JP2010203412A - Exhaust cooling structure of internal combustion engine and control device of exhaust cooling structure of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は冷媒により排気ポートを冷却する冷却手段と、片弁休止運転をすることが可能な片弁休止機構とを備えた内燃機関の排気冷却構造、および該内燃機関の排気冷却構造について制御を行う内燃機関の排気冷却構造の制御装置に関する。 The present invention controls an exhaust cooling structure of an internal combustion engine provided with a cooling means for cooling an exhaust port with a refrigerant and a single valve pause mechanism capable of performing a single valve pause operation, and the exhaust cooling structure of the internal combustion engine. The present invention relates to a control device for an exhaust cooling structure of an internal combustion engine.
従来、例えば特許文献1に開示されているように、内燃機関の冷却水等の冷媒で排気を冷却する技術が知られている。特許文献1が開示する内燃機関のシリンダヘッドは、排気マニホルドが一体形成されており、シリンダヘッドを流通する冷却水で排気マニホルドを冷却することが可能な構造となっている。このほか片弁休止運転をすることが可能な可変動弁機構を開示している点で、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献2で開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as disclosed in, for example,
ところで、内燃機関の排気は活性状態にある触媒で浄化されるところ、例えば機関冷間始動時には触媒が活性化していないことから、一般に触媒を排気で暖機して触媒の早期活性化を図っている。これに対して、特許文献1が開示する内燃機関のシリンダヘッドは、シリンダヘッドを流通する冷却水が排気マニホルドを冷却する構造となっているところ、シリンダヘッドを流通する冷却水は一般に機関運転時に常時流通している。このため特許文献1が開示する内燃機関のシリンダヘッドでは、機関冷間始動時にも冷却水による排気の冷却が行われ、この結果、触媒の活性化が遅れる虞があると考えられる点で問題があった。
By the way, the exhaust gas of the internal combustion engine is purified by the catalyst in the active state. For example, since the catalyst is not activated at the time of engine cold start, generally the catalyst is warmed up by exhaust gas so as to activate the catalyst early. Yes. In contrast, the cylinder head of the internal combustion engine disclosed in
そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、排気の冷却を必要に応じて適切に行うことが可能な内燃機関の排気冷却構造、および当該内燃機関の排気冷却構造について制御を行う内燃機関の排気冷却構造の制御装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an exhaust cooling structure of an internal combustion engine capable of appropriately performing exhaust cooling as needed, and an internal combustion engine that controls the exhaust cooling structure of the internal combustion engine. An object of the present invention is to provide a control device for an exhaust cooling structure of an engine.
上記課題を解決するための本発明の内燃機関の排気冷却構造は、一気筒につき、第1および第2の排気ポートが設けられたシリンダヘッドと、前記第1の排気ポートを開閉する第1の排気弁、および前記第2の排気ポートを開閉する第2の排気弁と、前記第1および第2の排気弁のうち、いずれか一方の排気弁の作動を停止することが可能な片弁休止機構と、冷媒により、前記第1および第2の排気ポートのうち、いずれか一方の排気ポートを冷却するか、或いは前記第1および第2の排気ポートのうち、いずれか一方の排気ポートを他方の排気ポートよりも大きな度合いで冷却する冷却手段と、を備える。 An exhaust cooling structure for an internal combustion engine according to the present invention for solving the above-mentioned problems includes a cylinder head provided with first and second exhaust ports for each cylinder, and a first for opening and closing the first exhaust port. One-valve pause capable of stopping the operation of one of the exhaust valve, the second exhaust valve that opens and closes the second exhaust port, and the first and second exhaust valves Either one of the first and second exhaust ports is cooled by the mechanism and the refrigerant, or one of the first and second exhaust ports is replaced with the other. Cooling means for cooling to a greater degree than the exhaust port.
また本発明は前記冷却手段が、冷媒により、前記第1の排気ポートを冷却するか、或いは前記第1の排気ポートを前記第2の排気ポートよりも大きな度合いで冷却するとした場合に、少なくとも隣り合う2つの気筒につき、該2つの気筒それぞれに対して設けられた前記第1の排気ポート各々を隣接して設けるとともに、該第1の排気ポート各々の間にオイル流路を設けた構成であることが好ましい。 In the present invention, the cooling means cools the first exhaust port with a refrigerant or cools the first exhaust port to a greater degree than the second exhaust port. The two exhaust cylinders are provided such that each of the first exhaust ports provided for each of the two cylinders is provided adjacent to each other, and an oil passage is provided between each of the first exhaust ports. It is preferable.
また本発明は請求項1または2記載の内燃機関の排気冷却構造について制御を行う内燃機関の排気冷却構造の制御装置であって、前記片弁休止機構を制御対象として、前記第1および第2の排気ポートにつき、機関運転状態に応じて排気を流通させる排気ポートを変更する制御を行う制御手段を備える。
The present invention is also a control device for an exhaust cooling structure of an internal combustion engine that controls the exhaust cooling structure of the internal combustion engine according to
本発明によれば、排気の冷却を必要に応じて適切に行うことができる。 According to the present invention, the exhaust can be appropriately cooled as necessary.
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for implementing the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
排気冷却構造10を備えた内燃機関50について図1から図5を用いて説明する。内燃機関50は直列4気筒の気筒配列構造を有している。図1に示すように、内燃機関50はシリンダブロック51と、シリンダヘッド52と、第1の排気弁53と、第2の排気弁54と、可変動弁機構(ExVVT)55とを備えている。
内燃機関50には吸気系20を介して空気が供給される。吸気系20はエアクリーナ21と、エアフロメータ22と、電子制御スロットル23と、吸気マニホルド24とを備えている。エアクリーナ21は吸入空気を濾過する。エアフロメータ22は、内燃機関50の吸入空気量GAを計測するとともに吸気温度を検知する。電子制御スロットル23は吸入空気量GAを調節する。吸気マニホルド24は、吸入空気を内燃機関50の各気筒に分配する。
内燃機関50では吸入空気と燃料との混合気の燃焼が行われる。そして燃焼により発生したガスは、排気系30を介して排出される。排気系30は排気マニホルド31と、触媒32とを備えている。排気マニホルド31は内燃機関50の各気筒からの排気を合流させる。触媒32は活性状態にある場合に排気を浄化する。
An
Air is supplied to the
In the
図2に示すように、シリンダブロック51には第1のウォータジャケット511が、シリンダヘッド52には第2のウォータジャケット521がそれぞれ設けられている。第1のウォータジャケット511はその入口がウォータポンプ56に接続されており、その出口が第2のウォータジャケット521に接続されている。第2のウォータジャケット521は、図3から図5までに示すシリンダヘッド52の中子80によって形成される。第2のウォータジャケット521は冷却水流入口513aを備えている。冷却水流入口513aはシリンダヘッド52の気筒配列方向における一端側に形成されており、第1の突起部81によって形成される。
As shown in FIG. 2, the
また第2のウォータジャケット521は冷却水排出口513bを備えている。冷却水排出口513bはシリンダヘッド52の気筒配列方向における他端側に形成されており、第2の突起部82によって形成される。冷却水排出口513bは冷却水配管を介してラジエータ60と、サーモスタット61と、図示しない空調装置(以下、ヒータと称す)のヒータコア62とに分岐接続されている。ラジエータ60は冷却水配管を介して下流側でサーモスタット61に接続されており、サーモスタット61は下流側でウォータポンプ56に接続されている。ヒータコア62は下流側でウォータポンプ56に接続されている。
The
ウォータポンプ56は内燃機関50の出力で駆動する機械式のウォータポンプとなっている。このため内燃機関50では、機関運転時に冷却水の循環が常時行われる。具体的にはウォータポンプ56が冷却水を圧送すると、圧送された冷却水は第1および第2のウォータジャケット511、521を流通後、サーモスタット61やヒータコア62に流入し、その後ウォータポンプ56に戻る。このとき冷却水の温度がサーモスタット61の設定温度よりも高い場合には、さらにラジエータ60を介した冷却水の流通も許容される。
The
そして第1および第2のウォータジャケット511、521を流通する際に冷却水の受熱が行われ、これによりシリンダブロック51およびシリンダヘッド52の冷却が図られる。一方、ラジエータ60では冷却水の放熱が行われ、これにより冷却性能の回復が図られる。またヒータコア62では冷却水と空気との間で熱交換が行われ、これにより空気が暖められる。そして暖められた空気を車室内に送風することで暖房として利用することができる。
Then, when circulating through the first and
シリンダヘッド52には、第2のウォータジャケット521のほか、第1の排気ポート522と、第2の排気ポート523と、オイル流路524とが設けられている。第1および第2の排気ポート522、523は、一気筒あたりに設けられた2つの排気ポートを構成している。第1の排気ポート522は、図5に中子80に対応させてその配置を示すように、#1気筒および#2気筒の隣り合う2つの気筒間と、#3気筒および#4気筒の隣り合う2つの気筒間とで互いに隣接するように設けられている。オイル流路524は、図5に中子80に対応させてその配置を示すように、互いに隣接するように設けられた2つの第1の排気ポート522間それぞれに設けられている。オイル流路524は、図示しないオイルパンへ自重落下によりオイルを戻すための通路となっている。
In addition to the
第2のウォータジャケット521は、具体的には第1の排気ポート522の周辺に形成された部分と、第2の排気ポート523の周辺に形成された部分とを有している。第2のウォータジャケット521は、さらに具体的には第1の排気ポート522の周辺に形成された部分のほうが、第2の排気ポート523の周辺に形成された部分よりも多くなっている。この点、中子80は、第1の排気ポート522に対応する部分83のほうが、第2の排気ポート523に対応する部分84よりも排気ポート延伸方向に沿って大きく張り出している。なお、第2のウォータジャケット521は、第1および第2の排気ポート522、523のうち、第1の排気ポート522のみを冷却するように構成されてもよい。
Specifically, the
第2のウォータジャケット521を流通する冷却水が、第1および第2の排気ポート522、523を冷却することで、第1および第2の排気ポート522、523を流通する排気の冷却が行われる。そして上述のように形成された第2のウォータジャケット521は、第1の排気ポート522を第2の排気ポート523よりも大きな度合いで冷却する。本実施例ではシリンダヘッド52のうち、第2のウォータジャケット521を形成している部分で冷却手段が実現されており、シリンダヘッド52が冷却手段を備えている。
The cooling water flowing through the
第1および第2の排気弁53、54は、一気筒あたりに設けられた2つの排気弁を構成している。第1の排気弁53は第1の排気ポート522を開閉し、第2の排気弁54は第2の排気ポート523を開閉する。可変動弁機構55は第1および第2の排気弁53、54のバルブ特性(例えばバルブタイミングや作用角)を可変にする機構である。可変動弁機構55は第1および第2の排気弁53、54のうち、いずれか一方の排気弁の作動を閉弁状態で休止する片弁休止運転が可能な機構となっている。このような可変動弁機構55は、具体的には例えば前述した特許文献2に開示された可変動弁機構で片弁休止運転を可能にしている構造と同様の構造を適用することで実現できる。本実施例では可変動弁機構55で片弁休止機構が実現されている。
The first and
図6に示すように、ECU1はCPU2、ROM3、RAM4等からなるマイクロコンピュータと入出力回路5、6とを備えている。これらCPU2、ROM3、RAM4、および入出力回路5、6は互いにバス7で接続されている。ECU1は主に内燃機関50を制御するように構成されている。ECU1は具体的には例えば可変動弁機構55や、図示しない内燃機関50の燃料噴射弁を制御するように構成されている。可変動弁機構55や燃料噴射弁は制御対象としてECU1に電気的に接続されている。
As shown in FIG. 6, the
またECU1にはエアフロメータ22や水温センサ71やクランク角センサ72などの各種のセンサが電気的に接続されている。内燃機関50の吸入空気量GAはエアフロメータ22の出力に基づき、内燃機関50の冷却水の水温THWは水温センサ71の出力に基づき、内燃機関50の回転数NEはクランク角センサ72の出力に基づき、それぞれECU1で検出される。また内燃機関50の負荷率KLは、検出された回転数NEや吸入空気量GAに基づき、ECU1で算出される。
Various sensors such as an
ROM3はCPU2が実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。CPU2がROM3に格納されたプログラムに基づき、必要に応じてRAM4の一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ECU1では各種の制御手段や判定手段や検出手段や算出手段などが機能的に実現される。この点、ECU1では可変動弁機構55を制御対象として、第1および第2の排気ポート522、523につき、機関運転状態に応じて排気を流通させる排気ポートを変更する制御を行う制御手段が機能的に実現される。
The
この制御手段は具体的には例えば機関冷間時、且つ排気から熱を受熱し、空気との間で熱交換をするヒータの作動要求がない場合に、第1の排気弁53の作動を閉弁状態で休止するように可変動弁機構55を制御するよう実現される。またこの制御手段は機関冷間時、且つヒータの作動要求がある場合に第2の排気弁54の作動を閉弁状態で休止するように可変動弁機構55を制御するよう実現される。またこの制御手段は、機関温間時、且つ機関運転状態が高負荷高回転の運転状態である場合に、第2の排気弁54の作動を閉弁状態で休止するように可変動弁機構55を制御するよう実現される。さらにこの制御手段は、機関温間時、且つ機関運転状態が高負荷高回転の運転状態でない場合には、第1および第2の排気弁53、54の作動を許可するように可変動弁機構55を制御するよう実現される。
本実施例ではシリンダヘッド52と、第1および第2の排気弁53、54と、可変動弁機構55とで排気冷却構造10が実現されている。
Specifically, this control means closes the operation of the
In this embodiment, the
次にECU1の動作を図7に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートに示す処理は内燃機関50運転中にごく短い時間間隔で繰り返し実行される。ECU1は、水温THWが所定値T(例えば75℃)以下であるか否かを判定する(ステップS1)。本ステップで機関冷間時であるか否かが判断される。そして、ステップS11で肯定判定であれば機関冷間時であると判断され、このときECU1はヒータの作動要求があるか否か(ヒータがONであるか否か)を判定する(ステップS2)。ステップS2で否定判定であればステップS3に進み、ECU1は第1の排気弁53の作動を閉弁状態で休止するよう可変動弁機構55を制御する(第1の排気弁53閉)。これにより、排気が第2の排気ポート523を流通することになるため、排気の冷却が抑制される。したがってこれにより、触媒の早期活性化が図られる。
Next, the operation of the
一方、ステップS2で肯定判定であればステップS4に進み、ECU1は第2の排気弁54の作動を閉弁状態で休止するよう可変動弁機構55を制御する(第2の排気弁54閉)。これにより、排気が第1の排気ポート522を流通することになるため、冷却水の受熱量が増大する。したがってこれにより、ヒータの性能を確保することができる。ステップS3またはS4の後には、本フローチャートを一旦終了する。そしてその後、水温THWが所定値T以下である間は、ステップS1で肯定判定されることとなり、水温THWが所定値Tよりも高くなった場合に、ステップS1で否定判定される。
On the other hand, if an affirmative determination is made in step S2, the process proceeds to step S4, where the
ステップS1で否定判定された場合には、機関温間時であると判断される。このときECU1は、負荷率KLが所定値X%以上であり、且つ回転数NEが所定値Y以上であるか否かを判定する(ステップS5)。本ステップで、機関運転状態が高負荷高回転の運転状態であるか否かが判断される。そしてステップS5で否定判定であれば、機関運転状態が高負荷高回転の運転状態でないと判断され、ステップS6に進む。このときECU1は第1および第2の排気弁53、54の作動を許可するように可変動弁機構55を制御する(第1および第2の排気弁53、54開)。これにより、機関温間時には通常、第1および第2の排気弁53、54が作動することになる。
If a negative determination is made in step S1, it is determined that the engine is warm. At this time, the
一方、ステップS5で肯定判定であれば、機関運転状態が高負荷高回転の運転状態であると判断され、ステップS4に進む。このときECU1は第2の排気弁54の作動を閉弁状態で休止するように可変動弁機構55を制御する(第2の排気弁54閉)。これにより、排気が第1の排気ポート522を流通することになるため、排気の冷却が促進される。したがってこれにより、高温の排気によって触媒が過熱することを防止或いは抑制でき、また空気過剰率λ=1で運転している場合の内燃機関50の燃費向上を図ることができる。ECU1によれば、具体的にはこのようにして排気の冷却を必要に応じて適切に行うことができる。
On the other hand, if an affirmative determination is made in step S5, it is determined that the engine operating state is an operating state of high load and high rotation, and the process proceeds to step S4. At this time, the
また、シリンダヘッド52を流通する冷却水を利用して排気を冷却する場合には、流通する冷却水の流量を例えばシリンダヘッド52の部位毎に個別に調節することが一般に困難であるため、排気の冷却を必要に応じて適切に行うことは通常困難である。これに対して排気冷却構造10によれば、排気の冷却を必要に応じて適切に行うことができる点で好適である。
また、冷却される度合いが大きい2つの第1の排気ポート522間にオイル流路524を設けた排気冷却構造10によれば、オイルパンに自重落下するオイルの冷却を同時に促進することもできる。
このように排気冷却構造10およびECU1は、排気の冷却を必要に応じて適切に行うことができ、さらにはオイルの冷却を同時に促進することもできる。
In addition, when cooling the exhaust using cooling water flowing through the
Further, according to the
As described above, the
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば上述した実施例では直列4気筒の気筒配列構造を備えた内燃機関50の場合について詳述したが、本発明は適宜の内燃機関について適用されてよい。
また、制御手段は主に内燃機関50を制御するECU1で実現することが合理的であるが、例えばその他の電子制御装置や専用の電子回路などのハードウェアやこれらの組み合わせによって実現されてもよい。この点、本発明の内燃機関の排気冷却構造の制御装置は、例えば複数の電子制御装置や、電子回路等のハードウェアや、電子制御装置と電子回路等のハードウェアとの組み合わせで実現されてもよい。同様に本発明の内燃機関の排気冷却構造の制御装置で機能的に実現される各種の手段も、複数の電子制御装置や、電子回路等のハードウェアや、電子制御装置と電子回路等のハードウェアとの組み合わせで実現されてもよい。
The embodiment described above is a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the case of the
In addition, it is reasonable to realize the control means mainly by the
1 ECU
10 排気冷却構造
22 エアフロメータ
32 触媒
50 内燃機関
52 シリンダヘッド
521 第2のウォータジャケット
522 第1の排気ポート
523 第2の排気ポート
524 オイル流路
53 第1の排気弁
54 第2の排気弁
55 可変動弁機構
56 ウォータポンプ
60 ラジエータ
61 サーモスタット
62 ヒータコア
80 中子
1 ECU
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記第1の排気ポートを開閉する第1の排気弁、および前記第2の排気ポートを開閉する第2の排気弁と、
前記第1および第2の排気弁のうち、いずれか一方の排気弁の作動を停止することが可能な片弁休止機構と、
冷媒により、前記第1および第2の排気ポートのうち、いずれか一方の排気ポートを冷却するか、或いは前記第1および第2の排気ポートのうち、いずれか一方の排気ポートを他方の排気ポートよりも大きな度合いで冷却する冷却手段と、を備えた内燃機関の排気冷却構造。 A cylinder head provided with first and second exhaust ports per cylinder;
A first exhaust valve that opens and closes the first exhaust port; and a second exhaust valve that opens and closes the second exhaust port;
A one-valve pause mechanism capable of stopping the operation of one of the first and second exhaust valves;
Either one of the first and second exhaust ports is cooled by the refrigerant, or one of the first and second exhaust ports is used as the other exhaust port. An exhaust cooling structure for an internal combustion engine comprising cooling means for cooling to a greater degree.
前記冷却手段が、冷媒により、前記第1の排気ポートを冷却するか、或いは前記第1の排気ポートを前記第2の排気ポートよりも大きな度合いで冷却するとした場合に、
少なくとも隣り合う2つの気筒につき、該2つの気筒それぞれに対して設けられた前記第1の排気ポート各々を隣接して設けるとともに、該第1の排気ポート各々の間にオイル流路を設けた内燃機関の排気冷却構造。 An exhaust cooling structure for an internal combustion engine according to claim 1,
When the cooling means cools the first exhaust port with a refrigerant or cools the first exhaust port to a greater degree than the second exhaust port,
An internal combustion engine in which at least two adjacent cylinders are provided adjacent to each of the first exhaust ports provided for each of the two cylinders, and an oil flow path is provided between each of the first exhaust ports. Engine exhaust cooling structure.
前記片弁休止機構を制御対象として、前記第1および第2の排気ポートにつき、機関運転状態に応じて排気を流通させる排気ポートを変更する制御を行う制御手段を備えた内燃機関の排気冷却構造の制御装置。 An exhaust cooling structure control apparatus for an internal combustion engine that controls the exhaust cooling structure for an internal combustion engine according to claim 1 or 2,
An exhaust cooling structure for an internal combustion engine comprising control means for controlling the one-valve stop mechanism to change an exhaust port for circulating exhaust gas according to an engine operating state for the first and second exhaust ports. Control device.
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