JP4694836B2 - 直噴ガソリンエンジン及び触媒系を備えた内燃機関設備 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項１の前置き部分で挙げる特徴を備えた内燃機関設備に関する。
内燃機関の排気ガスの後処理のためには、一般には排気ガスを触媒を用いて浄化することが通例である。このために、排気ガスは少なくとも１個の触媒に通され、その触媒が排気ガスの１種以上の汚染成分を転換する。種々の触媒が公知である。酸化触媒は、未燃焼炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の酸化を促進し、還元触媒は、排気ガスの窒素酸化物（ＮＯx）の還元を支援する。さらに、前述の３成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx）の転換に同時に触媒作用を及ぼすためには、三元触媒が使用される。しかし、三元触媒は、空燃比がλ＝１で厳密に化学量論的である場合にしか使用することはできない。
成層化して運転させることもできる直噴ガソリンエンジンを備えた乗り物の場合、ＫＶ＞０．９×エンジン排気量ＶＨの比較的大容量の触媒系が使用される。これは、Neuen Europaischen Fahrzyzklus（新欧州運転サイクル、ＮＥＦＺ）中の熱によって損傷しない触媒によって０．０７g/km未満のＨＣ放出量及び０．０５g/km未満のＮＯx放出量を達成する乗り物の場合に特に当てはまる。
成層給気モードで約３バールの有効平均圧及び約３０００のrpmまで作動させることができる直噴ガソリンエンジンの他に、成層給気モードでは、非常に限られたアイドリング範囲でせいぜい非常に限られた程度にしか作動させることができない直噴ガソリンエンジンが公知である（Alfa 2.0 JTS、ガソリン直噴式の新型アルファロメオ２リットルＪＴＳエンジン、10, Aachener Fahrzeug- und Motorenkolloquim 2001）。成層給気モードで作動させることができる直噴ガソリンエンジンと同様に、これらの乗り物及びエンジンもまた、比較的大容量の触媒系を有する。
明らかに、大容量触媒系は確実に排出量を低くする。しかし、周知のとおり、触媒を製造するために貴金属が使用され、その結果、不都合にも大容量触媒系には高額のコストが伴う。
したがって、本発明は、排出量を比較に値するほどに低く抑えながらも、現在最高水準の内燃機関設備よりも触媒系に関してより低コストで製造することができる、直噴ガソリンエンジン及び触媒系を備えた内燃機関設備を提供する目的に基づく。
この目的は、請求項１で挙げる特徴を備えた内燃機関設備によって達成される。
本発明にしたがって、せいぜいわずかな程度にしか成層化して運転させることができない直噴ガソリンエンジンと、ガソリンエンジンの下流に配置され、少なくとも１個の触媒を有する触媒系とを有する内燃機関設備であって、触媒系が、０．８〜０．５×エンジン排気量（ＶＨ）又はエンジン出力（ＰＮＥＮＮ）１００kWあたり１．３〜０．７Ｌの全容量（ＫＶ）を有し、触媒、又は触媒系の触媒の平均貴金属比装填量が３．５９g/dm3（１００g/ft3）未満、好ましくは２．８７g/dm3（８０g/ft3）未満、理想的には２．１５g/dm3（６０g/ft3）未満であり、触媒の貴金属全質量が、エンジン排気量（ＶＨ）１リットルあたり２g未満、好ましくは１．６g未満、理想的には１．２g未満、最適には０．８g未満であるか、ガソリンエンジンの定格馬力（ＰＮＥＮＮ）１００kWあたり３．５g未満、好ましくは２．８g未満、理想的には２．３g未満、最適には１．８g未満である内燃機関設備が提供される。
触媒の小さな容量又は低い貴金属装填量にもかかわらず、本発明の内燃機関設備によってＥＵ IVの排出限界は達成される。これは、経年触媒に関して特に当てはまる。このような経年は、たとえば、触媒に対し、少なくとも９０％全負荷運転からの排気ガスと、スラストカットオフからの排気ガスとで交互に作用を加えることによって達することができる。本発明にしたがって、燃料噴射に関して異なる、類似した内燃機関設備を用いて調査を実施した。計測を、一方では吸い込みマニホルド噴射装置を用いて実施し、他方では、直噴ガソリンエンジンを用いて実施した。計測は、直噴ガソリンエンジンが、最大７％増の定格馬力を有することの他に、ＨＣ排出量がより少ないということを示した。より少ないＨＣ排出量は、以下の仕様が存在する場合に達成された。
・噴射ノズルがシリンダの円形断面に対して−２０°〜＋５０°の範囲で設けられている（マイナスの度数はシリンダヘッドとのアライメントに相当し、０°はシリンダの円形断面に対して平行なアライメントに相当し、プラスの度数はクランクシャフトの方向へのアライメントに相当する）。
・噴射ノズルの噴射装置の出口の噴射ジェットの中心位置がシリンダの円形断面に対して−５°〜−４５°又は７０°〜９０°の範囲（前記アライメントのとおり）の噴射角を有する。
・噴射圧が少なくとも４０バール、好ましくは少なくとも６０バールである。最大噴射圧が好ましくは２０００バール、特に１０００バールである。
・噴射が上死点前３３０°〜１５０°、特に上死点前２８０°〜２５０°で起こる。
これら仕様が個々に又は組み合わさって存在すると、燃料が燃焼空間中に適切に分配され、わずかな壁膜効果しか発生させないような方法で噴射が達成される。類似した触媒の場合、経年後でさえ、これらの手段により、吸い込みマニホルド噴射装置と比較して特に炭化水素で最大５０％減の排出量が達成される。これにより、直噴ガソリンエンジンに対し、特にそれらのエンジンが上記仕様の少なくとも一つを満たすならば、触媒に貴金属を装填するための本発明の触媒容量又は本発明の仕様を提供することが可能になり、それにもかかわらず、特定の経年後でさえＮＥＦＺにおいてＥＵ IV規格が満たされる。
本発明にしたがって、０．７×エンジン排気量（ＶＨ）未満、特に０．６×エンジン排気量（ＶＨ）未満の触媒容量（ＫＶ）が好ましい。エンジンの定格馬力（ＰＮＥＮＮ）に対する触媒容量（ＫＶ）を決定する場合、エンジンの定格馬力（ＰＮＥＮＮ）１００kWあたり１．１５Ｌ未満、特に１．００Ｌ未満の触媒容量（ＫＶ）が好ましく、エンジンの定格馬力（ＰＮＥＮＮ）１００kWあたり０．８５Ｌ未満の触媒容量（ＫＶ）が最適である。
触媒への貴金属の平均比装填量は、好ましくは＜２．８７g/dm3（８０g/ft3）である。少なくとも１個の前置触媒が存在するならば、前置触媒への比装填量は、主触媒への貴金属の比装填量に比べ最大７０％高く、好ましくは最大５０％高く、最適には最大３０％高くすることができる。好ましくは、排気ガス浄化系の貴金属の全質量は、エンジン排気量ＶＨ１リットルあたり１．７g未満、特に１．４g未満、最適には１．２g未満であり、完全な系では１．０g未満であるか、またはガソリンエンジンの定格馬力１００kWあたり好ましくは３g未満、特に２．５g未満、最適には２．２g未満であり、完全な系では２g未満である。
直噴ガソリンエンジンは、作動点の７％未満、特に５％未満、好ましくは３％未満、最適には０％で成層運転が可能である。ガソリンエンジンは、好ましくは自然吸気エンジンである。
触媒系を設計するために多様な変形が可能である。たとえば、１個の触媒、並列に配設された少なくとも２個の触媒、主触媒及び並列に配設された少なくとも２個の前置触媒、ならびに並列に配設された前置触媒及び並列に配設された主触媒を使用することができる。
１個の触媒がガソリンエンジンの下流に配置されている場合、それは、一番近い出口弁から排気ガスパイプライン長として好ましくは８００mm未満、特に５００mm未満、最適には３００mm未満離れている。しかし、触媒系はまた、並列に接続され、一番近い出口弁から排気ガスパイプライン長として８００mm未満、好ましくは５００mm未満、最適には３００mm未満後方に配置された少なくとも２個の触媒を有することもできる。
本発明内燃機関設備の異なる実施態様の場合、触媒系は前置触媒を有し、その前置触媒から好ましくは１００mmを超える距離のところに主触媒が続く。触媒１個の実施態様と同様に、前置触媒は、一番近い出口弁から排気ガスパイプライン長として８００mm未満、好ましくは５００mm未満後方に配置される。そのうえ、前置触媒は、後続する主触媒の容量の７０％以下、好ましくは５０％以下、理想的には３０％以下の容量を有する。
本発明にしたがって、互いに並列に接続され、一番近い出口弁から排気ガスパイプライン長として８００mm未満、好ましくは５００mm未満、理想的には３５０mm後方に配置された少なくとも２個の前置触媒と、これらの前置触媒に続く少なくとも１個の主触媒とを有する構造もまた可能である。そのうえ、前置触媒は、一緒になって、下流の主触媒の容量の７０％以下、好ましくは５０％以下の容量を有する。
１個の触媒が使用される場合でも前置触媒及び主触媒がある場合でも、その１個の触媒及び主触媒は、好ましくはセラミックサポートに担持されている。このセラミックサポートは、好ましくは、５００cpsiを超えるセル密度を有し、セル密度（単位cspi＝平方インチあたりsale）とセル壁厚さ（単位ミル＝１０００分の１インチ）との積は２７００未満であり、これは、平方ミリメートルあたりのセル密度及びミリメートル単位の壁厚さに基づいて計算した場合に０．１０６３未満に相当する。
あるいはまた、前置触媒は、金属フォイルに基づくサポート及び好ましくは５００cpsiを超えるセル密度を有し、セル密度（単位cspi＝平方インチあたりセル数）とセル壁厚さ（単位μ＝１０００分の１ミリメートル）との積は、３０，０００未満、好ましくは２０，０００未満であり、これは、セル密度を平方ミリメートルあたりのセル数で表した場合で４６．５未満、好ましくは３１未満に相当する。
熱による損傷を受けない排気ガス浄化系を備えた本発明内燃機関設備は、排出の安全性を保証し、著しく低減した貴金属コストにもかかわらず、「Neuen Europaischen Fahrzyklus」新欧州運転サイクル、ＮＥＦＺ）に準拠している。
従属項に記された残りの特徴から本発明のさらなる好ましい態様が生じる。
以下、例として、関連する図面によって本発明をさらに詳細に説明する。
図１〜４は、それぞれ、ガソリンエンジン１２を下流の排気ガス設備１４とともに有し、排気ガス設備１４中に触媒系１６を形成するための少なくとも１個の触媒がある本発明の内燃機関設備１０を示す。
図１は、エンジンの近くにあり、最適には、ガソリンエンジン１２（詳細は図示せず）の一番近くの出口弁から排気ガスパイプライン長として３００mm未満に配置された１個の触媒１８を有する内燃機関設備１０を示す。図２には、前置触媒２０及びその下流にある主触媒２２（少なくとも１００mm離間）を有する予燃焼機関設備１０が示されている。ガソリンエンジン１２の一番近くの出口弁から前置触媒２０までの排気ガスパイプラインの長さは、図１の実施態様と同様な方法で選択される。図３の内燃機関設備１０の実施態様の場合、ガソリンエンジン１２の異なるシリンダに割り当てられた２個の前置触媒２０が設けられている。共通の主触媒２２が２個の前置触媒２０の下流に配置されている。他方、図４は、図３のものと同様、前置触媒２０を有するが、その前置触媒それぞれの下流に主触媒２２が配置され、排気ガス設備１４の２個のアセンブリ２４、２６が主触媒２２の後で集合されている内燃機関設備１０の実施態様を示す。排気ガスパイプライン長及び主触媒から前置触媒までの距離は、他の実施態様で記載したように選択される。
触媒を備えた内燃機関設備の略図である。 前置触媒及び主触媒を備えた内燃機関設備の略図である。 ２個の前置触媒及び１個の主触媒を備えた内燃機関設備の略図である。 ２個の前置触媒及びそれぞれの下流に１個ずつある主触媒を備えた内燃機関設備の略図である。
符号の説明
１０ 内燃機関設備
１２ ガソリンエンジン
１４ 排気ガス設備
１６ 触媒系
１８ 触媒
２０ 前置触媒
２２ 主触媒
２４ 排気ガス設備のアセンブリ
２６ 排気ガス設備のアセンブリ

Claims (35)

  1. 均質運転のみで作動する構造、又は回転数とトルクの関係でエンジンが作動し得るすべての作動点の少なくとも７％未満で成層運転させることができる構造のいずれかを有する直噴ガソリンエンジン（１２）と、少なくとも１個の触媒（１８）を含み、直噴ガソリンエンジン（１２）の下流に配置された触媒系（１６）と、を含む内燃機関設備であって、
    （ａ）触媒系（１６）全体が、０．８×エンジン排気量（ＶＨ）未満、及び／又はエンジンの定格馬力（ＰＮＥＮＮ）１００kWあたり１．３リットル未満のいずれかの触媒容量（ＫＶ）を有し、
    （ｂ）触媒系（１６）の少なくとも１個の触媒（１８）への貴金属の平均比装填量が３．５９g/dm3未満であり、
    （ｃ）触媒系（１６）の貴金属の全質量が、エンジン排気量（ＶＨ）１リットルあたり２g未満、及び／又は直噴ガソリンエンジン（１２）の定格馬力（ＰＮＥＮＮ）１００kWあたり３．５g未満のいずれかであり、
    直噴ガソリンエンジン（１２）が、以下（ｉ）〜（iv）のうち、少なくとも１つを特徴とする内燃機関設備（１０）。
    （ｉ）直噴ガソリンエンジン（１２）が、シリンダの円形断面に対して−２０°〜＋５０°の範囲内の設置位置で、そのシリンダ内に設けられた噴射ノズルを含み、
    マイナスの度数はシリンダヘッドの方向のアライメントに相当し、０°はシリンダの円形断面に対して平行なアライメントに相当し、プラスの度数はクランクシャフトの方向へのアライメントに相当する。
    （ii）ガソリンエンジン（１２）が、そのシリンダ内に設けられた噴射ノズルを含み、
    噴射ノズルの噴射装置の出口の噴射ジェットの中心位置が、シリンダの円形断面に対して−５°〜−４５°又は＋７０°〜９０°の範囲内の噴射角を有し、
    マイナスの度数はシリンダヘッドの方向のアライメントに相当し、０°はシリンダの円形断面に対して平行なアライメントに相当し、プラスの度数はクランクシャフトの方向へのアライメントに相当する。
    （iii）直噴ガソリンエンジン（１２）が、少なくとも４０バール、最大２０００バールの噴射圧での燃料噴射の実行に適応されている。
    （iv）直噴ガソリンエンジン（１２）が、上死点前３３０°〜１５０°で開始される燃料噴射の実行に適応されている。
  2. 触媒系（１６）が０．７×エンジン排気量（ＶＨ）未満の全触媒容量（ＫＶ）を有する、請求項１記載の内燃機関設備。
  3. 触媒系（１６）が０．６×エンジン排気量（ＶＨ）未満の全触媒容量（ＫＶ）を有する、請求項１記載の内燃機関設備。
  4. 触媒系（１６）がエンジン定格馬力（ＰＮＥＮＮ）１００KWあたり１．１５Ｌ未満の全触媒容量（ＫＶ）を有する、請求項１の１項記載の内燃機関設備。
  5. 触媒系（１６）がエンジン定格馬力（ＰＮＥＮＮ）１００KWあたり１．００Ｌ未満の全触媒容量（ＫＶ）を有する、請求項１の１項記載の内燃機関設備。
  6. 触媒系（１６）がエンジン定格馬力（ＰＮＥＮＮ）１００KWあたり０．８５Ｌ未満の全触媒容量（ＫＶ）を有する、請求項１の１項記載の内燃機関設備。
  7. 触媒系（１６）が、互いに並列に配置された少なくとも２個の触媒（１８）を含むか、又は互いに並列に配置された少なくとも２個の前置触媒（２０）を有する１個の触媒（２２）を含むか、又はそれぞれに少なくとも１個ずつの前置触媒（２０）を有する互いに並列に配置された少なくとも２個の主触媒（２２）を含む、請求項１〜６の１項記載の内燃機関。
  8. 触媒系（１６）の少なくとも１個の触媒（１８）への貴金属の平均比装填量が２．８７g/dm3以下である、請求項１〜７の１項記載の内燃機関設備。
  9. 触媒系（１６）の少なくとも１個の触媒（１８）への貴金属の平均比装填量が２．１５g/dm3以下である、請求項１〜７の１項記載の内燃機関設備。
  10. 前置触媒（２０）への貴金属装填量が主触媒（２２）への貴金属装填量に比べ最大７０％高い、請求項１〜８の１項記載の内燃機関設備。
  11. 前置触媒（２０）への貴金属装填量が主触媒（２２）への貴金属装填量に比べ最大５０％高い、請求項１〜８の１項記載の内燃機関設備。
  12. 前置触媒（２０）への貴金属装填量が主触媒（２２）への貴金属装填量に比べ最大３０％高い、請求項１〜８の１項記載の内燃機関設備。
  13. 触媒系（１６）中の貴金属の全質量がガソリンエンジン（１２）のエンジン排気量（ＶＨ）１リットルあたり１．６g未満である、請求項１〜１２の１項記載の内燃機関設備。
  14. 触媒系（１６）中の貴金属の全質量がガソリンエンジン（１２）のエンジン排気量（ＶＨ）１リットルあたり１．２g未満である、請求項１〜１２の１項記載の内燃機関設備。
  15. 触媒系（１６）中の貴金属の全質量がガソリンエンジン（１２）のエンジン排気量（ＶＨ）１リットルあたり１．０g未満である、請求項１〜１２の１項記載の内燃機関設備。
  16. 触媒系（１６）中の貴金属の全質量がガソリンエンジン（１２）のエンジン排気量（ＶＨ）１リットルあたり０．８g未満である、請求項１〜１２の１項記載の内燃機関設備。
  17. 触媒系（１６）中の貴金属の全質量がガソリンエンジン（１２）の定格馬力１００kWあたり３g未満である、請求項１〜１２の１項記載の内燃機関設備。
  18. 触媒系（１６）中の貴金属の全質量がガソリンエンジン（１２）の定格馬力１００kWあたり２．５g未満である、請求項１〜１２の１項記載の内燃機関設備。
  19. 触媒系（１６）中の貴金属の全質量がガソリンエンジン（１２）の定格馬力１００kWあたり２．１g未満である、請求項１〜１２の１項記載の内燃機関設備。
  20. 触媒系（１６）中の貴金属の全質量がガソリンエンジン（１２）の定格馬力１００kWあたり１．７g未満である、請求項１〜１２の１項記載の内燃機関設備。
  21. 少なくとも１個の触媒（１８）又は少なくとも１個の前置触媒（２０）が、ガソリンエンジン（１２）の一番近い出口弁から排気ガスパイプライン長として８００mm未満の距離にある、請求項１〜２０の１項記載の内燃機関設備。
  22. 少なくとも１個の触媒（１８）又は少なくとも１個の前置触媒（２０）が、ガソリンエンジン（１２）の一番近い出口弁から排気ガスパイプライン長として５００mm未満の距離にある、請求項１〜２０の１項記載の内燃機関設備。
  23. 少なくとも１個の触媒（１８）又は少なくとも１個の前置触媒（２０）が、ガソリンエンジン（１２）の一番近い出口弁から排気ガスパイプライン長として３００mm未満の距離にある、請求項１〜２０の１項記載の内燃機関設備。
  24. 少なくとも１個の前置触媒（２０）及び少なくとも１個の下流の主触媒（２２）が互いに１００mmを越える距離にある、請求項３〜２３の１項記載の内燃機関設備。
  25. 少なくとも１個の前置触媒（２０）が少なくとも１個の下流の主触媒（２２）の容量の７０％以下の容量を有する、請求項３〜２４の１項記載の内燃機関設備。
  26. 少なくとも１個の前置触媒（２０）が少なくとも１個の下流の主触媒（２２）の容量の５０％以下の容量を有する、請求項３〜２４の１項記載の内燃機関設備。
  27. 少なくとも１個の前置触媒（２０）が少なくとも１個の下流の主触媒（２２）の容量の３０％以下の容量を有する、請求項３〜２４の１項記載の内燃機関設備。
  28. 触媒系（１６）の触媒がセラミックサポートに担持されている、請求項１〜２６の１項記載の内燃機関設備。
  29. 少なくとも１個の触媒（１８）又は少なくとも１個の主触媒（２２）がセラミックサポートに担持されている、請求項１〜２６の１項記載の内燃機関設備。
  30. セラミックサポートに担持された触媒（１８）又は主触媒（２２）が５００cpsiを超えるセル密度を有し、セル密度（単位cpsi＝平方インチあたりセル数）とセル壁厚さ（単位ミル＝１０００分の１インチ）との積が２７００未満であり、これが、セル密度を平方ミリメートルあたりのセル数で表し、セル壁厚さをミリメートル単位で表した場合で０．１０６３未満に相当する、請求項２８又は２９の内燃機関設備。
  31. 少なくとも１個の前置触媒（２０）が金属フォイルに基づくサポートを有する、請求項７〜３０の１項記載の内燃機関設備。
  32. 少なくとも１個の前置触媒（２０）が５００cpsiを超えるセル密度を有し、セル密度（単位cpsi＝平方インチあたりsale）とセル壁厚さ（単位μ＝１０００分の１ミリメートル）との積が３０，０００未満、好ましくは２０，０００未満であり、これが、セル密度を平方ミリメートルあたりのセル数で表した場合で４６．５未満、好ましくは３１未満に相当する、請求項３１記載の内燃機関設備。
  33. ガソリンエンジン（１２）がすべての作動点の５％未満で成層運転が可能である、請求項１〜３２の１項記載の内燃機関設備。
  34. ガソリンエンジン（１２）がすべての作動点の３％未満で成層運転が可能である、請求項１〜３２の１項記載の内燃機関設備。
  35. ガソリンエンジン（１２）が自然吸気式である、請求項１〜３２の１項記載の内燃機関設備。
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