JPH1162566A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＮＯｘ触媒への還元剤の付与に関し、構成を
複雑化せず、燃費を悪化させない。 【解決手段】 本発明に係るディーゼルエンジンの排気
浄化装置は、ピストンの圧縮上死点付近で燃料噴射され
る第１のシリンダ２ａと、ピストンの圧縮行程中に燃料
噴射される第２のシリンダ２ｂと、これらシリンダに連
通する排気通路７に設けられたＮＯｘ触媒８とを備えた
ものである。これによれば、第２のシリンダで排出され
た未燃ＨＣをＮＯｘ触媒の還元剤に利用でき、ＮＯｘの
低減が可能となる。特にＮＯｘ触媒用の燃料噴射装置が
不要となりシンプル化、低コスト化を図れる。また第２
のシリンダに噴射された燃料が燃焼に供されるため、燃
費の悪化も防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＮＯｘ触媒を用い
たディーゼルエンジンの排ガス浄化装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、内燃機関の排ガス中に含まれる
ＮＯｘを浄化する装置としてＮＯｘ触媒が知られてい
る。これは酸素や硫黄酸化物が多いと分解活性が低下す
る性質を有しており、これらの排出量が多いディーゼル
エンジンには不向きとされていた。しかし、近年、ＮＯ
ｘ触媒に還元剤として炭化水素（ＨＣ）を添加すると、
排ガス中のＮＯが選択的に還元され、分解が促進される
ことが明らかになった。このため、特開平4-330314号公
報に見られるように、ＮＯｘ触媒上流側の排気通路に還
元剤としての炭化水素、即ち燃料を噴射する装置や、特
開平9-112251号公報に見られるように、シリンダ内に通
常の燃料噴射を行った後さらに副噴射を行い、副噴射に
用いた燃料をＮＯｘ触媒の還元剤として用いる装置など
が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平4-3303
14号公報の装置ではシリンダ以外に排気通路にも燃料噴
射を行うため、そのための燃料噴射装置（還元剤用タン
ク、インジェクタ、センサ、コントローラなど）が別に
必要となり、装置の複雑化、コスト高をもたらす。ま
た、特開平9-112251号公報の装置では、副噴射分の燃料
を余分に噴射しなければならず、しかもこの燃料が膨脹
行程で噴射されるため燃焼には供されず、結果的に燃費
の悪化を招いてしまう。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係るディーゼル
エンジンの排気浄化装置は、ピストンの圧縮上死点付近
で燃料噴射される第１のシリンダと、ピストンの圧縮行
程中に燃料噴射される第２のシリンダと、これらシリン
ダに連通する排気通路に設けられたＮＯｘ触媒とを備え
たものである。

【０００５】これにおいては、通常通りピストンの圧縮
上死点付近で燃料噴射される第１のシリンダと、通常の
噴射タイミングより早いピストンの圧縮行程中に燃料噴
射される第２のシリンダとを組み合わせている。特に第
２のシリンダでは、シリンダ内圧が低い時期に燃料が噴
射されるため、噴霧の飛翔距離が伸び、ピストン頂面及
びシリンダ内側壁に燃料が付着しやすい。よって第２の
シリンダでは未燃ＨＣが排出され易くなる訳だが、本発
明ではこれをＮＯｘ触媒の還元剤に利用するようにして
いる。こうするとＮＯｘ触媒の還元作用が促進され、Ｎ
ＯｘをＮＯｘ触媒で分解除去できるようになる。こうし
てＮＯｘの低減が可能となるほか、特にＮＯｘ触媒用の
燃料噴射装置が不要となりシンプル化、低コスト化を図
れる。そして第２のシリンダでは圧縮行程中に燃料が噴
射され、その燃料が燃焼に供されるため、燃費の悪化を
もたらすことがない。

【０００６】なお、上記ＮＯｘ触媒上流側の排気通路に
設けられたＨＣセンサと、このＨＣセンサの検出信号に
基づき上記第２のシリンダの燃料噴射制御を実行する制
御手段とをさらに備えるのが好ましく、上記第１のシリ
ンダの排ガスを上記第２のシリンダに環流させるための
ＥＧＲ通路をさらに備えるのが好ましい。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳述する。

【０００８】図１は、本発明に係るディーゼルエンジン
の排気浄化装置を示す構成図である。図示するようにエ
ンジン１は直列６気筒で、６つのシリンダ２が直列に並
べて配置されている。全てのシリンダ２には吸気管（図
示せず）及び吸気マニホールド３からなる吸気通路４
と、排気マニホールド５及び排気管６からなる排気通路
７とが連通されている。吸気マニホールド３は吸気を全
シリンダ２に分配し、排気マニホールド５は全シリンダ
２の排ガスを一箇所に集合して排気管６に送るようにな
っている。排気管６には、その途中にＮＯｘ触媒８が設
けられ、ＮＯｘ触媒８上流側にはＨＣセンサ９が設けら
れている。

【０００９】各シリンダ２の中央には燃料噴射ノズル１
０が臨ませて配設されている。これら燃料噴射ノズル１
０がそれぞれのシリンダ２に燃料噴射を行う訳だが、特
にその態様は図中白抜きで示された第１のシリンダ２ａ
と、図中ハッチングが施された第２のシリンダ２ｂとで
異なる。これについては後述する。なおこれら第１のシ
リンダ２ａと第２のシリンダ２ｂとは同数（３個ずつ）
が交互に配設され、＃１，＃３，＃５シリンダが第１の
シリンダ２ａ、＃２，＃４，＃６シリンダが第２のシリ
ンダ２ｂとなっている。

【００１０】燃料噴射ノズル１０から噴射される燃料噴
射量及び噴射時期は、制御手段であるＥＣＵ等のコント
ローラ１１によって制御される。即ち、コントローラ１
１には、前述のＨＣセンサ９、燃料噴射ノズル１０の
他、エンジン回転数センサ、アクセル開度センサなどエ
ンジン運転状態を示す各種センサが電気的に接続されて
いる。よってコントローラ１１は、エンジン回転数セン
サとアクセル開度センサとからエンジン回転数とエンジ
ン負荷とを読取り、これらに基づき予め記憶されたマッ
プから目標噴射量と目標噴射時期とを決定し、これらに
従って燃料噴射を実行させる。

【００１１】ここでは燃料噴射装置としてコモンレール
式のものを用い、燃料噴射ノズル１０に内蔵された電磁
弁をコントローラ１１で直接開閉し、噴射量と噴射時期
とを制御している。ただし、これは周知の他の燃料噴射
装置も採用可能で、例えば列型ポンプ式、ＶＥポンプ式
のものなどが使用し得る。

【００１２】ところで、第１のシリンダ２ａでは通常通
り、ピストンの圧縮上死点付近で燃料が噴射され、通常
のディーゼル燃焼がなされるようになっている。一方、
第２のシリンダ２ｂでは、第１のシリンダ２ａと異な
り、通常より早いピストンの圧縮行程中に燃料が噴射さ
れるようになっている。具体的には、コントローラ１１
に、各シリンダ２ａ，２ｂに対応した異なる噴射時期マ
ップ及び噴射量マップが備えられ、コントローラ１１は
これらに従って各シリンダ２ａ，２ｂに異なる燃料噴射
制御を実行するようになっている。

【００１３】特に、第２のシリンダ２ｂでは、本出願人
が先に特願平9-140212号において提案したいわゆる希薄
均一予混合燃焼がなされるようになっている。これは以
下のようなものである。まず、ピストンの圧縮行程中に
燃料噴射ノズル１０の小径の噴孔から燃料噴射を行い、
噴射直後から小粒径の燃料液滴をシリンダ内で略蒸気化
させ、ピストンが上死点に至るまでの間に、シリンダ内
に希薄で均一な混合気を形成する。その後ピストンが上
死点付近に至り、シリンダ内が高温高圧となった時点
で、シリンダ内の略全域で混合気全体を略同時に着火燃
焼させるものである。

【００１４】かかる希薄均一予混合燃焼により、局所的
な燃焼を避けられＮＯｘの発生を抑制できると共に、シ
リンダ内の略全域の空気を利用でき、空気不足によるス
モーク発生も抑制できる。

【００１５】ここで両シリンダ２ａ，２ｂの燃料噴射の
態様を具体的に述べる。まず図４に示すように、燃料噴
射量に関しては、第１のシリンダ２ａより第２のシリン
ダ２ｂの方が少量で済む。図示するように、燃料噴射量
は、いずれのシリンダ２ａ，２ｂでもエンジン回転数が
一定のときアクセル開度に応じて異なるが、第２のシリ
ンダ２ｂの場合は第１のシリンダ２ａの場合に比べ、ア
クセル開度0/4 （アクセル全閉）のときほぼ同量を噴射
し、アクセル開度4/4 （アクセル全開）のとき約1/2 の
量を噴射するようになっている。次に図５に示すよう
に、噴射時期に関しては、第２のシリンダ２ｂの方が第
１のシリンダ２ａより早期に噴射が行われる。その進角
値Δθはクランク角で60°乃至 100°程度である。ここ
で第１のシリンダ２ａの噴射時期は圧縮上死点から圧縮
上死点前20°の範囲におよそ設定される。これらの噴射
量、噴射時期の具体値は、実機試験等によりエンジン運
転状態に応じて最適に定められる。

【００１６】図３には燃料噴射ノズル１０の噴孔部の構
成が示され、(a) 図は第１のシリンダ２ａ用のもの、
(b) 図は第２のシリンダ２ｂ用のものである。(a) 図の
ものでは一般的な構成が採られ、噴孔１５のなす角β＝
160 °程度、噴孔径ｄ＝0.2mm程度とされる。これに対
し(b) 図のものでは噴孔１５のなす角β＝60°以下とさ
れ、噴孔径ｄ＝0.1mm 以下とされる。つまり、第１のシ
リンダ２ａでは、ピストンの圧縮上死点付近でシリンダ
内が高温高圧のとき、シリンダ内の上方に位置するピス
トン頂部の燃焼室側壁に向けて燃料噴射を行うため、噴
孔のなす角β（即ち噴霧角）は大きくする必要があり、
噴孔径ｄは比較的大きくても構わない。

【００１７】しかしながら、第２のシリンダ２ｂでは、
ピストンの圧縮行程中でピストンが未だ下方にあり、シ
リンダ内が十分高温高圧となっていないとき、シリンダ
内全体にまんべんなく燃料噴射を行い、かつそれを即座
に蒸気化させる必要があるため、噴孔のなす角β（即ち
噴霧角）は小さくしてシリンダ内側壁への燃料付着をで
きるだけ防止し、噴霧の粒径を小さくすべく噴孔径ｄは
小さくする必要がある。

【００１８】ところで、このような希薄均一予混合燃焼
においては、上記のような工夫がなされても一般的には
未燃ＨＣが排出されやすい。これは燃料が自重で落下
し、ピストン頂面に付着しやすいからである。

【００１９】そこで、ここではこれを利用して、第２の
シリンダ２ｂから排出された未燃ＨＣをＮＯｘ触媒８に
対する還元剤として用い、これによってＮＯｘ触媒８の
還元作用を促進し、第１のシリンダ２ａから排出された
ＮＯｘ、延いては第２のシリンダ２ｂをも含めたエンジ
ン全体から排出されたＮＯｘを、ＮＯｘ触媒で分解除去
するようにしている。こうするとエンジン全体としてＮ
Ｏｘの排出量が効果的に低減される。特筆すべきは、従
来のようなＮＯｘ触媒用の燃料噴射装置が不要となり構
成のシンプル化、低コスト化を図れると共に、従来の副
噴射と異なり、第２のシリンダ２ｂに噴射された燃料が
そのまま燃焼に供され、燃費の悪化をもたらすことがな
いという点である。

【００２０】また、希薄均一予混合燃焼においては、エ
ンジン高負荷運転時にシリンダ内温度が高くなるため、
ピストンが上死点に達する前に混合気が着火燃焼し、出
力が低下してしまう場合が想定されるが、本装置では通
常のディーゼル燃焼を行う第１のシリンダ２ａを併せ持
つため、出力低下を最小限に抑えることができる。

【００２１】ここで、希薄均一予混合燃焼を行う第２の
シリンダ２ｂにおいては、制御手段であるコントローラ
１１が、ＨＣセンサ９の検出信号即ち排ガス中のＨＣ濃
度に基づき、燃料の噴射量及び噴射時期を補正ないし決
定するようになっている。これによってＨＣ濃度がエン
ジン運転状態に見合った最適な値に保たれ、ＮＯｘ触媒
８のＮＯｘ浄化率を最大に維持し、ＮＯｘ抑制効果を最
大に高めることが可能となる。

【００２２】次に他の実施の形態について説明する。な
お同一の構成については図中同一符号を付し、説明を省
略する。図２に示すように、この実施の形態にあって
は、直列６気筒エンジン１の６つのシリンダ２におい
て、連続する３つのシリンダ（＃１，＃２，＃３シリン
ダ及び＃４，＃５，＃６シリンダ）がそれぞれ第２のシ
リンダ２ｂ及び第１のシリンダ２ａとなっている。これ
らシリンダ２ａ，２ｂに対応して吸気マニホールド３及
び排気マニホールド５も第１のシリンダ側３ａ，５ａ及
び第２のシリンダ側３ｂ，５ｂに分割されている。吸気
管１２及び排気管６が途中で分岐され、それぞれの吸気
マニホールド３ａ，５ａ及び排気マニホールド３ｂ，５
ｂに接続されている。こうして吸気通路４の下流側が第
１のシリンダ側４ａと第２のシリンダ側４ｂとに分岐さ
れ、排気通路７の上流側が第１のシリンダ側７ａと第２
のシリンダ側７ｂとに分岐されることとなる。

【００２３】特にここでは、第１のシリンダ側排気通路
７ａと、第２のシリンダ側吸気通路４ｂとがＥＧＲ通路
１３で接続され、第１のシリンダ２ａの排ガスを第２の
シリンダ２ｂに環流させられるようになっている。そし
てＥＧＲ通路１３の出口部にはコントローラ１１で開度
制御される流量制御弁１４が設けられ、ＥＧＲ量がエン
ジン運転状態に応じて最適に制御できるようになってい
る。

【００２４】これによれば、第２のシリンダ２ｂに対し
ＥＧＲを行え、第２のシリンダ２ｂ内の混合気に排ガス
を含ませることにより、燃焼を意図的に遅延できる。こ
れによってピストン上死点到達前の着火、即ち出力低下
を未然に防止することが可能となる。これは通常のＥＧ
Ｒ領域であるエンジン中負荷領域で行うと効果的であ
る。ここで遅延の度合いは流量制御弁１４があることに
より容易に変えられ、逆にＥＧＲ量を最適に調節するこ
とで最大の出力が得られるようになる。

【００２５】以上、本発明の好適な実施の形態について
説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、他の様々な実施の形態を採ることが可能である。

【００２６】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００２７】（１） ＮＯｘ触媒への還元剤の付与に関
し、構成のシンプル化、低コスト化を図れ、燃費の悪化
を防止できる。

【００２８】（２） ＮＯｘ触媒に付与するＨＣ量を最
適に定められ、ＮＯｘ浄化率を最大に維持できる。

【００２９】（３） 第２のシリンダにおけるピストン
上死点前の着火を防止でき、出力低下を未然に防げる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す構成図である。

【図２】本発明の別の実施の形態を示す構成図である。

【図３】燃料噴射ノズルの噴孔部を示す縦断面図であ
る。

【図４】第１及び第２のシリンダの噴射量特性を示すグ
ラフである。

【図５】第１及び第２のシリンダの噴射時期特性を示す
グラフである。

【符号の説明】

１ エンジン ２ａ 第１のシリンダ ２ｂ 第２のシリンダ ７ 排気通路 ８ ＮＯｘ触媒

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 41/40 Ｆ０２Ｄ 41/40 Ｈ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンの圧縮上死点付近で燃料噴射さ
   れる第１のシリンダと、ピストンの圧縮行程中に燃料噴
   射される第２のシリンダと、これらシリンダに連通する
   排気通路に設けられたＮＯｘ触媒とを備えたことを特徴
   とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
2. 【請求項２】 上記ＮＯｘ触媒上流側の排気通路に設け
   られたＨＣセンサと、該ＨＣセンサの検出信号に基づき
   上記第２のシリンダの燃料噴射制御を実行する制御手段
   とをさらに備えた請求項１記載のディーゼルエンジンの
   排気浄化装置。
3. 【請求項３】 上記第１のシリンダの排ガスを上記第２
   のシリンダに環流させるためのＥＧＲ通路をさらに備え
   た請求項１又は２記載のディーゼルエンジンの排気浄化
   装置。