JP2005207289A

JP2005207289A - ディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式

Info

Publication number: JP2005207289A
Application number: JP2004013747A
Authority: JP
Inventors: Haruyuki Yokota; 治之横田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2005-08-04
Also published as: US20060248881A1; WO2005071235A1

Abstract

【課題】噴射燃料の排気管内壁への付着を防止し、排ガス浄化触媒の還元再生を充分に行うと共に、燃費を著しく改善する。
【解決手段】ディーゼルエンジン（１）の排気管（１０）内に燃料噴射ノズル（２０）を備え、この燃料噴射ノズルから燃料を噴射して排気管内に配設された排ガス浄化触媒（１１）の還元再生を行なうディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式において、燃料噴射ノズルは、複数個から成ると共に噴射軸線（２０ａ）が相互に交差するように配設される。複数個の燃料噴射ノズルは、排気管の周方向に略等間隔に配設され、また、噴射軸線が略１点で交差することが望ましい。燃料噴射ノズルは、１個又は２個の噴射孔を有するホール型燃料噴射ノズル又はスリット型燃料噴射ノズルから成ることが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガスの後処理装置として、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒、ＤＰＮＲ等の還元再生型触媒を備えたディーゼルエンジンに使用されて好適な、ディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式に関する。

近年、ディーゼルエンジンの排ガス中のパティキュレートマター（以下、ＰＭという）やＮＯ_Xを低減させる方式として、様々なものが開発されている。ＰＭは、ＳＯＦ、黒煙、サルフェート＋結合水の３つの成分からなり、未燃燃料やオイルから成るＳＯＦや排ガス中のＨＣ、ＣＯは酸化触媒上で酸化浄化される。ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）は、ディーゼルエンジン車の低公害化の一方策として、大幅なＰＭ低減を可能とするものである。ＤＰＦは、ＰＭを高効率で捕集可能な耐熱フィルタと、フィルタに捕集されたＰＭを除去するためのフィルタ再生装置とから成り、フィルタ再生装置としては、捕集したＰＭを、例えば軽油バーナ等により焼却除去してフィルタを再生するもの等がある。

この一方、ディーゼルエンジンの排ガス組成は常に酸素過剰領域にあり、しかも還元剤となる成分が極めて少なく、温度領域も広範囲にわたるため、触媒にとっては非常に困難な環境にある。この酸素過剰環境下において、ＮＯ_Xを浄化する触媒の１つの方式として、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒がある。このＮＯ_X吸蔵還元型触媒は、ＮＯ_X低減率が極めて高く、ＮＯ_Xに非常に厳しい基準の適合を求める場合に、有力な選択肢の一つとなる。また、このＮＯ_X吸蔵還元型触媒と、上述のＤＰＦとを一体化したディーゼルパティキュレート−ＮＯ_Xリダクションシステム（以下、ＤＰＮＲという）もある。

上述のＮＯ_X吸蔵還元型触媒やＤＰＮＲは、ＮＯ_Xを吸着して形成されたＮＯ₃から再び酸素を奪い取り、これによりフィルタの再生処理を行なう必要がある。そして、このための１つの方式として、排気管内に燃料を添加して、ＨＣ、ＣＯ、ＣＯ₂又はＨ₂等を増加させる排気管燃料添加方式がある（例えば、特許文献１参照）。この排気管燃料添加方式は、例えば、エンジンのフィードポンプから加圧燃料を導き、排気管内の触媒上流側に取り付けられた１個の、図８及び図９に示すようなホール型燃料噴射ノズル５０、あるいは、図１０及び図１１に示すようなスリット型燃料噴射ノズル５１から燃料を噴射するものである。ホール型燃料噴射ノズル５０は、先端部に開けられた、例えば８個の円形の噴射孔５０ａから、またスリット型燃料噴射ノズル５１は、先端部に開けられた１個又は複数個のスリット状の噴射孔５１ａから、それぞれ燃料が噴射される。また、触媒の還元再生を充分に行うためには、排気管内における燃料蒸気濃度を瞬時に上昇させ、リッチ空燃比にする必要がある。
特開２０００−３５６１３７号公報（第８−１１頁、第６図）

しかしながら、上述した従来のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式は、１個のホール型燃料噴射ノズル５０やスリット型燃料噴射ノズル５１により排気管内に燃料を添加させる。このホール型燃料噴射ノズル５０は、先端部に開けられた、例えば８個の円形の噴射孔５０ａから、またスリット型燃料噴射ノズル５１は、先端部に開けられた１個又は複数のスリット状の噴射孔５１ａから、それぞれ燃料が噴射される。

このため、図１２に示すように、噴射燃料が排気管５２内において筋状となり、その多くが排気管５２の内壁５３に付着する。これにより、図１３に示すように、触媒に直接到達する燃料蒸気は半分程度になってしまう一方、排気管内壁に付着しそこで蒸発した燃料蒸気は、わずかな時間差ではあるが触媒に遅れて到達する。このため、従来のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式は、排気管内における燃料蒸気濃度を瞬時に上昇させることができず、触媒の還元再生を充分に行うことができないという問題がある。また、これに対応して、燃料蒸気濃度を触媒の還元再生に必要な濃度にまで上昇させるためには、多量の燃料を噴射しなければならず、燃費を悪化させるという問題が生じる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、噴射燃料の排気管内壁への付着を防止して、排気管内における燃料蒸気濃度を理論燃料蒸気濃度近くまで瞬時に上昇させ、これにより排ガス浄化触媒の還元再生を充分に行うことができると共に、燃費を著しく向上させることができるディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式を提供することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、ディーゼルエンジンの排気管内に燃料噴射ノズルを備え、この燃料噴射ノズルから燃料を噴射して排気管内に配設された排ガス浄化触媒の還元再生を行なうディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式において、燃料噴射ノズルは、複数の噴射ノズルから成ると共に噴射軸線が相互に交差するように配設されたことにある。ここで、噴射軸線とは、各ノズルの噴射方向を示す噴射の中心線である。

本手段によれば、燃料噴射ノズルは、噴射軸線が相互に交差するように配設された複数個の燃料噴射ノズルから成るから、各燃料噴射ノズルから噴射された燃料が相互に衝突及び混合して最適な霧化がなされ、噴射燃料が排気管の内壁に付着することが防止される。

複数個の燃料噴射ノズルは、排気管の周方向に略等間隔に配設されることが望ましい。複数個の燃料噴射ノズルを排気管の周方向に略等間隔に配設するにことにより、これらの燃料噴射ノズルから噴射された燃料の衝突及び混合が排気管内で一様に行われ、燃料蒸気が触媒へ均一に供給される。

複数個の燃料噴射ノズルは、噴射軸線が略１点で交差するように配設されることが望ましい。複数個の燃料噴射ノズルを、噴射軸線が略１点で交差するように配設することにより、各ノズルから噴射された燃料の衝突及び混合がより確実に行われ、噴射燃料が排気管の内壁に付着することがさらに防止される。

燃料噴射ノズルは、１個又は２個の噴射孔を有するホール型燃料噴射ノズル又はスリット型燃料噴射ノズルから成ることが望ましい。本手段は、各燃料噴射ノズルから噴射された燃料を相互に衝突及び混合させて、噴射燃料が排気管の内壁に付着することを防止するものであるから、ノズル形状は、燃料が直線的に噴射されるホール型燃料噴射ノズル又はスリット型燃料噴射ノズルであり、また、噴射孔の数も、従来のように多数（８個）ではなく、少数（１個又は２個）である方が、より有効にこの衝突及び混合を行なうことができる。

燃料噴射ノズルは、噴射軸線がノズル本体中心線から後方へ傾斜するように形成されていることが望ましい。本手段の場合、各燃料噴射ノズルは、排気管に対しその噴射軸線が排ガスの流れ方向である後方へ傾斜するように取り付けられることが想定される。この場合、噴射軸線をノズル本体中心線から後方へ傾斜させることにより、排気管に対する各噴射ノズルの取付角度を大きく取ることができ、構造的にその取り付けが容易になる。

例えば、燃料噴射ノズルは、ディーゼルエンジンのフィードポンプから燃料が供給される。本ディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式は、フィードポンプからの比較的低圧の燃料を噴射する場合に特に好適である。

以上詳細に説明したように、本発明のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式は、ディーゼルエンジンの排気管内に燃料噴射ノズルを備え、この燃料噴射ノズルから燃料を噴射して排気管内に配設された排ガス浄化触媒の還元再生を行なうディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式において、燃料噴射ノズルは、複数個から成ると共に噴射軸線が相互に交差するように配設されるから、噴射燃料の排気管内壁への付着を防止して、排気管内における燃料蒸気濃度を理論燃料蒸気濃度に近づけ、これにより排ガス浄化触媒の還元再生を充分に行うことができると共に、燃費を著しく向上させることができるという優れた効果を奏する。

本発明に係るディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式を実施するための最良の形態を、図１ないし図７を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式を示す模試図、図２は、図１の燃料噴射ノズルを示す側面断面図、図３は、図２の燃料噴射ノズルを示す底面図、図４は、別の燃料噴射ノズルを示す底面図、図５は、さらに別の燃料噴射ノズルを示す底面図、図６は、図１の燃料噴射ノズルの取付状態を示す側面断面図、図７は、図１の燃料噴射ノズルの作動を示すグラフである。

図１に示すように、ディーゼルエンジン１には、エンジン１内の燃料噴射ノズルに燃料を供給するコモンレール２、コモンレール２に高圧の燃料を供給するサプライポンプ３、サプライポンプ３に燃料タンク５からの燃料を供給するフィードポンプ４、サプライポンプ３とフィードポンプ４との間に介装されるフュエルフィルタ６、ディーゼルエンジン１の燃料制御を行なうＥＣＵ７等が配設される。

排気管１０内には、例えば２個の燃料噴射ノズル２０、還元再生型触媒の一例であるＮＯ_X吸蔵還元型触媒１１、マフラ１２等が配設される。ＥＣＵ７は、エンジン１の燃料噴射ノズル、サプライポンプ３、フィードポンプ４、排気管１０内の燃料噴射ノズル２０等と、電気的に接続される。

ＮＯ_X吸蔵還元型触媒１１は、排気管１０内を流れる排ガス中のＮＯ_Xを吸蔵する一方、排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＣＯ₂又はＨ₂を増加させることにより、吸蔵したＮＯ_Xを再生処理する、いわゆるＮＯ_X吸蔵還元型の触媒である。触媒１１は、排ガスの流れ方向に格子状の通路が形成されたモノリス担体と、このモノリス担体上に形成されると共に貴金属及びＮＯ_X吸蔵剤が担持されたコート層とを有する。貴金属としては、例えば、Ｐｔ等があり、ＮＯ_X吸蔵剤としては、例えば、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｃｓ等のアルカリ金属、Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ等のアルカリ土類金属、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ等の希土類金属等がある。また、コート層としては、アルミナ等が使用される。

図２に示すように、燃料噴射ノズル２０は、例えばホール型燃料噴射ノズルから成る。燃料噴射ノズル２０は、円筒状のノズル本体２１と、ノズル本体２１内に軸方向に移動可能に挿入された、円柱状の弁軸３０とを有する。ノズル本体２１は、燃料供給孔２２と、弁軸３０の先端の円錐状のシート部３１がシートする弁座２３と、弁座２３から延びる誘導孔２４と、誘導孔２４から周方向へ延びる噴射孔２５とを有する。図３に示すように、燃料噴射ノズル２０には、小円孔から成る噴射孔２５が１個だけ配設される。図２に示すように、燃料噴射ノズル２０は、その噴射軸線２０ａがノズル本体中心線２１ａから後方へ傾斜するように形成される。ここで、噴射軸線２０ａとは、各ノズル２０の噴射方向を示す噴射の中心線である。

弁軸３０は、ＥＣＵ７によって制御される図示しない電磁ソレノイドによって開閉される。また、燃料噴射ノズルは、図４に示すように、２個の噴射孔３７を有するホール型燃料噴射ノズル３６や、図５に示すように、１個のスリット状の噴射孔３９を有するスリット型燃料噴射ノズル３８から成るものでもよい。この場合、ホール型燃料噴射ノズル３６の噴射孔３７、及び、スリット型燃料噴射ノズル３８の噴射孔３９は、上述の燃料噴射ノズル２０と同様に、いずれもその噴射軸線がノズル本体中心線から後方へ傾斜するように形成されている。

なお、上述の燃料噴射ノズルは、必ずしもホール型燃料噴射ノズルやスリット型燃料噴射ノズルに限定されるものではなく、また、噴射孔の数も１個又は２個に限定されるものではない。

図６に示すように、２個の燃料噴射ノズル２０は、排気管１０の周方向に等間隔に、すなわち、排気管１０の直径位置に配設される。また、２個の噴射ノズル２０は、その噴射軸線２０ａが排ガスの流れ方向である後方へ傾斜するように、かつ、略１点で交差するように取り付けられる。上述のように、燃料噴射ノズル２０は、その噴射軸線２０ａがノズル本体中心線２１ａから後方へ傾斜するように形成されているから、排気管１０に対する各燃料噴射ノズル２０の取付角度を大きく取ることができ、構造的にその取り付けが容易となる。ただし、２個の燃料噴射ノズル２０のなす角度、及びそれらと排気管１０の軸線とがなす角度等の取付条件は、排気管１０の直径、排ガスの流速、触媒１１までの距離等により適切に設定される。

次に、本ディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式の作動について説明する。

エンジン１からのＮＯ_X排出量は、エンジン回転速度やアクセル開度等によって変化する。図１に示したＥＣＵ７には、このように運転状態によって変化するエンジン１からのＮＯ_X排出量についてのＮＯ_X排出量マップが記憶されている。ＥＣＵ７は、このＮＯ_X排出量マップに基づいて、エンジン１のＮＯ_X排出量を算出し、触媒１１に吸蔵されたＮＯ_X吸蔵量を積算する。

触媒１１のコート層に担持されるＮＯ_X吸蔵剤として、例えばＢａを用いた場合には、エンジン１から排出されたＮＯ_Xは、触媒１１において排ガス中のＯ₂と反応し、さらに触媒１１中のＢａＯ，ＢａＣＯ₃と反応してＢａ（ＮＯ₃）₂が生成され、この状態で触媒１１に吸蔵される。これにより、排ガスは、ＮＯ_X濃度が極めて低くなった状態で、マフラ１２等を通して大気中へ排出される。

ＥＣＵ７は、触媒１１によるＮＯ_X吸蔵量が所定量を越え、かつ、触媒温度が触媒還元可能温度（例えば、２００〜４５０°Ｃ）以上になっていると判断すると、排気管１０内の燃料噴射ノズル２０の電磁ソレノイドを作動させる。電磁ソレノイドが作動すると、燃料噴射ノズル２０においては、図２に示した弁軸３０が引き上げられ、弁軸３０のシート部３１がノズル本体２１の弁座２３から離れる。これにより、フィードポンプ４からの加圧燃料が、燃料供給孔２２から誘導孔２４を通って、噴出孔２５から排気管１０内へ噴射される。フィードポンプ４は、燃料を燃料タンク５からサプライポンプ３に供給するためのものであるから、燃料圧は比較的低圧である。

この排気管１０内への燃料添加により、排ガス中の酸素濃度が低下すると共に、還元剤としての排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＣＯ₂又はＨ₂が増加する。この結果、触媒１１に吸蔵されていたＢａ（ＮＯ₃）₂が、上記還元剤と反応してＮ₂まで還元される。また、触媒１１が選択性の良い還元触媒として作用し、上記ＮＯ₃が排ガス中のＨＣ，ＣＯと反応して無害なＮ₂，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏとなり、大気中へ排出される。このように、ＥＣＵ７が、燃料噴射ノズル２０の電磁ソレノイドを作動させて、排気管１０内の燃料噴射の噴射量及び噴射時期を適切に制御する。そして、触媒１１の還元再生がほぼ完了したと推定したときに、燃料噴射ノズル２０からの燃料噴射を停止させる。

本ディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式は、図６に示すように、２個の燃料噴射ノズル２０が、その噴射軸線２０ａが交差するように配設されているから、各噴射ノズル２０から噴射された燃料が相互に衝突及び混合して最適な霧化がなされ、噴射燃料が排気管の内壁に付着することが防止される。したがって、燃料噴射ノズル２０から噴射した燃料の大部分が、排ガス内で瞬時に蒸気化される。このため、図７に示すように、少ない燃料であっても、排気管１０内における燃料蒸気濃度が理論燃料濃度近くまで急激に上昇し、排ガスの空燃比は瞬時にリッチ状態となり、排ガス浄化触媒の還元再生を充分に行うことができる。このように、少ない燃料で充分な還元再生ができるから、燃費が著しく改善される。

また、２個の燃料噴射ノズル２０が、排気管１０の周方向に等間隔に配設されるから、噴射燃料の衝突及び混合が一様に行われ、燃料蒸気が触媒１１へ均一に供給される。なお、燃料噴射ノズル２０は、必ずしも周方向に略等間隔に配設される必要はない。さらに、２個の燃料噴射ノズル２０の噴射軸線２０ａが略１点で交差するように配設されるから、噴射燃料の衝突及び混合がより確実に行われ、噴射燃料が排気管の内壁に付着することがさらに防止される。なお、噴射軸線２０ａは、必ずしも略１点で交差するように配設される必要はない。

上述のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式においては、排気管１０に２個の燃料噴射ノズル２０が配設される。これら２個の燃料噴射ノズル２０によっても、噴射燃料が排気管の内壁に付着することが極めて高い確率で防止される。しかしながら、燃料噴射ノズル２０は必ずしも２個に限定されるものではなく、３個以上とすることもできる。

また、燃料噴射ノズル２０に対して、ディーゼルエンジン１のフィードポンプ４から燃料が供給される。しかしながら、燃料供給源は、必ずしもフィードポンプに限定されるものではなく、例えば、ホール型燃料噴射ノズルに高圧噴射用の改良を加える等により、コモンレール２から供給される高圧燃料を用いることもできる。

なお、上述のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式は、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒１１に対して実施するものであったが、これに限定されるものではなく、ＤＰＮＲ等の他の還元再生型の触媒に対しても、同様に実施できることは勿論である。また、上述のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式は一例にすぎず、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式を示す模試図である。図１の燃料噴射ノズルを示す側面断面図である。図２の燃料噴射ノズルを示す底面図である。別の燃料噴射ノズルを示す底面図である。さらに別の燃料噴射ノズルを示す底面図である。図１の燃料噴射ノズルの取付状態を示す側面断面図である。図１の燃料噴射ノズルの作動を示すグラフである。従来のホール型燃料噴射ノズルを示す側面断面図である。図８のホール型燃料噴射ノズルを示す底面図である。従来のスリット型燃料噴射ノズルを示す側面断面図である。図１０のスリット型燃料噴射ノズルを示す底面図である。従来の燃料噴射ノズルの取付状態を示すグラフである。従来の燃料噴射ノズルの作動を示すグラフである。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
２コモンレール
３サプライポンプ
４フィードポンプ
５燃料タンク
６フュエルフィルタ
７ＥＣＵ
１０排気管
１１触媒
１２マフラ
２０燃料噴射ノズル
２０ａ噴射軸線
２１ノズル本体
２１ａノズル本体中心線
２２燃料供給孔
２３弁座
２４誘導孔
２５噴射孔
３０弁軸
３１シート部
３６燃料噴射ノズル
３７噴射孔
３８燃料噴射ノズル
３９噴射孔
５０ホール型燃料噴射ノズル
５０ａ噴射孔
５１スリット型燃料噴射ノズル
５１ａ噴射孔
５２排気管
５３内壁

Claims

ディーゼルエンジン（１）の排気管（１０）内に燃料噴射ノズル（２０，３６，３８）を備え、前記燃料噴射ノズルから燃料を噴射して前記排気管内に配設された排ガス浄化触媒（１１）の還元再生を行なうディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式において、前記燃料噴射ノズルは、複数個から成ると共に噴射軸線（２０ａ）が相互に交差するように配設されたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式。
前記複数個の燃料噴射ノズル（２０，３６，３８）は、前記排気管（１０）の周方向に略等間隔に配設されたことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式。
前記複数個の燃料噴射ノズル（２０，３６，３８）は、前記噴射軸線（２０ａ）が略１点で交差するように配設されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式。
前記燃料噴射ノズルは、１個又は２個の噴射孔（２５，３７，３９）を有するホール型燃料噴射ノズル（２０，３６）又はスリット型燃料噴射ノズル（３８）から成ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式。
前記燃料噴射ノズル（２０，３６，３８）は、前記噴射軸線（２０ａ）がノズル本体中心線（２１ａ）から後方へ傾斜するように形成されていることを特徴とする請求項４に記載のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式。
前記燃料噴射ノズル（２０，３６，３８）は、前記ディーゼルエンジン（１）のフィードポンプ（４）から燃料が供給されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気管燃料添加方式。