JP2946980B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気浄化装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】２サイクル内燃機関では燃焼室内の既燃
ガスの流出が開始されると、即ちブローダウンを生じる
とその後一旦排出された既燃ガスが再び燃焼室内に逆流
する。従って排気ポート内に触媒を配置しておくとこの
触媒内を既燃ガスが往復動することになり、斯くして既
燃ガスが触媒に接触する機会が増大せしめられる。そこ
で、排気ポート内にハニカム構造の酸化還元触媒を配置
し、この酸化還元触媒内を既燃ガスが往復動する際にこ
の酸化還元触媒により既燃ガス中のＮＯｘを還元すると
共に未燃ＨＣ，ＣＯを酸化せしめて排気ガスを浄化する
ようにした２サイクル内燃機関が公知である（特開平２
−５０１７６２号公報）。

【０００３】ところで酸化触媒は燃焼せしめられる混合
気がリーンであってもリッチであっても酸素が存在しさ
えすれば未燃ＨＣ，ＣＯを酸化しうる。この場合、混合
気がリーンであれば排気ガス中に多量の酸素が存在する
ので未燃ＨＣ，ＣＯは良好に酸化せしめられ、混合気が
リッチであっても排気ガス中には酸素が残存しているの
で浄化率はさほど良くないが未燃ＨＣ，ＣＯが酸化せし
められる。即ち、排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯは比較的
容易に酸化せしめることができる。

【０００４】これに対して還元触媒は酸化触媒と異なっ
て混合気が理論空燃比又はリッチのときにはＮＯｘを良
好に還元するが混合気がリーンになるとほとんどと云っ
ていいほどＮＯｘを還元しなくなる。従って還元触媒を
用いてＮＯｘを還元するためには混合気を理論空燃比又
はリッチに維持しなければならないことになる。ところ
で２サイクル内燃機関では特に機関高負荷低速運転時に
は掃気のために燃焼室内に送り込まれた空気の一部が掃
気行程の後半に排気ポート内に吹き抜ける。従ってリッ
チ混合気が燃焼せしめられたとしても排出された既燃ガ
スが排気ポート内を往復動している間に吹き返け空気と
混合すると全体としてリーンとなり、斯くして未燃Ｈ
Ｃ，ＣＯは酸化されるもののＮＯｘが還元されなくな
る。

【０００５】ところが前述の２サイクル内燃機関のよう
にハニカム構造の酸化還元触媒を排気ポート内に配置す
ると掃気行程の前半に燃焼室から流出したリッチ混合気
の既燃ガスがまず初めにハニカム構造の酸化還元触媒内
に流入し、次いでこの既燃ガスの一部が再び燃焼室内に
逆流する。次いで燃焼室内のリッチ混合気の既燃ガスが
ハニカム構造の酸化還元触媒内に再び流入を開始する。
次いで掃気行程の後半になると吹き抜け空気を含んだ既
燃ガスの排出が開始されてハニカム構造の酸化還元触媒
内に流入し、それによってハニカム構造の酸化還元触媒
内のリッチ混合気の既燃ガスが下流側に押し流される。

【０００６】このように排気ポート内にハニカム構造の
酸化還元触媒を配置するとリッチ混合気の既燃ガスが吹
き返け空気を含んだ既燃ガスによって下流側に押し流さ
れる形となるのでリッチ混合気の既燃ガスと吹き抜け空
気を含んだ既燃ガスとはさほど混合することなくハニカ
ム構造の酸化還元触媒内を流れることになる。このよう
にリッチ混合気の既燃ガスと吹き抜け空気を含んだ既燃
ガスが或る程度分離されるとリッチ混合気の既燃ガスが
酸化還元触媒内を流通する際に既燃ガス中に含まれるＮ
Ｏｘを良好に還元できることになる。しかしながらこの
場合吹き抜け空気を含んだ既燃ガスはリーンとなるので
この既燃ガス中に含まれるＮＯｘはほとんど還元されな
い。

【０００７】しかしながら、２サイクル内燃機関では燃
焼室からの既燃ガスの排出が開始されたときに、即ちブ
ローダウンを生じたときに燃焼室内のかなりの部分の既
燃ガスが一気に排気され、ブローダウンが生じた後に残
りの既燃ガスが徐々に排出される。従って燃焼室から排
出される既燃ガスのうちで吹き抜け空気を含む既燃ガス
が占める割合は少なく、斯くして吹き抜け空気を含む既
燃ガス中のＮＯｘを還元できなくても燃焼室から排気さ
れる既燃ガスのうちのかなりの部分を占めるリッチ混合
気の既燃ガス中のＮＯｘを還元できれば全体としてＮＯ
ｘをかなり還元できることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところでこのような酸
化還元触媒を排気ポート内に配置した場合にはリッチ混
合気が燃焼せしめられても既燃ガス中には酸素が残存し
ているので燃焼室から排出された既燃ガス中に含まれる
未燃ＨＣ，ＣＯはハニカム構造の酸化還元触媒により酸
化される。この酸化反応は発熱反応であるのでこの既燃
ガスは温度上昇せしめられ、次いで再び燃焼室内に逆流
する。しかしながらこのように高温の既燃ガスが燃焼室
内に逆流すると圧縮行程末期の燃焼室内のガス温が高く
なり、斯くして燃焼温度が高くなるためにＮＯｘの発生
量が大巾に増大してしまうことになる。このように排気
ポート内にハニカム構造の酸化還元触媒を配置すると機
関から排出された既燃ガス中のＮＯｘはかなりの率で還
元できるが燃焼室内で発生するＮＯｘの量が大巾に増大
するために結局大気に放出されるＮＯｘの量はさほど低
減できないことになる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、互いに異なる気筒の排気通路が合
流せしめられ、これら排気通路の合流部の上流では各排
気通路が互いに連通することなく互いに独立している内
燃機関において、上述の合流部上流の排気通路内に酸化
還元触媒を配置し、酸化還元触媒上流の排気通路内に酸
化還元触媒に隣接して、排気ガスの流れ方向に延びる複
数個の排気ガス流通孔を有しかつ触媒を担持していない
排気ガス整流用ハニカム構造体を配置している。

【００１０】

【作用】排気通路内に排気ガス整流用ハニカム構造体が
配置されているので吹き抜け空気を含まない既燃ガスと
吹き抜け空気を含んだ既燃ガスとが分離され、斯くして
かなりのＮＯｘが酸化還元触媒により還元せしめられ
る。一方、燃焼室内から排気ガスが排出されると排気通
路内には正圧波が発生し、この正圧波が排気通路の合流
部で反射して負圧波の形で排気弁に向けて戻ってくる。
この負圧波は排気弁で反射して下流に向け伝播し、再び
排気通路の合流部で反射して今度は正圧波の形で排気弁
に向けて戻ってくる。このとき排気ガス整流用ハニカム
構造体内に存在する既燃ガスおよびハニカム構造体上流
の排気通路内の既燃ガスが燃焼室内に逆流する。ところ
がハニカム構造体は触媒を担持しておらず、従ってハニ
カム構造体内の既燃ガスは酸化せしめられない。斯くし
て燃焼室内に逆流する既燃ガスの温度は低く、従って燃
焼室内において発生するＮＯｘの量が増大することもな
い。

【００１１】

【実施例】図１および図２を参照すると、１はシリンダ
ブロック、２はシリンダブロック１内で往復動するピス
トン、３はシリンダブロック１上に固定されたシリンダ
ヘッド、４はシリンダヘッド３の内壁面３ａとピストン
２の頂面間に形成された燃焼室を夫々示す。シリンダヘ
ッド内壁面３ａ上には凹溝５が形成され、この凹溝５の
底壁面をなすシリンダヘッド内壁面部分３ｂ上に一対の
給気弁６が配置される。一方、凹溝５を除くシリンダヘ
ッド内壁面部分３ｃは傾斜したほぼ平坦をなし、このシ
リンダヘッド内壁面部分３ｃ上に３個の排気弁７が配置
される。シリンダヘッド内壁面部分３ｂとシリンダヘッ
ド内壁面部分３ｃは凹溝５の周壁８を介して互いに接続
されている。

【００１２】この凹溝周壁８は給気弁６の周縁部に極め
て近接配置されかつ給気弁６の周縁部に沿って円弧状に
延びる一対のマスク壁８ａと、給気弁６間に位置する新
気ガイド壁８ｂと、シリンダヘッド内壁面３ａの周壁と
給気弁６間に位置する一対の新気ガイド壁８ｃとにより
構成される。各マスク壁８ａは最大リフト位置にある給
気弁６よりも下方まで燃焼室４に向けて延びており、従
って排気弁７側に位置する給気弁６周縁部と弁座９間の
開口は給気弁６の開弁期間全体に亙ってマスク壁８ａに
より閉鎖されることになる。また、点火栓１０はシリン
ダヘッド内壁面３ａの中心に位置するようにシリンダヘ
ッド内壁面部分３ｃ上に配置されている。一方、排気弁
７に対しては排気弁７と弁座１１間の開口を覆うマスク
壁が設けられておらず、従って排気弁７が開弁すると排
気弁７と弁座１１間に形成される開口はその全体が燃焼
室４内に開口することになる。

【００１３】シリンダヘッド３内には給気弁６に対して
給気ポート１２が形成され、排気弁７に対して排気ポー
ト１３が形成される。一方、各給気弁６近傍のシリンダ
ヘッド内壁面３ａの周縁部に一対の燃料噴射弁、即ち第
１燃料噴射弁１４ａと第２燃料噴射弁１４ｂとが配置さ
れ、図３からわかるようにこれら燃料噴射弁１４ａ，１
４ｂからはシリンダ軸線方向に向けて燃料が噴射され
る。また図３に示されるようにピストン２の頂面上には
点火栓１０の下方から第１燃料噴射弁１４ａの先端部の
下方まで延びる凹溝１５が形成される。この凹溝１５は
点火栓１０下方の凹溝端部１５ａから第１燃料噴射弁１
４ａ側に向けて次第に拡開しつつ延びる一対の側壁面１
５ｂと、ほぼ平坦をなす底壁面１５ｃとにより画定され
る。

【００１４】図１に示されるように排気ポート１３は排
気弁７の近傍から下流側に向けてほぼまっすぐに延びる
大径ポート部分１６を有し、この大径ポート部分１６に
排気マニホルド枝管１７が接続される。これら大径ポー
ト部分１６および排気マニホルド枝管１７内には例えば
セラミックからなるハニカム構造体１８が配置される。
このハニカム構造体１８はその外周面を覆うクッション
部材１９を介して大径ポート部分１６内および排気マニ
ホルド枝管１７内において支持されており、ハニカム構
造体１８の下流側端部周縁部と排気マルホルド枝管１７
の内周面間にも環状のクッション部材２０が挿入されて
いる。

【００１５】図１、図４および図５に示されるようにハ
ニカム構造体１８は排気ガスの流れ方向に延びる複数個
の排気ガス流通孔２１を有する。また図１および図４に
おいて破線よりも下流側に位置するハニカム構造体部分
１８ｂの各排気ガス流通孔２１の内壁上には酸化還元触
媒として作用する貴金属類等を担持した例えばアルミナ
粒子が付着せしめられる。従ってこのハニカム構造体部
分１８ｂはハニカム構造をなす酸化還元触媒を構成す
る。図１，図４および図５に示される実施例ではこの酸
化還元触媒１８ｂは未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを同時
に浄化しうる三元触媒からなる。

【００１６】これに対して図１および図４において破線
よりも上流側に位置するハニカム構造体部分１８ａの各
排気ガス流通孔２１の内壁面上には酸化還元触媒を担持
した例えばアルミナ粒子が全く付着せしめられていな
い。即ち、ハニカム構造体部分１８ａは酸化還元触媒と
しての機能を全く有していない。なお、この場合、排気
ガスの流れ抵抗は増すが製造の容易さの観点からアルミ
ナ粒子をハニカム構造体部分１８ａの各排気ガス流通孔
２１の内壁面上に付着せしめてもよい。ただし、この場
合、アルミナ粒子には酸化還元触媒を担持せしめないこ
とは云うまでもない。

【００１７】図６はハニカム構造体の別の実施例を示
す。この実施例では酸化還元触媒を全く含んでいないハ
ニカム構造体１８ｃと、ハニカム構造を有する酸化還元
触媒１８ｄとが別個に形成されている。酸化還元触媒１
８ｄはハニカム構造体１８ｃの下流側に配置され、ハニ
カム構造体１８ｃと酸化還元触媒１８ｄ間には酸化還元
触媒１８ｄからハニカム構造体１８ｃに熱が伝わりにく
くするための環状の断熱部材２２が挿入されている。

【００１８】図７に示されるように図１から図３に示す
実施例では排気弁７が給気弁６よりも先に開弁し、排気
弁７が給気弁よりも先に閉弁する。排気弁７が開弁する
と燃焼室４内の既燃ガスが急激に排気ポート１３内に流
出し、即ちブローダウンを生じ、その結果燃焼室４内の
圧力は急激に低下する。このとき燃焼室４から排出すべ
き既燃ガスのうちのかなりの部分が排出される。図１か
ら図３に示される実施例では燃焼室４内に形成される混
合気はほぼ理論空燃比とされており、従ってこのときほ
ぼ理論空燃比である混合気の既燃ガスが排気ポート１３
内に排出される。

【００１９】排気ポート１３内に排出された既燃ガスは
まず初めにハニカム構造体１８ａ内を通過し、次いで酸
化還元触媒１８ｂ内を通過する。前述したように本発明
による実施例では酸化還元触媒１８ｂとして三元触媒が
用いられており、この三元触媒は混合気の空燃比が理論
空燃比のときにＮＯｘ、未燃ＨＣおよびＣＯの排化率が
最も高くなる。従って排気ポート１３内に排出された既
燃ガスが酸化還元触媒１８ｂを通過する際にＮＯｘは良
好に還元され、未燃ＨＣ，ＣＯは良好に酸化されること
になる。このとき未燃ＨＣ，ＣＯの酸化反応熱によって
酸化還元触媒１８ｂは温度上昇せしめられる。

【００２０】次いで、図８に示されるように給気弁６が
開弁すると給気弁６を介して燃焼室４内に新気が流入す
る。このとき、排気弁７側の給気弁６の開口はマスク壁
８ａによって覆われているので新気はマスク壁８ａと反
対側の給気弁６の開口から燃焼室４内に流入する。この
新気は矢印Ｗで示すように給気弁６下方のシリンダボア
内壁面に沿い下降し、次いでピストン２の頂面に沿い進
んで排気弁７下方のシリンダボア内壁面に沿い上昇し、
斯くして新気は燃焼室４内をループ状に流れることにな
る。このループ状に流れる新気Ｗによって燃焼室４内の
既燃ガスが排気弁７を介して排出されだす。

【００２１】一方、上述したようにブローダウンが生じ
ると排気ポート１３内には正圧波が発生し、この正圧波
が排気マニホルド集合部で反射して負圧波の形で排気弁
７に向けて戻ってくる。この負圧波は排気弁７で反射し
て下流に向け伝播し、再び排気マニホルド集合部で反射
して今度は正圧波の形で排気弁７に向けて戻ってくる。
このようにして正圧波が排気弁７に向けて戻ってくると
排気ポート１３内の圧力が燃焼室４内の圧力よりも高く
なるために排気ポート１３内から燃焼室４内に既燃ガス
が逆流する。

【００２２】このとき燃焼室４内へはハニカム構造体１
８ａ内の既燃ガスおよびハニカム構造体１８ａ上流の排
気ポート１３内の既燃ガスが逆流する。ところで、前述
したようにハニカム構造体１８ａは酸化還元触媒を含ん
でいない。従ってハニカム構造体１８ａ上流の排気ポー
ト１３内の既燃ガスはもとよりハニカム構造体１８ａの
既燃ガスは酸化されず、斯くしてこれら既燃ガスは温度
上昇せしめられることがない。従って燃焼室４内に逆流
した既燃ガスによって燃焼室４内の新気が加熱されるこ
とがなく、斯くして燃焼温度が高められることもないの
で燃焼室４内で発生するＮＯｘの量が増大せしめられる
こともないことになる。

【００２３】次いで掃気行程の後半になると新気を含ん
だ既燃ガスが排気ポート１３内に流出しだす。この新気
を含んだ既燃ガスはハニカム構造体１８ａ内の新気を含
んでいない既燃ガスを下流側に向けて押し流す。このと
き既燃ガス流はハニカム構造体１８ａ内において整流さ
れるので新気を含んだ既燃ガスと新気を含まない既燃ガ
スとがほとんど混合しない。従って新気を含む既燃ガス
によって押し流された新気を含まない既燃ガス、即ちほ
ぼ理論空燃比の混合気の既燃ガス中のＮＯｘは酸化還元
触媒１８ｂによって良好に還元され、この既燃ガス中の
未燃ＨＣ，ＣＯは酸化還元触媒１８ｂによって良好に酸
化されることになる。

【００２４】次いで空気を含んだ既燃ガスが酸化還元触
媒１８ｂ内に流入するとこの既燃ガス中の未燃ＨＣ，Ｃ
Ｏは良好に酸化せしめられるがこの既燃ガスのＮＯｘは
ほとんど還元されない。しかしながら燃焼室４から排出
すべき既燃ガスのうちでこの空気を含んだ既燃ガスの量
は少なく、従ってこのとき還元せしめられないＮＯｘの
量は少量であるので特に問題とはならない。次いで排気
弁７が閉弁する頃には排気ポート１３、ハニカム構造体
１８ａおよび酸化還元触媒１８ｂ内は空気を含んだ既燃
ガスで満たされる。

【００２５】その後燃料噴射弁１４ａ，１４ｂから燃料
噴射が行わる。例えば図７においてＩｌで示されるよう
に機関低負荷運転時には圧縮行程末期に第１燃料噴射弁
１４ａから凹溝１５内に向けて燃料が噴射され、図７に
おいてＩｈで示されるように機関高負荷運転時には排気
弁７が閉弁するすこし前から第１燃料噴射弁１４ａおよ
び第２燃料噴射弁１４ｂの双方から燃料が噴射される。

【００２６】一方、再び排気弁７が開弁してブローダウ
ンを生じるとハニカム構造体１８ａ内の空気を含んだ既
燃ガスが空気を含まない既燃ガスによって下流に向けて
押し流される。このときにも空気を含んだ既燃ガスと空
気を含まない既燃ガスとはほとんど混合せず、空気を含
まない既燃ガスが酸化還元触媒１８ｂ内を流れると燃焼
ガス中のＮＯｘが良好に還元され、燃焼ガス中の未燃Ｈ
Ｃ，ＣＯが良好に酸化せしめられる。

【００２７】

【発明の効果】排気通路内において空気を含んだ既燃ガ
スと空気を含まない既燃ガスとが良好に分離されるので
特にＮＯｘを良好に還元できるばかりでなく、温度上昇
せしめられない既燃ガスが排気通路から燃焼室内に逆流
するので燃焼室内におけるＮＯｘの発生を大巾に抑制す
ることができる。従って全体としてＮＯｘの排出量を大
巾に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２サイクル内燃機関の側面断面図である。

【図２】シリンダヘッドの底面図である。

【図３】ピストン頂面の平面図である。

【図４】ハニカム構造体の拡大側面断面図である。

【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿ってみた断面図である。

【図６】ハニカム構造体の別の実施例を示す拡大側面断
面図である。

【図７】給排気弁の開弁期間と燃料噴射弁時期を示す線
図である。

【図８】掃気行程時を示す２サイクル内燃機関の側面断
面図である。

【符号の説明】

４…燃焼室 ６…給気弁 ７…排気弁 １３…排気ポート １８ａ…ハニカム構造体 １８ｂ…酸化還元触媒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭63−82017（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−25811（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭48−26239（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/24 F01N 3/28 301

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに異なる気筒の排気通路が合流せし
   められ、これら排気通路の合流部の上流では各排気通路
   が互いに連通することなく互いに独立している内燃機関
   において、上記合流部上流の排気通路内に酸化還元触媒
   を配置し、該酸化還元触媒上流の排気通路内に該酸化還
   元触媒に隣接して、排気ガスの流れ方向に延びる複数個
   の排気ガス流通孔を有しかつ触媒を担持していない排気
   ガス整流用ハニカム構造体を配置した内燃機関の排気浄
   化装置。