JP5302412B2 - 車両の内燃機関の排気ガス内のＮＯｘ含有量を低減する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の内燃機関の排気ガス内のＮＯｘ含有量を低減する方法、及び独立請求項の前文に係る、内燃機関の排気ガス内のＮＯｘ含有量を低減する装置に関する。

近年、車両からの排出レベルに関わる法令が厳格化する傾向にある。ガソリン駆動の車両については、三元触媒によって、実用上、望ましくない排出物を出さずにエンジンを駆動することが可能になっている。

ただし、ディーゼル駆動の車両、すなわち圧縮点火（ＣＩ）エンジンについては、依然として排出問題は解決されていない。ＣＩエンジンは、その固有の特徴として、ＮＯ及びＮＯ_２などの窒素酸化物ＮＯｘ、ならびに煤煙などの粒子状物質の排出レベルが高いのに対し、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）の排出レベルは低い。また、既に低排出量である、ＣＩエンジンからのＨＣ及びＣＯを低減することは極めて容易である。

ＣＩエンジンに固有の他の特徴は、燃料消費量が少ないことである。ただし、燃料消費量と排出量にはよく知られている二律背反性が存在し、燃料効率が最大になるように調整されたエンジンは、大量のＮＯｘと少量の粒子状物質を排出するのに対し、ＮＯｘの排出量が小さくなるように調整されたエンジンは、燃料消費量が多いと共に、粒子状物質の放出量も多い。

他のよく知られている現象は、エンジン速度と粒子状物質の排出量の関連性である。エンジン速度を下げると、単純に燃焼室内の粒子状物質の燃焼時間が長くなることから、通常は粒子状物質の排出量が低下する。

何らかの排気後処理システム、例えば、微粒子トラップ、三元触媒（ガソリンエンジンの場合）、ＮＯｘトラップであるＳＣＲ（ＳＣＲ＝Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ（選択接触還元機構））を有するエンジン排気システムを提供することは、現在、ほぼ業界標準になっている。

ＣＩエンジンの性能及び燃費を改善する一般的な方法は、エンジンにターボ過給機を設けることである。ターボ過給機の機能は、エンジンシリンダ内に導入される空気を圧縮するために用いられるコンプレッサに接続されたタービンにおいて、排気ガス内に存在するエネルギの一部を回収することである。これにより、吸気行程中にシリンダ内に誘導される空気が増え、その結果、エンジンは、排気量を単位とした動力をより多く提供できる。

排気エネルギを回収する他の方法は、いわゆるターボコンパウンドを利用することである。ターボコンパウンドは、ターボ過給機と類似しているが、ターボコンパウンドのタービンは、ターボ過給機の場合のように、コンプレッサにエネルギを供給してエンジンを過給するのではなく、エンジンのクランク軸に提供するように接続される。タービンからクランク軸へのエネルギの伝達は、任意の適切な方式で実現できるが、そのうちの最も一般的な２つの方式は、タービンとクランク軸の間に機械的接続部を設けること、又は、クランク軸に接続された電動式モータに接続された発電機をタービンに設けることである。

また、粒子排出量は、噴射圧力、すなわち、ディーゼル燃料が燃焼室に噴射される圧力に大きく左右される。この噴射圧力が高くなるにつれ、粒子排出量が減少する。

特許文献１には、内燃機関から放出されるＮＯｘの量を低減できる、ターボコンパウンドと直列の排気後処理システム（ＥＧＲ）及びターボ過給機が記載されている。ターボコンパウンドは、排ガス再循環を改善することに利用できる排気ガス背圧を増加する点で有利である。

特許文献２は、両方とも排気ガスによって駆動されるターボ過給機及びターボコンパウンドを直列に有する内燃機関を開示している。２つのタービンは、その各タービンの動力吸収能力によって決定される特定の寸法関係を有するように配設される。これらのタービンの直列接続が、エンジンの排気口における圧力を、取入口よりも上昇させることにより、ＥＧＲの推進圧力を提供する。

欧州特許第１０３６２７０号明細書 米国特許第６，５３９，７１６号明細書

本発明は、車両の内燃機関の排気ガスにおけるＮＯｘ含有量を低減する、向上した方法を提供することを目的とし、本方法により、排気物質の低減、特に、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ、及び粒子状物質の低排出量を実現し、かつ、エンジンの良好な燃料効率を達成できる。他の目的は、車両の内燃機関の排気ガスにおけるＮＯｘ含有量を低減する、向上した装置を提供することである。

前述の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。他の請求項及び明細書には、本発明の有利な実施形態が開示される。

本発明の第１の態様によれば、車両の内燃エンジンの排気ガス内のＮＯｘ含有量を低減する方法が提案され、少なくとも一つのシリンダと、空気を供給する取入口と、内燃エンジンの排出物を低減する排気後処理システム内に排気ガスを排出する排気口とを含む内燃エンジンにおいて、排ガス再循環部が、排気口から内燃エンジンの取入口に排気ガスを供給し、排気口の下流側の排気流内に直列に並ぶ少なくとも２つのエネルギ吸収器が、排気ガスのエネルギを吸収する。排気口に高温の排気ガスを生成する回転速度の範囲内で内燃エンジンを駆動することによって、排気ガスの第１温度への加熱が達成され、第１温度は、少なくとも２つのエネルギ吸収器を駆動できる十分な温度であり、少なくとも２つのエネルギ吸収器の下流において、排気ガスの温度は、排気後処理システム内で、８０％を超える効率で排気ガスからＮＯｘを除去できる十分な温度に設定される。内燃エンジンが望ましい燃料消費形態で動作しているときに、排気後処理システム、特に、排気後処理システム内の触媒を所望の温度で動作させることができる。好ましくは、エンジンは、可能な限りの最低速度で、ただし、動力を一定に保つ高負荷状態で駆動される。この領域において、エンジン効率が高いと好ましく、特に、ターボコンパウンドエンジンにおいて好ましい。高負荷状態は、排気温度を上昇させる。高い負荷を有するエンジンの低回転数によって、排気の過熱が好ましく達成されて、所定の一定動力と少ない空気余剰量の少なくともいずれかを提供できる。特に、エンジンの低回転速度を利用して、より高速のエンジン速度での同じエンジン動力の場合よりも高い（「過熱された」）排気ガス温度を達成する。

本方法は、少なくともエンジンの高負荷段階中に利用される。本方法は、内燃エンジンの中負荷段階中にも適用できる。所望の回転速度は、好ましくは、排気ガスに高い温度を発生させる低い値にある。低回転速度は、パワーシフト付き機械式自動トランスミッションを利用して好ましく設定でき、このトランスミッションは、変速機のギアを入れ替えるときの出力電力の損失がほとんど生じないデュアルクラッチトランスミッションである。

後処理システムの下流のＮＯｘ含有量、もしくは後処理システムの所定のＮＯｘ変換能力、又はその両方に基づいて、内燃エンジンの回転速度を変化させる。

この速度は、後処理システムの高効率範囲内に入るように調整できる。具体的には、エンジン速度は、ＳＣＲ触媒又はシステムにとって、及び微粒子フィルタにとって好ましい温度に排気温度を上昇させるために、特に低負荷状態において低減できる。より低いエンジン速度から得られる高い排気温度は、ターボコンパウンドを駆動する排気エネルギを増大させる。また、エンジン摩擦作用は、エンジン速度を遅くすることによって抑制できる。高負荷状態において、排気温度は、２度のタービンの膨張によって、後処理の高効率温度範囲内になるまで低下する。これにより、排気後処理システムに著しく狭い温度帯が好ましく得られる。

特に、ＳＣＲが動作していないときの低温始動時に、エンジンは、より高い温度で駆動できると好ましく、これにより、排ガス再循環をより適切に駆動して、エンジンの出口におけるＮＯｘ排気量を低く抑える。この問題の他の解決策は、旧式の排気調圧器を利用して、低温始動時に、追加の排ガス再循環駆動圧力を生成することである。

内燃エンジンを確実かつ適切に制御するために、ＮＯｘ含有量の測定もしくは計算、又はその両方を行うと好ましい。特に、パワーシフト付き機械式自動トランスミッションを利用できる場合には、回転速度を十分に低く維持できる。低速を維持することによって、エンジンは、特定の温度枠内にある十分に高い均一な温度を持つ排気を生成し、空間速度は、低速、すなわち吸気量が少ないことによって低下する。

内燃エンジンの回転速度に加え、少なくとも２つのエネルギ吸収器の上流における必要な推進力と必要な温度の少なくともいずれかに基づいて、トランスミッションユニットの速度を調整することによって、排気温度が十分に高い値に維持され得るように、内燃エンジンの回転速度を選択できる。これにより、ＮＯｘ含有量を低減できる。速度は、トランスミッションユニットの変速ギアを調整することによって変えることができる。８００ｒｐｍと１５００ｒｐｍの間、好ましくは、８５０ｒｐｍと１３００ｒｐｍの間の範囲に、内燃エンジンの回転速度を維持して、十分に高温の排気ガスを発生させると有利である。

内燃エンジンの回転速度における変動は、２００ｒｐｍ未満に維持できると好ましい。

直列に並ぶターボ過給機の排気タービンとターボコンパウンドのタービンを好ましく利用して排気ガスを冷却することによって、触媒のＮＯｘ変換に都合のよい所望の温度範囲まで排気ガスの温度を下げることができる。排気の温度は、非常に低い速度でエンジンが駆動されると上昇するが、少なくとも２つのエネルギ吸収器は、排気ガスからＮＯｘを除去するのに特に有利な好ましい温度範囲まで排気温度を低下させる。触媒は、例えば、ＳＣＲ触媒、又はＮＯｘ吸収触媒であってよい。排気ガスの温度は、少なくとも３３０℃から４５０℃までの値に設定できると好ましい。排気ガスの温度は、特に、少なくとも３５０℃から４００℃までの値に設定されてよい。この温度範囲において、特にＳＣＲ触媒は、ＮＯｘ変換効率が極めて高い最適な動作状態で動作することができる。

温度範囲は、特に、内燃エンジンの低回転速度と、適切に選択された変速比と、少なくとも２つのエネルギ吸収器における排気エネルギの吸収とを適宜に組み合わせることによって、排気ガス内のＮＯｘの選択接触還元（ＳＣＲ）にとって最適な範囲に設定できる。内燃エンジンに連結されるトランスミッションユニットは、変速時の推力損失無しに、又は僅かの損失のみで切り替えられる個別のギアを有すると好ましい。

内燃エンジンに供給される燃料／空気比のラムダ値が、１．４を超えないように設定できると有利である。１．２と１．４の間のラムダ値を設定できると好ましい。この低いラムダ値は、特に、エネルギ吸収ユニットとしてターボコンパウンドを利用することによって実現できる。

排気ガスから特定量のエネルギを抽出して、そのエネルギをエンジン、例えば、エンジンクランク軸に送り返すように構成されるターボ過給機ユニットを有する、内燃エンジン用システムは、通常、「ターボコンパウンド」システムと呼ばれる。エンジンに戻されるエネルギは、エンジンに連結された発電機、又は、還流装置内にも送り返すことができ、この還流装置において、発電機及びエンジンクランク軸にエネルギを戻すことができる。直列に並べられた２つのタービン（ターボ過給機とターボコンパウンド）を利用することによって、内燃エンジンの動作中、内燃エンジンの排気側において、吸気側の圧力よりも高い圧力が達成される。従って、内燃エンジンの効率を低下させることなく、吸気マニホルドへのＥＧＲガスの再循環のための十分な推進圧力が得られる。これにより、排気ガスに含まれるエネルギの一部は、空気中へと誘導されて消失する代わりに、クランク軸への追加の動力として利用される。

ターボコンパウンドによって、内燃エンジンに供給される過剰空気の量が低減されるため、ラムダは、例えば、一般的には約１．７である高い値から１．４以下まで低下する。ターボコンパウンドは、内燃エンジンの排気背圧を好ましく増大させる。このことは、ＥＧＲ（排ガス再循環）にとって有利であると共に、内燃エンジンの空気取り入れ口に高効率ターボ過給機を利用できるようにする。非常に効率のよいターボ過給機を好ましく用いても、排気マニホルドと吸気マニホルドの間の差圧は、排ガス再循環を駆動しない。この点は、通常、効率の低いターボ過給機を選択することによって解決できる。低効率は、排気マニホルド内の圧力を高める大きな圧力降下をもたらすと共に、吸気マニホルド内の圧力を更に低下させる。ただし、ターボコンパウンドからの追加の圧力降下により、排気マニホルド内の圧力が上昇して、高効率ターボ過給機での排ガス再循環も行われる。

本発明の他の態様によれば、内燃エンジンのＮＯｘ排出量を低減する上記の方法を実行する装置は、内燃エンジンを含み、内燃エンジンは、少なくとも一つのシリンダと、空気を供給する取入口と、内燃エンジンの排出物を低減する排気後処理システム内に排気ガスを排出する排気口と、排気口から内燃エンジンの取入口に排気ガスを供給する排ガス再循環部と、排気口の下流の排気流内に直列に並ぶ少なくとも２つのエネルギ吸収器とを備える。内燃エンジンと車両の駆動軸の間に接続されるトランスミッションユニットが配設され、トランスミッションユニットは、排気ガスを過熱するために、内燃エンジンの所定の回転速度を実現し、排気ガスのエネルギは、少なくとも２つのエネルギ吸収器内に吸収可能であり、この吸収によって、排気ガスの温度は、後処理システムにおけるＮＯｘ変換にとって望ましい温度範囲内に、内燃エンジンの回転速度に応じて設定される。特に、低回転のエンジン速度を利用して、より高回転のエンジン速度における同じエンジン出力の場合よりも高温の（「過熱された」）排気ガス温度を達成する。

トランスミッションユニットの変速処理は、内燃エンジンの回転速度の所定の狭い速度範囲を実現するように変化できる。内燃エンジンは、８５０ｒｐｍと１５００ｒｐｍの間の低回転速度で好ましく駆動可能である。

本発明に係る装置は、内燃エンジン、好ましくはディーゼルエンジン、特に、大型車両用のディーゼルエンジンにおいて、少なくとも一つのシリンダ、空気を供給するための取入口、排気ガスを排出する排気口、排気口から取入口に排気ガスを再循環させて、エンジンからの有害な排気物（ＣＯ、ＮＯＸ、及びＨＣの化合物という形式の排気物）を低減するための追加のライン、追加のラインに配置される制御可能なバルブ、ならびに、排気ガスからエネルギを吸収する第１エネルギ吸収器及び取入口に向かう空気を圧縮するコンプレッサを含むターボ過給機を含むエンジンを対象とする。本装置は、排気ガスからエネルギを吸収する第２エネルギ吸収器を含み、第２エネルギ吸収器は、第１エネルギ吸収器の下流に配置されて、取入口の圧力を上回る圧力を排気口に構築する。

排ガス再循環のために、エンジンの通常の排気口と、エンジンの外気取入口近くのポイントの間に、個別のラインが設けられる。このライン内に、制御可能なバルブが配置され、このバルブは、更に制御装置に接続される。現在のエンジン動作状態、特に、エンジンの回転速度及び負荷に関する動作状態に基づいて、制御装置は、バルブの開き度、すなわち、エンジンの空気取入口に向けて再循環させるＥＧＲガスの量を決定する。そして、特定の量のＥＧＲガスが、エンジンの排気側から吸気側に送られ、通常は吸気側の圧力よりも高い排気側の圧力によって、ＥＧＲガスの自然の「推進圧力」が得られる。

ＥＧＲシステムを有するディーゼルエンジンが、ターボ過給機ユニットと共に使用される場合は、ほとんどの動作点において、ターボ過給機のコンプレッサの後段（すなわち、流入する外気がエンジンに供給されるエンジン吸気マニホルドの位置）の圧力が、エンジン排気口の圧力よりも高いことによって問題が生じる。このことは、更に、エンジン排気口から吸気側への自然の推進圧力が存在しないために、ＥＧＲガスの再循環が不可能になることを意味する。このため、ＥＧＲガス流をエンジンに噴射することができない。

本発明の好ましい実施形態によれば、エンジンに、ＥＧＲシステム、及び排気ガスから更にエネルギを抽出して、そのエネルギをエンジンのクランク軸、もしくは発電機、又はその両方に送り返すシステムを搭載できる。この方式で、排気ガスから更なるエネルギが抽出されて、そのエネルギがエンジンに戻されることによって、損なわれたガス交換が補償されるため、エンジン効率が低下することなく、必要な推進圧力が確実にエンジンの排気側に構築される。

トランスミッションユニットは、パワーシフト付き機械式自動トランスミッション（ＡＭＴ−ＰＳ）を好ましく含むことができる。パワーシフト付きの自動トランスミッションの細分類であると考えられるダブルクラッチトランスミッションも利用できる。

少なくとも２つのエネルギ吸収器の一方は、ターボ過給機のコンプレッサに連結できると好ましい。少なくとも２つのエネルギ吸収器の一方は、クランク軸又は電気機械のいずれかに連結されると好ましい。一方のエネルギ吸収器が、ターボ過給機のタービンを含み、他方のエネルギ吸収器が、ターボコンパウンドのタービンを含むと有利である。

有利な構成として、後処理システムは、排気ガス内の粒子状物質、例えば、煤煙の含有量を低減する装置を含むことができる。後処理システムは、排気ガス内のＮＯｘを除去する装置を含むことができる。これら２つの装置は、排気流内に直列に配置されると有利である。粒子状物質の含有量を低減する装置は、ＮＯｘを除去する装置の上流又は下流に配置されてよい。上流に配置される場合は、粒子状物質の含有量を低減する装置において、排気内のＮＯｘを利用して、粒子状物質、例えば、煤煙及び未燃炭化水素を酸化させることができる。更に、排気ガス内の一つ以上の成分を酸化する装置、特に、酸化触媒を設けてもよい。

好ましい構成として、本装置は、巡航走行のために最高出力以下のエンジン速度に車両がシフトされる極度の低速ギアチェンジ方針を有する、パワーシフト付き機械式自動トランスミッション（ＡＭＴ−ＰＳ）を含むことができる。前述した他の利点に加え、粒子フィルタは、十分に高い温度によって連続して触媒的に好ましく再生でき、また、尿素は、正常に機能するのに最低の温度しか必要としないため、尿素ベースのＳＣＲ触媒又はシステムの作用を改善できる。

本発明は、前述した目的及び利点、ならびに他の目的及び利点と共に、実施形態についての下記の詳細な説明から最もよく理解されるであろうが、本発明は、これらの実施形態には限定されない。本発明が模式的に記載される図は次のとおりである。

本発明に係る排気後処理システムを含む、内燃エンジン用の装置の第１実施形態を示す図である。 ＮＯｘ変換特性対排気温度のグラフである。 本発明に係るＮＯｘ変換の温度依存特性についての計算値と測定値を比較した図である。

図面において、同一又は類似の要素には、同一の参照番号が付けられている。図面は、単なる模式的表現に過ぎず、本発明の特定のパラメータを描写することは意図されていない。また、図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示すためのものであり、本発明の範囲を限定するものとして見なされてはならない。

図１に、特に、ディーゼルタイプの内燃エンジンに利用できる、本発明に係る装置を模式的に示す。

好ましい実施形態によれば、ディーゼルエンジン１０は、貨物運搬車に用いられることが意図され、例えば、６つのシリンダ１１（一つのみに参照番号を記載した）を含む。ただし、本発明は、特定のシリンダ数、又は特定のシリンダ構成には限定されない。

既に知られている方式で、エンジン１０には、吸気マニホルド１２が設けられ、この吸気マニホルド１２に、吸気路９０を介して大気から空気が供給される。供給された空気は、この後、各シリンダ１１に分配される。また、シリンダ１１には、対応する数の燃料噴射装置（図示せず）によって燃料が供給され、その各燃料噴射装置は、電気接続部（図示せず）を介して中央制御装置（図示せず）に接続される。この制御装置は、コンピュータベースであると好ましく、既知の方式で動作して、それぞれ適切な燃料／空気混合物をエンジン１に供給するように各燃料噴射装置を制御できる。

エンジン１０の動作中、制御装置は、各噴射装置を制御するように動作でき、この制御において、エンジン１０に供給される燃料／空気混合物が、それぞれ現在の動作状態に適合される。これにより、燃焼の供給は、一般に知られている方式、すなわち、エンジン１０及び対象車両の動作状態を表す複数のパラメータに従って行われる。例えば、この制御は、現在のスロットル位置、ならびにエンジン１０の回転速度及び負荷に基づいて実行することができる。

各シリンダ１１には排気口が設けられる。排気口は一緒に排気マニホルド１４に纏められ、続いて排気管４２に入る。この排気管４２は、ターボ過給機ユニット５０を通って延び、この点はほぼ従来通りである。従って、ターボ過給機ユニット５０は、コンプレッサ５２と、排気ガスからのエネルギを吸収する、タービンの形式のエネルギ吸収ユニット５４とを含み、このエネルギ吸収ユニット５４は、排気管４２内に配置されており、排気管４２を通って流れる排気ガスによって回転されて、コンプレッサ５６を駆動する。複数の排気口が単一の排気管４２に結合する方式（「シングルインレット（single inlet）」として知られる）で設計される、図示した実施形態の代替構成として、排気口を２つのグループに分けて、タービン５４に至る２つのパイプから成る排気ダクトを形成してもよい（「ツインインレット（twin inlet）」として知られる）。

タービン５４はシャフト５６に配置され、このシャフト５６に、コンプレッサ５２も同様に配置される。この経路において、タービン５４によって排気流から吸収されたエネルギは、エンジン１０の吸気路１２に向かう空気路１００内の流入空気を圧縮する機能を有するコンプレッサ５２に伝達される。これにより、増加した量の燃料をエンジン１０に供給できるため、エンジン１０の動力出力を増やすことができる。

エンジン１０には、更に、特定量の排気ガスをエンジン１０の吸気側まで再循環させる装置が搭載される。導入部で説明したように、ＥＧＲ（「Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ（排ガス再循環）」）システム８０は既に知られているとおりである。従って、本実施形態によれば、ＥＧＲライン８２の形式の追加のラインが、タービン５４の上流の地点において排気管４２に接続される。ＥＧＲライン８２は、エンジン１０の吸気マニホルド１２の上流の地点において吸気路９０に合流する。ＥＧＲライン８２に沿って、制御可能バルブ（図示せず）が配置されて、追加の接続部（図示せず）を介して制御装置に接続される。代替の他の実施形態において、経路の長いＥＧＲシステムを設けることができ、このＥＧＲシステムにおいて、排気ガスは、タービン５４の上流とコンプレッサ５２の下流の間ではなく、コンプレッサ５２の上流とタービン５４の下流の間で再循環される。

制御装置は、現在の動作状態に応じて動作して、閉位置、開位置、又は部分的開位置にバルブを調整できる。このため、バルブの位置に応じて、対応する量の排気ガスが、ＥＧＲライン８２から吸気マニホルド１２に再循環することになる。このＥＧＲガスの吸気マニホルド１２への再循環により、各シリンダ１１において燃焼中の温度低下が実現するため、シリンダ１１内のＮＯｘの生成が低減される。

各シリンダ１１内のＮＯｘの生成は温度に依存するため、エンジン１０に流入するガス（すなわち、空気と再循環ＥＧＲガスを含むガス）の温度を可能な限り下げることが望ましい。このため、ＥＧＲライン８２には、吸気マニホルド１２に再循環されるＥＧＲガスを冷却する機能を有する冷却器８４が設けられる。従って、冷却器８４は、適切な冷却液を循環させるループ８６を含む。この冷却液は、エンジン１０用の一般的な冷却液であると好ましいが、この冷却に空気を利用することもできる。この冷却器８４を利用して、ＥＧＲガスを冷却することができ、このことは、生成されるＮＯｘ化合物の量を低減することに役立つ。

吸気路９０には、「中間冷却器」としても知られる他の冷却器（図示せず）も設けられ、この中間冷却器は、コンプレッサ５２によって供給される圧縮空気の冷却に使用される。このことも、エンジン１０内で生成されるＮＯｘ化合物の量を低減することに寄与する。２つめの冷却器は、空気による冷却を行うように構成されると好ましい。

第２タービン６０を利用して、排気ガスからエネルギを吸収する。この第２タービン６０は、ターボコンパウンドの一部である。従って、エンジン１０を出てから第１タービン５４を通る排気ガスは、第２タービン６０内にも送られて、第２タービン６０を回転させる。このため、第２タービン６０は、追加のシャフト７２に回転可能に配置される。エネルギの一部が第２タービン６０に送られた後、排気ガスは大気中に放出されるが、その際、後処理システム４０を通過した後で消音装置（図示せず）を通ってから放出されると好ましい。一例示的実施形態において、シャフト７２は、電圧変換器７４を介して電気機械２０に電気エネルギを供給する発電機７０を駆動する。電気機械２０は、クラッチ１８の作動又は停止によって、内燃エンジン１０の出力軸１６との接続又は切り離しが可能である。

また、図示してはいないが、第２タービン６０は、パワートランスミッションを介して、エンジン１０の出力側クランク軸（図示せず）に接続できる。このパワートランスミッションは、好ましい構成として、クランク軸（図示せず）にシャフト７２を接続するギアトランスミッションを含む機械式タイプである。パワートランスミッションには、第２タービン６０の回転速度をクランク軸に適した回転速度に変換するギア減速装置も設けられる。これにより、第２タービン６０とクランク軸の間で動力が伝達される。換言すると、燃焼ガス内の特定量のエネルギを排気流から取り戻すことができ、そのエネルギをクランク軸への追加の動力として利用できる。

また、排気ガスによってタービン６０に供給される動力を、クランク軸と電気機械２０とに分配することも可能である。

後処理システム４０は、排気ガス内の粒子状物質を低減するユニット４４、又はＮＯｘを変換するユニット４６、具体的にはＳＣＲ触媒の少なくとも一方を含むと好適である。ＮＯｘの変換ユニット４６は、ユニット４４の上流又は下流に配置することができる。ユニット４４は、煤煙粒子を捕える粒子フィルタ、もしくは、未燃炭素を酸化させる酸化触媒、又はその両方であってよい。

好ましくは、内燃エンジン１０の回転速度は、１５００ｒｐｍ未満、特に、８５０ｒｐｍと１５００ｒｐｍの間である。特に、内燃エンジン１０は、実質的に一定の回転速度で稼働する。適応性のあるパワートランスミッションを有する内燃エンジン１０を用いることによって、排気温度とＮＯｘ変換効率の少なくともいずれかに関して、エンジンの回転速度を最適化できる。

内燃エンジンの回転速度が遅い程、排気マニホルド１４内の排気ガスの温度は高くなる。低回転速度は、高い排気ガス温度のみならず、煤煙形成量の低下と、吸気マニホルド１２に供給される空気流の低減とをもたらす。ラムダ値が低い燃焼では、空気が少ないことから、ユニット４４及び４６を通る空間速度も低下して、触媒システムの効率を上げることができる。

排気ガスの温度は、ターボコンパウンドの下流、かつ、特にＳＣＲ触媒であってよいＮＯｘ変換ユニット４６の上流において、２００℃〜４００℃の範囲、好ましくは２５０℃〜３８０℃の範囲に設定できる。ＳＣＲ触媒は、３００℃〜４００℃の温度範囲において、ＳＣＲ触媒のη＞８０％の効率を生じる。この範囲は、新しいＳＣＲ触媒と、長く使用されたＳＣＲ触媒のいずれにとっても有利である。

図２に、いくつかの希薄ＮＯｘ後処理システムの変換効率の一般的な特徴を温度の関数として示す。低温において、変換効率は、高温の場合と同様に低く、この状態は、低温部と高温部に破断線で描いた円ＬＯによって示されている。最も高い効率は、約２００℃から４００℃の間である中温の範囲において実現でき、中温部に破断線で描いた円ＨＩによって示されている。

内燃エンジン１０を低回転速度で駆動すると、２つのエネルギ吸収器５４，６０の下流の排気ガス温度を、約２５０℃より十分上に維持することができ、この温度において、ターボコンパウンドのターボ過給機５０とタービン６０の２段階膨張により、２つ目のエネルギ吸収器６０の温度は、排気マニホルド１４の排気ガス温度より下で、図２に記載した円ＨＩによって示される温度枠内に適切に維持される。ターボコンパウンドのエネルギ回収は、より高い排気温度において著しく向上する。内燃エンジン１０の低回転速度は、内燃エンジンから出てくる排気内に含有量の少ない煤煙を生成し、このことは、ラムダλが小さいと、内燃エンジン内の燃焼において、より高い排気温度と、ターボコンパウンドを有するモータの向上した効率とが得られることを意味する。λは、最大１．７という従来の高い値ではなく、１．２から１．４の間の範囲であってよい。

ＳＣＲ触媒に高効率ηを提供することによって、内燃エンジン１０は、内燃エンジンから出てくる排気内の高いＮＯｘ含有量に対応して最適化でき、その結果、粒子フィルタ（ＤＰＦ）の効率と再生処理を向上させることができる。粒子フィルタ内の粒子状物質は、排気ガス内のＮＯｘによって酸化できる。この場合、ユニット４４は、ユニット４６の上流に配置されると好ましい。

受動的再生には、粒子フィルタの温度がＴ＞３００℃であると有利である。ＳＣＲ触媒にとって、温度は低いことが好ましく、Ｔ＜３８０℃でなければならない。非常に低い回転速度を用いた、内燃エンジン１０の低速戦略は、排気ガスの空間速度を改善し、具体的には空間速度を低減して、触媒のユニット４６からのＮＯｘの通過量を低減できる。

図３に、点Ａとして図示される測定値と共に、後処理システム４０内のユニット４６として採用されるＳＣＲ触媒のＮＯｘ低減効率を、排気後処理システム（ＥＡＴＳ）の温度の関数として表した曲線Ｃとして図示するモデル化曲線を示す。

測定値を正規化して、点Ｂとして示される正規化値を得ることができる。モデル化曲線Ｃは、この正規化値Ｂとよく適合する。

排気マニホルド１４における排気ガス温度を上昇させる、内燃エンジン１０の低回転速度を、トランスミッションユニット３０としてのパワーシフト付き機械式自動トランスミッションと組み合わせて用いると共に、ターボコンパウンドと組み合わせてターボ過給機５０を用いて、排気ガス温度を低下させる。所望の温度範囲内で、８０％という高いＮＯｘ低減効率を確立できる。新しいシステムについては、中程度の高温においても高効率である。システムを長く使用した場合は、高温での効率が低下し得る。

Claims (14)

1. 車両の内燃エンジン（１０）の排気ガス内のＮＯｘ含有量を低減する方法であって、少なくとも一つのシリンダ（１１）と、空気を供給する取入口（１２）と、前記内燃エンジン（１０）の排出物を低減する排気後処理システム（４０）内に排気ガスを排出する排気口（１４）とを含む前記内燃エンジン（１０）において、排ガス再循環部（８０）が、前記排気口（１４）から前記内燃エンジン（１０）の前記取入口（１２）に排気ガスを供給し、前記内燃エンジン（１０）は、前記排気口（１４）の下流の排気流内に直列に配置されて、前記排気ガスのエネルギを吸収する少なくとも２つのエネルギ吸収器（５４，６０）として、ターボ過給機（５０）のタービン（５４）及びターボコンパウンドのタービン（６０）を含み、前記方法は、
   特定の動力で通常選択される負荷よりも高い高負荷段階中あるいは中負荷段階中の少なくともいずれかの段階と、前記特定の動力で通常選択される回転速度よりも遅い回転速度と、を用いて前記内燃エンジン（１０）を駆動することによって、前記少なくとも２つのタービン（５４，６０）を駆動すると共に、前記少なくとも２つのタービン（５４，６０）の下流の排気ガスの温度を設定するのに十分な第１温度まで前記排気ガスを過熱し、
   前記後処理システム（４０）内のＮＯｘ変換にとって好ましい所望の温度範囲まで、前記２つのタービン（５４，６０）内の前記過熱された排気ガスを冷却し、
   前記後処理システム（４０）の下流のＮＯｘ含有量、もしくは前記後処理システム（４０）の所定のＮＯｘ変換能力、又はその両方に基づいて、前記内燃エンジン（１０）の回転速度を変化させることを特徴とする、方法。
2. 前記内燃エンジン（１０）の回転速度、もしくは前記少なくとも２つのエネルギ吸収器（５４，６０）の上流で必要とされる温度、又はその両方に基づいて、トランスミッションユニット（３０）の変速ギアを調整することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ８００ｒｐｍと１５００ｒｍｐの間の範囲内に、前記内燃エンジン（１０）の回転速度を維持することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記内燃エンジン（１０）の回転速度の変動を２００ｒｐｍ未満に維持することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記２つのエネルギ吸収器（５４，６０）の下流における前記排気ガスの温度が、前記排気後処理システム（４０）内のＮＯｘ低減触媒（４６）においてＮＯｘを低減するのに最も適した範囲内にある温度範囲に設定されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記排気ガスの温度が、３３０℃以上で４５０℃以下の値に設定されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記内燃エンジン（１０）に供給される燃料／空気混合物のラムダ比（λ）を１．４以下に設定することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の方法を実行する、内燃エンジン（１０）のＮＯｘ排出量を低減する装置であって、少なくとも一つのシリンダ（１１）、空気を供給する取入口（１２）、前記内燃エンジン（１０）の排出物を低減する排気後処理システム（４０）内に排気ガスを排出する排気口（１４）、前記排気口（１４）から前記内燃エンジン（１０）の前記取入口（１４）に排気ガスを供給する排ガス再循環部（８０）、ならびに、前記排気口（１４）の下流の排気流内に直列に配置されて、前記排気ガスのエネルギを吸収する少なくとも２つのエネルギ吸収器（５４，６０）として、ターボ過給機（５０）のタービン（５４）及びターボコンパウンドのタービン（６０）を備える内燃エンジン（１０）を含み、前記装置は、
   前記内燃エンジン（１０）と前記車両の駆動軸（１６）の間に連結されて、前記排気ガスを過熱する、前記内燃エンジン（１０）の所定の回転速度を実現できるトランスミッションユニット（３０）であって、前記トランスミッションユニット（３０）は、パワーシフト付き自動トランスミッションであり、前記内燃エンジン（１０）の低回転速度を実現でき、前記後処理システム（４０）の下流におけるＮＯｘ含有量、もしくは前記後処理システム（４０）の所定のＮＯｘ変換能力、又はその両方に基づいて、前記内燃エンジン（１０）の回転速度を変化させることに用いられるトランスミッションユニット（３０）と、
   前記内燃エンジン（１０）の高負荷段階中、もしくは中負荷段階中、又はその両方において、前記過熱された排気ガスを冷却して、前記内燃エンジン（１０）の回転速度に基づいて、前記排気ガスの温度を、前記後処理システム（４０）内のＮＯｘ変換にとって望ましい温度範囲に設定する少なくとも２つのタービン（５４，６０）とを特徴とする、装置。
9. 前記内燃エンジン（１０）の回転速度が、８５０ｒｐｍと１５００ｒｐｍの間に設定されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記少なくとも２つのエネルギ吸収器の一方（６０）が、クランク軸又は電気機械（７０）のうちの一方に連結されることを特徴とする、請求項８又は９に記載の装置。
11. 前記トランスミッションユニット（３０）が、連続可変トランスミッションユニットであることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記後処理システム（４０）が、前記排気ガス内の粒子状物質の含有量を低減する装置（４４）を含むことを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記後処理システム（４０）が、前記排気ガス内の窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を低減する装置（４６）を含むことを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記内燃エンジン（１０）がディーゼルエンジンであることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の装置。

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