JP2008291687A

JP2008291687A - 内燃機関の排気還流装置

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Publication number: JP2008291687A
Application number: JP2007136370A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Hoki; 雄介伯耆; Akira Hasegawa; 亮長谷川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: JP4793321B2

Abstract

【課題】シリンダ内に供給されるＥＧＲガスと空気との温度差の変化を緩和して燃焼悪化を抑制できる内燃機関の排気還流装置を提供する。
【解決手段】排気還流装置１６は、シリンダ２に対して二つの吸気ポート８、９が設けられた内燃機関１に適用され、内燃機関１の排気通路７から取り出した排気の一部を吸気ポート９のみを経由させてシリンダ２内にＥＧＲガスとして供給できる。ＥＧＲガスの温度を排気還流通路１７に設けられた燃料添加弁２０から燃料を噴射することにより調整して、吸気ポート９からシリンダ２に供給されるＥＧＲガスの温度を、吸気ポート８からシリンダ２に供給される空気の温度に基づいて定められた目標温度になるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路から取り出した排気の一部をＥＧＲガスとしてシリンダ内に供給する内燃機関の排気還流装置に関する。

一つのシリンダに対して二つの吸気ポートが設けられた内燃機関に適用され、二つの吸気ポートのうちの一方の吸気ポートのみを経由させてシリンダ内にＥＧＲガスを供給できるようにした内燃機関の排気還流装置が知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２〜５が存在する。

特開平５−１８２５４号公報特開２００４−３４００６号公報特開平１１−３０３６８７号公報特開２００２−８９３７７号公報特開２００４−２７０６２２号公報

特許文献１の装置は、一つのシリンダ内に、一方の吸気ポートを経由してＥＧＲガスが供給されるとともに他方の吸気ポートを経由して空気が供給されるので、ＥＧＲガスの温度と空気の温度との温度差が変化するとシリンダ内でのＥＧＲガスの分布が変化して燃焼悪化を招くおそれがある。

そこで、本発明は、シリンダ内に供給されるＥＧＲガスと空気との温度差の変化を緩和して燃焼悪化を抑制できる内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気還流装置は、一つのシリンダに対して複数の吸気ポートが設けられた内燃機関に適用され、前記内燃機関の排気通路から取り出した排気の一部を前記複数の吸気ポートのうちの一部の吸気ポートのみを経由させて前記シリンダ内にＥＧＲガスとして供給できる内燃機関の排気還流装置において、前記一部の吸気ポートのみを経由して前記シリンダに供給されるＥＧＲガスの温度であるＥＧＲガス供給温度を調整できるＥＧＲガス温度調整手段と、前記ＥＧＲガス供給温度が前記複数の吸気ポートのうちの残りの吸気ポートを経由して前記シリンダに供給される空気の温度を考慮して定められた目標温度となるように、前記ＥＧＲガス温度調整手段を制御するＥＧＲガス温度制御手段と、を備えることにより上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の排気還流装置によれば、シリンダ内に供給されるＥＧＲガスのＥＧＲガス供給温度がシリンダ内に供給される空気の温度を考慮して定められた目標温度となるように制御されるので、シリンダ内に供給されるＥＧＲガスと空気との温度差の変化を緩和することができる。その結果、シリンダ内にＥＧＲガスを供給した際の燃焼悪化を抑制することができる。

ＥＧＲガス温度調整手段はＥＧＲガス供給温度を調整することができることを限度として種々の態様にて実現できる。例えば、ＥＧＲガスと冷媒との間で熱交換できる冷却装置を設けるとともにその冷却装置を迂回できるバイパス通路を設け、バイパス通路を通過するＥＧＲガスの流入量を調整することによってＥＧＲガス供給温度を調整することもできる。また、前記排気通路に接続されてＥＧＲガスを導く排気還流通路を更に備え、前記ＥＧＲガス温度調整手段として、前記排気還流通路内に燃料を噴射できる燃料供給手段が設けられ、前記ＥＧＲガス温度制御手段は、前記ＥＧＲガス供給温度が前記目標温度よりも高い場合に前記ＥＧＲ通路内に燃料が噴射されるように前記燃料供給手段を制御してもよい（請求項２）。この場合には、燃料供給手段が燃料を噴射して噴射燃料を排気還流通路内で気化させることにより、その気化潜熱を利用して排気還流通路内を流れるＥＧＲガスを冷却することができる。気化潜熱を利用する場合は燃料の気化に要する時間が短いため、冷媒との熱交換を利用してＥＧＲガスを冷却する場合と比べて短時間で冷却できる。従って、この態様によれば、ＥＧＲガス供給温度を応答性良く制御することができる。

燃料供給手段が噴射すべき燃料供給量は適宜に設定すればよい。例えば、前記燃料供給手段が噴射すべき燃料供給量の複数の候補を、前記ＥＧＲガス供給温度を前記目標温度まで低下させるために必要な要求温度低下量に基づいて、前記排気通路から取り出される排気温度に基づいて、前記排気還流通路の所定位置の通路壁温度に基づいて、それぞれ算出する候補算出手段と、前記候補算出手段が算出した前記複数の候補のうちの最小値を前記燃料供給手段が噴射すべき燃料供給量として算出する燃料供給量算出手段と、を更に備えてもよい（請求項３）。気化する燃料が多いほどＥＧＲガスの温度低下幅は拡大するが、燃料供給量が適量よりも過大になると、気化しきれなかった燃料が排気還流通路の通路壁に付着することによって排気還流通路の詰まりを引き起こすおそれがある。この態様によれば、複数の候補のなかの最小値が燃料供給量として算出されるので、燃料供給量が適量よりも過大になることを防止できる。これにより、通路壁への燃料付着による排気還流通路の詰まりを回避することが可能となる。この態様においては、前記排気還流通路の通路壁温度が所定値以下の場合に前記燃料供給手段による燃料噴射が禁止されるように前記燃料供給手段を制御する燃料供給禁止手段を更に備えてもよい（請求項４）。この場合には、通路壁温度が所定値以下の場合に強制的に燃料噴射が禁止されるので、排気還流通路の詰まりを確実に回避できる。

本発明の排気還流装置の一態様においては、前記内燃機関は、前記シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁を有した圧縮着火型機関として構成されており、前記燃料供給手段による燃料噴射が行われた後に前記ＥＧＲガス供給温度が前記目標値を含む許容範囲内に収まっている場合、前記燃料噴射弁にて噴射された燃料の着火時期が早まることを防止できる所定操作を前記内燃機関に対して実行する早期着火防止手段を更に備えてもよい（請求項５）。燃料供給手段にて噴射された燃料は気化した後にＥＧＲガスとともにシリンダ内に供給される。そのため、燃料噴射弁にてシリンダ内に燃料を噴射する前にシリンダ内の燃料濃度が高くなって圧縮行程における着火時期が早まるので、燃料供給手段にて燃料を供給しない通常時と比べて排気性能が悪化、即ち排気中の有害成分が増加するおそれがある。この態様によれば、着火時期が早まることを防止できる所定操作が内燃機関に対して実行されるので、燃料供給手段による燃料噴射に伴う排気性能の悪化を防止できる。所定操作としては着火時期が早まることを防止できる操作であればよい。

例えば、前記内燃機関は、前記燃料噴射弁による燃料噴射を、所定時期に行われるメイン噴射と前記メイン噴射よりも少量の燃料にて前記所定時期よりも前に行われるパイロット噴射とに分割するパイロット噴射モードを実行でき、かつ前記メイン噴射及び前記パイロット噴射のそれぞれの燃料噴射時期とそれぞれの燃料噴射量とを変更できるように構成されており、前記早期着火防止手段は、前記所定操作として、前記パイロット噴射の燃料噴射量を減量させる操作及び前記メイン噴射の燃料噴射時期を遅角させる操作の少なくとも一つを前記内燃機関に対して実行してもよい（請求項６）。パイロット噴射の燃料噴射量の減量させる操作及びメイン噴射の着火時期の遅角させる操作はいずれも着火時期の早まりを抑える効果があるので、これらの操作の両方を行ってもよい。

本発明の排気還流装置の一態様においては、前記内燃機関は、前記シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁を有した圧縮着火型内燃機関として構成されており、前記燃料供給手段による燃料噴射が行われた後に前記ＥＧＲガス供給温度が前記目標値を含む許容範囲の上限を超えている場合、前記燃料噴射弁からの噴射燃料によって前記シリンダ内に形成される混合気の分布が前記シリンダに供給されるＥＧＲガスと吸気との温度差に伴って変化することを防止できる所定操作を前記内燃機関に対して実行する分布変化防止手段を更に備えてもよい（請求項７）。ＥＧＲガス供給温度が許容範囲の上限を超えている場合、シリンダに供給されるＥＧＲガスと空気との温度差により、相対的に高温のＥＧＲガスがシリンダ内の中央に偏る。これにより、シリンダ中央の雰囲気の温度が上昇するため燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の蒸発が早まる。そのため、シリンダの内周面付近まで混合気が到達し難くなってシリンダ内に形成される混合気の分布が変化するので、燃料供給手段にて燃料を供給しない通常時と比べて排気性能が悪化、即ち排気中の有害成分が増加するおそれがある。この態様によれば、混合気の分布の変化を防止できる所定操作が内燃機関に対して実行されるので、燃料供給手段による燃料噴射に伴う排気性能の悪化を防止できる。所定操作としては混合気の分布の変化を防止できる操作であればよい。

例えば、前記内燃機関は、前記燃料噴射弁による燃料の噴射圧力を変更でき、前記燃料噴射弁による燃料噴射を、所定時期に行われるメイン噴射と前記メイン噴射よりも少量の燃料にて前記所定時期よりも前に行われるパイロット噴射とに分割するパイロット噴射モードを実行でき、かつ前記メイン噴射及び前記パイロット噴射のそれぞれの燃料噴射時期とそれぞれの燃料噴射量とを変更できるように構成されており、前記分布変化防止手段は、前記所定操作として、前記燃料噴射弁による燃料の噴射圧力を増圧させる操作、前記パイロット噴射の燃料噴射量を減量させる操作及び前記メイン噴射の燃料噴射時期を遅角させる操作の少なくとも一つを前記内燃機関に対して実行してもよい（請求項８）。燃料噴射弁による燃料の噴射圧力を増圧させる操作、パイロット噴射の燃料噴射量を減量させる操作及びメイン噴射の燃料噴射時期を遅角させる操作はいずれも混合気の分布の変化を抑える効果があるので、これらの操作のすべてを行ってもよいし、これらの操作から選ばれた二つの操作を行ってもよい。

本発明の排気還流装置の一態様においては、前記内燃機関は、前記シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁を有した圧縮着火型内燃機関として構成されており、前記排気還流通路を流れるガスの流量を調整できる調整弁と、前記内燃機関の機関回転速度が減速中でかつ前記燃料噴射弁による燃料噴射が中断している時に前記調整弁を開き側に制御する通路壁温度制御手段と、を更に備えてもよい（請求項９）。この態様によれば、調整弁が開き側に制御されるときにシリンダを経由した空気が排気還流通路に導かれるので、排気通路の通路壁の温度を下げることができる。調整弁の開き側の開度は適宜に定めればよく、例えば調整弁を全開に制御してもよい。

この態様において、前記内燃機関には、前記残りの吸気ポートを含む吸気通路に設けられたコンプレッサと、前記排気還流通路が接続される位置よりも下流側の前記排気通路に設けられたタービンと、最大開度から最小開度までの間で可動することにより前記タービンの入口を絞ることができる可動部材とを有し、前記コンプレッサと前記タービンとが一体回転可能に組み合わされた可変容量型のターボチャージャーが設けられており、前記通路壁温度制御手段は、前記内燃機関の機関回転速度が減速中でかつ前記燃料噴射弁による燃料噴射が中断している時に、前記調整弁が全開となり、かつ前記可動部材の開度が閉じ側となるように前記調整弁及び前記可動部材をそれぞれ制御してもよい（請求項１０）。この場合は、可動部材の開度を閉じ側に制御することによってタービン上流の排気通路の圧力である背圧が上昇するため、排気還流通路の入口と出口との差圧を大きくすることができる。これにより、排気還流通路を通過する空気を増加させることができる。

また、前記内燃機関には、前記内燃機関には、前記残りの吸気ポートを含む吸気通路に設けられたコンプレッサと、前記排気還流通路が接続される位置よりも下流側の前記排気通路に設けられたタービンと、最大開度から最小開度までの間で可動することにより前記タービンの入口を絞ることができる可動部材とを有し、前記コンプレッサと前記タービンとが一体回転可能に組み合わされた可変容量型のターボチャージャーが設けられており、前記通路壁温度制御手段は、前記内燃機関の機関回転速度が減速中でかつ前記燃料噴射弁による燃料噴射が中断している時に、前記調整弁が全開となり、かつ前記可動部材の開度が開き側となるように前記調整弁及び前記可動部材をそれぞれ制御してもよい（請求項１１）。この場合は、可動部材の開度が開き側に制御することによって吸気通路内の圧力である過給圧が下がるため、排気還流通路の入口と出口との差圧を大きくすることができる。これにより、これにより、排気還流通路を通過する空気を増加させることができる。

本発明の排気還流装置の一態様においては、前記ＥＧＲガス温度制御手段は、前記燃料供給手段が噴射した燃料によって冷却されたＥＧＲガスが前記一部の吸気ポートを経由して前記シリンダに到達する到達時期が前記シリンダの吸気行程に同期するように、前記燃料供給手段による燃料の噴射時期を制御してもよい（請求項１２）。冷却後のＥＧＲガスがシリンダ内に供給されるまで排気還流通路内に留まっていると、一旦冷却されたＥＧＲガスが排気還流通路の壁等から受熱することにより、冷却したＥＧＲガスの温度が上昇してしまう。そのような温度上昇を避けるために燃料供給手段から多くの燃料を噴射させると燃料噴射量が増大する。この態様によれば、シリンダに供給されるＥＧＲガスを狙い打ちして冷却できるので、結果として燃料供給手段による燃料噴射が間欠的なものとなる。その結果、燃料消費量が抑えられるためＥＧＲガスの冷却効率が向上する。

以上説明したように、本発明によれば、シリンダ内に供給されるＥＧＲガスのＥＧＲガス供給温度がシリンダ内に供給される空気の温度を考慮して定められた目標温度となるように制御されるので、シリンダ内に供給されるＥＧＲガスと空気との温度差の変化を緩和することができる。その結果、シリンダ内にＥＧＲガスを供給した際の燃焼悪化を抑制することができる。

（第１の形態）
図１は本発明の一形態に係る排気還流装置が適用された内燃機関の要部を示している。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載され、４つのシリンダ２が一列に並べられた直列４気筒の圧縮着火型のディーゼルエンジンとして構成されている。各シリンダ２は機関本体３に設けられており、各シリンダ２には不図示のピストンが往復運動自在に設けられ、ピストンの往復運動がクランクシャフト４の回転運動に変換されて出力される。各シリンダ２の天井面には燃料噴射弁５がその先端をシリンダ２内に臨ませるようにしてシリンダ２の中央部に設けられている。燃料噴射弁５は不図示のコモンレールに接続されて所定燃圧の燃料が供給されるようになっている。

各シリンダ２には吸気通路６及び排気通路７が接続される。吸気通路６はシリンダ２毎に設けられた二つの吸気ポート８、９と、各吸気ポート８が接続される第１の吸気マニホールド１０と、各吸気ポート９が接続される第２の吸気マニホールド１１と、これらの吸気マニホールド１０、１１を連通させる連通路１２とを含んでいる。一方、排気通路７はシリンダ２毎に設けられた二つの排気ポート１３と、各排気ポート１３が接続される排気マニホールド１４とを含んでいる。各吸気ポート８、９は不図示の吸気弁により、各排気ポート１８は不図示の排気弁によりそれぞれ開閉される。吸気弁及び排気弁は不図示の動弁装置にてシリンダ２毎の開閉タイミングがクランク角にして１８０°ＣＡずれるように開閉駆動される。

内燃機関１には連通路１２を開閉する開閉弁１５が設けられている。開閉弁１５によって連通路１２が閉鎖されると、吸気通路６に導かれる空気は第１の吸気マニホールド１０に導かれた後、吸気ポート８のみを経由してシリンダ２内に供給される。一方、開閉弁１５によって連通路１２が開通されると、吸気通路６に導かれる空気は第１の吸気マニホールド１０及び第２の吸気マニホールド１１のそれぞれへ導かれた後、二つの吸気ポート８、９を経由してシリンダ２内に供給される。二つの吸気ポート８、９を経由して所定のガスが吸入されることにより、シリンダ２内にはその中心線と交差する平面内を旋回するスワールが生成されるように、これらの吸気ポート８、９が構成されている。

内燃機関１には排気通路７から取り出した排気の一部をＥＧＲガスとしてシリンダ２内に供給する排気還流装置１６が設けられている。排気還流装置１６は排気マニホールド１４と第２の吸気マニホールド１１とを接続する排気還流通路１７と、排気還流通路１７を流れるガスの流量を調整できる調整弁としての排気還流弁１８と、排気還流通路１７を流れるガスを冷却するための冷却装置１９とを備えている。上述した開閉弁１５にて連通路１２が閉鎖された状態で排気還流弁１８が開かれることにより、排気通路７からＥＧＲガスが取り出される。そのＥＧＲガスは空気と混合されずに排気還流通路１７、第２の吸気マニホールド１１及び吸気ポート９を経由して各シリンダ２へ供給される。つまり、排気還流装置１はＥＧＲガスを吸気ポート９のみを経由させてシリンダ２内に供給することができる。二つの吸気ポート８、９が本発明に係る複数の吸気ポートに相当し、吸気ポート９が本発明に係る一部の吸気ポートに、吸気ポート８が本発明に係る残りの吸気ポートにそれぞれ相当する。なお、開閉弁１５にて連通路が開通された状態で排気還流弁１８が開かれた場合には排気通路７から取り出されたＥＧＲガスは二つの吸気ポート８、９を経由してシリンダ２内に供給される。以下の説明では、開閉弁１５にて連通路１２が閉鎖された状態を片ポート経由状態と称する場合がある。

また、排気還流装置１６は、ＥＧＲガスが片ポート経由状態でシリンダ２内に供給された際の温度（ＥＧＲガス供給温度）を調整するため、排気還流通路１７内に燃料を噴射できる燃料供給手段としての燃料添加弁２０を更に備えている。燃料添加弁２０には所定燃圧の燃料が供給される。燃料添加弁２０にて燃料が排気通路１７内に噴射されることにより噴射燃料が気化し、その気化潜熱を利用してＥＧＲガスを冷却することができる。排気還流通路１７に噴射される燃料量が変化するとその燃料がＥＧＲガスから奪う熱量が変わるので、燃料添加弁２０による燃料噴射量を調整することによりＥＧＲガス供給温度を調整することができる。つまり、燃料添加弁２０は本発明に係るＥＧＲガス温度調整手段として機能する。

また、内燃機関１には、過給を行うための可変容型のターボチャージャー２１が設けられている。ターボチャージャー２１は吸気通路６に配置されたコンプレッサ２１ａと、排気還流通路１７の接続位置１７ａよりも下流側の排気通路７に配置されたタービン２１ｂとを有しており、コンプレッサ２１ａとタービン２１ｂとは一体回転可能に組み合わされる。ターボチャージャー２１はタービン２１ｂの入口に設けられて最大開度から最小開度までの間で可動することによりその入口を絞ることができる可動部材としての可動ベーン２１ｃを更に備えている。また、コンプレッサ２１ａよりも下流側の吸気通路６には加圧された空気を冷却するためのインタークーラ２２が設けられている。

図１に示すように、排気還流装置１６の制御は、内燃機関１の運転状態を適正に制御するためのコンピュータとして設けられたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０にて実施される。ＥＣＵ３０はマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を備えていて、各種センサからの信号に基づいて内燃機関１の各部を制御する。例えば、ＥＣＵ３０は燃料噴射弁５を操作して燃料噴射量や燃料噴射時期の制御を行う他、開閉弁１５を操作して吸気系の経路を切り替える制御やターボチャージャー２１の可動ベーン２１ｃの開度制御等を内燃機関１の運転状態に応じて実行する。ＥＣＵ３０に接続されるセンサとしては、内燃機関１の機関回転数（回転速度）に応じた信号を出力するクランク角センサ３１や吸気通路６内を流れる空気の温度（吸気温）に応じた信号を出力する吸気温センサ３２が設けられる。この他にも種々のセンサがＥＣＵ３０に接続されるが、これらは本発明の要旨と関連性しないため図示を省略する。

以下、本発明に関連してＥＣＵ３０が実行する制御について説明する。図２はＥＣＵ３０が実行する排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ３０のＲＯＭに保持されており、適時に読み出されて所定の演算間隔で繰り返し実行される。この制御ルーチンは上述した片ポート経由状態の場合に実施される。ＥＣＵ３０は、まずステップＳ１で内燃機関１の運転状態として例えば機関回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑ及び吸気温度Ｔａをそれぞれ取得する。機関回転数Ｎｅはクランク角センサ３１の信号に基づいて取得される。燃料噴射量Ｑとしては図２と並行して実行される燃料噴射制御（不図示）の演算結果が使用される。吸気温度Ｔａは吸気温度センサ３２からの信号に基づいて取得される。次に、ステップＳ２において、シリンダ２内に供給すべきＥＧＲガスの流量（ＥＧＲ量）を内燃機関１の運転状態に応じて算出する。次に、ステップＳ３において、ＥＣＵ３０は算出したＥＧＲ量が得られるように排気還流弁１８の開度を制御する。

次に、ＥＣＵ３０は片ポート経由状態でシリンダ２に供給されるＥＧＲガスの温度（ＥＧＲガス供給温度）Ｔｐを取得する。ＥＧＲガス供給温度Ｔｐは内燃機関１の排気温度と機関回転数とに相関して変化するので、予め特定した相関関係に基づいて推定することができる。また、排気還流通路１７に温度センサを設けてこれから直接的に取得することも可能である。次に、ステップＳ５において、ＥＧＲガス供給温度Ｔｐの目標温度Ｔｔｒｇを設定する。この目標温度Ｔｔｒｇはシリンダ２内に吸気ポート９を経由して供給されるＥＧＲガスと吸気ポート８を経由して供給される空気との温度差が所定範囲内に収まるように、吸気ポート８を経由して供給される空気の温度を考慮して設定される。目標温度Ｔｔｒｇの設定に考慮される温度としてはステップＳ１で取得した吸気温度Ｔａを使用する。目標温度Ｔｔｒｇの設定は、吸気温度Ｔａを変数として目標温度Ｔｔｒｇを与えるマップを準備し、そのマップをＥＣＵ３０が参照することにより実現することができる。

次に、ステップＳ６において、ＥＧＲガス供給温度Ｔｐが目標温度Ｔｔｒｇよりも大きいか否かを判定する。温度Ｔｐが目標温度Ｔｔｒｇよりも高い場合はステップＳ７に進み、温度Ｔｐが目標温度Ｔｔｒｇ以下の場合は燃料添加弁２０から燃料を噴射させる処理（冷却制御）を実行する必要がないので、以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。

ステップＳ７では、燃料添加弁２０から噴射させるべき燃料量（燃料供給量）ｑを算出する。その算出は次の手順で行う。

（１）まず、ＥＧＲガス供給温度Ｔｐを目標温度Ｔｔｒｇまで低下させるために必要な要求温度低下量ΔＴｐをＥＧＲガス供給温度Ｔｐと目標温度Ｔｔｒｇとの差に応じて算出する。

（２）次に、要求温度低下量ΔＴｐに基づいてＥＧＲガスの単位量当たりの最大燃料供給量ｑｍａｘ１を算出する。燃料添加弁２０から噴射される燃料が増えると気化しきれない燃料が出てくるため、ＥＧＲガスの温度低下量は燃料供給量に対して比例関係にならない。そのため、要求温度低下量ΔＴｐに対して完全に気化できる燃料供給量の上限を最大燃料供給量ｑｍａｘ１として特定するマップを実験的に作成してＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、ＥＣＵ３０がそのマップを参照することによって要求温度低下量ΔＴｐに対応する最大燃料供給量ｑｍａｘ１が算出される。図３はそのマップの一例を示している。この図に示すように、要求温度低下量ΔＴｐに対応する最大燃料供給量ｑｍａｘ１が燃料供給量ｑの候補の一つとして算出される。

（３）次に、排気通路７から取り出される排気の排気温度Ｔｅに基づいてＥＧＲガスの単位量当たりの最大燃料供給量ｑｍａｘ２を算出する。排気温度Ｔｅは排気還流通路１７の入口におけるＥＧＲガスの温度と同義であり、内燃機関１の機関回転数と負荷（燃料噴射量）とに基づいて推定される。最大燃料供給量ｑｍａｘ２は噴射燃料が完全に気化でき、かつ排気温度Ｔｅの雰囲気で自着火しない上限値として算出される。具体的には、図４に示すような排気温度Ｔｅを変数として最大燃料供給量ｑｍａｘ２を与えるマップを実験的に作成してＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、ＥＣＵ３０がこのマップを参照することにより最大燃料供給量ｑｍａｘ２が燃料供給量ｑの候補の一つとして算出される。

（４）次に、排気還流通路１７の所定位置ａ（図１参照）における通路壁温度Ｔｗａに基づいてＥＧＲガスの単位量当たりの最大燃料供給量ｑｍａｘ３を燃料供給量ｑの候補の一つとして算出する。具体的には、（３）の場合と同様に、図５に示すような通路壁温度Ｔｗａを変数として最大燃料供給量ｑｍａｘ３を与えるマップを実験的に作成してＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、ＥＣＵ３０がこのマップを参照することにより最大燃料供給量ｑｍａｘ３が燃料供給量ｑの候補の一つとして算出される。このマップは、気化した燃料が排気還流通路１７の通路壁に触れた場合でも自着火しない上限値として最大燃料供給量ｑｍａｘ３が与えられる。同様に、図６に示すように、他の所定位置ｂ（図１参照）における通路壁温度Ｔｗｂに基づいてＥＧＲガスの単位量当たりの最大燃料供給量ｑｍａｘ４を燃料供給量ｑの候補の一つとして算出する。通路壁温度Ｔｗａ、Ｔｗｂは温度センサより直接測定してもよいし、所定の実験式から推定してもよい。また、所定位置の数は任意であり、位置ａ、ｂ以外の位置に関する通路壁温度に基づいて燃料供給量ｑの候補を算出してもよい。

（５）最後に、燃料供給量ｑの複数の候補として算出された最大燃料供給量ｑｍａｘ１、ｑｍａｘ２、ｑｍａｘ３、ｑｍａｘ４の中から最小のものを特定し、その特定された最大燃料供給量にＥＧＲ量を乗じることによって燃料供給量ｑを算出する。

以上のように燃料供給量ｑが算出された後、続くステップＳ８において、ＥＣＵ３０は、燃料供給量ｑに相当する燃料が燃料添加弁２０から噴射されるように燃料添加弁２０を制御して今回のルーチンを終了する。

図２の制御ルーチンが繰り返し実行されることにより、ＥＧＲガス供給温度Ｔｐが目標温度Ｔｔｒｇとなるように調整されるため、シリンダ２内に供給されるＥＧＲガスと空気との温度差が過大になることを防止できる。

次に、ＥＣＵ３０が実行する燃料供給禁止制御について図７を参照して説明する。図７は燃料供給禁止制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。図７のルーチンは図２のルーチンと並行して所定間隔で繰り返し実行される。

ＥＣＵ３０は、まずステップＳ１１において、排気還流通路１７の所定位置ａにおける通路壁温度Ｔｗａを取得する。この形態では上述と同一位置の通路壁温度を取得しているが、その位置とは異なる位置の通路壁温度を取得してもよい。この通路壁温度Ｔｗａは上述と同様の方法で取得することができる。次に、ステップＳ１２において、通路壁温度Ｔｗａが所定値Ｔｗｔｈ以下か否かを判定する。所定値Ｔｗｔｈは気化が不十分になるおそれがある通路壁温度の上限値であり実験的に設定される。従って、通路壁温度Ｔｗａが所定値Ｔｗｈ以下の場合は、燃料添加弁２０から燃料を噴射させると燃料の気化が不十分となるのでステップＳ１３に進み、冷却制御が禁止されるように、つまり燃料添加弁２０からの燃料噴射が禁止されるように燃料添加弁２０の動作を制御して今回のルーチンを終了する。一方、通路壁温度Ｔｗａが所定値Ｔｗｈよりも高い場合は冷却制御を禁止する必要がないので、ステップＳ１３をスキップして今回のルーチンを終了する。

図７の制御によれば、通路壁温度が所定値以下の場合に燃料添加弁２０からの燃料噴射が禁止されるので、排気還流通路１７への燃料付着が回避される。これにより、排気還流通路１７の詰まりを確実に回避できる。

第１の形態において、ＥＣＵ３０は、図２のステップＳ４〜ステップＳ１０を実行することにより、本発明に係るＥＧＲガス温度制御手段として、同図のステップＳ９を実行することにより、本発明に係る候補算出手段及び燃料供給量算出手段として、図７のルーチンを実行することにより、本発明に係る燃料供給禁止手段として、それぞれ機能する。

（第２の形態）
次に、図８を参照して本発明の第２の形態を説明する。以下、第１の形態と共通の構成についての説明を省略する。この形態は燃料添加弁２０による燃料の噴射（冷却制御）の実行に伴う内燃機関１の燃焼状態の変動を抑えることに特徴がある。この形態においては内燃機関１がパイロット噴射モードを実行できるように構成されている。即ち、内燃機関１は燃料噴射弁による燃料噴射を、所定時期に行われるメイン噴射と、メイン噴射よりも少量の燃料にてそれよりも前に行われるパイロット噴射とに分割することができ、かつメイン噴射及びパイロット噴射のそれぞれの燃料噴射時期とそれぞれの燃料噴射量とを変更できるように構成されている。更に、内燃機関１は燃料噴射弁５による燃料噴射圧を変更できるように構成されている。

冷却制御が実行されると、燃料添加弁２０にて噴射された燃料は気化した後にＥＧＲガスとともにシリンダ２内に供給される。そのため、燃料噴射弁５にてシリンダ２内に燃料を噴射する前にシリンダ２内の燃料濃度が高くなって圧縮行程における着火時期が早まる他、ＥＧＲガスと空気との温度差に起因してシリンダ２内に形成される混合気の分布が変化するなどの燃焼変動を招く現象が生じる。その結果、燃料供給手段にて燃料を供給しない通常時と比べて排気中の有害成分が増加するおそれがある。そこで、この形態では、そのような燃焼変動が起こらないように、図２及び図７の制御とともに図８の燃焼変動防止制御を実行する。

図８は燃焼変動防止制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ３０のＲＯＭに保持されており、適時に読み出されて所定の演算間隔で繰り返し実行される。まず、ＥＣＵ３０はステップＳ２１において、冷却制御が実行中であるか否かを判定する。冷却制御が実行中である場合はステップＳ２２に進み、そうでない場合は以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。

ステップＳ２２では、ＥＧＲガス供給温度Ｔｐが目標温度Ｔｔｒｇを含む許容範囲内に収まっているか否かを判定する。許容範囲内に収まっている場合は、ステップＳ２３に進み、シリンダ２内での燃料の着火時期が早まることを防止するため早期着火防止制御を行う。早期着火防止制御では、ＥＣＵ３０はパイロット噴射の燃料噴射量を減量させる操作及びメイン噴射の燃料噴射時期を遅角させる操作の少なくとも一つを内燃機関１に対して実行する。これらの操作はいずれも着火時期の早まりを抑える効果があるので、これらの両者を同時に実行してもよい。

ＥＧＲガス供給温度Ｔｐが許容範囲外の場合には、ステップＳ２４に進んでＥＧＲガス供給温度Ｔｐが許容範囲の上限より高いか否かを判定する。ＥＧＲガス供給温度Ｔｐがその上限よりも高い場合はステップＳ２５に進み、そうでない場合はステップＳ２５をスキップしてステップＳ２６に進む。

ステップＳ２５では、ＥＣＵ３０は分布変化防止制御を実行する。ＥＧＲガス供給温度が許容範囲の上限を超えている場合、シリンダ２に供給されるＥＧＲガスと空気との温度差により、相対的に高温のＥＧＲガスがシリンダ２内の中央に偏る。これにより、シリンダ２の中央の雰囲気の温度が上昇するため燃料噴射弁５から噴射された燃料噴霧の蒸発が早まる。そのため、シリンダ２の内周面付近まで混合気が到達し難くなってシリンダ２内に形成される混合気の分布が変化する。分布変化防止制御はこのような混合気の分布の変化を防止するために行われる。この分布変化防止制御では、ＥＣＵ３０は燃料噴射弁５による燃料の噴射圧力を増圧させる操作、パイロット噴射の燃料噴射量を減量させる操作及びメイン噴射の燃料噴射時期を遅角させる操作の少なくとも一つを内燃機関１に対して実行する。これらの操作はいずれも混合気の分布の変化を抑える効果があるので、これらの操作のすべてを行ってもよいし、これらの操作から選ばれた二つの操作を行ってもよい。

ステップＳ２６では、燃料添加弁２０による燃料供給量を考慮してメイン噴射の噴射量を補正して今回のルーチンを終了する。

図８の制御によれば、ＥＧＲガス供給温度Ｔｐに応じて早期着火防止制御と分布変化防止制御とが適宜に実行されて、シリンダ２内の燃料の早期着火と混合気の分布変化とが防止されるので、冷却制御に伴うシリンダ２内の燃焼変動を防止することができる。

第２の形態において、ＥＣＵ３０は第１の形態と同様に本発明に係るＥＧＲガス温度制御手段、候補算出手段、燃料供給量算出手段及び燃料供給禁止手段としてそれぞれ機能するとともに、図８のステップＳ２３を実行することにより、本発明に係る早期着火防止手段として、図８のステップＳ２５を実行することにより、本発明に係る分布変化防止手段として、それぞれ機能する。

（第３の形態）
次に、図９を参照して本発明の第３の形態を説明する。以下、第１の形態と共通の構成についての説明を省略する。この形態は、冷却制御の実行条件が成立後の特定の条件で排気還流弁１８の操作とターボチャージャー２１の可動ベーン２１ｃの操作とを連係させて排気還流通路１７に空気を通過させることに特徴がある。図９は第３の形態に係る排気還流制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。なお、図２と同一の処理には同一の符号を付して説明を省略する。図９から明らかなように、この形態の制御ルーチンは図２のステップＳ７とステップＳ８との間に、ステップＳ３１〜ステップＳ３２を挿入したものである。即ち、ＥＧＲガス供給温度Ｔｐを低下させる必要がある場合に、ＥＣＵ３０はステップＳ３１において内燃機関１の機関回転速度が減速中でかつ燃料噴射弁５による燃料噴射が中断されている（燃料カット）か否かを判定する。

燃料カット時にはシリンダ２内で燃焼が起きないため、吸気通路６に導かれた空気がシリンダ２を経由して排気通路７に排出される。そのため、排気還流弁１８の開度を開き側に制御することにより、排気通路７に排出された空気を排気還流通路１７に導くことができる。そこで、内燃機関１の機関回転速度が減速中でかつ燃料噴射弁５による燃料噴射が中断されている場合には、ステップＳ３２に進み、排気還流弁１８の開度を開き側の開度として全開に制御し、続くステップＳ３３において排気還流通路１７の入口と出口との差圧が増加して排気還流通路１７を通過する空気が多くなるように可動ベーン２１ｃの開度を制御する。可動ベーン２１ｃの開度を閉じ側に制御して背圧を上げることも、その開度を開き側に制御して過給圧を下げることも、排気還流通路１７の出口と入口との差圧を増加させることに寄与するが、内燃機関１の運転状態によってその寄与の度合いが相違する。従って、ステップＳ３３では、内燃機関１の運転条件に応じて、より多くの空気が排気還流通路１７を流れる高い方向に可動ベーン２１ｃの開度を制御する。例えば、この可動ベーン２１ｃの開度制御は、可動ベーン２１ｃの開度と排気還流通路１７を通過する空気量との関係を種々の運転条件に対応させて実験的に定めたマップをＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、排気還流通路１７を通過する空気量が現在の運転状態で最大となる可動ベーン２１ｃの開度をそのマップから検索することによって実現することができる。

図９の制御によれば、排気還流通路１７内に空気を通過させることにより、燃料を通路壁に付着させることなく通路壁温度を低下させることができる。

第３の形態において、ＥＣＵ３０は図９のルーチンを実行することにより、第１の形態と同様に本発明に係るＥＧＲガス温度制御手段、候補算出手段及び燃料供給量算出手段としてそれぞれ機能するとともに、図９のステップＳ３１〜ステップＳ３３を実行することにより、本発明に係る通路壁温度制御手段として機能する。

（第４の形態）
次に、図１０を参照して本発明の第３の形態を説明する。以下、第１の形態と共通の構成についての説明を省略する。この形態は、燃料添加弁２０からの燃料噴射を間欠的に実施することに特徴がある。図１０は、燃料添加弁２０による燃料噴射と各シリンダ２の吸気行程における吸気弁のリフトとの対応関係を示したタイミングチャートである。図１０における＃１〜＃４は気筒番号であり、これらは図１の左から右へのシリンダ２の並び順に対応する。燃料添加弁２０による燃料噴射は噴射時期ｔ１〜ｔ４のそれぞれに分割されていて、間欠的なものとなっている。燃料添加弁２０の燃料噴射で冷却されたＥＧＲガスがシリンダ２に到達するまでに要する時間がαである。この図から明らかなように、燃料添加弁２０の燃料噴射によって冷却されたＥＧＲガスが＃１のシリンダ２に到達する到達時期ｘ１がその吸気行程に同期するように、燃料添加弁２０による燃料噴射時期ｔ１が設定されている。同様に、到達時期ｘ２〜ｘ４がその他のシリンダ２の吸気行程に同期するように燃料噴射時期ｔ２〜ｔ４がそれぞれ設定されている。

時間αは内燃機関１の機関回転数に相関するため、機関回転数毎に時間αを特定するマップを実験的に作成してＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、ＥＣＵ３０がそのマップを参照することにより、機関回転数に応じた時間αを算出することができる。また、各シリンダ２の吸気行程はクランク角センサ３１からの信号で特定できる。これにより、ＥＣＵ３０は上記の到達時期と各シリンダ２の吸気行程とが同期するように燃料噴射時期を制御することができる。

この形態によれば、シリンダ２に供給されるＥＧＲガスを狙い打ちして冷却できるので燃料添加弁２０による燃料噴射が間欠的なものとなる。つまり、図１０の時刻ｔ１から時刻ｔ４までの間に連続して燃料噴射を行う場合よりも燃料の無駄が少ない。その結果、燃料添加弁２０による燃料消費量が抑えられるためＥＧＲガスの冷却効率が向上する。この形態の燃料噴射は上述した各形態に適用することができる。

本発明の一形態に係る排気還流装置が適用された内燃機関の要部を示した図。第１の形態に係る排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。要求温度低下量を変数として最大燃料供給量を与えるマップの一例を示した図。排気温度を変数として最大燃料供給量を与えるマップの一例を示した図。通路壁温度を変数として最大燃料供給量を与えるマップの一例を示した図。図５とは異なる位置の通路壁温度を変数として最大燃料供給量を与えるマップの一例を示した図。第１の形態に係る燃料供給禁止制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。第２の形態に係る燃焼変動防止制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。第３の形態に係る排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。第４の形態を説明するタイミングチャート。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダ
５燃料噴射弁
６吸気通路
７排気通路
８吸気ポート（残りの吸気ポート）
９吸気ポート（一部の吸気ポート）
１６排気還流装置
１７排気還流通路
１８排気還流弁（調整弁）
２０燃料添加弁（ＥＧＲガス温度調整手段、燃料供給手段）
２１ターボチャージャー
２１ａコンプレッサ
２１ｂタービン
２１ｃ可動ベーン（可動部材）
３０ＥＣＵ（ＥＧＲガス温度制御手段、候補算出手段、燃料供給量算出手段、燃料供給禁止手段、早期着火防止手段、分布変化防止手段、通路壁温度制御手段）

Claims

一つのシリンダに対して複数の吸気ポートが設けられた内燃機関に適用され、前記内燃機関の排気通路から取り出した排気の一部を前記複数の吸気ポートのうちの一部の吸気ポートのみを経由させて前記シリンダ内にＥＧＲガスとして供給できる内燃機関の排気還流装置において、
前記一部の吸気ポートのみを経由して前記シリンダに供給されるＥＧＲガスの温度であるＥＧＲガス供給温度を調整できるＥＧＲガス温度調整手段と、前記ＥＧＲガス供給温度が前記複数の吸気ポートのうちの残りの吸気ポートを経由して前記シリンダに供給される空気の温度を考慮して定められた目標温度となるように、前記ＥＧＲガス温度調整手段を制御するＥＧＲガス温度制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
前記排気通路に接続されてＥＧＲガスを導く排気還流通路を更に備え、
前記ＥＧＲガス温度調整手段として、前記排気還流通路内に燃料を噴射できる燃料供給手段が設けられ、
前記ＥＧＲガス温度制御手段は、前記ＥＧＲガス供給温度が前記目標温度よりも高い場合に前記ＥＧＲ通路内に燃料が噴射されるように前記燃料供給手段を制御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還流装置。
前記燃料供給手段が噴射すべき燃料供給量の複数の候補を、前記ＥＧＲガス供給温度を前記目標温度まで低下させるために必要な要求温度低下量に基づいて、前記排気通路から取り出される排気温度に基づいて、前記排気還流通路の所定位置の通路壁温度に基づいて、それぞれ算出する候補算出手段と、前記候補算出手段が算出した前記複数の候補のうちの最小値を前記燃料供給手段が噴射すべき燃料供給量として算出する燃料供給量算出手段と、を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記排気還流通路の通路壁温度が所定値以下の場合に前記燃料供給手段による燃料噴射が禁止されるように前記燃料供給手段を制御する燃料供給禁止手段を更に備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記内燃機関は、前記シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁を有した圧縮着火型機関として構成されており、
前記燃料供給手段による燃料噴射が行われた後に前記ＥＧＲガス供給温度が前記目標値を含む許容範囲内に収まっている場合、前記燃料噴射弁にて噴射された燃料の着火時期が早まることを防止できる所定操作を前記内燃機関に対して実行する早期着火防止手段を更に備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記内燃機関は、前記燃料噴射弁による燃料噴射を、所定時期に行われるメイン噴射と前記メイン噴射よりも少量の燃料にて前記所定時期よりも前に行われるパイロット噴射とに分割するパイロット噴射モードを実行でき、かつ前記メイン噴射及び前記パイロット噴射のそれぞれの燃料噴射時期とそれぞれの燃料噴射量とを変更できるように構成されており、
前記早期着火防止手段は、前記所定操作として、前記パイロット噴射の燃料噴射量を減量させる操作及び前記メイン噴射の燃料噴射時期を遅角させる操作の少なくとも一つを前記内燃機関に対して実行することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記内燃機関は、前記シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁を有した圧縮着火型内燃機関として構成されており、
前記燃料供給手段による燃料噴射が行われた後に前記ＥＧＲガス供給温度が前記目標値を含む許容範囲の上限を超えている場合、前記燃料噴射弁にて噴射された燃料の蒸発が早まることを防止できる所定操作を前記内燃機関に対して実行する早期蒸発防止手段を更に備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記内燃機関は、前記燃料噴射弁による燃料の噴射圧力を変更でき、前記燃料噴射弁による燃料噴射を、所定時期に行われるメイン噴射と前記メイン噴射よりも少量の燃料にて前記所定時期よりも前に行われるパイロット噴射とに分割するパイロット噴射モードを実行でき、かつ前記メイン噴射及び前記パイロット噴射のそれぞれの燃料噴射時期とそれぞれの燃料噴射量とを変更できるように構成されており、
前記早期蒸発防止手段は、前記所定操作として、前記燃料噴射弁による燃料の噴射圧力を増圧させる操作、前記パイロット噴射の燃料噴射量を減量させる操作及び前記メイン噴射の燃料噴射時期を遅角させる操作の少なくとも一つを前記内燃機関に対して実行することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記内燃機関は、前記シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁を有した圧縮着火型内燃機関として構成されており、
前記排気還流通路を流れるガスの流量を調整できる調整弁と、前記内燃機関の機関回転速度が減速中でかつ前記燃料噴射弁による燃料噴射が中断している時に前記調整弁を開き側に制御する通路壁温度制御手段と、を更に備えることを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記内燃機関には、前記残りの吸気ポートを含む吸気通路に設けられたコンプレッサと、前記排気還流通路が接続される位置よりも下流側の前記排気通路に設けられたタービンと、最大開度から最小開度までの間で可動することにより前記タービンの入口を絞ることができる可動部材とを有し、前記コンプレッサと前記タービンとが一体回転可能に組み合わされた可変容量型のターボチャージャーが設けられており、
前記通路壁温度制御手段は、前記内燃機関の機関回転速度が減速中でかつ前記燃料噴射弁による燃料噴射が中断している時に、前記調整弁が全開となり、かつ前記可動部材の開度が閉じ側となるように前記調整弁及び前記可動部材をそれぞれ制御することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記内燃機関には、前記残りの吸気ポートを含む吸気通路に設けられたコンプレッサと、前記排気還流通路が接続される位置よりも下流側の前記排気通路に設けられたタービンと、最大開度から最小開度までの間で可動することにより前記タービンの入口を絞ることができる可動部材とを有し、前記コンプレッサと前記タービンとが一体回転可能に組み合わされた可変容量型のターボチャージャーが設けられており、
前記通路壁温度制御手段は、前記内燃機関の機関回転速度が減速中でかつ前記燃料噴射弁による燃料噴射が中断している時に、前記調整弁が全開となり、かつ前記可動部材の開度が開き側となるように前記調整弁及び前記可動部材をそれぞれ制御することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記ＥＧＲガス温度制御手段は、前記燃料供給手段が噴射した燃料によって冷却されたＥＧＲガスが前記一部の吸気ポートを経由して前記シリンダに到達する到達時期が前記シリンダの吸気行程に同期するように、前記燃料供給手段による燃料の噴射時期を制御することを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載の内燃機関の排気還流装置。