(57)【要約】  本発明の一実施形態は、吸気側および燃焼排気側を有する燃焼機関吸排気システムにおいて、吸気側から燃焼ガス排気側に空気を注入することを含む方法を含む。
2010516945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気側および排気側を有し、前記吸気側が、燃焼機関に接続されて空気をシリンダに送出するように構築かつ構成され、前記排気側が、前記燃焼機関に接続されて燃焼ガスを大気に排出するように構築かつ構成された燃焼機関吸排気システムと、前記排気側と流体連通しているタービンと前記給気側と流体連通しているコンプレッサとを有するターボチャージャと、前記コンプレッサより下流の位置で前記給気側に接続された補助管とを設けることと、
前記コンプレッサを使用して、空気を前記補助管から排気管に選択的に押し込むこととを含む方法。
【請求項２】
前記補助管は、前記給気側に接続された第１の端部を有し、前記排気側に接続されて空気を前記排気側に選択的に注入する第２の端部を有する給気管である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記排気側はさらに微粒子フィルタを有し、前記給気管の前記第２の端部が、前記微粒子フィルタより上流の位置で前記排気側に接続される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
さらに、前記排気側と流体連通している触媒コンバータを有し、前記給気管の前記第２の端部が、前記触媒コンバータより上流の位置で前記排気側に接続される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
さらに、前記排気側と流体連通している微粒子フィルタと、前記排気側と流体連通している触媒コンバータとを有し、前記給気管の前記第２の端部が、前記微粒子フィルタと前記触媒コンバータとの間にある位置で前記排気側に接続される、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
さらに、前記給気管と流体連通している昇圧補助装置を有し、該昇圧補助装置は、空気を少なくとも１．２ｂａｒに加圧するように構築かつ構成される、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記昇圧補助装置は、少なくとも３０ｃｆｍの流量で、前記給気管を通じて空気を吹き込むように構築かつ構成される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
さらに、前記昇圧補助装置より下流の位置で、前記給気管と流体連通している燃料バーナを有する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
さらに、前記給気管と流体連通し、前記給気管を流れる空気の量を制御するように構築かつ構成された空気バルブを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記空気バルブは、前記給気管と前記吸気側の接合部に配置された三方バルブである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
さらに、前記給気管と流体連通し、前記給気管を通過する空気を加熱するように構築かつ構成された燃料バーナを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
さらに、前記給気管と流体連通し、前記燃料バーナより上流に配置され、前記給気管を通じて空気を送り込むように構築かつ構成された空気ポンプを有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
さらに、前記補助管と流体連通している空気ポンプを有し、前記コンプレッサおよび前記補助管は、前記コンプレッサが前記空気ポンプをプレチャージするように構築かつ構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
さらに、前記給気管と流体連通して、前記給気管を通過する空気を加熱するヒータを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ヒータが電気ヒータから構成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ヒータがパッシブヒータから構成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
さらに、前記給気管と流体連通し、前記給気管を通じて空気を吹き込むように構築かつ構成された昇圧補助装置と、前記吸気側に接続された第１の端部と前記昇圧補助装置より下流の位置で前記給気管に接続された第２の端部とを有するループ管と、前記ループ管と前記給気管の接合部に配置された三方バルブとを含み、空気が前記給気管を通って前記排気側に流れ、前記ループ管を通って前記吸気側に戻ることを可能にするように、前記三方バルブを選択的に制御する、請求項２に記載の方法。
【請求項１８】
さらに、前記給気管と前記吸気側の接続部と、前記ループ管と前記吸気側の接続部との間にある位置で、前記吸気側に配置されたバイパス空気バルブを有し、空気が前記吸気側から前記排気側に流れるのを可能にするように、前記三方バルブを選択的に制御し、空気が前記ループ管を通って前記排気側に戻るのを可能にするように、前記三方バルブを選択的に制御し、前記空気が前記ループ管を流れているときに、前記吸気側で開口端に向かって逆流するのを少なくとも部分的に防止するように、前記バイパスバルブを閉じる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
さらに、機械動力、電力、または流体動力の少なくとも１つを使用して、前記昇圧補助装置を駆動することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
さらに、前記給気管を通る空気の流れを示す情報を得ることと、該情報に対応して前記空気バルブを調整することとを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項２１】
前記タービンは可変ベーンタービンであり、さらに、前記給気管を通る空気流れを示す情報を得ることと、該情報に対応して前記可変ベーンタービンのベーン位置を調整することとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項２２】
さらに、前記給気管と前記吸気側の接合部より下流の位置で、前記吸気側に配置された吸気絞りバルブを有し、前記給気管を通る空気流れを示す情報を得ることと、該情報に対応して前記吸気絞りバルブを調整することとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項２３】
さらに、前記エンジン吸排気システムの少なくとも１つの動作状態を示す少なくとも１つの入力を受け取るように構築かつ構成された制御システムを有し、該制御システムは、前記空気バルブの位置を制御するように構築かつ構成され、前記入力に対応して前記空気バルブの位置を制御する、請求項９に記載の方法。
【請求項２４】
前記タービンが、調整可能なベーンを備えた可変タービン構造を有する請求項２に記載の方法であって、さらに、前記エンジン吸排気システムの少なくとも１つの動作状態を示す少なくとも１つの入力を受け取るように構築かつ構成された制御システムを有し、該制御システムは、前記タービンの前記ベーンの位置を調整するように構築かつ構成され、前記入力に対応して前記タービンにある前記ベーンの位置を調整する、方法。
【請求項２５】
さらに、前記給気管と前記吸気側の接合部より下流に配置された吸気絞りバルブを有し、さらに、前記吸排気システムの少なくとも１つの動作状態を示す少なくとも１つの入力を受け取るように構築かつ構成され、前記入力に対応して前記吸気絞りバルブの位置を制御する制御システムを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項２６】
さらに、前記吸排気システムの少なくとも１つの動作状態を示す少なくとも１つの入力を受け取るように構築かつ構成された制御システムを有し、該制御システムは、前記燃料バーナで発生する熱を制御するように構築かつ構成され、前記入力に対応して前記燃料バーナで発生する熱を制御する、請求項１１に記載の方法。
【請求項２７】
さらに、前記吸排気システムの少なくとも１つの動作状態を示す少なくとも１つの入力を受け取るように構築かつ構成された制御システムを有し、該制御システムは、前記空気ポンプを制御するように構築かつ構成され、前記入力に対応して前記空気ポンプを制御する、請求項１３に記載の方法。
【請求項２８】
さらに、前記吸排気システムの少なくとも１つの動作状態を示す少なくとも１つの入力を受け取るように構築かつ構成された制御システムを有し、該制御システムは、前記ヒータで発生する熱を制御するように構築かつ構成され、前記入力に対応して前記ヒータで発生する熱を制御する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２９】
前記給気管の第１の端部が、前記コンプレッサより下流の位置で吸気側に接続される請求項２に記載の方法。
【請求項３０】
前記給気管の第１の端部が、前記コンプレッサより上流の位置で吸気側に接続される請求項２に記載の方法。
【請求項３１】
空気を燃焼機関のシリンダに送出するように構築かつ構成された吸気側と前記シリンダから大気に燃焼ガスを排出するように構築かつ構成された燃焼ガス排気側とを備えた燃焼機関吸排気システムと、前記吸気側から前記排気側に伸長する給気管と、第１の構成要素と、前記吸排気システムの動作状態を示す少なくとも１つの入力を受け取るように構築かつ構成され、前記入力を取得し、前記入力に対応して前記第１の構成要素を調整し、前記給気管を通る空気の流量または前記給気管内の空気の温度を変える制御システムとを設けることを含む方法。
【請求項３２】
前記入力は、エンジン速度、エンジン負荷、前記排気側のガス温度、前記排気側の背圧、前記排気側にある微粒子フィルタ内のススの量、排気ガス成分量、前記給気管の流量、前記給気管の空気温度、前記給気管の空気流量、前記吸気側の空気圧力、または前記エンジンに入る前の前記吸気側の空気質量流量を示す情報のうち少なくとも１つである請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の構成要素は、前記給気管と流体連通している空気バルブ、前記給気管と流体連通して前記給気管を流れる空気を加熱する燃料バーナ、前記給気管と流体連通して前記給気管を通る空気を送り込む補助空気ポンプ、前記給気管と流体連通している昇圧補助装置、前記給気管と流体連通して前記給気管を流れる空気を加熱するヒータ、前記吸気側の絞りバルブもしくは前記排気側の絞りバルブ、または可変ターボチャージャのうちの少なくとも１つを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
空気を燃焼機関のシリンダに送出するように構築かつ構成された吸気側と前記シリンダから大気に排気ガスを排出するように構築かつ構成された排気側とを有する燃焼機関吸排気システムと、前記吸気側から前記排気側に伸長する給気管とを設けることと、
前記給気管の空気の状態を制御することとを含む方法。
【請求項３５】
前記給気管の空気の前記状態が空気の流量である、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記給気管の空気の前記状態が空気の温度である、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
空気を燃焼機関のシリンダに送出するように構築かつ構成された吸気側と前記シリンダから大気に排気ガスを排出するように構築かつ構成された排気側とを備えた燃焼機関吸排気システムと、前記吸気側から前記排気側に伸長する給気管とを有する製品。
【請求項３８】
さらに、前記排気側と流体連通しているタービンと、前記吸気側と流体連通しているコンプレッサとを備えたターボチャージャを有する、請求項３７に記載の製品。
【請求項３９】
前記給気管は、前記コンプレッサより下流の位置で前記吸気側に接続される、請求項３８に記載の製品。
【請求項４０】
前記給気管は、前記コンプレッサより上流の位置で前記吸気側に接続される、請求項３８に記載の製品。
【請求項４１】
さらに、前記給気管に空気バルブを有する、請求項３９に記載の製品。
【請求項４２】
さらに、前記給気管と流体連通して前記給気管を流れる空気を加熱する燃料バーナを有する、請求項３９に記載の製品。
【請求項４３】
さらに、前記給気管と流体連通して前記給気管を流れる空気を加熱するヒータを有する、請求項３９に記載の製品。
【請求項４４】
前記ヒータは、電気ヒータまたはパッシブヒータの一方である、請求項４３に記載の製品。
【請求項４５】
さらに、前記給気管と流体連通している空気ポンプを有し、前記コンプレッサは、前記空気ポンプをプレチャージする、請求項３９に記載の製品。
【請求項４６】
さらに、前記給気管と流体連通している昇圧補助装置を有し、該昇圧補助装置は、空気を少なくとも１．２ｂａｒに加圧するように構築かつ構成される、請求項３７に記載の製品。
【請求項４７】
さらに、前記給気管と流体連通し、前記給気管を通じて空気を吹き込むように構築かつ構成された昇圧補助装置と、前記吸気側に接続された第１の端部と前記昇圧補助装置より下流の位置で前記給気管に接続された第２の端部とを有するループ管と、前記ループ管と前記給気管の接合部に配置された三方バルブとを含み、空気が前記給気管を通って前記排気側に流れ、前記ループ管を通って前記吸気側に戻ることを可能にするように、前記三方バルブを選択的に制御する、請求項４０に記載の製品。
【請求項４８】
さらに、前記給気管と前記吸気側の接続部と、前記ループ管と前記吸気側の接続部との間にある位置で、前記吸気側に配置されたバイパス空気バルブを有する、請求項４７に記載の製品。
【請求項４９】
さらに、前記給気管と流体連通して前記給気管を流れる空気を加熱する燃料バーナまたはヒータを有する、請求項４８に記載の製品。
【請求項５０】
前記ターボチャージャは、可変タービン構造を有するタービンを含む、請求項３８に記載の製品。
【請求項５１】
さらに、触媒コンバータ、ハウジングを有し、前記微粒子フィルタおよび前記触媒コンバータは、前記ハウジング内に収容される、請求項３に記載の方法。
【請求項５２】
さらに、前記微粒子フィルタの少なくとも一部の表面に触媒コーティングを有する、請求項３に記載の方法。
【請求項５３】
前記状態が給気管内の圧力である、請求項３４に記載の方法。
【請求項５４】
前記ターボチャージャは、特定の動作状態で流れるガスの圧力を調整可能に増大させるように構築かつ構成された可変コンプレッサを有する、請求項３８に記載の製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００７年１月２７日に出願の米国仮特許出願第６０／８８６，９２１号明細書の利益を主張するものである。
【０００２】
本開示は一般に、内燃機関吸排気システムおよびその構成要素、ターボチャージャシステムおよび構成要素、ならびにそれらの製造および使用方法の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
図１は、単段ターボチャージャに使用する最新式吸排気システムを含む製品またはシステム１０の概略図である。この種のシステムは、酸素（空気）の存在下で、ディーゼル燃料などの燃料を燃焼させるように構築かつ構成された燃焼機関１２を有することができる。システム１０はさらに、吸気側１４および燃焼ガス排気側１６を含む吸排気システムを有することができる。吸気側は、燃焼機関１２に接続されて燃焼機関１２のシリンダに空気を供給する吸気マニホルド１８を有することができる。主吸気管２０を設けて、これを一方の端部で吸気マニホルド１８に接続する（または吸気マニホルドの一部とする）ことができ、この主吸気管は、空気を吸い込む開口端部２４を有することができる。空気フィルタ２６は、主吸気管２０の開口端部２４にまたはその近くに配置することができる。
【０００４】
燃焼ガス排気側１６は、燃焼機関１２に接続されて燃焼ガスを排出する排気マニホルド２８を有することができる。燃焼ガス排気側１６はさらに、排気マニホルド２８に接続された（または排気マニホルドの一部とした）第１の端部３２と、排気ガスを大気に排出する開口端部３４とを有する主排気ガス管３０を含むことができる。
【０００５】
上記のシステムはさらに、燃焼ガス排気側１６から吸気側１４に伸長する第１の排気ガス再循環アセンブリ４０を有することができる。第１の排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ４６は、主排気ガス管３０と流体連通させて設けることができ、排気側１６から吸気側１４に、さらに燃焼機関１２に至る排気ガスの流れを制御するように構築かつ構成することができる。第１のＥＧＲアセンブリ４０は、冷却器４４を有する主ＥＲＧ管４２を含むことができ、冷却器４４は、主ＥＲＧ管４２を流れる排気ガスを冷却するために、主ＥＲＧ管と流体連通している。
【０００６】
システム１０はさらに、可変構造を有することができて、主排気ガス管３０と流体連通しているタービン５０と、主吸気管２０と流体連通して主吸気管を流れるガスを圧縮するコンプレッサ５２とを有するターボチャージャ４８を含むことができる。主吸気管２０内でコンプレッサ５２より下流に給気冷却器（ａｉｒ  ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｏｌｅｒ）５６を設けることができる。一実施形態では、コンプレッサ５２は、所与の流量にあるガスの圧力を変えるように構築かつ構成された圧力可変コンプレッサとすることができる。主吸気管２０内で、好ましくは給気冷却器５６より下流に、空気絞りバルブ５８を設けることができる。主排気ガス管３０に複数の排気規制部品を設けることができる。例えば、微粒子フィルタ５４をタービン５０より下流に設けることができ、触媒コンバータ３６やマフラ３８などのさらなる排気規制部品を設けることもできる。ＮＯＸ吸蔵触媒などの排気ガス後処理装置を増設することもできる。
【０００７】
上記したようなシステムの使用および稼働に伴って幾つかの問題が発生している。例えば、微粒子フィルタ５４がススで一杯になったときに、そのフィルタを再生することが必要になる。このために、酸素が豊富な空気を燃焼ガス排気側１６に送出して、触媒コンバータや微粒子フィルタ内での再生サイクル時にエンジンから出てきた高濃度燃料混合物（炭化水素、一酸化炭素）を燃焼させるか、または補助燃料バーナに供給することが望ましい。提案されたこれらの問題解決策は、微粒子フィルタの前やその中の排気ガス温度を上昇させて、蓄積したススを素速くかつ効率のよい態様で燃焼させる。そのような場合、微粒子フィルタより前の排気システムの圧力は、５０ｋＰａ程度に高くすることができる。
【０００８】
別の手法では、コールドスタート時の排出物を減らす目的で、触媒コンバータの前や中にあるＨＣ／ＣＯを燃焼させるために、燃焼ガス排気側１６に酸素の豊富な空気が必要とされる。結果として得られた排気ガス温度により、触媒コンバータの「着火」が増進され、次いで、ＮＯＸ、ＨＣ、およびＣＯの変換が始まる。この場合に、排気システムの圧力は通常非常に低く、例えば、１０ｋＰａ未満である。
【０００９】
別の手法では、ＮＯＸ後処理コーティングを、微粒子フィルタ、触媒コンバータ、または他の装置に施すことができる。これらのコーティングは、通常エンジン負荷が高い場合に見られる高い排気ガス温度の影響を特に受けるため、排気ガスの冷却が必要になることがある。そうした場合、排気システムの圧力は中間的なものとすることができ、例えば、３０ｋＰａ未満とすることができる。
【００１０】
上記の欠点の一部を解決するために提案されたシステムには、（補助空気ポンプとも呼ばれる）空気ポンプを使用して、量を制限した空気流を燃焼ガス排気側１６に供給するものがある。しかし、通常のガソリンエンジン用補助空気ポンプは、送風機で使用されるものと同様のファンまたはインペラを用いて、エンジンが始動した直後の比較的短い期間（例えば、１分未満）だけ稼働される、つまり、排気システムの非常に高い圧力に抗して長い作動時間にわたって効率よく機能することができない。例えば、稼働時間が１０分を超える場合、かなりのコストをかけて補助空気ポンプを大幅に改良しなければ、このような補助空気ポンプによって生成される流量は、きわめて限定された（例えば、２〜２５ｃｆｍ）ものになる。
【００１１】
別の手法は、補助空気ポンプを使用して、量を制限した空気流を燃焼ガス排気側１６に供給するものである。触媒コンバータよりも前で主排気ガス管３０に空気を導入することができ、その結果、触媒コンバータより前の排気パイプ内で炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）が即座に燃焼する。あるいは、ＨＣ蓄積触媒を利用して、触媒コンバータがＨＣ／ＣＯ排出物を変換し始めるまで、ＨＣを触媒コンバータに蓄積することができる。しかし、そのような問題解決策はともにコストがかかり、自動車製造業者は、エンジン部品（例えば、Ｖ８〜Ｖ１２エンジン）内に１つまたは複数の補助空気ポンプを置くことに対する実装上の制約や、ＨＣ蓄積触媒装置に関連したコストの増加および実装問題のために、多くの車両にこれらの問題解決策を使用することに難色を示す。
【００１２】
別の実現可能な解決策には、水／排気ガス熱交換器を使用して、処理後の排気ガスにとって許容できるレベルに排気ガスを冷却するものがある。しかし、排気ガスからエンジン冷却循環路に熱を伝達する熱交換器は、放熱するのに車両ラジエータを使用する。したがって、高いエンジン冷却要求に伴い排気システム内の温度が高くなるために、エンジン冷却と熱交換器冷却の両方の要求に同時に対処するのに、ラジエータを大きくする必要が生じる。そのようなシステムが、制御バルブおよびセンサを含むほかに、実装要求も満たすことに伴ってコストも上がる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一実施形態は、吸気側および燃焼排気側を有する燃焼機関吸排気システムにおいて、吸気側から燃焼ガス排気側に空気を注入することを含む方法を含む。
【００１４】
本発明の他の例示的な実施形態が下記の詳細な説明から明らかになるであろう。当然のことながら、詳細な説明および特定の実施例は、本発明の例示的な実施形態を開示しているが、単に説明することを目的としたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１５】
本発明の例示的な実施形態が、詳細な説明および添付の図面によって、より完全に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】先行技術のエンジン吸排気システムの概略図である。
【図２Ａ】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図２Ｂ】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図２Ｃ】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図２Ｄ】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図２Ｅ】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図２Ｆ】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による給気管の様々な位置での圧力を示すグラフであり、給気管に他の装置がなく、空気バルブが流れを制御している。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による給気管の様々な位置での圧力を示すグラフであり、給気管に他の装置がなく、空気バルブが完全に開いている。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による給気管の様々な位置での圧力を示すグラフであり、給気管に他の装置がなく、空気バルブが完全に閉じている。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による給気管の様々な位置での圧力を示すグラフであり、給気管に燃料バーナが配置され、空気バルブが空気流を制御している。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による給気管の様々な位置での圧力を示すグラフであり、給気管に燃料バーナが配置され、空気バルブが完全に開いている。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態による給気管の様々な位置での圧力を示すグラフであり、給気管に燃料バーナが配置され、空気バルブが完全に閉じていて、バーナが止まっている。
【図５Ａ】本発明の一実施形態による給気管の様々な位置での圧力を示すグラフであり、給気管に燃料バーナおよび空気ポンプがあり、空気バルブが完全に開いている。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による給気管の様々な位置での圧力を示すグラフであり、給気管に燃料バーナおよび空気ポンプがあり、空気バルブが完全に閉じている。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による給気管の様々な位置での圧力を示すグラフであり、給気管に昇圧補助装置があり、空気バルブが完全に開いている。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による給気管の様々な位置での圧力を示すグラフであり、給気管に昇圧補助装置があり、空気バルブが完全に閉じている。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
下記の実施形態の説明は本来単なる例示であり、本発明、本発明の応用、または用途を限定することを全く意図していない。
【００１８】
図２Ａを参照すると、本発明の一実施形態は、以下の構成要素を１つまたは複数備えることができる製品またはシステム１０を含んでいる。システム１０は、限定するものではないが、ディーゼル燃焼機関などの燃焼機関１２を有することができる。吸気側１４は、内燃機関１２に接続されて空気を燃焼機関１２のシリンダに供給する吸気マニホルド１８を有することができる。主吸気管２０を設けて、これを一方の端部２２で吸気マニホルド１８に接続する（または、一部を吸気マニホルドとする）ことができ、この吸気管は、空気を吸い込む開口端部２４を有することができる。空気フィルタ２６は、主吸気管２０の開口端部２４にまたはその近くに配置することができる。
【００１９】
燃焼ガス排気側１６を設け、燃焼機関１２から燃焼排気ガスを排出するように構築かつ構成することができる。燃焼ガス排気側１６は、燃焼機関１２に接続されて燃焼ガスを排出する排気マニホルド２８を有することができる。燃焼ガス排気側１６はさらに、排気マニホルド２８に接続された（または一部が排気マニホルドからなる）第１の端部３２を有する主排気ガス管３０を含むことができ、排気ガスを大気に排出する開口端部３４を含むことができる。
【００２０】
システム１０はさらに、燃焼ガス排気側１６から吸気側１４に伸長する第１の排気ガス再循環アセンブリ４０を有することができる。第１の排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ４６は、主排気ガス管３０と流体連通させて設けるか、または第１の排気ガス再循環管４２に設けることができ、第１の排気ガス管４２を通って吸気側１４に、さらに燃焼機関１２に至る排気ガスの流れを制御するように構築かつ構成することができる。冷却器４４は、第１のＥＧＲ管４２を流れる排気ガスを冷却するために、第１の主ＥＧＲ管４２と流体連通させて設けることができる。
【００２１】
一実施形態では、システムは、主排気ガス管３０と流体連通しているタービン５０と、主吸気管２０と流体連通して、主吸気管２０を流れるガスを圧縮するコンプレッサ５２とを有するターボチャージャ４８を含むことができる。本発明の一実施形態では、タービン５０は、少なくとも第１の位置から第２の位置に移動できるタービンベーンを備えた可変タービン構造を有し、タービン形状を変えて、ひいてはタービンの回転速度を変えて所与の流量にすることができる。可変タービン構造装置は、当業者には公知である。本発明の様々な実施形態で有用な可変タービン構造装置の例については、２００６年１０月３日に発行された、ショルツ（Ｓｃｈｏｌｚ）らによる米国特許第７，１１４，９１９号明細書に記載されている。ただし、本発明の特定の実施形態では、可変タービン型のターボチャージャは不要である。
【００２２】
オプションとして、低圧排気ガスの再循環用に第２のＥＧＲアセンブリ７０を設けることができる。第２のＥＧＲアセンブリ７０は、必要に応じて、第１のＥＧＲアセンブリ４０と同様に構築することができる。一実施例では、第２のＥＧＲアセンブリ７０は、主排気ガス管３０に接続された第１の端部７２と、主吸気管２０に接続された第２の端部７４とを有する第２のＥＧＲ管７１を含む。第２のＥＧＲバルブ７６は、主排気ガス管３０と流体連通させて設けるか、または第２のＥＧＲ管７１に設けることができる。第２の冷却器７８は、第２のＥＧＲ管７１を流れる排気ガスを冷却するように、第２のＥＧＲ管７１と流体連通させて設けることができる。主排気ガス管３０は、開口端部３４から排出される排気ガスの量を制御する絞りバルブ１２０を有することができる。
【００２３】
タービン５０より下流に配置された微粒子フィルタ５４を含めて、さらなる構成要素を主排気ガス管３０に設けることができる。触媒コンバータ３６は、微粒子フィルタ５４より上流に配置することができ、マフラ３８は、触媒コンバータ３６より下流に配置することができる。
【００２４】
本発明の一実施形態によれば、主吸気管２０から、主排気ガス管３０に接続された第１の端部６２と主吸気管２０に接続された第２の端部６４とを有する給気管６０を経由して、主排気ガス管３０に空気を供給することができる。空気バルブ６６を設けて、給気管６０を通る空気の流れを制御することができる。一実施形態では、空気バルブ６６は、給気管６０に設けることができる。別の実施形態では、空気バルブ６６は、主吸気管２０と給気管６０の両方を通る空気の流れを制御するために、主吸気管２０と給気管６０の接合部に配置されるか、または主排気ガス管３０と給気管６０の接合部に配置される三方バルブとすることができる。
【００２５】
給気冷却器５６は、主吸気管２０と流体連通させて設けることができ、コンプレッサ５２より下流に配置することができる。オプションとして、空気絞りバルブ５８を主吸気管２０内で、好ましくは給気冷却器５６より下流に配置することができる。
【００２６】
電子制御モジュールなどの制御システム８６を設けることができ、この制御システムは、エンジン速度や負荷に関する信号を供給できるエンジンセンサ８８を含めた各種センサや、他の制御装置などから入力を受け取ることができる。本明細書で説明するセンサや入力装置すべてについて、それらを制御システム８６に接続する伝送線を示しているわけではないが、当然のことながら、このような装置は、配線や、データを伝送する任意の他の手段によって、情報を制御システム８６に伝える。第１の圧力センサ９０は、排気マニホルド２８内に設けることができて、制御システム８６に信号を供給することができる。第２の圧力センサ９２は、排気ガスの圧力を測定して微粒子トラップ内に集積したススの量を間接的に求め、微粒子トラップを再生する必要性を判断するために、微粒子フィルタ５４内、またはそれより前、またはそれより下流に配置することができる。
【００２７】
第１の空気圧センサ９８は、給気管６０内に設けることができ、第２の空気圧センサ１００は、主吸気管２０内で、好ましくは給気冷却器５６より下流に設けることができる。温度センサ９７もまた、給気管６０内に設けることができる。吸気圧力センサ１０２および／または質量流量センサ９９は、吸気側を流れる空気質量を測定するために、吸気側１４に設けることができる。
【００２８】
制御システム８６は、各種センサから入力を受け取ることができ、その入力を使用して、空気絞りバルブ５８の位置、ターボチャージャ４８にあるタービン５０のベーン位置（可変の場合）、および／または主排気ガス管３０に注入される空気の量を調整する空気バルブ６６の位置を制御することができる。
【００２９】
図２Ａに関して言えば、コンプレッサ５２より下流の位置で、給気管６０の第２の端部６４を主吸気管２０に接続することも可能である。
【００３０】
次に図２Ｂを参照すると、本発明の一実施形態は、図２Ａに関連させて説明したものと同様であるが、給気管６０と流体連通している燃料バーナ１０４を追加したシステムを含んでいる。微粒子フィルタ５４を素速く再生するのに十分な温度の排気ガスを生成するように燃料バーナ１０４を構築かつ構成し、稼働させることができる。センサ１０６は、燃料バーナ１０４に取り付けて、燃料バーナの特性や動作状態を示す信号を供給することができる。燃料バーナ１０４は、燃焼機関１２で使用するのと同じ燃料を燃焼させることができる。センサ１０６は、制御システム８６に動作可能に接続することができ、制御システムは、燃料の流れと燃料バーナ１０４の点火とを制御することができる。
【００３１】
次に図２Ｃを参照すると、本発明の一実施形態は、図２Ａおよび図２Ｂに示す実施形態と同様であるが、給気管６０と流体連通している空気ポンプ１０８を追加して構築されている。本発明の一実施形態では、空気ポンプ１０８は、流量が約２〜２５ｃｆｍの空気を供給するように構築かつ構成されている。給気管は、空気バルブ６６より下流に配置することができる。空気ポンプが、給気管内で第１の端部６２と第２の端部６４の間の位置に配置されると、空気ポンプは、Ａ点からＢ点にかけて圧力を上げる必要がないことから、単純な設計とすることができる。空気ポンプ１０８は、Ｃ〜Ｂ点の圧力を上げさえすればよい。図２Ｃに示した実施形態では、空気ポンプ１０８は、コンプレッサ５２によってプレチャージされる。Ｃ点とＢ点の間の管内空気の差圧は通常、Ａ〜Ｂ点での管内空気の差圧よりも小さい。
【００３２】
次に図２Ｄを参照すると、本発明の一実施例は、図２Ａに関連させて説明したものと同様に構築されているが、主排気ガス管３０に入る空気を加熱するために、ヒータ１１０を給気管６０と流体連通させて設けたシステム１０を含んでいる。ヒータ１１０は、例えば、給気管６０の位置に応じて、電気ヒータやパッシブヒータを含めた様々なタイプからいずれかのものとすることができ、高温のターボチャージャハウジングに隣接している。温度センサ１１２は、ヒータ１１０に取り付けるか、または給気管６０に設けることができ、制御システム８６に接続して給気管６０内の空気温度を示す入力を供給することができる。制御システム８６は、様々な入力に対応して、ヒータ１１０の動作を制御するように構築かつ構成されている。
【００３３】
次に図２Ｅを参照すると、本発明の別の実施形態が、図２Ａに示した本発明と同様に構築されているが、コンプレッサ５２より上流にある位置で給気管６０の第２の端部６４を主吸気管２０に接続することができる。この実施形態では、昇圧補助装置１１４が、給気管６０と流体連通して設けられている。一実施例では、昇圧補助装置１１４は、３０ｃｆｍより大きい流量で、より好ましくは５０ｃｆｍより大きい流量で空気を流すように構築かつ構成されている。昇圧補助装置は、少なくとも１．２ｂａｒに空気を加圧するように構築かつ構成されている。この実施形態では、空気バルブ６６を給気管６０に設けることができる。昇圧補助装置１１４は、遠心式や容積式のコンプレッサを使用する、機械式駆動、電気式駆動、または流体式駆動などの装置とすることができる。
【００３４】
次に図２Ｆを参照すると、本発明の別の実施形態が図２Ａに示した本発明と同様に構築されているが、コンプレッサ５２より上流の位置で、給気管６０の第２の端部６４を主吸気管２０に接続することができる。この実施形態では、昇圧補助装置１１４が、給気管６０と流体連通して設けられている。この場合にも、昇圧補助装置１１４は、３０ｃｆｍより大きい流量で、より好ましくは５０ｃｆｍより大きい流量で空気を流すように構築かつ構成されている。昇圧補助装置は、空気を少なくとも１．２ｂａｒに加圧するように構築かつ構成することができる。別の実施形態では、昇圧補助装置１１４より下流の位置で、ループ管１１６を給気管６０に接続することができ、他方の端部において、給気管６０の第２の端部６４と主吸気管２０の接続部より下流にある位置で、ループ管１１６を主吸気管２０に接続することができる。バイパス空気バルブ１１８は、給気管６０の第２の端部６４を主吸気管２０に接続している位置より下流で、かつループ管１１６を主吸気管２０に接続している位置より上流の位置で主吸気管２０に配置することができる。この実施形態では、空気バルブ６６は三方バルブである。主排気ガス管３０内で空気を増量する必要がある場合、昇圧補助装置１１４が作動して、主吸気管２０のＤ点から主排気ガス管３０のＢ点に空気を流す。昇圧補助装置１１４を使用して、コンプレッサ５２にさらなる空気を供給する場合、空気バルブ６６は、昇圧補助装置１１４から主排気ガス管３０に至る流路を少なくとも部分的に、あるいは完全に閉じ、昇圧補助装置１１４からループ管１１６を通って主吸気管２０に至る流路を少なくとも部分的に開く。それと同時に、逆流しないようにバイパス空気バルブ１１８が閉じられる。昇圧補助装置１１４は、遠心式や容積式のコンプレッサを使用する、機械式駆動、電気式駆動、または流体式駆動などの装置とすることができる。
【００３５】
図３Ａ〜３Ｃは、図２Ａに示したものと同様の構成でもって、給気管６０にある空気バルブ６６を使用した様々な動作状態を示すグラフであり、給気管流路にはほかに装置がない。
【００３６】
図４Ａ〜４Ｃは、給気管６０に空気バルブ６６および燃料バーナ１０４を含む実施形態の様々な動作状態を示している。図４Ａに示すように、空気バルブ６６を使用して、給気管６０を通る空気流を制御することができ、Ａ点の圧力は、Ｂ点の圧力よりもかなり高くなっている。図４Ｂに示すように、空気バルブ６６が完全に開くと、Ａ点の圧力はＢ点よりもほんのわずか高くなる。図４Ｃに示すように、空気バルブ６６が完全に閉じ、燃料バーナ１０４が止まると、Ｂ点の圧力は、Ａ点の圧力よりも高くなる。
【００３７】
図５Ａ〜５Ｂは、図２Ｃに示したものなどの、燃料バーナ１０４および空気ポンプ１０８を含むシステムの様々な動作状態のグラフである。図５Ａに示すように、空気バルブ６６が完全に開くと、Ａ点の圧力は、Ｂ点の圧力よりも若干高くなる。図５Ｂを参照して、空気バルブ６６が完全に閉じると、Ｂ点の圧力は、Ａ点の圧力よりも高くなる。
【００３８】
図６Ａ〜６Ｂは、図２Ｅに示したものなどの、給気管６０に昇圧補助装置１１４を含むシステムの様々な動作状態を示している。図６Ａを参照して、空気バルブ６６が完全に開くと、Ａ点の圧力は、Ｂ点の圧力よりも若干高くなる。次に図６Ｂを参照して、空気バルブ６６が完全に閉じて、昇圧補助装置１１４から主排気ガス管３０に至る空気の流れを遮断すると、Ｂ点の圧力は、Ａ点の圧力よりも高くなる。
【００３９】
本明細書で説明した様々な実施形態では、Ａ点の圧力がＢ点の圧力よりも低い場合に流れが逆転することに留意されたい。これは望ましくない状況である。このため、給気管６０を通る流れを観測、制御しなければならない。これは、交替流れ（ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ  ｆｌｏｗ）測定装置を使用したり、間接的に流れを測定するために燃料バーナ１０４（内蔵された機能）を使用したりして、給気管６０の決められたオリフィスでの圧力降下を測定し、空気バルブ６６内の圧力降下を測定することによって行うことができる。給気管６０を通る流量は制御することができ、Ａ点の圧力がＢ点より低い場合に、Ａ点の圧力を上げなければならない。これは、吸気流れを一定に維持するように、相応してタービン５０を適合させ（可変の場合）、空気絞りバルブ５８を調整することによって行うことができる。Ａ点の圧力が高すぎる、したがって、給気管６０を通る流れが所定の目標値を超える場合、相応して空気バルブ６６を調整することもできる。
【００４０】
形状が固定されたターボチャージャ用タービンや、ターボチャージャ用の可変タービンを使用することなくＡ点の圧力を調整できるようにするターボチャージャ用可変コンプレッサや、高圧段コンプレッサより下流に空気バルブ６６がある２段ターボ過給アセンブリを使用することや、バルブ６６、１１８用の様々な空気バルブ構造や、空気バルブ６６と空気絞りバルブ５８の機能を兼ね備えたバルブや、任意の種類のスーパーチャージャまたは燃焼機関に作用する他のタイプの空気過給機を使用することなど、本明細書で説明した構成要素の様々な変形形態を利用できるのは当然のことである。さらに、本発明はディーゼル機関に限定されるものではない。
【００４１】
本発明の一実施形態には、ターボチャージャなどの過給機を空気供給補助装置として使用することが含まれる。本発明の別の実施形態には、空気を燃焼ガス排気側１６に吹き込む空気ポンプとしてターボチャージャを使用する方法が含まれる。本発明の別の実施形態には、ターボチャージャ４８を使用して空気ポンプ１０８をプレチャージする方法が含まれる。本発明の別の実施形態には、燃焼ガス排気側１６に導入される空気を予熱する方法が含まれる。本発明の別の実施形態には、コンプレッサからの余分な空気を使用して、後処理装置を冷却する方法が含まれる。本発明の別の実施形態には、昇圧補助装置からの余分な空気を使用して、燃焼ガス排気側１６に空気を供給する方法が含まれる。
【００４２】
本発明の別の実施形態には、給気管を通る空気の流れを示す情報を得ることを含めた、給気管６０を通る空気の流れを制御する制御方法が含まれる。この種の情報は、質量流量計や、燃料バーナ１０４からの信号や、燃料バーナを使用しない場合に排気システムの別の位置からの信号による、ベンチュリ管を通じた圧力降下に基づいて得ることができる。得られた情報を使用して、空気絞りバルブ５８、タービン５０（可変の場合）、空気バルブ６６、および昇圧補助装置１１４のうちの少なくとも１つを調整し、給気管６０を通る空気の流れを制御する。空気絞りバルブ５８が実質的に閉じた場合に、圧力を増大させて空気を主排気ガス管３０に押し込むように空気絞りバルブ５８を配置することができる。（空気絞りバルブ５８の位置からある程度独立して）コンプレッサを通る流れを変えるように、タービン５０のベーンを調整することができるので（可変の場合）、空気絞りバルブ５８が一定の位置にあり、かつある程度閉じている場合に、ベーンの位置を調整してタービン力を蓄えることによって、コンプレッサの速度を増速し、ひいてはコンプレッサ５２より後ろの圧力を増大させて、空気を主排気ガス側１６に押し込むことができる。
【００４３】
本発明の実施形態についての上記の説明は、本来単なる例示であり、したがって、変形形態を本発明の趣旨および範囲からの逸脱とみなすべきではない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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