JPS61116014A - 排ガス粒子フイルタを備えたデイーゼル機関を運転する方法並びに装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、少なくとも全負荷時に貫流される粒子フィル
タを排ガス側に備えたディーゼル機関を運転する方法で
あって、所定の運転範囲では排ガスの少なくとも一部を
パイ・ｅスを介して粒子フィルタを迂回させる形式のも
のに関する。

本発明はまたこの方法を実施する装置にも関する。

従来の技術並びに欠点 本発明は吸込み式機関にも過給式機関にも適している。

過給式内燃機関に関しては例えばヨーロツ・ξ公開特許
第００７２０５９号明細書に基づいて、ダイナミック圧
力波機械の前における排ガス系の高圧部分に排ガス粒子
フィルタを配置することが既に公知である。部分負荷時
に排ガス粒子フィルタの閉塞が生じると、排ガス粒子フ
ィルタの圧力損失はまず第１に機関系内部におけるガス
交換を阻止することになり、この結果有効出力が減少せ
しめられる。出力損失は通常ドライ・ζによるより多（
の燃料供給によって補償される。Ｐライ・々が自動車に
十分な出力を要求すると、排ガス温度が著しく上昇し、
フィルタに沈積した排ガス粒子は自動的に燃焼する。

乗用車では通常低負荷の走行が大部分を占めており、む
しろまれな高負荷時に十分な燃焼を行うことを保証する
ことが重要である。この場合自動車には極めて小さな出
力しか要求しないＰライ・このことを考えなくてはなら
ない。

これに加えて、フィルタの再生のような反応はただちに
導入されないということがある。燃焼速度は粒子の温度
、排ガス中の酸素凝縮及び所与の粒子量に極めて強く関
係している。燃焼速度は排ガス粒子フィルタの接触反応
層及び燃料添加物によって高めることができる。

高機関負荷の運転相は多（の場合低負荷の運転相に追従
する。つまりこの場合信号における停止後の加速又は交
通の流れにおけるエンジンブレーキ相の後の再加速を考
えればよい。低負荷相では排ガスは粒子フィルタ及び粒
子を２００℃以下に冷却する。加速時にはシリンダの後
ろの排ガス温度は確かに極めて迅速に５００℃以上に高
められるが、フィルタ材料及びすす粒子はこの間にまず
初め、燃焼が急激かつ十分に行われ得る温度にまで高め
られねばならない。

これには通常約１０秒かかる。この時間の後でしばしば
再びスロットルダウンされることがある。従って、排ガ
ス粒子フィルタが実際に各走行運転時に許されな℃・は
ど閉塞されないことを保証することは困難であると言え
る。

さらにまた、排ガス粒子フィルタが極めて強く負荷され
て、まれな長い高負荷相の際に強烈な燃焼によって粒子
フィルタの損傷が惹起されるというおそれもある。従っ
て、排ガス粒子フィルタが可能な限りしばしば燃焼され
かつ決してあまりに強（負荷されないような系が望まれ
ている。これは排ガス粒子フィルタにおける圧力降下を
も減じる。

排ガス運転式の過給機を備えた機関、つまり機関の出口
と過給機のガス入口との間に排ガス粒子フィルタが接続
されている機関では、加速特性が不十分であるという別
の問題が存在する。

すなわち、加速時にシリンダの後ろの排ガス温度は既に
述べたようにただちに５０ｏ℃以上に上昇するが、しか
しながら排ガスは粒子フィルタの低温の大きな質量によ
ってまず初め過給機の前で約２００℃に冷却されてしま
う。このような低い温度では有効エンタルピ落差はわず
かであり、過給効果も同様に小さい。機関はこの場合過
給されない機関とあまり変わらない出力しか出さず、従
って、過給はその意味を失ってしまう。

そこで、過給機の貫流横断面を減じることによって排気
管におけるせき止め量を増大させるという考えが思いつ
くが、しかしながらタービン横断面が一定の排ガスター
ゼ過給機では、通常運転時になお満足のいく効率を得た
い場合にこの発想は実現不可能である。またタービンの
幾何学形状が可変のターゼ過給機及びガスダイナミック
圧力波機械では吸込み特性を低下させることができるが
、しかしながら排気管における反圧は過給圧を１バール
上回る値に高められる。この結果機関過程の平均有効圧
はこの値だけ減じられ、走行田力の改善は、これに関連
した燃費増大を無視したとしても制限されてしまう。

従って、機関出口と過給機ガス入口との間に配置された
排ガス粒子フィルタは深刻な加速の問題をもたらす。過
給機の後ろに排ガス粒子フィルタを配置することは今ま
で効果がなかった。

それというのはそこでは温度が低く、確実な燃焼が達成
されないからである。

加速出力は過燃料供給によって幾分改善することができ
る。この場合つまり、通常すす発生のために許されてい
るよりも多くの噴射量が用いられる。発生するすすは大
部分排ガス粒子フィルタにおいてとらえられる。しかし
ながらこの処置には、通常排ガス粒子フィルタがあまり
に急激に汚れることに基づいて限界がある。従って、過
給機が急激に過給圧を放出して、極端に低い空気余剰な
しに機関の平均圧をさらに上昇させることを可能にする
ことが付加的に要求されねばならない。このためには過
給機の前の排ガス温度が約１秒で３００〜４００℃に高
められねばならず、これによって１．５の過給圧比を得
ることができる。

冒頭に述べた形式の方法並びに装置は、１９８３年１０
月３日〜牛日にＰイツ連邦共和国のブツノに一タールの
技術アカデミ−にて開催された「自動車ディーゼル機関
に関するシンポジウム」に際して発表されたものである
。再生導入及び再生実施のために必要な２次エネルギの
必要量を減じるための手段として、・２イＡス回路が挙
げられている。このバイパス回路は特性場における回転
数及び負荷に関連して調整されねばならない。このため
にまだ公開されていないスイス特許出願筒１８１８／８
４’−１号明細書には、過給される機関の所定の出力範
囲において少なくとも加速相中に排ガスの一部例えば半
分が過給機直前のバイパスによって案内され得ることが
述べられている。このようになっているとそこでは３０
０〜４００℃の所望の混合温度が発生する。ノζイ・ξ
スの開放は過給されない運転の場合平均圧の１〜２・ζ
−ル下で行われねばならない。乗用車は通常運転及び例
えば米国市街地域サイクル（Ｕ　Ｓ　−Ｃｉ　ｔｙ−Ｚ
ｙｋ　Ｉ　ｕｓ）では時間のほんの数パーセントしかこ
の限界を越して走行しない。しかしながらいずれにせよ
大きな負荷の際にはすすの発生は多（なる。それにもか
かわらず前記限界以上では小部分のすすしか生ぜしめら
れないが、しかしそのうちの一部がろ過されない場合で
も、全体として法定値に達してしまう。この場合カリフ
ォルニアにおける極端な規定だけが唯一の例外である。

加速相において部分的にバイパス運転で走行が実施され
る場合、これには、ちょうどディーゼル機関において最
も多（の煙が発生する時に排ガスの一部がろ過されない
と−・う欠点がある。

この場合加速時における若干の過燃料供給の可能性は断
たれている。

発明の課題 ゆえに本発明の課題は冒頭に述べた形式の方法並びに装
置を改良して、過給式機関においても吸込み式機関にお
いても廉価な形式で粒子放出を０．２？／マイルに制限
できるようにすることである。

課題を解決するための手段（方法） この課題を解決するために本発明の方法では、機関始動
時には全排ガスを粒子フィルタを通して導き、アイドリ
ングから所定の部分負荷までは粒子フィルタを迂回する
・々イ・ぐスを開放し、所定の部分負荷を上回った時に
はパイ・ぐスを常にかつ完全に閉鎖するようにした。

発明の効果（方法） 本発明による方法の利点としては以下のことが挙げられ
る。

イ、排ガスは始動時及び高負荷時に、つまり不都合な煙
及び悪臭が特に強い時にろ過される；ロ１粒子フィルタ
においてすすがとらえられるので、加速時におけるある
程度の過燃料供給が許される； ハ、走行サイクルの大部分の間並びに日常の走行におい
て、反圧が特に作用する小さなＰｍｅ（正味平均有効圧
）の際に反圧が小さくなるので　燃費が改善される； 二、最初の始動時以外では、高負荷時にのみ貫流される
粒子フィルタは常に高温であり、従ってより迅速に燃焼
する； 水。排ガス運転式の過給機では、粒子フィルタが３００
℃以下に冷やされないので満足な加速が達成される； 課題を解決するための手段（装置） 前記課題を解決するために本発明の構成では、粒子フィ
ルタに、遮断フラップを有するバイパスが設けられてお
り、バイパスが粒子フィルタに一体に組み込まれている
。

発明の効果（装置） 本発明による装置の利点としては以下のことが挙げられ
る： イ、流体技術上の処置だけで場合によっては粒子フィル
タのための別の遮断フラップをも省くことができる。

口．バイパスを貫流する全排ガス量が渦流を高められて
ガスダイナミック圧力波機械に供給されると、この処置
によって低負荷の際に圧力波ロータの自己駆動を助成す
ることができる。

実施例 部分的に異なった図示にもかかわらず同一部材にはそれ
ぞれ同じ符号が付けられかつ媒体の流れ方向が矢印で示
されている第１図及び第３図には、６気筒のディーゼル
機関が符号１で示されている。このディーゼル機関１は
空気側において過給空気導管２を介してガスダイナミッ
ク圧力波機械工０と接続されている。排ガス再循環との
関連において後で詳説するこの圧力波機械工０は低圧側
に新鮮空気用の吸込み導管７を備えている。機関排ガス
は排気マニホルド３を介して圧力波機械工０に達し、こ
の圧力波機械１０かも排ガスはそのエネルギを放出した
後で排気管８を介して大気に排出される。

排ガス後処理のために排気マニホル１３には粒子フィル
タ牛が配置されている。この場合粒子フィルタ牛は積層
されていない又は貴金属を積層されたセラミックフィル
タであるか又は接触反応式に積層された織布又はフオー
ムフィルタである。一体構造形式において粒子フィルタ
４は・々イパス５を有し、このバイパス５内には遮断フ
ラップ６が配置されている。

本発明によれば強い冷却を回避するために、粒子フィル
タ牛の活性部分は小さな機関負荷では貫流されないこと
が望まれている。一体に組み込まれたパイノにス５との
選ばれた構成はこの要求を十分に満たしている。それと
いうのは例えばセラミックの場合バイパス５が完全に開
いている時は排ガスは粒子フィルタ４の多孔性の壁を貫
流しないからである。これによって粒子フィルタ５を遮
断するための第２のフラップは不要になる。

本発明の作用形式は以下の通りである二機開始動時には
・々イ・ぐス５に設けられた遮断フラップ６は閉じられ
て〜ミで、全排ガスは粒子フィルタ壬の活性部分を貫流
する。アイＰリン、グから所定の部分負荷に達するまで
遮断フラップ６は完全に開放されており、この結果フィ
ルタ物質を負荷することなしにあまり熱くない排ガスが
バイパス５を通って流れる。所定の部分負荷を越えると
遮断フラップ６は完全に閉じられ、この結果高温の排ガ
スは粒子フィルタ牛を貫流して、そこに沈積したすすを
点火する。フィルタ内のすす粒子の発熱反応によって粒
子フィルタ生は熱くなり、これによって再生が自動的に
維持されかつ実施される。

遮断フラップが閉鎖方向に操作される部分負荷は有利に
は約１〜３・ミールの間のＰｍｅ範囲に位置している。

ノぐイＡス運転からフィルタ運転への切換えは急激に行
われるべきではない。

なぜならば急激な切換えは不快な走行特性を引き起こす
からである。粒子フィルタ牛における圧力降下はつまり
ガス交換作業を高める。これは、粒子フィルタ午の負荷
状態に応じてわかる正味平均有効圧Ｐｍｅの減少に相当
する。有利には粒子フィルタ牛はＰｍｅ＝１〜２・ぐ−
ルの間の範囲において常に接続される。この結果ガス供
給時には常に出力が増大する。

遮断フラップ６の制御は調整棒（ガスペタル）によって
図示されていない簡単な形式でか又は排ガス温度によっ
て行うことができる。その他の別の経過典型的な値又は
機関特性値をこのために用いることも可能である。

第２図に示された線図を参照しながら以下においては本
発明の作用を数例を用いて説明する。

もちろん以下の数は単に近似値である。それというのは
例えば機関型式、直接噴射又は室機関のように極端に多
（の・ξラメータは粒子噴出ひいては系（機関／フィル
タ／、Ｓイノミス）の構造及び運転形式に影響を与える
からである。また簡単化するために回転数の影響も考慮
に入れていない。

第２図の線図にお（・て横軸には指示平均有効圧Ｐｍｉ
及び正味平均有効圧Ｐｍｅが単位パールでとられている
。正味平均有効圧Ｐｍｅは等式　Ｐｍｅ＝Ｐｍｉ−ＰＲ
−△ＰＰＦ　ｖｃよッテ得られ、この場合ＰＲは摩擦圧
、△”ＰＦ　　はフィルタ接続時における圧力降下を意
味する。

縦軸には上部に排ガス温度Ｔが〔℃〕で、中央部にその
都度開放しているバイパス面積Ｆが〔チ〕でかつ下部に
米国市街地域サイクルにおける滞在時間ｔが〔チ〕でと
られている。これは出力運転Ｐの他に制動°運動Ｂ及び
アイドリングＬを含んでいる。

すす発生が時間のみならず負荷も関連しているという事
実並びに、高いＰ　ｍ　ｅではより多くの燃料が噴射さ
れひいては粒子量が傾向的に増大するという事実から出
発して、下方のＰｍｅ範囲つまり時間の約４０％ではバ
イパス運転で走行が行われ得ると大まかに言うことがで
きる。

さらにまたフィルタ運転ではずす全体の半分以上がろ過
されるということが確認されている。

従って良好なディーゼル機関では０．２？／マイルの限
界は確実に下回られる。

バイパス運転で走行が行われ得る時間全体は線図の下部
において点で示され、フィルタ運転の時間全体は斜線で
示されている。

線図の中央部かられかるように、粒子フィルタ十の所定
の接続範囲においてつまり１〜２バールの間のＰｍｅで
は遮断フラップ６は、バイパス面が連続的に減少しかつ
従ってフィルタ負荷が同様に連続的に増大するように制
御される。

線図上部における曲線Ｔ１は、規格の過給式ディーゼル
機関の排ガス温度の典型的な経過に相当している。この
曲線Ｔ１かられかるよ５に、提案された切換え点ｂ１で
はまず初め約２００℃の温度が生じている。これによっ
ては過給式機関における加速の問題を満足に解決するこ
とができない。それでも既にかなりの進歩が示されてい
る。それというのは適切な処置なしではエンジンブレー
キ時の後の加速開始は既に点ａにおいてつまり極めて低
い温度において導入されねばならないからである。さら
にわかるように、今日の接触反応層式の粒子フィルタが
燃焼する約４５０℃の決定的な温度ＴＡは５〜６ノ々−
ルの間の正味平均有効圧Ｐｍｅにおいて初めて得られる
。線図の下部におし・てこれは、互いに交差する斜線で
示された時間全体によってあられされている。このこと
が確実な燃焼のために十分であるとしても問題がある。

問題解決の手段としては、高温冷却、過給空気の絞り、
遅らされた燃焼噴射又は排ガス再循環のような自体公知
の手段による排ガス温度の上昇が挙げられる。排ガス再
循環は特に有利である。なぜならばそれによって燃費が
あまり劣下されずかつこの手段はＮＯｘ放出を減じるの
にいずれにせよ必要だからである。

これについては以下において、過給機として圧力波機械
を用し・た場合の排ガス再循環を例にとって詳説する： このような圧力波機械の基本的な構造及びその正確な構
成はスイス特許出願公開第１２３１４３号明細書又はス
イス特許第３７８５９５号明細とが隔室の半分の高さに
おける円筒断面の展開図として示されている。図面を簡
略化するために圧力波機械は１サイクル機械として示さ
れており、これはガスケーシング１２及び空気ケーシン
グ１３の、ロータ１１に向いた側に各１つの高圧開口及
び低圧開口しか設けられていないことによってあられさ
れている。系の機能を概観的に説明するために、ここで
も作業媒体の流れ方向及び圧力波機械の回転方向は矢印
で示されている。

ディーゼル機関１の高温の排ガスは高圧ガス供給通路１
４を通して、軸平行でかつ両側が開いた隔室１５を備え
たロータ１１に進入し、そこで膨張し、次いでそこから
低圧ガス流出通路１６を介して排気管８に進入する。空
気側では大気の新鮮空気が吸込み導管７によって吸い込
まれ、低圧空気流入通路１７を介して軸方向でロータ１
１に流入し、そこで圧縮されて、過給空気として高圧空
気流出通路１８を介して過給空気導管２を通してディー
ゼル機関１に進入する。

本来極めて複雑なガスダイナミック圧力波機械の過程は
前記スイス特許出願公開第１２３１４３号明細書に記載
されており、この過程は本発明の対象ではないのでこれ
についてここで詳しく述べることは省く。次に本発明の
理解にとって必要な経過について短く述べると、隔室１
５から成る隔室帯はロータ１１の円筒断面を展開したも
のであり、これはロータ１１の回転時に矢印方向で上方
に向かって運動する。圧力波過程はロータ１１の内部に
おいて始まり、これによって主として、ガスによって満
たされた室と空気によって満たされた室とが形成される
。

この場合第１の室では排ガスが弛緩して次いで低圧ガス
流出通路１６に逃げるのに対して、第２の室では吸い込
まれた新鮮空気が圧縮されて高圧空気流出通路１８に押
し込まれる。残った新鮮空気部分はロータ１１を通って
低圧ガス流出通路１６内に流入し、これによって排ガス
を完全に流出させる。この掃気は過程終了のために重要
であり、いかなる事情があっても維持されねばならなし
・。通常、排ガスがロータ１１内に残留すること及び排
ガスが後続のサイクル時に過給空気と共に機関に供給さ
れることは回避されるべきである。

この間に機械設計及び運転条件に応じて所定の排ガス量
の再循環を行うことができ、これは環境保護の観点から
必要なことであるかもしくはこの場合のように望まれて
いる。この再循環は、ある程度のガス部分が空気側に進
入して閉鎖縁１９の範囲において高圧空気流出通路１８
内に流入することによって達成される。この事実は図面
において空気とガスとの間の分割フロント２０によって
示されて〜・る。この分割フロン）２０ははっきりとし
た境界ではなく、むしろ比較的幅広の混合区域である。

このようにして排ガスによって強（汚染・された過給空
気は過給空気温度ひいては排ガス温度を所望のように高
める。再循環はもちろん今日汎用の外部装置によって行
うこともできる。

この高められた排ガス温度は第２図における曲線Ｔ２に
相当している。提案された切換え点では粒子フィルタは
、点ｂ２に相当する約３００℃の高温の排ガスによって
のみ貫流される。また約４５０℃の燃焼温度ＴＡは既に
Φパールより低い正味平均有効圧Ｐｍｅにおいて得られ
る。

これは線図工部において見ると交差斜線で示された時間
全体と、斜線と垂直線とによって示された時間全体とに
よってあられされており、この時間全体の間には確実な
燃料が行われる。

すすフィルタのな（・場合に１マイルあたり０゜３１の
すすを放出するディーゼル機関を例にとると、本発明は
以下のように作用する。・々イパス運転中このすす量の
約１／３つまり０．１１のすすが生ぜしめられて、ろ過
されることなく大気に放出される。残りの２／３つまり
０．２　ｆ　／マイルは粒子フィルタを通過する。この
粒・子〕イルタが７５チの効率を有する場合つまりすす
量の１／４がろ過されずに通過すると、０．２×１／４
＝０．０５Ｆ／マイルのすすが大気に放出されることに
なる。従って全部で０．１４−０．０５＝　０．１５９
　／マイルのすすが放出され、従って機関は０．２ｆ／
マイルの所望の限界値以下で確実に運転される。すなわ
ち切換え点がより高く選択されるほど、機関はフィルタ
なしでもより良好に運転されることになる。この結果相
応に燃費が減少せしめられかつ加速特性が改善される。

排ガス再循環による排ガス温度の上昇はもちろん過給さ
れない機関においても排ガスターゼ過給機又は機械式過
給機の使用時においても同様に実施可能である。この場
合通常再循環は排気管から空気側への制御される導管に
よって行われるので、この際に必要な再循環フラップの
作用をバイパスにおける遮断フラップの作用と組み合わ
せることが提案されている。

第３図には、粒子フィルタ牛を迂回する・ζイノセス５
が圧力波機械工０の高圧ガス供給通路１壬に直接開口し
ている変化実施例が示されている。フィルタ遮断のため
の付加的なフラップの配置を省く流体技術上の手段とし
てここでは・々イノミスのために機関出口と過給機入口
とを結ぶ直接的な短い結合部が略示されている。この結
合部は、多孔性の壁が強制的に貫流されるセラミックフ
ィルタに比べてはるかに小さな流れ抵抗しか有していな
い。・々イ・ぐス５において遮断フラップ６の下流には
渦流発生手段９が配置されている。この渦流発生手段９
は例えば、ノζイ・ξス５から供給されるガス流の渦流
が高められるように湾曲せしめられたノ々イノξス壁自
体である。・ζイノにス運転中つまり低負荷時にはこの
過流発生手段９によって圧力波機械１０のロータ１１の
自己駆動が助成される。

以上述べたことかられかるように本発明による解決策は
加速特性に基づいて排ガス過給機を備えた機関のために
有利なだけでなく必要なことであり、しかしながらこれ
によって得られる有利な燃費に基づいて本発明による解
決策は過給されないディーゼル機関及び機械過給式のデ
ィーゼル機関にも適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は粒子フィルタに一体に組み込まれた・々イパス
を備えたディーゼル機関の原理図、第２図は排ガス温度
と・ζイ・ξス面積と米国市街地域サイクルにおける滞
在時間とを指示平均有効圧及び正味平均有効圧を関数と
して示す線図、第３図は別体の・々イノミスと排ガス流
の渦流を高めろ手段とを備えたディーゼル機関の原理図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも全負荷時に貫流される粒子フイルタ（４
   ）を排ガス側に備えたデイーゼル機関（１）を運転する
   方法であつて、所定の運転範囲では排ガスの少なくとも
   一部をバイパス（５）を介して粒子フイルタ（４）を迂
   回させる形式のものにおいて、 機関始動時には全排ガスを粒子フイルタ（ ４）を通して導き、 アイドリングから所定の部分負荷までは粒 子フイルタ（４）を迂回するバイパス（５）を開放し、 所定の部分負荷を上回つた時にはバイパス （５）を常にかつ完全に閉鎖することを特徴とする、排
   ガス粒子フイルタを備えたデイーゼル機関を運転する方
   法。 ２．　アイドリングから所定の部分負荷までは全排ガス
   量をバイパス（５）を通して案内する、特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ３．　バイパス（５）が働く部分負荷を、１〜３バール
   の間の正味平均有効圧（Ｐｍｅ）に相当する運転範囲に
   おいて選択する、特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４．　少なくとも全負荷時に貫流される粒子フイルタ（
   ４）を排ガス側に備えたデイーゼル機関（１）を運転す
   る装置でもつて、粒子フイルタ（４）に、遮断フラツプ
   （６）を有するバイパス（５）が設けられている形式の
   ものにおいて、バイパス（５）が粒子フイルタ（４）に
   一体に組み込まれていることを特徴とする、排ガス粒子
   フイルタを備えたデイーゼル機関を運転する装置。 ５．　ガスダイナミツク圧力波機械（１０）の上流にバ
   イパス（５）及び粒子フイルタ（４）が配置されていて
   、バイパス（５）が渦流発生手段（９）を有している、
   特許請求の範囲第４項記載の装置。