(57)【要約】【課題】窒素と酸素の望ましくない化合物の排出量を制限すると共に過渡的動力を増大させる内燃エンジンの制御方法を提供する。【解決手段】本発明の内燃エンジン制御方法では、第１の混合気をエンジンの燃焼チャンバに提供することによってエンジンを第１の動力出力で作動させ、第１の動力出力よりも大きいエンジンからの増大した動力出力の要求を受け、第１の混合気よりも燃料の量が多い第２の混合気をエンジンの燃焼チャンバに提供し、排気ガスの流れを非尿素系後処理で処理してエンジンのリッチ作動中、排気ガス中の汚染物質のレベルを減少させ、それにより汚染物質のリアルタイム除去減少を引き起こす一方で、エンジン出力を増大させ、それにより汚染物質のリアルタイム除去減少を引き起こす一方で、エンジン出力を増大させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン出力を増大させるために過渡的作動中、排気ガス量を制限するよう圧縮着火エンジンを作動させる方法であって、
第１の混合気を前記エンジンの燃焼チャンバに提供することによって前記エンジンを第１の動力出力で作動させるステップと、
前記第１の動力出力よりも大きい前記エンジンからの増大した動力出力の要求を受けるステップと、
第２の混合気を前記エンジンの前記燃焼チャンバに提供するステップであって、前記第２の混合気は、前記第１の混合気よりも燃料の量が多いステップと、
排気ガスの流れを非尿素系後処理で処理して前記エンジンのリッチ作動中に、前記排気ガス中の汚染物質のレベルを減少させ、それによりエンジン出力を増大させながら前記汚染物質をリアルタイム除去減少させるステップと、を備えている、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記汚染物質は、ＮＯXである、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ＮＯXを前記エンジンにより実行される馬力時仕事当たり０．２グラム未満に減少させる、
請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ＮＯXを前記エンジンにより実行される馬力時仕事当たり０．３グラム未満に減少させる、
請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記第２の混合気は、実質的にリッチな空燃状態にある、
請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記実質的にリッチな混合気の空燃比は、理論空燃比を含む範囲内にある、
請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記実質的にリッチな混合気の空燃比の範囲は、前記理論空燃比の約９５パーセントから約１０５パーセントまでである、
請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記実質的にリッチな混合気の空燃比の範囲は、前記理論空燃比の約９０パーセントから約１１０パーセントまでである、
請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第１の空燃状態は、実質的にリーンな混合気である、
請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記実質的にリーンな混合気は、約１７：１〜２０：１の範囲内にある空燃比を有する、
請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の混合気は、前記エンジンの過渡的作動のために提供される、
請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記後処理は、前記排気ガス中の酸素濃度が所定レベルにあり又は所定レベル以下である場合、前記汚染物質を減少させるよう動作する触媒を含む、
請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記エンジンへのＥＧＲガスの流れを減少させる一方で、前記第２の混合気を前記エンジンの前記燃焼チャンバ内に提供するステップを更に有する、
請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の混合気を提供する前記ステップは、前記燃焼チャンバ内の酸素濃度を推定して前記推定した酸素濃度に対応して燃料の流れを制御するステップを更に含む、
請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記燃焼チャンバ内の前記酸素濃度を推定する前記ステップは、少なくとも１つのセンサを用いて前記排気ガス中の前記酸素濃度を検出するステップを更に含む、
請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのセンサは、ラムダセンサである、
請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記圧縮着火エンジンは、ディーゼル燃料供給型のものである、
請求項１記載の方法。
【請求項１８】
前記圧縮着火エンジンは、
圧縮空気の流れを前記エンジンに提供するターボ過給機を更に有し、前記ターボ過給機は、前記エンジンからの排気ガスの流れによって駆動され、
制御可能なＥＧＲ弁を更に有し、前記ＥＧＲ弁は、前記ターボ過給機への前記エンジンからの排気ガスの流れの中からの前記エンジンに提供される圧縮空気の流れ中への排気ガスの再循環流を制御し、
第２の混合気を前記エンジンの前記燃焼チャンバに提供する前記ステップは、前記ＥＧＲ弁を閉鎖して前記ターボ過給機への排気ガスの流れを増大させるステップを更に含む、
請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記圧縮着火エンジンの前記ターボ過給機は、前記ターボ過給機を駆動するために前記排気ガスの流れを通す可変ノズルを有し、前記可変ノズルにより、前記ターボ過給機は、前記エンジンへの空気の流れ及び圧縮を増大させると共にこのようにする際、前記エンジンから流れる前記排気ガスの圧力を増大させ、前記可変ノズルにより、前記ターボ過給機は、前記エンジンへの空気の流れ及び圧縮を減少させると共にこのようにする際、前記エンジンから流れる前記排気ガスの圧力を減少させ、
第２の混合気を前記エンジンの前記燃焼チャンバに提供する前記ステップは、前記ターボ過給機の前記可変ノズルを制御して前記エンジンへの空気の流れを増大させるステップを更に含む、
請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
エンジン出力を増大させるためにリッチ作動中、ＮＯX排出量を制限するよう圧縮着火エンジンを作動させる方法であって、
前記圧縮着火エンジンから炭化水素を排気ガス流中に注入するステップと、
前記排気ガス流を非尿素系後処理により処理して前記エンジンのリッチ作動中、注入された炭化水素との組み合わせによって前記排気ガス中のＮＯXのレベルを減少させ、それによりＮＯXのリアルタイム減少を引き起こす一方で、エンジン出力を増大させるステップと、を備えている、
ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
排気ガス量を制限するよう圧縮着火エンジンを作動させる方法であって、
前記エンジンを第１の燃料噴射パターンを用いて作動させて燃料を前記エンジンの燃焼チャンバ中に噴射するステップであって、前記第１の燃料噴射パターンは、少なくとも１つのパイロット噴射及び少なくとも１つのメイン噴射を含むステップと、
前記エンジンからの増大した動力出力の要求を受けるステップと、
第２の燃料噴射パターンを用いて前記エンジンを作動させて前記増大動力出力の前記要求に応答して燃料を前記燃焼チャンバ中に噴射するステップであって、前記第２の燃料噴射パターンは、メイン噴射だけから成るステップと、
排気ガスの流れを非尿素系後処理により処理して前記エンジンのリッチ作動中、前記排気ガス中の少なくとも１つの汚染物質のレベルを減少させ、それによりエンジン出力を増大させながら前記汚染物質をリアルタイム減少させるステップと、を備えている、
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記汚染物質は、スートである、
請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
ディーゼルエンジンの排気系統における使用方法であって、前記方法は、
圧縮着火エンジンからの排気ガスの流れを提供するステップを有であって、前記排気ガスが、ＮＯXを含むステップと、
前記圧縮着火エンジンがリッチ混合気によって燃料供給されているかどうかを判定するステップと、
前記圧縮着火エンジンがリッチ混合気により燃料供給されている場合、炭化水素を前記排気ガス中に注入するステップと、
前記炭化水素が注入された前記排気ガスを三元触媒システムに提供するステップと、を、備えている、
ことを特徴とする方法。
【請求項２４】
前記注入された炭化水素が前記三元触媒システムから流れるＮＯXを所定レベルまで減少させたかどうかを判定するステップを更に有する、
請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記炭化水素は、前記排気系統のドーサ（doser）のところで前記排気ガス中に注入される、
請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
前記炭化水素は、前記排気系統のバーナのところで前記排気ガス中に注入される、
請求項２３記載の方法。
【請求項２７】
前記三元触媒コンバータの経年劣化に対応するよう前記排気ガス中に注入される炭化水素の量を増大させるかどうかを判定するステップを更に有する、
請求項２３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮着火内燃エンジンの作動及び窒素酸化物の排出物を制限する排気ガス後処理に関する。種々の実施形態は、エンジンの過渡的増大出力作動に関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本願は、出願日が２０１１年９月２８日の米国特許出願第６１／５４０，０７３号及び出願日が２０１１年１１月８日の米国特許出願第６１／５５７，０７７号の優先権主張出願である。
【背景技術】
【０００３】
内燃エンジン（内燃機関）は、発電機、車両エンジン等に動力供給するために広く用いられている。内燃エンジンからの排気ガス及び環境に対するこれらの影響について懸念が増大している。この懸念に鑑みて、これらエンジンから環境に排出される場合のある種々の排気ガス成分の量を制限する規則が採用されている。ＮＯ及びＮ2Ｏを含む窒素酸化物（ひとまとめにＮＯXと呼ばれる）の排出量の減少に特別の関心が向けられている。これら化合物は、窒素と酸素が燃料の燃焼に起因して高い温度に達したときに内燃エンジンの燃焼チャンバ内で生じる。
【０００４】
火花点火エンジンからのＮＯXの排出量を減少させることを目的として三元触媒（ＴＷＣと呼ばれる）の使用が普及している。ＴＷＣは、酸素が存在している場合には排気ガス中のＮＯXを減少させるには効果的ではなくなってしまう。これは、理論空燃比の近くの混合気で作動し、酸素をほとんど含まない排気ガスを生じさせる火花点火エンジンに用いる場合にはそれほど問題ではない。しかしながら、ＴＷＣは、頑丈な触媒材料を用いている場合であっても、時間が経つにつれＴＷＣの性能が低下する。
【０００５】
圧縮着火エンジンからの望ましくない排気ガスを制限することは、圧縮着火エンジン及びこれらの排気ガス後処理システムの設計及び制御の目標であり続けている。圧縮着火エンジンは、通常、提供される燃料の量の燃焼に必要なエンジンに流入する空気を非常に多くした状態で作動される。空気と燃料のこのような混合気は、「リーン（希薄）」と呼ばれ、空気の少ない状態は、「リッチ（濃厚）」混合気と呼ばれる。リーン混合気の燃焼により、エンジン燃焼チャンバ内に高い温度が生じる。リーン混合気は、燃焼の際に消費されず、窒素と化合してＮＯXを生じさせる相当な量の酸素を含む。リーン混合気は、ＮＯXの減少にあたってＴＷＣを非効果的にする相当な量の酸素を含む排気ガスを生じさせる。
【０００６】
圧縮着火エンジンによるＮＯXの排出量を制限する種々の方式が知られている。一対策は、エンジン排気ガス中の窒素と酸素の化合物の選択的な触媒による減少を行うことである。別の対策は、エンジン排気ガスをエンジンの燃焼チャンバに戻す（「ＥＧＲ」（ＥＧＲ）と呼ばれる）ことによってＮＯXの生成を阻止することである。排気ガスをエンジン燃焼チャンバ中に導入することにより、２つの仕方でＮＯXの生成が減少する。排気ガスは、空気に取って代わり、それによりＮＯXの生成に有効な酸素の量を減少させる。排気ガスは又、加熱され、その結果として、燃焼チャンバ内の燃焼温度を低くする希釈剤として機能する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
相当量のＥＧＲ量で動作する圧縮着火エンジンは、ＮＯX排出量を減少させるのに後処理を必要としない場合がある。圧縮着火エンジンをこれら条件下で作動させると、このような作動中に燃焼する燃料の量が制限されるためにエンジンにより生じる出力が減少する。
【０００８】
一定のエンジン速度、または一般的には車両を加速するための作動中かのいずれかにおいて圧縮着火エンジンからの出力を増大させる必要がある場合、所要の出力を提供するためにより多くの燃料を燃焼させなければならない。典型的には、短期間内でエンジンにより生じさせるべき高い出力が必要である。短い応答時間内で出力を増大させるためには、長期間にわたる低出力作動に必要な場合よりも多量の燃料と異なる燃料供給時期の両方が必要である。
【０００９】
圧縮着火エンジンは、通常、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）により制御され、ＥＣＵは、エンジン作動状態をモニタすると共にエンジン作動を制御するアクチュエータを作動させる。モニタする条件として、エンジンへの空気質量流量、吸気マニホルド温度、吸気マニホルド圧力及びエンジン速度が挙げられる。排気ガス流及び／又は吸気流の酸素含有量も又モニタされる場合がある。燃料噴射により、燃焼のために燃料をエンジン内に導入することができる。燃料インジェクタは、エンジン内への燃料の噴射量、噴射時期及び噴射パターンを制御することができる。圧縮着火エンジンは、ターボ過給機を更に含む場合があり、ターボ過給機は、ターボ過給機からエンジンに提供される空気の圧縮（ブースト）を制御するよう制御可能な可変ノズル機構を有する。圧縮着火エンジンは、エンジンへの空気流中に分岐させられる排気ガスの量を制御するＥＧＲ弁を更に有する場合がある。ＥＣＵは、これら制御可能な装置を含むエンジンについて燃料噴射、ターボ過給機可変ノズル機構及びＥＧＲ弁を制御することができる。ＥＣＵが圧縮着火エンジンの作動をモニタすると共に制御することができるということによって、エンジンの作動を変化させることができる。
【００１０】
ＥＣＵは、エンジン条件の設定値と制御アクチュエータの組み合わせによってエンジン作動を制御することができる。ＥＣＵは、センサからの情報を受けてこのようなセンサ情報及び作動設定値に基づいてアクチュエータ設定値を決定することができる。ＥＣＵは、記憶された設定値に基づいてエンジン作動を制御し又はセンサ入力に基づいて設定値を計算するようプログラムされているのが良い。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の技術の一観点では、排気ガス後処理システムを備えた圧縮着火エンジンの作動について説明するが、このような排気ガス後処理システムにより、エンジンは、出力を迅速に増大させることができ、又、このような排気ガス後処理システムは、窒素と酸素の化合物の排出量を所望レベルに維持する。
【００１２】
開示する追加の観点は、過渡的作動中に排気ガス流から望ましくない化合物をなくして出力を増大させることができる内燃エンジン用の後処理システムを提供することにある。
【００１３】
本発明の技術の開示する別の観点は、エンジンからの望ましくない化合物の排出量を制限するよう内燃エンジンを制御すること及び過渡的作動中にエンジンの燃料供給を制御して出力を増大させ、その結果、排気ガス流が後処理にとって効果的な組成を有するようにすることにある。
【００１４】
本発明の技術の更に別の観点は、触媒反応が、エンジン作動中、排気ガス中のＮＯXの量を減少させて高い出力をもたらす触媒被覆表面を備えた圧縮着火エンジン用の後処理システムを提供することにある。
【００１５】
本発明の技術の更に別の観点では、圧縮着火エンジンからの排気ガス中のＮＯXの量を減少させるための三元触媒を備えた排気ガス後処理システムが提供される。
【００１６】
本発明の技術の開示する別の観点は、三元触媒によるＮＯXの減少を保証するよう排気ガスの組成を変える排気系統に関する。
【００１７】
本発明の技術の別の観点は、三元触媒コンバータによるＮＯX減少を促進するよう炭化水素を排気ガス流中に注入するよう構成された能動型炭化水素インジェクタを有する圧縮着火エンジン用排気系統を提供することにある。
【００１８】
本発明の技術の更に別の観点は、圧縮着火エンジンがリッチ混合気によって燃料供給されているかどうかの判定を行い、リッチ混合気が検出されたときに排気ガスが三元触媒に入る前に炭化水素を排気ガス中に注入する方法に関する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】排気ガス後処理システムを備えた開示する圧縮着火エンジンの略図である。
【図２】吸気混合気中の排気ガスの量とエンジン排気ガス中の窒素化合物の量の関係を示すグラフ図である。
【図３】後処理システムの実施形態を示す図である。
【図４】リーン混合気作動及び理論混合気作動に近い作動での圧縮着火エンジンの出力増大作動のために後処理システムにより放出されるＮＯXの量を示す図である。
【図５】排気系統用の炭化水素インジェクタシステムの略図である。
【図６】炭化水素圧縮着火エンジンの排気ガス中に注入するよう実行される動作ステップの流れ図である。
【図７】例示のディーゼルエンジンの過渡的作動中における速度及びトルクの変化を示すグラフ図である。
【図８】種々の量の炭化水素が排気ガス流中に注入される場合における図７に示されている過渡的作動下における三元触媒コンバータからのＮＯX出力の変化を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本明細書において説明する実施形態は、圧縮着火エンジン及びこのエンジンにより生じる排気ガスの後処理の制御に関する。特に、実施形態は、エンジンがその最大能力で又はそれに近い状態で出力を生じさせるよう作動しているときにＮＯXの排出を制限するための圧縮着火エンジンの制御に関する。さらに、実施形態は、ＥＧＲシステムを備えた圧縮着火エンジンによる出力の増大要求に対する過渡的応答を向上させると共に窒素と酸素の化合物の排出を制限することに関する。
【００２１】
以下において、添付の図面を参照して実施形態を完全に説明し、添付の図面には、実施形態が示されている。同一の参照符号は、図中、同一の要素を示している。しかしながら、他の実施形態が多くの種々の形態で可能であり、本明細書において説明する実施形態には限定されない。それどころか、これら実施形態は、例示である。本発明の開示に基づく権利は、特許請求の範囲に記載された本発明の全範囲を含む。
【００２２】
図１は、圧縮着火エンジン１０及び排気ガス後処理装置４０の略図である。圧縮着火エンジン１０の作動は、以下に説明するＥＣＵ５０によってモニタされると共に制御される。
【００２３】
空気は空気入口２４のところでエンジン１０に入る。空気質量流量センサ２１が空気入口２４を通ってエンジンに入る空気の量を検出する。空気は空気入口２４から低圧ターボ過給機コンプレッサ２２に差し向けられ、低圧ターボ過給機コンプレッサは、空気を圧縮する。圧縮された空気は、低圧ターボ過給機コンプレッサ２２から高圧ターボ過給機コンプレッサ１８に差し向けられ、高圧ターボ過給機コンプレッサは、空気を更に圧縮する。次に、圧縮された空気は、吸気マニホルド１６に差し向けられる。以下に更に説明するように、ＥＧＲシステム２８が排気ガスを吸気マニホルド１６に入る圧縮空気中に選択的に差し向ける。
【００２４】
空気及び幾つかの作動条件下にある排気ガスが吸気マニホルド１６を通ってエンジン１０のシリンダ１２に入る。吸気流温度センサ１９及び吸気流圧力センサ１７が吸気マニホルド１６に取り付けられ、エンジン１０のシリンダ１２に入る流れの温度及び圧力をそれぞれ測定するようになっている。燃料シリンダ１２中に噴射するために各シリンダ１２についてインジェクタ１４が設けられている。
【００２５】
シリンダ１２内における燃料の燃焼後、シリンダ１２からの排気ガスは、排気マニホルド２６に差し向けられる。排気マニホルド２６は、排気ガスをＥＧＲシステム２８への連結部に差し向けると共に高圧ターボ過給機タービン３６に差し向ける。排気ガス酸素センサ２３がエンジン１０を出た排気ガス中の酸素の量を測定する。酸素センサ２３は、ラムダセンサであるのが良い。
【００２６】
ＥＧＲシステム２８は、排気マニホルド２６を出た排気ガスが吸気マニホルド１６に入るターボ過給機コンプレッサ１８からの圧縮空気の流れに入るようにするための通路となる。ＥＧＲシステム２８に入る排気ガスは、制御可能なＥＧＲ弁３４に差し向けられ、次に排気ガス冷却器３２に差し向けられ、排気ガス冷却器は、排気ガスの温度を下げる。次に、排気ガスは、ターボ過給機コンプレッサ１８からの圧縮空気の流れ中に差し向けられる。排気マニホルド２６内の排気ガスの圧力は、吸気マニホルド１６内の圧力よりも高く、それにより、排気ガスは、排気マニホルド２６からＥＧＲシステム２８を通って吸気マニホルド１６中に流れる。
【００２７】
ＥＧＲシステム２８を通って流れない排気ガスは、高圧ターボ過給機タービン３６に向かって流れてこれを通る。高圧ターボ過給機タービン３６は、排気マニホルド２６からの排気ガスによって駆動され、そしてこの高圧ターボ過給機タービンは、高圧ターボ過給機コンプレッサ１８を駆動する。高圧ターボ過給機タービン３６は、制御可能な可変ノズルを有している。この制御可能な可変ノズルを開くことにより、高圧ターボ過給機タービン３６の駆動度が減少し、その結果、高圧ターボ過給機コンプレッサ１８による空気の圧縮度が減少する。また、高圧ターボ過給機タービン３６の可変ノズルを開くことにより、排気ガスの流れに対する高圧ターボ過給機タービン３６の抵抗が減少し、それにより排気マニホルド２６及びＥＧＲシステム２８内における排気ガスの圧力が低下する。これとは逆に、高圧ターボ過給機タービン３６の可変ノズルを閉じることにより、排気マニホルド２６内の排気ガスの圧力が増大すると共に高圧ターボ過給機タービン３６の駆動度が増大し、しかも高圧ターボ過給機コンプレッサ１８による空気の圧縮度が増大する。
【００２８】
排気ガスは、高圧ターボ過給機タービン３６から低圧ターボ過給機タービン３８に差し向けられ、低圧ターボ過給機タービン３８は、低圧コンプレッサ２２を駆動する。排気ガスは、低圧ターボ過給機タービン３８から排気ガス後処理システム４０の入口４２に差し向けられる。
【００２９】
後処理システム４０は、排気ガスの望ましくない成分の量を減少させるよう構成されている。以下に更に説明するように、エンジン１０の構成及び作動は、後処理システム４０の構成の基礎である特徴を備えた排気ガスを生じさせる。後処理システム４０の処理を受けた排気ガスは、後処理システム４０から出口４４のところで出て、これから、排気ガス排出出口４６に差し向けられる。
【００３０】
ＥＣＵ５０は、エンジンセンサにより提供される測定値に基づいてエンジン１０の作動を制御する。取り入れ混合気圧力センサ１７、取り入れ混合気温度センサ１９、空気質量流量センサ２１、排気ガス中酸素センサ２３及びエンジン速度センサ２５が測定値を図１に示されているようにエンジン制御ユニット５０に伝えるよう接続されている。ＥＣＵ５０は、インジェクタ１４の各々を制御してシリンダ１２内に噴射される燃料の時期（タイミング）及び量を制御する。ＥＣＵ５０は又、制御可能なＥＧＲ弁３４を制御して弁３４を開閉し、それにより吸気マニホルド１６内への排気ガスの流量を増減する。ＥＣＵ５０は又、高圧ターボ過給機タービンの可変ノズルを制御して高圧ターボ過給機コンプレッサ１８による空気の圧縮度を増減する。
【００３１】
圧縮着火エンジンの従来の作動では、提供される燃料の燃焼に必要なエンジンへの空気が多量に提供される。低負荷条件下においては、空燃比は、５０：１〜１００：１であるのが良い。このような条件下では、排気ガスをエンジンに入る空気と混合することにより所与の量の空気を押し退けることによって、エンジンより生じる出力が許容限度を超えるほど減少することがない。このような低負荷条件下では、圧縮着火エンジン１０のＥＧＲシステム２８は、エンジン１０による窒素と酸素の化合物の生成を減少させることができる。排気ガスは、相当な量の不活性希釈剤を含むので、しかも排気ガスは、エンジン１０に入る空気と混合する前に冷却されるので、排気ガスがシリンダ１２内に存在することにより、燃焼に起因してシリンダ１２内の温度は減少し、それにより窒素と酸素の化合物の生成が減少する。図２は、エンジンの低負荷作動に関し、取り入れ混合気中のエンジン排気ガスの量とエンジン排気ガス中の窒素と酸素の化合物の量の関係を示すグラフ図である。
【００３２】
ＥＧＲシステム２８を作動させて冷却状態の排気ガスをエンジン１０中への吸気流中に導入することにより、ＮＯXの生成が減少すると共にエンジン１０により得られる出力が減少する。エンジン１０により生じる出力が減少する理由は、燃焼を支えるのに有効な空気の量が排気ガスの不活性成分の量だけ減少するからである。これは、エンジンから高い出力が必要とされない場合にはそれほど不都合ではない。例えば、車両に動力供給する内燃エンジンは、例えば、車両が車両の運動に対する抵抗が僅かな表面上において一定速度を維持する場合、長い期間にわたってその最大能力で又はそれに近い状態で動力を生じさせる必要がない。このような経済的走行は、燃料が最高度に供給されたエンジンの出力の１／２〜３／４のエンジン出力を必要とするに過ぎない。リーン混合気とＥＧＲを組み合わせることにより、燃料節約と窒素と酸素の化合物の低排出量の両方を達成する作動条件が得られる。
【００３３】
例えば車両を加速するために圧縮着火エンジンの最大能力に近い動力が必要とされる場合、エンジンの作動状態は、著しく変化する。内燃エンジンは、燃料の燃焼から得られたエネルギーを機械的エネルギーに変換する。内燃エンジンからの機械的動力を増大させるには、エンジン内での燃焼により消費される燃料の量が増大する。最大能力に近い状態への圧縮着火エンジンの動力を増大させるためには、シリンダに提供される燃料の量をエンジンの最大能力まで増大させて燃料を燃焼させなければならない。最大能力は、燃焼に利用可能な空気の量で決まる。圧縮着火エンジンの出力を増大させるためには、空気の量とエンジンに提供される燃料の量の両方を増大させなければならない。車両の加速のためには、動力がエンジンから要求された後に短い応答期間内に動力を増大させる必要があるのが一般的である。
【００３４】
圧縮着火エンジンが例えば車両を加速するためにその最大能力に近い動力を生じさせることが必要な条件下においては、排気ガスをエンジンに流入する空気の流れ中に導入することは、相当な不利益である。排気ガスがシリンダ１２に入る流れから空気を押し退けた範囲で、排気ガスは、燃料を消費するエンジンの能力を低下させる。さらに、排気ガスを空気流にそらすことにより、ターボ過給機を駆動するのに利用可能なエネルギーが減少する。再び図１を参照すると、空気は、高圧ターボ過給機コンプレッサ１８が低圧ターボ過給機コンプレッサ２２から空気を受けることによりエンジン１０のシリンダ１２に提供される。空気流に分岐された排気ガスは、ターボ過給機タービン３６，３８を駆動するためには利用されず、それによりターボ過給機タービン３６，３８がコンプレッサ１８，２２をそれぞれ駆動する能力が減少すると共にシリンダ１２中に強制的に入れられる空気の圧縮度が低下する。このような過渡的動力増大条件のような条件下においては、ＮＯXの排出量を制限することを目的として、ＥＧＲを利用することができない。
【００３５】
圧縮着火エンジン１０の動力は、エンジンに入る空気の量を増大させると共に利用可能な空気により消費燃焼可能な程度の燃料を提供することによって増大する。インジェクタ１４によってエンジンに燃料を供給することは、ＥＣＵ５０から利用可能な直接的な制御である。シリンダ１２に提供される空気の量を増大させることは、それほど直接的ではない。タービン３６，３８によりそれぞれ駆動されるターボ過給機コンプレッサ１８，２２によって空気が吸気マニホルド１６に提供される。２通りの制御が、高圧ターボ過給機タービン３６により生じる動力を増大させるために利用可能である。制御可能なＥＧＲ弁３４を閉じることにより、高圧ターボ過給機タービン３６を駆動するのに利用可能な排気ガスの量が増大する。さらに、高圧ターボ過給機タービン３６の制御可能な可変ノズルを閉じることにより、高圧ターボ過給機タービン３６を駆動する排気ガスの圧力が増大すると共にこのタービンにより生じる動力が増大する。
【００３６】
最大能力又はそれに近い状態にあるエンジン１０に動力が求められた場合、ＥＣＵ５０は、理論空燃比の状態にあり又はこれよりもリッチな混合気をシリンダ１２に提供する燃料供給方式を実行する。エンジン１０をＥＧＲを行わないで理論混合気よりもリッチな混合気で作動させることにより、多量のＮＯXを含み、又、酸素が少なく且つ炭化水素及び一酸化炭素が多い排気ガス流が生じる。燃料供給パターン、即ち、燃料の導入の時期及び持続時間を変化させることができる。というのは、提供される燃料の量が増減するからである。リーン混合気に関する燃料供給は、燃料のパイロット噴射及びメイン噴射を提供することにより行われるのが良い。一層リッチな混合気は、圧縮着火エンジンによるスート（すす状物質）の生成量を増大させる場合がある。リッチ混合気の燃料供給中に生じるスートの量を本願と同日出願の米国特許出願（発明の名称：Fuel Injection Pattern and Timing）に開示されているように燃料噴射パターン及び燃料噴射時期によって減少させることができる。
【００３７】
図３は、エンジン１０からの排気ガス量を許容可能に維持するよう構成された後処理システム４０を示している。排気ガスは、入口４２に入り、そしてディーゼル酸化触媒５２に差し向けられてこれに通される。ディーゼル酸化触媒５２は、リーン混合気及びＥＧＲによる作動中、エンジン１０からの排気ガス中に存在する一酸化炭素、炭化水素、可溶性有機成分及び多環芳香族炭化水素の量を減少させるよう処方されている。
【００３８】
排気ガスは、ディーゼル酸化触媒５２の通過後、三元触媒５４を通過する。三元触媒５４は、炭化水素、一酸化炭素及びＮＯXを減少させるよう構成されている。三元触媒５４は、低酸素含容量の排気ガス、例えばエンジン１０にほぼ理論空燃比まで又はこれよりもリッチな空燃比まで燃料供給することによって生じた排気ガス向きに機能する。この燃料供給により、一酸化炭素（ＣＯ）の量が増大した排気ガスが生じる。ＣＯは、その性状が還元剤特性なので、ＮＯXを減少させる。というのは、排気ガスは、以下の反応式に従って三元触媒を通過するからである。
ＮＯ＋ＣＯ    →  １／２Ｎ2＋ＣＯ2
２ＮＯ＋ＣＯ  →  Ｎ2＋ＣＯ2
このように、三元触媒は、ＥＧＲシステム２８がＮＯXの生成を減少するよう働かない場合、リッチ燃料供給条件についてＮＯXの排出量を減少させる。
【００３９】
リーン混合気でのエンジン１０の作動中、ＥＧＲシステム２８は、ＮＯXの生成を減少させ、それにより後処理システム４０に入る排気ガス中のＮＯXのレベルを低く保つ。エンジン１０により得られる出力を増大させるためにエンジン１０の燃料供給量を増大させる場合、ＥＧＲを上述したように減少させ又は停止させる。その結果、後処理システム４０に入る排気ガス中のＮＯX及びＣＯのレベルが増大する。シリンダ１２に提供される空燃比が理論空燃比に達すると、酸素の量が減少し、三元触媒５４は、後処理システム４０を通って流れる排気ガス中のＮＯXのレベルを減少させるよう稼働状態になる。それにより、三元触媒は、エンジン１０の過渡的作動中、後処理システム４０を通って流れる排気ガス中のＮＯXのジャストインタイム減少を可能にし、それにより出力を増大させる。
【００４０】
最後に、排気ガスは、三元触媒５４の通過後、ディーゼルパティキュレートフィルタ５６を通過する。ディーゼルパティキュレートフィルタ５６は、排気ガス中の粒子状物質を捕捉する。理解されるように、ディーゼル酸化触媒５２、三元触媒５４及びディーゼルパティキュレートフィルタ５６を図３に示されているように単一ユニットとして組み合わせても良く、別々のコンポーネントとしても良く或いは違ったやり方で組み合わせても良い。排気ガスがディーゼル酸化触媒５２、三元触媒５４及びディーゼルパティキュレートフィルタ５６を通過する順序も又、図示とは異なる順序であっても良い。
【００４１】
図４は、エンジンにより生じるトルクを増大させながらエンジンに提供されるＥＧＲの一定パーセントでエンジン１０を作動させた場合における後処理システム４０の出口４４を出た排気ガス中のＮＯXのレベルを示している。２種類の混合気に関するＮＯX排出レベルが図４に示されており、一方は、リーン混合気でのエンジン作動の場合であり、もう一方は、ほぼ理論混合気でのエンジン作動の場合である。図４の下側のグラフ図は、トルク要求曲線１０１、リーン混合気での作動時にエンジンにより生じたトルクを示す曲線１０３及びほぼ理論混合気での作動時におけるエンジンにより生じたトルクを示す曲線１０５を示している。これらトルク曲線は、ほぼ理論混合気により達成できるトルク応答がリーン混合気とほぼ同じであることを示している。
【００４２】
トルク増大を含む期間中にこれら２種類の混合気について放出されたＮＯXの量が図４の上側の曲線によって示されている。曲線１１３は、リーン混合気作動の場合のＮＯX排出量のレベルであり、曲線１１５は、ほぼ理論混合気作動の場合のＮＯX排出量のレベルである。これら排出量曲線は、エンジンの過渡的作動中におけるＮＯXの排出量の増大を実質的に阻止してエンジントルクを増大させるＴＷＣによる後処理の有効性を実証している。
【００４３】
圧縮着火エンジンにリッチ混合気を燃料供給すると、同等の火花点火ガソリンエンジンにより生じるＣＯよりも生じるＣＯが少ない。したがって、圧縮着火エンジンの排気ガス中のＣＯにより還元されるＮＯXの量が制限される。ＴＷＣによるＮＯXの還元量を増大させるには、炭化水素（ＨＣ）をＴＷＣから見て上流側の圧縮着火エンジンの排気ガス中に導入するのが良い。炭化水素（ＨＣ）が排気ガス流中に注入されると、炭化水素は、排気ガス流が以下の化学式に従ってＴＷＣ３５上をこれに沿って流れているときに排気ガス流中のＮＯXと反応し、副生物は、窒素、二酸化炭素及び水である。
ＨＣ＋ＮＯ  →  Ｎ2＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ
【００４４】
排気ガスの炭化水素レベルをＥＣＵ５０により増大させることができ、ＥＣＵ５０により、インジェクタ１４は、燃料噴射サイクルの後噴射部分中に燃料をシリンダ１２中に噴射する。インジェクタ１４による排気ガス中への炭化水素の後の導入に加えて又は燃料インジェクタによる導入の代替手段として、炭化水素をＴＷＣ５４の上流側に位置する排気系統中の場所で排気ガス中に注入するのが良い。図５は、能動型炭化水素インジェクタシステム８０及び後処理システム４０及び後処理システム４０から見て上流側に位置する排気系統の隣接部分を含む排気系統の区分８５の略図である。排気系統区分８５は、後処理システム４０から見て上流側に位置するバーナ８２及びドーサ又は定量供給装置（doser）８４を有する。能動型炭化水素インジェクタシステム８０は、ＥＣＵ５０と連絡状態にある炭化水素インジェクタ８６を有する。
【００４５】
上述したように、ＥＣＵ５０は、ディーゼルエンジン１０がリッチ混合気による燃料供給されているかどうかを示す情報を複数個のセンサから受ける。センサは、上述のセンサを含むと共に更に定量供給装置８４内に設けられた１つ又は２つ以上のセンサ、バーナ８２内に設けられた１つ又は２つ以上のセンサ及び／又は後処理システム４０内に設けられた１つ又は２つ以上のセンサを更に含むのが良い。センサは、ディーゼルエンジン１０内のどこか他の場所に配置されても良い。ただし、ディーゼルエンジン１０がリッチ混合気による燃料供給されているかどうかを判定するためにＥＣＵ５０がこれらセンサを使用することができることを条件とする。
【００４６】
使用可能なセンサの形式並びにこれらの配置状態は、システム設計パラメータに依存する。例えば、酸素センサ２３は、ディーゼルエンジンコアを出た排気ガス流中の酸素の量を測定するために用いられるのが良い。また、燃料センサは、排気ガス流中の燃料の量を測定するために用いられるのが良い。ディーゼルエンジン１０の作動制御するためにＥＣＵ５０によって用いられる燃料噴射パラメータは又、ディーゼルエンジン１０がリッチ混合気により燃料供給されているかどうかを判定する際に有用である。他の形式及び他の構成のセンサも又使用できる。
【００４７】
能動型炭化水素インジェクタシステム８０は、ＥＣＵ５０により制御可能に接続された炭化水素インジェクタ８６を有するのが良い。ＥＣＵ５０は、複数個のセンサから提供される情報により圧縮着火エンジン１０がリッチ混合気により燃料供給されていることが分かった場合に炭化水素を排気系統８５中に噴射するために炭化水素インジェクタ８６を制御するよう構成されている。変形例として、ＥＣＵ５０は、三元触媒５４によるＮＯXの還元が望ましい又は必要な場合、例えば、ＥＧＲを減少させ又は停止させた場合、炭化水素を排気系統８５中に噴射するために炭化水素インジェクタ８６を制御するよう構成されていても良い。ＥＣＵ５０は、排気系統区分８５の他のコンポーネントの作動を制御しても良く、或いは、炭化水素インジェクタ８６のための専用コントローラを設けても良い。注入される炭化水素は、液体又は気体の形態であって良く、このような炭化水素は、１つ又は２つ以上の場所で炭化水素インジェクタ８６により注入されるのが良い。
【００４８】
或る特定の実施形態によれば、注入されるべき炭化水素は、ディーゼル燃料であっても良く、このようなディーゼル燃料は、一般に、燃料タンク又は関連車両の他のリザーバから能動型炭化水素インジェクタシステム８０に供給されるのが良い。さらに、ＥＣＵ５０は、炭化水素が排気ガス流中に注入される量及び／又は持続時間を例えばエンジン１０がリーン又はリッチ混合気により燃料供給される度合いに基づいて調節することができるよう構成されているのが良い。ＥＣＵ５０は又、炭化水素が排気ガス流中に注入されるべき量又は持続時間を定める際に排気ガス流の条件とは別に種々の他の要因を考慮に入れるよう構成されているのが良い。例えば、ＥＣＵ５０は、ＴＷＣ５４の性能の検出されると共に／或いは計算された低下、例えばＴＷＣ５４の経年変化と関連した性能の低下又は劣化に基づいて炭化水素が排気ガス流中に注入されるべき量及び／又は持続時間を一段と増やすことができる。
【００４９】
図６は、圧縮着火エンジン、例えばエンジン１０の排気ガス中に炭化水素を注入するよう実行可能な動作ステップの流れ図２００である。図示のように、動作ステップ２０５のところでエンジンからの流動中の排気ガスを提供する。エンジンからの排気ガスは、ＮＯXを含む。動作ステップ２１０のところで、エンジン１０がリーン又はリッチ混合気によって燃料供給されているかどうかについて直接的及び／又は間接的判定を行う。動作ステップ２１５のところで決定されるように、エンジン１０がリッチ混合気によって燃料供給されていない場合、この方法は、動作ステップ２１０に戻る。しかしながら、リッチ混合気による燃料供給が動作ステップ２１５のところで検出されると、所与の量の炭化水素（ＨＣ）をガス排出物中に注入し、このようなガス排出物を動作ステップ２２０のところでＴＷＣに提供する。動作ステップ２２５のところで、この方法は、注入された炭化水素が所望の排気ガスパラメータに達するのに十分であるかどうかを判定することができる。このようなパラメータとしては、ＮＯXがＴＷＣによって所定レベル以下に減少したかどうかが挙げられる。もしそうではない場合、動作ステップ２２０を再び実行し、ついには、所望の排気ガスパラメータが動作ステップ２２５のところで検出されるようにするのが良い。
【００５０】
図７は、例示のディーゼルエンジンシステム、例えば図１に示されているディーゼルエンジンシステムの過渡的動作中におけるエンジン速度及び出力トルクの変化を示している。図８は、図７に示されている過渡的動作下においてＴＷＣにより出力されるＮＯXの変化を示している。さらに、例示目的で、図８は、エンジンストローク１回当たりの種々の炭化水素注入量がＴＷＣから出力されたＮＯXのレベルに及ぼす影響を示している。さらに、図８は、一般に、“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”として注入量を識別しており、注入量は、“ａ”（最も低い注入量）から“ｅ”（最も高い注入量）まで昇順の状態で増大している。比較目的で、ＴＷＣに入るＮＯXのレベルも又グラフ化されている。さらに、別の比較目的で、排気ガス流中への炭化水素の注入が行われない場合、ＴＷＣから出るＮＯXのレベルは、ＴＷＣに入るＮＯXのレベルと同一であるとみなされる。
【００５１】
図７に示されている過渡的作動は、図８に示されているデータを得るために多数回実施された。各実施にあたり、互いに異なる量の炭化水素を排気ガス流中に注入した。図８に示されているように、とりわけ、このような過渡的条件中にＴＷＣから出力されたＮＯX全体は、炭化水素が排気ガス流中に注入された場合に減少する。図示のように、種々の炭化水素注入レベルは、ＴＷＣから出力される排気ガスの種々のＮＯX減少レベルを達成する。動力計でエンジンについて制御された試験を採用することにより、種々のシステムについてオプションとしての炭化水素注入量を導き出すことができる。
【００５２】
本発明は、任意特定の制御方式への使用には限定されない。本発明は、種々の内燃エンジンに利用できる。
【符号の説明】
【００５３】
１０  圧縮着火エンジン
１２  シリンダ
１４  インジェクタ
１６  吸気マニホルド
１８  高圧ターボ過給機コンプレッサ
２１  空気質量流量センサ
２２  低圧ターボ過給機コンプレッサ
２３  排気ガス酸素センサ
２４  空気入口
２６  排気マニホルド
２８  ＥＧＲ（ＥＧＲ）システム
３４  ＥＧＲ弁
３６  高圧ターボ過給機タービン
４０  後処理装置
５０  エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
５２  ディーゼル酸化触媒
５４  三元触媒
５６  ディーゼルパティキュレートフィルタ
８０  炭化水素（ＨＣ）インジェクタシステム
８２  バーナ
８４  ドーサ
８６  炭化水素（ＨＣ）インジェクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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