JPH04209920A

JPH04209920A - ディーゼルエンジンにおける排気ガス処理装置

Info

Publication number: JPH04209920A
Application number: JP2407261A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Kono; 洋一郎河野; Yasuaki Kumagai; 熊谷　保昭; Shinji Nakayama; 真治中山
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1990-12-07
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1992-07-31

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１１

【産業上の利用分野］本発明は、たとえば車両のディー
ゼルエンジンから排出される排気ガスから、特にＮＯｘ
をより効率よく分解低減して外部に排気するための排気
ガス処理装置に関する。［０００２］　　　　　　　　　　′・・・【従来の技
術】車両のエンジンを駆動することにより排出される排
気ガスの成分は、理論上完全燃焼すれば、単にＣＯ２（
二酸化炭素）と、ＨｚＯ（水）およびＮ（窒素）である
。ただし、燃料が完全燃焼することは不可能であって、
実際には、さらにＣ０（−酸化炭素）　、　ＨＣ（炭化
水素）、およびＮＯＩ　　（窒素酸化物）が生成されて
しまう。［０００３］すなわち、燃料ガスをエンジン内で燃焼さ
せるためには、空気中の酸素が必要である。この酸素は
空気中に約４分の１程度含まれていて、残りの約４分の
３の大部分は窒素であり、その他、極く微量の成分があ
る。本来、空気中の窒素と酸素は別々にあって結び付か
ないが、高温の燃焼過程（酸化反応）では窒素が酸化さ
れ、燃焼過程の副産物として上記ＮＯｘが生成される。［０００４］車両のうちでも、特に乗用車に多用される
ガソリンエンジンの場合には、はとんどその排気系統に
三元触媒が備えられている。この三元触媒は、ＣＯとＨ
Ｃを酸化させるとともに、ＮＯＩ　を還元する触媒作用
をなす。比較的簡単で、かつ正確な空燃比制御ができる
電子制御式燃料噴射を用いるか、あるいは気化器方式の
ものでも０２センサを用いて、空燃比フィードバック制
御により理論空燃比に制御して行う。いずれにしても、
ガソリンエンジンにおいては、燃焼した排気ガスは上記
触媒により、ＣＯとＨＣおよびＮＯＫの成分が同時に浄
化され、高い浄化率が得られる。［０００５］

【発明が解決しようとする課題】ところが、特にバスや
トラックに多用されるディーゼルエンジンの場合には、
上記三元触媒をそのまま用いても効果がない。すなわち
、ディーゼルエンジンの特徴として、吸気系から燃焼用
空気を燃焼室に供給して高圧に圧縮する構造であるから
、供給酸素量がガソリンエンジンよりも多いことと、デ
ィーゼルエンジンの燃料として用いられる軽油に含まれ
るＳ（硫黄）分が、ガソリンエンジンのガソリン燃料よ
りも多いことが影響する。［０００６］なお説明すれば、ディーゼルエンジンから
排出される排気ガスの一般的な傾向として、ＣＯ濃度は
、０．３％以下で５００〜２０００ｐｐｍを越えること
のない極めて低い濃度である。ＨＣ濃度も、　Ｃｓ　−
Ｃ３などの成分とＣ８以上の燃料成分が僅かにあり、濃
度としては比較的低い。ただし、ＮＯｘは濃度として２
００ｐｐｍを越えることが多く、その量もガソリンエン
ジンと近くなることがある。特に、直接噴射方式のディ
ーゼルエンジンでは、酸素過剰が著しいところから、Ｎ
。Ｘ濃度が高い値になる傾向にある。［０００７］このようにして、ディーゼルエンジン自体
の構造と、燃料である軽油の特性から、上記ガソリンエ
ンジンに用いられる三元触媒をそのまま転用しても、Ｎ
Ｏｘ低減の効果がほとんどない。しかも、ディーゼルエ
ンジンの排気ガスの特徴として、炭素粒子を主体とする
黒煙（煤煙）の発生が大であり、上記三元触媒では、こ
の黒煙低減の効果が得られない。［０００８］従来から、ディーゼルエンジンにおけるＮ
Ｏｘ低減や黒煙低減のための種々の試みがなされている
が、いずれにしても充分でない。［０００９１本発明は、上述したような事情に鑑みなさ
れたものであり、その目的とするところは、ＨＣの存在
により活性化される触媒を用いることにより、ＮＯＩ　
を効率よく分解して低減を図るとともに、このＨＣの供
給時期を制御して、ＨＣの使用量を節約するディーゼル
エンジンにおける排気ガス処理装置を提供することにあ
る。［００１０１

【課題を解決するための手段］上記目的を達成するため
に本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼室に燃焼用空気
を供給する吸気系の中途部、もしくは上記燃焼室から外
部に排気ガスを排出案内する排気ガス通路の中途部にＨ
Ｃ（炭化水素）を供給するＨＣ供給手段を設け、上記排
気ガス通路の少なくともＨＣ供給手段下流側に炭化水素
成分を還元剤として活性化されＮＯｘ　　（窒素酸化物
）を分解する触媒コンバータを設け、エンジン運転状態
がＮＯｘ排出量の多い特定の領域内にあり、かつそのと
きの排気ガス温度が上記触媒の活性温度以上あるときに
のみ上記ＨＣ供給手段を作動させるよう制御する手段を
備えたことを特徴とするディーゼルエンジンにおける排
気ガス処理装置である。［００１１１【作用ＩＨＣ供給手段が、エンジン運転状態がＮＯｘ排
出量の多い特定の領域内にあり、かつそのときの排気ガ
ス温度が触媒の活性温度以上あるときにのみ作動されて
、ＨＣが吸気系もしくは排気ガス通路の触媒コンバータ
の上流側に供給される。［００１２］そして、供給されたＨＣを還元剤として触
媒コンバータは活性化し、さらに排気ガス温度が触媒作
用を起こすのに十分高温であるため、ＮＯＩをＮ２　と
０２とに分解し、ＮＯｘ　に対する低減触媒作用をなす
。また、ＮＯｘ排出量の多い特定の運転領域にのみＮＯ
Ｘ低減作用をなすようにＨＣを供給するため、ＨＣ供給
に全く無駄がなく、供給鳳を必要最低限にし、この節約
ができる。［００１３］【実施例】以下、本発明の一実施例を図面にもとづいて
説明する。［００１４１図１において、１はディーゼルエンジンの
エンジン本体を概略的に示す。このエンジン本体１を構
成する燃焼室２には燃焼用空気を供給する吸気配管など
からなる吸気系３が連通ずる。この吸気系３の中途部、
たとえば上記燃焼室２の上部に設けられ給気弁４が開閉
自在な吸気ポート５に対向して、排気ガス処理装置Ｓを
構成する霧化装置６が設けられる。この霧化装置６には
、ポンプ７を介してＨＣを集溜するＨＣ溜り部８に連通
するＨＣ供給管９が接続される。［００１５］上記霧化装置６は、図２に拡大して示すよ
うに、先端に尖鋭状の弁部１０を設けた弁杆１１を備え
ていて、ソレノイド１２を励磁することによって上記弁
部１０は噴射孔１３を開放する。この噴射孔１３には、
ここでは図示しない上記ＨＣ供給管が接続するガイド部
１４が連設されていて、噴射孔１３が開放すれば、ＨＣ
がそのまま吐出される。［００１６］再び図１に示すように、上記霧化装置６に
は、ＨＣ溜り部８からポンプ７を介してＨＣが圧送され
るところから、上記噴射孔１３を開放することにより、
ここから、ＨＣが霧状になって上記吸気ポート５に向か
って噴出されることとなる。［００１７］上記工ンジン本体１の燃焼室２上部には、
上記給気弁４によって開閉される吸気ポート５とともに
、排気弁１５によって開閉される排気ポート１６が設け
られていて、この排気ポート１６に燃焼室２で燃焼して
生成される排気ガスを外部に排出案内する排気ガス通路
１７が接続される。そしてこの排気ガス通路１７の中途
部には、上記霧化装置６とともに排気ガス処理装置Ｓを
構成する触媒コンバータ１８が設けられる。［００１８］上記触媒コンバータ１８の主成分は、ゼオ
ライト系触媒である。なお説明すれば、ここでは、たと
えば鋼糸ゼオライト触媒（Ｃｕ／２３Ｍ−５）を採用す
ると最適であり、これをペレット状もしくはモノリス状
にして容器内に収容してなる。この種の触媒の特性は、
ＨＣの供給を受けることによって、このＨＣ成分を還元
剤としてより活性化し、ＮＯｘ　　（窒素酸化物）をよ
り効果的にＮ２　と０２に分解するとともに、ＨＣをよ
り効果的にＮ２０とＣＯ２に分解できる。［００１９］上記燃焼室２に設けられ燃料を噴出する主
燃料噴射ノズル２０には、燃料噴射ポンプ２１が連通し
ていて、図示しないアクセルペダルに連結されるロード
レバーに負荷センサ２２が設けられ、ＥＣＵ２３と電気
的に接続される。クランク軸側には、回転数・クランク
角センサ２４が設けられ、上記ＥＣＵ２３と電気的に接
続される。さらに、触媒コンバータ１８の上流側近傍に
は排気ガスの温度を検出する温度センサ２５が設けられ
、上記ＥＣＵ２３と電気的に接続される。［００２０１つぎに、このようにして構成されるディー
ゼルエンジンの排気ガス処理装置Ｓの作用について説明
する。［００２１１上記工ンジン本体１の作用は、全く変わら
ない。すなわち、吸気弁４が吸気ポート５を開放したと
き、吸気系３から燃焼室２に燃焼用空気が供給される。ピストン２ａが上昇して、燃焼室２に供給された空気を
高圧にし、そこに主燃料噴射ノズル２０から燃料である
軽油が噴射され、燃焼室２で爆発燃焼作用が行われる。燃焼後、排気弁１５が排気ポート１６を開放し、燃焼室
２の排気ガスは排気ガス通路１７に排出される。［００２２］上記排気ガス処理装置Ｓを構成する霧化装
置６は、ＥＣＵ２３からの駆動信号にもとづきＨＣを霧
状にして噴出する。この霧状になったＨＣは、吸気系３
から開放された吸気ポート５を介して燃焼室２に供給さ
れる。［００２３］上記ＥＣＵ２３は、つぎに述べるようにし
て、上記霧化装置６の制御を行う。［００２４］すなわち、上記負荷センサ２２および回転
数・クランク角センサ２４からの信号を受けたＥ　　Ｕ
２３は、エンジン本体のエンジン運転状態がＮＯｘ　　
出量が多い特定の領域内にあるか否かを判断する。　　
には、図３に示すような、負荷とエンジン回転数と番基
に予め記憶された領域の、特にＡゾーンにあるか否かを
判断する。この値がＡゾーンから外れている間は、ＥＣ
Ｕ２３は何らの信号も出さない。Ａゾーン内にあるとＥ
ＣＵ２３が判断したら、ついで、排気ガス温度が所定の
温度以上あるか否かを判断する。実際には、上記触媒は
、図４に示すような排気温度に対する転換率の特性を有
する。すなわち、ある所定の温度以上にならないとＨＣ
およびＮＯＩ　ともに転換率が０以上にならず、触媒作
用をなさない。触媒作用が開始する温度からは、僅かの
温度上昇で上記触媒の転換率が急激に上昇し、著しい効
果を有する。そしてさらに、比較的僅か高温になったと
ころで、特に上記ＨＣの転換率の変化が緩くなり、それ
以上はほとんど一定となる。上記ＮＯｘ　に対する転換
率は、ＨＣの転換率が略一定になった後に、そのピーク
がある。したがって、上記触媒が転換を開始する温度よ
りも僅かに高い温度ＴＯを触媒活性温度として設定し、
上記ＥＣＵ２３に記憶する。上記温度センサ２５は排気
ガス温度を検出して、その信号をＥＣＵ２３に送る。上
記ＥＣＵ、２３は、検知温度が上記Ｔｏよりも高いと判
断したら、上記霧化装置６に駆動信号を送ってＨＣを吸
気系３に供給することとなる。［００２５１以上のごときＥＣＵ２３の制御を整理する
と、図５に示すようなフローによって現すことができる
。すなわち、ステップ１でエンジン本体のエンジン状態
が特定の運転状態であるＡゾーンにあるか否かを判断し
、ＹＥＳであればステップ２に移って排気ガスの排気温
度が触媒活性温度であるＴｏより高いか否かを判断する
。上記Ｔｏより高いことを確認したら、ステップ３に移
って上記霧化装置６の作動を指示する。ステップ１でエ
ンジン状態がＡゾーンになければ、およびステップ２で
排気温度がＴｏより低いと判断したら、再びステップ１
に戻る。［００２６］このように、常時エンジン状態と排気温度
を把握したうえで、必要時のみ霧化装置６からＨＣを供
給するよう制御しているから、ＮＯＩの排出量が多いと
き及び触媒作用が十分行われるときに効果的にＨＣが供
給され、ＨＣ供給に全く無駄がなく一節約を図れる。［００２７］理論上は、上記燃焼室２全体に亘って均一
な燃焼作用をなすことになっているが、実際には、燃焼
室２壁に沿う部分はシリンダを水冷もしくは空冷で冷却
しているところから温度が低い。したがって、燃焼室２
の中央部では燃焼最高温度に達しても、燃焼室２壁に沿
う部分は冷却されて低温となり、消炎層（クエチングゾ
ーン）ができて未燃焼を起こす。および、ピストン２ａ
の頭部上面に沿う部分も、同様な未燃焼現象が生じる。通常、このような消炎層において、未燃焼ガスであるＨ
Ｃが生成される。そしてさらに、上記霧化装置６からＨ
Ｃが燃焼室２に供給され、これと上記主燃料噴射ノズル
２０から供給される燃料との燃焼過程が相違して、上記
排気ガス通路１７に排出される排気ガスに含まれるＨＣ
の大部分は、新たに生成される不飽和炭化水素で占めら
れる。［００２８］すなわち、燃料としての軽油に酸素が加わ
って燃焼作用がなされるところから、ＣＩ　Ｎ２　（１＋２１　　十ｍ／２０２であるが、こ
れが変化して、ＣＩ　Ｎ２　（ＩＩ　＋ｚ　　＠　ｌ　　　　＋ｍＨｚ
　Ｏに変わる。　（ｎ、　ｍは数により変化する）なお
、上記炭化水素は、炭素と水素との化合物であって、す
べての有機化合物の母体となる化合物である。この炭化
水素は、飽和炭化水素と、不飽和炭化水素とに分類され
る。不飽和炭化水素は、炭素原子どうしが全て単結合で
つながれている飽和炭化水素とは異なって、炭素骨格に
二重結合や三重結合を含むものである。［００２９］上述のように不飽和炭化水素が多く含まれ
る排気ガスが、上記排気ガス通路１７に排出されて触媒
コンバータ１８を通過すると、このゼオライト系触媒の
、特に選択された銅系ゼオライト触媒は、その性質上、
上記不飽和炭化水素を還元剤としてより活性化する。し
たがって、ＮＯｘ　をＮ２　と０２　とにより効率よく
分解して、ＮＯｘ　を低減してから外部に排出させる。同時に、未燃焼ガスとしてのＨＣをＮ２０とＣ０２とに
効率よく分解する。［００３０１また、霧化装置６によって吸気系３に霧状
に噴出されたＨＣは、吸気行程時に燃焼室２に流入し、
主燃料噴射ノズル２０からの燃料供給前に予め燃焼室２
内で燃焼され、そこに主燃料噴射ノズル２０からの燃料
が噴射されて着火するため、燃料の燃焼が促進されて、
排気ガス中の黒煙が減少する。これによって触媒コンバ
ータ１８が黒煙によって被毒されるのが防止され、触媒
コンバータ１８の分解効果が維持される。［００３１１なお、上記実施例においては、排気ガス処
理装置Ｓを構成する霧化装置６を吸気系３の中途部に設
けたが、これに限定されるものではなく、上記霧化装置
６をそのまま排気ガス通路１７の中途部で、かつ上記触
媒コンバータ１８の上流側に設けるよう変更してもよい
。この霧化装置６に・、中途部にポンプ７を備えたＨＣ
供給管９を介してＩ（Ｃ溜り部８に連通ずることは、上
記実施例と同様であり、かつ上記ＥＣＵ２３は同様の制
御をなす。［００３２］このような構成では、霧化装置６が排気ガ
ス通路１７にＨＣを供給し、このＨＣは燃焼室２には導
かれず燃焼しないため、不飽和炭化水素の生成が抑えら
れて、排気ガスは飽和炭化水素がそのほとんどを占める
。したがって、このような構成では、触媒コンバータ１
８の触媒は、飽和炭化水素を還元剤としてより活性化す
る水素系ゼオライト触媒（Ｈ／ＺＳＭ−５）を用いると
よい。そして、ＮＯｘ　はＮ２　と０２　により速やか
に分解され、ＨＣはＮ２０とＣＯ２により効率よく分解
される。［００３３］また、いずれの実施例においても、上記霧
化装置６にポンプ７を介して専用のＨＣ溜り部８を連通
したが、これに限定されるものではなく、たとえば図示
しない車両の燃料タンクに連通して、ＨＣが主成分であ
る上記燃料油を直接供給するようにしてもよい。［００３４］

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、吸
気系もしくは排気ガス通路の中途部にＨＣを供給する手
段および排気ガス通路の中途部に炭化水素成分を還元剤
として活性化しＮＯｘ　を分解する触媒コンバータを備
え、さらに上記ＨＣをエンジン運転状態がＮＯ！排出量
が多い特定の領域内で、かつそのときの排気ガス温度が
触媒活性温度以上あるときにのみ供給するよう制御する
手段を備えたから、上記ＨＣの供給量を必要最低限にし
て、ＮＯｘを効率よく低減するなどの効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体構成を示すブロック図
。

【図２】同実施例の、要部である霧化装置の縦断面図。

【図３】同実施例の、エンジン本体の運転状態特性図。

【図４】同実施例の、触媒活性特性図。

【図５】同実施例の、制御のフローチャート図。

【符号の説明】

２・・・燃焼室、３・・・吸気系、１７・・・排気ガス
通路、６・・・霧化装置、１７・・・排気ガス通路、１
８・・・触媒コンバータ、２２・・・負荷センサ、２３
・・・ＥＣＵ、２４・・・回転数・クランク角センサ、
２５・・・温度センサ。

【図５】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ディーゼルエンジンの燃焼室に燃焼用空気
を供給する吸気系の中途部、もしくは上記燃焼室から外
部に排気ガスを排出案内する排気ガス通路の中途部に設
けられＨＣ（炭化水素）を供給するＨＣ供給手段と、上
記排気ガス通路の少なくともＨＣ供給手段の下流側に設
けられ炭化水素成分を還元剤として活性化されＮＯ＿ｘ
（窒素酸化物）を分解する触媒コンバータと、エンジン
運転状態がＮＯ＿ｘ排出量の多い特定の領域内にあり、
かつそのときの排気ガス温度が上記触媒の活性温度以上
あるときにのみ上記ＨＣ供給手段を作動させる制御手段
とを具備したことを特徴とするディーゼルエンジンにお
ける排気ガス処理装置。