JP2011226443A - エンジンの廃熱制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱利用要求に応じた廃熱制御を実施しつつ、廃熱制御の実施に伴うエンジン運転効率の低下等の不都合を最小限に抑える。
【解決手段】ＥＣＵ４０は、エンジン冷却水の熱利用要求に基づいてエンジンの廃熱量を制御する。すなわち、ＥＣＵ４０は、エンジン１０の気筒内における気流強度を調整する気流調整手段として、ＴＣＶ２４の開度を調整する手段を備え、エンジン冷却水の熱利用要求があったことを検出した場合に、その熱利用要求に基づいて気流調整手段により気流強度を調整することにより、エンジン廃熱量を制御する。このとき、エンジン冷却水の熱利用要求に基づく要求熱量が大きいほど、気流強度を大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱利用要求に基づいてエンジンの廃熱量を制御するエンジンの廃熱制御装置に関するものである。

車載エンジンにおいて、燃料の燃焼に伴い発生する燃焼エネルギには、車両走行に用いられる運動エネルギ以外に熱エネルギが多く含まれており、その熱エネルギを利用してエンジンの暖機や車室内の暖房等が行われている。例えば、エンジン冷却水に含まれるエンジン廃熱を回収し、その回収した廃熱を利用して暖房を行う構成が知られている。

また、エンジン運転中において、点火時期や吸排気バルブのバルブ開閉タイミングを制御することでエンジン廃熱量を増加させ、これによりエンジンや触媒の暖機を促進する技術が各種提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。さらに、エンジン冷却水の温度上昇を点火時期の過進角によって行うことで、気筒内から排出される未燃燃料の減少を図ることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。この特許文献３に記載のものでは、点火過進角に併せて気筒内に生起される気流を増強させることにより、混合気の着火性や燃焼安定性の低下を抑制するようにしている。

実公平２−９６４７６号公報 特開２０００−２４０５４７号公報 特開２００８−２０２５６９号公報

ところで、エンジン廃熱量を増加させる場合、その廃熱増加に伴いエンジン運転効率が低下する（燃費が悪化する）ことが考えられる。しかしながら、上記特許文献１〜３では、廃熱増加に際しての燃費悪化については考慮されておらず、廃熱増加により燃費性能が過剰に悪化してしまう等の不都合が生じることが懸念される。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、熱利用要求に応じた廃熱制御を実施することができ、しかも廃熱制御の実施に伴う燃費悪化を極力抑制することができるエンジンの廃熱制御装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。

本発明は、エンジンの廃熱を再利用する廃熱再利用システムに適用され、エンジン冷却水の熱利用要求に基づいて前記エンジンの廃熱量を制御するエンジンの廃熱制御装置に関するものである。そして、請求項１に記載の発明は、前記熱利用要求があったことを検出する要求検出手段と、前記エンジンの気筒内における気流強度を調整する気流調整手段と、前記要求検出手段により前記熱利用要求があったことが検出された場合に、その熱利用要求に基づいて前記気流調整手段により気流強度を調整することで前記廃熱量を制御する廃熱制御手段と、を備えることを特徴とする。

熱利用要求に伴いエンジン廃熱の要求熱量が増加した場合、燃費悪化を極力抑制しつつ廃熱増加を行うのが望ましい。本発明者らは、エンジン気筒内における気流強度に着目し、その気流強度とエンジン廃熱量（冷却水熱量）と燃費性能との関係について鋭意検討した結果、気流強度を調整することにより冷却水熱量を調整できるとともに、燃料増加量に対する冷却水熱の増加量が気流強度によって相違することを見出した。これに鑑み、上記構成のとおりエンジン冷却水の熱利用要求に応じて気流強度を調整することにより、熱利用要求に応じた廃熱制御を実施することができ、しかも廃熱制御の実施に伴う燃費悪化を極力抑制することができる。

具体的には、請求項２に記載の発明のように、前記要求熱量が大きいほど前記気流強度を大きくする。気流の強化により噴射燃料の霧化が促進され、これにより燃焼効率が向上して燃焼温度が高くなると考えられる。また、燃焼温度と冷却水熱量とは相関関係にあり、燃焼温度が高いほど冷却水熱量が高くなる。さらに、気流強化によって気筒内の撹拌が促進され、その結果、燃焼に伴い発生する熱エネルギを気筒壁面へ効率よく伝達できる、つまり冷却水側への熱伝達率を向上できると考えられる。また、熱伝達率と冷却水熱量とは相関関係にあり、熱伝達率が高いほど冷却水熱量が高くなる。これらのことから、気流強化を行うことにより、冷却水熱量を高めることができると言える。

請求項３に記載の発明では、前記廃熱制御手段が、前記気流調整手段により前記廃熱量を制御する第１制御手段と、前記エンジンの吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とのオーバーラップ量を調整するオーバーラップ量調整手段、及び前記エンジンの点火時期を制御する点火制御手段の少なくともいずれかにより前記廃熱量を制御する第２制御手段とを有するとともに、前記第１制御手段による廃熱制御によって前記熱利用要求に対する要求熱量を満足できるか否かを判定する判定手段を備える構成とする。そして、同判定手段により、前記第１制御手段による廃熱制御によって前記要求熱量を満足できると判定される場合に該第１制御手段により廃熱増加を実施し、前記第１制御手段による廃熱制御では前記要求熱量を満足できないと判定される場合に前記第１制御手段及び前記第２制御手段により廃熱増加を実施する。

エンジン廃熱量を調整する手段としては、エンジンの吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とのオーバーラップ量を調整することにより廃熱制御を行う手段や、エンジンの点火時期を制御することにより廃熱制御を行う手段がある。また、点火時期の変更によってエンジン廃熱量を増加させる場合、本発明者らの知見によれば、都度のエンジン運転状態において最高燃費となる最高効率時期（ＭＢＴ）に対し、点火遅角するよりも点火進角した方が燃費悪化の程度を小さくできる。

ここで、気流強度の調整による廃熱制御では、点火進角制御やバルブ制御による廃熱制御に比べ、ノッキングの発生やドライバビリティ悪化などといった不都合が生じにくいと考えられる。その点に鑑み、本発明では、要求熱量を満足できる限り、気流調整による廃熱制御を優先して実施する。

一方、気流強度の調整により増加可能な廃熱量には上限があり、その上限に起因して、気流強度による廃熱制御のみでは要求熱量を満足できないことが考えられる。その点、上記構成によれば、気流強度の調整による廃熱制御のみでは要求熱量を満足できないと判定される場合、気流強度の調整に加え、点火時期制御及びバルブ制御により廃熱量を制御する。この場合、気流強化によって燃焼安定性が向上し、燃焼安定性が向上した分、点火時期の進角余裕やバルブオーバーラップ量の増加余裕をより多く確保できる。その結果、冷却水熱量の更なる増大が可能となる。

廃熱制御システムの概要を示す構成図。 気流強化ありの場合と気流強化なしの場合との熱勘定を比較する図。 点火遅角した場合と点火遅角しない場合との熱勘定を比較する図。 燃料消費量及び冷却水熱量についての点火時期特性を示す図。 燃焼温度と冷却水熱量との関係を示す図。 燃料消費量及び冷却水熱量についての点火時期特性を示す図。 廃熱制御の処理手順を示すフローチャート。 ＴＣＶ開口率と冷却水熱増加量との関係を示す図。

以下、火花点火式の多気筒ガソリンエンジンを搭載した車両に本発明を具体化した実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態の廃熱制御システム（廃熱再利用システム）の概要を示す構成図である。

図１において、エンジン１０には、吸気管１１と排気管１２とが接続されており、吸気管１１には気筒内への吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ１３が設けられている。スロットルバルブ１３は、モータ等からなるスロットルアクチュエータ１４により電気的に開閉駆動される空気量調整手段である。スロットルアクチュエータ１４にはスロットルバルブ１３の開度（スロットル開度）を検出するためのスロットルセンサが内蔵されている。

エンジン１０は、同エンジン１０の各気筒に燃料を噴射供給する燃料噴射手段としてのインジェクタ１５と、気筒ごとに設けられた点火プラグ１６に点火火花を発生させる点火手段としてのイグナイタ（点火装置）１７と、吸排気の各バルブの開閉タイミングを調整するバルブタイミング調整手段としての吸気側バルブ駆動機構１８及び排気側バルブ駆動機構１９とを備えている。本実施形態では、吸気ポート噴射式エンジンを採用しており、インジェクタ１５が吸気ポート近傍に設けられる構成としているが、これに代えて、直噴式エンジンを採用し、インジェクタ１５が各気筒のシリンダヘッド等に設けられる構成としてもよい。

吸気側及び排気側の各バルブ駆動機構１８，１９は、エンジン１０の出力軸としてのクランク軸に対する吸気側及び排気側の各カム軸の進角量を調整するものである。吸気側バルブ駆動機構１８によれば、吸気バルブの開閉タイミングが進角側又は遅角側に変更され、排気側バルブ駆動機構１９によれば、排気バルブの開閉タイミングが進角側又は遅角側に変更される。また、吸排気バルブの開閉タイミングが変更されることにより、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップする際のバルブオーバーラップ量（以下、単にオーバーラップ量ともいう）が変更される。

吸気管１１において、インジェクタ１５の上流側には、吸気通路を上下に仕切る仕切板２１が気筒毎に設けられ、この仕切板２１によって上側通路２２と下側通路２３とが吸気通路に形成されている。各気筒の下側通路２３の入口部には、下側通路２３を開閉するタンブル制御弁（ＴＣＶ）２４がそれぞれ配置されている。ＴＣＶ２４は、モータ等からなるアクチュエータ２５により電気的に開閉駆動されることで、エンジン１０の気筒内における気流強度を調整する気流調整手段である。このＴＣＶ２４によれば、閉弁側への駆動によって、気筒内において縦方向の吸気旋回流を発生させる。

排気管１２には、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ２６が設けられている。また、酸素濃度センサ２６の下流側には、排気浄化装置としての触媒２７が設けられている。触媒２７は例えば三元触媒であり、排気が通過する際に排気中の有害成分等を浄化する。

次に、エンジン１０の冷却系の構成について説明する。

エンジン１０のシリンダブロックやシリンダヘッドの内部にはウォータジャケット３１が形成されており、このウォータジャケット３１に冷却水が循環供給されることでエンジン１０の冷却が行われるようになっている。ウォータジャケット３１内の冷却水の温度（冷却水温）は水温センサ３２により検出される。ウォータジャケット３１には冷却水配管等からなる循環経路３３が接続されており、その循環経路３３には、冷却水を循環させるためのウォータポンプ３４が設けられている。ウォータポンプ３４は例えばエンジン１０の回転に伴い駆動される機械式ポンプであるが、電動式ポンプであってもよい。また、ウォータポンプ３４により冷却水量が調整できる構成であってもよい。

循環経路３３は、エンジン１０（ウォータジャケット３１）の出口側においてヒータコア３５に向けて延び、ヒータコア３５を経由して再びエンジン１０に戻るようにして設けられている。ヒータコア３５には、図示しないブロアファンから空調風が送り込まれるようになっており、空調風がヒータコア３５又はその付近を通過することで、ヒータコア３５からの受熱により空調風が加熱され、温風が車室内に供給される。

循環経路３３は、ヒータコア３５の下流側で二方に分岐され、その一方の循環経路３３Ａに大気放熱部としてのラジエータ３６が設けられている。また、循環経路３３の分岐部には、冷却水温度に応じて作動することで冷却水の流路を変更するサーモスタット３７が設けられている。したがって、冷却水が低温（サーモスタット作動温度未満）である場合には、ラジエータ３６側への冷却水の流入がサーモスタット３７により阻止され、冷却水はラジエータ３６で放熱されることなく循環経路３３内を循環する。例えば、エンジン１０の暖機完了前（暖機運転時）にはラジエータ３６での冷却水の冷却（放熱）が抑制される。また、冷却水が高温（サーモスタット作動温度以上）になると、ラジエータ３６側への冷却水の流入がサーモスタット３７により許容され、冷却水はラジエータ３６で放熱されつつ循環経路３３内を循環する。これにより、エンジン運転状態下において冷却水が適温（例えば８０℃程度）で維持される。

本制御システムは、エンジン制御の中枢をなすＥＣＵ（電子制御装置）４０を備えており、そのＥＣＵ４０によりエンジン１０の運転に関する各種制御が実施される。すなわち、ＥＣＵ４０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。本システムでは、エンジン運転状態を検出するための運転状態検出手段として、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ４１、吸入空気量や吸気管負圧といったエンジン負荷を検出する負荷センサ４２等を備えており、これら各センサ４１，４２や上述した酸素濃度センサ２６、水温センサ３２等の各検出信号がＥＣＵ４０に適宜入力される。

ＥＣＵ４０は、上述した各種センサから各々検出信号を入力し、それらの各種検出信号に基づいてインジェクタ１５による燃料噴射制御、イグナイタ１７による点火時期制御、バルブ駆動機構１８，１９によるバルブタイミング制御、スロットルバルブ１３（スロットルアクチュエータ１４）による空気量制御、ＴＣＶ２４（アクチュエータ２５）による吸気流制御等を実施する。上記の各種制御は、基本的には、都度のエンジン運転状態においてエンジン１０の最高効率（最高燃費）が得られるようにして適合データ等に基づいて実施される。

点火時期制御について具体的には、都度のエンジン回転速度やエンジン負荷等といったエンジン運転状態に関するパラメータに基づいて、トルクが最大となる点火時期（ＭＢＴ：Minimum Advance for Best Torque）に最も近い点火時期を、ノック限界を超えない範囲において都度設定する。すなわち、ＥＣＵ４０は、基本的には都度のエンジン運転状態において最高燃費となる最高効率時期（最適点火時期）を都度の点火時期として設定しており、その最適点火時期としてＭＢＴ又はノック限界のうち遅角側を設定している。

また、バルブタイミング制御については、エンジン回転速度やエンジン負荷等といったエンジン運転状態に関するパラメータに基づいてバルブオーバーラップ量を可変に設定し、これにより、吸気通路への既燃ガスの吹き返し量（内部ＥＧＲ量）を調整したり、実圧縮比の増加や膨張比の増加を図ったりしている。具体的には、例えば中負荷運転時において、必要に応じてバルブオーバーラップ量を増大させて内部ＥＧＲを実施することにより、燃焼温度を低下させてＮＯｘの排出を低減させるようにしている。

本制御システムでは、エンジン１０において燃料の燃焼により生じる燃料燃焼エネルギのうち、熱損失分となる熱エネルギ（運動エネルギ以外のエネルギ）を再利用することで、システム全体としての燃費改善を図るようにしている。つまり、ＥＣＵ４０は、都度の熱利用要求に基づいてエンジン１０の廃熱制御を実施する。熱利用要求としては、主にエンジン冷却水の熱利用の要求や、エンジン１０の排気系での熱利用の要求があり、具体的には、前者には暖房要求が含まれ、後者には触媒暖機要求が含まれる。

ところで、近年、エンジン１０の熱効率の向上に伴い、エンジン廃熱として機関本体側で冷却水に回収される熱量が少なく、エンジン冷却水の熱利用の要求があった場合に、その要求を満たすことができないおそれがある。具体的には、例えば暖房要求があった場合、機関本体側でエンジン冷却水によって回収される熱量が少ないことに起因して暖房熱が不足し、その結果、暖房要求を満たすことができないおそれがある。

そこで、本システムのＥＣＵ４０は、エンジン１０の熱エネルギ（熱損失）である廃熱量（発生熱量）を増加又は減少させる廃熱調整手段を備えており、暖房要求等といったエンジン冷却水の熱利用要求があった場合、その熱利用要求に応じて、同手段によりエンジン廃熱量を調整している。

本廃熱制御においては、
・点火時期をＭＢＴに対して進角側又は遅角側に変更すると廃熱量が増加すること
・バルブオーバーラップ量を増大させると廃熱量が増加すること
を利用して冷却水熱量の増加を図る構成としている。ここで、点火時期制御による廃熱増加について、本発明者らの知見によれば、点火時期をＭＢＴに対して遅角側に変更するよりも進角側に変更する方が、冷却水熱量を増加させたときの燃費の悪化をより抑制可能である。そこで、点火時期制御による廃熱制御では、基本的には点火時期をＭＢＴに対して進角側に変更することによりエンジン廃熱を増加させるようにしている。

その一方で、エンジン運転状態等の条件によっては、点火時期の進角側への変更やバルブタイミングの変更を実施できない場合が生じる。すなわち、ＭＢＴがノック限界よりも進角側にある場合には、そのノック限界によって点火時期をＭＢＴに対して進角できず、かかる場合、点火進角による廃熱増加の実施が制限される。また、今現在のエンジン運転状態によっては、内部ＥＧＲの実施に起因してドライバビリティが悪化する場合があり、この場合には内部ＥＧＲ増加による廃熱増加の実施が制限されることとなる。

本発明者らは、エンジン熱効率の低下を極力抑えつつ冷却水熱量を増加させるための手段として、ＴＣＶ２４の開閉制御に着目した。すなわち、ＴＣＶ２４を閉弁側に制御した場合、吸気の流路断面積が小さくなることにより吸気通路内の吸気の流速が速められ、その結果、気筒内においてタンブル流（縦方向の吸気旋回流）の強度が増大される。また、気筒内の気流強度が増大された場合には、噴射燃料の霧化が促進され、その結果、燃焼効率が向上し燃焼温度が上昇する。この燃焼温度と熱量Ｑとの関係は、下記の式（１）で表されることから、燃焼温度の向上によって、エンジン冷却水の熱量Ｑが増大されることが分かる。換言すれば、噴射燃料の霧化の促進によって未燃燃料の排出が抑制され（未燃損失が少なくなり）、その分、冷却損失が多くなる。
Ｑ＝ｈ×ΔＴ …（１）
ここで、ΔＴは放熱側（エンジンブロック側）と受熱側（冷却水側）との温度差を示す。

また、気筒内の気流強度が増大されることで、燃焼によって発生した排ガスの撹拌が促進され、その結果、燃焼に伴う熱エネルギを気筒壁面へ効率よく伝達することができ、冷却水側への熱伝達率が向上する。この熱伝達率ｈと熱量Ｑとの関係は、上記の式（１）のとおりであり、熱伝達率ｈの向上によって、エンジン冷却水の熱量Ｑが増大される。

図２は、気流強化を実施した場合と実施しない場合との熱勘定を比較した図である。同図では、エンジン回転速度及び軸出力一定の所定条件（本実施形態ではエンジン回転速度１４００ｒｐｍ、出力４０Ｎｍ）において発生熱量がどのようなものに費やされたかの割合を示している。なお、図中、（ａ）は、気流強化を実施しない場合（本実施形態ではＴＣＶ２４が全開状態の場合）であり、（ｂ）は、気流強化を実施した場合（本実施形態ではＴＣＶ２４の開口率が１０％の場合）を示している。また、（ａ）及び（ｂ）では、点火時期をＭＢＴとし、バルブオーバーラップ量（ＶＯＬ量）を適合点としてある。

エンジン１０の燃焼による熱エネルギは、エンジン軸出力以外に、ポンプ損失やフリクション損失、冷却損失、排気損失、その他（未燃損失や時間損失など）として消費される。各損失について気流強化する場合としない場合とを比較すると、気流強化する場合には、気流強化しない場合に比べて、上記の所定条件において冷却損失が０．６ｋＷ上昇し、その他（特に、未燃損失や時間損失）が０．３ｋＷ減少している。また、排気損失については、気流強化の実施の有無によってさほど変わらない。つまり、気流強化を実施することにより、排気損失に対する冷却損失の比率が大きくなる。

この場合の気流強化に伴う冷却損失の増加は、熱伝達率ｈ及び温度差ΔＴの増大に伴う熱量Ｑの上昇に起因するものであり、未燃損失や時間損失の減少は、噴射燃料の霧化促進による燃焼促進に起因するものと考えられる。なお、気流強化する場合には、気流強化しない場合に比べてポンプ損失が０．１５ｋＷ上昇しているが、これは気流増大によって圧力損失が大きくなったことに起因するものと考えられる。また、気流強化する場合には、気流強化しない場合に比べて燃料消費量が増加しており、上記所定条件では０．４５ｋＷ分増加している。

ここで、気流強化によって冷却水熱量を増加させる場合の燃費について、他の廃熱調整手段による廃熱増加の場合と比較する。ここでは、点火遅角により廃熱増加を実施する場合と比較する。

図３は、点火時期を燃費最良点とした場合とそれよりも点火遅角した場合との熱勘定を比較する図である。図３では、図２と同様に、エンジン回転速度及び軸出力一定の所定条件（本実施形態ではエンジン回転速度１４００ｒｐｍ、出力４０Ｎｍ）において発生熱量がどのようなものに費やされたかの割合を示している。図中、（ａ）は、点火遅角を燃費最良点とした場合（ＭＢＴとした場合）であり、（ｂ）は、燃費最良点から点火遅角する場合（本実施形態ではＭＢＴから２０°ＣＡ遅角した場合）を示している。また、（ａ）及び（ｂ）では、ＶＯＬ量を適合点としてある。

各損失について、点火遅角前である（ａ）と点火遅角後である（ｂ）とを比較すると、図３に示すように、点火遅角後では点火遅角前に比べて冷却損失が０．４５ｋＷ上昇し、かつ排気損失が０．８ｋＷ上昇する。つまり、点火遅角により冷却水熱量を増加させる場合には、冷却損失の上昇に伴い排気損失が増大し、その結果、点火遅角前に比べて燃料消費量が１．３ｋＷ分増加する。この場合、点火遅角を実施することにより、排気損失に対する冷却損失の比率が小さくなる。

気流強化により冷却損失を増大させる場合（図２）と、点火遅角により冷却損失を増大させる場合（図３）とを比較すると、前者の場合、冷却損失の増加と同時に、燃焼改善による未燃損失や時間損失の低減が生じるため、燃料消費量の増加分（＋０．４５ｋＷ）は冷却損失の増加分（＋０．６ｋＷ）よりも小さいものとなっている。これに対し、後者の場合、冷却損失の増加と同時に排気損失の増加が生じるため、燃料消費量の増加分（＋１．３ｋＷ）は冷却損失の増加分（＋０．４５ｋＷ）よりも大きいものとなっている。

さらに、燃料消費量の増加分に対する冷却水熱量の増加分の比率を表す熱源効率η［％］（下記式（２）参照）を両者で比較すると、点火遅角による廃熱増加では熱源効率ηが５８％であるのに対し、気流強化による廃熱増加では１３０％である。よって、燃料消費量（燃費）の観点からすると、点火遅角より冷却損失の増加を図るよりも、気流強化により冷却損失の増加を図る方が望ましい。
η［％］＝冷却水熱量増加量ΔＱ／燃料増加量Δｑｆ×１００ …（２）
気流強化による冷却損失増加の燃費について更に検討する。図４は、燃料消費量ｑｆ及び冷却水熱量Ｑについての点火時期特性を示す図である。図４のうち、（ａ）は点火時期と燃料消費量ｑｆとの関係を示し、（ｂ）は点火時期と冷却水熱量Ｑとの関係を示している。また、図中、Ｌ１は気流強化を実施しない場合（本実施形態ではＴＣＶ２４が全開状態の場合）を示し、Ｌ２は気流強化を実施する場合（本実施形態ではＴＣＶ２４の開口率が１０％の場合）を示している。なお、図４では、エンジン回転速度及び軸出力が一定の所定条件（本実施形態ではエンジン回転速度１４００ｒｐｍ、出力４０Ｎｍ）において、ＶＯＬ量を一定とした場合について示してある。この場合、点火時期のノック限界はＭＢＴ（図中の白丸印）よりも進角側に位置している。

図４に示すように、点火時期をＭＢＴで制御する場合に燃料消費量ｑｆが最小（極小）となり、冷却水熱量Ｑが最小（極小）となる。また、点火時期をＭＢＴに対して進角側又は遅角側に変更した場合、その変更量が大きいほど冷却水熱量Ｑが増大し、かつ燃料消費量ｑｆが増大する。ここで、所定燃料量ｑｆ１で発生する冷却水熱量Ｑを比較すると、図４に示すように、気流強化する場合（Ｌ２）には気流強化しない場合（Ｌ１）に比べて冷却水熱量ＱがＱＭだけ高くなり、具体的には、上記所定条件の場合であれば０．３ｋＷ高くなる。このことから、気流強化を実施することによって、噴射燃料の単位量当たりで得られる冷却水熱量が多くなることが分かる。換言すれば、気流強化を実施した場合には、所望量の冷却水熱量を得るのに必要な燃料消費量を少なくすることができる。

気流強化の実施の有無による冷却水熱量の相違は、燃焼温度Ｔと冷却水熱量Ｑとの関係においても現れる。すなわち、燃焼温度Ｔに対する冷却水熱量Ｑは、図５に示すように、燃焼温度Ｔが高いほど冷却水熱量Ｑが高くなるが、この関係において、気流強化ありの場合には、気流強化なしの場合に比べて、いずれの燃焼温度Ｔにおいても冷却水熱量Ｑが高くなっている。

本実施形態では、気流強化による廃熱増加では熱利用要求を満たすことができない場合、気流強化と、気流強化以外の廃熱調整手段、具体的には、点火進角及びＶＯＬ量増加の少なくともいずれかとを組み合わせることにより、エンジン冷却水に回収される熱量を増加させるようにしている。

図６は、燃料消費量ｑｆ及び冷却水熱量Ｑについての点火時期特性を示す図であり、（ａ）は点火時期と燃料消費量ｑｆとの関係を示し、（ｂ）は点火時期と冷却水熱量Ｑとの関係を示している。図６では、Ｌ３が、気流強化を実施し（本実施形態ではＴＣＶ２４の開口率を１０％とし）、かつＶＯＬ量をＬ２の場合よりも３０°ＣＡ大きくした場合の点火時期特性を示す以外は上記の図４と同じである。

図６において、所定燃料量ｑｆ１で発生する冷却水熱量を比較すると、気流強化のみの場合（Ｌ２）よりも、気流強化とＶＯＬ増大とを組み合わせた場合（Ｌ３）の方が、冷却水熱量ＱがＱＮだけ高くなっており、具体的には、上記所定条件の場合であれば０．５ｋＷ高くなる。つまり、廃熱増加に際し、気流強化とＶＯＬ増大とを組み合わせることにより、冷却水に回収される熱量をＬ１の場合（廃熱増加前）に対して０．８ｋＷ高めることができる。

なお、気流強化と点火進角とを組み合わせた場合にも同様のことが言え、この場合には、気流強化のみを実施する場合に比べ、冷却水に回収される熱量を増大させることができる。これは、気流強化によって燃焼安定性が向上しており、燃焼安定性が向上した分、ＶＯＬ量の変更余裕や点火時期の進角余裕が大きくなることが推測される。つまり、ＶＯＬ増大や点火進角の実施に併せて気流強化を行うことにより、エンジン運転状態によるＶＯＬ増大又は点火進角の実施制限が緩和され、その結果、冷却水熱量を更に増大させることが可能になる。

次に、本システムの廃熱制御について図７のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ＥＣＵ４０により所定周期毎に実行される。

図７において、まずステップＳ１０１では、例えば暖房要求などといったエンジン冷却水の熱利用要求が生じているか否かを判定する。なお、暖房要求は、車室内の暖房が開始される場合や車室内温度を上昇させる場合に発生するものであり、車両搭乗者の操作又は自動空調制御の制御指令に基づき発生する。このステップＳ１０１では、エンジン冷却水の熱利用要求が生じていることを条件にステップＳ１０２へ進む。

ステップＳ１０２では、エンジン冷却水の熱利用要求に伴い発生させるべきエンジン廃熱量の要求値として要求熱量を算出する。要求熱量は、冷却水温Ｔｗや冷却水流量、ブロアファン回転速度、外気混入量、外気温、エアコン設定温度、エアコン噴出し温度等のうちの一つ又は複数のパラメータに基づいて算出する。

ステップＳ１０３では、今現在のエンジン運転状態（例えば、燃費最良点にて実施される通常のエンジン制御）で要求熱量を満足できるか否か、すなわち廃熱調整手段による廃熱制御によりエンジン廃熱量を増加させる必要がないか否かを判定する。そして、今現在のエンジン運転状態で要求熱量を満足できる場合には、廃熱調整手段による廃熱増加は不要であるとしてそのまま本処理を終了する。一方、要求熱量を満足できない場合には、以下のステップＳ１０４以降の処理を実行する。

ステップＳ１０４では、要求熱量に基づいてＴＣＶ２４の開度を算出する。本実施形態では、ＴＣＶ２４の開度（開口率［％］）と冷却水熱量の増加量ΔＱとの関係を示すマップが予め設定して記憶してあり、同マップを用いて、要求熱量を満足できるＴＣＶ開度を算出する。

図８は、ＴＣＶ２４の開口率と冷却水熱量の増加量ΔＱとの関係を示すマップである。図８によれば、ＴＣＶ２４の開口率を小さくするほど、すなわち気流強化の程度を大きくするほど、冷却水熱増加量ΔＱが大きくなることが分かる。

図７の説明に戻り、ステップＳ１０５では、気流強化後において未だ熱量不足が生じる状態か否かを判定する。図８に示すように、ＴＣＶ２４の開口率の変更によって増加できる冷却水熱量には上限があり、例えば、今現在のＴＣＶ開度が全開状態（開口率１００％）であり、ＴＣＶ２４を全開状態から閉弁側に変更する場合には、冷却水熱増加量ΔＱを最大でΔＱｍａｘだけ増加可能である。したがって、本実施形態では、今現在のエンジン運転状態での発生熱量と要求熱量との差がΔＱｍａｘ以下であれば、気流強化によって要求熱量を満足できるものと判定し、その差がΔＱｍａｘよりも大きい場合には、気流強化による冷却損失増加のみでは熱量不足が生じるものと判定する。

気流強化によって要求熱量を満足できる場合には、ステップＳ１０６を実行せずにステップＳ１０７へ進み、スロットル開度の増量補正値を算出する。この算出処理は、上記のとおり廃熱制御が実施された場合にその廃熱制御により低下したエンジン出力を増補するための処理の一つである。なお、ＴＣＶ２４の開度変更及び空気量の増量補正については、図示しない別ルーチンにより適宜実行される。

一方、気流強化後において熱量不足が生じる場合、つまり気流強化のみでは要求熱量を満足できない場合には、ステップＳ１０６へ進み、エンジン運転状態（エンジン回転速度、エンジン負荷等）及び要求熱量をパラメータとして、バルブオーバーラップ量（ＶＯＬ量）及び点火進角量を算出する。本実施形態では、点火時期とＶＯＬ量と冷却水熱量との関係を示すマップがエンジン運転状態ごとに予め設定して記憶してあり、同マップを用いて、要求熱量を満足できるＶＯＬ量及び点火進角量をそれぞれ算出する。特に、本実施形態では、上記マップがＴＣＶ２４の開口率ごとに予め記憶してあり、ステップＳ１０４で算出したＴＣＶ開口率に対応するマップによりＶＯＬ量及び点火進角量を算出する。

なお、点火進角制御及びバルブタイミング制御のいずれを用いて廃熱増加を実施するかは、熱利用要求を満たす範囲でエンジン運転効率の良い手段を１つ又は複数選択するものとしている。これにより、廃熱制御の実施に伴い生じるエンジン運転効率の低下等の不都合を最小限に抑えるようにしている。

その後、ステップＳ１０７においてスロットル開度の増量補正値を算出し、本処理を終了する。なお、算出したＶＯＬ量に基づくバルブタイミング制御及び算出した点火進角量に基づく点火時期制御については、図示しない別ルーチンにより適宜実行される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

エンジン冷却水の熱利用要求に応じて気流強度を調整することによりエンジン廃熱量を制御する構成としたため、具体的には、エンジン冷却水の熱利用要求に基づく要求熱量が大きいほど、気流強化を大きくする構成としたため、例えば点火遅角により冷却損失増加を行う場合に比べ、廃熱増加に伴う燃費悪化を抑制することができる。また、気流強化による冷却損失増加であれば、点火進角による場合やＶＯＬ量の増加による場合に比べて、エンジン運転状態の制限をさほど受けずに実施することができる。したがって、本実施形態によれば、熱利用要求に応じた廃熱制御を実施することができ、しかも廃熱制御の実施に伴う燃費悪化を極力抑制することができる。

気流強化による冷却損失増加により要求熱量を満足できる場合には、気流強化を優先して実施する構成としたため、廃熱増加に伴いノッキングの発生やドライバビリティ悪化などといった不都合が生じるのをできるだけ抑制することができる。また、気流強化による冷却損失増加によっては要求熱量を満足できない場合に、気流強化に加えて、点火時期制御及びバルブタイミング制御の少なくともいずれかを実施することにより廃熱増加を行う構成としたため、気流強化により燃焼安定性が向上した分、点火時期の進角余裕やバルブオーバーラップ量の増加余裕をより多く確保できる。その結果、冷却水熱量をより大きくすることができ、ひいてはドライバの熱利用要求を十分に満足できる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・気流調整手段としてＴＣＶ２４を備え、このＴＣＶ２４の開度を調整することによりエンジン１０の気筒内における気流強度を調整する構成としたが、これを変更する。例えば、気筒内において横方向の吸気旋回流を発生させるスワール制御弁を吸気通路に設け、このスワール制御弁の開閉制御により気筒内における気流強度を調整する。あるいは、エンジン１０の各気筒に吸気バルブを複数備える構成において、その複数の吸気バルブのうちの一部の吸気バルブを閉弁したままにするか、各吸気バルブにおいてバルブリフト量を相違させることにより、気筒内における気流強度を増強する構成とする。この場合、例えば、吸気側バルブ駆動機構１８として、コイルの通電／非通電により吸気バルブの開閉状態を切り替える電磁駆動式を採用し、これにより、バルブごとに所望のタイミングにてバルブ開閉可能とするか、又は吸気バルブのリフト量をバルブごとに調整可能な構成とする。また、バルブ駆動機構１８として、エンジン１０の回転に伴うカムの回転によってバルブリフト量を調整可能なカム駆動式を採用してもよい。具体的には、気流強化用のカムと通常運転用のカムとをカム軸に設けておくとともに、気流強化用として更に、複数の吸気バルブのバルブタイミング又はバルブリフト量を異なる態様で制御可能にカムを設けておく。その他、吸気バルブの開タイミングを、吸気上死点を基準に遅角側に変更する（吸気上死点を超えてから吸気バルブを開く）ことにより、気筒内における気流強化を増強してもよい。

・気流強化によって要求熱量を満足できる場合には気流強化による廃熱増加を実施し、気流強化だけでは要求熱量を満足できない場合に、気流強化による廃熱増加とその他の廃熱調整手段による廃熱増加（バルブタイミング制御及び点火時期制御の少なくともいずれかによる廃熱増加）とを組み合わせる構成としたが、これを変更し、要求熱量の大小に関わらず、気流強化による廃熱増加とその他の廃熱調整手段による廃熱増加とを組み合わせて廃熱増加を図る構成とする。また、その他の廃熱調整手段による廃熱増加を優先して実施するものとし、同手段では要求熱量を満足できない場合に気流強化による廃熱増加を組み合わせて実施する構成としてもよい。

１０…エンジン、１３…スロットルバルブ、１５…インジェクタ、１８，１９…バルブ駆動機構、２４…タンブル制御弁（ＴＣＶ、気流調整手段）、３３…循環経路、３５…ヒータコア、４０…ＥＣＵ（要求検出手段、気流調整手段、廃熱制御手段、第１制御手段、第２制御手段、オーバーラップ量調整手段、点火制御手段、判定手段）。

Claims (3)

1. エンジンの廃熱を再利用する廃熱再利用システムに適用され、エンジン冷却水の熱利用要求に基づいて前記エンジンの廃熱量を制御するエンジンの廃熱制御装置において、
   前記熱利用要求があったことを検出する要求検出手段と、
   前記エンジンの気筒内における気流強度を調整する気流調整手段と、
   前記要求検出手段により前記熱利用要求があったことが検出された場合に、その熱利用要求に基づいて前記気流調整手段により気流強度を調整することで前記廃熱量を制御する廃熱制御手段と、
   を備えることを特徴とするエンジンの廃熱制御装置。
2. 前記廃熱制御手段は、前記熱利用要求に基づく要求熱量が大きいほど前記気流強度を大きくする請求項１に記載のエンジンの廃熱制御装置。
3. 前記廃熱制御手段は、前記気流調整手段により前記廃熱量を制御する第１制御手段と、前記エンジンの吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とのオーバーラップ量を調整するオーバーラップ量調整手段、及び前記エンジンの点火時期を制御する点火制御手段の少なくともいずれかにより前記廃熱量を制御する第２制御手段とを有し、
   前記第１制御手段による廃熱制御によって前記熱利用要求に対する要求熱量を満足できるか否かを判定する判定手段を備え、
   同判定手段により、前記第１制御手段による廃熱制御によって前記要求熱量を満足できると判定される場合に該第１制御手段により廃熱増加を実施し、前記第１制御手段による廃熱制御では前記要求熱量を満足できないと判定される場合に前記第１制御手段及び前記第２制御手段により廃熱増加を実施する請求項１又は２に記載のエンジンの廃熱制御装置。

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