JP4052242B2 - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置、特に、排気通路に触媒が設けられた内燃機関の排気還流装置に関する。

従来から、自動車のエンジン等の内燃機関において、排気の一部を吸気通路に還流させる排気還流装置を持つものが知られている。

例えば、特許文献１に開示されている内燃機関では、排気管（排気通路）のうち触媒装置の下流の部分からＥＧＲ管（還流通路）によって吸気管（吸気通路）へと排気を還流させている。

また、排気通路のうち触媒の上流の部分から吸気通路へと排気を還流させる構成を採る自動車用エンジンも存在する。

このように排気を還流させ、還流通路に設置される流量調整弁を制御することによって、ポンプ損失や冷却損失の低減が図られ、比熱比を増大させることもできるため、燃費向上の効果を得ることができるようになる。
特開２００３−８３０５０号公報

上記のような排気還流によって燃費改善を図る内燃機関において、排気通路のうち触媒の上流の部分から排気を取り出すときには、触媒を通過していない排気が還流ガスとして吸気通路に流入することになり、還流ガスがブローバイガスなどと反応して吸気通路を汚損する恐れがある。

これに対し、排気通路のうち触媒の下流の部分から排気を取り出す場合には、触媒を通過した後の排気を還流ガスとして吸気通路に戻すので吸気通路が汚損しにくいという利点がある。しかし、触媒の反応熱によって還流ガスの温度が高くなるため、内燃機関が高回転で高負荷という条件などのときに、吸気通路の耐熱性や還流通路に設けられる流量調整弁の耐熱性の観点から還流ガス量を多くできないことがある。このようなときには、還流ガス量を増やせば更なる燃費向上が達成できる場合であっても、吸気通路などを熱による損傷から守るために、更なる燃費向上という効果が得られなくなる。

本発明の課題は、還流ガスによる吸気通路内の汚損を抑制し、還流ガスの熱による吸気通路などの損傷を防止しつつ、多くの還流ガスを吸気通路へと流入させることのできる内燃機関を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、第１還流通路と、第２還流通路と、切り替え機構と、制御部とを備えている。第１還流通路は、内燃機関の排気通路の触媒上流部から内燃機関の吸気通路へと延びる通路であり、触媒上流部から排気を還流させる。触媒上流部は、排気通路のうち触媒よりも排気の流れの上流側に位置する部分である。第２還流通路は、排気通路の触媒下流部から吸気通路へと延びる通路であり、触媒下流部から排気を還流させる。触媒下流部は、排気通路のうち触媒よりも排気の流れの下流側に位置する。切り替え機構は、第１状態と第２状態とを切り替える機構であり、１体の切り替え弁であってもよいし、１又は複数の開閉弁から構成されていてもよいし、開閉弁と逆止弁とから構成されていてもよい。第１状態とは、第１還流通路による排気の還流が起こる状態である。第２状態とは、第２還流通路による排気の還流が起こる状態である。そして、制御部は、吸気通路へ還流されてくる排気である還流ガスの温度に相関するパラメータによって、切り替え機構による第１状態と第２状態との切り替えを制御する。この排気還流装置では、排気温度は、前記触媒通過前よりも触媒通過後の方が高い。また、制御部は、還流ガスの温度が所定値よりも高くなったときに第２状態から第１状態へと切り替わるように、切り替え機構を制御する、

ここでは、排気が、第１還流通路および／または第２還流通路によって、吸気通路へと還流する。吸気通路へと還流してくる還流ガスは、その経路が切り替え機構によって切り替えられる。切り替え機構によって第１状態が生じている場合には、触媒通過前なので比較的清浄度は低いが触媒通過後のものに較べて温度が低い排気が、第１還流通路を通って還流ガスとして吸気通路へと還流してくる。一方、切り替え機構によって第２状態が生じている場合には、比較的清浄度は高いが触媒の反応熱によって温度が高くなった排気が、第２還流通路を通って還流ガスとして吸気通路へと還流してくる。そして、第１状態と第２状態との切り替え制御は、制御部によって、還流ガスの温度に相関するパラメータによって行われる。

本発明によれば、吸気通路などの耐熱限度に合わせて、還流ガスの温度が低いときには、第２状態を生じさせ触媒を通過した後の比較的清浄度の高い排気を第２還流通路経由で還流させ、且つ、吸気通路が還流ガスの熱により損傷する恐れがあるぐらいに還流ガスの温度が高くなったとき、すなわち還流ガスの温度に相関するパラメータが所定範囲にあるときには、第１状態を生じさせ、触媒通過後のものに較べて温度が低い触媒通過前の排気を第１還流通路経由で還流させ、吸気通路への還流ガスの供給を確保することができる。このような制御が行われれば、原則としては触媒を通過した後の比較的清浄度の高い排気が第２還流通路経由で還流し、熱によって吸気通路などが損傷する恐れのあるときには、触媒を通過する前の比較的温度の低い排気が第１還流通路経由で吸気通路へと還流することになるため、還流ガスによる吸気通路内の汚損が抑制されるとともに、還流ガスの熱による吸気通路などの損傷を防止しつつ多くの還流ガスを吸気通路へと流入させることが実現できる。

＜エンジンの概略構成および動作＞
本発明の一実施形態に係る排気還流装置が用いられるエンジン（内燃機関）およびその制御装置を、図１に示す。

エンジン１は、吸気通路２、燃焼室７、排気通路１２、電制スロットル５、吸気バルブ６、排気バルブ１１、燃料噴射弁９、点火プラグ１０、触媒ユニット１４、コントロールユニット（制御装置）５０などから構成されている。また、このエンジン１の排気還流装置は、後述のように、排気通路１２から吸気通路２へと排気を還流させる還流通路３１，３２，３６，３８と、ＥＧＲ量調整バルブ４１と、二路切り替え弁４２とを有している。

吸気通路２は、燃焼室７に空気を吸入させるための通路である。吸気通路２には、エアクリーナ３、エアーフローメータ４、電制スロットル５が配置されている。エアーフローメータ４の信号がコントロールユニット５０に送られると、コントロールユニット５０が燃焼室７へ吸入させる吸入空気量を演算し、電制スロットル５に指令を送る。電制スロットル５は、燃焼室７への吸入空気量を調整するためのスロットルバルブであり、コントロールユニット５０からの指令に基づき燃焼室７に入る空気の量を調節する。

また、吸気通路２を構成する部品の１つであり、後述する排気還流装置の共用還流通路３８から還流ガスが流入してくる吸気マニホルド２０は、軽量化を図る観点から、アルミ製ではなく樹脂製のものを採用している。このため、吸気マニホルド２０は、アルミ製のものに較べて耐熱温度が低いものとなっている。

さらに、吸気通路２は、図２に示すように、燃焼室７の手前で、燃焼室７に開口する第
１吸気ポート２ａと第２吸気ポート２ｂとに分岐している。これらの吸気ポート２ａ，２ｂに対して、タンブル制御弁２２が設けられている。また、吸気ポート２ａ，２ｂには、タンブル制御弁２２のシャフト近傍から燃焼室７側に延びる分割プレート２１も設けられている。分割プレート２１は、吸気ポート２ａ，２ｂの内部空間を上下に２分割し、吸気ポート２ａ，２ｂの内部空間を上側通路と下側通路とに分ける。このうち、下側通路は、タンブル制御弁２２により開閉される。タンブル制御弁２２によって吸気ポート２ａ，２ｂの下側通路を閉じた状態で吸気が為されると、燃焼室７内におけるタンブル流が強化される。

吸気バルブ６は、吸気通路２を流れてくる空気を、所定のタイミングで燃焼室７に導入させる。これらの吸気バルブ６は、図示しないクランクシャフトの回転に応じて回転する吸気カムにより駆動される。

燃焼室７は、シリンダヘッド下面と、シリンダ内壁と、ピストン８の冠面とにより形成される空間（すきま容積部）である。ピストン８は、シリンダ内壁に沿って往復運動をするものであり、その冠面にはキャビティ８ａが設けられている。

燃焼室７の上部には、燃料噴射弁９および点火プラグ１０が配設されている。点火プラグ１０は、燃焼室７の上部の中央に配置されている。燃料噴射弁９は、筒内（燃焼室７内）に直接燃料を噴射する装置である。燃料は、燃料噴射弁９から燃焼室７内に直接燃料を噴射できるように、図示しない高圧燃料ポンプで昇圧されている。

高圧燃料ポンプから燃料噴射弁９へと燃料を送る高圧燃料配管には燃圧センサが配置されており、その燃圧センサの信号はコントロールユニット５０に送られる。運転状態に応じて必要な燃圧が変化するため、コントロールユニット５０により高圧燃料ポンプの作動制御が行なわれる。また、コントロールユニット５０には、アクセル開度センサ、クランク角センサ、冷却水温センサの各信号が入力される。これらのアクセル信号、クランク角信号および冷却水温センサ信号を基に、コントロールユニット５０は、それぞれ、要求トルク、エンジン回転数、エンジン温度を演算し、エンジン１の運転状態および要求トルクに応じて、燃料噴射弁９や点火プラグ１０を作動させる。

コントロールユニット５０は、燃料噴射弁９からの燃料噴射のタイミングを変えることで、暖機後の低負荷時には燃焼室７内で成層燃焼を行わせ、それ以外のときには均質燃焼を行わせる。

成層燃焼時には、圧縮行程中に燃料噴射弁９が燃料噴射を行い、ピストン８のキャビティ８ａ内およびその上空の領域に比較的大きな混合気の塊を形成させて点火プラグ１０の周りに混合気を集中させるとともに、その混合気の周囲を燃料のない空気層とする。この状態で点火プラグ１０により点火して成層燃焼を行うと、超希薄燃焼となって燃費が向上する。このような成層燃焼を行う運転領域（成層域）は、後述する図３に示す成層域Ａである。

一方、均質燃焼時には、吸気行程中に燃料噴射弁９が燃料噴射を行い、燃焼室７の全域に均質な混合気を形成させる。このように燃焼室７内の混合気の空燃比が全体的に均一である状態で燃焼を行うと、すなわち均質燃焼を行うと、成層燃焼に較べて高い出力を出すことができる。均質燃焼を行う運転領域（均質域）は、図３に示す均質域Ｂ，Ｃである。均質燃焼は、図３に示すように、概ね中高負荷時に行われる。

排気通路１２は、燃焼室７内で燃焼した後のガスを排気として燃焼室７から排出するための通路である。この排気通路１２と燃焼室７との間に配置される排気バルブ１１は、図示しないクランクシャフトの回転に応じて回転する排気カムにより駆動される。排気バルブ１１が開くと、燃焼室７内のガスは、排気通路１２に導かれて排出される。排気通路１２には、排気空燃比センサ１３と、排気を浄化するための触媒ユニット１４と、排気の圧
力を検出する排気圧センサ５２とが配設されている。また、触媒ユニット１４には、温度センサ（図示せず）が設置されている。これらの各センサにより検出された排気空燃比、排気圧力および触媒温度のデータは、随時コントロールユニット５０に送られる。コントロールユニット５０は、排気空燃比センサ１３の出力値が排気浄化に必要な空燃比になるように、燃料噴射弁９から噴射する燃料量を演算する。また、コントロールユニット５０は、触媒ユニット１４の温度センサで検出された触媒温度に応じて、触媒ユニット１４の触媒活性状態を判定する。さらに、コントロールユニット５０は、後述の二路切り替え弁４２の制御において、排気圧センサ５２により測定される圧力データを使用する。

触媒ユニット１４は、上流側触媒１４ａおよび下流側触媒１４ｂを有するタンデム型の触媒ユニットである。この触媒ユニット１４を排気が通過する際に、排気中のＮＯｘが還元し、排気中のＨＣ，ＣＯが酸化して、排気が浄化される。なお、触媒ユニット１４を通過する前の排気通路１２の触媒上流部１２ａにある排気（以下、触媒上流側排気という。）と、触媒ユニット１４を通過した後の排気通路１２の触媒下流部１２ｂにある排気（以下、触媒下流側排気という。）とを比較すると、排気圧力は、触媒上流側排気のほうが触媒下流側排気よりも触媒ユニット１４における圧力損失分だけ大きく、排気温度は、触媒上流側排気のほうが触媒下流側排気よりも触媒ユニット１４における化学反応による反応熱の分だけ低くなる。

エンジン１の排気還流装置は、主として、第１還流通路３１と、第２還流通路３２と、共用還流通路３６，３８と、ＥＧＲ量調整バルブ４１と、二路切り替え弁（切り替え機構）４２とから構成されている。

第１還流通路３１は、排気通路１２の触媒上流部１２ａから触媒上流側排気を吸気通路２へと還流させるために設けられる通路であり、触媒上流部１２ａから吸気通路２へと延びている。

第２還流通路３２は、排気通路１２の触媒下流部１２ｂから触媒下流側排気を吸気通路２へと還流させるために設けられる通路であり、触媒下流部１２ｂから吸気通路２へと延びている。これらの第１、第２還流通路３１，３２の端部は、二路切り替え弁４２を介して共用還流通路３６，３８と連通する。

二路切り替え弁４２は、電磁式の弁であり、第１還流通路３１と共用還流通路３６とが連通する第１状態と、第２還流通路３２と共用還流通路３６とが連通する第２状態とに、選択的に切り替わる。コントロールユニット５０からの指令により二路切り替え弁４２が第１状態に切り替わっているときには、触媒上流側排気が共用還流通路３６，３８へと流れて吸気通路２に流入することになるが、触媒下流側排気は二路切り替え弁４２によって遮断され第２還流通路３２から共用還流通路３６へと流れていかない。一方、二路切り替え弁４２が第２状態に切り替わっているときには、触媒下流側排気が共用還流通路３６，３８へと流れて吸気通路２に流入することになるが、触媒上流側排気は二路切り替え弁４２によって遮断され第１還流通路３１から共用還流通路３６へと流れていかない。

ＥＧＲ量調整バルブ４１は、共用還流通路３６と共用還流通路３８との間に配置されており、共用還流通路３６，３８を流れて吸気通路２へと流れ込む排気である還流ガスの量を調整する。このＥＧＲ量調整バルブ４１は、ステップモータによって電気的に弁体を駆動する電気制御式のバルブであり、コントロールユニット５０からステップモータに入力されてくるパルス信号の総数（以下、ステップ数という。）によって弁開度が決まる。なお、ステップモータは、ステッピングモータ、ステッパー、パルスモータなどと呼ばれることもある。

＜排気還流装置の制御＞
コントロールユニット５０は、図３に示す運転領域と排気還流との相関マップに基づき
、エンジン１の要求トルク（負荷）および回転数に応じて排気還流を制御する。これにより、各運転領域においては、以下のように排気還流が為される。

図３のマイナストルク領域Ｄにおいては、排気還流は実施されない。

図３の成層域Ａにおいては、排気還流が実施される。ここでは、還流ガスの取り出しが排気通路１２の触媒下流部１２ｂから行われるように、二路切り替え弁４２を、第２還流通路３２と共用還流通路３６とが連通する第２状態にする。これにより、触媒下流側排気が、排気通路１２の触媒下流部１２ｂから取り出され、還流ガスとして共用還流通路３６，３８を介して吸気通路２へと流れる。

図３の均質域Ｂにおいても、排気還流が実施される。但し、要求トルクおよび回転数が比較的小さい領域（ａ）では、成層域Ａのときと同様に排気通路１２の触媒下流部１２ｂから触媒下流側排気が取り出されるのに対し、要求トルクおよび回転数が比較的大きい領域（ｂ）では排気通路１２の触媒上流部１２ａから触媒上流側排気が取り出される。

図３の均質域Ｃにおいては、排気還流は実施されない。

また、排気還流を実施するときに、コントロールユニット５０は、図示しない制御マップを参照して、要求トルクおよび回転数に基づきＥＧＲ量調整バルブ４１の弁開度を決め、その弁開度に応じたステップ数をＥＧＲ量調整バルブ４１に送る。

次に、図４の制御フローを参照して、上記のような排気還流を実現させるための二路切り替え弁４２の状態切り替え制御について説明を行う。

まず、ステップＳ１では、排気通路１２と吸気通路２との差圧が演算される。排気通路１２の圧力は、排気通路１２の触媒下流部１２ｂに設置されている排気圧センサ５２によって測定されており、吸気通路２の圧力は、吸気通路２に設置されている吸気圧センサ５１によって測定されている。

次に、ステップＳ２では、排気通路１２と吸気通路２との差圧が所定値以上であるか否かが判断される。ここでは、所定値を一律の値としている。

ステップＳ２で排気通路１２と吸気通路２との差圧が所定値よりも少ない場合には、ステップＳ３に移行する。ステップＳ３では、要求されている還流ガス量（以下、要求還流ガス量という。）が所定量以上であるか否かが判断される。要求還流ガス量は、要求トルクおよび回転数に基づき決まる値である。

ステップＳ３で要求還流ガス量が所定量以上であると判断されると、ステップＳ４に移行し、触媒上流部１２ａから触媒上流側排気が取り出され還流ガスとして吸気通路２へと流れるように、具体的には二路切り替え弁４２が第１還流通路３１と共用還流通路３６とを連通させる第１状態となるように、二路切り替え弁４２を制御する。

一方、ステップＳ２で排気通路１２と吸気通路２との差圧が所定値以上確保されていると判断された場合、およびステップＳ３で要求還流ガス量が所定量よりも少ないと判断された場合には、ステップＳ５に移行する。

ステップＳ５では、吸気通路２を構成する吸気マニホルド２０に還流されてくる排気である還流ガスの温度（以下、還流ガス温度という。）が、耐熱許容温度Ｔｍａｘを超えているか否かが判断される。具体的には、実際の還流ガス温度の推定値である推定還流ガス温度が耐熱許容温度Ｔｍａｘを超えているか否かが判断される。

推定還流ガス温度は、実際の還流ガス温度に相関するパラメータであるエンジン１の回転数、エンジン１の負荷および還流ガスの量（流量）から推定される値である。還流ガスの量は、排気通路１２と吸気通路２との差圧と、ＥＧＲ量調整バルブ４１の開度（ＥＧＲ量調整バルブ４１に入力されているステップ数）とから演算される。すなわち、コントロ
ールユニット５０は、実際の還流ガス温度に相関するパラメータであるエンジン１の回転数、エンジン１の負荷、吸気通路２の吸気負圧、排気通路１２の排気圧力およびＥＧＲ量調整バルブ４１の開度から推定還流ガス温度を演算し、その推定還流ガス温度が耐熱許容温度Ｔｍａｘを超えているか否かをステップＳ５で判断する。

また、耐熱許容温度Ｔｍａｘは、還流ガスが直接流入する吸気通路２の吸気マニホルド２０の耐熱上限温度を考慮して設定されている値であり、吸気マニホルド２０の耐熱上限温度に対してある程度の余裕を持って設定されている。

そして、ステップＳ５において推定還流ガス温度が耐熱許容温度Ｔｍａｘを超えていると判断されると、より温度の低い触媒上流側排気を還流させるためにステップＳ４に移行し、触媒上流部１２ａから触媒上流側排気が取り出され還流ガスとして吸気通路２へと流れるように、具体的には二路切り替え弁４２が第１還流通路３１と共用還流通路３６とを連通させる第１状態となるように、二路切り替え弁４２を制御する。

一方、ステップＳ５において推定還流ガス温度が耐熱許容温度Ｔｍａｘ以下であると判断されると、ステップＳ６に移行し、清浄度が比較的高い触媒下流部１２ｂから触媒下流側排気が取り出され還流ガスとして吸気通路２へと流れるように、具体的には二路切り替え弁４２が第２還流通路３２と共用還流通路３６とを連通させる第２状態となるように、二路切り替え弁４２を制御する。

このように、エンジン１のコントロールユニット５０は、成層域Ａや均質域Ｂのうち比較的要求トルクや負荷が小さい領域（ａ）においては、触媒下流部１２ｂから触媒下流側排気が取り出され還流ガスとして吸気通路２へと送られるように、二路切り替え弁４２の状態を決定（制御）している。また、図３に示す均質域Ｂのうち、点線で示す境界よりも要求トルクや負荷が大きい領域では、要求還流ガス量が多いにもかかわらず排気通路１２と吸気通路２との差圧が十分に確保されていない状態となることに鑑み、触媒下流部１２ｂよりも排気圧力の高い触媒上流部１２ａから触媒上流側排気が取り出され還流ガスとして吸気通路２へと送られるように、二路切り替え弁４２の状態を決定している。さらに、図３に示す均質域Ｂのうち、１点鎖線で示す境界よりも要求トルクや負荷が大きい領域では、吸気マニホルド２０に流れ込む還流ガスの温度が吸気マニホルド２０の耐熱許容温度Ｔｍａｘを超えて吸気マニホルド２０を損傷させてしまう恐れが出てくることに鑑み、触媒下流部１２ｂよりも排気の温度が低い触媒上流部１２ａから触媒上流側排気が取り出され還流ガスとして吸気通路２へと送られるように、二路切り替え弁４２の状態を決定している。すなわち、コントロールユニット５０は、図３に示す均質域Ｂのうち、点線で示す境界よりも要求トルクや負荷が大きい領域と１点鎖線で示す境界よりも要求トルクや負荷が大きい領域との和領域である領域（ｂ）においては、触媒下流部１２ｂから触媒下流側排気を取り出すのではなく、触媒上流部１２ａから触媒上流側排気を取り出して吸気通路２へと還流させる。

＜本エンジンの排気還流装置の特徴＞
（１）
エンジン１の排気還流装置は、触媒ユニット１４を通過する前の比較的圧力の高い触媒上流側排気を第１還流通路３１により吸気通路２へと還流させることができるとともに、触媒ユニット１４を通過した後の比較的圧力の低い触媒下流側排気を第２還流通路３２により吸気通路２へと還流させることができる。さらに、触媒ユニット１４を通過する前の吸気通路２を汚損する恐れのある触媒上流側排気の第１還流通路３１を介した吸気通路２への還流を、二路切り替え弁４２を第２状態とすることで遮断することができる。

このような構成を利用して、コントロールユニット５０は、図４のステップＳ２およびステップＳ３の判断をして、触媒ユニット１４を通過した後の比較的圧力の低い触媒下流
側排気を第２還流通路３２により吸気通路２へと還流させることで十分な量の排気が吸気通路２に還流するときには、二路切り替え弁４２で第１還流通路３１を閉めて第２還流通路３２だけによって比較的清浄度の高い触媒下流側排気を吸気通路２へと還流させ、排気通路１２と吸気通路２との差圧が十分に確保されておらず第２還流通路３２による還流だけでは十分な量の排気を還流させることができないときには、二路切り替え弁４２を第１状態として、比較的圧力の高い触媒上流側排気を第１還流通路３１により吸気通路２へと還流させている。このような制御が行われるため、エンジン１では、低負荷・低回転の運転領域で排気還流を行うときには、触媒ユニット１４を通過する前の触媒上流部１２ａの触媒上流側排気が還流してこないので還流ガスによる吸気通路２内の汚損が少なくなるとともに、高負荷・高回転の運転領域で大量の還流ガスが要求されるときには、排気圧力の高い触媒上流側排気を吸気通路２へと還流させ、大きな還流ガス量を確保することが可能になっている。

言い換えれば、エンジン１では、排気通路１２のうち触媒上流部１２ａからのみ排気を還流ガスとして還流させる構成を採る場合に較べて、還流ガスとブローバイガスとの混合による吸気通路２内でのガム状物質の発生が抑えられ、他の手当をしなくても、バルブ類が固着するなどの不具合の発生が殆どなくなる。また、エンジン１では、排気通路１２のうち触媒下流部１２ｂからのみ排気を還流ガスとして還流させる構成を採る場合に較べて、高負荷・高回転の運転領域においても大量の還流ガス量を確保することができるようになり、更なる燃費向上が実現されるようになる。

（２）
エンジン１の排気還流装置では、二路切り替え弁４２が第１状態に切り替わっているときには、第２還流通路３２ではなく第１還流通路３１を通って、触媒ユニット１４の通過前で比較的清浄度は低いが触媒ユニット１４の通過後のものに較べて温度が低い触媒上流側排気が、還流ガスとして吸気通路２へと還流してくる。一方、二路切り替え弁４２が第２状態に切り替わっているときには、比較的清浄度は高いが触媒ユニット１４での反応熱によって温度が高くなった触媒下流側排気が、第２還流通路３２を通って還流ガスとして吸気通路２へと還流してくる。

このような構成を利用して、コントロールユニット５０は、図４のステップＳ５の判断をして、図５に示すように、推定還流ガス温度が吸気マニホルド２０の耐熱許容温度Ｔｍａｘよりも低いときには、二路切り替え弁４２を第２状態として触媒ユニット１４を通過した後の比較的清浄度の高い触媒下流側排気を第２還流通路３２経由で還流させ、吸気通路２内の汚損が抑制されるようにしている。そして、コントロールユニット５０は、推定還流ガス温度が耐熱許容温度Ｔｍａｘより高くなると、二路切り替え弁４２を第１状態として、触媒ユニット１４を通過した後の触媒下流側排気に較べてΔｔだけ温度が低い触媒ユニット１４を通過する前の触媒上流側排気を、第１還流通路３１経由で還流させている。これにより、吸気通路２の樹脂製の吸気マニホルド２０の還流ガスの熱による損傷を防止しつつ、吸気通路２への還流ガスの供給を図５の１点鎖線で示す境界よりも右側の高回転・高負荷域においても確保することができている。

（３）
エンジン１では、触媒ユニット１４が、上流側触媒１４ａと下流側触媒１４ｂとから構成されている。そして、エンジン１の排気還流装置においては、第１還流通路３１を、両触媒１４ａ，１４ｂの間ではなく、排気の流れの上流に位置し排気バルブ１１との間に他の触媒が存在しない上流側触媒１４ａよりも上流側の部分から、すなわち排気通路１２の触媒上流部１２ａから吸気通路２へと延ばしている。

したがって、二路切り替え弁４２を第１状態に切り替え、第１還流通路３１によって触
媒上流側排気を吸気通路２へと還流させる際の排気圧力は、排気通路１２の中でも最も高いものとなっている。このため、吸気負圧が低い場合であっても、高い排気圧力によって排気通路１２から触媒上流側排気を還流ガスとして吸気通路２に押し込むことができ、大量の還流ガスが要求される場合にも、その要求に応えることができるようになっている。

また、二路切り替え弁４２を第１状態に切り替え、第１還流通路３１によって触媒上流側排気を吸気通路２へと還流させる際の排気の温度（還流ガス温度）は、排気通路１２の中でも最も低い温度となっている。このため、触媒１４ａ，１４ｂの間や触媒１４ｂの下流側の排気の温度が吸気マニホルド２０の耐熱許容温度Ｔｍａｘを超えているときにおいても、耐熱許容温度Ｔｍａｘを超えていない触媒１４ａの上流側の触媒上流側排気を還流ガスとして吸気通路２へと還流させることができ、大量の還流ガスが要求される場合にも、その要求に応えることができるようになっている。

＜変形例＞
（Ａ）
上記実施形態においては、二路切り替え弁４２によって触媒上流部１２ａの触媒上流側排気を還流させるか触媒下流部１２ｂの触媒下流側排気を還流させるかを切り替えているが、二路切り替え弁４２に代えて、図６（ｂ）に示すように２つの開閉弁１４１，１４２を還流通路３１，３２に設けてもよい。図６（ａ）は、比較のために上記実施形態のエンジン１の排気還流装置を模式化した図である。

第１開閉弁（切り替え機構）１４１は、第１還流通路３１に設けられており、第１還流通路３１を通る触媒上流側排気の還流を遮断することができる。具体的には、第１開閉弁１４１は、開状態と閉状態とを切り替えることができる操作弁であり、コントロールユニット５０の指令により開閉する。

第２開閉弁（切り替え機構）１４２は、第２還流通路３２に設けられており、第２還流通路３２を通る排気の流れを遮断することができる。具体的には、第２開閉弁１４２は、開状態と閉状態とを切り替えることができる操作弁であり、コントロールユニット５０の指令により開閉する。

このように第１開閉弁１４１および第２開閉弁１４２から成る切り替え機構を備える排気還流装置とした場合にも、触媒ユニット１４を通過する前の比較的圧力が高く且つ比較的温度が低い触媒上流側排気を第１還流通路３１により吸気通路２へと還流させることができるとともに、触媒ユニット１４を通過した後の比較的圧力が低く且つ比較的温度の高い触媒下流側排気を第２還流通路３２により吸気通路２へと還流させることができる。したがって、上記実施形態と同様の排気還流装置の特徴を具備するようになる。

なお、第１開閉弁１４１を開けて第１還流通路３１により触媒上流側排気を吸気通路２へと還流させる際には、触媒上流部１２ａの触媒上流側排気が触媒ユニット１４をバイパスして触媒下流部１２ｂへと流れないように、第２開閉弁１４２を閉めておくことが望ましい。

また、図７に示すように、第２開閉弁１４２の代わりに逆止弁２４２を第２還流通路３２に設置することも考えられる。この場合にも、触媒上流部１２ａの触媒上流側排気が触媒ユニット１４をバイパスして触媒下流部１２ｂへと流れる不具合がなくなる。

（Ｂ）
上記実施形態においては、第１還流通路３１や第２還流通路３２により排気通路１２から取り出された排気が共用還流通路３６，３８を介して吸気通路２へと流れ込む構成を採っているが、これに代えて、図８に示す構成を採ることも考えられる。

図８に示す排気還流装置は、主として、第１還流通路３３１と、第２還流通路３３２と
、第１ＥＧＲ量調整バルブ（切り替え機構）３４１と、第２ＥＧＲ量調整バルブ（切り替え機構）３４２とから構成されている。

第１還流通路３３１は、排気通路１２の触媒上流部１２ａから触媒上流側排気を吸気通路２へと還流させるために設けられる通路であり、触媒上流部１２ａから吸気通路２へと延び、その先端が直接吸気通路２につながっている。

第２還流通路３３２は、排気通路１２の触媒下流部１２ｂから触媒下流側排気を吸気通路２へと還流させるために設けられる通路であり、触媒下流部１２ｂから吸気通路２へと延び、その先端が直接吸気通路２につながっている。

第１ＥＧＲ量調整バルブ３４１は、第１還流通路３３１に配置されており、第１還流通路３３１を流れて吸気通路２へと流れ込む排気である還流ガスの量を調整する。

第２ＥＧＲ量調整バルブ３４２は、第２還流通路３３２に配置されており、第２還流通路３３２を流れて吸気通路２へと流れ込む排気である還流ガスの量を調整する。

このように構成される排気還流装置では、比較的圧力が高く、比較的清浄度が低く、且つ比較的温度の低い触媒上流部１２ａの触媒上流側排気を第１還流通路３３１によって還流ガスとして吸気通路２へと還流させること、および比較的圧力が低く、比較的清浄度が高く、且つ比較的温度の高い触媒下流部１２ｂの触媒下流側排気を第２還流通路３３２によって還流ガスとして吸気通路２へと還流させることを、選択的に、あるいは同時に行わせることができる。また、第１還流通路３３１経由で還流される排気の量（還流ガス量）と第２還流通路３３２経由の還流ガス量とを、それぞれ別々に調整することができる。

このような排気還流装置を使っても、上記実施形態と同様の特徴を具備することができる。

なお、触媒下流側排気を第２還流通路３３２によって吸気通路２へと還流させる際に少しぐらいの第１還流通路３３１による還流が起こっても、また、触媒上流側排気を第１還流通路３３１によって吸気通路２へと還流させる際に少しぐらいの第２還流通路３３２による還流が起こっても、本発明の効果である上記実施形態の特徴は具備できる。

（Ｃ）
上記実施形態では、排気通路１２に１つの触媒ユニット１４が配置されており、その触媒ユニット１４の上流側の触媒上流部１２ａからの排気の取り出しと触媒ユニット１４の下流側の触媒下流部１２ｂからの排気の取り出しとを二路切り替え弁４２によって選択する構成を採っているが、図９に示すように排気通路１２に２つの触媒ユニット１４，１１４が配置される場合には、次のような構成を採ることが望ましい。

図９に示すように、２つの触媒ユニット１４，１１４のうち最も排気流れの上流側にある触媒ユニット１４を基準にして、その触媒ユニット１４よりも上流側の触媒上流部１２ａから排気を取り出せるようにするとともに、触媒ユニット１４よりも下流側の触媒下流部１２ｂ，１２ｃのいずれかから排気を取り出せるようにする。図９において１点鎖線で示す還流通路３２を設ければ、触媒ユニット１４よりも下流側で且つ触媒ユニット１１４よりも上流側に位置する排気通路１２の触媒下流部１２ｂから排気が取り出せる。反対に、図９において２点鎖線で示す還流通路３３を設ければ、触媒ユニット１１４よりも下流側に位置する排気通路１２の触媒下流部１２ｃから排気が取り出せるようになる。

このように、図９の１点鎖線で示す還流通路３２あるいは２点鎖線で示す還流通路３３と第１還流通路３１とを二路切り替え弁４２で切り替えて、吸気通路２と連通する共用還流通路３６，３８につなげることができるようにすれば、上記実施形態の排気還流装置と同様の特徴を具備するようになる。特に、第１還流通路３１と共用還流通路３６，３８とがつながるように二路切り替え弁４２を制御し、第１還流通路３１によって触媒上流部１
２ａの排気を吸気通路２へと還流させる際の排気圧力および排気温度は、排気通路１２の各部１２ａ，１２ｂ，１２ｃに存在する排気の中で最も高い圧力且つ最も低い温度になっている。

（Ｄ）
上記実施形態では、燃焼室７において成層燃焼を行う運転領域（成層域）を有するエンジン１の排気還流装置に対して発明を適用しているが、本発明は、ＭＰＩ仕様の成層域がないエンジンの排気還流装置に対しても適用が可能である。

また、上記実施形態では、成層域においては常に排気通路１２の触媒下流部１２ｂから排気を取り出して吸気通路２へと還流させているが、将来的に成層域においても多量の還流ガスが必要となるようなエンジンが登場してきたときには、成層域において触媒上流部１２ａの排気を還流させるか触媒下流部１２ｂの排気を還流させるかの切り替えを行う可能性もある。

（Ｅ）
上記実施形態では、エンジン１の回転数、エンジン１の負荷および還流ガスの量（流量）から推定される推定還流ガス温度を吸気マニホルド２０の耐熱許容温度Ｔｍａｘと比較する制御を行うことで、吸気マニホルド２０の還流ガスの熱による損傷を防いでいる。

このように還流ガス温度を推定するのではなく、実際の還流ガス温度を測定し、その測定値をパラメータとして二路切り替え弁４２をコントロールユニット５０で制御するようにしてもよい。

図１０に示すように、吸気マニホルド２０に還流されてくる還流ガスの温度を、ＥＧＲ量調整バルブ４１と吸気マニホルド２０とを結ぶ共用還流通路３８に設けられた温度センサ５５によって測定して、コントロールユニット５０へ随時送るように構成する。すると、コントロールユニット５０は、実際の還流ガス温度を監視しながら、その温度が吸気マニホルド２０の耐熱上限温度に近づいてきたときに、還流ガスの取り出しが排気通路１２の触媒下流部１２ｂから触媒上流部１２ａへと切り替わるように二路切り替え弁４２を制御することができる。この場合には、推定還流ガス温度を用いた制御に較べて、より高負荷・高回転の領域まで還流を行わせることも可能になる。

（Ｆ）
上記実施形態では、エンジン１の回転数、エンジン１の負荷および還流ガスの量（流量）から推定還流ガス温度を演算しているが、これに代えて、エンジン１の負荷、あるいはエンジン１の負荷および回転数から簡易的に推定還流ガス温度を演算するようにしてもよい。すなわち、高負荷・高回転になると還流ガス温度も高くなることに鑑みて、所定の高負荷・高回転域においては還流ガスの取り出しを触媒下流部１２ｂから触媒上流部１２ａへと切り替えるようにしてもよい。

（Ｇ）
上記実施形態では、樹脂製の吸気マニホルド２０を高温の還流ガスから守るために図４のステップＳ５のような制御を行っているが、樹脂製の吸気マニホルド２０ではなくアルミ製の吸気マニホルドを採用する場合には、吸気マニホルドの耐熱上限温度ではなくＥＧＲ量調整バルブ４１の耐熱上限温度を考慮してコントロールユニット５０による二路切り替え弁４２の制御を行うことも考えられる。

（Ｈ）
上記実施形態では、図４に示すように、ステップＳ２で排気通路１２と吸気通路２との差圧を一律の値である所定値以上であるか否かを判断し、さらにステップＳ３で要求還流ガス量が所定量以上であるか否かを判断して、二路切り替え弁４２の状態を切り替えてい
る。このような切り替え制御に代えて、要求還流ガス量を確保するために必要な差圧（排気通路１２と吸気通路２との差圧）についてのマップを予め作成しておき、そのマップから導かれる要求還流ガス量に対応する差圧よりも実際の差圧のほうが大きい場合には図４のステップＳ５に移行し、実際の差圧がマップから導かれる差圧に満たない場合には図４のステップＳ４に移行するような二路切り替え弁４２の状態切り替え制御を行うこともできる。

本発明に係る内燃機関の排気還流装置では、原則としては触媒を通過した後の比較的清浄度の高い排気を第２還流通路経由で還流させ、熱によって吸気通路などが損傷する恐れのあるときには、触媒を通過する前の比較的温度の低い排気を第１還流通路経由で吸気通路へと還流させることができ、還流ガスによる吸気通路内の汚損が抑制されるとともに、還流ガスの熱による吸気通路などの損傷を防止しつつ多くの還流ガスを吸気通路へと流入させることができる装置として有用である。

本発明に係る排気還流装置が用いられるエンジンの概略構成図である。 燃焼室の上面図である。 運転領域と排気還流との相関マップを示す図である。 二路切り替え弁の状態切り替え制御フローである。 回転数、負荷および還流ガス流量に対する還流ガス温度を示すグラフである。 （ａ） 排気還流装置の模式図である。

（ｂ） 変形例に係る排気還流装置の模式図である。
変形例に係る排気還流装置の模式図である。 変形例に係る排気還流装置の模式図である。 変形例に係る排気還流装置の模式図である。 変形例に係る排気還流装置が用いられるエンジンの概略構成図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
１２ 排気通路
１４ 触媒ユニット
１４ａ 上流側触媒
１４ｂ 下流側触媒
２０ 吸気マニホルド
３１ 第１還流通路
３２ 第２還流通路
３６ 共用還流通路
３８ 共用還流通路
４１ ＥＧＲ量調整バルブ
４２ 二路切り替え弁（切り替え機構）
５０ コントロールユニット
１４１ 第１開閉弁（切り替え機構）
１４２ 第２開閉弁（切り替え機構）
３３１ 第１還流通路
３３２ 第２還流通路
３４１ 第１ＥＧＲ量調整バルブ（切り替え機構）
３４２ 第２ＥＧＲ量調整バルブ（切り替え機構）

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路のうち触媒よりも排気の流れの上流側に位置する触媒上流部から内燃機関の吸気通路へと延び、排気を還流させる第１還流通路と、
   前記排気通路のうち前記触媒よりも排気の流れの下流側に位置する触媒下流部から前記吸気通路へと延び、排気を還流させる第２還流通路と、
   前記第１還流通路による排気の還流が起こる第１状態と、前記第２還流通路による排気の還流が起こる第２状態と、を切り替える切り替え機構と、
   前記吸気通路へ還流されてくる排気である還流ガスの温度に相関するパラメータによって前記切り替え機構による前記第１状態と前記第２状態との切り替えを制御する制御部と、
   を備え、
   排気温度は、前記触媒通過前よりも触媒通過後の方が高く、
   前記制御部は、前記還流ガスの温度が所定値よりも高くなったときに前記第２状態から前記第１状態へと切り替わるように、前記切り替え機構を制御する、
   内燃機関の排気還流装置。
2. 内燃機関には前記触媒が複数存在しており、
   前記触媒上流部は、前記排気通路において排気の流れの最上流に配置された触媒よりも排気の流れの上流側に位置している、
   請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
3. 前記切り替え機構は、前記第１還流通路の開閉および前記第２還流通路の開閉を行う、
   請求項１または２のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。
4. 前記還流ガスの温度に相関するパラメータは、内燃機関の回転数、内燃機関の運転負荷、および前記還流ガスの量を含む、
   請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。
5. 前記還流ガスの温度を検知する温度センサをさらに備え、
   前記還流ガスの温度に相関するパラメータは、前記温度センサが検知した温度値である、
   請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。
6. 前記還流ガスの温度に相関するパラメータは、内燃機関の回転数あるいは内燃機関の運転負荷を含む、
   請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。

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