JP2007529670A - 排気ガスターボチャージャを有する内燃機関の動作方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、エンジン近傍に位置する触媒コンバーター（４）と、下流に位置する排気ガスターボチャージャ（５）と、追加燃料を触媒コンバーター（４）上流の排気ガス流路へ導入するポスト噴射装置（１０）とを備えた排気ガス後処理系を有する過給機付内燃機関（１）の動作方法に関する。前記排気ガス後処理系は、排気ガス系において、触媒コンバーター（４）と排気ガスターボチャージャ（５）の間に、ＥＧＲライン（９）をさらに備えている。システム効率を改善するために、排気ガスターボチャージャへ供給される排気ガス質量流量の熱エネルギーは、内燃機関（１）の応答状態を改善するとともに、過給されたエネルギーが、排気ガスターボチャージャ（５）で生成されるように、ポスト噴射装置（１０）を介して排気ガス流路へ導入される燃料量を制御することによって修正される。前記エネルギーは、電気エネルギーとして、スタータジェネレータユニット（１２）によってバッテリー（１３）内に蓄えられることができ、排気ガスターボチャージャ（５）又は他のシステムを支えるために用いることが可能である。

Description

本発明は、排気ガスターボ過給を有する内燃機関の動作方法であって、排気ガスタービンが、少なくとも内燃機関の正の負荷変動の場合、燃料及び／又は空気を追加供給することによって増加した排気ガスの質量流量と、触媒コンバーターでの排気ガスの質量流量を浄化することによって、さらに増加した排気ガスエネルギーの作用を受けるので、排気ガスターボチャージャは、加速されて、より速いターボチャージャ速度と、より高いチャージ圧力にまで素早く上昇する方法、及びその方法のための装置に関する。

排気系に、排気ガスターボチャージャを有する内燃機関の一般的な動作方法が、特許文献１で知られている。酸化触媒コンバーターとしても具体化が可能である触媒コンバーターが、排気ガスターボチャージャの上流に配置されている。コールドスタート中又は、内燃機関の正の負荷変動の際、追加燃料が排気ガスへ噴射されることで、排気ガス質量流量は増え、触媒コンバーターで、未燃燃料成分が後燃焼されることで、排気ガス質量流量の排気ガスエネルギーは、総体的に相当量増える。排気ガスターボチャージャは、次いで、前記増加した排気ガスエネルギーの作用を受け、排気ガスターボチャージャ速度は、より高速、したがってより高いチャージ圧力までより素早く上昇する。これは、低速であっても高トルク増化を伴う内燃機関の高速応答をもたらすこととなる。公知の方法では、内燃機関の動作状態を改善された設定にするために、内燃機関をＥＧＲ（排気ガス再循環）を用いて動作させることはできないことが欠点である。負の負荷変動の場合には、システム効率は、改善されないことも欠点である。さらにこのシステムは、理論空燃比より小さい範囲（λ＜１）で機能できるようにするには、二次空気を必要とする。前述の配置では、エンジンで燃料を計量供給するのにはさらに限界がある。

独国特許出願公開第４１３９２９１Ａ１号明細書

本発明は、システム効率と動力の改良と、排気ガス汚染値の低減を伴いながら、内燃機関が動作されるように、包括的方法を改良する目的に基づいている。

上記目的は、本発明の方法によれば、特許請求項１の特徴部分に記載の特徴によって実現される。

排気ガスターボチャージャで発生する過剰過給エネルギーは、スタータジェネレータユニットに伝達されるので、過剰エネルギーは、バッテリー内で電気エネルギーとして蓄積することができる。前記過剰過給エネルギーは、したがって追加エネルギーとして、システム全体に利用でき、その結果、システム効率が増すことになる。この方法を実施するための簡単な構造の装置は、特許請求項３に明示されている。

エネルギーを発生させるために、内燃機関を動作せずに、連結された排気ガスターボチャージャを用いて、二次燃料を噴射し、空気を二次導入し、その結果としてスタータジェネレータユニットを動作できることもまた、とりわけ有利な点である。

方法及び装置の別の実施形態は、従属項の主題である。

ただ１つの図に基づいて、本発明の例示的実施形態を概略的に示す。

往復ピストン内燃機関は、ディーゼルエンジン又はガソリンエンジンとして具体化することができ、符号１で示されている。全般的に符号２で示されている排気系は、シリンダーの出口側と連結されている。前記排気系は、エンジン近傍に取り付けられている触媒コンバーター４と、下流に配置されている排気ガスターボチャージャ５を有する、排気ガスライン３を備えており、触媒コンバーター４の出力側へ導く排気ガスライン３は、前記排気ガスターボチャージャ５の排気ガスタービン６に連結されている。排気ガスタービン６は、燃焼空気を供給するために圧縮機７を駆動し、シリンダーの吸気口側で終端する燃焼空気ライン８は、前記圧縮機７に連結されている。排気系２は、さらにＥＧＲライン９を備えており、このＥＧＲライン９は、触媒コンバーター４と排気ガスターボチャージャ５の間に位置する排気ガスライン３の一部から分岐し、圧縮機７の下流に位置する燃焼空気ライン８の一部へ通じている。ここで、ＥＧＲバルブは、ＥＧＲライン９内に任意に配置することが可能である。触媒コンバーター４下流にＥＧＲライン９を配置する利点として、前記排気ガス成分は、触媒コンバーター４を通過する際にあらかじめ浄化されるので、ＥＧＲライン９が、浄化されていない排気ガス成分、例えば炭化水素、によって煤で覆われるという危険性を、最小限におさえることができる。内燃機関１は、理論空燃費より小さい空燃比（リッチ混合気）及び理論空燃費より大きい空燃比（リーン混合気）両方での動作モードに適している。従って、触媒コンバーター４は、酸化触媒コンバーター及び／又はＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバーターとして、具体化されている。（部分酸化法、水蒸気改質法、自己熱改質法又はこれらの任意の望ましい組み合わせを用いて）理論空燃費より小さい運転モード（λ＜１）で、過剰炭化水素をＨ_２／ＣＯを含む混合気に完全に又は部分的に浄化する触媒コンバーターも、任意に使用することができる。このことは、理論空燃費より小さい動作でＨＣ排出量を減少させ、適切な場合、下流に配置できる任意のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバーター（ｄｅＮＯ_Ｘ＋ｄｅＳＯ_Ｘ）の再生を容易にする。追加燃料を、狙った方法で、エンジンでの燃焼とは別個に、排気系（濃縮現象用及び／又は発熱現象の生成用）へ導入するために、二次ポスト噴射装置１０が触媒コンバーター４の上流の排気ガスライン３に配置されている。二次燃料噴射は、エンジンでの遅いポスト噴射（ｌａｔｅ ｐｏｓｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）と共に、あるいは、遅いポスト噴射とは別に作動することができる。

本発明によると、内燃機関のシステム効率、そして同時にコールドスタート中の排気ガスのエミッションは、ポスト噴射装置１０及び／又はエンジンでの遅いポスト噴射（ＮＥ）によって改善されることになっている。このために、燃料の追加量は、内燃機関１のコールドスタート中に、ポスト噴射装置１０によって、又はエンジンでの遅いポスト噴射によって、排気ガスライン３へ噴射される。前記燃料の追加分は、内燃機関１の未燃排気ガス成分と共に、エンジン近傍の触媒コンバーター４で浄化される。エンジン近傍に配置され、燃料量が追加される結果、触媒コンバーター４は、きわめて短時間に、その作動温度に達するので、触媒コンバーター４は、内燃機関１の排気ガス成分、及び未燃燃料を、内燃機関の始動直後に浄化することができる。前記手段の結果、比較的高温、したがって全体的に高い排気ガスエネルギーを有する増加した排気ガス質量流量は、既にコールドスタート中に生じており、前記増加した質量流量が、排気ガスターボチャージャ５に作用し、その結果ターボチャージャ５は、低速域から高速域へと加速され、比較的高いチャージ圧力まで素早く上昇する。これにより、コールドスタート状態において、低速での高トルク増加を伴う内燃機関１の高速応答が得られる。排気ガスターボチャージャ５の上流に配置された触媒コンバーターは、任意に電気的に加熱することができる（改善されたコールドスタート動作）。同様に、作動温度にある内燃機関１については、正の負荷変動が内燃機関１に求められている場合、内燃機関１の応答は、ポスト噴射装置１０及び／又はエンジンでの遅いポスト噴射による、追加燃料量を排気ガス流量に導入することによって、速いトルク強化に関する改善を行うことができる。また、コールドスタート中のように、追加燃料量が触媒コンバーター４上流の排気ガス流量へ導入されることで、排気ガス質量流量はかなり増加し、触媒コンバーター４において引き続き浄化が行われることで、前記排気ガス流量の排気ガスエネルギーは、かなり増加するので、前記増加した排気ガスエネルギーで作用される排気ガスターボチャージャ５は、加速されて素早く上昇し、その結果、チャージ圧力は直ちに増加し、内燃機関１の高速応答をもたらすというのが本明細書の場合である。

内燃機関において負の負荷変動の場合、内燃機関１を動作するために直接利用できない過給エネルギーが排気ガスターボチャージャ５で生成される。本発明によると、前記給気エネルギーが失われないように、排気ガスターボチャージャ５は、機械的駆動接続機構１１によって、排気ガスターボチャージャ５の過剰過給エネルギーから電気エネルギーを生成する電動スタータジェネレータユニット１２に連結され、前記電気エネルギーは次いで、バッテリー１２に蓄積される。本発明の関連においては、負の負荷変動の場合に解放される過給エネルギーを蓄積するだけでなく、基本的に、スタータジェネレータユニット１２を用いて排気ガスターボチャージャ５で発生する、それぞれの過給エネルギー量を、バッテリー１３に蓄積することも任意にできるようになっている。排気ガスターボチャージャ５の動作は、導入される燃料量によって影響され、内燃機関の正の負荷変動又は一定の負荷運転中の場合、コールドスタート状態の場合であっても、排気ガスターボチャージャ５の過剰過給エネルギーは、生成され、蓄積されることができる。このようにして蓄積される過剰過給エネルギーは、加速されて排気ガスターボチャージャ５を素早く上昇させるため、内燃機関１又は内燃機関１によって駆動される車両に取り付けられた他の電気装置に電力を供給するための両方に利用でき、その結果システム効率を全体的に改善することができる。内燃機関１が、低い負荷領域からより高い負荷領域へ、極度に正の負荷変動を行う場合、排気ガスターボチャージャ５の非常に早い上昇は同様に可能である。これを達成するために、排気ガスターボチャージャは、排気ガス流量から、排気ガスエネルギーの増加量の作用を受けるだけでなく、スタータジェネレータユニットによってさらに機械的に駆動される。

本発明の例示的実施形態を概略的に示す図。

Claims (12)

1. 排気ガスターボチャージャを有する内燃機関（１）の動作方法であって、前記排気ガスタービン（６）が、少なくとも前記内燃機関（１）の正の負荷変動の場合、燃料及び／又は空気を追加供給することによって、増加した排気ガスの質量流量と、触媒コンバーター（４）で、前記排気ガスの質量流量を浄化することによって、さらに増加した排気ガスエネルギーの作用を受けるので、前記排気ガスターボチャージャ（５）は、加速されて、より速いターボチャージャ速度及びより高いチャージ圧力にまで素早く上昇する方法であって、
   前記内燃機関（１）での正又は負の負荷変動の際に、前記排気ガスターボチャージャ（５）で発生する過剰過給エネルギーが、蓄積ユニット（バッテリー１３）に蓄積される電気エネルギーを生成するためのスタータジェネレータユニット（１２）に供給され、
   前記内燃機関が低い負荷領域から高い負荷領域へ、極度に正の負荷変動を行う際に、前記排気ガスターボチャージャ（５）がより速いターボチャージャ速度で、より高いチャージ圧力にまで、加速されて、素早く上昇するように、前記排気ガスターボチャージャ（５）が、前記スタータジェネレータユニットによってさらに駆動されることを特徴とする内燃機関（１）の動作方法。
2. アクセルペダルの操作速度にかかわらず、したがってエンジン内部の燃焼にかかわらず、前記ポスト噴射（ポスト噴射装置１０）が作動され及び／又は前記スタータジェネレータユニット（１２）が、前記排気ガスターボチャージャ（５）に対する駆動装置として作動状態に切り替えられることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の動作方法。
3. 触媒コンバーター（４）が、前記内燃機関（１）の前記排気系（２）におけるエンジン近傍に配置され、前記触媒コンバーター（４）の下流には、排気ガスターボチャージャ（５）がスタータジェネレータユニット（１２）に機械的に切り替え可能な状態で連結されていることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法を実施するための装置。
4. 前記ポスト噴射装置（１０）が、前記排気系（２）の前記触媒コンバーター（４）の上流に配置されていることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法を実施するための装置。
5. 前記ポスト噴射装置（１０）が、火炎グロープラグを有する通常の燃料バルブであり、その結果、燃料を計量供給し、加熱し、気化することを同時に可能とすることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法を実施するための装置。
6. 前記触媒コンバーター（４）が、酸化触媒コンバーターとして具体化されていることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法を実施するための装置。
7. 前記触媒コンバーター（４）が、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバーターであることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法を実施するための装置。
8. 前記触媒コンバーター（４）が、吸蔵触媒コンバーター及び酸化触媒コンバーターから形成されることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法を実施するための装置。
9. 前記触媒コンバーター（４）が、電気的に加熱されることが可能であることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法を実施するための装置。
10. 触媒コンバーター（４）が、前記理論空燃費より小さい範囲（λ＜１）で、完全に又は部分的に過剰炭化水素をＨ_２及びＣＯを含む混合気に浄化することを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法を実施するための装置。
11. ＥＧＲライン（９）が、前記排気系（２）の前記触媒コンバーター（４）と前記排気ガスターボチャージャ（５）の間から分岐することを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法を実施するための装置。
12. 加速状態で、λ＞１を前記全負荷限度に設定し、二次空気が、前記触媒コンバーター（４）の上流の前記排気系（２）へさらに導入されることが可能であることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法を実施するための装置。

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