JPS5844858B2 - ガソリンエンジン ノ ハイキガスジヨウカソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 近年自動車の急激な増加に伴い、自動車の排気ガスによ
る大気汚染の問題が国内、国外を問わず大きな社会問題
として取りあげられている。

周知のようにガソリンエンジンの排気ガス中には不完全
燃焼にもとづく一酸化炭素（ＣＯ）、炭酸水素（ＨＣ）
、および空気中の酸素（０２）と窒素（Ｎ２）の熱解離
にもとづく窒素酸化物（ＮＯｘ ）が含まれている。

そして、これらの有害成分が大気に放出されると光化学
反応によるスモッグの形成、人間の目に対する刺激など
の感作用をもたらし、社会環境衛生上、上記排気ガス濃
度は厳しく規制されつつある。

規制値が厳しくなるに伴い、種々の浄化装置が開発され
ているが、それらを大別すると（１）燃料供給装置の改
良、（２）エンジンの完全燃焼をはかるための点火系お
よび燃焼室の改善、（３）排気後処理による有害ガスの
無害化が上げられる。

そして、（１）の燃料供給装置の改良に関しては、気化
器の改良、コンピュータ制御のガソリン噴射装置、吸入
空気温度制御装置、複式加熱吸気管などの採用により年
々排気濃度は低減している。

また、（２）に関しては、燃焼室のクエンチ域の減少、
点火時期遅延による排気ガス温度の増大、吸気弁制御に
よる混合気孔れの増大、バルブオーバラップの縮小によ
る残留ガスの低減、低圧縮化、排気還流による燃焼温度
の制御などの方策がとられている。

また（３）に関しては空気噴射による再燃焼リアクタ、
点火プラグを具備したアフタバーナ、および各種の酸化
、還元触媒コンバータ、微粒子をとらえるサイクロンな
どが開発されている。

実際には上記の方策を種々組み合わせなげれば排気濃度
を大巾に低減することは困難である。

ここにＣＯおよびＨＣは燃焼温度を高め完全燃焼に近づ
けることによって低減される。

すなわち混合気の空燃比を理論混合比以上にすると酸素
が過剰になりＣＯは０．２％以下になる。

またＨＣも理論混合比以上に混合気を薄めると燃焼室壁
面などのクエンチ域に残留するＨＣのみとなり、排気行
程および排気管の途中でＨＣを約１０００℃程度に加熱
して再燃焼させればほとんど無害化することができる。

クエンチ域の少ない燃焼室、点火時期遅延による排気ガ
ス温度の増大、空気噴射による再燃焼リアクタなどを適
宜組み合わせることによってＣｏ、ＨＣの低減はすでに
ある程度まで遠戚されている。

ＣＯ，ＨＣの低減に関してはさらに燃料供給装置を改良
し、エンジンにおける混合気の分配、加減速時に際する
混合気の正確な制御と動特性を改善すれは実用性を有す
る上記浄化装置の組み合わせでＣＯｌおよびＨＣの低減
を遠戚することは比較的容易である。

しかるにＮＯｘは０２とＮ２の熱解離によって発生する
ものであり、その発生は燃焼ガスの温度が１６００°Ｃ
以上から顕著になり、温度が高くなるとＮＯｘ濃度は急
激に増大する。

ガソリンエンジンにおいては燃焼ガス温度が約３０００
℃に達する時もあり、ＮＯｘは４０００ｐｐｍ程度にな
る。

ここにＮＯｘを低減するためには燃焼温度を低下させる
か、混合気を濃くして酸素不足の状態で燃焼させる必要
がある。

単純には点火時期を遅らせて上死点後の膨張行程におい
て燃焼させれば定容燃焼からずれ定圧燃焼に近くなるの
で温度上昇を抑止し、ＮＯｘの発生を低減することがで
きる。

しかしエンジンのシリンダ容積はかぎられているので点
火時期をおくらせるほど膨張行程の終期まで燃焼が継続
し、燃焼エネルギーのうち有効に出力として利用される
エネルギーが低下してしまう。

したがってみかげ上ＮＯｘ濃度は低下するが出力も低下
するので同一車速を維持するためには多量の燃料を必要
とし、大気に放出されるＮＯｘの重量は大差ない結果に
なる。

また燃焼温度を低下させるため混合気を排気ガスで希釈
することも考えられる。

混合気中の単位体積あたりの燃料の量を一定にした場合
、不活性のガスの割合が大きくなるほど酸素が少なくな
り、燃焼にあづかる燃料の量が多くなる結果燃焼温度が
低下する。

また混合気中の単位体積あたりの空燃比を一定にした場
合は不活性ガスの割合が大きくなるほど熱容量が増大し
燃焼温度が低下する。

したがって排気ガスの還流量を増加すれば燃焼温度が低
下しＮＯｘ の発生を低減することができる。

このように排気還流装置はＮＯｘの低減に対して最も有
効な手段の一つであるが、ＮＯｘ を大巾に低減するた
めには吸気量の３０％程度の排気ガスを還流する必要が
あり、このような多量の排気ガスを還流すると混合気の
着火がきわめて困難になる。

これを補うため点火エネルギの増大をはかり、従来の２
０〜４０ミリジユールを１００〜５００ミリジユールま
で高めて着火の安定をはかることも考えられているが、
点火エネルギの増大のみで燃焼室全域の焼室の安定化を
はかることは困難である。

また排気ガスを多量に還流した場合混合気を過濃によれ
ば着火の安定性を増すことは可能であるが、このような
過濃混合気を使用した場合にはＣｏ、ＨＣが急激に増大
し、再燃焼時の温度が１０００℃を大巾に越え、リアク
タ、あるいは触媒コンバータの耐久性を著しく阻害する
結果を招く欠点がある。

したがって排気還流装置によるＮＯｘの低減にも限界が
あり、従来のエンジンにおいてはＮＯｘの低減に対して
さらに還元触媒が必要となる。

還元触媒は通常Ｃ０１ＨＣなどによってＮＯｘの酸素を
還元するものであるが、還元触媒を有効に作動させるに
は上記還元用のＣＯ，ＨＣまたは触媒によって０２濃度
を厳しく制御する必要がある。

しかるに従来の気化器ではエンジンの過渡運転時におけ
る空燃比を正確に制御することはきわめて困難であり、
化学プラントなどのようによく制御された条件下におけ
る還元触媒と比較して、エンジンのように温度、混合比
、排気量などが時々刻刻変化する状態における還元触媒
の作用はきわめて不確実なものとなる。

以上述べたごとく、従来の装置を単に組み合わせただけ
ではＣｏ、ＨＣおよびＮＯｘの濃度を大巾に低減するこ
とは困難であり、実用性のある無公害エンジンは現時点
ではまだ遠戚されていない。

本発明の目的は、燃料の経済性をそこなうことなく、Ｃ
Ｏ，ＨＣおよびＮＯｘ の排出を大巾に少なくしたガソ
リンエンジンの排気ガス浄化装置を提供するにある。

特に希薄混合気で完全燃焼しかつ充分な出力を得られる
ような混合気の供給手段、点火手段、排気還流手段、お
よび再燃焼手段を具備するエンジンの排気ガス浄化装置
を提供するにある。

本発明の特徴は、混合気の空燃比が２０〜２８になるよ
うな混合気を燃料供給装置から供給すると共にこの混合
気を気化装置によって均質、均一化し、更に排気還流通
路から供給される排気ガス量を絞弁の開度および還流制
御弁の上流の圧力に依存して制御し、かつ、各シリンダ
に多数個の点火プラグを装着し、燃焼室の多数個所から
着火することにより着火の安定および燃焼継続時間の短
縮をはかり、希薄混合気での完全燃焼および出力、熱効
率の増大を遠戚して、エンジンから放出されるＣ０１Ｈ
ＣおよびＮＯｘを大巾に低減し、さらにエンジンから放
出される微量のＨＣ，ＣＯをリアクタで無害化させ消音
器を介して大気に放出するようにしたものである。

以下本発明の一実施例を図面によって詳細に説明する。

第１図において、１はエンジン、２は点火プラグ、３は
吸気管、４は排気管、５は気化装置、６はリアクタ、７
は点火装置、８はバッテリ、９は排気還流装置、１０は
消音器、１１はエアクリーナである。

１２は気化器で気化装置５の通路１３に接続されている
。

リアクタ６は排気管４の途中に取り付けられ、またリア
クタ６には加熱用バーナ１４が設置されている。

気化器１２の入口はエアクリーナ１１のフィルタエレメ
ントの下流に接続される。

気化器１２の出口は気化装置５に連通しており、気化器
１２の混合気は吸気管３を通ってエンジン１に供給され
るように構成されている。

ここで、リアクタ６で発生する熱は気化装置５に伝えら
れ、気化器１２より供給された燃料と空気の混合気を加
熱し、混合気を均質、均一化している。

そして、排気還流装置９は第２図に示す構成となってい
る。

排気管４内の排気ガスの一部を排気還流管１５を通して
サイクロン１６に導き排気中のごみを除去してから、排
気ガスを還流量制御弁１７に供給し、排気還流管１８か
ら気化装置５内に排気ガスの一部を供給する。

排気還流量は第３図に示したように本発明においては負
荷に応じて排気還流率（排気還流量／吸入空気量）が０
曲線のように制御することが望ましい。

この理由は、スロットルバルブ１９の開度が比較的小さ
い場合負荷が小さいのでＮＯｘの発生が少なく、またス
ロットルバルブ１９の開度が大きいと出力が要求される
からであり、そしてこの間の領域で自動車が最も多く運
転されるので、この領域で排気ガスの還流を多くしてや
ればＮＯｘ を合理的に低減できるからである。

還流量制御弁１７は第２図に示したようなポペット弁か
、あるいはバタフライ弁など任意のものでよいが、この
弁のリフトは気化器１２のスロットルバルブ１９と連動
して変化することができる。

スロットルパル７”１９のレバー２０、ロッド２１、レ
バー２２、ロッド２３の組み合わせにより、気化器１２
のスロットルバルブ１９が開くと還流量制御弁１７のリ
フトが増大するようになっている。

ここに気化器１２のスロットルバルブ１９と還流量制御
弁１７の関係は高負荷になる程遠流量制御弁１７の開度
が小さくなるようにリンク機構が決められている。

すなわち、スロットルバルブ１９が全開になる途中で還
流量制御弁１７の開度が大きくなり、スロットルバルブ
１９が全開になると還流量制御弁１７の開度を小さくす
るリンク機構は例えば第２図において、レバー２０、ロ
ッド２１およびレバー２２の関係をスロットルバルブ１
９が全開になる途中でロッド２３を最大リフトまで変化
させ、スロットルバルブ１９が全開になるとロッド２３
のリフトを小さくするようなリンク機構を採用すれば良
い。

このようなリンク機構はクランク、カム機構として良く
知られているものである。

したがってスロットルバルブ１９の開度が大きくなると
、還流量制御弁１７のリフトを減するようにリンク機構
を構成してやれば、第３図に示した０曲線のような特性
を得ることができる。

また、還流制御弁１７のリフトが一定であっても排気ガ
ス還流量は還流量制御弁１７上流の排圧によっても変化
するのでこの補償装置が必要である。

このため、還流量制御弁１７の入口の圧力の変化による
排気還流率の変動を防止するため、ロッド２３の途中に
ベロー２４を設置し、たわみ管２５によって還流量制御
弁１１０入口の排気圧力をベロー２４に導き、排気圧力
が高くなるに応じてベローが膨張し、還流量制御弁１７
のリフトを減じ、還流率の変動を抑止することができる
。

なぜなら、排気ガス還流量は基本的に還流制御弁１７の
開度および還流量制御弁１７の上下流の圧力差によって
定めるが、排圧の変化によってこの排気ガス還流量が変
動する場合があるからである。

例えば、絞弁１９の開度が一定、吸気圧力が一定の場合
、すなわち吸入空気量が一定の運転条件を考えると、還
流量制御弁１７の開度も一定で吸気圧力も一定のため排
気ガス還流量は排圧によって決められるが、ベロー２４
がない場合排気系の抵抗が大きくなると排圧が上昇し排
気ガス還流量が増大する問題がある。

ここで、排気系の抵抗は排気系に設けた消音器１０や排
気管路の油煙の付着による経年的な抵抗増加によって発
生する。

したがって、この場合空気流量が一定であるので排気ガ
スの還流率が増大し燃焼が不安定になる問題がある。

これに対し本発明の場合、ベロー２４によって排圧の変
化の補償を行うようにしているため排気ガスの還流率が
不必要に増大せず燃焼を不安化するということが防止で
きるものである。

特に稀薄混合気を用いた場合には排気ガスの還流量の変
動による燃焼の不安定化は致命的であり、この点から排
圧による還流量制御弁１７の補償は効果的である。

サラにベロー２６によって、ロッド２１を駆動し、温度
が低（・ときはベロー２６が収縮し、レバー２２の支点
を変化することによって、還流量制御弁１７のリフトを
小さくし、第３図のび曲線に示したような値に還流率を
設定することができる。

一般にエンジンの温度が低い状態では窒素酸化物の発生
が小さく還流率を小さくすることは問題なＬ゛。

以上のような横取において、気化器１２から供給された
燃料は気化装置５により加熱され、気化装置５内で空燃
比２０〜２８付近の混合気が均質、均一化される。

ここで空燃比２０〜２８付近の混合気を使用する理由は
次の通りである。

すなわち、ＮＯｘの発生量は空燃比１６〜１７をピーク
にして混合気が濃くなる場合と薄くなる場合で減少する
ものである。

そして燃料消費量の関係から使用する混合気は薄い方が
有利である。

一方、混合気が薄くても空燃比１８〜１９付近では依然
として比較的ＮＯｘの発生量は大きく、空燃比２０以上
でＮＯｘ は大きく減少するようになっている。

したがって、空燃比２０以上の混合気を安定して燃焼し
てやれば、ＮＯｘおよびＨＣ，ＣＯを従来に比べ大きく
低減できるものである。

尚、あまり空燃比を大きくすると燃焼が不安定になる問
題があり、その限界は空燃比２８程度である。

そして、このような混合気を使用すれはＮＯｘおよびＨ
Ｃ，ＣＯはかなり低減されるが、更にＮＯｘおよびＨＣ
，Ｃｏを低減するには排気ガスの還流および排気ガスの
再燃焼を行うことが有利である。

このため、本発明では正確な排気ガスの還流を行うよう
に第２図に示すような装置で排気ガスの還流量制御を行
っている。

また排気ガスが第３図のような曲線に基づいて供給され
るため、最もＮＯｘ が発生しやすい領域で混合気中の
酸素量は減少しているので更にＮＯｘの発生を抑制する
ことができる。

次に、混合気はエンジンに供給されるが、混合気は２０
〜２８程度の薄いものであり、通常の点火プラグで着火
しても充分出力が得られない問題がある。

そこで２個の点火プラグ２を設置して点火エネルギを高
めて着火するため、混合気の燃焼速度は早くなり、希薄
混合気による出力低下を防止している。

このように希薄混合気を用いているためＣ０１ＨＣの発
生量は少なく、かつ排気ガスの還流による不活性ガスの
導入によってＮＯｘを低減し、更に２個の点火プラグに
よって着火することにより、混合気の燃焼速度を早め出
力低下を補償できるものである。

更に排気管には酸化用のリアクタ６が設けられているた
め、エンジンで燃焼できなかったＣ０１ＨＣを浄化する
ことが可能となるものである。

以上述べた通り、本発明はエンジンに供給される混合気
の空燃比を２０〜２８に制御してＮＯｘ、ＨＣ，ＣＯの
発生量自体を少なくすると共に、更にＮＯｘの発生しや
すい領域で排気ガスの還流量を正確に増大して混合気中
の酸素量を低減することによってＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを
低減できる最適雰囲気を作り、その結果に基づく出力低
下を複数の点火プラグによって着火することで防止し、
更にリアクタでＨＣ，Ｃｏを減少するようにしたので、
排気ガスの有効な低減と出力の低下を防止できるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になるガソリンエンジンの排気ガス浄化
装置の構成図、第２図は排気還流装置の構成図、第３図
は排気還流特性図である。 １・・・・・・エンジン、２・・・・・・点火プラグ、
５・・・・・・気化装置、６・・・・・・リアクタ、９
・・・・・・排気還流装置、１２・・・・・・気化器、
１５・・・・・・排気還流管、１７・・・・・・還流制
御弁、１９・・・・・・スロットルバルブ、２４・・・
・・・ベローズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 通常の運転状態でエンジン燃焼室内の空燃比が空燃
   比２０〜２８付近である混合気を供給する燃料供給装置
   と、前記燃料供給装置の後流に接続され吸入混合気を加
   熱する気化装置と、各エンジン燃焼室毎に複数個設置さ
   れた点火プラグを有する点火装置と、排気管の途中に形
   成された酸化反応装置と、前記酸化反応装置下流の前記
   排気管に設けた消音器と、前記酸化反応装置と前記消音
   器の間の前記排気管と前記燃料供給装置に設けた絞弁の
   下流とを連通ずる排気還流装置と、前記排気還流通路の
   途中に設げられ前記絞弁の開度に依存して前記排気還流
   通路を流れる排気ガスを制御する還流制御弁と、前記還
   流制御弁の上流の圧力が高くなる程前記絞弁の開度に依
   存して決められた前記還流制御弁の開度を小さくするよ
   うに補償する排圧補償手段とよりなるガソリンエンジン
   の排気ガス浄化装置。