JP2015222049A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成にて、排気ガスを効果的に冷却し、冷却した排気ガスを確実に排気浄化触媒に供給することができる内燃機関の排気装置を提供する。
【解決手段】エンジンシステム１００に適用される内燃機関の排気装置は、排気ガスを吸気通路１０に還流させるＥＧＲ通路７１と、ＥＧＲ通路７１上に設けられたＥＧＲクーラ７２と、ＥＧＲ通路７１が接続された箇所よりも下流側の排気通路５上に設けられた排気浄化触媒６と、一端が、ＥＧＲクーラ７２が設けられた箇所よりも下流側のＥＧＲ通路７１、又はＥＧＲクーラ７２に接続され、且つ、他端が、ＥＧＲ通路７１が接続された箇所よりも上流側の排気通路５に接続されて、ＥＧＲクーラ７２によって冷却された排気ガスを、ＥＧＲ通路７１が接続された箇所よりも上流側の排気通路５に供給する冷却排気ガス供給通路７５と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気装置に係わり、特に、内燃機関から排出された排気ガスを処理する内燃機関の排気装置に関する。

従来から、車両等に適用される内燃機関の排気通路上には、燃焼により発生した排気ガスの浄化機能を有する、三元触媒や酸化触媒やリーンＮＯｘトラップ触媒などの排気浄化触媒が設けられている。排気浄化触媒は、内燃機関の高負荷運転時などにおいて生じる高温の排気ガスにより劣化する可能性があり、そのような排気浄化触媒の熱劣化を抑制することが望ましい。ある。また、排気浄化触媒には、最適な浄化機能が発揮される温度範囲（以下では「最適温度範囲」と呼ぶ。）があり、排気浄化触媒の温度を最適温度範囲に維持することが望ましい。

排気浄化触媒の熱劣化を抑制したり、排気浄化触媒の温度を最適温度範囲に維持したりするために、低温のガスを排気浄化触媒に供給する技術が知られている。例えば、特許文献１には、排気浄化触媒の上流側の排気通路上に設けられた冷却装置によって排気ガスを冷却し、この排気ガスを排気浄化触媒に供給する機構と、吸気通路上に設けられたインタークーラによって冷却された吸気を排気浄化触媒に供給する機構とが開示されている。

特開２００５−３６７７０号公報

特許文献１に記載された、インタークーラによって冷却された吸気を排気浄化触媒に供給する機構では、吸気系から排気系まで延びる比較的長い通路を用いるため、スペース上の制限から、この通路のレイアウトが困難である。また、特許文献１に記載された、排気浄化触媒の上流側の排気通路上に設けられた冷却装置によって冷却された排気ガスを排気浄化触媒に供給する機構では、内燃機関の運転条件によっては、冷却装置に供給するための排気ガスを取り込む排気通路上の箇所や、冷却装置を通過した排気ガスが供給される排気通路上の箇所の圧力が高いために、冷却装置に排気ガスを供給できなかったり、冷却装置を通過した排気ガスを排気通路に供給できなかったりする場合がある。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、簡易な構成にて、排気ガスを効果的に冷却し、冷却した排気ガスを確実に排気浄化触媒に供給することができる内燃機関の排気装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、内燃機関から排出された排気ガスを処理する内燃機関の排気装置であって、一端が排気通路に接続され、且つ他端が吸気通路に接続されて、排気ガスを吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路上に設けられ、通過する排気ガスを冷却する冷却手段と、排気通路のＥＧＲ通路が接続された箇所よりも下流側に設けられた、排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、一端が、ＥＧＲ通路の冷却手段が設けられた箇所又はその下流側に接続され、且つ、他端が、排気通路のＥＧＲ通路が接続された箇所よりも上流側に接続されて、冷却手段によって冷却された排気ガスを、排気通路のＥＧＲ通路が接続された箇所よりも上流側に供給する冷却排気ガス供給通路と、を有することを特徴とする。
このように構成された本発明においては、冷却手段が設けられた箇所よりも下流側のＥＧＲ通路又は冷却手段に一端が接続され、且つＥＧＲ通路が接続された箇所よりも上流側の排気通路に他端が接続された冷却排気ガス供給通路を用いるので、冷却手段によって冷却された排気ガスを、冷却排気ガス供給通路から排気通路を介して排気浄化触媒に供給することができる。また、本発明によれば、ＥＧＲ通路から排気ガスを取り込み、この排気ガスを取り込む箇所（つまりＥＧＲ通路が接続された箇所）よりも上流側の排気通路に、ＥＧＲ通路から取り込んだ排気ガスを冷却排気ガス供給通路から供給するので、ＥＧＲ通路、冷却排気ガス供給通路及び排気通路において排気ガスを循環させることができる。これにより、排気ガスを冷却手段に複数回循環させることができ、排気ガスを大きく冷却することができる。したがって、本発明によれば、排気ガスを効果的に冷却することができる。そして、このようにして冷却された排気ガスを排気浄化触媒に供給することで、排気浄化触媒を効果的に冷却することができる。よって、排気浄化触媒の熱劣化を適切に抑制したり、排気浄化触媒の温度を最適温度範囲に適切に維持したりすることが可能となる。
また、本発明によれば、特許文献１に記載されたようなインタークーラによって冷却された吸気を排気浄化触媒に供給する機構と比較して、吸気系から排気系まで延びる長い通路を用いることなく、既存のＥＧＲシステムに対して接続された、排気系の中に収まる冷却排気ガス供給通路を用いるので、簡易な構成を実現することができる。具体的には、スペース上の制限を受けることなく、冷却排気ガス供給通路を容易に配置することができる。

本発明において、好ましくは、冷却排気ガス供給通路が接続された排気通路の部分は、ＥＧＲ通路が接続された排気通路の部分よりも、排気ガスの圧力が低くなるように構成されている。
このように構成された本発明においては、排気通路における冷却排気ガス供給通路の接続箇所と排気通路におけるＥＧＲ通路の接続箇所との間に差圧が生じているので、この差圧を利用して、ＥＧＲ通路から取り込んだ排気ガスを冷却排気ガス供給通路から排気通路へと適切に導入することができる。

本発明において、好ましくは、冷却排気ガス供給通路が接続された排気通路の部分は、通過する排気ガスの速度を上昇させて、この排気ガスの圧力を低下させることにより、負圧によるエゼクタ効果を生じさせるように構成されている。
このように構成された本発明においては、冷却排気ガス供給通路が接続された排気通路の部分に負圧によるエゼクタ効果が生じているので、このエゼクタ効果を利用して、冷却排気ガス供給通路内の排気ガスを排気通路へ適切に引き込むことができる。

本発明において、好ましくは、内燃機関は、複数の気筒を有し、冷却排気ガス供給通路は、この複数の気筒の排気ポートから延びる複数の排気通路が集合し、ベンチュリ構造を有する排気通路の部分に接続される。
このように構成された本発明においては、ベンチュリ構造が適用された複数の排気通路の集合部分に、冷却排気ガス供給通路を接続するので、冷却排気ガス供給通路に対して負圧によるエゼクタ効果を適切に作用させることができる。

本発明において、好ましくは、更に、排気浄化触媒の温度又は排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、冷却排気ガス供給通路上に設けられ、この冷却排気ガス供給通路を通過する排気ガスを制御する制御バルブと、温度検出手段が検出した温度が所定温度以上である場合にのみ、冷却手段によって冷却された排気ガスを冷却排気ガス供給通路を介して排気通路に供給するように、制御バルブを制御する制御手段と、を有する。
このように構成された本発明においては、温度検出手段が検出した温度が所定温度以上である場合にのみ、冷却排気ガス供給通路から排気通路に排気ガスを供給するように制御バルブを制御するので、つまり、温度検出手段が検出した温度が所定温度未満である場合には、冷却排気ガス供給通路から排気通路に排気ガスを供給しないように制御バルブを制御するので、冷却手段によって冷却された排気ガスが冷却排気ガス供給通路から排気通路に無駄に供給されることを抑制することができる。具体的には、排気浄化触媒の温度を低下させるべきでない状況において、冷却手段によって冷却された排気ガスが冷却排気ガス供給通路を介して排気浄化触媒に供給されて、排気浄化触媒の温度が低下してしまうことを抑制することができる。

本発明の内燃機関の排気装置によれば、排気ガスを効果的に冷却し、冷却した排気ガスを確実に排気浄化触媒に供給することができる。

本発明の実施形態による内燃機関の排気装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。 図２（Ａ）は、本発明の実施形態による排気系に含まれる独立排気通路、共通排気通路及び集合管の形状をより詳しく示す平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示される部分の斜視図である。 本発明の実施形態による第１独立排気通路から排気ガスが排出されたときの集合管内に発生する圧力分布を示す説明図である。 本発明の実施形態による吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを示す説明図である。 本発明の実施形態による内燃機関の排気装置において生成される負圧を示す説明図であり、上段に、後続気筒の排気ポート内の圧力を測定した結果を排気弁のリフトカーブと合わせて示し、下段に、先行気筒の排気ポート内の圧力を測定した結果を排気弁のリフトカーブと合わせて示す。 本発明の実施形態による内燃機関の排気装置における排気ガスの流れを説明するための排気系の部分拡大図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置を説明する。

図１を参照して、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置の全体構成について説明する。図１は、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。

図１に示すように、本発明の実施形態によるエンジンシステム１００は、主に、シリンダヘッド９及びシリンダブロック（図示せず）を有する、内燃機関としてのエンジン本体１と、エンジンシステム１００全体を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）２と、エンジン本体１に接続された複数の独立吸気通路３と、エンジン本体１に接続された排気通路５と、排気通路５上に設けられた排気浄化触媒６と、を有する。

エンジン本体１は、シリンダヘッド９及びシリンダブロックの内部に、ピストン（図示せず）がそれぞれ嵌挿された複数の気筒１２が形成されている。図１では、シリンダヘッド９及びシリンダブロックの内部に４つの気筒１２が直列に配置された直列４気筒エンジンを、エンジン本体１として例示している。以下では、これら４つの気筒１２のことを、図１の右から順に、「第１気筒１２ａ」、「第２気筒１２ｂ」、「第３気筒１２ｃ」、「第４気筒１２ｄ」と呼ぶ（これらの第１乃至第４気筒１２ａ〜１２ｄを特に区別しない場合には単に「気筒１２」と表記する）。第１気筒１２ａ及び第４気筒１２ｄは、気筒列方向（図１の左右方向）においてエンジン本体１の端部に位置する気筒であり、第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃは、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に位置する気筒である。シリンダヘッド９には、ピストンの上方に区画された燃焼室内に臨むようにそれぞれ点火プラグ１５が設置されている。

エンジン本体１は、４サイクルエンジンであって、各気筒１２ａ〜１２ｄにおいて、１８０°ＣＡずつずれたタイミングで点火プラグ１５による点火が行われて、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各行程がそれぞれ１８０°ＣＡずつずれたタイミングで行われる。本実施形態では、第１気筒１２ａ→第３気筒１２ｃ→第４気筒１２ｄ→第２気筒１２ｂの順に点火が行われ、この順に各行程が実施される。このことから明らかなように、第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃは、点火順序が連続せず、したがって排気順序も連続しない。

エンジン本体１のシリンダヘッド９には、それぞれ燃焼室に向かって開口する２つの吸気ポート１７及び２つの排気ポート１８が設けられている。吸気ポート１７は、各気筒１２内に吸気を導入するためのものである。排気ポート１８は、各気筒１２内から排気ガスを排出するためのものである。各吸気ポート１７には、これら吸気ポート１７を開閉して吸気ポート１７と気筒１２内部とを連通又は遮断するための吸気弁１９が設けられている。各排気ポート１８には、これら排気ポート１８を開閉して排気ポート１８と気筒１２内部とを連通又は遮断するための排気弁２０が設けられている。吸気弁１９は、吸気弁駆動機構３０により駆動されて、所定のタイミングで吸気ポート１７を開閉する。排気弁２０は、排気弁駆動機構４０で駆動されることにより、所定のタイミングで排気ポート１８を開閉する。

吸気弁駆動機構３０は、吸気弁１９に連結された吸気カムシャフト３１と吸気ＶＶＴ３２とを有している。排気弁駆動機構４０は、排気弁２０に連結された排気カムシャフト４１と排気ＶＶＴ４２とを有している。吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト４１は、周知のチェーン及びスプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランクシャフトに連結されており、クランクシャフトの回転に伴い回転して、吸気弁１９及び排気弁２０を開閉駆動する。

吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９及び排気弁２０のバルブタイミングを変更するためのものである。例えば、吸気ＶＶＴ３２は、吸気カムシャフト３１と同軸に配置されてクランクシャフトにより直接駆動される所定の被駆動軸を有し、この被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更する。これにより、クランクシャフトと吸気カムシャフト３１との間の位相差が変更され、吸気弁１９のバルブタイミングが変更される。排気ＶＶＴ４２もこれに準じて同様である。
また、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、ＥＣＵ２から供給される制御信号Ｓ３２、Ｓ４２によって制御される。具体的には、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、ＥＣＵ２で算出された吸気弁１９及び排気弁２０の目標バルブタイミングに基づいて位相差を変更する。本実施形態では、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９及び排気弁２０の開弁期間及びリフト量、つまりバルブプロファイルをそれぞれ一定に保ったまま、吸気弁１９及び排気弁２０の開弁時期及び閉弁時期をそれぞれ変更する。

各気筒１２の吸気ポート１７には、独立吸気通路３が接続されている。独立吸気通路３は、気筒数に対応して４つ設けられている。独立吸気通路３の下流側（つまり気筒側）の端部は２つに分かれ、その下流端が気筒１２の２つの吸気ポート１７に接続されている。他方で、独立吸気通路３の上流側の端部は、サージタンク１１に接続され、このサージタンク１１には１本の吸気通路１０が接続されている。独立吸気通路３及びサージタンク１１には、この吸気通路１０から吸気が供給される。

各気筒１２の排気ポート１８には、独立排気通路５２、５３又は共通排気通路５４が接続されている。つまり、エンジン本体１の排気側には、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３という２つの独立排気通路と、１つの共通排気通路５４とが備えられている。独立排気通路５２、５３の気筒側の端部はそれぞれ２つに分かれ、その上流端が気筒１２の２つの排気ポート１８に接続されている。共通排気通路５４は、上流側部分が第１分岐通路５４ｂ及び第２分岐通路５４ｃという２つの分岐通路に分岐し、各分岐通路５４ｂ、５４ｃの気筒側の端部は２つに分かれ、その上流端が気筒１２の２つの排気ポート１８に接続されている。

次に、更に図１を参照しながら、本発明の実施形態によるエンジンシステム１００の排気系について詳細に説明する。この説明の際に、図２（Ａ）及び（Ｂ）も合わせて参照する。図２（Ａ）は、本発明の実施形態による排気系に含まれる独立排気通路５２、５３、共通排気通路５４及び集合管５６の形状をより詳しく示す平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示される部分の斜視図である。
なお、図１においては、シリンダヘッド９内の排気通路５２、５３、５４の長さが、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示されるものに比べて長く描かれているが、これは、共通排気通路５４の分岐通路５４ｂ、５４ｃを明確に示すためであり、気筒１２は、エンジン本体１の幅方向（図１において上下方向）の略中央部に設けられている。

図１に示すように、本実施形態によるエンジンシステム１００の排気系は、上記した独立排気通路５２、５３及び共通排気通路５４、並びにこの独立排気通路５２、５３及び共通排気通路５４が接続された集合管５６を含む排気通路５と、この排気通路５上に設けられた排気浄化触媒６と、この排気浄化触媒６が設けられた箇所よりも上流側の排気通路５に接続されたＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路７１とを有する。

エンジン本体１における４つの気筒１２のうち、気筒列方向においてエンジン本体１の端部に位置する第１気筒１２ａ及び第４気筒１２ｄの排気ポート１８には、それぞれ第１独立排気通路５２の上流端及び第２独立排気通路５３の上端部が接続されている。他方で、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に位置する第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃの排気ポート１８には、それぞれ共通排気通路５４の第１分岐通路５４ｂの上流端及び第２分岐通路５４ｃの上流端が接続されている。

第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３は、第１気筒１２ａの排気ポート１８及び第４気筒１２ｄの排気ポート１８から集合管５６に向けて下流に延びている。これに対し、共通排気通路５４の第１分岐通路５４ｂ及び第２分岐通路５４ｃは、第２気筒１２ｂの排気ポート１８及び第３気筒１２ｃの排気ポート１８から所定距離だけ下流に延びた後、合流し、単一の合流通路５４ａとなって、集合管５６に向けて下流に延びている。すなわち、共通排気通路５４は、合流通路５４ａ、第１分岐通路５４ｂ、及び第２分岐通路５４ｃを含んでいる。そして、第１分岐通路５４ｂの上流端が第２気筒１２ｂの排気ポート１８に接続され、第２分岐通路５４ｃの上流端が第３気筒１２ｃの排気ポート１８に接続されている。

前述したように、第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃとは、相互に排気順序が連続しない気筒１２同士である。したがって、第２気筒１２ｂから排出された排気ガスと、第３気筒１２ｃから排出された排気ガスとが、共通排気通路５４を連続して流れることはない。
また、２つの独立排気通路５２、５３及び１つの共通排気通路５４は、相互に独立している。つまり、第１気筒１２ａから排出された排気ガスと、第３気筒１２ｃから排出された排気ガスと、第４気筒１２ｄから排出された排気ガスと、第２気筒１２ｂから排出された排気ガスとは、相互に干渉し合うことなく各排気通路５２、５３、５４を通過する。

第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３は、第１気筒１２ａ及び第４気筒１２ｄの排気ポート１８から所定距離だけ下流に延びた後、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に向けて湾曲し、相互に近接する（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）。同様に、共通排気通路５４の第１分岐通路５４ｂ及び第２分岐通路５４ｃは、第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃの排気ポート１８から所定距離だけ下流に延びた後、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に向けて湾曲し、相互に合流して合流通路５４ａとなる（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）。

各排気通路５２、５３、５４の下流端部は、エンジン本体１の外部で、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に対向する位置で相互に束ねられ、これにより、各排気通路５２、５３、５４の下流端は、相互に束ねられた状態で集合管５６の上流端に接続される。集合管５６は、エンジン本体１の外部で、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に対向する位置に配置されている。各排気通路５２、５３、５４を通過した排気ガスは、各排気通路５２、５３、５４の下流端から集合管５６内に噴出し、集合管５６内で集合する。

共通排気通路５４の上流端から下流端までの通路長は、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定されている（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）。また、第１独立排気通路５２、第２独立排気通路５３、及び共通排気通路５４は、例えば排気系のコンパクト化等のために、気筒列方向の一端側から他端側を見たときに、エンジン本体１の外部において、下方に湾曲する湾曲部Ｒが形成されている（図２（Ｂ）参照）。そして、この湾曲部Ｒにおいて、共通排気通路５４は、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３よりも内側に位置している。これは、共通排気通路５４の上流端から下流端までの通路長を、独立排気通路５２、５３の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定するための方策の１つである。

図１に示すように、独立排気通路５２、５３及び共通排気通路５４の上流側部分はシリンダヘッド９内に形成されている。そして、独立排気通路５２、５３及び共通排気通路５４のシリンダヘッド９外の部分（エンジン本体１の外部に露出している部分）及び集合管５６は、所謂、排気マニホールドとして形成されている。特に、本実施形態では、シリンダヘッド９内に形成された部分を含めて、湾曲部Ｒにおいて、共通排気通路５４は、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３よりも内側に位置している（図２（Ｂ）参照）。

また、図１に示すように、排気通路５上の集合管５６は、上流から順に、円筒形状のガス流入部５６ａ、逆円錐台形状の絞り部５６ｂ、円筒形状のストレート部５６ｃ、円錐台形状のディフューザー部５６ｄ、及び円筒形状のガス排出部５６ｅを有する。

各排気通路５２、５３、５４及び集合管５６は、各排気通路５２、５３、５４の下流端から排気ガスが高速で集合管５６内に噴出し、これにより集合管５６内に負圧が発生するようなベンチュリ構造が適用されている。さらに、集合管５６は、各排気通路５２、５３、５４の下流端から排気ガスが高速で集合管５６内に噴出し、これにより低下した排気ガスの圧力及び温度が集合管５６の下流側部分（例えばディフューザー部５６ｄ）において再び上昇、つまり回復するような形状を有している。

各排気通路５２、５３、５４の下流側部分は、各排気通路５２、５３、５４の下流端から排気ガスが高速で集合管５６内に噴出するように、流路面積（断面積のこと。以下同様とする。）が下流ほど小さくなる先細り形状に形成されている（図２（Ａ）参照）。また、排気通路５２、５３、５４は、下流端で束ねられて、集合管５６のガス流入部５６ａに接続される。

集合管５６の絞り部５６ｂは、各排気通路５２、５３、５４の下流端から集合管５６内に噴出した排気ガスが高い流速を維持したまま下流に流れるように、流路面積が下流ほど小さくなる逆円錐台形状に形成されている。この絞り部５６ｂの下流端の流路面積は、集合管５６の最小流路面積である。また、集合管５６のストレート部５６ｃは、絞り部５６ｂから流入した排気ガスの流速が維持されるように、最小流路面積を保って下流に延びる円筒形状に形成されている。
このような集合管５６の上流側部分の形状（つまりベンチュリ構造を有する形状）により、各排気通路５２、５３、５４の下流端から高速で集合管５６内に噴出した排気ガスは、高速を維持したまま絞り部５６ｂを通過し、高速を維持したままストレート部５６ｃに流入し、この排気ガスの周囲に大きい負圧が発生する。この負圧によりエゼクタ効果が得られる。

集合管５６のディフューザー部５６ｄは、集合管５６の上流側部分において低下した排気ガスの圧力及び温度が再び上昇、つまり回復するように、流路面積が下流ほど大きくなる円錐台形状に形成されている。また、集合管５６のガス排出部５６ｅは、集合管５６が排気浄化触媒６に接続し、排気ガスが排気浄化触媒６へと排出される部分であり、流路面積が一定の円筒形状に形成されている。このガス排出部５６ｅの下流端に排気浄化触媒６が接続され、集合管５６を通過した排気ガスは排気浄化触媒６に流入する。

排気浄化触媒６は、例えば三元触媒や酸化触媒やリーンＮＯｘトラップ触媒などを有しており、エンジン本体１から排出された排気ガスを浄化するための装置である。排気浄化触媒６には、排気浄化触媒６の温度（触媒の床温に相当する）を検出する温度センサ８１が設けられている。温度センサ８１は、検出した排気浄化触媒６の温度に対応する検出信号Ｓ８１をＥＣＵ２に供給する。
なお、排気浄化触媒６は、厳密に言うと、上記したような三元触媒や酸化触媒やリーンＮＯｘトラップ触媒などの触媒本体、及びこの触媒本体を収容するケーシングなどを有するものであるが、これらを含めて排気浄化触媒６と呼んでいる。

排気浄化触媒６の上流側の排気通路５には、排気ガスを吸気通路１０に還流させるＥＧＲ通路７１が接続されている。具体的には、ＥＧＲ通路７１は、一端が、排気浄化触媒６の上流側の排気通路５、詳しくは集合管５６のガス排出部５６ｅに接続され、且つ、他端が、吸気通路１０に接続されている。また、ＥＧＲ通路７１上には、このＥＧＲ通路７１を通過する排気ガスを冷却する冷却手段としてのＥＧＲクーラ７２と、このＥＧＲ通路７１を通過する排気ガスを制御するＥＧＲバルブ７３とが設けられている。ＥＧＲバルブ７３は、ＥＣＵ２から供給される制御信号Ｓ７３によって制御される。

また、ＥＧＲクーラ７２には、このＥＧＲクーラ７２によって冷却された排気ガスを、排気通路５に供給する冷却排気ガス供給通路７５が接続されている。具体的には、冷却排気ガス供給通路７５は、一端がＥＧＲクーラ７２に接続され、且つ、他端が、ＥＧＲ通路７１が接続された箇所よりも上流側の排気通路５、詳しくは集合管５６のガス流入部５６ａに接続されている。冷却排気ガス供給通路７５は、上述したような集合管５６の上流側部分において発生する負圧によるエゼクタ効果を利用して、排気ガスを取り込んだ排気通路５上の箇所（ＥＧＲ通路７１の一端が接続された排気通路５上の箇所）よりも上流側の排気通路５上の箇所に、ＥＧＲクーラ７２によって冷却された排気ガスを供給するように機能する。また、冷却排気ガス供給通路７５上には、この冷却排気ガス供給通路７５を通過する排気ガスを制御する制御バルブ７６が設けられている。制御バルブ７６は、ＥＣＵ２から供給される制御信号Ｓ７６によって制御される。
なお、上記では、冷却排気ガス供給通路７５の一端がＥＧＲクーラ７２に接続されていることを述べたが、これは、冷却排気ガス供給通路７５の一端が、ＥＧＲクーラ７２に設けられたガスが通過する通路（ＥＧＲ通路７１の一部分に相当する）に接続されていることを意味する。

ここで、ＥＣＵ２は、エンジンシステム１００全体の制御を行う。本実施形態においては、ＥＣＵ２は、主に、温度センサ８１が検出した排気浄化触媒６の温度（検出信号Ｓ８１に対応する）に基づいて、冷却排気ガス供給通路７５上に設けられた制御バルブ７６に制御信号Ｓ７６を供給して、この制御バルブ７６を制御する。具体的には、ＥＣＵ２は、排気浄化触媒６の温度が所定温度以上である場合に、ＥＧＲクーラ７２によって冷却された排気ガスを冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５に供給するように、制御バルブ７６を制御する。この場合、ＥＣＵ２は、ＥＧＲバルブ７３を閉にした状態で、制御バルブ７６を開く制御を行う。詳しくは、ＥＣＵ２は、排気浄化触媒６の温度と所定温度との差が大きいほど、排気浄化触媒６の温度を速やかに低下させるべく、冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５に供給する排気ガスの量が多くなるように、制御バルブ７６の開度を大きくする制御を行う。他方で、ＥＣＵ２は、温度センサ８１が検出した排気浄化触媒６の温度が所定温度未満である場合には、制御バルブ７６を閉じて、冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５に排気ガスを供給しないようにする。

１つの例では、上記した所定温度として、排気浄化触媒６の熱劣化が生じる可能性のある温度が用いられる。そのような所定温度を用いた場合、ＥＣＵ２は、排気浄化触媒６の温度が所定温度以上である場合に、排気浄化触媒６の熱劣化を抑制すべく、ＥＧＲクーラ７２によって冷却された排気ガスを冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５に供給するように、制御バルブ７６を開く制御する。他方で、ＥＣＵ２は、排気浄化触媒６の温度が所定温度未満である場合には、排気浄化触媒６の熱劣化を抑制する必要はないものと判断して、冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５に排気ガスを供給しないように制御バルブ７６を閉じる。

他の例では、上記した所定温度として、排気浄化触媒６の最適な浄化機能が発揮される温度範囲（最適温度範囲）における上限温度に応じた温度が用いられる。そのような所定温度を用いた場合、ＥＣＵ２は、排気浄化触媒６の温度が所定温度以上である場合に、ＥＧＲクーラ７２によって冷却された排気ガスを冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５に供給して、排気浄化触媒６の温度を上限温度未満にまで低下させるように、制御バルブ７６を開く制御する。他方で、ＥＣＵ２は、排気浄化触媒６の温度が所定温度未満である場合には、排気浄化触媒６の温度を低下させる必要はないものと判断して、冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５に排気ガスを供給しないように制御バルブ７６を閉じる。

このように、ＥＣＵ２は、本発明における「制御手段」の一例に相当する。また、温度センサ８１は、本発明における「温度検出手段」の一例に相当する。

なお、ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＣＰＵ上で解釈実行される各種のプログラム（ＯＳなどの基本制御プログラムや、ＯＳ上で起動され特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む）、及びプログラムや各種のデータを格納するためのＲＯＭやＲＡＭの如き内部メモリを備えるコンピュータにより構成される。

以下では、図３乃至図６を参照しながら、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置の作用などについて説明する。

まず、図３を参照して、本発明の実施形態において集合管５６の上流側部分に発生する負圧によるエゼクタ効果について説明する。

図３は、集合管５６において、任意の気筒１２から排気ガスが排出されたときの圧力分布を調べた結果を示している。具体的には、図３は、２つの独立排気通路５２、５３及び１つの共通排気通路５４のうちで第１独立排気通路５２を選択し、対応する第１気筒１２ａの排気弁２０の開弁開始後にこの気筒１２ａから高圧高速のガス（いわゆるブローダウンガス）が独立排気通路５２を通って集合管５６内に排出されたときの集合管５６内の圧力分布を示している。なお、図３では、色の濃さにより圧力の高低を示している（色が濃いほど圧力が低いものとする）。また、図３では、説明の便宜上、ＥＧＲ通路７１や冷却排気ガス供給通路７５などの図示を省略している。

図３に示すように、独立排気通路５２の先細り形状の下流側部分から下流に向かって圧力が徐々に低下し、排気ガスが噴出する独立排気通路５２の下流端から集合管５６のガス流入部５６ａ及び絞り部５６ｂに渡って圧力が大きく低下し、大きな負圧が生じている。これにより、エゼクタ効果が得られる。したがって、上記した冷却排気ガス供給通路７５を集合管５６のガス流入部５６ａに接続すると（図１参照）、このエゼクタ効果により、冷却排気ガス供給通路７５内の排気ガスがガス流入部５６ａへと引き込まれることとなる。

他方で、ストレート部５６ｃから下流に向かって圧力が徐々に上昇し、ディフューザー部５６ｄから排気ガスが排気浄化触媒６に排出されるガス排出部５６ｅに渡って圧力が十分に回復している、つまり負圧はかなり小さくなっている。そのため、排気通路５における下流側の箇所（具体的にはＥＧＲ通路７１の一端が接続されたガス排出部５６ｅの箇所）と、排気通路５における上流側の箇所（具体的には冷却排気ガス供給通路７５の一端が接続されたガス流入部５６ａの箇所）とで、比較的大きな差圧が生じる。したがって、ＥＧＲ通路７１の一端が接続されたガス排出部５６ｅの箇所から排気ガスを適切に取り込み、この排気ガスを、冷却排気ガス供給通路７５の一端が接続されたガス流入部５６ａの箇所へと適切に導入することが可能となる。

次に、図４を参照して、本発明の実施形態による吸気弁１９及び排気弁２０のバルブタイミングについて説明する。

図４は、本発明の実施形態による吸気弁１９及び排気弁２０のバルブタイミングの説明図である。図４は、横軸にクランク角度を示し、縦軸に吸気弁１９及び排気弁２０のバルブタイミングを示している。また、図４は、上から順に、第１気筒１２ａ、第２気筒１２ｂ、第３気筒１２ｃ、第４気筒１２ｄにおけるバルブタイミングを示している。上述したように、第１気筒１２ａ→第３気筒１２ｃ→第４気筒１２ｄ→第２気筒１２ｂの順に点火が行われ、この順に各行程が実施される。

吸気弁１９及び排気弁２０のバルブタイミングは、ＥＣＵ２により設定された運転条件に応じた目標バルブタイミングとなるように、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２を介してＥＣＵ２によって制御される。本実施形態では、図４に示すように、排気弁２０の開弁期間と吸気弁１９の開弁期間とが吸気上死点を挟んでオーバーラップし、且つ、後続気筒（排気順序が連続する２つの気筒のうちの排気順序が後続する気筒）１２の排気弁２０が先行気筒（排気順序が連続する２つの気筒のうちの排気順序が先行する気筒）１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に開弁を開始するように、吸気弁１９及び排気弁２０の目標バルブタイミングが設定される。

具体的には、第１気筒１２ａの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第３気筒１２ｃの排気弁２０が開弁し、第３気筒１２ｃの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第４気筒１２ｄの排気弁２０が開弁し、第４気筒１２ｄの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第２気筒１２ｂの排気弁２０が開弁し、第２気筒１２ｂの吸気弁１９と排気弁２０とがオーバーラップしている期間中に第１気筒１２ａの排気弁２０が開弁するように、吸気弁１９及び排気弁２０の目標バルブタイミングが設定されている。これにより、エゼクタ効果が増大し、先行気筒１２の排気ポート１８内の圧力はより一層低下する。

次に、図５を参照して、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置において生成される負圧について説明する。図５は、排気順序が連続する任意の先行気筒１２（図の下段）及び後続気筒１２（図の上段）の排気ポート１８内の圧力を測定した結果を、排気弁２０のリフトカーブすなわちバルブリフトと合わせて示す。

図５に示すように、後続気筒１２の排気弁２０の開弁開始直後（クランク角＝ＣＡ＿１）に、この後続気筒１２から非常に高い圧力（圧力＝Ｐ＿ｍａｘ）及び高い速度のブローダウンガスが排出される。その直後（クランク角＝ＣＡ＿２付近）に、先行気筒１２の排気ポート１８内の圧力が比較的大きな負圧（Ｐ＿ｍｉｎ）となっている。したがって、本実施形態によれば、上述した冷却排気ガス供給通路７５内の排気ガスを排気通路５に確実に引き込むことができる負圧が発生することが確認された。

次に、図６を参照して、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置の作用効果について具体的に説明する。図６は、図１に示した本発明の実施形態による内燃機関の排気装置における排気系の一部分を拡大して示した図である。

図６に示すように、本実施形態によれば、排気通路５２、５３、５４が集合する集合管５６の上流側部分に負圧を発生させることで（図３参照）、この負圧によるエゼクタ効果によって、排気通路５における下流側の箇所（ＥＧＲ通路７１の一端が接続された箇所）から排気ガスを取り込んで（矢印Ａ１参照）、この排気ガスをＥＧＲクーラ７２に通過させて冷却し（矢印Ａ２参照）、この冷却された排気ガスを、冷却排気ガス供給通路７５を介して排気通路５における上流側の箇所（ＥＧＲ通路７１の一端が接続された箇所よりも上流側の箇所）へと導入することができる（矢印Ａ３参照）。したがって、本実施形態によれば、ＥＧＲクーラ７２によって冷却された排気ガスを排気浄化触媒６に確実に供給することができる。これにより、排気浄化触媒６に低温の排気ガスを供給することができ、排気浄化触媒６の熱劣化を抑制したり、排気浄化触媒６の温度を最適温度範囲に維持したりすることが可能となる。

また、本実施形態によれば、上記のように冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５へと導入された排気ガスの一部が、ＥＧＲ通路７１から再度取り込まれて、ＥＧＲクーラ７２によって冷却されて、冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５へと導入される場合がある。つまり、排気ガスの一部が、排気浄化触媒６の上流側の排気通路５において、矢印Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４で示すような方向の流れを繰り返す場合がある。言い換えると、排気ガスの一部が、矢印Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４で示すように循環して流れる場合がある。この場合、排気ガスがＥＧＲクーラ７２を複数回循環することで大きく冷却されることとなる。したがって、本実施形態によれば、排気ガスの冷却効率を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、ＥＣＵ２が、温度センサ８１によって検出された排気浄化触媒６の温度が所定温度以上である場合にのみ、冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５に排気ガスを供給するように制御バルブ７６を開くので、つまり、温度センサ８１によって検出された排気浄化触媒６の温度が所定温度未満である場合には、冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５に排気ガスを供給しないように制御バルブ７６を閉じるため、ＥＧＲクーラ７２によって冷却された排気ガスが冷却排気ガス供給通路７５から排気通路５に無駄に供給されてしまうことを抑制することができる。具体的には、排気浄化触媒６の温度を低下させるべきでない状況において、ＥＧＲクーラ７２によって冷却された排気ガスが冷却排気ガス供給通路７５を介して排気浄化触媒６に供給されて、排気浄化触媒６の温度が低下してしまうことを抑制することができる。

ここで、冷却したガスを排気浄化触媒６に供給しない比較例と、冷却した排気ガスを排気浄化触媒６に供給する本実施形態とを比較する。比較例では、排気浄化触媒６の熱劣化を抑制すべき状況（例えば高速域）において、設定する空燃比を理論空燃比からリッチ側に切り替える必要がある。これに対して、本実施形態によれば、排気浄化触媒６の熱劣化を抑制すべき状況（例えば高速域）において、ＥＧＲクーラ７２によって冷却された排気ガスを冷却排気ガス供給通路７５を介して排気浄化触媒６に供給して、排気浄化触媒６の熱劣化を抑制することができるので、設定する空燃比を理論空燃比からリッチ側に切り替える必要はない、つまり設定する空燃比を理論空燃比に維持することができる。したがって、本実施形態によれば、比較例と比較して、理論空燃比を用いる運転領域を拡大することができ、燃費を改善することが可能となる。

次に、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置の変形例について説明する。

上記した実施形態では、冷却排気ガス供給通路７５の一端がＥＧＲクーラ７２に接続されていたが（図１参照）、この代わりに、冷却排気ガス供給通路７５の一端を、ＥＧＲクーラ７２が設けられた箇所よりも下流側のＥＧＲ通路７１に接続してもよい。こうした場合にも、冷却排気ガス供給通路７５には、ＥＧＲクーラ７２によって冷却された排気ガスが供給されることとなる。

上記した実施形態では、温度センサ８１によって検出された排気浄化触媒６の温度に基づいて、冷却排気ガス供給通路７５上に設けられた制御バルブ７６を制御していたが、排気浄化触媒６の温度を検出する温度センサ８１を用いる代わりに、排気浄化触媒６の上流側を流れる排気ガスの温度を検出する温度センサを用いて、この温度センサが検出した排気ガスの温度に基づいて、制御バルブ７６を制御してもよい。この場合には、温度センサが検出した排気ガスの温度に基づいて、排気浄化触媒６の温度を推定すればよい。

上記した実施形態では、排気ガスを冷却する冷却手段としてＥＧＲクーラ７２を示したが、外気を用いて排気ガスを冷却してもよい。その場合、外気を排気系に導入する機構が冷却手段として機能する。

１ エンジン本体
２ ＥＣＵ
５ 排気通路
６ 排気浄化触媒
１０ 吸気通路
５６ 集合管
７１ ＥＧＲ通路
７２ ＥＧＲクーラ
７５ 冷却排気ガス供給通路
７６ 制御バルブ
８１ 温度センサ
１００ エンジンシステム

Claims (5)

1. 内燃機関から排出された排気ガスを処理する内燃機関の排気装置であって、
   一端が排気通路に接続され、且つ他端が吸気通路に接続されて、排気ガスを吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
   このＥＧＲ通路上に設けられ、通過する排気ガスを冷却する冷却手段と、
   排気通路のＥＧＲ通路が接続された箇所よりも下流側に設けられた、排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、
   一端が、上記ＥＧＲ通路の上記冷却手段が設けられた箇所又はその下流側に接続され、且つ、他端が、上記排気通路の上記ＥＧＲ通路が接続された箇所よりも上流側に接続されて、上記冷却手段によって冷却された排気ガスを、上記排気通路の上記ＥＧＲ通路が接続された箇所よりも上流側に供給する冷却排気ガス供給通路と、
   を有することを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 上記冷却排気ガス供給通路が接続された排気通路の部分は、上記ＥＧＲ通路が接続された排気通路の部分よりも、排気ガスの圧力が低くなるように構成されている、請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
3. 上記冷却排気ガス供給通路が接続された排気通路の部分は、通過する排気ガスの速度を上昇させて、この排気ガスの圧力を低下させることにより、負圧によるエゼクタ効果を生じさせるように構成されている、請求項２に記載の内燃機関の排気装置。
4. 上記内燃機関は、複数の気筒を有し、
   上記冷却排気ガス供給通路は、この複数の気筒の排気ポートから延びる複数の排気通路が集合し、ベンチュリ構造を有する排気通路の部分に接続される、請求項３に記載の内燃機関の排気装置。
5. 更に、
   上記排気浄化触媒の温度又は排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、
   上記冷却排気ガス供給通路上に設けられ、この冷却排気ガス供給通路を通過する排気ガスを制御する制御バルブと、
   上記温度検出手段が検出した温度が所定温度以上である場合にのみ、上記冷却手段によって冷却された排気ガスを上記冷却排気ガス供給通路を介して排気通路に供給するように、上記制御バルブを制御する制御手段と、
   を有する、請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関の排気装置。

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