JP2007505248A - ピストン型内燃エンジン - Google Patents

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Abstract

本発明は、空気をエンジンの燃焼室に供給するためのインテークライン（２０）と前記燃焼室から排気ガスを除去するための排気システム（１５，２２）を備えるピストン型内燃エンジン（１０）に関する。排気システムは、車両を推進させるための種々の負荷と共に機能するようにされた、環境に有害なエンジンからの排出物を減少させるための装置（２９，３０）を有する。排気システム（１５，２２）は、環境に有害な排出物を減少させるための、バルブ（２４）によって制御され、前記装置（２９，３０）の少なくとも一部をバイパスさせるブランチパイプ（２６）を有する。バルブ（２４）は、エンジンの全負荷範囲の一部において排気ガス流を前記ブランチパイプ（２６）に導くように制御される。該エンジンは、エンジンの全負荷範囲の前記一部において許容可能な排出物を与えるように最適化される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの燃焼チャンバーに空気を送るためのインテークラインと、前記燃焼チャンバーから排気ガスを除去する排気システムを持つピストン型内燃エンジンに関し、前記排気システムは、エンジンから環境に有害な排出物を減少する装置を有し、この装置は車両を推進させるための種々の負荷と共に機能するように意図されている。
ディーゼルエンジンの法的要求は厳しくなってきており、特に、酸化窒素の汚染物質と微粒子の排出に関して引き続き厳格になってきている。
エンジンシリンダ内での燃料の燃焼によって生成される酸化窒素の量は燃焼温度に依存している。より高温になるほど、大気中の窒素が酸化窒素に変換される割合がより大きくなる。生成される二酸化窒素の量を減らす既知のエンジンベースの方法としては、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ）があり、特に、燃焼温度を減少させることができる冷却ＥＧＲがある。しかしながら、この方法は、高負荷でエンジンが作動しているときは、法規制に適合するには十分でない。この冷却排気ガス再循環（ＥＧＲ）の方法は、特に、高負荷の場合は、エンジンと車両の冷却システムに高い負荷を与える。このことは、低い排出量を達成しつつ高い出力を得るということに対して限界を与えることになる。排気ガスの後処理に基づく二酸化窒素の量を減少させるための他の既知の方法は、いわゆるＮＯｘトラップ（リーンＮＯｘ吸収体、ＬＮＡ）があり、エンジンが過剰酸素で稼働している間にＮＯｘを貯蔵するようにするものである。このＮＯｘトラップは、例えば特許文献１に記載されているように、エンジンを酸素が不足した状態、即ち、過剰燃料混合及び／又は少ない空気流の状態で駆動させることによって再生される。この方法は、煤が増加し、エンジン潤滑オイルが汚れ、或いは潤滑オイルが燃料により希釈されて排気ガス温度が高くなって排気システムに有害をもたらすような状態でエンジン負荷に一定の増加をもたらす。更に、ＬＮＡシステムは、通常は高負荷あるいは中負荷を意味する略３００℃を超える排気ガス温度で通常は最良に機能するため、ＬＮＡシステムが低負荷又は部分的負荷で効率的に作動するにはある程度の問題が生じる。
酸化窒素を減らすための他の知られている方法としては、ＬＮＣ（リーンＮＯｘ触媒）があり、これはリーンバーン条件で酸化窒素を連続的に減少させるものである。例えば、特許文献２に見られるように、ウレアＳＣＲ（選択的触媒減少）も、また、ＮＯｘを減らすために使用される。
米国特許第５４７３８８７号明細書 米国特許第５５４００４７号明細書
したがって、本発明は、ＬＮＡ，ＬＮＣ，ウレア−ＳＣＲ及び煤煙粒子フィルタのような排気後処理システムの機能を改善し、経済的な使用を可能とする内燃エンジンを製造することを目的とするものである。
上記目的は、請求項１の特徴部分によるエンジンによって達成される。
本発明は、添付した図面に示される例示的な実施例を参照にしてより詳細に説明される。
内燃エンジン１０は、吸気マニホルド１３と排気マニホルド１４を備える６個のピストンシリンダ１２を持つエンジンブロック１１から成る。エンジンからの排気ガスは排気ライン１５を経てターボチャージャユニット１６のタービンロータ１７に供給される。タービンシャフト１８はターボチャージャユニットのコンプレッサホイール１９を駆動し、このコンプレッサホイールはインテークライン２０からの流入空気を加圧してエアーインタークーラ２１を経由して吸気マニホルド１３に供給する。燃料はインジェクション装置（図示せず）を経由して各シリンダ１２に供給される。図は６気筒エンジンを示しているが、本発明は他の気筒形態のエンジンにもまた使用することができる。
ターボチャージャユニット１６を通して流れた排気ガスは排気ライン２２を経て酸化フィルタ装置２３に導かれ、排気ガス流から粒子が分離される。このフィルタ装置の下流には３方向バルブ２４があり、このバルブは、先行技術に従い、並列して走り、下流の位置２７において合流する２本のブランチパイプ２５又はブランチパイプ２６に排気ガスを導く。排気ガスの流れは、その後、いわゆるクリーンアップユニット２８を経由して大気中に導かれ、このクリーンアップユニットは、排出残渣（ＨＣ，ＣＯ，等）を酸化（燃焼）させる酸化触媒コンバータを有している。このユニットは設置される要請（システム設計）にしたがって種々の形態をとることができる。
本発明の第１の実施例によれば、ブランチパイプ２５はディーゼル燃料を排気ガス流に混合するための装置２９とその下流のＬＮＡ反応器３０の形態のＮＯｘトラップを有している。これは、エンジンの通常の温度範囲内でのリーンバーン動作の間にＮＯｘを吸着し結合する物質を有している。高温においては吸収より再生が起こり、３方向バルブ２４が排気ガスの大部分をブランチパイプ２６（バイパス）を通し、ほんの僅かの量の変化させることのできる２次流れをブランチパイプ２５に流し、装置２９がガス状となったディーゼル燃料を供給して排気ガス流に混合し、先行技術に従い、結合した酸化窒素を転換してＮ２として放出させる。
エンジン１０は、排気ガスをパイプライン３１を経てエンジンの取入口側にいわゆるＥＧＲガスとして戻し、先行技術に従う酸化窒素の排出を減少させるためのシステムを有している。このラインは、遮断バルブとＥＧＲの流れを調整する調整バルブとして機能するバルブ３２を有している。また、ＥＧＲガスを冷却するための冷却器３３もある。このＥＧＲシステムは、例えば、３０％−６０％程度の流量を再循環させることができる（入口ハウジング２０のガスは３０％−６０％の再循環される排気ガスで、残りが４０％−７０％のフレッシュエアである）。エンジンが低負荷で作動しているときは、これは過負荷をかけることない実効性のある冷却システムとなる。一方、ｐｍｅ＝１０−１５バール程度又はそれ以上の実効平均圧力を伴う高いエンジン負荷においては、これらの高いＥＧＲ流量率は通常は設計されないような車両の冷却システムへの高い負荷をもとらす結果となる。エンジンの内部構造は、また、高いＥＧＲ濃度を生じるような高いシリンダ圧力のための設計とはされていない。
エンジンが低負荷で作動して、入口ケーシング２０のガスの成分が３０−６０％のＥＧＲである場合、例えば、いわゆる均質チャージコンプレッションイグニション（ＨＣＣＩ）燃焼を使用することにより、非常に低い排気ガスであるＮＯｘと煤の両方の放出を達成することができる。例えば、０．５ｇ／ｋＷｈ以下のレベルのＮＯｘと理論的に煤のない燃焼が達成できる。エンジンが高負荷で作動しているときは、ＥＧＲシステムは、他の物の間においては、制限的であり、ＮＯｘトラップは必要なＮＯｘの低減を与えるように設計される。
バルブ２４と３２は、入力データをもとにエンジンを制御するための制御プログラムと制御データを含むエンジン制御ユニットに接続されている。このエンジン制御ユニットは、例えば、エンジン速度と加速器のペダルの位置を検出するセンサに接続されている。このエンジン制御ユニットは、低負荷においては排気ガス流はブランチパイプ２６を通って流れるようにバルブ２４を制御するように設計されている。この負荷の範囲では、排気ガス放出は更なる後処理を必要としない許容レベルにある。その他の負荷の範囲では、排気ガスの流れはブランチパイプ２５を通るように導かれＮＯｘはＮＯｘトラップに貯蔵され、先行技術にしたがって周期的に再生される。
本発明による内燃エンジンを設計することは排気ガスの後処理システムがエンジンの作動に及ぶインパクトが最小とあることを意味する。ＮＯｘトラップは有利な温度の範囲（中間及びフル負荷）で機能することができ、再生ガス（炭化水素、Ｈ２及びＣＯ）が点火され、同時に起こる副産物の生成が最小に抑えられる（低温、即ち３００℃以下におけるＮＯｘの転換において、ＮＨ３とＮ２Ｏが生成される）。エンジンが低負荷、例えば、ｐｍｅ＝２バールの場合、ターボチャージャの下流の排気ガス温度は２００℃程度である。実効平均圧力が略ｐｍｅ＝５バールで作動している場合にのみ、ターボチャージャの下流の排気ガス温度は３００℃程度のレベルに到達する。低負荷においては再生は問題とならないため、燃料の消費は抑えられる。ＮＯｘトラップは、また、老化が抑制され、したがって、より小さい体積に設計することができ（ＵＳＡ ＥＰＡ Ｈｅａｖｙ Ｄｕｔｙ Ｅｎｇｉｎｅ ２００７ Ｆａｍｉｌｙ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｅｖｅｌ （ＵＳ０７）に従う規制については３０リットル未満、エンジンとの組合せにおける４０％のＮＯｘ転換については略２０リットルで、偏差は１２リットル程度であり、略３００−３５０ｋＷの最高出力を持つ）、必要とされる貴金属を少なくすることができる（１００ｇ／ｆｔ３未満）。エンジンはさらにＬＮＡ再生のためにリッチに作動させる必要はなく、これは燃料によって潤滑油が薄められることに関連する負荷を減少するか、或いは、燃焼チャンバー内で多量の煤を含む排気ガスの生成を減少する。多量の煤煙の生成は排気ガスに煤が混入し、潤滑油の汚染や品質の劣化の原因となる。ＮＯｘトラップが高負荷においてＮＯｘを減らすことができるという事実は、エンジンの冷却と過給システムの設計により自由度を与え、コストの低減とより良好なエンジンの設置問題の解決をもたらす。
再生はより頻繁に実効される必要があるという点から、ＮＯｘトラップのために触媒コンバータの容量（ＬＮＡ）を設計するとき、触媒コンバータ容量が小さくなるほど燃料損失は大きくなるというのは通常正しい。本発明による解決策によれば、ＮＯｘトラップの容量を少なくすることを燃料損失の増加による出費をしてまで達成する必要がなく、ＮＯｘトラップの寿命によって生ずる通常の燃料損失も最小限にすることができる。
排気ライン２２は、例えば、いわゆるＳＯｘトラップのような脱硫装置３４を備えるようにすることができる。この装置はフィルタ装置２３と３方向バルブ２４の間に設けられる。脱硫装置は、通常のエンジンの温度範囲内でのリーンバーン運転状態においてＳＯｘを吸収結合する物質を有する。もし望むなら、装置３４は高い温度で再生され、２方向バルブ２４は排気ガス流をブランチパイプ２６に導く。したがって、ＮＯｘトラップは酸化硫黄による汚染から保護され、ＮＯｘトラップの酸化硫黄の再生処理を行う必要がない。酸化硫黄の汚染と酸化硫黄の再生は、ＬＮＡ反応器の寿命に影響を与え、またそれらの性能にマイナスの効果を与えるという厳しい要因となることは知られている。
図２に示された本発明の第２の実施例によれば、ブランチパイプ２５は減量剤である尿素又はアンモニアを、排気ガス流内で下流のＳＣＲ触媒コンバータ３０に混入するための装置２９を備えている。３方向バルブ２４が排気ガス流をブランチパイプ２５に導き、装置２９が尿素又はアンモニアを添加し、これがＳＣＲ触媒コンバータ内のＮＯｘと反応してＮ２を生成することにより、再生が連続的に行われる。
バルブ２４と３２は、入力データに基づいてエンジンを制御するための制御プログラムと制御データを有しているエンジン制御ユニットに接続されている。このエンジン制御ユニットは、例えば、エンジン速度と加速ペダル位置を検出するセンサに接続されている。このエンジン制御ユニットは、低負荷においては排気ガス流をブランチパイプ２６を通して導くように、バルブ２４を制御するために設計されている。この負荷の範囲においては排気放出物は更なる後処理を必要としない許容できるレベルにある。他の負荷の範囲においては、排気ガス流はブランチパイプ２５に導かれ、ガス流はＳＣＲ触媒コンバータを通されて先行技術にしたがって連続的に減量される。
本発明により内燃エンジンを設計することは、排気ガスの後処理システムがエンジンの作動に与える影響を最小にすることを意味する。ＳＣＲ触媒コンバータは有利な温度範囲（中間及び全負荷）で機能することができる。エンジンが低負荷、例えば、ｐｍｅ＝２バールの場合、ターボチャージャの下流の排気ガス温度は２００℃程度である。実効平均圧力が略ｐｍｅ＝５バールで作動している場合にのみ、ターボチャージャの下流の排気ガス温度は３００℃程度のレベルに到達する。低負荷においてはＮＯｘの減量は問題とならないため、ＳＣＲ触媒コンバータが高いＮＯｘの減量を与える最良の温度範囲で機能する。更に、低温度において、ＳＣＲ触媒コンバータがアンモニアを蓄積するこが妨げられ、そうでない場合は、負荷の過渡時期に排気システム内を前方に導かれる。高負荷においてＳＣＲ触媒コンバータがＮＯｘを減少することができるという事は、エンジンの冷却と過給システムの設計により大きな自由度を与え、コストの低減とエンジンの良好な設置について大きな利点を与える。更なる利点は、この後処理システムを持つエンジン車両が、たとえＳＣＲ触媒コンバータの減量剤が消費され尽くしても、一時的には高負荷で運転できないようにエンジン出力が低減されるという点から、法規制に従って運転できるという事実である。
フィルタ装置２３が、ＳＣＲ触媒コンバータ（又はＬＮＡ又はＬＮＣ）にとって有害な排気ガス温度を生み出すようにして再生されると、３方向バルブ２４とブランチパイプ２６がこれらの排気ガスをＮＯｘ減量触媒コンバータを通すようにし、それによりこれを寿命劣化から
保護する。
図３に示された本発明の第３の実施例において、ＳＣＲシステムがＬＮＣシステムによって置き換えられている。このケースでは、フィルタ装置２３は３方向弁２４の上流（図２のように）又は下流に設けることができる。フィルタ装置２３の上流にＬＮＣシステムを設けることにより、３方向バルブは、排気ガスをＬＮＣ触媒コンバータを経てフィルタに向かわせることによって、ＮＯｘ後処理システムを保護するように使用される。フィルタの再生において、フィルタ装置２３の下流に位置するＮＯｘ後処理システムには有害である７００℃を超える温度が生じる。このような場合には、高温の排気ガスはブランチパイプ２６を経てＮＯｘ後処理システムをバイパスする。脱硫装置３４がバルブ２４の上流に設けられる。
本発明は上述の実施例に限られるものとみなされてはならず、更なる改良と変形が以下のクレームの範囲を離れない範囲で可能である。
本発明の第１の実施例による内燃エンジンの概略図である。 本発明による第２の実施例を示す。 本発明による第３の実施例を示す。

Claims (9)

  1. 空気をエンジンの燃焼室に供給するためのインテークライン（２０）と前記燃焼室から排気ガスを除去するための排気システム（１５，２２）を備えるピストン型内燃エンジン（１０）であって、前記排気システムは、車両を推進させるための種々の負荷と共に機能するようにされた、環境に有害なエンジンからの排出物を減少させるための装置（２９，３０）を有し、
    前記排気システム（１５，２２）は、環境に有害な排出物を減少させるための、バルブ（２４）によって制御され、前記装置（２９，３０）の少なくとも一部をバイパスさせるブランチパイプ（２６）を有し、エンジンの全負荷範囲の一部において排気ガス流を前記ブランチパイプ（２６）に導くようにされ、且つエンジンの全負荷範囲の前記一部において許容可能な排出物を与えるようにエンジンが最適化されるように前記バルブ（２４）が制御されることを特徴とする、ピストン型内燃エンジン。
  2. 前記エンジンの全負荷範囲の前記一部は主としてエンジンの低負荷範囲を含むことを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
  3. 前記ブランチパイプ（２６）は、エンジンからの酸化窒素排出物を減少させるための所謂ＮＯｘトラップ（リーンＮＯｘ吸収体）（３０）と並列して接続され、排気ガス中に前記トラップを再生させる燃焼可能な物質を注入する注入装置（２９）が前記バルブ（２４）と前記ＮＯｘトラップ（３０）との間に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃エンジン。
  4. 前記ブランチパイプ（２６）はＳＣＲ触媒コンバータ（３０）を有する排気ガス後処理システムと並列して接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃エンジン。
  5. 再生可能な粒子フィルタ（２３）がバルブ（２４）の上流に設けられ、排気ガス流が前記ブランチパイプ（２６）を通して導かれている間に再生が可能とされることを特徴とする請求項４に記載の内燃エンジン。
  6. 前記ブランチパイプ（２６）はＬＮＣ触媒コンバータ（３０）を有する排気ガス後処理システムと並列に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃エンジン。
  7. 再生可能な粒子フィルタ（２８）が、ブランチパイプ（２６）と排気ラインを含むＬＮＣ触媒コンバータ（３０）が結合する点（２７）の下流に設けられ、排気ガス流が前記ブランチパイプ（２６）を通して導かれている間に粒子フィルタの再生が可能とされることを特徴とする請求項６に記載の内燃エンジン。
  8. バルブ（２４）の上流に脱硫装置（３４）が設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃エンジン。
  9. システム（３１−３３）は内燃エンジンの温度を低下させるためにエンジンの前記インテーク側に冷却された排気ガスを戻すように設計されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の内燃エンジン。
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