JP5304952B2 - 内燃機関の排気循環装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気循環装置に関するものである。

従来から、内燃機関の燃料消費量の低減を図るために、燃焼室において燃焼したガスをＥＧＲガスとして吸気通路に再循環させる排気循環装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に開示された排気循環装置は、排気通路を流れる排気の一部を吸気通路に再循環させるＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路に設けられ、吸気通路に再循環させるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブと、ＥＧＲバルブより排気通路側に設けられ、再循環させるＥＧＲガスを機関冷却水との熱交換により冷却するＥＧＲクーラとが設けられている。

このような排気循環装置は、ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスの流量をＥＧＲバルブにより調整することによって、内燃機関の運転状態に応じた排気通路から吸気通路へのＥＧＲガスの還流を実現するようになっている。

また、前述したような排気循環装置は、ＥＧＲバルブが開状態から閉状態に切り替わっても、排気脈動などに起因してＥＧＲ通路に排気ガスが入り込む。そこで、排気通路からＥＧＲ通路にＥＧＲガスが流入することを防止する遮断弁を設けた排気循環装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

この特許文献２に開示された排気循環装置は、排気通路にタービンを有し、吸気通路にコンプレッサを有するターボチャージャを備えた車両に搭載され、タービンよりも下流の排気の一部をコンプレッサよりも上流の吸気通路へ還流する低圧のＥＧＲ通路を備えている。

また、特許文献２に開示された排気循環装置は、吸気通路と排気通路とを連通し内燃機関からの排気の一部を吸気通路に循環させる低圧のＥＧＲ通路と、低圧のＥＧＲ通路の途中でＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、ＥＧＲクーラよりも下流側に設けられるとともに、ＥＧＲクーラによって冷却されたＥＧＲガスを吸気通路に還流させる際にその流量を調整するＥＧＲバルブと、ＥＧＲクーラにてＥＧＲガスが冷却されることにより発生する凝縮水がＥＧＲクーラに滞留するか否かを判定する判定手段と、判定手段によりＥＧＲクーラに凝縮水が滞留すると判定され、かつ、ＥＧＲガスが吸気通路に還流されないときにＥＧＲクーラへのＥＧＲガスの流入を抑制する遮断弁と、を備えている。

ここで、ＥＧＲバルブは、低圧のＥＧＲ通路の通路断面積を調整することにより、低圧のＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの量を調整するようになっている。また、遮断弁は、ＥＧＲバルブと異なり、全閉または全開のいずれか一方の状態のみをとるようになっている。

特許文献２に開示された排気循環装置は、上述した構成により、ＥＧＲバルブが全閉状態となりＥＧＲクーラ内で発生した凝縮水が滞留しやすいときに遮断弁が全閉状態となるので、ＥＧＲクーラにＥＧＲガスが流入することを抑制できる。

したがって、ＥＧＲクーラ内における凝縮水の滞留を抑制することができ、ＥＧＲクーラが腐食することを抑制することができる。

特開２００９−２２８５３０号公報 特開２００７−３０３３８１号公報

しかしながら、上述した従来の内燃機関の排気循環装置は、ＥＧＲクーラより上流側の低圧のＥＧＲ通路を形成するＥＧＲ管において凝縮水が発生することを抑制するものではなく、ＥＧＲ管の腐食を抑制することは考慮されていなかった。

例えば、上述した従来の内燃機関の排気循環装置は、冷却水温が低温で内燃機関が暖機状態の場合には、ＥＧＲバルブが全閉状態で、かつ遮断弁が全閉状態であるので、ＥＧＲガスによりＥＧＲ管の温度を上昇させることができない。このような状態で、ＥＧＲバルブが全閉状態から開状態に移行すると、遮断弁が全開状態に移行するので、排気通路から流入したＥＧＲガスがＥＧＲ管によって冷やされ、低圧のＥＧＲ通路上で凝縮水が発生する恐れがあった。そして、一旦ＥＧＲ管内に凝縮水が発生すると、この凝縮水は燃料中のＳ成分により強酸化したり、燃料中のＣｌ成分を塩化物イオンとして含むことによりＥＧＲ管を腐食させる原因となる恐れがあった。

また、上述した従来の内燃機関の排気循環装置は、暖機時に限らず、ＥＧＲバルブが開状態から閉状態に移行すると、遮断弁が全閉状態となるので、ＥＧＲガスが低圧のＥＧＲ通路に流入した状態となる。このとき、ＥＧＲ管の温度が露点温度付近まで低下すると、低圧のＥＧＲ通路上で凝縮水が発生する恐れがあった。特に、エンジンの間欠運転を繰り返すハイブリッド車両の場合には、エンジンが停止した際に凝縮水が発生することがあり、また、ハイブリッド車両でなくとも、通常の運転状態からアイドル運転状態等に移行すると、ＥＧＲ弁が全閉状態に移行するので、凝縮水が発生することがあった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、ＥＧＲクーラより上流側のＥＧＲ管において凝縮水が発生することを抑制し、ＥＧＲ管の腐食を抑制することができる内燃機関の排気循環装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、上記目的達成のため、内燃機関から排気通路に排出された排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に循環させる内燃機関の排気循環装置であって、前記排気通路と前記吸気通路とを連通するＥＧＲ通路が形成されたＥＧＲ管と、前記排気通路側に設けられ、開状態と閉状態との間で駆動されるとともに、前記閉状態の場合に前記ＥＧＲガスが前記ＥＧＲ通路に流入するのを遮断する第１の弁と、前記第１の弁よりも前記吸気通路側に設けられ、開状態と閉状態との間で駆動されるとともに、前記ＥＧＲガスが前記吸気通路に流入する量を調整する第２の弁と、前記第１の弁と前記第２の弁の間の前記ＥＧＲ管に設けられ、前記ＥＧＲ通路に流入するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、前記第１の弁から前記ＥＧＲクーラまでの間の前記ＥＧＲ管を加熱する加熱部と、を備えたことを特徴とする。

この構成により、第１の弁からＥＧＲクーラまでの間のＥＧＲ管を加熱することができるので、エンジン運転中にＥＧＲ管の温度が露点温度付近まで低下することを抑制することができる。したがって、ＥＧＲクーラより上流側のＥＧＲ管における凝縮水の発生を抑制し、ＥＧＲ管の腐食を抑制することができる。

また、本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、前記加熱部は、前記内燃機関の冷却水との熱交換により前記ＥＧＲ管を加熱することを特徴とする。

この構成により、排気循環装置は、内燃機関の冷却水との熱交換によりＥＧＲ管を加熱するので、別途熱源を設けなくても実現でき、別途熱源を設ける場合と比較してコスト低減を図ることができる。また、内燃機関の暖機終了後は、加熱部に供給される冷却水によりＥＧＲガスを冷却できるので、ＥＧＲクーラによるＥＧＲガスの冷却を加熱部にも分担させることが可能となる。したがって、ＥＧＲクーラを簡易な構成にし、コストを下げることができる。

また、本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、前記加熱部および前記ＥＧＲ管が２重管構造を形成するよう前記加熱部が前記ＥＧＲ管の外周側に設置されることを特徴とする。

この構成により、加熱部が簡単な構造により実現できるので、コストを低減できるとともに、排気循環装置の車両への設置が容易になる。

また、本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、前記内燃機関の冷却水の温度を検出する水温センサと、前記水温センサによって検出された前記冷却水の温度が閾値以上となった場合に、前記第１の弁が閉状態から開状態に移行するよう制御するとともに前記第２の弁の開度を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

この構成により、制御部は、冷却水温が閾値以上となった場合に第１の弁が閉状態から開状態に移行するよう制御するとともに第２の弁の開度を制御するので、好適に内燃機関の燃焼状態に応じた排気還流量の制御を実行することができる。さらに、暖機が終了した状態でＥＧＲ通路にＥＧＲガスを流入させることができるので、ＥＧＲガス温度が露点温度以下に低下することがなく、ＥＧＲ管やＥＧＲクーラに凝縮水が発生することを抑制することができる。

また、本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、外気温を検出する外気温センサをさらに備え、前記制御部は、前記外気温センサにより検出された外気温に応じて前記閾値を設定することを特徴とする。

この構成により、制御部は、第１の弁および第２の弁を閉状態から開状態に移行する条件を外気温に応じて設定することができるので、外気温に応じた第１の弁および第２の弁の制御を実行することができる。したがって、第２の弁をＥＧＲバルブにより構成した場合には、ＥＧＲ管の温度環境に応じてＥＧＲバルブを制御することができ、凝縮水の発生を好適に抑制することができる。

また、本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、前記加熱部は、前記内燃機関から前記排気通路に排気ガスを導入する排気マニホールドにより構成され、前記ＥＧＲ管は、前記加熱部からの輻射熱で加熱されることを特徴とする。

この構成により、ＥＧＲ管は、排気マニホールドの輻射熱により加熱されるので、簡単な構造により実現できコストを低減できる。

本発明によれば、ＥＧＲクーラより上流側のＥＧＲ管において凝縮水が発生することを抑制し、ＥＧＲ管の腐食を抑制することができる内燃機関の排気循環装置を提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の排気循環装置を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係るＥＧＲクーラおよびＥＧＲバルブを示す概略斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排気循環装置およびその周辺の構成を示す概略ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る冷却水回路の構成を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係るＥＧＲ制御を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関の排気循環装置を示す概略構成図である。

以下、本発明の第１の実施の形態について、図１ないし図５を参照して説明する。なお、本実施の形態においては、本発明に係る排気循環装置を４気筒のガソリンエンジンを搭載した車両に適用する場合について説明する。

まず、構成について説明する。

図１に示すように、エンジン１は、シリンダヘッド１０と、不図示のシリンダブロックを備えており、シリンダヘッド１０およびシリンダブロックは、４つの気筒５を形成している。これらの気筒５には、ピストンにより燃焼室７がそれぞれ画成されている。また、シリンダヘッド１０には、外気を気筒５に導入するための吸気ポートおよび排気ガスを気筒５から排出するための排気ポートが形成されている。

各吸気ポートには、燃料を噴射するためのインジェクタが設置されており、噴射された燃料は空気と混ざり混合気として燃焼室７に導入される。シリンダヘッド１０には、各燃焼室７に導入された混合気に点火するための点火プラグ１５が配置されており、点火プラグ１５は後述するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００によって点火時期を制御されるようになっている。

また、インジェクタは電磁駆動式の開閉弁により構成されており、ＥＣＵ１００により所定電圧が印加されると、開弁して各気筒５の吸気ポートに燃料を噴射するようになっている。

エンジン１は、さらに、シリンダヘッド１０に接続される吸気マニホールド１１ａを有しており、この吸気マニホールド１１ａは吸気通路１１の一部を構成している。吸気通路１１は、吸気管１４の内部に形成されており、上流側から順に図示しないエアクリーナおよびエアフロメータ２２が設けられている。吸気通路１１には、さらに、吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ１８が吸気マニホールド１１ａの上流側に設けられている。また、吸気マニホールド１１ａには、吸気温センサ２３および圧力センサ２４が設けられている。

スロットルバルブ１８は、その開度を無段階に調整することが可能な電子制御式の開閉弁により構成されており、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整するようになっている。ＥＣＵ１００は、スロットルバルブ１８に設置されたスロットルモータを制御してスロットルバルブ１８の開度を調節するようになっている。

エンジン１は、さらに、シリンダヘッド１０に接続される排気マニホールド１２ａを有しており、この排気マニホールド１２ａは排気通路１２の一部を構成している。排気通路１２には、例えば三元触媒により構成される触媒装置１３が配置されている。触媒装置１３の上流側の排気通路１２にはＡ／Ｆセンサ２５が配置されている。また、触媒装置１３の下流側の排気通路１２には排気温センサ２６が配置されている。これらＡ／Ｆセンサ２５および排気温センサ２６の各出力信号はＥＣＵ１００に入力される。

エンジン１は、さらに、ＥＧＲ装置３０を備えている。ＥＧＲ装置３０は、排気通路１２を流れる排気ガスの一部を吸気通路１１に還流させて、各気筒５の燃焼室７へＥＧＲガスとして供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ発生量を低減させるようになっている。また、ポンピングロスが低減し、燃費が向上するようになっている。

ＥＧＲ装置３０は、吸気マニホールド１１ａと排気管１６とを接続し、内部にＥＧＲ通路３４が形成されたＥＧＲ管３３を備えている。このＥＧＲ管３３には、ＥＧＲガス流れの上流側から順に、ＥＧＲ通路３４を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ３１およびＥＧＲバルブ３２が設けられている。

吸気マニホールド１１ａには、ステンレスにより形成された図示しないデリバリパイプが配置されている。デリバリパイプは、ＥＧＲ通路３４と吸気マニホールド１１ａとを連通させる管状部材により構成されている。

ＥＧＲ装置３０は、さらに、後述するＥＧＲ遮断弁３５とＥＧＲクーラ３１との間のＥＧＲ管３３を加熱する加熱用配管４５を有している。加熱用配管４５は、ステンレスなどの金属部材により構成されており、加熱用配管４５およびＥＧＲ管３３が２重管構造を形成するよう加熱用配管４５がＥＧＲ管３３の外周側に設置されている。

そして、ＥＧＲ管３３の外周面と加熱用配管４５の内周面により冷却水路４６が形成されている。この冷却水路４６は、後述する冷却水回路４０の第３経路４９の一部を構成しており、エンジン１の冷却水が、流入ポート４６ａを介して供給され排出ポート４６ｂを介して排出されるようになっている。つまり、本実施の形態に係る加熱用配管４５は、本発明に係る加熱部を構成する。

なお、ＥＧＲ管３３の排気管１６に近い部分は、排気通路１２を流れる高温の排気ガスにより加熱される。そのため、ＥＧＲ管３３の排気管１６に近い部分に加熱用配管４５が配置されると、冷却水温は排気温よりも低いため、エンジン１の暖機中においては加熱がむしろ遅くなる。したがって、加熱用配管４５は、エンジン１の暖機時に、排気通路１２を流れる排気ガスより冷却水による加熱の効果が大きい位置に設置されると好適である。このため、本実施の形態においては、図１に示すように加熱用配管４５の上流側端部が排気管１６とＥＧＲ管３３の分岐部から所定距離離れた場所に位置している。

ＥＧＲクーラ３１は、主にステンレスにより形成されており、図１および図２に示すように、筐体３１ａ内におけるＥＧＲガスの通路の外周部に冷却水配管が張り巡らされた構成を有している。ＥＧＲ通路３４から供給されたＥＧＲガスは、ＥＧＲガスの通路を通過する際に冷却水配管を流れる冷却水との熱交換により冷却され、下流側へ導かれるようになっている。ＥＧＲクーラ３１には、エンジン１を通過した冷却水を導入するためのインレットパイプ３１ｄおよびＥＧＲバルブ３２の不図示のインレットパイプと接続されるアウトレットパイプ３１ｅが接続されており、冷却水は、インレットパイプ３１ｄから冷却水配管に流入し、アウトレットパイプ３１ｅから排出される。

ＥＧＲバルブ３２は、その内部に設けられたＥＧＲバルブ駆動手段３２ａと、基端部分がＥＧＲバルブ駆動手段３２ａに挿通された状態で配設され、その先端部分にＥＧＲ通路３４を開閉する弁体３２ｂが設けられたシャフト３２ｃとを備えている。ＥＧＲバルブ駆動手段３２ａは、例えばステップモータやＤＣモータにより構成されている。そして、ＥＣＵ１００は、ＥＧＲバルブ駆動手段３２ａを通電制御することにより、その電磁力と図示しないスプリングの付勢力によりシャフト３２ｃがその軸方向に往復駆動され、弁体３２ｂによりＥＧＲ通路３４が開閉される。ここで、本実施の形態に係るＥＧＲバルブ３２は、本発明に係る第２の弁を構成する。

また、ＥＧＲバルブ３２は、主にアルミニウムやステンレスなどの金属により構成されている。ＥＧＲバルブ３２の筐体３２ｄには、ＥＧＲバルブ水路がシャフト３２ｃを囲むように形成されている。このＥＧＲバルブ水路の上流側の端部にはインレットパイプが接続されており、ＥＧＲクーラ３１のアウトレットパイプ３１ｅから排出された冷却水は、このインレットパイプを介してＥＧＲバルブ水路に導入される。また、ＥＧＲバルブ水路の下流側の端部にはアウトレットパイプ３２ｆが接続されている。そして、ＥＧＲバルブ水路を流れる冷却水により、高温の排気に曝されることとなるシャフト３２ｃおよび弁体３２ｂが冷却されるとともに、ＥＧＲバルブ駆動手段３２ａも冷却されるようになっている。

ＥＣＵ１００は、ＥＧＲバルブ３２の開度を調整することによって、排気通路１２と吸気通路１１とを連通し排気マニホールド１２ａから吸気マニホールド１１ａに導入されるＥＧＲガス量、すなわち排気還流量を調整するようになっている。

ＥＧＲクーラ３１の筐体３１ａは、熱伝導性を有する金属により形成されており、上流端部および下流端部に締結部３１ｂ、３１ｃをそれぞれ有している。また、ＥＧＲバルブ３２の筐体３２ｄも、熱伝導性を有する金属により形成されており、上流端部に締結部３２ｅを有している。

そして、本実施の形態に係るＥＧＲクーラ３１およびＥＧＲバルブ３２は、図２に示すように、締結部３１ｃ、３２ｅによってＥＧＲ管を介さずに互いに締結されるようになっている。これらの締結部３１ｃ、３２ｅは、例えば気密結合用のフランジにより構成されており、ボルト等の締結手段により互いに締め付け固定されたり、溶接など公知の方法により固定されるようになっている。これらの締結部３１ｃおよび３２ｅを介してＥＧＲクーラ３１とＥＧＲバルブ３２との間における熱伝導が可能となっている。

また、ＥＧＲクーラ３１の締結部３１ｂは、ＥＧＲ管３３に形成されている締結部３３ａと互いに締結するようになっている。これらの締結部３１ｂ、３３ａも、例えば気密結合用のフランジにより構成されており、ボルト等の締結手段により互いに締め付け固定されたり、溶接など公知の方法により固定されるようになっている。

本実施の形態に係るＥＧＲ装置３０は、さらに、ＥＧＲクーラ３１の上流側にＥＧＲ遮断弁３５を備えている。ＥＧＲ遮断弁３５は、アルミニウムやステンレスなどの金属により形成されており、ダイヤフラム弁や電磁駆動弁など、全開となる開状態および全閉となる閉状態とを取ることが可能な弁により構成されている。このＥＧＲ遮断弁３５は、後述するように、所定の運転条件下においてＥＧＲ通路３４を遮断し、排気マニホールド１２ａに排出された排気ガスがＥＧＲ装置３０に流入することを防止するようになっている。なお、ＥＧＲ遮断弁３５は、開状態と閉状態との間の任意の状態を取ることが可能な弁により構成されていてもよい。ここで、本実施の形態に係るＥＧＲ遮断弁３５は、本発明に係る第１の弁を構成する。

図１および図３に示すように、エンジン１の各部には、上述した各種センサのほかに、冷却水温センサ２１、排気温センサ２６、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ２９、スロットルバルブ１８の開度に応じた検出信号を出力するスロットル開度センサ２７、バルブ開度センサ３６および遮断弁開度センサ３９が設置されている。また、エンジン１が積載される車両には、エンジン１のクランクシャフトの回転数を検出し、エンジン回転数として出力するエンジン回転数センサ３７および外気温センサ３８が設置されている。

冷却水温センサ２１は、エンジン１のシリンダブロックに形成されたウォータージャケットに配置され、エンジン１の冷却水温ＴＨＷに応じた検出信号をＥＣＵ１００に出力する。エアフロメータ２２は、吸気通路１１のスロットルバルブ１８の上流側に配置され、吸入空気量に応じた検出信号をＥＣＵ１００に出力する。吸気温センサ２３は、吸気マニホールド１１ａに配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号をＥＣＵ１００に出力する。圧力センサ２４は、吸気マニホールド１１ａに配置され、吸気圧に応じた検出信号をＥＣＵ１００に出力する。

Ａ／Ｆセンサ２５は、触媒装置１３の上流側の排気通路１２に配置されており、排気ガス中の酸素濃度（排気Ａ／Ｆ）に応じた検出信号をＥＣＵ１００に出力する。排気温センサ２６は、触媒装置１３の下流側の排気通路１２に配置され、排気ガスの温度に応じた検出信号をＥＣＵ１００に出力する。バルブ開度センサ３６は、ＥＧＲバルブ３２の開度に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。外気温センサ３８は、外気温を表す信号をＥＣＵ１００に出力する。遮断弁開度センサ３９は、ＥＧＲ遮断弁３５の開度に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。

ＥＣＵ１００は、エンジン１を搭載する車両に搭載されており、図３に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３およびバックアップＲＡＭ１０４などを備えている。なお、本実施の形態に係るＥＣＵ１００は、本発明に係る排気循環装置の一部を構成する。

ＲＯＭ１０２は、排気還流量を調節するＥＧＲ制御を実施するためのプログラムおよび気筒５に対する燃料噴射量を制御するための制御プログラムを含む各種制御プログラムや、これらの各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップなどが記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行するようになっている。また、ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１による演算結果や、上述した各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するようになっている。バックアップＲＡＭ１０４は、不揮発性のメモリにより構成されており、例えばエンジン１の停止時に保存すべきデータ等を記憶するようになっている。

ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３およびバックアップＲＡＭ１０４は、バス１０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース１０５および出力インターフェース１０６と接続されている。

入力インターフェース１０５には、冷却水温センサ２１、エアフロメータ２２、吸気温センサ２３、圧力センサ２４、Ａ／Ｆセンサ２５、排気温センサ２６、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ２９、スロットルバルブ１８の開度に応じた検出信号を出力するスロットル開度センサ２７、バルブ開度センサ３６、エンジン１のクランクシャフトの回転数を検出し、エンジン回転数として出力するエンジン回転数センサ３７、外気温センサ３８および遮断弁開度センサ３９などが接続されている。

出力インターフェース１０６は、点火プラグ１５、スロットルバルブ１８、ＥＧＲバルブ３２、ＥＧＲ遮断弁３５および図示しないインジェクタなどに接続されている。

そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサの出力に基づいて、ＥＧＲ制御および燃料噴射量制御などを含むエンジン１の各種制御を実行する。

図４は、本実施の形態に係るＥＧＲ装置３０に冷却水を供給する冷却水回路４０を示す模式図である。冷却水回路４０は、ウォーターポンプ４４から吐出した冷却水を、エンジン１、ヒータコア４１、ＥＧＲクーラ３１、ＥＧＲバルブ３２およびスロットルバルブ１８の順に供給し、ウォーターポンプ４４に戻す第１経路４７と、エンジン１を構成するシリンダヘッド１０の下流に設置されている図示しない三方弁により第１経路４７から分岐され、エンジン１から流出した冷却水の一部をラジエータ４２に供給し、ウォーターポンプ４４に戻す第２経路４８とを有している。

冷却水回路４０は、さらに、ヒータコア４１の下流側の第１経路４７から分岐し、加熱用配管４５を経て、スロットルバルブ１８の上流側の第１経路４７に合流する第３経路４９を有している。

第１経路４７を還流する冷却水は、エンジン１を構成するシリンダブロックおよびシリンダヘッド１０との熱交換により加熱される。そして、冷却水の一部は、ヒータコア４１との熱交換により冷却され、その後ＥＧＲクーラ３１に供給される。また、冷却水の残りは、ヒータコア４１との熱交換が行われた後、第３経路４９に流入し、加熱用配管４５においてＥＧＲ管３３との熱交換により冷却される。そして、スロットルバルブ１８の上流側において第１経路４７を還流する冷却水と合流する。

一方、第２経路４８を還流する冷却水は、シリンダヘッド１０の下流に設置されている図示しないサーモスタットにより第１経路４７から分岐されると、ラジエータ４２に供給され外気との熱交換により冷却される。また、サーモスタットは、暖機中や寒冷地域の走行に起因してエンジン１の冷却水温ＴＨＷが通常走行時の冷却水温と比較して低温となっている場合には、ラジエータ４２とウォーターポンプ４４との間の経路を遮断するようになっている。また、サーモスタットは、冷却水温ＴＨＷが上昇するにしたがって、ラジエータ４２とウォーターポンプ４４との間の経路を徐々に開放し、第１経路４７を還流する冷却水量に対する第２経路４８を還流する冷却水量の割合を増加するようになっている。

本発明の実施の形態に係る制御装置を構成するＥＣＵ１００は、さらに、冷却水温センサ２１から入力される信号に基づいて、冷却水温ＴＨＷが所定値ＴＨＷｔｈ未満であると判断すると、ＥＧＲ遮断弁３５を閉状態に移行するようになっている。

所定値ＴＨＷｔｈとしては、例えば、７０℃などエンジン１の暖機が終了しＥＧＲ制御が開始される温度に設定されている。ここで、排気ガスの露点温度は６０℃以下である。したがって、冷却水温ＴＨＷが７０℃以上である場合には、ＥＧＲ装置３０に排気ガスが供給されたとしても、ＥＧＲクーラ３１内において凝縮水が発生することを抑制できる。また、冷却水は、ＥＧＲバルブ３２にも供給されるので、ＥＧＲバルブ３２において凝縮水が発生することも抑制できる。

また、本実施の形態に係るＥＧＲ装置３０は、従来のＥＧＲ装置と異なり、ＥＧＲクーラ３１とＥＧＲバルブ３２の間に冷却水により加熱されないＥＧＲ管が設置されていない。そのため、従来のＥＧＲ装置においては、冷却水温ＴＨＷが所定値ＴＨＷｔｈに達しＥＧＲ遮断弁３５が全閉状態から全開状態に移行した際に、このＥＧＲ管がまだ十分に温まっておらず、このＥＧＲ管内において凝縮水が発生する場合があった。これに対し、本実施の形態に係るＥＧＲ装置３０は、暖機が終了しＥＧＲ遮断弁が開状態に移行した際に、ＥＧＲクーラ３１とＥＧＲバルブ３２の間においてＥＧＲガスが冷却され凝縮水が発生しない構成を有している。

また、ＥＣＵ１００は、ＥＧＲ制御を実行せず、ＥＧＲバルブ３２を全閉状態に移行している場合には、ＥＧＲ遮断弁３５も全閉状態に移行することにより、ＥＧＲバルブ３２が全閉状態である場合に排気脈動で排気がＥＧＲ装置３０に流入することを防止するようになっている。このように、ＥＧＲバルブ３２が全閉状態を取ると、ＥＧＲ遮断弁３５も全閉状態をとり、ＥＧＲバルブ３２が開状態、すなわち全閉状態以外の状態を取る場合には、ＥＧＲ遮断弁３５は全開状態を取るようになっている。

また、ＥＣＵ１００は、冷却水温センサ２１から入力される信号に基づいて冷却水温ＴＨＷが７０℃を超えたと判断した場合には、ＥＧＲ遮断弁３５を全開状態に移行するとともに、ＥＧＲ制御を開始するようになっている。

また、ＥＣＵ１００は、暖機が終了したと判断し、ＥＧＲ遮断弁３５を開状態に移行すると、ＥＧＲバルブ３２を制御して、ＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲ制御を実行するようになっている。ＥＣＵ１００は、エンジン回転数及びエンジン負荷とＥＧＲバルブ３２の開度とを対応付けた開度マップをＲＯＭ１０２に記憶しており、エンジン回転数センサ３７により検出されたエンジン回転数およびエアフロメータ２２により検出された吸入空気量から求められるエンジン負荷を取得すると、ＲＯＭ１０２に記憶されている開度マップを参照してＥＧＲバルブ３２の開度を設定するようになっている。

なお、ＥＣＵ１００は、吸入空気量とエンジン負荷とを対応付けたエンジン負荷マップを予めＲＯＭ１０２に記憶している。吸入空気量とエンジン負荷との対応は予め実験的な測定により求められている。なお、エンジン負荷は、例えば、吸入空気量の代わりにエンジン１における燃料噴射量から算出する方法など、公知の方法により算出されていればよい。

次に、本発明の実施の形態に係る排気循環装置の動作について説明する。

図５は、本発明の実施の形態に係るＥＧＲ制御を説明するためのフローチャートである。なお、以下の処理は、ＥＣＵ１００を構成するＣＰＵ１０１によって所定の時間間隔で実行されるとともに、ＣＰＵ１０１によって処理可能なプログラムを実現する。

ＥＣＵ１００は、まず、冷却水温センサ２１から取得した信号に基づいて、冷却水温ＴＨＷが所定値ＴＨＷｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１）。

ＥＣＵ１００は、冷却水温ＴＨＷが所定値ＴＨＷｔｈ以上であると判断した場合には（ステップＳ１でＹＥＳ）、ＥＧＲ通路３４に排気ガスがＥＧＲガスとして流入しても、ＥＧＲクーラ３１やＥＧＲバルブ３２において凝縮水が発生しないため、ＥＧＲ遮断弁３５を閉状態から開状態に移行する（ステップＳ２）。このとき、ＥＧＲ管３３も冷却水路４６に供給された冷却水により加熱されているので、ＥＧＲ管３３においても凝縮水が発生しない。

一方、冷却水温ＴＨＷが所定値ＴＨＷｔｈに達していないと判断した場合には（ステップＳ１でＮＯ）、ＥＧＲ通路３４に排気ガスが流入し、ＥＧＲクーラ３１あるいはＥＧＲバルブ３２において露点温度以下になることにより凝縮水が発生することを防止するため、ＥＧＲ遮断弁３５を閉状態に移行し（ステップＳ３）、ＲＥＴＵＲＮに移行する。このとき、エンジン１により加熱された冷却水が冷却水路４６に供給されるので、ＥＧＲ管３３は、高温の排気ガスが流入せずとも加熱される。

なお、ステップＳ３において、ＥＧＲ遮断弁３５がすでに閉状態にあるならば、ＥＣＵ１００はＥＧＲ遮断弁３５の閉状態を継続する。

ステップＳ４に移行した場合、ＥＣＵ１００は、エンジン１の燃焼状態に応じたＥＧＲバルブ３２の制御を実行する。具体的には、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数センサ３７からエンジン回転数を表す信号を取得するとともに、エアフロメータ２２から入力された信号とＲＯＭ１０２に記憶されているエンジン負荷マップによりエンジン負荷を算出する。そして、ＥＣＵ１００は、ＲＯＭ１０２に記憶されている開度マップに基づいてＥＧＲバルブ３２の開度を設定する。

以上のように、本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の排気循環装置は、ＥＧＲ遮断弁３５からＥＧＲクーラ３１までの間のＥＧＲ管３３を加熱することができるので、エンジン１の運転中にＥＧＲ管３３の温度が露点温度付近まで低下することを抑制することができる。したがって、ＥＧＲクーラ３１より上流側のＥＧＲ管３３における凝縮水の発生を抑制し、ＥＧＲ管３３の腐食を抑制することができる。

また、ＥＧＲ装置３０は、エンジン１の冷却水との熱交換によりＥＧＲ管３３を加熱するので、別途熱源を設けなくても実現でき、別途熱源を設ける場合と比較してコスト低減を図ることができる。

また、エンジン１の暖機終了後は、加熱用配管４５に供給される冷却水によりＥＧＲガスを冷却できるので、ＥＧＲクーラ３１によるＥＧＲガスの冷却を加熱用配管４５にも分担させることが可能となる。したがって、ＥＧＲクーラ３１を簡易な構成にし、コストを下げることができる。

また、加熱用配管４５とＥＧＲ管３３が２重管構造を形成しているので、加熱用配管４５が簡単な構造により実現でき、コストを低減できるとともに、ＥＧＲ装置３０の車両への設置が容易になる。

また、ＥＣＵ１００は、冷却水温が閾値以上となった場合にＥＧＲ遮断弁３５が閉状態から開状態に移行するよう制御するとともにＥＧＲバルブ３２の開度を制御するので、好適にエンジン１の燃焼状態に応じた排気還流量の制御を実行することができる。さらに、暖機が終了した状態でＥＧＲ通路３４にＥＧＲガスを流入させることができるので、ＥＧＲガス温度が露点温度以下に低下することがなく、ＥＧＲ管３３やＥＧＲクーラ３１に凝縮水が発生することを抑制することができる。

なお、以上の説明においては、ＥＣＵ１００は、冷却水温ＴＨＷが所定値ＴＨＷｔｈ以上となった場合にＥＧＲ制御を実行する場合について説明した。しかしながら、ＥＧＲ管３３において、加熱用配管４５よりも上流側の部分の温度は、外気温により変化する。したがって、ＥＣＵ１００は、所定値ＴＨＷｔｈを外気温に応じて補正するようにしてもよい。

例えば、外気温が高い場合には、ＥＧＲ管３３における加熱用配管４５よりも上流側の部分も温度が高くなっている。したがって、冷却水温が所定値ＴＨＷｔｈより低い状態でもＥＧＲ管３３の温度はＥＧＲガスの露点温度より高くなっている。一方、外気温が低い場合には、ＥＧＲ管３３における加熱用配管４５よりも上流側の部分も温度が低くなっている。そのため、ＥＧＲ管３３の温度を高めるためには、冷却水温を所定値ＴＨＷｔｈより高くする必要が生じる。

したがって、ＥＣＵ１００は、外気温センサ３８から入力される信号に基づいて、外気温が高いほど所定値ＴＨＷｔｈを高く補正し、外気温が低いほど所定値ＴＨＷｔｈを低く補正する。なお、ＥＣＵ１００は、補正後の所定値ＴＨＷｔｈがＥＧＲガスの露点温度より高い範囲で所定値ＴＨＷｔｈに対する補正を行うようになっている。つまり、本実施の形態に係るＥＣＵ１００は、本発明に係る制御部を構成する。

これにより、ＥＣＵ１００は、ＥＧＲバルブ３２およびＥＧＲ遮断弁３５を閉状態から開状態に移行する条件を外気温に応じて設定することができるので、外気温に応じたＥＧＲバルブ３２およびＥＧＲ遮断弁３５の制御を実行することができる。したがって、ＥＣＵ１００は、ＥＧＲ管３３の温度環境に応じてＥＧＲバルブ３２を制御することができ、凝縮水の発生を好適に抑制することができる。

また、以上の説明においては、加熱用配管４５に供給される冷却水がヒータコア４１から供給される場合について説明したが、これに限定されず、冷却水がエンジン１からヒータコア４１を介さずに加熱用配管４５に供給されるようにしてもよい。この場合、冷却水は、ヒータコア４１における熱交換により温度が低下することなく加熱用配管４５に供給されるので、加熱用配管４５をより短時間で加熱することができる。

また、以上の説明においては、加熱用配管４５によりＥＧＲ管３３を加熱する場合について説明したが、これに限定されず、ＥＧＲ管が、排気マニホールド１２ａからの伝熱あるいは輻射熱により加熱されるようにしてもよい。

以下、本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関の排気循環装置について、図６を参照して説明する。

なお、第２の実施の形態に係る排気循環装置において、上述の第１の実施の形態に係る排気循環装置と同様の構成要素については、第１の実施の形態と同様の符号を用いて説明し、特に相違点についてのみ詳述する。

本実施の形態に係るＥＧＲ装置５０は、ＥＧＲクーラ３１より上流側のＥＧＲ管６１が、排気マニホールド１２ａの近傍に設置されている。ＥＧＲ管６１と排気マニホールド１２ａとの距離は、エンジン１の暖機時において、排気マニホールド１２ａの輻射熱がＥＧＲ管６１に到達しＥＧＲ管６１を加熱可能となるよう設定されている。つまり、本実施の形態においては、排気マニホールド１２ａが本発明に係る加熱部を構成する。

これにより、ＥＧＲ管６１は、ＥＧＲ遮断弁３５が全閉となりＥＧＲ管６１内に形成されたＥＧＲ通路６２に高温の排気ガスが流入しない場合においても、排気マニホールド１２ａの輻射熱により加熱される。したがって、エンジン１の暖機が終了しＥＧＲ遮断弁３５が全開状態に移行した際に、排気ガスはＥＧＲ通路６２に流入しても露点温度以下とならず、凝縮水の発生を抑制することができる。

ここで、ＥＧＲ管６１の上流端近傍は、第１の実施の形態に係るＥＧＲ装置３０と同様、排気通路１２を流通する高温の排気ガスにより加熱される。したがって、ＥＧＲ管６１は、排気ガスによる加熱の効果が低い位置が排気マニホールド１２ａの近傍に位置していればよい。

また、ＥＧＲ管６１は、排気マニホールド１２ａによる輻射熱の代わり排気マニホールド１２ａからの伝熱により加熱されるようにしてもよい。この場合、ＥＧＲクーラ３１より上流側のＥＧＲ管６１の長さを従来よりも短くすることにより、ＥＧＲクーラ３１より上流側に位置するＥＧＲ管６１全体を伝熱により加熱することが可能となる。また、ＥＧＲ管６１は、排気マニホールド１２ａによる輻射熱および伝熱により加熱されるようにしてもよい。

以上のように、本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関の排気循環装置は、ＥＧＲ管３３が、排気マニホールド１２ａの輻射熱により加熱されるので、簡単な構造により実現できコストを低減できる。

なお、以上の説明においては、ＥＧＲ装置３０、５０がターボユニットを備えないエンジン１に適用される場合について説明したが、これに限定されず、ＥＧＲ装置３０、５０がターボユニットを備えるエンジン１に適用されてもよい。

この場合、ＥＧＲ装置３０、５０は、タービンホイールの上流側から排気ガスを取得してコンプレッサホイールの下流側にＥＧＲガスとして還流するいわゆるＨＰＬ（High-Pressure Loop）を構成してもよい。また、ＥＧＲ装置３０、５０が、タービンホイールの下流側から排気ガスを取得してコンプレッサホイールの上流側にＥＧＲガスとして還流するＬＰＬ（Low-Pressure Loop）を構成していてもよい。

また、以上の説明においては、ＥＧＲ管３３、６１が触媒装置１３の下流側の排気管１６から分岐される場合について説明したが、これに限定されず、ＥＧＲ管３３、６１が触媒装置１３の上流側の排気管１６あるいは排気マニホールド１２ａから分岐されていてもよい。ＥＧＲ管３３、６１が排気マニホールド１２ａから分岐される場合には、ＥＧＲ管３３、６１は排気マニホールド１２ａと一体的に形成されていてもよく、あるいはＥＧＲ管３３、６１と排気マニホールド１２ａとが気密結合用のフランジ等により互いに接続されていてもよい。

また、以上の説明においては、ＥＧＲクーラ３１とＥＧＲバルブ３２とが別々の部品として形成される場合について説明した。しかしながら、ＥＧＲクーラ３１とＥＧＲバルブ３２とが一つの筐体内に収容されるよう形成されていてもよい。

また、ＥＧＲ装置３０、５０は、ガソリンエンジンにより構成されたエンジン１を搭載した車両に適用される場合について説明したが、これに限定されず、ＥＧＲ装置３０、５０は、ディーゼルエンジンなど公知の内燃機関を搭載した車両に適用されていればよい。

また、以上の説明においては、燃料が吸気ポートに噴射されるポート噴射式エンジンにＥＧＲ装置３０、５０が適用される場合について説明したが、これに限定されず、燃料が各燃焼室７に直接噴射される筒内噴射式エンジンにＥＧＲ装置３０、５０が適用されていてもよい。また、筒内噴射およびポート噴射のいずれもが行われるエンジンにＥＧＲ装置３０、５０が適用されていてもよい。

また、ＥＧＲ装置３０、５０は、エンジン１のみを動力源とする車両のみならず、エンジンおよび回転電機を動力源とするハイブリッド車両に適用されていてもよい。

以上のように、本発明に係る排気循環装置は、ＥＧＲクーラより上流側のＥＧＲ管において凝縮水が発生することを抑制し、ＥＧＲ管の腐食を抑制することができるという効果を奏するものであり、内燃機関の排気循環装置に有用である。

１ エンジン
５ 気筒
７ 燃焼室
１１ 吸気通路
１１ａ 吸気マニホールド
１２ 排気通路
１２ａ 排気マニホールド
１３ 触媒装置
１６ 排気管
１８ スロットルバルブ
２１ 冷却水温センサ
２２ エアフロメータ
２３ 吸気温センサ
２４ 圧力センサ
２６ 排気温センサ
３０ ＥＧＲ装置
３１ ＥＧＲクーラ
３２ ＥＧＲバルブ
３２ａ リニアソレノイド
３３ ＥＧＲ管
３４ ＥＧＲ通路
３５ ＥＧＲ遮断弁
３６ バルブ開度センサ
３７ エンジン回転数センサ
３８ 外気温センサ
３９ 遮断弁開度センサ
４０ 冷却水回路
４５ 加熱用配管
４６ 冷却水路
５０ ＥＧＲ装置
６１ ＥＧＲ管
１００ ＥＣＵ

Claims (6)

1. 内燃機関から排気通路に排出された排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に循環させる内燃機関の排気循環装置であって、
   前記排気通路と前記吸気通路とを連通するＥＧＲ通路が形成されたＥＧＲ管と、
   前記排気通路側に設けられ、開状態と閉状態との間で駆動されるとともに、前記閉状態の場合に前記ＥＧＲガスが前記ＥＧＲ通路に流入するのを遮断する第１の弁と、
   前記第１の弁よりも前記吸気通路側に設けられ、開状態と閉状態との間で駆動されるとともに、前記ＥＧＲガスが前記吸気通路に流入する量を調整する第２の弁と、
   前記第１の弁と前記第２の弁の間の前記ＥＧＲ管に設けられ、前記ＥＧＲ通路に流入するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、
   前記第１の弁から前記ＥＧＲクーラまでの間の前記ＥＧＲ管を加熱する加熱部と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気循環装置。
2. 前記加熱部は、前記内燃機関の冷却水との熱交換により前記ＥＧＲ管を加熱することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気循環装置。
3. 前記加熱部および前記ＥＧＲ管が２重管構造を形成するよう前記加熱部が前記ＥＧＲ管の外周側に設置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気循環装置。
4. 前記内燃機関の冷却水の温度を検出する水温センサと、
   前記水温センサによって検出された前記冷却水の温度が閾値以上となった場合に、前記第１の弁が閉状態から開状態に移行するよう制御するとともに前記第２の弁の開度を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１の請求項に記載の内燃機関の排気循環装置。
5. 外気温を検出する外気温センサをさらに備え、
   前記制御部は、前記外気温センサにより検出された外気温に応じて前記閾値を設定することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気循環装置。
6. 前記加熱部は、前記内燃機関から前記排気通路に排気ガスを導入する排気マニホールドにより構成され、
   前記ＥＧＲ管は、前記加熱部からの輻射熱で加熱されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気循環装置。

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