KR20060032956A

KR20060032956A - 디젤기관의 배기가스 환류 제어장치

Info

Publication number: KR20060032956A
Application number: KR1020057022800A
Authority: KR
Inventors: 아키히로 니시무라; 미치히코 하라
Original assignee: 얀마 가부시키가이샤
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2006-04-18
Also published as: CN1798917A; US20060144374A1; US7201158B2; CA2527943A1; KR100693655B1; EP1630402A4; CN100398805C; JP2004360516A; EP1630402A1; CA2527943C; WO2004109088A1; JP3868926B2

Abstract

배출되는 NOx와 매연을 억제할 수가 있는 디젤기관의 배기 환류 제어장치를 제공한다. 흡기통로(3)에서의 배기가스 환류통로(4)와 합류하는 부분보다 상류측에 제1온도센서(11)가 설치되고, 하류측에는 제2온도센서(12)가 설치된다. 또, 기관부하 검출센서(6)와 기관회전수 검출센서(7)가 설치된다. 배기가스와 혼합하기 전의 흡기온도와 기관부하 및 기관회전수로부터 일의적으로 정의되는 적정한 배기가스 환류량에 대응하는 제2온도센서 설치위치에서의 온도치를 미리 기억시킨 기억수단이 설치된다. 그리고, 대응하는 기억수단에 기억시킨 온도치와 제2온도센서에서 검출한 검출치를 비교하고, 검출치가 온도치에서 소정 범위 내에 있는 경우에는 환류 배기가스량이 적정하다고 판정하고, 검출치가 온도치로부터 소정 범위 내가 아닌 경우에는 환류 배기가스량이 이상인 것으로 판정하는 판정수단이 설치된다.

Description

디젤기관의 배기가스 환류 제어장치 {EXHAUST GAS RECIRCULATION CONTROL DEVICE FOR DIESEL ENGINE}

본 발명은, 매연(smoke)과 NOx의 배출을 억제할 수가 있는 배기 환류식(排氣還流式) 디젤기관에 관한 것이다.

(종래의 기술)

디젤기관을 에워싼 운전환경은 점차 규제가 엄해지고 있어서, 그들 규제를 만족시킬 수 있는 성능을 가진 디젤기관의 등장이 요망되고 있다. 일본국 특개소 63-134844호 공보에는 배기 환류식(排氣還流式) 내연기관에 관한 것이 기재되어 있다. 이 문헌에서는, EGR가스량의 감소에 기인하는 NOx 배출량의 증대를 회피하기 위해, 소정량 이상의 EGR가스량을 확보하도록 제어하는 기술이 개시되어 있다. 그런데, 상기 일본국 특개소63-134844호의 발명은, 그 특허청구범위 제1항에 기재되어 있듯이, 그 구성요소로 스로틀밸브가 반드시 갖춰져 있어야 하는 내연기관에 관한 것이다. 즉, 기재는 내연기관으로 기재되어 있지만, 그 실시예에서는 가솔린기관을 예로 들어 설명을 하고 있는바, 당해 문헌의 제1도에도 스로틀밸브가 기재되어 있다. 따라서, 상기 일본국 특개소63-134844호의 발명에서 기재하고 있는 내연기관 중에는 분명히 디젤기관은 포함되어 있지가 않다.

상기 문헌에 개시되어 있는 가솔린기관으로부터는 매연(검댕)이 배출되지 않도록, 기본적으로 NOx가 배출되지 않도록 배려만 하면 족하다. 그에 대해 디젤기관에서는, EGR가스량이 증가하면 NOx량은 감소하지만 매연의 배출량이 증가하게 된다. 따라서, 디젤기관에서는 일본국 특개소63-134844호의 발명을 적용하더라도 배기가스의 규제기준을 지킬 수가 없게 된다.

따라서, 배기 환류식 디젤기관에서 EGR가스량을 제어하려면, 배출되는 NOx량과 매연의 양 양쪽 모두를 동시에 억제할 수 있는 범위 내로 조정할 필요가 있게 된다.

(발명이 해결하고자 하는 기술적 과제)

그리하여 본 발명에서는 EGR율이 소정 범위 내에 들도록 제어함으로써 배출되는 NOx와 매연 양쪽 모두를 동시에 억제할 수 있는 디젤기관의 배기 환류 제어장치를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

(해결 방법)

상기 과제를 해결하기 위해 청구범위 제1항의 발명에서는, 흡기통로와 배기통로를 연통시키는 배기가스 환류통로를 설치한 디젤기관에서, 상기 흡기통로에서의 배기가스 환류통로와 합류하는 부분보다 상류측에 제1온도센서가 설치되고, 상기 흡기통로에서의 배기가스 환류통로와 합류하는 부분보다 하류측에는 제2온도센서가 설치되고, 기관부하 검출센서 및 기관회전수 검출센서가 설치되고, 배기가스와 혼합하기 전의 흡기온도와 기관부하 및 기관회전수로부터 일의적으로 정의되는 적정한 배기가스 환류량에 대응하는 상기 제2온도센서 설치위치에서의 온도치를 미리 기억시킨 기억수단이 설치되고, 상기 기관부하 검출센서와 기관회전수 검출센서 및 제1온도센서로부터 검출된 검출치에 대응하는 상기 기억수단에 기억시킨 온도치와 상기 제2온도센서에서 검출한 검출치를 비교해서, 상기 검출치가 상기 온도치로부터 소정 범위 내에 있는 경우에는 환류 배기가스량이 적정하다고 판정하여, 상기 검출치가 상기 온도치로부터 소정 범위 내가 아닌 경우에는 환류 배기가스량이 비정상이라 판정하는 판정수단이 설치된 구조로 되어 있다.

청구범위 제2항의 발명에서는, 상기 제1항의 발명에서, 배기가스 환류통로에 이 배기가스 환류통로를 통과하는 배기가스 유량을 조정할 수 있는 스로틀밸브가 설치되고, 상기 스로틀밸브의 개방도를 제어하는 제어수단이 설치되어, 상기 제어수단으로 스로틀밸브의 개방도를 제어함으로써, 흡기통로의 상기 배기가스 환류통로 연통위치보다 상류측의 온도치에 대응하는 흡기통로의 상기 배기가스 환류통로 연통위치보다 하류측의 온도치가 미리 설정한 소정 범위 내에 들도록 되어 있다.

청구범위 제3항의 발명에서는, 상기 제1항 또는 제2항의 발명에서, 상기 기관부하 검출센서와 기관회전수 검출센서 및 제1온도센서에서 검출된 검출치에 대응하는 상기 기억수단에 기억시킨 온도치를 시간적으로 평균화하여, 상기 제2온도센서에 의한 검출치의 응답지연을 보정(補正)할 수 있도록 되어 있다.

청구범위 제4항의 발명에서는, 상기 제1항 또는 제2항의 발명에서, 기관부하 또는 기관회전수를 급격히 변화시키는 운전이 행해지는 디젤기관에서, 상기 판정수단이 기관부하와 기관회전수가 안정되는 시기에만 환류 배기가스량의 판정을 실행하도록 되어 있다.

청구범위 제5항의 발명에서는, 상기 제1항 또는 제2항의 발명에서, 냉각수 온도를 검출하는 냉각수 온도센서가 설치되어, 이 냉각수 온도센서가 검출한 냉각수 온도가 소정 온도에 도달하면 난기운전이 완료된 것을 검출하는 검출수단이 설치되어, 난기운전의 종료 후이고 실가동(實稼動)이 개시되기 전, 또는 실가동 종료 후이고 기관이 정지하기 전의 어느 시점에 상기 판정수단에 의해 환류 배기가스량의 판정을 실행하도록 되어 있다.

청구범위 제6항의 발명에서는, 상기 제1항의 발명에서, 상기 기관부하 검출센서와 기관회전수 검출센서 및 제1온도센서에서 검출된 검출치에 대응하는 상기 기억수단에 기억시킨 온도치와 상기 제2온도센서에서 검출한 검출치를 비교하여, 상기 검출치가 상기 온도치로부터 소정 범위 내가 아닌 경우에는 환류 배기가스량 이 비정상이라고 판정수단이 판정하면, 상기 소정 범위의 마진을 제2온도센서의 검출치가 높아지는 쪽을 검출치가 낮아지는 쪽보다 작게 설정하도록 되어 있다.

청구범위 제7항의 발명에서는, 상기 제1항 내지 제3항 중 어느 한 발명에서, 냉각상태일 때에, 상기 냉각수 온도센서가 검출한 온도치로 상기 기억수단에 기억시킨 온도치을 보정하는 보정수단을 구비하도록 되어 있다.

(종래의 기술보다 유효한 효과)

청구범위 제1항의 발명에서는, 디젤기관(100)의 운전상황을 파악하기 위해 기관부하 검출센서(6)와 기관회전수 검출센서(7)가 설치되고, 상류온도(T₁)와 기관부하 및 기관회전수로 일의적(一義的)으로 정의되는 적정한 배기가스 환류량에 대응하는 하류온도를 미리 기억시킨 기억수단이 설치되고, 상류온도(T₁)를 검출하는 제1온도센서(11)와 하류온도(T₂)를 검출하는 제2온도센서(12)가 설치되고, 기억수단에 기억시킨 운전상황에 대응하는 온도치와 제2온도센서(12)에서 검출한 하류온도(T₂)를 비교해서, 양자의 온도차가 소정 범위 내인지 아닌지를 판정하는 판정장치(13)가 설치됨으로써, 디젤기관(100)의 EGR율이 정상적인지 아닌지를 판정할 수가 있기 때문에, 이상(異常)이 검출되기까지는 NOx와 매연 양쪽의 배출을 억제할 수가 있고, 이상이 검출된 때에는 운전을 정지시키거나 경보를 발해서 적절한 대책을 강구할 계기를 잡을 수가 있게 된다.

청구범위 제1항의 발명을 실시함으로써, 흡기필터(10)의 막힘이나, 머플러(15)의 막힘에 의한 EGR율의 변동을 인식할 수가 있게 되어, 보수유지를 실행할 시기를 적절히 판단할 수 있게 된다.

청구범위 제2항의 발명에서는, 배기 환류통로(4)에 EGR밸브(5)가 설치되고, 이 EGR밸브(5)의 개방도를 조정해서 하류온도(T2)를 적정한 범위 내에 들도록 제어함으로써, 매연이나 NOx의 배출량을 억제하도록 EGR율을 제어할 수가 있게 된다.

청구범위 제3항의 발명에서는, 제2온도센서(12)의 검출의 지연을 고려하여 시간적인 평균을 이용한 판정을 실행함으로써, 판정장치(13)의 오판단을 회피할 수가 있고, 디젤기관(100)의 연소변동이 작아져, 매연이나 NOx의 배출량을 양호하게 억제할 수 있게 된다.

청구범위 제4항의 발명에서는, 기관부하 또는 기관회전수를 급격히 변화시키는 운전이 행해지는 디젤기관(100)에서, 기관부하와 기관회전수가 안정되는 시기에만 판정장치(13)에 의해 환류 배기가스량의 판정이 실행되도록 하였기 때문에, 디젤기관(100)의 통상적인 운전시의 연소변동을 회피할 수가 있게 된다.

청구범위 제5항의 발명에서는, 냉각수 온도를 검출하는 냉각수 온도센서(14)에 의해 냉각수 온도가 소정 온도에 도달함으로써 난기운전(暖機運轉)이 완료된 것을 검출해서, 디젤기관(100)의 난기(warm-up)가 충분히 이루어지고 나서 판정장치(13)에 의한 판정을 실행하도록 하였기 때문에, 적절한 판단이 행해지기 어려운 냉각상태일 때의 판정작업을 회피하여 연소변동을 회피할 수가 있게 된다.

청구범위 제6항의 발명에서는, 제2온도센서(12)에서 검출된 검출치가, 메모리(19)에 기억시킨 맵(map) 상의 온도치에서 소정 범위 내가 아닌 경우에 EGR가스량이 이상이라고 판정장치(13)가 판정하면, 이 소정 범위의 마진을 제2온도센서(12)의 검출치가 높아지는 쪽을 검출치가 낮아지는 쪽보다 작게 설정함으로써, 매연의 배출을 양호하게 억제할 수 있게 된다.

청구범위 제7항의 발명에서는, 냉각상태일 때에, 냉각수 온도센서(14)가 검출한 온도치에서 메모리(19;기억수단)에 기억시킨 온도치를 보정하는 보정수단이 구비되어 있기 때문에, 냉각상태일 때에도 적절한 EGR율을 확보할 수가 있어, 매연과 NOx의 배출량을 저감할 수가 있게 된다.

도 1은, 본 발명을 실시한 디젤기관의 계통약도,

도 2는, 기관부하, 기관회전수의 변화에 대응해서 변화하는 하류온도(T₂)의 적정치(표준 혼합가스온도(Ts))의 한 예와 상류온도(T₁)를 대비시킨 그래프,

도 3은, 제2온도센서가 실측한 하류온도(T₂)의 변화와, 맵 상의 하류온도의 적정치인 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 비교한 그래프,

도 4는, EGR밸브의 개방도와 기관부하의 관계를 나타내는 그래프,

도 5는, 부하 변동에 대한 하류온도(T₂)의 변화를 나타내는 그래프,

도 6은, 기관부하의 변동과 온도변화를 대비시킨 그래프,

도 7은, 다른 EGR율 마다의 축 평균 유효압력과 기관회전수의 관계를 나타내는 그래프,

도 8은, 배기가스 중에 포함되는 허용 매연량과 허용 NOx량으로 한정되는 배기가스 규제 허용범위와, 디젤기관의 EGR율의 관계를 나타내는 그래프,

도 9는, 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 냉각수 온도를 고려해서 다시 보정한 그래프이다.

도 1은, 본 발명(청구범위 제1항 ~ 제7항의 각 발명)을 실시한 디젤기관(100)의 계통약도이다. 디젤기관(100)에는, 도중에 흡기필터(10)를 갖추고 기관 본체(1) 내의 연소실(17)에 공기를 공급하는 흡기통로(3)와, 연소 후의 배기가스를 배출하는 배기통로(2)가 설치되어 있다. 배기통로(2)에는 머플러(15)가 설치되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 배기통로(2)의 도중에는 배기 환류통로(還流通路;4)의 일단이 접속되어 있고, 이 배기 환류통로(4)의 타단은 합류부(9)에서 흡기통로(3)와 접속되어 있다. 이 배기 환류통로(4)에는, 전자제어식 EGR밸브(5;스로틀밸브)가 설치되어 있다. EGR밸브(5)의 개방도를 변경함으로써 합류부(9)에서 공기와 혼합되는 배기가스(EGR가스)의 양을 조정할 수 있도록 되어 있다.

또, 디젤기관(100)에는, 연소실(17)에 연료를 공급하는 연료분사펌프(16)가 설치되어 있다. 이 연료분사펌프(16)에는, 기관부하(engine load) 검출센서(6)가 설치되어 있다. 플라이휠(flywheel;18)에는 기관회전수 검출센서(7)가 설치되어 있다. 그리고 기관 본체(1)에는 냉각수 온도 검출센서(14)가 설치되어 있다. 기관부하 검출센서(6), 기관회전수 검출센서(7) 및 냉각수 온도 검출센서(14)는, 상세히 뒤에 설명되는 판정장치(13)와 각각 배선으로 접속되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이 흡기통로(3)의 흡기필터(10)와 합류부(9) 사이에는 제1온도센서(11)가 설치되어 있다. 또, 흡기통로(3)의 합류부(9)의 하류측에는 제2온도센서(12)가 설치되어 있다.

제1온도센서(11)와 제2온도센서(12), 기관부하 검출센서(6), 기관회전수 검출센서(7) 및 냉각수 온도 검출센서(14)에서 검출된 각 검출신호는, 각각 배선을 거쳐 판정장치(13)로 전송된다. 이 판정장치(13)는 입력된 각 검출신호에 따라 EGR 제어장치(8)로 지령을 발하고, EGR 제어장치(8)는 EGR밸브(5)의 개방도를 적정하게 조정하도록 되어 있다.

판정장치(13)는 CPU(20) 및 메모리(19;기억수단)를 구비하고 있다. 기관부 하, 기관회전수 및 흡기필터(10)와 합류부(9) 사이(제1온도센서(11)가 설치된 곳)의 흡기온도(이하, 상류온도라 부름)의 조합에 대응하는 합류부(9)보다 하류측의 흡기통로(3) 내(제2온도센서(12)가 설치된 곳)에서의 적정한 혼합공기(EGR가스를 포함한 흡기)의 온도(이하, 하류온도라 부름)의 적정치가 미리 실험으로 구해져 있다. 이것이 맵으로 메모리(19)에 기억되어 있다. CPU(20)는 뒤에 설명되는 여러 가지 연산이나 판정을 실행한다. 이상으로 디젤기관(100)의 배기가스 환류 제어장치가 구성되어 있다.

도 2는, 이들 기관부하와 기관회전수의 변화에 대응해서 변화하는 하류온도(T₂)의 적정치(표준 혼합가스 온도(Ts):뒤에 설명됨)의 한 예와 상류온도(T₁)를 대비한 그래프이다. 이 표준 혼합가스 온도(Ts)는, 디젤기관(100)이 정상적인 한, 앞에서 설명된 기관부하와 기관회전수의 편성에 의해 일의적으로 정해지는 것이다.

도 2에서, 표준상태에서의 기관부하와 기관회전수에 의해 일의적으로 정해지는 혼합 후의 흡기온도를 이하 표준 혼합가스 온도(Ts)라 부른다. 이 표준 혼합가스 온도(Ts)를 제1온도센서(11)가 검출한 상류온도(T₁)로 보정한 하류온도의 목표치를 보정 혼합가스 온도(Tmr)라 부른다. 또, 도 1의 합류부(9)보다 상류측의 흡기통로(3) 내의 흡기온도를 상류온도(T₁), 합류부(9)보다 하류측의 흡기통로(3) 내의 흡기온도를 하류온도 T₂ 라 부른다.

(제1실시예)

디젤기관(100)을 시동해서, 기관부하와 기관회전수가 급격히 변화하지 않을 때(예컨대, 난기운전이 완료된 후의 아이들링시), 판정장치(13)는 제1온도센서(11)에서 검출된 배기가스(EGR가스)와 혼합되기 전의 흡기온도(T₁)와, 기관부하 검출센서(6)와 기관회전수 검출센서(7)에서 각각 검출된 검출기관부하 및 기관회전수의 조합에 대응하는 메모리(19)에 기억된 맵 상의 온도범위 및, 제2온도센서(12)에서 검출된 실제의 하류온도(T₂)를 비교한다. 이때, 하류온도의 목표치를 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 상류온도(T₁)로 보정(상류온도(T₁)가 높아질수록 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 높게 보정하고, 반대로 상류온도(T₁)가 낮을수록 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 낮게 보정)하고, 보정 후의 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 하류온도(T₂)와 비교하는 것이 바람직하다.

만일, 하류온도(T₂)가 맵 상의 온도범위 내에 있으면, EGR가스량은 적정하다고 판정장치(13)는 판정한다. 반대로, 하류온도(T₂)가 맵 상의 온도범위보다 작은 경우는 EGR가스량이 부족하다고, 맵 상의 온도범위보다 큰 경우는 EGR가스량이 과잉이라고 판정장치(13)는 판정한다. 그때에는 예컨대 경보램프를 점등시키거나 부저를 울림으로써 작업자에게 이상을 알리도록 하는 것이 바람직하다. 또, 이와 같을 때, 디젤기관(100)의 용도에 따라서는 디젤기관(100)을 정지시키도록 하여도 좋다.

(제2실시예)

제1실시예에서, EGR가스량이 적다(EGR율이 낮다)고 판정장치(13)가 판정했을 때에는, 판정장치(13)는 EGR가스량이 적당량으로 되도록 EGR 제어밸브(8)에 대해 EGR밸브(5)의 개방도를 크게 하도록(EGR율을 높임) 지령을 한다.

반대로 EGR가스량이 많다(EGR율이 높음)고 판정장치(13)가 판정했을 때에는, 판정장치(13)는 EGR가스량이 적당량으로 되도록 EGR 제어밸브(8)에 대해 EGR밸브(5)의 개방도를 작게 하도록(EGR율을 낮게 하는) 지령을 한다. 이와 같이 해서 EGR밸브(5)의 개방도가 조정되어 EGR가스량이 적당량으로 된다.

EGR율은 기관부하와 기관회전수로 일의적으로 정의되지만, 이에 제1온도센서(11)에서 검출된 상류온도(T₁)를 가미함으로써 하류온도도 일의적으로 결정되게 된다. 그리고, 상류온도(T₁)가 상승하면 배기온도(EGR가스온도)도 상승하고, 그 결과 제2온도센서(12)가 검출하는 하류온도(T₂)도 상승하게 된다.

그 때문에, 제2온도센서(12)에서 검출되는 하류온도(T₂)와 비교되는 정상적인 상태의 하류온도(표준 혼합가스 온도(Ts))는, 예컨대 다음 식(1)로 보정할 필요가 있다. 이 식(1)에 의해, 적정한 EGR율을 확보할 수 있다.

- - - - - (1)

여기서, Tmr : 보정 혼합가스 온도, Ts : 표준 혼합가스 온도, T_l : 상류온도, To : 기준 흡기온도(K), Tex : 기준 배기온도(K), EGR : EGR율이다.

만일 상류온도(T₁)가 도 2에 도시된 것과 같이 변화하면, 거기에 추종해서 하류온도(T₂)도 변화한다. 상류온도(T₁)가 기준온도 근방을 변위시키고 있는 데에 대해, 하류온도(T₂)는 여러 가지 이유로 허용범위를 벗어나게 된다.

도 2에 도시된 것과 같이 시각 t_A에서의 하류온도(T₂)는, 흡기온도(T₁)의 영향을 받아 정상상태임에도 불구하고, 표준 혼합가스 온도(Ts)에 기해 허용범위를 일탈하고 있다. 그 한편으로 시각 t_A에서의 하류온도(T₂)는, 흡기온도(T₁)로 보정된 보정 혼합가스 온도(Tmr)에 기해 적정범위 내에는 있어 이상은 아니다. 그 후, 시각 t_B에 이르면, 필터의 막힘이나 머플러의 막힘에 의해 EGR가스량이 증가해서(EGR율이 올라감), 시각 t_B에서의 하류온도(T₂)는 보정 혼합가스 온도(Tmr)에 기해 적정범위로부터도 벗어나, 시각 t_B에서의 하류온도(T₂)가 이상이라고 판정장치(13)는 판정하게 된다.

표준 혼합가스 온도(Ts)는 미리 실험으로 구해져 있으나, 표준 혼합가스 온도(Ts)는 기관부하와 기관회전수로부터 일의적으로 정해지는 것이다. 그리고 표준 혼합가스 온도(Ts)는 흡기온도(상류온도(T₁))의 변화에 추종해서 변화한다. 이 관계는 앞에서 설명한 식(1)로 메모리(19)에 미리 기억되어 있다.

만일 상류온도(T₁)가 변화한 경우, EGR가스량이 정상적인 경우에 실측한 하류온도(T₂)는 2개의 세선(細線) 사이에 끼인 영역 내(적정범위)를 추이(推移)한다. 이와 반대로, 이 하류온도(T₂)가 2개의 세선 사이에서 일탈하면, EGR가스량이 이상 이라고 판정할 수가 있다.

도 3은, 제2온도센서(12)가 실측한 하류온도(T₂)의 변화와, 맵 상의 하류온도의 적정치인 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 비교한 그래프이다. 도 3에서는, 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 중심으로 해서, 하류온도의 적정범위의 상한과 하한이 설정되어 있다. 어떤 불량상태가 발생해서, 하류온도(T₂)가 적정범위를 벗어났을 때는, 판정장치(13)가 EGR밸브(5)의 개방도를 보정해서 하류온도(T₂)가 적정범위 내에 들도록 한다.

도 4는 EGR밸브(5)의 개방도와 기관부하와의 관계를 나타내는 그래프이다. 하류온도(T₂)가 적정범위에서 벗어나 있는 경우에는, 예컨대 식(1)에 의해 도 4에 도시된 것과 같이 맵 자체를 기준치로부터 시프트하는 것이 유효하다. 또, 그래프의 기울기(계수)를 변경해서 보정할 수도 있다.

EGR밸브(5)의 개방도가 정상이 아닌 경우에는, 개방도를 일정량 보정한 맵 시프트가 유효하다. 흡기필터(10)나 머플러(15)가 막혀짐에 따른 차압변화에 대해서는, 그래프의 직선 기울기를 변경하는 것이 효과적이다.

(제3실시예)

온도센서는, 그 자체가 열용량을 갖고 있어서 아무래도 응답지연이 생기게 된다. 청구범위 제3항의 발명에서는, 청구범위 제1항 및 제2항의 발명을 실시했을 때의 제2온도센서(12)의 응답지연에 대처하도록 한다.

제2온도센서(12)가 검출한 하류온도(T₂)가, 기관부하나 기관회전수의 급격한 변화에 추종하고 있지 않아 일시적으로 보정 혼합가스 온도(Tmr)와의 차이가 커진 경우, 판정장치(13)가 그때마다 EGR제어장치(8)에 대해 EGR밸브(5)의 개방도 맵을 보정하라는 취지의 지시를 하여, 연소가 불안정하게 될 염려가 있다. 즉, 판정장치(13)가 제2온도센서(12)의 검출신호에 따라 충실히 판정을 실행하면, 실제로는 이미 적정한 EGR가스량으로 되어 있는 데에도 EGR가스량이 이상이라고 하는 신호가 입력됨으로써 EGR밸브(5)의 개방도가 변경되어, 연소를 더 악화시켜 매연이나 NOx를 배출해 버린다고 생각된다.

이와 같은 사태를 회피하여, 연소가 안정되도록 다음에 설명되는 전진이동평균법(前進移動平均法)을 채용하는 것이 바람직하다. 전진이동평균법이라 함은, 기관부하 검출센서(6) 및 기관회전수 검출센서(7)에서 검출된 검출치의, 예컨대 과거4회의 값(계산치;A1 ~ A4)와 이번의 실측치(B5)를 식(2)에다 대입해서 계산치(A5)를 얻어, 이 계산치(A5)를 실측치(B5) 대신 채용하는 것이다.

A5 = (Al + A2 + A3 + A4 + B5) / 5 - - - - - (2)

마찬가지로 A6는, 다음 식(3)에서 산출된다.

A6 = (A2 + A3 + A4 + A5 + B6) / 5 - - - - - (3)

이와 같이 해서 산출된 계산치(A1 ~ AX)는 실측치(B1 ~ BX)와 비교해서 변동폭이 적어지게 된다. 그런 다음, 이 변동의 적은 계산치(A1 ~ AX)를 실측치(Bl ~BX) 대신 판정장치(13)에서 판정하는 신호로 채용하면, 디젤기관(100)의 연소가 안정되어, 예컨대 실측치(B1 ~ BX)가 적정범위를 벗겨져 있어도 계산치(A1 ~ AX)는 적정범위 내에 있게 되어, NOx와 매연의 배출을 동시에 양호하게 저감할 수가 있다.

도 5는 부하 변동에 대한 하류온도(T₂)의 변화를 나타내는 그래프이다. 제2온도센서(12) 자신이 열용량을 갖고 있어서, 기관부하(기관회전수도 마찬가지)가 급변했을 때 제2온도센서(12)의 출력치(하류온도(T₂))가 도 5에 도시된 것과 같이 늦어져 서서히 추종(追從)하게 된다.

이와 같이 실제의 EGR가스량과 제2온도센서(12)에 의한 온도검출이 실시간으로 대응하지 않음에 따른 불편은, 앞에서 설명한 전진이동평균법으로 변동폭을 억제한 기관회전수 검출신호와 기관부하 검출신호로부터 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 산출함으로써 해소할 수가 있다. 기타 판정장치(13)에 입력되는 기관부하 검출신호나 기관회전수 검출신호를 이용해서 산출한 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 마찬가지로 평균화하여 변동폭을 억제하도록 하여도, 응답지연에 의한 불편을 해소할 수가 있다.

또, 디젤기관(100)의 운전형태에 따라서는, EGR밸브(5)의 동작을 완만하게 하여도 연소를 안정화시키는 효과를 나타낸다. 그리고, 제2온도센서(12)의 출력이 기관부하 검출신호나 기관회전수 검출신호의 출력보다(예컨대 1초) 반드시 늦은 것으로 가정해서, 도 5에서 부호 D로 나타낸 것과 같이 소정 시간 동안(예컨대 1초) 보내기만 하면 하여도 실제의 온도와 검출한 온도의 차이를 작게 할 수가 있다.

(제4실시예)

흡기필터(10)가 막히거나 머플러(15)에 이물이 끼어 막히면, EGR밸브(5)의 개방도가 적정하다고 하더라도 공기와 EGR가스의 혼합비율(EGR율)이 변화해버린다. 따라서, 흡기필터(10)나 머플러(15)가 청정상태인지 아닌지가 디젤기관(100)의 연소에 악영향을 미치는 일이 있게 된다.

또, 흡기필터(10)나 머플러(15)의 열화(劣化)는 서서히 진행하기 때문에, 항상 감시를 해야 할 필요는 없다. 이와 같은 경우에는, 아이들링 운전시와 같이 비교적 연소가 안정되어 있을 때에 판정장치(13)에 의한 판정을 실행하도록 한다. 특히 자동차용 디젤기관은, 운전상태가 급격히 변동(부하 변동)하기 쉽다.

그 때문에, 통상적인 운전시에는 판정을 실시하지 않고, 연소가 안정되어 있을 때에만 판정을 한다. 이와 같이 하면, 통상적인 운전시에도 하류온도(T₂;EGR가스량)는 적정범위에서 크게 벗어나지 않게 되어, 부하변동이나 회전변동이 큰 용도의 디젤기관(100)에서도 NOx와 매연의 배출을 저감할 수 있게 된다.

도 6은, 기관부하의 변동과 온도변화를 대비한 그래프이다. 도 6에서는, 시각 t 이후에서의 부하변동이 작게 되어 있다. 따라서, 시각 t로부터 시간 t₁ 사이에서 각 센서에 의한 검출이 이루어지도록 하고, 그에 따라 판정장치(13)에 의한 판정이 실행되도록 한다.

(제5실시예)

냉각상태일 때(난기운전 중과 같이 기관온도가 낮을 때)는 각 센서가 정상적 인 검출을 행하기 어렵다. 그와 같을 때에, 예컨대 EGR밸브(5)의 개방도를 변경하거나 하면 오히려 적정치를 벗어날지도 모른다. 그 때문에, 다음과 같이 냉각상태가 아니어서 연소가 안정되어 있는 시기에 판정장치(13)에 의한 판정을 실행하도록 한다.

판정장치(13;도 1 참조)는, 난기운전이 완료되었음을 검출하는 기능을 갖고 있어서, 냉각수 온도센서(14)로부터 입력된 신호에 의해 디젤기관(100)이 난기운전을 종료한 것을 인식하게 된다. 난기운전이 완료되었다고 판정장치(13)가 인식을 하면, 다시 판정장치(13)는 통상적인 운전을 개시하기 전에 각 검출센서로부터 검출신호를 수취하여 EGR가스량이 적정한지 아닌지를 판정한다.

상기의 예에서는, 난기운전이 완료된 직후의 아이들링 운전시에 판정을 실행하는 예를 나타내었으나, 디젤기관(100)의 운전이 종료되고 디젤기관(100)을 정지시키기 전에 판정하도록 하여도 좋다.

(제6실시예)

도 7은, 다른 EGR율 마다의 축 평균 유효압력과 기관회전수의 관계를 나타내는 그래프이다. 또 도 8은, 배기가스 중에 함유되는 허용 매연량과 허용 NOx량으로 한정되는 배기가스 규제 허용범위와, 디젤기관(100)의 EGR율의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 1의 기관부하 검출센서(6), 기관회전수 검출센서(7) 및 제1온도센서(11)에서 검출한 기관부하, 기관회전수 및 상류온도(T₁)에 대응하는 메모리(19)에 기억 시킨 맵 상의 보정 혼합가스(Tmr)가, 제2온도센서(12)가 검출한 실제의 하류온도(T₂)에 대해 소정 온도(예컨대 30℃) 이상 벗어난 경우에는, 경보램프를 점등시키거나 경보부저를 울려 디젤기관(100)에 이상이 있음을 환기시킨다.

EGR율이 높아질수록 고온의 EGR가스량이 증가하기 때문에, 흡기온도는 높아진다. 또, 도 8에 도시된 것과 같이 EGR율이 높아질수록 매연의 배출량이 많아지게 된다.

EGR밸브(5)의 오동작(지나친 개방)에 의해 EGR가스량이 증대한 경우에는, EGR율은 배기가스 규제 허용범위 영역(도 8에서 빗금을 실시한 영역) 내를 EGR곡선(A)과 같이 추이(推移)한다. 한편, 흡기필터(10)나 머플러(15)의 막힘에 의해 공기압과 EGR가스압의 압력밸런스가 무너짐에 따라, EGR율이 증대될 수가 있다. 그때에는, 디젤기관(100)의 흡기량 자체가 감소하여, 결과적으로 산소결핍상태로 된다. 이때 EGR율은 EGR곡선(B)과 같이 추이해서, EGR곡선(A)보다도 조기에 배기가스 허용범위 영역을 벗어나 급격히 매연이 악화된다.

그 때문에, EGR율이 증대하는 측, 즉 하류온도(T₂)가 표준 혼합가스온도(Tmr)보다 높아지는 쪽에는, 판정레벨(마진)을 엄격히 할 필요가 있다. 엄격하게 해야 할 정도는 기관부하에 따라 다르지만, 기관부하가 높은 운전영역(정격의 50% ~ 100% 정도)에서는 EGR율 감소측의 50% 정도로 설정하고, 기관부하가 낮은 운전영역(정격의 50% 이하 정도)에서는 대체로 EGR율 감소측의 80% 정도로 설정하는 것이 바람직하다.

예컨대, 기관부하가 높은 운전영역에서는, EGR율 감소측(EGR가스량이 부족한 쪽)에서 맵 상의 보정 혼합가스 온도(Tmr)보다 제2온도센서(12)에서 실측된 하류온도(T₂)가 30℃ 이상 낮으면 EGR이상이라고 판정하는 경우에, EGR율 증가측(EGR가스량 과잉측)에서는 맵 상의 보정 혼합가스 온도(Tmr)보다 제2온도센서(12)에서 실측된 하류온도(T₂)가 15℃ 이상 높아지면 EGR이상이라고 판정장치(13)가 판정하도록 설정해 놓는다.

반대로, 기관부하가 낮은 운전영역에서는, EGR율 감소측에서 맵 상의 보정 혼합가스 온도(Tmr)보다 제2온도센서(12)에서 실측된 하류온도(T₂)가 30℃ 이상 낮으면 EGR이상이라고 판정하는 경우에, EGR율 증가측에서는 맵 상의 보정 혼합가스 온도(Tmr)보다 제2온도센서(12)에서 실측된 하류온도(T₂)가 24℃ 이상 높아지면 EGR이상이라고 판정장치(13)가 판정하도록 설정해 놓는다.

이와 같이 하류온도(T₂)가 표준 혼합가스 온도(Ts)에서 소정 온도 이상으로 벗어난 경우에는 판정장치(13)는 이상사태라고 판단하여, 예컨대 경보를 발하도록 하거나 디젤기관(100)을 정지시키는 등의 처치를 강구한다. 그 결과, 매연과 NOx의 양쪽의 배출을 억제할 수가 있게 된다.

(제7실시예)

도 9는, 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 냉각수 온도를 고려해서 다시 보정한 그래프이다. 앞에서 설명된 식(1)에서 냉각수 온도를 고려하면 식(4)의 보정수단으로 된다.

(4)

여기서 To : 기준 흡기온도(K), Tex : 기준 배기온도(K), Two : 기준 냉각수 온도, Tw : 현재의 냉각수 온도, a1 : 냉각수 온도의 영향계수(엔진에 의하지만, 예컨대 0.3 ~ 0.5)이다.

디젤기관(100)이 작업기용인 경우는 기관부하기관회전수의 변동이 심해, 도 6에 도시된 것과 같은 안정된 영역은, 엔진시동 직후의 난기운전시에 한정되는 것이 많다.

난기운전 중은 각 부품의 온도가 낮고, EGR가스의 방열량이 많아지기 때문에 EGR가스 온도는 낮아진다. 이 영향을 식(4)에 따라 고려하면, 난기운전 중이어도 정확하게 EGR가스량의 판정을 실행할 수가 있다.

냉각상태일 때에는, 맵 상의 보정 혼합가스 온도(Tmr)와 실측된 하류온도(T₂)는 반드시 어긋나게 된다고 가정을 하고서, 식(1)을 채용하지 않고 식(4)를 채용하여 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 산출한다.

배기가스의 온도는 기관부하 및 기관회전수에 의해 일의적으로 정해지는 것이다. 그러나, 배기가스(EGR가스)가 흐르는 도중의 통로의 온도가 낮으면 열이 통로부재에 빼앗겨 EGR가스의 온도가 저하되게 된다. 저하된 EGR가스 온도를 기준으로 EGR밸브(5)의 개방도를 설정하면, 정확한 판정을 실행할 수가 없게 된다.

그 때문에 청구범위 제7항의 발명에서는, 냉각수 온도의 상승의 방법을 모니터링함으로써 난기운전 중인지 아닌지를 판정하도록 하였다. 배기가스(EGR가스)의 열을 빼앗은 통로부재의 온도가 상승하면 냉각수 온도도 상승하게 된다. 예컨대 원래 300℃ 이었던 EGR가스가 250℃까지 저하된 것인지 또는 200℃까지 저하된 것인지를 대체로 예상할 수가 있게 된다. 그를 식(4)에 반영시켜 판정장치(13)에서 연산하도록 하면, 보정 혼합가스 온도(Tmr)를 적절히 보정할 수가 있게 된다.

이상 설명한 것과 같은 본 발명에 따른 배기가스 환류 제어장치는 각종 디젤기관에 적용할 수가 있다.

Claims

흡기통로와 배기통로를 연통시키는 배기가스 환류통로가 설치된 디젤기관에서,

상기 흡기통로에서의 배기가스 환류통로와 합류하는 부분보다 상류측에 제1온도센서가 설치되고,

상기 흡기통로에서의 배기가스 환류통로와 합류하는 부분보다도 하류측에는 제2온도센서가 설치되고,

기관부하 검출센서와 기관회전수 검출센서가 설치되고,

배기가스와 혼합하기 전의 흡기온도와 기관부하 및 기관회전수로부터 일의적으로 정의되는 적정한 배기가스 환류량에 대응하는 상기 제2온도센서 설치위치에서의 온도치를 미리 기억시킨 기억수단이 설치되고,

상기 기관부하 검출센서와 기관회전수 검출센서 및 제1온도센서에서 검출된 검출치에 대응하는 상기 기억수단에 기억시킨 온도치와 상기 제2온도센서에서 검출한 검출치를 비교하여, 상기 검출치가 상기 온도치로부터 소정 범위 내에 있는 경우에는 환류 배기가스량이 적정하다고 판정하고, 상기 검출치가 상기 온도치로부터 소정 범위 내가 아닌 경우에는 환류 배기가스량에 이상이 있다고 판정하는 판정수단이 설치된 것을 특징으로 하는 디젤기관의 배기가스 환류 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 배기가스 환류통로를 통과하는 배기가스 유량을 조정 할 수 있는 스로틀밸브가 배기가스 환류통로에 설치되고, 상기 스로틀밸브의 개방도를 제어하는 제어수단이 설치되어, 상기 제어수단으로 상기 스로틀밸브의 개방도를 제어함으로써, 흡기통로의 상기 배기가스 환류통로 연통위치보다 상류측의 온도치에 대응하는 흡기통로의 상기 배기가스 환류통로 연통위치 하류측의 온도치가, 미리 설정한 소정 범위 내에 들도록 한 것을 특징으로 하는 디젤기관의 배기가스 환류 제어장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기관부하 검출센서와 기관회전수 검출센서 및 제1온도센서에서 검출된 검출치에 대응하는 상기 기억수단에 기억시킨 온도치를 시간적으로 평균화해서, 상기 제2온도센서에 의한 검출치의 응답지연을 보정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 디젤기관의 배기가스 환류 제어장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 기관부하 또는 기관회전수를 급격히 변화시키는 운전이 행해지는 디젤기관에서, 상기 판정수단이, 기관부하와 기관회전수가 안정되는 시기에만 환류 배기가스량의 판정을 실행하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤기관의 배기가스 환류 제어장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각수 온도를 검출하는 냉각수 온도센서를 설치해서, 상기 냉각수 온도센서가 검출한 냉각수 온도가 소정 온도에 도달하게 되면 난기운전이 완료된 것을 검출하게 되는 검출수단이 설치되어, 난기운전의 종료 후 이고 실가동이 개시되기 전, 또는 실가동 종료 후이고 기관이 정지되기 전의 어느 시점에 상기 판정수단에 의해 환류 배기가스량의 판정을 실행하도록 된 것을 특징으로 하는 디젤기관의 배기가스 환류 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 기관부하 검출센서와 기관회전수 검출센서 및 제1온도센서에서 검출된 검출치에 대응하는 상기 기억수단에 기억시킨 온도치와 상기 제2온도센서에서 검출한 검출치를 비교하여, 상기 검출치가 상기 온도치로부터 소정 범위 내가 아닌 경우에 환류 배기가스량이 비정상이라고 판정수단이 판정하면, 상기 소정 범위의 마진을 제2온도센서의 검출치가 높아지는 쪽을 검출치가 낮아지는 쪽보다도 작게 설정한 것을 특징으로 하는 디젤기관의 배기가스 환류 제어장치.
제1항 내재 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각상태일 때에, 상기 냉각수 온도센서가 검출한 온도치로 상기 기억수단에 기억시킨 온도치를 보정하는 보정수단을 구비한 것을 특징으로 하는 디젤기관의 배기가스 환류 제어장치.