JP6102963B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の気筒を有するエンジンの制御装置に関する。

従来、エンジンの排気通路に触媒を設けて、触媒によってエンジンから排出される排気を浄化することが行われている。また、触媒の浄化率は温度によって変化することが知られており、排気性能を良好にするために触媒に導入される排気の温度を適切にすることが検討されている。

例えば、特許文献１には、触媒の温度を未活性温度以上に高めてこれにより触媒の浄化率を高めるようにしたエンジンが開示されている。

具体的には、特許文献１には、エゼクタ効果によって排気ポートよりも下流側の部分の負圧を高めることが可能な装置を備え、触媒温度が活性温度以下の場合に、上記負圧を高めるとともに吸気弁と排気弁の開弁期間が重複するオーバーラップ期間を長くして掃気性を高めるよう構成されたエンジンが開示されている。このエンジンでは、掃気性が高められることで排気に含まれる空気量（酸素量）が多くなるため、エンジン本体と触媒との間での排気の酸化反応を促進することができ、触媒に流入する排気の温度を高めて触媒の温度を活性温度以上にすることができる。

特許第５５１５９７２号公報

ここで、上記特許文献１に開示されているように、触媒の浄化率を高めるためには触媒の温度を活性温度以上に高める必要がある。しかしながら、触媒に流入する排気の温度が高い場合には、触媒が劣化等してしまい触媒の浄化率が悪化するおそれがある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、触媒の劣化等を回避して触媒による浄化性能を良好にすることができるエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、複数の気筒を有するエンジンの制御装置であって、複数の気筒の各排気ポートから延びる複数の独立排気通路と、上記各独立排気通路の下流側に設けられ、各独立排気通路と連通する共通の空間を形成する排気集合部と、上記排気集合部で発生する負圧を変更可能な負圧変更手段と、上記排気集合部の下流側に設けられた触媒と、冷却装置を含み、上記触媒を通過した後の排気を上記冷却装置で冷却した後、上記排気集合部に還流させる排気還流装置と、上記負圧変更手段を含むエンジンの各部を制御する制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、エンジン負荷が所定の基準負荷よりも高く且つエンジン回転数が所定の基準回転数よりも高い高負荷高回転数領域において、上記排気還流装置によって上記触媒を通過した後の排気を上記排気集合部に還流させるとともに、上記排気集合部内の負圧が大きくなる方向に上記負圧変更手段を制御することを特徴とする（請求項１）。

本発明では、エンジン負荷およびエンジン回転数が高く排気の温度が高い高負荷高回転数領域において、触媒を通過した後冷却装置により冷却された排気が触媒よりも上流側に位置する排気集合部に還流されて、再び触媒に流入される。そのため、触媒に流入する排気の温度を低く抑えて、触媒が過剰に高温となって劣化等するのを抑制することができ、浄化性能を良好にすることができる。

しかも、本発明では、上記のように触媒に冷却後の排気を再流入させる高負荷高回転数領域において、排気集合部内の負圧が高められている。そのため、排気還流装置によって排気集合部に還流する排気の流量すなわち触媒に再流入する低温の排気の量を多くすることができ、触媒の温度をより確実に低く抑えることができる。

本発明において、上記制御手段は、上記高負荷高回転数領域よりもエンジン負荷が低いかまたはエンジン回転数が低く、かつ、所定の低速側基準回転数よりもエンジン回転数が高い領域に設定された高回転数領域では、上記負圧変更手段によって上記排気集合部内の負圧を上記高負荷高回転数領域よりも小さくするのが好ましい（請求項２）。

上記高負荷高回転数領域よりもエンジン負荷が低いかまたはエンジン回転数が低い領域では、触媒の劣化が心配されるほどには排気温度は高くない。一方、エンジン回転数が高く排気の流量が多い条件で触媒を通過した排気を排気集合部に還流させた場合には、かえって排気の流通抵抗が増し、ポンピングロスの増大を招くおそれがある。これに対して、上記構成では、高負荷高回転数領域よりもエンジン負荷が低いかまたはエンジン回転数が低く、かつ、所定の低速側基準回転数よりもエンジン回転数が高い領域に設定された高回転数領域において、排気集合部内の負圧を小さく抑えているため、触媒の状態を良好に維持しつつ、このエンジン回転数の高い高回転数領域にてポンピングロスが増大するのを回避することができる。

本発明において、各気筒に吸気を導入する吸気通路に、各気筒から排出された排気を還流させる外部ＥＧＲ手段を備え、上記外部ＥＧＲ手段は、上記冷却装置により冷却された排気を上記吸気通路に還流可能なように設けられているのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、触媒通過後に排気集合部に還流される排気と、吸気通路に還流される排気とを、共通の冷却装置によって冷却することができ、これら排気を冷却するための冷却装置を個別に設ける場合に比べて、装置を簡素化することができる。

この構成において、上記制御手段は、上記高負荷高回転数領域では、上記外部ＥＧＲ手段による上記吸気通路への排気の還流を停止するのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、高負荷高回転数領域において、冷却装置によって、排気集合部に還流させて触媒に再流入させる排気に加えて吸気通路に還流させる排気を冷却する必要がないため、触媒に再流入する排気を効率よく冷却装置により冷却させることができ、この冷却された排気によって触媒の温度をより確実に低く抑えることができる。

以上説明したように、本発明のエンジンの制御装置によれば、触媒の劣化等を回避して触媒による浄化性能を良好にすることができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンの構成を示す平面図である。 上記エンジンのエンジン本体の構成を示す断面図である。 内部ＥＧＲモードにおける排気弁および吸気弁の開閉状態を示した図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図４のＶ矢示図である。 最上流位置にあるスライド部周辺を示した図である。 最上流位置にあるスライド部周辺を示した断面図である。 最下流位置にあるスライド部周辺を示した図である。 最下流位置にあるスライド部周辺を示した断面図である。 排気システムの一部を示した側面図である。 排気システムの一部を示した正面図である。 上記エンジンの制御系を示すブロック図である。 エンジンの運転中に使用される制御マップを概念的に示す図である。 高回転数領域におけるエンジン負荷に対するスライド部の位置を示す図である。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの制御装置の構成を示す図である。当実施形態のエンジンは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気（吸気）を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１から外部に排気を排出するための排気システム３０とを備えている。

ここでは、エンジン本体１が、特定方向に並ぶ４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有する４気筒エンジンであって、主としてガソリンを燃料とするガソリンエンジンの場合について説明する。

エンジン本体１は、気筒２Ａ〜２Ｄが内部に形成されたシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に設けられたシリンダヘッド３と、気筒２Ａ〜２Ｄに往復摺動可能に挿入されたピストン４とを有している。

ピストン４の上方には燃焼室５が形成されており、この燃焼室５には、燃料が、インジェクタ１０からの噴射によって供給される。噴射された燃料と空気との混合気は燃焼室５で燃焼し、ピストン４はその燃焼による膨張力で押し下げられて上下に往復運動する。

ピストン４はコネクティングロッド１６を介してクランク軸１５と連結されており、ピストン４の往復運動に応じて、クランク軸１５は中心軸回りに回転する。

シリンダブロック２には、クランク軸１５の回転速度をエンジンの回転速度として検出するエンジン回転速度センサＳＷ１が設けられている。

シリンダヘッド３には、燃料を燃焼室５に向けて噴射するインジェクタ１０と、インジェクタ１０から噴射された燃料と空気との混合気に対し火花放電による点火を行う点火プラグ１１とが、各気筒２Ａ〜２Ｄにつきそれぞれ１組ずつ設けられている。

インジェクタ１０は、燃料の噴射口となる複数の噴孔を先端部に有しており、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５をその吸気側の側方から臨むように設けられている。インジェクタ１０から噴射される燃料の噴射圧力は、３０ＭＰａ以上という、ガソリンエンジンとしてはかなり高い値に設定されている。

点火プラグ１１は、火花を放電するための電極を先端部に有しており、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５を上方から臨むように設けられている。

当実施形態のエンジン本体１は、その幾何学的圧縮比（ピストン４が下死点にあるときの燃焼室容積とピストン４が上死点にあるときの燃焼室容積との比）が、１５以上２０以下という、ガソリンエンジンとしてはかなり高い値に設定されている。このように高い幾何学的圧縮比を設定しているのは、理論熱効率の向上や、後述するＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）での着火性確保のためである。

また、当実施形態のような４ストローク４気筒のエンジンでは、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられたピストン４がクランク角で１８０°（１８０°ＣＡ）の位相差をもって上下運動するため、これに対応して、各気筒２Ａ〜２Ｄでの点火のタイミングも、１８０°ＣＡずつ位相をずらしたタイミングに設定される。具体的には、気筒２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの気筒番号をそれぞれ１番、２番、３番、４番とすると、１番気筒２Ａ→３番気筒２Ｃ→４番気筒２Ｄ→２番気筒２Ｂの順に点火が行われる。このため、例えば１番気筒２Ａが膨張行程であれば、３番気筒２Ｃ、４番気筒２Ｄ、２番気筒２Ｂは、それぞれ、圧縮行程、吸気行程、排気行程となる。

シリンダヘッド３には、吸気通路２０から供給される空気を各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５に導入するための吸気ポート６と、吸気ポート６を開閉する吸気弁８と、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５で生成された排気を排気システム３０に導出するための排気ポート７と、排気ポート７を開閉する排気弁９とが設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、１つの気筒につき吸気弁８および排気弁９が２つずつ設けられている。

吸気弁８および排気弁９は、それぞれ、シリンダヘッド３に配設された一対のカムシャフト等を含む動弁機構１３，１４により、クランク軸１５の回転に連動して開閉駆動される。

吸気弁８用の動弁機構１３には、吸気弁８の開閉時期を変更可能な可変機構１３ａが設けられている。

排気弁９用の動弁機構１４には、排気行程中にのみ排気弁９を開弁させる第１のカムと、排気行程に加えて吸気行程にも排気弁９を開弁させる第２のカムと、排気弁９に駆動力を伝達するカムをこれら第１カムと第２カムとの間で切り替える切替機構１４ａが組み込まれている。すなわち、この切替機構１４ａは、排気弁９を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁可能にするとともに、この吸気行程中の排気弁９の開弁動作（内部ＥＧＲモード）を実行するか停止するかを切り替える機能を有している。

切替機構１４ａによって排気弁９に駆動力を伝達するカムとして第２のカムが選択されると、図３に示すように、排気弁９が排気行程だけでなく吸気行程中にも開弁するので、高温の排気（既燃ガス）が内部ＥＧＲガス（ＥＧＲ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）として排気ポート７から燃焼室５に逆流する。当実施形態では、図３に示すように、内部ＥＧＲモードでは、排気弁９のリフト量は、ピーク位置から減少した後所定期間一定量で維持される。このように、当実施形態では、排気弁９が内部ＥＧＲモードで開閉されることで、高温の排気を筒内に残留させる内部ＥＧＲが実現される。なお、図３は、吸気弁８および排気弁９のバルブリフトを示したものであり、‘ＥＸ’が排気弁９のリフトを示し、‘ＩＮ’が吸気弁８のリフトを示している。

一方、切替機構１４ａによって第１のカムが選択された場合には、排気弁９が排気行程のみで開弁するようになるので、内部ＥＧＲが停止される（排気の逆流が停止される）。

また、排気弁９用の動弁機構１４には、排気弁９の閉弁時期を変更することが可能な排気閉弁時期変更機構１４ｂが組み込まれている。本実施形態では、排気弁９の開弁期間は一定に維持しつつ閉弁時期ＥＶＣが変更される。このような構成の機構は既に公知であり、その詳細な構造の説明は省略する。

吸気通路２０は、単一の吸気管２３の上流端部に接続された所定容積のサージタンク２２と、サージタンク２２と各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート６とを連結する複数の（４本の）独立吸気通路２１とを有している。

吸気管２３の途中部には、吸気管２３の通路を開閉可能なスロットル弁２５と、エンジン本体１に吸入される空気（新気）の流量を検出するためのエアフローセンサＳＷ２とが設けられている。

サージタンク２２には、外部ＥＧＲ装置５０が接続されている。外部ＥＧＲ装置５０は、後述する下流側排気管４１に接続された排気還流通路９１と吸気通路２０とを連結するＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲ通路５１の途中部に設けられてＥＧＲ通路５１を開閉可能なＥＧＲ弁５２とを含む。

外部ＥＧＲ装置５０は、外部ＥＧＲを行うため、すなわち、エンジン本体１から排出されて下流側排気管４１を流下し排気還流通路９１に流入した排気の一部を外部ＥＧＲガスとして吸気通路２０を介して各気筒２Ａ~２Ｄに還流させるために用いられる。

具体的には、ＥＧＲ弁５２が開弁すると、下流側排気管４１を流れる排気の一部は、排気還流通路９１を介してＥＧＲ通路５１に流入し、ＥＧＲ通路５１を通ってサージタンク２２へと還流された後、再び各気筒２Ａ〜２Ｄに導入される。外部ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路５１の通過中に冷却される。従って、各気筒２Ａ~２Ｄに還流される外部ＥＧＲガスは、比較的低温である。特に、当実施形態では、後述するように、排気還流通路９１のうちＥＧＲ通路５１との接続部分よりも上流側（下流側排気管４１側）に、クーラ９３が設けられている。そのため、各気筒２Ａ〜２Ｄに導入される外部ＥＧＲガスは、下流側排気管４１を通過する排気の温度よりも大幅に低いものとなる。一方、ＥＧＲ弁５２が全閉になると、下流側排気管４１および排気還流通路９１からＥＧＲ通路５１に排気は流れず、外部ＥＧＲは停止される。

排気システム３０は、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート７にそれぞれ上流端部が接続されてこれら排気ポート７から延びる複数の独立排気通路３１と、各独立排気通路３１の下流端部（エンジン本体１から遠ざかる側の端部）が独立状態を維持したまま互いに近接するように束ねられた集約部３４と、集約部３４の下流側に設けられて独立排気通路３１の全てと連通する共通の空間が内部に形成されたスライド部（排気集合部）３５と、スライド部３５の下流側にディフューザー部３６を介して接続された単一の中間排気管４０と、中間排気管４０の下流側に設けられて触媒４８ａを内蔵する触媒コンバータ４８と、触媒コンバータ４８から下流側には下流側排気管４１と、この下流側排気管４１内の排気をスライド部３５に還流する排気還流装置９０とを有している。触媒コンバータ４８には、例えば三元触媒からなる触媒４８ａが内蔵されている。排気システム３０のこれらの詳細構造については後述する。

（２）排気システムの詳細構造
排気システム３０の詳細構造について説明する。

排気還流装置９０は、下流側排気管４１のうち触媒コンバータ４８のすぐ下流側の部分と、スライド部３５とを連結する排気還流通路９１と、排気還流通路９１の途中部に設けられて排気還流通路９１を開閉可能な切替弁９２と、排気還流通路９１の途中部に設けられてエンジンの冷却水等を利用した熱交換器からなるクーラ（冷却装置）９３とを含んでいる。

排気還流装置９０は、触媒コンバータ４８から排出された排気をクーラ９３で冷却し、低温となった排気を再び触媒コンバータ４８に導入するために用いられる。すなわち、切替弁９２が開弁されると、触媒コンバータ４８から排出された排気の一部は、下流側排気管４１から排気還流通路９１に流入するとともに排気還流通路９１を通ってスライド部３５に還流され、スライド部３５を通って再び触媒コンバータ４８に導入される。一方、切替弁９２が閉弁された場合には、排気還流通路９１を介した排気の還流すなわち触媒コンバータ４８への排気の再流入は停止される。

ここで、上記のように、排気還流通路９１のクーラ９３よりも下流側（スライド部３５側）の部分には、ＥＧＲ通路５１が接続されている。そして、切替弁９２は、排気還流通路９１のうちクーラ９３よりも下流側に設けられている。従って、ＥＧＲ弁５２が開弁されたときには、切替弁９２の開閉状態によらず、下流側排気管４１内の排気の一部は排気還流通路９１内に流入し、クーラ９３で冷却され、その後、ＥＧＲ通路５１を介してサージタンク２２内に還流される。

各独立排気通路３１は、その各下流端部３１ａの位置が一致するように、気筒列方向の中央側を指向して延びている。これら独立排気通路３１の各下流端部３１ａは、エンジン本体１の排気側の壁面中央（上面視で２番気筒２Ｂと３番気筒２Ｃの間に対応する位置）から下流側に離れた位置において１箇所に束ねられており、束ねられた各独立排気通路３１の各下流端部３１ａと、これらを束ねた状態に保持する保持部材等により、集約部３４が形成されている。

当実施形態では、集約部３４の中央に排気還流通路９１の下流端が配置されており、排気還流通路９１は各独立排気通路３１とともに束ねられて保持されている。

具体的には、図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である図４に示すように、各独立排気通路３１の各下流端部３１ａと排気還流通路９１の下流端９１ａとは、中央に排気還流通路９１の下流端９１ａが位置し、その周囲に各独立排気通路３１の各下流端部３１ａ周方向に等間隔で位置して、全体として略円形の断面を有する状態で保持されている。

図６に示すように、集約部３４の下流端部は、集約部３４の中心軸ｘを中心として下流に向かうに従って縮径する略円錐台形状をなす外形を有しており、各独立排気通路３１の下流端部３１ａには、それぞれ、その下流側先端に、下流に向かうに従って中心軸ｘ側に向かって傾斜する独立排気通路側傾斜部３１ｂが設けられている。これに伴い、各独立排気通路３１の下流端部３１ａの流路面積は、下流側の方が上流側よりも小さくなっている。

このように各独立排気通路３１の下流端部３１ａの流路面積が下流に向かうに従って小さくされていることで、各独立排気通路３１を通過する排気の速度はこの下流端部３１ａの通過中に高められる。

図４のＶ矢示図である図５に示すように、各独立排気通路側傾斜部３１ｂには、それぞれ独立排気通路３１の内側と外側とを連通する開口部３１ｃが形成されている。当実施形態では、各傾斜部３１ｂの一部が、下流端から上流に向かって略半円状に切り欠かれることで、開口部３１ｃが形成されている。

図６に示すように、スライド部３５は、単管状を有し、集約部３４（各独立排気通路３１の下流端部３１ａ）の下流側部分が内側に挿入された状態で、集約部３４の中心軸ｘと同軸で集約部３４から下流側に延びている。各独立排気通路３１（集約部３４）を通過した排気は、このスライド部３５の内側で集合する。

スライド部３５は、軸ｘを中心軸とする円筒状を有し流路面積一定で上下流方向に延びる上流端部分３５ａと、この上流端部分３５ａから下流に延びるスライド部側傾斜部（ノズル部）３５ｂと、軸ｘを中心軸とする円筒状を有し流路面積一定でスライド部側傾斜部３５ｂから下流に延びるストレート部３５ｃとからなる。スライド部３５は、上下流方向にスライド変位可能に取り付けられており、集約部３４に対して上下流方向に相対変位される。

スライド部側傾斜部３５ｂは、独立排気通路側傾斜部３１ｂに沿って延びる形状を有しており、軸ｘを中心として下流に向かうに従って縮径する略円錐台形状をなす外形を有している。これに伴い、スライド部側傾斜部３５ｂの流路面積は下流側ほど小さくなっている。また、これに伴い、スライド部３５は、スライド部側傾斜部３５ｂと独立排気通路側傾斜部３１ｂとが接触（当接）する位置よりも上流側へスライド変位できないようになっている。以下、これらが接触する状態にあるスライド部６２の位置を、スライド部３５の最上流位置と称する。

図６および図７に示されるように、スライド部３５が最上流位置にある状態において、スライド部側傾斜部３５ｂの内周面は各独立排気通路側傾斜部３１ｂの外周面（集約部３４の下流端部の外周面）全体と接触し、各開口部３１ｃはスライド部側傾斜部３５ｂの内周面により塞がれる。従って、スライド部３５が最上流位置にある状態では、各独立排気通路３１を通過した排気は、開口部３１ｃから独立排気通路３１の外周側に流出することなくスライド部３５内に流入する。

ここで、スライド部３５が最上流位置にある状態において、スライド部側傾斜部３５ｂは、独立排気通路３１の下流端よりも下流側に延びており、スライド部３５の流路面積は独立排気通路３１の下流端よりも下流側においても下流ほど小さくなっている。従って、各独立排気通路３１を通過した排気は、スライド部側傾斜部３５ｂにおいてもその速度を高められる。

上記のように各独立排気通路３１からスライド部３５に向けて排気が高速で噴出されると、スライド部３５内において、その噴出ガスの周囲には相対的に圧力の低い負圧部が生成される。したがって、ある気筒の独立排気通路３１からスライド部３５に排気が噴出されると、他の独立排気通路３１に負圧が作用して、そこから排気が下流側へと吸い出されることになる。また、排気還流通路９１の下流端に負圧が作用して、排気還流通路９１には、その内側からスライド部３５側に向かって排気を吸い出す力が作用する。これは、エゼクタ効果として知られている。

一方、図８および図９に示されるように、スライド部３５が最上流位置から下流側にスライド変位すると、スライド部側傾斜部３５ｂは独立排気通路側傾斜部３１ｂから下流側に離間する。この状態において、これら傾斜部３５ｂ、３１ｃ間には通路が区画されるとともに、各開口部３１ｃは開放される。そのため、この状態では、各独立排気通路３１を通過した排気の一部は、開口部３１ｃを通って傾斜部３５ｂ、３１ｃ間の通路（以下、外部通路という場合がある）を通って流下する。すなわち、図９の矢印で示すように、独立排気通路３１を流下した排気は、独立排気通路３１内の通路に加えてこの外部通路を通過してスライド部３５に流入することになり、スライド部３５に流入する前に排気が通過する部分の流路面積は大きくなる。

このように流路面積が拡大されると、スライド部３５に流入する際の排気の速度は小さく抑えられる。従って、スライド部３５が最上流位置から下流側にスライド変位した状態では、スライド部３５内に生成される負圧は、スライド部３５が最上流位置にあるときよりも小さくなる。このようにスライド部３５に生成される負圧が小さくなると、他の独立排気通路３１および排気還流通路９１に作用する排気を吸い出す力は小さくなる。

ここで、外部通路の流路面積はスライド部３５の下流側への変位量が大きいほど大きくなる。従って、スライド部３５の下流側への変位量が大きいほどスライド部３５内に生成される負圧は小さくなる。このように、当実施形態では、スライド部３５が変位することで、スライド部３５内に生成される負圧が変更される。

スライド部３５の下流側には、単管状のディフューザー部３６が設けられている。ディフューザー部３６は、下流に向かうに従って流路面積が拡大するよう構成されている。具体的には、ディフューザー部３６の上流端部は略円筒状の外形を有し、この上流端部よりも下流側の部分は軸ｘを中心とする略円錐台形状の外形を有している。ディフューザー部３６の内側には上流からスライド部３５の下流端部が挿入されており、スライド部３５は、ディフューザー部６３によりスライド可能に支持されている。

上記のように独立排気通路３１の下流端部３１ａおよびスライド部側傾斜部３５ｂにおいて高速とされた排気は、流路面積一定で上下流に延びるスライド部３５のストレート部３５ｃおよびディフューザー部３６を通過するにつれて減速され、これに伴って排気の圧力は回復する。

上記集約部３４、スライド部３５およびディフューザー部３６は、アウターシェル３８の内側にそれぞれ収容されている。すなわち、排気システム３０には、これらを収容するアウターシェル３８が設けられており、このアウターシェル３８から下流側に下流側排気管４１が延びている。

図８に示すように、アウターシェル３８のうちスライド部側傾斜部３５ｂの外側を囲む部分は、このスライド部側傾斜部３５ｂと平行に延びており、下流に向かうに従って中心軸ｘ側に傾斜するアウターシェル側傾斜部３８ａを構成している。図８に示すように、このアウターシェル側傾斜部３８ａは、スライド部側傾斜部３５ｂが下流側にスライド変位した際にスライド部側傾斜部３５ｂに下流側から当接するように設けられており、スライド部３５は、この当接位置よりも下流側には変位することができないようになっている。すなわち、スライド部３５は、この当接位置を最下流位置としてこの最下流位置と上記最上流位置との間でのみスライド変位可能となっている。

スライド部３５は、スライドアクチュエータ（負圧変更手段）３９によってスライド変位される。

当実施形態では、スライドアクチュエータ３９は、ダイアフラム式であり、図１０および図１１に示すように、ダイアフラム本体３９ａと、ダイアフラム本体３９ａから所定の方向に延びてダイアフラム本体３９ａによってこのダイアフラム本体３９ａと接離する方向にスライド変位される第１シャフト３９ｂと、第１シャフト３９ｂの先端（反ダイアフラム本体側）に接続されるレバー部３９ｃと、レバー部３９ｃに固定される第２シャフト３９ｄと、第２シャフト３９ｄの先端（反レバー部側）に接続されるとともにスライド部３５に接続されるフォーク部３９ｅ（図６）とを有している。

さらに、図６に示すように、フォーク部３９ｅは、アウターシェル３８の内側に収容されてスライド部３５の外側面に取り付けられた半円状のフォーク部本体と、フォーク部本体の中央からアウターシェル３８を貫通してアウターシェル３８外に延びる接続部とを有し、この接続部において、第２シャフト３９ｄの先端に固定されている。

このように構成されたスライドアクチュエータ３９は、ダイアフラム本体３９ａによって第１シャフト３９ｂがスライド変位されると、レバー部３９ｃが第２シャフト３９ｄの中心軸が通る部分を支点として搖動し、これに伴い第２シャフト３９ｄがその中心軸を中心として回転し、この第２シャフト３９ｄの回転に伴ってフォーク部３９ｅがその接続部を支点として回動することで、スライド部３５をスライド変位させる。例えば、図６に示す状態から第１シャフト３９ｂがスライド変位することで、フォーク部３９ｅが接続部を支点として回動して図８に示す状態となる。

（３）制御系
次に、図１２を用いて、エンジンの制御系について説明する。当実施形態のエンジンは、自動車等の車両に搭載されており、車両に備わるＥＣＵ（エンジン制御ユニット）６０によって制御される。ＥＣＵ６０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサであり、本発明にかかる制御手段に相当するものである。

ＥＣＵ６０には、各種センサからの情報が入力される。例えば、ＥＣＵ６０は、エンジンに設けられたエンジン回転速度センサＳＷ１、エアフローセンサＳＷ２、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサＳＷ３と電気的に接続されており、これらのセンサからの入力信号（エンジン回転速度、吸気流量、アクセルペダルの開度の情報）を受け付ける。

ＥＣＵ６０は、各センサ（ＳＷ１〜ＳＷ３等）からの入力信号に基づいて種々の演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ６０は、インジェクタ１０、点火プラグ１１、可変機構１３ａ、切替機構１４ａ、排気閉弁時期変更機構１４ｂ、スライドアクチュエータ３９、スロットル弁２５、ＥＧＲ弁５２、切替弁９２等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。なお、当実施形態では、ポンピングロスを小さく抑えるべくスロットル弁２５はほぼ常時全開とされている。

（４）運転領域
図１３は、エンジンの運転中にＥＣＵ６０によって参照される制御マップを概念的に示した図である。この制御マップでは、エンジンの運転領域が第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２、第３運転領域Ａ３、第４運転領域Ａ４、第５運転領域Ａ５の５つに分割されている。ＥＣＵ６０は、エンジンの運転中、負荷（アクセル開度に基づく要求トルク）および回転速度の各値から、エンジンが図１３のマップ中のどの運転領域で運転されているかを逐次判定し、各運転領域に応じてインジェクタ１０等を制御する。

第１運転領域Ａ１は、エンジン回転数が第１基準回転数（低速側基準回転数）Ｎ１以下、且つ、エンジン負荷が第１基準負荷Ｔ１以下の低負荷領域に設定されている。第２運転領域Ａ２は、エンジン回転数が第１基準回転数Ｎ１以下、且つ、エンジン負荷が第１基準負荷Ｔ１から第２基準負荷Ｔ２（第１基準負荷Ｔ１よりも高い負荷）までの中負荷領域に設定されている。第３運転領域Ａ３は、エンジン回転数が第１基準回転数Ｎ１以下、且つ、エンジン負荷が第２基準負荷Ｔ２以上の高負荷領域に設定されている。第４運転領域Ａ４は、エンジン回転数が第１基準回転数Ｎ１より高い領域のうち、第５運転領域Ａ５を除く高回転数領域に設定されている。第５運転領域Ａ５は、第１基準回転数Ｎ１よりも高い第２基準回転数（基準回転数）Ｎ２よりもエンジン回転数が高く、且つ、第２基準負荷Ｔ２よりも高い第３基準負荷Ｔ３よりもエンジン負荷が高い高負荷高回転数領域に設定されている。

エンジン負荷が低い側およびエンジン回転数が低い側に設定された第１、第２運転領域Ａ１、Ａ２では、ピストン４の圧縮作用により混合気を高温、高圧化して圧縮上死点（圧縮行程と排気行程の間のＴＤＣ）付近で自着火させる圧縮自着火燃焼（以下、ＣＩ燃焼という場合がある）が実施される。

一方、他の領域に設定された第３、第４、第５運転領域Ａ３、Ａ４、Ａ５では、筒内の混合気の空気過剰率λが１にされた状態で、点火プラグ１１からの火花放電による強制点火をきっかけに混合気を火炎伝播により燃焼させる火花点火燃焼（以下、ＳＩ燃焼という場合がある）が実施される。当実施形態では、圧縮行程の後期のような比較的遅いタイミングでインジェクタ１０から燃料を噴射させるとともにこの燃料噴射の後に点火プラグ１１に火花点火を行わせ、これにより、圧縮上死点を少し過ぎたタイミング（膨張行程の初期）から火炎伝播により混合気を燃焼させる。

（ｉ）第１運転領域
第１運転領域Ａ１は、エンジン負荷が低い領域である。そのため、燃焼によって得られるエネルギーは小さく筒内の温度が低くなりやすい。

そこで、第１運転領域Ａ１では、安定したＣＩ燃焼を実現するために内部ＥＧＲガス量を多くするべく、排気弁９を内部ＥＧＲモードで開弁させるとともに、ＥＧＲ弁５２を閉弁して外部ＥＧＲを停止する。

さらに、第１運転領域Ａ１では、内部ＥＧＲガス量をより多く確保するべく、スライド部３５を最上流位置よりも下流側の位置にしてスライド部３５に生じる負圧を小さく抑える。当実施形態では、スライド部３５を最下流位置として、負圧を最小とする。すなわち、スライド部３５に生じる負圧が大きいと、独立排気通路３１を介して筒内および排気ポート７内のガスを下流側へ吸い出す力が大きくなり、排気が排気ポート７から筒内へ逆流しにくくなる。そこで、第１運転領域Ａ１では、上記のように、スライド部３５に生じる負圧を小さく抑えて、筒内への排気の逆流量すなわち内部ＥＧＲガス量を多く確保する。

また、第１運転領域Ａ１では、切替弁９２を閉弁して、触媒コンバータ４８通過後の排気のスライド部３５への還流を停止する。

（ｉｉ）第２運転領域
第２運転領域Ａ２でもＣＩ燃焼が実施される。しかし、この領域Ａ２は、エンジン負荷が比較的高く燃焼によって筒内の温度が高くなりやすい領域である。そのため、第１運転領域Ａ１と異なり、第２運転領域Ａ２では、ＣＩ燃焼実施時に過早着火等の異常燃焼の発生や燃焼騒音の増大が生じやすくなるという問題がある。

そこで、第２運転領域Ａ２では、過早着火等を回避するために筒内の温度を低く抑えるべく、排気弁９を内部ＥＧＲモードで開弁させて内部ＥＧＲガスを筒内へ導入しつつ、ＥＧＲ弁５２を開弁して外部ＥＧＲを実施する。

さらに、第２運転領域Ａ２では、スライド部３５を最上流位置としてスライド部３５に生じる負圧を高め、これにより、排気の筒内への逆流量を抑えるとともに、外部ＥＧＲ通路５１に流入する排気の量を多くして外部ＥＧＲガスを多く確保する。すなわち、スライド部３５に生じる負圧が高められると、筒内から排出される排気の量すなわち排気流量が多くなるため、外部ＥＧＲ通路５１に流入する排気の量を多くすることができる。

また、第２運転領域Ａ２でも、切替弁９２は閉弁し、触媒コンバータ４８通過後の排気のスライド部３５への還流は停止する。

なお、当実施形態では、ＣＩ燃焼を実施する第１運転領域Ａ１および第２運転領域Ａ２において、エンジン負荷が高いほど排気弁９の閉弁時期ＥＶＣを進角側にして吸気行程中に排気弁９が開弁している期間を短くし、これによりエンジン負荷が高いほど内部ＥＧＲ率（筒内の全ガス量のうち内部ＥＧＲガスが占める割合）を小さくしていく。また、第１運転領域Ａ１では筒内の混合気の空気過剰率λを１以上とするリーンＣＩ燃焼を実施し、第２運転領域Ａ２では空気過剰率λ＝１のＣＩ燃焼を実施する。

（ｉｉｉ）第３運転領域
上記のように空気過剰率λ＝１のＳＩ燃焼が実施される第３運転領域Ａ３では、排気弁９が通常モード（排気行程でのみ開弁するモード）で開閉されて内部ＥＧＲガスの導入が停止される。また、第３運転領域Ａ３では、空気過剰率λが１となるようにエンジン負荷の増大に伴って新気量を増大するべく、エンジン負荷の増大に伴って外部ＥＧＲガス量が低減される。具体的には、ＥＧＲ弁５２の開弁量が、全負荷付近においてほぼ全閉となるように、エンジン負荷の増大に伴って少なくされていく。

ここで、第３運転領域Ａ３では、新気量を確保するために掃気性を高めるべく、吸気弁８と排気弁９の開弁期間をオーバーラップさせる（これらを所定期間同時に開弁させる）ととともに、スライド部３５を最上流位置としてスライド部３５に生じる負圧を大きくする。すなわち、吸気弁８と排気弁９とが同時に開弁している状態では、スライド部３５に生じた負圧を吸気通路２０側にも作用させることができる。そのため、この負圧を大きくすれば、筒内のガスの下流側へ吸い出しと吸気通路２０から筒内への新気の導入とを促進すること、すなわち、掃気性を高めることができて、新気量を確保することができる。

この第３運転領域Ａ３でも、切替弁９２は閉弁し、触媒コンバータ４８通過後の排気のスライド部３５への還流は停止する。

（ｉｖ）第４運転領域
第４運転領域Ａ４においても、第３運転領域Ａ３と同様に、空気過剰率λ＝１のＳＩ燃焼が実施されることに伴い、排気弁９は通常モード（排気行程でのみ開弁するモード）で開閉され、内部ＥＧＲガスの導入が停止されるとともに、エンジン負荷の増大に伴って外部ＥＧＲガス量が低減されていく。

一方、第４運転領域Ａ４は、第３運転領域よりもエンジン回転数が高く排気流量の多い領域である。そのため、この第４運転領域Ａ４において、第３運転領域Ａ３と同様に、スライド部３５を最上流位置として負圧を高めた場合には、スライド部３５に向かう排気の量が過剰に増大して背圧が高くなり排気抵抗すなわちポンピングロスが増大するという問題がある。具体的には、スライド部３５が最上流位置を含む上流側の位置とされると、上記のように、各独立排気通路３１からスライド部３５に排出される排気の流路面積が小さくなる。そのため、排気流量の多い運転条件下では、この流路面積の縮小に伴って背圧が増大して排気抵抗が増大する。

そこで、エンジン回転数の高い第４運転領域Ａ４では、排気抵抗すなわちポンピングロスの悪化を抑制するべく、スライド部３５を最下流位置とし、排気の流路面積を大きくする。

また、この第４運転領域Ａ４でも、切替弁９２は閉弁し、触媒コンバータ４８通過後の排気のスライド部３５への還流は停止する。

（ｖ）第５運転領域
第５運転領域Ａ５においても、第３、第４運転領域Ａ３、Ａ４と同様に、空気過剰率λ＝１のＳＩ燃焼が実施されることに伴い、排気弁９は通常モード（排気行程でのみ開弁するモード）で開閉されて、内部ＥＧＲガスの導入が停止される。

一方、この第５運転領域Ａ５は、エンジン負荷およびエンジン回転数が最も高い領域に設定されており、新気量を最大量まで高める必要がある。そのため、この第５運転領域Ａ５では、外部ＥＧＲガスの導入は完全に停止される。すなわち、第５運転領域Ａ５では、ＥＧＲ弁５２が閉弁される。

ここで、この第５運転領域Ａ５では、エンジン負荷およびエンジン回転数が高いことに伴い、排気温度が非常に高くなる。すなわち、第５運転領域Ａ５は、他の運転領域Ａ１〜Ａ４よりも排気温度が高い領域である。そのため、単純にこの高温の排気を触媒４８ａに流入させると、触媒４８ａが劣化等してその性能が悪化するおそれがある。

そこで、この第５運転領域Ａ５では、切替弁９２を開弁して、触媒コンバータ４８通過後の排気を、クーラ９３で冷却して低温とした後、スライド部３５を介して触媒コンバータ４８に再流入させる。

さらに、この第５運転領域Ａ５では、この触媒コンバータ４８に再流入する低温の排気の量をより多くするべく、スライド部３５を最上流位置としてスライド部３５内の負圧を最大とする。すなわち、上記のように、スライド部３５内の負圧を最大とすることで、排気還流通路９１に作用するスライド部３５側への吸出し力を高めて、排気還流通路９１を介して還流する排気の流量を多くする。

このように、また、図１３に示すように、当実施形態では、ＳＩ燃焼を実施する第３、第４、第５運転領域Ａ３、Ａ４，Ａ５のうち、エンジン回転数が第１基準回転数Ｎ１以下の第３運転領域Ａ３では、掃気性を高めるべくスライド部３５を最上流位置としてスライド部３５内の負圧を小さく抑え、エンジン回転数が第１基準回転数Ｎ１よりも高い第４運転領域Ａ４ではポンピングロスを低減するべくスライド部３５を最下流位置としてスライド部３５内の負圧を小さく抑える一方、さらにエンジン回転数が第２基準回転数Ｎ２よりも高い第５運転領域Ａ５では、触媒４８ａの劣化を回避するべくスライド部３５を最上流位置としてスライド部３５内の負圧を最大とする。

（５）作用等
以上のように、当実施形態に係るエンジンの制御装置では、エンジン負荷およびエンジン回転数が高く排気の温度が高い高負荷高回転数領域に設定された第５運転領域Ａ５において、触媒コンバータ４８通過後、クーラ９３で冷却された低温の排気を、触媒コンバータ４８（触媒４８ａ）に流入されている。そのため、触媒４８ａに流入する排気の温度を低く抑えることができ、触媒４８ａの温度が過剰に高くなって劣化等するのを抑制することができる。

特に、この装置では、この第５運転領域Ａ５において、スライド部３５を最上流位置としてスライド部３５すなわち排気還流通路９１の下流側に発生する負圧を最大に高めている。そのため、この排気還流通路９１を通ってスライド部３５および触媒４８ａに還流する低温の排気の流量を多くすることができ、触媒４８ａの温度をより確実に低く抑えることができる。

また、この装置では、共通のクーラ９３によって、外部ＥＧＲガスの冷却と、触媒４８ａに再流入させる排気の冷却とを行っているため、これら冷却するための装置を個別に設ける場合に比べて、装置を簡素化することができる。

しかも、当実施形態では、排気を触媒４８ａに再流入させる第５運転領域Ａ５において、外部ＥＧＲが停止されている。そのため、上記のように装置を簡素化しつつ、触媒４８ａに排気を再流入させる際に、クーラ９３によって効率よくこの排気を冷却することができ、触媒４８ａの温度をより確実に低く抑えることができる。

（６）変形例
上記実施形態では、第５運転領域Ａ５において、スライド部３５を最上流位置にしてスライド部３５の負圧を最大とする場合について説明したが、この負圧は最小値よりも大きければよく、スライド部３５の位置は最下流位置よりも上流側の位置であればよい。

また、上記実施形態では、ＥＧＲ通路５１を排気還流通路９１から分岐させた場合について説明したが、ＥＧＲ通路５１として、中間排気管４０や下流側排気管４１とサージタンク２２とを独立して接続する通路を用いてもよい。ただし、この場合であっても、外部ＥＧＲガスを冷却するための冷却手段と、触媒４８ａに再流入させる排気を冷却するための冷却手段とを共通とすれば、装置を簡素化することができる。もちろん、外部ＥＧＲガスを冷却するための冷却手段と、触媒４８ａに再流入させる排気を冷却するための冷却手段とを個別に設けてもよいが、上記のように、これらを共通とするのが好ましい。

また、ＥＧＲ通路５１を排気還流通路９１から独立して設けた場合には、排気還流通路９１を開閉する切替弁９２は省略してもよい。すなわち、排気還流通路９１の下流側（スライド部３５側）の負圧が大きくない場合には、この通路９１を通ってスライド部３５に還流する量は少なく抑えられるため、切替弁９２を省略して、この負圧すなわちスライド部３５の負圧の変更によってのみ、排気還流通路９１を介した排気の還流の実施、停止を切り替えてもよい。

また、上記実施形態では、各独立排気通路３１を上記のように構成するとともにこれに対して上下流方向に変位するスライド部３５を設けることで、排気システム３０に負圧が生成されるように、また、このスライド部３５の変位によって排気システム３０に生じる負圧が変更されるようにした場合について説明したが、上記負圧を生成するための具体的構成およびこの負圧を変更するための具体的構成はこれに限らない。例えば、各独立排気通路３１の下流側に固定式の通路およびこの通路の流路面積を変更可能なバルブ等を設け、このバルブ等によって流路面積を絞ることで負圧を発生させるとともに、この流路面積の絞り量を変更することで負圧を変更させてもよい。

また、スライド部３５を変位させるためのスライドアクチュエータ３９の具体的構成は上記に限らない。

また、上記実施形態では、４つの気筒２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの各排気ポート７からそれぞれ個別に独立排気通路３１が延びる場合について説明したが、排気順序が連続しない気筒については、これら気筒の排気ポート７からそれぞれ延びる独立排気通路を下流側において一本の通路にまとめてもよい。例えば、４気筒エンジンにおいて、上流側が二股に分岐した独立排気通路を用意し、この独立排気通路の２つの上流端を排気順序が連続しない２番気筒２Ｂの排気ポートおよび３番気筒２Ｃに接続させるようにしてもよい。

また、各運転領域における燃焼形態は上記に限らない。

１ エンジン本体
２Ａ〜２Ｄ 気筒
７ 排気ポート
２０ 吸気マニホールド
３０ 排気システム
３１ 独立排気通路
３５ スライド部（排気集合部）
３９ スライドアクチュエータ（負圧変更手段）
４８ａ 触媒
４８ 触媒コンバータ
６０ ＥＣＵ（制御手段）
９０ 排気還流装置

Claims (4)

1. 複数の気筒を有するエンジンの制御装置であって、
   複数の気筒の各排気ポートから延びる複数の独立排気通路と、
   上記各独立排気通路の下流側に設けられ、各独立排気通路と連通する共通の空間を形成する排気集合部と、
   上記排気集合部で発生する負圧を変更可能な負圧変更手段と、
   上記排気集合部の下流側に設けられた触媒と、
   冷却装置を含み、上記触媒を通過した後の排気を上記冷却装置で冷却した後、上記排気集合部に還流させる排気還流装置と、
   上記負圧変更手段を含むエンジンの各部を制御する制御する制御手段とを備え、
   上記制御手段は、エンジン負荷が所定の基準負荷よりも高く且つエンジン回転数が所定の基準回転数よりも高い高負荷高回転数領域において、上記排気還流装置によって上記触媒を通過した後の排気を上記排気集合部に還流させるとともに、上記排気集合部内の負圧が大きくなる方向に上記負圧変更手段を制御することを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの制御装置であって、
   上記制御手段は、上記高負荷高回転数領域よりもエンジン負荷が低いかまたはエンジン回転数が低く、かつ、所定の低速側基準回転数よりもエンジン回転数が高い領域に設定された高回転数領域では、上記負圧変更手段によって上記排気集合部内の負圧を上記高負荷高回転数領域よりも小さくすることを特徴とするエンジンの制御装置。
3. 請求項１または２に記載のエンジンの制御装置であって、
   各気筒に吸気を導入する吸気通路に、各気筒から排出された排気を還流させる外部ＥＧＲ手段を備え、
   上記外部ＥＧＲ手段は、上記冷却装置により冷却された排気を上記吸気通路に還流可能なように設けられていることを特徴とするエンジンの制御装置。
4. 請求項３に記載のエンジンの制御装置であって、
   上記制御手段は、上記高負荷高回転数領域では、上記外部ＥＧＲ手段による上記吸気通路への排気の還流を停止することを特徴とするエンジンの制御装置。

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