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JP2010053813A - Hydrogen internal combustion engine - Google Patents

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JP2010053813A
JP2010053813A JP2008221351A JP2008221351A JP2010053813A JP 2010053813 A JP2010053813 A JP 2010053813A JP 2008221351 A JP2008221351 A JP 2008221351A JP 2008221351 A JP2008221351 A JP 2008221351A JP 2010053813 A JP2010053813 A JP 2010053813A
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JP
Japan
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cylinder
ammonia
hydrogen
oxygen concentration
pressure
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008221351A
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Japanese (ja)
Inventor
Shiro Tanno
史朗 丹野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suitably remove a toxic substance included in exhaust gas, in a hydrogen internal combustion engine. <P>SOLUTION: This hydrogen internal combustion engine has a cylinder 140 for providing motive power by burning hydrogen and generating ammonia NH3, an exhaust passage 160 for exhausting the exhaust gas including the ammonia to the outside from the inside of the cylinder, and an exhaust emission control means 170 arranged in the exhaust passage and removing nitrogen oxides NOx included in the exhaust gas by reducing by the ammonia. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a technical field of a hydrogen internal combustion engine that obtains power of, for example, a vehicle by burning hydrogen.

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)。   Some hydrogen internal combustion engines of this type convert energy generated by burning hydrogen into power. Hydrogen is burned after being mixed with air in the cylinder. The exhaust gas generated at this time contains nitrogen oxide (NOx), which is considered harmful. For this reason, a hydrogen internal combustion engine has been proposed that includes exhaust purification means for purifying nitrogen oxides contained in the exhaust (see Patent Document 1). As an exhaust purification means, for example, one that purifies nitrogen oxides by using ammonia as a reducing agent has been proposed (see Patent Document 2).

特開2007−303321号公報JP 2007-303321 A 特開平9−004441号公報JP-A-9-004441

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。   However, when ammonia is used for the exhaust gas purification means, it is often required to separately provide a device for storing ammonia, a device for generating ammonia, etc. in order to add ammonia as a reducing agent. These devices take up space and increase the overall size of the internal combustion engine. For example, precious metal that is a catalyst for generating ammonia and a relatively complicated mechanism for realizing a high-pressure state that allows reaction are used. This increases the cost. That is, the above-described technique has a technical problem that various inconveniences may occur in practice.

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。   The present invention has been made in view of the above-described problems, for example, and an object thereof is to provide a hydrogen internal combustion engine that can suitably purify harmful substances contained in exhaust gas.

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。   In order to solve the above problems, a hydrogen internal combustion engine of the present invention is a cylinder that generates power by burning hydrogen and generates ammonia, and an exhaust that exhausts exhaust gas containing ammonia from the inside to the outside of the cylinder. A passage, and an exhaust purification means that is provided in the exhaust passage and purifies the nitrogen oxides contained in the exhaust by being reduced by the ammonia.

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。   According to the hydrogen internal combustion engine of the present invention, during operation, the hydrogen supplied into the cylinder is mixed with air and burned. A hydrogen internal combustion engine is mounted on a vehicle such as an automobile, and energy generated by combustion is used as power. When hydrogen is burned, nitrogen oxides are produced with water. For this reason, the exhaust gas discharged from the cylinder of the hydrogen internal combustion engine contains nitrogen oxides which are harmful substances.

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。   In the present invention, particularly, hydrogen is combusted, whereby hydrogen (H) reacts with nitrogen (N) contained in the air in the cylinder to generate ammonia (NH3). The ammonia is typically generated when the air-fuel ratio is rich (that is, under an excessive fuel supply atmosphere), whereas the above-described nitrogen oxides are generated when the air-fuel ratio is lean (that is, In an oxygen excess supply atmosphere). Therefore, if the air-fuel ratio is adjusted, either nitrogen oxide or ammonia can be selectively generated. However, both nitrogen oxide and ammonia may be generated simultaneously. The ammonia produced here is discharged out of the cylinder as exhaust, similarly to nitrogen oxides.

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。   Exhaust gas purification means for purifying harmful substances contained in the exhaust gas is provided in an exhaust path through which the exhaust gas discharged from the cylinder passes. In the exhaust purification means, nitrogen oxides contained in the exhaust are purified using ammonia as a reducing agent. Specifically, nitrogen and water are generated by a reaction between nitrogen oxides generated in a lean atmosphere and ammonia generated in a rich atmosphere.

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。   In the present invention, in particular, as described above, ammonia that functions as a reducing agent is generated by the combustion of hydrogen in the cylinder. Therefore, even without providing a tank for storing ammonia, an ammonia generator for generating ammonia, or the like, Exhaust gas purification using ammonia can be performed. That is, it is possible to effectively purify the exhaust gas while suppressing space saving and cost increase of the entire internal combustion engine.

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。   In addition, ammonia itself used for the reduction of nitrogen oxides is a harmful substance, but ammonia is decomposed when exhaust purification is performed, as is the case with nitrogen oxides. That is, it can be considered that the exhaust purification means in the present invention has a function of purifying both nitrogen oxides and ammonia, which are harmful substances contained in the exhaust.

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。   As described above, according to the hydrogen internal combustion engine of the present invention, nitrogen oxide can be reduced using ammonia generated when hydrogen is burned. Therefore, it is possible to suitably purify harmful substances contained in the exhaust.

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。   In one aspect of the hydrogen internal combustion engine of the present invention, the pressure adjusting means capable of adjusting the pressure in the cylinder, and the pressure adjusting means are controlled so that the pressure in the cylinder is higher than in normal operation. And pressure control means for generating more ammonia in the cylinder than in the normal operation.

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。   According to this aspect, the cylinder is provided with the pressure adjusting means, and the pressure in the cylinder can be adjusted. The pressure adjusting means adjusts the pressure in the cylinder by changing the intake pressure, the compression ratio, the heat generation timing, and the like, for example. The pressure adjusting means is controlled by the pressure control means. That is, the pressure in the cylinder is adjusted by giving any instruction to the pressure adjusting means from the pressure control means.

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。   If the pressure in the cylinder is increased by the pressure adjusting means during normal operation of the internal combustion engine, a reaction in which ammonia is generated easily occurs, and as a result, the amount of ammonia generated increases. The “normal operation” here means a state in which combustion for obtaining power efficiently is performed in an internal combustion engine without considering the generation of ammonia. It refers to combustion in a lean state. This is the same in the following embodiments.

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。   As the amount of ammonia produced in the cylinder increases, the amount of ammonia supplied to the exhaust purification means also increases. For this reason, in the state where the pressure in the cylinder is increased, the reduction of nitrogen oxides in the exhaust gas purification means is performed efficiently, and the exhaust gas can be purified more effectively.

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。   The pressure control means detects the concentration of ammonia or nitrogen oxide contained in the exhaust gas, for example, and when the amount of ammonia is small relative to the nitrogen oxide and the exhaust gas purification cannot be performed properly, the pressure control means By controlling this, the pressure in the cylinder is increased. Thereby, the purification of the exhaust gas in the exhaust gas purification means is made more appropriate. Conversely, when the amount of ammonia is large relative to nitrogen oxides, the pressure adjusting means may be controlled to reduce the pressure in the cylinder.

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。   In another aspect of the hydrogen internal combustion engine of the present invention, the temperature adjusting means capable of adjusting the temperature in the cylinder and the temperature adjusting means are controlled so as to lower the temperature in the cylinder than during normal operation. Thus, the apparatus further includes temperature control means for generating more ammonia in the cylinder than in the normal operation.

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。   According to this aspect, the cylinder is provided with the temperature adjusting means, and the temperature in the cylinder can be adjusted. The pressure adjusting means adjusts the temperature in the cylinder by, for example, lowering the intake air temperature using an intercooler, an EGR (Exhaust Gas Recirculation) cooler, or the like, or injecting liquid hydrogen into the cylinder. The temperature adjusting means is controlled by the temperature control means. That is, the temperature in the cylinder is adjusted by giving some instruction from the temperature control means to the temperature adjusting means.

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。   If the temperature in the cylinder is lowered by the temperature adjusting means during normal operation of the internal combustion engine, a reaction in which ammonia is generated easily occurs, and as a result, the amount of ammonia generated increases. As the amount of ammonia produced in the cylinder increases, the amount of ammonia supplied to the exhaust purification means also increases. For this reason, when the temperature in the cylinder is lowered, the reduction of nitrogen oxides is efficiently performed in the exhaust gas purification means, and the exhaust gas can be purified more effectively.

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。   The temperature control means detects, for example, the concentration of ammonia or nitrogen oxide contained in the exhaust gas, and when the amount of ammonia is small relative to the nitrogen oxide and the exhaust gas cannot be appropriately purified, the temperature control means By controlling this, the temperature in the cylinder is lowered. Thereby, the purification of the exhaust gas in the exhaust gas purification means is made more appropriate. Conversely, when the amount of ammonia is larger than the nitrogen oxide, the temperature adjusting means may be controlled to increase the temperature in the cylinder.

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。   In another aspect of the hydrogen internal combustion engine of the present invention, the oxygen concentration adjusting means capable of adjusting the oxygen concentration in the cylinder, and the oxygen concentration adjustment so as to lower the oxygen concentration in the cylinder than during normal operation. The apparatus further comprises oxygen concentration control means for generating more ammonia in the cylinder than in the normal operation by controlling the means.

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。   According to this aspect, the cylinder is provided with the oxygen concentration adjusting means, and the oxygen concentration in the cylinder can be adjusted. The oxygen concentration adjusting means adjusts the oxygen concentration, for example, by increasing the amount of exhaust gas recirculated by the EGR system or by separating oxygen by cooling the intake air with liquid hydrogen or the like. The oxygen concentration adjusting means is controlled by the oxygen concentration control means. That is, the oxygen concentration in the cylinder is adjusted by giving some instruction from the oxygen concentration control means to the oxygen concentration adjusting means.

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。   During normal operation of the internal combustion engine, if the oxygen concentration in the cylinder is lowered (that is, made rich) by the oxygen concentration adjusting means, a reaction in which ammonia is generated easily occurs. Increased amount of ammonia. As the amount of ammonia produced in the cylinder increases, the amount of ammonia supplied to the exhaust purification means also increases. For this reason, when the oxygen concentration in the cylinder is low, the reduction of nitrogen oxides in the exhaust gas purification means is performed efficiently, and the exhaust gas can be purified more effectively.

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。   The oxygen concentration control means detects, for example, the concentration of ammonia or nitrogen oxide contained in the exhaust gas. If the amount of ammonia is small relative to the nitrogen oxide and the exhaust gas cannot be appropriately purified, the oxygen concentration control means By controlling the adjusting means, the oxygen concentration in the cylinder is lowered. Thereby, the purification of the exhaust gas in the exhaust gas purification means is made more appropriate. Conversely, when the amount of ammonia is larger than the nitrogen oxide, the oxygen concentration adjusting means may be controlled to increase the oxygen concentration in the cylinder.

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。   Note that the pressure adjusting means and the pressure control means, the temperature adjusting means and the temperature control means, and the oxygen concentration adjusting means and the oxygen concentration control means in each aspect described above may be used in combination. In other words, a plurality of parameters among the pressure, temperature, and oxygen concentration may be controlled. In such a case, since the effect of increasing ammonia is duplicated, more ammonia can be generated. Therefore, it is possible to suitably supply ammonia to the exhaust purification unit.

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。   The operation and other advantages of the present invention will become apparent from the best mode for carrying out the invention described below.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<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。
<First Embodiment>
First, the configuration of the hydrogen internal combustion engine according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view showing the overall configuration of the hydrogen internal combustion engine according to this embodiment.

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。   In FIG. 1, the hydrogen internal combustion engine according to this embodiment includes an air flow meter 110, a throttle 120, an intake pipe 130, a plurality of cylinders 140, a hydrogen injection valve 150, an exhaust pipe 160, a selective reduction catalyst ( SCR (Selective Catalytic Reduction) 170, hydrogen tank 210, hydrogen supply pipe 220, main stop valve 230, pressure regulating valve 240, EGR pipe 310, EGR cooler 320, EGR valve 330, and exhaust temperature sensor 410 And an oxygen concentration sensor 420 and an ECU (Electronic Control Unit) 500.

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。   The intake pipe 130 is provided with an air flow meter 110 that detects the amount of air taken in and a throttle 120 that adjusts the amount of air taken in. The air flow meter 110 has a form called a hot wire type, for example, and is configured to be able to directly measure the mass flow rate of the sucked air. The throttle 120 is opened and closed in accordance with, for example, an accelerator pedal operation by a vehicle driver, and the amount of air taken in can be adjusted in accordance with the opening. Although not shown here, an air cleaner for removing dust and the like in the intake air is typically provided upstream of the air flow meter 110. Further, a supercharger for compressing and supplying air and an intercooler for cooling the compressed intake air may be provided.

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。   A plurality of cylinders 140 are provided downstream of the intake pipe 130, and the intake air is supplied into the plurality of cylinders 140. The cylinder 140 is configured so that hydrogen is supplied from the hydrogen tank 210 via the hydrogen supply pipe 220. The hydrogen supply pipe 220 is provided with a main stop valve 230 for controlling the supply of hydrogen and a pressure regulating valve 240 capable of finely adjusting the supply of hydrogen. That is, whether or not hydrogen is supplied into the cylinder 140 is controlled by opening and closing the main stop valve 230, and the amount of hydrogen supplied into the cylinder 140 is adjusted by the opening of the pressure regulating valve 240. Hydrogen supplied through the hydrogen supply pipe 220 is injected into the cylinder 140 from the hydrogen injection valve 150.

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。   Further, the cylinder 140 is provided with an intake valve and an exhaust valve (not shown), and the opening / closing timing of each can be controlled. That is, by making the intake and exhaust timing variable, the compression ratio in the cylinder 140 can be controlled.

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。   Here, the case where all of the plurality of cylinders 140 use hydrogen as fuel will be described, but it is sufficient that at least one cylinder 140 uses hydrogen as fuel. That is, a cylinder 140 using hydrogen as fuel and a cylinder using liquid fuel such as gasoline or alcohol, gas fuel other than hydrogen, or the like may be mixed.

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。   An exhaust pipe 160, which is an example of the “exhaust path” of the present invention, is provided downstream of the cylinder 140, and exhaust generated in the cylinder 140 during combustion is guided to the outside. The exhaust pipe 160 is provided with a selective reduction catalyst 170 which is an example of the “exhaust purification means” of the present invention, and purifies harmful substances contained in the exhaust. In the selective reduction catalyst 170, for example, the reaction shown in the following chemical formulas (1) and (2) occurs to purify the exhaust.

6NO+4NH→5N+6HO ・・・(1)
6NO+8NH→7N+12HO ・・・(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。
6NO + 4NH 3 → 5N 2 + 6H 2 O (1)
6NO 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2 O (2)
That is, nitrogen and water are produced by the ammonia produced during combustion acting as a reducing agent on NOx, which is a harmful substance contained in exhaust gas.

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。   The exhaust pipe 160 is provided with an EGR pipe 310 so as to branch off, and a part of the exhaust can be recirculated to the intake side. The EGR pipe 310 is provided with an EGR cooler 320 to cool the recirculated EGR. The EGR cooler 320 can also use liquid hydrogen as a refrigerant. An EGR valve 330 is provided between the EGR pipe 310 and the intake pipe 130 to control the amount of EGR introduced from the EGR pipe 310 to the intake pipe 130 by opening and closing.

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。   When EGR is introduced, for example, combustion is performed in a state where the oxygen concentration is low, so that the amount of NOx emission is reduced. In addition, the fuel consumption rate is improved due to a decrease in pumping loss during intake.

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。   An exhaust temperature sensor 410 and an oxygen concentration sensor 420 are provided downstream of the selective reduction catalyst 170 in the exhaust pipe 160. Further, an intake air temperature sensor, an intake pressure sensor, an in-cylinder pressure sensor, or the like may be provided as means for detecting each parameter during the internal combustion period.

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。   The ECU (Electronic Control Unit) 500 includes a pressure control unit 510 which is an example of the “pressure control unit” of the present invention, a temperature control unit 520 which is an example of the “temperature control unit” of the present invention, and the “oxygen control unit” of the present invention. An oxygen concentration control unit 530 that is an example of the “concentration control means” is configured to control the operation of each part in the hydrogen internal combustion engine. That is, the ECU 500 functions as an electronic control unit that controls the overall operation of the hydrogen internal combustion engine.

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。   Next, the operation of the hydrogen internal combustion engine according to this embodiment will be described with reference to FIG.

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。   In FIG. 1, during operation of the hydrogen internal combustion engine according to the present embodiment, air is supplied from the intake pipe 130 to the plurality of cylinders 140 and hydrogen serving as fuel is supplied from the hydrogen supply pipe 220. The supplied air and hydrogen are mixed in the cylinder 140 and burned. The energy generated by the combustion is converted into power such as a piston (not shown) and used as power for a vehicle on which a hydrogen internal combustion engine is loaded.

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。   In the combustion in the cylinder 140, for example, in the combustion in the case where the air-fuel ratio is in a lean state, the reactions shown in the following chemical formulas (3) and (4) occur.

2H+2O+N→2HO+2NO ・・・(3)
2H+3O+N→2HO+2NO ・・・(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。
2H 2 + 2O 2 + N 2 → 2H 2 O + 2NO (3)
2H 2 + 3O 2 + N 2 → 2H 2 O + 2NO 2 (4)
Further, in combustion when the air-fuel ratio is in a rich state, a reaction as shown in the following chemical formula (5) occurs.

5H+O+N→2HO+2NH ・・・(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。
5H 2 + O 2 + N 2 → 2H 2 O + 2NH 3 (5)
That is, NOx or ammonia is generated along with water by combustion. The NOx and ammonia are discharged out of the cylinder 140 as exhaust, and are led to the selective reduction catalyst 170 via the exhaust pipe 160. In the selective reduction catalyst 170, as described above, nitrogen and water are generated by ammonia acting as a reducing agent on NOx. That is, the concentrations of NOx and ammonia in the exhaust are reduced extremely effectively.

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。   However, during normal operation in which priority is given to combustion efficiency, for example, combustion in a lean state is often performed, so that the amount of ammonia produced is smaller than the amount of NOx produced. That is, ammonia that can sufficiently reduce the generated NOx is not generated, and NOx in the exhaust gas may not be appropriately purified. On the other hand, in the hydrogen internal combustion engine according to the present embodiment, it is possible to increase the amount of ammonia produced by controlling each parameter during operation.

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。   Hereinafter, the operation when increasing the amount of ammonia produced in the hydrogen internal combustion engine according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 7 in addition to FIG. In addition, below, operation | movement of each site | part is demonstrated separately for every parameter controlled in order to increase the production amount of ammonia.

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。   First, the case where the pressure in the cylinder 140 is controlled will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a flowchart showing the operation when controlling the cylinder pressure in the hydrogen internal combustion engine according to the present embodiment. FIG. 3 is a timing chart showing the change of the controlled parameter in time series (part 2). 1).

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。   In FIG. 2, in the hydrogen internal combustion engine according to the present embodiment, during operation, it is first determined whether or not ammonia for purifying NOx is insufficient (step S11). Whether or not ammonia is insufficient is determined by the ECU 500 based on, for example, the concentration of ammonia in the cylinder 140, the concentration of NOx contained in the exhaust gas after passing through the selective reduction catalyst 170, or the like. Or you may determine by the time etc. which the combustion in the lean state estimated that there is much quantity of NOx produced | generated is performed continuously.

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。   If it is determined that the ammonia is insufficient (step S11: YES), the pressure control unit 510 in the ECU 500 performs control to increase the intake pressure (step S12). The pressure control unit 510 performs control so as to increase the compression ratio (step S13) and further advance the heat generation timing (step S14) either continuously or in parallel. Note that the processing from step S12 to step S14 has the effect of increasing the pressure in the cylinder 140 by being performed alone. That is, the pressure in the cylinder 140 increases if at least one of the intake pressure increase, compression ratio increase, and heat generation timing advance is performed. However, the pressure in the cylinder 140 can be effectively increased by performing a plurality of controls among the increase of the intake pressure, the increase of the compression ratio, and the advance angle of the heat generation timing. Further, as long as the pressure in the cylinder 140 can be increased, a method other than the method described above may be used.

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。   In FIG. 3, the pressure control unit 510 performs control so that the opening degree of the throttle 120 is increased in order to increase the intake pressure. That is, the throttle 120 can be said to be an example of the “pressure adjusting means” in the present invention. In this way, more air is introduced into the intake pipe 130 and the intake pressure rises. In the case where a supercharger or the like is provided, the intake pressure can also be increased by increasing the compression rate of the air supplied from the supercharger.

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。   The pressure control unit 510 controls the VVT (Variable Valve Timing) system to advance in order to increase the compression ratio. That is, the opening / closing timing of the intake valve and the exhaust valve provided in the cylinder 140 is changed to the advance direction. When a variable compression mechanism is provided, the compression ratio can be increased by directly controlling the variable compression mechanism.

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。   The pressure control unit 510 performs control so that the ignition timing by a spark plug or the like provided in the cylinder 140 is advanced in order to advance the heat generation timing. Further, if the timing for injecting hydrogen from the hydrogen injection valve 150 is advanced, the heat generation timing can be advanced more effectively.

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。   Returning to FIG. 2, after the control by the pressure control unit 510 is performed, the ECU 500 determines again whether or not ammonia is insufficient (step S15). If it is determined that ammonia is not insufficient (step S15: NO), the pressure control unit 510 controls the intake pressure to decrease (step S16), and the compression ratio is controlled to decrease. (Step S17), the heat generation timing is controlled to be retarded (Step S18). That is, as shown in FIG. 3, the valve timing and ignition timing by the throttle 120 and the VVT system are set to the original values, and the normal operation is resumed.

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。   The control for increasing the pressure in the cylinder 140 by the pressure control unit 510 may be performed only for a predetermined period set in advance. That is, it may be set to return to normal operation after a predetermined period of time has passed, regardless of whether ammonia is deficient. At this time, if a predetermined period is set based on the amount of ammonia that increases by increasing the pressure, ammonia can be generated more suitably.

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。   On the other hand, when it is determined that the ammonia is insufficient even after the pressure control unit 510 performs the control from step S12 to step S14 (step S15: YES), the controlled intake pressure, compression ratio and The heat generation time is maintained. Alternatively, control may be performed such that the intake pressure and the compression ratio are further increased or the heat generation timing is advanced.

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。   As described above, by controlling each part by the pressure control unit 510, the pressure of the cylinder 140 can be temporarily increased. During the control, hydrogen combustion is performed in a high-pressure field, and the amount of ammonia produced can be increased, so that harmful substances in the exhaust gas can be more suitably purified.

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。   Next, the case where the temperature in the cylinder 140 is controlled will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a flowchart showing the operation when controlling the in-cylinder temperature in the hydrogen internal combustion engine according to the present embodiment, and FIG. 5 is a timing chart showing the change of the controlled parameter in time series (part 2). 2). In addition, below, the part which overlaps with the case where the pressure in the cylinder 140 mentioned above is controlled shall be abbreviate | omitted suitably.

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。   In FIG. 4, the hydrogen internal combustion engine according to the present embodiment first determines whether or not ammonia for purifying NOx is insufficient during operation (step S21). Here, if it is determined that the ammonia is insufficient (step S21: YES), the temperature control unit 520 in the ECU 500 performs control so as to lower the intake air temperature (step S22). The temperature control unit 520 controls to inject liquid hydrogen into the cylinder 140 continuously or in parallel (step S23). It should be noted that the processing in step S22 and step S23 has the effect of lowering the temperature in the cylinder 140 by being performed alone. That is, if any one of the intake air temperature decrease and the liquid hydrogen injection is controlled, the temperature in the cylinder 140 decreases. However, the temperature in the cylinder 140 can be effectively reduced by controlling both the reduction of the intake air temperature and the injection of liquid hydrogen. Further, as long as the temperature in the cylinder 140 can be lowered, a method other than the method described above may be used.

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。   The change in the temperature in the cylinder 140 can be detected by, for example, an exhaust temperature sensor 410 (see FIG. 1) provided in the exhaust pipe 160.

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。   In FIG. 5, the temperature control unit 520 controls, for example, the EGR cooler 320 and an intercooler (not shown) in order to lower the intake air temperature. That is, the temperature of the intake air temperature is lowered by controlling the cooling effect of the EGR cooler 320, the intercooler, or the like to be higher. Therefore, the EGR cooler 320 can be said to be an example of the “temperature adjusting means” in the present invention. Note that liquid hydrogen may be used as a refrigerant for lowering the intake air temperature.

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。   Further, the temperature control unit 520 performs control so that liquid hydrogen injection into the cylinder 140 is started. Alternatively, control is performed so as to increase the amount of liquid hydrogen that has already been injected. Thereby, the temperature in the cylinder 140 is directly cooled.

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。   Returning to FIG. 4, after the control by the temperature control unit 520 is performed, the ECU 500 determines again whether or not ammonia is insufficient (step S24). Here, if it is determined that the ammonia is not insufficient (step S24: NO), the temperature control unit 520 performs control to increase the intake air temperature (step S25), and liquid hydrogen into the cylinder 140 is obtained. Control is performed so as to stop the injection (step S26). That is, as shown in FIG. 5, each controlled parameter is set to the original value, and the normal operation is resumed.

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。   The control for reducing the temperature in the cylinder 140 by the temperature control unit 520 may be performed only for a predetermined period set in advance. That is, it may be set to return to normal operation after a predetermined period of time has passed, regardless of whether ammonia is deficient. At this time, if a predetermined period is set based on the amount of ammonia increasing by lowering the temperature, ammonia can be generated more suitably.

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。   On the other hand, if it is determined that the ammonia is insufficient even after the temperature control unit 520 performs the control in steps S22 and S23 (step S24: YES), the controlled intake air temperature and liquid hydrogen are determined. The injection amount is maintained. Alternatively, control may be performed so that the intake air temperature is further lowered or more liquid hydrogen is injected.

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。   As described above, by controlling each part by the temperature control unit 520, the temperature of the cylinder 140 can be temporarily reduced. During the control, hydrogen combustion is performed in a low temperature field, and the amount of ammonia produced can be increased, so that harmful substances in the exhaust gas can be more suitably purified.

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。   Next, the case where the oxygen concentration in the cylinder 140 is controlled will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a flowchart showing the operation when controlling the in-cylinder oxygen concentration in the hydrogen internal combustion engine according to this embodiment, and FIG. 7 is a timing chart (time series) showing changes in the controlled parameters. Part 3).

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。   In FIG. 6, the hydrogen internal combustion engine according to the present embodiment first determines whether or not ammonia for purifying NOx is insufficient during operation (step S31). Here, if it is determined that ammonia is insufficient (step S31: YES), the oxygen concentration control unit 530 in the ECU 500 performs control so as to increase the EGR amount (that is, the amount of exhaust gas to be recirculated) ( Step S32). The oxygen concentration control unit 530 performs control so that the intake air is cooled by liquid hydrogen continuously or in parallel (step S33). It should be noted that the processing of step S32 and step S33 has the effect of reducing the oxygen concentration in the cylinder 140 by being performed alone. That is, if any one of the increase of the EGR amount and the cooling of the intake air is performed, the oxygen concentration in the cylinder 140 decreases. However, by controlling both the increase of the EGR amount and the cooling of the intake air, the oxygen concentration in the cylinder 140 can be effectively reduced. Further, as long as the oxygen concentration in the cylinder 140 can be reduced, a method other than the method described above may be used.

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。   The change in the oxygen concentration in the cylinder 140 can be detected by, for example, an oxygen concentration sensor 420 (see FIG. 1) provided in the exhaust pipe 160.

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。   In FIG. 7, the oxygen concentration control unit 530 controls the EGR valve 330 so as to increase the opening degree in order to increase the EGR amount. That is, the EGR valve 330 is an example of the “oxygen concentration adjusting unit” in the present invention. Further, the same effect can be obtained by increasing the opening of an exhaust throttle valve (not shown) or increasing the cooling effect of the EGR cooler 320.

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。   Further, the oxygen concentration control unit 530 increases the amount of liquid hydrogen serving as a refrigerant in order to cool the intake air. By cooling the intake air, oxygen in the intake air is separated. As a result, the oxygen concentration in the intake air is reliably reduced.

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。   Returning to FIG. 6, after the control by the oxygen concentration control unit 530 is performed, the ECU 500 determines again whether or not ammonia is insufficient (step S34). If it is determined that ammonia is not insufficient (step S34: NO), the oxygen concentration control unit 530 performs control so as to decrease the EGR amount (step S35), and cools the intake air. Control is performed to reduce the amount of liquid hydrogen (step S36). That is, as shown in FIG. 7, the controlled parameters are set to their original values, and the normal operation is resumed.

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。   The control for reducing the oxygen concentration in the cylinder 140 by the oxygen concentration control unit 530 may be performed only for a predetermined period set in advance. That is, it may be set to return to normal operation after a predetermined period of time has passed, regardless of whether ammonia is deficient. At this time, if a predetermined period is set based on the amount of ammonia that increases by lowering the oxygen concentration, ammonia can be generated more suitably.

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。   On the other hand, if it is determined that the ammonia is insufficient even after the oxygen concentration control unit 530 performs the control of step S32 and step S33 (step S34: YES), the controlled EGR amount and the liquid The amount of hydrogen is maintained. Alternatively, it may be controlled to further increase the EGR amount or cool the intake air by using more liquid hydrogen.

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。   As described above, the oxygen concentration of the cylinder 140 can be temporarily reduced by controlling each part by the oxygen concentration control unit 530. During the control, hydrogen combustion is performed in a low oxygen concentration field, and the amount of ammonia produced can be increased, so that harmful substances in the exhaust gas can be more suitably purified.

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。   As described above, according to the hydrogen internal combustion engine according to the present embodiment, the generation amount can be appropriately increased according to the shortage of ammonia. Therefore, it is possible to suitably purify harmful substances contained in the exhaust.

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。   Although the case where the pressure, temperature, and oxygen concentration in the cylinder 140 are controlled separately has been described above, these controls are typically performed simultaneously or continuously. This makes it possible to effectively increase the amount of ammonia produced. However, if at least one of the pressure, temperature, and oxygen concentration in the cylinder 140 is controlled, the effect of increasing the amount of ammonia produced can be obtained accordingly.

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。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification, and a hydrogen internal combustion engine with such a change Is also included in the technical scope of the present invention.

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。1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a hydrogen internal combustion engine according to an embodiment. 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。4 is a flowchart illustrating an operation when controlling the pressure in the cylinder in the hydrogen internal combustion engine according to the embodiment. 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。It is a timing chart (the 1) which shows the change of the controlled parameter in time series. 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。5 is a flowchart showing an operation when controlling the temperature in the cylinder in the hydrogen internal combustion engine according to the embodiment. 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。It is a timing chart (the 2) which shows the change of the parameter controlled in time series. 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。5 is a flowchart showing an operation when controlling the in-cylinder oxygen concentration in the hydrogen internal combustion engine according to the embodiment. 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。It is a timing chart (the 3) which shows the change of the parameter controlled in time series.

符号の説明Explanation of symbols

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   DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... Air flow meter, 120 ... Throttle, 130 ... Intake pipe, 140 ... Cylinder, 150 ... Hydrogen injection valve, 160 ... Exhaust pipe, 170 ... Selective reduction catalyst, 210 ... Hydrogen tank, 220 ... Between hydrogen supply, 230 ... Main stop Valve: 240 ... Pressure regulating valve, 310 ... EGR pipe, 320 ... EGR cooler, 330 ... EGR valve, 410 ... Exhaust temperature sensor, 420 ... Oxygen concentration sensor, 500 ... ECU, 510 ... Pressure controller, 520 ... Temperature controller, 530 ... Oxygen concentration control unit

Claims (4)

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。
Cylinders that generate power and generate ammonia by burning hydrogen,
An exhaust path for exhausting the exhaust gas containing ammonia from the inside of the cylinder to the outside;
An exhaust gas purifying means provided in the exhaust path and purifying the exhaust gas by reducing nitrogen oxide contained in the exhaust gas with the ammonia.
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。
Pressure adjusting means capable of adjusting the pressure in the cylinder;
Pressure control means for generating more ammonia in the cylinder than in the normal operation by controlling the pressure adjusting means so that the pressure in the cylinder is higher than that in the normal operation. The hydrogen internal combustion engine according to claim 1.
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。
Temperature adjusting means capable of adjusting the temperature in the cylinder;
Temperature control means for generating more ammonia in the cylinder than in the normal operation by controlling the temperature adjusting means to lower the temperature in the cylinder than in the normal operation. The hydrogen internal combustion engine according to claim 1.
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。
Oxygen concentration adjusting means capable of adjusting the oxygen concentration in the cylinder;
Oxygen concentration control means for generating more ammonia in the cylinder than in normal operation by controlling the oxygen concentration adjusting means to lower the oxygen concentration in the cylinder than in normal operation. The hydrogen internal combustion engine according to claim 1.
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