JP2001510260A - 内燃機関からの有害な排気の低減用の装置および方法 - Google Patents

内燃機関からの有害な排気の低減用の装置および方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、排気ガス触媒（９）の急速な加熱による内燃機関（１）からの有害な排気を低減するための装置に関し、該排気ガス触媒は、該内燃機関（１）に属する排気系（８）に配列されており、該装置は、該触媒（９）の上流の該排気系（８）に水素を供給する手段（１１、１６）および空気を供給する手段（２１；１１、１３）、およびまた、該手段（１１、１３、１６、２１）の機能を制御するための制御ユニット（５）を包含し、該触媒（９）と共同して、水素および空気の混合物は、自然発熱性の燃焼を生じる。本発明は、以下により、特徴付けられる：該制御ユニット（５）は、所定期間（ｔ）にわたって、該内燃機関（１）の始動と関連して、該排気系への空気および水素の供給を制御するように適合されており、該期間は、少なくとも、該排気ガス触媒（９）が、その機能がＣＯまたはＨＣ被毒作用により妨害されない限界温度に達するまで、持続する。本発明はまた、有害な排気のこのような低減のための方法に関する。本発明によって、触媒（９）の短い加熱時間が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】
（技術分野） 本発明は、上記請求項１の特徴部分前に記載の内燃機関からの有害な排気を低
減するための装置に関する。本発明は、特に、この内燃機関の入口側および／ま
たは排気ガス側に水素ガスを供給するように適合した内燃機関に関連して使用す
ることを意図している。本発明はまた、上記請求項１４の特徴部分前に記載の有
害な排気において、このような低減のための方法に関する。 （従来の技術） 内燃機関の助けを借りて操作される車両に関連して、この内燃機関からの排気
ガス中の有害物質の排気を少なくするための一般的な必要条件がある。これらの
物質は、主として、窒素酸化物不純物（ＮＯx）、炭化水素不純物（ＨＣ）およ び一酸化炭素（ＣＯ）の形状の不純物からなる。近代的なガソリンエンジンに関
する限り、その排気ガスは、通常、その排気系（そこを通って、この排気ガスが
案内される）に属する排気ガス触媒の助けを借りて、清浄にされる。公知の種類
の三元触媒では、前記有害不純物の大部分は、公知の触媒反応によって、取り除
かれる。
【０００１】 この触媒がＮＯx、ＨＣおよびＣＯに対してできるだけ大きな清浄効果を与え るように、この触媒の機能を最適化するために、この内燃機関は、殆どの操作の
場合、化学量論量の空気／燃料混合物（すなわち、全ての酸素が燃焼中に消費さ
れて排気ガス流中に過剰の酸素が現れないような様式で、燃料量を空気量に調節
した混合物）と共に、操作される。内燃機関に関しては、これは、しばしば、λ
＝１により表わされる。
【０００２】 現代の三元触媒は、高い清浄度を達成し、これは、有害な不純物の環境への排
気を大きく制限するものの、今日では、このような排気をさらに低減することが
要求されている。これらの要求は、特に、様々な国において、 ＮＯx、ＨＣお よびＣＯ不純物の極めて低い排気に対する要求と共に、ますます厳しくなる法律
に起因している。
【０００３】 現在の三元触媒に関連した１つの欠点には、それらを所定の点火温度（ライト
オフ（ｌｉｇｈｔ ｏｆｆ）温度）（この温度では、それらは、最適な清浄機能
を与え得る）まで加熱しなければならないという事実がある。特に、始動後の内
燃機関の初期加熱段階中では、排気ガスの排気は、比較的に高い。このライトオ
フ温度より低い温度では、従って、必要な触媒反応は、充分に大きな程度までは
起こらない。このライトオフ温度は、この触媒が５０％の転化率を与える温度と
して、定義できる。現在の触媒は、約２００〜３００℃のライトオフ温度で作動
する。
【０００４】 この初期加熱段階中での有害な排気物の量を低減するために、多数の解決法が
提案されている。これらの解決法の多くは、この触媒の温度をできるだけ早く上
げることにより、このライトオフ温度に達するのにかかる時間が短くなるという
事実に基づいている。三元触媒を急速に加熱する１つの方法には、電気的に加熱
可能な触媒（これは、電池から供給された電流により加熱されるように、適合で
きる）を使用することがある。この方法の主な欠点には、非常に大きな電流供給
が必要なことがある。このことは、この車両が、もちろん、（例えば、この車両
の始動モーターおよび電気加熱した窓および座席を作動できるように）、特に高
い電流を要するこの内燃機関の開始サイクルにおいて、特にあてはまる。通常、
このような電気的に加熱可能な触媒を使用することが可能なら、この車両では、
特に強力な出力システムが必要である。電気的に加熱可能な触媒に関連したさら
に別の問題には、その寿命が限定される危険性があることがある。さらに、この
高い出力要件により、このエンジンの負荷が比較的に高くなり、これは、排気の
増加および燃料消費の上昇を起こし得る。
【０００５】 この三元触媒がそのライトオフ温度に達するのにかかる時間を短くする他の方
法には、別のより少ない一次触媒（これは、通常の三元触媒の上流に位置してい
る）を使用することがある。この一次触媒を適当に配置し設計すると、（その発
熱反応のために）、この三元触媒を配置した下流を通って流れる排気ガスの温度
が上昇する。さらに、この一次触媒は、全体として、この触媒系からの排気の低
減に寄与する。しかしながら、この方法の欠点には、この上流に配置した一次触
媒が、このエンジンの外部気体交換に対して、好ましくない影響を与え得ること
がある。さらに、このような一次触媒は、通常、このエンジンの比較的に近くに
配列されており、これにより、このエンジンの近傍で広く存在している高温の結
果として、エージングに関連した問題が起こり得る。
【０００６】 この三元触媒のライトオフ時間を短くするさらに別の方法には、このエンジン
の点火の瞬間を遅らせることがあり、これにより、この排気ガスの温度の上昇お
よび排気の低減が生じる。この方法の欠点には、燃料消費が比較的に高くなるこ
とがある。さらに、もし、充分に迅速かつ強力な様式で燃焼が起こらないなら、
このエンジンにて、部分的な点火失敗の危険性がある。これにより、次に、運転
性が損なわれ、排気が増加し得る。
【０００７】 この三元触媒のライトオフ時間を短くするさらに別の方法には、この三元触媒
へと燃焼性ガス流を向かわせ、それを、別個の点火装置を助けを借りて点火させ
ることがある。このようにして、この触媒の効果的かつ迅速な加熱が達成される
。この方法の欠点には、別個の点火装置が必要なことがあり、これは、次に、信
頼性に関する問題を生じ、また、この車両の製造において、余分なコストがかか
る。さらに、この方法は、その触媒被覆に対して、非常に高い熱負荷（熱ショッ
ク）を起こし、これは、この触媒の寿命を限定し得る。
【０００８】 さらに、この三元触媒は、また、この三元触媒と密接に関連して、ガスを自然
燃焼させる（すなわち、別個の点火装置なしで）ことにより、迅速に、そのライ
トオフ温度にさせ得る。この原理を適用するシステムは、特許明細書ＷＯ ９６
／１１３３０に開示されている。このシステムによれば、別個の電解装置の助け
を借りて、この車両に、水素ガスが発生する。この水素ガスは、第二空気ポンプ
から供給される追加空気と共に、この三元触媒の上流の点まで供給される。この
水素を、この三元触媒と密接に関連した空気と共に自然燃焼させることにより、
この三元触媒を急速に加熱できる。
【０００９】 ＷＯ ９６／１１３３０による系は、原理的に、満足のいく機能を与えるもの
の、それにもかかわらず、ある種の欠点がある。第一に、この公知のシステムは
、この三元触媒の異なるパラメータを考慮に入れておらず、そのエンジンシステ
ムは、一般に、この三元触媒の加熱に対して満足な機能が達成できるように（す
なわち、全ての既存の状況下にて、そのライトオフ温度に急速に到達できるよう
に）、最適化しなければならないことを指摘しておく。さらに、この公知の装置
は、この触媒に関して、一定の火炎形成の危険性を含んでいる。さらに別の欠点
には、別個の第二空気ポンプの助けを借りた空気供給が必須条件であることがあ
る。
【００１０】 排気ガスを触媒の助けを借りて清浄にすることに関連して生じ得るさらに別の
問題には、ある種の気体組成の場合では、ＨＣ、ＣＯおよびある種の他の物質が
存在しているために、この触媒の活性表面を被毒することがある。この触媒被毒
作用は、そのライトオフ温度（これは、この排気ガス中の水素含量が通常レベル
（＜１％のオーダー）の場合には、２００〜３００℃のオーダーであるのに対し
て、高い水素含量（少なくとも約４％）の場合には、ほぼ１００〜１３０℃であ
る）を大きく左右する。 （発明の説明） 本発明の目的は、内燃機関からの有害な排気を低減する改良装置を提供するこ
とにあり、これは、最適な様式で、三元触媒がそのライトオフ時間に達する時間
を短くする。この目的は、その特徴的な機能が上記請求項１から現れる装置によ
り、達成される。該目的は、また、その特徴的な機能が上記請求項１４から現れ
る方法により、達成される。
【００１１】 本発明は、排気ガス触媒の急速な加熱による内燃機関からの有害な排気を低減
するための装置であって、この排気ガス触媒は、該内燃機関に属する排気系に配
列されている。本発明は、該触媒の上流の排気系に水素を供給する手段および空
気を供給する手段を包含し、この触媒と共同して、水素および空気の混合物は、
自然発熱性の燃焼を生じる。本発明はまた、該手段の機能を制御するための制御
ユニットを包含する。本発明は、以下により、特徴付けられる：該制御ユニット
は、所定期間にわたって、この内燃機関の始動と関連して、この排気系への空気
および水素の供給を制御するように適合されており、この期間は、少なくとも、
この排気ガス触媒が、その機能がＣＯまたはＨＣ被毒作用により妨害されない限
界温度に達するまで、持続する。この触媒の短い加熱時間は、本発明の正確な最
適化により、達成される。
【００１２】 本発明のさらに他の目的は、ＣＯおよびＨＣ不純物の排気をほぼなくしつつ、
エンジンの安定な始動サイクルを提供することにある。本発明の好ましい実施態
様によれば、この目的は、この始動サイクル中に（すなわち、このエンジンに液
体燃料を供給する前に）、このエンジンの入口側に水素を供給することにより、
達成できる。「液体燃料」との用語は、このエンジン用の通常の燃料を意味し、
これは、現在では、殆どの市場では、ガソリンまたはアルコール／ガリリン混合
物からなる。
【００１３】 本発明の有利な実施態様は、上記の従属請求項から現れる。 （好ましい実施態様） 図１は、本発明による装置を概略的に示す。好ましい実施態様によれば、本発
明は、従来のガソリンエンジンの形状での内燃機関１に関連して、配列されてい
る。内燃機関１には、空気噴射口２によって、通常の様式で、流入空気が供給さ
れる。内燃機関１には、また、多数（例えば、４個）のシリンダー３だけでなく
、対応する数の燃料噴射装置４が備え付けられている。各噴射装置４は、中心制
御ユニット５に電気的に接続されている。内燃機関１に供給する空気の量は、ガ
ススロットル６の助けを借りて、公知の様式で調節される。
【００１４】 制御ユニット５は、好ましくは、コンピューターベースであり、一定に調節し
た空気／燃料混合物が内燃機関１に供給されるように、燃料タンク（図示せず）
からの燃料で、各噴射装置４への燃料供給を制御するように適合されている。こ
の実施態様による内燃機関１は、複数点噴射型であり、ここで、内燃機関１用の
正しい量の燃料は、公知の様式で、各シリンダー３に個々に供給できる。
【００１５】 内燃機関１からの排気ガスは、分枝パイプ７を経由して、シリンダー３から、
分枝パイプ７に接続された排気パイプ８へと前方へ引き出される。排気パイプ８
に沿ったさらに下流には、排気ガス触媒９が配列されており、これは、ＮＯxお よびＨＣ不純物およびＣＯを低減するための通常の三元触媒からなり、この低減
は、公知の触媒反応によって、起こる。
【００１６】 内燃機関１が運転している間、制御ユニット５は、現在の操作条件に絶えず適
合されるように、この空気／燃料混合物を内燃機関１に制御するように適合され
ている。この目的上、この系は、この排気ガス中の酸素濃度を検出するための少
なくとも１個のセンサを包含する。この図では、センサ１０が示され、これは、
好ましくは、ラムダ−プローブ（ｌａｍｂｄａ−ｐｒｏｂｅ）型であり、電気接
続によって、制御ユニット５に接続されている。センサ１０は、好ましくは、排
気パイプ８にて、触媒９の上流側に配置されている。内燃機関１の制御は、内燃
機関１およびそれが関与する車両の操作条件を反映する種々のパラメータに依存
して、ほぼ公知な様式で、起こる。例えば、この内燃機関の制御は、加えられる
加速、この内燃機関の速度、この内燃機関への空気の量およびこの排気ガス中の
酸素濃度に依存して、起こり得る。
【００１７】 この図で示した内燃機関１は、４気筒型である。しかしながら、本発明は、異
なる数のシリンダーおよび異なるシリンダー形状を備えた内燃機関で使用し得る
ことに注目すべきである。さらに、本発明は、原理的には、また、単一点噴射の
場合にも使用し得、この場合、この内燃機関の入口パイプには、単一の燃料噴射
装置が配置されている。
【００１８】 本発明によれば、内燃機関１には、水素ガス容器１１を供給できる。この内燃
機関の入口側への水素の供給は、第一水素ガスライン１２により起こり、このラ
インは、空気入口２へと開いており、そして第一バルブ１３の助けを借りて制御
され、この第一バルブは、好ましくは、電気的に制御でき、そしてこの目的のた
めに、制御ユニット５に接続されている。さらに、内燃機関１の排気ガス側にも
また、容器１１から、水素ガスが供給できる。これは、排気パイプ８へと開いた
第二水素ガスライン１５を経由して、起こる。この排気ガス側への水素の供給は
、第二バルブ１６の助けを借りて制御され、この第二バルブもまた、好ましくは
、電気的に制御でき、従って、制御ユニット５に接続されている。
【００１９】 空気入口２および／または排気パイプ８へと供給すべき水素は、好ましくは、
別個の電解装置１７の助けを借りて、この車両で発生し、この電解装置は、さら
に別のライン１８を経由して、水素ガス容器１１に接続されている。水用の容器
１９もまた、さらに別のライン２０を経由して、電解装置１７に接続されている
。
【００２０】 電解により水素ガスを発生させるための装置は、この図では、概略的に示され
ているにすぎない。このような水素の発生は、それにもかかわらず、例えば、特
許明細書ＷＯ ９６／１１３３０から、それ自体、以前に本来公知であり、従っ
て、ここでは詳細には記述しない。しかしながら、電解装置１７の助けを借りて
、圧力下の水素が発生し、バルブ１３、１６の１個を経由して、内燃機関１の系
お吸気系よび／または排気系へと供給されるまで、容器１１に保存されると明言
できる。
【００２１】 内燃機関１を運転している間、電解装置１７は、好ましくは、起動されており
、このことは、水素が発生して圧力下にて容器１１に保存されることを意味して
いる。制御ユニット５もまた、内燃機関１の所定の操作条件下にて（好ましくは
、この内燃機関が冷えていて、従って、この触媒を、できるだけ早く、そのライ
トオフ温度まで加熱する必要があるとき）、バルブ１６を開けて触媒９の上流の
点へと水素を供給するように、適合されている。本発明はまた、燃焼性ガス混合
物を形成するように、該水素と混合するために、排気系８に空気を供給するよう
に適合されている。この目的上、制御ユニット５は、触媒を通って流れる排気ガ
ス混合物中にて、所定量の過剰酸素が発生するように、内燃機関１の機能を制御
するように適合されている。この空気供給を得る１方法には、ほぼ水素だけを使
用して内燃機関１を操作することがあり、これは、好ましくは、内燃機関１の始
動に関連して、所定時間にわたって起こる。それ自体公知の燃焼方法に従うと、
この水素供給により、この燃焼は、リーン操作の方へと制御でき、リーン燃料／
空気混合物は、排気ガス側にて、酸素過剰（さらに具体的には、４％以上の酸素
含量を有する排気ガス混合物）が生じるように、燃焼される。
【００２２】 この排気系への空気の供給を起こす他の方法には、別個の第二空気ポンプ２１
を使用することがあり、これは、次いで、空気ライン２２を経由して、水素ライ
ン１５に沿った点へと空気を供給するように適合されている。空気ポンプ２１は
、制御ユニット５に電気的に接続されている。以下の詳細な説明によれば、制御
ユニット５は、一定の制御条件下にて空気ポンプ２１を起動するように、適合さ
れている。さらに、空気ライン２２は、好ましくは、バルブ１６のすぐ下流に存
在する点で水素ガスライン１５へと開くように、適合されている。このようにし
て、空気および水素の初期混合は、この気体混合物が排気パイプ８に達する前に
起こり得、その結果、均一な気体混合物が得られる。
【００２３】 （この内燃機関の水素補助リーン操作によるか、または、空気ポンプ２１の助
けを借りるか、いずれかにより）、この排気系に供給される空気は、ライン１５
を経由して既に供給された水素と混合される。これは、次に、触媒９と共同して
、自然発熱性の燃焼を生じる。これにより、加熱が起こり、これは、次に、触媒
が、そのライトオフ温度に急速に加熱される。
【００２４】 上で述べたように、本発明による装置は、好ましくは、水素ガスを内燃機関１
の入口側に供給できるように、適合される。さらに具体的には、このような水素
供給は、内燃機関１の始動後、最初の数秒の間に、起こり得る。この段階では、
従って、好ましくは、水素だけが供給され、すなわち、液体燃料（これは、通常
、ガソリンまたは適当なアルコール／ガソリン混合物からなる）のいずれの同時
供給も行わない。このようにして、多数の利点が得られる。第一に、内燃機関１
からのＣＯ、ＣＯ2およびＨＣ不純物の排気は、この段階では、事実上、なくす ことができると指摘し得る。この水素ガス供給によって、特に、寒冷始動中にて
、この内燃機関の非常に安定な始動サイクルもまた、起こる。さらに、ラムダ制
御は、供給される酸素の量を特に正確に制御する必要がないので、簡単である。
【００２５】 この始動サイクルそれ自体の間にて、水素ガスのみを使用して内燃機関１を操
作する場合には、制御ユニット５は、好ましくは、この水素供給を徐々に絞りつ
つ、液体燃料が徐々に供給されるように様式で、適合される。この液体燃料のフ
ェイジング−イン（ｐｈａｓｉｎｇ−ｉｎ）は、内燃機関１の始動後の一定の瞬
間で、起動される。
【００２６】 本発明の機能を、今ここで、詳細に記述する。内燃機関１の始動時にて、触媒
９が冷えているとき、触媒９をできるだけ早く加熱して、このようにして、それ
が急速にそのライトオフ温度に達するようにすることは、最大限に重要である。
本発明によれば、この急速な加熱は、いくつかの様式で達成できる。第一の実施
態様によれば、本発明は、「プレ−クランク（ｐｒｅ−ｃｒａｎｋ）」サイクル
中に（すなわち、エンジン１を始動する前に開始するサイクルに従って）、使用
できる。このプレ−クランクサイクルは、好ましくは、例えば、ブレーカーの形
状で、別個の近接センサ（これは、本発明を使用する車両において、その運転者
の存在を感知し、この目的上、この車両のドア（図示せず）に配列できる）の助
けを借りて、開始できる。このブレーカー２３は、次いで、制御ユニット５に電
気的に接続される。この車両の運転者が車を始動するために来て、問題のドアを
開くと、ブレーカー２３から制御ユニット５へと信号が出される。これにより、
制御ユニット５は、水素容器１１からの水素の供給を開始する。同時に、空気ポ
ンプ２１もまた、空気を供給するために、制御ユニット５により起動される。制
御ユニット５もまたバルブ１６を開放位置に設定するという事実によって、水素
ライン１５の下流部分にて、水素および空気が混合される。この気体混合物は燃
焼され、熱が発生する。この排気ガス側への水素ガスの供給は、好ましくは、そ
れが全気体量の０〜２８％（容量パーセント）、好ましくは、３〜１８％の量に
達するような様式で、制御される。排気パイプ８での気体混合物中のこのような
水素割合により、触媒９の上流末端部の相当な加熱が起こり、これにより、触媒
９の急速な加熱が可能となることが明らかとなった。
【００２７】 あるいは、この車両の運転者の存在を検出し、その存在が検出されると、この
プレ−クランクを開始するために、他の型の近接センサが使用できる。例えば、
容量性の近接センサは使用し得、これは、以下の型のセンサである：このセンサ
では、運転者の座席と関連して、導電性要素が配列されており、一定の電気容量
を形成するように適合されており、その値は、別個の測定ユニットにより、検出
できる。このようにして、該電気容量の一定の所定値は、それぞれ、この座席に
おける運転者の存在または不在に対応し得る。存在が検出されると、上記による
プレ−クランクサイクルが、次いで、起動できる。
【００２８】 このプレ−クランク中にて、従って、内燃機関１を始動する前に、触媒９と共
に、水素および空気の混合物が燃焼され、その結果、触媒９は、急速に加熱でき
る。このサイクル中にて、内燃機関１には、液体燃料（従って、炭化水素）は未
だに供給されていないので、この排気系には、一酸化炭素（ＣＯ）は供給されな
い。このことは、上で説明したように、触媒９のＣＯ被毒作用の危険性がないこ
と（もし、これがあれば、そのライトオフ温度に大きく影響を与え得る）を意味
している。もし、この触媒を、該プレ−クランクサイクルに従って、限界温度Ｔ G （この温度では、その活性表面は被毒されない）まで加熱するなら、ＣＯ被毒 作用はなくされる。車両で通常使用されている型の触媒については、この限界温
度ＴGは、１００〜１３０℃のオーダーである。
【００２９】 この実施態様によれば、この空気および水素の混合物は、所定期間ｔにわたっ
て、排気パイプ８に供給されるが、この時間は、少なくとも、該限界温度ＴGに 達するまで、持続する。この触媒を限界温度ＴGまで加熱したとき、その水素に 富んだ環境でのＣＯ被毒作用の危険性は、従って、なくされる。内燃機関１は、
次いで、通常の様式で始動できる。内燃機関１を始動したとき、一酸化炭素は、
（このエンジン燃料中に含有されている炭化水素の不完全燃焼のために）、触媒
９を通って供給されるが、この一酸化炭素は、触媒９を限界温度ＴGまで加熱し たので、いずれのＣＯ被毒作用も生じない。引き続いて、触媒９は、従って、そ
の通常のライトオフ温度ＴL（これは、通常、２００〜３００℃のオーダーであ る）に達するまで、この水素に富んだ環境にて、この水素／空気混合物により供
給される。このエンジン系は、次いで、通常の排気ガス環境で（すなわち、水素
を供給することなく）、制御できる。
【００３０】 このプレ−クランクサイクルを起動する時間（これは、通常、内燃機関１を始
動する前にかかる時間である）は、所定の因子（例えば、該限界温度ＴGに達す るまでに必要な予想時間）により、規定できる。このような場合には、制御ユニ
ット５は、この所定時間中にて、このプレ−クランクサイクルを起動するように
適合される。あるいは、この時間は、例えば、触媒９の温度またはその外部温度
に依存し得る。このような場合には、このような温度値は、温度センサ（図示せ
ず）により検出でき、制御ユニット５は、このプレ−クランクサイクルを遮断し
て所定の限界値に達したときに内燃機関１を始動するように、適合できる。
【００３１】 上記エンジンにてＣＯ被毒作用が起こり得るのと同じ様式で、ディーゼルエン
ジンでは、ＨＣ被毒作用もまた、起こり得る。本発明は、従って、エンジンの始
動と関連して、空気および水素を排気系に供給するために使用でき、これは、所
定期間にわたって起こり、この期間は、少なくとも、この触媒が、その機能がＣ
ＯまたはＨＣ被毒作用により妨害されない限界温度に達するまで、持続する。
【００３２】 この触媒のライトオフ温度に急速に達するさらに別の方法には、「ポスト−ク
ランク（ｐｏｓｔ−ｃｒａｎｋ）」（すなわち、この内燃機関を始動したのとほ
ぼ同時に開始して内燃機関１を始動した後一定期間継続するサイクル）を使用す
ることがある。これに関連して、この排気ガス側での必要な空気供給は、前記空
気ポンプ２１の助けを借りて、または代替実施態様に従って、一定時間にわたっ
て、この内燃機関をほぼ水素だけで操作することにより、達成できる。特に、制
御ユニット５は、次いで、この内燃機関の排気ガスにおいて酸素過剰が作られる
ように、この内燃機関への水素ガスの供給を制御するように、適合される。この
内燃機関は、好ましくは、この排気ガスにおいて、ほぼ４％の酸素過剰が生じる
ように、その入口側にて、水素ガス供給で制御される。上記プレ−クランクサイ
クルと同様に、この排気系に供給された水素は、もし、この排気ガス中に、ＣＯ
またはＨＣが存在しないなら、低温でも、この排気ガス中の酸素と触媒的に反応
する。この内燃機関は、従って、この触媒が限界温度ＴGに達するまで、一定時 間にわたって、水素および空気のみで操作しなければならない。この実施態様に
よれば、この排気ガス側に供給される水素ガスの量は、次いで、この酸素量に関
連して、少なくとも化学量論に達するように（すなわち、水素ガスと酸素との比
が、少なくとも２：１であるように）、制御される。これにより、限界値ＴGよ り高い温度にて、ＮＯx不純物の低減が起こる。
【００３３】 代替実施態様によれば、空気ポンプ２１は、この酸素過剰を生じるように、こ
の水素ガス供給と平行して操作できる。制御ユニット５は、次いで、この内燃機
関の入口２に所定量の水素が供給されるように、適合でき、制御ユニット５は、
任意の過剰（これは、排気パイプ８にて、所望の水素／空気混合物を得るのに必
要であり得る）を送達するように、空気ポンプ２１を制御する。
【００３４】 この触媒が限界温度ＴGに達した後、内燃機関１の操作は、液体燃料（すなわ ち、ガソリンまたはアルコール／ガソリン混合物）と共に、継続できる。上で述
べたことに従って、制御ユニット５は、好ましくは、この水素供給を徐々に絞り
つつ、液体燃料が徐々に供給されるように、適合される。
【００３５】 該ポスト−クランクサイクルのさらに別の変形（ここで、この内燃機関は、従
って、始動直後に、水素ガスにより、操作される）によれば、少量の液体燃料は
、この水素供給と平行して、この内燃機関の系の通常の燃料噴射によって、供給
できる。このようにして、この内燃機関は、水素に富んだ燃料（純粋な水素ガス
ではなく）で始動され、この内燃機関の入口側での望ましくない自己点火および
火炎伝播の危険性は、公知の様式で、低減される。それぞれ、液体燃料および水
素ガスの形状でこの内燃機関に送達されるエネルギーの量は、次いで、この始動
サイクル中にて、変えることができ、そして適当には、制御ユニット５により制
御される。
【００３６】 特に、触媒９での熱損失を最小にすることに関して、本発明による系の最適な
機能をもたらすためには、以下で詳細に説明するように、多数の異なる基準を選
択できる。
【００３７】 本発明の好ましい実施態様によれば、それは、熱損失を最小にする手段と共に
設計され、これは、次に、触媒９での任意の火炎形成を制限するよううに、適合
される。本発明によれば、これは、特殊な火炎消火器（図示せず）（これは、公
知の様式では、チューブ様要素からなり、その中には、多数のダクト様またはチ
ューブ様要素が延びており、そこを通って、この内燃機関からの排気ガスが流れ
る）により、起こり得る。この火炎消火器は、触媒９の上流末端部に配置されて
いる。この火炎消火器は、触媒９の次に配置した別個の部品として、または触媒
９の一体化部分として、設計できる。この火炎消火器の助けを借りて、触媒９で
生じる任意の火炎の伝播（これは、触媒９にて、熱ショックを起こし得る）が防
止される。この火炎消火器は、好ましくは、そのダクト様またはチューブ様要素
の液圧直径が０．５〜１．２ ｍｍのオーダーになるように設計されるが、この
直径は、しかしながら、その水素濃度、選択した材料などに依存して、変えるこ
とができる。効果的な火炎制限は、正確に調節した液圧直径によって、達成でき
る。
【００３８】 この排気系での任意の圧力低下を少なくするために、上で示したものよりも大
きな液圧直径が好まれ得る。これは、次に、この排気系にて、より低い水素濃度
を必要とする。
【００３９】 触媒での火炎形成を防止する（従って、熱損失を低くする）代替方法には、い
ずれの触媒被覆もなしに、触媒９の上流末端部を設計することがある。
【００４０】 さらに、触媒９の支持構造は、好ましくは、セラミック材料、適当には、菫青
石（ｃｏｒｄｉｅｒｉｔｅ）から製造される。このセラミック材料は、一定の多
孔度を有し、このようにして、この触媒のウォッシュコート（ｗａｓｈｃｏａｔ
）層にて、この水素の燃焼中に形成される水を吸収できる。この水は、この触媒
での熱発生の結果として、操作中に蒸発する。このことは、例えば、金属（これ
は、同じ多孔度を有さず、従って、水を吸収する同じ容量を有しない）から製造
した支持構造よりも有利である。次いで、その代わりに、この触媒の水被毒作用
を生じる危険性がある。
【００４１】 低い熱損失に関連して、本発明の特性をさらに改良するために、バルブ１６は
、脈動的な水素供給が起こるように（すなわち、バルブ１６の周期的な起動およ
び停止が起こるように）、制御できる。このような制御は、バルブ１６が電気的
に制御でき制御ユニット５に接続されているので、可能である。このようにして
、制御ユニット５は、バルブ１６を交互にオンおよびオフに切り換えるように適
合できる。例えば、このバルブは、１０分の１秒間開いた後、対応する時間にわ
たって閉じるように、制御できる。
【００４２】 この脈動した水素供給の結果として、触媒９の（上流）前面は、定期的に冷却
され、その結果、火炎を形成する傾向が少なくなり、このことは、この系におけ
る熱損失を低減する。もし、それにもかかわらず、触媒９において、火炎が現れ
るなら、その伝播は、この脈動により、大きく制限される。
【００４３】 水素で燃焼する必要がある空気が、別個の第二空気ポンプにより供給される場
合には、この空気ポンプからの空気用の（水素ガスライン１５に沿った）噴射点
は、この水素および空気がよく混合されるように、また、この水素／空気混合物
の火炎速度を越える気体速度で、排気パイプ８に供給されるように、選択される
。このようにして、火炎からライン１５にて「逆へ」伝播する危険性は、なくな
る。
【００４４】 図２で示すさらに別の実施態様によれば、排気ガス触媒９’は、ＨＣ吸着剤２
４と組み合わせることができる。このようなＨＣ吸着剤は、それ自体公知であり
、この内燃機関からの排気ガス中のＨＣ不純物の吸着用に使用される。一定時間
（これは、ＨＣ吸着剤２４が加熱されて、所定温度に達する時間に相当する）後
、吸着したＨＣ不純物は放出され、このようにして、触媒９’を通って流れる。
このことは、触媒９’が、次いで、これらのＨＣ不純物を清浄にすることを意味
する。図２から分かるように、ＨＣ吸着剤２４は、排気パイプ８’に次に配置さ
れている。ＨＣ吸着剤２４と触媒９’との間には、容量２５が形成され、その中
に、ライン２６を経由して、水素および空気の混合物が供給される。上で述べた
ものと類似の様式で、この空気は、好ましくは、第二空気ポンプから供給され、
そしてライン２６にて、水素（好ましくは、電解装置に由来する）と混合される
。この混合物は、容量２５（この場所で、燃焼が起こる）に供給される。このよ
うにして、触媒９は、急速に、そのライトオフ温度に加熱できる。
【００４５】 図２による実施態様もまた、図１を参照して上で説明したものから類推して、
例えば、火炎制限により、熱損失を低減する手段と組み合わせることができる。
【００４６】 本発明は、上で記述し図面で示した代表的な実施態様に限定されず、上記請求
の範囲の範囲内で、変えることができる。例えば、前記プレ−クランクおよびポ
スト−クランクサイクルは、組み合わせることができ、すなわち、それらは、こ
の内燃機関の開始手順中にて、連続して、次から次へと、開始できる。本発明は
、触媒のＣＯおよびＨＣの両方の被毒作用を防止するために効果的であることも
また、正しい。この点に関して、ＨＣ被毒作用は、主として、ディーゼルエンジ
ンで起こり得ることを指摘しておく。
【００４７】 上記によれば、水素は、電解処理により、この車両上で発生する。あるいは、
本発明は、（圧力下で水素を保存するための）交換可能な水素ガス容器を使用し
得、これは、この車両に取り付けられ、そして空にした後、取り替えまたは再充
填される。
【図面の簡単な説明】
本発明は、好ましい代表的な実施態様および添付の図面を参照して、以下でさ
らに詳細に説明し、ここで、
【図１】 図１は、本発明が使用できる内燃機関装置の基本的なダイアグラムを示し、そ
して
【図２】 図２は、本発明の代替実施態様を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｂ０１Ｄ 53/36 Ｂ (72)発明者 リンナ， ジャン ロジャー アメリカ合衆国 マサチューセッツ 02115， ボストン， クリアウェイ ス トリート ナンバー ６ 48 (72)発明者 アンダーソン， レナート スウェーデン国 エス−431 67 モルン ダル， ソーガーズガータン ９ Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA12 AA17 AA18 AA20 AA23 AA28 AB03 AB10 BA03 BA11 BA14 BA15 BA19 BA37 CA02 CA15 CA22 CA26 CB02 CB08 DA01 DA02 DA08 DB10 EA18 EA26 EA30 EA34 FA02 FA04 FA05 FA06 FB10 FB11 FC07 GA06 GB01X GB10X GB17X HA20 HA36 3G092 AA01 AA02 AA05 AA09 AA13 AA16 AB02 AB05 AB09 BA04 BA05 BA06 BA07 CA02 DC15 DC16 EA07 EC01 FA15 FA17 FA18 FA26 FA31 GA01 GA02 HD02X HD02Y HD05X HD05Y HF06X HF06Y 3G301 HA01 HA02 HA06 HA15 JA21 JA25 JA26 KA02 LB02 MA01 MA11 NA06 NA08 ND01 NE14 NE15 PD02A PD02B PD02Z PD12A PD12B PD12Z PF16A PF16B PF16Z 4D048 AA06 AA13 AA18 AB03 AC01 AC10 BD01 CC38 CC53 DA01 DA13 DA20

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気ガス触媒（９）の急速な加熱による内燃機関（１）から
    の有害な排気を低減するための装置であって、該排気ガス触媒は、該内燃機関（
    １）に属する排気系（８）に配列されており、該装置は、該触媒（９）の上流の
    該排気系（８）に水素を供給する手段（１１、１６）および空気を供給する手段
    （２１；１１、１３）、およびまた、該手段（１１、１３、１６、２１）の機能
    を制御するための制御ユニット（５）を包含し、該触媒（９）と共同して、水素
    および空気の混合物は、自然発熱性の燃焼を生じ、ここで、該装置は、該制御ユ
    ニット（５）が、所定期間（ｔ）にわたって、該内燃機関（１）の始動と関連し
    て、該排気系への空気および水素の供給を制御するように適合されており、該期
    間が、少なくとも、該排気ガス触媒（９）が、その機能がＣＯまたはＨＣ被毒作
    用により妨害されない限界温度に達するまで、持続する、装置。
  2. 【請求項２】 前記排気系（８）に空気を供給する前記手段が、空気ポンプ
    （２１）を包含し、該空気ポンプが、前記内燃機関（１）が始動する前の所定期
    間にわたって起動されるように適合されている、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記排気系（８）に水素を供給する前記手段が、水素容器（
    １１）、該水素容器（１１）と前記内燃機関（１）の入口（２）との間に接続さ
    れた水素ライン（１２）、およびまた、該水素ライン（１２）に配列された制御
    可能バルブ（１３）を包含し、ここで、該内燃機関（１）のリーン操作が起こり
    得るように、前記制御ユニット（５）が、該内燃機関（１）に水素を供給するよ
    うに適合されており、該内燃機関（１）の排気ガスには、酸素過剰が生じる、請
    求項１または２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記制御ユニット（５）が、始動直後の所定期間にわたって
    、前記内燃機関（１）に、本質的に、水素ガスだけを供給するように適合されて
    いる、請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記制御ユニット（５）が、前記内燃機関（１）への液体燃
    料の供給を徐々に高め、そして前記触媒（９）が所定温度に達したとき、供給し
    た水素の量を徐々に低減するように適合されている、請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記制御ユニット（５）が、始動中および始動直後の所定期
    間にわたって、前記内燃機関（１）と平行な様式で、水素および液体燃料を供給
    するように適合されている、請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記制御ユニット（５）が、水素および空気の全量の０〜２
    ８％、好ましくは、３〜１８％に相当する量の水素ガスを前記排気系（８）を供
    給するように適合されている、請求項２に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記装置が、前記触媒（９）の上流末端またはその近傍に、
    前記排気系（８）または該触媒（９）での火炎形成を防止するための装置を包含
    する、請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記火炎の形成を防止するための装置が、そこを通って延び
    ているダクト様要素またはチューブ様要素と共に設計された火炎消火器からなり
    、該要素の液圧直径が、０．５〜１．２ｍｍのオーダーである、請求項８に記載
    の装置。
  10. 【請求項１０】 前記火炎の形成を防止するための装置が、前記触媒（９）
    の少なくとも一部分からなり、該一部分が、いずれかの火炎形成を制限する触媒
    被覆なしで設計されている、請求項８に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記制御ユニット（１１）が、前記排気系（８）への水素
    の前記供給を周期的に起動および停止するように適合されている、前出の請求項
    のいずれか１項に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記装置が、前記触媒（９）の上流に配列されたＨＣ吸着
    剤（２４）を包含し、前記排気系（８）への空気および水素の前記供給が、該Ｈ
    Ｃ吸着剤（２４）および該触媒（９）の間の空間により規定される容量（２５）
    まで起こる、前出の請求項のいずれか１項に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記装置が、前記水素を発生させるための電解装置を包含
    し、該電解装置が、前記内燃機関（１）に付随している、前出の請求項のいずれ
    か１項に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 排気ガス触媒（９）の急速な加熱による内燃機関（１）か
    らの有害な排気を低減するための方法であって、該排気ガス触媒は、該内燃機関
    （１）に属する排気系（８）に配列されており、該方法は、該触媒（９）の上流
    の点にて、該排気系（８）に水素および空気を供給すること、およびまた、該手
    段（１１、１３、１６、２１）の機能を制御することを包含し、該触媒（９）と
    共同して、水素および空気の混合物は、自然発熱性の燃焼を生じ、ここで、該方
    法は、該排気系（８）には、所定期間（ｔ）にわたって、該内燃機関（１）の始
    動と関連して、空気および水素が供給され、該期間は、少なくとも、該排気ガス
    触媒（９）が、その機能がＣＯまたはＨＣ被毒作用により妨害されない限界温度
    （ＴG）に達するまで、持続する、方法。
  15. 【請求項１５】 前記排気系（８）への空気の前記供給が、前記内燃機関（
    １）が始動する前の所定期間にわたって起こる、請求項１４に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記排気系（８）への空気の前記供給が、前記内燃機関（
    １）の操作中に、該内燃機関（１）に水素を供給することにより起こり、該内燃
    機関（１）の排気ガスには、酸素過剰が生じる、請求項１４または１５に記載の
    方法。
  17. 【請求項１７】 始動直後の所定期間にわたって、前記内燃機関（１）に、
    本質的に、水素ガスだけが供給される、請求項１４に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記方法が、前記内燃機関（１）への液体燃料の量を徐々
    に高めること、および前記触媒（９）が所定温度に達したとき、該内燃機関（１
    ）への水素の量を徐々に低減することを包含する、請求項１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 始動中および始動直後の所定期間にわたって、前記内燃機
    関（１）と平行な様式で、該内燃機関（１）に、水素および液体燃料が供給され
    る、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記限界温度（ＴG）に達するまで、前記内燃機関（１） には、本質的に液体燃料が供給されない、請求項１４〜１９のいずれか１項に記
    載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記限界温度（ＴG）が、前記自然発熱性の燃焼を生じる 水素の濃度に相当する値として決定される、請求項１４〜２０のいずれか１項に
    記載の方法。
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