JP2010164021A - 排気冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気を効率的に冷却することができるとともに部分沸騰を抑制することができる排気冷却システムを提供する。
【解決手段】 排気冷却システム（２００）は、内燃機関（２０）の排気通路（６０）の周囲に配置され、排気通路の排気の流動方向と同一方向および反対方向に冷却水が流動可能な冷却水通路（２１０）と、冷却水通路の冷却水の流動方向が排気通路の排気の流動方向と反対方向となる状態と、冷却水通路の冷却水の流動方向が排気の流動方向と同一方向となる状態と、を切替える切替手段と、内燃機関の負荷状態を検出する負荷状態検出手段（２４０）と、負荷状態検出手段の検出結果に基づいて、切替手段を制御する制御手段（２５０）と、を備えることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気冷却システムに関する。

内燃機関の排気を冷却する排気冷却システムとして、特許文献１には、内燃機関の排気通路（排気マニホールド）の周囲に冷却水通路を有する排気冷却システムが開示されている。この技術によれば、内燃機関が高負荷の状態では冷却水通路の冷却水の水量を多くし、内燃機関が中・低負荷の状態では冷却水の水量を少なくすることにより、排気の温度を調整している。

実開昭６３−１５１９２３号公報

特許文献１に係る技術では、冷却水通路の冷却水の流動方向が冷却水の熱伝達量に及ぼす影響を考慮していない。したがって、排気を効率的に冷却しているとはいえない。また、例えば内燃機関が中・低負荷の状態において冷却水の水量を少なくした場合には、冷却水に部分沸騰が生じるおそれがある。

本発明は、排気を効率的に冷却することができるとともに部分沸騰を抑制することができる排気冷却システムを提供する。

本発明に係る排気冷却システムは、内燃機関の排気通路の周囲に配置され、前記排気通路の排気の流動方向と同一方向および反対方向に冷却水が流動可能な冷却水通路と、前記冷却水通路の前記冷却水の流動方向が前記排気通路の前記排気の流動方向と反対方向となる状態と、前記冷却水通路の前記冷却水の流動方向が前記排気の流動方向と同一方向となる状態と、を切替える切替手段と、前記内燃機関の負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、前記負荷状態検出手段の検出結果に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明をするに当たり、発明者は、冷却水通路の冷却水の流動方向が排気通路の排気の流動方向と反対方向の場合の方が、同一方向の場合に比較して、冷却水の熱伝達量が大きいという知見を得た。よって、本発明に係る排気冷却システムによれば、内燃機関の負荷状態が所定状態の場合（例えば高負荷の状態の場合）には冷却水の流動方向を排気の流動方向と反対方向に切替えることができる。その結果、冷却水の受熱量を増大させることができる。したがって、排気を効率的に冷却することができる。また、内燃機関の負荷状態が所定状態以外の場合（例えば中・低負荷の状態の場合）には冷却水の流動方向を排気の流動方向と同一方向に切替えることができる。その結果、冷却水の受熱量を低減させることができる。それにより、冷却水の部分沸騰を抑制することができる。

上記構成において、前記冷却水通路は、前記排気通路の上流側に位置する上流開口部と、前記排気通路の下流側に位置する下流開口部と、を有し、前記切替手段は、ポンプと前記内燃機関が有するウォータジャケットとの間を冷却水が循環するための通路である冷却水循環通路の第１の部位と前記上流開口部とを接続する上流開口部用通路と、前記冷却水循環通路の前記第１の部位よりも前記冷却水の圧力が高い第２の部位および前記第１の部位よりも前記冷却水の圧力の低い第３の部位のいずれか一方を前記制御手段によって制御されることによって選択的に前記下流開口部に接続させる弁と、を備えていてもよい。

この構成によれば、弁が第２の部位と下流開口部とを接続させた場合には、冷却水通路の下流開口部から冷却水を流入させ上流開口部から冷却水を排出させることができる。その結果、冷却水通路の冷却水の流動方向を排気通路の排気の流動方向と反対方向にすることができる。また、弁が第３の部位と下流開口部とを接続させた場合には、冷却水通路の上流開口部から冷却水を流入させ下流開口部から冷却水を排出させることができる。その結果、冷却水通路の冷却水の流動方向を排気通路の排気の流動方向と同一方向にすることができる。

上記構成において、前記冷却水通路は、前記排気通路の上流側に位置する上流開口部と、前記排気通路の下流側に位置する下流開口部と、を有し、前記切替手段は、ポンプと前記内燃機関が有するウォータジャケットとの間を冷却水が循環するための通路である冷却水循環通路の第１の部位と前記下流開口部とを接続する下流開口部用通路と、前記冷却水循環通路の前記第１の部位よりも前記冷却水の圧力が高い第２の部位および前記第１の部位よりも前記冷却水の圧力の低い第３の部位のいずれか一方を前記制御手段によって制御されることによって選択的に前記上流開口部に接続させる弁と、を備えていてもよい。

この構成によれば、弁が第２の部位と上流開口部とを接続させた場合には、冷却水通路の上流開口部から冷却水を流入させ下流開口部から冷却水を排出させることができる。その結果、冷却水通路の冷却水の流動方向を排気通路の排気の流動方向と同一方向にすることができる。また、弁が第３の部位と上流開口部とを接続させた場合には、冷却水通路の下流開口部から冷却水を流入させ上流開口部から冷却水を排出させることができる。その結果、冷却水通路の冷却水の流動方向を排気通路の排気の流動方向と反対方向にすることができる。

本発明によれば、排気を効率的に冷却することができるとともに部分沸騰を抑制することができる排気冷却システムを提供することができる。

図１（ａ）は、実施例１に係る排気冷却システムの模式図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の冷却水通路近傍の模式図である。 図２（ａ）は、三方弁が第１通路を閉口し第２通路を開口した場合における排気冷却システムを示す模式図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の冷却水通路近傍の模式図である。 図３は、実施例１に係るＥＣＵのフローチャートの一例を示す図である。 図４（ａ）は、冷却水通路の冷却水の流動方向が並流の場合の排気通路および冷却水通路をモデル化した図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の温度分布をグラフ化した図である。 図５（ａ）は、冷却水通路の冷却水の流動方向が向流の場合の排気通路および冷却水通路をモデル化した図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の温度分布をグラフ化した図である。 図６（ａ）は、並流の場合の冷却効率と水当量比との関係を示す図である。図６（ｂ）は、向流の場合の冷却効率と水当量比との関係を示す図である。 図７は、並流時の熱伝達量と向流時の熱伝達量との比較結果を示す図である。 図８は、実施例１の変形例１に係る排気冷却システムのＥＣＵのフローチャートの一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例１に係る排気冷却システム２００について説明する。図１（ａ）は、実施例１に係る排気冷却システム２００の模式図である。なお、図１（ａ）において、冷却水の流動方向は矢印で図示されている。排気冷却システム２００は、ウォータポンプ１０と内燃機関２０のウォータジャケット２５との間を冷却水が循環するための通路である冷却水循環通路に接続されて用いられる。まず、冷却水循環通路について説明し、次いで排気冷却システム２００について説明する。

冷却水循環通路は、供給通路１００と、戻り通路（第１戻り通路１１０、第２戻り通路１１１および第３戻り通路１１２）と、を有する。供給通路１００は、ウォータポンプ１０から吐出された冷却水がウォータジャケット２５（例えば、シリンダブロック、シリンダヘッド等に形成されたウォータジャケット等）に供給されるまでに通過する通路である。

戻り通路は、ウォータジャケット２５を経由した冷却水がウォータポンプ１０に戻るまでに通過する通路である。戻り通路は、第１戻り通路１１０と、第２戻り通路１１１と、第３戻り通路１１２と、を有する。第１戻り通路１１０は、ウォータジャケット２５を経由した冷却水が、ラジエータ３０およびサーモスタット４０を経由してウォータポンプ１０に戻るための通路である。ラジエータ３０は、冷却水と外気との間で熱交換を行う装置である。サーモスタット４０の説明は、後述する。

第２戻り通路１１１は、ウォータジャケット２５を経由した冷却水が、ヒータコア５０およびサーモスタット４０を経由してウォータポンプ１０に戻るための通路である。ヒータコア５０は、内燃機関２０を搭載した車両の車室暖房用のヒータ装置である。第３戻り通路１１２は、第１戻り通路１１０を流動する冷却水が、ラジエータ３０を迂回してウォータポンプ１０に戻るための通路である。

サーモスタット４０は、冷却水の温度に基づいて、戻り通路の冷却水の流動状態を調整する装置である。例えば、サーモスタット４０は、冷却水の水温が所定温度以下の場合、第１戻り通路１１０を閉口し、第２戻り通路１１１および第３戻り通路１１２を開口する。この場合、ウォータジャケット２５を経由した冷却水はラジエータ３０を経由せずにウォータポンプ１０に戻る。それにより、冷却水を早期に暖めることができる。一方、サーモスタット４０は、冷却水の水温が所定温度より大きい場合、第３戻り通路１１２を閉口し、第１戻り通路１１０および第２戻り通路１１１を開口する。この場合、ウォータジャケット２５を経由した冷却水はラジエータ３０およびヒータコア５０を経由してウォータポンプ１０に戻る。この場合、冷却水は、ラジエータ３０およびヒータコア５０を経由することによって冷却される。

続いて、排気冷却システム２００について説明する。図１（ｂ）は、図１（ａ）の後述する冷却水通路２１０近傍の模式図である。図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、排気冷却システム２００は、冷却水通路２１０を有する排気冷却装置２１５と、排気冷却装置２１５と冷却水循環通路とを接続する接続通路と、三方弁２３０と、温度センサ２４０と、ＥＣＵ２５０と、を備える。

排気冷却装置２１５は、冷却水通路２１０を流動する冷却水によって排気通路６０（例えば排気マニホールド等）の排気を冷却する装置である。排気冷却装置２１５の冷却水通路２１０は、排気通路６０の周囲に配置されている。なお、排気通路６０の下流には、排気浄化触媒を有する触媒部７０と、排気管８０と、が順次接続されている。

冷却水通路２１０は、排気通路６０の排気の流動方向と同一方向および反対方向に冷却水が流動可能な通路である。具体的には、冷却水通路２１０は、冷却水通路２１０の軸線方向が排気通路６０の軸線方向と並行になるように、排気通路６０の周囲に配置されている。また、冷却水通路２１０は、排気通路６０の上流側に位置し、冷却水の流入口および流出口となる上流開口部２１１と、排気通路６０の下流側に位置し、冷却水の流入口および流出口となる下流開口部２１２と、を有する。上流開口部２１１から冷却水が流入し、下流開口部２１２から冷却水が排出される場合、冷却水の流動方向は排気の流動方向と同一方向となる（以下、冷却水の流動方向が排気の流動方向と同一方向の場合を並流と称する）。下流開口部２１２から冷却水が流入し、上流開口部２１１から冷却水が排出される場合、冷却水の流動方向は排気の流動方向と反対方向になる（以下、冷却水の流動方向が排気の流動方向と反対方向の場合を向流と称する）。なお、図１（ａ）および図１（ｂ）は、向流の場合を図示している。

接続通路は、上流開口部用通路２２０と、バイパス通路２２１と、下流開口部用通路（第１通路２２２、第２通路２２３および第３通路２２４）と、を有する。上流開口部用通路２２０は、冷却水循環通路の第１の部位と上流開口部２１１とを接続する通路である。本実施例において、第１の部位は、第１戻り通路１１０のウォータジャケット２５とラジエータ３０との間である。バイパス通路２２１は、上流開口部用通路２２０と第３戻り通路１１２とを接続する通路である。

第１通路２２２は、冷却水循環通路の第１の部位よりも冷却水の圧力の高い部位である第２の部位と、三方弁２３０と、を接続する通路である。本実施例においては、第２の部位は、供給通路１００である。

第２通路２２３は、冷却水循環通路の第１の部位よりも冷却水の圧力の低い部位である第３の部位と、三方弁２３０と、を接続する通路である。本実施例においては、第３の部位は、第２戻り通路１１１のヒータコア５０とサーモスタット４０との間である。第３通路２２４は、三方弁２３０と下流開口部２１２とを接続する通路である。

三方弁２３０は、ＥＣＵ２５０からの指示に基づいて、第１通路２２２および第２通路２２３のいずれか一方を選択的に開口する。すなわち、三方弁２３０は、冷却水循環通路の第２の部位および第３の部位のいずれか一方をＥＣＵ２５０によって制御されることによって選択的に下流開口部２１２に接続させる弁である。

具体的には、三方弁２３０が第１通路２２２を開口し第２通路２２３を閉口することによって、供給通路１００の冷却水の一部は第１通路２２２および第３通路２２４を流動して冷却水通路２１０の下流開口部２１２に流入する。冷却水通路２１０の上流開口部２１１から流出した冷却水は、第３戻り通路１１２が開口し第１戻り通路１１０が閉口している場合は、上流開口部用通路２２０およびバイパス通路２２１を通過して第３戻り通路１１２に流入する。また、上流開口部２１１から流出した冷却水は、第３戻り通路１１２が閉口し第１戻り通路１１０が開口している場合は、上流開口部用通路２２０を通過して第１戻り通路１１０に流入する。つまり、三方弁２３０が第１通路２２２を開口し第２通路２２３を閉口することによって、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向は向流になる。

図２（ａ）は、三方弁２３０が第１通路２２２を閉口し第２通路２２３を開口した場合における排気冷却システム２００を示す模式図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の冷却水通路２１０近傍の模式図である。三方弁２３０が第１通路２２２を閉口し第２通路２２３を開口することによって、第１戻り通路１１０の冷却水の一部は、上流開口部用通路２２０を通過して冷却水通路２１０の上流開口部２１１に流入する。冷却水通路２１０の下流開口部２１２から流出した冷却水は、第３通路２２４および第２通路２２３を通過して第２戻り通路１１１に流入する。すなわち、三方弁２３０が第１通路２２２を閉口し第２通路２２３を開口することによって、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向は並流になる。本実施例において、接続通路および三方弁２３０は、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向が並流になる状態と向流になる状態とを切替える切替手段としての機能を有する。

温度センサ２４０は、触媒床温を検出し、検出結果をＥＣＵ２５０に伝える。ここで、内燃機関の負荷状態に応じて、温度センサ２４０の検出結果は変化する。例えば、内燃機関が高負荷の場合には、中・低負荷の場合に比較して、温度センサ２４０の検出結果は高くなる。すなわち、温度センサ２４０は、内燃機関の負荷状態を検出する負荷状態検出手段としての機能を有する。なお、負荷状態検出手段は、温度センサ２４０に限られない。負荷状態検出手段としては、排気温度を検出する排気温センサ、冷却水の温度を検出する水温センサ等、内燃機関２０の負荷状態を検出できる他の手段を用いてもよい。

ＥＣＵ２５０は、ＣＰＵ２５１、ＲＯＭ２５２およびＲＡＭ２５３を備えるマイクロコンピュータである。ＥＣＵ２５０は、温度センサ２４０の検出結果に基づいて、三方弁２３０を制御する制御手段としての機能を有する。具体的にはＥＣＵ２５０は、内燃機関２０の負荷状態が所定状態の場合には、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向が向流になるように三方弁２３０を制御する。一方、ＥＣＵ２５０は、内燃機関２０の負荷状態が所定状態でない場合は、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向が並流になるように三方弁２３０を制御する。なお、本実施例においては、所定状態として、内燃機関２０の負荷状態が高負荷の状態を用いる。具体的には、温度センサ２４０の検出結果が所定値以上となった状態を所定状態とする。

図３は、ＥＣＵ２５０のフローチャートの一例を示す図である。なお、ＥＣＵ２５０は図３のフローチャートを所定時間毎に繰り返し実行する。まず、ＥＣＵ２５０は、触媒床温が所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。本実施例において、触媒床温が所定値以上の状態は内燃機関２０が高負荷の状態に相当する。ステップＳ１０において触媒床温が所定値以上であると判定された場合、ＥＣＵ２５０は冷却水通路２１０の冷却水の流動方向が向流になるように三方弁２３０を制御する（ステップＳ２０）。次いで、ＥＣＵ２５０はフローチャートの実行を終了する。ステップＳ１０において触媒床温が所定値以上であると判定されなかった場合、ＥＣＵ２５０は冷却水通路２１０の冷却水の流動方向が並流になるように三方弁２３０を制御する（ステップＳ３０）。次いで、ＥＣＵ２５０はフローチャートの実行を終了する。

続いて、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向を向流および並流にそれぞれ切替えることによる効果について説明する。図４（ａ）は、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向が並流の場合の排気通路６０および冷却水通路２１０をモデル化した図である。熱交換器３００において、低温流体は高温流体の周囲を高温流体と同一方向に流動している。低温流体は冷却水に相当し、高温流体は排気に相当する。高温流体の水当量をＷ_１とし、高温流体の入口温度をＴ_ｈ１とし、高温流体の出口温度をＴ_ｈ２とする。低温流体の水当量をＷ_２とし、低温流体の入口温度をＴ_ｃ１とし、低温流体の出口温度をＴ_ｃ２とする。この場合、下記式（１）が成立する。ここで、ｋは熱通過率であり、Ｆは熱伝達面積である。

（Ｔ_ｈ２−Ｔ_ｃ２）／（Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｃ１）＝ｅｘｐ（−（１／Ｗ_１＋１／Ｗ_２）×ｋ×Ｆ）・・・（１）

式（１）から、下記式（２）〜式（４）が導き出せる。ここで、Πは冷却効率であり、Ｑ_Πは並流時の熱伝達量である。また、図４（ａ）の温度分布をグラフ化した図を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）において、縦軸は温度（Ｔ）であり、横軸は熱通過距離（δ）である。
Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｈ２＝（Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｃ１）×（１−ｅｘｐ（−（１＋Ｗ_１／Ｗ_２）×ｋ×Ｆ／Ｗ_１））／（１＋Ｗ_１／Ｗ_２）＝（Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｃ１）×Π・・・（２）
Ｔ_ｃ１−Ｔ_ｃ２＝（Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｃ１）×Ｗ_１／Ｗ_２×（１−ｅｘｐ（−（１＋Ｗ_１／Ｗ_２）×ｋ×Ｆ／Ｗ_１））／（１＋Ｗ_１／Ｗ_２）＝（Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｃ１）×Ｗ_１／Ｗ_２×Π・・・（３）
Ｑ_Π＝Ｗ_１×（Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｃ１）×Π・・・（４）

図５（ａ）は、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向が向流の場合の排気通路６０および冷却水通路２１０をモデル化した図である。熱交換器３００において、低温流体は高温流体の周囲を高温流体と反対方向に流動している。この場合、下記式（５）〜式（７）が成立する。ここで、ｋは熱通過率であり、Ｆは熱伝達面積であり、Ｚは冷却効率であり、Ｑ_Ｚは向流時の熱伝達量である。また、図５（ａ）の温度分布をグラフ化した図を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）において、縦軸は温度（Ｔ）であり、横軸は熱通過距離（δ）である。

Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｈ２＝（Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｃ１）×（１−ｅｘｐ（−（１＋Ｗ_１／Ｗ_２）×ｋ×Ｆ／Ｗ_１））／（１−Ｗ_１／Ｗ_２×ｅｘｐ（−（１＋Ｗ_１／Ｗ_２）×ｋ×Ｆ／Ｗ_１））＝（Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｃ１）×Ｚ・・・（５）
Ｔ_ｃ１−Ｔ_ｃ２＝（Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｃ１）×Ｗ_１／Ｗ_２×（１−ｅｘｐ（−（１＋Ｗ_１／Ｗ_２）×ｋ×Ｆ／Ｗ_１））／（１−Ｗ_１／Ｗ_２×ｅｘｐ（−（１＋Ｗ_１／Ｗ_２）×ｋ×Ｆ／Ｗ_１））＝（Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｃ１）×Ｗ_１／Ｗ_２×Ｚ・・・（６）
Ｑ_Ｚ＝Ｗ_１×（Ｔ_ｈ１−Ｔ_ｃ１）×Ｚ・・・（７）

図６（ａ）は、並流の場合の冷却効率と水当量比との関係を示す図である。縦軸は冷却効率（Π）を示し、横軸は水当量比（Ｗ_１／Ｗ_２）を示している。図６（ｂ）は、向流の場合の冷却効率と水当量比との関係を示す図である。縦軸は冷却効率（Ｚ）を示し、横軸は水当量比（Ｗ_１／Ｗ_２）を示している。図６（ａ）および図６（ｂ）において、それぞれの曲線は、ｋ×Ｆ／Ｗ_１が０．０３，０．１，０．２，０．３，０．５，０．６，０．８，１．０，１．２，１．６，２，３，∞の場合を示している。

図７は、並流時の熱伝達量と向流時の熱伝達量との比較結果を示す図である。縦軸はＱ_Π／Ｑ_Ｚを示し、横軸はＷ_１／Ｗ_２を示す。それぞれの曲線は、ｋ×Ｆ／Ｗ_１が０．５，１．０，２．０，∞の場合を示している。図７から、Ｗ_１／Ｗ_２が０．０２より小さい場合およびＷ_１／Ｗ_２が２０より大きい場合は、Ｑ_Π／Ｑ_Ｚが約１になることが分る。すなわち、Ｗ_１／Ｗ_２が０．０２より小さい場合およびＷ１／Ｗ２が２０より大きい場合、並流時の熱伝達量および向流時の熱伝達量は、ほぼ等しくなる。

一方、Ｗ_１／Ｗ_２が０．０２以上２０以下の場合、Ｑ_Π／Ｑ_Ｚの値は１より小さくなる傾向にある。例えばＷ_１およびＷ_２がほぼ等しい場合（Ｗ_１／Ｗ_２＝１付近の場合）、ｋ×Ｆ／Ｗ_１が０．５〜∞のいずれにおいても、Ｑ_Π／Ｑ_Ｚの値は１より小さくなっている。また、ｋ×Ｆ／Ｗ_１が∞の場合には、Ｑ_Π／Ｑ_Ｚの値は０．５となる。

したがって、向流時の冷却水の熱伝達量は並流時の冷却水の熱伝達量に比較して大きい傾向にあるといえる。よって、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向を並流から向流に切替えることによって、冷却水の受熱量を増大させることができる。一方、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向を向流から並流に切替えることによって、冷却水の受熱量を低減させることができる。

したがって、本実施例に係る排気冷却システム２００によれば、内燃機関２０の負荷状態が所定状態の場合（例えば高負荷の状態の場合）には冷却水通路２１０の冷却水の流動方向を向流に切替えることから、冷却水の受熱量を増大させることができる。それにより、排気を効率的に冷却することができる。また、排気冷却システム２００によれば、内燃機関２０の負荷状態が所定状態でない場合（例えば中・低負荷の状態の場合）には冷却水の流動方向を並流に切替えることから、冷却水の受熱量を低減させることができる。その結果、冷却水の部分沸騰を抑制することができる。

なお、内燃機関２０の負荷状態が例えば中・低負荷の状態の場合に、排気の温度上昇を抑制する他の手段として、内燃機関２０の燃料噴射量を増大させる方法、内燃機関２０の吸気量を制限する方法等が考えられる。しかしながら、内燃機関２０の燃料噴射量を増大させると、排気エミッションが悪化するおそれがある。また、内燃機関２０の吸気量を制限すると内燃機関２０の出力が低下するおそれがある。その点、本実施例に係る排気冷却システム２００によれば、内燃機関２０の負荷状態が中・低負荷の状態の場合には、冷却水の流動方向を並流に切替えることによって排気の温度上昇を抑制する。したがって、排気エミッションの悪化、内燃機関２０の出力低下等の問題は生じない。

なお、本実施例において、三方弁２３０は冷却水循環通路の第２の部位（供給通路１００）および第３の部位（第２戻り通路１１１のヒータコア５０とサーモスタット４０との間）のいずれか一方を選択的に下流開口部２１２に接続させているが、これに限られない。例えば、三方弁２３０は、冷却水循環通路の第２の部位および第３の部位のいずれか一方を選択的に上流開口部２１１に接続させてもよい。この場合、冷却水通路２１０の下流開口部２１２は、冷却水循環通路の第１の部位（例えば第１戻り通路１１０のウォータジャケット２５とラジエータ３０との間）に、下流開口部用通路によって接続される。この構成によれば、三方弁２３０が第２の部位と上流開口部２１１とを接続させた場合には、上流開口部２１１から冷却水を流入させ下流開口部２１２から冷却水を排出させることができる。その結果、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向を並流にすることができる。また、三方弁２３０が第３の部位と上流開口部２１１とを接続させた場合には、下流開口部２１２から冷却水を流入させ上流開口部２１１から冷却水を排出させることができる。その結果、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向を向流にすることができる。

また、冷却水通路２１０の冷却水の流動方向を並流および向流に切替える構成は、本実施例のような三方弁２３０を用いる構成に限られない。しかしながら、本実施例のように三方弁２３０を用いることによって、冷却水循環通路の冷却水を冷却水通路２１０に導くことができるとともに、冷却水循環通路の変更、冷却水循環通路への複雑なデバイスの追加等をすることなく、簡便に冷却水通路２１０の冷却水の流動方向を切替えることができる。

（変形例１）
続いて、実施例１の変形例１に係る排気冷却システム２００について説明する。本変形例に係る排気冷却システム２００は、負荷状態検出手段として、触媒床温を検出する温度センサ２４０および冷却水の温度を検出する水温センサを備える。また、ＥＣＵ２５０は、温度センサ２４０および水温センサの検出結果に基づいて三方弁２３０を制御する。水温センサの配置箇所は、冷却水の温度を検出できる箇所であれば、特に限定されない。例えば、水温センサは、ウォータジャケット２５等に配置されていればよい。

図８は、本変形例に係る排気冷却システム２００のＥＣＵ２５０のフローチャートの一例を示す図である。なお、本変形例に係るＥＣＵ２５０は図８のフローチャートを所定時間毎に繰り返し実行する。図８は、ステップＳ１０において触媒床温が所定値以上であると判定されなかった場合にステップＳ１５をさらに実行する点において、図３のフローチャートと異なる。その他の構成は図３と同様のため説明を省略する。

ステップＳ１５においてＥＣＵ２５０は、水温センサの検出結果に基づいて、冷却水温度が所定値以上であるか否かを判定する。所定値としては、特に限定されないが、例えば冷却水の受熱量低減が必要であると判断できる値を用いることができる。

ステップＳ１５において冷却水温度が所定値以上であると判定された場合、ＥＣＵ２５０は冷却水の流動方向を並流にする（ステップＳ３０）。一方、ステップＳ１５において冷却水温度が所定値以上であると判定されなかった場合、ＥＣＵ２５０は、フローチャートの実行を終了する。

本変形例に係る排気冷却システム２００によれば、触媒床温を検出する温度センサ２４０および水温センサの検出結果に基づいて三方弁２３０を制御することから、温度センサ２４０の検出結果のみに基づいて三方弁２３０を制御する場合に比較して、冷却水の部分沸騰をより精度よく抑制することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ ウォータポンプ
６０ 排気通路
７０ 触媒部
８０ 排気管
１００ 供給通路
１１０ 第１戻り通路
１１１ 第２戻り通路
１１２ 第３戻り通路
２００ 排気冷却システム
２１０ 冷却水通路
２１５ 排気冷却装置
２１１ 上流開口部
２１２ 下流開口部
２２０ 上流開口部用通路
２２１ バイパス通路
２２２ 第１通路
２２３ 第２通路
２２４ 第３通路
２３０ 三方弁
２４０ 温度センサ
２５０ ＥＣＵ
３００ 熱交換器

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路の周囲に配置され、前記排気通路の排気の流動方向と同一方向および反対方向に冷却水が流動可能な冷却水通路と、
   前記冷却水通路の前記冷却水の流動方向が前記排気通路の前記排気の流動方向と反対方向となる状態と、前記冷却水通路の前記冷却水の流動方向が前記排気の流動方向と同一方向となる状態と、を切替える切替手段と、
   前記内燃機関の負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、
   前記負荷状態検出手段の検出結果に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする排気冷却システム。
2. 前記冷却水通路は、前記排気通路の上流側に位置する上流開口部と、前記排気通路の下流側に位置する下流開口部と、を有し、
   前記切替手段は、ポンプと前記内燃機関が有するウォータジャケットとの間を冷却水が循環するための通路である冷却水循環通路の第１の部位と前記上流開口部とを接続する上流開口部用通路と、前記冷却水循環通路の前記第１の部位よりも前記冷却水の圧力が高い第２の部位および前記第１の部位よりも前記冷却水の圧力の低い第３の部位のいずれか一方を前記制御手段によって制御されることによって選択的に前記下流開口部に接続させる弁と、を備える請求項１記載の排気冷却システム。
3. 前記冷却水通路は、前記排気通路の上流側に位置する上流開口部と、前記排気通路の下流側に位置する下流開口部と、を有し、
   前記切替手段は、ポンプと前記内燃機関が有するウォータジャケットとの間を冷却水が循環するための通路である冷却水循環通路の第１の部位と前記下流開口部とを接続する下流開口部用通路と、前記冷却水循環通路の前記第１の部位よりも前記冷却水の圧力が高い第２の部位および前記第１の部位よりも前記冷却水の圧力の低い第３の部位のいずれか一方を前記制御手段によって制御されることによって選択的に前記上流開口部に接続させる弁と、を備える請求項１記載の排気冷却システム。

Images