JP2005188287A - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 還流ガスによる吸気通路内の汚損を抑制しつつ、多くの還流ガスを吸気通路へと流入させる。
【解決手段】 エンジン１の排気還流装置は、第１還流通路３１と、第２還流通路３２と、二路切り替え弁４２とを備える。第１還流通路３１は、排気通路１２のうち触媒ユニット１４よりも上流側の触媒上流部１２ａから吸気通路２へと延び、触媒上流部１２ａから排気を還流させる。第２還流通路３２は、排気通路１２のうち触媒ユニット１４よりも下流側の触媒下流部１２ｂから吸気通路２へと延び、触媒下流部１２ｂから排気を還流させる。二路切り替え弁４２は、第１還流通路３１による還流と第２還流通路３２による還流とを切り替える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置、特に、排気通路に触媒が設けられた内燃機関の排気還流装置に関する。

従来から、自動車のエンジン等の内燃機関において、排気の一部を吸気通路に還流させる排気還流装置を持つものが知られている。

例えば、特許文献１に開示されている内燃機関では、排気管（排気通路）のうち触媒装置の下流の部分からＥＧＲ管（還流通路）によって吸気管（吸気通路）へと排気を還流させている。

また、排気通路のうち触媒の上流の部分から吸気通路へと排気を還流させる構成を採る自動車用エンジンも存在する。

このように排気を還流させ、還流通路に設置される流量調整弁を制御することによって、ポンプ損失や冷却損失の低減が図られ、比熱比を増大させることもできるため、燃費向上の効果を得ることができるようになる。
特開２００３−８３０５０号公報

上記のような排気還流によって燃費改善を図る内燃機関において、還流させる排気（以下、還流ガスという。）の量を増やせば、更なる燃費向上が達成できる場合がある。還流ガスの量を増やす観点から考えると、排気通路のうち触媒の下流の部分から排気を取り出すよりも、排気通路のうち触媒の上流の部分から排気を取り出すほうが、還流ガスの圧力が高くなり有利である。

但し、排気通路のうち触媒の上流の部分から排気を取り出すときには、触媒を通過していない排気が還流ガスとして吸気通路に流入することになり、還流ガスがブローバイガスなどと反応して吸気通路を汚損する恐れがある。このため、排気通路のうち触媒の上流の部分から排気を還流ガスとして取り出すときには、燃焼室における燃焼安定性の観点から決まる還流ガスの上限量よりも小さい量を上限値として設定し、燃費向上の観点を犠牲にして吸気通路の汚損抑制を優先させている。

これに対し、排気通路のうち触媒の下流の部分から排気を取り出す場合には、触媒を通過した後の排気を還流ガスとして吸気通路に戻すので吸気通路が汚損しにくいという利点があるが、触媒での圧力損失によって還流ガスの圧力が低くなるため、内燃機関が高負荷のときのように吸気通路内の負圧の絶対値（以下、吸気負圧という。）が小さいときは、吸気通路内に十分な還流ガスが流入してこないという問題が生じる。

本発明の課題は、還流される排気（還流ガス）による吸気通路内の汚損を抑制しつつ、多くの還流ガスを吸気通路へと流入させることのできる内燃機関の排気還流装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、第１還流通路と、第２還流通路と、第１開閉機構とを備えている。第１還流通路は、内燃機関の排気通路の触媒上流部から内燃機関の
吸気通路へと延びる通路であり、触媒上流部から排気を還流させる。触媒上流部は、排気通路のうち触媒よりも排気の流れの上流側に位置する部分である。第２還流通路は、排気通路の触媒下流部から吸気通路へと延びる通路であり、触媒下流部から排気を還流させる。触媒下流部は、排気通路のうち触媒よりも排気の流れの下流側に位置する部分である。第１開閉機構は、第１還流通路を開閉する。

ここでは、排気が、第１還流通路および／または第２還流通路によって、排気通路から吸気通路へと還流する。そして、第１開閉機構が第１還流通路を開けているときには触媒上流部からの排気が吸気通路へと流入するが、第１開閉機構が第１還流通路を閉めているときには触媒上流部からの排気が吸気通路へと流入しない。

本発明によれば、触媒を通過する前の比較的清浄度が低く比較的圧力の高い排気を第１還流通路により吸気通路へと還流させることができるとともに、触媒を通過した後の比較的清浄度が高く比較的圧力の低い排気を第２還流通路により吸気通路へと還流させることができる。さらに、触媒を通過する前の吸気通路を汚損する可能性のある排気の第１還流通路を介した吸気通路への還流を、第１開閉機構で第１還流通路を閉めることによって遮断することができる。

したがって、触媒を通過した後の比較的圧力の低い排気を第２還流通路により吸気通路へと還流させることで十分な量の排気が吸気通路に還流するときには、第１開閉機構で第１還流通路を閉めて、第２還流通路によって触媒を通過した後の比較的清浄度の高い排気を吸気通路へと還流させ、且つ、吸気通路内の吸気負圧が小さく第２還流通路による還流では十分な量の排気を還流させることができないときには、第１開閉機構で第１還流通路を開けて、触媒を通過する前の比較的圧力の高い排気を第１還流通路により吸気通路へと還流させることができるようになる。このように制御することができるようになるため、本発明の内燃機関の排気還流装置では、原則としては触媒を通過した後の比較的清浄度の高い排気を第２還流通路経由で還流させ、必要に応じて触媒を通過する前の比較的圧力の高い排気を第１還流通路により吸気通路へと還流させることが可能になり、還流される排気による吸気通路内の汚損を抑制しつつ、多くの排気を吸気通路へと還流させることが実現できる。

＜エンジンの概略構成および動作＞
本発明の一実施形態に係る排気還流装置が用いられるエンジン（内燃機関）およびその制御装置を、図１に示す。

エンジン１は、吸気通路２、燃焼室７、排気通路１２、電制スロットル５、吸気バルブ６、排気バルブ１１、燃料噴射弁９、点火プラグ１０、触媒ユニット１４、コントロールユニット（制御装置）５０などから構成されている。また、このエンジン１の排気還流装置は、後述のように、排気通路１２から吸気通路２へと排気を還流させる還流通路３１，３２，３６，３８と、ＥＧＲ量調整バルブ４１と、二路切り替え弁４２とを有している。

吸気通路２は、燃焼室７に空気を吸入させるための通路である。吸気通路２には、エアクリーナ３、エアーフローメータ４、電制スロットル５が配置されている。エアーフローメータ４の信号がコントロールユニット５０に送られると、コントロールユニット５０が燃焼室７へ吸入させる吸入空気量を演算し、電制スロットル５に指令を送る。電制スロットル５は、燃焼室７への吸入空気量を調整するためのスロットルバルブであり、コントロールユニット５０からの指令に基づき燃焼室７に入る空気の量を調節する。

また、吸気通路２は、図２に示すように、燃焼室７の手前で、燃焼室７に開口する第１
吸気ポート２ａと第２吸気ポート２ｂとに分岐している。これらの吸気ポート２ａ，２ｂに対して、タンブル制御弁２２が設けられている。また、吸気ポート２ａ，２ｂには、タンブル制御弁２２のシャフト近傍から燃焼室７側に延びる分割プレート２１も設けられている。分割プレート２１は、吸気ポート２ａ，２ｂの内部空間を上下に２分割し、吸気ポート２ａ，２ｂの内部空間を上側通路と下側通路とに分ける。このうち、下側通路は、タンブル制御弁２２により開閉される。タンブル制御弁２２によって吸気ポート２ａ，２ｂの下側通路を閉じた状態で吸気が為されると、燃焼室７内におけるタンブル流が強化される。

吸気バルブ６は、吸気通路２を流れてくる空気を、所定のタイミングで燃焼室７に導入させる。これらの吸気バルブ６は、図示しないクランクシャフトの回転に応じて回転する吸気カムにより駆動される。

燃焼室７は、シリンダヘッド下面と、シリンダ内壁と、ピストン８の冠面とにより形成される空間（すきま容積部）である。ピストン８は、シリンダ内壁に沿って往復運動をするものであり、その冠面にはキャビティ８ａが設けられている。

燃焼室７の上部には、燃料噴射弁９および点火プラグ１０が配設されている。点火プラグ１０は、燃焼室７の上部の中央に配置されている。燃料噴射弁９は、筒内（燃焼室７内）に直接燃料を噴射する装置である。燃料は、燃料噴射弁９から燃焼室７内に直接燃料を噴射できるように、図示しない高圧燃料ポンプで昇圧されている。

高圧燃料ポンプから燃料噴射弁９へと燃料を送る高圧燃料配管には燃圧センサが配置されており、その燃圧センサの信号はコントロールユニット５０に送られる。運転状態に応じて必要な燃圧が変化するため、コントロールユニット５０により高圧燃料ポンプの作動制御が行なわれる。また、コントロールユニット５０には、アクセル開度センサ、クランク角センサ、冷却水温センサの各信号が入力される。これらのアクセル信号、クランク角信号および冷却水温センサ信号を基に、コントロールユニット５０は、それぞれ、要求トルク、エンジン回転数、エンジン温度を演算し、エンジン１の運転状態および要求トルクに応じて、燃料噴射弁９や点火プラグ１０を作動させる。

コントロールユニット５０は、燃料噴射弁９からの燃料噴射のタイミングを変えることで、暖機後の低負荷時には燃焼室７内で成層燃焼を行わせ、それ以外のときには均質燃焼を行わせる。

成層燃焼時には、圧縮行程中に燃料噴射弁９が燃料噴射を行い、ピストン８のキャビティ８ａ内およびその上空の領域に比較的大きな混合気の塊を形成させて点火プラグ１０の周りに混合気を集中させるとともに、その混合気の周囲を燃料のない空気層とする。この状態で点火プラグ１０により点火して成層燃焼を行うと、超希薄燃焼となって燃費が向上する。このような成層燃焼を行う運転領域（成層域）は、後述する図３に示す成層域Ａである。

一方、均質燃焼時には、吸気行程中に燃料噴射弁９が燃料噴射を行い、燃焼室７の全域に均質な混合気を形成させる。このように燃焼室７内の混合気の空燃比が全体的に均一である状態で燃焼を行うと、すなわち均質燃焼を行うと、成層燃焼に較べて高い出力を出すことができる。均質燃焼を行う運転領域（均質域）は、図３に示す均質域Ｂ，Ｃである。均質燃焼は、図３に示すように、概ね中高負荷時に行われる。

排気通路１２は、燃焼室７内で燃焼した後のガスを排気として燃焼室７から排出するための通路である。この排気通路１２と燃焼室７との間に配置される排気バルブ１１は、図示しないクランクシャフトの回転に応じて回転する排気カムにより駆動される。排気バルブ１１が開くと、燃焼室７内のガスは、排気通路１２に導かれて排出される。排気通路１２には、排気空燃比センサ１３と、排気を浄化するための触媒ユニット１４と、排気の圧
力を検出する排気圧センサ５２とが配設されている。また、触媒ユニット１４には、温度センサ（図示せず）が設置されている。これらの各センサにより検出された排気空燃比、排気圧力および触媒温度のデータは、随時コントロールユニット５０に送られる。コントロールユニット５０は、排気空燃比センサ１３の出力値が排気浄化に必要な空燃比になるように、燃料噴射弁９から噴射する燃料量を演算する。また、コントロールユニット５０は、触媒ユニット１４の温度センサで検出された触媒温度に応じて、触媒ユニット１４の触媒活性状態を判定する。さらに、コントロールユニット５０は、後述の二路切り替え弁４２の制御において、排気圧センサ５２により測定される圧力データを使用する。

触媒ユニット１４は、上流側触媒１４ａおよび下流側触媒１４ｂを有するタンデム型の触媒ユニットである。この触媒ユニット１４を排気が通過する際に、排気中のＮＯｘが還元し、排気中のＨＣ，ＣＯが酸化して、排気が浄化される。なお、触媒ユニット１４を通過する前の排気通路１２の触媒上流部１２ａにある排気（以下、触媒上流側排気という。）と、触媒ユニット１４を通過した後の排気通路１２の触媒下流部１２ｂにある排気（以下、触媒下流側排気という。）とを比較すると、排気圧力は、触媒上流側排気のほうが触媒下流側排気よりも触媒ユニット１４における圧力損失分だけ大きく、排気温度は、触媒上流側排気のほうが触媒下流側排気よりも触媒ユニット１４における化学反応による反応熱の分だけ低くなる。

エンジン１の排気還流装置は、主として、第１還流通路３１と、第２還流通路３２と、共用還流通路３６，３８と、ＥＧＲ量調整バルブ（流量調整弁）４１と、二路切り替え弁（第１開閉機構）４２とから構成されている。

第１還流通路３１は、排気通路１２の触媒上流部１２ａから触媒上流側排気を吸気通路２へと還流させるために設けられる通路であり、触媒上流部１２ａから吸気通路２へと延びている。

第２還流通路３２は、排気通路１２の触媒下流部１２ｂから触媒下流側排気を吸気通路２へと還流させるために設けられる通路であり、触媒下流部１２ｂから吸気通路２へと延びている。これらの第１、第２還流通路３１，３２の端部は、二路切り替え弁４２を介して共用還流通路３６，３８と連通する。

二路切り替え弁４２は、電磁式の弁であり、第１還流通路３１と共用還流通路３６とが連通する第１状態と、第２還流通路３２と共用還流通路３６とが連通する第２状態とに、選択的に切り替わる。コントロールユニット５０からの指令により二路切り替え弁４２が第１状態に切り替わっているときには、触媒上流側排気が共用還流通路３６，３８へと流れて吸気通路２に流入することになるが、触媒下流側排気は二路切り替え弁４２によって遮断され第２還流通路３２から共用還流通路３６へと流れていかない。一方、二路切り替え弁４２が第２状態に切り替わっているときには、触媒下流側排気が共用還流通路３６，３８へと流れて吸気通路２に流入することになるが、触媒上流側排気は二路切り替え弁４２によって遮断され第１還流通路３１から共用還流通路３６へと流れていかない。

ＥＧＲ量調整バルブ４１は、共用還流通路３６と共用還流通路３８との間に配置されており、共用還流通路３６，３８を流れて吸気通路２へと流れ込む排気である還流ガスの量を調整する。このＥＧＲ量調整バルブ４１は、ステップモータによって電気的に弁体を駆動する電気制御式のバルブであり、コントロールユニット５０からステップモータに入力されてくるパルス信号の総数（以下、ステップ数という。）によって弁開度が決まる。なお、ステップモータは、ステッピングモータ、ステッパー、パルスモータなどと呼ばれることもある。

＜排気還流装置の制御＞
コントロールユニット５０は、図３に示す運転領域と排気還流との相関マップに基づき
、エンジン１の要求トルク（負荷）および回転数に応じて排気還流を制御する。これにより、各運転領域においては、以下のように排気還流が為される。

図３のマイナストルク領域Ｄにおいては、排気還流は実施されない。

図３の成層域Ａにおいては、排気還流が実施される。ここでは、還流ガスの取り出しが排気通路１２の触媒下流部１２ｂから行われるように、二路切り替え弁４２を、第２還流通路３２と共用還流通路３６とが連通する第２状態にする。これにより、触媒下流側排気が、排気通路１２の触媒下流部１２ｂから取り出され、還流ガスとして共用還流通路３６，３８を介して吸気通路２へと流れる。

図３の均質域Ｂにおいても、排気還流が実施される。但し、要求トルクおよび回転数が比較的小さい領域（ａ）では、成層域Ａのときと同様に排気通路１２の触媒下流部１２ｂから触媒下流側排気が取り出されるのに対し、要求トルクおよび回転数が比較的大きい領域（ｂ）では排気通路１２の触媒上流部１２ａから触媒上流側排気が取り出される。すなわち、均質域Ｂのうち領域（ｂ）では、還流ガスの取り出しが排気通路１２の触媒上流部１２ａから行われるように、二路切り替え弁４２を、第１還流通路３１と共用還流通路３６とが連通する第１状態に切り替える。これにより、触媒上流側排気が、排気通路１２の触媒上流部１２ａから取り出され、還流ガスとして共用還流通路３６，３８を介して吸気通路２へと流れるようになる。

図３の均質域Ｃにおいては、排気還流は実施されない。

また、排気還流を実施するときに、コントロールユニット５０は、図示しない制御マップを参照して、要求トルクおよび回転数に基づきＥＧＲ量調整バルブ４１の弁開度を決め、その弁開度に応じたステップ数をＥＧＲ量調整バルブ４１に送る。

次に、図４の制御フローを参照して、上記のような排気還流を実現させるための二路切り替え弁４２の状態切り替え制御について説明を行う。

まず、ステップＳ１では、排気通路１２と吸気通路２との差圧が演算される。排気通路１２の圧力は、排気通路１２の触媒下流部１２ｂに設置されている排気圧センサ５２によって測定されており、吸気通路２の圧力は、吸気通路２に設置されている吸気圧センサ５１によって測定されている。

次に、ステップＳ２では、排気通路１２と吸気通路２との差圧が所定値以上であるか否かが判断される。ここでは、所定値を一律の値としている。

ステップＳ２で排気通路１２と吸気通路２との差圧が所定値よりも少ない場合には、ステップＳ３に移行する。ステップＳ３では、要求されている還流ガス量（以下、要求還流ガス量という。）が所定量以上であるか否かが判断される。要求還流ガス量は、要求トルクおよび回転数に基づき決まる値である。

ステップＳ３で要求還流ガス量が所定量以上であると判断されると、ステップＳ４に移行し、触媒上流部１２ａから触媒上流側排気が取り出され還流ガスとして吸気通路２へと流れるように、具体的には二路切り替え弁４２が第１還流通路３１と共用還流通路３６とを連通させる第１状態となるように、二路切り替え弁４２を制御する。

一方、ステップＳ２で排気通路１２と吸気通路２との差圧が所定値以上確保されていると判断された場合、およびステップＳ３で要求還流ガス量が所定量よりも少ないと判断された場合には、ステップＳ５に移行して、触媒下流部１２ｂから触媒下流側排気が取り出され還流ガスとして吸気通路２へと流れるように、具体的には二路切り替え弁４２が第２還流通路３２と共用還流通路３６とを連通させる第２状態となるように、二路切り替え弁４２を制御する。

このように、エンジン１のコントロールユニット５０は、成層域Ａや均質域Ｂのうち比較的要求トルクや負荷が小さい領域（ａ）においては、触媒下流部１２ｂから触媒下流側排気が取り出され還流ガスとして吸気通路２へと送られるように、二路切り替え弁４２の状態を決定（制御）している。また、均質域Ｂのうち比較的要求トルクや負荷が大きい領域（ｂ）では、要求還流ガス量が多いにもかかわらず排気通路１２と吸気通路２との差圧が十分に確保されていない状態となることに鑑み、触媒下流部１２ｂよりも排気圧力の高い触媒上流部１２ａから触媒上流側排気が取り出され還流ガスとして吸気通路２へと送られるように、二路切り替え弁４２の状態を決定している。

＜本エンジンの排気還流装置の特徴＞
（１）
エンジン１の排気還流装置は、触媒ユニット１４を通過する前の比較的圧力の高い触媒上流側排気を第１還流通路３１により吸気通路２へと還流させることができるとともに、触媒ユニット１４を通過した後の比較的圧力の低い触媒下流側排気を第２還流通路３２により吸気通路２へと還流させることができる。さらに、触媒ユニット１４を通過する前の吸気通路２を汚損する恐れのある触媒上流側排気の第１還流通路３１を介した吸気通路２への還流を、二路切り替え弁４２を第２状態とすることで遮断することができる。

このような構成を利用して、コントロールユニット５０は、触媒ユニット１４を通過した後の比較的圧力の低い触媒下流側排気を第２還流通路３２により吸気通路２へと還流させることで十分な量の排気が吸気通路２に還流するときには、二路切り替え弁４２で第１還流通路３１を閉めて第２還流通路３２だけによって比較的清浄度の高い触媒下流側排気を吸気通路２へと還流させ、排気通路１２と吸気通路２との差圧が十分に確保されておらず第２還流通路３２による還流だけでは十分な量の排気を還流させることができないときには、二路切り替え弁４２を第１状態として、比較的圧力の高い触媒上流側排気を第１還流通路３１により吸気通路２へと還流させている。このような制御が行われるため、エンジン１では、低負荷・低回転の運転領域で排気還流を行うときには、触媒ユニット１４を通過する前の触媒上流部１２ａの触媒上流側排気が還流してこないので還流ガスによる吸気通路２内の汚損が少なくなるとともに、高負荷・高回転の運転領域で大量の還流ガスが要求されるときには、排気圧力の高い触媒上流側排気を吸気通路２へと還流させ、大きな還流ガス量を確保することが可能になっている。

言い換えれば、エンジン１では、排気通路１２のうち触媒上流部１２ａからのみ排気を還流ガスとして還流させる構成を採る場合に較べて、還流ガスとブローバイガスとの混合による吸気通路２内でのガム状物質の発生が抑えられ、他の手当をしなくても、バルブ類が固着するなどの不具合の発生が殆どなくなる。また、エンジン１では、排気通路１２のうち触媒下流部１２ｂからのみ排気を還流ガスとして還流させる構成を採る場合に較べて、高負荷・高回転の運転領域においても大量の還流ガス量を確保することができるようになり、更なる燃費向上が実現されるようになる。

（２）
エンジン１では、触媒ユニット１４が、上流側触媒１４ａと下流側触媒１４ｂとから構成されている。そして、エンジン１の排気還流装置においては、第１還流通路３１を、両触媒１４ａ，１４ｂの間ではなく、排気の流れの上流に位置し排気バルブ１１との間に他の触媒が存在しない上流側触媒１４ａよりも上流側の部分から、すなわち排気通路１２の触媒上流部１２ａから吸気通路２へと延ばしている。

したがって、二路切り替え弁４２を第１状態に切り替え、第１還流通路３１によって触媒上流側排気を吸気通路２へと還流させる際の排気圧力は、排気通路１２の中でも最も高いものとなっている。このため、吸気負圧が低い場合であっても、高い排気圧力によって
排気通路１２から触媒上流側排気を還流ガスとして吸気通路２に押し込むことができ、大量の還流ガスが要求される場合にも、その要求に応えることができるようになっている。

（３）
エンジン１では、コントロールユニット５０が、吸気通路２での圧力測定値と排気通路１２の触媒下流部１２ｂでの排気圧力測定値とに基づき両者の差圧を演算し、その差圧が所定値に満たないときに、触媒下流部１２ｂよりも排気圧力の高い触媒上流部１２ａから触媒上流側排気を取り出し還流させる方向で制御を行っている（図４の制御フロー参照）。

そして、上記の差圧の演算に用いられる排気圧力測定値を提供する排気圧センサ５２を、排気通路１２の触媒上流部１２ａではなく触媒下流部１２ｂに配置している。もし、排気圧センサ５２を触媒上流部１２ａに配置したとすると、触媒ユニット１４が経年劣化して圧力損失値が変化したときに触媒下流部１２ｂの圧力推定値が実際の値からずれる恐れがあるが、ここでは排気圧センサ５２を触媒下流部１２ｂに配しているため、触媒ユニット１４の圧力損失値が増加したときにも悪影響を受けなくなっている。

＜変形例＞
（Ａ）
上記実施形態においては、二路切り替え弁４２によって触媒上流部１２ａの触媒上流側排気を還流させるか触媒下流部１２ｂの触媒下流側排気を還流させるかを切り替えているが、二路切り替え弁４２に代えて、図５（ｂ）に示すように２つの開閉弁１４１，１４２を還流通路３１，３２に設けてもよい。図５（ａ）は、比較のために上記実施形態のエンジン１の排気還流装置を模式化した図である。

第１開閉弁（第１開閉機構）１４１は、第１還流通路３１に設けられており、第１還流通路３１を通る触媒上流側排気の還流を遮断することができる。具体的には、第１開閉弁１４１は、開状態と閉状態とを切り替えることができる操作弁であり、コントロールユニット５０の指令により開閉する。

第２開閉弁（第２開閉機構）１４２は、第２還流通路３２に設けられており、第２還流通路３２を通る排気の流れを遮断することができる。具体的には、第２開閉弁１４２は、開状態と閉状態とを切り替えることができる操作弁であり、コントロールユニット５０の指令により開閉する。

このように排気還流装置を構成した場合にも、触媒ユニット１４を通過する前の比較的圧力の高い触媒上流側排気を第１還流通路３１により吸気通路２へと還流させることができるとともに、触媒ユニット１４を通過した後の比較的圧力の低い触媒下流側排気を第２還流通路３２により吸気通路２へと還流させることができる。さらに、触媒ユニット１４を通過する前の吸気通路２を汚損する可能性のある触媒上流側排気の第１還流通路３１を介した吸気通路２への還流を、第１開閉弁１４１を閉めることによって遮断することができる。

したがって、比較的圧力の低い触媒下流側排気を第２還流通路３２により吸気通路２へと還流させることで十分な量の排気が吸気通路２に還流するときには、第１開閉弁１４１を閉めて第２還流通路３２だけによって比較的清浄度の高い触媒下流側排気を吸気通路２へと還流させ、吸気負圧が低く第２還流通路３２による還流だけでは十分な量の排気を還流させることができないときには、第１開閉弁１４１を開けて、比較的圧力の高い触媒上流側排気を第１還流通路３１により吸気通路２へと還流させることができる。このように制御すれば、還流される排気による吸気通路２内の汚損が少なくなるとともに、多くの排気を吸気通路２へと還流させることができる。

なお、第１開閉弁１４１を開けて第１還流通路３１により触媒上流側排気を吸気通路２へと還流させる際には、触媒上流部１２ａの触媒上流側排気が触媒ユニット１４をバイパスして触媒下流部１２ｂへと流れないように、第２開閉弁１４２を閉めておくことが望ましい。

また、図６に示すように、第２開閉弁１４２の代わりに逆止弁２４２を第２還流通路３２に設置することも考えられる。この場合にも、触媒上流部１２ａの触媒上流側排気が触媒ユニット１４をバイパスして触媒下流部１２ｂへと流れる不具合がなくなる。

（Ｂ）
上記実施形態においては、第１還流通路３１や第２還流通路３２により排気通路１２から取り出された排気が共用還流通路３６，３８を介して吸気通路２へと流れ込む構成を採っているが、これに代えて、図７に示す構成を採ることも考えられる。

図７に示す排気還流装置は、主として、第１還流通路３３１と、第２還流通路３３２と、第１ＥＧＲ量調整バルブ（第１開閉機構）３４１と、第２ＥＧＲ量調整バルブ（第２開閉機構）３４２とから構成されている。

第１還流通路３３１は、排気通路１２の触媒上流部１２ａから触媒上流側排気を吸気通路２へと還流させるために設けられる通路であり、触媒上流部１２ａから吸気通路２へと延び、その先端が直接吸気通路２につながっている。

第２還流通路３３２は、排気通路１２の触媒下流部１２ｂから触媒下流側排気を吸気通路２へと還流させるために設けられる通路であり、触媒下流部１２ｂから吸気通路２へと延び、その先端が直接吸気通路２につながっている。

第１ＥＧＲ量調整バルブ３４１は、第１還流通路３３１に配置されており、第１還流通路３３１を流れて吸気通路２へと流れ込む排気である還流ガスの量を調整する。

第２ＥＧＲ量調整バルブ３４２は、第２還流通路３３２に配置されており、第２還流通路３３２を流れて吸気通路２へと流れ込む排気である還流ガスの量を調整する。

このように構成される排気還流装置では、比較的圧力が高く且つ比較的清浄度の低い触媒上流部１２ａの触媒上流側排気を第１還流通路３３１によって還流ガスとして吸気通路２へと還流させること、および比較的圧力が低く且つ比較的清浄度の高い触媒下流部１２ｂの触媒下流側排気を第２還流通路３３２によって還流ガスとして吸気通路２へと還流させることを、選択的に、あるいは同時に行わせることができる。また、第１還流通路３３１経由で還流される排気の量（還流ガス量）と第２還流通路３３２経由の還流ガス量とを、それぞれ別々に調整することができる。

このような排気還流装置を使えば、吸気負圧が十分に高く触媒下流部１２ｂの触媒下流側排気を主として還流させることで要求される還流ガス量が確保できるときには、第１ＥＧＲ量調整バルブ３４１の開度をゼロあるいは小さくして第２ＥＧＲ量調整バルブ３４２の開度を大きくすることで、吸気通路２に流れ込む排気（還流ガス）の清浄度を高く保つことができる。一方、吸気負圧が低くなり触媒下流部１２ｂの触媒下流側排気の圧力では十分な還流ガス量が確保できないようなときには、第２ＥＧＲ量調整バルブ３４２の開度をゼロにして第１ＥＧＲ量調整バルブ３４１の開度を大きくすることで、触媒上流部１２ａの圧力の高い触媒上流側排気を吸気通路２に押し込んで要求還流ガス量を確保することが可能となる。

（Ｃ）
上記実施形態における、触媒上流部１２ａの触媒上流側排気を還流させるか触媒下流部１２ｂの触媒下流側排気を還流させるかの切り替え、すなわち二路切り替え弁４２の状態切り替えの制御においては、図４に示すように、排気通路１２と吸気通路２との差圧およ
び要求還流ガス量の２つのパラメータを用いている。

このような上記２つのパラメータに基づく制御に代えて、排気通路１２と吸気通路２との差圧のパラメータだけに基づいて二路切り替え弁４２の切り替えを行うことも可能である。

また、排気通路１２と吸気通路２との差圧の演算において、上記実施形態では排気圧センサ５２および吸気圧センサ５１の測定値を用いているが、例えば排気圧センサ５２の設置を省いて排気通路１２の圧力として推定値を用いることも考えられる。この場合には、結局、二路切り替え弁４２の切り替え制御のパラメータとして吸気圧センサ５１の測定値だけを用いることになる。但し、排気圧センサ５２を設置せず排気通路１２の圧力を推定する場合には、推定値の精度によって二路切り替え弁４２の切り替えが不適当なポイントで行われてしまう恐れもあるため、排気圧センサ５２を設置することが望ましい。

さらに、これらのパラメータに代えて、要求トルク（負荷）および回転数をパラメータとし、図３に示す運転領域と排気還流との相関マップにおける領域（ａ），（ｂ）間の点線を境界として二路切り替え弁４２の状態切り替えを行ってもよい。

なお、上記の各パラメータは、いずれも吸気通路２の圧力（吸気負圧）に相関している。

（Ｄ）
上記実施形態では、燃焼室７において成層燃焼を行う運転領域（成層域）を有するエンジン１の排気還流装置に対して発明を適用しているが、本発明は、ＭＰＩ仕様の成層域がないエンジンの排気還流装置に対しても適用が可能である。

また、上記実施形態では、成層域においては常に排気通路１２の触媒下流部１２ｂから排気を取り出して吸気通路２へと還流させているが、将来的に成層域においても多量の還流ガスが必要となるようなエンジンが登場してきたときには、成層域において触媒上流部１２ａの排気を還流させるか触媒下流部１２ｂの排気を還流させるかの切り替えを行う可能性もある。

（Ｅ）
上記実施形態では、排気通路１２に１つの触媒ユニット１４が配置されており、その触媒ユニット１４の上流側の触媒上流部１２ａからの排気の取り出しと触媒ユニット１４の下流側の触媒下流部１２ｂからの排気の取り出しとを二路切り替え弁４２によって選択する構成を採っているが、図８に示すように排気通路１２に２つの触媒ユニット１４，１１４が配置される場合には、次のような構成を採ることが望ましい。

図８に示すように、２つの触媒ユニット１４，１１４のうち最も排気流れの上流側にある触媒ユニット１４を基準にして、その触媒ユニット１４よりも上流側の触媒上流部１２ａから排気を取り出せるようにするとともに、触媒ユニット１４よりも下流側の触媒下流部１２ｂ，１２ｃのいずれかから排気を取り出せるようにする。図８において１点鎖線で示す還流通路３２を設ければ、触媒ユニット１４よりも下流側で且つ触媒ユニット１１４よりも上流側に位置する排気通路１２の触媒下流部１２ｂから排気が取り出せる。反対に、図８において２点鎖線で示す還流通路３３を設ければ、触媒ユニット１１４よりも下流側に位置する排気通路１２の触媒下流部１２ｃから排気が取り出せるようになる。

このように、図８の１点鎖線で示す還流通路３２あるいは２点鎖線で示す還流通路３３と第１還流通路３１とを二路切り替え弁４２で切り替えて、吸気通路２と連通する共用還流通路３６，３８につなげることができるようにすれば、上記実施形態の排気還流装置と同様の特徴を具備するようになる。特に、第１還流通路３１と共用還流通路３６，３８とがつながるように二路切り替え弁４２を制御し、第１還流通路３１によって触媒上流部１
２ａの排気を吸気通路２へと還流させる際の排気圧力は、排気通路１２の各部１２ａ，１２ｂ，１２ｃに存在する排気の中で最も高い圧力になっている。このため、吸気通路２の吸気負圧が低い場合であっても、高い排気圧力によって排気通路１２から触媒上流部１２ａの排気を還流ガスとして吸気通路２に押し込むことができ、大量の還流ガスが要求される場合にも、その要求に応えることができるようになっている。

なお、図８に示す構成において、触媒ユニット１４の圧力損失が小さい場合には、第１還流通路３１をなくし、２つの還流通路３２，３３を二路切り替え弁によって切り替える排気還流装置にすることも考えられる。

（Ｆ）
上記実施形態では、図４に示すように、ステップＳ２で排気通路１２と吸気通路２との差圧を一律の値である所定値以上であるか否かを判断し、さらにステップＳ３で要求還流ガス量が所定量以上であるか否かを判断して、二路切り替え弁４２の状態を切り替えている。このような切り替え制御に代えて、要求還流ガス量を確保するために必要な差圧（排気通路１２と吸気通路２との差圧）についてのマップを予め作成しておき、そのマップから導かれる要求還流ガス量に対応する差圧よりも実際の差圧のほうが大きい場合には図４のステップＳ５に移行し、実際の差圧がマップから導かれる差圧に満たない場合には図４のステップＳ４に移行するような二路切り替え弁４２の状態切り替え制御を行うこともできる。

本発明に係る内燃機関の排気還流装置では、原則としては触媒を通過した後の比較的清浄度の高い排気を第２還流通路経由で還流させ、必要に応じて触媒を通過する前の比較的圧力の高い排気を第１還流通路により吸気通路へと還流させることができ、還流される排気による吸気通路内の汚損が少なく且つ多くの排気を吸気通路へ還流させることができる装置として有用である。

本発明に係る排気還流装置が用いられるエンジンの概略構成図である。 燃焼室の上面図である。 運転領域と排気還流との相関マップを示す図である。 二路切り替え弁の状態切り替え制御フローである。 （ａ） 排気還流装置の模式図である。

（ｂ） 変形例に係る排気還流装置の模式図である。
変形例に係る排気還流装置の模式図である。 変形例に係る排気還流装置の模式図である。 変形例に係る排気還流装置の模式図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
１２ 排気通路
１４ 触媒ユニット
１４ａ 上流側触媒
１４ｂ 下流側触媒
３１ 第１還流通路
３２ 第２還流通路
３６ 共用還流通路
３８ 共用還流通路
４１ ＥＧＲ量調整バルブ（流量調整弁）
４２ 二路切り替え弁（第１開閉機構）
５０ コントロールユニット
５１ 吸気圧センサ
５２ 排気圧センサ
１４１ 第１開閉弁（第１開閉機構）
１４２ 第２開閉弁（第２開閉機構）
３３１ 第１還流通路
３３２ 第２還流通路
３４１ 第１ＥＧＲ量調整バルブ（第１開閉機構）
３４２ 第２ＥＧＲ量調整バルブ（第２開閉機構）

Claims (12)

1. 内燃機関の排気通路のうち触媒よりも排気の流れの上流側に位置する触媒上流部から内燃機関の吸気通路へと延び、排気を還流させる第１還流通路と、
   前記排気通路のうち前記触媒よりも排気の流れの下流側に位置する触媒下流部から前記吸気通路へと延び、排気を還流させる第２還流通路と、
   前記第１還流通路を開閉する第１開閉機構と、
   を備えた、内燃機関の排気還流装置。
2. 前記第１還流通路の前記吸気通路側の端部および前記第２還流通路の前記吸気通路側の端部は、前記吸気通路に直接つながっている、
   請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
3. 前記第１還流通路の前記吸気通路側の端部および前記第２還流通路の前記吸気通路側の端部と前記吸気通路とを結ぶ共用還流通路をさらに備える、
   請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
4. 前記第２還流通路を開閉する第２開閉機構をさらに備える、
   請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。
5. 前記第１開閉機構は、前記第１還流通路の前記吸気通路側の端部および前記第２還流通路の前記吸気通路側の端部と前記共用還流通路との間に設けられ、前記第１還流通路と前記共用還流通路とが連通する第１状態と前記第２還流通路と前記共用還流通路とが連通する第２状態とを切り替える、
   請求項３に記載の内燃機関の排気還流装置。
6. 前記共用還流通路に設けられる流量調整弁をさらに備える、
   請求項３又は５に記載の内燃機関の排気還流装置。
7. 内燃機関には前記触媒が複数存在しており、
   前記触媒上流部は、前記排気通路において排気の流れの最上流に配置された触媒よりも排気の流れの上流側に位置している、
   請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。
8. 前記吸気通路内の圧力に相関するパラメータによって前記第１開閉機構による前記第１還流通路の開閉を制御する制御部をさらに備えた、
   請求項１から７のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。
9. 前記吸気通路内の圧力に相関するパラメータは、前記吸気通路内の圧力、前記吸気通路内の圧力と前記排出通路内の圧力との差、あるいは運転負荷である、
   請求項８に記載の内燃機関の排気還流装置。
10. 前記吸気通路内の圧力を検出する吸気圧センサと、
    前記排出通路内の圧力を検出する排気圧センサと、
    をさらに備えた、請求項８に記載の内燃機関の排気還流装置。
11. 前記排気圧センサは、前記触媒下流部において圧力を検出する、
    請求項１０に記載の内燃機関の排気還流装置。
12. 内燃機関の排気通路のうち触媒よりも排気の流れの上流側に位置する触媒上流部から内
    燃機関の吸気通路へと延び、排気を還流させる第１還流通路と、
    前記排気通路のうち前記触媒よりも排気の流れの下流側に位置する触媒下流部から前記吸気通路へと延び、排気を還流させる第２還流通路と、
    前記第１還流通路による排気の還流と前記第２還流通路による排気の還流とを制御する制御部と、
    を備えた、内燃機関の排気還流装置。

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