專利名稱：氫利用內(nèi)燃機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫利用內(nèi)燃機，特別是，涉及可以將氫化燃料、在車輛內(nèi)產(chǎn)生的富氫氣體及脫氫產(chǎn)物用作燃料的氫利用內(nèi)燃機。
背景技術(shù)：
作為驅(qū)動機動車用的動力源，一直以來，廣泛使用以汽油為燃料的汽油機。汽油機一般通過燃燒作為主燃料的汽油與空氣的混合氣體來發(fā)動，但是，近年來，對在該混合氣體中進一步添加氫的技術(shù)的實用化展開了研究。
而且，作為機動車用燃料，推測今后不僅在以汽油機、柴油機、氫發(fā)動機為首的內(nèi)燃機中，而且在搭載于電動車等上的燃料電池等的發(fā)動機以外的氫利用裝置中也增加氫的利用。
可是，目前的情況是還未確立與氫的供給方法相關(guān)的技術(shù)，在要給內(nèi)燃機或燃料電池供給氫的情況下，必須在車輛上搭載氫或生成氫用的原燃料。即，在搭載氫的情況中，由將富氫氣體壓縮成高壓狀或液狀而填充的高壓儲氣瓶(高壓罐或液態(tài)氫罐等)、或者吸附氫的氫吸附合金或氫吸附材料來搭載；在搭載原燃料的情況中，搭載作為原燃料的甲醇或汽油等碳氫化合物及通過對該原燃料進行水蒸氣改性來生成富氫氣體的氫生成裝置。
但是，在將氫本身搭載在車輛上的情況中，當(dāng)以壓縮狀態(tài)搭載在高壓罐中時，由于高壓罐雖然比較大，但壁厚厚，內(nèi)部容積不大，因此氫填充量少。對于作為液態(tài)氫搭載的情況，存在氣化損失，此外，由于液化需要很大的能量，所以就總的能量效率而言，這是不希望的。而且，在氫吸附合金或氫吸著材料中，必需的氫儲藏密度不充分，而且，氫的吸附或吸著等的控制非常困難。另外，為了使氫高壓化、液化或吸附氫，必需另外配備設(shè)備。
另一方面，在搭載原燃料的情況中，與搭載氫的情況相比，具有在一次燃料補充下可行駛的距離長的優(yōu)點，在碳氫化合物系的原燃料中，與富氫氣體相比，具有輸送等處理容易的優(yōu)點。而且，即使氫燃燒，也會與空氣中的氧結(jié)合形成水，所以沒有公害的擔(dān)心。
例如，對于作為碳氫化合物系物質(zhì)的一種的萘烷(十氫萘)，由于在常溫下，蒸氣壓幾乎為零(沸點為200℃附近)，所以處理容易，因此期待作為原燃料使用的可能性。
作為萘烷的脫氫化方法，公知的一種方法是，在含有從鈷、銠、銥、鐵、鋱、鎳及鉑中選擇的至少一種過渡金屬的過渡金屬絡(luò)合物存在的情況下，用光照射萘烷，使氫從萘烷脫離(例如，參見專利文獻1)。而且，公知的方法還有，在有機磷化合物的銠絡(luò)合物存在的情況下，或在有機磷化合物和銠化合物存在的情況下，通過在萘烷上進行光照射，由萘烷制造氫(例如，參見專利文獻2)。萘烷的脫氫反應(yīng)如下進行。
而且，作為原燃料使用萘烷或環(huán)己烷等有機氫化物的氫燃料供給系統(tǒng)也被公開了(例如，參見專利文獻3、4)。
專利文獻1日本特公平3-9091號公報專利文獻2日本特公平5-18761號公報專利文獻3日本特開2001-110437號公報專利文獻4日本特開2002-255503號公報

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的第一目的在于提供一種將氫化上述有機氫化物、汽油、輕油等后的物質(zhì)(以下，稱作“氫化燃料”)直接或分解后供給汽油機或柴油機、氫發(fā)動機等內(nèi)燃機的系統(tǒng)。
而且，本發(fā)明的第二目的在于提供一種由包含有機氫化物的氫化汽油生成富氫氣體及脫氫化汽油、并將它們作為燃料供給于內(nèi)燃機的系統(tǒng)。
實現(xiàn)上述第一目的的氫利用內(nèi)燃機，供給從氫化燃料、由氫化燃料脫氫得到的脫氫產(chǎn)物及氫中選擇的一種或兩種以上的燃料以進行工作，其構(gòu)成為，包括氫化燃料儲存部；反應(yīng)裝置，具有可加熱地配置的催化劑，并使由該氫化燃料儲存部供給的氫化燃料在加熱的所述催化劑上進行脫氫反應(yīng)；分離裝置，分離由該脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的富氫氣體和脫氫產(chǎn)物；及脫氫產(chǎn)物儲存部，儲存分離后的該脫氫產(chǎn)物。
實現(xiàn)上述第二目的的氫利用內(nèi)燃機的特征在于，具有氫化汽油罐，儲存包含有機氫化物的氫化汽油；燃料分離裝置，將所述氫化汽油分離成富氫氣體和脫氫化汽油；及燃料供給裝置，在所述氫化汽油、所述富氫氣體及所述脫氫化汽油中，至少將所述富氫氣體和所述脫氫化汽油作為燃料分別單獨地或同時供給于內(nèi)燃機。


圖1為表示本發(fā)明第一實施方式的概略結(jié)構(gòu)圖。
圖2為放大表示本發(fā)明第一實施方式的脫氫反應(yīng)器的概略圖。
圖3為說明本發(fā)明第二實施方式結(jié)構(gòu)用的視圖。
圖4為用于說明在氫化汽油和脫氫化汽油之間引起的氫化反應(yīng)及脫氫化反應(yīng)的一個例子的圖。
圖5為在本發(fā)明的第二實施方式中實行的程序的流程圖。
圖6為用于說明本發(fā)明的第二實施方式的變形例的圖。
具體實施例方式
下面，參照

本發(fā)明的氫利用內(nèi)燃機的實施方式。另外，在下述實施方式中，以在車輛上搭載汽油機并將氫化汽油用作氫化燃料的情況為中心進行說明。但是，本發(fā)明不限于這些實施方式。
(第1實施方式)本實施方式將脫氫反應(yīng)器設(shè)置在搭載以汽油為燃料的汽油機的機動車上，可以將氫化汽油直接送至發(fā)動機，使氫化汽油在高溫催化劑的存在下反應(yīng)生成富氫氣體和脫氫產(chǎn)物(汽油)，并將它們分離、任意選擇地供給于內(nèi)燃機。而且，在本實施方式中，使通過脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的富氫氣體混合到排氣中通過催化劑，可凈化排氣。
本實施方式形成圖1所示的結(jié)構(gòu)。下面，根據(jù)該圖進行詳細說明。
將氫化汽油從外部供給于氫化燃料儲存部4。氫化燃料儲存部4形成和后述氫分離后的脫氫產(chǎn)物儲存部3共有的罐。
在本實施方式中，可以將氫化汽油從氫化燃料儲存部4經(jīng)閥V1和V2由泵P1從噴射器19直接供給內(nèi)燃機，可以將氫化汽油直接作為內(nèi)燃機的燃料。
而且，氫化汽油也可以經(jīng)由V1和V2由處于供給配管7上的泵P2供給脫氫反應(yīng)器(反應(yīng)裝置)1。
在本實施方式中，以包圍用于排出從發(fā)動機排出的排氣的排氣管的方式設(shè)置脫氫反應(yīng)器(反應(yīng)裝置)1，并在其中設(shè)有催化劑11，該反應(yīng)器在環(huán)形室型的蜂窩狀載體的各單元的內(nèi)壁上設(shè)置氧化鋁涂層，在該涂層上承載作為催化劑的金屬微粒。而且，脫氫反應(yīng)器1具有將氫化汽油供給于催化劑11的噴射器(燃料供給裝置)12，并使供給的氫化汽油在由排氣的熱量(排氣熱)加熱的催化劑11中進行脫氫反應(yīng)。
進一步參照圖2對脫氫反應(yīng)器1進行說明。圖2為脫氫反應(yīng)器的催化劑11的透視圖。如該圖所示，催化劑11為在圓筒上開孔的環(huán)形室狀的形狀，排氣管13可以貫通該孔。
排氣管13在一端通過排氣門27與內(nèi)燃機的氣缸5相連，從另一端經(jīng)凈化催化劑排出排氣(參照圖1)。
氫化汽油噴射器12將氫化汽油大角度地霧化噴射到催化劑11上，從而能效率高地生成富氫氣體。
另一方面，在排氣管13的下側(cè)，沿排氣管13設(shè)置混合氣體通過用的流路30，在通過產(chǎn)生的混合氣體的情況中，特別是混合氣體中的脫氫產(chǎn)物可以在不冷凝的情況下以原來的氣體狀態(tài)通過。
而且，在脫氫反應(yīng)器1上，連接有閥V3和用于排出氫及脫氫產(chǎn)物的回流管14的一端，并通過回流管14與分離裝置2連通。
在分離裝置2中，使氫和脫氫產(chǎn)物冷卻，脫氫產(chǎn)物液化后留在罐下部，和氫分離。
在分離裝置2的上部連接具有泵P4和止回閥的、富氫氣體通過用的配管17的一端，在其底部連接配管10，以與脫氫產(chǎn)物儲存部3相連。分離后的富氫氣體通過配管17從分離裝置2排出，留在分離裝置2中的脫氫產(chǎn)物可通過配管10導(dǎo)入脫氫產(chǎn)物儲存部3。
在發(fā)動機的氣缸5上分別通過進氣門26、排氣門27連接進氣管25和排出排氣用的排氣管13，所述進氣管用于將燃料與空氣或氫一起作為混合氣體供給氣缸內(nèi)部。而且，在氣缸蓋上設(shè)置給氣缸內(nèi)的混合氣體點火用的火花塞24。
在進氣管25上設(shè)置連接到配管17另一端的氫供給用噴射器18、和連接到具有泵P1的供給配管23一端的汽油供給用噴射器19，所述供給配管用于供給氫化汽油(或作為脫氫產(chǎn)物的汽油)。氫供給用噴射器18通過配管17與分離裝置2連通，可以向進氣管25內(nèi)添加氫，汽油供給用噴射器19和供給配管23連通，能向進氣管25內(nèi)提供汽油。這樣，可以將包含氫及汽油的混合氣體供到氣缸內(nèi)。
在配管17上設(shè)置緩沖罐20和調(diào)節(jié)器21，前者在儲存氫的同時向氫供給用噴射器18供給氫，后者用于將對氫供給用噴射器18的氫供給壓力控制到所希望的壓力。另外，在泵P1和緩沖罐20之間設(shè)置具有泄壓閥(relief valve)的迂回流路，以便氫供給壓力不會變得過大。
氫化燃料儲存部4儲存作為主燃料的氫化汽油，可以通過設(shè)置在上部的供給配管23將氫化汽油供給于汽油供給用噴射器19，但是，從氫分離后的脫氫生成物儲存部3經(jīng)閥V1，同樣可以將汽油(脫氫產(chǎn)物)供給于汽油供給用噴射器19。
而且，進而在位于排氣管13上的脫氫反應(yīng)器1的下游設(shè)置用于檢測排氣中的氮氧化物(NOX)濃度的NOX傳感器及空燃比檢測用的A/F傳感器、用于在三元催化劑(凈化催化劑)的上游側(cè)向排氣中添加富氫氣體的氫添加噴射器28、和電熱塞。
氫添加噴射器28連接在配管8的一端，該配管8具有和配管17連通的閥V4及泵P3，在分離裝置2中分離出的富氫氣體的一部分可以被供給排氣管。向排氣管13中的排氣中添加富氫氣體并通過電熱塞使其燃燒，由此能進一步凈化排出的排氣。
上述氫化汽油噴射器12、氫供給用噴射器18、汽油供給用噴射器19、火花塞24、NOX傳感器及A/F傳感器、氫添加噴射器28及電熱塞等分別和控制裝置(ECU)6電連接，由ECU6控制。
下面，對本實施方式的控制裝置(ECU)6進行的控制進行說明。另外，在這里，僅對與本發(fā)明有關(guān)的富氫氣體產(chǎn)生控制進行說明。
首先，當(dāng)打開IG開關(guān)時，首先發(fā)動機起動，使用溫度傳感器取得催化劑11的溫度T，判斷催化劑溫度T是否在預(yù)定的規(guī)定溫度T0以下。這時，在催化劑溫度T在規(guī)定溫度T0以下的情況下，再次測取催化劑溫度T，在催化劑溫度T超過規(guī)定溫度T0、或已經(jīng)超過規(guī)定溫度T0的情況下，由和ECU6電連接的圖中未示出的控制用驅(qū)動器從相應(yīng)的噴射器12以預(yù)定的規(guī)定量供給氫化汽油。
上述規(guī)定溫度為250～500℃、優(yōu)選為250～350℃之間的溫度。理由是，當(dāng)規(guī)定溫度不足250℃時，不能得到作為目標(biāo)的脫氫反應(yīng)的高反應(yīng)速度，換言之，不能得到內(nèi)燃機或其它氫利用裝置的高性能，當(dāng)超過350℃時，存在產(chǎn)生碳沉積的可能性，當(dāng)超過500℃時，是不實用的。
在本實施方式中，當(dāng)打開IG開關(guān)時，通過下述混合氣體使發(fā)動機起動，該混合氣體為和空氣一起將緩沖罐20內(nèi)的氫從氫添加噴射器18添加到由汽油供給用噴射器19供給的汽油(或氫化汽油)中所產(chǎn)生的混合氣體。由起動后從氣缸排出的排氣加熱排氣管13，當(dāng)承載的催化劑達到規(guī)定的溫度時，驅(qū)動泵P2，將氫化汽油從氫化燃料儲存部4通過供給配管7供到脫氫反應(yīng)器1的催化劑11上。將脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的富氫氣體(可以包含已蒸發(fā)的殘存氫化汽油)和脫氫產(chǎn)物一起通過排出管14送到分離裝置2。
在冷卻供給于分離裝置2的富氫氣體的同時，氣體中的脫氫產(chǎn)物液化而和富氫氣體分離。分離后的富氫氣體通過配管17供給緩沖罐20并儲存在其中，同時還由與從配管17分支的配管8連接的氫添加噴射器28供給到排氣管13中。供給并儲存在緩沖罐20中的富氫氣體與汽油的供給時序?qū)?yīng)地、由氫供給用噴射器18供給于進氣管25。如上所述，可以利用發(fā)動機的排氣熱量在車輛內(nèi)進行氫的生成，并通過將高純度的富氫氣體持續(xù)地供給于發(fā)動機來實現(xiàn)排氣的凈化、低燃料消耗化，同時能通過將氫添加到排氣中、使其燃燒來進一步凈化排氣。
對于使車輛停止并關(guān)閉點火(IG)開關(guān)的情況，在使發(fā)動機停止的同時，停止泵P2的驅(qū)動并停止來自氫化汽油噴射器12的氫化汽油的供給，由此停止富氫氣體的生成。由于停止氫化汽油供給后還有少量的富氫氣體產(chǎn)生，所以打開閥V3，使產(chǎn)生的富氫氣體經(jīng)分離裝置2儲藏在緩沖罐20中。
發(fā)動機停止后，在冷卻脫氫反應(yīng)器內(nèi)部之后，打開閥V3，將脫氫產(chǎn)物液化而殘存在反應(yīng)器內(nèi)的液體導(dǎo)入分離裝置2。脫氫產(chǎn)物在這里冷卻、凝縮，并沉積、存留在容器底部。
雖然在上述實施方式中，以將氫化汽油用作燃料的例子為中心進行說明，但是，在使用已經(jīng)提及的氫化汽油以外的燃料的情況下也是相同的。而且，雖然作為內(nèi)燃機、以汽油機為例進行說明，但是本發(fā)明也能用在汽油機以外的柴油機或氫發(fā)動機等內(nèi)燃機中。
而且，由本發(fā)明的富氫氣體生成裝置生成的氫，可以用作在汽油或輕油等燃料中進行氫添加并使其燃燒的內(nèi)燃機(汽油機、柴油機等)或氫發(fā)動機的燃料，或者供給搭載在車輛上的燃料電池等氫利用裝置使用。
而且，在上述實施方式1中，雖然對氫化汽油、富氫氣體及脫氫產(chǎn)物的區(qū)分使用沒有特別談及，但是，它們也可以如下所述地區(qū)分使用。即，在內(nèi)燃機的起動時，可以只將富氫氣體作為燃料供給。在低溫時將汽油作為燃料的情況中，低溫環(huán)境下的低氣化性成為使排放特性和起動性惡化的原因。與此相對，如果在起動時僅將富氫氣體作為燃料，則能排除該影響，實現(xiàn)極好的起動性和排放特性。
而且，內(nèi)燃機起動后，原則上，也可以將富氫氣體和脫氫產(chǎn)物作為燃料供給于內(nèi)燃機。更具體地，監(jiān)視脫氫產(chǎn)物的殘余量，在其可供給的情況中，在要求汽油供給的狀況下總是可以供給脫氫產(chǎn)物，而不是氫化汽油。而且，監(jiān)視富氫氣體的殘余量，在其可供給的情況中，總是也可以將富氫氣體供給于內(nèi)燃機。
氫化汽油為相對一般的汽油添加了氫的物質(zhì)。另一方面，脫氫產(chǎn)物為使氫從該氫化汽油脫離得到的物質(zhì)，具有和一般的汽油實質(zhì)上相同的成分。燃料的辛烷值由于相對含有成分添加氫，所以一般較低。因此，氫化汽油與脫氫產(chǎn)物相比，具有低的辛烷值，具有使內(nèi)燃機的爆震更容易發(fā)生的特性。
如上所述，在要求汽油供給的狀況下，原則上如果將脫氫產(chǎn)物作為燃料，則可抑制內(nèi)燃機的爆震。因此，根據(jù)這種燃料供給的手段，可以盡可能地使內(nèi)燃機的安靜性、輸出特性等提高。
而且，如果相對汽油燃料添加氫，則能顯著改善燃料的燃燒性，與沒有這種添加的情況相比，能大幅度提高可確保穩(wěn)定燃燒的空氣過剩率的上限。因此，如上所述，如果原則上進行相對汽油燃料的氫添加，則能劃時代地改善內(nèi)燃機的燃料消耗特性。
(第2實施方式)[實施方式2的結(jié)構(gòu)]下面，參照圖3至圖5，對本發(fā)明的實施方式2進行說明。圖2為用于說明本實施方式的氫利用內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)的視圖。本實施方式的系統(tǒng)具有內(nèi)燃機40。在內(nèi)燃機40上連通進氣管42和排氣管44。
在進氣管42中安裝用于控制吸入空氣量的節(jié)氣門46。在節(jié)氣門46的下游設(shè)置氫供給用噴射器48。而且，在內(nèi)燃機40的進氣口處設(shè)置汽油供給用噴射器50。這些噴射器48、50分別具有和第一實施方式中的氫供給用噴射器48及汽油供給用噴射器50相同的結(jié)構(gòu)及功能。
即，如后所述，氫供給用噴射器48可以在規(guī)定的壓力下接受富氫氣體的供給，并通過接收從外部供給的驅(qū)動信號而打開，將與該打開時間對應(yīng)的量的富氫氣體噴射到進氣管42的內(nèi)部。而且，如后所述，汽油供給用噴射器50也可以在規(guī)定的壓力下接受汽油的供給，并通過接收從外部供給的驅(qū)動信號而打開，從而將與該打開時間對應(yīng)的量的汽油噴射到進氣口內(nèi)。
在排氣管44上安裝脫氫反應(yīng)器52。而且，在脫氫反應(yīng)器52的上部安裝氫化汽油噴射器54。它們都和實施方式1中的脫氫反應(yīng)器1及氫化汽油噴射器12實質(zhì)上同樣地構(gòu)成。
即，如后所述，氫化汽油噴射器54可以在規(guī)定的壓力下接受氫化汽油的供給，并通過接收從外部供給的驅(qū)動信號而打開，將與該打開時間對應(yīng)的量的氫化汽油供給于脫氫反應(yīng)器52內(nèi)部。而且，脫氫反應(yīng)器52利用從排氣管44放射的排氣熱，將如上所述供給的氫化汽油分離成富氫氣體和脫氫化汽油，并使它們從其下部流出。
在排氣管44上，在脫氫反應(yīng)器52的下游安裝O2傳感器56及NOX傳感器58。O2傳感器56以排氣中氧的有無為基礎(chǔ)，發(fā)出與排氣空燃比對應(yīng)的輸出。而且，NOX傳感器58發(fā)出與排氣中的NOX濃度對應(yīng)的輸出。在這些傳感器56、58的下游設(shè)置凈化排氣用的催化劑60。
本實施方式的系統(tǒng)具有氫化汽油罐62。氫化汽油罐62與實施方式1中的氫化燃料儲存部3對應(yīng)，其中儲存有與一般的汽油相比、有機氫化物含量多的氫化汽油。這里，所謂“有機氫化物”是指在300℃的溫度下引起脫氫反應(yīng)的HC成分，具體地說，已經(jīng)提到的萘烷或環(huán)己烷與其相當(dāng)。
在通常的高辛烷值汽油中含有40％左右的甲苯。當(dāng)氫化甲苯時，可以生成作為有機氫化物的甲基環(huán)己烷。即，當(dāng)以通常的汽油為燃料、對其中包含的甲苯進行氫化時，可以生成包含40％左右甲基環(huán)己烷的氫化汽油。在本實施方式中，為了方便，向氫化汽油罐62供給具有這種組成的氫化汽油。
在氫化汽油罐62上連通有氫化汽油供給管64。氫化汽油供給管64在其途中設(shè)有泵66，在其端部與氫化汽油噴射器54連通。氫化汽油罐62內(nèi)的氫化汽油在內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)中，由泵66向上吸，并在規(guī)定的壓力下被供給可氫化汽油噴射器54。
氫化汽油噴射器54如上所述，安裝在脫氫反應(yīng)器52的上部。脫氫反應(yīng)器52為利用排氣熱處理氫化汽油的裝置。因此，在內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)中，脫氫反應(yīng)器52的內(nèi)部上升到超過300℃的溫度。
為了避免氫化汽油噴射器54直接暴露在該內(nèi)部溫度下，將該噴射器以主要部分突出的方式安裝在脫氫反應(yīng)器52的上方空間。因此，根據(jù)本實施方式的系統(tǒng)，氫化汽油噴射器54的溫度不會不合理地達到高溫。
另外，在如圖3所示的系統(tǒng)中，雖然對氫化汽油噴射器54進行空氣冷卻，但是，其冷卻方式不限于此。例如，也可以設(shè)置用于將內(nèi)燃機40的冷卻水導(dǎo)入氫化汽油噴射器54周圍的冷卻水通路，對氫化汽油噴射器54進行水冷。
在脫氫反應(yīng)器52的內(nèi)部形成反應(yīng)室。從氫化汽油噴射器54噴射的燃料在該反應(yīng)室內(nèi)部被分離成富氫氣體和脫氫化汽油，并被導(dǎo)至其底部。分離裝置70通過管路68連通到反應(yīng)室的底部。
如上所述，在本實施方式中使用的氫化汽油為將包含在通常汽油中的甲苯進行有機氫化物化后的物質(zhì)。因此，如果對該氫化汽油實施脫氫處理，則最終產(chǎn)生的是富氫氣體和通常的汽油。因此，具體地說，將富氫氣體和通常汽油的混合物從脫氫反應(yīng)器52供給到分離裝置70。
分離裝置70具有和實施方式1中的分離裝置2相同的結(jié)構(gòu)及功能。即，分離裝置70具有冷卻由脫氫反應(yīng)器52供給的高溫富氫氣體及脫氫化汽油(通常的汽油)，并分離它們的功能。分離裝置70和內(nèi)燃機40一樣通過冷卻水的循環(huán)進行水冷。因此，分離裝置70可以高效率地冷卻富氫氣體及脫氫化汽油。
在分離裝置70的底部設(shè)有用于儲存因冷卻而液化的脫氫化汽油的液體儲存空間。而且，在該儲存空間的上方確保儲存以氣體狀態(tài)殘存的富氫氣體用的氣體儲存空間。汽油管路72以連通到液體儲存空間的方式與分離裝置70連通，同時，氫管路74以連通到氣體儲存空間的方式與分離裝置70連通。
汽油管路72連通到汽油緩沖罐76。汽油緩沖罐76相當(dāng)于實施方式1中的脫氫產(chǎn)物儲存部4。在圖3中，雖然示出了將氫化汽油罐62和汽油緩沖罐76配置在分離的位置的結(jié)構(gòu)，但是所述結(jié)構(gòu)不限于此。即，和實施方式1中的氫化燃料儲存部3及脫氫產(chǎn)物儲存部4的情況相同，也可以將它們收容到單一筐體中。
在汽油緩沖罐76上安裝液量傳感器78。液量傳感器78發(fā)出與儲存在罐內(nèi)部的脫氫化汽油的液量對應(yīng)的輸出。而且，汽油供給管80連通到汽油緩沖罐76。汽油供給管80在其途中設(shè)有泵82，在其端部與汽油供給用噴射器50連通。在內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)期間，汽油緩沖罐76內(nèi)的脫氫汽油由泵82吸上來，并在規(guī)定的壓力下供給可汽油供給用噴射器50。
氫管路74連通到氫緩沖罐84。而且，在氫管路74上設(shè)置泵86和泄壓閥88，前者用于將分離裝置70內(nèi)的富氫氣體壓送到氫緩沖罐84，后者用于防止泵86的排出側(cè)壓力變得過大。根據(jù)泵86及泄壓閥88，可以在其內(nèi)壓不變得過大的范圍內(nèi)將富氫氣體送入氫緩沖罐84內(nèi)。
氫緩沖罐84相當(dāng)于實施方式1中的緩沖罐20。但是，在本實施方式中，在氫緩沖罐84上設(shè)置壓力傳感器90。壓力傳感器90發(fā)出與氫緩沖罐84的內(nèi)壓對應(yīng)的輸出。根據(jù)壓力傳感器90的輸出，可以推測儲存在氫緩沖罐84內(nèi)的富氫氣體的量。
氫供給管92連通到氫緩沖罐84。氫供給管92在其途中設(shè)置調(diào)節(jié)器94，在其端部與氫供給用噴射器48連通。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，在富氫氣體充分地儲存在氫緩沖罐84中的條件下，通過由調(diào)節(jié)器94調(diào)整的壓力將富氫氣體供給于氫供給用噴射器48。
如圖3所示，本實施方式的系統(tǒng)具有ECU96。ECU96和實施方式1中的ECU6相同，具有控制本實施方式的系統(tǒng)的功能。即，上述O2傳感器56、NOX傳感器58、液量傳感器78及壓力傳感器90等各種傳感器的輸出被供給于ECU96。而且，上述泵66、82、86及噴射器48、50、54等的致動器連接到ECU。ECU96以這些傳感器輸出為基礎(chǔ)進行規(guī)定的處理，由此適當(dāng)?shù)仳?qū)動上述各種致動器。
圖4為用于說明本實施方式中使用的氫化汽油和脫氫化汽油之間產(chǎn)生的基本反應(yīng)的圖。如上所述，在本實施方式中，使用包含40％左右的甲基環(huán)己烷的氫化汽油。當(dāng)將甲基環(huán)己烷C7H14加熱到300℃左右時，產(chǎn)生如下式那樣的脫氫化反應(yīng)，生成甲苯C7H8和氫H2。
…(1)相反地，當(dāng)對甲苯C7H8進行氫化處理時，產(chǎn)生如下式那樣的反應(yīng)，生成甲基環(huán)己烷C7H14。
…(2)在本實施方式的系統(tǒng)中，在排氣管44的溫度充分上升的狀態(tài)下，通過將氫化汽油從氫化汽油噴射器54供給到脫氫反應(yīng)器62，可以在其中產(chǎn)生上述(1)的脫氫反應(yīng)。結(jié)果，可以由1mol的甲基環(huán)己烷C7H14生成1mol的甲苯C7H8和3mol的氫H2。
在本實施方式中，如上所述，可以相對內(nèi)燃機40供給脫氫化汽油(通常的汽油)和富氫氣體。當(dāng)將適量的氫混合到汽油中并使其燃燒時，與沒有添加氫的情況相比，可以使缸內(nèi)的燃燒充分穩(wěn)定化，從而能大幅度提高混合氣中的空氣過剩率。
混合氣的空氣過剩率越高，燃料的消耗量越少。而且，燃料的消耗量越少，當(dāng)然排放越好。因此，當(dāng)在混合氣中添加氫時，與沒有添加氫的情況相比，能劃時代地提高內(nèi)燃機40的燃料消耗特性及排放特性。
為了通過在混合氣中添加氫得到上述效果，必須添加一定量的氫。具體地說，例如，當(dāng)由氫供給汽油供給熱量的20％左右時，能有效地改善燃料消耗特性和排放特性。
但是，為了實現(xiàn)這種比率，對于1mol的汽油，必需3.36mol的氫H2。當(dāng)通常的汽油中含有的甲苯比率為40％時，氫化該汽油得到的氫化汽油中1mol的氫化汽油含有的甲基環(huán)己烷為0.4mol。而且，由0.4mol的甲基環(huán)己烷生成的氫H2的量為1.2mol。
即，當(dāng)將1mol的氫化汽油供給于脫氫反應(yīng)器52時，生成1mol的通常汽油和1.2mol的氫H2。如果要在添加20％的氫的條件下消耗生成的1mol通常汽油時，必需3.36mol的氫H2，結(jié)果，3.36-1.2＝2.16mol的氫H2不足。
即使假設(shè)氫化汽油僅包含甲基環(huán)己烷，即，包含100％的甲基環(huán)己烷，由1mol的氫化汽油可產(chǎn)生的氫量也不過3mol。根據(jù)上述氫添加比率，即使在該情況下，3.36-3＝0.36mol的氫H2不足。這樣，將氫化汽油作為原料生成氫H2和脫氫化汽油、并將它們兩者供給于內(nèi)燃機40時，容易產(chǎn)生相對脫氫化汽油的生成量、氫的生成量稍不足的傾向。
在本實施方式中，原則上，確定氫化汽油噴射器54的氫化汽油噴射量，以使消耗的氫H2由脫氫反應(yīng)器52重新生成。因此，在本實施方式的系統(tǒng)中，原則上，在內(nèi)燃機40的運轉(zhuǎn)中不會產(chǎn)生氫不足這樣的事情。
可是，在上述傾向下，要生成充足量的氫，必然會過剩地生成脫氫化汽油。即，在一邊向混合氣中添加適量的氫H2，一邊繼續(xù)氫化汽油的脫氫化處理以補充為此消耗的氫H2的情況下，蓄積了脫氫化汽油的多余部分，不久汽油緩沖罐76就會被汽油充滿。
在脫氫化汽油充滿汽油緩沖罐76之后，已經(jīng)不能過剩地繼續(xù)生成脫氫化汽油了。所以，在本實施方式的系統(tǒng)中，在形成這種狀況的情形下，暫時停止氫向內(nèi)燃機40的供給，并停止氫化汽油的新的脫氫化處理，在一定期間內(nèi)僅將脫氫化汽油作為燃料使內(nèi)燃機40運轉(zhuǎn)。而且，在汽油緩沖罐76內(nèi)確保有適當(dāng)空間的階段，再次進行氫化汽油的脫氫處理時，再次開始向混合氣添加氫。
在如圖5所示的程序中，首先，判斷車輛的IG開關(guān)是否為ON(步驟100)。結(jié)果，在沒有確認(rèn)IG＝ON成立的情況下，迅速結(jié)束本次程序。
另一方面，在確認(rèn)IG＝ON成立的情況下，接著，判斷內(nèi)燃機40的溫度T是否滿足脫氫化處理的實行條件，具體地說，是否滿足T1≥T≥T0的條件(步驟102)。在本實施方式的系統(tǒng)中，出于和實施方式1的情況相同的理由，只有內(nèi)燃機40的溫度T為350℃以下、250℃以上的情況，才實行由脫氫反應(yīng)器52進行的脫氫化處理。這里，具體地說，判斷溫度T是否滿足該條件。
根據(jù)上述步驟102的處理，判斷T1≥T≥T0的條件不成立的情況下可以判斷為不具備實行脫氫化處理的條件。對于這種情況，首先中斷脫氫化處理(步驟104)。當(dāng)實行本步驟104的處理時，停止驅(qū)動信號向氫化汽油噴射器54的供給，并禁止氫化汽油向脫氫反應(yīng)器52的供給。結(jié)果，禁止富氫氣體及脫氫化汽油的新的生成。
接著，判斷氫H2的噴射可能與否(步驟106)。具體地說，判斷基于壓力傳感器90的輸出推定的氫H2的殘余量是否超過可供給判定量。這里，所謂“可供給判定量”是指下述值，即，作為足以在通過調(diào)節(jié)器94穩(wěn)定的壓力下相對氫供給用噴射器48供給氫H2的殘余量而確定的值。
根據(jù)上述步驟106的處理，判斷氫H2的噴射為不可能的情況下，可以判斷出需要在僅將脫氫化汽油、即通常的汽油作為燃料使內(nèi)燃機40工作。對于這種情況，以后，實行汽油噴射控制(步驟108)。
在ECU96中預(yù)先存儲下述控制規(guī)則，即，在僅將脫氫化汽油作為燃料供給的情況下、使內(nèi)燃機40穩(wěn)定地工作的控制規(guī)則，及在將脫氫化汽油和氫H2作為燃料供給的情況下、使內(nèi)燃機40穩(wěn)定地工作的控制規(guī)則。在汽油噴射控制中，根據(jù)前一規(guī)則，在確定燃料噴射量等控制參數(shù)的同時，僅對汽油供給用噴射器50發(fā)出動作指令。即，將氫供給用噴射器48保持在停止?fàn)顟B(tài)，在僅供給脫氫化汽油的前提下進行內(nèi)燃機40的控制。對于這種情況，在內(nèi)燃機40中，可以實現(xiàn)和沒有利用氫的一般內(nèi)燃機相同的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。
如前所述，本實施方式中使用的脫氫化汽油和通常的汽油具有相同的組成。但是，在通常的汽油中含有微量的有機氫化物。與此相對，這里使用的脫氫化汽油為實施了脫氫處理后的物質(zhì)，所以，實質(zhì)上不含有機氫化物。即，本實施方式中使用的脫氫化汽油比通常的汽油具有更高的辛烷值。因此，根據(jù)本實施方式的系統(tǒng)，即使實行上述汽油噴射控制，嚴(yán)格地說，也能得到比一般內(nèi)燃機更優(yōu)良的輸出特性。
在圖5所示的程序中，在上述步驟106中，在判斷氫H2的噴射可能的情況下，實行氫·汽油噴射控制(步驟110)。在氫·汽油噴射控制中，ECU96在氫H2被添加的前提下計算內(nèi)燃機40的控制參數(shù)，并且，根據(jù)該計算結(jié)果，驅(qū)動氫供給用噴射器48和汽油供給用噴射器50兩者。
更具體地說，這里，通過使內(nèi)燃機40的運轉(zhuǎn)狀態(tài)符合規(guī)定的規(guī)則，可以算出富氫氣體的目標(biāo)供給量和脫氫化汽油的目標(biāo)供給量。而且，根據(jù)它們的計算結(jié)果，算出氫供給用噴射器48及汽油供給用噴射器50兩者。根據(jù)這種控制，通過在混合氣中添加適量的氫H2，與實行汽油噴射控制的情況相比，可以實現(xiàn)非常優(yōu)良的燃料消耗特性、輸出特性、及排放特性。
在圖5所示的程序中，在上述步驟102中，判斷出內(nèi)燃機40的溫度T滿足T1≥T≥T0的條件的情況下，可以判斷出具備由脫氫反應(yīng)器52處理氫化汽油的溫度條件。對于這種情況，接著，判斷汽油緩沖罐76內(nèi)的汽油量是否過剩(步驟112)。更具體地說，判斷基于液量傳感器78的輸出推定的脫氫化汽油的量是否達到汽油緩沖罐76的儲存上限量。
如前所述，在本實施方式的系統(tǒng)中，在相對內(nèi)燃機40供給氫H2和脫氫化汽油兩者的情況下，易于產(chǎn)生脫氫化汽油的生成量變得過剩，汽油緩沖罐76內(nèi)的儲存量逐漸增加的傾向。在上述步驟112中，判斷為汽油量過剩的情況下，可以判斷出脫氫化汽油的儲存量不會進一步增加。這種情況下，首先，中斷脫氫化處理(步驟114)。
當(dāng)中斷脫氫化處理(OFF)時，禁止新的氫化汽油向脫氫反應(yīng)器52的供給，并停止脫氫化汽油及富氫氣體新的生成。因此，根據(jù)上述處理，能確實防止汽油緩沖罐76內(nèi)的脫氫化汽油進一步增多。
接著，使汽油優(yōu)先標(biāo)志成為“ON”(步驟116)。對于汽油過剩地儲存在汽油緩沖罐76中的情況，最好促進脫氫化汽油的消耗。汽油優(yōu)先標(biāo)志在這種情況下為變成“ON”的標(biāo)志。因此，ECU96在汽油優(yōu)先標(biāo)志成為“ON”的情況下，停止氫H2向混合氣的添加，能確認(rèn)產(chǎn)生應(yīng)優(yōu)先使用脫氫化汽油的事情。
在圖5所示的程序中，接著上述步驟116的處理，判斷汽油優(yōu)先標(biāo)志是否為“ON”(步驟118)。結(jié)果，在判斷汽油優(yōu)先標(biāo)志不是“ON”的情況下，可以判斷出沒有必須使脫氫化汽油的消耗優(yōu)先的必要。在這種情況下，以后，實行步驟106以下的處理，基于氫H2的供給可能與否，實行汽油噴射控制或氫·汽油噴射控制。
另一方面，在上述步驟118中，在判斷汽油優(yōu)先標(biāo)志是“ON”的情況下，可以判斷出需要停止H2的供給以促進脫氫化汽油的消耗。在這種情況下，以后，無條件地實行步驟108的處理，即汽油噴射控制。
在圖5所示的程序中，在上述步驟112的條件被否定的情況下，可以判斷出在汽油緩沖罐76中存在容許更多脫氫化汽油流入的空間。在這種情況下，接著，判斷氫緩沖罐84內(nèi)的富氫氣體量是否過剩(步驟120)。更具體地說，判斷基于壓力傳感器90的輸出推定的富氫氣體量是否達到氫緩沖罐76的儲存上限值。
在本實施方式的系統(tǒng)中，原則上，進行脫氫化處理以補充氫的消耗量。因此，在通常的運轉(zhuǎn)情況下，氫緩沖罐84內(nèi)的富氫氣體量不會過剩。但是，在由于某種事情使富氫氣體的儲存量過剩的情況下，必須停止新的富氫氣體的生成。因此，在上述步驟120中，在判斷氫H2的儲存量過剩的情況下，中斷脫氫化處理(步驟122)。
而且，在這種情況中，由于應(yīng)該促進儲存在氫緩沖罐84中的富氫氣體的消耗，所以使汽油優(yōu)先標(biāo)志成為“OFF”(步驟124)。這時，由于接著在步驟118中判斷出汽油優(yōu)先標(biāo)志不是“ON”，并接著在步驟106中判斷出可以進行H2的噴射，所以實行氫·汽油噴射控制。結(jié)果，消除了富氫氣體過剩地儲存的狀態(tài)。
在圖5所示的程序中，在上述步驟120的條件判斷為否的情況下，可以判斷出具備應(yīng)該實行脫氫化處理的條件。這種情況中，接著進行脫氫化處理(ON)(步驟126)。當(dāng)進行脫氫化處理時，給氫化汽油噴射器54提供驅(qū)動信號，將適量的氫化汽油供給于脫氫反應(yīng)器52。結(jié)果，新生成一定量的富氫氣體，該量用于補充在內(nèi)燃機40中作為燃料消耗的富氫氣體量。
這里，接著，判斷汽油緩沖罐76內(nèi)的脫氫化汽油的處理是否結(jié)束(步驟128)。在ECU96根據(jù)上述步驟112的處理、判斷出汽油緩沖罐76內(nèi)的汽油量過剩的情況下，之后，在汽油儲存量低于處理結(jié)束判定值之前，判斷為脫氫化汽油的處理未結(jié)束。對于得到這種判斷的情況，接著使汽油優(yōu)先標(biāo)志成為“ON”(步驟130)。這種情況下，以后，為了在步驟108中實行汽油噴射控制，繼續(xù)脫氫化汽油的優(yōu)先處理。
對于ECU96，當(dāng)汽油緩沖罐76內(nèi)的汽油量低于上述處理結(jié)束判定值時，在上述步驟128中，判斷為脫氫化汽油的處理結(jié)束。這時，接著實行步驟124的處理，使汽油優(yōu)先標(biāo)志成為“OFF”。結(jié)果，以后，根據(jù)氫的噴射可能與否，選擇進行哪種控制。
如上所述，根據(jù)圖5所示的程序，基于內(nèi)燃機40的狀態(tài)、及富氫氣體和脫氫化汽油的儲存狀態(tài)，可以在僅以脫氫化汽油為燃料的運轉(zhuǎn)模式與以氫及脫氫化汽油為燃料的運轉(zhuǎn)模式之間進行適當(dāng)切換。而且，通過進行這種切換，可以使用兩種燃料，并可以不影響它們的消耗量的不均衡地、持續(xù)良好地維持內(nèi)燃機40的輸出特性、燃料消耗特性及排放特性。
即，根據(jù)本實施方式的系統(tǒng)，可以將單一燃料(氫化汽油)作為供給的對象，而有效地導(dǎo)出使用兩種燃料(富氫氣體及脫氫化燃料)產(chǎn)生的效果。而且，根據(jù)該系統(tǒng)，即使兩種燃料的消耗量不均衡，也可以在車輛上消除這種不均衡。結(jié)果，這里不必進行繁雜的維護操作，而且，無需施加使各燃料的消耗量一致的限制，可以繼續(xù)使用兩種燃料。
在本實施方式的系統(tǒng)中，由于具有如上所述的特性，所以可以實現(xiàn)和一般內(nèi)燃機相同的處理容易性。另外，根據(jù)本實施方式的系統(tǒng)，與一般的內(nèi)燃機相比，可以實現(xiàn)極其優(yōu)良的燃料消耗特性、輸出特性及排放特性。
在上述實施方式2中，盡管為了說明方便，將包含在氫化汽油中的有機氫化物限定為甲基環(huán)己烷，但是用在這里的氫化汽油不限于此。即，包含在氫化汽油中的有機氫化物為在300℃左右發(fā)生脫氫反應(yīng)的物質(zhì)即可，可以是非環(huán)式或環(huán)式的碳氫化合物、及非環(huán)式或環(huán)式的含氧碳氫化合物等。具體地說，可以是正己烷或異辛烷等非環(huán)式碳氫化合物，或者，環(huán)己烷或萘烷等環(huán)式化合物，以及，環(huán)己醇或環(huán)己烷甲醇等醇類、或甲基叔丁基醚等醚類等。
而且，在上述實施方式2中，雖然沒有使用相對內(nèi)燃機40單獨噴射富氫氣體的模式，但是本發(fā)明不限于此。例如，在內(nèi)燃機40的起動時等，可以采用將富氫氣體單獨供給內(nèi)燃機40的運轉(zhuǎn)模式。
而且，在上述實施方式2中，盡管設(shè)置和分離裝置70分開的儲存脫氫化汽油用的汽油緩沖罐76，但是，本發(fā)明不限于此，即，在確保分離裝置70的內(nèi)部有足夠的液體儲存空間的情況下，也可以省去汽油緩沖罐76。
圖6為表示上述變形例的結(jié)構(gòu)的視圖。圖6所示的結(jié)構(gòu)除了去掉汽油緩沖罐76、汽油供給管80直接連接到分離裝置，以及用于檢測脫氫化汽油的儲存量用的液量傳感器78裝在分離裝置70上之外，和圖3所示的結(jié)構(gòu)相同。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，由于沒有汽油緩沖罐76，所以可以相應(yīng)地使系統(tǒng)小型化。
本發(fā)明的內(nèi)容及效果可以如下概括。
也就是說，根據(jù)第一發(fā)明的氫利用內(nèi)燃機，供給從氫化燃料、由氫化燃料脫氫得到的脫氫產(chǎn)物及氫中選擇的一種或兩種以上的燃料以進行工作，其構(gòu)成為，包括氫化燃料儲存部；反應(yīng)裝置，具有可加熱地配置的催化劑，并使由該氫化燃料儲存部供給的氫化燃料在加熱的上述催化劑上進行脫氫反應(yīng)；分離裝置，分離由該脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的富氫氣體和脫氫產(chǎn)物；及脫氫產(chǎn)物儲存部，儲存分離后的該脫氫產(chǎn)物。
根據(jù)第一發(fā)明，第二發(fā)明的特征在于，具有燃料供給裝置，該燃料供給裝置可以從儲存在上述氫化燃料儲存部的氫化燃料、由上述分離裝置分離的富氫氣體、及儲存在上述脫氫產(chǎn)物儲存部中的脫氫產(chǎn)物中任意選擇一種以上的燃料供給于內(nèi)燃機。
根據(jù)第一或第二發(fā)明，第三發(fā)明的特征在于，催化劑的載體為蜂窩狀載體。
根據(jù)第三發(fā)明，第四發(fā)明的特征在于，蜂窩狀載體是催化劑承載用蜂窩狀載體，其單元數(shù)為45～310單元/cm2，且有機氫化物入口直徑和縱深長度的比(直徑/長度)為0.1～0.5。
根據(jù)第一至第四發(fā)明中的任何一個，第五發(fā)明的特征在于，上述氫化燃料儲存部及上述脫氫產(chǎn)物儲存部都使用伸縮性樹脂材料。
<氫化燃料>
在第一至第五發(fā)明的氫利用內(nèi)燃機中，使用氫化燃料。
在第一至第五發(fā)明中，氫化燃料指得是從有機氫化物及在輕油·汽油等內(nèi)燃機燃料中添加氫后的物質(zhì)中選擇的一種或兩種以上的混合物。
這里，所謂有機氫化物是指包含能通過脫氫反應(yīng)產(chǎn)生氫的飽和碳氫化合物的燃料，非環(huán)式或環(huán)式的碳氫化合物、及非環(huán)式或環(huán)式的含氧碳氫化合物等與其相當(dāng)。在非環(huán)式的碳氫化合物中例如包含正己烷或異辛烷。而且，在環(huán)式的碳氫化合物中例如包含環(huán)己烷、甲基環(huán)己烷等單環(huán)式化合物、萘烷等2環(huán)式化合物。另外，在含氧碳氫化合物中包含環(huán)己醇或環(huán)己烷甲醇等醇類、或甲基叔丁基醚等醚類等。
從上述氫化燃料脫氫得到的脫氫產(chǎn)物是指使上述有機氫化物進行脫氫反應(yīng)、放出氫后的反應(yīng)生成物，例如，在環(huán)己烷的情況中，相當(dāng)于和氫一起主要生成的苯。
當(dāng)使前述有機氫化物進行脫氫反應(yīng)時，和富氫氣體一起，通過氫的放出，作為反應(yīng)產(chǎn)物生成的、具有不飽和結(jié)合的環(huán)狀不飽和物。例如，在使用由環(huán)己烷構(gòu)成的燃料或以環(huán)己烷為主要成分的燃料的情況下，通過環(huán)己烷的脫氫反應(yīng)，和富氫氣體一起生成作為環(huán)狀不飽和物的苯。
另一方面，在石油提煉工藝中，氫化燃料可以通過對包含許多上述有機氫化物的餾分進行改性或混合調(diào)制來生成。而且，由于輕油·汽油等內(nèi)燃機燃料包含環(huán)式、非環(huán)式的不飽和碳氫化合物，所以也可以通過在它們中添加氫來生成氫化燃料。
對氫添加的方法不進行特別限定，舉例的有使不飽和物等和富氫氣體在已加熱的催化劑上進行反應(yīng)的方法(日本特開2000-255503號等)。
而且，當(dāng)通過氫添加使該環(huán)狀不飽和物、即苯進行氫化反應(yīng)時，生成(再生)苯的氫化物、即環(huán)己烷。
氫化燃料被供給于氫化燃料儲存部。氫化燃料儲存部可以是氫化燃料單獨的罐，也可以是和后面描述的氫分離后的脫氫產(chǎn)物共有的罐。
在第一至第五發(fā)明中，可以將氫化燃料從氫化燃料儲存部直接供給于內(nèi)燃機，從而可以將氫化燃料直接作為內(nèi)燃機的燃料。
<反應(yīng)裝置>
另一方面，可以將氫化燃料導(dǎo)向具有可加熱地設(shè)置的催化劑、并使氫化燃料在該催化劑上進行脫氫反應(yīng)的反應(yīng)裝置。
對這種反應(yīng)裝置不進行特別限定，例如優(yōu)選的是，該反應(yīng)裝置在可加熱的蜂窩狀載體的各單元內(nèi)設(shè)置金屬催化劑層，并且具有將氫化燃料供給于該催化劑的燃料供給裝置。
這里使用的蜂窩狀載體例如可以為不銹鋼等金屬、陶瓷、碳等材質(zhì)，而且最好是單元數(shù)為45～310單元/cm2、且有機氫化物入口直徑和縱深長度的比(直徑/長度)為0.1～0.5的催化劑承載用蜂窩狀載體。而且，對一個單元的截面形狀不作特別限定，例如可以為四角、六角、三角等。
雖然金屬催化劑層含有從鉑、鈀、銠、錸、釕及鎳等中選擇的一種或兩種以上的鹽類或絡(luò)合物，但是，最好在這種催化劑和蜂窩狀載體之間設(shè)置涂層。涂層可以如下設(shè)置，即，混合攪拌粘合劑(構(gòu)成氧化鋁等的金屬元素的氫氧化鹽或氧化鹽)、水及從氧化鋁、二氧化鈰、氧化鋯、碳、沸石、海泡石及絲光沸石等中選擇的一種或兩種以上的物質(zhì)，并進行涂覆等。
金屬催化劑的使用量可以進行適當(dāng)?shù)倪x擇，但是最好是每1升容量的蜂窩狀載體使用1g～20g。
對催化劑的加熱方式不進行特別限制，可以利用內(nèi)燃機的發(fā)熱，也可以利用排氣的熱量，還可以由單獨的加熱裝置加熱，但是，從有效利用能量的觀點看，最好利用從內(nèi)燃機排出的排氣的熱量。
例如，在包圍排出排氣的排氣管形成催化劑的情況下，排氣熱傳遞到排氣管而加熱催化劑。這樣，作為內(nèi)燃機廢熱的排氣熱、即熱能的有效利用是可能的，例如對于汽油機等，從內(nèi)燃機排出的排氣達到約400℃以上，所以通過排氣熱的利用，可以將承擔(dān)脫氫反應(yīng)的催化劑溫度穩(wěn)定地保持到脫氫化必需的250℃以上。結(jié)果，沒有必要設(shè)置其它熱源，在實現(xiàn)裝置整體的小型·輕量化的同時，可以提高內(nèi)燃機系統(tǒng)中能量的利用率。而且，由于在排氣管內(nèi)沒有增加形成排氣阻力的部件，所以不會導(dǎo)致內(nèi)燃機的性能降低。而且，一般地，排氣管由金屬制成，所以熱傳導(dǎo)性高，能有效地將排氣的排氣熱傳遞到催化劑。
燃料供給裝置可以如此構(gòu)成，即，設(shè)置在可將氫化燃料供給于催化劑的位置，并可相對單元入口大角度地霧化噴射氫化燃料。例如，噴射器(噴射裝置)等是適合的，其與控制用驅(qū)動器連接，以能適當(dāng)?shù)乜刂泼總€供給裝置的噴射量。而且，可以對一個反應(yīng)裝置設(shè)置多個燃料供給裝置，最好是以在催化劑上形成氫化燃料的液膜狀態(tài)的方式供給燃料。
在反應(yīng)裝置中可以沿排氣管進一步設(shè)置與反應(yīng)裝置相連、并使由反應(yīng)裝置中的脫氫反應(yīng)生成的混合氣體通過的流路。這樣，包含在反應(yīng)裝置中生成的富氫氣體及脫氫產(chǎn)物的混合氣體(富氫氣體)能維持高溫狀態(tài)，也就是使脫氫產(chǎn)物保持氣體狀態(tài)，從而能使其容易地在管內(nèi)通過。
排出內(nèi)燃機的排氣的排氣管通常由單一的管構(gòu)成，但是也可以從單一的管分支出多個。在這種情況中，由于分支出的各排氣管可以分別設(shè)有反應(yīng)裝置，所以能在車輛內(nèi)設(shè)置多個反應(yīng)裝置。結(jié)果，能增加可供給的氫量。
<分離裝置>
分離裝置，從反應(yīng)裝置中氫化燃料的脫氫反應(yīng)生成的富氫氣體和脫氫產(chǎn)物的混合氣體中分離富氫氣體。
作為分離裝置，例如有通過熱交換或絕熱膨脹等冷卻該混合氣體、通過重力或離心力分離脫氫產(chǎn)物的方法；由高分子或Pd薄膜等氫透過膜分離該混合氣體的方法；使該混合氣體通過活性碳等有機物吸附劑、以分離脫氫產(chǎn)物的方法等。
<脫氫產(chǎn)物>
和富氫氣體分離后的脫氫產(chǎn)物被儲存在脫氫產(chǎn)物儲存部中。
代替單獨地設(shè)置罐，脫氫產(chǎn)物儲存部最好為包含儲存氫化燃料的氫化燃料儲存部的多室儲存罐。在這種情況中，優(yōu)選的是，氫化燃料儲存部和分離富氫氣體后的脫氫產(chǎn)物儲存部各自使用伸縮性樹脂材料。這樣的話，可以匯總到一個罐中，從而可以設(shè)置在車輛等有限的場所內(nèi)，并實現(xiàn)輕量化。而且，由于除去富氫氣體后的脫氫產(chǎn)物被儲存起來，所以沒有必要設(shè)置用于排出富氫氣體的排出口。
脫氫產(chǎn)物送入內(nèi)燃機中，可以和現(xiàn)有的汽油等燃料同樣地作為燃料使用。而且，回收脫氫產(chǎn)物并進行氫化，可以再次作為氫化燃料使用。
<富氫氣體>
由分離裝置分離后的富氫氣體可以供給于內(nèi)燃機。而且，也可以和氫化燃料或脫氫產(chǎn)物一起供給于內(nèi)燃機。因此，可以設(shè)置供給于內(nèi)燃機的進氣系統(tǒng)、燃燒室及排氣系統(tǒng)中至少一個的氫供給裝置。氫供給裝置可以根據(jù)情況進行適當(dāng)選擇，例如可以適用噴射器(噴射裝置)等。
為了實現(xiàn)上述目的，第六發(fā)明為氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，具有氫化汽油罐，儲存包含有機氫化物的氫化汽油；燃料分離裝置，將上述氫化汽油分離成富氫氣體和脫氫化汽油；及燃料供給裝置，在上述氫化汽油、上述富氫氣體及上述脫氫化汽油中，至少將上述富氫氣體和上述脫氫化汽油作為燃料分別單獨地或同時供給于內(nèi)燃機。
根據(jù)第六發(fā)明，第七發(fā)明的特征在于，上述燃料供給裝置具有氫化汽油供給裝置，用于將上述氫化汽油供給于內(nèi)燃機；富氫氣體供給裝置，用于將上述富氫氣體供給于內(nèi)燃機；脫氫化汽油供給裝置，用于將上述脫氫化汽油供給于內(nèi)燃機；燃料選擇裝置，從上述氫化汽油、上述富氫氣體及上述脫氫化汽油中選擇應(yīng)用作燃料的一種以上的燃料；及燃料供給控制裝置，控制上述氫化汽油供給裝置、上述富氫氣體供給裝置及上述脫氫化汽油供給裝置，以將選擇的燃料供給于內(nèi)燃機。
根據(jù)第七發(fā)明，第八發(fā)明的特征在于，具有判斷汽油供給的必要性的汽油要否判斷裝置、和判斷可否進行上述脫氫化汽油供給的脫氫化汽油供給可否判斷裝置，上述燃料供給控制裝置確認(rèn)汽油供給的必要性，并僅在不可以進行上述脫氫化汽油的供給的情況下，容許上述氫化汽油向內(nèi)燃機的供給。
根據(jù)第八發(fā)明，第九發(fā)明的特征在于，具有判斷可否進行上述富氫氣體供給的富氫氣體供給可否判斷裝置，上述燃料供給控制裝置，在上述富氫氣體及上述脫氫化汽油兩者可供給的情況下，總是將它們的組合作為燃料供給于內(nèi)燃機。
根據(jù)第六發(fā)明，第十發(fā)明的特征在于，上述燃料供給裝置具有富氫氣體供給裝置，用于將上述富氫氣體供給于內(nèi)燃機；脫氫化汽油供給裝置，用于將上述脫氫化汽油供給于內(nèi)燃機；燃料選擇裝置，從上述富氫氣體及上述脫氫化汽油中選擇應(yīng)用作燃料的一種以上的燃料；及燃料供給控制裝置，控制上述富氫氣體供給裝置及上述脫氫化汽油供給裝置，以將選擇的燃料供給于內(nèi)燃機。
根據(jù)第十發(fā)明，第十一發(fā)明的特征在于，具有用于儲存上述富氫氣體的富氫氣體罐、和判斷上述富氫氣體的殘余量是否超過可供給判定量的富氫氣體殘余量判定裝置，上述燃料供給控制裝置具有燃料供給量計算裝置，該燃料供給量計算裝置在只有上述脫氫化汽油被供給于內(nèi)燃機的前提下，計算該脫氫化汽油的燃料供給量，上述燃料供給控制裝置在上述富氫氣體的殘余量為上述可供給判定量以下的情況下，根據(jù)由上述燃料供給量計算裝置算出的燃料供給量，僅將上述脫氫化汽油供給于內(nèi)燃機。
根據(jù)第十發(fā)明或第十一發(fā)明，第十二發(fā)明的特征在于，具有用于儲存上述脫氫化汽油的脫氫化汽油罐、和判斷上述脫氫化汽油的殘余量是否達到儲存上限量的脫氫化汽油殘余量判定裝置，上述燃料分離裝置將上述氫化汽油分離成上述富氫氣體和上述脫氫化汽油，以補充上述富氫氣體的消耗量，上述燃料供給控制裝置在上述脫氫化汽油的殘余量達到上述儲存上限量的情況下，僅將上述脫氫化汽油供給于內(nèi)燃機。
根據(jù)第一至第五發(fā)明的氫利用內(nèi)燃機，可以從氫化燃料、由氫化燃料脫氫得到的脫氫產(chǎn)物及氫中自由地選擇一種或兩種以上的燃料并將其供給于內(nèi)燃機，在將氫供給于發(fā)動機等內(nèi)燃機的進氣系統(tǒng)或排氣系統(tǒng)、燃燒室的情況下，可以使用由氫化燃料的脫氫反應(yīng)生成的氫進行氫的供給，而沒有高壓罐或液態(tài)氫罐等的搭載、或者氫的吸著·吸附、燃料改性的情況，而且，在實現(xiàn)能量利用的高效率化、裝置整體的小型化、輕量化的同時，可以構(gòu)建清潔的系統(tǒng)。
根據(jù)第六發(fā)明，通過僅供給包含有機氫化物的氫化汽油，可以在車輛上使用氫化汽油、富氫氣體及脫氫化汽油三種燃料。而且，根據(jù)本發(fā)明，由于至少將富氫氣體和脫氫化汽油用作燃料，所以能使內(nèi)燃機良好地工作。
根據(jù)第七發(fā)明，可以從氫化汽油、富氫氣體及脫氫化汽油中選擇任意燃料，以根據(jù)需要供給內(nèi)燃機。因此，根據(jù)本發(fā)明，關(guān)于使用燃料的種類，可以得到高的自由度，并能針對各種狀況進行適當(dāng)?shù)奶幚怼?br> 根據(jù)第八發(fā)明，在要求汽油供給的情況下，能盡可能地供給脫氫化汽油。脫氫化汽油具有高的辛烷值。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以提高內(nèi)燃機的耐爆震特性。
根據(jù)第九發(fā)明，在可供給富氫氣體和脫氫化汽油兩者的情況下，能夠總是將它們組合作為燃料供給內(nèi)燃機。根據(jù)上述組合，在確保高的耐爆震性能的同時，可以實現(xiàn)優(yōu)良的燃料消耗特性、優(yōu)良的排放特性。
根據(jù)第十發(fā)明，將氫化汽油作為燃料，可以將富氫氣體及脫氫化汽油供給于內(nèi)燃機。因此，根據(jù)本發(fā)明，能容易地進行燃料的處理，并能實現(xiàn)高的耐爆震性、優(yōu)良的燃料消耗特性、及優(yōu)良的排放特性。
根據(jù)第十一發(fā)明，可以監(jiān)視富氫氣體的殘余量，并在不可能進行富氫氣體的供給的情況下，可以通過僅將脫氫化汽油供給內(nèi)燃機來實現(xiàn)穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。
根據(jù)第十二發(fā)明，可以將氫化汽油分離成富氫氣體和脫氫化汽油，以補充富氫氣體的消耗量。結(jié)果，在脫氫汽油過剩、其殘余量達到儲存上限量的情況下，可以通過停止氫向內(nèi)燃機的供給并僅進行脫氫化汽油的供給來防止脫氫化汽油過剩的發(fā)生。
另外，在上述實施方式1中，脫氫反應(yīng)器1相當(dāng)于上述第一發(fā)明中的“反應(yīng)裝置”，分離裝置2相當(dāng)于上述第一發(fā)明中的“分離裝置”。而且，閥V1、V2，泵P1、P4，供給配管23，配管17，氫供給用噴射器18，汽油供給用噴射器19，及緩沖罐20相當(dāng)于上述第二發(fā)明中的“燃料供給裝置”。
而且，在上述實施方式1中，氫化燃料儲存部4相當(dāng)于上述第六發(fā)明中的“氫化汽油罐”；脫氫反應(yīng)器1及分離裝置2相當(dāng)于上述第六發(fā)明中的“燃料分離裝置”；閥V1、V2，泵P1、P4，供給配管23，配管17，氫供給用噴射器18，汽油供給用噴射器19，及緩沖罐20相當(dāng)于上述第六發(fā)明中的“燃料供給裝置”。
而且，在上述實施方式1中，閥V1、V2、泵P1、供給配管23及汽油供給用噴射器19相當(dāng)于上述第七發(fā)明中的“氫化汽油供給裝置”和“脫氫化汽油供給裝置”，泵P4、配管17、氫供給用噴射器18及緩沖罐20相當(dāng)于上述第七發(fā)明中的“富氫氣體供給裝置”。而且，ECU6通過對應(yīng)內(nèi)燃機的運行狀態(tài)選擇應(yīng)供給的燃料來實現(xiàn)上述第七發(fā)明中的“燃料選擇裝置”，并通過對應(yīng)上述選擇、控制閥V1、V2，泵P1、P2，氫供給用噴射器18及汽油供給用噴射器19來實現(xiàn)上述第七發(fā)明中的“燃料供給控制裝置”。
而且，在上述實施方式1中，通過在ECU6中判斷汽油供給的必要性來實現(xiàn)上述第八發(fā)明中的“汽油要否判斷裝置”，并通過判斷脫氫產(chǎn)物是否存在可供給程度來實現(xiàn)上述第八發(fā)明中的“脫氫化汽油供給可否判斷裝置”。另外，這里，通過在ECU6中判斷富氫氣體是否存在可供給程度來實現(xiàn)上述第九發(fā)明中的“富氫氣體供給可否判斷裝置”。
而且，在上述實施方式2中，脫氫反應(yīng)器52及分離裝置70相當(dāng)于上述第六發(fā)明中的“燃料分離裝置”，汽油緩沖罐76、汽油供給管80、泵82、汽油供給用噴射器50、泵86、氫緩沖罐84、氫供給管92、及氫供給用噴射器48相當(dāng)于上述第六發(fā)明中的“燃料供給裝置”。
而且，在上述實施方式2中，泵86、氫緩沖罐84、氫供給管92及氫供給用噴射器48相當(dāng)于上述第十發(fā)明中的“富氫氣體供給裝置”，汽油緩沖罐76、汽油供給管80、泵82、汽油供給用噴射器50相當(dāng)于上述第十發(fā)明中的“脫氫化汽油供給裝置”。而且，ECU96通過實行上述步驟106及112～130的處理來實現(xiàn)上述第十發(fā)明中的“燃料選擇裝置”，并通過實行上述步驟108及110的處理來實現(xiàn)上述第十發(fā)明中的“燃料供給控制裝置”。
而且，在上述實施方式2中，ECU96通過實行上述步驟106的處理來實現(xiàn)上述第十一發(fā)明中的“富氫氣體殘余量判斷裝置”，并通過實行上述步驟108的處理來實現(xiàn)上述第十一發(fā)明中的“燃料供給量計算裝置”。另外，這里，ECU96通過實行上述步驟112的處理來實現(xiàn)上述第十二發(fā)明中的“脫氫化汽油殘余量判斷裝置”。
工業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明的氫利用內(nèi)燃機，可以從氫化燃料、由氫化燃料脫氫得到的脫氫產(chǎn)物及氫中自由地選擇一種或兩種以上的燃料并將其供給于內(nèi)燃機，在將氫供給于發(fā)動機等內(nèi)燃機的進氣系統(tǒng)或排氣系統(tǒng)、燃燒室的情況下，可以使用由氫化燃料的脫氫反應(yīng)生成的氫進行氫的供給，無需高壓罐或液態(tài)氫罐等的搭載、或者氫的吸著·吸附、燃料改性，而且，在實現(xiàn)能量利用的高效率化、裝置整體的小型化、輕量化的同時，可以構(gòu)建清潔的系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種氫利用內(nèi)燃機，供給從氫化燃料、由氫化燃料脫氫得到的脫氫產(chǎn)物及氫中選擇的一種或兩種以上的燃料以進行工作，其特征在于，具有氫化燃料儲存部；反應(yīng)裝置，具有可加熱地配置的催化劑，并使由該氫化燃料儲存部供給的氫化燃料在加熱的所述催化劑上進行脫氫反應(yīng)；分離裝置，分離由該脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的富氫氣體和脫氫產(chǎn)物；及脫氫產(chǎn)物儲存部，儲存分離后的該脫氫產(chǎn)物。
2.如權(quán)利要求1所述的氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，具有燃料供給裝置，該燃料供給裝置可以從儲存在上述氫化燃料儲存部的氫化燃料、由所述分離裝置分離的富氫氣體、及儲存在所述脫氫產(chǎn)物儲存部中的脫氫產(chǎn)物中任意選擇一種以上的燃料供給于內(nèi)燃機。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，催化劑的載體為蜂窩狀載體。
4.如權(quán)利要求3所述的氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，蜂窩狀載體是催化劑承載用蜂窩狀載體，其單元數(shù)為45～310單元/cm2，且有機氫化物入口直徑和縱深長度的比(直徑/長度)為0.1～0.5。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，所述氫化燃料儲存部及所述脫氫產(chǎn)物儲存部都使用伸縮性樹脂材料。
6.一種氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，具有氫化汽油罐，儲存包含有機氫化物的氫化汽油；燃料分離裝置，將所述氫化汽油分離成富氫氣體和脫氫化汽油；及燃料供給裝置，在所述氫化汽油、所述富氫氣體及所述脫氫化汽油中，至少將所述富氫氣體和所述脫氫化汽油作為燃料分別單獨地或同時供給于內(nèi)燃機。
7.如權(quán)利要求6所述的氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，具有氫化汽油供給裝置，用于將所述氫化汽油供給于內(nèi)燃機；富氫氣體供給裝置，用于將所述富氫氣體供給于內(nèi)燃機；脫氫化汽油供給裝置，用于將所述脫氫化汽油供給于內(nèi)燃機；燃料選擇裝置，從所述氫化汽油、所述富氫氣體及所述脫氫化汽油中選擇應(yīng)用作燃料的一種以上的燃料；及燃料供給控制裝置，控制所述氫化汽油供給裝置、所述富氫氣體供給裝置及所述脫氫化汽油供給裝置，以將選擇的燃料供給于內(nèi)燃機。
8.如權(quán)利要求7所述的氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，具有判斷汽油供給的必要性的汽油要否判斷裝置、和判斷可否進行所述脫氫化汽油供給的脫氫化汽油供給可否判斷裝置，所述燃料供給控制裝置確認(rèn)汽油供給的必要性，并僅在不可以進行所述脫氫化汽油的供給的情況下，容許所述氫化汽油向內(nèi)燃機的供給。
9.如權(quán)利要求8所述的氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，具有判斷可否進行所述富氫氣體供給的富氫氣體供給可否判斷裝置，所述燃料供給控制裝置，在所述富氫氣體及所述脫氫化汽油兩者可供給的情況下，總是將它們的組合作為燃料供給于內(nèi)燃機。
10.如權(quán)利要求6所述的氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，所述燃料供給裝置具有富氫氣體供給裝置，用于將所述富氫氣體供給于內(nèi)燃機；脫氫化汽油供給裝置，用于將所述脫氫化汽油供給于內(nèi)燃機；燃料選擇裝置，從所述富氫氣體及所述脫氫化汽油中選擇應(yīng)用作燃料的一種以上的燃料；及燃料供給控制裝置，控制所述富氫氣體供給裝置及所述脫氫化汽油供給裝置，以將選擇的燃料供給于內(nèi)燃機。
11.如權(quán)利要求10所述的氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，具有用于儲存所述富氫氣體的富氫氣體罐、和判斷所述富氫氣體的殘余量是否超過可供給判定量的富氫氣體殘余量判定裝置，所述燃料供給控制裝置具有燃料供給量計算裝置，該燃料供給量計算裝置在只有所述脫氫化汽油被供給于內(nèi)燃機的前提下，計算該脫氫化汽油的燃料供給量，所述燃料供給控制裝置在所述富氫氣體的殘余量為所述可供給判定量以下的情況下，根據(jù)由所述燃料供給量計算裝置算出的燃料供給量，僅將所述脫氫化汽油供給于內(nèi)燃機。
12.如權(quán)利要求10或11所述的氫利用內(nèi)燃機，其特征在于，具有用于儲存所述脫氫化汽油的脫氫化汽油罐、和判斷所述脫氫化汽油的殘余量是否達到儲存上限量的脫氫化汽油殘余量判定裝置，所述燃料分離裝置將所述氫化汽油分離成所述富氫氣體和所述脫氫化汽油，以補充所述富氫氣體的消耗量，所述燃料供給控制裝置在所述脫氫化汽油的殘余量達到所述儲存上限量的情況下，僅將所述脫氫化汽油供給于內(nèi)燃機。
全文摘要
本發(fā)明涉及自由地選擇一種或兩種以上的燃料供給于內(nèi)燃機的系統(tǒng)。一種氫利用內(nèi)燃機，其供給從氫化燃料、由氫化燃料脫氫得到的脫氫產(chǎn)物及氫中選擇的一種以上的燃料以進行工作，其中，具有氫化燃料儲存部；進行脫氫反應(yīng)的反應(yīng)裝置；分離富氫氣體和脫氫產(chǎn)物的分離裝置；及儲存該脫氫產(chǎn)物的脫氫產(chǎn)物儲存部。
文檔編號F02M27/02GK1871425SQ20048003120
公開日2006年11月29日 申請日期2004年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月21日
發(fā)明者品川知廣, 渥美貴司 申請人:豐田自動車株式會社