JP3940799B2

JP3940799B2 - ＮＯｘ低減型ディーゼル機関

Info

Publication number: JP3940799B2
Application number: JP2003318941A
Authority: JP
Inventors: 惠以子石村; 正英高木; 喜雄高杉; 正晃菊地; 潔張
Original assignee: National Maritime Research Institute
Current assignee: National Maritime Research Institute
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: JP2005083326A

Description

本発明は、排ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）の低減を図れるようにしたディーゼル機関に関する。

従来、４サイクル型ディーゼル機関では排ガス中のＮＯｘの濃度を低減させる手段として、排気マニホルドの排ガスを吸気マニホルドに送り込み、気筒内部の酸素濃度を低下させることにより、発生するＮＯｘの濃度を低減させる排ガス再循環装置（ＥＧＲ）、あるいは気筒内に排ガスを多く残存させる内部的手段が用いられており、さらなるＮＯｘ濃度の低減が必要な場合は、排ガス系統に触媒を設けて排ガスを処理することが行われている。

また、船舶用に使用される大型過給機付き４サイクル型ディーゼル機関では、乳化燃料の使用、燃料と水を交互に噴射させる層状水噴射、吸気に水分を加える吸気加湿等の手段が採用されている。そして、さらなるＮＯｘ濃度の低減が必要な場合、排ガス系統に脱硝装置（ＳＣＲ）を設けることも行われている。

船舶に使用される大型過給機付き４サイクル型ディーゼル機関において、排ガス中のＮＯｘ濃度を低減させるのに排ガス再循環手段を適用しようとすれば、排気マニホルドの平均的な排ガス圧力よりも吸気マニホルドの吸気圧力が高いので、排気マニホルドの排ガスを吸気マニホルドへと流すことは困難で、排ガスの圧力を高める装置を必要とし、あるいは過給機に排ガスを吸入させることになるので、排ガスの清浄処置が必要となる。
特開平７−６３１２６号公報

解決しようとする問題点は、一般に排気マニホルドにおける排ガス圧力は吸気マニホルドにおける吸気圧力よりも低く、排ガスを再び気筒内へ導くことが困難とされている点である。

本発明は、３気筒の４サイクル型ディーゼル機関では第１気筒の排気弁が開いて排気マニホルドへの排気が行われる状態で、第３気筒の排気弁が閉じ始めるように開閉時期を設定すれば、同第３気筒は未だ完全には閉じていないため、排気マニホルドから第３気筒への排気ガスの逆流が行われる現象に着目し、この逆流現象を利用することにより従来の排気ガス再循環装置と同様の作用を行わせて、排ガス中のＮＯｘ濃度の低減効果を、効率よく得ようとするものである。

このため、本発明のＮＯｘ低減型ディーゼル機関は、組をなす３気筒またはその組の倍数としての気筒を有する４サイクル型ディーゼル機関において、排気マニホルドに接続された過給機と、同過給機の新気吸入系に接続された吸気マニホルドとをそなえ、上記３気筒の吸気弁および排気弁について、第１気筒，第２気筒および第３気筒の順にバルブ・タイミング・ダイヤグラムが２４０度ずつ位相差を有するとともに、上記第１気筒の排気弁からの排気の一部を上記排気マニホルドを通じて上記第３気筒の排気弁を通じ同第３気筒内へ導入すべく、上記第１気筒の排気弁が開き始めた状態で上記第３気筒の排気弁が未だ閉じ終わらないように排気弁開閉のタイミングが設定されていることを特徴としている。

また、本発明のＮＯｘ低減型ディーゼル機関は、上記３気筒における各気筒の吸気弁および排気弁の開閉を規制するバルブ・タイミング・ダイヤグラムにおいて、上記の吸気弁および排気弁の開閉時期が、ピストン上死点からの角度として、上記吸気弁については、開時期が１５〜２５度に設定されるとともに、閉時期が２１５〜２２５度に設定され、上記排気弁については、開時期が１１５〜１２５度に設定されるとともに、閉時期が５０〜６０度に設定されていることを特徴としている。

４サイクル型ディーゼル機関において、組をなす３気筒の排気マニホルドに接続された過給機と、同過給機の新気吸入系に接続された吸気マニホルドとをそなえて、上記３気筒の吸気弁および排気弁について、第１気筒，第２気筒および第３気筒の順にバルブ・タイミング・ダイヤグラムが２４０度ずつ位相差を有し、第１気筒の排気弁が十分に開いた状態で第３気筒の排気弁が閉じ始めるように同排気弁の開閉のタイミングが設定されることにより、第３気筒には排気マニホルドを通じて高温の排気ガスが直接逆流し再燃焼するようになるので、排気マニホルドから最終的に外部へ排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を効率よく大幅に低減させることが可能になる。

そして、前述のように各気筒の吸気弁および排気弁の開閉を規制するバルブ・タイミング・ダイヤグラムが設定されることにより、上述の排気作用におけるＮＯｘ濃度の低減効果が的確に得られるものである。

組をなす３気筒またはその組の倍数としての気筒を有する４サイクル型ディーゼル機関において、排ガス中のＮＯｘ濃度を低減させる手段として従来の排ガス再循環装置（ＥＧＲ）を用いることなく、単に給気弁および排気弁の開閉のタイミングを適切に設定するだけで、排気ガス中のＮＯｘ濃度を大幅に低減させることができた。

図１は本発明のＮＯｘ低減型ディーゼル機関の１実施例を模式的に示す断面図であり、図２は上記ディーゼル機関の弁線図（バルブ・タイミング・ダイヤグラム）である。

図１に示すように、第１気筒１，第２気筒２および第３気筒３が組をなして３気筒４サイクル型ディーゼル機関を構成しており、各気筒１〜３の吸気弁１ａ，２ａ，３ａは吸気マニホルド４に接続され、また各気筒１〜３の排気弁１ｂ，２ｂ，３ｂは排気マニホルド５に接続されている。

そして、吸気マニホルド４への新気供給は、排気マニホルド５からの排気により作動する排気タービン６ａをそなえた過給機６が、その排気タービン６ａと同軸的に有するコンプレッサー６ｂによって行うように構成されている。
なお、図１における符号７〜９は、それぞれ各気筒１〜３におけるピストンを示す。

上記３気筒１〜３は、第１気筒１，第２気筒２および第３気筒３の順に、吸気弁１ａ，２ａ，３ａおよび排気弁１ｂ，２ｂ，３ｂのバルブ・タイミング・ダイヤグラムについて２４０度ずつ位相差を有しており、各バルブ・タイミング・ダイヤグラムは図２に示すように構成されている。

すなわち、吸気弁１ａ，２ａ，３ａおよび排気弁１ｂ，２ｂ，３ｂの開閉を規制するバルブ・タイミング・ダイヤグラムにおいて、吸気弁１ａ，２ａ，３ａおよび排気弁１ｂ，２ｂ，３ｂの開閉時期が、ピストン上死点ＴＤＣから右回りの角度として、吸気弁１ａ，２ａ，３ａについては、開時期が１５〜２５度（好ましくは２０度）に設定されるとともに、閉時期が２１５〜２２５度（好ましくは２２０度）に設定され、排気弁１ｂ，２ｂ，３ｂについては、開時期が１１５〜１２５度（好ましくは１２０度）に設定されるとともに、閉時期が５０〜６０度に設定されており、このようにして、第１気筒１の排気弁１ｂが開き始めた状態で第３気筒３の排気弁３ｂが未だ閉じ終わらないように、排気弁開閉のタイミングが設定されている。なお、図２において、符号Ａは給気弁開期間、符号Ｂは排気弁開期間、符号Ｒは回転方向、符号ＢＤＣは下死点を示している。

上述のＮＯｘ低減型ディーゼル機関では、図１に示すように、第１気筒１が膨張行程にあり、排気弁１ｂが開き始めの状態にあると、そのとき第２気筒２は圧縮行程にあり、その排気弁２ｂは閉じている。また、第３気筒３では吸入行程にあり、排気弁３ｂは閉じようとしている。ここで排気ガスの逆流に関係するのは第１気筒と第３気筒である。

第１気筒１の排気弁１ｂが開き始めたとき、膨張行程の終わりに近いが、気筒内圧力は吸気圧力あるいは排ガス圧力よりもはるかに高い。そして、排気弁１ｂより排出される排ガス圧力は気筒内圧力と排気弁１ｂの開度により変化するが、一時的に吸気圧力より高くなり、これが排気マニホルド５に伝わる。

このとき、第３気筒３では吸入行程にあり、その吸気弁３ａより流入した吸気は気筒内を満たすと同時に排気弁３ｂから排気マニホルド５へと通り抜けている。しかし、その気筒内圧力は下降するピストン９の速度の影響を受けて、吸気圧力より低い状態にある。

そこで、第１気筒１の排ガス圧力の影響で一時的に排気マニホルド５内の圧力が吸気圧より高くなったときに、第３気筒３の排気弁３ｂの開閉時期が前述のように過度に開いた状態に設定されていると、排気マニホルド５内の圧力と第３気筒３内の圧力との関係から、同排気マニホルド５内の排ガスは第３気筒３の排気弁３ｂを通じて同第３気筒３内へと逆流する。

排ガスが第３気筒３へと逆流する量は、第１気筒１と第３気筒３の各排気弁１ｂ，３ｂが互いに開いている期間の長さにより決まる。さらに、両者の開閉時期を同時に遅らせるに従い、ピストンの速度の影響を受け排ガスの逆流は多くなるので、排気弁の開閉時期を前述のように適切に設定することにより排ガスを必要量だけ逆流させ、排ガス再循環と同様の効果をもたらすことができる。

なお、本出願人研究所の所有する３気筒・過給機付き４サイクル型ディーゼル機関である松井鉄工所製Ｍｕ３２３型機関にて、前述のような給気弁１ａ，２ａ，３ａおよび排気弁１ｂ，２ｂ，３ｂの開時期および閉時期の設定によりテストを行った結果、本発明のＮＯｘ低減型ディーゼル機関によって、排ガス中のＮＯｘ濃度は、従来の場合の１８００ｐｐｍから８００ｐｐｍへと、半分以下に減少した。

船舶に使用される大型過給機付き４サイクル型ディーゼル機関として用いることが可能になり、排ガス中のＮＯｘ濃度を大幅に低減して、環境保全に寄与することができ、産業上の利用可能性がきわめて大きい。

本発明の１実施例としての３気筒４サイクル型ディーゼル機関を模式的に示す断面図である。上記ディーゼル機関のバルブ・タイミング・タイヤグラム（弁線図）である。

符号の説明

１第１気筒
１ａ吸気弁
１ｂ排気弁
２第２気筒
２ａ吸気弁
２ｂ排気弁
３第３気筒
３ａ吸気弁
３ｂ排気弁
４吸気マニホルド
５排気マニホルド
６過給機
６ａ排気タービン
６ｂコンプレッサー
７〜９ピストン
Ａ給気弁開期間
Ｂ排気弁開期間
Ｒ回転方向
ＴＤＣ上死点
ＢＤＣ下死点

Claims

組をなす３気筒またはその組の倍数としての気筒を有する４サイクル型ディーゼル機関において、排気マニホルドに接続された過給機と、同過給機の新気吸入系に接続された吸気マニホルドとをそなえ、上記３気筒の吸気弁および排気弁について、第１気筒，第２気筒および第３気筒の順にバルブ・タイミング・ダイヤグラムが２４０度ずつ位相差を有するとともに、上記第１気筒の排気弁からの排気の一部を上記排気マニホルドを通じて上記第３気筒の排気弁を通じ同第３気筒内へ導入すべく、上記第１気筒の排気弁が開き始めた状態で上記第３気筒の排気弁が未だ閉じ終わらないように排気弁開閉のタイミングが設定されていることを特徴とする、ＮＯｘ低減型ディーゼル機関。
上記３気筒における各気筒の吸気弁および排気弁の開閉を規制するバルブ・タイミング・ダイヤグラムにおいて、上記の吸気弁および排気弁の開閉時期が、ピストン上死点からの角度として、上記吸気弁については、開時期が１５〜２５度に設定されるとともに、閉時期が２１５〜２２５度に設定され、上記排気弁については、開時期が１１５〜１２５度に設定されるとともに、閉時期が５０〜６０度に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載のＮＯｘ低減型ディーゼル機関。