(57)【要約】自然吸気型エンジンにおける排出ガスの排出量を制御するための制御システム（１００）が開示されている。この制御システム（１００）は，オープンループＥＧＲ手段と，エンジンの排気マニフォルド（１０６）に装備した触媒（１０２）と，吸気エルボ（１０４）に介挿した排気混合チューブ（１０４）と，ＥＧＲクーラの冷気側に配置したＥＧＲバルブ（１１０）と，所定のエンジン較正パラメータに基づいてＥＧＲバルブ（１１０）を制御する電子制御ユニットとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気再循環流のオープンループ制御手段を有する内燃機関における排出ガスの排出量を制御するための制御システム（１００）であって：
自己再生式粒子状物質フィルタを有するエンジンの排気マニフォルド（１０６）に隣接して接続する触媒（１０２）と；
吸気エルボ（１０４）に介挿されて排出ガスを新鮮空気と均一に混合させる排気混合チューブと；
ＥＧＲ回路の冷気側に組み込まれた排気再循環バルブ（１１０）を備え；
前記排気再循環バルブ（１１０）に，エンジン速度，スロットル開度，大気圧及び冷媒温度に応じて所要のＥＧＲ比を算出する位置制御機構が設けられている，制御システム（１００）。
【請求項２】
請求項１記載の制御システム（１００）であって，前記触媒（１０２）が，貴金属の組み合わせを含み，かつ担持する触媒群から選択されている，制御システム（１００）。
【請求項３】
請求項１記載の制御システム（１００）であって，燃料を噴射するためにコモンレール燃料噴射システムが使用される，制御システム（１００）。
【請求項４】
請求項１記載の制御システム（１００）であって，ＥＧＲクーラ（１１５）が排気再循環バルブ（１１０）の上流側に配置されて，エンジン排出ガスが吸気エルボに達する前に冷却可能である，制御システム（１００）。
【請求項５】
請求項１記載のシステム（１００）であって，該システム（１００）は，オフ・ハイウェイ用として米国の環境保護庁が定めたＴｉｅｒ‐４（Ｆ）規制に適合する，制御システム（１００）。
【請求項６】
オープンループＥＧＲ手段を有する自然吸気型エンジンにおける排出ガスの排出量を制御するための制御方法であって：
燃料噴射量と，エンジン速度及びスロットルデマンドの関数としての所要のＥＧＲバルブ位置のマッピングを行い；
ＥＧＲバルブ位置を位置フィードバック機構により制御し；
前記のシステムを，ベースマップの較正又は修正に基づいてエミッション制御を行うオープンループＥＧＲ手段として作動させ；
前記の修正マップをエンジン冷媒温度に基づいて選択する，制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，内燃機関用の排出ガス制御システムに関し，特に，内燃機関において窒素酸化物（ＮＯｘ）等のエミッションを最小化すると共に内燃機関からの粒子状物質（ＰＭ）の排出量を最小化するための方法及びシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多年に亘り，大気汚染物質（炭化水素，一酸化炭素，窒素酸化物等）が含まれる各種ガス流の触媒処理が商業的に実施されている。このような汚染物質は，より無害な物質，二酸化炭素，水及び窒素に変換することが望ましい。一般的に，処理されたガス流は，大気中に放出される大量の廃棄物又は廃棄ガス流である。そのような処理方法の典型例は，内燃機関からの排出ガスを，パラジウム（Ｐｄ），プラチナ（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属を担持させてなる触媒と高温接触させることである。当初は，殆どが商業的見地から炭化水素及び一酸化炭素の酸化に傾注され，処理システムはこれら成分を完全燃焼させて二酸化炭素及び水に変化させるよう，一般的に酸素過多としていた。そのために用いられる触媒が還元反応を促進する機能も有するので，処理の間に窒素酸化物を窒素及び／又はアンモニアに変化させる何らかの還元が行われるが，このような成分が排出ガス中に含まれることは望ましくない。
【０００３】
内燃機関の作動中に不所望の汚染ガスの発生を制御するために常用される技術として，排気再循環が既知である。この技術は，自動車，例えば乗用車，軽トラック及び他の自走車両に用いられる内燃機関に対して特に有用であることが実証されている。排気再循環技術は，内燃機関からの排出ガスの副生成物を機関の吸入空気中に再循環させることを含む。エンジンシリンダ内に再導入される排出ガスは，その内部の酸素濃度を低下させる。その結果，シリンダ内における最大燃焼温度が低下して燃焼プロセスにおける化学反応を遅延させ，有害酸化物の生成を低減させる。加えて，排出ガスが典型的には未燃焼の炭化水素成分を含有するため，その未燃焼成分をエンジンシリンダ内に再導入して燃焼させることにより，内燃機関から不所望の汚染物質として排出されかねない排出ガス副生成物の排出量を更に低下させる。
【０００４】
更に，現在まで，複数の触媒を備える各種の排出ガス処理システムが提案されており，その作動に際しては一つの触媒を還元条件下で使用して窒素酸化物の窒素への変化を最大化し，別の触媒を酸化条件下で使用して一酸化炭素から二酸化炭素及び水への変化を最大化している。このようなシステムは高価であり，したがって，通常のオフ・ハイウェイ車両におけるように触媒機器の搭載スペースが制約されている場合には特に望ましくない。しかしながら，政府規制を満足するために，一酸化炭素及び炭化水素の酸化と窒素酸化物の還元の両者を高度に達成する必要のある限度において，大気中への汚染物質の許容排出量レベルは，時の経過とともに低下している。したがって，このような排出ガスを最も効果的に，しかも経済的に引き合う条件下で処理することが極めて重要である。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の主たる目的は，排気流路中にディーゼル用酸化触媒を含む自然吸気型コモンレール・ディーゼルエンジンを対象とするエミッション制御システムを提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は，自然吸気型ディーゼルエンジンの吸気に制御された量の排出ガスを供給するためのオープンループ型排気再循環システムを提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は，良好な操縦性を維持しつつ燃料消費を最適化し，同時に有害酸化物等の排出量を最小化すると共に不所望の粒子状物質の排出量を最小化するエミッション制御システムを提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は，排気再循環をより精密に制御するエミッション制御システムを提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は，自然吸気型ディーゼルエンジンの排気流路中にディーゼル用酸化触媒を設けることにより，エミッションを制御する方法を提供することである。
【００１０】
本発明の上述した目的及びその他の目的は，以下の記載及び添付図面に照らして明確に理解できるものである。しかしながら，以下の記載は，好適な実施例及び特定の詳細について記述するものではあるが，あくまでも単なる例示に過ぎず，本発明を限定するものでない点に留意されたい。本発明について，その技術的範囲内で多くの変更及び修正が可能であり，ここに開示された実施形態がそのような修正の全てを包含することは，言うまでもない。
【００１１】
上記に鑑み，本発明は，ディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ）を有する自然吸気型コモンレール・ディーゼルエンジンにおける排ガスを，燃料噴射量と排ガス再循環（ＥＧＲ）のオープンループ制御を適用した後処理により制御するための制御システムを提供する。この制御システムは，排気マニフォルドに隣接して接続されたＤＯＣが組み込まれ，排気側及び吸気側の間にＥＧＲ流路がＥＧＲパイプにより接続されている。ＥＧＲガスは混合チューブを経て吸気エルボに流入し，これによりＥＧＲガスは新鮮空気と均一に混合され，その均一な混合ガスが各シリンダポートに流入する。本発明に係る制御システムは，排ガス流をエンジンの電子制御ユニット（ＥＣＵ）によるＥＧＲマップに基づいて制御するための電子制御排ガス再循環バルブ（ＥＥＧＲ）を更に備えている。
【００１２】
また，本発明は，オープンループＥＧＲ制御手段を有する自然吸気型エンジンにおける排ガスのエミッションを制御する制御方法を提供する。この制御方法では，燃料噴射量と，エンジン速度及びスロットルデマンドの関数としての所要のＥＧＲバルブ位置のマッピングを行う。ＥＥＧＲバルブ位置の実際値を位置フィードバック機構により制御する。この場合，制御システムを，ベースマップの較正又は修正に基づいてエミッション制御を行うオープンループシステムとして作動させる。修正マップは，エンジン冷媒温度に基づいて選択する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に従って配置したエンジン吸気系，排気系，ＤＯＣ及びＥＧＲシステムの典型的レイアウトを示す概要図である。
【図２】本発明の実施形態に従って吸気マニフォルドに介挿したＥＧＲ混合チューブを示す配置図である。
【図３】本発明の実施形態に従うシステム全体を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明を添付図面に示す。各図において，同様な参照符号は対応する構成要素を表している。本発明の実施形態は，図面を参照しての以下の記載から明確に理解できるものである。
本発明の実施形態と，そのさまざまな特徴及び利点の詳細につき，添付図面に示され，かつ，以下の記載において記述される非限定的な実施例に基づいて更に詳述する。実施例を明確化する観点から，周知の構成要素及び処理技術については詳細説明を省略する。ここに開示する実施形態は，本発明を実施する態様を容易に理解可能とすると共に，当業者において本発明を実施可能とすることを意図するものである。例えば，幾つかの実施例を，触媒を用いる自然吸気型エンジンのエミッションを制御するためのシステムに関連して説明しているが，本発明は他の形式のエンジンにも，殆ど又は全く修正を要することなく適用できることに留意されたい。即ち，開示されている実施例は本発明を限定するものではない。
【００１５】
本発明の実施形態は，以下に記載するように，自然吸気型ディーゼルエンジンにおける排気通路内にディーゼル酸化触媒１０２を設けてなるエミッション制御システム１００を提供する。また，本発明の実施形態は，最適な燃料消費と良好な車両運転性能を達成しつつ，同時に有害な酸化物等のエミッションを最小化すると共に不所望の粒子状物質の放出を最小化するエミッション制御システム１００を提供する。さらに，本発明の実施形態は，自然吸気型ディーゼルエンジンにおける排気通路内にディーゼル酸化触媒１０２を設けてなるエミッション制御方法を提供する。本発明の実施形態を示す図面を参照すれば，図１〜図３において同様の参照符号は対応する特徴を表すものである。
【００１６】
図１〜図３は，本発明の実施形態に係るエンジン吸気系，排気系及び排気再循環システム１００を示す。このシステム１００は，吸気マニフォルド１０８，吸気エルボ１０４，排気マニフォルド１０６，排気パイプ１１２，ＥＧＲ混合チューブ１１４，排気再循環（ＥＧＲ）バルブ１１０及び電子制御ユニット（ＥＣＵ）１１３を含んでいる。一実施形態において，エンジンは，典型的にはエアクリーナ，吸気エルボ及び吸気マニフォルドで構成される吸気流路と，排出ガスを通すための排気流路とを含む。ＥＧＲパイプ１１２により排気マニフォルド１０６をＥＧＲクーラ１１５に接続し，ＥＧＲクーラ１１５を吸気エルボ１０４に接続する。ＥＧＲバルブ１１０を既知の態様で吸気エルボ１０４に対して作動的に配置して，ＥＧＲの流れを制御可能とする。ＥＧＲの流れ制御は，オープンループとする。吸気エルボ１０４に介挿された混合チューブ１１４によりＥＧＲガスの新鮮空気に対する均一な混合を容易とし，これにより各シリンダヘッドに対する均一な吸気装入を行う。ＥＧＲバルブ１１０の開度をＥＣＵにより制御された較正済みのＥＧＲマップに基づいて制御して排ガス中に放出される粒子状物質のレベルを規定範囲内に維持する。特に，ＥＣＵにより，オープンループ制御ロジックに基づき，エンジン速度，スロットルデマンド，冷媒温度及び大気圧等に応じて，ＥＧＲの制御された流れを吸気エルボ１０４に供給すると共に燃料の噴射量を制御する。
【００１７】
エンジンのエミッション制御を行うため，適当な圧縮比を選択する。ボウル形状，噴射ノズル，噴射圧，噴射パラメータ及びシリンダヘッドスワール等を，相互作用を検討した上でエンジンエミッションを最小化するように選択する。エンジンエミッションの揮発性有機成分をＤＯＣにおいて更に酸化させる。定常状態（ＮＲＳＣ），ＮＴＥ及び過渡サイクル（ＮＲＴＣ）におけるテールパイプエミッションを，エンジンハードウェアと，噴射パラメータ及びＥＧＲ比の較正により制御する。基礎マップを冷媒温度及び大気圧に基づいて修正する。エミッション制御をオープンループシステムで行う。
【００１８】
エンジンは，適切な機械的設計に基づくものとする必要がある。排ガス中における揮発性油分を制御するため，オイル消費量制御及び積極的なクランクケース換気が妥当である。炭化水素を制御するため，適当な圧縮比を選択する。
【００１９】
図２は，吸気エルボ１０４に設けられたＥＧＲ混合チューブ１１４を示す。混合チューブ１１４を設けた吸気エルボ１０４は，新鮮空気を排ガスと均一に混合するように設計する。吸気エルボ１０４に介挿したＥＧＲバルブ１１０を，ＥＣＵからの信号に基づいて作動させる。
【００２０】
典型的に，ここに例示したエンジンには追加的な構成要素も含まれる。このエンジンに関連するその他の付属装置には，エンジンの潤滑システム，冷却システム，パワートレーン，ギヤトレーン，バルブトレーン，構造部品等が含まれる。このような装置は，当業者に熟知されており，満足すべきエンジン構造及び作動のために必要に応じて容易に選択できるものである。このような関連装置は，慣用されているものであれば特定の形式に限定されるものでなく，したがって詳細な説明は省略する。さらに，本発明が多気筒エンジンにも等しく適用可能であることは，言うまでもない。即ち，上述したエンジンはあくまでも例示であって，本発明を限定するものではない。なお，ここに例示するエンジンは，コモンレール噴射システムを採用するものである。
【００２１】
本発明の他の実施形態では，ＥＧＲクーラ１１５を吸気エルボ１０４とＥＧＲパイプ１１２との間に介挿し，エンジンからの排ガスがＥＧＲバルブ１１０に達する前に排ガスを冷却する。
【００２２】
一実施形態においては，エンジンに電子制御ユニットを設けてエンジン作動を制御する。当業者間で既知のとおり，典型的に，電子制御ユニットは，エンジンに関連して設けられた各種センサから電子制御ユニットに出力されるエンジンの各種作動パラメータの実測値に応じてエンジンの作動を制御する制御手段を含む。本発明に関して，電子制御ユニットには，エンジン作動速度とエンジン負荷をクランクシャフトから検出するための既知の検出手段，典型的にはクランクシャフトの毎分当たりの回転数で表される瞬間回転速度を表示するためのエンジン作動センサを設けている。さらに，電子制御ユニットは，エンジン燃焼室に対する燃料噴射器の噴射量，噴射タイミング及び噴射時間を制御できるように構成されている。
【００２３】
エンジン較正ロジックには，ＥＧＲバルブ位置フィードバックとバルブ閉位置学習機能が組み込まれている。冷間ＮＲＴＣと外気温度が寒冷である場合のエンジン始動のため，冷媒温度に基づくＥＣＵマップの修正を行う。オーバーヒート保護，オーバースピード保護，オーバーランモニタ等のエンジン安全機能が作動する。これらの機能は，ＥＣＵ制御のコモンレール型エンジンで利用可能なものである。
【００２４】
一実施形態においては，ディーゼル酸化触媒１０２（ＤＯＣ）を排気マニフォルド１０６に装着して，エンジン排ガスからの有機揮発成分を酸化させる。このＤＯＣによる酸化反応は，テールパイプからのＨＣ及びＣＯの排出量を減少可能とし，これは，有機揮発成分の酸化によってＰＭも減少させる。排気マニフォルドに隣接して装着したＤＯＣは，軽負荷時でもより迅速に作動させることができる。貴金属（Ｐｔ＋Ｐｄ）を適正比で組み合わせて担持させることにより，エンジンの全耐用寿命に亘って法的なエミッション規制に適合させることができる。自然吸気型ディーゼルエンジンにおける通常の排ガス温度は２００〜６５０℃である。また，ＤＯＣの着火温度は約２５０℃である。パラジウムは，プラチナが軽負荷時のより迅速な立ち上がりを可能とする一方で，高温作動時の良好な熱的安定性を発現する。このような使途のため，所定のＰｔ：Ｐｄ比を採用してエンジンの全作動域でＰＭ排出を制御する。
【００２５】
一実施形態においては，エンジンについて過渡較正を行うことにより，サイクルＢＳＦＣ目標値に適合するエンジンマップの全域で最適なＮＯｘ／ＰＭトレードオフを達成する。さらに，一実施形態においては，レール圧，主噴射開始，パイロット噴射開始，噴射量，エンジンマップ全域におけるＥＧＲ比，及び水温に基づくＥＧＲ流量修正のチューニングを行ってエンジンを較正する。
【００２６】
ここに例示するようなエンジンに，典型的には追加的な作動パラメータも含まれることは言うまでもない。このようなエンジンに関連する他の作動パラメータには，適正なサブシステムデザイン及び統合，ハードウェア選択，並びに噴射パラメータの最適化が含まれる。このようなパラメータは当業者に熟知されており，満足すべきエンジンの構造及び作動の観点から当業者が必要に応じて容易に選択できるものである。このような関連パラメータは，エンジン作動に関して慣用されているものであれば特定の形式に限定されるものでなく，したがって詳細な説明は省略する。一実施形態においては，噴射孔の数量，噴射コーン角度，ノズル流量（ＮＴＦ）ノズルチップ突出量（ＮＴＰ）をスモークとＢＳＦＣに基づいて選択する。さらに，所定の圧縮比を有する特定のボウル形状としたピストンを選択してＮＯｘ／煤のトレードオフを軽減する。また，既知の高速スワール吸気ポートを有するシリンダバルブ作動とバルブタイミングを標準的なものとする。このように，本発明は，ダイナモメータ試験及び実地走行試験におけるエンジンの迅速な過渡応答を含む多くの利点を提供するものである。過渡的なスモーク較正は，オープンループシステムで行われる。
【００２７】
本発明のさらなる利点は，排ガスからの不所望の副生成物の放出を優位に制御できることである。また，本発明は既存車両に容易に適合させることができ，そのために車両開発における投資額が大幅に削減可能である。本発明を実施するに当たっては，ピストンのボウル形状，燃料噴射装置，ＥＧＲバルブ，ＥＧＲクーラ及びＤＯＣの最適な選択と，エンジンの全作動域に亘る最適なレール圧，主噴射タイミング及びＥＧＲマップが肝要である。
【００２８】
本発明の特定の実施形態についての上記の記述によれば，本発明の技術的範囲内において多様な変更が可能であり，そのような変更は何れも本発明の技術的範囲を逸脱しないものであり，又はその均等技術と解されるものである。また，本明細書における文言及び用語は，本発明を記述する目的で使用されるものに止まり，本発明を限定するものではない。即ち，前述した本発明の実施形態は適宜に変更して実施できるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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