JP4918898B2

JP4918898B2 - 内燃機関

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Publication number: JP4918898B2
Application number: JP2007236908A
Authority: JP
Inventors: 大志 ▲高▼橋; 浩一中田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP2009068398A

Description

本発明は、ターボ過給機を備えた内燃機関に関し、複数経路の冷却水の流路が機関本体に設けられた内燃機関に関する。

内燃機関においては、近年、複数経路の冷却水の流路（以下、冷却水路と記す）が機関本体に設けられて、各経路を流れる冷却水流量を別個に調整する、いわゆる多系統冷却が可能な内燃機関が知られている。例えば、主にシリンダブロックを冷却する冷却水路と、主にシリンダヘッドを冷却する冷却水路を有しており、内燃機関の冷間時においては、主にシリンダブロックを冷却する冷却水路には冷却水を循環させないように構成することで、シリンダブロックの早期の暖機完了を図るものがある。

また、下記の特許文献１には、ターボ過給機を備えた内燃機関であって、ターボ過給機を冷却するための冷却路と、当該冷却路を迂回させるバイパス流路と、バイパス流路の流れを止めることが可能なバイパスバルブとを有する内燃機関が開示されている。特許文献１に記載の内燃機関は、暖機中において、バイパスバルブを開いてバイパス流路に冷却水を流し、ターボ過給機を冷却する冷却路の流量を減少させている。これにより、排出ガスがターボ過給機を通過するときに生じる排出ガスの温度（以下、排気温度と記す）の低下を抑制し、排気浄化触媒の早期活性化を図っている。

特開２００４−１１６３１０号公報

ところで、ターボ過給機付き内燃機関においては、機関負荷が比較的低い場合など、気筒から排出される排出ガスの流量が低く、加えて、排気温度が低いことが知られている。このような場合、ターボ過給機が排出ガスから仕事エネルギを取り出す効率（以下、ターボ効率と記す）が低下するという問題がある。排出ガスの流量が同じ場合であっても、排気温度が低くなるに従って、ターボ効率は低下する。

特に、気筒内で希薄燃焼を行う内燃機関や、エタノール等の気化潜熱の大きい燃料を燃焼させる内燃機関の場合は、理論空燃比でガソリンを燃焼させる内燃機関に比べて、気筒内における燃焼温度が低く、これに伴い気筒から排出される排出ガスの温度（以下、排気温度と記す）も低くなることが知られており、排出ガスのガス流量が同じ場合、排気温度が低いと、ターボ効率が低下するという問題がある。また、排気マニホールドとシリンダヘッドが一体に構成されている場合、シリンダヘッド共に排気マニホールドも冷却されてしまい、ターボ過給機のタービンに流入する排出ガスの排気温度が低下してターボ効率が低下するという問題が生じる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、内燃機関の運転状態に応じて、排気ポートにおける排気温度の低下を抑制可能な内燃機関を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、ターボ過給機を備え、複数経路の冷却水路が機関本体に設けられた内燃機関であって、内燃機関からの機械的動力を受けて駆動されて、全ての冷却水路に冷却水を圧送可能な冷却水ポンプと、複数経路の冷却水路のうち、少なくとも最も排気ポート側を通る冷却水路である排気ポート側冷却水路の冷却水流量を、他の冷却水路に対して調整可能な流量制御手段と、を備え、流量制御手段は、排気ポート側冷却水路に設けられ、当該排気ポート側冷却水路の冷却水流量を調整可能な流量調整弁と、排気温度を推定する排気温度推定手段と、推定された排気温度が予め設定された排気温度上限値を所定の差分値を以って下回っている場合に排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させると判定することで、前記推定された排気温度と前記排気温度上限値に基づいて前記排気ポート側冷却水路の前記冷却水流量を低減させるか否かを判定する弱冷可否判定手段と、排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させると判定された場合に、予め求められている前記排気温度と前記冷却水流量との関係に基いて前記排気温度上限値に達する前記冷却水流量の下限水量を推定して、前記下限水量以上となる値に前記冷却水流量を決定することで、排気温度が予め設定された排気温度上限値に達しないよう推定された排気温度に基づいて排気ポート側冷却水路の冷却水流量を決定する流量決定手段と、内燃機関の運転状態に基づいて流量調整弁の開度を制御可能で、かつ、前記決定された値の前記冷却水流量に応じて前記流量調整弁の開度を低下させて排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させる調整弁制御手段と、を有して、内燃機関の運転状態に基づいて排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させることを特徴とする。

本発明によれば、排気ポート側冷却水路の冷却水流量を調整可能な流量制御手段が、内燃機関の運転状態に基づいて、排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させるものとしたので、内燃機関の運転状態に応じて、排気ポートの温度を上昇させて、排気ポートを流れる排出ガスの温度低下を抑制することができる。これにより、ターボ過給機のタービンに流入する排出ガスの温度を上昇させて、ターボ過給機の効率を向上させることが可能となる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

まず、本実施例に係る内燃機関の構成について図１を用いて説明する。図１は、内燃機関の構成を示す模式図である。なお、図１において、本発明に関連する要部のみを模式的に示している。

図１に示すように、内燃機関１０には、気筒から排出される排出ガスの運動エネルギにより吸入された空気を圧縮するターボ過給機７０を備えている。この内燃機関１０は、原動機として自動車に搭載されるものであり、内燃機関１０を制御するための電子制御装置１００（以下、ＥＣＵと記す）が設けられている。本実施例において、ＥＣＵ１００は、内燃機関１０に含まれている。

内燃機関１０には、内部に気筒が形成される本体系部品として、図示しない、シリンダブロック、ピストン、クランク軸、及びシリンダヘッド等が設けられている。シリンダブロックには、ピストンに対向してシリンダボアを囲うようにシリンダヘッドが結合されて、機関本体２０が構成されている。機関本体２０内には、シリンダボア、シリンダヘッド、及びピストンにより囲まれて、「気筒」が形成されている。

内燃機関１０が発生した機械的動力は、クランク軸から出力される。クランク軸の近傍には、クランク軸の回転角位置（以下、クランク角と記す）を検出する図示しないクランク角センサが設けられている。クランク角センサは、検出したクランク角に係る信号を、ＥＣＵ１００に送出している。

機関本体２０のうちシリンダヘッドには、各気筒に対応して、吸気通路からの吸入空気を気筒内に導く吸気ポート（図示せず）と、気筒内からの排出ガスを後述する排気通路に排出する排気ポート（図示せず）が形成されている。

また、内燃機関１０には、外気から気筒内に空気を導く吸気系部品として、外気から空気を導入する外気ダクト、吸入空気から塵芥を除去するエアクリーナ、吸入空気の流量を計測するエアフロメータ、吸入空気の流量を調整するスロットル弁、吸入空気を各気筒に分配する分配管である吸気マニホールド等が設けられている。

エアフロメータは、外気ダクトから導入されて、気筒内に流入する吸気の流量（以下、「吸入空気量」と記す）を検出しており、検出した吸入空気量に係る信号を、ＥＣＵ１００に送出している。

外気ダクトから導入された吸気は、エアクリーナを通過し、エアフロメータで流量が検出されて、ターボ過給機７０のコンプレッサ７６で圧縮される。圧縮された吸気は、スロットル弁に流れ、スロットル弁で流量が調整されて、吸気マニホールドに流入し、機関本体２０に設けられた各気筒内に流入する。

また、内燃機関１０には、気筒内からの排出ガスを外気に排出する排気系部品として、各気筒からの排出ガスを合流させてターボ過給機７０に導く排気マニホールドと、ターボ過給機７０のタービン７２からの排出ガスを外気に導く排気管７８と、排出ガス中の有害成分を浄化する排気浄化触媒８０が設けられている。排気マニホールドは、機関本体２０が有する複数の気筒から排出された排出ガスを合流させて、後述するターボ過給機７０のタービン７２に導く。なお、排気マニホールドは、機関本体２０のシリンダヘッドと一体に結合されており、機関本体２０に含まれている。排気マニホールドの合流部を、図に符号６０で示す。なお、排気マニホールドは、機関本体２０のシリンダヘッドと別体に構成されているものとしても良い。

ターボ過給機７０は、吸気配管（図に二点鎖線で示す）の間に介在して設けられたコンプレッサ７６と、排気マニホールドと排気管７８との間に介在して設けられたタービン７２とを有している。ターボ過給機７０は、排気マニホールドを介して、タービン７２に流入する排出ガス流の運動エネルギにより、コンプレッサ７６にある空気を圧縮して、気筒に向けて給送することが可能となっている。

排気浄化触媒８０には、三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒などが用いられる。これらは、触媒作用を有する貴金属を有しているため、排気浄化触媒８０を流れる排出ガスの排気温度が、所定の上限値以上になると、機能が損なわれる虞がある。このため、排気温度には、上限値（以下、排気温度上限値と記す）が予め設定されている。つまり、内燃機関１０は、排気温度が、予め設定された排気温度上限値を下回るようにＥＣＵ１００により制御される。

機関本体２０に形成された気筒から、排気ポートに排出された高温の排出ガスは、排気マニホールドで合流し、タービン７２に流入し、ターボ過給機７０を作動させる。タービン７２から排出された排出ガスは、排気管７８から排気浄化触媒８０に流入して、有害成分が浄化された後、外気に放出される。

なお、「排気通路」とは、気筒内から排出された排出ガスが、ターボ過給機７０のタービン７２、及び排気浄化触媒８０を通過し、外気に放出されるまでの排出ガスの流路を意味している。本実施例において、排気通路には、機関本体２０に形成された排気ポートが含まれている。

また、内燃機関１０には、機関本体２０を冷却するため、冷却水（クーラント）が流通可能な流路（以下、冷却水路と記す）が、複数経路、機関本体２０内に設けられている。具体的には、機関本体２０内には、排気ポート側を通る冷却水の流路である排気ポート側冷却水路３３と、排気ポート側冷却水路３３以外の冷却水の流路である他の冷却水路３４が、設けられている。排気ポート側冷却水路３３及び他の冷却水路３４は、機関本体２０を構成する部品（シリンダヘッド及びシリンダブロック）に形成された通路に加え、機関本体２０から延設されている冷却配管内に形成された管路等により構成されている。なお、冷却水路を流れる冷却水の流量を、以下の説明において、冷却水流量と記す。

排気ポート側冷却水路３３は、機関本体２０を構成するシリンダヘッドのうち、最も排気ポートの近傍を通るように経路が設定された冷却水路であり、排気ポートの温度を調整可能に設けられた冷却水路である。排気ポート側冷却水路３３を流れる冷却水の流量（以下、冷却水流量と記す）を調整することで、ターボ過給機７０のタービン７２に流入する排出ガスの温度を調整することが可能となっている。

詳細には、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を低減させることで、排気ポートの冷却を弱めて、排気ポートの温度を上昇させることができる。排気ポートの温度を上昇させると、排気ポートを流れる排出ガスから機関本体２０に伝達される熱量が低減して、排気ポートを通過した後の排出ガスの温度が上昇することとなる。つまり、排気ポート側冷却水路３３は、ここを流れる冷却水の流量を調整されることで、気筒から排出されて排気ポートを流れた後の、ターボ過給機７０のタービン７２に流入する前の排出ガスの温度を調整することが可能となっている。

これに対して、排気側冷却水路３３以外の冷却水路である、他の冷却水路３４は、排気ポートの近傍を通らないように経路が設定された冷却水路であり、冷却水流量の変化が、上述の排気ポート側冷却水路３３に比べて、排気ポートの温度に影響しない冷却水路である。他の冷却水路３４は、ここを流れる冷却水の流量が調整されることで、機関本体２０のうちシリンダブロック等、排気ポート側冷却水路３３に比べて排気ポートの温度にあまり影響を与えない部位の温度を調整することが可能となっている。

このように、内燃機関１０の機関本体２０には、排気ポート側冷却水路３３と、排気ポート側冷却水路３３以外の冷却水路である、他の冷却水路３４が設けられている。本実施例において、排気ポート側冷却水路３３は、機関本体２０のシリンダヘッドのうち、排気側を流れる流路として構成され、他の冷却水路３４は、機関本体２０のシリンダブロックと、シリンダヘッドのうち吸気側を流れる流路として構成されている。なお、本実施例において、排気マニホールドとシリンダヘッドは一体に構成されており、排気ポート側冷却水路３３は、シリンダヘッドの排気側に加えて、排気マニホールド内にも設けられている。つまり、本実施例において、機関本体２０には、排気マニホールドが含まれているものとする。

また、内燃機関１０には、機関本体２０を冷却する冷却系部品として、排気ポート側冷却水路３３及び他の冷却水路３４に向けて冷却水を圧送する冷却水ポンプ３０と、排気ポート側冷却水路３３の経路上に設けられ、排気ポート側冷却水路３３を流れる冷却水流量を調整可能な流量調整弁５０と、排気ポート側冷却水路３３及び他の冷却水路３４からの冷却水の熱を外気に放散させて冷却するラジエータ１２０と、冷却水の温度に応じて、排気ポート側冷却水路３３及び他の冷却水路３４からの冷却水をラジエータ１２０に流すか否かを切替えるサーモスタット弁４０が設けられている。

冷却水ポンプ３０は、内燃機関１０が発生する機械的動力により駆動される。冷却水ポンプ３０は、例えばクランク軸から出力される機械的動力をベルト等を介して伝達されて駆動されるポンプである。冷却水ポンプ３０は、内燃機関１０からの機械的動力を受けて駆動され、排気ポート側冷却水路３３及び他の冷却水路３４に向けて、冷却水を圧送する。つまり、内燃機関１０の作動中において、冷却水ポンプ３０は、常時、駆動されて、サーモスタット弁４０からの冷却水を、排気ポート側冷却水路３３及び他の冷却水路３４に向けて圧送することとなる。

サーモスタット弁４０は、内燃機関１０の運転状態に応じて変化する冷却水の温度に応じて、排気ポート側冷却水路３３及び他の冷却水路３４を流れた冷却水を、ラジエータ１２０を通るラジエータ側冷却水路３８上に流すか、ラジエータ１２０を迂回するよう設けられたバイパス冷却水路３９に流すかを切替えることが可能に構成されている。内燃機関１０の暖機完了前においては、ラジエータ１２０を迂回して冷却水が流れるよう、サーモスタット弁４０の開閉弁は設定されている。

冷却水ポンプ３０からの冷却水は、フィード冷却水路３２により排気ポート側冷却水路３３及び他の冷却水路３４に導かれる。機関本体２０内を通って高温となった排気ポート側冷却水路３３及び他の冷却水路３４の冷却水は、リターン冷却水路３６で合流する。リターン冷却水路３６をサーモスタット弁４０に向けて流れる冷却水は、ラジエータ１２０を通るラジエータ側冷却水路３８と、ラジエータ１２０を迂回するバイパス冷却水路３９とのうち、いずれか一方を通ってサーモスタット弁４０に至る。サーモスタット弁４０に流入した比較的低温な冷却水は、冷却水路４２から冷却水ポンプ３０に吸入される。

流量調整弁５０は、排気ポート側冷却水路３３のうち、機関本体２０より冷却水の流動方向の上流側に設けられている。流量調整弁５０は、電磁式の弁として構成されており、開度を変化させることで、排気ポート側冷却水路３３を流れる冷却水の流量を調整可能となっている。流量調整弁５０の開度は、ＥＣＵ１００により制御される。

このように構成された内燃機関１０において、ＥＣＵ１００は、クランク角センサからのクランク角に係る信号と、エアフロメータからの吸入空気量に係る信号とを検出しており、内燃機関１０のクランク軸の回転速度（以下、機関回転速度と記す）と、内燃機関１０がクランク軸から出力する機械的動力（以下、機関負荷と記す）とを算出して、内燃機関１０の運転状態を把握している。

ＥＣＵ１００は、内燃機関の運転状態、すなわち機関回転速度及び機関負荷に基づいて、排気浄化触媒８０における排気温度を推定することが可能に構成されている。機関回転速度及び機関負荷と、排気温度との関係を示すマップは、予め適合実験等により求められており、制御定数としてＥＣＵ１００のＲＯＭ（図示せず）に記憶されている。このように、ＥＣＵ１００は、排気温度を推定する機能である排気温度推定手段を有している。

なお、排気温度は、排気浄化触媒８０の近傍の排気通路に排気温度センサを設けて、ＥＣＵ１００は、排気温度センサからの信号を検出して、排気浄化触媒８０における排気温度を推定するものとしても良い。また、排気温度は、排気浄化触媒８０以外の排気通路における排気温度を検出して、排気浄化触媒８０における排気温度を推定するものとしても良い。

また、ＥＣＵ１００は、内燃機関１０の運転状態に基づいて流量調整弁５０の開度を制御する機能（調整弁制御手段）を有している。調整弁制御手段としてのＥＣＵ１００が、内燃機関１０の運転状態に応じて流量調整弁５０の開度を制御することで、排気ポート側冷却水路３３を流れる冷却水の流量を、他の冷却水路３４を流れる冷却水流量の流量とは別に、調整することが可能となっている。つまり、内燃機関１０は、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を、他の冷却水路３４の冷却水流量とは別に調整する機能である流量制御手段（５０，１００）を有している。

次に、本実施例に係る内燃機関において、流量制御手段としてのＥＣＵが実行する排気ポート側冷却水路の冷却水流量制御について、図１〜図４を用いて説明する。図２は、ＥＣＵが実行する冷却水の流量制御のフローチャートである。図３は、機関回転速度及び機関負荷と、排気温度との関係を示す図である。図４は、推定された排気温度から、排気ポート側冷却水路の冷却水流量を決定する方法を説明する図である。

図１及び図２に示すように、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１００において、原動機としての内燃機関１０の運転状態に係る各種の制御変数を取得する。制御変数には、機関回転速度及び機関負荷等が含まれている。

そして、ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、機関回転速度と機関負荷に基づいて、排気浄化触媒８０における現在の排気温度を推定する。図３には、内燃機関１０の各運転状態における排気温度の高低を示しており、排気温度が同一となる運転状態を図に一点鎖線で示している。図３に示すように、排気温度は、機関回転速度が上昇し、且つ機関負荷が増大するに従って高くなる傾向がある。この機関回転速度及び機関負荷と、排気温度との関係を示すマップは、予めＲＯＭに記憶されており、ＥＣＵ１００は、このマップと機関回転速度及び機関負荷から、排気浄化触媒８０における排気温度を推定する。

そして、ステップＳ１０４において、ＥＣＵ１００は、推定された排気温度と、予め設定された排気温度上限値に基づいて、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を低減させて、機関本体２０のうち排気ポート側を弱冷却状態にすることが可能であるか否かを判定する。具体的には、推定された排気温度と、排気温度上限値との差分から排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を低減させるか否かを判定する。すなわち、推定された排気温度が、排気温度上限値を所定の差分値を以って下回っている場合に、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量の低減が可能である（Ｙｅｓ）と判定する。なお、推定された排気温度が、排気温度上限値以上である場合など、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量の低減が可能ではない（Ｎｏ）と判定された場合には、ステップＳ１００に戻る。このように、ＥＣＵ１００は、推定された排気温度と、予め設定された排気温度上限値に基づいて、排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させるか否かを判定する機能（弱冷可否判定手段）を有している。

排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量の低減が可能である（Ｙｅｓ）と判定された場合、ステップＳ１０６に進み、ＥＣＵ１００は、排気ポート側冷却水路３３に流す冷却水流量を決定する。具体的には、まず、図４に示すように、推定された排気温度と、排気ポート側冷却水路３３の現在の冷却水流量、及び予め求められている排気温度と冷却水流量との関係を示すマップに基づいて、排気温度上限値に達するような排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量（以下、下限水量と記す）を推定する。そして、下限水量以上となるよう、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を決定する。このようにして、ＥＣＵ１００は、排気温度が予め設定された排気温度上限値に達しないよう、推定された排気温度に基づいて排気ポート側冷却水路の冷却水流量を決定する機能（流量決定手段）を有している。なお、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量と排気温度との関係は、予め適合実験等により求められており、制御定数としてＥＣＵ１００のＲＯＭに記憶されている。

そして、ステップＳ１０８において、ＥＣＵ１００は、決定された冷却水流量に応じて、流量調整弁５０の開度を低下させて、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を低減させる。流量調整弁５０により排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を調整した後、ステップＳ１００に戻る。

以上の冷却水の流量制御を行って、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を低減させることで、排気ポート及び排気マニホールドの温度を上昇させて、排気ポート及び排気マニホールドを流れる排出ガスの温度低下を抑制して、ターボ過給機７０のタービン７２に流入する排出ガスの温度を上昇させることができる。これにより、ターボ過給機７０の効率を向上させることができる。

以上に説明したように本実施例において、内燃機関１０は、ターボ過給機７０を備え、複数経路の冷却水路（３３，３４）が機関本体２０に設けられており、複数経路（３３，３４）の冷却水路のうち、少なくとも最も排気ポート側を通る冷却水路である排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を、他の冷却水路３４に対して調整可能な流量制御手段（５０，１００）を備え、流量制御手段（５０，１００）は、内燃機関１０の運転状態に基づいて排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を低減させるものとした。内燃機関１０の運転状態に応じて、排気ポート側、例えば、排気ポート及び排気マニホールドの温度を上昇させ、排気ポート等を流れる排出ガスの温度低下を抑制して、ターボ過給機７０のタービン７２に流入する排出ガスの温度を上昇させることができる。これにより、ターボ過給機７０の効率を向上させることができる。

また、本実施例において、流量制御手段としてのＥＣＵ１００は、排気温度を推定する排気温度推定手段（Ｓ１０２）と、推定された排気温度と、予め設定された排気温度上限値に基づいて、排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させるか否かを判定する弱冷可否判定手段（Ｓ１０４）と、排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させると判定された場合に、排気温度が予め設定された排気温度上限値に達しないよう、推定された排気温度に基づいて排気ポート側冷却水路の冷却水流量を調整する流量調整手段（Ｓ１０６，Ｓ１０８）とを有するものとしたので、ターボ過給機７０のタービン７２に流入する排出ガスの温度を上昇させるために、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を低減させても、予め設定された排気温度上限値以下に排気温度を抑制することができ、排気温度の過剰な上昇による排気浄化触媒８０等の損傷を防止することができる。

また、本実施例において、内燃機関１０は、内燃機関１０からの機械的動力を受けて駆動されて、全ての冷却水路（３３，３４）に冷却水を圧送可能な冷却水ポンプ３０を備えるものであり、流量制御手段（５０，１００）は、排気ポート側冷却水路３３に設けられ、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を調整可能な流量調整弁５０と、内燃機関１０の運転状態に基づいて、流量調整弁５０の開度を制御可能な調整弁制御手段であるＥＣＵ１００と、を含み、調整弁制御手段としてのＥＣＵ１００は、流量調整弁５０の開度を低下させて排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量を低減させるものとした。これにより、排気ポート側冷却水路３３上に流量調整弁５０を設け、当該流量調整弁５０をＥＣＵ１００により制御するだけで、排気ポート及び排気マニホールドを流れる排出ガスの温度低下を抑制して、ターボ過給機７０のタービン７２に流入する排出ガスの温度を上昇させる内燃機関１０を実現することができる。

本実施例に係る内燃機関の構成について、図５を用いて説明する。図５は、内燃機関の構成を示す模式図である。本実施例に係る内燃機関は、排気ポート側冷却水路の流量を制御する流量制御手段として、排気ポート側冷却水路に冷却水を圧送可能な第１冷却水ポンプと、他の冷却水路に冷却水を圧送可能な第２冷却水ポンプと、第１及び第２冷却水ポンプの冷却水圧送量を制御可能なポンプ制御手段と、を含む点で実施例１とは異なり、以下に詳細を説明する。なお、実施例１の略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例に係る内燃機関１０Ｂは、原動機として図示しない回転電機と共に自動車に搭載されるものであり、図５に示すように、内燃機関１０Ｂには、電力の供給を受けて作動する第１及び第２冷却水ポンプ５１，５２が設けられている。

内燃機関１０Ｂの機関本体２０内には、排気ポート側を通る冷却水の流路である排気ポート側冷却水路３３Ｂと、排気ポート側冷却水路３３Ｂ以外の冷却水の流路である、他の冷却水路３４Ｂが設けられている。排気ポート側冷却水路３３Ｂは、冷却水が独立して循環する閉じた冷却水回路として構成されている。

排気ポート側冷却水路３３Ｂの途中には、当該排気ポート側冷却水路３３Ｂを循環する冷却水の流量を調整するため、第１冷却水ポンプ５１が設けられている。第１冷却水ポンプ５１は、電動ポンプであり、圧送する冷却水の流量を調整可能に構成されている。つまり、第１冷却水ポンプ５１は、排気ポート側冷却水路３３Ｂを循環する冷却水の流量を調整可能となっている。第１冷却ポンプ５１が圧送する冷却水流量は、ＥＣＵ１００Ｂにより制御される。

加えて、排気ポート側冷却水路３３Ｂの途中には、ラジエータ１２１が設けられており、排気ポート側冷却水路３３Ｂを流れる冷却水は、ラジエータ１２１を貫流する。ラジエータ１２１は、排気ポート側冷却水路３３Ｂを循環する冷却水の熱を外気に放散させて、当該冷却水を冷却する。

第１冷却水ポンプ５１により圧送された冷却水は、排気ポート側冷却水路３３Ｂを流れて、機関本体２０を貫流する。機関本体２０内を通って高温となった排気ポート側冷却水路３３Ｂを流れる冷却水は、ラジエータ１２１を流れ、ここで冷却される。ラジエータ１２１で冷却されて低温となった冷却水は、再び第１冷却水ポンプ５１に吸入される。

一方、他の冷却水路３４Ｂの途中には、当該他の冷却水路３４Ｂを循環する冷却水の流量を調整するため、第２冷却水ポンプ５２が設けられている。第２冷却水ポンプ５２は、第１冷却水ポンプ５１と同様に、電動ポンプであり、圧送する冷却水の流量を調整可能に構成されている。つまり、第２冷却水ポンプ５２は、他の冷却水路３４Ｂを循環する冷却水の流量を調整可能となっている。第２冷却水ポンプ５２が圧送する冷却水流量は、ＥＣＵ１００Ｂにより制御される。

また、他の冷却水路３４Ｂの途中には、ラジエータ１２２が設けられており、他の冷却水路３４Ｂを流れる冷却水は、ラジエータ１２２を貫流する。ラジエータ１２２は、他の冷却水路３４Ｂを循環する冷却水の熱を外気に放散させて、当該冷却水を冷却する。

また、内燃機関１０Ｂには、冷却水の温度に応じて、排気ポート側冷却水路３３Ｂ及び他の冷却水路３４Ｂからの冷却水をラジエータ１２２に流すか否かを切替えるサーモスタット弁４０Ｂが設けられている。サーモスタット弁４０Ｂは、内燃機関１０Ｂの運転状態に応じて変化する冷却水の温度に応じて、他の冷却水路３４Ｂを流れた冷却水を、ラジエータ１２２を通るラジエータ側冷却水路３８Ｂ上に流すか、ラジエータ１２２を迂回するよう設けられたバイパス冷却水路３９Ｂに流すかを切替えることが可能に構成されている。内燃機関１０Ｂの暖機完了前においては、ラジエータ１２２を迂回して冷却水が流れるよう、サーモスタット弁４０Ｂの開閉弁は設定されている。

第２冷却水ポンプ５２により圧送された冷却水は、他の冷却水路３４Ｂを流れて、機関本体２０を貫流する。機関本体２０内を通って高温となった他の冷却水路３４Ｂを流れる冷却水は、ラジエータ１２２を通るラジエータ側冷却水路３８Ｂと、ラジエータ１２２を迂回するバイパス冷却水路３９Ｂのうち、いずれか一方を通ってサーモスタット弁４０Ｂに至る。サーモスタット弁４０Ｂに流入した冷却水は、冷却水路４２Ｂから再び第２冷却水ポンプ５２に吸入される。

また、ＥＣＵ１００Ｂは、内燃機関１０Ｂの運転状態に基づいて第１冷却水ポンプ５１及び第２冷却水ポンプ５２がそれぞれ圧送する冷却水流量を制御する機能（ポンプ制御手段）を有している。ポンプ制御手段としてのＥＣＵ１００Ｂが、内燃機関１０Ｂの運転状態に応じて第１冷却水ポンプ５１及び第２冷却水ポンプ５２が圧送する冷却水流量を制御することで、排気ポート側冷却水路３３Ｂを流れる冷却水流量と、他の冷却水路３４Ｂを流れる冷却水流量を、それぞれ別個に調整することが可能となっている。つまり、内燃機関１０Ｂは、排気ポート側冷却水路３３Ｂの冷却水流量を、他の冷却水路３４Ｂの冷却水流量とは別に調整する機能である流量制御手段（５１，１００Ｂ）を有している。

次に、本実施例に係る内燃機関において、流量制御手段としてのＥＣＵが実行する冷却水の流量制御について、図５及び図６を用いて説明する。図６は、ＥＣＵが実行する冷却水の流量制御のフローチャートである。

図５及び図６に示すように、ＥＣＵ１００Ｂは、ステップＳ２００において、内燃機関１０Ｂの運転状態に係る各種の制御変数を取得する。制御変数には、機関回転速度及び機関負荷が含まれている。なお、内燃機関１０が搭載される自動車が、原動機として、二次電池から電気エネルギの供給を受けて力行する回転電機（モータ・ジェネレータ）を備えている場合、ＥＣＵ１００が取得する制御変数に、回転電機が出力するトルクや、二次電池の蓄電状態（ＳＯＣ）を含むものとしても良い。

そして、ステップＳ２０２において、ＥＣＵ１００Ｂは、内燃機関１０Ｂの運転状態に係る制御変数に基づいて、排気浄化触媒８０における現在の排気温度を推定する。

そして、ステップＳ２０４において、ＥＣＵ１００Ｂは、推定された排気温度と、予め設定された排気温度上限値に基づいて、排気ポート側冷却水路３３Ｂの冷却水流量を低減させて、機関本体２０のうち排気ポート側を弱冷却状態にすることが可能であるか否かを判定する。具体的には、推定された排気温度が、排気温度上限値を所定の差分値を以って下回っている場合に、排気ポート側冷却水路３３の冷却水流量の低減が可能である（Ｙｅｓ）と判定する。

排気ポート側冷却水路３３Ｂの冷却水流量の低減が可能である（Ｙｅｓ）と判定された場合、ステップＳ２０６において、ＥＣＵ１００Ｂは、排気ポート側冷却水路３３Ｂに流す冷却水流量を決定する。ＥＣＵ１００Ｂは、排気温度が予め設定された排気温度上限値に達しないよう、推定された排気温度に基づいて排気ポート側冷却水路３３Ｂの冷却水流量を、現在の冷却水流量より減量された値に決定している。

そして、ステップＳ２０８において、ＥＣＵ１００Ｂは、決定された冷却水流量となるように、第１冷却ポンプ５１が圧送する冷却水流量を低下させて、排気ポート側冷却水路３３Ｂの冷却水流量を低減させる。そして、ステップＳ２００に戻る。

一方、ステップＳ２０４において、排気ポート側冷却水路３３Ｂの冷却水流量の低減が可能ではない（Ｎｏ）と判定された場合、ＥＣＵ１００Ｂは、排気温度が高く、内燃機関１０Ｂにおいてノッキングが生じる虞があるものと判断して、ステップＳ２１０において、他の冷却水路３４Ｂの冷却水流量を決定する。ＥＣＵ１００Ｂは、内燃機関１０Ｂにおいてノッキングが生じないよう、他の冷却水路３４Ｂの冷却水流量を、現在の冷却水流量より増量された値に決定する。

そして、ステップＳ２１２において、ＥＣＵ１００Ｂは、決定された冷却水流量となるように、第２冷却水ポンプ５２が圧送する冷却水流量を増大させて、他の冷却水路３４Ｂの冷却水流量を増大させる。そして、ステップＳ２００に戻る。

以上の冷却水の流量制御を行って、排気ポート側を弱冷却可能であると判定された場合には、排気ポート側冷却水路３３Ｂの冷却水流量を低減させることで、排気ポート及び排気マニホールドの温度を上昇させて、排気ポート及び排気マニホールドを流れる排出ガスの温度低下を抑制して、ターボ過給機７０のタービン７２に流入する排出ガスの温度を上昇させることができる。これにより、ターボ過給機７０の効率を向上させることができる。一方、排気ポート側を弱冷却可能ではないと判定された場合、すなわち排気温度が高くノッキングが生じ易い状態にあると判定された場合には、他の冷却水路３４Ｂの冷却水流量を増大させることで、ノッキングが生じることを抑制することができる。

以上に説明したように本実施例では、流量制御手段は、排気ポート側冷却水路３３Ｂに設けられ、圧送する冷却水流量を調整可能な第１冷却水ポンプ５１と、他の冷却水路３４Ｂに設けられ、圧送する冷却水流量を調整可能な第２冷却水ポンプ５２と、第１及び第２冷却水ポンプ５１，５２がそれぞれ圧送する冷却水流量を制御可能なポンプ制御手段としてのＥＣＵ１００Ｂと、を含み、ポンプ制御手段としてのＥＣＵ１００Ｂは、第１冷却水ポンプ５１が圧送する冷却水流量を低下させて排気ポート側冷却水路３３Ｂを流れる冷却水流量を低減させるものとした。ＥＣＵ１００Ｂにより第１冷却水ポンプ５１が圧送する冷却水流量を低減させるだけで、排気ポート等を流れる排出ガスの温度低下を抑制して、ターボ過給機７０のタービン７２に流入する排出ガスの温度を上昇させることができる。これにより、排気温度が低い場合には、タービン７２に流入する排出ガスの温度を上昇させて、ターボ過給機７０の効率を向上させることができる。

なお、上述した実施例において、排気ポート側冷却水路（３３；３３Ｂ）は、機関本体２０のシリンダヘッドのうち、排気側を流れる流路として構成され、排気ポート側冷却水路以外の、他の冷却水路（３４；３４Ｂ）は、機関本体２０のシリンダブロックと、シリンダヘッドのうち吸気側を流れる流路として構成されるものとしたが、排気ポート側冷却水路及び他の冷却水路の態様は、これに限定されるものではない。排気ポート側冷却水路は、機関本体において排気ポート側を通り、ターボ過給機のタービンに流入する排出ガスの温度を調整可能なものであれば良く、例えば、排気ポート側冷却水路を、シリンダヘッドに設けられている冷却水路とし、排気ポート側冷却水路以外の他の冷却水路を、シリンダブロックに設けられている冷却水路であるものとし、シリンダヘッドを流れる冷却水の流量を、内燃機関の運転状態に応じて低減させて、排気ポートにおける排気温度の低下を抑制するものとしても良い。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、ターボ過給機を備えた内燃機関に有用であり、特に、複数経路の冷却水路が機関本体に設けられた内燃機関に適している。

実施例１に係る内燃機関の構成を示す模式図である。実施例１に係る内燃機関のＥＣＵが実行する冷却水の流量制御のフローチャートである。機関回転速度及び機関負荷と、排気温度との関係を示す図である。推定された排気温度から、排気ポート側冷却水路の冷却水流量を決定する方法を説明する図である。実施例２に係る内燃機関の構成を示す模式図である。実施例２に係る内燃機関のＥＣＵが実行する冷却水の流量制御のフローチャートである。

符号の説明

１０，１０Ｂ内燃機関
２０機関本体
３０冷却水ポンプ（流量制御手段）
３３，３３Ｂ排気ポート側冷却水路
３４，３４Ｂ他の冷却水路
４０，４０Ｂサーモスタット弁
５０流量調整弁
５１第１冷却水ポンプ
５２第２冷却水ポンプ
６０排気マニホールドの合流部
７０ターボ過給機
７２タービン
８０排気浄化触媒
１００内燃機関用電子制御装置（ＥＣＵ、流量制御手段、調整弁制御手段）
１００Ｂ内燃機関用電子制御装置（ＥＣＵ、流量制御手段、ポンプ制御手段）
１２０，１２１，１２２ラジエータ

Claims

ターボ過給機を備え、複数経路の冷却水路が機関本体に設けられた内燃機関であって、
内燃機関からの機械的動力を受けて駆動されて、全ての冷却水路に冷却水を圧送可能な冷却水ポンプと、
複数経路の冷却水路のうち、少なくとも最も排気ポート側を通る冷却水路である排気ポート側冷却水路の冷却水流量を、他の冷却水路に対して調整可能な流量制御手段と、を備え、
流量制御手段は、
排気ポート側冷却水路に設けられ、当該排気ポート側冷却水路の冷却水流量を調整可能な流量調整弁と、
排気温度を推定する排気温度推定手段と、
推定された排気温度が予め設定された排気温度上限値を所定の差分値を以って下回っている場合に排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させると判定することで、前記推定された排気温度と前記排気温度上限値に基づいて前記排気ポート側冷却水路の前記冷却水流量を低減させるか否かを判定する弱冷可否判定手段と、
排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させると判定された場合に、予め求められている前記排気温度と前記冷却水流量との関係に基いて前記排気温度上限値に達する前記冷却水流量の下限水量を推定して、前記下限水量以上となる値に前記冷却水流量を決定することで、排気温度が予め設定された排気温度上限値に達しないよう推定された排気温度に基づいて排気ポート側冷却水路の冷却水流量を決定する流量決定手段と、
内燃機関の運転状態に基づいて流量調整弁の開度を制御可能で、かつ、前記決定された値の前記冷却水流量に応じて前記流量調整弁の開度を低下させて排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させる調整弁制御手段と、
を有して、
内燃機関の運転状態に基づいて排気ポート側冷却水路の冷却水流量を低減させることを特徴とする内燃機関。