JP4039383B2 - 水素利用内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、水素利用内燃機関に係り、特に、水素化燃料、車両内で生成した水素リッチガス及び脱水素生成物を燃料として利用することのできる水素利用内燃機関に関する。

自動車を駆動するための動力源として、従来からガソリンを燃料とするガソリンエンジンが広く利用されている。ガソリンエンジンは、一般に主燃料であるガソリンに空気を混合した混合気体を燃焼させて発動するものであるが、近年この混合気体にさらに水素を添加する技術の実用化が検討されている。

また、自動車用燃料としては、今後ガソリンエシジンや、ディーゼルエンジン、水素エンジンをはじめとする内燃機関のみならず、電気自動車などに搭載される燃料電池等のエンジン以外の水素使用装置においても水素の利用が増加するものと推定される。

ところが、水素の供給方制に関する技術は未だ確立されていないのが現況であり、内燃機関や燃料電池等に水素を供給しようとする場合には、車両に水素または水素を生成するための原燃料を搭載する必要がある。すなわち、水素を搭載する場合には、水素リッチガスを圧縮して高圧に若しくは液状にして充填したボンベ（高圧タンクや液体水素タンクなど）、または水素を吸蔵する水素吸蔵合金や水素吸着材料によって搭載し、原燃料を搭載する場合には、原燃料としてのメタノールまたはガソリン等の炭化水素とこの原燃料を水蒸気改質して水素リッチガスを生成する水素生成装置とが搭載される。

しかしながら、車両に水素自体を搭載する場合、高圧タンクに圧縮した状態で搭載すると、高圧タンクは大きいわりに壁厚が厚く内容積を大きくできないために水素充填量が少ない。液体水素として搭載する場合は、気化ロスがあるほか、液化に多大なエネルギーを要するため総合的なエネルギー効率の点で望ましくない。また、水素吸蔵合金や水素吸着材料では、必要とされる水素貯蔵密度が不充分であり、また水素の吸蔵や吸着等を制御するのが非常に困難である。また更に、水素を高圧化、液化したり、吸蔵するのに設備を別途整備する必要もある。

一方、原燃料を搭載する場合は、水素を搭載する場合に比して１回の燃料補給で走行可能な距離が長いという利点を有しており、炭化水素系の原燃料では水素リッチガスとの比較において輸送等の取り扱いが容易であるという利点も有している。また、水素は燃焼しても空中の酸素と結合して水となるだけで公害の心配がない。

例えば炭化水素系物質の１つであるデカリン（デカヒドロナフタレン)は、常温では殆ど蒸気圧がゼロ（沸点が２００℃近傍)で取り扱いし易いことから、原燃料としての使用の可能性が期待されている。

デカリンの脱水素化方法としては、デカリンをコバルト、ロジウム、イリジウム、鉄、テルニウム、ニッケル、および白金の中から選ばれる少なくとも１種の遷移金属を含有する遷移金属錯体の存在下で光照射し、デカリンから水素を離脱させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、有機リン化合物のロジウム錯体の存在下、または有機リン化合物とロジウム化合物との存在下に、デカリンに光照射することによりデカリンから水素を製造する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。デカリンの脱水素反応は以下のように行なわれる。

Ｃ_１０Ｈ_１８（デカリン）→Ｃ_１０Ｈ_８（ナフタレン）＋５Ｈ_２（水素）

また、原燃料として、デカリンやシクロヘキサンなどの有機ハイドライドを用いた水素燃料供給システムが開示されているものがある（例えば、特許文献３，４参照）。
特公平３−９０９１号公報 特公平５−１８７６１号公報 特開２００１−１１０４３７公報 特開２００２−２５５５０３公報

従って、本発明の第１の目的は、上記有機ハイドライドや、ガソリン、軽油等を水素化したもの（以下、「水素化燃料という」）を、直接または、分解して、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン、水素エンジンなどの内燃機関に供するシステムを提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、有機ハイドライドを含む水素化ガソリンから、水素リッチガスおよび脱水素化ガソリンを生成して、それらの中で最適な燃料を内燃機関に

＜水素化燃料＞
本発明の水素利用内燃機関には、水素化燃料を用いる。
本発明において、水素化燃料は、有機ハイドライド並びに軽油・ガソリン等の内燃機関燃料に水素を付加したものから選ばれる１種、又は２種以上の混合物をいう。

ここで、有機ハイドライドとは、脱水素反応により水素を発生し得る飽和炭化水素を含む燃料を意味し、非環式や環式の炭化水素、および非環式や環式の含酸素炭化水素などがこれに該当する。非環式の炭化水素には、例えば、n-ヘキサンやiso-オクタンが含まれる。また、環式の炭化水素には、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサンなどの単環式化合物、デカリンなどの２環式化合物が含まれる。更に、含酸素炭化水素には、シクロヘキサノールやシクロヘキサンメタノールなどのアルコール類や、メチル-t-ブチルエーテルなどのエーテル類などが含まれる。

上記の水素化燃料から脱水素されて得られた脱水素生成物とは、上記の有機ハイドライドを脱水素反応して水素を放出した後の反応生成物であり、例えば、シクロヘキサンの場合には、水素と共に主として生成されるベンゼンが相当する。

前記有機ハイドライドを脱水素反応させると、水素リッチガスと共に、水素の放出により不飽和結合を持つ環状不飽和物が反応生成物として生成される。例えば、シクロヘキサンからなる燃料またはシクロヘキサンを主成分とする燃料を用いた場合には、シクロヘキサンの脱水素反応により、水素リッチガスと共に環状不飽和物としてベンゼンが生成される。

一方、水素化燃料は、石油精製プロセスにおいて、上記のような有機ハイドライドを多く含む留分を改質あるいはブレンド調製することで生成することができる。また、軽油・ガソリン等の内燃機関燃料は環式、非環式の不飽和炭化水素を含有しているため、それらに水素を付加することによっても水素化燃料は生成することができる。
水素付加の方法は特に限定されないが、加熱された触媒上で不飽和物等と水素リッチガスを反応させる方法が挙げられる（特開２０００−２５５５０３号等）。
そして、該環状不飽和物であるベンゼンを水素添加により水素化皮応させたときには、ベンゼンの水素化物であるシクロヘキサンが生成（再生）される。
水素化燃料は、水素化燃料貯留部に供給される。水素化燃料貯留部は、水素化燃料単独のタンクでもよいし、後述する水素分離後の脱水素生成物との共有タンクであってもよい。
本発明においては、水素化燃料貯留部から内燃機関に直接水素化燃料を供給することができ、水素化燃料を直接内燃機関の燃料とすることができる。

＜反応手段＞
一方、水素化燃料は、加熱可能に配置された触媒を備え、該触媒上で脱水素反応させる反応手段へと導くこともできる。

このような反応手段は、特に限定されないが、加熱可能なハニカム担体の各セル内に金属触媒層を設け、かつ該触媒に水素化燃料を供給する燃料供給装置を有するものが好ましいものとして挙げられる。

ここで用いるハニカム担体は、ステンレス等の金属、セラミック、カーボン等の材質のものが挙げられ、セル数は、４５〜３１０セル／ｃｍ^２で、水素化燃料入口直径と奥行長さの比（直径／長さ）が０．１〜０．５である触媒担持用ハニカム担体が好ましい。また、セル１個の断面形状は、特に限定されず、四角、六角、三角等が挙げられる。

金属触媒層は、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム及ひニッケル等から選ばれる１種又は２種以上の塩又は錯体を含有してなるが、このような触媒とハニカム担体の間にはコート層を設けることが好ましい。コ一卜層は、アルミナ、セリア、ジルコニア、カーボン、ゼオライト、セピオライト及びモルデナイト等から選ばれる１種又は２種以上とバインダー（アルミナ等を構成する金属元素の水酸化塩又は酸化塩）と水を混練して塗布等することにより、設けることができる。

金属触媒の使用量は、適宜決定すればよいが、ハニカム担体容量１リットル当たり、１ｇ〜２０ｇとすることが好ましい。

触媒の加熱手段は、特に限定されず、内燃機関の発熱を利用してもよいし、排出ガスの熱を利用してもよいし、独自した加熱手段により加熱してもよいが、内燃機関からの排出ガスの熱を利用することが、エネルギーの有効利用の観点から好ましい。

例えば、触媒が排出ガスを排気する排気管を取り巻いて形成されている場合、触媒は排気熱が排気管を熱伝達して加熱される。これにより、内燃機関の廃熱である排気熱、すなわち熱エネルギーの有効利用が可能となるが、例えばガソリンエンジンなど、内燃機関から排出される排出ガスは概ね４００℃以上にも達するため、排気熱の利用によると脱水素反応を担う触媒温度を脱水素化に必要な２５０℃以上に安定的に保持することができる。その結果、別途熱源を設ける必要がなく、装置全体の小型・軽量化が図れると共に、内燃系統におけるエネルギー利用効率を高めることができる。しかも、排気管内において排気抵抗となるものが加わることもないため、内燃機関の性能低下を来すこともない。また、一般に排気管は金属からなるため熱伝導性が高く、排出ガスの排気熱を効果的に触媒に伝達することができる。

燃料供給装置は、解媒に水素化燃料を供給できる位置に設けられ、セル入口に対して水素化燃料を広角に噴霧等して供給可能なように構成することができる。例えば、インジェクタ（噴射装置）などが好適であり、これは制御用のドライバを接続して個々の供給装置ごとに噴射量を適宜コントロールすることができる。また、単一の反応手段に複数の燃料供給装置を設けることができ、好ましくは触媒上に水素化燃料の液膜状態が形成されるように供給される。

反応手段には、反応手段と連通し、かつ反応手段における脱水素反応によって生じた混合気体が通過する流路を、排気管に沿うようにして更に設けることができる。これにより、反応手段で生じた水素リッチガスおよび脱水素生成物を含む混合ガス（水素リッチガス）を高温状態のまま、すなわち脱水素生成物を気体状態のままにでき、容易に管内を挿通させることができる。

内燃機関の排出ガスを排気する排気管は、通常単一の管で構成できるが、単一の管から複数に分岐させて設けることもできる。この場合、分岐された各々の排気管ごとに反応手段を備えることが可能で、車両内に複数の反応手段を設けることができる。その結果、供給可能な水素量を増加することができる。

＜分離手段＞
分離手段は、反応手段において、水素化燃料の脱水素反応で生じた水素リッチガスと脱水素生成物との混合気体から水素リッチガスを分離するものである。

分離手段としては、該混合気体を熱交換や断熱膨張などで冷却し、脱水素生成物を重カや遠心力で分離する方法や、該混合気体を高分子やＰｄ薄膜等の水素透過膜で分離する方法や、該混合気体を活性炭などの有機物吸着剤に通気し、脱水素生成物を分離する方法などが挙げられる。

＜脱水素生成物＞
水素リッチガスと分離された脱水素生成物は、脱水素生成物貯留部に貯留される。

脱水素生成物貯留部は、単独でタンクを設ける代わりに、水素化燃料を貯留する水素化燃料貯留部とを含む複室貯留タンクとすることが好ましい。この場合、水素化燃料貯留部と水素リッチガスを分離した脱水素生成物貯留部とのそれぞれが伸縮性樹脂材料を用いたものとすることが好ましい。このようにすれば、単一のタンクに統括することができ、車両などの限られた場所でも設置が可能となり、軽量化も図れる。また、水素リッチガスが除去された脱水素生成物が貯留されるので、水素リッチガスを排出する排出口を設ける必要がない。

脱水素生成物は、内燃機関に送りこめば、従来のガソリン等の燃料と同様に燃料として使用できる。また、脱水素生成物を回収して、水素化を行ない、水素化燃料として再び用いることもできる。

＜水素リッチガス＞
分離手段で分離された水素リッチガスは、内燃機関に供給することができる。また、水素化燃料又は脱水素生成物とともに内燃機関に供給してもよい。このため、内燃機関の吸気系、燃焼室および排気系の少なくとも一つに供給する水素供給手段を設けることができる。水素供給手段は、場合により適宜選択でき、例えば、インジェクタ（噴射装置）などが好適である。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、水素利用内燃機関であって、
有機ハイドライドを含む水素化ガソリンを貯留する水素化ガソリンタンクと、
前記水素化ガソリンを、水素リッチガスと脱水素化ガソリンとに分離する燃料分離手段と、
前記水素化ガソリンを内燃機関に供給するための水素化ガソリン供給手段と、
前記水素リッチガスを内燃機関に供給するための水素リッチガス供給手段と、
前記脱水素化ガソリンを内燃機関に供給するための脱水素化ガソリン供給手段と、
前記水素化ガソリン、前記水素リッチガス、および前記脱水素化ガソリンの中から、燃料として用いるべき１種以上の燃料を選択する燃料選択手段と、
選択された燃料が内燃機関に供給されるように、前記水素化ガソリン供給手段、前記水素リッチガス供給手段、および前記脱水素化ガソリン供給手段を制御する燃料供給制御手段と、
ガソリン供給の必要性を判断するガソリン要否判断手段と、
前記脱水素化ガソリンの残留量が供給可能下限量より少ないか否か判断する脱水素化ガソリン供給可否判断手段と、を備え、
前記燃料供給制御手段は、ガソリン供給の必要性が認められており、かつ、前記脱水素化ガソリンの残留量が前記供給可能下限量より少ない状況下でのみ、前記水素化ガソリンの内燃機関への供給を許可することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記水素リッチガスの供給可否を判断する水素リッチガス供給可否判断手段を備え、
前記燃料供給制御手段は、前記水素リッチガスおよび前記脱水素化ガソリンの双方が供給可能な状況下では、前記水素リッチガスの残留量に関わらず、常にそれらの組み合わせを燃料として内燃機関に供給することを特徴とする。

また、第３の発明は、水素利用内燃機関であって、
有機ハイドライドを含む水素化ガソリンを貯留する水素化ガソリンタンクと、
前記水素化ガソリンを、水素リッチガスと脱水素化ガソリンとに分離する燃料分離手段と、
前記水素リッチガスを内燃機関に供給するための水素リッチガス供給手段と、
前記脱水素化ガソリンを内燃機関に供給するための脱水素化ガソリン供給手段と、
前記水素リッチガスおよび前記脱水素化ガソリンの中から、燃料として用いるべき１種以上の燃料を選択する燃料選択手段と、
選択された燃料が内燃機関に供給されるように、前記水素リッチガス供給手段および前記脱水素化ガソリン供給手段を制御する燃料供給制御手段と、
前記水素リッチガスを貯留する水素リッチガスタンクと、
前記水素リッチガスの残量が供給可能判定量を超えているか否かを判断する水素リッチガス残量判定手段と、
前記脱水素化ガソリンのみが内燃機関に供給されることを前提に、その脱水素化ガソリンの燃料供給量を算出する燃料供給量算出手段と、を備え、
前記燃料供給制御手段は、前記水素リッチガスの残量が前記供給可能判定量以下である状況下では、前記燃料供給量算出手段により算出された燃料供給量に従って、前記脱水素化ガソリンのみを内燃機関に供給することを特徴とする。

また、第１２の発明は、第１０または第１１の発明において、
前記脱水素化ガソリンを貯留する脱水素化ガソリンタンクと、
前記脱水素化ガソリンの残量が貯留上限量に達しているか否かを判断する脱水素化ガソリン残量判定手段とを備え、
前記燃料分離手段は、前記水素リッチガスの消費量が補われるように前記水素化ガソリンを前記水素リッチガスと前記脱水素化ガソリンとに分離する処理を実行し、
前記燃料供給制御手段は、前記脱水素化ガソリンの残量が前記貯留上限量に達する状況下では、前記脱水素化ガソリンのみを内燃機関に供給することを特徴とする。

第１の発明によれば、ガソリン供給が要求されている場合には、可能な限り脱水素化ガソリンを供給することができる。脱水素化ガソリンは高いオクタン価を有している。このため、本発明によれば、内燃機関の耐ノッキング特性を高めることができる。

第２の発明によれば、水素リッチガスおよび脱水素化ガソリンの双方が供給可能な状況下では、常にその組み合わせで燃料を内燃機関に供給することができる。上記の組み合わせによれば、高い耐ノッキング性能を確保しつつ、優れた燃費特性、優れたエミッション特性を実現することができる。

第３の発明によれば、水素リッチガスの残量を監視しておき、水素リッチガスの供給が不可能な状況下では、脱水素化ガソリンのみを内燃機関に供給することで、安定した運転状態を実現することができる。

第４の発明によれば、水素リッチガスの消費量が補われるように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させることができる。その結果、脱水素ガソリンが過剰となり、その残量が貯留上限量に達した場合には、内燃機関への水素の供給を止めて、脱水素化ガソリンの供給のみを行うことにより、脱酸素化ガソリンの過剰発生を防ぐことができる。

以下、図面を参照して、本発明の水素利用内燃機関の実施形態を説明する。なお、下記の実施形態において、車両にガソリンエンジンを搭載すると共に水素化燃料として水素化ガソリンを用いた場合を中心に説明する。但し、本発明はこれら実施形態に制限されるものではない。

（第１実施形態）
本実施形態は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンが搭載された自動車に脱水素反応器を搭載し、水素化ガソリンを直接エンジンヘ送ることもでき、水素化ガソリンを高温触媒の存在下で反応させ、水素リッチガスと脱水素生成物（ガソリン）とし、これらを分離し、任意に選択して、エンジンに供給することもできるものである。また、本実施形態では、脱水素反応により発生した水素リッチガスを排ガスに混合し触媒を通し、排ガスを浄化することも可能である。

本実施形態は、図１に示すような構成となっている。以下、この図に従って詳細に説明する。
水素化ガソリンは、外部から水素化燃料貯留部４に供給される。水素化燃料貯留部４は、後述する水素分離後の脱水素生成物貯留部３との共有タンクとなっている。

本態様においては、水素化燃料貯留部４からバルブＶ１とＶ２を経由してポンプＰ１によりインジェクタ１９から内燃機関に直接水素化ガソリンを供給することもでき、水素化ガソリンを直接内燃機関の燃料とすることができる。
また、水素化ガソリンは、Ｖ１とＶ２を経由して供給配管７にあるポンプＰ２により脱水素反応器（反応手段）１に供給することもできる。

本態様では、エンジンから排出された排出ガスを排気する排気管を取り巻くようにして、脱水素反応器（反応手段）１を設けており、その中に触媒１１があり、これはドーナツ型のハニカム担体の各セルの内壁にアルミナコー卜層を設け、該コート層に触媒たる金属微粒子を担持させたものである。そして、脱水素反応器１は、触媒１１に水素化ガソリンを供給するインジェクタ（燃料供給装置）１２を備え、供給された水素化ガソリンを排気ガスの熱（排気熱）で加熱された触媒１１中で脱水素反応させる。

脱水素反応器１について、さらに図２を参照して説明する。図２は、脱水素反応器の触媒１１の斜視図である。この図に示す通り、触媒１１は円筒に穴を開けたドーナツ状の形状であり、該穴に排気管１３が貫通できる構造となっている。

排気管１３は、一端でエンジンのシリンダ５と排気バルブ２７を介しで接続され、他端から浄化触媒を介して排出ガスを排気するようになっている（図１参照）。
水素化ガソリンインジェクタ１２は、触媒１１上に水素化ガソリンを広角に噴霧等して、水素リッチガスを効率良く生成することができる。

一方、排気管１３の下流側には、排気管１３に沿うようにして混合気体が通過するための流路３０が設けられており、発生した混合気体を挿通する場合に、特に混合気体中の脱水素生成物が冷えて凝縮することなく、気体状態のまま挿通できるようになっている。

また、脱水素反応器１には、バルブＶ３と水素及び脱水素生成物を排出するための戻し配管１４の一端とが接続されており、戻し配管１４によって分離装置２と連通されている。
分離装置２では、水素及び脱水素生成物が冷却され、脱水素生成物が液化してタンク下部に貯まり水素と分離される。
分離装置２の上部には、ポンプＰ４と逆止弁とを備えた水素リッチガスを挿通するための配管１７の一端が接続されており、底部に配管１０が接続され、脱水素生成物貯留部３に接続している。分離された水素リッチガスは、配管１７を挿通して分離装置２から排出され、また分離装置２に貯留された脱水素生成物は、配管１０を介し脱水素生成物貯留部３に導入できるようになっている。

エンジンのシリンダ５には、燃料を空気や水素と共に混合ガスとしてシリンダ内に供給するための吸気管２５と、排出ガスを排気するための排気管１３とがそれぞれ吸気バルブ２６、排気バルブ２７を介して接続されている。また、シリンダヘッドには、シリンダ内の混合ガスに点火するための点火プラグ２４が設けられている。

吸気管２５には、配管１７の他端に接続された水素供給用インジェクタ１８と、ポンプＰ１を備えた水素化ガソリン（又は脱水素生成物たるガソリン）を供給するための供給配管２３の一端に接続されたガソリン供給用インジェクタ１９とが設けられている。水素供給用インジェクタ１８は、配管１７によって分離装置２と連通され、吸気管２５内に水素を添加できるようになっており、またガソリン供給用インジェクタ１９は、供給配管２３と連通され、吸気管２５内にガソリンを供給できるようになっている。これにより、水素およびガソリンを含む混合ガスをシリンダ内に供給することができる。

配管１７には、水素を貯えると共に水素供給用インジェクタ１８に水素を供給するバッファタンク２０と、水素供給用インジェクタ１８への水素供給圧を所望圧に制御するためのレギュレータ２１が設けられている。更に、ポンプＰ１とバッファタンク２０との間には水素供給圧が過大とならないようにリリーフ弁（リリーフバルブ）を備えた迂路が設けられている。

水素化燃料貯留部４は、主燃料である水素化ガソリンを貯留し、上部に設けられた供給配管２３を通じてガソリン供給用インジェクタ１９に水素化ガソリンを供給できるようになっているが、水素分離後の脱水素生成物貯留部３からもバルブＶ１を経由して、同様にガソリン供給用インジェクタ１９にガソリン（脱水素生成物）を供給できるようになっている。

また、排気管１３における脱水素反応器１のさらに下流には、排出ガス中の窒素酸化物（ＮＯx）濃度を検出するＮＯxセンサ及び空燃比計測のためのＡ／Ｆセンサ、３元触媒（浄化触媒）の上流側で排出ガス中に水素リッチガスを添加するための水素添加インジェクタ２８、並びにグロープラグが設けられている。

水素添加インジェクタ２４は、配管１７と連通するバルブＶ４とポンプＰ３とを備えた配管８の一端で接続されており、分離装置２で分離された水素リッチガスの一部を排気管１３に供給できるようになっている。排気管１３中の排出ガスに水素リッチガスを添加すると共にグロープラグで燃焼させることにより、排気される排出ガスを更に浄化することができる。

上記の水素化ガソリンインジェクタ１２、水素供給用インジェクタ１８、ガソリン供給用イシジエクタ１９、点火プラグ２４、ＮＯxセンサ及びＡ／Ｆセンサ、水素添加インジェクタ２４並びにグロープラグ等は、各々制御装置（ＥＣＵ）６と電気的に接続されており、ＥＣＵ６によって制御されている。

以下、本実施形態の制御装置（ＥＣＵ）６による制御について説明する。なお、ここでは本発明に関係する水素リッチガス発生制御のみを説明する。
まず、ＩＧスイッチがオンされると、まずエンジンが始動し、温度センサを用いて触媒１１の温度Ｔを取り込み、触媒温度Ｔが予め定められた所定温度Ｔ０以下か否かを判断する。このとき、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ０以下の場合には再度触媒温度Ｔを取り込み、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ０を超えている、あるいは温度Ｔ０を超えた場合には、ＥＣＵ６と電気的に繋がる図示しない制御用ドライバにより各々のインジェクタ１２から予め定めた所定量で水素化ガソリンが供給される。

上記の所定温度は、２５０〜５００℃、好ましくは２５０〜３５０℃の間の温度である。この理由は、所定温度が２５０℃未満であると目的とする脱水素反応の高い反応速度、換言すれば内燃機関や他の水素使用装置の高性能が得られないことがあり、３５０℃を越えるとカーボンデポジットが生じる可能性を持ち、５００℃を越えると実用的でないからである。

本実施形態では、ＩＧスイッチがオンされると、ガソリン供給用インジェクタ１９から供給されたガソリン（又は水素化ガソリン）に空気と共に水素添加インジェクタ１８からバッファタンク２０内の水素が添加された混合ガスによってエンジンが始動する。始動後シリンダから排出された排出ガスによって排気管１３が加熱され、担持された触媒が所定の温度にまで達すると、ポンプＰ２を駆動して水素化燃料貯留部４から水素化ガソリンが供給配管７を挿通して脱水素反応器１の触媒１１上に供給される。脱水素反応して発生した水素リッチガス（蒸発した残存水素化ガソリンを含んでもよい。)は脱水素生成物と共に排出管１４を挿通して分離装置２に送られる。

分離装置２に供給された水素リッチガスは、冷却されると共にガス中の脱水素生成物は液化して水素リッチガスと分離される。分離された水素リッチガスは、配管１７を挿通してバッファタンク２０に供給、貯蔵されると共に、配管１７から分岐する配管８と繋がる水素添加インジェクタ２４から排気管１３中にも供給される。バッファタンク２０に供給、貯蔵された水素リッチガスは、ガソリンの供給タイミングに合わせて水素供給用インジェクタ１８から吸気管２５に供給される。以上のように、エンジンの排気熱を利用した車両内での水素生成が可能であり、高純度の水素リッチガスを継続的にエンジンに供給することで排出ガスの浄化、低燃費化が実現されると共に、同時に排出ガスに水素添加し、燃焼させることで排出ガスを更に浄化することができる。

車両を停止させてイグニッション（ＩＧ）スイッチをオフした場合は、エンジンが停止されると共に、ポンプＰ２の駆動を停止し水素化ガソリンインジェクタ１２からの水素化ガソリン供給を停止することにより水素リッチガスの生成を停止させる。水素化ガソリン供給を停止した後も少量の水素リッチガスが発生するため、バルブＶ３を開き発生した水素リッチガスを分離装置２を経由してバッファタンク２０に貯蔵する。

エシジン停止後脱水素反応器内が冷却された後、脱水素生成物が液化し器内に残った液は、バルブＶ３を開き分離装置２に導入される。脱水素生成物はここで冷却、凝縮されてタンク底部に沈降、貯留される。

上述した実施形態では、燃料として水素化ガソリンを用いた例を中心に説明したが、既述の水素化ガソリン以外の燃料を用いた場合においても同様である。また、内燃機関として、ガソリンエンジンを例に説明したが、本発明はガソリンエンジン以外のディーゼルエシジシや水素エンジン等の内燃機関に適用することもできる。

また、本発明における水素リッチガス生成装置により生成された水素は、ガソリンや軽油等の燃料に水素添加して燃焼させる内燃機関（ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等）や水素エンジンの燃料として、あるいは車両に搭載された燃料電池などの水素使用装置供給用として用いることができる。

また、上述した実施の形態１においては、水素化ガソリン、水素リッチガス、および脱水素生成物の使い分けについて、特に言及していないが、それらは、以下のように使い分けることとしてもよい。すなわち、内燃機関の始動時には、水素リッチガスだけを燃料として供給することとしてもよい。冷間時にガソリンが燃料とされる場合には、低温環境下での低い気化性がエミッション特性や始動性を悪化させる原因となる。これに対して、始動時に水素リッチガスのみを燃料とすることとすれば、その影響を排除して、極めて良好な始動性とエミッション特性とを実現することができる。

また、内燃機関の始動後は、原則として、水素リッチガスと脱水素生成物とを燃料として内燃機関に供給することとしてもよい。より具体的には、脱水素生成物の残量を監視したうえで、その供給が可能である場合には、ガソリンの供給が要求される状況下では、常に、水素化ガソリンではなく、脱水素生成物を供給することとしてもよい。また、水素リッチガスの残量を監視したうえで、その供給が可能である場合には、常に、内燃機関に対して水素リッチガスを供給することとしてもよい。

水素化ガソリンは、一般的なガソリンに対して水素を添加したものである。一方、脱水素生成物は、その水素化ガソリンから水素を脱離させたものであり、一般的なガソリンと実質的に同様の成分を有するものである。燃料のオクタン価は、含有成分に対して水素が添加されることにより一般に低下する。このため、水素化ガソリンは、脱水素生成物に比して、低いオクタン価を示し、内燃機関のノッキングをより発生させ易いという特性を有している。

上述したように、ガソリン供給が要求される状況下で、原則として脱水素生成物を燃料とすることによれば、内燃機関のノッキングを抑えることが可能である。このため、このような燃料供給の手法によれば、内燃機関の静粛性や出力特性などを可能な限り向上させることが可能である。

また、ガソリン燃料に対して水素を添加することによれば、燃料の燃焼性を著しく改善することができ、安定した燃焼が確保できる空気過剰率の上限を、その添加がない場合に比して大幅に高めることができる。このため、上述したように、ガソリン燃料に対する水素添加を原則として行うこととすれば、内燃機関の燃費特性を画期的に改善することが可能である。

また、上述した実施の形態１においては、水素化燃料貯留部４が前記第１の発明における「水素化ガソリンタンク」に、脱水素反応器１および分離装置２が前記第１の発明における「燃料分離手段」に、それぞれ相当している。

また、上述した実施の形態１においては、バルブＶ１，Ｖ２、ポンプＰ１、供給配管２３、およびガソリン供給用インジェクタ１９が前記第１の発明における「水素化ガソリン供給手段」および「脱水素化ガソリン供給手段」に、ポンプＰ４、配管１７、水素供給用インジェクタ１８、およびバッファタンク２０が前記第１の発明における「水素リッチガス供給手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ６が、内燃機関の運転状態に応じて、供給するべき燃料を選択することにより前記第１の発明における「燃料選択手段」が、その選択に応じてバルブＶ１，Ｖ２、ポンプＰ１，Ｐ２、水素供給用インジェクタ１８およびガソリン供給用インジェクタ１９を制御することにより前記第１の発明における「燃料供給制御手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ６に、ガソリン供給の必要性を判断させることにより前記第１の発明における「ガソリン要否判断手段」を、脱水素生成物が供給可能な程度に存在しているか否かを判断させることにより前記第１の発明における「脱水素化ガソリン供給可否判断手段」を、それぞれ実現することができる。更に、ここでは、ＥＣＵ６に、水素リッチガスが供給可能な程度に存在しているか否かを判断させることにより前記第２の発明における「水素リッチガス供給可否判断手段」を実現することができる。

（第２実施形態）
［実施の形態２の構成］
次に、図３乃至図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図２は、本実施形態の水素利用内燃機関の構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、内燃機関４０を備えている。内燃機関４０には、吸気管４２および排気管４４が連通している。

吸気管４２には、吸入空気量を制御するためのスロットルバルブ４６が組み込まれている。スロットルバルブ４６の下流には、水素供給用インジェクタ４８が配置されている。また、内燃機関４０の吸気ポートには、ガソリン供給用インジェクタ５０が配置されている。これらのインジェクタ４８，５０は、それぞれ実施の形態１における水素供給用インジェクタ４８およびガソリン供給用インジェクタ５０と同じ構成および機能を有している。

すなわち、水素供給用インジェクタ４８は、後述するように、所定の圧力で水素リッチガス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リッチガスを吸気管４２の内部に噴射することができる。また、ガソリン供給用インジェクタ５０も、後述するように、所定の圧力で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４４には、脱水素反応器５２が装着されている。また、脱水素反応器５２の上部には、水素化ガソリンインジェクタ５４が組み付けられている。これらは、何れも実施の形態１における脱水素反応器１及び水素化ガソリンインジェクタ１２と、実質的に同様に構成されている。

すなわち、水素化ガソリンインジェクタ５４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５２の内部に供給することができる。また、脱水素反応器５２は、排気管４４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、それらをその下部から流出させる機能を有している。

排気管４４には、脱水素反応器５２の下流において、Ｏ_２センサ５６およびＮＯxセンサ５８が組み込まれている。Ｏ_２センサ５６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５８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５６，５８の下流には、排気ガスを浄化するための触媒６０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６２を備えている。水素化ガソリンタンク６２は、実施の形態１における水素化燃料貯留部３に対応するものであり、その中には、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ＨＣ成分であり、具体的には、既述したように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６２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６２には、水素化ガソリン供給管６４が連通している。水素化ガソリン供給管６４は、その途中にポンプ６６を備え、その端部において水素化ガソリンインジェクタ５４に連通している。水素化ガソリンタンク６２内の水素化ガソリンは、内燃機関の運転中に、ポンプ６６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５４に供給される。

水素化ガソリンインジェクタ５４は、上述した通り、脱水素反応器５２の上部に組み付けられている。脱水素反応器５２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５２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５４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５２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５４の温度が、不当に高温となることはない。

尚、図３に示すシステムでは、水素化ガソリンインジェクタ５４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４０の冷却水を水素化ガソリンインジェクタ５４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５４を水冷することとしても良い。

脱水素反応器５２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５４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、その底部に導かれる。反応室の底部には、管路６８を介して、分離装置７０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。このため、脱水素反応器５２から分離装置７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７０は、実施の形態１における分離装置２と同様の構造および機能を有している。すなわち、分離装置７０は、脱水素反応器５２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７０は、内燃機関４０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７０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７０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７０には、液体貯留スペースに連通するようにガソリン管路７２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７４が連通している。

ガソリン管路７２は、ガソリンバッファタンク７６に連通している。ガソリンバッファタンク７６は、実施の形態１における脱水素生成物貯留部４に相当するタンクである。図３には、水素化ガソリンタンク６２とガソリンバッファタンク７６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、実施の形態１における水素化燃料貯留部３および脱水素生成物貯留部４の場合と同様に、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７６には、液量センサ７８が組み付けられている。液量センサ７８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７６には、ガソリン供給管８０が連通している。ガソリン供給管８０は、その途中にポンプ８２を備え、その端部においてガソリン供給用インジェクタ５０に連通している。ガソリンバッファタンク７６内の脱水素化ガソリンは、内燃機関の運転中に、ポンプ８２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５０に供給される。

水素管路７４は、水素バッファタンク８４に連通している。また、水素管路７４には、分離装置７０内の水素リッチガスを水素バッファタンク８４に圧送するためのポンプ８６と、ポンプ８６の吐出側圧力が過大となるのを防ぐためのリリーフ弁８８が組み込まれている。ポンプ８６およびリリーフ弁８８によれば、水素バッファタンク８４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８４は、実施の形態１におけるバッファタンク２０に相当するタンクである。但し、本実施形態では、水素バッファタンク８４に圧力センサ９０が組み付けられている。圧力センサ９０は、水素バッファタンク８４の内圧に応じた出力を発するセンサである。圧力センサ９０の出力によれば、水素バッファタンク８４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８４には、水素供給管９２が連通している。水素供給管９２は、その途中にレギュレータ９４を備え、その端部において水素供給用インジェクタ４８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４８には、水素バッファタンク８４に水素リッチガスが十分に貯留されていることを条件に、レギュレータ９４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、図３に示すように、ＥＣＵ９６を備えている。ＥＣＵ９６は、実施の形態１におけるＥＣＵ６と同様に、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、ＥＣＵ９６には、上述したＯ_２センサ５６、ＮＯxセンサ５８、液量センサ７８および圧力センサ９０などの各種センサの出力が供給されている。また、ＥＣＵ９６には、上述したポンプ６６，８２，８６、並びにインジェクタ４８，５０，５４などのアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ９６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。

［実施の形態２の動作の概要］
図４は、本実施形態において用いられる水素化ガソリンと脱水素化ガソリンとの間で生ずる基本の反応を説明するための図である。既述した通り、本実施形態では、４０％程度含む水素化ガソリンが用いられる。メチルシクロヘキサンＣ_７Ｈ_１４を３００℃程度に加熱すると、次式に示すような脱水素化反応が生じ、トルエンＣ_７Ｈ_８と水素Ｈ_２が生成される。
Ｃ_７Ｈ_１４→Ｃ_７Ｈ_８＋３Ｈ_２ ・・・（１）

反対に、トルエンＣ_７Ｈ_８に水素化処理を施すと、次式に示すような反応が生じ、メチルシクロヘキサンＣ_７Ｈ_１４が生成される。
Ｃ_７Ｈ_８＋３Ｈ_２→Ｃ_７Ｈ_１４ ・・・（２）

本実施形態のシステムでは、排気管４４の温度が十分に上昇した状態で水素化ガソリンインジェクタ５４から脱水素反応器６２に水素化ガソリンを供給することにより、その中で上記（１）の脱水素反応を生じさせることができる。その結果、１ｍｏｌのメチルシクロヘキサンＣ_７Ｈ_１４から１ｍｏｌのトルエンＣ_７Ｈ_８と３ｍｏｌの水素Ｈ_２を生成することができる。

ところで、本実施形態のシステムは、上述した通り、内燃機関４０に対して、脱水素化ガソリン（通常のガソリン）と、水素リッチガスを供給することができる。ガソリンに適量の水素を混合して燃焼させることとすると、水素が添加されない場合に比して筒内での燃焼を十分に安定化させることができ、混合気中の空気過剰率を大幅に高めることができる。

燃料の消費量は、混合気の空気過剰率が高いほど少量となる。また、燃料の消費量が少ないほど、当然に排気エミッションは良好となる。このため、混合気中に水素を添加することとすると、その添加がされない場合に比して、内燃機関４０の燃費特性及びエミッション特性を画期的に向上させることができる。

ところで、混合気中に水素を添加することにより上記の効果を得るためには、ある程度の量の水素を添加することが必要である。具体的には、例えば、ガソリンによる供給熱量の２０％程度を水素により供給することとすると、燃費特性やエミッション特性は、効果的に改善することができる。

しかしながら、そのような比率を実現するためには、ガソリン１ｍｏｌに対して、３．３６ｍｏｌの水素Ｈ_２が必要となる。通常のガソリン中に含まれるトルエン比率が４０％であるとすると、そのガソリンを水素化することで得られる水素化ガソリン中の１ｍｏｌに含まれるメチルシクロヘキサンは０．４ｍｏｌである。そして、０．４ｍｏｌのメチルシクロヘキサンから生成できる水素Ｈ_２の量は１．２ｍｏｌである。

つまり、１ｍｏｌの水素化ガソリンを脱水素反応器５２に供給すると、１ｍｏｌの通常ガソリンと、１．２ｍｏｌの水素Ｈ_２が生成される。そして、生成された１ｍｏｌの通常ガソリンを２０％の水素添加の条件で消費しようとすれば、３．３６ｍｏｌの水素Ｈ_２が必要となり、結局、３．３６−１．２＝２．１６ｍｏｌの水素Ｈ_２が不足することとなる。

水素化ガソリンが、仮にメチルシクロヘキサンだけを含むものであったとしても、つまり、１００％のメチルシクロヘキサンであったとしても、１ｍｏｌの水素化ガソリンから生成できる水素量は３ｍｏｌに過ぎない。上述した水素添加に比率によれば、この場合であっても、３．３６−３＝０．３６ｍｏｌは水素Ｈ_２が不足することとなる。このように、水素化ガソリンを原料として水素Ｈ_２と脱水素化ガソリンを生成し、それらの双方を内燃機関４０に供給しようとした場合は、脱水素化ガソリンの生成量に対して、水素の生成量が不足気味になるという傾向が生じ易い。

本実施形態では、原則として、消費される水素Ｈ_２が脱水素反応器５２によって新たに生成されるように水素化ガソリンインジェクタ５４による水素化ガソリンの噴射量が決定される。このため、本実施形態のシステムでは、原則として、内燃機関４０の運転中に水素が不足するような事態が生ずることはない。

ところが、上記の傾向の下で、十分な量の水素を生成しようとすれば、必然的に、脱水素化ガソリンが過剰に生成されることとなる。つまり、混合気中に適量の水素Ｈ_２を添加しつつ、そこで消費される水素Ｈ_２が補われるように水素化ガソリンの脱水素化処理を継続した場合には、脱水素化ガソリンの余剰分が蓄積されて、やがてはガソリンバッファタンク７６がガソリンで満たされた状態となる。

ガソリンバッファタンク７６に脱水素化ガソリンが一杯に貯留された後は、最早脱水素化ガソリンを過剰に生成し続けることはできない。そこで、本実施形態のシステムは、このような状況が形成された場合には、一旦、内燃機関４０への水素の供給を停止し、かつ、水素化ガソリンの新たな脱水素化処理を停止し、ある程度の期間は脱水素化ガソリンのみを燃料として内燃機関４０を運転させることとした。そして、ガソリンバッファタンク７６内に適当なスペースが確保された段階で、再び水素化ガソリンの脱水素処理と、混合気への水素添加とを再開することとした。

［実施の形態２の具体的処理］
図５に示すルーチンでは、先ず、車両のＩＧスイッチがＯＮとされているか否かが判別される（ステップ１００）。その結果、ＩＧ＝ＯＮの成立が認められない場合は、速やかに今回のルーチンが終了される。

一方、ＩＧ＝ＯＮの成立が認められた場合は、次に、内燃機関４０の温度Ｔが、脱水素化処理の実行条件を満たしているか、具体的には、Ｔ１≧Ｔ≧Ｔ０の条件を満たしているかが判断される（ステップ１０２）。本実施形態のシステムでは、実施の形態１の場合と同様の理由により、内燃機関４０の温度Ｔが３５０℃以下、かつ、２５０℃以上の場合に限り、脱水素反応器５２による脱水素化処理を実行することとしている。ここでは、具体的には、温度Ｔがその条件を満たしているか否かが判別される。

上記ステップ１０２の処理により、Ｔ１≧Ｔ≧Ｔ０の条件が成立していないと判別された場合は、脱水素化処理を実行するための条件が整っていないと判断できる。この場合は、先ず、脱水素化処理がＯＦＦとされ（ステップ１０４）。本ステップ１０４の処理が実行されると、水素化ガソリンインジェクタ５４への駆動信号の供給が停止され、脱水素反応器５２への水素化ガソリンの供給が禁止される。その結果、水素リッチガスおよび脱水素化ガソリンの新たな生成が禁止される。

次に、水素Ｈ_２の噴射が可能であるか否かが判別される（ステップ１０６）。具体的には、圧力センサ９０の出力に基づいて推定される水素Ｈ２の残量が、供給可能判定量を超えているか否かが判別される。ここで、「供給可能判定量」とは、水素供給用インジェクタ４８に対して、レギュレータ９４を介して安定した圧力で水素Ｈ_２を供給するに足る残量として定められた値である。

上記ステップ１０６の処理により、水素Ｈ_２の噴射が可能でないと判別された場合は、内燃機関４０を、脱水素化ガソリン、つまり、通常のガソリンのみを燃料として作動させる必要があると判断できる。この場合は、以後、ガソリン噴射制御が実行される（ステップ１０８）。

ＥＣＵ９６には、脱水素化ガソリンのみが燃料として供給される状況下で内燃機関４０を安定に作動させるための制御規則と、脱水素化ガソリンと水素Ｈ_２とが燃料として供給される状況下で内燃機関４０を安定に作動させるための制御規則とが記憶されている。ガソリン噴射制御では、前者の規則に従って、燃料噴射量などの制御パラメータが決定されると共に、ガソリン供給用インジェクタ５０のみに作動指令が発せられる。つまり、水素供給用インジェクタ４８が停止状態に維持されたまま、脱水素化ガソリンのみが供給される前提の下に内燃機関４０の制御が行われる。この場合、内燃機関４０において、水素を利用しない一般的な内燃機関と同様の運転状態を実現することができる。

本実施形態において用いられる脱水素化ガソリンは、既述した通り、通常のガソリンと同様の組成を有するものである。但し、通常のガソリンには、微量ながら有機ハイドライドが含まれている。これに対して、ここで用いられる脱水素化ガソリンは、脱水素の処理が施されたものであるから、有機ハイドライドを実質的に含んでいない。つまり、本実施形態において用いられる脱水素化ガソリンは、通常のガソリンに比して更に高いオクタン価を有するものである。このため、本実施形態のシステムによれば、上述したガソリン噴射制御の実行下においても、厳密には、一般的な内燃機関に比して更に優れた出力特性を得ることができる。

図５に示すルーチン中、上記ステップ１０６において、水素Ｈ_２の噴射が可能であると判断された場合は、水素・ガソリン噴射制御が実行される（ステップ１１０）。水素・ガソリン噴射制御では、ＥＣＵ９６は、水素Ｈ_２が添加されることを前提として内燃機関４０の制御パラメータを演算し、また、その演算の結果に従って、水素供給用インジェクタ４８とガソリン供給用インジェクタ５０の双方を駆動する。

より具体的には、ここでは、内燃機関４０の運転状態を所定の規則に当てはめることにより、水素リッチガスの目標供給量と脱水素化ガソリンの目標供給量とが算出される。そして、それらの算出結果に基づいて、水素供給用インジェクタ４８およびガソリン供給用インジェクタ５０の双方が算出される。このような制御によれば、混合気に適量の水素Ｈ_２が添加されることにより、ガソリン噴射制御が実行される場合に比して著しく優れた燃費特性、出力特性、およびエミッション特性を実現することができる。

図５に示すルーチン中、上記ステップ１０２において、内燃機関４０の温度ＴがＴ１≧Ｔ≧Ｔ０の条件を満たすと判別された場合は、脱水素反応器５２により水素化ガソリンを処理するための温度条件が整っていると判断できる。この場合は、次に、ガソリンバッファタンク７６内のガソリン量が過剰でないかが判別される（ステップ１１２）。より具体的には、液量センサ７８の出力に基づいて推定される脱水素化ガソリンの量が、ガソリンバッファタンク７６の貯留上限量に達してないかが判別される。

既述した通り、本実施形態のシステムでは、内燃機関４０に対して水素Ｈ_２と脱水素化ガソリンの双方が供給される場合には、脱水素化ガソリンの生成量が過剰となり、ガソリンバッファタンク７６内の貯留量が徐々に増加する傾向が生じ易い。上記ステップ１１２において、ガソリン量が過剰であると判断された場合は、これ以上脱水素化ガソリンの貯留量が増やせないと判断できる。この場合、先ず、脱水素化処理がOFFとされる（ステップ１１４）。

脱水素化処理がＯＦＦとされると、脱水素反応器５２への新たな水素化ガソリンの供給が禁止され、脱水素化ガソリン及び水素リッチガスの新たな生成が停止される。このため、上記の処理によれば、ガソリンバッファタンク７６内の脱水素化ガソリンが更に増量するのを確実に防ぐことができる。

次に、ガソリン優先フラグがＯＮとされる（ステップ１１６）。ガソリンバッファタンク７６に過剰にガソリンが貯留されている場合は、脱水素化ガソリンの消費を促進することが好ましい。ガソリン優先フラグは、そのような状況下でＯＮとされるフラグである。従って、ＥＣＵ９６は、ガソリン優先フラグがＯＮとされている場合には、混合気への水素Ｈ_２の添加を停止して、脱水素化ガソリンを優先的に使用すべき事情が生じていることを認知することができる。

図５に示すルーチンでは、上記ステップ１１６の処理に次いで、ガソリン優先フラグがＯＮとされているか否かが判別される（ステップ１１８）。その結果、ガソリン優先フラグがＯＮでないと判断された場合は、必ずしも脱水素化ガソリンの消費を優先させる必要がないと判断できる。この場合は、以後、ステップ１０６以降の処理が実行され、水素Ｈ_２の供給が可能か否かに基づいて、ガソリン噴射制御、或いは水素・ガソリン噴射制御が実行される。

一方、上記ステップ１１８において、ガソリン優先フラグがＯＮであると判別された場合は、水素Ｈ_２の供給を停止して、脱水素化ガソリンの消費を促進する必要があると判断できる。この場合は、以後、無条件でステップ１０８の処理、つまり、ガソリン噴射制御が実行される。

図５に示すルーチン中、上記ステップ１１２の条件が否定された場合は、ガソリンバッファタンク７６に、更なる脱水素化ガソリンの流入を許容するスペースが存在すると判断できる。この場合は、次に、水素バッファタンク８４内の水素リッチガス量が過剰でないかが判別される（ステップ１２０）。より具体的には、圧力センサ９０の出力に基づいて推定される水素リッチガスの量が、水素バッファタンク７６の貯留上限量に達してないかが判別される。

本実施形態のシステムは、原則として、水素の消費量が補われるように脱水素化の処理を進行させる。このため、通常の運転状況下では、水素バッファタンク８４内の水素リッチガス量が過剰となることはない。しかしながら、何らかの事情により水素リッチガスの貯留量が過剰となった場合には、新たな水素リッチガスの生成を停止させることが必要である。このため、上記ステップ１２０において、水素Ｈ２の貯留量が過剰であると判別された場合は、脱水素化処理がＯＦＦとされる（ステップ１２２）。

また、この場合は、水素バッファタンク８４に貯留されている水素リッチガスの消費を促進するべきであるから、ガソリン優先フラグがＯＦＦとされる（ステップ１２４）。この場合、続くステップ１１８でガソリン優先フラグがＯＮでないと判断され、次いでステップ１０６においてＨ_２の噴射が可能であると判断されるため、水素・ガソリン噴射制御が実行される。その結果、水素リッチガスが過剰に貯留された状態が解消される。

図５に示すルーチン中、上記ステップ１２０の条件判定が否定された場合は、脱水素化処理を実行するべき条件が整っていると判断できる。この場合は、次に脱水素化処理がＯＮとされる（ステップ１２６）。脱水素化処理がＯＮとされると、水素化ガソリンインジェクタ５４に駆動信号が供給され、脱水素反応器５２に適量の水素化ガソリンが供給される。その結果、内燃機関４０において燃料として消費される水素リッチガス量を補う量だけの水素リッチガスが新たに生成され、また、その水素リッチガスの生成量に対応した脱水素化ガソリンが新たに生成される。

ここでは、次に、ガソリンバッファタンク７６内の脱水素化ガソリンの処理が完了したか否かが判別される（ステップ１２８）。ＥＣＵ９６は、上記ステップ１１２の処理により、ガソリンバッファタンク７６内のガソリン量が過剰であると判断された場合は、その後、ガソリンの貯留量が処理完了判定値を下回るまでは脱水素化ガソリンの処理が未完であると判断する。このような判断がなされた場合は、次に、ガソリン優先フラグがＯＮとされる（ステップ１３０）。この場合、以後、ステップ１０８においてガソリン噴射制御が実行されるため、脱水素化ガソリンの優先処理が継続される。

ＥＣＵ９６は、ガソリンバッファタンク７６内のガソリン量が上述した処理完了判定値を下回ると、上記ステップ１２８において、脱水素化ガソリンの処理が完了したと判断する。この場合、次にステップ１２４の処理が実行され、ガソリン優先フラグがＯＦＦとされる。その結果、以後、水素の噴射が可能か否かに応じて、何れの制御を行うかが選択される状態となる。

以上説明した通り、図５に示すルーチンによれば、内燃機関４０の状態、および水素リッチガス並びに脱水素化ガソリンの貯留状態に基づいて、脱水素化ガソリンのみを燃料とする運転モードと、水素及び脱水素化ガソリンを燃料とする運転モードとを適宜切り替えることができる。そして、このような切り替えを行うことにより、２種類の燃料を使用しつつ、それらの消費量の不均衡に影響されることなく、内燃機関４０の出力特性、燃費特性、およびエミッション特性を継続的に良好に維持することが可能とされている。

つまり、本実施形態のシステムによれば、給油の対象を単一の燃料（水素化ガソリン）としつつ、２つの燃料（水素リッチガスと脱水素化燃料）を用いることによる効果を有効に導き出すことができる。また、このシステムによれば、２種類の燃料の消費量が不均衡であっても、その不均衡を車両上で解消することができる。その結果、ここでは、繁雑なメンテナンス作業を必要とせずに、かつ、それぞれの燃料の消費量を合わせるための制限を課することなく、２種類の燃料の継続的な使用が可能とされている。

本実施形態のシステムは、以上説明したような特性を有していることから、一般的な内燃機関と同等の取り扱いの容易性を実現することができる。そのうえで、本実施形態のシステムによれば、一般的な内燃機関に比して、極めて優れた燃費特性、出力特性、およびエミッション特性を実現することができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、水素化ガソリンに含まれる有機ハイドライドを、説明の便宜上メチルシクロヘキサンに限定しているが、ここで用いうる水素化ガソリンは、これに限定されるものではない。すなわち、水素化ガソリンに含まれる有機ハイドライドは、３００℃程度で脱水素反応を起こすものであれば良く、非環式や環式の炭化水素、および非環式や環式の含酸素炭化水素などであればよい。具体的には、n-ヘキサンやiso-オクタンなどの非環式の炭化水素、或いは、シクロヘキサンやデカリンなどの環式化合物、更にはシクロヘキサノールやシクロヘキサンメタノールなどのアルコール類や、メチル-t-ブチルエーテルなどのエーテル類などであってもよい。

また、上述した実施の形態２においては、内燃機関４０に対して水素リッチガスを単独で噴射するモードを用いていないが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、内燃機関４０の始動時等に、水素リッチガスを単独で内燃機関４０に供給する運転モードを採用することとしてもよい。

また、上述した実施の形態２においては、分離装置７０とは別に、脱水素化ガソリンを貯留するためのガソリンバッファタンク７６を設けることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、分離装置７０の内部に十分な液体貯留スペースが確保できる場合には、ガソリンバッファタンク７６を省略することとしてもよい。

図６は、上記の変形例の構成を示したものである。図６に示す構成は、ガソリンバッファタンク７６が削除されており、ガソリン供給管８０が分離装置７０に直接接続されている点、および、脱水素化ガソリンの貯留量を検出するための液量センサ７８が分離装置７０に組み込まれている点を除き、図３に示す構成と同様である。このような構成によれば、ガソリンバッファタンク７６が存在しない分だけ、システムを小型化することが可能である。

尚、上述した実施の形態２においては、脱水素反応器５２および分離装置７０が前記第３の発明における「燃料分離手段」に相当している。

また、上述した実施の形態２においては、ポンプ８６、水素バッファタンク８４、水素供給管９２、および水素供給用インジェクタ４８が前記第３の発明における「水素リッチガス供給手段」に、ガソリンバッファタンク７６、ガソリン供給管８０、ポンプ８２、ガソリン供給用インジェクタ５０が前記第３の発明における「脱水素化ガソリン供給手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ９６が、上記ステップ１０６および１１２〜１３０の処理を実行することにより前記第３の発明における「燃料選択手段」が、上記ステップ１０８および１１０の処理を実行することにより前記第３の発明における「燃料供給制御手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ９６が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第３の発明における「水素リッチガス残量判定手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第３の発明における「燃料供給量算出手段」が、それぞれ実現されている。更に、ここでは、ＥＣＵ９６が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記第４の発明における「脱水素化ガソリン残量判定手段」が実現されている。

本発明の水素利用内燃機関によれば、水素化燃料、水素化燃料から脱水素されて得られた脱水素生成物及び水素から選ばれる１種又は２種以上の燃料を自由に選択して内燃機関に供給でき、エンジン等の内燃機関の吸気系や排気系、燃焼室に水素を供給する場合に、高圧タンクや液体水素タンクなどの搭載や、水素の吸着・吸蔵、燃料の改質によることなく、水素の供給を、水素化燃料の脱水素反応によって生成された水素を用いて行え、エネルギー利用の高効率化、装置全体の小型化、軽量化が図れると共に、クリーンなシステムを構築することができる。

本発明の第１実施形態を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る脱水素反応器を拡大して示す概略図である。 本発明の第２実施形態の構成を説明するための図である。 水素化ガソリンと脱水素化ガソリンとの間で起こる水素化反応および脱水素化反応の一例を説明するための図である。 本発明の第２実施形態において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の第２実施形態の変形例の構成を説明するための図である。

符号の説明

１，５２ 脱水素反応器（反応手段）
２，７０ 分離装置（分離手段）
３ 脱水素生成物貯留部
４ 水素化燃料貯留部
６，９６ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
１１ 触媒
１２，５４ 水素化ガソリンインジェクタ（燃料供給装置）
１３ 排気管
１８，４８ 水素供給用インジェクタ（水素供給手段）
１９，５０ ガソリン供給用インジェクタ
６２ 水素化ガソリンタンク
７６ ガソリンバッファタンク
７８ 液量センサ
８０ ガソリン供給管
８２，８６ ポンプ
８４ 水素バッファタンク
９０ 圧力センサ
９２ 水素供給管

Claims (4)

1. 有機ハイドライドを含む水素化ガソリンを貯留する水素化ガソリンタンクと、
   前記水素化ガソリンを、水素リッチガスと脱水素化ガソリンとに分離する燃料分離手段と、
   前記水素化ガソリンを内燃機関に供給するための水素化ガソリン供給手段と、
   前記水素リッチガスを内燃機関に供給するための水素リッチガス供給手段と、
   前記脱水素化ガソリンを内燃機関に供給するための脱水素化ガソリン供給手段と、
   前記水素化ガソリン、前記水素リッチガス、および前記脱水素化ガソリンの中から、燃料として用いるべき１種以上の燃料を選択する燃料選択手段と、
   選択された燃料が内燃機関に供給されるように、前記水素化ガソリン供給手段、前記水素リッチガス供給手段、および前記脱水素化ガソリン供給手段を制御する燃料供給制御手段と、
   ガソリン供給の必要性を判断するガソリン要否判断手段と、
   前記脱水素化ガソリンの残留量が供給可能下限量より少ないか否か判断する脱水素化ガソリン供給可否判断手段と、を備え、
   前記燃料供給制御手段は、ガソリン供給の必要性が認められており、かつ、前記脱水素化ガソリンの残留量が前記供給可能下限量より少ない状況下でのみ、前記水素化ガソリンの内燃機関への供給を許可することを特徴とする水素利用内燃機関。
2. 前記水素リッチガスの供給可否を判断する水素リッチガス供給可否判断手段を備え、
   前記燃料供給制御手段は、前記水素リッチガスおよび前記脱水素化ガソリンの双方が供給可能な状況下では、前記水素リッチガスの残留量に関わらず、常にそれらの組み合わせを燃料として内燃機関に供給することを特徴とする請求項１記載の水素利用内燃機関。
3. 有機ハイドライドを含む水素化ガソリンを貯留する水素化ガソリンタンクと、
   前記水素化ガソリンを、水素リッチガスと脱水素化ガソリンとに分離する燃料分離手段と、
   前記水素リッチガスを内燃機関に供給するための水素リッチガス供給手段と、
   前記脱水素化ガソリンを内燃機関に供給するための脱水素化ガソリン供給手段と、
   前記水素リッチガスおよび前記脱水素化ガソリンの中から、燃料として用いるべき１種以上の燃料を選択する燃料選択手段と、
   選択された燃料が内燃機関に供給されるように、前記水素リッチガス供給手段および前記脱水素化ガソリン供給手段を制御する燃料供給制御手段と、
   前記水素リッチガスを貯留する水素リッチガスタンクと、
   前記水素リッチガスの残量が供給可能判定量を超えているか否かを判断する水素リッチガス残量判定手段と、
   前記脱水素化ガソリンのみが内燃機関に供給されることを前提に、その脱水素化ガソリンの燃料供給量を算出する燃料供給量算出手段と、を備え、
   前記燃料供給制御手段は、前記水素リッチガスの残量が前記供給可能判定量以下である状況下では、前記燃料供給量算出手段により算出された燃料供給量に従って、前記脱水素化ガソリンのみを内燃機関に供給することを特徴とする水素利用内燃機関。
4. 前記脱水素化ガソリンを貯留する脱水素化ガソリンタンクと、
   前記脱水素化ガソリンの残量が貯留上限量に達しているか否かを判断する脱水素化ガソリン残量判定手段と、を備え、
   前記燃料分離手段は、前記水素リッチガスの消費量が補われるように前記水素化ガソリンを前記水素リッチガスと前記脱水素化ガソリンとに分離する処理を実行し、
   前記燃料供給制御手段は、前記脱水素化ガソリンの残量が前記貯留上限量に達する状況下では、前記脱水素化ガソリンのみを内燃機関に供給することを特徴とする請求項３記載の水素利用内燃機関。

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