JP2002227702A - ターボチャージャの応答特性を改善する方法 - Google Patents

ターボチャージャの応答特性を改善する方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造的手間を著しく増大させることなく、タ
ーボチャージャの応答特性及びこのターボチャージャに
連結された内燃機関の応答特性の著しい改善が行われる
ような方法を提供する。 【解決手段】 正の負荷変化時及び/又はアイドリング
時及び/又は弱負荷運転時に、ポスト噴射を極端に遅目
に実施して、ポスト噴射時期のこのような設定によって
シリンダ内での燃料の完全な蒸発を達成し、但しこの場
合、燃料蒸気と排気ガスの残留酸素とから成る混合物が
シリンダ内で着火しないようにし、燃料蒸気と排気ガス
とから成る該混合物を、排気経路内で、排気弁と排気タ
ーボチャージャの排気タービンへの入口との間で初め
て、特別な手段によって酸化させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、噴射がメイン噴射
と少なくとも１回のポスト噴射とに分割されていて、か
つ両噴射が同じインジェクタによって行われる、空気圧
縮型の内燃機関の非定常運転時におけるターボチャージ
ャの応答特性を改善する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】欧州特許第０６２１４００号明細書によ
り、コモンレール噴射システムを備えたディーゼル内燃
機関における噴射を、一次噴射と二次噴射とに分割する
ことが知られている。二次噴射は、燃料がなおも着火
し、そして膨張段階での燃焼により排気ガス温度が上昇
するように行われる。この上昇した排気ガス温度によっ
て、排気システム内に配置された触媒が、低温状態か
ら、より迅速に加熱され、ひいてはより迅速に活性化さ
れ、これにより、ＨＣ成分及び窒素酸化物の濃度が低減
される。
【０００３】ドイツ連邦共和国特許第３０４６８７６号
明細書により公知の過給式の内燃機関では、ターボチャ
ージャを加速するために排気タービンに燃焼室が前置さ
れている。この燃焼室には、ターボチャージャのコンプ
レッサから圧縮された空気が供給される。内燃機関が増
速運転されると、燃焼室には燃料が噴射されるので、排
気ガスの温度及びエンタルピーが上昇する。したがっ
て、燃焼室に後置された排気タービンは、より高速に増
速運転される。このフィードバック効果によって、内燃
機関の応答性も同じく改善される。しかし、このような
装置は、高い構造的な手間を必要とし、このような手間
は汎用の実用車での使用時では、到底許容され得ない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
課題は、構造的手間を著しく増大させることなく、ター
ボチャージャの応答特性及びこのターボチャージャに連
結された内燃機関の応答特性の著しい改善が行われるよ
うな方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明の方法では、正の負荷変化時及び/又はアイ
ドリング時及び/又は弱負荷運転時に、ポスト噴射を極
端に遅目に実施して、ポスト噴射時期のこのような設定
によってシリンダ内での燃料の完全な蒸発を達成し、但
しこの場合、燃料蒸気と排気ガスの残留酸素とから成る
混合物がシリンダ内で着火しないようにし、燃料蒸気と
排気ガスとから成る該混合物を、排気経路内で、排気弁
と排気ターボチャージャの排気タービンへの入口との間
で初めて、特別な手段によって酸化させるようにした。
【０００６】
【発明の効果】本発明による方法は、排気ガスの圧力を
増大させると同時に排気ガスのエンタルピーを増大さ
せ、ひいては排気ガスの温度を増大させることにより、
ターボチャージャの加速度の著しい向上をもたらす。フ
ィードバック効果によって、ターボチャージャに連結さ
れた内燃機関の応答特性も向上する。本発明による方法
は、内燃機関自体の構造に対する何らかの干渉を必要と
するものでもない。それどころか、電子エンジンマネー
ジメントのソフトウェアへの干渉しか必要とならず、こ
れによりポスト噴射の時期は、シリンダ内での着火が行
われることなく燃料蒸発が行われるように制御される。
このことは、コモンレール噴射システムを使用した場合
に、問題なく行うことができる。
【０００７】請求項２に記載の方法では、燃料蒸気と残
留酸素を含有する排気ガスとから成る混合物を酸化させ
るための手段として、触媒が提案されている。この触媒
は、排気弁の下流側に、但しターボチャージャのタービ
ンよりは上流側に配置されている。この触媒は、ＨＣ及
びＣＯのための酸化活性の他に、ＮＯｘ還元ポテンシャ
ルをも有するように構成され得る。
【０００８】本発明による方法を改良するための別の有
利な手段は、請求項３〜請求項１４に記載されている。
【０００９】過給式のディーゼル内燃機関においては、
ターボチャージャの応答特性及びターボチャージャに連
結された内燃機関の応答特性に問題がある。その高い出
力密度と有利な効率とに基づき、過給式のディーゼル内
燃機関は、高い出力と経済性並びに小さな構造サイズが
求められる場合にあらゆる分野で使用される。すなわ
ち、過給式のディーゼル内燃機関はとりわけ車両分野及
び特にディーゼル運転される動力装置において、広く使
用されている。しかし、車両において生じる問題は、エ
ンジンの著しく非定常的な運転である。この場合、特に
加速経過が問題を生ぜしめる。すなわち、ターボチャー
ジャには、吸気側での圧縮のためにとされるエネルギ
が、排気側でまだ提供されていないので、いわゆるター
ボラグが生じてしまう。つまり、エンジンにはその時点
で、まだ十分な空気量が提供されておらず、空気比ラム
ダが急激に低下し、燃料はもはや完全に燃焼されなくな
る。遅延された出力発揮の他に、とりわけディーゼルエ
ンジンで生じる煤の吐き出しは、短時間で低くなりすぎ
た空気比によりもたらされる不都合な副次的作用であ
る。本発明による方法は、このような問題を、排気ガス
エネルギを高めることによって解決する。コモンレール
噴射システムのような最近の噴射システムは、シリンダ
の全作業サイクルにわたって不変の高い噴射圧を保証す
ると共に、電子的に自由に設定可能な噴射時期及び分割
された噴射を保証する。これらの可能性は、メイン噴射
の後に、第２の極めて遅目のポスト噴射を実施するため
にに利用される。通常、ポスト噴射は、燃焼の投入によ
って、メイン噴射の間に形成された煤粒子を後酸化して
粒子エミッションを低減せしめるために使用される。し
たがって、燃料滴の着火及びその完全な燃焼を保証する
ためには、ポスト噴射の時期が、通常では遅くともメイ
ン噴射終了後２０°に設定される。上死点後最大約９０
°の一層遅目の噴射時期は、供給された燃料滴の不完全
燃焼に基づき、煤のエミッションを急激に増大させてし
まう。
【００１０】以上説明した事情から出発して、次に本発
明の一般的思想について述べる。ポスト噴射の時期が、
さらに遅目に、つまり排気弁の開放直前又はそれどころ
か排気弁の開放後に設定されると、燃料滴の燃焼はもは
や行われなくなる。それどころか、なおもシリンダ内で
は蒸発や、排気ガスと燃料蒸気とから成る均質な混合物
の形成さえも生じる。ディーゼルエンジンの排気ガス
は、後続の酸化のためにまだ十分な酸素を含有してい
る。この混合物を排気行程の間、触媒の表面に接触させ
て酸化されることにより、排気ガスの温度及び圧力が著
しく上昇し、こうして高められた排気ガスのエネルギ
が、ターボチャージャのために利用される。つまり、過
給圧と空気比とが明らかに上昇するわけである。この均
質な後燃焼と相俟って、粒子エミッションもＮＯｘエミ
ッションも、極端に遅目のポスト噴射なしでの値よりも
下にまで低減される。
【００１１】しかし、本発明による方法の固有の利点
は、非定常的なエンジン運転時に現れる。つまり、加速
段階において既に比較的高い過給圧が提供されているの
で、空気比はそれほど大きく低下せず、煤排出も明らか
に弱められる。内燃機関は、より迅速に所望の高負荷時
点に到達する。
【００１２】高められた燃料消費を回避するためには、
均質な後酸化が必要とされる場合、つまり正の負荷切替
による煤排出が予想され得る場合にしか、均質な後酸化
が活性化されない。比較的迅速に応答する小型のターボ
チャージャでは、動力装置に突発的な負荷要求が課せら
れた場合にのみポスト噴射を行うだけで十分である。大
型の、つまり緩慢なターボチャージャでは、突発的な負
荷増大時に既に高いターボチャージャ回転数からスター
トするために、ポスト噴射をアイドリング時及び/又は
弱負荷領域で連続的に使用することが有利である。本発
明による方法において極めて遅目のポスト噴射に課せら
れる問題は、例えば市街地走行の際に生じるような比較
的長い弱負荷段階において、あるいはまたエンジンブレ
ーキ運転時においても、排気ガス温度が著しく低下し
て、もはやガス混合物を酸化させるためには十分でなく
なることである。したがって、排気ガス温度を検出し、
均質な後酸化の接続を、負荷点及び/又は負荷変化速度
に関連してのみ制御するだけでなく、排気ガス温度に関
連しても制御することが望ましい。排気ガス温度が低す
ぎると、ポスト噴射の実行が無意味となる。それという
のは、この場合、供給された炭化水素の酸化がもはや行
われず、高められた炭化水素エミッションが生じるから
である。活性開始温度を低下させるためには、排気経路
にターボチャージャの上流側で、炭化水素及び一酸化炭
素に対する酸化活性を有する表面が設けられる。このよ
うな表面は、例えば成分Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｗ
Ｏ３、Ｖ２Ｏ ５、ＳｉＯ２又はゼオライトの混合酸化物
から成る表面を備えた金属製の触媒担体から成っていて
よい。また、白金属の元素、並びにセリウム及びジルコ
ニウムも、高い炭化水素酸化活性を有している。ＮＯｘ
エミッションをさらに低減させるためには、ＮＯｘ吸蔵
触媒をターボチャージャの手前に挿入することができる
このＮＯｘ吸蔵触媒は、高い温度に基づき容易に再生す
ることができる。これに加えて、排気経路の、排気ガス
に接触する部分、例えばシリンダヘッド、排気マニホル
ドの内面及びコンプレッサハウジングの内面、並びに
弁、弁軸部及びコンプレッサ回転車に、炭化水素を酸化
するための触媒活性層を設けることも可能である。これ
らの手段によって、炭化水素は、均質な気相反応で酸化
されるだけでなく、発熱反応及び不均一系反応によって
昇温した触媒活性表面においても酸化される。これらの
触媒の使用によって、システムの活性開始温度は、約２
８０℃から２００℃よりも低い温度にまで低下する。エ
ンジンが、例えば乗用車用エンジン又は市街地走行バス
用エンジンにおいてそうであるように極端な弱負荷領域
で運転される場合には、活性開始温度が前述の２００℃
よりも下にまで低下し得る。
【００１３】本発明による方法の制御は、電子制御装置
を介して行うことができる。弱負荷運転若しくはアイド
リング運転時では、適当な手段により、ターボチャージ
ャのサージが阻止されなければならない。このことは、
圧縮された過給空気の逃がし及び/又は吸入空気の絞り
によって行うことができる。これらの手段は、弱負荷領
域における排気ガスの過度の冷却を阻止するためにも使
用することができる。場合によっては、ターボチャージ
ャの回転数の監視若しくはコントロールも好都合とな
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２Ｇ 37/12 ３０２ 37/12 ３０２Ｄ Ｆ０２Ｄ 23/02 Ｆ０２Ｄ 23/02 Ｈ 41/04 ３８５ 41/04 ３８５Ｂ ３８５Ｅ 41/08 ３８５ 41/08 ３８５ (72)発明者 ラインハルト レメルマン ドイツ連邦共和国 シュタイン レーゲル スバッハー シュトラーセ 44 (72)発明者 ハンス ザウター ドイツ連邦共和国 ニュルンベルク ピレ ンロイター シュトラーセ 91 Ｆターム(参考） 3G005 DA02 EA16 FA04 FA35 GD03 GD12 GD13 HA05 JA16 3G091 AA02 AA10 AA18 AA28 AB02 AB06 AB09 BA14 BA15 BA19 BA39 CB02 CB03 CB07 DA01 DA02 DA03 DB10 EA01 EA17 FA12 FA13 FA14 FA17 FA18 FA19 FB02 FB10 FC07 GA03 GB01W GB04W GB05W GB06W GB09X GB09Y GB10W HA01 HB06 3G092 AA02 AA06 AA18 BB06 BB13 DB03 DC01 DC15 EC01 FA17 FA18 GA04 GA05 GA12 HA17Z HD01Z 3G301 HA02 HA04 HA11 JA25 JA26 KA07 KA08 KA11 LA00 LA01 MA18 MA23 MA26 ND01 PD11Z

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 噴射がメイン噴射と少なくとも１回のポ
    スト噴射とに分割されていて、かつ両噴射が同じインジ
    ェクタによって行われる、空気圧縮型の内燃機関の非定
    常運転時におけるターボチャージャの応答特性を改善す
    る方法において、 正の負荷変化時及び/又はアイドリング時及び/又は弱負
    荷運転時に、ポスト噴射を極端に遅目に実施して、ポス
    ト噴射時期のこのような設定によってシリンダ内での燃
    料の完全な蒸発を達成し、但しこの場合、燃料蒸気と排
    気ガスの残留酸素とから成る混合物がシリンダ内で着火
    しないようにし、燃料蒸気と排気ガスとから成る該混合
    物を、排気経路内で排気弁と排気ターボチャージャの排
    気タービンへの入口との間で初めて、特別な手段によっ
    て酸化させることを特徴とする、ターボチャージャの応
    答特性を改善する方法。
  2. 【請求項２】 燃料蒸気と排気ガスとから成る混合物を
    酸化させるための手段を、排気弁と排気タービンの入口
    との間に配置された触媒として形成し、前記混合物を酸
    化のために触媒表面に擦過させる、請求項１記載の方
    法。
  3. 【請求項３】 触媒酸化のために、元素アルミニウム及
    び/又はタングステン及び/又はバナジウム及び/又はケ
    イ素及び/又はセリウム及び/又はジルコニウムから成る
    混合酸化物を含有する活性表面を使用する、請求項１又
    は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 触媒活性表面がゼオライトから成ってい
    る、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
  5. 【請求項５】 触媒活性層が、白金族の元素のような貴
    金属を含有している、請求項１から４までのいずれか１
    項記載の方法。
  6. 【請求項６】 触媒活性表面が、ＮＯｘ吸蔵活性を有し
    ている、請求項１から５までのいずれか１項記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 シリンダヘッド及び/又は排気マニホル
    ド及び/又は排気弁及び/又はタービンハウジング及び/
    又はタービン回転車の、排気ガスに接触される部分に、
    触媒活性層を設ける、請求項１から６までのいずれか１
    項記載の方法。
  8. 【請求項８】 排気経路内でターボチャージャの上流側
    に、加熱された表面を設ける、請求項１から７までのい
    ずれか１項記載の方法。
  9. 【請求項９】 触媒活性表面を加熱する、請求項１から
    ８までのいずれか１項記載の方法。
  10. 【請求項１０】 ポスト噴射の機能及び運転を、電子構
    成素子を介して制御する、請求項１から９までのいずれ
    か１項記載の方法。
  11. 【請求項１１】 吸込み空気の絞り及び/又は過給空気
    の逃がしを行う、請求項１から１０までのいずれか１項
    記載の方法。
  12. 【請求項１２】 排気ガス温度を制御する、請求項１０
    又は１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 ターボチャージャの回転数を監視す
    る、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
  14. 【請求項１４】 排気ガス温度を検出し、該排気温度に
    関連して前記ポスト噴射を実行する、請求項１から１３
    までのいずれか１項記載の方法。
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