JP2012524857A - 内燃機関のための排ガス再循環システム - Google Patents

Abstract

排ガス通路（４）と、吸気通路（１２）と、排ガス通路（４）から分岐し、吸気通路（１２）に開口する排ガス再循環通路（１０）とを備える内燃機関のための排ガス再循環システムは公知である。この種の排ガス再循環システムの制御は、排ガス再循環通路内に存在する排ガス脈動が排ガス量の不正確な測定を生じるために、困難である。それゆえ、排ガス再循環通路（１０）に排ガス質量流量センサ（２４）を流動安定化部材の下流において配置することを提案する。これにより、再循環される排ガス量の高信頼性の測定を保証することができる。

Description

本発明は、排ガス通路と、吸気通路と、排ガス通路から分岐し、吸気通路に開口する排ガス再循環通路とを備える内燃機関のための排ガス再循環システムに関する。

この種のシステムは公知である。排ガスの再循環は、公知の形式で有害物質の排出を低減するために用いられる。排ガス再循環通路に排ガス再循環弁及び排ガス冷却器を配置することも一般的である。排ガス冷却器により、再循環される排ガスの温度は、暖機運転期間後低下可能である。このことは、燃焼プロセスにおいて発生する有害物質の付加的な減少を生じる。

さらに、現代の内燃機関は、多くは、２つの排ガス再循環ラインを有するターボ過給式のエンジンである。第１のラインは、内燃機関の高圧領域に配置されており、第２のラインは、内燃機関の低圧領域に配置されている。こうして、再循環される排ガス質量流量の増加が、温度制御と同時に可能である。高圧ラインには、やはり一般に、排ガス再循環弁及び排ガス冷却器が存在する。排ガス冷却器は、場合によってはバイパスを介して迂回可能である。

排ガスラインに酸化触媒を配置することも公知である。酸化触媒は、未燃の排ガス成分、特にＣＯ及びＨＣの反応のために用いられる。酸化触媒は、酸化触媒コーティングが施された金属製又はセラミック製のハニカム体からなる。このような触媒は、温度依存性である。すなわち、排ガス温度が過度に低いとき、触媒の効率は低下する。このような触媒の配置は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０２４９８４号明細書において公知である。

高圧排ガス再循環ラインに設けられた排ガス再循環弁及び排ガス冷却器の汚損を軽減するために、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０４９３０９号明細書及びドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０４２４５４号明細書において、酸化触媒を高圧排ガス再循環通路に設けられた排ガス再循環弁あるいは排ガス冷却器の上流に配置することが提案されている。

しかし、これらの刊行物は、高圧排ガス再循環通路中の排ガス量を如何に測定あるいは制御し得るかについて何らかの示唆を提供するものではない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８３８７０３号明細書において、触媒の均等な貫流を達成するために、流動案内体を触媒の上流に配置することも公知である。

内燃機関への空気及び再循環される排ガスの可及的正確な調量を実現するために、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００６０３８８６３号明細書において、吸気通路の、低圧排ガス再循環通路の開口部の上流に、第１の空気質量測定器を配置し、吸気通路の、低圧排ガス再循環通路の開口部の下流かつ低圧排ガス再循環通路の開口部の上流に、第２の空気質量測定器を配置することが提案されている。これらの両センサにより、排ガス再循環通路内の排ガス流が推定かつ制御されるべきである。このために、付加的に、吸気負圧センサ、高圧排ガス再循環通路の開口部上流の圧力センサ、排ガスマニホールド圧力センサ、低圧排ガス再循環通路内の圧力センサ、吸気管路内の給気温度センサが使用される。種々異なる測定を介して、低圧排ガス再循環流を算出する微分方程式が生じる。この結果は、測定される空気量を介して微分形成により高圧回路内の排ガス流を特定するためにも利用される。

この種の制御は、極めて手間がかかり、かつ高い装置コストを必要とする。付加的に、起こり得る測定エラーの影響下にあり、測定エラーの増幅を前提としなければならない種々異なる値から初めて算出されなければならないので、不正確な測定結果、特に高圧排ガス再循環通路内の排ガス質量流量に関する不正確な測定結果が生じる。

それゆえ、本発明の課題は、排ガス質量流量の可及的正確な測定を可能にし、ひいては内燃機関の制御可能性を改善する排ガス再循環システムを提供することである。

上記課題は、排ガス再循環通路に排ガス質量流量センサが流動安定化部材の下流において配置されていることにより解決される。排ガス質量流量センサは、高圧排ガス再循環通路内の排ガス質量流量を直接測定することを可能にする。流動安定化部材下流の配置は、排ガス質量流量センサの均等な流過を達成する。排ガス再循環通路内には、一般に、測定結果の誤謬をもたらす高い排ガス脈動及び強い不均質な流動分布が存在するので、排ガス質量流量センサの均等な流過は通常であれば生じない。この構成により、正確な排ガス量の測定が可能となり、同時に内燃機関の制御を改善する。

有利には、排ガス質量流量センサは、排ガス再循環通路に設けられた排ガス冷却器及び排ガス再循環弁の上流に配置されている。この配置は、存在する高い温度により、排ガス質量流量センサにおける凝縮液形成が大幅に回避可能であるという利点を有している。付加的に、高い温度に基づいて、カーボン形成はより少なくなる。この構成は、これにより、達成可能な測定結果をさらに改善する。

有利には、流動安定化部材は触媒である。その結果、付加的な装置コストは不要である。触媒は、一般に、コーティングされたプレートからなり、排ガス流の流動安定化を結果として伴い、その結果、この機能を自動的に充足する。

有利な形態では、触媒は酸化触媒である。酸化触媒は、一般に白金でコーティングされたハニカム体からなる。ハニカム体の貫流は、流出する排ガス流の高い均等性かつ均質性を結果として伴う。付加的に、酸化触媒により、後続の領域におけるカーボン形成が回避される。その結果、やはり、排ガス質量流量センサの測定精度が向上する。

本発明の有利な形態では、排ガス再循環通路は、ターボチャージャのタービンの上流で排ガス通路から分岐し、ターボチャージャのコンプレッサの下流で吸気通路に開口する高圧排ガス再循環通路である。まさに内燃機関の高圧領域において、本発明に係る配置は、再循環が本発明では場合によっては存在するディーゼルパティキュレートフィルタの上流において燃焼室近傍に配置されており、この領域には高い温度及び脈動が存在し、一般に、清浄化された排ガスが存在しないために、特に有利である。

有利には、排ガス質量流量センサは、ホットフィルム式測風法の原理にしたがって作動する。ホットフィルム式測風法は、既にエアマスセンサにおいて、最も高信頼性かつ最も正確なシステムとして実現されている。この種のセンサは、例えば本件出願人のドイツ連邦共和国特許第１０２００５０６１５３３号明細書に記載されている。この種のセンサは、カーボン及び排ガス中のその他の汚れに対してそれ程敏感ではない。敏感でないのは、これらの汚れを燃焼除去可能であるからである。

これにより、排ガス再循環通路内、特に高圧排ガス再循環通路内の排ガス質量流量を流動脈動及び流動不均質性の回避により高い精度で測定可能であり、その結果、排ガス再循環率及び内燃機関の燃焼プロセスのより正確な制御も達成可能な排ガス再循環システムが提供される。

本発明に係る排ガス再循環システムの一実施の形態を図面に、ターボ過給式の内燃機関を例にとって概略的に示し、以下に説明する。

本発明に係る排ガス再循環システムの一実施の形態を示す図である。

本発明に係る排ガス再循環システムは、エンジンブロック２を有している。エンジンブロック２において、公知の形式で、供給された排ガスを含む燃料及び空気からなる混合気の燃焼が行われる。エンジンブロック２から排ガス通路４が、まず排ガスマニホールドの形態でターボチャージャ８のタービン６に通じており、タービン６からさらに、図示しない排ガス出口に通じている。流動方向で見て排ガス出口の手前には、排ガスフラップと、低圧排ガス再循環通路の分岐とが設けられていてもよい。低圧排ガス再循環通路には、他方、排ガス再循環弁が配置されている。

タービン６の上流で高圧排ガス再循環通路１０が排ガス通路４から分岐している。高圧排ガス再循環通路１０は、内燃機関の吸気通路１２に開口している。吸気通路１２には、高圧排ガス再循環通路１０の開口部の上流に、ターボチャージャ８のコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４の下流に接続された給気冷却器１６とが配置されている。場合によっては存在する低圧排ガス再循環通路は、コンプレッサ１４の上流で吸気通路１２に開口するので、給気冷却器１６には、既に排ガスと空気の混合物が供給される場合がある。給気冷却器１６は、吸い込まれた空気の温度を下げ、燃焼プロセスを改善するのに役立つ。

高圧排ガス再循環通路１０には、排ガス冷却器１８と、排ガス冷却器１８の下流に接続された排ガス再循環弁２０とが配置されている。排ガス再循環弁２０は、流動方向で見て排ガス冷却器１８の上流に配置されてもよい。排ガス冷却器１８及び排ガス再循環弁２０の上流には、酸化触媒２２が高圧排ガス再循環通路１０に設けられている。酸化触媒２２は、一般に、大抵の場合ハニカム体を形成する、白金等の貴金属によりコーティングされた複数のガス案内板からなる。

酸化触媒２２と排ガス冷却器１８との間には、本発明により、排ガス質量流量センサ２４が配置されている。排ガス質量流量センサ２４を介して、高圧排ガス再循環通路１０を通流する排ガス質量が測定される。この結果は、信号として、図示しないエンジン制御ユニットに伝送可能であり、排ガス再循環弁２０の調節及びその他のエンジン制御手段の調節のために利用可能である。

エンジンブロック２から燃焼後に排ガス通路４に排出された排ガスは、排ガス再循環弁２０の開度に応じて、一部は、引き続き排ガス通路４を通してタービン６方向に流動し、一部は、高圧排ガス再循環通路１０方向に流動する。高圧排ガス再循環通路１０において、排ガス流はまず酸化触媒に到達する。酸化触媒において、排ガスは酸化触媒の触媒コーティングと接触する。これにより、とりわけ、排ガス中の炭化水素の酸化が行われる。その結果、二酸化炭素及び水が発生する。付加的に、酸化触媒２２は、ガス案内板の配置が排ガス流中に存在する不均質性及び燃焼室からの脈動性の吐出による脈動を安定化あるいは平均化するので、流動安定化部材（Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｓｂｅｒｕｈｉｇｕｎｇｓｅｌｅｍｅｎｔ）として機能する。このことは、酸化触媒２２の下流に均等な排ガス流が存在することを意味している。

この排ガス流は、次に、排ガス質量流量センサ２４に到達する。排ガス質量流量センサ２４は、ホットフィルム式測風法（Ｈｅｉｓｓｆｉｌｍａｎｅｍｏｍｅｔｒｉｅ）の原理にしたがって作動する。このことは、センサのヒータ抵抗が加熱され、対流によって、このヒータ抵抗により発生された熱が、流動する媒体に放熱されることを意味している。ヒータ抵抗の結果として生じる温度変化又はヒータ抵抗温度を維持するための付加的な電力消費は、存在する質量流量の尺度である。このセンサは、公知の形式で極めて高信頼性に作動する。表面の堆積物だけは回避することが望ましいので、排気系での使用時、一般に、堆積物を燃焼除去させるための付加的な発熱線材が設けられる。均等な排ガス流により、この排ガス質量流量センサ２４によって、極めて正確な測定値が入手可能である。付加的に、排ガス質量流量センサの表面におけるカーボン形成は、酸化触媒の下流に配置したことにより、排ガス質量流量センサ２４の表面に堆積する傾向を示す炭化水素の割合が減じられて、カーボンがあまり表面に堆積しないので、低減される。

排ガス質量流量センサ２４のこの配置の別の利点は、排ガス冷却器１８上流の位置である。これにより、排ガス中に存在する水及びその他の排ガス成分の凝縮が、高い温度に基づいて大幅に回避可能である。また、この領域におけるカーボン堆積も、高い排ガス温度に基づいて、排ガス冷却器１８下流と比較して明らかに少ない。これらの上述の理由から、排ガス質量流量センサの直接行われる測定は、極めて低い測定不正確性に拘束されているにすぎない。

排ガスは、排ガス質量流量センサ２４からさらに排ガス冷却器１８に流動する。排ガス冷却器１８の低温の内壁には、通常であればカーボン堆積が多く形成されるが、このカーボン堆積は、壁における炭化水素凝縮液の形成を明らかに低減する上流に接続された酸化触媒によって低減される。排ガス冷却器１８において排ガスは冷却される。その結果、吸気通路１２、ひいては内燃機関には、明らかにより低温の排ガスと空気の混合物流が提供される。これにより、燃焼を改善し、有害物質を低減することができる。

排ガス冷却器１８の下流には、排ガス再循環弁２０が配置されている。排ガス再循環弁２０を介して、高圧排ガス再循環通路１０を介して再循環される排ガス量が制御可能である。排ガス再循環弁２０を介した排ガス量の制御は、例えば、エンジン制御装置内に存在するエンジンデータに基づいて、特性マップに対応して格納された量と、排ガス質量流量センサにより測定された排ガス量との比較を介して実施可能である。その結果、排ガス質量流量センサ２４は、排ガス再循環弁２０の位置に直接的な影響を有している。

これにより、エンジン制御を改善するための、高圧ラインを再循環される排ガス質量流量の正確な測定が保証される。

なお、本願の権利範囲が上述の実施の形態に限定されるものではないことは自明である。酸化触媒の代わりに、他の流動安定化部材が設けられてもよい。この場合、酸化触媒下流の配置は、付加的な利点を有している。本発明に係る排ガス再循環システムは、他のエンジンのためにも使用可能である。

Claims (6)

1. 排ガス通路（４）と、吸気通路（１２）と、前記排ガス通路（４）から分岐し、前記吸気通路（１２）に開口する排ガス再循環通路（１０）とを備える内燃機関のための排ガス再循環システムにおいて、
   前記排ガス再循環通路（１０）に排ガス質量流量センサ（２４）が流動安定化部材の下流において配置されていることを特徴とする、内燃機関のための排ガス再循環システム。
2. 前記排ガス質量流量センサ（２４）は、前記排ガス再循環通路（１０）に設けられた排ガス冷却器（１８）及び排ガス再循環弁（２０）の上流に配置されている、請求項１記載の内燃機関のための排ガス再循環システム。
3. 前記流動安定化部材は、前記排ガス再循環通路（１０）に配置されている触媒である、請求項１又は２記載の内燃機関のための排ガス再循環システム。
4. 前記触媒は酸化触媒（２２）である、請求項１から３までのいずれか１項記載の内燃機関のための排ガス再循環システム。
5. 前記排ガス再循環通路（１０）は、ターボチャージャ（８）のタービン（６）の上流で前記排ガス通路（４）から分岐し、前記ターボチャージャ（８）のコンプレッサ（１４）の下流で前記吸気通路（１２）に開口する高圧排ガス再循環通路である、請求項１から４までのいずれか１項記載の内燃機関のための排ガス再循環システム。
6. 前記排ガス質量流量センサ（２４）は、ホットフィルム式測風法の原理にしたがって作動する、請求項１から５までのいずれか１項記載の内燃機関のための排ガス再循環システム。

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