JP4381572B2 - 容積形機関の窒素酸化物（ｎｏｘ）排出量を削減する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボチャージ式４サイクル容積形機関（即ちターボチャージ式４サイクル容積式機関）の窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量を、機関燃焼室内へ水または蒸気を噴射することにより削減させる方法に関するものである。
【０００２】
水をシリンダ燃焼室へ直接に噴射する形式の場合、水噴射は、通常、圧縮行程中に、実際の燃焼過程前および／または燃焼行程中に行われる。この噴射間隔は、窒素酸化物の生成を低減する上で、また機関の出力低下を避ける上で有利であるが、機関の軸効率には不利である。この構成により、多量の水が燃焼室内へ噴射され、それによって、通常、５０〜６０％ほど窒素酸化物が削減できる。加えて、妨げられずにシリンダに空気を充填することで、大きい出力を得ることができる。しかし、機関の軸効率は、圧縮行程中に水を噴射することにより低下する。なぜなら、圧縮の終りの段階で水噴射によって冷却されることで、圧縮空気および／または混合気の圧力が低下し、それにより機関は、膨張行程中に利用できない圧縮作業を行わねばならないからである。機関の軸効率を低下させる別の要因は、水噴射には比較的高圧が必要なことである。噴射時に、この高圧は、シリンダ内を支配する圧力を越える圧力でなければならず、通常、２００バールである。
【０００３】
吸気と共に燃焼室内へ水を噴射する形式の場合は、従来、コンプレッサまたはターボチャージャの前方または後方の箇所か、インタクーラの前方または後方の箇所か、吸気室および／または吸気通路内かで、吸気が連続的に加湿されるか、もしくは水および／または蒸気が吸気内へ噴射された。これらの形式は、軸効率の点では有利だが、機関の出力低下を避ける上でも、水の要求量の点でも不利である。
【０００４】
吸気と共に燃焼室へ導入できる水量は、大部分が、吸気圧力および温度の条件で気体状のままとなる。したがって、吸気の条件で蒸気が飽和状態となれば、吸気と共に燃焼室へ導入され得る水量は制限される。現在のターボチャージ式吸気冷却機関では、通常、吸気圧は４バール、吸気温度は約５０#Ｃである。これらの条件のため、実際には、導入可能な水量は、窒素酸化物量の約１０〜４０％削減に対応するレベルに制限される。水の導入量を増すために、吸気圧を低減させたり、吸気温度を上昇させることは望ましくない。なぜなら、そうすれば、シリンダへの燃焼用空気の充填や、更には機関の出力に悪影響があるからである。その代わり、機関の軸効率は妨げられずに済む。なぜなら圧縮行程中の仕事が、膨張行程中に、妨げられることなく補償できるからである。水が吸気と共に吸気の連続的加湿により導入される場合、必要とされる水量は比較的多量である。なぜなら、水のいくらかの量が、吸気弁と排気弁とが同時に開くさいにシリンダから排出され、利用できないからである。
【０００５】
ＥＰ ０６８３３０７ Ａ１には、吸気弁またはピストンの運動に応じてディーゼル機関内へ水を噴射する装置が示されている。この装置は、吸気弁近くに配置された複数の水ノズルを有している。これらの水ノズルは、機関の点火順序にしたがって開かれる。水噴射は、吸入行程中に、機関速度、ピストン位置、機関作動状態のいずれか、またはすべてを、水噴射の入力パラメータとして使用する制御ユニットによって制御される。この装置は、しかし、依然として不適当であり、その作業は、特に有害排気ガス削減の点では不満足なものである。
【０００６】
窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量削減のためには、燃焼過程へ燃焼ガスを部分的に再循環させることが知られている。再循環は、再循環させるべきガスを排気通路から取り出して、冷却し、吸気と混合して、燃焼過程へ戻す作業を外部で行うか、または原則として、内部で吸気弁と排気弁とを適切に調時することにより、シリンダの掃気が不完全に行われるようにすることで、実現できる。
内部再循環の利点は、簡単で実施の上で有利な点である。これに対し、不利な点は、燃焼室の熱負荷が増し、それによって、例えば熱腐食のかたちでの材料の問題が生じ、実際には比較的少ない窒素酸化物に影響する可能性も生じる。しかし、燃焼ガスの再循環自体では、窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量を適切なレベルまで削減することはできない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ターボチャージ式４サイクル容積形機関の窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量を削減する改良された方法を得ることである。該方法は、機関の燃焼室内への水または蒸気の噴射を基本とし、先行技術の欠点が事実上除去されたものである。より詳しく言えば、本発明の目的は、窒素酸化物排出量の削減に加えて、機関の軸効率、出力、水の所要量の点で利点を有する方法を得ることである。更に別の目的は、この方法によって、窒素酸化物の削減を、より効果的に燃焼ガスの内部再循環と組み合わせ得るようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水の導入が、吸気と共に、または好ましくは直接噴射により、少なくとも事実上吸気行程中に行われ、しかも吸気弁が開弁運動の全行程のうちの約５０％にわたり移動した時点で最も早期の噴射が開始される。水の冷却効果により生じる減圧は、シンダへの空気または混合気の充填に役立ち、コンプレッサの仕事を減少させ、このことが機関の出力と軸効率には好都合となる。そのことが軸効率の点では、更に好都合となるのは、圧縮行程中に行われる仕事が、逆効果またはマイナスの効果なしに、膨張行程中に補償されるからである。加えて、直接噴射の場合、水の噴射圧は、シリンダ内圧が低いため、比較的低圧に維持でき、この結果、噴射圧は、圧縮行程中の水噴射に要する圧力の約１／５〜１／１０に過ぎない。
【０００９】
本発明の付加的態様によれば、排気弁と吸気弁との運動を、燃焼ガスが機関燃焼室内に残るように構成することにより、更に窒素酸化物の削減に役立てることができる。
吸気弁の開弁運動は、特に掃気のために、ピストンが上死点に達して吸気行程が始まる僅か前に開始されるので、本発明による水噴射の調時により、シリンダの掃気段階で不必要に水が消費されることのないように保証することができる。また、本発明による水の噴射は冷却することを介しても行われ、それにより、内部再循環を利用する便宜が高められる。
もっとも好ましくは、水の噴射は、直接に燃焼室内へ噴射することにより行われる。こうすることで、噴射は、技術的に吸気弁の開弁および動作とは全く無関係となる。
【００１０】
燃焼過程の冷却用および／または例えば尿素および／またはアンモニア等の窒素酸化物削減用の薬剤を、水に溶解して、燃焼室内へ導入でき、それによって、更に窒素酸化物の排出量を削減できる。
機関の異なる作動条件を考慮に入れるために、噴射水の噴射の開始時期、噴射量、噴射持続時間のいずれか、またはすべてが、窒素酸化物（ＮＯｘ）の要求低減量と機関の負荷および／または作動速度とに応じて調整される。加えて、機関の吸気への加湿量が連続的に測定または検出され、噴射水量を、機関へ入る吸気の湿分に応じて調整できる。
【００１１】
機関の排気ガス内の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度は、連続的に測定または検出され、噴射水量も、排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）測定含有量に応じて調整でき、それによって、各水噴射中に適正な水量を噴射することができる。
窒素酸化物（ＮＯｘ）の削減方法を改善するため、燃焼ガスの一部は、機関の燃焼室に残されるか、または燃焼ガスの、いわゆる内部再循環が行われる。この場合、水を直接に燃焼室内へ噴射することにより、また既述の噴射調時によって、燃焼室の熱応力を低減でき、かつまたそれにより窒素酸化物（ＮＯｘ）の削減率を高めることができる。
請求項１１に記載の方法では、燃焼室内への水の導入は、２段階以上で行われる。したがって、シリンダの１作動サイクルの間に要求される水量は、数回、別個に噴射される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下で本発明による方法を図面につき説明する。
図には、４サイクル内燃機関のクランク軸回転角度が軸Ａにより表され、吸排気弁の相対運動が軸Ｂで示されている。
図には、またピストンの上死点（ＴＤＣ）と下死点（ＢＤＣ）とが示されている。排気弁の相対運動は曲線１で示され、吸気弁の相対運動は曲線２で示されている。加えて、図には、範囲３が示されており、本発明による極めて有利な水噴射開始は、この範囲内で行うことができる。水噴射は、範囲３の終わる前か終わった後に、終了する。
【００１３】
図から分かるように、弁運動の開始と終了とは、ピストンの上死点と下死点とに完全には同期していない。この形式の動作によれば、例えば排気弁と吸気弁とは、しばらくは同時に開位置にあって、シリンダの掃気が可能になる。燃焼ガスの内部再循環の場合には、排気弁と吸気弁との調時を利用して、シリンダの掃気が不完全なままにされ、それによって、燃焼ガスの一部が、シリンダ内に残り、ガスおよび水と混合される。このガスおよび水は、水噴射開始の調時と組み合わされて窒素酸化物（ＮＯｘ）の削減率を高めるため、吸気行程中にシリンダ内へ供給され、水噴射は、吸気弁がその開弁運動の全行程の約５０％移動した時点で開始される。言い換えると、排気弁と吸気弁とは、機関の燃焼室内に燃焼ガスの一部を残すことにより窒素酸化物（ＮＯｘ）の削減率を高めるために、同時に開位置を占めるようにされる。また、図から分かるように、ピストンが上死点（ＴＤＣ）を通過した後、排気弁がまだ開いている間に噴射され、言い換えると、その段階で、内部燃焼ガス再循環と水噴射とが組み合わされて、実施される。
【００１４】
機関の作動形式および作動条件に基づいて各所要水量を検出し決定することで、噴射自体は、必要に応じて１段階または数段階で普通の噴射ノズル装置を用いて極めて簡単に実施できる。このことに基づいて、水噴射は、吸気弁の閉弁前か閉弁後に終了することができる。重要な点は、主として、特に圧縮行程の終了時の、水噴射上の不都合が避けられる点である。
噴射を要する水量は、したがって、機関の負荷、排気ガスの目標純度等の要因に応じて変更できる。噴射を要する水量の対燃料量比は、通常、質量比で例えば１対３である。本発明による水噴射により、窒素酸化物（ＮＯｘ）は、通常、６０〜８０％削減され、内部再循環と組み合わせた場合は、通常、７０〜８０％削減される。
本発明は、図示の実施例および数値に限定されるものではなく、特許請求の範囲の枠内でいくつかの変更態様が可能であることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】排気弁と吸気弁との相対開閉運動を例示したグラフである。
【符号の説明】
１ 排気弁の相対運動
２ 吸気弁の相対運動
３ 水噴射開始範囲
Ａ クランク軸の回転角度
Ｂ 吸・排気弁の相対運動

Claims (13)

1. 燃焼室と吸気弁とを有し、該吸気弁が、閉位置と、燃焼室へ空気を流入させる開位置との間の範囲を可動であるターボチャージ式４サイクル容積式機関を吸気行程を含む作動サイクルにしたがって作動する方法であって、
   前記機関の作動サイクルの、少なくとも吸気行程中に燃焼室内へ水を導入する段階を含み、かつ吸気弁がその閉位置から開位置までの範囲の５０％にわたり移動する時点より前には、水の導入が開始されないようにする、ターボチャージ式４サイクル容積式機関を作動する方法。
2. 前記水を蒸気の形態で導入する段階を含む、請求項１に記載された方法。
3. 燃焼室内へ直接に噴射することで水を導入する、請求項１に記載された方法。
4. 燃焼過程の冷却用と窒素酸化物削減用との少なくとも一方のための薬剤が溶解され含有されている水を燃焼室内へ導入する段階を含む、請求項１に記載された方法。
5. 窒素酸化物（ＮＯｘ）の要求削減量と、機関の負荷および速度の少なくとも一方とにしたがって、水の導入の開始時期、導入量、導入持続時間のいずれかまたはすべてを調整する段階を含む、請求項１に記載された方法。
6. 機関の吸気の湿分を連続的に検出し、吸気の湿分に応じて導入する水量を調整する段階を含む、請求項１に記載された方法。
7. 排気ガスから測定された窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量に応じて、導入する水量を調整する段階を含む、請求項１に記載された方法。
8. 窒素酸化物（ＮＯｘ）の削減量を高めるために、燃焼ガスの一部が機関燃焼室内に残るように、排気弁と吸気弁との運動を制御する段階を含む、請求項１に記載された方法。
9. 燃焼ガスの内部再循環を生じさせるために、排気弁と吸気弁との運動を制御する段階を含む、請求項１に記載された方法。
10. ピストンが上死点（ＴＤＣ）を過ぎた後にも排気弁が開弁しているように排気弁の運動を制御し、かつピストンが上死点を過ぎた後、排気弁がまだ開弁している間に水を導入する段階を含む、請求項１に記載された方法。
11. ２段階以上の段階で水を導入する作業を含む、請求項１に記載された方法。
12. 導入すべき水量の対燃料量比が、１／３の質量比である、請求項１に記載された方法。
13. 請求項１に記載された方法により作動されるターボチャージ式４サイクル容積式機関。

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