JP2007303321A - 水素エンジンの排気ガス浄化システム - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、水素ガスを燃料として水素エンジンで燃焼させるとともに、燃焼後の排気ガスにも供給して、排気ガス成分の浄化を向上する水素エンジンの排気ガス浄化システムを実現することを目的としている。
【解決手段】このため、水素貯蔵タンクと水素エンジンと排気管に設けた触媒とを備え、水素エンジンの運転中に排気管内に水素ガスを供給可能に設けた水素エンジンの排気ガス浄化システムにおいて、触媒の上流側の排気管に上流側排気ガスセンサを設け、排気側水素ガス噴射装置を上流側排気ガスセンサの上流側に設け、上流側排気ガスセンサの検出に基づいて排気ガスがリーン側の所定の空燃比となるように水素エンジンに供給する水素ガスの供給量をフィードバック制御しつつ、排気側水素ガス噴射装置から水素エンジンに供給する水素ガスよりも少量な水素ガスを供給するように制御する制御手段を設けている。
【選択図】図１

Description

この発明は水素エンジンの排気ガス浄化システムに係り、特に水素エンジンで燃焼した後の排気ガスの特定成分を、水素ガスを用いて浄化する水素エンジンの排気ガス浄化システムに関するものである。
現状において、自動車の動力源としては、燃料電池による電気自動車が有力とされているが、燃料となる水素を直接エンジンで燃焼させて動力を得る水素エンジンも有力視されている。
水素エンジンは、車両に水素を高圧状態で貯蔵する水素貯蔵タンクを搭載し、この水素貯蔵タンクから供給する水素を燃焼させて車両の駆動力を得るものである。
このとき、前記水素エンジンは、水素を高圧状態で水素貯蔵タンクに貯留した際の圧力を利用し、水素エンジンの燃焼室に直接噴射することで燃料供給を行っている。
特許第３６６１５５５号公報 特開平２−８６９１５号公報 特開平２−１４９７１４号公報 特開２００２−１３４１２号公報 特開２００５−２４０６５６号公報 実公平５−１３９３７号公報 実公平６−１０１２９号公報
ところで、従来の水素エンジンの排気ガス浄化システムにおいて、水素エンジンの運転時に、混合気の空気過剰率（「空燃比」とも換言できる。）λが「λ＜１」の場合には、水素ガスの燃焼時に空気中の窒素が水素過剰（「リッチ」ともいう。）下で還元され、有害なアンモニア（「ＮＨ３」とも記載する。）が発生してしまうという不都合がある。
つまり、簡単な化学式を記載すると、
Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２ → Ｈ２Ｏ＋ＮＨ３
となる。
また、混合気の空燃比λが「λ≧１」の場合には、排気ガス中に有害な排気ガス成分として窒素酸化物（「ＮＯｘ」とも記載する。）が大量に排気されるという不都合がある。
つまり、簡単な化学式を記載すると、
Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２ → Ｈ２Ｏ＋ＮＯｘ
となる。
なお、上述した排気ガス浄化システムのλ制御において、空気と燃料との混合気の空燃比λが理論空燃比の時には、「λ＝１」となる。また、水素ガスを燃料とする場合、「λ＝１」の時の理論空燃比（Ａ／Ｆ）は、「Ａ／Ｆ＝３４．３」となります。
更に、還元剤としての一酸化炭素（「ＣＯ」とも記載する。）や炭化水素（「ＨＣ」とも記載する。）を排気ガス中に含まない燃焼ガスの場合、自動車に広く用いられる触媒を後処理装置としている用いることができないという不都合がある。
また、このような場合のＮＯｘ浄化システムとしては、リーンＮＯｘ触媒等が実用化されているが、その浄化性能と耐熱性とに不都合がある。
更に、大型ディーゼル車で用いられる尿素充填式ＮＯｘ還元システムにおいても、排気系への尿素の供給というデバイスの追加が必要となるという不都合がある。
この発明の目的は、貯蔵する水素ガスを、燃料として水素エンジンで燃焼させるとともに、燃焼後の排気ガスにも供給して、排気ガス成分の浄化を向上する水素エンジンの排気ガス浄化システムを実現することにある。
追記すれば、水素ガスを、水素エンジンに一次供給し燃焼させる際に、アンモニアの排出を抑制する燃焼とする。
また、排気ガス中に二次供給して、その抑制制御に伴い増加する排気ガスの特定成分（「窒素酸化物」または「ＮＯｘ」とも記載する。）の浄化性を向上する。
更に、その浄化性能を維持するための水素ガスの消費量を低減する。
以上を通じて、燃費を向上させる、ことを目的とする。
そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、水素を高圧状態で貯蔵する水素貯蔵タンクと、この水素貯蔵タンクから供給する水素を燃焼する水素エンジンと、水素エンジンの排気管に設けた触媒とを備え、水素エンジンの運転中に排気管内に水素ガスを供給可能に設けた水素エンジンの排気ガス浄化システムにおいて、触媒の上流側の排気管に、排気ガス成分を検知する上流側排気ガスセンサを設けるとともに、排気管内部に水素ガスを噴射する排気側水素ガス噴射装置をその上流側排気ガスセンサの上流側に設け、この上流側排気ガスセンサの検出に基づいて排気ガスがリーン側の所定の空燃比となるように水素エンジンに供給する水素ガスの供給量をフィードバック制御しつつ、排気側水素ガス噴射装置から水素エンジンに供給する水素ガスよりも少量な水素ガスを供給するように制御する制御手段を設けたことを特徴とする。
以上詳細に説明した如くこの本発明によれば、水素を高圧状態で貯蔵する水素貯蔵タンクと、水素貯蔵タンクから供給する水素を燃焼する水素エンジンと、水素エンジンの排気管に設けた触媒とを備え、水素エンジンの運転中に排気管内に水素ガスを供給可能に設けた水素エンジンの排気ガス浄化システムにおいて、触媒の上流側の排気管に、排気ガス成分を検知する上流側排気ガスセンサを設けるとともに、排気管内部に水素ガスを噴射する排気側水素ガス噴射装置を上流側排気ガスセンサの上流側に設け、上流側排気ガスセンサの検出に基づいて排気ガスがリーン側の所定の空燃比となるように水素エンジンに供給する水素ガスの供給量をフィードバック制御しつつ、排気側水素ガス噴射装置から水素エンジンに供給する水素ガスよりも少量な水素ガスを供給するように制御する制御手段を設けている。
これにより、燃焼状態を平均してリーン側に維持することで、排気ガス成分のうち、ＮＨ３の排出を非常に低く抑えることができる。
また、増加してしまうＮＯｘは、二次供給する水素ガスにより、触媒上でＮＯｘを選択的に還元することができることから、トータル的に触媒による浄化効率を高く維持できる。
更に、二次供給する水素ガスの消費量を、少なく抑えることができる。
上述の如く発明したことにより、制御手段によって、上流側排気ガスセンサの検出に基づいて排気ガスがリーン側の所定の空燃比となるように水素エンジンに供給する水素ガスの供給量をフィードバック制御する。
また、制御手段によって、排気側水素ガス噴射装置から水素エンジンに供給する水素ガスよりも少量な水素ガスを供給するように制御する。
以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。
図１〜図６はこの発明の実施例を示すものである。
図２において、１は水素エンジンの排気ガス浄化システムである。
この排気ガス浄化システム１は、水素を高圧状態（数１０ＭＰａ程度。例えば、３５〜７０ＭＰａ程度。）で貯蔵する水素貯蔵タンク２と、この水素貯蔵タンク２から供給する水素を燃焼する水素エンジン３と、水素エンジン３の排気管４に設けた触媒、例えば触媒５とを備え、水素エンジン３の運転中に排気管４内部に微量の水素ガスを供給可能に設けたものである。
このとき、水素エンジン３は、筒内直接噴射式燃料供給を採用するものであり、後述する過給機（「ターボチャージャ」ともいう。）２３付の４サイクルエンジンである。
前記排気ガス浄化システム１の水素エンジン３は、図２及び図３に示す如く、シリンダブロック６とシリンダヘッド７とシリンダヘッドカバー８とが一体的になって構成されている。
そして、前記シリンダブロック６には、ピストン９が摺動可能に設けられる。
また、前記シリンダヘッド７と共働した燃焼室１０が形成される。
更に、シリンダヘッド７には、吸気系で、吸気カム軸１１が設置されているとともに、この吸気カム軸１１で駆動される吸気弁１２が設けられる。
また、シリンダヘッド７には、排気系で、排気カム軸１３が設置されているとともに、この排気カム軸１３で駆動される排気弁１４が設けられている。
前記水素エンジン３の吸気系においては、エアクリーナ１５と、このエアクリーナ１５から水素エンジン３側に吸入空気を導く吸気管１６と、スロットルバルブ１７を備えたスロットルボディ１８と、サージタンク１９が一体でシリンダヘッド７に取り付けられる吸気マニホルド２０とが、順次に接続されている。
一方、前記水素エンジン３の排気系においては、水素エンジン３からの排気を導くようにシリンダヘッド７に取り付けられる排気マニホルド２１と、この排気マニホルド２１に上流側が接続し、途中部位に前記触媒５を収容する触媒コンバータ２２を配設する前記排気管４とが、順次に接続されている。
また、前記水素エンジン３には、過給機（「ターボチャージャ」ともいう。）２３が設けられる。
この過給機２３は、エアクリーナ１５側からの吸入空気を過給し、この過給された空気を水素エンジン３側に供給するものである。
この過給機２３は、過給機ケース２４内で、吸気管１６の途中に配設されるコンプレッサ２５と、排気マニホルド２１と触媒コンバータ２２間の前記排気管４部位に配設されて排気流で回転するタービン２６とを備えている。
そして、このタービン２６への排気流は、ウェストゲートバルブ（「ウェストゲートコントロールＶＳＶ」ともいう。）２７を備えたウェストゲート機構２８によって調整される。
前記コンプレッサ２５とスロットルボディ１８との間の吸気管１６には、過給機２３で過給された吸入空気を冷却するインタクーラ２９が設けられている。
そして、前記水素エンジン３には、水素ガスを噴射する水素ガス噴射システム３０が設けられる。
この水素ガス噴射システム３０は、吸気側水素ガス噴射装置３１と排気側水素ガス噴射装置３２とからなる。
このとき、吸気側水素ガス噴射装置３１は、水素エンジン３の吸気系において燃焼室１０内部に水素ガスを直接噴射する筒内直接噴射式燃料供給を採用している。
また、排気側水素ガス噴射装置３２は、前記排気管４内部に水素ガスを噴射するものである。
前記水素ガス噴射システム３０は、前記水素貯蔵タンク２と、この水素貯蔵タンク２に一端側が接続する水素ガス供給通路３３と、この水素ガス供給通路３３の他端側が接続するプレッシャレギュレータ３４とを有する。
このとき、プレッシャレギュレータ３４は、２系統の切換機能を有しているとともに、水素貯蔵タンク２内に高圧状態（数１０ＭＰａ程度。例えば、３５〜７０ＭＰａ程度。）で貯蔵される水素ガスを数１００ｋＰａ（例えば、数気圧程度。）に減圧する機能を有している。
そして、前記吸気側水素ガス噴射装置３１は、プレッシャレギュレータ３４に一端側が接続する一次供給側通路３５と、この一次供給側通路３５の他端側が接続する前記シリンダヘッド７に取り付けたデリバリパイプ３６と、デリバリパイプ３６に接続する一次供給側インジェクタ（「筒内インジェクタ」ともいう。）３７とからなる。
また、前記排気側水素ガス噴射装置３２は、前記プレッシャレギュレータ３４に一端側が接続する二次供給側通路３８と、この二次供給側通路３８の他端側が接続し、前記排気管４内部に水素ガスを噴射する二次供給側インジェクタ３９とからなる。
また、前記水素エンジン３には、アイドル回転数制御装置４０が設けられる。
このアイドル回転数制御装置４０においては、スロットルバルブ１７を迂回してスロットルボディ１８内とサージタンク１９内とを連通するようにバイパス通路４１が設けられ、このバイパス通路４１の途中に水素エンジン３へのアイドル空気量を調整するＩＳＣバルブ（「アイドル空気量制御バルブ」ともいう。）４２が設けられている。
更に、前記水素エンジン３のシリンダヘッドカバー８には、イグニションコイル４３とＰＣＶバルブ４４とが取り付けられている。
このＰＣＶバルブ４４には、サージタンク１９内に連通するタンク側ブローバイガス通路４５が接続している。
また、前記シリンダヘッドカバー８には、エアクリーナ１５内に連通するクリーナ側ブローバイガス通路４６が接続している。
前記水素エンジン３には、燃料圧力センサ４７とエンジン水温センサ４９とが取り付けられている。
この燃料圧力センサ４７は、デリバリパイプ３６に取り付けられて一次供給側インジェクタ３７への燃料の圧力を検出するものである。
また、エンジン水温センサ４９は、水素エンジン３の一部に形成した冷却水通路４８内の冷却水温度を検出するものである。
前記スロットルボディ１８には、スロットルバルブ１７のスロットル開度を検出するスロットルセンサ５０が設けられるとともに、スロットルバルブ１７よりも下流側に導圧通路５１の一端側が接続している。
この導圧通路５１の他端側には、スロットルバルブ１７の下流側の吸気管圧力を検出する吸気圧センサ５２が設けられている。
前記サージタンク１９には、吸入空気の温度を検出する吸気温度センサ５３が取り付けられている。
前記触媒コンバータ２２の上流側、つまり、前記触媒５よりも上流側の排気管４に、排気ガス成分を検知する上流側排気ガスセンサ（「空燃比センサ」または「λセンサ」ともいう。）５４を設けるとともに、排気管４内部に水素ガスを噴射する前記排気側水素ガス噴射装置３２をその上流側排気ガスセンサ５４の上流側に設ける。
また、前記触媒５の下流側の排気管４に排気ガス成分を検知する下流側排気ガスセンサ（「水素（Ｈ２）センサ」または「ＮＯｘセンサ」ともいう。）５５を設ける。
このとき、前記水素エンジン３の排気側には、図２に示す如く、上流側から順次に、排気マニホルド２１と過給機２３のタービン２６と上流側排気ガスセンサ５４と触媒コンバータ２２と下流側排気ガスセンサ５５とが配設されており、前記排気側水素ガス噴射装置３２によって排気管４内部に水素ガスを噴射するために、排気側水素ガス噴射装置３２の二次供給側インジェクタ３９を過給機２３のタービン２６よりも上流側の排気マニホルド２１の下流側端部に配設する。
そして、前記ウェストゲートバルブ２７とプレッシャレギュレータ３４と吸気側水素ガス噴射装置３１の一次供給側インジェクタ３７と排気側水素ガス噴射装置３２の二次供給側インジェクタ３９とＩＳＣバルブ４２とイグニションコイル４３と燃料圧力センサ４７とエンジン水温センサ４９とスロットルセンサ５０と吸気圧センサ５２と吸気温度センサ５３と上流側排気ガスセンサ５４と下流側排気ガスセンサ５５とは、制御手段（「ＥＣＭ」ともいう。）５６に連絡している。
また、この制御手段５６には、クランク角センサ５７と、メインスイッチ５８及びフューズ５９を介したバッテリ６０とが連絡している。
このとき、クランク角センサ５７は、クランク角を検出し、制御手段５６において、燃料噴射開始時期を決定させる。
ここで、筒内直接噴射式燃料供給を採用した前記水素エンジン３について追記する。
筒内直接噴射式は、気体燃料（水素ガス等）の場合、停止時の大気放出やインジェクタのアイシングを防止する上で好ましい方策である。
そして、この筒内直接噴射式は、高圧の燃料、つまり水素ガスを燃焼室１０内に直接噴射することで、高出力及び低燃費、低排出ガスを実現している。
また、図３に示す如く、前記水素エンジン３の吸気ポート６１のストレート化とピストン９頂部の形状とによりタンブル流を発生させるとともに、燃料噴射時期を緻密に制御することで、点火プラグ６２近傍に濃い混合気層を形成させ、冷暖機を問わず安定した燃焼を可能とした弱成層燃焼方式としている。
この弱成層燃焼方式は、図３に示す如く、吸気ポート６１の形状に吸気弁１２まで直立したストレートポートを採用し、吸入空気の流速を速めるとともに、ピストン９頂部にオフセット配置された楕円の凹部６３によりタンブル流（縦方向の旋回流）を発生させる。
この際の燃料噴射は、高圧による貫徹力と適切な噴射角を持ち、直接燃焼室１０内に吸気行程中に行われる。
吸気行程中に燃焼室１０内に噴射した燃料は、タンブル流に導かれ、図４に示す如く、点火プラグ６２周辺が濃い空燃比、外周部位が薄い空燃比となる混合気分布を形成し、燃焼室１０全体では理論空燃比に制御されており、安定した燃焼を可能としている。
また、筒内直接噴射式燃料供給を採用した前記水素エンジン３の燃料噴射制御においては、一次供給側インジェクタ３７から噴射される燃料の噴射時期及び噴射時間（「量」とも換言できる。）を制御して、最適な時期に最適な量の燃料を噴射する。
そして、燃料噴射時期及び燃料噴射時間は、エンジン始動時に実行される始動時噴射制御と、通常運転時に実行される始動後噴射制御とにより決定される。
また、エンジン保護や燃費向上のために、運転状態に応じて燃料カット制御が行われる。
前記始動時噴射制御について説明する。
この始動時噴射制御における燃料噴射時期は、エンジン回転速度が所定回転速度以下の時、図５に示す如く、クランク角センサ信号を基に噴射タイミング（図５の網線Ａ部分参照）でシーケンシャル噴射を行う。
ただし、極低温時にはクランク角センサ信号立ち上がり入力後、一定間隔で数回、分割噴射を行う。
また、始動時噴射制御における燃料噴射時間は、冷却水温により決定される始動時基本噴射時間にエンジン回転速度補正、電圧補正の各種補正を加えて決定される。
なお、始動時基本噴射時間は、冷却水温が低いほど噴射時間を長くして始動性を向上させる。
前記始動後噴射制御について説明する。
この始動後噴射制御における燃料噴射時期は、同期噴射と非同期噴射とがある。
そして、同期噴射は、図６に示す如く、通常時に、クランク角センサ信号を基に噴射タイミング（図６の網線Ａ部分参照）でシーケンシャル噴射を行う。
また、非同期噴射は、減速時燃料カット復帰時や急加速時等にクランク角センサ信号に同期せず、図６の太い網線Ｂ部分に示す如く、一時的に全気筒同時噴射を行う。
更に、始動後噴射制御における燃料噴射時間は、吸気管圧力とエンジン回転速度とにより基本噴射時間を決定し、この基本噴射時間に各センサからの信号による補正を加え、運転状態に応じた最適な燃料噴射時間を決定する。
補正としては、以下のものがある。
（１）電圧補正
バッテリ電圧の低下による噴射時期の遅れを補正するため、バッテリ電圧の降下具合に応じて、インジェクタヘの通電時間を長くする。
（２）エンジン回転速度補正
エンジン回転速度に応じて燃料噴射時間を補正する。
（３）吸気温補正
吸気温度の変化による空気密度の差を補正する。
（４）Ａ／Ｆ補正
各運転域における目標空燃比からのずれを補正する。
（５）フィードバック補正
排気ガス中の酸素浪度から空燃比を理論空燃比付近に保つよう補正する。
（６）学習補正
経年変化等でずれるベース空燃比を理論空燃比付近に保つよう補正する。
（７）暖機補正
冷機時の冷却水温に応じて燃料噴射量を増量し、暖機が進むにつれ補正量を漸減する。
（８）大気圧補正
大気圧の変化によって生じる空燃比のずれを補正する。なお、大気圧は吸気管圧力及ぴエンジン回転速度から算出した推定値となる。
（９）スロットル開度補正
スロットル開度の変化に応じて燃料噴射時間を補正する。
（１０）パージ濃度補正
燃料蒸発ガス導入時又はカット時の空燃比の変化を補正する。
（１１）加速増量減速減量補正
加遠、減速状態を検出して、加速時は補正量を増加させ加速性能の向上を図り、減速時は補正量を減少させることにより排気ガス抑制及ぴ燃費向上を図る。
（１２）始動直後増量補正
始動直後に増量し、その後補正量を漸減することで、運転性を円滑にする。
この実施例における前記制御手段５６は、上流側排気ガスセンサ５４の検出に基づいて排気ガスがリーン側の所定の空燃比となるように水素エンジン３に供給する水素ガスの供給量をフィードバック制御しつつ、排気側水素ガス噴射装置３２から水素エンジン３に供給する水素ガスよりも少量な水素ガスを供給するように制御する構成とする。
つまり、前記制御手段５６は、前記吸気側水素ガス噴射装置３１の一次供給側インジェクタ３７から水素エンジン３への水素ガスの供給量を、排気ガスがリーン側の所定の空燃比（例えば、λ≒１．０５）となるように、上流側排気ガスセンサ５４からの検出信号に基づいてフィードバック制御する。
そして、前記制御手段５６は、排気側水素ガス噴射装置３２の二次供給側インジェクタ３９から排気管４内部に供給する水素ガスを、前記吸気側水素ガス噴射装置３１の一次供給側インジェクタ３７から水素エンジン３に供給する水素ガスよりも少量とするものである。
基本的な水素ガスの供給制御では、一次供給量≫二次供給量の関係にあり、二次供給量は一次供給量と比べて微量である。しかし、一次側のフィードバックによるλ制御の目標がリーンである場合、そのリーンの度合いに因り二次供給量が増加するため、相対的に、二次供給量は一次供給量と比べて少量となることがある。
また、前記制御手段５６は、下流側排気ガスセンサ５５の検出に基づいて排気側水素ガス噴射装置３２から供給する水素ガスによる触媒通過後の排気ガスへの還元率を監視しつつ、供給する水素ガスを増量補正または減量補正するようにフィードバック補正制御するものである。
詳述すれば、前記水素エンジン３は筒内直接噴射式の燃料供給である。
従って、燃料である水素ガスの一次供給側インジェクタ３７からの供給圧力（噴射圧）は、圧縮行程に跨って燃料を噴射する場合、燃焼室（筒）内圧に打ち勝つ必要がある。
このため、プレッシャレギュレータ３４で減圧する際に、例えば、大気圧や過給圧と比べてある程度高い状態とする必要がある。
なお、圧縮行程に誇らずに燃料を噴射する場合に、リーン燃焼時では、出力が比較的小さくて済み、供給圧力（噴射圧）も小さくて良い。
このとき、水素ガスを排気管４内部に二次供給する二次供給側インジェクタ３９からの供給圧力（噴射圧）も、過給機付エンジンの排気ガスの圧力を考慮してある程度高い状態とする必要がある。
そして、供給圧力が高ければ、排気管４内部に拡散させるにも貫徹させるにも好ましく、もともと一次供給側インジェクタ３７より短い二次供給側インジェクタ３９の駆動時間をさらに短くすることができる。
また、過剰の酸素（Ｏ２）ガスが、触媒５において水素（Ｈ２）ガスによって、一部が水蒸気になるため、触媒温度の過度な上昇がないように低く抑えることができる。
これにより、触媒５が活性状態となる温度範囲に収めるように管理できる。
更に、前記水素エンジン３が多気筒エンジンであっても、二次供給する水素ガスの供給頻度は、クランク回転当りの気筒数より少なくて良く、特定気筒に合わせた噴射タイミング程度で良い。
前記排気管４内部を流下する間に拡散混合が進み、触媒５の排気ガス成分の保持カと協働して、触媒通過後の排気ガス成分がより浄化されたものになれば良い。
更にまた、前記上流側排気ガスセンサ５４により高い精度のフィードバック制御を行うことにより、下流側排気ガスセンサ５５によるきめ細かな補正が有効となる。
上述した前記排気ガス浄化システム１においては、燃料である水素ガスを水素貯蔵タンク２内に高圧状態（数１０ＭＰａ程度。例えば、３５〜７０ＭＰａ程度。）で貯蔵する。
そして、この水素貯蔵タンク２内の高圧状態の水素ガスは、図２に矢印で示す如く、前記水素ガス噴射システム３０の水素ガス供給通路３３を経て、プレッシャレギュレータ３４に至り、このプレッシャレギュレータ３４によって、水素ガスを高圧状態（数１０ＭＰａ程度。例えば、３５〜７０ＭＰａ程度。）から数１００ｋＰａ（例えば、数気圧程度。）に減圧する。
減圧された水素ガスは、図２に矢印で示す如く、前記吸気側水素ガス噴射装置３１の一次供給側通路３５によって、前記シリンダヘッド７に取り付けたデリバリパイプ３６に送られ、このデリバリパイプ３６に接続する一次供給側インジェクタ３７を介して燃焼室１０に直接噴射され、燃焼されることによって前記水素エンジン３を駆動する。
このとき、リーン燃焼のコントロールは、触媒５より上流に配置した上流側排気ガスセンサ５４により酸素比率を測定し、目標の弱リーンの空燃比（例えば、λ≒１．０５）で運転できるように、燃料噴射量をフィードバック制御する。
なお、単に、空燃比をλ≧１で燃焼した場合には、以下の式により、混合気中の窒素が酸化され、ＮＯｘを生成してしまう。
Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２ → Ｈ２Ｏ＋ＮＯｘ＋Ｏ２＋Ｎ２
従って、前記吸気側水素ガス噴射装置３１の一次供給側インジェクタ３７による水素ガスの一次供給のみでなく、前記排気側水素ガス噴射装置３２の二次供給側インジェクタ３９による水素ガスの二次供給を行うものである。
つまり、触媒５より上流の排気管４に二次供給側インジェクタ３９を装備し、前記プレッシャレギュレータ３４によって、前記一次供給側インジェクタ３７への燃焼用圧力とは異なった圧力（数１００ｋＰａ程度。）に水素ガスを減圧する。
そして、この減圧した水素ガスの一部は、図２に矢印で示す如く、前記排気側水素ガス噴射装置３２の二次供給側通路３８によって二次供給側インジェクタ３９に送られ、この二次供給側インジェクタ３９によって前記排気管４内部に噴射し、この水素ガスを還元剤として排気ガス中で生成されたＮＯｘを触媒５上で還元し、有害なＮＯｘの大気への排出を抑止する。
同時に、過剰のＯ２も触媒５上で水素ガスにより酸化され、一部は水蒸気となる。
上述した状況を以下の式により開示する。
Ｐｔ、Ｒｈ
ＮＯｘ＋Ｈ２ → Ｎ２＋Ｈ２Ｏ
Ｐｔ、Ｒｈ
Ｏ２＋Ｈ２ → Ｈ２Ｏ
Ｐｔ：プラチナ
Ｒｈ：ロジウム
このとき、前記二次供給側インジェクタ３９の噴射タイミングは、例えば、前記一次供給側インジェクタ３７のひとつと同期した動作を行うような駆動状態とすれば良い。
また、前記排気側水素ガス噴射装置３２の二次供給側インジェクタ３９による排気管４内部への水素ガスの噴射量は、上流側排気ガスセンサ５４でλ値をモニタするとともに、触媒５より下流の下流側排気ガスセンサ５５により還元に供しなかった過剰水素ガスをコントロールし、二次供給側インジェクタ３９から水素ガスを過剰に噴射しないように、二次供給側インジェクタ３９からの噴射量をフィードバック制御する。
なお、図２の白抜き矢印は吸入空気の流れを示している。
つまり、前記エアクリーナ１５を通過した吸入空気は、吸気管１６を介して過給機２３のコンプレッサ２５に至り、このコンプレッサ２５によって過給された後にインタクーラ２９に至る。
このインタクーラ２９において冷却された吸入空気は、スロットルバルブ１７を備えたスロットルボディ１８やサージタンク１９、吸気マニホルド２０を順次経た後に、前記水素エンジン３の燃焼室１０に至る。
そして、前記スロットルボディ１８において、アイドル回転数制御装置４０のＩＳＣバルブ４２が開放している場合には、吸入空気がバイパス通路４１によってスロットルバルブ１７を迂回するようにサージタンク１９内に流れることとなる。
また、図２のハッチ付き矢印は排気ガスの流れを示している。
つまり、前記水素エンジン３の燃焼室１０から排出された排気ガスは、排気マニホルド２１を経て、排気管４に至り、この排気管４の途中部位に配設した触媒コンバータ２２の触媒５に到達する。
そして、この触媒５にて排気ガス中の有害成分であるＨＣ（主にブローバイガスに起因する分）、ＣＯ、そしてＮＯｘを同時に低減して排気ガスの浄化を行った後に、外気に排出されることとなる。
次に、図１の水素エンジン３の排気ガス浄化システム１の制御用フローチャートに沿って作用を説明する。
前記排気ガス浄化システム１の制御用プログラムがスタート（１０２）すると、エンジン暖機後などのλフィードバック（「Ｆ／Ｂ」とも記載する。）条件がＯＮであるか否かの判断（１０４）に移行する。
この判断（１０４）がＮＯの場合には、λフィードバック条件がＯＮとなるまで判断（１０４）を繰り返し行う。
また、判断（１０４）がＹＥＳの場合には、λフィードバック運転を開始する処理（１０６）に移行する。
このλフィードバック運転を開始する処理（１０６）は、前記一次供給側インジェクタ３７とλセンサである上流側排気ガスセンサ５４とで通常のＰＩ制御を行うものである。
更に、ＰＩ制御は、比例（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ）動作、積分（Ｉｎｔｅｃｇｒａｌ）動作の総称をいい、比例動作に積分動作を加えた制御を指している。
そして、λフィードバック運転を開始する処理（１０６）の後には、クローズドループ（サブループ）による処理（１０８）に移行する。
このクローズドループ（サブループ）による処理（１０８）においては、Ｈ２センサである前記下流側排気ガスセンサ５５からの検出信号を取り込み、Ｈ２濃度が目標Ｈ２濃度の常数ＣH2以上であるか、つまり
Ｈ２濃度≧ＣH2
であるか否かの判断（１１０）を行う。
そして、この判断（１１０）がＹＥＳ、つまり
Ｈ２濃度≧ＣH2
の場合には、前記二次供給側インジェクタ３９の開弁時間用の信号をインジェクタ駆動時間の増減値（「目標濃度フィードバック制御の常数」ともいう。）ＴH2だけ減量すべく制御する処理（１１２）に移行する。
また、判断（１１０）がＮＯ、つまり
Ｈ２濃度＜ＣH2
の場合には、前記二次供給側インジェクタ３９の開弁時間用の信号をインジェクタ駆動時間の増減値ＴH2だけ増量すべく制御する処理（１１４）に移行する。
これらの処理（１１２）及び（１１４）の後には、上述したＨ２濃度が目標Ｈ２濃度の常数ＣH2以上であるか、つまり
Ｈ２濃度≧ＣH2
であるか否かの判断（１１０）に戻る。
また、上述のクローズドループ（サブループ）による処理（１０８）の後には、λフィードバック条件がＯＦＦであるか否かの判断（１１６）を行う。
この判断（１１６）がＮＯの場合には、上述したλフィードバック条件がＯＮであるか否かの判断（１０４）に戻る。
判断（１１６）がＹＥＳの場合には、エンド（１１８）に移行する。
これにより、水素を高圧状態で貯蔵する水素貯蔵タンク２と、水素貯蔵タンク２から供給する水素を燃焼する水素エンジン３と、水素エンジン３の排気管４に設けた触媒５とを備え、水素エンジン３の運転中に排気管４内に水素ガスを供給可能に設けた水素エンジン３の排気ガス浄化システム１において、触媒５の上流側の排気管４に、排気ガス成分を検知する上流側排気ガスセンサ５４を設けるとともに、排気管４内部に水素ガスを噴射する排気側水素ガス噴射装置３２を上流側排気ガスセンサ５４の上流側に設け、上流側排気ガスセンサ５４の検出に基づいて排気ガスがリーン側の所定の空燃比となるように水素エンジン３に供給する水素ガスの供給量をフィードバック制御しつつ、排気側水素ガス噴射装置５４から水素エンジン３に供給する水素ガスよりも少量な水素ガスを供給するように制御する制御手段５６を設けている。
従って、燃焼状態を平均してリーン側に維持することで、排気ガス成分のうち、ＮＨ３の排出を非常に低く抑えることができる。
また、増加してしまうＮＯｘは、二次供給する水素ガスにより、ＮＯｘを選択的に還元することができることから、トータル的に触媒５による浄化効率を高く維持できる。
更に、二次供給する水素ガスの消費量を、少なく抑えることができる。
また、前記触媒５の下流側の排気管４に排気ガス成分を検知する下流側排気ガスセンサ５５を設け、前記制御手段５６は、この下流側排気ガスセンサ５５の検出に基づいて排気側水素ガス噴射装置３２から供給する水素ガスによる触媒通過後の排気ガスへの還元率を監視しつつ、供給する水素ガスを増量補正または減量補正するようにフィードバック補正制御する。
これにより、二次供給する水素ガスの消費量を、ひときわ少なく抑えることができ、排気ガスの浄化性能の向上と燃費の向上とをともに図ることができる。
なお、この発明は上述実施例に限定されるものではなく、種々の応用改変が可能である。
例えば、この発明の実施例においては、下流側排気ガスセンサを水素（Ｈ２）センサとし、この下流側排気ガスセンサにより還元に供しなかった過剰水素ガスをコントロールし、二次供給側インジェクタから水素ガスを過剰に噴射しないように、二次供給側インジェクタからの噴射量をフィードバック制御する構成としたが、水素（Ｈ２）センサの代わりに、下流側排気ガスセンサを酸素（Ｏ２）センサとし、排気ガス内のＯ２量をモニタすることで排気管への二次供給側インジェクタからの水素ガスの噴射量をフィードバック制御する構成とすることも可能であり、ＮＯｘセンサの利用も可能である。
なお、水素（Ｈ２）センサの代わりに、酸素（Ｏ２）センサを用いる場合に、触媒における水素ガスによる還元率を経験的に考慮して使用すれば、同等に扱うことができる。
また、一般的なリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンにおいても、還元用の水素貯蔵タンクを装備し、この水素貯蔵タンク内の水素ガスを排気ガス中に噴射する構成とすれば、ＮＯｘの還元を行うことが可能である。
更に、例えば、エンジン負荷に基づく所定のエンジンの運転領域では、二次供給する二次供給側インジェクタからの水素ガスの供給量を、一次供給である一次供給側インジェクタからの供給量に基づいて、トータルの噴射量がストイキからリーン側に収まるようにガードをかけても良い。
更にまた、この発明の実施例においては、プレッシャレギュレータによって、水素貯蔵タンク内の高圧状態（数１０ＭＰａ程度。例えば、３５〜７０ＭＰａ程度。）の水素ガスを数１００ｋＰａ（例えば、数気圧程度。）に減圧する際に、プレッシャレギュレータによって１度に減圧する構成としたが、２段階以上に分けて一次減圧、二次減圧…と減圧する複数段減圧方式とすることも可能である。
さすれば、複数段減圧方式を採用することにより、水素ガスの減圧を漸次、かつ確実に行うことができる。
さらには、浄化触媒として、気体燃料−ガソリンといったバイフューエル用の浄化触媒をはじめ、ＦＦＶ（フレキシブル・フューエル・ヴィークル）用の浄化触媒を利用することも可能である。
この発明の実施例を示す水素エンジンの排気ガス浄化システムの制御用フローチャートである。 水素エンジンの排気ガス浄化システムのシステム構成図である。 弱成層燃焼を示す水素エンジンの概略拡大断面図である。 燃焼室内をピストン側から視た際の混合気分布を示す図である。 水素エンジンの排気ガス浄化システムの始動時噴射制御の燃料噴射時期を示す図である。 水素エンジンの排気ガス浄化システムの始動後噴射制御の燃料噴射時期を示す図である。
符号の説明
１ 排気ガス浄化システム
２ 水素貯蔵タンク
３ 水素エンジン
４ 排気管
５ 触媒
１０ 燃焼室
１６ 吸気管
２０ 吸気マニホルド
２１ 排気マニホルド
２２ 触媒コンバータ
２３ 過給機（「ターボチャージャ」ともいう。）
２９ インタクーラ
３０ 水素ガス噴射システム
３１ 吸気側水素ガス噴射装置
３２ 排気側水素ガス噴射装置
３３ 水素ガス供給通路
３４ プレッシャレギュレータ
３５ 一次供給側通路
３７ 一次供給側インジェクタ（「筒内インジェクタ」ともいう。）
３８ 二次供給側通路
３９ 二次供給側インジェクタ
４０ アイドル回転数制御装置
４２ ＩＳＣバルブ（「アイドル空気量制御バルブ」ともいう。）
４７ 燃料圧力センサ
４９ エンジン水温センサ
５０ スロットルセンサ
５２ 吸気圧センサ
５３ 吸気温度センサ
５４ 上流側排気ガスセンサ（「空燃比センサ」または「λセンサ」ともいう。）
５５ 下流側排気ガスセンサ（「水素（Ｈ２）センサともいう。」）
５６ 制御手段（「ＥＣＭ」ともいう。）
５７ クランク角センサ

Claims (2)

  1. 水素を高圧状態で貯蔵する水素貯蔵タンクと、この水素貯蔵タンクから供給する水素を燃焼する水素エンジンと、水素エンジンの排気管に設けた触媒とを備え、水素エンジンの運転中に排気管内に水素ガスを供給可能に設けた水素エンジンの排気ガス浄化システムにおいて、触媒の上流側の排気管に、排気ガス成分を検知する上流側排気ガスセンサを設けるとともに、排気管内部に水素ガスを噴射する排気側水素ガス噴射装置をその上流側排気ガスセンサの上流側に設け、この上流側排気ガスセンサの検出に基づいて排気ガスがリーン側の所定の空燃比となるように水素エンジンに供給する水素ガスの供給量をフィードバック制御しつつ、排気側水素ガス噴射装置から水素エンジンに供給する水素ガスよりも少量な水素ガスを供給するように制御する制御手段を設けたことを特徴とする水素エンジンの排気ガス浄化システム。
  2. 触媒の下流側の排気管に排気ガス成分を検知する下流側排気ガスセンサを設け、制御手段は、この下流側排気ガスセンサの検出に基づいて排気側水素ガス噴射装置から供給する水素ガスによる触媒通過後の排気ガスへの還元率を監視しつつ、供給する水素ガスを増量補正または減量補正するようにフィードバック補正制御することを特徴とする請求項１に記載の水素エンジンの排気ガス浄化システム。
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