JPH04311645A - エンジンの排ガス浄化装置 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は主として自動車用のガ
ソリンエンジンから排出される炭化水素、一酸化炭素、
および窒素酸化物を可及的に軽減するための装置に関す
るもので、特に、排ガス規制のための現行のテストモー
ドの枠外、すなわち、現行法規で規制された範囲外の運
転をした場合に生じる大気汚染物質の放出を可及的に軽
減するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、触媒を用いて自動車から排出され
る上記三種の大気汚染物質を軽減する技術は実用されて
おり、それには大別すると次の二種がある。すなわち、
その一はエンジンを理論混合比に近い空燃比の混合気で
運転して炭化水素と一酸化炭素との発生を抑制し、三元
触媒を併用してそれらの酸化促進と窒素酸化物の還元除
去とを行うものであり、その二はエンジンを理論混合比
より一層希薄な混合気によって運転して窒素酸化物を軽
減し、酸化触媒によって炭化水素と一酸化炭素とを酸化
除去する技術である。

【０００３】他方、我国や米国で施行されている大気汚
染物質の規制は、いわゆる１０モード或いはＬＡ４モー
ドに従って自動車を走行させ、その間に排出される汚染
物質の重量を制限している。それらテストモードは現在
市販されている排気量が２リットル前後のエンジンに適
用するとき、図１１中、斜線で示すように、最大吸入空
気量のせいぜい２０％程度の負荷域をカバーするに過ぎ
ない。従って、これに沿って製造され搭載されている市
販の排気浄化装置では、全力運転時に排出される大気汚
染物質を充分に処理できず、規制範囲の水準まで抑制し
ようとすれば現行のほぼ５倍の処理能力のある触媒を必
要とする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、乗用車
にはそのような大型の触媒を搭載するスペースはなく、
仮に何らかの形で搭載したとしても５倍も発生する熱を
放散することは容易でないし、触媒がその熱に耐えられ
るという保証もない。そのような触媒への過度の依存を
排するには燃焼室で生じる大気汚染物質を大幅に減じる
ことが必要である。それに対する対応策も考えられてお
り、排気を燃焼室へ還流させ燃焼温度を抑制する技術（
以下、ＥＧＲという）と理論混合比より希薄な空燃比の
混合気によって未燃焼燃料成分を減じることによっても
具現可能とされているが、現実には最大出力時に２０％
を越える多量のＥＧＲを行うこと自体に困難がある上、
ＥＧＲに伴う燃焼の不安定やエンジン出力の低下を招来
する要因を含んでいる。

【０００５】すなわち、上記多量のＥＧＲを行いつゝ混
合気を安定に燃焼させるには以下の課題をクリアするこ
とが要求される。その一は燃焼室内へ還流される既燃ガ
スが３００℃を越す高温であり、且つ容積比では新気の
量を越す程であって、ＥＧＲによって吸入される新気の
割合が極めて少なくなる可能性があることである。その
二はそのような多量の既燃ガスが還流されることによっ
て、点火栓による火花着火が不確実になったり（以下、
失火という）、燃焼中の燃料分子が既燃ガスに遭遇して
酸素の供給を絶たれて消火し、若しくは蒸し焼きになっ
て（以下、部分燃焼という）運転の安定が阻害されるこ
とである。そして、更に重要なことはそれら不具合を解
消するに際し、そこで使用される要素部品はすべて従来
の技術によって耐久性の保証されたものでなければなら
ず、要素を選択する自由度が極めて狭くなることである
。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明はそのような相
矛盾する要求を解決し、排気を汚すことなしに全力運転
可能な自動車用エンジンを提供することを目的とするも
ので、燃焼室へ新気を導く吸気通路および燃焼室から排
出される既燃ガスを大気中へ放出する排気通路と、排出
された既燃ガスの一部を燃焼室へ還流させる還流通路と
、前記燃焼室に還流される既燃ガスと少なくとも同量の
新気を燃焼室内へ圧送する過給手段と、理論混合比より
希薄な混合気を生成する燃料供給手段と、前記新気と既
燃ガスとの混合を促進させる混合促進手段と、燃焼室内
の消炎層を減じる抑制手段と、前記排気通路に介装され
た酸化触媒とを設けた点に特徴がある。

【０００７】

【作用】大負荷運転時、多量の既燃ガスと共に過給手段
によって混合気が燃焼室内へ供給され、それらは混合促
進手段によって均質に混合される。混合気は点火と共に
爆発的に燃焼するが、そのとき多量の既燃ガスによって
温度と圧力の急激な上昇を抑制され、その結果、最高燃
焼温度が窒素酸化物の発生が少ない１５００℃程度に抑
制される。また、混合気と既燃ガスとは均質に分散して
失火や部分燃焼の発生を軽減するが、万一、点火栓によ
って着火された燃料分子が既燃ガスの塊に囲まれること
があっても、既燃ガス中に含まれる余剰空気によって完
全に失火したり部分燃焼するのを免れ、安定に燃焼速度
が低減される。更に、燃焼速度の低減にも拘わらず、燃
焼室内の消炎層が減じられるので、炭化水素の酸化が進
行し燃焼効率の低下が回避される。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図１０
によって詳細に説明する。図１は本発明に係るエンジン
の排ガス浄化装置を示す概略構成図、図２はエンジンの
吸排気系を示す略図的な断面図、図３はシリンダヘッド
の断面図、図４は燃焼室近傍の俯瞰図、図５は燃焼室の
冷却範囲を示す断面図、図６はシリンダ内圧力と熱発生
率を示す特性図、図７は空燃比と排気成分に関する特性
図、図８は吸排気弁のバルブダイアグラム、図９は図１
の要部の拡大断面図、図１０はエンジンの指圧線図であ
る。これらの図において、符号１で示すものは自動車用
の４行程エンジンである。エンジン１は排気量２ｌ、直
列４気筒形であり、燃焼室２０と燃焼室２０に連なる吸
気通路３０、排気通路５０とを備えている。６０は排気
通路５０と兼ねて設けられた還流通路であり、排気通路
５０へ排出された既燃ガスの一部を吸気行程中に燃焼室
２０へ還流させる。

【０００９】各燃焼室２０は図２〜図４で示すように、
シリンダ２１とシリンダヘッド２２およびピストン２３
によって区画された空間として形成されている。燃焼室
２０には吸気弁３１と排気弁５１とがそれぞれ２個づつ
備えられており、それらは吸気カム軸３２と排気カム軸
５２によってクランク軸（図示してない）により、その
１／２の速度で駆動される。２４は燃焼室２のほゞ中央
に配置された点火栓である。点火栓２４による点火時期
はいわゆるＭＢＴが選択され、燃料消費の低減が図られ
ている。また、このエンジンの圧縮比はピストン２３が
上死点にあるときの燃焼室容積、いわゆる空間容積を可
及的に小さくするため、１１以上の高圧縮に設定するの
が好ましい。前記空間容積の小型化は燃焼室室内へ導入
される燃料の分子間距離を短くし火炎伝播の急速と安定
とをもたらす。

【００１０】燃焼室２０には一例として以下のような、
消炎層を減じる抑制手段が設けられる。すなわち、燃焼
室２０をなすシリンダ孔２５は図５で示すように、外方
の水ジャケットにより水冷される。水ジャケットはシリ
ンダ孔２５の上部を冷却する比較的小さい上ジャケット
２６と、その下方に設けられる下ジャケット２７とで構
成されており、前者２６は後者２７より大きな冷却能力
を備えている。その結果、高温になり且つ潤滑条件の良
くないシリンダ孔２５の上部が強冷されて過熱が阻止さ
れると共に、下方の比較的広い面積の部分は弱く冷却さ
れ壁面温度を高く保って燃焼行程における消炎層を薄く
し、未燃焼炭化水素の発生が抑制される。なお、前記上
ジャケット２６によって強く冷却されるシリンダ孔２５
の範囲は少なくともピストン２３の頂面の上昇限から上
の部分、およびそこからクランク角で約３０℃降下した
範囲である。この範囲は図６から明らかなように、燃焼
行程において熱発生率の高い範囲である。なお、図６に
おいてＡは熱発生期間を、一点鎖線Ｂは熱発生率を示す
。

【００１１】吸気通路３０はシリンダヘッド２２内の双
子形の２個のポート３３と、それに接続された枝管３４
、集合箱３５、および集合管３６を通して大気に通じる
一連の通路として形成されている。ポート３３の燃焼室
側端部は吸気弁３１によって開閉され、上流端は集合さ
れて枝管３４に通じ、枝管３４の上流端は集合箱３５内
に開口している。３９は従来公知の電子制御式燃料噴射
装置の燃料ノズルであり、この実施例では流量計４３か
ら送られる吸気量に関する信号に応じて燃料を噴射し、
吸気に混ぜて理論混合比よりやゝ希薄な希薄混合気を生
成する。すなわち、このエンジンでは一般に一酸化炭素
に比して排出レベルの高い炭化水素の排出を最低にすべ
く、図７から明らかなように、斜線を施した空燃比で１
６〜１８の希薄な混合気を生成する。具体的には空燃比
を１７．０に設定したが、この場合の空気過剰率は約１
．０８であり、既燃ガス中に約１０％の酸素が含まれる
ことゝなる。なお、集合箱３５は気筒毎の枝管３４の相
互の干渉を避け、且つ、吸気抵抗の増大を避けるべく大
容量に作られている。

【００１２】枝管３４には吸気弁３１に近接して蝶形の
絞り弁３７と逆止弁３８とが設けられている。絞り弁３
７は人為的に操作され後述する自動絞り弁４０と協働し
てエンジンの出力を制御する。逆止弁３８は燃焼室２０
へ向かう気流のみを許容するもので、発明若しくはエン
ジンの構成上、必須ではないが、低速或いは低負荷運転
時の吹き返しを阻止し体積効率の低下を防止すると共に
、絞り弁３７が炭素で汚損するのを防止する。ここで、
絞り弁３７と自動絞り弁４０との関係を説明すると、エ
ンジンの最小吸気量は絞り弁３７によって規制される。 吸気量が絞り弁３７によって規制されている間、自動絞
り弁４０を通過する気流の方が多いから前記集合箱３５
内は大気圧に保たれる。よって、この状態から絞り弁３
７が急開操作されると、その上流側の新気が直ちに吸入
され、逆に急閉されゝば直ちに最小量に絞られてエンジ
ンに良好な加減速応答性が得られる。

【００１３】集合箱３５内は集合管３６を通して大気に
通じており、吸入される新気の全量がそこを通過する。 集合管３６には前記絞り弁３７の動作に応動する自動絞
り弁４０、熱交換器４１、過給手段４２、吸気の流量計
４３およびフィルター４４が備えられている。熱交換器
４１は過給手段４２によって断熱圧縮され温度が上昇し
た吸気をエンジン冷却水によって冷却するものである。 また、過給手段４２は吸気を加圧して燃焼室２０へ給送
する手段であり、公知のターボ過給機のような速度形の
ポンプやルーツブロアーのような容積形のポンプを含む
が、この実施例では作動停止時にも吸気流の流動を許容
する前者を用いている。

【００１４】排気通路５０には燃焼室２０に開口したシ
リンダヘッド２２内の三ツ子形のポート５３、６３が含
まれる。３個のポートのうち排気弁５１によって開閉さ
れる両側の２個は排気用にのみ使用され、中央のポート
６３は後述する既燃ガスの還流ポートを兼ねている。ポ
ート５３、６３に接続された排気管５４には排気浄化用
の公知の酸化触媒５５と排気消音用の消音器５６とが介
装されている。排気行程の終期は可及的に遅く設定され
、多量のＥＧＲに伴う燃焼効率の低下を補うため、混合
気の充分な燃焼と既燃ガスの充分な膨張とを図ると共に
、排気弁５１の時間面積を吸気弁３１と同等程度に大き
く設定すべく、この実施例では吸気弁３１に比し排気弁
５１を多数にすべく後述する還流弁６１を含めて３個と
した。また、前記酸化触媒５５の機能は従来のものと特
に異なるものではないが、従来の約１．５倍の容積と処
理能力とを持っている。

【００１５】還流通路６０は前記三ツ子形のポート５３
の中央に配されたやゝ小径のポート６３として構成され
る。ポート５３の燃焼室側はポペット形の還流弁６１に
よって開閉され、他端は排気通路５０に接続されている
。還流弁６１の開閉は図８で示すように排気行程と吸気
行程との双方で行われ、排気行程中は燃焼室２０から排
気通路５０へ既燃ガスを排出し、吸気行程中には一旦排
気通路５０内へ排出した既燃ガスを吸気負圧によって燃
焼室２０内へ再び還流させる。なお、還流弁６１の還流
開弁時期は排気通路５０から取り入れられる既燃ガス温
度が低下傾向となる吸気行程終期が好ましく、且つ、そ
の閉弁時期は過給手段４２によって加圧供給される吸気
が吹き抜けるのを防止するため吸気弁３１の閉弁時期よ
りも早く設定してある。

【００１６】６２は還流する既燃ガスの流量調節弁であ
り、エンジン負荷の大小、点火時期の早遅、および排気
温の高低に応じて排気通路５０から燃焼室２０へ還流す
る既燃ガス量を調節する。この実施例では流量調節弁６
２は還流する既燃ガス量を給送される新気に対し重量比
でおよそ２０％になるよう調節する。６４は既燃ガスを
冷却する冷却手段であり、具体的には冷却水ジャケット
であってエンジン冷却水で還流する既燃ガスを冷却し充
填効率の低下を回避するものである。なお、排気中に残
存する未燃焼成分と残留空気とを排気通路５０内で酸化
反応させるため前記両側の排気ポート５３には水ジャケ
ットなどの冷却手段を設けないのが好ましい。

【００１７】７０は流量調節弁６２の不作動または誤作
動時に燃焼温度が過度に上昇するのを防止するための緊
急装置である。緊急装置７０は流量調節弁６２を側路す
る迂回路７１とそれを開閉する常閉形の非常弁７２とか
らなっている。非常弁７２は高速追越し運転のような全
負荷運転時に流量調節弁６２の不作動や誤作動時があり
、既燃ガスの供給が減じたとき迂回路７１を開放する。 すなわち、希薄混合気と多量のＥＧＲによって全負荷運
転をしているとき、既燃ガスの還流量が減じると燃焼温
度が上昇するが、濃厚混合気によって運転するときのよ
うに燃料による冷却が期待できずピストンの溶損を生じ
易くなる不具合を回避するためである。斯かる不作動の
検出は既燃ガスの還流する量や排気温度の検出器７３に
よって行われる。

【００１８】８０は混合促進手段である。その手段８０
は燃焼室内に導入された多量の既燃ガスと混合気とを均
質に混合する装置であり、吸気通路や燃焼室に設けられ
る。この実施例で混合促進手段８０はポート６３の形状
を目的に合致するよう成形している。すなわち、ポート
６３は排気ポート５３に比してやゝ小径とされ、且つ燃
焼室側の端部に燃焼室をなすシリンダ孔の軸線から一側
に偏した方向を指向する細長い部分が形成され、燃焼室
２０内へ吸入される新気に強い旋回を与え、同時にそれ
に混流する。なお、これによって生じる新気の旋回は縦
方向の、いわゆるタンブルと、横方向の、いわゆるスワ
ールとが含まれる。もちろん、混合促進手段はこれに限
らず吸気弁３１にガイド羽根を設ける、いわゆるシュラ
ウドバルブその他公知の乱流発生手段が利用できる。な
お、実施例の還流通路６０はシリンダ内に形成される排
気ポートから分岐して作られているが、従来と同様に、
単に排気通路５０と吸気通路３０とを流量調整弁６２を
介して接続する態様で実施することも何ら差し支えない
。

【００１９】次に、このエンジン１の作動を説明するが
、前記テストモード域で運転されている間は従来から提
案されている手法のいずれかによって運転され、且つそ
れによって充分な排気浄化が得られるので、その範囲に
おける詳細な動作説明は省略する。この実施例ではエン
ジンの出力が現行の排ガステストモードの範囲を越えて
増大したとき過給手段４２が作動し、所定の圧力に加圧
した新気を集合箱３５内へ給送する。同時に還流通路６
０では流量調節弁６２が動作して還流される既燃ガスの
量を過給される混合気量の２０％前後に増量する。これ
により混合気のさらなる希薄化のとき増加する炭化水素
を抑止しつゝ、エンジンの燃焼温度を低下させることが
できる。

【００２０】エンジンの吸気行程では、運転者が絞り弁
３７の開度を増す操作をすると、それに応じて吸気とし
て燃焼室内へ送り込まれる混合気が増量する。流量計４
３は吸気の流量を計測し、その信号によって吸気量に対
応する量の燃料が計量され燃料ノズル３９から２個のポ
ート３３内へ噴射され、吸気と混合して空燃比で１６〜
１８の希薄な混合気を生成する。この実施例では図９か
ら明らかなように、未燃焼炭化水素が最低となる１７．
０に設定した。この場合の空気過剰率は約１．０８であ
り、既燃ガス中に約１０％の酸素が含まれる。

【００２１】このとき、還流通路６０を経た既燃ガスは
高速で細い気流となって燃焼室２０内へ流入し、高速の
渦流を発生させて混合気と既燃ガスとの混合を促進する
。ピストン２３が上昇し圧縮行程の終期に至ると点火栓
２４によって混合気に点火する。図９で模式的に示すよ
うに、混合気が点火栓２４によって点火されると、混合
気中の燃料分子ｆは酸素Ｏとの反応により激しく運動し
てその近傍に存する未燃焼の燃料分子ｎに次々と火炎を
伝播させる。

【００２２】燃料分子の活動は均質に分散された既燃ガ
スｘに遭遇するとその活動が抑制される結果、火炎伝播
速度を減じ燃焼温度の急上昇を防ぐ。また、既燃ガスｘ
の一部が燃焼室内に均質に分散せず団塊状に偏在するこ
とがあっても、既燃ガス中には余剰の酸素Ｏが残存して
いるから未燃焼燃料分子ｎの燃焼までは引き起こさない
までも燃焼中の燃料分子が失火したり消火する不具合は
回避でき、高速ではないが安定した火炎伝播が可能とな
る。その結果を図１０で示す。図中、実線Ａは空気のみ
を供給した場合、すなわち、空気サイクルの指圧であり
、破線Ｂは自然吸気式エンジン、二点鎖線Ｃは過給式エ
ンジンの指圧をそれぞれ示す。実線Ｂａおよび実線Ｃａ
はそれぞれ前記エンジンにこの発明を適用した場合の指
圧線図である。

【００２３】この図から明らかなように、エンジンに大
量のＥＧＲを行ったときは最高燃焼圧力が低下し、図上
必ずしも明らかではないがこれに伴って燃焼温度が低下
して窒素酸化物の発生を抑制する。同時に、燃料の熱乖
離が防止され、燃焼ガスの比熱が低下して熱損失が減少
し、希薄混合気の使用との両者により燃料消費が改善さ
れる。このとき、斜線ａで示す部分の面積が減少して熱
効率の低下傾向を生じるが、排気行程中期の温度が上昇
することゝ、前記したように排気弁の開弁を遅らせるこ
とによって斜線ｂの面積を増大させ効率低下を回避する
。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るエンジ
ンの排ガス浄化装置は、燃焼室へ新気を導く吸気通路お
よび燃焼室から排出される既燃ガスを大気中へ放出する
排気通路と、排出された既燃ガスの一部を燃焼室へ還流
させる還流通路と、前記燃焼室に還流される既燃ガスと
少なくとも同量の新気を燃焼室内へ圧送する過給手段と
、理論混合比より希薄な混合気を生成する燃料供給手段
と、前記新気と既燃ガスとの混合を促進させる混合促進
手段と、燃焼室内の消炎層を減じる抑制手段と、前記排
気通路に介装された酸化触媒とを設けたため、大負荷運
転時、多量の既燃ガスと共に過給手段によって混合気が
燃焼室内へ供給され、それらは混合促進手段によって均
質に混合される。混合気は点火と共に爆発的に燃焼する
が、そのとき多量の既燃ガスによって温度と圧力の急激
な上昇を抑制され、その結果、最高燃焼温度が窒素酸化
物の発生が少ない１５００℃程度に抑制される。また、
混合気と既燃ガスとは均質に分散して失火や部分燃焼の
発生を軽減するが、万一、点火栓によって着火された燃
料分子が既燃ガスの塊に囲まれることがあっても、既燃
ガス中に含まれる余剰空気によって完全に失火したり部
分燃焼するのを免れ、安定に燃焼速度が低減される。更
に、燃焼速度の低減にも拘わらず、燃焼室内の消炎層が
減じられるので、炭化水素の酸化が進行し燃焼効率の低
下が回避される。したがって、大量のＥＧＲと希薄混合
気運転とによって排気中に含まれる炭化水素、一酸化炭
素など未燃焼或いは不完全燃焼の燃料成分を減じ、同時
に前記大量のＥＧＲに伴う燃焼の不安定を防止して安定
な高負荷運転を可能にする効果がある。また、従来から
使用している触媒の大型化が回避できて、車両搭載上の
問題を解消する効果がある。更に、それらに用いられる
構成自体は格別に新しいものではなく、耐久性について
充分な実績を持つものであるから、長期に亘って安定な
排気浄化機能を維持できる。また、前記効果を生む手段
として用いられる希薄混合気による運転に伴い、燃料消
費を改善できるなどの効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るエンジンの排ガス浄化装置を示す
概略構成図である。

【図２】エンジンの吸排気系を示す略図的な断面図であ
る。

【図３】シリンダヘッドの断面図である。

【図４】燃焼室近傍の俯瞰図である。

【図５】燃焼室の冷却範囲を示す断面図である。

【図６】シリンダ内圧力と熱発生率を示す特性図である
。

【図７】空燃比と排気成分に関する特性図である。

【図８】吸排気弁のバルブダイアグラムである。

【図９】図１の要部の拡大断面図である。

【図１０】エンジンの指圧線図である。

【図１１】モード運転時のエンジン使用範囲を示す説明
図である。

【符号の説明】

３０　　　　吸気通路 ４２　　　　過給手段 ５０　　　　排気通路 ５５　　　　酸化触媒 ６０　　　　還流通路 ６２　　　　流量調節弁 ７０　　　　緊急装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　燃焼室へ新気を導く吸気通路および燃
   焼室から排出される既燃ガスを大気中へ放出する排気通
   路と、排出された既燃ガスの一部を燃焼室へ還流させる
   還流通路と、前記燃焼室に還流される既燃ガスと少なく
   とも同量の新気を燃焼室内へ圧送する過給手段と、理論
   混合比より希薄な混合気を生成する燃料供給手段と、前
   記新気と既燃ガスとの混合を促進させる混合促進手段と
   、燃焼室内の消炎層を減じる抑制手段と、前記排気通路
   に介装された酸化触媒とを備えたことを特徴とするエン
   ジンの排ガス浄化装置。