JP2014517191A - 排気ガス後処理システムを運転温度範囲内に保つための方法及び内燃エンジンシステム - Google Patents

Abstract

本発明は内燃エンジンのアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に排気ガス後処理システム（１４）を運転度範囲内に保つための方法である。前記方法は、(i)前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）のガス及び／又は排気ガスの温度を検知するステップと、(ii)検知された温度が所定の温度間隔内であるか、又は所定の温度閾値以下であるかどうかを決定するステップと、(iii)前記内燃エンジン（１）がアイドリング又はモータリングエンジン運転モードであるかどうかを決定するステップと、(iv)前記内燃エンジン（１）がアイドリング又はモータリングエンジン運転モードであると決定された場合、前記少なくとも１つの弁（２２，２４）を制御することにより、排気ガスを前記接続ダクト（２０）を通って再循環させることによって、前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）のガスの温度が前記所定の温度範囲内又は前記所定の温度閾値以下になるように制御するステップとからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃エンジンのアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に排気ガス後処理システム（「ＥＡＴＳ」）を運転温度範囲内に保つための方法及び内燃エンジンシステムに関しており、内燃エンジンは、排気ガス後処理システムに接続され、ガス吸入側及び排気ガス出口側を備えており、内燃エンジンの排気ガス出口側は、排気ガスダクトを介して排気ガス後処理システムと、内燃エンジンのガス吸入側への排気ガスのガス再循環を提供する接続ダクト及び排気ガスの再循環を制御する少なくとも１つの弁を介してガス吸入側とに接続される。本発明は、更に、上記の当該方法に関連したコンピュータプログラム製品に関する。

本発明は、更に、上記の当該方法に関連したコンピュータプログラム製品と同様に、排気ガス再循環（ＥＧＲ）実行手段を持たない内燃エンジン（即ち、いわゆる「非ＥＧＲエンジン」）を有し、非ＥＧＲエンジンの排気ガス出口側に接続された排気ガス後処理システムの温度を制御するための温度制御システムを備えた車両を改造するための改造キット及び改造方法に関する。

車両の内燃エンジン、特にヘビーデューティーディーゼルエンジンの現在及び将来の排出レベルにおいて、排気ガスの後処理は排出量と総燃料消費量の両方に関して重要性が増している。車両の運転しやすさや信頼性もまた、これらの排出基準を満たすのに用いられる様々な方法に影響を受ける。

既知の方法の１つは、通常は触媒又は粒子フィルタの形式のいわゆる排気ガス後処理システムの使用である。これらの触媒後処理システムは、例えば２５０℃〜４５０℃の適切な温度範囲内で作動し、この温度範囲は、車両の通常の運転状態の間は容易に維持される。

しかしながら、内燃エンジンの特定の運転状態では、実際の排気ガス温度が当該温度範囲に維持することができないほど低くなる。これらの運転状態は、以下、明細書及び特許請求の範囲においては「アイドリング又はモータリングエンジン運転モード」と呼び、以下の段落において更に詳細に説明する。

「アイドリングエンジン運転状態」は、エンジンがアイドリング速度で動作している全てのエンジン運転モードを表す。アイドリング速度は、エンジンが駆動系から切り離され、内燃エンジンのアクセルが解除された際にエンジンが動作している回転速度である。通常、回転速度は、エンジンのクランクシャフトの毎分回転数（即ち、ｒｐｍ）で測定される。アイドリング速度において、エンジンが発生する動力は、適度に円滑に動作し、その付属機器（ウォーターポンプ、オルタネータ、及び、備えている場合は、パワーステアリング等のその他の付属品）を操作するのには十分だが、通常は、車両を動かすような重作業を行うには不十分である。トラックや自動車等の車両にとって、アイドリング速度は、慣例上、６００ｒｐｍ〜１，０００ｒｐｍである。例えアクセルが解除されても、エンジンをかけっぱなしにするために一定量の燃料が内燃エンジンに噴射される。

エンジンが多数の付属品（特に、空調）を操作している場合、エンジンが円滑に動作し、付属品を運転するのに十分な動力を発生することができるようにすべく、アイドリング速度を上げなければならない。従って、大部分のエンジンは、キャブレーター又は燃料噴射システム内に、より多くの動力が必要な場合にアイドリング速度を上げる自動調整機能を有している。

「モータリングエンジン運転モード」は、エンジンは一定の回転速度（ｒｐｍ）以上で動作しているが、燃料はエンジンに噴射されないエンジン運転モードとして定義される。モータリングエンジン運転モードの一例は、エンジンがドラッギングしている場合、即ち、車両（通常は、エンジンによって駆動される）が坂を下って惰性走行している場合である。そのモードの間は、アクセルも解除されているが、エンジンは駆動系に連結されたままであって、変速機主軸の駆動力によってエンジンがかけっぱなしになっている。

上記したアイドリング又はモータリング運転モードの間、エンジンは、原則として、周囲温度の新鮮な空気を排気システムに送給するが、それによって、不都合なことに、排気ガス後処理システムが制御されていない（且つ望ましくない）方法で「空冷」される。

つまり、触媒排気ガス後処理システムの温度が２５０℃以下に急速に降下するため、効果的な排気ガス後処理をこれ以上行うことができないということになる。従って、現状技術において、排気ガス後処理システムの温度を維持すべく、排気ガス流に配置された酸化触媒に炭化水素（即ち、燃料）を供給して、排気ガスの温度を上昇させることが提案されている。そのためには、通常運転中の酸化触媒の平均温度を上げることが必要である。つまり、酸化触媒の温度が２５０℃以上である間ずっと炭化水素を酸化触媒に噴射して、エンジンがアイドリング又はモータリングエンジン運転モードである期間を補う必要がある。従って、この方法は、燃料消費量の増加と、結果的に、燃料消費コストの増加を引き起こす。

更に、排気ガス流の温度があまりに低い場合は、排気ガス後処理システムの温度を維持するために、より多くの炭化水素（即ち、燃料）が必要とされる。従って、排出制御要件の増加によって、しばしば、内燃エンジンの効率損失が生じていた。従って、エンジンの効率及び車両の総燃料消費量に悪影響を与えることなく、効果的な排気排出制御を可能にする方法を提供することが重要である。

排気ガス後処理システムの使用に加えて、燃焼エンジンの排出量、特に排気ガスの窒素酸化物の量を低減するための更なる実行手段は、排気ガスの再循環（いわゆる、ＥＧＲ）である。それにより、内燃エンジンの総排気ガス流の一部が再循環される。そのようなＥＧＲシステムを備えた内燃エンジンは、「ＥＧＲエンジン」とも呼ばれる。排気ガスの再循環された副流は冷却されてからＥＧＲエンジンのガス吸入側に供給され、そこで流入空気と混合され、その後に混合気がＥＧＲエンジンのシリンダに導入される。高温の排気ガスを再循環させると、ＥＧＲエンジンのガス吸入側の温度がＥＧＲエンジンに損傷を与えかねないレベルまで上昇することになるので、再循環された排気ガスの冷却はＥＧＲエンジンの必要条件である。更に、十分なＮＯｘ還元を生じるためには、ＥＧＲエンジンの全質量流量の１５〜３０％の範囲の排気ガス量の再循環が必要である。

特許文献１では、ＥＧＲエンジン、即ち、ＥＧＲシステムを備えた内燃エンジンにおいて、排気ガス後処理システムの温度を維持するために再循環された排気ガス流を用いることが提案されている。上記のように、温度の維持は主にアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に生じる問題なので、車両のブレーキシステムもスロットル制御機構も作動していないこと、また車両が所定の速度制限を上回る速度で駆動されていることを最初に検出することが提案されている。もしもそのような状態が検出されると、既知のシステムでは、ＥＧＲ再循環ダクトを通る排気ガス流量は、ＥＧＲ再循環ダクト内に配置されたＥＧＲ弁を利用して、ＥＧＲ再循環ダクトのＥＧＲ弁を閉じた場合に、排気ガス後処理システムへの主排気ガス流量が排気ガス後処理システムへの当該主排気ガス流量の実質的に５０％未満のレベルまで減少するように調整される。これらのモータリングエンジン運転モード中に排気ガス後処理システムを流れる排気ガスの大幅な削減によって、排気ガス後処理システムの熱損失を防止する。

不都合なことに、説明した方法は、排気ガス再循環手段を持たない「通常の」内燃エンジン、即ち、いわゆる「非ＥＧＲ」エンジンに使用することができない。これらのエンジンは、例えば、ユーロ５基準の規定以下の排出レベルを有する車両に広く利用されている。更なる欠点は、ＥＧＲシステムが、ＥＧＲエンジンの作動及び再循環される排気ガスの量を制御する複数の要素（例えば、弁、センサ、排気ガス冷却器等）からなっていることである。これらの制御システムは、特許文献１に記載されたような更なる制御機構がなくても既にそれらの構造及び操作がかなり複雑である。そのような付加制御機構の実装により、ＥＧＲエンジンの全システムの故障確率、更には当該システムの全体的なコストが増加することになる。

国際公開第２００７／０３２７１４号

従って、本発明の目的は、燃料消費量の増加及びエンジンの効率の低下を伴うことなく、排気ガス後処理システムを運転温度範囲内に保つ実行手段を提供する、非ＥＧＲエンジンと共に使用される単純且つ費用効果的な温度制御方法及びシステムを提供することである。

排気ガス後処理システムを運転温度範囲内に保つというこの目的は、請求項１（方法に関する）及び請求項１０（内燃エンジンシステムに関する）に記載の方法及び内燃エンジンシステム、並びに、請求項１５及び１９に記載の非ＥＧＲエンジンを有する車両のための改造キット及び方法、及び請求項２０に記載のコンピュータプログラム製品によって解決される。請求項に係る発明の有利な実施形態及び更なる発展形態は、従属請求項において説明される。

本発明は、接続ダクトを用いて非ＥＧＲエンジンの排気ガス出口側をエンジンのガス吸入側に接続して、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中のみに排気ガスをエンジンの排気ガス出口側からエンジンのガス吸入側に再循環させる、及び、エンジンのガス吸入側で検知されたガス及び／又はエンジンのアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中の排気ガスの温度のみに応じて排気ガスの再循環を制御するという考えに基づいている。この解決法の利点は、内燃エンジンが、周囲温度の新鮮な空気だけでなく、空気と再循環された高温の排気ガスの混合気を排気ガス後処理システムに送給することである。その結果、排気ガス後処理システムに入る排気ガス混合気中の新鮮な空気による望ましくない強制冷却効果がかなり軽減され、内燃エンジンがアイドリング又はモータリングエンジン運転モードである期間に排気ガス後処理システムが運転温度範囲内に保たれる。

既知のＥＧＲエンジンの設計及び動作とは対照的に、本発明においては、接続ダクトがアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中のみに排気ガスの再循環を提供する。当然ながら、本発明の内燃エンジンシステムの設計によって、当該エンジンの「通常」エンジン運転モード中にも一定量の排気ガスを再循環させることが考えられるが、この種の再循環はＥＧＲエンジンを用いた排出制御とみなすには制御が不十分である。

本発明における車両のアクセル（例えば、ガスペダル）が作動するとすぐに、非ＥＧＲエンジンの排気ガスの再循環が終了するが、これは、詳細には、排気ガスがこれ以上再循環することができないように接続ダクトが閉じるからである。このことは、ひいては、ＥＧＲによる（ＥＧＲエンジンによって行われる）ＮＯｘ還元が本発明では意図されておらず、偶然に生じる可能性があるだけであることを意味している。更に、再循環された排気ガス量の高度な冷却及び制御が、通常エンジン運転モード中にＥＧＲエンジンで起こるＮＯｘ還元反応にとって必要だが、本発明では不可能である。

ＮＯｘ還元は比較的低温でのみ実行することができる。燃焼温度が高ければ高いほど、ＮＯｘ量が多くなる。排気ガスの再循環は酸素量を減少させ、更には燃焼温度を低下させることになる。しかしながら、未冷却の排気ガスの再循環（本発明において用いられる）はエンジンの温度を上昇させるため、ＥＧＲエンジンで用いられる所望のＮＯｘ還元プロセスが否定される。そのため、既知のＥＧＲエンジンではこれを避けなければならない。更に、本発明において、排気ガスが再循環されるのは、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中だけであって、「通常」エンジン運転モード中、即ち、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード以外のエンジン運転モード中ではないので、ＮＯｘ還元を達成することができない。

上記したように、本発明において、排気ガス再循環は、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中のみに実行される。これは、ひいては、接続ダクト内の冷却器も排気ガス再循環の高度な制御も必要ないことを意味している。そのため、再循環された排気ガスは、ＥＧＲエンジンに必要とされるような冷却はされず、「そのまま」単純に再循環される。本発明の最も単純な実施形態の１つでは、接続ダクトが単純な開閉弁を備え、この開閉弁が、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中は開き、他の全てのエンジン運転モード中は閉じることができる。高すぎる温度によって内燃エンジンに損傷を与えないように、燃焼エンジンのガス吸入側のガス及び／又は排気ガスの温度が検知され、検知されたガス温度が所定の温度閾値を超える場合は、例え燃焼エンジンがまだアイドリング又はモータリングエンジン運転モードで動作中であっても、接続ダクトが閉じられる。

更なる好適な実施形態によれば、排気ガスダクトは、エンジンがアイドリング又はモータリングエンジン運転モードである場合は少なくとも部分的に閉じるように制御されている圧力制御弁を更に備えている。この実施形態において、圧力制御弁は以下の少なくとも２つの機能を有している。
ｉ．排気ガス後処理システムに流れ込む排気ガスの総量を減らし、それによって排気ガス後処理システムへの「冷却用」排気ガスの流入を減らす機能、及び
ｉｉ．圧力制御弁を少なくとも部分的に閉じることによって弁の上流で発生する圧力上昇が、排気ガスの再循環を促進し、好ましくは燃焼エンジンのガス吸入側へと再循環されるべき排気ガスの量を決定する機能。

更なる好適な実施形態によれば、ガス温度を測定するために、例えばエンジンのガス吸入側に配置されて、エンジンの吸気マニホルドのガス温度を検知し、且つ排気ガスの再循環を制御することができる温度センサが利用される。

上記したように、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に後処理システムを運転温度範囲内に保つことは、以下の２つの主概念によって、又は更なる発展形態では、それらの組み合わせによって達成される。
ｉ．未冷却の排気ガスの再循環によって、エンジンの動作温度、ひいては排気ガスの全温度が上昇し、それによってエンジンのアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中の排気ガス後処理システムの−望ましくない−空気冷却効果が軽減される。
ｉｉ．排気ガスダクト内に配置された圧力制御弁を少なくとも部分的に閉じることにっよって、エンジンのアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に後処理システムを流れる排気ガスの量が減少し、エンジンに再循環される排気ガスの量を制御することができ、ひいては、エンジンのアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中の後処理システムの−望ましくない−空気冷却効果も軽減される。

既知のＥＧＲエンジンとは対照的に、本発明の方法及びシステムは、エンジンの「通常」運転に影響しないため、既存の非ＥＧＲエンジンの改造に使用することもできる。これは、接続ダクトによって排気ガスダクトを内燃エンジンのガス吸入側に配置された吸気ダクトと単純に接続し、接続ダクト内に好ましくは開閉弁の形式のガス再循環弁を配置し、好ましくは更に、排気ガスダクト内に圧力制御弁を配置することによって行うことができる。非ＥＧＲエンジンを備えた車両及び本発明に係るシステムによって改造することができる車両は、通常、温度センサと、ガス温度及びエンジン運転モードに応じて弁を制御する制御装置とを既に備えており、これらは本発明の方法及びシステムに直接使用することができる。

なお、未冷却の排気ガスがエンジンのガス吸入側に供給されるので、エンジンのガス吸入側のガスの温度、従って内燃エンジン内の温度も上昇する点に留意する必要がある。エンジンに損傷を与えないように、未冷却の排気ガスの供給は、内燃エンジンのガス吸入側のガス及び／又は排気ガスの検知された温度に応じて制御される。ガス吸入側のガス及び／又は排気ガスの温度が所定の最高温度を超えるとすぐに、ガス吸入側のガス及び／又は排気ガスの検知された温度が再び所定の最高温度以下になるまで、排気ガスの供給を停止又は少なくとも減少させる。この再循環される排気ガスの流れの減少又は停止は、（ｉ）圧力制御弁が完全に、或いは吸入側のガス及び／又は排気ガスの温度が最高温度に達する前よりも少なくとも大きく開くこと、及び／又は（ｉｉ）例えエンジンがまだアイドリング又はモータリングエンジン運転モードのままであっても、ある時間周期又は時間間隔の間、ガス再循環弁が少なくとも部分的に閉じるか、又は完全に閉じることで達成することができる。これは、ひいては、特定の−高温の再循環された排気ガスの温度により、エンジンの実際の温度が上昇し、エンジンの許容最高温度に徐々に近づくか、又は更に超え始める場合のような−状況では、より多くの排気ガス、又は極端な場合、全ての排気ガスがＥＡＴＳに転送されることになり、ＥＡＴＳをより低い温度まで、−最悪の場合、運転温度範囲以下の温度にまで−一時的に冷却する可能性があることを意味している。しかしながら、内燃エンジンの温度は、これらの特定の状況でもＥＡＴＳの運転温度範囲と比べて比較的高温なので、エンジンの排気ガスもまた十分高温のままだと思われる。そのため、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に排気ガスの再循環を一時的に停止又は減少させる必要がある状況でも、ＥＡＴＳの過剰な冷却が起こる可能性がかなり低い。内燃エンジンの温度が所定の運転温度範囲に戻るとすぐに、もしもエンジンがまだアイドリング又はモータリングエンジン運転モードであれば、排気ガスの再循環プロセスが復活する。

上記したように、再循環された排気ガス流は、検知された温度に応じて少なくとも１つの弁、好ましくはガス再循環弁及び圧力制御弁の適切な制御によって制御される。好ましくは、ガス再循環弁はアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に開いたままであり、排気ガス再循環量、従ってエンジンのガス吸入側のガス及び／又は排気ガスの温度が圧力制御弁の開閉度によって制御することができる。弁又は流量のこの種のフィードバック制御は、「閉ループ制御」としばしば呼ばれている。

本発明の好適な実施形態によれば、ガス再循環弁は、開いた状態か閉じた状態である単純な開閉弁である。単純な開閉弁は、制御しやすく、安く利用でき、ロバストであることが利点である。このことにより、システムの故障確率が減少する。更に、エンジンに再循環される排気ガス流の量を通常のＥＧＲシステムにおけるように制御する必要がないので、普段は閉じている単純な開閉弁で十分である。

しかしながら、言うまでもなく、単純な開閉弁の代わりに制御可能な弁を使用することもでき、その開きは、完全に閉じた状態と完全に開いた状態の間で連続的に調整できる。

本発明の更なる好適な実施形態によれば、エンジンのガス吸入側の吸気マニホルドの所定の最高温度は、およそ摂氏１００度〜摂氏１５０度、詳細にはおよそ摂氏１１０度〜摂氏１３０度、好ましくはおよそ摂氏１２０度である。このことにより、内燃エンジンが損傷を受けないことが保証される。

本発明の更なる好適な実施形態によれば、排気ガスダクトに配置された圧力制御弁は、排気ガス後処理システムへのガス流を約２０％〜７０％、好ましくは約３０％〜６０％、最も好ましくは約４０％〜５０％減少させるように構成される。この後処理システムを通る全ガス流量の減少によって、後処理システムの「空気冷却」効果が軽減される。

排気ガス後処理システムへのガス流量がどの程度減少するかは、好ましくは、エンジン速度と、エンジンのガス吸入側の吸気マニホルド及び／又は排気ガスで検知されたガス温度によって決まる。一般に、その目的は、エンジンのガス吸入側で約１２０℃の最高温度を超えることなく、エンジンに再循環される排気ガス流量を最大にすることである。次に、排気ガス後処理システムへの流れを最小にし、排気ガス温度を最大にする。これを行うため、上記した「閉ループ制御」が、好ましくはソフトウェアの形式で使用されて、圧力制御弁を用いて再循環される排気ガスの量を、内燃エンジンのガス吸入側のガスが許容最高温度（ここでは、例えばおよそ１２０℃）に達するが、超えないように制御する。

好ましくは、ガス再循環弁は、車両のアクセル（例えばガスペダル）が作動するとすぐに閉じ、アクセルが解除されるとすぐに開く。アクセルの作動に応じたガス再循環弁の制御は、アイドリングエンジン運転モード及びモータリングエンジン運転モードの両方を対象とする単純且つ効果的な制御機構である。好ましくは、低アイドリング速度（例えば、６００ｒｐｍ前後）で且つアクセルが必要ない場合、再循環された排気ガスに加えて、エンジンをかけっぱなしにするために燃料が燃焼エンジンに噴射される。

本発明の更なる態様によれば、非ＥＧＲエンジンを有する車両は、排気ガス後処理システムの温度を維持するために本発明のシステムによって容易に改造することができる。そのために、既存の排気ガス後処理システム又は改造された排気ガス後処理システムを使用することができる。非ＥＧＲエンジンを改造するために、排気ガス後処理システムを運転温度範囲内に保つためのシステムからなる改造キットを提供することができ、このシステムは、内燃エンジンの排気ガス出口側（例えば、エンジンの排気ガス出口側に配置された排気ガスダクト）及びエンジンのガス吸入側（例えば、エンジンのガス吸入側に配置された吸気ダクト）に接続することができる排気ガスの再循環用の接続ダクトであって、この接続ダクトにガス再循環弁が配置される接続ダクトと、上記した方法で弁を制御するための制御装置とを備えている。更に、制御装置は、車両の車載コンピュータ上で動作するように意図されたコンピュータプログラムの形式であってもよい。

更に、エンジンの排気ガス出口側（例えば、エンジンの排気ガス出口側に配置された排気ガスダクト）に配置される圧力制御弁を設けてもよい。更に、燃焼エンジンがアイドリング又はモータリングエンジン運転モードのどちらかで動作している場合、エンジンの吸入側のガス及び／又は排気ガスの温度を所定の温度範囲内に保つ又は維持するように、ガス再循環弁の開放と圧力制御弁の少なくとも部分的な閉鎖を制御するように構成された制御装置を設けてもよい。

車両が温度センサを備えていない場合には、改造キットに、エンジンのガス吸入側のガス及び／又は排気ガスの温度を検知するための温度センサを備えることもできる。

本発明の更なる実施形態によれば、改造キットの制御装置は、上記した方法に従って弁を制御するようにプログラム可能な、車両の中の既存の中央処理装置（ＣＰＵ）又は電子制御装置（ＥＣＵ）、特に、車載コンピュータであってもよい。「ＣＰＵ」は、コンピュータプログラムの命令を実行するコンピュータシステムの一部である。特に、自動車エレクトロニクスにおいて、「ＥＣＵ」という用語は、車両の中の電気システム又はサブシステムの１つ以上を制御するあらゆる埋め込みシステムの総称として用いられる。

本発明の更なる態様によれば、コンピュータ、好ましくは車両の車載コンピュータ上で実施されることで、コンピュータが上記した方法ステップを実行するように構成されるソフトウェアコードを含むコンピュータプログラム製品が提供される。好ましくは、コンピュータプログラム製品は改造キットの一部であってもよい。

更なる利点及び好適な実施形態は、添付の特許請求の範囲、明細書、及び図面によって定義される。

以下において、本発明に係るシステムの好適な実施形態が添付の図面を利用して述べられる。図面の説明は、本発明の原則を単純化したものと考えられ、特許請求の範囲の技術的範囲を制限することを意図していない。

本発明のシステムの第１の好適な実施形態の概略図である。 本発明のシステムの第２の好適な実施形態の概略図である。 本発明の方法を適用した場合及び適用しなかった場合の排出レベル試験サイクル中の排気ガス後処理システムの温度を示す図である。

以下において、同じ要素又は同様に機能する要素は同じ参照番号によって示される。

図１の概略図において、車両（図示せず）、例えば、トラック又はバス、或いは内燃エンジンを備えている任意のその他の車両において使用される内燃エンジンシステム１００が示される。エンジンシステム１００は、例えば、６つのピストンシリンダ４を有するエンジンブロック２を備えた内燃エンジン１からなっている。更に、内燃エンジン１は、吸気マニホルド６を備えたガス吸入側５と、排気マニホルド８を備えた排気ガス出口側７とを有する。排気ガスは、タービン１０へと、更に排気ガスダクト１２を通って排気ガス後処理システム１４へと導かれる。

排気ガス後処理システム１４は、例えば、ＳＣＲ装置（選択接触還元装置）のような粒子トラップ又は触媒であってもよい。ＳＣＲ装置は、触媒を用いて窒素酸化物を窒素と水に変換するための手段である。これらの反応の最適温度範囲は、一般的におよそ摂氏２５０度〜およそ摂氏４５０度である。この最適動作温度は、エンジンの通常（走行）運転モード中は容易に保つことができる。

しかしながら、エンジン１のアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中、排気ガスの温度は降下する。その理由は、圧縮機１６によって供給され、圧縮機１６の圧縮プロセス後の空気を再冷却する給気冷却器１７によって冷却される空気が、燃焼がかなり減少する（アイドリングエンジン運転モードの場合）又は燃焼が全く起こらない（モータリングエンジン運転モードの場合）場合であっても、吸気ダクト１８によってエンジンブロック２の吸気マニホルド６に供給されるからである。つまり、エンジン１が、新鮮且つ冷たい空気を排気ガスダクト１２内に、更に排気ガス後処理システム１４内に単純に送給しているということになる。この冷気が排気ガス後処理システム１４を最適運転温度以下に急速に冷却し、排気ガスの浄化不足又は未浄化が発生することになるので、要求される排出レベルを達成することができない。

本発明によれば、図１に示す好適な実施形態は、排気ガスダクト１２及び吸気ダクト１８を接続する接続ダクト２０を有する。この実施形態において、接続ダクト２０は、タービン１０の下流の排気ガスダクト１２から分岐している。

しかしながら、接続ダクト２０は、図２の第２の好適な実施形態において示すようにタービン１０の上流の排気マニホルド８で分岐させることもできる。接続ダクト２０の分岐場所にかかわらず、図１及び２に示す両実施形態の作用は同じである。

なお、図１及び２に示す内燃エンジンシステム１００においてタービン１０を省略することも可能である点に留意する必要がある。

更に図１及び２に見られるように、好ましくは普段は閉じている単純な開閉弁であるガス再循環弁２２が接続ダクト２０に配置される。更に、排気ガスダクト１２に、普段は開いており、排気ガス後処理システム１４への総排気ガス流量を減少させ、接続ダクト２０を通る排気ガス再循環を促進するように構成される圧力制御弁２４が配置される。

圧力制御弁２４によって総排気ガス流量を減少させることには２つの効果がある。第一に、排気ガス後処理システムを流れる冷却空気の量が減少することである。第二に、流量の減少により、圧力制御弁２４の上流で圧力上昇が生じ、これが接続ダクト２０を通って吸気ダクト１８への排気ガスの再循環を促進するのに有益となることである。

図１及び２の好適な実施形態において示したように、本発明のシステムは以下のように機能する。車両のアクセルペダル（例えば、ガスペダル）が解除され、且つ／又はエンジンブロック２への燃料噴射が停止するとすぐに、ガス再循環弁２２が開くように制御され、圧力制御弁２４は、排気ガスの一部が接続ダクト２０を通って吸気ダクト１８へと流れるように少なくとも部分的に閉じるように制御される。既知のＥＧＲエンジンシステムとは対照的に、本発明の非ＥＧＲエンジンは接続ダクト２０内に排気ガス冷却器を備えていないため、高温の排気ガスが吸気ダクト１８に供給される。

高温又は未冷却の排気ガスを吸気ダクト１８に、従ってエンジンブロック２にも供給することによって、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中にエンジンブロック２に流れる空気が暖められ、排気ガス後処理システム１４への冷却効果が軽減されることになる。

更に、上記のように、主に（少なくとも）部分的に閉じた圧力制御弁２４によって、排気ガス後処理システム１４への排気ガスの全質量流量が減少又は更に（一時的に）停止し、これによって更にアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中の排気ガス後処理システム１４の空気冷却効果が軽減される。

高温すぎる排気ガスによってエンジンブロック２に損傷を与えないように、温度センサ２６がエンジンブロック２の吸気マニホルド６に配置される。温度センサ２６は圧力制御弁２４の制御にも影響を与え、吸気マニホルドの温度が所定の温度範囲以上の場合、圧力制御弁２４がより大きく開くようになっている。この場合、排気ガス後処理システム１４へ流れる排気ガスの一部が増加し、再循環される高温の排気ガスの量が少なくなる。このエンジン１の最高温度は、一般的におよそ摂氏１００度〜およそ摂氏１５０度の範囲内、詳細にはおよそ摂氏１１０度〜およそ摂氏１３０度の範囲内、好ましくはおよそ摂氏１２０度前後である。

吸気マニホルド６内のガス温度が所定の最高温度を超えたことを温度制御システムが検出するとすぐに、再循環される排気ガスの量を減少させるか、又は排気ガスの再循環を（一時的に）完全に停止する。これは、圧力制御弁２４の開度を大きくすることによって、又は圧力制御弁２４を完全に開くことによって、達成することができる。或いは、排気ガスの再循環は、新鮮な空気（圧縮機１６によって提供される）だけがエンジンブロック２を通って導かれるようにガス再循環弁２２が閉じるのを制御することによって停止することもできる。吸気マニホルド６の温度が再び下がって、当該所定の最高温度以下になるとすぐに、当然ながら、エンジン１がまだアイドリング又はモータリングエンジン運転モードであれば、弁２２，２４は、例えば、その前の、排気ガス再循環位置に戻ることができる。圧力制御弁２４が設けられていない場合、排気ガスの再循環を制御するために弁２２が単独で使用されることになる。

本発明と通常のＥＧＲエンジンとの違いに関する考察で既に述べたように、吸気ダクト１８への排気ガスの質量流量の測定又は制御は、本発明の方法及びシステムによって行われることが意図されていない。つまり、本発明のシステムは、通常のＥＧＲエンジンに求められる、又は通常のＥＧＲエンジンによってもたらされるＮＯｘ還元の制御には適していない。更に、排気ガスの再循環は、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に行われるだけなので、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード以外のエンジンの運転モード中は排出制御が行われないことになる。

また、排気ガス後処理システムの温度が排気ガス後処理システムを通る排気ガス流量を大幅に減少させることによって維持される、特許文献１に記載された既知の温度維持システムとは対照的に、本発明のシステムは、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中（のみ）に温かい排気ガスを排気ガス後処理システム内に誘導することによって、排気ガス後処理システムの温度を制御する。既知のＥＧＲエンジンは、ＥＧＲエンジンによってもたらされるＮＯｘ還元に必要な排気ガス冷却器を備えているので、ＥＧＲエンジンの再循環された排気ガスは、アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に加熱された排気ガスを提供するために使用することはできない。

本発明のシステム及び方法の利点は、既存の非ＥＧＲエンジンを本発明のシステムによって容易に装備又は改造することができることである。そのためには、エンジン１の既存の排気ガスダクト１２内に、既存の排気ガスダクト１２を既存の給気ダクト１８と接続するための分岐として接続ダクト２０が取り付けられる。これは、例えば、溶接によって行うことができる。更に、単純な開閉弁２２が、接続ダクト２０内に、好ましくは吸気ダクト１８への出口付近に配置され、圧力制御弁２４が、接続ダクト２０の分岐の下流の排気ガスダクト１２内に配置される。

２つの別個の弁２２，２４の代わりに、空気再循環弁２２の機能と圧力制御弁２４の機能の両方を備えた単一の弁を使用してもよいことは言うまでもない。

両弁は、（好ましくは既存の温度センサ２６によって検知された）温度値及び燃料噴射に基づいて弁２２，２４を制御する、制御装置、好ましくは車両の中に既に存在する中央処理装置（ＣＰＵ）又は電子制御装置（ＥＣＵ）によって制御することができる。そのような温度センサ２６が設けられていない場合、改造は容易である。制御装置は、例えば、弁が接続された車載コンピュータシステムであってもよい。

弁が制御装置によって制御されるので、本発明の方法は、好ましくはコンピュータプログラム製品上のソフトウェアコードとして保存される、このコンピュータプログラム製品は、改造キットの一部にすることもできる。

なお、必要な構成要素の数がかなり少ないことと、その操作が単純なことによって、本発明のシステムは、（かなり複雑な）ＥＧＲエンジンと比べてよりロバストな動作が可能となるため、一般的なＥＧＲエンジンの対応値と比べて、本発明のシステムに動作不具合が発生する確率がはるかに低くなり、エンジンの信頼性がより高くなる。更に、ガス再循環弁２２が普段は閉じている弁として設計され、且つ／又は圧力制御弁２４が普段は開いている弁として設計される好適な実施形態では、例え弁２２，２４の制御が失敗しても、エンジン１及び排気ガス後処理システム１４は機能したままである。エンジン１は、車両のアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中の排気ガス再循環がそれ以上行われないという点に限って、影響を受けるだけである。

有利には、本発明の方法及びシステムを使用することにより、非ＥＧＲエンジンによっても、ユーロ６基準に従った排出レベルに到達することが可能である。これは、例えば、世界統一排出レベル試験手順のような基準排出試験サイクルを実行することによって示すことができる。この世界統一排出レベル試験手順は、低温及び高温始動状態で実行する世界統一試験過渡サイクル（ＷＨＴＣ）試験と、世界統一定常サイクル（ＷＨＳＣ）試験の２つの試験からなる。ＷＨＴＣ試験は、複数のモータリングエンジン運転モードセグメントを有する１８００秒間の過渡試験からなる。両試験サイクルは周知であり、例えば、欧州共同体委員会事業総合理事会によって、インターネット（下記のＵＲＬ）からダウンロード可能なパンフレット「世界統一デューティサイクルの高馬力エンジン検証」に記載されている。
http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/automotive/files/projects/report_whdc_en.pdf.

図３では、高温始動状態に関するＷＨＴＣ試験中の排気ガス温度測定結果が示されている。それにより、２つの測定値（本発明の方法によるものと標準方法によるもの）が比較される。図３において、グラフ３０は本発明の方法を用いたＷＨＴＣ試験を示し、グラフ３２は、標準的な方法を用いて、即ち、本発明の方法を用いずにエンジンを動かしているＷＨＴＣ試験を示す。ｘ軸上に時間（秒単位）が示され、ｙ軸上に排気ガス後処理システム（ここでは、ＳＣＲシステム）の前の排気ガスの温度（摂氏温度単位）が示される。

図３からわかるように、ＳＣＲ装置の前の両方法で測定した排気ガスの温度差がおよそ摂氏１０度〜およそ摂氏５０度の間で変化することによって、標準方法の温度値（グラフ３２）が本発明の方法の温度値（グラフ３０）よりも常に低くなる（又はせいぜいそれと等しくなる）。この測定された温度差は、運転温度のＳＣＲ装置を保つ本発明の方法には十分であるため、追加の燃料導入をせずに、ユーロ４及びユーロ５基準の非ＥＧＲエンジンであってもユーロ６に従った排出レベルに到達することができる。

上記のように、本方法及びシステムは、ユーロ６性能を有する非ＥＧＲエンジンを提供する、単純、費用効果的且つロバストな実行手段を提供する。これは、確立された、周知の実証済みの非ＥＧＲエンジンをユーロ６基準に従うように容易に適合させることができることも意味している。また、ユーロ４及びユーロ５車両の容易な改造実行手段が提供される。

１００ 内燃エンジンシステム
１ 内燃エンジン
２ エンジンブロック
４ ピストンシリンダ
５ エンジンブロック２のガス吸入側
６ 吸気マニホルド
７ エンジンブロック２の排気ガス出口側
８ 排気マニホルド
１０ タービン
１２ 排気ガスダクト
１４ 排気ガス後処理システム
１６ 圧縮機
１７ 給気冷却器
１８ 吸気ダクト
２０ 接続ダクト
２２ ガス再循環弁
２４ 圧力制御弁
２６ 温度センサ
３０ 本発明の方法を用いた場合の温度対時間を示すグラフ
３２ 本発明の方法を用いない場合の温度対時間を示すグラフ

Claims (20)

1. 内燃エンジンのアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に排気ガス後処理システム（１４）を運転度範囲内に保つための方法であって、前記内燃エンジン（１）は、前記排気ガス後処理システム（１４）に接続され、ガス吸入側（５）及び排気ガス出口側（７）を備えており、前記内燃エンジン（１）の前記排気ガス出口側（７）は、排気ガスダクト（１２）を介して前記排気ガス後処理システム（１４）と、前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）への排気ガスのガス再循環を提供する接続ダクト（２０）及び記排気ガスの再循環を制御する少なくとも１つの弁（２２，２４）を介して前記ガス吸入側（５）とに接続される方法において、
   前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）のガス及び／又は排気ガスの温度を検知するステップと、
   検知された温度が所定の温度間隔内であるか、又は所定の温度閾値以下であるかどうかを決定するステップと、
   前記内燃エンジン（１）がアイドリング又はモータリングエンジン運転モードであるかどうかを決定するステップと、
   前記内燃エンジン（１）がアイドリング又はモータリングエンジン運転モードであると決定された場合、前記少なくとも１つの弁（２２，２４）を制御することにより、排気ガスを前記接続ダクト（２０）を通って再循環させることによって、前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）のガスの温度が前記所定の温度範囲内又は前記所定の温度閾値以下になるように制御するステップとからなる、方法。
2. 前記少なくとも１つの弁（２２，２４）は、前記接続ダクト（２０）に配置されたガス再循環弁（２２）であり、好ましくは、前記ガス再循環弁（２２）は、開閉するように制御される、好ましくは普段は閉じている、開閉弁（２２）であり、前記少なくとも１つの弁（２２，２４）を制御するステップは、前記ガス再循環弁（２２）が開くように制御するステップである、請求項１に記載の方法。
3. 更に、前記排気ガスダクト（１２）が、好ましくは普段は開いている、圧力制御弁（２４）を備えており、前記少なくとも１つの弁（２２，２４）を制御するステップは、排気ガスの少なくとも一部が前記接続ダクト（２０）を通って前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）へ再循環されるように、前記圧力制御弁（２４）を少なくとも部分的に閉じるように制御するステップである、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記所定の温度範囲は所定の最高温度を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記所定の最高温度は、およそ１００℃〜１５０℃、好ましくはおよそ１１０℃〜１３０℃、詳細には実質的に１２０℃である、請求項４に記載の方法。
6. 前記再循環される排気ガスは未冷却の排気ガスである、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記圧力制御弁（２４）は、前記排気ガス後処理システム（１４）へのガス流量をおよそ２０％〜７０％、好ましくはおよそ３０％〜６０％、詳細には実質的に４０％〜５０％減少させる、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記圧力制御弁（２４）は、エンジン速度と、前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）のガス及び／又は排気ガスの検知された温度とに応じて、前記排気ガス後処理システム（１４）へのガス流量を減少させる、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの弁（２２，２４）は、車両のアクセルが解除されるとすぐに作動し、前記少なくとも１つの弁（２２，２４）は、前記アクセルが作動するとすぐに通常開放位置に戻り、前記アクセルは、好ましくはガスペダルである、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 車両を推進させる内燃エンジンシステム（１００）であって、
    ガス吸入側（５）及び排気ガス出口側（７）を有する内燃エンジン（１）と、
    排気ガスダクト（１２）によって前記内燃エンジン（１）の前記排気ガス出口側（７）に接続される排気ガス後処理システム（１４）と、
    前記内燃エンジン（１）の前記排気ガス出口側（７）と前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）を接続し、前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）への排気ガスのガス再循環を提供する接続ダクト（２０）と、
    前記排気ガスの再循環を制御する少なくとも１つの弁（２２，２４）とを備えている内燃エンジンシステムにおいて、
    前記内燃エンジン（１）がアイドリング又はモータリングエンジン運転モードであるかどうかを決定するための検知ユニットと、
    前記内燃エンジン（１）の前記アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に前記排気ガス後処理システム（１４）を運転温度範囲内に保つためのシステムであって、
    ガス温度を検知するために、前記排気ガスダクト（１２）、前記接続ダクト（２０）、及び前記排気ガス後処理システム（１４）を含む前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）、前記排気ガス出口側（７）の少なくとも一方に配置された少なくとも１つの温度センサ（２６）と、
    前記内燃エンジン（１）が前記アイドリング又はモータリングエンジン運転モードである場合、検知された温度に応じて前記少なくとも１つの弁（２２，２４）を開放及び／又は閉鎖するように制御し、それによって前記接続ダクト（２０）を通って前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）への排気ガス再循環を提供することで、前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）のガスの温度が、所定の温度範囲内又は所定の温度閾値以下になるように制御される、少なくとも１つの制御装置とを有するシステムとを更に備えていることを特徴とする、システム。
11. 請求項１〜９のいずれかに記載の方法を実行するように構成された、請求項１０に記載のシステム。
12. 少なくとも１つの弁（２２，２４）は、前記接続ダクト（２０）に配置されたガス再循環弁（２２）であり、好ましくは、前記ガス再循環弁（２２）は、開閉するように制御される、好ましくは普段は閉じている、開閉弁（２２）である、請求項１０又は１１に記載のシステム。
13. 好ましくは前記排気ガス後処理システム（１４）の上流の、前記排気ガスダクト（１２）に配置されて、前記排気ガス後処理システム（１４）への排気ガスの量を制御し、且つ／又は前記接続ダクト（２０）を通る前記ガス再循環を推進する圧力を供給する、好ましくは普段は開いている、圧力制御弁（２４）を更に備えている、請求項１０〜１２のいずれかに記載のシステム。
14. 前記制御装置は、請求項１〜９のいずれか１つに記載の方法を実行するようにプログラム可能な、車両の中の既存のＣＰＵ又はＥＣＵ、特に車載コンピュータであり、好ましくは前記制御装置と前記検知ユニットが単一ユニットに組み込まれる、請求項１０〜１３のいずれかに記載のシステム。
15. 車両を推進させる内燃エンジン（１）を有する車両を改造するための改造キットであって、前記車両は、既存の排気ガス後処理システム（１４）を有しているか、又は排気ガス後処理システム（１４）によって改造されることになるキットにおいて、
    前記内燃エンジン（１）の排気ガス出口側（７）から前記内燃エンジン（１）のガス吸入側（５）へ排気ガスを再循環させる接続ダクト（２０）であって、前記内燃エンジン（１）の前記排気ガス出口側（７）を前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）に接続するように構成され、好ましくは、前記内燃エンジン（１）の前記排気ガス出口側（７）に配置された排気ガスダクト（１２）を前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）に配置された吸気ダクト（１８）と接続するように構成される接続ダクト（２０）と、
    前記接続ダクト（２０）に配置可能であって又は既に配置されていて、前記接続ダクト（２０）を開閉する少なくとも１つの弁（２２，２４）と、
    前記内燃エンジン（１）がアイドリング又はモータリングエンジン運転モードであるかどうかを決定するための検知ユニットと、
    前記内燃エンジン（１）の前記アイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に前記排気ガス後処理システム（１４）を運転温度範囲内に保つためのシステムであって、
    ガス温度を検知するために、前記排気ガスダクト（１２）、前記接続ダクト（２０）、及び前記排気ガス後処理システム（１４）を含む前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）、前記排気ガス出口側（７）の少なくとも一方に配置可能な少なくとも１つの温度センサ（２６）、及び／又は、
    前記内燃エンジン（１）がアイドリング又はモータリング運転モードである場合、検知された温度に応じて前記少なくとも１つの弁（２２，２４）を開放及び／又は閉鎖するように制御し、それによって前記接続ダクト（２０）を通って前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）への排気ガス再循環を提供することで、前記内燃エンジン（１）の前記ガス吸入側（５）のガスの温度が、所定の温度範囲内又は所定の温度閾値以下になるように制御される、少なくとも１つの制御装置を有するシステムの少なくとも１つを備えている、改造キット。
16. 前記排気ガスダクト（１２）に配置されており、好ましくは、前記制御装置によって、前記内燃エンジン（１）のアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に少なくとも部分的に閉じるように制御されるように構成される圧力制御弁（２４）を更に備えている、請求項１５に記載の改造キット。
17. 前記少なくとも１つの制御装置は、コンピュータ、特に車両の車載コンピュータ上で実施することが可能であって、前記コンピュータのプロセッサが請求項１〜９のいずれかに記載の方法のステップを実行する命令を含むソフトウェアコードを含むコンピュータプログラム製品である、請求項１５又は１６に記載の改造キット。
18. 前記少なくとも１つの制御装置は、好ましくは、コンピュータ上で実施することが可能であって、前記コンピュータのプロセッサが請求項１〜９のいずれかに記載の方法のステップを実行する命令を含むソフトウェアコードを含むコンピュータプログラム製品によって、請求項１〜９のいずれかに記載の方法を実行するようにプログラム可能な、車両の中の既存のＣＰＵ又はＥＣＵ、特に車載コンピュータである、請求項１５〜１７のいずれかに記載の改造キット。
19. 請求項１５〜１８のいずれかに記載の改造キットを設置する、且つ／又は請求項１〜９のいずれかに記載の方法を実行するための車両の既存の部品を使用することによって、排気ガス再循環装置のない内燃エンジン（１）のアイドリング又はモータリングエンジン運転モード中に既存又は改造予定の排気ガス後処理システム（１４）を運転温度範囲内に保つためのシステムによって車両を改造する方法。
20. コンピュータ上で実施することが可能であって、前記コンピュータのプロセッサが請求項１〜９のいずれかに記載の方法のステップを実行する命令を含むソフトウェアコードを含む、コンピュータプログラム製品。

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