JP4765972B2

JP4765972B2 - エンジン

Info

Publication number: JP4765972B2
Application number: JP2007079031A
Authority: JP
Inventors: 惠夫関山
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP2008240556A

Description

本発明は、排気環流装置の環流ガスと新気とが混合された吸気の酸素濃度を測定するための酸素濃度センサを備えたエンジンに関するものであり、特に、過給機付きエンジンに関するものである。

従来、エンジンの気筒に供給される吸気の組成を測定するためのセンサとして、酸素（Ｏ₂）濃度センサが知られている（例えば、特許文献１−３参照）。

そのＯ₂濃度センサは、例えば、排気の一部を吸気系に環流する排気環流装置（ＥＧＲ装置）を備えたエンジンなどに搭載されて、ＥＧＲ装置のＥＧＲガス量を制御するために使用される。

そのようなＯ₂濃度センサを搭載したエンジンの一例として、図３に示す無過給エンジンや図４に示す過給機付きエンジンがある。

図３に示すように、無過給エンジン８１のエンジン本体８２には、吸気マニフォールド８３を介して吸気管８４が接続されると共に、排気マニフォールド８５を介して排気管８６が接続される。それら吸気管８４と排気管８６とは、ＥＧＲ管８７により接続される。

この無過給エンジン８１では、ＥＧＲガスと新気とが混合されて吸気混合ガスとなり、エンジン本体８２に供給される。

その吸気混合ガス中の吸気Ｏ₂濃度が、市販されているＯ₂濃度センサ８９を用いてリアルタイムに測定され、測定された吸気Ｏ₂濃度に基づいてＥＧＲガス量が制御される。

図３の無過給エンジン８１では、Ｏ₂濃度センサ８９が吸気マニフォールド８３に装着されている。

ここで、現在使用されているＯ₂濃度センサは圧力依存性が強いために同一Ｏ₂濃度であっても、ガス圧が高い範囲では異なる値を示す。

そのため、吸気マニフォールド内圧または排気マニフォールド内圧でのＯ₂濃度測定は、図３ような無過給エンジン８１でしか行えない。

そこで、図４に示すような過給機付きエンジン９１では、Ｏ₂濃度センサ８９を、排気マニフォールド８５近傍の排気管８６に装着するようにしている。

具体的には、図４に示すように、過給機９２のコンプレッサ９３が吸気管８４に設けられ、タービン（ターボ）９４がＥＧＲ管８７の下流の排気管８６に設けられ、かつＯ₂濃度センサ８９が排気管８６におけるタービン９４の下流の部分に取り付けられる。また、吸気管８４にはエアクリーナ（図示せず）の近傍に吸気量測定器（例えば、ＭＡＦセンサ）９５が設けられる。

この図４の過給機付きエンジン９１でＯ₂濃度センサ８９を使う場合には、そのＯ₂濃度センサ８９をタービン９４の出口の排気管８６内に取り付け、その排気管８６内で測定したＯ₂濃度と吸気側のＭＡＦセンサ９５で測定した空気量とエンジン本体８２の供給燃料量とにより、新気とＥＧＲガスが混合した吸気マニフォールド８３内のＯ₂濃度をコンピュータ９６の計算で求めるようにしている。

特開２００３−３８７９号公報特開２００４−２９３４０３号公報実開平５−９４１号公報

しかしながら、上述の図４の過給機付きエンジン９１には以下のような問題があった。

すなわち、エアクリーナ近傍に設けられた吸気量測定器（例えば、ＭＡＦセンサー）９５の取付位置と吸気ポートとの距離により、実際にエンジンシリンダ（気筒）に取り込まれる空気量と、ＭＡＦセンサー９５の測定値との間に、測定の時間遅れが発生する。

また、排気管８６でのＯ₂濃度測定位置（Ｏ₂濃度センサ８９の取付位置）に排気ガスが到着するための時間遅れが発生する。

これら時間遅れの発生などの理由により、エンジン負荷やエンジン回転速度が変動する車両走行状態では吸気Ｏ₂濃度の予測精度があまり高くないという問題があった。

また、過給機付きエンジン９１において、Ｏ₂濃度測定値とエンジンシリンダ（気筒）への実吸入ガスとの間の時間遅れをなくすために正圧がかかる吸気マニフォールド８３にＯ₂濃度センサを取り付け、Ｏ₂濃度測定値の圧力の影響を補正して使用する場合に、吸気マニフォールド８３内のガス圧を同時に測定して、ガス圧とＯ₂濃度の補正ＭＡＰを用いて読み替える方法が考えられる。

しかし、吸気マニフォールド８３内のガス圧は各シリンダの吸気行程で高い脈動が発生する。一般に、この圧力の脈動幅はエンジン回転速度の上昇に比例して大きくなる。そのため、ＭＡＰによる圧力ごとのＯ₂濃度補正を行う場合には、この脈動により読み替え値の変動を消すために、エンジン数サイクル分以上の測定値を平均化処理して用いることになるので、リアルタイムの値との間には同様に時間遅れが発生し、予測精度の大幅な向上は望めない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、酸素濃度センサにより測定される吸気酸素濃度の精度向上を図ることができるエンジンを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、吸気通路に設けられたコンプレッサおよび排気通路に設けられたタービンを有する過給機と、上記コンプレッサより下流側の吸気通路と上記タービンより上流側の排気通路とを連通する環流通路を有する排気環流装置と、その環流通路を通り上記吸気通路に環流される環流ガスと該吸気通路の新気との吸気混合ガスの酸素濃度を測定するための酸素濃度センサとを備えたエンジンにおいて、上記環流通路よりも下流側の吸気通路に該吸気通路から上記吸気混合ガスを取り出すための取出通路を接続すると共に、その取出通路の出口を上記コンプレッサよりも上流側の吸気通路に接続し、上記取出通路の入口側に、該取出通路に取り出される上記吸気混合ガスを絞るための絞り部を設け、その絞り部の下流の取出通路内に、該絞り部に近接させて上記酸素濃度センサを配置したものである。

上記目的を達成するために本発明は、吸気通路に設けられたコンプレッサおよび排気通路に設けられたタービンを有する過給機と、上記コンプレッサより下流側の吸気通路と上記タービンより上流側の排気通路とを連通する環流通路を有する排気環流装置と、その環流通路を通り上記吸気通路に環流される環流ガスと該吸気通路の新気との吸気混合ガスの酸素濃度を測定するための酸素濃度センサとを備えたエンジンにおいて、上記環流通路よりも下流側の吸気通路に該吸気通路から上記吸気混合ガスを取り出すための取出通路を接続すると共に、その取出通路の出口を上記タービンよりも下流側の排気通路に接続し、上記取出通路の入口側に、該取出通路に取り出される上記吸気混合ガスを絞るための絞り部を設け、その絞り部の下流の取出通路内に、該絞り部に近接させて上記酸素濃度センサを配置したものである。

好ましくは、上記絞り部が、上記取出通路における上記吸気通路との結合部に設けられた細孔を有するものである。

好ましくは、上記吸気混合ガスをエンジン運転状態に応じた目標酸素濃度とすべく、上記排気環流装置を上記酸素濃度センサの測定値に基づいてフィードバック制御する制御ユニットを備えたものである。

上記目的を達成するために本発明は、吸気通路に設けられたコンプレッサおよび排気通路に設けられたタービンを有する過給機と、上記コンプレッサより下流側の吸気通路と上記タービンより上流側の排気通路とを連通する環流通路を有する排気環流装置と、その環流通路を通り上記吸気通路に環流される環流ガスと該吸気通路の新気との吸気混合ガスの酸素濃度を測定するための酸素濃度センサとを備えたエンジンにおいて、上記環流通路よりも下流側の吸気通路に該吸気通路から上記吸気混合ガスを取り出すための取出通路を接続すると共に、その取出通路の出口を大気開放し、上記取出通路の入口側に、該取出通路に取り出される上記吸気混合ガスを絞るための絞り部を設け、その絞り部の下流の取出通路内に、該絞り部に近接させて上記酸素濃度センサを配置したものである。

本発明によれば、酸素濃度センサにより測定される吸気酸素濃度の精度向上を図ることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態のエンジンは、例えば、トラックなどの車両に搭載された過給機付きのディーゼルエンジンであり、排気環流装置（以下、ＥＧＲ装置という）のＥＧＲガス量を制御するための酸素濃度センサ（以下、Ｏ₂濃度センサという）を備えたものである。

まず、図１に基づき本実施形態に係るエンジンの概略構造を説明する。

図１に示すように、エンジン１は、複数の気筒２１が形成されたエンジン本体２と、そのエンジン本体２に吸気を供給する吸気通路３と、エンジン本体２から排気ガスを排出する排気通路４と、エンジン本体２に供給される吸気を加圧するための過給機５と、エンジン１の排ガスの一部を吸気に環流するためのＥＧＲ装置６と、そのＥＧＲ装置６を制御するための制御ユニット（以下、コンピュータという）１０と、そのコンピュータ１０に測定信号を入力すべく接続され上記エンジン本体２の気筒２１に供給される吸気のＯ₂濃度を測定するためのＯ₂濃度センサ７とを備える。

エンジン本体２には、各気筒２１ごとに図示しない吸気ポートと排気ポートとが各々形成される。

吸気通路３は、エンジン本体２の各吸気ポートに各々接続された吸気マニフォールド３１と、その吸気マニフォールド３１に出口が接続され入口が大気開放された吸気管３２とを備える。

その吸気管３２には、過給機５の後述するコンプレッサ５１が設けられる。また、コンプレッサ５１より上流側の吸気管３２には、エアクリーナが設けられ、下流側の吸気管３２には、エアクーラが設けられる（図示せず）。

排気通路４は、エンジン本体２の各排気ポートに接続された排気マニフォールド４１と、その排気マニフォールド４１に入口が接続され出口が大気開放された排気管４２とを備える。

その排気管４２には、過給機５の後述するタービン５２が設けられる。また、タービン５２よりも下流側の排気管４２には、図示しない後処理装置などが設けられる。

過給機５は、ターボ式過給機であり、吸気通路３に介設されたコンプレッサ５１と、排気通路４に介設されたタービン５２と、それらタービン５２とコンプレッサ５１とを連結するタービン軸５３とを有する。

ＥＧＲ装置６は、コンプレッサ５１より下流側の吸気通路３とタービン５２より上流側の排気通路４とを連通して排気マニフォールド４１よりＥＧＲガス（環流ガス）を吸気マニフォールド３１に戻すための環流通路をなすＥＧＲ管６１と、そのＥＧＲ管６１を通り新気に混合されるＥＧＲガス量を調節するためのＥＧＲガス量調整手段とを有する。ＥＧＲガス量調整手段は、例えば、ＥＧＲ管６１に設けられたＥＧＲバルブや吸気通路３に設けられたインテークスロットルバルブなどが考えられる（図示せず）。

コンピュータ１０は、Ｏ₂濃度センサ７や、図示しないＭＡＦセンサなどに接続され、それらセンサ類からの測定値が入力される。

また、コンピュータ１０は、図示しないＥＧＲバルブやインテークスロットルバルブなどのアクチュエータ類に接続され、それらアクチュエータ類に制御命令を入力する。

本実施形態のコンピュータ１０は、エンジン本体２に供給される吸気混合ガスの吸気組成（吸気Ｏ₂濃度）を、エンジン１の運転状態に応じた目標吸気組成とすべく、ＥＧＲガス量を、Ｏ₂濃度センサ７の測定値に基づいて制御する。

例えば、コンピュータ１０は、エンジン回転速度およびエンジン負荷を基に目標吸気Ｏ₂濃度を求め、その目標吸気Ｏ₂濃度にＯ₂濃度センサ７で測定された実際の吸気Ｏ₂濃度が一致するように、図示しないＥＧＲバルブおよび／またはインテークスロットルバルブを開度制御してＥＧＲガス量を制御する。

ここで、本実施形態のエンジン１では、Ｏ₂濃度センサ７の取り付けに関して、新気とＥＧＲガスが混合した後の吸気マニフォールド３１より吸気混合ガスの一部を分岐して大気圧近くまでガス圧を落とした部位にＯ₂濃度センサ７を設置することで、Ｏ₂濃度センサ７の圧力依存性を低減して吸気Ｏ₂濃度値の測定精度を上げると共に、図４に示す従来の構造の問題である、吸気Ｏ₂濃度測定位置とエンジン本体２の気筒２１に吸入される吸気混合ガスとの測定時間遅れによる精度不良を改良するようにしている。

すなわち、ＥＧＲガスが新気と混合した後の吸気混合ガスの一部を吸気マニフォールド３１より過給機５のコンプレッサ５１の上流に戻す分岐管８を設け、その分岐管８における吸気マニフォールド３１との結合部に、吸気混合ガスを僅かに流すための細孔の絞り部９を設け、その吸気混合ガスの絞り部９の下流にＯ₂濃度センサ７を設けた。

具体的には、分岐管８は、入口がＥＧＲ管６１よりも下流側の吸気通路３（図例では、吸気マニフォールド３１）に接続され、出口がコンプレッサ５１よりも上流側の吸気通路３（例えば、コンプレッサ５１とエアクリーナとの間の吸気管３２）に接続される。この分岐管８が、ＥＧＲ管６１よりも下流側の吸気通路３から吸気混合ガスを取り出すための取出通路をなす。

絞り部９は、分岐管８における上記吸気マニフォールド３１との結合部に設けられた細孔（図示せず）を有する。絞り部９としては、例えば、分岐管８の入口を閉塞する板材に細孔を設けたオリフィス板などが考えられる。

ここで、細孔は、径を大きくとりすぎると吸気マニフォールド３１内のブースト圧力が低下するので、実験により最適な径を選択する。細孔は、φ１（ｍｍ）以下のものが好ましい。

なお、絞り部９は上述のものに限定されず、例えば、分岐管８内に配置されたノズルや、分岐管８に形成された縮径部や、絞り弁などが考えられる。

Ｏ₂濃度センサ７は、検出部分を絞り部９の下流の分岐管８内に絞り部９に近接させて配置される。Ｏ₂濃度センサ７は、細孔から分岐管８内に流入した吸気混合ガスの圧力が略大気圧まで落ち、かつ、その吸気混合ガスが分岐管８の残留ガスと混合しない位置に配置される。Ｏ₂濃度センサ７は、圧力依存性の強いものでもよく、例えば、ジルコニアＯ₂濃度センサなどが考えられる。

次に、図１に基づき本実施形態のエンジン１の作用を説明する。

図１に示すように、エアクリーナ（図示せず）を介して吸気管３２に導入された新気は、コンプレッサ５１により加圧された後、ＥＧＲ管６１から流入するＥＧＲガス（環流ガス）と混合されて吸気混合ガスとなり、その吸気混合ガスが吸気マニフォールド３１を通りエンジン本体２の各気筒２１に供給される。

他方、エンジン本体２の各気筒２１から排気マニフォールド４１を通り排気管４２に排出された排気ガスは、一部がＥＧＲ管６１を通り吸気管３２に環流し、残りの排気ガスはタービン５２を回転駆動した後、図示しない後処理装置にて清浄化された後、排出される。

本実施形態では、エンジン本体２に吸入、供給される吸気混合ガス（吸気）の一部が吸気マニフォールド３１から分岐管８へと分岐する。

その分岐した吸気混合ガスは、分岐管８の入口に設けられた絞り部９の細孔を通り略大気圧近くまで膨張し、その後、絞り部９の直後のＯ₂濃度センサ７により吸気Ｏ₂濃度が測定される。

このように、本実施形態では、測定される吸気混合ガスが大気圧（略大気圧）状態となるので、Ｏ₂濃度センサ７は過給機５（過給圧）の影響を受けることなく測定を行うことができる。また、Ｏ₂濃度センサ７の取付位置が、吸気マニフォールド３１と極めて近い位置なので、吸気マニフォールド３１内の吸気Ｏ₂濃度に対するＯ₂濃度センサ７の測定時間遅れをほとんど無視できる。

その結果、Ｏ₂濃度センサ７での測定値は、測定位置での圧力依存性による問題が解消され、なおかつ、吸気マニフォールド３１内での吸気組成（吸気Ｏ₂濃度）が精度良く測定できる。

その後、Ｏ₂濃度センサ７により測定された吸気Ｏ₂濃度は、コンピュータ１０に入力され、そのコンピュータ１０が図示しないＥＧＲバルブやインテークスロットルバルブなどの開度を調整して、ＥＧＲガス量（吸気Ｏ₂濃度）を制御する。

このように、本実施形態では、過給機付きエンジン１において、吸気マニフォールド３１内における吸気混合ガスの吸気Ｏ₂濃度の測定精度が向上させることができる。

すなわち、本実施形態では、吸気マニフォールド３１内の吸気混合ガスを取出して大気圧（略大気圧）とする分岐管８および絞り部９を設け、その分岐管８内にＯ₂濃度センサ７を収容したので、過給圧の影響を排除することができ、圧力依存性が強いタイプのＯ₂濃度センサであっても、気筒２１に吸入される吸気混合ガスのＯ₂濃度を確実、かつ高い精度で測定することができる。

その結果、ＥＧＲ制御などの吸気組成制御が向上し、それにより排気ガスのクリーンなエンジン１を提供できる。

その他にも、Ｏ₂濃度センサ７が測定する吸気混合ガスが略大気圧となるので、Ｏ₂濃度センサ７の測定値に対する圧力補正が単純あるいは不要となり、容易に吸気Ｏ₂濃度を求めることができる。

次に、図２に基づき他の実施形態を説明する。

本実施形態のエンジンは、上述の実施形態のエンジンとは分岐管の出口が排気管に接続される点で異なり、その他は実質的に同じである。したがって、上述の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。

本実施形態のエンジン１１では、取出通路をなす分岐管１２の出口がタービン５２よりも下流側の排気管４２に接続される。例えば、分岐管１２の出口は、タービン５２と図示しない後処理装置との間の排気管４２に接続される。なお、分岐管１２の入口は、上述の実施形態と同様に、ＥＧＲ管６１よりも下流側の吸気通路３（吸気マニフォールド３１）に接続される。

本実施形態でも、上述した図１の実施形態と同様の効果が得られる。

以上の図１、２の実施形態に係るエンジン１、１１については、エンジン負荷の全域でＥＧＲを行う場合には、図１に示したコンプレッサ５１の上流にガスを戻す仕様のエンジン１が望ましく、他方、エンジン負荷の一部領域でＥＧＲを行わない仕様の場合には図２の仕様のエンジン１１が望ましい。

これは、図１のエンジン１では、分岐管８に取り出された吸気混合ガス中のＥＧＲガスが、分岐管８から吸気系（吸気管３２）へと少量でも環流される可能性があるためである。これに対して、図２のエンジン１１では分岐管１２が吸気系に接続されていないので、吸気混合ガス中のＥＧＲガスは吸気系に全く環流されない。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、上述の実施形態では、取出通路をなす分岐管８、１２の出口を、吸気管３２または排気管４２に直接接続したが、これに限定されず、分岐管の出口を直接大気開放することも考えられる。分岐管の出口を直接大気開放する場合、分岐管に後処理装置などを設けることが好ましい。

また、過給機５は、ターボ式過給機以外の機械式過給機などでもよく、その機械式過給機の場合、分岐管の出口を吸気管に接続することが好ましい。

図１は、本発明に係る一実施形態によるエンジンの概略構成図である。図２は、他の実施形態によるエンジンの概略構成図である。図３は、従来の無過給エンジンの概略構成図である。図４は、従来の過給機付きエンジンの概略構成図である。

符号の説明

１エンジン
３吸気通路
４排気通路
５過給機
６ＥＧＲ装置
７Ｏ₂濃度センサ（酸素濃度センサ）
８分岐管（取出通路）
９絞り部
５１コンプレッサ
５２タービン
６１ＥＧＲ管（環流通路）

Claims

吸気通路に設けられたコンプレッサおよび排気通路に設けられたタービンを有する過給機と、上記コンプレッサより下流側の吸気通路と上記タービンより上流側の排気通路とを連通する環流通路を有する排気環流装置と、その環流通路を通り上記吸気通路に環流される環流ガスと該吸気通路の新気との吸気混合ガスの酸素濃度を測定するための酸素濃度センサとを備えたエンジンにおいて、
上記環流通路よりも下流側の吸気通路に該吸気通路から上記吸気混合ガスを取り出すための取出通路を接続すると共に、その取出通路の出口を上記コンプレッサよりも上流側の吸気通路に接続し、
上記取出通路の入口側に、該取出通路に取り出される上記吸気混合ガスを絞るための絞り部を設け、その絞り部の下流の取出通路内に、該絞り部に近接させて上記酸素濃度センサを配置したことを特徴とするエンジン。
吸気通路に設けられたコンプレッサおよび排気通路に設けられたタービンを有する過給機と、上記コンプレッサより下流側の吸気通路と上記タービンより上流側の排気通路とを連通する環流通路を有する排気環流装置と、その環流通路を通り上記吸気通路に環流される環流ガスと該吸気通路の新気との吸気混合ガスの酸素濃度を測定するための酸素濃度センサとを備えたエンジンにおいて、
上記環流通路よりも下流側の吸気通路に該吸気通路から上記吸気混合ガスを取り出すための取出通路を接続すると共に、その取出通路の出口を上記タービンよりも下流側の排気通路に接続し、
上記取出通路の入口側に、該取出通路に取り出される上記吸気混合ガスを絞るための絞り部を設け、その絞り部の下流の取出通路内に、該絞り部に近接させて上記酸素濃度センサを配置したことを特徴とするエンジン。
上記絞り部が、上記取出通路における上記吸気通路との結合部に設けられた細孔を有する請求項１または２記載のエンジン。
上記吸気混合ガスをエンジン運転状態に応じた目標酸素濃度とすべく、上記排気環流装置を上記酸素濃度センサの測定値に基づいてフィードバック制御する制御ユニットを備えた請求項１から３いずれかに記載のエンジン。
吸気通路に設けられたコンプレッサおよび排気通路に設けられたタービンを有する過給機と、上記コンプレッサより下流側の吸気通路と上記タービンより上流側の排気通路とを連通する環流通路を有する排気環流装置と、その環流通路を通り上記吸気通路に環流される環流ガスと該吸気通路の新気との吸気混合ガスの酸素濃度を測定するための酸素濃度センサとを備えたエンジンにおいて、
上記環流通路よりも下流側の吸気通路に該吸気通路から上記吸気混合ガスを取り出すための取出通路を接続すると共に、その取出通路の出口を大気開放し、
上記取出通路の入口側に、該取出通路に取り出される上記吸気混合ガスを絞るための絞り部を設け、その絞り部の下流の取出通路内に、該絞り部に近接させて上記酸素濃度センサを配置したことを特徴とするエンジン。