JP2011017296A - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費の悪化を招くことなく、ＥＧＲクーラーによるＥＧＲガスの過冷却を抑制することのできる内燃機関の排気還流装置を提供する。
【解決手段】排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路へと還流するＥＧＲガス還流通路と、内燃機関１を通じて冷却水が循環される冷却水通路上に設けられて、その冷却水通路を流れる冷却水とＥＧＲガスとの間で熱交換を行うＥＧＲクーラー１２と、冷却水通路上の内燃機関１とＥＧＲクーラー１２との間に設けられて、内燃機関１の排気通路を流れる排気と冷却水との間で熱交換を行う排気冷却装置５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路へと還流させる内燃機関の排気還流装置に関する。

周知のように、車載等の内燃機関に採用される装置として、内燃機関の排気の一部を吸気通路に還流する排気還流装置（ＥＧＲ装置）がある。こうしたＥＧＲ装置による排気の還流によれば、内燃機関の燃焼温度を低下させることでの内燃機関のＮＯｘ排出量の低減や、不活性ガスであるＥＧＲガスの新気への付加による内燃機関のポンプ損失の低減などを図ることができる。

ここで、吸気に還流されるＥＧＲガスが高温であると、内燃機関の燃焼室に充填される吸気の温度が高くなり、吸気の密度が低下して、機関出力の低下を招く。そこで、EGRガスを冷却するＥＧＲクーラーをＥＧＲ装置に設置することがある。ＥＧＲクーラーは、内燃機関を通じて冷却水が循環される冷却水通路上に設けられて、同通路を流れる冷却水とＥＧＲガスとの間で熱交換を行う熱交換器として構成されている。

なお、こうしたＥＧＲクーラーを備えるＥＧＲ装置では、内燃機関の冷間始動時には、冷却水の温度が低いため、ＥＧＲクーラーにおいてＥＧＲガスが過冷却されることがある。ＥＧＲガスが過冷却されると、吸気温度が低くなり、燃焼温度が過度に低下するため、燃焼が不安定となってしまう。そこで従来、特許文献１には、冷却水通路のＥＧＲクーラーの上流に燃焼式ヒーターを設置し、冷却水温が過度に低いときに燃焼式ヒーターを点火してＥＧＲクーラーに導入される冷却水を加熱するＥＧＲ装置が提案されている。

特開平１１−１２５１５１号公報

こうした従来のＥＧＲ装置によれば、機関冷間時にも、ＥＧＲクーラーには、燃焼式ヒーターにより加熱された冷却水が導入されるようになるため、ＥＧＲガスの過冷却を抑制することが確かに可能ではある。しかしながら、燃焼式ヒーターの燃焼には、燃料の消費が必要であり、その消費分、燃費が悪化してしまうようになる。

本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであって、その解決しようとする課題は、燃費の悪化を招くことなく、ＥＧＲクーラーによるＥＧＲガスの過冷却を抑制す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。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路へと還流するＥＧＲガス還流通路と、内燃機関を通じて冷却水が循環される冷却水通路上に設けられて、同通路を流れる冷却水と前記ＥＧＲガスとの間で熱交換を行うＥＧＲクーラーと、前記冷却水通路上の前記内燃機関と前記ＥＧＲクーラーとの間に設けられて、前記内燃機関の排気通路を流れる排気と前記冷却水との間で熱交換を行う熱交換器と、を有することを要旨とする。

同構成によれば、ＥＧＲクーラーに導入される冷却水は、熱交換器で排気と熱交換されることによって昇温された後、ＥＧＲクーラーに至る。すなわち、冷却水は燃焼式ヒーターのような特別に燃料を消費する手段によって昇温されるのではなく、排気の熱を利用して昇温される。その結果、燃費の悪化を招くことなく、ＥＧＲクーラーによってＥＧＲガスが過冷却されることを抑制することができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気還流装置において、前記内燃機関の前記冷却水の温度が低いときには、前記熱交換器を通過した前記冷却水を前記ＥＧＲクーラーに導入し、前記内燃機関の前記冷却水の温度が高いときには、前記熱交換器を通過しない前記冷却水を前記ＥＧＲクーラーに導入するように前記冷却水通路における前記冷却水の流れを切り替える切替手段を備えることを要旨とする。

内燃機関の冷却水の温度が低いときにあっては、ＥＧＲガスの過冷却を抑制するためにＥＧＲクーラーに導入される冷却水は昇温されることが好ましい。一方、内燃機関の冷却水の温度が高いときにＥＧＲクーラーに導入される冷却水が昇温されてしまうと、ＥＧＲガスとＥＧＲクーラーを流れる冷却水との温度差が小さくなり、両者の間で十分な熱交換がされなくなってしまう。その結果、ＥＧＲクーラーを通過したＥＧＲガスは高温状態に維持されて吸気の密度が低下し、機関出力の低下を招く虞がある。

この点、同構成によれば、内燃機関の冷却水温度が低いときにはＥＧＲクーラーでのＥＧＲガスの過冷却が抑制されるように、また内燃機関の冷却水温度が高いときにはＥＧＲクーラーでＥＧＲガスがより冷却されるように、内燃機関の冷却水温度に応じてＥＧＲクーラーに導入される冷却水の流れが切り替えられる。したがって、ＥＧＲクーラーによるＥＧＲガスの冷却を適切に行うことができる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の排気循環装置において、前記切替手段は、前記熱交換器を通過した前記冷却水の前記ＥＧＲクーラーへの導入と前記熱交換器を通過しない前記冷却水の前記ＥＧＲクーラーへの導入との切り替えに際して、前記熱交換器を通過した前記冷却水の前記ＥＧＲクーラーへの導入量と前記熱交換器を通過しない前記冷却水の前記ＥＧＲクーラーへの導入量との比率を徐々に変化させるように構成されてなることを要旨とする。

同構成によれば、熱交換器を通過してＥＧＲクーラーに導入される冷却水と、熱交換器を通過しないでＥＧＲクーラーに導入される冷却水との間に温度差がある場合であっても、ＥＧＲクーラーに導入されるこれらの冷却水の切替が徐々に行われる。そのため、ＥＧＲクーラー内の冷却水の急激な温度変化を抑えることができる。従って、例えば急激な温度変化によるＥＧＲクーラーの損傷等を抑制することができる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の排気循環装置において、前記切替手段は、前記冷却水通路における前記冷却水の流れを開度調節を通じて切り替える切替弁からなり、前記冷却水の流れを切り替えるときには前記切替弁の開度は徐々に変化されてなることを要旨とする。

同構成によれば、熱交換器を通過してＥＧＲクーラーに導入される冷却水と、熱交換器を通過しないでＥＧＲクーラーに導入される冷却水との間に温度差がある場合であっても、ＥＧＲクーラーに導入されるこれらの冷却水の切替が切替弁の開度調節によって徐々に行われる。そのため、ＥＧＲクーラー内の冷却水の急激な温度変化を抑えることができる。従って、例えば急激な温度変化によるによるＥＧＲクーラーの損傷等を抑制することができる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気循環装置において、前記熱交換器は、前記排気通路の周囲に前記冷却水を流すことで排気の冷却を行う排気冷却装置であることを要旨とする。

同構成によれば、ＥＧＲクーラーに導入される冷却水は、排気冷却用に設置された排気冷却装置において、排気の熱を利用して昇温される。したがって、従来のように発熱構造の必要な燃焼式ヒーターを設ける場合と比較して、より簡易な構成にてＥＧＲクーラーに導入される冷却水を昇温させることができるようになり、例えば部品点数の削減等を図ることも可能になる。

ちなみに、内燃機関から排出された排気の温度は、排気下流側に向かうにつれて低下していく傾向がある。従って、同構成においては、可能な限り排気上流側に上記排気冷却装置を設けることにより、冷却水を効果的に昇温させることができる。

本発明にかかる内燃機関の排気還流装置の一実施形態について、これが適用される内燃機関の吸排気系を示す模式図。 同実施形態における排気還流装置の冷却系を示す模式図。 同実施形態における排気還流制御の処理手順を示すフローチャート。 （ａ）は暖機モードでの冷却水の流れを示す模式図、（ｂ）は暖機完了モードでの冷却水の流れを示す模式図。 同実施形態におけるＥＧＲクーラーの入口水温についてその変化態様を示すタイミングチャート。 同実施形態の変形例における排気還流装置の冷却系を示す模式図であり、（ａ）は暖機モードでの冷却水の流れを示す模式図、（ｂ）は暖機完了モードでの冷却水の流れを示す模式図。 同実施形態の変形例における排気還流装置の冷却系を示す模式図。

以下、この発明にかかる内燃機関の排気還流装置を具体化した一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に、本実施形態における排気還流装置が設けられたガソリンエンジン（以下、内燃機関という）の吸排気系を示す。この図１に示すように、内燃機関１には吸気通路４が接続されている。吸気通路４の途中にはサージタンク２が設けられている。また、吸気通路４にあってサージタンク２の上流側には吸入空気量を調量するスロットルバルブ３が設けられている。

また、内燃機関１の排気ポート出口には排気冷却装置５が設けられている。この排気冷却装置５は、排気通路を構成する管部５ａと同管部５ａを取り囲む水冷部５ｂとで構成されており、同水冷部５ｂには内燃機関１の冷却水が供給される。この排気冷却装置５は、内燃機関１の排気通路を流れる排気と冷却水との間で熱交換を行う上記熱交換器を構成する。

排気冷却装置５には排気通路６が接続されている。また、排気通路６の途中には排気を浄化する触媒７が設けられている。
この内燃機関１では、吸気通路４を通過した新気と燃料噴射弁から噴射された燃料との混合気が燃焼室で燃焼され、燃焼によって生じた排気は、排気冷却装置５の管部５ａ、排気通路６、及び触媒７を通過した後、大気へと排出される。ここで、排気冷却装置５にあってその管部５ａの周囲には冷却水が流されている。従って、排気が管部５ａを通過するときに冷却水との間で熱交換が行われて、水冷部５ｂ内の冷却水の温度は上昇し、管部５ａを通過する排気の温度は低下する。これにより排気冷却装置５よりも排気下流側に配設された上記触媒７等の部品に対して、排気熱による熱害の影響が抑制される。

他方、内燃機関１には、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路４に還流する排気還流装置（以下、ＥＧＲ装置という）が設けられている。このＥＧＲ装置には、排気通路６にあって触媒７の排気上流側から分岐されたＥＧＲガス還流通路１０が設けられており、このＥＧＲガス還流通路１０は上記サージタンク２に接続されている。また、ＥＧＲガス還流通路１０の途中には、ＥＧＲガスと冷却水との間で熱交換を行うＥＧＲクーラー１２や、同通路１０を流れるＥＧＲガスの量を調整するＥＧＲ制御弁１１が配設されている。排気通路６を通る排気の一部はＥＧＲガスとしてＥＧＲガス還流通路１０に導入され、ＥＧＲクーラー１２にて熱交換された後、吸気通路４へ還流されて新気とともに再び内燃機関１の燃焼室に導入される。こうした排気還流制御を実行してＥＧＲガスを還流させることにより、混合気の燃焼温度が低下してＮＯｘの排出量が低減される。また、ＥＧＲガスが吸気通路４に還流されると、燃焼室への新気の導入量が減少するため、そうした新気の導入量の減少を補うためにスロットルバルブ３の開度は大きくされ、これにより内燃機関１のポンプ損失が低減される。

図２に、本実施形態におけるＥＧＲ装置、より具体的にはＥＧＲクーラー１２の冷却系を示す。
この図２に示すように、内燃機関１の内部に形成された冷却水通路（例えばウォータジャケット等）に導入されて機関熱により昇温された冷却水の一部は、上記排気冷却装置５の水冷部５ｂに導入される。この水冷部５ｂには第１冷却水通路２５の一端が接続されており、同第１冷却水通路２５の他端は、切替弁である４方弁２２に接続されている。なお、この４方弁２２は、上記切替手段を構成する。

この４方弁２２は開度調整可能な弁体を有した電磁弁であって、同弁体の開度が制御されることにより、４方弁２２を通過する冷却水の流れが切り替えられる。４方弁２２の弁体はデューティ制御により開度が調整される。この４方弁２２には、第１入口ポート２２ａ、第２入口ポート２２ｂ、第１出口ポート２２ｃ、及び第２出口ポート２２ｄが設けられている。これら各ポートのうち、第１入口ポート２２ａには上記第１冷却水通路２５が接続されている。

第２入口ポート２２ｂには、第２冷却水通路２６の一端が接続されており、同第２冷却水通路２６の他端は、内燃機関１のウォータジャケット出口に接続されている。
第１出口ポート２２ｃには、第３冷却水通路２７の一端が接続されており、同第３冷却水通路２７の他端はサーモスタット４０に接続されている。

このサーモスタット４０には、入口ポート４０ａ、ラジエータ側ポート４０ｂ、及びバイパス側ポート４０ｃが設けられており、入口ポート４０ａに上記第３冷却水通路２７が接続されている。サーモスタット４０のバイパス側ポート４０ｃは、第４冷却水通路２８を介して、冷却水循環用のウォーターポンプ２１に設けられた吸入口に接続されている。

なお、ウォーターポンプ２１の吐出口は、内燃機関１の内部に形成された上記冷却水通
路に接続されている。サーモスタット４０のラジエータ側ポート４０ｂは、第５冷却水通路４１を介して放熱器であるラジエータ４２の入口ポートに接続されており、ラジエータ４２の出口ポートは、第６冷却水通通路４３を介して上記第４冷却水通路２８に接続されている。なお、このサーモスタット４０は、周知のサーモスタットである。すなわち、内燃機関１の暖機が完了するまでは、入口ポート４０ａ及びバイパス側ポート４０ｃが連通されるとともに、ラジエータ側ポート４０ｂは閉鎖されることにより、第３冷却水通路２７と第４冷却水通路２８とが連通されて、冷却水はラジエータ４２を通過することなく内燃機関１に導入される。一方、内燃機関１の暖機が完了すると、入口ポート４０ａ及びラジエータ側ポート４０ｂが連通されるとともに、バイパス側ポート４０ｃは閉鎖されることにより、第３冷却水通路２７と第５冷却水通路４１とが連通されて、冷却水はラジエータ４２にて冷却された後に内燃機関１に導入される。

上記４方弁２２の第２出口ポート２２ｄには、第７冷却水通路２９の一端が接続されており、同第７冷却水通路２９の他端は、ＥＧＲクーラー１２の入口ポートに接続されている。ＥＧＲクーラー１２の出口ポートには、第８冷却水通路３０の一端が接続されており、同第８冷却水通路３０の他端は、上記第３冷却水通路２７にあって上記サーモスタット４０の上流側に接続されている。

先の図１や図２に示すように、内燃機関１の機関運転状態等は各種センサによって検出される。例えば、エアフロメータ６０により、内燃機関１に吸入される空気の量（吸入空気量ＧＡ）が検出される。また、クランクポジションセンサ６１により、内燃機関１のクランクシャフトの回転角度、すなわちクランク角度が検出され、その検出信号に基づいて機関回転速度ＮＥが算出される。また、水温センサ６２により、内燃機関１の冷却水の温度（冷却水温ＴＨＷ）が検出される。

内燃機関１の各種制御は、電子制御装置８によって行われる。この電子制御装置８は、各種制御にかかる演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果が一時的に記憶されるＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成されている。電子制御装置８は、各種センサにて検出された機関運転状態に応じて、内燃機関１の燃料噴射制御、点火時期制御、スロットルバルブ３の開度制御等を行うとともに、上記ＥＧＲ制御弁１１の開度制御や上記４方弁２２の開度制御を通じて上記排気還流制御を行う。

図３に、上記排気還流制御の処理手順を示す。なお、本処理は電子制御装置８によって所定周期毎に繰り返し実行される。
本処理が開始されるとまず、冷却水温ＴＨＷが読み込まれ（Ｓ１００）、次に冷却水温ＴＨＷが第１判定温度Ｔ１を超えているか否かが判定される（Ｓ１１０）。この第１判定温度Ｔ１としては、内燃機関１の暖機が完了しているか否かを判定することのできる値が設定されている。

そして、冷却水温ＴＨＷが第１判定温度Ｔ１以下である場合には（Ｓ１１０：ＮＯ）、現在、内燃機関１の暖機が完了していないと判断できる程度に冷却水温ＴＨＷは低いと判断されて、暖機モードが実行される（Ｓ１４０）。

この暖機モードでは、図４（ａ）に示すように、４方弁２２の第１入口ポート２２ａと第２出口ポート２２ｄとが連通し、かつ４方弁２２の第２入口ポート２２ｂと第１出口ポート２２ｃとの連通が遮断されるように同４方弁２２に設けられた弁体の開度調整が行われる。より具体的には、弁体の開度は最小開度にされる。これにより、ＥＧＲクーラー１２には、排気冷却装置５に接続された第１冷却水通路２５を介して冷却水が導入される。すなわち、排気冷却装置５にて昇温された冷却水のみがＥＧＲクーラー１２に供給される。

このステップＳ１４０の処理が行われると、次に、冷却水温ＴＨＷが第２判定温度Ｔ２を超えているか否かが判定される（Ｓ１５０）。この第２判定温度Ｔ２は上記第１判定温度Ｔ１よりも低い温度が設定されている。より詳細には、次のような値が設定されている。すなわち、機関温度が過度に低いときに低温のＥＧＲガスが吸気通路４に還流されると混合気の燃焼状態が悪化するため、ＥＧＲガスを還流させるときの機関温度は、燃焼状態の悪化を抑えるために最低限必要な温度以上になっている必要がある。そこで、燃焼状態の悪化を抑えるために最低限必要な機関温度になっているときの冷却水温ＴＨＷが予めの実験等を通じて求められており、そうして求められた冷却水温ＴＨＷが上記第２判定温度Ｔ２として設定されている。

そして、冷却水温ＴＨＷが第２判定温度Ｔ２を超えている場合には（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、ＥＧＲガスの還流を行うべくＥＧＲ制御弁１１は開弁されて（Ｓ１３０）、本処理は一旦終了される。なお、ＥＧＲ制御弁１１の開弁に際しては、ＥＧＲガスの還流量が機関運転状態に応じた量となるように同ＥＧＲ制御弁１１の開度制御が行われる。例えば、低回転低負荷領域ほどＥＧＲガスの還流量が多くなるようにＥＧＲ制御弁１１の開度制御が行われる。

他方、上記ステップＳ１１０にて、冷却水温ＴＨＷが第１判定温度Ｔ１を超えていると判定される場合には（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、現在、内燃機関１の暖機が完了していると判断できる程度に冷却水温ＴＨＷは高いと判断されて、暖機完了モードが実行される（Ｓ１２０）。

この暖機完了モードでは、図４（ｂ）に示すように、４方弁２２の第２入口ポート２２ｂと第２出口ポート２２ｄとが連通し、かつ４方弁２２の第１入口ポート２２ａと第１出口ポート２２ｃとが連通されるように同４方弁２２に設けられた弁体の開度調整が行われる。より具体的には弁体の開度は最大開度にされる。これにより、ＥＧＲクーラー１２には、内燃機関１のウォータジャケット出口に直接接続された第２冷却水通路２６からの冷却水のみが導入される。すなわち、排気冷却装置５にて昇温されていない冷却水のみ、換言すれば排気冷却装置５にて昇温される前の冷却水と略同一の温度になっている冷却水のみがＥＧＲクーラー１２に供給される。

なお、ステップＳ１２０での暖機完了モードの実行に際して、４方弁２２の弁体が既に最大開度に設定されている場合には、その最大開度の維持が行われる。一方、暖機完了モードの実行に際して、４方弁２２の弁体が最大開度に設定されていない場合には、最大開度になるように弁体の開度が徐々に増大されていく。

そして、ステップＳ１２０の処理が行われると、上記ステップＳ１３０の処理、すなわちＥＧＲガスの還流を行うべくＥＧＲ制御弁１１は開弁されて、本処理は一旦終了される。なお、この場合にもＥＧＲ制御弁１１の開弁に際しては、ＥＧＲガスの還流量が機関運転状態に応じた量となるように、同ＥＧＲ制御弁１１の開度は調整される。

次に、図５及び先の図４を参照して、冷間始動された内燃機関１の暖機過程における本実施形態のＥＧＲクーラー１２の入口水温ＴＥ等の変化態様を示す。
なお、同図５の実線Ｌ１には、本実施形態におけるＥＧＲクーラー１２の入口水温ＴＥの推移を示す。また、一点鎖線Ｌ２には、本実施形態に対する比較例でのＥＧＲクーラー１２の入口水温ＴＥの推移を示す。この比較例は、常に内燃機関１のウォータジャケット出口から直接供給される冷却水のみがＥＧＲクーラー１２に導入される場合の同ＥＧＲクーラー１２の入口水温ＴＥの推移、すなわち排気冷却装置５で昇温されていない冷却水のみが常にＥＧＲクーラー１２に導入される場合の同ＥＧＲクーラー１２の入口水温ＴＥの推移を示す。

内燃機関１が冷間始動されると冷却水温ＴＨＷは徐々に高くなっていき、この冷却水温ＴＨＷの上昇により入口水温ＴＥも徐々に上昇していく。ここで、機関始動直後における冷却水温ＴＨＷは、上記第１判定温度Ｔ１や上記第２判定温度Ｔ２よりも低くなっているため、上記暖機モードが実行されて４方弁２２の弁体は最小開度に設定されるとともに、ＥＧＲ制御弁１１は閉弁状態にされる。

この暖機モードでは、先の図４（ａ）に示したように、排気冷却装置５に接続された第１冷却水通路２５を介してのみＥＧＲクーラー１２には冷却水が導入されるため、排気冷却装置５を通過した冷却水、すなわち排気冷却装置５にて昇温された冷却水のみがＥＧＲクーラー１２に供給される。従って、ＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水は、機関本体からの受熱のみならず排気冷却装置５からの受熱によっても昇温されている。一方、比較例におけるＥＧＲクーラー１２には、機関本体からの受熱によって昇温された冷却水が導入される。従って、実線Ｌ１にて示すように本実施形態での入口水温ＴＥは、一点鎖線Ｌ２で示される比較例での入口水温ＴＥに比して、排気冷却装置５による冷却水の昇温分だけ早期に上昇するとともに高温の状態に維持される。

そして、冷却水温ＴＨＷが上記第２判定温度Ｔ２を超えると（時刻ｔ１）、ＥＧＲ制御弁１１は開弁状態にされて吸気通路４へのＥＧＲガスの導入が開始される。
第２判定温度Ｔ２を超えた冷却水温ＴＨＷが更に上昇していき、上記第１判定温度Ｔ１を超えると（時刻ｔ２）、上記暖機完了モードが実行される。ここで、時刻ｔ２においては、それまで４方弁２２の弁体が最小開度に設定されていたため、上記ステップＳ１２０での処理にて説明したように、４方弁２２の弁体は、最小開度から最大開度に向けて徐々に増大されていく。こうした、いわば暖機モードから暖機完了モードへの移行過程では、４方弁２２の弁体の開度が徐々に増大されていくため、ＥＧＲクーラー１２に供給される冷却水の量については、排気冷却装置５にて昇温された冷却水の量は減少していく一方、排気冷却装置５にて昇温されていない冷却水の量は増大していく。すなわち、排気冷却装置５を通過した冷却水のＥＧＲクーラー１２への導入量と、排気冷却装置５を通過しない冷却水のＥＧＲクーラー１２への導入量との比率が徐々に変化するように、４方弁２２の弁体の開度は変更されていく。これにより、ＥＧＲクーラー１２の入口水温ＴＥは徐々に低下していく。

そして、４方弁２２の弁体が最大開度に達することで暖機完了モードへの移行が完了すると（時刻ｔ３）、これ以降、４方弁２２の弁体は最大開度に維持される。
このようにして暖機完了モードへの移行が完了すると、先の図４（ｂ）に示したように、内燃機関１のウォータジャケット出口に直接接続された第２冷却水通路２６を介してのみＥＧＲクーラー１２には冷却水が導入される。そのため、排気冷却装置５を通過していない冷却水、すなわち排気冷却装置５にて昇温されていない冷却水のみがＥＧＲクーラー１２に供給される。従って、時刻ｔ３以降では、実線Ｌ１にて示される本実施形態での入口水温ＴＥは、比較例での入口水温ＴＥとほぼ同じになる。

このようにて本実施形態での入口水温ＴＥは推移することにより、比較例に比して、図５に斜線で示す面積Ｈの分だけ、本実施形態ではＥＧＲクーラー１２を通過するときのＥＧＲガスの受熱量が増大するようになる。

本実施形態のＥＧＲ装置では、上述した暖機モードが実行されることにより次の効果を得ることができる。
まず、ＥＧＲガスの導入に際して暖機モードが実行されているため、排気冷却装置５において排気により昇温された冷却水がＥＧＲクーラー１２に導入されている。従って、内燃機関１の暖機途中においてＥＧＲガスは過冷却されることなく還流され、これにより過冷却されたＥＧＲガスが還流されることによる燃焼の不安定化を抑えることができる。

また、そうしたＥＧＲガスの過冷却を抑えるための熱源が、従来のような燃料消費を伴う燃焼式ヒーターの燃焼熱ではなく、排気の熱となっている。従って、燃費の悪化を招くことなく、ＥＧＲガスの過冷却を抑えることができる。

また、先の図５に示したように、本実施形態の入口水温ＴＥ（実線Ｌ１）は、比較例での入口水温ＴＥ（一点鎖線Ｌ２）に比して早期に上昇するため、本実施形態では、ＥＧＲガスの温度も比較例似比して早期に上昇する。従って、燃焼悪化を招くＥＧＲガスの低温領域をより早期に脱するようになり、比較例よりも早い時期にＥＧＲガスの導入を開始することができる。そのため、ＥＧＲガス導入による上記効果を、暖機中のより早い時期から得ることが可能になる。

また、本実施形態の吸排気系では排気冷却装置５を通過した排気の一部をＥＧＲガスとして取り出すようにしている。従って、排気冷却装置５を通過していない排気をＥＧＲガスとして取り出す場合、あるいは排気冷却装置５を備えていない場合に比べて、本実施形態のＥＧＲ装置では取り出されたＥＧＲガスの温度が低温になっている。したがって、このままでは、内燃機関１の暖機中にＥＧＲガスを還流させた場合、取り出されたＥＧＲガスがＥＧＲクーラー１２を通過することで更に低温化する虞がある。しかし、本実施形態のＥＧＲ装置では、内燃機関１の暖機中において、排気冷却装置５で昇温された冷却水がＥＧＲクーラー１２に導入されるため、排気冷却装置５にて排気から奪われた熱量がＥＧＲクーラー１２にて再度排気に与えられる。したがって、排気冷却装置５を通過した排気の一部をＥＧＲガスとして取り出すようにしている本実施形態のＥＧＲ装置においては、ＥＧＲクーラー１２によるＥＧＲガスの過冷却が抑制される。

他方、本実施形態のＥＧＲ装置では、内燃機関１の暖機が完了すると、暖機モードから上述した暖機完了モードに切り替えられることにより次の効果を得ることができる。
まず、内燃機関１が暖機中であり、冷却水の温度が低いときには、上述したようにＥＧＲガスの過冷却を抑制するべく、ＥＧＲクーラー１２には排気冷却装置５にて昇温された冷却水が導入される。一方、内燃機関１の暖機が完了しており冷却水の温度や排気の温度が高いときにおいて、ＥＧＲクーラー１２に昇温された冷却水が導入されると、ＥＧＲクーラー１２を流れる冷却水とＥＧＲガスとの温度差が小さくなり、両者の間で十分な熱交換がされなくなってしまう。その結果、ＥＧＲクーラー１２を通過したＥＧＲガスは高温状態に維持されて吸気の密度が低下し、機関出力の低下を招く虞がある。

この点、本実施形態では、冷却水温ＴＨＷが上記第１判定温度Ｔ１を超えており、暖機が完了したと判断できる程度に冷却水の温度が高くなっているときには、上記暖機完了モードが実行される。この暖機完了モードでは、排気冷却装置５を通過していない冷却水がＥＧＲクーラー１２に供給される。そのため、暖機完了モードでＥＧＲクーラー１２に供給される冷却水の温度は、暖機モードにて供給される冷却水の温度に比して低温であり、これによりＥＧＲクーラー１２でのＥＧＲガスと冷却水との熱交換が十分に行われる。従って、暖機完了後において排気冷却装置５を通過した冷却水をＥＧＲクーラー１２に導入する場合に比べて、ＥＧＲガスの温度がより低温化され、吸気密度の低下に起因する機関出力の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、暖機モードから暖機完了モードへの切り替えに際して、４方弁２２の弁体の開度が徐々に増大されていくことにより次の効果を得ることができる。
先の図５に二点鎖線Ｌ３にて示すように、時刻ｔ２での暖機モードから暖機完了モードへの切り替えに際して、４方弁２２の弁体の開度が最小開度から最大開度に向けて即座に変更されると、ＥＧＲクーラー１２には排気冷却装置５で昇温されていない冷却水が一気に導入される。そのため、同図５の二点鎖線Ｌ４に示すように、入口水温ＴＥは急激に低くなってしまう。こうした場合には、冷却水の急激な温度変化によりＥＧＲクーラー１２が損傷してしまう虞がある。この点、本実施形態では４方弁２２の弁体の開度が徐々に変更されていくため、ＥＧＲクーラー１２に供給される冷却水は、排気冷却装置５を通過して昇温された冷却水から、排気冷却装置５を通過していない冷却水へと徐々に切り替えられていく。したがって、ＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水の流れの切り替えに際しては、ＥＧＲクーラー１２の入口水温ＴＥは徐々に低下していく。そのため、ＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水の急激な温度変化による同ＥＧＲクーラー１２の損傷を抑制することができる。

また、本実施形態では、排気と冷却水との熱交換を上記排気冷却装置５によって行うようにしている。この排気冷却装置５では、排気通路を構成する管部５ａの周囲に冷却水が流されることで排気の冷却と冷却水の昇温とが行われる。従って、従来のように発熱構造の必要な燃焼式ヒーター設ける場合と比較して、より簡易な構成にてＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水を昇温させることができるようになり、例えば部品点数の削減等を図ることも可能になる。

ちなみに、内燃機関１から排出された排気の温度は、排気下流側に向かうにつれて低下していく傾向がある。この点、本実施形態では、内燃機関の排気系にあって上流側となる内燃機関１の排気ポートに排気冷却装置５を接続するようにしている。従って、こうした排気ポートよりも下流側に排気冷却装置５を設ける場合と比較して、より高温状態になっている排気と低温の冷却水とを熱交換させることができる。従って、暖機モードにおける冷却水の昇温を効果的に行うこともできる。

以上説明したように、本実施形態のＥＧＲ装置によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）ＥＧＲガス還流通路１０と、内燃機関１を通じて冷却水が循環される冷却水通路上に設けられてＥＧＲガスとの間で熱交換を行うＥＧＲクーラー１２と、冷却水通路上の内燃機関１とＥＧＲクーラー１２との間に設けられて、内燃機関１の排気と冷却水との間で熱交換を行う排気冷却装置５（熱交換器）と備えるようにしている。

従って、ＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水は、排気冷却装置５にて排気と熱交換されることによって昇温された後、ＥＧＲクーラー１２に至る。すなわち、冷却水は、従来の燃焼式ヒーターのような特別に燃料を消費する手段によって昇温されるのではなく、排気の熱を利用して昇温される。その結果、燃費の悪化を招くことなく、ＥＧＲクーラー１２によってＥＧＲガスが過冷却されることを抑制することができる。

（２）内燃機関１の冷却水の温度が低いときには、排気冷却装置５を通過した冷却水をＥＧＲクーラー１２に導入し、内燃機関１の冷却水の温度が高いときには、排気冷却装置５を通過しない冷却水をＥＧＲクーラー１２に導入するように冷却水通路における冷却水の流れを切り替える切り替え手段、より具体的には上記４方弁２２を備えるようにしている。したがって、ＥＧＲクーラー１２によるＥＧＲガスの冷却を適切に行うことができる。

（３）冷却水の流れを切り替えるときには４方弁２２の開度を徐々に変化させるようにしている。そのため、排気冷却装置５を通過してＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水と、排気冷却装置５を通過しないでＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水との間に温度差がある場合であっても、ＥＧＲクーラー１２に導入されるこれらの冷却水の切替が、４方弁２２の開度調節によって徐々に行われる。従って、ＥＧＲクーラー１２内の冷却水の急激な温度変化を抑えることができ、例えば急激な温度変化によるによるＥＧＲクーラー１２の損傷等を抑制することができる。

（４）排気冷却装置５には、内燃機関１の排気通路の一部を構成する管部５ａが設けられており、この管部５ａの周囲に冷却水を流すことで排気の冷却を行うようにしている。従って、ＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水は、排気冷却用に設置された排気冷却装置５において、排気の熱を利用して昇温される。そのため、従来のように発熱構造の必要な燃焼式ヒーターを設ける場合と比較して、より簡易な構成にてＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水を昇温させることができるようになり、例えば部品点数の削減等を図ることも可能になる。

（５）排気冷却装置５を排気ポートに接続するようにしている。従って、冷却水を効果的に昇温させることができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。

・４方弁２２の弁体が最大開度に設定されることで暖機モードにおける冷却水の流れが具現化され、４方弁２２の弁体が最小開度に設定されることで暖機完了モードにおける冷却水の流れが具現化されるようにしてもよい。

・暖機モードから暖機完了モードへの移行過程において、４方弁２２の弁体の開度を徐々に変更するようにしたが、先の図５に二点鎖線Ｌ３にて示したように、即座に変更するようにしてもよい。この場合でも、上記（１）、（２）、（４）、及び（５）に記載の効果を得ることができる。

・上記第１判定温度Ｔ１と冷却水温ＴＨＷとを比較することで冷却水温ＴＨＷが低いか高いかを判断するようにした。この他、第１判定温度Ｔ１よりも高い値に設定された判定温度Ｔ０を予め設定しておく。そして、冷却水温ＴＨＷが第１判定温度Ｔ１以下である場合には、冷却水温ＴＨＷは低いと判断して上記暖機モードを実行し、冷却水温ＴＨＷが判定温度Ｔ０を超えている場合には、冷却水温ＴＨＷは高いと判断して上記暖機完了モードを実行するようにしてもよい。なお、この場合において、冷却水温ＴＨＷが第１判定温度Ｔ１と判定温度Ｔ０との間にあるときには、排気冷却装置５を通過した冷却水と排気冷却装置５を通過しない冷却水とがともに予め定められた比率にてＥＧＲクーラー１２に導入されるように、４方弁２２の開度を中間開度に維持するようにしてもよい。

・冷却水の流れを切り替える切り替え手段として４方弁２２を用いたが、この他の切り替え手段を用いるようにしてもよい。例えば、図６に示すように、２方弁７０及び３方弁８０を用いるようにしてもよい。この変形例でも、２方弁７０及び３方弁８０は、弁体の開度を調整可能な電磁弁で構成されており、弁体の開度は電子制御装置８によってデューティ制御される。また、この変形例では、３方弁８０の入口ポート８０ａに上記第１冷却水通路２５が接続されており、３方弁８０の第１出口ポート８０ｂに上記第３冷却水通路２７が接続されており、３方弁８０の第２出口ポート８０ｃに上記第７冷却水通路２９が接続されている。そして、上記第２冷却水通路２６の途中に上記第２冷却水通路２６が接続されており、その第２冷却水通路２６の途中には、上記２方弁７０が設けられている。

そして、冷却水温ＴＨＷが上記第１判定温度Ｔ１以下であり、冷却水の温度が低いと判定されるときには、図６（ａ）に示すように、第２冷却水通路２６内の冷却水の流れが遮断されるように２方弁７０は閉弁される。そして、３方弁８０については、入口ポート８０ａと第２出口ポート８０ｃとが連通し、第１出口ポート８０ｂが閉塞されるように弁体の開度が調整されて、排気冷却装置５を通過した冷却水がＥＧＲクーラー１２に導入される。これにより、上記実施形態における暖機モードと同一の態様にて冷却水がＥＧＲクーラー１２に供給される。

一方、冷却水温ＴＨＷが上記第１判定温度Ｔ１を超えており、内燃機関１の冷却水温度が高いと判定されるときには、図６（ｂ）に示すように、第２冷却水通路２６内を冷却水が流れるように２方弁７０は開弁される。そして、３方弁８０については、入口ポート８０ａと第１出口ポート８０ｂが連通し、第２出口ポート８０ｃが閉塞されるように弁体の開度が調整されて、排気冷却装置５を通過しない冷却水がＥＧＲクーラー１２に導入される。これにより、上記実施形態における暖機完了モードと同一の態様にて冷却水がＥＧＲクーラー１２に供給される。

こうした変形例でも上記（１）、（２）、（４）、及び（５）に記載の効果を得ることができる。また、２方弁７０及び３方弁８０の弁体の開度を変更する際に、その開度を徐々に変更することにより、上記（３）に記載の効果を得ることもできる。

・上記実施形態及びその変形例では、デューティ制御によって弁体の開度を調整するようにしたが、その他の方法で開度を調整するようにしてもよい。例えば、電気的な制御ではなく、機械的機構（例えばばね及びダンパを利用した弁体作動速度の調整や、バイメタルあるいは形状記憶合金など利用した弁体の開度調整など）により徐々に開度が変更されるようにしてもよい。

・また、上記実施形態における４方弁２２や、変形例における２方弁７０及び３方弁８０は電磁弁であったが、これらを温感式の弁（例えばサーモスタットなど）にすることも可能である。この場合には、冷却水温ＴＨＷが上記第１判定温度Ｔ１となったときに、機械的弁の開弁状態が徐々に変更されるように当該機械的弁の特性を調整しておけばよい。

・排気冷却装置５を排気ポートに接続するようにした。この他、排気ポートよりもさらに下流側の排気通路に排気冷却装置５を設けるようにしてもよい。
・ＥＧＲガス還流通路１０を、排気冷却装置５の管部５ａから分岐された通路にて構成するようにしてもよい。この場合には、排気通路６とＥＧＲガス還流通路１０との分岐部が排気冷却装置５に一体化されることにより、排気系の省スペース化を図ることができる。

・上記実施形態及びその変形例では、内燃機関１の排気通路を流れる排気と冷却水との間で熱交換を行う熱交換器は、内燃機関１の排気通路の周囲に冷却水を流すことで排気の冷却を行う上記排気冷却装置５であった。しかし、熱交換器は同排気冷却装置５に限られるものではなく、要は排気と冷却水との間で熱交換を行う熱交換器であれば、適宜変更して実施することができる。

・４方弁２２の開度を徐々に変化させることで、排気冷却装置５を通過した冷却水のＥＧＲクーラー１２への導入量と排気冷却装置５を通過しない冷却水のＥＧＲクーラー１２への導入量との比率が徐々に変化するようにした。しかし、各導入量の比率の徐変を必ずしも４方弁２２の開度変更によって行う必要はなく、他の方法にて適宜行うようにしてもよい。この場合でも、排気冷却装置５を通過してＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水と、排気冷却装置５を通過しないでＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水との間に温度差があるときに、ＥＧＲクーラー１２に導入されるこれらの冷却水の切替が徐々に行われることにより、ＥＧＲクーラー１２内の冷却水の急激な温度変化を抑えることができる。従って、例えば急激な温度変化によるＥＧＲクーラー１２の損傷等を抑制することができる。

・内燃機関１の冷却水の温度が低いときには、排気冷却装置５を通過した冷却水をＥＧＲクーラー１２に導入し、同冷却水の温度が高いときには、排気冷却装置５を通過しない冷却水をＥＧＲクーラー１２に導入するように冷却水通路における冷却水の流れを切り替えるようにしたが、こうした切り替えを行わないようにしてもよい。より詳細には、冷却水の温度によらず、排気冷却装置５を通過した冷却水が常にＥＧＲクーラー１２に導入されるようにしてもよい。こうした変形例は、図７に示すように、先の図２で示した４方弁２２、第２冷却水通路２６、第７冷却水通路２９、及び第８冷却水通路３０を省略する。そして、第１冷却水通路２５をＥＧＲクーラー１２の入口ポートに接続するとともに、第３冷却水通路２７をＥＧＲクーラー１２の出口ポートに接続することにおり実施することができる。この変形例でも、ＥＧＲクーラー１２に導入される冷却水は、排気冷却装置５にて排気と熱交換されることによって昇温された後、ＥＧＲクーラー１２に至る。従って、上記（１）に記載の効果を得ることができる。

・上記実施形態では、本発明をガソリンエンジンに適用したが、ディーゼルエンジンにも同様に適用することができる。

１…内燃機関、２…サージタンク、３…スロットルバルブ、４…吸気通路、５…排気冷却装置、５ａ…管部、５ｂ…水冷部、６…排気通路、７…触媒、８…電子制御装置、１０…ＥＧＲガス還流通路、１１…ＥＧＲ制御弁、１２…ＥＧＲクーラー、２１…ウォーターポンプ、２２…４方弁、２２ａ…（４方弁の）第１入口ポート、２２ｂ…（４方弁の）第２入口ポート、２２ｃ…（４方弁の）第１出口ポート、２２ｄ…（４方弁の）第２出口ポート、２５…第１冷却水通路、２６…第２冷却水通路、２７…第３冷却水通路、２８…第４冷却水通路、２９…第７冷却水通路、３０…第８冷却水通路、２０…サーモスタット、４０ａ…（サーモスタットの）入口ポート、４０ｂ…（サーモスタットの）ラジエータ側ポート、４０ｃ…（サーモスタットの）バイパス側ポート、４１…第５冷却水通路、４２…ラジエータ、４３…第６冷却水通通路、６０…エアフロメータ、６１…クランクポジションセンサ、６２…水温センサ、７０…２方弁、８０…３方弁、８０ａ…（３方弁の）入口ポート、８０ｂ…（３方弁の）第１出口ポート、８０ｃ…（３方弁の）第２出口ポート。

Claims (5)

1. 排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路へと還流するＥＧＲガス還流通路と、
   内燃機関を通じて冷却水が循環される冷却水通路上に設けられて、同通路を流れる冷却水と前記ＥＧＲガスとの間で熱交換を行うＥＧＲクーラーと、
   前記冷却水通路上の前記内燃機関と前記ＥＧＲクーラーとの間に設けられて、前記内燃機関の排気通路を流れる排気と前記冷却水との間で熱交換を行う熱交換器と、
   を有する内燃機関の排気還流装置。
2. 請求項１に記載の排気還流装置において、
   前記内燃機関の前記冷却水の温度が低いときには、前記熱交換器を通過した前記冷却水を前記ＥＧＲクーラーに導入し、前記内燃機関の前記冷却水の温度が高いときには、前記熱交換器を通過しない前記冷却水を前記ＥＧＲクーラーに導入するように前記冷却水通路における前記冷却水の流れを切り替える切替手段を備える
   ことを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
3. 前記切替手段は、前記熱交換器を通過した前記冷却水の前記ＥＧＲクーラーへの導入と前記熱交換器を通過しない前記冷却水の前記ＥＧＲクーラーへの導入との切り替えに際して、前記熱交換器を通過した前記冷却水の前記ＥＧＲクーラーへの導入量と前記熱交換器を通過しない前記冷却水の前記ＥＧＲクーラーへの導入量との比率を徐々に変化させるように構成されてなる
   請求項２に記載の内燃機関の排気還流装置。
4. 前記切替手段は、前記冷却水通路における前記冷却水の流れを開度調節を通じて切り替える切替弁からなり、前記冷却水の流れを切り替えるときには前記切替弁の開度は徐々に変化されてなる
   請求項２に記載の内燃機関の排気還流装置。
5. 前記熱交換器は、前記排気通路の周囲に前記冷却水を流すことで排気の冷却を行う排気冷却装置である請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気還流装置。

Images