(57)【要約】【課題】インテークマニホールドから気筒に流入する混合気体におけるＥＧＲガス濃度を正確に測定することが可能となる。【解決手段】インテークマニホールド４１における各吸気枝管４１ａから気筒６２・６２・・・に流入する混合気体における排気ガス成分の濃度を計測する濃度計１２と、インテークマニホールド４１と各気筒６２・６２・・・との間に配設され、各吸気枝管４１ａ・４１ａ・・・の内部と各気筒６２・６２・・・の内部とを連通する計測管５２・５２・・・と、計測管５２・５２・・・における中途部に形成される濃度検出ポート５２ａとを備え、濃度計１２のプローブ１４が、濃度検出ポート５２ａを介して計測管５２の内部に挿入された状態で、混合気体における排気ガス成分の濃度を計測する。【選択図】図１
2014122606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス成分を含有するガスと空気との混合気体を、インテークマニホールドを介して複数の気筒の内部に流入させて、前記インテークマニホールドにおける各吸気枝管から前記気筒に流入する前記混合気体における前記排気ガス成分の濃度を濃度計により計測する、インテークマニホールド計測装置であって、
前記濃度計と、
前記インテークマニホールドと前記各気筒との間に配設され、前記各吸気枝管の内部と前記各気筒の内部とを連通する計測管と、
前記計測管のうち少なくとも一つにおける中途部に形成される濃度検出ポートとを備え、
前記濃度計のプローブが、前記濃度検出ポートを介して前記計測管の内部に挿入された状態で、前記混合気体における前記排気ガス成分の濃度を計測することを特徴とする、インテークマニホールド計測装置。
【請求項２】
前記濃度計は、前記プローブを前記計測管の内部に向かって進退させるプローブ駆動手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載のインテークマニホールド計測装置。
【請求項３】
前記計測管における、前記インテークマニホールド側の端面と前記濃度検出ポートとの距離が、前記インテークマニホールドが搭載されるエンジンのシリンダヘッドにおける吸気ポートの長さとされることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のインテークマニホールド計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インテークマニホールド計測装置に関し、特に、エンジンのインテークマニホールドを流通するガスの成分濃度を計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジン等の内燃機関において、燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）等の低減化や燃費向上を達成するために、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）ガスが活用されている。窒素酸化物はエンジン燃焼室の燃焼温度が高くなることによって、空気中の窒素が酸化して発生する。このため、不活性な（酸素量の少ない）気体となった排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気側に再び環流して吸入空気と混合させ、燃焼室内の燃焼温度を低下させることにより、発生する窒素酸化物の低減を図っている。
【０００３】
ＥＧＲガスは外部ＥＧＲガスと内部ＥＧＲガスとに分類される。外部ＥＧＲガスは、シリンダヘッドの排気側からＥＧＲガス経路を通じて吸気側に戻されるＥＧＲガスである。内部ＥＧＲガスは、前サイクルの燃焼後のガスが排気側に排出されずに気筒内に残留するか、あるいは一旦排気側に排出されてからバルブオーバーラップ時に気筒内に戻されるＥＧＲガスである。このようなＥＧＲガスの効果を引き出すために、実エンジンにおける気筒内のＥＧＲガスの量を算出する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
特許文献１に記載の技術によれば、インテークマニホールド内に流入したＥＧＲガスの量と、流出したＥＧＲガスの量との収支計算からインテークマニホールド内のＥＧＲガス量を算出し、同様にＥＧＲガス及び空気からなる総ガスのインテークマニホールドへの流入と流出との収支計算によりインテークマニホールド内の総ガス量を算出している。そして、インテークマニホールド内の総ガス量に対するＥＧＲガス量の比と、気筒に吸入されるガスの実効容積とに基づいて、気筒に吸入されるＥＧＲガス量、空気量を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２４０３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、エンジンにおいてインテークマニホールドから気筒に流入する混合気体におけるＥＧＲガス濃度を測定する方法も考えられる。しかし、現在のガソリンエンジンにおいては、ＥＧＲ経路がインテークマニホールドのシリンダヘッド側の端部に連通される場合が多いため、インテークマニホールドの出口近傍に濃度の測定機を取付けて測定する場合には、ＥＧＲガス濃度の測定精度が低下する可能性があった。また、インテークマニホールドの出口近傍に濃度の測定機を取付けた場合には、内部ＥＧＲガスの吹き返しの影響を受ける可能性があるため、外部ＥＧＲガスの正確な濃度を測定することが困難となっていた。
【０００７】
本発明は、上記の状況を鑑み、インテークマニホールドから気筒に流入する混合気体におけるＥＧＲガス濃度を正確に測定することが可能となる、インテークマニホールド計測装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００９】
即ち、請求項１においては、排気ガス成分を含有するガスと空気との混合気体を、インテークマニホールドを介して複数の気筒の内部に流入させて、前記インテークマニホールドにおける各吸気枝管から前記気筒に流入する前記混合気体における前記排気ガス成分の濃度を濃度計により計測する、インテークマニホールド計測装置であって、前記濃度計と、前記インテークマニホールドと前記各気筒との間に配設され、前記各吸気枝管の内部と前記各気筒の内部とを連通する計測管と、前記計測管のうち少なくとも一つにおける中途部に形成される濃度検出ポートとを備え、前記濃度計のプローブが、前記濃度検出ポートを介して前記計測管の内部に挿入された状態で、前記混合気体における前記排気ガス成分の濃度を計測するものである。
【００１０】
請求項２においては、前記濃度計は、前記プローブを前記計測管の内部に向かって進退させるプローブ駆動手段を備えるものである。
【００１１】
請求項３においては、前記計測管における、前記インテークマニホールド側の端面と前記濃度検出ポートとの距離が、前記インテークマニホールドが搭載されるエンジンのシリンダヘッドにおける吸気ポートの長さとされるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、インテークマニホールドから気筒に流入する混合気体におけるＥＧＲガス濃度を正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第一実施形態に係るインテークマニホールド計測装置の概略構成を示した平面図。
【図２】（ａ）は第一実施形態に係るインテークマニホールド計測装置における濃度計のプローブ駆動手段を示した図、（ｂ）は計測時間とプローブの突き出し量との関係を示した図。
【図３】濃度測定結果を示した図。
【図４】第二実施形態に係るインテークマニホールド計測装置の概略構成を示した平面図。
【図５】（ａ）は減速時の過渡ＥＧＲ率の上昇イメージを示した図、（ｂ）は過渡ＥＧＲ率の気筒間差を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、本明細書及び図面に記載した事項から明らかになる本発明が真に意図する技術的思想の範囲全体に、広く及ぶものである。
【００１５】
［インテークマニホールド計測装置１０］
図１を参照して、本発明に係るインテークマニホールド計測装置の第一実施形態である計測装置１０の概略構成について説明する。本実施形態の計測装置１０においては、窒素酸化物（ＮＯｘ）や二酸化炭素（ＣＯ２）などの排気ガス成分を含有するＥＧＲガスと空気との混合気体を、インテークマニホールド４１を介して複数の気筒６２・６２・・・の内部に流入させる。そして、インテークマニホールド４１における各吸気枝管４１ａ・４１ａ・・・から計測部５１を介して気筒６２・６２・・・に流入する混合気体における排気ガス成分の濃度（ＥＧＲ率）を濃度計１２で計測するように構成されている。
【００１６】
計測装置１０は、具体的には図１に示す如く、図示しないエンジンに搭載される、計測装置１０における供試品であるインテークマニホールド４１、インテークマニホールド４１の上流側に空気を送り込む空気供給部２０、インテークマニホールド４１の上流側にＥＧＲガスを送り込むガス供給部３０、インテークマニホールド４１の下流側に接続されて、その内部に混合気体を流通可能に形成される計測部５１、計測部５１におけるインテークマニホールド４１とは反対側（下流側）に接続される気筒部６１、気筒部６１における計測部５１とは反対側（下流側）に接続されて混合気体を下流側に排出する排出部７１、計測部５１において排気ガス成分の濃度を計測する濃度計１２等で構成されている。排出部７１の下流側には図示しないダクトが接続されて、このダクトを介して図示しない吸引ポンプにより混合気体を吸引している。これにより、図１において左側から右側（インテークマニホールド４１→計測部５１→気筒部６１→排出部７１）に向かう混合気体の流れが発生する。
【００１７】
空気供給部２０は、吸入口２１、空気流量検出部２２、空気流量調整部２３等を備える。空気流量検出部２２は図示しない流量センサを備えており、図１中の矢印αに示す如く吸入口２１から吸入されてインテークマニホールド４１に流入する空気の量を検出する。空気流量調整部２３は流量調整弁３３ａを備えており、この流量調整弁３３ａの開度を調節することによりインテークマニホールド４１に流入する空気の量を調節する。
【００１８】
ガス供給部３０は、ＥＧＲガス（本実施形態においてはＣＯ２）を貯溜するボンベ３１、ボンベ３１とインテークマニホールド４１の上流部との間を連通してＥＧＲガスを流通させる供給管３２、ガス流量検出部３３、ガス流量調整部３４等を備える。ガス流量検出部３３は図示しない流量センサを備えており、図１中の矢印βに示す如く供給管３２を流通してインテークマニホールド４１に流入するＥＧＲガスの量を検出する。ガス流量調整部３４はガス調整弁３４ａを備えており、このガス調整弁３４ａの開度を調節することによりインテークマニホールド４１に流入するＥＧＲガスの量を調節する。
【００１９】
上記の如く、空気供給部２０からインテークマニホールド４１に空気を供給すると同時に、ガス供給部３０からインテークマニホールド４１にＥＧＲガスを供給し、インテークマニホールド４１の内部にＥＧＲガスと空気との混合気体を流通させるのである。
【００２０】
計測部５１は、インテークマニホールド４１における各吸気枝管４１ａ・４１ａ・・・の内部と、気筒部６１における各気筒６２・６２・・・の内部と、を連通し、所定の長さに形成された計測管５２・５２・・・を備える。そして、計測管５２・５２・・・の上面における混合気体の流通方向（図１における左右方向）の中途部には、ガスサンプル式の濃度計測（ガスサンプリング計測）を行う濃度計１２のプローブ１４を挿入可能に濃度検出ポート５２ａが形成されている（図２（ａ）を参照）。つまり、濃度計１２のプローブ１４が、濃度検出ポート５２ａを介して計測管５２の内部に挿入され、計測管５２の内部を流通する混合気体を、プローブ１４の先端部に形成された計測孔１４ａから抽出することにより、混合気体における排気ガス成分の濃度を計測するのである。
【００２１】
それぞれの濃度計１２は制御部、演算部等を備えた分析部１１と接続されている。本実施形態において、濃度計１２は二個配設されているが、濃度計１２の個数は限定されるものではない。つまり、濃度計１２は１個から計測管５２の本数（即ち気筒６２の個数、本実施形態においては４本）と同じ個数までの数のうち、何れかの数を配設する構成とできる。
【００２２】
本実施形態において、濃度検出ポート５２ａは計測管５２の中途部に形成されている。詳細には、濃度検出ポート５２ａから、インテークマニホールド４１と接続される上流側端面までの距離（図１中の幅Ｄ１）、及び、気筒部６１と接続される下流側端面までの距離（図１中の幅Ｄ２）のそれぞれが確保して形成されているのである。換言すれば、濃度検出ポート５２ａの形成位置を調整することにより、上流側端面までの距離（幅Ｄ１）及び下流側端面までの距離（幅Ｄ２）を作業者の所望の距離とすることができるのである。
【００２３】
気筒部６１は、インテークマニホールド４１が搭載されるエンジンのシリンダを想定して形成された気筒６２・６２・・・と、各気筒６２・６２・・・の内部に配設される流量検出部６２ａ・６２ａ・・・、流量調整部６２ｂ・６２ｂ・・・等を備える。計測部５１から気筒部６１に流入した混合気体は、気筒部６１における各気筒６２・６２・・・の内部を流通し、図１中の破線矢印γに示す如く排出部７１から排出される。
【００２４】
上記の如く構成された計測装置１０において、空気流量調整部２３、ガス流量調整部３４、流量調整部６２ｂ等は、図示しない制御装置と接続されている。そして、この制御装置によって、インテークマニホールド４１が搭載されるエンジンの実運転状態を再現するように、計測装置１０において空気流量調整部２３、ガス流量調整部３４、流量調整部６２ｂ等を制御している。具体的には、目標とするＥＧＲ率と充填効率から空気及びＥＧＲガスの流量を逆算して、空気及びＥＧＲガスの供給量等を調整しているのである。
【００２５】
本実施形態に係る計測装置１０によれば、上記の如く構成することにより、インテークマニホールド４１から気筒６２に流入する混合気体におけるＥＧＲガス濃度（ＥＧＲ率）を正確に測定することが可能となる。
具体的には、濃度検出ポート５２ａを、計測管５２の中途部に形成することにより、即ち、気筒部６１と接続される下流側端面までの距離（図１中の幅Ｄ２）を確保して形成する。これにより、混合気体におけるＥＧＲガス濃度を測定する際に、気筒６２から内部ＥＧＲガスの吹き返しを受けることによる影響を低減することができるのである。
つまり、濃度検出ポート５２ａと計測管５２の下流側端面までの距離である幅Ｄ２を、外部ＥＧＲガスの測定に際して、気筒６２からの内部ＥＧＲガスの吹き返しの影響を受けない程度の大きさに設定することができる。
これにより、外部ＥＧＲガス（本実施形態においては、ガス供給部３０から供給されたＥＧＲガス）のみによるＥＧＲガス濃度（ＥＧＲ率）を測定することができるのである。
【００２６】
また、本実施形態に係る計測装置１０によれば、複数個の濃度計１２を配設する構成とすることにより、気筒６２ごと（計測管５２ごと）のＥＧＲガス濃度を測定し、それぞれの値を比較することが可能となる。例えば、４本の気筒６２に対応する計測管５２の全てに、計４個の濃度計１２を配設することにより、所定の運転状態における４本の気筒６２におけるＥＧＲガス濃度を測定し、ＥＧＲ率の気筒間差を計測することが可能となるのである。
【００２７】
さらに、上記の如く複数個の濃度計１２を配設した場合においては、気筒６２ごとに流量調整部６２ｂの制御を調整することにより、それぞれの気筒６２における混合気体の流量バランスを実エンジンとは異なる状態とし、このときのＥＧＲ率の気筒間差を計測することもできる。
【００２８】
また、本実施形態に係る計測装置１０において、濃度計１２はプローブ１４を計測管５２の内部に向かって進退させるプローブ駆動手段であるリニアモータ１３を備えている。具体的には、リニアモータ１３は図示しないプローブ制御装置によって駆動が制御されるとともに、計測管５２に対して相対変位不能に配設されている。そして、プローブ制御装置によってリニアモータ１３が駆動されることにより、図２（ａ）中の矢印Ａに示す如く、プローブ１４が上下方向に変位するのである。これにより、プローブ１４の先端部に形成された計測孔１４ａの計測管５２の内部における位置を変更し、混合気体の抽出位置を変更可能としているのである。
【００２９】
より詳細には、計測管５２の内部において、プローブ１４の突き出し量を小さくした場合は、計測管５２の上部（図２（ａ）における位置Ｕ）が混合気体の抽出位置となる。同様に、プローブ１４の突き出し量を大きくした場合は、計測管５２の下部（図２（ａ）における位置Ｄ）が混合気体の抽出位置となる。プローブ１４の突き出し量を中程度にした場合は、計測管５２の略中央部（図２（ａ）における位置Ｍ）が混合気体の抽出位置となる。
【００３０】
本実施形態に係る計測装置１０においては図２（ｂ）に示す如く、プローブ１４の突き出し量を時系列で変更して、計測孔１４ａの上下方向位置が周期的に変わるような計測（トラバース計測）を行っている。この際、図２（ｂ）に示す如く、上部・中部・下部のそれぞれの位置（位置Ｕ・Ｍ・Ｄ）における時間的な計測情報の重みが一律となるように（特定の位置における計測が多くなったり少なくなったりしないように）、プローブ１４の突き出し量及びそれぞれの位置における時間を調整している。
【００３１】
本実施形態における濃度等の測定結果について、図３を用いて説明する。図３において、計測位置の欄に記載した「１．上平均（Ｕ）」については、計測孔１４ａの位置を図２（ａ）における上部位置（位置Ｕ）に固定して測定した結果を示すものである。同様に、「２．中平均（Ｍ）」については、図２（ａ）における中部位置（位置Ｍ）において測定した結果を、「３．下平均（Ｄ）」については、図２（ａ）における下部位置（位置Ｄ）において測定した結果を示すものである。計測位置の欄に記載した「４．上中下算術平均」については、「１．上平均（Ｕ）」、「２．中平均（Ｍ）」、及び「３．下平均（Ｄ）」の算術平均を示している。図３中のＣＯ２濃度誤差率については、「４．上中下算術平均」における値を基準値として算出している。「５．トラバース平均」については、上記の如くトラバース計測を行って測定した結果を示すものである。
【００３２】
図３に示す如く、上部位置（位置Ｕ）、中部位置（位置Ｍ）、及び下部位置（位置Ｄ）のそれぞれで測定したＣＯ２濃度にはばらつきが生じている。即ち、計測管５２の内部において、上側は下側と比較して相対的にＣＯ２濃度が高くなっているのである。一方、トラバース計測を行って測定した値は、上中下算術平均とほぼ同じ値となっており、空間平均値を測定できている。このため、上中下算術平均を基準値とした誤差率も、トラバース計測を行って測定した値は、上中下のそれぞれの位置で測定した値と比較して大幅に低減している。さらに、標準偏差σの三倍である３σの値も、トラバース計測を行って測定した値は、上中下のそれぞれの位置で測定した値と比較して大幅に低減している。具体的には、トラバース計測による測定値０．２３４に対して、例えば下部位置における測定値は０．４１４となっており、この場合は１．７７倍の検出分解能で計測できたことになる。
【００３３】
このように、本実施形態に係る計測装置１０においては、計測孔１４ａの上下方向位置を周期的に変えてトラバース計測を行うことにより、計測管５２の内部におけるＣＯ２濃度（ＥＧＲ率）の空間平均値を測定し、測定精度を向上させているのである。
【００３４】
なお、本実施形態においては濃度検出ポート５２ａを計測管５２の上面に形成したため、プローブ１４における計測孔１４ａは計測管５２の内部において上下位置を変更したが、別の構成とすることも可能である。例えば、濃度検出ポート５２ａを計測管５２の側面に形成することにより、計測孔１４ａは計測管５２の内部において水平方向の位置を変更する構成とすることもできる。また、プローブ１４の先端部を計測管５２の内部で折り曲げる構成とすれば、計測管５２の内部において上下位置並びに水平方向位置を変更して、ＣＯ２濃度（ＥＧＲ率）の空間平均値を測定することが可能となる。
【００３５】
さらに、本実施形態に係る計測装置１０においては、計測管５２における、インテークマニホールド４１の側の上流側端面と濃度検出ポート５２ａとの距離（図１中の幅Ｄ１）を、インテークマニホールド４１が搭載されるエンジンのシリンダヘッドにおける吸気ポートの長さに設定している。これにより、インテークマニホールド４１が搭載されるエンジンの実運転状態をより忠実に再現して、ＥＧＲガス濃度（ＥＧＲ率）を測定することが可能となる。
【００３６】
［別実施形態］
次に、図４を参照して、本発明に係るインテークマニホールド計測装置の第二実施形態である計測装置１１０について説明する。なお、本実施形態以降で説明する計測装置は、前記実施形態である計測装置１０と略同様の構成を備えるため、前記実施形態と異なる構成を中心に説明する。
【００３７】
本実施形態に係る計測装置１１０において、空気供給部１２０は、エアクリーナー１２１、空気流量検出部であるエアフローメータ１２２、空気流量調整部１２３等を備える。空気流量調整部１２３はインテークマニホールド４１が搭載される実エンジンのスロットルバルブ１２３ａを備えている。
【００３８】
ガス供給部３０は、ＥＧＲガス（本実施形態においてはＣＯ２）を貯溜するボンベ３１、ボンベ３１とインテークマニホールド４１の上流部との間を連通してＥＧＲガスを流通させる供給管３２、ガス流量検出部３３、ガス流量調整部１３４等を備える。ガス流量調整部１３４はインテークマニホールド４１が搭載される実エンジンのＥＧＲバルブ１３４ａを備えている。
【００３９】
図４に記載する如く、エアフローメータ１２２、スロットルバルブ１２３ａ、及び、ＥＧＲバルブ１３４ａは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１２と接続されており、このＥＣＵ１１２によって駆動が制御される。詳細には、ＥＣＵ１１２によってスロットルバルブ１２３ａの開度を調節することにより、インテークマニホールド４１に流入する空気の量が調節される。また、ＥＣＵ１１２によってＥＧＲバルブ１３４ａの開度を調節することにより、インテークマニホールド４１に流入するＥＧＲガスの量が調節されるのである。ＥＣＵ１１２は、ＥＣＵ１１２に入力操作を行うための入力手段であるコンピュータ１１１と接続されている。
【００４０】
このように、本実施形態に係る計測装置１１０においては、ＥＣＵ１１２により、インテークマニホールド４１が搭載されるエンジンの挙動を再現するように駆動している。上記の如く構成することにより、インテークマニホールド４１が搭載される実エンジンの運転状態をより忠実に再現して、ＥＧＲガス濃度（ＥＧＲ率）を測定することを可能としているのである。
【００４１】
本実施形態に係る計測装置１１０におけるＥＧＲガス濃度（ＥＧＲ率）の測定結果について、図５（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。
図５（ａ）に示す如く、実エンジンにおいてペダルをＯＦＦにした場合、スロットルバルブにおける空気の流量、及び、ＥＧＲバルブにおけるＥＧＲガスの流量はともに低下する。ここで、スロットルバルブにおける空気の流量低下率に対して、ＥＧＲバルブにおけるＥＧＲガスの流量低下率は小さくなるため、一時的にＥＧＲ率は上昇することになる。
【００４２】
上記の場合に、本実施形態に係る計測装置１１０において、計測管５２の全てに濃度計１２を配設して、４本の気筒６２（以下、気筒１から気筒４とする）におけるＥＧＲガス濃度（ＥＧＲ率）を測定した結果を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）に示す如く、気筒２〜４においては一時的にＥＧＲ率が上昇したものの、失火限界を超えることはなかった。一方、気筒１については、ＥＧＲ率の上昇により、失火限界を超えている時間帯が発生した（図５（ｂ）中の範囲ｒに示す部分）。
【００４３】
このように、本実施形態に係る計測装置１１０においては、実エンジンにおけるバルブ閉じ時などの運転状態を再現した場合のＥＧＲ率を、気筒６２ごとに計測することが可能となる。つまり、ＥＣＵ１１２により様々な運転状態を再現して、インテークマニホールド４１から各気筒６２に流入する混合気体における排気ガス成分の濃度（ＥＧＲ率）を計測することが可能となるのである。
【符号の説明】
【００４４】
１０  計測装置
１２  濃度計
１４  プローブ
４１  インテークマニホールド
５２  計測管
５２ａ  濃度検出ポート
６２  気筒
【図１】
2014122606.tif 000003
【図２】
2014122606.tif 000004
【図３】
2014122606.tif 000005
【図４】
2014122606.tif 000006
【図５】
2014122606.tif 000007