JP2528306Y2 - ディーゼルエンジンにおける排気ガス処理装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、たとえば車両のディー
ゼルエンジンから排出される排気ガスから、特にＮＯ_X
をより効率よく分解低減して外部に排気するための排気
ガス処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両のエンジンを駆動することにより排
出される排気ガスの成分は、理論上完全燃焼すれば、単
にＣＯ₂（二酸化炭素）と、Ｈ₂Ｏ（水）およびＮ（窒
素）である。ただし、燃料が完全燃焼することは不可能
であって、実際には、さらにＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ
（炭化水素）、およびＮＯ_X（窒素酸化物）が生成され
てしまう。

【０００３】すなわち、燃料ガスをエンジン内で燃焼さ
せるためには、空気中の酸素が必要である。この酸素は
空気中に約４分の１程度含まれていて、残りの約４分の
３の大部分は窒素であり、その他、極く微量の成分があ
る。本来、空気中の窒素と酸素は別々にあって結び付か
ないが、高温の燃焼過程（酸化反応）では窒素が酸化さ
れ、燃焼過程の副産物として上記ＮＯ_Xが生成される。

【０００４】車両のうちでも、特に乗用車に多用される
ガソリンエンジンの場合には、ほとんどその排気系統に
三元触媒が備えられている。この三元触媒は、ＣＯとＨ
Ｃを酸化させるとともに、ＮＯ_Xを還元する触媒作用を
なす。比較的簡単で、かつ正確な空燃比制御ができる電
子制御式燃料噴射を用いるか、あるいは気化器方式のも
のでもＯ₂センサを用いて、空燃比フィードバック制御
により理論空燃比に制御して行う。いずれにしても、ガ
ソリンエンジンにおいては、燃焼した排気ガスは上記触
媒により、ＣＯとＨＣおよびＮＯ_Xの成分が同時に浄化
され、高い浄化率が得られる。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】ところが、特にバスや
トラックに多用されるディーゼルエンジンの場合には、
上記三元触媒をそのまま用いても効果がない。すなわ
ち、ディーゼルエンジンの特徴として、吸気系から燃焼
用空気を燃焼室に供給して高圧に圧縮する構造であるか
ら、供給酸素量がガソリンエンジンよりも多いことと、
ディーゼルエンジンの燃料として用られる軽油に含まれ
るＳ（硫黄）分が、ガソリンエンジンのガソリン燃料よ
りも多いことが影響する。

【０００６】このようにして、ディーゼルエンジン自体
の構造と、燃料である軽油の特性から、上記ガソリンエ
ンジンに用いられる三元触媒をそのまま転用しても、Ｎ
Ｏ_X低減の効果がほとんどない。

【０００７】本考案は、上述したような事情に鑑みなさ
れたものであり、その目的とするところは、燃料の主成
分であるＨＣの存在により活性化される触媒を用いるこ
とにより、ＮＯ_Xを効率よく分解して低減を図り、併せ
て、黒煙の低減をも得られるディーゼルエンジンにおけ
る排気ガス処理装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本考案は、エンジン本体に複数の燃焼室を備え、上記
燃焼室にそれぞれ主燃料噴射ノズルを設け、これら主燃
料噴射ノズルに燃料配管を介して燃料噴射ポンプを連通
しＨＣ（炭化水素）を主成分とする燃料を圧送供給する
ディーゼルエンジンにおいて、上記燃料噴射ポンプと各
主燃料噴射ノズルとを連通するそれぞれの燃料配管から
分岐管を分岐し、この分岐管に上記燃料配管が接続する
主燃料噴射ノズルを備えた燃焼室とは異なる燃焼室の吸
気系に燃料の一部を供給する霧化装置を連通し、上記そ
れぞれの燃焼室に接続する排気ガス通路の中途部に炭化
水素成分を還元剤として活性化されＮＯ_X（窒素酸化
物）を分解する触媒コンバータを備え、上記燃料噴射ポ
ンプは所定の燃焼室の主燃料噴射ノズルに燃料を圧送供
給するとともに、この燃料配管に分岐管を介して連通す
る霧化装置からその燃焼室の吸気行程開始にタイミング
を合わせて燃料を供給することを特徴とするディーゼル
エンジンにおける排気ガス処理装置である。

【０００９】

【作用】霧化装置から燃焼室へ燃料の一部を供給するこ
とによって、燃焼室内で触媒コンバータの活性化に効果
の高い不飽和炭化水素が生成され、上記触媒コンバータ
は、上記炭化水素を還元剤としてより活性化するところ
となり、ＮＯ_XをＮ₂とＯ₂とに分解し、ＮＯ_Xに対する低
減触媒作用をなす。

【００１０】また、燃焼室の吸気行程にタイミングを合
わせて燃料の一部を供給することにより、その燃焼室で
は主燃料噴射ノズルから主燃料が噴射される前に、予め
燃焼室内で燃焼作用が行われ、そこにまた主燃料噴射ノ
ズルから主燃料が噴射されて着火するため、燃焼の促進
作用が行われて黒煙の排出量が減少し、触媒コンバータ
の黒煙による被毒が防止される。

【００１１】また、上記燃料噴射ポンプは、所定の燃焼
室の主燃料噴射ノズルおよび、この燃焼室とは異なる燃
焼室の吸気系に設けられる霧化装置に燃料を供給するよ
うにしたから、霧化装置への燃料供給のための駆動源を
別に備える必要がなく、しかもその供給タイミングを容
易に制御できる。

【００１２】

【実施例】以下、本考案の一実施例を図面にもとづいて
説明する。

【００１３】図１において、１はディーゼルエンジンの
エンジン本体を概略的に示す。このエンジン本体１は、
複数（たとえば４つ）の燃焼室２を備えている。ここで
は、そのうちの１つの燃焼室２のみ図示する。各燃焼室
２には、燃焼用空気を供給する吸気配管などからなる吸
気系３が連通する。

【００１４】この吸気系３の中途部、たとえば上記燃焼
室２の上部に設けられ吸気弁４が開閉自在な吸気ポート
５に対向して、排気ガス処理装置Ｓを構成する霧化装置
６が設けられる。この霧化装置６は、図示しない他の燃
焼室の吸気系にもそれぞれ設けられていることは、勿論
である。ここでは、その一部の霧化装置６を省略して示
す。それぞれの霧化装置６には、後述する燃料配管７か
ら分岐する分岐管８が接続される。

【００１５】上記全ての霧化装置６は、図２に拡大して
示すようになっている。すなわち、先端に尖鋭状の弁部
１０を設けた弁杆１１を備えていて、ソレノイド１２を
励磁することによって上記弁部１０は噴射孔１３を開放
する。この噴射孔１３には、ここでは図示しない分岐管
が接続するガイド部１４が連設されていて、噴射孔１３
を開放すれば、上記燃料配管から分岐管を介して分流す
る燃料の一部がそのまま噴出されることとなる。

【００１６】再び図１に示すように、上記エンジン本体
１の燃焼室２上部には、上記吸気弁４によって開閉され
る吸気ポート５とともに、排気弁１５によって開閉され
る排気ポート１６が設けられていて、この排気ポート１
６に燃焼室２で燃焼して生成される排気ガスを外部に排
出案内する排気ガス通路１７が接続される。

【００１７】そしてこの排気ガス通路１７の中途部に
は、上記霧化装置６とともに排気ガス処理装置Ｓを構成
する触媒コンバータ１８が設けられる。上記触媒コンバ
ータ１８の主成分は、ゼオライト系触媒である。

【００１８】なお説明すれば、ここでは、たとえば銅系
ゼオライト触媒（Ｃｕ／ＺＳＭ−５）を採用すると最適
であり、これをペレット状もしくはモノリス状にして容
器内に収容してなる。この種の触媒の特性は、ＨＣ（炭
化水素）の供給を受けることによって、このＨＣ成分を
還元剤としてより活性化し、ＮＯ_X（窒素酸化物）をよ
り効果的にＮ₂とＯ₂に分解するとともに、ＨＣをより効
果的にＨ₂ＯとＣＯ₂に分解できる。

【００１９】なお上記ゼオライト系触媒は、図３に示す
ような触媒活性域を有する。図の横軸は、ＨＣ／ＮＯ_X
の体積比であるモル比で表し、縦軸は排気ガスの温度で
ある。Ｔ_Lは上記触媒の活性下限温度であって、Ｔ_L以下
の温度では触媒はその作用をなさず、Ｔ_Lから所定の高
い温度の範囲で有効な触媒作用をなす。しかも、触媒活
性域はＨＣ／ＮＯ_Xが１以上ある場合に限られる。Ａ曲
線はエンジン回転数が低速度、Ｂ曲線は中速度、Ｃ曲線
は高速度で、それぞれ一定の回転速度とし、それぞれの
回転速度における負荷を変化させたときの、排気温度と
ＨＣ／ＮＯ_Xに対する特性変化である。

【００２０】図から明らかなように、低，中，高速度の
いずれのエンジン回転速度であっても、排気温度がＴ_L
以上の温度範囲では、ほとんどＨＣ／ＮＯ_Xが１より小
さくて、上記触媒の活性域に入らない（わずかに、高回
転速度Ａの一部は含まれているが）。また、ＨＣ／ＮＯ
_Xが１よりも大きい範囲では、排気温度がＴ_L以下になっ
ていて、触媒活性域に入らない。

【００２１】再び図１に示すように、上記各燃焼室２に
は燃料を噴出する主燃料噴射ノズル２０がそれぞれ設け
られている。ここでは、図示しない他の燃焼室に設けら
れる主燃料噴射ノズル２０の一部を省略して示す。各主
燃料噴射ノズル２０には、上記燃料配管７が接続されて
いて、それぞれ燃料噴射ポンプ２１に連通している。

【００２２】したがって、燃料噴射ポンプ２１から燃料
配管７を介してそれぞれの主燃料噴射ノズル２０にタイ
ミングをとって燃料が圧送供給され、これを受けた主燃
料噴射ノズル２０は燃料を燃焼室２内に噴射するように
なっている。

【００２３】なお、上記燃料噴射ポンプ２１と所定の燃
焼室２に設けられる主燃料噴射ノズル２０とを連通する
燃料配管７の中途部には、分岐管８が接続されることは
上述の通りであるが、この分岐管８は上記主燃料噴射ノ
ズル２０が設けられる燃焼室２とは別の燃焼室２の吸気
系３に設けられる霧化装置６に接続される。

【００２４】すなわち、所定の燃料噴射ノズル２０から
燃焼室２内に燃料を噴射し燃焼爆発させる行程とタイミ
ングを合わせて、吸気行程をなす別の燃焼室２の霧化装
置６に、燃料が供給されるようになっている。

【００２５】具体的に説明すれば、図４に示すようにな
る。ハッチングマークをその燃焼室２における吸気行程
とすると、クランク軸の回転方向に沿って、圧縮行程、
燃料噴射による爆発行程、排気行程の順に繰り返され
る。Ｎｏ，１燃焼室の爆発行程にタイミングを合わせて
吸気行程が開始するのはＮｏ，４燃焼室であり、以下、
Ｎｏ，２燃焼室とＮｏ，３燃焼室、Ｎｏ，３燃焼室とＮ
ｏ，２燃焼室、Ｎｏ，４燃焼室とＮｏ，１燃焼室が同様
の関係にある。

【００２６】したがって、主燃料噴射ノズル２０に接続
する燃料配管７と、この燃料配管７の中途部から分岐し
て霧化装置６に接続する分岐管８も、同様の関係になる
よう配管される。

【００２７】すなわち、Ｎｏ，１燃焼室２に設けられる
主燃料噴射ノズル２０に接続する燃料配管７から分岐す
る分岐管８は、Ｎｏ，４燃焼室２の吸気系３に設けられ
る霧化装置６に接続される。以下、Ｎｏ，２燃焼室２の
主燃料噴射ノズル２０に接続する燃料配管７とＮｏ，３
燃焼室２の吸気系３に設けられる霧化装置６の分岐管
８、Ｎｏ，３燃焼室２用の主燃料噴射ノズル２０に接続
する燃料配管７とＮｏ，２燃焼室２用の吸気系３に設け
られる霧化装置６の分岐管８、Ｎｏ，４燃焼室２用の主
燃料噴射ノズル２０に接続する燃料配管７とＮｏ，１燃
焼室２用の吸気系３に設けられる霧化装置６の分岐管８
が、同様の関係にある。

【００２８】再び図１に示すように、上記燃料噴射ポン
プ２１の図示しないアクセルペタルに連結されるロード
レバーに負荷センサ２２が設けられ、ＥＣＵ２３と電気
的に接続される。クランク軸側には、回転数・クランク
角センサ２４が設けられ、上記ＥＣＵ２３と電気的に接
続される。

【００２９】さらに、上記触媒コンバータ１８の上流側
近傍には排気ガス温度を検出する温度センサ２５が設け
られ、上記ＥＣＵ２３と電気的に接続される。このＥＣ
Ｕ２３は、上記回転数・クランク角センサ２４からの信
号を受けてタイミングを算出し、この期間に上記霧化装
置６に弁開放の指示信号を送るよう制御する。

【００３０】また、上記ＥＣＵ２３は、上記負荷センサ
２２、回転数・クランク角センサ２４および温度センサ
２５からの信号によって、触媒コンバータ１８が上記触
媒の活性域に入るようなＨＣ量を算出し、上記霧化装置
６に弁開放時間の指示信号を送るよう指示する。

【００３１】すなわち、温度センサ２５からの信号によ
って排気ガス温度がＴ_L以上になった場合に、負荷セン
サ２２と回転数・クランク角センサ２４からの信号によ
って負荷とエンジン回転数とを基に、予め記録されたＮ
Ｏ_X濃度の実験データを読みだし、このＮＯ_Xのモル数か
らＨＣ／ＮＯ_Xが１より大きくなるようにＨＣのモル数
を算出して、霧化装置６の弁開放時間を設定する。

【００３２】つぎに、このようにして構成されるディー
ゼルエンジンの排気ガス処理装置Ｓの作用について説明
する。

【００３３】上記エンジン本体１のそれぞれの燃焼室２
における作用は、全く変わらない。すなわち、吸気弁４
が吸気ポート５を開放したとき、吸気系３から燃焼室２
に燃焼用空気が供給される。ピストン２ａが上昇して、
燃焼室２に供給された空気を高圧にし、そこに主燃料噴
射ノズル２０から燃料である軽油が噴射され、燃焼室２
で爆発燃焼作用が行われる。燃焼後、排気弁１５が排気
ポート１６を開放し、燃焼室２の排気ガスは排気ガス通
路１７に排出される。

【００３４】上記排気ガス処理装置Ｓを構成する霧化装
置６は、ＥＣＵ２３からの駆動信号にもとづき燃料を霧
状にして吸気系３に噴出する。この燃料は、燃料噴射ポ
ンプ２１から燃料配管７を導かれる燃料の一部を分岐管
８を介して分流したものであり、かつ霧化装置６におけ
る噴射の開始タイミングは、上記吸気系３が連通する燃
焼室２の吸気行程の開始と一致する。

【００３５】そしてまた、この霧化装置６に供給される
燃料とは別の主燃料は、上記燃料配管７から別の燃焼室
２に設けられる主燃料噴射ノズル２０に供給される。し
たがって、上記主燃料噴射ノズル２０を備えた燃焼室２
においては、爆発行程が開始される。

【００３６】それぞれの燃焼室２と各霧化装置６に対す
る燃料の噴射タイミングは、先に図４で説明した通りで
あり、このことから、特に霧化装置６から燃料を噴射す
るための駆動源および供給する燃料を集溜するタンクな
どを別途配置する必要がなく、簡素な構成で確実な作用
を得られる。

【００３７】理論上は、上記燃焼室２全体に亘って均一
な燃焼作用をなすことになっているが、実際には、燃焼
室２壁に沿う部分はシリンダを水冷もしくは空冷で冷却
しているところから温度が低い。したがって、燃焼室２
の中央部では燃焼最高温度に達しても、燃焼室２壁に沿
う部分は冷却されて低温となり、消炎層（クエチングゾ
ーン）ができて未燃焼を起こす。およびピストン２ａの
頭部上面に沿う部分も、同様な未燃焼現象が生じる。通
常、このような消炎層において、未燃焼ガスであるＨＣ
が生成される。

【００３８】そしてさらに、上記霧化装置６からＨＣを
主成分とする燃料が燃焼室２に供給され、これと上記主
燃料噴射ノズルから供給される燃料との燃焼過程が相違
して、上記排気ガス通路１７に排出される排気ガスに含
まれるＨＣの大部分は、新たに生成される不飽和炭化水
素で占められる。

【００３９】上記炭化水素は、炭素と水素との化合物で
あって、すべての有機化合物の母体となる化合物であ
る。この炭化水素は、飽和炭化水素と、不飽和炭化水素
とに分類される。上記飽和炭化水素は、炭素原子どうし
が全て単結合でつながれている。上記不飽和炭化水素
は、炭素骨格に二重結合や三重結合を含むものである。

【００４０】上記不飽和炭化水素が多く含まれる排気ガ
スが触媒コンバータ１８を通過すると、このゼオライト
系触媒の、特に選択された銅系ゼオライト触媒は、その
性質上、不飽和炭化水素を還元剤としてより活性化す
る。したがって、ＮＯ_XをＮ₂とＯ₂とにより効率よく分
解して、ＮＯ_Xを低減してから外部に排出させる。同時
に、未燃焼ガスとしてのＨＣをＨ₂ＯとＣＯ₂とに効率よ
く分解する。

【００４１】また、霧化装置６によって吸気系３に噴射
された燃料は、吸気行程時に燃焼室２に流入し、主燃料
噴射ノズル２０から主燃料が噴射される前に、予め燃焼
室２内で燃焼する。そこに主燃料噴射ノズル２０から主
燃料が供給されて着火するため、燃焼の促進により黒煙
の排出が減少し、触媒コンバータ１８の黒煙による被毒
が防止される。

【００４２】

【考案の効果】以上説明したように本考案によれば、吸
気系にＨＣを主成分とする燃料を供給する霧化装置を設
け、排気ガス通路に炭化水素成分を還元剤として活性化
しＮＯ_Xを分解する触媒コンバータを備えたから、簡単
な構成で、確実にＮＯ_Xを低減し、浄化機能の信頼性向
上を得られるとともに、黒煙の排出が減少され、これに
よって触媒コンバータの黒煙による被毒が防止される。
そしてまた、上記燃料噴射ポンプは所定の燃焼室の主燃
料噴射ノズルに燃料を圧送供給するとともに、この燃料
配管と連通する霧化装置からその燃焼室の吸気行程開始
にタイミングを合わせて燃料を供給するようにしたか
ら、霧化装置に燃料を供給する駆動源などを別に備える
必要がなく、スペース上有利であるとともに部品構成が
簡素ですみ、しかもその供給タイミングを容易、かつ正
確に制御できるなどの効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例を示す、ディーゼルエンジン
における排気ガス処理装置の概略構成図。

【図２】同実施例の、霧化装置の縦断面図。

【図３】同実施例の、触媒の特性図。

【図４】同実施例の、各燃焼室に対する燃料噴射のタイ
ミング図。

【符号の説明】

２…燃焼室、１…エンジン本体、２０…主燃料噴射ノズ
ル、７…燃料配管、２１…燃料噴射ポンプ、３…吸気
系、８…分岐管、６…霧化装置、１７…排気ガス通路、
１８…触媒コンバータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 中山 真治 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−179163（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−117639（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−74567（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−3032（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の燃焼室を備えたエンジン本体と、上
   記燃焼室にそれぞれ設けられる主燃料噴射ノズルと、こ
   れら主燃料噴射ノズルに燃料配管を介して連通されＨＣ
   （炭化水素）を主成分とする燃料を圧送供給する燃料噴
   射ポンプとからなるディーゼルエンジンにおいて、上記
   燃料噴射ポンプと各主燃料噴射ノズルとを連通するそれ
   ぞれの燃料配管から分岐される分岐管と、この分岐管に
   連通され上記燃料配管が接続する主燃料噴射ノズルを備
   えた燃焼室とは異なる燃焼室の吸気系に上記燃料の一部
   を供給する霧化装置と、上記それぞれの燃焼室に接続す
   る排気ガス通路の中途部に設けられ炭化水素成分を還元
   剤として活性化されＮＯ_X（窒素酸化物）を分解する触
   媒コンバータとを具備し、上記燃料噴射ポンプは所定の
   燃焼室の主燃料噴射ノズルに燃料を圧送供給するととも
   に、この燃料配管に分岐管を介して連通する霧化装置か
   らその燃焼室の吸気行程開始にタイミングを合わせて燃
   料を供給することを特徴とするディーゼルエンジンにお
   ける排気ガス処理装置。