JP7272077B2 - エンジンの排気ガス還流装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＧＲガス通路に水冷式のＥＧＲクーラが付設されたエンジンの排気ガス還流装置に関する。

内燃機関のエンジンでは、燃焼温度の制御等を目的として、吸気通路へ排気ガスの一部であるＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲが汎用されている。一般に、ＥＧＲガスを流通させるＥＧＲ通路には、当該ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが付設される。ＥＧＲクーラとして水冷式のものを採用した場合、冷媒としての冷却水がＥＧＲガスとの熱交換によって加熱され、沸騰することがある。この沸騰に伴う圧力上昇は、ＥＧＲクーラや冷却水通路の破損を誘発し得る。この問題への対策として、特許文献１には、ＥＧＲクーラ内での冷却水の沸騰に起因する音をＡＥセンサが検出すると、ＥＧＲガスの還流を制限する構成が開示されている。

特開２００４－３６０５４５号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、冷却水が現にＥＧＲクーラ内で沸騰した後にＥＧＲガス還流を制限するものであって、処置が事後的である。また、冷却水の沸騰は、ＥＧＲクーラ内における冷却水の流通状態だけに起因するものではなく、冷却水を循環させる冷却水通路における冷却水の流通状態にも起因する。従って、ＥＧＲクーラにおいて沸騰音をモニターしても的確に冷却水の沸騰を防止することができない。

本発明は、ＥＧＲガス通路に水冷式のＥＧＲクーラが付設されたエンジンの排気ガス還流装置において、冷却水の沸騰を的確に抑止することを目的とする。

本発明の一局面に係るエンジンの排気ガス還流装置は、吸気通路に排気ガスの一部であるＥＧＲガスを還流させるためのＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に付設され、前記ＥＧＲガスを冷却する水冷式のＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲクーラを通して冷却水を循環させる冷却水通路と、エンジン出力軸の回転に連動して動作するポンプであって、前記冷却水の循環のために前記冷却水通路へ冷却水を圧送するウォーターポンプと、前記冷却水通路内の冷却水の圧力を検出する圧力センサと、前記ＥＧＲ通路を通して前記吸気通路に還流させる前記ＥＧＲガスの量を制御するＥＧＲ制御機構と、前記冷却水通路を流れる冷却水の流量を調整する流量制御弁と、当該流量制御弁を制御する流量制御部と、を備え、前記冷却水通路は、前記ウォーターポンプから、エンジン本体、冷却水の保有熱を放熱させるラジエータ、及び、冷却水の温度が所定の設定温度に達したときに開となるサーモスタットバルブを順次経由して前記ウォーターポンプに戻る第１冷却水通路と、前記ウォーターポンプから、前記エンジン本体、前記ＥＧＲクーラ、及び、前記流量制御弁を順次経由して前記ウォーターポンプに戻る第２冷却水通路と、を含み、前記ＥＧＲクーラと前記流量制御弁との間において前記第２冷却水通路には、上方に向けて凸となる凸通路部が含まれ、前記ＥＧＲ制御機構は、エンジン回転数が予め設定された低回転数の運転領域に属する運転時に、前記冷却水の圧力が所定の閾値を超過する圧力上昇を前記圧力センサが検出した場合に、前記吸気通路へ還流させる前記ＥＧＲガスの量を制限し、前記流量制御部は、前記圧力センサが前記圧力上昇を検出していない状態では、前記エンジン本体の温度に応じて前記流量制御弁の開度を調整する一方、前記圧力上昇を検出すると、前記ＥＧＲクーラで局所的に高温化した冷却水が、空気溜まりが形成された前記凸通路部を通して前記第２冷却水通路の下流側に流出するよう、前記流量制御弁を全開とすることを特徴とする。

この排気ガス還流装置によれば、前記ウォーターポンプは、エンジン出力軸の回転に連動するので、エンジンの低回転運転時には圧送力が低下することになる。このため、圧送力不足によって冷却水通路において冷却水の流通が滞り、冷却水の一部がＥＧＲガスと過剰に熱交換して高温化することがある。しかし、上記構成によれば、前記圧力センサが冷却水通路内の冷却水の圧力をモニターし、所定の圧力上昇が検出されるとＥＧＲガスの還流量を制限するので、冷却水とＥＧＲガスとの過剰な熱交換が抑止される。従って、冷却水の沸騰を的確に抑止することができる。

上記のエンジンの排気ガス還流装置において、前記ＥＧＲ制御機構は、前記ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁と、当該ＥＧＲ弁の開度を制御するＥＧＲ制御部と、を含み、前記ＥＧＲ制御部は、前記圧力上昇が検出された際に前記ＥＧＲ弁の開度を絞ることが望ましい。

この排気ガス還流装置によれば、前記圧力上昇においてＥＧＲガスの還流量を制限する構成を、ＥＧＲ弁の閉弁を含めた開度調整によって簡易に実現することができる。

上記のエンジンの排気ガス還流装置において、前記冷却水通路を流れる冷却水の流量を調整する流量制御弁と、当該流量制御弁を制御する流量制御部と、をさらに備え、前記流量制御部は、前記圧力上昇が検出された際に、前記流量制御弁の開度を大きくすることが望ましい。

この排気ガス還流装置によれば、前記流量制御弁の開度を大きくすることによって、前記冷却水通路を流れる冷却水の流量を増加させることができる。これにより、冷却水の滞留を打開し、当該冷却水を良好に循環させることができる。

上記のエンジンの排気ガス還流装置において、前記冷却水通路は、前記ウォーターポンプから、エンジン本体、冷却水の保有熱を放熱させるラジエータ、及び、冷却水の温度が所定の設定温度に達したときに開となるサーモスタットバルブを順次経由して前記ウォーターポンプに戻る第１冷却水通路と、前記ウォーターポンプから、前記エンジン本体、前記ＥＧＲクーラ、及び、前記流量制御弁を順次経由して前記ウォーターポンプに戻る第２冷却水通路と、を含み、前記流量制御部は、前記圧力センサが前記圧力上昇を検出していない状態では、前記エンジン本体の温度に応じて前記流量制御弁の開度を調整する一方、前記圧力上昇を検出すると前記流量制御弁を全開とすることが望ましい。

この排気ガス還流装置によれば、冷却水の圧力上昇が検出されると、前記流量制御弁の通常の開度調整よりも優先して当該流量制御弁が全開とされ、冷却水の循環が促進される。上記のＥＧＲガスの還流量の制限に加え、この冷却水の循環に伴い、当該冷却水は放熱よって冷却される。従って、冷却水の状態を速やかに定常状態に戻すことができる。

上記のエンジンの排気ガス還流装置は、前記ＥＧＲクーラよりも下流側において前記冷却水通路に、上方に向けて凸となる通路が含まれている場合に特に有効である。冷却水が高温化すると気泡が発生し得るが、凸の通路部分が存在すると、前記気泡に基づく空気が当該凸の通路部分に滞留して空気溜まりを形成し得る。前記ウォーターポンプの圧送力が低下するエンジンの低回転運転時には、前記空気溜まりを冷却水の流動で押し出すことができないことに起因して、冷却水の流通が滞ることがある。従って、前記空気溜まりが生じ得るような前記冷却水通路を含む場合において、所定の圧力上昇が検出されるとＥＧＲガスの還流量を制限する上記の排気ガス還流装置は特に有用となる。

本発明によれば、ＥＧＲガス通路に水冷式のＥＧＲクーラが付設されたエンジンの排気ガス還流装置において、冷却水の沸騰を的確に抑止することができる。

図１は、本発明に係る排気ガス還流装置が適用されるエンジンのシステム図である。 図２は、図１に示されたエンジンの冷却装置についての回路図である。 図３は、エンジン本体の要部の概略断面図である。 図４は、エンジン本体及びＥＧＲ装置を示す斜視図である。 図５は、図４とは斜視方向を異ならせた、エンジン本体及びＥＧＲ装置を示す斜視図である。 図６は、冷却水通路の湾曲凸部の概略断面図であって、当該部分における冷却水の流動を説明するための図である。 図７は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。 図８は、冷却水沸騰の診断処理を示すフローチャートである。 図９は、冷却水沸騰診断の実行条件を示すタイムチャートである。 図１０（Ａ）～（Ｃ）は、外部ＥＧＲのカット処理を説明するためのタイムチャートである。

［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明に係るエンジンの排気ガス還流装置の実施形態を詳細に説明する。まず、図１を参照して、本実施形態に係る排気ガス還流装置が適用されるエンジンシステムについて説明する。図１に示されるエンジンシステムは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルのガソリン直噴エンジンからなるエンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路３０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路４０と、排気通路４０を流通する排気ガスの一部を吸気通路３０に還流する外部ＥＧＲ装置５０（排気ガス還流装置）と、を備えている。

エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。エンジン本体１は、典型的には複数の（例えば４つの）気筒を有する多気筒型のものであるが、図１では簡略化のため、１つの気筒２のみが示されている。

ピストン５の上方には燃焼室６が区画されている。燃焼室６には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ１５からの噴射によって供給される。供給された燃料が燃焼室６で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動する。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７が設けられている。クランク軸７は、ピストン５とコネクティングロッド８を介して連結され、ピストン５の往復運動（上下運動）に応じて中心軸回りに回転駆動される。クランク軸７は、トルクコンバータ等を介して図外の自動変速機と連結されている。

シリンダブロック３には、クランク角センサＳＮ１及び水温センサＳＮ５が組付けられている。クランク角センサＳＮ１は、クランク軸７の回転角度（クランク角）及びクランク軸７の回転数（エンジン回転数）を検出する。水温センサＳＮ５は、シリンダブロック３及びシリンダヘッド４の内部を流通する冷却水の温度（エンジン水温）を検出する。

シリンダヘッド４には、吸気通路３０から供給される空気を燃焼室６に導入するための吸気ポート９と、燃焼室６で生成された排気ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１０と、吸気ポート９の燃焼室６側の開口を開閉する吸気弁１１と、排気ポート１０の燃焼室６側の開口を開閉する排気弁１２とが設けられている。

吸気弁１１及び排気弁１２は、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。吸気弁１１用の動弁機構には、吸気弁１１の開閉時期を変更可能な吸気ＶＶＴ１３が内蔵されている。同様に、排気弁１２用の動弁機構には、排気弁１２の開閉時期を変更可能な排気ＶＶＴ１４が内蔵されている。吸気ＶＶＴ１３（排気ＶＶＴ１４）は、いわゆる位相式の可変機構であり、電動モータの作動により吸気弁１１（排気弁１２）の開弁時期および閉弁時期を同時にかつ同量だけ変更する。

シリンダヘッド４には、燃焼室６に燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ１５と、インジェクタ１５から燃焼室６に噴射された燃料と吸入空気とが混合された混合気に点火する点火プラグ１６とが設けられている。

吸気通路３０は、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。吸気通路３０の上流端から取り込まれた空気（新気）は、吸気通路３０および吸気ポート９を通じて燃焼室６に導入される。

吸気通路３０には、その上流側から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ３１と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁３２と、吸気を圧縮しつつ送り出す過給機３３と、過給機３３により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ３５と、サージタンク３６とが設けられている。

吸気通路３０の各部には、吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ２と、吸気の温度を検出する吸気温センサＳＮ３と、吸気の圧力を検出する吸気圧センサＳＮ４とが設けられている。エアフローセンサＳＮ２及び吸気温センサＳＮ３は、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とスロットル弁３２との間の部位に設けられ、当該部位を通過する吸気の流量および温度を検出する。吸気圧センサＳＮ４は、サージタンク３６に設けられ、当該サージタンク３６内の吸気の圧力を検出する。

過給機３３は、エンジン本体１と機械的に連係された機械式の過給機（スーパーチャージャ）である。過給機３３の具体的な形式は特に問わないが、例えばリショルム式、ルーツ式、または遠心式といった公知の過給機のいずれかを過給機３３として用いることができる。過給機３３とエンジン本体１との間には、両者の締結及びその解放とを電気的に切り替えることが可能な電磁クラッチ３４が介設されている。

吸気通路３０には、過給機３３をバイパスするためのバイパス通路３８が設けられている。バイパス通路３８は、サージタンク３６と後述するＥＧＲ通路５１とを互いに接続している。バイパス通路３８には開閉可能なバイパス弁３９が設けられている。

排気通路４０は、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面に接続されている。燃焼室６で生成された既燃ガスは、排気ポート１０および排気通路４０を通じて外部に排出される。排気通路４０には触媒コンバータ４１が設けられている。触媒コンバータ４１には、排気通路４０を流通する排気ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化するための三元触媒４１ａと、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのＧＰＦ（ガソリン・パティキュレート・フィルタ）４１ｂとが内蔵されている。

外部ＥＧＲ装置５０は、排気通路４０と吸気通路３０とを接続するＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲ通路５１に設けられたＥＧＲクーラ５２及びＥＧＲ弁５３とを有している。ＥＧＲ通路５１は、排気通路４０から吸気通路３０に排気ガスの一部であるＥＧＲガスを還流させるための通路である。ＥＧＲ通路５１は、排気通路４０における触媒コンバータ４１よりも下流側の部位と、吸気通路３０におけるスロットル弁３２と過給機３３との間の部位とを互いに接続している。

ＥＧＲクーラ５２は、ＥＧＲ通路５１に付設され、ＥＧＲ通路５１を通して排気通路４０から吸気通路３０に還流されるＥＧＲガスを熱交換により冷却する。本実施形態のＥＧＲクーラ５２は、冷媒として水を用いる水冷式のクーラである。ＥＧＲ弁５３は、開閉式の弁体であって、ＥＧＲクーラ５２よりも下流側（吸気通路３０に近い側）のＥＧＲ通路５１に配置され、ＥＧＲ通路５１を流れるＥＧＲガスの流量を調整する。

ＥＧＲ通路５１には、還流されるＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲ温度センサＳＮ６と、前記ＥＧＲガスの流量を検出するＥＧＲ流量センサＳＮ７とが設けられている。ＥＧＲ温度センサＳＮ６は、ＥＧＲ通路５１におけるＥＧＲクーラ５２の直上流側の位置に配置されている。ＥＧＲ流量センサＳＮ７は、ＥＧＲ弁５３の近傍に配置されている。

［冷却装置の全体構成］
続いて、図１のエンジンシステムの冷却装置について説明する。図２は、前記冷却装置の全体構成を示す回路図である。冷却装置６０は、ウォーターポンプ（Ｗ／Ｐ）６１と、冷却水を循環させるための第１冷却水通路６２、第２冷却水通路６３及び第３冷却水通路６４と、連絡通路６５と、バルブ用通路６６とを備えている。本実施形態では、第２冷却水通路６３が、ＥＧＲクーラ５２を通して冷却水を循環させる冷却水通路である。

ウォーターポンプ６１は、クランク軸７（エンジン出力軸）の回転に連動して動作する遠心ポンプであって、シリンダブロック３の一側面に組付けられている。ウォーターポンプ６１にはプーリーが付設され、クランク軸７の回転力が補機駆動ベルトを通して伝達される。ウォーターポンプ６１は、前記冷却水の循環のために、第１～第３冷却水通路６２へ冷却水を圧送する。

第１冷却水通路６２は、ウォーターポンプ６１から吐出される冷却水を、エンジン本体１のシリンダブロック３及びシリンダヘッド４と、冷却水の保有熱を放熱させるラジエータ７１と、第１サーモスタットバルブ（Ｔ／Ｓ）７２を順次経由して、ウォーターポンプ６１に戻すように循環させる通路である。図２中の実線矢印は、エンジン本体１の温間時の、第１冷却水通路６２における冷却水の流れを示している。

図３は、エンジン本体１の要部概略断面図であって、シリンダブロック３及びシリンダヘッド４の内部の冷却水通路を示す図である。第１冷却水通路６２の一部として、シリンダブロック３内にはブロック側ジャケット６２ａが、シリンダヘッド４内には燃焼室側ジャケット６２ｂが、各々備えられている。ブロック側ジャケット６２ａは、複数の気筒２が一列に並ぶ気筒群の周囲を取り囲むように、シリンダブロック３内に形成された冷却水通路である。燃焼室側ジャケット６２ｂは、吸気ポート９及び排気ポート１０の燃焼室６への各開口端付近を通過するように、シリンダヘッド４内に形成された冷却水通路である。

第１サーモスタットバルブ７２は、ラジエータ７１とウォーターポンプ６１との間の適所に配置され、冷却水の温度が所定の設定温度（例えば１１６℃）に達したときに開弁する。第１サーモスタットバルブ７２は、設定温度の切り替えが可能な可変サーモスタットバルブであり、例えば異なる運転領域に各々適した温度にて開弁するように切り替え制御される。

第２冷却水通路６３は、第１冷却水通路６２のうち、ラジエータ７１及び第１サーモスタットバルブ７２が配置されている一部通路をバイパスする通路である。第２冷却水通路６３は、エンジン本体１中の第１冷却水通路６２から冷却水の一部を分流させ、ＥＧＲクーラ（ＥＧＲ／Ｃ）５２、ヒータ７４及び流量制御弁（ＣＳＶ）７５を順次経由させて、ウォーターポンプ６１に戻す通路である。図２中の一点鎖線矢印は、温間時の第２冷却水通路６３における冷却水の流れを示している。なお、ヒータ７４は、車室内の空調（暖房）用のヒータであり、熱を保有した冷却水を熱源として用いる機器である。

第２冷却水通路６３の一部として、シリンダヘッド４内には排気ポート側ジャケット６３ａが備えられている。排気ポート側ジャケット６３ａは、図３に示すように、燃焼室側ジャケット６２ｂよりも下流側（排気ガスの流動方向における下流側）の位置において、排気ポート１０の周囲に形成された冷却水通路である。

流量制御弁７５は、ヒータ７４とウォーターポンプ６１との間の適所に介設され、第２冷却水通路６３を流れる冷却水の水量を調整する。流量制御弁７５としては、例えばソレノイドバルブを用いることができる。第２冷却水通路６３は、ヒータ７４と流量制御弁７５との間の位置で、連絡通路６５を介して第１冷却水通路６２に接続されている。

第２冷却水通路６３において、ヒータ７４と流量制御弁７５との間には、圧力センサＳＮ９が配設されている。圧力センサＳＮ９は、第２冷却水通路６３内の冷却水の圧力を検出する。なお、第１～第３冷却水通路６２～６４は閉じた循環系通路であるので、圧力センサＳＮ９はこれら冷却水通路６２～６４内の冷却水の圧力を検出することになる。本実施形態では圧力センサＳＮ９の検出値は、ＥＧＲクーラ５２内において冷却水の沸騰若しくはその前駆現象が生じているか否かの診断に用いられる。

第３冷却水通路６４は、第２冷却水通路６３とは別に、第１冷却水通路６２の一部通路をバイパスする通路である。第３冷却水通路６４は、第１冷却水通路６２から冷却水の一部を分流させ、詳しくはブロック側ジャケット６２ａから冷却水の一部を分流させ、当該冷却水を、第２サーモスタットバルブ（Ｔ／Ｓ）７８、ＡＴＦウォーマ（ＡＴＦ／Ｗ）７６及びオイルクーラ（Ｏ／Ｃ）７７を順次経由させてウォーターポンプ６１に戻す通路である。図２中の破線矢印は、温間時の第２冷却水通路６３における冷却水の流れを示している。ＡＴＦウォーマ７６は、図外の変速機の作動油を加温する機器、オイルクーラ７７はエンジンオイルを冷却する機器である。

第２サーモスタットバルブ７８は、第３冷却水通路６４のうち、ＡＴＦウォーマ７６と第１冷却水通路６２（ブロック側ジャケット６２ａ）との接続部分との間の適所に配置されている。第２サーモスタットバルブ７８は、設定温度が固定されたサーモスタットバルブである。第２サーモスタットバルブ７８の設定温度は、第１サーモスタットバルブ７２の設定温度（例えば１１６℃）よりも低い温度（例えば６０℃）に設定されている。

バルブ用通路６６は、第１冷却水通路６２から冷却水の一部を分流させ、詳しくは燃焼室側ジャケット６２ｂから冷却水の一部を分流させ、当該冷却水を、第２冷却水通路６３に合流させる通路である。バルブ用通路６６には、前述のスロットル弁（ＥＴＢ）３２及びバイパス弁（ＡＢＶ）３９が配置されている。バルブ用通路６６は、温感時の冷却水の熱を利用してスロットル弁３２及びバイパス弁３９を暖機するための通路である。

［冷却装置の動作］
以上の通り構成された冷却装置６０における、基本的な冷却水の流通状態について概略的に説明する。冷間状態においてエンジンが始動された直後は、冷却装置６０内の冷却水の水温は常温である。すなわち、冷却水の水温は、第１、第２のサーモスタットバルブ７２、７８の設定温度（１１６℃、６０℃）に達しておらず、これらバルブ７２、７８は閉弁状態である。流量制御弁７５も、冷間状態では閉弁状態とされる。従って、第１、第２、第３冷却水通路６２、６３、６４のいずれについても冷却水が流通しない状態とされる。このため、エンジン始動の直後は、冷却装置６０において冷却水の循環が規制され、エンジン本体１の暖気（昇温）が促進される。

なお、既述の通りウォーターポンプ６１は、クランク軸７の回転に連動して動作する遠心ポンプである。従って、ウォーターポンプ６１は、エンジンの始動と共に作動はするものの、第１、第２のサーモスタットバルブ７２、７８及び流量制御弁７５が閉じられた状態では冷却水を圧送できない。このため、第１～第３冷却水通路６２～６４において、実質的に冷却水の流れは停止した状態が維持される。

エンジン本体１の暖気が進み、冷却水の水温が第２サーモスタットバルブ７８の設定温度（６０°Ｃ）以上になると、第２サーモスタットバルブ７８が開く。従って、ウォーターポンプ６１を起点として、第３冷却水通路６４のみを通じて冷却水の循環が開始される。この時点では冷却水は、第１冷却水通路６２に配置されたラジエータ７１を経由していない。よって、エンジン本体１の暖気が促進される。

そして、冷却水の水温が第１サーモスタットバルブ７２の設定温度（１１６°Ｃ）以上になると、第１サーモスタットバルブ７２が開弁する。また、流量制御弁７５も開弁される。これにより、第１～第３冷却水通路６２～６４の全てを通して、冷却水の循環が開始される（図２中の実線矢印、一点鎖線矢印、破線矢印参照）。

［冷却水通路の配管態様］
続いて、冷却水通路の配管態様、特にＥＧＲクーラ５２が配設された第２冷却水通路６３の配管態様について説明する。図４及び図５は、エンジン本体１及び外部ＥＧＲ装置５０を示す斜視図である。これらの図では、説明の便宜のため、上下・前後・左右の方向表示を付されている。

ＥＧＲクーラ５２は、エンジン本体１の左側面上部付近において、シリンダヘッド４に添設されるように配置されている。ヒータ７４は、ＥＧＲクーラ５２に対して後方側であって、やや上方に位置している。ラジエータ７１はエンジン本体１の前方側に配置されている。図３及び図４には、ラジエータ７１を経由する第１冷却水通路６２、並びに、ＥＧＲクーラ５２及びヒータ７４が配設される第２冷却水通路６３が示されている。図２も参照して、第２冷却水通路６３は、第１配管６３１、第２配管６３２及び第３配管６３３を含む。

第１配管６３１は、エンジン本体１中の第１冷却水通路６２とＥＧＲクーラ５２とを接続する配管である。第１配管６３１は、シリンダブロック３の後側面から左斜め上方に延び出している。第２配管６３２は、ＥＧＲクーラ５２の下流側の冷却水通路であって、当該ＥＧＲクーラ５２とヒータ７４とを接続する配管である。第２配管６３２は、上方に向けて凸となる形状を有する通路である。すなわち、図５に示されているように第２配管６３２は、ＥＧＲクーラ５２の上端面から斜め上方に延び出し、第１配管６３１を跨いだ後に斜め下方に向かう湾曲凸部６３Ａと、この湾曲凸部６３Ａからヒータ７４に繋がる部分とを有している。第３配管６３３は、ヒータ７４とシリンダヘッド４内の排気ポート側ジャケット６３ａとを接続する配管である。

上記の通り、第２配管６３２が上方に凸の湾曲凸部６３Ａを有するのは、エンジン周辺機器のレイアウト等を考慮したものであって、専らコンパクト化の達成を目的としたものである。しかし、ＥＧＲクーラ５２の直ぐ下流側に上記のような湾曲凸部６３Ａが存在している場合、冷却水の流通が滞り、冷却水が沸騰する現象が生じ得る。

図６は、第２配管６３２における湾曲凸部６３Ａの部分を模式的な断面で示した図であって、当該部分における冷却水Ｗの流動を説明するための図である。冷却水Ｗは、加熱されることによって気泡を発生することがある。また、何らかの要因で、第１～第３冷却水通路６２～６４内に空気が抱き込まれてしまうことがある。この場合、湾曲凸部６３Ａのように位置が相対的に高い配管領域が存在すると、当該領域に空気が溜まるようになり、空気溜まりＡＲが形成されてしまうことがある。このような空気溜まりＡＲは、冷却水Ｗの流通を阻害する。

ＥＧＲクーラ５２は、高温の排気ガスと熱交換することから、熱負荷が極めて高い部品である。従って、ＥＧＲクーラ５２には、多量の冷却水Ｗを流す必要がある。しかし、ＥＧＲクーラ５２の下流側の冷却水通路内に空気溜まりＡＲが存在すると、冷却水Ｗの流通が滞ることがある。とりわけ、ウォーターポンプ６１の圧送力が低下するエンジンの低回転領域では、冷却水Ｗの流通が滞り易い。すなわち、低回転領域では冷却水Ｗの流動水量が低下するため、湾曲凸部６３Ａに滞留する空気溜まりＡＲを第２配管６３２の下流側へ押し出す（拡散させる）ことができず、結果としてＥＧＲクーラ５２内において冷却水Ｗの流動が確保できない現象が生じ得る。この場合、過剰な熱交換によってＥＧＲクーラ５２内において冷却水Ｗが沸騰し、第２配管６３２やＥＧＲクーラ５２の破損を招来することがある。本実施形態では、この問題が生じないよう、後記で詳述するＥＧＲガスの流量制御を行う。

［制御系統］
図７は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＰＣＭ１００は、エンジン等を統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

ＰＣＭ１００には各種センサによる検出信号が入力される。ＰＣＭ１００は、上述したクランク角センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、吸気温センサＳＮ３、吸気圧センサＳＮ４、水温センサＳＮ５、ＥＧＲ温度センサＳＮ６及びＥＧＲ流量センサＳＮ７と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報（つまりクランク角、エンジン回転数、吸気流量、吸気温、吸気圧、エンジン水温、ＥＧＲガス温度及びＥＧＲガス流量）は、ＰＣＭ１００に逐次入力される。

車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダルの開度を検出するアクセルセンサＳＮ８が設けられている。また、図２に示したように、冷却装置６０には、冷却水の圧力を検出する圧力センサＳＮ９が備えられている。これらのセンサＳＮ８、ＳＮ９による検出信号もＰＣＭ１００に逐次入力される。

ＰＣＭ１００は、上記各センサからの入力情報に基づいて種々の判定や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、ＰＣＭ１００は、吸気ＶＶＴ１３、排気ＶＶＴ１４、インジェクタ１５、点火プラグ１６、スロットル弁３２、電磁クラッチ３４、バイパス弁３９、ＥＧＲ弁５３、ウォーターポンプ６１、第１サーモスタットバルブ７２及び流量制御弁７５等と電気的に接続されており、上記演算等の結果に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

ＰＣＭ１００は、所定のプログラムが実行されることによって、演算部１０１、燃焼制御部１０２、ＥＧＲ制御部１０３及び冷却水制御部１０４（流量制御部）を機能的に具備するように動作する。なお、本実施形態では、ＥＧＲ弁５３とＥＧＲ制御部１０３とが、ＥＧＲ通路５１を通して吸気通路３０に還流させるＥＧＲガスの量を制御するＥＧＲ制御機構として機能する。

燃焼制御部１０２は、燃焼室６での混合気の燃焼を制御する制御モジュールであり、エンジンの出力トルク等がドライバーの要求に応じた適切な値となるようにエンジンの各部（吸・排気ＶＶＴ１３，１４、インジェクタ１５、点火プラグ１６等）を制御する。

ＥＧＲ制御部１０３は、ＥＧＲ弁５３の開度を制御することによって、ＥＧＲ通路５１内のＥＧＲガスの流量、つまり吸気通路３０へのＥＧＲガスの供給量を制御する。冷却装置６０との関係においてＥＧＲ制御部１０３は、エンジン回転数及び圧力センサＳＮ９の検出値に応じて、ＥＧＲ弁５３の開度を調整する。具体的には、ＥＧＲ制御部１０３は、エンジン回転数が予め設定された低回転数の運転領域に属する運転時に、冷却装置６０内の冷却水の圧力が所定の閾値を超過する圧力上昇を圧力センサＳＮ９が検出した場合に、ＥＧＲ弁５３の開度を絞って、吸気通路３０へ還流させるＥＧＲガスの量を制限する。ここで、ＥＧＲガスの量を制限するとは、ＥＧＲ弁５３を閉状態に近づけてＥＧＲガスの流量を減らすほか、ＥＧＲ弁５３を閉弁させてＥＧＲガスの流量をゼロにする（外部ＥＧＲをカットする）ことを含む。

既述の通り、ウォーターポンプ６１は、エンジン出力軸の回転に連動するので、エンジン本体１が低回転数の運転領域で運転されているときには圧送力が低下することになる。このため、圧送力不足によって冷却水通路６２、６３、６４において冷却水の流通が滞りがちとなる。とりわけ、図６に基づき説明したように、ＥＧＲクーラ５２の下流側の冷却水通路に湾曲凸部６３Ａが存在していると、空気溜まりＡＲによって冷却水Ｗの流通が停止状態となり得る。冷却水Ｗの流通停止が生じると、ＥＧＲガスとの熱交換によって冷却水Ｗは高温化する。この場合、圧力センサＳＮ９が圧力上昇を検出する。ＥＧＲ制御部１０３は、低回転数の運転領域であって前記圧力上昇が検出されたとき、ＥＧＲ弁５３の開度を絞ってＥＧＲガスの還流量を制限する。これにより、以降は冷却水ＷとＥＧＲガスとの熱交換が抑制され、冷却水Ｗの沸騰が防止される。

冷却水制御部１０４は、冷却装置６０を制御する制御モジュールであり、エンジンの運転状態に応じて、エンジン各部に対して適量の冷却水が循環するようにウォーターポンプ６１、第１サーモスタットバルブ７２及び流量制御弁７５を制御する。流量制御弁７５の制御に関し、冷却水制御部１０４は、低回転数の運転領域であって圧力センサＳＮ９が前記圧力上昇を検出した際、流量制御弁７５の開度を大きくする。これにより、ウォーターポンプ６１の圧送力が弱い状態でも、冷却水が第２冷却水通路６３を流通し易くし、冷却水の流量を増加させることができる。これにより、冷却水の循環を促進させることができる。

冷却水制御部１０４による流量制御弁７５の好ましい制御例を説明する。冷却水制御部１０４は、エンジン本体１の冷間～暖機時には流量制御弁７５を閉弁し、暖機を促進させる。暖機後については、冷却水制御部１０４は、エンジン本体１の温度（つまり、冷却水の温度）に応じて流量制御弁７５の開度を調整し、冷却水の温度が上昇し過ぎてエンジン本体１を高温化させないよう、若しくは、冷却水の温度が下降し過ぎて冷損を発生させないようにする。一方、低回転数の運転領域であって圧力センサＳＮ９が前記圧力上昇を検出した際には、流量制御弁７５を全開又は全開に近い状態とする。これにより、ＥＧＲクーラ５２内で高温化した冷却水を速やかに循環させる。

演算部１０１は、上述の燃焼制御部１０２、ＥＧＲ制御部１０３及び冷却水制御部１０４による制御目標値の決定演算や、エンジンの運転状態の判定演算等の各種演算を実行する制御モジュールである。

［冷却水の沸騰診断処理］
続いて、ＰＣＭ１００により実行される冷却装置６０の冷却水の沸騰診断処理を、図８に示すフローチャートに基づいて説明する。ＰＣＭ１００は、図７に示す各センサＳＮ１～ＳＮ９や他のセンサ（筒内圧センサ等）から、エンジン負荷やエンジン回転数等の車両の運転状態に関する情報を取得する（ステップＳ１）。圧力センサＳＮ９の検出値も取得される。

次いで、ＰＣＭ１００は、現状の運転状態が冷却水の沸騰診断を実行すべき条件を満足しているか否かを判定する（ステップＳ２）。図９は、冷却水沸騰診断の実行条件を示すタイムチャートである。沸騰診断の実行条件の判断要素は、ＥＧＲガスの還流の有無、エンジン回転数及び充填効率である。

まず、ＥＧＲガスが吸気通路３０へ還流されていること、つまり外部ＥＧＲが実行されていることが要件となる。外部ＥＧＲが実行されていない場合、ＥＧＲクーラ５２において冷却水は熱交換しない。従って、ＰＣＭ１００は、ＥＧＲ弁５３が「開」の状態であるか否かを確認する。次に、エンジン回転数が予め設定された低回転数の運転領域に属することが要件となる。これは、ウォーターポンプ６１の圧送力が低下する状況に相当する。ＰＣＭ１００は、エンジン回転数が所定の閾値回転数Ｔｈ１以下の回転数であるか否かを確認する。閾値回転数Ｔｈ１は例えば２０００ｒｐｍである。

さらに、必須ではないが、エンジン負荷が高いことを要件とすることができる。これは、高負荷の場合に、冷却水の沸騰が生じ易いからであって、回転数だけに依存して誤判定することを防止することも目的としている。ＰＣＭ１００は、エンジン負荷状態の判定のため、吸気の充填効率が所定の閾値充填効率Ｔｈ２以上であるか否かを確認する。図９の例では、ＥＧＲ弁５３が「開」、エンジン回転数＜Ｔｈ１、充填効率＞Ｔｈ２との条件が揃う時刻ｔ１以降が、冷却水沸騰診断の実行条件を満足する状態である。

冷却水沸騰の診断条件を満足しない場合（ステップＳ２でＮＯ）、処理はステップＳ１に戻る。一方、診断条件を満足する場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、ＰＣＭ１００の演算部１０１は、ステップＳ１で取得された圧力センサＳＮ９の計測データをフィルタリングする処理を行う（ステップＳ３）。これは、圧力センサＳＮ９の計測データに散発的に現れるノイズデータを除去する処理である。続いて、演算部１０１は、ノイズ除去後の計測データに対し、所定期間（例えば２ｓｅｃ）における移動平均を求める処理を行う（ステップＳ４）。これにより、現状における冷却水の圧力値（冷却水の水圧値）を求めることができる。

次に、演算部１０１は、ステップＳ４で求められた水圧値が、所定の閾値を超過する高圧であるか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ５）。前記水圧値が所定の閾値以下である場合（ステップＳ５でＮＯ）、演算部１０１は「正常」と判定する（ステップＳ６）。ここでの「正常」とは、冷却装置６０の冷却水に沸騰乃至はその前駆現象（近々に沸騰が生じるような状態）が発生していない状況である。

一方、前記水圧値が所定の閾値を超過する場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、演算部１０１は「異常」と判定する（ステップＳ７）。この場合、冷却水の沸騰による水圧上昇によって、ＥＧＲクーラ５２や第２冷却水通路６３に破損の危険が生じる状況である。このため、ＰＣＭ１００の燃焼制御部１０２、ＥＧＲ制御部１０３及び冷却水制御部１０４は、各々次の制御を実行する（ステップＳ８）。

ＥＧＲ制御部１０３は、ＥＧＲ弁５３が全閉となるように制御する（ＥＧＲカット）。これにより、外部ＥＧＲが強制的に停止され、以降はＥＧＲガスから冷却水への熱の授受が抑制される。図１０（Ａ）～（Ｃ）は、ＥＧＲカット処理を説明するためのタイムチャートである。ある時刻ｔ０では、図１０（Ａ）に示すように、冷却水の水圧値が閾値Ｔｈ３以下の値であり、図１０（Ｃ）に示すように、外部ＥＧＲが実行され、所定量のＥＧＲガスがＥＧＲ通路５１を流れているものとする。

そして、図１０（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２の手前からＥＧＲクーラ５２の温度が、例えば上記の空気溜まりＡＲ（図６）によって冷却水が滞留したことに起因して急上昇を始めたとする。図１０（Ａ）では、ＥＧＲクーラ５２の温度上昇に伴って水圧値も上昇し、時刻ｔ２で閾値Ｔｈ３を超過したことを例示している。この時刻ｔ２の時点で、ＥＧＲ制御部１０３はＥＧＲ弁５３を閉止する。従って、図１０（Ｃ）に示すように、時刻ｔ２を経過して間もなく、ＥＧＲガス流量はゼロとなる。ＥＧＲガスの流通停止により、冷却水の水圧値及びＥＧＲクーラ５２の温度は、徐々に低下してゆく。

冷却水制御部１０４は、流量制御弁７５を全開となるように制御する（ＣＳＶ全開）。これにより、第２冷却水通路６３における冷却水の流通がスムースとなり、ＥＧＲクーラ５２内で局所的に高温化した冷却水を、下流側へ流出させ易くする、つまり循環させ易くすることができる。

燃焼制御部１０２は、インジェクタ１５から噴射される燃料の量を減らし、エンジン出力を低下させる（エンジン出力制限）。これにより、冷却水の水温（エンジン水温）を早急に低下させることができる。この場合、冷却水制御部１０４に第１サーモスタットバルブ７２の設定温度を低下（例えば１１６℃から９０℃へ低下）させ、ラジエータ７１を経由する第１冷却水通路６２を用いた冷却水の循環が低温領域まで行われるようにすることが好ましい。

［作用効果］
以上説明した本実施形態によれば、次の作用効果を奏する。ウォーターポンプ６１は、クランク軸７の回転に連動するので、エンジンの低回転運転時には圧送力が低下する。このため、第２冷却水通路に図６に示したような湾曲凸部６３Ａが存在すると、空気溜まりＡＲによって冷却水の流通が阻害され、ＥＧＲクーラ５２内において冷却水の一部がＥＧＲガスと過剰に熱交換して高温化することがある。しかし、本実施形態によれば、圧力センサＳＮ９によって冷却水通路６２～６４内の冷却水の圧力をモニターし、所定の圧力上昇が検出されるとＥＧＲ制御部１０３がＥＧＲガスの還流量を制限（停止）する。従って、冷却水とＥＧＲガスとの過剰な熱交換が抑止され、冷却水の沸騰を的確に抑止することができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形実施形態を採ることができる。例えば、上記実施形態では、圧力センサＳＮ９がヒータ７４と流量制御弁７５との間に配設される例を示した。圧力センサＳＮ９は、第１～第３冷却水通路６２～６４の他の部位に配置しても良く、例えばＥＧＲクーラ５２とヒータ７４とを接続する第２配管６３２に配置しても良い。

また、上記実施形態では、冷却水通路内の冷却水の水圧値が所定の閾値を超過すると、異常が発生したと見なしてＥＧＲカットを行う等の制御を行う例を示した（図８のステップＳ５、Ｓ７、Ｓ８）。これに代えて、ある一定期間、水圧値が所定の閾値を超過し続けたときに、異常が発生したと扱うようにしても良い。また、ステップＳ８において、ＥＧＲカットだけを行い、流量制御弁７５の全開制御及びエンジン出力制限制御のいずれか一方、若しくは双方を省くようにしても良い。

１ エンジン本体（圧縮着火エンジン）
７ クランク軸（エンジン出力軸）
３０ 吸気通路
４０ 排気通路
５０ 外部ＥＧＲ装置（排気ガス還流装置）
５１ ＥＧＲ通路
５２ ＥＧＲクーラ
５３ ＥＧＲ弁（ＥＧＲ制御機構）
６０ 冷却装置
６１ ウォーターポンプ
６２ 第１冷却水通路
６３ 第２冷却水通路（冷却水通路）
６３Ａ 湾曲凸部（上に向けて凸となる通路）
６４ 第３冷却水通路
７１ ラジエータ
７５ 流量制御弁
１０３ ＥＧＲ制御部（ＥＧＲ制御機構）
１０４ 冷却水制御部（流量制御部）
Ｗ 冷却水
ＳＮ９ 圧力センサ

Claims (2)

1. 吸気通路に排気ガスの一部であるＥＧＲガスを還流させるためのＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に付設され、前記ＥＧＲガスを冷却する水冷式のＥＧＲクーラと、
   前記ＥＧＲクーラを通して冷却水を循環させる冷却水通路と、
   エンジン出力軸の回転に連動して動作するポンプであって、前記冷却水の循環のために前記冷却水通路へ冷却水を圧送するウォーターポンプと、
   前記冷却水通路内の冷却水の圧力を検出する圧力センサと、
   前記ＥＧＲ通路を通して前記吸気通路に還流させる前記ＥＧＲガスの量を制御するＥＧＲ制御機構と、
   前記冷却水通路を流れる冷却水の流量を調整する流量制御弁と、当該流量制御弁を制御する流量制御部と、を備え、
   前記冷却水通路は、
   前記ウォーターポンプから、エンジン本体、冷却水の保有熱を放熱させるラジエータ、及び、冷却水の温度が所定の設定温度に達したときに開となるサーモスタットバルブを順次経由して前記ウォーターポンプに戻る第１冷却水通路と、
   前記ウォーターポンプから、前記エンジン本体、前記ＥＧＲクーラ、及び、前記流量制御弁を順次経由して前記ウォーターポンプに戻る第２冷却水通路と、を含み、
   前記ＥＧＲクーラと前記流量制御弁との間において前記第２冷却水通路には、上方に向けて凸となる凸通路部が含まれ、
   前記ＥＧＲ制御機構は、エンジン回転数が予め設定された低回転数の運転領域に属する運転時に、前記冷却水の圧力が所定の閾値を超過する圧力上昇を前記圧力センサが検出した場合に、前記吸気通路へ還流させる前記ＥＧＲガスの量を制限し、
   前記流量制御部は、前記圧力センサが前記圧力上昇を検出していない状態では、前記エンジン本体の温度に応じて前記流量制御弁の開度を調整する一方、前記圧力上昇を検出すると、前記ＥＧＲクーラで局所的に高温化した冷却水が、空気溜まりが形成された前記凸通路部を通して前記第２冷却水通路の下流側に流出するよう、前記流量制御弁を全開とすることを特徴とするエンジンの排気ガス還流装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの排気ガス還流装置において、
   前記ＥＧＲ制御機構は、前記ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁と、当該ＥＧＲ弁の開度を制御するＥＧＲ制御部と、を含み、
   前記ＥＧＲ制御部は、前記圧力上昇が検出された際に前記ＥＧＲ弁の開度を絞る、エンジンの排気ガス還流装置。

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