(57)【要約】【課題】水素内燃機関において、排気中に含まれる有害物質を好適に浄化する。【解決手段】水素内燃機関は、水素を燃焼させることで、動力を得ると共にアンモニア（ＮＨ３）を発生させる気筒（１４０）と、気筒の内部から外部に、アンモニアを含む排気を排出する排気経路（１６０）と、排気経路に設けられており、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を、アンモニアによって還元することで浄化する排気浄化手段（１７０）とを備える。【選択図】図１
2010053813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を燃焼させることで、動力を得ると共にアンモニアを発生させる気筒と、
前記気筒の内部から外部に、前記アンモニアを含む排気を排出する排気経路と、
前記排気経路に設けられており、前記排気に含まれる窒素酸化物を、前記アンモニアによって還元することで浄化する排気浄化手段と
を備えることを特徴とする水素内燃機関。
【請求項２】
前記気筒内の圧力を調整することが可能な圧力調整手段と、
通常運転時より前記気筒内の圧力を高くするように前記圧力調整手段を制御することで、前記気筒内において前記通常運転時より多くの前記アンモニアを発生させる圧力制御手段と
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の水素内燃機関。
【請求項３】
前記気筒内の温度を調整することが可能な温度調整手段と、
通常運転時より前記気筒内の温度を低くするように前記温度調整手段を制御することで、前記気筒内において前記通常運転時より多くの前記アンモニアを発生させる温度制御手段と
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の水素内燃機関。
【請求項４】
前記気筒内の酸素濃度を調整することが可能な酸素濃度調整手段と、
通常運転時より前記気筒内の酸素濃度を低くするように前記酸素濃度調整手段を制御することで、前記気筒内において前記通常運転時より多くの前記アンモニアを発生させる酸素濃度制御手段と
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の水素内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を燃焼させることにより、例えば車両等の動力を得る水素内燃機関の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の水素内燃機関として、水素を燃焼させることで発生するエネルギーを動力に変換するものがある。水素は、気筒内において空気と混合された上で燃焼されるが、この際発生する排気には、有害とされている窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれる。このため、水素内燃機関では、排気中に含まれる窒素酸化物を浄化するための排気浄化手段を備えたものが提案されている（特許文献１参照）。排気浄化手段としては、例えばアンモニアを還元剤として用いることで窒素酸化物を浄化するというものが提案されている（特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０３３２１号公報
【特許文献２】特開平９−００４４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、排気浄化手段にアンモニアを用いる場合には、還元剤であるアンモニアを添加するために、アンモニアを貯蔵しておく装置や、アンモニアを生成する装置等を別途設けることが求められることが多い。これらの装置は、スペースをとることで内燃機関全体の大型化を招くほか、例えばアンモニアを発生させるための触媒である貴金属や、反応可能とする高圧状態を実現させるための比較的複雑な機構を有するため、コストの増大を招いてしまう。即ち、上述した技術には、実践上の様々な不都合が生じてしまうおそれがあるという技術的問題点がある。
【０００５】
本発明は、例えば上述した問題点に鑑みなされたものであり、排気中に含まれる有害物質を好適に浄化することが可能な水素内燃機関を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の水素内燃機関は上記課題を解決するために、水素を燃焼させることで、動力を得ると共にアンモニアを発生させる気筒と、前記気筒の内部から外部に、前記アンモニアを含む排気を排出する排気経路と、前記排気経路に設けられており、前記排気に含まれる窒素酸化物を、前記アンモニアによって還元することで浄化する排気浄化手段とを備える。
【０００７】
本発明の水素内燃機関によれば、その動作時には、気筒内に供給された水素が空気と混合された上で燃焼される。水素内燃機関は、例えば自動車等の車両に積載されており、燃焼によって生じたエネルギーは、その動力として用いられる。水素が燃焼されると、水と共に窒素酸化物が生成される。このため、水素内燃機関の気筒から排出される排気には、有害物質である窒素酸化物が含まれる。
【０００８】
また本発明では特に、水素が燃焼されることで、気筒内では水素（Ｈ）と空気中に含まれる窒素（Ｎ）とが反応し、アンモニア（ＮＨ３）が生成される。尚、このアンモニアは、典型的には、空燃比がリッチである際（即ち、燃料過剰供給雰囲気下）に発生するのに対し、上述した窒素酸化物は、空燃比がリーンである際（即ち、酸素過剰供給雰囲気下）に発生する。よって、空燃比を調整すれば、窒素酸化物及びアンモニアのいずれかを選択的に生成できる。但し、窒素酸化物及びアンモニアが両方同時に生成されても構わない。ここで生成されたアンモニアは、窒素酸化物と同様に、排気として気筒外へと排出される。
【０００９】
気筒から排出された排気が通過する排気経路には、排気に含まれる有害物質を浄化するための排気浄化手段が設けられている。排気浄化手段では、排気中に含まれる窒素酸化物が、アンモニアを還元剤として浄化される。具体的には、リーン雰囲気下で生成された窒素酸化物とリッチ雰囲気下で生成されたアンモニアとが反応することによって、窒素及び水が生成される。
【００１０】
本発明では特に、上述したように、還元剤として機能するアンモニアが気筒内における水素の燃焼によって生成されるため、アンモニアを貯蔵しておくタンクやアンモニアを生成するアンモニア生成器等を設けなくとも、アンモニアを用いた排気の浄化が行える。即ち、内燃機関全体の省スペース化及びコストの増大を抑制しつつ、効果的に排気の浄化を行うことが可能である。
【００１１】
また、窒素酸化物の還元に用いられるアンモニア自体も有害物質であるが、アンモニアも窒素酸化物と同様に、排気の浄化が行われる際に分解される。即ち、本発明における排気浄化手段は、排気に含まれる有害物質である窒素酸化物及びアンモニアの両方を浄化する機能を有していると考えることができる。
【００１２】
以上説明したように、本発明の水素内燃機関によれば、水素を燃焼させる際に発生するアンモニアを用いて窒素酸化物を還元することができる。従って、排気中に含まれる有害物質を好適に浄化することが可能である。
【００１３】
本発明の水素内燃機関の一態様では、前記気筒内の圧力を調整することが可能な圧力調整手段と、通常運転時より前記気筒内の圧力を高くするように前記圧力調整手段を制御することで、前記気筒内において前記通常運転時より多くの前記アンモニアを発生させる圧力制御手段とを更に備える。
【００１４】
この態様によれば、気筒には圧力調整手段が備えられており、気筒内の圧力が調整可能とされている。圧力調整手段は、例えば吸気圧、圧縮比及び熱発生時期等を変化させることによって気筒内の圧力を調整する。圧力調整手段は、圧力制御手段によって制御されている。即ち、圧力制御手段から、圧力調整手段に対して何らかの指示が出されることにより、気筒内の圧力が調整される。
【００１５】
内燃機関の通常運転時において、圧力調整手段により気筒内の圧力が高くされたとすると、アンモニアが生成される反応が起きやすくなり、結果として、生成されるアンモニアの量が増加する。尚、ここでの「通常運転」とは、内燃機関において、アンモニアの生成を考慮せずに、効率的に動力を得るための燃焼が行われている状態を意味しており、典型的にはリーン状態での燃焼を指している。これについては、以降の各態様においても同様であるとする。
【００１６】
気筒におけるアンモニアの生成量が増加することで、排気浄化手段に供給されるアンモニアの量も増加する。このため、気筒内の圧力が高くされた状態では、排気浄化手段における窒素酸化物の還元が効率的に行われ、より効果的に排気の浄化が可能となる。
【００１７】
圧力制御手段は、例えば排気中に含まれるアンモニアや窒素酸化物の濃度を検出し、窒素酸化物に対してアンモニアの量が少なく、排気の浄化を適切に行えないような場合に、圧力調整手段を制御することで気筒内の圧力を高くする。これにより、排気浄化手段における排気の浄化は、より適切なものとされる。また逆に、窒素酸化物に対してアンモニアの量が多い場合には、圧力調整手段を制御して、気筒内の圧力を低くするようにしてもよい。
【００１８】
本発明の水素内燃機関の他の態様では、前記気筒内の温度を調整することが可能な温度調整手段と、通常運転時より前記気筒内の温度を低くするように前記温度調整手段を制御することで、前記気筒内において前記通常運転時より多くの前記アンモニアを発生させる温度制御手段とを更に備える。
【００１９】
この態様によれば、気筒には温度調整手段が備えられており、気筒内の温度が調整可能とされている。圧力調整手段は、例えばインタークーラ及びＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラ等を用いた吸気温の低下や、液体水素を気筒内に噴射することによって、気筒内の温度を調整する。温度調整手段は、温度制御手段によって制御されている。即ち、温度制御手段から、温度調整手段に対して何らかの指示が出されることにより、気筒内の温度が調整される。
【００２０】
内燃機関の通常運転時において、温度調整手段により気筒内の温度が低くされたとすると、アンモニアが生成される反応が起きやすくなり、結果として、生成されるアンモニアの量が増加する。気筒におけるアンモニアの生成量が増加することで、排気浄化手段に供給されるアンモニアの量も増加する。このため、気筒内の温度が低くされている際には、排気浄化手段における窒素酸化物の還元が効率的に行われ、より効果的に排気の浄化が可能となる。
【００２１】
温度制御手段は、例えば排気中に含まれるアンモニアや窒素酸化物の濃度を検出し、窒素酸化物に対してアンモニアの量が少なく、排気の浄化を適切に行えないような場合に、温度調整手段を制御することで気筒内の温度を低くする。これにより、排気浄化手段における排気の浄化は、より適切なものとされる。また逆に、窒素酸化物に対してアンモニアの量が多い場合には、温度調整手段を制御して、気筒内の温度を高くするようにしてもよい。
【００２２】
本発明の水素内燃機関の他の態様では、前記気筒内の酸素濃度を調整することが可能な酸素濃度調整手段と、通常運転時より前記気筒内の酸素濃度を低くするように前記酸素濃度調整手段を制御することで、前記気筒内において前記通常運転時より多くの前記アンモニアを発生させる酸素濃度制御手段とを更に備える。
【００２３】
この態様によれば、気筒には酸素濃度調整手段が備えられており、気筒内の酸素濃度が調整可能とされている。酸素濃度調整手段は、例えばＥＧＲシステムによって再循環される排気の量を増加させたり、吸気される空気を液体水素等で冷却することで酸素を分離したりすることで、酸素濃度を調整する。酸素濃度調整手段は、酸素濃度制御手段によって制御されている。即ち、酸素濃度制御手段から、酸素濃度調整手段に対して何らかの指示が出されることにより、気筒内の酸素濃度が調整される。
【００２４】
内燃機関の通常運転時において、酸素濃度調整手段により気筒内の酸素濃度が低くされた（即ち、リッチ状態とされた）とすると、アンモニアが生成される反応が起きやすくなり、結果として、生成されるアンモニアの量が増加する。気筒におけるアンモニアの生成量が増加することで、排気浄化手段に供給されるアンモニアの量も増加する。このため、気筒内の酸素濃度が低くされている際には、排気浄化手段における窒素酸化物の還元が効率的に行われ、より効果的に排気の浄化が可能となる。
【００２５】
酸素濃度制御手段は、例えば排気中に含まれるアンモニアや窒素酸化物の濃度を検出し、窒素酸化物に対してアンモニアの量が少なく、排気の浄化を適切に行えないような場合に、酸素濃度調整手段を制御することで気筒内の酸素濃度を低くする。これにより、排気浄化手段における排気の浄化は、より適切なものとされる。また逆に、窒素酸化物に対してアンモニアの量が多い場合には、酸素濃度調整手段を制御して、気筒内の酸素濃度を高くするようにしてもよい。
【００２６】
尚、上述した各態様における、圧力調整手段及び圧力制御手段、温度調整手段及び温度制御手段、並びに酸素濃度調整手段及び酸素濃度制御手段は、夫々組み合わせて用いられてもよい。即ち、圧力、温度、酸素濃度のうち複数のパラメータが夫々制御されるように構成されてもよい。このような場合、アンモニアを増加させるという効果が重複するため、より多くのアンモニアを生成することが可能となる。従って、排気浄化手段に対し、好適にアンモニアを供給することが可能となる。
【００２７】
本発明の作用及び他の利得は次に説明する発明を実施するための最良の形態から明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下では、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。
【００２９】
＜第１実施形態＞
先ず、本実施形態に係る水素内燃機関の構成について、図１を参照して説明する。ここに図１は、本実施形態に係る水素内燃機関の全体構成を示す概略図である。
【００３０】
図１において、本実施形態に係る水素内燃機関は、エアフローメータ１１０と、スロットル１２０と、吸気管１３０と、複数の気筒１４０と、水素噴射弁１５０と、排気管１６０と、選択式還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）１７０と、水素タンク２１０と、水素供給管２２０と、主止弁２３０と、調圧弁２４０と、ＥＧＲ管３１０と、ＥＧＲクーラ３２０と、ＥＧＲ弁３３０と、排気温度センサ４１０と、酸素濃度センサ４２０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５００とを備えて構成されている。
【００３１】
吸気管１３０には、吸気される空気量を検出するエアフローメータ１１０及び吸気される空気量を調節するスロットル１２０が設けられている。エアフローメータ１１０は、例えばホットワイヤー式と称される形態を有しており、吸入された空気の質量流量を直接測定することが可能に構成されている。スロットル１２０は、例えば車両のドライバーによるアクセルペダルの操作に応じて開閉され、その開度に応じて吸気される空気の量を調節することができる。尚、ここでは図示していないが、エアフローメータ１１０の上流には、典型的には吸気中の埃等を取り除くためのエアクリーナが設けられる。また、空気を圧縮して供給するための過給機及び圧縮された吸気を冷却するインタークーラ等が設けられてもよい。
【００３２】
吸気管１３０の下流には、複数の気筒１４０が設けられており、吸気された空気は複数の気筒１４０内に夫々供給される。また気筒１４０は、水素タンク２１０から水素供給管２２０を介して水素が供給されるように構成されている。水素供給管２２０には、水素の供給を制御するための主止弁２３０、及びより細かく水素の供給を調整することが可能な調圧弁２４０が設けられている。即ち、主止弁２３０の開閉によって、水素を気筒１４０内に供給するか否かが制御され、調圧弁２４０の開度によって、気筒１４０内に供給される水素の量が調節される。水素供給管２２０を介して供給される水素は、水素噴射弁１５０から気筒１４０内に噴射される。
【００３３】
更に気筒１４０には、図示しない吸気弁及び排気弁が設けられており、夫々の開閉タイミングが制御可能とされている。即ち、吸気及び排気のタイミングを可変とすることで、気筒１４０内の圧縮比等が制御可能とされている。
【００３４】
尚、ここでは複数の気筒１４０の全てが水素を燃料とする場合について説明するが、水素を燃料とする気筒１４０は少なくとも１つあればよい。即ち、水素を燃料とする気筒１４０と、ガソリンやアルコールの液体燃料や、水素以外のガス燃料等を用いる気筒が混在してもよい。
【００３５】
気筒１４０の下流には、本発明の「排気経路」の一例である排気管１６０が設けられており、燃焼時に気筒１４０内で生じた排気を外部へと導く。排気管１６０には、本発明の「排気浄化手段」の一例である選択還元触媒１７０が設けられており、排気に含まれる有害物質を浄化する。選択還元触媒１７０では、例えば以下の化学式（１）及び（２）に示す反応が起こることで、排気が浄化される。
【００３６】
６ＮＯ＋４ＮＨ３→５Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ  ・・・（１）
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
即ち、排気に含まれる有害物質であるＮＯｘに対して、燃焼の際に生成されたアンモニアが還元剤として作用することにより、窒素及び水が生成される。
【００３７】
排気管１６０には、枝分かれするようにＥＧＲ管３１０が設けられており、排気の一部を吸気側へ再循環させることが可能とされている。ＥＧＲ管３１０には、ＥＧＲクーラ３２０が設けられており、再循環されるＥＧＲが冷却される。ＥＧＲクーラ３２０は、冷媒として液体水素を使用することも可能である。ＥＧＲ管３１０と吸気管１３０との間には、開閉によってＥＧＲ管３１０から吸気管１３０へと導入するＥＧＲの量を制御するＥＧＲ弁３３０が設けられている。
【００３８】
ＥＧＲが導入されている際には、例えば酸素濃度が低い状態で燃焼が行われるようになるため、ＮＯｘの排出量が低減する。また、吸気時のポンピング損失の低下等によって、燃料消費率が向上する。
【００３９】
排気管１６０における選択還元触媒１７０の下流には、排気温度センサ４１０及び酸素濃度センサ４２０が設けられている。また、内燃期間中の各パラメータを検出する手段として、吸気温センサ、吸気圧センサ、気筒内圧センサ等が設けられてもよい。
【００４０】
ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５００は、本発明の「圧力制御手段」の一例である圧力制御部５１０と、本発明の「温度制御手段」の一例である温度制御部５２０と、本発明の「酸素濃度制御手段」の一例である酸素濃度制御部５３０とを備えて構成されており、水素内燃機関における各部位の動作を制御する。即ち、ＥＣＵ５００は、水素内燃機関の動作全体を制御する電子制御ユニットとして機能する。
【００４１】
次に、本実施形態に係る水素内燃機関の動作について、引き続き図１を参照して説明する。
【００４２】
図１において、本実施形態に係る水素内燃機関の動作時には、複数の気筒１４０に対して吸気管１３０から空気が供給されると共に、水素供給管２２０から燃料となる水素が供給される。そして、供給された空気及び水素は気筒１４０内で混合され、燃焼される。燃焼によって生じたエネルギーは、例えば図示しないピストン等の動力に変換され、水素内燃機関が積載される車両等の動力として利用される。
【００４３】
気筒１４０における燃焼では、例えば空燃比がリーン状態である場合の燃焼において、以下の化学式（３）及び（４）に示すような反応が起きる。
【００４４】
２Ｈ２＋２Ｏ２＋Ｎ２→２Ｈ２Ｏ＋２ＮＯ  ・・・（３）
２Ｈ２＋３Ｏ２＋Ｎ２→２Ｈ２Ｏ＋２ＮＯ２  ・・・（４）
また、空燃比がリッチ状態である場合の燃焼において、以下の化学式（５）に示すような反応が起きる。
【００４５】
５Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２→２Ｈ２Ｏ＋２ＮＨ３  ・・・（５）
即ち、燃焼によって、水と共にＮＯｘ或いはアンモニアが生成される。このＮＯｘ及びアンモニアは、排気として気筒１４０外に排出され、排気管１６０を介して選択還元触媒１７０へと導かれる。選択還元触媒１７０では、上述したように、ＮＯｘに対してアンモニアが還元剤として作用することにより、窒素及び水が生成される。即ち、排気中のＮＯｘ及びアンモニアの濃度は、極めて効果的に低減される。
【００４６】
しかしながら、例えば燃焼効率等を優先させた通常運転時には、リーン状態での燃焼が行われる場合が多いため、ＮＯｘが生成される量に対してアンモニアが生成される量が少ない。即ち、生成されたＮＯｘを十分に還元できるだけのアンモニアが生成されず、排気中のＮＯｘを適切に浄化できない場合がある。これに対し、本実施形態に係る水素内燃機関では、運転時の各パラメータを制御することで、生成されるアンモニアの量を増加することを可能としている。
【００４７】
以下では、本実施形態に係る水素内燃機関における、アンモニアの生成量を増加させる際の動作について、図１に加えて、図２から図７を参照して説明する。尚、以下では、アンモニアの生成量を増加させるために制御されるパラメータ毎に、別々に各部位の動作を説明する。
【００４８】
先ず、気筒１４０内の圧力が制御される場合について、図２及び図３を参照して説明する。ここに図２は、本実施形態に係る水素内燃機関における、気筒内圧力を制御する際の動作を示すフローチャートであり、図３は、制御されるパラメータの変化を時系列で示すタイミングチャート（その１）である。
【００４９】
図２において、本実施形態に係る水素内燃機関では、運転時において、先ずＮＯｘを浄化するためのアンモニアが不足しているか否かを判定する（ステップＳ１１）。尚、アンモニアが不足しているか否かは、例えばＥＣＵ５００が、気筒１４０内のアンモニアの濃度や、選択還元触媒１７０を通過した後の排気に含まれるＮＯｘの濃度等に基づいて判定する。或いは、生成されるＮＯｘの量が多いと予測されるリーン状態での燃焼が、連続して行われた時間等によって判定してもよい。
【００５０】
アンモニア不足していると判定されると（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５００における圧力制御部５１０は、吸気圧を上昇させるように制御を行う（ステップＳ１２）。圧力制御部５１０は、続いて或いは並行して、圧縮比を上昇させるように（ステップＳ１３）、更には熱発生時期を進角させるように（ステップＳ１４）制御を行う。尚、ステップＳ１２からステップＳ１４の処理は、単独で行われることによっても気筒１４０内の圧力を上昇させる効果がある。即ち、吸気圧の上昇、圧縮比の上昇及び熱発生時期の進角のうち、少なくとも１つの制御が行われれば、気筒内１４０の圧力は上昇する。但し、吸気圧の上昇、圧縮比の上昇及び熱発生時期の進角のうち、複数の制御を行うことにより、効果的に気筒１４０内の圧力を上昇させることができる。また、気筒１４０内の圧力を上昇させることができるのであれば、上述した方法以外の方法を用いても構わない。
【００５１】
図３において、圧力制御部５１０は、吸気圧を上昇させるために、スロットル１２０の開度を大きくするように制御する。即ち、スロットル１２０は、本発明における「圧力調整手段」の一例といえる。このようにすれば、吸気管１３０にはより多くの空気が導入され、吸気圧が上昇する。尚、過給機等が備えられている場合には、過給機から供給される空気の圧縮率を高めることによっても吸気圧を上昇させることができる。
【００５２】
圧力制御部５１０は、圧縮比を上昇させるために、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）システムが進角するように制御する。即ち、気筒１４０に設けられている吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを進角方向に変更する。尚、可変圧縮機構が備えられている場合には、可変圧縮機構を直接制御することによっても圧縮比を上昇させることができる。
【００５３】
圧力制御部５１０は、熱発生時期を進角させるために、気筒１４０に設けられた点火プラグ等による点火時期が進角するように制御する。また、水素噴射弁１５０から水素を噴射する時期を進角させるようにすれば、より効果的に熱発生時期を進角させることができる。
【００５４】
図２に戻り、圧力制御部５１０による制御が行われた後には、ＥＣＵ５００は、再びアンモニアが不足しているか否かを判定する（ステップＳ１５）。ここで、アンモニアが不足していないと判定されると（ステップＳ１５：ＮＯ）、圧力制御部５１０によって、吸気圧が下降するように制御され（ステップＳ１６）、圧縮比が下降するように制御され（ステップＳ１７）、熱発生時期が遅角するように制御される（ステップＳ１８）。即ち、図３に示されるように、スロットル１２０、ＶＶＴシステムによるバルブタイミング及び点火時期が元の値とされ、通常運転へと戻る。
【００５５】
尚、圧力制御部５１０による気筒１４０内の圧力を上昇させるための制御は、予め設定された所定期間だけ行われるようにされてもよい。即ち、アンモニアが不足しているか否かにかかわらず、所定期間が経過した後には、通常運転に戻るように設定されてもよい。この際、圧力を上昇させることで増加するアンモニアの量等に基づいて所定期間を設定しておけば、より好適にアンモニアの生成を行うことができる。
【００５６】
他方で、圧力制御部５１０によってステップＳ１２からステップＳ１４の制御が行われた後にもアンモニアが不足していると判定された場合には（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、制御された吸気圧、圧縮比及び熱発生時期が維持される。或いは、より吸気圧及び圧縮比を上昇させたり、より熱発生時期を進角させるように制御してもよい。
【００５７】
以上のように、圧力制御部５１０による各部位の制御が行われることにより、一時的に気筒１４０の圧力を上昇させることが可能となる。制御中は水素の燃焼が高圧場で行われることとなり、アンモニアの生成量を増加させることができるため、より好適に排気中の有害物質を浄化することが可能である。
【００５８】
次に、気筒１４０内の温度が制御される場合について、図４及び図５を参照して説明する。ここに図４は、本実施形態に係る水素内燃機関における、気筒内温度を制御する際の動作を示すフローチャートであり、図５は、制御されるパラメータの変化を時系列で示すタイミングチャート（その２）である。尚、以下では、上述した気筒１４０内の圧力を制御する場合と重複する部分については、適宜省略するものとする。
【００５９】
図４において、本実施形態に係る水素内燃機関は、運転時において、先ずＮＯｘを浄化するためのアンモニアが不足しているか否かを判定する（ステップＳ２１）。ここで、アンモニア不足していると判定されると（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５００における温度制御部５２０は、吸気温を低下させるように制御を行う（ステップＳ２２）。温度制御部５２０は、続いて或いは並行して、液体水素を気筒１４０内に噴射するように制御する（ステップＳ２３）。尚、ステップＳ２２及びステップＳ２３の処理は、単独で行われることによっても気筒１４０内の温度を低下させる効果がある。即ち、吸気温の低下、及び液体水素の噴射のうち、いずれか一方の制御が行われれば、気筒内１４０の温度は低下する。但し、吸気温の低下、及び液体水素の噴射の両方の制御を行うことにより、効果的に気筒１４０内の温度を低下させることができる。また、気筒１４０内の温度を低下させることができるのであれば、上述した方法以外の方法を用いても構わない。
【００６０】
気筒１４０内の温度の変化は、例えば排気管１６０に設けられた排気温度センサ４１０（図１参照）等において検出することが可能である。
【００６１】
図５において、温度制御部５２０は、吸気温を低下させるために、例えばＥＧＲクーラ３２０及び図示しないインタークーラ等を制御する。即ち、ＥＧＲクーラ３２０やインタークーラ等における冷却効果をより高めるように制御することで、吸気温の温度を低下させる。よって、ＥＧＲクーラ３２０は、本発明における「温度調整手段」の一例といえる。尚、吸気温を低下させるための冷媒として、液体水素を使用するようにしてもよい。
【００６２】
更に、温度制御部５２０は、気筒１４０内への液体水素噴射を開始するように制御を行う。或いは、既に噴射されていた液体水素の量を増加させるように制御を行う。これにより、気筒１４０内の温度は直接的に冷却されることとなる。
【００６３】
図４に戻り、温度制御部５２０による制御が行われた後には、ＥＣＵ５００は、再びアンモニアが不足しているか否かを判定する（ステップＳ２４）。ここで、アンモニアが不足していないと判定されると（ステップＳ２４：ＮＯ）、温度制御部５２０によって、吸気温を上昇するように制御が行われ（ステップＳ２５）、気筒１４０内への液体水素の噴射を停止するように制御が行われる（ステップＳ２６）。即ち、図５に示されるように、制御されていた各パラメータが元の値とされ、通常運転へと戻る。
【００６４】
尚、温度制御部５２０による気筒１４０内の温度を低下させるための制御は、予め設定された所定期間だけ行われるようにされてもよい。即ち、アンモニアが不足しているか否かにかかわらず、所定期間が経過した後には、通常運転に戻るように設定されてもよい。この際、温度を低下させることで増加するアンモニアの量等に基づいて所定期間を設定しておけば、より好適にアンモニアの生成を行うことができる。
【００６５】
他方で、温度制御部５２０によってステップＳ２２及びステップＳ２３の制御が行われた後にもアンモニアが不足していると判定された場合には（ステップＳ２４：ＹＥＳ）、制御された吸気温、及び液体水素の噴射量が維持される。或いは、より吸気温を低下させたり、より多くの液体水素を噴射させるように制御してもよい。
【００６６】
以上のように、温度制御部５２０による各部位の制御が行われることにより、一時的に気筒１４０の温度を低下させることが可能となる。制御中は水素の燃焼が低温度場で行われることとなり、アンモニアの生成量を増加させることができるため、より好適に排気中の有害物質を浄化することが可能である。
【００６７】
次に、気筒１４０内の酸素濃度が制御される場合について、図６及び図７を参照して説明する。ここに図６は、本実施形態に係る水素内燃機関における、気筒内酸素濃度を制御する際の動作を示すフローチャートであり、図７は、制御されるパラメータの変化を時系列で示すタイミングチャート（その３）である。
【００６８】
図６において、本実施形態に係る水素内燃機関は、運転時において、先ずＮＯｘを浄化するためのアンモニアが不足しているか否かを判定する（ステップＳ３１）。ここで、アンモニア不足していると判定されると（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５００における酸素濃度制御部５３０は、ＥＧＲ量（即ち、再循環させる排気の量）を増加させるように制御を行う（ステップＳ３２）。酸素濃度制御部５３０は、続いて或いは並行して、吸気を液体水素によって冷却するように制御する（ステップＳ３３）。尚、ステップＳ３２及びステップＳ３３の処理は、単独で行われることによっても気筒１４０内の酸素濃度を低下させる効果がある。即ち、ＥＧＲ量の増加、及び吸気の冷却のうち、いずれか一方の制御が行われれば、気筒内１４０の酸素濃度は低下する。但し、ＥＧＲ量の増加、及び吸気の冷却の両方の制御を行うことにより、効果的に気筒１４０内の酸素濃度を低下させることができる。また、気筒１４０内の酸素濃度を低下させることができるのであれば、上述した方法以外の方法を用いても構わない。
【００６９】
気筒１４０内の酸素濃度の変化は、例えば排気管１６０に設けられた酸素濃度センサ４２０（図１参照）等において検出することが可能である。
【００７０】
図７において、酸素濃度制御部５３０は、ＥＧＲ量を増加させるために、ＥＧＲ弁３３０の開度を高くするように制御する。即ち、ＥＧＲ弁３３０は、本発明における「酸素濃度調整手段」の一例といえる。また、図示しない排気絞り弁の開度を高くしたり、ＥＧＲクーラ３２０の冷却効果を高めることによっても、同様の効果を得ることができる。
【００７１】
更に、酸素濃度制御部５３０は、吸気を冷却するために、冷媒となる液体水素の量を増加させる。吸気が冷却されることで、吸気内の酸素が分離される。これにより、吸気内の酸素濃度は確実に低下する。
【００７２】
図６に戻り、酸素濃度制御部５３０による制御が行われた後には、ＥＣＵ５００は、再びアンモニアが不足しているか否かを判定する（ステップＳ３４）。ここで、アンモニアが不足していないと判定されると（ステップＳ３４：ＮＯ）、酸素濃度制御部５３０によって、ＥＧＲ量を減少させるように制御が行われ（ステップＳ３５）、吸気を冷却するための液体水素の量を減少させるように制御が行われる（ステップＳ３６）。即ち、図７に示されるように、制御されていた各パラメータが元の値とされ、通常運転へと戻る。
【００７３】
尚、酸素濃度制御部５３０による気筒１４０内の酸素濃度を低下させるための制御は、予め設定された所定期間だけ行われるようにされてもよい。即ち、アンモニアが不足しているか否かにかかわらず、所定期間が経過した後には、通常運転に戻るように設定されてもよい。この際、酸素濃度を低下させることで増加するアンモニアの量等に基づいて所定期間を設定しておけば、より好適にアンモニアの生成を行うことができる。
【００７４】
他方で、酸素濃度制御部５３０によってステップＳ３２及びステップＳ３３の制御が行われた後にもアンモニアが不足していると判定された場合には（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、制御されたＥＧＲ量、及び液体水素の量が維持される。或いは、よりＥＧＲ量を増加させたり、より多くの液体水素を用いて吸気を冷却するように制御してもよい。
【００７５】
以上のように、酸素濃度制御部５３０による各部位の制御が行われることにより、一時的に気筒１４０の酸素濃度を低下させることが可能となる。制御中は水素の燃焼が低酸素濃度場で行われることとなり、アンモニアの生成量を増加させることができるため、より好適に排気中の有害物質を浄化することが可能である。
【００７６】
以上説明したように、本実施形態に係る水素内燃機関によれば、アンモニアの不足に応じて、適宜生成量を増加させることができる。従って、排気中に含まれる有害物質を好適に浄化することが可能である。
【００７７】
尚、上では気筒１４０内の圧力、温度及び酸素濃度が制御される場合について別々に説明したが、典型的には、これらの制御は同時或いは連続的に行われる。これにより、アンモニアの生成量を効果的に増加させることが可能となる。但し、気筒１４０内の圧力、温度及び酸素濃度のうち、少なくとも１つが制御されれば、アンモニアの生成量を増加させるという効果は相応に得られる。
【００７８】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う水素内燃機関もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】実施形態に係る水素内燃機関の全体構成を示す概略図である。
【図２】実施形態に係る水素内燃機関における、気筒内圧力を制御する際の動作を示すフローチャートである。
【図３】制御されるパラメータの変化を時系列で示すタイミングチャート（その１）である。
【図４】実施形態に係る水素内燃機関における、気筒内温度を制御する際の動作を示すフローチャートである。
【図５】制御されるパラメータの変化を時系列で示すタイミングチャート（その２）である。
【図６】実施形態に係る水素内燃機関における、気筒内酸素濃度を制御する際の動作を示すフローチャートである。
【図７】制御されるパラメータの変化を時系列で示すタイミングチャート（その３）である。
【符号の説明】
【００８０】
１１０…エアフローメータ、１２０…スロットル、１３０…吸気管、１４０…気筒、１５０…水素噴射弁、１６０…排気管、１７０…選択還元触媒、２１０…水素タンク、２２０…水素供給間、２３０…主止弁、２４０…調圧弁、３１０…ＥＧＲ管、３２０…ＥＧＲクーラ、３３０…ＥＧＲ弁、４１０…排気温センサ、４２０…酸素濃度センサ、５００…ＥＣＵ、５１０…圧力制御部、５２０…温度制御部、５３０…酸素濃度制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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