(57)【要約】【課題】  ＮＯｘの還元処理とＮＯｘ触媒の昇温制御を同時に実行可能な水素利用内燃機関の排気浄化装置を提供する【解決手段】  算出したＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値よりも小さいか否かを判別する（ステップ１０２）。ＮＯｘ吸蔵量が所定値以上である場合には、ＮＯｘ触媒床温が所定値よりも小さいか否かを判別する（ステップ１０６）。ＮＯｘ触媒床温が所定値よりも小さい場合には、ＮＯｘ触媒に供給された水素の一部を未燃酸素と反応させて触媒床温を昇温させると同時に、ＮＯｘを水素で還元することによりＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵容量を回復させる（ステップ１０８）。ＮＯｘ触媒床温が所定値以上である場合には、ＮＯｘを水素で還元することによりＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵容量を回復させる制御のみ行う（ステップ１１０）。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非水素燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関の排気浄化装置であって、
燃焼室に非水素燃料を供給する非水素燃料供給手段と、
前記燃焼室と連通する排気通路に設けられ、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するための水素を前記燃焼室内に直接供給する水素供給手段と、
前記燃焼室で非水素燃料を燃焼させた後の膨張行程又は排気行程において、前記燃焼室から排出される排気ガスの空燃比がリッチになるように、前記水素供給手段により水素を供給させる制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする水素利用内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水素利用内燃機関の排気浄化装置において、
前記制御手段は、吸入空気量に対する非水素燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合以上になるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料を供給させる制御を行うものであることを特徴とする水素利用内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
請求項１に記載の水素利用内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ触媒の温度を検出する触媒温度検出手段を更に備え、
前記制御手段は、ＮＯｘ触媒温度が所定値よりも低い場合に、吸入空気量に対する非水素燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも小さくなるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料を供給させる制御を行うものであることを特徴とする水素利用内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の水素利用内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘ吸蔵量を算出する吸蔵量算出手段を更に備え、
前記制御手段は、算出されたＮＯｘ吸蔵量が所定値以上である場合に、前記制御を行うものであることを特徴とする水素利用内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素利用内燃機関から排出される排気ガスを浄化する水素利用内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃費を向上させるため、理論空燃比よりも希薄な空燃比で燃料を燃焼させるリーンバーンエンジンが知られている。リーンバーンエンジンには、リーン燃焼時に排出されるＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ触媒が設けられている。
【０００３】
しかし、このＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵容量には限界がある。このため、ＮＯｘ吸蔵限界に近づいたときには、排気ガスの空燃比がリッチになるように、ストイキ燃焼よりも多い量の燃料を供給するリッチスパイク制御が行われる。これにより、排気ガスに含まれる未燃燃料が還元剤となり、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘが還元される。その結果、ＮＯｘ触媒の吸蔵容量が回復する。
【０００４】
また、ＮＯｘ触媒の吸蔵容量を回復させるため、ＮＯｘ触媒上流に還元剤として水素を供給する排気浄化装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、触媒上流に水素を供給するための装置を別途設ける必要がある。ところで、燃焼促進剤としての水素をガソリンに添加する水素利用内燃機関が知られている。この水素利用内燃機関の水素供給システムを流用することにより、水素をＮＯｘ触媒上流に供給することが考えられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１８６５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記水素利用内燃機関を用いたとしても、燃焼室内で水素を無駄に燃焼させてしまう可能性がある。車輌における水素の搭載量は水素タンクのサイズによって制限される。また、車上で燃料の改質反応もしくは脱水素反応により水素を生成することもできるが、この場合も多量の水素を生成することは難しい。よって、ＮＯｘ還元剤としての水素の消費量をできるだけ抑える必要がある。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＮＯｘ還元剤としての水素の消費量を抑制可能な水素利用内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。また、この発明は、ＮＯｘの還元処理とＮＯｘ触媒の昇温制御を同時に実行可能な水素利用内燃機関の排気浄化装置を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、非水素燃料と水素を燃料として運転可能な水素利用内燃機関の排気浄化装置であって、
燃焼室に非水素燃料を供給する非水素燃料供給手段と、
前記燃焼室と連通する排気通路に設けられ、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するための水素を前記燃焼室内に直接供給する水素供給手段と、
前記燃焼室で非水素燃料を燃焼させた後の膨張行程又は排気行程において、前記燃焼室から排出される排気ガスの空燃比がリッチになるように、前記水素供給手段により水素を供給させる制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記制御手段は、吸入空気量に対する非水素燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合以上になるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料を供給させる制御を行うものであることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１の発明において、前記ＮＯｘ触媒の温度を検出する触媒温度検出手段を更に備え、
前記制御手段は、ＮＯｘ触媒温度が所定値よりも低い場合に、吸入空気量に対する非水素燃料の割合がストイキ燃焼に必要な割合よりも小さくなるように、前記非水素燃料供給手段により非水素燃料を供給させる制御を行うものであることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第１から第３の発明において、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘ吸蔵量を算出する吸蔵量算出手段を更に備え、
前記制御手段は、算出されたＮＯｘ吸蔵量が所定値以上である場合に、前記制御を行うものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、新たな設備を設けることなく、高いＮＯｘ還元性を有する水素をＮＯｘ触媒に供給することができる。さらに、ＮＯｘ還元用の水素を膨張行程又は排気行程で供給することにより、燃焼室内で水素を燃焼させることなくＮＯｘ触媒に供給することができる。よって、ＮＯｘ還元剤としての水素の消費量を抑制することができる。
【００１３】
第２の発明によれば、吸入空気量に対する非水素燃料の供給割合をストイキもしくはリッチにすることにより、未燃酸素の発生を防ぐことができ、ＮＯｘ触媒への未燃酸素の供給を防ぐことができる。よって、ＮＯｘ触媒において全ての水素をＮＯｘ還元に用いることができ、水素の消費量を抑制することができる。
【００１４】
第３の発明によれば、ＮＯｘ触媒温度が低い場合には、吸入空気量に対する非水素燃料の供給割合をリーンにすることにより、未燃酸素をＮＯｘ触媒に供給することができる。さらに、水素を燃焼室内で燃焼させずにＮＯｘ触媒に供給することができる。よって、ＮＯｘ触媒において水素の一部と未燃酸素を反応させることによりＮＯｘ触媒の温度を昇温させることができる。また、ＮＯｘ触媒の昇温に寄与しない残りの水素は、ＮＯｘの還元剤として用いることができる。従って、ＮＯｘの還元処理と、ＮＯｘ触媒温度の昇温制御とを同時に実行することができる。
【００１５】
第４の発明によれば、ＮＯｘ吸蔵量に応じてＮＯｘの還元処理を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１７】
実施の形態．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、燃焼室１１内に非水素燃料であるガソリンを噴射する燃料噴射弁３６と、燃焼室１１内に水素を噴射する水素噴射弁４４とを備えている。燃料噴射弁３６は、燃料通路３２を介して燃料タンク３０に連通している。燃料通路３２の途中には、ポンプ３４が設けられている。水素噴射弁４４は、水素通路４２を介して水素タンク４０に連通している。水素タンク４０には、圧縮水素が蓄えられている。内燃機関１０は、燃焼室１１内の混合気に点火するための点火プラグ１８を備えている。
【００１８】
燃焼室１１には、吸気弁１６を介して吸気通路１２が連通している。吸気通路１２の途中には、スロットルバルブ１４が設けられている。吸気通路１２におけるスロットルバルブ１４の上流には、エアフロメータ１５が設けられている。エアフロメータ１５は、内燃機関１０に流入する吸入空気量Gaを検知するように構成されている。
【００１９】
また、燃焼室１１には、排気弁２０を介して排気通路２２が連通している。排気通路２２には、三元触媒２４が設けられ、該三元触媒２４の下流にはＮＯｘ触媒２６が設けられている。
【００２０】
三元触媒２４の上流には空燃比センサ２３が設けられている。空燃比センサ２３は、排気空燃比を検出するように構成されている。三元触媒２４とＮＯｘ触媒２６の間には酸素センサ２５が設けられている。酸素センサ２５は、空燃比がリッチであるかリーンであるかに応じて信号を発するように構成されている。
【００２１】
ＮＯｘ触媒２６には、該ＮＯｘ触媒２６の温度を検出するＮＯｘ触媒温度センサ２７が設けられている。ＮＯｘ触媒２６の下流には、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２８が設けられている。
【００２２】
図１に示すシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。上述したスロットルバルブ１４、エアフローメータ１５、吸気弁１６、排気弁２０、点火プラグ１８、空燃比センサ２３、酸素センサ２５、ＮＯｘ触媒温度センサ２７、ＮＯｘセンサ２８、ポンプ３４、燃料噴射弁３６及び水素噴射弁４４等はＥＣＵ５０に接続されており、ＥＣＵ５０によりそれぞれ制御されている。ＥＣＵ５０は、燃料噴射制御や点火時期制御のような内燃機関１０の全体の制御を実行する。
また、ＥＣＵ５０は、図示しないクランクシャフトに設けられたクランク角センサ１９の検出信号に基づき、機関回転数NEを算出することができる。
また、ＥＣＵ５０は、公知の手法によりＮＯｘ触媒２６のＮＯｘ吸蔵量を算出することができる。例えば、ＥＣＵ５０は、車輌の運転状態（例えば、機関回転数NE、排気空燃比等）に基づき、内燃機関１０から排出されるＮＯｘ量を算出し、該算出したＮＯｘ量を積算することによりＮＯｘ吸蔵量を算出することができる。
【００２３】
［実施の形態の特徴］
次に、本実施の形態における上記システムの動作について説明する。
上記システムにおいて、水素噴射弁４４から燃焼室１１内に水素を噴射することができ、燃焼噴射弁３６から燃焼室１１内にガソリンを噴射することができる。よって、上記システムによれば、水素添加リーン燃焼運転を実行することができる。
また、上記システムによれば、成層燃焼によるリーン燃焼運転や、均一燃焼によるリーン燃焼運転を実行することができる。これらのリーン燃焼運転時には、内燃機関１０から排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘを三元触媒２４によって効率的に浄化することができない。このため、三元触媒２４を通過したＮＯｘは、ＮＯｘ触媒２６によって捕捉される。但し、ＮＯｘ触媒２６のＮＯｘ吸蔵容量は有限である。よって、ＮＯｘ触媒２６に吸蔵されたＮＯｘの量がＮＯｘ吸蔵容量に近づいてきたときには、ＮＯｘを還元することにより、ＮＯｘ触媒２６の吸蔵容量を回復させる必要がある。
【００２４】
本実施の形態では、高い還元性を有する水素をＮＯｘ還元剤として用いる。すなわち、水素を還元剤とするリッチスパイク制御を実行することにより、ＮＯｘ触媒２６の吸蔵容量を回復させる。しかし、車上に搭載できる水素の量は有限であり、車上で多量の水素を生成することも難しい。よって、ＮＯｘ還元に用いる水素の量を出来る限り抑える必要がある。ところが、ガソリン等の非水素燃料と比べて水素は燃焼しやすい性質を有する。従って、ガソリンと同時に水素を供給しても、水素は燃焼してしまう。
【００２５】
本実施の形態では、水素を燃焼させることなく、効率良くＮＯｘ触媒２６に供給する。具体的には、ガソリンのみでストイキ燃焼を行い、その燃焼後の排気行程時に水素噴射弁４４から水素を燃焼室１１内に噴射する。燃焼室１１に噴射された水素は、燃焼することなく排気通路２２に送られ、効率よくＮＯｘ触媒２６に供給される。ＮＯｘ触媒２６において、供給された水素によりＮＯｘがＮ２に還元され、放出される。その結果、ＮＯｘ触媒２６の吸蔵容量が回復する。
【００２６】
ところで、リーン燃焼運転時の排気ガスの温度は一般的に低いことが知られている。このため、リーン燃焼運転中にＮＯｘ触媒２６の温度が低下する場合がある。また、その他の要因で、ＮＯｘ触媒２６の温度が低下する場合もある。ＮＯｘ触媒２６は、温度が低下すると不活性になるため、ＮＯｘを効率よく捕捉することができなくなる。よって、ＮＯｘ触媒２６の温度が低下した場合には、早期に触媒温度を昇温させる必要がある。
【００２７】
そこで、本実施の形態では、ＮＯｘ触媒２６の温度が低下した場合には、ＮＯｘ触媒２６において、燃焼室１１で燃焼せずに排出された未燃の酸素（以下「未燃酸素」という。）と水素とを反応させる。この反応は、発熱反応であるため、ＮＯｘ触媒２６の温度を昇温させることができる。具体的には、吸入空気量に対するガソリンの噴射量の割合をストイキ燃焼に必要な割合（以下「ストイキレベル」という。）よりも小さくすることにより、燃焼室１１からＮＯｘ触媒２６に未燃酸素が供給されるようにする。さらに、この未燃酸素と反応して触媒温度昇温に寄与する量の水素を、上記ＮＯｘ還元に必要な量の水素と共に噴射する。
【００２８】
すなわち、ＮＯｘ触媒２６の温度が低下した場合には、上記ガソリンの噴射量の割合を小さくすることにより未燃酸素を生じさせ、この未燃酸素と反応させる分だけ余分に水素を噴射する。これにより、ＮＯｘ触媒２６の吸蔵容量を回復させることができると共に、ＮＯｘ触媒２６の温度を昇温させることができる。
【００２９】
［実施の形態における具体的処理］
図２は、本実施の形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図２に示すルーチンによれば、リーン燃焼運転時に、先ず、ＮＯｘ触媒２６に吸蔵されているＮＯｘの量を算出する（ステップ１００）。
【００３０】
次に、算出されたＮＯｘ吸蔵量が所定値よりも小さいか否かが判別される（ステップ１０２）。このステップ１０２でＮＯｘ吸蔵量が所定値よりも小さいと判別された場合には、ＮＯｘ触媒２６の吸蔵容量を回復させる必要がないと判断される。すなわち、水素を用いたリッチスパイクを実行する必要がないと判断される。この場合、ＥＣＵ５０は、リーン燃焼運転を継続する（ステップ１０４）。
【００３１】
一方、ステップ１０２でＮＯｘ吸蔵量が所定値以上であると判別された場合には、ＮＯｘ触媒２６の吸蔵容量を回復させる必要があると判断される。この場合、以下に述べるようにＮＯｘ触媒温度に応じて、水素リッチスパイクが実行される。
【００３２】
先ず、ＮＯｘ触媒２６の温度が所定値よりも低いか否かが判別される（ステップ１０６）。このステップ１０６でＮＯｘ触媒温度が所定値よりも低いと判別された場合には、ＮＯｘ触媒２６を活性化させるため触媒温度を昇温させる必要があると判断される。この場合、ＥＣＵ５０は、ＮＯｘ還元と、ＮＯｘ触媒の昇温処理とを同時に実行する（ステップ１０８）。
具体的には、図３に示すように、ストイキレベルよりも小さい割合（すなわちリーン）でガソリンを燃料噴射弁３６から燃焼室１１内に噴射する。これにより、ガソリンが燃焼した後の排気行程時に、燃焼室１１から未燃酸素が排出され、ＮＯｘ触媒２６に供給される。さらに、この排気行程時に、水素噴射弁４４から燃焼室１１内に水素を噴射する。ここで、水素の噴射量は、図３に示すように、上記未燃酸素と反応してＮＯｘ触媒２６の昇温に寄与するのに必要な量と、ＮＯｘを還元するのに必要な量との合計である。
その結果、ＮＯｘ触媒２６において未燃酸素と水素とが発熱反応することによりＮＯｘ触媒２６の温度が昇温すると共に、ＮＯｘが水素により還元されてＮＯｘ触媒２６の吸蔵容量が回復する。
【００３３】
一方、ステップ１０６でＮＯｘ触媒温度が所定値以上であると判別された場合には、ＥＣＵ５０は、ＮＯｘ還元のみを実行する（ステップ１１０）。具体的には、図４に示すように、ストイキレベル以上の割合（すなわちストイキ又はリッチ）でガソリンを燃料噴射弁３６から燃焼室１１内に噴射する。このとき、混合気中の酸素は全て燃焼に用いられるため、ガソリンが燃焼した後の排気行程時に、燃焼室１１から未燃酸素が排出されない。この排気行程時に、水素噴射弁４４から燃焼室１１内に水素を噴射する。ここで、水素の噴射量は、図４に示すように、ＮＯｘを還元するのに必要な量で足りる。すなわち、未燃酸素がＮＯｘ触媒２６に供給されないため、水素が触媒床温昇温のために消費されない。これにより、ＮＯｘが水素により還元されてＮＯｘ触媒２６の吸蔵容量が回復する。
【００３４】
次回以降、本ルーチンが起動されると、ＮＯｘ吸蔵量が所定値以上であり、かつ、ＮＯｘ触媒温度が所定値よりも低い場合には、ＮＯｘ還元と同時に触媒昇温が実行される。また、ＮＯｘ吸蔵量が所定値以上であり、かつ、ＮＯｘ触媒温度が所定値以上である場合には、ＮＯｘ還元が実行される。
【００３５】
以上説明したように、図２に示すルーチンによれば、ガソリン燃焼後の排気行程時に水素を燃焼室１１内に噴射することにより、燃焼室１１内で水素を燃焼させることなくＮＯｘ触媒２６に供給することができる。よって、無駄な水素の燃焼を防ぐことができるため、水素の消費量を抑制することができる。
また、ＮＯｘ触媒２６の温度が低い場合には、ＮＯｘ触媒２６に未燃酸素を供給し、該未燃酸素と水素の一部を反応させることにより、ＮＯｘ触媒温度を昇温させることができる。よって、ＮＯｘ触媒２６の吸蔵容量の回復と、ＮＯｘ触媒２６の昇温とを同時に実行することができる。
【００３６】
ところで、本実施の形態ではガソリンを燃料噴射弁３６から燃焼室１１内に直接噴射するシステムについて説明したが、ガソリンを吸気通路１２の吸気ポートに噴射するシステムを用いてもよい。さらに、ガソリンをポート噴射及び筒内噴射可能なシステムを用いてもよい。この場合も、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００３７】
また、本実施の形態では、水素タンク４０から水素を供給するシステムについて説明したが、車上で燃料を改質反応もしくは脱水素反応させることにより水素を生成するシステムを用いてもよい。
【００３８】
また、本実施の形態では、燃焼室１１でガソリンを燃焼させた後の排気行程でＮＯｘ還元剤としての水素を噴射するシステムについて説明したが、膨張行程で水素を噴射するシステムを用いてもよい。
【００３９】
また、本実施の形態では、算出したＮＯｘ吸蔵量に応じてリッチスパイク制御を実行するシステムについて説明したが、ＮＯｘセンサ２８により検出されたＮＯｘ濃度に応じてリッチスパイク制御を実行するシステムを用いてもよい。
【００４０】
また、本実施の形態では、三元触媒２４とＮＯｘ触媒２６とを直列に設けたシステムについて説明したが、三元触媒２４を設けていないシステムを用いてもよい。
また、排気通路２２に設けたマニホールドによりＮＯｘ触媒２６と三元触媒２４を並列に設けたシステムを用いてもよい。この場合、バルブ等の操作により三元触媒２４を使用せず、ＮＯｘ触媒２６を使用するようにすれば、三元触媒２４を省略したシステムと同様のシステム構成が達成できる。
【００４１】
なお、本実施の形態においては、ＥＣＵ５０が、ステップ１０８又はステップ１１０の処理を実行することにより第１の発明における「制御手段」が、ステップ１１０の処理を実行することにより第２の発明における「制御手段」が、ステップ１０６及びステップ１０８の処理を実行することにより第３の発明における「制御手段」が、ステップ１００の処理を実行することにより第４の発明における「吸蔵量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態のシステム構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。
【図３】図２に示すフローチャートにおいてＮＯｘ還元及び触媒昇温時の燃料量を示す図である。
【図４】図２に示すフローチャートにおいてＮＯｘ還元時の燃料量を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  内燃機関
１１  燃焼室
１２  吸気通路
１４  スロットルバルブ
１５  エアフロメータ
１６  吸気弁
１８  点火プラグ
１９  クランク角センサ
２０  排気弁
２２  排気通路
２３  空燃比センサ
２４  三元触媒
２５  酸素センサ
２６  ＮＯｘ触媒
２７  ＮＯｘ触媒温度センサ
２８  ＮＯｘセンサ
３０  燃料タンク
３２  通路
３４  ポンプ
３６  燃焼噴射弁
４０  水素タンク
４２  通路
４４  水素噴射弁
５０  ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
【図１】
2006233837.tif 000003
【図２】
2006233837.tif 000004
【図３】
2006233837.tif 000005
【図４】
2006233837.tif 000006