JP5845619B2 - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気還流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還流させる排気還流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に開示された排気還流装置は、排気通路を流れる排気の一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路に設けられ、吸気通路に還流させる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、還流させるＥＧＲガスを機関冷却水との熱交換により冷却するＥＧＲクーラとを有している。ＥＧＲクーラにはウォーターポンプから吐き出される機関冷却水の一部が供給され、ＥＧＲクーラの内部を流れるＥＧＲガスと機関冷却水との熱交換によりＥＧＲガスが冷却される。

また、特許文献１に開示された排気還流装置を搭載した内燃機関にあっては、排気通路内の排気の脈動により、ＥＧＲバルブが全閉となっているにもかかわらずＥＧＲクーラにＥＧＲガスが流入して、ＥＧＲ通路内等で凝縮水が発生し、この凝縮水が各部材の腐食を引き起こす原因になっていた。

このため、特許文献１に開示された排気還流装置の他に、ＥＧＲクーラよりも排気通路側に設けられるとともに、排気通路からＥＧＲ通路に供給されるＥＧＲガスを遮断する切替え弁をさらに備えた排気還流装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

この特許文献２に開示された排気還流装置は、吸気通路と排気通路とを接続し内燃機関からの排気の一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路の途中でＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、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切替え弁と、を備える。

この特許文献２に開示された排気還流装置は、ＥＧＲバルブが全閉となっているときに切替え弁が閉弁されるので、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラへ流入することを抑制して、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、上述した従来の排気還流装置は、排気を還流させるＥＧＲ制御の開始条件が成立すると、ＥＧＲバルブと切替え弁とが同時に開弁するようになっている。そのため、ＥＧＲ制御を開始するためにＥＧＲバルブが開状態に移行した時点では、ＥＧＲ通路に排気ガスが流入しておらず、ＥＧＲガスの吸気通路への導入遅れが発生する可能性があった。

また、ＥＧＲ制御の終了条件が成立すると、ＥＧＲバルブと切替え弁とが同時に閉弁するようになっている。そのため、ＥＧＲバルブが閉状態に近づくと、切替え弁も閉状態に近づいているため、本来必要とされる吸気通路へのＥＧＲガスの流量を確保できない可能性があった。

したがって、いずれの場合においても、切替え弁の開閉タイミングが最適化されていないため、ＥＧＲガスが所望の流量にならない状況が生じ、結果として、エンジンにおいて所望の燃焼特性が得られず燃費特性が低下する可能性があった。

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装置内に凝縮水が発生することを防止するとともにＥＧＲガスを所望の流量にできる内燃機関の排気還流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還流装置は、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還流させる内燃機関の排気還流装置であって、前記排気通路と前記吸気通路とを連通するＥＧＲ通路に設けられ前記ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲクーラよりも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ＥＧＲクーラよりも前記吸気通路側に設けられ、前記ＥＧＲガスを前記吸気通路に流入する量を調整する第２の弁と、を備え、前記第１の弁は、前記第２の弁が閉状態から開状態に移行する条件が成立する前に閉状態から開状態への移行条件が成立することを特徴とする。

この構成により、第２の弁が閉状態から開状態に移行する際には、第１の弁が閉状態から開状態に移行を開始しているので、ＥＧＲガスの吸気通路への導入遅れを防止することができる。したがって、第２の弁による排気還流量制御の開始時には、確実にＥＧＲガスを内燃機関に供給できるので、燃費を向上することが可能となる。

また、本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、前記第１の弁は、前記第２の弁が開状態から閉状態に移行する条件が成立したことを条件として、開状態から閉状態への移行条件が成立することを特徴とする。

この構成により、第１の弁が第２の弁よりも早く閉状態に移行することを防止できるので、所望のＥＧＲガス流量を確保することが可能となり、燃費を向上することができる。

また、本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、前記第１の弁は、前記内燃機関の冷却水の温度に応じて開度が変化する感温弁により構成されることを特徴とする。

この構成により、第１の弁は、内燃機関の運転状況に応じた開度をとることが可能となる。したがって、例えば、冷却水温がＥＧＲガスの露点温度よりも低い場合に閉状態となるよう第１の弁を構成した場合には、第１の弁は内燃機関の暖機中に閉状態となるので、ＥＧＲ通路を形成するＥＧＲ管やＥＧＲクーラが露点温度よりも低く、排気ガスが導入されると凝縮水が発生する状況下においては、ＥＧＲ通路に排気ガスが導入されることを防止することができる。一方、内燃機関の暖機終了後には開状態となるので、ＥＧＲガスの吸気通路への導入遅れを防止できる。

また、本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、前記第１の弁は、前記冷却水の温度が前記ＥＧＲガスの露点温度以上であることを前記閉状態から開状態への移行条件とすることを特徴とする。

この構成により、第１の弁は、冷却水温が低い場合には閉状態をとるため、排気脈動により排気ガスがＥＧＲ通路に入り込み、ＥＧＲ装置内に凝縮水を発生させることを抑制できる。また、冷却水温が高く凝縮水の発生する可能性が低下している場合には、第１の弁は開状態に移行するので、第２の弁による排気還流量制御に影響を与えることを防止できる。

また、本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、前記第１の弁は、前記冷却水の温度が前記第２の弁により前記吸気通路に流入する前記ＥＧＲガスの量の調整を開始する温度に到達する前に全開状態に移行することを特徴とする。

この構成により、排気還流量制御の実行が開始される前に第１の弁を全開状態に移行できるので、排気還流量制御が開始された際に所望の排気還流量を実現することが可能となる。

また、本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、前記第１の弁は、前記ＥＧＲ通路に設置される弁体と、前記内燃機関の冷却水を流入する冷却水路と、前記冷却水路に設置され前記冷却水の温度に応じて変形する感熱変形部材と、前記弁体と前記感熱変形部材とを接続する連結部材と、を備え、前記第１の弁は、前記弁体が前記感熱変形部材の変形に応じて駆動されることにより閉状態と開状態との間で移行することを特徴とする。

この構成により、第１の弁が弁体、感熱変形部材および連結部材のいずれをも備えるので、排気還流装置を小型化することができる。

また、本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、前記内燃機関の冷却水を流入する冷却水路が形成されたアクチュエータを備え、前記第１の弁は、前記ＥＧＲ通路に設置される弁体を備え、前記アクチュエータは、前記冷却水路に設置され前記冷却水の温度に応じて変形する感熱変形部材と、前記弁体と前記感熱変形部材とを接続する連結部材と、を備え、前記第１の弁は、前記弁体が前記感熱変形部材の変形に応じて駆動することにより閉状態と開状態との間で移行することを特徴とする。

この構成により、アクチュエータが第１の弁と隔離されているので、第１の弁が高温の排気ガスに曝される位置に配置される場合においても、アクチュエータおよびアクチュエータを通過する冷却水が過熱されることを防止できる。

本発明によれば、ＥＧＲ装置内に凝縮水が発生することを防止するとともにＥＧＲガスを所望の流量にできる内燃機関の排気還流装置を提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の排気還流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排気還流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切替えバルブのバイメタル周辺の平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る切替えバルブのバイメタル周辺の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る切替えバルブの弁体周辺の平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排気還流装置の動作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還流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、図面を参照して説明する。なお、本実施の形態においては、本発明に係る排気還流装置を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）８０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、ＥＣＵ８０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には、上流側から順に図示しないエアクリーナやエアフロメータ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。

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。ＥＣＵ８０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ている触媒装置１３が配置されている。

エンジン１は、さらに、排気還流装置（以下、ＥＧＲ装置という）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ようになっている。これにより、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。

ＥＧＲバルブ３２は、その内部に設けられたリニアソレノイド３２ａと、基端部分がリニアソレノイド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。そして、リニアソレノイド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。

本実施の形態におけるＥＧＲバルブ３２は、リニアソレノイド３２ａが通電された状態で開状態となり、リニアソレノイド３２ａが通電されていない状態で閉状態となるノーマリークローズ型のバルブにより構成されている。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。

ＥＣＵ８０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は、筐体内における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管３３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。

本実施の形態に係るＥＧＲ装置３０は、ＥＧＲクーラ３１の上流側に切替えバルブ３５を備えている。切替えバルブ３５は、後述するように、エンジン１の冷却水温に応じて開閉するようになっている。ここで、本実施の形態に係る切替えバルブ３５は、本発明に係る第１の弁を構成する。

図１および図２に示すように、本実施の形態に係るエンジン１を搭載した車両は、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、スロットル開度センサ２７、アクセル開度センサ２９、バルブ開度センサ３６、エンジン回転数センサ３７、車速センサ３８および切替えバルブ開度センサ３９を備えている。これらのセンサは、検出結果を表す信号をＥＣＵ８０にそれぞれ出力するようになっている。

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ており、エンジン１の冷却水温ＴＨＷに応じた検出信号をＥＣＵ８０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ＥＣＵ８０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ＥＣＵ８０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ＥＣＵ８０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ＥＣＵ８０に出力する。また、排気温センサ２６は、触媒装置１３の下流側の排気通路１２に配置されており、排気温度に応じた検出信号をＥＣＵ８０に出力する。

スロットル開度センサ２７は、スロットルバルブ１８の開度に応じた検出信号をＥＣＵ８０に出力する。アクセル開度センサ２９は、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号をＥＣＵ８０に出力する。

エンジン回転数センサ３７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ＥＣＵ８０に出力する。車速センサ３８は、車輪の回転数を検出し、車速を表す信号としてＥＣＵ８０に出力する。

バルブ開度センサ３６は、直流駆動される抵抗体と、抵抗体の表面を摺動するブラシとを有している。ブラシは、ＥＧＲバルブ３２のシャフト３２ｃと一体に作動し得るように構成されている。そして、シャフト３２ｃのリフト位置、すなわちＥＧＲバルブ３２の開度に応じた電圧信号がブラシに現れる。したがって、ＥＣＵ８０は、バルブ開度センサ３６のブラシに現れる信号を取得することにより、ＥＧＲバルブ３２の開度を検出することができる。切替えバルブ開度センサ３９は、切替えバルブ３５の開度に応じた信号をＥＣＵ８０に出力する。

ＥＣＵ８０は、図２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）８１、ＲＯＭ（Read Only Memory）８２、ＲＡＭ（Random Access Memory）８３およびバックアップメモリ８４などを備えている。

ＲＯＭ８２は、排気還流量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。ＣＰＵ８１は、ＲＯＭ８２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、ＲＡＭ８３は、ＣＰＵ８１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。バックアップメモリ８４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。

ＣＰＵ８１、ＲＯＭ８２、ＲＡＭ８３およびバックアップメモリ８４は、バス８７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８５および出力インターフェース８６と接続されている。

入力インターフェース８５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、スロットル開度センサ２７、アクセル開度センサ２９、バルブ開度センサ３６、エンジン回転数センサ３７、車速センサ３８および切替えバルブ開度センサ３９が接続されている。なお、車両がＥＣＵ８０以外の他のＥＣＵを搭載し、これらのセンサのうち少なくとも一部から出力された信号が、当該他のＥＣＵを介してＥＣＵ８０に入力されるようにしてもよい。

出力インターフェース８６は、点火プラグ１５、スロットルバルブ１８、ＥＧＲバルブ３２や、インジェクタなどに接続されている。

そして、ＥＣＵ８０は、上記した各種センサの出力に基づいて、排気還流量制御、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３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４５、切替えバルブ３５、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サーモスタットにより第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４６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。

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と、ヒータコア４５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。

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４６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、第２経路４８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、第２経路４８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。

以下、本発明の実施の形態に係るＥＧＲ装置３０のより特徴的な構成について説明する。

切替えバルブ３５は、冷却水回路４０の第１経路４７の一部を構成する冷却水配管４１が内部に配設されている。この冷却水配管４１にはバイメタル５２が設置されており、エンジン１の冷却水温ＴＨＷに応じて変形するようになっている。ここで、本実施の形態に係る冷却水配管４１およびバイメタル５２は、本発明に係る冷却水路および感熱変形部材をそれぞれ構成する。

また、切替えバルブ３５は、ＥＧＲ通路３４に設置される弁体５１と、バイメタル５２と弁体５１とを連結する連結部材５３とを有している。弁体５１は、バイメタル５２の変形に応じて、排気ガスがＥＧＲ通路３４に流入するのを遮断する遮断位置と排気ガスがＥＧＲ通路３４へ流入することを可能とする開放位置との間で回動するようになっている。

つまり、弁体５１が遮断位置に移動した場合に、切替えバルブ３５は閉状態となり、弁体５１が開放位置に移動した場合に切替えバルブ３５は開状態となる。

本実施の形態においては、切替えバルブ３５は、冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ１以下の場合には閉状態となる一方、冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ１を超えた場合には冷却水温ＴＨＷに応じた開度をとるようになっている。

所定値Ｘ１としては、想定される外気温および湿度の範囲において露点温度が最も高くなった場合においても、露点温度以下であるならば切替えバルブ３５が閉状態をとるように設定される。本実施の形態においては、所定値Ｘ１は６０℃に設定されている。これにより、切替えバルブ３５は、ＥＧＲ管３３やＥＧＲクーラ３１などが露点温度以下となるエンジン１の暖機中において閉状態をとるようになっている。

つまり、切替えバルブ３５は、エンジン１の暖機中に排気ガスが排気脈動によりＥＧＲ装置３０に流入し、ＥＧＲ管３３やＥＧＲクーラ３１により露点温度以下に冷やされ凝縮水が発生することを防止するようになっている。

また、切替えバルブ３５は、冷却水温ＴＨＷがさらに上昇し、所定値Ｘ１よりも高く、かつ、所定値Ｘ２より低い所定の温度に達すると全開状態となるよう構成されている。この所定値Ｘ２は、ＥＣＵ８０がＥＧＲバルブ３２を閉状態から開状態に移行し排気還流量制御を開始する温度を表しており、本実施の形態においては、所定値Ｘ２は７０℃に設定されている。

なお、排気還流量は、ＥＧＲ装置３０における下流側、すなわち吸気通路１１になるべく近い位置で調整すると流量制御の精度が向上する。そのため、排気還流量の調整はＥＧＲバルブ３２により行う一方、切替えバルブ３５は、全閉状態と全開状態の２つの状態をとればよい。したがって、切替えバルブ３５は、冷却水温ＴＨＷの上昇により閉状態から開状態への移行を開始すると、なるべく低い温度で全開状態に移行するようバイメタル５２などが構成されていると好適である。

次に、図４〜図６を参照して、切替えバルブ３５の機構について説明する。

図４に示すように、バイメタル５２は渦巻き状に形成されており、渦巻きの外側に配設される金属の材質は、渦巻きの内側に配設される金属の熱膨張率よりも低いものが採用されている。したがって、バイメタル５２を通過する冷却水温ＴＨＷが高くなるほど、バイメタル５２の渦巻きは広がるように変形する。

バイメタル５２の基端部５２ｂは、冷却水配管４１の内壁４２に固定されている。また、バイメタル５２は、渦巻きの中心軸に直交する側面が、冷却水の流れ方向に沿うように配設されている。そして、バイメタル５２は、基端部５２ｂを固定端として渦巻きの中心軸方向に伸縮する。具体的には、図４に示すように、このバイメタル５２は、冷却水配管４１を流通する冷却水の冷却水温ＴＨＷが高くなるときほど、矢印Ｘの方向への変形量が大きくなり、渦巻きの中心を巻き込む量（巻き込み量）が少なくなる。

一方、バイメタル５２の先端部５２ａには、バイメタル５２の伸縮、すなわち渦巻きの中心の巻き込み量の変化に伴い回動する出力用回動軸５４が、渦巻きの中心軸方向に沿って接続されている。図５に示すように、この出力用回動軸５４は、冷却水配管４１の壁部に形成された貫通孔５１Ａを貫通している。そして、出力用回動軸５４において冷却水配管４１から突出した先端部には、この出力用回動軸５４の回動に同期して回動するバイメタル側連結部材５３ａの一端が接続されている。バイメタル側連結部材５３ａは、後述する連結部材５３の一部を構成する。また、冷却水配管４１の壁部に形成された貫通孔５１Ａには、冷却水の漏出を抑制する図示しないシールが設けられている。

冷却水配管４１の外周には、バイメタル側連結部材５３ａの移動を制限するよう、出力用回動軸５４に略平行となる方向に突出した図示しない２つの制限部材が形成されている。バイメタル側連結部材５３ａは、冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ１以下の場合には、図４に２点鎖線で示す位置で一方の制限部材に当接することにより移動が制限され、冷却水温ＴＨＷが上昇するにつれて、矢印Ａの方向に移動する。そして、冷却水温ＴＨＷがさらに上昇すると、もう一方の制限部材に当接することにより図４に実線で示す位置に制限される。

連結部材５３は、バイメタル側連結部材５３ａと、弁体５１（図６参照）に連結される弁体側連結部材５３ｂと、バイメタル側連結部材５３ａと弁体側連結部材５３ｂとを繋ぐ繋部５３ｃにより構成されている。したがって、バイメタル５２の伸縮に伴って出力用回動軸５４が回動すると、その回動量に応じてバイメタル側連結部材５３ａも回動する。そして、バイメタル側連結部材５３ａの回動が繋部５３ｃを介して弁体側連結部材５３ｂに伝達されることにより、弁体側連結部材５３ｂも回動され、その弁体側連結部材５３ｂの回動が弁体５１に伝達される。

図６に示すように、弁体５１は、切替えバルブ３５内に形成されているＥＧＲ通路３４に配設されており、その外径はＥＧＲ通路３４の内径と略同一で、かつ、熱膨張してもＥＧＲ管３３の内壁により回動が制限されないように定められている。また、弁体５１は、略円盤状に形成されており、この弁体５１の周縁部には、弁体５１の中心に関して互いに対称な位置において、入力用回動軸５５と固定軸とがそれぞれ延設されている。この固定軸は、ＥＧＲ通路３４の壁部に対して回動可能に支持されている。

入力用回動軸５５は、ＥＧＲ管３３の壁部に形成された貫通孔を貫通しており、ＥＧＲ管３３から突出した先端部には、弁体側連結部材５３ｂの端部が接続されている。そして、入力用回動軸５５は、この弁体側連結部材５３ｂの回動に同期して回動する。これにより、弁体５１は、入力用回動軸５５と固定軸とに沿った軸を中心に回動し、この弁体５１の回動によってＥＧＲ通路３４の流通面積が調整される。なお、ＥＧＲ管３３に形成された貫通孔には、図示しないシールが設けられている。

また、図４においてバイメタル側連結部材５３ａが二点鎖線の位置にある場合、すなわち冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ１以下の場合には、弁体５１は図６に二点鎖線で示す位置にあり、切替えバルブ３５は全閉状態となる。そして、冷却水温ＴＨＷが上昇し、バイメタル側連結部材５３ａが図４に示す矢印Ａの方向に移動すると、弁体５１が図６に示す矢印Ｂの方向に移動する。そして、冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ２に達する前に、弁体５１は図６の実線に示す位置に移動し、切替えバルブ３５は全開状態となる。

一方、エンジン１が停止し冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ１以下に低下すると、切替えバルブ３５は、全閉状態になっている。しかしながら、この状態において、ＥＣＵ８０は排気還流量制御をすでに終了している。つまり、排気還流量制御を終了するためにＥＣＵ８０がＥＧＲバルブ３２を閉状態に移行する時点では、切替えバルブ３５は開状態を継続している。そして、ＥＧＲバルブ３２が全閉状態に移行するまでは、排気ガスがＥＧＲ装置３０に流入し続け、ＥＧＲバルブ３２による排気還流量の調節が継続するようになっている。

また、冷却水温がＸ１以下の場合には、切替えバルブ３５は閉状態に移行しているので、再びエンジン１が始動した際に、排気ガスが排気脈動に起因してＥＧＲ装置３０に流入することを防止するようになっている。

次に、本実施の形態に係るＥＧＲ装置３０の動作について図７を参照して説明する。なお、ＥＣＵ８０は、冷却水温センサ２１から冷却水温ＴＨＷを表す信号を常時取得している。

まず、エンジン１が始動され暖機運転が開始されると、冷却水温ＴＨＷが上昇を開始する。このとき、冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ１以下であるならば、連結部材５３は図４に二点鎖線で示す位置にあり、これにより弁体５１も図６に二点鎖線で示す位置にあるため、切替えバルブ３５は閉状態となる。したがって、冷却水温ＴＨＷが露点温度以下であり、排気ガスがＥＧＲ管３３やＥＧＲクーラ３１により冷却されると凝縮水が発生する可能性がある状況下では、切替えバルブ３５が閉状態となり、排気脈動に起因して排気ガスがＥＧＲ通路３４に流入することが防止されるので、ＥＧＲ管３３やＥＧＲクーラ３１に凝縮水が発生することを抑制できる。

そして、冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ１を超えると（ステップＳ１１でＹＥＳ）、切替えバルブ３５が閉状態から開状態に移行を開始する。そして、上述したように、冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ２に達する前に、切替えバルブ３５は全開状態となる（ステップＳ１２）。

一方、冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ１以下のままであるならば（ステップＳ１１でＮＯ）、切替えバルブ３５は閉状態を維持し（ステップＳ１３）、ＥＧＲ装置３０への排気ガスの流入を抑制し続ける。また、この場合には、冷却水温ＴＨＷが当然所定値Ｘ２以下であるため、ＥＧＲバルブ３２も閉状態に維持される（ステップＳ１６）。

次に、冷却水温ＴＨＷが上昇を続け、冷却水温センサ２１から入力される信号が、冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ２を超えたことを表しているとＥＣＵ８０により判断された場合には（ステップＳ１４でＹＥＳ）、ＥＣＵ８０による排気還流量制御が開始される（ステップＳ１５）。このとき、切替えバルブ３５はすでに全開状態となっているため、ＥＣＵ８０がＥＧＲバルブ３２の開度を制御することにより適切な排気還流量を実現できる。

一方、ＥＣＵ８０により冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ２以下であると判断された場合には（ステップＳ１４でＮＯ）、ＥＣＵ８０による排気還流量制御が実行されずＥＧＲバルブ３２が閉状態に維持される（ステップＳ１６）。

以上のように、本発明の第１の実施の形態に係るＥＧＲ装置３０は、ＥＧＲバルブ３２が閉状態から開状態に移行する際には、切替えバルブ３５が閉状態から開状態に移行を開始しているので、ＥＧＲガスの吸気通路１１への導入遅れを防止することができる。したがって、ＥＧＲバルブ３２による排気還流量制御の開始時には、確実にＥＧＲガスをエンジン１に供給できるので、燃費を向上することが可能となる。

また、切替えバルブ３５がＥＧＲバルブ３２よりも早く閉状態に移行することを防止できるので、所望のＥＧＲガス流量を確保することが可能となり、燃費を向上することができる。

また、切替えバルブ３５は、エンジン１の運転状況に応じた開度をとることが可能となる。具体的には、切替えバルブ３５は、冷却水温ＴＨＷがＥＧＲガスの露点温度よりも低い場合に閉状態となるよう構成されており、エンジン１の暖機中には閉状態となる。したがって、ＥＧＲ通路３４を形成するＥＧＲ管３３やＥＧＲクーラ３１が露点温度よりも低く、排気ガスが導入されると凝縮水が発生する状況下においては、ＥＧＲ通路３４に排気ガスが導入されることを防止することができる。一方、冷却水温ＴＨＷが高く凝縮水の発生する可能性が低下しているエンジン１の暖機終了後には、切替えバルブ３５は開状態に移行するので、吸気通路１１へのＥＧＲガスの導入遅れを防止できる。

また、排気還流量制御の実行が開始される前に切替えバルブ３５を全開状態に移行できるので、排気還流量制御が開始された際に所望の排気還流量を実現することが可能となる。

また、切替えバルブ３５が弁体３２ｂ、バイメタル５２および連結部材５３のいずれをも備えるので、ＥＧＲ装置３０を小型化することができる。

なお、以上の説明においては、切替えバルブ３５が、バイメタル５２の変形に応じて開状態と閉状態との間で移行する場合について説明した。しかしながら、切替えバルブ３５は、冷却水温ＴＨＷにより開度が変わる感温弁により構成されていればよく、例えば、バイメタル５２に代えてサーモスタット等に用いられるワックスの変形を利用して開度が変わるようにしてもよい。この場合、暖機中はスプリングにより保持される軸状部材が、冷却水温の上昇に応じて膨張したワックスにより移動されることにより、ＥＧＲ通路３４に配設された弁体５１を回動するようにすると好適である。

また、以上の説明においては、エンジン１の冷却水が切替えバルブ３５を介してＥＧＲクーラ３１に供給される場合について説明した。しかしながら、冷却水回路４０は図４に示したものに限定されず、例えば、冷却水がＥＧＲクーラ３１を介して切替えバルブ３５に供給されるようにしてもよい。

また、以上の説明においては、切替えバルブ３５は、所定値Ｘ１が排気ガスの露点温度近傍の６０℃に達した場合に開状態への移行を開始し、ＥＧＲ制御が開始される７０℃より低い温度で全開状態に移行する場合について説明したが、これに限定されず、切替えバルブ３５は、排気ガスの露点温度と排気還流量制御が開始される温度との間で全閉状態から全開状態に移行するように構成されていればよい。

また、以上の説明においては、切替えバルブ３５が、弁体５１、バイメタル５２および連結部材５３のいずれをも有する場合について説明した。しかしながら、以下に本発明の第２の実施の形態として説明するように、バイメタル５２および連結部材５３が切替えバルブ３５とは別体の部品として設置されていてもよい。

以下、本発明の第２の実施の形態に係る排気還流装置について、図８を参照して説明する。

なお、第２の実施の形態に係る排気還流装置において、上述の第１の実施の形態に係る排気還流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３０は、ＥＧＲ管３３に設置され少なくとも全開状態と全閉状態の２つの状態をとる切替えバルブ６１を備えている。また、ＥＧＲ装置３０は、エンジン１の冷却水温ＴＨＷに応じて駆動するアクチュエータ６２を備えており、このアクチュエータ６２は、切替えバルブ６１とは別体として構成されている。

切替えバルブ６１は、第１の実施の形態と同様に構成された弁体５１を有している。アクチュエータ６２には、冷却水回路４０の第１経路４７の一部を構成する冷却水配管４１が内部に配設されている。また、アクチュエータ６２は、冷却水配管４１に設置されるバイメタル５２およびバイメタル５２の伸縮を弁体５１に伝達するための連結部材５３を有している。

連結部材５３は、第１の実施の形態と同様、弁体側連結部材、バイメタル側連結部材および繋部により構成されている。そして、切替えバルブ６１とアクチュエータ６２とは、バイメタル側連結部材、バイメタル側連結部材および繋部を介して接続されている。これにより、本実施の形態に係る切替えバルブ６１は、第１の実施の形態に係る切替えバルブ３５と同様、冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ１以下の場合には閉状態となるとともに、冷却水温ＴＨＷが上昇し続けると、所定値Ｘ２に達する前に全開状態に移行する。

このような構成により、バイメタル５２が設置される冷却水配管４１は、切替えバルブ６１を構成する筐体内ではなく、アクチュエータ６２を構成する筐体内に設置されるので、アクチュエータ６２を排気マニホールド１２ａから遠ざけることにより、排気ガスの熱による冷却水の温度上昇を防止できる。

なお、以上の説明においては、アクチュエータ６２がバイメタル５２を有する場合について説明したが、これに限定されず、第１の実施の形態に係る切替えバルブ３５と同様、ワックスなど他の感温部材を有す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ＥＧＲ装置３０は、アクチュエータ６２が切替えバルブ６１と隔離されているので、切替えバルブ６１が高温の排気ガスに曝される位置に配置される場合においても、アクチュエータ６２およびアクチュエータ６２を通過する冷却水が過熱されることを防止できる。

なお、以上の説明においては、切替えバルブ３５、６１がバイメタルやワックスなど水温に応じて駆動する水温駆動アクチュエータにより構成されている場合について説明した。これにより、ＥＧＲ装置３０は、冷却水温ＴＨＷに応じて切替えバルブ３５、６１の開度が調節されるので、暖機中に排気ガスがＥＧＲ装置３０に流入することを防止できる。また、バルブを駆動するソレノイドなどのアクチュエータを設置する必要がないため、小型で低コストのＥＧＲ装置３０を実現できる。しかしながら、切替えバルブ３５、６１は、ソレノイドバルブなどＥＣＵ８０により開度が制御されるバルブにより構成されていてもよい。

この場合、ＥＣＵ８０は、冷却水温センサ２１から入力される信号に応じて切替えバルブ３５、６１の開度を制御する。具体的には、ＥＣＵ８０は、冷却水温ＴＨＷが上述した所定値Ｘ１以下の場合には、切替えバルブ３５、６１を全閉状態に維持し、冷却水温ＴＨＷが所定値Ｘ１を超えた場合には、切替えバルブ３５、６１を全閉状態から全開状態に移行する。所定値Ｘ１としては、排気ガスの露点温度より高く、かつ、排気還流量制御が開始される冷却水温より低い値に設定されていればよい。

また、以上の説明においては、ＥＧＲ装置３０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、ＥＧＲ装置３０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が適用されていてもよい。

また、ＥＧＲ装置３０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。この場合、エンジン１のみを動力源とする車両と比較して、エンジン１の始動と停止との繰り返しが頻繁に行われるので、エンジン１の冷却水温ＴＨＷに応じて駆動するアクチュエータを備えることにより、冷却水温ＴＨＷに応じて確実に切替えバルブ３５、６１の開閉を行うことができる。したがって、ＥＧＲバルブ３２およびＥＧＲ管３３の温度が低下した場合における凝縮水の発生を確実に防止できるとともに、制御の実行が開始される場合には、切替えバルブ３５、６１が確実に開状態に移行しているので、エンジン１に対するＥＧＲガスの導入遅れを防止し、燃費を向上することが可能になる。

以上のように、本発明に係る排気還流装置は、ＥＧＲ装置内に凝縮水が発生することを防止するとともにＥＧＲガスを所望の流量にできるという効果を奏するものであり、内燃機関の排気還流装置に有用である。

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
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
２７ スロットル開度センサ
２９ アクセル開度センサ
３０ ＥＧＲ装置（排気還流装置）
３１ ＥＧＲクーラ
３２ ＥＧＲバルブ（第２の弁）
３３ ＥＧＲ管
３４ ＥＧＲ通路
３５ 切替えバルブ（第１の弁）
３６ バルブ開度センサ
３７ エンジン回転数センサ
３９ 切替えバルブ開度センサ
４０ 冷却水回路
４１ 冷却水配管（冷却水路）
４２ 内壁
４７ 第１経路
５１ 弁体
５２ バイメタル（感熱変形部材）
５３ 連結部材
５３ａ バイメタル側連結部材
５３ｂ 弁体側連結部材
５３ｃ 繋部
５４ 出力用回動軸
５５ 入力用回動軸
６１ 切替えバルブ
６２ アクチュエータ
８０ ＥＣＵ

Claims (7)

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還流させる内燃機関の排気還流装置であって、
   前記排気通路と前記吸気通路とを連通するＥＧＲ通路に設けられ前記ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、
   前記ＥＧＲクーラよりも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ＥＧＲクーラよりも前記吸気通路側に設けられ、前記ＥＧＲガスを前記吸気通路に流入する量を調整する第２の弁と、を備え、
   前記第２の弁が閉状態から開状態に移行する条件が成立する前に、前記第１の弁が閉状態から開状態に移行する条件が成立することを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
2. 前記第２の弁が開状態から閉状態に移行する条件が成立したことを条件として、前記第１の弁が開状態から閉状態に移行する条件が成立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還流装置。
3. 前記第１の弁は、前記内燃機関の冷却水の温度に応じて開度が変化する感温弁により構成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還流装置。
4. 前記第１の弁は、前記冷却水の温度が前記ＥＧＲガスの露点温度以上であることを前記閉状態から開状態への移行条件とすることを特徴とする請求項３に記載の排気還流装置。
5. 前記第１の弁は、前記冷却水の温度が前記第２の弁により前記吸気通路に流入する前記ＥＧＲガスの量の調整を開始する温度に到達する前に全開状態に移行することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の内燃機関の排気還流装置。
6. 前記第１の弁は、前記ＥＧＲ通路に設置される弁体と、
   前記内燃機関の冷却水を流入する冷却水路と、
   前記冷却水路に設置され前記冷却水の温度に応じて変形する感熱変形部材と、
   前記弁体と前記感熱変形部材とを接続する連結部材と、を備え、
   前記第１の弁は、前記弁体が前記感熱変形部材の変形に応じて駆動されることにより閉状態と開状態との間で移行することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１の請求項に記載の内燃機関の排気還流装置。
7. 前記内燃機関の冷却水が流入する冷却水路が形成されたアクチュエータを備え、
   前記第１の弁は、前記ＥＧＲ通路に設置される弁体を備え、
   前記アクチュエータは、前記冷却水路に設置され前記冷却水の温度に応じて変形する感熱変形部材と、
   前記弁体と前記感熱変形部材とを接続する連結部材と、を備え、
   前記第１の弁は、前記弁体が前記感熱変形部材の変形に応じて駆動することにより閉状態と開状態との間で移行することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１の請求項に記載の内燃機関の排気還流装置。

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