JP2017180112A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気の温度を適切に調整することによって、ストイキＥＧＲモードでの燃焼を安定させながらリーンモードを行う運転域を高負荷側に拡大することができる内燃機関を提供する。【解決手段】吸気の温度を調整する吸気温度調整装置と、少なくとも吸気温度調整装置を操作する制御装置とを内燃機関に装備する。制御装置は、内燃機関がストイキＥＧＲモードで運転する場合は、燃焼室内に入る吸気の温度が第１温度域に入るように吸気温度調整装置を操作し、内燃機関がリーンモードで運転する場合は、燃焼室内に入る吸気の温度が第１温度域よりも低温の第２温度域に入るように吸気温度調整装置を操作する。【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、ＥＧＲ装置による再循環を実行しつつ理論空燃比で運転するストイキＥＧＲモードと、ＥＧＲ装置によるＥＧＲは行わずに理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で運転するリーンモードとを運転域に応じて切り替える内燃機関に関する。

特開２００５−２３３１１６号公報には、過給機と水冷式のインタークーラとを備える内燃機関において、過給機により過給されていない吸気を利用して希薄燃焼運転を行うＮＡリーンモードと、過給された高温の吸気を利用して希薄燃焼運転を行う過給リーンモードと、過給状態で通常燃焼運転を行う通常過給モードとを運転域に応じて切り替える技術が開示されている。ここに開示された技術では、ＮＡリーンモードではインタークーラをバイパスするバイパス通路に全ての吸気を供給し、過給リーンモードではインタークーラとバイパス通路の両方に吸気を分配し、通常過給モードではインタークーラに全ての吸気を供給することが行われている。

特開２００８−２５５８８４号公報には、過給機と水冷式のインタークーラとを備える内燃機関において、内燃機関の負荷状態に応じてインタークーラをバイパスする吸気の流量を調整する技術が開示されている。ここに開示された技術では、高回転且つ高負荷域では吸気に対する冷却量を少なくして吸気温度を上昇させ、低中回転速度域或いは低中負荷域ではインタークーラにより吸気を冷却して吸気温度を下げることが行われる。

上記のごとく、内燃機関の負荷状態に応じて吸気温度を調整することは公知である。なお、本出願の出願時点における技術水準を示す文献としては、上記特許文献の他にも、特開平１１−２１０４７７号公報や特開２００３−２３９７４７号公報等が挙げられる。

特開２００５−２３３１１６号公報 特開２００８−２５５８８４号公報 特開平１１−２１０４７７号公報 特開２００３−２３９７４７号公報

ところで、昨今、内燃機関の燃費性能を向上させるべく、理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で運転する運転域を高負荷側へ拡大することが研究されている。また、リーン運転が困難な高負荷域での燃費性能を向上させるべく、理論空燃比による運転において多量のＥＧＲガスを導入することも研究されている。以下、再循環を実行しつつ理論空燃比で運転する運転モードをストイキＥＧＲモードと呼び、ＥＧＲは行わずに理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で運転する運転モードをリーンモードと呼ぶ。

リーンモードを行う運転域を高負荷側へ拡大するためには吸入効率を高める必要があるが、同時に、燃焼の不安定化による排気ガス性能の低下を抑える必要もある。また、ストイキＥＧＲモードにおいて多量のＥＧＲガスを導入するのであれば、ＥＧＲ量のサイクルごとのばらつきによって燃焼が不安定になるのを抑える必要もある。

本出願に係る発明者らは、上記の要求を一つの内燃機関において満たすためには、燃焼室内に入る吸気の温度を運転モードに応じて適切に調整することが重要であると考えた。しかしながら、前述の従来技術は負荷に応じて吸気温度を調整するものであって、リーンモードとストイキＥＧＲモードとの間で燃焼室内に入る吸気の温度をどのように調整すればよいかについては、どの文献にも開示されていないし示唆もされていない。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃焼室内に入る吸気の温度を適切に調整することによって、ストイキＥＧＲモードでの燃焼を安定させながらリーンモードを行う運転域を高負荷側に拡大することができる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関は、排気の一部を吸気通路に再循環させるＥＧＲ装置を有し、ＥＧＲ装置による再循環を実行しつつ理論空燃比で運転するストイキＥＧＲモードと、ＥＧＲ装置によるＥＧＲは行わずに理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で運転するリーンモードとを運転域に応じて切り替える内燃機関において、以下の装置を備える。

本発明に係る内燃機関は、吸気の温度を調整する吸気温度調整装置と、少なくとも吸気温度調整装置を操作する制御装置とを備える。制御装置は、内燃機関がストイキＥＧＲモードで運転する場合は、燃焼室内に入る吸気の温度が第１温度域に入るように吸気温度調整装置を操作し、内燃機関がリーンモードで運転する場合は、燃焼室内に入る吸気の温度が第１温度域よりも低温の第２温度域に入るように吸気温度調整装置を操作するように構成される。

このような構成によれば、内燃機関がストイキＥＧＲモードで運転する場合は、相対的に高温の吸気が燃焼室内に供給されることで、ＥＧＲ量のサイクルごとのばらつきによって燃焼が不安定になることを抑えることができる。また、内燃機関がリーンモードで運転する場合は、ＥＧＲ量がサイクルごとにばらつくことによる燃焼安定性の低下が生じない。このため、ストイキＥＧＲモードよりも相対的に低温の吸気を燃焼室内に供給できるので、吸入効率の向上により、燃焼不安定を抑制しつつもリーンモードを行うことができる運転域を高負荷側に拡大できる。

第１温度域は、第１温度を中心とする誤差範囲で規定される温度域であってよい。第２温度域は、第１温度よりも低温の第２温度を中心とする誤差範囲で規定される温度域であってよい。また、それぞれの温度域を規定する誤差はゼロとしてもよい。つまり、制御装置は、内燃機関がストイキＥＧＲモードで運転する場合は、燃焼室内に入る吸気の温度が第１温度になるように吸気温度調整装置を操作し、内燃機関がリーンモードで運転する場合は、燃焼室内に入る吸気の温度が第１温度よりも低温の第２温度になるように吸気温度調整装置を操作するように構成されてもよい。

一つの実施形態として、内燃機関は、エンジンヘッドの排気側を流れる冷却水の温度（エンジン水温）を調整するエンジン水温調整装置をさらに備えてもよい。この場合、制御装置は、内燃機関がストイキＥＧＲモードで運転する場合は、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第３温度域に入るようにエンジン水温調整装置を操作し、内燃機関がリーンモードで運転する場合は、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第３温度域よりも高温の第４温度域に入るようにエンジン水温調整装置を操作するように構成されてもよい。

このような構成によれば、内燃機関がリーンモードで運転する場合は、相対的に高温の冷却水がエンジンヘッドの排気側を流れることで、燃焼室の排気側の壁面温度を高めてクエンチエリアからの未燃ＨＣの発生を抑えることができる。また、内燃機関がストイキＥＧＲモードで運転する場合は、燃焼温度が高く排気温度も高いため、クエンチエリアから未燃ＨＣが発生したとしても十分に機能した触媒によって浄化することができる。このため、リーンモードよりも相対的に低温の冷却水をエンジンヘッドの排気側へ流すことができるので、燃焼室の排気側の壁面温度の上昇の抑制により、未燃ＨＣの外部への排出を抑制しつつもノックの発生を抑えることができる。

第３温度域は、第３温度を上限とする温度域であってよい。第４温度域は、第３温度よりも高温の第４温度を中心とする誤差範囲で規定される温度域であってよく、誤差はゼロとしてもよい。よって、制御装置は、内燃機関がストイキＥＧＲモードで運転する場合は、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第３温度以下になるようにエンジン水温調整装置を操作し、内燃機関がリーンモードで運転する場合は、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第３温度よりも高温の第４温度になるようにエンジン水温調整装置を操作するように構成されてもよい。

一つの実施形態として、吸気温度調整装置は、外気との熱交換によって吸気の温度を調整するように構成され、エンジン水温調整装置は、吸気温度調整装置にて熱交換が行われた外気との熱交換によって冷却水を冷却するように構成されてもよい。この場合、制御装置は、内燃機関がストイキＥＧＲモードで運転する場合において、エンジン水温調整装置の操作のみではエンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第３温度域まで下がらない場合、燃焼室内に入る吸気の温度が第１温度域よりも高くなることを許容するように吸気温度調整装置を操作してもよい。

このような構成によれば、内燃機関からの放熱が大きくなる高負荷域でもエンジンヘッドの排気側を流れる冷却水の温度の上昇を抑えることができ、燃焼室の排気側の壁面温度の上昇を抑えてノックの発生を抑えることができる。

以上述べたとおり、本発明に係る内燃機関によれば、燃焼室内に入る吸気の温度を適切に調整することによって、ストイキＥＧＲモードでの燃焼を安定させながらリーンモードを行う運転域を高負荷側に拡大することができる。

実施の形態の内燃機関の全体の構成を示す概念図である。 実施の形態の内燃機関のラジエータの配置を示す図である。 実施の形態の内燃機関の燃焼室周りの構成を示す図である。 実施の形態の燃料噴射量制御及び点火時期制御について説明するための図である。 ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量制御において吸気温度が空燃比に与える影響を示す図である。 目標吸気温度及びＨＴ冷却系の目標エンジン水温をエンジン回転速度及びトルクに関連付けるマップのイメージを示す図である。 実施の形態の吸気温度制御及びエンジン水温制御の制御フローを示すフローチャートである。 実施の形態の吸気温度制御及びエンジン水温制御が実行された場合の内燃機関の動作の一例を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．内燃機関の全体の構成
図１は、実施の形態の内燃機関の全体の構成を示す概念図である。内燃機関（以下、単にエンジンという）１は、エンジンブロック３と、エンジンブロック３上に図示しないガスケットを介して配置されるエンジンヘッド２とを有している。

エンジンヘッド２には、吸気通路７０と排気通路８０とが接続されている。吸気通路７０には、その上流からエンジンヘッド２に向かって、コンプレッサ９２、インタークーラ７２、及び電子制御式スロットル７４がこの順で配置されている。スロットル７４よりも下流の吸気通路７０には、エンジンヘッド２に導入される吸気の温度を測定するための吸気温度センサ７６が取り付けられている。排気通路８０には、エンジンヘッド２から下流に向かって、タービン９４及び三元触媒８２がこの順で配置されている。排気通路８０のさらに下流には、図示しないＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）及び選択還元型触媒（ＳＣＲ）がこの順で配置されている。

コンプレッサ９２とタービン９４はターボ過給機９０を構成する。コンプレッサ９２とタービン９４は、軸受９８によって回転自由に支持された回転軸９６によって連結され、一体となって回転する。なお、排気通路８０には、図示はしていないが、タービン９４をバイパスするタービンバイパス通路と、タービンバイパス通路を開閉するウエストゲートバルブとが設けられている。

エンジン１は、排気通路８０から吸気通路７０へ排気の一部を再循環させるＥＧＲ装置１００を備える。ＥＧＲ装置１００は、ＥＧＲ通路１０２、ＥＧＲクーラ１０４、及びＥＧＲバルブ１０６から構成される。ＥＧＲ通路１０２は、三元触媒８２よりも下流の排気通路８０とコンプレッサ９２よりも上流の吸気通路７０とを接続する。ＥＧＲクーラ１０４はＥＧＲ通路１０２に設けられ、ＥＧＲ通路１０２を流れる排気（ＥＧＲガス）を冷却する。ＥＧＲバルブ１０６は、ＥＧＲガスの流れの方向においてＥＧＲクーラ１０４よりも下流のＥＧＲ通路１０２に設けられている。

エンジン１は、エンジン１の本体及び構成部品を冷却する２系統の冷却システム３０，５０を備える。冷却システム３０，５０はともに冷却水が循環する閉回路として構成され、冷却システム３０と冷却システム５０とで循環する冷却水の温度を異ならせることができる。以下、相対的に低温の冷却水を循環させる冷却システム３０をＬＴ冷却システムと称し、相対的に高温の冷却水を循環させる冷却システム５０をＨＴ冷却システムと称する。また、ＬＴ冷却システム３０において回路内を循環する冷却水をＬＴ冷却水と称し、ＨＴ冷却システム５０において回路内を循環する冷却水をＨＴ冷却水と称する。図１において、ＬＴ冷却システム３０を構成するＬＴ冷却水の流路（以下、ＬＴ流路という）は二重線で描かれ、ＨＴ冷却システム５０を構成するＨＴ冷却水の流路（以下、ＨＴ流路という）は二重破線で描かれている。なお、ＬＴはLow Temperatureの略であり、ＨＴはHigh Temperatureの略である。

ＬＴ冷却システム３０は、ＬＴ冷却水の循環回路を構成する第１ＬＴ流路３２〜第４ＬＴ流路３８と、ＬＴ冷却水を循環させるための電動ウォータポンプ４６とを備える。第１ＬＴ流路３２はインタークーラ７２内を通り、第２ＬＴ流路３４はエンジンヘッド２内の吸気側を通り、第３ＬＴ流路３６はターボ過給機９０の軸受９８を通っている。これら第１ＬＴ流路３２〜第３ＬＴ流路３６は、それぞれ、その両端を第４ＬＴ流路３８の両端に並列に接続されている。第４ＬＴ流路３８にはラジエータ４０が配置されている。第４ＬＴ流路３８は、第１ＬＴ流路３２〜第３ＬＴ流路３６のそれぞれとの間でＬＴ冷却水が循環する回路を形成している。電動ウォータポンプ４６は、第４ＬＴ流路３８のラジエータ４０より下流に設けられている。電動ウォータポンプ４６の吐出量、すなわち、回路内を循環するＬＴ冷却水の流量は、モータの出力を調整することによって任意に変更することができる。

第１ＬＴ流路３２を流れるＬＴ冷却水は、インタークーラ７２内において、インタークーラ７２を通過する吸気との間で熱交換を行う。第２ＬＴ流路３４は、エンジンヘッド２内の各気筒の吸気ポートの近傍を通るように（好ましくは吸気ポートを囲むように）設けられている。第２ＬＴ流路３４を流れるＬＴ冷却水は、エンジンヘッド２を介して吸気ポートを通過する吸気との間で熱交換を行う。ＬＴ冷却水の温度が吸気の温度よりも低温であれば、熱交換によって吸気は冷却されるが、ＬＴ冷却水の温度が吸気の温度よりも高温であれば、熱交換によって吸気は加温される。これらの部位での熱交換によって、燃焼室内に入る吸気の温度はＬＴ冷却水の温度に合わせて調整される。第３ＬＴ流路３６を流れるＬＴ冷却水は、ターボ過給機９０の軸受９８との間で熱交換を行い、軸受９８の過熱を抑制する。

なお、この実施の形態では、第１ＬＴ流路３２と第２ＬＴ流路３４は並列に接続されているが、直列に接続されていてもよい。すなわち、インタークーラ７２を通ったＬＴ冷却水がエンジンヘッド２内の吸気側を通るように流路を配管してもよい。同様に、軸受９８を通る第３ＬＴ流路３６も、第１ＬＴ流路３２や第２ＬＴ流路３４と直列に接続されていてもよい。

ＨＴ冷却システム５０は、ＨＴ冷却水の循環回路を構成する第１ＨＴ流路５２〜第６ＨＴ流路６２と、ＨＴ冷却水を循環させるための電動ウォータポンプ６４と、循環回路内のＨＴ冷却水の流れを制御するための多機能弁６６を備える。第１ＨＴ流路５２はエンジンヘッド２内の排気側を通り、第２ＨＴ流路５４はエンジンブロック３内を通っている。これら第１ＨＴ流路５２及び第２ＨＴ流路５４は、それぞれに多機能弁６６の別々の吸入ポートに接続される。

多機能弁６６は、その詳細については後述するが、２つの吸入ポートと４つの排出ポートとを有している。多機能弁６６の４つの排出ポートには、第３ＨＴ流路５６〜第６ＨＴ流路６２が接続されている。第３ＨＴ流路５６にはラジエータ６０が配置され、第４ＨＴ流路５８はインタークーラ７２内を通り、第５ＨＴ流路５９はＥＧＲクーラ１０４内を通っている。第６ＨＴ流路６２はラジエータ６０、インタークーラ７２及びＥＧＲクーラ１０４をバイパスしている。これら第３ＨＴ流路５６〜第６ＨＴ流路６２は、電動ウォータポンプ６４の吸入ポートに接続されている。電動ウォータポンプ６４の吐出ポートには、第１ＨＴ流路５２及び第２ＨＴ流路５４が接続されている。これにより、第１流路５２及び第２ＨＴ流路５４と、第３ＨＴ流路５６〜第６ＨＴ流路６２とによって、ＨＴ冷却水が循環する回路が形成されている。回路内を循環するＨＴ冷却水の流量は、電動ウォータポンプ６４のモータの出力を調整することによって任意に変更することができる。

ＨＴ冷却水の循環回路を構成する流路のうち、エンジン１の本体或いは構成部品との間で熱交換が行われる流路は、第１ＨＴ流路５２、第２ＨＴ流路５４、第４ＨＴ流路５８、及び第５ＨＴ流路５９である。第１ＨＴ流路５２は、エンジンヘッド２内において各気筒の燃焼室の排気側の壁面近傍を通るように設けられている。前述の第２ＬＴ流路３４が吸気ポートの近傍に局所的に設けられたものであるのに対し、第１ＨＴ流路５２はエンジンヘッド２の全体を通って最終的に排気側からエンジンヘッド２の外に出るように設けられている。第１ＨＴ流路５２のエンジンヘッド２の出口には、エンジンヘッド２の出口におけるＬＴ冷却水の温度を測定するためのエンジン水温センサ６８が設けられている。エンジン水温センサ６８によって測定される温度は、燃焼室の排気側の壁面温度に対応している。第２ＨＴ流路５４は、エンジンブロック３に形成されたシリンダの周壁を囲むウォータジャケットの主要部を構成しシリンダの周壁を全体的に冷却している。第４ＨＴ流路５８は、インタークーラ７２内において、インタークーラ７２を通過する吸気との間で熱交換を行う。前述の第１ＬＴ流路３２がインタークーラ７２内において吸気の流れ方向の下流側に設けられているのに対し、第４ＨＴ流路５８はインタークーラ７２内において吸気の流れ方向の上流側に設けられている。つまり、インタークーラ７２では、まず、ＨＴ冷却水と吸気との間で熱交換が行われ、次に、ＬＴ冷却水と吸気との間で熱交換が行われる。第５ＨＴ流路５９は、ＥＧＲクーラ１０４内において、ＥＧＲクーラ１０４を通過するＥＧＲガスとの間で熱交換を行う。

多機能弁６６は、循環回路内のＨＴ冷却水の温度（エンジン水温センサ６８によって測定されるエンジン水温）に基づいて、２つの吸入ポートに流れ込むＨＴ冷却水の比率、すなわち、第１ＨＴ流路５２を流れるＨＴ冷却水と、第２ＨＴ流路５４を流れるＨＴ冷却水との比率を調整する。例えば、ＨＴ冷却水の温度が低い冷間始動時には、エンジンブロック３を通る第２ＨＴ流路５４の流通を遮断し、エンジンヘッド２を通る第１ＨＴ流路５２の流通のみを許容することが行われる。また、多機能弁６６は、ＨＴ冷却水の温度に基づいて、４つの排出ポートから流れ出すＨＴ冷却水の比率、すなわち、第３ＨＴ流路５６を流れるＨＴ冷却水と、第４ＨＴ流路５８を流れるＨＴ冷却水と、第５ＨＴ流路５９を流れるＨＴ冷却水と、第６ＨＴ流路６２を流れるＨＴ冷却水との比率を調整する。例えば、ＨＴ冷却水の温度が低い冷間始動時には、ラジエータ６０が配置された第３ＨＴ流路５６の流通を遮断し、第４ＨＴ流路５８或いは第６ＨＴ流路６２にＨＴ冷却水を流通させることが行われる。

ここで、図２は、エンジン１におけるラジエータ４０，６０の配置を示す図である。上記のごとく、エンジン１は、ＬＴ冷却システム３０とＨＴ冷却システム５０のそれぞれにラジエータ４０，６０を備えているが、図２に示すように、これらは車速風の流れの方向に直列に配置されている。詳しくは、車両のフロント側の最前段にエアコンのコンデンサ１１０が配置され、その後ろにＬＴ冷却システム３０のラジエータ４０が配置される。そして、このラジエータ４０の後ろにＨＴ冷却システム５０のラジエータ６０が配置され、さらにその後ろに、ファン１１２とエンジン１がこの順で配置されている。このような位置関係で２つのラジエータ４０，６０が配置されることにより、後方のラジエータ６０には、前方のラジエータ４０との間で熱交換された外気が供給される。ラジエータ４０を通過した外気は熱交換によって昇温するため、その程度によってはラジエータ６０の冷却能力に不足が生じるおそれがある。この実施の形態では、ラジエータ６０の冷却能力の不足を抑えるための対策が採られているが、これについては追って詳細に説明する。

再び図１に戻ってエンジン１の全体の構成についての説明を続ける。エンジン１は、制御装置１２０を備える。制御装置１２０は、エンジン１が備える様々な装置及びアクチュエータを操作することにより、エンジン１の運転を制御する。制御装置１２０は、少なくとも１つのＣＰＵ、少なくとも１つのＲＯＭ、少なくとも１つのＲＡＭを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。ただし、制御装置１２０は、複数のＥＣＵから構成されていてもよい。制御装置１２０では、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＣＰＵで実行することで、エンジン制御に係る様々な機能が実現される。

２．冷却システムの操作
制御装置１２０により操作される対象には、２つの冷却システム３０，５０が含まれる。吸気通路７０からエンジンヘッド２に供給され、燃焼室に入る吸気の温度を制御するため、２つの冷却システム３０，５０の操作が行われる。つまり、制御装置１２０は、燃焼室に入る吸気の温度を第１の制御量（制御すべき状態量）として、冷却システム３０，５０を操作する。

具体的には、ターボ過給機９０による過給時のように吸気温度が高温の場合、制御装置１２０は、インタークーラ７２によって吸気を冷却するように冷却システム３０，５０を操作する。詳しくは、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ４６を操作して、第１ＬＴ流路３２を流れるＬＴ冷却水の流量を調整するとともに、ＨＴ冷却システム５０の多機能弁６６を操作して、エンジンヘッド２或いはエンジンブロック３から出てきた高温のＨＴ冷却水（ラジエータ６０で冷却されていないＨＴ冷却水）の第４ＨＴ流路５８への流通を遮断する。これらの操作により、第１ＬＴ流路３２を流れるＬＴ冷却水の流量の増減に応じて、インタークーラ７２を通過する吸気に対する冷却量は増減し、吸気の温度が調整される。なお、インタークーラ７２で冷却された吸気は、さらに、エンジンヘッド２内で吸気ポートを通過する際、第２ＬＴ流路３４を流れるＬＴ冷却水との間での熱交換によっても冷却される。

逆に、冷間始動時のように吸気温度が低温の場合、制御装置１２０は、ＨＴ冷却システム５０の多機能弁６６を操作して、第４ＨＴ流路５８へのＨＴ冷却水の流通を許容する。第４ＨＴ流路５８を流れる高温のＨＴ冷却水によってインタークーラ７２を通過する吸気は加熱され、加熱によって昇温された吸気がインタークーラ７２から出てくる。また、制御装置１２０は、ＬＴ冷却システム３０に対する操作として、電動ウォータポンプ４６を停止し、ＬＴ冷却水（ラジエータ４０で冷却された低温のＬＴ冷却水）の第１ＬＴ流路３２への流量を遮断する。これらの操作により、第４ＨＴ流路５８を流れるＨＴ冷却水の流量の増減に応じて、インタークーラ７２を通過する吸気に対する加熱量は増減し、吸気の温度が調整される。

上記のごとく、エンジン１では、燃焼室に入る吸気の温度を制御量として冷却システム３０，５０の操作が行われる。この操作は、本出願の請求項１に記載の“吸気温度調整装置”に対する操作に関係する。この実施の形態では、インタークーラ７２とＬＴ冷却システム３０或いはＨＴ冷却システム５０とで構成される装置が、請求項１に記載の“吸気温度調整装置”に該当する。より詳しくは、過給時のように吸気温度が高温になっている場合、インタークーラ７２では、ＬＴ冷却システム３０により供給されるＬＴ冷却水との熱交換によって吸気が冷却される。よって、この場合においては、インタークーラ７２とＬＴ冷却システム３０とで構成される装置が、請求項１に記載の“吸気温度調整装置”に該当する。一方、冷間始動時のように吸気温度が低温になっている場合、インタークーラ７２では、ＨＴ冷却システム５０により供給されるＨＴ冷却水との熱交換によって吸気が加熱される。よって、この場合においては、インタークーラ７２とＨＴ冷却システム５０とで構成される装置が、請求項１に記載の“吸気温度調整装置”に該当する。

また、制御装置１２０は、エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度（以下、この温度をエンジン水温ともいう）を第２の制御量として、ＨＴ冷却システム５０を操作することも行う。エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度は、エンジンヘッド２の出口に設けられたエンジン水温センサ６８により測定される温度によって表される。エンジン水温センサ６８により測定される温度と目標温度との間に差がある場合、制御装置１２０は、電動ウォータポンプ６４を操作して、第１ＨＴ流路５２を流れるＬＴ冷却水の流量を調整するとともに、多機能弁６６を操作して、第３ＨＴ流路５６へ流れてラジエータ６０で冷却されるＨＴ冷却水の比率を調整する。これらの操作により、第１ＨＴ流路５２を流れるＨＴ冷却水の流量の増減に応じて、また、ラジエータ６０で冷却されるＨＴ冷却水の比率の増減に応じて、エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度が調整される。

上記のごとく、エンジン１では、エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度を制御量としてＨＴ冷却システム５０の操作が行われる。この操作は、本出願の請求項２に記載の“エンジン水温調整装置”に対する操作に関係する。この実施の形態では、ＨＴ冷却システム５０が、請求項２に記載の“エンジン水温調整装置”に該当する。

３．燃焼室周りの構成
次に、図３を用いてエンジン１の燃焼室周りの構成について説明する。図３には、エンジン１を構成する要素がクランク軸に垂直な１つの平面上に投影して描かれている。エンジン１は、複数のシリンダ４を有する火花点火式の多気筒エンジンである。シリンダ４の数と配置に限定はない。エンジンブロック３のシリンダ４内にはその軸方向に往復動するピストン８が配置されている。エンジンヘッド２の下面には、シリンダ４の上部空間であるペントルーフ形状の燃焼室６が形成されている。

エンジンヘッド２には、燃焼室６に連通する吸気ポート１０及び排気ポート１２が形成されている。吸気ポート１０の燃焼室６に連通する開口部には、吸気バルブ１４が設けられ、排気ポート１２の燃焼室６に連通する開口部には、排気バルブ１６が設けられている。図示はされていないが、吸気ポート１０は、エンジンヘッド２の側面に形成された入口から燃焼室６に連通する開口部に向かう途中で二股に分かれている。吸気ポート１０が二股に分かれる部分の上流には、吸気ポート１０の内部に燃料を噴射するポート噴射弁２４が設けられている。二股に分かれた吸気ポート１０の間であって、吸気ポート１０の下方には、先端が燃焼室６を臨むように、燃焼室６の内部に燃料を噴射する筒内噴射弁２６が設けられている。また、燃焼室６の頂部付近には、点火プラグ２０と、燃焼圧を計測するための燃焼圧センサ２２が設けられている。

エンジン１は、リーンモードによる運転と、ストイキモードによる運転とを切り替え可能なエンジンである。リーンモードでは、均質性の高い混合気が得られるポート噴射によって、或いはポート噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせによって燃料リーンな空燃比（例えば、２５程度の空燃比）による運転、すなわち、リーン燃焼による運転が行われる。詳しくは、エンジン１で実現されるリーン燃焼は、燃料濃度の高い混合気の層を点火プラグ２０の周辺に形成する成層リーン燃焼ではなく、燃焼室６の全体に均質な燃料濃度の混合気を分布させる均質リーン燃焼である。また、リーンモードでは、ＥＧＲ装置１００によるＥＧＲガスの導入は行われず、新気のみによるリーン燃焼が行われる。ストイキモードでは、筒内噴射によって、或いは、筒内噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせによって理論空燃比による運転、すなわち、ストイキ燃焼による運転が行われる。ただし、理論空燃比による運転とは、必ずしも運転空燃比が常に理論空燃比ぴったりであることを意味しない。本明細書においては、運転空燃比が理論空燃比に対して多少リッチ側或いはリーン側にずれていることも、運転空燃比が理論空燃比を中心に小さな振幅で振動していることも、理論空燃比による運転に含まれる。ストイキモードは、リーンモードが選択される運転域よりも高負荷の運転域で選択される。また、この実施の形態のストイキモードでは、ＥＧＲ装置１００によるＥＧＲが実行される。ゆえに、以下の説明では、ＥＧＲが実行されないリーンモードとの区別のため、ＥＧＲが実行されるストイキモードを特にストイキＥＧＲモードと称す。

リーンモード及びストイキＥＧＲモードを実現するための装置及びアクチュエータの操作は、制御装置１２０によって行われる。制御装置１２０には、燃焼圧センサ２２によって得られる燃焼圧データが取り込まれている。この燃焼圧データは、クランク角センサ１２２から取り込まれるクランク角信号とともに、次に説明する燃料噴射量制御及び点火時期制御に用いられる。なお、制御装置１２０が複数のＥＣＵから構成される場合、燃料噴射量制御や点火時期制御を行うＥＣＵと、前述の吸気温度制御やエンジン水温制御を行うＥＣＵとは別々のＥＣＵであってもよい。

４．燃焼圧データに基づく燃料噴射量制御及び点火時期制御
制御装置１２０は、リーンモードによる運転時には、燃焼圧センサ２２によって得られる燃焼圧データに基づいて燃料噴射量制御と点火時期制御とを行なっている。以下、その詳細について図４を用いて説明する。

制御装置１２０は、燃焼圧センサ２２より得た筒内圧データを用いて、任意のクランク角度θでの筒内の発熱量Ｑを式（１）に従って算出する。ただし、式（１）において、Ｐは筒内圧力、Ｖは筒内容積、κは筒内ガスの比熱比である。また、Ｐ_０およびＶ_０は、計算開始点θ_０（想定される燃焼開始点に対して余裕をもって定められた圧縮行程中の所定クランク角度）での筒内圧力および筒内容積である。

燃焼期間を含む所定クランク角期間の各クランク角度θにおける発熱量Ｑを算出することができたら、次に、任意のクランク角度θにおける燃焼質量割合（以下、ＭＦＢという）を式（２）に従って算出する。ただし、式（２）において、θ_staは燃焼開始点であり、θ_finは燃焼終了点である。

図４は、上記の式（２）に従って算出されたクランク角に対するＭＦＢの波形を表した図である。点火時期ＳＡにて混合気に点火を行った後、ＭＦＢが１０％となる時のクランク角度ＣＡ１０までのクランク角期間（以下、この期間をＳＡ−ＣＡ１０という）は、着火遅れを代表するパラメータであり、燃焼した混合気の空燃比（特に、リーン燃焼が可能な限界空燃比）との相関性が高いことが知られている。ＳＡ−ＣＡ１０が目標値になるように燃料噴射量をフィードバック制御すれば、空燃比を目標空燃比（リーン限界空燃比）に自ずと近づけることができるようになる。制御装置１２０による燃料噴射量制御では、ＭＦＢの波形から実際のＳＡ−ＣＡ１０を計算し、目標ＳＡ−ＣＡ１０と実際ＳＡ−ＣＡ１０との差に基づいて燃料噴射量を補正することが行われる。なお、エンジン回転速度が変わると、１クランク角度当たりの時間が変化するため、目標ＳＡ−ＣＡ１０は、少なくともエンジン回転速度に応じて設定されていることが好ましい。

また、ＭＦＢが５０％となる時のクランク角度ＣＡ５０は燃焼重心位置に相当する。ＣＡ５０は点火時期ＳＡによって変化する。実現されるトルクが最大となるときの燃焼重心位置にＣＡ５０が一致していれば、そのときの点火時期ＳＡはＭＢＴであると言える。制御装置１２０による点火時期制御では、ＭＦＢの波形から実際のＣＡ５０を計算し、目標ＣＡ５０と実際ＣＡ５０との差に基づいて基本点火時期を補正することが行われる。目標ＣＡ５０も、少なくともエンジン回転速度に応じて設定されていることが好ましい。

上記のごとく、この実施の形態では、燃焼圧センサ２２によって得られる燃焼圧データに基づいてＳＡ−ＣＡ１０とＣＡ５０が計算され、ＳＡ−ＣＡ１０に基づいて燃料噴射量制御が行われるとともに、ＣＡ５０に基づいて点火時期制御が行われる。なお、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量制御は運転モードによらず行うことができるが、この実施の形態では、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量制御はリーンモードによる運転時に行われる。ストイキＥＧＲモードによる運転時には、図示しない空燃比センサ或いは酸素濃度センサの出力に基づく空燃比フィードバック制御が行われるようになっている。

ところで、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量制御は、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との間には強い相関があるとの前提に立つ。しかし、本出願に係る発明者らの研究により、燃焼に関係する種々のパラメータの中でも、燃焼室６内に入る吸気の温度は、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係に特に強く影響するパラメータであることが判明した。

図５は、ＳＡ−ＣＡ１０が一定となるように燃料噴射量を制御した場合に、燃焼室６内に入る吸気の温度によって空燃比がどのように変化するのかを示した図である。この図に示すように、吸気の温度が相対的に低い場合には、空燃比は相対的に小さい値（すなわち燃料リッチな値）に制御され、吸気の温度が相対的に高い場合には、空燃比は相対的に大きい値（すなわち燃料リーンな値）に制御される。つまり、吸気の温度のばらつきによって目標空燃比と実際の空燃比との間に誤差が生じてしまう。

そこで、この実施の形態に係る吸気温度制御では、制御量である燃焼室６内に入る吸気の温度を積極的に一定とするように冷却システム３０，５０の操作が行われる。

５．吸気温度及びエンジン水温の設定
ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量制御の精度を担保するためには、吸気温度を一定にすることが求められる。しかし、吸気温度はそれ自体が燃焼に影響するパラメータであるので、目標とする吸気温度はどのような温度でもよいと言うものではない。また、エンジン水温制御の制御量であるエンジン水温（エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度）も燃焼に影響するパラメータである。よって、エンジン水温についても吸気温度と同様にばらつきがないことが好ましい。

ここで、目標とする吸気温度及びエンジン水温の設定について検討するにあたり、リーンモードとストイキＥＧＲモードのそれぞれにおける課題について以下にまとめて記載する。

リーンモードには、少なくとも次の３つの課題がある。第１の課題は、燃焼のロバスト性を向上させることである。これは、均質リーン燃焼は、混合気の燃料濃度が全体的に薄いため、ストイキ燃焼や成層リーン燃焼に比較して、燃焼を維持する上で外乱に対する制約が多いことによる課題である。第２の課題は、未燃ＨＣの発生を低減させることである。これは、リーン燃焼はストイキ燃焼に比較して燃焼温度が低いため、燃焼室６のクエンチエリアから未燃ＨＣが発生しやすいことによる課題である。そして、第３の課題は、上限空気量を増大させることである。さらなる燃費性能の向上のため、上限空気量を増大させてリーンモードによる運転領域を高負荷側に拡大することが求められている。

ストイキＥＧＲモードには、少なくとも次の３つの課題がある。第１の課題は、燃焼のロバスト性を向上させることである。これは、ストイキＥＧＲモードでは、燃費の改善のために多量のＥＧＲガスが導入されるところ、導入されるＥＧＲ量にはサイクルごとのばらつきがあるために燃焼が不安定になりやすいことによる課題である。第２の課題は、ＥＧＲガスに含まれる水蒸気の結露による凝縮水の発生を抑えることである。これは、ＥＧＲガスには硫黄成分や炭化水素成分が含まれているため、それらが凝縮水に溶けることで凝縮水が酸性化し、エンジン１を腐食或いは劣化させるおそれがあることによる課題である。そして、第３の課題は、高負荷時のノックの発生を抑えることである。これは、負荷が高くなると圧縮端温度が上昇し、ノックが発生しやすくなることによる課題である。

以上の課題を踏まえて検討した結果、この実施の形態では、リーンモードとストイキＥＧＲモードのそれぞれにおける吸気温度（燃焼室６内に入る吸気の温度）及びエンジン水温（エンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度）の各目標値を以下のように設定することにした。

まず、吸気温度の目標値の設定について説明する。上記の課題のうち、ストイキＥＧＲモードにおける吸気温度に特に関係するのはストイキＥＧＲモードの第１の課題と第２の課題であり、リーンモードにおける吸気温度に特に関係するのはリーンモードの第１の課題と第３の課題である。各モードにおける吸気温度の目標値は、これらの課題を総合的に達成するための最適吸気温度に設定される。

この実施の形態におけるストイキＥＧＲモードの最適吸気温度（第１温度）は４５℃である。この温度は、標準的な運転条件（この運転条件には、気圧、外気温度、湿度、ＥＧＲ率等が含まれる）における露点温度に相当する温度である。ストイキＥＧＲモードでは、吸気温度センサ７６によって測定される吸気温度が最適吸気温度である４５℃に維持されるように、２つの冷却システム３０，５０が操作される。

凝縮水が発生するリスクを低減する目的では、ストイキＥＧＲモードにおける吸気温度は高いほどよい。しかし、吸気温度が高くなるほど吸入効率は低下してしまう。上記のように吸気温度を露点温度に制御することで、吸入効率の低下を最小限に抑えつつ凝縮水の発生リスクを抑えることができる。ただし、露点温度は運転条件によって変化するが、ストイキＥＧＲモードにおける吸気温度の目標値は標準運転条件での露点温度に固定される。つまり、露点温度が変化したとしても、吸気温度を露点温度に応じて変化させることはしない。これは、ストイキＥＧＲモードでは多量のＥＧＲガスが導入され、ＥＧＲ量のサイクルごとのばらつきが燃焼に影響を与えるところ、吸気温度にもばらつきがあると燃焼の不安定を招くおそれがあるからである。要するに、燃焼のロバスト性を向上させるべく、ストイキＥＧＲモードでも吸気温度を一定に維持することにしている。なお、吸気温度は最適吸気温度丁度に維持されることが好ましいが、最適吸気温度に対するある程度の誤差（例えば１℃程度）は許容してもよい。つまり、最適吸気温度を中心とする誤差範囲で規定される温度域（第１温度域）に吸気温度が入るように、吸気温度の調整を行うようにしてもよい。

一方、リーンモードの最適吸気温度は、ストイキＥＧＲモードの最適吸気温度よりも低温である。再循環を行わないリーンモードでは、ＥＧＲ量がサイクルごとにばらつくことによる燃焼安定性の低下が生じない。このため、ストイキＥＧＲモードよりも相対的に低温の吸気を燃焼室内に供給することができる。この実施の形態におけるリーンモードの最適吸気温度（第２温度）は３５℃である。リーンモードでは、吸気温度センサ７６によって測定される吸気温度が最適吸気温度である３５℃に維持されるように、２つの冷却システム３０，５０が操作される。

吸気温度を最適吸気温度に維持することで、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量制御の精度が向上し、空燃比の目標空燃比に対するずれを抑えることができる。それと同時に、吸入効率の向上による上限空気量の増大によって、リーンモードによる運転領域を高負荷側に拡大することもできる。なお、吸気温度は最適吸気温度丁度に維持されることが好ましいが、最適吸気温度に対するある程度の誤差（例えば１℃程度）は許容してもよい。つまり、最適吸気温度を中心とする誤差範囲で規定される温度域（第２温度域）に吸気温度が入るように、吸気温度の調整を行うようにしてもよい。

次に、エンジン水温の目標値の設定について説明する。上記の課題のうち、ストイキＥＧＲモードにおけるエンジン水温に特に関係するのはストイキＥＧＲモードの第３の課題であり、リーンモードにおけるエンジン水温に特に関係するのはリーンモードの第２の課題である。各モードにおけるエンジン水温の目標値は、これらの課題を総合的に達成するための最適エンジン水温に設定される。

この実施の形態におけるリーンモードの最適エンジン水温（第４温度）は９５℃である。リーンモードでは、エンジン水温センサ６８により測定されるエンジン水温が最適エンジン水温である９５℃に維持されるように、ＨＴ冷却システム５０が操作される。

エンジン水温を最適エンジン水温に維持することで、燃焼室６の壁面温度、特に、排気側の壁面温度を高めることができるので、燃焼室６のクエンチエリアから発生する未燃ＨＣを低減することができる。リーン燃焼はストイキ燃焼に比較して燃焼温度が低く、排気温度が高くならないため、触媒の浄化性能が十分に発揮され難い。このため、エンジン１から出る未燃ＨＣ自体を低減することが求められている。なお、エンジン水温は最適エンジン水温丁度に維持されることが好ましいが、最適エンジン水温に対するある程度の誤差（例えば１℃程度）は許容してもよい。つまり、最適エンジン水温を中心とする誤差範囲で規定される温度域（第４温度域）にエンジン水温が入るように、エンジン水温の調整を行うようにしてもよい。

一方、ストイキＥＧＲモードの最適エンジン水温には温度幅があるが、その上限温度はリーンモードの最適エンジン水温よりも低温である。ストイキＥＧＲモードでは、燃焼温度が高く排気温度も高いため、クエンチエリアから未燃ＨＣが発生したとしても十分に機能した触媒によって浄化することができる。このため、リーンモードよりも相対的に低温の冷却水をエンジンヘッドの排気側へ流すことができる。この実施の形態におけるストイキＥＧＲモードの最適エンジン水温は、８８℃を上限温度（第３温度）とする温度範囲（第３温度域）内の温度、つまり、８８℃以下の温度である。ただし、８８℃以下の温度とは、いくら低温でも許容されるという意味ではなく、８８℃が好ましいが８８℃よりも低くなることも多少は許容されるという意味である。リーンモードでは、エンジン水温センサ６８により測定されるエンジン水温が８８℃以下の温度に維持されるように、ＨＴ冷却システム５０が操作される。

ストイキＥＧＲモードのエンジン水温をリーンモードのそれよりも低くするのは、ノックの発生を抑えるためである。エンジン水温を低くすると燃焼室６のクエンチエリアから発生する未燃ＨＣは増大しやすくなるが、ストイキ燃焼により高温となった排気の供給を受けて十分に機能した触媒によって未燃ＨＣを浄化することができる。なお、ストイキＥＧＲモードの最適エンジン水温には温度幅が設けられているが、燃焼のロバスト性を向上させる上では、エンジン水温は一定温度に維持されることが好ましい。

ところで、前述のとおり、この実施の形態では、車速風の流れの方向において、上流側にＬＴ冷却システム３０のラジエータ４０が配置され、下流側にＨＴ冷却システム５０のラジエータ６０が配置されている（図２参照）。このような配置では、両方のラジエータ４０，６０からの放熱が大きくなる高負荷時、下流側に位置するラジエータ６０の冷却能力に不足が生じるおそれがある。具体的には、高負荷となるストイキＥＧＲモードにおいて、吸気温度を４５℃に維持することができても、エンジン水温を８８℃以下に維持することは難しくなるおそれがある。

このような場合、この実施の形態では、吸気温度が最適吸気温度である４５℃よりも高くなることを許容し、エンジン水温を８８℃以下に維持することを優先するように、冷却システム３０，５０が操作される。すなわち、ＬＴ冷却システム３０においてラジエータ４０を通過するＬＴ冷却水の割合を低下させ、ＬＴ冷却水とラジエータ４０を通過する外気との間の熱交換量を減少させる。これにより、吸気温度は４５℃よりも高くなってしまうが、ラジエータ４０を通過後の外気の温度の上昇が抑えられるので、外気が下流のラジエータ６０を通過する際にラジエータ６０を流れるＨＴ冷却水から吸熱する熱量を増やすことができる。このように冷却システム３０，５０を操作することにより、エンジン１からの放熱が大きくなる高負荷域でもエンジンヘッド２の排気側を流れる冷却水の温度を８８℃以下に抑えることができ、燃焼室６の排気側の壁面温度の上昇を抑えてノックの発生を抑えることができる。

以上が、リーンモードとストイキＥＧＲモードのそれぞれにおける吸気温度及びエンジン水温の各目標値に関する説明である。上記のごとく設定された吸気温度及びエンジン水温の各目標値は、制御装置１２０のＲＯＭに記憶されたマップにおいて、エンジン回転速度及びトルクに関連付けて記憶されている。図６は吸気温度及びエンジン水温の各目標値をエンジン-回転速度及びトルクに関連付けるマップのイメージを示す図である。図６中にＨＴと表記している温度がエンジン水温の目標値であり、ＬＴと表記している温度が吸気温度の目標値である。吸気温度制御及びエンジン水温制御を含むエンジン１の各種制御は、エンジン回転速度とトルクとを軸とする２次元平面上に設定された運転域にしたがって行われる。

図６には、エンジン１の運転域として、リーンモードによる運転を行うリーン領域と、ストイキＥＧＲモードによる運転を行うストイキＥＧＲ領域とが設定されている。リーン領域では、上記のごとく吸気温度の目標値は３５℃に設定され、エンジン水温の目標値は９５℃に設定される。ストイキＥＧＲ領域では、吸気温度の目標値は４５℃以上に設定され、エンジン水温の目標値は８８℃以下に設定される。吸気温度の目標値の４５℃以上とは、通常は４５℃が目標値であるが、高負荷域では吸気温度が４５℃より高くなることが許容されることを意味する。

６．吸気温度制御及びエンジン水温制御の詳細
吸気温度制御及びエンジン水温制御は、上記のごとく設定された吸気温度及びエンジン水温の各目標値に基づいて実施される。図７は、制御装置１２０による吸気温度制御及びエンジン水温制御の制御フローを示すフローチャートである。制御装置１２０は、このような制御フローで表されるプログラムをＲＯＭから読み出し、ＣＰＵのクロック数に対応する所定の制御周期で繰り返し実行する。ただし、ここで説明する制御フローは、エンジン１が温間状態であり、且つ、過給によって吸気温度が高温になっているときに実行されるプログラムに対応している。

まず、制御装置１２０は、ステップＳ０において、エンジン回転速度と目標トルクとで定まるエンジン１の動作点がリーン領域内かどうか判定する。エンジン１の動作点がリーン領域内にある場合、制御フローはステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０では、制御装置１２０は、エンジン水温センサ６８により測定されるエンジン水温が９５℃以上かどうか判定する。エンジン水温が９５℃以上である場合、制御装置１２０は、ステップＳ１２及びＳ１４の処理を実行する。ステップＳ１２では、制御装置１２０は、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプ６４の駆動デューティを上昇させ、エンジンヘッド２の排気側を流れるＨＴ冷却水の流量を増大させる。ステップＳ１４では、制御装置１２０は、ＨＴ冷却システム５０のラジエータ６０に通じる流路の開度（多機能弁６６の第３ＨＴ流路５６の開度）を上昇させ、ラジエータ６０を通過するＨＴ冷却水の流量を増大させる。これらの処理によりエンジン水温は低下していく。なお、フローチャートでは、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプをＨＴ電動ＷＰと表記し、多機能弁６６の第３ＨＴ流路５６の開度をＨＴラジエータ流路開度と表記している。

エンジン水温が９５℃未満である場合、制御装置１２０は、ステップＳ１６及びＳ１８の処理を実行する。ステップＳ１６では、制御装置１２０は、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプ６４の駆動デューティを低下させ、エンジンヘッド２の排気側を流れるＨＴ冷却水の流量を減少させる。ステップＳ１８では、制御装置１２０は、ＨＴ冷却システム５０のラジエータ６０に通じる流路の開度（多機能弁６６の第３ＨＴ流路５６の開度）を低下させ、ラジエータ６０を通過するＨＴ冷却水の流量を低下させる。これらの処理によりエンジン水温は上昇していく。

以上のステップＳ１０−Ｓ１８の処理が行われることで、エンジン１の動作点がリーン領域にあるときのエンジン水温は９５℃に収束してその温度に維持されるようになる。

エンジン１の動作点がリーン領域内にある場合、制御フローは次にステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、制御装置１２０は、吸気温度センサ７６により測定される吸気温度が３５℃以上かどうか判定する。吸気温度が３５℃以上である場合、制御装置１２０は、ステップＳ２２の処理を実行する。ステップＳ２２では、制御装置１２０は、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ４６の駆動デューティを上昇させ、インタークーラ７２を流れるＬＴ冷却水の流量を増大させる。この処理により吸気温度は低下していく。なお、フローチャートでは、ＬＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプをＬＴ電動ＷＰと表記している。

吸気温度が３５℃未満である場合、制御装置１２０は、ステップＳ２４の処理を実行する。ステップＳ２４では、制御装置１２０は、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ４６の駆動デューティを低下させ、インタークーラ７２を流れるＬＴ冷却水の流量を減少させる。この処理により吸気温度は上昇していく。

以上のステップＳ２０−Ｓ２４の処理が行われることで、エンジン１の動作点がリーン領域にあるときの吸気温度は３５℃に収束してその温度に維持されるようになる。

一方、エンジン１の動作点がリーン領域ではなくストイキＥＧＲ領域内にある場合、制御フローはステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、制御装置１２０は、エンジン水温センサ６８により測定されるエンジン水温が８８℃以上かどうか判定する。エンジン水温が８８℃以上である場合、制御装置１２０は、ステップＳ３２及びＳ３４の処理を実行する。ステップＳ３２では、制御装置１２０は、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプ６４の駆動デューティを上昇させ、エンジンヘッド２の排気側を流れるＨＴ冷却水の流量を増大させる。ステップＳ３４では、制御装置１２０は、ＨＴ冷却システム５０のラジエータ６０に通じる流路の開度（多機能弁６６の第３ＨＴ流路５６の開度）を上昇させ、ラジエータ６０を通過するＨＴ冷却水の流量を増大させる。これらの処理によりエンジン水温は低下していく。

エンジン水温が８８℃未満である場合、制御装置１２０は、現状の制御状態を維持してエンジン水温を能動的に変化させることは行わない。すなわち、制御装置１２０は、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプ６４の駆動デューティを現状に維持し、且つ、ＨＴ冷却システム５０のラジエータ６０に通じる流路の開度（多機能弁６６の第３ＨＴ流路５６の開度）を現状に維持する。

以上のステップＳ３０−Ｓ３４の処理が行われることで、エンジン１の動作点がストイキＥＧＲ領域にあるときのエンジン水温は８８℃以下に維持されるようになる。ただし、後述するように、電動ウォータポンプ６４や多機能弁６６の制御状態によっては、エンジン水温を８８℃以下に収めるためには追加の処理が必要になる場合がある。

エンジン１の動作点がストイキＥＧＲ領域内にある場合、制御フローは次にステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、制御装置１２０は、吸気温度センサ７６により測定される吸気温度が４５℃以上かどうか判定する。吸気温度が４５℃以上である場合、制御装置１２０は、ステップＳ４２において、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプ６４の駆動デューティが最大でないことを確認する。電動ウォータポンプ６４の駆動デューティが最大でないことが確認されれば、制御装置１２０は、ステップＳ４４において、さらにＨＴ冷却システム５０のラジエータ６０に通じる流路の開度（多機能弁６６の第３ＨＴ流路５６の開度）が最大でないことを確認する。開度が最大でないことが確認されれば、制御装置１２０は、ステップＳ４６の処理を実行する。ステップＳ４６では、制御装置１２０は、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ４６の駆動デューティを上昇させ、インタークーラ７２を流れるＬＴ冷却水の流量を増大させる。この処理により吸気温度は低下していく。

電動ウォータポンプ６４の駆動デューティが最大になっているか、或いは、ラジエータ６０に通じる流路の開度が最大になっている場合、ラジエータ６０を通過するＨＴ冷却水の流量は既に最大値に達しており、それ以上増やすことはできない。このため、エンジン水温が８８℃を超えた状態になっている可能性がある。この場合、制御装置１２０は、ステップＳ４８の処理を実行する。ステップＳ４８では、制御装置１２０は、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ４６の駆動デューティを低下させ、ラジエータ４０を流れるＬＴ冷却水の流量を減少させる。この処理によりラジエータ４０での放熱量が低下し、その分だけラジエータ６０での放熱量が増大することで、エンジン水温は低下していく。ただし、ラジエータ４０での放熱量が低下したことにより、吸気温度は４５℃を超えて上昇していく。

吸気温度が４５℃未満である場合、制御装置１２０は、ステップＳ４８の処理を実行する。ステップＳ４８では、制御装置１２０は、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ４６の駆動デューティを低下させ、インタークーラ７２を流れるＬＴ冷却水の流量を減少させる。この処理により吸気温度は上昇していく。

以上のステップＳ４０−Ｓ４８の処理が行われることで、エンジン１の動作点がストイキＥＧＲ領域にあるときの吸気温度は４５℃に収束してその温度に維持されるようになる。ただし、電動ウォータポンプ６４の駆動デューティが最大になっているか、或いは、ラジエータ６０に通じる流路の開度が最大になっている場合、吸気温度を４５℃に維持することよりもエンジン水温を８８℃以下に維持することが優先される。

図８は、上記の制御フローに従って吸気温度制御及びエンジン水温制御を実行した場合のエンジン１の動作の一例を示すタイムチャートである。図８には、図６においてエンジン回転速度を一定のまま領域Ａから領域Ｃまで負荷を増大させた場合の下記パラメータの時間による変化が描かれている。そのパラメータとは、運転モードの切り替えに係るパラメータである空燃比（ａ）、ＥＧＲ率（ｂ）及び過給圧（ｃ）と、制御量である吸気温度（ｄ）及びエンジン水温（ｅ）と、ＨＴ冷却システム５０の操作量である電動ウォータポンプ流量（ｆ）及びラジエータ流路（第３ＨＴ流路５６）の開度（ｇ）と、ＬＴ冷却システム３０の操作量である電動ウォータポンプ流量（ｈ）である。

まず、リーンモードで運転される領域Ａでは、空燃比は所定のリーン空燃比に設定され、ＥＧＲ率はゼロにされる。そして、負荷の増大に応じて過給圧が増大されていく。過給圧の増大に応じてインタークーラ７２に入る吸気の温度は上昇していくが、吸気温度センサ７６により測定される吸気温度は３５℃で一定とされる。これを実現するために、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ流量は、負荷の増大に応じて増大されていく。また、エンジン水温センサ６８により測定されるエンジン水温は９５℃で一定とされる。負荷の増大に応じて冷却損失が増加するため、エンジン水温が一定になるように、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプ流量とラジエータ流路開度は、負荷の増大に応じて増大されていく。

そして、エンジン１の動作点が領域Ａから領域Ｂに移ると、運転モードがリーンモードからストイキＥＧＲモードに切り替えられる。この運転モードの切り替えは、空燃比をリーン空燃比から理論空燃比に切り替えるとともに、ＥＧＲ率をゼロからエンジン回転速度及び目標トルクに応じた値までステップ応答的に増大させ、且つ、空気量を減らすべく過給圧をステップ応答的に減少させることで実現される。

また、エンジン１の動作点が領域Ａから領域Ｂに移ると、吸気温度は３５℃から４５℃まで上げられ、エンジン水温は８８℃以下まで下げられる。これを実現するため、運転モードの切り替えのタイミングで、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプ流量とラジエータ流路開度はステップ応答的に増大され、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ流量はステップ応答的に減少される。

ストイキＥＧＲモードで運転される領域Ｂでは、吸気温度は４５℃で一定とされる。これを実現するために、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ流量は、負荷の増大に応じて増大されていく。また、エンジン水温は８８℃以下に維持される。これを実現するために、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプ流量とラジエータ流路開度は、負荷の増大に応じて増大されていく。

やがて、エンジン１の動作点が高負荷域である領域Ｃに移ると、ＨＴ冷却システム５０の電動ウォータポンプ流量が最大流量に達するか、或いは、ラジエータ流路開度が最大開度に達するようになる。こうなると、負荷が増大するにつれて、ＨＴ冷却システム５０の冷却能力に不足が生じてくる。そこで、上流に位置するラジエータ４０の熱交換量を減らし、その分、下流に位置するラジエータ６０の熱交換量を増やすべく、ＬＴ冷却システム３０の電動ウォータポンプ流量が下げられる。これにより、吸気温度は４５℃を超えることになるものの、エンジン水温は８８℃以下に維持される。

１ エンジン
２ エンジンヘッド
３ エンジンブロック
４ シリンダ
６ 燃焼室
２０ 点火プラグ
２２ 燃焼圧センサ
２４ ポート噴射弁
２６ 筒内噴射弁
３０ ＬＴ冷却システム
４０ ラジエータ
４６ 電動ウォータポンプ
５０ ＨＴ冷却システム
６０ ラジエータ
６４ 電動ウォータポンプ
６６ 多機能弁
６８ エンジン水温センサ
７２ インタークーラ
７６ 吸気温度センサ
９０ ターボ過給機
１００ ＥＧＲ装置
１２０ 制御装置

Claims (3)

1. 排気の一部を吸気通路に再循環させるＥＧＲ装置を有し、前記ＥＧＲ装置による再循環を実行しつつ理論空燃比で運転するストイキＥＧＲモードと、前記ＥＧＲ装置による再循環は行わずに理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で運転するリーンモードとを運転域に応じて切り替える内燃機関において、
   燃焼室内に入る吸気の温度を調整する吸気温度調整装置と、
   少なくとも前記吸気温度調整装置を操作する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記内燃機関が前記ストイキＥＧＲモードで運転する場合は、前記吸気の温度が第１温度域に入るように前記吸気温度調整装置を操作し、前記内燃機関が前記リーンモードで運転する場合は、前記吸気の温度が前記第１温度域よりも低温の第２温度域に入るように前記吸気温度調整装置を操作するように構成されている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記内燃機関は、エンジンヘッドの排気側を流れる冷却水の温度を調整するエンジン水温調整装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記内燃機関が前記ストイキＥＧＲモードで運転する場合は、前記エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第３温度域に入るように前記エンジン水温調整装置を操作し、前記内燃機関が前記リーンモードで運転する場合は、前記エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が前記第３温度域よりも高温の第４温度域に入るように前記エンジン水温調整装置を操作するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記吸気温度調整装置は、外気との熱交換によって吸気の温度を調整するように構成され、
   前記エンジン水温調整装置は、前記吸気温度調整装置にて熱交換が行われた外気との熱交換によって冷却水を冷却するように構成され、
   前記制御装置は、前記内燃機関が前記ストイキＥＧＲモードで運転する場合において、前記エンジン水温調整装置の操作のみでは前記エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が前記第３温度域まで下がらない場合、前記吸気の温度が第１温度域よりも高くなることを許容するように前記吸気温度調整装置を操作する
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。

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