(57)【要約】  【課題】  燃焼安定性を損ねることなくＮＯｘ低減効果を高める。  【解決手段】  排気浄化触媒４が設けられた排気通路３から吸気通路２へ排気を還流する排気還流通路５として、触媒上流側に接続する上流側排気接続部５ａと、触媒下流側に接続する下流側排気接続部５ｂと、を設ける。三方弁７によって接続部５ａ，５ｂから取り出す排気の割合を制御する。例えば筒内直接噴射式ガソリン内燃機関の場合、成層運転域Ｒ１では下流側排気接続部５ｂのみから排気を取り出す下流取り出しモードＭ２とし、均質運転域Ｒ２での中回転・中負荷域では上流側排気接続部５ａのみから排気を取り出す上流取り出しモードＭ１とし、均質運転域Ｒ２での高回転・高負荷域では上流側排気接続部５ａ及び下流側排気接続部５ｂの双方から排気を取り出す中間取り出しモードＭ３とする。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気浄化触媒が設けられた排気通路から吸気通路へ排気を還流する排気還流通路が、上記排気浄化触媒よりも上流側の位置で排気通路に接続する上流側排気接続部と、上記排気浄化触媒よりも下流側の位置で排気通路に接続する下流側排気接続部と、を含んでおり、
かつ、排気還流通路を還流する排気ガスの比熱を考慮して、上記上流側排気接続部から取り出す排気と下流側排気接続部から取り出す排気の割合を制御する制御手段を有する内燃機関の排気還流制御装置。
【請求項２】
排気浄化触媒が設けられた排気通路から吸気通路へ排気を還流する排気還流通路が、上記排気浄化触媒よりも上流側の位置で排気通路に接続する上流側排気接続部と、上記排気浄化触媒よりも下流側の位置で排気通路に接続する下流側排気接続部と、を含んでおり、
かつ、上記上流側排気接続部のみから排気を取り出す上流取り出しモード，上記下流側排気接続部のみから排気を取り出す下流取り出しモード，及び上記上流側排気接続部及び下流側排気接続部の双方から排気を取り出す中間取り出しモードの３つの取り出しモードを機関運転状態に応じて切り換える制御手段を有する内燃機関の排気還流制御装置。
【請求項３】
成層希薄燃焼を実現する筒内直噴式ガソリン内燃機関では、成層希薄燃焼を行う成層運転域で下流取り出しモードとし、均質燃焼を行う均質運転域であって、かつ、所定の高回転以上又は所定の高負荷以上である高回転・高負荷域では中間取り出しモードとし、上記均質運転域であって、上記高回転未満かつ高負荷未満である中回転・中負荷域では上流取り出しモードとする請求項２に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
【請求項４】
ディーゼル内燃機関では、少なくとも高負荷域で下流取り出しモードとする請求項２に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
【請求項５】
上記排気還流通路が吸気通路に接続する吸気接続部を含んでおり、
上記制御手段が、上記上流側排気接続部及び下流側排気接続部が吸気接続部へ合流する部分に設けられた三方弁を備えている請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気還流制御装置。
【請求項６】
成層希薄燃焼を行う筒内直噴式ガソリン内燃機関であって、
排気浄化触媒が設けられた排気通路から吸気通路へ排気を還流する排気還流通路が、上記排気浄化触媒よりも上流側の位置で排気通路に接続する上流側排気接続部と、上記排気浄化触媒よりも下流側の位置で排気通路に接続する下流側排気接続部と、を含んでおり、
かつ、上記上流側排気接続部から主に排気を取り出す上流取り出しモードと、上記下流側排気接続部から主に排気を取り出す下流取り出しモードと、を備え、成層燃焼を行う成層運転領域では、上記下流取り出しモードに切り換える制御手段を有する内燃機関の排気還流制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気還流制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気エミッション対策の一つとして、内燃機関の排気通路から吸気通路へ排気を還流させて、燃焼温度の低下によりＮＯｘの排出量を低減する排気還流（ＥＧＲ）制御装置が知られている。特許文献１には、ターボチャージャを備えた筒内直接噴射式ガソリン内燃機関に適用されるＥＧＲ制御装置が開示されている。この装置では、排気還流通路として、触媒よりも下流側の排気通路と吸気通路とを接続する第１ＥＧＲ通路と、触媒及びタービンよりも上流側の排気通路と吸気通路とを接続する第２ＥＧＲ通路とが設けられ、かつ、これら第１，第２ＥＧＲ通路を選択的に開放する切換弁を備えている。ストイキモードでは第１ＥＧＲ通路を開放し、触媒下流側の煤含有量の低い排ガスを還流させる一方、吸気負圧が弱いリーンモードでは、ＥＧＲ還流のための差圧を確保するために、第２ＥＧＲ通路を開放し、タービン上流側の高い圧力の排気ガスを還流させている。
【特許文献１】特開２００２−１８８５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
排気通路における触媒上流側の位置と下流側の位置とでは、触媒作用によりガス組成が異なるため、排気ガスの比熱も異なるものとなる。典型的には、触媒上流側では比熱が相対的に小さく、触媒下流側では比熱が相対的に大きくなる。この比熱によりＥＧＲのＮＯｘ低減効果（ＮＯｘ低減率）も変化する。典型的には、ＥＧＲガスの比熱が大きいほどＮＯｘ低減効果が大きく、比熱が小さいほどＮＯｘ低減効果が小さい。本発明は、このような比熱とＮＯｘ低減効果との関係に着目してなされたものであり、燃焼安定性を損ねることなくＮＯｘ低減効果を有効に高めることができる新規な内燃機関の排気還流制御装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
排気浄化触媒が設けられた排気通路から吸気通路へ排気を還流する排気還流通路が、上記排気浄化触媒よりも上流側の位置で排気通路に接続する上流側排気接続部と、上記排気浄化触媒よりも下流側の位置で排気通路に接続する下流側排気接続部と、を含んでいる。排気還流通路を還流する排気ガスの比熱を考慮して、上記上流側排気接続部から取り出す排気と下流側排気接続部から取り出す排気の割合を制御する。
【発明の効果】
【０００５】
排気通路に排気浄化触媒が設けられていると、その触媒作用により、触媒の上流側と下流側とで排気ガスの比熱が異なる。本発明は、このような比熱を考慮して、上記上流側排気接続部から取り出す排気と下流側排気接続部から取り出す排気の割合を制御しているため、燃焼安定性を損ねることなくＮＯｘ低減効果を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明に係る内燃機関の排気還流制御装置を簡略的に示している。なお、図中の一点鎖線は信号線を表しており、実線は流体通路を表している。
【０００７】
周知のように、内燃機関１には吸気通路２及び排気通路３が接続されており、吸気通路２を経由して新気が内燃機関１の燃焼室へ供給され、燃焼後の排気ガスが排気通路３を経由して排出される。排気通路３には、排気を浄化する排気浄化触媒４が設けられている。排気浄化触媒４として、例えば成層希薄燃焼によるリーン運転を実現可能な筒内直接噴射式ガソリン内燃機関では、主としてリーン運転時のＮＯｘを低減するＮＯｘ触媒が三元触媒と組み合わされて用いられ、ディーゼル内燃機関では粒子状物質（ＰＭ）を除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）やＰＭ中に含まれるＣＯやＨＣを酸化除去する酸化触媒等が用いられる。
【０００８】
排気通路３から吸気通路２へ排気を還流する排気還流通路５は、触媒４より上流側（内燃機関１寄り）の位置３ａで排気通路３に接続する上流側排気接続部５ａと、触媒４より下流側（内燃機関１から遠い側）の位置３ｂで排気通路３に接続する下流側排気接続部５ｂと、吸気通路２に接続する吸気接続部５ｃと、により構成されている。吸気接続部５ｃには、排気還流量（ＥＧＲ流量）・排気還流率を調整する排気還流制御弁６が設けられている。機関運転状態に応じて排気還流量・率が適切なものとなるように、エンジン制御部８からの制御信号により排気還流制御弁６の開度が制御される。
【０００９】
また、排気還流通路５には、上流側排気接続部５ａ及び下流側排気接続部５ｂが吸気接続部５ｃに合流・接続する部分に三方弁７が設けられている。この三方弁７の動作は上記のエンジン制御部８からの指令信号により制御される。
【００１０】
図２に示すように、三方弁７によって、上流側排気接続部５ａのみから排気を取り出す上流取り出しモードＭ１，下流側排気接続部５ｂのみから排気を取り出す下流取り出しモードＭ２，及び上流側排気接続部５ａ及び下流側排気接続部５ｂの双方から排気を取り出す中間取り出しモードＭ３の３つの取り出しモードを切り換えることができる。具体的には、上流取り出しモードＭ１では三方弁７が下流側排気接続部５ｂを閉じる位置７ａに保持され、下流取り出しモードＭ２では三方弁７が上流側排気接続部５ａを閉じる位置７ｂに保持され、中間取り出しモードＭ３では三方弁７が上流側排気接続部５ａ及び下流側排気接続部５ｂの双方を半開きとする所定の中間位置７ｃに保持される。
【００１１】
このように三方弁７を用いることによって、簡素な構造でありながら上流側排気接続部５ａから取り出される排気と下流側排気接続部５ｂから取り出される排気の割合・比を調整することができる。なお、ここでは簡易的に三方弁７を上記の三位置７ａ，７ｂ，７ｃに切り換える場合について説明しているが、三方弁７を連続的・無段階に作動させて、上流側排気接続部５ａから取り出す排気と下流側排気接続部５ｂから取り出す排気の割合を連続的・無段階に調整することもできる。
【００１２】
図３を参照して、同じ排気還流量（体積）であっても、取り出しモードＭ１，Ｍ２，Ｍ３によって、ＥＧＲガス中の組成が異なるものとなる。このような組成の相違に起因して、取り出しモードによってＥＧＲガスの比熱が変化する。このように比熱が変化すると、ＥＧＲによるＮＯｘ低減効果も変化する。具体的には、同じ排気還流量であっても、ガス比熱が小さくなるほどＮＯｘ低減効果が小さくなり、ガス比熱が大きくなるほどＮＯｘ低減効果が大きくなる。中間取り出しモードＭ３では、ガス比熱及びＮＯｘ低減効果の特性・効果が上流取り出しモードＭ１と下流取り出しモードＭ２との中間的なものとなる。後述する実施例では、このような比熱の相違を考慮して取り出しモードを切り換えて、上流側排気接続部５ａから取り出される排気と下流側排気接続部５ｂから取り出される排気の割合を調整することにより、燃焼安定性を損ねることなくＮＯｘ低減効果を有効に向上させるものである。
【００１３】
先ず、本発明を筒内直接噴射式ガソリン内燃機関に適用した第１実施例について、図４及び図５を参照して説明する。このような直噴式ガソリン内燃機関では、燃焼室内の混合気を成層化して点火プラグの近傍に濃い混合気を生成することにより空燃比が理論空燃比よりも十分に大きい希薄（リーン）燃焼を実現する成層運転域Ｒ１と、燃焼室内に均質な混合気を形成して理論空燃比近傍のストイキ燃焼を行う均質運転域Ｒ２と、の２つの運転モードが機関回転数Ｎｅ及び機関負荷に応じて切換・制御される。具体的には図４（Ａ）に示すように、所定の低回転Ｎｅ０未満かつ所定の低負荷Ｔ０未満の低回転・低負荷域を成層運転域Ｒ１とし、上記低回転Ｎｅ０以上又は低負荷Ｔ０以上の場合には均質運転域Ｒ２とする。
【００１４】
取り出しモードＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、例えば機関負荷及び機関回転数に応じて図４（Ｂ）に示す制御マップを検索することにより設定される。同図に示すように、成層運転域Ｒ１に対応する低回転・低負荷域では、下流取り出しモードＭ２とする。つまり、成層運転域Ｒ１ではＮＯｘ排出量が多いので、下流取り出しモードＭ２とすることによりＮＯｘ低減効果を効果的に向上することができる。従って、所望のＮＯｘ低減効果を確保しつつ排気還流制御弁６によりＥＧＲ量を低減でき、このようなＥＧＲ流量の低減化により、オイル劣化の抑制化やデポジットの低減化を図ることができ、かつ、ＥＧＲ流量変化を小さくして、ＥＧＲ制御性や排気還流制御弁６の分解能を向上することができる。
【００１５】
均質運転域Ｒ２に相当する回転・負荷域の中で、所定の高回転Ｎｅ１以上又は所定の高負荷Ｔ１以上となる高回転・高負荷域では、中間取り出しモードＭ３とし、この高回転・高負荷域以外の均質運転域Ｒ２、つまり高回転Ｎｅ未満かつ高負荷Ｔ１未満の中回転・中負荷域では上流取り出しモードＭ１とする。このように均質運転域Ｒ２では、上流取り出しモードＭ１又は中間取り出しモードＭ３として、温度の高い触媒上流位置から排気を取り出すことにより、燃料気化を促進し、燃焼安定性を確保することができる。特に、均質運転域Ｒ２の中でも、高回転・高負荷域では中回転・中負荷域に比して燃焼安定性を確保し易いので、中間取り出しモードＭ３とすることにより、ＮＯｘ低減効果をより高めることができる。
【００１６】
図５は、このような取り出しモードＭ１〜Ｍ３の具体的な設定制御の流れの例を示すフローチャートである。先ずステップ１では、燃焼方式を読み込む。ステップ２では、ステップ１で読み込まれた燃焼方式が成層運転域Ｒ１であるかを判定する。成層運転域Ｒ１の場合にはステップ３へ進み、下流取り出しモードＭ２とする。燃焼方式が成層運転域Ｒ１ではなく均質運転域Ｒ２である場合には、ステップ２からステップ４へ進み、上記の高回転Ｎｅ１未満かつ高負荷Ｔ１未満である中回転・中負荷域であるかを判定する。中回転・中負荷域であれば、ステップ５へ進み上流取り出しモードＭ１とする。中回転・中負荷域ではない、つまり高回転・高負荷域であれば、ステップ６へ進んで中間取り出しモードＭ３とする。
【００１７】
このような本実施例によれば、直噴ガソリン内燃機関において、機関回転数及び機関負荷、更には燃焼方式に基づいて、ＥＧＲガスの比熱を考慮した形で、排気取り出しモードＭ１〜Ｍ３を切り換えているため、燃焼安定性を確保しつつＮＯｘ低減効果を有効に高めることができる。例えば成層運転域Ｒ１では下流取り出しモードＭ２としてＮＯｘ低減効果を高めることにより、所望のＮＯｘ低減効果を確保しつつＥＧＲ流量を低減して、オイルの劣化を防ぎ、かつ、デポジットの堆積量を軽減することができる。
【００１８】
図６は、本発明をディーゼル式内燃機関に適用した第２実施例に係る排気取り出しモードの切換例を示している。ディーゼル式内燃機関の場合、機関負荷に応じて、排気取り出しモードＭ１〜Ｍ３を切り換える。具体的には、高負荷域では下流取り出しモードＭ２とする。これにより、高負荷域のように、すすが生成されるような過濃燃焼条件下において、次式（１）等に示すように、二酸化炭素ＣＯ２の熱解離反応により生成される酸素０２によって、酸化促進が期待でき、すすの生成が抑制される。
【００１９】
ＣＯ２→Ｃ＋Ｏ２…（１）
また、低負荷域では上流取り出しモードＭ１とすることにより、ＮＯｘ低減効果を向上することができる。これにより、例えば排気還流制御弁６の開度を小さくしてＥＧＲ流量を低減することにより、オイル劣化を抑制するとともに、デポジットの低減化を図ることができる。また、流量変化を小さくして、ＥＧＲ制御性や排気還流制御弁６の分解能を向上することができる。
【００２０】
更に、中負荷域では中間取り出しモードＭ３とすることにより、上述した高負荷域でのすすの抑制効果と低負荷域でのＮＯｘ低減効果とをバランス良く得ることができる。
【００２１】
なお、上記実施例では上流側取り出しモードＭ１では上流側排気接続部のみから排気を取り出す構成としているが、これに限らず、主として上流側排気接続部から排気を取り出すようにしても良い。同様に、下流側取り出しモードＭ２においても、主として下流側排気接続部から排気を取り出すようにしてもよい。
【００２２】
以上の説明より把握し得る技術思想について、その作用効果とともに以下に列記する。
【００２３】
（１）排気浄化触媒４が設けられた排気通路３から吸気通路２へ排気を還流する排気還流通路５が、上記排気浄化触媒４よりも上流側の位置３ａで排気通路３に接続する上流側排気接続部５ａと、上記排気浄化触媒４よりも下流側の位置３ｂで排気通路３に接続する下流側排気接続部５ｂと、を含んでおり、かつ、排気還流通路５を還流する排気ガスの比熱を考慮して、上記上流側排気接続部５ａから取り出す排気と下流側排気接続部５ｂから取り出す排気の割合を制御する制御手段を有する。
【００２４】
（２）排気浄化触媒４が設けられた排気通路３から吸気通路２へ排気を還流する排気還流通路５が、上記排気浄化触媒４よりも上流側の位置３ａで排気通路３に接続する上流側排気接続部５ａと、上記排気浄化触媒４よりも下流側の位置３ｂで排気通路３に接続する下流側排気接続部５ｂと、を含んでおり、かつ、上記上流側排気接続部５ａのみから排気を取り出す上流取り出しモードＭ１，上記下流側排気接続部５ｂのみから排気を取り出す下流取り出しモードＭ２，及び上記上流側排気接続部５ａ及び下流側排気接続部５ｂの双方から排気を取り出す中間取り出しモードＭ３の３つの取り出しモードを機関運転状態に応じて切り換える制御手段を有する。
【００２５】
このように機関運転状態に応じて３つの取り出しモードを切り換えることにより、燃焼安定性を損ねることなくＮＯｘ低減効果を有効に高めることができる。
【００２６】
（３）成層希薄燃焼を実現する筒内直噴式ガソリン内燃機関では、成層希薄燃焼を行う成層運転域Ｒ１で下流取り出しモードＭ２とし、均質燃焼を行う均質運転域Ｒ２であって、かつ、所定の高回転以上又は所定の高負荷以上である高回転・高負荷域では中間取り出しモードＭ３とし、上記均質運転域Ｒ１であって、上記高回転未満かつ高負荷未満である中回転・中負荷域では上流取り出しモードＭ１とする。
【００２７】
ＮＯｘ排出量が多い成層運転域Ｒ１では下流取り出しモードＭ２とすることによりＮＯｘ低減効果を高めることができる。従って、所望のＮＯｘ低減効果を確保しつつＥＧＲ流量を低減して、オイルの劣化を防ぎ、かつ、デポジットの堆積量を軽減することができる。また、均質運転域Ｒ２では上流取り出しモードＭ１又は中間取り出しモードＭ３として、温度の高い触媒上流位置から排気を取り出すことにより、燃料気化を促進し、燃焼安定性を確保することができる。特に、均質運転域Ｒ２の中でも、高回転・高負荷域では中回転・中負荷域に比して燃焼安定性を確保し易いので、中間取り出しモードＭ３とすることにより、ＮＯｘ低減効果をより高めることができる。
【００２８】
（４）ディーゼル内燃機関では、少なくとも高負荷域で下流取り出しモードＭ２とする。すなわち、すすが生成されるような過濃燃焼条件下であるディーゼル内燃機関の高負荷域において、下流取り出しモードとすることにより、二酸化炭素ＣＯ２の熱解離反応により生成される酸素０２によって酸化促進が期待できるので、すすの生成を抑制することができる。
【００２９】
（５）上記排気還流通路５が吸気通路２に接続する吸気接続部５ｃを含んでおり、上記制御手段が、上記上流側排気接続部５ａ及び下流側排気接続部５ｂが吸気接続部５ｃへ合流する部分に設けられた三方弁７を備える。つまり三方弁７を利用した簡素な構造により、上流側排気接続部５ａから取り出す排気と下流側排気接続部５ｂから取り出す排気の割合を調整でき、あるいは３つの排気取り出しモードＭ１，Ｍ２，Ｍ３を切り換えることができる。
【００３０】
（６）成層希薄燃焼を行う筒内直噴式ガソリン内燃機関であって、排気浄化触媒４が設けられた排気通路３から吸気通路２へ排気を還流する排気還流通路５が、上記排気浄化触媒４よりも上流側の位置３ａで排気通路３に接続する上流側排気接続部５ａと、上記排気浄化触媒４よりも下流側の位置３ｂで排気通路３に接続する下流側排気接続部５ｂと、を含んでおり、上記上流側排気接続部５ａから主に排気を取り出す上流取り出しモードＭ１と、上記下流側排気接続部５ｂから主に排気を取り出す下流取り出しモードＭ２と、を備え、成層燃焼を行う成層運転領域では、上記下流取り出しモードＭ１に切り換える制御手段を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気還流制御装置の一例を示す概略構成図。
【図２】図１の三方弁を示す構成図。
【図３】取り出しモードに対するガス組成，ガス比熱及びＮＯｘ低減効果の関係を示す説明図。
【図４】本発明の第１実施例に係る筒内噴射式ガソリン内燃機関の燃焼方式（Ａ）及び排気取り出しモード（Ｂ）を示す説明図。
【図５】上記第１実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。
【図６】本発明の第２実施例に係るディーゼル内燃機関の排気取り出しモードを示す説明図。
【符号の説明】
【００３２】
１…内燃機関
２…吸気通路
３…排気通路
４…排気浄化触媒
５…排気還流通路
５ａ…上流側排気接続部
５ｂ…下流側排気接続部
５ｃ…吸気接続部
６…排気還流制御弁
７…三方弁（制御手段）
８…エンジン制御部（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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