JP6611788B2 - 内燃機関のための排ガス再循環システムおよびこのような排ガス再循環システムを作動させるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のための排ガス再循環システム、およびこのタイプの排ガス再循環システムを作動させるための方法に関する。ここで、排ガス再循環システムは、空気供給ラインと、排ガスラインと、排ガスラインにおけるＥＧＲ分岐点から空気供給ラインにおけるＥＧＲ送入点へ至る排ガス再循環ラインと、ＥＧＲ送入点の下流の空気供給ライン内のスロットルバルブとを有する。

内燃機関および、特にディーゼルエンジンを構成している要件は、窒素酸化物排出量についての制限値を順守し、前記窒素酸化物排出量の削減を求める法的制限値を低下させることである。窒素酸化物排出量を削減する１つの可能性は、排ガスの一部を燃焼チャンバ内へ供給することであり、その結果として、シリンダの燃焼チャンバにおける酸素濃度を設定することができ、ピーク燃焼温度を、特に冷却された排ガスの再循環の場合、下げることができるというものである。前記いわゆる排ガス再循環（略してＥＧＲ：ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）は、既知であり、シリンダの燃焼チャンバにおける酸素濃度を低下させる１つの可能性を提示する。ここで、過渡運転中、およびまた定常状態運転中のシリンダにおける酸素濃度の厳密な設定が、最も重要である。内燃機関の定常状態運転が制御システムをそれほど要求しない場合、特に、過渡運転において、窒素酸化物排出量の十分な相関関係が生じることを可能にするために、排ガス再循環は可能な限り厳密に決められなければならない。

排ガス再循環の場合、内部排ガス再循環と外部排ガス再循環との間で区別がなされる。バルブ重複段階中の、出口導管から出て燃焼チャンバに入る排ガスの還流は、内部排ガス再循環と呼ばれる。ここでは、内部排ガス再循環のレベルは、外気供給部と排ガスシステムとの間の圧力差に、バルブ重複の期間に、およびバルブによって解放される開口断面に依存する。さらなる既知の排ガス再循環は外部排ガス再循環である。ここでは、排気マニホールドの領域における排ガスの、入口導管の外気供給部内への直接的な再循環を可能にする高圧排ガス再循環と、ターボチャージャの（排ガスシステム内へ組み込まれた）タービンの下流で排ガスが分岐し、ターボチャージャのコンプレッサの上流の外気供給部内へ送入される低圧排ガス再循環との間で区別がなされる。

低圧排ガス再循環を備える、冒頭で言及されたタイプの排ガス再循環システムは、独国特許出願公開第１０ ２０１０ ０２５ ６９９Ａ１号明細書、独国特許出願公開第１０ ２０１０ ０２７ ６４６Ａ１号明細書および国際公開第２０１０／０７２２２７Ａ１号パンフレットにより開示されている。

独国特許出願公開第１０ ２０１０ ０２５ ６９９Ａ１号明細書は、排ガスの後処理のための手段と排ガス再循環のための手段とを有するディーゼルエンジンを開示する。吸気セクションと排ガスセクションとが設けられ、少なくとも１つの煤煙粒子フィルタが排ガスセクションに配置され、ＮＯｘ貯蔵触媒コンバータが後者の下流に配置される。排ガス再循環セクションは排ガスセクションから分岐し、吸気セクション内へ開口する。排ガス部分流を分離するための分岐部が、ＮＯｘ貯蔵触媒コンバータのハウジングにおける排ガス再循環のために配置される。結果として、ＮＯｘ貯蔵触媒コンバータは、排ガス部分流による過度に大きい排ガス流の負荷を受けることはないが、それは、排ガス再循環は排ガス後処理部から負荷を受けない程度に除外されるためである。結果として、排ガス再循環のための分岐部とＮＯｘ貯蔵触媒コンバータのハウジング部との間の熱伝達、さらに、ＮＯｘ貯蔵触媒コンバータのより迅速な加熱が、有利には運転中に生じ、その結果、特に内燃機関の始動段階において、汚染物質排出量が削減され得る。

独国特許出願公開第１０ ２０１０ ０２７ ６４６Ａ１号明細書は、排ガスセクションと排ガス再循環部とを有する内燃機関の排ガスシステムを開示し、排ガス再循環部は排ガスセクションから分岐し、排ガスセクションはパイプと排ガス処理手段とを有する。パイプおよび／または排ガス処理手段は、少なくとも部分的に、排ガスのための複数のラインが形成されるような方法で構成され、第１のラインは主排ガス流を導き、第２のラインは、排ガス再循環のために分岐された排ガス部分流を導く。

国際公開第２０１０／０７２２２７ Ａ１号パンフレットは、内燃機関のための排ガス再循環システムであって、排ガスターボチャージャと、排ガス再循環ラインであって、第１に、排ガスの、内燃機関の排ガスセクションへの除去のために接続され、第２に、内燃機関の外気供給部へ接続される排ガス再循環ラインとを有する内燃機関のための排ガス再循環システムを開示する。排ガス再循環ラインは、再循環される排ガスの圧力を増加させるために排ガスコンプレッサを介して送られる。再循環される排ガス流の圧力の増加の結果として、再循環される排ガス流は、有利には、改良されたやり方で制御され得る。この目的のためには、穏やかな圧力上昇で既に十分であり得る。再循環される排ガスが圧縮される圧力レベルは、どのようにおよびどこでそれが外気供給部へ供給されるかに実質的に依存する。

既知の低圧排ガス再循環システムの場合、特に排ガスターボチャージャ付き内燃機関の場合、特にガソリンエンジン、すなわちターボチャージャのコンプレッサの上流での排ガス再循環部の導入の場合、ＥＧＲ送入点とスロットルバルブとの間の大きな死容積をもたらし、この死容積は再循環される排ガスで充填される。例えば自発的な分離の結果として迅速に負荷が減少すると、燃焼安定性に伴う問題が生じ得るが、その理由はＥＧＲ率は、高い死容積の結果として十分速やかに低下し得ず、新たなエンジン負荷点に十分速やかに適合し得ないためである。

ＥＧＲ率を変更後のエンジン負荷ポイントへより速やかに適合させ得ることができるようにすることが本発明の目的である。

本目的は、内燃機関のための排ガス再循環システムの方法により達成され、この排ガス再循環システムは、空気供給ラインと、排ガスラインと、排ガス再循環ラインと、スロットルバルブとを有する。排ガス再循環ラインは、排ガスラインにおけるＥＧＲ分岐点から空気供給ラインにおけるＥＧＲ送入点へ至る。スロットルバルブは、ＥＧＲ送入点の下流の空気供給ライン内に配置される。さらに、外気のために、閉鎖され得る迂回ラインが設けられ、この迂回ラインはスロットルバルブの下流の空気供給ラインにおける迂回送入点へ至る。

入口開口から取り込まれる空気を内燃機関まで導く全ての構成要素が、空気供給ラインに属する。排ガスを内燃機関から周囲の大気へ導く全ての構成要素が排ガスラインに属する。

高い部分負荷または全負荷での定常状態運転の場合、迂回ラインは閉じたままとなり得、適合されたＥＧＲ率がスロットルバルブを介して内燃機関へ供給される。急に負荷が減少すると、スロットルバルブはすぐに完全に閉鎖することができ、同時に、迂回ラインは開くことができ、その結果、ＥＧＲ送入点とスロットルバルブとの間の再循環される排ガスを豊富に含む死容積全体はもはや内燃機関へ供給されず、したがってもはや燃焼プロセスに参加しない。ＥＧＲ率はしたがって速やかに低下し、再循環される排ガス成分を含まない外気が迂回ラインを介して内燃機関へ供給される。

次いで、急に負荷の増大が生じると、迂回ラインは閉鎖することができ、同時にスロットルバルブは開くことができ、すでに再循環される排ガスを豊富に含む死容積が、すぐに内燃機関へ供給されることが可能であり、その結果、求められるＥＧＲ率が非常に速やかに達成される。

迂回ラインは専用の空気入口を有することができ、または、迂回ラインは、ＥＧＲ送入点の上流の空気供給ラインにおける迂回分岐点により、外気を空気供給ラインから分岐させることができ、それを迂回送入点へ導くことができる。

再循環される排ガスが迂回ラインを貫通することを回避するために、チェックバルブが空気供給ライン内に設けられ、このチェックバルブは迂回分岐点とＥＧＲ送入点との間に配置され、空気供給ラインの貫流を専ら迂回分岐点からＥＧＲ送入点の方向に可能にするようにし得る。

迂回ラインを、閉鎖され得るように構成するために、迂回バルブが好ましくは迂回ライン内に設けられる。

流れが迂回ラインを一方向にのみ通過することを確実にするために、チェックバルブが迂回ライン内に設けられ、このチェックバルブが迂回ラインの貫流を専ら迂回送入点の方向にのみ可能にするようになされ得る。

少なくとも１つの排ガスターボチャージャには、好ましくはコンプレッサとタービンとが設けられ、コンプレッサは空気供給ライン内に配置され、タービンは排ガスライン内に配置され、コンプレッサはＥＧＲ送入点とスロットルバルブとの間に配置される。

低圧排ガス再循環システムを提供するために、排ガスターボチャージャのタービンは、好ましくはＥＧＲ分岐点の上流に配置される。

さらに、本目的は、上で説明された排ガス再循環システムを作動させるための方法によって達成され、急激に負荷が減少すると、スロットルバルブは完全に閉鎖され、迂回ラインは開かれる。

負荷が増大すると、迂回ラインは閉鎖され、スロットルバルブは開かれる、その結果、ＥＧＲ送入点とスロットルバルブとの間の、再循環された排ガスを豊富に含む死容積全体は、もはや内燃機関へ供給されず、したがって燃焼プロセスに参加しない。ＥＧＲ率はしたがって非常に速やかに低下し、再循環される排ガス成分を含まない外気が迂回ラインを介して内燃機関へ供給される。

アイドリング中、アイドリング制御は、迂回ラインの開閉およびスロットルバルブの開閉を介して、複合的なやり方で実施されるようにし得る。代替形態として、アイドリング中、アイドリング制御は、スロットルバルブ位置が一定の状態で、好ましくは閉鎖したスロットルバルブ位置で、専ら迂回ラインの開閉を介して、行われるようにし得る。

再循環される排ガスが迂回ライン内に入るのを回避するために、迂回ラインは、圧力が迂回分岐点でよりも迂回送入点で高い限り、開かないようにし得る。

非常時運転モードにおいては、スロットルバルブは、一定のスロットルバルブ位置において、好ましくは完全に閉鎖した態様で保持され、空気供給が迂回ラインの開閉を介して行われるようにし得る。

排ガス再循環システムの２つの好ましい例示的な実施形態が図に示され、以下の文章でより詳細に説明される。

空気供給ラインから分岐する迂回ラインを有する排ガス再循環システムの第１の例示的な実施形態を示す。 専用の空気入口を有する迂回ラインを有する排ガス再循環システムの第２の例示的な実施形態を示す。

図１は、空気を送入するための吸気マニホールド２と排ガスを排出するための排気マニホールド３とを備える内燃機関１を有する排ガス再循環システムの第１の例示的な実施形態を示す。吸気マニホールド２は、吸気開口６を介して外気を吸い込む空気供給ライン４へ接続され、この外気は空気フィルタ７へ供給される。空気フィルタ７から、空気供給ライン４はさらに排ガスターボチャージャ９のコンプレッサ８へ至り、このコンプレッサ８において、空気が圧縮される。圧縮により加熱される空気を冷却するための中間冷却器１０が、コンプレッサ８の下流に位置する。空気供給ライン４はさらに、送入される空気の質量流を制御するためのスロットルバルブ１１へ至る。スロットルバルブ１１の下流で、空気供給ライン４は、さらに、同様に空気供給ライン４の構成部品であるとみなされ得る吸気マニホールド２へ至る。

排ガスライン５は排気マニホールド３へ接続され、排ガスターボチャージャ９のタービン１２へ至り、このタービン１２は、コンプレッサ８を駆動するためにシャフト１３を介してコンプレッサ８に駆動接続される。排ガスは、排ガスタービン１２の下流へ、さらには触媒コンバータおよび／または粒子フィルタなどの排ガス後処理デバイス１４へ導かれ、その後排ガスライン５から出る。

ＥＧＲ分岐点１５が、排ガス後処理デバイス１４の下流に位置し、このＥＧＲ分岐点１５で、排ガスは、排ガスライン５から分岐してＥＧＲライン１６へ入ることができる。ＥＧＲライン１６は空気供給ライン４におけるＥＧＲ送入点１７へ至り、ＥＧＲ送入点１７は空気フィルタ７とコンプレッサ８との間に配置されている。排ガスを冷却するためのＥＧＲ冷却器１８が、ＥＧＲライン１６内に設けられる。さらに、ＥＧＲバルブ１９が、ＥＧＲライン１６内の、ＥＧＲ冷却器１８とＥＧＲ送入点１７との間に設けられ、このＥＧＲバルブ１９を介して、再循環される排ガスの質量流が制御され得る。

迂回分岐点２０が、空気フィルタ７とＥＧＲ送入点１７との間に位置し、この迂回分岐点２０で、外気が空気供給ライン４から分岐して迂回ライン２１へ入ることができる。迂回ライン２１を通じて外気の質量流を制御するための迂回バルブ２２が、迂回ライン２１内に位置する。迂回ライン２１は、さらに吸気マニホールド２上の迂回送入点２３へ至り、迂回送入点２３はスロットルバルブ１１の下流に位置する。

迂回バルブ２２が開いているときに、排ガスを豊富に含む空気が、吸気マニホールド２を通って迂回ライン２１に入るのを防ぐために、第１のチェックバルブ２４が迂回ライン２１内に設けられ、この第１のチェックバルブ２４は、迂回分岐点２０から迂回送入点２３への方向において開き、反対方向において閉じる。さらに、排ガスを豊富に含む空気が、ＥＧＲライン１６から出て迂回ライン２１に入るのを防ぐために、第２のチェックバルブ２５が設けられ、さらに、第２のチェックバルブ２５は迂回分岐点２０とＥＧＲ送入点１７との間に位置し、ＥＧＲ送入点１７から迂回分岐点２０への方向において閉じる。

部分負荷または全負荷での内燃機関１の通常運転中、迂回ライン２１は遮断されたままとなり得、適合されたＥＧＲ率が、スロットルバルブ１１を介して内燃機関１へもたらされる。急に負荷が減少すると、スロットルバルブ１１はすぐに閉鎖することができ、同時に迂回ライン２１は迂回バルブ２２を介して開くことができ、その結果、ＥＧＲ送入点１７とスロットルバルブ１１との間の、再循環される排ガスを豊富に含む死容積全体は、もはや内燃機関１へ供給されず、したがって、もはや燃焼プロセスに寄与することはない。したがって、ＥＧＲ率は非常に速やかに低下し、再循環される排ガス成分を含まない外気が、迂回ライン２１を介して内燃機関１へ供給される。

同様に急に負荷の増大が生じると、迂回ライン２１は迂回バルブ２２を介して閉鎖することができ、同時にスロットルバルブ１１は開くことができ、再循環される排ガスを既に豊富に含んでいる死容積部分が、内燃機関１へすぐに供給されることが可能となり、その結果、求められるＥＧＲ率が非常に速やかに達成される。

図２は排ガス再循環システムの第２の実施形態を示しており、第１の実施形態の構成要素と一致するその構成要素には、同じ参照符号が付され、第１の実施形態に関連して説明される。

第１の例示的な実施形態と対照的に、迂回ライン２１は空気供給ライン４から分岐せず、むしろ空気入口として専用の吸気開口２７を有する。さらに、さらなる空気フィルタ２６が迂回ライン２１に設けられる。加えて、空気供給ライン４にはチェックバルブは必要とされない。

説明された２つの例示的な実施形態において、図示のとおり、迂回ラインは、迂回送入点２３で空気供給ライン４内へ、ここでは吸気マニホールド２内へ開口することができる。しかしながら、迂回送入点２３は、任意の１つの点または複数の任意の点で空気供給ライン４内へ開口することができる。迂回ライン２１は、スロットルバルブ１１の下流で空気供給ライン４内へ開口するということのみが重要である。例えば、迂回ライン２１が、スロットルバルブと吸気マニホールド２との間で空気供給ライン４内へ開口することが考えられる。あるいは、迂回ライン２１からの外気を、吸気マニホールド２と内燃機関１との間の個別のシリンダ毎の各吸引管へ導入することも、または、内燃機関１内の各シリンダの流入通路内へ導入することも可能である。

１ 内燃機関
２ 吸気マニホールド
３ 排気マニホールド
４ 空気供給ライン
５ 排ガスライン
６ 吸気開口
７ 空気フィルタ
８ コンプレッサ
９ 排ガスターボチャージャ
１０ 中間冷却器
１１ スロットルバルブ
１２ ガスタービン
１３ シャフト
１４ 排ガス後処理デバイス
１５ ＥＧＲ分岐点
１６ ＥＧＲライン
１７ ＥＧＲ送入点
１８ ＥＧＲ冷却器
１９ ＥＧＲバルブ
２０ 迂回分岐点
２１ 迂回ライン
２２ 迂回バルブ
２３ 迂回送入点
２４ 第１のチェックバルブ
２５ 第２のチェックバルブ
２６ 空気フィルタ
２７ 吸気開口

Claims (13)

1. 内燃機関（１）のための排ガス再循環システムであって、前記排ガス再循環システムが、
   空気供給ライン（４）と、
   排ガスライン（５）と、
   排ガス再循環ライン（１６）であって、前記排ガスライン（５）におけるＥＧＲ分岐点（１５）から前記空気供給ライン（４）におけるＥＧＲ送入点（１７）へ至る排ガス再循環ライン（１６）と、
   前記ＥＧＲ送入点（１７）の下流の前記空気供給ライン（４）内のスロットルバルブ（１１）と
   を有する、内燃機関（１）のための排ガス再循環システムにおいて、
   外気のための閉鎖可能な迂回ライン（２１）が設けられていて、前記迂回ライン（２１）が、前記スロットルバルブ（１１）の下流の前記空気供給ライン（４）における迂回送入点（２３）へ至り、
   前記迂回ライン（２１）が、前記ＥＧＲ送入点（１７）の上流の前記空気供給ライン（４）における迂回分岐点（２０）から前記迂回送入点（２３）へ至り、
   チェックバルブ（２５）が前記空気供給ライン（４）内に設けられ、前記チェックバルブ（２５）が前記迂回分岐点（２０）と前記ＥＧＲ送入点（１７）との間に配置されていて、前記迂回分岐点（２０）から前記ＥＧＲ送入点（１７）の方向への前記空気供給ライン（４）の貫流のみを可能にしている、
   ことを特徴とする、内燃機関（１）のための排ガス再循環システム。
2. 前記迂回ライン（２１）を閉鎖するための迂回バルブ（２２）が前記迂回ライン（２１）内に設けられている、請求項１に記載の排ガス再循環システム。
3. チェックバルブ（２４）が前記迂回ライン（２１）内に設けられ、前記チェックバルブ（２４）が、前記迂回送入点（２３）の方向への前記迂回ライン（２１）の貫流のみを可能にする、請求項１または２に記載の排ガス再循環システム。
4. ターボチャージャ（９）に、前記空気供給ライン（４）内のコンプレッサ（８）と前記排ガスライン（５）内のタービン（１２）とが備え付けられていて、前記コンプレッサ（８）が前記ＥＧＲ送入点（１７）と前記スロットルバルブ（１１）との間に配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の排ガス再循環システム。
5. 前記ターボチャージャ（９）の前記タービン（１２）が前記ＥＧＲ分岐点（１５）の上流に配置されている、請求項４に記載の排ガス再循環システム。
6. 急激に負荷が減少すると、前記スロットルバルブ（１１）が閉鎖され、かつ前記迂回ライン（２１）が開放されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の排ガス再循環システムを作動させるための方法。
7. 負荷が増大すると、前記迂回ライン（２１）が閉鎖される、請求項６に記載の方法。
8. アイドリング中、アイドリング制御が、前記迂回ライン（２１）と前記スロットルバルブ（１１）の開閉を組み合わせて、行われる、請求項６または７に記載の方法。
9. アイドリング中、アイドリング制御が、スロットルバルブ位置を一定にして、専ら前記迂回ライン（２１）を開閉させることにより、行われる、請求項６または７に記載の方法。
10. 前記アイドリング制御が、スロットルバルブ（１１）を完全に閉鎖させて、行われる、請求項９に記載の方法。
11. 前記迂回分岐点（２０）の圧力よりも前記迂回送入点（２３）の圧力が高い限り、前記迂回ライン（２１）を開放させない、請求項６から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 非常時運転モードにおいて、前記スロットルバルブ（１１）を、一定のスロットルバルブ位置に保持して、空気供給が前記迂回ライン（２１）の開閉に基づいて行われる、請求項６から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記スロットルバルブ（１１）を、完全に閉鎖した状態に保持する、請求項１２項に記載の方法。

Images