JP2005533957A - 内燃機関の排気ガス再循環率を算出する装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関の排気ガス再循環率（ＥＧＲ）を算出する装置について開示しており、該装置は、排気ガス再循環管の第１領域の排気ガス雰囲気によって、並びに排気ガス再循環管の吸気口から下流の、内燃機関の吸気管の第２領域の排気ガス−吸入空気雰囲気によって、作用可能な管状センサユニットを備えている。センサユニットの内部は排気ガス雰囲気によって作用可能であり、一方でその外側は排気ガス−吸入空気雰囲気によって作用可能で、あるいはその逆の場合も同じである。

Description

本発明は、請求項１の前文に従って、内燃機関の排気ガス再循環率を算出する装置に関する。

火花点火式またはディーゼルエンジンからの窒素酸化物エミッションを低下させる既知の方法の一つに、排気ガス再循環（ＥＧＲ）として知られる方法がある。特に、温度に敏感な窒素酸化物エミッションは、燃焼前に排気ガスを吸入空気とを混合することで、削減される。通常、排気ガスは、内燃機関の排気管から排気ガス再循環ラインを経由して、吸気ラインに供給される。排気ガスの再循環率、すなわち吸気ライン内の吸入空気流に混合される排気ガス流の燃焼空気量に対する量は、特定の動作点に応じて所定の設定値に等しくなるように制御装置によって制御される。窒素酸化物エミッションをさらに削減するために排気ガス再循環率が増加可能な範囲は、様々な限度を条件としており、例えば、特に粒子状物質エミッションによる動作点に応じて、一定の再循環率を超えると内燃機関の円滑な運転の低下によって、燃料消費を増加させる。

排気ガス再循環率の制御には、内燃機関の運転中、支配的な再循環状態を常時記録することが必要である。

特許文献１は、排気ガス再循環率を制御する方法を開示しており、再循環された排気ガス質量流量の実測値を算出するため、排気ガス再循環通路のベンチュリノズルにおける圧力の低下を測定し、圧力差から貫流を算出する。

特許文献２は、内燃機関の排気ガス再循環率を算出するセンサユニットについて開示している。センサユニットは、片面では排気ガス再循環ライン内部の排気ガス雰囲気によって反応し、もう一方の面では、排気ガス再循環ラインが開口する位置の下流の、内燃機関の吸気ライン内に存在する排気ガスと吸入空気とを含む雰囲気によって反応し、センサユニットに反応する２つのガス雰囲気は互いに別々に保たれる。

特許文献３は、排気ガス再循環通路を通って排気管から吸気ラインへの排気ガスの再循環を伴う内燃機関を運転する方法について開示している。その文献には、排気ガス再循環率の最適に正確な記録と制御を伴う排気ガス再循環によってエミッションの最大の低下を実現するため、排気ガス再循環通路が吸気ラインに開口する位置の上流および下流におけるガス流内の支配的酸素含有量をセンサを用いて測定し、制御装置は測定結果から再循環率を正確に算出する方法が提供されている。

排気ガス再循環率（ＥＧＲ）を算出するには、エンジン制御によって汚染物質のエミッションを制御あるいは制限するために装着されたセンサにおける濃度の変化に可能な限り迅速に対応する必要がある。

自動車での使用にとって、吸気マニホールドの隔壁上へのセンサの通常の配置は、検出されるガスの流速がマニホールドの隔壁においてゼロに向かって低下するので、こうして配置されたセンサは、例えば窒素酸化物濃度の急速な変化に最適に反応できない限り、問題を呈する。このため、新しい又は改変されたガス組成はセンサ表面全体を流れなければならないので、とりわけガス組成の変化は、時間の遅れを伴いセンサ信号に影響するだろう。

欧州特許出願公開第 ０５７ ４ ６１４ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第 １００ ０７０ １０ Ａ１号明細書 独国特許発明第 １９７ ３４ ４９４ Ｃ１号明細書

本発明の目的は、排気ガス再循環率（ＥＧＲ）を可能な限り単純な方法で、しかも最大限正確に、算出することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する装置によって達成される。

管状に構成されたセンサユニットを使用する本発明による対応策は、構造的に単純な方法で、それぞれの流路の隔壁領域から一定の距離をおいてセンサユニットのセンサ感知領域の位置決めを可能にし、その結果、センサ感知領域はこのようにして貫流量がより大きくなる位置に配置されるため、従来の解決策と比較して有意により迅速に、ガス濃度の変化を検出することが可能となる。さらに、管状に構成されたセンサユニットは高い機械的安定性の点で際立っている。従来の平面センサは、適当なホルダー内に気密に埋め込まれていた。運転の際、周期的熱負荷がかかると、平面センサは、ホルダーとセンサ材料の異なる熱膨張係数による高い力学的負荷の影響を受けた。結果としてもたらされる力学的応力は、クラックの形成を受けて、センサの故障を招く可能性がある。本発明による管状に構成された排気ガス再循環センサユニット（ＥＧＲ）により、周期的熱負荷の変化の結果起こるクラックの形成を、実質的に回避することが可能である。さらに、管状に構成されたセンサユニットには複雑な密封は必要ない。

本発明による装置の有利な構成は、従属項の主題を形成する。

センサユニットは、内側面及び／又は外側面に薄膜又は厚膜技術で形成された電極を有すると好都合であることが立証されている。一例として、センサ薄膜が多孔質の搬体基板に蒸着される場合、製造コストを非常に低く抑えることが可能となる。一例として、ゾルからの浸漬被膜として知られる方法についても言及する。この方法は、導入が非常に安価なセラミック薄膜を生成する湿潤化学法である。さらに、ＥＶＤ（電気化学的蒸着）法、及びＰＶＤ（プラズマ蒸着）法についても言及すべきである。

吸気ライン、特に吸気マニホールド、のほぼ中央に配置されるセンサユニットを設けることが好ましい。この対応策により、センサユニットのセンサ感知領域を、貫流量が最大となる位置に単純な方法で位置決めすることを可能にし、その結果、非常に正確な測定が可能となる。

本発明による装置の好ましい実施形態によると、外側面に形成されたセンサユニットのセンサ感知領域は、センサユニットに反応する雰囲気のうち少なくとも１つの流れの方向において、内側面に形成されたセンサ感知領域より広い範囲を有する。この対応策は、例えば、外側面上に形成されたセンサ感知領域が内側面上に形成されたセンサ感知領域より長い軸長さを有する円筒形センサユニットによって、実現可能である。これにより、センサユニットの外側面に反応する雰囲気の逆流を受けて、内側面上のセンサ反応材料に影響を及ぼすのを、効果的に回避することが可能となる。

センサユニットは、内側面及び／又は外側面上に一酸化窒素選択性膜を備えるよう構成されると好都合であることが立証されている。このタイプのセンサ感知材料は、比較的低コストで入手可能であることが立証されており、単純な方法での正確な測定が実施可能である。

最後に、バッフルプレートを、排気ガス再循環ラインが吸気ライン内で開口する位置の領域に配置することが好ましい。このタイプのプレートには、吸気ラインに流れ込む排気ガスが衝突し、それにより、排気ガスと吸入空気との特に十分な混合の実現が可能となる。吸気ライン内に流れ込む排気ガスが、最初は吸入空気の流れとは反対の方向に流入し、その過程でバッフルプレートに衝突することは、好都合である。

本発明について、添付の図面を参照して、以下により詳細に説明する。

図１では、送り管１０に取り付けられたセンサユニットが全体として１２として表示されている。センサユニット１２の外側面は、外側電極１２ａもしくは第１センサとして構成されており、内側面は、内側電極１２ｂもしくは第２センサとして構成されている。それぞれの電極は、選択的にイオン伝導性材料に取り付けられている。センサユニット及び／又はそのセンサに動作可能に接続された評価測定装置は、図示されていない。

内側及び外側面に取り付けられた膜は、考慮すべき雰囲気に存在するイオン化されたガスに対して選択的に伝導性があり、これからより詳細について図２を参照して説明する。

図２では、本発明によるセンサユニットが配置されたマニホールドは１４で表示される。矢印Ｐ１は、吸入空気が（図２に示す図では左手から）マニホールド１４に進入するところを示す。排気ガス再循環ラインは１６で表示され、エンジン（図示せず）から吸気部もしくはマニホールド１４へ、排気ガスを再循環させるのに使用できる。再循環された排気ガスは、第１フィードライン１７ａと第２フィードライン１７ｂとを経由して、マニホールド１４に導入されるのが見える。第２フィードライン１７ｂを経由して流れ込む排気ガスは、（再循環ラインが開口する１７ｃ領域の）バッフルプレート１８上に流れ、その後そこを流れる吸入空気と混合される。

フィードライン１７ａの終端は送り管１０に接続され、送り管１０については図１を参照して既に述べたが、センサユニット１２がこれに取り付けられる。

センサユニット１２が、外側面では吸入空気／排気ガス雰囲気によって反応し、内側面では排気ガス雰囲気によって反応することは、図２からすぐに明らかである。

本発明によるセンサユニットは、任意の所望のタイプのセンサも使用することができることに留意されたい。選択的イオン伝導性に基づく上記のセンサに加えて、抵抗性酸素センサ、電流計酸素センサ、電流計窒素酸化物センサ、及び排気ガス中に存在する成分に対して選択性のあるその他のガスセンサについても言及すべきである。

図２に見られるように、センサユニット１２はマニホールド１４のほぼ中央に配置される。この対策により、吸入空気／排気ガス流の最大流速がセンサの外側面上に作用し、その結果としてセンサユニットの反応時間は有効に短縮されることになる。

最後に、本発明によるセンサユニットの好ましい実施形態について、図３を参照して説明する。この図は、イオン選択性膜で被膜された内側電極１２ｂと、（例えば図２に関して述べた配置において）内側面では排気ガス雰囲気によって、並びに外側面では排気ガス／吸入空気雰囲気によって反応する対向する外側電極１２ａを示している。流れの主方向（ここではＰ４で示す）とは反対方向にセンサユニットの内側領域に戻って排気ガス／吸入空気雰囲気が逆流し測定結果を阻害するのを防ぐため、内側電極１２ｂのセンサ感知領域は、軸方向、すなわちセンサユニット１２の主に伸びる方向又は流れＰ４の方向において、外側電極１２ａより短く構成されている。これにより、センサユニットの内側領域に逆流する吸入空気／排気ガス混合気が、確実に測定結果に影響を及ぼさないようにできる。

本発明による装置の好ましい実施形態で、その中でセンサユニットが送り管に取り付けられた状態の、概略的側面断面図である。 図１に示すセンサユニットが吸気マニホールド内の好ましい位置にある状態の概略的側面図である。 本発明によるセンサユニットの別の好ましい実施形態の概略的側面断面図である。

Claims (6)

1. 内燃機関の排気ガス再循環率（ＥＧＲ）を算出する装置であって、センサユニット（１２）を有し、該センサユニットは、第１領域では排気ガス再循環ライン（１６、１７ｂ）の排気ガス雰囲気によって反応を引き起こすことが可能であり、第２領域では前記排気ガス再循環ライン（１６）が開口する位置（１７ｃ）の下流の、前記内燃機関の吸気ライン（１４）内の排気ガス／吸入空気雰囲気によって反応を引き起こすことが可能である装置において、
   前記センサユニット（１２）は管状であり、前記センサユニット（１２）の内側面（１２ｂ）は前記排気ガス雰囲気によって反応し、前記センサユニット（１２）の外側面（１２ａ）は前記排気ガス／吸入空気雰囲気によって反応し、あるいは逆も同様であることを特徴とする装置。
2. 前記センサユニットは、薄膜又は厚膜技術を使用して前記内側面及び／又は前記外側面上に生成された電極を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記吸気ライン（１４）内、特に吸気マニホールド内、のほぼ中央に配置された前記センサユニット（１２）を特徴とする、請求項１あるいは２に記載の装置。
4. 前記外側面上に形成された前記センサユニットのセンサ感知領域は、前記センサ感知領域に反応する前記雰囲気の少なくとも１つの流れの方向において、前記内側面上に形成されたセンサ感知領域より広い範囲を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記センサユニット（１２）は、一酸化窒素選択性膜で前記内側面及び／又前記外側面を被膜されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記排気ガス再循環ライン（１７ｂ）が前記吸気ライン（１４）内に開口する位置（１７ｃ）の領域に設けられたバッフルプレート（１８）を特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。

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