【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の運転方法に関し、特に、排気系統にＮＯx 吸蔵還元触媒を設けて排気ガスの浄化を行うようにした内燃機関において、該ＮＯx 吸蔵還元触媒の浄化性能を長期間にわたって維持できるようにした内燃機関の運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気ガス中の窒素参加物（Ｎ
Ｏx ）を除去するための方法及び装置は多く提案されており、その一つに、いわゆるＮＯx 吸蔵還元触媒を排気系統に備えるものがある。 ＮＯx 吸蔵還元触媒とは、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類等から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔ
のような貴金属とが担持された吸収剤を持つものであり、流入する排気ガスの空気比がリーンの場合にはＮＯ
x を吸収し、酸素濃度が低下するとＮＯx を放出する機能、すなわち、ＮＯx の吸蔵と還元による放出の機能を備えたものである。

【０００３】吸収剤のＮＯx 吸収量には制限があり、長時間リーン排気ガス中で使用された場合、徐々に吸収剤が飽和してＮＯx の吸収効率が低下する。 そのためにＮ
Ｏx吸蔵還元触媒を内燃機関の排気ガス浄化に用いる場合には、一定時間リーン排気ガス雰囲気においた後、次に、理論空燃比もしくはそれ以上のリッチ空燃比の排気ガス雰囲気（すなわち、酸素濃度が低下した雰囲気）に吸収剤を曝し、ＮＯxの還元除去を行うようにしている。 還元除去の際には、三元触媒と同様の触媒作用が起こり、排気ガス中のＮＯx も同時に還元除去される。 排気ガスをリーン状態及びリッチ状態に切り換えることにより、吸収（リーン）、放出、還元（リッチ）が繰り返され、高いＮＯx 浄化性能を得ることができる。

【０００４】内燃機関の運転中に、排気ガス雰囲気をリーン状態とリッチ状態に切り換える方法として、内燃機関の吸気系統に空燃比制御装置を設け、空燃比制御により理論空燃比以上の運転状態（リッチ状態）とリーン空燃比運転状態（リーン状態）とに交互に切り換えて運転する方法と、リーン状態で運転される内燃機関に対して、切り替え自在な２系統の排気系統を設け、一定期間毎に経路を切り換えるようにすると共に、ＮＯx を吸収した側の触媒上流から還元剤（還元ガス）を供給する方法が提案されている（特開平８−１９７２８号公報、特開平８−８６２１３号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】排気系統を２系統とし、一定期間毎に排気経路を切り換え、かつ、ＮＯx を吸収した側の触媒上流から還元剤（還元ガス）を供給する方法は、触媒を２系統用意する必要があるためスペースの増大やコストの増加という問題が生じ、さらに、還元剤を別途用意するためにランニングコストが増大する。

【０００６】一方、空燃比制御装置により空燃比をリッチ状態とリーン状態とに交互に切り換えて連続運転する方法は次のような不都合を伴う。 すなわち、内燃機関の燃焼状態をリーン状態からリッチ状態へ切り替えると、
通常、ノッキングが発生する。 自動車用内燃機関のように、ほとんどの場合に部分負荷で運転を行うものにおいては、例えば点火時期を遅角させる等によりノッキングには容易に対処可能であり、例えノッキングが発生したとしても、部分負荷運転であるが故に、機関に与える損傷も少ない。 従って、自動車用内燃機関においては、排気系統にＮＯx吸蔵還元触媒を設け、内燃機関の空燃比制御装置により空燃比をリッチ状態とリーン状態とに交互に切り換えることにより、長期間にわたる排気ガスの浄化を行うようにすることは格別の問題を提起しない。
また、格別のコスト増加も伴わない。

【０００７】しかし、コージェネレーションに用いられる定置型内燃機関のように、常時定負荷（１００％負荷）で、かつ長時間にわたり連続運転することを前提としている機関の場合、運転中にノッキングが発生することは、１００％負荷での運転状態であるが故に機関に与える衝撃は大きく、機関に損傷を引き起こす。 また、点火時期を遅角させてノッキングを抑えようとすると、排気温度の上昇を招き、高い排気温度は機関の損傷の一因となる。 従って、機関の耐久性を確保するために、この種の内燃機関においては、ノッキングの発生は極力抑えなければならない。

【０００８】換言すれば、コージェネレーションに用いられる内燃機関のように１００％負荷運転を前提とする内燃機関において、排気ガス浄化のためにＮＯx 吸蔵還元触媒を用い、かつ、吸収剤からのＮＯx の還元を空燃比制御装置による空燃比のリッチ状態とリーン状態との切り換えによって行うことは事実上不可能であり、そのために、ＮＯx 吸蔵還元触媒の使用自体が実用化されていない。

【０００９】また、部分負荷運転を前提とする内燃機関において、排気ガス浄化のためにＮＯx 吸蔵還元触媒を用い、吸収剤からのＮＯx の還元を空燃比制御装置による空燃比のリッチ状態とリーン状態との切り換えによって行う場合であっても、運転の都合により、１００％負荷での運転を継続せざるを得ないような場合に、前記と同様の機関の損傷という問題を生起する。

【００１０】本発明の目的は、排気系統にＮＯx 吸蔵還元触媒を設けて排気ガスの浄化を行うようにした内燃機関における上記の不都合を解消した運転方法を提供することにあり、より具体的には、内燃機関まわりのスペースの増加もコストの増大も招かず、また、高負荷運転時に機関に損傷を生じるさせることなく、ＮＯx 吸蔵還元触媒を用いて排気ガスの浄化を行うことを可能とした内燃機関の運転方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、本発明によれば、排気系統にＮＯx 吸蔵還元触媒を設けて排気ガスの浄化を行うようにした内燃機関の運転方法において、吸気系統に空燃比制御装置を設けて理論空燃比以上の運転状態とリーン空燃比運転状態とに交互に切り換えるようにすると共に、リーン空燃比運転状態から理論空燃比以上の運転状態への切り替え時に、吸気系統に排気ガスの一部を導入することによって達成される（請求項１）。

【００１２】好ましい態様において、内燃機関として過給機を併設したものを用い、混合気は該過給機のコンプレッサを介して機関供給され、排気ガスは該過給機のタービンを介して排出されるようになっており、ＮＯx 吸蔵還元触媒は該過給機のタービン以降の排気系統に設けられていることを特徴とする（請求項２）。 さらに好ましくは、前記の運転方法において、排気ガスの一部は該過給機のタービンの上流における排気系統から取り出され、該過給機のコンプレッサの上流側において吸気系統に導入されるようにされる（請求項３）。

【００１３】すなわち、本発明は、内燃機関の燃焼において、他の燃焼条件が同じであれば、図４に示すように、混合気中に排気ガスを導入することにより、燃焼排気ガスの温度は低下し、その低下率は排気ガスの混入量に比例する現象、及び、図５に示すように、混合気中に排気ガスを導入することにより、ノッキング発生限界出力（正味平均有効圧力；ＢＭＥＰ）が高くなり、ノツキングの発生は実質的に抑制される現象を、排気系統にＮ
Ｏx 吸蔵還元触媒を用いる内燃機関の排気ガス浄化システムに有効に活用しようとするものであり、リーン状態の排気ガス雰囲気下に曝されることによってＮＯx を吸収し飽和した吸収剤を、理論空燃比以上のリッチ状態の排気ガスに曝すことによってＮＯx の還元除去を行う場合に、運転状態の切り替えを吸気系統に設けた空燃比制御装置により行うと共に、リーン状態からリッチ状態への切り替え時に、吸気経路の混合気中に排気ガスを導入するようにしたものである。

【００１４】気筒内に排気ガスを混入した混合気が吸入され燃焼することにより、ノッキングの発生は抑制され、かつ排気ガス温度が過度に上昇するのも回避される。 そのために、部分負荷運転時のみでなく、１００負荷運転時において空燃比制御装置による燃焼状態の切り替えを行っても、リーン状態からリッチ状態への切り替え時にノッキングの発生は抑えられ、排気ガス温度も過度に上昇しない。 そのために、機械的不規則振動による機器の破損や高温による熱劣化を抑えることができ、内燃機関の寿命は長期化する。

【００１５】本発明による内燃機関の運転方法は、自動車用内燃機関のように通常部分負荷運転される内燃機関へも適用可能であるが、１００％負荷での連続長時間運転が条件とされるコージェネレーション用の内燃機関の運転方法として特に有効であり、従来実施されなかったＮＯx 吸蔵還元触媒を用いての排気ガスの浄化をコージェネレーション用の内燃機関において行うことを可能とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態に説明する。 図１は、第１の実施の形態であり、過給機１０を持つガスエンジン２０に本発明の運転方法を実施する場合の例である。 この例において、燃料であるガスＧと空気Ａとはガスミキサー１により所要の空気比に混合され、過給機１０のコンプレッサ１１により加圧され、吸気バルブ２１を通りガスエンジン２０のシリンダー２２内に吸気される。 コンプレッサ１１からシリンダー２２までの経路には、通常のように、インタークーラー２、スロットル３が設けられる。
上記の経路が本発明でいう吸気系統を構成するものであり、この経路は従来知られた内燃機関の他の吸気系統であってもよい。

【００１７】排気ガスは排気バルブ２３から過給機１０
に入り、そこでダービン１２を駆動した後、排気経路の途中に設けられた触媒室３０を通過して外気に放出される。 触媒室３０にはＮＯx 吸蔵還元触媒が収容されている。 排気経路における前記触媒室３０の上流位置には、
排気ガスの状態を検出するためのセンサ類（酸素センサ、温度センサ等）４が設けられており、その情報はＥ
ＣＵ（エンジンコントロールユニット）に送られる。 この排気系統も従来知られたものであっよく、これに限られない。 ＥＣＵも従来公知のものである。

【００１８】図示のように、吸気経路には、ガスミキサー１をバイパスして燃料ガスを直接ガスミキサー１下流の混合気中に供給する管路５１が設けられ、該管路には流量調整弁５２が配置される。 また、排気バルブ２３から過給機１０に至る排気経路には分岐管路５３が設けられ、該分岐管路５３は過給機１０の上流位置において前記吸気経路に連接している。 また、分岐管路５３には流量調整弁５４が配置される。 そして、双方の、５４はＥ
ＣＵからの信号により、その開度が制御される。

【００１９】このガスエンジンをコージェネレーション用の原動機として用いる場合を例として、以下、エンジンの運転方法を説明する。 コージェネレーション用の原動機として用いられる場合に、ガスミキサー１により混合気は理論空燃比よりもリーンな状態（空気過剰率λ＝
１．５〜２．０程度）とされ、かつ、常時１００％負荷状態で２４時間連続運転の状態におかれる。 運転当初は、ＥＣＵからの信号により、流量調整弁５２、５４は閉じられており、リーン状態の排気ガスはタービン１２
を駆動した後に、触媒室３０に入り、そこでＮＯx はＮ
Ｏx 吸蔵還元触媒の吸収剤に吸収される。

【００２０】その状態の運転を継続することにより、吸収剤は次第に飽和状態となる。 図示しないセンサーにより飽和の程度を検知し、あるいは、過去の経験から得られる運転時間と飽和程度との関係テーブルに基づき、吸収剤中のＮＯx を還元すべくリッチ運転状態に切り換える。 この切り替えはＥＣＵからの信号により、管路５１
に設けた流量調整弁５２を開弁し、混合気の燃料ガス量を多くすることにより行われる。 該流量調整弁５２の開弁と同時に（あるいは、その直前に）、ＥＣＵから分岐管路５３に設けた流量調整弁５４の開弁指令が出される。

【００２１】流量調整弁５２の開弁によりリッチ運転状態となり、排気ガスは低酸素状態（リッチ状態）で触媒室３０に流入する。 それにより、ＮＯx 吸蔵還元触媒の吸収剤に吸収されたＮＯx は還元除去される。 同時に、
排気ガス中のＮＯx も還元される。 混合気はリッチ状態であるものの、そこに排気ガスが導入されることにより、エンシンでのノッキングの発生は抑えられ、かつ、
排気ガスの温度も過度には上昇しない。

【００２２】その状態の運転を継続することにより、吸収剤は次第に還元され元の状態に復帰する。 図示しないセンサーにより復帰の程度を検知し、あるいは、過去の経験から得られる運転時間と飽和程度との関係テーブルに基づき、リッチ運転状態からリーン運転状態に切り替える。 この切り替えはＥＣＵからの信号により、管路５
１に設けた流量調整弁５２を閉じ、混合気の燃料ガス量を常態に戻すと共に、分岐管路５３に設けた流量調整弁５４も閉じる。 それにより、運転常態はスムースにリーン常態に切り替わる。 以下、上記の運転状態の切り替えを反復して行う。

【００２３】上記の実施の形態では、排気ガスを抜き出すための分岐管路５３のポートを排気バルブ２３から過給機１０に至る排気経路に設け、排気ガスの混合気への導入ポートは過給機１０のコンプレッサ１１の直上流位置に設けている。 リーン状態からリッチ状態に切り換えると過剰空気量が減少するため、供給すべき混合気量が減少する。 通常は、これをスロットルバルブ３により給気を絞ることにより対処するために損失が生じる。 この例にように、タービン１２の手前から排気ガスを取り出すことにより、タービンの仕事量が減り、コンプレッサ１１の仕事量が減るために、過給圧力を減少させることができ、スロットルによる損失を低減することが可能となる。

【００２４】内燃機関におけるいわゆるウエストゲートと同様の効果が達成され、タービン１２の余分な仕事を減少することも可能となる。 また、過給圧力の減少によりスロットル損失は低減し、エンジンの熱効率低下を生じさせないメリットももたらされる。

【００２５】上記の実施の形態において、排気経路に設けたセンサ類４からの種々の情報に基づき、例えば、管路５１に設けた流量調整弁５２の開度を適宜制御して、
所要運転状態での空燃比制御を単独で行うことも当然に可能である。 また、排気ガスの取り出しポートと取り出した排気ガスを吸気系統へ導入する導入ポートの位置は上記の実施の形態に限るものではなく、高圧側から低圧側に向かうことを条件に任意であってよい。

【００２６】図２は他の実施の形態を示しており、この例においては、排気ガスの取り出しポートの位置は図１
のものと同じであるが、取り出した排気ガスを吸気系統へ導入する導入ポートの位置がエンジンのスロットルバルブ３の下流に設けてある。 この場合には、図１の実施の形態と比較して、レスポンスが向上する効果がもたらされる。

【００２７】図３はさらに他の実施の形態を示しており、この例においては、排気ガスの取り出しポートの位置及び取り出した排気ガスを吸気系統へ導入する導入ポートの位置は図１のものと同じであるが、空燃比をリーン状態からリッチ状態に変えるときに供給する燃料ガスの導入位置が図１のもとのは異なっている。 この例では、別途設けた燃料ガス用管路５１ａがスロットル３の下流において吸気ポートに開放しており、該管路５１ａ
に設けた流量制御弁５２ａがＥＣＵの指令により開閉するようになっている。 この場合には、図１の実施の形態と比較して、レスポンスや制御性が向上する効果がもたらされる。

【００２８】特に図示しないが、排気ガスの取り出しポートの位置を過給機１０のコンプレッサ１２より下流の排気経路に設け、取り出した排気ガスの吸気系統への導入ポートを過給機１０のコンプレッサ１１よりも上流位置としてもよい。 また、空燃比変更用の燃料ガスの供給はシリンダー２２内に直接行ってもよい。 さらに、上記ではガスエンジンを例にとり説明したが、ガソリンエンジンでも同様に適用可能である。

【００２９】

【発明の効果】本発明による運転方法を用いることにより、ＮＯx 吸蔵還元触媒を用いた排気ガスの浄化を、ノッキングの発生等による機関の損傷を生じることなく、
空燃比制御装置による理論空燃比以上の運転状態とリーン空燃比運転状態とを単に交互に切り換えるのみで、長時間にわたり安定して行うことが可能となる。 特に、本発明はコージェネレーション用の内燃機関のように、１
００％負荷を前提として長時間連続運転される内燃機関の排気ガス浄化に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による内燃機関の運転方法の一実施の形態を説明する図。

【図２】本発明による内燃機関の運転方法の他の実施の形態を説明する図。

【図３】本発明による内燃機関の運転方法のつらに他の実施の形態を説明する図。

【図４】排気ガスの混合割合と排気ガス温度との関係を示す図。

【図５】排気ガスの混合割合とノッキング発生限界出力（正味平均有効圧力；ＢＭＥＰ）との関係を示す図。

【符号の説明】

１０…過吸機、１１…コンプレッサ、１２…タービン、
２０…内燃機関（ガスエンジン）、３０…ＮＯx 吸蔵還元触媒を収容する触媒室、５２…空燃比制御装置の一部を構成する燃料ガス流量調整弁、５４…排気ガス流量調整弁、１…ガスミキサー、３…スロットル、Ａ…空気、
Ｇ…ガス、ＥＣＵ…エンジンコントロールユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl. ⁶識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２ Ｆ０２Ｍ 21/02 ３１１Ｂ Ｆ０２Ｍ 21/02 ＺＡＢ 25/07 ＺＡＢ ３１１ ５５０Ｒ 25/07 ＺＡＢ ５７０Ｐ ５５０ ５８０Ｂ ５７０ Ｂ０１Ｄ 53/36 ＺＡＢ ５８０ １０２Ｈ