(57)【要約】【課題】希薄燃焼が行われている場合に、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するようにＥＧＲを行う排気ガス還流装置を提供する。【解決手段】吸気バルブ３と排気バルブ５の少なくとも一方の開閉弁特性を制御して気筒内残留排気ガス量を制御する内部ＥＧＲ制御を実施する手段と、排気ガスの少なくとも一部を吸気通路へ流入させる排気再循環通路６と、該排気再循環通路６を通る排気ガスの流量を調整する制御弁７とを有していて吸入排気ガス量を制御する外部ＥＧＲ制御を実施する手段と、を具備する、ガソリンエンジンに適用される排気ガス還流装置であって、上記エンジンが理論空燃比より大きな空燃比で燃焼を行っている場合において上記の何れかのＥＧＲ制御を実施する場合には、空燃比が所定値より小さい時には内部ＥＧＲ制御を実施し、空燃比が所定値以上になると外部ＥＧＲ制御に切替る排気ガス還流装置が提供される。【選択図】      図１
2004263642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気バルブと排気バルブとのうちの少なくとも一方の開閉弁特性を制御して気筒内に残留する排気ガス量を制御する内部ＥＧＲ制御を実施する内部ＥＧＲ手段と、
気筒から排気通路へ排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路へ流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整する制御弁とを有していて気筒内へ吸入される排気ガス量を制御する外部ＥＧＲ制御を実施する外部ＥＧＲ手段と、を具備する、ガソリンエンジンに適用される排気ガス還流装置であって、
上記ガソリンエンジンが理論空燃比より大きな空燃比で燃焼を行っている場合において上記の何れかのＥＧＲ制御を実施する場合には、空燃比が所定値より小さい時には内部ＥＧＲ制御を実施し、空燃比が上記所定値以上になると内部ＥＧＲ制御から外部ＥＧＲ制御に切替ることを特徴とする排気ガス還流装置。
【請求項２】
上記外部ＥＧＲ手段が上記排気再循環通路を通る排気ガスを冷却する排気冷却手段を有していて、上記外部ＥＧＲ制御を実施する場合に上記排気再循環通路を通る排気ガスが冷却される、請求項１に記載の排気ガス還流装置。
【請求項３】
成層燃焼を行う場合がある直噴ガソリンエンジンに適用する排気ガス還流装置であり、気筒から排気通路へ排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路へ流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整する制御弁と、上記排気再循環通路を通る排気ガスを冷却する排気冷却手段とを有していて気筒内へ吸入される排気ガス量を制御する外部ＥＧＲ制御を実施する外部ＥＧＲ手段を具備する排気ガス還流装置であって、
上記直噴ガソリンエンジンが成層燃焼を行っている場合において、上記直噴ガソリンエンジンの負荷が所定のエンジン負荷より大きい時には上記排気冷却手段を作動させずに上記外部ＥＧＲ制御を実施し、上記負荷が上記所定のエンジン負荷以下になると上記排気冷却手段を作動させて上記排気再循環通路を通る排気ガスを冷却しつつ上記外部ＥＧＲ制御を実施することを特徴とする排気ガス還流装置。
【請求項４】
成層燃焼を行う場合がある直噴ガソリンエンジンに適用する排気ガス還流装置であり、気筒から排気通路へ排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路へ流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整する制御弁と、上記排気再循環通路を通る排気ガスを冷却する排気冷却手段とを有していて気筒内へ吸入される排気ガス量を制御する外部ＥＧＲ制御を実施する外部ＥＧＲ手段を具備する排気ガス還流装置であって、
上記直噴ガソリンエンジンが成層燃焼を行っている場合に上記外部ＥＧＲ制御を実施し、上記排気冷却手段を用いてＥＧＲ率とは独立に気筒内に吸入される新気量を制御することを特徴とする、排気ガス還流装置。
【請求項５】
成層燃焼を行う場合がある直噴ガソリンエンジンに適用する排気ガス還流装置であり、気筒から排気通路へ排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路へ流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整する制御弁と、上記排気再循環通路を通る排気ガスを冷却する排気冷却手段とを有していて気筒内へ吸入される排気ガス量を制御する外部ＥＧＲ制御を実施する外部ＥＧＲ手段を具備する排気ガス還流装置であって、
上記直噴ガソリンエンジンが成層燃焼を行っている場合に上記外部ＥＧＲ制御を実施し、上記制御弁と、上記排気冷却手段と、スロットル弁とを制御することによって、ＥＧＲ率と気筒内に吸入される新気量とを別々に制御することを特徴とする、排気ガス還流装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス還流装置（ＥＧＲ装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸気時における気筒内ガス温度上昇による燃料の気化促進効果、燃焼温度の低下による窒素酸化物（ＮＯｘ）発生量低減効果、及びポンプ損失の低減による燃費向上効果等を目的として排気ガスの還流（ＥＧＲ）を行う排気ガス還流装置を備えた内燃機関が公知である。ＥＧＲを行う方法としては、排気通路から吸気通路へ排気ガスを再循環させる通路を設けて、この再循環ガスを新気と共に気筒内に流入させるようにする外部ＥＧＲ方式と、可変バルブタイミング機構等を用いて、吸気バルブと排気バルブとのバルブオーバーラップ期間等を制御し気筒内に既燃ガス（排気ガス）を残留させる内部ＥＧＲ方式（例えば、特許文献１参照）とがある。
【０００３】
一方、燃費向上等を目的として、希薄な混合気による燃焼（例えば、成層燃焼等）を可能にしたガソリンエンジンが知られている。このような希薄な混合気による燃焼（以下、「希薄燃焼」と言う）は、空燃比がリーンの状態で燃焼が行われるために酸素不足による不完全燃焼が生じ難く、その排気ガス中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）の量が少ないという特徴がある。しかしながら、その一方で、通常、排気ガスを浄化する目的で排気通路内に設置されている三元触媒（以下、「排気浄化触媒」と言う）によるＮＯｘ浄化率は、周知のように空燃比がリーンになると急激に低下し始めるため、希薄燃焼を行った場合に結果として外部へ放出されるＮＯｘ量が増大してしまうという問題がある。
【０００４】
そして従来、この問題に対応すべく、上述のＥＧＲを行って燃焼により生ずるＮＯｘ量を低減するという方法がとられている。しかし、この方法では、今度は、ＥＧＲされるガス（ＥＧＲガス）の量が多くなった時に燃焼前に筒内に存在する混合気中の酸素量が少なくなり、不完全燃焼が生じて排気ガス中に含まれるＣＯやスモークの量が増大してしまうという問題が生じる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２０４９８４号公報
【特許文献２】
特開２００１−１４０７０１号公報
【特許文献３】
特開２００２−１７４１４７号公報
【特許文献４】
特開２０００−３１４３２１号公報
【特許文献５】
特開平５−８６９８８号公報
【特許文献６】
特開２００１−２１４８１２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、ガソリンエンジンにおいて希薄燃焼が行われている場合に、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するようにＥＧＲを行う排気ガス還流装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された排気ガス還流装置を提供する。
１番目の発明は、吸気バルブと排気バルブとのうちの少なくとも一方の開閉弁特性を制御して気筒内に残留する排気ガス量を制御する内部ＥＧＲ制御を実施する内部ＥＧＲ手段と、気筒から排気通路へ排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路へ流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整する制御弁とを有していて気筒内へ吸入される排気ガス量を制御する外部ＥＧＲ制御を実施する外部ＥＧＲ手段と、を具備する、ガソリンエンジンに適用される排気ガス還流装置であって、上記ガソリンエンジンが理論空燃比より大きな空燃比で燃焼を行っている場合において上記の何れかのＥＧＲ制御を実施する場合には、空燃比が所定値より小さい時には内部ＥＧＲ制御を実施し、空燃比が上記所定値以上になると内部ＥＧＲ制御から外部ＥＧＲ制御に切替ることを特徴とする排気ガス還流装置を提供する。
【０００８】
本発明によれば、上記ガソリンエンジンが理論空燃比より大きな空燃比で燃焼を行っている場合、すなわち希薄燃焼を行っている場合において、空燃比が比較的小さく予め定めた所定値より小さい時には上記内部ＥＧＲ制御が実施される。これにより、気筒内ガス温度上昇による燃料の気化促進効果が十分に得られ、排気ガス中のＣＯやスモークの低減が図られる。また、燃焼温度の低下によるＮＯｘ発生量低減効果も得ることができる。
【０００９】
そして、空燃比がより大きくなると、上述したように排気浄化触媒によるＮＯｘ浄化率が低下するため、ＥＧＲガス量を増加してＮＯｘ発生量を更に低減することが望まれる。しかしながら、ＥＧＲガス量を増加すると燃焼前に筒内に存在する混合気中の酸素量が少なくなるので、ＣＯやスモークの発生量が増大してしまう懸念がある。
【００１０】
本発明では空燃比が上昇して上記所定値以上になると（すなわち、希薄度が高まってくると）内部ＥＧＲ制御から外部ＥＧＲ制御に切替るが、通常、外部ＥＧＲ制御におけるＥＧＲガスの温度は内部ＥＧＲ制御におけるＥＧＲガスの温度に比べて相当に低い。温度が低いと体積が縮小するので、例えば同じＥＧＲ率（吸気ガス全体に対するＥＧＲガスの重量パーセント）で比較すると、外部ＥＧＲ制御の場合の方がより多くの新気（ＥＧＲガスを含まない空気）を気筒内に導入することが可能である。また、外部ＥＧＲ制御に切替えることによって、ＥＧＲガス量の増加（もしくは上記ＥＧＲ率の増加）と新気量の増加を同時に実現することも可能である。
【００１１】
本発明では空燃比が大きくなると内部ＥＧＲ制御から外部ＥＧＲ制御に切替るので、ＥＧＲガス量の増加（もしくは上記ＥＧＲ率の増加）と新気量の増加を同時に実現することが可能となる。また、より低温のＥＧＲガスによって燃焼温度がより低くなる効果もある。以上のようなことから、本発明によって、希薄燃焼が行われている場合に、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するようにＥＧＲを行うことが可能となる。
【００１２】
２番目の発明は１番目の発明において、上記外部ＥＧＲ手段が上記排気再循環通路を通る排気ガスを冷却する排気冷却手段を有していて、上記外部ＥＧＲ制御を実施する場合に上記排気再循環通路を通る排気ガスが冷却される。
本発明によれば、外部ＥＧＲ制御におけるＥＧＲガスの温度がより低下するので、排気冷却手段を有していない場合に比べてＥＧＲガス量（もしくは上記ＥＧＲ率）と新気量とを更に増加させることが可能となり、ＮＯｘ、ＣＯ並びにスモークの発生をより確実に抑制することができる。
【００１３】
３番目の発明は、成層燃焼を行う場合がある直噴ガソリンエンジンに適用する排気ガス還流装置であり、気筒から排気通路へ排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路へ流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整する制御弁と、上記排気再循環通路を通る排気ガスを冷却する排気冷却手段とを有していて気筒内へ吸入される排気ガス量を制御する外部ＥＧＲ制御を実施する外部ＥＧＲ手段を具備する排気ガス還流装置であって、上記直噴ガソリンエンジンが成層燃焼を行っている場合において、上記直噴ガソリンエンジンの負荷が所定のエンジン負荷より大きい時には上記排気冷却手段を作動させずに上記外部ＥＧＲ制御を実施し、上記負荷が上記所定のエンジン負荷以下になると上記排気冷却手段を作動させて上記排気再循環通路を通る排気ガスを冷却しつつ上記外部ＥＧＲ制御を実施することを特徴とする排気ガス還流装置を提供する。
【００１４】
上記エンジンの負荷が小さくなると燃料噴射量が低下し、気筒内の混合気の空燃比は大きくなる。そうすると、上述したように、排気浄化触媒によるＮＯｘ浄化率の低下が生じるためにＥＧＲガス量の増加の必要性が生じる一方で、ＥＧＲガス量の増加による酸素量の低下によってＣＯやスモークの発生量が増大する懸念が生じる。
【００１５】
本発明によれば、このような場合にＥＧＲガスの冷却が実施される。ＥＧＲガスが冷却されると、その体積が縮小するので、例えば同じＥＧＲ率で比較すると、ＥＧＲガスが冷却されて温度が低い方がより多くの新気を気筒内に導入することが可能となる。また、ＥＧＲガスを冷却することによってＥＧＲガス量の増加（もしくは上記ＥＧＲ率の増加）と新気量の増加を同時に実現することも可能である。
【００１６】
本発明では上記エンジンの負荷が小さくなると、すなわち上記所定エンジン負荷以下になるとＥＧＲガスの冷却が実施されるので、ＥＧＲガス量の増加（もしくは上記ＥＧＲ率の増加）と新気量の増加を同時に実現することが可能となる。また、より低温のＥＧＲガスによって燃焼温度がより低くなる効果もあることから、本発明によっても、１番目の発明と同様、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するようにＥＧＲを行うことが可能となる。
【００１７】
４番目の発明は、成層燃焼を行う場合がある直噴ガソリンエンジンに適用する排気ガス還流装置であり、気筒から排気通路へ排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路へ流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整する制御弁と、上記排気再循環通路を通る排気ガスを冷却する排気冷却手段とを有していて気筒内へ吸入される排気ガス量を制御する外部ＥＧＲ制御を実施する外部ＥＧＲ手段を具備する排気ガス還流装置であって、上記直噴ガソリンエンジンが成層燃焼を行っている場合に上記外部ＥＧＲ制御を実施し、上記排気冷却手段を用いてＥＧＲ率とは独立に気筒内に吸入される新気量を制御することを特徴とする、排気ガス還流装置を提供する。
【００１８】
本発明によれば、ＥＧＲ率とは独立に気筒内に吸入される新気量が制御されるので、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するようにＥＧＲを行うことが可能となる。
【００１９】
５番目の発明は、成層燃焼を行う場合がある直噴ガソリンエンジンに適用する排気ガス還流装置であり、気筒から排気通路へ排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路へ流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整する制御弁と、上記排気再循環通路を通る排気ガスを冷却する排気冷却手段とを有していて気筒内へ吸入される排気ガス量を制御する外部ＥＧＲ制御を実施する外部ＥＧＲ手段を具備する排気ガス還流装置であって、上記直噴ガソリンエンジンが成層燃焼を行っている場合に上記外部ＥＧＲ制御を実施し、上記制御弁と、上記排気冷却手段と、スロットル弁とを制御することによって、ＥＧＲ率と気筒内に吸入される新気量とを別々に制御することを特徴とする、排気ガス還流装置を提供する。
【００２０】
上記ＥＧＲ率はＮＯｘ発生量に関係し、ＥＧＲ率が高い程、ＮＯｘ発生量は低くなる。一方、上記新気量はＣＯやスモークの発生量に関係し、新気量を増やせばＣＯやスモークの発生量は低下する。したがって、本発明によれば、上記制御弁と、上記排気冷却手段と、スロットル弁とを制御することによって、ＥＧＲ率と気筒内に吸入される新気量とが別々に制御されるので、これらを適切に制御することで、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するようにＥＧＲを行うことが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。尚、図面において、同一又は類似の構成要素には共通の参照番号を付す。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態の排気ガス還流装置を適用したガソリンエンジンの全体構成を示す説明図である。図中、１はスロットル弁、２は吸気ポート、３は吸気バルブを示す。４は気筒内に構成される燃焼室を示し、５は排気バルブを示している。また、９は排気浄化触媒としての三元触媒である。同三元触媒９の上流側には排気ガスセンサとしての酸素濃度センサ１０が設けられ、上記触媒９の下流側には排気温度センサ１１が設けられている。
【００２３】
上記吸気バルブ３と排気バルブ５とは共に可変バルブタイミング機構１２を備えており、それぞれ開閉弁タイミングを変更することが可能である。また、図１に示されたガソリンエンジンでは、吸気ポート２にシャッタ１３が設けられており、これを制御することで気筒（もしくは燃焼室４）内に気流を発生させ、希薄燃焼を行うことができる。
【００２４】
吸気通路と排気通路とは排気再循環通路６で連結され、排気ガスの一部を吸気通路へ流入させることができるようになっている。また、排気再循環通路６には、同排気再循環通路６を通る排気ガスの流量を調整する制御弁７が設けられている。
エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１６は公知のディジタルコンピュータからなり、双方向性バスを介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）等を具備している。上述した酸素濃度センサ１０及び排気温度センサ１１はＥＣＵ１６に接続されており、各測定値に対応した信号がＥＣＵ１６へ入力される。
【００２５】
アクセルペダル１４にはアクセル開度Ｌに比例した信号を発生する負荷センサ１５が接続され、同負荷センサ１５の出力はＥＣＵ１６に入力される。クランク角センサ１７は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスがＥＣＵ１６に入力される。ＥＣＵ１６ではこのクランク角センサ１７の出力パルスからエンジン回転数が計算される。
【００２６】
ＥＣＵ１６は又、上記スロットル弁１、シャッタ１３、制御弁７、可変バルブタイミング装置１２等にも接続されており、入力される各種信号に基づいてこれらを制御し、エンジンの基本制御の他、後述するような排気ガス還流装置の制御も行う。
本実施形態の排気ガス還流装置は、可変バルブタイミング機構１２によって吸気バルブ３と排気バルブ５の開閉弁タイミングを制御して気筒内に残留する排気ガス量を制御する内部ＥＧＲ制御と、制御弁７を制御して気筒内へ吸入される排気ガス量を制御する外部ＥＧＲ制御とを行うことができる。
【００２７】
図２は、可変バルブタイミング機構１２によって吸気バルブ３と排気バルブ５の開閉弁タイミングを変化させる場合の一例を示した図である。図２の横軸はクランク角度、縦軸はバルブリフト量である。曲線Ｅ１とＥ２が排気バルブ５の動作を示し、曲線Ｋ１とＫ２が吸気バルブ３の動作を示している。
つまり、ここで、排気バルブ５と吸気バルブ３がそれぞれ点線で表された曲線Ｅ１、Ｋ１の状態にある場合は、バルブオーバーラップが行われていない状態を示している。そして、排気バルブ５の開閉弁タイミングが遅角されて曲線Ｅ２の状態になり、吸気バルブ３の開閉弁タイミングが進角されて曲線Ｋ２の状態になるとバルブオーバーラップが行われ、その時のバルブオーバーラップ期間はＯＬとなる。
【００２８】
本実施形態では、吸気バルブ３と排気バルブ５の開閉弁タイミングを連続的に変化させることができ、したがって上記バルブオーバーラップ期間ＯＬも連続的に変化させることができる。そして、上記バルブオーバーラップ期間ＯＬを変化させることで、気筒内に残留する排気ガス量を制御することができる。
なお、本実施形態では、上述したように吸気バルブ３と排気バルブ５の開閉弁タイミングを制御することによって気筒内に残留する排気ガス量を制御する内部ＥＧＲ制御を実施するが、本発明はこれに限定されるものではなく、バルブリフト量や作用角等の他の開閉弁特性を制御して上記内部ＥＧＲ制御を実施してもよい。また、吸気バルブ３と排気バルブ５の何れか一方のみの開閉弁特性（開閉弁タイミング、バルブリフト量、作用角のうちの一つ、もしくは複数の組合せ）を制御して上記内部ＥＧＲ制御を実施するようにしてもよい。
【００２９】
次に、本実施形態で行われる排気ガス還流（ＥＧＲ）制御について、図３に示すフローチャートを参照しつつ説明する。図３は、本実施形態の排気ガス還流装置におけるＥＧＲ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンはＥＣＵ１６により一定時間毎の割込みによって実施される。
【００３０】
本制御ルーチンがスタートすると、まずステップ１０１においてエンジン冷却水温度Ｔｗが読み込まれ、続くステップ１０３において上記エンジン冷却水温度Ｔｗが、予め定めた基準冷却水温度Ｔｗｃ以上であるか否かが判定される。そして、ステップ１０３において上記エンジン冷却水温度Ｔｗが上記基準冷却水温度Ｔｗｃ未満であると判定された場合には、本制御ルーチンはＥＧＲ制御を実施することなく終了する。
【００３１】
これは、エンジンの暖機前の冷間時には燃焼が不安定になり易いため、ＥＧＲ制御は行わない方が好ましいことに加え、一般に、エンジンの暖機前の冷間時（すなわち例えば、エンジン冷却水温度Ｔｗが上記基準冷却水温度Ｔｗｃ未満である時）には、空燃比を理論空燃比より小さくして運転することが多いためである。すなわち、空燃比を理論空燃比より小さくして燃焼を行う場合には、排気通路下流側に設置された三元触媒９によるＮＯｘ浄化率が高いため、ＮＯｘ発生量の低減を目的としたＥＧＲ制御を行う必要性は低いからである。
【００３２】
ステップ１０３において、上記エンジン冷却水温度Ｔｗが上記基準冷却水温度Ｔｗｃ以上であると判定された場合には、ステップ１０５に進み、エンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌの読み込みが行われる。そして、続くステップ１０７及びステップ１０９においてはそれぞれ、ＥＧＲ制御（内部ＥＧＲ制御と外部ＥＧＲ制御の何れか）を実施するか否か、及び実施するのは内部ＥＧＲ制御か、外部ＥＧＲ制御かが判定されるが、これらの判定には図４に示すマップが用いられる。
【００３３】
このマップは、横軸がエンジン回転数ＮＥ、縦軸がアクセル開度Ｌであり、実線で区分された領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ、ＥＧＲ制御を行わない領域（Ａ）、外部ＥＧＲ制御を行う領域（Ｂ）、内部ＥＧＲ制御を行う領域（Ｃ）、ＥＧＲ制御を行わない領域（Ｄ）を表している。また、外部ＥＧＲ制御を行う領域Ｂ内には、それぞれのエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌとの組合せに対応した適切な外部ＥＧＲ制御を実施するための制御弁７の開度がマップ化されている。同様に、内部ＥＧＲ制御を行う領域Ｃ内には、それぞれのエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌとの組合せに対応した適切な内部ＥＧＲ制御を実施するための吸気バルブ３と排気バルブ５の開閉弁タイミングがマップ化されている。
【００３４】
すなわち、図４に示されたマップは、エンジン回転数ＮＥとアクセル開度（すなわち要求負荷）Ｌとで表されるエンジン負荷に対して、実施されるべきＥＧＲ制御についてマップ化したものである。なお、領域Ａはアイドリング運転状態に対応しているため、また、領域Ｄは高回転・高負荷運転状態に対応し新気量を増大することが要求される状態にあるため、これらの領域ではＥＧＲ制御は行われない。
【００３５】
また、図４に示されたマップにおいて、点線で区切られた領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ  はそれぞれ、リーン運転（希薄燃焼）領域（Ｉ）、理論空燃比運転領域（ＩＩ）、リッチ運転領域（ＩＩＩ  ）を表している。これらの領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ  と上述した領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとの関係を見てみると、高回転・高負荷運転状態に対応するリッチ運転領域ＩＩＩ  においてはＥＧＲ制御は行われないが、理論空燃比運転領域ＩＩの一部においては内部ＥＧＲ制御が行われるようになっている。これは一つには燃料の気化促進効果を目的としたものである。すなわち、内部ＥＧＲ制御におけるＥＧＲガスは高温であるため、気筒内ガス温度上昇による燃料の気化促進効果が十分に得られる。そしてそれによって、排気ガス中のＣＯやスモークの低減を図ることができる。また、ＥＧＲ制御が実施されるので、当然に燃焼温度の低下によるＮＯｘ発生量低減効果も得ることができる。
【００３６】
そして、理論空燃比よりも大きな空燃比で燃焼を行うリーン運転領域（Ｉ）においては、ＥＧＲ制御を実施する場合、比較的空燃比の小さい時（領域Ｃ）には内部ＥＧＲ制御を実施し、空燃比が大きくなると内部ＥＧＲ制御から外部ＥＧＲ制御に切替るようになっている。より具体的には、空燃比が上記領域Ｂと領域Ｃとの境界線に対応する予め定めた所定の空燃比より小さい時には内部ＥＧＲ制御を実施し、空燃比がその所定値以上になると内部ＥＧＲ制御から外部ＥＧＲ制御に切替る。ここでの内部ＥＧＲ制御の実施は、理論空燃比運転領域ＩＩにおける内部ＥＧＲ制御と同様、燃料の気化促進によるＣＯやスモークの低減と、燃焼温度の低下によるＮＯｘ発生量の低減を目的としたものである。また、内部ＥＧＲ制御から外部ＥＧＲ制御への切替えは、より空燃比の大きなところでより低温のＥＧＲガスを用いるようにして、ＥＧＲガス量の増加（もしくはＥＧＲ率（吸気ガス全体に対するＥＧＲガスの重量パーセント）の増加）と新気量の増加を同時に実現するためのものである。
【００３７】
すなわち、空燃比が大きくなると触媒のＮＯｘ浄化率が低下するため、ＥＧＲガス量を増加してＮＯｘ発生量を低減することが望まれるが、ＥＧＲガス量を増加するとそれに伴って酸素量が低下しＣＯやスモークの発生量が増大してしまうことが懸念される。そこで、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するためには、ＥＧＲガス量の増加（もしくは上記ＥＧＲ率の増加）と新気量の増加を同時に実現する必要がある。
【００３８】
通常、外部ＥＧＲ制御におけるＥＧＲガスは排気再循環通路６を通過する間に冷却されるので内部ＥＧＲ制御におけるＥＧＲガスに比べて相当に温度が低い。温度が低いと体積が縮小するので、例えば同じＥＧＲ率で比較すると、外部ＥＧＲ制御の場合の方がより多くの新気を気筒内に導入することが可能である（つまり、内部ＥＧＲ制御と外部ＥＧＲ制御との相互切替えによってＥＧＲ率とは独立に新気量を制御することが可能であると言える。）。また、外部ＥＧＲ制御に切替えることによって、ＥＧＲガス量の増加（もしくは上記ＥＧＲ率の増加）と新気量の増加を同時に実現することも可能となる。また、より低温のＥＧＲガスによって燃焼温度がより低くなる効果も期待できる。
【００３９】
つまり、本実施形態においては、リーン運転領域（Ｉ）においてＥＧＲ制御を実施する場合、比較的空燃比の小さい時（すなわち、空燃比が上記所定値より小さい時）には、ＣＯやスモーク等は燃料の気化促進によって低減し、ＮＯｘはＥＧＲガスの導入による燃焼温度の低下によって低減している。その一方、より空燃比が大きくなった時（すなわち、空燃比が上記所定値以上になった時）には、燃料量が少ないのでＣＯやスモーク等は燃料の気化促進ではなく、より効果的な酸素量の増加で低減し、ＮＯｘについては、より多くのＥＧＲガスの導入とより低温のＥＧＲガスの導入によって燃焼温度が更に低下するようにしてより一層の低減を図っている。
【００４０】
以上のようなことから、図４のマップに示されたように、リーン運転領域（Ｉ）においてＥＧＲ制御を実施する場合、比較的空燃比の小さい時には内部ＥＧＲ制御を実施し、空燃比が大きくなると内部ＥＧＲ制御から外部ＥＧＲ制御に切替るようにすることによって、希薄燃焼が行われている場合に、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するようにＥＧＲを行うことが可能となる。
なお、以上で説明したような図４のマップは、外部へ排出されるＮＯｘ、ＣＯ、スモーク等の量を低減するという観点から最適になるように、事前に実験等によって求められ、ＥＣＵ１６に記憶させておく（したがって、内部ＥＧＲ制御と外部ＥＧＲ制御の切替えを行う上記空燃比の所定値についても、同様の観点で事前に求められる。）。
【００４１】
図３のフローチャートの説明に戻ると、上述したようにステップ１０５におけるエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌの読み込みの後はステップ１０７に進み、そこで図４に示したマップに基づいてＥＧＲ制御（内部ＥＧＲ制御と外部ＥＧＲ制御の何れか）を実施するか否かが判定される。より具体的には、ステップ１０５において読み込まれたエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌで表される点が、図４に示したマップの上記領域Ｂもしくは領域Ｃ内にあるか否かが判定される。
【００４２】
ステップ１０７においてＥＧＲ制御を実施しない、すなわちステップ１０５において読み込まれたエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌで表される点が、上記領域Ｂ及び領域Ｃの何れにも入らないと判定された場合には、本制御ルーチンはＥＧＲ制御を実施することなく終了する。この場合には、ステップ１０５において読み込まれたエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌで表される点は、図４に示したマップの上記領域Ａもしくは領域Ｄ内にあるからである。
【００４３】
一方、ステップ１０７においてＥＧＲ制御を実施する、すなわちステップ１０５において読み込まれたエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌで表される点が、上記領域Ｂもしくは領域Ｃ内にあると判定された場合には、続くステップ１０９において、上記のエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌで表される点が、上記領域Ｃ内にあるか否かが判定される。
【００４４】
そして、ステップ１０９において、上記のエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌで表される点が、上記領域Ｃ内にあると判定された場合にはステップ１１１に進み、図４に示されたマップに基づいて可変バルブタイミング機構１２が制御され、内部ＥＧＲ制御が実施される。一方、ステップ１０９において、上記のエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌで表される点が、上記領域Ｃ内にないと判定された場合には、上記のエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌで表される点は上記領域Ｂ内（詳細には、上記領域Ｂと領域Ｃとの境界線を含む）にある場合であるので、ステップ１１３に進み、図４に示されたマップに基づいて制御弁７が制御されて外部ＥＧＲ制御が実施される。そしてステップ１１１及びステップ１１３が終了すると、ステップ１０５から制御が繰り返される。
【００４５】
以上、説明したように本実施形態の排気ガス還流装置においては、図３のフローチャートで示された制御ルーチンにより図４に示されたマップに基づいてＥＧＲ制御が実施され、上記エンジンが理論空燃比より大きな空燃比で燃焼を行っている場合において上記の何れかのＥＧＲ制御を実施する場合には、空燃比が比較的小さく上記所定値より小さい時には内部ＥＧＲ制御を実施し、空燃比が大きくなって上記所定値以上になると内部ＥＧＲ制御から外部ＥＧＲ制御に切替る。そしてこのことによって、希薄燃焼が行われている場合において、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するようにＥＧＲを行うことを可能としている。
【００４６】
なお、上述の実施形態では設けていなかったが、図１中に点線で示したように排気再循環通路６に排気冷却装置８を設け、外部ＥＧＲ制御を実施する場合に排気再循環通路６を通る排気ガスを冷却するようにしてもよい。これにより、外部ＥＧＲ制御におけるＥＧＲガスの温度がより低下するので、排気冷却装置８を設けていない場合に比べてＥＧＲガス量（もしくは上記ＥＧＲ率）と新気量とを更に増加させることが可能となり、ＮＯｘ、ＣＯ並びにスモークの発生をより確実に抑制することができる。
【００４７】
更に、排気冷却装置８の冷却度合をＥＣＵ１６によって制御して排気再循環通路６を通る排気ガスの温度を調整するようにしてもよい。この場合、ＥＧＲ率と気筒内に吸入される新気量とを別々に制御することが可能となる。つまり、外部ＥＧＲ制御実施中において、スロットル弁１と、制御弁７と、排気冷却装置８とを制御することによってＥＧＲ率と気筒内に吸入される新気量とを別々に制御することができる。
【００４８】
また、図４に示されたマップの領域Ｂに排気冷却装置８の冷却度合（もしくは排気再循環通路６を通る排気ガスの温度）に対応する制御パラメータを制御弁７の開度と共にマップ化しておき、エンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌに応じて制御弁７の開度と共に排気冷却装置８の冷却度合を制御するようにしてもよい。
【００４９】
次に別の実施形態について説明する。図５は本実施形態の排気ガス還流装置を適用した直噴ガソリンエンジンの全体構成を示す説明図である。図５において、図１に示した場合と同一又は類似の構成要素については共通の参照番号が付されており、その説明は省略する。図５中、１８は燃料噴射弁、１９は点火栓を示しており、何れもＥＣＵ１６によって作動が制御される。
【００５０】
ここで、まず図５に示された直噴ガソリンエンジンの基本的な運転制御について説明する。ここでの上記エンジンの運転は図６に示したマップに基づいて制御される。すなわち、図６において、横軸はエンジン回転数ＮＥであり、縦軸はアクセル開度Ｌであるので、上記エンジンの運転はこれらエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌとに基づいて制御される。エンジン回転数ＮＥが大きい程、またアクセル開度Ｌが大きい程、上記エンジンの負荷は大きくなるので、言い換えれば、上記エンジンの運転はエンジン負荷に基づいて制御されるとも言える。
【００５１】
すなわち、図６に示したエンジン回転数ＮＥが比較的小さく且つアクセル開度Ｌが比較的小さい領域（すなわち、エンジン負荷の小さい領域）Ｓでは、点火栓１９周りにのみ燃料が成層をなして存在するように燃料噴射弁１８から燃料を噴射し、この燃料を点火栓１９によって点火して燃焼せしめるといういわゆる成層燃焼が実行されるように、上記エンジンの運転が制御される。この場合、例えば燃料が圧縮上死点の手前付近で噴射される。
【００５２】
一方、図６に示した領域Ｓ以外の領域（すなわち、エンジン負荷の大きい領域）Ｈでは、点火栓１９周りだけでなく、燃焼室４全体に均一に燃料が存在するように燃料噴射弁１８から燃料を噴射し、この燃料を点火栓１９によって点火して燃焼せしめるといういわゆる均質燃焼が実行されるように、内燃機関の運転が制御される。
なお、上記成層燃焼は希薄燃焼の一種であり、成層燃焼が実行されているときの気筒内の空燃比は全体としてリーンである。
【００５３】
そして、本実施形態では、上記エンジンが成層燃焼で運転されている場合に外部ＥＧＲ制御がなされる。次に、本実施形態で行われる排気ガス還流（ＥＧＲ）制御について、図７に示すフローチャートを参照しつつ説明する。図７は、本実施形態の排気ガス還流装置におけるＥＧＲ制御の制御ルーチンを示すフローチャートであり、本制御ルーチンはＥＣＵ１６により一定時間毎の割込みによって実施される。
【００５４】
本制御ルーチンがスタートすると、ステップ２０１、ステップ２０３、ステップ２０５と制御が進むが、これらについては図３に示した制御ルーチンのステップ１０１、ステップ１０３、ステップ１０５と同じであるので説明を省略する。ステップ２０５においてエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌの読み込みが行われると、続くステップ２０７において、そのエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌで表されるエンジン負荷が図６に示したマップの領域Ｓ内にあるか否か、すなわち成層燃焼が行われるか否かが判定される。
【００５５】
ステップ２０７において上記エンジン負荷が領域Ｓ内にない、すなわち成層燃焼が行われないと判定された場合には、本制御ルーチンは終了し、上記エンジン負荷が領域Ｓ内にある、すなわち成層燃焼が行われると判定された場合にはステップ２０９に進む。ステップ２０９においては、図８に示したマップを用いて、上記エンジン負荷が図８に示したマップの領域Ｓ２内にあるか否かを判定し、外部ＥＧＲ制御の実施時に排気冷却装置８を作動させるか否かを決定する
【００５６】
図８に示したマップは、図６に示したマップの領域Ｓの部分を低負荷側の領域Ｓ１と高負荷側の領域Ｓ２に分けたものであり、領域Ｓ１、Ｓ２内には、図４に示したマップの領域Ｂと同様に、それぞれのエンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌとの組合せに対応した適切な外部ＥＧＲ制御を実施するための制御弁７の開度がマップ化されている。
【００５７】
ステップ２０９において、上記エンジン負荷が高負荷側の領域Ｓ２内にあると判定された場合にはステップ２１１に進み、排気冷却装置８を作動させることなく、図８に示したマップに基づいて外部ＥＧＲ制御が行われる。一方、ステップ２０９において、上記エンジン負荷が高負荷側の領域Ｓ２内にない、すなわち低負荷側の領域Ｓ１内（詳細には、上記領域Ｓ１と領域Ｓ２との境界線（図８中に点線で表示）を含む）にあると判定された場合にはステップ２１３に進み、排気冷却装置８を作動させつつ、図８に示したマップに基づいて外部ＥＧＲ制御が行われる。すなわち、言い換えれば、エンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌで表されるエンジン負荷が、領域Ｓ１とＳ２との境界線で表される所定のエンジン負荷よりも大きい時には、排気冷却装置８を作動させることなく外部ＥＧＲ制御が行われ、エンジン負荷が上記所定のエンジン負荷以下になると、排気冷却装置８を作動させつつ外部ＥＧＲ制御が行われる。そして、ステップ２１１及びステップ２１３が終了すると、ステップ２０５から制御が繰り返される。
【００５８】
このように、本実施形態においてより低負荷側で排気冷却装置８が作動するようにしたのは、より希薄な混合気による燃焼が行われる低負荷側においても、ＮＯｘ、ＣＯ及びスモークの発生を同時に抑制することを可能にするためである。
すなわち、上記エンジンの負荷が小さくなると燃料噴射量が低下し、気筒内の混合気の空燃比は大きくなる。そうすると、上述したように触媒９のＮＯｘ浄化率が低下するため、ＥＧＲガス量を増加してＮＯｘ発生量を低減することが望まれるが、ＥＧＲガス量を増加するとそれに伴って酸素量が低下しＣＯやスモークの発生量が増大してしまうことが懸念される。そこで、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するためには、ＥＧＲガス量の増加（もしくは上記ＥＧＲ率の増加）と新気量の増加を同時に実現する必要がある。
【００５９】
排気冷却装置８を作動させると、外部ＥＧＲ制御におけるＥＧＲガスが冷却されてその温度が低下する。温度が低いと体積が縮小するので、例えば同じＥＧＲ率で比較すると、より多くの新気を気筒内に導入することが可能である。したがって、排気冷却装置８を作動させることによって、ＥＧＲガス量の増加（もしくは上記ＥＧＲ率の増加）と新気量の増加を同時に実現することも可能となる。また、より低温のＥＧＲガスによって燃焼温度がより低くなり、ＮＯｘ発生量を低減させる効果も期待できる。
【００６０】
図９は、気筒内に吸入される新気量について排気冷却装置８を作動させている場合と作動させていない場合で比較した一例である。横軸がＥＧＲ率、縦軸が新気量であって、実線が排気冷却装置８を作動させている場合、点線が作動させていない場合を示している。この図から明らかなように、排気冷却装置８を作動させることでＥＧＲ率を維持しつつより多くの新気を導入することができる（つまり、排気冷却装置８の作動・非作動を切替えることによってＥＧＲ率とは独立に新気量を制御することが可能であると言える。）。また、ＥＧＲ率を上げ且つ新気量を多くすることも可能である。
【００６１】
図１０は、ＮＯｘ発生量及びスモーク発生量について排気冷却装置８を作動させている場合と作動させていない場合で比較した一例である。横軸はＥＧＲ率であって、ａ１が排気冷却装置８を作動させている場合のＮＯｘ発生量、ａ２が排気冷却装置８を作動させていない場合のＮＯｘ発生量を示し、ｂ１が排気冷却装置８を作動させている場合のスモーク発生量、ｂ２が排気冷却装置８を作動させていない場合のスモーク発生量を示している。
【００６２】
この図から明らかなように、ＮＯｘ発生量はＥＧＲ率の上昇と共に低下するが、排気冷却装置８を作動させることで、より一層の低減を図ることができる。また、スモーク発生量についてはＥＧＲ率の上昇と共に増加してしまうが、排気冷却装置８を作動させることで、その増加を抑制することができる。
【００６３】
一方、高負荷側の領域Ｓ２については、噴射される燃料量が比較的多く、また触媒９のＮＯｘ浄化率の観点からもＥＧＲガス量を極端に増やす必要もないことから、ＣＯやスモークの低減上、燃料の気化促進を重視すべき領域であり、気筒内の温度低下を避けるために排気冷却装置８は作動されない。
図８に示されたマップは、以上で説明したように用いられるので、外部へ排出されるＮＯｘ、ＣＯ、スモーク等の量を低減するという観点から最適になるように実験等によって求められ、事前にＥＣＵ１６に記憶されている（したがって、排気冷却装置８の作動を決定する上記所定のエンジン負荷（上記領域Ｓ１とＳ２との境界線）についても、同様の観点で事前に求められる。）。
【００６４】
以上のようなことから、本実施形態の排気ガス還流装置のように、上記エンジンが成層燃焼を行っている場合において、上記エンジンの負荷の比較的大きい時（すなわち、上記エンジン負荷が上記所定エンジン負荷より大きい時）には排気冷却装置８を作動させずに外部ＥＧＲ制御を実施し、上記負荷が小さくなると（すなわち、上記エンジン負荷が上記所定エンジン負荷以下になると）、排気冷却装置８を作動させて排気再循環通路６を通る排気ガスを冷却しつつ外部ＥＧＲ制御を実施するようにすることによって、希薄燃焼である成層燃焼が行われている場合に、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するようにＥＧＲを行うことが可能となる。
【００６５】
なお、排気冷却装置８の冷却度合をＥＣＵ１６によって制御して排気再循環通路６を通る排気ガスの温度を調整するようにしてもよい。この場合、ＥＧＲ率と気筒内に吸入される新気量とを別々に制御することが可能となる。つまり、外部ＥＧＲ制御実施中において、スロットル弁１と、制御弁７と、排気冷却装置８とを制御することによってＥＧＲ率と気筒内に吸入される新気量とを別々に制御することができる。
【００６６】
また、図８に示されたマップの領域Ｓ１に排気冷却装置８の冷却度合（もしくは排気再循環通路６を通る排気ガスの温度）に対応する制御パラメータを制御弁７の開度と共にマップ化しておき、エンジン回転数ＮＥとアクセル開度Ｌに応じて制御弁７の開度と共に排気冷却装置８の冷却度合を制御するようにしてもよい。
【００６７】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明は、ガソリンエンジンにおいて希薄燃焼が行われている場合に、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＣＯ及びスモークの発生も抑制するようにＥＧＲを行うことができるという共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の排気ガス還流装置を適用したガソリンエンジンの全体構成を示す説明図である。
【図２】図２は、可変バルブタイミング機構によって吸気バルブと排気バルブの開閉弁タイミングを変化させる場合の一例を示した図である。
【図３】図３は、図１に示した実施形態の排気ガス還流装置におけるＥＧＲ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】図４は、図１に示した実施形態の排気ガス還流装置におけるＥＧＲ制御に用いられるマップである。
【図５】図５は、本発明の別の実施形態の排気ガス還流装置を適用した直噴ガソリンエンジンの全体構成を示す説明図である。
【図６】図６は、図５に示された直噴ガソリンエンジンの基本的な運転制御に用いられるマップであり、図５に示した実施形態の排気ガス還流装置におけるＥＧＲ制御においても用いられるマップである。
【図７】図７は、図５に示した実施形態の排気ガス還流装置におけるＥＧＲ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】図８は、図５に示した実施形態の排気ガス還流装置におけるＥＧＲ制御に用いられるマップである。
【図９】図９は、気筒内に吸入される新気量について排気冷却装置を作動させている場合と作動させていない場合で比較した一例である。
【図１０】図１０は、ＮＯｘ発生量及びスモーク発生量について排気冷却装置を作動させている場合と作動させていない場合で比較した一例である。
【符号の説明】
１…スロットル弁
２…吸気ポート
３…吸気バルブ
４…燃焼室
５…排気バルブ
６…排気再循環通路
７…制御弁
８…排気冷却装置
９…排気浄化触媒（三元触媒）
１０…酸素濃度センサ
１１…排気温度センサ
１２…可変バルブタイミング機構
１３…シャッタ
１４…アクセルペダル
１５…負荷センサ
１６…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１７…クランク角センサ
１８…燃料噴射弁
１９…点火栓
【図１】
2004263642.tif 000003
【図２】
2004263642.tif 000004
【図３】
2004263642.tif 000005
【図４】
2004263642.tif 000006
【図５】
2004263642.tif 000007
【図６】
2004263642.tif 000008
【図７】
2004263642.tif 000009
【図８】
2004263642.tif 000010
【図９】
2004263642.tif 000011
【図１０】
2004263642.tif 000012