JP4107422B2 - 二次空気が吸込まれる内燃機関及び二次空気供給装置の制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、センサで監視して二次給気される特許請求範囲１に記載の種類の内燃機関に関する。さらに、本発明は、作動状態を計測する請求の範囲第６、７項に記載の種類の作動状態を計測する方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
上記したような装置は、例えばWO97/38 212 により知られている。該文献の図８によると、内燃機関にタービンユニット１１４および圧縮機１１３からなる二次空気供給システムが備えられている。前記タービンは吸気通路の絞り弁１１５と並列に配設されたバイパス回路を介して駆動される。タービンの為の前記バイパス回路には、さらに少なくとも1つの絞り部材１２０が配設されている。前記絞り弁１１５と絞り部材１２０との協働により吸入空気流と二次空気流が同時に調節される。一方においては前記タービン１１４の出力及びしたがって圧縮機１１３により供給される二次空気量が、他方においては供給される吸気流が空気流の合計として前記絞り部材１２０および絞り弁１１５により調節される。勿論、前記のように制御されるタービンに替えて前記圧縮機を駆動する他の手段、例えば電動モータを備えてもよい。
【０００３】
前記両空気流を最適に制御するには、内燃機関における複雑な事象が判っていなければならない。それにより内燃機関の吸気通路並びに排気装置における実際の所要空気量が決められる。内燃機関の所要空気量は、例えば荷重条件の他に運転条件、例えば酸素過剰あるいは不足状態での燃焼が望ましいかに依存する。前記排気装置には二次空気が、例えば機関の低温始動時に導入される。これにより、不完全燃焼部分が酸化され、この発熱反応によって排気装置の後流にある触媒体がさらに加熱される。したがって、一つには低温始動時における有害物質の排出が低減され、他方では触媒が前記した加熱によって早く作用するようになるので低温始動状態の期間が短縮される。
【０００４】
二次空気の導入に際しては、その量はエミッションが低減されるような量に調節されなければならない。二次空気が多過ぎると排気ガスが過度に冷却され、排気ガスの不完全燃焼部分の酸化が生じなくなる。二次空気が少な過ぎると不完全燃焼部分を酸化するのに十分な酸素が存在しないことになる。
【０００５】
したがって、二次空気供給装置で供給される空気量を監視することが不可欠である。EP800 618B1 には、二次空気ポンプによって供給される空気量を空気質量センサにより計測し、該測定値を二次空気ポンプの制御に用いる方法が開示されている。空気質量センサを使用することは、しかしながら非常に不利である。一つには、この測定器具は相当高価であり、提案された解決方法の経済性が損なわれる。他には、該測定器具は汚れに対して敏感であり、測定された空気質量値に誤差が生じることがある。これは内燃機関の達成されるべき望ましい排気エミッションに対して直接に影響する。
本発明の課題は、したがって内燃機関に取り付けられた二次空気供給装置に適合し、経済的に製作でき、作動信頼性のある監視装置並びにその駆動制御の方法を提供することである。この課題は、請求の範囲第１項及び２項、並びに請求の範囲第６項乃至８項に記載の特徴により解決される。
【０００６】
（発明の開示）
本発明による内燃機関には周知の方法で二次空気供給装置が取り付けられている。該装置が二次空気を直接に排気装置に供給することによって、同様に周知の方法で前記排気装置に備えられた触媒体の作用が既に述べたように有利に達成される。さらに、二次空気の供給量を求めるのに適した測定信号を発信するセンサが取り付けられる。
【０００７】
本発明は、該センサが温度センサであることを特徴とする。該温度センサは圧縮機後流の空気に接触すること、即ち空気温度を測定できることを特徴とする。その際、前記温度センサはできるだけ圧縮機出口の直後に配置するのが好ましい。温度センサは、例えば二次空気を触媒体の前方に導くための前記二次空気供給装置と排気装置間の連結管路に配置してもよい。
そして、前記温度センサによって圧縮空気の温度上昇を測定して周囲温度との温度変化により前記二次空気の供給量が求められることを特徴とする。
【０００８】
吸気システムに設けられた絞り弁により生じる圧力降下を利用するタービンで駆動されるように特別に構成された二次空気供給装置の場合には、前記温度センサは、例えば前記タービン出口に配設することができる。その場合、前記センサはタービンで膨張した吸入空気の温度を示すことになる。
【０００９】
本発明による測定の原則は、二次空気供給装置で圧縮された空気は温度が上昇し、他方、タービンで膨張した吸入空気は温度が降下するということを利用するものである。この温度上昇および温度降下と二次空気供給装置で供給された空気量との間には直接的な関係がある。したがって、温度測定値によって二次空気供給装置の空気供給量に関しての評価が可能となり、このようにして空気供給量の制御が可能となる。
【００１０】
タービンでの温度降下と圧縮機での温度上昇とを同時に計測することは本発明の好ましい実施例の１つである。この場合温度差が得られ、該温度差は単に前記両温度のうちの1つの温度を測定した場合よりも値が大きくなる。したがって、二次空気供給装置の空気供給量をより正確に評価することができる。
【００１１】
さらに、温度センサをタービン上流あるいは圧縮機上流に配置してもよい。このようにすると、圧縮機あるいはタービンにおける実際の温度差を何時でも求めることができる。また、これにより、測定結果の精度が向上する。しかしながら、そのような温度センサの追加は、二次空気供給装置駆動方法との関連で既に詳述したように、必ずしも必要ではない。
【００１２】
さらに、内燃機関の排気装置への二次空気供給を監視する方法についても請求してある。該方法は特に既に述べた装置を二次空気供給に使用するのに適する。該方法には3つの異なる実施形態がある。
【００１３】
該方法の第１の実施形態では、温度センサはタービン出口に配置されて膨張した空気の温度降下を測定する。
二次空気の供給は機関の低温始動後最初の１００秒の間に行われる。そして、タービンの出口に配置された温度センサを利用して温度降下を測定することができる。二次空気供給装置の短時間の作動期間中では、周囲温度、したがって吸入された二次空気及び機関吸入空気の温度は殆ど変わらない。したがって、温度比較のための第2のセンサの配設は省略される。勿論、そのような第2のセンサを配置して測定値の精度を向上することはできる。そのほか、二次空気供給装置の作動について確認するために二次空気供給の監視方法を利用することもできる。この場合、前記第2のセンサは意味がある。
【００１４】
二次空気供給装置の作動に関して考えられる情報は、例えばその故障を検知することである。二次空気供給装置に軸受損傷が発生した場合には、例えば到達される回転数が低下し、要求される空気供給量が最早得られなくなることがある。これは、例えば二次空気供給装置で期待される温度変化が生じないことに現れ、故障信号として機関制御器に送られる。
【００１５】
2個の温度センサを用いた他の方法では、タービン後流の膨張した吸入空気および圧縮機後流の圧縮された二次空気の温度計測用に夫々1個の温度センサが配置される。二次空気供給装置の駆動により、タービン後流の温度は降下し、圧縮機後流の温度は上昇する。そして、両温度の温度差が求められる。該温度差は両センサの個々の測定値よりも大きな値となり、測定結果はよりよく融合される。さらに、このようにして測定された温度差は基本的に吸入された周囲空気の元もとの温度には依らない、というのは、周囲空気の温度が変化してもそれは両測定値を温度軸上で平行移動させるのみであるからである。
【００１６】
さらに他の測定方法の実施例では、測定値の時間的変化が求められる。この場合、時間に関する温度勾配δT/δt が求められる。二次空気供給装置作動中の測定結果をこのようにして評価する利点は、この値は最終的に到達する温度レベルが測定されるよりも早い時点で評価可能な測定結果を提供することである。
二次空気供給装置の作動について確認するために前記測定結果を利用することは非常に有利である。その際、最終的に到達した温度レベルを見てもよいし、あるいは場合によっては前記温度勾配を見て判断してもよい。このようにして、例えば二次空気供給装置の作動不良を検知することができる。例えば、軸受が磨耗した場合、圧縮機は定格の回転数に達することができなくなることがある。そのような場合には、温度レベルは最早定格運転状態のレベルに到達することがなく、そのことを評価論理回路を通して示すようにすることができる。
【００１７】
二次空気供給装置が機関の低温始動時に二次空気を吹き込むことのほかに他の役目を担う場合には、該装置の作動状態に関してさらなる情報が必要となる。例えば、二次空気供給装置を排気ガス触媒コンバータの脱硫のための新鮮空気を排気ラインに送り込むのに使用することができる。その場合には制御装置に別の必要な空気供給量を設定することができる。
【００１８】
上記およびその他の本発明の好ましい実施例の特徴が、請求の範囲のほか、明細書及び図面から読み取れ、それらの特徴が個々にあるいは幾つかが組み合わされて本発明の実施形態に実施され、および他の分野で適用されて有利かつそれ自身保護され得る実施形態を具現することができ、それらに対して茲に保護を要請するものである。
【００１９】
（発明を実施するための最良の形態）
第1図には最小数のコンポーネントで構成された実施例が示されている。内燃機関１０は吸気通路１１および排気装置１２を備えている。吸気通路１１には少なくとも1つのエアフィルタ１３と1つの絞り弁１４が設けられている。前記排気装置には触媒コンバータ１５が備えられている。バイパス回路１６が前記エアフィルタ１３後流前記絞り弁１４上流で前記吸気通路１１から分岐し、該バイパス回路は絞り弁１４後流で前記吸気通路１１に繋がる。バイパス回路１６には絞り部材２４が設けられている。さらに該バイパス回路１６にはタービン１８が配設され、該タービンはバイパス空気流１９によって駆動される。該タービンは二次空気流２１を二次空気導管２２に導入する圧縮機２０と機械的に連結されて二次空気供給装置２７を構成する。前記二次空気導管２２は前記排気装置１２の触媒コンバータ１５よりも上流の入口２３に連結される。二次空気導管２２には熱い排気ガスが該導管を通って逆流しないように逆止弁１７が配設してある。吸入空気流２４、バイパス流１９、二次空気流２１、並びに排気ガス流の方向は矢線で示してある。
【００２０】
第２図においては、上に説明したタービンによる駆動までの要素は同じであり、ここで繰る返し説明はしない。同図では圧縮機２０の駆動には前記タービンに替えて従来の電動モータ２６が備えられている。
【００２１】
さらに、第1図、２において、タービンおよび圧縮機前後と温度計測位置が異なっているが、これについては次に詳しく説明する。これら温度計測位置が第1図のタービンに関係しない場合は、それらの位置はそれらが1つの図中に描かれる場合も、第1図、２に示す両システムで同様に使用できる。
【００２２】
第1図では温度センサ２８がタービン１８の出口に、温度センサ２９が圧縮機２０の出口に配置されている。これらのセンサは測定信号を評価する制御器３０に接続されている。本実施例では、両測定温度の差が求められ、出口温度自体は圧縮機出口温度もタービン出口温度も考慮しなくてよい。 前記制御器３０は、温度センサ２８、２９による計測結果が二次空気流量を調節することができるように前記絞り部材２４に対して影響を及ぼす。その際、圧縮機２０の空気供給流量はタービン１８を通る空気流量に依ることが利用される。
【００２３】
第２図の場合の測定位置は、圧縮機２０の出口に同様に温度センサ２９が配置されている。さらに、温度センサ３１が圧縮機２０の入口に設けられている。これらの温度センサは前述のように制御器３０に接続されている。これにより二次空気流２１の入口温度と出口温度の比較ができる。比較評価は制御器３０で行われ、電動モータ２６の回転数が二次空気流量に合わせられる。前記制御器３０は機関制御器３２に接続されており、内燃機関の運転状態のデータが利用できる。さらに、二次空気流についての得られたデータは前記機関制御器によって評価される。該機関制御器は図に示されるように内燃機関に接続されている。勿論、制御器３０と機関制御器３２は１つのユニットに一体化してもよい。
【００２４】
第３図にはタービンで駆動される二次空気供給装置の供給空気の温度経過が示されている。従来の駆動機による二次空気の温度経過は上側の曲線群Ｘ_１に対応しており、この線図はこの場合にも利用できる。二次空気の温度は周囲温度T₀から出発して圧縮機内で上昇される。圧縮機で供給される空気が多いほど温度上昇は大きくなる。このことは曲線群Ｘ_１により示されている。圧縮機の種々の運転状態によって圧縮機は温度範囲T_vの間で駆動される。
【００２５】
これに対比して、タービンの温度経過は吸入空気の膨張によってT₀から降下する。これは曲線群郡Ｘ_２で示され、タービンは温度範囲T_Tの間で作動する。
【００２６】
二次空気供給装置は種々の温度で駆動されるので、周囲温度T₀に対する温度の変化を求めねばならない。周囲温度T₀は破線で示され、通常時間軸に平行な直線である。温度計測の第１の可能性は時間t₂での測定である。この時点ではタービンと圧縮機は作動中であり、圧縮機の温度レベルとしてはΔTvが、同様にしてタービンについてはΔTvが測定できる。もう一つは、時点t₁で温度勾配δT/δt を測定することができる。この温度勾配は図では圧縮機についてのみ示されている。この温度勾配が大きい程、最終的に到達される温度レベルが高いことが分かる。したがって、t₂よりも早いt₁の時点で到達する温度を求めることができることになる。前記温度勾配を測定することの利点は、二次空気供給装置始動後の早い時点で評価可能な結果が得られることである。
【００２７】
最後に、図には二次空気供給装置が故障した場合の温度経過が鎖線で概略的に示されている。これは、例えば二次空気供給装置の軸受損傷の場合に生じる。温度センサによって温度値
ΔTerror が計測され、制御器から故障信号が発せられる。
【図面の簡単な説明】
本発明のさらなる詳細は、実施形態の概略を示すつぎの図面を参照して説明される。
【図１】 絞り弁と並列に制御されるタービンにより駆動される二次空気供給装置を備えた内燃機関の制御ブロック図である。
【図２】 圧縮機が電動モータ駆動される従来の二次空気供給装置を備えた内燃機関の制御ブロック図である。
【図３】 圧縮機とタービンからなる二次空気供給装置に置ける時間に対する温度経過を示す図である。

Claims (9)

1. 吸入空気の吸気通路（１１）と内燃機関の燃焼生成物の排気装置（１２）とを備え、駆動機（１８、２６）で駆動される流体動力学作動の圧縮機（２０）を備えた二次空気供給装置（２７）と、二次空気の供給量を求めるのに適した測定信号を発するセンサとを具備した内燃機関（１０）において、
   前記センサは前記圧縮機後流の圧縮空気に接触させてその温度を測定する温度センサ（２９）であり、該温度センサ（２９）によって圧縮空気の温度上昇を測定して周囲温度との温度変化により前記二次空気の供給量が求められることを特徴とする内燃機関。
2. 吸入空気の吸気通路（１１）と内燃機関の燃焼生成物の排気装置（１２）とを備え、駆動機で駆動される流体動力学作動の圧縮機（２０）を備えた二次空気供給装置（２７）と、二次空気の供給量を求めるのに適した測定信号を発するセンサとを具備した内燃機関（１０）において、
   前記駆動機は吸気通路の絞り弁（１４）に並列に配置されたタービン（１８）で構成され、
   前記センサは前記タービン（１８）後流の膨張した吸入空気に接触させてその温度測定するセンサであることを特徴とする内燃機関。
3. 前記圧縮機後流の圧縮空気に接触させてその温度を測定する第2の温度センサ（２９）を設けたことを特徴とする請求の範囲第２項記載の内燃機関。
4. 前記圧縮機上流の空気に接触させてその温度を測定するための温度センサ（３１）をさらに設けたことを特徴とする前記請求の範囲のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記タービン上流の空気に接触させてその温度を測定するための温度センサ（３１）をさらに設けたことを特徴とする請求の範囲第２項乃至４項のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 二次空気供給装置の駆動機が内燃機関の吸気通路の絞り弁（１４）に並列に配置されたタービン（１８）で構成された内燃機関の排気装置へ二次空気を供給するために設けられた前記二次空気供給装置により送られる二次空気の吹込みを監視する方法において、
   前記タービン（１８）における膨張による吸入空気の温度降下が計測され、その測定結果が前記二次空気供給装置の空気供給量を示す量として用いられることを特徴とする監視方法。
7. 二次空気供給装置の駆動機が内燃機関の吸気通路の絞り弁（１４）に並列に配置されたタービン（１８）で構成された内燃機関の排気装置へ二次空気を供給するために設けられた前記二次空気供給装置により送られる二次空気の吹込みを監視する方法において、
   前記タービン（１８）後流の吸入空気の温度が計測されるとともに、
   前記圧縮機後流の二次空気の温度が計測され、これら両測定結果が前記二次空気供給装置の空気供給量を示す量として用いられることを特徴とする監視方法。
8. 前記温度の時間に対する変化率が測定されて前記二次空気供給装置の空気供給量を示す量として用いられることを特徴とする請求の範囲第６項乃至７項のいずれか 1 項に記載の監視方法。
9. 前記二次空気供給装置の作動に関するさらに別の情報を含む測定結果を利用することを特徴とする請求の範囲第６項乃至８項のいずれか1項に記載の監視方法。

Images