JP2006266182A

JP2006266182A - ディーゼルエンジンの作動方法

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Publication number: JP2006266182A
Application number: JP2005086581A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Aoyanagi; 友三青柳
Original assignee: SHIN ACE KK
Current assignee: SHIN ACE KK
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】軽負荷時においてスス，NOx，HC及びCOの排出量を低減するディーゼルエンジンの作動方法を提供する。
【解決手段】燃焼室105から排出される排気ガスの一部を燃焼室105への吸気ガスに還流する排気再循環通路２と、吸気ガスを過給する過給機３とを有するディーゼルエンジンの作動方法であって、軽負荷時に、排気再循環率を60〜80％とし、空気過剰率を1.5〜３とし、燃料の噴射開始時期をクランク角度で-30〜-10°ATDCとし、燃料の噴射圧力を100〜300 MPaとすることを特徴とする方法。
【選択図】図１

Description

本発明は軽負荷時におけるスス，窒素酸化物（NOx），炭化水素（HC）及び一酸化炭素（CO）の排出量を低減したディーゼルエンジンの作動方法に関する。

一般に、エンジンから排出される排気ガス中にはCO₂，H₂O，N₂の他に、有害成分としてその排出量が規制されているスス，NOx，HC，CO等も含まれる。燃焼温度が高いとNOxが生成されるため、燃焼温度を下げてNOxを低減するという方法が考えられるが、それにより燃焼室内で不完全燃焼が生じ、ススが発生する。そのためNOxとススとを同時に低減する方法として、予混合圧縮着火燃焼と排気再循環（Exhaust Gas Recirculation：EGR）法とを組合わせて燃焼を行うことが提案されている。

予混合圧縮着火燃焼は、燃焼する前に予め燃料と空気とを混合させて燃焼させる方法であり、例えば、ピストンが上死点に達するより前に燃焼室内に燃料噴射し、圧縮行程中に混合気を形成し、圧縮着火燃焼させるという方法がある。早期の低温度、低回転では噴射された燃料の発火が遅くなり、燃料と空気とが十分に混合した状態で燃焼が起こるため、不完全燃焼によるススの発生も防止することができる。

しかしながら、燃料と空気とが十分に混合した状態で着火させると、急激に燃焼が進み、多量のNOxが発生する。そのため、燃焼を緩慢に行わせるべく、予混合圧縮着火燃焼にEGRを行うことにより、NOxの発生量の低減させる。EGRによるNOxの発生量の低減の理由は、燃焼室から排出される排気ガスの一部が吸気ガスに還流することにより、燃焼温度が低下するためである。またEGRを行うと、徐々に燃焼するため圧力が急激に上昇することによるディーゼルノックも防止できる。

EGR率［EGRガス量／（EGRガス量＋空気量）］が増大するほど、燃焼室内における燃焼温度が低下するので、NOxの発生量は低下する。しかしながら、EGR率が高いと燃焼室内の空気量が少ないため、不完全燃焼によりススやHCが生成される。従って、スス、NOx及びHCを抑制するために、軽負荷時に予混合圧縮着火燃焼を行う際、EGR率は低く設定されていた。

このような状況下で、軽負荷時に高EGR率でススの生成を抑制する内燃機関として、特開2000-45826号（特許文献１）は、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくとススの発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度がススの生成温度よりも低くなってススがほとんど発生しなくなる内燃機関において、軽負荷時に、ススの発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多くすることで、スス及びNOxがほとんど発生しない内燃機関を提案している。この内燃機関では、軽負荷時において不活性ガス量を増大（EGR率を増大）させると、吸気ガスにおける空気量が低下するため、酸素不足による不完全燃焼が起こるが、EGR率を増大させたことにより燃焼温度が低下するため、不完全燃焼により生成された炭化水素がススまで成長せず、もってスス及びNOxの発生を抑制できる。しかしながら、益々厳しくなる排ガス基準に鑑みて、さらなるスス及びNOxの低減が望まれる。その上、この内燃機関には、軽負荷時において不完全燃焼によるCOやHCの発生量が多いという問題もある。

特開2000-45826号公報

従って本発明の目的は、軽負荷時においてスス，NOx，HC及びCOの排出量を低減するディーゼルエンジンの作動方法を提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、軽負荷時に高EGR率にして過給を行い、かつ燃料噴射開始時期及び燃料噴射圧力を所望の範囲に設定すると、スス，NOx，HC及びCOの排出量が著しく低減されることを発見し、本発明に想到した。

すなわち、本発明は具体的に以下の手段により達成することができる。
(1) 燃焼室から排出される排気ガスの一部を前記燃焼室への吸気ガスに還流する排気再循環通路と、前記吸気ガスを過給する過給機とを有するディーゼルエンジンの作動方法であって、軽負荷時に、排気再循環率を60〜80％とし、空気過剰率を1.5〜３とし、燃料の噴射開始時期をクランク角度で-30〜-10°ATDCとし、前記燃料の噴射圧力を100〜300 MPaとすることを特徴とする方法。
(2) 上記(1) に記載のディーゼルエンジンの作動方法において、前記吸気ガスの過給圧を70〜200 kPaとすることを特徴とする方法。
(3) 上記(1)又は(2) に記載のディーゼルエンジンの作動方法において、前記軽負荷時におけるアクセル開度を25 ％以下とすることを特徴とする方法。

本発明のディーゼルエンジンの作動方法によれば、軽負荷時におけるEGR率、空気過剰率，燃料噴射開始時期及び燃料噴射圧力を所定の範囲に設定しているので、スス，NOx，HC及びCOの排出量を著しく低減できる。またスス，HC及びCOの排出量の低減に伴い、燃費も向上するという利点がある。

図１は、単気筒ディーゼルエンジンにEGR通路及び過給機を取り付けたモデルの一例を概略的に示し、図２はその単気筒ディーゼルエンジンを部分的に示す。このモデルは実験用であり、実機と必ずしも同じ構成ではないが、機能的には同等である。この実験用モデルは、ディーゼルエンジン１、EGR通路２、過給機３、吸気通路４、排気通路5a，5b及び新気供給路６を具備する。EGR通路２には、上流から順に、EGRバルブ21、EGRクーラ31、EGRブースタ32及びEGRヒータ33が設けられており、排気通路5bには排気バルブ22が設けられており、新気供給路６には、上流から順にサージタンク11及びスロットルバルブ23が設けられている。EGR通路２と排気通路5a及び新気供給路６との接続部には、それぞれサージタンク12及びサージタンク13が設けられている。

ディーゼルエンジン１は、シリンダ101と、シリンダ101内を上下動するピストン102と、吸気口103及び排気口104と、吸気口103及び排気口104を開閉する吸気弁103a及び排気弁104aと、シリンダ101の内壁上面とピストン102の上面により形成された燃焼室105と、シリンダ101の内壁上面に設けられた燃焼噴射弁106とを有する。

燃焼室105での燃焼により生成した排気ガスは、排気通路5aを経て、サージタンク11に流入する。排気ガスはサージタンク11により脈動を抑えられ、その一部はEGR通路２に流入される。その流入量はEGRバルブ21及び排気バルブ22により調整することができる。EGRクーラ31によりEGRガスを冷却することによりEGR効率を高めることができる。またEGRブースタ32によりEGRガスを加圧することにより、供給されるEGRガス量を増大させることができる。EGRヒータ33は負荷が極めて少ない条件では排気温度が下がるので、排気ガスを加熱するために設けられている。

過給機３より新気供給路６へ供給される新気（空気）はサージタンク13により脈動を抑えられ、EGRガスとサージタンク12において混合する。新気供給路６を流れる空気量はスロットルバルブ22により制御することができる。新気とEGRガスとが混合してなる吸気ガスはサージタンク12により脈動を抑えられ、吸気通路４を通って燃焼室105に供給される。

吸気ガス及びEGRガスの流れを図３に概略的に示す。ディーゼルエンジン１より排出された排気ガスの一部はEGRガスとして吸気ガスに還流し、再びディーゼルエンジン１に供給される。吸気ガス及び排気ガスの総量をともにDとし、EGRガス量をD_Eとし、新気量をD_Aとした。吸気ガスの総量Dは個々のディーゼルエンジンに対してそれぞれ決まった値を取る。

EGRガス量D_Eが増えることにより、燃焼室105内の燃焼温度の低下により、NOxが低減される。またEGRガス量D_Eが増えることにより、不完全燃焼によるHC及びCOの生成量が増大するが、外部に排出される排気ガスの総量が減るため、外部に排出されるHC及びCOの量はほとんど変わらない。

EGRガス量D_Eが増えれば増えるほどNOxの発生量は低減できるが、吸気ガスの総量Dは一定であるため、EGRガスの量D_Eが増えれば空気量D_Aが減少する。そのため、過給機３により吸気ガスを加圧し、吸気ガス量Dを増大させる。過給圧をPbとし、通常の吸気ガス圧をP_Nとすると、吸気ガス量Dは（Pb／P_N）倍となり、EGR率が高くても吸気ガス内の空気量を十分に保つことができ、不完全燃焼が起こらないように空気過剰率を所望の値に保つことができる。

ここで「空気過剰率」とは、空燃比の理想空燃比に対する比率であり、「空燃比」とは過給機３により供給される新気と燃料との重量比で、「理想空燃比」とは理論上燃料が完全に燃焼するのに必要な空燃比を言う。空気過剰率が高ければ、燃料と空気とが十分に混合し、不完全燃焼が起こらないため、スス，HC及びCOが低減される。また燃料が十分に燃焼するため、燃費も良好である。そのため、空気過剰率は1.5〜３とする。空気過剰率が1.5未満であると、不完全燃焼によりススやHC等が発生するだけでなく、燃費が悪化する。また空気過剰率が３を超しても、その効果はほとんど変わらないだけでなく、未燃HCの排出量が増大する。

軽負荷時において、吸気ガスの総量Dに対するEGRガスの量D_Eの割合であるEGR率は60〜80％とし、そのときの過給圧Pbは70〜200 MPaであるのが好ましく、100〜160 MPaであるのがより好ましい。ここで軽負荷とはアクセル開度が25 ％以下における負荷である。EGR率が60％未満であると、NOxの生成を抑制できない。またEGR率が80％超であると、吸気ガスにおける空気量が少ないため不完全燃焼が起こる。

燃焼室105内の圧力が最高点に達する上死点（TDC）よりも前に燃料噴射を行うことにより、燃料噴射の開始時期から燃料が燃焼するまでに着火遅れ期間が生じる。この着火遅れ期間に燃料と空気とが十分に混合するため、部分的な不完全燃焼を防止することができる。一般に噴射時期を早めると燃費が悪化するが、低温燃焼とすることで冷却損失が抑制されるため、燃費の悪化は抑えられる。

燃料噴射開始時期はクランク角度で-30〜-10°ATDCである。燃料噴射開始時期が-30°ATDCよりも早いと、燃料の拡散が進みすぎるため、未燃ＨＣの排出量が増大し、かつ燃費が悪化する。また燃料噴射開始時期が-10°ATDCよりも遅いと、燃料と空気とが燃焼室105内で十分に均一に混合せず、部分的に酸素不足による不完全燃焼を起こすおそれがある。

燃焼噴射弁101は燃料の圧力及び量を独立して調節可能であり、燃料噴射圧は100〜300 MPaとする。燃料噴射圧が100 MPa未満であると、燃料が燃焼室105内で十分に均一に分散せず、部分的に酸素不足による不完全燃焼を起こすおそれがある。また燃料噴射圧が300 MPaを超しても、その効果はほとんど変わらない。また燃料と空気との混合をさらに良くするため、スワールを強化しても良い。

本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

実施例１
図１のモデルを用いて、軽負荷時（アクセル開度が25％の時）において、燃料噴射開始時期及びEGR率を変えてディーゼルエンジン１を作動した。ディーゼルエンジン１の機関速度を1200 rpmとし、圧縮比を16.5とし、スワール比を1.4とした。吸気ガスの過給圧を151.3 kPaとし、吸気ガス温度は35℃であった。燃料噴射量を50 mm³/１ストロークとし、燃料噴射圧を120 MPaとした。燃料噴射開始時期を-50〜０°ATDCまで変化させ、EGR率が０％，40％，60％及び75％の場合について試験を行った。

そのときのスス，NOx，HC及びCOの排出量を図４に示す。図４から明らかなように、EGR率を高くしたことにより、NOxが著しく低減されているが、ススの排出量はほとんど増えていないことが分かる。またEGR率を高くしたことにより、HC及びCOの排出量も減少しており、特に燃料噴射開始時期が-30°ATDCよりも遅いとき、HC及びCOの排出が抑制されていることが分かる。

同様の実験条件での正味熱効率、正味燃費率、正味平均有効圧及び空気過剰率を図５に示す。ここで「正味」とは、摩擦を考慮したという意味であり、「平均有効圧」とは、ピストンにかかる計算上の平均圧力で、１サイクルの仕事を行程容積で割ったものである。図５から明らかなように、EGR率を高くしたことにより、正味熱効率が上昇し、もって正味燃費率が下がった。正味平均有効圧は、EGR率を高くしたことにより上昇しており、エンジンの燃焼効率が良くなったことが分かる。正味燃費率は燃料噴射開始時期が遅くなるほど良好になっている。また空気過剰率はEGR率を高くしても1.5以上に保たれていることが分かる。

本発明のディーゼルエンジンの作動方法に用いる装置の一例を示す概略図である。図１の装置における単気筒ディーゼルエンジンを示す部分断面図である。 EGRにおける吸気ガスとEGRガスの流れを示す概念図である。軽負荷時における燃焼噴射開始時期及びEGR率と排気ガス成分［(a)はCO，(b)はHC，(c)はNOx，(d)はスス］との関係を示すグラフである。軽負荷時における燃焼噴射開始時期及びEGR率とディーゼルエンジンの性能［(a)は正味熱効率，(b)は正味燃費率，(c)は正味平均有効圧，(d)は空気過剰率］との関係を示すグラフである。

符号の説明

１・・・ディーゼルエンジン
101・・・シリンダ
102・・・ピストン
103・・・吸気口
103a・・・吸気弁
104・・・排気口
104a・・・排気弁
105・・・燃焼室
106・・・燃焼噴射弁
２・・・EGR通路
３・・・過給機
４・・・吸気通路
5a, 5b・・・排気通路
６・・・新気供給路
11，12，13・・・サージタンク
21・・・EGRバルブ
22・・・排気バルブ
23・・・スロットルバルブ
31・・・EGRクーラ
32・・・EGRブースタ
33・・・EGRヒータ

Claims

燃焼室から排出される排気ガスの一部を前記燃焼室への吸気ガスに還流する排気再循環通路と、前記吸気ガスを過給する過給機とを有するディーゼルエンジンの作動方法であって、軽負荷時に、排気再循環率を60〜80％とし、空気過剰率を1.5〜３とし、燃料の噴射開始時期をクランク角度で-30〜-10°ATDCとし、前記燃料の噴射圧力を100〜300 MPaとすることを特徴とする方法。
請求項１に記載のディーゼルエンジンの作動方法において、前記吸気ガスの過給圧を70〜200 kPaとすることを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの作動方法において、前記軽負荷時におけるアクセル開度を25 ％以下とすることを特徴とする方法。