JPH0925815A - 後噴射燃焼排気ガス清浄化システム及びその方法 - Google Patents

後噴射燃焼排気ガス清浄化システム及びその方法

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JPH0925815A
JPH0925815A JP8143191A JP14319196A JPH0925815A JP H0925815 A JPH0925815 A JP H0925815A JP 8143191 A JP8143191 A JP 8143191A JP 14319196 A JP14319196 A JP 14319196A JP H0925815 A JPH0925815 A JP H0925815A
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Stephen F Glassey
エフ グラッシー スティーヴン
William H Lane
エイチ レーン ウィリアム
Daniel J Learned
ジェイ ラーニッド ダニエル
Randy N Peterson
エヌ ピーターソン ランディー
Aaron L Smith
エル スミス アーロン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的大型の希薄ガス燃焼ディーゼルエンジ
ンからの排気ガスを清浄化するのに、特に適するシステ
ムと方法を開示する。 【解決手段】 エミッション清浄化システムによって内
燃エンジンの排気行程中燃料の後噴射がエンジン燃料噴
射器を通ってなされる。コンピュータは、最適量の窒素
酸化物低減燃料をエンジンシリンダに噴射するように噴
射器を制御する。最適量とは、与えられたエンジン作動
状態と排気ガス温度に対して最適な窒素酸化物の減少率
を達成する量に相当する。コンピュータが、エンジン作
動状況を周期的に検出し、排気ガス温度を求め、適当な
噴射量を計算する。本発明のエミッション清浄化システ
ムは炭化水素のエミッションレベルを許容可能に維持し
ながら、排気ガスの含有量を減少させる能力を有し、シ
ステムの複雑さも緩和する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的に燃焼排気ガス
の清浄化に関する。より詳細には、本発明は、エンジン
の排気ガスの流れを処理して窒素酸化物をガスの流れか
ら取り除くことに関する。
【０００２】
【従来の技術】主として連邦政府の規制のために、エン
ジン製造メーカは燃焼排気ガスの有害な化合物の量を低
減させることが課せられている。ディーゼルエンジン及
び所定の火花点火型エンジンを含む希薄ガス燃焼エンジ
ンの排気ガスの流れにおいて窒素酸化物の濃度を効率良
く低減させるために、窒素酸化物触媒の現在の技術は、
存在する炭化水素（ＨＣ）類を十分な濃度で必要とす
る。即ち、３％以上の濃度の酸素環境を有する燃焼排気
ガス清浄化システムにおいて窒素酸化化合物を許容可能
な低減レベルにするために、ある種の、通常は炭化水素
化合物のような還元剤が排気ガス内に導入されなければ
ならない。炭化水素を排気ガスの流れに連続してまたは
周期的に噴射させるために炭化水素噴射器を加えること
を含む、炭化水素を排気ガスの流れに加える様々な手段
が開発されてきた。不運なことに、炭化水素を排気ガス
に導入するこれらの方法では、システムが複雑になり、
費用もかさみ、炭化水素を最適に噴霧させ気化させるこ
とができない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】制御が容易になされ、
エンジンの全作動範囲にわたって効率的に作動し、排気
ガスにおける窒素酸化化合物を十分に低減させるととも
に、全体のシステムの複雑さを少なくし、付加的な炭化
水素噴射器の必要性を取り除く排気ガス清浄化システム
が必要とされる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の１態様におい
て、内燃エンジンのエミッション清浄化システムを開示
する。清浄化システムは内燃エンジンのシリンダに配置
された燃料噴射器と、エンジンの排気行程の間、燃料を
シリンダに噴射する手段とを含んでいる。本発明の別の
態様において、エミッション清浄化システムは、内燃エ
ンジンのシリンダに配置された噴射器を有する。この噴
射器は、エンジンの圧縮行程の間、燃料のシリンダへの
第１回の噴射を行い、エンジンの排気行程の間、燃料の
シリンダへの第２回の噴射を行なうことができる。本発
明の他の態様において、内燃エンジンのエミッションを
低減させる方法が開示される。この方法は、噴射器を内
燃エンジンのシリンダに配置し、次いで、エンジンの排
気行程の間燃料を内燃エンジンのシリンダに噴射する段
階を含む。本発明の１目的は、噴射器及び支持器具を含
む付加的な炭化水素噴射システムを取り除くエミッショ
ン清浄化システムを提供することである。本発明の他の
目的は、炭化水素の噴射頻度を増大させて噴射器の噴霧
と気化を改良するシステムを形成することによって、シ
ステムの効率を改善することである。
【０００５】
【実施例】図１を参照すると、本発明の好ましい実施例
に関する排気ガス清浄化システム１０を内燃エンジン１
２に使用した状態で示す。現在、本発明は、キャタピラ
ー３５００シリーズディーゼルエンジンのような希薄ガ
ス燃焼ディーゼルエンジンに関して最良の用途であるこ
とがわかる。しかしながら、本発明は、４サイクル、２
サイクルの設計を含む全ての内燃エンジンに適用でき
る。排気ガスがエンジン１２から出て触媒コンバータ１
６への途中排気ガス通路１４を通り、最終的に出口１８
から出る。触媒コンバータ１６は、ゼオライトＺＳＭ５
または貴金属がベースの触媒またはこれらの組合せのよ
うな脱窒素酸化物触媒を含む。多くの用途において、脱
窒素酸化物触媒の下流側に公知の種類の酸化触媒を含む
ことも好ましい。希薄ガス燃焼ディーゼルエンジンに関
する好ましい実施例において、脱窒素酸化物触媒及び酸
化触媒の間に３元触媒を含むことによって、排気ガスが
脱窒素酸化物触媒を通過した後に存在する好ましくない
ニトロゲン化合物の低減を効率的に促進する。エンジン
シリンダヘッド２１に取り付けられて燃料をエンジンシ
リンダ２２に噴射するように位置決めされている燃料噴
射器２０を通る少量の後噴射の燃料として、付加的な炭
化水素がシステムに噴射される。後噴射は、主噴射の後
に時間が決められて、その結果、エンジンの排気行程
中、エンジン作動用燃料の形態の付加的な炭化水素がエ
ンジンシリンダに噴射されるようになる。排気行程は、
排気バルブ２４（図示せず）が開いて、ピストン２６が
エンジンシリンダ２２から燃焼排気ガスを押し出すよう
に作用する、エンジン作動の一部分である。この方法で
付加的な炭化水素を噴射することによって、燃料の噴霧
と気化の状態が従来の炭化水素を用いることによって得
られる場合より十分なもののとなり、システム全体の効
率がより高くなる。後噴射は実質的に排気行程の間発生
するが、後噴射の開始は、システムの性能を最高にする
ために噴射のタイミングを早めたり、遅らせたりする必
要性があることにより、膨張行程の終わりに発生する可
能性もある。これは、主燃料噴射をわずかに早めたり、
遅らせる必要性においても同じである。タイミングをわ
ずかに遅らせることによって、燃料噴射は実質的に圧縮
行程の間に発生するが、実際には膨張行程の間、開始さ
れる。
【０００６】実質的に圧縮行程の間、エミッションを最
低にし、実質的にエンジンの排気行程の間、最適量のエ
ンジンを噴射する状態で、噴射器２０は所望量の燃料が
導入される設計でなければならない。噴射器２０は、電
子制御式ニット噴射器または油圧作動式電子制御ユニッ
ト噴射器であるのが好ましいが、機械作動式噴射器また
は最適量の燃料を選択可能な時間と圧力で噴射する能力
を有するポンプ及びライン燃料システムが本発明の適当
な作動を形成する。最適量は、排気温度とエンジン１２
の作動状況に依存する。最適量という用語は、無駄に噴
射される炭化水素の量を増大させることなく、与えられ
た排気ガス温度と作動状況に対して全体の窒素酸化物を
最も減少させる量のことをいう。好ましい実施例におい
て、これは噴射器２０の状態を制御する能力を有するコ
ンピュータ２８を用いることによって達成される。機械
作動式噴射器の場合、内燃エンジンのカム（図示せず）
は主噴射に続いて付加的燃料を加圧して噴射するために
設けられた外部ローブを含むように変更される。噴射器
２０は、開閉作動状態を有する。開いた作動状態によっ
て、燃料が噴射器から出て、燃焼室に入ることができ
る。噴射器が閉じた作動状態は、燃料が燃料噴射器から
出ることが妨げられる。好ましい実施例において、噴射
器２０の状態は噴射器２０内に配置された作動式バルブ
３０によって制御される。作動バルブ３０との連通によ
って噴射器が開いた状態と閉じた状態の時間の外部制御
を行なうことができる。
【０００７】図２において、エンジンに取り付けられた
油圧作動式電子制御ユニット噴射器が示されている。作
動バルブ３０は、高圧作動流体の噴射器への連通を制御
するポペットタイプのバルブである。作動流体供給部３
１は作動流体の圧力を調整する圧力制御バルブ３２を含
んでおり、作動流体は共通レール２９に送られてこれを
各噴射器に供給する。本実施例において、ポペットバル
ブ３０の制御により、噴射器２０内に配置された加圧部
材３３の運動を制御することによって、噴射される燃料
のタイミングと量の外部制御が行なえる。或いは、電子
制御式ユニット噴射器を用いることができる。この種の
噴射器において、作動バルブ３０は、低圧燃料供給部３
５と噴射器内の高圧蓄積容積部３４（図示せず）との間
の流体連通を直接制御し、燃料蓄積容積部３４と噴射器
２０内の燃料噴射オリフィス３６との間の流体連通も制
御する。好ましい実施例において、比較的一定の燃料圧
を維持しながら、複数の燃料噴射が発生する。これによ
って、複数の噴射にわたって、かつ噴射器が開いた作動
状態の時間の長さの間、燃料噴射の質量流量を比較的一
定に保持でき、さらに先の噴射サイクルとは別の選択さ
れた時間で最適量の後噴射を行なうことができる利点を
提供する。
【０００８】コンピュータ２８は、エンジン負荷と作動
状態を複数のエンジンセンサを介して求める。センサの
出力は、例示的な信号Ｓ3 とＳ4 によってコンピュータ
２８に伝達される。コンピュータ２８は、エンジン電子
制御ユニットに存在するのが好ましい。モータ車両の用
途において、コンピュータ２８が、エンジン回転数、変
速機、及び車両速度のような、全体の車両の作動状況を
周期的に求めることが好ましい。これらの付加的なセン
サは、排気ガスの清浄化が車両の作動状況と、特定のエ
ンジンの作動状況に反応しやすい場合において、好まし
い。排気ガス内の窒素酸化物の含有量がエンジン作動状
態の大きな要因であり、これらの２つの変数の関係はエ
ンジン形状によって変化し、到底予期することができな
い。さらに窒素酸化物の減少となる化学反応は、排気ガ
ス温度に影響を受けるが、この関係もまた非線形であ
り、今日の成形用ツールでは十分に予測できない。その
結果として、本発明の好ましい実施例において、与えら
れたエンジン形状に対する経験的データが得られ、コン
ピュータ２８内のメモリ位置に順次記憶される。即ち、
最適な後噴射量は、複数のエンジン作動状況と負荷にお
いて与えられたシステムに対して経験的に求めることが
できる。このため、比較的単純なソフトウェアで、コン
ピュータ２８が、燃料噴射器２０からの後噴射量とタイ
ミングを周期的に調整でき、エンジンの作動状況とエン
ジン排気温度に基づいて最適な噴射量とタイミングに対
応するようになる。ソフトウェアは、また噴射器が停止
したかどうかを監視する能力を含んでいてもよい。噴射
器が停止する場合、適当な内部コンピュータフラグと外
部インジケータが、維持が必要とされることをオペレー
タに警告するために作動する。
【０００９】好ましい実施例において、経験的なデータ
が、各噴射サイクル毎に対応する噴射器のオンタイムの
増分に変換される。この方法において、コンピュータは
単にエンジンの作動状況を検出し、排気温度を決定し、
コンピュータメモリ内に記憶された表から最適な噴射開
き時間を求める。次いでコンピュータ２８は、燃料噴射
器２０に主噴射に続いて正確なタイミングで開くように
要求し、最適量の燃料が噴射された時に燃料噴射器を閉
じることを要求する。ある用途において、前述したよう
に、ルックアップ表の代わりとしてコンピュータによっ
て用いられる曲線当てはめ式に経験的データを変換する
ことが望ましい。このような場合、噴射オンタイムは、
検出されたエンジン作動状態を用いて曲線当てはめ関数
によって計算される。機械的ユニット噴射器の場合、タ
イミングと噴射されるべき燃料の量はカムシャフト上の
ローブによって求められる。公知の炭化水素噴射システ
ムにおいて、噴射の頻度は、最適な変換効率と噴射寿命
との間のトレードオフとして選択される。より高頻度の
噴射が変換をより効率的にするが、噴射サイクル数の増
大のために噴射寿命がより短くなる。エンジン燃料噴射
器は、高サイクル寿命に設計されてきたので、本発明
は、シリンダの各点火の後に炭化水素を噴射することが
でき、これにより脱窒素酸化物触媒の変換頻度が最高に
なるという利点をさらに有する。また、後噴射はいかな
る数のエンジン燃焼噴射によっても実行される。コンピ
ュータ２８は、一つか全ての噴射器２０に信号を送信し
て後噴射を実行し、これにより燃料噴射器の寿命におけ
る影響を最小限にすることになる。
【００１０】本発明は、排気温度と圧力がより高い場合
にシリンダに噴射し、気化の状態をより良くしてシステ
ムの効率を高めるという利点も有する。燃料噴射器を用
いることによって、従来の炭化水素噴射システムよりも
高圧力で噴射でき、付加的な炭化水素の十分な噴霧化を
行なうことができる。好ましい実施例のみが示されて記
載されてきており、多くの別の異なる実施例が本発明の
考えられる範囲内にあることがわかる。例えば、２つの
タイプの噴射器のみが記載されてきたが、圧縮行程の
間、燃料を一回噴射し、排気行程の間、第２回目の燃料
を噴射できる燃料噴射器の設計において本発明の適当な
作動を行なうことができる。また好ましい実施例では、
４サイクルの内燃エンジンを開示するが、本発明は、排
気行程の間後噴射できる噴射器を用いて２サイクルエン
ジンにも同じように適用可能である。従って上述の実施
例は単に本発明の例にすぎず、本発明の全権利の範囲は
請求の範囲に関して定義されるのみである。付加的な炭
化水素を、燃料室３０によって直接燃焼室に噴射するこ
とによって触媒による好ましくない汚染物を取り除く効
率が驚くべきほど高くなる。効率性と有効性における増
大が、炭化水素が噴射される周波数を増大させることに
よって発生し最適な変換となる。炭化水素をエンジンシ
リンダのより高い温度と圧力になるよう噴射させること
によって、炭化水素の気化状態が改善されシステムの効
率が改善される。燃料噴射器を噴射させるのに付加的な
炭化水素を用いるために、別の炭化水素の噴射器が取り
除かれ、殆どの脱窒素酸化物の変換システムにおいてみ
られるような支持器具が取り除かれることになる。一般
的に噴射器は熱くて、厳しい環境に配置されており、流
体冷却システムを使用することが必要とされたり、また
は空気を導入して空気と窒素酸化物還元剤を混合して十
分に冷却し器具が損失を受けないようにする。燃料噴射
器によって付加的な炭化水素を噴射させることは、また
噴射圧力も増大させ、炭化水素の噴霧化を改良しシステ
ムの性能を改善する。本発明の他の態様、目的及び利点
は図面、発明の開示、及び請求の範囲を参照することに
よって得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施例に係る燃焼排気ガス清
浄化システムの概略図である。
【図２】例示的な内燃エンジンに取り付けられた油圧作
動式電子制御ユニット燃料噴射器の断面図である。
【符号】
１０ 排気ガス清浄化システム １２ 内燃エンジン １４ 排気ガス通路 １６ 触媒コンバータ ２０ 燃料噴射器 ２１ シリンダヘッド ２２ エンジンシリンダ ２４ 排気ガスバルブ ２６ ピストン ２８ コンピュータ ３０ 作動バルブ ３１ 作動流体供給部 ３３ 加圧部材 ３６ 噴射オリフィス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 41/40 9523−3Ｇ Ｆ０２Ｄ 41/40 Ｈ ＺＡＢ 9523−3Ｇ ＺＡＢＣ 45/00 ＺＡＢ 45/00 ＺＡＢ ３０１ ３０１Ｌ ３１２ ３１２Ｒ Ｆ０２Ｍ 45/02 ＺＡＢ Ｆ０２Ｍ 45/02 ＺＡＢ (72)発明者 ウィリアム エイチ レーン アメリカ合衆国 イリノイ州 61523 チ ラコシ ノース セクオイア カーヴ 20707 (72)発明者 ダニエル ジェイ ラーニッド アメリカ合衆国 イリノイ州 61614 ピ オーリア ノース タンピコ ドライヴ 5808 (72)発明者 ランディー エヌ ピーターソン アメリカ合衆国 イリノイ州 61526 エ ーデルスタイン イースト レイク ショ ア ドライヴ 628 (72)発明者 アーロン エル スミス アメリカ合衆国 イリノイ州 61611 イ ースト ピオーリア サイモン ドライヴ 328

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃エンジンのシリンダに配置された燃
    料噴射器と、 実質的に前記エンジンの排気行程の間に、燃料を前記シ
    リンダに噴射する手段と、 を備える内燃エンジンのエミッション清浄化システム。
  2. 【請求項２】 前記噴射手段は燃料噴射器を含んでお
    り、該噴射器は、燃料が前記噴射器から出ることのでき
    る開いた状態と、燃料が前記噴射器から出ることをブロ
    ックされる閉じた状態とを有しており、前記システムは
    前記噴射器の外部で噴射器の状態を制御する手段を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載のエミッション清浄化
    システム。
  3. 【請求項３】 前記制御手段は、前記噴射器が前記開い
    た状態にあるときのタイミングと時間の長さを制御する
    ためのコンピュータを含んでいることを特徴とする請求
    項２に記載のエミッション清浄化システム。
  4. 【請求項４】 前記噴射器は、先の噴射サイクルとは別
    の選択された時間で所定量の燃料を噴射できる構造であ
    ることを特徴とする請求項１に記載のエミッション清浄
    化システム。
  5. 【請求項５】 前記噴射手段は、前記開いた作動状態の
    間、ほぼ一定の質量流量に前記噴射器を維持するための
    手段を含んでいることを特徴とする請求項２に記載のエ
    ミッション清浄化システム。
  6. 【請求項６】 第１の主噴射と、第２の後噴射が行なえ
    る、エンジンのシリンダに配置された燃料噴射器を備え
    るエミッション清浄化システム。
  7. 【請求項７】 前記主噴射は実質的に圧縮行程中に発生
    し、前記後噴射は実質的に排気行程中に発生することを
    特徴とする請求項６に記載のエミッション清浄化システ
    ム。
  8. 【請求項８】 前記エンジンの下流側に配置された第１
    脱窒素酸化物触媒を含むことを特徴とする請求項６に記
    載のエミッション清浄化システム。
  9. 【請求項９】 前記第１脱窒素酸化物触媒の下流側に配
    置された酸化触媒を含むことを特徴とする請求項８に記
    載のエミッション清浄化システム。
  10. 【請求項１０】 前記第１脱窒素酸化物触媒の下流側の
    排気ガスに存在するニトロゲンを含む化合物の減少を促
    進する３元触媒を含むことを特徴とする請求項９に記載
    のエミッション清浄化システム。
  11. 【請求項１１】 前記噴射器は、燃料噴射を選択的に行
    なわせるバルブを含むことを特徴とする請求項６に記載
    のエミッション清浄化システム。
  12. 【請求項１２】 内燃エンジンのシリンダに噴射器を配
    置し、 実質的に前記エンジンの排気行程中、前記内燃エンジン
    の前記シリンダに燃料を噴射する、 段階からなる内燃エンジンのエミッションを低減させる
    方法。
  13. 【請求項１３】 燃料噴射を行なわせるように作用可能
    なバルブを接続する段階を含むことを特徴とする請求項
    １２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記エンジンの一部の作動範囲にわた
    り排気ガスの温度の範囲内において前記排気行程中の最
    適量の噴射燃料を予め決定し、 前記排気ガスの前記温度を求め、 前記エンジンの前記作動状態を判定し、 前記所定の最適量と、前記計測された排気ガスの温度
    と、前記判定されたエンジンの作動状態とに基づいて噴
    射量を計算し、 前記エンジンの排気行程中に前記最適量の燃料を前記シ
    リンダに噴射する、 段階を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 与えられた燃焼源に対して経験的に前
    記最適量を予め設定する段階を含むことを特徴とする請
    求項１４に記載のエミッション低減方法。
  16. 【請求項１６】 前記計算段階を実行するコンピュータ
    にアクセス可能なメモリ位置に前記所定の最適量を記憶
    する段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方
    法。
  17. 【請求項１７】 前記計算段階は、 前記メモリ位置にアクセスし、 どの最適量が、前記排気ガスの前記計測された温度と前
    記燃焼源の前記判定された作動状態に最も近似して対応
    するかを選択し、 前記噴射段階の間、前記噴射器の前記作動状態を制御し
    て、次の排気行程中、前記選択された最適量の燃料を前
    記シリンダに送る、 段階を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記噴射器は、前記燃料が噴射される
    開いた作動状態と、燃料噴射がブロックされる閉じた作
    動状態の２つの作動状態のみを有しており、 前記計算段階は、前記次の排気行程中、前記噴射器が前
    記開いた作動状態にあるべき時間の長さを計算して、前
    記選択された最適量の燃料を送る段階を含んでいること
    を特徴とする請求項１７に記載の方法。
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