DE102007021827A1 - Abgasreinigungssystem für einen Wasserstoffmotor - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Abgasreinigungssystem für einen Wasserstoffmotor bereitgestellt, wobei in den Wasserstoffmotor Wasserstoffgas als ein Brennstoff zum Verbrennen eingeleitet wird und Wasserstoffgas im Anschluss an das Verbrennen auch in das Abgas eingeleitet wird, um die Reinigung des Abgaselements zu verbessern. Das Abgasreinigungssystem enthält einen Wasserstoffspeichertank, den Wasserstoffmotor und einen Katalysator, der in dem Abgasrohr angeordnet ist, und ist in der Lage, während des Betriebes des Wasserstoffmotors Wasserstoffgas durch das Abgasrohr zuzuführen. Ein stromaufwärtsseitiger Abgassensor ist in dem Abgasrohr stromaufwärts des Katalysators angeordnet. Eine auslassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung ist stromaufwärts des stromaufwärtsseitigen Abgassensors angeordnet. Ein Steuermittel steuert die Menge an Wasserstoffgas für die Zufuhr zu dem Wasserstoffmotor auf der Grundlage der Detektion durch den stromaufwärtsseitigen Abgassensor als eine Rückkopplungsregelung, um ein Abgas mit einem zuvor festgelegten mageren Brennstoff-Luft-Verhältnis zu erhalten, und steuert die von der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung zugeführte Menge an Wasserstoffgas so, dass sie geringer ist als die, die dem Wasserstoffmotor zugeführt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft Abgasreinigungssysteme für einen Wasserstoffmotor und insbesondere ein Abgasreinigungssystem für einen Wasserstoffmotor, das es ermöglicht, Wasserstoffgase von bestimmten Komponenten zu befreien, die nach dem Verbrennen in dem Wasserstoffmotor in dem Abgas enthalten sind.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Obgleich Elektrofahrzeuge, die mit einer Brennstoffzelle als einer Kraftquelle des Fahrzeugs ausgerüstet sind, seit kurzem Aufmerksamkeit erhalten, ist ein Teil der Aufmerksamkeit auch dem Wasserstoffmotor gewidmet worden, der eine Antriebskraft durch direkte Verbrennung von Wasserstoff erzeugt, der als Brennstoff in dem Motor agiert.
  • Ein Wasserstoffmotor enthält einen Wasserstoffspeichertank, der Wasserstoff unter hohem Druck enthält, und erzeugt die Antriebskraft für das Fahrzeug durch Verbrennen von Wasserstoff, der aus dem Wasserstoffspeichertank zugeführt wird.
  • Unter Ausnutzung des Drucks des unter hohem Druck in dem Tank gespeicherten Wasserstoffs wird der Wasserstoff, der den Brennstoffvorrat bildet, direkt in eine Brennkammer in dem Wasserstoffmotor eingespritzt.
  • Stand der Technik
  • Die folgenden Dokumente 1 bis 7 bilden den Stand der Technik bezüglich der vorliegenden Erfindung:
    Dokument 1: Japanisches Patent Nr. 3661555
    Dokument 2: Japanische Patentanmeldungsschrift Nr. H02-86915
    Dokument 3: Japanische Patentanmeldungsschrift Nr. H02-149714
    Dokument 4: Japanische Patentanmeldungsschrift Nr. 2002-13412
    Dokument 5: Japanische Patentanmeldungsschrift Nr. 2005-240656
    Dokument 6: Japanische Gebrauchmusteranmeldungsschrift Nr. H05-13937
    Dokument 7: Japanische Gebrauchmusteranmeldungsschrift Nr. H06-10129
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme
  • Bei herkömmlichen Abgasreinigungssystemen für Wasserstoffmotoren resultiert ein Problem aus der Tatsache, dass schädliches Ammoniak (NH3) während des Betriebes des Wasserstoffmotors erzeugt wird, wenn das Luftüberschussverhältnis λ des Gemisches (oder anders ausgedrückt: das "Brennstoff-Luft-Verhältnis") weniger als 1 (λ < 1) beträgt und das Stickstoffverhältnis in der Luft aufgrund von Wasserstoffüberschuss ("fett") während der Verbrennung von Wasserstoffgas verringert wird.
  • Dies wird einfach als eine chemische Formel ausgedrückt: H2 + O2 + N1 -> H2O + NH3
  • Ein Problem entsteht auch durch die Tatsache, dass eine große Menge an Stickoxiden (NOx), bei denen es sich um Schadbestandteile handelt, die in dem Abgas enthalten sind, ausgestoßen werden, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis λ des Gemisches gleich eins oder größer ist (λ 1).
  • Dies wird einfach als eine chemische Formel ausgedrückt: H2 + O2 + N2 -> H2O + NHx
  • Wenn bei einer Steuerung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses λ mit Hilfe des oben erwähnten Abgasreinigungssystems das Brennstoff-Luft-Verhältnis λ des Brennstoff-Luft-Gemisches dem theoretischen Brennstoff-Luft-Verhältnis entspricht, so sollte es eins betragen (λ = 1). Wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis λ eins (λ = 1) beträgt, so sollte das theoretische Brennstoff-Luft-Verhältnis (B/L) gleich 34,3 (B/L = 34,3) betragen, wenn es sich bei dem verwendeten Brennstoff um Wasserstoffgas handelt.
  • Falls des Weiteren das Verbrennungsgas kein Kohlenmonoxid (CO) oder keine Kohlenwasserstoffe (HC) als ein Reduktionsmittel im Abgas enthält, so resultiert ein Problem aus der Tatsache, dass die Katalysatoren, die weithin in Abgassystemen in Fahrzeugen genutzt werden, nicht als ein Nachreinigungssystem verwendet werden können.
  • In einem solchen Fall wird in der Praxis ein Mager-NOx-Katalysator als ein NOx-Reinigungssystem eingesetzt, der aber eine schlechte Reinigungsleistung und Wärmefestigkeit aufweist.
  • Darüber hinaus besteht bei einem harnstoffladenden NOx-Reduktionssystem, das in einem großen Dieselfahrzeug zum Einsatz kommt, ein Problem, das aus der Tatsache resultiert, dass zusätzliche Vorrichtungen zum Einleiten von Harnstoff in das Abgassystem benötigt werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Abgasreinigungssystems für einen Wasserstoffmotor zum Verbessern der Abgasreinigungsleistung in einer solchen Weise, dass gespeichertes Wasserstoffgas als ein Brennstoff in dem Wasserstoffmotor verbrannt wird und außerdem nach dem Verbrennen in das Abgas eingeleitet wird.
  • Außerdem wird Wasserstoffgas während der Primärzufuhr in den Wasserstoffmotor zum Verbrennen so verbrannt, dass der Ammoniakausstoß verringert wird.
  • Wasserstoffgas wird sekundär in das Abgas eingeleitet, um die Reinigungsleistung für eine bestimmte Komponente (Stickoxid oder NOx) in dem Abgas zu verbessern, die mit der Einschränkung des Ammoniakausstoßes zunimmt.
  • Des Weiteren verringert die vorliegende Erfindung den Verbrauch von Wasserstoffgas, das zur Aufrechterhaltung der Reinigungsleistung verwendet wird. Dank der oben angesprochenen Merkmale wird die Brennstoffwirtschaftlichkeit verbessert.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Um die oben angesprochenen Nachteile zu beseitigen, stellt die vorliegende Erfindung ein Abgasreinigungssystem für einen Wasserstoffmotor bereit, mit einem Wasserstoffspeichertank zum Speichern von Wasserstoff unter hohem Druck, einem Wasserstoffmotor zum Verbrennen von Wasserstoff, der aus dem Wasserstoffspeichertank zugeführt wird, und einem Katalysator, der in dem Abgasrohr des Wasserstoffmotors angeordnet ist. Das Abgasreinigungssystem ist in der Lage, während des Betriebes des Wasserstoffmotors Wasserstoffgas durch das Abgasrohr zuzuführen. Ein stromaufwärtsseitiger Abgassensor ist in dem Abgasrohr stromaufwärts des Katalysators zum Detektieren des Abgaselements angeordnet. Eine auslassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung ist stromaufwärts des stromaufwärisseitigen Abgassensors zum Einspritzen von Wasserstoffgas in das Abgasrohr angeordnet. Ein Steuermittel steuert die Menge an Wasserstoffgas für die Zufuhr zu dem Wasserstoffmotor auf der Grundlage der Detektion an dem stromaufwärtsseitigen Abgassensor als eine Rückkopplungsregelung, um ein Abgas mit einem zuvor festgelegten mageren Brennstoff-Luft-Verhältnis zu erhalten, und steuert die von der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung zugeführte Menge an Wasserstoffgas so, dass sie geringer ist als die, die dem Wasserstoffmotor zugeführt wird.
  • Auswirkungen der Erfindung
  • Wie soeben beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein Abgasreinigungssystem für einen Wasserstoffmotor bereit, mit einem Wasserstoffspeichertank zum Speichern von Wasserstoff unter hohem Druck, einem Wasserstoffmotor zum Verbrennen von Wasserstoff, der aus dem Wasserstoffspeicheriank zugeführt wird, und einem Katalysator, der in dem Abgasrohr des Wasserstoffmotors angeordnet ist. Das Abgasreinigungssystem ist in der Lage, während des Betriebes des Wasserstoffmotors Wasserstoffgas durch das Abgasrohr zuzuführen. Ein stromaufwärisseitiger Abgassensor ist in dem Abgasrohr stromaufwärts des Katalysators zum Detektieren der Abgaszusammensetzung angeordnet. Eine auslassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung ist stromaufwärts des stromaufwärtsseitigen Abgassensors zum Einspritzen von Wasserstoffgas in das Abgasrohr angeordnet. Das Steuermittel steuert die Menge an Wasserstoffgas, das dem Wasserstoffmotor zugeführt wird, auf der Grundlage der Detektion durch den stromaufwärtsseitigen Abgassensor als eine Rückkopplungsregelung, um ein Abgas mit einem zuvor festgelegten mageren Brennstoff-Luft-Verhältnis zu erhalten, und steuert die von der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung zugeführte Menge an Wasserstoffgas so, dass sie geringer ist als die, die dem Wasserstoffmotor zugeführt wird.
  • Dementsprechend wird die Verbrennung des Gases im Durchschnitt in einem Magergemischzustand gehalten, wodurch die Emissionen aus dem Abgassystem, insbesondere NH3, deutlich verringert werden.
  • Resultierendes zunehmendes NOx kann selektiv in dem Katalysator durch die Zugabe des sekundär eingeleiteten Wasserstoffgases verringert werden, wodurch ein insgesamt hoher Grad an Reinigungsleistung des Katalysators aufrechterhalten wird.
  • Des Weiteren kann der Verbrauch des eingeleiteten Sekundärwasserstoffgases verringert werden.
  • Beste Art der Ausführung der Erfindung
  • Bei dieser Erfindung steuert das Steuermittel die Menge an Wasserstoffgas, die dem Wasserstoffmotor zugeführt wird, auf der Grundlage der Detektion des stromaufwärtsseitigen Abgassensors als eine Rückkopplungsregelung, mit dem Ergebnis, dass das Abgas ein zuvor festgelegtes mageres Brennstoff-Luft-Verhältnis aufweist.
  • Des Weiteren steuert das Steuermittel die von der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung zugeführte Menge an Wasserstoffgas so, dass sie geringer ist als die, die dem Wasserstoffmotor zugeführt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1-6 veranschaulichen die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist unten anhand der Zeichnungen beschrieben.
  • 1 ist ein Flussdiagramm für ein Abgasreinigungssystem für einen Wasserstoffmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Schaubild für das Abgasreinigungssystem des Wasserstoffmotors.
  • 3 ist eine schematische vergrößerte Querschnittsansicht des Wasserstoffmotors, die einen Typ mit leicht geschichteter Ladung zeigt.
  • 4 ist ein Schaubild, das die Verteilung des Gemisches zeigt, wenn von einem Kolben aus in die Brennkammer geblickt wird.
  • 5 ist ein Schaubild, das die Brennstoffeinspritzzeitsteuerung beim Starten des Motors in dem Abgasreinigungssystem des Wasserstoffmotors zeigt.
  • 6 ist ein Schaubild, das die Brennstoffeinspritzzeitsteuerung nach dem Starten des Motors in dem Abgasreinigungssystem des Wasserstoffinotors zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
  • Das Abgasreinigungssystem 1 enthält: einen Wasserstoffspeichertank 2 zum Speichern von Wasserstoff mit hohem Druck (im zweistelligen MPa-Bereich, zum Beispiel 35-70 MPa); den Wasserstoffmotor 3 zum Verbrennen von Wasserstoff, der aus dem Wasserstoffspeichertank 2 zugeführt wird; und einen Katalysator 5, der in einem Abgasrohr 4 des Wasserstoffmotors 3 angeordnet ist. Wasserstoffgas kann während des Betriebes des Wasserstoffmotors 3 in Spurenmengen in das Abgasrohr 4 eingeleitet werden.
  • Der Wasserstoffmotor 3 ist für eine Brennstoffzufuhr mit Zylindereinspritzung konstruiert, und er ist ein Viertaktmotor, der mit einem Turbolader 23 ausgerüstet ist, auf den später noch eingegangen wird.
  • Wie in den 2 und 3 gezeigt, enthält das Abgasreinigungssystem 1 für den Wasserstoffmotor 3 einen Zylinderblock 6, einen Zylinderkopf 7 und einen Zylinderkopfdeckel 8.
  • In dem Zylinderblock 6 ist ein Kolben 9 gleitend montiert. Des Weiteren ist eine Brennkammer 10 im Zusammenwirken mit dem Zylinderkopf 7 ausgebildet. Des Weiteren enthält der Zylinderkopf 7 in einem Einlasssystem eine Einlassnockenwelle 11 und ein Einlassventil 12, das durch die Einlassnockenwelle 11 angetrieben wird.
  • Der Zylinderkopf 7 enthält des Weiteren in einem Auslasssystem eine Auslassnockenwelle 13 und ein Auslassventil 14, das durch die Auslassnockenwelle 13 angetrieben wird.
  • Das Einlasssystem des Wasserstoffmotors 3 ist – in der folgenden Reihenfolge – verbunden mit: einem Luftreiniger 15; einem Einlassrohr 16 zum Einleiten der Einlassluft aus dem Luftreiniger 15 in Richtung des Wasserstoffmotors 3; einem Drosselklappengehäuse 18, das mit einer Drosselklappe 17 versehen ist; und einem Einlasskrümmer 20, in den ein Ausgleichsbehälter 19 integriert ist und der an dem Zylinderkopf 7 befestigt ist.
  • Das Auslasssystem des Wasserstoffmotors 3 ist – in der folgenden Reihenfolge – verbunden mit: einem Auslasskrümmer 21, der an dem Zylinderkopf 7 befestigt ist, für den Durchgang des Abgases von dem Wasserstoffmotor 3; und einem Abgasrohr 4, dessen stromaufwärtige Seite mit dem Auslasskrümmer 21 verbunden ist und das einen katalytischen Konverter 22 enthält, der den Katalysator 5 enthält.
  • Des Weiteren ist der Wasserstoffmotor 3 mit einem Turbolader 23 versehen, um die Einlassluft von dem Luftreiniger 15 zu verdichten und verdichtete Luft in den Wasserstoffmotor 3 zu leiten.
  • Der Turbolader 23 enthält in einem Turboladergehäuse 24: einen Kompressor 25, der in dem Einlassrohr 16 angeordnet ist; und eine Turbine 26, die in dem Abgasrohr 4 zwischen einem Einlasskrümmer 21 und dem katalytischen Konverter 22 so angeordnet ist, dass sie durch den Strom der Abgase in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom zur Turbine 26 wird durch einen Ladedruckbegrenzungsmechanismus 28 mit einem Ladedruckbegrenzungsventil (oder "Ladedrucksteuer-VSV") 27 eingestellt.
  • Das Einlassrohr 16 zwischen dem Kompressor 25 und dem Drosselklappengehäuse 18 ist mit einem Ladeluftkühler 29 zum Kühlen der durch den Turbolader 23 verdichteten Einlassluft versehen.
  • Der Wasserstoffmotor 3 ist mit einem Wasserstoffgaseinspritzsystem 30 zum Einspritzen von Wasserstoffgasen versehen.
  • Dieses Wasserstoffgaseinspritzsystem 30 enthält eine einlassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 31 und eine auslassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32.
  • In dem Einlasssystem des Wasserstoffmotors 3 ist die einlassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 31 vom Zylindereinspritztyp, der direkt Wasserstoffgase in die Brennkammer 10 einspritzt.
  • Die auslassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 spritzt Wasserstoffgase in das Abgasrohr 4 ein.
  • Das Wasserstoffgaseinspritzsystem 30 enthält den Wasserstoffspeichertank 2, einen Wasserstoffgaszufuhrdurchlass 33, der an einem Ende mit dem Wasserstoffspeichertank 2 und an dem anderen Ende mit einem Druckregler 34 verbunden ist.
  • Der Druckregler 34 hat eine Zweiweg-Umschaltfunktion und eine Dekomprimierungsfunktion zum Dekomprimieren von Wasserstoffgas, das in dem Speichertank 2 unter hohem Druck gespeichert ist (im zweistelligen MPa-Bereich, zum Beispiel 35-70 MPa), auf einen niedrigeren Druck (mehrere hundert kPa, zum Beispiel ein Mehrfaches des atmosphärischen Drucks).
  • Die einlassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 31 enthält einen Primärzufuhrdurchlass 35, der an einem Ende mit dem Druckregler 34 verbunden ist und am anderen Ende mit einem Zuleitungsrohr 36 verbunden ist, das mit dem Zylinderkopf 7 verbunden ist, und eine Primäreinspritzdüse (oder Zylinderinneneinspritzdüse) 37.
  • Die auslassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 enthält einen Sekundärzufuhrdurchlass 38, der an einem Ende mit dem Druckregler 34 verbunden ist und am anderen Ende mit einer Sekundäreinspritzdüse 39 zum Einspritzen von Wasserstoffgas in das Abgasrohr 4 verbunden ist.
  • Der Wasserstoffmotor 3 ist außerdem mit einer Leerlaufdrehzahlsteuerung 40 versehen.
  • Die Leerlaufdrehzahlsteuerung 40 enthält einen Umgehungsdurchlass 41 zum strömungsmäßigen Verbinden des Drosselklappengehäuses 18 und des Ausgleichsbehälters 19, während die Drosselklappe 17 umgangen wird, und ein ISC-Ventil (oder Leerlaufluftmengensteuerventil) 42, das in dem Umgehungsdurchlass 41 angeordnet ist, um die Strömungsrate von Leerlaufluft zu dem Wasserstoffmotor 3 zu regeln.
  • Des Weiteren ist der Zylinderkopfdeckel 8 des Wasserstoffmotors 3 mit einer Zündspule 43 und einem PCV-Ventil 44 versehen.
  • Mit dem PCV-Ventil 44 ist ein tankseitiger Durchblasgasdurchlass 45 verbunden, um eine strömungsmäßige Verbindung mit dem Ausgleichsbehälter 19 herzustellen.
  • Mit dem Zylinderkopfdeckel 8 ist ein reinigerseitiger Durchblasgasdurchlass 46 verbunden, um eine strömungsmäßige Verbindung mit dem Luftreiniger 15 herzustellen.
  • Der Wasserstoffmotor 3 ist mit einem Brennstoffdrucksensor 47 und einem Motorkühlmitteltemperatursensor 49 ausgestattet.
  • Der Brennstoffdrucksensor 47 ist an dem Zuleitungsrohr 36 angebracht, um den Druck des Brennstoffs zu detektieren, welcher der Primäreinspritzdüse 37 zugeleitet wird.
  • Der Motorkühlmitteltemperatursensor 49 detektiert die Kühlmitteltemperatur in einem Kühlmitteldurchlass 48, der in einem Teil des Wasserstoffmotors 3 ausgebildet ist.
  • Das Drosselklappengehäuse 18 enthält einen Drosselsensor 50 zum Detektieren des Öffnungswinkels der Drosselklappe 17 und ist mit einem Ende eines Druckeinleitungsdurchlasses 51 stromabwärts der Drosselklappe 17 verbunden.
  • Am anderen Ende des Druckeinleitungsdurchlasses 51 ist ein Einlassdrucksensor 52 angeschlossen, um den Einlassleitungsdruck stromabwärts der Drosselklappe 17 zu detektieren.
  • Der Ausgleichsbehälter 19 ist mit einem Einlasstemperatursensor 53 zum Detektieren der Temperatur der Einlassluft versehen.
  • Auf der stromaufwärtigen Seite des katalytischen Konverters 22, das heißt, in dem Abgasrohr 4 stromaufwärts des Katalysators 5, ist ein stromaufwärtsseitiger Abgassensor (als "Brennstoff-Luft-Verhältnis-Sensor" oder "λ-Sensor" bezeichnet) 54 zum Detektieren in dem Abgassystem angeordnet. Auf der stromaufwärtigen Seite des stromaufwärtsseitigen Abgassensors 54 ist die auslassseitige Wasser stoffgaseinspritzvorrichtung 32 zum Einspritzen von Wasserstoffgas in das Abgasrohr 4 angeordnet.
  • Außerdem ist das Abgasrohr 4 stromabwärts des Katalysators 5 mit einem stromabwärtsseitigen Abgassensor (Wasserstoff (H2)-Sensor oder NOx Sensor) 55 zum Detektieren des Abgaselements versehen.
  • Wie in 2 gezeigt, enthält der Wasserstoffmotor 3 auf der Auslassseite, und zwar in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite aus gesehen: den Auslasskrümmer 21, die Turbine 26 des Turboladers 23, den stromaufwärtsseitigen Abgassensor 54, den katalytischen Konverter 22 und den stromabwärtsseitigen Abgassensor 55. Die Sekundäreinspritzdüse 39 der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 ist an einem stromabwärtigen Ende des Auslasskrümmers 21 stromaufwärts der Turbine 26 des Turboladers 23 so angeordnet, dass die auslassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 Wasserstoffgase in das Abgasrohr 4 einspritzt.
  • Ein Steuermittel (ECM) 56 ist mit dem Ladedruckbegrenzungsventil 27, dem Druckregler 34, der Primäreinspritzdüse 37 der einlassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 31, der Sekundäreinspritzdüse 39 der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32, dem ISC-Ventil 42, der Zündspule 43, dem Brennstoffdrucksensor 47, dem Motorkühlmitteltemperatursensor 49, dem Drosselsensor 50, dem Einlassdrucksensor 52, dem Einlasstemperatursensor 53, dem stromaufwärtsseitigen Abgassensor 54 und dem stromabwärtsseitigen Abgassensor 55 verbunden.
  • Das Steuermittel 56 ist mit einem Kurbelwinkelsensor 57 und einer Batterie 60 über einen Hauptschalter 58 und eine Sicherung 59 verbunden.
  • Der Kurbelwinkelsensor 57 detektiert den Winkel einer Kröpfung, damit das Steuermittel 56 den Startzeitpunkt der Brennstoffeinspritzung bestimmen kann.
  • Der Wasserstoffmotor 3 mit einer Brennstoffzufuhr vom Zylindereinspritztyp wird im Folgenden eingehend erläutert.
  • Das Zylindereinspritzsystem ist vorzugsweise für gasförmigen Brennstoff (wie zum Beispiel Wasserstoffgas) gedacht, um den Ausstoß von Gasen, wenn das Fahrzeug hält, und das Vereisen der Einspritzdüse zu vermeiden.
  • Ein solches Zylindereinspritzsystem erreicht eine hohe Leistung, eine bessere Brennstoffwirtschaftlichkeit und geringe Emissionswerte dank der Direkteinspritzung von Wasserstoffgas unter hohem Druck in die Brennkammer 10.
  • Wie ebenfalls in 3 gezeigt, wird aufgrund der geraden Form einer Einlassöffnung 61 des Wasserstoffinotors 3 und der Form der Oberseite des Kolbens 9 eine Tumble-Strömung erzeugt. Durch genaue Steuerung des Zeitpunktes der Brennstoffeinspritzung wird eine fette Gemischschicht neben einer Zündkerze 62 erzeugt, um unabhängig von einem kalten oder warmen Motor eine stabile Verbrennung zu erreichen. Es handelt sich dabei um einen Typ mit leicht geschichteter Ladung.
  • Wie in 3 gezeigt, wird bei dem Typ mit leicht geschichteter Ladung die Einlassöffnung 61 als die gerade Öffnung, die sich geradlinig zum Einlassventil 12 erstreckt, zum Beschleunigen des Einlassluftstromes genommen. Ein ovaler konkaver Abschnitt 63, der an der Oberseite des Kolbens 9 versetzt ist, erzeugt die Tumble-Strömung (Aufwärtsströmung).
  • In diesem Augenblick wird der Brennstoff in einem zweckmäßigen Winkel unter hohem Druck während eines Einlasshubes in die Brennkammer 10 eingespritzt.
  • Der Brennstoff, der während des Einlasshubes in die Brennkammer 10 eingespritzt wird, wird durch die Tumble-Strömung geführt, wie in 4 gezeigt, um eine Verteilung des Gemisches zu bilden, in der das fette Gemisch neben der Zündkerze 62 und ein mageres Gemisch entlang des Außenumfangs gebildet wird. Die Brennkammer 10 als Ganzes wird so gesteuert, dass das theoretische Brennstoff-Luft-Verhältnis für eine stabile Verbrennung erreicht wird.
  • Des Weiteren werden bei der Brennstoffeinspritzsteuerung des Wasserstoffmotors 3, der für das Zylindereinspritzsystem ausgelegt ist, der Zeitpunkt und die Dauer (oder anders ausgedrückt: die Menge) des Brennstoffs, der mittels der Primäreinspritzdüse 37 einzuspritzen ist, so gesteuert, dass der Brennstoff in der optimalen Menge zum optimalen Zeitpunkt eingespritzt wird.
  • Der Zeitpunkt und die Dauer der Brennstoffeinspritzung werden mittels einer Brennstoffeinspritzsteuerung, die beim Starten des Motors ausgeführt wird, und einer Brennstoffeinspritzsteuerung, die nach dem Starten des Motors während des normalen Fahrzeugbetriebes ausgeführt wird, bestimmt.
  • Zum Schutz des Motors und zur Verbesserung der Brennstoffwirtschaftlichkeit wird eine Brennstoffabsperrsteuerung entsprechend den Antriebszuständen des Fahrzeugs ausgeführt.
  • Im Folgenden wird die oben erwähnte Brennstoffeinspritzsteuerung beim Starten des Motors erläutert.
  • 5 veranschaulicht die Brennstoffeinspritzzeitsteuerung, die durch die Brennstoffeinspritzsteuerung beim Starten des Motors bestimmt wird. Wenn die Motordrehzahl unter einem zuvor festgelegten Wert liegt, so erfolgt die Einspritzung sequenziell zu Einspritzzeitpunkten (siehe die schraffierten Teile, die in 5 mit dem Buchstaben "A" bezeichnet sind) auf der Grundlage eines Signals von dem Kurbelwinkelsensor.
  • Bei einer sehr niedrigen Temperatur werden geteilte Einspritzungen mehrere Male in einem bestimmten Abstand nach dem Ansteigen und dem Empfang des Kurbelwinkelsensorsignals ausgeführt.
  • Außerdem wird die Dauer der Brennstoffeinspritzung durch die Brennstoffeinspritzzeitsteuerung beim Starten des Motors geschätzt, indem eine Brennstoffeinspritz-Basisdauer beim Starten des Motors anhand der Kühlmitteltemperatur bestimmt wird und diese Basisdauer anhand der Motordrehzahl, der Spannung und dergleichen korrigiert wird.
  • Die Basisdauer beim Starten des Motors wird in dem Maße verlängert, wie die Kühlmitteltemperatur sinkt, um die Stabilität des Motors zu verbessern.
  • Im Folgenden wird die oben angesprochene Brennstoffeinspritzzeitsteuerung nach dem Starten des Motors erläutert.
  • Die Brennstoffeinspritzzeitsteuerung nach dem Starten des Motors beinhaltet eine synchronisierte Einspritzung und eine asynchrone Einspritzung.
  • Wie in 6 gezeigt, wird die synchronisierte Einspritzung in einem normalen Zustand sequenziell ausgeführt, wobei die Einspritzzeitsteuerung auf dem Signal von dem Kurbelwinkelsensor basiert (siehe die schraffierten Teile, die in 6 mit dem Buchstaben "A" bezeichnet sind).
  • Während des Verlangsamens des Fahrzeugs, bei Aufhebung der Brennstoffsperre und während des Beschleunigens des Fahrzeugs synchronisiert sich die asynchrone Einspritzung nicht mit dem Signal von dem Kurbelwinkelsensor. Die Brennstoffeinspritzung erfolgt gleichzeitig für alle Zylinder (siehe die fett schraffierten Teile, die in 6 mit dem Buchstaben "B" bezeichnet sind).
  • Des Weiteren wird die Dauer der Brennstoffeinspritzung durch die Brennstoffeinspritzsteuerung nach dem Starten des Motors ermittelt, indem die Brennstoffeinspritz-Basisdauer auf der Grundlage des Einlassleitungsdrucks und der Motordrehzahl bestimmt wird und diese Basisdauer anhand der Signale von den Sensoren für eine optimale Dauer entsprechend dem Fahrzustand des Fahrzeugs korrigiert wird.
  • Die Elemente für die Korrektur sind im Folgenden angeführt:
  • (1) Spannungskorrektur
  • Die Dauer der Energiezufuhr zu der Einspritzdüse wird auf der Grundlage einer Verringerung der Batteriespannung verlängert, um eine Verzögerung der Einspritzung infolge des Spannungsabfalls der Batterie zu korrigieren.
  • (2) Motordrehzahlkorrektur
  • Die Dauer der Brennstoffeinspritzung wird anhand der Motordrehzahl korrigiert.
  • (3) Einlasstemperaturkorrektur
  • Es werden Unterschiede zwischen den Dichten der Luft infolge von Änderungen der Einlasstemperatur korrigiert.
  • (4) Brennstoff Luft-Verhältnis-Korrektur
  • Es wird die Abweichung vom Brennstoff-Luft-Sollverhältnis in jedem Fahrbereich korrigiert.
  • (5) Rückkopplungskorrektur
  • Das Brennstoff-Luft-Verhältnis wird so korrigiert, dass es im Wesentlichen auf dem theoretischen Brennstoff-Luft-Verhältnis von dem Auslasssauerstoff im Abgas gehalten wird.
  • (6) Lernkorrektur
  • Ein Brennstoff-Luft-Basisverhältnis, das infolge von Alterungsdeterioration abweicht, wird so korrigiert, dass es im Wesentlichen auf dem theoretischen Brennstoff-Luft-Verhältnis gehalten wird.
  • (7) Warmmotorkorrektur
  • Die Brennstoffeinspritzmenge wird erhöht, wenn die Temperatur des Kühlmittels in dem kalten Motor steigt, und der Korrekturbetrag wird allmählich verringert, wenn die Motortemperatur steigt.
  • (8) Atmosphärendruckkorrektur
  • Es wird eine Abweichung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses infolge von Änderungen des atmosphärischen Drucks korrigiert. Der atmosphärische Druck ist ein Schätzwert, der anhand des Einlassleitungsdrucks und der Motordrehzahl errechnet wird.
  • (9) Drosselklappenöffnungswinkelkorrektur
  • Es wird die Dauer der Brennstoffeinspritzung auf der Grundlage der Änderungen des Drosselklappenöffnungswinkels korrigiert.
  • (10) Korrektur der Reinigupgskonzentration
  • Es werden Änderungen des Brennstoff-Luft-Verhältnisses korrigiert, wenn das verdampfte Brennstoffgas eingeleitet oder abgesperrt wird.
  • (11) Korrektur für ein Erhöhen zum Beschleunigen oder ein Verringern zum Verlangsamen
  • Bei Detektion eines Beschleunigungs- oder Verlangsamungszustandes des Fahrzeugs wird der Korrekturbetrag für die Beschleunigung des Fahrzeugs erhöht, um die Beschleunigungsleistung zu verbessern, während der Korrekturbetrag für eine Verlangsamung verringert wird, um die Abgasemissionen zu verringern und die Brennstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern.
  • (12) Korrektur für ein Erhöhen unmittelbar nach dem Motorstart
  • Der Korrekturbetrag wird unmittelbar nach dem Motorstart erhöht, und danach wird der Korrekturbetrag allmählich verringert, um eine bessere Betriebsfähigkeit zu erreichen.
  • In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steuert das Steuermittel 56 die Menge an Wasserstoffgas, das dem Wasserstoffmotor 3 zugeführt wird, auf der Grundlage der Detektion des stromaufwärtsseitigen Abgassensors 54 als eine Rückkopplungsregelung so, dass das Abgas ein zuvor festgelegtes mageres Brennstoff-Luft-Verhältnis aufweist, und steuert die von der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 zugeführte Menge an Wasserstoffgas so, dass sie geringer ist als die, die dem Wasserstoffmotor 3 zugeführt wird.
  • Genauer gesagt, führt das Steuermittel 56 eine Rückkopplungsregelung aus, mit der die Menge an Wasserstoffgas, die von der Primäreinspritzdüse 37 der einlassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 31 in den Wasserstoffmotor 3 eingeleitet wird, auf der Grundlage des detektierten Signals von dem stromaufwärtsseitigen Abgassensor 54 so gesteuert wird, dass das Abgas ein zuvor festgelegtes mageres Brennstoff-Luft-Verhältnis (zum Beispiel λ = 1,05) aufweist.
  • Des Weiteren steuert das Steuermittel 56 das Wasserstoffgas, das von der Sekundäreinspritzdüse 39 der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 in das Abgasrohr 4 eingeleitet wird, so, dass es weniger ist als das, das von der Primäreinspritzdüse 37 der einlassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 31 in den Wasserstoffmotor 3 eingeleitet wird.
  • Bei einer Wasserstoffgaszufuhr-Basissteuerung ist die Menge der Primärzufuhr größer als die der Sekundärzufuhr, und die Sekundärzufuhr ist von sehr geringer Menge im Vergleich zur Menge der Primärzufuhr. Selbst wenn der Sollwert der Brennstoff-Luft-Verhältnis-Steuerung durch die Primärrückkopplungsregelung auf ein mageres Gemisch abzielt und darum die Sekundärzufuhr je nach dem Grad der Magerkeit größer wird, kann die Sekundärzufuhr relativ geringer sein als die Primärzufuhr.
  • Des Weiteren überwacht das Steuermittel 56 die Rate der Reduktion des Abgases nach dem Passieren des Katalysators mit Wasserstoffgas, das von der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 eingeleitet wird, auf der Grundlage der Detektion durch den stromabwärtsseitigen Abgassensor 55 und führt eine Rückkopplungsregelung aus, um die Menge der Wasserstoffgaszufuhr für deren Erhöhung oder Verringerung zu korrigieren.
  • Genauer gesagt, ist der Wasserstoffmotor 3 ein Zylindereinspritzsystem für die Brennstoffzufuhr.
  • Dementsprechend muss, wenn der Brennstoff während des Verdichtungshubes eingespritzt wird, der Zufuhrdruck (Einspritzdruck) des Wasserstoffgases, d. h. des Brennstoffs, von der Primäreinspritzdüse 37 den Innendruck der Brennkammer (des Zylinders) überwinden.
  • Aus diesem Grund muss der Zufuhrdruck durch den Druckregler 34 auf einen relativ höheren Druck als der atmosphärische Druck und der turbogeladene Druck dekomprimiert werden.
  • Nebenbei bemerkt, kann, wenn der Brennstoff vor dem Verdichtungshub eingespritzt wird, die Leistungsabgabe relativ niedriger sein, und der Zufuhrdruck (Einspritzdruck) kann bei einer mageren Verbrennung gering sein.
  • In diesem Moment muss der Zufuhrdruck (Einspritzdruck) von der Sekundäreinspritzdüse 39, die Sekundärwasserstoffgas in das Abgasrohr 4 einleitet, angesichts des Abgasdrucks des turbogeladenen Motors relativ höher sein.
  • Falls der Zufuhrdruck hoch ist, ist es bevorzugt, Wasserstoffgas nicht nur in das Abgasrohr 4 hinein zu zerstäuben, sondern auch zu konzentrieren, was die Betriebszeit der Sekundäreinspritzdüse 39, deren Betriebszeit von sich aus kürzer ist als die der Primäreinspritzdüse 37, weiter verkürzt.
  • Außerdem verdampft ein Teil der überschüssigen Sauerstoff (O2)-Gase durch die Wasserstoff (H2)-Gase in dem Katalysator 5, wodurch ein übermäßiger Anstieg der Temperatur des Katalysators verringert wird.
  • Dadurch kann erreicht werden, dass der Katalysator 5 innerhalb des Bereichs der aktiven Temperaturen gehalten wird.
  • Darüber hinaus kann selbst in dem Fall, dass der Wasserstoffmotor 3 einen Mehrzylindermotor umfasst, die Häufigkeit der Sekundärwasserstoffgaszufuhr je Kurbelwellenumdrehung geringer sein als die Anzahl der Zylinder, wodurch es möglich wird, die Einspritzzeitpunkte auf einen bestimmten Zylinder auszurichten.
  • Es kommt nur darauf an, dass das Zerstäubungsvermischen während des Strömens in dem Abgasrohr 4 erfolgt und die Abgaszusammensetzung nach dem Passieren des Katalysators im Zusammenwirken mit dem Rückhalten in dem Abgassystem durch den Katalysator 5 stärker gereinigt ist.
  • Des Weiteren gestattet eine präzise Rückkopplungsregelung mittels des stromaufwärtsseitigen Abgassensors 54 eine präzisere Korrektur durch den stromabwärtsseitigen Abgassensor 55.
  • In dem oben angesprochenen Abgasreinigungssystem 1 wird das Wasserstoffgas oder der Brennstoff in dem Speichertank 2 unter hohem Druck (im zweistelligen MPa-Bereich, zum Beispiel 35-70 MPa) gespeichert.
  • Wie durch Pfeile in 2 angedeutet, wird Wasserstoffgas unter hohem Druck in dem Speichertank 2 dann durch den Wasserstoffgaszufuhrdurchlass 33 des Wasserstoffgaseinspritzsystems 30 zu dem Druckregler 34 geleitet. Der Druckregler 34 dekomprimiert Wasserstoffgas unter hohem Druck (im zweistelligen MPa-Bereich, zum Beispiel 35-70 MPa) auf einen niedrigeren Druck (mehrere hundert kPa, zum Beispiel ein Mehrfaches des atmosphärischen Drucks).
  • Wie durch die Pfeile in 2 angedeutet, wird das dekomprimierte Wasserstoffgas durch den Primärzufuhrdurchlass 35 der einlassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 31 zu dem Zuleitungsrohr 36, das an dem Zylinderkopf 7 angebracht ist, geleitet und wird über die Primäreinspritzdüse 37, die an das Zuleitungsrohr 36 angeschlossen ist, direkt in die Brennkammer 10 eingespritzt. Das Wasserstoffgas wird dann verbrannt, um den Wasserstoffmotor 3 anzutreiben.
  • Zum Steuern einer mageren Verbrennung misst der stromaufwärtsseitige Abgassensor 54 stromaufwärts des Katalysators 5 das Verhältnis von Sauerstoff für die Rückkopplungsregelung, um die Kraftstoffeinspritzmenge so zu steuern, dass ein gewünschtes geringfügig mageres Brennstoff-Luft-Verhältnis (zum Beispiel λ = 1,05) erreicht wird.
  • Es ist anzumerken, dass, falls der Brennstoff mit einem Brennstoff-Luft-Verhältnis von eins oder mehr (λ 1) verbrannt wird, Stickstoff in dem Gemisch zu NOx oxidiert wird, wie im Folgenden gezeigt: H2 + O2 + N2 -> H2O + NOx + O2 + N2
  • Darum wird nicht nur die Primärwasserstoffgaszufuhr durch die Primäreinspritzdüse 37 der einlassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 31, sondern auch die Sekundärwasserstoffgaszufuhr durch die Sekundäreinspritzdüse 39 und die auslassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 ausgeführt.
  • Das Abgasrohr 4 stromaufwärts des Katalysators 5 ist mit der Sekundäreinspritzdüse 39 versehen, und der Druckregler 34 dekomprimiert Wasserstoffgas auf einen Druck (im zweistelligen MPa-Bereich), der sich von dem Druck des Wasserstoffgases für die Primäreinspritzdüse 37 unterscheidet.
  • Wie durch die Pfeile in 2. angedeutet, wird ein Teil der dekomprimierten Wasserstoffgase durch den Sekundärzufuhrdurchlass 38 der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 zu der Sekundäreinspritzdüse 39 geleitet und wird durch die Sekundäreinspritzdüse 39 in das Abgasrohr 4 eingespritzt. NOx, das in dem Abgas erzeugt wird, wird in dem Katalysator 5 mit Wasserstoffgas als Reduktionsmittel reduziert, um den Ausstoß von schädlichem NOx in die Atmosphäre zu vermeiden.
  • Gleichzeitig wird überschüssiges O2 in dem Katalysator mit Wasserstoffgas oxidiert, und ein Teil davon verdampft.
  • Dies wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:
    Figure 00140001
  • In dieser Situation kann der Einspritzzeitpunkt der Sekundäreinspritzdüse 39 zum Beispiel mit einer der Primäreinspritzdüsen 37 synchronisiert werden.
  • Um die Einspritzmenge an Wasserstoffgas in das Abgasrohr 4 durch die Sekundäreinspritzdüse 39 der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 zu steuern, überwacht der stromaufwärtsseitige Abgassensor 54 den λ-Wert. Das überschüssige Wasserstoffgas, das nicht zur Reduktion eingesetzt wurde, wird mittels des stromabwärtsseitigen Abgassensors 55 stromabwärts des Katalysators 5 so gesteuert, dass die Sekundäreinspritzdüse 39 kein Wasserstoffgas im Überschuss einspritzt.
  • Offene Pfeile in 2 zeigen den Strom der Einlassluft an.
  • Die Einlassluft, die den Luftreiniger 15 passiert hat, wird durch das Einlassrohr 16 zu dem Kompressor 25 des Turboladers 23 geleitet und wird in dem Kompressor 25 verdichtet und erreicht den Ladeluftkühler 29.
  • Die durch den Ladeluftkühler 29 gekühlte Ladeluft wird durch das Drosselklappengehäuse 18 mit der darin befindlichen Drosselklappe 17, den Ausgleichsbehälter 19 und den Einlasskrümmer 20 in die Brennkammer 10 des Wasserstoffmotors 3 eingeleitet.
  • In dem Drosselklappengehäuse 18 strömt, während das ISC-Ventil 42 der Leerlaufdrehzahlsteuerung 40 geöffnet ist, die Einlassluft in den Ausgleichsbehälter 19, während sie die Drosselklappe 17 durch den Umgehungsdurchlass 41 umgeht.
  • Schraffierte Pfeile in 2 zeigen den Strom des Abgases an.
  • Das Abgas, das aus der Brennkammer 10 des Wasserstoffmotors 3 ausgelassen wurde, wird über den Auslasskrümmer 21 und das Abgasrohr 4 in den Katalysator 5 des katalytischen Konverters 22 in dem Abgasrohr 4 eingeleitet.
  • Der Katalysator 5 verringert gleichzeitig die schädlichen Komponenten HC (hauptsächliche infolge des Durchblasgases), CO und NOx zum Reinigen des Abgases für das Ablassen ins Freie.
  • Als nächstes wird der Betrieb des Abgasreinigungssystems 1 des Wasserstoffmotors 3 anhand des Steuerungsflussdiagramms in 1 erläutert.
  • Ein Steuerprogramm für das Abgasreinigungssystem 1 startet bei Schritt 102, und in Schritt 104 wird bestimmt, ob ein λ-Rückmeldungszustand, wie zum Beispiel, ob der Motor warm ist, EIN ist.
  • Wenn die Bestimmung in Schritt 104 "Nein" ist, so wird die Bestimmung in Schritt 104 wiederholt, bis der λ-Rückmeldungszustand EIN ist.
  • Wenn die Bestimmung in Schritt 104 "Ja" ist, so wird in Schritt 106 ein Prozess zum Beginnen der λ-Rückmeldungsoperation ausgeführt.
  • In dieser λ-Rückmeldungsoperation in Schritt 106 arbeiten die Primäreinspritzdüse 37 und der stromaufwärtsseitige Abgassensor 54, das heißt, der λ-Sensor, für eine gewöhnliche PI-Steuerung.
  • Die PI-Steuerung wird allgemein als Proportional- und Integraloperation bezeichnet, wobei die Integraloperation auf die Proportionaloperation angewendet wird. Nach dem Schritt 106 wird in Schritt 108 ein Regelkreisprozess (Teilkreis) ausgeführt.
  • In dem Regelkreis (Teilkreis) in Schritt 108 werden die Signale, die durch den stromabwärtsseitigen Abgassensor 55 als dem H2-Sensor detektiert werden, empfangen, und in Schritt 110 wird bestimmt, ob die H2-Konzentration mindestens so hoch ist wie eine Konstante CH2 (Konzentration von H2 CH2).
  • Wenn die Bestimmung in Schritt 110 "Ja" ist, so wird in Schritt 112 ein Prozess ausgeführt, der ein Signal für eine Ventilöffnungszeit der Sekundäreinspritzdüse 39 um einen Erhöhungs-/Verringerungswert TH2 der Einspritzdüsenbetriebszeit verringert (auch als eine "Sollkonzentrationsrückkopplungsregelungskonstante" bezeichnet).
  • Wenn die Bestimmung in Schritt 110 "Nein" ist (d. h. Konzentration von H2 < CH2), so wird in Schritt 114 ein Prozess ausgeführt, der das Signal für die Ventilöffnungszeit der Sekundäreinspritzdüse 39 um den Wert TH2 für die Einspritzdüsenbetriebszeit erhöht.
  • Nach den Schritten 112 und 114 kehrt der Prozess zu Schritt 110 zurück, wo bestimmt wird, ob die H2-Konzentration mindestens so groß ist wie die Konstante der Soll-H2-Konzentration.
  • Nach dem Prozess in Schritt 108 wird bestimmt, ob der λ-Rückmeldungszustand AUS ist.
  • Wenn die Bestimmung in Schritt 116 "Nein" ist, so kehrt der Prozess zu Schritt 106 zurück, um zu bestimmen, ob der λ-Rückmeldungszustand EIN ist.
  • Wenn die Bestimmung in Schritt 116 "Ja" ist, so endet das Programm in Schritt 118.
  • Wie also beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein Abgasreinigungssystem 1 für den Wasserstoffmotor 3 bereit, der den Wasserstoffspeichertank 2 zum Speichern von Wasserstoff unter hohem Druck, den Wasserstoffmotor 3 zum Verbrennen von Wasserstoff, der aus dem Wasserstoffspeichertank 2 zugeführt wird, und dem Katalysator 5, der in dem Abgasrohr 4 des Wasserstoffmotors 3 angeordnet ist, aufweist. Das Abgasreinigungssystem 1 ist in der Lage, während des Betriebes des Wasserstoffmotors 3 Wasserstoffgas durch das Abgasrohr 4 zuzuführen. Der stromaufwärtsseitige Abgassensor 54 ist in dem Abgasrohr 4 stromaufwärts des Katalysators 5 zum Detektieren der Abgaszusammensetzung angeordnet. Die auslassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 ist stromaufwärts des stromaufwärtsseitigen Abgassensors 54 zum Einspritzen von Wasserstoffgas in das Abgasrohr 4 angeordnet. Das Steuermittel 56 steuert die Menge an Wasserstoffgas, das dem Wasserstoffmotor 3 zugeführt wird, auf der Grundlage der Detektion des stromaufwärtsseitigen Abgassensors 54 als eine Rückkopplungsregelung, um ein Abgas mit einem zuvor festgelegten mageren Brennstoff-Luft-Verhältnis zu erhalten, und steuert die von der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 zugeführte Menge an Wasserstoffgas so, dass sie geringer ist als die, die dem Wasserstoffmotor 3 zugeführt wird.
  • Dementsprechend wird die Verbrennung des Gases im Durchschnitt in einem Magergemischzustand gehalten, wodurch die Emissionen des Abgaselements, insbesondere NH3, deutlich verringert werden.
  • Resultierendes zunehmendes NOx kann selektiv in dem Katalysator durch die Zugabe des eingeleiteten Sekundärwasserstoffgases verringert werden, wodurch ein insgesamt hoher Grad an Reinigungsleistung des Katalysators aufrechterhalten wird.
  • Des Weiteren kann der Verbrauch des eingeleiteten Sekundärwasserstoffgases verringert werden.
  • Des Weiteren überwacht das Steuermittel 56 die Rate der Reduktion des Abgases nach dem Passieren des Katalysators mit Wasserstoffgas, das von der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 32 eingeleitet wird, auf der Grundlage der Detektion durch den stromabwärtsseitigen Abgassensor 55 und führt eine Rückkopplungsregelung aus, um die Menge der Wasserstoffgaszufuhr für deren Erhöhung oder Verringerung zu korrigieren.
  • Dadurch kann der Verbrauch des eingeleiteten Sekundärwasserstoffgases deutlich verringert werden, wodurch die Abgasreinigungsleistung und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, und es können Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden.
  • Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung agiert der stromabwärtsseitige Abgassensor als der Wasserstoff (H2)-Sensor zum Steuern von überschüssigem Wasserstoffgas, das nicht für die Reduktion eingesetzt wurde, und die Brennstoffeinspritzmenge von der Sekundäreinspritzdüse wird so gesteuert, dass kein Überschuss eingespritzt wird. Anstelle des Wasserstoff (H2)-Sensors kann der stromabwärtsseitige Abgassensor auch als der Sauerstoff (O2)-Sensor agieren, um die O2-Menge in dem Abgas zur Rückkopplungsregelung der Menge an Wasserstoffgas, das von der Sekundäreinspritzdüse in das Abgasrohr eingespritzt wird, zu überwachen. Alternativ kann ein NOx-Sensor verwendet werden.
  • Wenn der Sauerstoff (O2)-Sensor anstelle des Wasserstoff (H2)-Sensors verwendet wird, so kann ein Verhältnis der Reduktion mit Wasserstoffgas durch den Katalysator empirisch ermittelt werden, so dass der Sauerstoffsensor als ein Äquivalent verwendet werden kann.
  • Des Weiteren kann in gewöhnlichen mager verbrennenden Benzinmotoren und Dieselmotoren eine Reduktion von NOx erreicht werden, wenn der Motor so aufgebaut ist, dass ein Wasserstoffspeichertank zur Reduktion vorhanden ist und Wasserstoffgas in dem Tank in das Abgas eingespritzt wird.
  • Des Weiteren kann in einem bestimmten Motorbetriebsbereich auf der Grundlage der Motorlast die Menge an Wasserstoffgas, das von der Sekundäreinspritzdüse als die Sekundärzufuhr eingeleitet wird, innerhalb solcher Grenzen gehalten werden, dass sich die Gesamteinspritzmenge auf der mageren Seite des stoichiometrischen Gemischverhältnisses – auf der Grundlage der Zufuhrmenge von der Primäreinspritzdüse als der Primärzufuhr – befindet.
  • Des Weiteren verringert – gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform – der Druckregler auf einmal den Druck in einem einzigen Schritt, wobei er das Wasserstoffgas unter hohem Druck (im zweistelligen MPa-Bereich, zum Beispiel 35-70 MPa), auf einen niedrigeren Druck (mehrere hundert kPa, zum Beispiel ein Mehrfaches des atmosphärischen Drucks) verringert. Stattdessen kann eine Mehrschrittdekompression möglich sein, wobei die Dekompression in mehr als zwei Stufen ausgeführt wird, wie zum Beispiel als Primärdekompression und Sekundärkompression.
  • Dadurch ermöglicht die Mehrschrittdekompression die Dekompression von Wasserstoffgas auf allmähliche und zuverlässige Weise.
  • Des Weiteren kann als der Katalysator auch ein Katalysator für "Doppelbrennstoff", wie zum Beispiel Verdampfungsbrennstoff-Benzin, und ein Katalysator für ein FFV (Flexible Fuel Vehicle – Kraftstoffflexibles Kraftfahrzeug) verwendet werden.
    • 1
    Abgasreinigungssystem
    2
    Wasserstoffspeichertank
    3
    Wasserstoffmotor
    4
    Abgasrohr
    5
    Katalysator
    10
    Brennkammer
    16
    Einlassrohr
    20
    Einlasskrümmer
    21
    Auslasskrümmer
    22
    katalytischer Konverter
    23
    Turbolader
    29
    Ladeluftkühler
    30
    Wasserstoffgaseinspritzsystem
    31
    einlassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung
    32
    auslassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung
    33
    Wasserstoffgaszufuhrdurchlass
    34
    Druckregler
    35
    Primärzufuhrdurchlass
    37
    Primäreinspritzdüse
    38
    Sekundärzufuhrdurchlass
    39
    Sekundäreinspritzdüse
    40
    Leerlaufdrehzahlsteuerung
    42
    ISC-Ventil
    47
    Brennstoffdrucksensor
    49
    Motorkühlmitteltemperatursensor
    50
    Drosselsensor
    52
    Einlassdrucksensor
    53
    Einlasstemperatursensor
    54
    stromaufwärtsseitiger Abgassensor (Brennstoff-Luft-Sensor oder λ-Sensor)
    55
    Stromabwärtsseitiger Abgassensor ("H2-Sensor")
    56
    Steuermittel ("ECM")
    57
    Kurbelwinkelsensor

Claims (2)

  1. Abgasreinigungssystem für einen Wasserstoffmotor, mit – einem Wasserstoffspeichertank zum Speichern von Wasserstoff unter hohem Druck, – einem Wasserstoffmotor zum Verbrennen von Wasserstoff, der aus dem Wasserstoffspeichertank zugeführt wird, und – einem Katalysator, der in einem Abgasrohr des Wasserstoffmotors angeordnet ist, – wobei das Abgasreinigungssystem in der Lage ist, während des Betriebes des Wasserstoffmotors Wasserstoffgas in das Abgasrohr einzuleiten, mit: – einem stromaufwärtsseitigen Abgassensor, der in dem Abgasrohr stromaufwärts des Katalysators zum Detektieren des Abgaselements angeordnet ist; – einer auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung, die stromaufwärts des stromaufwärtsseitigen Abgassensors zum Einspritzen von Wasserstoffgas in das Abgasrohr angeordnet ist, – einem Steuermittel, das die Menge an Wasserstoffgas für die Zufuhr zu dem Wasserstoffmotor auf der Grundlage der Detektion durch den stromaufwärtsseitigen Abgassensor als eine Rückkopplungsregelung steuert, um ein Abgas mit einem zuvor festgelegten mageren Brennstoff-Luft-Verhältnis zu erhalten, und das die von der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung zugeführte Menge an Wasserstoffgas so steuert, dass sie geringer ist als die, die dem Wasserstoffmotor zugeführt wird.
  2. Abgasreinigungssystem für einen Wasserstoffmotor nach Anspruch 1, wobei ein stromabwärtsseitiger Abgassensor zum Detektieren der Abgaszusammensetzung in dem Abgasrohr stromabwärts des Katalysators angeordnet ist, und das Steuermittel eine Rate der Reduktion des Abgases nach dem Passieren des Katalysators mit Wasserstoffgas, das von der auslassseitigen Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung eingeleitet wird, auf der Grundlage der Detektion durch den stromabwärtsseitigen Abgassensor überwacht und eine Rückkopplungsregelung ausführt, um die Menge der Wasserstoffgaszufuhr für deren Erhöhung oder Verringerung zu korrigieren.
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