JP2018150894A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過給圧の低下を抑制しつつＥＧＲガスを好適に供給する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路４１にタービン６２を有する過給機６０と、タービン６２よりも下流の排気通路４１に設けられ排気を浄化する後処理装置４５と、タービン６２よりも下流且つ後処理装置４５よりも上流の排気通路４１と内燃機関１の気筒２とを接続するＥＧＲ通路５０、及び、ＥＧＲ通路５０の気筒２側の端部に設けられ気筒２内でＥＧＲ通路５０を開閉するＥＧＲ弁を有するＥＧＲ装置５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気マニホールド内の排気を気筒内に直接再循環させるためのＥＧＲ弁を気筒内に設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−０７３８７５号公報 特開２０１５−１２１１６０号公報

過給機のタービンよりも上流側からＥＧＲガスを取り出すと、その分、タービンを通過する排気の量が減少する。したがって、ＥＧＲガス量を増加させると、過給圧が減少し得る。このように、従来の構成では、ＥＧＲガス量の増加と過給圧の増加とを両立させることが困難であった。これは、タービンよりも上流側の排気通路と、コンプレッサよりも下流側の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を備えている高圧ＥＧＲ装置の場合であっても同様である。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、過給圧の低下を抑制しつつＥＧＲガスを好適に供給することにある。

上記課題を解決するために本発明では、内燃機関の排気通路にタービンを有する過給機と、前記タービンよりも下流の前記排気通路に設けられ、排気を浄化する後処理装置と、前記タービンよりも下流且つ前記後処理装置よりも上流の前記排気通路と、前記内燃機関の気筒と、を接続するＥＧＲ通路、及び、前記ＥＧＲ通路の前記気筒側の端部に設けられ前記気筒内で前記ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲ弁を有するＥＧＲ装置と、を備える。

このような構成のＥＧＲ装置では、気筒内でＥＧＲ弁が開閉するため、ＥＧＲ弁の開度を変化させると、ＥＧＲガス量が直ぐに変化する。すなわち、ＥＧＲガス量を制御するときの応答性が高い。また、気筒内で新気とＥＧＲガスとが混ざるため、凝縮水が発生し難い。すなわち、新気が気筒内に導入されるまでの間に吸気通路から新気が熱を受けるため、新気の温度が比較的高くなる。そのため、気筒内で新気とＥＧＲガスとが混ざったとしても、温度が露点以下に下がり難い。また、ＥＧＲガスを供給するときに吸気絞り弁や排気絞り弁の開度を小さくする必要がないため、ポンプ損失を小さくすることができる。また、タービンよりも下流側からＥＧＲガスを取り出すため、ＥＧＲガスを供給したとしてもタービンを通過する排気の量は減少しない。したがって、過給圧の低下を抑制しつつＥＧＲガスを供給することができる。また、後処理装置よりも上流側からＥＧＲガスを取り出すため、ＥＧＲガスを取り出すことにより後処理装置に流入する排気の量を減少させることができる。これにより、後処理装置において排気を好適に浄化することができる。なお、後処理装置には、触媒やパティキュレートフィルタを例示できる。

また、前記ＥＧＲ弁の開閉時期を調整する調整機構と、前記調整機構を制御する制御装置と、を更に備え、前記制御装置は、前記内燃機関の気筒内の温度が目標温度未満の場合
には、前記ＥＧＲ弁の開弁開始時期が排気行程となり、且つ、前記ＥＧＲ弁の閉弁終了時期が吸気行程となるように前記調整機構を制御してもよい。

目標温度は、例えば、エミッションの悪化が許容範囲内となる気筒内の温度である。気筒内の温度は、気筒内における新気及びＥＧＲガスを合わせたガスの温度である。この気筒内の温度は、新気とＥＧＲガスとが混ざり合った所定のクランク角度におけるガスの温度としてもよい。ここで、内燃機関の始動時などにおいて気筒内の温度が低いと、燃焼状態が悪化し易い。これに対して、気筒内の温度を高くすることにより、燃焼状態の悪化を抑制できる。そこで、ＥＧＲ弁が排気行程で開き始めるようにＥＧＲ弁の開弁開始時期を調整する。そうすると、気筒内の圧力がＥＧＲ通路内の圧力よりも高いときにＥＧＲ弁が開くため、気筒からＥＧＲ通路に向かって既燃ガスが流れる。一方、吸気行程ではピストンの下降により気筒内の圧力が低下する。そのため、ＥＧＲ弁が吸気行程で全閉となるようにＥＧＲ弁の閉弁終了時期を調整することにより、排気行程で気筒からＥＧＲ通路に流れた既燃ガスが、吸気行程でＥＧＲ通路から気筒へ戻される。ここで、排気通路からＥＧＲ通路へ導入されたＥＧＲガスのみを供給する場合には、排気通路及びＥＧＲ通路において既燃ガスから熱が奪われるため、ＥＧＲガスの温度が比較的低くなる。一方、気筒からＥＧＲ通路に流れた既燃ガスをＥＧＲガスとして供給することにより、ＥＧＲガスから奪われる熱を低減することができるため、比較的高い温度のＥＧＲガスを気筒内に供給することができる。そのため、気筒内の温度を高めることができる。一方、気筒内の温度が目標温度以上であれば、ＥＧＲ弁の開弁開始時期を例えば吸気行程に設定することにより、気筒からＥＧＲ通路へ流れる既燃ガスの量を減少させることができるため、気筒内の温度が高くなり過ぎることを抑制できる。

また、前記ＥＧＲ装置は、前記排気通路側から前記気筒側へはガスを流し、前記気筒側から前記排気通路側へはガスを流さない逆止弁を前記ＥＧＲ通路に更に備えることができる。

このような逆止弁によれば、気筒からＥＧＲ通路に流れ込む既燃ガスや新気の量を制限することができる。これにより、気筒からＥＧＲ通路へ流れ込んだ新気によってＥＧＲガス濃度が低下することを抑制できる。また、気筒からＥＧＲ通路へ流れ込んだ高温の既燃ガスによってＥＧＲガスの温度が高くなり過ぎることを抑制できる。

また、前記ＥＧＲ装置は、前記排気通路側から前記気筒側へはガスを流し、前記気筒側から前記排気通路側へはガスを流さない逆止弁を前記ＥＧＲ通路に更に備え、前記逆止弁は、前記ＥＧＲ弁から前記逆止弁までの前記ＥＧＲ通路の容積が、排気行程で前記ＥＧＲ弁が開いているときに前記気筒から前記ＥＧＲ通路に流れるガスの量に応じた容積以上となる位置に備えられていてもよい。

ＥＧＲガスの温度を高くするために排気行程において気筒からＥＧＲ通路へ既燃ガスを流す場合には、温度調整に必要となる量の既燃ガスが気筒からＥＧＲ通路へ流れる必要がある。この温度調整に必要となる量の既燃ガスが流れるような位置に逆止弁を設けることにより、ＥＧＲガスの温度の調整が可能となる。すなわち、ＥＧＲ弁から逆止弁までのＥＧＲ通路の容積が、ＥＧＲ弁が排気行程で開いているときに気筒からＥＧＲ通路に流れるガスの量に応じた容積以上となる位置にＥＧＲ弁を設けることにより、ＥＧＲガスの温度を調整することができる。また、逆止弁を設けることにより、既燃ガスが必要以上に気筒からＥＧＲ通路へ流れることを抑制できる。

また、前記ＥＧＲ装置は、前記逆止弁よりも前記排気通路側の前記ＥＧＲ通路に、ガスを冷却するＥＧＲクーラを更に備えることができる。

そうすると、ＥＧＲクーラにより温度が低下した後のＥＧＲガスが逆止弁を通過するため、逆止弁の温度上昇を抑制できる。これにより、逆止弁の劣化を抑制できる。

また、前記ＥＧＲ装置は、前記ＥＧＲ通路に、ガスを冷却するＥＧＲクーラを更に備えることができる。

そうすると、ＥＧＲクーラにより温度が低下した後のガスを気筒内に導入することができる。

本発明によれば、過給圧の低下を抑制しつつＥＧＲガスを好適に供給することができる。

実施例１に係る内燃機関の概略構成を表す図である。 吸気弁、排気弁、ＥＧＲ弁の夫々におけるクランク角度に対するリフト量の関係を示した図である。 吸気弁の開閉時期を変化させることによりＥＧＲガス量を調整する場合の吸気弁、排気弁、ＥＧＲ弁の夫々におけるクランク角度に対するリフト量の関係を示した図である。 ＥＧＲ弁の開閉時期を変化させることによりＥＧＲガス温度を調整する場合の吸気弁、排気弁、ＥＧＲ弁の夫々におけるクランク角度に対するリフト量の関係を示した図である。 実施例２に係るＥＧＲガス温度の制御フローを示したフローチャートである。 実施例３に係る内燃機関の概略構成を表す図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を表す図である。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。内燃機関１は、たとえば車両に搭載される。内燃機関１は、４つの気筒２を有している。なお、内燃機関１の気筒２の数は４つに限らない。

内燃機関１のシリンダヘッド１１には、吸気管３１の一部である吸気マニホールド３２、及び、排気管４１の一部である排気マニホールド４２が接続されている。また、シリンダヘッド１１には、吸気マニホールド３２から気筒２に通じる吸気ポート３３、及び、排気マニホールド４２から気筒２に通じる排気ポート４３が形成されている。吸気ポート３３の気筒２側の端部には、吸気弁３４が備わる。また、排気ポート４３の気筒２側の端部には、排気弁４４が備わる。吸気管３１、吸気マニホールド３２、吸気ポート３３は、何れも吸気通路３に含まれている。排気管４１、排気マニホールド４２、排気ポート４３は、何れも排気通路４に含まれている。

また、内燃機関１にはＥＧＲ装置５が備わる。ＥＧＲ装置５は、ＥＧＲ管５１、ＥＧＲポート５２、ＥＧＲ弁５３、ＥＧＲクーラ５４を備えている。シリンダヘッド１１には、
ＥＧＲ管５１が接続されている。また、シリンダヘッド１１には、ＥＧＲ管５１から気筒２に通じるＥＧＲポート５２が形成されている。ＥＧＲポート５２の一端はＥＧＲ管５１と接続され、他端は４つに分岐して各気筒２に接続される。ＥＧＲポート５２の気筒２側の端部にはＥＧＲ弁５３が備わる。したがって、ＥＧＲ弁５３は、気筒２内でＥＧＲポート５２を開閉する。ＥＧＲ管５１の途中には、ＥＧＲガスと、外気または内燃機関１の冷却水と、で熱交換を行うＥＧＲクーラ５４が設けられている。なお、本実施例では、ＥＧＲクーラ５４は、必ずしも必要ではない。ＥＧＲ管５１及びＥＧＲポート５２は、ＥＧＲ通路５０に含まれる。

なお、本実施例では、吸気弁３４の位相を変化させる機構（以下、吸気動弁機構という。）３５が設けられている。また、本実施例では、ＥＧＲ弁５３の位相又はリフト量の少なくとも一方を変化させる機構（以下、ＥＧＲ動弁機構という。）５５が設けられている。吸気動弁機構３５及びＥＧＲ動弁機構５５には、周知の可変動弁機構の構造を用いることができる。各気筒２にはピストン１２が設けられている。なお、本実施例においてはＥＧＲ動弁機構５５が、本発明における調整機構に相当する。

吸気管３１の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ６０のコンプレッサ６１が設けられている。コンプレッサ６１よりも下流で且つ吸気マニホールド３２よりも上流の吸気管３１には、該吸気管３１を流れる吸気の量を調節するスロットル３６が備えられている。また、コンプレッサ６１よりも下流で且つスロットル３６よりも上流の吸気管３１には、吸気と、外気または内燃機関１の冷却水と、で熱交換を行うインタークーラ３７が設けられている。なお、本実施例においてはターボチャージャ６０が、本発明における過給機に相当する。

コンプレッサ６１よりも上流の吸気管３１には、該吸気管３１内を流れる空気の量に応じた信号を出力するエアフローメータ７１が取り付けられている。このエアフローメータ７１により内燃機関１の新気量が検出される。また、吸気マニホールド３２には、吸気マニホールド３２内の圧力に応じた信号を出力する吸気圧センサ７２、及び、吸気マニホールド３２内の温度に応じた信号を出力する吸気温センサ７３が取り付けられている。

一方、排気マニホールド４２よりも下流の排気管４１の途中には、ターボチャージャ６０のタービン６２が設けられている。タービン６２よりも下流の排気管４１には、排気浄化触媒４５が設けられている。排気浄化触媒４５には、酸化触媒、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、または、選択還元型ＮＯｘ触媒などを例示できる。なお、排気浄化触媒４５の代わりに、排気中のＰＭを捕集するフィルタを設けてもよい。また、フィルタに排気浄化触媒４５が担持されていてもよい。なお、本実施例においては排気浄化触媒４５が、本発明における後処理装置に相当する。また、排気マニホールド４２には、排気マニホールド４２内の圧力に応じた信号を出力する排気圧センサ７６、及び、排気マニホールド４２内の温度に応じた信号を出力する排気温センサ７７が取り付けられている。

そして本実施例に係るＥＧＲ管５１は、タービン６２よりも下流且つ排気浄化触媒４５よりも上流の排気管４１に接続されており、この位置から排気をＥＧＲガスとして取り出している。

なお、本実施例においては、吸気弁３４を２つ、排気弁４４を１つ、ＥＧＲ弁５３を１つ設けているが、各弁の数はこれに限らない。例えば、吸気弁３４を１つ、排気弁４４を２つ、ＥＧＲ弁５３を１つ設けてもよく、吸気弁３４を２つ、排気弁４４を２つ、ＥＧＲ弁５３を１つ設けてもよく、吸気弁３４を１つ、排気弁４４を１つ、ＥＧＲ弁５３を１つ設けてもよい。

そして、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御装置であるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、ＣＰＵの他、各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。

ここで、上記各種センサの他、アクセル開度センサ７４およびクランクポジションセンサ７５がＥＣＵ１０と電気的に接続されている。ＥＣＵ１０はアクセル開度センサ７４からアクセル開度に応じた信号を受け取り、この信号に応じて内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、ＥＣＵ１０はクランクポジションセンサ７５から内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度を算出する。一方、ＥＣＵ１０には、吸気動弁機構３５及びＥＧＲ動弁機構５５が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。

ＥＣＵ１０は、例えば、以下のようにしてＥＧＲガス量を調整する。ここで、図２は、吸気弁３４、排気弁４４、ＥＧＲ弁５３の夫々におけるクランク角度に対するリフト量の関係を示した図である。横軸は、排気上死点を基準（すなわち、０）とした排気上死点後のクランク角度（ＢＴＤＣ）を示している。なお、図２では、ＥＧＲ弁５３において、リフト量を比較的大きくした場合を実線で示しており、リフト量を比較的小さくした場合を破線で示している。図２に示すように、ＥＧＲ弁５３のリフト量を変化させることにより、気筒２内に供給されるＥＧＲガス量を調整することができる。また、例えば、ＥＧＲ弁５３のリフト量を０ｍｍに設定することにより、ＥＧＲガス量が０になる。一方、ＥＧＲ弁５３のリフト量を増加させるほど、ＥＧＲガス量を増加させることができる。

なお、図２に示した例では、ピストン１２が排気上死点近傍にあるときにＥＧＲ弁５３が開き始め、その後、所定の間隔を空けて吸気弁３４が開き始める。所定の間隔は、予め実験またはシミュレーション等により求められる。なお、吸気弁３４またはＥＧＲ弁５３が開き始める時期を以下では「開弁開始時期」といい。吸気弁３４またはＥＧＲ弁５３が閉じ終わる時期（すなわち、全閉となる時期）を以下では「閉弁終了時期」という。吸気弁３４の開弁開始時期は図２に示した時期に限らず、吸気弁３４の開弁開始時期を、例えば、ＥＧＲ弁５３の閉弁終了時期よりも後に設定してもよい。そうすると、過給により吸気の圧力が高い場合であっても、ＥＧＲ弁５３が開いている間には気筒内に吸気が導入されないため、気筒２からＥＧＲポート５２に吸気が流出することを抑制できる。また、図２では、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期と、吸気弁３４の開弁開始時期とで所定の間隔を設けているが、これに限らず、例えば、ＥＧＲ弁５３と吸気弁３４との開弁開始時期が、略同時期であってもよい。また、図２に示した例では、ＥＧＲ弁５３のリフト量を変えている一方、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期及び閉弁終了時期は変えていない。本実施例では、これ代えて、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期または閉弁終了時期を変化させてもよい。例えば、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期は変化させず、ＥＧＲ弁５３のリフト量が小さくなるほど、ＥＧＲ弁５３の閉弁終了時期を進角させてもよい。

目標ＥＧＲガス量、及び、目標ＥＧＲガス量を達成するためのＥＧＲ弁５３のリフト量は、以下の関数によって求めることができる。
目標ＥＧＲガス量＝Ｆ１（機関回転速度、燃料噴射量、新気量、吸気マニホールドにおけるガスの圧力及びガスの温度、外気の温度、外気の圧力、冷却水温度、外気の湿度）
ＥＧＲ弁５３のリフト量＝Ｆ２（目標ＥＧＲガス量、排気マニホールドにおけるガスの圧力及びガスの温度、ＥＧＲポート５２またはＥＧＲ管５１におけるガスの圧力及びガスの温度）
これらの関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化しておいてもよい。

一方、ＥＧＲ弁５３のリフト量を変化させずに、ＥＧＲ弁５３の開閉時期または吸気弁３４の開閉時期を変化させることにより、ＥＧＲガス量を調整することもできる。ここで、図３は、吸気弁３４の開閉時期を変化させることによりＥＧＲガス量を調整する場合の吸気弁３４、排気弁４４、ＥＧＲ弁５３の夫々におけるクランク角度に対するリフト量の関係を示した図である。図３においても図２と同様に、横軸は排気上死点を基準とした排気上死点後のクランク角度（ＢＴＤＣ）を示している。そして、図３は、吸気弁３４の開閉時期のみを進角または遅角した場合を示している。なお、図３では、吸気弁３４において、吸気弁３４の開閉時期を比較的早くした場合を実線で示しており、吸気弁３４の開閉時期を比較的遅くした場合を破線で示している。なお、吸気弁３４の開閉時期を進角または遅角させる時には、開弁開始時期と閉弁終了時期とで進角量または遅角量が同じになるように吸気動弁機構３５を制御している。

図３に示すように、ＥＧＲ弁５３の開閉時期に対して、吸気弁３４の開閉時期を進角または遅角することにより、ＥＣＵ１０は、気筒２内に供給されるＥＧＲガス量を調整する。例えば、吸気弁３４の開閉時期を進角させることにより、吸気行程中にＥＧＲ弁５３と吸気弁３４とが同時に開いている期間が長くなる。これにより、新気とＥＧＲガスとを同時に吸い込んでいる期間が長くなる。新気とＥＧＲガスとを同時に吸い込んでいる場合には、吸気弁３４が閉じていてＥＧＲガスのみを吸い込んでいる場合よりも、吸い込んだ吸気の分だけＥＧＲガスの吸い込み量が少なくなる。したがって、ＥＧＲ弁５３と吸気弁３４とが同時に開いている期間が長くなるほど、ＥＧＲガス量が減少する。すなわち、吸気弁３４の開閉時期を進角するほど、または、ＥＧＲ弁５３の開閉時期を遅角するほど、ＥＧＲガス量が少なくなる。吸気弁３４及びＥＧＲ弁５３の開閉時期とＥＧＲガス量との関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化しておいてもよい。

また、ＥＧＲ弁５３のリフト量の調整と、ＥＧＲ弁５３及び吸気弁３４の開閉時期の調整とを組み合わせることにより、ＥＧＲガス量を調整してもよい。この場合、ＥＧＲ弁５３のリフト量と、ＥＧＲ弁５３及び吸気弁３４の開閉時期と、ＥＧＲガス量との関係を予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化しておいてもよい。

ここで、従来の高圧ＥＧＲ装置では、タービンよりも上流の排気通路とスロットルよりも下流の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を備えていた。そのため、排気通路からＥＧＲガスを取り出すとタービンを通過する排気の量が減少していた。これにより、ＥＧＲガスを供給するときには過給圧を高くすることが困難になる虞があった。また、タービンよりも上流にＥＧＲ通路が接続されると、タービンよりも上流側の容積が増加することにより排気脈動が減衰してしまい、タービンの仕事の低下を招く虞があった。これによっても、過給圧を高くすることが困難になる虞があった。

一方、本実施例に係るＥＧＲ装置５では、タービン６２を通過した後の排気をＥＧＲガスとして取り出すため、タービン６２を通過する排気の量が減少することを抑制できる。また、タービン６２までの間の容積が増加することも抑制できる。したがって、ＥＧＲガスを供給したとしても、過給圧を高くすることができる。

また、従来の高圧ＥＧＲ装置では、過給によりＥＧＲ通路の排気通路側の圧力よりも吸気通路側の圧力のほうが高くなると、新気がＥＧＲ通路を逆流するためにＥＧＲガスを供給することが困難になっていた。

一方、本実施例に係るＥＧＲ装置５では、ＥＧＲ弁５３及び吸気弁３４の開閉時期を調整することにより、過給圧が高い場合であっても、ＥＧＲガスを気筒２内に供給することができる。例えば、吸気行程前半でＥＧＲ弁５３を開閉して気筒２内にＥＧＲガスを導入し、ＥＧＲ弁５３を閉じた後に吸気弁３４を開くことにより、過給圧が高い場合であって
も、新気がＥＧＲ通路５０を逆流することを抑制できる。すなわち、ＥＧＲ弁５３が開いている間は、ピストン１２が下降することにより気筒２内が負圧になる一方、タービン６２よりも下流の排気管４１内の圧力は大気圧近傍となるため、ＥＧＲ通路５０内の圧力よりも気筒２内の圧力のほうが低くなる。このため、ＥＧＲ通路５０を介してＥＧＲガスが気筒２内に供給される。そして、吸気弁３４の開弁開始時期がＥＧＲ弁５３の閉弁終了時期よりも後であれば、吸気弁３４を開いて高圧の吸気が気筒２に導入されたとしても、吸気はＥＧＲ通路５０へ流れない。

また、従来の低圧ＥＧＲ装置では、排気浄化触媒よりも下流の排気通路とコンプレッサよりも上流の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を備えていた。この場合、排気浄化触媒を通過した排気をＥＧＲガスとして取り出すことになるため、排気浄化触媒を通過する排気の量が比較的多くなる。排気浄化触媒の許容量を超えて排気浄化触媒に排気が流入すると、排気を浄化し切れなくなるため、従来では、排気浄化触媒を大きくする必要があった。

一方、本実施例に係るＥＧＲ装置５では、排気浄化触媒４５よりも上流の排気管４１にＥＧＲ管５１が接続されている。そのため、排気浄化触媒４５を通過する前の排気をＥＧＲガスとして取り出すことができるので、取り出したＥＧＲガスの分だけ排気浄化触媒４５を通過する排気の量が少なくなる。これにより、排気浄化触媒４５における排気の浄化率が高くなる。また、排気の浄化率が高くなれば、排気浄化触媒４５を小さくすることができる。

また、従来の高圧ＥＧＲ装置及び低圧ＥＧＲ装置では、ＥＧＲ弁から気筒までの距離が比較的長いために、ＥＧＲ弁の開度を調整しても、気筒２内のＥＧＲガス量が実際に変わるまでに時間がかかっていた。すなわち、応答遅れがあった。そのため、ＥＧＲガスが目標値に収束するまでに時間がかかっていた。

一方、本実施例に係るＥＧＲ装置５では、ＥＧＲ弁５３が気筒２で開閉するため、ＥＧＲ弁５３の開閉時期を調整することにより気筒２内のＥＧＲガス量を直ぐに調整することが可能である。すなわち、応答遅れがほとんどない。また、ＥＧＲガスが不要の場合には、ＥＧＲ弁５３を開かなければ、ＥＧＲガスの供給を直ぐに停止させることができる。

また、従来の高圧ＥＧＲ装置及び低圧ＥＧＲ装置では、高温多湿のＥＧＲガスと低温の新気とが吸気通路で混ざるために、凝縮水が発生する虞があった。そして、凝縮水により吸気通路に備わる部材が腐食したり、気筒壁面に付着した凝縮水が潤滑油に混ざったりする虞があった。なお、凝縮水が発生しないように新気の温度を調整することも可能であるが、この場合には新気の温度が高くなるため、出力低下や燃費悪化の虞があった。また、外気の温度が低すぎる場合には、凝縮水が発生する虞があるためにＥＧＲガスを供給することが困難であった。

一方、本実施例に係るＥＧＲ装置５では、気筒２内で新気とＥＧＲガスとが混ざる。ここで、新気がＥＧＲガスと混ざるまでには、吸気管３１、吸気ポート３３、吸気弁３４、気筒２内に残留する既燃ガスなどから熱を受ける。これにより、新気がＥＧＲガスと混ざるときには、新気の温度がある程度高くなっている。そのため、気筒２内で新気とＥＧＲガスとが混ざったとしても、その混ざった後のガスの温度が露点よりも高くなり得るため、凝縮水が発生し難い。

また、従来の高圧ＥＧＲ装置及び低圧ＥＧＲ装置では、ＥＧＲガスを大量に供給する場合に、排気通路側と吸気通路側との圧力差を大きくするために、吸気絞り弁を閉じて吸気絞り弁よりも下流側の吸気の圧力を減少させたり、排気絞り弁を閉じて排気絞り弁よりも上流側の排気の圧力を増加させたりする必要があった。また、ノズルベーンを有する可変
容量型のターボチャージャを備えている場合には、ＥＧＲガスを大量に供給する場合に、ノズルベーンを閉じることによりターボチャージャよりも上流の排気の圧力を増加させることがあった。このため、ＥＧＲガスを大量に供給する場合には、ポンプ損失が増大して燃費が悪化していた。

一方、本実施例に係るＥＧＲ装置５では、吸気弁３４の開閉弁時期とＥＧＲ弁５３の開閉時期とを調整することにより、気筒２内へのＥＧＲガス量を調整することができるため、吸気絞り弁や排気絞り弁を閉じたり、ノズルベーンを閉じたりする必要がない。このため、ポンプ損失が増大することがない。よって、燃費の悪化を抑制し得る。

以上説明したように本実施例によれば、過給圧の低下を抑制しつつＥＧＲガスを好適に供給することができる。

（実施例２）
本実施例では、ＥＧＲ弁５３の開閉時期を調整することにより、ＥＧＲガス温度を調整する。その他の装置等は実施例１と同じため、説明を省略する。

ここで、内燃機関１の始動時などにおいて気筒２内の温度が低いと、燃焼状態が悪化し易い。これに対して、気筒２内の温度を高くすることにより、燃焼状態の悪化を抑制できる。そこで、本実施例に係るＥＣＵ１０は、気筒２内の温度が目標温度未満の場合に、気筒２内の温度が目標温度以上となるように、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期を調整する。

ここで、図４は、ＥＧＲ弁５３の開閉時期を変化させることによりＥＧＲガス温度を調整する場合の吸気弁３４、排気弁４４、ＥＧＲ弁５３の夫々におけるクランク角度に対するリフト量の関係を示した図である。横軸は、排気上死点を基準とした排気上死点後のクランク角度（ＢＴＤＣ）を示している。なお、図４では、ＥＧＲ弁５３において、開弁開始時期を排気上死点後に設定した場合を実線で示しており、開弁開始時期を排気上死点前に設定した場合を破線で示している。ＥＧＲ弁５３の開閉時期を進角または遅角させる時には、開弁開始時期と閉弁終了時期とで進角量または遅角量が同じになるようにＥＧＲ動弁機構５５を制御している。本実施例では、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期を排気上死点前に進角させることにより、ＥＧＲガス温度を調整している。なお、本実施例では、実施例１で説明したＥＧＲ弁５３のリフト量の調整や、吸気弁３４の開閉時期の調整を組み合わせることにより、ＥＧＲガスの温度及びＥＧＲガス量を同時に調整してもよい。また、本実施例では、図４に示すように、吸気行程中にＥＧＲ弁５３の閉弁終了時期が来るように、ＥＧＲ弁５３の閉弁終了時期が設定される。また、本実施例では、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期を変更した場合に、吸気弁３４の開弁開始時期も変更してもよい。

ここで、排気行程では気筒２内の既燃ガスがピストン１２により押されるため、気筒２内の圧力がＥＧＲポート５２内の圧力よりも高くなる。そのため、排気行程中にＥＧＲ弁５３の開弁開始時期が来るようにＥＧＲ弁５３の開弁開始時期を調整すると、気筒２からＥＧＲポート５２へ高温の既燃ガスが流れる。そして、排気上死点後の吸気行程では、ピストン１２が下降することにより気筒２内の圧力が低下する。これにより、気筒２内の圧力よりもＥＧＲポート５２内の圧力が高くなるため、ＥＧＲポート５２内の高温の既燃ガスがＥＧＲガスとして気筒２内に戻される。さらに、吸気弁３４が開くことにより、気筒２内に新気も導入される。このようにして、気筒２内に高温の内部ＥＧＲガスを供給することができる。

また、気筒２からＥＧＲポート５２へ流出した既燃ガスが全て気筒２内に戻した後もＥＧＲ弁５３を開いておけば、その後に、ＥＧＲクーラ５４を通過した温度の低いＥＧＲガスである外部ＥＧＲガスが気筒２内に供給される。したがって、ＥＧＲ弁５３の開弁開始
時期を排気上死点以降として外部ＥＧＲガスのみを供給する場合と比較して、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期を排気上死点前として内部ＥＧＲガス及び外部ＥＧＲガスの両方を供給する場合のほうが、ＥＧＲガスの温度が高くなるため、ＥＧＲガスと新気とが混合した後の気筒２内の温度も高くなる。そして、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期を調整することにより、内部ＥＧＲガス量及び外部ＥＧＲガス量を調整することができるため、ＥＧＲガス温度及び気筒２内の温度を調整することができる。

なお、従来の高圧ＥＧＲ装置または低圧ＥＧＲ装置であっても、ＥＧＲクーラを迂回するバイパス通路を備えていれば、バイパス通路を迂回させることにより、ＥＧＲガスの温度を高めることが可能であった。しかし、パイパス通路を設けるためにコストが増加する。また、バイパス通路にＥＧＲガスを流通させたとしても、バイパス通路や他のＥＧＲ通路における放熱により、ＥＧＲガスの温度が低下してしまう。そのため、ＥＧＲガスの温度の調整幅が狭い。一方、本実施例に係るＥＧＲ装置５では、ＥＧＲポート５２に逆流した高温の既燃ガスを内部ＥＧＲガスとして導入することにより、ＥＧＲガスの温度をより高くすることができるため、ＥＧＲガス温度の調整幅が広くなる。

ＥＣＵ１０は、内部ＥＧＲガスと外部ＥＧＲガスとの両方を気筒２内に供給する場合には、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期が排気行程中となるように且つ閉弁終了時期を吸気行程中となるように、ＥＧＲ弁５３の開閉時期を設定し、この開閉時期となるようにＥＧＲ動弁機構５５を制御する。この際、目標温度と気筒２内の温度との差が大きいほど、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期の排気上死点からの進角量が大きくなるように、ＥＧＲ動弁機構５５を制御してもよい。

図５は、本実施例に係るＥＧＲガス温度の制御フローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により所定の時間（所定のサイクルとしてもよい。）毎に実行される。なお、本フローチャートは、気筒２内の温度が低くなり得る低負荷運転時または内燃機関１の始動時にのみ実施してもよい。

ステップＳ１０１では、気筒２内の温度が取得される。気筒２内の温度は、気筒２内における新気及びＥＧＲガスを合わせたガスの温度である。この気筒２内の温度は、所定のクランク角度における温度としてもよい。この所定のクランク角度は、気筒２内のガス量が変化しないクランク角度であり、例えば、圧縮行程中のクランク角度である。すなわち、気筒２内へのガスの流入や気筒２内からのガスの流出があると、気筒２内の温度が変化し得るため、ガスの出入りがないときの温度を用いてもよい。気筒２内の温度は、例えば、吸気下死点、圧縮上死点、点火時期、着火時期等における温度としてもよい。気筒２内の温度は、気筒２内に温度センサを設けることにより検知してもよく、ＥＣＵ１０が内燃機関１の運転状態に基づいて推定してもよい。この推定は、周知の技術により行うことができる。なお、気筒２内の温度が低い場合であっても、現サイクルの圧縮行程中にはＥＧＲガスを供給することができないために、気筒２内の温度を上昇させることもできない。したがって、気筒２内の温度は、１つ前のサイクル、または、２つ以上前のサイクルにおける気筒２内の温度となる。また、内燃機関１の運転状態等から気筒２内の温度を予測してもよい。この予測は、周知の技術により行うことができる。また、目標温度は、例えば、エミッションの悪化が許容範囲内となる気筒２内の温度であり、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。

ステップＳ１０２では、気筒２内の温度が目標温度未満であるか否か判定される。本ステップＳ１０２では、ＥＧＲガス温度を上昇させる必要があるか否か判定している。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０３では、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期が排気上死点前に設定される。すなわち、気筒２内の温度を目標温度以上にするために、ＥＧＲガス温度を高くする。なお、ＥＧＲ弁５３の閉弁終了時期は排気上死点以後となるように設定される。本ステップＳ１０３では、目標温度と、ステップＳ１０１で取得された気筒２内の温度と、の差が大きいほど、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期を進角させてもよく、所定のクランク角度だけＥＧＲ弁５３の開弁開始時期を進角させてもよい。何れの場合であっても、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期及び閉弁終了時期は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。また、気筒２内の温度をセンサにより検出して、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期及び閉弁終了時期をフィードバック制御してもよい。ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期の初期値は、排気上死点またはそれ以降に設定しておく。なお、本実施例においてはＥＣＵ１０がステップＳ１０３を処理することにより、本発明における制御装置として機能する。

一方、ステップＳ１０４では、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期が排気上死点前であるか否か判定される。本ステップＳ１０４では、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期がすでに排気上死点前に進角されている状態であるか否か判定している。ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０５では、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期が遅角される。すなわち、気筒２内の温度が目標温度以上になったため、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期を遅角させる。この場合、急激に遅角させると気筒２内の温度がまた目標温度未満になる虞があるため、ステップＳ１０３における進角量よりも本ステップＳ１０５における遅角量を小さくする。

ステップＳ１０６では、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期が維持される。すなわち、気筒２内の温度が目標温度以上で且つＥＧＲ弁５３の開弁開始時期が排気上死点以降であるため、ＥＧＲガス温度を調整する必要がない。そのため、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期を現状のまま維持する。

以上説明したように本実施例によれば、ＥＧＲ弁５３の開弁開始時期を調整することにより、ＥＧＲガス温度を調整することができる。そして、ＥＧＲガス温度を調整することにより、気筒２内の温度を目標温度に合わせることができる。

（実施例３）
本実施例では、ＥＧＲ管５１の途中に逆止弁５６を設けている。その他の装置等は実施例１または実施例２と同じため説明を省略する。図６は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を表す図である。

逆止弁５６は、ＥＧＲクーラ５４よりも気筒２側のＥＧＲ管５１に設けられている。この逆止弁５６は、排気管４１側から気筒２側にのみＥＧＲガスを通過させ、気筒２側から排気管４１側へはＥＧＲガスを通過させないように構成されている。

なお、逆止弁５６は、ＥＧＲクーラ５４よりも排気管４１側のＥＧＲ管５１に設けることもできるが、図６に示すようにＥＧＲクーラ５４よりも気筒２側のＥＧＲ管５１に逆止弁５６を設けることにより、高温のＥＧＲガスが逆止弁５６を通過することを抑制できる。すなわち、ＥＧＲクーラ５４よりも気筒２側のＥＧＲ管５１に逆止弁５６を設けることにより、ＥＧＲガスを供給するときに、ＥＧＲクーラ５４によって温度が低下されたＥＧＲガスが逆止弁５６を通過する。このため、逆止弁５６の温度上昇を抑制することができるので、逆止弁５６の劣化を抑制できる。

また、逆止弁５６を設けることにより、気筒２からＥＧＲ通路５０に流れ込む既燃ガス
量を制限することができる。例えば、ＥＧＲ弁５３を開いて気筒２内にＥＧＲガスを供給した後、ＥＧＲ弁５３が閉じる前に吸気弁３４が開く場合がある。このように、吸気弁３４及びＥＧＲ弁５３が共に開いている場合には、過給により吸気の圧力が高くなっていると、ＥＧＲポート５２内の圧力よりも気筒２内の圧力のほうが高くなるため、気筒２からＥＧＲポート５２へ新気が流れ込む虞がある。ＥＧＲポート５２へ新気が流れ込むと、次のサイクルでＥＧＲ弁５３を開いても、ＥＧＲポート５２へ流れ込んだ新気が最初に気筒２内に供給されるため、気筒２内のＥＧＲガスの濃度が低くなる。これに対して逆止弁５６を設けることにより、ＥＧＲポート５２へ流れ込む新気の量を制限することができる。逆止弁５６を設ける位置を実験またはシミュレーション等により求めてもよい。

なお、実施例２で説明したように、排気行程において既燃ガスをＥＧＲポート５２へ積極的に逆流させる場合には、所望の既燃ガス量が逆流するような位置に逆止弁５６を設ければよい。すなわち、ＥＧＲ弁５３から逆止弁５６までのＥＧＲ通路５０の容積が、排気行程でＥＧＲ弁５３が開いているときに気筒２からＥＧＲ通路５０に流れるガスの量に応じた容積以上となる位置に逆止弁５６を設ければよい。逆流させる所望の既燃ガス量が状況によって異なる場合には、その中で最大となる所望の既燃ガス量が逆流可能な位置に逆止弁５６を設ける。この場合であっても、逆止弁５６を設ける位置を実験またはシミュレーション等により求めてもよい。

以上説明したように本実施例によれば、ＥＧＲガス濃度が低下することを抑制できる。

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ ＥＧＲ装置
１０ ＥＣＵ
１１ シリンダヘッド
１２ ピストン
３１ 吸気管
３２ 吸気マニホールド
３３ 吸気ポート
３４ 吸気弁
３５ 吸気動弁機構
３６ スロットル
３７ インタークーラ
４１ 排気管
４２ 排気マニホールド
４３ 排気ポート
４４ 排気弁
４５ 排気浄化触媒
５０ ＥＧＲ通路
５１ ＥＧＲ管
５２ ＥＧＲポート
５３ ＥＧＲ弁
５４ ＥＧＲクーラ
５５ ＥＧＲ動弁機構
６０ ターボチャージャ
６１ コンプレッサ
６２ タービン

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路にタービンを有する過給機と、
   前記タービンよりも下流の前記排気通路に設けられ、排気を浄化する後処理装置と、
   前記タービンよりも下流且つ前記後処理装置よりも上流の前記排気通路と、前記内燃機関の気筒と、を接続するＥＧＲ通路、及び、前記ＥＧＲ通路の前記気筒側の端部に設けられ前記気筒内で前記ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲ弁を有するＥＧＲ装置と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＥＧＲ弁の開閉時期を調整する調整機構と、
   前記調整機構を制御する制御装置と、
   を更に備え、
   前記制御装置は、前記内燃機関の気筒内の温度が目標温度未満の場合には、前記ＥＧＲ弁の開弁開始時期が排気行程となり、且つ、前記ＥＧＲ弁の閉弁終了時期が吸気行程となるように前記調整機構を制御する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ＥＧＲ装置は、前記排気通路側から前記気筒側へはガスを流し、前記気筒側から前記排気通路側へはガスを流さない逆止弁を前記ＥＧＲ通路に更に備える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記ＥＧＲ装置は、前記排気通路側から前記気筒側へはガスを流し、前記気筒側から前記排気通路側へはガスを流さない逆止弁を前記ＥＧＲ通路に更に備え、
   前記逆止弁は、前記ＥＧＲ弁から前記逆止弁までの前記ＥＧＲ通路の容積が、排気行程で前記ＥＧＲ弁が開いているときに前記気筒から前記ＥＧＲ通路に流れるガスの量に応じた容積以上となる位置に備えられる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記ＥＧＲ装置は、前記逆止弁よりも前記排気通路側の前記ＥＧＲ通路に、ガスを冷却するＥＧＲクーラを更に備える請求項３または４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記ＥＧＲ装置は、前記ＥＧＲ通路に、ガスを冷却するＥＧＲクーラを更に備える請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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