JP2006177331A

JP2006177331A - 内燃機関の吸入空気調整装置

Info

Publication number: JP2006177331A
Application number: JP2004382735A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Suganuma; 聡菅沼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】内燃機関の排出ガス成分ＮＯＸの低減と吸入空気導入管や燃焼室の汚れの原因となるＥＧＲ装置の代わりになる装置。また、低中負荷運転時の燃焼効率の向上による有害な排出ガスの低減と排気ガス温度の上昇によるＤＰＦおよび触媒の活性化。
【解決の手段】空気を温度調節しその一部または全部を湿度調整し内燃機関の状態に合わせた最適な空気を送る。低負荷運転時は吸入空気の高温化によって燃焼効率向上と排出ガス温度を上昇させ、ＤＰＦ装置や触媒装置を活性させ有害な排出ガスを低減する。また、吸入空気中の水分量を加湿器によって調整することによって排出ガス成分ＮＯＸを低減する。また、ＥＧＲ装置のように排出ガスを再循環させないので吸入空気導入管や燃焼室が汚れず内燃機関の寿命も延びる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気導入管に関するものである。

従来の内燃機関の吸入空気導入管には、冷間時に吸入空気を暖めて内燃機関の燃焼を促進させるものがある。

内燃機関の排出ガスの成分ＮＯＸを低減させる装置としてＥＧＲ装置がある。これは、排出ガスの一部を循環させ吸入空気とともに燃焼室に送り込み燃焼温度を下げてＮＯＸの低減を図る装置である。

内燃機関の排出ガスの成分ＮＯＸは吸入空気中の水分量によって排出量が変化する。また、空気中の水分が多いほど水分によって最高燃焼温度が下がるのでＮＯＸの排出量が減る。

ディーゼルエンジンの排出ガス成分ＰＭを低減する装置としてＤＰＦ装置がある。これは、排出ガス中のＰＭを触媒やフィルターを使い、捕集したり燃焼することによりＰＭを低減させる装置である。

ディーゼルエンジンの排出ガス対策は、エンジンの燃焼効率を高めればＰＭが減りＮＯＸが増えるという相関関係がある。

空気の温度が上昇すると飽和水蒸気量も上昇する。

吸入空気を暖めると燃焼が促進されるが、熱い空気は空気密度が低くなり、燃焼室に入る空気量が減るため出力が低下する。

ＮＯＸを低減させるＥＧＲ装置は、排出ガスを再循環させるため排出ガス中のススやＰＭが吸入空気導入管や燃焼室に入るため、燃焼室や吸入空気導入管にススやＰＭが蓄積するためエンジンに悪影響を与える。また、エンジンオイルも汚れるためさらに悪影響を与える。

ＤＰＦ装置は排出ガス中のＰＭを触媒やフィルターを使い、捕集したり燃焼することによりＰＭを低減させる装置だが、排出ガス温度が低いとＰＭを燃焼することができないため装置にＰＭが蓄積され目詰まりをおこしエンジンの出力が低下する。

また、ディーゼルエンジンの低負荷運転時は排気ガス温度が低いためＤＰＦ装置の性能が発揮できない。そのため、渋滞時や都内のノロノロ運転ではＤＰＦ装置は目詰まりしてエンジンが不調になる。

本発明は、以上のようないろいろな問題を解決するのが目的である。

本発明は上述の目的を達成するために内燃機関の運転状態によって、吸入空気の温度と吸入空気中の水分を変化させ、ＮＯＸ低減し、低負荷運転時の排出ガス温度を高くしＤＰＦ装置の性能を発揮させ、ＰＭ・ＣＯ・ＨＣ・ＣＯ２を低減する。

また、内燃機関の運転状態にあわせて吸入空気の温度と空気中の水分量を調整することにより有害な排出ガスを低減する。

まず、低負荷運転時に吸入空気を熱交換器によって高温にする。そして、吸入空気が高温になることによって燃焼が促進され排出ガス温度が高くなり、ＤＰＦ装置の性能が向上する。そのため、ＤＰＦ装置によってＰＭ・ＣＯ・ＨＣ・ＣＯ２が低減される。

また、吸入空気が高温になるので空気密度は低くなり必要な酸素が低下するため、スロットルバルブを開くことになり、吸入行程時のポンピングロスが減るため燃料消費量を減らすことができる。

しかし、高温になった吸入空気が圧縮工程で高温になりすぎ異常燃焼を引き起こすので、加湿器によって吸入空気中の水分を多量に増加し、その水分によって異常燃焼を抑える。

加湿器の加湿量は、吸入空気導入管等に水滴として付着しない量を加湿する。また、バルブ等によって調節し、加湿が必要ないときは加湿した水分が漏れたり逆流しないようにする。

高負荷運転時には高出力が必要なため吸入空気は原則的には加熱しない。なぜなら、吸入空気が高温だと空気密度が低くなり空気中の酸素が低下し出力が低下するためである。また、高負荷運転時はＮＯＸが増加する傾向があるので、加湿器により加湿し空気中の水分量を増加し燃焼時の最高燃焼温度を抑えＮＯＸを低減する。

高負荷運転時は排気温度が高いのでＤＰＦ装置の性能が発揮され、ＰＭ・ＣＯ・ＨＣが低減される。

低中負荷運転時には、通常の吸入空気と過熱した吸入空気を混合し、その空気の一部または全部を加湿器に通して加湿する。また、空気の湿度は１００％超えないようにし吸入空気導入管内で水滴にならないようにする。

内燃機関の種類・構造・運転状態等によって、吸入空気の温度と吸入空気中の水分量を制御し有害な排出ガス低減する。

加湿器は気化式加湿器、超音波式加湿器および加熱式加湿器等を使用し、吸入空気導入管等に水滴の付着しない範囲で加湿し、内燃機関の運転状態によって制御する。また、加湿空気が必要ないときは加湿器側バルブにより加湿空気が漏れたり逆流しないようにする。

熱交換器は排気ガスや冷却水等の内燃機関の熱を利用した熱交換器や電気式等を使用し、内燃機関の運転状態によって制御する。また加熱空気が必要ないときは加熱空気用バルブにより、加熱空気が漏れたり逆流しないようにする。

ＮＯＸを低減するためには空気中の水分量が多いとＮＯＸが低減できるが空気温度が低いと空気中の飽和水蒸気量は低くなるので排出ガス中のＮＯＸが増える。そこで、空気温度を高くすると飽和水蒸気量も増えるので、空気温度を高めてその空気に加湿することによって多量の水分が含まれるので排出ガス中のＮＯＸを低減することができる。また、加湿する量は飽和水蒸気量より少なくし吸入空気導入管内で水滴等が発生しないようにする。

上述したように本発明を内燃機関に使用することで、低負荷運転時の燃焼効率の向上と排出ガス温度の高温化することができ、ＤＰＦ装置を使用すれば相乗効果として、有害な排出ガスＣＯ・ＨＣ・ＮＯＸ・ＰＭ・ＣＯ２が低減できます。

ディーゼルエンジンの排出ガス対策は、エンジンの燃焼効率を高めればＰＭが減りＮＯＸが増えるという相関関係があるが、本発明を使用することによってＮＯＸ・ＰＭを低減することができる。

リンバーンエンジンは燃料消費率の低減やＣＯ２削減のために希薄燃焼だが、希薄燃焼はＮＯＸが大量に発生する。しかし、本発明を使用し吸入空気温度と吸入空気中の水分量調整することでＮＯＸを低減し、さらに燃料消費率の低減やＣＯ２削減をすることができる。

ＥＧＲ装置は吸入空気導入管や燃焼室に排出ガスを再循環させるので、燃焼室や吸入空気導入管にススやＰＭが蓄積するためエンジンに悪影響を与える。また、エンジンオイルも汚れるためさらに悪影響を与えるが、本発明は燃焼室や吸入空気導入管にススやＰＭが蓄積されないため、エンジンに悪影響を与えずエンジン寿命を延ばすことができる。

地球温暖化抑制のためのＣＯ２削減問題や自動車ＮＯＸ・ＰＭ法規制等内燃機関から排出されるガスをできるだけ低減し無害化するために、本発明は非常に有効である。

本発明は内燃機関の運転状態にあわせて温度調節した空気の一部または全部を加湿器に通すことによって、内燃機関の燃焼効率を高め有害な排気ガスの低減することができる。

発明の実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態を図１〜図９に基づいて説明する。

図１は内燃機関が低負荷運転時の状態で、エアフィルタ１ＡＦを通った外気１Ａが、熱交換器３Ｈを通り加熱された空気が加湿器４Ｗを通り高温高湿度の空気となって内燃機関に送られる。

高温の吸入空気は燃焼を促進させるので、有害な排出ガスを低減する。また、排気温度が上昇する。

そのため従来では低負荷運転ではＤＰＦ装置や触媒装置の反応が悪いが、本発明により排気温度が上昇するのでＤＰＦ装置や触媒装置の反応が良くなり、排気ガスの浄化率が向上する。

各バルブ（１ＭＶ１、１ＭＶ２、１ＭＶ３，１ＭＶ４、３ＨＶ１、３ＨＶ２，４ＷＶ１、４ＷＶ２）・熱交換器３Ｈおよび加湿器４Ｗは内燃機関の運転状態によって最適に制御される。

熱交換器３Ｈは排気ガスや冷却水等の内燃機関の熱を利用した熱交換器や電気式等を使用し、内燃機関の運転状態によって制御する。

加湿器４Ｗは気化式、超音波式または加熱式等の加湿器を使用し相対湿度１００％未満になるように制御し、吸入空気導入管等に水滴の付着しない範囲で加湿し、内燃機関の運転状態によって制御する。また、水分が漏れたり逆流しないようにする。

図５は、中温で中加湿の吸入空気を内燃機関に送る場合で各バルブはすべて開いている状態です。

図３は高負荷運転時で外気１Ａをそのまま加湿４Ｗに通して低温高加湿の空気を内燃機関に送る。しかし、排出ガス中のＮＯＸが多い場合は図２の中温高加湿の空気を送りＮＯＸを低減する。

各バルブ（１ＭＶ１、１ＭＶ２、１ＭＶ３，１ＭＶ４、３ＨＶ１、３ＨＶ２，４ＷＶ１、４ＷＶ２）と熱交換器３Ｈと加湿器４Ｗを制御し内燃機関に最適な空気を送ることによって燃焼効率を高め、有害な排出ガスを低減し燃料消費量を減らす。

調整空気５Ａは内燃機関に送る空気のことを指す。

調整空気５Ａが高温で高加湿の状態調整空気５Ａが中温で高加湿の状態調整空気５Ａが低温で高加湿の状態調整空気５Ａが高温で中加湿の状態調整空気５Ａが中温で中加湿の状態調整空気５Ａが低温で中加湿の状態調整空気５Ａが高温で無加湿の状態調整空気５Ａが中温で無加湿の状態調整空気５Ａが低温で無加湿の状態

符号の説明

１Ａ外気
１ＡＦエアフィルタ
１ＭＶ１メインバルブ１
１ＭＶ２メインバルブ２
１ＭＶ３メインバルブ３
１ＭＶ４メインバルブ４
３Ｈ熱交換器
３ＨＶ１熱交換器側バルブ１
３ＨＶ２熱交換器側バルブ１
４Ｗ加湿器
４ＷＶ１加湿器側バルブ１
４ＷＶ２加湿器側バルブ１
５Ａ調整空気

Claims

内燃機関の吸入空気の温度を調節するためにメイン吸入空気導入管と熱交換器側導入管をバルブによって温度を調整する。
温度調整された空気をメイン空気導入管と加湿器側導入管のバルブによって湿度を調整する。
熱交換器は内燃機関の排気ガスや冷却水等の熱を利用した熱交換器、または、電気式等の熱交換器を使用する。
加湿器は気化式、超音波式または加熱式等の加湿器を使用し相対湿度１００％未満になるように制御する。また通常は水を加湿するがその他液体を使用することもできる。
熱交換器、加湿器および各バルブを制御し内燃機関の運転状態あわせた最適な吸入空気の温度と湿度を供給する。