(57)【要約】【課題】各気筒間の燃焼状態のばらつきを抑えることで、各気筒内の燃焼状態を改善し、このばらつきに起因した機関全体のＮＯＸ発生量や排気微粒子排出量の悪化を防止する。【解決手段】複数の気筒１２を備え、各気筒１２の排気ガスｅを吸気通路１４に再循環させるようにした内燃機関１０の排気ガス再循環方法において、気筒１２内の燃焼状態を表す指標として、吸気ガスｓの酸素濃度及び吸気温度をパラメータとした運転状態監視指数ｉを定めると共に、目標とする燃焼状態となる該運転状態監視指数の目標値ｉｐを予め求めておき、各気筒１２で排気ガス合流後の吸気通路１２内の吸気温度及び酸素濃度を検出して運転状態監視指数ｉを求め、各気筒１２の該運転状態監視指数ｉが前記目標値となるように各気筒１２への排気ガス再循環量を調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を備え、排気ガスを吸気通路に再循環させるようにした内燃機関の排気ガス再循環方法において、
気筒内の燃焼状態を表す指標として、吸気ガスの酸素濃度及び吸気温度をパラメータとした運転状態監視指数を定めると共に、目標とする燃焼状態となる該運転状態監視指数の目標値を予め求めておき、
各気筒で排気ガス合流後の吸気通路内の吸気温度及び酸素濃度を検出して運転状態監視指数を求め、
各気筒の該運転状態監視指数が前記目標値となるように各気筒への排気ガス再循環量を調整することを特徴とする内燃機関の排気ガス再循環方法。
【請求項２】
前記目標値に上限及び下限の閾値を夫々設定し、各気筒の運転状態監視指数を該閾値内に調整することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス再循環方法。
【請求項３】
運転状態監視指数が前記閾値から外れた気筒を除き、該閾値内の運転状態監視指数の平均値を算出し、全気筒の運転状態監視指数が該平均値となるように各気筒の排気ガス再循環量を調整することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気ガス再循環方法。
【請求項４】
複数の気筒を備え、排気ガスを吸気通路に再循環させる再循環路を備えた内燃機関の排気ガス再循環装置において、
各気筒の夫々吸気通路の排気ガス合流部の下流側に設けられた酸素濃度センサ及び吸気温度センサと、
該酸素濃度センサ及び吸気温度センサの検出値から、酸素濃度及び吸気温度をパラメータとする運転状態監視指数を求める算出手段と、
目標とする燃焼状態となる該運転状態監視指数の目標値を予め求めておき、該目標値となるように排気ガス再循環量を調整する制御装置と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項５】
各気筒の排気ガス再循環路に流量調整弁を介設し、該流量調整弁を前記制御装置で制御して排気ガス再循環量を調整するように構成したことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項６】
各気筒の吸気通路の排気ガス合流部の上流側に流量調整弁を介設し、該流量調整弁を前記制御装置で制御して排気ガス再循環量を調整するように構成したことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス再循環を行なう多気筒型内燃機関において、排気ガス再循環量を調整することにより、各気筒の燃焼状態のばらつきを抑え、均一燃焼を可能にした排気ガス再循環方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスエンジンやディーゼルエンジン等では、ＮＯＸの発生量を低減するために、従来から排気ガス再循環（以下「ＥＧＲ」と言う）を実施することが提案されている。
【０００３】
ＥＧＲは、排気ガスを気筒内へ再循環することにより、排気ガスの主成分である不活性ガスがもつ大きな熱容量によって燃焼温度を低下させ、ＮＯＸの発生量を低減するものである。一方で、ＥＧＲは多少の燃焼悪化を伴うために、機関運転状態に応じて最適なＥＧＲ率（ＥＧＲ量／気筒内全ガス量）を実現することが必要である。
【０００４】
ＥＧＲを行なう多気筒型内燃機関においては、各気筒間で排気ガスの還流率が目標とする排気還流率を中心として広くばらついてしまうことがある。この結果、各気筒の燃焼状態にばらつきが生じ、排気微粒子排出量が目標とする排気ガス還流率に対応する設定値より増大してしまう、という問題がある。
【０００５】
また、自動車用ディーゼル機関のように、運転条件が種々変化するものでは、運転条件によってＥＧＲの流量や流速が異なるものとなるので、各運転条件下で安定したＥＧＲ分配特性を得るのは容易ではない。
特許文献１（特開平７−４２６２６号公報）には、気筒間の排気ガス還流率のばらつきを抑え、各気筒に排気ガス量を均等に分配する手段が開示されている。特許文献１では、気筒間ばらつきを抑えるために、各気筒の吸気温度、排気温度及び筒内圧力を検出し、これらの検出値に基づきＥＧＲ量を制御することを提案している。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−４２６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、気筒間ばらつきを抑えるために、各気筒の吸気温度、排気温度及び筒内圧力を検出し、これらの検出値に基づきＥＧＲ量を制御することを提案しているが、燃焼状態は、これらのパラメータ以外に、ＥＧＲガスと吸入ガスとが混合した混合ガスの組成などの要因によっても変化し得ることが確認されている。従って、特許文献１に開示された手段では、各気筒の燃焼状態のばらつきを抑えることができない。
【０００８】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ＥＧＲを行なう多気筒型内燃機関において、各気筒間の燃焼状態のばらつきを抑えることにより、各気筒内の燃焼状態を改善し、このばらつきに起因した機関全体のＮＯＸ発生量や排気微粒子排出量の悪化を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明の内燃機関の排気ガス再循環方法は、
複数の気筒を備え、排気ガスを吸気通路に再循環させるようにした内燃機関の排気ガス再循環方法において、
気筒内の燃焼状態を表す指標として、吸気ガスの酸素濃度及び吸気温度をパラメータとした運転状態監視指数を定めると共に、目標とする燃焼状態となる該運転状態監視指数の目標値を予め求めておき、
各気筒で排気ガス合流後の吸気通路内の吸気温度及び酸素濃度を検出して運転状態監視指数を求め、
各気筒の運転状態監視指数が前記目標値となるように各気筒への排気ガス再循環量を調整するものである。
【００１０】
本発明方法では、気筒内の燃焼状態を表す指標として、吸入ガスの酸素濃度及び吸気温度をパラメータとした運転状態監視指数を定めるものである。この運転状態監視指数は、ＮＯＸ発生量や気筒内の最大燃焼圧力、あるいは排気ガス中に存在するすす等の排気微粒子排出量（以下「ＰＭ量」と言う）と相関をなすものであり、これらの指標とみなすことができる。
【００１１】
排気ガス中のＮＯＸ発生量又は気筒内の最大燃焼圧力と、吸入ガスの酸素濃度又は吸気温度とは、図６に示すような相関がある。即ち、ＮＯＸ発生量又は気筒内最大燃焼圧力は、吸入ガス中の酸素濃度が高いほど増大し、該酸素濃度が低いほど減少する。また、ＮＯＸ発生量又は気筒内最大燃焼圧力は、吸気温度が高いほど増大し、吸気温度が低いほど減少する。
【００１２】
また、排気ガス中のＰＭ量と、吸入ガス中の酸素濃度又は吸気温度とは、図７に示すような相関がある。即ち、排気ガス中のＰＭ量は、吸入ガス中の酸素濃度が高いほど減少し、該酸素濃度が低いほど減少する。また、排気ガス中のＰＭ量は、吸気温度が高いほど減少し、吸気温度が低いほど増大する。
【００１３】
本発明方法では、内燃機関の気筒内の目標となる燃焼状態となる運転状態監視指数の目標値を予め求めておき、この目標値と、各気筒で排気ガス合流後の吸気通路内の吸気温度及び酸素濃度を検出して求めた運転状態監視指数とを比較し、各気筒の該運転状態監視指数が前記目標値となるように排気ガス再循環量を調整するようにする。
【００１４】
これによって、各気筒の燃焼状態を目標となる燃焼状態に一致させることで均一化でき、そのため、排気ガス中のＮＯＸ発生量を抑え、かつ排気微粒子排出量を低減可能となる。
【００１５】
本発明方法において、運転状態監視指数の目標値に上限及び下限の閾値を夫々設定し、各気筒の運転状態監視指数を該閾値内に調整するようにするとよい。このように、運転状態監視指数の目標値に一定の範囲をもたせることによって、各気筒の運転状態監視指数を目標範囲に到達させるのが容易になり、各気筒のＥＧＲ量を調整するのが容易になる。
【００１６】
この場合に、運転状態監視指数が閾値から外れた気筒を除き、該閾値内の運転状態監視指数の平均値を算出し、全部の気筒の運転状態監視指数が該平均値となるように各気筒の排気ガス再循環量を調整するとよい。これによって、気筒の燃焼状態が良好となる運転状態監視指数を選定でき、この運転状態監視指数となるようにＥＧＲガス量を調整することで、排気ガスの性状を改善できる。
【００１７】
また、前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明に係る内燃機関の排気ガス再循環装置は、
複数の気筒を備え、排気ガスを吸気通路に再循環させる再循環路を備えた内燃機関の排気ガス再循環装置において、
各気筒の夫々の吸気通路の排気ガス合流部の下流側に設けられた酸素濃度センサ及び吸気温度センサと、
該酸素濃度センサ及び吸気温度センサの検出値から、酸素濃度及び吸気温度をパラメータとする運転状態監視指数を求める算出手段と、
目標とする燃焼状態となる該運転状態監視指数の目標値を予め求めておき、該目標値となるように排気ガス再循環量を調整する制御装置と、を備えたものである。
【００１８】
本発明装置では、内燃機関の目標とする燃焼状態となる運転状態監視指数の目標値を予め求めておき、この目標値と、酸素濃度センサ及び吸気温度センサの検出値から求めた各気筒の実際の運転状態監視指数とを比較する。そして、各気筒の実際の運転状態監視指数が該目標値となるように、各気筒のＥＧＲ量を調整するようにする。
これによって、各気筒の燃焼状態を目標となる燃焼状態に一致させることで均一化でき、そのため、排気ガス中のＮＯＸ発生量を抑え、かつ排気微粒子排出量を低減可能となる。
【００１９】
本発明装置において、ＥＧＲ量を調整する手段として、排気ガス再循環路に流量調整弁を介設し、該流量調整弁を前記制御装置で制御して排気ガス再循環量を調整するように構成してもよい。これによって、簡素かつ低コストな構成でＥＧＲ量を制御できる。
特に、ＥＧＲ路が各気筒に分岐する分岐部の上流側に流量調整弁を設け、該流量調整弁より下流側に分岐された各ＥＧＲ路の圧損の違い等を無視すれば、ＥＧＲ路に1個の流量調整弁を付設だけでＥＧＲガス量の調整が可能に済み、設備コストを大幅に節減できる。
【００２０】
ＥＧＲ量を調整する別な手段として、吸気通路の排気ガス合流部の上流側に流量調整弁を介設し、該流量調整弁を前記制御装置で制御して排気ガス再循環量を調整するように構成してもよい。この場合でも、簡素かつ低コストな構成でＥＧＲ量を制御できる。
また、吸気通路が各気筒に夫々吸気ガスを分配する分岐吸気通路に分岐する分岐部の上流側に流量調整弁を設け、該流量調整弁より下流側に分岐されたＥＧＲ路の圧損の違い等を無視すれば、吸気通路に1個の流量調整弁を付設するだけで済み、設備コストを大幅に節減できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明方法によれば、複数の気筒を備え、排気ガスを吸気通路に再循環させるようにした内燃機関の排気ガス再循環方法において、気筒内の燃焼状態を表す指標として、吸気ガスの酸素濃度及び吸気温度をパラメータとした運転状態監視指数を定めると共に、目標とする燃焼状態となる該運転状態監視指数の目標値を予め求めておき、各気筒で排気ガス合流後の吸気通路内の吸気温度及び酸素濃度を検出して運転状態監視指数を求め、各気筒の運転状態監視指数が前記目標値となるように各気筒への排気ガス再循環量を調整することにより、各気筒の燃焼状態を良好な状態で均一化でき、これによって、排気ガス中のＮＯＸ発生量を抑え、かつ排気微粒子排出量を低減可能となる。
【００２２】
また、本発明装置によれば、複数の気筒を備え、排気ガスを吸気通路に再循環させる再循環路を備えた内燃機関の排気ガス再循環装置において、各気筒の夫々吸気通路の排気ガス合流部の下流側に設けられた酸素濃度センサ及び吸気温度センサと、該酸素濃度センサ及び吸気温度センサの検出値から、酸素濃度及び吸気温度をパラメータとする運転状態監視指数を求める算出手段と、目標とする燃焼状態となる該運転状態監視指数の目標値を予め求めておき、該目標値となるように排気ガス再循環量を調整する制御装置とを備えたことにより、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２４】
図１は、ＥＧＲを行なうディーゼルエンジンやガスエンジン等の多気筒型エンジン１０を示す系統図である。図１において、エンジン本体に複数（４個）の燃焼シリンダ１２が並設されている。各燃焼シリンダ１２には、夫々吸気通路１４と排気ガス通路１６が接続され、各吸気通路１４は１本の吸気集合路１６から分岐されている。各排気ガス通路１８は1本の排気集合路２０に接続されている。
【００２５】
排気集合路２０では、ＥＧＲガス通路２２が分岐し、ＥＧＲガス通路２２は枝通路２４に分岐し、各枝通路２４はＥＧＲガス合流部２６で各吸気通路１４に接続されている。各枝通路２４には、ＥＧＲガス合流部２６の上流側で、夫々ＥＧＲガス量調整弁２８が介設されている。各吸気通路１４のＥＧＲガス合流部２６の下流側には、夫々酸素濃度センサ３０及び吸気温度センサ３２が取り付けられている。
【００２６】
ＥＧＲガス量制御装置３４は、酸素濃度センサ３０及び吸気温度センサ３２の検出値を入力し、これら検出値に基づいて各ＥＧＲガス量調整弁２８を制御する。これによって、各吸気通路１４に供給されるＥＧＲガス量を調整している。
かかる構成によって、吸気ガスｓが吸気集合路１６から各吸気通路１４に吸入され、各吸気通路１４に枝通路２４から所定量のＥＧＲガスが混入され、ＥＧＲガスが混入された吸気ガスが各燃焼シリンダ１２に吸入される。
【００２７】
本実施形態では、吸気ガス中の酸素濃度及び吸気温度をパラメータとした燃焼強度指数ｉが設定される。燃焼強度指数ｉは、吸気ガス中の酸素濃度及び吸気温度をパラメータとして設定されるため、図６及び図７に示すように、排気ガスｅ中のＮＯＸ発生量や燃焼シリンダ１２の最大燃焼圧力と比例的関係にあると共に、排気ガスｅ中のＰＭ量と反比例的関係にある。そのため、燃焼強度指数ｉをＮＯＸ発生量やシリンダ内最大燃焼圧力、又はＰＭ量の推定値とみなすことができる。
【００２８】
従って、酸素濃度センサ３０で吸気通路１４中の酸素濃度を検出し、吸気温度センサ３２で吸気通路１４中の吸気温度を検出し、ＥＧＲガス量制御装置３４の燃焼強度指数算出手段３６で、これらの検出値から燃焼強度指数ｉを算出する。そして、該燃焼強度指数ｉが適正値となるようにＥＧＲガス量調整弁２８を制御する。これによって、吸気通路１４に供給されるＥＧＲガス量を調整し、燃焼シリンダ１２内の燃焼状態を改善し、排気ガスｅ中のＮＯＸ発生量及びＰＭ量を低減できる。
【００２９】
多気筒型エンジン１０の各燃焼シリンダ１２の適正な燃焼強度指数ｉを予め設定しておく。図２において、燃焼強度指数ｉの該設定値がｉｐであり、複数の燃焼シリンダ１２のうちのひとつの燃焼シリンダ１２の燃焼強度指数ｉ１がｉｐ＜ｉ１であるとする。この場合、該燃焼シリンダのＥＧＲガス量を増加させることにより、吸気ガスの酸素濃度を低下させると共に、吸気温度を上昇させる。これによって、該燃焼シリンダの燃焼強度指数ｉ１をｉｐに近づけることができる。
【００３０】
また、別な燃焼シリンダの燃焼強度指数ｉ２がｉ２＜ｉｐであったとすると、該燃焼シリンダのＥＧＲガス量を減少させることにより、吸気ガスの酸素濃度を増加させると共に、吸気温度を低下させる。これによって、該燃焼シリンダの燃焼強度指数ｉ２をｉｐに近づけることができる。
【００３１】
次に、本実施形態でのＥＧＲガス量の制御工程を図３によって説明する。図３において、まず、本実施形態の対象となる多気筒型エンジン１０の適正な燃焼強度指数ｉを予め設定しておく（ステップ１）。次に、４個の各燃焼シリンダ１２で酸素濃度センサ３０及び吸気温度センサ３２のデータを採取する（ステップ２）。次に、採取したデータから各データの燃焼強度指数ｉを算出する（ステップ３）。なお、各燃焼シリンダ毎に複数回のサンプリングを行ない、各燃焼シリンダ毎に燃焼強度指数ｉの平均値を求めておく。
【００３２】
次に、算出された各燃焼シリンダ１２の燃焼強度指数ｉと適正な燃焼強度指数ｉｐとの偏差を算出する（ステップ４）。次に、該偏差値を基に、各燃焼シリンダ１２のＥＧＲガス量調整弁２８の開度を算出し（ステップ５）、この算出値に基づいて各燃焼シリンダ１２の開度を調整する（ステップ６）。
【００３３】
多気筒型エンジン１０の運転条件は、種々刻々変化するので、運転条件によってＥＧＲガス量を調整する必要があるため、前記手順による制御を所定時間間隔をおいて継続して行ない、その時の運転条件に合わせていく必要がある。
【００３４】
本実施形態によれば、予め適切な燃焼強度指数ｉｐを設定しておき、各燃焼シリンダ１２で算出された燃焼強度指数ｉをこれに一致させるようにＥＧＲガス量調整弁２８の開度を制御するので、全燃焼シリンダ１２のＥＧＲガス量を常に適正な燃焼強度指数ｉｐに合わせて均一にすることができる。そのため、全燃焼シリンダ１２の燃焼状態を良好に保持でき、ＮＯＸ発生量やＰＭ量を低く抑えることができる。
【００３５】
なお、枝通路２４にＥＧＲガス量調整弁２８を介設して、吸気通路１４に供給されるＥＧＲガス量を調整しているが、この代わりに、吸気集合路１６又は各吸気通路１４に流量調整弁を設け、これら通路の吸気ガス量を調整するようにしてもよい。
【００３６】
（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図４及び図５に基づいて説明する。本実施形態の係る多気筒型エンジンは、図１に示す多気筒型エンジン１０と同一構成をなす。本実施形態でのＥＧＲガス量の制御工程を図４によって説明する。
図４において、まず、本実施形態では適正な燃焼強度指数ｉを一定の間隔を持つ範囲として設定する。即ち、一定の間隔をもつ上限値ｉup及び下限値ｉlpを設定する（ステップ１）。
【００３７】
次に、各燃焼シリンダの酸素濃度及び吸気温度のデータを採取し（ステップ２）、各データの燃焼強度指数ｉを算出する（ステップ３）。なお、第１実施形態と同様に、酸素濃度及び吸気温度のデータ採取は、各燃焼シリンダ毎に複数回行い、各燃焼シリンダ毎に燃焼強度指数ｉの平均値を求めておく。
次に、設定範囲ｉup〜ｉlpに入る各燃焼シリンダの燃焼強度指数ｉのみ選択し、設定範囲ｉup〜ｉlpから外れる各燃焼シリンダの燃焼強度指数ｉを除外する（ステップ４）。
【００３８】
次に、選択された燃焼強度指数ｉの平均値を算出し（ステップ５）、以後、この平均値に各燃焼シリンダの燃焼強度指数ｉを合わせるように操作する。即ち、除外された各燃焼シリンダも含め、各燃焼シリンダの燃焼強度指数ｉと前記平均値との偏差を算出する（ステップ６）。次に、各燃焼シリンダで該偏差をなくように、ＥＧＲガス量調整弁２８の開度を決定する（ステップ７）。次に、各燃焼シリンダのＥＧＲガス量調整弁２８の開度を調整する（ステップ８）。
【００３９】
前記接続工程を図５で説明する。図５において、４個の各燃焼シリンダ１２で採取したデータから求めた燃焼強度指数ｉ（各燃焼シリンダ１２で採取した複数のデータから求めたものの平均値）がｉ１，ｉ２，ｉ３及びｉ４であるとする。ここで、ｉ４が設定範囲ｉup〜ｉlp外であると、ｉ４を除外し、ｉ１，ｉ２及びｉ３の平均値を算出する。そして、４個の各燃焼シリンダ１２の燃焼強度指数ｉをこの平均値に合わせるように、各ＥＧＲガス量調整弁２８を制御する。
【００４０】
本実施形態によれば、燃焼強度指数ｉの設定値（目標値）に一定の範囲を持たせることで、各各燃焼シリンダ１２の燃焼強度指数ｉを該設定範囲に調整するのが容易になり、各各燃焼シリンダ１２のＥＧＲ量を調整するのが容易になる。
また、設定範囲ｉup〜ｉlpから外れた燃焼強度指数ｉ４を除外し、設定範囲ｉup〜ｉlp内にある燃焼強度指数ｉ１、ｉ２及びｉ３の平均値を求め、この平均値に全各燃焼シリンダ１２の燃焼強度指数ｉに合わせるように制御しているので、各燃焼シリンダ１２の燃焼状態を良好かつ均一な状態にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によれば、ディーゼルエンジンやガスエンジンなど、ＥＧＲを行なう多気筒型エンジンにおいて、各燃焼シリンダの燃焼状態を良好かつ均一に保持して、ＮＯＸ発生量やＰＭ量の発生を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る多気筒型エンジンの構成図である。
【図２】前記第１実施形態での、燃焼強度指数ｉと吸気ガス中酸素濃度及び吸気温度との関係を示す線図である。
【図３】前記第１実施形態の制御工程を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態の制御工程を示すフローチャートである。
【図５】前記第２実施形態での、燃焼強度指数ｉと吸気ガス中酸素濃度及び吸気温度との関係を示す線図である。
【図６】ＮＯＸ発生量又は気筒内最大燃焼圧力と吸気ガス中酸素濃度及び吸気温度との関係を示す線図である。
【図７】排気ガス中ＰＭ量と吸気ガス中酸素濃度及び吸気温度との関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０              多気筒型エンジン
１２              各燃焼シリンダ
１４              吸気通路
１６              吸気集合路
１８              排気ガス通路
２０              排気集合路
２２              ＥＧＲガス通路
２４              枝通路
２６              ＥＧＲガス合流部
２８              ＥＧＲガス量調整弁
３０              酸素濃度センサ
３２              吸気温度センサ
３４              ＥＧＲガス量制御装置
３６              燃焼強度指数算出手段
ｉ                燃焼強度指数
ｉup              上限値
ｉlp              下限値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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