JP4888601B2

JP4888601B2 - 内燃機関の冷却装置

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Publication number: JP4888601B2
Application number: JP2010541609A
Authority: JP
Inventors: 吉弘岡田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: EP2505806A4; US20110253075A1; EP2505806B1; WO2011064864A1; EP2505806A1; CN102216584B; JPWO2011064864A1; US8550040B2; CN102216584A

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

ターボチャージャを備えた内燃機関において、１気筒当たり複数の排気弁を設け、各気筒の一方の排気弁から出る排気ガスのみがターボチャージャ（タービン）に流入し、他方の排気弁から出る排気ガスをターボチャージャに流入させないようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

日本特開２００９−４７００５号公報日本特開２００９−２１６００８号公報

上述した従来の内燃機関のシリンダヘッドには、ターボチャージャに連通するターボ側の排気ポートと、ターボチャージャに連通しないバイパス側の排気ポートとが形成される。ターボ側排気ポート内の圧力はタービン上流の圧力とほぼ同じであり、バイパス側排気ポート内の圧力はタービン下流の圧力とほぼ同じである。このため、ターボ側排気ポート内の排気ガスは、バイパス側排気ポート内の排気ガスと比べ、高圧であるため、温度も高くなり易い。よって、ターボ側排気ポートの温度は、バイパス側排気ポートの温度よりも、高くなり易い。その結果、ターボ側排気ポートやその下流のタービンハウジングの温度の過上昇を防止するための燃料増量制御が必要になることがあった。その燃料増量により、燃費やエミッションが悪化し易かった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ターボチャージャのタービンの入口に連通する排気ポートとタービンの入口に連通しない排気ポートとがシリンダヘッドに形成された内燃機関において、両排気ポートの各々の冷却量を適正化することのできる内燃機関の冷却装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の冷却装置であって、
内燃機関の排気ガスによって作動するタービンと、吸入空気を圧縮するコンプレッサとを有するターボチャージャと、
前記内燃機関のシリンダヘッドに形成され、前記タービンの入口に連通する第１排気ポートと、
前記シリンダヘッドに形成され、前記タービンの入口に連通しない第２排気ポートと、
前記内燃機関の各気筒に設けられ、前記第１排気ポートに連通する第１排気弁と、
前記内燃機関の各気筒に設けられ、前記第２排気ポートに連通する第２排気弁と、
前記シリンダヘッドに形成され、前記第１排気ポートを冷却する冷却水が通る第１冷却水通路と、
前記シリンダヘッドに形成され、前記第２排気ポートを冷却する冷却水が通る第２冷却水通路と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記第１排気弁および前記第２排気弁の位置が、隣接する気筒間で逆になるように配置されており、
前記第１排気弁同士が隣り合って位置する二つの気筒のうち、一方の気筒の前記第１排気弁に連通する前記第１排気ポートと、他方の気筒の前記第１排気弁に連通する前記第１排気ポートとが、前記シリンダヘッド内で合流して形成された第１排気ポート合流部分と、
前記第２排気弁同士が隣り合って位置する二つの気筒のうち、一方の気筒の前記第２排気弁に連通する前記第２排気ポートと、他方の気筒の前記第２排気弁に連通する前記第２排気ポートとが、前記シリンダヘッド内で合流して形成された第２排気ポート合流部分と、
を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記第１冷却水通路は、少なくとも前記第１排気ポート合流部分の周囲に形成されており、
前記第２冷却水通路は、少なくとも前記第２排気ポート合流部分の周囲に形成されていることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記第１冷却水通路と前記第２冷却水通路との冷却水流量の比率を変更可能な流量比率調節手段と、
前記第１排気ポートと前記第２排気ポートとの排気ガス流量の比率に基づいて前記流量比率調節手段を制御することにより、前記第１冷却水通路と前記第２冷却水通路との冷却水流量の比率を制御する流量比率制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記流量比率制御手段は、前記第１排気ポートと前記第２排気ポートとの排気ガス流量の比率に対して、前記第１冷却水通路と前記第２冷却水通路との冷却水流量の目標比率を定めたマップを有し、
前記内燃機関に対する急加速の要求を検知する手段と、
前記急加速の要求が検知された場合には、前記第１冷却水通路の冷却水流量の比率が前記マップから定まる値よりも一時的に小さくなるように制限する制限手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第６の発明は、第５の発明において、
前記制限手段により前記第１冷却水通路の冷却水流量の比率が制限されている場合に、前記第１排気ポートまたは前記タービンの温度が許容上限値に達するおそれがあるかどうかを予測する手段と、
前記おそれがあると予測された場合に、前記制限手段による制限を解除する手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第７の発明は、第４乃至第６の発明の何れかにおいて、
前記流量比率調節手段の故障を検知する手段と、
前記流量比率調節手段の故障が検知された場合に、前記第１排気ポートの排気ガス流量を制限する手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、
前記第２排気ポートは、前記第１排気ポートと比べて、シリンダの高さ方向の位置を異ならせて形成されていることを特徴とする。

第１の発明によれば、ターボチャージャのタービンの入口に連通する第１排気ポートを冷却する第１冷却水通路と、タービンの入口に連通しない第２排気ポートを冷却する第２冷却水通路とを分けて形成したことにより、第１排気ポートの冷却量と第２排気ポートの冷却量とを異ならせて、それぞれに適した冷却量にすることができる。このため、タービンに流入する高圧の排気ガスが流れる第１排気ポートの温度が過上昇したり、あるいは第２排気ポートを冷やし過ぎたりするようなことを防止することができる。

第２の発明によれば、第１排気弁および第２排気弁の位置が、隣接する気筒間で逆になるように配置し、第１排気弁同士が隣り合って位置する二つの気筒の第１排気ポート同士をシリンダヘッド内で合流させるとともに、第２排気弁同士が隣り合って位置する二つの気筒の第２排気ポート同士をシリンダヘッド内で合流させたことにより、排気ポート内面の表面積を低減することができる。このため、排気ポート通過時の排気ガスの温度低下を抑制することができるので、触媒コンバータやターボチャージャへの排気エネルギー供給量を増加させることができる。

第３の発明によれば、第１冷却水通路を少なくとも第１排気ポート合流部分の周囲に形成し、第２冷却水通路を少なくとも第２排気ポート合流部分の周囲に形成することにより、第１冷却水通路と第２冷却水通路とが複雑に入り組まずに済み、第１冷却水通路と第２冷却水通路とを整然と分けることができる。このため、第１排気ポートと第２排気ポートとの間で冷却の強弱がつけ易いとともに、シリンダヘッドの製造も容易に行うことができる。

第４の発明によれば、第１排気ポートと第２排気ポートとの排気ガス流量の比率に基づいて、第１冷却水通路と第２冷却水通路との冷却水流量の比率を制御することができる。このため、内燃機関の運転状態に応じて、第１排気ポートの冷却量と第２排気ポートの冷却量とをそれぞれ最適に制御することができる。

第５の発明によれば、急加速の要求が検知された場合には、第１冷却水通路の冷却水流量の比率がマップから定まる値よりも一時的に小さくなるように制限することができる。これにより、急加速時にターボチャージャに流入する排気エネルギーを高くし、タービン回転上昇の応答性を高めることができる。このため、加速性能を向上することができる。

第６の発明によれば、急加速時に第１冷却水通路の冷却水流量の比率を制限した場合に、第１排気ポートまたはタービンの温度が許容上限値に達するおそれがあるかどうかを予測し、そのおそれがあると予測された場合には、冷却水流量の比率の制限を解除することができる。このため、急加速時に第１冷却水通路の冷却水流量の比率を制限した場合であっても、第１排気ポートやタービンをより確実に保護することができる。

第７の発明によれば、第１冷却水通路と第２冷却水通路との冷却水流量の比率を調節する手段の故障が検知された場合に、第１排気ポートの排気ガス流量を制限することができる。これにより、上記故障時においても、第１排気ポートやタービンをより確実に保護することができる。

第８の発明によれば、第１排気ポートと第２排気ポートとを、シリンダの高さ方向の位置を異ならせて形成したことにより、第１冷却水通路と第２冷却水通路とを分けて形成する上で、製造が容易となる。

本発明の実施の形態１の内燃機関の排気系を説明するための模式的な平面図である。図１に示す内燃機関のシリンダヘッドをシリンダ配列方向に直交する平面で切断した断面図である。本発明の実施の形態１における内燃機関のシリンダヘッドの断面図である。本発明の実施の形態１における内燃機関のシリンダヘッドの変形例を示す断面図である。本発明の実施の形態２における内燃機関のシリンダヘッドの断面図である。本発明の実施の形態２のシステム構成を示すブロック図である。エンジン回転数およびエンジン負荷と、ターボ側排気ガス比率との関係を示すマップである。ターボ側排気ガス比率とターボ側冷却水比率との関係を示すマップである。本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。エンジン回転数およびエンジン負荷と、ターボ側排気ガス比率との関係を示すマップである。ターボ側排気ガス比率とターボ側冷却水比率との関係を示すマップである。急加速時のエンジン負荷の経時変化を示す図である。本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。ターボ側排気ガス比率とターボ側冷却水比率との関係を示すマップである。急加速時のエンジン負荷の経時変化を示す図である。流量制御弁が故障した場合のエンジン負荷制限範囲を示す図である。

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。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関の排気系を説明するための模式的な平面図である。なお、図１中、＃のついた数字は、気筒番号を表す。

図１に示す本実施形態の内燃機関１０はＶ型８気筒のものであるが、図１中には、１番、３番、５番および７番気筒からなる片方のバンクのみを示している。ただし、本発明においては、内燃機関１０の気筒数および気筒配置は、これに限定されるものではない。

内燃機関１０には、タービン１４ａとコンプレッサ１４ｂとを有するターボチャージャ１４が備えられている。タービン１４ａは、排気ガスのエネルギーによって作動する。このタービン１４ａによってコンプレッサ１４ｂが駆動されることにより、吸入空気を圧縮することができる。

内燃機関１０のシリンダヘッド１２には、タービン１４ａの入口に連通するターボ側排気ポート（第１排気ポート）１６と、タービン１４ａの入口に連通しないバイパス側排気ポート（第２排気ポート）１８とがそれぞれ形成されている。ターボ側排気ポート１６は、排気マニホールド２０により、タービン１４ａの入口に接続されている。タービン１４ａを通過した排気ガスは、有害成分を浄化するための触媒コンバータ２２に流入する。バイパス側排気ポート１８は、排気マニホールド２４により、タービン１４ａを通らずに触媒コンバータ２２に直接に接続されている。

内燃機関１０の各気筒には、二つの排気弁、すなわちターボ側排気弁（第１排気弁）ＥＸ１およびバイパス側排気弁（第２排気弁）ＥＸ２が設けられている。ターボ側排気弁ＥＸ１は、ターボ側排気ポート１６に連通しており、バイパス側排気弁ＥＸ２は、バイパス側排気ポート１８に連通している。

このような内燃機関１０において、各気筒のターボ側排気弁ＥＸ１から排出された排気ガスは、ターボチャージャ１４のタービン１４ａを通って触媒コンバータ２２に流入する。一方、各気筒のバイパス側排気弁ＥＸ２から排出された排気ガスは、ターボチャージャ１４のタービン１４ａを通ることなく触媒コンバータ２２に流入する。

本実施形態の内燃機関１０では、ターボ側排気弁ＥＸ１およびバイパス側排気弁ＥＸ２の位置が、隣接する気筒間で逆になるように配置されている。このため、図１に示すように、互いに隣接する１番気筒および３番気筒の間では、それらのバイパス側排気弁ＥＸ２同士が隣り合って位置している。そして、１番気筒のバイパス側排気弁ＥＸ２に連通するバイパス側排気ポート１８と、３番気筒のバイパス側排気弁ＥＸ２に連通するバイパス側排気ポート１８とは、シリンダヘッド１２内で合流し、合流部分１８ａを形成している。この合流部分１８ａがシリンダヘッド１２の側面１２ａに開口する。同様にして、５番気筒のバイパス側排気弁ＥＸ２に連通するバイパス側排気ポート１８と、７番気筒のバイパス側排気弁ＥＸ２に連通するバイパス側排気ポート１８とは、シリンダヘッド１２内で合流し、合流部分１８ａを形成している。

また、互いに隣接する３番気筒および５番気筒の間では、それらのターボ側排気弁ＥＸ１同士が隣り合って位置している。そして、３番気筒のターボ側排気弁ＥＸ１に連通するターボ側排気ポート１６と、５番気筒のターボ側排気弁ＥＸ１に連通するターボ側排気ポート１６とは、シリンダヘッド１２内で合流し、合流部分１６ａを形成している。この合流部分１６ａがシリンダヘッド１２の側面１２ａに開口する。

図２は、図１に示す内燃機関１０のシリンダヘッド１２をシリンダ配列方向に直交する平面で切断した断面図である。図２に示すように、ターボ側排気ポート１６とバイパス側排気ポート１８とは、シリンダの高さ方向（軸方向）の位置を異ならせて形成されている。すなわち、ターボ側排気ポート１６は、バイパス側排気ポート１８と比べて、やや高い位置に形成されている。

また、図２に示すように、シリンダヘッド１２には、吸気ポート２６が形成されている。各気筒には、吸気ポート２６を開閉する吸気弁２８と、燃料を噴射する燃料インジェクタ３０と、点火プラグ３２とが設けられている。

図３は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシリンダヘッド１２の断面図である。図３に示す断面図の切断位置は、図１中ではＡ−Ａ線で表され、図２中ではＢ−Ｂ線で表される。すなわち、図３は、ターボ側排気ポート１６の合流部分１６ａおよびバイパス側排気ポート１８の合流部分１８ａを含む位置でシリンダヘッド１２を切断した場合の断面図である。

図３に示すように、シリンダヘッド１２の内部には、ターボ側排気ポート１６を冷却する冷却水が通る第１冷却水通路３４と、バイパス側排気ポート１８を冷却する冷却水が通る第２冷却水通路３６とが形成されている。第１冷却水通路３４は、ターボ側排気ポート１６を形成する管１６ｂの周囲に冷却水を流すように、シリンダ配列方向に沿って形成されている。第２冷却水通路３６は、バイパス側排気ポート１８を形成する管１８ｂの周囲に冷却水を流すように、シリンダ配列方向に沿って形成されている。第１冷却水通路３４と第２冷却水通路３６とは、隔壁３８によって隔てられており、独立している。

第１冷却水通路３４の入口３４ａの流路断面積は、第２冷却水通路３６の入口３６ａの流路断面積より大きくされている。これにより、第１冷却水通路３４の冷却水流量は、第２冷却水通路３６の冷却水流量より大きくなる。このため、ターボ側排気ポート１６の冷却量を、バイパス側排気ポート１８の冷却量より大きくすることができる。よって、ターボ側排気ポート１６やその下流のタービン１４ａのハウジングの温度が過上昇することを確実に抑制することができ、内燃機関１０を溶損等の危険から確実に保護することができる。また、ターボ側排気ポート１６やタービンハウジングの温度上昇を抑制するための燃料増量制御が必要となる頻度を低下させることができるので、燃費やエミッションの悪化を抑制することができる。なお、第１冷却水通路３４の冷却水流量と、第２冷却水通路３６の冷却水流量とに差をつける方法は上記の方法に限定されるものではなく、例えば、第２冷却水通路３６側に絞りを設けるようにしてもよい。

また、本実施形態では、ターボ側排気ポート１６の合流部分１６ａおよびバイパス側排気ポート１８の合流部分１８ａを含む位置に第１冷却水通路３４および第２冷却水通路３６を形成したことにより、第１冷却水通路３４と第２冷却水通路３６とが複雑に入り組まずに済み、第１冷却水通路３４と第２冷却水通路３６とを整然と分けることができる。このため、ターボ側排気ポート１６とバイパス側排気ポート１８との間で冷却の強弱がつけ易いとともに、シリンダヘッド１２の製造も容易に行うことができる。

なお、本発明では、ターボ側排気ポート１６の合流部分１６ａおよびバイパス側排気ポート１８の合流部分１８ａを含む位置よりも更に内側（シリンダの中心軸線に近い側）にまで第１冷却水通路３４および第２冷却水通路３６が連続して形成されていてもよい。

また、本実施形態では、ターボ側排気ポート１６とバイパス側排気ポート１８とを、高さが異なる位置に形成したことにより、第１冷却水通路３４と第２冷却水通路３６とを分けて形成する上で、製造が容易となる。

図４は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシリンダヘッド１２の変形例を示す断面図である。本発明では、図４に示すように、ターボ側排気ポート１６を形成する管１６ｂと、バイパス側排気ポート１８を形成する管１８ｂとが、隔壁３８と接触または一体化していてもよい。

実施の形態２．
次に、図５乃至図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

図５は、本発明の実施の形態２における内燃機関１０のシリンダヘッド１２の断面図である。図５に示すように、本実施形態では、第１冷却水通路３４の入口３４ａへの流路の途中に流量制御弁４０が設置されている。この流量制御弁４０の開度を調節することにより、第１冷却水通路３４と第２冷却水通路３６との冷却水流量の比率を変更し、目標とする比率になるように調節することができる。以下の説明では、この比率を、第１冷却水通路３４および第２冷却水通路３６の総冷却水流量に占める、第１冷却水通路３４の冷却水流量の比率（以下、「ターボ側冷却水比率」と称する）で表すものとする。

なお、本発明において、ターボ側冷却水比率を調節する手段は、流量制御弁４０に限定されるものではない。例えば、冷却水ポンプを制御することによってターボ側冷却水比率を調節するようにしてもよい。

図６は、本発明の実施の形態２のシステム構成を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０のクランク軸（出力軸）の回転角度を検出するクランク角センサ４２と、内燃機関１０を搭載した車両のアクセルペダル位置（以下、「アクセル開度」と称する）を検出するアクセルポジションセンサ４４と、内燃機関１０の吸入空気量を検出するエアフロメータ４６と、バイパス側排気弁作用角可変機構５２と、排気弁位相可変機構５４と、ターボ側排気弁停止機構５６とを有している。これらのセンサおよびアクチュエータと、流量制御弁４０とは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０に電気的に接続されている。

ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４２の信号に基づいてエンジン回転数を算出することができる。また、ＥＣＵ５０は、吸入空気量、燃料噴射量などに基づいて、エンジン負荷を算出することができる。

バイパス側排気弁作用角可変機構５２は、バイパス側排気弁ＥＸ２の作用角（開弁期間の長さ）を、所定の最大作用角と最小作用角との間で、連続的または段階的に変化させることができるように構成されている。また、バイパス側排気弁ＥＸ２の最小作用角は、特に限定されないが、本実施形態では、実質的にゼロであるものとする。すなわち、本実施形態においては、バイパス側排気弁ＥＸ２を実質的に閉状態で停止させることができるものとする。

排気弁位相可変機構５４は、ターボ側排気弁ＥＸ１およびバイパス側排気弁ＥＸ２を駆動するカム軸の位相を連続的に変化させることにより、ターボ側排気弁ＥＸ１およびバイパス側排気弁ＥＸ２のバルブタイミング（開弁位相）を連続的に遅くしたり早くしたりすることができるように構成されている。また、ターボ側排気弁停止機構５６は、ターボ側排気弁ＥＸ１を閉状態で停止させるように切り替え可能な機構として構成されている。

なお、上記バイパス側排気弁作用角可変機構５２、排気弁位相可変機構５４およびターボ側排気弁停止機構５６の具体的な構成としては、公知の各種の機構を採用することができるので、本明細書では説明を省略する。

本実施形態において、ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の運転状態に基づいて、バイパス側排気弁作用角可変機構５２、排気弁位相可変機構５４およびターボ側排気弁停止機構５６の動作を制御することにより、ターボ側排気ポート１６とバイパス側排気ポート１８との排気ガス流量の比率を制御することができる。以下の説明では、この比率を、すべての排気ガス量のうちターボ側排気ポート１６に流れる排気ガス量の比率（以下、「ターボ側排気ガス比率」と称する）で表すものとする。つまり、ターボ側排気ガス比率は、すべての排気ガス量に対する、ターボチャージャ１４のタービン１４ａに流入する排気ガス量の比率である。本実施形態において、ＥＣＵ５０は、ターボ側排気ガス比率を例えば以下のように制御する。

（非過給領域）
低負荷領域などの非過給領域においては、ターボ側排気弁停止機構５６によりターボ側排気弁ＥＸ１を閉状態で停止させ、バイパス側排気弁ＥＸ２のみを開閉させる。これにより、すべての排気ガスをバイパス側排気ポート１８に流すことができる。すなわち、ターボ側排気ガス比率を０％とすることができる。なお、冷間始動時にも、ターボ側排気ガス比率を０％とすることにより、すべての排気ガスをタービン１４ａを通過させずに触媒コンバータ２２に流入させることができるで、触媒コンバータ２２を早期に暖機することができるという利点がある。

（低回転高負荷領域）
低回転高負荷領域は、過給圧の応答遅れ（いわゆるターボラグ）が最も発生し易い運転領域である。そこで、低回転高負荷領域においては、バイパス側排気弁作用角可変機構５２によってバイパス側排気弁ＥＸ２の作用角をゼロ（または小作用角）とし、ターボ側排気弁ＥＸ１のみを開閉させるように制御する。その結果、すべての排気ガスをターボチャージャ１４のタービン１４ａに流入させることができる。つまり、ターボ側排気ガス比率を１００％とすることができる。これにより、ターボチャージャ１４の回転数を迅速に上昇させることができ、過給圧の応答遅れを抑制することができる。

上記以外の領域においては、エンジン負荷などに応じて、バイパス側排気弁ＥＸ２の作用角を変化させることにより、ターボ側排気ガス比率を連続的または段階的に変化させ、最適なターボ側排気ガス比率となるように制御することができる。例えば、高回転高負荷領域においては、排気行程の前半から中盤にかけてターボ側排気弁ＥＸ１を開くことによって高エネルギーの排気ガスをタービン１４ａに供給するとともに、排気行程の終盤においてバイパス側排気弁ＥＸ２を開いて吸気弁２８とオーバーラップさせることにより、筒内の残留ガスを掃気する効果が得られる。

なお、上述したような可変動弁系の構成や開弁特性制御は一例であり、本発明がこれに限定されるものではなく、ターボ側排気ガス比率を変化させることのできる構成であればいかなる構成であってもよい。

上述したように、本実施形態では、内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数およびエンジン負荷）に基づいて、ターボ側排気ガス比率を変化させる制御を行う。図７は、エンジン回転数およびエンジン負荷と、ターボ側排気ガス比率との関係を示すマップである。図７中の複数の曲線は、ターボ側排気ガス比率の等しいエンジン動作点を結んだ線である。

本実施形態では、ターボ側排気ガス比率に基づいて、ターボ側冷却水比率を制御することとした。図８は、ターボ側排気ガス比率とターボ側冷却水比率との関係を示すマップである。本実施形態において、ＥＣＵ５０は、まず、エンジン回転数およびエンジン負荷と図７のマップとに基づいてターボ側排気ガス比率を算出する。次いで、その算出されたターボ側排気ガス比率と図８のマップとに基づいて算出されるターボ側冷却水比率を目標値とし、その目標値が実現されるように、流量制御弁４０の開度を制御する。

本実施形態によれば、図８に示すように、ターボ側排気ガス比率が低い場合にはターボ側冷却水比率が低くなり、ターボ側排気ガス比率が高い場合にはターボ側冷却水比率が高くなるように制御することができる。ターボ側排気ガス比率が低くなる運転領域においては、ターボ側排気ポート１６やタービンハウジングの温度が過上昇するおそれはないので、ターボ側冷却水比率を高くする必要はない。むしろ、ターボ側冷却水比率を高くすることは、ターボチャージャ１４に流入する排気ガスの温度低下を招き、ターボチャージャ１４による排気エネルギー回収効率の低下につながる。これに対し、本実施形態によれば、ターボ側排気ガス比率が低くなる運転領域において、ターボ側冷却水比率を低くすることにより、ターボチャージャ１４に流入する排気ガスの温度を高く保つことができる。このため、ターボチャージャ１４による排気エネルギー回収効率を向上することができる。

なお、本実施形態では、ターボ側排気ポート１６とバイパス側排気ポート１８との排気ガス流量の比率に基づいてターボ側冷却水比率を制御するものとして説明したが、ターボ側排気ポート１６とバイパス側排気ポート１８との排気ガスの熱量の比率に基づいてターボ側冷却水比率を制御するようにしてもよい。その場合には、ターボ側排気ポート１６とバイパス側排気ポート１８との排気ガスの熱量の比率に基づいて図７および図８に相当するマップを作成し、それらのマップに基づいて制御を実行すればよい。

上述した実施の形態２においては、流量制御弁４０が前記第４の発明における「流量比率調節手段」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、図７に示すマップおよび図８に示すマップに基づいて流量制御弁４０の開度を制御することにより、前記第４の発明における「流量比率制御手段」が実現される。

実施の形態３．
次に、図９乃至図１２を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

前述した実施の形態２では、ターボ側排気ガス比率が高い場合ほど、ターボ側冷却水比率が高くなるように制御している。このため、ターボ側排気ガス比率が高くなる高負荷領域においても、ターボ側排気ポート１６やタービンハウジングの温度の過上昇をより確実に防止することができる。

しかしながら、アクセル開度が急増した場合など、所定度合い以上の加速（以下、「急加速」と称する）の要求が検知された場合には、加速性能を向上するために、ターボチャージャ１４に流入する排気エネルギーをなるべく高くして、タービン回転上昇の応答性を高めることが望ましい。その観点からは、急加速の間は、ターボ側冷却水比率を高くせず、ターボ側排気ポート１６の冷却を抑制することが望ましい。また、急加速を実行する一時的な間であれば、ターボ側冷却水比率をエンジン負荷の上昇に合わせて高くしなくても、ターボ側排気ポート１６やタービンハウジングの温度が過上昇するおそれは少ない。そこで、本実施形態では、急加速を行う場合には、ターボ側冷却水比率の上昇を一時的に制限することとした。

図９は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図９に示すルーチンによれば、まず、急加速の要求があるか否かが判定される（ステップ１００）。急加速要求の判定方法は特に限定されないが、例えば、アクセルポジションセンサ４４で検出されるアクセル開度の増加量が所定値以上である場合には、急加速の要求があると判定され、そうでない場合には急加速の要求はないと判定される。

上記ステップ１００で、急加速の要求がないと判定された場合には、通常の冷却水制御（以下、「通常制御」と称する）が実行される（ステップ１０２）。通常制御は、前述した実施の形態２で説明したのと同様の制御である。すなわち、まず、エンジン回転数およびエンジン負荷と図７のマップとに基づいてターボ側排気ガス比率を算出する。次いで、その算出されたターボ側排気ガス比率と図８のマップとに基づいて算出されるターボ側冷却水比率を目標値とし、その目標値が実現されるように、流量制御弁４０の開度を制御する。

一方、上記ステップ１００で、急加速の要求があると判定された場合には、次のような制御が実行される。図１０は、図７と同様のマップである。図１１は、図８と同様のマップである。図１２は、急加速時のエンジン負荷の経時変化を示す図である。以下の説明では、図１０乃至図１２中のＸを急加速開始時の動作点とし、Ｙを急加速終了時の動作点とする。

上記ステップ１００で急加速の要求があると判定された場合には、まず、急加速が開始された時点でのターボ側冷却水比率が維持される（ステップ１０４）。通常制御の場合には、図１１中の矢印ｃで示すように、エンジン負荷の上昇（すなわちターボ側排気ガス比率の上昇）に伴って、ターボ側冷却水比率を上昇させる。これに対し、上記ステップ１０４が実行された場合には、図１１中の矢印ａで示すように、エンジン負荷およびターボ側排気ガス比率が上昇しても、ターボ側冷却水比率は、急加速開始時点の値に維持される。

上記ステップ１０４の処理に続いて、加速が終了したか否かが判定される（ステップ１０６）。加速終了を判定する方法は特に限定されないが、例えば、実際のエンジン負荷が、アクセル開度から算出される要求負荷に到達したか否かによって判定することができる。

上記ステップ１０６で、加速がまだ終了していないと判定された場合には、上記ステップ１０４以下の処理が再度実行される。すなわち、ターボ側冷却水比率が急加速開始時点の値に維持される。

これに対し、上記ステップ１０６で、加速が終了したと判定された場合には、上記ステップ１０２の通常制御が実行される。この通常制御が実行されることにより、図１１中の矢印ｂで示すように、ターボ側冷却水比率は、マップにより定められた値まで高められる。

図１２中、矢印ａおよびｂは上述した図９に示す制御を実行した場合のエンジン負荷の経時変化を表しており、矢印ｃは急加速時にも通常制御を実行した場合のエンジン負荷の経時変化を表している。図９に示す制御を実行することにより、急加速時には、ターボ側冷却水比率の上昇を一時的に制限することにより、ターボチャージャ１４に流入する排気エネルギーを高くし、タービン回転上昇の応答性を高めることができる。このため、図１２に示すように、急加速時にも通常制御を実行した場合と比べて、加速性能を向上することができる。

なお、図９に示す制御では、急加速実行中のターボ側冷却水比率を急加速開始時点の値に維持するようにしているが、必ずしもこのようにする必要はない。例えば、急加速実行中のターボ側冷却水比率の上昇勾配を、図８や図１１のマップの上昇勾配より緩やかにするだけでもよい。すなわち、急加速実行中のターボ側冷却水比率が、図８や図１１のマップから定まる値よりも低くなるようにすればよい。

上述した実施の形態３においては、図８あるいは図１１が前記第５の発明における「マップ」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第５の発明における「制限手段」が実現されている。

実施の形態４．
次に、図１３乃至図１５を参照して、本発明の実施の形態４について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

前述した実施の形態３では、急加速を行う場合に、ターボ側冷却水比率の上昇を一時的に制限し、ターボ側冷却水比率を通常より低い値にすることにより、ターボチャージャ１４に流入する排気エネルギーを高めるようにしている。ターボ側冷却水比率の上昇が制限されている間は、ターボ側排気ポート１６を通る排気ガスの温度が一時的に高温になる。このため、ターボ側冷却水比率の上昇が制限された状態が予期せず長引いたような場合には、ターボ側排気ポート１６あるいはタービンハウジングの温度（以下、まとめて「タービン温度」と略称する）が許容上限値近くまで上昇する可能性もゼロではない。

そこで、本実施形態では、ターボ側冷却水比率の上昇が制限されている場合には、タービン温度が許容上限値に達するおそれがあるかどうかを判定し、そのおそれがあると判定された場合には、ターボ側冷却水比率の上昇の制限を解除し、通常制御に戻ることとした。

図１３は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図１４は、図１１と同様のマップである。図１５は、急加速時のエンジン負荷の経時変化を示す図である。以下、図１３において、図９に示すルーチンのステップと同様のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。

図１３のルーチンは、ステップ１０４と１０６との間にステップ１０８および１１０が挿入されていること以外は、図９のルーチンと同じである。図１３に示すルーチンによれば、ステップ１００で急加速の要求があると判定され、ステップ１０４でターボ側冷却水比率が急加速開始時点の値に維持された場合には、次に、現在の推定タービン温度が算出される（ステップ１０８）。現在の推定タービン温度は、例えば、急加速開始時点の推定タービン温度と、急加速開始時点から現在までのタービン通過熱量とに基づいて算出することができる。急加速開始時点の推定タービン温度は、エンジン運転状態とタービン温度との関係を予め調べたマップをＥＣＵ５０に記憶しておき、そのマップに急加速開始時点のエンジン運転状態を当てはめることにより、算出することができる。また、タービン通過熱量は、急加速開始時点からのエンジン負荷およびエンジン回転数の履歴に基づいて算出することができる。

続いて、上記ステップ１０８で算出された現在の推定タービン温度と、所定の判定値とが比較される（ステップ１１０）。このステップ１１０において、現在の推定タービン温度が上記判定値より低かった場合には、タービン温度が許容上限値に達するおそれは今のところないと判断できる。このため、この場合には、ステップ１０６以下の処理が実行される。ステップ１０６以下の処理は、実施の形態３で既述した通りであるので、説明を省略する。

一方、上記ステップ１１０において、現在の推定タービン温度が上記判定値以上であった場合には、タービン温度が許容上限値に達するおそれがあると判断できる。この場合には、上記ステップ１０２の通常制御が実行される。この通常制御が実行されることにより、図１４に示すように、ターボ側冷却水比率の上昇の制限（矢印ａ）が急加速の途中で解除され、ターボ側冷却水比率が、マップにより定められた値まで高められる（矢印ｄ）。その後、ターボ側冷却水比率は、マップに沿って上昇する（矢印ｅ）。図１５中の矢印ｄおよびｅは、図１４中の矢印ｄおよびｅに対応している。

上述した図１３に示す制御によれば、急加速時にターボ側冷却水比率の上昇を制限する制御を行った場合であっても、タービン温度が許容上限値を超えることをより確実に防止することができる。また、図１５に示すように、急加速時にも初めから通常制御を実行する場合（矢印ｃ）と比べて、加速性能を向上することができる。

上述した実施の形態４においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０８および１１０の処理を実行することにより前記第６の発明における「予測する手段」が、上記ステップ１１０の判断が肯定された場合に上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第６の発明における「制限を解除する手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態５．
次に、図１６を参照して、本発明の実施の形態５について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

図５に示す流量制御弁４０（流量比率調節手段）が万一故障し、第１冷却水通路３４の冷却水が不足したり流れなくなったりした場合には、ターボ側排気ポート１６やタービンハウジングの温度が過上昇し、これらが損傷するおそれがある。本実施形態では、そのような事態を確実に防止するため、流量制御弁４０の故障が検知された場合には、ターボ側排気ポート１６の排気ガス流量を制限することとした。

流量制御弁４０の故障を検知する方法としては、特に限定されないが、例えば、流量制御弁４０の開度を変化させる指令を出した後に、流量制御弁４０より下流側の流路に設けた熱電対等の温度センサの検出値に変化が表れない場合に、流量制御弁４０が故障したと判定することができる。

ターボ側排気ポート１６の排気ガス流量を制限する方法としては、エンジン負荷を制限する方法が挙げられる。図１６は、流量制御弁４０が故障した場合のエンジン負荷制限範囲を示す図である。流量制御弁４０の故障が検知された場合には、例えば、エンジン負荷が図１６中の斜線で示す範囲までしか上がらないように吸入空気量を制限する制御を行うことにより、ターボ側排気ポート１６の排気ガス流量をゼロにすることができる。このため、第１冷却水通路３４の冷却水が不足したり流れなくなったりしていたとしても、ターボ側排気ポート１６やタービンハウジングを確実に保護することができる。

ただし、流量制御弁４０の故障が検知された場合であっても、ターボ側排気ポート１６の排気ガス流量を必ずしもゼロにしなくてもよく、ターボ側排気ポート１６の排気ガス流量またはターボ側排気ガス比率が所定値以下となるように制限すればよい。

ＥＸ１ターボ側排気弁
ＥＸ２バイパス側排気弁
１０内燃機関
１２シリンダヘッド
１４ターボチャージャ
１４ａタービン
１４ｂコンプレッサ
１６ターボ側排気ポート
１８バイパス側排気ポート
２０排気マニホールド
２２触媒コンバータ
２４排気マニホールド
２６吸気ポート
２８吸気弁
３４第１冷却水通路
３６第２冷却水通路
３８隔壁
４０流量制御弁

Claims

内燃機関の排気ガスによって作動するタービンと、吸入空気を圧縮するコンプレッサとを有するターボチャージャと、
前記内燃機関のシリンダヘッドに形成され、前記タービンの入口に連通する第１排気ポートと、
前記シリンダヘッドに形成され、前記タービンの入口に連通しない第２排気ポートと、
前記内燃機関の各気筒に設けられ、前記第１排気ポートに連通する第１排気弁と、
前記内燃機関の各気筒に設けられ、前記第２排気ポートに連通する第２排気弁と、
前記シリンダヘッドに形成され、前記第１排気ポートを冷却する冷却水が通る第１冷却水通路と、
前記シリンダヘッドに形成され、前記第２排気ポートを冷却する冷却水が通る第２冷却水通路と、
を備えることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
前記第１排気弁および前記第２排気弁の位置が、隣接する気筒間で逆になるように配置されており、
前記第１排気弁同士が隣り合って位置する二つの気筒のうち、一方の気筒の前記第１排気弁に連通する前記第１排気ポートと、他方の気筒の前記第１排気弁に連通する前記第１排気ポートとが、前記シリンダヘッド内で合流して形成された第１排気ポート合流部分と、
前記第２排気弁同士が隣り合って位置する二つの気筒のうち、一方の気筒の前記第２排気弁に連通する前記第２排気ポートと、他方の気筒の前記第２排気弁に連通する前記第２排気ポートとが、前記シリンダヘッド内で合流して形成された第２排気ポート合流部分と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の冷却装置。
前記第１冷却水通路は、少なくとも前記第１排気ポート合流部分の周囲に形成されており、
前記第２冷却水通路は、少なくとも前記第２排気ポート合流部分の周囲に形成されていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の冷却装置。
前記第１冷却水通路と前記第２冷却水通路との冷却水流量の比率を変更可能な流量比率調節手段と、
前記第１排気ポートと前記第２排気ポートとの排気ガス流量の比率に基づいて前記流量比率調節手段を制御することにより、前記第１冷却水通路と前記第２冷却水通路との冷却水流量の比率を制御する流量比率制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の冷却装置。
前記流量比率制御手段は、前記第１排気ポートと前記第２排気ポートとの排気ガス流量の比率に対して、前記第１冷却水通路と前記第２冷却水通路との冷却水流量の目標比率を定めたマップを有し、
前記内燃機関に対する急加速の要求を検知する手段と、
前記急加速の要求が検知された場合には、前記第１冷却水通路の冷却水流量の比率が前記マップから定まる値よりも一時的に小さくなるように制限する制限手段と、
を備えることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の冷却装置。
前記制限手段により前記第１冷却水通路の冷却水流量の比率が制限されている場合に、前記第１排気ポートまたは前記タービンの温度が許容上限値に達するおそれがあるかどうかを予測する手段と、
前記おそれがあると予測された場合に、前記制限手段による制限を解除する手段と、
を備えることを特徴とする請求項５記載の内燃機関の冷却装置。
前記流量比率調節手段の故障を検知する手段と、
前記流量比率調節手段の故障が検知された場合に、前記第１排気ポートの排気ガス流量を制限する手段と、
を備えることを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項記載の内燃機関の冷却装置。
前記第２排気ポートは、前記第１排気ポートと比べて、シリンダの高さ方向の位置を異ならせて形成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の内燃機関の冷却装置。