(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが燃焼室を形成する複数のシリンダと、
前記各燃焼室に燃料チャージを順次供給するための燃料供給手段と、
空気吸入ライン、及び該空気吸入ラインを介して吸入空気を受け取り、シリンダに分配して、排気ガスの発生を伴う燃料チャージの燃焼をシリンダ内で起こさせる吸気マニホルドと、
シリンダからの排気ガスを集め、集めた排気ガスを排気ラインを介して大気に排出するための排気ガスマニホルドと、
排気ガス中の少なくとも一種の排気成分の濃度を検出する排気成分センサと、
検出された濃度に従って制御信号を発生させるエンジンコントローラと、
集められた排気ガスの一部を燃焼室に再循環するための排気ガス再循環ラインと、
制御信号に応答して排気ガスの再循環された部分の流量を制御し、それにより、少なくとも一種の排気成分の検出された濃度に従ってＥＧＲ量の閉ループ制御を行う制御弁とを有するとともに、
前記燃料供給手段は、複数の燃料インジェクタを備え、かつ、該各燃料インジェクタは前記シリンダのそれぞれに接続され、
前記エンジンコントローラは、トルク指令信号を受信し、トルク指令信号及び検出された濃度に従って制御信号を設定し、トルク指令に対応させて最大の排気ガスの再循環を行い、複数の燃料インジェクタを制御することを特徴とするディーゼルサイクルエンジン。
【請求項２】
前記排気ラインに配設されたタービンと、
該タービンによって駆動される吸入空気を圧縮する吸気コンプレッサとを有する請求項１に記載のディーゼルサイクルエンジン。
【請求項３】
前記制御弁は、前記排気ライン中において、前記排気ガス再循環ラインが前記排気ラインに接続する点より下流側に配設される請求項１に記載のディーゼルサイクルエンジン。
【請求項４】
前記排気ガス再循環ラインは、前記タービンの下流に位置する前記排気ラインを、前記吸気コンプレッサより上流に位置する前記空気吸入ラインに接続する請求項２に記載のディーゼルサイクルエンジン。
【請求項５】
前記制御弁は、前記空気吸入ライン中において、前記排気ガス再循環ラインが前記空気吸入ラインに結合する点より上流側に配設される請求項４に記載のディーゼルサイクルエンジン。
【請求項６】
前記空気吸入ラインに、前記吸気マニホルドと前記吸気コンプレッサとの間に位置させて空気チャージクーラが配設される請求項２に記載のディーゼルサイクルエンジン。
【請求項７】
前記制御弁は、前記空気吸入ライン中において、前記排気ガス再循環ラインが前記空気吸入ラインに結合する点より上流側に配設され、検知された濃度に従ってＥＧＲを調整するためのもう一つの制御弁をさらに有し、該制御弁は排気ライン中に配設される請求項１に記載のディーゼルサイクルエンジン。
【請求項８】
前記排気ガス再循環ラインに配置され、排気ガスの再循環された部分を冷却するとともに、排気ガスから凝縮物及び粒状物質を分離する排気ガスクーラと、
前記排気ラインを介して凝縮物及び粒状物質を放出するために、前記排気ガスクーラを前記排気ラインに接続する戻りラインとを有する請求項１に記載のディーゼルサイクルエンジン。
【発明の詳細な説明】
（技術分野）
本発明はディーゼルサイクルエンジン（diesel-cycle engine ）からのＮＯx 及び粒状物質（ＰＭ）の排出を減少させる技術に関するものである。主な適用分野は自動車用の内燃機関である。
【０００１】
（背景技術）
自動車にディーゼルサイクルエンジンを使用することが多くなり、窒素酸化物及び粒状物質のような汚染物質が大気中に非常に多く存在するようになってきている。従来のディーゼルサイクルエンジンは、オットー・サイクル（例えば、ガソリンサイクル）のエンジンと比べて窒素酸化物（ＮＯx ）及び粒状物質（ＰＭ）を実質的に多く排出するが、ディーゼルサイクルエンジンは実質的により高い燃料経済性を達成している。燃料経済性がより高いので、ディーゼルサイクルエンジンは重量トラック市場及びオフロード商用車市場の多くを支配しており、軽量トラック市場へも喰い込んでいる。そこで、ディーゼルサイクルエンジンからのＮＯX 及びＰＭの排出を実質的に減少させ得る技術が強く望まれている。
【０００２】
ディーゼルサイクルエンジンの第１、第２の重要な特徴は、吸入チャージ（すなわち、空気又は空気と再循環された排気ガスとの混合物）を実質的に絞らないこと、及び燃料を燃焼室に直接注入することである。最も近代的なディーゼルサイクルエンジンの第３の重要な特徴は、ターボ過給機であり、通常は、その後にチャージ用のクーラが配設されていることである。ターボ過給機は、加圧された吸入チャージを供給し、これにより比出力を増大させることを可能にする。通常、ターボ過給機は、排気ガスタービンエキスパンダによって駆動されるタービンコンプレッサを含む。エンジントルクを急速に上昇させる指令が出ている間に、増大した量の燃料をほとんど、即時に供給することができる。しかしながら、エンジンが高い排気ガス再循環（ＥＧＲ）で作動している場合には、利用可能な酸素の量が減少するので、燃焼度合の低下及びＰＭ排出量の増大を伴うことなしに最大の燃料噴射を行うことができない。さらに、排気エネルギーレベルがより高いトルク出力に対応するレベルに増大するまでは、ターボ過給機は、新しい平衡状態で最終的に利用できる増大したブースト圧（したがって、より多量の酸素）を供給することができず、（一般的に「ターボラグ」といわれる。）、また、システムが、増加した酸素の量に応答するまでは、最大の燃料噴射量を制限しなければならない。
【０００３】
従来の技術では、チャージ用の空気と共に燃焼室に入ってくる排気ガスの量を迅速に調節することは、以下の理由で特に困難である。すなわち、（１）ＥＧＲにおいて流量制御弁の応答時間がエンジンの燃焼サイクルに比べて比較的長い。（２）以前に必要とされていた排気ガスと空気との混合物をエンジンを介して吸気システムから「パージ」するのに必要な時間も比較的長く、新たに必要とされる混合物が作られるまでに数回の燃焼サイクルを必要とする。
【０００４】
したがって、本発明は、ディーゼルサイクルエンジンの過渡期及び定常状態における性能と耐久性を維持又は高くしながら、ディーゼルサイクルエンジンからのＮＯX 及びＰＭの排出量を最小にする革新的なＥＧＲシステムを提供することを目的とする。
【０００５】
本発明の他の目的は、ＥＧＲについての応答時間を短くすることである。
【０００６】
（発明の開示）
本発明は、新規な排気ガス再循環システムを有するディーゼルサイクルエンジンを提供する。詳しくは、本発明は、燃焼室をそれぞれ形成する複数のシリンダを有し、各燃焼室に燃料を順次供給するための燃料供給装置、例えば、燃料インジェクタを備えたディーゼルサイクルエンジンに関する。空気吸入ラインは吸入空気を受け取り、その吸入空気を個々のシリンダに分配する吸気マニホルドに供給する。これにより、それぞれのシリンダ内で燃料が燃焼し、排気ガスが発生する。個々の燃焼室からの排気ガスを集める排気ガスマニホルドからの排気ガスを受け取る排気ラインにガスタービンが設けられる。ガスタービンによって駆動される吸気コンプレッサは吸入空気を圧縮する。排気ガスの中の少なくとも一つの排気成分の濃度を検出するためにセンサが排気ラインに設けられ、エンジンコントローラが検出された濃度に従って制御信号を発生する。排気ガスの一部は、排気ガス再循環ラインを介して燃焼室に再循環する。排気ガスの再循環された部分を冷却するとともに、排気ガスから凝縮物（condensate）と粒状物質（ＰＭ）を分離するために、排気ガスクーラが排気ガス再循環ラインに配置されている。別体のＰＭフイルタを排気ガス再循環ラインに設けてもよい。戻りラインは、排気ガスクーラを排気ガスラインに接続し、周囲の大気に開口する排気ガスラインを介して凝縮物と粒状物質を放出する。制御弁は、エンジンコントローラから受信された制御信号に応答して、排気ガスの再循環された部分の流量を制御する。
【０００７】
いくつかの好ましい実施の形態においては、排気ガス再循環ラインは、タービンの下流に位置する排気ラインを吸気コンプレッサの上流に位置する空気吸入ラインに接続する。他の実施の形態においては、排気ガス再循環ラインは空気吸入ラインと接続せず、排気ガスを補助コンプレッサで圧縮した後、補助マニホルドに供給する。これにより、吸気マニホルドを介して導入される吸入空気とは別に、排気ガスが複数のシリンダに分配される。
【０００８】
このようにして、本発明は、燃料噴射量及び／又はＥＧＲ量の閉ループ制御を維持する独特の設計及び動作によって上記の目的を達成する。閉ループ制御は、ＮＯX 及び／又はＰＭのレベルと高い相関を有する排気（又は吸気）の一つの成分（又は複数の成分）を測定すること、及びそれに応じて燃料噴射量及び／又はＥＧＲ量を調節することにより達成され、これによりＮＯX とＰＭの形成を最小にする。測定される成分は、酸素（Ｏ2 ）、ＮＯX 及び／又はＰＭ（直接測定）、及び／又は二酸化炭素（ＣＯ2 ）を含むが、これらに限定されない。目標は、指令されているトルクに対してできるだけ多くのＥＧＲを用いること、及びＰＭの形成、特にエンジンの過渡期におけるＰＭの形成を最小にするために燃料噴射量を制御することである。
【０００９】
本発明は、燃焼室に入る排気ガスの量を迅速に調節する。一実施の形態においては、燃焼室の吸入弁の近傍に、ポートを備えた別体の排気ガス吸入マニホルドを設けることによってＥＧＲの応答性を高めることができ、したがって、遅延はＥＧＲ弁の応答のみで決まる。他の実施の形態においては、燃焼室の吸入弁の近傍にポートを備えた別体の空気専用吸入マニホルド及び加圧された空気の流れを提供し、それにより、その場所にある空気／ＥＧＲ混合物を部分的に、又はすべて追い出す迅速な応答を有するコンプレッサを設けることによって、ＥＧＲの応答性を高めることができ、このようにして、エンジントルクの上昇速度とエンジンの性能を改善しながら排出物を減少することができる。
【００１０】
排気ガスをターボ過給機のタービンエクスパンダの前にある排気パイプ又はエクスパンダの後にある排気パイプから取り出すことによってＥＧＲが達成される。前者は高圧システムと呼ばれ、最も普通のアプローチである。また、後者は低圧システムと呼ばれる。いずれのアプローチも長所と欠点を有する。低圧システムの長所は、（１）排気ガスの温度が低いこと、（２）簡略な制御弁でよいこと、（３）ターボ過給機の性能に対する悪影響が少ないこと、及び（４）ＥＧＲと空気とが良好に混合することである。現在の低圧システムでの問題は、（１）ＥＧＲの応答時間が長いこと（パージするのにより多くの吸入ガス容積が必要）、（２）ＥＧＲが加圧吸入空気に流入するように充分高い圧力に加圧しなければならないこと、（３）排気によりポンプが汚れること（ポンプがターボ過給機のコンプレッサであるか別体のポンプであるかとは無関係）、（４）大気に比べて排気ガス温度が高いためにポンプの効率が低いこと、及び（５）チャージ用のクーラが汚れることである。高圧システムの長所は、（１）ＥＧＲの応答時間が短いこと、（２）ポンプ／コンプレッサ又はチャージ用のクーラが汚れないこと、（３）別体のＥＧＲクーラをチャージ用のクーラより高温に保つことによって、凝縮物による汚れを最小にできること、及び（４）一般的に機構が単純なことである。高圧システムでの問題は、（１）空気とＥＧＲの混合が困難なこと、（２）最終的にチャージガスの温度が高くなるので効率が低くＮＯX 濃度が高いこと、（３）ターボ過給機システムへ悪影響を与えること、及び（４）ＥＧＲ制御弁が高温で使用されるので複雑であることを含む。
【００１１】
排気センサ２５を各シリンダの排気ポートに設置し、各シリンダの燃料噴射率を個別に制御するようにしてもよい。
排気センサ２５は、排気管１５又は図１の２５′に示されるように、ＥＧＲ吸入口１３の下流に位置する空気吸入ライン１０に設けられるようにしてもよい。  本発明の第２の好ましい実施の形態を図２に示す。非常に急速なトルクの上昇能力を提供するために、別の付加的吸気マニホルド３１が配設される。この吸気マニホルド３１は、各シリンダ２、４、６及び８の吸気ポートに圧縮空気を供給する。急速なトルクの上昇が指令されると、高速応答が可能なモータ３２（油圧式、電動式又はエンジンにクラッチを介して連絡する方式）は、高速応答が可能な圧縮機３３を作動させられ、圧縮空気が必要に応じて配設された充填空気クーラ３４及びチェック弁３５を介して吸気マニホルド３１に流れる。この高速応答のための圧縮空気が、基本の吸気マニホルド２１内の燃焼室入口に存在する空気／ＥＧＲ混合物の一部又はすべてと入れ替わることによって、燃料室への酸素供給量が増加し、排出量に悪影響を及ぼさずに燃料噴射率を高くするとともに、エンジントルクを大きくすることができる。エンジンのターボ過給機タービンエクスパンダ２７が新しいエンジン動作条件に応答すると、モータ３２は停止させられ、チェック弁３５は、圧縮吸気チャージが作動していない高速応答用の圧縮機３３を介して大気中に流出するのを防止する。
図３は本発明の第３の好ましい実施の形態を示す。
【００１２】
本発明においては、ポンプ並びにチャージ用のクーラ（又は別体のＥＧＲクーラ）の汚れ、並びにポンプの効率低下は、新しい設計によって軽減される。この新しい設計においては、通常の排気ガス冷却を利用するためにタービンの下流の点からＥＧＲを取り出し、ＥＧＲを更に冷却するのに役立つ戻り配管で排気ガスをポンプ近傍の位置に戻し、部分的に冷却されたＥＧＲを別体のクーラを介して送り、これにより、大気に近い温度でＥＧＲポンプに供給する前にＥＧＲを冷却して、凝縮物及び他の汚染物質を除去する。凝縮物及び除去された汚染物質は、高温の排気ガス流に流入し大気に排出される。
【００１３】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態における基本的な特徴を示す。図に示されるように、空気は吸気ポート１１から吸入され、高速吸気用の流量制御弁１２を通過する。ＥＧＲの排気ガスは、ＥＧＲ用の吸入口１３において空気の流れと合流する。吸入される空気の流量を弁１２によって制限することによって、ＥＧＲ用の吸入口１３における圧力が低くされる。次に、排気ガスは、弁１２による流量の制限に応じた流速で吸気流に流れ込む。したがって、弁１２は、吸気の流量を制御することによって、一次ＥＧＲ用の流量制御弁として機能する。弁１２に代えて、又は弁１２と共に高速排気ガス用の流量制御弁１２′が用いられ、流量制御弁１２′は、排気ガスの流れを制限することによって、吸入口１３における排気ガスの気圧を増加させる。エンジントルクを大きくすることが指令された場合に、ＥＧＲ流を迅速に遮断することができるように、ＥＧＲ用の流量制御弁（カットオフ弁）１４を配設することもできる。弁１２、１４は、いずれも、低温で清浄なガス流中に配設されるので、これらの弁のコストを低くし、信頼性及び耐久性を向上させることができる。ＥＧＲは、エンジンの排気管１５のポート１６から取り出され、ＥＧＲ用の冷却装置１７（還流凝縮器／スクラバを一体的に設けた設計にすることもできる。）を介して流れる。冷却装置１７からの凝縮物は、回収されたＰＭと共に凝縮物の戻し管（戻しライン）１８を介して排気管に戻る。空気とＥＧＲとの混合物は、コンプレッサ１９、充填用の空気クーラ２０を介して、エンジン２２の通常の吸気マニホルド２１に流れる。この最も基本的な構成では、過渡的なＥＧＲ用の応答時間を短縮するために、すなわち、エンジンが異なるＥＧＲのための濃度を必要とする場合に、パージしなければならない吸入容積を最小化するために、吸入ポート（図示されない）の容積は最小化されている。吸入チャージ（intake charge ）は、シリンダ２、４、６及び８内のエンジン燃焼室に進入し、圧縮され、燃料は、燃料インジェクタ２３によって噴射され、燃焼及び膨張を起こし、排気ガスは、エンジンの排気マニホルド２４に排出される。排気成分センサ２５（本実施の形態において広範囲酸素センサが使用される。）は、基準排気ガス成分の濃度を検出し、エンジンコントローラ２６に検出信号を送る。エンジンコントローラ２６は、（エンジン回転速度、エンジントルク指令、ブースト圧等を検出するためのほかのセンサ（いずれも図示されない）からの入力信号によって）燃料インジェクタ２３、弁１２、１４（及び１２′（必要に応じて））に指令を送り、ＥＧＲ及び／又は燃料噴射率の閉ループ制御を行う。排気ガスは、ターボ過給機エクスパンダ２７を通過する間に膨張させられ、排気管１５を介して大気中に流出する。排気センサ２５を各シリンダの排気ポートに配設し、各シリンダの燃料噴射率を個別に制御するようにしてもよい。
【００１４】
本発明の第２の好ましい実施の形態を図２に示す。非常に急速なトルクの上昇能力を提供するために、別の付加的吸気マニホルド３１が配設される。この吸気マニホルド３１は、各シリンダ２、４、６及び８の吸気ポートに圧縮空気を供給する。急速なトルクの上昇が指令されると、高速応答が可能なモータ３２（油圧式、電動式又はエンジンにクラッチを介して連絡する方式）は、高速応答が可能な圧縮機３３を作動させられ、圧縮空気が必要に応じて配設された充填空気クーラ３４及びチェック弁３５を介して吸気マニホルド３１に流れる。この高速応答のための圧縮空気が、基本の吸気マニホルド２１内の燃焼室入口に存在する空気／ＥＧＲ混合物の一部又はすべてと入れ替わることによって、燃料室への酸素供給量が増加し、排出量に悪影響を及ぼさずに燃料噴射率を高くするとともに、エンジントルクを大きくすることができる。エンジンのターボ過給機タービンエクスパンダ２７が新しいエンジン動作条件に応答すると、モータ３２は停止させられ、チェック弁３５は、圧縮吸気チャージが作動していない高速応答用の圧縮機３３を介して大気中に流出するのを防止する。
【００１５】
図３は本発明の第３の好ましい実施の形態を示す。第３の実施の形態においては、空気だけが吸気用の流量制御弁１２を介して第１のコンプレッサ１９に供給され、通常の吸気マニホルド２１に供給される。第２（補助）のコンプレッサ４１がターボ過給機エクスパンダ２７のドライブシャフトに取り付けられる。コンプレッサ４１は、ＥＧＲ用のポンプとして機能し、前述されたように、エンジンの排気からＥＧＲ用の流量制御弁１４を介して排気ガスを受け取る。排気ガスは、必要に応じて配設された補助クーラ４２及びチェック弁４３を介して別の吸気マニホルド（補助マニホルド）４４に供給される。補助マニホルド４４は、ＥＧＲをエンジンの吸気ポート（図示されない）に直接供給する。ＥＧＲの濃度を変更するための指令に応答して、コンプレッサ１９からの流れとコンプレッサ４１からの流れとの間を切り替えることによって、ＥＧＲの供給量を急速に変更することができる。
【００１６】
図４に示される本発明の第４の好ましい実施の形態においては、排気マニホルド２４内、又はそれより下流側にＰＭ捕捉用の酸化装置５４を配設し、エンジンにおいて発生させられたＰＭをフィルタで除去する。酸化装置５４は、エンジンの排気弁の近くに配置され、高温になるので、回収したＰＭは、ほぼ継続的に酸化（すなわち、燃焼）させられる。排気三元触媒５１は、空間的及び温度的な制約に応じて、タービン２７より（図に示されるように）上流側又は下流側のエンジン排気管に配設される。本実施の形態においては、エンジンコントローラ２６は、排気センサ２５（本実施の形態においては酸素センサ）からの入力信号を受け、燃料インジェクタ２３に指令を送るか、又は燃料インジェクタ２３に代えて、又は燃料インジェクタ２３に加えて、低圧力ポート燃料インジェクタ５３に指令を送り、化学量論的な空気／燃料混合物を維持し、これにより、前記三元触媒５１は、窒素酸化物の排出を低減させ、かつ、燃焼しなかった燃料及び一酸化炭素を同時に酸化することができる。排気センサは、図４の２５で示すように排気管１５に、又は、図４の２５′で示すように吸気ライン１１（又は吸気マニホルド２１）のいずれかに配設される。後者の構成においては、検出される排気成分は再循環させられた排気ガス中の成分である。エンジンが発生する負荷（例えば、トルク）は、化学量論的な空気／燃料混合物を維持しながら変更される。これは、好ましくはＥＧＲの比率を変更するか、又は、弁１２を調整して空気の流量を変更する任意的な動作により、チャージ空気中の利用可能な酸素量を変化させることによって行われる。三元触媒と共にＰＭ捕捉用の酸化装置を併用し、化学量に近い（near stoichiometric ）状態でエンジンを駆動することによって、ＮＯｘの排出量を低減するとともに、ＰＭの排出量を低減（同時に、触媒のＰＭによる汚染を回避）することができる。
【００１７】
図５に示される第５の好ましい実施の形態においては、ＰＭ捕捉用の酸化装置５４と触媒５１との間にＮＯｘ吸着器６１が配設される。本実施の形態のエンジンコントローラ２６は、下記の動作を除き、第４の好ましい実施の形態において述べたのと同様に作用する。エンジンコントローラ２６は、ＰＭ捕捉酸化装置のＰＭによる目詰まり（loading ）と相関関係を持つ排気センサ６２（本実施の形態においては圧力センサ）からの入力信号を受け、燃料インジェクタ２３及び／又は５３、並びに流量制御弁１２、１２′及び／又は１４に指令を送り、回収されたＰＭを酸化しやすくし、ＰＭによる目詰まりを減少させるように周期的に希薄運転（lean excursion）を行わせる。希薄運転の間は、ＮＯｘはＮＯｘ吸着器に吸着される。過剰なＰＭによる目詰まりが解消された場合、エンジンコントローラ２６は、システムを化学量論的動作に戻すことによって、吸着されたＮＯｘがＮＯｘ吸着器６１から放出される。放出されたＮＯｘは、触媒５１を通過する間に還元される。
【００１８】
本発明は、その理念及び本質的な特徴から逸脱することなく、他の具体的な実施の形態において実施することが可能である。例えば、前述されたディーゼルサイクルエンジン（ディーゼルエンジンともいう）においては、各種の燃料（従来のディーゼル燃料及びガソリン燃料を含む）を使用することができ、ターボ過給機（１段階又は２段階以上の加圧方式、例えば、直列に配設された二つのターボ過給機）の有無、又は加圧システム中の他の変更の有無に係わらず同等に機能する。したがって、本実施の形態はあくまで例示であり、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、上記説明ではなく、添付の特許請求の範囲により示され、よって、特許請求の趣旨及び均等の範囲に含まれるすべての変更は、本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の好ましい実施の形態のディーゼルサイクルエンジン及びその排気、吸気並びにＥＧＲシステムを示す概略図である。
【図２】本発明の第２の好ましい実施の形態のディーゼルサイクルエンジン及びその排気、吸気並びにＥＧＲシステムを示す概略図である。
【図３】本発明の第３の好ましい実施の形態のディーゼルサイクルエンジン及びその排気、吸気並びにＥＧＲシステムを示す概略図である。
【図４】本発明の第４の好ましい実施の形態のディーゼルサイクルエンジン及びその排気、吸気並びにＥＧＲシステムを示す概略図である。
【図５】本発明の第５の好ましい実施の形態のディーゼルサイクルエンジン及びその排気、吸気並びにＥＧＲシステムを示す概略図である。
【符号の説明】
２、４、６、８    シリンダ
１２、１２′１４    制御弁
１５    排気管
１７    排気ガスクーラ
１８    戻りライン
２１    吸気マニホルド
２３    燃料インジェクタ
２４    排気マニホルド
２５    排気成分センサ
２６    エンジンコントローラ
【図１】
0004544803.tif 000002
【図２】
0004544803.tif 000003
【図３】
0004544803.tif 000004
【図４】
0004544803.tif 000005
【図５】
0004544803.tif 000006