JPH09287526A - 圧縮点火エンジンのための排気ガス再循環システムおよび圧縮点火エンジンにおける排気ガスの再循環を制御する方法 - Google Patents

圧縮点火エンジンのための排気ガス再循環システムおよび圧縮点火エンジンにおける排気ガスの再循環を制御する方法

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JPH09287526A
JPH09287526A JP8121058A JP12105896A JPH09287526A JP H09287526 A JPH09287526 A JP H09287526A JP 8121058 A JP8121058 A JP 8121058A JP 12105896 A JP12105896 A JP 12105896A JP H09287526 A JPH09287526 A JP H09287526A
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engine
gas recirculation
compression ignition
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 再循環される排気ガスの量が、正確にリアル
タイムで制御しうるとともに、圧縮点火エンジンに対し
て改装して或いは最初から装備されているものとして適
用できるＥＧＲシステムを提供する。 【解決手段】 ディーゼルおよび／または多燃料エンジ
ン２０のための排気ガス再循環システムにおいて、吸気
マニホルド２２内の絶対ガス圧力を検知する第１圧力セ
ンサ３８と、排気マニホルド２４内の絶対ガス圧力を検
知する第２圧力センサ４０と、エンジン回転速度を検出
するエンジン速度センサ４６と、エンジンに対する燃料
供給速度を検出する燃料供給速度センサ４４と、排気マ
ニホルドから吸気マニホルドへ排気ガスを向かわせる導
管３０と、排気ガスの流れを制御するために導管中にあ
って電子的に作動される機械式の弁２８と、センサから
の信号を解析し、弁２８の位置を制御する電子ステップ
モータ３２に制御信号を出力する電子式コントローラ２
６とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、汚染物質をコン
トロールする方法としての内燃エンジンにおける排気ガ
ス再循環であって、特に、圧縮点火エンジンのための排
気ガス再循環システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】１９５０年代後半、内燃エンジンの排出
物質は、世界中の工業都市を覆い隠す光化学作用による
煙およびスモッグに対する重要な誘因であると認定され
た。その排出物質の効果に起因する人間の健康、動物の
生活あるいは一般的な環境に対するダメージは、広範囲
に研究され、詳細に報告されている。スモッグのレベル
を減少させるため、政府は、内燃エンジンからの排出物
質を含め、その源において汚染物質の排出を制限するた
めの立法措置を講じた。
【０００３】１９６０年代の前半に入り、火花点火（オ
ットーサイクル）式ガソリン燃料エンジンの製造業者
は、最初の基本的な汚染物質排除装置を備え始めた。そ
れらの中には現在でも使用されているものがある。自動
車の使用が急激に増加した何年かが経過して、オットー
サイクルエンジンの排出物質のレベルに関し、政府の立
法措置はますます厳しくなっていった。より厳しくなっ
た規制に対応すべく、自動車製造業者は彼らのエンジン
に、より複雑な装置を搭載した。オットーサイクルエン
ジンからの排出物質が厳しく規制されている間、政府
は、圧縮点火エンジン（ディーゼルエンジン）について
は寛大であった。圧縮点火エンジン（ディーゼルエンジ
ン）は、汚染物質規制装置を備えないオットーサイクル
エンジンよりも燃料効率が良く且つ排出レベルが比較的
低いからである。恐らく、ディーゼルエンジンの数が、
同じ時期に使用されているオットーサイクルエンジンの
数に比べてはるかに少なかったことも他の要因として挙
げられるだろう。
【０００４】排出物質により汚染が惹き起こされること
の調査を通じて、より多くの知見が得られた。その結
果、政府は、そのような排出物質をより広い範囲でより
厳しく制限する法律を制定した。１９８０年代前半にお
いては、いかなるディーゼル車の排出物質も吟味の対象
になりはじめ、ディーゼルエンジン製造業者は、排出物
質の許容レベルを定めた政府の規則に多面的に応えるた
めにますます複雑化した対策および装置を多種多様に適
用したオットーサイクル動力車両の製造業者の先例にな
らわざるを得なくなった。
【０００５】１９７０年代半ばにおいて、オットーサイ
クルエンジンの製造業者は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一
酸化炭素（ＣＯ）および全ての炭化水素（ＴＨＣ）を制
御するため、再循環された排気部分を燃焼条件に適合さ
せるよう、排気ガスの一部を吸気マニホルドに再循環さ
せるための方法を開発した。排気ガス再循環（ＥＧＲ）
は、排気から燃焼サイクルへのガスの導入によるもので
あるが、より低い燃焼室温度をひき起こし、例えば先に
燃え残った炭化水素のいくらかを酸化するのを促進する
ばかりでなく、ＮＯｘの形成を抑制する。排気ガスを再
循環させるための制御は、ＥＧＲ弁によって実現され
る。このＥＧＲ弁は、オットーサイクルエンジンでは広
範囲に使用され、ディーゼルエンジンでもより少ない範
囲ではあるが使用されている。
【０００６】１９９０年代の初頭まで、ＥＧＲ弁は空気
作用によって作動および制御され、従ってエンジン速度
および負荷の変化に対して正確な観測や迅速な応答を行
うことができなかった。空気式による作動および制御方
法はまた、その周囲の雰囲気における気圧変化に起因し
た弁の位置決め時における不正確さや、反応時間の遅れ
をひきおこす。１９９０年代の前半には、電気アクチュ
エータモータを使用したエンジンコントローラの基礎部
分を構成しているマイクロプロセッサによって制御され
るＥＧＲ弁が、オットーサイクルエンジンのために導入
された。
【０００７】ディーゼルエンジンのための、再循環され
る排気ガスの量をコントロールするためのシステムとし
ては、１９８６年１月７日に発行された米国特許第４５
６２８２１号においてイケダによって記載されたものも
知られている。このシステムでは、ディーゼルエンジン
における排気ガスの再循環をコントロールするため、エ
ンジン速度、吸気マニホルド圧力、燃料供給割合、エン
ジン冷却温度および燃焼炎の明るさを電子式コントロー
ラが検知する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記米
国特許にかかるシステムでは、２つの主な欠点をもつ。
第１番目は、高価な燃焼炎の明るさ検知システムが要求
されることである。そのセンサーは、エンジンに対して
特別に適合させることが必要であるから、既存のエンジ
ンには手易く取り付けることができない。更にそのシス
テムは真空で作動されるＥＧＲ弁に頼っており、それは
上記したように、エンジンの動作状態を瞬時に変化させ
るためには動作が遅い。
【０００９】ディーゼルエンジンからの排出物質を減少
させるための他の取り組みとしては、内燃エンジン中で
通常燃焼されるディーゼル燃料の一部を、天然ガスのよ
うなより軽くてきれいな燃焼ガス燃料で置き変えるため
の、二重燃料および２種以上の燃料が使用可能なシステ
ムの開発があった。広範囲な調査により、ＥＧＲの互換
性という点において、オットーサイクルエンジンと二重
／多燃料エンジンは極めて異なっていることが示され
た。二重／多燃料エンジンにおける最適のＥＧＲは、０
％から５０％以上の間まで変更でき、更にマニホルド圧
力の差分は、極めて低い。このように、圧縮点火エンジ
ンは一般的に、そして二重／多燃料式の圧縮点火エンジ
ンは特に、オットーサイクルエンジンにおけるＥＧＲシ
ステムおよび方法の使用に適さないことは明らかであ
る。
【００１０】本発明の目的は、エンジンに再循環される
排気ガスの量を、正確に、リアルタイムで制御すること
を可能とする、圧縮点火エンジンのためのＥＧＲシステ
ムを提供することにある。本発明の他の目的は、既存の
圧縮点火エンジンに対して改装して適用されるＥＧＲシ
ステムを提供することにある。本発明の更に他の目的
は、エンジンの構成を再設計することなしに、圧縮点火
エンジンに最初から装備されているものとして適用でき
るＥＧＲシステムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】これらの目的は、以下の
構成の圧縮点火エンジンのための排気ガス再循環システ
ムにおいて実現される。すなわち、本発明にかかる排気
ガス再循環システムは、エンジンの吸気マニホルド内の
絶対圧力を検知するための第１の圧力センサと、エンジ
ンの排気マニホルド内の絶対圧力を検知するための第２
の圧力センサと、エンジンの回転速度を検出するための
エンジン速度センサと、エンジンに対する燃料供給速度
を検出するための燃料供給速度センサと、エンジンの吸
気マニホルド内で吸入空気の温度を検出する空気吸入温
度センサと、排気マニホルドと吸気マニホルドとの間に
流体の通路を提供する導管と、その導管内に配設され、
排気マニホルドから吸気マニホルドへの排気ガスの流れ
を調節するための排気ガス再循環弁と、上記導管を通る
排気マニホルドから吸気マニホルドへの排気ガスの流れ
を調節するために上記排気ガス再循環弁を制御する手段
とを有する。
【００１２】加えて、第１および第２の圧力センサ、エ
ンジン速度センサ、燃料供給速度センサおよび空気吸入
温度センサからの信号を受け、その受け取った信号に基
づいて、吸入される空気に対する再循環される排気ガス
の最適の割合を演算し、更に、その吸入される空気に対
する再循環される排気ガスの最適の割合で導管を通って
吸気マニホルドに流れることを可能とする弁位置を演算
し、更にまた、排気マニホルドから吸気マニホルドへ導
管を通って流れる吸入空気に対する排気ガスの最適割合
を可能とする演算された弁位置で弁を位置決めするため
に排気ガス再循環弁を制御するための手段を作動させる
ための電子式コントローラを含んでいる。
【００１３】本発明が適用される圧縮点火エンジンとし
ては、ディーゼルエンジン、二重燃料エンジン、特にデ
ィーゼルと天然ガスを燃料として動作するように装備さ
れた二重燃料エンジン、多燃料エンジン、特にディーゼ
ルと天然ガスと水素を燃料として動作するように装備さ
れた多燃料エンジンが挙げられる。これらの点は、次に
述べる圧縮点火エンジンにおける排気ガスの再循環を制
御する方法においても同じである。
【００１４】本発明の他の観点から、圧縮点火エンジン
における排気ガス再循環を制御するための方法が提供さ
れているが、そこではむしろ％ＥＧＲを直接的に制御す
るものであり、さらにその方法は、その基本的な制御変
数としてエンジン速度と燃料供給速度とを関数とした空
気の質量流量を使用し、その空気の質量流量が、所定の
エンジン速度／エンジン負荷の組み合わせの下では略一
定であるべきであると仮定し、吸気および排気の温度と
圧力が変化した場合に、その空気の質量流量を維持する
ようにＥＧＲを作用させる。
【００１５】特に、圧縮点火エンジンにおける排気ガス
の再循環を制御する方法が提供されているが、この方法
は、以下の動作を含んでいる。 ａ）エンジンに対する燃料供給速度を検知する、 ｂ）エンジンの回転速度を検知する、 ｃ）エンジンの排気マニホルドの絶対圧力と、吸気マニ
ホルドの絶対圧力とを検知し、排気マニホルドと吸気マ
ニホルドとの間の圧力降下を演算する、 ｄ）回転速度と圧力降下を関数とし、エンジンを通じて
流れるガスの容積効率を決定する、 ｅ）エンジンの回転速度と燃料供給速度とを関数とし、
％ＥＧＲを決定する、 ｆ）エンジンの回転速度と燃料供給速度とを関数とし、
排気マニホルド中におけるガスの温度を決定する、 ｇ）吸気マニホルドに流れ込む空気の吸気温度を決定す
る、 ｈ）排気マニホルド中の絶対圧力と、排気ガスの分子量
と、排気ガスの温度に基づいて、排気ガスの流体密度を
演算する、 ｉ）ＥＧＲ弁を通る排気ガスの容積流量を演算する、 ｊ）ＥＧＲ弁を通る排気ガスの容積流量、排気ガスの流
体密度および圧力降下に基づいて、ＥＧＲ弁を必要な位
置に持ってくるための変数を導出する、 ｋ）ＥＧＲ弁を必要な位置に動かす。
【００１６】従って本発明は、比較的簡単で、電子的に
制御された再循環システムを圧縮点火エンジンのために
提供するものであって、市場に出まわっている標準的な
部品を使用し、既存の圧縮点火エンジンに対する改装と
して、あるいは新エンジンの新規な装置として、高価で
ない汚染の減少装置を提供する。そのシステムには、電
子式エンジンコントローラ、エンジンの吸気マニホルド
の絶対圧力センサ、エンジンの排気マニホルドの絶対圧
力センサ、燃料供給速度センサ、エンジン回転速度セン
サ、および空気吸入温度センサが含まれる。排気ガスの
再循環は、電子的に作動されるＥＧＲ弁によって制御さ
れるものであって、その弁は、弁位置センサを備えたバ
タフライ弁であることが好ましい。弁の位置は、電子式
ステップモータで制御されることが好ましく、そうする
ことにより、エンジン負荷と動作条件の変化に対して、
正確で迅速な反応を可能とする。
【００１７】上記したように本発明は、圧縮点火エンジ
ンにおける排気ガス再循環を制御するための新規な方法
を提供するものであり、それによって、最大の熱効率と
最小の汚染物質との間で均衡が保たれるように、制御さ
れたテスト環境の下で、最適の％ＥＧＲが実験的に導出
される。
【００１８】更にエンジンを流れる質量流量は、その限
定された％ＥＧＲと、雰囲気温度と大気圧の変化に対し
て補償された空気密度を使って演算される。その質量流
量は、ＥＧＲ弁を流れるＥＧＲの量を計算するために使
われ、その結果として、最適の％ＥＧＲが達成されるよ
うにＥＧＲ弁の位置が調節される。その適正な弁位置
は、ＥＧＲ弁を流れる排気ガスの容積流量と、排気ガス
の密度と、排気マニホルドから吸気マニホルドへの圧力
降下とからある無次元数を与える関数を使って導出され
る。更にその無次元数は、二次元的な表中において、適
切な弁位置をつきとめるために使用される。ガス再循環
を制御する方法は、次の仮定に依存している。 １）エンジンが動作中に遭遇する温度／圧力範囲では、
空気と排気ガスはともに、理想気体として振る舞う。 ２）特定のエンジン速度／負荷条件に対する排気ガス温
度の変化は、吸気温度と大気圧の変化に対して無視でき
るほど小さい。 ３）容積効率は、エンジン速度と、吸気および排気マニ
ホルド間の圧力差にのみ関係する。 ４）排気ガスの特性を計算する場合、排気ガスの成分は
Ｏ2 、Ｎ2 、ＣＯ2 およびＨ2 Ｏによって適正に表現さ
れ、他の排気ガス成分は全て無視できる。 ５）多燃料エンジンでは、吸気マニホルド内における混
合された空気と排気ガスの分子質量に対するガス状燃料
の影響は無視できる。
【００１９】
【実施例】本発明にかかる装置および方法は、物理的な
配置とハードウェア構成部品、制御ロジックおよび計算
手続きといった項目で記述できる。本発明の完全な理解
を容易にするため、以下、好適な実施例について詳細に
説明する。
【００２０】（物理的な配置およびハードウェア構成部
品）図１は、本発明にかかる排気ガス再循環システムに
装備される圧縮点火エンジン２０の概略図を示す。圧縮
点火エンジン２０は、ディーゼルエンジンか、あるいは
ディーゼル／天然ガスエンジンのような多燃料エンジン
が可能で、その構成はその分野では知られているため、
この文書中では説明をしない。圧縮点火エンジン２０
は、エンジンシリンダ（図示せず）に圧縮空気を供給す
るための吸気マニホルド２２と、圧縮点火エンジン２０
のシリンダから排気ガスを排出させる排気マニホルド２
４とを備える。排気ガス再循環システム（以下、ＥＧＲ
システムと呼ぶ）は、電子式コントローラ２６により制
御される。
【００２１】電子式コントローラ２６は、ＥＧＲシステ
ムを制御するばかりでなく、圧縮点火エンジン２０にお
ける他の動作を制御するための電子式エンジンコントロ
ーラであることも可能であるし、本発明にかかるＥＧＲ
システムを制御する機能に特化した電子式コントローラ
とすることも可能である。電子式コントローラ２６は、
エンジンコントロールシステムのために構成され、市場
に提供されている多くの処理装置のうちの１つである。
【００２２】電子式エンジンコントローラの主たる機能
は、排気マニホルド２４と吸気マニホルド２２とを相互
に繋ぐ排気再循環用導管３０中に配置されるＥＧＲ弁２
８の位置を制御することである。ＥＧＲ弁２８は、図２
と関連づけて、より詳細に説明される。ＥＧＲ弁２８は
制御用リンク機構３６を有する。この制御用リンク機構
３６は、モータリンク機構３４に接続され、更に、ＥＧ
Ｒ弁２８の旋回位置を制御する電子ステップモータ３２
に旋回可能に接続されている。
【００２３】ＥＧＲ弁２８を効率的かつ最適にコントロ
ールするためには、圧縮点火エンジン２０の動作状態を
監視するための多くのセンサを必要とする。これらのセ
ンサには、吸気マニホルド２２中に配置された吸気マニ
ホルド用の絶対圧力センサ（第１の圧力センサ）３８
と、排気マニホルド２４中に配置された排気マニホルド
用の絶対圧力センサ４０（第２の圧力センサ）とが含ま
れる。
【００２４】もし圧縮点火エンジン２０が多燃料エンジ
ン（例えばディーゼル／天然ガス燃料の組み合わせのよ
うに）であるなら、ディーゼルのみから多燃料モードへ
エンジンを切り換えるための燃料モード選択スイッチ４
２をそのシステムに含むことができる。そのシステムに
はまた、燃料供給速度センサ４４、一般的には、燃料ペ
ダルの位置を監視する高分解能のポテンショメータ、あ
るいはスロットルの位置センサのような幾つかの等価物
が含まれる。
【００２５】エンジンには、エンジンクランクシャフト
の回転速度を決定するためのエンジン回転速度センサ４
６（以下、ＲＰＭセンサ４６と呼ぶ）を備える。ＲＰＭ
センサ４６としてはホール効果センサが好ましく、それ
を必要に応じて、圧縮点火エンジン２０におけるディー
ゼル燃料注入ポンプ、フライホイールあるいはクランク
シャフトの出力端に取り付けることができる。エンジン
のクランクシャフトの回転速度の信頼性ある表示を提供
できる限り、ＲＰＭセンサー４６の位置は重要ではな
い。システムにはまた、吸気マニホルド２２中に流れ込
む圧縮空気の温度を測定するための、空気吸入温度セン
サ４８が含まれる。圧縮点火エンジン２０の排気システ
ムは標準的にはまた触媒コンバータ５２を備えるが、こ
の触媒コンバータ５２は本発明にかかる排気ガス再循環
システムにとっては補助的なものである。
【００２６】図２に、本発明に係る排気ガス再循環シス
テムで使用されるＥＧＲ弁２８の好ましい構成につき、
部分的に破断した側面図を示す。ＥＧＲ弁２８は中央通
路５４を有する。この中央通路５４は、排気再循環用導
管３０（図１参照）の直径と等しい直径を有しているこ
とが好ましいが、それより大きい直径を有していてもよ
い。中央通路５４は、弁軸５８によって回転されるよう
位置決めされたバタフライ弁５６によって閉止できるも
のであって、弁軸５８はその下端がＥＧＲ弁のリンク機
構３４に接続され、その上端が自動車産業においてはよ
く知られるタイプの高分解能ポテンショメータ６０に接
続されている。高分解能ポテンショメータ６０は、以下
で詳細に説明されるように、バタフライ弁５６の回動位
置を決定するために使用される。ＥＧＲ弁２８は、以下
でまた詳細に説明する如く、圧縮点火エンジン２０内に
おいて変化する燃焼条件に対する応答が正確で迅速な制
御となるよう、電子的に制御されるバタフライ弁である
ことが好ましい。
【００２７】（制御ロジック）図３は、ＥＧＲ弁２８の
位置を制御し、それによって排気マニホルド２４から吸
気マニホルド２２への排気ガス再循環量を制御するた
め、電子式エンジンコントローラ２６によって実行され
る一般的な制御ロジックの流れ図を示す。電子式エンジ
ンコントローラ２６はプログラムのループを実行する
が、そのループは、必要な燃料供給速度を燃料供給速度
センサ４４から決定することから始まり、吸気マニホル
ド２２に最適の排気ガスを再循環させるために要求され
る方向にＥＧＲ弁２８のバタフライ弁５６を方向付ける
ことで終わる。その制御ロジックをここで詳細に説明す
る。
【００２８】図３に示すように、工程はステップ６２で
始まり、そこで燃料供給速度センサ４４からの入力信号
を解析することにより、圧縮点火エンジン２０にとって
必要な燃料供給速度が決定される。ステップ６４におい
て、ＲＰＭセンサ４６、好ましくは４ストロークエンジ
ンのために半分のエンジン速度で走るエンジンのディー
ゼル燃料注入ポンプ（図示せず）に取り付けられたホー
ル効果センサ（図示せず）からの出力信号を解析するこ
とによって、電子式エンジンコントローラ２６はエンジ
ンの回転速度を計算する。
【００２９】ステップ６６で、電子式エンジンコントロ
ーラ２６は、排気マニホルドの絶対圧力センサ４０およ
び吸気マニホルドの絶対圧力センサ３８からの出力信号
を読み込み、以下の公式に従って圧力降下（ΔＰ）を計
算する。
【００３０】ステップ６８では、当業界でよく知られる
ようにダイナモメータで監視された圧縮点火エンジンを
使用したエンジンテストから実験的に導き出されたデー
タの表から、ステップ６２〜６６での結果を利用し、容
積効率、％ＥＧＲおよび排気ガス温度を決定する。
【００３１】図４には、エンジン速度と圧力降下（Δ
Ｐ）とを関数とし、エンジンの容積効率を引き出すため
に使用される表が示されている。好適な実施例に基づく
その表では、各行に対応してΔＰの値が配列され、各列
に対応してＲＰＭの値が配列されている。図４における
各行および各列に配列される各々の値は、増大するもの
とすることができるが、等量の増分として表現される必
要はない。割り当てられた値は、ＥＧＲを備えた個々の
エンジンモデルに依存するものであり、個々の排出物質
基準に適合させるため、個々の動作速度範囲内におい
て、より明確な決定とより良い制御が行えるように特定
のエンジン速度について集中させることができる。
【００３２】図４に示した表の大きさは、図示するため
だけのものであって、要求される実際の表サイズは、達
成される運転特性によって決まることもまた理解すべき
である。図４におけるデータは、エンジンの容積効率の
数学的な定義に基づいて実験的に導き出される。エンジ
ンの容積効率は、次の数式１で与えられる。
【００３３】
【数１】
【００３４】ここで、ηvol はエンジンの容積効率、Ｑ
tot は吸気マニホルドを介して流れる全容積流量を１秒
当りのリッター数で表したもの、ＲＰＭはエンジンのク
ランクシャフトの回転速度、Ｖdispはエンジンの排気量
をリッターで表したものである。４サイクル圧縮点火エ
ンジンにおいては、クランクシャフトの２回転当たりた
だ１回の吸気ストロークしかないので、吸気ストローク
の数は２で割られる。
【００３５】この定義および、多燃料エンジン中におい
て空気と排気ガスとガス状燃料とを混合した温度は正確
には測定できないという事実があるので、図４に示され
る表を完成するために使われるデータは、ＥＧＲを備え
ないディーゼルモードのみで運転されるエンジンから得
られることが好ましい。エンジンが試験台上においてデ
ィーゼルのみのモードで運転される場合、Ｑtot ＝Ｑ
air であり、Ｑair はガス流量計で測定される。ＲＰＭ
が測定され、方程式がηvol について解かれると、図４
における各セルに対する容積効率が得られる。
【００３６】％ＥＧＲは図５に示された表から得られる
が、そこでは％ＥＧＲは、エンジン回転速度と燃料供給
速度の関数として表現されている。この表中のデータ
は、次の数式２により表現される％ＥＧＲの数学的な定
義に基づき、テストエンジンのダイナモメータによるテ
ストから同様に実験的に導き出されることが好ましい。
【００３７】
【数２】
【００３８】ここで、Ｑair は所定の空気温度および吸
気マニホルド圧力下でエンジン中に流れる空気の容積流
量、Ｑgas は、もし圧縮点火エンジン２０が多燃料エン
ジンであれば、エンジン中に流れるガス状燃料の容積流
量であり、Ｑtot は吸気マニホルドを介して流れる総容
積流量である。
【００３９】テスト台上で運転されるエンジンをもっ
て、最大の熱効率と最小の汚染物質排出との間に均衡が
保たれるよう、ＥＧＲ弁２８は位置決めがなされる。Ｑ
gas は必要とする燃料供給速度から決定でき、Ｑtot は
図４から知られまた導き出され、そしてＱair はガス流
量計を使用して測定できる。そのようにして計算された
％ＥＧＲにより、図５のデータは完成される。
【００４０】排気ガス温度は図６に示す表から導き出さ
れるが、そこでは、排気ガス温度はエンジン回転速度と
燃料供給速度の関数として表現されている。温度はセ氏
（°Ｃ）で表され、所定のＲＰＭと燃料供給速度とにお
ける望ましい％ＥＧＲが確定されたのち、実際の温度測
定からテストエンジンについて実験的に導き出される。
以下で説明するように、図６に示された表から導き出さ
れる温度は、排気ガスの流量密度と排気ガスの容積流量
とを算出するための計算の中で使用される前に、ケルビ
ン温度に変換されなければならない。
【００４１】図４〜６に示した表中における全ての増加
間隔および表中の全てのデータは、特定のエンジンモデ
ルであり、各特定モデルにおけるダイナモメータでのテ
スト運転を通じて実験的に導き出される。更にまた、電
子式コントローラ２６は、センサの値が表に記載された
不連続な値の間に入ると、二次元的に線形な補間が実行
されるようにプログラムがなされている。これにより、
表を記憶するためのメモリの量が制限されるような場合
にあっても、動作環境に正確に応答できる。
【００４２】図３のステップ７０において、電子式コン
トローラ２６は、空気吸入温度センサ４８を使用して空
気吸入温度を読み込む。ステップ７４では、排気マニホ
ルド中における絶対圧力と、排気ガスの分子量と、気体
定数と、図６に示す表から得られた排気ガス温度とに基
づき、排気ガスの流体密度が次の数式３を使って演算さ
れる。
【００４３】
【数３】
【００４４】ここで、ρexh は排気ガスの流体密度を表
し、Ｐexh は排気マニホルド中における絶対圧力を表
し、ＭＷexh は排気ガスの分子量を表し、Ｒは気体定数
（8.3144kmol/kg ・ K ）であり、Ｔexh は図６の表から
導かれる排気ガス温度である。
【００４５】ステップ７６では、電子式コントローラは
流体密度（ρexh ）と圧力降下（ΔＰ）を使用し、次の
数式４によりＥＧＲ弁２８を流れる排気ガスの容積流量
（Ｑegr ）を演算する。
【００４６】
【数４】
【００４７】ここでＱegr はＥＧＲ弁を介した排気ガス
の容積流量を表し、ｍtot は吸気マニホルドを介して流
れるガスの全質量流量であり、ｍair は吸気マニホルド
を介して流れる空気の質量流量であり、ｍgas は複数燃
料エンジンの吸気マニホルドを介して流れるガス状燃料
の質量流量であり、Ｒは気体定数であり、Ｔexh は図６
に示す表から導かれる排気ガスの温度であり、Ｐexh は
排気マニホルド２４における絶対圧力であり、ＭＷexh
は排気マニホルド２４中における排気ガスのｇ／ｍｏｌ
を単位とした分子量である。この式の右辺における変数
の全ては、ｍair 、ｍtot およびＭＷexh を除いて知ら
れている。ｍtot およびＭＷexh についての詳細な説明
は、後記する計算手順の項が参照れれるべきである。
【００４８】空気の容積流量（Ｑair ）は、次の数式５
を使用して計算される。
【００４９】
【数５】
【００５０】しかしながら結果として得られるＱ
air は、％ＥＧＲが特定された場合の空気温度
（Ｔair ）cal と吸気マニホルド圧力（Ｐintake）cal
で引用される。従って必要な空気の質量流量は、（ＭＷ
air ＝28.97 とともに）気体定数を使用して計算された
空気密度に、この公式から求めた空気の容積流量をかけ
ることにより数式６に示すように導出される。
【００５１】
【数６】
【００５２】このようにして空気の質量流量は計算され
るが、その質量流量は、気圧または吸入空気温度の変動
で変わることはない。エンジンに対する燃料の質量流量
は、雰囲気温度および圧力の変動によって変化すること
はないので、空気の最適量が、常時、注入された燃料を
すべて完全燃焼させるために供給される。
【００５３】図３のステップ７８では、次の関数を利用
し、ＥＧＲ弁の必要な位置を決定するためのある変数が
導出される（数式７）。
【００５４】
【数７】
【００５５】ＥＧＲの容積流量Ｑegr は上記したように
実行された計算から知られ、ρexhもまた上記したよう
に実行された計算から知られ、更にΔＰは、上記した様
に排気マニホルドの絶対圧力から吸気マニホルドの絶対
圧力を減算することにより演算される。この関数から導
出される無次元数は、図７において弁位置（β弁）を配
置するために使用される。
【００５６】ステップ８０では、ＥＧＲ弁２８の現在位
置が、ＥＧＲ弁２８の弁軸５８に結合された高分解能な
ポテンショメータ６０からのポテンショメータ信号に対
応させて電子式エンジンコントローラにより積算された
クロック数を測定することにより決定される。図８に示
す表は、ＥＧＲ弁２８の中央通路５４に対し、いっぱい
に閉じられた位置からのクロック数と度数によるシャフ
ト位置との間の関係を示している。ＥＧＲ弁の現在位置
が決定された後、図８の表を参照することによりステッ
プ７８で決定されたＥＧＲ弁の要求位置は、ＥＧＲ弁の
現在位置と比較され、そして修正係数が演算される。
【００５７】ステップ８４において、もし現在位置がス
テップ７８で決定された要求位置と同じでないなら、電
子式コントローラ２６は電子ステップモータ３２に命令
を与え、ＥＧＲ弁２８をその現在位置から要求位置に動
かす。それからプログラムはステップ６２に戻り、上記
工程を繰り返す。この工程を実行する頻度は、電子式コ
ントローラ２６によって実行される他のタスクを含めた
ファクターの数に依存する。標準的には、その工程を４
〜１２ミリ秒毎に繰り返すことにより、動作状態の変化
に調和して、ＥＧＲ弁２８がいつも最適な位置にあるこ
とを保証している。
【００５８】（計算手順）計算では、エンジンに流れる
ガスの総質量流量を決定することが必要になるが、排気
ガスの分子量と排気ガス成分の比熱が以下で説明されて
いる。計算の理解を助けるため、使用される変数が次に
定義されている。 ｍ air' ＝エンジンに流れる空気の質量流量 ｍegr ' ＝ＥＧＲ弁を通じて流れる排気ガスの質量流量
（g/s ） ｍgas ' ＝エンジンに流れるガス状燃料の質量流量 ｍdsl ' ＝エンジンに流れるディーゼル燃料の質量流量 ｍtot ' ＝吸気マニホルドを通じて流れる総質量流量 Ｔair ＝混合点の丁度上流に当たる吸気マニホルド内
での空気温度 Ｔexh ＝排気ガス温度 Ｔgas ＝吸気マニホルド内に入った時のガス状燃料の
温度 Ｔmix ＝空気と排気ガスとガス状燃料とが混合された
温度 Ｐintake＝吸気マニホルドの絶対圧力 Ｐexh ＝排気マニホルドの絶対圧力 Ｒ ＝気体定数 8.33144kmol/kg・ K Ｑair ＝Ｔair とＰintakeでエンジンに流れる空気の
容積流量(l/s) Ｑgas ＝Ｔair とＰintakeでエンジンに流れるガス状
燃料の容積流量(l/s) Ｑtot ＝Ｔair とＰintakeで吸気マニホルドを通じて
流れる総容積流量(l/s) Ｖdisp ＝エンジン排気量(l/s) ＭＷ ＝分子量(g/mol) ｈ ＝エントロピー(kJ/kg・ K) Ｃp ＝比熱(kJ/kg・ K)
【００５９】（総質量流量の計算）総質量流量
（ｍtot ' ）は、（多燃料エンジンの場合には）その混
合温度と吸気マニホルド圧力における総容積流量（Ｑ
tot ）に、空気と排気ガスとガス状燃料の混合物の密度
（ρintake）とを掛け合わせた結果として、次の数式８
に示すように得られる。
【００６０】
【数８】
【００６１】ここで密度ρintakeは、気体定数を使用し
て、数式９のように計算できる。
【００６２】
【数９】
【００６３】ここでＭＷmix は、28.5kg/kmol と見積も
られる。混合温度（Ｔmix ）を計算するためには、熱力
学第一法則が必要である。混合過程に対する熱力学第一
法則は、次の数式１０に示すようになる。
【００６４】
【数１０】
【００６５】しかし、理想気体では次の数式１１に示す
ようになる。
【００６６】
【数１１】
【００６７】従って、この数式１１は次の数式１２のよ
うになる。
【００６８】
【数１２】
【００６９】空気とガス状燃料の比熱は、空気が1.0035
kJ/kg ・ K であり、ガス（例えば、多燃料エンジンの為
のメタン）では2.2537kJ/kg ・ K で一定であると認めら
れる。しかしながら、排気ガスの比熱は排気ガスの構成
と温度によって変わる。
【００７０】燃焼理論に基づいて行われる排気ガスの比
熱と分子量の計算は、以下で説明される。混合物の比熱
は、空気と排気ガスと天然ガスの比熱を質量平均したも
のであって、次の数式１３から導出される。
【００７１】
【数１３】
【００７２】上記した５つの式を組み合わせて整理する
と、次の数式１４のようになる。
【００７３】
【数１４】
【００７４】この式は、次の数式１５に示すようにＴ
mix の二次方程式として表現される。
【００７５】
【数１５】
【００７６】その二次方程式を解くことにより、次の数
式１６が得られる。
【００７７】
【数１６】
【００７８】混合時の温度Ｔmix が判ると、混合時の密
度ρintakeは次の数式１７から計算できる。
【００７９】
【数１７】
【００８０】更に次の数式１８中で使用すると、総質量
流量ｍtot ' が計算される。
【００８１】
【数１８】
【００８２】（分子量と比熱の計算）ＥＧＲ弁を通過す
る排気ガスの容積流量Ｑegr を決定するために必要な、
吸入空気に対する再循環排気ガスの最適の割合、排気ガ
スの構成、分子量、および比熱は、ディーゼル燃料をＣ
Ｈ1.9 と表現することにより決定される。この場合のデ
ィーゼル燃料と空気の理論的な燃焼は、次のように書か
れる。 CH1.9+7.024(0.21O2+0.79N2) → CO2+0.95H2O+5.549N2 質量を基準におくと、この燃焼反応は次のように書け
る。
【００８３】 1kgCH1.9+3.39kgO2+11.16kgN2 → 3.16kgCO2+1.23kgH2O+11.16kgN2 ディーゼルばかりでなく、例えば天然ガスを燃やす多燃
料エンジンにあっては、天然ガスは１００％メタン（Ｃ
Ｈ4 ）と表現できるかもしれないが、その場合にあって
は、空気中における天然ガスの理論的な燃焼は、次によ
うに書かれる： CH4+9.524(0.210O2+0.79N2) → CO2+2H2O+7.52N2 質量を基準におくと、この燃焼反応は次のように書け
る： 1kgCH4+3.39kgO2+13.14kgN2 → 2.74kgCO2+2.25kgH2O+13.14kgN2
【００８４】上記理論に基づき、吸入される空気に対す
る再循環される排気ガスの適切な割合φは、次の数式１
９によって与えられる。
【００８５】
【数１９】
【００８６】ｘi およびｙi をそれぞれ、成分ｉにおけ
る質量およびモルの分率とする。上記理論に基づき、排
気中における各成分の質量分率は、次の数式２０、数式
２１、数式２２、数式２３によって与えられる。
【００８７】
【数２０】
【００８８】
【数２１】
【００８９】
【数２２】
【００９０】
【数２３】
【００９１】各成分のモル分率は、次の数式２４によっ
て与えられる。
【００９２】
【数２４】
【００９３】排気ガスの分子量は、次の数式２５で与え
られる。
【００９４】
【数２５】
【００９５】排気ガスの比熱は、次の数式２６で与えら
れる。
【００９６】
【数２６】
【００９７】ここで（Ｃp ）i は、次の数式２７、数式
２８、数式２９、数式３０に示すように各排気成分に対
するｋＪ／ｋｍｏｌ・Ｋを単位とした定圧比熱である。
【００９８】
【数２７】
【００９９】
【数２８】
【０１００】
【数２９】
【０１０１】
【数３０】
【０１０２】ここで、ケルビン温度によるＴexh を用い
ると、θは次の数式３１に示すように表される。
【０１０３】
【数３１】
【０１０４】これらの計算過程によって、電子式のコン
トローラ２６は周囲温度と大気圧の変化を正確に補償
し、全ての動作条件の下で吸込み空気に対する再循環さ
れた排気ガスの割合が最適に維持されることを可能とし
ている。
【０１０５】（産業への適用性）本発明にかかるＥＧＲ
システムは、圧縮点火エンジンにおける主要な汚染物
質、すなわち酸化窒素（ＮＯx ）および一酸化炭素（Ｃ
０）のレベルを驚異的に減少させる。これらの酸化物が
大気中で水と結合すると、有機および無機の物質に対し
て非常に腐蝕性のある各種の酸が形成される。これらの
酸は酸性雨問題の原因となり、ＮＯx はまた光化学スモ
ッグと地上でのオゾンの形成における主たる要素であ
る。本発明にかかるＥＧＲシステムはまた炭化水素の燃
焼を高め、従って燃料効率をより大きく改善する。エン
ジン負荷が小さい状態では、ＥＧＲシステムは、エンジ
ンの吸気スロットルを絞るという力に頼ることなく、よ
り効率的な範囲で、空気／燃料比を維持するのを助け
る。同様に、活性化された化学的な基を含む高温の排気
ガスを空気／燃料と混合した混合体は、より速く、より
完全な燃焼を促進させ、従って排気ガス中における未燃
焼な総炭化水素のレベルを下げる。更にまた、本発明に
かかるＥＧＲシステムでは、低温の吸入空気を高温の排
気ガスで置き換えることにも幾分か貢献して、エンジン
の排気温度が上昇し、その結果として、このエンジンの
排気システムに備えた貴金属触媒のより早期の活性化と
より効率の良い動作を実現する。触媒がより良く動作す
ることにより、排気の流れから、一酸化炭素や総炭化水
素のような汚染物質をより効率良く除去するのを促進す
る。
【０１０６】ＥＧＲ弁２８は電子的に作動されるので、
空気式の制御よりもむしろ、システムはエンジン負荷の
変化に対して高速でより正確な応答がなされる。また電
子式のコントローラ２６は、排気ガスの最適な再循環レ
ートを正確に決定し、ＥＧＲ弁２８の位置を極めて正確
に与える。システムはＥＧＲ弁２８の正確な変化位置を
与えるので、エンジンは全ての動作状態においても定格
出力で対応し、更にそれは従来のＥＧＲ制御システムに
おける共通した問題であったのだが、排気ガスが過剰に
再循環された場合におこる黒煙および／またはエンジン
のエンストという望ましくない効果が除去される。
【０１０７】上記した好適な実施例に対し、本発明の趣
旨から離れることなく、当業者なら変形および修正を加
えることができる。従って本発明の範囲は、特許請求の
範囲によってのみ制限されるように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる排気ガス再循環システムが装備
された圧縮点火エンジンの概略図である。
【図２】図１に示された圧縮点火エンジンのための排気
ガス再循環システムにおいて使用されるＥＧＲ弁の好適
な実施例の一部破断した側面図である。
【図３】本発明に関する圧縮点火エンジンにおける排気
ガスの再循環を制御する方法の論理図である。
【図４】圧縮点火エンジンにおける、エンジン速度と、
排気マニホルドおよび吸気マニホルド間における圧力降
下とを関数とし、容積効率を決定するための図表を示
す。
【図５】圧縮点火エンジンにおけるエンジン速度と燃料
供給速度を関数とし、％ＥＧＲを決定するための図表を
示す。
【図６】圧縮点火エンジンにおけるエンジン速度と燃料
供給速度とを関数とし、排気ガス温度を決定するための
図表を示す。
【図７】圧縮点火エンジンにおける、排気ガス流量と排
気ガス密度と排気マニホルドおよび吸気マニホルド間の
圧力降下とを関数とし、ＥＧＲ弁の位置を決定するため
の図表を示す。
【図８】ＥＧＲ弁の位置を監視するため、ポテンショメ
ータの出力に基づく電子式エンジンコントローラのクロ
ック数を関数とし、ＥＧＲ弁の位置を決定するための図
表を示す。
【符号の説明】
２０ 圧縮点火エンジン ２２ 吸気マニホルド ２４ 排気マニホルド ２６ 電子式コントローラ ２８ 排気ガス再循環弁（ＥＧＲ弁） ３０ 導管（排気再循環用導管） ３２ 排気ガス再循環弁を制御するための手段（電子ス
テップモータ） ３４ モータリンク機構 ３６ 制御用リンク機構 ３８ 第１の圧力センサ（吸気マニホルド用の絶対圧力
センサ） ４０ 第２の圧力センサ（排気マニホルド用の絶対圧力
センサ） ４２ 燃料モード選択スイッチ ４４ 燃料供給速度センサ ４６ エンジン速度センサ（ＲＰＭセンサ） ４８ 空気吸入温度センサ ５２ 触媒コンバータ ５４ 中央通路 ５６ バタフライ弁 ５８ 弁軸

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エンジン２０の吸気マニホルド２２内の
    絶対圧力を検知するための第１の圧力センサ３８と、 エンジン２０の排気マニホルド２４内の絶対圧力を検知
    するための第２の圧力センサ４０と、 エンジンクランクシャフトの回転速度を検出するための
    エンジン速度センサ４６と、 エンジン２０に対する燃料供給速度を検出するための燃
    料供給速度センサ４４と、 エンジン２０の吸気マニホルド２２内で吸気温度を検出
    するための空気吸入温度センサ４８と、 排気マニホルド２４と吸気マニホルド２２との間に流体
    の通路を提供する導管３０と、 その導管３０内に配設され、排気マニホルド２４から吸
    気マニホルド２２への排気ガスの流れを調節するための
    排気ガス再循環弁２８と、 上記導管３０を通る排気マニホルド２４から吸気マニホ
    ルド２２への排気ガスの流れを調節するために上記排気
    ガス再循環弁２８を制御する手段３２と、 第１および第２の圧力センサ３８・４０、エンジン速度
    センサ４６、燃料供給速度センサ４４および空気吸入温
    度センサ４８からの信号を受け、その受け取った信号に
    基づいて、吸入される空気に対する再循環される排気ガ
    スの最適な割合を演算し、更に、その吸入される空気に
    対する再循環される排気ガスが最適な割合で導管を通っ
    て吸気マニホルドに流れることを可能とする弁位置を演
    算し、更にまた、排気マニホルドから吸気マニホルドへ
    導管を通って流れる吸入空気に対する排気ガスの最適割
    合を可能とする演算された弁位置で弁を位置決めするた
    めに排気ガス再循環弁２８を制御するための手段３２を
    作動させるための電子式コントローラ２６と、を含む、
    圧縮点火エンジンのための排気ガス再循環システム。
  2. 【請求項２】 エンジン速度センサ４６が、エンジンの
    燃料ポンプの出力シャフトに取り付けられたホール効果
    センサである、請求項１記載の圧縮点火エンジンのため
    の排気ガス再循環システム。
  3. 【請求項３】 燃料供給速度センサ４４が、エンジンの
    燃料ペダルのペダル位置を測定する高分解能ポテンショ
    メータである、請求項１記載の圧縮点火エンジンのため
    の排気ガス再循環システム。
  4. 【請求項４】 排気ガス再循環弁２８が、いっぱいに閉
    じられた位置からいっぱいに開かれた位置へバタフライ
    弁５６を動かすための機械的なリンク機構を備えた機械
    的に制御されるバタフライ弁５６である、請求項１に記
    載の圧縮点火エンジンのための排気ガス再循環システ
    ム。
  5. 【請求項５】 排気ガス再循環弁２８を制御するための
    手段３２が、機械的なリンク機構に接続されて動作する
    電子的なステップモータである、請求項４記載の圧縮点
    火エンジンのための排気ガス再循環システム。
  6. 【請求項６】 バタフライ弁５６は、そのいっぱいの閉
    じ位置に対応する現在位置を示すため、高分解能ポテン
    ショメータを備えている、請求項５記載の圧縮点火エン
    ジンのための排気ガス再循環システム。
  7. 【請求項７】 電子式コントローラ２６は、高分解能ポ
    テンショメータの出力信号に基づくカウント数を積算す
    るものであって、そのカウント数が、いっぱいに閉じら
    れた位置に対応したバタフライ弁５６の現在位置を決定
    するために使用される、請求項６記載の圧縮点火エンジ
    ンのための排気ガス再循環システム。
  8. 【請求項８】ａ）エンジン２０に対する燃料供給速度を
    検知する、 ｂ）エンジン２０の回転速度を検知する、 ｃ）エンジン２０の排気マニホルド２４の絶対圧力と、
    吸気マニホルド２２の絶対圧力とを検知し、排気マニホ
    ルド２４と吸気マニホルド２２との間の圧力降下を演算
    する、 ｄ）上記回転速度と圧力降下とを関数とし、エンジン２
    ０を通じて流れるガスの容積効率を決定する、 ｅ）エンジン２０の回転速度と燃料供給速度とを関数と
    し、％ＥＧＲを決定する、 ｆ）エンジン２０の回転速度と燃料供給速度とを関数と
    し、排気マニホルド２４中におけるガスの温度を決定す
    る、 ｇ）吸気マニホルド２２に流れ込む空気の吸気温度を決
    定する、 ｈ）排気マニホルド２４中の絶対圧力と、排気ガスの分
    子量と、排気ガスの温度とに基づいて、排気ガスの流体
    密度を演算する、 ｉ）ＥＧＲ弁２８を通る排気ガスの容積流量を演算す
    る、 ｊ）上記容積流量、排気ガスの流体密度および圧力降下
    に基づいて、ＥＧＲ弁２８を必要な位置に持ってくるた
    めの変数を導出する、 ｋ）ＥＧＲ弁２８を必要な位置に動かすことを含む、圧
    縮点火エンジンにおける排気ガスの再循環を制御する方
    法。
  9. 【請求項９】 エンジン２０を通じて流れるガスの容積
    効率は、圧縮点火エンジンのダイナモメータテストから
    実験的に導出されるデータを表から自動照合することに
    よって決定される、請求項８記載の圧縮点火エンジンに
    おける排気ガスの再循環を制御する方法。
  10. 【請求項１０】 ％ＥＧＲは、圧縮点火エンジンの動作
    テストから実験的に導出されるデータを表から自動照合
    することによって決定される、請求項８記載の圧縮点火
    エンジンにおける排気ガスの再循環を制御する方法。
  11. 【請求項１１】 排気マニホルド２４内のガス温度は、
    圧縮点火エンジンの動作テストから実験的に導出される
    データを表から自動照合することによって決定される、
    請求項８記載の圧縮点火エンジンにおける排気ガスの再
    循環を制御する方法。
  12. 【請求項１２】 必要なＥＧＲ弁位置は、上記変数を関
    数とし、弁位置を表から自動照合することにより決定さ
    れる、請求項８記載の圧縮点火エンジンにおける排気ガ
    スの再循環を制御する方法。
  13. 【請求項１３】ａ）ＥＧＲ弁２８の現在位置を決定す
    る、 ｂ）ＥＧＲ弁２８の現在位置と、ＥＧＲ弁２８の要求位
    置とを比較する、 ｃ）現在位置と要求位置との違いを導出する、 ｄ）ＥＧＲ弁２８の位置を制御するための手段３２を作
    動させ、現在位置と要求位置との間の導出された違いに
    等価な量だけＥＧＲ弁２８を動かすのステップを更に含
    む、請求項８記載の圧縮点火エンジンにおける排気ガス
    の再循環を制御する方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030032659A (ko) * 2001-10-19 2003-04-26 현대자동차주식회사 디젤엔진의 배기가스 재순환 시스템
JP2006125354A (ja) * 2004-11-01 2006-05-18 Hino Motors Ltd 排気浄化装置

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