JP2011185233A - 排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料消費率がよく、エンジン始動後に、直ちに安定した状態で予混合燃焼を実行できる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射を圧縮上死点より早い時期に行い、燃料の予混合化が促進した後に着火燃焼させるようにしたディーゼルエンジン１の排気浄化装置であって、燃料Ｆを素にプラズマ放電によりＨ2を含んだ改質ガスを生成し且つ改質ガスを吸気マニホールド６を介してシリンダ７内へ供給するプラズマ燃料改質器１７を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は排気浄化装置に関するものである。
近年、自動車用ディーゼルエンジンでは、通常であれば圧縮上死点近辺で行われるべき燃料噴射を圧縮上死点より早い時期に行い、シリンダ内への燃料の先行投入により燃料の予混合化が促進した後に着火燃焼させて、黒煙の発生を抑制する予混合燃焼の採用が検討されている。
自動車用ディーゼルエンジンに予混合燃焼を採用する場合、早期着火を抑えるために、エンジン排気経路から排気の一部をエンジン吸気経路へ還流させ、その排気でシリンダ内における燃料の燃焼を抑制させてシリンダ内の温度を下げる排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を併用する必要があるが、シリンダ内への排気投入量が多くなるとＯ2が不足して燃焼が不安定になり、失火が発生しやすく、未燃のＨＣ及びＣＯが残る。
特に、燃料噴射量が増えるエンジン中負荷領域や高負荷領域では、着火までの予混合気量が一気に燃焼するため、急激な燃焼が起きやすくなるが、先述のようにシリンダ内への排気投入量（ＥＧＲ量）を増やすと失火の原因となってしまうので、現時点では、低負荷時だけに予混合燃焼を採用する方向で研究開発が進められている。
そこで、希薄状態でも燃焼性に優れたＨ2をシリンダ内に供給してＯ2の不足に起因した失火を防ぎ、未燃のＨＣ及びＣＯを減らすことが考えられる。また、ディーゼルエンジンの燃料（軽油）を触媒により改質する燃料改質器を用いてＨ2を含んだ改質ガスを生成し、該改質ガスを吸気管からシリンダ内に供給するものは既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９−２１６０４１号公報
触媒により燃料を改質してＨ2を含んだガスを生成する燃料改質器では、触媒の雰囲気温度を６００℃程度に保っておかないと反応が起きない。このため、ディーゼルエンジンの燃料の一部を触媒の昇温に流用しており、燃料消費上、不利である。
更に、触媒の雰囲気温度が上記の値に達するまではＨ2を含んだ改質ガスを得ることができず、エンジン始動後に、直ちに安定した燃焼状態で予混合燃焼を実行できない。
本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、燃料消費率がよく、エンジン始動後に、直ちに安定した状態で予混合燃焼を実行できる排気浄化装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、少なくとも軽負荷時に燃料噴射を圧縮上死点より早い時期に行い、前記燃料の予混合化が促進した後に着火燃焼させるとともに、エンジン排気経路から排気の一部をエンジン吸気経路へ還流させるようにしたディーゼルエンジンの排気浄化装置であって、エンジン燃料を素にプラズマ放電によりＨ2を含んだ改質ガスを生成し且つ該改質ガスをエンジン吸気経路へ供給するプラズマ燃料改質器を備えている。
請求項２に記載の発明は、少なくとも軽負荷時に燃料噴射を圧縮上死点より早い時期に行い、前記燃料の予混合化が促進した後に着火燃焼させるとともに、エンジン排気経路から排気の一部をエンジン吸気経路へ還流させるようにしたディーゼルエンジンの排気浄化装置であって、エンジン排気経路に組み込んだＮＯx吸蔵還元触媒と、該ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側に設けたノズルと、エンジン燃料を素にプラズマ放電によりＨ2、ＣＯを含んだ改質ガスを生成し且つ該改質ガスを前記ノズル及びエンジン吸気系統へ供給するプラズマ燃料改質器とを備えている。
本発明の排気浄化装置によれば、下記のような優れた作用効果を奏し得る。
（１）請求項１、２に記載の発明のいずれにおいても、改質ガスの生成手段としてのプラズマ燃料改質器は、触媒により燃料を改質する燃料改質器のようにエンジン燃料を触媒の昇温に流用しないので、燃料消費率が向上する。
（２）プラズマ放電を生じさせれば、Ｈ2を含んだ改質ガスが得られるで、エンジン始動後に、直ちに安定した燃焼状態で予混合燃焼を実行できる。
（３）請求項２に記載の発明においては、Ｈ2、ＣＯを含んだ改質ガスを、ノズルからＮＯx吸蔵還元触媒の排気流通方向上流側に供給すると前記ＮＯx吸蔵還元触媒からＮＯxを環元してＮ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏを離脱させることができる。
本発明の排気浄化装置の一例を示す概念図である。 図１に関連するプラズマ燃料改質器の一例を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１、図２は本発明の排気浄化装置の一例を示すもので、１は、ターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンである。エアクリーナ３から導かれた吸気Ａは、吸気管４を経てターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られる。このコンプレッサ２ａで加圧された吸気Ａは、インタクーラ５で冷却された後、吸気マニホールド６へと導かれ、ディーゼルエンジン１の各シリンダ７に分配されるようになっている。
ディーゼルエンジン１の各シリンダ７から排出された排気Ｇは、排気マニホールド８を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気Ｇは、排気管９及び後処理装置１０を経て車外へ排出されるようになっている。
後処理装置１０は、一つのケーシング内に、排気Ｇ流通方向上流側から下流側に向けて順に、ＮＯx吸蔵還元触媒１１、酸化触媒１２、パティキュレートフィルタ１３を組み込んだものである。
ＮＯx吸蔵還元触媒１１は、触媒Ｐｔによって排気Ｇが含有しているＮＯxとＯ2とからＮＯ2を生成し、該ＮＯ2が吸着剤であるＢａ等に反応した硝酸塩ＢａＮＯ2を保持する。
酸化触媒１２は、ＨＣを酸化させて、その反応熱によって排気Ｇを昇温する。そして、パティキュレートフィルタ１３に捕集された煤は、排気Ｇの熱によって燃焼処理される。
排気マニホールド８と吸気管４のインタクーラ５下流側の個所との間には、シリンダ７に排気Ｇを還流させるためのＥＧＲ管路１４が設けてある。ＥＧＲ管路１４には、排気Ｇ流通方向上流側から下流側に向けて順に、ＥＧＲクーラ１５、ＥＧＲバルブ１６が組み込まれている。
本発明の特徴は、燃料（軽油）Ｆを素にプラズマ放電によりＨ2を含んだ改質ガスＲを生成するプラズマ燃料改質器１７を備えた点にある。
プラズマ燃料改質器１７は、中心部に一方の面から他方の面に向けて高電圧プラグ１８が螺着され且つ外部から高電圧プラグ１８の電極１９の周囲へ燃料Ｆ及び吸気Ａを送給するための流路２０が形成してある端板２１と、前記電極１９を周方向に取り囲む開口２２を有し且つ端板２１の他方の面に一方の面が接する第１の環状部材２３と、該第１の環状部材２３の他方の面に一方の面接する第２の環状部材２４と、該第２の環状部材２４の他方の面に一方の面が接する第３の環状部材２５と、該第３の環状部材２５の他方の面に一方の面が接するフランジ２６と、該フランジ２６に一端が溶接固着された短尺管２７と、該短尺管２７の他端に溶接固着したフランジ２８とを有しており、前記端板２１に対してフランジ２６を締結するボルト２９によって、端板２１、第１、第２、第３の環状部材２３，２４，２５及びフランジ２６を一体的に拘束している。
流路２０には、例えば、コモンレール式燃料噴射装置の構成要素である燃料供給ポンプとコモンレールとの間の燃料管路から調圧弁を介して分流させた燃料Ｆと、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａ出側から抽出した吸気Ａとが、ミキサで混合されたうえ、送り込まれるようになっている。流路２０へ燃料を送り込む手段としては、専用のポンプを設けてもよく、エアブレーキ装置から得た空気を調圧弁を介して分流させて流路２０へ送り込むようにしてもよい。
第２の環状部材２４の内周部は、筒状の第３の環状部材２５の内周面から第１の環状部材２３の開口２２へ滑らかに連なる凹湾曲面状に形成されている。第１の環状部材２３の材料には、セラミックを用いている。第２の環状部材２４の材料に金属を用いる場合は、第３の環状部材２５の材料にセラミックを用いる。また、第３の環状部材２５の材料に金属を用いる場合は、第２の環状部材２４の材料にセラミックを用いる。高電圧プラグ１８に対して電源３０により高電圧を印加すると、電極１９と金属製の第２の環状部材２４との間、または電極１９と金属製の第３の環状部材２５との間にプラズマ放電が生じることになる。そこを量論比以上の燃料Ｆと空気（吸気Ａ）が流れることにより、Ｈ2、ＣＯ等が発生する。
プラズマ燃料改質器１７のフランジ２８には、ディーゼルエンジン１の吸気マニホールド６内部へ連通するガス管路３１が、フランジ３２を介して接続されている。後処理装置１０内部のＮＯx吸蔵還元触媒１１の排気Ｇ流通方向上流側には、改質ガス添加用のノズル３３が設けられており、該ノズル３３には、前記ガス管路３１より分岐したガス管路３４が接続されている。そして、ガス管路３１，３４には、それぞれ添加弁３５，３６が組み込んである。
ディーゼルエンジン１において、燃料噴射を圧縮上死点より早い時期に行うことにより予混合燃焼を実行する際には、早期着火を抑えるために、排気マニホールド８から排気Ｇの一部をＥＧＲ管路１４により吸気マニホールド６へ還流させ、その排気Ｇでシリンダ７内における燃料の燃焼を抑制させてシリンダ７内の温度を下げる排気再循環を併用する。
添加弁３５を開くとともに、プラズマ燃料改質器１７に燃料Ｆと吸気Ａを混合して送り込んで、電源３０によって高電圧プラグ１８に高電圧を印加すると、プラズマ燃料改質器１７内部にプラズマ放電が生じ、燃料Ｆが改質されてＨ2を含んだ改質ガスＲが生成され、該改質ガスＲは、ガス管路３１、吸気マニホールド６を経てシリンダ７内へ供給される。
Ｈ2は希薄状態でも燃焼性に優れているので、シリンダ７内においては燃焼が安定し、Ｏ2の不足に起因した失火が防がれ、未燃のＨＣ及びＣＯが減る。従って、エンジン中負荷領域や高負荷領域でシリンダ７内への排気投入量を増やしても失火がなく、燃焼が安定し、燃焼時間が短くなり、燃料消費率の向上が期待できる。改質ガスＲには、Ｈ2の他にＨＣ及びＣＯが含まれているが、これらＨＣ及びＣＯは、Ｈ2とともに燃焼する。
このＨ2の供給量は、ディーゼルエンジン１の運転状態に応じて調整する。
触媒により燃料を改質する燃料改質器では、燃料Ｆを触媒の昇温に流用していたため、燃料消費上、不利であったが、当該燃料改質器に比べるとプラズマ燃料改質器１７の電力消費は数百ワットであると見込まれるのでエネルギー消費量が少ない。しかも、高電圧プラグ１８に高電圧を印加すればＨ2を含んだ改質ガスＲが得られるで、エンジン始動後に、直ちに安定した燃焼状態で予混合燃焼を実行できる。
ＮＯx吸蔵還元触媒１１に保持されているＮＯxを取り除く際には、添加弁３６を開き、プラズマ燃料改質器１７で生成された改質ガスＲを、ノズル３３からＮＯx吸蔵還元触媒１１の排気Ｇ流通方向上流側に供給すると、改質ガスＲに含まれているＨ2及びＣＯによってＮＯxを環元してＮ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏが離脱し、ＢａＮＯ2がＢａに戻ることになる。
この改質ガスＲは、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の状態に応じてリッチスパイクとして供給する。
このプラズマ燃料改質器１７の下流側に、Ｈ2の発生効率を向上させるための改質触媒を設けてもよい。
なお、本発明の排気浄化装置は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。
１ ディーゼルエンジン
６ 吸気マニホールド（エンジン吸気経路）
１０ ＮＯx吸蔵還元触媒
１７ プラズマ燃料改質器
３３ ノズル
Ｆ 燃料
Ｇ 排気
Ｒ 改質ガス

Claims (2)

  1. 少なくとも軽負荷時に燃料噴射を圧縮上死点より早い時期に行い、前記燃料の予混合化が促進した後に着火燃焼させるとともに、エンジン排気経路から排気の一部をエンジン吸気経路へ還流させるようにしたディーゼルエンジンの排気浄化装置であって、
    エンジン燃料を素にプラズマ放電によりＨ2を含んだ改質ガスを生成し且つ該改質ガスをエンジン吸気経路へ供給するプラズマ燃料改質器を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
  2. 少なくとも軽負荷時に燃料噴射を圧縮上死点より早い時期に行い、前記燃料の予混合化が促進した後に着火燃焼させるとともに、エンジン排気経路から排気の一部をエンジン吸気経路へ還流させるようにしたディーゼルエンジンの排気浄化装置であって、
    エンジン排気経路に組み込んだＮＯx吸蔵還元触媒と、該ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側に設けたノズルと、エンジン燃料を素にプラズマ放電によりＨ2、ＣＯを含んだ改質ガスを生成し且つ該改質ガスを前記ノズル及びエンジン吸気系統へ供給するプラズマ燃料改質器とを備えたことを特徴とする排気浄化装置。
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