(57)【要約】  【課題】触媒コンバータを搭載するディーゼルエンジンにおいて、同エンジンの低速低負荷運転時でも、触媒コンバータに高温度排気を供給し得る排気の抽出装置の提供。  【解決手段】本発明装置は、多気筒ディーゼルエンジン１の排気系の上流より排気を抽出して副触媒コンバータ７を経て主触媒コンバータに流下せしめるごとき排気浄化機構を備えたディーゼルエンジンにおいて、副触媒コンバータ７への排気の抽出を前記エンジンの排気マニホールド２の集合部２ｅより直接行うもので、エンジン１の始動時も前記切換弁体６により冷却されることなく、高温の排気を副触媒コンバータ７に流入でき、副触媒コンバータ７の入口に接続した副排気管８も短くできるので、排気管からの熱の損失も少なくなる。  【選択図】図１
2005171944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多気筒ディーゼルエンジンの排気を副触媒コンバータを経て主触媒コンバータに流下せしめるごとき排気浄化機構を備えたディーゼルエンジンにおいて、前記副触媒コンバータへの排気の抽出を前記エンジンの排気マニホールドの枝管集合部より直接行うことを特徴とするディーゼルエンジンの高温度排気の抽出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にディーゼルエンジンの低速低負荷運転時に適した高温度排気の抽出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２に示すディーゼルエンジンの排気系は、２００５年以降に一般に使用されると思われる排気処理装置を示し、ディーゼルエンジン１の排気を排気マニホールド２から、これに接続した排気管３にて触媒コンバータ４に導くごとき構成であるが、斯る装置は、デイーゼルエンジンの全負荷、全速度範囲にわたって排気温度が触媒を活性化し続けることが命題として与えられている。しかし、図示した装置では、排気を高温のまま抽出して触媒コンバータに流入させ、高温度を確保するにはまったく不十分である。これを以下に順次説明する。
【０００３】
即ち、前記図２に示す一般的な排気処理装置の構成ではディーゼルエンジン（以下ＤＥと称する）１として４シリンダ列型エンジンの場合を示すが、このような構成では、排出された排気はＤＥ１から触媒コンバータ４に流入するまでに、外管が大気と接する排気管３内を流れることになり、冷却されて温度低下を生ずる。
【０００４】
殊にＤＥ車が都市内の渋滞道路を低速、低負荷で通過する場合は、ＤＥ１より排出される排気の温度が低いばかりか排気管内の滞留時間が長くなり、一層冷却されて排気の温度低下は甚だしく触媒コンバータ４の活性温度以下となり、大気汚染物質を除去することはほとんど不可能となる。
【０００５】
上記への対策として、排気管３を短くしようとする考えもあるが、触媒コンバータ４の大きさは現行の排気サイレンサ（図示せず）にほぼ匹敵し、このため車両としては排気管３の長さを２メートル以下とすることは不可能に近い。
【０００６】
上記の問題点を解決する手段としては、本出願人の出願になる図５に示す如き特願２００２−９４１７４号（特開２００３−２９３７４９号）がある。この発明は図４の点線ト−チに示すように、ＤＥ１から触媒コンバータ４’までの距離に比例して冷却損失が増大し、排気温度が低下するとの前提に立って案出されたものであるが、実験したところでは図４の線イ−ロ−ヘ−ハのように、排気温度はＤＥ１から触媒コンバータ４’までの距離に比例するのでなく、点ロ、即ち排気マニホールド２の集合部２ｅで最高になることが判明した。
【０００７】
その理由を、前記図２の４シリンダ列型エンジンを例にして説明すると、このエンジン１は左からＮｏ．１シリンダ（＃１）からＮｏ．４シリンダ（＃４）までを備え、各シリンダ＃１〜＃４はそれぞれ排気弁（図示せず）を介し排気ポート１ａ〜１ｄに連結され、該排気ポート１ａ〜１ｄは排気マニホールド２の枝管２ａ〜２ｄに連結されており、枝管２ａ〜２ｄは集合部２ｅにまとめられて、エンジン１の全シリンダの排気はここに合流する。
【０００８】
このとき、前記枝管２ａ〜２ｄ内の排気の流れのサイクル（時間）毎の変化は図３に示す如くであり、まず、シリンダ＃１の排気弁が図３の点ａで開弁すると、枝管２ａ内の排気温度及び流速は点ｂまで上昇するが、エンジン１が１８０°回転して排気弁が閉じる点ｃ以降では枝管２ａ内の流速はゼロとなり、枝管２ａ内の排気は、シリンダ＃１についての次の排気サイクルが開始される点ｄまでは枝管２ａ内に停滞して外気により冷却され続け、枝管２ａ内にて温度低下し続けるのである。
【０００９】
列型４気筒ディーゼルエンジンの場合、シリンダ＃１の次に開弁するのはシリンダ＃３で、シリンダ＃１の閉弁時に開弁し、点ｃと同時期の点ｅで排気弁が開弁し、クランク角で１８０°後、即ち点ａより３６０°後の点ｆで閉じ、次のサイクルでは点ｅよりクランク角で７２０°後の点ｇで再び開弁する。同様に、次はシリンダー＃４、その次はシリンダ＃２となって、エンジンの４サイクルを完了し、クランク角７２０度回転後には、また次のサイクルが開始され、シリンダの＃１⇒＃３⇒＃４⇒＃２⇒＃１⇒と繰り返されることになる。
【００１０】
上記の枝管２ａ〜２ｄ内の排気の流れのサイクル（時間）毎の変化によって、例えば枝管２ａ内の排気は、１サイクル中に点ｃから点ｄまでクランク角度で５４０°もの間外気によって冷却され続けることとなり、枝管２ａ〜２ｄ内の排気の平均温度は、特にエンジン１の低速、低負荷運転時においては、図３の点ｂの温度より大幅に低下する。
【００１１】
これに対して、排気マニホールド２の集合部２ｅ内においては、排気は図３下方に示すように枝管から次々に供給されて連続流となるばかりでなく、集合部２ｅの体積が前記枝管２ａ〜２ｄに比して大きいことから、集合部２ｅ内の排気の流速は枝管２ａ〜２ｄ内より急速に減速し、これによって排気のエネルギは速度から温度へと転換して、図４のロに示すようにエンジンの排気系中における最高の排気温度となる。
【００１２】
実際には低負荷時における排気温度を高めるために、吸気を絞り、空気過剰率は１に近づけられているので、排気の流量は通常のエンジンに比して大幅に低下する。従って、特にディーゼルエンジンのアイドル運転時及び低速低負荷運転時においては、前記吸気絞りのみでは排気温度は目標の３００℃には遠く達せず、これは吸気絞りに排気２段カムによる排気再循環方式を併用することによって可能ではあるが、更に本発明者の発明になる特許第９０６１９１号の発明を組み合わせて排気温度を目標の３００℃に到達させようとすることも考えられる。
【００１３】
ちなみに、上記特許発明は、ディーゼルエンジンの吸気通路に絞り弁を付設し、これを絞ることによって空気量を減少させ、空気過剰率を下げて燃焼温度を高めるとともに、排気弁を補助カムにより吸気行程下死点付近で開くことによって、排気系から高温の排気を負圧となっているシリンダ内に逆流せしめ、以ってシリンダ内空気を断熱圧縮して温度上昇せしめ、また該空気が高温の排気と混合することによって、更に圧縮行程前のシリンダ内空気の温度を上昇させ、低圧縮比ディーゼルエンジンの始動を容易にする方法である。
【００１４】
そこで、高温の排気のエンジンシリンダへの逆流量を増加し、燃焼温度を更に高めて排気温度を上昇させようとし、図２に示すように更に排気系に排気絞り弁５を設置し、該弁５の開度を調節しつつエンジンの低速低負荷運転時に排気マニホールド２の集合部２ｅ内排気温度を高温に維持せんとする試み、あるいは図５に示すように、単に主触媒コンバータ４’と副触媒コンバータ７を併用する考えもある。
【００１５】
しかし、上記手段も図４に示すように、点イの温度で前記排気マニホールドの枝管を流下した排気は、前記集合部内で点ロの最高温度に達するが、エンジンの低速、低負荷時には排気の流速が低いため、排気マニホールドの集合部から（主）触媒コンバータに向かって（主）排気管内で冷却され続け、触媒コンバータ入り口においては点ハの温度（１００℃程度）まで低下してしまう。
【００１６】
ディーゼルエンジンの負荷及び速度を高めると、図４の線ニ−ホに示すように排気温度と流量は増大し、外気から冷却される割合が減少して、図４の点ハから点ホと高まり、排気温度は触媒の前記活性温度以上となる。しかし、これはディーゼルエンジン搭載トラックの場合、空車で時速８０キロメートル、積車で時速６０キロメートル以上においてのみ生ずる現象であって、それ以下の車速においては別途対策を必要とする。なお、触媒コンバータの排気入り口を排気マニホールドの集合部に接近させて接続することは、排気温度を低下させない手段として有効であるが、車両の構造上採用はほとんど不可能である。
【００１７】
そこで発明者は、排気マニホールド２の集合部２ｅにエンジン１の排気熱が連続して供給されることに注目して研究の結果、本発明に至ったものである。
【特許文献１】特開２００３−２９３７４９号公報
【特許文献２】特許出願公告昭５２−３４６８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
よって本発明が解決しようとする課題は、触媒コンバータを搭載するディーゼルエンジンにおいて、前記エンジンの低速低負荷運転時においても触媒コンバータに高温度排気を供給し得る排気の抽出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、多気筒ディーゼルエンジンの排気を副触媒コンバータを経て主触媒コンバータに流下せしめるごとき排気浄化機構を備えたディーゼルエンジンにおいて、前記副触媒コンバータへの排気の抽出を前記エンジンの排気マニホールドの枝管集合部より直接行うことを特徴とするディーゼルエンジンの高温度排気の抽出装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のディーゼルエンジンの高温度排気の抽出装置は、多気筒ディーゼルエンジンの排気を触媒コンバータを経て下流に流下せしめるごとき排気浄化機構を備えたディーゼルエンジンにおいて、前記触媒コンバータへの排気の抽出を前記エンジンの排気マニホールドの枝管集合部より直接行うことを特徴とするので、特にディーゼルエンジンの低速低負荷時においても触媒コンバータを活性化し得るようディーゼルエンジンの排気温度を高温に抽出しうる装置を提供する効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
複数のシリンダを有するディーゼルエンジン１の排気系の上流より排気を抽出して副触媒コンバータ７を経て主触媒コンバータに流下せしめるごとき排気浄化機構を備えたディーゼルエンジンにおいて、前記副触媒コンバータ７への排気の抽出を前記エンジンの排気マニホールド２の集合部２ｅより直接行うものである。
【実施例１】
【００２２】
具体的には、図１に示すようにエンジン１の排気マニホールド２から主排気管３’により主触媒コンバータ４’に至る排気系の、前記排気マニホールド２と主排気管３’の間に切換弁６ａをもつ切換弁体６を介装するとともに、前記切換弁体６と、主排気管３’における排気絞り弁５の手前との間を、副触媒コンバータ７をもつ副排気管（バイパス管）８１、８２で接続したものである。
【００２３】
前記切換弁６ａは、図１に示す位置で、エンジン１からの排気のほとんどすべてを副触媒コンバータ７に流下し、また切換弁６ａを主排気管３に並行になるよう開くことによりエンジン１からの排気のほとんどすべてを主触媒コンバータ４’に流下せしめるものである。
【００２４】
エンジン１の排気マニホールド２の集合部２ｅよりの排気は切換弁体６に流れ、このとき切換弁６ａが図１のごとく主排気管３を閉じているときは、排気は副排気管８（バイパス管）８１、８２を介して副触媒コンバータ７に流入するが、排気は前記のように冷却されることなく副触媒コンバータ７を活性化し、且つその活性化を維持して、ディーゼルエンジンの低速低負荷時の排気の浄化を行い、浄化された排気は副排気管８（バイパス管）８１、８２を経て主排気管３’に合流するよう構成されている。
【００２５】
そして、ディーゼルエンジン１の速度及び負荷が低下し、アイドル状態に近づくと、副触媒コンバータ７の入口温度は、触媒の活性化のための最低温度２５０℃より低下する。そこで、主排気管３’に設置した排気絞り弁５によって流路を絞って絞り排圧を高め、前述のごとくＥＧＲを増大して、補助触媒コンバータ７の入口での排気温度を２５０℃以上に高めんとするのである。
【００２６】
図１に示す多気筒ディーゼルエンジンは、列型４気筒ディーゼルエンジンの例を示し、
そのエンジン１は、図２に示すものと同様左からＮｏ．１シリンダ（＃１）からＮｏ．４シリンダ（＃４）までを備え、各シリンダ＃１〜＃４はそれぞれ排気弁（図示せず）を介し排気ポート１ａ〜１ｄに連結され、該排気ポート１ａ〜１ｄは排気マニホールド２の枝管２ａ〜２ｄに連結されており、枝管２ａ〜２ｄは集合部２ｅにまとめられてエンジン１の全シリンダの排気はここに合流する。
【００２７】
前記シリンダ＃１〜＃４の作動順序は＃１⇒＃３⇒＃４⇒＃２⇒＃１⇒と繰り返されるが、排気マニホールド２の集合部２ｅ内においては、前述の如く排気は上記作動により、図３下方に示すように枝管から次々に供給されて連続流となるばかりでなく、集合部２ｅの体積が前記枝管２ａ〜２ｄに比して大きいことから、集合部２ｅ内の排気の流速は枝管２ａ〜２ｄ内より急速に減速し、これによって排気のエネルギは速度から温度へと転換して、図４のロに示すようにエンジンの排気系中における最高の排気温度となる。
【００２８】
エンジン１が中速、中負荷運転時に移行したときは、切換弁６ａを徐々に図１の点線の状態にするが、排気マニホールドの集合部２ｅより、エンジン１の排気のほぼすべてが直接切換弁体６を通って主排気管３’に流れ、主触媒コンバータ４’に達してこれを活性化しつつ排気を浄化する。
【００２９】
なお、エンジン１が中速、中負荷以上の運転時に移行したときも、副触媒コンバータ７の冷却を防ぐために、前記切換弁６ａは全開せず、ある程度バイパス管８１、８２により排気が流れるようにすることが望ましい。
【００３０】
上記の本発明高温度排気の抽出装置によれば、エンジン１における排気系中で連続して最も高温となる排気マニホールド２の集合部２ｅに、副触媒コンバータ７の入口に接続した副排気管８（バイパス管８１、８２）を接続しているので、エンジン１の始動時も前記切換弁体６により冷却されることなく、高温の排気を副触媒コンバータ７に流入でき、副触媒コンバータ７の入口に接続した副排気管８も短くできるので、排気管からの熱の損失も少なくなる。
【００３１】
なお、上記図１のものも、排気マニホールド２の集合部２ｅからとは言いながら、エンジン１の運転条件等、たとえばディーゼルエンジン１の低速低負荷運転時等においては、前記集合部２ｅにおいて、図４の線イーローハに示すように点ロであった排気温度が、切換弁体６の副排気管８入り口では点ヘにまで低下してしまうおそれがある。
【００３２】
本発明者の研究によれば、上記点ロと点ヘとの温度差は、エンジンのアイドル運転時において約２０℃であるから、前記排気絞り弁５によって点ヘの温度を点ロに高めることは可能ではあるが、前記排気絞り弁５によって排気を絞り排気圧力を高めることは、エンジン１の燃料消費量を増大せしめ、即ＣＯ2 の排出量を増大させることになる。
【００３３】
そのうえ、切換弁６には熱容量があり、そのためにエンジン１の始動直後は切換弁体６は大気と同温度であるから、切換弁体６ａが排気によって温度上昇するまでは排気は切換弁体６ａによって冷却され続け、このため副触媒コンバータ７の活性化温度に達するまでにかなりの時間を必要とし、この間副触媒コンバータ７を構成するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）内にはディーゼルパティキュレート（ＤＰ）が堆積し続け、ＤＰＦは引き続く急加速、即ち急激な負荷増大に伴う排気温度の急上昇によって自然着火しやすくなり、１０００℃以上の高温となって破損するおそれがある。
このようなときは、後記の如く特許文献１、２の発明を適宜組合わせればよい
【産業上の利用可能性】
【００３４】
図１に示した例は、エンジン１における排気系中で連続して最も高温となる排気マニホールド２の集合部２ｅに、副触媒コンバータ７の入口に接続した副排気管８（バイパス管８１、８２）を接続して、エンジン１の始動時も前記切換弁体６により冷却されることなく、高温の排気を副触媒コンバータ７に流入せしめることのできるものを示したが、本発明は前記特許文献１、２の発明を組み合わせること等が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明ディーゼルエンジンの高温度排気の抽出装置の一実施例を示す正面略図である。
【図２】従来のディーゼルエンジンの排気処理装置の一例を示す略示図である。
【図３】デイーゼルエンジンを構成するシリンダの作動順序と排気温度と流速の変化の説明図である。
【図４】排気ガスの温度及び流速の変化を示す図である。
【図５】本発明ディーゼルエンジンの高温度排気の抽出装置の案出過程における、ディーゼルエンジンの排気処理装置の一例を示す略示図である。
【符号の説明】
【００３６】
１                  多気筒ディーゼルエンジン
２                  排気マニホールド
２ａ〜２ｄ          枝管
２ｅ                集合部
３、３’            主排気管
４、４’            主触媒コンバータ
５                  排気絞り弁
６                  切換弁体
６ａ                切換弁
７                  副触媒コンバータ
８                  副排気管
８１、８２          バイパス管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005171944.tif 000006
【図５】
2005171944.tif 000007