JPS61152956A

JPS61152956A - デイ−ゼル機関の微粒子状排出物質の低減方法

Info

Publication number: JPS61152956A
Application number: JP27277284A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sato; 豪佐藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-12-26
Filing date: 1984-12-26
Publication date: 1986-07-11

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】の本発明は、ディーゼル代関、特に、直接噴射式ディーゼ
ル機関の微粒子状排出物質の低減方法に関するものであ
る。

在来の将術従来、ディーゼルＷ関は、トラックや、バスなどの原動
機として広く採用されており、それらの内で、燃料の経
済性の見地から直接噴射式ディーゼル機関が、些々広く
採用される傾向となっている。

しかしながら、この直接噴射式ディーゼル機関には、高
騒音の発生や、大気汚染の原因となる微粒子状排出物質
を含有する排気の発生など、多くの問題１点が未解決の
まま残っているのが現状である。

このため、この上うな１ｌＪＩＩ題、はの一部の解決手
段として、既に、例えば、特開昭５６−１５６４１９号
公報に記載するように、ディーゼル機関の燃焼室に供給
する空気中の酸素分圧を高めることにより着火性を良く
シ、／ツキング現象を少なくすることが提案されており
、また、ディーゼル機関に限定することなく、一般的な
エンノンの吸気装置において、例えＩｆ　、（ｉ）　ｖ
ｆｍ昭ｓｓ　−１３８２３９号公報カラ、酸１１度ｆ化
装宜を備えたエンノンのアイドル回１ｇｉ！！度が所定
値になるように、回転速度検出器の出力に応じて酸素リ
ッチ空気量を制御し、アイドル回転数♂り御の応答性を
向上させ、アクチュエータの小形化を図ること、（ｉｉ
）特開昭５８−１３８２４０号公報から、酸素濃度富化
ｉｌ装置を情えた機関の冷機状態を検出した温度検ａ器
の出力を受け、富化された酸素リッチ空気を機関に供給
するようにし、機関冷機時の燃焼性、着火性を向上させ
、温時間の耐久性を確保すること、（ｉｉｉ）特開昭５
８−１４０４５１号公報から、エンノンに供給される吸
入空気の酸素濃度をアイドル回松変動に応じて制御する
酸素富化装置を設けることにより、アイドル回転速度の
変動を安定性良くすると共に燃費を向上させること、（
ｉｖ）特開昭５８−１４４６５９号公報から、＃素濃度
富化装置を備えたエンノンにおいて、ａ！膏リッチ空気
と通常の空気とを運松状態に応じて切り換えて燃焼室へ
供給する際、切り換え時の作動速度を緩慢に制御する制
御装置を備え、クリ換えシ１フクを低減することなどは
、公知となっているところである。

しかしながら、これらの各公報の記載から見ても分かる
ように、従来、エンノン、特に、ディーゼル機関におい
て、吸気の酸素濃度を富化させることは、必ずしも、新
規な技術では無いが、その目的ないしは効果とするとこ
ろは、エンノン出力や、その燃焼効率の向上などにあり
、後記する本発明が解決しようとしでいるディーゼル機
関の微粒子状排出物質の低減については、何らの記載も
、知見も無いところである。

なお、最近、ディーゼル１９！閏の微粒子状排出物質を
低減するために、トラップや、７７タバーナなどの使用
も提案されているが、これらには、まだ、使用上や、保
守上の問題などのために、実用されるには至っていない
のが実状である。

が　　しよ゛と　る　　。

そこで、本発明は、ディーゼル機関、待に、直播噴射式
ディーゼルＩｆＩＡＩ＄ｌにおける間Ｍｉ、の内、主と
して、排気中に含まれる微粒子状排出物質の新規な低減
方法を得ることを、その目的とするものである。

るための本発明は、この目的を達成するために、ディーゼル機関
、待に、ｉ！［接噴射式ディーゼル機関の吸気に酸素を
加えることを特徴とするものである。なお、この場合、
吸気酸素濃度としては、２１％以上、好適には、約２３
〜３０％が望ましい。

ここで、本発明方法の原理を説明すると、次のとおりで
ある。

既に、ディーゼル機関のディーゼル火炎における炭素状
微粒子の生成が、燃焼過程の比較的初期の段階で急速に
行なわれ、火炎温度が低下するまで急速に酸化が進み、
その後、酸化はほとんど進まず、その残余が炭素を主と
した微粒子として排出されることが知られている。

この所見に基づいて、本発明は、吸気の中に酸素を加え
ることにより、（１）着火遅れを短縮すること（２）噴射時期を遅延させること（３）着火時の噴霧を小さくシ、予混合的燃焼に関与す
る混合領域も小さくシ、従って、予混合的燃焼である初
期燃焼が少ないこと（４）　ＮＯｘの発生がほとんど予混合的燃焼時に起こ
り、　ＮＯｘの発生も、温度上昇の割りには多くならな
（５）初期燃焼中に発生するＲ素状微粒子も、初期燃焼
が少ないのと、酸素濃度を大きくすることとにより、そ
の発生量が少なく、更に、発生後の酸化も促進され、特
に、負荷が高い時には初期温度が高いので、この効果が
大きいこと（６）主燃焼、特に、後燃え時に発生する炭素状微粒子
は、酸素濃度を大きくすることにより、発生が即刻され
ること（７）低負荷時に発生するＳＯＦも、酸素濃度を大さく
することにより、酸化が促進され、減少することができ
ることが期待されることがでさるという予測の下に完成された
ものであり、これらのことが、本発明により実現される
ことができることは、以下に説明する実験結果から見て
も、明らかなところである。

Ｕ九本発明は、上記のようなＩＲ埋に基づき且つ上記のよう
な特徴を有するものであるが、以下に、本発明をその実
施例について、その実験結果などを示すまず、本発明方
法の有効性を確認するために、第１図に示すような測定
装置を使用して実験を行つたが、同図において、ｌとし
て現しであるディーゼルｍＩ＄Ｉｌｉとしては、表に示
す主！諸元を有する供試Ｉｌｌ閏を使用し、この機関１
にボンベ２から異なった量の酸素を吸気の中に供給する
ようにして実験を灯りた。この場合、ｔｆｉｆ［１から
の排気は、希釈トンネル３に導き、ｊｆスサンプラ−４
により採取し、各種のデータを集めた。殊に、本発明の
要旨である微粒子状排出物質の量を測定するために、微
粒子ブローベ５をトンネル３の中心線の上にＩｌｌその
開口部をトンネル３内にその中心線の上において開口し
ている排気入り口６に向き合うように設けて採取した。

また、第１図において、７は、トンネル３の入り口に設
けられた空気フィルタを示すものである。

１、型式　　　　　４サイクル水平デイ一ゼル機関２、
シリング個数　　　１３、内径Ｘ行程（■−）　　１０２Ｘ　１０６４、排気
：ｌ（＋）　　　　　０．８６６５、圧縮比　　　　　
１６．７６、定格連続出力　　１１．Ｏｋｌ’ｔ／　２＊４００
ｒｐ鰺フ、燃焼方式　　　　直接噴射式８、噴射ノズル　　　４孔／　０，３ｍｍ９、噴射時期
　　　　可変１０、噴射ポンプ　　　ボッシュ型式また、機関の運転条件は、回転数Ｎを２，４００ｒｐｍ
、機関冷却水温度Ｔｅａを８０°Ｃとし、負荷りと、噴
射時期　θｉｎｊなどをバラ／−タとして実験を行９た
。なお、吸気の酸素濃度は、吸気管の途中の設けたノズ
ルを経てボンベ２から加圧酸素を供給し、所定の測定値
にｌ１１＋５した。

次に、実験結果に付いて説明する。

供試ＷＩＨの標準動的燃料噴射時期は、θ１ｎｊ＝１８
゜ＢＴＤＣであるが、Ｒ素を加えた場合の効果を想定し
、噴射時期を遅らせ、θ１ｎｊ＝１０”の場合について
実験を行った。

１−１９Ｌ１０°で　　　　　させた　Ａａｍ回転速度
Ｎ＝２１４００ｒｐｍ、噴射時期　θ１ｎｊ＝１０°Ｂ
ＴＤＣで、負荷りを変化させた場合の排気特性を、吸気
酸素濃度Ｃｏ＝２１．２５．２９％の各場合について現
した線図をｔｌｆＩｚ図に示しである。

この＃１図から分かるように、測定された微粒子質量濃
度ＰＥは、空気酸素濃度Ｃｏが２１％（空気）の場合、
負荷Ｌ＝３／４付近で最小を示いている。すなわち、高
負荷側での増加が者しいが、低負荷側でも増加している
。

なお、ポラン二式スモーク゛メータによる煙り濃度は、
高負荷側だけにおいて高い値を示し、低負荷側において
は検出されていない、低負荷側で未燃焼炭化水素ＨＣが
：ａｍに増加していることから、排出微粒子質量濃度Ｐ
Ｅが低負荷側で増加する原因は、捕集された微粒子中に
高分子量・高沸点の未燃焼炭化水素を主体とする成分（
いわゆる、５ＯＦ）が増加しているためと思われる。

負荷　Ｌ　＝　４　／４においては、吸気酸１！濃度Ｃ
。

を２１．２５．２９％と増加すると、排出微粒子質を濃
度ＰＥが、それぞれ、８５５，１６９．２２　ｍｇ／−
コと大幅に減少している。

未燃焼炭化水素ＨＣの４＃ａ量は、ｆｌ素濃度の増加に
伴い、負荷りの全域にわたり減少し、特に、低負荷での
減少が者しいことが分かる。

窒素酸化物ＮＯｘは、明らかに負荷りの全域に渡り増加
している。このＮＯｘの増加は、酸素分圧の増加が原因
であるものと考えられる。

燃料消費率ｂｅも、酸素濃度を高めると向上する。

待に、高負荷側において燃費向上が見られるところであ
る。

なお、排気温度Ｔｅｘは、吸気ａ２素濃度が変化しても
変わらず、負荷りの増加と共に増加する。

次に、第３図は、第２図の結果を、槙紬に吸気酸素濃度
Ｃｏを取り、負荷りをパラメータとして現した線図であ
る。上記のように、高負荷時の排出微粒子質量濃度ＰＥ
は、吸気酸素濃度Ｃｏを増すと低下することが分かる。

特に、酸素濃度が２３から　２５％にかけて排出微粒子
質量濃度ＰＥの減少が着しい。

窒素酸化物ＮＯｘは、少量の酸素富化に対して減少の傾
向が見られるが、２５％以上では、酸素濃度に伴って増
加する。従って、わずかにＰＲ素分圧を高めることによ
り、比較的にＮＯｘを増大させることなく、微粒子濃度
を大幅に低減させることができるもことも分かるところ
である。

空気だけでの運転で、低負荷時に排出量が多い未燃焼炭
化水素ＨＣは、酸素濃度を高めることによ〜り減少することは、明らかなところである。

１−２　　　　　　　　との更に、供試機関の標準噴射時期　θ１ｈｊ＝　１６゜Ｂ
ＴＤＣの場合の排気特性を第４図に示しである。この線
図には、この結果と、Ｗｌｌ素化の効果を考慮して噴射
時期を遅らせた　θ１ｎｊ＝１０’　ＢＴＤＣの場合を
示す第２図とを比較しである。この図から分かるように
、空気だけによりで運転した場合（第２図参照）、噴射
時期　θｉｎｊ　を速めると、第２図に示したθ１ｎｊ
＝　１０’　ＢＴＤＣの場合に比べ、高負荷及び低負荷
の排出微粒子質量濃度ＰＥが低い、低負荷で微粒子濃度
が低下するのは、微粒子中の高沸２α・商分子の未燃焼
炭化水素成分が減少することによるものと思われる。高
負荷時の煙り濃度の減少は、排出微粒子質量濃度ＰＥの
低下に対応している。窒素酸化物ＮＯｘの排出傾向は変
わらないが、わずかに高い。

このように、空気で運転する限り、この供試機関は、噴
射時期　θ１ｎｊ＝１６°ＢＴＤＣで一応臭くマツチン
グしていることを確認することかでトだ。

この噴射時期　θ１ｎｊ＝　１６°ＢＴＤＣと、θ１ｎ
ｊ＝１０°ＢＴＤＣとを比較すると、吸気酸素濃度Ｃｏ
を高めることによる効果は、θ１ｎｊ＝７°ＢＴＤＣの
場合と傾向としては同様である。しかし、有害排出物質
の低減に対する酸素富化の寄与率は悪い、すなわち、酸
素濃度を増加させた場合の排出微粒子質量濃度ＰＨの減
少が少なく、また、窒１［１化物ＮＯｘの増加が顕著で
ある。

機関のｍ焼状態と、微粒子の排出特性との閏の関係を考
察するために、指圧線図を取り、その解析を打った。熱
発生率は、２５６サイクル分のアンサンプル平均による
指圧線図を元に算出した。

ｍ焼初期において、炭素状微粒子及びその前物質の生成
が予測され、また、初期燃焼（予混合的燃焼）が、次の
主燃焼（拡散的燃焼）の初期条件を決定することとなる
ので、熱発生率の解析は、第５図に示すように、主とし
て、初期燃焼について行った。また、シリング内ブスが
理想気体の法則に従うものと仮定して、次に示す平均温
度を算出した。すなわち θｉｇ−θｉｎｊ：着大遅れ（ｄｅｇ）θｐｅ−θｉｇ
：着火から初期燃焼終了に至るまでの期間（ｄｅｇ）Ｑｐ：初期燃焼熱発生積算値（Ｊ）Ｑｔ：全積算熱発生ｔ（Ｊ）Ｑｐ／Ｑｔ　　　：初期燃焼割合Ｔｐ：着火から初期燃焼終了までのシリング内〃ス平均
温度（Ｋ）Ｔｄ：初期燃焼終了から排気弁が開くまでのシリング内
〃ス乎均温度（Ｋ）２−２Ｌ５ＬＬＬ次に、第６図に空気酸素濃度Ｃｏを変化させた場合の指
圧線図及Ｖ熱発生率経過の例を示しである。

この図は、噴射時期　θｉｎｊ”　１０°ＢＴＤＣで、
負荷Ｌ＝７７８の場合であるが、吸気酸素濃度ＣＯが増
すと、着火送れ　θｉｇ−θｉｎｊが短縮され、その結
果、初期燃焼（予混合的燃焼）のピーク（ｄＱ／ｄθ）
ｍｉｘが小さくなる。また、初期ａ＆焼による熱発生期
間θｐｅθｉｇが短縮し、熱発生ｊＬＱｐも減少する。

一方、主燃焼（拡散的燃焼）として残されている熱発生
量Ｑｄは、酸素を加えることにより増加するが、その時
間は短縮する。

また、微粒子排出特性の＃慮を加えるために、熱発生率
経過から求めたｍ焼状態を現す上記の諸特性値を第７図
に示しである。この図から分かるように、吸気酸素濃度
を増加すると、熱発生ｔ　ａｔに占める初期燃焼による
熱発生割合Ｑｐ／ＱＬが減少する。初期燃焼割合のシリ
ング内平均ブス温度ｉｐは、負荷りに対して、はとんど
変化しない、一方、主燃焼期間のシリング内平均〃ス温
度Ｔｄは、負荷りの増加につれて高くなる。しかしなが
ら、Ｔｐ、Ｔｄは共に吸気ＦＩｌ素濃度によって変化し
ない。

なお、ここで、第７図における横細　λ　は、次の式に
より定義される空気過剰率を現すものである。

λ；吸気中の酸素量／燃焼に必要な理論酸素量３、ＬＪ
Ｌ以上のことから、酸素富化により微粒子濃度が減少する
のは、要約すれば、次の２点によるものと考えることが
できる。すなわち初期燃焼の期間と熱発生割合とが減少し、初期燃焼中に
おける炭素微粒子の生成が減少すること主燃焼の期間で
の実質酸素過剰率が大きくなり、酸素分圧が高まること
により、炭素粒子の酸化速度が増加することなどである。

なお、上記には、本発明方法を実施するための装置につ
いては、特に説明をしていないが、その実施のためには
、例えば、ボンベに収容された高圧ないしは液化酸素か
らの供給や、半透膜を通して吸入空気を導入することに
より、吸気中の酸素量を増加させ、この酸素富化された
空気を、例えば、ターボチャージャを介してシリング内
に供給することなどが考えられるところである。

上記のように本発明によると、（１）吸気酸素濃度を高めることにより、高負荷時に排
出される微粒子状排出物質と、低負荷時に排出される未
燃焼炭化水素とを同時に低減することができること（２）高負荷時における炭素状微粒子の低減効果は、吸
気酸素濃度を高めることにより、同一負荷における空気
過剰率が増加することによること（３）少量の酸素富化
は、窒素酸化物の排出量を増加させないが、大幅の酸素
富化は、窒素酸化物の増加をもたらすこと（４）これらの効果は、噴射時間が遅れ側にある時に着
しいことなどを実現することのできることが分かる。

旦ｑ！シ肱退工以上ように、本発明方法により、ディーゼル１ｆｉ閏の
吸気の中に酸素を加えると、微粒子状排出物質の減少に
看しく効果のあることが分かるが、この酸素濃度の増加
による微粒子状排出物質の低減に対する効果は、ディー
ゼル機関の運転条件により多少異なるが、低負荷時及び
高負荷時における微粒子低減効果は着しく、特に、高負
荷においては、微量の酸素の補給により、窒素酸化物を
大幅に増やすこと無く、微粒子の低減を図ることができ
るという優れた効果を発揮することがでさるものである
。従って、微粒子状排出物質及び未燃炭化水素の低減に
は、それらの排出量の多い高負荷側及び低負荷側の運軟
時に、酸素濃度を増して運転をする方式が有利であると
いうことが、一応考えられるところである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法の有効性を実験するための排気測
定装置の概略を示す図、第２図は、本発明の実験結果と
して、各排気成分の排出特性と、負荷との開の関係を示
す線図、第３図は、同じく、吸気酸素濃度のｉｖを示す
線図、第４図は、同じく、各排気成分の排出特性を示す
線図、第５図は、熱発生率解析名のための説明図、第６ｒｊＪは、指圧Ｒ尋人１熱発生率
経過の測定の例を示す図、ｉ＠７図は、燃焼状態の解析
結果を示す線図である。１・・・ディーゼル８！開、２・・・酸素容器、３・・
・希釈トンネル、４・・・ブスサンプラ、５・・・粒子
プローベ、６・・・排気入り口、７・・・空気フィルタ
。

Claims

【特許請求の範囲】

１．ディーゼル機関の微粒子状排出物質の低減を図るた
めに、その吸気の中に酸素を加えることを特徴とする方
法。
２．酸素濃度を、２１％以上に選択する特許請求の範囲
第１項記載の方法。
３．酸素濃度を、ほぼ２３〜３０％に選択する特許請求
の範囲第２項記載の方法。
４．酸素濃度を、高負荷側及び低負荷側の運転時におい
て増加する特許請求の範囲第１，２又は３項記載の方法
。