JP4196413B2 - 内燃機関システム - Google Patents

Description

内燃機関は１００年以上にわたって造られており、その内燃機関は、出力向上及び燃料消費の削減の観点から絶えず改良されている。しかしながら、かなりの改良は既に達成されており、従来の内燃機関の燃料消費のわずかな削減のみが可能である。さらに、近年では、排気ガスの削減、それに対応する種々の触媒を使用した排気ガス浄化装置に熱心な努力がはらわれ、三元触媒が最も成功をおさめており、３つの主要な汚染成分の同時の変換を可能にする。
排気ガスと空気とが相互の接触を瞬間的に生じるところにある圧力波過給機はそれ自体周知である。種々の企業が、圧力波過給機を自動車に使用することを試みており、他方で、最大の試みはエンジンの出力の向上に向けられた。知る限りでは、圧力波過給機は単に一連のディーゼルエンジンと組合せられている。
ヨーロッパ特許0 415 128号公開公報には、請求の範囲第１項の上位概念のエンジンが開示されており、触媒をエンジンの近辺に配置しかつ過給空気により冷却することによって、圧力波過給機を備えた内燃機関における触媒の経時プロセスを最小にすることが提案されている。
1987年12月22日発行の日本国特許要約、11巻、第392（M-653）及び日本国特許第62-159,717号公開公報から、アウトレットに三元触媒が設けられた過給機関が知られており、この触媒は低速でのみ作用する。
ドイツ国特許第37 32 301号明細書には、内燃機関の排気ガスを浄化するための装置が開示されている。そこでは、三元触媒が使用され、その後には酸化触媒が続いている。酸化触媒内で増加する温度は測定されており、かつフィードバック調整に利用されている。
この従来技術から出発して、本発明の目的は比出力の増加と、汚染成分の排出量の削減との双方を可能する内燃機関システムを提供することにある。この目的は、圧力波過給機を備えた内燃機関、三元触媒並びに付加的な酸化触媒の組合せを明らかにした、請求の範囲第１項記載の内燃機関システムにより解決される。
さらにその他の特徴及び利点は並びに冷間始動状態における欠点を防止するための手段は、その他の請求の範囲の記載により明らかになる。
以下に、添付した図面を参照して本発明をより詳細に説明する。第１図は、効果的な排気ガス浄化装置を有する、本発明の内燃機関システムを概略的に示す。
第１図は火花点火機関１、即ち内燃機関、インレットチャンネル３内の絞り弁２、及びアウトレット１５内の三元触媒４を示す。自動車或いは航空機用エンジンのようなどんな周知の内燃機関であってもよいエンジン、並びにそのファン１７及び出力部１８が図示されており、三元触媒４は、上述したような従来技術の火花点火機関を構成する。
従来の火花点火機関には圧力波過給機５が付加されており、この圧力波過給機は、インレットチャンネル内の過給空気冷却機６により操作されることが有利である。圧力波過給装置はまた、電気的或いは機械的な駆動装置７を備えているが、その圧力波過給機を適切に形成かつ定寸することにより省略することも可能である。空気吸入口８には、エアーフィルター９及び（周知の圧力波過給機と比較して）過給機絞り弁１０が備えられている。排気部１１は、酸化触媒１２の形で第２の触媒を備えている。この触媒の制御は、ラムダプローブ１３、温度プローブ１４及びいわゆるウェィストゲートフラップ１９により行われる。
チャンネル内の矢印は空気とガスの流れを示し、この概略図は次のようなことを示す。即ち、新鮮空気が空気吸入口８から取入れられ、そしてフィルター９及び過給機絞り弁１０を介して圧力波過給機５に供給される。圧力波過給機では、新鮮空気の大部分が排気ガスの作用を受けて圧縮され、そして過給空気冷却機６及び絞り弁２を介して内燃機関１に供給される。新鮮空気の一部は、掃気の形で圧力波過給機５を通過し、そして排気部１１に流出し、排気ガスと混合される。内燃機関１から排気ガスは、三元触媒４を通って圧力波過給機５に流出し、排気ガスは新鮮空気と混合され、従って、酸化触媒１２を通って排気部１１に流出する。
ウェィストゲートフラップ１９は、過給圧力が過剰な場合に開放することができ、その結果、排気ガスの一部は圧力波過給機５を通りすぎて送られる。これにより、より小さな圧力比を生じる。このことは、駆動ユニットのよりよい総合効率を得ることを可能にし、従って、燃料消費を削減することを可能にする。ウェィストゲートフラップの代わりに、それ自体は周知である、過給圧力を制御する他の手段を使用することも可能である。
過給機絞り弁１０は掃気の制御に役立つ。これにより、排気部まで到達する新鮮空気の比率を減少させることが可能になる。その結果、酸化触媒１２における排気ガス温度が高められるので、この酸化触媒はより早くその始動温度に到達し、従って、より高い変換率が得られる。温度プローブ１４の信号は過給機絞り弁を制御する調整値として使用される。エンジンの回転数と絞り弁２の下流側の圧力とは、さらに別の制御値として役立つ。
エンジンは、１のラムダ率或いはわずかの過剰燃料でもって駆動される。今日、電気的な混合気制御器（ラムダプローブ）と関連して設けられた三元触媒が最も効率のよい排気ガス浄化装置を代表することは周知である。この場合、３つの汚染成分全ての変換を可能するが、可能ながぎり正確な理論燃料−空気混合物を必要とする。３つの成分は炭素水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯ x）である。制御範囲ラムダ１を高濃度側にシフトすることによって、窒素酸化物がより効率よく変換されかつ除去される。しかし、このことは、他の２つの成分の変換率の低下を招き、従って、単に三元触媒を使用するにすぎない場合には役立たない。
圧力波過給機の使用により、内燃機関の効率を高めることが可能になり、そして圧力波過給機が排気装置内の過剰空気を作り出すことにより、酸化触媒の使用も可能になリ、主に炭素水素及び一酸化炭素から成る残りの成分が最適に変換できる。触媒のコーティングによって、酸化触媒において本質的な窒素酸化物の変換も達成できる。
アウトレット１５における排気ガス温度が低い場合、即ち冷間始動状態の場合、触媒の変換率はより小さくなり、その結果より多くの排気ガスが排出される。
さらに、排気ガス温度が低下した時、過給機内における圧力波処理は常に多くの問題を含み、そしてこの処理は、極端な場合には完全に停止状態になる。従って、エンジンの冷間始動時、過給圧力は減少し、このことは、エンジンの出力を僅かにする。
２つの問題は、アウトレット１５と三元触媒４との間に配置されたバーナ２２によって抑制でき、このバーナは低い排気ガス温度の場合に作動する。この方法では、一方で触媒がより早くその最適な作用温度にもたらされ、他方でガスがより高い温度で過給機に到達する。従って、圧力波処理は、エンジンが未だ冷間始動状態である時に開始され、そしてエンジンの最高出力が得られる。さらに第１図には、バーナ２２の空気供給部２０及び燃料供給部２１が示されている。
上述のバーナ２２の代わりに、他の加熱装置、例えば電気的操作のヒータを使用することもできる。これと関連して、触媒の機能と過給機の機能とが有利な影響を及ぼすということは重要である。
従って、火花点火機関と圧力波過給機との組合は、出力の増加を可能にし、とりわけそれに続く酸化触媒の使用も可能にする。これにより、一方では、三元触媒の従来の使用と比べて、三元触媒の使用により汚染物質の１つ、即ち窒素酸化物の効果的な除去が可能になり、他方では、過剰空気のため酸化触媒内に残存する成分、即ち炭素水素及び一酸化炭素の特に高い変化率が得られる。
この装置により、従来の火花点火機関に比べて成分のかなりの削減ができる。同じ出力の従来の火花点火機関との比較では、圧力波過給機を使用することは、燃料消費が少ないより小さなエンジン、或いは総重量がより小さいエンジンの使用が可能になり、他方で、相当な成分除去が達成できる。

Claims (8)

1. インレットチャンネル（３）およびアウトレットチャンネル（１５）を有する内燃機関（１）と、
   入口部と出口部を有し、入口部が内燃機関（１）に接続された三元触媒（４）と、
   空気吸入口（８）と、
   排気部（１１）と、
   第１の入口および出口、第２の入口および出口を有し、第１の入口が三元触媒（４）の出口部に接続され、第２の入口が空気吸入口（８）に接続され、第２の出口が内燃機関（１）のインレットチャンネル（３）に接続された圧力波過給機（５）と、
   圧力波過給機（５）の第１の出口と排気部（１１）との間に配置された酸化触媒（１２）と、
   掃気量を調整するために、圧力波過給機（５）の第２の入口に設けられた過給機絞り弁（１０）を有することを特徴とする内燃機関システム。
2. 過給圧を調整するために、圧力波過給機（５）の第１の出口に設けられた制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の内燃機関システム。
3. 制御装置がウエィストゲートフラップ（１９）を有していることを特徴とする請求項２記載の内燃機関システム。
4. 圧力波過給機（５）が、駆動装置（７）とセルロータとを有し、駆動装置（７）が圧力波過給機（５）のセルロータの速度を安定化することを特徴とする請求項１記載の内燃機関システム。
5. 三元触媒（４）をその最適な作用温度により早くもたらし、かつ圧力波過給機（５）のより早い作動を可能にするために、内燃機関（１）のアウトレットチャンネル（１５）と三元触媒（４）との間に設けられた加熱装置を更に有することを特徴とする請求項１記載の内燃機関システム。
6. 加熱装置が、空気供給部および燃料供給部を有するバーナ（２２）であることを特徴とする請求項５記載の内燃機関システム。
7. 駆動装置（７）が、電気的な駆動装置であることを特徴とする請求項４記載の内燃機関システム。
8. 駆動装置（７）が、機械的な駆動装置であることを特徴とする請求項４記載の内燃機関システム。

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