JP2013130121A - 火花点火式内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スロットルで吸入空気量制御をする火花点火式内燃機関に対して内部ＥＧＲを実施する場合において、適正量のＥＧＲを高負荷域でも確実かつ精度よく実施することができる排気還流装置を提供する。
【解決手段】ガソリンエンジンシステム２は、排気バルブ２０ｂと、第１ＥＧＲバルブ２０ａと、排気管２４と、ＥＧＲ通路５０と、排気動弁装置２８と、第２ＥＧＲバルブ５２と、ＥＣＵ９０とを備える。ＥＧＲ通路５０は、一端が排気ポート２２ａに連通し、他の一端が排気管２４に連通する。排気動弁装置２８は、排気行程で排気バルブ２０ｂを開き且つ吸気行程で第１ＥＧＲバルブ２０ａを開く内部ＥＧＲ駆動モードを有する。第２ＥＧＲバルブ５２は、ＥＧＲ通路５０において一端と他の一端との間に設けられ、開度を変更可能なバルブであるＥＣＵ９０は、内部ＥＧＲ駆動モード中にエンジン負荷が高くなるほど第２ＥＧＲバルブ５２の開度を大きくする。
【選択図】図６

Description

本発明は、火花点火式内燃機関の排気還流装置に関する。

従来、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行う排気還流装置を備えた各種の内燃機関が知られている。特に、昨今では、火花点火式内燃機関（以下、特に「ガソリンエンジン」ともいう）において、ポンピングロス低減の観点から、多量のＥＧＲガスを再循環させるいわゆる大量ＥＧＲを実施する技術が知られている。

この点、特開平６−１０７７４号公報（以下、「特許文献１」とも称す）は、火花点火式内燃機関の排気還流装置を開示している。この公報の排気還流装置は、複数の排気ポートにそれぞれ排気バルブを設け、一部の排気バルブをＥＧＲバルブとして使い、残りの排気バルブを通常の排気バルブとして使う。各排気ポートは、排気ガス下流側で合流部を介して互いに連通している。ＥＧＲバルブとして用いる排気バルブを吸気行程中に開くことで、一方の排気ポートからの排気ガスが開かれた他方の排気ポートへと合流部を介して流れる。つまり、ＥＧＲバルブ側の排気ポートから排気ガスが再度気筒内に吸入される。この仕組みは、いわゆる内部ＥＧＲ方式の排気還流装置に属するものといえる。以下、排気行程で排気バルブが開く排気ポートを「排気バルブ側排気ポート」と称し、吸気行程で排気バルブが開く排気ポートを「ＥＧＲ側排気ポート」と称す。

特許文献１にかかる内部ＥＧＲ方式によれば、２つの排気バルブのうち１つを吸気行程中に開くことで、吸気行程のピストン下降に伴い排気ポートから排気ガスを吸入する。この方式は、いわゆる外部ＥＧＲ方式のように吸気通路のＥＧＲガス導入部における吸気側圧力に左右されることがない。よって、低負荷域から高負荷域にわたって確実にＥＧＲを実施でき、過給内燃機関の過給域でも確実にＥＧＲを実施できるという利点がある。

特開平６−１０７７４号公報 特開２００４−２９３３４１号公報

特許文献１にかかる技術は、スロットル付の一般的なガソリンエンジン向けのものではない。スロットルで吸入空気量制御をする一般的なガソリンエンジンに対してその内部ＥＧＲ方式を適用するには不十分な点がある。この点について以下説明する。

特許文献１にかかる技術は、スロットル付の一般的なガソリンエンジンを念頭においたＥＧＲ量の適正化について検討がされていない。特許文献１は「ＥＧＲバルブ側排気ポート」の側の排気通路にバルブ（調整弁）を設けてＥＧＲ量を調節する技術を開示するものの、その調整弁の制御は特殊である。特許文献１にかかる排気還流装置は、低負荷時には、調整弁１１の開度を負荷が小さくなるほど大きく制御している（特許文献１の段落００２４参照）。このような制御を採用する理由は、主に、特許文献１の内燃機関が有する特殊な構成（特殊なハードウェア及び制御）に起因している。

特許文献１に係る技術はガソリンエンジンを対象とするものだが、そのガソリンエンジンはスロットルを有さない等の特殊なハードウェア構成を有している（特許文献１の段落００２１参照）。特許文献１の調整バルブの制御が実効性を持つかどうかは、特許文献１で前提とする特殊なハードウェア構成に起因する部分が大きい。特許文献１にかかるガソリンエンジンと吸入空気量をスロットルで調節する仕組みの一般的なガソリンエンジンとでは、スロットルでの吸入空気量制御等の面で前提が大きく異なる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、スロットルで吸入空気量制御をする火花点火式内燃機関に対して内部ＥＧＲを実施する場合において、適正量のＥＧＲを高負荷域でも確実かつ精度よく実施することができる排気還流装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、火花点火式内燃機関の排気還流装置であって、
スロットル付の火花点火式内燃機関の燃焼室に連通する第１排気ポートに備えられ、前記第１排気ポートの開閉をする排気バルブと、
前記燃焼室に連通する第２排気ポートに備えられ、前記第２排気ポートの開閉をする第１バルブと、
前記第１排気ポートに連通する排気管と、
一端が前記第２排気ポートに連通し、他の一端が前記排気管に連通するＥＧＲ通路と、
前記内燃機関の排気行程で前記排気バルブを開き且つ前記内燃機関の吸気行程で前記第１バルブを開く駆動モードを有する動弁装置と、
前記ＥＧＲ通路において前記一端と前記他の一端との間に設けられ、開度を変更可能な第２バルブと、
前記駆動モード中に前記内燃機関の負荷が高くなるほど前記第２バルブの開度を大きくする制御部と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記火花点火式内燃機関が、過給機を備える過給内燃機関であり、
前記燃焼室に連通する吸気ポートに備えられた吸気バルブと、
前記吸気バルブを駆動し、当該吸気バルブの位相が可変な吸気側可変動弁装置と、
前記火花点火式内燃機関で吸気圧が排気圧よりも高くなる運転域である正圧域において、前記第１バルブと前記吸気バルブとの間のバルブオーバーラップ量の減少をするように、前記吸気弁の位相を遅角する吸気バルブ制御部と、
を備え、
前記制御部が、前記正圧域での前記第２バルブの開度を前記火花点火式内燃機関の吸気圧が排気圧よりも低い負圧域での前記第２バルブの開度よりも大きな開度に設定する設定部を、含むことを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ＥＧＲ通路において前記第２バルブと前記他の一端との間に設けられたＥＧＲクーラを、更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、負荷に応じてＥＧＲガスを増量でき、適正量のＥＧＲガスを、高負荷域においても精度よく確実に燃焼室に再循環させることができる。これにより、スロットル付の火花点火式内燃機関における大量ＥＧＲを、高負荷域を含む広範囲の運転域に渡って、適正量かつ確実に実施することができる排気還流装置が提供される。

第２の発明によれば、吸気圧が排気圧より高い過給域においても、第１バルブ開によるＥＧＲガス導入量の確保をすることができる。

第３の発明によれば、高負荷運転域においても低温度かつ適正量の排気ガスを、ＥＧＲガスとして燃焼室に循環させることができる。失火抑制とノッキング抑制の双方の要求を満たしつつ、高負荷運転域でのＥＧＲを内部ＥＧＲ方式で実現することができる。

本発明の実施の形態にかかる火花点火式内燃機関の排気還流装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる火花点火式内燃機関の排気還流装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる火花点火式内燃機関の排気還流装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる火花点火式内燃機関の排気還流装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる火花点火式内燃機関の排気還流装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる火花点火式内燃機関の排気還流装置において、ＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。

［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態にかかる火花点火式内燃機関の排気還流装置の構成を示す図である。図１は、本実施の形態にかかる排気還流装置が適用されるガソリンエンジンシステム２を模式的に示している。ガソリンエンジンシステム２は、スロットル３４を備え、ガソリンを燃料とする火花点火式内燃機関である。

ガソリンエンジンシステム２は、その内部にピストンを備える気筒１０を備えている。気筒１０内には、ピストン上面およびシリンダヘッド内面からなる燃焼室が形成される。気筒１０には、点火プラグ１２および筒内燃料噴射弁１４が設けられている。

気筒１０には、吸気ポート１８ａおよび吸気ポート１８ｂが連通している。吸気ポート１８ａおよび吸気ポート１８ｂには、それぞれの吸気ポートを開閉する吸気バルブ１６ａおよび吸気バルブ１６ｂが設けられている。気筒１０の燃焼室には、排気ポート２２ａおよび排気ポート２２ｂが連通している。排気ポート２２ａにはその開閉を担う第１ＥＧＲバルブ２０ａが設けられており、排気ポート２２ｂにはその開閉を担う排気バルブ２０ｂが設けられている。気筒１０に設けられたこれら４つのバルブは、いずれも一般的なポペットバルブである。以下の説明では、便宜上、吸気バルブ１６ａ、１６ｂ、第１ＥＧＲバルブ２０ａおよび排気バルブ２０ｂを総括的に、「吸排気バルブ群１６ａ、１６ｂ、２０ａ、２０ｂ」とも称する。

なお、ガソリンエンジンシステム２は実際には車両搭載用の直列４気筒ガソリンエンジンであるが、図１では便宜上１つの気筒１０のみを図示している。ガソリンエンジンシステム２は直列４気筒のシリンダブロック（不図示）を有し、このシリンダブロックには気筒１０周辺の構成（点火プラグ、筒内燃料噴射弁、吸気バルブ、吸気ポート、第１ＥＧＲバルブ、排気バルブ、排気ポート）が４セット組み込まれているものとする。４つの気筒１０の各吸気ポートと接続する吸気マニホールド、および４つの気筒１０の各排気ポートと接続する排気マニホールドは、図示を省略する。

吸気ポート１８ａ、１８ｂは、サージタンク３０に連通している。サージタンク３０は、吸気管３２に連通している。吸気管３２はスロットル３４、インタークーラ３６、およびエアフローメータ３８を備えており、上流においてエアクリーナ４０と連通している。

排気ポート２２ｂは、排気管２４と連通している。排気管２４には、スタート触媒４２、メイン触媒４４が排気ガスの下流側に向かって順次設けられている。排気管２４におけるスタート触媒４２の上流部には、空燃比センサ４６が設けられている。排気管２４におけるスタート触媒４２とメイン触媒４４の間には、サブ酸素センサ４８が設けられている。

ガソリンエンジンシステム２は、ＥＧＲ通路５０を備えている。ＥＧＲ通路５０の一端は、排気ポート２２ａに連通している。ＥＧＲ通路５０の他の一端は、排気管２４におけるスタート触媒４２とメイン触媒４４の間の部位に連通している。

ＥＧＲ通路５０には、第２ＥＧＲバルブ５２およびＥＧＲクーラ５４が備えられている。第２ＥＧＲバルブ５２は、ＥＧＲ通路５０における上記一端と上記他の一端との間に設けられ、開度を変更可能なバルブである。
ＥＧＲガスの導入量が適正でないと失火等の問題が生じるため、ＥＧＲ量を適正量とする要請がある。そこで、ＥＧＲ量の調節を精度よく行うため、排気ポート２２ａ側に調整バルブとして第２ＥＧＲバルブ５２を設ける。吸気行程中の第１ＥＧＲバルブ２０ａの開弁とともにこの第２ＥＧＲバルブ５２でＥＧＲガスの流量を調整することで、ＥＧＲ量の調節精度を高めることができる。
第２ＥＧＲバルブ５２は好ましくはバタフライバルブとする。バタフライバルブによれば、開度調整（流量調整）が連続的かつ精度良く実施可能であり、流路抵抗も少なく、大量のＥＧＲを導入する上で好適である。

ＥＧＲクーラ５４は、ＥＧＲ通路５０において第２ＥＧＲバルブ５２と合流部２４ａとの間に設けられている。ガソリンエンジンシステム２によれば、タービン６４およびスタート触媒４２を経由して温度が低下した排気ガスを合流部２４ａからＥＧＲ通路５０へと導き、さらにＥＧＲクーラ５４で冷やすことができる。このようにして十分に冷却したＥＧＲガスを導入することで、ノッキングを避けつつ大量のＥＧＲガスを導入することができる。

ガソリンエンジンシステム２は、吸気動弁装置２６および排気動弁装置２８を備えている。吸気動弁装置２６は、吸気バルブ１６ａ、１６ｂを駆動する装置であり、吸気バルブ１６ａ、１６ｂの位相が可変である。排気動弁装置２８は、第１ＥＧＲバルブ２０ａおよび排気バルブ２０ｂを駆動する装置であり、同じく位相可変な可変動弁装置である。特に、排気動弁装置２８は、第１ＥＧＲバルブ２０ａの位相を、吸気バルブ１６ａ、１６ｂおよび排気バルブ２０ｂに対して独立に変化させることができるように構成されている。バルブの位相が可変な可変動弁装置は既に各種の技術文献が公知となっており、新規な事項ではないため、詳細な説明は省略する。

排気動弁装置２８は、気筒１０の排気行程で排気バルブ２０ｂを開き、且つ気筒１０の吸気行程（吸気ＴＤＣ以後）に第１ＥＧＲバルブ２０ａを開く駆動モードを有している。以下、この駆動モードを「内部ＥＧＲ駆動モード」とも称す。
この内部ＥＧＲ駆動モードによれば、特許文献１に記載された排気還流装置と同様の原理で内部ＥＧＲを実施することができる。つまり、排気ポート２２ａ、２２ｂにそれぞれポペットバルブを設け、一方を通常の排気バルブ（排気バルブ２０ｂ）として使い、他方をＥＧＲバルブ（第１ＥＧＲバルブ２０ａ）として使う。排気ポート２２ａ、２２ｂは、排気ガス下流側で合流部２４ａを介して互いに連通している。第１ＥＧＲバルブ２０ａを吸気行程中に開くことで、排気ポート２２ｂからの排気ガスが排気ポート２２ａへと合流部２４ａを介して流れる。排気ポート２２ｂが「排気バルブ側排気ポート」に相当し、排気ポート２２ａが「ＥＧＲ側排気ポート」に相当する。内部ＥＧＲ駆動モードによれば、外部ＥＧＲ方式のように吸気通路のＥＧＲガス導入部における吸気側圧力に左右されることがなく、低負荷域から高負荷域にわたって確実にＥＧＲを実施できるという利点がある。

ガソリンエンジンシステム２は過給機を備える過給内燃機関である。本実施の形態では過給機をターボチャージャ６０とする。ターボチャージャ６０は、コンプレッサ６２およびタービン６４を備えている。コンプレッサ６２は、吸気管３２に設けられており、その位置は吸気管３２におけるインタークーラ３６上流であってエアクリーナ４０下流（エアフローメータ３８下流）である。タービン６４は、排気管２４（排気ポート２２ｂ下流）のスタート触媒４２上流に設けられている。ターボチャージャ６０に代えてスーパーチャージャを過給機として用いてもよい。

本実施の形態のシステムは、ガソリンエンジンシステム２のエンジン運転状態の把握等のための各種センサを含むセンサ系統と、エンジン制御のためのＥＣＵ(Electronic Control Unit)９０とを備えている。まず、センサ系統について説明すると、クランク角センサは、クランク軸の回転に同期した信号を出力するもので、エアフローメータ３８は吸入空気量を検出する。また、水温センサは、エンジンの温度状態が反映される機関温度の一例として、エンジン冷却水の温度（エンジン水温）を検出し、吸気温センサは吸気温度を検出する。センサ系統には、この他にも、エンジン制御に必要な各種のセンサ（スロットル３４の開度検出用のスロットルセンサ等）が含まれている。

ＥＣＵ９０は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等を含む記憶回路を備えた演算処理装置により構成されている。ＥＣＵ９０の入力側には、センサ系統の各センサが接続されており、ＥＣＵ９０の出力側には、スロットル３４、点火プラグ１２、筒内燃料噴射弁１４等を含む各種のアクチュエータが接続されている。また、ＥＣＵ９０は、クランク角に応じて変化する各種のデータを、当該クランク角と共に時系列データとして記憶する機能を備えている。この時系列データには、各センサの出力値、及び当該出力値に基づいて算出される各種の指標、パラメータ等が含まれる。

そして、ＥＣＵ９０は、エンジンの運転情報をセンサ系統により検出しつつ、各アクチュエータを駆動して運転状態を制御する。具体的には、クランク角センサ（図示せず）の出力に基づいてエンジン回転数（機関回転数）とクランク角とを検出し、エアフローメータ３８の出力に基づいて吸入空気量を算出する。吸気圧センサや吸気温センサを用いてもよい。また、吸入空気量、エンジン回転数等に基づいてエンジンの負荷（負荷率）を算出する。そして、クランク角に基づいて燃料噴射時期や点火時期を決定し、これらの時期が到来したときには、点火プラグ１２や筒内燃料噴射弁１４を駆動する。これにより、気筒１０内で混合気を燃焼させ、エンジンを運転することができる。

ＥＣＵ９０は、第２ＥＧＲバルブ５２と接続しており、具体的には第２ＥＧＲバルブ５２の開度調節用アクチュエータ（モータ）と接続している。第２ＥＧＲバルブ５２の開度は、ＥＣＵ９０からの制御信号に従って調節される。ＥＣＵ９０は、吸気動弁装置２６および排気動弁装置２８とも接続している。ＥＣＵ９０は、ＲＯＭに記憶された可変動弁装置制御用の制御プログラムに従って、吸排気バルブ群１６ａ、１６ｂ、２０ａ、２０ｂを駆動する。「内部ＥＧＲ駆動モード」も、あらかじめこの制御プログラムの一部として記憶されている。

［実施の形態の動作］
図２乃至５は、本発明の実施の形態にかかる火花点火式内燃機関の排気還流装置の動作を説明するための図である。このうち、図２、図４および図５は、運転状態に応じた各バルブ位相タイミングを示す図である。具体的には、図２は、エンジン暖機後のＥＧＲ導入時における、各バルブ位相タイミングを示す図である。図４は、高負荷運転域でのＥＧＲ導入時における、各バルブ位相タイミングを示す図である。図５は、ＷＯＴ（Wide open throttle）域でのＥＧＲ導入時における、各バルブ位相タイミングを示す図である。一方、図３は、エンジン負荷に対する第２ＥＧＲバルブ５２の開度および吸気バルブ１６ａ、１６ｂの開弁タイミングを示す図である。

（暖機後の低、中負荷域）
本実施の形態では、エンジンが暖機された状態においてエンジン負荷が低負荷域から中負荷域に属するときは、図２に示す開弁特性で吸排気バルブ群１６ａ、１６ｂ、２０ａ、２０ｂを駆動する。図２に示す開弁特性は「内部ＥＧＲ駆動モード」のときのものであり、気筒１０の排気行程で排気バルブ２０ｂを開き、且つ気筒１０の吸気行程（吸気ＴＤＣ以後）に第１ＥＧＲバルブ２０ａを開く制御動作が実施されている。なお、図２で斜線を付した領域（吸気バルブ特性と第１ＥＧＲバルブ特性の重複領域）がバルブオーバーラップ区間である。この領域の面積が吸気バルブ１６ａ、１６ｂと第１ＥＧＲバルブ２０ａのバルブオーバーラップ量に相当する。

図２では第２ＥＧＲバルブ５２については開度５０％として記載しているが、本実施の形態においては、第２ＥＧＲバルブ５２の制御はエンジン負荷に応じた開度コントロールである。
ガソリンエンジンシステム２では、一般的なスロットル付の火花点火式内燃機関がそうであるように、負荷増大に伴ってスロットル３４開度増大及び吸入空気量増加となる。ＥＣＵ９０は、図３に示すように、内部ＥＧＲ駆動モード中にエンジン負荷が高くなるほど第２ＥＧＲバルブ５２の開度を大きくする。これにより、負荷の増大（吸入空気量増大）に応じてＥＧＲ量を増大させることができる。本実施の形態では、開度と負荷の関係を直線的な比例関係としている。本実施の形態では、開度と負荷を比例させる制御を、エンジン負荷が所定の低中負荷域内にあるときに実行する。図３で「負圧域」と示した領域で実行される。負圧域とは、吸気通路（吸気管３２内の圧力）の圧力が負圧である負荷域を意味している。

上記制御によれば、吸気行程における第１ＥＧＲバルブ２０ａの開弁で、内部ＥＧＲを実施でき、高負荷域を含む広範囲の運転域に渡って、確実にＥＧＲを実施できる。さらに、第１ＥＧＲバルブ２０ａに第２ＥＧＲバルブ５２でＥＧＲ量調節機能を付加することで、精度よくＥＧＲ量を調節できる。さらに、負荷増大に応じて第２ＥＧＲバルブ５２を開度増大することで、負荷に応じてＥＧＲガスを増量でき、適正量のＥＧＲを実施することができる。従って、負荷に応じてＥＧＲガスを増量でき、適正量のＥＧＲガスを、高負荷域を含む広範囲の運転域に渡って、精度よく確実に燃焼室に再循環させることができる。これにより、一般的なスロットル付火花点火式内燃機関における大量ＥＧＲに適した排気還流装置が提供される。

（高負荷運転域・過給域）
本実施の形態では、エンジン負荷が高負荷域（過給域）に属するときは、図４に示す開弁特性で吸排気バルブ群１６ａ、１６ｂ、２０ａ、２０ｂを駆動する。図４に示す開弁特性は「内部ＥＧＲ駆動モード」のときのものであるが、図２に示す開弁特性とは吸気バルブ１６ａ、１６ｂの位相が異なる。図４に示す開弁特性では、吸気バルブ１６ａ、１６ｂの位相が遅角されており、バルブオーバーラップ量が減少している。本実施の形態では、ＥＣＵ９０が、図３における「正圧域」において上記図４の開弁特性制御を実施する。この正圧域は、吸気圧が排気圧よりも高くなる運転域である。ＥＣＵ９０が吸気動弁装置２６を制御して、第１ＥＧＲバルブ２０ａと吸気バルブ１６ａ、１６ｂの間のバルブオーバーラップ量の減少をするように、吸気バルブ１６ａ、１６ｂの位相を遅角する。なお、図３の「吸気バルブ開きタイミング」に破線で示すように、本実施の形態では、エンジン負荷増大に応じて開弁タイミングを比例的に遅角側へ推移させている。

また、ＥＣＵ９０は、正圧域での第２ＥＧＲバルブ５２の開度を、図３のように所定負荷（閾値）で全開へと切り替える。図４でも「第２ＥＧＲバルブ開度％」を１００％と記載している。なお、必ずしも所定高負荷域で第２ＥＧＲバルブ５２をステップ的に全開としなくともよく、８０％→９０％→１００％のように複数段階に分けてステップ的又は連続的に全開に近づけてもよい。負圧域での第２ＥＧＲバルブ５２の開度よりも更に大きな開度に設定すればよい。

正圧域では、吸気圧が排気圧より高い。オーバーラップ量が大きいと、第１ＥＧＲバルブ２０ａのＥＧＲガス吸入が高圧の吸気（新気）によって妨げられてしまう。そこで、本実施の形態ではこれを避けるためにオーバーラップ量を低減している。また、第２ＥＧＲバルブ５２を増大させることにより、正圧域での多量の新気に見合った大量のＥＧＲガスを確保することができる。

（ＷＯＴ域）
本実施の形態では、エンジン負荷がＷＯＴ域に属するときは、図５に示す開弁特性で吸排気バルブ群１６ａ、１６ｂ、２０ａ、２０ｂを駆動する。図５に示す開弁特性はもはや「内部ＥＧＲ駆動モード」ではなく、第１ＥＧＲバルブ２０ａに排気バルブの役割を持たせる駆動モードである。すなわち、第１ＥＧＲバルブ２０ａは排気行程中（ＢＤＣからＴＤＣの区間）に開弁される。第２ＥＧＲバルブ５２も全開（開度１００％）とされる。その結果、排気行程で排気ポート２２ａを介してＥＧＲ通路５０へと排気ガスが流れて、その排気ガスが第２ＥＧＲバルブ５２を通過して排気管２４へと流れ出る。その結果、排気ポンプ損失を低減することができる。

（ＥＧＲガスの冷却）
本実施の形態によれば、タービン６４、スタート触媒４２およびＥＧＲクーラ５４を経て十分に冷却したＥＧＲガスを導入することで、ノッキングを避けつつ大量ＥＧＲを実施することができる。従って、高負荷運転域においても低温度かつ適正量の排気ガスを、ＥＧＲガスとして燃焼室に循環させることができる。これにより失火およびノッキングの双方を回避しつつＥＧＲを実施可能となる。

この有利な効果について、従来技術との関係を以下説明する。
特許文献２は、ディーゼルエンジンを前提とする内部ＥＧＲ方式の排気還流装置を開示する。ディーゼルエンジンがＮＯｘ低減をＥＧＲの主たる目的の一つとしているのに対し、スロットル付の火花点火式内燃機関はポンピングロス低減による燃費向上をＥＧＲの主たる目的の一つとしている。両者を同一視することはできない。特許文献１と特許文献２は、ともに、高温のＥＧＲガスを再循環させる目的があるという共通点がある。両者は、内部ＥＧＲ方式により、その共通目的を達成している。しかし、火花点火式内燃機関における大量ＥＧＲを考える場合には、事情が異なる。高温ＥＧＲガスの大量に導入することはノッキングを誘発するおそれがあり、火花点火式内燃機関ではノッキングを軽視することはできないからである。
先行技術文献にかかる排気還流装置は、火花点火式内燃機関での大量ＥＧＲを念頭に置いていない。これに対して、本実施の形態にかかる排気還流装置は、失火抑制とノッキング抑制の双方の要求を満たしつつ高負荷運転域でのＥＧＲを内部ＥＧＲ方式で実現することができる装置であり、一般的なスロットル付火花点火式内燃機関での大量ＥＧＲを実現可能である。

［実施の形態の具体的処理］
図６は、本発明の実施の形態にかかる火花点火式内燃機関の排気還流装置において、ＥＣＵ９０が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、ガソリンエンジンシステム２のエンジン運転中に、所定の周期で繰り返し実行されるものである。

図６のルーチンでは、先ず、ＥＣＵ９０が、ガソリンエンジンシステム２においてエンジン暖機後か否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１００）。暖機後で無い場合には、今回のルーチンが終了する。

ステップＳ１００の結果がＹＥＳであった場合には、次に、ＥＣＵ９０が、エンジン負荷が高負荷域に属するか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１０２）。このステップでは、現在のエンジン負荷と予め定めた負荷の値（図３の「閾値」）とを比較する比較処理が実行される。エンジン負荷が閾値以上であればステップＳ１０２の結果はＹＥＳとなり、エンジン負荷が閾値未満であればステップＳ１０２の結果はＮＯとなる。

ステップＳ１０２の結果がＮＯであった場合には、ＥＣＵ９０は、ステップＳ１０４の処理を実行する。ステップＳ１０４の処理は、上述した実施の形態にかかる動作の説明のうち「暖機後の低、中負荷域」で説明した動作を実現する制御処理である。すなわち、下記のサブステップＡ１およびサブステップＡ２が実行される。
サブステップＡ１では、ＥＣＵ９０が、排気動弁装置２８を前述した内部ＥＧＲ駆動モードに設定する。その結果、図２に示す開弁特性で吸排気バルブ群１６ａ、１６ｂ、２０ａ、２０ｂが駆動される。
サブステップＡ２では、ＥＣＵ９０が、エンジン負荷増大に応じて比例的に大きな開度となるように第２ＥＧＲバルブ５２を制御する。前提として、本実施の形態では、ＥＣＵ９０が「第２ＥＧＲバルブ開弁特性マップ」を記憶している。「第２ＥＧＲバルブ開弁特性マップ」は、図３に示すエンジン負荷と第２ＥＧＲバルブ開度との関係を規定したマップであり、事前に作成してＥＣＵ９０のＲＯＭに記憶しておく。ステップＳ１０４では、ＥＣＵ９０が、現在のエンジン負荷に基づいて、「第２ＥＧＲバルブ開弁特性マップ」に従って、現時点での第２ＥＧＲバルブ５２の目標開度を取得する。この目標開度を実現するように、第２ＥＧＲバルブ５２のアクチュエータに対して制御信号が送られる。
その後、今回のルーチンが終了する。

ステップＳ１０２の結果がＹＥＳであった場合には、次に、ＥＣＵ９０が、ＷＯＴ領域に該当するか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１０６）。ＷＯＴ領域に該当するかどうかの判定は、例えばスロットルセンサの出力に基づく検出等により実施すればよい。

ステップＳ１０６の結果がＮＯであった場合には、ＥＣＵ９０は、ステップＳ１０８の処理を実行する。ステップＳ１０８の処理は、上述した実施の形態にかかる動作の説明のうち「高負荷運転域・過給域」で説明した動作を実現する制御処理である。この時点では、ターボチャージャ６０による過給が行われており、過給圧が高くなっている。ステップＳ１０２の結果がＹＥＳであるため、エンジン負荷が閾値以上となっており、吸気圧が排気圧よりも高い正圧域に存在している。ステップＳ１０８では下記のサブステップＢ１およびサブステップＢ２が実行される。

サブステップＢ１では、ＥＣＵ９０が排気動弁装置２８を前述した内部ＥＧＲ駆動モードに設定する。さらに、ＥＣＵ９０は、吸気バルブ１６ａ、１６ｂの開弁タイミング（位相）がエンジン負荷に応じて比例的に遅角させられるように、吸気動弁装置２６を制御する。前提として、本実施の形態では、ＥＣＵ９０が「吸気バルブ開弁特性マップ」を記憶している。「吸気バルブ開弁特性マップ」は、図３に示すエンジン負荷と吸気バルブ開きタイミングとの関係を規定したマップであり、事前に作成してＥＣＵ９０のＲＯＭに記憶しておく。ステップＳ１０８では、ＥＣＵ９０が、現在のエンジン負荷に基づいて、「吸気バルブ開弁特性マップ」に従って、現時点での吸気バルブ１６ａ、１６ｂの開弁タイミングを取得する。ここでいう開弁タイミングとは、図２に示した基準特性からの遅角量である。ＥＣＵ９０は、この遅角量だけ位相が遅角するように吸気動弁装置２６に対して制御信号が送られる。この結果、図４に示す開弁特性で吸排気バルブ群１６ａ、１６ｂ、２０ａ、２０ｂが駆動される。
一方、サブステップＢ２では、第２ＥＧＲバルブ５２が全開（開度１００％）に設定される。その後、今回のルーチンが終了する。

ステップＳ１０６の結果がＹＥＳであった場合には、ＥＣＵ９０は、ステップＳ１１０の処理を実行する。ステップＳ１１０の処理は、上述した実施の形態にかかる動作の説明のうち「ＷＯＴ域」で説明した動作を実現する制御処理である。ＥＣＵ９０は、吸排気バルブ群１６ａ、１６ｂ、２０ａ、２０ｂが図５に示す開弁特性に従うように、第１ＥＧＲバルブ２０ａが排気行程中に開弁するように所定量だけその位相をコントロールする。これにより、第１ＥＧＲバルブ２０ａが排気バルブの役割を果たすようになる。さらに、第２ＥＧＲバルブ５２は全開とされる。その後、今回のルーチンが終了する。

以上説明した具体的処理によれば、エンジン負荷に応じてＥＧＲガスを増量でき（図３参照）、適正量のＥＧＲガスを、高負荷域においても精度よく確実に燃焼室に再循環させることができる。これにより、スロットル３４を備えるガソリンエンジンシステム２において、大量ＥＧＲを、高負荷域を含む広範囲の運転域に渡って（図３参照）、適正量かつ確実に実施することができる排気還流装置が提供される。
また、上記の具体的処理によれば、バルブオーバーラップ量の調節および第２ＥＧＲバルブ５２の開度増大（全開）によって、正圧域においても、第１ＥＧＲバルブ２０ａの開弁によるＥＧＲガス導入量を十分に確保することができる。
また、本実施の形態によれば、タービン６４、スタート触媒４２およびＥＧＲクーラ５４を経由させることで冷却したＥＧＲガスを得ることができる。高負荷運転域においても低温度かつ適正量の排気ガスを、ＥＧＲガスとして燃焼室に循環させることができる。失火抑制とノッキング抑制の双方の要求を満たしつつ、高負荷運転域でのＥＧＲを内部ＥＧＲ方式で実現することができる。

２ ガソリンエンジンシステム、１０ 気筒、１１ 調整弁、１２ 点火プラグ、１４ 筒内燃料噴射弁、１６ａ 吸気バルブ、１６ｂ 吸気バルブ、１８ａ 吸気ポート、２０ａ 第１ＥＧＲバルブ、２０ｂ 排気バルブ、２２ａ 排気ポート、２２ｂ 排気ポート、２４ 排気管、２４ａ 合流部、２６ 吸気動弁装置、２８ 排気動弁装置、３０ サージタンク、３２ 吸気管、３４ スロットル、３６ インタークーラ、３８ エアフローメータ、４０ エアクリーナ、４２ スタート触媒、４４ メイン触媒、４６ 空燃比センサ、４８ サブ酸素センサ、５０ ＥＧＲ通路、５２ 第２ＥＧＲバルブ、５４ ＥＧＲクーラ、６０ ターボチャージャ、６２ コンプレッサ、６４ タービン

Claims (3)

1. スロットル付の火花点火式内燃機関の燃焼室に連通する第１排気ポートに備えられ、前記第１排気ポートの開閉をする排気バルブと、
   前記燃焼室に連通する第２排気ポートに備えられ、前記第２排気ポートの開閉をする第１バルブと、
   前記第１排気ポートに連通する排気管と、
   一端が前記第２排気ポートに連通し、他の一端が前記排気管に連通するＥＧＲ通路と、
   前記内燃機関の排気行程で前記排気バルブを開き且つ前記内燃機関の吸気行程で前記第１バルブを開く駆動モードを有する動弁装置と、
   前記ＥＧＲ通路において前記一端と前記他の一端との間に設けられ、開度を変更可能な第２バルブと、
   前記駆動モード中に前記内燃機関の負荷が高くなるほど前記第２バルブの開度を大きくする制御部と、
   を備えることを特徴とする火花点火式内燃機関の排気還流装置。
2. 前記火花点火式内燃機関が、過給機を備える過給内燃機関であり、
   前記燃焼室に連通する吸気ポートに備えられた吸気バルブと、
   前記吸気バルブを駆動し、当該吸気バルブの位相が可変な吸気側可変動弁装置と、
   前記火花点火式内燃機関で吸気圧が排気圧よりも高くなる運転域である正圧域において、前記第１バルブと前記吸気バルブとの間のバルブオーバーラップ量の減少をするように、前記吸気弁の位相を遅角する吸気バルブ制御部と、
   を備え、
   前記制御部が、前記正圧域での前記第２バルブの開度を前記火花点火式内燃機関の吸気圧が排気圧よりも低い負圧域での前記第２バルブの開度よりも大きな開度に設定する設定部を、含むことを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の排気還流装置。
3. 前記ＥＧＲ通路において前記第２バルブと前記他の一端との間に設けられたＥＧＲクーラを、更に備えることを特徴とする請求項２に記載の火花点火式内燃機関の排気還流装置。

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