JPH0525025B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は内燃機関の排気再循環率を制御する方
法、さらに詳細には内燃機関の状態に関連した排
気再循環率の実際値とその目標値を比較し、その
偏差に基づき空気供給領域と排気ガス領域を結合
する排気再循環パイプに配置された調節部材を駆
動させる、特にデイーゼル式内燃機関の排気再循
環率を制御する方法に関する。

従来技術 例えば、米国特許第4060065号には内燃機関、
すなわちデイーゼル機関の排気再循環率を定める
為に制御時処理される第１のデータを温度測定に
よつて得る方法が知られている。このような温度
測定はデイーゼルエンジンの入口領域で行なわ
れ、エンジンに供給された新気の空気量と排気再
循環された排ガス量の比が求められている。この
ような従来の装置では排気再循環率の実際値と目
標値を示す信号をコンピユータに設けられた比較
回路において比較し、それにより差を形成するこ
とにより制御偏差を求め、その偏差により排気再
循環パイプ内に配置された調節部材、例えば弁を
駆動するようにしている。この場合目標値は所定
の一定値、例えば基準電圧に定められるかあるい
は例えば回転数信号、吸気圧信号、その他内燃機
関の温度信号等からなる内燃機関の運転状態に基
づいて得られる信号に基づき定められる。しかし
従来の装置では最適の排気再循環率を定めるよう
な試みがなされていないという欠点があり、特に
目標値が可変である場合にはこの目標値が全く一
搬的に内燃機関の駆動状態から得られるのみであ
り詳細なデータが得られないという欠点がある。
最近特に環境汚染が問題となつていること並びに
エネルギーが枯渇していることに臨みてデイーゼ
ル機関をできるだけ正確にその駆動データに従い
運転し、さらに最小のコストで排気再循環率をで
きるだけ最適な領域にもつて行きそれにより排煙
（スモーク）が発生したりエンジンが不正確にな
つたり、又不完全な燃焼が発生したりするのを防
止することが不可欠となつている。さらに排気再
循環率を定める為に空気量と燃料の量を測定し機
械的に制御する装置を用いることが知られている
が、そのような装置は複雑であり、又高価なもの
となつて老化の問題が発生するという欠点があ
る。

目 的 従つて本発明はこのような従来の欠点を除去す
る為になされたもので、デイーゼル機関の種々の
燃料供給装置に利用できエンジンの動作を検出し
て、特に排気再循環率を正確に制御することがで
きる内燃機関の排気再循環率を制御する方法を供
給することを目的とする。

本発明は、この目的を達成するために、内燃機
関、特にデイーゼル式内燃機関の排気再循環率を
制御する方法において、内燃機関の排ガス管の排
気ガス温度を測定し、測定された排気ガス温度に
従つて排気再循環率に関する第１の信号を形成
し、運転パラメータに従つて排気再循環率に関す
る第２の信号を検出し、排気再循環率に関する前
記第１と第２の信号を比較しその制御偏差に従つ
て空気供給領域と排気ガス領域を結合する排気再
循環パイプに配置された調節部材を駆動して排気
再循環率を制御し、また、内燃機関のポンプの調
節レバー位置を介して排気再循環率を予め制御す
る構成を採用した。

本発明は、排気ガス温度が内燃機関の負荷状態
を示していることが前提になつており、排気ガス
温度に従つて排気再循環率に関する第１の信号が
形成され、運転パラメータに従つて排気再循環率
に関する第２の信号が求められることに特徴があ
る。これらの排気再循環率に関する第１と第２の
信号が比較されその差に従つて排気再循環率が制
御されている。

第１の実施例では、第１の信号が排気再循環率
の目標値となり、一方、吸気温度、再循環排気ガ
ス温度、混合ガス温度等の運転パラメータに従つ
て排気再循環率の実際値（第２の信号）が求めら
れ、これらの第１と第２の信号が比較されて排気
再循環率が制御され、また、他の実施例では、排
気ガス温度に従つた第１の信号が排気再循環率の
実際値として用いられる。この実施例では、吸入
空気量とエンジン回転数の運転パラメータに基づ
き排気再循環率の目標値（第２の信号）が排気ガ
ス温度として求められるので、第１と第２の信号
が比較され排気再循環率の目標値に対応する排気
ガス温度が得られるまで排気再循環率が調節され
る。

この場合、排気ガス温度に従つて排気再循環率
に関する信号が形成され、排気再循環率の制御が
行なわれることから、突然負荷が変動した場合、
負荷変動後排気ガス温度が変化するまで時間がか
かるので、制御が極めて緩慢になる。従つて、本
発明では、更に内燃機関のポンプの調節レバー位
置を介して排気再循環率を予め制御するようにし
ている。

さらに本発明実施例では化学熱力学的なエンジ
ンの動作が検出されているので、ドリフトが現わ
れた場合には自動的にそのドリフト特性が正しい
方向に調節されるという利点が得られる。本発明
実施例は機械的及び電気的に制御されるポンプに
対しても同様に有効であるので全ての種類のポン
プと共に用いることができ、特に特別なポンプや
低圧循環系は必要でない。

又本発明実施例では温度測定に基づいて負荷信
号を求めているので、空気圧が変動してもそれを
補償できるという利点が得られる。というのは空
気量がわずかの場合で燃料の量が変わらず高い時
には排気ガスの温度は高くなり、その後排気再循
環率を制御することにより装置が対応して補正さ
れるからである。

本発明実施例では外気温度が変動する場合負荷
状態に関連して測定された排気ガス温度と外気温
度との差を形成することによりその外気温度の影
響が考慮される。その場合外気ないし周囲温度を
測定する代わりに吸気弁の直前の吸気温度を測定
することも可能である。このようにして測定され
た温度差（排気ガス温度−吸気温度）はエンジン
の熱力学的な現象により正確に従つたものとなる
という利点がある。

さらに本発明の好ましい実施例によれば排気再
循環率を制御する為に温度差信号を実際値として
用い、又空気量測定とそれぞれのエンジン回転数
を処理して目標値を得る場合には、温度センサを
介して信号処理を簡単に行なうことができる。こ
の場合温度センサに許容誤差があつて、万一噴射
開始時期に偏差が生じ、また吸気温度に変化があ
つてもλ値（空気比）の誤差はごくわずかになる
だけである。

実施例 以下添付図面に従つて本発明の詳細を説明す
る。

本発明の基本的な考え方はデイーゼルエンジン
の排気再循環率を最適に制御する場合重要な信号
となる負荷のデータとして排気ガス温度を用いる
ことにある。

第１図において内燃機関が符号１で図示されて
おりこの内燃機関は、例えばデイーゼル機関であ
り、その排気再循環率が制御される。吸気管２は
３の所で排気再循環パイプ４０と合流しており、
この合流点の背後で、４で示された場所では渦巻
効果が現れる為吸気された気体は均一に混合され
ている。この場合この領域で測定された吸気混合
気の温度T₃は、以下詳細に説明するように他の
温度信号と共に排気再循環率の実際値を求められ
るのに使用される。

吸気温度T₁を測定する為に他の温度測定場所
５が設けられる。この測定場所は点線で図示した
ような場合によつては設けられる排ガスターボ過
給器６の背後に配置することもできる。この排ガ
スターボ過給器のタービン領域は排ガス管７の領
域にあり符号８で図示されている。

さらに排気再循環率の実際値を決めるのに必要
な測定データを得る為に再循環された排気ガスが
吸気管に合流する領域の前方の場所に温度測定場
所９が設けられる。これによつて再循環された排
気ガスの温度T₂が求められる。この場合点線ブ
ロツク１０で示したように場合によつては温度
T₁、T₂、T₃を測定する領域を周囲に対して熱的
に絶縁させることもできる。

第１図に図示したように外気（周囲）温度T₀
を測定する温度測定場所１１並びに排気ガス温度
T₄を測定する温度測定場所１２がそれぞれ設け
られる。

以下に排気再循環率Ａを求めるのに必要な実際
値のデータを得る為の実施例を説明するが、上述
した温度測定場所における種々の温度データを要
約してみると、 T₀＝外気温度 T₁＝吸気温度 T₂＝再循環された排気ガス温度 T₃＝吸気された混合ガスの温度 T₄＝排気ガス温度 となる。

排気再循環パイプ４０が吸気管と合流する混合
領域では、混合時排気ガスより放出される熱量
Q_Aは供給された新しい空気により吸収される熱
量Q_Lと等しくなるので、 Q_A＝Q_L …(1) が成立する。

これより m〓_A・C_PA・（T₂−T₃）＝m〓_L・C_PL
・（T₃−T₁）…(2) が成立する。

ただしm〓_Aとm〓_Lはそれぞれ単位時間当りの排気
ガス量並びに新気の空気量を示し、C_PA並びにC_PL
は空気と排気ガスの定圧比熱を示す。この場合比
熱の比は温度に対して一定となつていることが仮
定されている。

これにより排気再循環率Ａに対しては Ａ＝m〓_A／m〓_L＝C_PL／C_PA・（T₃−T₁）／（T₂−T₃）…
(3) が成立しこれを簡略するとT2がT1と等しくない
場合に対しては Ａ＝（T₃−T₁）／（T₂−T₃） …(4) となる。

第１図に図示した例では実際の排気再循環率Ａ
（実際値）を求める為に演算回路１３が図示され
ている。この演算回路は原理的には任意のものが
用いられ、図示した例では２つの差動増幅器１３
ａ，１３ｂが設けられ、これらの差動増幅器は上
述した式に従い温度の差を出力する。この出力値
は続いて他の演算素子１３ｃに導かれる。この演
算素子は両温度差の比を取り、好ましくは差動増
幅器ないしは演算増幅器により構成される。その
出力には排気再循環率の実際値Ａが出力される。

上述した説明により両温度差（T₂−T₃）と
（T₃−T₁）より新気の空気量と排気ガス量の質量
比を求めることができることが分る。比熱C_PLと
C_PAがほぼ等しいとして簡略化したが、その結果
得られる誤差は２次のオーダーにすぎず、このよ
うな誤差は場合によつては補償することが可能で
ある。

このように単に温度測定だけに基づく質量の測
定はT₁とT₂が等しくない場合に可能である。こ
れは吸引エンジンでは常に成立し、又過給器エン
ジンの場合にも充分良好に成立させることができ
る。

上述した演算回路１３の実施例の代わりに一対
の熱電対を測定に用いることによつて温度差を求
めるようにすることもできる。熱電対素子として
は好ましくは通常のワイヤあるいは薄い支持板上
に一部重ね合わせて蒸着した金属層からなるもの
が用いられる。このような測定素子は機械的に安
定しており容積に比較して面積が大きい為、応答
速度が速いという利点が得られる。

ここでこのようにして求められた排気再循環率
Ａを回転数が与えられた場合内燃機関の負荷Pe
に関連させる必要がある。本発明の好ましい実施
例ではエンジンの負荷に対する尺度として排気ガ
ス温度T₄（外気温度を考慮しなければならない時
には温度差T₄−T₀）が用いられる。排気ガス温
度T₄を負荷に対する尺度として用いることは、
噴射開始時期が一定ないしは特性信号発生器に基
づいて正確に制御できるものであることが前提と
なつている時には特に好ましい。このような温度
測定によつて困難を伴うエンジンのトルク測定を
避けることができる。エンジンの負荷を求める他
の方法としては場合によつては調節レバー位置あ
るいは噴射期間を用いることもできる。

負荷データに対し排気ガス温度を用いることは
第２図に図示した特性曲線から正しいことが理解
できる。この特性曲線は負荷Peに対して描かれ
た排気再循環率Ａ（カーブ）並びに排気ガス温
度T₄ないしは外気温度との差T₄（−T₀）（カーブ
）を概略描いた曲線である。図示したＡとT₄
（−T₀）の目標値カーブは回転数が一定（ｎ＝一
定）の場合に当てはまる。

温度信号T₄は変動する外気圧を少くとも部分
的に補償することができる。というのは空気量
m〓_Lが少なくなる場合燃料の量が不変で大きい場
合には温度T₄が高くなり、それにより排気再循
環率Ａが変化することにより、それに対応して補
正されるからである。

又ピストンと弁のシールドが悪く、それによつ
て空気量が減少するような結果になつたり、ある
いはノズルが悪く燃焼が不完全であつたりする場
合のようにエンジンに場合によつて不正確な所が
あつても熱的に全体が制御されることによりこの
ような不正確さが同様に補償できるので、問題と
なる排煙を避けることができるか、少くともかな
り減少させることができる。

外気温度が変動する場合には（T₄−T₀）の温
度差を測定する。

本発明の実施例によれば得られた熱的データを
補正する為に、例えば排気弁の弁座の温度を測定
する等エンジン自身の構造自体を基礎にすること
ができるので、エンジンの熱的状態を正しく把握
することができる。

T₁とT₂を測定する場合上流では流れは変化せ
ず、従つて充分測定路を長くとれることに注意し
ておく。又T₃の測定場所では空気と排気ガスは
均一に混合することができ、これは例えば吸気管
に渦巻形成板を用いたり、充分に混合させる他の
手段を用いることによつて達成することができ
る。T₄を測定する場合排気ガス流のダイナミツ
クエネルギー量が再現できるように測定する。

原理的には温度測定が比較的緩慢に行なわれる
にもかかわらずそのような熱的制御の時間特性は
比較的好ましいものとなる。それは排気ガス温度
T₄が他の温度に比較して比較的速く変化すると
してもそうである。

吸引エンジンの場合通常T₁は吸気温度であり、
ほぼ一定となる。又T₂は管の熱容量に基づき緩
慢にしか変化せず、又T₃は排気再循環装置の制
御速度に応じ0.3〜１秒の範囲で変動する。

又本発明の好ましい実施例によればポンプの調
節レバー位置を介して予備制御（予め制御するこ
と）を行ない制御特性を改善することができる。
というのは、ポンプの調節レバー位置は内燃機関
の負荷を表し、この負荷情報に基づいて排気再循
環率が予め制御されるので、突然負荷が変動した
場合でも、素早くその変動に応答でき、排気ガス
温度に従つて排気再循環率を制御する場合の制御
の遅れを補償するからである。この場合精度に対
する要求がそれ程でない場合には調節レバーの位
置を負荷のデータ値として用いることも可能であ
る。

さらに排気ガス値を良くする為に噴射開始制御
装置を備えている内燃機関の場合には本発明と組
み合わせて噴射開始制御装置から得られる信号、
例えば噴射開始並びに噴射期間（S_D）の信号を用
いることもできる。その場合上述した排気再循環
率測定と組み合わせる場合負荷情報としては噴射
期間を測定するだけで充分である。

上述した温度データを特性信号発生器等から得
られる目標値と組み合わせて制御できることも可
能である。例えば演算回路１３の後段に制御器１
４を接続し、その一方の入力には排気再循環率Ａ
の実際値を入力し、又他方の入力には、目標値と
しての負荷信号を入力するようにする。排気ガス
温度T₄の温度を測定する測定場所１２と制御器
１４間に例えば簡単な加算回路のような演算素子
１５を接続し、所望の場合には外気温度T₀を組
み合わせるようにする。点線で図示したように制
御器１４の出力は、例えば排気再循環パイプ４０
の調節部材（例えば制御弁）１６に入力される。
又吸気管２には補助弁として同様にもう１つの制
御弁１６′を設けることもできる。これによつて
実効排気再循環率を制御器１４の出力を介して所
望の値に調整することができる。

さらに第３図、第４図、第５図には排気ガス温
度T₄、場合によつては吸引エンジンの場合排気
ガス温度T₄と吸気温度T₁の温度差、又ターボ過
給器を備えたエンジンの場合には過給器の後の空
気温度との差をとつて、この排気ガス温度ないし
はその差に着目して排気再循環率Ａを制御する実
施例が図示されている。第３図、第４図、第５図
に図示された実施例では内燃機関の負荷、吸気空
気量m〓_L並びにエンジン回転数ｎと排気ガス温度
T₄ないし温度差（T₄−T₁）との関係を示す特性
曲線群が基礎となつている。このような特性曲線
群が第５図に図示されている。又測定箇所並びに
内燃機関の原理的な構成が第３図に図示されてい
る。エンジン１′に関連して吸気管２′の入口に空
気量センサ２０が設けられ、この空気量センサに
よつて内燃機関に供給される全体の空気量のうち
新気の成分が求められる。又回転数に比例した矩
形波パルスを発生する回転数測定装置２１が設け
られ、さらに排気再循環パイプ４０′には調節弁
２２が配置され、この調節弁には排気循環率を制
御する制御器からの信号が入力される。

第３図に図示した原理構成に基づき測定を行な
うとそれぞれ回転数が一定の場合内燃機関の負荷
Peが変化した場合の種々の曲線が得られ、それ
によつて排気再循環率が変化した場合の排気ガス
温度T₄ないし温度差（T₄−T₁）の関係が得られ
る。

さらに理解する為に説明を続けると、四角の測
定点により印のつけられた負荷（Pe）のカーブ
は回転数が800／分の場合の曲線であり、又×印
で示した測定点を結んで得られる曲線群は回転数
がｎ＝1000／分の場合の負荷曲線であり、又丸印
の曲線はｎ＝2000／分の回転数の場合の特性であ
り、又三角形印から成る測定群はｎ＝3000／分の
場合に得られる曲線群である。それぞれの特性群
の右端にはその曲線群を特徴づける内燃機関の負
荷のデータが記入されており、各曲線群に沿つて
左側に行くと排気ガス温度T₄は徐々に上昇する
方向に変化し、それに対応して内燃機関に供給さ
れる新気の空気量m〓_Lは小さくなり、従つて排気
再循環率が上昇することが理解できる。

これらの特性曲線において最適の排気再循環率
に対しての温度差（T₄−T₁）を記入し各回転数
に対してこれらの点を互いに結ぶことが可能であ
る。それによつて第５図に図示したように800／
分、1000／分、2000／分及び3000／分のそれぞれ
の回転数に対して〜で図示した最適排気再循
環率のカーブが得られる。これらのカーブから温
度差（T₄−T₁）ないしは純粋な排気ガス温度T₄
と吸気空気量との間には一義的な関係が存在する
ことが分る。本発明では最適の排気再循環率Ａを
求める為にこれらの特性曲線に沿つて制御するこ
とが行なわれる。このような排気再循環制御装置
が第４図にブロツク図として図示されている。こ
の場合も排気ガス温度が用いられるが、この場合
には排気ガス温度は負荷信号に対応した実際値と
なつており、この温度が排気再循環率を示す目標
値と比較点２３において比較される。温度センサ
２４は負荷信号に対応する温度差（T₄−T₁）を
測定する。又演算回路２５′によりそれぞれ測定
された吸入空気量とエンジン回転数ｎに基づいて
対応した目標値が形成される。空気量センサ２５
は吸入された空気量m〓_Lを求めるもので、第３図
に示した空気量センサ２０に対応し、一方エンジ
ンの回転数ｎを検出するセンサ２６は第３図のブ
ロツク２１に対応するものである。比較点２３に
おいて空気量とエンジン回転数から得られる目標
温度差と実際の温度差が比較される。両者に偏差
が現れると比較点２３の後段に接続された排気再
循環制御器２７が作動され排気再循環パイプ４
０′に配置された弁２２が開閉する。実際値が目
標値よりも大きい場合には弁２２は今の状態より
も閉じ、それによつて吸入空気量が変化する。こ
のような新しい空気量とエンジン回転数からさら
に目標値となる温度差が求められ、これが同様に
実際の温度差と比較される。このような調整は目
標値と実際値が一致するまで継続する。

効 果 以上説明したように、本発明では、排ガス管の
排気ガス温度が測定され、この測定された排気ガ
ス温度に従つて排気再循環率を制御するための信
号が形成されており、排気ガス温度が実効的な負
荷状態を表していることから、排気ガス温度を測
定することにより簡単な構成で排気再循環率を最
適な値に制御することが可能になる。また、本発
明では、内燃機関のポンプの調節レバー位置を介
して予め排気再循環率の制御が行なわれることか
ら、突然負荷が変動した場合でも、素早くその変
動に応答でき、排気ガス温度に従つて排気再循環
率を制御する場合の制御の遅れを補償することが
でき、動的な制御特性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の概略構成を示すブロツク
図、第２図は排気再循環率と排気ガス温度の負荷
に対する関係を示す特性図、第３図、第４図は本
発明の異なる実施例を示すブロツク図、第５図は
排気ガス温度と吸入された空気量の関係を示す特
性図である。 １……内燃機関、２……吸気管、４……合流
点、５……吸気温度側定場所、９……再循環され
た排気ガス温度測定場所、１２……排気ガス温度
測定場所、１３……演算回路、１４……制御器、
１６……調節弁、４０……排気再循環パイプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関、特にデイーゼル式内燃機関の排気
   再循環率を制御する方法において、 内燃機関の排ガス管の排気ガス温度を測定し、 測定された排気ガス温度に従つて排気再循環率
   に関する第１の信号を形成し、 運転パラメータに従つて排気再循環率に関する
   第２の信号を検出し、 排気再循環率に関する前記第１と第２の信号を
   比較しその制御偏差に従つて空気供給領域と排気
   ガス領域を結合する排気再循環パイプに配置され
   た調節部材を駆動して排気再循環率を制御し、 また、内燃機関のポンプの調節レバー位置を介
   して排気再循環率を予め制御することを特徴とす
   る内燃機関の排気再循環率を制御する方法。 ２ 前記第１の信号が排気再循環率の目標値を示
   し、第２の信号が排気再循環率の実際値を示すこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方
   法。 ３ 前記運転パラメータが、吸入された空気が再
   循環された排気ガスと混合する領域の前方部にお
   ける吸気温度（T1）と、排気再循環パイプ４０
   における混合領域前での再循環排気ガス温度
   （T2）と、混合領域の後で吸入された混合ガス温
   度（T3）であり、これらの温度測定値から（T3
   −T1）／（T2−T3）の式に従つて排気再循環率
   の実際値を求めることを特徴とする特許請求の範
   囲第２項に記載の方法。 ４ 排気ガス温度（T4）と外気温度あるいは吸
   気弁直前の吸入空気温度との差（T4−T0）に従
   つて排気再循環率の目標値を形成することを特徴
   とする特許請求の範囲第２項又は第３項に記載の
   方法。 ５ 内燃機関の排ガス管７と排気再循環パイプ４
   ０が合流する上流で内燃機関の排気ガス温度
   （T4）を検出することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載の
   方法。 ６ 前記第１の信号が排気再循環率の実際値を示
   し、第２の信号が排気再循環率の目標値を示すこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方
   法。 ７ 前記排気再循環率の目標値が、吸入空気量と
   エンジン回転数に従つて求められることを特徴と
   する特許請求の範囲第６項に記載の方法。 ８ 前記排気再循環率の実際値が排気ガス温度
   （T4）あるいは吸気温度との差温度（T4−T1）
   に従つて求められることを特徴とする特許請求の
   範囲第６項又は第７項に記載の方法。 ９ 内燃機関の排ガス管７と排気再循環パイプ４
   ０′が合流する上流で内燃機関の排気ガス温度
   （T4）を検出することを特徴とする特許請求の範
   囲第６項から第８項までのいずれか１項に記載の
   方法。