JP4308471B2 - 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方法および装置 - Google Patents

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方法および装置 Download PDF

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Description

【0001】
本発明は、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方法および排気ガス再循環装置に関する。
【0002】
ドイツ連邦共和国特許第4211851号明細書から、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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
さらにドイツ連邦共和国特許出願公開第2235568号明細書から、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。
【0006】
米国特許4462376号明細書からは内燃機関(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。
【0007】
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。
【0008】
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することである。またその際にパラメータを簡単に求められるようにする。
【0009】
この課題は、再循環される排気ガスを冷却して、別の流量センサを介して吸気領域に再循環し、流入する新気流量および再循環される排気ガス流量から実測値を表す信号を形成して、排気ガス再循環率に依存する排気ガス中の有害粒子状物質の生成量曲線と窒素酸化物の生成量曲線との交点となる車両の内燃機関の最適動作点を設定するための目標値を表す信号と比較し、目標値を表す信号に対する実際値を表す信号の偏差を制御信号とし、制御信号を用いて排気ガス再循環部へ介入制御し、別の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し、抵抗には調整可能な電流がそれぞれ流れ、電流を用いて再循環される排気ガスの流量を測定する本発明による方法により解決される。
【0010】
本発明の方法の有利な実施形態は請求項に記載されている。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
本発明の方法の有利な実施形態では、目標値信号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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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I,Iが流れ、この電流I,Iの強度から流量と方向とを表す信号が形成される。
【0019】
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I,I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。
【0020】
また前述の課題は、新気流量を求める流量センサを有し、内燃機関の排出領域から排気ガスの一部を内燃機関の吸気領域へ再循環するための環流管路を有し、排気ガス流量を調整するため環流管路に設けられた制御可能なバルブと吸気領域への排気ガス流量を求める別の流量センサとを有し、制御可能なバルブと別の流量センサとの間の環流管路に排ガス冷却用の排気ガス冷却装置が配置されており、流量センサの信号および別の流量センサの信号から実際値を表す信号を形成する手段を有し、排気ガス再循環率に依存する排気ガス中の有害粒子状物質の生成量曲線と窒素酸化物の生成量曲線との交点となる車両の内燃機関の最適動作点を設定する目標値を表す信号を形成する手段を有し、実際値を表す信号と目標値を表す信号とを比較する手段を有し、比較手段の実際値を表す信号の目標値を表す信号からの偏差を表す制御信号により、制御可能なバルブを制御する手段を有し、別の流量センサは少なくとも1つの測定抵抗および少なくとも1つのヒータ抵抗を有する装置を構成して解決される。
【0021】
本発明の装置の有利な実施形態は請求項1013に記載されている。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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を表す信号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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
許容総重量≧3.5tの有用車両に対して:
Figure 0004308471
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【図面の簡単な説明】
【図1a】 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。
【図1b】 燃焼生成物の成分Vの関数のグラフである。
【図1c】 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。
【図2】 2つの制御量に対する制御回路の構造の概略図である。
【図3a】 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。
【図3b】 本来の流量センサを示す図である。
【図3c】 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 (13)

  1. 制御部により調整可能な排気ガスおよび流入する新気から成る混合気を機関に供給し、
    新気流量を流量センサによって求め、
    新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する、
    排気ガスの一部を再循環させる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方法において、
    再循環される排気ガスを冷却して、別の流量センサ(10)を介して前記吸気領域に再循環し、
    流入する新気流量および再循環される排気ガス流量から実際値を表す信号を形成して、排気ガス再循環率(R)に依存する排気ガス中の有害粒子状物質の生成量曲線と窒素酸化物の生成量曲線との交点となる車両の内燃機関の最適動作点(A1)を設定するための目標値を表す信号(W)と比較し、
    前記目標値を表す信号(W)に対する前記実際値を表す信号の偏差を制御信号とし、該制御信号を用いて排気ガス再循環部へ介入制御し、
    前記別の流量センサ(10)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し、該抵抗には調整可能な電流がそれぞれ流れ、該電流を用いて再循環される排気ガスの流量を測定することを特徴とする、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方法
  2. 前記内燃機関(1)から排出される排気ガスの燃焼生成物を浄化する、請求項記載の方法
  3. 排気ガスを前記別の流量センサ(10)へ流入させる前に70℃〜300℃の範囲の温度まで冷却する、請求項記載の方法。
  4. 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環流管路(6)内の調整素子として駆動する、請求項記載の方法。
  5. 前記目標値を表す信号(W)を出力設定信号および前記内燃機関(1)の少なくとも1つのパラメータから導出する、請求項記載の方法。
  6. 前記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、請求項記載の方法。
  7. 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、請求項記載の方法。
  8. 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、請求項記載の方法。
  9. 新気流量を求める流量センサ(14)を有し、
    内燃機関の排出領域(4)から排気ガスの一部を内燃機関(1)の吸気領域(2)へ再循環するための環流管路(6)を有し、
    排気ガス流量を調整するため前記環流管路(6)に設けられた制御可能なバルブ(5)と前記吸気領域(2)への排気ガス流量を求める別の流量センサ(10)とを有し、
    前記制御可能なバルブ(5)と前記別の流量センサ(10)との間の環流管路(6)に排ガス冷却用の排気ガス冷却装置(8)が配置されており、
    前記流量センサ(14)の信号および前記別の流量センサ(10)の信号から実際値を表す信号を形成する手段(15)を有し、
    排気ガス再循環率(R)に依存する排気ガス中の有害粒子状物質の生成量曲線と窒素酸化物の生成量曲線との交点となる車両の内燃機関の最適動作点(A1)を設定する目標値を表す信号(W)を形成する手段(15)を有し、
    前記実際値を表す信号と前記目標値を表す信号(W)とを比較する手段(15)を有し、前記比較手段の実際値を表す信号の前記目標値を表す信号(W)からの偏差を表す制御信号により、前記制御可能なバルブ(5)を制御する手段(15)を有し、
    前記別の流量センサ(10)は少なくとも1つの測定抵抗および少なくとも1つのヒータ抵抗を有することを特徴とする、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。
  10. 前記別の流量センサ(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、請求項記載の装置。
  11. 前記測定抵抗は白金薄膜素子または白金圧膜素子として構成されている、請求項記載の装置。
  12. 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、請求項記載の装置。
  13. 前記ヒータ抵抗および前記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、請求項記載の装置。
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