JP3868926B2 - ディーゼル機関の排気ガス還流制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スモークとＮＯＸの排出を抑制することができる排気還流式のディーゼル機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関を取り巻く運転環境は、昨今規制が厳しくなりつつあり、その規制を満足する性能を備えたディーゼル機関の登場が望まれている。特許文献１の発明は、排気還流式の内燃機関に関するものである。特許文献１では、ＥＧＲガス量の減少に起因するＮＯＸ排出量の増大を回避するために、所定量以上のＥＧＲガス量を確保するように制御する技術が開示されている。ところで、特許文献１の発明は、その特許請求の範囲の請求項１に記載されているように、構成としてスロットルバルブが必ず設けられている内燃機関に関するものである。すなわち、内燃機関と記載されているものの、実施例ではガソリン機関を例に挙げて説明されており、第１図にはスロットルバルブが記載されている。したがって、特許文献１の発明で表現されている内燃機関の中には、ディーゼル機関は明らかに包含されていない。
【０００３】
特許文献１で開示されているガソリン機関からはスモーク（スス）は排出されず、基本的にＮＯＸが排出されないように配慮すれば足りる。それに対してディーゼル機関では、ＥＧＲガス量が増加すると、ＮＯＸ量は減少するがスモークの排出量が増加する。したがって、ディーゼル機関においては、特許文献１の発明を適用しても、排気ガスの規制基準を守ることができない。
【０００４】
排気還流式のディーゼル機関においては、ＥＧＲガス量を制御する際には、排出されるＮＯＸ量とスモーク量の両方を同時に抑制することができる範囲内に調整する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−１３４８４４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明では、ＥＧＲ率が所定範囲内に収まるように制御することにより排出されるＮＯＸとスモークの両方を同時に抑制することができるディーゼル機関の排気還流制御装置を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１の発明では、吸気通路と排気通路とを連通させる排気ガス還流通路を設けたディーゼル機関において、前記吸気通路における排気ガス還流通路と合流する部分よりも上流側に第１温度センサを設け、前記吸気通路における排気ガス還流通路と合流する部分よりも下流側に第２温度センサを設け、機関負荷検出センサと機関回転数検出センサとを設け、排気ガスと混合する前の吸気温度と、機関負荷及び機関回転数から一義的に定義される適正な排気ガス還流量に対応する前記第２温度センサ設置箇所における温度値と、を予め記憶した記憶手段を設け、前記機関負荷検出センサと機関回転数検出センサ及び第１温度センサから検出された検出値に対応する前記記憶手段に記憶した温度値と、前記第２温度センサで検出した検出値と、を比較し、かつ前記検出値が前記温度値から所定範囲内にある場合には還流排気ガス量が適正であると判定し、前記検出値が前記温度値から所定範囲内にない場合には還流排気ガス量が異常であると判定する判定手段を設けた。
請求項２の発明では請求項１の発明において、前記排気ガス還流通路を通過する排気ガス流量を調整可能な絞り弁を排気ガス還流通路に設け、前記絞り弁の開度を制御する制御手段を設け、前記制御手段で絞り弁の開度を制御することにより、吸気通路の前記排気ガス還流通路連通箇所より上流側の温度値に対応する吸気通路の前記排気ガス還流通路連通箇所より下流側の温度値が、予め設定した所定範囲内に収まるようにした。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、前記機関負荷検出センサと機関回転数検出センサ及び第１温度センサから検出された検出値に対応する前記記憶手段に記憶した温度値を時間的に平均化し、前記第２温度センサによる検出値の応答遅れを補正可能にした。
請求項４の発明では請求項１又は２の発明において、機関負荷又は機関回転数を急激に変化させる運転が行われるディーゼル機関において、前記判定手段は、機関負荷と機関回転数とが安定する時期にのみ還流排気ガス量の判定を実行するようになっている。
請求項５の発明では請求項１又は２の発明において、冷却水温度を検出する冷却水温度センサを設け、前記冷却水温度センサが検出した冷却水温度が所定温度に到達したことで暖機運転が完了したことを検出する検出手段を設け、暖機運転の終了後で且つ実稼動開始前、又は、実稼動終了後で且つ機関停止前のいずれかに前記判定手段により還流排気ガス量の判定を実行する。
請求項６の発明では請求項１の発明において、前記機関負荷検出センサと機関回転数検出センサ及び第１温度センサから検出された検出値に対応する前記記憶手段に記憶した温度値と、前記第２温度センサで検出した検出値と、を比較し、前記検出値が前記温度値から所定範囲内にない場合に還流排気ガス量が異常であると判定手段が判定する際に、前記所定範囲のマージンを第２温度センサの検出値が高くなる側を検出値が低くなる側よりも小さく設定した。
請求項７の発明では請求項１〜３のうちのいずれかの発明において、冷態時において、前記冷却水温度センサが検出した温度値で前記記憶手段に記憶した温度値を補正する補正手段を備えた。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明（請求項１〜７の各発明）を実施したディーゼル機関１００の系統略図である。ディーゼル機関１００には、途中に吸気フィルタ１０を備え機関本体１内の燃焼室１７に空気を供給する吸気通路３と、燃焼後の排気ガスを排出する排気通路２とが設けてある。排気通路２にはマフラー１５が設けてある。
【０００９】
図１に示すように、排気通路２の途中には排気還流通路４の一端が接続されており、排気還流通路４の他端は合流部９において吸気通路３と接続されている。この排気還流通路４には、電磁制御タイプのＥＧＲ弁５（絞り弁）が設けてある。ＥＧＲ弁５の開度を変更することにより合流部９で空気と混合する排気ガス（ＥＧＲガス）の量を調整することができるようになっている。
【００１０】
また、ディーゼル機関１００には、燃焼室１７に燃料を供給する燃料噴射ポンプ１６が設けてある。この燃料噴射ポンプ１６には、機関負荷検出センサ６が設けてある。フライホイール１８には機関回転数検出センサ７が設けてある。さらに機関本体１には冷却水温度検出センサ１４が設けてある。機関負荷検出センサ６、機関回転数検出センサ７及び冷却水温度検出センサ１４は、詳しくは後述する判定装置１３とそれぞれ配線で接続されている。
【００１１】
図１に示すように吸気通路３の吸気フィルタ１０と合流部９の間には、第１温度センサ１１が設けてある。また、吸気通路３の合流部９の下流側には、第２温度センサ１２が設けてある。
【００１２】
第１温度センサ１１、第２温度センサ１２、機関負荷検出センサ６、機関回転数検出センサ７及び冷却水温度検出センサ１４で検出された各検出信号は、それぞれ配線を介して判定装置１３に伝送される。判定装置１３は入力された各検出信号に基いてＥＧＲ制御装置８に指令を発し、ＥＧＲ制御装置８はＥＧＲ弁５の開度を適正に調整するようになっている。
【００１３】
判定装置１３は、ＣＰＵ２０及びメモリ１９（記憶手段）を備えている。機関負荷、機関回転数及び吸気フィルタ１０と合流部９の間（第１温度センサ１１の設置箇所）の吸気温度（以下、上流温度と呼ぶ）の組み合わせに対応する合流部９より下流側の吸気通路３内（第２温度センサ１２の設置箇所）における適正な混合空気（ＥＧＲガスを含む吸気）の温度（以下、下流温度と呼ぶ）の適正値が予め実験で求めてある。これがマップとしてメモリ１９に記憶されている。ＣＰＵ２０は、後述する様々な演算や判定を行う。以上でディーゼル機関１００の排気ガス還流制御装置が構成されている。
【００１４】
図２は、この機関負荷、機関回転数の変化に対応して変化する下流温度Ｔ２の適正値（標準混合ガス温度Ｔｓ：後述）の一例と、上流温度Ｔ１とを対比させたグラフである。この標準混合ガス温度Ｔｓは、ディーゼル機関１００が正常である限り、前述の機関負荷、機関回転数の組み合わせによって一義的に決まるものである。
【００１５】
図２において、標準状態における機関負荷、機関回転数から一義的に決まる混合後の吸気温度を以下標準混合ガス温度Ｔｓと呼ぶ。この標準混合ガス温度Ｔｓを第１温度センサ１１が検出した上流温度Ｔ１で補正した下流温度の目標値を補正混合ガス温度Ｔｍｒと呼ぶ。また、図１の合流部９より上流側の吸気通路３内の吸気温度を上流温度Ｔ１、合流部９より下流側の吸気通路３内の吸気温度を下流温度Ｔ２と呼ぶ。
【００１６】
（請求項１の発明の実施例）
ディーゼル機関１００を始動させ、機関負荷と機関回転数とが急激に変化しないとき（例えば、暖機運転が完了した後のアイドリング時）に、判定装置１３は、第１温度センサ１１で検出された排気ガス（ＥＧＲガス）と混合する前の吸気温度Ｔ１と、機関負荷検出センサ６、機関回転数検出センサ７とでそれぞれ検出された機関負荷及び機関回転数の組み合わせに対応するメモリ１９に記憶されたマップ上の温度範囲と、第２温度センサ１２で検出した実際の下流温度Ｔ２とを比較する。その際、下流温度の目標値を補正混合ガス温度Ｔｍｒを上流温度Ｔ１で補正（上流温度Ｔ１が高くなるほど補正混合ガス温度Ｔｍｒを高く補正し、逆に上流温度Ｔ１が低くなるほど補正混合ガス温度Ｔｍｒを低く補正）し、補正後の補正混合ガス温度Ｔｍｒを下流温度Ｔ２と比較するのが好ましい。
【００１７】
仮に、下流温度Ｔ２がマップ上の温度範囲内にあれば、ＥＧＲガス量は適正であると判定装置１３は判定する。逆に、下流温度Ｔ２が、マップ上の温度範囲より小さい場合はＥＧＲガス量が不足しており、マップ上の温度範囲より大きい場合はＥＧＲガス量が過剰であると判定装置１３は判定する。その際には例えば、警報ランプを点灯させたり、ブザーを鳴らすことにより、オペレータに異常を知らせるようにするのが好ましい。また、このようなとき、ディーゼル機関１００の用途によっては、ディーゼル機関１００を停止させるようにしてもよい。
【００１８】
（請求項２の発明の実施例）
請求項１の発明の実施例において、ＥＧＲガス量が少ない（ＥＧＲ率が低い）と判定装置１３が判定した際には、判定装置１３はＥＧＲガス量が適量となるようにＥＧＲ制御弁８に対してＥＧＲ弁５の開度を大きくする（ＥＧＲ率を高くする）ように指令を出す。
【００１９】
逆にＥＧＲガス量が多い（ＥＧＲ率が高い）と判定装置１３が判定した際には、判定装置１３はＥＧＲガス量が適量となるようにＥＧＲ制御弁８に対してＥＧＲ弁５の開度を小さくする（ＥＧＲ率を低くする）ように指令を出す。このようにしてＥＧＲ弁５の開度が調整され、ＥＧＲガス量は適量となる。
【００２０】
ＥＧＲ率は機関負荷と機関回転数で一義的に定義されるが、これに第１温度センサ１１で検出された上流温度Ｔ１を加味することにより下流温度も一義的に決定される。そして、上流温度Ｔ１が上昇すると排気温度（ＥＧＲガス温度）も上昇し、その結果、第２温度センサ１２が検出する下流温度Ｔ２も上昇する。
【００２１】
そのため、第２温度センサ１２で検出される下流温度Ｔ２と比較される正常な状態の下流温度（標準混合ガス温度Ｔｓ）は、例えば次式（１）で補正する必要がある。この式（１）により、適正なＥＧＲ率を確保することができる。
【式１】
ここで、Ｔｍｒ：補正混合ガス温度、Ｔｓ：標準混合ガス温度、
Ｔ１：上流温度、Ｔ０：基準吸気温度（Ｋ）、
Ｔｅｘ：基準排気温度（Ｋ）、ＥＧＲ：ＥＧＲ率
【００２２】
仮に上流温度Ｔ１が図２に示すように変化すると、それに追従して下流温度Ｔ２も変化する。上流温度Ｔ１が基準温度近傍を変位しているのに対し、下流温度Ｔ２は、様々な理由で許容範囲を外れる。
【００２３】
図２に示すように時刻ｔＡにおける下流温度Ｔ２は、吸気温度Ｔ１の影響を受けて、正常状態であるにも関わらず、標準混合ガス温度Ｔｓに基く許容範囲を逸脱している。その一方で時刻ｔＡにおける下流温度Ｔ２は、吸気温度Ｔ１で補正された補正混合ガス温度Ｔｍｒに基く適正範囲内にはあり、異常ではない。その後、時刻ｔＢに至ると、フィルタの目詰まりやマフラーの詰まりによりＥＧＲガス量が増え（ＥＧＲ率が上がり）、時刻ｔＢにおける下流温度Ｔ２は、補正混合ガス温度Ｔｍｒに基く適正範囲からも外れ、時刻ｔＢにおける下流温度Ｔ２は異常であると判定装置１３は判定する。
【００２４】
標準混合ガス温度Ｔｓは、予め実験で求められているが、また、標準混合ガス温度Ｔｓは機関負荷と機関回転数から一義的に決まるものである。さらに標準混合ガス温度Ｔｓは、吸気温度（上流温度Ｔ１）の変化に追従して変化する。この関係は、上述の式（１）としてメモリ１９に予め記憶してある。
【００２５】
仮に上流温度Ｔ１が変化した場合、ＥＧＲガス量が正常な場合の実測した下流温度Ｔ２は、２つの細線で挟まれた領域内（適正範囲）を推移する。逆に、この下流温度Ｔ２が２つの細線の間から逸脱すると、ＥＧＲガス量が異常であると判定することができる。
【００２６】
図３は、第２温度センサ１２が実測した下流温度Ｔ２の変化と、マップ上の下流温度の適正値である補正混合ガス温度Ｔｍｒとを比較したグラフである。図３では、補正混合ガス温度Ｔｍｒを中心として、下流温度の適正範囲の上限と下限とが設定されている。何らかの不具合が発生し、下流温度Ｔ２が適正範囲を外れ１た際には、判定装置１３はＥＧＲ弁５の開度を補正して、下流温度Ｔ２が適正範囲内に収まるようにする。
【００２７】
図４は、ＥＧＲ弁５の開度と機関負荷の関係を示すグラフである。下流温度Ｔ２が適正範囲から外れている場合には、例えば式（１）により図４に示すようにマップ自体を基準値からシフトさせるのが有効である。また、グラフの傾き（係数）を変更して補正することもできる。
【００２８】
ＥＧＲ弁５の開度が正常でない場合には、開度の一定量補正であるマップシフトが有効である。吸気フィルタ１０やマフラー１５の詰まりによる差圧変化に対しては、グラフの直線の傾きを変更するのが効果的である。
【００２９】
（請求項３の発明の実施例）
温度センサは、それ自体が熱容量をもっているために、どうしても応答遅れが生じてしまう。請求項３の発明では、請求項１、２の発明を実施した際の、第２温度センサ１２の応答遅れに対処する。
【００３０】
第２温度センサ１２が検出した下流温度Ｔ２が、機関負荷や機関回転数の急激な変化に追従できないために一時的に補正混合ガス温度Ｔｍｒとの差が大きくなった場合、判定装置１３は、その都度ＥＧＲ制御装置８に対してＥＧＲ弁５の開度マップを補正する旨の指示を出し、燃焼が不安定になる恐れがある。つまり、判定装置１３が第２温度センサ１２の検出信号に基いて忠実に判定を行うと、実際にはすでに適正なＥＧＲガス量になっているところにＥＧＲガス量が異常であるという信号が入力されてＥＧＲ弁５の開度が変更され、さらに燃焼を悪化させてスモークやＮＯＸを排出してしまうことが考えられる。
【００３１】
このような事態を回避し、燃焼が安定するように以下で説明する前進移動平均法を採用するのが好ましい。前進移動平均法とは、機関負荷検出センサ６、機関回転数検出センサ７で検出された検出値の例えば過去４回の値（計算値）Ａ１〜Ａ４と、今回の実測値Ｂ５とを式（２）に代入して計算値Ａ５を得て、この計算値Ａ５を実測値Ｂ５の代わりに採用するものである。
【式２】
同様にＡ６は、次式（３）で算出される。
【式３】
【００３２】
このようにして算出された計算値Ａ１〜ＡＸは、実測値Ｂ１〜ＢＸと比較して変動幅が少なくなる。その上、この変動の少ない計算値Ａ１〜ＡＸを実測値Ｂ１〜ＢＸの代わりに判定装置１３で判定する信号として採用すると、ディーゼル機関１００の燃焼が安定し、たとえ実測値Ｂ１〜ＢＸの方が適正範囲を外れていても、計算値Ａ１〜ＡＸは適正範囲内にあり、ＮＯＸとスモークの排出を同時に良好に低減することができる。
【００３３】
図５は負荷変動に対する下流温度Ｔ２の変化を示すグラフである。第２温度センサ１２自身が熱容量を有しているために、機関負荷（機関回転数も同様）が急変したとき、第２温度センサ１２の出力値（下流温度Ｔ２）は、図５に示すように遅れて徐々に追従する。
【００３４】
このように実際のＥＧＲガス量と第２温度センサ１２による温度検出とがリアルタイムに対応しないことによる不具合は、上述の前進移動平均法で変動幅を抑制した機関回転数検出信号と機関負荷検出信号から補正混合ガス温度Ｔｍｒを算出することで解消することができる。その他、判定装置１３に入力される機関負荷検出信号や機関回転数検出信号を用いて算出された補正混合ガス温度Ｔｍｒを同様に平均化し、変動幅を抑制するようにしても応答遅れによる不具合を解消することができる。
【００３５】
また、ディーゼル機関１００の運転形態によっては、ＥＧＲ弁５の動作を緩慢にしても燃焼を安定化させる効果を奏する。さらに、第２温度センサ１２の出力が機関負荷検出信号や機関回転数検出信号の出力よりも（例えば１秒）必ず遅れるものと仮定して、図５において符号Ｄで示すように所定時間（例えば１秒）送らせるだけでも実際の温度と検出した温度の差を小さくすることができる。
【００３６】
（請求項４の発明の実施例）
吸気フィルタ１０が目詰まりしたり、マフラー１５に異物が詰まると、ＥＧＲ弁５の開度が適正であったとしても、空気とＥＧＲガスの混合比率（ＥＧＲ率）が変化してしまう。したがって、吸気フィルタ１０やマフラー１５が清浄状態であるか否かがディーゼル機関１００の燃焼に悪影響を及ぼすことがある。
【００３７】
また、吸気フィルタ１０やマフラー１５の劣化は、ゆっくりと進行するため、常時監視する必要はない。このような場合には、アイドル運転時等の比較的燃焼が安定しているときに判定装置１３による判定を行うようにする。特に自動車用のディーゼル機関は、運転状態が急激に変動（負荷変動）し易い。
【００３８】
そのため、通常の運転時には判定を行わず、燃焼が安定しているときにのみ判定する。このようにすると、通常運転時においても下流温度Ｔ２（ＥＧＲガス量）は、適正範囲から大きく外れることがなく、負荷変動や回転変動の大きな用途のディーゼル機関１００においてもＮＯＸとスモークの排出を低減することができる。
【００３９】
図６は、機関負荷の変動と下流温度とを対比させたグラフである。図６では、時刻ｔ以降において負荷変動が小さくなっている。したがって、時刻ｔから時間ｔ１の間、各センサによる検出を行い、これに基いて判定装置１３による判定を行うようにする。
【００４０】
（請求項５の発明の実施例）
冷態時（暖機運転中等の機関温度が低いとき）は、各センサは正常な検出を行いにくい。そのようなときに、例えばＥＧＲ弁５の開度を変更したりすると、却って適正値を外すことになりかねない。そこで、以下のように冷態時以外で且つ燃焼が安定している時期に判定装置１３による判定を行うようにする。
【００４１】
判定装置１３（図１）は、暖機運転完了の検出機能を備えており、冷却水温度センサ１４から入力された信号により、ディーゼル機関１００が暖機運転を終了したことを認識する。暖機運転が完了したと判定装置１３が認識すると、さらに判定装置１３は通常運転を開始する前に各検出センサから検出信号を受け取りＥＧＲガス量が適正か否かを判定する。
【００４２】
上記の例では、暖機運転が完了した直後のアイドル運転時に判定を行う例を示したが、ディーゼル機関１００の運転が終了し、ディーゼル機関１００を停止させる前に判定するようにしてもよい。
【００４３】
（請求項６の発明の実施例）
図７は、異なるＥＧＲ率毎の軸平均有効圧力と機関回転数の関係を示すグラフである。また、図８は排気ガス中に含まれる許容スモーク量と許容ＮＯＸ量で限定される排ガス規制許容範囲と、ディーゼル機関１００のＥＧＲ率の関係を示すグラフである。
【００４４】
図１の機関負荷検出センサ６、機関回転数検出センサ７及び第１温度センサ１１で検出した機関負荷、機関回転数及び上流温度Ｔ１に対応するメモリ１９に記憶したマップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒが、第２温度センサ１２が検出した実際の下流温度Ｔ２に対して所定温度（例えば３０℃）以上外れた場合には、警報ランプを点灯させたり警報ブザーを鳴らして、ディーゼル機関１００に異常があることを喚起する。
【００４５】
ＥＧＲ率が高くなるほど高温のＥＧＲガス量が増えるので、吸気温度は高くなる。また、図８に示すようにＥＧＲ率が高くなるほどスモークの排出量が多くなる。
【００４６】
ＥＧＲ弁５の誤作動（開き過ぎ）によってＥＧＲガス量が増大した場合には、ＥＧＲ率は排ガス規制許容範囲領域（図８においてハッチングを施した領域）内をＥＧＲ曲線Ａのように推移する。一方、吸気フィルタ１０やマフラー１５の詰まりによって空気圧とＥＧＲガス圧の圧力バランスが崩れることにより、ＥＧＲ率が増大することがある。その際には、ディーゼル機関１００の吸気量そのものが減少し、結果として酸欠状態になる。このときＥＧＲ率はＥＧＲ曲線Ｂのように推移して、ＥＧＲ曲線Ａよりも早期に排ガス許容範囲領域を外れ、急激にスモークが悪化する。
【００４７】
そのため、ＥＧＲ率が増大する側、つまり下流温度Ｔ２が標準混合ガス温度Ｔｍｒよりも高くなる側には、判定レベル（マージン）を厳しくする必要がある。厳しくする度合いは、機関負荷によって異なるが、機関負荷が高い運転領域（定格の５０％〜１００％程度）ではＥＧＲ率減少側の５０％程度に設定し、また、機関負荷が低い運転領域（定格の５０％以下程度）では、概ねＥＧＲ率減少側の８０％程度に設定するのが好ましい。
【００４８】
例えば、機関負荷が高い運転領域においては、ＥＧＲ率減少側（ＥＧＲガス量が不足する側）でマップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒよりも第２温度センサ１２で実測された下流温度Ｔ２が３０℃以上低ければＥＧＲ異常と判定する場合に、ＥＧＲ率増加側（ＥＧＲガス量過剰側）ではマップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒよりも第２温度センサ１２で実測された下流温度Ｔ２が１５℃以上高くなればＥＧＲ異常であると判定装置１３が判定するように設定しておく。
【００４９】
逆に、機関負荷が低い運転領域においては、ＥＧＲ率減少側でマップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒよりも第２温度センサ１２で実測された下流温度Ｔ２が３０℃以上低ければＥＧＲ異常であると判定する場合に、ＥＧＲ率増加側ではマップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒよりも第２温度センサ１２で実測された下流温度Ｔ２が２４℃以上高くなればＥＧＲ異常であると判定装置１３が判定するように設定しておく。
【００５０】
このように下流温度Ｔ２が標準混合ガス温度Ｔｓから所定温度以上に外れた場合には、判定装置１３は異常事態であると判定し、例えば警報を発するようにしたり、ディーゼル機関１００を停止させるなどの処置を講ずる。その結果、スモークとＮＯＸの両方の排出を抑制することができる。
【００５１】
（請求項７の発明の実施例）
図９は、補正混合ガス温度Ｔｍｒを冷却水温度を考慮してさらに補正したグラフである。前述の式（１）において冷却水温度を考慮すると式（４）（補正手段）となる。
【式４】
ここでＴ０：基準吸気温度（Ｋ）、Ｔｅｘ：基準排気温度(K)、
Ｔｗ０：基準冷却水温度、Ｔｗ：現在の冷却水温度、
ａｌ：冷却水温度の影響係数（エンジンによるが、例えば0.3〜0.5）
【００５２】
ディーゼル機関１００が、作業機用である場合は、機関負荷・機関回転数の変動が激しく、図６に示すような安定した領域は、エンジン始動直後の暖機運転時に限られるものが多い。
【００５３】
暖機運転中は各部品の温度が低く、ＥＧＲガスの放熱量が多くなるためＥＧＲガス温度は低くなる。この影響を式（４）により考慮すると、暖機運転中であっても正確にＥＧＲガス量の判定を行うことができる。
【００５４】
冷態時には、マップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒと実測した下流温度Ｔ２は、必ずずれるものであると仮定し、式（１）を採用せず式（４）を採用して補正混合ガス温度Ｔｍｒを算出する。
【００５５】
排気ガスの温度は、機関負荷及び機関回転数により一義的に決まるものである。ところが、排気ガス（ＥＧＲガス）が流れる途中の通路の温度が低いと、熱が通路部材に奪われてしまい、ＥＧＲガスの温度が低下してしまう。低下したＥＧＲガス温度を基準にＥＧＲ弁５の開度を設定すると、正確な判定を行うことができない。
【００５６】
そこで請求項７の発明では、冷却水温度の上昇の仕方をモニタすることにより暖機運転中であるか否かを判定するようにした。排気ガス（ＥＧＲガス）の熱を奪った通路部材の温度が上昇すると、冷却水温度も上昇する。例えば、もともと３００℃であったＥＧＲガスが２５０℃まで低下したのか、又は２００℃まで低下したのかを概ね予想することができる。それを式（４）に反映させ、判定装置１３で演算するようにすれば、補正混合ガス温度Ｔｍｒを適切に補正することができる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１の発明では、ディーゼル機関１００の運転状況を把握するために機関負荷検出センサ６と機関回転数検出センサ７とを設け、上流温度Ｔ１と機関負荷及び機関回転数で一義的に定義される適正な排気ガス還流量に対応する下流温度を予め記憶した記憶手段を設け、さらに上流温度Ｔ１を検出する第１温度センサ１１と下流温度Ｔ２を検出する第２温度センサ１２とを設けて、記憶手段に記憶した運転状況に対応する温度値と、第２温度センサ１２で検出した下流温度Ｔ２とを比較し、両者の温度差が所定範囲内であるか否かを判定する判定装置１３を設けたことにより、ディーゼル機関１００のＥＧＲ率が正常であるか否かを判定することができるので、異常が検出されるまではＮＯＸとスモークの両方の排出を抑制することができ、異常が検出されたときには運転を停止したり、警報を発して適切な対策を講じる切っ掛けをつかむことができる。
【００５８】
請求項1の発明を実施することにより、吸気フィルタ１０の目詰まりや、マフラー１５のつまりによるＥＧＲ率の変動を認識することができ、メンテナンスを行う時期を適切に判断することができる。
【００５９】
請求項２の発明では、排気還流通路４にＥＧＲ弁５を設け、このＥＧＲ弁５の開度を調整して下流温度Ｔ２を適正な範囲内に入るように制御することにより、スモークやＮＯＸの排出量を抑制するようにＥＧＲ率を制御することができる。
【００６０】
請求項３の発明では、第２温度センサ１２の検出の遅れを考慮して、時間的な平均を用いた判定を行うことにより、判定装置１３の誤判断を回避することができ、ディーゼル機関１００の燃焼変動が小さくなり、スモークやＮＯＸの排出量を良好に抑制することができる。
【００６１】
請求項４の発明では、機関負荷又は機関回転数を急激に変化させる運転が行われるディーゼル機関１００において、機関負荷と機関回転数とが安定する時期にのみ判定装置１３により還流排気ガス量の判定を行うようにしたので、ディーゼル機関１００の通常運転時における燃焼変動を回避することができる。
【００６２】
請求項５の発明では、冷却水温度を検出する冷却水温度センサ１４により冷却水温度が所定温度に到達したことで暖機運転が完了したことを検出して、ディーゼル機関１００の暖機が十分に行われてから判定装置１３による判定を行うようにしたので、適切な判断が行いにくい冷態時における判定作業を回避し、燃焼変動を回避することができる。
【００６３】
請求項６の発明では、第２温度センサ１２で検出した検出値が、メモリ１９に記憶したマップ上の温度値から所定範囲内にない場合にＥＧＲガス量が異常であると判定装置１３が判定する際に、この所定範囲のマージンを第２温度センサ１２の検出値が高くなる側を検出値が低くなる側よりも小さく設定することにより、スモークの排出を良好に抑制することができる。
【００６４】
請求項７の発明では、冷態時において、冷却水温度センサ１４が検出した温度値でメモリ１９（記憶手段）に記憶した温度値を補正する補正手段を備えたので、冷態時においても適切なＥＧＲ率を確保することができ、スモークとＮＯＸの排出量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実施したディーゼル機関の系統略図である。
【図２】 機関負荷、機関回転数の変化に対応して変化する下流温度Ｔ２の適正値（標準混合ガス温度Ｔｓ）の一例と、上流温度Ｔ１とを対比させたグラフである。
【図３】 第２温度センサが実測した下流温度Ｔ２の変化と、マップ上の下流温度の適正値である補正混合ガス温度Ｔｍｒとを比較したグラフである。
【図４】 ＥＧＲ弁の開度と機関負荷の関係を示すグラフである。
【図５】 負荷変動に対する下流温度Ｔ２の変化を示すグラフである。
【図６】 機関負荷の変動と下流温度とを対比させたグラフである。
【図７】 異なるＥＧＲ率毎の軸平均有効圧力と機関回転数の関係を示すグラフである。
【図８】 排気ガス中に含まれる許容スモーク量と許容ＮＯＸ量で限定される排ガス規制許容範囲と、ディーゼル機関のＥＧＲ率の関係を示すグラフである。
【図９】 補正混合ガス温度Ｔｍｒを冷却水温度を考慮してさらに補正したグラフである。
【符号の説明】
１ 機関本体
２ 排気通路
３ 吸気通路
４ 排気ガス還流通路
５ ＥＧＲ弁（絞り弁）
６ 機関負荷検出センサ
７ 機関回転数検出センサ
８ ＥＧＲ制御装置
９ 合流部
１０ 吸気フィルタ
１１ 第１温度センサ
１２ 第２温度センサ
１３ 判定装置（判定手段、暖機運転終了の検出手段）
１４ 冷却水温度センサ
１５ マフラー
１６ 燃料噴射ポンプ
１７ 燃焼室
１８ フライホイール
１９ メモリ
２０ ＣＰＵ
２１ 警報装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、スモークとＮＯＸの排出を抑制することができる排気還流式のディーゼル機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関を取り巻く運転環境は、昨今規制が厳しくなりつつあり、その規制を満足する性能を備えたディーゼル機関の登場が望まれている。特許文献１の発明は、排気還流式の内燃機関に関するものである。特許文献１では、ＥＧＲガス量の減少に起因するＮＯＸ排出量の増大を回避するために、所定量以上のＥＧＲガス量を確保するように制御する技術が開示されている。ところで、特許文献１の発明は、その特許請求の範囲の請求項１に記載されているように、構成としてスロットルバルブが必ず設けられている内燃機関に関するものである。すなわち、内燃機関と記載されているものの、実施例ではガソリン機関を例に挙げて説明されており、第１図にはスロットルバルブが記載されている。したがって、特許文献１の発明で表現されている内燃機関の中には、ディーゼル機関は明らかに包含されていない。
【０００３】
特許文献１で開示されているガソリン機関からはスモーク（スス）は排出されず、基本的にＮＯＸが排出されないように配慮すれば足りる。それに対してディーゼル機関では、ＥＧＲガス量が増加すると、ＮＯＸ量は減少するがスモークの排出量が増加する。したがって、ディーゼル機関においては、特許文献１の発明を適用しても、排気ガスの規制基準を守ることができない。
【０００４】
排気還流式のディーゼル機関においては、ＥＧＲガス量を制御する際には、排出されるＮＯＸ量とスモーク量の両方を同時に抑制することができる範囲内に調整する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−１３４８４４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明では、ＥＧＲ率が所定範囲内に収まるように制御することにより排出されるＮＯＸとスモークの両方を同時に抑制することができるディーゼル機関の排気還流制御装置を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１の発明では、吸気通路と排気通路とを連通させる排気ガス還流通路を設けたディーゼル機関において、前記吸気通路における排気ガス還流通路と合流する部分よりも上流側に第１温度センサを設け、前記吸気通路における排気ガス還流通路と合流する部分よりも下流側に第２温度センサを設け、機関負荷検出センサと機関回転数検出センサとを設け、排気ガスと混合する前の吸気温度と、機関負荷及び機関回転数から一義的に定義される適正な排気ガス還流量に対応する前記第２温度センサ設置箇所における温度値と、を予め記憶した記憶手段を設け、前記機関負荷検出センサと機関回転数検出センサ及び第１温度センサから検出された検出値に対応する前記記憶手段に記憶した温度値と、前記第２温度センサで検出した検出値と、を比較し、かつ前記検出値が前記温度値から所定範囲内にある場合には還流排気ガス量が適正であると判定し、前記検出値が前記温度値から所定範囲内にない場合には還流排気ガス量が異常であると判定する判定手段を設けた。
請求項２の発明では請求項１の発明において、前記排気ガス還流通路を通過する排気ガス流量を調整可能な絞り弁を排気ガス還流通路に設け、前記絞り弁の開度を制御する制御手段を設け、前記制御手段で絞り弁の開度を制御することにより、吸気通路の前記排気ガス還流通路連通箇所より上流側の温度値に対応する吸気通路の前記排気ガス還流通路連通箇所より下流側の温度値が、予め設定した所定範囲内に収まるようにした。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、前記機関負荷検出センサと機関回転数検出センサ及び第１温度センサから検出された検出値に対応する前記記憶手段に記憶した温度値を時間的に平均化し、前記第２温度センサによる検出値の応答遅れを補正可能にした。
請求項４の発明では請求項１又は２の発明において、機関負荷又は機関回転数を急激に変化させる運転が行われるディーゼル機関において、前記判定手段は、機関負荷と機関回転数とが安定する時期にのみ還流排気ガス量の判定を実行するようになっている。
請求項５の発明では請求項１又は２の発明において、冷却水温度を検出する冷却水温度センサを設け、前記冷却水温度センサが検出した冷却水温度が所定温度に到達したことで暖機運転が完了したことを検出する検出手段を設け、暖機運転の終了後で且つ実稼動開始前、又は、実稼動終了後で且つ機関停止前のいずれかに前記判定手段により還流排気ガス量の判定を実行する。
請求項６の発明では請求項１の発明において、前記機関負荷検出センサと機関回転数検出センサ及び第１温度センサから検出された検出値に対応する前記記憶手段に記憶した温度値と、前記第２温度センサで検出した検出値と、を比較し、前記検出値が前記温度値から所定範囲内にない場合に還流排気ガス量が異常であると判定手段が判定する際に、前記所定範囲のマージンを第２温度センサの検出値が高くなる側を検出値が低くなる側よりも小さく設定した。
請求項７の発明では請求項１〜３のうちのいずれかの発明において、冷態時において、前記冷却水温度センサが検出した温度値で前記記憶手段に記憶した温度値を補正する補正手段を備えた。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明（請求項１〜７の各発明）を実施したディーゼル機関１００の系統略図である。ディーゼル機関１００には、途中に吸気フィルタ１０を備え機関本体１内の燃焼室１７に空気を供給する吸気通路３と、燃焼後の排気ガスを排出する排気通路２とが設けてある。排気通路２にはマフラー１５が設けてある。
【０００９】
図１に示すように、排気通路２の途中には排気還流通路４の一端が接続されており、排気還流通路４の他端は合流部９において吸気通路３と接続されている。この排気還流通路４には、電磁制御タイプのＥＧＲ弁５（絞り弁）が設けてある。ＥＧＲ弁５の開度を変更することにより合流部９で空気と混合する排気ガス（ＥＧＲガス）の量を調整することができるようになっている。
【００１０】
また、ディーゼル機関１００には、燃焼室１７に燃料を供給する燃料噴射ポンプ１６が設けてある。この燃料噴射ポンプ１６には、機関負荷検出センサ６が設けてある。フライホイール１８には機関回転数検出センサ７が設けてある。さらに機関本体１には冷却水温度検出センサ１４が設けてある。機関負荷検出センサ６、機関回転数検出センサ７及び冷却水温度検出センサ１４は、詳しくは後述する判定装置１３とそれぞれ配線で接続されている。
【００１１】
図１に示すように吸気通路３の吸気フィルタ１０と合流部９の間には、第１温度センサ１１が設けてある。また、吸気通路３の合流部９の下流側には、第２温度センサ１２が設けてある。
【００１２】
第１温度センサ１１、第２温度センサ１２、機関負荷検出センサ６、機関回転数検出センサ７及び冷却水温度検出センサ１４で検出された各検出信号は、それぞれ配線を介して判定装置１３に伝送される。判定装置１３は入力された各検出信号に基いてＥＧＲ制御装置８に指令を発し、ＥＧＲ制御装置８はＥＧＲ弁５の開度を適正に調整するようになっている。
【００１３】
判定装置１３は、ＣＰＵ２０及びメモリ１９（記憶手段）を備えている。機関負荷、機関回転数及び吸気フィルタ１０と合流部９の間（第１温度センサ１１の設置箇所）の吸気温度（以下、上流温度と呼ぶ）の組み合わせに対応する合流部９より下流側の吸気通路３内（第２温度センサ１２の設置箇所）における適正な混合空気（ＥＧＲガスを含む吸気）の温度（以下、下流温度と呼ぶ）の適正値が予め実験で求めてある。これがマップとしてメモリ１９に記憶されている。ＣＰＵ２０は、後述する様々な演算や判定を行う。以上でディーゼル機関１００の排気ガス還流制御装置が構成されている。
【００１４】
図２は、この機関負荷、機関回転数の変化に対応して変化する下流温度Ｔ２の適正値（標準混合ガス温度Ｔｓ：後述）の一例と、上流温度Ｔ１とを対比させたグラフである。この標準混合ガス温度Ｔｓは、ディーゼル機関１００が正常である限り、前述の機関負荷、機関回転数の組み合わせによって一義的に決まるものである。
【００１５】
図２において、標準状態における機関負荷、機関回転数から一義的に決まる混合後の吸気温度を以下標準混合ガス温度Ｔｓと呼ぶ。この標準混合ガス温度Ｔｓを第１温度センサ１１が検出した上流温度Ｔ１で補正した下流温度の目標値を補正混合ガス温度Ｔｍｒと呼ぶ。また、図１の合流部９より上流側の吸気通路３内の吸気温度を上流温度Ｔ１、合流部９より下流側の吸気通路３内の吸気温度を下流温度Ｔ２と呼ぶ。
【００１６】
（請求項１の発明の実施例）
ディーゼル機関１００を始動させ、機関負荷と機関回転数とが急激に変化しないとき（例えば、暖機運転が完了した後のアイドリング時）に、判定装置１３は、第１温度センサ１１で検出された排気ガス（ＥＧＲガス）と混合する前の吸気温度Ｔ１と、機関負荷検出センサ６、機関回転数検出センサ７とでそれぞれ検出された機関負荷及び機関回転数の組み合わせに対応するメモリ１９に記憶されたマップ上の温度範囲と、第２温度センサ１２で検出した実際の下流温度Ｔ２とを比較する。その際、下流温度の目標値を補正混合ガス温度Ｔｍｒを上流温度Ｔ１で補正（上流温度Ｔ１が高くなるほど補正混合ガス温度Ｔｍｒを高く補正し、逆に上流温度Ｔ１が低くなるほど補正混合ガス温度Ｔｍｒを低く補正）し、補正後の補正混合ガス温度Ｔｍｒを下流温度Ｔ２と比較するのが好ましい。
【００１７】
仮に、下流温度Ｔ２がマップ上の温度範囲内にあれば、ＥＧＲガス量は適正であると判定装置１３は判定する。逆に、下流温度Ｔ２が、マップ上の温度範囲より小さい場合はＥＧＲガス量が不足しており、マップ上の温度範囲より大きい場合はＥＧＲガス量が過剰であると判定装置１３は判定する。その際には例えば、警報ランプを点灯させたり、ブザーを鳴らすことにより、オペレータに異常を知らせるようにするのが好ましい。また、このようなとき、ディーゼル機関１００の用途によっては、ディーゼル機関１００を停止させるようにしてもよい。
【００１８】
（請求項２の発明の実施例）
請求項１の発明の実施例において、ＥＧＲガス量が少ない（ＥＧＲ率が低い）と判定装置１３が判定した際には、判定装置１３はＥＧＲガス量が適量となるようにＥＧＲ制御弁８に対してＥＧＲ弁５の開度を大きくする（ＥＧＲ率を高くする）ように指令を出す。
【００１９】
逆にＥＧＲガス量が多い（ＥＧＲ率が高い）と判定装置１３が判定した際には、判定装置１３はＥＧＲガス量が適量となるようにＥＧＲ制御弁８に対してＥＧＲ弁５の開度を小さくする（ＥＧＲ率を低くする）ように指令を出す。このようにしてＥＧＲ弁５の開度が調整され、ＥＧＲガス量は適量となる。
【００２０】
ＥＧＲ率は機関負荷と機関回転数で一義的に定義されるが、これに第１温度センサ１１で検出された上流温度Ｔ１を加味することにより下流温度も一義的に決定される。そして、上流温度Ｔ１が上昇すると排気温度（ＥＧＲガス温度）も上昇し、その結果、第２温度センサ１２が検出する下流温度Ｔ２も上昇する。
【００２１】
そのため、第２温度センサ１２で検出される下流温度Ｔ２と比較される正常な状態の下流温度（標準混合ガス温度Ｔｓ）は、例えば次式（１）で補正する必要がある。この式（１）により、適正なＥＧＲ率を確保することができる。
【式１】
Ｔ１：上流温度、Ｔ０：基準吸気温度（Ｋ）、
Ｔｅｘ：基準排気温度（Ｋ）、ＥＧＲ：ＥＧＲ率
【００２２】
仮に上流温度Ｔ１が図２に示すように変化すると、それに追従して下流温度Ｔ２も変化する。上流温度Ｔ１が基準温度近傍を変位しているのに対し、下流温度Ｔ２は、様々な理由で許容範囲を外れる。
【００２３】
図２に示すように時刻ｔＡにおける下流温度Ｔ２は、吸気温度Ｔ１の影響を受けて、正常状態であるにも関わらず、標準混合ガス温度Ｔｓに基く許容範囲を逸脱している。その一方で時刻ｔＡにおける下流温度Ｔ２は、吸気温度Ｔ１で補正された補正混合ガス温度Ｔｍｒに基く適正範囲内にはあり、異常ではない。その後、時刻ｔＢに至ると、フィルタの目詰まりやマフラーの詰まりによりＥＧＲガス量が増え（ＥＧＲ率が上がり）、時刻ｔＢにおける下流温度Ｔ２は、補正混合ガス温度Ｔｍｒに基く適正範囲からも外れ、時刻ｔＢにおける下流温度Ｔ２は異常であると判定装置１３は判定する。
【００２４】
標準混合ガス温度Ｔｓは、予め実験で求められているが、また、標準混合ガス温度Ｔｓは機関負荷と機関回転数から一義的に決まるものである。さらに標準混合ガス温度Ｔｓは、吸気温度（上流温度Ｔ１）の変化に追従して変化する。この関係は、上述の式（１）としてメモリ１９に予め記憶してある。
【００２５】
仮に上流温度Ｔ１が変化した場合、ＥＧＲガス量が正常な場合の実測した下流温度Ｔ２は、２つの細線で挟まれた領域内（適正範囲）を推移する。逆に、この下流温度Ｔ２が２つの細線の間から逸脱すると、ＥＧＲガス量が異常であると判定することができる。
【００２６】
図３は、第２温度センサ１２が実測した下流温度Ｔ２の変化と、マップ上の下流温度の適正値である補正混合ガス温度Ｔｍｒとを比較したグラフである。図３では、補正混合ガス温度Ｔｍｒを中心として、下流温度の適正範囲の上限と下限とが設定されている。何らかの不具合が発生し、下流温度Ｔ２が適正範囲を外れ１た際には、判定装置１３はＥＧＲ弁５の開度を補正して、下流温度Ｔ２が適正範囲内に収まるようにする。
【００２７】
図４は、ＥＧＲ弁５の開度と機関負荷の関係を示すグラフである。下流温度Ｔ２が適正範囲から外れている場合には、例えば式（１）により図４に示すようにマップ自体を基準値からシフトさせるのが有効である。また、グラフの傾き（係数）を変更して補正することもできる。
【００２８】
ＥＧＲ弁５の開度が正常でない場合には、開度の一定量補正であるマップシフトが有効である。吸気フィルタ１０やマフラー１５の詰まりによる差圧変化に対しては、グラフの直線の傾きを変更するのが効果的である。
【００２９】
（請求項３の発明の実施例）
温度センサは、それ自体が熱容量をもっているために、どうしても応答遅れが生じてしまう。請求項３の発明では、請求項１、２の発明を実施した際の、第２温度センサ１２の応答遅れに対処する。
【００３０】
第２温度センサ１２が検出した下流温度Ｔ２が、機関負荷や機関回転数の急激な変化に追従できないために一時的に補正混合ガス温度Ｔｍｒとの差が大きくなった場合、判定装置１３は、その都度ＥＧＲ制御装置８に対してＥＧＲ弁５の開度マップを補正する旨の指示を出し、燃焼が不安定になる恐れがある。つまり、判定装置１３が第２温度センサ１２の検出信号に基いて忠実に判定を行うと、実際にはすでに適正なＥＧＲガス量になっているところにＥＧＲガス量が異常であるという信号が入力されてＥＧＲ弁５の開度が変更され、さらに燃焼を悪化させてスモークやＮＯＸを排出してしまうことが考えられる。
【００３１】
このような事態を回避し、燃焼が安定するように以下で説明する前進移動平均法を採用するのが好ましい。前進移動平均法とは、機関負荷検出センサ６、機関回転数検出センサ７で検出された検出値の例えば過去４回の値（計算値）Ａ１〜Ａ４と、今回の実測値Ｂ５とを式（２）に代入して計算値Ａ５を得て、この計算値Ａ５を実測値Ｂ５の代わりに採用するものである。
【式２】
【式３】
このようにして算出された計算値Ａ１〜ＡＸは、実測値Ｂ１〜ＢＸと比較して変動幅が少なくなる。その上、この変動の少ない計算値Ａ１〜ＡＸを実測値Ｂ１〜ＢＸの代わりに判定装置１３で判定する信号として採用すると、ディーゼル機関１００の燃焼が安定し、たとえ実測値Ｂ１〜ＢＸの方が適正範囲を外れていても、計算値Ａ１〜ＡＸは適正範囲内にあり、ＮＯＸとスモークの排出を同時に良好に低減することができる。
【００３３】
図５は負荷変動に対する下流温度Ｔ２の変化を示すグラフである。第２温度センサ１２自身が熱容量を有しているために、機関負荷（機関回転数も同様）が急変したとき、第２温度センサ１２の出力値（下流温度Ｔ２）は、図５に示すように遅れて徐々に追従する。
【００３４】
このように実際のＥＧＲガス量と第２温度センサ１２による温度検出とがリアルタイムに対応しないことによる不具合は、上述の前進移動平均法で変動幅を抑制した機関回転数検出信号と機関負荷検出信号から補正混合ガス温度Ｔｍｒを算出することで解消することができる。その他、判定装置１３に入力される機関負荷検出信号や機関回転数検出信号を用いて算出された補正混合ガス温度Ｔｍｒを同様に平均化し、変動幅を抑制するようにしても応答遅れによる不具合を解消することができる。
【００３５】
また、ディーゼル機関１００の運転形態によっては、ＥＧＲ弁５の動作を緩慢にしても燃焼を安定化させる効果を奏する。さらに、第２温度センサ１２の出力が機関負荷検出信号や機関回転数検出信号の出力よりも（例えば１秒）必ず遅れるものと仮定して、図５において符号Ｄで示すように所定時間（例えば１秒）送らせるだけでも実際の温度と検出した温度の差を小さくすることができる。
【００３６】
（請求項４の発明の実施例）
吸気フィルタ１０が目詰まりしたり、マフラー１５に異物が詰まると、ＥＧＲ弁５の開度が適正であったとしても、空気とＥＧＲガスの混合比率（ＥＧＲ率）が変化してしまう。したがって、吸気フィルタ１０やマフラー１５が清浄状態であるか否かがディーゼル機関１００の燃焼に悪影響を及ぼすことがある。
【００３７】
また、吸気フィルタ１０やマフラー１５の劣化は、ゆっくりと進行するため、常時監視する必要はない。このような場合には、アイドル運転時等の比較的燃焼が安定しているときに判定装置１３による判定を行うようにする。特に自動車用のディーゼル機関は、運転状態が急激に変動（負荷変動）し易い。
【００３８】
そのため、通常の運転時には判定を行わず、燃焼が安定しているときにのみ判定する。このようにすると、通常運転時においても下流温度Ｔ２（ＥＧＲガス量）は、適正範囲から大きく外れることがなく、負荷変動や回転変動の大きな用途のディーゼル機関１００においてもＮＯＸとスモークの排出を低減することができる。
【００３９】
図６は、機関負荷の変動と下流温度とを対比させたグラフである。図６では、時刻ｔ以降において負荷変動が小さくなっている。したがって、時刻ｔから時間ｔ１の間、各センサによる検出を行い、これに基いて判定装置１３による判定を行うようにする。
【００４０】
（請求項５の発明の実施例）
冷態時（暖機運転中等の機関温度が低いとき）は、各センサは正常な検出を行いにくい。そのようなときに、例えばＥＧＲ弁５の開度を変更したりすると、却って適正値を外すことになりかねない。そこで、以下のように冷態時以外で且つ燃焼が安定している時期に判定装置１３による判定を行うようにする。
【００４１】
判定装置１３（図１）は、暖機運転完了の検出機能を備えており、冷却水温度センサ１４から入力された信号により、ディーゼル機関１００が暖機運転を終了したことを認識する。暖機運転が完了したと判定装置１３が認識すると、さらに判定装置１３は通常運転を開始する前に各検出センサから検出信号を受け取りＥＧＲガス量が適正か否かを判定する。
【００４２】
上記の例では、暖機運転が完了した直後のアイドル運転時に判定を行う例を示したが、ディーゼル機関１００の運転が終了し、ディーゼル機関１００を停止させる前に判定するようにしてもよい。
【００４３】
（請求項６の発明の実施例）
図７は、異なるＥＧＲ率毎の軸平均有効圧力と機関回転数の関係を示すグラフである。また、図８は排気ガス中に含まれる許容スモーク量と許容ＮＯＸ量で限定される排ガス規制許容範囲と、ディーゼル機関１００のＥＧＲ率の関係を示すグラフである。
【００４４】
図１の機関負荷検出センサ６、機関回転数検出センサ７及び第１温度センサ１１で検出した機関負荷、機関回転数及び上流温度Ｔ１に対応するメモリ１９に記憶したマップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒが、第２温度センサ１２が検出した実際の下流温度Ｔ２に対して所定温度（例えば３０℃）以上外れた場合には、警報ランプを点灯させたり警報ブザーを鳴らして、ディーゼル機関１００に異常があることを喚起する。
【００４５】
ＥＧＲ率が高くなるほど高温のＥＧＲガス量が増えるので、吸気温度は高くなる。また、図８に示すようにＥＧＲ率が高くなるほどスモークの排出量が多くなる。
【００４６】
ＥＧＲ弁５の誤作動（開き過ぎ）によってＥＧＲガス量が増大した場合には、ＥＧＲ率は排ガス規制許容範囲領域（図８においてハッチングを施した領域）内をＥＧＲ曲線Ａのように推移する。一方、吸気フィルタ１０やマフラー１５の詰まりによって空気圧とＥＧＲガス圧の圧力バランスが崩れることにより、ＥＧＲ率が増大することがある。その際には、ディーゼル機関１００の吸気量そのものが減少し、結果として酸欠状態になる。このときＥＧＲ率はＥＧＲ曲線Ｂのように推移して、ＥＧＲ曲線Ａよりも早期に排ガス許容範囲領域を外れ、急激にスモークが悪化する。
【００４７】
そのため、ＥＧＲ率が増大する側、つまり下流温度Ｔ２が標準混合ガス温度Ｔｍｒよりも高くなる側には、判定レベル（マージン）を厳しくする必要がある。厳しくする度合いは、機関負荷によって異なるが、機関負荷が高い運転領域（定格の５０％〜１００％程度）ではＥＧＲ率減少側の５０％程度に設定し、また、機関負荷が低い運転領域（定格の５０％以下程度）では、概ねＥＧＲ率減少側の８０％程度に設定するのが好ましい。
【００４８】
例えば、機関負荷が高い運転領域においては、ＥＧＲ率減少側（ＥＧＲガス量が不足する側）でマップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒよりも第２温度センサ１２で実測された下流温度Ｔ２が３０℃以上低ければＥＧＲ異常と判定する場合に、ＥＧＲ率増加側（ＥＧＲガス量過剰側）ではマップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒよりも第２温度センサ１２で実測された下流温度Ｔ２が１５℃以上高くなればＥＧＲ異常であると判定装置１３が判定するように設定しておく。
【００４９】
逆に、機関負荷が低い運転領域においては、ＥＧＲ率減少側でマップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒよりも第２温度センサ１２で実測された下流温度Ｔ２が３０℃以上低ければＥＧＲ異常であると判定する場合に、ＥＧＲ率増加側ではマップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒよりも第２温度センサ１２で実測された下流温度Ｔ２が２４℃以上高くなればＥＧＲ異常であると判定装置１３が判定するように設定しておく。
【００５０】
このように下流温度Ｔ２が標準混合ガス温度Ｔｓから所定温度以上に外れた場合には、判定装置１３は異常事態であると判定し、例えば警報を発するようにしたり、ディーゼル機関１００を停止させるなどの処置を講ずる。その結果、スモークとＮＯＸの両方の排出を抑制することができる。
【００５１】
（請求項７の発明の実施例）
図９は、補正混合ガス温度Ｔｍｒを冷却水温度を考慮してさらに補正したグラフである。前述の式（１）において冷却水温度を考慮すると式（４）（補正手段）となる。
【式４】
Ｔｗ０：基準冷却水温度、Ｔｗ：現在の冷却水温度、
ａｌ：冷却水温度の影響係数（エンジンによるが、例えば0.3〜0.5）
【００５２】
ディーゼル機関１００が、作業機用である場合は、機関負荷・機関回転数の変動が激しく、図６に示すような安定した領域は、エンジン始動直後の暖機運転時に限られるものが多い。
【００５３】
暖機運転中は各部品の温度が低く、ＥＧＲガスの放熱量が多くなるためＥＧＲガス温度は低くなる。この影響を式（４）により考慮すると、暖機運転中であっても正確にＥＧＲガス量の判定を行うことができる。
【００５４】
冷態時には、マップ上の補正混合ガス温度Ｔｍｒと実測した下流温度Ｔ２は、必ずずれるものであると仮定し、式（１）を採用せず式（４）を採用して補正混合ガス温度Ｔｍｒを算出する。
【００５５】
排気ガスの温度は、機関負荷及び機関回転数により一義的に決まるものである。ところが、排気ガス（ＥＧＲガス）が流れる途中の通路の温度が低いと、熱が通路部材に奪われてしまい、ＥＧＲガスの温度が低下してしまう。低下したＥＧＲガス温度を基準にＥＧＲ弁５の開度を設定すると、正確な判定を行うことができない。
【００５６】
そこで請求項７の発明では、冷却水温度の上昇の仕方をモニタすることにより暖機運転中であるか否かを判定するようにした。排気ガス（ＥＧＲガス）の熱を奪った通路部材の温度が上昇すると、冷却水温度も上昇する。例えば、もともと３００℃であったＥＧＲガスが２５０℃まで低下したのか、又は２００℃まで低下したのかを概ね予想することができる。それを式（４）に反映させ、判定装置１３で演算するようにすれば、補正混合ガス温度Ｔｍｒを適切に補正することができる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１の発明では、ディーゼル機関１００の運転状況を把握するために機関負荷検出センサ６と機関回転数検出センサ７とを設け、上流温度Ｔ１と機関負荷及び機関回転数で一義的に定義される適正な排気ガス還流量に対応する下流温度を予め記憶した記憶手段を設け、さらに上流温度Ｔ１を検出する第１温度センサ１１と下流温度Ｔ２を検出する第２温度センサ１２とを設けて、記憶手段に記憶した運転状況に対応する温度値と、第２温度センサ１２で検出した下流温度Ｔ２とを比較し、両者の温度差が所定範囲内であるか否かを判定する判定装置１３を設けたことにより、ディーゼル機関１００のＥＧＲ率が正常であるか否かを判定することができるので、異常が検出されるまではＮＯＸとスモークの両方の排出を抑制することができ、異常が検出されたときには運転を停止したり、警報を発して適切な対策を講じる切っ掛けをつかむことができる。
【００５８】
請求項1の発明を実施することにより、吸気フィルタ１０の目詰まりや、マフラー１５のつまりによるＥＧＲ率の変動を認識することができ、メンテナンスを行う時期を適切に判断することができる。
【００５９】
請求項２の発明では、排気還流通路４にＥＧＲ弁５を設け、このＥＧＲ弁５の開度を調整して下流温度Ｔ２を適正な範囲内に入るように制御することにより、スモークやＮＯＸの排出量を抑制するようにＥＧＲ率を制御することができる。
【００６０】
請求項３の発明では、第２温度センサ１２の検出の遅れを考慮して、時間的な平均を用いた判定を行うことにより、判定装置１３の誤判断を回避することができ、ディーゼル機関１００の燃焼変動が小さくなり、スモークやＮＯＸの排出量を良好に抑制することができる。
【００６１】
請求項４の発明では、機関負荷又は機関回転数を急激に変化させる運転が行われるディーゼル機関１００において、機関負荷と機関回転数とが安定する時期にのみ判定装置１３により還流排気ガス量の判定を行うようにしたので、ディーゼル機関１００の通常運転時における燃焼変動を回避することができる。
【００６２】
請求項５の発明では、冷却水温度を検出する冷却水温度センサ１４により冷却水温度が所定温度に到達したことで暖機運転が完了したことを検出して、ディーゼル機関１００の暖機が十分に行われてから判定装置１３による判定を行うようにしたので、適切な判断が行いにくい冷態時における判定作業を回避し、燃焼変動を回避することができる。
【００６３】
請求項６の発明では、第２温度センサ１２で検出した検出値が、メモリ１９に記憶したマップ上の温度値から所定範囲内にない場合にＥＧＲガス量が異常であると判定装置１３が判定する際に、この所定範囲のマージンを第２温度センサ１２の検出値が高くなる側を検出値が低くなる側よりも小さく設定することにより、スモークの排出を良好に抑制することができる。
【００６４】
請求項７の発明では、冷態時において、冷却水温度センサ１４が検出した温度値でメモリ１９（記憶手段）に記憶した温度値を補正する補正手段を備えたので、冷態時においても適切なＥＧＲ率を確保することができ、スモークとＮＯＸの排出量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実施したディーゼル機関の系統略図である。
【図２】 機関負荷、機関回転数の変化に対応して変化する下流温度Ｔ２の適正値（標準混合ガス温度Ｔｓ）の一例と、上流温度Ｔ１とを対比させたグラフである。
【図３】 第２温度センサが実測した下流温度Ｔ２の変化と、マップ上の下流温度の適正値である補正混合ガス温度Ｔｍｒとを比較したグラフである。
【図４】 ＥＧＲ弁の開度と機関負荷の関係を示すグラフである。
【図５】 負荷変動に対する下流温度Ｔ２の変化を示すグラフである。
【図６】 機関負荷の変動と下流温度とを対比させたグラフである。
【図７】 異なるＥＧＲ率毎の軸平均有効圧力と機関回転数の関係を示すグラフである。
【図８】 排気ガス中に含まれる許容スモーク量と許容ＮＯＸ量で限定される排ガス規制許容範囲と、ディーゼル機関のＥＧＲ率の関係を示すグラフである。
【図９】 補正混合ガス温度Ｔｍｒを冷却水温度を考慮してさらに補正したグラフである。
【符号の説明】
１ 機関本体
２ 排気通路
３ 吸気通路
４ 排気ガス還流通路
５ ＥＧＲ弁（絞り弁）
６ 機関負荷検出センサ
７ 機関回転数検出センサ
８ ＥＧＲ制御装置
９ 合流部
１０ 吸気フィルタ
１１ 第１温度センサ
１２ 第２温度センサ
１３ 判定装置（判定手段、暖機運転終了の検出手段）
１４ 冷却水温度センサ
１５ マフラー
１６ 燃料噴射ポンプ
１７ 燃焼室
１８ フライホイール
１９ メモリ
２０ ＣＰＵ
２１ 警報装置
Claims (7)
- 吸気通路と排気通路とを連通させる排気ガス還流通路を設けたディーゼル機関において、
前記吸気通路における排気ガス還流通路と合流する部分よりも上流側に第１温度センサを設け、
前記吸気通路における排気ガス還流通路と合流する部分よりも下流側に第２温度センサを設け、
機関負荷検出センサと機関回転数検出センサとを設け、
排気ガスと混合する前の吸気温度と、機関負荷及び機関回転数から一義的に定義される適正な排気ガス還流量に対応する前記第２温度センサ設置箇所における温度値と、を予め記憶した記憶手段を設け、
前記機関負荷検出センサと機関回転数検出センサ及び第１温度センサから検出された検出値に対応する前記記憶手段に記憶した温度値と、前記第２温度センサで検出した検出値と、を比較し、かつ前記検出値が前記温度値から所定範囲内にある場合には還流排気ガス量が適正であると判定し、前記検出値が前記温度値から所定範囲内にない場合には還流排気ガス量が異常であると判定する判定手段を設けたことを特徴とするディーゼル機関の排気ガス還流制御装置。 - 前記排気ガス還流通路を通過する排気ガス流量を調整可能な絞り弁を排気ガス還流通路に設け、前記絞り弁の開度を制御する制御手段を設け、前記制御手段で絞り弁の開度を制御することにより、吸気通路の前記排気ガス還流通路連通箇所より上流側の温度値に対応する吸気通路の前記排気ガス還流通路連通箇所より下流側の温度値が、予め設定した所定範囲内に収まるようにした、請求項１に記載のディーゼル機関の排気ガス還流制御装置。
- 前記機関負荷検出センサと機関回転数検出センサ及び第１温度センサから検出された検出値に対応する前記記憶手段に記憶した温度値を時間的に平均化し、前記第２温度センサによる検出値の応答遅れを補正可能にした請求項１又は２に記載のディーゼル機関の排気ガス還流制御装置。
- 機関負荷又は機関回転数を急激に変化させる運転が行われるディーゼル機関において、前記判定手段は、機関負荷と機関回転数とが安定する時期にのみ還流排気ガス量の判定を実行するようになっている請求項１又は２に記載のディーゼル機関の排気ガス還流制御装置。
- 冷却水温度を検出する冷却水温度センサを設け、前記冷却水温度センサが検出した冷却水温度が所定温度に到達したことで暖機運転が完了したことを検出する検出手段を設け、
暖機運転の終了後で且つ実稼動開始前、又は、実稼動終了後で且つ機関停止前のいずれかに前記判定手段により還流排気ガス量の判定を実行する、請求項１又は２に記載のディーゼル機関の排気ガス還流制御装置。 - 前記機関負荷検出センサと機関回転数検出センサ及び第１温度センサから検出された検出値に対応する前記記憶手段に記憶した温度値と、前記第２温度センサで検出した検出値と、を比較し、前記検出値が前記温度値から所定範囲内にない場合に還流排気ガス量が異常であると判定手段が判定する際に、前記所定範囲のマージンを第２温度センサの検出値が高くなる側を検出値が低くなる側よりも小さく設定した請求項１に記載のディーゼル機関の排気ガス還流制御装置。
- 冷態時において、前記冷却水温度センサが検出した温度値で前記記憶手段に記憶した温度値を補正する補正手段を備えた請求項１〜３のうちのいずれかに記載のディーゼル機関の排気ガス還流制御装置。
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