(57)【要約】【課題】燃料量が増加するときの排出成分を抑制する。【解決手段】内燃機関用吸排気システム（１）は、排気を吸気に還流させる還流ダクト（１６、１７）をもつ排気還流系統（１１、１２）を備える。還流ダクト（１６、１７）は、供給ダクト（３１）における新気入口（３５）より下流の領域に排気合流口（１８）を形成するように供給ダクト（３１）に接続されている。内燃機関用吸排気システム（１）は、新気入口（３５）と排気の合流口との間において供給ダクト（３１）に設けられ、新気の流れ（新気通路）（９）を開閉する可変絞り（２２）を備える。所定値以下の燃料量での運転時に、新気（２７）をほとんど導入しない環状の流れが形成される。環状の流れは、濾過済排気および／または低圧排気（２５）が還流する排気還流系統（１１）だけに通される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１）の燃焼室（２）に対して吸気の供給のための供給側（２９）に設けられた供給ダクト（３１）と、
前記内燃機関（１）の前記燃焼室（２）に対して排気の排出のための排出側（３０）に設けられた排出ダクト（３２）とを備え、
前記内燃機関における吸気と排気とを案内する内燃機関用吸排気システムにおいて、
少なくともひとつの排気還流系統（１１、１２）を備え、
前記排気還流系統（１１、１２）は、排気が前記排出側（３０）から前記供給側（２９）へ還流可能であり、前記供給ダクト（３１）における新気入口（３５）より後の領域に排気合流口（１８）を形成するように前記供給ダクトに接続された還流ダクト（１６、１７）を備え、
前記新気入口（３５）と前記排気合流口（１８）との間において前記供給ダクト（３１）に設けられ、新気の通路（９）を開閉する可変絞り（２２）とを備えることを特徴とする内燃機関用吸排気システム。
【請求項２】
前記可変絞り（２２）は、前記新気入口（３５）を通して流入する新気の流量を調節するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用吸排気システム。
【請求項３】
前記可変絞り（２２）は、一行程あたりにおいて燃焼室（２）で燃焼される燃料量（ＱＦＩＮ）が極小であるか、またはゼロに等しい前記内燃機関（１）の運転状態においては、閉じることができるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関用吸排気システム。
【請求項４】
さらに、供給側（２９）に設けられたコンプレッサ（５）および／または排出側に設けられたタービン（６）を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の内燃機関用吸排気システム。
【請求項５】
さらに、供給側にインタークーラ（７）を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の内燃機関用吸排気システム。
【請求項６】
さらに、排出側にパティキュレートフィルタ（８）を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の内燃機関用吸排気システム。
【請求項７】
さらに、第１排気還流系統（１１）と、第２排気還流系統（１２）とを備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の内燃機関用吸排気システム。
【請求項８】
前記第１排気還流系統（１１）は低圧排気（２５）を還流させるように構成され、前記第２排気還流系統（１２）は高圧排気（２６）を還流させるように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関用吸排気システム。
【請求項９】
前記第１排気還流系統（１１）は濾過済排気（２５）を還流させるように構成され、前記第２排気還流系統（１２）は非濾過排気（２６）を還流させるように構成されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の内燃機関用吸排気システム。
【請求項１０】
さらに、前記可変絞り（２２）を開閉制御するように構成された制御装置（２４）を備えることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の内燃機関用吸排気システム。
【請求項１１】
さらに、内燃機関用制御装置に接続されるか、または前記内燃機関用制御装置の内部に構成され、前記可変絞り（２２）を制御する制御装置（２４）を備えることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の内燃機関用吸排気システム。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の内燃機関用吸排気システム（２８）を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項１３】
前記内燃機関（１）はディーゼル機関であることを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１４】
さらに、前記燃焼室（２）の内部に燃料を噴射するように構成された燃料噴射器（４）を備えることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の内燃機関。
【請求項１５】
さらに、コモンレールシステムを備えることを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項１６】
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の内燃機関用吸排気システムの運転方法において、一行程あたりにおいて燃焼室（２）で燃焼される燃料量（ＱＦＩＮ）が極少量であるか、またはゼロに等しい前記内燃機関（１）の運転状態においては、前記可変絞り（２２）の操作によって前記新気通路（９）を絞るか閉じることを特徴とする内燃機関用吸排気システムの運転方法。
【請求項１７】
前記排出側（３０）と前記供給側（２９）との間に前記排気還流系統（１１、１２）を通る環状の流れが形成されるように、さらに、この環状の流れにおいては機関出口（３４）から排出された排気が機関入口（３３）へ導かれ、新気（２７）が極少量だけ導入されるか、または新気（２７）が導入されないように、還流された排気（２５、２６）の流量を調節することを特徴とする請求項１６に記載の内燃機関用吸排気システムの運転方法。
【請求項１８】
前記環状の流れを、濾過済排気および／または低圧排気（２５）が還流する排気還流系統（１１）だけに通すことを特徴とする請求項１７に記載の内燃機関用吸排気システムの運転方法。
【請求項１９】
前記燃焼室（２）で燃焼される燃料量（ＱＦＩＮ）が極少量またはゼロから再び増加する前記内燃機関（１）の運転状態においては、前記可変絞り（２２）の操作によって前記新気通路（９）を開くか開度を増加させることを特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれかに記載の内燃機関用吸排気システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関における吸気および排気を案内する内燃機関用吸排気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
新気入口から機関入口（吸気ポート）へ吸気を案内する吸気案内のためのシステムを内燃機関に設けることが知られている。このような場合、吸気は内燃機関の燃焼室に圧力によって導入され、その燃焼室において加えられた燃料とともに燃焼される。これにより、排気が生成される。排気は、機関出口（排気ポート）を通して、さらに排気出口または排気口への排気の案内のためのシステムを通して、燃焼室から導き出される。さらに、内燃機関の排出側から供給側へ排気を戻し、吸気に排気を混入させる排気還流の装置と機能とをもつシステムが知られている。このようなシステムは、排気還流装置、または排気再循環装置などと呼ばれている。
【０００３】
従来から知られている吸排気システムは、過剰に供給された酸素とともに非常に少ない量の燃料が燃焼室において燃焼されるような内燃機関の運転状態において、酸素が過多のガスが過剰になる、言い換えると酸素が過多のガスによって満たされるという問題点があった。このような運転状態では、吸気に含まれる酸素量は燃焼室内においてわずかだけ減らされる。この運転状態の間に、供給側と排出側とにおける酸素量は力強く増加し、さらに排気還流（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）装置も高い酸素濃度のガスによって満たされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなほとんど燃料がない燃焼の運転状態から、燃焼室内で多い量の燃料が燃焼される運転状態への切換えにおいて、相対的に高い酸素量の吸気、例えば新気のみを含むような吸気が燃焼室に導入される。したがって、希薄燃料燃焼または無燃料燃焼の運転状態から大量の燃料が燃焼される運転状態への切換えの後、高い濃度の排気、特に高い濃度の窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排気が長い期間に渡って生成される。
【０００５】
窒素酸化物の生成は、主として吸気における酸素量のレベルに依存している。酸素量が増えるほど、燃焼室内における燃焼過程においてより多くの窒素酸化物が生成される。よって、従来のシステムでは、無負荷運転または非走行運転から、負荷運転または走行運転への切換えにおいて、排出成分量、特に窒素酸化物の排出量の一時的な過剰な上昇を生じる。
【０００６】
本発明の目的は、少ない燃料の燃焼による運転状態から、より多い燃料の燃焼による運転状態への切換えにおいて、排出成分を抑制することができる内燃機関用吸排気システムを提供することにある。
【０００７】
本発明の目的は、少ない燃料の燃焼による運転状態から、より多い燃料の燃焼による運転状態への切換えにおいて、排出成分を抑制することができる内燃機関用吸排気システムの運転方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の目的は、少ない燃料の燃焼による運転状態から、より多い燃料の燃焼による運転状態への切換えにおいて、排出成分を抑制することができる内燃機関用吸排気システムを備える内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
【００１０】
請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の燃焼室（２）に対して吸気の供給のための供給側（２９）に設けられた供給ダクト（３１）と、内燃機関（１）の燃焼室（２）に対して排気の排出のための排出側（３０）に設けられた排出ダクト（３２）とを備え、内燃機関における吸気と排気とを案内する内燃機関用吸排気システムにおいて、少なくともひとつの排気還流系統（１１、１２）を備え、排気還流系統（１１、１２）は、排気が排出側（３０）から供給側（２９）へ還流可能であり、供給ダクト（３１）における新気入口（３５）より後の領域に排気合流口（１８）を形成するように供給ダクトに接続された還流ダクト（１６、１７）を備え、新気入口（３５）と排気合流口（１８）との間において供給ダクト（３１）に設けられ、新気の通路（９）を開閉する可変絞り（２２）とを備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、可変絞り（２２）は、新気入口（３５）を通して流入する新気の流量を調節するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、可変絞り（２２）は、一行程あたりにおいて燃焼室（２）で燃焼される燃料量（ＱＦＩＮ）が極小であるか、またはゼロに等しい内燃機関（１）の運転状態においては、閉じることができるように構成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、さらに、供給側（２９）に設けられたコンプレッサ（５）および／または排出側に設けられたタービン（６）を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、さらに、供給側にインタークーラ（７）を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、さらに、排出側にパティキュレートフィルタ（８）を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、さらに、第１排気還流系統（１１）と、第２排気還流系統（１２）とを備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、第１排気還流系統（１１）は低圧排気（２５）を還流させるように構成され、第２排気還流系統（１２）は高圧排気（２６）を還流させるように構成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、第１排気還流系統（１１）は濾過済排気（２５）を還流させるように構成され、第２排気還流系統（１２）は非濾過排気（２６）を還流させるように構成されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、さらに、可変絞り（２２）を開閉制御するように構成された制御装置（２４）を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項１１に記載の発明は、さらに、内燃機関用制御装置に接続されるか、または内燃機関用制御装置の内部に構成され、可変絞り（２２）を制御する制御装置（２４）を備えることを特徴とする。
【００２１】
請求項１２に記載の発明は、先行する請求項のいずれかに記載の内燃機関用吸排気システム（２８）を備えることを特徴とする内燃機関である。
【００２２】
請求項１３に記載の発明は、内燃機関（１）はディーゼル機関であることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４に記載の発明は、さらに、燃焼室（２）の内部に燃料を噴射するように構成された燃料噴射器（４）を備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項１５に記載の発明は、さらに、コモンレールシステムを備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項１６に記載の発明は、先行する請求項のいずれかに記載の内燃機関用吸排気システムの運転方法において、一行程あたりにおいて燃焼室（２）で燃焼される燃料量（ＱＦＩＮ）が極少量であるか、またはゼロに等しい内燃機関（１）の運転状態においては、可変絞り（２２）の操作によって新気通路（９）を絞るか閉じることを特徴とする。
【００２６】
請求項１７に記載の発明は、排出側（３０）と供給側（２９）との間に排気還流系統（１１、１２）を通る環状の流れが形成されるように、さらに、この環状の流れにおいては機関出口（３４）から排出された排気が機関入口（３３）へ導かれ、新気（２７）が極少量だけ導入されるか、または新気（２７）が導入されないように、還流された排気（２５、２６）の流量を調節することを特徴とする。
【００２７】
請求項１８に記載の発明は、環状の流れを、濾過済排気および／または低圧排気（２５）が還流する排気還流系統（１１）だけに通すことを特徴とする。
【００２８】
請求項１９に記載の発明は、燃焼室（２）で燃焼される燃料量（ＱＦＩＮ）が極少量またはゼロから再び増加する内燃機関（１）の運転状態においては、可変絞り（２２）の操作によって新気通路（９）を開くか開度を増加させることを特徴とする。
【００２９】
本発明に係る内燃機関用吸排気システムは、供給側に供給ダクトを有しており、排出側に排出ダクトを有している。供給ダクトは新気入口から機関入口まで延びており、多数の部分から構成されてもよい。排出ダクトは機関出口から排気出口まで延びており、多数の部分から構成されてもよい。
【００３０】
内燃機関用吸排気システムにおいては、気体は、新気入口から機関入口への方向に供給ダクトを流れ、機関出口から排気出口への方向に排出ダクトを流れることができる。以下の説明において、供給ダクト、あるいは排出ダクト中の位置を示すための用語、例えば、「後」、「前」、「上流」、「下流」などは、上述の流れの方向を参照して、位置を規定している。
【００３１】
システムは少なくともひとつの排気還流系統を有する。排気還流系統は、排出側から供給側へ排気を案内し、導き、流すように形成されている。排気還流系統は還流ダクトを備える。還流ダクトは、その一端では、機関出口の後の領域において排出ダクトに接続されており、その他端では、機関入口の前の領域において供給ダクトに接続されている。還流ダクトと供給ダクトとの接続点においては、還流された排気のための排気合流口が形成される。この排気合流口から合流する還流された排気は、供給ダクトの中に既にある気体と混合される。この排気合流口は、供給ダクトにおける新気入口と機関入口の間の領域に位置している。この発明による内燃機関用吸排気システムは、供給ダクトにおける新気入口と排気合流口との間に設けられた可変絞りを有する。可変絞りは、新気流れ、すなわち新気通路を開閉する。
【００３２】
可変絞りによって、供給ダクトに流れ込む新気の量を制限すること、また必要であればその新気の量をゼロに減らすことが可能である。よって、可変絞りの制御によって、およびひとつまたは複数の排気還流系統の流量の制御によって、機関入口から燃焼室に供給される吸気を、新気から、また同様に、一種類または二種類の還流された排気から任意の混合割合に混合することが可能である。
【００３３】
特に、可変絞りが閉じた状態では、機関入口から供給される吸気が、一種類の還流された排気だけ、または多種類の還流された排気だけを含むようにすることができる。これにより、極少量の燃料だけが燃焼室において燃焼されるような内燃機関の運転状態の期間中、内燃機関用吸排気システムにおいて、排気の大部分が、または排気の全部が排出側から供給側へ連続的に還流される環状の流れが形成されるという有利な効果が奏される。これにより、機関入口において供給される吸気の酸素量は、燃料の燃焼がほとんどない運転状態であっても、長期間にわたって低く維持される。この結果、内燃機関用吸排気システムは、新気が過剰になることがない。同様に、無負荷または非走行の運転状態から、燃焼室において大量の燃料が再び燃焼される運転状態への変化においては、酸素量の少ない吸気は、排出成分を少なく維持し、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を少なく維持するように、燃焼室において燃焼過程の間に瞬間的に燃焼する。
【００３４】
燃料の燃焼がほとんどない運転状態は、場合に応じて、内燃機関の燃焼室において複数回のピストンの行程にわたって少量の添加された燃料だけが燃焼されるか、または内燃機関の燃焼室において複数回のピストンの行程にわたって全く燃料が燃焼されないことを意味する。燃料は任意の既知の構成と手法とによって添加することができる。
【００３５】
この発明に係る内燃機関用吸排気システムの一例によると、交通における一般的な運転パターンで運転された車両の直噴式コモンレール型ディーゼル機関において、３％から４％の排出成分の抑制、および／または窒素酸化物の排出量の抑制が可能である。排出成分と窒素酸化物との抑制は、上述の運転状態の間の頻繁な変化が発生する内燃機関の運転特性においては、より顕著な相違となって現れる可能性がある。
【００３６】
可変絞りは、新気入口を通って流入する新気の流量を調節するように構成することができる。これによって、吸気の組成のより正確でより速い調節が有利な効果として得られる。特に、新気の割合が小さい吸気の混合組成を生成することが可能である。これによって、内燃機関の燃焼の安定、および内燃機関の滑らかな回転に有利な影響を与えることができ、同様に、内燃機関の制御精度を支援することができる。これは内燃機関の応答性に有利な効果を及ぼし、要求に対応した内燃機関の出力が素早く得られるように貢献する。
【００３７】
内燃機関用吸排気システムは、供給側にコンプレッサを備え、および／または排気側にタービンを備えることができる。例えば、供給側にコンプレッサを備える過給機を備えることができる。過給機の一例として、ターボ過給機を備えることができる。これにより、機関入口に供給さえる吸気を加圧することができ、よって、燃焼室に導入される一行程当たりの吸気の量を増やすことができる。燃焼の後に増加される、排気の圧力に蓄積されたエネルギー量は、タービンに吸収され利用される。よって、内燃機関が少ない排出成分と少ない窒素酸化物で運転され、特に効率的に運転されるような、吸気における酸素量が少ないときでさえ、内燃機関から高出力を発生することが可能となる。
【００３８】
内燃機関用吸排気システムは、一行程あたりにおいて燃焼室で燃焼される燃料量が極小であるか、またはゼロに等しい内燃機関の運転状態においては、可変絞りの操作によって新気通路を絞るか、または閉じるとともに、還流された排気の流量を増やす方法によって運転されることがある。この結果、燃料の燃焼が低調である内燃機関の運転状態においてさえ、長期間にわたって、吸気における酸素量を低く抑えることができる。特に、そのような運転状態においてさえ、吸気における酸素量を望ましい量に調節するか、もし必要であれば、吸気における酸素量を望ましい量に一致させることが可能である。
【００３９】
排出側と供給側との間に、排気還流系統を通り、機関出口から排出された排気が機関入口へ導かれ、新気が極少量だけ導入されるか、または新気が導入されない環状の流れが形成されるように、還流された排気の流量が調節されるという有利な効果が奏される。これにより、特に、酸素量が少ない還流された排気は、排気還流系統のダクトの中を流れる。よって、運転状態の変化においてさえ、吸気の混合比の特に速い調節が実現可能となる。
【００４０】
さらに、濾過済排気および／または低圧排気が還流される排気還流系統にだけ環状の流れが形成されるという有利な効果が奏される。この構成においては、吸気、ひいては燃焼室における排出成分および／またはパティキュレート成分の量を低く維持することができ、その結果、例えば燃料噴射器のような燃焼室の領域に配置された部品の機械的ストレスおよび化学的ストレスを低く維持することができる。
【００４１】
本発明のひとつの目的は、燃焼室で燃焼される燃料量が極小であるか、またはゼロに等しい内燃機関の運転状態においては、上述の手法によって、吸気における酸素量の調節が可能な内燃機関用吸排気システムを提供することである。本発明の内燃機関用吸排気システムは、ディーゼル機関に適用することができる。
【００４２】
なお、特許請求の範囲および上記手段の項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る内燃機関用吸排気システムのブロック図である。
【図２】第１実施形態に係る内燃機関用吸排気システムにおける気体の流れを示すブロック図である。
【図３】第１実施形態に係る内燃機関用吸排気システムにおける気体の流れを示すブロック図であって、燃料がない燃焼、またはほとんど燃料がない燃焼における内燃機関の運転状態を示す。
【図４】第１実施形態に係る内燃機関用吸排気システムの作動と、比較例の作動とを示すグラフである。
【００４４】
なお、特許請求の範囲および上記手段の項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００４６】
（第１実施形態）
この実施形態は、内燃機関１における吸排気システム２８に関する。図１は、この実施形態にかかる内燃機関用吸排気システム２８を示している。内燃機関１を代表するものとして、燃焼室２内に入れられた気体を圧縮するピストン２３をもつシリンダが図示されている。内燃機関１は、任意の数のシリンダを備えることができる。内燃機関１は、例えば、４気筒、６気筒、８気筒などの多気筒内燃機関である。もちろん、他の気筒数を採用してもよい。内燃機関１はディーゼル機関であって、直噴型燃料供給装置として、コモンレールシステムを備えている。
【００４７】
吸気は、バルブ３を通して機関入口３３から燃焼室２へ導入される。内燃機関１は、例えば、直噴型内燃機関である。内燃機関１は、燃焼室２へ燃料を直接に噴霧するための燃料噴射器４を備える。燃焼室２内の気体は、バルブ３´を通して機関出口３４から排出側３０へ導き出される。内燃機関用吸排気システム２８は、内燃機関１の燃焼室２を基準として、供給ダクト３１を有し吸気を供給するための供給側２９と、排出ダクト３２を有し排気を排出するための排出側３０とを有している。
【００４８】
「吸気」の用語は、機関入口３３を通して内燃機関１の燃焼室２に導入される気体として解されるべきである。よって、吸気はいくつかの成分の混合物である場合がある。それらの成分には、新気入口３５から導入された新気２７、および／または一種類または多種類の還流された排気２５、２６が含まれる。よって、「吸気」の用語は、供給ダクト３１内の気体を指し、より具体的には、機関入口３３にある気体、または燃焼行程の前に燃焼室２内にある気体を指す。「排気」の用語は、機関出口３４を通して燃焼室２から排出される気体として解されるべきである。「排気」の用語は、排出ダクト３２の中の気体、および／または還流ダクト１６、１７中の気体を指す。よりよい区別のために、還流ダクト１６、１７の中の排気は還流された排気２５、２６と呼ばれる。排気２５は、低圧排気２５とも、濾過済排気２５とも呼ばれる。排気２６は、高圧排気２５とも、非濾過排気２６とも呼ばれる。
【００４９】
内燃機関用吸排気システム２８は、少なくともひとつの排気還流系統１１、１２を有する。ひとつの排気還流系統１１、１２は、還流ダクト１６、１７を備える。排気還流系統１１、１２は、ＥＧＲとも呼ばれる。図１においては、２つの排気還流系統１１、１２を備える内燃機関用吸排気システム２８が図示されている。内燃機関用吸排気システム２８は、しかしながら、ひとつだけ、または他の数の排気還流系統を備えるように構成することができる。
【００５０】
供給ダクト３１は、例えば、さらに分割可能な管により構成することができる。供給ダクト３１は、必要に応じて、複数の区間に分割することができる。供給ダクト３１は、吸気を新気入口３５から機関入口３３へ案内し、導くために適するように構成されている。新気入口３５と機関入口３３との間の供給ダクト３１の経路上において、さらに他の構成部品、および他のダクトとの接続部が配置されてもよい。
【００５１】
排出ダクト３２も管により構成することが望ましい。排出ダクト３２は、機関出口３４から排気出口３６または排気系統に排気を導き出すように設計され、構成されている。排気出口３６から、排気流れ１０が大気へ放出される。排出ダクト３２においては、さらに他の構成部品、および他のダクトとの接続部が設けられてもよい。供給ダクト３１と排出ダクト３２とは、代替的に、または追加的に、その全体が、または部分的に、他の構成を採用してもよい。例えば、ホースまたは変形可能なダクトを採用することができる。供給ダクト３１と排出ダクト３２との各々は、複数の部品または部分から構成されてもよい。
【００５２】
ひとつの排気還流系統１１、１２は、還流ダクト１６、１７を備える。還流ダクト１６、１７は、内燃機関１の排気を、排出側３０から供給側２９ヘ還流可能であって、排気を案内し、導くように形成されている。図１において、例えば、新気入口３５の後ろにおける供給ダクト３１の領域に接続される還流ダクト１６を備えた第１の排気還流系統１１が図示されている。還流ダクト１６と供給ダクト３１との接続点には、排気合流口１８が形成されている。
【００５３】
内燃機関用吸排気システム２８は、好適には、供給側にコンプレッサ５を備える。内燃機関用吸排気システム２８は、必要であれば、追加的に、または代替的に、排出側３０にタービン６を備える。コンプレッサ５は、好適には、排気合流口１８と機関入口３３との間の供給ダクト３１の領域に設けられる。タービン６は、排出側３０に設けられ、好適には、機関出口３４と排気出口３６との間の領域に設けられる。コンプレッサ５は、吸気を加圧する役目を果たす。タービン６は、圧力をもつ排気を減圧する役目を果たし、それによって排気の圧力に蓄積されたエネルギーを吸収する役目を果たす。タービン６は、可変タービンであることが望ましい。可変タービンは、タービン回転翼の衝突角度を可変とすることにより排気の減圧の度合いおよび／またはエネルギーの伝達の度合いを調節可能である。コンプレッサ５とタービン６とは、機械的なシャフトによって連動的に連結される場合がある。これに代えて、コンプレッサ５とタービン６とは、互いから機械的に独立して運転されるように構成される場合がある。例えば、コンプレッサ５には、代替的に、または追加的に、他の個別の駆動動力源が設けられる。それは、例えば、電動機である。本発明の実施形態に係る内燃機関用吸排気システム２８は、新気入口３５と排気合流口１８との間の供給ダクト３１に新気の流れ（新気通路）９を開閉するための可変絞り２２を備える。可変絞り２２は、種々の構成をとることができる。例えば、可変絞り２２は、バタフライ弁によって、スライド弁によって、または可変弁によって形成することができる。図１において、可変絞り２２は例示的に片持ち搖動弁の形態として図示されている。ここでは、可変絞り２２は、閉弁位置で図示されている。好適には、可変絞り２２は、閉弁位置において新気通路を完全に閉じる。これに代えて、可変絞り２２は、閉弁位置において、極少量の新気の流入量を許容してもよい。
【００５４】
図１に図示された実施形態では、内燃機関用吸排気システム２８は、還流ダクト１７を備える第２の排気還流系統１２を備える。第２の排気還流系統１２は、第１の排気還流系統１１に対して代替的に、または追加的に設けることができる。第２の排気還流系統１２は、機関出口３４とタービン６との間の排出ダクト３２の領域から、供給側２９へ排気を案内し導く。還流ダクト１７は、好適には、コンプレッサ５の後であって、かつ機関入口３３の前において、供給側２９の供給ダクト３１の領域に接続されている。これによって、第２の排気還流系統を用いて、排出側３０から、高圧下にある供給側２９へ排気を還流させることが可能である。第２の排気還流系統１２には、ＥＧＲ冷却器１５とバイパス１３とを設けることができる。ＥＧＲ冷却器１５は、還流された排気を冷却する。また、第２の排気還流系統１２の一部は、既知の技術に基づいて設計し、構成することができる。還流ダクト１７を通る排気の流量は、制御弁２１によって調節することができる。還流ダクト１７および供給ダクト３１の接続点に、排気合流口１９が形成されている。
【００５５】
内燃機関用吸排気システム２８は、インタークーラ７を備えることができる。インタークーラ７は、過給機であるコンプレッサ５において加熱された吸気を再び冷却するための吸気冷却器７とも呼ばれる。インタークーラ７は、供給側２９の供給ダクト３１の領域に設けられている。インタークーラ７は、好適には、コンプレッサ５の後ろであって、かつ排気合流口１９の前の供給ダクト３１の領域に設けられる。
【００５６】
内燃機関用吸排気システム２８は、さらに、排出側３０にパティキュレートフィルタ８を備えることができる。パティキュレートフィルタ８は、排気を濾過する。パティキュレートフィルタ８は、排気に含まれるパティキュレート成分（微粒子成分）を捕獲し、排気に含まれるパティキュレート成分を減少させる。このようなパティキュレートフィルタ８の具体的構造はすでに知られている。パティキュレートフィルタ８は、排出側３０における排出ダクト３２の領域に設けられている。特に、パティキュレートフィルタ８は、好適には、タービン６の後ろであって、かつ還流ダクト１６と排出ダクト３２との接続点の前における排出ダクト３２の領域に配置される。したがって、第１の排気還流系統１１は、パティキュレートフィルタ８の後ろの領域の濾過済排気を供給側２９に好適に案内することができる。
【００５７】
第１の還流ダクト１６は、好適には、第１の排気還流系統１１が低圧下にある排気を供給側２９に導き、戻すようにタービン６の後ろにおける排出ダクト３２の領域に接続されている。図示されるように、第１の排気還流系統１１の還流ダクト１６は、より詳細には、タービン６の後ろであって、かつパティキュレートフィルタ８の後ろにおける排出ダクト３２の領域に接続されている。この場合、第１の排気還流系統１１は、低圧下にある濾過済排気を供給側２９に導き、戻すように設計され、構成されている。第１の排気還流系統１１の一部は、既知の技術に基づいて設計し、構成することができる。第１の排気還流系統１１は、好適には、還流ダクト１６の領域に、還流された排気２５を冷却するためのＥＧＲ冷却器１４を備えることができる。ＥＧＲ冷却器１４は、還流された排気を冷却する。第１の排気還流系統１１は、還流ダクト１６を通して流れる排気の流量を調節するための制御弁２０を備えることができる。
【００５８】
図２は、この実施形態における吸気と排気との基本的な流れを示している。供給側２９では、新気２７が新気入口３５を通して供給ダクト３１内に導入される。よって、新気入口３５の領域において新気流れ９が形成される。新気流れ９は、新気だけが流れる通路に形成される。新気流れ９は、新気通路９とも呼ぶことができる。排気合流口１８では、更に、還流ダクト１６から、供給ダクト３１の中へ、還流された排気２５が導かれ、引き入れられる。排気合流口１８から、還流された排気２５は、供給ダクト３１の中を流れる新気と混合される。必要に応じて、混合された気体は、供給ダクト３１を通して機関入口３３に導かれる。気体は、好適には、コンプレッサ８とインタークーラ７とを通して導かれる。排気のための合流口１９では、第２の排気還流系統１２からの他の還流された排気２６が供給ダクト３１へ導かれ、引き入れられる。排気のための合流口１９の後ろの供給ダクト３１の領域では、還流ダクト１７から導入された排気２６は、より前の供給ダクト３１の領域から供給された気体と混合される。機関入口３３に存在する混合された気体は、ひとつ、または複数の成分を有しており、特に、新気２７と、一種類、または多種類の還流された排気２５、２６とを含んでいる。
【００５９】
新気２７の流量は、可変絞り２２によって調節することができる。制御弁２０によって、第１の排気還流系統１１内の還流された排気２５の流量が調節される。制御弁２１によって、第２の排気還流系統１２内の還流された排気２６の流量が調節される。上述の２つの流量の調節に応じて、機関入口３３に存在する気体は、新気２７だけ、第１の排気還流系統１１からの還流された排気２５だけ、または第２の排気還流系統１２からの還流された排気２６だけになる。さらに、上述の２つの流量の調節に応じて、機関入口３３に存在する気体は、上述の３種類の気体２７、２５、２６のうちの少なくとも２つが混合された混合気体になる。つまり、機関入口３３に存在する気体は、新気２７、および／または第１の排気還流系統１１からの還流された排気２５、および／または第２の排気還流系統１２からの還流された排気２６の混合気体になる。上述の２つの流量の調節に応じて、必要とされる混合成分が得られる。気体の構成は、それぞれの流量の設定によって、任意の割合で、かつ正確に調整することができる。
【００６０】
図３は、一行程当たりに燃焼室２で燃焼される燃料量が極少量であるか、またはゼロである内燃機関１の運転状態における、内燃機関用吸排気システム２８を流れる気体の流れを示している。図示されるように可変絞り２２は上記のような運転状態においては閉じることができることが望ましい。これにより、新気の流量は、極少量か、またはゼロに調節される。よって、このシステム２８では、吸気と排気との環状の流れが形成される。この環状の流れでは、機関出口３４から排出された排気は、パティキュレートフィルタ８によって濾過され、その後、第１の排気還流系統１１を通って供給ダクト３１に戻り、そして、機関入口３３を通って燃焼室２に再び入るように流れる。図示される流れの場合、第２の排気還流系統１２から供給ダクト３１へ非濾過排気２６を戻さないように、第２の排気還流系統１２の制御弁２１は、閉じられる。これは、例えば燃料噴射器のような燃焼室の領域に配置された部品の機械的ストレスおよび化学的ストレスの面において有利な効果をもたらす。しかしながら、代替的に、または追加的に、非濾過排気２６の流入が許容されてもよい。
【００６１】
図示される気体の流れにおいて、ほとんど排他的に、またはほぼすべてが排気２５、２６からなり、よって抑制された酸素量を含有する吸気が燃焼室２に供給される。ほとんど燃料がない燃焼による運転状態において燃焼室２から排出された排気は、排出ダクト３２に導き出され、さらにひとつまたは複数の排気還流系統１１、１２を通して供給側１９に戻される。
【００６２】
ほとんど燃料がない燃焼による運転状態においては、新気流れ（新気通路）９はほぼ完全に閉じられているが、排出ダクト３２から少量の排気が排気出口３６または排気口を通して大気へ放出される。このような場合、内燃機関用吸排気システム２８の内部に存在する気体の量が抑制される。代替的に、供給側２９に設けられた可変絞り２２を通して少量の新気が流入することがある。この少量の新気は、吸気中に一定の酸素量を与えるか、または吸気中に制御可能な酸素量の少しずつの上昇を与える。これによって、排気出口３６からの排気の漏洩によって生じる気体の量の減少が、部分的に、または完全に補償される。
【００６３】
内燃機関用吸排気システム２８は、好適には、可変絞り２２のための制御装置２４を備える。制御装置２４は、電子制御装置（ＥＣＵ）である。制御装置２４は、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータによって提供される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムを格納している。記憶媒体は、メモリによって提供されうる。プログラムは、制御装置２４によって実行されることによって、制御装置２４をこの明細書に記載される装置として機能させ、この明細書に記載される制御方法を実行するように制御装置２４を機能させる。制御装置２４が提供する手段は、所定の機能を達成する機能的ブロック、またはモジュールとも呼ぶことができる。
【００６４】
制御装置２４は、内燃機関用吸排気システム２８を所定の運転方法によって運転する。この運転方法は、制御方法とも呼ぶことができる。制御装置２４は、可変絞り２２を開かせるか、または閉じさせるように設計され、構成されている。制御装置２４は、可変絞り２２を開閉制御するように構成されている。制御装置２４は、図示されない内燃機関用制御装置に接続され、指令値を受信する。制御装置２４は、指令値に基づいて望ましい新気２７の流量を計算する。
【００６５】
制御装置２４は、可変絞り２２を活性化し制御することにより、可変絞り２２を開かせるか、または閉じさせる。制御装置２４は、特に、可変絞り２２の開度を所定の値に調節することによって、可変絞り２２における新気２７の流量を調節するように設計され、構成されている。このような開度は、例えば、片持ち搖動弁の全開位置と全閉位置との間の範囲の角度によって設定される。制御装置２４は、代替的に、内燃機関用制御装置に一体的に構成されてもよい。制御装置２４は、内燃機関１の運転状態に応じて制御弁２０、制御弁２１、可変絞り２２を制御する制御手段を提供する。制御装置２４は、一行程あたりにおいて燃焼室２で燃焼される燃料量ＱＦＩＮが極小量であるか、またはゼロに等しい内燃機関１の第１の運転状態においては、制御弁２０、２１を開き、可変絞り２２を閉じる完全環状流れ制御手段を備える。制御装置２４は、一行程あたりにおいて燃焼室２で燃焼される燃料量ＱＦＩＮが極小量であるか、またはゼロに等しい内燃機関１の第１の運転状態においては、制御弁２０を開き、制御弁２１を閉じ、可変絞り２２を閉じる完全環状流れ制御手段を備える。制御装置２４は、燃焼室２で燃焼される燃料量ＱＦＩＮが比較的多く、上記第１の運転状態とは異なる第２の運転状態において、制御弁２０および／または制御弁２１を開き、可変絞り２２を開く部分環状流れ制御手段を備える。
【００６６】
図４において、グラフ４ａ、４ｂ、４ｃ、および４ｄは、内燃機関１の運転状態の一例における特性値を示している。理解を容易にするために、ここでは、自動車に搭載された走行用の内燃機関１を想定する。
【００６７】
最上部のグラフ４ａは、時間ｔの経過における一行程当たりの燃料噴射量ＱＦＩＮの増加を示している。グラフ４ｂは、窒素酸化物の排出量の累積値Ａｃｃ．ＮＯｘを示す。グラフ４ｃは、時間ｔにおける窒素酸化物の排出量の瞬時値ＮＯｘを示す。最下部のグラフ４ｄは、時間の経過における自動車の走行速度の推移を示している。
【００６８】
上記の４つのグラフ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、同じ物理的な条件の下で得られるであろう値である。実線の曲線５０は、本発明を適用した実施形態により得られるであろう値を示す。破線の曲線５１は、比較例により得られるであろう値を示す。
【００６９】
図示された内燃機関の運転の一例は、時間軸上において４つの区間Ａ、Ｂ、ＣおよびＤに分割することができる。区間Ａおよび区間Ｃは、一行程当たりに燃焼された燃料量ＱＦＩＮが極少量の無負荷運転である内燃機関１の運転状態に対応している。グラフ４ｄに図示されるように、このような運転状態、すなわち区間ＡおよびＣでは、自動車の走行速度は徐々に減少する。
【００７０】
区間Ｂおよび区間Ｄは、一行程当たりに燃焼された燃料量ＱＦＩＮが比較的多く、負荷運転されている内燃機関１の運転状態に対応している。グラフ４ｄに図示されるように、このような運転状態、すなわち区間Ｂ、Ｄでは、自動車の走行速度は、例えば一定値に維持される。代替的に、このような運転状態、すなわち区間Ｂ、Ｄでは、自動車の加速が表れることがある。
【００７１】
この発明の実施形態による内燃機関用吸排気システム２８の運転方向の適用により、一行程あたりにおいて燃焼室２で燃焼される燃料量が極小量であるか、またはゼロに等しい内燃機関１の運転状態においては、可変絞り２２の操作によって新気流れ（新気通路）９が絞られるか、または閉じられる。したがって、図４の区間Ａおよび区間Ｃにおいては、新気流れ（新気通路）９は可変絞り２２を操作することによって閉じられる。よって、吸気における酸素量は、ほとんど燃料のない燃焼を伴う運転状態（区間Ａ、区間Ｃ）が継続する間中、低く維持される。
【００７２】
運転状態の変化においては、よって、一行程あたりにおいて燃焼室２で燃焼される燃料量が、極小量から、またはゼロから再び増加される内燃機関１の運転状態においては、可変絞り２２の操作によって、新気通路９が再び開かれるか、または増加される。このような運転状態の変化は、図中の区間Ｂおよび区間Ｄに対応する。
【００７３】
グラフ４ｃから明らかなように、既知の吸排気システムである比較例の窒素酸化物ＮＯｘの排出量の推移５１は、運転状態の変化の後、すなわち区間Ａから区間Ｂへの変化の後、および区間Ｃから区間Ｄへの変化の後に、顕著な過剰な上昇（極大値）を示す。反対に、本発明の実施形態の窒素酸化物ＮＯｘの排出量の推移５０は、運転状態の変化の後、すなわち区間Ａから区間Ｂへの変化の後、および区間Ｃから区間Ｄへの変化の後に、実質的に低い値に留まる。グラフ４ｃにおいてハッチングが付された２つの領域は、本発明の実施形態の窒素酸化物排出量５０と、本発明の実施形態の窒素酸化物排出量５０と比較例の窒素酸化物排出量５１との間の差とを示している。ハッチングが付された領域５２は、運転状態の変化、すなわち区間Ｃから区間Ｄへの変化の後における、本発明の実施形態によって抑制された窒素酸化物排出量に対応する。
【００７４】
グラフ４ｂから、本発明の実施形態の窒素酸化物の排出量の累積値Ａｃｃ．ＮＯｘ５０は、比較例の窒素酸化物の排出量の累積値Ａｃｃ．ＮＯｘ５１に比べて、顕著に抑制されている。ほとんど燃料が燃焼されない運転状態からより多量の燃料が燃焼される運転状態への変化、すなわち区間Ａから区間Ｂへの変化、および区間Ｃから区間Ｄへの変化が頻繁に起こるほど、より多くの窒素酸化物ＮＯｘの排出量の抑制量が得られる。パティキュレートおよび他の排出成分についても、グラフ４ｃに図示されたＮＯｘの排出と同様であると考えられる。
【００７５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。上記実施形態の特徴的な構成は、任意に組み合わせることができ、互いに交換することができ、さらに部分的に省略することができる。本発明は、その適用が望まれるあらゆる種類の内燃機関１に適用することができる。例えば、本発明は、ガソリン内燃機関、ディーゼル機関、またはガス内燃機関に適用することができる。内燃機関１の用途は限定されない。例えば、内燃機関１は、地上用、または水上用の乗り物のための移動型内燃機関、または電力供給用、または機械駆動用の定置型内燃機関とすることができる。
【００７６】
燃焼室２において燃焼される燃料は、種々の手法によって添加することができる。例えば、燃料は、燃焼室２への直接的な噴射直噴により、予備燃焼室への噴射により、または吸入空気への噴射、例えばキャブレターにより添加することができる。内燃機関用吸排気システム２８は、ひとつだけの排気還流系統を備えるか、または複数の排気還流系統１１、１２を備えることができる。排気還流系統の各々には、ひとつ、またはいくつかの還流ダクト１６、１７を設けることができる。
【００７７】
燃料の燃焼がほとんどない内燃機関１の運転状態の間に内燃機関用吸排気システム２８に形成される吸気および排気の環状の流れは、第１の排気還流系統１１の上だけに、第２の排気還流系統１２のうえだけに、またはいくつかの排気還流系統１１、１２の上に現れることがある。排気還流系統１１、１２の選択は燃料の種類に依存することができる。
【００７８】
本発明の特に簡単な実施形態は、内燃機関１がひとつだけの排気還流系統１１を備え、可変絞り２２が閉弁状態においてもなおわずかな量の新気の流れを許容するように構成される。このような実施形態においては、可変絞り２２が開弁状態と閉弁状態とにだけ設定されるように構成することができる。このように構成された可変絞り２２は、特に、構成が簡単であり、価格が安いという特徴を有し、さらに制御技術に格段の開発労力を費やすことなく実現可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１  内燃機関、２  燃焼室、３、３´  バルブ、４  燃料噴射器、５  コンプレッサ、６  タービン、７  インタークーラ、８  パティキュレートフィルタ、９  新気流れ（新気通路）、１０  排気流れ、１１  第１の排気還流系統、１２  第２の排気還流系統、１３  バイパス、１４  ＥＧＲ冷却器、１５  ＥＧＲ冷却器、１６  還流ダクト、１７  還流ダクト、１８  排気合流口、１９  排気合流口、２０  制御弁、２１  制御弁、２２  可変絞り、２３  ピストン、２４  制御装置、２５  還流された排気（濾過済排気、または低圧排気）、２６  還流された排気（非濾過排気、または高圧排気）、２７  新気、２８  内燃機関用吸排気システム、２９  供給側、３０  排出側、３１  供給ダクト、３２  排出ダクト、３３  機関入口、３４  機関出口、３５  新気入口、３６  排気出口、５０  本発明の実施形態の挙動、５１  比較例の挙動、５２  抑制されたＮＯｘの量。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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