JP2007085362A - 車両の内燃機関の吸気領域への部分的な排気ガス再循環方法および車両の内燃機関の排気領域から吸気領域への排気ガス再循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】求められた車両の内燃機関のパラメータから環境負荷を低減し効率を高める点で機関の駆動を最適化し、パラメータを簡単に求められるようにする、車両の内燃機関の吸気領域への部分的な排気ガス再循環方法および車両の内燃機関の排気領域から吸気領域への排気ガス再循環装置を提供する。
【解決手段】流量センサが少なくとも１つの測定抵抗および少なくとも１つの加熱抵抗を有する。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、車両の内燃機関の吸気領域への部分的な排気ガス再循環方法および車両の内燃機関の排気領域から吸気領域への排気ガス再循環装置に関する。

特許文献１から、排気ガス再循環装置を備えた内燃機関の電子機関制御システムシリンダ空気流量を求める方法が公知である。これは有害物質の放出を制御する排気ガス再循環システム（ＥＧＲシステム）を備えた内燃機関を制御する方法に関しており、ここではＥＧＲシステムがアクティブな状態にあるときその時点で機関シリンダへ供給される気体の吸気流量（シリンダ空気流量）を表す正確な値が求められる。さらに噴射すべき燃料量を正確に求める方法も記載されており、その際には吸気管での燃料の圧送遅延が考慮される。

有害物質放出を調整ないし制御し、かつ燃料を節約するために、車両の内燃機関に対して電子制御システムが使用される。この制御システムは空気／燃料混合比をほぼ機関の駆動領域全体にわたって所定の目標値に維持する。この空気／燃料混合比を高い精度で制御するためには、その時点で機関シリンダ内へ吸入される空気のシリンダ空気流量を正確に求め、必要な燃料流を吸気流量および目標空燃比の値に基づいて求める。

ここでは再循環される排気ガス流量の計算が比較的複雑なことが問題となる。

さらに特許文献２から、内燃機関の排気ガス中の有害物質成分を除去し、周囲空気をできる限り清浄に保つ手段が公知である。有害物質成分は主として一酸化炭素、燃焼で生じた炭化水素、および窒素酸化物である。一酸化炭素および燃焼で生じた炭化水素を除去するために熱ないし触媒による再燃焼法が開発された。さらに窒素酸化物の放出が燃焼排気ガスの一部を燃焼室へ再循環させることにより低減される（排気ガス再循環）。主として不活性ガスから成る排気ガスの一部を再循環させることにより、主燃焼室の燃焼最高温度は低下し、窒素酸化物の放出も相応に低下する。排気ガス再循環については一般に全排気ガス量の１５％までが利用され、これは排気管路のいずれかの個所で取り出される。

特許文献３からは内燃機関（ディーゼル機関）での排気ガス再循環率の検出および制御を行う方法が公知である。ここでは排気ガス再循環回路内の調整素子が制御回路によりキャリブレーションされ、排気ガス量の正確な制御が維持される。排気ガスは機関の吸入ゾーンへ戻される。制御装置には排気ガス温度が供給され、所定の時間で機関の負荷信号となる。制御装置の比較信号は機関の吸気領域での効果的な温度測定のための装置によって求められた排気ガス再循環率のその時点での値であるか、または吸気量を測定する装置によって所定の時点で求められた所定の温度差である。

ここでの問題は、環境負荷を小さくするのに最適な動作点の設定が簡単には行えないことである。
ドイツ連邦共和国特許第４２１１８５１号 ドイツ連邦共和国特許出願公開第２２３５５６８号 米国特許４４６２３７６号

本発明の課題は、求められた車両の内燃機関のパラメータから環境負荷を低減し効率を高める点で機関の駆動を最適化し、パラメータを簡単に求められるようにする、車両の内燃機関の吸気領域への部分的な排気ガス再循環方法および車両の内燃機関の排気領域から吸気領域への排気ガス再循環装置を提供することである。

この課題は、流量センサが少なくとも１つの測定抵抗および少なくとも１つの加熱抵抗を有するにより解決される。

本発明の方法の有利な実施形態では、機関から排出される排気ガスの燃焼生成物を冷却前に浄化する。さらに特に大きな機関（例えばトラック用の機関など）では排気ガスの冷却部が設けられる。これは有利には７０℃〜３００℃の範囲の温度まで行われる。

制御信号Ｙ，Ｙ１を用いて少なくとも１つの排気ガス再循環部内の調整素子が駆動される。この調整素子は有利には制御可能なバルブとして構成されている。

本発明の方法の有利な実施形態では、目標値を表す信号Ｗを出力設定信号（例えばアクセルペダルからの信号）および機関の少なくとも１つのパラメータから導出する。パラメータとして排気ガス温度または回転数または流入空気量から形成された少なくとも１つの信号が設けられている。この場合機関パラメータとしての少なくとも１つの信号と基準信号とが差値形成により比較され、その際に所定の差値が上方超過されると制御信号Ｙ，Ｙ１，Ｙ２が形成される。

制御信号Ｙ，Ｙ１が有利には制御可能なバルブを介して排気ガス再循環部に直接に作用している間、制御信号Ｙ２は内燃機関の吸入領域に存在する調整素子に作用し、これにより内燃機関内に流入空気と部分的に再循環される排気ガスとから成る混合気が流入する。

有利には制御信号Ｙ２は内燃機関の吸入領域のコンプレッサに作用する。その際に制御信号Ｙ２を用いてコンプレッサ羽根角度の調整が"可変のコンプレッサ羽根ジオメトリ方式"にしたがって行われる。

また制御信号Ｙ２をバルブ配置に作用させることもできる。

有利にはこれらの信号はＡ／Ｄ変換器を介してディジタル信号へ変換されて記憶され、続いて記憶された値とディジタルの基準値との比較が行われる。

本発明の方法の有利な実施形態では、流量センサにおいて一定の温度に維持された少なくとも２つのヒータ抵抗に順次に排気ガスの流量測定のための電流が流れる。ここでヒータ抵抗にはそれぞれ変動する電流Ｉ₁，Ｉ₂が流れ、この電流Ｉ₁，Ｉ₂の強度から流量と方向とを表す信号が形成される。

さらに本発明の方法の有利な実施形態では、少なくとも１つのパルス電流Ｉ₁，Ｉ₂から、電流振幅と＋１，−１とを交互に乗算し、続いて差値形成することによって質量流の合成値を求める。

本発明の装置の具体的かつ有利な実施形態では、排出領域と別の流量センサとの間の排気ガス再循環のための還流管路に排気ガス冷却装置が配置されている。

本発明の装置の第１の有利な実施形態では、流量センサは迅速な応答時間を有する少なくとも１つの温度依存性の測定抵抗を備えている。有利には測定抵抗は測定技術に基づいた白金ないし白金族金属の厚膜素子または薄膜素子として構成されている。

本発明の装置の第１の実施形態では、流量センサは少なくとも１つの測定抵抗と少なくとも１つのヒータ抵抗とを有する。その場合に抵抗はそれぞれマイクロシステム技術により構成されている。

１つまたは複数のヒータ抵抗は３５０℃〜７５０℃の温度範囲での駆動に対して設けられている。

短い応答時間の測定抵抗および迅速なマイクロヒータを備えた流量センサは例えば欧州特許出願公開第０９６４２３０号明細書から公知である。

本発明の第２の有利な実施形態では、流量センサは少なくとも２つの迅速なマイクロヒータないしヒータ抵抗を有しており、これらの抵抗は所定かつ固定の過温度ないし高温度、例えば４５０℃〜５５０℃で駆動される。この温度は発生するカーボンブラックが熱分解によりつねに燃焼し、したがってマイクロヒータはつねにクリーンに保たれる。迅速な制御電子回路は電流をヒータへ供給し、その温度を一定に保持する。熱電流の評価により流量および流体温度が一義的に結論される。白金ヒータ素子を使用することにより、良好に定められた白金の抵抗温度特性曲線を利用してヒータ温度を３５０℃〜７５０℃に調整することができる。この白金ヒータ素子は薄膜技術で製造しても厚膜技術で製造してもよい。

第２の実施形態（２つのヒータ抵抗を設ける実施形態）の更なる利点は、ヒータ抵抗に実質的にカーボンブラックが発生せず、この抵抗がつねに最適な測定特性で駆動されるということである。

ヒータ抵抗ないし測定抵抗は有利には少なくとも２つの導体路としてプレート状のメンブレイン上に構成されており、このメンブレインは電気的に絶縁性かつ熱耐性を有する材料（例えばセラミクス）から成る。

本発明の対象を以下に図１ａ〜図３ｃに即して詳細に説明する。

図１ａには概略的に排気ガス再循環部を備えた内燃機関用制御装置が示されている。図１ｂには燃焼生成物の成分Ｖの関数が排気ガス再循環率Ｒに依存してｇ／ｋｍで示されている。図１ｃには（例えば５月４日〜５日に行われた第１６回ウィーン機関シンポジウムで議論された）最適化プロセスを良好に理解するために、炭化水素ＨＣ、粒子状物質、窒素酸化物ＮＯｘなどの生成量の相対変化分が排気ガス再循環率に依存して示されている。図２には概略的に２つの制御量に対する制御回路の構造が示されている。図３ａには排気ガス再循環部に対する流量センサが長手方向断面図で示されている。図３ｂには本来の流量センサが示されている。図３ｃには本来の測定素子を備えた排気ガス再循環部の還流管路が部分的に拡大されて示されている。

図１ａによれば、内燃機関１は流入空気および再循環空気用のチャージャの設けられた吸入領域を有している。さらに機関の排気側には排出領域４が設けられており、ここから排気ガスの一部が排気ガス再循環部の還流管路６へ供給される。還流管路には制御可能なバルブ５、付加的な排気ガス冷却装置、および排気ガス流量センサ１０が設けられている。流量センサ１０は再循環される排気ガスの量を測定する。制御可能なバルブ５は排気ガスの分圧を制御するために用いられ、これにより流入する新気と部分的に再循環される排気ガス量との間の特異的な量比が調整される。制御可能なバルブ５は制御回路１５からの制御信号Ｙにより駆動される。排気ガス再循環部の還流管路６は機関１の吸気領域２の新気導入部１３の流入口１３へ終端しており、この流入口は混合気室として構成されている。ここで流入する新気を測定するために同様に流量センサ１４が設けられている。

機関１の排気領域４で還流管路６へ向かって再循環部へ分岐する排気ガスの一部は、順次にバルブ５、（付加的な）冷却装置８、および流量センサ１０を通って流れる。再循環される排気ガスは、流量センサ１４を通過した後、流入口１２で新気導入部１３の流入空気へ加えられる。

流入空気と排気ガスとから成る混合気はコンプレッサ３０を備えたチャージ装置へ供給される。このチャージ装置は有利には排気ガスターボチャージャとして構成されているが、排出領域４の所属の駆動タービンは簡単化のためここでは示されていない。

再循環部に入らない排気ガスの一部は管路２５を介して（場合により浄化装置を介して）車外へ達する。その際に排気ガスの平均温度は約４００℃〜７００℃である。

さらに排気ガスの排出領域４の範囲には排気ガス温度を測定する温度センサ１６が設けられている。ここにシンボリックに示されている制御回路１５は線路２１を介して排気ガス温度に相応する信号Ｘ１を受け取り、また線路２３を介して流量センサ１４によって測定された流入新気量に相応する信号Ｚを受け取る。なぜなら流入新気量は通常は調整することができず、制御技術により制御量に使用されるシンボルＺによって表される。

さらに制御回路には線路２４を介して排気ガス温度を表す信号Ｘを制御するための目標値Ｗが供給される。制御回路１５から出力される制御信号を用いて、流量センサ１４を介して新たに流れ込む空気量と流量センサ１０を介して案内される排気ガスの再循環分流との特異的な比を調整することができる。流量センサの特別の実施例では排気ガス再循環温度信号もともに送出される。従来の温度センサ１６を用いた排気ガス温度測定部を省略し、数学的なモデル形成をセンサなしに使用することができる。

図１ｂには概略的に排出された有害粒子状物質と窒素酸化物との和Ｖがｇ／ｋｍで示されており、ここで関数は再循環率Ｒに依存している。図１ｂからわかるように、曲線Ｎの窒素酸化物の量は再循環率が増大するにつれて低下し、曲線Ｐで示された排出される有害粒子状物質は増大する。グラフのポイントＡ１で示されている領域で粒子状物質の曲線Ｐと窒素酸化物の曲線Ｎとが最適値として交差しており、これにより欧州規格ＩＶが満足される。

図１ｂのグラフにしたがって図１ａの制御回路１５を用いて制御信号Ｙが形成される。曲線Ｐの粒子状物質の最小生成量も曲線Ｎの窒素酸化物の最小生成量もこのグラフによって調整される。図中には燃料生成物量Ｖ１が排気ガス再循環率Ｒに関してｇ／ｋｍで示されている。最適な動作点Ａ１は曲線Ｐ、Ｎの交点、すなわち座標値Ｒ１、Ｖ１に位置する。

図１ａに示されている制御は簡単化された実施例の制御であり、排気ガス温度のみが制御量ないし実測値を表す信号Ｘとして制御回路へ供給される。そこでこの量ないし信号は目標値としての出力設定値（例えば車両のアクセルペダル位置）を表す信号Ｗと比較され、制御偏差がある場合には制御信号Ｙにより制御可能なバルブ５が制御される。これにより排気ガスが還流管路６を介して排気ガス再循環部へ還流される。これはつねに目標値を表す信号Ｗによる出力設定が維持される程度だけ行われる。

また制御回路１５をいわゆる２値制御回路として使用し、例えば排気ガス温度を線路２１を介して信号Ｘ１として制御回路へ供給し、内燃機関の回転数ｎを線路２２を介して信号Ｘ２として制御回路へ供給することができる。ここで２つの量Ｘ１、Ｘ２は後述の図２によれば相互に結合することができる。

図１ｃからわかるように、グラフ中"Ｈ"と示されている排気ガス中の炭化水素ＨＣは排気ガス再循環率Ｒ１５％〜２０％の領域で"相対変化分"ＲＡの約１００％〜１２５％の領域から上昇し、"Ｐ"と示されている排気ガス粒子状物質は排気ガス再循環率が３０％を越えてから上昇しはじめる。排気ガス中に存在する窒素酸化物ＮＯｘは"Ｎ"と示されて曲線で表されているが、これは逆に出力値ＲＡ１００％のとき排気ガス再循環率０％であり、約１０％の排気ガス再循環率で約５０％の領域の窒素酸化物値まで低下する。ここで排気ガス再循環率４０％のときのＮＯｘ値は約２０％の窒素酸化物値へさらに低下する。

図１ｃのグラフからわかるように、排気ガスの種々のパラメータの最適化は排気ガス再循環率に対して約１５％〜２０％の領域で可能となる。

許容総重量３．５ｔ以上の有用車両での排気ガスに対して設けられている欧州規格ＩＶの排気ガスの最高値は次の表から得られる。

許容総重量≧３．５ｔの有用車両に対して：
従来の規格 欧州ＩＶ規格
ＣＯ ４．０ｇ／ｋＷ／ｈ ４．０ｇ／ｋＷ／ｈ
ＨＣ １．１ｇ／ｋＷ／ｈ ０ｇ／ｋＷ／ｈ
ＮＯｘ ７．０ｇ／ｋＷ／ｈ ２．０ｇ／ｋＷ／ｈ
ＰＭ ０．１５ｇ／ｋＷ／ｈ ０．０８ｇ／ｋＷ／ｈ

図２によれば２値制御手段が設けられており、図１ａと同様に、排気ガス温度が制御量Ｘ１として線路２１を介して制御回路１５へ供給され、さらに回転数ｎが制御量Ｘ２として線路２２を介して同様に制御回路１５へ供給される。第１の制御量Ｙ１により排気ガス再循環部ないし還流管路６内の制御可能なバルブ５が制御され、制御回路１５の制御信号Ｙ２により吸入領域のコンプレッサ３０のコンプレッサ羽根の動作角がオフセットされる。これにより粒子状物質の生成量と窒素酸化物の生成量との最適な妥協点が図１ｂの動作点Ａ１として維持される。制御信号Ｙ２は線路３１を介してコンプレッサ３０へ供給される。この場合、制御信号Ｙ１によって再循環される排気ガス量も流入する排気ガス空気混合気の圧縮量も可能なかぎり正確に制御することができ、図１ｂの最適な動作点を設定することができる。

図３ａには長手方向断面図で流量センサ１０が示されている。ここでは付加的な電気的結合部材が長手方向断面図で示されたセンサケーシングの上方に見てとれる。流入領域には番号２６が付されており、流出領域には番号２８が付されている。

図３ｂには流量センサ１０が長手方向断面図で拡大されて示されている。ここでは流入領域２６に素子２７が示されており、流出領域２８にヒータ素子２９が示されている。このような流量センサの機能は例えばドイツ連邦共和国特許出願第４４０６３３１．８号明細書から公知である。

図３ｃでは還流管路６のセクションに配置された２ヒータ形式または多ヒータ形式の流量センサ１０が示されている。この図では２つのヒータ素子２９ａ、２９ｂがマイクロヒータとして示されている。所属の制御回路は部分的に示された機関制御電子装置の一部として構成されており、ここでは番号１５が付されている。

排気ガス再循環部を備えた内燃機関用制御装置の概略図である。 排気ガス再循環部を備えた内燃機関用制御装置の概略図である。 炭化水素ＨＣ、粒子状物質、窒素酸化物ＮＯｘなどの生成量の相対変化分のグラフである。 ２つの制御量に対する制御回路の構造の概略図である。 排気ガス再循環部に対する流量センサの長手方向断面図である。 本来の流量センサを示す図である。 測定素子を備えた排気ガス再循環部の還流管路の部分拡大図である。

Claims (23)

1. 制御部により調整可能な排気ガスおよび流入空気から成る混合気を機関に供給し、
   空気流量に依存する燃料量を出力設定信号を考慮して供給し、
   機関（１）から排出される排気ガスを、還流管路（６）内の流量センサ（１０）に供給し、
   再循環される排気ガスから実測値を表す信号（Ｘ，Ｘ１，Ｘ２）を形成して最適な機関動作点に対する目標値を表す信号（Ｗ）と比較し、
   実測値を表す信号の制御偏差を制御信号とし、調整回路（５）を介して排気ガス再循環部へ介入する、車両の内燃機関の吸気領域への部分的な排気ガス再循環方法において、
   流量センサ（１０）が少なくとも１つの測定抵抗および少なくとも１つの加熱抵抗を有することを特徴とする、車両の内燃機関の吸気領域への部分的な排気ガス再循環方法。
2. 機関（１）から排出される排気ガスの燃焼生成物を浄化する、請求項１記載の方法。
3. 機関（１）から排出される排気ガスを冷却する、請求項１記載の方法。
4. 排気ガスを流量センサ（１０）へ流入させる前に７０℃〜３００℃の範囲の温度まで冷却する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 制御信号（Ｙ，Ｙ１）を用いて少なくとも１つのバルブ（５）を排気ガス再循環部の還流管路（６）内の調整素子として駆動する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 目標値を表す信号（Ｗ）を出力設定信号および機関（１）の少なくとも１つのパラメータから導出する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. パラメータとして少なくとも１つの信号を回転数、排気ガス温度、および流入する新気量から形成する、請求項６記載の方法。
8. 機関パラメータとしての少なくとも１つの信号を差値形成により基準信号と比較し、所定の差値が上方超過された場合に制御信号（Ｙ，Ｙ１，Ｙ２）を出力する、請求項７記載の方法。
9. 信号をＡ／Ｄ変換器を介してディジタル信号へ変換して記憶し、続いて記憶された値をディジタルの基準値を用いて比較する、請求項６から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 流量センサ（１０）では一定の温度に維持された少なくとも２つのヒータ抵抗に順次に流量測定のために電流が流れる、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 少なくとも２つのヒータ抵抗にそれぞれ変動する電流（Ｉ₁，Ｉ₂）が流れ、該電流（Ｉ₁，Ｉ₂）の強度から流量とその方向とを表す信号を形成する、請求項１０記載の方法。
12. 少なくとも１つのパルス電流（Ｉ₁，Ｉ₂）から、交互に電流振幅と＋１，−１とを乗算し、続いて差値を形成することにより質量流の合成値を求める、請求項１１記載の方法。
13. 制御部により調整可能な排気ガスおよび流入空気から成る混合気を機関に供給し、
    空気流量に依存する燃料量を出力設定信号を考慮して調整し
    排出領域（４）が排気ガス再循環のための環流管路（６）を介して内燃機関の（１）の吸入領域（２）へ接続されており、
    環流管路（６）が調整素子として制御可能なバルブ（５）および流量センサ（１０）を有する、車両の内燃機関の吸気領域への排気ガス再循環装置において、
    流量センサが少なくとも１つの測定抵抗および少なくとも１つの加熱抵抗を有することを特徴とする、車両の内燃機関の吸気領域への排気ガス再循環装置。
14. 排出領域（４）と流量センサ（１０）との間に排気ガス冷却装置（８）が配置されている、請求項１３記載の装置。
15. 流量センサ（１０）は迅速な応答時間を有する少なくとも１つの温度依存性の測定抵抗を備えている、請求項１３または１４記載の装置。
16. 測定抵抗は白金薄膜素子または白金厚膜素子として構成されている、請求項１５記載の装置。
17. 流量センサ（１０）は少なくとも２つのヒータ抵抗および／または少なくとも１つのヒータ抵抗を備えた測定抵抗を有しており、該抵抗はそれぞれマイクロシステム技術で構成されている、請求項１３から１６までのいずれか１項記載の装置。
18. 温度範囲３５０℃〜７５０℃で駆動されるヒータ抵抗が設けられている、請求項１７記載の装置。
19. 流れ方向を検出するために少なくとも３つのヒータ抵抗が設けられている、請求項１３から１８までのいずれか１項記載の装置。
20. ヒータ抵抗および／または測定抵抗の少なくとも２つの抵抗路がそれぞれプレート状のメンブレイン上に構成されている、請求項１３記載の装置。
21. 少なくとも２つのヒータ抵抗は所定の間隔で流れ方向に沿って流量センサ内に配置されている、請求項１０から１６までのいずれか１項記載の装置。
22. ヒータ抵抗を通って流れるそれぞれの交流電流はパルス流信号として差値形成のための比較器へ供給される、請求項１７記載の装置。
23. 前記比較器は強度および流量の合成方向に関する信号を出力する増幅器に接続されている、請求項１８記載の装置。

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