JP2022522050A - 内燃機関における処理済み排気ガス再循環のためのシステムおよび方法 - Google Patents

内燃機関における処理済み排気ガス再循環のためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

内燃機関のための処理済み排気ガス再循環（ＥＧＲ）のためのシステムおよび方法が開示される。内燃機関は、排気ガスを排出する排気マニホルドと、コンプレッサからの強制空気を受け入れる吸気マニホルドを有する。１つまたは複数の排気処理装置が排気ガスを処理し、処理済み排気ガスを生成する。ＥＧＲシステムは１つまたは複数の排気処理装置の下流側にあり、コンプレッサの下流側のエンジン吸気ラインに接続されたＥＧＲラインを含み、処理済みＥＧＲラインは、処理済み排気ガスを、コンプレッサを通過することなくエンジンの吸気マニホルドに再循環させる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、（ｉ）２０１９年４月８日に出願され、「エンジン燃焼の較正された蒸気自己加湿の方法」と題された、米国仮特許出願第６２／８３１，１３３号、（ｉｉ）２０１９年７月２８日に出願され、「内燃機関の性能を較正する方法」と題された、米国仮特許出願第６２／８７９，５２４号、ならびに（ｉｉｉ）２０２０年１月２４日に出願され、「排ガスの導入によるディーゼル燃焼の改善のための方法」と題された、米国仮特許出願第６２／９６５，７８２号、の利益および優先権を主張する。これらの出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本明細書に開示される主題は、エンジン性能を向上させるために内燃機関において処理済み排気ガス再循環（処理済みＥＧＲ）のためのシステムおよび方法に関する。このシステムおよび方法において、エンジン排気マニホルドからの排気ガスの少なくとも一部が処理を受けた後、および排気ガスの圧縮なしで、エンジン吸気マニホルドに直接リサイクルされる。
内燃機関は、多くの異なる種類の燃料と共に使用することができる。燃焼は燃料の化学エネルギを機械エネルギに変換し、また、炭素ベースの微粒子（例えば、煤）および窒素酸化物（ＮＯX）を含む、環境汚染を引き起こす可能性がある多数の放出副産物を生成する。環境汚染を減らすために、規制機関はエンジンの排出量を減らすことを要求する、燃焼エンジン用の排出基準を採用した。
こうした排出ガス規制に対応して、エンジンメーカーは、排出ガスが大気中に放出される前にエンジンから流出する排出ガスを処理する技術を開発した。図１は、放出を低減するための内燃機関（例えばディーゼルエンジン）１０における従来技術の排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム１を示す。例えば、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１の上流にある空気取り入れシステム（例えば、空気取り入れライン３０および空気取り入れフィルタ３１）は、コンプレッサ２１の入口に新鮮なまたは大気の取り入れ空気を供給する。吸入空気が圧縮され、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１で加熱され、コンプレッサ２１の流出口からエンジン吸気ライン６０を介してコンプレッサ２１の下流側に流れ、吸気ラインクーラ６２、吸気ライン（スロットル）バルブ６１、およびエンジン１０の吸気マニホルド１１に、燃料（例えば炭化水素Ｃ15Ｈ32）の供給を行う。
エンジン１０の排気マニホルド１２がターボチャージャ２０のタービン２２の入口に到達する前に（すなわち、タービン２２の上流にある）、プレタービンＥＧＲラインバルブ４１とプレタービンＥＧＲラインクーラ４２を通って、プレタービンＥＧＲライン４０を経由して、排気ガスの第１の部分がエンジン１０の吸気マニホルド１１に逆流する。例えば、プレタービンＥＧＲライン４０は、Ｔ接続でエンジン吸気ライン６０と接続することができる。エンジン１０の排気マニホルド１２およびターボチャージャ２０のタービン２２の上流のプレタービンＥＧＲライン４０内の圧力は典型的にはエンジン１０の吸気マニホルド１１内の圧力よりも大きいので、プレタービンＥＧＲシステムは高圧（ＨＰ）ＥＧＲループと呼ぶことができる。
図１に示すように、エンジン１０の排気マニホルド１２を出る排気ガスの第２の部分は、ターボチャージャ２０のタービン２２の入口を流れ、タービン２２を駆動してコンプレッサ２１を回転させる。タービン２２の下流でターボチャージャ２０のタービン２２から出る排気ガスは、触媒およびフィルタを含む排気処理装置８０を通って送られ、ＮＯX、粒子状物質、および他の望ましくない放出を低減する。
処理済み排気ガスの第１の部分は排気処理装置８０の下流側に配置された例えばテールパイプ７０（または例えば車両のマフラー）を通って大気中に流出するが、処理済み排気ガスの第２の部分は処理済みＥＧＲラインクーラ５２および処理済みＥＧＲラインバルブ５１を含む処理済みＥＧＲライン５０を通って逆流する。処理済みＥＧＲライン５０内の圧力は典型的にはエンジン１０の吸気マニホルド１１内の圧力よりも低いので、処理済みＥＧＲシステムは低圧（ＬＰ）ＥＧＲループと呼ぶことができる。この低圧に対処するために、処理済みＥＧＲライン５０内の処理済み排気ガスは、Ｔ接続で空気吸気ライン３０に接続され、両ライン３０、５０はターボチャージャ２０のコンプレッサ２１の入口に、その上流で接続され、コンプレッサ２１は、エンジン吸気ラインクーラ６２および吸気ライン（スロットル）バルブ６１を通ってコンプレッサ２１の下流にあるコンプレッサ２１の出口からエンジン１０の吸気マニホルド１１に流れる吸気空気および処理済み排気ガスの混合物を圧縮し、加熱する。
前段タービンと処理済みＥＧＲシステムは放出低減に効果があったが、燃料消費の増加とターボチャージャ性能の低下を含むエンジン性能にもマイナスの影響を及ぼす可能性がある。
内燃機関における排気ガス再循環（ＥＧＲ）のためのシステムおよび方法が開示されており、これは、放出要件に対処するだけでなく、エンジン性能も向上させる。内燃機関は、排気ガスを排出する排気マニホルドと、コンプレッサからの強制空気を受け入れる吸気マニホルドを有する。１つまたは複数の排気処理装置が排気ガスを処理し、処理済み排気ガスを生成する。ＥＧＲシステムは、１つまたは複数の排気処理装置の下流であって、かつコンプレッサの下流のエンジン吸気ラインに接続された、ＥＧＲラインを含み、処理済みＥＧＲラインは、処理済み排気ガスを、コンプレッサを通過することなくエンジンの吸気マニホルドに再循環させる。
一実施形態では、内燃機関が、エンジンの下流に配置されたターボチャージャのタービンに排気ガスを排出する排気マニホルドと、ターボチャージャのコンプレッサの下流に強制空気を受け入れるエンジン吸気ラインに接続された吸気マニホルドとを有する。１つまたは複数の排気処理装置は、排気ガスを処理し、処理済み排気ガスを生成するために、タービンの下流側に配置される。ＥＧＲシステムは、１つまたは複数の排気処理装置の下流側の点に接続された第１の端部と、ターボチャージャのコンプレッサの下流側のエンジン吸気ラインに接続された第２の端部とを有する処理済みＥＧＲラインを備える。第１の処理済みＥＧＲラインは、処理済み排気ガスを、コンプレッサを通過することなくエンジンの吸気マニホルドに再循環させる。そうすることで、処理済み排ガスの有益な成分は、再循環中に保存され、燃焼を改善する。
別の実施形態では、プレタービンＥＧＲラインは、エンジンの排気マニホルドの下流でターボチャージャのタービンの上流の点に接続された第１の端部と、ターボチャージャのコンプレッサの下流のエンジン吸気ラインに接続された第２の端部とを有する。排気ガスを処理し、処理済み排気ガスを生成するために、１つまたは複数の排気処理装置が、プレタービンＥＧＲライン内に配置される。プレタービンＥＧＲラインは、処理済み排気ガスをコンプレッサを通過することなくエンジンの吸気マニホルドに再循環させる。繰り返しになるが、そうすることで、処理済み排気ガスの有益な成分は、再循環中に保存され、燃焼を改善する。
別の実施形態では、ＥＧＲのための方法が開示される。この方法は、ターボチャージャのコンプレッサの下流側のエンジン吸気ラインに接続されたエンジンの吸気マニホルド内に空気を強制的に送り込むステップと、エンジンの排気マニホルドからエンジンの下流に配置されたターボチャージャのタービンに排気ガスを排出するステップと、タービンの下流に配置された１つまたは複数の排気処理装置によって排気ガスを処理して処理済み排気ガスを生成するステップと、処理済み排気ガスを、１つまたは複数の排気処理装置の下流の点に接続された第１の端部と、コンプレッサを通過することなくターボチャージャのコンプレッサの下流のエンジン吸気ラインに接続された第２の端部とを有する処理済みＥＧＲラインを通して再循環させるステップとを含む。繰り返しになるが、そうすることで、処理済み排気ガスの有益な成分は、再循環中に保存され、燃焼を改善する。
上記の実施形態は、単に例示的なものである。他の実施形態は、開示された主題の範囲内である。
上記で簡単に要約した本発明のより具体的な説明は、実施形態を参照することによって得ることができ、そのいくつかを添付の図面に示されている。しかしながら、添付図面はあくまで本発明の典型的な実施形態を示しているに過ぎず、したがって、これらの添付図面は本発明の範囲を制限するものと解釈されず、本発明は他の同様に効果的な実施形態を含み得ることに留意すべきである。したがって、本発明の性質および目的をさらに理解するために、図面に関連して読まれる以下の詳細な説明を参照することができる。
図１は、従来技術の処理済みＥＧＲシステムを示す。
図２は、ターボチャージャのタービンおよび排気処理装置の下流の点から、ターボチャージャのコンプレッサの下流側の地点まで、エンジンの吸気マニホルド内に処理済み排気ガスを再循環させる、処理済みＥＧＲシステムの第１の実施形態を示す。
図３は、ターボチャージャのタービンおよび排気処理装置の下流の点から、ターボチャージャのコンプレッサの下流側の地点まで、エンジンの吸気マニホルド内に処理済み排気ガスを再循環させる、処理済みＥＧＲシステムの第２の実施形態を示す。
図４は、ターボチャージャのタービンおよび１つまたは複数の排気処理装置の下流の１つまたは複数の点から、ターボチャージャのコンプレッサの下流の点まで、エンジンの吸気マニホルド内へ処理済み排気ガスを再循環させる、処理済みＥＧＲシステムの第３の実施形態を示す。
図５は、ターボチャージャのタービンの上流の点から１つまたは複数の排気処理装置を通ってエンジンの吸気マニホルド内に排気ガスを再循環させる、処理済みＥＧＲシステムの第４の実施形態を示す。
図６は、開示された処理済みＥＧＲシステムにおけるエネルギバランスの計算を示す図である。
以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。可能な限り、図面および以下の説明では、同一または類似の要素を参照するために、同一の参照番号が使用される。本明細書で説明されるシステムおよび方法は、本明細書で詳述されるような一定の発明概念を具体化する例であることが理解されるであろう。この目的のために、他の変形および修正は、当業者には容易に明らかになるであろう。
内燃機関における排気ガス再循環（ＥＧＲ）のためのシステムおよび方法が開示されており、これは、放出要件に対処するだけでなく、エンジン性能も向上させる。本出願人は排気ガスを例えば触媒で処理すると、処理済み排気ガス（例えば、活性酸素種（ＲＯＳ））中に、エンジン性能を向上させることができる特定の成分が単独でまたは組み合わせて生成されることを発見した。活性酸素種は、酸素を含有する化学的に反応性の化学種である。一重項酸素、ヒドロキシルラジカル、および過酸化水素を含む。
処理済み排気ガス中のこれらの反応性成分のうちの１つ以上が、処理済み排気ガスの圧縮を排除または最小限に抑えるように、エンジン吸気マニホルドに迅速に再循環される場合、エンジン性能が改善される。
本発明はターボチャージエンジンおよび非ターボチャージエンジン（例えば、圧縮点火（ディーゼル）または火花点火（ガソリン））と共に使用することができ、ディーゼル、ガソリン、天然ガス、エタノール、水素、プロパン、ブタン、ならびに他の適切な燃料タイプおよび空気／燃料混合物を含む、異なる燃料タイプで動作するエンジンと共に使用することができることを理解されたい。このようなエンジンは電力、様々な用途（例えば、自動車、建設機械、鉱山機械、船舶等）に使用することができる。
図２は、ターボチャージャ２０および排気処理装置８０のタービン２２の下流の点から、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１の下流の点へ、エンジン１０の吸気マニホルド１１の中へ処理済み排気ガスを再循環させる、処理済みＥＧＲシステム１００の第１の実施形態を示す。この強制誘導システムにおけるターボチャージャ２０は、固定形状タイプのコンプレッサ、可変形状コンプレッサ、または当該技術分野で公知の任意の他のコンプレッサを含むことができるコンプレッサ２１を含むことができる。図１に示す従来技術のＥＧＲシステム１と同様に、図２に示す処理済みＥＧＲシステム１００ではターボチャージャ２０のコンプレッサ２１の上流の吸気システム（例えば、吸気ライン３０および吸気フィルタ３１）は新鮮なまたは大気の吸気（酸素（Ｏ2）を含む）をコンプレッサ２１の入口に供給する。吸入空気が圧縮され、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１で加熱され、コンプレッサ２１の流出口からエンジン吸気ライン６０を介してコンプレッサ２１の下流側に流れ、吸気ラインクーラ６２、吸気ライン（スロットル）バルブ６１、およびエンジン１０の吸気マニホルド１１に、燃料（例えば炭化水素Ｃ15 Ｈ32）の供給を行う。
図１に例示される従来技術のＥＧＲシステム１にも同様に、図２に例示される処理済みＥＧＲシステム１００において、ポンプ１０の排気マニホルド１２を出る排気ガスがターボチャージャ２０のタービン２２の入口に到達する前に（すなわち、タービン２２のまだ上流にある）、排気ガスの第１部分は、プレタービンＥＧＲライン４０を通って、プレタービンＥＧＲライン４１とプレタービンＥＧＲラインクーラ４２を通って、ポンプ１０の吸気マニホルド１１に逆流する。エンジン１０の排気マニホルド１２およびターボチャージャ２０のタービン２２の上流のプレタービンＥＧＲライン４０内の圧力は、典型的にはエンジン１０の吸気マニホルド１１内の圧力よりも大きいので、プレタービンＥＧＲシステムはＨＰ ＥＧＲループと呼ぶことができる。図２に示されている処理済みＥＧＲシステム１００の第１の実施形態はＨＰ ＥＧＲループ（例えば、既存のＥＧＲシステムのレトロフィット（改造）用）の有無に関わらず設けることができることが理解されるであろう。
図２に示すように、エンジン１０の排気マニホルド１２を出る排気ガスの第２の部分は、ターボチャージャ２０のタービン２２の入口を流れ、タービン２２を駆動してコンプレッサ２１を回転させる。供給された燃料からの炭化水素（Ｃ15Ｈ32）と外気取入れ口からの酸素（Ｏ2）との燃焼によって生成されるこの排ガスは、二酸化炭素（ＣＯ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、亜酸化窒素（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）（例えば煤）、未燃焼炭化水素（ＨＣ）、酸素（Ｏ2）、および水蒸気の形態の湿気（Ｈ2Ｏ）を含む。タービン２２の下流側にあるタービン２０のタービン２２から出る排気ガスは触媒およびフィルタを含む排気処理装置８０を通って送られ、望ましくない放出を減少させ、それが排気処理装置８０の出口８５に排出される前に、例えば、排気ガスの処理には、エンジン１０の排気マニホルド１２の下流側にディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）８２を、排気ガスからＰＭを除去するためにターボチャージャ２０のタービン２２を使用することが含まれ得る。いくつかの設計では、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）８１などの酸化触媒をＤＰＦ８２の上流に配置し、排気ガスがＤＰＦ８２に到達する前に排気ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化および除去するために使用することができる。他の設計では、選択的接触還元触媒（ＳＣＲ）８３をＤＰＦの下流側に配置し、ＮＯｘを窒素（Ｎ2）に変換する化学反応を開始させる還元剤源（例えば、ディーゼル排気流体（ＤＥＦ））と、大気中に安全に放出され得る水とを使用することもできる。さらに他の実施形態では、アンモニアオキシド触媒（ＡＯＣ）８４をＳＣＲ８３の後段で使用して、ＮＨ3放出を低減することができる。排気処理装置８０は、ディーゼル還元触媒を含む、異なる順序およびタイプであってもよいことが理解される。様々な触媒およびフィルタの目的はＰＭ、ＨＣおよびＮＯｘを減少させた排気ガスを生成することであり、ここで、処理済み排気ガスはＯ2、水蒸気（Ｈ2Ｏ）の形態の湿気、および大気にとって安全な不活性ＣＯ2を含むことが、当技術分野において理解される。
上述したように、本出願人はこれらの処理済み排気ガスを、例えば、これらの酸化または還元触媒および／またはフィルタのうちの少なくとも１つを用いて処理すると、処理済み排気ガス中の特定の反応性成分（例えば、ＲＯＳおよび他のもの）が生成され、この反応性成分は、処理済み排気ガス中のこれらの成分のうちの１つ以上が活性を維持するようにエンジン吸気マニホルドに迅速に再循環されるときに、エンジン性能を向上させることができることを発見した。
図１に示す従来技術のＥＧＲシステム１では、処理済み排気ガス（エンジン性能を向上させることができる構成要素を含む）の一部がコンプレッサ２１の入口に接続された処理済みＥＧＲライン５０を通って逆流し、この処理済みＥＧＲラインは圧縮し、エンジン吸気ラインクーラ６２を含むエンジン吸気ラインクーラ６０を通ってコンプレッサ２１の出口からエンジン１０の吸気マニホルド１１に流れるコンプレッサ２１の出口から処理済み排気ガスの混合物を加熱する。処理済み排気ガスはターボチャージャ２０のコンプレッサ２１および吸気ラインクーラ６２を通って再循環されるので、処理済み排気ガスが吸気マニホルド１１およびエンジン１０に到達するまでに、処理済み排気ガス中の好都合で不安定な成分（例えば、ＲＯＳ）の全てではないにしても、ほとんどもはや存在しない（例えば、高度に不安定なＲＯＳは、二原子酸素（Ｏ2）のようなより安定化された分子を形成するように互いに結合している）。説明するように、従来技術のＥＧＲシステム１とは異なり、図２に示す処理済みＥＧＲシステム１００の第１の実施例では、処理済み排気ガスが処理済み排気ガスの有益な構成要素（例えば、ＲＯＳ）を保存するために、吸気ラインクーラ６２のターボチャージャ２０のコンプレッサ２１を通過することなく、エンジン１０の吸気マニホルド１１に再循環される。
図２の処理済みＥＧＲシステム１００に戻ると、処理済み排気ガスをコンプレッサ２１およびエンジン吸気ラインクーラ６２を通して再循環させるのではなく、処理済み排気ガスは排気処理装置８０の出口８５からＹパイプ１１０（または同様の装置（例えば、Ｔパイプ））の入口まで下流に流れ、第１の処理済み排気ガス出口１１１および第２の処理済み排気ガス出口１１２は、処理済み排気ガスの第２の部分を第１の処理済みＥＧＲライン１２０の第１の端部に送る。
図２に示すように、一実施形態では、第１の処理済みＥＧＲライン１２０内の圧力が典型的にはエンジン１０の吸気マニホルド１１内の圧力よりも低い。この低圧に対処し、再循環処理済み排気ガスがエンジンの吸気マニホルド１１に到達することを確実にするために、一実施形態では、第１の処理済みＥＧＲライン１２０が逆流防止バルブ１４０の下流の第１の処理済みＥＧＲライン１２０の第２の端部の逆流防止バルブ１４０および第１出口１２２を通過し、エンジン吸気ラインベンチュリ（またはエジェクタ）１３０を含むことができるＴ接続でエンジン吸気ライン６０と接続する。一実施形態では、処理済みＥＧＲライン１２０が逆流防止バルブ１４０を通過し、また、逆流防止バルブ１４０の下流の第１の処理済みＥＧＲライン１２０の第２の端部の第２出口１２４を通過し、エンジン吸気ラインベンチュリ（またはエジェクタ）１３１を含み得るＴ接続において、プレタービンＥＧＲライン４０と接続する。ベンチュリ１３０、１３１は、断面積が減少した狭窄部または領域を含む任意の適切なサイズの導管（エンジン空気取入れライン６０またはＥＧＲライン４０および／または第１の処理済みＥＧＲライン１２０の出口１２２、１２４の一部として）を含むことができる。絞りを通る流体速度は増加するが、圧力は減少し、その中でベルヌーイ効果を介して部分的真空を生成する。エンジン空気吸気ライン６０およびプレタービンＥＧＲライン４０に接続する第１の処理済みＥＧＲライン１２０の下流側端部にベンチュリ１３０、１３１を配置することにより、その点で流体圧力を低下させることができる。第１の処理済みＥＧＲライン１２０の下流端における減圧は、第１の処理済みＥＧＲライン１２０を通る処理済み排気ガスの流れを強制的にエンジン１０の吸気マニホルド１１に送るのに十分な、第１の処理済みＥＧＲライン１２０を横切る圧力降下を提供することができる。吸気ライン（絞り）バルブ６１がベンチュリ１３０の上流側に示されているが、別の実施形態では吸気ライン（絞り）バルブ６１はベンチュリ１３０の下流にあり得ることが理解されよう。
逆流防止バルブ１４０は、２つの供給源が吸気マニホルドへの混合された入口を生成するように、ターボチャージャコンプレッサ２１から来る現在の標準加圧された予備タービンＥＧＲライン４０および／またはターボチャージャエンジン吸気ライン６０への処理済み排気ガスの吸入を隔離する。第１の処理済みＥＧＲライン１２０内の処理済み排気ガスをエンジン吸気マニホルド１１内に輸送することは、燃焼行程の排気波によって生成される、排気波機構による押し込みガスに加えて吸引ガスの組み合わせによって達成される。逆流防止バルブ１４０はソースラインおよびデスティネーションラインの振動圧力を利用し、第１の処理済み排気ガス出口１１１に向かう逆流を制限することによって、エンジン排気マニホルド１２からエンジン吸気マニホルド１１への一方向性ガス流を生成する。
図３に示すように、処理済みＥＧＲシステム２００の第２の実施形態では、第１の処理済みＥＧＲライン１２０が第１の処理済みＥＧＲライン１２０の第１出口１２２の前に、処理済みＥＧＲライン第１出口バルブ１２１を通過する。第２の実施形態では、第１の処理済みＥＧＲライン１２０はまた、第１の処理済みＥＧＲライン１２０の第２出口１２４の前に、処理済みＥＧＲライン第２出口バルブ１２５を通過する。一実施形態では、処理済みＥＧＲシステム２００がセンサ２１１～２１２、２１４～２１８を使用して様々なパラメータ（例えば、圧力、温度、濃度（例えば、酸素））をモニタリングし、様々なシステム構成要素を制御するために、例えば、プロセッサを装備したＥＧＲ制御モジュール２１０を含むことができる。例えば、ベンチュリ１３０、１３１に流入する処理済み排気ガスをモニタリングするベンチュリ入口ラインセンサ２１４はＥＧＲ制御モジュール２１０が処理済みＥＧＲライン第１出口バルブ１２１および処理済みＥＧＲライン第２出口バルブ１２５（および／または他のバルブ４１、６１のいずれか）を調節してＮＯｘを制御し、最適な燃焼状態を作り出すことができるように、例えば、電力需要変化、および処理済み排気ガス中の酸素濃度に関する情報をＥＧＲ制御モジュール２１０に通信することができる。同様に、センサ（例えば、エンジン吸気ラインセンサ２１１、プレタービンＥＧＲラインセンサ２１２、ベンチュリ入口ラインセンサ２１４、吸気マニホルドセンサ２１５、排気マニホルドセンサ２１６（残留酸素（Ｏ2）を感知することができる）、処理前排気センサ２１７、処理済み排気センサ２１８、または任意の他のセンサ）のうちの１つまたは複数の入力に基づいて、ＥＧＲ制御モジュール２１０は、次いで、必要に応じて、特定のエンジン動作または排気処理装置８０を調整して、最適な燃焼状態を生成することができる。明瞭化のために理解されるであろうが、図３はＥＧＲ制御モジュール２１０とベンチュリ入口ラインセンサ２１４との間の接続（例えば、有線または無線）のみを示すが、全てのセンサはＥＧＲ制御モジュール２１０に接続されている。一実施形態ではＥＧＲ制御モジュール２１０がエンジン制御モジュールの一部とすることができ、他の実施形態ではエンジン制御モジュールと通信する別個のモジュールとすることができる。
図４は、ターボチャージャ２０のタービン２２および１つまたは複数の排気処理装置８０の下流側の１つまたは複数の点から、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１の下流側の点へ、エンジン１０の吸気マニホルド１１内に、処理済み排気ガスを再循環させる、処理済みＥＧＲシステム３００の第３の実施形態を示す。排気処理装置８０は、異なる順序およびタイプであってもよいことが理解される。この第３の実施形態では、図３の処理済みＥＧＲシステム２００が２つの追加の処理済みＥＧＲライン３２０、３３０および関連する処理済みＥＧＲラインバルブ３２１、３３１およびセンサ２１９、２２０を追加するように修正されている。この実施形態では、第２の処理済みＥＧＲライン３２０がＳＣＲ８３の下流およびＡＯＣ８４の上流の最後の２つの排気処理装置８０の間のＴ接続で接続される。第２の処理済みＥＧＲライン３２０は第２の処理済みＥＧＲラインバルブ３２１を通過し、逆流防止バルブ１４０の上流のＴ接続において第１の処理済みＥＧＲライン１２０と接続する。この実施形態では、第３の処理済みＥＧＲライン３３０がＤＰＦ８２の下流およびＳＣＲ８３の上流のＴ接続で接続される。第３の処理済みＥＧＲライン３３０は第３の処理済みＥＧＲラインバルブ３３１を通過し、逆流防止バルブ１４０の上流のＴ接続で第１の処理済みＥＧＲライン１２０と接続する。この実施形態では、第１の処理済みＥＧＲラインバルブ１２３および第１の処理済みＥＧＲラインセンサ２１３を、逆流防止バルブ１４０の上流の第１の処理済みＥＧＲライン１２０内に追加することができる。図２で説明した第１の実施形態に関して説明したように、処理済みＥＧＲライン１２０、３２０、３３０の各々における圧力は典型的にはエンジン１０の吸気マニホルド１１における圧力よりも低いので、処理済みＥＧＲライン１２０、３２０、３３０は低圧ＥＧＲループと呼ぶことができる。
この低圧に対処し、再循環処理済み排気ガスがエンジンの吸気マニホルド１１に到達することを確実にするために、一実施形態では、第１の処理済みＥＧＲライン１２０（第２の処理済みＥＧＲライン３２０および第３の処理済みＥＧＲライン３３０の各々が逆流防止バルブ１４０の上流に接続される）が逆流防止バルブ１４０および逆流防止バルブ１４０の下流側の第１の処理済みＥＧＲライン１２０の第１出口１２２を通過し、エンジン吸気ラインベンチュリ（またはエジェクタ）１３０を含むことができるＴ接続でエンジン吸気ライン６０と接続する。一実施形態では、処理済みＥＧＲライン１２０が逆流防止バルブ１４０を通過し、また、逆流防止バルブ１４０の下流側の第１の処理済みＥＧＲライン１２０の第２出口１２４を通過し、エンジン吸気ラインベンチュリ（またはエジェクタ）１３１を含み得るＴ接続において、プレタービンＥＧＲライン４０と接続する。第１の処理済みＥＧＲライン１２０の下流端の逆流防止バルブ１４０と組み合わせた振動圧力は、処理済みＥＧＲライン１２０、３２０、３３０を通る処理済み排気ガスの流れをエンジン１０の吸気マニホルド１１に押し付けるのに十分な、処理済みＥＧＲライン１２０、３２０、３３０を横切る圧力降下を提供する。
図４に示すように、処理済みＥＧＲシステム３００は、第１の処理済みＥＧＲライン１２０を通って流れる処理済み排気ガスをモニタリングするための第１の処理済みＥＧＲラインセンサ２１３と、第２の処理済みＥＧＲライン３２０を通って流れる処理済み排気ガスをモニタリングするための第２の処理済みＥＧＲラインセンサ２１９と、第３の処理済みＥＧＲライン３３０を通って流れる処理済み排気ガスをモニタリングするための第３の処理済みＥＧＲラインセンサ２２０とを含むことができる。センサ２１３、２１４、２１９、２２０の各々は、次いで、バルブ１１３、１２１、１２３、１２５、３２１、３３１を制御して、処理済みＥＧＲライン１２０、３２０、３３０を通る再循環処理済み排気ガスからエンジン吸気ライン６０およびＨＰ ＥＧＲライン４０を通る吸気の理想的な混合を提供することができるＥＧＲ制御モジュール２１０に接続することができる。
図２～４に開示された処理済みのＥＧＲシステム１００、２００、３００は図１に示すように、エンジン１０の吸気マニホルド１１へのプレタービンＥＧＲライン４０を通る未処理の排気ガスの従来技術による再循環を含んでいたが、他の実施形態では未処理の排気ガスの従来技術による再循環を排除することができることが理解されるであろう。これは、ＮＯX放出を十分に低減しながら、エンジン部品に摩耗を引き起こし得る多量のＰＭ（煤）および汚染物質を含むことが多い未処理排ガスの再循環を回避するという利点を提供する。
図２～図４に開示された処理済みＥＧＲシステム１００、２００、３００は、ターボチャージャ２０のタービン２２および排気処理装置８０の下流側の１つまたは複数の点から処理済み排気ガスを再循環させる処理済みＥＧＲライン１２０、３２０、３３０を含んでいたが、図５は、ターボチャージャ２０のタービン２２の上流の点から１つまたは複数の排気処理装置３１０（触媒および／またはフィルタを含む）を通ってエンジン１０の吸気マニホルド１１内に排気ガスを再循環させる、処理済みＥＧＲシステム４００の第４の実施形態を示す。エンジン１０の排気マニホルド１２がターボチャージャ２０のタービン２２の入口に到達する前に（すなわち、タービン２２の上流にある）、排気ガスの第１の部分は、プレタービンＥＧＲライン４１とプレタービンＥＧＲラインクーラ４２を通って、プレタービンＥＧＲライン４０を通って、エンジン１０の吸気マニホルド１１に逆流する。例えば、プレタービンＥＧＲライン４０は、Ｔ接続でエンジン吸気ライン６０と接続することができる。エンジン１０の排気マニホルド１２およびターボチャージャ２０のタービン２２の上流のプレタービンＨＰ ＥＧＲライン４０内の圧力は典型的にはエンジン１０の吸気マニホルド１１内の圧力よりも大きいので、プレタービンＥＧＲシステム４００は高圧（ＨＰ）ループと呼ぶことができる。
図５に示されるように、処理済みＥＧＲシステム４００は排気処理装置３１０から流れる処理済み排気ガスをモニタリングするために、１つまたは複数の排気処理装置３１０の下流に配置された処理済み排気センサ２２１を含むことができる。処理済み排気センサ２２１は次いで、バルブ４１を制御し、エンジン吸気ライン６０を通して吸気の理想的な混合を提供することができるＥＧＲ制御モジュール２１０に接続することができる。
図２～図５に開示された処理済みＥＧＲシステム１００、２００、３００、４００は図１に示された従来技術のＥＧＲシステム１を使用せずに開示されたが、処理済みＥＧＲシステム１００、２００、３００は例えば改造用途において、従来のシステム１と共に使用することもできることが理解されよう。同様に、図２～４に開示された処理済みＥＧＲシステム１００、２００、３００は図５に開示された処理済みＥＧＲシステム４００を含まなかったが、これらのＥＧＲシステム１００、２００、３００、４００の全てまたは一部を互いに関連して使用することができることが理解されよう。
図２～５から分かるように、各処理済みＥＧＲシステム１００、２００、３００、４００内の処理済み排気ガスは、エンジン吸気ライン６０に再循環され、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１およびエンジン吸気ラインクーラ６２の下流の地点で新鮮な空気取り入れ口と混合される。処理済み排気ガス中の成分はエンジン１０の性能を向上させるために、処理済み排気ガス中の所望の成分の活性を維持するように、エンジン吸気マニホルド１１に再循環される。
この発見に基づいてエンジン性能を向上させるために、排気処理装置８０、３１０に触媒を使用してこれらの望ましい成分を生成すると、これらの開示された処理済みＥＧＲシステム１００、２００、３００、４００が使用されるときにエンジン性能が向上することが理解されるであろう。例えば、本出願人はこのように処理済み排ガスを再循環させることにより、処理済み排ガス中の不安定なＲＯＳ成分の活性が保たれ、次いで、空気からの二原子酸素よりも大幅に燃焼が促進されることを発見した。ＲＯＳ成分の活性は、圧縮されないか、または積極的に冷却されない場合に保存される。さらに、処理済み排気ガス自体の成分と処理済みＥＧＲライン１２０、３２０、３３０自体との間の相互作用を最小限に抑えるように処理済みＥＧＲライン１２０、３２０、３３０（例えば、導管）を設計することによって、ＲＯＳ成分の反応状態は、それらがエンジン１０の吸気マニホルド１１に到達するまで維持される。これらの処理済みＥＧＲライン１２０、３２０、３３０のうちの１つまたは複数を併用することができると仮定する。
異なる実施形態は、エンジン１０における処理済み再循環の速度を制御するための異なるアプローチを含む。第１のアプローチは、エンジンの吸気引き込み需要と排気波効果を介したエンジン１０の自己較正である。これら２つのパラメータが増加するにつれて、エンジンは適切に吸引し、ＲＰＭおよび燃焼出力の増加の結果として、本質的に必要な処理済み排気量を制御する。負荷が増加すると、処理済み再循環ガスは増加するが、アイドル時に負荷が減少すると、処理済み再循環ガスは減少する。自己較正アプローチの適用を通して、エンジンは再循環水分と処理済み排気ガスの導入で較正できる。再循環水分は燃焼プロセスの有益な冷却を提供し、一方、再循環ＲＯＳは燃焼を強化する。
エンジン１０内の処理済み排気ガスの速度を制御するための第２のアプローチは、モジュール２１０のコンピュータ制御による。処理済み排気ガスの再循環の速度は制御モジュール２１０によって制御することができ、制御モジュールは、種々のセンサからの入力を使用して、バルブ４１、６１、１１３、１２１、１２５、１２３、３２１、３３１を制御する。ライン６０からの新鮮な吸気と比較して再循環される処理済みＲＯＳガスの量を決定するためには、エンジンアウトＮＯｘとテールパイプＮＯｘ、システムの異なる点での酸素含有量、ターボ性能に悪影響を及ぼす可能性のある温度および圧力等の因子を比較する必要がある。放出制御、エンジン燃焼効率、およびエンジン部品への過剰ストレスのバランスをとらなければならない。
エンジン１０に到達するＲＯＳは、エンジン性能を高め、燃焼効率を向上させるであろう。これらの利点には、（ｉ）馬力需要に応じた燃料需要の低減、より効率的な燃焼による燃費の改善、（ｉｉ）燃料需要の低減によるＣＯ2温室効果ガスの低減、（ｉｉ）窒素酸化物の低減（ＮＯX）、（ｉｖ）燃焼の強化による粒子状物質の低減、および（ｖ）燃焼の強化に基づく馬力の改善が含まれる。
（ｉ）低圧ＥＧＲライン５０を有さない従来技術のＨＰ ＥＧＲシステム（図１）と（ｉｉ）ＨＰ ＥＧＲシステムとを有し、図２の処理済み排ガスシステム１００を後付けして構成された、ＮＡＶＩＳＴＡＲ（登録商標）Ａ２６エンジンを備えた空のトレーラを引っ張るヘビーデューティディーゼル車両で実施される高速道路試験では、エンジンがより多くの馬力を送出し、ＮＯX放出を１０％よりも下げ、燃費を少なくとも５％低減することによってより良好に機能した。
図６は、典型的なディーゼル燃料分子（Ｃ15Ｈ32）の酸化を表す。化学量論的には、１モルのディーゼル燃料（Ｃ15Ｈ32）が分子をその最終生成物に完全に酸化するために２３モルのＯ2、１５モルのＣＯ2および１６モルのＨ2Ｏを必要とし、燃焼エンタルピーを計算するために、反応物の全結合エンタルピー（２９，４５９ｋＪ／モル）を生成物の全結合エンタルピー（３８，９１４ｋＪ／モル）から差し引いて－９，４５５ｋＪ／モルを得る。この負のエネルギバランスは発熱反応を表す。このエネルギは、結果として生じるシリンダ内のガスの膨張によって、熱力学的に機械的エネルギに変換される。図６のエネルギ計算から、反応全体は発熱性であるが、反応が完了するためには二原子二重結合酸素（Ｏ＝Ｏ）を破壊するのにかなりの量のエネルギが必要であることが分かる。本出願人らはＲＯＳ成分が連鎖反応を促進する場合に、この反応が促進されることを発見した。反応に関与するより低い結合エネルギ（すなわち、ＲＯＳ）を有する任意の酸素含有分子は、燃料のユニット当たりのより高いエネルギ出力を生じる。エネルギ出力が高いほど燃費が良くなる。さらに、中間反応経路またはこれらの中間反応の反応速度に関連する、燃焼室へのＲＯＳの添加に関連する他の利点がある。酸化速度に影響を及ぼす様々な反応があることが知られている。これらの反応の各々は全体的な反応速度に影響を及ぼし、それ自体の条件範囲に依存する。本出願人らは、ＲＯＳ成分の濃度が増加すると、これらの反応のいくつかの速度が促進されることを発見した。ＲＯＳが中間反応の反応速度を増大させ、したがって酸素をより効率的に使用すると仮定すると、燃焼効率が増大する。
本明細書に開示される特定の実施形態はエンジン性能を向上させる理由の１つとして処理済み排気ガス中のＲＯＳに焦点を当てているが、処理済み排気ガス中の他の成分（例えば、処理済み粒子状物質、水分、窒素、二酸化炭素など）もまた、エンジン性能を向上させる特性を有することができ、開示される処理済みＥＧＲシステムの使用によって最適化されることが理解されるであろう。これらの実施形態もまた、開示されたＥＧＲシステムおよび方法の範囲内である。
本発明は特定の例示的な実施形態を参照して示され、説明されてきたが、当業者であれば、記述された説明および図面によってサポートされ得る本発明の精神および範囲から逸脱することなく、詳細における様々な変更が、その中で実施され得ることを理解するであろう。さらに、例示的な実施形態が特定の数の要素を参照して説明される場合、例示的な実施形態は、特定の数よりも少ないかまたは多い要素のいずれかを利用して実施され得ることが理解されるであろう。
１ ＥＧＲシステム（従来技術）
１０ 内燃機関
１１ 吸気マニホルド
１２ 排気マニホルド
２０ ターボチャージャ
２１ コンプレッサ
２２ タービン
３０ 吸気ライン
３１ 吸気フィルタ
４０ プレタービンＥＧＲライン
４１ プレタービンＥＧＲラインバルブ
４２ プレタービンＥＧＲラインクーラ
５０ 処理済みＥＧＲライン
５１ 処理済みＥＧＲラインバルブ
５２ 処理済みＥＧＲラインクーラ
６０ エンジン吸気ライン
６１ エンジン吸気ライン（スロットル）バルブ
６２ エンジン吸気ラインクーラ
７０ テールパイプ
８０ 排気処理装置
８１ ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）
８２ ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）
８３ 選択的接触還元触媒（ＳＣＲ）
８４ アンモニア酸化触媒（ＡＯＣ）
８５ 排気処理装置の出口
１００ 処理済みＥＧＲシステム（第１の実施形態）
１１０ Ｙパイプ
１１１ 第１の処理済み排ガス出口
１１２ 第２の処理済み排ガス出口
１１３ 排気バルブ
１２０ 第１の処理済みＥＧＲライン
１２１ 処理済みＥＧＲライン第１出口バルブ
１２２ 第１の処理済みＥＧＲラインの第１出口
１２３ 第１の処理済みＥＧＲラインバルブ
１２４ 第１の処理済みＥＧＲラインの第２出口
１２５ 処理済みＥＧＲライン第２出口バルブ
１３０ エンジン吸気ラインベンチュリ
１３１ プレタービンＥＧＲラインベンチュリ
１４０ 逆流防止バルブ
２００ 処理済みＥＧＲシステム（第２の実施形態）
２１０ ＥＧＲ制御モジュール
２１１ エンジン吸気ラインセンサ
２１２ プレタービンＥＧＲラインセンサ
２１３ 第１の処理済みＥＧＲラインセンサ
２１４ ベンチュリ入口ラインセンサ
２１５ 吸気マニホルドセンサ
２１６ 排気マニホルドセンサ
２１７ 処理前排気センサ
２１８ 処理済み排気センサ
２１９ 第２の処理済みＥＧＲラインセンサ
２２０ 第３の処理済みＥＧＲラインセンサ
２２１ 処理済み排気センサ
３００ ｔＴｒｅａｔｅｄ ＥＧＲシステム（第３実施形態）
３１０ 排気処理装置
３２０ 第２の処理済みＥＧＲライン
３２１ 第２の処理済みＥＧＲラインバルブ
３３０ 第３の処理済みＥＧＲライン
３３１ 第３の処理済みＥＧＲラインバルブ
４００ 処理済みＥＧＲシステム（第４の実施形態）

Claims (15)

  1. エンジンの下流側に配置されたターボチャージャのタービンに排気ガスを排出する排気マニホルドと、前記ターボチャージャのコンプレッサの下流側で強制空気を受け取るエンジン吸気ラインに接続された吸気マニホルドとを有する、内燃機関用の排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムであって、
    １つまたは複数の排気処理装置が、前記排気ガスを処理し、処理済み排気ガスを生成するために、前記タービンの下流側に配置され、
    前記ＥＧＲシステムは、
    前記１つまたは複数の排気処理装置の下流側の点に接続された第１の端部と、前記ターボチャージャの前記コンプレッサの下流側の前記エンジン吸気ラインに接続された第２の端部とを有する、第１の処理済みＥＧＲラインを備え、
    前記第１の処理済みＥＧＲラインは、前記コンプレッサを通過することなく、前記エンジンの前記吸気マニホルドに、処理済み排気ガスを再循環させる、ＥＧＲシステム。
  2. 前記第１の処理済みＥＧＲラインの前記第１の端部と前記第２の端部との間に配置された前記第１の処理済みＥＧＲライン内に配置された逆流防止バルブをさらに備える、請求項１に記載のＥＧＲシステム。
  3. 前記第１の処理済みＥＧＲラインの前記第２の端部は、前記エンジン吸気ラインに接続された第１出口を備え、前記ＥＧＲシステムは、前記第１の処理済みＥＧＲラインの前記第１出口と前記エンジン吸気ラインの接続部に配置された第１のベンチュリをさらに備える、請求項２に記載のＥＧＲシステム。
  4. 前記第１の処理済みＥＧＲライン内に配置された第１のバルブをさらに備える、請求項１に記載のＥＧＲシステム。
  5. 前記第１の処理済みＥＧＲライン内の前記処理済み排気ガスをモニタリングするためのセンサと、
    前記センサに接続されたＥＧＲ制御モジュールと、をさらに備え、
    前記ＥＧＲ制御モジュールは、前記センサの出力に基づいて前記第１のバルブを制御するように構成された、請求項４に記載のＥＧＲシステム。
  6. 前記エンジンの前記排気マニホルドの下流であり、かつ前記ターボチャージャの前記タービンの上流である点に接続された第１の端部と、前記ターボチャージャの前記コンプレッサの下流の前記エンジン吸気ラインに接続された第２の端部とを有する、プレタービンＥＧＲラインを、さらに備え、
    前記第１の処理済みＥＧＲラインの前記第２の端部は、前記プレタービンＥＧＲラインに接続された第２出口を備え、前記ＥＧＲシステムはさらに、前記第１の処理済みＥＧＲラインの前記第２出口と前記プレタービンＥＧＲラインとの接続部に配置された第２のベンチュリを備える、請求項２に記載のＥＧＲシステム。
  7. 前記１つまたは複数の排気処理装置は、第２の排気処理装置の上流に第１の排気処理装置を備え、前記第１の処理済みＥＧＲラインの前記第１の端部は第２の排気処理装置の下流側の点に接続され、前記ＥＧＲシステムは、
    前記第２の排気処理装置の上流であって、かつ前記第１の排気処理装置の下流である点に接続された第１の端部と、前記逆流防止バルブの上流の前記第１の処理済みＥＧＲラインに接続された第２の端部とを有する、第２の処理済みＥＧＲラインを、さらに備える、請求項２に記載のＥＧＲシステム。
  8. エンジンの下流側に配置されたターボチャージャのタービンに排気ガスを排出する排気マニホルドと、前記ターボチャージャのコンプレッサの下流側で強制空気を受け取るエンジン吸気ラインに接続された吸気マニホルドとを有する、内燃機関用の排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムであって、前記ＥＧＲシステムは、
    前記エンジンの前記排気マニホルドの下流であり、かつ前記ターボチャージャの前記タービンの上流である点に接続された第１の端部と、前記ターボチャージャの前記コンプレッサの下流の前記エンジン吸気ラインに接続された第２の端部とを有する、プレタービンＥＧＲラインと、
    前記排気ガスを処理し、処理済み排気ガスを生成するために、前記プレタービンＥＧＲラインに配置された、１つまたは複数の排気処理装置と、を備え、
    前記プレタービンＥＧＲラインは、前記コンプレッサを通過することなく、前記エンジンの前記吸気マニホルドに、処理済み排気ガスを再循環させる、ＥＧＲシステム。
  9. 前記１つまたは複数の排気処理装置が、ディーゼル酸化触媒、ディーゼル還元触媒、ディーゼル微粒子フィルタ、選択的接触還元、またはアンモニア酸化触媒からなる群から選択される、請求項８に記載のＥＧＲシステム。
  10. 前記プレタービンＥＧＲライン内に配置されたバルブをさらに備える、請求項８に記載のＥＧＲシステム。
  11. 前記プレタービンＥＧＲライン内の前記処理済み排気ガスをモニタリングするためのセンサと、
    前記センサに接続されたＥＧＲ制御モジュールと、をさらに備え、
    前記ＥＧＲ制御モジュールは、前記センサの出力に基づいて前記バルブを制御するように構成された、請求項１０に記載のＥＧＲシステム。
  12. 内燃機関のための排気ガス再循環（ＥＧＲ）のための方法であって、該方法は、
    ターボチャージャのコンプレッサの下流のエンジン吸気ラインに接続されたエンジンの吸気マニホルドに空気を強制的に送り込むステップと、
    前記エンジンの排気マニホルドから、前記エンジンの下流に配置された前記ターボチャージャのタービンに、排気ガスを排出するステップと、
    前記タービンの下流に配置された１つまたは複数の排気処理装置によって排気ガスを処理して処理済み排気ガスを生成するステップと、
    前記処理済み排気ガスを、前記１つまたは複数の排気処理装置の下流の点に接続された第１の端部と、前記ターボチャージャの前記コンプレッサの下流の前記エンジン吸気ラインに接続された第２の端部と、を有する処理済みＥＧＲラインを通して、前記コンプレッサを通過することなく、再循環させるステップと、を含む方法。
  13. 前記処理済みＥＧＲラインにおける前記処理済み排気ガスの逆流を防止するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記処理済みＥＧＲライン内の前記処理済み排気ガスをセンサでモニタリングするステップと、前記センサの出力に基づいて、前記処理済みＥＧＲライン内のバルブを制御するステップとをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 前記タービンの下流側に配置された１つまたは複数の排気処理装置によって前記排気ガスを処理して、処理済み排気ガスを生成するステップが、活性酸素種を生成するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
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