JP4344748B2 - 水素稼動式内燃機関の稼動方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部（所謂おいて部）に従い、燃焼動力機械としての内燃機関、特にツーコンディション内燃機関の稼動方法に関し、この内燃機関は、水素（Ｈ_２）のような広い点火限界を有する燃料を用いてλ＞１の希薄状態（リーン状態）で稼動可能であり、この際、理論的な空気比率（λ＝１）に隣接する第１希薄領域と、この第１希薄領域により大きなλ値の方向で接続する第２希薄領域とが定義されている。

内燃機関、特に水素稼動式内燃機関は、広い負荷領域に渡り、λ＝２を遥かに越える空気比率で極端な希薄状態で稼動可能であり、それにより窒素酸化物エミッションのレベルが無視可能である。その種の水素稼動では、生排気ガス内ですら、炭化水素稼動時に調整式三元触媒を用いた排気ガス後処理後に放出されるよりも明らかに少ない窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）が含まれている。比較的高い出力の要求時にだけ１≦λ＜２の領域内への燃料・空気・混合気の濃厚化（リッチ化）が必要であり、このことはＮＯ_Ｘエミッションの激しい上昇と結び付き、従って排気ガス後処理の必要性と結び付いている。

広い負荷領域に渡る、絞られてなく希薄状態の内燃機関の稼動は、明らかな燃費長所を提供し、その理由は、空気過剰の増加と絞りを伴わない稼動とにより効率が改善されるためである。

λ＝１近傍の希薄領域内で問題であるＮＯ_Ｘエミッションを回避するために特許文献１は、常にλ＜１の空気比率で走行し、触媒を通じて排気ガスを導くことを提案している。この試みは目的にかなったものとは見られず、その理由は、λ＞２の極端な希薄領域において同時に無視可能なＮＯ_Ｘエミッションを伴っている燃費に極めて有利な機関稼動の格別な長所が利用されないためである。

特に、水素を用いても、ガソリンやディーゼルや天然ガスのような炭化水素を用いても稼動可能であるツーコンディション内燃機関では、内燃機関の炭化水素稼動のために必要な排気ガス後処理技術を水素稼動にも利用することが提案される。

炭化水素稼動式内燃機関における通常の触媒式排気ガス後処理方法は三元触媒及び／又はＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を含んでいる。この際、短所として、調整式三元触媒が原理的にλ＝１という理論的な空気比率の場合にだけ有効に窒素酸化物還元性があるということがあり、λ＞１のより希薄な領域ではその窒素酸化物還元性能は無視できるほど小さいものであり、その結果、希薄コンセプトのための使用は除外される。原則的に排気ガス中の酸素過剰時（λ≧１）に使用可能であるＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の還元性能は、しかしながら、理論的な空気比率の場合の三元触媒の性能よりも明らかに悪く、その結果、この技術は、極めて厳しい排気ガス限界値を満たすことに関する極端に高い要求を顧慮するには十分ではない。

独国特許出願公開第１９５２６３１９Ａ１号明細書

従って本発明の基礎を成す課題は、水素を用いた特にツーコンディション内燃機関の稼動方法を提供することであり、ここでは負荷要求が高い場合にも過剰のＮＯ_Ｘエミッションが有効に回避される。

前記の課題は、請求項１に記載した措置により解決され、この際、本発明の基礎を成す思想に従い、稼動は、実質的に、理論的な空気比率λ＝１に直接的には接続しない第２希薄領域内、又は、少なくともほぼ理論的な空気比率（λ≒１）で行われる。理論的な空気比率（λ＝１）に隣接する第１希薄領域は消失（フェードアウト）されていて、この領域内の稼動は意図されていない。

本発明に従う特に有利な他の構成及び更なる構成は下位請求項の対象である。

第１希薄領域が、実質的に、著しい窒素酸化物エミッション（ＮＯ_Ｘエミッション）を伴う空気比率（λ）を含んでいて、第２希薄領域が、実質的に、無視可能なＮＯ_Ｘエミッションを伴う空気比率（λ）を含んでいると、極めて有利であるとされる。

合目的には第１希薄領域の消失が、混合気生成をも制御する機関制御（機関制御装置）の対応的な設計により、燃料供給の増加及び／又は絞り機能及び／又は排気ガス再循環率の変化により行われる。有利にも、排気ガス再循環の使用は、対応的な効率長所を伴い、少なくとも殆ど絞られていない機関稼動の可能性を提供する。

本発明の特に有利であるべき構成に従い、広い負荷領域に渡り、内燃機関の稼動が第２希薄領域内で特に大きなλで行われ、ただし特に極めて大きな負荷要求時には内燃機関の稼動は少なくともほぼ理論的な空気比率（λ≒１）で行われ、この際、第２希薄領域から出発し、少なくともほぼ理論的な空気比率（λ≒１）への跳躍的な移行が行われ、従って第１希薄領域は飛び越えられる。

特にλ≒１の稼動時に触媒式排気ガス後処理が行われると極めて有利であり、この際、合目的には三元触媒及び／又はＮＯ_Ｘ吸蔵触媒が使用される。

特にＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の使用時には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の吸蔵性能及び／又は処理状態（負荷状態）に依存し、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の再生のために少なくとも短時間的にλ＜１の濃厚稼動が推奨される。

好ましくは、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の還元は、排気ガス内に含まれる非燃焼の水素（Ｈ_２）を用いて行われる。

次に、図面に関連し、本発明の特に有利な実施形態を詳細に説明する。

本発明はツーコンディション内燃機関（バイバレント内燃機関）の稼動方法に関するものであり、この内燃機関は、ガソリンやディーゼルや天然ガスのような炭化水素含有の燃料を用いても、水素を用いても稼動可能であり、この際、混合気生成は燃焼室内及び／又は燃焼室外で行われる。炭化水素含有の燃料用の従来のタンクの他に車両の車内には深冷の液体水素を収容するための極低温タンクが設けられている。車両は、特に排気ガスライン内の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）に対する排気ガス後処理のために、調整式三元触媒及び／又はＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を含んでいる。λ調整式三元触媒は、理論的な空気比率λ＝１において、炭化水素稼動時のＣＯエミッション及びＨＣエミッションの他にＮＯ_Ｘエミッションも還元する。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒はλ≠１においても有効であり且つλ≧１の希薄稼動（リーン稼動）においてＮＯ_Ｘを吸蔵し、それに対し、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の再生はλ≦１の燃料過剰を伴う稼動段階で行われる。排気ガス中に含まれる非燃焼の水素はＮＯ_Ｘの還元を支援する。

グラフ１００は、λ＞１における希薄領域内の空気比率λに依存する、水素稼動式内燃機関におけるＮＯ_Ｘ濃度経過１０２を定性的に示している。理論的な空気比率λ＝１から出発し、ＮＯ_Ｘエミッションは、空気過剰の増加と共にλ≒１.１から１.３までの空気比率において最大値に達するまで上昇する。空気比率λが更に上昇するとＮＯ_Ｘエミッションは減少し、λ≒１.８から２.５までの領域内で無視可能な値に到達する。理論的な空気比率λ＝１に隣接する第１希薄領域は符号Ａで示されている。無視可能なＮＯ_Ｘエミッションにより特徴付けられている更なる希薄領域は符号Ｂで示されている。

領域Ｂ内の稼動は広い負荷領域内で可能である。最も高い負荷領域内でだけλ＝１の方向に混合気の濃厚化（リッチ化）が必要である。極めて高い負荷要求時にもＮＯ_Ｘエミッションを少なく維持するために、図２を用いて示されているグラフ２００に従う稼動が行われ、このグラフ２００は、理論的な空気比率λ＝１に隣接する第１希薄領域２０４の消失（フェードアウト）を示している。

領域Ｂ内の稼動から出発し、特に大きな負荷要求時には混合気の濃厚化がλ＝１に至るまで跳躍的に行われ、この際、調整式三元触媒が有効となる；第１希薄領域２０４は消失され、この領域２０４内の稼動は意図されていない。第２希薄領域Ｂの下端をマークしている跳躍限界２０６は、その都度の守るべきＮＯ_Ｘ限界値に依存し、ここでは跳躍限界２０６は１.８≦λ≦２.５の領域内に位置している。跳躍限界２０６は固定式で又は周囲条件に依存して可変であり得る。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を使用する場合、跳躍限界の鋭さは、有利には機関マネージメントの簡素化のため及び燃費に有利である絞られていない希薄稼動の拡大のために柔らかくされ得る。

特に、排気ガス後処理のためにＮＯ_Ｘ吸蔵触媒が使用される際、領域Ｂ内の稼動から出発し、特に大きな負荷要求の場合、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の吸蔵性能及び／又は処理状態（負荷状態）に依存し、混合気の濃厚化がλ≦１へと跳躍的に行われ、その結果、場合により、処理の行われたＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の再生が行われ得る。成功裏に終わった再生の後、機関は、特に大きな負荷の要求がある間、少なくともほぼ理論的な空気比率（λ≒１）において更に稼動される。

空気比率λに依存するＮＯ_Ｘ濃度経過を示す図である。 理論的な空気比率λ＝１に隣接する第１希薄領域の消失を伴う本発明に従う稼動のためのグラフを示す図である。

符号の説明

Ａ 第１希薄領域
Ｂ 第２希薄領域
１００ 空気比率λに依存するＮＯ_Ｘ濃度経過
２００ 理論的な空気比率λ＝１に隣接する第１希薄領域の消失を伴う本発明に従う稼動のためのグラフ
２０４ 第１希薄領域
２０６ 跳躍限界

Claims (9)

1. 内燃機関の稼動方法であって、この内燃機関が、機関制御装置を用いて制御され、水素（Ｈ_２）を用いてλ＞１の希薄状態で稼動可能であり、更に、理論的な空気比率（λ＝１）に隣接する第１希薄領域（Ａ）と、この第１希薄領域により大きなλ値の方向で接続する第２希薄領域（Ｂ）とが定義されている、前記方法において、
   水素を用いた内燃機関の稼動が、第２希薄領域（Ｂ）内、又は、理論的な空気比率（λ＝１）或いはその近傍（λ≒１）で行われることを特徴とする方法。
2. 第１希薄領域（Ａ）が、排気ガス後処理を必要とするレベルの窒素酸化物エミッション（ＮＯ_Ｘエミッション）を伴う空気比率（λ）を含んでいて、第２希薄領域（Ｂ）が、排気ガス後処理を必要としないレベルの窒素酸化物エミッションを伴う空気比率（λ）を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 高負荷要求時を除き、内燃機関の稼動が第２希薄領域（Ｂ）内で行われることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 高負荷要求時には、第２希薄領域（Ｂ）内の空気比率（λ）から理論的な空気比率（λ＝１）或いはその近傍（λ≒１）への移行が行われ、内燃機関の稼動が理論的な空気比率（λ＝１）或いはその近傍（λ≒１）で行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 理論的な空気比率（λ＝１）或いはその近傍（λ≒１）への移行が、対応的に増加された燃料供給及び／又は排気ガス再循環率及び／又は減少された空気供給により達成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 理論的な空気比率（λ＝１）或いはその近傍（λ≒１）の稼動時に、触媒を用いた排気ガス後処理が行われることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 触媒として、三元触媒及び／又はＮＯ_Ｘ吸蔵触媒が用いられることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の使用時に、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の吸蔵性能及び／又は処理状態に依存し、少なくとも短時間的にλ≦１の濃厚稼動が行われることを特徴とする、請求項６又は７に記載の方法。
9. 窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の還元が、排気ガス内に含まれる非燃焼の水素（Ｈ_２）を用いて行われることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の方法。

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