JP2017190708A - 内燃機関および内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の運転状態に応じてＥＧＲガスの温度を容易に調整できる内燃機関および内燃機関の制御装置を提供すること。【解決手段】エンジン１のＥＧＲ通路１１が、内側通路１５と、内側通路１５とウォータジャケット１２との間を仕切るように内側通路１５とウォータジャケット１２との間に設けられた外側通路１６とを含んで構成されており、排気取出し通路１０と内側通路１５とを連通した状態で、排気取出し通路１０と外側通路１６とを連通または連通を遮断するＥＧＲバルブ１７を備えている。ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態が低負荷運転状態であることを条件として、排気取出し通路１０と内側通路１５とを連通するようにＥＧＲアクチュエータ１８を制御し、エンジン１の運転状態が高負荷運転状態であることを条件として、排気取出し通路１０と内側通路１５および外側通路１６とを連通するようにＥＧＲアクチュエータ１８を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載される内燃機関および内燃機関の制御装置に関する。

一般に、自動車等の車両に搭載される内燃機関においては、内燃機関から排出された排気ガスの一部をＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとして吸気側に還流し、ＮＯｘ（窒素酸化物）やポンピングロスを低減させる排気再循環装置が設けられている。

この排気再循環装置にあっては、排気ガスを高温の状態のままで吸気側に還流すると、吸入空気が膨張して充填効率が低下する。このため、従来の排気再循環装置は、シリンダヘッドのウォータジャケット内に排気還流管を設け、排気還流管を流れるＥＧＲを、ウォータジャケットを流れる冷却水によって冷却している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２４１７８９号公報

このような従来の排気再循環装置にあっては、内燃機関の運転状態が高負荷または低負荷にかかわらずＥＧＲガスが冷却されてしまう。このため、低負荷領域等のようにＥＧＲガスを冷却する必要がない場合に、ＥＧＲガスが過冷却されてしまうおそれがある。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、内燃機関の運転状態に応じてＥＧＲガスの温度を容易に調整できる内燃機関および内燃機関の制御装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして排気通路から吸気通路に還流する排気ガス還流通路と、前記排気ガス還流通路を取り囲むウォータジャケットとを有するエンジン本体を備えた内燃機関であって、前記排気ガス還流通路が、内側通路と、前記内側通路と前記ウォータジャケットとの間を仕切るように前記内側通路と前記ウォータジャケットとの間に設けられた外側通路とを含んで構成されており、前記排気通路と前記内側通路とを連通した状態で、前記排気通路と前記外側通路とを連通または連通を遮断するＥＧＲガス流量制御装置を備えている。

このように本発明によれば、内燃機関の運転状態に応じてＥＧＲガスの温度を容易に調整できる。

図１は、本発明の内燃機関の第１の実施の形態を示す図であり、内燃機関の概略断面図である。 図２は、本発明の内燃機関の第１の実施の形態を示す図であり、ＥＧＲガス流量制御装置が取付けられたＥＧＲ通路の概略断面図である（内側通路および外側通路が閉じられた状態）。 図３は、本発明の内燃機関の第１の実施の形態におけるＥＧＲバルブの構成図である。 図４は、本発明の内燃機関の第１の実施の形態を示す図であり、外側通路が閉じて内側通路が開いた状態のＥＧＲ通路の概略断面図である。 図５は、本発明の内燃機関の第１の実施の形態を示す図であり、内側通路および外側通路が開いた状態を示すＥＧＲ通路の概略断面図である。 図６は、本発明の内燃機関の第１の実施の形態におけるＥＧＲ制御判定マップを示す図である。 図７は、本発明の内燃機関の第１の実施の形態におけるＥＧＲ制御プログラムのフローチャートである。 図８は、本発明の内燃機関の第１の実施の形態におけるエンジン負荷およびエンジン回転数とＭＢＴ領域およびノッキング領域の関係を示す図である。 図９は、本発明の内燃機関の第２の実施の形態を示す図であり、ＥＧＲガス流量制御装置が取付けられたＥＧＲ通路の概略断面図である（内側通路および外側通路が閉じられた状態）。 図１０は、本発明の内燃機関の第２の実施の形態におけるＥＧＲ制御判定マップを示す図である。 図１１は、本発明の内燃機関の第２の実施の形態におけるＥＧＲ制御プログラムのフローチャートである。 図１２は、本発明の内燃機関の第２の実施の形態を示す図であり、外側通路が閉じて内側通路が開いた状態のＥＧＲ通路の概略断面図である。 図１３は、本発明の内燃機関の第２の実施の形態を示す図であり、内側通路および外側通路が開いた状態のＥＧＲ通路の概略断面図である。 図１４は、本発明の内燃機関の第２の実施の形態を示す図であり、内側通路が閉じて外側通路が開いた状態のＥＧＲ通路の概略断面図である。

以下、本発明に係る内燃機関の実施の形態について、図面を用いて説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１〜図８は、本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１において、内燃機関としてのエンジン１は、シリンダヘッド２を有し、シリンダヘッド２は、図示しないシリンダブロックの上部に取付けられている。本実施の形態のシリンダヘッド２は、本発明のエンジン本体を構成している。

シリンダブロックには気筒が設けられ、燃焼圧力を受けて図示しないピストンが気筒内を往復運動させられ、ピストンの往復運動は、図示しないクランクシャフトの回転運動に変換される。
シリンダヘッド２には燃焼室に連通する複数の吸気ポート３が形成されている。シリンダヘッド２には吸気マニホールド４が取付けられており、吸気マニホールド４は、吸入空気を各気筒の燃焼室に分配して導入する。

吸気マニホールド４には吸気管５が接続されており、吸気管５は、図示しない吸気ダクトから導入される空気を吸気マニホールドに導入する。吸気管５にはスロットルバルブ６が設けられている。スロットルバルブ６は、図示しないアクセルペダルの操作量に比例した開度で吸気管５を開閉する。スロットルバルブ６の開閉により、吸気ポート３を介して気筒に導入される吸入空気量が調整される。

シリンダヘッド２には複数の排気ポート７が形成されており、排気ポート７は、各気筒の燃焼室に連通している。シリンダヘッド２の内部には排気ポートと接続する排気マニホールド８が形成されている。

シリンダヘッド２には排気管９を介して触媒９Ａが接続されており、触媒９Ａは、排気ポート７から排出される排気ガスを浄化する。触媒９Ａの下流には図示しない排気管やマフラが接続されており、触媒９Ａによって浄化された排気ガスは、マフラによって圧力変動が低減されて消音され、排気管を通して外部に排出される。

シリンダヘッド２には排気ガスの一部であるＥＧＲガスを吸気側に還流させるためのＥＧＲ取出し通路１０が形成されている。ＥＧＲ取出し通路１０は、排気マニホールド８に連通している。

本実施の形態の吸気マニホールド４およびＥＧＲ導入通路１３は、本発明の吸気通路を構成し、排気マニホールド８およびＥＧＲ取出し通路１０は、本発明の排気通路を構成する。
シリンダヘッド２の内部には、吸排気方向と沿う方向にＥＧＲ通路１１が形成されており、ＥＧＲ通路１１は、ＥＧＲ取出し通路１０と連通してＥＧＲガスが導入される。本実施の形態のＥＧＲ通路１１は、本発明の排気ガス還流通路を構成する。

シリンダヘッド２の内部には冷却水が流れるウォータジャケット１２が形成されており、ＥＧＲ通路１１の軸方向長さの大部分は、ウォータジャケットに取り囲まれて設けられている。
ＥＧＲ導入通路１３は、ＥＧＲ通路１１と吸気マニホールド４とを接続し、ＥＧＲ通路１１から排出されるＥＧＲガスを吸気マニホールド４に導入する。吸気マニホールド４は、吸気管５から導入された空気とＥＧＲガスとを混合して各気筒の燃焼室に導入する。

図１、図２において、ＥＧＲ通路１１は、ＥＧＲ通路１１の内側に配置されたパイプ１４の内側に形成される内側通路１５と、内側通路１５とウォータジャケット１２の間を仕切るように内側通路１５とウォータジャケット１２との間に設けられた外側通路１６を構成している。

このようにＥＧＲ通路１１は、パイプ１４によって内側通路１５と外側通路１６との径方向の連通が遮断される。外側通路１６の外周面１６Ａは、円筒形状に形成されている。なお、外側通路１６の内周面は、パイプ１４の外周面である。

パイプ１４は、図示しない支持部材によって内側通路１５の中心軸と外側通路１６の中心軸とが一致するようにシリンダヘッド２に固定されている。これにより、内側通路１５の中心軸は、ＥＧＲ通路１１の中心軸と同軸に設置され、ウォータジャケット１２から離間して設置される。

シリンダヘッド２には有底の筒状のＥＧＲバルブ１７およびＥＧＲアクチュエータ１８が取付けられている。ＥＧＲアクチュエータ１８は、ステッピングモータから構成されており、図示しないステータと、ステータの磁力によって回転するロータと、ロータに螺合され、先端にＥＧＲバルブ１７が取付けられたスクリューシャフト１８Ａとを備えている。

ＥＧＲアクチュエータ１８は、回転速度がパルス周波数によって制御され、１パルス当りの回転角度が一定角度に設定されている。ＥＧＲアクチュエータ１８が駆動されると、ロータの回転をスクリューシャフト１８Ａの直線運動に変換する。これにより、ＥＧＲバルブ１７は、ＥＧＲアクチュエータ１８のステップ数に比例した移動量だけスクリューシャフト１８Ａの軸方向に沿って進退し、内側通路１５と外側通路１６を開閉する。本実施の形態のＥＧＲバルブ１７およびＥＧＲアクチュエータ１８は、本発明のＥＧＲガス流量制御装置を構成する。

図２において、パイプ１４は、軸方向でＥＧＲ通路１１よりも排気マニホールド８側に突出している。ＥＧＲバルブ１７には円形のバルブ連通路１７Ａが形成されており、バルブ連通路１７Ａは、パイプ１４に向かって開口し、バルブ連通路１７Ａにはパイプ１４の一端部１４Ａが挿入可能となっている。

図３に示すように、ＥＧＲバルブ１７にはバルブ連通路１７Ｂが形成されており、バルブ連通路１７Ｂは、バルブ連通路１７Ａと直交する方向に開口してバルブ連通路１７ＡおよびＥＧＲ取出し通路１０に連通している。
ＥＧＲバルブ１７は、外側通路１６の外周面１６Ａに接触する第１のシール面１７ａと、外側通路１６の内周面１６Ｂに接触する第２のシール面１７ｂとを有する。

ＥＧＲアクチュエータ１８は、第１のシール面１７ａが外側通路１６の外周面１６Ａに接触し、かつ、第２のシール面１７ｂが外側通路１６の内周面１６Ｂに接触する第１の状態と、第１のシール面１７ａが外側通路１６の外周面１６Ａに非接触となり、かつ、第２のシール面１７ｂが外側通路１６の内周面１６Ｂに接触する第２の状態となるようにＥＧＲバルブ１７を移動させる。

図２において、ＥＧＲバルブ１７は、第１のシール面１７ａの全面が外側通路１６の外周面１６Ａに接触するように外側通路１６に挿入される。これにより、外側通路１６の外周面１６７Ａは、第１のシール面１７ａの厚み（図４の上下方向の厚み）に相当する長さＬで第１のシール面１７ａに接触する接触領域を有する。

したがって、ＥＧＲバルブ１７の移動に伴って第１のシール面１７ａが長さＬの接触領域の範囲内で外側通路１６の外周面１６Ａに接触する状態が第１の状態となる（図２参照）。ここで、ＥＧＲバルブ１７の移動方向Ａは、スクリューシャフト１８Ａの軸方向とパイプ１４の延びる方向と同方向である。

本実施の形態のＥＧＲバルブ１７は、ＥＧＲバルブ１７が外側通路１６に進入し、第１のシール面１７ａが長さＬの接触領域の全域に接触した状態にあるときが最大突出量であり、このときのＥＧＲバルブ１７の端面１７ｄの位置が最大突出位置Ｘ０となる（図２参照）。

第２の状態は、第２のシール面１７ｂが外側通路１６の内周面１６Ｂとの接触を保ちながら、第１のシール面１７ａが外側通路１６の外周面１６Ａに非接触となるようにＥＧＲバルブ１７が移動する状態であり、移動方向Ａの一定の範囲である。

ＥＧＲバルブ１７は、排気マニホールド８側の開口端である内側通路１５の開口端１５ａに接触する第３のシール面１７ｃを有し、第３のシール面１７ｃは、バルブ連通路１７Ａの底面全面である。本実施の形態の開口端１５ａは、内側通路１５の開口端を構成する。

ＥＧＲアクチュエータ１８は、第３のシール面１７ｃが内側通路１５の開口端１５ａに接触する第３の状態と、第３のシール面１７ｃが内側通路１５の開口端１５ａに非接触となる第４の状態となるようにＥＧＲバルブ１７を移動させる。

ＥＧＲバルブ１７が第３の状態にあるときには、第１のシール面１７ｃが内側通路１５の開口端１５ａに接触して、バルブ連通路１７Ｂは閉塞される（図２参照）。これにより、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５との連通が遮断されてＥＧＲガスが流れる通路が形成されない。

第３の状態は、ＥＧＲバルブ１７の最大突出位置Ｘ０に相当する位置であり、このときのＥＧＲバルブ１７の端面１７ｄの位置が最大突出位置Ｘ０となる。すなわち、第１の状態と第３の状態とは、最大突出位置Ｘ０を含んでおり、第１の状態と第３の状態は、同じ状態を含んでいる。

第１の状態で、かつ、第４の状態は、図４に示すように、第１のシール面１７ａが外側通路１６の外周面１６Ａに接触して外側通路１６が閉弁した状態（この状態が第１の状態に相当）を保ちながら、第１のシール面１７ｃが内側通路１５の開口端１５ａから離れる状態（この状態が第４の状態に相当）である。

ＥＧＲバルブ１７が第１の状態で、かつ、第４の状態にあるときには、ＥＧＲ取出し通路１０と外側通路１６との連通が遮断されて、ＥＧＲ取出し通路１０と外側通路１６との間でＥＧＲガスが流れる通路が形成されない。これに加えて、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５とがバルブ連通路１７Ｂを介して連通してＥＧＲガスが流れる通路が形成される。

第２の状態で、かつ、第４の状態は、図５に示すように、第１のシール面１７ａが外側通路１６の外周面１６Ａから離隔して外周面１６Ａに非接触となり（この状態が第２の状態に相当）、かつ、第１のシール面１７ｃが内側通路１５の開口端１５ａから離れる状態である（この状態が第４の状態に相当）。

ＥＧＲバルブ１７が第２の状態で、かつ、第４の状態にあるときには、ＥＧＲ取出し通路１０と外側通路１６とが連通してＥＧＲガスが流れる通路が形成される。これに加えて、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５とがバルブ連通路１７Ｂを介して連通してＥＧＲガスが流れる通路が形成される。

本実施の形態の外側通路１６の内周面１６Ｂおよび外側通路１６の外周面１６Ａは、円筒形状に形成されている。ＥＧＲバルブ１７は、円筒に形成され、バルブ連通路１７Ａは、円筒形状に形成されている。これにより、ＥＧＲバルブ１７が移動方向Ａに沿って移動したときに、ＥＧＲバルブ１７を外側通路１６の外周面１６Ａおよび内周面１６Ｂに密着させることができる。

このため、内側通路１５および外側通路１６のシール性を保つことができ、内側通路１５および外側通路１６が閉じられたときに、内側通路１５および外側通路１６からＥＧＲガスが漏出することを防止できる。

図１において、ＥＧＲアクチュエータ１８は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０によって駆動される。ＥＣＵ２０にはエアフローメータ２１およびエンジン回転数センサ２２が接続されている。

エアフローメータ２１は、吸気管５に設けられており、吸気管５を流れる吸入空気量を検出して、ＥＣＵ２０に検出情報を送信する。エンジン回転数センサ２２は、例えば、クランクシャフトの端部に設けられた図示しないロータの回転を検出し、ＥＣＵ２０に検出情報を送信する。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ（Central processing unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）等のコンピュータから構成されている。ＥＣＵ２０は、エアフローメータ２１から入力された情報に基づいてエンジン１の負荷を推定するとともに、エンジン回転数センサ２２から入力された情報に基づいてエンジン回転数を推定し、エンジンの運転状態を検出する。本実施の形態のＥＣＵ２０は、本発明の制御部を構成する。

ＥＣＵ２０は、エアフローメータ２１およびエンジン回転数センサ２２から入力された情報に基づいてＲＯＭに記憶された制御判定マップを参照し，ＥＧＲアクチュエータ１８を制御する。
図６において、制御判定マップには、エンジン１の負荷と回転数とに関連付けられたＥＧＲ導入領域のデータが記憶されている。ＥＧＲ導入領域は、低温ＥＧＲ領域Ｃと高温ＥＧＲ領域Ｈとに分けられている。

ＥＣＵ２０は、エアフローメータ２１およびエンジン回転数センサ２２から入力された情報に基づいて制御判定マップを参照し、エンジン１の運転状態が低負荷運転状態であるものと判断した場合には、ＥＧＲ取出し通路１０と外側通路１６との連通を遮断し、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５とを連通するようにＥＧＲアクチュエータ１８を制御する。

ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態が高負荷運転状態であるものと判断した場合には、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５および外側通路１６とを連通するようにＥＧＲアクチュエータ１８を制御する。

次に、図７に示すフローチャートに基づいてＥＧＲ制御を説明する。図７に示すフローチャートは、ＥＧＲ制御のフローチャートである。ＥＧＲ制御のプログラムは、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されており、ＣＰＵによって実行される。

まず、図８に示すように、エンジン１の運転状態が低負荷運転状態にある場合には、エンジン１の出力トルクが最大になる点火時期であるＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）に設定することが好ましく、ＭＢＴ領域では、高温のＥＧＲガスを気筒に導入することが好ましい。

一方、エンジン１の運転状態が高負荷運転状態にある場合には、ノッキングの発生を抑制するためにＭＢＴに設定できないノッキング領域が存在する。通常、ノッキング領域では、ＭＢＴよりも遅角側であって、ノッキングが発生する限界直前まで進角させた点火時期に設定する点火時期制御を行うが、点火遅角させる代わりに、冷却したＥＧＲガスを気筒に導入することが好ましい。

図７において、ＥＣＵ２０は、エアフローメータ２１から入力された情報およびエンジン回転数センサ２２から入力された情報に基づいてエンジン１の運転状態を推定する（ステップＳ１）。

次いで、ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態がＥＧＲ導入領域にあるか否かを判別する（ステップＳ２）。ステップＳ２において、ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態がＥＧＲ導入領域にないものと判断した場合には、ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５および外側通路１６を閉じる（ステップＳ３）。

ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５および外側通路１６が閉じられる場合には、図２に示すように、ＥＧＲバルブ１７の突出量が最大であり、第１のシール面１７ａが長さＬの接触領域の範囲において外側通路１６の内周面１６Ｂに接触し、かつ、第３のシール面１７ｃが内側通路１５の開口端１５ａに接触している。

これにより、内側通路１５および外側通路１６が閉じた状態となり、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５および外側通路１６との連通が遮断され、排気ポート７から吸気ポート３にＥＧＲガスが導入されない。

第３のシール面１７ｃが内側通路１５の開口端１５ａに接触した状態においては、第１のシール面１７ａが外側通路１６の外周面１６Ａの長さＬの接触領域の全域に接触した状態でＥＧＲバルブ１７の端面１７ｄの位置が最大突出位置Ｘ０となる。

ステップＳ２において、ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態がＥＧＲ導入領域にあるものと判断した場合には、エンジン１の運転状態が高温ＥＧＲ領域にあるか否かを判別する（ステップＳ４）。

ステップＳ４において、ＥＣＵ２０は、制御判定マップを参照してエンジン１の運転状態が高温ＥＧＲ領域であるものと判断した場合には、ＥＧＲアクチュエータ１８を駆動し、ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５を開き、外側通路１６を閉じる（ステップＳ５）。

ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５を開き、外側通路１６を閉じるには、ＥＣＵ２０によりＥＧＲアクチュエータ１８を駆動し、ＥＧＲバルブ１７を、図２に示す位置から外側通路１５の外方に離れてＥＧＲアクチュエータ１８に近づくように移動させる。

これにより、図４に示すように、第１のシール面１７ａが外側通路１６の外周面１６Ａに接触し、第２のシール面１７ｂが外側通路１６の内周面１６Ｂに接触しながら第３のシール面１７ｃが内側通路１５の開口端１５ａから離れる。このため、バルブ連通路１７Ｂが開放され、内側通路１５がバルブ連通路１７Ａ、１７Ｂを介してＥＧＲ取出し通路１０に連通される。

このとき、最大突出位置Ｘ０を起点として最大突出位置Ｘ０からのＥＧＲバルブ１７の移動量Ｘを、Ｘ０≦Ｘ≦Ｌの範囲にすることで、外側通路１６とＥＧＲ取出し通路１０との連通を遮断しながら、内側通路１５とＥＧＲ取出し通路１０とを連通することができる。

これにより、排気マニホールド８からＥＧＲ取出し通路１０を通して内側通路１５にＥＧＲガスが導入され、このＥＧＲガスがＥＧＲ導入通路１３を介して吸気マニホールド４に導入される。内側通路１５は、ウォータジャケット１２に隣接する外側通路１６の内側にあって、外側通路１６に滞留しているＥＧＲガスが断熱層となる。

したがって、内側通路１５を流れるＥＧＲガスは、外側通路１６を流れるＥＧＲガスに比べて高温となり、エンジン１の運転状態が低負荷運転状態にある場合には、高温のＥＧＲガスが気筒に導入される。

ステップＳ４において、ＥＣＵ２０は、制御判定マップを参照してエンジン１の運転状態が高温ＥＧＲ領域でないものと判断した場合には、低温ＥＧＲ領域であるものと判断してＥＧＲアクチュエータ１８を駆動し、ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５および外側通路１６を開く（ステップＳ６）。

ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５および外側通路１６を開くには、ＥＣＵ２０によりＥＧＲアクチュエータ１８を駆動する。このとき、ＥＧＲアクチュエータ１８は、ＥＧＲバルブ１７を図４に示す位置から排気マニホールド８側にさらに移動させる。具体的には、ＥＧＲアクチュエータ１８は、ＥＧＲバルブ１７の移動量ＸがＬ≦Ｘとなるように制御する。

これにより、図５に示すように、第１のシール面１７ａが外側通路１６の外周面１６Ａから離れる。このとき、バルブ連通路１７Ｂが開放された状態を維持したまま、外側通路１６が開放され、内側通路１５および外側通路１６がＥＧＲ取出し通路１０に連通される。

このため、排気マニホールド８からＥＧＲ取出し通路１０を通して内側通路１５および外側通路１６にＥＧＲガスが導入され、このＥＧＲガスがＥＧＲ導入通路１３を介して吸気マニホールド４に導入される。外側通路１６は、ウォータジャケット１２に隣接するため、外側通路１６を流れるＥＧＲガスは、低温の冷却水によって冷却される。

したがって、ＥＧＲ通路１１を流れるＥＧＲガスは、内側通路１５のみを流れるＥＧＲガスに比べて低温となり、エンジン１の運転状態が高負荷運転状態にある場合には、低温のＥＧＲガスが気筒に導入される。

このように本実施の形態のエンジン１によれば、ＥＧＲ通路１１が、内側通路１５と、内側通路１５とウォータジャケット１２との間を仕切るように内側通路１５とウォータジャケット１２との間に設けられた外側通路１６とを含んで構成されている。

さらに、本実施の形態のエンジン１は、排気取出し通路１０と内側通路１５とを連通した状態で、排気取出し通路１０と外側通路１６とを連通または連通を遮断するＥＧＲバルブ１７を備えている。

これにより、ＥＧＲガスを冷却する必要がない場合には、排気取出し通路１０と外側通路１６との連通を遮断し、排気取出し通路１０と内側通路１５とを連通させることで、ウォータジャケット１２から離れた内側通路１５にＥＧＲガスを流すことができる。このため、高温のＥＧＲガスを気筒に導入することができる。

特に、本実施の形態のエンジン１によれば、エンジン１の運転状態に基づいてＥＧＲアクチュエータ１８を制御するＥＣＵ２０を有し、ＥＣＵ２０が、エンジン１の運転状態が低負荷運転状態であることを条件として、排気取出し通路１０と外側通路１６との連通を遮断するようにＥＧＲアクチュエータ１８を制御する。

すなわち、ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態が低負荷運転、すなわち、ＭＢＴ領域（図８参照）にある場合に、エンジン１の負荷とエンジン回転数に基づいて制御判定マップを参照し、排気取出し通路１０と外側通路１６との連通を遮断するようにＥＧＲアクチュエータ１８を制御することで、高温状態のままＥＧＲガスを気筒に導入できる。

このため、圧縮着火式のエンジン１にあっては、エンジン１の始動時や寒冷時等のように冷却水温度が低い場合にＥＧＲガスが過冷却となることを防止して、エンジン１の燃焼効率や排気成分が悪化することを防止できる。

また、火花点火式のエンジン１にあっては、燃焼遅延を抑制して、燃焼が不安定になることを防止できる。さらに、両方式のエンジン１において、エンジン１や触媒９の早期暖機を図ることができる。

また、本実施の形態のエンジン１によれば、ＥＧＲ通路１１を二重構造とすることで、内側通路１５においてＥＧＲガス温度が高温に維持できるので、内側通路１５の壁面でＥＧＲガス中の水蒸気の凝集による凝縮水の発生を抑制できる。

これにより、ウォータジャケット１２を流れる冷却水の温度が低い場合でもＥＧＲガスを気筒に導入可能になり、暖気時等においてエンジン１の燃費を向上させることができる。これに加えて、凝縮水によるエンジン１の失火やパイプ１４の腐食を防止できる。

また、本実施の形態のエンジン１によれば、シリンダヘッド２に形成されたＥＧＲ通路１１を二重構造とし、内側通路１５および外側通路１６をＥＧＲバルブ１７によって開閉制御することで、ＥＧＲガスの温度を容易に調整できる。

これにより、高温用のＥＧＲガスが流れるバイパス管をシリンダヘッド２の周囲に設けることを不要にでき、シリンダヘッド２を備えたエンジン１の設置スペースを少なくして、車両の小型化を図ることができる。

また、本実施の形態のエンジン１によれば、ＥＣＵ２０が、エンジン１の運転状態が高負荷運転状態であることを条件として、排気取出し通路１０と内側通路１５および外側通路１６とを連通するようにＥＧＲアクチュエータ１８を制御する。

これにより、エンジン１の運転状態が高負荷運転、すなわち、ノッキング領域（図８参照）にある場合に、エンジン１の負荷とエンジン回転数に基づいて制御判定マップを参照し、ＥＧＲアクチュエータ１８を制御することで、低温のＥＧＲガスを気筒に導入できる。

このため、エンジン１の高負荷運転状態においてノッキングが発生することを抑制できる。特に、火花点火式のエンジン１にあっては、ＥＧＲガスの温度を制御することで、高負荷運転状態において点火時期を進角側に設定することができ、燃費を向上できる。

また、エンジン１の高負荷運転状態にある場合には、内側通路１５および外側通路１６の両方からＥＧＲガスを気筒に導入できるので、ＥＧＲガスの流路抵抗が増大することを防止しつつ、低温のＥＧＲガスを大量に気筒に導入できる。このため、ノッキングを抑制しつつ、エンジン１の出力を大きくすることができる。

さらに、ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態に応じて気筒に高温のＥＧＲガスおよび低温のＥＧＲガスを選択して気筒に導入できるので、エンジン１の運転状態に応じた最適な燃焼制御を実施することができる。

また、エンジン１の運転状態が低負荷運転状態にあるときには、スロットルバルブ６の開度が小さいため、吸気マニホールド４の内部の負圧が大きくなる。このため、ＥＧＲバルブ１７の流量特性は、ＥＧＲバルブ１７の開度に対してＥＧＲガスの流量が急増しない特性が望まれる。

一方、エンジン１の運転状態が高負荷運転状態にあるときには、スロットルバルブ６の開度が大きく、吸気マニホールド４の内部の負圧が小さくなることから、より流路抵抗を減らし、なるべく多くのＥＧＲガスを流動させることが望まれる。

本実施の形態のエンジン１によれば、エンジン１の運転状態が低負荷運転状態にある場合に、内側通路１５を開くときには、外側通路１６の長さＬの接触領域の範囲内で第１のシール面１７ａを外周面１６ｂに接触した状態を保ちながら、ＥＧＲバルブ１７を長さＬの接触領域の範囲内で往復移動させる。

これにより、内側通路１５の開口面積に対してバルブ連通路１７Ｂの開口面積に増減することができ、高温ＥＧＲ領域においてＥＧＲガスの流量を緻密に調整することができる。このため、ＥＧＲバルブ１７の開度に対してＥＧＲガスの流量が急増しない特性を容易に得ることができる。

また、エンジン１の運転状態が高負荷運転状態にある場合には、内側通路１５および外側通路１６の両方の通路からＥＧＲガスを気筒に導入できるので、ＥＧＲガスの流路抵抗を低減して、より多くのＥＧＲガスを気筒に導入できる。

また、本実施の形態のＥＧＲバルブ１７は、外側通路１６の外周面１６Ａに接触する第１のシール面１７ａと外側通路１６の内周面１６Ｂに接触する第２のシール面１７ｂとを有する。

ＥＧＲバルブ１７は、シール面１７ａが外側通路１６の外周面１６Ａに接触し、かつ、第２のシール面１７ｂが外側通路１６の内周面１６Ｂに接触する第１の状態と第１のシール面１７ａが外側通路１６の外周面１６Ａに非接触となり、かつ、第２のシール面１７ｂが外側通路１６の内周面１６Ｂに接触する第２の状態となるように移動自在に設けられる。

さらに、ＥＧＲバルブ１７は、第１の状態にあるときに、ＥＧＲ取出し通路１０と外側通路１６との連通を遮断し、第２の状態にあるとき、ＥＧＲ取出し通路１０と外側通路１６とを連通させる。
これにより、１つのＥＧＲバルブ１７をスクリューシャフト１８Ａの軸方向に移動させることで、外側通路１６とＥＧＲ取出し通路１０とを連通および連通を遮断できる。

また、本実施の形態のＥＧＲバルブ１７は、内側通路１５の開口端１５ａに接触する第３のシール面１７ｃを有し、第３のシール面１７ｃが内側通路１５の開口端１５ａに接触する第３の状態と、第３のシール面１７ｃが内側通路１５の開口端１５ａに非接触となる第４の状態となるように移動自在に設けられる。

さらに、ＥＧＲバルブ１７は、第３の状態にあるときに、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５との連通を遮断し、第１の状態で、かつ、第４の状態にあるときに、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５とを連通し、かつ、ＥＧＲ取出し通路１０と外側通路１６との連通を遮断する。これに加えて、ＥＧＲバルブ１７は、第２の状態で、かつ、第４の状態にあるときに、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５および外側通路１６とを連通する。

これにより、１つのＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５および外側通路１６とＥＧＲ取出し通路１０との連通状態を容易に切換えることができ、内側通路１５および外側通路１６の簡素化を図ることができる。このため、シリンダヘッド２が大型化することを防止することができる。

＜第２の実施の形態＞
図９〜図１４は、本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関を示す図であり、第１の実施の形態の同一の構成には同一番号を付して説明を省略する。

図９において、シリンダヘッド２には遮蔽部３１が形成されており、遮蔽部３１は、ＥＧＲ取出し通路１０とＥＧＲ通路１１とを連通する開口部３１Ａを有する。ＥＧＲバルブ１７において、バルブ連通路１７Ａの上部を構成する上壁１７Ｃの肉厚ｔ１は、内側通路１５の開口端１５ａと開口部３１Ａの内周下端３１ａとの距離ｔ２よりも大きく形成されている。

ＥＣＵ２０のＲＯＭには図１０に示す制御判定マップが記憶されている。図１０において、制御判定マップには、エンジン１の負荷と回転数とに関連付けられたＥＧＲ導入領域のデータが記憶されている。ＥＧＲ導入領域は、低温ＥＧＲ領域Ｃ１と高温ＥＧＲ領域Ｈ１と低温ＥＧＲ領域Ｃ１と高温ＥＧＲ領域Ｈ１との中間の中温ＥＧＲ領域Ｍ１とに分けられている。

すなわち、本実施の形態の制御判定マップは、第１の実施の形態の低温ＥＧＲ領域Ｃが、低温ＥＧＲ領域Ｃ１および中温ＥＧＲ領域Ｍ１に分けられている。

ＥＣＵ２０は、エアフローメータ２１およびエンジン回転数センサ２２から入力された情報に基づいて制御判定マップを参照し、エンジン１の運転状態が低負荷運転状態であるものと判断した場合には、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５とを連通するようにＥＧＲアクチュエータ１８を制御する。

ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態が高負荷運転状態であるものと判断した場合には、ＥＧＲ取出し通路１０と外側通路１６とを連通し、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５および外側通路１６とを連通するようにＥＧＲアクチュエータ１８を制御する。

ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態が中負荷運転状態であるものと判断した場合には、ＥＧＲ取出し通路１０と内側通路１５との連通を遮断し、ＥＧＲ取出し通路１０と外側通路１６とを連通するようにＥＧＲアクチュエータ１８を制御する。

次に、図１１に示すフローチャートに基づいてＥＧＲ制御を説明する。図１１に示すフローチャートは、ＥＧＲ処理プログラムのフローチャートである。ＥＧＲ処理プログラムは、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されており、ＣＰＵによって実行される。

図１１において、ＥＣＵ２０は、エアフローメータ２１から入力された情報およびエンジン回転数センサ２２から入力された情報に基づいてエンジン１の運転状態を推定する（ステップＳ１１）。

次いで、ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態がＥＧＲ導入領域にあるか否かを判別する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において、ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態がＥＧＲ導入領域にないものと判断した場合には、ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５および外側通路１６を閉じる（ステップＳ１３）。

これにより、図９に示すように、内側通路１５および外側通路１６が閉じた状態となり、ＥＧＲ取出し通路１０の開口部３１Ａと内側通路１５および外側通路１６との連通が遮断され、排気ポート７から吸気ポート３にＥＧＲガスが導入されない。

ステップＳ１２において、ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態がＥＧＲ導入領域にないものと判断した場合には、エンジン１の運転状態が高温ＥＧＲ領域にあるか否かを判別する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１４において、ＥＣＵ２０は、制御判定マップを参照してエンジン１の運転状態が高温ＥＧＲ領域であるものと判断した場合には、ＥＧＲアクチュエータ１８を駆動し、ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５を開き、外側通路１６を閉じる（ステップＳ１５）。

ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５を開き、外側通路１６を閉じるには、ＥＣＵ２０によりＥＧＲアクチュエータ１８を駆動し、ＥＧＲバルブ１７を図９に示す位置から排気マニホールド８側に移動させる。

これにより、図１２に示すように、バルブ連通路１７Ｂが開放され、内側通路１５がバルブ連通路１７Ａ、１７Ｂから開口部３１Ａを介してＥＧＲ取出し通路１０に連通され、高温のＥＧＲガスが気筒に導入される。

ステップＳ１４において、ＥＣＵ２０は、制御判定マップを参照してエンジン１の運転状態が高温ＥＧＲ領域でないものと判断した場合には低温ＥＧＲ領域であるか否かを判断する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６において、ＥＣＵ２０は、低温ＥＧＲ領域でないものと判断した場合には、中温ＥＧＲ領域であるものと判断してＥＧＲアクチュエータ１８を駆動し、ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５および外側通路１６を開く（ステップＳ１８）。

ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５および外側通路１６を開くには、ＥＧＲアクチュエータ１８は、ＥＧＲバルブ１７を図１２に示す位置から図１３に示す排気マニホールド８側にさらに移動させる。

具体的には、ＥＧＲアクチュエータ１８は、ＥＧＲバルブ１７をＬ＜Ｘだけ移動させる。これにより、内側通路１５および外側通路１６がＥＧＲ取出し通路１０に連通される。なお、ステップＳ１３、ステップＳ１５、ステップＳ１８において、ＥＧＲバルブ１７の動きは、それぞれ図７のステップＳ３、ステップＳ５、ステップＳ６と同一である。

ステップＳ１６において、ＥＣＵ２０は、低温ＥＧＲ領域であるものと判断した場合には、ＥＧＲアクチュエータ１８を駆動し、ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５を閉じ、外側通路１６を開く（ステップＳ１７）。

ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５を閉じ、外側通路１６を開くには、ＥＧＲアクチュエータ１８は、ＥＧＲバルブ１７を図１３に示す位置から図１４に示す排気マニホールド８側にさらに移動させる。

すなわち、Ｌ≦Ｘの移動範囲においてＸの値がさらに増大するまでＥＧＲバルブ１７を移動させる。ＥＧＲバルブ１７の移動量がＸｔとなったときに、ＥＧＲアクチュエータ１８の駆動を停止する。

図１４に示すように、ＥＣＵ２０は、最大突出位置Ｘ０からＥＧＲバルブ１７の上壁１７Ｃが内側通路１５の開口端１５ａと開口部３１Ａの内周下端３１ａとの距離ｔ１の範囲に移動するまでのパルス数に基づいてＥＧＲバルブ１７の移動量Ｘｔを設定している。これにより、ＥＧＲバルブ１７によって内側通路１５を閉じ、外側通路１６が開かれ、外側通路１６を流れる低温のＥＧＲガスが気筒に導入される。

このように本実施の形態のエンジン１によれば、排気取出し通路１０と外側通路１６とを連通した状態で、排気取出し通路１０と内側通路１５とを連通または連通を遮断するＥＧＲバルブ１７を備えている。

これにより、エンジン１の運転状態が高負荷運転状態である場合に、第１の実施の形態に比べてより低温のＥＧＲガスのみを気筒に供給することでき、第１の実施の形態の効果に加えて、エンジン１の高負荷運転状態においてノッキングが発生することをより効果的に抑制できる。これに加えて、エンジン１の運転状態に応じて、ＥＧＲガスの温度制御をより緻密に行うことができる。

上記各実施の形態においては、内周面１６Ｂおよび外側通路１６の外周面１６Ａは、円筒形状に形成されている。ＥＧＲバルブ１７は、有底の筒状に形成され、バルブ連通路１７Ａは、円筒形状に形成されているが、この形状に限定されるものではなく、内側通路１５および外側通路１６のシール性を向上できる形状であれば、どのような形状であってもよい。

また、本実施の形態のエンジン１は、ＥＧＲ通路１１をシリンダヘッド２に形成しているが、これに限らず、ＥＧＲ通路１１をシリンダブロックに形成してもよい。

本発明の実施の形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１...エンジン（内燃機関）、２...シリンダヘッド２（エンジン本体）、４...吸気マニホールド（吸気通路）、８...排気マニホールド（排気通路）、１０...ＥＧＲ取出し通路（排気通路）、１１...ＥＧＲ通路（排気ガス還流通路）、１２...ウォータジャケット、１３...ＥＧＲ導入通路（吸気通路）、１５...内側通路、１５ａ...開口端（内側通路の開口端）、１６...外側通路、１６Ａ...外周面（外側通路の外周面）、１６Ｂ...内周面（外側通路の内周面）、１７...ＥＧＲバルブ（ＥＧＲガス流量制御装置）、１７ａ...第１のシール面、１７ｂ...第２のシール面、１７ｃ...第３のシール面、１８...ＥＧＲアクチュエータ（ＥＧＲガス流量制御装置）、２０...ＥＣＵ（制御部）

Claims (6)

1. 排気ガスの一部をＥＧＲガスとして排気通路から吸気通路に還流する排気ガス還流通路と、前記排気ガス還流通路を取り囲むウォータジャケットとを有するエンジン本体を備えた内燃機関であって、
   前記排気ガス還流通路が、内側通路と、前記内側通路と前記ウォータジャケットとの間を仕切るように前記内側通路と前記ウォータジャケットとの間に設けられた外側通路とを含んで構成されており、
   前記排気通路と前記内側通路とを連通した状態で、前記排気通路と前記外側通路とを連通または連通を遮断するＥＧＲガス流量制御装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記ＥＧＲガス流量制御装置は、前記外側通路の外周面に接触する第１のシール面と前記外側通路の内周面に接触する第２のシール面とを有し、
   前記第１のシール面が前記外側通路の外周面に接触し、かつ、前記第２のシール面が前記外側通路の内周面に接触する第１の状態と、前記第１のシール面が前記外側通路の外周面に非接触となり、かつ、前記第２のシール面が前記外側通路の内周面に接触する第２の状態となるように移動自在に設けられており、
   前記ＥＧＲガス流量制御装置は、前記第１の状態にあるときに、前記排気通路と前記外側通路との連通を遮断し、前記第２の状態にあるときに、前記排気通路と前記外側通路とを連通させることを特徴とする特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記ＥＧＲガス流量制御装置は、前記内側通路の開口端に接触する第３のシール面を有し、前記第３のシール面が前記内側通路の開口端に接触する第３の状態と、前記第３のシール面が前記内側通路の開口端に非接触となる前記第４の状態となるように移動自在に設けられ、
   前記ＥＧＲガス流量制御装置は、前記第３の状態にあるときに、前記排気通路と前記内側通路との連通を遮断し、
   前記第１の状態で、かつ、前記第４の状態にあるときに、前記排気通路と前記内側通路とを連通し、かつ、前記排気通路と前記外側通路との連通を遮断し、
   前記第２の状態で、かつ、前記第４の状態にあるときに、前記排気通路と前記内側通路および前記外側通路とを連通させることを特徴とする特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 排気ガスの一部をＥＧＲガスとして排気通路から吸気通路に還流する排気ガス還流通路と、前記排気ガス還流通路を取り囲むウォータジャケットとを有するエンジン本体を備えた内燃機関であって、
   前記排気ガス還流通路が、内側通路と、前記内側通路と前記ウォータジャケットとの間を仕切るように前記内側通路と前記ウォータジャケットとの間に設けられた外側通路とを含んで構成されており、
   前記排気通路と前記外側通路との間でＥＧＲガスが流通している状態において、前記排気通路と前記内側通路とを連通または連通を遮断するＥＧＲガス流量制御装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて前記ＥＧＲガス流量制御装置を制御する制御部を有し、
   前記制御部は、前記内燃機関の運転状態が低負荷運転状態であることを条件として、前記排気通路と前記外側通路との連通を遮断するように前記ＥＧＲガス流量制御装置を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 前記制御部は、前記内燃機関の運転状態が高負荷運転状態であることを条件として、前記排気通路と前記内側通路および前記外側通路とを連通するように前記ＥＧＲガス流量制御装置を制御することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。

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