JP3784100B2 - Spraying device for intake air of internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気ガスに含まれるNOx 等の有害物質を除去するために内燃機関の吸入空気へ霧状の燃焼温度低減液を噴射する噴霧装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
エンジンから排出される排気ガスには、NOx、HC、黒煙等の有害物質が含まれ、現在、法律でそれらの量が規制されている。従って、現在流通している自動車は、全て排気ガス規制をクリアするための対策が講じられている。
しかし、昨今、地球規模での環境保護の必要性が叫ばれており、今後の自動車、船舶等の増加に鑑みると、現在の基準をも上回る更なる規制が必要であると考えられる。ところが、現在の法制に手を加えるのは容易ではなく、また、排ガス規制のために車両等のコストアップにつながることもあり、メーカーでの自主的な対策も遅れがちである。
また、特に消防車、ダンプカー、コンクリートミキサー車等いわゆる特装車と呼ばれるものでは、車体自体が特注品で高価であるために、数十年同一のものが使用されることがある。このため、この種の特装車のエンジンは、現在の排ガス規制に適合させるために、頻繁にエンジンを整備する必要があり、車両の維持にコストがかかるという問題があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、このような問題点を考慮してなされたもので、低コストの改良で、しかもエンジン性能を損なうことなく、排気ガスの無公害化を図ることができる内燃機関の吸入空気への噴霧装置を提供することを目的とする。
この発明は、また、現在使用されている車両や船舶などの内燃機関に整備工場などで簡単に取り付けられる排ガスの無公害化のための噴霧装置を提供することを他の目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、排気ガスを触媒等で処理して無公害化を図る従来の排ガス対策とは異なり、燃焼の段階で処置を加えることにより、排気ガスに有害物質が含まれないようにしたものである。
即ち、本発明に係る噴霧装置は、水を主成分とする燃焼温度低減液を供給する液供給源と、空気を供給する空気供給源と、内燃機関の吸気側マニホールド内に装着され前記液供給源及び前記空気供給源から燃焼温度低減液及び空気をそれぞれ導入し、前記内燃機関の吸入空気内に霧状の燃焼温度低減液を噴霧する噴霧装置本体とを備え、前記噴霧装置本体が、前記液供給源から導入された燃焼温度低減液を均一に外部に導出させる緩衝部材と、この緩衝部材を取り囲むように配置され前記緩衝部材との間に燃焼温度低減液の通路を形成すると共に、先端に燃焼温度低減液の吐出孔を形成してなる内筒と、前記内筒を取り囲むように配置され前記内筒との間に前記空気供給源から導入された空気の通路を形成すると共に、先端に前記内筒の吐出孔から前記燃焼温度低減液を吐出させる向きの気流を発生させる空気の吐出口を形成する外筒とを備えたものであることを特徴とする。
【0005】
内燃機関の吸入空気に水蒸気を含ませると、排気ガス中の有害物質、特にNOxが低減する。これは、水蒸気の噴霧によって内燃機関の燃焼温度が低減し、これにより燃焼時間が長くなるからである。また、水蒸気に含まれる酸素によって燃焼効率が上がり、それによりCOが低減し、ディーゼルノックの低減を図ることができる。
本発明者の実験によると、内燃機関の燃焼効率を落とさずに、排気ガス中の有害物質を効果的に除去するためには、均一な所定粒径の霧状の水を内燃機関の排気量に応じた所定の単位時間当たりの吐出量で吸入空気中に供給する必要があることが確認されている。
【0006】
本発明の噴霧装置によれば、水供給源から導入された水を主成分とする燃焼温度低減液が緩衝部材の外部に均一に導出され、液の通路を通って内筒の吐出孔から吐出される。このとき緩衝部材は、液圧を吐出孔に集中させないように作用する。このため、吐出孔からは、吐出孔の孔径で決まる所定径の均一で連続的な液流が吐出されることになる。
一方、内筒と外筒との間に導入された空気は、内筒の吐出孔から液を吐出させる向きの気流を発生させる。
【0007】
これにより、吐出孔の液は液圧と、空気流による吐出口近傍の負圧現象とによって吐出口から先端に霧状になって吐出される。このとき吐出される液滴の径は、吐出孔の径によって制御され、吐出量は、液圧と空気圧等によって制御される。従って、これらの値を適切に設定することによって、排気量に応じた適切な噴霧吐出量を得ることができる。この結果、エンジンの燃焼効率を低下させずに適切な排気ガス対策を講じることができる。なお、ここで、燃焼温度低減液としては、水や水にメタノールを含有させたもの等を用いることができる。
この発明によれば、エンジンの吸入空気の供給経路に吐出口が臨むように噴霧装置の主要部を配置するだけであるから、低コストの改良で済む。
【0008】
本発明における緩衝部材としては、例えば燃焼温度低減液をその外面に均一に滲出させる筒状の多孔質体等を用いることができる。
また、前記緩衝部材は、先端に吐出孔が形成され、この吐出孔から燃焼温度低減液を吐出すると共に緩衝部材と内筒との間の空間に空気を導入し、吐出孔から吐出された燃焼温度低減液と導入された空気との混合気を内筒との間の通路に吐出するものでもよい。
この場合、緩衝部材に形成された吐出孔の孔径は、内筒に形成された吐出孔の孔径以下に設定され、燃焼温度低減液の導入圧をP0 、緩衝部材と内筒との間の空間に導入される空気の導入圧をP1 、内筒と外筒との間の空間に導入される空気の導入圧をP2 とすると、P1 <P0 <P2 に設定されていることが望ましい。このように設定することにより、更に細かい粒径の霧状の燃焼温度低減液を吐出させることができる。
【0009】
なお、燃焼温度低減液を収容するタンクがこの噴霧装置よりも高い位置に設置されている場合、噴霧装置の停止時に吐出孔から燃焼温度低減液が流れ出ることが考えられる。
【0010】
そこで、緩衝部材に、燃焼温度低減液の導入圧力が所定圧を超えたときに燃焼温度低減液を外部に導出させるための弁を備えるようにすると、停止時には弁を閉じておくことができるので、このような不具合を防止することができる。
この装置を自動車に搭載する場合には、噴霧装置本体への燃焼温度低減液及び圧縮空気の供給源として小型・軽量のダイアフラム式の第1及び第2のポンプを使用することが望ましい。この場合、自動車バッテリーからの直流電力を交流電力に変換するインバータを使用し、このインバータから出力される交流電力によつてダイアフラム式のポンプを駆動すればよい。
【0011】
第1のポンプからの圧縮空気でタンクから燃焼温度低減液を噴霧装置本体に供給するように構成すると、タンクの圧縮空気導入部付近の圧力が高まり、装置の停止直後にこの圧力の影響で噴霧装置本体内にタンクからの液が漏れることも考えられるが、この場合には、第1のポンプと第2のポンプの出力側をバイパス経路によって接続し、装置の停止時に第1のポンプの出力側の圧力を第2のポンプの出力側に逃がしてやれば良い。
【0012】
また、特に寒冷地又は寒冷時にエンジンの始動を行うに際し、エンジンが暖まるまでは燃焼温度低減液をマニホールド内へ導入しない方が望ましい。この場合には、エンジンの始動により開始されるべき噴霧装置への電源供給を3〜5分程度遅らせる手段を設け、エンジンの始動開始からエンジンが暖まる所定時間が経過してから噴霧動作を開始させるようにすれば良い。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明する。
図1は、本発明の噴霧装置をディーゼルエンジンに適用した実施例を示す図である。
エアークリーナ1及び蛇腹式の連結ホース2を介して吸気側マニホールド3に導入された空気は、エンジン本体4の各シリンダ5に図示しない吸入弁を介して分配され、シリンダ5内に噴射された燃料と共に燃焼に供される。各シリンダ5からの排気ガスは、図示しない排気弁から排気側マニホールド6を介して外部に排出される。
吸気側マニホールド3の内部の例えば連結ホース2との連結部の近傍には、マニホールド内の空気に霧状の燃焼温度低減液としての水を噴射するための噴霧装置本体7が装着されている。噴霧装置本体7には、タンク8に収容された水9がポンプ10によって供給されると共に、ポンプ11から空気が供給されるようになっている。これらのポンプ10,11は、図示しない自動車バッテリーから供給される直流12V又は24Vの電源電圧を交流電力に変換するインバータ12,13の出力によって駆動される。そして、この噴霧装置本体7、水を収容したタンク8、ポンプ10,11及びインバータ12,13によって本発明の噴霧装置が構成されている。
【0014】
図2は、噴霧装置本体7の要部を示す縦断面図である。
パイプ21は、内部に水を導入するためのもので、支持筒22に圧入等の方法で支持されている。パイプ21の先端は、先端が閉じた筒状の多孔質体23の基端部と連結されている。多孔質体23は、例えば10〜20μmの孔径の多数の孔が形成されたもので、支持筒22の内部に接着などの方法で固定されている。そして、これらパイプ21、支持筒22及び多孔質体23で緩衝部材20が構成されている。多孔質体23の外側には、多孔質体23を取り囲むように内筒24が配置されている。内筒24の内周面と多孔質体23の外周面との間には、筒状の水の通路25が形成される。内筒24の先端部には、先端が円錐状に突出したノズル部26が形成されている。ノズル部26の中心位置には、例えば0.4〜0.6mmの水の吐出孔27が形成されている。また、内筒24の基端側は、支持筒23の外周面にOリング28を介して液密に支持されている。
【0015】
内筒24の更に外側には、内筒24を取り囲むように外筒29が配置されている。この外筒29は、筒状部材30と、その基端に圧入された基端キャップ31と、筒状部材30の先端側にねじ32によって結合された先端キャップ33とから構成されている。筒状部材30の基端と基端キャップ31との間には、環状の空気導入室34が形成され、この空気導入室34に先端が臨むように、空気を導入するためのパイプ35が基端キャップ31に圧入等の方法で固定されている。この基端キャップ31は、ねじ36によって支持筒22の基端部に結合されている。基端キャップ31と支持筒22との間には、空気導入室34を気密に保つためのOリング37が装着されている。
【0016】
内筒24の基端外周面には、螺旋溝38が形成され、この螺旋溝38を介して、空気導入室34と、筒状部材30の内周面及び内筒24の外周面で形成される筒状の空気の通路39とを連通している。内筒24の先端外周面にも同様の螺旋溝40が形成され、この螺旋溝40を介して通路39と、外筒29の先端内側の空気の通路41とを連通している。先端キャップ33の内側中央部は、円錐状のノズル26に沿った円錐状に形成され、両者の間に0.4〜0.6mmの円錐状ギャップ42を形成している。この円錐状ギャップ42の頂点に当たる先端キャップ33の中央部には、霧状の水の吐出口43が形成されている。先端キャップ33と筒状部材30との間にも、通路41を気密に保つためのOリング44が装着されている。
【0017】
次に、このように構成された噴霧装置の動作について説明する。
ポンプ10,11を作動して、パイプ21,35にそれぞれ水及び空気を導入すると、パイプ21から多孔質体23の内部に水が導入され、図中実線矢印で示すように、多孔質体23の表面全体に水が均一に滲出する。この水は通路25を介してノズル部26の吐出孔27から吐出口43に向かって吐出される。このとき、多孔質体23は、水圧を吐出孔27に集中させないための緩衝材として作用する。このため、吐出孔27からは、0.4〜0.6mmの径の均一で連続的な水流が吐出されることになる。
【0018】
一方、パイプ35から空気導入室34に導入された空気は、図中点線矢印で示すように、螺旋溝38を介して通路39に導入され、更に螺旋溝40を介して通路41に導入される。通路41に導入された空気は、円錐状ギャップ42を介して吐出口43から吐出される。このとき、螺旋溝38,40は、空気圧の変動を吸収する緩衝材として機能する。
【0019】
図3は、吐出口43の近傍を拡大して示す図である。
吐出孔27の水は水圧と、空気流による吐出口43近傍の負圧現象とによって吐出口43から先端に勢い良く突出される。このとき突出される水滴44の径は、吐出孔27の径によって制御され、約0.05mm以下になる。従って、吐出口43からは、水滴の径が均一にコントロールされた霧状の水が噴霧されることになる。
【0020】
この噴霧装置7によれば、水圧と空気圧とをコントロールすることにより、霧状の水の吐出量を任意の値に設定することができる。また、先端キャップ33は、筒状部材30にねじ32によって結合されているので、先端キャップ33の位置を前後に調整することにより、円錐状ギャップ42の大きさも調整することができる。これにより、吐出口43の空気の流速をコントロールすることができ、これによっても水の吐出量を調整することができる。
【0021】
いま、エンジンの単位時間当たりの燃料消費量に対する、単位時間当たりの水の消費量を水燃比と呼ぶことにすると、本発明者の実験によれば、この水燃比は5〜10%程度が好ましいことが確認されている。例えば排気量3リットルのエンジンの単位時間当たりの燃料消費量が1リットル(アイドリング時)とすれば、単位時間に消費すべき水の消費量は50〜100ccということになる。
従って、ポンプ10,11の能力をエンジンの排気量に応じて切り替え可能にしておき、排気量に応じた適切な水の消費量が得られるようにすることにより、最も適切な吐出量を得ることができる。
また、燃料消費量は、エンジンの回転数によって変化するので、エンジンの回転数に応じてポンプ10,11の能力を段階的又は連続的に切り替えることにより、エンジンの回転数に拘わらず、水燃比を常に一定に制御するようにしてもよい。
【0022】
総排気量2.771リットルのディーゼルエンジンに本実施例の噴霧装置を取り付け、単位時間当たりの水の消費量を1500ccに設定して動作させ、6つのモードについてNOx、CO、HCをそれぞれ測定した。その結果を表1に示す。なお、比較のために、本噴霧装置を作動させない状態(比較例)での測定結果も表2に示す。
【0023】
【表1】
【0024】
【表2】
【0025】
以上の測定結果から明らかな通り、本実施例によれば、排気ガスとして最も低減が望まれるNOxの低減効果は、アイドリング時で約20%、走行時でも14〜28%と極めて高く、エンジン負荷率が高いモード4,6では、COの低減効果も認められた。また、未燃焼ガスであるHC(ハイドロカーボン)についても高負荷時のモード4での低減効果が認められた。
【0026】
図4は、噴霧装置本体7の他の構成例を示す図である。
この実施例が図2に示した実施例と異なる点は、緩衝部材の構成である。
この実施例の緩衝部材50は、次のように構成されている。
パイプ51が基端に圧入された支持筒52は、内部に水の通路53が形成され、先端に筒状部材54をねじ55によって支持している。筒状部材54は、内部両端に筒状空間56,57を形成するための仕切58を有し、先端側の筒状空間56は、ねじ59が形成されたキャップ60によって閉塞されている。筒状部材54の仕切58には、孔61が形成され、この孔61にリベット状の弁62がスライド自在に装着されている。弁62の円錐状の先端は筒状空間57に臨み、突出時に支持筒52の先端の水の通路53を閉塞する。弁62の大径の基端は筒状空間56に装着されたバネ63によって弁62が常時突出する向き付勢されている。また、筒状部材54の基端側には、外周面と筒状空間57とを連通する複数の吐出孔64が放射状に穿設されている。
【0027】
この実施例では、ポンプ10が作動することによりパイプ51を介して支持筒52の通路53に導入された水の水圧がある程度以上であれば、バネ63のバネ圧に打ち勝って弁62が開くので、筒状空間57に水が導入され、吐出孔64を介して通路25に水が導出される。このとき、筒状空間57と吐出孔64とにより、水の導出圧力を均一に保つ緩衝部材としての機能を奏する。
一方、ポンプ10が作動していない状態では、タンク8が噴霧装置本体7によりも高い位置に設置されていても、通路53に導入された水の圧力がバネ63のバネ圧よりも小さいため、弁62は閉じたままとなり、通路25に水が流入するのが防止される。
【0028】
図5は、噴霧装置本体7の緩衝部材の更に他の実施例を示す図である。
この実施例の緩衝部材70は、通路25に水と空気の混合気を導入するようにしたものである。
即ち、支持筒71には、水の通路72と空気の通路73とが形成され、基端側には、これら通路72,73にそれぞれ連絡するようにパイプ74,75が圧入等の方法で結合されている。支持筒71の先端には、水の通路72と連絡するようにノズル76がねじ77によって結合されている。ノズル76の先端は、円錐状に形成され、その中心に吐出孔78が形成されている。また、支持筒71の空気の通路73から吐出される空気流は、ノズル76の先端に向かうようになっている。
【0029】
この実施例によれば、パイプ74から通路72に導入された水は、ノズル76の先端の吐出孔78から内筒24の内側の空間79に吐出され、パイプ75及び通路73を介して空間79に吐出された空気と混合されて混合気となる。この混合気が内筒24の吐出孔27から吐出されることになる。
いま、ノズル76の吐出孔78の孔径をd1 、ノズル部26の吐出孔27の孔径をd2 とすると、d1 ≦d2 (例えばd1 =0.3mm,d2 =0.5mm)に設定するのが望ましい。このように設定すると、ノズル76で生成される混合気の粒径がノズル部26の吐出孔27の孔径よりも小さくなるため、混合気が吐出孔27をスムーズに通過することになり、非常に細かい霧が形成されるからである。
【0030】
また、通路72に導入される水の圧力をP0 、通路73に導入される空気の圧力をP1 、通路39に導入される空気の圧力をP2 とすると、P1 <P0 <P2 となるように各圧力を調整する。これにより、空間79内の混合気は、十分な水分を含み、且つ空間79内の圧力がその外側の通路39よりも高くなりすぎないため、吐出口43の負圧作用が十分に働いて、粒径がコントロールされた非常に細かい霧状の水が噴霧されることになる。
【0031】
なお、以上の各実施例では、吸入空気に噴霧する燃焼温度低減液として水を使用したが、水に5〜10%程度のメタノール(CH3OH)を含有させると、更に燃焼効率が上がり、燃焼時間が長くなることで瞬間燃焼温度が低減し、これにより黒煙が減少するので、NOxの低減効果は、更に増す。
また、以上は、ディーゼルエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明は、ガソリンエンジンにも適用可能である。ガソリンエンジンの場合、加速時の排気ガスが最も問題になると考えられるので、水燃比は、加速時の燃料消費量に基づいて設定すればよい。
【0032】
次に、この装置に適したポンプ10,11及びインバータ12,13の具体例を図6及び図7を参照して説明する。
図6(a)は、インバータ12(13)を同一ケースに内蔵したダイアフラム式のポンプ10(11)の上面図、同図(b)は同じく側面図である。
長方形のプレート81の一端側には、上面から見るとT字状の支持部材82が固定されている。この支持部材82は、中央部が仕切壁83によって仕切られ、この仕切壁83を介して2つの空気導入室84a,84bを内部に形成している。支持部材82のプレート81の長手方向に延びる部分には、ゴム等の可撓性部材からなるダイアフラム85a,85bが空気導入室84a,84bをそれぞれ塞ぐように対向配置されている。支持部材82の一端側側面には、鍵型のアーム支持体86a,86bが突設されており、このアーム支持体86a,86bに可撓性部材であるラバー87a,87bを介してアーム88a,88bの一端が保持されている。アーム88a,88bは、その中央部がダイアフラム85a,85bの中央突起と連結され、他端部にフェライト等の高磁性体89a,89bが固着されたものとなっている。
【0033】
プレート81には、空気導入室84a,84bに連通する孔90が設けられ、この孔90と空気導入室84a,84b側に配置された弁91とを介して空気導入室84a,84bに空気を導入可能になっている。一方、支持部材82の一端側の前面には、各空気導入室84a,84bから圧縮空気を取り出す空気取り出し口92a,92bが設けられ、この空気取り出し口92a,92bからパイプ93及び管94を介して空気が外部に取り出されるようになっている。
【0034】
一方、プレート81の他端側には、トランス95が配置されている。トランス95は、E型のコア96とこれに巻回されたコイル97とからなり、E型コア96の開放端側が前述したアーム88a,88bの先端に固着された高磁性体89a,89bと近接して対向配置されるように図示しない手段によってプレート81に固定されている。トランス95のポンプ10と反対側には、シールド板98を介してインバータ12の回路基板が配置されている。
【0035】
この構成によれば、インバータ12から図示しないリード線を介してトランス95に交流電力が供給されると、E型コア96及び高磁性体89a,89bで構成される磁気ループ内の磁束が周期的に変化して高磁性体89a,89bがE形コア96の外側突設端から周期的に引き寄せられるので、アーム88a,88bが交流電力の周期に同期して対称的に揺動する。これにより、ダイアフラム85a,85bが周期的に往復駆動されるので、プレート81の孔90及び弁91を介して空気導入室84a,84bに空気が導入されると共に、空気導入室84a,84bに導入された空気が空気取り出し口92a,92bを介して外部に取り出され、パイプ93及び管94を介して噴霧装置本体又はタンクに供給されることになる。
【0036】
このように構成されたポンプによれば、
▲1▼ダイアフラム式であるからシリンダ式に比べて小型・軽量であり、自動車等に搭載し易い。
▲2▼インバータとトランスとを一体化された構造であるから、直流電源で駆動することができ、自動車用に適している。
▲3▼空気導入室を上述のように2つに分離すると、万一、ゴミなどによって一方のポンプが機能しなくなった場合でも、他方のポンプにより作動させることができる。
という効果がある。
なお、ゴミの導入防止対策については、上述した機構を収容するケースの空気導入口にフィルタを装着する等の方法が有効である。
【0037】
以上のように、このポンプは、直流電力を交流電力に変換するインバータ(12)と、このインバータ(12)によって駆動されるトランス(95)と、このトランス(95)の励磁動作に応動して揺動する揺動部材(88a,88b)と、この揺動部材(88a,88b)に連動して駆動されて圧縮空気を発生させるダイアフラム(85a,85b)とを備えたものであり、本発明の噴霧装置への用途のみならず、バッテリー駆動式として携帯して野外で使用するのにも有効である。
【0038】
図7は、インバータ12(13)の一例を示す回路図である。
このインバータは、バイポーラトランジスタによるデバイス転流形のフルブリッジ形インバータである。即ち、自動車バッテリー等の直流電源から供給される12V又は24Vの直流電圧は、電源スイッチ101及び抵抗102を介して、入出力端に安定化用のコンデンサ103,104が接続された3端子レギュレータ104に供給され、例えばDC5Vに安定化される。
【0039】
3端子レギュレータ105で安定化された直流電圧は、以下に述べる発振回路106に供給される。即ち、安定化直流電圧は、抵抗107を介してNANDゲート108の一方の入力端に入力される。NANDゲート108の出力側には2段のインバータ109,110が接続され、インバータ110の出力は可変抵抗111及び抵抗112を介してNANDゲート108の他方の入力端に帰還されている。抵抗111,112の接続点とインバータ109,110の接続点との間には、コンデンサ113が接続されている。NANDゲート108の他方の入力端の電位は、可変抵抗111及びコンデンサ113の時定数によって決まる周期で変動するので、NANDゲート108の出力端からは交流電圧が出力される。その周波数は、可変抵抗111によって調整することができる。なお、この発振回路106の入力端に接続されたダイオード114,115の直列回路は、逆流阻止用のものである。
【0040】
一方、電源スイッチ101を介して導入されたバッテリー電圧は、コンデンサ121で安定化され、フルブリッジ回路122を構成するトランジスタ123,124,125,126に電源として供給されている。フルブリッジ回路122の接地側には、電流制限用の可変抵抗127が接続されている。4つのトランジスタ123〜126のうち、トランジスタ124,125の各ベースには、発振回路106からの出力が入力され、トランジスタ123,126の各ベースには、発振回路106の出力をインバータ128で反転させた出力が入力されている。そして、トランジスタ123,124の接続点と、トランジスタ125,126の接続点との間に前述したトランス95のコイル97が接続される。なお、各トランジスタ123〜126のコレクタ・エミッタ間に逆方向接続されたダイオード129,130,131,132は、逆電圧防止のために設けられている。
【0041】
この回路によれば、発振回路106からの発振出力によってトランジスタ123,126とトランジスタ124,125とが交互にオンオフするので、トランス95のコイル97に交番電流が流れ、これによりダイアフラム85a,85bを往復駆動させることができる。そして、ダイアフラム85a,85bによって発生される圧縮空気の量は、発振回路106の可変抵抗111による発振周波数の調整、又はフルブリッジ回路122の可変抵抗127によるコイル97に流れる電流値の調整によって最適値に設定することができる。
特に、適正水量は、排気量の大きなエンジンでは大、排気量の小さなエンジンでは小に設定するのが好ましい。上述したシステムでは、空気量を増すと水量が減少し、空気量を減らすと水量が増加するという関係にあるので、空気量の調整だけで適正水量を調整することができる。従って、このシステムによれば、電気的な調整だけで適正水量の調整が可能になる。
【0042】
なお、以上の実施例では、インバータとポンプとを一体化させたが、インバータとポンプとは別体とするようにしても良い。この場合、2つのポンプで1つのインバータを共用する事もできる。
また、図1に示した構成のうち、第1のポンプ10の出射端側とタンク8との間の圧力は、装置の運転時には十分に高くなることが予想される。このため、運転停止直後に、その部分の圧力によってタンク8から噴霧装置本体7に水が供給され、マニホールド3内に水が漏れてしまうことが予想される。このような現象が起きる場合には、図中点線で示すように、ポンプ10,11の出力側をバイパス経路14で接続することが望ましい。このように構成することにより、運転停止直後のポンプ10とタンク8との間の圧縮空気がバイパス経路14を通って噴霧装置本体7からマニホールド3内に排気されるので、無用な液の流出を防ぐことができる。
【0043】
なお、特に寒冷地や寒冷時などでは、エンジンの始動時にエンジンが暖まるまでの時間、水蒸気をマニホールド内に供給しない方が望ましい。この場合には、例えば、図8に示すように、スタートスイッチ131を介してバッテリー132から供給される直流電圧を電圧検出部133で検出し、この検出信号を遅延回路134で3〜5分程度遅延させた後、リレースイッチ135をオン状態にすることにより、噴霧装置136に電源供給されるタイミングを遅らせるようにすればよい。スイッチ131のオフ時には、ANDゲート137の出力が直ちに立ち下がり、リレースイッチ135がオフ状態となるので、噴霧装置136の動作は直ちに停止する。
【0044】
また、図1に示した実施例では、噴霧装置本体7を吸気側マニホールド3内に配置したが、例えば図9に示すように、吸気側マニホールド3と並列にバイパス管141を設け、このバイパス管141内に噴霧装置本体7を設置することにより、吸気側マニホールド3への取り付けを更に容易にすることができる。
【0045】
なお、上記実施例では、車載用のエンジンについて説明したが、本発明は船舶その他、各種の産業機械等、あらゆる用途の内燃機関に適用可能であることは言うまでもない。
【0046】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、排気量に応じた適切な噴霧吐出量を得ることができ、エンジンの燃焼効率を低下させずに適切な排気ガス対策を講じることができる。
また、この発明によれば、エンジンの吸入空気の供給経路に吐出口が臨むように噴霧装置の主要部を配置するだけであるから、低コストの改良で済むという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係るディーゼルエンジンを概略的に示す図である。
【図2】 図1における噴霧装置本体の詳細を示す縦断面図である。
【図3】 図2におけるノズル部分の拡大断面図である。
【図4】 本発明の他の実施例に係る噴霧装置本体の詳細を示す縦断面図である。
【図5】 本発明の更に他の実施例に係る噴霧装置本体の詳細を示す断面図である。
【図6】 本発明に適用されるポンプの構成を示す上面図と側面図である。
【図7】 同ポンプを駆動するのに適したインバータの回路図である。
【図8】 本発明の更に他の実施例に係る噴霧装置とその駆動回路を示すブロック図である。
【図9】 本発明の更に他の実施例に係る噴霧装置を取り付けたディーゼルエンジンの要部を示す図である。
【符号の説明】
1…エアーフィルタ、2…連結ホース、3…吸気側マニホールド、4…エンジン本体、5…シリンダ、6…排気側マニホールド、7…噴霧装置本体、8…タンク、9…水、10,11…ポンプ、20,50,70…緩衝部材、21,35,51,74,75…パイプ、22,52,71…支持筒、23…多孔質体、24…内筒、25,39,41,53,72,73…通路、26…ノズル部、27,78…吐出孔、28,37,44…Oリング、29…外筒、30,54…筒状部材、31…基端キャップ、32,36,55,59,77…ねじ、33…先端キャップ、34…空気導入室、38,40…螺旋溝、42…円錐状ギャップ、43,64…吐出口、56,57…筒状空間、60…キャップ、62…弁、63…バネ、76…ノズル、85a,85b…ダイアフラム、88a,88b…アーム、89a,89b…高磁性体、95…トランス、106…発振回路、122…フルブリッジ回路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a spray device for injecting a mist-like combustion temperature reducing liquid into intake air of an internal combustion engine in order to remove harmful substances such as NOx contained in exhaust gas of the internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Exhaust gas discharged from the engine contains harmful substances such as NOx, HC and black smoke, and the amount thereof is currently regulated by law. Therefore, all automobiles currently in circulation are taking measures to clear exhaust gas regulations.
However, recently, the necessity of environmental protection on a global scale has been screamed, and in view of the future increase in automobiles, ships, etc., it is considered that further regulations exceeding the current standards are necessary. However, it is not easy to modify the current legal system, and it may lead to an increase in the cost of vehicles and the like due to exhaust gas regulations, and voluntary countermeasures by manufacturers tend to be delayed.
In particular, the so-called specially-equipped vehicles such as fire trucks, dump trucks and concrete mixer trucks are custom-made and expensive, and the same ones may be used for several decades. For this reason, the engine of this kind of specially equipped vehicle has a problem that it is necessary to maintain the engine frequently in order to conform to the current exhaust gas regulations, and it is costly to maintain the vehicle.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such problems, and is an improvement in low-cost, and can eliminate the pollution of exhaust gas without impairing engine performance. An object is to provide a spraying device.
Another object of the present invention is to provide a spray device for making pollution-free of exhaust gas that can be easily attached to an internal combustion engine such as a vehicle or ship currently used at a maintenance shop or the like.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is different from the conventional exhaust gas countermeasures in which the exhaust gas is treated with a catalyst or the like to make it pollution-free, so that the exhaust gas does not contain harmful substances by adding measures at the stage of combustion. is there.
That is, the spray device according to the present invention is mounted in a liquid supply source for supplying a combustion temperature reducing liquid mainly composed of water, an air supply source for supplying air, and an intake-side manifold of an internal combustion engine. A spray device main body for introducing a combustion temperature reducing liquid and air from the air source and the air supply source, respectively, and spraying the mist-like combustion temperature reducing liquid into the intake air of the internal combustion engine, A buffer member for uniformly leading the combustion temperature reducing liquid introduced from the liquid supply source to the outside, and a passage for the combustion temperature reducing liquid disposed between the buffer member and surrounding the buffer member, and the tip A passage for the air introduced from the air supply source is formed between the inner cylinder formed with the discharge hole for the combustion temperature reducing liquid and the inner cylinder disposed so as to surround the inner cylinder; The inner cylinder discharge And characterized in that comprising an outer tube which forms a discharge port of the air for generating the direction of air flow for discharging the combustion temperature reduces liquid from.
[0005]
If water vapor is included in the intake air of the internal combustion engine, harmful substances in the exhaust gas, particularly NOx, is reduced. This is because the combustion temperature of the internal combustion engine is reduced by the spraying of water vapor, thereby increasing the combustion time. Further, combustion efficiency is increased by oxygen contained in the water vapor, thereby reducing CO and reducing diesel knock.
According to the experiments of the present inventor, in order to effectively remove harmful substances in the exhaust gas without reducing the combustion efficiency of the internal combustion engine, mist-like water having a uniform predetermined particle diameter is removed from the exhaust amount of the internal combustion engine. It has been confirmed that it is necessary to supply the air into the intake air at a predetermined discharge amount per unit time according to the above.
[0006]
According to the spray device of the present invention, the combustion temperature reducing liquid mainly composed of water introduced from the water supply source is uniformly led out of the buffer member and discharged from the discharge hole of the inner cylinder through the liquid passage. Is done. At this time, the buffer member acts so as not to concentrate the hydraulic pressure on the discharge hole. For this reason, a uniform and continuous liquid flow having a predetermined diameter determined by the diameter of the discharge hole is discharged from the discharge hole.
On the other hand, the air introduced between the inner cylinder and the outer cylinder generates an air flow in a direction in which the liquid is discharged from the discharge hole of the inner cylinder.
[0007]
Thereby, the liquid in the discharge hole is discharged in the form of a mist from the discharge port to the tip due to the liquid pressure and the negative pressure phenomenon near the discharge port due to the air flow. The diameter of the droplets discharged at this time is controlled by the diameter of the discharge holes, and the discharge amount is controlled by the hydraulic pressure, the air pressure, and the like. Therefore, by appropriately setting these values, it is possible to obtain an appropriate spray discharge amount corresponding to the exhaust amount. As a result, it is possible to take an appropriate exhaust gas countermeasure without reducing the combustion efficiency of the engine. Here, as the combustion temperature reducing liquid, water, water containing methanol, or the like can be used.
According to the present invention, only the main part of the spraying device is disposed so that the discharge port faces the intake air supply path of the engine, so that the cost can be improved.
[0008]
As the buffer member in the present invention, for example, a cylindrical porous body that allows the combustion temperature reducing liquid to ooze out uniformly on its outer surface can be used.
The buffer member has a discharge hole formed at the tip thereof, discharges the combustion temperature reducing liquid from the discharge hole, introduces air into the space between the buffer member and the inner cylinder, and discharges from the discharge hole. An air-fuel mixture of the temperature reducing liquid and the introduced air may be discharged into a passage between the inner cylinder.
In this case, the hole diameter of the discharge hole formed in the buffer member is set to be equal to or smaller than the hole diameter of the discharge hole formed in the inner cylinder, and the introduction pressure of the combustion temperature reducing liquid is set to P 0 The pressure of air introduced into the space between the buffer member and the inner cylinder is P 1 The pressure of air introduced into the space between the inner cylinder and the outer cylinder is P 2 Then, P 1 <P 0 <P 2 It is desirable to be set to. By setting in this way, a mist-like combustion temperature reducing liquid having a finer particle size can be discharged.
[0009]
In addition, when the tank which accommodates combustion temperature reduction liquid is installed in the position higher than this spraying apparatus, it is possible that combustion temperature reduction liquid flows out from a discharge hole at the time of a stop of a spraying apparatus.
[0010]
Therefore, if the buffer member is provided with a valve for leading the combustion temperature reducing liquid to the outside when the introduction pressure of the combustion temperature reducing liquid exceeds a predetermined pressure, the valve can be closed at the time of stoppage. Such problems can be prevented.
When this apparatus is mounted on an automobile, it is desirable to use small and light diaphragm-type first and second pumps as the supply source of the combustion temperature reducing liquid and compressed air to the spraying device body. In this case, an inverter that converts direct-current power from the automobile battery into alternating-current power may be used, and the diaphragm pump may be driven by the alternating-current power output from the inverter.
[0011]
When the compressed air from the first pump is configured to supply the combustion temperature reducing liquid from the tank to the spraying device main body, the pressure near the compressed air introduction part of the tank increases, and the spraying is effected immediately after the device is stopped due to this pressure. Although it is conceivable that the liquid from the tank leaks into the apparatus main body, in this case, the output side of the first pump and the second pump are connected by a bypass path, and the output of the first pump is stopped when the apparatus is stopped. The pressure on the side may be released to the output side of the second pump.
[0012]
Further, particularly when starting the engine in a cold region or in a cold state, it is desirable not to introduce the combustion temperature reducing liquid into the manifold until the engine is warmed up. In this case, a means for delaying the power supply to the spraying device to be started by starting the engine for about 3 to 5 minutes is provided, and the spraying operation is started after a predetermined time for the engine to warm up from the start of starting the engine. You can do that.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a view showing an embodiment in which the spray device of the present invention is applied to a diesel engine.
The air introduced into the
A spray device
[0014]
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a main part of the spraying device
The
[0015]
An
[0016]
A
[0017]
Next, operation | movement of the spraying apparatus comprised in this way is demonstrated.
When the
[0018]
On the other hand, the air introduced from the
[0019]
FIG. 3 is an enlarged view showing the vicinity of the
The water in the
[0020]
According to this
[0021]
Now, if the consumption of water per unit time with respect to the fuel consumption per unit time of the engine is called a water-fuel ratio, according to the experiments of the present inventors, this water-fuel ratio is preferably about 5 to 10%. It has been confirmed. For example, if the fuel consumption per unit time of an engine with a displacement of 3 liters is 1 liter (during idling), the water consumption to be consumed per unit time is 50 to 100 cc.
Therefore, the most suitable discharge amount can be obtained by making it possible to switch the capacities of the
Further, since the fuel consumption varies depending on the engine speed, the water / fuel ratio can be changed regardless of the engine speed by switching the capacities of the
[0022]
The spray device of the present example was attached to a diesel engine having a total displacement of 2.771 liters, and the operation was performed with water consumption per unit time set to 1500 cc, and NOx, CO, and HC were measured for each of the six modes. . The results are shown in Table 1. For comparison, Table 2 also shows the measurement results in a state where the spraying apparatus is not operated (comparative example).
[0023]
[Table 1]
[0024]
[Table 2]
[0025]
As is apparent from the above measurement results, according to the present embodiment, the NOx reduction effect that is most desired to be reduced as exhaust gas is extremely high at about 20% during idling and 14-28% during running, and the engine load. In
[0026]
FIG. 4 is a diagram illustrating another configuration example of the spraying device
The difference between this embodiment and the embodiment shown in FIG. 2 is the configuration of the buffer member.
The
The
[0027]
In this embodiment, if the water pressure of the water introduced into the
On the other hand, in a state where the
[0028]
FIG. 5 is a view showing still another embodiment of the buffer member of the
The
That is, a
[0029]
According to this embodiment, the water introduced from the
Now, let the diameter of the discharge hole 78 of the
[0030]
Further, the pressure of water introduced into the
[0031]
In each of the above examples, water was used as the combustion temperature reducing liquid sprayed on the intake air, but about 5 to 10% methanol (CH Three When OH) is contained, the combustion efficiency is further improved, and the combustion time is prolonged, so that the instantaneous combustion temperature is reduced, thereby reducing the black smoke, and the NOx reduction effect is further increased.
Further, the example in which the present invention is applied to a diesel engine has been described above, but the present invention can also be applied to a gasoline engine. In the case of a gasoline engine, the exhaust gas at the time of acceleration is considered to be the most problematic, so the water / fuel ratio may be set based on the fuel consumption at the time of acceleration.
[0032]
Next, specific examples of the
6A is a top view of the diaphragm pump 10 (11) in which the inverter 12 (13) is built in the same case, and FIG. 6B is a side view of the same.
A T-shaped
[0033]
The
[0034]
On the other hand, a
[0035]
According to this configuration, when AC power is supplied from the
[0036]
According to the pump configured in this way,
(1) Since it is a diaphragm type, it is smaller and lighter than a cylinder type, and it is easy to mount in an automobile or the like.
(2) Since the inverter and the transformer are integrated, it can be driven by a direct current power source and is suitable for automobiles.
(3) If the air introduction chamber is separated into two as described above, even if one of the pumps fails due to dust or the like, it can be operated by the other pump.
There is an effect.
As a measure for preventing the introduction of dust, a method such as attaching a filter to the air inlet of the case housing the above-described mechanism is effective.
[0037]
As described above, this pump is responsive to the inverter (12) for converting DC power to AC power, the transformer (95) driven by the inverter (12), and the excitation operation of the transformer (95). The present invention includes a swinging member (88a, 88b) that swings and a diaphragm (85a, 85b) that is driven in conjunction with the swinging member (88a, 88b) to generate compressed air. It is effective not only for use in spraying devices, but also for portable use as a battery-powered device.
[0038]
FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of the inverter 12 (13).
This inverter is a device commutation type full-bridge inverter using bipolar transistors. That is, a 12V or 24V DC voltage supplied from a DC power source such as an automobile battery is a three-
[0039]
The DC voltage stabilized by the three-terminal regulator 105 is supplied to the
[0040]
On the other hand, the battery voltage introduced through the
[0041]
According to this circuit, the
In particular, the appropriate water amount is preferably set to be large for an engine with a large displacement and small for an engine with a small displacement. In the system described above, the amount of water decreases when the amount of air increases, and the amount of water increases when the amount of air decreases. Therefore, the appropriate amount of water can be adjusted only by adjusting the amount of air. Therefore, according to this system, it is possible to adjust the appropriate water amount only by electrical adjustment.
[0042]
In the above embodiment, the inverter and the pump are integrated, but the inverter and the pump may be separated. In this case, one inverter can be shared by two pumps.
In the configuration shown in FIG. 1, the pressure between the emission end side of the
[0043]
It should be noted that it is desirable not to supply water vapor into the manifold until the engine warms up at the start of the engine, particularly in cold districts and in cold weather. In this case, for example, as shown in FIG. 8, the DC voltage supplied from the
[0044]
In the embodiment shown in FIG. 1, the spray device
[0045]
In the above-described embodiment, the vehicle-mounted engine has been described. However, it goes without saying that the present invention can be applied to internal combustion engines of various uses such as ships and various industrial machines.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an appropriate spray discharge amount corresponding to the exhaust amount can be obtained, and an appropriate exhaust gas countermeasure can be taken without reducing the combustion efficiency of the engine.
Further, according to the present invention, since the main part of the spraying device is merely disposed so that the discharge port faces the intake air supply path of the engine, there is an effect that the cost can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a diesel engine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing details of the spray device main body in FIG.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a nozzle portion in FIG.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing details of a spray device main body according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing details of a spray device body according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a top view and a side view showing a configuration of a pump applied to the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram of an inverter suitable for driving the pump.
FIG. 8 is a block diagram showing a spray device and a drive circuit thereof according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a view showing a main part of a diesel engine equipped with a spray device according to still another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (7)
空気を供給する空気供給源と、
内燃機関の吸気側マニホールド内に装着され前記液供給源及び前記空気供給源から燃焼温度低減液及び空気をそれぞれ導入し、前記内燃機関の吸入空気内に霧状の燃焼温度低減液を噴霧する噴霧装置本体とを備え、
前記噴霧装置本体は、
前記液供給源から導入された燃焼温度低減液を均一に外部に導出させる緩衝部材と、
この緩衝部材を取り囲むように配置され前記緩衝部材との間に燃焼温度低減液の通路を形成すると共に、先端に燃焼温度低減液の吐出孔を形成してなる内筒と、
前記内筒を取り囲むように配置され前記内筒との間に前記空気供給源から導入された空気の通路を形成すると共に、先端に前記内筒の吐出孔から前記燃焼温度低減液を吐出させる向きの気流を発生させる空気の吐出口を形成する外筒と
を備えたものであることを特徴とする内燃機関の吸入空気への噴霧装置。A liquid supply source for supplying a combustion temperature reducing liquid mainly composed of water;
An air supply source for supplying air;
Spray that is mounted in an intake side manifold of an internal combustion engine, introduces a combustion temperature reducing liquid and air from the liquid supply source and the air supply source, respectively, and sprays the atomized combustion temperature reducing liquid into the intake air of the internal combustion engine A device body,
The spraying device body is
A buffer member for uniformly leading the combustion temperature reducing liquid introduced from the liquid supply source to the outside;
An inner cylinder that is disposed so as to surround the buffer member and forms a passage for the combustion temperature reducing liquid between the buffer member and a discharge hole for the combustion temperature reducing liquid at the tip,
A direction in which the air passage introduced from the air supply source is formed between the inner cylinder and the inner cylinder, and the combustion temperature reducing liquid is discharged from the discharge hole of the inner cylinder to the tip. A spraying device for intake air of an internal combustion engine, comprising: an outer cylinder that forms an air discharge port for generating an air flow of
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