JP5112991B2 - ＮＯｘ低減方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気ガス中に含まれるＮＯx（窒素酸化物）を低減するためのＮＯx低減方法に関するものである。

従来より、自動車のディーゼルエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を採用したものがある。

この際、エンジンに再循環される排気ガスを途中で冷却すると、排気ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることにより、エンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を低下して効果的にＮＯxの発生を低減させることができるため、エンジンに排気ガスを再循環する系路の途中には、再循環される排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラが装備されている（例えば下記の特許文献１参照）。

即ち、このようなＥＧＲクーラによりＥＧＲガスを冷却すれば、排気ガス自体の温度が低下して容積が小さくなることにより、該排気ガスの密度が高まってエンジンの燃焼室への充填効率が高まり、エンジンの出力に大きな影響を及ぼさずに排気ガスをより多く導入することができる。
特開２００２−１８８５２６号公報

しかしながら、排気ガスの規制は将来的に更に厳しくなることが予想されており、更なるＮＯxの低減化を実現する必要に迫られているが、排気ガスの再循環によりＮＯxの低減化を図ることは、エンジン内での燃焼不良により黒煙を発生してしまうこととトレードオフの関係にあるので、単純に排気ガスの再循環を行うだけで大幅なＮＯxの低減化を図ることには限界がある。

本発明は上述の実情に鑑みて成されたもので、エンジン内での燃焼性の悪化を招くことなく、ＮＯxの低減性能を従来より大幅に向上し得るＮＯx低減方法を提供することを目的としている。

本発明は、吸気系の途中に、排気側から抜き出した排気ガスの一部を吸気側へ再循環する途中の水冷式ＥＧＲクーラで冷却し次の空冷式ＥＧＲクーラでさらに冷却することにより生じた結露水を添加し、且つその添加水をエンジン内での爆発行程まで水滴状態のまま到達し得る粒の粗い水滴としてエンジン内へ送り込み、該エンジン内での爆発行程で前記水滴を一気に蒸発させ、その蒸発潜熱により燃焼温度を抑制してＮＯx低減を図ることを特徴とするＮＯx低減方法、係るものである。

このように添加水を適度な大きさの水滴（吸気の流れに乗るサイズで十分に大きい水滴）としてエンジン内へ送り込むと、この水滴は圧縮行程で気化しきらずに残り、エンジン内での爆発行程で一気に蒸発して１ｇ当たり５３１calの蒸発潜熱を奪い、燃焼温度を大幅に抑制してＮＯxの低減に大きく寄与することとなる。

即ち、一般的に、吸気系路はインタークーラ等の特殊な構造部分を除いて抵抗の少ない円滑な流れが形成されるようになっており、そこを流れる吸気は、層流に近い流れを形成することになるが、エンジンの各気筒における吸気ポートも、燃焼室にスワールが円滑に形成されるように形作られているので、層流に近い流れは気筒内でも継続することになる。

そして、このような層流中を流れる水滴は、最も抵抗の少ないティアドロップ形状を保ちつつ吸気に随伴されて流れ、該吸気からの熱伝導により１００℃を超えた表層部分だけが徐々に蒸発していくだけなので、ある程度の大きさがあれば、途中で蒸発させずに水滴のままエンジン内へ送り込むことが可能である。

しかも、圧縮行程での気筒内温度は、クランク角が下死点から９０゜を超えて上死点に近づくまでなかなか熱くならず、上死点付近で急激に上昇して燃料の着火温度に到達することになるので、水滴は圧縮行程で気化しきらずに爆発行程まで水滴状態のまま残り続ける。

そして、爆発行程を迎えると、燃焼室内の場所ごとの状態や圧力差が大となり、水滴は自身のティアドロップ形状を保持できなくなって瞬時に砕け、しかも、その砕けた水滴が更に砕け続けて一瞬のうちに極小の水滴となり、ここに燃焼熱が加わって瞬時に全てが蒸発し、その蒸発潜熱により燃焼温度が抑制されてＮＯx低減が図られることになる。

また、本発明においては、吸気系路の途中に通気構造の添加水捕捉板を吸気の流れに対し斜めに配置し、この添加水捕捉板より上流側で水添加を実施し且つその添加水を前記添加水捕捉板で捕捉して所要サイズの水滴に成長したところで吸気の流れにより自然に脱離させてエンジン側へ送り込むことが好ましい。

このようにすれば、添加水捕捉板の孔サイズや形、吸気の流れに対する傾斜角度等を調整することにより、添加水捕捉板から脱離する水滴のサイズをコントロールすることが可能となり、水滴を適度なサイズに揃えてエンジン内へ送り込むことが可能となる。

また、本発明においては、エンジン外部からの供給水を利用して水添加を実施するようにしても良く、このようにすれば、水添加の実施や中止、更には、その添加量等の適切な制御が可能となる。

上記した本発明のＮＯx低減方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、吸気系路の途中に水添加を行い且つその添加水をエンジン内での爆発行程まで水滴状態のまま到達し得る粒の粗い水滴としてエンジン内へ送り込み、該エンジン内での爆発行程で前記水滴を一気に蒸発させ、その蒸発潜熱により燃焼温度を抑制してＮＯx低減を図るようにしているので、排気ガスの再循環量を増やさずに、エンジン内に送り込んだ水滴の蒸発潜熱により燃焼温度を抑制してＮＯx低減を図ることができ、エンジン内での燃焼性の悪化を招くことなく、ＮＯxの低減性能を従来より大幅に向上することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、添加水捕捉板の孔サイズや形、吸気の流れに対する傾斜角度等を調整することにより、添加水捕捉板から脱離する水滴のサイズをコントロールすることができ、水滴を適度なサイズに揃えてエンジン内へ送り込むことができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、ＥＧＲクーラで生じた結露水を利用して水添加を実施することにより、水タンク等を新設しなくても済んでコスト削減を図ることができ、しかも、前記水タンク等に水を補給するような手間も不要として運転者の負担を減らすことができる。

（ＩＶ）本発明の請求項４に記載の発明によれば、エンジン外部からの供給水を利用して水添加を実施することにより、該水添加の実施や中止、更には、その添加量等の適切な制御が可能となり、より効果的で効率の良い水添加を実現することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図中１はターボチャージャ２を搭載したディーゼル機関のエンジンを示し、図示しないエアクリーナから導いた吸気３を吸気管４を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送り、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３をインタークーラ５へと送って冷却し、該インタークーラ５から更に吸気マニホールド６へと吸気３を導いてエンジン１の各気筒に分配するようになっており、また、このエンジン１の各気筒から排出された排気ガス７を排気マニホールド８を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス７を排気管９を介し車外へ排出するようにしてある。

そして、排気マニホールド８と吸気マニホールド６との間がＥＧＲパイプ１０により接続されており、該ＥＧＲパイプ１０を介し排気マニホールド８から排気ガス７の一部を抜き出して吸気管４（吸気系路）の途中に導き得るようにしてある。

ここで、前記ＥＧＲパイプ１０には、排気ガス７の再循環量を適宜に調節し得るよう開度調整可能なＥＧＲバルブ１１と、再循環される排気ガス７を冷却水との熱交換により冷却する水冷式ＥＧＲクーラ１２と、該水冷式ＥＧＲクーラ１２からの排気ガス７をエンジン１前面のファン１３により吸引される外気との熱交換により冷却する空冷式ＥＧＲクーラ１４とが装備されており、該空冷式ＥＧＲクーラ１４で排気ガス７が１００℃以下に冷却されるようにしてある。

ここで、空冷式ＥＧＲクーラ１４は、排気ガス７の入側から出側へ向けて下り勾配を成すように傾斜配置されており、排気ガス７を再循環する途中で冷却して生じた結露水を勾配により吸気管４へ随時導き得るようにしてある。

また、吸気管４におけるＥＧＲパイプ１０の接続箇所より僅かに下流側となる位置には、通気構造の添加水捕捉板１５が吸気３の流れに対し斜めに配置されるようになっており、この添加水捕捉板１５には、例えば、図２に示す如き吸気３の流れ方向に長く延びる菱形格子１６により細かく網目状に多数の孔１７が開口したものを採用することができる。

この場合、各孔１７の開口率を十分に確保して圧力損失がエンジン性能に悪影響を及ぼさないように考慮する必要があるが、添加水捕捉板１５を吸気３の流れに対し適切に傾斜させることで、吸気３の流れから見て流路断面の略全域が菱形格子１６により網羅されるようにして、吸気３が必ず菱形格子１６の何れかの箇所に干渉して流れるようにしておくと良い。

このようにすれば、水冷式ＥＧＲクーラ１２で冷却された排気ガス７が次の空冷式ＥＧＲクーラ１４で１００℃以下に冷却されることにより結露水が生じ、この結露水が添加水として勾配により吸気管４へ随時導かれ、該吸気管４を流れる吸気３により下流側へ吹き飛ばされるが、添加水捕捉板１５を通過する間に菱形格子１６と干渉して捕捉される。

そして、次々と添加水が菱形格子１６に捕捉されて次第に所要サイズの水滴に成長しながら菱形格子１６に沿い下流側へ吹き流され、菱形格子１６の角部で水滴同士が合流して急激に大きな水滴に成長したところで吸気３の流れにより自然に添加水捕捉板１５から脱離することになる（図２参照）。

この際、添加水捕捉板１５の孔１７のサイズや形、吸気３の流れに対する傾斜角度等を調整することにより、添加水捕捉板１５から脱離する水滴のサイズをコントロールすることが可能であり、水滴を適度なサイズに揃えてエンジン１内へ送り込むことが可能となる。

このように添加水を適度な大きさの水滴（吸気３の流れに乗るサイズで十分に大きい水滴）としてエンジン１内へ送り込むと、この水滴は圧縮行程で気化しきらずに残り、エンジン１内での爆発行程で一気に蒸発して１ｇ当たり５３１calの蒸発潜熱を奪い、燃焼温度を大幅に抑制してＮＯxの低減に大きく寄与することとなる。

即ち、一般的に、吸気系路はインタークーラ５等の特殊な構造部分を除いて抵抗の少ない円滑な流れが形成されるようになっており、そこを流れる吸気３は、層流に近い流れを形成することになるが、エンジン１の各気筒における吸気ポートも、燃焼室にスワールが円滑に形成されるように形作られているので、層流に近い流れは気筒内でも継続することになる。

そして、このような層流中を流れる水滴は、図３に示す如く、最も抵抗の少ないティアドロップ形状を保ちつつ吸気３に随伴されて流れ、該吸気３からの熱伝導により１００℃を超えた表層部分だけが徐々に蒸発していくだけなので、ある程度の大きさがあれば、途中で蒸発させずに水滴のままエンジン１内へ送り込むことが可能である。

しかも、図４にグラフで示す通り、圧縮行程での気筒内温度は、クランク角が下死点から９０゜を超えて上死点に近づくまでなかなか熱くならず、上死点付近で急激に上昇して燃料の着火温度に到達することになるので、水滴は圧縮行程で気化しきらずに爆発行程まで水滴状態のまま残り続ける。

そして、爆発行程を迎えると、燃焼室内の場所ごとの状態や圧力差が大となり、水滴は自身のティアドロップ形状を保持できなくなって瞬時に砕け、しかも、その砕けた水滴が更に砕け続けて一瞬のうちに極小の水滴となり、ここに燃焼熱が加わって瞬時に全てが蒸発し、その蒸発潜熱により燃焼温度が抑制されてＮＯx低減が図られることになる。

従って、上記形態例によれば、吸気系路の途中に水添加を行い且つその添加水をエンジン１内での爆発行程まで水滴状態のまま到達し得る粒の粗い水滴としてエンジン１内へ送り込み、該エンジン１内での爆発行程で前記水滴を一気に蒸発させ、その蒸発潜熱により燃焼温度を抑制してＮＯx低減を図るようにしているので、排気ガス７の再循環量を増やさずに、エンジン１内に送り込んだ水滴の蒸発潜熱により燃焼温度を抑制してＮＯx低減を図ることができ、エンジン１内での燃焼性の悪化を招くことなく、ＮＯxの低減性能を従来より大幅に向上することができる。

また、吸気系路の途中に通気構造の添加水捕捉板１５を吸気３の流れに対し斜めに配置し、この添加水捕捉板１５より上流側に空冷式ＥＧＲクーラ１４からの結露水を導いて水添加を実施し且つその添加水を前記添加水捕捉板１５で捕捉して所要サイズの水滴に成長したところで吸気３の流れにより自然に脱離させてエンジン１側へ送り込むようにしているので、添加水捕捉板１５の孔１７のサイズや形、吸気３の流れに対する傾斜角度等を調整することにより、添加水捕捉板１５から脱離する水滴のサイズをコントロールすることができ、水滴を適度なサイズに揃えてエンジン１内へ送り込むことができる。

更に、特に本形態例においては、空冷式ＥＧＲクーラ１４で生じた結露水を利用して水添加を実施するようにしているので、水タンク等を新設しなくても済んでコスト削減を図ることができ、しかも、前記水タンク等に水を補給するような手間も不要として運転者の負担を減らすことができる。

ただし、図５に本発明の別の形態例を示している通り、エンジン１外部からの供給水を利用して水添加を実施することも可能であり、例えば、吸気管４における添加水捕捉板１５より上流側に水添加弁１８を配置し、該水添加弁１８と水タンク１９との間を給水管２０により接続し、該給水管２０の途中に装備した水ポンプ２１を駆動して前記水添加弁１８から水噴射させるようにしても良く、このようにした場合には、水添加の実施や中止、更には、その添加量等の適切な制御が可能となり、より効果的で効率の良い水添加を実現することができる。

尚、本発明のＮＯx低減方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本形態例においては、二段目のＥＧＲクーラを空冷式として説明しているが、水冷式のものを用いても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１の添加水捕捉板の詳細を示す拡大図である。 層流中を流れる水滴の状態を説明する模式図である。 気筒内温度とクランク角との関係を示すグラフである。 本発明の別の形態例を示す概略図である。

符号の説明

１ エンジン
３ 吸気
４ 吸気管（吸気系路）
７ 排気ガス
１２ 水冷式ＥＧＲクーラ（ＥＧＲクーラ）
１４ 空冷式ＥＧＲクーラ（ＥＧＲクーラ）
１５ 添加水捕捉板
１８ 水添加弁
１９ 水タンク
２０ 給水管
２１ 水ポンプ

Claims (3)

1. 吸気系の途中に、排気側から抜き出した排気ガスの一部を吸気側へ再循環する途中の水冷式ＥＧＲクーラで冷却し次の空冷式ＥＧＲクーラでさらに冷却することにより生じた結露水を添加し、且つその添加水をエンジン内での爆発行程まで水滴状態のまま到達し得る粒の粗い水滴としてエンジン内へ送り込み、該エンジン内での爆発行程で前記水滴を一気に蒸発させ、その蒸発潜熱により燃焼温度を抑制してＮＯx低減を図ることを特徴とするＮＯx低減方法。
2. 吸気系路の途中に通気構造の添加水捕捉板を吸気の流れに対し斜めに配置し、この添加水捕捉板より上流側で水添加を実施し且つその添加水を前記添加水捕捉板で捕捉して所要サイズの水滴に成長したところで吸気の流れにより自然に脱離させてエンジン側へ送り込むことを特徴とする請求項１に記載のＮＯx低減方法。
3. エンジン外部からの供給水を利用して水添加をさらに実施することを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＯx低減方法。

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