JP3513964B2 - ディーゼルエンジンの排気ガス低減装置 - Google Patents

ディーゼルエンジンの排気ガス低減装置

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明はディーゼルエンジンの排
気ガス中に含まれるNOX の低減効果のバラツキを防止
するEGRシステムを備えたディーゼルエンジンの排気
ガス低減装置に関するものである。 【0002】 【従来の技術】ディーゼルエンジンのNOX 低減対策と
して、EGRが有効な手段として知られており、排気管
から吸気管又は吸気マニホールドに排気ガスの一部を還
流するように構成しているのが一般的であった。しか
し、EGRによる燃焼速度の低下の影響を受けて、スモ
ークが悪化する傾向があることから、スモークの悪化を
最小限にとどめるべく、EGRガスを直接筒内に噴射す
ることにより、少量のEGRガスでNOX 低減を有効に
行う方法が提案されている。 【0003】その直接筒内にEGRガスを供給するシス
テムの概略を図6に示す。ディーゼルエンジン1の排気
ガスの大半は排気マニホールド2及び排気管3を通っ
て、マフラー4で消音された後、排出されるようになっ
ているが、排気ガスの一部は、排気管3の途中に接続さ
れたEGR管5を通って、ガス加圧装置(エアコンプレ
ッサ)6に供給され、ここで圧縮行程の最大筒内圧より
も高圧に加圧して、加圧ガス貯蔵タンク7に供給し、ガ
ス噴射弁8の開弁期間をコントロールすることにより、
加圧ガス貯蔵タンク7から筒内に供給されるEGRガス
の噴射量をコントロールするようにしている。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したE
GRシステムの配管系の容積は、ガス加圧装置6の内部
容積、加圧ガス貯蔵タンク7の容積、及び、排気管3か
ら分岐する部分を起点としてガス噴射弁8までの間に延
設されるEGR管5の容積を合計したものであり、特
に、噴射するEGRガスの圧力を安定させるために、加
圧ガス貯蔵タンク7の容積は、ある程度の余裕を見込ん
で大きめに設定する必要がある。 【0005】一方で、EGRシステムの配管系の合計容
積に対する、1回の噴射に必要とされるEGRガスの量
は極めて少ないため、EGRガスが排気管3から採取さ
れてから筒内に噴射されるまでに、EGRシステムの配
管系に滞留される時間が長くなる。即ち、上述のガス噴
射弁8による1回当たりのEGRガス噴射量をVE (c
c)とし、EGRシステム全体の配管容積をVS (cc)
とすると、VE はVS に較べてかなり小さく、システム
配管内にはVS /VE 回噴射できる分だけの採取ガスが
存在することになる。 【0006】その結果、ガス噴射弁8による噴射時間の
間隔をT(秒)とすると、筒内に噴射されるEGRガス
中には、現在からT・VS /VE (秒)以前までのガス
が混在することになり、タイムラグが生じる。更に、E
GRガス中のO2 濃度やCO 2 濃度は、エンジンの運転
状況により刻々と変化し、同一量のEGRガスを噴射し
ても、NOX 低減効果に大きな差が出るので、NOX
減効果が十分に得られないという問題があった。このよ
うな時間的なズレによる制御誤差は、特にエンジンの運
転状態の変動が大きい場合に顕著となるので、以前から
改善が要望されていた。 【0007】本発明は以上の問題点に鑑みて、現在より
所定時間前までの運転状態の検出値から、噴射するEG
Rガス中のO2 濃度を予測し、その予測値により、筒内
に噴射する所定EGRガスの噴射量を補正する制御を行
い、常に最適なNOX 低減効果を得ることができるディ
ーゼルエンジンの排気ガス低減装置を提供することを目
的とするものである。 【0008】 【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明に係るディーゼルエンジンの排気ガス低減装置
は、EGRガスを圧縮行程における最大筒内圧よりも高
圧にする加圧装置と、加圧されたEGRガスを貯蔵する
タンクと、このタンク内のEGRガスを筒内に噴射する
噴射弁とを備えたディーゼルエンジンにおいて、エンジ
ン回転数及びエンジン負荷を検出するセンサと、エンジ
ン回転数及びエンジン負荷に対応する排気ガス中のO2
濃度及び前記噴射弁の開弁期間を決定するマップとを設
けると共に、検出されたエンジン回転数及びエンジン負
荷の経時的変化に基づいて算出されるO2 濃度の変化率
により開弁期間を補正して前記噴射弁を開閉制御するコ
ントローラを設けたものである。 【0009】本発明者らは、エンジンの運転状態、即ち
エンジン回転数とエンジン負荷に応じて、排気ガス中に
含まれるO2 及びCO2 の濃度が変動するという点、ま
た、排気ガス中のO2 及びCO2 の濃度により、NOX
低減効果にかなりの差が出るという点、の以上の2点に
着目して、O2 又はCO2 の濃度の変化により、EGR
ガスの噴射弁の開弁時間を制御することを創案したので
ある。また、O2 濃度による制御とCO2 濃度による制
御を較べた場合、前者の方がより適切な制御を行えると
いうことも実験にて確認された。 【0010】開弁時間を補正する際には、EGRシステ
ムの配管系の合計容積VS と、1回の噴射に必要とされ
るEGRガスの量VE との比を勘案し、システム配管内
に残留しているEGRガスのO2 濃度と噴射量の関係が
適切になるように、噴射弁の開閉タイミングの補正を行
う。 【0011】 【作 用】本発明に係るディーゼルエンジンの排気ガス
低減装置は以上の構成を有しているため、前記センサに
よって検出されたエンジン回転数とエンジン負荷の検出
信号をコントローラに入力することにより、排気ガス中
に含まれるO2 濃度をマップから逐次読み出すことがで
き、更に、読み出されたO2 濃度の変化状況により、マ
ップから読み出された噴射期間を補正して、前記コント
ローラから出力される制御信号によって噴射弁を開閉制
御し、タンク内に貯蔵された高圧のEGRガスを筒内に
直接噴射することができる。 【0012】これにより、運転状況によって刻々と変化
するEGRガス中のO2 濃度を予測し、その予測値によ
って筒内に噴射するEGRガス量をコントロールするこ
とになり、EGRによるNOX 低減効果のバラツキを防
止して、常に最適なNOX 低減効果を得られる。 【0013】 【実施例】次に図面を参照して本発明の一実施例につき
説明する。図1は本実施例のEGRシステムの概略図で
あり、ディーゼルエンジン11のシリンダヘッドには排気
マニホールド12が取り付けられており、更に、この排気
マニホールド12には排気管13が接続されている。排気管
13の途中にはEGR管14の一端が接続されており、他端
は加圧ガス圧力制御弁15を介してガス加圧装置16に接続
されている。 【0014】また、このガス加圧装置16には高圧EGR
管17の一端が接続されており、他端は加圧ガス貯蔵タン
ク18に接続されている。更に、加圧ガス貯蔵タンク18に
はEGR分配管19の一端が接続され、その他端は各気筒
毎に設けられたガス噴射弁20に接続されており、これら
のガス噴射弁20から高圧のEGRガスを筒内に直接噴射
できるように構成されている。 【0015】このガス噴射弁20の配置は図2に示すよう
に、シリンダヘッド21に固定されて燃焼室22に臨むよう
に設けられており、また、図中には、EGR分配管19か
らの供給経路と、排気バルブ23により開閉される排気ポ
ート24への排出経路が示されており、この排出経路は排
気管13側と、EGR管14側に分岐されている。本実施例
では、燃料噴射ノズル25も燃焼室22に臨む直噴式となっ
ているが、副室式のディーゼルエンジンにも本発明を適
用することができる。 【0016】上述したガス噴射弁20の開弁期間は、コン
トローラ26により制御されるようになっている一方、こ
のコントローラ26には、エンジン回転数を検出する回転
センサ27からの検出信号NE と、エンジン負荷を検出す
る負荷センサ28からの検出信号VL と、前記加圧ガス貯
蔵タンク18に設けられた圧力センサ29からの検出信号P
T が入力されるようになっている。尚、負荷VL の検出
値は、アクセル開度センサ、燃料噴射ポンプ内のラック
位置検出センサなどにより検出できる値を使用する。 【0017】このコントローラ26からは、ガス噴射弁20
の開弁期間を制御する制御信号CTの他に、加圧ガス圧
力制御弁15を開閉して、加圧ガス貯蔵タンク18の内圧を
調整するための制御信号CP が出力されるようになって
いる。また、このコントローラ26に内蔵されているRO
Mには、図3及び図4に示すようなマップが記憶されて
いる。 【0018】図3のマップからは、検出されたエンジン
回転数(定格回転数に対する比)及びエンジン負荷
(率)に対応して排気ガス中のO2 濃度α(%)が読み
出せるようになっており、図4のマップからは、エンジ
ン回転数(定格回転数に対する比)及びエンジン負荷
(率)に対応して、ガス噴射弁20の最適な開弁時間、即
ちEGRガスの噴射期間T′(ms)が読み出せるように
なっている。 【0019】次に、本実施例のガス噴射弁20の開弁期間
を決定するためのフローチャートを図5に示す。まず、
エンジン11のスターターキーなどの起動手段に連動し
て、プログラムがスタートすると、ステップS1 におい
て、回転センサ27によりエンジン回転数を検出して検出
値NE を読み込む。次に、ステップS2 において負荷セ
ンサ28によりエンジン負荷を検出して検出値VL を読み
込む。 【0020】次のステップS3 では、所定の単位時間t
にN回サンプリングした検出値NE,VL に基づいて、
図3に示すマップから、排気ガス中に含まれるO2 の濃
度を逐次求め、α1 ,……,αN を読み出す。そして、
ステップS4 において、平均O2 濃度β1 =(α1 +α
2 +……+αN-1 +αN )/Nを算出する。次に、ステ
ップS5 において、α1 →α2 ,……,αN-1 →αN
いうように順次数値を置き換え、時間t/N経過後の平
均O2 濃度の近似値として、前記同様にβ2 =(α2
α3 +……+αN +αN )/Nを求める。 【0021】次のステップS6 では、O2 濃度の変化率
γ(=β2 /β1 )を求め、エンジン11の運転状態がど
のように変化しているのかを間接的に検出する。そし
て、この変化率γを、今後の運転状態の変化を予測する
ための補正係数とする。一方、ステップS7 では、エン
ジン回転数NE とエンジン負荷VL に基づき、図4に示
すマップから、NE ,VL の検出時点において最適なガ
ス噴射弁20の開弁時間、即ちEGRガスの噴射期間
1 ,……,tn を読み出す。 【0022】尚、EGRガス中のO2 濃度は高負荷では
低く、低負荷では高くなるため、同一量のEGRガスを
噴射した場合には、NOX 低減効果は高負荷では高く、
低負荷では低くなる。従って、低負荷ほど多量のEGR
ガスを噴射する必要があるため、ガス噴射期間T′も長
くなるように設定する。また、図4に示す運転領域Aは
NOX よりもスモークの排出が問題となる領域であり、
通常はEGRを実施しない。一方、運転領域Bは通常の
吸気管EGRを実施してもスモークの悪化がないため、
この運転領域Bの範囲内に限っては、本実施例における
EGRガス噴射装置の代わりに吸気管EGRで代用する
ことも可能である。 【0023】そして、次のステップS8 において、
E ,VL の検出時と、これらの検出値に基づくガス噴
射弁20の開弁時とのタイムラグを補正するために、前述
の予測データとして求められた変化率γを利用して、N
E ,VL を検出した瞬間のガス噴射弁20の開弁時間、即
ちEGRガスの噴射期間Tを、NE ,VL 検出時の直前
の瞬間における検出値により制御するため、T=γ・
T′として算出する。 【0024】尚、上記ステップS3 において検出するN
E ,VL は、所定の単位時間tにN回サンプリングして
いるが、この検出サイクルは、ガス噴射弁20の1回の噴
射量と、EGRシステムの配管容積の比で決定されるの
で、ガス噴射弁20の1回の噴射量の平均値をとって固定
サイクルで検出するか、或いは、各回のガス噴射弁20の
1回の噴射量により変動サイクルで検出するか、何れの
方法でも構わない。 【0025】尚、本実施例では、加圧ガス圧力センサ18
の検出値により、電磁弁を用いた加圧ガス圧力制御弁15
の開閉を電気的に制御しているが、これに代えて、機械
的な圧力調整弁を使用して実施することも勿論可能であ
る。 【0026】 【発明の効果】本発明のディーゼルエンジンの排気ガス
低減装置は、EGRガスを圧縮行程における最大筒内圧
よりも高圧にする加圧装置と、加圧されたEGRガスを
貯蔵するタンクと、このタンク内のEGRガスを筒内に
噴射する噴射弁とを備えたディーゼルエンジンにおい
て、エンジン回転数及びエンジン負荷を検出するセンサ
と、エンジン回転数及びエンジン負荷に対応する排気ガ
ス中のO2 濃度及び前記噴射弁の開弁期間を決定するマ
ップとを設けると共に、検出されたエンジン回転数及び
エンジン負荷の経時的変化に基づいて算出されるO2
度の変化率により開弁期間を補正して前記噴射弁を開閉
制御するコントローラを設けたので、以下の効果を奏す
ることができる。 【0027】前記センサによって検出されたエンジン回
転数とエンジン負荷の検出信号をコントローラに入力す
ることにより、排気ガス中に含まれるO2 濃度をマップ
から逐次読み出し、更に、読み出されたO2 濃度の変化
状況により、マップから読み出された噴射期間を補正し
て、前記コントローラから出力される制御信号によって
噴射弁を開閉制御し、タンク内に貯蔵された高圧のEG
Rガスを筒内に直接噴射することができる。 【0028】従って、運転状況によって刻々と変化する
EGRガス中のO2 濃度を予測し、その予測値によって
筒内に噴射するEGRガス量をコントロールすることが
可能となり、EGRによるNOX 低減効果のバラツキを
防止して、常に最適なNOX低減効果を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施例におけるディーゼルエンジン
の排気ガス低減装置の概略構成図である。 【図2】図1のディーゼルエンジンの燃焼室周りの要部
断面図である。 【図3】図1に示すコントローラに内蔵されたROMに
記憶されているマップである。 【図4】図1に示すコントローラに内蔵されたROMに
記憶されているマップである。 【図5】図1に示すコントローラによる制御プログラム
のフローチャートである。 【図6】従来のディーゼルエンジンの排気ガス低減装置
の概略構成図である。 【符号の説明】 11 ディーゼルエンジン 16 加圧装置(ガス加圧装置) 18 タンク(加圧ガス貯蔵タンク) 20 噴射弁(ガス噴射弁) 26 コントローラ 27 センサ(回転センサ) 28 センサ(負荷センサ)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−44492(JP,A) 特開 平2−275055(JP,A) 特開 平6−123259(JP,A) 特開 平6−93863(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02M 25/07 570 F02M 25/07 550 F02M 25/07 580 F02D 41/14 310 F02D 45/00 368

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 EGRガスを圧縮行程における最大筒内
    圧よりも高圧にする加圧装置と、加圧されたEGRガス
    を貯蔵するタンクと、このタンク内のEGRガスを筒内
    に噴射する噴射弁とを備えたディーゼルエンジンにおい
    て、エンジン回転数及びエンジン負荷を検出するセンサ
    と、エンジン回転数及びエンジン負荷に対応する排気ガ
    ス中のO2 濃度及び前記噴射弁の開弁期間を決定するマ
    ップとを設けると共に、検出されたエンジン回転数及び
    エンジン負荷の経時的変化に基づいて算出されるO2
    度の変化率により開弁期間を補正して前記噴射弁を開閉
    制御するコントローラを設けたディーゼルエンジンの排
    気ガス低減装置。
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