JPS6011214B2 - 内燃機関の排気ガス還流装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はディーゼル機関用の排気ガス排出物制御装置に
関し、特に排気ガス内の酸化窒素の排出を制御する装置
に関する。

世界人口の増加と日常生活の機械化の無制限の使用とに
よって環境汚染の問題が大きくなった。

内燃機関等の発生する汚染物質に対する対策として政府
は近年になって法令を公布した。内燃機関の排気は完全
燃焼生成物としての炭酸ガスと水の他に、汚染物質とし
て不完全燃焼炭化水素、一酸化炭素、酸化窒素及び微量
の他の汚染物質がある。炭酸ガスと水とは無害であるが
、他の排出物は著しく有害である。機関排気内の酸化窒
素量は燃焼温度によって定０まる。

燃焼温度が高くなれば排気内の酸化窒素量も増加する。
それ故、機関排気の酸化窒素を制限するためには燃焼温
度を制御する。燃焼温度制御のための既知の方法として
、排気ガスの一部を機関吸気口に還流させ、混合気を濃
くして燃焼温度夕を低下させる。燃焼温度が低下すれば
燃焼間の酸化窒素の生成は減少する。最高燃焼温度を生
ずる運転条件は内燃機関の型式に応じて変化する。

例えば火花点火ガソリン機関においては緩遠運転間の燃
焼温度は低い。更０に、スロットル全開の時は混合気が
濃くなるため燃焼温度が低い。理論的には機関の緩遠運
転間は排気ガス還流は行わない。緩速から部分負荷条件
では排気ガス還流量を増加させ、部分負荷からスロット
ル全開迄は還流量を減少させる。ディーゼル機関では緩
遠綴負荷条件で最大燃焼温度が生ずる。それ故、穣遠運
転間は排気ガス還流量を最大とし、負荷の増加に伴って
還流量を減少させる。各種の排気ガス還流装置について
の提案がある。ディーゼル機関用の制御装置の例として
、２個の直列の弁を通って還流させる。一方の弁は吸気
マニホールド員圧に応答し、他方の弁は機関速度に応答
する。機関負荷は吸気マニホールド負圧と機関速度との
関数であるため、排気ガス還流量は機関負荷に応答する
制御となる。他の既知の還流制御装置は、第３の弁を各
シリンダに設けて排気ガスを直後シリンダに還流させる
。即ち、機械的の弁を各排気口に設けて排気を各シリン
ダに導入し、還流ガス量を制御する。火花点火内燃機関
用の排気ガス還流装置は各種がある。しかし、既知の還
流装置は機械的制御装置であり、カム「遠心ガバナ−、
空気式の圧力感知器等を使用する。既知の装置は機開排
気内の酸化窒素を減少するが、すべての運転条件におい
て正確な酸化窒素量制御を行う装置ではなく、更に機械
的制御装置は信頼性に欠ける。本発明の目的は、内燃機
関の酸化窒素の排出量を最小にするための排気ガス還流
装置の電子制御装置を提供するにある。

本発明の別の目的はディーゼル機関用の新らしい排気ガ
ス還流装置を提供するにある。

本発明の他の目的は、ディーゼル機関用の排気ガス還流
装置を提供し、機関負荷及び機関速度の各種運転条件に
おいて有効に酸化窒素排出量を減少する装置とする。

本発明による内燃機関の排気ガス還流装置の特徴は、内
燃機関の排気内排出物を制御するために排気ガスの一部
を吸気口に還流させる還流弁を設け、還流弁の第１の位
置では所定の最大量の排気ガスを還流し、第２の位置で
は所定の最小量の排気ガスを還流するものにおいてト機
関負荷に関連する電気信号を発生する作動条件感知器と
、上記信号に応答して還流弁を第１第２の位置の間に動
かす弁駆動装置とを設けて機関排気ガス内の酸化窒素を
減少させる。

本発明の目的と利点とを明らかにするための例示とした
実施例並びに図面について説明する。

第１図は本発明による排出物制御装置を設けた内燃機関
の排気ガス還流装置１０を示す。図示の例では内燃機関
１１はトラック、建設車両等のディーゼル機関とする。
ディーゼル機関１１に空気吸込口１２と排気口１３とを
設ける。排気口１３は弁竃４を経て排気管１５に連結す
る。排気管１５には図示しない消音器を連結する。弁１
４の調整可能の弁フラップ１６は一部の排気ガスを還流
管翼７を経て級気口１２に戻す。ひ 機関１１に設けた
作動条件感知器１Ｗこよって機関負荷と機関速度とを測
定する。

感知器１８の出力を受ける電子制御装置１９は弁駆動モ
ータ２０を駆動してフラップ１６を所要の開き角度とす
る。フィードバック回路によって還流装置１０のタ作動
を確認する。フィードバック回路として弁位置感知器２
１は弁フラップ１６の位置に相当する信号を電子制御装
置１９に供給する。電子制御装置亀９においては、作動
条件感知器１８の感知した機関負荷によって定まる所要
フラップ関度と、弁位置感知器２８の感知した真のフラ
ップ開度とを比較し、修正信号を発生して弁駆動モータ
を動かす。一般的には、電子制御装置１９はモータ２０
を駆動して弁フラッブの位贋ぎめを行い、無負荷条件に
おいては最大量の排気ガス還流を行い、機関負荷の増大
にはゞ比例して弁フラップを閉じて排気ガス還流を減少
させ、１００％定格負荷において還流管１７に供給する
排気ガス量を零とする。更に電子制御装置１９は機関負
荷又は機関速度が所定値以下となった時に弁フラップ１
６を最大開度として還流排気ガス量を最大とする。第２
図は上述の機能を行うための排気ガス還流装置１０の電
子制御装層１９のブロック線図を示す。上述した通り、
機関負荷を感知する必要がある。ディーゼル機関におい
ては、各シリンダーに噴射する燃料量を制御するラック
の位置によって負荷を直に測定できる。ラック位置の測
定のためには種々の既知の装置がある。例えば線形電圧
差動変成器の磁心をラックによって動かすこともできる
。しかし、この構成はラックの動きに抵抗を生ずるため
、ガバナーによってラック位置を定める構造の場合に運
転上の影響がある。このため、ラック位置の感知のため
には、ラックに直接連結する必要のない装置、例えば近
接検出器が好適である。第２図に示す通り、負荷感知器
１８として、図示しないラックに取付けたカム面２６の
位置を感知する近綾探針２５を使用する。発振器２７は
比較的低周波、例えば錐ＨＺの交流信号を近接探針２５
に供給する。探針２５の出力２８は発振器２７と同じ周
波数であり、振中はカム２６と探針２５との間隔の逆数
の関数となる。探針２５の出力２８を緩衝増中器２９を
経て復調器３０、例えば半波整流器に供給する。

復調器３０の出力３１は低域通過フィル夕３２を経て比
較回路３３の一方の入力に供給する。低域通過フィル夕
３２の遮断点は、カム２６に生ずる機関の振動を炉過す
るように定める。低域通過フィル夕３２は復調器出力３
１の一部のみを炉適し、信号のリップルは残して比較回
路３３に供給する。この信号の周波数は発振器２７の出
力と同じ周波数である。復調器３０からの出力３１をダ
イオード３４、可変抵抗３５を経て接地する。可変抵抗
３５によって、ゲイン則ち排気ガス還流弁１４の作動す
る負荷範囲を調整する。発振器２７の出力を弁位置感知
器２１に供給する。

感知器２１は図示の例では近接探針３６とする。弁駆動
モータ２川こよって弁フラップ１６とカム３７とを駆動
する連結とする。近接探針３６はカム３７との間隔を感
知してこの間隔の逆数の関数とした出力３８を発生する
。即ち、近接探針の出力３８は発振器２７と同じ周波数
であり、カム３７が近接探針３６に近接すれば出力は大
となる。近接探針３６の出力３８は緩衝増中器３９を経
て復調器４０もこ供給する。

大地と直流電源との間に接続したポテンシオメータ４１
から復調器４０に一定の直流電圧を供給する。一定の直
流電圧は復調器４０をバィアスして装置１０の零点を定
める。復調器４０の出力は低減通過フィル夕４２を経て
比較回路３３の第２の入力に供給し、低域通過フィル夕
３２からの出力と比較する。標準のディーゼル機関では
機関のピーク振動周波数は２０〜５０日２である。この
振動は弁フラップ１６のフラッタを生ずるため、近接探
針３６の出力３８から消去する必要がある。実施上、低
域通過フィル夕の遮断周波数を３３ＨＺとすることによ
って、ほゞ一定の信号を比較回路３３に供給できる。こ
の信号の振中は弁フラップ１６の位置によって定まる。
比較回路３３の出力は増中器４３を経て弁駆動モータ２
０の動力制御用の双極スイッチ４４に供給する。比較回
路３３と双極スイッチ４４との作動は第３図に示す。第
３図のグラフＡは比較器３３に供給される入力を示す。
低域通過フィル夕３２は比較器３３に信号４８を供給し
、低減通過フィル夕４２は比較器３３に信号４９ａ，４
９ｂ又は４９ｃを供給する。比較器３３は例えばシュミ
ットトリガとし、限界検出器として作動し、両入力の高
い方に応じて両出力の一方を出力とする。弁位置信号が
信号４９ａである時は、大部分の時間では負荷信号４８
の最高リツプル値より高い、又はほ）、同じであるため
、第３図Ｂに示す信号が双極スイッチ４４に供給される
。弁位置信号４９ｂである時は、負荷信号４８のリップ
ル値が５０％は上、５０％は下であるため、双極スイッ
チ４４には第３図Ｃに示す信号が供給される。弁位置信
号４９ｃである時は、負荷信号４８のリップル値は大部
分が信号４９ｃより上方にあり、第３図Ｄに示す信号が
双極スイッチ４４に供給される。双極スイッチ４４は入
力信号とほゞ同じ信号を弁駆動モー外こ供給する。この
信号は交互に等しい正負の電圧健から成る。双極スイッ
チ４４の出力が第３図Ｃに示す形状である時は、５０％
デューティーサィクルであり、モータ２０は停止状態に
ある。この信号は錐ＨＺのパルスであり、モータが追随
して振動することはない。弁位置信号と負荷信号との比
較によって、弁を開く又は閉じることを必要とする場合
には、比較回路の出力信号のデューティーサィクルは第
３図Ｂ又はＤに示す形状となる。

モータ２０１こ供Ｖ給される電力が第３図Ｂに示す形状
である時は、負の入力が供給される時間が正の入力が供
給される時間よりも大であり、モータ２川ま第１の方向
に回転する。モータ２川こ供給される電力が第３図Ｄに
示す形状である時は、正の入力が供給される時間が大と
なり、モータ２川ま反対方向に回転する。弁フラップ１
６が機関負荷の要求を満足する位置に回動した時は、モ
ータ２川こ供給される電力のデューティーサィクルは第
３図Ｃに示す形状となり、モータは停止する。一般的に
は、機関負荷が直線変化を行う時には弁１４も直線作動
を行う必要がある。

機関の無負荷の時には最大の排気還流を行い、機関が１
００％定格負荷の時には最小の環流とし、中間は直線的
に還流量を変化させる。弁１４は関度と流量とが正比例
する型式を使用することもできるが、正比例型でない弁
が安価である。この型式の弁を使用する時には、弁フラ
ップ１６と共に回動するカム３７の面を修正して補正を
行う。前述した通り、機関が最小負荷の時は排気ガス還
流を最大とする。

このためには、第２図の回路に第２の比較回路５０を附
加する。比較回路５０は低域通過フィル夕３２の出力を
ポテンシオメ−夕５１の定電圧と比較する。還流弁１４
を全開位置に駆動するトリップ点をポテンシオメータ５
１によって定める。機関の燃料調整ラックがトリップ点
より下に勤仇ま、比較回路５０からの出力は変化する。
この出力を低減通過フィル夕４２からの弁位置信号と共
に比較回路３３に供給する。比較回路３３の出力は低域
通過フィル夕３２からの入力に無関係の一定出力となり
、モータ２０は弁１４を全開位置に駆動する。排気ガス
還流弁１４の位置についての他の制御装置を附加するこ
とによって、排気ガス還流装置１０は更に有効な作動を
行う。

例えば、ディーゼル機関の場合は通常運転の回転数範囲
は１８００〜２８０比ｐｍである。この機関をトラック
に使用すれば、下り坂の場合の最大機関回転数は上述の
値よりも大きくなる。このようなスロツトル全閉の高速
走行、即ちコースティングの時は燃料調整ラックは無負
荷位置にあり、排気ガス還流弁１４は全開位置、即ち最
大還流量の位置にある。この場合に運転者がアクセルベ
タルを踏めば機関のシリンダは酸素不足のために不完全
燃焼の鰹を発生する。それ故、機関が無負荷であり、機
関速度が例えば３００仇ｐｍを超えた時には排気ガス還
流弁１４を全閉位置とする制御装置を附加することが望
ましい。更に所定最小機関回転数例えば１２０仇ｐｍに
おいては機関負荷に無関係に排気ガス還流弁１４を全開
位置とする制御装置を附加することが望ましい。更に所
定最小機関回転数例えば１２０仇ｐｍにおいては機関負
荷に無関係に排気ガス還流弁１４を全開位置とする制御
装置を附加する。更に、定常運転範囲においては不完全
燃焼に塞く煙を最小にする制御装置が望ましい。機関か
らの煙の排出を防ぐためには高速範囲よりは低速範囲に
おいて排気ガス還流を減少させるのが有効であり、酸化
窒素量の増加も著しくないことは知られている。それ故
、還流弁１４を動かすための直線関係を所定の機関速度
に応答して変化させる制御装置を附加することが望まし
い。例えば機関が１９５仇ｐｍ以下で無負荷から全負荷
運転となる時は還流弁１４の排気還流量を３５％から０
％に変化させ、機関速度が１９５仇ｐｍを超えて無負荷
から全員荷迄の運転を行う時は還流量を５０％から０％
の間に変化させる。この要求を満足させる排気ガス還流
弁１４の０動きのグラフを第４図に示す。第５図は上述
の各種の制御装置を有する排気ガス還流装置５２のブロ
ック線図を示す。

発振器５３の出力は緩衝増中器５４を経て近接探針５５
，５６の入力に供給する。図示しないディーゼル機関の
燃料噴射装置を制御する燃料調整ラックに取付けたカム
５７の位置を近接探針５５によって測定する。近接探針
５５の出力は交流信号であり、振中はカムと探針５５と
の間隔の逆数の関数であり、周波数は発振器５３の周波
数に等しい。探針５５の出力は増中器５８を経て復調器
５９に供給する。復調器５９の出力は低域通過フィル夕
６０を経て比較回路６１の一方の入力に供給する。比較
回路６１の入力信号のゲインを制御するために、低域通
過フィル夕６０の入力をダイオード６２、可変抵抗６３
を経て接地する。排気ガス還流弁１４の弁フラップ１６
と共に弁駆動モータ２０の駆動するカム６４に対する間
隔を近接探針５６によって測定する。

近接探針５６の交流出力、即ち弁１４の位置を示す信号
は増中器６５を経て復調器６６に供給する。ポテンシオ
メータ６７から復調器６６に供給される直流信号は還流
装置５２の雫位置を定める。復調器６６からの出力は低
域通過フィル夕６８を経て比較回路６１の第２の入力に
供給する。比較回路６１の出力は正負の交流であり、増
中器６９を経て双極スイッチ７０に供給されて弁駆動モ
ータ２０を動かす。上述の回路は第２図に示す回路とは
ゞ同様である。他の制御装置を附加して酸化窒素と煙の
排出を共に減少させる。第２図の装置に対して附加する
各制御装置は機関運転速度に関連する信号を必要とする
。

カム７５を機関によって駆動する。磁気ピックアップ７
６をカム７５に近接して取付け「カム７５の各突出部が
通った時に一連のパルスを発生し、このバルスは機関速
度に比例する。ピックアップ７６の出力パルスを周波数
対電圧変換器７７に供給して機関速度に比例する電圧パ
ルスを発生させる。

変換器７７の出力７８を比較回路７９の一方の入力に供
給する。比較回路７９の第２の入力はポテンシオメータ
８０からの一定電圧である。比較回路７９は変換器出力
７８がポテンシオメータ８０の電圧よりも上か下かに応
じて２個の出力の一方を出力として供給する。ポテンシ
オメータ８０を調整して、比較的低速、例えば機関速度
１２０仇ｐｍにおいて比較回路７９の出力レベルが変化
するようにする。比較回路７９の出力は低減通過フィル
夕６０の出力と共に比較回路６１に供給する。機関回転
数が所定の低速値以下となった時は、比較回路７９の出
力レベルが変化し、信号が比較回路６１に供給されて弁
１４を全開位置とし、機関の燃料調整ラックの位置に無
関係に、排気ガス還流量を最大にする。所定回転数以上
では比較回路７９は排気ガス還流弁１４の動きに影響し
ない。かくして、磁気速度ピツクアッブト変換器７７、
比較回路７９によって、機関の綾速運転間は機関負荷に
無関係に還流弁１４を全開とする。前述した通り、第２
の好適な作動条件として、機関速度が定常回転数範囲を
超え、同時に燃料調整ラックが最小負荷又は低負荷位置
にある時には、還流弁１４を全閉位置に保つ。

このために２個の比較回路８１，８２とアンドゲート８
３とを設ける。変換器７７の出力７８、即ち機関速度に
比例した電圧を比較回路８１の一方の入力に供給する。
ポテンシオメータ８４は一定電圧を比較回路８１の第２
の入力に供給して比較回路８１の出力レベルの変化する
点を定める。例えば、機関速度が３００仇ｐｍを健に超
えた時にポテンシオメー夕８４が比較回路８１の出力レ
ベルを変化させる調整とする。比較回路８１の出力をア
ンドゲート８３の一方の入力とする。比較回路８２の一
方の入力は低域通過フィル夕６０の出力、即ち燃料調整
ラックの位置を代表する出力に接続し、第２の入力はポ
テンシオメータ８５からの一定電圧に接続する。ポテン
シオメータ８５を調整して燃料調整ラックが最低負荷位
置にある時に比較回路８２の出力レベルが変化するよう
に定める。比較回路８１の出力は機関速度が所定の最大
値を超えたことを示し、比較回路８２の出力は燃料調整
ラックが所定の最低負荷位置にあることを示す時は、ア
ンドゲート８３は比較回路６１に信号を供給してモ−夕
２川ま弁１４を駆動して全閉位贋とする。

即ち排気ガス還流量は最４、となる。このため、次に加
速べタルを踏んだ時に煙を発生することはない。変換器
７７の出力７８を別の比較回路８６に供給する。

ポテンシオメータ８７は一定の直流電圧０を比較回路８
６の第２の入力に供給する。機関速度が所定の中間速度
、この例では１９５仇ｐｍを通過する時に比較回路８６
の出力レベルが変化するようにポテンシオメータ８７を
定める。この所定速度を超えた時は、比較回路８６は減
衰器８８の出力電流を低下して近接探針５６に対する発
振器５３の信号を減少し、弁１４の作動直線の位置を動
かす。前述した通り、機関速度に応じた２種の還流弁作
動線を第４図に示す。機関速度が１９５仇ｐｍよりも低
下すれば、無負荷の時の最大排気ガス還流量は約３５％
となり、煙と酸化窒素との排出を共に抑制できる。機関
負荷が１００％定格値となれば、還流量は０％又は所定
の低い値に減少する。機関速度の高い時は排気ガス還流
量を大にしても煙の発生の虜は少ない。それ故、図示の
例では１９５びｐｍを超えた時は無負荷において５０％
、１００％負荷において０％の還流量とする。１９５仇
ｐｍは例示でり、機関の仕様に応じて所要の機関速度を
定める。

本発明は種々の変型が可能である。

例えば、排気ガス還流弁が全開又は全閉位置となった時
にモータ２０を保護する装置、及び弁１４の焼付き等に
よる作動不能の時にモータ２０を保護する装置を設ける
。以上詳述したように、本発明の内燃機関の排気ガス還
流装置は、所定の最大量の排気ガスを還流する第１の位
置と、所定の最小量の排気ガスを還流する第２の位置と
の間で、作動条件感知手段からの電気信号に応じて還流
弁を弁駁動装置により駆動し、弁駆動装置を制御する電
子制御装置により弁位置感知器および作動条件感知手段
からの電気信号を比較着視し、還流弁が常に機関負荷又
は機関速度の少なくとも一方に対応する所定位置にある
ようフィードバックすることにより、排気ガスの還流量
を連続的に変化させ機関負荷又は機関速度の少なくとも
一方に応じて適切に排気ガス内の酸化窒素排出量を減少
させることができる。

また作動条件感知手段は、例えばディーゼル機関におい
ては機関負荷に対応するラックの位置をラックの動きを
阻害することなく感知するので、差圧タ発生機構により
吸入空気量を測定する従来のものに比べ機関負荷を正確
にかつ容易に測定できるので、排気ガス内の酸化窒素を
適切かつ確実に減少させることができる。上述の例はデ
ィーゼル機関に排気ガス還流装置Ｚを粗合せた例を説明
したが、火花点火機関等の機関にも適用できる。

夫々の機関に応じて還流弁作動を変化させる。例えば、
火花点火機関においては最大還流量は低負荷又は緩遠位
置ではなく、中間速度範囲とする。
Ｚ

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による排気ガス還流装置を設けた機関の
ブロック線図、第２図は第１図の還流装層のブロック線
図、第３図は第２図の装置の還流弁駆動モータの信号の
グラフ、第４図は還流装置の第２の実施例の作動特性の
図、第５図は第２の実施例のブロック線図である。 １０…・・・排気ガス還流装置、１１…・・・内燃機関
、１２…・・・吸気□、１３・・・・・・排気口、１４
・・・・・・排気ガス還流弁、１５・・・・・・排気管
「 １６・・・・・・弁フラップ「 ＩＴ・・・・・・
還流管、１８・・…・作動条件感知器、１９……電子制
御装置、２０…・・・弁駆動モータ、２１……弁位置感
知器、２５，３６，５５，５６・・・…近接探針、２６
，３７，５７，６４・…・・カム面、２７，５３・・・
・・・発振器、３０，４０，５９，６６・・…・復調器
、３２，４２，６０，６８・・・・・・低域通過フィル
夕、３３，５０，６１，７９，８１，８２，８６・…・
・比較回路「 ４４，７０・・．・・・双極スイッチ、
７６・…・・ピックアップ、７７・・・・・・周波数対
電圧変換器。 ｆ厄‐１‐ ｒ元‐Ｚ− 工７６‐３‐ ｆ用‐４‐ コＦ元‐５‐

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内燃機関の排気内排出物を制御するために排気ガス
   の一部を吸気口に還流させる還流弁を設け、還流弁の第
   １の位置では所定の最大量の排気ガスを還流し、第２の
   位置では所定の最少量の排気ガスを還流するものにおい
   て、機関負荷又は機関速度の少なくとも一方に関連する
   電気信号を発生する作動条件感知手段１８と上記信号に
   応答して還流弁１６を第１第２の位置の間に動かす弁駆
   動装置２０と、前記還流弁１６の位置に関連する電気信
   号を発生する弁位置感知器２１と、前記作動条件感知手
   段１８の電気信号及び前記弁位置感知器２１の電気信号
   の比較値に基づいて前記弁駆動装置２０を作動させ、前
   記還流弁１６を所定位置に動かす電子制御装置１９とを
   設けて機関排気ガス内の酸化窒素を減少させることを特
   徴とする排気ガス還流装置。