JP2005510652A - 触媒を有する燃焼機関およびディーゼル・エンジン用の方法および装置 - Google Patents

Abstract

エンジンの排ガスを浄化する触媒（５）を有する燃焼機関（１）用の方法及び装置で、低い触媒温度が予想されるか観察される動作状況で、未冷却排ガスを、エンジンを通る質量流量を制限する目的で、エンジンの入口（３）に案内する（９）。本発明は、このような装置を組み込んだ重車両用のディーゼル・エンジンにも関する。

Description

本発明は、燃焼機関（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ）すなわちエンジンの排ガスを浄化するよう設計された触媒を有する燃焼機関用の方法および装置に関する。本発明は、このような装置を組み込んだ重車両用のディーゼル・エンジンにも関する。

触媒は一般に、排ガス中の様々な種類の有害成分を減少させる目的で今日の車両エンジン（ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｎｇｉｎｅｓ）に使用されている。様々な動作状況、特に無負荷運転、低出力運転および高出力運転を伴う動的運転サイクル（ｄｙｎａｍｉｃ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｙｃｌｅ）は、エンジンの排ガス温度が様々な動作状況（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ）にわたって変化するので、触媒に対し対応する様々な動作状況を必要とする。

今日の車両エンジン用触媒の問題は、その触媒が作動領域（ｗｏｒｋｉｎｇ ｒａｎｇｅ）の構成要素となる限られた温度領域内で最もよく機能し、その作動領域外の温度では最適に作動できないことである。つまり、触媒が特定の温度領域内で働くよう設計されている場合、その有効性は、その領域外の温度では低下し、そのためエンジンからの有害物質の排出が増加する。

作動領域は、通常、通常の動的運転サイクル中に発生する排ガスの温度の領域より小さいので、触媒は、触媒の作動温度が作動領域外になるような排気温度である運転サイクルの部分で、作動の有効性が低下する。したがって、運転サイクルのこの部分では、様々な有害物質の放出が増加する。

この問題に対処しようとする試みでは、特に、上述した規定の動作温度領域内で触媒が可能な限り作動することを確実にするため、触媒に別個の加熱器具を設ける装置を含んでいた。しかし、その解決法は、動作上の障害に対して感受性が高く比較的高価な装置を必要とし、その結果、費用および動作上の障害に対する感受性が高くなっていた。

別の解決法は、排気の背圧を上昇させて運転する、つまり排気ダンパを設けて運転し、その結果、低負荷の動作でも使用するパワーが増加し、車両の燃料消費量が増加するという犠牲を払うことになる。

（本発明の目的と最も重要な特徴）
本発明の目的は、当技術分野の問題を解消するか、少なくとも軽減する方法および装置を示すことである。本発明の特定の目的は、触媒が作動領域内で作動できる経済的かつ運転上信頼性が高い解決法を提供することである。

以上の目的は、それぞれ請求項１および請求項７で示すような本発明によって達成される。単純な手段を使用して、低出力動作中でも、つまり無負荷および低出力運転中でも、エンジン・ブレーキ中と同様、触媒に供給される排ガスが他の場合より高い温度を維持する、つまり触媒の温度を、最適浄化性能を可能にするようなレベルに維持できることを確実にする。その理由は、エンジンを通る新鮮な空気の質量流量を、このような動作状況で減少できるからである。つまり加熱する必要がある質量が減少し、それによって排ガスに適用される冷却力を大幅に減少することができる。

エンジン入口に導かれる未冷却ガスの量を、エンジンの動作状態に応じて調整できるようにすると、現在の動作に適応する最適化潜在力がさらに生じる。このような調整は、アクセルのペダル位置およびエンジン速度など（しかしこれらに制限されない）の様々な動作パラメータを示す信号に応じて適用することができる。

検出された排気温度に応じて調整することもできるが、この状況で温度プローブを導入することは不利と見なされるので、その解決法は好ましくない。

未冷却排ガスと冷却済み排ガス（ｃｏｏｌｅｄ ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓｅｓ）、つまりＥＧＲガスの両方をエンジン入口に導くことを可能にすることにより、本発明は、特に高出力運転に関係がある冷却済み排ガス・フィードバックと組み合わせられるので有利である。これを可能にする好ましい配置構成は、それぞれ接続されたりバイパスされたりする排気冷却装置を組み込み、エンジン入口に冷却済みガス（ｃｏｏｌｅｄ ｇａｓｅｓ）または未冷却ガスを供給するものである。このような配置構成により、調節すべきダクト類および弁器具を最小限にしながら、簡単かつ確実な調整をすることができる。

さらなる利点は、本発明の様々な態様によって達成され、これは以下の詳細な説明で示される。

本発明について、添付図面を参照しながら実施形態に基づきさらに詳細に説明する。

図１の概略図では、参照番号１は、排気マニホルド２および吸気マニホルド３を有するディーゼル・タイプの多気筒ターボ過給燃焼機関すなわちエンジンを指す。排気マニホルド２からの排ガスは、排気ライン４を介して触媒５へと導かれてから、周囲へと排出される。エンジンは、例えば重車両に動力を与えるよう意図されている。

触媒５の上流で、排ガスは、吸気ライン８に配置されてエンジンの過給を提供する圧縮機７を駆動するタービン６を組み込んだターボ・ユニットを通過する。

排ガスをエンジンの吸気側に移送する移送ライン９が、排気ライン４と吸気ライン８の間に位置する。移送ライン９にはバイパス・ライン１５を設け、これにはエンジンに移送されるガスを冷却するために排気冷却装置１０を組み込む。また、ライン９は区画（ｓｅｃｔｉｏｎ）９ａを組み込み、これは排気冷却装置１０と並んで配置され、これを通して排ガスは、エンジンの排気側からエンジンの吸気側へと、排気冷却装置１０を通らずに通過することができる。この区画は制御可能な弁１１を組み込み、したがって未冷却排ガスをエンジンの吸気側へと移送することが可能になる。

移送ライン９は第２弁１２も組み込み、これはエンジン１の排気側と吸気側との間で移送される排ガスの全量を調整するよう制御可能である。

制御ユニット１３は、実際には、本発明による装置を組み込んだエンジンの制御ユニットの一体部品という形態をとることができ、排気温度の測定値、計算値または推定値に基づき、したがって触媒５の作動状態に基づいて弁１１および弁１２を調整するよう設計されている。排気温度計２０は、適宜、タービン６の下流で排気ライン４に組み込めるので有利である。

制御ユニット１３は、該制御ユニットに接続され、排気温度２０、アクセル・ペダル位置２１およびエンジン速度２２を表す信号を送出するセンサを有する。他のセンサを制御ユニット１３に接続することも可能である。

図２は、制御ユニット１３の制御下で実行される弁１１および弁１２の調整方法のシーケンス（ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を示す。

シーケンスの開始は参照番号１４で示す。

１５では、エンジンに供給される瞬間的燃料量を、アクセス・ペダル位置およびエンジン速度を示す信号に基づいて計算する。

１６では、前記瞬間的燃料量の値から排気温度を計算する。適宜、例えば外部温度、車両速度などの他のパラメータも考慮に入れることができる。

１７では、１６で計算した排気温度を、システムの一部を形成する触媒が最適の動作を、または少なくとも良好な動作を呈する規定の排気温度領域と比較する。１６で計算した排気温度が、規定の領域より低いことが判明した場合は、１８で制御システム（図１の１３）を起動して、未冷却排ガスをエンジンの吸気側へと供給する。

これに対して、１６で計算した排気温度が規定の領域より低くない場合は、１７でシーケンスを即座に終了し、その後に即座に再開することができる。

触媒が良好に作業する排ガス温度領域の範囲は、触媒のタイプ、計量方法、および予想動作状況に一致させる方法によって決定される。ディーゼル・エンジン、特に自動車用ディーゼル・エンジンの場合、通常の様々な動作中の排ガス温度は、通常の触媒が良好な浄化結果を出して処理するよう十分に予想できる領域をはるかに超えることがある。通常の領域は、重車両の燃焼機関に使用する従来の触媒では約２００℃である。その領域より下または上の排気温度は、有効性を損なう。この領域より高い排気温度も触媒を損傷することがあり、したがって後者は、特に高い排気温度が予想されるような動作状況に確実に対処するよう設計することが非常に重要である。

参照番号１９はシーケンスの終了を示す。

図２のシーケンスは、エンジンの吸気側へ排ガスを案内することで、高いエンジン負荷および排ガス中の煙の問題を伴う動作状態やまたは他の理由で必要な場合に冷却済みガスを移送できることを確実にするよう補足されうる。

弁１１および弁１２の制御は、このタイプの動作が比例弁の制御より単純であるので、それぞれの弁が完全に開くか完全に閉じるよう実行することが好ましい。しかし、本発明によると、弁１１および／または弁１２が、特定の段階式でも、全開と全閉間で無段階でも、可変制御可能とすることもできる。

前述したように、本明細書で意図する種類の触媒は、特定の温度領域内で最適に作業する。つまり、その有効性は、この温度領域外の触媒温度では低下してしまう。触媒が高すぎる排気温度に曝されることを防止するよう、本発明の一態様により、十分に冷却したガスをエンジンの吸気側に移送して、温度を所期レベルより下げることにより対処する。この効果に対する特徴も図２の流れ図に追加することができる。

排ガス・フィードバック用機器を伴う燃焼機関を概略的に示す。 排ガス・フィードバックの方法の流れ図を示す。

Claims (13)

1. エンジンの排ガスを浄化する触媒（５）を有する燃焼機関（１）用の方法で、低い触媒温度が予想されるか観察される動作状況にて、未冷却排ガスを、エンジンを通る質量流量を制限する目的でエンジンの入口（３）に案内する（９）ことを特徴とする方法。
2. エンジンの入口（３）に案内（９）される未冷却排ガスの量が、エンジンの動作状態に応じて調整される（１３）ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 未冷却排ガスおよび／または冷却済み排ガスをエンジンの入口（３）に案内（９）することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 排気冷却装置（１０）がそれぞれ接続されたりバイパスされたりして、エンジンの入口（３）に冷却済みガスまたは未冷却排ガスを供給することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. エンジン（１）の無負荷運転中や低負荷中に、未冷却排ガスをエンジンの入口（３）へと案内することを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 未冷却排ガスをエンジンの入口へと搬送するライン（９）が、エンジンの高負荷中は遮断されることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. エンジンの排ガスを浄化する触媒（５）を有する燃焼機関（１）用の装置で、低い触媒温度が予想されるか観察される動作状況にて、エンジン（１）を通る質量流量を制限する目的で未冷却排ガスをエンジンの入口（３）へ案内する手段（９）を特徴とする装置。
8. エンジン（１）の動作状態に応じて、エンジンの入口（３）に案内する未冷却排ガスの量を調整する制御手段（１３）を特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 未冷却排ガスおよび／または冷却済み排ガスをエンジンの入口（３）へ案内する手段（９）を特徴とする、請求項７または請求項８に記載の装置。
10. 冷却済み排ガスまたは未冷却排ガスをエンジンの入口（３）に供給するため、排気冷却装置（１０）をそれぞれ接続したりバイパスしたりする手段（１１）を特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 未冷却排ガスをエンジンの入口に案内する手段が、エンジンの無負荷運転中や低負荷中に動作するよう構成されることを特徴とする、請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 未冷却排ガスをエンジンの入口に案内する手段が、エンジンの高負荷中は動作しないよう構成されることを特徴とする、請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 請求項７から請求項１２のいずれか１項に記載のデバイスを組み込んだ重車両用のディーゼル・エンジン。

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