(57)【要約】【課題】圧力損失の増加やデポジットの堆積を回避しつつ、多量の排気還流を可能とする。【解決手段】排気系としてメイン通路の下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置される。メイン通路３の途中に、該メイン通路３を開閉する流路切換弁５が設けられている。メイン通路３から通路断面積の小さなバイパス通路７が分岐し、その途中に小型のバイパス触媒コンバータ８（８ａ、８ｂ）が介装される。第１の排気還流通路３１が、メイン通路３の流路切換弁５よりも上流側の位置に接続され、第２の排気還流通路３２は、バイパス通路７の第１触媒コンバータ８ａと第２触媒コンバータ８ｂとの間に接続される。第１の排気還流制御弁３３は最大流量が大であり、第２の排気還流制御弁３４は最大流量が小である。要求排気還流量が少ないときには、第２の排気還流制御弁３４のみを用いて排気還流が制御され、触媒通過後の排気が導入される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系から吸気系へ至る第１の排気還流通路と、同じく排気系から吸気系へ至る第２の排気還流通路と、上記第１の排気還流通路に介装された最大流量が相対的に大きい第１の排気還流制御弁と、上記第２の排気還流通路に介装された最大流量が相対的に小さい第２の排気還流制御弁と、を備え、小流量時には上記第１の排気還流制御弁を全閉として上記第２の排気還流制御弁により流量制御を行うことを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
【請求項２】
上記第１の排気還流通路には、触媒コンバータを経ない排気が導入され、上記第２の排気還流通路には、触媒コンバータを通過した排気が導入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還流装置。
【請求項３】
上記排気系の少なくとも一部が、流路抵抗が大小異なる２つの並列な排気流路を備えており、流路抵抗の小さな排気流路に上記第１の排気還流通路が、流路抵抗の大きな排気流路に上記第２の排気還流通路が、それぞれ接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気還流装置。
【請求項４】
上記排気系は、
内燃機関から排出された排気が流れるメイン通路と、
このメイン通路の一部をバイパスするように、上流側で該メイン通路から分岐するとともに、下流側で該メイン通路に合流するバイパス通路と、
上記バイパス通路に介装されたバイパス触媒コンバータと、
上記バイパス通路と上記メイン通路との合流点よりも下流側に設けられたメイン触媒コンバータと、
上記バイパス通路の分岐点と上記合流点との間で上記メイン通路を開閉する流路切換弁と、
を備えており、
上記第１の排気還流通路が上記メイン通路の上記流路切換弁よりも上流側に接続されているとともに、
上記第２の排気還流通路が上記バイパス通路に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。
【請求項５】
上記バイパス触媒コンバータは、直列に配置された第１触媒および第２触媒を有し、この第１触媒と第２触媒との間に上記第２の排気還流通路が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気還流装置。
【請求項６】
大流量時には第１の排気還流制御弁および第２の排気還流制御弁の双方の流量制御により総流量を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の排気系から排気の一部を吸気系へ還流する排気還流装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃費向上やＮＯｘ低減のために、排気の一部を吸気系へ還流する排気還流装置が広く知られている。この排気還流装置は、排気マニホルド等の排気系の適宜位置から吸気マニホルド等の吸気系の適宜位置に至る排気還流通路と、この排気還流通路に介装された例えばステップモータにより開度制御される排気還流制御弁と、から大略構成され、上記排気還流制御弁によって機関運転条件に応じた排気還流量に制御される。
【０００３】
ここで、排気中には、異物や未燃燃料成分等が含まれているため、これらが排気還流通路や吸気系部品等に付着・堆積して、汚損や目詰まり、あるいは経時的な排気還流量の低下を生じる、という問題があるが、特許文献１には、一部の気筒の排気が案内される上流側の触媒コンバータの下流側位置に排気還流通路を接続し、触媒コンバータでＨＣを除去した後の排気を吸気系へ還流するようにした構成が開示されている。この構成によれば、排気中の異物や未燃成分が触媒コンバータによって予め除去され、排気還流通路や排気還流制御弁等の汚損が抑制される。
【０００４】
一方、近年、内燃機関の始動直後の排気組成の向上が強く要請されているが、従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側に触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。
【０００５】
そのため、特許文献２に開示されているように、メイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路を設けるとともに、このバイパス通路に、触媒コンバータ（バイパス触媒コンバータ）を介装し、排気の流れを切換弁により切り換えることによって、冷間始動直後は、バイパス通路側に排気を案内して早期に触媒を活性化し、早い段階から排気浄化を開始するとともに、暖機完了後は、メイン通路側に排気を案内して、触媒コンバータの過度の温度上昇を抑制するようにした排気装置が従来から提案されている。なお、この場合、メイン通路のさらに下流側に第２の触媒コンバータ（メイン触媒コンバータ）を備えるのが一般的である。
【特許文献１】特開平１０−３１７９５０号公報
【特許文献２】特開平５−３２１６４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、特にガソリン機関においては、ポンピングロス低減のために多量の排気還流を行うことがあり、排気還流装置によって供給可能な最大の排気還流量がより多く要求される傾向にある。これに伴い、例えば、所定ステップ数のステップモータを用いた排気還流制御弁がより大型化することになり、単位ステップ当たりの流量変化が大となって、制御分解能が低くなる。この結果、吸入空気量が少ないアイドル時などに排気還流量を少量に制御すべきときに、排気還流量の制御精度が低く、例えば、排気還流量のばらつきにより燃焼不安定化を招来したりする問題がある。
【０００７】
また、特許文献１のように、触媒コンバータの下流側から還流排気を取り出す場合、還流排気が触媒コンバータを通過することによる圧力損失を伴うので、ポンピングロス低減のために多量の排気還流を行うとすると、ポンピングロス低減による燃費向上代の一部が圧力損失によって相殺されてしまう、という不具合を生じる。
【０００８】
特に、上記のようにメイン触媒コンバータを備えたメイン通路とバイパス触媒コンバータを備えたバイパス通路とを有する排気系にあっては、メイン触媒コンバータは内燃機関から比較的離れた排気系の下流位置（例えば車両の床下）に位置するので、その下流側から還流排気を取り出すためには、排気還流通路が非常に長くなり、圧力損失がより大となる。逆にバイパス通路側のバイパス触媒コンバータ下流側に排気還流通路を接続すると、バイパス通路は一般にメイン通路よりも通路断面積が小さいことから、やはり圧力損失が大となり、大量の還流排気を取り出すことは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る内燃機関の排気還流装置は、内燃機関の排気系から吸気系へ至る第１の排気還流通路と、同じく排気系から吸気系へ至る第２の排気還流通路と、上記第１の排気還流通路に介装された最大流量が相対的に大きい第１の排気還流制御弁と、上記第２の排気還流通路に介装された最大流量が相対的に小さい第２の排気還流制御弁と、を備え、小流量時には上記第１の排気還流制御弁を全閉として上記第２の排気還流制御弁により流量制御を行うことを特徴としている。
【００１０】
好ましくは、上記第１の排気還流通路には、触媒コンバータを経ない排気が導入され、上記第２の排気還流通路には、触媒コンバータを通過した排気が導入される。
【００１１】
すなわち、大量の排気還流が要求される運転条件においては、第１，第２の排気還流通路の双方を通して、あるいは第１の排気還流通路のみを通して、排気還流が行われる。第１の排気還流通路および第２の排気還流制御弁は、最大流量が大であることから、圧力損失は小さい。これに対し、アイドル時のように少量の排気還流が要求されるときには、第１の排気還流通路は用いられずに、第２の排気還流通路のみを通して排気還流が行われる。最大流量が小さい第２の排気還流制御弁は、第１の排気還流制御弁に比べて制御分解能が高くなり、それだけ少量の排気還流を精度良く行うことができる。
【００１２】
なお、大流量時にも、第１の排気還流制御弁および第２の排気還流制御弁の双方の流量制御により総流量を制御することにより、第２の排気還流制御弁の高い制御分解能を利用して、高精度な排気還流制御が可能である。また、この場合、個々の排気還流制御弁がより小容量のもので足りる。
【００１３】
本発明では、第２の排気還流通路には少量の排気のみが流れるので、触媒コンバータ下流側に第２の排気還流通路を接続しても、圧力損失による燃費悪化等は最小限となる。触媒コンバータを通過させることで、排気中の異物や未燃成分が予め除去され、排気還流通路等の汚損が回避される。また、第１の排気還流通路には、触媒コンバータを経ない排気が通流するが、この第１の排気還流通路に排気が通流する時間（つまり大量の排気還流が要求される運転条件の時間）は、排気還流が行われる総時間の中の一部であるので、汚損による経時的な流量の低下や目詰まりは、十分に抑制される。
【００１４】
本発明は、特に、上記排気系の少なくとも一部が、流路抵抗が大小異なる２つの並列な排気流路を備えている場合に好適であり、流路抵抗の小さな排気流路に上記第１の排気還流通路が接続され、流路抵抗の大きな排気流路に上記第２の排気還流通路が接続される。
【００１５】
より具体的な一つの態様では、上記排気系は、内燃機関から排出された排気が流れるメイン通路と、このメイン通路の一部をバイパスするように、上流側で該メイン通路から分岐するとともに、下流側で該メイン通路に合流するバイパス通路と、上記バイパス通路に介装されたバイパス触媒コンバータと、上記バイパス通路と上記メイン通路との合流点よりも下流側に設けられたメイン触媒コンバータと、上記バイパス通路の分岐点と上記合流点との間で上記メイン通路を開閉する流路切換弁と、を備えており、
上記第１の排気還流通路が上記メイン通路の上記流路切換弁よりも上流側に接続されているとともに、上記第２の排気還流通路が上記バイパス通路に接続されている。
【００１６】
上記バイパス通路は、例えば、機関の冷間始動直後などに排気が通流するものであり、一般に、メイン通路よりも通路断面積が小さく、流路抵抗が大となる。
【００１７】
上記第２の排気還流通路は、上述したように少量の還流排気のみが通流するので、バイパス通路におけるバイパス触媒コンバータの下流側に接続することができる。
【００１８】
好ましくは、上記バイパス触媒コンバータは、直列に配置された第１触媒および第２触媒を有しており、この第１触媒と第２触媒との間に上記第２の排気還流通路が接続されている。これにより、流路切換弁が開いているときに上記合流点側から第２の排気還流通路へと還流排気が通流する場合にも、排気中の異物等が確実に除去される。
【発明の効果】
【００１９】
この発明に係る内燃機関の排気還流排気によれば、大量の排気還流が行われるときの圧力損失の増大を回避しつつアイドル時のように少量の排気還流を高精度に制御することができる。
【００２０】
また、圧力損失に制限されることなく、第２の排気還流通路を触媒コンバータの下流側に接続することが可能となり、第１の排気還流通路に排気が流れる時間割合が少なくなることと相俟って、排気中の燃料成分等の付着による経時的な流量の低下や目詰まりを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明を直列４気筒内燃機関に適用した一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
図１は、この内燃機関の排気還流装置の配管レイアウトを模式的に示した説明図であり、始めに、排気系の構成について説明すると、内燃機関１のシリンダヘッド１ａには、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒の各気筒の排気ポート（図示せず）がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポートのそれぞれに、メイン通路３が接続されている。♯１気筒〜♯４気筒の４本のメイン通路３は、排気マニホルド２として１本の流路に集合しており、この１本の流路となったメイン通路３の比較的下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置されている。このメイン触媒コンバータ４は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、触媒としては、例えば、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。上記のメイン通路３およびメイン触媒コンバータ４によって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。また、上記メイン通路３の少なくともメイン触媒コンバータ４よりも上流側に位置に、流路切換手段として該メイン通路３を開閉する流路切換弁５が設けられている。この流路切換弁５は、図示しない適宜なアクチュエータによって開閉駆動される。
【００２３】
一方、バイパス流路として、各気筒のメイン通路３の各々から、該メイン通路３よりも通路断面積の小さなバイパス通路７がそれぞれ分岐している。各バイパス通路７の上流端となる分岐点６は、メイン通路３のできるだけ上流側の位置に設定されている。４本のバイパス通路７は、下流側で１本の流路に集合しており、その集合点の直後に、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ８は、メイン触媒コンバータ４に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。より具体的には、このバイパス触媒コンバータ８は、互いに直列に配置された上流側の第１触媒コンバータ８ａと下流側の第２触媒コンバータ８ｂとから構成されており、第２触媒コンバータ８ｂの出口側から延びるバイパス通路７の下流端は、メイン通路３におけるメイン触媒コンバータ４上流側でかつ流路切換弁５よりも下流側の合流点１２において該メイン通路３に接続されている。
【００２４】
従って、排気系として、上記分岐点６と上記合流点１２との間では、メイン流路とバイパス流路とが並列に存在する形となるが、上記バイパス流路は、その基本的な通路断面積がメイン流路の通路断面積よりも小さく、かつバイパス触媒コンバータ８が介在しているので、バイパス流路の方が相対的に流路抵抗が大きい。
【００２５】
また吸気系として、シリンダヘッド１ａの他方の側面にそれぞれ開口する吸気ポート（図示せず）に、吸気マニホルド２１として構成された吸気通路２２が接続されており、この吸気通路２２に、モータ等のアクチュエータによって開閉駆動される所謂電子制御型スロットル弁２４が配置されている。このスロットル弁２４の上流には、図示せぬ吸入空気量検出用のエアフロメータならびにエアクリーナが設けられている。
【００２６】
なお、内燃機関１は、点火プラグ２５を備えており、かつシリンダヘッド１ａの各吸気ポートへ向かって燃料を噴射するように図示せぬ燃料噴射弁が配置されている。
【００２７】
本発明では、排気還流装置として、互いに並列に排気系から吸気系へ至る２本の排気還流通路つまり第１の排気還流通路３１と第２の排気還流通路３２とを備えている。第１の排気還流通路３１は、メイン通路３の流路切換弁５よりも上流側の位置に基端が接続され、かつ吸気系の例えば吸気マニホルド２１に先端が接続されている。なお、図では、各気筒のメイン通路３が１本の流路に集合した集合点よりも下流に第１の排気還流通路３１が接続されているが、集合点よりも上流側つまりいずれかの気筒のメイン通路３に第１の排気還流通路３１を接続するようにしてもよい。第２の排気還流通路３２は、バイパス通路７の第１触媒コンバータ８ａと第２触媒コンバータ８ｂとの間の位置に基端が接続され、吸気系の例えば吸気マニホルド２１に先端が接続されている。
【００２８】
それぞれの排気還流量を調節するために、上記の第１の排気還流通路３１には、第１の排気還流制御弁３３が介装され、第２の排気還流通路３２には、第２の排気還流制御弁３４が介装されている。これらの排気還流制御弁３３，３４は、いずれも、ステップモータによって弁体の開度が全閉位置から全開位置まで連続的に（厳密にはステップ的に）可変制御される公知の構成であって、特に、第１の排気還流制御弁３３の方が相対的に容量の大きな大型のものであり、かつ第２の排気還流制御弁３４の方が相対的に容量の小さな小型のものである。つまりステップ数が最大となった全開位置における最大流量としては、第１の排気還流制御弁３３の方が大きく、第２の排気還流制御弁３４の方が小さい。なお、この最大流量に対応して、第２の排気還流通路３２の通路断面積は、第１の排気還流通路３１の通路断面積よりも小さい。
【００２９】
上記のような構成においては、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、図示せぬコントロールユニットによりアクチュエータを介して流路切換弁５が閉じられ、メイン通路３が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点６からバイパス通路７を通してバイパス触媒コンバータ８へと流れる。バイパス触媒コンバータ８は、排気系の上流側つまり内燃機関１の排気ポートに近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。
【００３０】
一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、流路切換弁５が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン通路３からメイン触媒コンバータ４を通過する。このときバイパス通路７側は特に遮断されていないが、前述した両者の流路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン通路３側を通り、バイパス通路７側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ８の熱劣化は十分に抑制される。またバイパス流路側が完全に遮断されないことから、排気流量が大となる高速高負荷時には、排気流の一部がバイパス流路側を流れることで、背圧による充填効率低下を回避することができる。
【００３１】
排気還流量を制御する排気還流制御弁３３，３４は、やはり図示せぬコントロールユニットによりその開度が制御されるが、第１の排気還流制御弁３３が開くと、流路切換弁５の開閉状態に拘わらず、第１の排気還流通路３１を通してメイン通路３から吸気系へ排気が還流する。この排気は、メイン触媒コンバータ４を経由せずに吸気系へ流れる。また、第２の排気還流制御弁３４が開くと、やはり流路切換弁５の開閉状態に拘わらず、第２の排気還流通路３２を通してバイパス通路７から吸気系へ排気が還流する。この排気は、第１触媒コンバータ８ａを経由し、ここで異物や未燃成分等が除去されたものとなる。なお、流路切換弁５が開いているときに、運転条件によっては、メイン通路３を流れた排気が合流点１２からバイパス通路７を逆流して第２の排気還流通路３２に取り込まれることがあるが、この場合も、排気は第２触媒コンバータ８ｂを通過し、ここで異物や未燃成分が除去される。従って、第２の排気還流通路３２や第２の排気還流制御弁３４では、デポジットの付着やこれによる流量の低下等が確実に防止される。
【００３２】
図２は、第１の排気還流制御弁３３および第２の排気還流制御弁３４の流量制御について説明するものであり、横軸が各排気還流制御弁３３，３４の開度（ステップ数）、縦軸がそれぞれの流量を示す。なお、本実施例では、両排気還流制御弁３３，３４のステップモータの総ステップ数が同一の構成となっているが、必ずしもこれに限定されるものではない。ここで、図示するように、第２の排気還流制御弁３４の方が相対的に流量が少なく、従って、可変制御可能な流量の変化範囲は、狭い。そのため、一般に、第２の排気還流制御弁３４の方が制御分解能の点で有利となり、例えば単位ステップ当たりの流量変化が第１の排気還流制御弁３３よりも小さくなる。
【００３３】
内燃機関全体の要求の排気還流量は、機関運転条件に基づき、各々の運転条件の下で所望の排気還流率となるように例えば所定の制御マップに従って決定されるが、本実施例では、この要求排気還流量があるレベル（例えば第２の排気還流制御弁３４の最大流量よりも僅かに小さな流量）よりも小さいときには、第２の排気還流制御弁３４のみによって流量制御がなされ、また上記のレベルよりも多量の排気還流量が要求されるときには、第１の排気還流制御弁３３と第２の排気還流制御弁３４の双方によって流量制御がなされる。
【００３４】
一例として、図の「条件Ａ」は要求排気還流量が最大流量付近となる運転条件での各排気還流制御弁３３，３４の制御位置を示しており、図示するように要求排気還流量の一部が第２の排気還流制御弁３４を通して供給され、残部が第１の排気還流制御弁３３を通して供給される。なお、両者の分担割合は、圧力損失低減の点から第２の排気還流制御弁３４を通る流量の割合の方が少なくなるように設定することが好ましく、例えば、第１の排気還流制御弁３３が８０％、第２の排気還流制御弁３４が２０％、程度に設定される。この分担割合は、運転条件等に応じてさらに最適となるように変化するものであってもよい。
【００３５】
また図の「条件Ｂ」は、要求排気還流量が最小となる機関アイドル時における各排気還流制御弁３３，３４の制御位置を示しており、図示するように、このときには、第１の排気還流制御弁３３は全閉となり、第２の排気還流制御弁３４のみを通して要求排気還流量の全量が供給される。
【００３６】
このように、要求排気還流量が少ないときに、第２の排気還流制御弁３４のみを通して排気還流を行うことにより、制御分解能の高い第２の排気還流制御弁３４によって精度の高い排気還流量制御を実現でき、例えばアイドル時の排気還流量のばらつきによる燃焼不安定化や失火等を確実に回避できる。そして、このときは、前述したようにバイパス触媒コンバータ８によって異物や未燃成分が予め除去されることから、デポジットの堆積による経時的な流量の低下を招来することがない。なお、前述したようにバイパス通路７側の流路抵抗は大きいが、流量そのものが少ないので、生じる圧力損失は比較的小さい。
【００３７】
また一方、要求排気還流量が多いときには、排気還流量の大部分が流路抵抗の小さなメイン通路３から第１の排気還流通路３１および第１の排気還流制御弁３３を通して流れるので、圧力損失の増加が抑制される。しかも、第１の排気還流通路３１は、メイン通路３の比較的上流位置に接続し得るため、第１の排気還流通路３１の実際の通路長を短くすることができ、この点からも圧力損失が小さくなる。このメイン通路３から流れる排気はメイン触媒コンバータ４を経由せず、異物や未燃成分を含んだものとなるが、このように要求排気還流量が大となるのは、排気還流領域の中の一部の運転条件であり、総運転時間の中に占める割合は比較的少ないので、デポジットの堆積による流量の低下は、十分に抑制される。
【００３８】
図３の（ａ）〜（ｃ）は、デポジットの堆積による経時的な流量低下について示したものであり、第１の排気還流通路３１と同様の排気還流通路のみを備えた場合の特性（ａ）と、第２の排気還流通路３２と同様の排気還流通路のみを備えた場合の特性（ｂ）と、本発明の上記実施例の構成の特性（ｃ）と、を対比して示している。（ａ）の場合は、圧力損失の大幅な増加を伴わずに多量の排気還流が可能となるが、その反面、未燃成分等を含む排気が常に通流するので、デポジットの堆積が生じ、破線で示すように、経時的な流量低下が生じる。（ｂ）の場合は、未燃成分等が触媒コンバータで除去されるので、経時的な流量低下は生じないが、圧力損失が大となり、かつ多量の排気還流が要求される条件下では、必要量を確保することができない。本発明の（ｃ）の場合には、圧力損失の大幅な増加を伴わずに十分な排気還流の確保が可能であり、かつ破線で示すように、経時的な流量低下が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明に係る排気還流装置の一実施例を示す構成説明図。
【図２】２つの排気還流制御弁の流量制御を示す特性図。
【図３】デポジットの堆積による流量低下を参考例と対比して示す特性図。
【符号の説明】
【００４０】
３…メイン通路
４…メイン触媒コンバータ
５…流路切換弁
６…分岐点
７…バイパス通路
８…バイパス触媒コンバータ
８ａ…第１触媒コンバータ
８ｂ…第２触媒コンバータ
１２…合流点
３１…第１の排気還流通路
３２…第２の排気還流通路
３３…第１の排気還流制御弁
３４…第２の排気還流制御弁
【図１】
2007247436.tif 000003
【図２】
2007247436.tif 000004
【図３】
2007247436.tif 000005