JP5541466B2 - 固体酸化物型燃料電池を動力源とする車両用の車載改質装置における燃料リッチ低温の燃焼モードで内燃機関を運転するシステム及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ディーゼルエンジンを運転するシステム及び方法に関し、特に、固体酸化物型燃料電池を動力源とする車両へ適用するためのシステム及び方法に関する。
近年のディーゼル内燃機関は、直接燃料噴射を伴う圧縮着火によって運転される。典型的に、これらのエンジンは、微量の未燃の炭化水素(HC)及び一酸化炭素(CO)を排出する。他方で、窒素酸化物(NOx)及び粒子状物質(PM)の排出は、ディーゼルエンジン燃焼及び制御技術者における課題となっている。NOx及びPMの排出を取り扱うことの課題は、NOxを削減するための対策が、その反対に、概してPMの排出を増加させることにある。これら２つの排気成分間の関係は、NOxとPMとの折り合いが、広く研究されるとともにディーゼルエンジン設計及び製造業において知られている。
NOx排出とPM排出との折り合いを広範囲に受入れるにもかかわらず、NOx又は粒子状物質の微量或いは測定できない程度の排出を伴ってディーゼルエンジンが運転されることによる低温燃焼モード時における機関運転の異常状態の存在が、少なくとも１９９０年代から知られていた。
低温燃焼モードは、煤煙限界の範囲を超えて現れる。排気再循環(EGR)率を増加させる、通常の運転モードから初期段階は、典型的に比例の関係でNOx排出に還元を生じさせるとともに粒子状物質排出の増加を引き起こす。EGR率がさらに増加するにつれて、エンジンが過度の量の煤煙を排出する点に到達する。この、煤煙限界は、ディーゼルエンジンの運転領域における実用的な限界であると考えられていた。しかしながら、ササキ及びその他の米国特許第5,890,360号に記載されているように、排気ガス再循環率がさらに増加しているならば、煤煙はもはや発生していないことを示している。エンジンが煤煙及びNOxとPMとの両方を排出しないポイントに到達する温度は非常に低い。煤煙限界を超えるこの領域における運転は、低温燃焼(LTC)モード運転を意味する。
低温燃焼モードの期間は、低NOx及びPM排出は、低い温度で燃焼が起こる結果であることの実感を反映する。高度の排気ガス再循環は、燃焼室内に高い割合のN2 ,CO2 ,及びH2Oのような不活性（燃焼に対して）ガスを生じる。高い割合の不活性ガスは、燃焼プロセスの期間に起こるピークガス温度を限定する。典型的なディーゼルエンジンの燃焼ピーク温度は、典型的に数百度よりも高いのに対し、低温燃焼モードは、ピーク温度を1800ケルビン以下の近似値に限定する。
より低い燃焼温度はNOx生成を低減することがよく知られているが、低温度燃焼モードにより実現される煤煙組成物の還元を理解するのはより困難である。煤煙組成物は、非常に多くのステップ及び多数の化学反応を含む複合的な化学プロセスである。初期反応は、ディーゼル燃料をより小さい分子に分解することを含む。続いて起こる反応では、より小さい分子は再結合してその結果として煤煙を作り出す非常に大きい分子の形態となる。煤煙組成物プロセスは煤煙先駆物質であると考えられるより小さい分子の組成物の他は進行しないことにより、低温燃焼モードにおける低煤煙生成を説明することができる。
低NOx及びPM排出が同時にもたらされることに対して低温燃焼モードが賛美される間、LTCは、低エンジン効率並びに未燃炭化水素(HC)及びCOの高排出を含む厳格な制限を受ける。SAE 2001-01-0655, 図４（エンジン運転が「無煙」リッチ領域に移行した時にブレーキ特性燃料消費並びにHC及びCO排出が急激に増加する）及び３頁、最後の３文（エンジンが燃料リッチ領域に入った時にブレーキ特性燃料消費(BSFC) が「相当な」程度まで増加することが詳細に述べられている）；米国特許第5,890,360号、図２（EGR率が増加する時にトルクが減少することが示されている）、図１０（LTCモード(領域l)から通常モード(領域ll)へエンジンが移行する時に与えられた燃料量に対してトルクが増加するステップが示されている）及び第１１章６４行から第１２章４行まで（通常モードはLTCモードよりも効率が高く且つより少ない燃料を要求することが詳細に述べられている）、を参照。
低燃料効率は、排気中の未燃炭化水素及びCO（未消費燃料）並びにLTCモード（燃料が機械エネルギーの代わりに熱エネルギーを生じるために使用されていることを示す）へ移行する時の排気温度の上昇を反映する。SAE 2001-01-0655, ４頁、第１章及び付録A（LTCは排気ガス温度を200-250℃の領域へ上昇させる）、４頁；オオキその他の米国特許第7,246,485号、第８章（リーンLTCモードへの切り替えはそれら装置を加熱する排気後処理装置中で燃焼する炭化水素をもたらす）、を参照。
乏しい燃料効率は別として、LTCは狭い運転許容範囲を持つ。SAE 2001-01-0655, ４頁、第１章（多量のEGRは運転可能な範囲をアイドル及び低負荷に限定することが説明されている）；米国特許第5,890,360号、第９章、第２４から２８行（LTCは低負荷時のみ可能であることが詳細に述べられている）、図７（LTCを行うことが可能な領域l及び典型的な燃焼が使用される領域llが示されている）、及び第２章、第３８から４４行（LTCはいつも起こらない及びそれはLTCを行うタイミングで決定する必要があることが詳細に述べられている）；イトウその他の米国特許第6,763,799号、第１章、第３６から４５行（標準の燃焼はアイドル及び低負荷時を除く運転し易さをもたらすために必要とされることが詳細に述べられている）、参照。低温度燃焼を安定して維持することは困難である。米国特許第6,763,799号、第１章、第５１から６２行、参照。
前述した様々な不都合のため、LTCは、例えば低出力及びアイドル運転等の特別な状況のためだけの選択肢として提案されている。米国特許第5,890,360号、参照。殆ど出力が必要とされていない場合、低燃料効率は重大な問題ではない。また、低出力領域は、先行技術においてLTCを行うことを必要とする高度のEGRを許容する。
ササキ及びその他の米国特許第6,131,388号並びに米国特許第7,246,485号は、排気温度の上昇の利益を得るとともに排気中の残余炭化水素の燃焼による、低負荷及びアイドルモードで排気後処理装置を加熱するためのLTCモードを推奨する。ディーゼル排気温度が500℃に到達することができる間、アイドルでそれらは100-150℃の範囲へ低下する。LTCは、排気温度を150-250℃の範囲へ上昇させる。LTC運転によってもたらされる未燃炭化水素及びCOは、さらに温度を上昇させる酸化触媒を有する排気後処理装置中で燃焼させることができる。
LTCモードにおいて、リッチエンジン運転もまた可能である。米国特許第6,131,388号は、排気後処理装置を加熱するためのプロセスの一環としてリッチエンジン運転を説明している。このプロセスは、短期間のリッチLTCエンジン運転を含む。これらリッチ期間中にエンジンによって生成された炭化水素は、炭化水素貯蔵能力を有する排気後処理装置中に一時的に貯蔵される。短期間のリッチ運転の後に、エンジンはリーンで運転される。リーンエンジン運転によって利用可能に作られた酸素は、排気ライン内に多量の熱を生じる貯蔵された炭化水素の燃焼を許容する。リッチLTC運転と典型的なリーンエンジン運転とが交互に発生することにより、排気後処理装置は350-550℃の範囲を維持することができる。米国特許第6,131,388参照。
本発明は、低温燃焼モードの内燃機関を運転する特有の方法を提供する。本発明は、その特有の方法に関連して運転するエンジン及び動力発生システムを含む。その方法に関連して、エンジンの燃焼室は、吸気行程、圧縮行程、動力行程及び排気行程を含むサイクルで運転される。燃焼室は、吸気行程中にエアの導入を伴う。また、燃焼室は、燃焼が開始される前に燃料が供給される。燃料供給は、少なくとも1.05の当量比を伴う燃焼室リッチの範囲内で空燃比を十分に作り出す。燃料及びエアは、燃焼の前に混合される。燃料は、上死点の少なくとも20°前のクランクアングルで供給される。燃料及びエアは、圧縮行程によって生じる熱及び圧力を受けて混合気が自動着火するように調整される。さらに、その多くは、著しい煤煙の生成が起こる温度以下で燃焼が起こるように調整される。その方法は、いくつかの応用が可能なリッチ低温燃焼モード運転を提供する。
その方法によって運転されるエンジンは、相対的に高温を伴う排気、酸素が殆どない状態、及び高化学エネルギーを生じる。その排気は、超低NOx及び粒子状物質である。燃焼プロセス中に存在する過剰な燃料は、容易な利用形態に化学エネルギーを配置するプロセス中に改質される。
本発明の方法は、先行技術の低温燃焼モード方法よりも少ないEGRを使用する低温リッチ燃焼を許容する。また、その方法は、先行技術の方法を使用して行うよりも高温のリッチ低温燃焼モード排気の生成を許容する。その排気温度は、典型的に、かなり高い可能性がある250℃以上である。
一実施形態において、その方法を実施するための適当な燃料及びエアの供給を得るため、吸気バルブは、吸気行程が完了する前に閉弁される。早期の吸気バルブの閉弁は、燃焼室へのエア供給を減少させるとともに吸気行程の終わりに燃焼室を亜大気圧以下にする。より少ないエア供給は、圧縮行程により発生するより少ない熱及び圧力を導く。
他の実施形態において、排気温度を上昇させるため、排気バルブは、動力行程が完了する前に開弁される。早期の排気バルブの開弁は、排気へより高い熱エネルギーを伝達するために機械エネルギー生成中に還元を引き起こす。
本発明の他の側面は、前述した方法及び固体酸化物型燃料電池に準じて運転される内燃機関を含む動力発生システムである。エンジン排気は、選択的に排気が燃料改質装置を通過した後、燃料電池の燃料側へ供給される。エンジンは、燃料電池へ燃料を供給して、運転温度に燃料電池を維持する又は維持することを助ける。また、排気中の熱エネルギーは、燃料改質装置温度の維持及び燃料の改質に利用することができる。一実施形態において、改質のための補足的燃料は、エンジンによって排気へ燃焼プロセス中か排気行程中に供給される。他の実施形態において、補足的燃料は、エンジンから下流の排気ライン中へ噴射される。
内燃機関及び燃料電池を含む動力発生システムの望ましい実施形態において、エンジン運転は狭いトルク- 速度領域内で維持される。トルクは、エンジン、及び燃料電池により作り出される電気により駆動される電気モータによって供給される。トルク要求が増加した場合、追加トルクは、エンジンの動作点に変更の必要がないように電気的に提供される。選択的に、増加された電力出力を維持するため、排気へ提供される補足的燃料の量を増加させることができる。同様に、トルク要求が減少した場合、エンジンの動作点が相対的に荷電されていないままであることが許容されている間、電力の使用量は低減される。エンジンの機械動力出力が実際の要求を超える場合、余剰分は、ジェネレータとしての電気モータを利用して電気的エネルギーへ変換することができる。過剰な電力は、動力貯蔵システムに貯蔵することができる。エンジンによって提供される機械動力及びエンジン排気中の化学エネルギーを電力へ変換する燃料電池によって提供される電力量が動力貯蔵システムの貯蔵容量を超えて過剰なエネルギーを生じる場合、エンジンは、望ましいトルク- 速度ポイント以外で運転されるよりもむしろ完全にシャットダウンされることが望ましい。この方法は、安定した運転、応答性、及びまれにみる清浄な排気を伴う高効率動力発生システムを提供する。
本発明の側面は、エンジン及び排気後処理システムを含む動力発生システムである。典型的に、エンジンリーン運転及び排気後処理システムは、NOx吸着触媒を利用して排気からNOxを除去する。NOx吸着触媒を再生するため、エンジンは、リッチ低温燃焼モードで運転することができる。これは、特に、低負荷又はアイドルモード下のNOx吸着触媒の脱硫酸化に有用である。リッチ低温燃焼モード運転は、選択的に排気ライン燃料改質装置と協働して、脱硫酸化のために要求されるリッチ高温モード下でNOx吸着触媒を継続的に維持するのに適合する。
この概要の主な目的は、以下のより詳細な説明の理解を容易にするための簡易化された発明者のコンセプトのいくつかを具現化することである。この概要は、「発明」と見做される発明者のコンセプトの全て又は発明者のコンセプトの組み合わせの全ての包括的な説明ではない。発明者の他のコンセプトは、以下の図面を伴う詳細な説明によって当業者によって示唆される。この中で開示された事項は、以下のクレームを保有する発明として発明者が主張する最終的な概念を伴う様々な方法で、広く適用する、狭く適用する、及び組み合わせることが可能である。
図１は、予備混合された空燃比のリッチ領域内を示す燃焼ガス温度のプロットであり、予備噴射された燃料の総量の増加は、低温燃焼モードを引き起こすために十分に、燃焼温度を低下させることができる ディーゼルエンジンシリンダの概略を説明する図である。 空燃比及び自動着火タイミングに対するEGR率の効果を示すエンジンの運転マップである。 リッチ領域内の排気温度に対する空燃比及びEGR率の効果を示すエンジンの運転マップである。 燃焼の程度に対する吸気供給低減の効果を示すプロットである。 空燃比の増加が排気の化学エネルギー含有量をどのように増加させるのかを示す。 空燃比の増加が排気の化学組成にどのように影響するのかを示す。 本発明の方法のフローチャートである。 典型的な本発明の動力発生システムの主な構造を示す図である。 本発明の典型的な動力発生システムの概略図である。 本発明の方法の有限状態機械ダイアグラムである。 本発明の異なる側面に関する典型的な動力発生システムの概略図である。
図１は、10％のEGRで低温燃焼を引き起こすことができるリッチ領域における予備混合された燃料の量がどのように増加するのかを図解するプロット50である。プロット50データは、燃料をn-ヘプタン及び圧縮比を16と仮定してコンピュータシミュレーションにより発生させたものである。比較事例51において、予備混合された燃料は空燃比1.0をもたらし、ガス温度は燃焼中2500Kに到達する。この温度はあまりにも高く、比較事例では低温燃焼モードを行うことができない。事例52において、空燃比は1.8である。ガス温度が2000K以下で最高点に達することは、燃焼温度が低温燃焼モードをもたらすために十分な温度まで低下したことを示している。
図２は、本発明に準じて低温燃焼モードのために構成されたディーゼルエンジン300の燃焼室200の概略図を提供するものである。燃焼室200には、ピストン202、吸気バルブ204、排気バルブ206、及び燃料噴射装置208が設けられている。ディーゼルエンジン300は、少なくとも吸気行程、圧縮行程、動力行程、及び排気行程を含む一連の行程を通じて燃焼室を運転する。
本発明によれば、リッチ空燃比は、燃焼が開始される前に確立される。エンジン300のために、これは、クランクアングルが上死点(TDC)に到達する約20°前よりも前に行われた燃焼室200中への燃料の噴射である予備噴射によって成し遂げられる。予備噴射は、燃焼噴射装置208によって行われる。予備噴射によって噴射された燃料は、燃焼前に容積210内でエア及びEGRガスと十分に予備混合される。
先行技術における低温燃焼モードが、多量の不活性ガス、特に、EGRガス、望ましくは冷却されたEGRガスを有するエンジンシリンダが提供されることにより成し遂げられるのに対し、本発明における低温燃焼モードは、十分な空燃比のリッチ領域の範囲内の混合気に燃焼を限定することにより多量の不活性ガスを必要とすることなく成し遂げられる。予備噴射によって燃焼前に容積210の隅々までリッチ空燃混合気が行き渡った時、燃焼温度は、酸素供給不足に起因して不完全燃焼された燃料の一部を改質する吸熱反応によって低下する。過剰な燃焼を加熱及び希薄化することは、ピーク燃焼温度を低下させる付加的なヒートシンクをもたらす。リッチ状態は、燃焼温度がこれらによって制限されることがない低空燃比の発生に先んじるため、燃焼開始前に供給エアの隅々まで確立される。
本発明の望ましい手段において、燃焼は圧縮によって起こる。燃料の予備混合及びエアは、圧縮により生じる熱及び圧力の結果として自動着火する。燃焼は、典型的に容積210の隅々のそれぞれの場所で起こる着火を伴い、基本的に均一である。全体の予備混合された空燃供給はほぼ同時に燃焼する。対照的に、従来のディーゼルエンジン運転燃焼は、噴射された燃料が、既に加熱されるとともに圧縮されたエアに接触する火炎前面に沿って燃焼が起こることになる。火炎前面での空燃比は、典型的に、容積210全体の空燃比とは全く異なる。
プロット50は、空燃当量比が1.0から1.8へ増えることで燃焼の兆候が遅れることを示す。自動着火を事例52のプロット50におけるよりも遅らせるのであれば、自動着火は全く起こらないであろう。図１に使用されるパラメータは、燃焼が低温燃焼モード型の燃焼である間の自動着火が起こる空燃比の狭い領域を提供する。その領域は、後述されるエア供給を減少させることにより拡張することができる。
図３及び図４は、図１を作成したときと同じモデルを使用して発生したエンジン運転マップを提供する。図３は、着火遅延は空燃比を増加させ、自動着火が起こる時の最大空燃比はEGR率に依存することを示している。自動着火が起こる時の最大空燃比は約2.0であり、これは、EGR率が約15％以下に制限される場合のみ可能である。図４は、排気温度が約700Kから約950Kの領域であることを示している。
自動着火が起こる時の全ての状態が低温燃焼モード状態であるというわけではない。図１の状態の間、低温燃焼モードのための最小空燃当量比はほぼ1.8である。空燃比が低過ぎるのであれば、煤煙が形成されるレベルよりも低い燃焼温度を維持するために吸熱反応を行うのに不十分である。空燃比が高すぎるのであれば、着火遅延が過大となり、自動着火が起こらないであろう。
低温燃焼モードは、空燃比が増加すると累進的に燃焼温度限界を低下させる必要があることに注意すべきである。言い換えると、煤煙形成は、より高い空燃比が使用される場合、いくらか低い温度で起こすことができる。燃焼圧力の低下は、温度限界を上昇させる。典型的に、その温度限界は、前述した要因の他に燃料のタイプにも依存し、約1700Kから約2000Kの範囲である。
最小予備混合空燃当量比は、1.05以上である。自動着火が起こるとともに燃焼が低温燃焼モード領域内である空燃比の正確な範囲は、容積210の圧縮比及び圧縮により昇温されるシリンダガスの温度に影響を及ぼす他の要因に依存する。その範囲は、吸気ガスの温度、燃焼室200へ供給されるエア量、及びシリンダ供給における排気ガス比率に依存する。
1.0の空燃当量比は、容積210内の燃料と酸素との比率が化学量論燃焼であるときに成し遂げられる。炭化水素燃料の化学量論量は、H2O及びCO2である完全燃焼生成物へ完全に転化される間に利用可能な酸素の全てを消費する総量である。燃料噴射量を増加させて燃料の化学量論量を２倍で提供することは、2.0の空燃当量比を得る。
低温燃焼を行うのに必要な最小空燃比は、シリンダガスが圧縮により加熱される程度に低下させることにより低減することができる。比較的低い圧縮比をもたらすエンジン設計は、シリンダガスが圧縮行程により昇温される温度を低減させる。温度及び圧力の低下は、着火遅延を増大させる。空燃比の増加もまた、（リッチ領域の範囲内で）着火遅延を増大させる。したがって、TDCにおける温度及び圧力低下は、（LTCを利用することにより）最小空燃比を低減するとともに（自動着火を抑制することにより）最大空燃比を低減する。
本発明の一実施形態において、圧縮行程によるシリンダガスの温度及び圧力の上昇は、早期に吸気バルブを閉弁させることで低減される。典型的に、早期の吸気バルブ閉弁は、燃焼室容積210がその最大容積の90％以下である時、より望ましくは容積210がその最大容積の約84％である時に、吸気バルブ204を閉弁させることを含む。シリンダ圧縮期間において、早期に吸気バルブを閉弁させると、ピストン202が下死点(BDC)に接近するにつれて、燃焼室容積210内の圧力は亜大気圧まで低下する。圧力は、0.9 bar以下まで低下する。望ましくは、その圧力は、0.8 barである。
早期の吸気バルブ閉弁は、吸気行程中に容積210内へ取り込まれるガスの総量を減少させる。例えば、エアインテークを絞る等、他の方法で同じ効果を成し遂げることができる。早期に吸気バルブを閉弁させることの利点は、実施が容易であるとともに可変バルブ作動機構を有するエンジンの正確な制御が可能であることである。早期の吸気バルブ閉弁は、本発明にかかわらず設計された又は高圧縮比に有利に作用する異なる運転モードに適応するように設計されたディーゼルエンジンを使用して本発明を実施する場合、特に有用である。
早期の吸気バルブ閉弁は、エンジンがあたかもより低い圧縮比を有するようになる。周囲の状態下における吸気ガスの容積と圧縮行程の終わりの時点での容積との間の比率が低減される。さらに、温度及び圧力の低減は圧縮行程によって実現され、早期の吸気バルブ閉弁は燃焼中の燃焼室200内の酸素濃度を低減させる。もちろん、吸気バルブ204は、時期尚早に閉弁させるべきではない。圧縮による温度及び圧力の上昇が不十分であるならば、自動着火は予備混合された空燃比であっても起こらないであろう。
燃焼室200に取り込まれるガスの総量の低減は、燃焼中の反応速度を低下させる効果がある。図５のプロット60は、リーン燃焼の実例を利用するこの現象を図解するものである。プロット60は、吸気ガス圧力の低下が排気ガス中の不完全燃焼生成物の存在を増加させることを示している。不完全燃焼生成物は、CO濃度曲線61及びHC濃度曲線62によって表されている。さらに、より低い吸気圧力は、排気温度曲線63で示されるようにエンジン300の熱効率を低減させる。典型的なエンジン適用において、不完全燃焼生成物の増加及びエンジンの熱効率の低下は不利益であるが、以下に説明される本発明の適用及び実施形態において、これらは望ましい結果である。
予備噴射は、容積210に1.05以上の空燃当量比をもたらす。図６は、空燃比の増加により排気の化学エネルギー含有量がどのように増加されるのかを図解するものである。図７は、過剰な燃料が、高比率のH2及びCOを提供するエンジン300内で燃焼により実質上改質されることを示す。改質後、燃料の化学エネルギーはより容易に利用することができる。
前述したように、予備噴射があまりにも高い空燃比を生じるのであれば自動着火は起こらない、しかしながら、一度燃焼が開始されると、上昇した温度は、空燃比をさらに増加させることを許容する。したがって、本発明は、燃焼が起こっている時に追加の燃料を容積210内へ噴射することにより、空燃比の増加の選択肢を提供するものである。燃焼室200内へ噴射された追加の燃料は、効果的に改質されるであろう。
予備混合された空燃比は、煤煙形成を妨げるのと同様に過度の着火遅延を防止することを制限する必要がある。図６及び図７は、典型的な状態において、空燃当量比が約2.0よりも高くなると、煤煙が生成されることを示す。煤煙形成限度は、より正確に近似し、3.0の空燃当量比が実質的である。予備混合された燃料を使用して提供されるよりもより高い化学エネルギー含有量が望ましいのであれば、その含有量は、シリンダガスが燃焼温度以下に冷却された後、膨張行程において、前述又は後述するように、燃焼中の燃料噴射によって増加させることが可能である。シリンダ温度が低下するにつれて、煤煙が形成されることなく、より高い燃料含有量が許容される。
本発明に準じて運転が移行される典型的なディーゼルエンジンにおいて、より望ましい早期の吸気バルブ閉弁は、本発明が殆どEGRを使用しない間に成し遂げられることによれば、自動着火及び低温リッチ燃焼で、リッチ空燃比の領域を提供する。この中で提供されるガイドラインを利用して、いくつかの実験は特定のエンジン燃料システムに向けた調整を見出すことが必要とされるが、本発明は、典型的なディーゼル燃料を使用してエンジンの幅広い領域で実施することができる。このような実験とは異なる典型的なパラメータは、予備混合された空燃比及び早期に吸気バルブを閉弁させるタイミングである。
図８は、発明者により図解された低温リッチ燃焼モードにおけるディーゼルエンジン300を運転する典型的な方法のフローチャートを提供する。方法100の最初のステップ102は、燃焼室200の吸気行程を開始するためのものである。吸気行程は、燃焼室200内で容積210を膨張させるためにピストン202を引き込むことを含む。吸気バルブ204は吸気行程に向けて開弁されている。選択的に排気ガスと混合されたエアは、吸気行程によって燃焼室容積210内へ吸気管212を通じて引き込まれる。
排気バルブ206は、典型的に、吸気行程を通じて閉弁されている。吸気行程の途中における排気バルブ206の開弁は、燃焼室200内へ排気マニホールドから排気が引き込まれるとともに排気ガス再循環を達成する方法である。排気マニホールド内の排気は高い温度であり、このタイプのEGRを使用する場合、典型的な方法によって達成することが困難な低温燃焼を作り出す。高いEGRガス温度にもかかわらず低いEGR率を伴う低温燃焼が可能である。高温EGRガスは、予備噴射された燃料の気化及び一様な空燃混合を生じるために利用することができる。
次のステップ106では、吸気バルブ204が早期に閉弁される。典型的なディーゼルサイクルにおいて、吸気バルブ204は、容積210が最大であるその最高点（下死点）にピストン202が到達するまで開弁されたままである。早期の閉弁は、吸気行程がまだ進行しているとともに容積210がまだ膨張している間、吸気バルブ204を閉弁させることを意味する。
早期の吸気バルブ閉弁は、低温燃焼を達成するに対して直観に反している。早期の吸気バルブ閉弁は、容積210内へ引き込まれる不活性ガスの総量を低減する。典型的に、容積210内における不活性ガス総量の増加は、低温燃焼を達成する秘訣であると考えられている。不活性ガスは酸素を希釈するだけでなく、燃焼中のヒートシンクを提供する。結局、予備噴射とともに、低減された酸素濃度及び低減された断熱の温度上昇を含む前述した利益は、低減された不活性ガスの総量を伴い達成される低温燃焼を許容する。
早期に吸気バルブを閉弁させた後106、方法100は、吸気行程の完了106及び圧縮行程の実施108へ続く。圧縮行程108は、容積210を減少させるためにシリンダ216内へピストン202を押し込むことを含む。吸気バルブ204及び排気バルブ206はともに圧縮行程108中、閉弁されている。容積210内に閉じ込められたガスは、圧縮行程108によって圧縮される。容積210内の圧力は増加し、閉じ込められたガスの温度が上昇する。
また、方法100は、燃焼室200内へ燃料の予備噴射を行うステップ110を含む。望ましくは、この燃料噴射は、燃料噴射装置208を使用して容積210内へ直接噴射される。噴射された燃料は、燃焼室200の現行のディーゼルサイクル内で燃焼が開始される前に、容積210内でエアと混合される。予備噴射110は、ピストン202がTDCの少なくとも20°前のクランク角度に対応する位置である時はいつでも、圧縮行程108中に行うことができる。予備噴射110は、圧縮行程108の前の吸気行程中にも行うことができる。早期の予備噴射110の実施は、予備噴射された燃料とシリンダエアとの混合を促進する。
予備噴射は、実質上均一な混合気を得るために、燃料が吸気エアと混合されるように十分に早期に行うことが望ましい。その噴射された燃料は、着火の前に燃焼室200内で気化されることが望ましい。予備噴射中、容積210内の熱及び酸素濃度は圧縮着火が起こるには不十分である。均一に混合されると、予備噴射された燃料は、追加の燃料を提供するのと同様に、発熱を伴う燃焼に比例して吸熱の改質反応の範囲を増大させることにより、燃焼火炎温度を制限する。これが最終的な目標である場合、予め供給されたエア中へ燃料を予備噴射する以外の当量の空燃混合気を形成するための方法は、本発明を実施するための選択肢である。予備噴射は、典型的なディーゼルの簡単な変更で済む点で有利である。
エンジン300は、圧縮着火によって運転され、混合気に点火するためのスパークを用いない。典型的なディーゼルエンジンにおいて、燃焼は、ピストン202によって容積210で圧縮されたエアが十分に高い酸素濃度且つ十分な熱量を作り出した時に、燃焼室容積210内へディーゼル燃料が噴射されることにより起こる。燃料がガスを含む高温の酸素に接触した時、燃焼は、噴射された燃料及びエアが混合される領域で異質に起こる。それは層状燃焼である。
本発明の場合、容積210は、容積210内のガスが自動着火に必要な温度及び圧力に到達されるよりも前に、過剰な燃料を供給する。燃焼は、自動着火温度及び圧力に到達するとすぐに始まる。空燃混合気は、この高められた温度及び圧力で、着火が起こるための一定の時間を必要とする。この時間は、推移するまで燃焼の予備的な化学反応が必要とする時間である。着火遅延と呼ばれる長さのこの期間の経過後、高燃焼率をもたらす反応性の種の十分な濃度である。着火は、急激な温度上昇によってもたらされる。容積210内の温度及び圧力が、着火が起こるために必要な時間が経過する前に容積210の膨張により過大に低下するならば、着火は、温度及び圧力が一時的に到達したとしても起こることはない。
自動着火に必要とされる温度及び圧力は、容積210を圧縮することで発生する。ピストン202の動程と燃焼室200内に閉じ込められた燃料及びエアの初期の温度及び圧力とは、着火タイミングを決定する。本発明において、既にリッチ空燃混合気へより多くの燃料を追加することは、リッチ領域内によりリーンな空燃比よりも燃焼し難い、より高い空燃比のみをもたらすので、燃料噴射は、着火タイミングを制御するために利用することができない。
動力行程112は、圧縮行程108の終端で始まる。動力行程が始まる時、クランクアングルはTDCである。吸気バルブ204及び排気バルブ206は動力行程の開始時点で閉弁されている。
選択的に、ステップ114における動力行程112中、容積210内へ補足的燃料を噴射することができる。動力行程においてこの燃料噴射を早期に行うことは、補足的燃料が改質される範囲を増加させることができるが、しかしながら、補足的燃料噴射は、自動着火を妨げる程度に早めるべきではない。前述したように、補足的燃料噴射114に起因する空燃比の増加は、着火を促進しないが、着火を妨げることはできない。それにもかかわらず、補足的燃料噴射114は、場合によっては、動力行程が開始される少し前に、動力行程における非常に早い時期に開始することができる。噴射された燃料は、容積210の隅々で直ちに混合することができない。自動着火は、容積210のいかなる場所においても起こることができるとともに複合的に起こることが求められる。補足的燃料噴射114は望ましい程度に早期に開始することができ、これにより、容積210のかなりの部分では、自動着火が起こる前の十分な補足的燃料噴射によって実質上影響を受けないまま、自動着火が十分に遅れて始まる。
吸気行程及び予備噴射110によってもたらされる空燃供給はリッチであるので、容積210内のいかなる場所において燃焼の最大温度は、最初の供給混合気によって実質上制限される。補足的な燃料噴射114がいかなる場所においてピーク温度に影響を及ぼすのであれば、効果は、燃焼中に混合気密度が増加されることでピーク温度が低下することのみである。望ましくは、ピーク温度は、1600ケルビンから2000ケルビンまでの範囲内にあり、最も望ましくは、約1700ケルビンである。最も典型的な環境において、初期の供給の燃焼は、いくらかの補足的な燃料噴射114が行われた時に原則的に完了されている。温度は既に低下しており、補足的な燃料は、物理的な温度上昇及び吸熱化学反応に役立つのみである。
燃焼中に起こるピーク温度は、概ね、断熱圧縮後のTDCで生じる状態を想定する初期の空燃供給のための断熱火炎温度である。断熱火炎温度は、予備噴射量、燃焼室200の圧縮比、導管212によって引き込まれるガスの温度、量及び圧力、加えて、排気行程122後に容積210内に残留する排気ガスの組成及び温度に影響される。ピーク温度推定値の補正は、シリンダガスとシリンダ壁との間の熱伝導を明らかにすることができる。
燃焼温度の測定は容易ではない。そのうえ、典型的なエンジン運転において、燃焼は、シングルピストンサイクルの範囲内の容積210内の温度領域を超えて起こる。それにより、本発明のリッチ低温燃焼モードは、燃焼温度に関して量的に特徴付けることができない。むしろ本発明のリッチ低温燃焼モードは、容積210へ供給されるとともに燃焼前に混合が許容されるリッチ空燃混合気、圧縮を経た混合気の自動着火、NOx及び煤煙が非常に少ない燃焼プロセス排気により、最も明瞭に示される。燃焼温度の推測は、エンジンと燃料とのいかなる組み合わせに対しても発明のリッチLTCモードを成し遂げる状態を決定するために有用であるが、エンジンと燃料とのいかなる組み合わせに対しても必要とされる設定を決定するためにおそらくいくつかの実験が必要である。
無冷却のEGRで少なくとも70％及び冷却されたEGRで少なくとも55％のEGR率が必要とされる低温燃焼の先行技術に対し、本発明は、25％以下、10％以下の冷却又は無冷却のEGR率、及びEGRを用いることさえない低温燃焼を成し遂げる。これは、EGRのため、十分に高いEGR率のため、又はEGRの冷却が本発明による低温燃焼モードでの運転に適合させることができることを伴い、エンジンが構成されていないことを意味する。
EGRへの依存の低減は、高い排気温度を伴う低温燃焼のための手段として重要である。EGRの使用率が高いのであれば、排気温度を上昇させる手段は、低温燃焼モードを成し遂げることは困難又は不可能である。先行技術において、冷却によるEGRガス温度の低下は、低温燃焼モードを成し遂げるために必要とされるEGRの総量を70％から55％へ低減させる。先行技術の方法を用いて、排気ガス温度の上昇は、応じることが不可能であった要求に早急に到達する、必要とされるEGR率を増加させる。EGR要求の低減は、燃焼温度におけるEGRガス温度の影響を低下させるとともに低温燃焼モード運転を両立可能に排気ガス温度を上昇させる手段をもたらす。
ステップ118では、排気バルブ206が開弁される。典型的には、これは、ステップ120で動力行程がほぼ完了するまで起こらない。それにもかかわらず、一実施形態において、排気バルブ206は、動力行程の完了のかなり前を意味する早期に開弁される。排気バルブ206の早期開弁は、後述するように、排気温度を有用な温度に上昇させる。図１は、動力（膨張）行程中にシリンダ温度がどのように低下するのかを図解する。排気バルブ206がほぼBDCで開弁される場合、排気温度は最も低い。排気バルブがより早期に開弁されるのであれば、その時は、シリンダ温度がBDC前よりも高い時に排気温度はおおよそ上昇する。
動力行程中、容積210内で膨張するガスは、ピストン202に作用するように機能する。排気バルブ206が早期に開弁される場合、ピストン202に作用するように機能するために利用される他の全てのエネルギーは、その代わりに熱エネルギーへ変換される。排気バルブ206がより早期に開弁されると、より多くの潜在的仕事エネルギーが熱へ変換される。したがって、排気バルブ206が開弁されたタイミングは、燃焼プロセスの機能である限界の範囲以内で排気温度を制御するために利用することができる。
先行技術の低温燃焼モードが425から525ケルビンまでの範囲の排気温度を提供するにもかかわらず、本発明は、典型的に700ケルビン以上の排気温度を提供する。本発明の低温燃焼モードによってもたらされたより高い排気温度は、後述するように有利である。その低温燃焼モードは、より高温の排気を生じている間、いつまでも維持することができる。
動力行程120の完了後、排気行程122が行われる。排気行程の間、排気バルブ206は開弁される。吸気バルブ204は、典型的に、排気行程中は閉じている。選択的に、吸気バルブ204は、導管212へ排気ガスを供給するために排気行程122の一部の期間、開くことができる。これは排気ガス再循環の他の形態であり、内部EGRとして知られている。一方、排気は、典型的に、非常に高温であるため、低温燃焼が望ましいのであれば、先行技術においては、排気ガス再循環のこの形態が利用されることはない。
Huの米国特許第6,932,063において説明されているように、導管212は、容積210から直接提供される内部EGRガスを収容及び冷却するための範囲内で容積を提供することができる。容積は、EGRガスの望ましい量を収容可能な大きさに形成されるとともにエンジンクーラント又は外部エアのどちらかと熱交換可能に構成されている。内部EGRは、エンジンが低温燃焼モード運転の入り切りを切り替えるように構成されている場合、特に有用である。内部EGRは、典型的な又は外部のEGRが排他的に使用される場合よりもEGR率がより急激に変化することを許容する。急激なスイッチングは、通常燃焼モード領域と低温燃焼モード領域との間で起こる望ましくない運転状態を防止する。冷却EGRガスが低温燃焼モードの達成を促進することができる間、その効果は、本発明は非常に小さいEGRガス比率が要求されるため、先行技術よりも本発明の方が小さい。冷却EGRガスは、着火遅延を増大させるとともにいくつかの環境において望ましくない。
排気行程122の終局で、ディーゼルサイクルは、ステップ102の開始を繰り返す。典型的に、ディーゼルエンジン300は、複数の燃焼室200を含む。方法100は、それらの燃焼室の１つ以上において循環して繰り返される。望ましい実施形態において、方法100は、エンジン300の複数の全ての燃焼室200に対して行われ、これにより、燃焼室200によってもたらされた排気混合気及び温度は、エンジン300からの全排気を表す。もちろん、方法100に準じてエンジン300の燃焼室200の一部のみを運転することも可能である。
本発明は、吸気バルブ204及び排気バルブ206を駆動するどのような特定の手段にも限定されない。これらのバルブを開弁及び閉弁するタイミングは、カムシャフトの回転に対する一定の機械的関係によって制御することができる。望ましい実施形態において、しかしながら、吸気バルブ204及び排気バルブ206は、可変バルブ駆動機構によって制御されている。可変バルブ駆動機構は、燃焼モード、低温燃焼状態、及び動的に制御するための排気温度を許容する。
エンジン300は、方法100に準じて運転するように構成することができる。選択的に、方法100は、可変バルブ駆動機構を有するエンジン300のエンジン制御ユニット(ECU)を適当にプログラミングすることにより実行することができる。エンジン300は、例えば、典型的な方法100の低温燃焼モード等の低温燃焼モードにおける燃焼室200を運転するためにプログラムされたECUを有する。プログラミングは、低温燃焼モード又は低温燃焼モードが選択されたような時のみ、常に燃焼室200を運転することが可能である。いずれにせよ、ECUは、典型的な方法100等の本発明に準じた低温燃焼モード方法のステップを実行するための構成を含む。
ガソリン及びスパーク着火用に最初から設計されたエンジンを使用して本発明を実施することも可能であるが、望ましくは、エンジン300は、圧縮着火ディーゼルエンジンである。典型的に、スパーク着火エンジンは、ディーゼルエンジンほど耐久性がなく、また、圧縮着火運転よって生じるストレス下ですぐに摩耗する。それにもかかわらず、スパーク着火用に設計されたエンジンは、本発明に準じて運転するために変更することができる。予備噴射された燃料としての燃料は、シリンダへ供給される前にエアと予備混合することができる。本発明のリッチ低温燃焼モードは、エンジンシリンダ内への燃料の直接噴射を必要としない。
エンジン300の主な適用例は、図９及び図１０に図解されるような動力発生システム301である。動力発生システム301は、エンジン300及び固体酸化物型燃料電池312を含む。エンジン300の排気は、燃料電池312側の燃料改質装置320へ向けられる。選択的に、燃料改質装置320は、排気がエンジン300から燃料電池312へ移動する時に排気を処理するために排気ライン310内に構成されている。
方法100に準じて運転されるその全ての燃焼室200を伴うエンジン300は、高い化学エネルギーを有する高温の排気を供給する間、駆動軸316へ機械動力も提供する。化学エネルギーは、電気エネルギーを作り出すために燃料電池312によって使用される。排気の熱は、燃料電池312を運転温度に維持することを助ける。選択的な燃料改質装置320が含まれる場合、排気の熱は、燃料改質装置320の温度を維持するとともに装置内の吸熱の改質反応を促進することができる。
燃料改質装置320は、エンジン300からの燃焼生成物をさらに部分的に改質することができる。燃料改質装置320に二次的なエアが供給されるのであれば、燃料改質装置320は、運転温度で改質反応を行うとともに燃料電池312を維持するために追加の熱が提供される。提供された燃料改質装置320の主な機能は、エンジン300内の改質を受けていない補足的燃料を改質することである。このような補足的燃料は、動力行程の終盤或いは排気行程中にエンジン300内へ噴射することができ、又は燃料噴射装置322を使用してエンジンから下流の排気中へ噴射することができる。望ましくは、エンジン排気は、いかなる補足的燃料の改質をも促進するために十分な熱が提供される。さらに述べると、燃料の改質は、単独の燃料改質装置320で行われるよりもむしろ燃料電池312内で行う方がよい。
固体酸化物型燃料電池312は、エンジン300及び燃料改質装置320から、改質油を含んで、実質的に転化された不完全燃焼生成物を提供する。エンジン300からの他の主な汚染物質の産出が低温燃焼モードを使用することにより防止されるので、燃料電池312は、不完全燃焼生成物を効果的に除去することで、排気を実質上清浄化することができる。必要ならば、二次的エア源を伴う浄化酸化触媒は、燃料電池312によって転化されずに残されたいかなる不完全燃焼生成物をも除去するために設けることができる。
燃料電池312によって作られる電気はどのような適用目的にも使用することができる。典型的に、燃料電池312によって作られる電気エネルギー量は、エンジン300の機械エネルギー出力に対して大きさにおいて同じであるか又はより大きい。望ましい実施形態において、電気モータ314が設けられており、これにより、電気エネルギーは、機械エネルギーへ変換されて駆動軸316を駆動するために利用される。また、動力発生システム301は、余剰の電気エネルギーを貯蔵するためのエネルギー貯蔵システム318を含むことが望ましい。電気モータ314は、エンジン300によって作り出された機械エネルギーの全て又は一部が駆動軸316の駆動に必要とされていない間、電気エネルギーを作り出すための機械エネルギーを利用するために逆回転することができることが望ましい。そして、駆動軸316及び電気モータ／ジェネレータ314は、回生ブレーキとして使用することができる。
燃料電池312は、相当量の電力が作り出されている間、CO, H2, 及び他の有機化合物を水及びCO2へ酸化する。相当量の電力は、エンジン300の出力に匹敵する量である。望ましくは、燃料電池312は、CO及び不燃有機化合物の濃度を実質上低減する。望ましくは、燃料電池312は、排気中のCOの少なくとも約50％、より望ましくは少なくとも約80％、さらにより望ましくは少なくとも約90％を除去する。この中で使用される燃料電池の用語は、並列又は直列に接続された複合の個々の燃料電池を含む装置を含んでいる。燃料電池312は、どのような適用の構造をも持つことができる。適用可能な構造は、例えば、管状又は板状構造を含む。
典型的に、固体酸化物型燃料電池は、それらの電解質に関して特徴付けられる。いかなる適用の電解質をも使用することができる。例えば、電解質は、Y2O3、安定化ZrO2等の安定化ジルコニウム；ガドリニウム、ドープCeO2等のセリア系の酸化物、塩化物、及びフッ化物；塩化物、フッ化物、或いはナトリウムドープアルミナ等のアルミナ電解質；ストロンチウムドープランタンマンガン酸化物及びランタンガラート等のランタン電解質；及びビスマスバナジウムコバルト酸化物等のドープビスマス酸化物、を含む。
アノード及びカソードはどのような適用可能なタイプであってもよい。適用可能な電極は、電解質材料に対して低い熱的な不整合を有する。カソードは、電導性であり、酸素イオンを形成するために酸素と反応し、イオンが電解質との間の移動を許容する。電解質に応じて、カソードは、多孔質ランタンストロンチウムマンガン酸化物、ランタンストロンチウムフェライト又はランタンストロンチウムコバルトフェライトを適用することができる。アノードもまた電導性であり、イオンの移動を許容する。アノード材料には、ニッケルを適用することができる。典型的なアノード及びカソード材料は、概してより高性能が発揮されるように、典型的に、電解質材料と混合される。
望ましい燃料電池は、中間温度固体酸化物型燃料電池(ITSOFC)である。中間温度固体酸化物型燃料電池は、約250から約600℃までの領域の範囲内で使用可能であることが望ましく、約400から約550℃までの領域の範囲内で使用可能であることがより望ましい。使用可能な温度とは、長い期間、少なくともCOからのエネルギー産出の期間、燃料電池を実質上効率的に使用することができる温度を意味する。典型的なITSOFCは、BaZrO3, BaCeO3, 及びSrCeO3,等のプロトン伝導性ペロブスカイトを含む。燃料電池のこのタイプの典型的な使用領域は、約400から約700℃である。
ITSOFCの１つの利点は、より高温のSOFCと同じくらい大きい範囲にまで排気を加熱しないことである。燃料電池を備える先行技術の車両において、SOFC排気からの不要な熱は、EGRを介して又はエンジンクーラントを加熱することでエンジンによって取り戻された熱の一部である。本発明において、このような熱の回収は、典型的に、実際上の又は有用なことではない。したがって、ITSOFCの採用は、エンジン300が低温燃焼モードで運転される場合、燃料の経済性において重大な改良を招く結果となる。
自動着火は、着火点に影響する要因の慎重な制御を必要とする。本発明のリッチ低温燃焼モードの要求は、エンジン300が運転できる領域を超えてトルク- 速度領域を制限する。これらの理由で、エンジン300は、狭いトルク- 速度領域内で運転を制限することが望ましい。エンジン300は、動力要求が変化するのに対して、モータ／ジェネレータ314によって配置された駆動軸316上の負荷を、エンジン300からのトルク変更か余剰トルクを取り除くかのどちらかに変更する、燃料改質装置320それとともに燃料電池312の電力出力へ提供される補足的燃料の総量を変更する、エネルギー貯蔵システム318からの貯蔵或いは引き出し量を変更する、並びに過剰の動力が存在する及びエネルギー貯蔵システム318の容量が満たされた場合にエンジン300を停止する、の１つ以上によって、狭いトルク- 速度領域を維持することができる。
例えば、動力発生システム301は、仕様のトルク- 速度ポイント又はオフ状態のどちらかで運転するためにエンジン300を制限する間、車両へ動力を供給するために制御することができる。図１１は、この制御システムを図解する有限状態機械ダイアグラム30を提供する。運転は、オフ状態31のエンジンから開始する。エンジンオフ状態31において、エンジン300及び燃料電池312は燃料を受入れないし、動力を生じることもない。動力要求は、エネルギー貯蔵システム318を利用して起こる。車両を走行させるために必要なトルクは、電気モータ314によってもたらされる。
２つの状態のどちらかが起こる場合、動力発生システム301は、エンジンオフ状態31から外れる。それらの状態の１つは、貯蔵されたエネルギーが枯渇しているかターゲットレベル以下である時の動力要求である。この状態の選択肢は、現在動力要求があるか否かに無関係に、貯蔵されたエネルギーが枯渇しているか否かを簡単に確認するためである。エンジンオフ状態31からエンジンオン状態32への移行を引き起こすことができる他の状態は、蓄積された動力を引き出すことによってのみ起こすことができない動力要求である。例えば、電気モータ314によって生じる最大トルクがある。運転者がより高いトルクを要求するのであれば、エンジントルクに電気モータ314から出力が加えられるように、エンジン300をスタートさせることなしにはそれを提供することはできない。同様に、エネルギー貯蔵システム318から引き出すことができる最大電流がある。より大きい電力量が要求されるのであれば、電力が燃料電池312によって及び電気モータ／ジェネレータ314同様にエネルギー貯蔵システム318によって提供することができるように、エンジン300がスタートされる。
エンジンオン状態32において、エンジン300及び燃料電池312の両方が動力を作り出す。エンジン300は、原則的に一定量のトルクを提供することができるように、比較的一定の燃料供給量で狭いトルク- 速度領域内で運転される。同様に、エンジン300は、燃料電池312による消費のための改質された燃料の安定した流れを作り出す。この例では、燃料電池312がエネルギーを生じる時に１つのみの比率を持つことができるように、排気ライン中への補足的燃料噴射はない。モータジェネレータ314は、電力と機械動力との比率を変化させるために使用することができるが、運転状態32における動力発生システムの総動力出力は固定されている。総動力要求がエンジン300及び燃料電池312の出力の限度を超えるのであれば、補足的動力は、限定された期間、エネルギー貯蔵システム318によって提供される。総動力要求がエンジン300及び燃料電池312の出力よりも小さいのであれば、余剰動力はエネルギー貯蔵システム318に貯蔵される。エネルギー貯蔵システム318がその許容能力に達した時に余剰動力がまだ作り出されているのであれば、動力発生システム300は、エンジンオフ状態31へ移行する。
代替の実施形態において、運転状態32は、例えば、排気ライン310内へ燃料を噴射することによる、又は動力行程或いは排気行程中に容積210内へ追加の燃料を噴射することによる、燃料電池312のための補足的燃料の提供を含む。補足的燃料噴射量は固定することができる。一実施形態では、補足的燃料噴射は行わない。他の実施形態では、排気温度に応じて燃料噴射量を固定し、これにより、運転温度で燃料改質装置320及び燃料電池312を維持する間、排気内には、補足的燃料を改質するためにまさに十分なエネルギーが存在する。
燃料改質装置320及び燃料電池312は、典型的には、与えられた排気流量及び温度のための補足的燃料噴射量領域を超えて運転可能である。代替の実施形態において、この領域が利用されるとともに、補足的燃料噴射量は動力要求が増加する時に増大される。これは、図１０の有限状態ダイアグラム30に付加された第３状態に表されている。状態32がエンジンオン及び補足的燃料噴射の予め決定された固定量を伴う状態であるのに対し、おそらく０であり、第３状態は、エンジンオン及び相対的に高い燃料噴射量を伴う状態である。動力要求が状態32でエンジン300及び燃料電池312によって提供される出力を超える場合、状態32からこの第３状態への移行が起こる。動力要求が低下すると、システムは状態32へ戻ることができる。第２エア源が燃料改質装置320における燃焼に利用可能な酸素を作るために提供されるのであれば、補足的燃料供給量の潜在的領域を増加させることができる。
ダイアグラム30の運転図式のさらなる潜在的変更は、それぞれの安定した及び信頼性があるリッチ低温燃焼モード（スイートスポット）はエンジン300に特定されるという考えに基づく。これらの異なる運転状態の各々は、エンジン回転数、予備噴射によって成し遂げられる空燃比、吸気バルブタイミング、及びEGR率、又は特定のトルク- 速度ポイントの、運転パラメータの特定の組み合わせによって特徴付けられる。動力要求の僅かな変化は、前述したように、エンジン300の運転をかき乱すことなく適応される。それぞれの運転状態の範囲内で、エンジン300は、現在のトルク、速度、又は動力要求に対応するようにエンジンを制御することが妨げられるような場合、目標とされる状態でエンジンが維持するように制御される。しかしながら、電力と機械動力とのどちらかの要求の大きな変化は、エンジン300がある状態から他のリッチ低温燃焼モードへ突然移行するようにステップが変化することにより起こる。選択可能な複数の運転状態を持つことは、動力要求の変化が起こることを促進する。
前述した実施形態において、燃料電池312は、エンジン300もまたオンしていなければ運転してはいけない。代替の実施形態において、燃料電池312は、燃料改質装置320が暖機されることをもたらすエンジン300オフを伴い運転することができる。エンジン300は、燃料と反応させるためにエアを供給するためのポンプとして運転される。この代替の実施形態の他の可能な選択肢は、排気ライン310のための第２エア源である。第２エア源は、例えば、排気ライン310へエアを供給するように構成されたエアポンプ又はベンチュリである。
燃料改質装置320をエンジン300と独立させて運転するように構成することは有用であるが、付随する設計要求が増加するとともにエンジン300が燃料改質装置320及び燃料電池312のために熱エネルギーを提供することをあてにするシステムの利点のいくつかを失うことになる。燃料改質装置320及び燃料電池312の双方は熱を必要とする。リッチ低温燃焼モードにおけるエンジン300の運転によってこの熱が生じることは、同時に機械動力を効率的且つ清浄に発生する機会を提供する。本来エンジン300からの排熱となるものは、排気システム装置のために要求される供給源となる。本来汚染物質（不完全燃焼生成物）となるものは、燃料になる。このように、燃料電池312及び任意の燃料改質装置320によって排気を処理することに関連してリッチ低温燃焼モードでエンジン300を運転している間、相乗効果がある。
他の相乗効果は、リッチ低温燃焼モードでエンジン300を運転することが排気ライン燃料改質装置320の運転を促進することである。排気ライン燃料改質装置320の機能は、下流の装置により使用するために改質油（燃料改質の生成）を生じている間、排気から酸素を除去することであり、それは、望ましい量の改質油が作り出される間、燃料改質装置320の温度を維持することが困難であることを証明する。先行技術において、燃料改質装置320への脈動する燃料供給の測定は、しばしば、燃料改質装置320のオーバーヒートを阻止する必要がある。脈動は、燃料改質装置320が冷却のために許容される期間を提供する。これらの冷却期間はまた、燃料改質装置320がその意図された機能を発揮することができない期間である。本発明は、排気ライン燃料改質装置320の継続的運転を許容する。本発明は、燃料改質装置320における排気から過剰な酸素を除去するための負担を軽減することができる。本発明に準じてエンジン300を運転することにより実質上酸素がない排気を提供することは、排気ライン装置をオーバーヒートさせる排気中の燃焼の可能性を低減する。
リッチ低温燃焼モードにおけるエンジン300の運転とエンジン排気流内の燃料改質装置320の運転との間の相乗効果はまた、図１２によって図解された動力発生システム401において有用である。動力発生システム401において、燃料改質装置320は、燃料電池312の要求を満たすことができない。それよりも、燃料改質装置320は、リーンNOxトラップ402（選択的にLNT、NOx吸着触媒、或いはNOxトラップ触媒と呼ばれる）へ改質油を提供する。
システム401に向けて、一般に、エンジン300は、NOxを生じる通常リーンモードで運転される。リーンNOxトラップ402は、リーン期間中NOxをトラップするとともにトラップされたNOxを除去するために周期的に再生する必要がある。リーンNOxトラップ402はまた、SOxを蓄積するとともに蓄積されたSOxを除去するために頻繁ではないが長期間再生する必要がある。
再生は、エンジン300のアイドリング又は低動力時に特に困難である。低動力又はアイドリング時に、エンジン300は、低温及び高酸素濃度の排気を生じる。酸素を除去するためには、多量の燃料を排気へ供給する必要がある。酸素の除去は大量の熱を生じる。典型的に、この熱は吸熱蒸気改質反応を起こす。実際の問題として、発熱反応と吸熱反応との比率をバランスさせるのは困難である。また、高い燃料供給量は、効率的に使用することができるより多くの還元剤をもたらす。これは、特に脱硫酸化の問題である。脱硫酸化状態は長期に亘り維持される必要があり、脱硫酸化は還元剤をただゆっくりと消費する。燃料改質装置320を熱的に自動で運転することは（吸熱蒸気改質にバランスさせた発熱燃焼を伴う）、効率的に使用することよりもずっと多くの還元剤を生じる。過剰な還元剤の燃焼は、他の熱処理問題を生む。
実際、排気酸素濃度が高い場合、エンジン300がリーン運転時のLNT402の再生は、排気ライン310内に多くの発熱反応を含む。この熱は、絶えず、燃料改質装置320及び／又はLNT402を損傷する脅威である。燃料改質装置320及びLNT402をパルス間で冷却することを許容する間にパルス周期で脱硫酸化が起こることの解決方法は、理想的とは言えない。パルス間で、排気はリーンになり、排気からの酸素はLNT402に蓄積される。この酸素は、続いて起こるリッチ段階中に燃やして取り除く必要がある。温度制御は難しく、パルス周期で脱硫酸化を起こすことは、脱硫酸化に必要とされる時間及び脱硫酸化に必要とされる燃料消費量を増大させる。
システム401において、エンジン300は、LNT402の再生が要求された場合、リッチ低温燃焼モードの運転に切り替えられる。これは、全ての再生、又は選択的にある一定の再生のみのために処理される。例えば、リッチ低温燃焼モードは、エンジン300が低動力又はアイドル状態にある時に要求される再生のために利用することができる。選択的又は付随的に、リッチ低温燃焼モードは、脱硫酸化のためだけに利用することができる。リッチ低温燃焼モードにおいて、低温燃焼モード運転が可能である場合、エンジン300は、改質油を生じるとともに燃料改質装置320の必要性を潜在的に排除する。
リッチ低温燃焼モードは、改質油生成の主な手段でない場合にさえ、燃料改質装置320に対する有用な賛辞である。リッチ低温燃焼モードは、燃料改質装置320が、触媒燃焼のために効果的であるとともにそれにより燃料改質装置320から排気上流内へ燃料を噴射することにより加熱されることが可能なその着火温度よりも低い場合に利用することができる。この例において、リッチ低温燃焼モードは、少なくとも着火温度まで燃料改質装置を加熱する。
望ましい燃料改質装置320は、酸化及び蒸気の両改質反応によりディーゼル燃料で運転する。蒸気改質は、少なくとも500℃を必要とし、これは通常排気温度よりも高い。したがって、燃料改質装置320は、典型的に、LNT102の再生のための改質油を生成するために利用される前のリーン状態下で少なくとも500℃まで加熱される。リッチ低温燃焼モードは、蒸気改質温度まで改質装置を加熱するために利用することができる。
燃料改質装置は、燃料を完全燃焼させることなく重い燃料を軽い化合物へ転化する装置である。燃料改質装置320を適用可能な酸化触媒は、高表面積酸化物担体を基とするPt及びPd等の貴金属、望ましくはLaを添加したアルミニウムドープを含む。望ましい改質触媒はRhであり、最も望ましくはLaを添加したZrO2ドープの担体である。改質装置は、450℃よりも低い温度で最も機能するように設計された酸化触媒又は三元触媒と比較して小さいサイズであることが望ましい。典型的に、燃料改質装置320は、約500から約800℃までの温度で作用する。望ましいモノリス担体は金属箔モノリスである。本発明は、より高い温度、例えば、300℃以上の点火温度を伴う改質装置が可能であるが、典型的な改質装置は約250℃の温度で点火する。
LNTは、リーン状態下でNOxを吸着するとともにリッチ状態下で吸着されたNOxを還元及び放出する装置である。典型的に、LNTは、NOx吸収剤及び不活性担体上で相互に接触する貴金属触媒を含む。NOx吸着材の例として、ある一定の酸化物、炭酸塩、並びにMg, Ca, Sr,及びBa等のアルカリ土類金属又はK或いはCs等のアルカリ金属がある。これらの金属は、NOxがトラップされる化合物を形成するためにNOxと可逆な反応を起こす。典型的に、貴金属は、Pt, Pd及びRhの１つ以上を含む。担体は、他の担体構造を使用することができるが、典型的に、モノリスである。モノリス担体は、金属及びSiC等の他の材料もLNT担体として適用されるが、典型的にセラミックである。LNT402は、２つ以上に分離されたブリックスとして提供することができる。
ときどき、LNT402は、リッチ段階で蓄積された（脱硝された）NOxを除去するために再生される。典型的に、脱硝は、燃料を運転温度まで加熱すること及びそれから改質油を生成するために燃料改質装置320を使用することを含む。改質油は、LNT402内に吸着されたNOxを還元する。
制御装置は、状態に関連する基準及び又は排気後処理システム或いはLNT402を含むその一部の能力に基づいて、LNT402の脱硝をスケジュールする。LNT脱硝スケジュールのための基準は、LNT負荷に基づく。LNT負荷は、NOx蓄積量、NOx貯蔵能力の維持、飽和百分率、又は他のこのタイプのパラメータに関連して特徴付けることができる。NOx負荷を推定する及び／又はNOx貯蔵能力を維持するための非常に多くの方法が提案されてきた。典型的に、これらの方法は、NOx貯蔵量の推定値の積分及び推定されたNOx貯蔵能力の結果を比較することを含む。
ときどき、LNT402はまた、蓄積された（脱硫酸化された）硫黄化合物を除去するために再生する必要がある。脱硫酸化は、運転温度まで燃料改質装置320を加熱すること、脱硫酸化温度までLNT402を加熱すること、及びリッチ雰囲気を伴う加熱されたLNT402を提供することを含む。脱硫酸化温度は、通常約500から約800℃までの領域内で変化するが、典型的に最適な温度は約650から約750℃までの領域内である。最低温度を下回ると、脱硫酸化はあまりにもゆっくりである。最高温度を上回ると、LNT402は損傷する。
本発明のシステムは、燃料改質装置320への排気流を制御するためのバルブ又はダンパーを設けることなく構成することが望ましい。排気ラインバルブは、故障率が高く、排気後処理システムに要求される耐久性及び信頼性の達成を困難にする。リッチ低温燃焼モードは、燃料改質装置320の要求とは無関係に放置又は制御されている量でエンジン排気を受け入れる燃料改質装置の運転を促進する。
以下のクレームによって詳述された本発明は、確定したコンセプト、構造、及び特徴に関して示されている及び／又は説明されている。特定の構造又は特徴がいくつかのコンセプトに関連して或いは事例の１つのみ又は広く及び狭く明確にこの中で説明されていると同時に、当業者の一人によって論理的に受け入れられる組み合わせのようなそれらの広い又は狭い概念において１つ以上の他の構造又は特徴を組み合わせることができる。
本発明は、低排出物質を伴う動力発生システムの製造及び運転において有用である。

Claims (18)

  1. 燃焼室(200)を有するディーゼルエンジン(300)であって、
    前記燃焼室(200)によって囲まれた容積(210)を選択的に膨張及び収縮する働きをする燃焼室(200)と、
    前記容積(210)が膨張している時に前記燃焼室(200)容積(210)へエア供給を提供するように制御される前記燃焼室(200)用の吸気バルブ(204)と、
    前記エア供給と混合するために前記燃焼室(200)容積(210)内へ燃料を噴射する燃料噴射装置(208)と、
    を含み、
    前記燃料噴射装置(208)は、前記容積(210)が収縮することに起因して起こる圧縮の前のタイミングで燃料の予備噴射を行い、前記予備噴射の量を、圧縮時に前記燃焼室(200)内で自動着火を起こすことができるリッチ混合気を生じるように、且つ相当量の煤煙が生じない温度に低く維持された温度で前記混合気が燃焼することができるように制御し、
    前記吸気バルブ(204)は、前記容積(200)が最大限に膨張される前に前記吸気バルブ(204)を閉弁することによりエア供給を制限するようにされており、前記吸気バルブ(204)は、最大膨張時に前記容積(210)内に0.9気圧以下である亜大気圧をもたらすタイミングで閉弁されるように制御されることを特徴とするディーゼルエンジン(300)。
  2. 排気バルブ(206)の開弁前に前記膨張が完了することが許容されていた場合、より高い排気温度をもたらすために十分に早いタイミングで前記燃焼室(200)容積(210)膨張の完了前に開弁するように制御された前記燃焼室(200)のための前記排気バルブ(206)をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジン(300)。
  3. 請求項１記載のディーゼルエンジン(300)と、
    エア側と燃料側とを有し、その燃料側で前記ディーゼルエンジン(300)排気を受入れるように構成され、電力を生じるために化学エネルギーを使用する間に前記排気の前記化学エネルギー含有量を実質上減少させるように機能する固体酸化物型燃料電池(312)と、
    を含むことを特徴とする動力発生システム(301)。
  4. 前記燃料電池(312)は、中間温度固体酸化物型燃料電池(312)であり、前記燃焼室(200)は、前記燃料電池(312)が運転している時の温度でリッチ排気を生じるように機能することを特徴とする請求項３記載の動力発生システム(301)。
  5. 前記燃焼室(200)と前記固体酸化物型燃料電池(312)との間で前記排気を処理するように構成される燃料改質装置(320)と、
    前記燃料改質装置(320)の着火温度である250℃よりも高い温度でリッチ排気を生じるように機能する前記燃焼室(200)と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の動力発生システム(301)。
  6. 請求項１記載のディーゼルエンジン(300)と、
    前記ディーゼルエンジン(300)からの前記排気を処理するように構成され、リーン状態下でNOxを吸着及び蓄積するとともにリッチ状態下で前記蓄積されたNOxを還元及び放出する装置であるリーンNOxトラップ(402)と、
    前記リーンNOxトラップ(402)の脱硫酸化の完了時に前記ディーゼルエンジン(300)をリッチ低温燃焼モードからリーン燃焼モードへ切り替えるようにプログラムされた制御装置と、
    を含むことを特徴とする動力発生システム(401)。
  7. 低温燃焼モードにおけるディーゼルエンジン(300)の燃焼室(200)を運転する方法であって、
    吸気行程、圧縮行程、動力行程、及び排気行程を含むサイクルで前記燃焼室(200)を運転するステップと、
    前記燃焼室(200)へ前記吸気行程中にエア供給を提供するステップと、
    前記燃焼室(200)へ前記吸気行程中に、少なくとも1.05の空燃当量比を付与するために前記エア供給と混合するための燃料を予備噴射するステップと、
    前記圧縮行程によって生じる熱及び圧力の結果として前記燃焼室(200)内で自動着火を起こすことができるリッチ混合気をもたらすステップと、
    を含み、
    前記予備噴射の量は、前記燃焼が相当量の煤煙を生じない程度に低い温度に調節され、
    前記エア供給量は、前記吸気行程が完了する前に吸気バルブ(204)を閉弁することにより制限され、前記閉弁は、前記吸気行程の終了で前記燃焼室(200)内に亜大気圧が起こるように早期に行われることを特徴とする方法。
  8. 前記ディーゼルエンジン(300)は可変バルブ機構を有する圧縮着火ディーゼルエンジン(300)であり、前記燃料はディーゼル燃料であることを特徴とする請求項７記載の方法。
  9. 前記ディーゼルエンジン(300)は、直接噴射及び層状燃焼を伴う典型的なディーゼルサイクルでの運転用に設計されることを特徴とする請求項８記載の方法。
  10. 前記燃焼室(200)運転は、250℃よりも高い温度を有する排気を生じ、また、
    前記燃焼室(200)は、排気ガス再循環を用いずに又は25％以下の排気ガス再循環率で運転されることを特徴とする請求項７記載の方法。
  11. 内燃機関(300)並びにエア側及び燃料側を有する固体酸化物型燃料電池(312)を含む動力発生システムを運転する方法であって、
    請求項７記載の方法によってディーゼルエンジン(300)の燃焼室(200)を運転するステップと、
    前記固体酸化物型燃料電池(312)の前記燃料側へ前記ディーゼルエンジン(300)排気を供給するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  12. 前記排気及び改質された燃料が前記燃料電池(312)の前記燃料側へ移動する前に前記排気へ追加の燃料を付加するとともに燃料改質装置(320)を使用して前記排気中の前記燃料を改質するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
  13. 前記燃料改質装置(320)内の燃料を改質するために要求されるエネルギーは、前記ディーゼルエンジン(300)排気の熱から全て引き出されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. 排気バルブ(206)を開弁させるタイミングを変化させることにより前記排気の温度が調節されるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
  15. 前記ディーゼルエンジン(300)の機械動力出力を比較的安定に維持する間、電気モータ(314)から可変機械動力を引き出すことにより、機械動力の変動する要求に応じて前記ディーゼルエンジン(300)の運転を安定化させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
  16. 前記ディーゼルエンジン(300)の運転を安定化させるステップは、前記ディーゼルエンジン(300)が前記要求を超えて過剰に機械動力を生じる場合、前記ディーゼルエンジン(300)によって生じる機械動力から電気を発生させるために前記電気モータ(314)を逆回転させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
  17. 直接噴射ディーゼルエンジン(300)及び排気後処理システムを含む動力発生システム(402)を運転する方法であって、
    典型的なディーゼルサイクルで前記ディーゼルエンジン(300)を運転するステップと、
    請求項７記載の方法に準じて前記ディーゼルエンジン(300)の燃焼室(200)の１つ以上の運転モードをリッチ低温燃焼モードへ切り替えることにより前記排気後処理システム内の装置を再生するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  18. 直接噴射ディーゼル内燃機関(300)及び排気ライン燃料改質装置(320)を含む排気後処理システムを含む動力発生システム(402)を運転する方法であって、
    典型的なディーゼルサイクルで前記ディーゼルエンジン(300)を運転するステップと、
    請求項７記載の方法に準じてリッチ低温燃焼モードで前記ディーゼルエンジン(300)を運転することにより前記改質装置(320)を加熱するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
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