(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室中でディーゼル燃料を周期的に噴射させ、燃焼させ、それぞれ、燃料の噴射及び燃焼の開始後に、過酸化水素系の過酸化化合物及び有機過酸化化合物を含有する水溶液を燃焼室に供給するディーゼルエンジンの排ガス中のカーボン含量を削減させるための方法において、過酸化化合物を含有する液体の噴射のために、複数の穴を有するノズルを使用することを特徴とする、ディーゼルエンジンの排ガス中のカーボン含量の削減法。
【請求項２】
２〜５個の穴を有するノズルを使用する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
過酸化化合物を含有する液体を、ディーゼル燃料の噴射の開始後に５°〜４０°の範囲内のクランク角度で燃焼室に供給する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
ディーゼル燃料噴射を、上方の死点の前に１０°±５°のクランク角度で開始し、かつ過酸化化合物を含有する液体を、上方の死点の後に５°〜３０°の範囲内のクランク角度で燃焼室に供給する、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
過酸化化合物を含有する水溶液として、１０〜７５重量％のＨ2Ｏ2含量を有するＨ2Ｏ2溶液を供給する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
過酸化化合物を含有する液体を、ディーゼル燃料の量に対して、５０〜１００％の量で供給する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
ディーゼル燃料の噴射及び過酸化化合物を含有する液体の噴射のために、２種の液体を交互に噴射させるためのノズルを使用する、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、ディーゼルエンジンの排ガス中のカーボン含量を削減させるための方法並びに前記方法の実施のための装置に関するものである。
カーボン及びＮＯxの放出は、従来と同様にディーゼルエンジンの最大の問題点の１つである。有害物質削減のためのこれまでの全ての計画は、カーボンとＮＯxの排ガス濃度の差を示している。より遅い噴射の方向での噴射開始の時間的な遅れによって、確かにカーボン形成を減少させることはできるが、しかしこれは、より高いＮＯx放出につながることになる。これとは異なり、排ガス返送の方法は、エンジン中でのより低い温度によって、ＮＯx生成の減少を可能にするが、しかし、著しく高いカーボン放出を伴うものである。
燃焼室への水の付加的な噴射によって、燃焼温度の低下によってＮＯx形成を減少させることが可能であるが、これについては、Amin Velji他、MTZ Motorentechnische Zeitschrift ５７（１９９６）７／８、４００〜４０７を見よ。カーボン放出を同時に削減することは、水をディーゼル−水放出の形で燃焼室中に導入する場合によってのみ達成されるが、しかし、水が燃焼空気と一緒にか又は直接、層状にされた噴射によって燃焼室中に導入される場合には達成されない。
欧州特許第０３３３７０４号明細書の記載から、炭化水素化合物の場合に関与する、燃焼過程の排ガス中の有害物質、即ち、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯxの含量を、過酸化物、例えば過酸化水素又は別の過酸化化合物及び水を含有する液状組成物の供給によって、詳細には、燃焼空気及び／又は燃料−空気混合物を用いて削減することは公知である。燃焼過程への供給は、全ての公知の方法の場合に、既に燃焼過程の開始時又は点火段階の範囲内で行われている。排ガス中のカーボン削減は、前記文献中に記載された方法の場合には達成できない。液状組成物は、過酸化水素１０〜８０容量％を含有していることもあるが、これは、燃焼室中で分解してＯＨ基になり、それ自体の側で燃焼を促進してしまう。
本発明の課題は、ＮＯx放出に同時にはマイナスの影響を及ぼさず、かつ有利に同時に低下させることになるような、ディーゼルエンジンの燃焼の際のカーボン放出量を過酸化化合物の使用下に削減することである。
燃焼室中でディーゼル燃料を周期的に噴射させかつ燃焼させるディーゼルエンジンの排ガス中のカーボン含量の削減の意図された目的は、本発明によれば、それぞれ、燃料の噴射及び燃焼の開始後に、過酸化水素及び他の過酸化化合物、殊に有機過酸化化合物の系列の過酸化化合物を含有する液体を燃焼室に供給することによって達成される。
過酸化水素又は過酸化化合物を、好ましくは、水を含有する液体の形、通常、溶液の形で供給する。別の過酸化化合物とは、Ｈ2Ｏ2以外の有機過酸化化合物、例えばペルオキソカルボン酸及びヒドロペルオキシドのことである。ペルオキソ塩は、その蒸皮のために、一般にはあまり適していない。１０〜７５重量％、ことに３０〜５０重量％の含量を有するＨ2Ｏ2水溶液は、特に有利である。
本発明は、ディーゼル燃料の燃焼の際に生じるカーボン粒子を、末端に向かって、殊に燃焼段階に引き続き、前記の時点に向けて燃焼過程に供給された過酸化水素又は別の過酸化化合物を用いて、燃焼によって少なくとも十分に除去するという考えに基づいている。
ディーゼルエンジンの燃焼過程の場合、自己発火に引き続く燃焼段階でカーボンが形成されるが、しかし、このカーボンは、大部分、前記の段階の間になお存在するＯＨ基によって再度酸化させられている。燃焼段階は、膨張の間に温度が低下して化学的な連鎖反応が中断する場合に終了する。この場合、化学的活性基、Ｏ、Ｈ及びＯＨが再結合してＨ2Ｏ及びＯ2になる。ＯＨ基は、主としてカーボン酸化の原因であるので、前記の時点に、カーボン酸化も停止する。燃焼室中になお存在するカーボンを酸化できるようにするためには、本発明によれば、例えば、前記の時点に、ＯＨ基のための付加的に用意された源が有効量で存在していることが保証される。
Ｈ2Ｏ2分子は、本発明による方法の場合、第一に、カーボンの酸化過程のために必要とされるＯＨ基の供給源として使用される。燃焼段階に引き続き存在する１２００Ｋ〜２０００Ｋの間のガス温度の場合、極めて迅速に２個のＯＨ基に分解する。従って、十分に良好な噴霧品と関連した適当な噴射技術による十分な供給の場合、十分なカーボン酸化を達成することができる。排ガス返送との組合せの場合、カーボン放出量並びにＮＯx放出量は減少させられる。
本発明による方法の１つの有利な実施態様によれば、燃焼段階に引き続き、燃焼の完結、ひいては排ガス中のカーボン粒子の削減のために、それぞれ、過酸化水素水溶液の僅少な供給量が噴射され、この場合、できるだけ十分に噴霧される。「燃焼段階に引き続く」という概念とは、燃料の実質的な部分が燃焼する時点のことである。好ましくは、過酸化化合物を含有する液体の噴射は、燃焼室中へのディーゼル燃料の噴射の開始後にクランク角５〜４０°の範囲で行われる。
ディーゼル燃料噴射は、通常、ディーゼルエンジン−圧縮行程の上方の死点（ＯＴ）の前１０°±５°で行われるのに対して、本発明によれば、使用するＨ2Ｏ2−又は別の過酸化化合物を含有する液体は、上方の死点の後に噴射される。有利に、前記の場合、過酸化物を含有する液体の噴霧は、上方の死点の後のクランク角５°〜３０°、殊に５°〜２０°の範囲内で行われる。液体噴射が行われていなければならない時間は、例えばディーゼル燃料噴射の時間の範囲内、ひいては有利に０．５〜２ｍｓの範囲内である。
ディーゼル燃料並びにＨ2Ｏ2又は別の過酸化化合物を含有する液体の噴射は、別個の噴射ノズルによって行うことができる。この場合、供給すべき過酸化化合物を含有する液体のための噴霧ノズルは、ディーゼル燃料噴霧に通常使用されている同じノズルであってもよい。また、前記の液体並びにディーゼル燃料の噴霧のために、唯一の共同の噴射ノズルを、ディーゼル燃料と、過酸化化合物を含有する液体とを交互に供給するために使用することもできる。
本発明は、図１〜４に基づき詳細に記載されている。
図１は、２種の液体を交互に噴射することができる噴射ノズルを通る横断面図である。
図２は、１穴ノズル及び２穴ノズルの使用下での噴射時点に左右されるＨ2Ｏ2噴射によるディーゼルエンジンでの％で測定したカーボン減少率のグラフ図を示している。
図３は、１穴ノズルの使用下でのＨ2Ｏ2水溶液の濃度に左右される相対的なカーボン減少率を示している。
図４は、Ｈ2Ｏ2水溶液（含量：６０重量％）の噴射量に左右される相対的なカーボン減少率を示している。
２種の液体、有利にディーゼル燃料及びＨ2Ｏ2水溶液を交互に噴射させるための１個の共通の噴射ノズルの構造及び機能は、以下に詳細に説明されている：図１中では、噴射ノズルは、変更されたいわゆるシート穴ノズル
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の形で断面図中に記載されている。
噴射ノズルは、ケーシング１とその中の軸方向で移動するように層状をなすいわゆるバルブピンの形での閉鎖部材２とからなる。閉鎖部材２として作用するバルブピンは、閉鎖位置でスプリング３によって動かされている。閉鎖部材２の先端は、円錐形に形成されており、ケーシング１中の閉鎖位置で放射状に射出する出口開口部４を閉鎖している。
図１には、１個の出口開口部４だけが示されているが、有利にケーシングは、燃焼室中に噴射すべき液体の最適な分布を達成するために、２個以上の出口開口部を有している。
出口開口部４を通して、ケーシング１の中へ加圧下に入り込む液体５又は６を、そのうち、液体５が、第一の液体であれば、液体６が第一の液体とは異なる第二の液体であるように、交互に噴射させることができる。
原理的に、前記の装置の場合には、２種の液体を同時に噴射させることが可能である。勿論、ノズルの本発明による使用には、本質的に、１つの液体又は別の液体の交互の噴射が肝要である。
閉鎖部材２は、該閉鎖部材に接してそれぞれ待機している液体の圧力によって開放させることができる。第一の液体５の圧力が存在していないか又は僅かな場合に、閉鎖部材２が、スプリング３の力により出口開口部４を閉鎖している圧力を下回る圧力を第二の液体６が有している場合には、第一の液体５の圧力の上昇によって閉鎖部材２が出口開口部４を開放位置へ移動させることができる。このためには、閉鎖部材２の移動方向で第一の液体室７に境を接している閉鎖部材２の平面が、スプリングの力に関連した、第一の液体内の十分に高い圧力で、出口開口部４の開口位置に閉鎖部材２を移動させるように設計されている。第二の液体６の供給の際に、返送流が不可能である場合には、ノズルが第一の液体５の圧力によって開放された場合に、専ら第一の液体５が出口開口部４から出てくる。
第一の液体５の圧力が低下される場合に、第二の液体６の圧力及びスプリング３によって生じる閉鎖力に関連して、出口開口部４の閉鎖が、閉鎖部材２によって行われている限り、閉鎖部材２を、第二の液体６内の圧力上昇によって同様に開放させることができる。第一の液体５の返送流が不可能である場合には、第二の液体室８中に存在する第二の液体６自体の圧力によって閉鎖部材２が開放された場合に、専ら第二の液体６が出口開放部４から出てくる。
従って、液体５及び６の交互の加圧によって、それぞれ交互に第１及び第二の液体５、６を、１つの同じノズルから噴射させることができる。
本発明による方法の実施のための前記のノズルの使用の際には、第一の液体として、ディーゼル燃料及び第二の液体として過酸化水素を含有する液体を、それぞれ交互に噴射させることができる。
詳細は実施例から明らかであるが、図２〜４から、噴射時点（ＥＺＰ）の正しい選択及び燃焼室中での水性過酸化水素の良好な分布が、カーボン削減に対する極めて大きな影響を有していることが結論される。Ｈ2Ｏ2濃度及び噴射量は、最低濃度及び最低噴射量を上回るが、カーボン酸化にとってはＥＺＰほどに重要ではない。２０００ｒｐｍ及び全負荷での有利なＥＺＰは、ディーゼル燃料噴射が、上方の死点の前のクランク角度約１０°で開始する場合には、上方の死点の後のクランク角度５°〜３０°の間である。特に有利なＨ2Ｏ2溶液は、３０〜６０重量％の間のＨ2Ｏ2含量を有しており；実際には、Ｈ2Ｏ2濃度は、多くの場合４０〜５０重量％である。Ｈ2Ｏ2溶液の最適な噴射は、全負荷の場合、噴射したディーゼル量の５０％超〜１００％である。
気化するＨ2Ｏ2溶液と残りのガスとの噴射後の別の改善された混合は、最適にされた孔径及び噴射角度を有する２より多い穴を有するノズル、例えば４穴ノズル又は５穴ノズルの使用によって期待することができる。噴射圧の上昇によっても、燃焼室中での良好な分布を達成することができる。ディーゼル及び過酸化水素水溶液を順次噴射する図１に記載の組み合わされた噴射ノズルの使用によって、カーボン酸化のために必要なＯＨ基が、燃焼の完結、ひいては排ガス中のカーボン含量の減少を必要とする場所に発生させられる。従って、最大のカーボン削減のために必要とされるＨ2Ｏ2の量を更に減少させることができる。
実施例
図２〜４中に記載した試験結果を、空気冷却して直接噴射するシングルシリンダ４サイクルディーゼルエンジン中で定めた：最大出力９．９ｋＷ；最大トルク２０００回転で３７Ｎｍ；ピストン工程容積６２５ｃｍ3；ストローク１１０ｍｍ；内径８５ｍｍ；バルブ２個；圧縮比１７：１。試験のためにシリンダヘッドを、第二の噴射ノズルの収容及びノズルホルダーの固定によって改良した。第二の噴射ポンプの使用によって、Ｈ2Ｏ2噴射の時点及び量を、エンジンのロードポイント及びディーゼル噴射から独立して変動させることができた。ディーゼル噴射ポンプは、４００バールの最大噴射圧に達したが；対称に噴射する４穴ノズルを使用した。Ｈ2Ｏ2溶液の噴射ポンプは、最大４５０バールの噴射圧に達したが；１穴及び２穴を有する噴射ノズルを使用した。
Ｈ2Ｏ2噴射時点（ＥＺＰ）を試験したが、この場合、尺度として、上方の死点（ＯＴ）の後のクランクシャフトの角度を採用し；ディーゼル燃料の噴射を、上方の死点の前に、クランクシャフト約１０°で開始した。ＥＺＰは、ＯＴの領域でＯＴ後に６６°までであった（図２を見よ）。また、Ｈ2Ｏ2濃度を、１５重量％〜６０重量％の範囲内で変動させた場合であっても（図３を見よ）、噴射１回当たりの噴射量Ｅmは、２．６〜３４ｍｍ3／噴射であった（図４を見よ）。噴射量Ｅmは、定格回転数及び全負荷の場合にディーゼル噴射量の５〜１００％に相応していた。
図２中には、２つのノズル変法についてのＨ2Ｏ2の噴射時点（ＥＺＰ）の変動によるカーボン削減についての測定結果を記載した。エンジンを、２０００ｒｐｍ及び全負荷で駆動させた。Ｈ2Ｏ2濃度は６０％であり、噴射量Ｅm＝３４ｍｍ3／噴射；Ｈ2Ｏ2水溶液の量は、測定した駆動点の際の噴射したディーゼル量の約１００％に相応していた。ディーゼルのＥＺＰは、選択した回転数の場合に上方の死点（ＯＴ）の前で１０°であった。
図２から、１穴ノズル並びに２穴ノズルの場合に、上方のＯＴ以降のＥＺＰの向上と、まず、最適値までのカーボン削減の明らかな増大とが関連していることが結論づけられる。この後、カーボン削減率の曲線は、再度緩徐に下降している。このことから、他には同じ条件で、１穴ノズルによるよりも、２穴ノズルによって本質的により多くのカーボンを酸化させることができるということが判明した。ＯＴ後の１１°の噴射時点の際、２穴ノズルの場合には、カーボン減少率は、５４％に達している。これとは異なり、１穴ノズルの使用によっては、約３４％のカーボン減少率が達成されるにすぎない。これは、燃焼室中でのＨ2Ｏ2のより良好な分布によるものであると推測される。カーボン酸化のためには、小さな時間窓領域が存在するにすぎないので、Ｈ2Ｏ2と残りのガスとの最適な混合は、本質的に重要になる。多くのカーボンが酸化する有利な時間窓領域は、１穴ノズルの場合で、ＯＴ後のクランク角（ＫＷ）７°〜約３０°ＫＷの間である。２穴ノズルの場合、この範囲は、若干早い時間に移動している。更なるカーボン削減は、２個より多い穴を有するノズル、例えば４穴ノズルの使用によって期待される。
図３中には、Ｈ2Ｏ2濃度の変動の結果を記載した。この場合、カーボン減少の軸線は、この場合に測定された最大のカーボン減少率で規格化されている。この図面の本質的な意味は、Ｈ2Ｏ2の一定濃度、この場合、約４５重量％から、更なる濃度の上昇によって、排ガス中のカーボン量の更なる低下をもはや達成できないということである。別の選択された噴射時点及び回転数の場合、匹敵する結果を示した。
図４は、Ｈ2Ｏ2６０重量％の含量を有するＨ2Ｏ2溶液の噴射量の変動についての測定の結果を記載してある。この場合も、カーボン減少率は、最大値で規格化させた。噴射量についての下方の軸線上には、ｍｍ3／噴射での絶対値を記載し、上方の軸線上には、噴射したディーゼル量に対する絶対値を記載してある。カーボン削減は、噴射量による僅かな依存を示した。これは、僅かな量のＨ2Ｏ2の場合にも、カーボンの低下における明らかな効果を示しているということである。より多くの噴射量、ひいてはより長い噴射時間の場合に、燃焼室中でより良好に分散すると考えられるので、これにより、より多くの噴射量の場合のより良好なカーボン酸化を説明することもできる。
本発明による方法は、固定したディーゼルエンジン並びに固定されていないディーゼルエンジンに使用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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