水素内燃機関車

水素内燃機関車（HICEV）は、内燃機関を使用する水素自動車の一種です。^[1]水素内燃機関車は、水素燃料電池車（燃焼ではなく電気化学的に水素を使用する）とは異なります。水素内燃機関は、従来のガソリン駆動内燃機関の改良版にすぎません。 ^{[2] [3]}炭素がないということは、CO2_が生成されないことを意味し、従来の石油エンジンの主な温室効果ガス排出を排除します。

純粋な水素には炭素が含まれていないため、一酸化炭素(CO) や炭化水素 (HC) などの炭素ベースの汚染物質はなく、排気ガスには二酸化炭素 (CO ₂ ) も含まれていません。ただし、水素の燃焼は窒素と酸素を含む大気中で起こるため、NO _xと呼ばれる窒素酸化物を生成する可能性があります。このように、燃焼プロセスは灯油、ガソリン、ディーゼル、天然ガスなどの他の高温燃焼燃料とよく似ています。したがって、水素燃焼エンジンはゼロ排出とは見なされません。^[要出典]

フランソワ・イザック・ド・リヴァは1806年に水素と酸素の混合物で動く最初の内燃機関であるド・リヴァエンジンを設計しました。^[4]エティエンヌ・ルノワールは1863年にヒッポモービルを製作しました。1970年にポール・ディエゲスはガソリンエンジンを水素で動かすことができる改良された内燃機関の特許を取得しました。^[5]

東京都市大学は1970年から水素内燃機関の開発に取り組んでおり^[6]、最近では水素燃料のバス^[7]とトラックも開発しました。

マツダは、水素を燃焼するヴァンケルエンジンを開発しました。ヴァンケルエンジンやピストンエンジンなどのICE（内燃機関）を使用する利点は、生産のための設備更新コストが大幅に低いことです。既存の技術のICEは、寒冷地での用途など、燃料電池がまだ実行可能なソリューションではない問題を解決するために使用できます。

1990年、107mlの4ストロークエンジンを使用して水素を燃料とする電気ソーラー自動車が開発された。この自動車は、太陽光→電気→電気分解→貯蔵→モーター→トランスミッション→車輪という電力変換による損失を調査・測定する研究プロジェクトに使用された。以前のバッテリー電気モードと比較すると、航続距離は伸びたものの、システム効率は低下し、アルカリ水素発生器は搭載するには大きすぎた。この自動車は固定式のソーラー設備で駆動され、生成された水素は圧力容器に貯蔵された。^[8]

2005年から2007年にかけて、BMWは水素ICEを搭載したBMW Hydrogen 7という高級車をテストし、テストで時速301 km（187 mph）を達成しました。 ^{[引用が必要]}このコンセプトのうち少なくとも2つが製造されました。^{[引用が必要]}

HICEフォークリフトは、直噴ディーゼル内燃機関を改造したモデル^[9]をベースに開発されました。^[10]

アルセット社は、ガソリンと水素燃料を別々に、または内燃機関と同時に使用できるハイブリッド水素システムを開発しました。この技術は、ニュルブルクリンク24時間レースでアストンマーティン・ ラピードSに使用されました。^[11]ラピードSは、水素技術でレースを完走した最初の車両でした。^[12]

水素内燃機関の開発は、特に大型商用車において、最近ますます注目を集めています。その動機の一部は、将来の気候 CO2 排出目標を達成するための橋渡し技術として、また、既存の自動車の知識や製造とより互換性のある技術としてです_。 [^{引用が必要]}

2022年9月、カワサキはNinja H2をベースに、水素カローラと同じインジェクターを使用して開発した水素燃焼エンジンを発表した。^[要出典]

2023年5月、ヤマハ、ホンダ、カワサキ、スズキは、日本の経済産業省から、小型モビリティ向け水素エンジンの開発を目的とした技術研究組合「HySE（Hydrogen Small mobility & Engine technology）」を設立する認可を受けた。^[13]

2000年、シェルビー コブラは、ジェームズ W. ヘッフェル（カリフォルニア大学リバーサイド校CE-CERTの当時の主任エンジニア）が率いるプロジェクトで水素で走行するように改造されました。水素への改造は、水素を動力源とする自動車の現在の陸上速度記録を破ることができる自動車を作ることを目的としていました。 ^{[14] [15] [16]}この自動車は、水素を動力源とする自動車の世界記録にわずか0.1マイルの差で及ばないものの、立派な時速108.16マイルを達成しました。[ ^17]

2021年5月、スーパー耐久シリーズ第3戦「NAPAC富士スーパーTEC24時間レース」に水素エンジンを搭載したトヨタカローラスポーツが参戦し、24時間レースを完走した^{[18] 。トヨタは}燃料電池車の開発やミライの市販化 で培った安全技術やノウハウを投入する方針だ。^[19] 2021年11月、日本の自動車メーカー5社（川崎重工業、スバル、トヨタ、マツダ、ヤマハ発動機）は共同で、岡山国際サーキットで開催されたスーパー耐久第6戦（3時間レース）において、カーボンニュートラルの実現に向け、内燃機関による燃料選択肢の拡大に挑戦すると発表した^[20]。敵は内燃機関ではなく、カーボンニュートラル への挑戦に向けて多様なソリューションが必要だというのが共通認識だ。^[21] このイベントでヤマハ発動機はレクサス2URエンジンをベースにした5.0リッターV8水素エンジンを発表した。^[22]

トヨタは2022年6月、「ENEOSスーパー耐久シリーズ2022」において、スーパー耐久シリーズへの取り組みの進捗を明らかにした。航続距離は約20％向上、出力は約20％向上、トルクは約30％向上したという。また、水素サプライヤーの追加や輸送の効率化を図り、レースをサポートしている。^[23] 2022年7月、いすゞ、デンソー、トヨタ、日野自動車、コマーシャル・ジャパン・パートナーシップ・テクノロジーズ（CJPT）は、カーボンニュートラル実現の選択肢の一つとして内燃機関の更なる活用を目指し、大型商用車向け水素エンジンの企画・基礎研究を開始したことを発表した。^[24]

トヨタは2022年8月、世界ラリー選手権（WRC）第9戦イープルで、トヨタGRヤリスの水素エンジン特別仕様車であるGRヤリスH2のデモ走行を実施した。^{[25] [26]}

2023年5月、スーパー耐久シリーズ第2戦「NNAPAC富士SUPER TEC24時間レース」に液体水素エンジンを搭載したトヨタカローラスポーツが参戦し、24時間レースを完走した。液体水素で走る車がレースに参戦するのは世界初となった。^{[27] [28]}

2023年6月、トヨタはル・マン24時間レース用に製作した水素レースカー「GR H2レーシングコンセプト」を発表した。^{[29] [30]}

理想的なオットーサイクルの熱効率は圧縮比に依存し、圧縮比を8から15に上げると47%から56%に向上する。^[31]実際の車両のエンジンではこの50～75%を達成しており、無制限コストの限界として約60%が提案されている。^{[32]しかし、}オークリッジの会議プレゼンテーションでは、オープンサイクルエンジンであるためカルノー効率によって制限されないことを根拠に、理論上の効率限界は100%であると主張している。比較すると、燃料電池の効率はギブス自由エネルギーによって制限され、これは通常カルノーの自由エネルギーよりも高い。燃料電池の性能の決定は熱力学的評価に依存する。水素の低位発熱量を使用すると、燃料電池の最大効率は94.5%になる。^[33]

水素燃焼エンジンの効率は、従来の燃焼エンジンと同等です。適切に最適化すれば、わずかに高い効率を達成できます。水素燃料電池との比較は興味深いものです。燃料電池は低負荷時に効率のピークに達しますが、高負荷時には効率が低下します。水素燃焼エンジンは高負荷時にピークに達し、水素燃料電池と同等の効率レベルを達成できます。^[34] このことから、水素燃焼エンジンは効率の点で大型用途の燃料電池に匹敵すると推測できます。

小型内燃機関では効率が低下する。67 ml 4 ストローク エンジンを水素に転換し、ダイナモメーターで最適な動作点 (3000 rpm、14 NLM (標準リットル/分)、2.5 倍のストイキオメトリー空燃比) でテストしたところ、520 W と 21% の効率が達成された。車両効率を測定するために、同様に転換した 107 ml エンジン (最高のガソリン効率 26% のホンダ GX110) を軽量車両に取り付け、速度と水素流量を測定しながら既知の勾配を走行した。計算の結果、平均効率は 3.5% ～ 5.9%、ピーク効率は 7.5% となった。平坦な道路で測定された消費量は、時速 25 km で 24 NLM/km、時速 43 km で 31 NLM/km であった。^[8]

水素と酸素の燃焼により、唯一の生成物として水蒸気が生成されます 。

2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O

しかし、空気はガスの混合物であり、空気中に最も多く含まれるガスは窒素です。したがって、空気中の水素の燃焼により、NOxとして知られる窒素酸化物が生成されます。この点では、燃焼プロセスは、灯油、ガソリン、ディーゼル、天然ガスなどの他の高温燃焼燃料とよく似_ています。この問題は、水素の燃焼によって生成される非常に高い温度によって悪化します。^[35]そのため、水素燃焼エンジンはゼロ排出とは見なされません。

2021年末時点で、世界の水素生産量の約96％は天然ガス（47％）、石炭（27％）、石油（22％）によるもので、電気分解によるものはわずか約4％でした。^[36]水素の燃焼による排出量はごくわずかですが、水素の製造による排出量は現在、水素源の直接燃焼よりも高くなっています。^[37]

水素は他の燃料と比較して、可燃範囲が広い（空気中の水素含有量は3～70％_{） 。} ^[35]そのため、内燃機関では幅広い燃料・空気混合比で燃焼させることができる。この利点は、エンジンを希薄燃料・空気混合比で作動させることができることである。このような混合比は、燃料の量が、所定の空気量で燃焼するために必要な理論的、化学量論的、または化学的に理想的な量よりも少ない混合比である。そのため、燃費は向上し、燃焼反応はより完全となる。また、燃焼温度は通常より低いため、排出される汚染物質（窒素酸化物など）の量も減少する。^[38]

欧州の排出基準は、一酸化炭素、炭化水素、非メタン炭化水素、窒素酸化物( NO _x )、大気中の粒子状物質、および粒子数の排出量を測定します。

他の内燃機関と同様に、潤滑に必要な少量のエンジンオイルが燃焼室に入り、燃焼プロセスに関与します。そのため、排気ガスにはこのオイルの燃焼生成物が少量含まれている可能性があります。通常、排気ガスにはごく微量のCO、CO ₂、SO ₂、HC、粒子状物質が含まれています。^{[39] [40]}これらは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる量よりも数桁低い値です。

1976年に水素エンジンを調整して排出量を最大化したところ、当時の一般消費者向けガソリンエンジンと同等の排出量になりました。^{[要出典] [41]しかし、より現代的なエンジンには}排気ガス再循環（EGR）が装備されていることがよくあります。EGRを無視した場合の式：

H ₂ + O ₂ + N ₂ → H ₂ O + NO _x ^[42]

この技術はNOx排出の面でも水素燃焼に有益な効果をもたらす可能性がある。_[ ^43]

水素燃焼はゼロ排出ではないものの、 CO2排出量はゼロであるため、水素内燃機関をハイブリッドパワートレインの一部として検討することは魅力的です。この構成では_、車両は市街地のゼロ排出ゾーンでの走行など、短期的なゼロ排出機能を提供できます。

水素ICEと従来のガソリンエンジンの違いには、硬化されたバルブとバルブシート、より強力なコネクティングロッド、プラチナ以外のチップが付いたスパークプラグ、より高電圧の点火コイル、液体ではなくガス用に設計された燃料インジェクター、より大きなクランクシャフトダンパー、より強力なヘッドガスケット材料、改造された（スーパーチャージャー用）吸気マニホールド、正圧スーパーチャージャー、高温エンジンオイルなどがあります。すべての改造は、現在のガソリンエンジンのコストの約1.5倍になります。^[44]これらの水素エンジンは、ガソリンエンジンと同じように燃料を燃焼します。

水素エンジンの理論上の最大出力は、使用する空燃比と燃料噴射方法によって異なります。水素の理論空燃比は 34:1 です。この空燃比では、水素が燃焼室の 29% を押しのけ、空気は 71% しか残りません。その結果、この混合物のエネルギー含有量は、燃料がガソリンの場合よりも少なくなります。キャブレター噴射方式とポート噴射方式はどちらも、燃料と空気を燃焼室に入る前に混合するため、これらのシステムでは理論上の最大出力がガソリン エンジンの約 85% に制限されます。吸気バルブが閉じた後 (したがって燃焼室は 100% 空気) に燃料と空気を混合する直接噴射システムの場合、エンジンの最大出力はガソリン エンジンよりも約 15% 高くなります。

したがって、燃料の計量方法に応じて、理論空燃比を使用した場合、水素エンジンの最大出力はガソリンよりも 15% 高くなったり 15% 低くなったりする可能性があります。ただし、理論空燃比では燃焼温度が非常に高くなり、その結果、基準汚染物質である窒素酸化物( NO _x )が大量に生成されます。水素を使用する理由の 1 つは排気ガスの排出量が少ないことであるため、水素エンジンは通常、理論空燃比で動作するようには設計されていません。

通常、水素エンジンは、理論上完全燃焼に必要な量の約2倍の空気を使用するように設計されています。この空燃比では、NO _xの生成はほぼゼロにまで減少します。残念ながら、これにより出力も同サイズのガソリンエンジンの約半分に低下します。出力損失を補うために、水素エンジンは通常、ガソリンエンジンよりも大きく、ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーが装備されています。^[45]少量の水素は燃焼室の外で燃焼し、燃焼室内の空気/燃料混合物に到達して主燃焼を点火することができます。^[46]

オランダでは、研究機関TNOが産業界のパートナーと協力して水素内燃機関の開発に取り組んでいます。^[47]

オーストラリアでは、エンジニアが自動車やトラック用の水素燃料にディーゼルICEをさらに組み込んでいます。 ^{[48] [49]}

• バイフューエル車：_水素ステーション不足を克服する可能性のある解決策^[50]
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