(57)【要約】  有機ハイドライドから生成した水素を高効率に動力に変換可能なエンジンシステムを提供することを目的とする。  エンジン１１と、エンジン１１の排ガスの熱を利用して有機ハイドライドから水素リッチガスを生成する反応器１２と、反応器１２で生成された水素リッチガスをエンジン１１に供給する水素インジェクタ１６と、炭化水素系燃料をエンジン１１に供給する燃料インジェクタ１７と、エンジン１１の吸気管２９に設けられた空気流動調整装置１８と、システムを電子制御するコントローラ１９（制御手段）を備え、燃料中の水素の割合に応じて、空気流動の強度を調整することで燃焼速度を制御するエンジンシステムを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を燃料の一部とするエンジンシステムであって、
水素および炭化水素系燃料を燃焼して動力を発生するエンジンと、
前記エンジンの排気ガスの熱を利用して、水素含有燃料から脱水素反応により水素及び脱水素燃料を生成する触媒を有する反応器と、
前記反応器で生成した水素リッチガスをエンジンに供給する水素供給手段と、
前記エンジンへ供給する空気の流動を調整する空気流動調整装置と、
前記空気流動調整装置の動作を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記エンジンに供給される燃料中の水素の割合に応じて、前記空気流動調整装置を制御することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項２】
請求項１において、
前記空気流動調整装置はスワール流又はタンブル流を形成する手段を備え、
前記制御手段は、前記エンジンに供給される燃料中の水素の割合が大きいほど、前記タンブル流またはスワール流の強度を小さくする制御を行うことを特徴とするエンジンシステム。
【請求項３】
請求項１において、
前記空気流動調整装置がタンブル弁またはスワール弁であり、
前記制御手段は、前記エンジンに供給される燃料中の水素の割合が大きいほど、前記タンブル弁またはスワール弁の開度を小さくする制御を行うことを特徴とするエンジンシステム。
【請求項４】
請求項３において、前記制御手段は、前記エンジンに供給される燃料中の水素の割合と空気過剰率に応じて、前記空気流動調整装置を制御することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項５】
請求項１において、
前記反応器で生成した水素と脱水素化燃料を分離する分離装置を備え、
前記分離装置で分離された水素リッチガスが前記水素供給手段により前記エンジンに供給されることを特徴とするエンジンシステム。
【請求項６】
請求項５において、
前記エンジンに供給される前記炭化水素系燃料として前記脱水素化燃料を用いることを特徴とするエンジンシステム。
【請求項７】
請求項３において、
前記エンジンに供給される前記水素リッチガスの流量を推定する第一の流量推定手段と、
前記エンジンに供給される前記炭化水素系燃料の流量を推定する第二の流量推定手段と、
前記エンジンに供給される前記水素リッチガスに含まれる脱水素化燃料の濃度を推定する濃度推定手段と、を備え、
前記制御手段は、前記第一流量推定手段，第二の流量推定手段、及び、前記濃度推定手段で推定された情報に基づいて、前記エンジンに供給される燃料中の水素の割合を推定し、推定結果に基づいて前記空気流動調整装置を制御することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項８】
請求項７において、
前記水素供給手段に水素リッチガスを供給する水素供給管を有し、
前記濃度推定手段は、前記水素供給管に備えられた温度検出装置，圧力検出装置を備え、前記温度検出装置、前記圧力検出装置で検出された水素リッチガスの温度，圧力から前記水素リッチガスに含まれる前記脱水素燃料の濃度を推定することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項９】
請求項７において、
前記第一の流量推定手段が、前記反応器に供給される水素含有燃料の量と、前記分離装置で分離された脱水素燃料中に含まれる未反応の水素含有燃料の濃度から、前記水素リッチガスの流量を推定することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項１０】
請求項７において、
前記濃度推定手段で推定した水素リッチガス中の脱水素化燃料濃度をもとに前記エンジンへ供給する水素濃度を補正することを特徴とするエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を燃料の一部とするエンジンシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自然エネルギー，余剰電力，副生水素などのエネルギー貯蔵に有機ハイドライドを活用できる。有機ハイドライドは常温常圧で液体燃料であることから、高密度に水素を貯蔵可能である。エンジン排熱を活用して有機ハイドライドから生成した水素を効率よく、動力に変換することでシステム効率が向上する。【０００３】
このようなエンジン排熱を活用して有機ハイドライドから生成した水素と脱水素燃料を燃料として使用するエンジンシステムとしては、例えば特許文献１に記載されたシステムが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１２９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素は他の炭化水素燃料と比較し、燃焼速度が速いため、エンジンに供給する水素割合に応じてエンジンの燃焼速度を制御する必要がある。これは燃焼速度の増加とともにエンジンの冷却損失が大きくなり、熱効率が低下してしまうためである。特に、高負荷条件，高圧縮比エンジンの場合、水素混合割合に変化による燃焼速度の変化量がさらに大きくなり、熱効率低下の課題が顕著となる。【０００６】
特許文献１に記載のエンジンシステムでは、目的は異なるが、エンジンに供給する燃料の水素の添加割合が大きくなった場合に混合気を更にリーンにすることが記載されている。特許文献１のように空気過剰率を変化させることでも燃焼速度を調整可能である。しかしながら、一方で空気過剰率を変化させることで燃焼温度も大きく変わることから、排気管に設置した反応器（水素発生装置）に供給される排気ガスの排気温度も変化する。そのため反応器で生成される水素量が変化し、システム効率を安定に保つことが困難になる。【０００７】
本発明は、有機ハイドライドから生成した水素を高効率に動力に変換可能なエンジンシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に対して、本発明では、エンジンの吸気時に筒内に空気流動が形成されるようにし、空気流動の強度を調整することでエンジン内の燃焼速度を制御することを特徴とする。【０００９】
すなわち、本発明の水素を燃料の一部とするエンジンシステムは、水素および炭化水素系燃料を燃焼して動力を発生するエンジンと、前記エンジンの排気ガスの熱を利用して、水素含有燃料から脱水素反応により水素及び脱水素燃料を生成する触媒を有する反応器と、前記反応器で生成した水素リッチガスをエンジンに供給する水素供給手段と、前記エンジンへ供給する空気の流動を調整する空気流動調整装置と、前記空気流動調整装置の動作を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記エンジンに供給される燃料中の水素の割合に応じて、前記空気流動調整装置を制御することを特徴とする。【００１０】
本発明の流動強度調整による燃焼速度の制御では、空気過剰率を制御する場合と比較して、排気温度の変動は小さい。そのため、水素発生装置の水素生成量に大きく影響せずに、エンジンの燃焼速度を調整することができ、結果的にシステム効率を向上できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、有機ハイドライドから生成した水素を高効率に動力に変換可能なエンジンシステムを供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係るエンジンシステムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る反応器の構成を示す図である。
【図３】本実施形態に係る空気流動調整装置（タンブル弁）の構造を示す図である。
【図４】本実施形態に係る空気流動調整装置（スワール弁）の構造を示す図である。
【図５】燃焼速度に対する水素濃度と空気流動強度比の関係を示す図である。
【図６】空気過剰率と層流燃焼速度の関係を示す図である。
【図７】エンジンに供給する燃料中の液体燃料の割合と燃焼速度の関係を示す図である。
【図８】本実施形態に係るエンジンに供給する燃料中の水素混合割合の推定手法を説明する図である。
【図９】本実施形態に係るエンジンに供給する燃料中の水素混合割合の推定手法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
【００１４】
図１に本実施形態におけるエンジンシステムの構成を示す。図１に示すように本実施形態に係るエンジンシステムは、水素リッチガス及び炭化水素系燃料を燃焼して駆動するエンジン１１と、エンジン１１の排ガスの熱を利用して有機ハイドライドから水素リッチガスを生成する反応器１２と、反応器１２で生成された水素リッチガスをエンジン１１に供給する水素インジェクタ１６と、炭化水素系燃料をエンジン１１に供給する燃料インジェクタ１７と、エンジン１１の吸気管２９に設けられた空気流動調整装置１８と、システムを電子制御するコントローラ１９（制御手段）を備えている。
【００１５】
以下、有機ハイドライドにメチルシクロヘキサン（以下、ＭＣＨという）を利用した形態を例として説明する。反応器１２は、エンジン１１の排ガスの熱を利用するため、エンジン１１の排気管２８に設けられている。ＭＣＨは、下記式（１）の触媒反応により容易に水素を添加，放出可能な成分である。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
メチルシクロヘキサンから水素を生成する反応は、反応温度が２５０〜３５０℃の吸熱反応であり、エンジンの排熱で容易に水素を生成可能である。ＭＣＨは有機ハイドライドタンク１３に貯蔵されており、有機ハイドライドタンク１３から反応器１２に供給される。反応器１２で生成された水素と脱水素燃料であるトルエンは配管２４を通って分離装置１４に送られ、水素リッチガスとトルエンに分離される。分離装置１４で分離されたトルエンは配管２５を通って脱水素燃料タンクに貯蔵され、水素リッチガスは配管２６を通って水素インジェクタ１６からエンジン１１に供給される。また、脱水素燃料タンク１５内のトルエンは、配管２７を通って燃料インジェクタ１７からエンジン１１に供給される。エンジン１１に水素リッチガスを供給する配管２６には、水素リッチガスの温度，圧力を検出するための温度検出装置２１，圧力検出装置２２が設けられている。また、有機ハイドライドを反応器１２に供給する配管には供給量を計測するための供給量計測装置２３が設けられている。また、分離装置１４で分離されたトルエン中のＭＣＨの濃度を検出するための濃度検出装置２０が設けられている。コントローラ１９には、これらの検出装置で検出された検出信号、水素インジェクタ１６，燃料インジェクタ１７からのパルス幅，圧力信号が入力される。コントローラ１９は入力信号に基づいて、エンジン１１に供給される燃料中の水素濃度を算出あるいは推定し、水素濃度に応じて空気流動調整装置１８の開度を制御する。このように水素濃度に応じて空気流動調整装置１８の開度を制御することによって、燃焼速度を所定の範囲に調整することが可能となり、エンジン効率を向上することができる。また、空気過剰率による燃焼速度の制御では排ガス温度が変化し、反応器１２での水素生成に影響を及ぼすが、本実施形態の空気流動調整装置１８を用いた制御では、排ガス温度の変動を小さくできるため、システム全体での効率向上が図れる。
【００１８】
なお、図１ではエンジン１１に供給する炭化水素系燃料として、脱水素燃料（トルエン）を利用した形態を示したが、脱水素燃料以外の燃料を供給する構成としてもよい。具体的には、図１の構成に対して、さらに炭化水素系燃料を貯蔵するタンクを設け、炭化水素系燃料を配管２７から燃料インジェクタ１７によりエンジン１１に供給する構成とすればよい。
【００１９】
本実施形態では、有機ハイドライドとして、ＭＣＨ（メチルシクロヘキサン）を使用した構成を例示するが、その他に例えば、シクロヘキサン，デカリン等も使用できる。また、脱水素反応で生成される脱水素燃料としては、トルエンの他に例えば、ナフタレン，ベンゼン等がある。
【００２０】
エンジン１１に供給する炭化水素系燃料としては、有機ハイドライドの脱水素反応で生成された脱水素燃料の他にも、軽油，ガソリン，天然ガスなど一般的にエンジンに使われている燃料を使用することができる。
【００２１】
炭化水素系燃料として脱水素燃料を利用した場合は以下の利点がある。トルエンのオクタン価（約１２０）は、通常の火花点火用の燃料であるガソリンに対して高いため、エンジン１１でノッキングが発生し難く、また、高圧縮比でエンジン１１を作動させ、燃焼効率を高めることも可能となる。具体的には、一般的な火花点火式のエンジン１１の場合、圧縮比１３程度が最大値であるが、トルエンを使用することにより、圧縮比１５程度に高めることも可能となる。さらに、火花点火式のエンジン１１の場合、理論サイクルがオットーサイクルであるから、圧縮比が高くなると、熱効率が向上する関係である。
【００２２】
エンジン１１は、４サイクル（吸気，圧縮，燃焼・膨張，排気）を繰り返す４ストローク機関である。エンジン１１は、複数の気筒（シリンダ）と、気筒内を往復運動するピストンと、ピストンにコンロッドを介して接続されたクランク軸と、クランク軸に連動する吸気弁及び排気弁と、コントローラ１９により電子制御される点火プラグと、を備えている。エンジン１１の出力（回転速度，トルク，排気ガスの流量等）は、燃料・空気の吸気量，点火タイミングを制御するコントローラ１９で制御される。
【００２３】
水素インジェクタ１６は、コントローラ１９からの指令に従って、水素リッチガスを吸気ポートに噴射し、エンジン１１に供給する装置である。また、水素インジェクタ１６の位置はこれに限定されず、エンジン１１内に形成された気筒に直接噴射する構成でもよい。なお、水素リッチガスは分離装置で分離された後、配管２６を介して、水素インジェクタ１６に導かれる。
【００２４】
そして、このようにして、燃焼速度の大きい水素がエンジン１１に供給されるので、エンジン１１において、希薄・均一燃焼が可能となり、また、ポンピングロスも低減される。また、エンジン１１内の混合気（トルエン，水素，空気が混合したもの）の比熱比（定容比熱(Ｃｖ)／定圧比熱(Ｃｐ)）が向上し、エンジン１１の熱効率を高めることができる。
【００２５】
燃料インジェクタ１７は、コントローラ１９からの指令に従って、トルエンを吸気ポートに噴射し（ポート噴射）、エンジンに供給する装置である。なお、燃料インジェクタ１７の位置はこれに限定されず、エンジン１１内に形成された気筒に直接噴射する構成でもよい。また、トルエンは、脱水素燃料タンク１５から、配管２７を介して、燃料インジェクタ２４に導かれている。
【００２６】
そして、このようにして高オクタン価のトルエンがエンジン１１に供給されるので、前記したように、エンジン１１でノッキングが発生し難くなり、エンジン１１を高圧縮比で作動させ、燃焼効率を高めることも可能となる。
【００２７】
エンジン１１の排気ガス出口は排気管２８により、反応器１２の排気ガス入口に接続されている。そして、エンジン１１からの排気ガスは、過給器を作動（回転）させた後、反応器１２に導かれるようになっている。
【００２８】
反応器１２は、図２（ａ）に示すように、外形が円柱状を呈する複数本の反応セル３１と、複数の反応セル３１を収容した円筒状の第１ケーシング３２と、を備えている。そして、ＭＣＨ（水素含有燃料）が各反応セル３１内を通流し、高温の排気ガスが反応セル３１の外であって第１ケーシング３２内を通流するようになっている。
【００２９】
第１ケーシング３２及び後記する第２ケーシング３４は、熱伝導率が高くなるように金属製（例えば、ＳＵＳ）で形成されている。なお、第１ケーシング３２，第２ケーシング３４の形状は、円筒状に限定されず、その他に例えば、四角形筒状，多角形筒状でもよい。
【００３０】
反応セル３１は、図２（ｂ）に示すように、積層された複数枚の反応シート３３と、複数枚の反応シート３３を収容した第２ケーシング３４と、を備えている。
【００３１】
各反応シート３３は、図２（ｃ）に示すように、ベースとなる金属箔３５と、金属箔３５の両面にそれぞれ形成された多孔質層３６と、多孔質層３６に担持された触媒３７と、を備えている。つまり、各反応シート３３は、触媒３７が担持した多孔質層３６，金属箔３５，触媒３７が担持した多孔質層３６の順で積層した三層構造である。
【００３２】
なお、厚さ方向において隣り合う反応シート３３，３３間には、ＭＣＨ，生成した水素及びトルエンが通流可能な隙間が形成されている。
【００３３】
また、反応シート３３はシート状であるから、その熱容量が小さく、熱が反応シート３３を速やかに伝導し、触媒３７がその触媒機能を良好に発揮する温度に速やかに昇温する。これにより、ＭＣＨを水素とトルエンとに分解する分解反応の効率は、高くなっている。
【００３４】
さらに、各反応シート３３には、複数の貫通孔３３ａが形成されている。これにより、排気ガスの熱が厚さ方向に良好に伝導し、また、ＭＣＨ，生成した水素及びトルエンが、厚さ方向にも良好に通流するようになっている。
【００３５】
金属箔３５は、例えばアルミニウム箔で構成され、その厚さは５０〜２００μｍ程度とされる。
【００３６】
ただし、金属箔３５を備えず、又は、金属箔３５に代えて、ベースとなる多孔質層を備え、反応シート３３全体を多孔質構造としてもよい。
【００３７】
多孔質層３６は、触媒３７を担持するための層であって、ＭＣＨ，生成した水素及びトルエンが通流可能な複数の細孔を有している。このような多孔質層３６は、例えば、アルミナを主体とする酸化物で構成される。
【００３８】
触媒３７は、ＭＣＨを分解し、水素及びトルエンを生成させるための触媒である（式（１）参照）。このような触媒３７は、例えば、白金，ニッケル，パラジウム，ロジウム，イリジウム，ルテニウム，モリブデン，レニウム，タングステン，バナジウム，オスミウム，クロム，コバルト，鉄等から選択された少なくとも１種で構成される。
【００３９】
分離装置１４は、水素とトルエンとを分離する装置である。本実施形態に係る分離装置１４は、水素及びトルエンが混在したものを空冷式で冷却することで、トルエン（沸点：１１０℃）のみを液化させ、水素リッチガスとトルエンに分離するようになっている。よって、例えば、分離装置１４の外周面には、空冷式による冷却を促進するための放熱フィン（図示しない）が設けられている。
【００４０】
なお、分離方式はこれに限定されず、その他に例えば、圧力スイング吸着装置、水素を選択的に透過する水素透過膜（Ｐｄ膜等）によって水素を分離する方式でもよい。
【００４１】
そして、分離装置１４で分離された水素リッチガスは、配管２６を通って、水素インジェクタ１６に供給されるようになっている。なお、配管２６に水素を圧送するポンプが設けられた構成でもよい。
【００４２】
一方、分離装置１４で液化することで分離されたトルエンは、分離器５２の底部から延びる配管２５を自重により通流し、脱水素燃料タンク１５で貯溜されるようになっている。配管２７に、タンク５４内のトルエンを燃料インジェクタ１７に圧送するポンプが設けられた構成でもよい。
【００４３】
なお、分離装置１４で分離された水素ガス中には少量のトルエン等の脱水素化燃料が混在している。水素リッチガスは、このような脱水素化燃料を含む水素ガスを意味する。
【００４４】
コントローラ１９は、エンジンシステムを電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，各種インタフェイス，電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
【００４５】
エンジンの吸気管の途中には流動を調整する空気流動調整装置１８が搭載されている。空気流動調整装置１８は、筒内にスワール流又はタンブル流を形成するものであればよく、吸気ポートの一部に配置されたスワールコントロールバルブやタンブルコントロールバルブ等の弁手段により実現できる。図３，図４にタンブル弁，スワール弁の例を示す。図３はタンブル弁であり、エンジンの縦方向の断面形状を示す。タンブル弁１８ａはエンジンの吸気管２９にあり、吸気管２９内を流れる空気の流路位置をタンブル弁１８ａにより変化させることで、エンジン筒内に縦渦が生成される。一方、図４はスワール弁１８ｂであり、エンジンの横断面形状を示す。吸気管は図に示すように、横渦（スワール）を発生させるための形状となっており、その吸気管の一方に空気流動弁が設置されており、その開度によりスワール強度を調整する。エンジンに供給する空気供給管の流路断面位置を変化させることで、エンジン内の空気流動を変化することができる。またエンジンの吸気バルブの開度または複数の吸気バルブの内、１つのバルブを休止することで空気流動を強化することができる。タンブル弁１８ａ，スワール弁１８ｂの開度が小さいほど吸気管２９の流路断面積が小さくなり、空気流動の強さ（タンブル強度，スワール強度）が強くなる。空気流動が強くなるほど燃焼速度が向上する。したがって、タンブル弁１８ａあるいはスワール弁１８ｂの開度を調整することにより、燃焼速度をコントロールすることが可能となる。なお、図１，図３，図４では吸気管に空気流動弁を設けた構成を示したが、空気流動調整装置１８としてはスワール流又はタンブル流を形成するものであればよく、空気流動弁をエンジン１１の燃焼室内に設けた構成でもよい。
【００４６】
一般的に水素は炭化水素系燃料と比較し、燃焼速度が大幅に高いことから、炭化系水素と同じ燃焼条件の場合、エンジンの冷却損失が大きくなり、熱効率が低下するという課題がある。
【００４７】
ガソリンの層流燃焼速度式を下記式（２）に示す。
【００４８】
【数２】
2013001558.tif 000004
【００４９】
また水素の層流燃焼速度式を下記式（３）に示す。
【００５０】
【数３】
2013001558.tif 000005
【００５１】
ＳLは層流燃焼速度であり、Ｐ，Ｔはそれぞれ圧力，温度である。添え字のｕ，０はエンジン内の状態，標準状態である。またφは当量比、ｘegrはＥＧＲ率である。
【００５２】
水素，ガソリンの層流燃焼速度を比較すると、水素はガソリンに対し約１０倍層流燃焼速度が高くなる。また、ガソリンは圧力が高いほど、層流燃焼速度が低下するのに対し、水素は圧力が高いほど層流燃焼速度が高くなる。そのため高負荷条件，高圧縮比エンジンの場合、水素混合割合に変化による燃焼速度の変化量がさらに大きくなるという特徴がある。
【００５３】
そのため、水素混合割合に応じて、燃焼速度を最適に調整する必要がある。式（２）（３）より空気過剰率に関しても下記に示すように層流燃焼速度は変化するが、燃焼室内に供給される不活性ガスの濃度が変化することで、水素発生装置に供給される排気温度が変化しやすくなり、水素発生装置から生成される水素量に影響を与えやすくなる。そのため、空気流動変化による燃焼速度を調整する手法をシステムに組み込むことは重要である。図５にトルク及び回転数が一定の条件において、燃料中の水素濃度に対して燃焼速度を一定にするための筒内流動強度の関係を示す。空気過剰率一定の場合、エンジンに供給する燃料中の水素混合割合が大きくなるほど燃焼速度が速くなる。従って、燃焼速度を一定にするためには燃料中の水素混合割合が増加するにつれて燃焼速度の増加が抑制されるように空気流動を小さくする制御を行う。空気流動の制御は、空気流動調整装置のタンブル弁１７ａまたはスワール弁１７ｂの開度を制御することにより行う。
【００５４】
また、空気過剰率の変化によっても燃焼速度は変化する。これは図６に示すように水素の層流燃焼速度の空気過剰率依存性が炭化水素燃料のそれに比べ小さいことから、高空気過剰率における層流燃焼速度は水素混合割合に大きく影響を受けることがその要因である。そのため、空気過剰率が小さい場合よりも空気過剰率が大きい場合の方が水素混合割合の変化による燃焼速度の変化量が大きくなる。すなわち、水素混合割合に対する燃焼速度の依存性は高空気過剰率になるほど強くなる。従って、図５に示すように空気過剰率が高い場合の方が筒内流動強度の変化量が大きくなる。空気過剰率を変化させて運転する場合には、空気過剰率が高いほど、水素混合割合の増加に応じて空気流動の減少量が大きくなるようバルブ開度を補正する制御を行う。
【００５５】
また図７に示すようにエンジンに供給する炭化水素燃料中の液体燃料の割合によっても空気流動を調整する。液体燃料の場合、エンジン内で蒸発，空気との混合、着火という過程を通過するため、ガス燃料に比べ、蒸発過程が増える分、混合気が不均一になりやすい、そのため、液体燃料の割合に応じて、空気流動を強くすることで、燃焼速度を最適化する。
【００５６】
このように燃焼速度が所定の範囲になるように水素混合割合に応じて空気流動の強度を制御することにより、燃焼速度の増加による冷却損失の増加を低減することが可能となる。次に、エンジンに供給する水素混合割合の推定手法を説明する。図８にエンジンに供給する水素混合割合の推定手法１を示す。水素リッチガスの流量は、水素インジェクタ１６の圧力とパルス幅からエンジン１１に供給される水素リッチガスの流量を推定する。また、反応器１２で生成したトルエンと水素を分離装置１４で分離した後の水素リッチ中には蒸気圧分のトルエンが少量混合する。温度検出装置２１，圧力検出装置２２により検出した水素リッチガスの温度，圧力の値に基づき飽和蒸気圧を仮定することでトルエン濃度を算出する。さらに燃料インジェクタ１７の圧力とパルス幅からエンジン１１に供給される炭化水素系燃料の流量を推定する。そして、エンジン１１に供給される水素リッチガスと炭化水素系燃料の流量と、水素リッチガスに含まれるトルエン濃度から、エンジンに供給する燃料中の水素濃度を推定する。この手法により、炭化水素系燃料が軽油などの液体燃料の場合には、液体燃料の割合も把握できる。
【００５７】
図９にはエンジンに供給する燃料中の水素混合割合の推定手法２を示す。反応式（１）の反応は、副生物がほとんど生成されないことから、生成後のトルエン中のＭＣＨの濃度を濃度検出装置２０により計測することでＭＣＨからの水素を生成する生成効率を把握できる。トルエン中のＭＣＨ濃度を検出するものとして、トルエンとＭＣＨの密度，誘電率の違いを利用したセンサを用いることができる。
【００５８】
反応器１２に供給するＭＣＨの供給量を供給量計測装置２３により計測する。反応器１２へのＭＣＨ供給量と水素生成効率を把握することで、下記式（４）により水素発生量を算出できる。
【００５９】
【数４】
2013001558.tif 000006
【００６０】
次に、推定手法１と同様の方法により、水素ガス中のトルエン濃度と、エンジン１１への炭化水素系の供給量を推定する。そして、水素ガス発生量と炭化水素系燃料の供給量と水素ガスに含まれるトルエン濃度から、エンジンに供給する燃料中の水素濃度を推定する。この手法により、炭化水素系燃料が軽油などの液体燃料の場合には、液体燃料の割合も把握できる。
【００６１】
コントローラ１９は、推定手法１または推定手法２を用いて、各検出装置やインジェクタから入力された信号をもとにエンジンに供給される燃料中の水素濃度を推定し、その結果に基づいて、空気流動調整装置１８に対してバルブ開度の制御指令信号を出力する。空気流動調整装置１８はコントローラ１９からの制御指令信号によりバルブ開度を制御し、空気流動の強度が制御される。水素濃度に応じて空気流動の強度を制御することにより、水素濃度が変化しても燃焼速度を所定の範囲に保つことが可能となる。これにより、エンジンの熱効率低下を抑制するとともに、反応器の脱水素反応への影響を小さくできるため、システム全体の効率を安定に保つことができる。
【００６２】
また、エンジンシステムでは、エンジンの運転領域（トルク，回転数）に対して、効率が高くなるようにエンジンに供給される燃料中の水素濃度，空気過剰率が決定される。一方、反応器で生成された水素リッチガスをエンジンに供給するエンジンシステムでは、上述のように水素リッチガスには脱水素化燃料が含まれ、その濃度は変動する。そのため、水素インジェクタおよび燃料インジェクタの供給量のみで燃料中の水素濃度を調整した場合には、燃料中の水素濃度にばらつきが生じることとなる。これに対して、推定手法１，２で説明したエンジンに供給される水素リッチガス中の水素濃度の推定結果を用いて、水素インジェクタおよび燃料インジェクタからの供給量を補正することが好ましい。これにより、水素リッチガス中の水素濃度が考慮されることで、エンジンに供給される燃料中の水素濃度を精度良くコントロールすることが可能となる。なお、水素インジェクタおよび燃料インジェクタからの供給量の制御はコントローラ１９により行われる。
【００６３】
以上で説明した本実施形態のエンジンシステムの代表的な効果は以下の通りである。
【００６４】
空気過剰率によって燃焼速度の制御する場合には以下の制約がある。すなわち、空気過剰率が所定以上になると失火するため、水素混合割合に応じて、燃焼可能な最大空気過剰率が決まる。また，ＮＯX，未燃炭化水素，ＣＯなどの排気浄化の観点から、三元触媒を利用する際には空気過剰率１付近、ＮＯX浄化を不要化するためには空気過剰率１.８以上とすることが望ましい。そのため、空気過剰率の調整には限界があり、空気過剰率のみでの燃焼速度の制御は困難となる。また、空気過剰率の変化とともに排気温度が変化するため、反応器での水素生成量が変化してしまう。そのため、空気過剰率で燃焼速度を制御すると水素生成に影響を及ぼし、結果的に全体システムの効率低下を招く場合がある。これに対して、本実施形態のエンジンシステムでは、水素濃度に応じて空気流動の強度を制御することにより、エンジンの熱効率低下を抑制するとともに、反応器の脱水素反応への影響が少なく、システム全体の効率を安定に保つことができる。なお、燃焼速度の制御は、本実施形態の空気流動による制御に加えて、空気過剰率による制御を併用することも可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１１  エンジン
１２  反応器
１３  有機ハイドライドタンク
１４  分離装置
１５  脱水素燃料タンク
１６  水素インジェクタ
１７  燃料インジェクタ
１８  空気流動調整装置
１８ａ  タンブル弁
１８ｂ  スワール弁
１９  コントローラ
２０  濃度検出装置
２１  温度検出装置
２２  圧力検出装置
２３  供給量計測装置
２８  排気管
２９  吸気管
３１  反応セル
３２  第１ケーシング
３３  反応シート
３４  第２ケーシング
３５  金属箔
３６  多孔質層
３７  触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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