JP2009513875A - 排気ガス再循環システム - Google Patents

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Abstract

エンジンの吸気および排気システムに連結された流量制御機構。機構は、差圧または圧力脈動の変動にもかかわらず、排気ガスの再循環を達成することができる。制御機構は貯蔵デバイスに連結されてもよい。脈動を使用して、貯蔵デバイスに排気ガスの一部が貯蔵されてもよい。吸気多岐管で必要とされる排気ガスは、排気ガスが補給される間に供給されてもよい。貯蔵部は、圧力脈動に対処する必要および脈動に伴う流量制御機構の従属的調整をなくす可能性がある。
【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、エンジン内の排気ガス再循環(EGR)システムに関する。より詳細には、本発明は、排気ガスのより効率的な再循環に関する。
本発明は、エンジン内で再循環される排気ガスの流れを平滑にする(すなわち、脈動を最小にする)手法である。
内燃機関(たとえば、ディーゼルエンジン)内のエミッションコントロールの場合、エンジンからの排気ガスの一部は、元のエンジンのシリンダ内に向け直されるか、または、再循環されることがある。シリンダ内へのイナート(すなわち、排気ガス)の導入は、対象となる汚染物質であるNOx発生を最小にするか、または、防止する可能性がある。本手法は、排気ガス再循環(EGR)と呼ばれることがある。
EGRシステムは、開ループ、すなわち、エンジン内へ戻る排気ガスの流量を調整することができる、可変ノズルタービン(VNT)のベーン位置などのアクチュエータの調整に依存してもよい。本システムは、EGRシステムに貯蔵デバイスを付加することによって排気再循環を改善することができる。
図1は、本システムの具体的な例を示す。図は、エンジン11および流量制御機構12を有する排気ガス再循環(EGR)機構を有するシステム10を示す。流量制御機構12は、弁、ポンプなどであってよい。最新のエンジンは、厳しいエミッション規制に対処するために、NOxエミッションのエンジン出力エミッションを減らす排気ガス再循環(EGR)を使用する。EGRは、エンジン11の排気ガス14の一部の、元のエンジンへの再循環である。排気ガス14は、吸気多岐管15に入る前に位置18で、または、吸気多岐管15内で、新鮮な空気16と混合されて混合物36になってもよい。その後、新鮮な空気16と排気ガス14の混合物36は、適切な時刻に、吸気ポート19を介してシリンダ17に入ってもよい。この時点での問題は、エンジンからの排気ガス14が、脈動になる可能性があることである。本発明は、有利には、脈動を利用し、再循環用の排気ガスの平滑な流れをそれぞれ多岐管15およびシリンダ17にも提供することができる。これは、エンジンからやってくる排気ガス14を貯蔵することができる貯蔵デバイス42を付加することによって達成されてもよい。脈動中の排気ガスの流れを使用して、貯蔵デバイス42に排気ガスの一部が貯蔵されてもよい。吸気多岐管15の入口34における再循環用の排気ガス43は、貯蔵デバイス42から供給され、一方、同時に、貯蔵デバイス42は、入口流量制御機構44(任意的構成としてもよい)、パイプ41、および排気パイプ28によって、排気多岐管23から排気ガス14を補給されてもよい。インタフェース44は、コントローラ40に接続されたライン45によって制御されてもよい。インタフェース44は、圧力、圧力脈動、および/または流量に応じて、排気ガス14の進入または排気ガス43の流出を制御することができる。インタフェース44は、一定の時刻に、貯蔵デバイス42内への排気ガス14の一方向の流れを可能にする流量制御弁とすることができる。インタフェース44は、排気ガス14の圧力脈動中か、または、排気ガス14が一定の圧力を超えるときに、排気ガス14が、貯蔵デバイス42に入ることを可能にしてもよい。このことは、貯蔵デバイス42内で排気ガスの一定の圧力が達成されることができることを意味する。この改善された圧力は、エンジンの排気システムパイプ28に比べて、吸気システムエリア18の圧力が全体に高くても、排気ガス43を、EGR弁12を通過するのに十分な圧力で補助することができる。貯蔵デバイス42からの出力排気ガス43は、脈動がない可能性がある。一方、デバイス42の入力/出力ポートは、開いているだけであり、流量制御機構12に入ることができる排気ガス14の圧力脈動に対するクッションの役目を果たしてもよい。貯蔵部またはキャパシタンスのデバイス42は、排気ガスの圧力脈動に対処する必要および脈動に伴うEGR弁動作の従属的調整を最小にするか、または、なくす可能性がある。本手法はまた、排気ガス43需要のシリンダごとの変動を制御すること、および、必要に応じて、異なるシリンダ17に異なるレベルのEGR43を提供するのに役立つ場合がある。
図2は、貯蔵デバイス42を有するEGRシステムの別の構成を示す。圧力脈動を有する一部の排気ガス14は、貯蔵デバイス42に入ってもよい。一部の排気ガス14は、流量制御機構12に直接入ってもよい。流量制御機構12に入る、デバイス42からの貯蔵された排気ガス43が存在してもよい。コントローラ40に接続されたライン45によって制御され、デバイス42の入力/出力に位置するオプションのインタフェース44が存在してもよい。インタフェース44は、圧力、圧力脈動、および/または流量に応じて、排気ガス14の進入または排気ガス43の流出を制御することができる。デバイス42の入力/出力ポートは、開いているだけであり、流量制御機構12に入ることができる排気ガス14の圧力脈動に対するクッションの役目を果たしてもよい。
インタフェース44は、一定の時刻に、貯蔵デバイス42内への排気ガス14の一方向の流れを可能にする弁とすることができる。インタフェース44は、排気ガス14の圧力脈動中か、または、排気ガス14が一定の圧力を超えるときに、排気ガス14が、貯蔵デバイス42に入ることを可能にしてもよい。このことは、貯蔵デバイス42内で排気ガスの一定の圧力が達成されることができることを意味する。この改善された圧力は、到来する排気ガス43の圧力が時々減少し、また、エンジンの排気システムパイプ28に比べて、吸気システムエリア18の圧力が全体に高くても、排気ガス43を、EGR弁または流量制御機構12を通過するのに十分な圧力で補助することができる。貯蔵デバイス42からの出力排気ガス43は、脈動がない可能性がある。貯蔵デバイス42は、排気ガス14および43全体の圧力変動を平滑にし、排気システムパイプ28内の排気ガス14に比べて、流量制御機構12の入力において高い全体圧力を依然として提供してもよい。
以下は、本システムの基礎を提供することができる。シリンダに入る前に、または、吸気弁を通してシリンダに入った後に、一定量の燃料が、(キャブレターまたは燃料噴射器によって)混合物36に付加される。この新しい混合物36は、シリンダ17に対して吸気弁25によって許可される吸気サイクル中に、それぞれのシリンダに入ってもよい。その後、吸気弁は閉じ、シリンダ内のピストン21は、シリンダを収容するブロックの頂部に取り付けられた明示的には示されないヘッド構造(ヘッド)にぶつかって混合物36を圧縮する。ヘッドは、ピストンとヘッドとの間の容積を包含するシリンダ17を覆い、シールしてもよい。ピストンが、ヘッドに対して最も近い位置(すなわち、トップデッドセンタ(TDC.))に向かって移動するにつれて、混合物36の容積が減少し、ヘッド内に位置する吸気弁25と排気弁26が閉じたままで、圧力が劇的に増加し、それにより、混合物36の容積のシールが維持される可能性がある。同様に、多岐管15および23は、多岐管をそれぞれの弁25および26に連結するポート19および22を有するヘッドに取り付けられてもよい。弁25および26は、円形であるが、ピストン21の頂部に対してヘッドの向きが傾斜するため、図では長円形に見える場合がある。あるいは、弁25および26は、エンジンのシリンダブロックに取り付けられているそれぞれの吸気および排気多岐管と共に、ブロックの頂部に位置してもよい。吸気弁25および排気弁26は、クランクシャフト24に連結されたカムシャフト(図示せず)によって開閉してもよい。燃料混合物をエンジンにもたらし、排気ガスをエンジンから取り除くための他の機構が利用されてもよい。ほぼヘッドに対するピストンの最も近い位置において、圧縮された混合物36は、(ディーゼルエンジン内での非常に圧縮された混合物の熱またはガソリンエンジン内でのプラグのスパークによって)点火し、膨張し、それにより、ピストン上に大きな圧力を生じ、ヘッドから離れるようにピストンを押す。ピストン21は、燃焼する混合物36のピストンに及ぼす力によって回転するクランクシャフト24に連結され、動力サイクルがもたらされてもよい。ピストンが、ヘッドから最も遠い位置(すなわち、ボトムデッドセンタ(BDC))に近づくにつれて、排気弁26は開き、ピストン21は、シリンダ17を上に逆戻りし、燃焼済み混合物または排気ガス14を、排気ポート22を介してシリンダ17から排気弁26を通して排気多岐管23内に押し出し、排気サイクルをもたらしてもよい。排気弁26は閉じて、吸気弁が開いてもよく、それにより、ピストン21が、次の吸気サイクル中に、ある程度の燃料と共に別の混合物36をシリンダ17内に引き入れることが可能になり、このとき、ピストン21は、ヘッドから離れるようにシリンダ17を下に移動する。クランクシャフト24の次の2回転にわたって所与のピストン21とシリンダ17について、シーケンス、すなわち、吸気、圧縮、動力、および排気サイクルが、それ自体繰り返されてもよい。他のピストン21およびシリンダ17はそれぞれ、同じプロセスを通して進行してもよい。しかし、各ピストンは、クランクシャフト24のほぼ0.5回転から1.5回転だけ他のピストンからずれたサイクルシーケンスを有してもよい。そのため、図1に示す4シリンダエンジン11の場合、クランクシャフト24の各0.5回転中に、ピストン21のうちの1つのピストン21から1動力サイクルが存在してもよい。エンジン11は、代わりに、異なる数のシリンダおよびインライン、「V」または対向シリンダ配置構成などの構成を有してもよい。エンジンは、ピストンを持たない別の種類の内燃機関であってもよい。こうしたエンジンの例は、ワンケルエンジンであってよい。
エンジン11の動力は、ターボチャージャなどの機構によって、混合物36がシリンダ17に入る前に、燃料と共に混合物36を圧縮することによって増加してもよい。エンジン11を出て多岐管23に入る排気ガス14は、排気パイプ28を介してタービンのところに行ってもよい。排気ガス14は、1分当たり比較的高い回転数(rpm)でタービンを回転させる、または、スピンさせてもよい。排気ガス14は、タービンを通過した後、排気パイプを介してターボチャージャを出てもよい。タービンは、次に、シャフトによって、圧縮機タービンを回転させてもよい。タービンは、新鮮な空気16を吸気管を介して引き入れ、多岐管15に連結された管34内に出力してもよい。管34内への空気16の移動は、自然吸気エンジン11の通常の吸気よりはるかに速いため、空気16は、多岐管15を介してエンジンに入るにつれて圧縮される可能性がある。圧縮空気16の圧力がパイプ28内の排気ガス14の圧力より高い場合、排気ガスは、開いた弁12を通過せず、管34または多岐管15内で空気16と混合して、EGRが得られる。ここで、対象となるのはこの差圧である。
EGRは、排気多岐管23または排気パイプ28を、吸気多岐管または空気吸入管34に連結することができる、パイプ35または運搬用の他のデバイスによって達成されてもよい。EGR流パイプ35では、オン/オフ弁、比例流量弁、またはリード弁が、弁12としてパイプ内に位置してもよい。オン/オフ弁または比例流量弁が使用されるとき、EGRを、エンジン11のクランクシャフト24の負荷および速度の関数として調節するために、いずれか一方は、従来の遅い時間スケールで制御されてもよい。どちらの場合も、右方向のEGR流を提供するために、排気圧力は、吸気圧力より大きくあるべきである。吸気圧力および排気圧力は、それぞれ、圧力センサ37および38によって測定されてもよい。圧力センサ37および38は、コントローラ40に接続されてもよい。圧力センサ37および38からの信号を使用して、流量制御機構12の前後の差圧が決定されてもよい。この圧力は、適切に位置する差圧またはデルタ圧力センサによって検出されてもよい。クランクシャフトの速度または回転速度またはカウントは、クランクシャフト24に取り付けられたフライホイール51の近くのセンサ39によって検出されてもよい。センサ39は、コントローラ40に接続されてもよい。弁または機構12は、接続部53によってコントローラ40に接続されてもよい。コントローラ40は、エンジン関連パラメータから、流量制御機構12用の制御信号を計算するときに、数学的モデルおよび適切な制御ロジック、ルックアップテーブル、または他のスキームを使用することもできる。
リード弁が使用されるとき、EGR流は、能動的に制御されない弁の特性に依存してもよい。ディーゼルエンジンなどの、うまく設計された高度にターボチャージングされたエンジン11では、ターボチャージャは、エンジン排気多岐管圧力より高い吸気ブーストを生成してもよい。そのため、排気多岐管23またはパイプ28から吸気管34または多岐管15へ排気ガス14の流れを誘導するために、時間平均された排気多岐管23圧力は、吸気多岐管15圧力を超えて上げられるべきである。これは、本質的に、吸気圧力が排気圧力より高いことが、ターボチャージャの正のポンピング寄与を打ち消し、エンジンによる効率および燃料経済性の喪失をもたらすので、問題になり得る。さらに、排気圧力は、個々のシリンダイベントのために、脈動的である場合があるため、排気からの脈動は、吸気多岐管15に伝達される可能性がある。排気多岐管23圧力が降下し、吸気多岐管15圧力が一時的に、排気より高くなると、圧力脈動中に得られる排気ガス14流の一部が逆流する可能性がある。所望のEGRレートを達成することである正味の結果を得るために、エンジンは、たとえば、パイプ28内で排気ガス14流を閉鎖することによって、「背圧をかけられ(back−pressured)」てもよく、エンジンの燃料経済性喪失をもたらす。さらに、高いレベルのEGRが必要とされるため、燃料経済性ペナルティは増加し、場合によっては、エンジンは、ターボチャージャおよびエンジン11の熱力学の制限のために、必要とされるEGRレベルを達成することができないことになる。
本デバイスまたは弁12は、背圧を増加させることなくEGR流を誘導する問題を解決することができる。これは、排気ガス14圧力が脈動的であること、および、これらの圧力脈動の大きさが、一定期間の間、吸気混合物36圧力を超えるようなものであることを最初に認識することによって達成されてもよい。これらの圧力脈動は、センサ38によって検出されてもよい。好ましくない、または、負の圧力勾配中に管またはパイプ35内のEGR経路を閉じることによって、本流量制御機構または弁12は、逆のEGR流を防止してもよいが、その後、正のまたは順方向圧力中に、流量制限を最小にした状態で経路を再開してもよい。利点は、所望のEGR流を誘導するエンジン背圧要件が下がる、または、なくなる場合があることである。こうして、時間平均された吸気多岐管圧力が、時間平均された排気多岐管圧力よりたとえ高い場合でも、EGRは、「上に向かって(up−hill)」、すなわち、適切な方向に管35を介して排気多岐管23または管28から吸気多岐管15または管34へ流れることができる。流体(たとえば、ガス14)の流れまたは流量は、ライン53によってコントローラ40に接続することができる流量センサによって検出され、測定されてもよい。流量センサは、流量制御機構12の近くの管35内に、または、機構12内に位置してもよい。
この現象を達成するために、本デバイスまたは弁12は、流れエリア、開く時間、および閉じる時間が、好ましい圧力脈動に一致するように制御できるように、制御可能に開く「窓(window)」エリアを有してもよく、したがって、順方向流が起こることになるときだけ、かつ、所望のEGR流量に適合する継続期間の間だけ開く。弁は、可動の機械式障害物による窓の開閉によって、流体(すなわち、ガスまたは液体)の流れを非常に高速に制御してもよい。
弁12の開放エリアおよびタイミングは、シリンダごとに制御されて、各排気脈動についてカスタマイズされたEGR流が達成され、また、EGR流が各脈動に関して公称上等しくされてよい。各シリンダは、接続ライン52によってコントローラ40に接続された個々の圧力センサ(図示せず)を有してもよい。これは、排気ガス再循環レートのサイクルごとの変動およびシリンダごとの変動をもたらす排気脈動の強度のサイクルごとの有意な変動が存在する場合に特に有用である場合がある。そのことは、シリンダが異なる量の動力を提供する場合、シリンダのそれぞれから同じ量の動力が得られるように、調整されかつさまざまな量でタイミングを合わせて、再循環ガスがシリンダのそれぞれに供給されることができることを意味する。シリンダからの動力のこの均等性は、走行が非常に平滑でかつ効率的なエンジンをもたらす可能性がある。
所与のシリンダイベントからのエミッションが、EGRレートに対して特に感度が高いため、排気圧力脈動強度の関数としてのEGRレートの制御は、エミッション、経済性、および動力の点で特に有益である場合がある。この制御戦略は、いろいろな他の種類のセンサの使用によって強化されてもよく、それらのセンサは、エンジンシステムの衝撃、振動、脈動、温度、混合物、および他のパラメータを測定するのに使用されてもよい。これらのセンサからの信号は、プロセッサまたはコントローラに入力されて、有効なEGRのための適切な信号を流量制御機構12に供給してもよい。EGR流量制御は、数学的モデルと適切な制御ロジックと共に、圧力センサおよび/または他の関連するセンサの使用に基づいてもよい。コントローラ40は、上述した圧力センサおよび/または他の関連するセンサからのパラメータ信号に基づくEGR流制御のために、数学的モデルと制御ロジックを組み込んでもよい。
本明細書では、事柄の一部は、別の方法または時制で述べられていても、仮説的または予言的なものであり得る。
本発明は、少なくとも1つの具体的な例に関して述べられたが、本明細書を読むことによって、多くの変形および変更が、当業者に明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、全てのこうした変形および変更を含むように、従来技術を考慮してできる限り広い範囲で解釈されることが意図される。
貯蔵機構を有するEGRシステムを有するエンジンの図である。 図1のEGRシステムの別の構成の図である。

Claims (20)

  1. 排気ガス再循環システムであって、
    入力ポートと出力ポートを有する流量制御機構と、
    前記流量制御機構の前記入力ポートに連結された出力ポートを有する貯蔵デバイスとを備える再循環システム。
  2. 請求項1に記載のシステムであって、
    前記流量制御機構の前記出力ポートは、エンジンの吸気システムへの連結のためにあり、
    前記貯蔵デバイスの前記入力ポートは、前記エンジンの排気システムへの連結のためにあるシステム。
  3. 請求項2に記載のシステムであって、前記流量制御機構に接続されたコントローラをさらに備えるシステム。
  4. 請求項2に記載のシステムであって、前記貯蔵デバイスは、前記貯蔵デバイスの前記入力ポートに連結された流量制御弁を有するシステム。
  5. 請求項4に記載のシステムであって、前記流量制御弁は、前記貯蔵デバイス内への排気ガスの一方向の流れを可能にするシステム。
  6. 請求項5に記載のシステムであって、前記流量制御機構は、排気ガスが、前記排気ガスの圧力脈動中に、前記貯蔵デバイスに入ることを可能にするシステム。
  7. 請求項6に記載のシステムであって、前記流量制御機構は、前記コントローラに接続されるシステム。
  8. 排気ガスを再循環させる方法であって、
    排気ガスの一部分を、エンジンからチャンバへ送るステップと、
    前記排気ガスを、前記チャンバから前記エンジンの吸気システムへ運搬するステップとを含む方法。
  9. 請求項8に記載の方法であって、前記吸気システム内で、前記排気ガスを空気と混合するステップをさらに含む方法。
  10. 請求項9に記載の方法であって、前記排気ガスの一部分は、前記エンジンからの排気ガスの圧力脈動による方法。
  11. 請求項10に記載の方法であって、前記チャンバから前記吸気システムへの前記排気ガスの運搬を制御するステップをさらに制御する方法。
  12. 請求項11に記載の方法であって、コントローラによって、前記排気ガスを運搬することを制御する方法。
  13. 排気ガス再循環システムであって、
    入力と出力を有する流量制御機構と、
    前記流量制御機構の前記入力に連結された出力および入力を有する貯蔵デバイスとを備える再循環システム。
  14. 請求項13に記載のシステムであって、前記流量制御機構の前記入力は、エンジンの排気システムへの連結のためにあり、
    前記流量制御機構の前記出力は、エンジンの吸気システムへの連結のためにあるシステム。
  15. 請求項14に記載のシステムであって、前記流量制御機構に接続されたコントローラをさらに備えるシステム。
  16. 請求項15に記載のシステムであって、
    前記流量制御機構の前記入力の第1圧力センサと、
    前記流量制御機構の前記出力の第2圧力センサとをさらに備え、
    前記第1および第2圧力センサは前記コントローラに接続されるシステム。
  17. 貯蔵部を有するオンデマンドEGR制御装置であって、
    エンジンの吸気部に連結するための出力を有する排気ガス再循環弁と、
    エンジンの排気部に連結するための入力を有し、前記排気ガス再循環弁の入力に連結された出力を有するコンテナとを備える制御装置。
  18. 請求項17に記載の制御装置であって、前記コンテナは、排気ガスの圧力脈動を吸収するためにある制御装置。
  19. 請求項18に記載の制御装置であって、前記コンテナの前記入力にインタフェース機構をさらに備える制御装置。
  20. 請求項19に記載の制御装置であって、前記インタフェース機構は、一定圧力を超える排気ガスの前記コンテナ内への進入を可能にする制御装置。
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