JP2009236058A

JP2009236058A - 内燃機関の排気ガス還流装置

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Publication number: JP2009236058A
Application number: JP2008084929A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Okada; 吉弘岡田; Shigeki Miyashita; 茂樹宮下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: WO2009118622A1; CN101925731A; JP4670884B2; US8171918B2; DE112009000943T5; US20100205941A1; CN101925731B

Abstract

【課題】内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、閉じることでＥＧＲ通路を遮断するＥＧＲ弁と、ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒とを備え、排気ガスをＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流させる内燃機関の排気ガス還流装置において、ＥＧＲ触媒の温度低下を抑制できる内燃機関の排気ガス還流装置を提供すること。
【解決手段】内燃機関１の排気通路４と吸気通路３ｂとを連通するＥＧＲ通路５１と、閉じることでＥＧＲ通路を遮断するＥＧＲ弁５４と、ＥＧＲ通路における排気通路との接続部５５とＥＧＲ弁の設置位置との間に設けられ、ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒５２とを備え、ＥＧＲ弁を開いて排気通路を流れる排気ガスをＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流させる排気ガス還流制御を行う内燃機関の排気ガス還流装置５０であって、ＥＧＲ触媒が、ＥＧＲ通路における接続部の近傍に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス還流装置に関し、特に、内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、閉じることでＥＧＲ通路を遮断するＥＧＲ弁と、ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒とを備え、排気通路を流れる排気ガスを吸気通路に還流させる内燃機関の排気ガス還流装置に関する。

内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路を介して、排気ガスを吸気通路に還流させる排気ガス還流装置が知られている。ＥＧＲ通路を介して内燃機関の筒内に排気ガスを還流させる、いわゆる外部ＥＧＲにより、燃費向上等を図ることができる。

このようにＥＧＲ通路を介して排気ガスを吸気通路に還流させる装置において、特許文献１に開示された内燃機関の排気還流システムのように、ＥＧＲ通路に、ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒、および、ＥＧＲ通路を流れる排気ガスの量を調節するＥＧＲ弁が設けられることがある。

特開２００５−２６４８２１号公報

ＥＧＲ触媒が十分な浄化機能を発揮するためには、ＥＧＲ触媒の温度が所定以上となった暖機状態であることが必要である。従って、内燃機関の運転中におけるＥＧＲ触媒の温度低下を抑制し、ＥＧＲ触媒の暖機状態を保つことができることが望ましい。内燃機関の運転中におけるＥＧＲ触媒の温度低下を抑制することについて、従来、十分な検討がなされていない。

例えば、ＥＧＲ通路にＥＧＲ弁が設けられている場合に、ＥＧＲ弁が常時開かれているとは限らない。内燃機関の運転条件等に基づいて、ＥＧＲ弁が閉じられてＥＧＲ通路が遮断され、ＥＧＲ通路に排気ガスが流れない期間が存在する。このようにＥＧＲ通路に排気ガスが流されないときには、ＥＧＲ触媒の温度が下がり、浄化性能が低下してしまう虞がある。

内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、閉じることでＥＧＲ通路を遮断するＥＧＲ弁と、ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒とを備え、ＥＧＲ弁を開いて排気通路を流れる排気ガスをＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流させる排気ガス還流制御を行う内燃機関の排気ガス還流装置において、ＥＧＲ触媒の温度低下を抑制できることが望まれている。

本発明の目的は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、閉じることでＥＧＲ通路を遮断するＥＧＲ弁と、ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒とを備え、ＥＧＲ弁を開いて排気通路を流れる排気ガスをＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流させる排気ガス還流制御を行う内燃機関の排気ガス還流装置において、ＥＧＲ触媒の温度低下を抑制できる内燃機関の排気ガス還流装置を提供することである。

本発明の他の目的は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、閉じることでＥＧＲ通路を遮断するＥＧＲ弁と、ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒とを備え、ＥＧＲ弁を開いて排気通路を流れる排気ガスをＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流させる排気ガス還流制御を行う内燃機関の排気ガス還流装置において、ＥＧＲ弁が閉じられた状態であってもＥＧＲ触媒の温度低下を抑制できる内燃機関の排気ガス還流装置を提供することである。

本発明の内燃機関の排気ガス還流装置は、内燃機関の排気通路と前記内燃機関の吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、閉じることで前記ＥＧＲ通路を遮断するＥＧＲ弁と、前記ＥＧＲ通路における前記排気通路との接続部と前記ＥＧＲ弁の設置位置との間に設けられ、前記ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒とを備え、前記ＥＧＲ弁を開いて前記排気通路を流れる前記排気ガスを前記ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に還流させる排気ガス還流制御を行う内燃機関の排気ガス還流装置であって、前記ＥＧＲ触媒が、前記ＥＧＲ通路における前記接続部の近傍に配置されていることを特徴とする。

本発明の内燃機関の排気ガス還流装置において、前記ＥＧＲ触媒は、前記ＥＧＲ弁が閉じた状態において、前記内燃機関の運転に伴う前記排気ガスの圧力変動により前記排気通路から前記ＥＧＲ通路に流入する前記排気ガスが到達可能な位置に設けられていることを特徴とする。

本発明の内燃機関の排気ガス還流装置において、前記流入する前記排気ガスが到達可能な位置とは、前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ触媒と前記接続部との間の部分の容積が、前記内燃機関の運転に伴う前記排気ガスの圧力変動により前記排気通路から前記ＥＧＲ通路に流入する前記排気ガスの容積の最小値よりも小さくなる位置であることを特徴とする。

本発明の内燃機関の排気ガス還流装置において、前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ弁の設置位置と前記ＥＧＲ触媒の設置位置との間には、前記ＥＧＲ通路を流れる前記排気ガスを冷却するＥＧＲ冷却装置が設けられ、前記ＥＧＲ冷却装置は、前記ＥＧＲ弁が閉じた状態において、前記内燃機関の運転に伴う前記排気ガスの圧力変動により前記ＥＧＲ冷却装置から流出する前記排気ガスが、前記ＥＧＲ触媒に到達することを抑制可能な位置に設けられていることを特徴とする。

本発明の内燃機関の排気ガス還流装置において、前記流出する前記排気ガスが、前記ＥＧＲ触媒に到達することを抑制可能な位置とは、前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ冷却装置と前記ＥＧＲ触媒との間の部分の容積が、前記内燃機関の運転に伴う前記排気ガスの圧力変動により、前記ＥＧＲ冷却装置から前記ＥＧＲ触媒へ向けて流出する前記排気ガスの容積の最大値よりも大きくなる位置であることを特徴とする。

本発明の内燃機関の排気ガス還流装置において、前記ＥＧＲ触媒の温度を検出または推定する温度検出推定手段と、前記ＥＧＲ弁の開閉状態を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記温度検出推定手段により検出または推定された温度が予め定められた所定温度以下である間は前記ＥＧＲ弁を閉じた状態に保つことを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、閉じることでＥＧＲ通路を遮断するＥＧＲ弁と、ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒とを備え、ＥＧＲ弁を開いて排気通路を流れる排気ガスを吸気通路に還流させる排気ガス還流制御を行う内燃機関の排気ガス還流装置において、ＥＧＲ触媒が、ＥＧＲ通路における排気通路との接続部とＥＧＲ弁との間に設けられ、かつ、ＥＧＲ通路における上記接続部の近傍に配置されている。これにより、排気通路を流れる排気ガスがＥＧＲ触媒に到達しやすくなる。例えば、内燃機関の運転に伴う排気ガスの圧力変動により、排気通路からＥＧＲ通路へ流入する排気ガスがＥＧＲ触媒に到達しやすくなる。よって、排気ガスの熱によりＥＧＲ触媒の温度低下を抑制することができる。

以下、本発明の内燃機関の排気ガス還流装置の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施形態）
図１および図２を参照して、実施形態について説明する。本実施形態は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、閉じることでＥＧＲ通路を遮断するＥＧＲ弁と、ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒とを備え、排気通路を流れる排気ガスを吸気通路に還流させる内燃機関の排気ガス還流装置に関する。

図１は、本実施形態に係る装置の概略構成図である。

図１において、符号１は、エンジン（内燃機関）を示す。エンジン１は、乗用車、トラックなどの車両に搭載されるエンジンであり、気筒２内に往復運動可能に設けられるピストン（図示せず）が２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクルエンジンであるが、本実施形態の内燃機関の排気ガス還流装置（符号５０参照）は、この形式の内燃機関に限らず、種々の内燃機関に適用することができる。エンジン１は、４つの気筒２を有する。エンジン１には、吸気マニホルド（吸気通路）３、および排気マニホルド（排気通路）４がそれぞれ接続されている。

吸気マニホルド３は、４本の吸気枝管３ａおよびサージタンク３ｂを有する。各吸気枝管３ａは、それぞれ異なる気筒２に接続されている。サージタンク３ｂは、吸気マニホルド３における吸気枝管３ａよりも吸気の流れ方向の上流側に設けられている。吸気枝管３ａにおける上流側の端部は、サージタンク３ｂに接続されており、下流側の端部は、気筒２に接続されている。

サージタンク３ｂには、吸気管５が接続されている。吸気管５を介して、空気がサージタンク３ｂに導入される。

排気マニホルド４は、４本の排気枝管４ａに分岐している。各排気枝管４ａは、それぞれ異なる気筒２に接続されている。４本の排気枝管４ａは、合流部４ｂで互いに接続されている。気筒２で発生する排気ガス（燃焼ガス）は、対応する排気枝管４ａを流れ、合流部４ｂで他の気筒２から排出された排気ガスと合流する。排気マニホルド４における合流部４ｂよりも下流側の端部には、排気管（排気通路）６が接続されている。排気管６には、排気管６を流れる排気ガスを浄化する排気触媒７が設けられている。

本実施形態のエンジン１は、排気通路を流れる排気ガスを吸気通路に還流させる内燃機関の排気ガス還流装置（以下、単に「排気ガス還流装置」と記す）５０を備える。排気ガス還流装置５０は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路５１と、ＥＧＲ触媒５２と、ＥＧＲクーラ（ＥＧＲ冷却装置）５３と、ＥＧＲ弁５４とを有する。

ＥＧＲ通路５１は、エンジン１の排気通路と吸気通路とを連通している。具体的には、ＥＧＲ通路５１の一端部は、排気マニホルド４における合流部４ｂの直後（合流部４ｂよりも下流側であり、かつ、合流部４ｂの近傍の部分）に接続されている。以下、ＥＧＲ通路５１と排気マニホルド４との接続部を排気側接続部５５と記す。ＥＧＲ通路５１における排気マニホルド４に接続された側と反対側の端部（他端部）は、サージタンク３ｂに接続されている。以下、ＥＧＲ通路５１とサージタンク３ｂとの接続部を吸気側接続部５６と記す。

ＥＧＲ通路５１には、ＥＧＲ通路５１を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒５２、ＥＧＲ通路５１を流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ５３、およびＥＧＲ通路５１を開閉するＥＧＲ弁５４が設けられている。ＥＧＲ触媒５２は、ＥＧＲクーラ５３およびＥＧＲ弁５４よりも排気側接続部５５に近い位置に設けられている。ＥＧＲクーラ５３は、ＥＧＲ通路５１におけるＥＧＲ触媒５２の設置位置とＥＧＲ弁５４の設置位置との間に設けられている。

すなわち、排気ガスを吸気通路に還流させる排気ガス還流制御がなされる場合に、排気マニホルド４からＥＧＲ通路５１へ流入する排気ガスは、ＥＧＲ触媒５２、ＥＧＲクーラ５３、ＥＧＲ弁５４の順に通過してサージタンク３ｂへ流れる。以下、ＥＧＲ通路５１を介して吸気通路に還流される排気ガスを「ＥＧＲガス」と記す。サージタンク３ｂへ流入したＥＧＲガスは、吸気管５を介してサージタンク３ｂに導入される空気（新気）と共に、吸気枝管３ａを経て各気筒２に流入する。これにより、ＥＧＲ通路５１を介してエンジン１の気筒２内に排気ガスを還流させる、いわゆる外部ＥＧＲが実現される。外部ＥＧＲにより、エンジン１の燃費向上等を図ることができる。

ＥＧＲ触媒５２は、ＥＧＲガスに含まれる未燃燃料成分やＰＭ（粒子状物質）等を浄化するものである。ＥＧＲクーラ５３およびＥＧＲ弁５４よりも上流側にＥＧＲ触媒５２が配置されていることにより、未燃燃料成分等がＥＧＲクーラ５３やＥＧＲ弁５４、あるいは吸気系に付着することが抑制される。これにより、ＥＧＲクーラ５３やＥＧＲ弁５４、あるいは吸気系においてデポジットが生成したり成長したりすることを抑制することができる。

ＥＧＲクーラ５３は、冷却水との熱交換によりＥＧＲクーラ５３内のＥＧＲガスを冷却する。ＥＧＲクーラ５３により冷却されたＥＧＲガスが気筒２内に還流されることにより、燃焼ガスの温度が低減され、エンジン１のエミッションの悪化（有害物質の排出量の増加）が抑制される。

ＥＧＲ弁５４は、吸気側接続部５６に設けられている。ＥＧＲ弁５４は、任意の開度に調節されてＥＧＲ通路５１を流れるＥＧＲガスの流量を制御することができる。また、ＥＧＲ弁５４は、閉じることによりＥＧＲ通路５１を遮断することが可能である。

エンジン１が搭載された車両（図示せず）には、車両各部を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）を有する制御部２０が設けられている。ＥＧＲ弁５４は、制御部２０に接続されており、制御部２０により制御される。すなわち、制御部２０は、ＥＧＲ弁５４の開閉状態を制御する制御手段としての機能を有する。エンジン１は、制御部２０に接続されており、燃料の噴射量や噴射タイミング等のエンジン１の動作が制御部２０により制御される。本実施形態の制御部２０は、ＥＧＲ触媒５２の温度を検出または推定する温度検出推定手段としての機能を有する。

制御部２０は、ＥＧＲ弁５４を開いて排気通路を流れる排気ガスをＥＧＲ通路５１を介して吸気通路に還流させる排気ガス還流制御を実行する。制御部２０は、エンジン１の運転条件、例えば、エンジン回転数やエンジン１の機関負荷等に基づいて、気筒２へＥＧＲガスを導入するか否か（排気ガス還流制御を実行するか否か）を判定する。さらに、制御部２０は、気筒２へＥＧＲガスを導入すると判定された場合に、気筒２へ導入される吸気におけるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率の目標値を算出する。制御部２０は、目標のＥＧＲ率を実現するように、ＥＧＲ弁５４の開閉制御を実行する。

エンジン１の運転条件等によっては、排気ガス還流制御が行われない、すなわち、排気ガスを吸気通路に還流させない場合がある。エンジン１の運転条件等に基づいて、排気ガス還流制御を行わないと判定された場合、制御部２０は、ＥＧＲ弁５４を閉じてＥＧＲ通路５１を遮断する。

ＥＧＲ触媒５２は、低温の条件化では排気ガスを十分に浄化することができない。従って、エンジン１の運転中において、ＥＧＲ触媒５２の温度低下を抑制し、ＥＧＲ触媒５２が十分な浄化能力を有する状態（暖機状態）を保つことができることが望ましい。しかしながら、上記のようにＥＧＲ弁５４が閉じられている場合には、ＥＧＲ触媒５２にＥＧＲガスが流れないため、ＥＧＲ触媒５２の温度が低下して、ＥＧＲ触媒５２の浄化能力が低下してしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態の排気ガス還流装置５０では、ＥＧＲ触媒５２は、排気側接続部５５の近傍に設けられている。すなわち、ＥＧＲ触媒５２が、ＥＧＲ通路５１における排気マニホルド４（排気通路）との接続部の近傍に設けられている。これにより、排気マニホルド４を流れる排気ガスがＥＧＲ通路５１に流入し、ＥＧＲ触媒５２に到達しやすくなる。例えば、以下に説明するように、排気脈動によりＥＧＲ通路５１に流入する排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達しやすくなる。

エンジン１の運転中には、各気筒２で吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程が繰り返されることにより、排気通路に排気脈動が生成される。排気脈動により、ＥＧＲ弁５４が閉じられている状態であっても、排気ガスがＥＧＲ通路５１に流入する。言い換えると、エンジン１の運転に伴う排気マニホルド４を流れる排気ガスの圧力変動により、排気マニホルド４内がＥＧＲ通路５１内よりも高圧となったときに、排気マニホルド４からＥＧＲ通路５１へ排気ガスが流入する。一方、排気マニホルド４内がＥＧＲ通路５１内よりも低圧となった場合には、ＥＧＲ通路５１から排気マニホルド４へ排気ガスが流出する。このように、排気脈動により、排気マニホルド４からＥＧＲ通路５１への排気ガスの流出入、すなわち、排気ガスの呼吸が生じる。

本実施形態では、ＥＧＲ触媒５２が排気側接続部５５の近傍に設けられているため、排気マニホルド４内とＥＧＲ通路５１内との圧力差によりＥＧＲ通路５１に流入する排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達しやすい。その結果、ＥＧＲ触媒５２の温度低下を抑制することができる。

また、ＥＧＲ触媒５２が排気側接続部５５の近傍に設けられていることにより、ＥＧＲ通路５１の熱伝導により、ＥＧＲ触媒５２の温度低下が抑制される。排気マニホルド４を流れる排気ガスの熱が、排気マニホルド４の壁部およびＥＧＲ通路５１の壁部等を通してＥＧＲ触媒５２に伝導される。ＥＧＲ触媒５２が排気側接続部５５の近傍に設けられていることにより、熱伝導によりＥＧＲ触媒５２がより多くの熱量を得ることができる。よって、本実施形態の排気ガス還流装置５０によれば、ＥＧＲ触媒５２の温度低下が抑制される。

また、本実施形態では、より確実にＥＧＲ触媒５２の温度低下を抑制できるように、ＥＧＲ触媒５２の位置が設定されている。排気脈動によりＥＧＲ通路５１に流入する排気ガスが、エンジン１の運転条件にかかわらずＥＧＲ触媒５２に到達可能な位置にＥＧＲ触媒５２が設置されている。エンジン１の運転条件によって、排気ガスが到達可能な位置は異なるため、到達可能な位置が最も排気側接続部５５に近くなる（排気ガスが最もＥＧＲ触媒５２に到達しにくくなる）運転条件に合わせて、ＥＧＲ触媒５２の設置位置が決められている。

ＥＧＲ触媒５２の設置位置は、例えば、適合実験により求めることができる。様々な運転条件でエンジン１を運転し、排気マニホルド４からＥＧＲ通路５１に流入する排気ガスの到達可能位置が最も排気側接続部５５寄りとなる運転条件であっても、排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達可能となるように、ＥＧＲ触媒５２の設置位置が決められる。例えば、排気脈動により排気マニホルド４からＥＧＲ通路５１に流入する排気ガスの容積を様々な運転条件下で測定して、排気マニホルド４からＥＧＲ通路５１に流入する排気ガスの容積の最小値を求める。ＥＧＲ通路５１における排気側接続部５５とＥＧＲ触媒５２との間の部分（符号５１ａ参照）の容積が上記容積の最小値以下となるように、ＥＧＲ触媒５２の設置位置が定められる。

なお、排気側接続部５５とＥＧＲ触媒５２との間の部分５１ａの容積に代えて、排気側接続部５５とＥＧＲ触媒５２との間の部分５１ａの長さに基づいて、ＥＧＲ触媒５２の設置位置を決めてもよい。この場合、排気脈動により排気マニホルド４からＥＧＲ通路５１に流入する排気ガスの到達距離（排気側接続部５５と、ＥＧＲ通路５１へ流入した排気ガスが最も吸気側接続部５６寄りに到達した点との距離）を様々な運転条件下で測定して、到達距離の最小値を求める。ＥＧＲ通路５１における排気側接続部５５とＥＧＲ触媒５２との間の部分５１ａの長さが、上記到達距離の最小値以下となるように、ＥＧＲ触媒５２の設置位置が定められる。

このようにＥＧＲ触媒５２が配置されることにより、ＥＧＲ弁５４が閉じられた状態であっても、排気脈動により排気マニホルド４からＥＧＲ通路５１に流入する排気ガスを確実にＥＧＲ触媒５２に到達させることが可能となる。なお、ＥＧＲ触媒５２の温度低下を抑制する観点からは、ＥＧＲ触媒５２を可能な限り排気側接続部５５に近づけることが好ましい。例えば、ＥＧＲ通路５１における排気側接続部５５とＥＧＲ触媒５２との間の部分５１ａの長さを実質的に０とすることができる。

また、本実施形態の排気ガス還流装置５０では、ＥＧＲクーラ５３内の低温の排気ガスがＥＧＲ触媒５２に逆流してＥＧＲ触媒５２の温度低下を招かないように、ＥＧＲ触媒５２とＥＧＲクーラ５３との相対位置が決められている。

より具体的には、排気脈動によりＥＧＲクーラ５３から流出した排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達することを抑制可能なように、ＥＧＲ通路５１におけるＥＧＲ触媒５２とＥＧＲクーラ５３との間の部分５１ｂの長さ（あるいは、容積）が設定されている。上述したように、エンジン１の運転に伴って、排気マニホルド４を流れる排気ガスの圧力変動が生じ、その結果、排気マニホルド４からＥＧＲ通路５１へ排気ガスが流入したり、ＥＧＲ通路５１から排気マニホルド４へ排気ガスが流出したりする。すなわち、ＥＧＲ弁５４が閉じられた状態であっても、ＥＧＲ通路５１内で排気ガスが移動する。この場合に、ＥＧＲクーラ５３内の低温の排気ガス、言い換えると、ＥＧＲクーラ５３で冷却された排気ガスが、ＥＧＲ触媒５２に到達してしまうと、ＥＧＲ触媒５２の温度を低下させてしまうこととなる。

本実施形態では、以下に説明するように、排気脈動によりＥＧＲ通路５１内を排気ガスが移動したとしても、ＥＧＲクーラ５３から流出する排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達することを抑制可能なように、ＥＧＲクーラ５３が配置されている。

ＥＧＲクーラ５３の設置位置（ＥＧＲ触媒５２との相対位置）は、例えば、適合実験により求めることができる。様々な運転条件でエンジン１を運転し、ＥＧＲクーラ５３から流出する排気ガスが最も排気側接続部５５の近くまで移動する（移動量が最大となる）運転条件においてもその流出した排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達することを抑制可能なように、ＥＧＲクーラ５３が配置される。例えば、排気脈動によりＥＧＲクーラ５３からＥＧＲ触媒５２へ向けて流出する排気ガスの流出量（排気脈動による呼吸量）を様々なエンジン１の運転条件下で測定し、測定された流出量の最大値よりもＥＧＲ通路５１におけるＥＧＲ触媒５２とＥＧＲクーラ５３との間の部分５１ｂの容積が大きくなるように、ＥＧＲクーラ５３とＥＧＲ触媒５２との相対位置が決定される。

なお、ＥＧＲ通路５１におけるＥＧＲ触媒５２とＥＧＲクーラ５３との間の部分５１ｂの容積に代えて、ＥＧＲ触媒５２とＥＧＲクーラ５３との間の部分５１ｂの長さに基づいて、ＥＧＲクーラ５３とＥＧＲ触媒５２との相対位置が決定されてもよい。この場合、排気脈動によりＥＧＲクーラ５３からＥＧＲ触媒５２へ向けて流出する排気ガスの移動量を様々な運転条件下で測定して、移動量の最大値を求める。ＥＧＲ通路５１におけるＥＧＲ触媒５２とＥＧＲクーラ５３との間の部分５１ｂの長さが、上記移動量の最大値よりも大きくなるように、ＥＧＲクーラ５３とＥＧＲ触媒５２との相対位置が決定される。

このようにＥＧＲクーラ５３とＥＧＲ触媒５２との相対位置が定められていることにより、ＥＧＲ弁５４が閉じられた状態において、排気脈動によりＥＧＲ通路５１内で排気ガスが移動したとしても、ＥＧＲクーラ５３から流出する低温の排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達し、ＥＧＲ触媒５２の温度を低下させてしまうことが抑制される。

例えば、高負荷の運転条件や筒内の空気の充填効率が高くなる運転条件においては、できるだけ出力トルクを上げることが要求されるため、吸気における空気（新気）の割合を高めるために、ＥＧＲ弁５４が閉じられることがある。このような運転条件下では、エンジン１から排出される排気ガスの量が多く、かつ、排気ガスの圧力が高く（圧力変動が大きく）なる。従って、高負荷の運転条件や筒内の空気の充填効率が高くなる運転条件において、ＥＧＲ弁５４が閉じられた場合には、ＥＧＲ通路５１内の排気ガスの移動範囲が大きなものとなり、ＥＧＲクーラ５３から流出する排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達しやすいと考えられる。本実施形態の排気ガス還流装置５０では、このような場合であっても、ＥＧＲクーラ５３から流出する低温の排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達し、ＥＧＲ触媒５２の温度を低下させてしまうことを抑制できる。

また、本実施形態の排気ガス還流装置５０では、排気側接続部５５が排気マニホルド４の合流部４ｂの直後に設けられている。これにより、以下に説明するように、ＥＧＲ触媒５２の浄化効率が低下することを抑制しつつ、ＥＧＲ触媒５２の温度低下を抑制する効果を奏することができる。

本実施形態では、制御部２０は、排気触媒７に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比とするような空燃比制御を実行する。すなわち、各気筒２から排出された排気ガスが合流して排気触媒７に流入する際の排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように、各気筒２に供給される燃料の噴射制御を行う。このように、合流部４ｂで合流した後の排気ガスの空燃比を理論空燃比に制御する場合、それぞれの気筒２から排出される排気ガスの空燃比（排気枝管４ａを流れる排気ガスの空燃比）は、必ずしも理論空燃比となるとは限らない。各気筒２間で空燃比にばらつきが発生し、それぞれの気筒２から排出される排気ガスの空燃比が、理論空燃比に対してリッチまたはリーンとなっている場合がある。このため、より高温の排気ガスをＥＧＲ触媒５２に導いてＥＧＲ触媒５２の温度低下を抑制する観点からは、合流部４ｂよりも上流側に排気側接続部５５を設けることが望ましいものの、合流部４ｂよりも上流側にＥＧＲ通路５１が接続された場合、ＥＧＲ通路５１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチまたはリーンとなってしまい、ＥＧＲ触媒５２が十分な浄化能力を発揮できない可能性がある。

これに対して、本実施形態では、ＥＧＲ通路５１が排気マニホルド４の合流部４ｂもしくは合流部４ｂの直後に接続される。これにより、ＥＧＲ通路５１には空燃比が平均化された理論空燃比の排気ガスが流入することとなり、ＥＧＲ触媒５２の浄化効率の低下が抑制され、ＥＧＲ触媒５２が効率的に排気ガスを浄化することができる。また、合流部４ｂよりも下流側で、かつ、できるだけ上流側にＥＧＲ通路５１が接続されていることにより、より温度の高い排気ガスをＥＧＲ通路５１に導くことが可能となる。

また、それぞれの気筒２から排出されたリッチまたはリーンな排気ガスが合流部４ｂで合流することにより、合流部４ｂよりも下流側において、主としてリッチな排気ガスに含まれる燃料の未燃成分等と、主としてリーンな排気ガスに含まれる酸素との反応熱が発生する。排気マニホルド４における合流部４ｂよりも下流側の排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達することにより、例えば、リーンな排気ガスが到達した際にＥＧＲ触媒５２に吸蔵された酸素と、リッチな排気ガスが到達した際にその排気ガスに含まれる未燃成分等とが反応することにより、ＥＧＲ触媒５２が加熱されることができる。その結果、ＥＧＲ触媒５２の温度低下が抑制される。

特に、本実施形態では、ＥＧＲ弁５４が閉じられた状態であっても、排気脈動により排気マニホルド４からＥＧＲ通路５１へ流入する排気ガスが到達可能な位置にＥＧＲ触媒５２が設けられている。よって、ＥＧＲ弁５４が閉じられたとしても、排気ガスの熱によりＥＧＲ触媒５２が加熱されるだけでなく、燃料の未燃成分等と酸素との反応熱によってもＥＧＲ触媒５２が加熱されることができる。

以上説明したように、本実施形態の排気ガス還流装置５０によれば、ＥＧＲ触媒５２が排気側接続部５５の近傍に設けられていることにより、排気マニホルド４からＥＧＲ通路５１に流入する排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達しやすくなり、ＥＧＲ触媒５２の温度低下が抑制される。特に、排気脈動によりＥＧＲ通路５１に流入する排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達可能となるように、ＥＧＲ触媒５２が設置されているため、より確実にＥＧＲ触媒５２の温度低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態の排気ガス還流装置５０では、ＥＧＲクーラ５３内の低温の排気ガスがＥＧＲ触媒５２に逆流してＥＧＲ触媒５２の温度低下を招かないように、ＥＧＲ触媒５２とＥＧＲクーラ５３との相対位置が決められている。エンジン１の運転に伴う排気ガスの圧力変動によりＥＧＲ通路５１内の排気ガスが移動したとしても、ＥＧＲクーラ５３から流出する排気ガスがＥＧＲ触媒５２に到達することを抑制可能なように、ＥＧＲ触媒５２とＥＧＲクーラ５３との間のＥＧＲ通路５１の長さ（容積）が大きなものとされている。よって、ＥＧＲ弁５４が閉じられている状態において、ＥＧＲクーラ５３から流出する排気ガスが触れてＥＧＲ触媒５２の温度が低下してしまうことが抑制される。

次に、制御部２０による冷間始動時等におけるＥＧＲ弁５４の開閉制御について説明する。

本実施形態では、冷間始動時等にＥＧＲ触媒５２の暖機が十分でない場合には、制御部２０は、ＥＧＲ触媒５２が一定の暖機状態に至るまでＥＧＲ弁５４を閉じたままとする。これにより、ＥＧＲ触媒５２の暖機前に排気ガスをＥＧＲ通路５１に流すことによる吸気系へのデポジットの堆積等を抑制することができる。

従来の排気ガス還流装置では、ＥＧＲ弁５４が閉じられてＥＧＲ通路５１に排気ガスが流れないままでは、ＥＧＲ触媒５２の温度上昇が期待できなかった。このため、ＥＧＲ触媒５２を暖機するためには、ＥＧＲ弁５４を開いてＥＧＲ通路５１に排気ガスを流す必要があった。この場合、ＥＧＲ触媒５２が一定の暖機状態に達する前に排気ガスを流すことで、燃料の未燃成分やＰＭ等が十分に浄化されないままでＥＧＲ触媒５２を通過し、吸気系に付着する可能性があった。吸気系に未燃成分等が付着した場合、吸気系にデポジットが生成される虞がある。

これに対して、本実施形態の排気ガス還流装置５０では、ＥＧＲ弁５４を閉じたままであっても、排気脈動により、ＥＧＲ触媒５２に高温の排気ガスが到達することができる。従って、ＥＧＲ弁５４が閉じたままであっても、エンジン１が運転されていれば、ＥＧＲ触媒５２が暖機される。よって、ＥＧＲ触媒５２の温度が十分に（例えば、活性化温度以上に）上昇してからＥＧＲ弁５４を開いてＥＧＲ通路５１に排気ガスを流し始めることができる。ＥＧＲ触媒５２の暖機が十分でないままＥＧＲ通路５１に排気ガスを流すことを抑制し、吸気系におけるデポジットの生成や成長を抑制することができる。

ＥＧＲ触媒５２が一定の暖機状態に至ったか否かは、運転条件の履歴からＥＧＲ触媒５２の暖機状態を推定することにより判定する。制御部２０は、排気ガスがＥＧＲ触媒５２に与える熱量とＥＧＲ触媒５２の熱容量とからＥＧＲ触媒５２の暖機状態を推定する。排気ガスがＥＧＲ触媒５２に与える熱量は、例えば、エンジン１の運転条件により決まる排気ガスの温度、および、排気脈動によりＥＧＲ触媒５２に到達する排気ガスの容積（流量）等から求めることができる。制御部２０には、エンジン１の運転条件と、運転条件に対応する所定時間あたりのＥＧＲ触媒５２の温度の変化量との関係を示すマップが予め記憶されている。制御部２０は、予め定められた所定間隔でエンジン１の運転条件に基づいて上記マップを参照してＥＧＲ触媒５２の温度の変化量を推定し、推定された温度の変化量を積算してＥＧＲ触媒５２の現在の温度（暖機状態）を推定する。なお、エンジン１の運転条件として、例えば、エンジン回転数とエンジン１の出力トルク（機関負荷）が用いられることができる。

図２は、本実施形態で制御部２０が冷間始動後等にＥＧＲ弁５４を開くか否かを判定する際の動作を示すフローチャートである。図２に示すフローチャートは、ＥＧＲ弁５４を開いてよいと判定されていない場合（ＥＧＲ触媒５２が一定の暖機状態に至ったと判定されていない場合）、例えば、冷間始動後に繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１０では、制御部２０により、ＥＧＲ触媒５２の現在の温度が推定される。制御部２０は、エンジン１の運転条件にもとづいて、予め定められた所定間隔におけるＥＧＲ触媒５２の温度の変化量を推定し、推定された温度の変化量を積算してＥＧＲ触媒５２の現在の温度を推定する。

次に、ステップＳ２０では、制御部２０により、ステップＳ１０で推定された現在のＥＧＲ触媒５２の温度が、予め定められた所定温度よりも大であるか否かを判定する。上記所定温度は、ＥＧＲ触媒５２が一定の暖機状態に至って排気ガスを十分に浄化することができるか否かを判定するための閾値である。上記所定温度は、例えば、ＥＧＲ触媒５２の活性化温度に基づいて設定される。ステップＳ２０の判定の結果、現在のＥＧＲ触媒５２の温度が、上記所定温度よりも大であると判定された場合（ステップＳ２０−Ｙ）には、ステップＳ３０に進み、そうでない場合（ステップＳ２０−Ｎ）には、本制御フローはリターンされる。

ステップＳ３０では、制御部２０により、ＥＧＲ弁５４の開弁が許可される。これにより、排気ガスを吸気通路に還流させる排気ガス還流制御を実行する準備が整ったと判定される。エンジン１の運転条件に基づいて、排気ガス還流制御を実行すると判定された場合には、制御部２０は、排気ガス還流制御の実行を許可する。ステップＳ３０が実行されると、本制御フローはリターンされる。

ステップＳ２０で否定判定がなされている間は、ＥＧＲ弁５４の開弁は許可されない。この場合、エンジン１の運転条件に基づいて、排気ガス還流制御を実行すると判定されたとしても、制御部２０は、排気ガス還流制御の実行を許可しない。

上記のように、ＥＧＲ触媒５２の推定温度に基づいて、ＥＧＲ弁５４の開弁を許可するか否かが判定されることにより、ＥＧＲ触媒５２が暖機状態となる前にＥＧＲ通路５１に排気ガスが流れることを抑制しつつ、排気脈動による排気ガスの呼吸効果により、高温の排気ガスをＥＧＲ触媒５２に到達させてＥＧＲ触媒５２を暖機することができる。

本発明の内燃機関の排気ガス還流装置の実施形態の概略構成図である。本発明の内燃機関の排気ガス還流装置の実施形態の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１エンジン
２気筒
３吸気マニホルド
３ａ吸気枝管
３ｂサージタンク
４排気マニホルド
４ａ排気枝管
４ｂ合流部
５吸気管
６排気管
７排気触媒
２０制御部
５０排気ガス還流装置
５１ＥＧＲ通路
５２ＥＧＲ触媒
５３ＥＧＲクーラ
５４ＥＧＲ弁
５５排気側接続部
５６吸気側接続部

Claims

内燃機関の排気通路と前記内燃機関の吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、閉じることで前記ＥＧＲ通路を遮断するＥＧＲ弁と、前記ＥＧＲ通路における前記排気通路との接続部と前記ＥＧＲ弁の設置位置との間に設けられ、前記ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒とを備え、前記ＥＧＲ弁を開いて前記排気通路を流れる前記排気ガスを前記ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に還流させる排気ガス還流制御を行う内燃機関の排気ガス還流装置であって、
前記ＥＧＲ触媒が、前記ＥＧＲ通路における前記接続部の近傍に配置されている
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
請求項１に記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、
前記ＥＧＲ触媒は、前記ＥＧＲ弁が閉じた状態において、前記内燃機関の運転に伴う前記排気ガスの圧力変動により前記排気通路から前記ＥＧＲ通路に流入する前記排気ガスが到達可能な位置に設けられている
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
請求項２に記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、
前記流入する前記排気ガスが到達可能な位置とは、前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ触媒と前記接続部との間の部分の容積が、前記内燃機関の運転に伴う前記排気ガスの圧力変動により前記排気通路から前記ＥＧＲ通路に流入する前記排気ガスの容積の最小値よりも小さくなる位置である
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、
前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ弁の設置位置と前記ＥＧＲ触媒の設置位置との間には、前記ＥＧＲ通路を流れる前記排気ガスを冷却するＥＧＲ冷却装置が設けられ、
前記ＥＧＲ冷却装置は、前記ＥＧＲ弁が閉じた状態において、前記内燃機関の運転に伴う前記排気ガスの圧力変動により前記ＥＧＲ冷却装置から流出する前記排気ガスが、前記ＥＧＲ触媒に到達することを抑制可能な位置に設けられている
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
請求項４に記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、
前記流出する前記排気ガスが、前記ＥＧＲ触媒に到達することを抑制可能な位置とは、前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ冷却装置と前記ＥＧＲ触媒との間の部分の容積が、前記内燃機関の運転に伴う前記排気ガスの圧力変動により、前記ＥＧＲ冷却装置から前記ＥＧＲ触媒へ向けて流出する前記排気ガスの容積の最大値よりも大きくなる位置である
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、
前記ＥＧＲ触媒の温度を検出または推定する温度検出推定手段と、
前記ＥＧＲ弁の開閉状態を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記温度検出推定手段により検出または推定された温度が予め定められた所定温度以下である間は前記ＥＧＲ弁を閉じた状態に保つ
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。