JP6134721B2 - 内燃エンジンシステムおよび内燃エンジンシステムを備える車両 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段部分に記載の内燃エンジンシステム、請求項１８、２２および２８の前段部分に記載のこのようなシステムにおける温度を上昇させるための方法、ならびにこのようなシステムを備えるおよび／または作動させる車両に関する。

車両の内燃エンジン、特に大型車両用ディーゼルエンジンにおける現在および将来の排ガスレベルの場合、排ガスおよび燃料消費全体にとって排ガスの後処理が重要になっている。また、車両のドライバビリティおよび信頼性も、これらの排ガス基準を満たすのに用いられる様々な方法に影響を受けている。

公知の方法の１つとして、通常触媒または粒子フィルタの形態を取るいわゆる排ガス後処理システムを用いるものがある。これらの触媒後処理システムは、好適な温度範囲、たとえば２５０℃から４５０℃で作動し、車両の通常運転状態で、この温度範囲は容易に維持される。

しかし、エンジン低温始動時、あるいはあるエンジン動作モード時、実際の温度は低すぎるために前記温度範囲に維持できない。

こうして、排ガス後処理システム２２を有する内燃エンジンシステムを作動させるための最も困難な課題の１つは、排出要件を満たすように、臨界温度動作状態で排ガス後処理システム内の温度を動作温度まで上昇させ、その上昇させた温度を維持することである。

低温始動状態に加えて、エンジン停止後に車両が始動すると、実際の排ガス温度が低すぎて前記温度範囲に維持できないという内燃エンジンの臨界温度エンジン動作状態がその他にもいくつか存在する。これらの臨界温度動作状態を以後「低負荷エンジン動作モード、アイドルエンジン動作モード、またはモータリングエンジン動作モード」と呼び、以下の段落でさらに詳細に説明する。

「アイドルエンジン動作状態」は、エンジンがアイドル速度で作動している場合のすべてのエンジン動作モードを表す。アイドル速度とは、エンジンが動力伝達系路から分離して、内燃エンジンのアクセルが解放されるとき、エンジンが作動する場合の回転速度である。通常、回転速度は、エンジンのクランク軸の毎分回転数すなわちｒｐｍ単位で計測される。アイドル速度にあると、エンジンは適度にスムーズに作動し、エンジン付属機器（送水ポンプ、オルタネータおよび、装備されていればパワーステアリングなどのその他の付属装置）を操作するのに十分な動力を、ただし車両を動かすといった重作業を実行するのには通常十分でない動力を生成する。トラックや乗用車などの車両の場合、アイドル速度は通常６００ｒｐｍ以上１，０００ｒｐｍ以下である。アクセルを解放した場合でも、エンジン動作を継続するために一定量の燃料が内燃エンジン内に噴射される。

エンジンが多数の付属装置、特に空調を操作する場合、アイドル速度を上げて、エンジンが確実にスムーズに作動し、その付属装置を操作するのに十分な動力を確実に生成するようにしなければならない。したがって、ほとんどのエンジンは、気化器内または燃料噴射系に、より大きな動力が必要になるとアイドル速度を上昇させる自動調節機能が設けられている。

「低負荷エンジン動作モードまたはモータリングエンジン動作モード」は、エンジンがある回転速度（ｒｐｍ）を上回る速度で作動しているが、エンジン内にまったく燃料が噴射されない場合のエンジン動作モードとして定義される。モータリングエンジン動作モードの一例として、エンジンの回転速度が落ちているとき、すなわち通常はエンジンに駆動される車両が坂を惰性で進んでいる場合のモータリングエンジン動作モードが挙げられる。そのモード中、アクセルは解放されているが、エンジンが動力伝達系路と結合したまま、変速機主軸の駆動力でエンジン動作は継続している。

上記のようなエンジン動作モード中、エンジンは原則として周囲温度の新鮮な空気を排気システムに送り込んでおり、これによって排ガス後処理システムが非制御（で好ましくない形）で「空冷」されてしまうという問題が生じる。

これは、触媒排ガス後処理システム内の温度が急激に低下して２５０℃を下回るため、もはや効果的な排ガス後処理を行うことができないことを意味する。

したがって、排ガス規制要件が増加した結果、内燃エンジン効率の低下がしばしば引き起こされる。したがって、エンジン効率および車両の燃料消費全体に悪影響を及ぼすことのない効率的な排ガス規制を可能にする方法を提供することが重要となる。

効率的な内燃エンジンに所要の低排出をもたらすための別の取り組み方法は、いわゆる「部分予混合燃焼（ＰＰＣ）」を用いるものである。ＰＰＣは、簡単に言えば、低セタン価の燃料、たとえばナフサまたは灯油などで圧縮着火（ディーゼル）エンジンを作動させるものと説明できる。低セタン価燃料は、中間負荷または高負荷では効果的に働くが、低負荷エンジン動作モードおよび／またはモータリングエンジン動作モードではその燃焼性が許容範囲に届かない。したがって、ＰＰＣもまた、特に低温始動中、アイドル運転状態、および低負荷運転状態にあるとき臨界温度動作状態を誘発するとみなすことができ、このとき、エンジンから炭化水素化合物（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）が過度に排出されるという問題が生じる。

上述の通り、ＨＣおよびＣＯ排出は、排ガス後処理システムが作動中であれば問題ではない。しかし、触媒温度が２５０℃を下回ると、変換効率が許容できないレベルまで低下する。その結果、低負荷時あるいはアイドルエンジン動作モードまたはモータリングエンジン動作モード中であっても排ガス後処理システムの温度を２５０℃より高い温度に保ち、および／または排ガス後処理システムの温度を急速に上昇させなければならない。

したがって、本発明の目的は、排ガス後処理システム内の温度を動作温度まで急速に上昇させ、および／またはその上昇させた温度を長期間にわたり動作温度範囲内に維持するような内燃エンジンシステムおよび内燃エンジンシステムの制御方法を提供することにある。

上記課題は、請求項１に記載の内燃エンジンシステムと、請求項１８、２２および２８に記載の内燃エンジンシステム制御方法と、請求項３２に記載の車両により解決される。

発明の第１の態様によれば、課題は、複数の気筒、少なくとも空気を気筒ブロックに与えるためのガス吸入マニホルド、排ガスを前記気筒ブロックから排出するための排ガスマニホルドを有する気筒ブロックを備える内燃エンジンシステムによって解決される。排ガスマニホルドが少なくとも、主排ガス出口と、ウェイストゲート排ガス出口とを備え、主排ガス出口が、排ガスを主排ガス後処理システムに導くための主排ガス管に接続され、ウェイストゲート排ガス出口がウェイストゲート排ガス管に接続される。発明の特徴として、ウェイストゲート排ガス管は、前記主排ガス後処理システムの上流で前記主排ガス管に再接続され、ウェイストゲート排ガス管内を流れる排ガスに触媒処理を行うための少なくとも１つのウェイストゲート後処理部、好ましくはディーゼル酸化触媒などの酸化触媒を備える。主排ガス後処理システムが、酸化触媒と、微粒子フィルタと、および選択触媒反応器の少なくとも１つを備えればよい。

ウェイストゲート排ガス後処理部、特にディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）やその他の好適な排ガス後処理部は、排ガス流内のＯ_２（酸素）を用いて、ＣＯ（一酸化炭素）をＣＯ_２（二酸化炭素）に、ＨＣ（炭化水素）をＨ_２Ｏ（水）とＣＯ_２に変換する。この変換処理は発熱処理なので、排ガス全体の温度を上昇させるのに十分な熱が生成され、その結果、主排ガス管の再結合部の下方に配列された主排ガス後処理システムとウェイストゲート排ガス管の温度は、その動作温度、好ましくは２５０℃に保たれるかその動作温度にされる。また、その温度は、ウェイストゲート排ガス管内を流れる排ガス量によって制御してもよく、この排ガス量はウェイストゲート排ガス出口弁および／またはウェイストゲート排ガス管の直径で制御するようにしてもよい。

ウェイストゲート排ガス後処理部はさらに、主酸化触媒で発熱触媒反応を開始するのに十分な熱を伴う排ガスを生成するよう適合される。ウェイストゲート酸化触媒および／または主酸化触媒で発熱触媒反応を開始するために、ある量の炭化水素源を与える不燃燃料が必要である。

さらに別の好ましい実施形態によれば、ウェイストゲート酸化触媒および主酸化触媒が、同一部であるように構成してもよい、好ましくは、一体化した酸化触媒が、ウェイストゲート排ガス管に接続する第１の入口と、主排ガス管に接続する第２の入口とを備える。これによって、第１の入口が第２の入口の上流に配置されるのが好ましい。

さらに別の好ましい実施形態によれば、不燃燃料は、ウェイストゲート排ガス管内またはウェイストゲート排ガス管に配置される燃料噴射器によって与えられるのがよい。

上記に加えてあるいは上記に代わるものとして、不燃燃料をいわゆる後で行われる後噴射によって与えればよく、この噴射では、燃料が着火しないように燃焼ストロークの終わりに、燃料が気筒ブロックの少なくとも１つの気筒内に噴射される。かなり後のタイミングでの噴射を行うという方策は、オイル希釈問題を生むことが知られているので、慎重に運用しなければならない。しかし、ウェイストゲート後処理部を開始するためにこの方法を用いるのには時間がかからず、オイル希釈問題は生じない。詳細は後述するが、ＰＰＣ燃焼中、ＰＰＣ燃料の高揮発性により、この問題は生じない。ＰＰＣでは、オイル希釈を理由としてかなり後のタイミングで後噴射を利用することに制限を設ける必要がない。

かなり後の後噴射にはさらに次のような利点がある。かなり後の後噴射を適正なタイミングで行うことで、燃料は気筒内で前処理され、噴射燃料の炭化水素がこれによって、より軽い炭化水素、ＣＯおよびＨ２（水素）に変換される。酸化触媒において、軽い炭化水素は、噴射燃料の炭化水素より着火し易い。さらに、ウェイストゲート後処理部で、内燃エンジンが十分なＣＯを与えるよう制御されている場合、ウェイストゲート後処理部は約１５０℃になったら着火してもよい。最大限のＣＯを生成するために、空燃比ラムダを制御して、ウェイストゲート排ガス管内に対応する状態、好ましくはわずかに濃厚な状態を与えるようにしてもよい。

ラムダ（λ）とは、所与の混合気について、実際の空燃比と化学量論的空燃比の比である。それゆえ、一般的な燃料の組成は季節毎に変化し、現代の多くの車両では様々な燃料が扱われるので、ラムダは燃料混合気の変動に左右されない。化学量論的混合気は利用可能な燃料を完全燃焼するのに十分な空気を含有しているだけである。ラムダ１．０とは、化学量論的混合気を表し、濃厚混合気は１．０未満、希薄混合気は１．０より大きい。

ウェイストゲート酸化触媒が着火するとすぐに、そのかなり後の後噴射を終了して、濃厚状態で内燃エンジンを作動することができる。濃厚燃焼状態によって、主酸化触媒において動作を開始するために十分な熱と不燃燃料が与えられる。さらに、濃厚燃焼では、着火を容易にするために燃料を前処理してもよい。かなり後の後噴射同様、ラムダはＨＣに対するＣＯおよびＨ２の生成量を最大限にするのに適切である。少なくとも１つの主排ガス後処理部の着火を支援するために、ウェイストゲート後処理部が着火した直後であれば、この方策は適切である。主排ガス後処理部が着火すると、典型的には、ウェイストゲート排ガス管内の状態は、主排ガス後処理部を急速に加熱するために少なくともわずかに濃厚であればよい。内燃エンジンの冷温始動のための好ましいステップについては、あとで詳細に説明する。

モータリングエンジン動作状態中、主排ガス後処理部で触媒反応を再び開始するのに十分な熱を瞬間的に与えることにより、空冷排ガス後処理システムに対するいわゆる「口火」としてウェイストゲート排ガス管およびウェイストゲート排ガス後処理部を用いてもよい。主排ガス後処理システムを再始動する場合にもまた、上記および以下でより詳細に説明する方法が使われることがある。

別の実施形態によれば、ターボチャージャは主排ガス出口にまたはその近辺に配置される。その場合、本発明のウェイストゲート排ガス管がターボチャージャのバイパスとして機能する。ターボチャージャにバイパスを設けることにより、次のような効果が得られる。ターボチャージャにバイパスを設けることによって、主排ガス管での加熱が上昇する。ターボチャージャは熱慣性が大きいので、アイドルまたはモータリングエンジン動作モード中、排ガスを冷却してしまう、あるいは冷温始動から加熱するために排ガスからの大量の熱エネルギーを消費するためである。ターボチャージャにバイパスを設けることによって、主排ガス後処理システムに未冷却の排ガスが与えられる。低圧タービンは通常非常に大きく重いので、２段階ターボチャージャを用いることにより冷却現象が増加する。

温度問題が発生するのはある臨界温度状態時だけなので、ウェイストゲート排ガス管がさらに、ウェイストゲート排ガス管内を流れる排ガス量を制御するように適合される弁を備えることが好ましい。その結果、中間負荷または高負荷エンジン動作モード中、ウェイストゲート排ガス管が閉止する。

別の好ましい実施形態によれば、ウェイストゲート燃料噴射器を、ウェイストゲート排ガス管内の排ガス温度を上昇させるためのバーナー用に用いてもよい。ウェイストゲート排ガス管内の排ガス温度はこれによって十分高くなり、第１の排ガス管およびウェイストゲート排ガス管内を流れる排ガスの温度全体を上昇させることができる。

別の好ましい実施形態によれば、排ガスパルスのパルスエネルギーを捕獲するために、燃料噴射器および／または少なくとも１つの排ガス後処理部が、排ガスマニホルドに近接配置される。パルスエネルギーにより、排ガスと噴射燃料の混合が促進される。

別の好ましい実施形態によれば、気筒ブロックの複数の気筒が、少なくとも、第１の気筒グループおよび第２の気筒グループ内に配置される。好ましくは、各気筒グループが吸気スロットルを備え、各吸気スロットルが個別に動作可能である。任意で、吸入マニホルドが、第１の気筒グループに割り当てられる第１の吸入マニホルド部と、第２の気筒グループに割り当てられる第２の吸入マニホルド部を備える。この配置によって、臨界温度動作状態中、第１の気筒グループに燃料を与えないことで不作動の気筒グループを構成し、第２の気筒グループに燃料を与えることで作動中の気筒グループを構成するように、内燃エンジンを制御することが可能となる。特に、不作動の気筒が送り出すガス容量が全体として減少することによって周囲温度の新鮮な空気の量も減少するために、主排ガス後処理システムの温度を動作温度範囲に維持するのに十分な高温排ガスを作動中の第２の気筒グループが生成する。

別の好ましい実施形態によれば、排ガスマニホルドが、排ガスマニホルド内で、第１の気筒グループから好ましくは第１の排ガス出口までの第１の排ガス流と、第２の気筒グループから好ましくは第２の排ガス出口までの第２の排ガス流とを与えるように適合される。第１の気筒グループからの排ガスと第２の気筒グループからの排ガスは混合せず、それぞれの排ガス出口に導かれるので、作動中の第２の気筒グループからの高温排ガスだけがウェイストゲート排ガス管に向かうまで、ウェイストゲート排ガス管内の温度がさらに上昇する。特に低負荷エンジン動作モード中の作動中の気筒グループからの排ガス温度は、すべての気筒が与える動力がこの時点では作動中の気筒グループのみによる動力であるので、すべての気筒が低負荷で作動中の場合に比べてはるかに高くなる。このことは、作動中の気筒グループ内の負荷を低負荷から中間負荷または高負荷にまで増大させる必要があり、それによって作動中の気筒グループの温度が上昇する。

別の好ましい実施形態によれば、排ガス流の分離を排ガスマニホルドに分離要素を設けることによって達成するようにしてもよい。したがって、排ガスマニホルドが、第１の排ガス出口に割り当てられる第１の排ガスマニホルド部と、第２の排ガス出口に割り当てられる第２の排ガスマニホルド部とを設けるように適合される。

別の好ましい実施形態によれば、排ガスマニホルドはさらに、第３の排ガス管を通る第３の排ガス流を与えるように適合され、第３の排ガス管が、第２の排ガスマニホルド部に割り当てられる。さらに、第３の排ガス管が、少なくとも１つのターボチャージャ部に排ガスを与えるように適合される。好ましくは、第１と第３の排ガス管が、同一のターボチャージャ部に排ガスを与えるように適合され、好ましくは、ターボチャージャ部が２つの入口を有するタービンを備える。２つの入口を有するタービンを用いることにより、車両内部の全体の構成要素が削減され、これによって重量全体が減少し、燃料消費の削減および車両積載可能性の増加につながる。加えて、ターボチャージャの構成要素は通常小型であればあるほど効率が低くなるので、２つの入口を有するタービンはタービン効率を向上させる。

別の好ましい実施形態によれば、内燃エンジンシステムはさらに、排ガスの少なくとも一部を内燃エンジンのガス吸入口側に再循環させるための排ガス再循環（ＥＧＲ）システムを備え、好ましくは、排ガス管が、排ガスマニホルドから直接分岐する、または、ターボチャージャ部の下流および好ましくは主排ガス後処理システムの少なくとも１つの部の上流で、最も好ましくは主排ガス後処理システムの中の少なくとも１つの部の上流で、特に選択触媒反応器の上流であるが、好ましくはフィルタを通過した排ガスを再循環させるための微粒子フィルタ部の下流で、主排ガス管および／または第３の排ガス管から分岐する。

ＥＧＲは、内燃エンジンの排ガス、特に排ガス内の酸化窒素量を減少させるという効果がある。好ましくは、排ガスの再循環後の伏流を冷却した後、ＥＧＲエンジンのガス吸入口側に送り、混合気をＥＧＲエンジンの気筒内に導入する前に、ここで到来する空気と混合する。再高温排ガスを再循環することでＥＧＲエンジンのガス吸入口側でのガス温度がＥＧＲエンジンに損傷を与えるレベルまで上昇するので、循環排ガスの冷却はＥＧＲエンジンにとって必須である。さらに、たとえばエンジン負荷およびＥＧＲエンジンを通る全質量流のエンジン動作モードなどに応じた１０％から９０％の広範囲に渡る排ガス量の再循環は、十分なＮＯｘ低減を生み出すために必要である。

別の好ましい実施形態によれば、内燃エンジンシステムはさらに、排ガス再循環ダクトを備え、排ガス再循環ダクトが、不作動の第１の気筒グループに割り当てられる主排ガスマニホルド部から分岐し、吸入マニホルドに、好ましくは作動中の第２の気筒グループに割り当てられる第２の吸入マニホルド部に排ガスを再循環するよう適合される。この配置により、不作動の気筒グループからの排ガス、これは考慮中の状況下ではおそらく空気であるが、この排ガスを不作動の気筒グループの排ガスマニホルドから強制的に作動中の気筒グループの吸入マニホルドに送り込み、エンジンの流れる空気の全体量を非常に減少させる。臨界温度エンジン動作モード中の空冷効果はこれによりさらに低下する。

別の好ましい実施形態によれば、内燃エンジンシステムは、少ない着火しにくい燃料、特に３８より低いセタン価などの低セタン価の燃料によって作動されるよう適合され、および／または、１０：１から３０：１までの範囲、好ましくは１３：１から２５：１までの範囲、最も好ましくは１５：１から１８：１までの範囲内にある圧縮比で燃料に着火するよう適合される。上述の通り、エンジンを着火しにくい燃料で作動させる、いわゆる部分予混合燃焼（ＰＰＣ）もまた、特に低負荷またはアイドルエンジン動作モードにあるとき臨界温度運転状態を誘発する。内燃エンジンシステムの上記の発明性を有する特徴によれば、気筒内の温度および／または排ガスの上昇が可能となり、ＰＰＣエンジンについても利用できる。

本発明の別の態様は、内燃エンジンシステムの制御方法に関し、内燃エンジンシステムを着火しにくい燃料で作動させる、ならびに／または低温始動状態、および／または低負荷エンジン動作モード、および／またはアイドルエンジン動作モード、および／またはモータリングエンジン動作モードなどの臨界温度動作状態中、内燃エンジンシステムの少なくとも一部内の温度を上昇させる。上述の通り、内燃エンジンシステムは、複数の気筒、少なくとも空気を第１と第２の気筒グループに与えるためのガス吸入マニホルド、排ガスを気筒ブロックから主排ガス後処理システムに排出するための排ガスマニホルドを有する気筒ブロックを備え、気筒ブロックの複数の気筒が、少なくとも、第１の気筒グループおよび第２の気筒グループ内に配置される。

本発明の第１の態様によれば、方法の好ましい実施形態は、内燃エンジンシステムが臨界温度状態で作動しているかどうかを判定するステップと、内燃エンジンシステムが臨界温度状態で作動している場合、第１の気筒グループの気筒に燃料を与えないことで第１の気筒グループを不作動にするよう制御して、第２の気筒グループの気筒に燃料を与えることで第２の気筒グループを作動するように制御するステップとを含む。

臨界温度動作モード中に、周囲温度の新鮮な空気をすべての気筒に送り込むことによって、動作温度より低い内燃エンジン全体を冷却するのではなく、気筒の一部にのみ新鮮な空気を送り込む。これにより、新鮮な空気の量が減少するという効果がある。また、気筒の残りの部分を燃料で作動させることにより高温排ガスが生じるが、これは過度に燃料消費を増大させない。気筒は等分するのが好ましいが、等分でなくてもよい。

本発明にかかる方法の好ましい実施例によれば、内燃エンジンシステムの各気筒がさらに、吸入マニホルドに対応する気筒を開くための少なくとも１つの吸気弁と、排ガスマニホルドに対応する気筒を開くための少なくとも１つの排気弁とを備え、方法はさらに、少なくとも１つの気筒の排気弁を制御して、吸気弁が開くのと同時に排気弁を少なくとも部分的に開くようにすることで少なくとも１つの気筒内の温度を上昇させることにより、所定量の排ガスを気筒内にリブリージングするステップを含む。

排ガスをリブリージングすることで、空気質量流を減少させ、排ガス系統の温度が上昇するという効果がある。また、燃料損失も低い。

好ましくは、排ガスをリブリージングするステップは、すべての気筒上ではなく、不作動の第１の気筒グループ上で実行され、不作動の第１の気筒グループ内、従って排ガスの温度が上昇する。リブリージング機構は、たとえば、内燃エンジンが別個の排気カムを持つ場合であれば、追加のカムローブおよび／またはカム移相器によって得られる。

別の好ましい実施形態によれば、内燃エンジンシステムの少なくとも１つの気筒または少なくとも１つの気筒グループはさらに、少なくとも１つの気筒または少なくとも１つの気筒グループ内への吸入ガス量を制御するための吸気スロットルを備え、方法はさらに、不作動の第１の気筒グループ内への吸入ガス量を、好ましくはほぼゼロまたはゼロに減少させるステップを含む。これによって、エンジンのスロットル調節を過度に行うことがなくなり、新鮮な空気の吸入量がかなり減少する。排ガスリブリージングを行うことなくエンジンのスロットル調節を過度に行うと圧力が低下して、汚水槽からオイルを気筒燃焼チャンバ内に吸入する。

本発明の別の態様は、内燃エンジンシステムを着火しにくい燃料で作動させる、ならびに／または低温始動状態、および／または低負荷エンジン動作モード、および／またはアイドルエンジン動作モード、および／またはモータリングエンジン動作モードなどの臨界温度動作状態中、内燃エンジンシステム内の温度を上昇させる方法であって、内燃エンジンシステムが、複数の気筒、少なくとも空気を気筒ブロックに与えるためのガス吸入マニホルド、排ガスを気筒ブロックから排出するための排ガスマニホルドを有する気筒ブロックを備える方法に関する。排ガスマニホルドが少なくとも、主排ガス出口と、ウェイストゲート排ガス出口とを備え、主排ガス出口が、排ガスを主排ガス後処理システムに導くための主排ガス管に接続され、ウェイストゲート排ガス出口がウェイストゲート排ガス管に接続され、ウェイストゲート排ガス管は、主排ガス後処理システムの上流で主排ガス管に再接続され、ウェイストゲート排ガス管内を流れる排ガスに触媒処理を行うための少なくとも１つのウェイストゲート後処理部、好ましくはディーゼル酸化触媒などの酸化触媒を備える。発明的な特徴として、方法は内燃エンジンシステムが臨界温度状態で作動しているかどうかを判定するステップと、内燃エンジンシステムが臨界温度状態で作動している場合、ウェイストゲート排ガス管を開き、少なくとも１つのウェイストゲート後処理部を作動させるステップとを含む。

上述の通り、ウェイストゲート排ガス後処理部、特にディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）やその他の好適な排ガス後処理部は、排ガス流内のＯ_２（酸素）を用いて、ＣＯ（一酸化炭素）をＣＯ_２（二酸化炭素）に、ＨＣ（炭化水素）をＨ_２Ｏ（水）とＣＯ_２に変換する。この変換処理は発熱処理なので、排ガス全体の温度を上昇させるのに十分な熱が生成され、その結果、主排ガス管の再結合部の下方に配列された主排ガス後処理システムとウェイストゲート排ガス管の温度は、その動作温度、好ましくは２５０℃に保たれるかその動作温度にされる。

また、上述の通り、ウェイストゲート排ガス管が、主排ガス管内に配置されるターボチャージャのタービンまたは少なくともターボチャージャ部のバイパスとなる。ウェイストゲート排ガス管を流れる排ガスは、ターボチャージャを加熱するのに用いられないので、排ガスの熱全体が増加する。また、燃料噴射器または、いわゆる大幅に後で行われる後噴射を、排ガス後処理部の炭化水素源として用いてもよい。

好ましくは、主排ガス出口が、第１の気筒グループに割り当てられ、ウェイストゲート排ガス出口と任意の第３の排ガス出口とが第２の気筒グループに割り当てられ、主排ガス出口と任意の第３の排ガス出口が第１の排ガス管に接続され、ウェイストゲート排ガス出口がウェイストゲート排ガス管に接続される。

本発明の方法のさらに好ましい実施形態によれば、上記リブリージングの少なくとも１つのステップと、ウェイストゲート排ガス管によってターボチャージャにバイパスを設けることの少なくとも１つのステップが行われる。これによって、内燃エンジンシステムを流れる低温空気量が最小となり、したがって排ガス内の温度が上昇する。

好ましくは、排ガスリブリージングは、不作動の気筒からなる第１の気筒グループ上で行われる。これにより、排ガスがウェイストゲート排ガス管に再び送り込まれるのが回避されるという効果がある。

別の好ましい実施形態によれば、各気筒はさらに、少なくとも燃料を気筒内に噴射するための気筒用燃料噴射器を備え、少なくとも１つの気筒の、好ましくは第２の気筒グループの少なくとも１つの気筒の気筒用燃料噴射器が、燃料ストローク毎に少なくとも２回燃料を噴射するよう制御され、好ましくは、２回目の噴射が、1回目の噴射よりかなり後に、好ましくは1回目の噴射より少なくとも１０クランク角度だけ後に、最も好ましくは前記1回目の噴射より少なくとも２０クランク角度だけ後に行われる。

このいわゆる大幅に後で行われる後噴射は、１回で全体量の燃料を噴射するのではなく、燃料量を少なくとも２回の噴射に分割して、２回目の噴射は１回目の噴射より非常に遅れて行われるので、排ガス温度を上昇させるという効果がある。しかし、２回目の噴射が遅すぎると、燃料が着火しないという結果になるので注意しなければならない。これは、空燃比調節のために必要であり、本明細書ではかなり後で行われる後噴射と読んでいる。上記を参照されたい。２回目の噴射を行うと、温度を急速かつ短時間に上昇させることで排ガスの温度が上昇するので、燃料損失が許容範囲になる。

上記のかなり後で行われる後噴射を、ＣＯとＨ２を生成して、低温度、好ましくは約１５０℃で酸化触媒を着火させるために行ってもよい。

好ましい実施形態によれば、本発明の低温始動処理（すなわち、長時間のアイドルエンジン動作モード後に実行される処理）は、以下のようなステップを含む。
１．後で行われる後噴射で第２の気筒グループを作動させること。
２．ウェイストゲート排ガス管内の排ガス温度またはウェイストゲート排ガス後処理部での温度が略１５０℃に達したとき、好ましくは排ガス内のＣＯおよびＨ２含有量を最大にするための好適な空燃比を用いてＣＯおよびＨ２を生成するために、かなり後で行われる後噴射で、第２の気筒グループを作動させること。
３．ウェイストゲート排ガス管の排ガス内におけるＣＯおよびＨ２の存在により、ウェイストゲート排ガス後処理部の動作（着火）を略１５０℃で開始すること。
４．かなり後で行われる後噴射を終了し、ウェイストゲート燃料噴射器の動作を開始すること。
５．これによって、ＣＯおよびＨ２の存在により略１５０℃で主排ガス後処理システムの動作を開始するために、ウェイストゲート排ガス管内の状態を化学量論的混合気に近い状態に維持すること。
６．主排ガス後処理システムの着火後、不燃燃料を主酸化触媒に与えるために、ウェイストゲート排ガス管を少なくとも僅かに濃厚な、好ましくは濃厚状態にするようウェイストゲート燃料噴射器での燃料量を増加させ、その結果、主排ガス後処理システムを急速に加熱すること。
７．任意で、必要に応じて十分な動力を与えるために第１の気筒グループを作動させること。

さらなる好ましい実施形態によれば、第１の気筒グループが少なくとも１つの第１の吸気スロットルを備え、第２の気筒グループが少なくとも１つの第２の吸気スロットルを備え、各吸気スロットルが個別に動作可能であり、方法はさらに、臨界温度状態中、第１の気筒グループの第１の吸気スロットルおよび第２の気筒グループの第２の吸気スロットルを制御して、第２の気筒グループの第２の気筒より強く、第１の気筒グループの第１の気筒をスロットルで調節するステップを含む。

空気取り入れ、特に不作動の気筒からなる第１の気筒グループへの空気取り入れをスロットルで調節することによって、気筒内に送り込まれる新鮮な空気の全体量を減少させる。排ガスリブリージング方法の少なくとも１つのステップを吸気スロットル調節のステップと組み合わせれば、流量制御を強力に行い、内燃エンジンシステム内の新鮮な空気量を大幅に減少するので、特に効果的である。排ガス温度はこれにより上昇する。

別の好ましい実施形態によれば、本発明の方法はさらに、排ガスの少なくとも一部を内燃エンジンのガス吸入口側に再循環させるステップを含み、内燃エンジンシステムはさらに、排ガスの少なくとも一部を内燃エンジンのガス吸入口側に再循環させるための排ガス再循環（ＥＧＲ）システムを備え、好ましくは、排ガスが、ターボチャージャ部の下流および好ましくは主排ガス後処理システムの上流で、主排ガス管および／または第３の排ガス管から分岐する、または、排ガスマニホルドから直接分岐する。

臨界温度状態中に、排ガスの少なくとも一部を再循環させることにより、新鮮な空気の取り入れが減少するので、排ガス温度が上昇する。温かい排ガスが気筒およびその結果として排ガス内にも流れ、内燃エンジンシステム、特に排ガス後処理システムが冷却することが回避される。

さらなる態様によれば、本発明は、内燃エンジンシステムを着火しにくい燃料で作動させる、ならびに／または低温始動状態、および／または低負荷エンジン動作モード、および／またはアイドルエンジン動作モード、および／またはモータリングエンジン動作モードなどの臨界温度動作状態中、内燃エンジンシステム内の温度を上昇させる方法であって、内燃エンジンが、複数の気筒、少なくとも空気を第１の気筒グループに与えるために第１の気筒グループに割り当てられる第１のガス吸入マニホルド部、少なくとも空気を第２の気筒グループに与えるために第２の気筒グループに割り当てられる第２のガス吸入マニホルド部、排ガスを第１の気筒グループから排出するための第１の排ガスマニホルド部、排ガスを第２の気筒グループから排出するための第２の排ガスマニホルド部、内燃エンジンシステムの第１の排ガスマニホルド部と第２の排ガスマニホルド部とを接続する排ガス再循環ダクトを有する気筒ブロックを備え、気筒ブロックの複数の気筒が、少なくとも、第１の気筒グループおよび第２の気筒グループ内に配置されてなる方法に関する。方法は、内燃エンジンシステムが臨界温度状態で作動しているかどうかを判定するステップと、内燃エンジンシステムが臨界温度状態で作動している場合、第１の気筒グループから第２の気筒グループに排ガスを再循環させるステップとを含む。

好ましくは、内燃エンジンシステムが臨界温度状態で作動している場合、第１の気筒グループの気筒に燃料を与えないことで第１の気筒グループを不作動にするよう制御して、第２の気筒グループの気筒に燃料を与えることで第２の気筒グループを作動するように制御するステップをさらに含む。

不作動の（第１の）気筒グループの排ガスマニホルドから作動中の（第２の）気筒グループのガス吸入マニホルドに排ガスを再循環させるので、不作動の第１のマニホルド部から作動中の第２のマニホルド部に空気が強制的に送られる。また、作動中のガス吸入マニホルド上流で空気取り入れをスロットルで調節するので、強制的に送り込まれる空気量が増加する。その結果、新鮮な空気がまず不作動の気筒グループに送られ、次に作動中の気筒グループに送られ、これによって内燃エンジンを２回通過する。したがって、内燃エンジン内を流れる空気の全体量が大幅に減少する。

この方法は、排ガスリブリージングを、排ガス温度を上昇させるために行う必要がないという点で効果的である。また、再利用される空気が必ずしも再循環する排ガスと混合しないので、以下で述べるような好ましくない分布による振動をともなうＥＧＲによって生じた煤が蓄積するという問題が回避される。

さらに、上記のエンジン動作モード方法を用いることによって、前処理した燃料を与える別の方法が提供される。この場合、燃料は不作動の第１の気筒グループ内に後噴射され、噴射タイミングが適正であれば、前処理した燃料はその後着火特性を向上させた状態で作動中の気筒グループに入る。

さらなる好ましい実施形態によれば、前処理された燃料を利用する上述の方法を、排ガスを作動中の気筒グループに再循環させる方法と組み合わせた排ガスリブリージングを用いることによって、達成しても良い。排ガスリブリージングが不作動の気筒グループで行われ、作動中の気筒グループでは行われず、いずれの気筒グループについても一般的な排ガスマニホルドと一般的なガス取り入れマニホルドが設けられていると仮定すれば、作動中の気筒グループからの排ガスが、排ガスマニホルドからの不作動の気筒グループによってリブリージングしてもよい。かなり後で行われる後噴射を適正なタイミングで行うことによって、前処理された燃料が与えられ、この燃料が着火性を向上させた燃料として作動中の気筒グループのガス取り入れマニホルドに与えられる。

いうまでもなく、別の実施形態によれば、この方法を上記のバイパス方法および／またはリブリージング方法のステップと組み合わせてもよい。特に、バイパス方法と空気の再利用方法を組み合わせることによって、低温始動時の熱慣性を減少することになる。

方法のステップおよび／またはシステムの特徴の考えうる組み合わせについて、上記ですべて詳細に言及しているわけではないが、発明性を逸脱しない範囲であらゆる好適な形で特徴とステップを組み合わせてもよいことは当業者には自明である。

さらに別の好ましい実施形態と効果については、請求項、図面および発明の説明で定義する。

以下の本発明にかかるシステムと方法の好ましい実施形態を添付の図面を参照して説明する。図面の説明は、本発明の原理を単純化したものとみなされ、請求項の範囲を制限する意図はない。

本発明の内燃エンジンシステムの好ましい実施形態を示す概略図である。 弁制御機構の好ましい実施形態を示す概略図である。 弁制御機構の好ましい実施形態を示す概略図である。 弁制御機構の好ましい実施形態を示す概略図である。 弁制御機構の好ましい実施形態を示す概略図である。 図２の弁機構に関する温度図である。 弁制御機構の好ましい実施形態を示すグラフである。 弁制御機構の好ましい実施形態を示すグラフである。 さらに別の好ましい弁機構に関する温度図である。

以下の説明において、同一のまたは類似した機能要素を同一の参照番号で示している。

図１の概略図では、内燃エンジンを備える（図示しない）車両、たとえばトラック、バスまたはその他の車両で用いられる内燃エンジン１００を示す。エンジンシステム１００は、たとえば６個のピストン気筒４を有する気筒ブロック２を含む内燃エンジン１を備える。さらに、内燃エンジン１は、ガス吸入口側６に吸入マニホルド８を有し、排ガス出口側１０に排ガスマニホルド１２を有する。排ガスは、第１のタービン１６と第２のタービン１８を備えるターボチャージャ１４に導かれ、主排ガス管２０を通って前方の排ガス後処理システム２２まで送られる。

通常、排ガス後処理システム２２は、たとえばディーゼル酸化触媒２４、微粒子フィルタ２６、選択触媒反応器（ＳＣＲ）２８など複数の排ガス後処理部を備える。

ＳＣＲ部２６は、触媒を用いて酸化窒素を窒素と水に変換するための手段である。これらの反応の最適温度範囲は典型的には、約摂氏２５０°以上約摂氏４５０°以下である。エンジンの通常（運転）動作モード中、この最適温度範囲を容易に維持することが可能である。

しかしながら、内燃エンジン１のアイドルエンジン動作モードまたはモータリングエンジン動作モード中、排ガス温度は低下する。（アイドルエンジン動作モード中のように）燃焼が非常に減少するか、（モータリングエンジン動作モード中のように）燃焼がまったく生じない場合であっても、周囲温度の新鮮な空気が気筒ブロック２の吸入マニホルド６に送られるからである。これは、内燃エンジン１が単に新鮮で低温な空気を排ガス側８に送り込み、前方の排ガス後処理システム２２内に送り込むことを意味する。この低温空気によって、排ガス後処理システム２２の温度が急激に低下して最適動作温度を下回り、その結果、排ガス浄化が不十分になるか全く行われなくなるので、所要の排ガスレベルに到達することができない。

排ガス後処理システム２２の中を流れる排ガスの温度を上昇させるために、次のような複数の可能性を提示するが、これらは単独または組み合わせて、内燃エンジンシステム１００の少なくとも一部における温度を上昇させればよい。

図１において、複数の様々な取り組みを組み合わせるとしても、その組み合わせは好ましい実施形態にすぎず、本発明の保護範囲を制限するものではないことを再度明確に述べておくことにする。

本発明によれば、排ガス後処理システム２２内での温度低下を防ぐための第１の取り組みは、ウェイストゲート排ガス管３０を追加することによってなされる。ウェイストゲート排ガス管３０は排ガスマニホルド１２から分岐しているのが好ましく、ウェイストゲート排ガス管３０を開閉する、またはウェイストゲート排ガス管３０内を流れる排ガス量を制御するための弁３２と、燃料を排ガス内に噴射するための燃料噴射器３４と、噴射した燃料を用いて発熱反応を誘発するためのディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）３６を備えればよい。

別個のウェイストゲート酸化触媒３６を設ける代わりに、主酸化装置２４の少なくとも一部を用いることも可能である。そのために、主酸化触媒２４は少なくとも２つの入口、１つはウェイストゲート排ガス管３０用入口、もう１つは主排ガス管２０用入口を有していればよい。その場合、ウェイストゲート排ガス管３０用入口は、主排ガス管２０用入口の上流に配置されるのが好ましい。

図１に示す実施形態において、ウェイストゲート排ガス管３０は、ターボチャージャ１４の下流で主排ガス管２０に接続され、これによってターボチャージャ１４のバイパスが設けられる。ターボチャージャ１４にバイパスを設けることにより、次のような効果が得られる。着火しにくい燃料で内燃エンジン１を作動させる場合、ならびに／または低温始動状態、および／または低負荷エンジン動作モード、および／またはアイドルエンジン動作モード、および／またはモータリングエンジン動作モードなどの臨界温度状態中、ターボチャージャ１４には予熱が与えられているため、排ガスが冷却されない。ターボチャージャ１４には重要な熱慣性があるので、この処理で多くの熱エネルギーが失われることになる。

ウェイストゲート排ガス管３０は以下のように機能する。臨界温度状態が検出されるとすぐに、弁３２が開き、排ガスマニホルド１２からの事前に決定可能な量の排ガスをウェイストゲート排ガス管３０内に流すことができる。さらに、燃料噴射器３４が操作され、事前に決定可能な量の燃料がウェイストゲート排ガス管３０を流れる排ガス内に噴射される。燃料噴射器３４および／または弁３２は、排ガスマニホルド１２に近接配置されているのが好ましい。このように配置すると、排ガスには（シリンダの運動によって引き起こされた）振動が残っており、この振動で排ガスと噴射された燃料を混合するための優れた混合特性が得られるという効果がある。次に、燃料／ガス混合気を小型のＤＯＣ部３６に導き、ＤＯＣ部３６において、排ガス流内の酸素Ｏ_２を用いて、一酸化炭素ＣＯを二酸化炭素ＣＯ_２に変換し、噴射された燃料によって与えられた炭化水素ＨＣを水Ｈ_２ＯとＣＯ_２に変換する。いずれの反応も発熱反応であって、結果的にウェイストゲート排ガス管３０内を流れる排ガスの温度を上昇させる。

ウェイストゲート排ガス管３０内を流れる排ガスの温度は、ターボチャージャ１４の下流で主排ガス管２０内を流れる低温排ガスと再結合する。ウェイストゲート排ガス管３０からの高温排ガスによって十分な熱エネルギーが与えられ、排ガス後処理部２４、２６および／または２８の少なくとも１つの温度が動作温度範囲に入る程度に全排ガス温度を上昇させる。この時点の排ガス温度は、主ディーゼル酸化触媒２４の動作温度より高い温度を含むことが好ましい。ＤＯＣ２４によってもたらされた熱エネルギーが、今度は、選択触媒反応器２８で生じる反応のために十分な熱を与える。

上記に代えてあるいは上記に追加して、臨界温度状態中に気筒４の一部のみを作動させることによって、排ガス温度を上昇させるようにしてもよい。臨界温度状態は低負荷またはアイドルエンジン動作モードでしばしば起こり、このとき気筒４に噴射される燃料がまったくないかまたは十分に噴射されないので、気筒ブロック２の気筒を第１の気筒グループ２ａと第２の気筒グループ２ｂに「分割する」ことを本発明の発明者は提案している。図１に示す実施形態において、気筒は３個の気筒と３個の気筒に等しく分割される。しかし、気筒の総数は６個以外でもよく、あるいは気筒区分は気筒の数が等しくならない気筒区分であってもよい。

第１の気筒グループ２ａの気筒４ａは作動しないよう制御されるが、これは、気筒４ａ内にまったく燃料を噴射しないことを意味する。対照的に、第２の気筒グループ２ｂの気筒４ｂは作動するよう制御される。つまり、低負荷モードでエンジンを作動させるのに必要な負荷を与えるのは第２の気筒グループ２ｂのみということになる。そのことは、第２の気筒グループ２ｂからの排ガスの温度は、第１の気筒グループ２ａからの排ガスの温度よりもかなり高いことを意味し、さらに、全排ガスの温度全体を上昇させることになる。

吸入マニホルド８も同様に、第１の部分８ａと第２の部分８ｂに分割することが好ましく、これによって、２つの部分は、気筒に流入する空気量を制御するための（図示しない）別個の吸気スロットルを備える。温度上昇効果を高めるために、第１の吸気スロットルは不作動の第１の気筒グループ２ａへの空気取り入れ量をほぼゼロまたはゼロまでに減少させるのがよい。気筒の通過を許可される低温空気は少量にすぎないので、排ガス温度を上昇する。

また、温度上昇効果をさらに高めるために、排ガスマニホルド１２を、不作動の気筒からなる第１の気筒グループ２ａに割り当てられる第１の部分１２ａと、作動中の気筒４ｂからなる第２の気筒グループ２ｂに割り当てられる第２の部分１２ｂとに分割することも効果的である。ウェイストゲート排ガス管３０は、第２の排ガスマニホルド部分１２ｂから分岐するよう配置するのが好ましい。こうすることによって、高温の排ガスがＤＯＣ３６に与えられ、ウェイストゲート排ガス管３０内を流れる排ガスをさらに加熱する。こうすることにより、第１の排ガス管２０内を流れる排ガスの主要部分が不作動の気筒４によって与えられる場合であっても、第１の排ガス管２０内を流れる排ガスもまた所望の温度まで加熱可能な程度に、ウェイストゲート排ガス管３０内の排ガスが加熱される。

第２の排ガスマニホルド部分１２ｂは、第２の排ガスマニホルド部分１２ｂをターボチャージャ１４に接続するようにも適合される排ガス出口を備えるのが好ましい。ターボチャージャ１４のタービン１６は、第１の気筒グループ２ａと第２の気筒グループ２ｂからの排ガスを同一のターボチャージャ１４に供給できるように２つの入口を有するタービンであることが好ましい。もちろん、別個のターボチャージャを各気筒グループについて用いることも可能であるが、この場合、通常避けなければならない車両全体の重量および車両部品の総数の増加を招く。

温度上昇のための上記のような可能性に加え、排ガスを内燃エンジン１のガス吸入口側６に再循環させることにより、気筒への空気取り入れ量を減少させることも可能である。これは、排ガスマニホルド１２、好ましくは不作動の気筒グループ２ａに割り当てられる排ガスマニホルド部１２ａで分岐するような排ガス再循環（ＥＧＲ）管４０を用いて行えばよい。排ガス再循環管４０は他方の側でさらに、吸入マニホルド８、好ましくは作動中の気筒グループ２ｂに割り当てられる吸入マニホルド部８ｂに接続される。

臨界温度状態中、このような配置により、新鮮な空気を不作動の第１の気筒グループ２ａ内に導き、その後作動中の第２の気筒グループ２ｂまで導くことが可能となる。その結果、第２の気筒グループ２ｂのための新鮮な周囲空気の取り入れ量がほぼゼロになるよう制御される。これによって、空気取り入れ量全体が非常に減少し、作動中の第２の気筒グループの気筒４ｂ内の温度をさらに上昇させ、その後、排ガス温度をさらに上昇させればよい。

上記に加えてあるいは上記に代わるものとして、ＥＧＲ管４０または別のＥＧＲ管を、ターボチャージャ１４の下流、またはそのさらに下流、たとえば排ガス後処理システム２２の要素間または要素の下流で、第１の排ガス管２０から分岐するようにしてもよい。ＥＧＲ管が排ガス後処理システム２２の要素間で分岐する場合、浄化後の排ガスを再循環させるため微粒子フィルタ２６の下流で、しかし内燃エンジン１内のアンモニアなどの不要な成分を回避するため選択触媒還元部２８の上流でＥＧＲ管を分岐するのが好ましい。

排ガス温度をさらに上昇させるために、内燃エンジン１をいわゆる後噴射によって操作されるよう制御してもよい。つまり、好ましくは作動中のシリンダ４ｂへの噴射が、１回の噴射から少なくとも２回の噴射へと分割され、これによって気筒内に噴射される燃料の全体量が一定になる。たとえば、一度におよそ３０ミリグラム（ｍｇ）を噴射する代わりに、先ずおよそ２０ｍｇの燃料を噴射して、かなり後に残りのおよそ１０ｍｇの燃料を噴射する。クランク角度（ＣＡＤ）に関して、「かなり後」とは、最初の噴射から少なくとも１０ＣＡＤ、好ましくは少なくとも２０ＣＡＤ後を意味し、これは通常ＴＤＣに近い。先行する噴射タイミングの方策を、非常に早い段階の噴射に用いる場合、ここで言及している、後で行われる後噴射はＴＤＣ（上死点）後の少なくとも１０ＣＡＤ、好ましくはＴＤＣ後の２０ＣＡＤより大きな角度に位置付けしなければならない。

さらに、未燃燃料を排ガスに与える（濃厚エンジン作動状態にする）いわゆる「大幅に後で行われる後噴射」を用いてもよい。このエンジン作動状態により、ＣＯ量を増加させ、このことが、酸化触媒３６と２４の着火温度をそれぞれ低下させる。本発明の内燃エンジンを作動させるための好ましい方法は以下のようなステップを含む。
１．後で行われる後噴射で第２の気筒グループを作動させること。
２．ウェイストゲート排ガス管３０内の排ガス温度またはウェイストゲート排ガス管３０での温度が略１５０℃に達したとき、好ましくは排ガス内のＣＯおよびＨ２含有量を最大にするための好適な空燃比を用いてＣＯおよびＨ２を生成するために、大幅に後で行われる後噴射で、第２の気筒グループを作動させること。
３．ウェイストゲート排ガス管の排ガス内におけるＣＯおよびＨ２の存在により、ウェイストゲート排ガス後処理部の動作（着火）を略１５０℃で開始すること。
４．大幅に後で行われる後噴射を終了し、ウェイストゲート燃料噴射器の動作を開始すること。
５．これによって、ＣＯおよびＨ２の存在により約１５０℃で主排ガス後処理システムの動作を開始するために、ウェイストゲート排ガス管内の状態を化学量論的混合気に近い状態に維持すること。
６．主排ガス後処理システムの着火後、不燃燃料を主酸化触媒に与えるために、ウェイストゲート排ガス管を少なくとも僅かに濃厚な、好ましくは濃厚状態にするようウェイストゲート燃料噴射器での燃料量を増加させ、その結果、主排ガス後処理システムを急速に加熱すること。
７．任意で、必要に応じて十分な動力を与えるために第１の気筒グループを作動させること。

以下、上記の方法を用いた排ガス温度上昇について簡単に説明する。

１． ウェイストゲート排ガス管（ウェイストゲート燃焼）
上記のように、排ガス流を制御するためのウェイストゲート排ガス管３０を排ガスマニホルド１２に追加する。上記の実施形態において、ウェイストゲート排ガス管３０は作動中の気筒４ｂに接続され、エネルギーを保存するために、排ガスをタービン１６と１８を通るように導く。これに加えて、小型のＤＯＣ３６とともに燃料噴射器３４をウェイストゲート排ガス管３０内に配置して、主ＤＯＣ２４を着火するために余剰エネルギーを加える。パルスエネルギーを捕獲することによって排ガスパルスを維持するために、燃料噴射器３４とＤＯＣ３６を排ガスマニホルド１２に近接配置しなければならない。このパルスは、燃料噴射器３４が噴射した燃料を混合する際の助けとなる。

エンジンが始動するとすぐに（低温始動状態）、ウェイストゲート排ガス管３０を制御して排ガス流全体の約１０％がウェイストゲート排ガス管３０を経由するように弁３２を開く。この１０％は小型のＤＯＣ３６が燃料噴射器３４によって噴射された燃料を着火できる程度の高温にされている。これに必要な温度は略２５０℃である。このような温度にするために、燃料を作動中の気筒４ｂに噴射しなければならない。小型のＤＯＣ３６が余剰燃料を着火した後、ウェイストゲート排ガス管３０から送られる排ガスは十分温かいので、その後得られる混合ガスの温度が主ＤＯＣ２４の動作を継続させるのに必要な温度である３００℃近くになる。

ウェイストゲート排ガス管３０の直径は３０ミリメートル（ｍｍ）であることが好ましい。ウェイストゲート排ガス管３０を通るガス流は、排ガスマニホルド１２上でスロットルまたは弁３２によって制御される。燃料噴射器３６に噴射される燃料の量は単位サイクル当たり３０ｍｇ（３０ｍｇ／ｃｙｃｌｅ）でよい。主ＤＯＣ２４が十分温められるとすぐに、ウェイストゲート排ガス管３０が閉じて、すべての排ガスはターボチャージャ１４を通過する。この方法は、エンジンの低温始動時と、たとえば長い坂道を下っているときなどの車両が低負荷で運転されている時のいずれの場合でも用いることができる。

３５ｍｇの燃料を噴射して、作動中の気筒４ｂおよび４０ｍｇ／ｃｙｃｌｅの燃料をさらに噴射する燃料噴射３４についてシミュレーションを実施した。この結果、小型のＤＯＣ３６が燃料噴射３４によって噴射された燃料を着火できるように、ウェイストゲート排ガス管２０の温度は所要温度である２５０℃に達した。その後、ウェイストゲート排ガス管２０の全体温度は２７０℃に達した。この温度がまだ十分高くない場合には、より大量の高温排ガスをウェイストゲート排ガス管３０に通過させるようにしてもよい。ウェイストゲート排ガス管３０を通過する排ガスの総流量を１１％から２０％に変化させることで、主排ガス管２０の温度が２９０℃まで上昇した。

このことは、適正量の燃料を燃料噴射器３４から噴射し、十分なガスをウェイストゲートに通過させるだけで、適正温度に達することができることを示している。燃料を排ガスに噴射する過程で仕事は失われるが、ガスは、主ＤＯＣ２４をその動作温度まで急速に加熱するのに十分な温度となる。

表１は、６００ｒｐｍ、作動中の気筒に燃料３５ｍｇ、ウェイストゲート排ガス管を通過する流量２０％、燃料噴射器３６から４０ｍｇ／ｃｙｃｌｅという条件下でのデータを示している。

２． 排ガスリブリージングおよび吸気スロットル
上述の通り、第２の方策は、「バンプ（ｂｕｍｐ）」と呼ばれる排ガスリブリージング機構を用いて、（図示しない）吸気弁が開いた状態で（図示しない）排気弁を持上げることによりいくらかの排ガスを気筒４内に再び送り込むことである。これにより、エンジンの質量流が低下し、システム内の温度が上昇する。上述の通り、この方法は、燃料消費を最小限に抑えるために気筒の一部で実行してもよい。気筒４ｂの一部にのみ燃料を噴射するとき、燃料が噴射されない不作動の気筒４ａのスロットルを用いて、さらに排ガス温度を上昇させることもできる。そのスロットルは、不作動の気筒４ｂに内燃エンジン１を通って低温空気を送り込むことを防いでいるからである。さまざまなバンプを用いてもよい。「バンプ０」と呼ばれる弁持上げプロファイルでは、排気弁が開き、吸気弁の持上げ距離が最大となる。「バンプ１」、「バンプ２」および「バンプ３」と呼ばれる弁持上げプロファイルでは、持上げられた吸気弁の端部に近づくように排気弁を再開放する。

図２は、「バンプ０」（図２ａ）、「バンプ１」（図２ｂ）、「バンプ２」（図２ｃ）および「バンプ３」（図２ｄ）についてのそれぞれの弁持上げ距離のグラフを示している。ただしｘ軸が弁持上げ距離、ｙ軸がクランク角を示す。図２ａで明らかなように、「バンプ」では、吸気弁を開く途中で排気弁が再開放され、（図２ｂの）「バンプ１」については、右に一段階移動しており、（図２ｄの）「バンプ３」まで同様に移動する。グラフ４２は排気弁の持上げ距離を表し、グラフ４４は吸気弁の持上げ距離を表す。

排ガス温度に関する排ガスリブリージングについての結果をまとめたものを表２に示し、それをグラフ化したものが図３である。

図３は、ｘ軸が弁持上げ距離、ｙ軸がクランク角の図である。

３個の作動中の気筒４ｂでの持上げ距離の短いものを用いることによって、上記結果をさらに改善することができる。３個の不作動の気筒の持上げ距離プロファイルは上記と同様であり、図４に示される。ここで、図４ａは、左側の図でありより小さなバンプを示している。図４ｂは、既に用いたバンプの右側を示す図である。ウェイストゲート排ガス管についての結果を下の表３に示す。

大きなバンプは過度にシステム内での流れを減速するので、大きなバンプと比較して、小さなバンプほど、排ガス温度が上昇する。

排ガスリブリージングは不作動の気筒を通る低温空気の流量を最小にするための方法というだけではない。排ガスリブリージングを、吸気管上のスロットルから不作動の気筒４ａにまで用いてもよい。スロットルは質量流に対して大きな影響を与えるようにしてもよい。圧力がわずか１ｋＰＡ低下しただけで、質量流は５ｇ／ｓから１ｇ／ｓに変化すると思われる。エンジンのアイドル負荷時、バンプのサイズも重要であった。上記の表から明らかなように、作動中の気筒４ｂ上で弁をわずか１ミリメートル（ｍｍ）持上げるだけで結果に大きな影響を与えた。

３． ウェイストゲート排ガス管と排ガスリブリージングの組み合わせ
ウェイストゲート排ガス管３０によりバンプは排ガスをシステム１００内に再び送り込むことができるので、上述の方法を組み合わせる場合、注意が必要である。これは、噴射のない不作動の気筒４ａでは排ガスリブリージングを行い、噴射のある作動中の気筒４ｂでは弁の持上げを行うことで回避してもよい。こうすることにより、不作動の気筒グループ２ａ内の気筒４ａを通る低温空気の流れが最小になるが、作動中の気筒４ｂではその流れが正しい方向に送り込まれる。

仮にウェイストゲート排ガス管３０の質量流が１３％で、作動中の気筒４ｂに３０ｍｇ／ｃｙｃｌｅで噴射がなされたとすれば、ウェイストゲート排ガス管の入口温度は、小型のＤＯＣ３６が燃料噴射器３４によって噴射される燃料を着火するのに十分な２４０℃になった。そうでない場合、作動中の気筒４ｂにより多くの燃料を噴射すれば温度が高くなる。燃料噴射器３４から２０ｍｇ／ｃｙｃｌｅで噴射をさらに行うことによって、主排ガス管２０内の温度は３００℃になった。これは、排ガスリブリージングによって、不作動の気筒４ａ内を流れる低温空気の流れを止めたためである。結果をまとめたものを下の表４に示す。

表４から明らかなように、排ガスリブリージング機構によって、気筒内を通る質量流が大幅に低下する。上記実施形態の場合、不作動の気筒４ａ内を流れる質量流は、作動中の気筒４ｂ内を流れる質量流の１／１０である。

排ガスリブリージングは、噴射のない３個の不作動の気筒４ａについて実行しただけである。これによって不作動の気筒グループ２ａ内を通る流れが減少し、これによって作動中の気筒グループ２ｂからの温かい排ガスが冷却されることを防止した。燃料噴射器３４によって噴射される燃料量を調節することで、その結果得られる主排ガス管２０内の温度をさらに調節してもよい。

排ガスリブリージング機構だけの影響を検討するために、ウェイストゲート排ガス管３０を閉じると、以下の結果が得られた。

この場合、全質量流は少ないものの、作動中および不作動の気筒グループ４ａ、４ｂ内を通る質量流はより大きくなる。これは、ウェイストゲート排ガス管３０が閉じているためである。このように、リブリージング機構だけでも、排ガス温度をかなり上昇させることができた。

４． 後で行う後噴射
上記の後で行う後噴射の結果、後噴射を行わない排ガスリブリージング機構と比較して、排ガス温度は約２５℃上昇した。図５は、作動中の気筒４ｂについての対応する温度曲線を示しており、ｘ軸がクランク角、ｙ軸が温度である。結果をまとめたものを下の表６に示す。

明らかなように、弁の動力は０．８ｋＷ失われているので、排ガス管内の温度を上昇させるためにここでもなんらかの動力が失われる。上の表にある４８５Ｋは主排ガス管内の全体の温度であり、作動中の気筒の外部温度は６２０Ｋである。これをウェイストゲート排ガス管方法と組み合わせると、燃料噴射器３４からの燃料を着火するのに必要な温度である５３０Ｋより高い温度が達成できるであろう。

上述の通り、上記の方法を、部分予混合燃焼（ＰＰＣ）エンジンについて用いてもよい。ＰＰＣ燃焼は、中間負荷または高負荷では効果的に働くことが証明されている。ＰＰＣは、簡単に言えば、質の低いガソリンでディーゼルエンジンを作動させるものと説明できるので、低温始動時、アイドル時、および低負荷時、エンジンからＨＣおよびＣＯが過度に排出されるという問題が生じるのは当然である。

上述の排ガスリブリージング機構は、この状態を改善することが証明されている。この機構によって気筒温度が上昇し、ＣＯおよびＨＣ排出量が減少する。さらに、ＨＣおよびＣＯ排出は、排ガス後処理システムが作動中であれば問題ではない。しかし、触媒温度が２５０℃を下回ると、変換効率が許容できないレベルまで低下する。その結果、低負荷エンジン動作モード中に排ガス後処理システムの温度を２５０℃より高い温度に保たなければならない。

本発明によれば、低負荷時、ＰＰＣエンジンの気筒は、不作動の第１の気筒グループ２ａと作動中の第２の気筒グループ２ｂに分割されるよう制御される。さらにあるいはそれに代わるものとして、吸入マニホルド８も、各気筒グループ２ａと２ｂについて別個のスロットルを持つことができるように２つの部分８ａと８ｂに分割される。ノズルを過熱するまたは過度なスロットル調節をすることなく、不作動の気筒４ａ内を通る空気流をできるだけ減少させるために、ＰＰＣエンジンをその後以下のステップのうち少なくとも１つを実行するように作動する。
−全気筒において排ガスリブリージングを有効にすること。
−燃焼温度を上昇させるために作動中の気筒４ｂをわずかにスロットルで調節すること。
−不作動の気筒４ａ内に送り込まれる低温空気を減らすために、作動中の気筒４ｂよりも不作動の気筒４ａのスロットル調節をきつくすること。

この方策の結果、（作動中の気筒グループにおいて）ＰＰＣ問題が生じるゾーンから移動するのに十分負荷が増加し、作動中の気筒グループで温度が上昇し、ＰＰＣの低負荷問題解決に役立つ。また、この方策は、作動中の気筒グループ４ｂからの排ガス温度の上昇および／または不作動の気筒グループ４ａでの空気加熱により、ＣＯおよびＨＣ酸化について触媒を活性化するための排ガス温度の上昇の一助となる。

既に述べた通り、排ガスパルスは負荷が低いほど急速に減少する。１つの気筒グループでの負荷を増やすことにより、タービンを通る流れの中によりよいパルスを増やすことが可能となる。これによって、約１０から２５％の低負荷範囲内でターボチャージャの熱回収が改善する。負荷が２５％を超えると、これは作動中の気筒での５０％負荷に相当するので、気筒グループを分割するという取り組みは実行できないと思われる。

総括すれば、本発明の方法および／または本発明の内燃エンジンシステムの異なる態様であっても、ＰＰＣ、低温始動、低負荷、アイドルおよび／またはモータリングエンジン動作モードなどの臨界温度エンジン動作状態中に排ガス温度を上昇させることが可能である。気筒自体の内部温度と排ガス温度のいずれかまたは両方の温度は、臨界温度エンジン動作状態中に大幅に上昇するので、排ガス後処理システムの温度が急速に動作温度にまで上昇し、その動作温度を長期間維持することが可能となろう。

１００ 内燃エンジンシステム
１ 内燃エンジン
２ 気筒ブロック
２ａ 不作動の気筒グループ
２ｂ 作動中の気筒グループ
４ 気筒
４ａ 不作動の気筒
４ｂ 作動中の気筒
６ ガス吸入口
８ 吸入マニホルド
８ａ 不作動の吸入マニホルド部
８ｂ 作動中の吸入マニホルド部
１０ 排ガス出口側
１２ 排ガスマニホルド
１２ａ 不作動の排ガスマニホルド部
１２ｂ 作動中の排ガスマニホルド部
１４ ターボチャージャ
１６ 第１のタービン
１８ 第２のタービン
２０ 第１の／主排ガス管
２２ 排ガス後処理システム
２４ 主ディーゼル酸化触媒
２６ 微粒子フィルタ
２８ 選択触媒反応器
３０ ウェイストゲート排ガス管
３２ 弁
３４ 燃料噴射器
３６ 小型のディーゼル酸化触媒
４０ ＥＧＲ管
４２ 排気弁持上げ距離
４４ 吸気弁持上げ距離

Claims (10)

1. 内燃エンジンシステム（１００）であって、
   複数の気筒（４）、少なくとも空気を気筒ブロック（２）に与えるためのガス吸入マニホルド（８，８ａ，８ｂ）、排ガスを前記気筒ブロック（２）から排出するための排ガスマニホルド（１２，１２ａ，１２ｂ）を有する前記気筒ブロック（２）を備え、
   前記排ガスマニホルド（１２，１２ａ，１２ｂ）が少なくとも、主排ガス出口と、ウェイストゲート排ガス出口とを備え、
   前記主排ガス出口が、排ガスを主排ガス後処理システムに導くための主排ガス管（２０）に接続され、前記主排ガス後処理システム（２２）が酸化触媒（２４）と、微粒子フィルタ（２６）と、選択触媒反応器（２８）とを備え、前記ウェイストゲート排ガス出口がウェイストゲート排ガス管（３０）に接続される、内燃エンジンシステム（１００）であって、
   前記ウェイストゲート排ガス管（３０）は、前記主排ガス後処理システムの上流で前記主排ガス管（２０）に再接続され、前記ウェイストゲート排ガス管（３０）内を流れる排ガスに触媒処理を行うためのウェイストゲート後処理部としての酸化触媒を備え、前記気筒ブロック（２）の前記複数の気筒（４）が、少なくとも、第１の気筒グループ（２ａ）および第２の気筒グループ（２ｂ）内に配置され、各気筒グループ（２ａ，２ｂ）が吸気スロットルを備え、各吸気スロットルが個別に動作可能であり、前記吸入マニホルド（８，８ａ，８ｂ）が、前記第１の気筒グループ（２ａ）に割り当てられる第１の吸入マニホルド部（８ａ）と、前記第２の気筒グループ（２ｂ）に割り当てられる第２の吸入マニホルド部（８ｂ）とを備え、前記排ガスマニホルド（１２，１２ａ，１２ｂ）が、前記第１の気筒グループ（２ａ）と前記主排ガス出口とに割り当てられる第１の排ガスマニホルド部（１２ａ）と、前記第２の気筒グループ（２ｂ）と前記ウェイストゲート排ガス出口とに割り当てられる第２の排ガスマニホルド部（１２ｂ）とを設けるように構成され、内燃エンジンの臨界温度エンジン動作中、第１の気筒グループに燃料を与えないことで不作動の気筒グループを構成し、排ガス再循環ダクト（４０）が、不作動状態にある前記第１の気筒グループ（２ａ）の前記第１の排ガスマニホルド部（１２ａ）から分岐し、作動状態にある前記第２の気筒グループ(２ｂ)に割り当てられる前記第２の吸入マニホルド部（８ｂ）に排ガスを再循環するよう適合されることを特徴とする、内燃エンジンシステム（１００）。
2. ウェイストゲート弁（３２）が、前記ウェイストゲート排ガス管（３０）内を流れる排ガスの量を制御するために、前記ウェイストゲート排ガス出口に配置される、または前記ウェイストゲート排ガス管（３０）内に配置される、請求項１に記載の内燃エンジンシステム（１００）。
3. 前記ウェイストゲート排ガス管（３０）内を流れる排ガス内に燃料を噴射するための燃料噴射器（３４）が、前記ウェイストゲート後処理部（３６）の上流に配置される、請求項１または２に記載の内燃エンジンシステム（１００）。
4. 前記第１の排ガスマニホルド部（１２ａ）が、前記第１の気筒グループ（２ａ）から前記主排ガス出口までの第１の排ガス流と、前記第２の排ガスマニホルド部（１２ｂ）が、前記第２の気筒グループ（２ｂ）から前記ウェイストゲート排ガス出口までの第２の排ガス流とを与えるように適合される、請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃エンジンシステム（１００）。
5. 少なくとも１つのターボチャージャ部（１４）が、前記主排ガス管（２０）内に配置され、前記ウェイストゲート排ガス管（３０）が、前記ターボチャージャ部（１４）の上流で、前記主排ガス管（２０）に接続される、請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃エンジンシステム（１００）。
6. 前記第２の排ガスマニホルド部（１２ｂ）が、前記第２の気筒グループ（２ｂ）から第３の排ガス管を通る第３の排ガス流を与えるようにさらに適合され、前記第３の排ガス管が、前記ターボチャージャ部（１４）に排ガスを与えるように適合される、請求項５に記載の内燃エンジンシステム（１００）。
7. 前記主排ガス管（２０）および前記第３の排ガス管が、同一のターボチャージャ（１４）部に排ガスを与えるように適合され、前記ターボチャージャ（１４）部が２つの入口を有するタービンを備える、請求項６に記載の内燃エンジンシステム（１００）。
8. 前記排ガス再循環管（４０）が、選択触媒反応器（２８）の上流および微粒子フィルタ部（２６）の下流で前記主排ガス管から分岐する、請求項１乃至７のいずれかに記載の内燃エンジンシステム（１００）。
9. 前記内燃エンジンシステム（１００）は、３８より低いセタン価の燃料によって作動されるよう適合され、そして１０：１から３０：１までの範囲内にある圧縮比で燃料に着火するよう適合される、請求項１乃至８のいずれかに記載の内燃エンジンシステム（１００）。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の内燃エンジンシステムを備える、車両。

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