(57)【要約】【課題】急加速時に排気ガスの再循環を絞り込んでもＮＯx発生量の増加を確実に抑制し得るＮＯx低減方法を提供する。【解決手段】排気側から排気ガス７の一部を抜き出して吸気側へ再循環すると共に、急加速時に燃焼性の悪化を回避し得るよう排気ガス７の再循環を絞り込むようにしたエンジン１のＮＯx低減方法に関し、排気ガス７の再循環が絞り込まれる急加速時に合わせて、吸気管４（吸気系路）に対しエンジン１内での爆発行程まで水滴状態のまま到達し得るよう粒の粗い水添加を水添加弁１８により実施する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へ再循環すると共に、急加速時に燃焼性の悪化を回避し得るよう排気ガスの再循環を絞り込むようにしたエンジンのＮＯx低減方法であって、排気ガスの再循環が絞り込まれる急加速時に合わせて、吸気系路に対しエンジン内での爆発行程まで水滴状態のまま到達し得るよう粒の粗い水添加を実施することを特徴とするＮＯx低減方法。
【請求項２】
単位時間当たりのアクセル開度の変化率が所定の閾値を超えた時に急加速であると判定し、その判定時に水添加を実施することを特徴とする請求項１に記載のＮＯx低減方法。
【請求項３】
急加速時に行う水添加とは別に、排気ガスを再循環する途中で冷却して生じた結露水を勾配により吸気系路へ随時導くことを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＯx低減方法。
【請求項４】
非急加速時にも急加速時よりも少ない添加量で水添加を実施することを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＯx低減方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気ガス中に含まれるＮＯx（窒素酸化物）を低減するためのＮＯx低減方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車のディーゼルエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を採用したものがある。
【０００３】
この際、エンジンに再循環される排気ガスを途中で冷却すると、排気ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることにより、エンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を低下して効果的にＮＯxの発生を低減させることができるため、エンジンに排気ガスを再循環する系路の途中には、再循環される排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラが装備されている（例えば下記の特許文献１参照）。
【０００４】
即ち、このようなＥＧＲクーラによりＥＧＲガスを冷却すれば、排気ガス自体の温度が低下して容積が小さくなることにより、該排気ガスの密度が高まってエンジンの燃焼室への充填効率が高まり、エンジンの出力に大きな影響を及ぼさずに排気ガスをより多く導入することができる。
【特許文献１】特開２００２−１８８５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような排気ガスの再循環によりＮＯxの低減化を図ることは、エンジン内での燃焼不良により黒煙を発生してしまうこととトレードオフの関係にあるので、ＥＧＲ率を高めるに際しては、エンジン側に燃焼不良を招かないよう配慮する必要があるが、近年においては、厳しい排気ガスの規制に対処するべくエンジン側に燃焼不良を招かないぎりぎりのレベルまでＥＧＲ率が高められているのが実情であり、急加速時には、エンジン側で燃焼不良による黒煙発生を招かないよう排気ガスの再循環を絞り込む措置を採らざるを得ず、急加速時にあっては、ＥＧＲ率が低下した分だけ新気が導入され且つ燃料噴射量も増加してエンジン内での燃焼温度が高まり、ＮＯx発生量が一時的に増加してしまうという問題を生じていた。
【０００６】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、急加速時に排気ガスの再循環を絞り込んでもＮＯx発生量の増加を確実に抑制し得るＮＯx低減方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へ再循環すると共に、急加速時に燃焼性の悪化を回避し得るよう排気ガスの再循環を絞り込むようにしたエンジンのＮＯx低減方法であって、排気ガスの再循環が絞り込まれる急加速時に合わせて、吸気系路に対しエンジン内での爆発行程まで水滴状態のまま到達し得るよう粒の粗い水添加を実施することを特徴とするものである。
【０００８】
このように添加水を適度な大きさの水滴（吸気の流れに乗るサイズで十分に大きい水滴）としてエンジン内へ送り込むと、この水滴は圧縮行程で気化しきらずに残り、エンジン内での爆発行程で一気に蒸発して１ｇ当たり５３１calの蒸発潜熱を奪い、燃焼温度を大幅に抑制してＮＯxの低減に大きく寄与することとなるので、急加速時に排気ガスの再循環を絞り込んでも、吸気系への水添加の実施によりＮＯx発生量の増加を抑制することが可能となる。
【０００９】
より詳細に述べると、吸気系路はインタークーラ等の特殊な構造部分を除いて抵抗の少ない円滑な流れが形成されるようになっており、そこを流れる吸気は、層流に近い流れを形成することになるが、エンジンの各気筒における吸気ポートも、燃焼室にスワールが円滑に形成されるように形作られているので、層流に近い流れは気筒内でも継続することになる。
【００１０】
そして、このような層流中を流れる水滴は、最も抵抗の少ないティアドロップ形状を保ちつつ吸気に随伴されて流れ、該吸気からの熱伝導により１００℃を超えた表層部分だけが徐々に蒸発していくだけなので、ある程度の大きさがあれば、途中で蒸発させずに水滴のままエンジン内へ送り込むことが可能である。
【００１１】
しかも、圧縮行程での気筒内温度は、クランク角が下死点から９０゜を超えて上死点に近づくまでなかなか熱くならず、上死点付近で急激に上昇して燃料の着火温度に到達することになるので、水滴は圧縮行程で気化しきらずに爆発行程まで水滴状態のまま残り続ける。
【００１２】
そして、爆発行程を迎えると、燃焼室内の場所ごとの状態や圧力差が大となり、水滴は自身のティアドロップ形状を保持できなくなって瞬時に砕け、しかも、その砕けた水滴が更に砕け続けて一瞬のうちに極小の水滴となり、ここに燃焼熱が加わって瞬時に全てが蒸発し、その蒸発潜熱により燃焼温度が抑制されてＮＯx低減が図られることになる。
【００１３】
また、本発明においては、単位時間当たりのアクセル開度の変化率が所定の閾値を超えた時に急加速であると判定し、その判定時に水添加を実施するようにすれば良く、このようにすれば、運転者の意思が大きく反映されたアクセル操作に基づき急加速を早い段階から判定することが可能となる。
【００１４】
更に、本発明においては、急加速時に行う水添加とは別に、排気ガスを再循環する途中で冷却して生じた結露水を勾配により吸気系路へ随時導くようにしても良く、また、非急加速時にも急加速時よりも少ない添加量で水添加を実施するようにしても良い。
【００１５】
このようにすれば、非急加速時にも結露水や添加水をエンジン内に送り込んで爆発行程で蒸発させ、これにより燃焼温度を大幅に抑制することが可能となり、排気ガスの再循環と併用して高いＮＯx低減効果を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
上記した本発明のＮＯx低減方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００１７】
（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、排気ガスの再循環が絞り込まれる急加速時に合わせて、吸気系路に対しエンジン内での爆発行程まで水滴状態のまま到達し得るよう粒の粗い水添加を実施し、その添加水をエンジン内へ送り込んで爆発行程で一気に蒸発させ、その蒸発潜熱により燃焼温度を抑制することができるので、急加速時に排気ガスの再循環を絞り込んでもＮＯx発生量の増加を確実に抑制することができる。
【００１８】
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、運転者の意思が大きく反映されたアクセル操作に基づき急加速を早い段階から判定し、その判定により直ちに水添加を実施することができる。
【００１９】
（ＩＩＩ）本発明の請求項３又は４に記載の発明によれば、非急加速時にも結露水や添加水をエンジン内に送り込んで燃焼温度を大幅に抑制することができるので、非急加速時に排気ガスの再循環と併用することで高いＮＯx低減効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１〜図５は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図中１はターボチャージャ２を搭載したディーゼル機関のエンジンを示し、図示しないエアクリーナから導いた吸気３を吸気管４を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送り、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３をインタークーラ５へと送って冷却し、該インタークーラ５から更に吸気マニホールド６へと吸気３を導いてエンジン１の各気筒に分配するようになっており、また、このエンジン１の各気筒から排出された排気ガス７を排気マニホールド８を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス７を排気管９を介し車外へ排出するようにしてある。
【００２２】
そして、排気マニホールド８と吸気マニホールド６との間がＥＧＲパイプ１０により接続されており、該ＥＧＲパイプ１０を介し排気マニホールド８から排気ガス７の一部を抜き出して吸気管４（吸気系路）の途中に導き得るようにしてある。
【００２３】
ここで、前記ＥＧＲパイプ１０には、排気ガス７の再循環量を適宜に調節し得るよう開度調整可能なＥＧＲバルブ１１と、再循環される排気ガス７を冷却水との熱交換により冷却する水冷式ＥＧＲクーラ１２と、該水冷式ＥＧＲクーラ１２からの排気ガス７をエンジン１前面のファン１３により吸引される外気との熱交換により冷却する空冷式ＥＧＲクーラ１４とが装備されており、該空冷式ＥＧＲクーラ１４で排気ガス７が１００℃以下に冷却されるようにしてある。
【００２４】
ここで、空冷式ＥＧＲクーラ１４は、排気ガス７の入側から出側へ向けて下り勾配を成すように傾斜配置されており、排気ガス７を再循環する途中で冷却して生じた結露水を勾配により吸気管４へ随時導き得るようにしてある。
【００２５】
また、吸気管４におけるＥＧＲパイプ１０の接続箇所より僅かに下流側となる位置には、通気構造の添加水捕捉板１５が吸気３の流れに対し斜めに配置されるようになっており、この添加水捕捉板１５には、例えば、図２に示す如き吸気３の流れ方向に長く延びる菱形格子１６により細かく網目状に多数の孔１７が開口したものを採用することができる。
【００２６】
この場合、各孔１７の開口率を十分に確保して圧力損失がエンジン性能に悪影響を及ぼさないように考慮する必要があるが、添加水捕捉板１５を吸気３の流れに対し適切に傾斜させることで、吸気３の流れから見て流路断面の略全域が菱形格子１６により網羅されるようにして、吸気３が必ず菱形格子１６の何れかの箇所に干渉して流れるようにしておくと良い。
【００２７】
また、この添加水捕捉板１５より上流側の吸気管４には、所要場所に設置した水タンク１９から給水管２０を介し水ポンプ２１により水を導いて水噴射し得るよう水添加弁１８が配置されており、この水添加弁１８は、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２２からの制御信号１８ａにより開弁操作されるようになっている。
【００２８】
ここで、前記制御装置２２には、アクセル開度を検出するアクセルセンサ２３からの検出信号２３ａが入力されるようになっており、この検出信号２３ａに基づいて単位時間当たりのアクセル開度の変化率が所定の閾値を超えた時に急加速であると判定し、その判定時に前記水添加弁１８に対し制御信号１８ａを出力し、前記アクセル開度の変化率に応じ該変化率が大きいほど多く添加量を増やして水噴射を実行させるようにしている。
【００２９】
即ち、図３にフローチャートで示す如く、先ずステップＳ１で単位時間当たりのアクセル開度の変化率Ａが所定の閾値Ｘを超えたかどうかが判定され、変化率Ａが閾値Ｘを超えている場合に、ステップＳ２へと進んで水添加が実施され、変化率Ａが閾値Ｘを超えない場合は、ステップＳ３へ進んで水添加が留保されるようにしてあり、例えば、アクセルが踏み込まれて車速が上がっても、単位時間当たりのアクセル開度の変化率Ａが所定の閾値Ｘを超えない場合は、単なる緩加速であるとして特に急加速の判定は下されないようにしてある。
【００３０】
また、前記制御装置２２で急加速が判定された際には、ＥＧＲバルブ１１にも制御信号１１ａが出力されてバルブ開度を絞り込む制御が実行されるようになっており、エンジン１側で燃焼不良による黒煙発生が生じないようにしてある。
【００３１】
そして、前記水添加弁１８により吸気管４内に噴射された添加水は、吸気３の流れに乗り下流側へ流され、添加水捕捉板１５を通過する間に菱形格子１６と干渉して捕捉されることになるが、この添加水捕捉板１５において、次々と添加水が菱形格子１６に捕捉されて次第に所要サイズの水滴に成長しながら菱形格子１６に沿い下流側へ吹き流され、菱形格子１６の角部で水滴同士が合流して急激に大きな水滴に成長したところで吸気３の流れにより自然に添加水捕捉板１５から脱離することになる（図２参照）。
【００３２】
この際、添加水捕捉板１５の孔１７のサイズや形、吸気３の流れに対する傾斜角度等を調整することにより、添加水捕捉板１５から脱離する水滴のサイズをコントロールすることが可能であり、水滴を適度なサイズに揃えてエンジン１内へ送り込むことが可能となる。
【００３３】
このように添加水を適度な大きさの水滴（吸気３の流れに乗るサイズで十分に大きい水滴）としてエンジン１内へ送り込むと、この水滴は圧縮行程で気化しきらずに残り、エンジン１内での爆発行程で一気に蒸発して１ｇ当たり５３１calの蒸発潜熱を奪い、燃焼温度を大幅に抑制してＮＯxの低減に大きく寄与することとなる。
【００３４】
即ち、一般的に、吸気系路はインタークーラ５等の特殊な構造部分を除いて抵抗の少ない円滑な流れが形成されるようになっており、そこを流れる吸気３は、層流に近い流れを形成することになるが、エンジン１の各気筒における吸気ポートも、燃焼室にスワールが円滑に形成されるように形作られているので、層流に近い流れは気筒内でも継続することになる。
【００３５】
そして、このような層流中を流れる水滴は、図４に示す如く、最も抵抗の少ないティアドロップ形状を保ちつつ吸気３に随伴されて流れ、該吸気３からの熱伝導により１００℃を超えた表層部分だけが徐々に蒸発していくだけなので、ある程度の大きさがあれば、途中で蒸発させずに水滴のままエンジン１内へ送り込むことが可能である。
【００３６】
しかも、図５にグラフで示す通り、圧縮行程での気筒内温度は、クランク角が下死点から９０゜を超えて上死点に近づくまでなかなか熱くならず、上死点付近で急激に上昇して燃料の着火温度に到達することになるので、水滴は圧縮行程で気化しきらずに爆発行程まで水滴状態のまま残り続ける。
【００３７】
そして、爆発行程を迎えると、燃焼室内の場所ごとの状態や圧力差が大となり、水滴は自身のティアドロップ形状を保持できなくなって瞬時に砕け、しかも、その砕けた水滴が更に砕け続けて一瞬のうちに極小の水滴となり、ここに燃焼熱が加わって瞬時に全てが蒸発し、その蒸発潜熱により燃焼温度が抑制されてＮＯx低減が図られることになる。
【００３８】
一方、本形態例においては、空冷式ＥＧＲクーラ１４で１００℃以下に冷却されて生じた結露水が勾配により吸気管４へ随時導かれるようになっているので、この結露水も添加水として添加水捕捉板１５の菱形格子１６に捕捉された後に適度な大きさの水滴となってエンジン１内へ送り込まれることになる。
【００３９】
この結果、非急加速時にも結露水をエンジン１内に送り込んで爆発行程で蒸発させ、これにより燃焼温度を大幅に抑制することが可能となり、排気ガス７の再循環と併用して高いＮＯx低減効果を得ることが可能となる。
【００４０】
従って、上記形態例によれば、排気ガス７の再循環が絞り込まれる急加速時に合わせて、吸気系路に対しエンジン１内での爆発行程まで水滴状態のまま到達し得るよう粒の粗い水添加を実施し、その添加水をエンジン１内へ送り込んで爆発行程で一気に蒸発させ、その蒸発潜熱により燃焼温度を抑制することができるので、急加速時に排気ガス７の再循環を絞り込んでもＮＯx発生量の増加を確実に抑制することができる。
【００４１】
また、単位時間当たりのアクセル開度の変化率が所定の閾値を超えた時に急加速であると判定し、その判定時に水添加を実施するようにしているので、運転者の意思が大きく反映されたアクセル操作に基づき急加速を早い段階から判定し、その判定により直ちに水添加を実施することができる。
【００４２】
更に、非急加速時にも結露水をエンジン１内に送り込んで燃焼温度を大幅に抑制することができるので、非急加速時に排気ガス７の再循環と併用することで高いＮＯx低減効果を得ることができる。
【００４３】
また、以上に述べた形態例においては、急加速時にのみ水添加弁１８に水添加を実施させるようにしているが、必要に応じて、非急加速時にも急加速時よりも少ない添加量で水添加を実施するようにしても良い。
【００４４】
即ち、非急加速時には、ＥＧＲバルブ１１の絞り込みが解除されて排気ガス７の再循環が併用されることになるため、急加速時に行う水添加より少ない添加量でも十分に高いＮＯx低減効果を得ることが可能である。
【００４５】
また、非急加速時における水添加は、空気過剰率（λ）に比例した添加量で実施することが好ましく、このようにすれば、ＮＯxが発生し易くなる空気過剰率の高い条件下で水の添加量を増やしてＮＯx発生量を抑えることが可能となり、また、ＮＯxが発生し難くなる空気過剰率の低い条件下で水の添加量を減らして無駄な水添加を極力回避することが可能となる。
【００４６】
ここで、前記制御装置２２では、図示しないエアフローメータからの吸気量の情報と、エンジン回転数やアクセル開度の情報を基に燃料噴射系を制御するための燃料投入量の情報が把握されているので、これらの情報に基づき空気過剰率が割り出されるようになっており、この空気過剰率に比例した添加量を制御信号１８ａとして水添加弁１８に指示するようにすれば良い。
【００４７】
尚、本発明のＮＯx低減方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、非急加速時における水添加や、排気ガスを再循環する途中で冷却して生じた結露水の吸気系路への導入は必要に応じて行えば良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】図１の添加水捕捉板の詳細を示す拡大図である。
【図３】図１の制御装置における制御手順のフローチャートである。
【図４】層流中を流れる水滴の状態を説明する模式図である。
【図５】気筒内温度とクランク角との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１  エンジン
３  吸気
４  吸気管（吸気系路）
７  排気ガス
８  排気マニホールド
１０  ＥＧＲパイプ
１１  ＥＧＲバルブ
１１ａ  制御信号
１２  水冷式ＥＧＲクーラ（ＥＧＲクーラ）
１４  空冷式ＥＧＲクーラ（ＥＧＲクーラ）
１８  水添加弁
１８ａ  制御信号
２２  制御装置
２３  アクセルセンサ
２３ａ  検出信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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