JP2016170112A - スートマスリミット試験方法及びスートマスリミット試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】ガソリンエンジン車に使用されているハニカムフィルタおけるスートマスリミットを正確に測定可能なスートマスリミット試験方法を提供する。
【解決手段】内部にススが堆積した状態でガソリンエンジンの排気管に配置されたハニカムフィルタを、ガソリンエンジンからの排ガスによって６００℃以上に昇温するようにガソリンエンジンを運転した状態から、１０秒〜５分の時間をかけてアイドル状態まで減速運転することにより、ハニカムフィルタ内のススを燃焼させて、ハニカムフィルタ内を高温にするスートマスリミット試験方法。好ましくは、ハニカムフィルタには、減速運転する前の状態においてススが３ｇ／Ｌ以上堆積しているスートマスリミット試験方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、スートマスリミット試験方法及びスートマスリミット試験機に関する。更に詳しくは、ガソリンエンジンにおけるスートマスリミットを正確に測定可能なスートマスリミット試験方法及びスートマスリミット試験機に関する。

自動車エンジン等の排ガス中には、ススが含まれている。そして、このススが、大気中に放出されるのを防止する必要がある。そこで、自動車エンジン等の排気管にフィルタを設置することが行われている。

このようなフィルタは、排ガス中のススを除去するものである。このフィルタは、長期間使用されると、除去されたススが内部に堆積することになる。そして、ススの堆積量が多くなると、ススが燃焼する際の熱応力が大きくなる。そのため、フィルタが破損するおそれがある。ここで、フィルタがどの程度のススを堆積できるかを評価することは重要である。そして、フィルタに堆積可能なススの量の限界を確認する試験（スートマスリミット（Ｓｏｏｔ Ｍａｓｓ Ｌｉｍｉｔ（ＳＭＬ））試験）が行われている（例えば、特許文献１参照）。ディーゼルエンジン車で使用しているフィルタ（ＤＰＦ）におけるスートマスリミットを確認する試験としては、Ｄｒｏｐ Ｔｏ Ｉｄｌｅ（ＤＴＩ）試験がある。

特開２０１１−１７７６１２号公報

しかし、ガソリンエンジンが搭載されたガソリンエンジン車の場合、ディーゼルエンジン車で使用しているフィルタ（ＤＰＦ）の試験として採用されるＤＴＩ試験が適用できないという問題があった。具体的には、ガソリンエンジン車は、排ガス中の酸素濃度が低く、ＤＴＩ試験ではススの燃焼が起こらない。そのため、ディーゼルエンジン車で使用しているＤＰＦと同じ条件で試験をしても、フィルタの内部温度が高温にならない。従って、ディーゼルエンジン車のように、ススが燃焼するために必要な酸素濃度条件を作り出せない。このようなことから、ガソリンエンジン車に使用されるフィルタについては、ＤＴＩ試験が適用できないという問題がある。

そこで、ガソリンエンジン車に使用されるフィルタのスートマスリミットを正確に測定可能な試験方法の開発が切望されている。

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものである。本発明の課題とするところは、ガソリンエンジン車に使用されているフィルタのスートマスリミットを正確に測定可能なスートマスリミット試験方法及びスートマスリミット試験機を提供することにある。

本発明によれば、以下に示す、スートマスリミット試験方法及びスートマスリミット試験機が提供される。

［１］ 内部にススが堆積した状態でガソリンエンジンの排気管に配置されたハニカムフィルタを、前記ガソリンエンジンからの排ガスによって６００℃以上に昇温するように前記ガソリンエンジンを運転した状態から、１０秒〜５分の時間をかけて前記ガソリンエンジン内への燃料の供給を遮断する制御状態（遮断制御）を維持しながらアイドル状態まで減速運転することにより、前記ハニカムフィルタ内の前記ススを燃焼させて、前記ハニカムフィルタ内を高温にするスートマスリミット試験方法。

［２］ 前記ハニカムフィルタには、減速運転する前の状態において前記ススが３ｇ／Ｌ以上堆積している前記［１］に記載のスートマスリミット試験方法。

［３］ ガソリンエンジンと、前記ガソリンエンジンの出力軸にシャフトを介して接続されたダイナモメータと、前記ダイナモメータに接続されたモーターと、前記ガソリンエンジンに接続された排気管と、を備え、前記モーターは、内部にススが堆積したハニカムフィルタを前記ガソリンエンジンからの排ガスによって６００℃以上に昇温するように前記ガソリンエンジンを稼働した状態から、１０秒〜５分の時間をかけて前記ガソリンエンジン内への燃料の供給を遮断する制御状態（遮断制御）を維持しながらアイドル状態まで前記ガソリンエンジンの回転数を低下させるように、前記ダイナモメータを駆動させるものであるスートマスリミット試験機。

本発明のスートマスリミット試験方法は、ガソリンエンジンを用いて、所定の状態から、１０秒〜５分の時間をかけてアイドル状態まで減速運転する方法を採用する。このような方法を採用することで、本発明のスートマスリミット試験方法は、ガソリンエンジン車に使用されるフィルタのスートマスリミットを正確に測定可能である。

本発明のスートマスリミット試験機は、ダイナモメータを介してガソリンエンジンに接続されたモーターを備えている。そして、本発明のスートマスリミット試験機は、上記モーターによって、所定の状態から、１０秒〜５分の時間をかけてアイドル状態までガソリンエンジンの回転数を低下させることができる。そのため、本発明のスートマスリミット試験機は、ガソリンエンジン車に使用されるフィルタのスートマスリミットを正確に測定可能である。

本発明のスートマスリミット試験機の一の実施形態を模式的に示す模式図である。 本発明のスートマスリミット試験機の一の実施形態におけるグラフである。 本発明のスートマスリミット試験機の一の実施形態における、時間と酸素濃度のグラフである。 従来のスートマスリミット試験機でＤｒｏｐ Ｔｏ Ｉｄｌｅ試験を行ったときのグラフである。 従来のスートマスリミット試験機でＤｒｏｐ Ｔｏ Ｉｄｌｅ試験を行ったときの時間と酸素濃度のグラフである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

［１］スートマスリミット試験方法：
本発明のスートマスリミット試験方法の一実施形態は、以下の通りである。所定の条件でガソリンエンジンを運転した状態（前提状態）から、１０秒〜５分の時間Ｔ（図２参照）をかけて遮断制御を維持しながらアイドル状態まで減速運転する。上記所定の条件は、「内部にススが堆積した状態でガソリンエンジンの排気管に配置されたハニカムフィルタ」を、ガソリンエンジンからの排ガスによって６００℃以上に昇温させるという条件である。これにより、ハニカムフィルタ内のススを燃焼させて、ハニカムフィルタ内を高温（８００℃以上）にすることができる。その結果、ガソリンエンジン車に使用されているフィルタのスートマスリミットを正確に測定することができる。なお、「ハニカムフィルタ内のススを燃焼」させて、スートマスリミットを更に正確に測定するには、ハニカムフィルタ内を９００℃以上の高温にすることが必要である。図２は、本発明のスートマスリミット試験機の一の実施形態におけるグラフである。

ハニカムフィルタには、減速運転する前の状態においてススが３ｇ／Ｌ以上（Ｌ：ハニカムフィルタの体積）堆積していることが好ましい。このようにススが堆積していると、より正確にフィルタのスートマスリミットを測定することができる。

従来、ディーゼルエンジン車で使用しているフィルタ（ＤＰＦ）におけるスートマスリミットを確認する試験としては、Ｄｒｏｐ Ｔｏ Ｉｄｌｅ（ＤＴＩ）試験が採用されている。しかし、ガソリンエンジン車の場合、ディーゼルエンジン車で使用しているフィルタ（ＤＰＦ）の試験として採用されるＤＴＩ試験が適用できないという問題があった。具体的には、ガソリンエンジンは、排ガス中の酸素濃度が低く、ＤＴＩ試験ではススの燃焼が起こらない（図４、図５参照）。従って、ＤＴＩ試験では、ガソリンエンジン車におけるハニカムフィルタのスートマスリミットを正確に測定することが困難である。

図４は、従来のスートマスリミット試験機でＤｒｏｐ Ｔｏ Ｉｄｌｅ試験を行ったときのグラフである。図５は、従来のスートマスリミット試験機でＤｒｏｐ Ｔｏ Ｉｄｌｅ試験を行ったときの時間と酸素濃度のグラフである。

ここで、実車両（ガソリンエンジン車）には、減速運転時または惰性運転時に気筒内への燃料供給を遮断する制御（遮断制御）がある。そして、この遮断制御が生じると、排ガスは酸素過多状態になる。そこで、このような制御を利用して、ガソリンエンジン内に十分な濃度の酸素を一定時間存在させることができる。

つまり、本発明のスートマスリミット試験方法は、上記前提状態から、１０秒〜５分の時間をかけて遮断制御を維持しながらアイドル状態まで減速運転をすることにより、上記遮断制御の時間を調節する。これにより、ガソリンエンジン内に十分な濃度の酸素が一定時間存在することになる（図３参照）。このようにすることで、ハニカムフィルタ内のススを燃焼させることができ、ハニカムフィルタ内を８００℃以上の高温にすることができる。その結果、ガソリンエンジン車に使用されているハニカムフィルタであってもスートマスリミットを正確に測定することができる。図３は、本発明のスートマスリミット試験機の一の実施形態における、時間と酸素濃度のグラフである。

本発明のスートマスリミット試験方法において、減速運転時間は、上記のように１０秒〜５分であることが必要である。そして、上記減速運転時間は、１０〜１２０秒であることが好ましく、１０〜５０秒であることが更に好ましい。なお、「減速運転時間」は、所定の条件でガソリンエンジン１２を稼働した状態（前提状態）からアイドル状態に至るまでの時間のことである。上記減速運転時間を上記範囲内とすることにより、ガソリンエンジン１２内における酸素が十分に存在する時間が確保される。そのため、ハニカムフィルタ１０内に堆積されているススが十分に燃焼することになる。その結果、ハニカムフィルタ１０内が高温になる。従って、ハニカムフィルタ１０のスートマスリミットを正確に測定することができる。上記減速運転時間が１０秒未満であると、ガソリンエンジン１２内における酸素が十分に存在せずにハニカムフィルタ１０内が高温にならない。また、上記減速運転時間が５分超であると、ハニカムフィルタが高温にならない。その結果、スートマスリミットを正確に測定することができない。

「内部にススが堆積したハニカムフィルタ」は、内部に所定量のススをあらかじめ堆積させたものを用いることができる。また、ススを堆積させる前のハニカムフィルタをガソリンエンジンの排気管に配置し、このハニカムフィルタに排ガスを一定時間通過させることで、排ガス中のススを堆積させたハニカムフィルタをそのまま用いることもできる。

ハニカムフィルタを昇温させる温度は、６００℃以上であり、６５０〜９００℃であることが好ましく、８００〜９００℃であることが更に好ましい。このようにすることで、ハニカムフィルタのスートマスリミットを正確に測定することができる。上記温度が６００℃未満であると、ススの燃焼に必要な温度より低温であるため、ススが十分に燃焼しないことになる。そのため、ハニカムフィルタが高温にならず、スートマスリミットを正確に測定することができない。

そして、上記「所定の条件」でガソリンエンジン車を運転した状態におけるエンジンの回転数は、２５００〜５５００ｒｐｍ程度である。

［２］スートマスリミット試験機：
本発明のスートマスリミット試験機は、ガソリンエンジンの性能を評価するための台上試験機（いわゆるエンジンベンチ）を用いることができる。

本発明のスートマスリミット試験機の一実施形態は、図１に示すスートマスリミット試験機１００である。このスートマスリミット試験機１００は、ガソリンエンジン１２と、このガソリンエンジン１２に接続されたダイナモメータ１４と、このダイナモメータ１４に接続されたモーター１６と、ガソリンエンジン１２に接続された排気管１８と、備えている。そして、モーター１６によって、所定の条件でガソリンエンジン１２を稼働した状態（前提状態）から、１０秒〜５分の時間をかけて遮断制御を維持しながらアイドル状態までガソリンエンジン１２の回転数を低下させるようにダイナモメータ１４を駆動させる。上記所定の条件は、ガソリンエンジン１２からの排ガスによってハニカムフィルタ１０を６００℃以上に昇温させるという条件である。なお、ハニカムフィルタ１０は、上記前提状態において内部にススが堆積している。このように、モーター１６によって、上記前提状態から１０秒〜５分の時間をかけて遮断制御を維持しながらアイドル状態までガソリンエンジン１２の回転数を低下させると、ハニカムフィルタ１０内のススを燃焼させて、ハニカムフィルタ１０内を高温にすることができる。その結果、ガソリンエンジン１２に使用されているハニカムフィルタ１０のスートマスリミットを正確に測定することができる。図１は、本発明のスートマスリミット試験機の一の実施形態を模式的に示す模式図である。

従来、ディーゼルエンジン車で使用しているフィルタ（ＤＰＦ）におけるスートマスリミットを確認する試験としては、Ｄｒｏｐ Ｔｏ Ｉｄｌｅ（ＤＴＩ）試験が採用されている。しかし、ガソリンエンジン車の場合、ディーゼルエンジン車で使用しているフィルタ（ＤＰＦ）の試験として採用されるＤＴＩ試験が適用できないという問題があった。具体的には、ガソリンエンジンは、排ガス中の酸素濃度が低く、ＤＴＩ試験ではススの燃焼が起こらない（図４、図５参照）。従って、ＤＴＩ試験では、ハニカムフィルタのスートマスリミットを正確に測定することが困難である。

ここで、実車両には、減速運転時または惰性運転時に気筒内への燃料供給を遮断する制御（遮断制御）がある。そして、この遮断制御が発生すると、排ガスは酸素過多状態になる。そこで、このような制御を利用して、ガソリンエンジン内に十分な濃度の酸素を一定時間存在させることができる。

つまり、本発明のスートマスリミット試験機は、上記モーターを備えることにより、上記遮断制御の時間を調節する。これにより、ガソリンエンジン内に十分な濃度の酸素が一定時間存在することになる（図３参照）。このようにすることで、ハニカムフィルタ内のススを燃焼させることができ、ハニカムフィルタ内を８００℃以上の高温にすることができる。その結果、ガソリンエンジンに使用されているハニカムフィルタであってもスートマスリミットを正確に測定することができる。

本発明のスートマスリミット試験機において、減速運転時間は、上記のように１０秒〜５分であることが必要である。そして、上記減速運転時間は、１０〜１２０秒であることが好ましく、１０〜５０秒であることが更に好ましい。上記減速運転時間とすることにより、ガソリンエンジン１２内における酸素が十分に存在する時間が確保される。そのため、ハニカムフィルタ内に堆積されているススが十分に燃焼することになる。その結果、ハニカムフィルタ１０内が高温になる。従って、ハニカムフィルタ１０のスートマスリミットを正確に測定することができる。上記減速運転時間が１０秒未満であると、ガソリンエンジン１２内における酸素が十分に存在せずにハニカムフィルタ１０内が高温にならない。また、上記減速運転時間が５分超であると、ハニカムフィルタが高温にならない。その結果、スートマスリミットを正確に測定することができない。

ダイナモメータ１４は、ガソリンエンジン１２の出力軸（不図示）にシャフト１３を介して接続されている。そして、ダイナモメータ１４は、ガソリンエンジン１２の出力を吸収し、反力からトルクを計測する機器である。

モーターが「ダイナモメータを駆動させる」とは、モーターによってダイナモメータに対して回転力を与えることを意味する。即ち、モーターが、ダイナモメータに対して回転力を与えるので、エンジンの減速運転時間を調節することができる。別言すれば、モーターを備えない場合、減速運転を開始すると、ガソリンエンジンは、上記前提状態から１０秒未満でアイドル状態まで回転数が低下してしまう。本発明のスートマスリミット試験機によれば、モーターによってダイナモメータに回転力を与えることで、ダイナモメータを介して、上記前提状態から遮断制御を維持しながら１０秒〜５分の時間をかけてアイドル状態まで徐々にガソリンエンジンの回転数を低下させることができる。

モーターとしては、モーター出力がインバーター制御するものを好適に使用することができる。インバーターがモーターの回転を滑らかにするため、減速運転時間の精度が向上する。

排気管１８には、試験対象であるハニカムフィルタ１０を配置する。ハニカムフィルタ１０は、その構造に特に制限はなく、従来公知のハニカムフィルタを採用することができる。例えば、ハニカムフィルタは、一方の端面である流入端面から他方の端面である流出端面まで延びる排ガスの流路となる複数のセルを区画形成する隔壁、及び目封止部を備える柱状のものを挙げることができる。目封止部は、セルの流入端面側または流出端面側に交互に配置されるものである。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず、ハニカムフィルタをガソリンエンジンの排気管に配置した。次に、ハニカムフィルタの内部にススを堆積させた。具体的には、ハニカムフィルタをガソリンエンジンの排気管に配置した状態で、１８０分間、運転することでハニカムフィルタの内部にススを堆積させた。ガソリンエンジンとしては、具体的には、電子燃料噴射式の乗用車用のエンジン（排気量１．４Ｌ）を採用した。

なお、ハニカムフィルタは、流入端面から流出端面まで延びる流体の流路となる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を備える円柱状のものであった。ハニカムフィルタは、端面の直径が１１８．４ｍｍであり、セルの延びる方向の長さが１２７ｍｍであった。ハニカムフィルタは、隔壁の厚さが０．１５２ｍｍであり、セル密度が３４.１セル／ｃｍ^２であった。複数のセルには、隣合うセルの流入端面側と流出端面側とに交互に目封止部が配置されていた。ススの堆積量は、３．０ｇ／Ｌであった。

次に、ガソリンエンジン車からの排ガスによってハニカムフィルタを６００℃以上（具体的には、６５０℃）に昇温させた（昇温温度）。そして、このようにハニカムフィルタを昇温させた回転数（エンジン回転数）を維持した状態から、３０秒をかけてアイドル状態まで減速運転した。

このようにすることで、ハニカムフィルタ内のススを燃焼させて、ハニカムフィルタ内を高温にした。なお、ハニカムフィルタ内の最高温度は、９１７℃であった。

そして、「ハニカムフィルタ内のススを堆積させ、このススを燃焼させる」という上記操作を繰り返して、ハニカムフィルタが破損してしまう限界（スートマスリミット）を試験した。この試験の結果を表１の「スートマスリミット試験の可否」の欄に示す。なお、この試験の評価基準は、以下の通りとした。即ち、遮断制御中のハニカムフィルタ内部温度が９００℃以上となるときを「Ａ」とした。遮断制御中のハニカムフィルタ内部温度が８００℃以上９００℃未満となるときを「Ｂ」とした。遮断制御中のハニカムフィルタ内部温度が８００℃未満となるときを「Ｃ」とした。

本実施例の試験方法により、ガソリンエンジン車に使用されているハニカムフィルタであってもスートマスリミットを良好に試験することができた（表１参照）。

（実施例２）
まず、スートマスリミット試験機として、ガソリンエンジンと、このガソリンエンジンに接続されたダイナモメータと、このダイナモメータに接続されたモーターと、ガソリンエンジンに接続された排気管と、備えるものを用意した（図１参照）。ダイナモメータは、ガソリンエンジンの出力軸にシャフトを介して接続されていた。

次に、ガソリンエンジンからの排ガスによってハニカムフィルタを６００℃以上（具体的には、６８０℃）に昇温するようにガソリンエンジンを駆動させた。ハニカムフィルタは、内部にススが堆積したものを用いた。そして、この状態から、モーターでダイナモメータに回転力を付与しながら、５０秒かけてアイドル状態までガソリンエンジンの回転数を低下させた。つまり、モーターを用いて、ガソリンエンジンがアイドル状態に至るまでの時間を調節した。なお、ハニカムフィルタは、実施例１で使用したものと同じ構造のものを用いた。

このようにすることで、ハニカムフィルタ内のススを燃焼させて、ハニカムフィルタ内を高温にすることができた（図２参照）。なお、ハニカムフィルタ内の最高温度は、１０１１℃であった。このようにハニカムフィルタ内を高温にすることができたのは、図３に示すように、アイドル状態までガソリンエンジンの回転数を低下させたときに高い酸素濃度が維持される時間が確保されたためであった。

そして、実施例１と同様に「ハニカムフィルタ内のススを堆積させ、このススを燃焼させる」という上記操作を繰り返して、ハニカムフィルタが破損してしまう限界（スートマスリミット）を試験した。この試験の結果を表１に示す。評価基準は、上記実施例１と同様にした。

本実施例の試験機により、ガソリンエンジンに使用されているハニカムフィルタであってもスートマスリミットを良好に試験することができた（表１参照）。

（比較例１）
実施例２においてモーターを備えていない装置（エンジンベンチ）と同じ装置を用いた。具体的には、本比較例のスートマスリミット試験機は、ガソリンエンジンと、このガソリンエンジンに接続されたダイナモメータと、ガソリンエンジンに接続された排気管と、備えていた。

このスートマスリミット試験機を用いて、ハニカムフィルタのスートマスリミットの測定を試みた。具体的には、ディーゼルエンジン車で使用しているフィルタ（ＤＰＦ）におけるスートマスリミットを確認する試験である「Ｄｒｏｐ Ｔｏ Ｉｄｌｅ（ＤＴＩ）試験」を行った（図４参照）。なお、本比較例では、ガソリンエンジンからの排ガスによってハニカムフィルタを６００℃以上（具体的には、６１５℃）に昇温するようにガソリンエンジンを駆動させた状態から、アイドル状態までの時間は、５秒であった。

本比較例では、ハニカムフィルタ内のススが燃焼しないため、ハニカムフィルタ内の温度が高温（８００℃以上）に到達しなかった。即ち、本比較例では、「スートマスリミット試験の可否」の評価結果は、Ｃであった。そのため、本比較例では、スートマスリミットを測定することはできなかった。

（実施例３〜５、比較例２，３）
表１に示す条件としたこと以外は、実施例３〜５については実施例１と同様にし、比較例２，３については比較例１と同様に、「スートマスリミット試験の可否」の評価を行った。

実施例１，２においては、ハニカムフィルタ内のススが燃焼してハニカムフィルタ内部が高温（８００℃以上）になっているため、ガソリンエンジン車におけるスートマスリミットを正確に測定可能できることが分かる。

本発明のスートマスリミット試験方法は、自動車等から排出される排ガスを浄化するフィルタのスートマスリミットを測定するための試験方法として採用することができる。本発明のスートマスリミット試験機は、自動車等から排出される排ガスを浄化するフィルタのスートマスリミットを測定するための試験機として採用することができる。

１０：ハニカムフィルタ、１２：ガソリンエンジン、１３：シャフト、１４：ダイナモメータ、１６：モーター、１８：排気管、１００：スートマスリミット試験機、Ｔ：時間。

Claims (3)

1. 内部にススが堆積してガソリンエンジンの排気管に配置されたハニカムフィルタを、前記ガソリンエンジンからの排ガスによって６００℃以上に昇温するように前記ガソリンエンジンを運転した状態から、１０秒〜５分の時間をかけて前記ガソリンエンジン内への燃料の供給を遮断する制御状態を維持しながら減速運転することにより、前記ハニカムフィルタ内の前記ススを燃焼させて、前記ハニカムフィルタ内を高温にするスートマスリミット試験方法。
2. 前記ハニカムフィルタには、減速運転する前の状態において前記ススが３ｇ／Ｌ以上堆積している請求項１に記載のスートマスリミット試験方法。
3. ガソリンエンジンと、前記ガソリンエンジンの出力軸にシャフトを介して接続されたダイナモメータと、前記ダイナモメータに接続されたモーターと、前記ガソリンエンジンに接続された排気管と、を備え、
   前記モーターは、内部にススが堆積したハニカムフィルタを前記ガソリンエンジンからの排ガスによって６００℃以上に昇温するように前記ガソリンエンジンを稼働した状態から、１０秒〜５分の時間をかけて前記ガソリンエンジン内への燃料の供給を遮断する制御状態を維持しながらアイドル状態まで前記ガソリンエンジンの回転数を低下させるように、前記ダイナモメータを駆動させるものであるスートマスリミット試験機。