JP5752797B2 - 排気ガス再循環機能を有する車両用内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスターボチャージャ、排気ガス再循環ならびに粒子フィルタおよびアンモニアによる窒素酸化物の選択的触媒還元（ＳＣＲ）機能のある排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントを備える排気ガスセクションを有する車両用内燃機関に関する。

排気再循環機能付き内燃機関は特許文献１において説明されており、その排気ガスセクションの部分に、粒子フィルタおよび上流にＳＣＲ触媒が設置される。還元剤添加装置によって、窒素酸化物還元剤であるアンモニアや尿素がＳＣＲ触媒上流から排気システムへ循環することが可能となる。そのため、粒子フィルタ下流側の排気ガスシステムから分岐する低圧経路を介して排気再循環が行われる。しかしながら、窒素酸化物または硫黄系化合物による低圧経路汚染等の低圧排気ガス再循環の欠点もまた特許文献１に記載された内燃機関に少なくとも部分的に存在する。

ＷＯ ２００８／１０３２３０ Ａ１

本発明の目的は、排気ガス再循環で効果的な排気ガスの浄化を可能にし、汚染を可能な限り低レベルに抑える車両用内燃機関を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する内燃機関により達成される。

本発明による車両用内燃機関は、内燃機関に燃焼用空気を供給するための空気供給システム、および粒子フィルタおよびアンモニアによる窒素酸化物の選択的触媒還元機能を有する排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントが配置されている、内燃機関の排ガスを含む排気ガスセクションを具備する。そのため、本発明による内燃機関は、アンモニアを供給する還元剤添加装置またはアンモニア分離機能を有する還元手段がＳＣＲの排気ガス浄化コンポーネントの上流側に設けられている。さらに、第１排気ガスターボチャージャのタービンは排気ガスセクションの粒子フィルタの上流に設置されている。排気ガスを排気ガスセクションから空気供給システムに再循環させるため、第１排気ガスターボチャージャのタービンの上流側の排気ガスセクションから分岐する第１排気再循環および粒子フィルタ下流側の排気ガスセクションから分岐する第２排気再循環が設けれている。ＳＣＲ触媒は第２排気再循環ラインに配置される。

排気ガスターボチャージャのタービンから上流に分岐する第１排気再循環ラインは高圧排気ガス再循環ラインであり、それを介して再循環される高圧側の排気ガスが排気ガスセクションから空気供給システムに還流されることができる。他方、粒子フィルタ下流側の排気ガスセクションから分岐する第２排気再循環ラインは低圧排気ガス再循環ラインであり、それを介して再循環される低圧側の排気ガスが排気ガスセクションから空気供給システムに還流されることができる。

第２排気ガス再循環ラインに配置されたＳＣＲ触媒により窒素酸化物変換を向上させることができる。第２排気ガス再循環ラインに配置されたＳＣＲ触媒は、排気ガスシステムにおける排気ガス浄化ＳＣＲコンポーネントの排気ガス処理量の軽減を可能にし、低圧経路での再循環排気ガス内の窒素酸化物とアンモニア含有量の両方を低減する。このことから、例えば第２排気ガス再循環ライン中のアンモニアや窒素酸化物化合物の堆積によって起る汚染は回避され、内燃機関の有害ガス排出量も改善される。窒素酸化物の含有量が少ない排気ガスの再循環によって、内燃機関の燃費も改善される。第２排気ガス再循環ラインのＳＣＲ触媒は、比較的大きなサイズの粒子の除去も可能にし、これにより第２排気ガス再循環ラインでは比較的大きな粒子のための別個のフィルタの使用の必要がなくなる。その上、ＳＣＲ触媒は還流を均一化し、それにより第２排気ガス再循環ラインを通じた減圧が少なくなる。したがって、第２排気ガス再循環ラインのＳＣＲ触媒および、排気ガスシステムのＳＣＲ排気ガス浄化コンポーネントは、アンモニアによる酸化条件下での窒素酸化物の選択的還元触媒との関係で触媒的に効果的な物質から構成されている。第２排気ガス再循環ラインのＳＣＲ触媒は、ＳＣＲ触媒のコーティング剤でできている支持されたハニカム構造体かもしくは完全に押し出されたハニカム構造体となっていることが望ましい。例として、五酸化バナジウム／酸化チタン／タングステン酸化物がその基材として挙げられる。ＳＣＲ触媒のコーティング剤は粒子をフィルタリングするのに適した粒子フィルタ構造に適用することも可能である。銅や鉄を含有するゼオライトコーティングを施したハニカム構造体のモノリス触媒が特に望ましい。

本発明が実施される場合、排気ガスシステムに配置された排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントは、粒子フィルタの触媒コーティングとして、および／または排気ガスシステム内の粒子フィルタの上流および／または下流に設置された個別のＳＣＲ触媒コンバーターユニットとして設計されている。粒子フィルタの触媒コーティングの実施形態においては、これは不純物含有ガス側または浄化ガス側のフィルタ効率のよい基材に提供することが可能である。壁流フィルタとして設計された粒子フィルタの場合には、コーティングは個々の表面もしくは全ての吸気管、または個々の表面もしくは全ての排気管に適用することが可能である。したがって、コーティングはセクションごとに実施されることができ、粒子フィルタの上流側の部分領域のみに施すことが望ましい。排気ガスシステムにおいて追加的または選択的に個々のＳＣＲ触媒コンポーネントが設けられていることが望ましい。さらにその用途に応じて、粒子フィルタの下流、特に排気ガスシステムの第２排気ガス再循環ラインの分岐点の下流での設置も可能となる。粒子フィルタの吸気管または排気管の両側に直接配置されることも可能である。窒素酸化物の還元の大部分は排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントによって、残りを第２排気ガス再循環ラインのＳＣＲ触媒で還元するという形で実施されるのが望ましい。

本発明の他の実施形態では、排気ガスシステム内の酸化触媒は特に第１排気ガスターボチャージャのタービンの下流であって、粒子フィルタの上流に配置される。酸化触媒は、排気ガス中の残留炭化水素の酸化的除去を可能にする。酸化触媒により排気ガスに含まれる一酸化窒素が、少なくとも部分的にであるが、比較的低温（３００°Ｃから４５０°Ｃ）で酸化することにより粒子フィルタに堆積した煤煙に置き換わることができる二酸化窒素に酸化する。さらに、増加した二酸化窒素濃度が排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネント内での、窒素酸化物の還元プロセスの改善を実現する。この目的のために、用途に応じて低圧排気ガス再循環経路と高圧排気ガス再循環経路を介した二酸化窒素の含有量の調整と、排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントの吸気側での、排気ガスに含まれる窒素酸化物の二酸化窒素の含有量を少なくとも約５０％にすることを実現している。さらに必要に応じて、排気ガス中に炭化水素を加えることによる排気ガス温度を上昇させることも可能である。特に煤煙着火による粒子フィルタの熱再生では、排気ガスがエンジンのポスト噴射やエンジン外部からの燃料の二次注入によって炭化水素を濃縮することができる。

本発明の他の実施形態では、アンモニアの添加または還元を、酸化触媒の下流側と粒子フィルタの上流側で実施した。これにより、一方ではアンモニア酸化が防止され、他方では還元目的で添加される尿素の加水分解が、結果として粒子フィルタを通過することにより改善する。

本発明の他の実施形態では、再循環排気ガス量を調整するために、第２排気ガス再循環ライン下流から分岐する排気ガスシステムおよび／または、空気供給システムとの合流箇所の手前の第２排気ガス再循環ライン、および／または第１排気ガス再循環ラインに、調整手段が単体で調整可能な可変式調整装置として配置されている。このように、実際のニーズや作動条件によって、また内燃機関全体の運転領域に応じて、高圧排気ガス再循環率と低圧排気ガス再循環率、同様に全体の排気ガス再循環量の可変調整などが可能である。ＳＣＲ触媒が第２排気ガス再循環ラインの分岐の下流に配置される場合、排気システムの可変式制御メカニズムは、分岐開始地点とＳＣＲ触媒間での調整が可能となっている。またＳＣＲ触媒の下流での調整も可能である。

再循環排気ガスの低圧／高圧を調整するための全体の調整手段は、排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントの吸気側への排気ガス中に存在する窒素酸化物還元のための二酸化炭素（ＮＯ_２）のプリセットのため、内燃機関の運転状態に影響を受けやすくなる。これは特に、再循環排気ガスの低圧部分の調整で、ＮＯ_２含有率が７０％未満に抑えられ、ＮＯ_２を含んだ排気ガスに含まれるＮＯ_２含有率を約５０％以下に抑えることが特に好ましい。

本発明の他の実施形態では、タービンを排気ガスセクションにおける第１排気ガスターボチャージャの下流に配置する第２排気ガスターボチャージャを具備する。これにより、内燃機関の過給を２段で実施することが可能となり、効率を増加させ、汚染物質の放出を低減させる。

本発明の他の実施形態では、バイパス可能な空気冷却器を、圧縮された燃焼用空気冷却のために空気供給システム内に配置した。その結果、内燃機関内での燃焼温度の可変的な低下と、内燃機関における有害排出ガス、特に窒素酸化物の削減を実現する。

本発明の他の実施形態では、空気供給システムにおける再循環排気ガス冷却器を、第１排気ガス再循環ライン、および／または第２排気ガス再循環ラインに配置している。これにより、燃焼温度の低下が可能となる。また、本発明の他の実施形態において、第１排気ガス再循環ラインおよび／または第２排気ガス再循環ラインに配置された排気ガス冷却器用にバイパスラインが設けられる場合は効果的である。

以下では、本発明の好ましい典型的な具体例を図とともに説明し、他の利点、特徴および本発明の詳細を明らかにする。上記の説明の中で引用した特徴および特徴の組み合わせ、および下記の図の説明の中で引用したおよび／または図の中で示された特徴および特徴の組み合わせは、それぞれの具体的な組み合わせの中で使用することができるばかりでなく、他の組み合わせまたは独立して、本発明の範囲を超えることなく使用することができる。

図は本発明により二段階式排気再循環および二段階式過給を備えた空気圧縮内燃機関１の有利な一例の概略図を示す。

内燃機関１は、詳細が指定されていないが、燃焼室が付帯されているワークシリンダ３を有するエンジンブロック２が配置されている。ただし燃料は高圧ポンプ４によってワークシリンダ３あるいは燃焼室に供給することができる。空気供給システム５は燃焼用空気をワークシリンダ３、またはそれぞれの燃焼室とワークシリンダ３から排気ガスを排出する排気ガスシステム６に供給することができる。空気フィルタ７、高圧排気ガスターボチャージャ１１用の第１コンプレッサ１０、低圧排気ガスターボチャージャ９用の第２コンプレッサ８、給気冷却器１２及びスロットルバルブ１３は空気供給システム５に配置されている。

エンジンブロック２から排気ガスの流れる方向に向かって、高圧排気ガスターボチャージャ１１に付帯する第１タービン１４、低圧排気ガスターボチャージャ９に付帯する第２タービン１５、酸化触媒３４、粒子フィルタ３５、排気ガス堰き止めバルブ１７、そして同様にＳＣＲ触媒ユニット３６が、排気システム６に配置されている。酸化触媒３４は、省略することができる。

粒子フィルタ３５は、焼結した金属のデザインの一部として、あるいはハニカム構造体ユニットとしてデザインされた壁流フィルタで形成することができる。ニーズに応じて、触媒コーティングを粒子フィルタ３５に具備することができる。特に、酸化触媒３４を省略した場合には、粒子フィルタ３５の触媒コーティングが酸化触媒活性物質を含んでいることが有効である。

特に有効な一例を挙げると、排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントは粒子フィルタ３５に関連付けられており、ここで示されてはいないが、これは排気システム６の独立したユニットとして、粒子フィルタ３５の前後どちらにでも統合することができる。この場合、ＳＣＲ触媒ユニット３６も省略可能である。もしそれらが示されているように、酸化触媒３４を粒子フィルタ３５の上流側に配置すると、粒子フィルタ３５に付帯されている排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントは、粒子フィルタ３５の触媒コーティングとなる。このコーティングは、ガス吸気側、またはフィルタリング効率を上げるための材料としてガス排気側に適用することが可能である。ハニカム構造体の壁流フィルタによる粒子フィルタ３５の有効な実施形態では、対応するＳＣＲ触媒コンバーター材料のコーティングを汚染されたガスのチャネル壁に設けることが好ましい。この場合は特に、それは排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントの一部のコーティングとして実装することが有利である。例えばＳＣＲ触媒材料のコーティングには、粒子フィルタ３５の軸方向拡張前半部の長さの約５０％以上が用いられており、これにより軸方向拡張後半部には、酸化触媒活性コーティングを施すことが有効である。

粒子フィルタ３５のコーティング、あるいは単独の触媒ユニット３６の実施形態として、排気システム６に配置されたＳＣＲ排気ガス浄化コンポーネントには、窒素酸化物の選択的還元の還元剤が排気ガスに供給されている。この目的のために、排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントの上流、粒子フィルタ３５の上流側に、アンモニア用またはアンモニアを分離できる還元手段用として還元剤添加装置３８が設置されている。特筆すべき点としては、この還元剤添加装置３８は、排気ガスシステム６に尿素水溶液を注入することができる点である。また、これにより散布均一化のため、別途表記されてはいないが下流側のミキサーが排気ガスシステム６内に配置されている。図に示されているように、もし酸化触媒３４が粒子フィルタの上流側に配置されている場合、還元剤添加装置３８は酸化触媒３４と粒子フィルタ３５の間に配置されることが望ましい。

例を挙げると、単独または特定の浄化効果の高い排ガス処理コンポーネントである他の酸化触媒、ＳＣＲ触媒および／または窒素酸化物貯蔵触媒は、粒子フィルタ３５または酸化触媒３４の上流側、あるいは粒子フィルタ３５および／またはＳＣＲ触媒ユニット３６の下流側などの排気ガスシステム６内に配置することができる。その有効な一例として、排気ガスシステム６内のＳＣＲ触媒ユニット３６の下流側から分岐しているアンモニア遮断用触媒が挙げられる。前述の排気ガス浄化コンポーネントの詳細については、専門家の間では周知のことなので敢えて記述しないが、以下でも一般性を制限することなく、排気ガス浄化コンポーネントの排気システム６での仮定される配置から、排気ガスの流れを検証し、酸化触媒３４、ＳＣＲ触媒をコーティングした粒子フィルタ３５、そしてＳＣＲ触媒として配置されたＳＣＲ触媒ユニット３６を検証していく。

内燃機関１の過給に関しては、圧縮バイパス１８が、バイパス弁１９が配置されている第２コンプレッサ８の下流から分岐する高圧排気ガスターボチャージャ１１にバイパスされている。これにより、新鮮な空気、あるいは第２コンプレッサ８で圧縮された新鮮な空気と排気ガスの混合物は、内燃機関１の運転状態と第１コンプレッサ１０の圧縮バイパス弁１９の位置に応じて供給される。この結果、内燃機関１の供給圧は、高圧排気ガスターボチャージャ１１の排気圧力が低すぎて操作ができない場合も、第１コンプレッサ１０が圧縮バイパス１８にバイパス可能なため、内燃機関１が低回転の場合でも調整することができる。

排気ガスシステム６において、バイパス２０、２１は、各タービン１４、１５、つまり第１タービンバイパス弁２２が配置された第１タービンバイパス２０、そして第２タービンバイパス弁２３が配置された第２タービンバイパス２１に配置されている。内燃機関１が低回転の場合と、それに起因する排出ガス圧力の低下時、高圧排気ガスターボチャージャ１１が運転できない場合には、第１タービンバイパス弁２２は排気ガス制御を第１タービンバイパス２０、第１タービン１４を介して行い、これによって排気ガスーボチャージャ９の低圧力時でも第２タービン１５の運転が可能となる。

内燃機関１が非常に高い回転速度で運転している場合、排気ガスターボチャージャ９、１１の各タービン１４、１５の排気ガス圧力はとても高くなり、回転速度が速くなる。この結果、排気ガスターボチャージャ９、１１のコンプレッサ８、１０のパフォーマンスが向上し、新鮮な空気の排気ガスへの混合の過給圧が上昇する。しかしこれらの値が基準値に達すると、一方または両方のタービンバイパス２０、２１はいわゆるウェイストゲートとして制御するよう設定されている。さらにタービンバイパス弁２２、２３では基準値を超えた際、例えば、排気ガスのどの部分がタービン１４、１５を通過可能か、さらにタービン１４、１５の運転に影響する排気ガスの圧力の減少を調整することができる。この結果、排気ガスターボチャージャ９、１１のコンプレッサ８、１０で圧縮されたガスの圧力低下時には、それを利用して圧力を下げて過給することが可能となる。

この低圧排気ガスターボチャージャ９の構成と、高圧排気ガスターボチャージャ１１の構成により、内燃機関１の性能は、異なる回転速度の範囲でそれぞれの速度に合った過給圧を最適化して提供することが可能となる。このように、いわゆるターボ・ラグ、言い換えると過給圧の低下、もしくは無圧状態に伴う内燃機関１の低い回転速度による低性能は防止されるか、その程度を軽減することができる。結果、この内燃機関１による運転動作と駆動される車両の燃費の最適化を図ることができる。

本発明により、内燃機関１は、低圧排気ガス再循環と高圧排気ガス再循環の両形態による２段階式排気ガス再循環（ＥＧＲ）を採用している。

低圧排気ガス再循環の実現のために、粒子フィルタ３５の下流から分岐しＳＣＲ触媒ユニット３６の上流に、言い換えると排気ガスシステム６の低圧側に、低圧排気ガス再循環（ＥＧＲ）ライン２４が配置されている。低圧ＥＧＲライン２４は、空気供給システム５における低圧排気ガスターボチャージャ９の第２コンプレッサ８の上流側と空気フィルタ７の下流側に流入している。低圧ＥＧＲの質量の流れの方向から分かるように、低圧ＥＧＲ冷却器２５と低圧ＥＧＲバルブ２６が排気ガスシステム６が分岐する下流側の低圧ＥＧＲライン２４に配置されている。オプションとして、低圧ＥＧＲ冷却器２５が省略された場合を考慮し、低圧ＥＧＲ質量の流れの冷却は、使用するパイプの長さを介して、またはパイプの形状を通じて代用することができる。低圧ＥＧＲ質量の流れの冷却は、コンプレッサ８、１０が排気ガス再循環運転中に高温に達していないことを保証する。さらに本発明による実施形態では、ＳＣＲ触媒３７が、低圧ＥＧＲライン２４において、低圧ＥＧＲ冷却器２５の上流側で提供されている。第２ＳＣＲ触媒３７では、必要であれば、窒素酸化物および／または再循環排気ガス中に最終的に存在するアンモニウムまたは酸素を減らすことができる。これにより、特に低圧ＥＧＲ冷却器２５の冷却面上において、特定の浸食物質の除去または軽減が可能となり、そして内燃機関１の燃焼室で行われている燃料燃焼のプロセスの向上が可能となる。ＳＣＲ触媒３７は、比較的大きな様々な粒子を低圧経路内を再循環する排気ガスから除去できるようなフィルタ機能も兼ね備えている。

高圧排気ガス再循環の実現のために、高圧排気ガスターボチャージャ１１の上流側のタービン１４、言い換えると排気ガスシステム６の高圧側、排気ガスシステム６の排気ガスマニホールド３３から分岐する箇所に、高圧排気ガス再循環（ＥＧＲ）ライン２７が配置されている。高圧ＥＧＲライン２７は、スロットルバルブ１３の下流へ空気供給システム５に向かって流れ込む。この高圧ＥＧＲライン２７によって、高圧のＥＧＲ質量の流れを高圧ＥＧＲバルブ２８を介して空気供給システム５に流入させることが可能となる。実際に行った例では、必要に応じて低圧ＥＧＲ冷却器２５と建設的および／または機能的に組み合わせ可能な高圧ＥＧＲ冷却器２９は、高圧ＥＧＲライン２７に配置されている。しかしオプションとして、高圧ＥＧＲ質量の流れの冷却は、高圧ＥＧＲライン２７のパイプの長さを介して行うこともできる。それぞれのバイパスラインにおいては、低圧ＥＧＲ冷却器２５および／または高圧ＥＧＲ冷却器２９の流量調整を行う調整手段は別途表記されていないが可能である。

前述した通り内燃機関１は、排気ガスを高圧経路を介して高圧排気ガスターボチャージャ１１のタービン１４から分流させると同時に、低圧経路を介して排気ガスシステム６の粒子フィルタ３５から分流させるための排気ガス再循環機能を保持している。必要に応じて冷却後は、低圧排気ガスターボチャージャ９のコンプレッサ８の上流から供給させると同時に、空気供給システム５のスロットルバルブ１３の下流から供給させ、それにより内燃機関１の燃焼室３内への供給が可能となる。オプションとして、内燃機関１は、排気ガスの再循環をすることなく高圧排気ガス再循環または低圧排気ガス再循環、または同時に高圧排気ガス再循環と低圧排気ガス再循環を行うことで可変排気ガス再循環の流れを作り、動作させることができる。このように、可変低圧部と可変高圧部において、広い範囲内で変化する排気ガス再循環率と燃焼ガスは、燃焼エンジン１の燃焼室３内に供給することができる。特定の排気ガス再循環量の調整、すなわち再循環排気ガスの質量の流れとそれらのＥＧＲレートの調整は、排気ガス堰き止め弁１７および／または低圧ＥＧＲバルブ２６と高圧ＥＧＲバルブ２８によって調整され、低圧部だけでなく、高圧部でも、再循環排気ガス総量の広範囲での調整が可能となっている。これによりクリーンな排気ガスの再循環、排気ガス質量の流れの冷却率の向上、排気ガス再循環冷却器２５、２９での煤煙付着の防止と、空気供給システム５における再循環排気ガスと新鮮な空気の混合を可能にし、高い排気ガス再循環率と、全体的または部分的な内燃機関１における動作の安定化が可能となる。

排気ガス堰き止め弁１７と低圧ＥＧＲバルブ２６は排気ガス再循環調節用の既存のアクチュエータで、フォーワードレギュレータとして装備されている。低圧ＥＧＲバルブ２６と排気ガス堰き止め弁１７の両装置は連続可変式で、またコンプレッサ８の手前にある排気ガス堰き止め弁１７と低圧ＥＧＲバルブ２６の両装置は、排気ガス再循環総質量流量の低圧部の調整が可能となり、後者はしたがってその影響を受ける。低圧排気ガス再循環のための十分な圧力がかかっている限り、最初に低圧ＥＧＲバルブ２６のみを介して調整することができる。もし圧力が変化した場合には、排気ガス堰き止め弁１７で、低圧ＥＧＲバルブ２６の圧力が増加するよう、ある程度調整することができる。また、低圧排気ガス再循環質量の流れへの新鮮な空気の混合状態も良好に保たれる。さらにもう一つの利点としては、低圧経路を介して再循環される排気ガスは、クリーンであり、かつ振動がないということが挙げられる。その上、タービン１４、１５を介した大量の低圧部における排気ガス再循環によるコンプレッサの性能向上が実現する。高性能給気冷却器１２を介したコンプレッサ８、１０の後での排気ガス再循環により、新鮮な空気の温度低下と再循環排気ガスを含むガスの燃費削減が可能となる。ニーズに応じて、内燃機関１は、高圧排気ガス再循環および、低圧排気ガス再循環両方での運転が可能となる。

過給空気冷却器１２をバイパス可能な、空気供給システム５内の過給空気冷却器バイパス３０は、過給空気冷却器１２内における煤煙の付着を防止することができる。一般にいわれる煤煙付着の危険性として例を挙げると、水蒸気とガスが混合される際、最終的に粒子を含み、それらの混合物が過給空気冷却器１２内で露点下で結露することにより付着が起こるとされている。

新鮮な空気／排気ガスの混合物の全量、または過給空気冷却器１２の上流側から分岐する、その一部のみを過給空気冷却器１２へ供給することができ、これにより過給空気冷却器１２での冷却状態を調整することが好ましく、したがって、温度は露点以下に低下しない。新鮮な空気／排気ガスの混合物を、必要に応じて、高温にて効果的に過給空気冷却器１２より更に冷却されていることを確認する為に、空気供給システム５のコンプレッサー８、１０の下流側と過給空気冷却器１２の上流側に温度センサー３１が配置されており、所定の温度に達した時、過給空気冷却バイパス弁３２に配置されている過給空気冷却バイパス３０がそれに応じて制御され、その後、例えば、過給空気冷却バイパス弁３２が完全に開いたり、閉じたり、もしくは追加設計においては部分的に開くことができる。

内燃機関１の最適な運転のために、詳細は明記されていないが、排気システム６と空気供給システム５には別のセンサが配置されている。特に、温度および／または圧力用センサは、温度と圧力比を検出するために排気マニホールド３３の排気側、タービンバイパス２０、２１の吸気／排気側、または排気ガス浄化ユニット１６内、空気フィルタ７の吸気／排気側、コンプレッサ８、１０の吸気／排気側、排気ガス再循環ライン２４、２７内、および必要に応じてそれ以外の場所へも配置することができる。さらに、新鮮な空気質量流量を検出するために空気質量流量センサが、空気フィルタ７の下流側に設けられている。また排気システム６内には排気ガスセンサが、例を挙げると、排気マニホールド３３内、および粒子フィルタ３５の前後にラムダセンサが設置されている。また、好ましくは単独あるいは複数の、別途表記されていない窒素酸化物センサが、酸化触媒３４の直後および／またはＳＣＲ触媒ユニット３６の直後に配置されている。既存センサの信号は、内燃機関１の運転状況を検出し、別途表記されていない一般的なコントロール・調整装置で処理が可能となっており、その信号と記憶された特性ライン、特性図、内燃機関１の運転状態に基づいて、特に排気システム６と空気供給システム５での調整と、アクチュエータ制御の調整ができる。さらに、低圧および高圧経路の排気ガス再循環は、トルク及び中圧に対する内燃機関１の過給状態、または回転速度に応じて、決定または調整することができる。

本発明に係る実施形態によれば、有害物質削減とハイパワーでの内燃機関１の経済的な運転が実現する。特に、低圧排気ガス再循環部と高圧排気ガス再循環部における、窒素酸化物の安定したクリーニング動作により、長時間の運転が可能となる。これにより、ＳＣＲ触媒３７は、低圧ＥＧＲライン２４においてその重要な役割を担い、低圧ＥＧＲライン２４を介した再循環排気ガス中の窒素酸化物とアンモニアの大幅な還元を実現する。これは、還元剤添加装置３８による排気ガスへの窒素酸化物の還元手段への大量の還元剤導入を調整することにより実現する。またこの方法では、排気システム６に設けられた、排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントの有効性の向上が実現する。窒素酸化物やアンモニアは、低圧ＥＧＲライン２４内の排気システム６から除去されない限り、粒子フィルタを通過しＳＣＲ触媒ユニット３６によって分解される。低圧ＥＧＲライン２４で除去しきれなかった窒素酸化物やアンモニアは、ＳＣＲ触媒３７で分解され、これにより低圧排気ガス再循環経路内でのこれらのコンポーネントによる浸食が防止される。このように、内燃機関１は、少なくとも低圧ＥＧＲライン２４を介して、少なくともほとんどの窒素酸化物とアンモニアが除去された排気ガスを取り込む。ＳＣＲ触媒３７の配置の結果として、排気ガスに含まれる窒素酸化物やアンモニア／尿素などによる低圧ＥＧＲ冷却器２５上流側への堆積をなくし、これにより、熱交換性能の減少を回避できる。特に、低圧経路全体、特に低圧ＥＧＲ冷却器２５でしばしば堆積される硝酸アンモニウムによる不利益が回避できる。また内燃機関１で、窒素酸化物を少なくともほとんど含まない排気ガスが低圧経路を介して取り込まれたことで、燃焼室１３で発生する制御できない燃焼が回避され、燃焼が安定化する。特にまた、貴金属を含んだＳＣＲ触媒３７においても、低圧排気ガス再循環経路内の燃焼しない燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化が可能となった。さらに低圧ＥＧＲ冷却器２５における煤煙の付着やニスに対してもその効果が認められた。加えてＳＣＲ触媒３７は、低圧ＥＧＲライン２４への流出量の均一化を実現しただけでなく、振動の防止または軽減、および圧力低減を解消させる。通常（ラフ）フィルタは低圧ＥＧＲライン２４に配置される必要があるが、ＳＣＲ触媒３７にフィルタ機能がある場合は省略も可能である。

Claims (9)

1. 内燃機関（１）に燃焼用空気を供給する空気供給システム（５）と、前記内燃機関（１）から排気ガスを取り込み、粒子フィルタ（３５）とアンモニアによる窒素酸化物の選択的触媒還元を可能とする排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントが配置された排気システム（６）と、を有する車両用内燃機関であって、
   −アンモニアまたはアンモニアを分離可能な還元剤を排気システム（６）に添加するための還元剤添加装置（３８）が、排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントの上流側に配置され、
   −前記排気システム（６）内において粒子フィルタ（３５）の上流に、第１排気ガスターボチャージャ（１１）のタービン（１４）が配置されており、
   −排気システム（６）から空気供給システム（５）への排気ガス再循環を実現するために、前記排気システム（６）の前記第１排気ガスターボチャージャ（１１）の前記タービン（１４）の上流から分岐している第１排気ガス再循環ライン（２７）と、前記排気システム（６）の前記粒子フィルタ（３５）の下流から分岐している、第２排気ガス再循環ライン（２４）と、が配置されており、
   ＳＣＲ触媒（３７）が第２排気ガス再循環ライン（２４）に配置されていることを特徴とする車両用内燃機関。
2. 前記排気ガス浄化用ＳＣＲコンポーネントが、前記粒子フィルタ（３５）の触媒コーティングとして、および／またはＳＣＲ触媒コンバーターユニット（３６）が、前記排気システム（６）において、粒子フィルタ（３５）の上流および／または下流に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記排気システム（６）において、酸化触媒（３４）が、前記第１排気ガスターボチャージャ（１１）のタービン（１４）の下流側に、および前記粒子フィルタ（３５）の上流側に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関。
4. アンモニアまたはアンモニアを分離可能な還元剤の供給が、前記排気システム（６）内において、酸化触媒（３４）の下流側であって、前記粒子フィルタ（３５）の上流において実施されることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
5. 再循環排気ガス量を調整するための手段として、可変式流量制御要素（１７、２６）が前記排気システム（６）の前記第２排気ガス再循環ライン（２４）の分岐点の下流、および／または、第２排気ガス再循環ライン（２４）の空気供給システム（５）内への合流点の手前に配置され、および／または、流量制御要素（２８）が前記第１排気ガス再循環ライン（２７）の前記空気供給システム（５）内への合流点手前に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 前記排気システム（６）内において、前記第１排気ガスターボチャージャ（１１）の前記タービン（１４）の下流に、第２排気ガスターボチャージャ（９）のタービン（１５）が配置されていることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の内燃機関。
7. 圧縮された燃焼用空気の冷却目的で、前記空気供給システム（５）内にバイパス給気冷却器（１２）が配置されていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の内燃機関。
8. 空気供給システム（５）への再循環排気ガス冷却のため、排気ガス冷却器（２９、２５）が前記第１排気ガス再循環ライン（２７）および／または前記第２排気ガス再循環ライン（２４）に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の内燃機関。
9. 前記排気ガス冷却器（２９、２５）のバイパスラインが、前記第１排気ガス再循環ライン（２７）および／または前記第２排気ガス再循環ライン（２４）に配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の内燃機関。

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