JP5077071B2 - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気再循環）装置等の内燃機関の排気還流装置の技術分野に関する。

この種の内燃機関の排気還流装置として、ウェイストゲートバルブを経由して排出される排気をＥＧＲガスにとして還流させるものや、ガソリンエンジンの高負荷での運転領域において、ノッキングの発生を抑制するために外部ＥＧＲガスを還流させるものが提案されている。

また、この種の内燃機関の排気還流装置として、高負荷時にはタービンの下流側からＥＧＲガスを還流させ、低負荷時にはタービン上流側からＥＧＲガスを還流させるものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

また、この種の内燃機関の排気還流装置として、２段過給エンジンにおいて、過給圧と排気圧の大小関係を考慮して、タービン上流側又は下流側のＥＧＲ取り出し口を切り換え制御するものが提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

また、この種の内燃機関の排気還流装置として、タービンの上流側及び下流側にそれぞれＥＧＲガスの取り出し口を備え、低負荷領域では上流側から高圧状態のＥＧＲガスを取り出すと共に高負荷領域では下流側から低圧状態のＥＧＲガスを取り出し、ＥＧＲガスを吸気系に導入する位置もそれぞれ異なるものが提案されている（例えば、特許文献３及び４を参照）。

また、例えばダウンサイジングコンセプト(downsizing concept)が推奨される条件下で、過給機によって高過給を行う場合には、特に内燃機関の回転数が低い状態では、ノッキングが発生することが想定される。このため、ノッキングの発生を回避するために、点火時期を遅れ側（つまり、圧縮行程の上死点側）にシフトさせる必要がある。しかしながら、圧縮行程の上死点側に点火時期がシフトするために、筒内圧力（つまり、燃焼室内のガス圧）が上昇した状態で点火する必要があり、その結果、点火に必要な電圧が高くなってしまう。このため、何らかの要因によって点火に必要な電圧を維持することができない状態となってしまった場合には、点火を行うことができないという技術的な問題が発生しかねない。そこで、過給を行う全運転領域において、上述した特許文献１から４に開示されているようにＥＧＲガスを還流させることで、点火時期を進角側へ変化させる手法が提案されている。

特平０７−２９３３５４号公報 特開２００７−１００６２７号公報 特開２００５−０２３９００号公報 特開２００５−１２７２４７号公報

しかしながら、上述した過給機（例えば特許文献１等を参照）において高過給を行う場合、排気系の熱負荷が上昇する。このため、機関始動直後の冷間時に排気中の有害ガスを浄化する触媒（所謂、Start Catalyst）における熱負荷の上昇の影響を低減させるために、この触媒を迂回させる必要が生じてしまう。或いは、残留ガスを低減するために、マフラーの圧力損失を低減させる手段が必要となってしまう。このため、排気干渉を抑制するために過給機のタービン部の下流側からＥＧＲガスを吸気系へ還流させる従来の手法では、過給機のタービン部の下流側の排圧より吸気系における過給圧のほうが高くなり、ＥＧＲガスを還流することが困難となってしまうという技術的な問題が生じる。

そこで、本発明は、例えば上記の問題点に鑑みなされたものであり、より適切に高過給を実現することが可能な内燃機関の排気還流装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、複数の気筒を有する内燃機関の排気系にタービンを有すると共に前記内燃機関の吸気系にコンプレッサを有し前記吸気系にて過給を行う過給機と、前記排気系に含まれる前記タービンの下流側から、前記排気系を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして前記吸気系に含まれる前記コンプレッサの下流側に還流させる主ＥＧＲ通路と、前記主ＥＧＲ通路から分岐して、前記ＥＧＲガスを前記コンプレッサ自体に還流させる副ＥＧＲ通路と、前記主ＥＧＲ通路に設けられ、前記ＥＧＲガスを冷却する冷却手段と、前記ＥＧＲガスの還流流路を、前記主ＥＧＲ通路と前記副ＥＧＲ通路との間で選択的に切り換える切り換え手段と、前記過給系の圧力である過給圧が前記排気系の圧力である排圧より大きい場合、前記副ＥＧＲ通路に切り換えるように前記切り換え手段を制御し、前記過給圧が前記背圧より大きくない場合、前記主ＥＧＲ通路に切り換えるように前記切り換え手段を制御する制御手段と、を備え、前記副ＥＧＲ通路は、前記副ＥＧＲ通路を経由して還流される前記ＥＧＲガスが、前記コンプレッサの下流部で発生する熱エネルギーを受け取れるように配置されている。

本発明に係る「内燃機関」とは、一又は複数の気筒を有し、当該気筒の各々における燃焼室において、例えばガソリン、軽油或いは各種アルコール等の燃料と吸入空気との混合体である混合気が燃焼した際に発生する力を、例えばピストン、コネクティングロッド及びクランクシャフト等の機械的な伝達経路を経る等して、動力として取り出すことが可能に構成された機関を包括する概念であり、例えば２サイクル或いは４サイクルレシプロエンジン等を指す。

本発明に係る内燃機関の排気還流装置によれば、主ＥＧＲ通路は、内燃機関の排気系に含まれるタービンの下流側から、この排気系を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして内燃機関の吸気系に含まれるコンプレッサの下流側に還流させる。副ＥＧＲ通路は、主ＥＧＲ通路から分岐して、ＥＧＲガスを内燃機関の吸気系に含まれるコンプレッサ自体に還流させる。副ＥＧＲ通路は、典型的には、コンプレッサのブレードの背面方向からＥＧＲガスを導くことが好ましい。これにより、ブレードの正面からＥＧＲガスを導く場合と比較して、ブレードを物理的又は機構的に保護することが可能である。
これらの主ＥＧＲ通路及び副ＥＧＲ通路は、典型的には、例えば排気ポート、排気マニホールド及び排気管等を適宜に含み得る概念としての排気系から分岐し、吸気系へ排気の一部を還流させる通路を意味する。定性的に言えば、当該ＥＧＲガスが、吸気系に供給される吸気と幾らかなり混合されることによって、例えばＮＯｘ等（内燃機関の形態によっては、ＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）等を含む）、各種対象物質の発生が幾らかなり抑制される。

冷却手段は、主ＥＧＲ通路に設けられ、ＥＧＲガスを冷却する。切り換え手段は、ＥＧＲガスの還流流路を、主ＥＧＲ通路と、副ＥＧＲ通路との間で選択的に切り換える。

制御手段の制御下で、切り換え手段によって、過給の圧力である過給圧が排気系の排圧より大きい場合、副ＥＧＲ通路に切り換えられる。これにより、内燃機関の排気系に含まれるタービンの下流側から還流されたＥＧＲガスを、内燃機関の吸気系に有されるコンプレッサに還流させ、過給圧をより低減させ排圧を相対的に増加させつつ、ＥＧＲガスを内燃機関の吸気系に還流させることができる。これにより、ＥＧＲガスをより適切且つ確実に還流させることができる。これにより、気筒内での圧縮比を適切な値に近づけることが可能であり、ノッキングなどの気筒内での燃焼不良を効果的に抑制可能であり、ひいては燃費の悪化を効果的に抑制可能である。

他方、過給圧が排圧より大きくない場合、切り換え手段によって、主ＥＧＲ通路に切り換えられる。これにより、排気系に含まれるタービンの下流側から還流されたＥＧＲガスを吸気系に導くことができる。

このように、過給圧が排気圧より高い場合だけ選択的に、タービンの下流側から還流されたＥＧＲガスを、内燃機関の吸気系に有されるコンプレッサに還流させる。これにより、タービンの下流側から導かれるＥＧＲガスと比較して高温である、タービンの上流側から導かれるＥＧＲガスを吸気系に還流させる頻度や度合いを殆ど又は完全に無くすことができる。これにより、タービンの上流側から高温なＥＧＲガスを吸気系に還流させる機会がある場合と比較して、ＥＧＲガスの還流流路に設けられたＥＧＲガスを冷却する冷却システムに掛かる熱負荷を効果的に軽減することができる。以上の結果、より効果的に冷却されたＥＧＲガスによって、吸気の温度が低下させることが可能であり、この温度が低下した吸気により、気筒内に吸入される吸気量が増加するため、エンジンの出力を向上させることができる。

ここで特に、副ＥＧＲ通路は、該副ＥＧＲ通路を経由して還流されるＥＧＲガスが、内燃機関の吸気系に含まれるコンプレッサの下流部で発生する熱エネルギーを受け取れるように配置されている。

このように構成すれば、上述の冷却手段によって一旦、冷却されたＥＧＲガスがコンプレッサに還流される際に、熱エネルギーを受け取れるので、冷却されたＥＧＲガス内部に凝縮水が発生することを抑制することができる。これにより、ＥＧＲガスに含まれる凝縮水によって、コンプレッサのブレードが物理的又は機構的に破損することを効果的に防止することができる。更に、典型的には、副ＥＧＲ通路を経由して還流されるＥＧＲガスに含まれる水蒸気は、コンプレッサの下流側に設けられるインタークーラーによって凝縮水となる。これにより、内燃機関の燃焼室内では、この凝縮水が気化することにより、燃焼室内及び燃焼室の壁面から熱をうばうので燃焼室内の温度を低下させる。これによりノッキングの発生をより効果的に抑制することができる。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な各種実施形態について説明する。

（第１実施形態）
（基本構成）
先ず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るエンジンシステム１０の構成について説明する。ここに、図１は、第１実施形態に係るエンジンシステム１０の構成を概念的に表してなる概略構成図である。

図１において、エンジンシステム１０は、図示せぬ車両に搭載され、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）１、エンジン２００及びＥＧＲ装置３００を備える。

エンジン２００は、ガソリンを燃料とする、本発明に係る「内燃機関」の一例たる直列４気筒ガソリンエンジンである。エンジン２００の概略について説明すると、エンジン２００は、シリンダブロック２０１に４本のシリンダ＃１〜＃４が並列配置された構成を有している。そして、各気筒内において燃料を含む混合気が点火によって着火した際に生じる熱エネルギが、不図示のピストンの往復運動を生じさせ、更にコネクティングロッドを介してピストンに連結されるクランクシャフト（いずれも不図示）の回転運動に変換される構成となっている。以下に、エンジン２００の要部構成を、その動作の一部と共に説明する。

尚、本実施形態に係るエンジン２００は、シリンダ＃１〜＃４が図１において紙面と垂直な方向に４本並列してなる直列４気筒ガソリンエンジンであるが、個々のシリンダ＃１〜＃４の構成は相互に等しいため、ここでは一のシリンダ＃１についてのみ説明することとする。

シリンダ＃１内における混合気の燃焼に際し、外部から吸入された空気は、各シリンダについて共通に設置された吸気マニホールド２０３に導かれた後、各シリンダについて独立に設けられた吸気ポート（不図示）に導かれ、吸気ポートとシリンダ内部とを連通可能に構成された不図示の吸気バルブの開弁時にシリンダ＃１内に吸入される。シリンダ＃１内には、筒内直噴型のインジェクタ（不図示）から燃料たるガソリンが噴射される構成となっており、噴射された燃料が各シリンダ内部で、吸入された空気（以下、「吸気」と略称する）と混合され、上述した混合気となる。

エンジン２００において、燃料は、不図示の燃料タンクに貯留されている。この燃料タンクに貯留される燃料は、不図示のフィードポンプの作用により燃料タンクから汲み出され、不図示の低圧配管を介して高圧ポンプ（不図示）に圧送される構成となっている。高圧ポンプは、コモンレール（不図示）に対し、燃料を供給することが可能に構成されている。尚、高圧ポンプやコモンレールは、公知の各種態様を採り得、ここでは、その詳細については省略することとする。

ここで、インジェクタの構成について補足すると、インジェクタは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１から供給される指令に基づいて作動する電磁弁と、この電磁弁への通電時に燃料を噴射するノズル（いずれも不図示）とを備える。このＥＣＵは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を備え、エンジン２００の動作全体を制御することが可能に構成された電子制御ユニットである。ＥＣＵは、ＲＯＭに格納される制御プログラムに従って、各種の制御を実行することが可能に構成されている。当該電磁弁は、コモンレールの高圧燃料が印加される圧力室と、当該圧力室に接続された低圧側の低圧通路との間の連通状態を制御することが可能に構成されており、通電時に当該加圧室と低圧通路とを連通させると共に、通電停止時に当該加圧室と低圧通路とを相互に遮断する。一方、ノズルは、噴孔を開閉するニードルを内蔵し、圧力室の燃料圧力がニードルを閉弁方向（噴孔を閉じる方向）に付勢している。従って、電磁弁への通電により加圧室と低圧通路とが連通し、圧力室の燃料圧力が低下すると、ニードルがノズル内を上昇して開弁する（噴孔を開く）ことにより、コモンレールより供給された高圧燃料を噴孔より噴射することが可能に構成される。また、電磁弁への通電停止により加圧室と低圧通路とが相互に遮断されて圧力室の燃料圧力が上昇すると、ニードルがノズル内を下降して閉弁することにより、噴射が終了する構成となっている。尚、燃料は、個々のシリンダ＃１〜＃４において、インジェクタを介し、目標噴射量に相当する燃料が噴射される構成となっている。

上述した混合気は、圧縮行程において点火によって着火して燃焼し、燃焼済みガスとして、或いは一部未燃の混合気として、吸気バルブの開閉に連動して開閉する排気バルブ（不図示）の開弁時に排気ポートを介して排気マニホールド２０８に導かれる構成となっている。この排気マニホールド２０８は、排気管２１１に連通しており、排気の大部分は、この排気管２１１に導かれる構成となっている。

排気管２１１には、触媒（所謂、Start Catalyst）２１７、この触媒２１７を迂回するバイパス通路、及びこのバイパス通路の流量を変化可能な弁２１８が設けられている。この触媒２１７は、後述のタービン１７０の下流側に設けられ、機関始動直後の冷間時に排気中の有害ガスを迅速に清浄化する。また、この排気管２１１には、後述されるタービン１７０の下流側にマフラーが設けられてよい。更にまた、このマフラーを排気が流れる際の圧力損失を低下する装置が設けられてよい。尚、この触媒２１７を迂回するバイパス通路、及びこのバイパス通路の流量を変化可能な弁２１８によって、本発明に係る「排圧低下手段」の一具体例が構成されている。

一方、排気管２１１には、タービンハウジング１００に収容される形でタービン１７０が設置されている。タービン１７０は、排気管２１１に導かれた排気の圧力により所定の回転軸を中心として回転可能に構成されている。このタービン１７０の回転軸は、コンプレッサハウジング２１６に収容される形で吸気管２１４に設置されたコンプレッサ２１５と共有されており、タービン１７０が排気の圧力により回転すると、コンプレッサ２１５も当該回転軸を中心として回転する構成となっている。尚、タービンハイジング１００及びタービンハイジング１００内の構成要素並びにコンプレッサハウジング２１６及びコンプレッサハウジング２１６内の構成要素によって、本発明に係る「過給機」の一具体例が構成されている。

尚、排気を、タービン１７０を迂回してタービン１７０より下流側の排気管２１１に導入可能な迂回通路１３１を備えてもよい。この迂回通路１３１を流れる排気の流量は、弁１４１の開度によって変化させることができる。

コンプレッサ２１５は、図示せぬエアクリーナを介して外界から吸気管２１４に導かれた吸気を、その回転に伴う圧力により上述した吸気マニホールド２０３へ圧送することが可能に構成されており、このコンプレッサ２１５による吸気の圧送効果により、所謂、過給が実現される構成となっている。尚、吸気マニホールド２０３にはサージタンクが設けられてよい。即ち、タービン１７０とコンプレッサ２１５とにより、一種のターボチャージャが構成されている。また、コンプレッサ２１５と吸気マニホールド２０３との間には、インタークーラ２２１が設置されており、過給された吸気を冷却することが可能に構成される。このインタークーラ２２１の冷却効果によって、過給効率が向上せしめられている。

吸気管２１４には、吸気の量を調節可能なスロットルバルブ２１８が配設されている。このスロットルバルブ２１８は、上述したＥＣＵと電気的に接続され且つ上述したＥＣＵにより上位に制御されるスロットルバルブモータ２１９から供給される駆動力により回転可能に構成された回転弁であり、スロットルバルブ２１８を境にした吸気管２１４の上流部分と下流部分とをほぼ遮断する全閉位置から、ほぼ全面的に連通させる全開位置まで、その回転位置が連続的に制御される構成となっている。尚、エンジン２００は、空燃比制御（吸入空気量制御）を介してコントロールされる。

圧力センサーＳ１は、吸気系のコンプレッサ２１５の下流側に設けられ、過給圧を測定可能である。加えて、圧力センサーＳ２は、排気系のタービン１７０の上流側に設けられ、排圧を測定可能である。典型的には、圧力センサーＳ１及びＳ２は、上述した過給圧及び排圧を示す何らかの物理量やパラメータの範囲から過給圧及び排圧の程度や度合いを直接的又は間接的に測定してよい。更に、過給圧及び排圧を夫々特定することに加えて又は代えて、内燃機関の機関回転数や内燃機関の負荷等の物理量やパラメータから過給圧と排圧との大小関係、比、又は差などの物理量を、理論的、実験的、経験上、又はシミュレーション等によって得られるマップや関数などを用いて、過給圧と排圧との相関関係を定量的又は定性的に得るようにしてよい。

尚、シリンダ＃１〜＃４を収容するシリンダブロック２０１における、シリンダ＃１〜＃４の外周部位には、ＬＬＣ等の冷却水を循環供給するためのウォータジャケットが設けられており、シリンダ＃１〜＃４を含むエンジン２００全体を冷却可能に構成されている。

尚、本実施形態において、エンジン２００はガソリンエンジンとして構成されるが、本発明に係る内燃機関は、ディーゼル或いはアルコールを燃料とするエンジンにも同様に適用可能である。更には、気筒配列も多種多様であってよい。

次に、ＥＧＲ装置３００について説明する。ＥＧＲ装置３００は、第１ＥＧＲ通路３０１、第２ＥＧＲ通路３０２、通路切り換え弁３０５、ＥＧＲ共通通路３１０、ＥＧＲクーラ３２０及びＥＧＲバルブ３６０を備え、排気の一部を吸気管２１４を含む吸気系に循環させることが可能に構成されている。

第１ＥＧＲ通路３０１は、その一端部が、タービン１７０の上流側において排気マニホールド２０８を含む排気系に連通され、その内部が排気マニホールド２０８に連通する中空且つ金属製の配管であり、本発明に係る「第１ＥＧＲ通路」の一例である。第１ＥＧＲ通路３０１の他端部は、上述した通路切り換え弁３０５に接続する構成となっている。

第２ＥＧＲ通路３０２は、その一端部が、タービン１７０の下流側において排気マニホールド２０８を含む排気系に連通され、その内部が排気マニホールド２０８に連通する中空且つ金属製の配管であり、本発明に係る「第２ＥＧＲ通路」の一例である。第２ＥＧＲ通路３０２の他端部は、上述した通路切り換え弁３０５に接続する構成となっている。これら第１ＥＧＲ通路３０１及び３０２について、定性的に言えば、当該ＥＧＲガスが、吸気系に供給される吸気と幾らかなり混合されることによって、例えばＮＯｘ等（内燃機関の形態によっては、ＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）等を含む）、各種対象物質の発生が幾らかなり抑制される。

通路切り換え弁３０５は、ＥＧＲガスの還流流路を第１ＥＧＲ通路３０１と第２ＥＧＲ通路３０２との間で選択的に切り換える。

ＥＧＲ共通通路３１０は、通路切り換え弁３０５に接続し、第１ＥＧＲ通路３０１又は第２ＥＧＲ通路３０２を流れるＥＧＲガスをＥＧＲクーラ３２０及びＥＧＲバルブ３６０を経由して吸気系に還流させる構成となっており、吸気マニホールド２０３との接続部位近傍において吸気管２１４に接続され、その内部で吸気管２１４と連通する構成となっている。尚、吸気マニホールド２０３又は上述した吸気管２１４は、本発明に係る「吸気系」の一例である。

ＥＧＲクーラ３２０は、ＥＧＲ通路３１０に設けられた冷却システム又は冷却装置である。ＥＧＲクーラ３２０は、外周部にエンジン２００の冷却水配管が張り巡らされた構成を有し、ＥＧＲ通路３１０に導かれＥＧＲクーラ３２０を通過する排気（即ち、本実施形態に係る「ＥＧＲガス」の一例であり、以下、「ＥＧＲガス」と称する）は、この冷却水との熱交換により冷却され、下流側（即ち、吸気管２１４側）へ導かれる構成となっている。詳細には、ＥＧＲクーラ３２０には、夫々が上述したウォータジャケットに連通するインレットパイプ及びアウトレットパイプが接続されており、冷却水は、インレットパイプ３２１から当該冷却水配管に流入し、アウトレットパイプを介して当該冷却水配管の外に排出される。排出された冷却水は、エンジン２００の冷却水循環系に還流され、所定の経路を経て再びインレットパイプから供給される。

ＥＧＲバルブ３６０は、ＥＧＲ通路３１０に設置され、開度制御によりＥＧＲガスの量を可変に制御することが可能に構成された電磁開閉弁である。ＥＧＲバルブ３６０は、上述したＥＣＵ１と電気的に接続されており、その開度はＥＣＵにより上位に制御される構成となっている。

尚、ＥＧＲガスの導入可否を含めたＥＧＲガス量自体は、ＥＧＲバルブ３６０の開度制御により可変に制御されるものであり、ＥＧＲバルブ３６０を如何なる開度に制御するかについては、上述したＥＣＵにより、例えば予め実験的に、経験的に、理論的に、又はシミュレーション等に基づいて、定常状態において、ドライバビリティに影響する動力性能を始め、エミッションとは異なる各種の要求性能を実践上問題が生じる程低下させることのない範囲で、ＮＯｘ及びＰＭの発生を可及的に高効率に抑制し得るように適合されている。

（動作原理）
次に、図２を参照して、本発明の第１実施形態に係るエンジンシステム１０の動作原理について説明する。ここに、図２は、第１実施形態に係るエンジンシステムを統括制御するＥＣＵの制御処理の流れを示したフローチャートである。尚、この図２で示された制御処理は、ＥＣＵ１によって、所定周期で繰り返し実行される。

図２に示されるように、先ず、ＥＣＵ１の制御下で、過給圧が取得される（ステップＳ１０１）。尚、本実施形態に係る取得とは、各種のセンサーによって測定され、ＥＣＵ１の記憶装置に記憶されることを意味する。

次に、ＥＣＵ１の制御下で、排圧が取得される（ステップＳ１０２）。

次に、ＥＣＵ１の制御下で、取得された過給圧が、取得された排圧より大きいか否かが判定される（ステップＳ１０３）。ここで、取得された過給圧が、取得された排圧より大きいと判定される場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１の制御下で、通路切り換え弁３０５は、ＥＧＲガスの還流流路を第１ＥＧＲ通路３０１に切り換え、第１ＥＧＲ通路３０１を流れるＥＧＲガスをＥＧＲクーラ３２０及びＥＧＲバルブ３６０を経由して吸気系に還流させる（ステップＳ１０４）。これにより、内燃機関の排気系に含まれるタービン１７０の上流側から還流されたＥＧＲガスを、タービン１７０の下流側から還流されたＥＧＲガスと比較して、より高圧な状態で内燃機関の吸気系に適切に導くことができる。これにより、ＥＧＲガスをより適切且つ確実に還流させることができる。これにより、気筒内での圧縮比を適切な値に近づけることが可能であり、ノッキングなどの気筒内での燃焼不良を効果的に抑制可能であり、ひいては燃費の悪化を効果的に抑制可能である。

他方、ステップＳ１０３の判定の結果、取得された過給圧が、取得された排圧より大きいと判定されない場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、ＥＣＵ１の制御下で、通路切り換え弁３０５は、ＥＧＲガスの還流流路を第２ＥＧＲ通路３０２に切り換え、第２ＥＧＲ通路３０２を流れるＥＧＲガスをＥＧＲクーラ３２０及びＥＧＲバルブ３６０を経由して吸気系に還流させる（ステップＳ１０５）。これにより、排気系に含まれるタービン１７０の下流側から還流されたＥＧＲガスを吸気系に導くことができる。

このように、過給圧が排気圧より高い場合だけ選択的に、タービン１７０の上流側からＥＧＲガスを吸気系に還流させる。これにより、タービン１７０の下流側から導かれるＥＧＲガスと比較して高温である、タービン１７０の上流側から導かれるＥＧＲガスを吸気系に還流させる頻度や度合いを低減することができる。これにより、常時、タービン１７０の上流側から高温なＥＧＲガスを吸気系に還流させる場合と比較して、ＥＧＲガスの還流流路に設けられたＥＧＲガスを冷却する冷却システムに掛かる熱負荷を効果的に軽減することができる。以上の結果、より効果的に冷却されたＥＧＲガスによって、吸気の温度が低下させることが可能であり、この温度が低下した吸気により、気筒内に吸入される吸気量が増加するため、エンジンの出力を向上させることができる。

（第２実施形態）
（基本構成）
次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態に係るエンジンシステム１０ａの構成について説明する。ここに、図３は、第２実施形態に係るエンジンシステム１０ａの構成を概念的に表してなる概略構成図である。尚、上述した第１実施形態に係るエンジンシステム１０の構成と概ね同様の構成には、同一の符号番号を付し、それらの説明は適宜省略する。

図３に示されるように、第２実施形態に係るエンジンシステム１０ａは、上述した排気マニホールド２０８に代えて、排気マニフォールド２０９及び２１０とを備えると共に、上述した迂回通路１３１及び弁１４１に代えて、第３ＥＧＲ通路３０３を備えて構成されている。加えて、通路切り換え弁３０５ａの代わりに、通路切り換え弁３０５を備えて構成されている。加えて、第２実施形態に係るＥＧＲクーラ３２０は、第２ＥＧＲ通路３０２に設けられている。加えて、吸気管２１４のうちコンプレッサ２１５と、インタークーラー２２１との間の流路を吸気通路２２０と称す。加えて、吸気通路２２０のコンプレッサの下流側の部分を下流部２２０ａと称す。

特に、排気マニフォールド２０９に着目すると、エンジン２００のシリンダ＃１とシリンダ＃４とが合流部２０９ａにおいて連通している。加えて、排気マニフォールド２１０に着目すると、エンジン２００のシリンダ＃２とシリンダ＃３とが合流部２１０ａにおいて連通している。尚、各シリンダの点火順番は、シリンダ＃１、シリンダ＃３、シリンダ＃４、シリンダ＃２の順番である。

上述のシリンダ＃１及び＃４に吸気された混合気は、圧縮行程において点火によって着火して燃焼し、燃焼済みガスとして、或いは一部未燃の混合気として、吸気バルブの開閉に連動して開閉する排気バルブ（不図示）の開弁時に排気ポート（不図示）を介して排気マニホールド２０９に導かれる構成となっている。概ね同様にして、上述のシリンダ＃２及び＃３に吸気された混合気は、圧縮行程において点火によって着火して燃焼し、燃焼済みガスとして、或いは一部未燃の混合気として、吸気バルブの開閉に連動して開閉する排気バルブの開弁時に排気ポートを介して排気マニホールド２１０に導かれる構成となっている。

第３ＥＧＲ通路３０３は、第２ＥＧＲ通路３０２から分岐して、ＥＧＲガスをコンプレッサ２１５に還流させる。典型的には、第３ＥＧＲ通路３０３は、この第３ＥＧＲ通路３０３を経由して還流されるＥＧＲガスが、吸気通路２２０のコンプレッサの下流部２２０ａで発生する熱エネルギーを受け取れるように配置されているように構成してよい。これにより、ＥＧＲクーラ３２０によって一旦、冷却されたＥＧＲガスがコンプレッサ２１５に還流される際に、熱エネルギーを受け取れるので、冷却されたＥＧＲガス内部に凝縮水が発生することを抑制することができる。これにより、ＥＧＲガスに含まれる凝縮水によって、コンプレッサ２１５のブレードが物理的又は機構的に破損することを効果的に防止することができる。更に、典型的には、第３ＥＧＲ通路３０３を経由して還流されるＥＧＲガスに含まれる水蒸気は、コンプレッサ２１５の下流側に設けられるインタークーラー２２１によって凝縮水となる。これにより、内燃機関の燃焼室内では、この凝縮水が気化することにより、燃焼室内及び燃焼室の壁面から熱をうばうので燃焼室内の温度を低下させる。これによりノッキングの発生をより効果的に抑制することができる。

通路切り換え弁３０５ａは、ＥＧＲガスの還流流路を第３ＥＧＲ通路３０３と第２ＥＧＲ通路３０２との間で選択的に切り換える。

（詳細構成）
次に、図４を参照してタービンハウジング１００の内部の詳細構成について説明する。ここに、図４は、第２実施形態に係る過給機の構成を概念的に表してなる概略断面図である。

図４に示されるように、タービンハウジング１００の内部には、排気通路口１１１及び１１２、スクロール室１２１及び１２２、並びにタービン１７０を備えて構成されている。

排気通路口１１１には、シリンダ＃１及び＃４に連通した排気マニフォールド２０９から排気が導かれる。排気通路口１１２には、シリンダ＃２及び＃３に連通した排気マニフォールド２１０から排気が導かれる。

スクロール室１２１は、排気通路口１１１から導かれた排気を連続的にタービン１７０へ供給する。と同時に又は相前後して、スクロール室１２２は、排気通路口１１２から導かれた排気を連続的にタービン１７０へ供給する。詳細には、スクロール室１２１及び１２２によって、所謂、ツインスクロールが構成されている。

上述したように第３ＥＧＲ通路３０３は、第２ＥＧＲ通路３０２から分岐して、ＥＧＲガスをコンプレッサ２１５に還流させる。典型的には、コンプレッサ２１５のブレードの背面方向にある弁１５１からＥＧＲガスをコンプレッサ２１５に還流させることが好ましい。これにより、ブレードの正面からＥＧＲガスを導く場合と比較して、ブレードを物理的又は機構的に保護することが可能である。

（動作原理）
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態に係るエンジンシステム１０ａの動作原理について説明する。ここに、図５は、第２実施形態に係るエンジンシステムを統括制御するＥＣＵの制御処理の流れを示したフローチャートである。尚、この図２で示された制御処理は、ＥＣＵ１によって、所定周期で繰り返し実行される。

図５に示されるように、上述したようにステップＳ１０３の判定の結果、取得された過給圧が、取得された排圧より大きいと判定される場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１の制御下で、通路切り換え弁３０５ａは、ＥＧＲガスの還流流路を第３ＥＧＲ通路３０３に切り換え、第３ＥＧＲ通路３０３を流れるＥＧＲガスをＥＧＲクーラ３２０及びＥＧＲバルブ３６０を経由して吸気系に還流させる（ステップＳ２０１）。これにより、内燃機関の排気系に含まれるタービン１７０の下流側から還流されたＥＧＲガスを、内燃機関の吸気系に有されるコンプレッサ２１５に還流させ、過給圧をより低減させ排圧を相対的に増加させつつ、ＥＧＲガスを内燃機関の吸気系に還流させることができる。これにより、ＥＧＲガスをより適切且つ確実に還流させることができる。これにより、気筒内での圧縮比を適切な値に近づけることが可能であり、ノッキングなどの気筒内での燃焼不良を効果的に抑制可能であり、ひいては燃費の悪化を効果的に抑制可能である。

他方、ステップＳ１０３の判定の結果、取得された過給圧が、取得された排圧より大きいと判定されない場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、ＥＣＵ１の制御下で、通路切り換え弁３０５ａは、ＥＧＲガスの還流流路を第２ＥＧＲ通路３０２に切り換え、第２ＥＧＲ通路３０２を流れるＥＧＲガスをＥＧＲクーラ３２０及びＥＧＲバルブ３６０を経由して吸気系に還流させる（ステップＳ２０２）。

このように、過給圧が排気圧より高い場合だけ選択的に、タービン１７０の下流側から還流されたＥＧＲガスを、内燃機関の吸気系に有されるコンプレッサ２１５に還流させる。これにより、タービン１７０の下流側から導かれるＥＧＲガスと比較して高温である、タービン１７０の上流側から導かれるＥＧＲガスを吸気系に還流させる頻度や度合いを殆ど又は完全に無くすことができる。これにより、タービン１７０の上流側から高温なＥＧＲガスを吸気系に還流させる機会がある場合と比較して、ＥＧＲガスの還流流路に設けられたＥＧＲガスを冷却する冷却システムに掛かる熱負荷を効果的に軽減することができる。以上の結果、より効果的に冷却されたＥＧＲガスによって、吸気の温度が低下させることが可能であり、この温度が低下した吸気により、気筒内に吸入される吸気量が増加するため、エンジンの出力を向上させることができる。

上述した実施形態では、４気筒エンジンについて説明したが、６気筒エンジン等の多気筒エンジンにも適用可能である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う内燃機関の排気還流装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

第１実施形態に係るエンジンシステム１０の構成を概念的に表してなる概略構成図である。 第１実施形態に係るエンジンシステムを統括制御するＥＣＵの制御処理の流れを示したフローチャートである。 第２実施形態に係るエンジンシステム１０ａの構成を概念的に表してなる概略構成図である。 第２実施形態に係る過給機の構成を概念的に表してなる概略断面図である。 第２実施形態に係るエンジンシステムを統括制御するＥＣＵの制御処理の流れを示したフローチャートである。

符号の説明

１…ＥＣＵ、１０…エンジンシステム、１００…タービンハウジング、１１１及び１１２…排気通路口、１２１及び１２２…スクロール室、１３１…迂回通路、１４１…弁（所謂、ウェイストゲートバルブ）、１５１…弁、１７０…タービン、２００…エンジン、２１５…コンプレッサ、３００…ＥＧＲ装置、３０１…第１ＥＧＲ通路、３０２…第２ＥＧＲ通路、３０５及び３０５ａ…通路切り換え弁、３０３…第３ＥＧＲ通路、３１０…ＥＧＲ共通通路、３２０…ＥＧＲクーラ、３６０…ＥＧＲバルブ、Ｓ１及びＳ２…圧力センサー。

Claims (1)

1. 複数の気筒を有する内燃機関の排気系にタービンを有すると共に前記内燃機関の吸気系にコンプレッサを有し前記吸気系にて過給を行う過給機と、
   前記排気系に含まれる前記タービンの下流側から、前記排気系を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして前記吸気系に含まれる前記コンプレッサの下流側に還流させる主ＥＧＲ通路と、
   前記主ＥＧＲ通路から分岐して、前記ＥＧＲガスを前記コンプレッサ自体に還流させる副ＥＧＲ通路と、
   前記主ＥＧＲ通路に設けられ、前記ＥＧＲガスを冷却する冷却手段と、
   前記ＥＧＲガスの還流流路を、前記主ＥＧＲ通路と前記副ＥＧＲ通路との間で選択的に切り換える切り換え手段と、
   前記過給系の圧力である過給圧が前記排気系の圧力である排圧より大きい場合、前記副ＥＧＲ通路に切り換えるように前記切り換え手段を制御し、前記過給圧が前記背圧より大きくない場合、前記主ＥＧＲ通路に切り換えるように前記切り換え手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記副ＥＧＲ通路は、前記副ＥＧＲ通路を経由して還流される前記ＥＧＲガスが、前記コンプレッサの下流部で発生する熱エネルギーを受け取れるように配置されている
   ことを特徴とする内燃機関の排気還流装置。

Images