JPH04200723A - ディーゼルエンジンにおける排気ガス処理装置 - 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】 ［発明の目的１ （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
。

（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Ｃｏ　　（二
酸化炭Ｔ！、）と、Ｈ２Ｏ（水）および窒素（Ｎ）であ
る。たたし、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ＮＯｘ　（窒素酸化物）が生成されてしま
う。

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。

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ＨＣを酸化させ
るとともに、ＮＯｘ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、Ｃ
ＯとＨＣおよびＮＯｘの成分が同時に浄化され、高い浄
化率が得られる。

（発明が解決しようとする課Ｍ） 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。

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、Ｃ””　Ｃ３などの成分
と０８以上の燃料成分が僅かにあり、濃度としては比較
的低い。たたし、ＮＯｘは濃度として２００ｐｐｍを越
えることか多く、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、酸素過剰か著しいところから、ＮＯｘ濃度か高い
値になる傾向にある。

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、ＮＯｘ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
効果か得られない。従来から、ディーゼルエンジンにお
けるＮＯｘ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。

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、ＮＯｘを効率よく分解
して低減を図り、併せて、黒煙の外部排出を抑制するデ
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。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段および作用）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にＨＣ（炭化水素
）を供給する手段を設け、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。

ＨＣを吸気系に供給することによって、このＨＣは燃焼
室に直接供給される燃料とは別の燃焼過程をなし、燃焼
室内で触媒コンバータの活性化に効果の高い不飽和炭化
水素が生成される。そして、上記触媒コンバータは、上
記不飽和炭化水素を還元剤としてより活性化するところ
となり、ＮＯｘをＮ２とＯっとに分解し、ＮＯｘに対す
る低減触媒作用をなす。また、ＨＣを吸気系に供給する
ことによって、主燃料噴射ノズルからの燃料が噴射され
る前に、予め燃焼室内でＨＣを燃焼させ、そこにも燃料
が供給されて着火するため、燃焼が促進されて排気ガス
中の黒煙か減少するところとなり、これによって触媒コ
ンバータが黒煙に被毒されるのが防止され、触媒コンバ
ータの分解効果が維持される。

（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。

第１図において、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に連通ずるＨＣ供
給管９が接続される。

上記霧化装置６は、第２図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１２を開放する。この噴射孔１２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１３が連設
されていて、噴射孔１２が開放すれば、ＨＣかそのまま
吐出される。

再び第１図に示すように、上記霧化装置６には、ＨＣ溜
り部８からポンプ７を介してＩＣが圧送されるところか
ら、上記噴射孔１２を開放することにより、ここからＨ
Ｃ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。

上記エンジン本体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
コンバーター８が設けられる。

上記触媒コンバーター８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、たとえば銅系ゼオ
ライト触媒（Ｃｕ　／　Ｚ　Ｓ　Ｍ　−５）を採用する
と最適であり、これをベ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、Ｈ
Ｃ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ＨＯとＣＯ２に分解できる。

なお、Ｅ記ゼオライト系触媒は、第３図に示すような触
媒活性域を有する。図の横軸は、ＨＣ／Ｎｏ工の体積比
であるモル比で表し、縦軸は排気ガスの温度である。Ｔ
Ｌは上記触媒の活性下限温度であって、ＴＬ以下の温度
では触媒はその作用をなさず、ＴＬから所定の高い温度
の範囲で有効な触媒作用をなす。しかも、触媒活性域は
ＨＣ／ＮＯＸが１以上ある場合に限られる。Ａ曲線はエ
ンジン回転数が低速度、８曲線は中速度、Ｃ曲線は高速
度で、それぞれ一定の回転速度とし、かつそれぞれの回
転速度における負荷を変化させたときの、排気温度とＨ
Ｃ／ＮＯｘに対する特性変化である。

図から明らかなように、低、中、高速度のいずれのエン
ジン回転速度であっても、排気温度が１０以上の温度範
囲では、はとんどＨｃ／Ｎｏｘが１より小さ（で、上記
触媒の活性域に入らない（わずかに、高回転速度Ａの一
部は含まれているが）。また、ＨＣ／ＮｏＸが１よりも
大きい範囲では、排気温度がＴＬ以下になっていて、触
媒活性域に入らない。

再び第１図に示すように、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２ｏ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、ＥＣ
Ｕ２Ｂ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か設けられ、上記ＥＣＵ２Ｂ
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温度を検出する温度センサ２５が設
けられ、上記ＥＣＵ２Ｂと電気的に接続さレル。このＥ
ＣＵ２３は、上記回転数・クランク角センサ２４からの
信号を受けて、吸気弁４が開弁時期になるタイミングを
算出し、この時期に上記霧化装置６に弁開放時の指示信
号を送るよう制御する。

また、上記ＥＣＵ２３は、上記負荷センサ２２、回転数
・クランク角センサ２４および温度センサ２５からの信
号によって、触媒コンバータ１８が上記触媒の活性域に
入るようなＨＣのｆｆｌ咎算比算出上記霧化装＠６に弁
開放時間の指示信号を送るよう指示する。

すなわち、温度センサ２５からの信号によって排気時間
がＴＬ以上にな４た場合、負荷センサ２２と回転数・ク
ランク角センサ２４からの信号によって負荷とエンジン
回転数とを基に予め記録されたＮｏ工濃度の実験データ
を読みだし、同Ｎｏ　　のモル数からＨＣ／ＮＯＸが１
より大きくなるようにＨＣのモル数を算出して、霧化装
置６の弁開放時間を設定する。

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。

上記エンジン本体１の作用は、全く変わらない。

すなわち、吸気弁４か吸気ポート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。

上記排気ガス処理装置Ｓを構成する霧化装置６は、ＥＣ
Ｕ２Ｂ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。なお、
上記主燃料噴射ノズル２０からの燃料の供給量と、上記
霧化装置６から供給されるＨＣの供給量との総量は、従
来の霧化装置を備えていない一般のディーゼルエンジン
における燃料供給量と同一でよい。

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ＨＣが生成され
る。そしてさらに、上記霧化装置６からＩＣ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。

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、 ＣＩＩ　Ｈ２（ｎ　、　２　）　　　　　　十　　　ｍ
　／　２０２であるが、これが変化して、 Ｃｎ　Ｎ２　　（ｎ＋２−ｍ）　　　　＋　”Ｎ２０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。

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１
８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。したかって、Ｎ
ＯをＮ２とＯとにより効率よく分解して、ＮＯ工を低減
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ＨＯとＣＯ２とに効率よく分解する。

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ー８が黒煙によって被毒さ
れるのが防止され、触媒コンバーター８の分解効果が維
持される。

なお上記実施例においては、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。この場合も、霧化装置６か
ら供給される燃料油と上記主燃料噴射ノズル２０から供
給される燃料油との総量は変らないから、ディーゼルエ
ンジンの燃費に悪影響を及ぼすことがない。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、吸気系の中途部に
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
コンバータを備えたから、簡単な構成で、確実にＮＯｘ
を低減し、併せて黒煙の低減を図ることができ、浄化機
能の信頼性向上を得られるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図はディーゼルエ
ンジンにおける排気ガス処理装置の概略構成図、第２図
は霧化装置の縦断面図、第３図は触媒の特性図である。 ２・・・燃焼室、３・・・吸気系、６・・・霧化装置、
１７・・・排気ガス通路、１８・・・触媒コンバータ。 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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
   気系の中途部に設けられＨＣ（炭化水素）を供給する手
   段と、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。