JPH08100739A - ディーゼル機関用燃料噴射ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＮＯx 除去用還元触媒の活性化用燃料の供給
を最適に制御し、且つ改良部分を最小限に抑えたディー
ゼル機関用燃料噴射ポンプを提供する。 【構成】 ディーゼル機関１にＮＯx 接触還元装置５を
取付け、列型燃料噴射ポンプ10のプランジャ17駆動用カ
ム18を、主噴射用の第１カム山18ｃと、後噴射用の第２
カム山18ｄとの２段に形成し、第２カム山18ｄを、膨張
行程後半から排気上死点付近の間に形成し、プランジャ
17の燃料噴射開始用の上部リード17ａを、機関回転速度
が低速となるほど噴射噴射開始時期を遅らせるように形
成し、前記後噴射量を、排気ガスの温度が低下と共に低
減するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化水素還元剤の存在
下に排気ガス中のＮＯx を還元除去する触媒を供えたデ
ィーゼル機関に適用する燃料噴射ポンプに関し、更に詳
細には、機関を駆動するための主噴射と、排気ガス中の
ＮＯx 量に応じた後噴射とを行う燃料噴射ポンプに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気ガス中に含まれるＮＯx
成分が大気汚染物質であり、ディーゼル機関の排気ガス
中のＮＯx を窒素と酸素とに還元する触媒の開発が行わ
れていること、及びディーゼル機関の排気ガスには酸素
が多く含まれているので、還元剤としてＮＯx と当量以
上の炭化水素を使用して還元触媒を活性化すること、及
び、前記炭化水素として内燃機関の燃料を使用すること
が知られており、従来から各種のＮＯx 除去装置が提案
されている。

【０００３】例えば特開平３−２５７１３号公報は、イ
オン交換型高シリカゼオライト系又はメタロシリカ系触
媒により排気ガス中のＮＯx を選択的に脱硝する脱硝装
置において、シリンダ内あるいは触媒層より上流の排気
管内に、少量の燃料を注入する少量燃料供給弁を設け、
内燃機関に装備したクランク角度センサの出力する信号
により前記燃料供給弁を開閉制御するようにプログラム
した開弁コントローラを設けた脱硝装置を開示してい
る。

【０００４】しかしながら前記燃料供給弁は、燃料をシ
リンダ内又は排気ガス中に添加するために専用のインジ
ェクタが必要となり、耐熱性、耐蝕性に優れたものを使
用する必要があり、しかもクランク角度センサ及び開弁
コントローラを供える必要があるなど、高価なものにな
るという問題がある。また、特開平５−１５６９９３号
公報は、Ｃu-ＺＳＭ_5,Ｃu-モルテナイトなどのゼオライ
ト系触媒を充填した触媒層をディーゼル機関の排気管の
途中に取付け、機関駆動用の燃料噴射ノズルに蓄圧式ユ
ニットインジェクタを使用し、このユニットインジェク
タのスピルタイミングを電磁弁の開閉によって制御し、
燃料の主噴射の後、機関の膨張行程後半（ＡＴＤＣ４０
°付近）から排気行程の開始（排気弁の開弁時期）にか
けて、少量の燃料を噴射する手段を開示している。

【０００５】しかしながらこの手段は、機関を駆動する
ための燃料噴射ノズルと、燃料を排気ガス中に添加する
ためのインジェクタとを共通化することができる利益が
得られる反面、蓄圧式のユニットインジェクタが非常に
複雑且つ高価な装置であり、既存のディーゼル機関の全
てに採用することができない。しかも、先に説明した脱
硝装置と同様に、各種センサ及びコントローラが必要と
なり、還元用燃料供給システムの複雑化及びコストアッ
プが避けられないという問題がある。

【０００６】前記従来の脱硝手段に対し、本出願人の特
許出願になる特開平６−１１７２２８号公報に記載した
手段は、一般的なディーゼル機関の燃料噴射系に僅かな
改良を施すのみで還元触媒の活性化を可能にしたもので
あり、通常の列型燃料噴射ポンプのプランジャ駆動用カ
ムのカム山を、主噴射用の第１カム山と、還元触媒活性
化用の後噴射用の第２カム山との２段に形成し、機関の
膨張行程後半から排気上死点付近の間に少量の燃料をシ
リンダ内に後噴射するものである。

【０００７】この発明によれば、排気ガス中に燃料を添
加するにあたり、専用のインジェクタなどの噴射装置及
びこれらを制御する制御システムが不要となるので、低
コストで還元触媒を供えたディーゼル機関を提供するこ
とができる。しかしながらこの２段カムにより後噴射を
行う手段は、機関の運転状態にかかわらず一定の燃料を
必ずシリンダ内に後噴射することになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで排気ガス温度
は一般に、アイドリング時には１００℃付近と低く、高
負荷時には７００〜８００℃付近の高温となる。これに
対し、従来のＮＯx 除去用還元触媒は、前記のゼオライ
ト系触媒、アルミナ系触媒などが使用されており、触媒
特性は温度に依存している。例えば、およそ２００℃付
近の低温領域でも活性を示すもの、６００℃付近の高温
とならないと活性を示さないものなど各種のものがあ
り、全運転領域における排気ガス温度に対して活性を有
する触媒は提供されていない。

【０００９】したがって、前記特開平６−１１７２２８
号公報に記載された排気ガス中のＮＯx 除去手段は、還
元触媒の活性化温度域を外れるような運転領域において
は、供給した燃料がＮＯx の還元剤として消費されず、
未燃焼燃料としてそのまま排出されるという問題があ
る。また別の問題として、後噴射する燃料の噴射量はＮ
Ｏx の最大排出量と略当量となるように設定する必要が
あり、ＮＯx 排出量の少ない運転領域においても常に一
定の後噴射を行うこととなる。したがって、必然的に燃
料消費量が増大するという問題がある。

【００１０】本発明の目的は、以上の問題に着目して成
されたものであり、ディーゼル機関の排気系に取り付け
たＮＯx 浄化用の還元触媒を活性化するために添加する
燃料の供給量及び供給時期を最適に制御することがで
き、しかも、燃料噴射系の改良を最小限に抑えたディー
ゼル機関用燃料噴射ポンプを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明のディーゼル機関用燃料噴射ポンプの構成は、
ディーゼル機関に列型燃料噴射ポンプとＮＯx 接触還元
装置とを取付け、前記列型燃料噴射ポンプのプランジャ
駆動用カムのカム山を、主噴射用の第１カム山と、後噴
射用の第２カム山との２段に形成し、第２カム山を、膨
張行程後半から排気上死点付近の間に設け、前記プラン
ジャの燃料噴射開始用の上部リードを、機関負荷が低負
荷となるほど噴射開始時期を遅らせる形状に形成したも
のである。

【００１２】前記第２カム山は、膨張行程後半から排気
上死点付近の間、例えば排気行程後半の所定位置で燃料
を噴射するように取り付ける。そして第２カム山の高さ
とプランジャの前記上部リード形状とは、相互に関連さ
せて決定する必要がある。即ち第２カム山の高さは、還
元剤用として最大必要燃料噴射量を与える高さとし、上
部リード形状は、ＮＯx 還元触媒が活性化されない低負
荷側では、第２カム山がプランジャを押し上げても、燃
料が噴射されず、負荷の上昇に伴ってＮＯx 発生量に適
合する噴射量が得られるような形状とする。

【００１３】前記第１カム山の取付け位置及び形状は、
ディーゼル機関の運転状態に適合するように、前記リー
ド形状に適合する位置及び形状とする以外は、従来のも
のと同様に形成すればよい。それに伴い、下部リード形
状は、所定の噴射量が得られるように適宜決定する。前
記ＮＯx 接触還元装置及び触媒は、ディーゼル機関用燃
料を還元剤として使用できるものであれば、従来から使
用されているもの、新規なもののいずれも使用すること
ができる。

【００１４】

【作用】ディーゼル機関の膨張行程後半から排気上死点
付近の間に前記第２カム山を形成し、且つ前記プランジ
ャに形成する燃料噴射開始用の上部リードを、低負荷運
転領域では噴射開始時期を遅らせる形状に形成する前記
手段は、第２カム山が、プランジャを押し上げる際に、
機関の負荷（主噴射量）に応じた最適な後噴射を行い、
特に低負荷側では、後噴射量をゼロにするように作用す
る。

【００１５】したがって、排気ガス中のＮＯx 濃度に応
じて後噴射量を調節することができるので、ＮＯx 還元
触媒を十分に活性化しながら燃料使用量を可及的に低減
させることができ、排気ガス中の残留炭化水素濃度を低
下させ、総合的排気ガス浄化コストを低減させることが
できる。

【００１６】

【実施例】以下添付の図面を参照し、一実施例により本
発明を具体的に説明する。図１において、本実施例の４
気筒からなるディーゼル機関（以下単に機関という）１
のシリンダヘッド１ａに形成した各気筒ごとの排気ポー
ト２は、それぞれ排気マニホールド３の分岐管に接続さ
れ、排気ガスを排気管４に集約し、ＮＯx接触還元装置
（以下コンバータという）５に送るように構成してい
る。コンバータ５は、排気ガス温度が３５０℃以上の比
較的高温域で高いＮＯx 浄化率を示すアルミナ系の還元
触媒（図示せず）を充填した通常の構造のものを使用し
た。一方、各気筒ごとの吸気ポート６は、それぞれ吸気
マニホールド７の分岐管に接続され、吸気管８から供給
される吸気を各気筒に供給するようにしている。

【００１７】また、機関１のクランク軸９の動力を燃料
噴射ポンプ10に伝達するギヤ列11を、ブラケット（図示
せず）を介して機関１に取り付けている。そして、燃料
噴射ポンプ10に、各シリンダ１ｂに取り付けた燃料噴射
ノズル12に燃料を送る燃料パイプ13と、フィードポンプ
15を介して燃料タンク16に接続する燃料パイプ14とを取
り付けた。

【００１８】本実施例の燃料噴射ポンプ10の基本構造
は、図２に示すように、スピルポート10ａを有するプラ
ンジャバレル10ｂにプランジャ17を摺動自在に嵌装し、
カムシャフト18ａに取り付けたカム18によってプランジ
ャ17を押し上げ、プランジャ室10ｃ内の燃料をデリバリ
バルブ10ｄを介して出口10ｅから燃料パイプ13（図１）
に押し出すようにした、従来と同様の構造のものを使用
した。

【００１９】ところで前記カム18は、図３ａに示すよう
に、ベースサークル18ｂ上に高さＨの第１カム山18ｃ
と、高さｈの第２カム山18ｄとを備えている。第１カム
山18ｃは、主噴射用であり、シリンダ１ｂ内においてピ
ストン（図示せず）が圧縮上死点付近に達するとプラン
ジャ17を押し上げる位置に設けている。また第２カム山
18ｄは、ＮＯx 還元触媒活性化用であり、前記ピストン
の排気行程後半にプランジャ17を押し上げる位置に設け
ている。

【００２０】プランジャ17は、機関出力に応じて移動す
るコントロールラック10ｆ（図２）に従動し、図３ｂに
符号Ｑ₁ で示すアイドリング位置から符号Ｑ₂ で示す機
関全負荷位置にまで周方向に回動し、アイドリング位置
Ｑ₁ から機関全負荷位置Ｑ₂まで上昇する上部リード17
ａと、アイドリング位置Ｑ₁ から機関全負荷位置Ｑ₂ま
で下降する下部リード17ｂとを形成している。なお、本
実施例の前記リード形状は本発明にとって本質的ではな
く、必要に応じ曲線状、折れ線状に形成することもでき
る。

【００２１】そして、アイドリング位置Ｑ₁ からプラン
ジャ17の周方向の所定位置ｑまでの間（図３ｂに示す領
域Ａ）は、スピルポート10ａから上部リード17ａまでの
距離が、第２カム山18ｄの高さｈ以上になるように設定
され、所定位置ｑから機関全負荷位置Ｑ₂ までの間（図
３ｂに示す高負荷領域Ｂ）は、スピルポート10ａから上
部リード17ａまでの距離が、第２カム山18ｄの高さｈ以
下になるように設定されている。

【００２２】なお、前記所定位置ｑは、これより低負荷
領域Ａでは排気ガスが温度３５０℃を下回り、これより
高負荷領域Ｂで排気ガス温度が３５０℃を上回る位置に
設定する。以上の説明において、図３ｂは、プランジャ
17の側面図であるので、前記Ｑ，ｑを紙面への投影によ
って表したが、実際はプランジャ17の外周面上の位置で
ある。なお、前記触媒活性化温度３５０℃は使用する触
媒の種類によって変化するものであり、本発明にとって
本質的数値ではない。

【００２３】次に本実施例の燃料噴射ポンプ10の動作を
説明する。前記プランジャ17の上下方向のストロークに
伴い、燃料噴射ノズル12（図１）からの主噴射は、プラ
ンジャ17の外周面がスピルポート10ａを塞いでいる期
間、即ち上部リード17ａがスピルポート10ａを閉塞して
から下部リード17ｂがスピルポート10ａを開放するまで
の間が噴射期間となる。

【００２４】また後噴射は、上部リード17ａがスピルポ
ート10ａを閉塞してからプランジャ17が上死点（高さ
ｈ）に至るまでの間が噴射期間となる。ところが、プラ
ンジャ17の低負荷領域Ａにスピルポート10ａが位置する
状態においては、第２カム山18ｄによってプランジャ17
が上昇しても、前記説明のとおり上部リード17ａがスピ
ルポート10ａを閉塞する以前にプランジャ17は上死点に
達するため、後噴射は行われない。

【００２５】機関１の負荷が上昇し、高負荷領域Ｂ（図
３ｂ）にスピルポート10ａが位置するようになると、第
２カム山18ｄによるプランジャ17のストロークに伴い、
上部リード17ａがスピルポート10ａを閉塞するので、後
噴射が行われる。以上説明したとおり、機関１のピスト
ン（図示せず）が圧縮上死点付近に達すると、第１カム
山18ｃがプランジャ17を高さＨまで押し上げ、機関１の
ピストンが排気行程後半に達すると、第２カム山18ｄが
プランジャ17を高さｈだけ押し上げる。この様子を図４
に示す。

【００２６】なお、図４の横軸に示した符号ＴＤＣ及び
ＢＤＣは、それぞれ機関１のピストンの上死点及び下死
点を示す。また図３ｂ及び図４に示す符号Ｘ₁ 及びＹ₁
は、アイドリング位置Ｑ₁ がスピルポート10ａに対向す
る際に、上部リード17ａ及び下部リード17ｂが、それぞ
れスピルポート10ａに達するまでのプランジャ17のスト
ローク長さを表し、符号Ｘ₂ 及びＹ₂ は、機関全負荷位
置Ｑ₂ がスピルポート10ａに対向する際に、上部リード
17ａ及び下部リード17ｂが、それぞれスピルポート10ａ
に達するまでのプランジャ17のストローク長さを表し、
Ｙq はｈ＝Ｘ₁となる所定位置ｑにおける下部リード位
置を表している。

【００２７】図３ｂ及び４において、アイドリング位置
Ｑ₁ では、プランジャ17のストロークがＸ₁ →Ｙ₁ の間
だけ主噴射が行われるが、第２カム山18ｄの高さｈはス
トローク長さＸ₁ に達しないので、後噴射は行われな
い。また、所定位置ｑにおいては、主噴射はストローク
長さｈ→Ｙq の間に行われ、前記と同様に後噴射は行わ
れない。

【００２８】ところが、高負荷領域Ｂでは、上部リード
17ａまでのストローク長さが第２カム山18ｄの高さｈよ
り短くなるので、後噴射が行われるようになり、機関１
の最大負荷時には、主噴射はストローク長さがＸ₂ →Ｙ
₂ の間行われ、ストローク長さＸ₂ →ｈの間後噴射が行
われる。したがって、上部リード17ａと下部リード17ｂ
との形状を、ＮＯx 発生特性及び使用する還元触媒の活
性特性に適合する形状とすることにより、最小限の燃料
使用量でＮＯx 除去を行うと共に、排気ガス中の残留Ｈ
Ｃ量を可及的に少なくすることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明のディーゼル
機関用燃料噴射ポンプは、炭化水素を還元剤として使用
しＮＯx を還元除去する触媒を排気系に備えたディーゼ
ル機関に適用する燃料噴射ポンプを、機関の圧縮上死点
付近にてプランジャを駆動して主噴射を行わせる第１カ
ム山と、機関の膨張行程後半から排気上死点付近の間で
プランジャを駆動して少量の燃料を後噴射する第２カム
山とを形成すると共に、排気ガス温度が還元触媒の活性
化温度に達しないか、ＮＯx 除去を必要としない運転領
域においては、プランジャが第２カム山の高さ以上にス
トロークしないと上部リード位置に達しないようにした
ので、次の効果を得ることができる。

【００３０】ディーゼル機関の排気ガス温度が還元触媒
の活性温度域を外れる低負荷運転領域では後噴射を行わ
せず、還元触媒の活性温度域内となる高負荷運転領域で
は、排気ガス中のＮＯx 量に応じた後噴射を行わせるこ
とができるので、可及的に少ない燃料消費量で、効果的
にＮＯx 除去を行うことができる。また、使用する燃料
噴射ポンプは、従来の列型燃料噴射ポンプのカム形状及
びリード形状を若干変更するだけよく、専用の燃料供給
装置や制御装置など一切必要としないので、既存のディ
ーゼル機関に容易に適用することが可能であり、低コス
トで実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による燃料噴射ポンプを適用
したディーゼル機関の要部構成図である。

【図２】図１に示す燃料噴射ポンプの断面図である。

【図３】ａは燃料噴射ポンプのカム部分の拡大図であ
り、ｂはプランジャのリード部分の側面図である。

【図４】図２に示す燃料噴射ポンプの動作説明図であ
り、横軸は図１に示すディーゼル機関のクランクアング
ルを示し、縦軸は図２に示すプランジャのストローク位
置を示す。

【符号の説明】

１ 機関（ディーゼル機関） ５ コンバータ
（ＮＯx 接触還元装置） ４ 排気管 10 燃料噴射ポン
プ 10a スピルポート 10b プランジャバ
レル 10f コントロールラック 12 燃料噴射ノズ
ル 17 プランジャ 17a 上部リード 17b 下部リード 18 カム 18a カムシャフト 18c 第１カム山 18d 第２カム山

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディーゼル機関に列型燃料噴射ポンプと
   ＮＯx 接触還元装置とを取付け、前記列型燃料噴射ポン
   プのプランジャ駆動用カムのカム山を、主噴射用の第１
   カム山と、後噴射用の第２カム山との２段に形成し、第
   ２カム山を、膨張行程後半から排気上死点付近の間に設
   け、前記プランジャの燃料噴射開始用の上部リードを、
   機関負荷が低負荷となるほど噴射開始時期を遅らせる形
   状に形成したディーゼル機関用燃料噴射ポンプ。