JP2003511600A - NOx放出を低減した直接噴射式内燃機関 - Google Patents
NOx放出を低減した直接噴射式内燃機関Info
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Abstract
Description
希薄燃焼内燃機関におけるNOx低減装置が知られている。この場合の原理は、
特に内燃機関の希薄燃焼中に発生するNOxをNOx吸収触媒に貯蔵し、内燃機
関の濃い混合気燃焼によって同時に還元しながら吸収されたNOxを遊離するこ
とである。このNOx変換は特に直接噴射式内燃機関の場合に適している。上記
のNOx変換により、既に比較的に高い変換率が達成可能である。この場合、特
にNOx未処理放出を回避するために、排ガス再循環はNOx吸収触媒と組み合
わせて使用可能である。
段は、NOxを低減した排ガス後処理システム、特にNOx吸収触媒を備えた希
薄燃焼型直接噴射式オットーエンジンの場合に特に重要である。なぜなら、NO
x吸収触媒を使用しても、恐らく吸収触媒表面の拡散防止作用の結果として、希
薄変換が、特に空気過剰率=1.1 〜1.4 での均質な希薄燃焼時あるいは空気過剰
率=1.6 〜4 での成層希薄燃焼時に発生するような非常に多いNOx未処理放出
を生じるからである。
、低下した燃焼温度によって同様にNOxを低減するように作用し、他方では燃
焼消費を改善するように作用する。というのは、成層希薄燃焼の直接噴射式オッ
トーエンジンの場合一般的にサイクル内で早すぎる燃料変換の重点位置が最適な
位置の方に移動させられるからである。
なぜなら、排ガス再循環によって高められた温度が、この燃焼方式では遅れて行
われる噴射によって、非常に短い時間内に行わなければならない混合気形成を支
援するからである。
循環された排ガスの割合を高すぎるように選択してはならない。排ガス再循環率
が高すぎる場合、不完全な燃焼が起こる。それによって、燃料消費とHC/CO
のエミッションが再び増大し、エンジンの回転がスムーズでなくなる。
の排ガスの取り出しと、内燃機関の吸気側への再循環の場合)、個々のシリンダ
への均一な分配のために、高い構造的コストがかかる。更に、内燃機関の場合に
特に生じるダイナミックな運転時に、排ガス再循環と吸気の時間的な遅れと、吸
気側と排気側に交互に変化する圧力状態によって、排ガス再循環率を目標設定値
に適合または調節することが困難である。これに相応して、個々のシリンダの間
の排ガス再循環率は大きく異なることがあり、不所望な最低値を下回ったり、不
所望な最高値を上回ることを確実に防止することができない。
とが知られている。この内部の排ガス再循環の場合、吸気時間または排気時間を
互いに調節することによって、特に吸気カム軸を“早期”の方向に調節すること
によって、残留ガス成分がシリンダ内にとどまり続けるようにすることができる
。この方法の利点は、シリンダ毎の正確な分配のほかに、残留ガスが次の燃焼過
程に既に寄与し、上記の無駄時間と目標設定からの大きな偏差が充分に生じない
ことである。
なり、一層適切に使用可能である。
ーエンジンの場合に利用される。このオットーエンジンは、外部の排ガス再循環
のほかに吸気カム軸調節による内部の排ガス再循環を行い、かつNOx吸収触媒
によって排ガス浄化を行う。この内燃機関の場合、混合気形成のために、充填運
動のスワール方式が使用される。このスワール方式の場合、吸い込まれたガスを
シリンダ内で回転運動を加える。この場合、回転軸線はピストン運動方向/シリ
ンダ軸線に対してほぼ平行である。その際、縦の空気渦が燃焼室に発生する。こ
の空気渦内に燃料が噴射され、点火プラグに案内される。このような燃焼方法は
NOx吸収触媒に関連して、既にNOx放出がかなり少ない。
いて、きわめて低いNOx放出値が得られるように、排ガス後処理と共に燃焼プ
ロセスを最適化することである。
る。
出値を達成することができる他の特徴が記載されている。
害物質、特にNOxのきわめて少ない放出が達成されるので、直接噴射式内燃機
関の場合にも、例えばD4のような最も厳しい排ガス規定を達成することができ
る。これは直接噴射式内燃機関の場合、特に外部のEGR、NOxを低減する排
ガス後処理、ピストン運動方向に対して主として横向きの流入ガス(新気)の渦
運動と組み合わせて、内部の排ガス際循環(EGR)によって行われる。ここで
、好ましくは流入するガスのタンブル(縦渦)運動が使用される。このタンブル
運動は好ましくは吸気通路内のタンブルプレートによって発生させられる。この
ようなタンブル運動時に、流入するガスはシリンダ内室に転動しながら達する。
この場合、転動運動はピストン運動方向に対して横向きの軸線を中心にして行わ
れる。タンブルプレートの使用は好ましくは、タンブル渦を有する流れから、例
えば空気過剰率1の運転(吸収触媒の再生、高いエンジン負荷)の場合に一般的
であるようなシリンダ室の慣用の充填方法に、必要に応じて切換えることによっ
て行われる。
上昇が達成可能であるので、最も少ない過剰酸素で運転することができる。この
場合更に、外部のEGRを排ガス再循環冷却器で冷却することができるので、燃
焼室温度が高すぎるように上昇しない。外部のEGRは通常のごとく弁によって
制御される。
の範囲内にある。この範囲において、最も低いNOxエミッションが発生する。
媒が使用される。この触媒は複数秒にわたって(通常は約2分以下)排ガス未処
理エミッションの窒素酸化物を例えばバリウム硝酸塩として吸収し、空気過剰率
≦1(あるいは空気過剰率=1よりも少しだけ上で)での運転中還元しながら再
生される。このような吸収触媒は冒頭に述べたヨーロッパ特許公報によって知ら
れている。
わめて有利に使用することができ、特に吸収触媒と関連して使用することができ
る。タンブル運動を生じない従来の運転システムの場合、NOx突然の出現が簡
単に可能であった。このNOx出現はNOxによって誤って、再生すべき吸収触
媒として評価されたので、燃料消費を増やす再生が頻繁に発生した。タンブル運
動を使用することによって初めて、NOxピークが回避されるので、吸収触媒の
後のNOxセンサは本発明に従って初めて信頼のできる吸収率、ひいてはNOx
吸収触媒の吸収充填度を信号化する。
るだけ良好に混合することに注意を払うべきであることが判った。なぜなら、そ
のような場合にのみ、燃焼室全体内で、NOx形成に寄与する酸素分子の一部が
不活性ガス(排ガス)によって置き換え可能であるからである。NOxの過剰発
生に寄与する、酸素割合の高い迅速に燃焼する局部領域の発生は、本発明では回
避される。この特徴は、内部排ガス再循環の潜在能力をできるだけ充分に利用で
きるようにするために、特に直接噴射式オットーエンジンの場合に重要である。
にあり、吸気弁と排気弁(図4)の同時開放によって排ガス3が燃焼室1に残っ
ている)内に残る、内部の排ガス再循環システムの排ガス3との混合が、スワー
ル渦形成7の際(旋回軸線はほぼピストン運動方向/シリンダ軸線の方に向いて
いる)、最適ではないことが判った。内部EGRの残留ガス3は吸気行程と圧縮
行程(図1b/2c)の間スワール流れ7の作用によってピストンヘッドの近く
にとどまり、吸い込まれた(主として外気を含む)新気3は、続いて吸気行程(
図1b、ピストン2は下方に移動する)において、残留ガス3の上方に成層化さ
れる。スワール状のガス運動7がピストン運動方向に運動量をあまり有していな
いので、この成層(実質的に混合しない)は圧縮中(図1c、ピストンは上方に
移動する)充分に維持されたままである。圧縮の終わり頃に噴射される燃料8は
(噴射ノズルは図示していない)、一部がほとんど純粋な外気6内に噴射され、
一部が外気と残留ガスの比が変化する不均質な混合領域5に噴射され、そして一
部がほとんど純粋な残留ガス3に噴射される(図1c)。従って、(点火プラグ
4によって点火されて)変換(燃焼)する間、全体的な残留ガス割合が目標設定
値に一致しているにもかかわらず、火炎前面内に約0〜100%の残留ガス割合
が発生し、燃焼室1の小さな範囲だけにほぼ最適な残留ガス割合が局部的に生じ
得る。残留ガスの割合が小さい領域では、燃料成分が迅速にかつ高い温度で燃焼
するので、ここでは目立ったNOx低減は生じない。残留ガス割合が非常に高い
領域では、燃料の変換(燃焼)が止むので、排気はNOx低減がわずかであると
共に、HC放出量が増し、発生する仕事が少なくなる。その他に、燃料消費が増
大し、回転がスムーズでなくなる。これは排ガス再循環率の目標設定値を低下さ
せ、ひいてはNOx低減潜在能力が更に制限される。基本的には、スワール運動
の際にも、例えば圧縮時に再び渦を発生するかまたは噴射流ができるだけ均質な
範囲に達するように、ピストンヘッドを形成することにより、この成層を考慮す
ることができる。しかし、本発明に従い、タンブル渦への切換えによって、良好
なNOxエミッション値、すなわち低いNOxエミッション値が特にNOxセン
サに関連して達成可能であることが判った。
じて、特に選択的触媒還元によって、すなわち相互の還元および酸化によって低
減可能である。従って、全体として、再び比較的に低い排ガスエミッション値が
達成可能である。それにもかかわらず、これは、消費装置の負荷と内燃機関の回
転のスムースさが問題である。
が吸気弁カム軸の調節によって、タンブル型給気運動コンセプト17(吸い込ま
れたガスの回転軸線はピストン運動方向に対してほぼ横向きである)によって達
成される。吸気行程の開始時に(図2a、ピストン12が上側にある)、図1a
の場合のように、大きな割合の残留排ガス13がシリンダ室11内に存在する。
しかし、技術水準と異なり、本発明による方法は、それに続く給気運動(図2b
)が吸い込まれた新気16(場合によっては外部の排ガス再循環によって排ガス
を含んでいる)によって残留排ガス成分13の強い混合を生じる。従って、図2
cから判るように、噴射燃料18はガス混合物に当たり、このガス混合物の局部
的な残留ガス割合は平均的な(全体的な)残留排ガス割合に対してわずかしか違
わない(充分に均質な混合物15)。これは高すぎる局部的な残留排ガス割合に
基づいて(点火プラグ14によって点火された)火炎が消えないようにし、かつ
回転がスムースで燃料消費が少ないと共に、HCエミッションを悪化させずに、
未処理排ガス中のNOxの理想的な低減を行う。これによって、新気内の残留排
ガス割合について高い目標設定値をセットすることができる。
な偏差の狭い変動幅が明らかである。30は燃焼室内の全体的な残留排ガス割合
を示している。31はNOx低減が少なすぎる(O2 が多すぎる)不所望な範囲
を示し、32は燃料変換が不足する(CO/HC発生、多すぎる排ガス)不所望
な範囲を示している。曲線33はタンブル方式(縦渦方式)を示し、曲線34は
スワール方式の場合の強い不均質性を示している。本発明では、排ガス再循環率
が高い場合でも、タンブル方式の際に最大許容残留排ガス割合の局部的な超過が
充分に回避される。
関は外気吸込み通路51を有する。この外気吸込み通路によって、流入する新気
は、成層充填運転において、排ガス再循環管路68から戻される排ガスと共に、
タンブルプレート52を介してタンブル流17で燃焼室11内に達する。再循環
された排ガスは運転条件に対応してエンジン制御装置66によって弁67を介し
て制御され、更にEGR冷却器69によって冷却される。図2cのような圧縮行
程が示してある。この圧縮行程では燃料18が噴射される。内燃機関50は更に
、吸気カム軸55と排気カム軸56を備えている。これらのカム軸はロッカーア
ーム54または57を介して吸気弁53または排気弁59を操作する。これらの
弁はシリンダヘッド58内に収容されている。弁53,59の開放位置によって
、燃焼室11への排ガス13(図2a)の充填が行われる。圧縮中、弁53,5
9は閉じている。
るので、排ガス60は排気マニホルド70に流れる。この場合、排ガスはO2 セ
ンサ61のそばを通って流れる。このO2 センサは広帯域O2 センサとして形成
され、濃厚混合気から希薄混合気までの酸素含有量を測定する役目を果たす。排
ガス60は続いて三元触媒として形成された一次触媒62を通って流れる。この
場合、COとHCは存在する酸素によって既にCO2 とH2 Oに変換可能であり
、更にNOがNO2 に酸化される。一次触媒62の後に温度センサ63が配置さ
れている。この温度センサは触媒62を監視する(OBD)役目を果たす。排ガ
スは更に、NOx吸収触媒64を通って流れる。この吸収触媒は窒素酸化物を特
に吸収する。充填率が上昇するにつれて、NOx吸収触媒64によってNOxす
り抜けが達成される。このすり抜けはNOxセンサ65によって検出される。こ
の信号は、所定の値を上回るときに、NOx吸収触媒64の再生が達成されるよ
うに、エンジン制御装置66によって評価される。これは内燃機関50の短時間
の(約5秒以下の)濃い混合気運転によって行われる。この場合、H2 ,COお
よびHCがNOx吸収触媒64に達し、この運転条件下で遊離したNOxと反応
してN2 ,H2 OおよびCO2 となる。続いて、再び希薄混合気運転に切換えら
れる。
。この運転条件では、タンブルプレート52の流入部71の傾斜が緩やかになる
(吸気通路51の壁に当てる)ので、タンブルプレート52の新気はそばを流れ
、それによって燃焼室にタンブル渦が形成されない。
ットーエンジンの場合、NOxを低減する排ガス後処理はNOx吸収触媒によっ
て行われる。最も低いHC放出値とNOx放出値と共に、最高の排ガス再循環率
を達成するために、場合によっては外部の排ガス再循環の排ガスを含んでいても
よい流入新気のために、タンブル流れが生じるので、流入する新気の旋回軸線は
ピストン運動方向に対してほぼ横方向に延びている。これによって、成層希薄燃
焼時に、エミッションを低減する、シリンダ内室の最適な混合が達成される。
ーエンジンの場合に利用される。このオットーエンジンは、外部の排ガス再循環
のほかに吸気カム軸調節による内部の排ガス再循環を行い、かつNOx吸収触媒
によって排ガス浄化を行う。この内燃機関の場合、混合気形成のために、充填運
動のスワール方式が使用される。このスワール方式の場合、吸い込まれたガスを
シリンダ内で回転運動を加える。この場合、回転軸線はピストン運動方向/シリ
ンダ軸線に対してほぼ平行である。その際、縦の空気渦が燃焼室に発生する。こ
の空気渦内に燃料が噴射され、点火プラグに案内される。このような燃焼方法は
NOx吸収触媒に関連して、既にNOx放出がかなり少ない。 米国特許第5,918,577号明細書により、成層燃焼と、ピストン縦軸線
に対して約90°横向きのタンブル流を生じる直接噴射式内燃機関が知られてい
る。更に、不活性ガスの成層について記載されている。この成層は点火プラグの
周りにある空気燃料領域を有する。この空気燃料領域内には不活性ガスは少しし
か存在しないか全く存在しないので、新鮮空気と燃料の混合気と、内部または外
部の排ガス再循環によって内燃機関の燃焼室に案内された排ガスとの混合は発生
しない。
Claims (10)
- 【請求項1】 NOxを低減する排ガス後処理と、 内部の排ガス再循環と、 成層希薄燃焼と、 流入する新気内の旋回流発生と を行う直接噴射式内燃機関において、 旋回流がピストン運動方向に対して主として横向きに延びる旋回流軸線を有す
ることを特徴とする直接噴射式内燃機関。 - 【請求項2】 旋回流がタンブル運動であることを特徴とする請求項1記載
の内燃機関。 - 【請求項3】 旋回流が吸気通路内のタンブルプレートによって発生される
ことを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関。 - 【請求項4】 火花点火式内燃機関またはオットーエンジンであることを特
徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の内燃機関。 - 【請求項5】 付加的な外部の排ガス再循環装置を備えていることを特徴と
する請求項1〜4のいずれか一つに記載の内燃機関。 - 【請求項6】 外部の排ガス再循環装置が冷却されおよびまたは制御弁を備
えていることを特徴とする請求項5記載の内燃機関。 - 【請求項7】 旋回流軸線がピストン運動方向に対して75〜105°の範
囲の角度をなしていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の内
燃機関。 - 【請求項8】 排ガス後処理がNOx吸収触媒によって行われることを特徴
とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の内燃機関。 - 【請求項9】 排ガス後処理がNOxセンサによってチェックして行われる
ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一つに記載の内燃機関。 - 【請求項10】 内部の排ガス再循環装置が吸気弁開放時間を早期開放方向
に調節することによって行われることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一つ
に記載の内燃機関。
Applications Claiming Priority (3)
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---|---|---|---|
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DE19948298A DE19948298A1 (de) | 1999-10-06 | 1999-10-06 | Direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit NOx-reduzierter Emission |
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