JP6560675B2 - 直接排出ガス再循環システム - Google Patents

Description

本発明は、外部排出（排気）ガス再循環（ＥＧＲ）の技術に関するものであり、特にターボチャージャ付の内燃機関における高圧ＥＧＲに関するものである。

ＥＧＲは、燃焼温度を低下させることにより亜酸化窒素（ＮＯx ）を低減させる有効な技術であることが証明されている。不活性の排出ガスは、燃焼室内の酸素を除去し、燃焼から熱を吸収する。燃焼温度を低下させる能力は、再循環する排出ガスを燃焼室内に導入する前に冷却させると増大する。火花点火式で絞り弁式のエンジンでは、ＥＧＲが、エンジン回転速度及び負荷が低い際に吸気圧力を高めることによりポンピング損失を低減させる。外部ＥＧＲシステムでは、排出ガスの一部が吸気（インテーク）マニホールドに再循環され、ここで排出ガスの一部が吸気とともに燃焼室に再導入される。高圧ＥＧＲシステムでは、排出マニホールドから再循環さすべき排出ガスの圧力を吸気マニホールドの圧力よりも高くする必要がある。排出マニホールドの圧力と吸気マニホールドの圧力との間のこの正の圧力差は必ずしも、エンジン作動の負荷／回転速度の範囲全体に亘って存在するものではない。これらの状況の下でＥＧＲを可能にするには、この正の圧力差を達成するための受動的（パッシブ）な技術及び能動的（アクティブ）な技術が存在する。

受動的な方法には、流れの形状の断面を減少させる受動的な制限部を採用することが含まれる。例えば、排出システムにおいて配管の制限部を採用することにより、排出マニホールド内の背圧を高めるようにすることができる。排出ガスがターボチャージャ（ターボ過給機）に入る前の排出マニホールドの出口に制限部が形成されているようにしうるか、又はこの制限部はターボチャージャ自体への入口とすることができる。このように流量面積（断面積）を制限することにより、排出システム内の圧力が高められる。能動的な方法には、流れの形状の断面を変化させる可変弁が存在する能動的な制限部や能動的なポンピング技術を採用することが含まれる。例えば、能動的なポンピング技術には、ターボチャージャコンプレッサの入口の上流に排出ガスを供給し、この排出ガスが吸気とともに圧縮（加圧）されて吸気マニホールドに出力されるようにすることが含まれる。例えば、ルーツ型のポジティブ置換ポンプを採用している直接ＥＧＲポンピングシステムは、排出ガス圧力を高める他の能動的な技術である。

１９７９年１２月２５日に発行された米国特許第４，１７９，８９２号明細書（発明者：Hans Heydrich 氏）には、ターボチャージャ付の内燃機関用の排出ガス再循環技術が開示されている。エンジンの排出マニホールドは２つの区分に分割されている。この排出マニホールドの第１の区分はツインスクロールターボチャージャの大型スクロールに向かって指向されている。この排出マニホールドの第２の区分は分割されてツインスクロールターボチャージャの小型スクロールの入口とＥＧＲ回路との双方に送給するようになっている。ＥＧＲ回路で充分な背圧を生ぜしめるために、小型スクロールは、流れの制限部をターボチャージャに与えるように設計されている。ＥＧＲ回路とターボチャージャの小型スクロールの入口との双方は排出マニホールドの同じ区分から送給されるようになっている為、小型スクロールの入口により与えられる制限部は必要とする背圧を生ぜしめるのに充分大きくする必要があるが、これによりターボチャージャ及びエンジンポンピングの効率を低減させるという逆効果が生じる。

２００２年２月１９日に発行された米国特許第６，３４７，６１９号明細書（発明者：Whiting 氏等）には、ターボチャージャ付のエンジン用の排出ガス再循環システムが開示されている。各シリンダは、排出マニホールドと流体連通（流体的に連結）している一次の排出弁と、ＥＧＲマニホールドと流体連通している二次の排出弁とを有している。ＥＧＲマニホールドは、コールドスタートＥＧＲ弁か又はＥＧＲクーラ／弁の組合せの何れかを介して吸気マニホールドと流体連通する。二次の排出弁を開放させるタイミングは、ＥＧＲマニホールド内の圧力が吸気マニホールド内の圧力よりも高く維持されるようなタイミングである。排出マニホールドはターボチャージャの入口に連結されている。あるエンジンの応用では、互いに異なるシリンダからの排出弁を同時に開放させ、例えば、ある１つのシリンダにおける爆発行程（パワーストローク）の終了時と他の１つのシリンダにおける排出行程の終了時とにおいて重複させることができる。全てのシリンダからの排出ガスはターボチャージャの入口に送給される為、隣接して点火するシリンダから流れる排出ガスが互いに妨害され、これによりターボチャージャの効率を低減させる。

米国特許第４，１７９，８９２号 米国特許第６，３４７，６１９号

現在の技術状態は高圧の排出ガス再循環システムに対する技術においては不充分である。従って、ターボチャージャ付の内燃機関における高圧の排出ガス再循環を改善する方法及び装置が必要となっている。

内燃機関用の改善された本発明の排出ガス再循環システムは、第１の部分と第２の部分とに分けられている複数の燃焼室を有している。各燃焼室には少なくとも１つの吸気弁及び少なくとも１つの排出弁が関連しており、複数の燃焼室にはそれぞれの吸気弁を介して少なくとも１つの吸気マニホールドが流体連通している。第１の部分の燃焼室にはそれぞれの排出弁を介して第１の排出マニホールドが流体連通しており、第２の部分の燃焼室にはそれぞれの排出弁を介して第２の排出マニホールドが流体連通している。第２の部分の各燃焼室には少なくとも１つのＥＧＲ排出弁が関連している。第２の部分の各燃焼室にはそれぞれのＥＧＲ排出弁を介してＥＧＲマニホールドが流体連通しており、このＥＧＲマニホールドは少なくとも１つの前記吸気マニホールドに流体連通している。幾つかの例では、ＥＧＲクーラ及びＥＧＲ弁が設けられている。ＥＧＲクーラはＥＧＲマニホールドをＥＧＲ弁に流体連通しており、ＥＧＲ弁は吸気マニホールドに流体連通している。

好適例では、タービンとコンプレッサとを有するタービン‐コンプレッサ装置が設けられている。タービンはコンプレッサを駆動するとともに、第１の排出入口及び第２の排出入口を有している。第２の排出入口は第１の排出入口よりも小さい流量面積を有している。第１の排出マニホールドは第１の排出入口に流体連通しており、第２の排出マニホールドは第２の排出入口に流体連通している。吸気マニホールドはコンプレッサに流体連通し、酸素を有する圧縮気体の混合体を受けるようになっている。

種々の好適例では、ＥＧＲマニホールド内の圧力を高める又は調整するのに或いはこれらの双方を達成するのに、能動的及び受動的な技術を採用するようにする。第２の排出マニホールドとＥＧＲマニホールドとの双方における圧力を増大させるように動作しうる制限部を第２の排出マニホールド出口付近の配管に設けることができる。これに代えて又はこれに加えて、第２の排出マニホールドとＥＧＲマニホールドとにおける圧力を減少させるように動作しうる圧力調整器を第２の排出マニホールドと第１の排出マニホールドとの間に設けることができる。これに代えて又はこれに加えて、第１の排出マニホールドと、第２の排出マニホールドと、ＥＧＲマニホールドとにおける背圧を変えるための圧力調整器をタービン後の排出流路内に設けることができる。これに代えて又はこれに加えて、第２の排出マニホールドとタービンの第２の排出入口との間に圧力調整器を設けることができる。これに代えて又はこれに加えて、ＥＧＲマニホールドと第２の排出マニホールドとの間に圧力調整器を設けることができる。

他の好適例では、第２の部分のそれぞれの燃焼室における各排出弁が可変の弁駆動装置に連結され、排出弁のタイミングを調整することにより第２の排出マニホールドとＥＧＲマニホールドとにおける圧力を制御しうるようになっている。

他の好適例では、入口及び出口を有しているリフォーミング（改質）用の触媒（カタリスト）が設けられている。入口は、排出ガスをＥＧＲマニホールドから受けるためにこのＥＧＲマニホールドに流体連通しており、出口は吸気マニホールドに流体連通している。気体燃料をリフォーミング用の触媒の上流で排出ガスに導入されるように燃料注入装置が構成されている。

他の好適例では、内燃機関が更に、第１の排出マニホールド及び第２の排出マニホールドから排出ガスを受けるタービン‐コンプレッサ装置を有するようにする。このタービン‐コンプレッサ装置から圧縮空気を受けるように、吸気クーラを構成するようにする。ＥＧＲマニホールドから、排出ガスが圧縮空気と混合される吸気クーラの上流へ向かう排出ガスの流れを調整する可調整弁が設けられているようにする。この場合、混合体が吸気クーラにより冷却される。

内燃機関において排出ガス再循環を行う本発明の改善した方法は、内燃機関における燃焼室を第１の部分と第２の部分とに分割するステップと、排出ガスを第１の部分の燃焼室から第１の排出マニホールドに伝達させるステップと、排出ガスを第２の部分の燃焼室から燃焼室における別々の排出弁を介して第２の排出マニホールド及びＥＧＲマニホールドに伝達させるステップと、排出ガスをＥＧＲマニホールドから少なくとも１つの吸気マニホールドに伝達させるステップとを具える。好適例では、この方法が、第２の排出マニホールドからの排出ガスの流れを制限して第２の排出マニホールド及びＥＧＲマニホールド内の圧力を増大させるステップを具えるようにする。これに代えて又はこれに加えて、この方法がＥＧＲマニホールドと第２の排出マニホールドの出口との間における圧力を調整するステップを具えるようにしうる。これに代えて又はこれに加えて、この方法が、排出弁を可変駆動して第２の排出マニホールド内の圧力を制御することにより、ＥＧＲレートを調整するステップを具えるようにしうる。

好適例では、本発明の方法が、排出ガスを第１の排出マニホールドから第１のタービン入口に伝達させるステップと、排出ガスを第２の排出マニホールドから、第１のタービン入口よりも小さい流量面積を有する第２のタービン入口に伝達させるステップと、排出ガスによりタービンに与えられるエネルギーで酸素を有する気体の混合体を圧縮させるステップとを具えるようにする。又、本発明の方法は、第２の排出マニホールドと第１の排出マニホールドとの間の圧力を調整するステップであって、第２の排出マニホールド内の排出ガスの一部を、第２のタービン入口の流量面積よりも大きい流量面積を有しうる第１のタービン入口に向けて指向させるようにするステップを具えるようにしうる。これに代えて又はこれに加えて、本発明の方法は、第２の排出マニホールドと第２のタービン入口との間の圧力を調整するステップを具えるようにしうる。

他の好適例では、本発明の方法が、炭化水素燃料をＥＧＲマニホールドからの排出ガス内に導入することにより排出ガス‐燃料混合体を形成するステップと、排出ガス‐燃料混合体をリフォーミングして少なくとも水素を発生させるステップと、水素及び残りの排出ガスを少なくとも１つの吸気マニホールドに伝達させるステップとを具えるようにする。更に他の好適例では、本発明の方法が、タービン‐コンプレッサ装置により吸気を圧縮させて圧縮吸気を形成するステップと、排出ガスをこの圧縮吸気と混合して混合体を形成するステップと、排出ガスとこの圧縮吸気との混合体を少なくとも１つの吸気マニホールドに導入する前にこの混合体を冷却するステップとを具えるようにする。

図１は、本発明の第１の実施例による排出ガス再循環を採用する内燃機関を示す線図である。 図２は、再循環排出ガスの流路中にリフォーミング触媒を有している本発明の第２の実施例による排出ガス再循環を採用する内燃機関を示す線図である。 図３は、本発明の第３の実施例による排出ガス再循環を採用する４シリンダ式内燃機関を示す線図である。 図４は、ＥＧＲマニホールドと排出マニホールドの出口の下流との間の圧力を調整する圧力調整器を有する本発明の第４の実施例による排出ガス再循環を採用する内燃機関を示す線図である。 図５は、排出マニホールドとタービンの入口との間の圧力を調整する圧力調整器を有する本発明の第５の実施例による排出ガス再循環を採用する内燃機関を示す線図である。 図６は、分割された吸気マニホールドを有する本発明の第６の実施例による排出ガス再循環を採用する内燃機関を示す線図である。 図７は、吸気クーラの前で排出ガスを圧縮吸気と混合する本発明の第７の実施例による排出ガス再循環を採用する内燃機関を示す線図である。 図８は、図７の実施例に類似するが、排出ガスと吸気との混合体を絞るようにする本発明の第８の実施例による排出ガス再循環を採用する内燃機関を示す線図である。 図９は、単一の冷却段の前で排出ガスを圧縮吸気と混合させるようにした本発明の第９の実施例による排出ガス再循環を採用する内燃機関を示す線図である。

ここに開示する排出ガス再循環技術は、２つ以上の燃焼室を有するエンジンに適用しうるものである。例えば、図１に示す第１の実施例を参照するに、６つの燃焼室１１、１２、１３、１４、１５及び１６を有する内燃機関１０１が示されている。各燃焼室は、それぞれ一対の吸気弁２１、２２、２３、２４、２５及び２６を有しており、これら吸気弁は、空気を含む混合体を吸気マニホールド５０からそれぞれの吸気ポートを介してそれぞれの燃焼室１１、１２、１３、１４、１５及び１６に送給する作用を行うことができる。この図では、吸気ポートを、吸気マニホールド５０とそれぞれの燃焼室１１、１２、１３、１４、１５及び１６との間のラインとして表している。空気はエアフィルタ６０を介してエンジン１０１内に送給されるとともにタービン‐コンプレッサ装置７５により加圧される。タービン８０は燃焼室からの排出ガスにより駆動されてシャフト９０によりコンプレッサ７０を駆動するようになっている。吸気の温度は圧縮の末に高められる。吸気が絞り弁１１０を介して吸気マニホールド５０に入れられる前に、この吸気の温度を低下させるために吸気クーラ９５が採用されている。コンプレッサ再循環弁１２０は、コンプレッサ７０を経てクーラ９５から生じる圧縮且つ冷却された空気を再循環させて、絞り弁１１０を調整する際にこのコンプレッサがサージング／スタリング（失速）するのを保護するようにする。例えば、絞り弁１１０が突然閉じられた場合に、コンプレッサ７０からの空気のスラグが絞り弁１１０から反射されてこのコンプレッサの出口に戻りこのコンプレッサを損傷させるおそれがある。従って、コンプレッサの入口における圧力がコンプレッサの出口における圧力よりも低いことにより弁１２０を開放させることにより、空気のスラグがコンプレッサの入口に戻るようにするものであり、このことは好まいことである。

燃焼室１１、１２、１３、１４、１５及び１６は、燃焼室１１、１２及び１３を有する第１の部分１３０と燃焼室１４、１５及び１６を有する第２の部分１４０とに分割されている。燃焼室１１、１２及び１３の各々は、排出ガスを燃焼室からそれぞれの排出ポートを介して第１の排出マニホールド１５０に流す排出弁３１、３２及び３３をそれぞれ有している。この第１の実施例の図示の例では、各シリンダは一対の排出ポートを有しているが、他の実施例では、燃焼室１１、１２及び１３がそれぞれ少なくとも１つの排出弁及びポートを有する必要があるだけである。燃焼室１４、１５及び１６は、排出ガスを燃焼室からそれぞれの排出ポートを介して第２の排出マニホールド１６０に流す排出弁３４、３５及び３６をそれぞれ有している。更に、燃焼室１４、１５及び１６は、排出ガスを燃焼室からそれぞれのＥＧＲポートを介してＥＧＲマニホールド１７０に流すＥＧＲ排出弁４４、４５及び４６をそれぞれ有している。この図１の開示では、排出ポートを、排出弁３１、３２、３３、３４、３５及び３６とこれらのそれぞれの排出マニホールドとの間のラインとして表しており、ＥＧＲポートを、弁４４、４５及び４６とマニホールド１７０との間のラインとして表している。

タービン‐コンプレッサ装置７５は、この実施例では、分割ターボチャージャとしても知られているツインスクロールターボチャージャである。タービン８０は大型のスクロール入口１８０と小型のスクロール入口１９０とを有している。他の実施例では、排出マニホールド１５０及び１６０の双方が単一のタービン入口に送給するようにしたモノスクロールタービン‐コンプレッサ装置を採用することができる。第１の排出マニホールド１５０における排出ガスは大型のスクロール入口１８０に指向され、第２の排出マニホールド１６０における排出ガスは小型のスクロール入口１９０に指向される。第２の排出マニホールド１６０の出口付近の配管における制限部２００は、小型のスクロール入口１９０と相俟ってマニホールド１６０及びＥＧＲマニホールド１７０内の背圧を高め、以下に詳述するようにこれらの背圧が吸気マニホールド５０内の圧力よりも大きくなるようにする。排出ガスは、タービン８０を出た後に触媒２１０に向けて指向される。排出ガスがタービン８０を側路して直接的に触媒２１０に向かうようにするためには、ウエィストゲート２２０を開放することができる。

マニホールド１７０を通って流れる排出ガスはこのマニホールドからＥＧＲクーラ２３０に指向され、このクーラにおいて排出ガスの温度が低下される。液化天然ガス（ＬＮＧ）を採用する分野では、このＥＧＲクーラ２３０がＬＮＧを採用する熱交換器を有し、この熱交換器が排出ガスから熱を除去する熱交換流体を有し、このように除去された熱が気化の助けを受けてＬＮＧの温度を高めるようにしうる。この目的のためにＬＮＧが入手しえない場合には、エンジン冷却液を熱交換流体として採用することができる。排出ガスは、ＥＧＲクーラ２３０後にＥＧＲ弁２４０を介して吸気マニホールド５０に指向させる。ＥＧＲ排出弁４４、４５及び４６は、これらの燃焼室の爆発行程の終了時付近で又は排出行程中に或いはこれらの双方で動作し、ＥＧＲマニホールド１７０内の圧力が吸気マニホールド５０内の圧力よりも高くなるようにする。ＥＧＲレート（吸気マニホールド５０に再循環される排出ガスの割合）は、排出弁３４、３５及び３６とＥＧＲ排出弁４４、４５及び４６とがそれぞれ同時に開放された際の、第２の排出マニホールド１６０とＥＧＲマニホールド１７０との間の圧力差に依存する。しかし、多くの排出弁及びＥＧＲ弁の事象に対する燃焼室内の圧力は、これらの双方の圧力よりも大きくなりＥＧＲマニホールド１７０に向かう正の圧力ドライブが生じるようになる。すなわち、燃焼室１４、１５及び１６の各々に対する燃焼室の圧力ＰＣＣは、弁開放事象の少なくとも一部分中に第２の排出マニホールド１６０内の圧力Ｐ１６０及びＥＧＲマニホールド１７０内の圧力Ｐ１７０よりも大きくなる。上述した装置及び技術により、好適実施例において、第２の排出マニホールドが一般にＥＧＲマニホールドのピーク圧力Ｐ１７０よりも低いピーク圧力Ｐ１６０を有するようにする。Ｐ１６０に対してＥＧＲマニホールド１７０内の圧力を高めるのに、能動的な又は受動的な或いはその双方のバイアス技術を採用しうる。例えば、第２の排出マニホールド１６０の出口における制限部２００によりマニホールド１６０及びＥＧＲマニホールド１７０の双方における圧力を高める。制限部２００と組合せて用いうる小型のスクロールタービン入口１９０を制限（縮小）することにより同様な圧力の増大を得ることができる。ツインスクロールターボチャージャを用いるのが有益である。その理由は、規則的な排出パルスの効果が維持され、これにより隣接するシリンダの点火事象からの排出流間の不所望なパルス干渉を低減させてターボチャージャの効率を改善する為である。他の実施例では、排出弁３４、３５及び３６とＥＧＲ排出弁４４、４５及び４６とが可変の弁駆動を採用し、双方が弁の昇降、持続時間及びベースタイミングを制御して第２の排出マニホールド１６０への流れ、従って、ＥＧＲマニホールド１７０に対する圧力を調整するようにしうる。これらの実施例では、制限部２００が不必要となる。例えば、ある動作技術では、排出圧力をブローダウンする場合に排出弁３４、３５及び３６を（これらのそれぞれのサイクルにおいて）容易に開放でき、ＥＧＲ排出弁４４、４５及び４６をその後に排出ガスの温度が低下した後に開放できるようにする。段階的な弁の開放及び閉成を採用し、これにより排出弁３４、３５及び３６をＥＧＲ排出弁４４、４５及び４６よりも早期に閉成させて、ＥＧＲに対する排出ガスを捕捉するようにしうる。

他の実施例では、制限部２００に代えて又はこれに加えて、（図１に示す）タービン８０後の又は触媒２１０後の排出路内の流量面積を調整しうる制限部又はより好ましくは弁２０１の形態の圧力調整器を設け、これによりＥＧＲマニホールド１７０内の圧力を高めるのに役立つようにすることができる。排出ガス内のエネルギーは、タービンの後方及び触媒の後方で減少され、これにより前記弁２０１に加わる応力を制限部２００に加わる応力に比べて低くする。この手段の結果、第１のマニホールド１５０内の背圧が高められるが、このことは必ずしも常に望ましいことではない。エンジン１０１にエンジンブレーキがある場合には、ポンピング損失を高めることによりエンジンブレーキを改善するのに弁２０１が有利となりうるものである。

更なる実施例では、流量面積を調整しうる弁２０２の形態の圧力調整器を第２の排出マニホールド１６０と第１の排出マニホールド１５０との間に採用することができる。制限部２００を弁２０２とともに採用する場合、この弁２０２は制限部２００の上流のマニホールド１６０の排出出口をマニホールド１５０の排出出口に接続する。弁２０２は、マニホールド１６０及び１７０内の圧力をマニホールド１５０に対して可変的に軽減させて、大型のスクロール入口１８０が多量の流量を収容するようにしうる。

ここで図２を参照するに、この図には本発明の第２の実施例によるエンジン１０２が示されており、この実施例及び更なる実施例において第１の実施例と同様な部分には第１の実施例と同じ参照符号を付してあり、これらが存在してもその詳細な説明は省略する。ＥＧＲ回路は、ＥＧＲマニホールド１７０から受けた排出ガスから水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を生ぜしめてこれらを点火性及び火炎速度のような燃焼特性を改善するのに用いるようにするために採用したインライン燃料リフォーミング触媒２６０を有する。燃料注入装置２５０は、メタンを有する気体燃料混合体のような燃料（他の種類の燃料を採用しうるが）を排出ガス内に導入して、リフォーミング触媒２６０よりも前でＥＲＧ混合体を濃縮するようにする。燃焼特性を改善することにより、ＥＧＲ混合体及びそのレートの変動に対する許容範囲を改善するとともに燃料の品質を変える。リフォーミング触媒２６０は、排出ガス中の温水蒸気と燃料注入装置２５０から噴射されたメタン燃料（他の実施例では他の燃料を採用しうる）とを用いて、これらをＨ_２及びＣＯに変換する。点火性及び火炎速度は、空気／燃料／リフォーミングされていないＥＧＲの混合体に比べて空気／燃料／リフォーミングされたＥＧＲの混合体に対して改善される。圧縮点火の分野では、Ｈ_２を燃焼室内に導入した場合に、燃料空気の混合体の点火遅延が減少される。

次に図３を参照するに、この図には、４つの燃焼室１１、１２、１４及び１５を有する本発明の第３の実施例によるエンジン１０３が示されている。この実施例は、図示の通りにシリンダの個数及びマニホールドへの排出ポートの経路において図１の実施例と相違している。４シリンダエンジンに対する代表的な点火順序は１−３−４−２（シリンダ番号は右手側から始まるものである）であり、この点火順序は図３におけるエンジン１０３の表示では１２、１４、１１及び１５の燃焼室点火順序となる。各タービン入口１８０及び１９０はそれぞれの排出マニホールドから３６０度毎に排出ガスのパルスを受ける。図１に戻って参照するに、６シリンダエンジンに対する代表的な点火順序は１−５−３−６−２−４であり、この点火順序は図１におけるエンジン１０１の表示では１６、１２、１４、１１、１５及び１３の燃焼室点火順序となる。従って、図１の６シリンダの実施例の場合、各タービン入口１８０及び１９０はそれぞれの排出マニホールドから２４０度毎に排出ガスのパルスを受ける。図３は、４シリンダの実施例と６シリンダの実施例との間の上述した相違とは別に、構成配置及び動作技術の上述したこと以外はほぼ同じである。

次に図４を参照するに、この図には、ＥＧＲマニホールド１７０内の圧力を所望レベルに低減させるために圧力調整器１７５を有する本発明の第４の実施例によるエンジン１０４が示されている。圧力調整器１７５はバタフライ弁やその他の種類の調整器とすることができる。制限部２００は背圧を生ぜしめるとともに、ＥＧＲマニホールド１７０内の圧力を増大させる。ＥＧＲマニホールド１７０内の圧力を所望のレベルに降下させるのにより大規模な制御が望ましい場合には、圧力調整器１７５を採用する。この技術によりＥＧＲレート応答を改善するとともに、ＥＧＲレートを制御してその許容範囲を改善し且つ変動を少なくする。

次に図５を参照するに、この図には、排出路内の背圧及びＥＧＲマニホールド１７０内の圧力を増大させるために圧力調整器１６５を有する本発明の第５の実施例によるエンジン１０５が示されている。圧力調整器１６５は、バタフライ弁やその他の種類の調整器とすることができる。圧力調整器１６５はＥＧＲ弁２４０と相俟って所望のＥＧＲレートを制御するように作用する。弁１６５及び２４０の各々の所望の開放状態はエンジン回転速度及び負荷状態に依存する。エンジン回転速度が遅いと、ＥＧＲ弁２４０は代表的に完全に開放状態にするとともに、弁１６５は部分的に閉成状態にする。エンジン回転速度が速いと、ＥＧＲ弁２４０は（エンジン回転速度が遅い場合に比べて）制限されるとともに、弁１６５は完全に開放される。他の実施例では、ＥＧＲ弁２４０を不要として、クーラ２３０からの冷却されたＥＧＲ排出ガスが吸気マニホールド５０に直接向かうようにする。これらの実施例では、ＥＧＲの流速は圧力調整器１６５により制御される。ＥＧＲ弁が無いこれらの実施例は簡単なシステムであるが、ＥＧＲレート制御に関して且つエンジンの過渡動作に対する応答時間に関しても不利益が存在するのに対し、弁１６５及び２４０の双方を採用する上述した実施例はより一層有効なＥＧＲレート制御を達成する。

次に図６を参照するに、この図には、本発明の第６の実施例によるエンジン１０６が示されている。吸気マニホールドは区分５１と区分５２とに分割されている。各区分はそれぞれ絞り弁１１１及び１１２と、ＥＧＲ弁２４１及び２４２とを有している。それぞれの弁を制御することにより、吸気マニホールドの区分５１及び５２内に流れる排出ガスの量を制御しうる。このことは、例えば、燃料がシリンダの一部分のみに導入される低負荷時にエンジン１０６がシリンダのカットアウトモードで動作する場合に有利なことである。ＥＧＲが低負荷時に採用され且つ燃焼室１４、１５及び１６のみが採用される場合に、ＥＧＲ弁２４１が閉成されると、排出ガスはより一層有効にこれらの燃焼室に向かうようになる。エンジン１０６は圧力調整器１７５を有するように示してあるが、図６の実施例の変形では、ＥＧＲマニホールド１７０内の圧力を高める前述した受動的及び能動的な技術を採用することができる。

次に図７、８及び９を参照するに、これらの図には、吸気クーラ９５より前で排出ガスを圧縮吸気と混合する本発明の他の実施例によるエンジン１０７、１０８及び１０９が示されている。これらのエンジンからの排出ガスは、天然ガスのような気体燃料で給油する場合にガソリンで給油する場合に比べて高い水蒸気含有量を有するようになる。通常では、凝結を回避するためには、水を蒸気として残存させる状態に維持するのに充分な高温度に排出ガスを保ち、凝結が生じた場合にエンジン部品に対する潜在的な損傷（例えば、このような損傷は酸の浸食及び液滴衝突により生じるおそれがある）を回避するようにする。このことは、排出ガスを冷却しうる程度を制限する。この場合、シリンダに入る吸気の温度は、比較的熱い後置（ポスト）ＥＧＲクーラの排出ガス（約１００〜１５０℃）をより冷却した（５０℃よりも低い）吸気と混合した場合に上昇した。本実施例において、飽和度の高い排出ガスをコンプレッサ７０からの不飽和吸気と混合すると、この混合体の露点は排出ガスのみの露点よりも低くなる。従って、この混合体を、吸気クーラ９５を介して伝達すると、凝結度が低くなり、これにより排出ガスをより低い温度まで冷却させうるようになる。全吸気温度が低くなることにより、吸気密度を高め（これにより容積効率を改善し）且つ早期点火及びノッキングの可能性を低減させる。エンジン１０７及び１０８は互いに類似しており、吸気絞り弁の位置においてのみ互いに異なっており、エンジン１０８における絞り弁の位置によれば、エンジン１０７では吸気のみが絞られるのに対し混合体が絞られる為に過渡応答が改善される。エンジン１０７によれば、排出ガスが後置絞り弁で吸気と混合される為、すなわち排出ガスが絞り弁による圧力降下を受けない為、エンジン１０８に比べて低負荷時にＥＧＲ濃度が改善される。エンジン１０９はＥＧＲクーラ２３０を有しておらず、吸気クーラ９５を通る単一段の冷却を行う（このクーラ９５は、ＥＧＲクーラ２３０を無くした図７に類似する他の実施例では絞り弁１１０に対して後置配置することができることに注意すべきである）。熱い排出ガスを単一段の冷却を介して冷却する場合、熱交換器は排出ガスの高温度に対処しうるようにする必要がある。従来の吸気クーラは、高温度に耐えうるステンレス鋼を有する従来のＥＧＲクーラと対比するに、アルミニウ構造を有している。

上述した実施例の１つの利点は、好適実施例で、目標とするＥＧＲレートを燃焼の安定性に対する有効なレートである約２５％の範囲内に容易に達成するようにＥＧＲマニホールドに関連する排出弁の個数を選択しうることである。ＥＧＲに対する専用のシリンダを採用した従来のＥＧＲシステムはこのレートを４シリンダエンジンに対し達成しうるが、６シリンダエンジンに対しては達成しえない。例えば、６シリンダエンジンでは、２５％に近い利用可能なＥＧＲレートは１６．６％（６つのシリンダの内１つのシリンダ）又は３３．３％（６つのシリンダの内２つのシリンダ）の何れかである。前述した実施例では、有効なＥＧＲレートは、シリンダの個数によってではなく、排出弁対ＥＧＲ排出弁の相対合計数によって決定され、従って、利用可能なＥＧＲレートの選択は最も必要とする領域内でより一層絞り込まれる。完全に専用のＥＧＲマニホールドを採用している従来のＥＧＲシステムでは、排出ガスを半数のシリンダから受けることは、排出ガスの５０％を再循環しうることを意味している。２５％のＥＧＲレートを達成するには、タービンの入口へ向かう又はタービン後に触媒に入る排出ガスを除去する必要がある。

前述した実施例の他の利点は、ターボパルス同調のためにシリンダが分割され、ＥＧＲを駆動するための排出背圧を高めるのに１つのスクロール入口が制限されている非対称のツインスクロールのターボチャージャを採用する分野にある。制限スクロール（入口１９０）における制限は（従来の非対称のターボハウジングに比べて）減少され、ターボチャージャの効率を増大させる。排出弁の事象を段階的にすることにより、排出ガスの排除及びブローダウンに対する更なる利点が得られる。

上述したところでは、本発明の特定の素子、実施例及び適用分野を開示し且つ説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。その理由は、当業者は本発明の範囲から逸脱することなく特に前述した技術に照らして本発明の変形を達成しうる為である。

Claims (22)

1. （ａ）第１の部分の燃焼室及び第２の部分の燃焼室に分割された複数の燃焼室であって、前記第１の部分の燃焼室における各燃焼室は第１の排出弁及び第２の排出弁を有し、前記第２の部分の燃焼室における各燃焼室は第３の排出弁及び第４の排出弁を有する、複数の燃焼室と、
   （ｂ）各燃焼室と関連する少なくとも１つの吸気弁と、
   （ｃ）前記複数の燃焼室にそれぞれの吸気弁を介して流体連通する少なくとも１つの吸気マニホールドと、
   （ｄ）前記第１の部分の燃焼室における各燃焼室に前記第１の排出弁及び前記第２の排出弁を介して流体連通する第１の排出マニホールドと、
   （ｅ）前記第２の部分の燃焼室における各燃焼室に前記第３の排出弁を介して流体連通する第２の排出マニホールドと、
   （ｆ）排出ガスを受けるために前記第２の部分の燃焼室における各燃焼室に前記第４の排出弁を介して流体連通し、且つ、排出ガスを供給するために前記少なくとも１つの吸気マニホールドに流体連通するＥＧＲマニホールドと
   を具える内燃機関用の排出ガス再循環（ＥＧＲ）システム。
2. 請求項１に記載の排出ガス再循環システムにおいて、この排出ガス再循環システムが更に、
   (ｈ)タービン及びコンプレッサを有するタービン‐コンプレッサ装置
   を具えており、前記タービンは前記コンプレッサを駆動するものであり、前記タービンは第１の排出入口及び第２の排出入口を有し、前記第２の排出入口は前記第１の排出入口よりも小さい流量面積を有し、前記第１の排出マニホールドは前記第１の排出入口に流体連通しており、前記第２の排出マニホールドは前記第２の排出入口に流体連通しており、前記吸気マニホールドは前記コンプレッサと流体連通して、酸素を有する圧縮気体の混合体を受けるようになっている排出ガス再循環システム。
3. 請求項２に記載の排出ガス再循環システムにおいて、この排出ガス再循環システムが更に、
   (ｉ)前記第２の排出マニホールドと前記第１の排出マニホールドとの間に存在し、前記第２の排出マニホールド及び前記ＥＧＲマニホールド内の圧力を低減させるように動作しうる圧力調整器
   を具えている排出ガス再循環システム。
4. 請求項２に記載の排出ガス再循環システムにおいて、この排出ガス再循環システムが更に、
   （ｉ）前記タービン後の排出流路内に設けられ、前記第１の排出マニホールドと、前記第２の排出マニホールドと、前記ＥＧＲマニホールドの背圧を変化させる圧力調整器を具えている排出ガス再循環システム。
5. 請求項１に記載の排出ガス再循環システムにおいて、この排出ガス再循環システムが更に、
   （ｈ）ＥＧＲクーラ及びＥＧＲ弁
   を具えており、前記ＥＧＲクーラは前記ＥＧＲマニホールドを前記ＥＧＲ弁に連結しており、前記ＥＧＲ弁は前記吸気マニホールドに流体連通している排出ガス再循環システム。
6. 請求項１に記載の排出ガス再循環システムにおいて、前記第２の排出マニホールドの出口付近の配管がそれ自体に制限部を有している排出ガス再循環システム。
7. 請求項２に記載の排出ガス再循環システムにおいて、この排出ガス再循環システムが更に、
   （ｈ）前記第２の排出マニホールドと前記タービンの前記第２の排出入口との間に圧力調整器
   を具えている排出ガス再循環システム。
8. 請求項１に記載の排出ガス再循環システムにおいて、この排出ガス再循環システムが更に、
   （ｈ）前記ＥＧＲマニホールドと前記第２の排出マニホールドとの間に圧力調整器
   を具えている排出ガス再循環システム。
9. 請求項１に記載の排出ガス再循環システムにおいて、前記第２の部分の燃焼室のそれぞれの燃焼室における前記第３の排出弁及び前記第４の排出弁がそれぞれ可変の弁駆動装置に連結されている排出ガス再循環システム。
10. 請求項１に記載の排出ガス再循環システムにおいて、この排出ガス再循環システムが更に、
    （ｈ）前記ＥＧＲマニホールドから排出ガスを受けるためにこのＥＧＲマニホールドに流体連通している入口と、前記吸気マニホールドと流体連通している出口とを有するリフォーミング触媒と、
    （ｉ）気体燃料を前記リフォーミング触媒の上流で前記排出ガス内に導入する燃料注入装置と
    を具えている排出ガス再循環システム。
11. 請求項１に記載の排出ガス再循環システムにおいて、この排出ガス再循環システムが更に、
    （ｈ）前記第１の排出マニホールド及び前記第２の排出マニホールドから排出ガスを受けるタービン‐コンプレッサ装置と、
    （ｉ）前記タービン‐コンプレッサ装置から圧縮空気を受ける吸気クーラと、
    （ｊ）前記ＥＧＲマニホールドと前記吸気クーラの上流との間の可調整弁であって、前記排出ガスが前記可調整弁を経て伝達されるとともに前記圧縮空気と混合されて混合体を形成し、この混合体を前記吸気クーラにより冷却されるようにした当該可調整弁と
    を具える排出ガス再循環システム。
12. 内燃機関における排出ガス再循環方法において、この排出ガス再循環方法が、
    （ａ）前記内燃機関における燃焼室を第１の部分の燃焼室と第２の部分の燃焼室とに分割するステップであって、前記第１の部分の燃焼室における各燃焼室は第１の排出弁及び第２の排出弁を有し、前記第２の部分の燃焼室における各燃焼室は第３の排出弁及び第４の排出弁を有する、ステップと、
    （ｂ）前記第１の部分の燃焼室における各燃焼室から前記第１の排出弁及び前記第２の排出弁を介して第１の排出マニホールドに排出ガスを伝達させるステップと、
    （ｃ）前記第２の部分の燃焼室における各燃焼室から、前記第３の排出弁を介して第２の排出マニホールドに排出ガスを伝達させ、前記第４の排出弁を介してＥＧＲマニホールドに排出ガスを伝達させるステップと、
    （ｄ）排出ガスを前記ＥＧＲマニホールドから少なくとも１つの吸気マニホールドに伝達させるステップと
    を具える排出ガス再循環方法。
13. 請求項１２に記載の排出ガス再循環方法において、この排出ガス再循環方法が更に、
    （ｅ）前記第２の排出マニホールドからの排出ガスの流れを制限するステップ
    を具えている排出ガス再循環方法。
14. 請求項１２に記載の排出ガス再循環方法において、この排出ガス再循環方法が更に、
    （ｅ）排出ガスを前記第１の排出マニホールドから第１のタービン入口に伝達させるステップと、
    （ｆ）排出ガスを前記第２の排出マニホールドから、前記第１のタービン入口よりも小さい流量面積を有する第２のタービン入口に伝達させるステップと、
    （ｇ）前記排出ガスにより前記タービンに与えられるエネルギーで酸素を有する気体の混合体を圧縮させるステップと
    を具える排出ガス再循環方法。
15. 請求項１４に記載の排出ガス再循環方法において、この排出ガス再循環方法が更に、
    （ｈ）前記第２の排出マニホールドと前記第１の排出マニホールドとの間の圧力を調整するステップであって、前記第２の排出マニホールド内の前記排出ガスの一部を前記第１のタービン入口に向けて指向させるようにするステップ
    を具えている排出ガス再循環方法。
16. 請求項１４に記載の排出ガス再循環方法において、この排出ガス再循環方法が更に、
    （ｈ）前記第２の排出マニホールドと前記第２のタービン入口との間の圧力を調整するステップ
    を具えている排出ガス再循環方法。
17. 請求項１６に記載の排出ガス再循環方法において、この排出ガス再循環方法が更に、
    （ｉ）前記ＥＧＲマニホールドと前記少なくとも１つの吸気マニホールドとの間の圧力を調整するステップ
    を具えている排出ガス再循環方法。
18. 請求項１２に記載の排出ガス再循環方法において、この排出ガス再循環方法が更に、
    （ｅ）前記ＥＧＲマニホールドと前記第２の排出マニホールドの出口との間の圧力を調整するステップ
    を具えている排出ガス再循環方法。
19. 請求項１２に記載の排出ガス再循環方法において、この排出ガス再循環方法が更に、
    （ｅ）前記第３の排出弁及び前記第４の排出弁を可変駆動して前記第２の排出マニホールド内の圧力を制御することにより、ＥＧＲレートを調整するステップ
    を具えている排出ガス再循環方法。
20. 請求項１２に記載の排出ガス再循環方法において、この排出ガス再循環方法が更に、
    （ｅ）炭化水素燃料を前記ＥＧＲマニホールドからの排出ガス内に導入することにより排出ガス‐燃料混合体を形成するステップと、
    （ｆ）前記排出ガス‐燃料混合体をリフォーミングして少なくとも水素を発生させるステップと、
    （ｇ）前記水素及び前記排出ガスを前記少なくとも１つの吸気マニホールドに伝達させるステップと
    を具えている排出ガス再循環方法。
21. 請求項１２に記載の排出ガス再循環方法において、この排出ガス再循環方法が更に、
    （ｅ）前記排出ガス‐燃料混合体をリフォーミングして一酸化炭素を生ぜしめるステップ
    を具えている排出ガス再循環方法。
22. 請求項１２に記載の排出ガス再循環方法において、この排出ガス再循環方法が更に、
    （ｅ）タービン‐コンプレッサ装置により吸気を圧縮させて圧縮吸気を形成するステップと、
    （ｆ）排出ガスを前記圧縮吸気と混合して混合体を形成するステップと、
    （ｇ）前記排出ガスと前記圧縮吸気との前記混合体を前記少なくとも１つの吸気マニホールドに導入する前にこの混合体を冷却するステップと
    を具えている排出ガス再循環方法。

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