ピストン３４の上昇により断熱圧縮されて高温となった状態で、点火装置３７により点火される。このように、アミン系燃料が高温で過濃燃焼されることにより、高温の環境でアミン系燃料の燃焼が促進され、過濃燃焼により効率的に水素を発生させることができる。後述するように、制御部２０は、アミン系燃料の燃焼条件、例えば、混合気におけるアミン系燃料の濃度を調節することにより、燃焼で発生する水素の量（燃焼ガスにおける水素濃度）を制御する。
【００２５】
燃焼室３１には、アミン系燃料燃焼装置３で発生した水素を含む燃焼ガスを各気筒２へ導く燃焼ガス通路７が接続されている。燃焼ガス通路７の一端部は、燃焼室３１に接続されている。燃焼ガス通路７の他端部は、各気筒２に吸気を導入する吸気通路（例えば、吸気ポート）に接続されている。燃焼ガス通路７と燃焼室３１との接続部には、燃焼ガス通路７を開閉する燃料弁３３が設けられている。燃料弁３３は、クランク軸６（図１）の回転と連動して開閉駆動される。燃料弁３３は、アミン系燃料燃焼装置３における排気行程（アミン系燃料の燃焼後のピストン３４の上昇過程）において開弁し、燃焼室３１と燃焼ガス通路７とを連通する。燃料弁３３が開弁すると、アミン系燃料の燃焼により発生した水素を含む燃焼ガスは、燃焼室３１から燃焼ガス通路７を経て各気筒２へ流れる。なお、燃焼ガス通路７には、液体燃料除去ユニット８が設けられている。燃焼ガス中に含まれる液体燃料は、液体燃料除去ユニット８で除去される。本実施形態の水素供給装置は、アミン系燃料燃焼装置３、燃焼ガス通路７、および制御部２０を含んで構成されている。
【００２６】
各気筒２へ水素が供給され、気筒２内の混合気に水素が混合されることにより、気筒２における燃焼速度が向上する。また、水素は耐ノック性に優れているため、気筒２における高圧縮比化が可能となる。燃焼速度の向上と高圧縮比化により、エンジン１の熱効率を向上させることができる。水素が混合気に混合されると、混合気の比熱が低くなるため、エンジン１の燃費が向上する。また、本実施形態では、エンジン１に供給する水素として、水素そのものを搭載するのではなく、アミン系燃料の燃焼により水素を発生させるため、水素の搭載や保管に伴う問題を回避することができる。
【００２７】
本実施形態の水素供給装置では、エンジン１の始動時に速やかに水素の生成を開始することができる。アミン系燃料の燃焼により水素を発生させる場合には、改質用触媒等により水素を発生させる場合に比べて、エンジン１の始動時に速やかに供給用の水素の生成を開始することができる。特に、本実施形態のアミン系燃料燃焼装置３では、ピストン３４によりアミン系燃料の混合気が圧縮（断熱圧縮）されるため、混合気が高温となる。このため、エンジン１の始動時に速やかに混合気の燃焼を開始して水素を発生させることができる。
【００２８】
また、本実施形態の水素供給装置は、単純な装置で容易に水素を生成することができる。燃料を改質用触媒により改質して水素を生成させる場合には、装置が複雑となり、大きな体積が必要となる。これに対して、本実施形態によれば、単純な装置により水素を生成することができ、設置スペースやコストを低減することができる。
【００２９】
本実施形態の水素供給装置は、気筒２で燃焼される主燃料として、アミン系燃料が用いられる場合に特に有効である。アミン系燃料が主燃料として使用されるエンジン１では、炭化水素系燃料（例えば、ガソリン）が主燃料として使用される場合に比べて、ＣＯ２（二酸化炭素）の排出量が少ない。また、アミン系燃料は炭化水素系燃料と比較して比熱が小さいため、熱効率が高いという利点を有する。しかしながら、アミン系燃料は、炭化水素系燃料に比べて燃焼速度が遅いため、気筒２における燃焼速度を促進することが求められる。
【００３０】
アミン系燃料を主燃料とするエンジン１に本実施形態の水素供給装置が適用される場合、気筒２の混合気に水素を添加して燃焼速度を向上させることができるだけでなく、エンジン１の始動性を高めることができる。始動時にアミン系燃料燃焼装置３で発生する高温の燃焼ガスが各気筒２に供給されることにより、気筒２の温度上昇を促進すると共に、燃焼速度を向上させてエンジン１の始動性を高めることができる。
【００３１】
本実施形態では、エンジン１の運転条件により、アミン系燃料燃焼装置３において発生させる燃焼ガスの水素濃度が調節される。例えば、エンジン１の運転条件に基づいて、気筒２における燃焼速度をさらに向上させたい場合には、アミン系燃料燃焼装置３において発生させる燃焼ガスの水素濃度が高められる。この場合、制御部２０は、燃焼室３１の混合気におけるアミン系燃料の濃度をより高濃度とする。これにより、アミン系燃料燃焼装置３において発生する燃焼ガスの水素濃度が上昇し、より多くの水素が気筒２に供給される。よって、気筒２における燃焼速度が向上する。また、アミン系燃料燃焼装置３において、より高濃度の混合気が燃焼することにより、燃焼ガスの温度が高温となる。高温の燃焼ガスが気筒２に供給されることで、気筒２における燃焼性を向上させることができる。アミン系燃料燃焼装置３において発生させる燃焼ガスの水素濃度を高めると判定されるエンジン１の運転条件には、エンジン１の暖機時、高速運転時、および低負荷時などが含まれる。
【００３２】
アミン系燃料燃焼装置３は、水素を発生させるのみならず、アミン系燃料を燃焼させる際の燃焼エネルギーをクランク軸６を回転させる回転エネルギーに変換する変換手段としての機能を有する。アミン系燃料を燃焼させる際の燃焼エネルギーは、ピストン３４およびコンロッド３５により、クランク軸６（図１参照）を回転させる回転エネルギーに変換される。すなわち、アミン系燃料燃焼装置３は、アミン系燃料の燃焼エネルギーをエンジン１の出力が伝達される駆動軸を駆動する動力に変換する。本実施形態では、このように、アミン系燃料から取り出した水素を気筒２に供給してエンジン１の熱効率を向上させるだけでなく、アミン系燃料の燃焼エネルギーを利用して駆動軸を駆動することで、車両の駆動力を向上させることができる。
【００３３】
なお、本実施形態ではエンジン１が車両に搭載されるエンジンである場合について説明したが、これには限定されない。例えば、車両の駆動用以外の用途に用いられるエンジン１に本実施形態の水素供給装置が適用されてもよい。
【００３４】
（第１実施形態の変形例）
第１実施形態の変形例について説明する。
【００３５】
上記第１実施形態では、アミン系燃料燃焼装置３は、気筒２とは独立して設けられていた。これに代えて、４つの気筒２のうち一部の気筒２がアミン系燃料燃焼装置３として構成されることができる。以下に、４つの気筒２のうち１つの気筒２がアミン系燃料燃焼装置３として構成される場合について説明する。以下の説明では、アミン系燃料燃焼装置３として構成される１つの気筒２を水素発生用の気筒２とする。
【００３６】
この場合、水素発生用の気筒２で発生する燃焼ガスは、水素発生用の気筒２以外の気筒２へ導かれる。なお、水素を含む燃焼ガスが大気へ排出されることは好ましくないため、水素発生用の気筒２で発生する水素を含む燃焼ガスは、全量いずれかの気筒２へ導かれるように構成される。
【００３７】
水素発生用の気筒２におけるアミン系燃料の混合気の濃度は、上記第１実施形態におけるアミン系燃料燃焼装置３における場合と同様に、理論空燃比よりも高濃度に調節される。
【００３８】
（第２実施形態）
図３を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態については、上記第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
【００３９】
上記第１実施形態では、エンジン１の各気筒２に供給する水素を発生させるために、気筒３２でアミン系燃料が燃焼された。これに代えて、本実施形態では、水素を発生させる水素生成手段として、アミン系燃料バーナー（図３の符号２１参照）が設けられている。なお、本実施形態のエンジン１は、上記第１実施形態のアミン系燃料燃焼装置３が設けられていないものであってもよい。
【００４０】
また、上記第１実施形態では、アミン系燃料の燃焼エネルギーがクランク軸６を回転させる回転エネルギーに変換されたが、これに代えて、本実施形態では、アミン系燃料の燃焼エネルギーが、過給機（変換手段、図３の符号４０参照）によるエンジン１の吸気の過給を通じて駆動軸を駆動する動力に変換される。また、本実施形態では、アミン系燃料の燃焼時の燃焼エネルギーを車両で利用される電力に変換する発電機（図３の符号２３参照）が設けられている。
【００４１】
図３は、本実施形態に係る装置の概略構成図である。
【００４２】
図３において、符号２１は、アミン系燃料を燃焼させるアミン系燃料バーナーを示す。符号４０は、アミン系燃料バーナーから排出される燃焼ガスにより駆動される過給機を示す。過給機４０は、コンプレッサー（圧縮機）４１、タービン４２、および回転軸４３を有する。コンプレッサー４１とタービン４２とは同軸上に配置されており、回転軸４３により連結されている。
【００４３】
アミン系燃料バーナー２１においてアミン系燃料の燃焼により発生する水素を含む燃焼ガスは、符号Ｂ１に示すように過給機４０のタービン４２に導かれる。タービン４２は、アミン系燃料バーナー２１においてアミン系燃料が燃焼（例えば、リッチ（過濃）燃焼）されることで発生する高温高圧の燃焼ガスのエネルギーにより駆動されて回転する。タービン４２の回転と連動して、コンプレッサー４１が回転し、吸気（空気）を圧縮する。コンプレッサー４１に供給される吸気は、コンプレッサー４１により圧縮された上で、符号Ａ、および符号Ｃに示すように、アミン系燃料バーナー２１、および各気筒２へ向けてそれぞれ供給される。
【００４４】
各気筒２へ供給される吸気Ｃには、タービン４２を駆動した後の燃焼ガスＢ２が合流し、最終的に各気筒２の吸気ポート（図示せず）へ流入する。過給機４０によりエンジン１に供給される吸気が過給されてエンジン１の出力が向上することで、アミン系燃料の燃焼エネルギーが駆動軸を駆動する動力に変換される。
【００４５】
本実施形態の車両には、モータ２３が設けられている。モータ２３は、発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されている。モータ２３の回転軸２５は、車両の駆動軸と連結可能に構成されており、回転軸２５から駆動軸へ動力を伝達することができる。モータ２３は、バッテリー２４と接続されており、図示しないインバータを介してバッテリー２４と電力のやり取りを行う。モータ２３は、発電機として駆動されてバッテリー２４を充電することができると共に、バッテリー２４から電力の供給を受けて電動機として機能し、駆動軸を駆動することができる。なお、バッテリー２４に充電される電力は、モータ２３を駆動する以外にも、車両の各部で利用される電力として用いられることができる。
【００４６】
過給機４０の回転軸４３とモータ２３の回転軸２５との間には、クラッチ２２が設けられている。回転軸４３の回転は、クラッチ２２を介して回転軸２５に伝達される。クラッチ２２は、係合または解放することによって、回転軸４３と、回転軸２５との機械的な接続を断続する。クラッチ２２を係合すると、回転軸４３の回転が回転軸２５に伝達され、モータ２３が発電機として駆動される。一方、クラッチ２２を解放すると、回転軸４３と回転軸２５との機械的な接続が切断される。モータ２３で発電される電力が車両で利用されることにより、エンジン１に駆動されて発電するオルタネータの容量を低減させることが可能となる。
【００４７】
上記第１実施形態の制御部２０に代えて、制御部３０が設けられている。制御部３０は、クラッチ２２と接続されており、制御部３０によりクラッチ２２が制御される。制御部３０は、例えば、過給機４０による過給をモータ２３による発電よりも優先するか否かに応じてクラッチ２２の係合および解放の状態を制御する。過給機４０による過給を優先させる場合には、クラッチ２２が解放される。これにより、過給機４０による過給圧が上昇する。一方、過給機４０による過給を優先させない場合には、クラッチ２２が係合される。これにより、モータ２３が駆動されて発電し、バッテリー２４への充電がなされる。
【００４８】
また、制御部３０は、アミン系燃料バーナー２１に供給されるアミン系燃料の供給量を制御する。制御部３０は、例えば、上記第１実施形態と同様に、エンジン１の運転条件に基づいてアミン系燃料の供給量を制御する。各気筒２に供給する水素の量を増量させる場合、制御部３０は、アミン系燃料バーナー２１に供給されるアミン系燃料の供給量を増加させる。これにより、アミン系燃料バーナー２１で燃焼される混合気におけるアミン系燃料の濃度が増加し、各気筒２に供給される燃焼ガスの水素濃度が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の水素供給装置の第１実施形態の概略構成図である。
【図２】本発明の水素供給装置の第１実施形態のアミン系燃料燃焼装置を示す図である。
【図３】本発明の水素供給装置の第２実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ エンジン
２ 気筒
３ アミン系燃料燃焼装置
４ ピストン
５ コンロッド
６ クランク軸
７ 燃焼ガス通路
２０ 制御部
２１ アミン系燃料バーナー
２２ クラッチ
２３ モータ
２４ バッテリー
２５ 回転軸
３０ 制御部
３１ 燃焼室
３２ 気筒
３３ 燃料弁
３４ ピストン
３５ コンロッド
３６ 噴射弁
３７ 点火装置
４０ 過給機
４１ コンプレッサー
４２ タービン
４３ 回転軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素供給装置に関し、特に、内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する水素供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関におけるＣＯ２（二酸化炭素）の排出量の削減、および熱効率の向上のニーズが高まっている。熱機関の効率を向上させるためには様々な手法が存在するが、火花点火式の内燃機関においては、燃焼速度の向上と高圧縮比化が有効であることが知られている。しかしながら、燃焼速度の向上や高圧縮比化は、吸気の流速や混合気の自着火性による制限を受ける。ここで、水素は燃焼速度の向上や耐ノック性に優れているため、燃焼室に主燃料と共に水素を供給する方法は、内燃機関の熱効率の向上に有効である。しかしながら、水素は保管や搭載等が困難であるという問題がある。このため、水素そのものを搭載するのではなく、水素を生成して内燃機関に供給する技術が考案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、改質用燃料と内燃機関から排出される排気ガスとの改質用混合気を改質触媒により改質して、水素を含む改質ガスを生成する改質器を備える内燃機関が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９１９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１のように改質用触媒により水素を生成させる場合、改質のために高温の環境や大きな体積が必要とされる。しかしながら、内燃機関の始動時に短時間で改質用の触媒を高温とすることは困難である。例えば、熱源として内燃機関の排気ガスの熱が利用される場合、内燃機関が始動されてから排気ガスの温度が上昇するまでには所定の時間を要するため、始動時にすぐに水素を生成させることが困難であるという問題がある。
【０００６】
内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する場合に、内燃機関の始動時に速やかに供給用の水素の生成を開始できることが望まれている。
【０００７】
本発明の目的は、内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する場合に、内燃機関の始動時に速やかに供給用の水素の生成を開始できる水素供給装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の水素供給装置は、内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する水素供給装置であって、燃焼時に前記水素を含む燃焼ガスとなる水素発生燃料を燃焼する水素生成手段を備え、前記水素生成手段により燃焼された前記燃焼ガスに含まれる前記水素を供給することを特徴とする。
【０００９】
本発明の水素供給装置において、更に、前記水素生成手段による前記水素発生燃料の燃焼時の燃焼エネルギーを前記内燃機関の出力が伝達される駆動軸を駆動する動力に変換する変換手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の水素供給装置において、前記水素生成手段は、前記内燃機関に設けられた複数の気筒のうちの一部の前記気筒で前記水素発生燃料を燃焼し、前記変換手段は、前記一部の前記気筒における前記水素発生燃料の燃焼時の前記燃焼エネルギーを前記内燃機関の出力軸を回転させる回転エネルギーに変換することを特徴とする。
【００１１】
本発明の水素供給装置において、前記変換手段は、前記燃焼ガスで駆動されて前記内燃機関に供給される吸気を過給する過給機を有していることを特徴とする。
【００１２】
本発明の水素供給装置において、前記水素生成手段による前記水素発生燃料の燃焼時の燃焼エネルギーを前記内燃機関が搭載された車両で利用される電力に変換する発電機を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する場合に、内燃機関の始動時に速やかに供給用の水素の生成を開始することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の水素供給装置の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１および図２を参照して、第１実施形態について説明する。本実施形態は、内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する水素供給装置に関する。
【００１６】
前述したように、内燃機関に供給する水素の生成方法として、改質用燃料と内燃機関から排出される排気ガスとの改質用混合気を改質触媒により改質して、水素を含む改質ガスを生成する技術が考案されている。しかしながら、改質触媒により水素を生成させる場合、内燃機関の始動時に早期に水素の生成を開始することは困難であった。これは、水素を生成させるためには改質触媒を高温とする必要があるためである。
【００１７】
本実施形態の水素供給装置では、改質触媒により水素を生成させることに代えて、アミン系燃料を燃焼させることにより水素を生成させる。アミン系燃料の燃焼により水素を生成させる場合、内燃機関の始動時に応答性よく速やかに水素の生成を開始することができる。これにより、内燃機関の始動時に速やかに水素を内燃機関の気筒に供給することができると共に、内燃機関の始動性を向上させることが可能となる。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る装置の概略構成図である。図２は、図１の要部拡大図である。
【００１９】
図１において、符号１は、火花点火式のエンジン（内燃機関）を示す。エンジン１には、４つの気筒２、および後述するアミン系燃料燃焼装置３が設けられている。気筒２には、気筒２の内部を往復動可能なピストン４がそれぞれ設けられている。ピストン４は、コンロッド５を介してエンジン１のクランク軸（出力軸）６に接続されている。気筒２の図示しない燃焼室には、主燃料（例えば、ガソリン等の炭化水素系燃料や後述するアミン系燃料等）に加えて、以下に説明するように、アミン系燃料燃焼装置３で生成される水素を含む燃焼ガスが供給される。気筒２に供給される燃料（主燃料および水素）の燃焼エネルギーは、ピストン４およびコンロッド５によりクランク軸６の回転エネルギーに変換される。
【００２０】
本実施形態のエンジン１には、アミン系燃料（水素発生燃料）を燃焼させて水素を発生させるアミン系燃料燃焼装置３が設けられている。アミン系燃料燃焼装置３は、本実施形態の水素生成手段および変換手段としての機能を有する。アミン系燃料は、例えば、アンモニアやヒドラジンなどであり、燃焼時に水素を含む燃焼ガスとなる。なお、アミン系燃料燃焼装置３で燃焼させる水素発生燃料は、アミン系燃料には限定されない。燃焼時に水素を含む燃焼ガスとなる燃料であれば水素発生燃料として用いることができる。
【００２１】
本実施形態では、水素を含む燃焼ガスを気筒２に供給することにより、気筒２における熱効率の向上を図る。また、アミン系燃料燃焼装置３は、以下に説明するように、水素を発生させるのみならず、アミン系燃料を燃焼させる際の燃焼エネルギーをクランク軸６を回転させる回転エネルギーに変換する変換手段としての機能を有する。
【００２２】
図２は、図１におけるアミン系燃料燃焼装置３付近の拡大図である。図２に示すように、アミン系燃料燃焼装置３は、気筒２（図１参照）と同様の構成を有し、かつ気筒２よりも小型の気筒３２を有する。気筒３２の内部には、気筒３２の内部を往復動可能なピストン３４が設けられている。ピストン３４は、コンロッド３５を介してクランク軸６（図１）と接続されている。ピストン３４の上方には、燃焼室３１が形成されている。気筒３２には、燃焼室３１にアミン系燃料を噴射する噴射弁３６、および燃焼室３１の混合気に点火する点火装置３７が設けられている。噴射弁３６には、図示しない燃料タンクからアミン系燃料が供給される。噴射弁３６から燃焼室３１に噴射されたアミン系燃料は、図示しない吸気通路から燃焼室３１に導入される吸気と混合して混合気となる。吸気通路と燃焼室３１が図示しない吸気弁により遮断された状態で点火装置３７により混合気が点火されることで、アミン系燃料が燃焼する。
【００２３】
エンジン１が搭載された車両（図示せず）には、車両各部を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）を有する制御部２０が設けられている。噴射弁３６および点火装置３７は、制御部２０に接続されており、制御部２０によりそれぞれ制御される。
【００２４】
アミン系燃料燃焼装置３では、アミン系燃料を高温で過濃燃焼させることにより水素を発生させる。制御部２０は、燃焼室３１の混合気におけるアミン系燃料の濃度を理論空燃比（理論当量比）よりも高濃度（リッチ）とするように、噴射弁３６によるアミン系燃料の噴射量を制御する。燃焼室３１内の混合気は、ピストン３４の上昇により断熱圧縮されて高温となった状態で、点火装置３７により点火される。このように、アミン系燃料が高温で過濃燃焼されることにより、高温の環境でアミン系燃料の燃焼が促進され、過濃燃焼により効率的に水素を発生させることができる。後述するように、制御部２０は、アミン系燃料の燃焼条件、例えば、混合気におけるアミン系燃料の濃度を調節することにより、燃焼で発生する水素の量（燃焼ガスにおける水素濃度）を制御する。
【００２５】
燃焼室３１には、アミン系燃料燃焼装置３で発生した水素を含む燃焼ガスを各気筒２へ導く燃焼ガス通路７が接続されている。燃焼ガス通路７の一端部は、燃焼室３１に接続されている。燃焼ガス通路７の他端部は、各気筒２に吸気を導入する吸気通路（例えば、吸気ポート）に接続されている。燃焼ガス通路７と燃焼室３１との接続部には、燃焼ガス通路７を開閉する燃料弁３３が設けられている。燃料弁３３は、クランク軸６（図１）の回転と連動して開閉駆動される。燃料弁３３は、アミン系燃料燃焼装置３における排気行程（アミン系燃料の燃焼後のピストン３４の上昇過程）において開弁し、燃焼室３１と燃焼ガス通路７とを連通する。燃料弁３３が開弁すると、アミン系燃料の燃焼により発生した水素を含む燃焼ガスは、燃焼室３１から燃焼ガス通路７を経て各気筒２へ流れる。なお、燃焼ガス通路７には、液体燃料除去ユニット８が設けられている。燃焼ガス中に含まれる液体燃料は、液体燃料除去ユニット８で除去される。本実施形態の水素供給装置は、アミン系燃料燃焼装置３、燃焼ガス通路７、および制御部２０を含んで構成されている。
【００２６】
各気筒２へ水素が供給され、気筒２内の混合気に水素が混合されることにより、気筒２における燃焼速度が向上する。また、水素は耐ノック性に優れているため、気筒２における高圧縮比化が可能となる。燃焼速度の向上と高圧縮比化により、エンジン１の熱効率を向上させることができる。水素が混合気に混合されると、混合気の比熱が低くなるため、エンジン１の燃費が向上する。また、本実施形態では、エンジン１に供給する水素として、水素そのものを搭載するのではなく、アミン系燃料の燃焼により水素を発生させるため、水素の搭載や保管に伴う問題を回避することができる。
【００２７】
本実施形態の水素供給装置では、エンジン１の始動時に速やかに水素の生成を開始することができる。アミン系燃料の燃焼により水素を発生させる場合には、改質用触媒等により水素を発生させる場合に比べて、エンジン１の始動時に速やかに供給用の水素の生成を開始することができる。特に、本実施形態のアミン系燃料燃焼装置３では、ピストン３４によりアミン系燃料の混合気が圧縮（断熱圧縮）されるため、混合気が高温となる。このため、エンジン１の始動時に速やかに混合気の燃焼を開始して水素を発生させることができる。
【００２８】
また、本実施形態の水素供給装置は、単純な装置で容易に水素を生成することができる。燃料を改質用触媒により改質して水素を生成させる場合には、装置が複雑となり、大きな体積が必要となる。これに対して、本実施形態によれば、単純な装置により水素を生成することができ、設置スペースやコストを低減することができる。
【００２９】
本実施形態の水素供給装置は、気筒２で燃焼される主燃料として、アミン系燃料が用いられる場合に特に有効である。アミン系燃料が主燃料として使用されるエンジン１では、炭化水素系燃料（例えば、ガソリン）が主燃料として使用される場合に比べて、ＣＯ２（二酸化炭素）の排出量が少ない。また、アミン系燃料は炭化水素系燃料と比較して比熱が小さいため、熱効率が高いという利点を有する。しかしながら、アミン系燃料は、炭化水素系燃料に比べて燃焼速度が遅いため、気筒２における燃焼速度を促進することが求められる。
【００３０】
アミン系燃料を主燃料とするエンジン１に本実施形態の水素供給装置が適用される場合、気筒２の混合気に水素を添加して燃焼速度を向上させることができるだけでなく、エンジン１の始動性を高めることができる。始動時にアミン系燃料燃焼装置３で発生する高温の燃焼ガスが各気筒２に供給されることにより、気筒２の温度上昇を促進すると共に、燃焼速度を向上させてエンジン１の始動性を高めることができる。
【００３１】
本実施形態では、エンジン１の運転条件により、アミン系燃料燃焼装置３において発生させる燃焼ガスの水素濃度が調節される。例えば、エンジン１の運転条件に基づいて、気筒２における燃焼速度をさらに向上させたい場合には、アミン系燃料燃焼装置３において発生させる燃焼ガスの水素濃度が高められる。この場合、制御部２０は、燃焼室３１の混合気におけるアミン系燃料の濃度をより高濃度とする。これにより、アミン系燃料燃焼装置３において発生する燃焼ガスの水素濃度が上昇し、より多くの水素が気筒２に供給される。よって、気筒２における燃焼速度が向上する。また、アミン系燃料燃焼装置３において、より高濃度の混合気が燃焼することにより、燃焼ガスの温度が高温となる。高温の燃焼ガスが気筒２に供給されることで、気筒２における燃焼性を向上させることができる。アミン系燃料燃焼装置３において発生させる燃焼ガスの水素濃度を高めると判定されるエンジン１の運転条件には、エンジン１の暖機時、高速運転時、および低負荷時などが含まれる。
【００３２】
アミン系燃料燃焼装置３は、水素を発生させるのみならず、アミン系燃料を燃焼させる際の燃焼エネルギーをクランク軸６を回転させる回転エネルギーに変換する変換手段としての機能を有する。アミン系燃料を燃焼させる際の燃焼エネルギーは、ピストン３４およびコンロッド３５により、クランク軸６（図１参照）を回転させる回転エネルギーに変換される。すなわち、アミン系燃料燃焼装置３は、アミン系燃料の燃焼エネルギーをエンジン１の出力が伝達される駆動軸を駆動する動力に変換する。本実施形態では、このように、アミン系燃料から取り出した水素を気筒２に供給してエンジン１の熱効率を向上させるだけでなく、アミン系燃料の燃焼エネルギーを利用して駆動軸を駆動することで、車両の駆動力を向上させることができる。
【００３３】
なお、本実施形態ではエンジン１が車両に搭載されるエンジンである場合について説明したが、これには限定されない。例えば、車両の駆動用以外の用途に用いられるエンジン１に本実施形態の水素供給装置が適用されてもよい。
【００３４】
（第１実施形態の変形例）
第１実施形態の変形例について説明する。
【００３５】
上記第１実施形態では、アミン系燃料燃焼装置３は、気筒２とは独立して設けられていた。これに代えて、４つの気筒２のうち一部の気筒２がアミン系燃料燃焼装置３として構成されることができる。以下に、４つの気筒２のうち１つの気筒２がアミン系燃料燃焼装置３として構成される場合について説明する。以下の説明では、アミン系燃料燃焼装置３として構成される１つの気筒２を水素発生用の気筒２とする。
【００３６】
この場合、水素発生用の気筒２で発生する燃焼ガスは、水素発生用の気筒２以外の気筒２へ導かれる。なお、水素を含む燃焼ガスが大気へ排出されることは好ましくないため、水素発生用の気筒２で発生する水素を含む燃焼ガスは、全量いずれかの気筒２へ導かれるように構成される。
【００３７】
水素発生用の気筒２におけるアミン系燃料の混合気の濃度は、上記第１実施形態におけるアミン系燃料燃焼装置３における場合と同様に、理論空燃比よりも高濃度に調節される。
【００３８】
（第２実施形態）
図３を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態については、上記第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
【００３９】
上記第１実施形態では、エンジン１の各気筒２に供給する水素を発生させるために、気筒３２でアミン系燃料が燃焼された。これに代えて、本実施形態では、水素を発生させる水素生成手段として、アミン系燃料バーナー（図３の符号２１参照）が設けられている。なお、本実施形態のエンジン１は、上記第１実施形態のアミン系燃料燃焼装置３が設けられていないものであってもよい。
【００４０】
また、上記第１実施形態では、アミン系燃料の燃焼エネルギーがクランク軸６を回転させる回転エネルギーに変換されたが、これに代えて、本実施形態では、アミン系燃料の燃焼エネルギーが、過給機（変換手段、図３の符号４０参照）によるエンジン１の吸気の過給を通じて駆動軸を駆動する動力に変換される。また、本実施形態では、アミン系燃料の燃焼時の燃焼エネルギーを車両で利用される電力に変換する発電機（図３の符号２３参照）が設けられている。
【００４１】
図３は、本実施形態に係る装置の概略構成図である。
【００４２】
図３において、符号２１は、アミン系燃料を燃焼させるアミン系燃料バーナーを示す。符号４０は、アミン系燃料バーナーから排出される燃焼ガスにより駆動される過給機を示す。過給機４０は、コンプレッサー（圧縮機）４１、タービン４２、および回転軸４３を有する。コンプレッサー４１とタービン４２とは同軸上に配置されており、回転軸４３により連結されている。
【００４３】
アミン系燃料バーナー２１においてアミン系燃料の燃焼により発生する水素を含む燃焼ガスは、符号Ｂ１に示すように過給機４０のタービン４２に導かれる。タービン４２は、アミン系燃料バーナー２１においてアミン系燃料が燃焼（例えば、リッチ（過濃）燃焼）されることで発生する高温高圧の燃焼ガスのエネルギーにより駆動されて回転する。タービン４２の回転と連動して、コンプレッサー４１が回転し、吸気（空気）を圧縮する。コンプレッサー４１に供給される吸気は、コンプレッサー４１により圧縮された上で、符号Ａ、および符号Ｃに示すように、アミン系燃料バーナー２１、および各気筒２へ向けてそれぞれ供給される。
【００４４】
各気筒２へ供給される吸気Ｃには、タービン４２を駆動した後の燃焼ガスＢ２が合流し、最終的に各気筒２の吸気ポート（図示せず）へ流入する。過給機４０によりエンジン１に供給される吸気が過給されてエンジン１の出力が向上することで、アミン系燃料の燃焼エネルギーが駆動軸を駆動する動力に変換される。
【００４５】
本実施形態の車両には、モータ２３が設けられている。モータ２３は、発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されている。モータ２３の回転軸２５は、車両の駆動軸と連結可能に構成されており、回転軸２５から駆動軸へ動力を伝達することができる。モータ２３は、バッテリー２４と接続されており、図示しないインバータを介してバッテリー２４と電力のやり取りを行う。モータ２３は、発電機として駆動されてバッテリー２４を充電することができると共に、バッテリー２４から電力の供給を受けて電動機として機能し、駆動軸を駆動することができる。なお、バッテリー２４に充電される電力は、モータ２３を駆動する以外にも、車両の各部で利用される電力として用いられることができる。
【００４６】
過給機４０の回転軸４３とモータ２３の回転軸２５との間には、クラッチ２２が設けられている。回転軸４３の回転は、クラッチ２２を介して回転軸２５に伝達される。クラッチ２２は、係合または解放することによって、回転軸４３と、回転軸２５との機械的な接続を断続する。クラッチ２２を係合すると、回転軸４３の回転が回転軸２５に伝達され、モータ２３が発電機として駆動される。一方、クラッチ２２を解放すると、回転軸４３と回転軸２５との機械的な接続が切断される。モータ２３で発電される電力が車両で利用されることにより、エンジン１に駆動されて発電するオルタネータの容量を低減させることが可能となる。
【００４７】
上記第１実施形態の制御部２０に代えて、制御部３０が設けられている。制御部３０は、クラッチ２２と接続されており、制御部３０によりクラッチ２２が制御される。制御部３０は、例えば、過給機４０による過給をモータ２３による発電よりも優先するか否かに応じてクラッチ２２の係合および解放の状態を制御する。過給機４０による過給を優先させる場合には、クラッチ２２が解放される。これにより、過給機４０による過給圧が上昇する。一方、過給機４０による過給を優先させない場合には、クラッチ２２が係合される。これにより、モータ２３が駆動されて発電し、バッテリー２４への充電がなされる。
【００４８】
また、制御部３０は、アミン系燃料バーナー２１に供給されるアミン系燃料の供給量を制御する。制御部３０は、例えば、上記第１実施形態と同様に、エンジン１の運転条件に基づいてアミン系燃料の供給量を制御する。各気筒２に供給する水素の量を増量させる場合、制御部３０は、アミン系燃料バーナー２１に供給されるアミン系燃料の供給量を増加させる。これにより、アミン系燃料バーナー２１で燃焼される混合気におけるアミン系燃料の濃度が増加し、各気筒２に供給される燃焼ガスの水素濃度が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の水素供給装置の第１実施形態の概略構成図である。
【図２】本発明の水素供給装置の第１実施形態のアミン系燃料燃焼装置を示す図である。
【図３】本発明の水素供給装置の第２実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ エンジン
２ 気筒
３ アミン系燃料燃焼装置
４ ピストン
５ コンロッド
６ クランク軸
７ 燃焼ガス通路
２０ 制御部
２１ アミン系燃料バーナー
２２ クラッチ
２３ モータ
２４ バッテリー
２５ 回転軸
３０ 制御部
３１ 燃焼室
３２ 気筒
３３ 燃料弁
３４ ピストン
３５ コンロッド
３６ 噴射弁
３７ 点火装置
４０ 過給機
４１ コンプレッサー
４２ タービン
４３ 回転軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する水素供給装置であって、
燃焼時に前記水素を含む燃焼ガスとなる水素発生燃料を燃焼する水素生成手段を備え、
前記水素生成手段により燃焼された前記燃焼ガスに含まれる前記水素を供給する
ことを特徴とする水素供給装置。
【請求項２】
請求項１記載の水素供給装置において、
更に、前記水素生成手段による前記水素発生燃料の燃焼時の燃焼エネルギーを前記内燃機関の出力が伝達される駆動軸を駆動する動力に変換する変換手段を備える
ことを特徴とする水素供給装置。
【請求項３】
請求項２記載の水素供給装置において、
前記水素生成手段は、前記内燃機関に設けられた複数の気筒のうちの一部の前記気筒で前記水素発生燃料を燃焼し、
前記変換手段は、前記一部の前記気筒における前記水素発生燃料の燃焼時の前記燃焼エネルギーを前記内燃機関の出力軸を回転させる回転エネルギーに変換する
ことを特徴とする水素供給装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の水素供給装置において、
前記変換手段は、前記燃焼ガスで駆動されて前記内燃機関に供給される吸気を過給する過給機を有している
ことを特徴とする水素供給装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の水素供給装置において、
前記水素生成手段による前記水素発生燃料の燃焼時の燃焼エネルギーを前記内燃機関が搭載された車両で利用される電力に変換する発電機を備える
ことを特徴とする水素供給装置。
【請求項１】
内燃機関の燃焼室において主燃料と共に燃焼させる水素を供給する水素供給装置であって、
燃焼時に前記水素を含む燃焼ガスとなる水素発生燃料を燃焼する水素生成手段を備え、
前記水素生成手段により燃焼された前記燃焼ガスに含まれる前記水素を供給する
ことを特徴とする水素供給装置。
【請求項２】
請求項１記載の水素供給装置において、
更に、前記水素生成手段による前記水素発生燃料の燃焼時の燃焼エネルギーを前記内燃機関の出力が伝達される駆動軸を駆動する動力に変換する変換手段を備える
ことを特徴とする水素供給装置。
【請求項３】
請求項２記載の水素供給装置において、
前記水素生成手段は、前記内燃機関に設けられた複数の気筒のうちの一部の前記気筒で前記水素発生燃料を燃焼し、
前記変換手段は、前記一部の前記気筒における前記水素発生燃料の燃焼時の前記燃焼エネルギーを前記内燃機関の出力軸を回転させる回転エネルギーに変換する
ことを特徴とする水素供給装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の水素供給装置において、
前記変換手段は、前記燃焼ガスで駆動されて前記内燃機関に供給される吸気を過給する過給機を有している
ことを特徴とする水素供給装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の水素供給装置において、
前記水素生成手段による前記水素発生燃料の燃焼時の燃焼エネルギーを前記内燃機関が搭載された車両で利用される電力に変換する発電機を備える
ことを特徴とする水素供給装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１５６０３７（Ｐ２００９−１５６０３７Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３１８８２（Ｐ２００７−３３１８８２）
【出願日】平成１９年１２月２５日（２００７．１２．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２５日（２００７．１２．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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