(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気口と排気装置とを備え、燃料噴射器が配置されたエンジンと、
前記排気装置と前記吸気口との間の導管、および前記排気装置から前記吸気口へのＥＧＲ流量を制御するように適応されるＥＧＲコントローラを備えるＥＧＲ装置と、
貯留装置に貯留された還元剤を前記排気装置に導入するように適応される還元剤導入装置と、
ＥＧＲ流量と還元剤導入量を互いに関数として調節すると共に、圧縮機による前記吸気口へ給気導入量の調節と、及び前記燃料噴射器による燃料噴射の時期を早めあるいは遅らせる調節とを行うコントローラとを、備え、前記コントローラはＮＯｘ放出が所定の最大値を超えない範囲で、ＥＧＲ流量を最少に保つように調節することを特徴とする、排出ガス処理装置を有するエンジン。
【請求項２】
大気温度、大気圧および排気温度の少なくとも１個の作動パラメータを検知して、その作動パラメータに対応する信号を前記コントローラへ送信するように配置されるセンサが備えられ、前記コントローラは、前記信号に基づいてＥＧＲ流量を最少に保つように調節する、請求項１に記載の排出ガス処理装置を有するエンジン。
【請求項３】
前記圧縮機は、ターボチャージャの構成部材である、請求項１に記載の排出ガス処理装置を有するエンジン。
【請求項４】
前記圧縮機は、可変形態ターボチャージャの部材である、請求項３に記載の排出ガス処理装置を有するエンジン。
【請求項５】
燃料をエンジン中に噴射するように配置される燃料噴射器が備えられたエンジン排出ガスを処理する方法であって、
前記エンジンの排気装置から吸気口へのＥＧＲ流量を調節するステップと、
貯留装置に貯留された還元剤の前記排気装置中への導入を調節するステップと、前記ＥＧＲ流量と還元剤導入量は、互いに関数として調節されるステップと、圧縮された給気を前記吸気口へ導入するステップと、および前記燃料噴射器による燃料噴射の時期を早めあるいは遅らせる調節を行うステップとを含み、前記各ステップに基づきＮＯｘ放出が所定の最大値を超えない範囲で、ＥＧＲ流量を最少に保つように調節するエンジン排出ガスを処理する方法。
【請求項６】
大気温度、大気圧および排気温度の少なくとも１個の作動パラメータを検知して、その作動パラメータに対応する信号をコントローラへ送信するステップを含む、請求項５に記載のエンジン排出ガスを処理する方法。
【請求項７】
ＥＧＲ流量を、上昇する大気温度に対して減少するステップを含む、請求項６に記載のエンジン排出ガスを処理する方法。
【請求項８】
ＥＧＲ流量を、上昇する排気温度に対して減少するステップを含む、請求項６に記載のエンジン排出ガスを処理する方法。
【請求項９】
ＥＧＲ流量を、低下する大気圧に対して減少するステップを含む、請求項６に記載のエンジン排出ガスを処理する方法。
【請求項１０】
ＥＧＲ流量と還元剤導入量は、逆に関連する、請求項５に記載のエンジン排出ガスを処理する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
圧縮点火内燃機関における燃焼中に、約２５００°Ｆ（１３７２℃）の温度を超えて、空気中の窒素は、酸素と反応して、窒素の酸化物（ＮＯｘ）を生成する。ハイウエイ上の重量車両の排出ガスレベルに課される所謂ＵＳ０７，ＵＳ１０およびユーロ５規制のような規制などは、エンジンが生成できるＮＯｘ量をかなり制限するであろう。
【０００２】
排気ガスの一部分をエンジン吸気口に導入する排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置は、送入される給気中の酸素を希釈して、燃焼温度を低くすることができる。したがって、ＥＧＲ装置は、エンジンＮＯｘ排出ガスの減少において有効に使用できる。ＥＧＲ流量は、例えば、ＥＧＲバルブ、可変形態ターボチャージャ（ＶＧＴ）のようなターボチャージャ、排気背圧器、吸気スロットルなどのＥＧＲコントローラにより、および一般的に、これらのコントローラの２個以上の何らかの組合せにより制御できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＥＧＲ装置に伴う１つの問題は、その装置が、熱廃棄を促進する傾向があることである。ＥＧＲ流量をエンジン吸気口に導入するために、ＥＧＲ流量は通常、ＥＧＲクーラにおいて冷却しなければならない。ＥＧＲクーラの必要性は一般的に、車両のエンジンのような動力ユニットが、ラジエータの一層大きい表面積、すなわち一層大きいラジエータ、および／または一層大きい冷却ファンを必要とすることを意味する。ついで、これは、一般的に、不十分な空気力学的特性を有する大きいフロント面を必要とするような、車両構造に制限を課する。
【０００４】
ＥＧＲ装置に伴う他の問題は、その装置が、燃費を増加する傾向があることである。車両空気力学的特性に課せられる制限による燃焼増加、および冷却ファン動力消費に加えて、十分な排気背圧を生成して、排気ガスをクーラを通して吸気装置中に送入する必要がある。排気ガスと外気の混合物を、燃焼室中にポンプで送入しなければならない。これらの「ポンプ送入」損失が、かなりのものになることがある。
【０００５】
ＥＧＲ装置に伴うさらに他の問題は、その装置が、出力密度（power density）を低くする傾向があること、すなわち動力出力が排気量に関して低いことである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ＮＯｘ排出ガスを制限する他の技術には、尿素またはアンモニア、および炭化水素または水素のような還元剤を、選択触媒還元（ＳＣＲ）触媒（尿素、炭化水素（ＨＣ）、アンモニア、水素、アルコールなど）、または希薄ＮＯｘ吸着剤（ＬＮＡ）のような他の技術と共に、排気流中に導入する還元剤導入装置のような排気後処理（ＥＡＴ）装置の使用が含まれる。参照として組込まれる米国特許番号６，８７１，４９０において説明されるように、排気流と還元剤がＳＣＲ触媒を通過するときに、還元剤は、ＮＯｘと反応して、ＮＯｘを分子窒素と水に還元し、それによりエンジンからのＮＯｘ排出ガスを減少する。
【０００７】
ＮＯｘ排出ガスを、種々の規制に規定されるような所定のレベルに、またはそれ未満に維持することが望ましい。ＥＧＲの使用を最小にし、それにより熱廃棄を減少し、燃費を向上し、および出力密度を増加することも望ましい。
【０００８】
本発明の態様によれば、排出ガス処理装置を有するエンジンは、吸気口と排気装置とを備えるエンジンと、排気装置と吸気口との間の導管、および排気装置から吸気口へのＥＧＲ流量を制御するように適応される、排気装置と導管との間のＥＧＲコントローラを備えるＥＧＲ装置と、還元剤を排気装置に導入するように適応される還元剤導入装置と、およびＥＧＲ流量と還元剤導入量を互いに関数として調節するように配置されるコントローラと、を備える。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、エンジン排出ガスを処理する方法は、エンジンの排気装置から吸気口へのＥＧＲ流量を調節するステップと、および還元剤の排気装置中への導入を調節するステップであって、ＥＧＲ流量と還元剤導入量は、互いに関数として調節されるステップと、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の特徴と利点は、同様な数字が同様な部材を示す図面と連係して下記の詳細な説明を読めば十分に理解される。
【００１１】
本発明の態様に従う排出ガス処理装置２３を有するエンジン２１が、図１に示される。エンジン２１は、吸気マニホールドのような吸気口２５、および排気装置２７を備える。
【００１２】
ＥＧＲ装置２９も設けられ、その装置は、排気装置２７と吸気口２５との間の導管３１、および排気装置と導管との間のＥＧＲコントローラを備える。ＥＧＲコントローラは、ＥＧＲバルブ３３、可変形態ターボチャージャ（ＶＧＴ）のようなターボチャージャ５５、５７、ターボチャージャのタービン５７の上流側または下流側にあるバルブ１００のような排気背圧器、吸気スロットル５８、「排気温度制御装置を有するエンジンと排気ガス温度とエンジン吸気温度を制御する方法（ENGINE WITH EXHAUST TEMPERATURE CONTROL AND METHOD OF CONTROLLING ENGINE EXHAUST GAS TEMPERATURE AND ENGINE INTAKE TEMPERATURE）」と称する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００６／００１２３１（参照として組込まれる）において開示されるような給気再循環装置などのようなＥＧＲ流量を制御する１個以上の種々の適切な装置を備えることができ、および一般的に、これらのコントローラの２個以上の何らかの組合せにより制御できる。説明の目的のために、排気装置と導管との間のＥＧＲバルブ３３を使用するＥＧＲ流量の制御を説明するが、ＥＧＲ流量を種々の他の適切な装置により制御できることが分かる。ＥＧＲバルブ３３は、開閉により排気装置２７から吸気口２５へのＥＧＲ流量を制御するように適応される。ＥＧＲ装置２９の導管３１は、通常、吸気口２５の吸気マニホールドの上流側と給気クーラ１０２（ＣＡＣ）の下流側を接続するが、仮想線で示されるように、導管が、圧縮機５５の上流側点におけるように、その点の上流側に接続される他の実施態様を実現できる。
【００１３】
ＥＧＲ装置２９も、一般的に、導管３１内にＥＧＲクーラ３５を備える。ＥＧＲ流量を調節して、より多くのＥＧＲ流量を吸気口２５へ流すことにより、エンジン内の燃焼温度を、ＮＯｘの形成を最小にする温度に維持できる。吸気口２５に到達する前に、ＥＧＲ流は、一般的に、ＥＧＲクーラ３５内で冷却され、そのクーラも低い燃焼温度を維持するのを容易にする。
【００１４】
還元剤導入装置３７を含む排気後処理（ＥＡＴ）装置が、一般的にターボチャージャ５７のタービン段の下流側にある点４３において還元剤を排気装置２７中に導入するために、設けられる。還元剤導入装置３７は、一般的に、還元剤用の貯留装置３９および還元剤を排気装置２７中に導入するポンプ４１を備える。還元剤用の導入点４３の下流側において、ＥＡＴ装置は、一般的に、尿素−ＳＣＲ，ＨＣ−ＳＣＲ（またはアンモニア、水素、アルコールなどのＳＣＲ）またはＬＮＡのようなＮＯｘ低減触媒４５を含む。
【００１５】
還元剤は、尿素、アンモニアなどのような、ＮＯｘ排出ガスを減少するのに適切な還元剤の種々の形態の任意の１つである。排気流と還元剤がＮＯｘ低減触媒４５を通過するときに、還元剤は、排気流中のＮＯｘと反応して、ＮＯｘを分子窒素と水に還元し、それによりエンジン２１からのＮＯｘ排出ガスを減少する。
【００１６】
一般的に、ＥＡＴ装置の効率は、排気温度Ｔｅｘｈが増加すると、最適点まで向上する。最適Ｔｅｘｈは、一般的に、主に、使用されている特定の触媒の関数である。Ｔｅｘｈの増加の原因は、エンジン負荷の増加または大気温度Ｔａｍｂの増加を含めることができる。Ｔｅｘｈ増加の他の考えられる原因は、エンジンが高い標高で作動するときのような、大気圧Ｐａｍｂの低下である。
【００１７】
エンジン２１は、ＥＧＲ流量と還元剤導入量を互いに関数として調節するように配置されるコントローラ４７も備える。通常は勿論、ＥＧＲ流量と還元剤導入量は、同様に、多くの他の要因の関数として調節される。コントローラ４７は、通常、ＥＧＲ流量と還元剤導入量を適切に調節して、ＮＯｘ排出ガスが、ＵＳ０７，ＵＳ１０およびユーロ５規制において規定される値のような所定の最大値を超えるのを防止するように配置される。ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）のような追加手段が、予想される規制に完全に合致するために必要であることが期待される。同時にコントローラ４７は、ＥＧＲ流量と還元剤導入量を適切に調節して、ＥＧＲ流量を、比較的低い流量に、例えば、ＥＡＴ装置が設けられるどのようなものでも、それと共に、還元剤導入装置３７とＮＯｘ減衰触媒４５が、最大許容レベル以下のＮＯｘレベルを有する排出ガスを実現するような最低流量に維持することができる。
【００１８】
１個以上のセンサを配置して、少なくとも１個の作動パラメータを検知し、かつ少なくとも１個の検知された作動パラメータに対応する信号をコントローラ４７へ送信できる。コントローラ４７を配置して、ＥＧＲ流量と還元剤導入量を、少なくとも１個の検知されたパラメータの関数として調節することができる。一般的に、種々の作動パラメータは、複数のセンサにより監視される。例えば、センサ４９、５１および５３は、Ｔａｍｂ、ＰａｍｂおよびＴｅｘｈを含む作動パラメータをそれぞれ監視できる。例えば、Ｔｅｘｈの増加がＥＡＴ効率を増加するならば、コントローラ４７は、ＥＧＲバルブ３３（または他のＥＧＲコントローラ）を調節することによりＥＧＲ流量を多分減少または停止するであろうし、および同時に、上方への還元剤導入量を多分調節するので、ＥＧＲとＥＡＴの組合せ効果により、ＮＯｘが許容レベルにあるが、ＥＧＲ流量が、高いＴｅｘｈに関して減少した、排出ガスが継続して生成されるであろう。
【００１９】
同様に、Ｔｅｘｈは通常、ＴａｍｂとＰａｍｂにほぼ対応することが期待されるので、ＴａｍｂとＰａｍｂのいずれか、または両方が特定のレベルにあるとき、ＴａｍｂまたはＰａｍｂの変化が、Ｔｅｘｈの対応する変化を生じることが多分期待される。例えば、Ｔａｍｂの上昇またはＰａｍｂの減少は、Ｔｘｅｈの上昇を生じることが多分期待される。かくして、コントローラ４７は、ＥＧＲ流量と還元剤導入量をＴｅｘｈの関数として調節する代わりに、またはそれに加えて、ＥＧＲ流量と還元剤導入量をＴａｍｂおよび／またはＰａｍｂの関数として調節するように多分配置される。
【００２０】
圧縮機５５が、通常、圧縮された給気を吸気口２５へ導入するために配置される。圧縮機５５は、可変形態ターボチャージャのようなターボチャージャの構成部材とすることができる。コントローラ４７を、圧縮機５５による給気導入をＥＧＲ流量および他のエンジン作動パラメータの関数として調節するように配置できる。例えば、圧縮機５５が、給気を特定の圧力Ｐｃ１で送出するならば、ＥＧＲ流量の圧力は、加圧された給気と混合できるように十分に高くなければならない。通常、これは、可変形態タービン５７を通して排気流を制約することにより、または参照として組込まれる国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００６／００１２３１において開示されるような給気を再循環することによるように、排気流を制約する他の手段により達成される。
【００２１】
ＥＧＲ流量を減少することが望ましいならば、ＥＧＲ流量を減少できる方法には、ＥＧＲバルブの閉止および排気背圧の減少が含まれる。ＥＧＲ流量が減少されるならば、給気を、Ｐｃ１よりも低い圧力Ｐｃ２で送出でき、またエンジン両端間の圧力差を最小にできる。しかしながら、ＥＧＲ流量が減少されるならば、冷却要求量が減少され、および冷却装置のサイズを最小にすることができる。圧縮機５５からの給気の圧力の減少は、ＥＧＲを減少することにより可能になる。というのは、低い全質量流量を燃焼室に流入させるために、低い圧力が必要であるからである。排気温度が、ＥＡＴがＮＯｘ排出ガスを所定の最大値を超えないように維持できるような温度ならば、ＥＧＲ流量を、圧縮機５５からの給気の圧力を減少できるように、減少できる。
【００２２】
エンジン２１は、燃料をエンジンシリンダ６１中に噴射するように配置される若干数の燃料噴射器５９を備える。最大動力発生用の燃料噴射の時期は、燃料噴射が、燃料噴射を遅らせるように他の時に生じるならば多分得られるものよりも高いＮＯｘ排出ガスを生じることが多い。コントローラ４７は、燃料噴射の時期を、絞り要求量、Ｔｅｘｈ、Ｔａｍｂ、Ｐａｍｂ、ＥＧＲ流量、還元剤導入量、および給気導入の１つ以上の関数として調節して、ＮＯｘ排出ガスが所定の最大値を超えるのを防止するために配置できる。
【００２３】
コントローラ４７は、ＥＧＲ流量、還元剤導入量、給気導入、および燃料噴射のような種々の機能を互いに関数として調節でき、および、これらの機能を、Ｔｅｘｈ、ＴａｍｂおよびＰａｍｂのような作動パラメータの関数として、さらに調節することもできるかもしれない。この調節は、所望の結果に応じて異なるようにできる。例えば、一部の状況において、互いに関して種々の機能および作動パラメータを調節して、ＮＯｘ排出ガスを所望のレベル以内に維持し、かつ燃料噴射のタイミングによるように、燃費を最適化し、それにより、ＮＯｘ限界内で、最大動力を発生できるようにすることが望ましいこともある。代わりに、その目標は、例えば、ＥＧＲ流量を最小にすることなどにより、ＮＯｘ排出ガスを所望のレベル内に維持し、かつエンジン冷却装置を最小にすることができるかもしれない。通常、ＮＯｘ制御用に遅延された噴射時期が、熱廃棄を増加し、すなわち、動力発生に使用されないエネルギーが、熱を発生し、ついでその熱が冷却要求量を増加する。
【００２４】
本発明の態様に従う方法において、エンジン２１の排気装置２７から給気口２５へのＥＧＲ流量が調節される。還元剤導入装置３７による還元剤の排気装置中へ、一般的にはタービン５７の下流側への導入も調節される。ＥＧＲ流量および還元剤導入量を、互いに関数として調節できる。加えて、ＥＧＲ流量、還元剤導入量、給気圧縮機５５による給気導入、および燃料噴射器５９による燃料噴射の時期の１つ以上の機能を、他の１つ以上の機能の関数として全て調節できる。さらに、これらの機能の１つ以上を、Ｔｅｘｈ、ＴａｍｂおよびＰａｍｂのような少なくとも１個の検知された作動パラメータの関数として調節できるかもしれない。１つの機能が、他の機能（複数の機能）または作動パラメータ（複数のパラメータ）の関数として調節される量は、達成されるように求められる結果と、および関係する特定の装置の特性とに左右されることが分かる。例えば、通常、ＥＧＲ流量を、増加する大気温度Ｔａｍｂ、増加する排気温度Ｔｅｘｈ、または減少する大気圧Ｐａｍｂの関数として減少することは適切であるが、ＮＯｘを限定すること以外の他の機能、他の作動パラメータまたは目的の望ましい作動は、ＴｅｘｈまたはＴａｍｂが増加、もしくはＰａｍｂが減少すると、ＥＧＲ流量の増加を必要とするかもしれない。同様に、通常、排出ガス中のＮＯｘの増加を生じると通常予想されるＥＧＲ流量の減少は、より多くの還元剤の導入により相殺されるであろうが、これは必ずしも当てはまらない。
【００２５】
本出願において、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」（含む）の用語の使用は、範囲が限定されないし、および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」（備える）のような用語と同一の意味を有すること、かつ他の構造、材料または作用の存在を排除しないことが意図される。同様に、「ｃａｎ」（できる）または「ｍａｙ」（かもしれない／できるだろう）のような用語の使用が、範囲が限定されないこと、かつ構造、材料または作用が必要でないことを反映することが意図されるが、そのような用語を使用しないことは、構造、材料または作用が必須であることを反映することが意図されない。構造、材料または作用は、必須であると目下みなされる限り、それとして確認される。
【００２６】
本発明を、好ましい実施態様に従って図示および説明してきたが、変更態様および変形態様は、特許請求の範囲に記載される本発明から逸脱することなく、実施できるだろうことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施態様に従う排出ガス処理装置を有するエンジンの概略図である。
【符号の説明】
【００２８】
２１  エンジン
２３  排出ガス処理装置
２５  給気口
２７  排気装置
２９  ＥＧＲ装置
３１  導管
３３  ＥＧＲバルブ
３５  ＥＧＲクーラ
３７  還元剤導入装置
３９  貯留装置
４１  ポンプ
４３  導入点
４５  ＮＯｘ低減触媒
４７  コントローラ
４９  センサ
５１  センサ
５３  センサ
５５  ターボチャージャ（圧縮機）
５７  タービン
５８  吸気スロットル
５９  燃料噴射器
６１  エンジンシリンダ
１００  バルブ
１０２  給気クーラ
【図１】
0005410960.tif 000002