JP7230648B2

JP7230648B2 - エンジンの冷却システム

Info

Publication number: JP7230648B2
Application number: JP2019071059A
Authority: JP
Inventors: 元雄早川; 淳一瀬口; 一豊渡邉; 達也 ▲高▼▲旗▼; 晋治渡部; 勝也村上; 信彦横山
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2019-04-03
Filing date: 2019-04-03
Publication date: 2023-03-01
Anticipated expiration: 2039-04-03
Also published as: JP2020169599A

Description

ここに開示された技術は、エンジンの冷却システムに関する技術分野に属する。

従来より、空燃比が理論空燃比よりもリーンな混合気を燃焼させるリーン燃焼と、空燃比が該理論空燃比近傍の混合気を燃焼させるストイキ燃焼とを実行するエンジンに設けられる冷却システムが知られている。

例えば、特許文献１には、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と、エンジン水温調整装置を操作する制御装置とを備え、制御装置は、内燃機関がリーン燃焼を実行する場合は、エンジンヘッドを通過した冷却水の温度が第１温度域に入るようにエンジン水温調整装置を操作し、内燃機関がストイキ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１温度域よりも低温の第２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いる、冷却システムが開示されている。

特開２０１７－１８０１１０号公報

ところで、リーン燃焼とストイキ燃焼とを切り替え可能なエンジンでは、燃費向上の観点から、出来る限りリーン燃焼を行うことが好ましい。リーン燃焼を実現するためには、燃焼室の壁温を高い時状態に保つ必要がある。

しかし、リーン燃焼は燃焼温度が低いため、燃焼室の壁温が低下しやすい。燃焼室の壁温が下がると、燃焼室の壁温をリーン燃焼が可能な温度に再度上昇させるために、ストイキ燃焼への切り換えが必要になる。

特許文献１記載の冷却システムでは、ストイキ燃焼時のエンジン冷却液の温度の目標値が、リーン燃焼時のエンジン冷却液の温度の目標値に比べて低いため、ストイキ燃焼時のエンジンヘッドの温度も、リーン燃焼時のエンジンヘッドの温度に比べて低くなる。このため、燃焼室の壁温をリーン燃焼が可能な温度まで再度上昇させることが困難になる。

ここに開示された技術は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼室の壁温の低下により、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り換えが発生したとしても、早期にストイキ燃焼からリーン燃焼への切り換えが可能な冷却システムを提供することにある。

前記課題を解決するために、ここに開示された技術では、空燃比が理論空燃比よりもリーンな混合気を燃焼させるリーン燃焼と、空燃比が該理論空燃比の混合気を燃焼させるストイキ燃焼とを切り替え可能なエンジンの冷却システムを対象として、エンジン冷却液を供給するポンプと、前記エンジンのシリンダボアを冷却するためにエンジン冷却液が流通するボア通路と、前記エンジンのシリンダヘッドに設けられ、該シリンダヘッドの燃焼室近傍の壁部を冷却するためにエンジン冷却液が流通するヘッド通路と、前記ボア通路を通
って、前記ヘッド通路を通った後、エンジン冷却液を冷却させるラジエータを経由して、前記ポンプにエンジン冷却液を流入させる第１通路と、前記ボア通路を通って、前記ヘッド通路を通った後、前記ラジエータを迂回して前記ポンプにエンジン冷却液を流入させる第２通路と、エンジン冷却液の液温を取得する液温取得部と、前記第１通路に設けられ、該第１通路を通って前記ポンプに還流するエンジン冷却液の流量を調整する第１流量調整装置と、前記第２通路に設けられ、該第２通路を通って前記ポンプに還流するエンジン冷却液の流量を調整する第２流量調整装置と、前記第１及び第２流量調整装置を作動制御する制御部とを備え、前記エンジンは、検出又は推定される前記燃焼室の壁部の温度に基づいて、前記リーン燃焼と前記ストイキ燃焼とが切り替えられるエンジンであり、前記制御部は、前記リーン燃焼と前記ストイキ燃焼とで、前記燃焼室の壁部の目標温度を同じ温度に設定するとともに、該目標温度と前記液温取得部の検出結果との差分が大きいときには、該差分が小さいときと比較して、前記ポンプに還流するエンジン冷却液の流量が少なくなるように前記第１及び第２流量調整装置を制御する、という構成とした。

この構成によると、制御部は、リーン燃焼とストイキ燃焼とで同じ目標温度を設定するため、燃焼室の壁温が低下して、リーン燃焼からストイキ燃焼に切り替わったとしても、燃焼室の壁温をリーン燃焼が可能な温度まで早急に上昇させることができる。また、目標温度とエンジン冷却液との温度の差が大きいときの方がポンプに還流する冷却液の流量が少なくなるため、エンジン冷却液はボア通路やヘッド通路に留まりやすくなる。これにより、ボア通路やヘッド通路のエンジン冷却液が過熱されて、燃焼室の壁部が高温の状態になる。この結果、燃焼室の壁温を早急に上昇させることができる。

したがって、燃焼室の壁温の低下により、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り換えが発生したとしても、早期にストイキ燃焼からリーン燃焼への切り換えが可能になる。

前記エンジンの冷却システムにおいて、前記制御部は、前記目標温度と前記液温取得部の検出結果との差分が同じ量である場合に、前記ストイキ燃焼時の方が、前記リーン燃焼時に比べて、前記ポンプに還流するエンジン冷却液の流量が多くなるように前記第２流量調整装置に制御信号を出力する、という構成でもよい。

すなわち、ストイキ燃焼時には、燃焼室の壁温をリーン燃焼が可能な温度まで早急に上昇させることが好ましいが、ストイキ燃焼時は燃焼室の壁温が上がりやすいため、燃焼室の壁温が上がり過ぎる可能性がある。燃焼室の壁温が上がりすぎると、ノッキング等の異常燃焼が発生することがある。一方で、リーン燃焼時は、燃焼室の壁温を出来る限り高い状態に維持することが望ましい。このため、ストイキ燃焼時のエンジン冷却液の流量をリーン燃焼時よりも多くすることで、ストイキ燃焼時には、特に、目標温度とエンジン冷却液との温度の差が小さいときに、燃焼室の壁温が上がり過ぎることを抑制することができ、リーン燃焼時には、燃焼室の壁温を出来る限り高い状態に保つことができる。

前記エンジンの冷却システムにおいて、前記液温取得部は、前記ヘッド通路を流通するエンジン冷却液の液温を取得するように配設されている、という構成でもよい。

この構成によると、液温取得部で取得されるエンジン冷却液の液温は、ヘッド通路の液温であるため、燃焼室の壁温を精度良く反映している。このため、目標温度に到達するまでの流量調整装置の制御を精度良く行うことができる。これにより、より早期にストイキ燃焼からリーン燃焼への切り換えが可能になる。

前記エンジンの冷却システムにおいて、前記エンジンは、該エンジンの運転状態が、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて設定される所定のリーン燃焼領域であるときには、前記リーン燃焼を実行し、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて設定される所定のストイキ燃焼領域であるときには、前記ストイキ燃焼を実行するように構成されており、前記リーン燃焼領域におけるエンジン負荷の範囲及びエンジン回転数の範囲と、前記ストイキ燃焼領域におけるエンジン負荷の範囲及びエンジン回転数の範囲とは重複している、という構成でもよい。

この構成によると、同じエンジン負荷の範囲及び同じエンジン回転数であっても、検出又は推定される燃焼室の壁温に基づいて、リーン燃焼とストイキ燃焼とが切り替えられることになる。このため、燃焼室の壁温の低下により、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り換えが発生したとしても、早期にストイキ燃焼からリーン燃焼への切り換えを可能にするという効果をより適切に発揮することができる。

前記エンジンの冷却システムにおいて、前記リーン燃焼及び前記ストイキ燃焼における前記エンジンの燃焼方式は、燃料と吸気との混合気を点火プラグにより火花点火させるＳＩ燃焼と、燃料と吸気との混合気を圧縮自着火させるＣＩ燃焼とが組み合わされた燃焼方式である、という構成でもよい。

この構成によると、ＳＩ燃焼によりＣＩ燃焼が発生するタイミングをある程度制御しながら、混合気を燃焼させることができる。これにより、異常燃焼を抑制しつつ、ＣＩ燃焼によりエンジンの燃費を向上させることができる。

前記エンジンの冷却システムにおいて、前記制御部は、前記目標温度と前記液温取得部の検出結果との差分が大きくなるほど、前記ポンプに還流するエンジン冷却液の流量が少なくなるように前記第２流量調整装置に制御信号を出力する、という構成でもよい。

この構成によると、ストイキ燃焼時には燃焼室の壁温を早急に上昇させつつ、該壁温が目標温度を超えることを効果的に抑制することができる。

前記エンジンの冷却システムにおいて、前記流量調整装置は、開き状態と閉じ状態とが切り替えられるオン／オフ式の弁であり、前記制御部は、前記目標温度と前記液温取得部の検出結果との差分が大きくなるほど、前記ポンプに還流する、単位時間当たりのエンジン冷却液の流量が少なくなるように前記第２流量調整装置に制御信号を出力する、という構成でもよい。

この構成によると、流量調整装置はオン／オフ式の弁であるため応答性が高い。また、ストイキ燃焼時には燃焼室の壁温を早急に上昇させつつ、該壁温が目標温度を超えることを効果的に抑制することができる。

以上説明したように、ここに開示された技術によると、リーン燃焼とストイキ燃焼とで同じ目標温度を設定するため、燃焼室の壁温が低下して、リーン燃焼からストイキ燃焼に切り替わったとしても、燃焼室の壁温をリーン燃焼が可能な温度まで早急に上昇させることができる。また、目標温度とエンジン冷却液との温度の差が大きいときの方がポンプに還流する冷却液の流量が少なくなるため、ボア通路やヘッド通路のエンジン冷却液が過熱されて、燃焼室を形成する壁部が高温の状態になる。この結果、燃焼室の壁温を早急に上昇させることができる。したがって、燃焼室の壁温の低下により、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り換えが発生したとしても、早期にストイキ燃焼からリーン燃焼への切り換えができるようになる。

例示的な実施形態に係る冷却システムが採用されたエンジンの構成を示す概略図である。エンジン本体のシリンダヘッドにおける燃焼室を形成する部分を示す断面図である。冷却システムの概略図である。エンジン及び冷却システムの制御系を示すブロック図である。エンジンのマップを例示する図であって、上図は温間時のマップ、中図は半暖機時のマップ、下図は冷間時のマップである。エンジンのマップのレイヤ構造を示す図である。マップのレイヤ選択時におけるＥＣＵの処理動作を示すフローチャートである。目標温度と第２検出液温との差分と、ラジエータ迂回通路のエンジン冷却液の流量との関係を示すグラフである。燃焼室の壁部の温度制御時のＥＣＵの処理動作を示すフローチャートである。

以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１には、本実施形態に係る冷却システム６０（図３参照）が適用された過給機付エンジン１（以下、単にエンジン１という）の構成を示す。エンジン１は、燃焼室１７が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する４ストロークエンジンである。エンジン１は、四輪の車両（ここでは、自動車）に搭載される。エンジン１が運転することによって、車両は走行する。エンジン１の燃料は、この構成例においてはガソリンを主成分とする液体燃料である。

（エンジンの構成）
エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを有するエンジン本体１０を備えている。エンジン本体１０は、シリンダブロック１２の内部に複数の気筒１１（シリンダボア）が形成された多気筒エンジンである。図１では、一つの気筒１１のみを示す。エンジン本体１０の他の気筒１１は、図１の紙面に垂直な方向に並んでいる。

各気筒１１内には、ピストン３が摺動自在に内挿されている。ピストン３は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。ピストン３は、気筒１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画する。具体的には、ピストン３は燃焼室１７の底壁部を構成し、気筒１１は燃焼室１７の側壁部を構成し、シリンダヘッド１３の気筒１１側の壁部１３ａ（以下、ヘッド壁部１３ａという）は、燃焼室１７の天井部を構成する。尚、「燃焼室」は、ピストン３が圧縮上死点に至ったときの空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン３の位置に関わらず、ピストン３、気筒１１及びシリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する場合がある。

シリンダブロック１２における各気筒１１の周囲には、ブロック側ウォータジャケットが設けられている。ブロック側ウォータジャケットには、気筒１１を冷却するエンジン冷却液が流通している。つまり、ブロック側ウォータジャケットは、気筒１１（シリンダボア）を冷却するためにエンジン冷却液が流通するボア通路６３を構成する。本実施形態では、図２に示すように、ボア通路６３には、ウォータジャケットスペーサ１２ａが配置されている。ウォータジャケットスペーサ１２ａにより、エンジン冷却液を、気筒１１に出来る限り近い領域に流通させることができるとともに、エンジン冷却液を不図示のヒータコア等に送るための通路に適宜分岐させることができるようになっている。

エンジン冷却液は、ボア通路６３を通った後、シリンダヘッド１３内に設けられたヘッド側ウォータジャケットに流入する。図２に示すように、ヘッド側ウォータジャケットは、燃焼室１７の直上及び後述の排気ポート１９の周囲に形成されている。つまり、ヘッド側ウォータジャケットは、シリンダヘッド１２の燃焼室１７近傍の部分、特に、ヘッド壁部１３ａを冷却するためにエンジン冷却液が流通するヘッド通路６４を構成する。詳しくは後述するが、ヘッド通路６４を通過したエンジン冷却液は、ラジエータ通路６５及びラジエータ迂回通路６６に分岐する。

シリンダヘッド１３には、気筒１１毎に、吸気ポート１８が形成されている。吸気ポート１８は、燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８には、吸気弁２１が配設されている。吸気弁２１は、燃焼室１７と吸気ポート１８との間を開閉する。吸気弁２１は、動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。本実施形態では、可変動弁機構は、吸気電動Ｓ－ＶＴ（Sequential-Valve Timing）２３（図４参照）を有している。吸気電動Ｓ－ＶＴ２３は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、吸気弁２１の開時期及び閉時期は、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動Ｓ－ＶＴに代えて、油圧式のＳ－ＶＴを有していてもよい。

シリンダヘッド１３には、気筒１１毎に、排気ポート１９が形成されている。排気ポート１９は、燃焼室１７に連通している。排気ポート１９には、排気弁２２が配設されている。排気弁２２は、燃焼室１７と排気ポート１９との間を開閉する。排気弁２２は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。この動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。本実施形態では、可変動弁機構は、排気電動Ｓ－ＶＴ２４（図４参照）を有している。排気電動Ｓ－ＶＴ２４は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、排気弁２２の開時期及び閉時期は、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動Ｓ－ＶＴに代えて、油圧式のＳ－ＶＴを有していてもよい。

シリンダヘッド１３には、気筒１１毎に、気筒１１内に燃料を直接噴射するインジェクタ６が取り付けられている。インジェクタ６は、その噴口が燃焼室１７の天井部の中央部分（厳密には、中央よりも僅かに排気側の部分）から、その燃焼室１７内に臨むように配設されている。インジェクタ６は、エンジン本体１０の運転状態に応じた量の燃料を、エンジン本体１０の運転状態に応じて設定された噴射タイミングで燃焼室１７内に直接噴射する。

シリンダヘッド１３には、気筒１１毎に、点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ２５は、本実施形態では、吸気側に配設されている。点火プラグ２５の電極は、燃焼室１７の中に臨んでかつ、燃焼室１７の天井部の付近に位置している。尚、点火プラグ２５は、排気側に配置されていてもよい。また、点火プラグ２５を気筒１１の中心軸上に配置する一方、インジェクタ６を、気筒１１の中心軸よりも吸気側又は排気側に配設してよい。

本実施形態において、エンジン本体１０の幾何学的圧縮比は、１３以上３０以下に設定されている。後述するようにエンジン１は、該エンジン１の暖機後の全運転領域において、燃料と吸気との混合気を点火プラグ２５により火花点火させるＳＩ（Spark Ignition）燃焼と、燃料と吸気との混合気を圧縮自着火させるＣＩ（Compression Ignition）燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ（Spark Controlled Compression Ignition）燃焼を行う。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼による発熱と圧力上昇とを利用して、ＣＩ燃焼をコントロールする。エンジン１の幾何学的圧縮比は、レギュラー仕様（燃料のオクタン価が９１程度）においては、１４～１７とし、ハイオク仕様（燃料のオクタン価が９６程度）においては、１５～１８としてもよい。

エンジン本体１０の一側面には吸気通路４０が接続されている。吸気通路４０は、各気筒１１の吸気ポート１８に連通している。吸気通路４０は、燃焼室１７に導入する吸気が流れる通路である。

吸気通路４０の上流端近傍には、新気を濾過するエアクリーナー４１が配設されている。吸気通路４０の下流端近傍には、サージタンク４２が配設されている。サージタンク４２よりも下流の吸気通路４０は、気筒１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各気筒１１の吸気ポート１８に接続されている。

吸気通路４０におけるエアクリーナー４１とサージタンク４２との間には、スロットル弁４３が配設されている。スロットル弁４３は、弁の開度を調整することによって、燃焼室１７の中への新気の導入量を調整するよう構成されている。

吸気通路４０には、スロットル弁４３の下流に、機械式過給機４４（以下、単に過給機４４という）のコンプレッサが配設された過給側通路４０ａが設けられている。過給機４４は、燃焼室１７に導入する吸気を過給するよう構成されている。本実施形態において、過給機４４は、エンジン本体１０によって駆動される過給機である。過給機４４は、例えばリショルム式としてもよい。過給機４４の構成は特に限定されない。過給機４４は、ルーツ式、ベーン式、又は遠心式であってもよい。

過給機４４とエンジン本体１０との間には、電磁クラッチ４５が介設している。電磁クラッチ４５は、過給機４４とエンジン本体１０との間で、エンジン本体１０から過給機４４へ駆動力を伝達したり、該駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ＥＣＵ１００が電磁クラッチ４５の遮断及び接続を切り替えることによって、過給機４４は駆動状態と非駆動状態とが切り替わる。つまり、電磁クラッチ４５は、過給機４４の駆動と非駆動とを切り換えるクラッチである。このエンジン１は、過給機４４が、燃焼室１７に導入する吸気を過給することと、過給機４４が、燃焼室１７に導入する吸気を過給しないこととを切り替えることができるよう構成されている。

過給側通路４０ａにおける過給機４４の直下流には、インタークーラー４６が配設されている。インタークーラー４６は、過給機４４において圧縮された吸気を冷却するよう構成されている。本実施形態において、インタークーラー４６は液冷式である。図示は省略しているが、本実施形態では、インタークーラー４６には、エンジン冷却液とは別のインタークーラー冷却液が流通する独立した冷却通路が接続されている。該冷却通路には電動ポンプが設けられており、該電動ポンプによりインタークーラー冷却液が当該冷却通路を循環する。

吸気通路４０には、バイパス通路４７が接続されている。バイパス通路４７は、過給機４４及びインタークーラー４６をバイパスするよう、吸気通路４０における過給機４４の上流側の部分とインタークーラー４６の下流側の部分とを接続する。バイパス通路４７には、該バイパス通路４７を開閉するエアバイパス弁４８が配設されている。

過給機４４を非駆動状態にしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を遮断したとき）には、エアバイパス弁４８を開き状態（オン状態）にする。これにより、吸気通路４０を流れるガスは、過給機４４をバイパスして、エンジン１の燃焼室１７に導入される。エンジン１は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。

過給機４４をオン状態（すなわち、電磁クラッチ４５を接続状態）にすると、エンジン１は過給状態で運転する。ＥＣＵ１００は、過給機４４がオン状態のときに、エアバイパス弁４８の開度を調整する、過給機４４を通過したガスの一部は、バイパス通路４７を通って過給機４４の上流に逆流する。ＥＣＵ１００がエアバイパス弁４８の開度を調整すると、燃焼室１７に導入するガスの過給圧が変わる。尚、過給時とは、サージタンク４２内の圧力が大気圧を超える時をいい、非過給時とは、サージタンク４２内の圧力が大気圧以下になる時をいう、と定義してもよい。

エンジン本体１０の他側面には、排気通路５０が接続されている。排気通路５０は、各気筒１１の排気ポート１９に連通している。排気通路５０は、燃焼室１７から排出された排気が流れる通路である。排気通路５０の上流部分は、詳細な図示は省略するが、気筒１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各気筒１１の排気ポート１９に接続されている。

排気通路５０には、複数の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。上流の触媒コンバーターは、図示は省略するが、エンジンルーム内に配設されている。上流の触媒コンバーターは、三元触媒５１１と、ＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）５１２とを有している。下流の触媒コンバーターは、エンジンルーム外に配設されている。下流の触媒コンバーターは、三元触媒５１３を有している。尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されるものではない。例えば、ＧＰＦは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びＧＰＦの並び順は、適宜変更してもよい。

吸気通路４０と排気通路５０との間には、外部ＥＧＲシステムを構成するＥＧＲ通路５２が接続されている。ＥＧＲ通路５２は、排気の一部を吸気通路４０に還流させるための通路である。ＥＧＲ通路５２の上流端は、排気通路５０における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。ＥＧＲ通路５２の下流端は、吸気通路４０における過給機４４の上流に接続されている。ＥＧＲ通路５２を流れる排気（以下、ＥＧＲガスという）は、吸気通路４０に導入される時には、バイパス通路４７のエアバイパス弁４８を通らずに、吸気通路４０における過給機４４の上流に入る。

ＥＧＲ通路５２には、液冷式のＥＧＲクーラー５３が配設されている。ＥＧＲクーラー５３は、ＥＧＲ通路５２を通るＥＧＲガスを冷却する。図示は省略しているが、本実施形態では、ＥＧＲクーラー５３には、ボア通路６３から分岐した通路を通ったエンジン冷却液が流入する。ＥＧＲ通路５２には、ＥＧＲ弁５４が配設されている。ＥＧＲ弁５４は、ＥＧＲ通路５２を流れるＥＧＲガスの流量を調整するよう構成されている。ＥＧＲ弁５４の開度を調整することによって、冷却したＥＧＲガスの還流量を調整することができる。ＥＧＲ弁５４は、オン／オフ式弁で構成されていてもよく、開度を連続的に変化させることが可能な弁で構成されていてもよい。

（エンジンの冷却システム）
次に、エンジン１の冷却システム６０について説明する。図３に示すように、エンジン１の冷却システム６０は、エンジン冷却液を供給するポンプ６１と、ポンプ６１からエンジン本体１０のボア通路６３に流入させる入口通路６２と、ボア通路６３及びヘッド通路６４と、ボア通路６３を通って、ヘッド通路６４を通った後、エンジン冷却液を冷却させるラジエータ７０を経由してポンプ６１に流入するラジエータ通路６５（第１通路）と、ボア通路６３を通って、ヘッド通路６４を通った後、ラジエータ７０を迂回してポンプ６１にエンジン冷却液を流入させるラジエータ迂回通路６６（第２通路）とを有する。

ポンプ６１は、エンジン本体１０のクランクシャフト１５に連動して駆動される機械式のポンプである。第１ポンプ６１の吐出口は、入口通路６２に接続されている。ポンプ６１には、入口通路６２に吐出するエンジン冷却液の液温を検出する第１液温センサＳＷ４が設けられている。ポンプ６１からのエンジン冷却液の吐出量は、エンジン回転数とポンプ６１へのエンジン冷却液の還流量とにより変動する。尚、第１液温センサＳＷ４は、入口通路６２を流通するエンジン冷却液の液温を検出するように配置されていてもよい。

入口通路６２は、ポンプ６１の吐出口とボア通路６３の入口とを連通する。ポンプ６１から吐出されたエンジン冷却液が、ボア通路６３全体を流通するように、入口通路６２は、ボア通路６３のうち、気筒列方向における一端側でかつ気筒１１の筒軸方向におけるシリンダヘッド１３とは反対側の端部と接続されている。

ボア通路６３は、前述したように、各気筒１１の周囲を囲むように設けられている。ボア通路６３の出口は、ボア通路６３のうち、気筒列方向における他端側でかつ前記筒軸方向におけるシリンダヘッド１３側の端部に設けられている。

ヘッド通路６４は、前述したように、燃焼室１７の直上及び排気ポート１９の周囲に形成されている。ヘッド通路６４の入口は、ボア通路６３の出口と同様に、気筒列方向における他端側に設けられる一方、ヘッド通路６４の出口は気筒列方向における一端側に設けられている。ヘッド通路６４の出口近傍には、該ヘッド通路６４を流通するエンジン冷却液の液温を検出する第２液温センサＳＷ５が侵入している。第２液温センサＳＷ５は、エンジン本体１０と熱交換した直後のエンジン冷却液の液温を取得するセンサであり、第２液温センサＳＷ５の検出結果は、基本的には、エンジン冷却液の液温が最も高くなる位置における、該エンジン冷却液の液温を示す。

ラジエータ通路６５は、ヘッド通路６４の下流端から分岐している。ラジエータ通路６５におけるラジエータ７０とポンプ６１との間には、サーモスタット弁８０が配置されている。サーモスタット弁８０は、電気式のサーモスタット弁で構成されている。具体的には、サーモスタット弁８０は、一般的なサーモスタット弁に電熱線を内蔵させた弁である。サーモスタット弁８０は、無通電時には、エンジン冷却液の液温が、所定液温以上であるときに、その温度に応じて開くように構成されているが、電熱線に電流を流すことで、エンジン冷却液の液温が所定液温未満のときでも開くことができるようになっている。つまり、無通電時には、所定液温でサーモスタット弁８０が開くことにより、ラジエータ通路６５内のエンジン冷却液の液温を所定液温付近にすることができる一方、通電時には、所定液温未満の所望の液温でサーモスタット弁８０が開くことにより、ラジエータ通路６５内のエンジン冷却液の液温を所望の液温にすることができる。尚、本実施形態において、所定液温は後述する第１所定壁温よりも高い９５℃程度に設定されている。

ラジエータ迂回通路６６も、ラジエータ通路６５と同様に、ヘッド通路６４の下流端から分岐している。ラジエータ迂回通路６６の途中には、流量調整弁９０が配置されている。流量調整弁９０は、オン状態のときに一定開度の開き状態となり、オフ状態のときに全閉の閉じ状態となる。流量調整弁９０は、開き状態の時間及び閉じ状態の時間を調整することで、より詳しくは、単位時間当たりの開き状態及び閉じ状態の割合（以下、デューティ比という）を調整することで、ラジエータ迂回通路６６を通るエンジン冷却液の流量を調整する。尚、流量調整弁９０は、オン状態のときに閉じ状態となり、オフ状態のときに開き状態となる弁でもよい。流量調整弁９０は、ラジエータ迂回通路６６を開閉することで、該ラジエータ迂回通路６６を流通するエンジン冷却液の流量を調整する流量調整装置に相当する。

詳しくは後述するが、流量調整弁９０のデューティ比は、第２液温センサＳＷ５の検出結果及びエンジン１の燃焼形式に基づいて制御される。

（エンジンの制御系）
エンジン１の制御装置は、エンジン１を運転するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）１００を備えている。ＥＣＵ１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、図４に示すように、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）１０１と、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ１０２と、電気信号の入出力をする入出力バス１０３と、を備えている。ＥＣＵ１００は、制御部の一例である。

ＥＣＵ１００には、図１、図３、及び図４に示すように、各種のセンサＳＷ１～ＳＷ７が接続されている。センサＳＷ１～ＳＷ７は、検知信号をＥＣＵ１００に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。

すなわち、吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されかつ吸気通路４０を流れる新気の流量を検知するエアフローセンサＳＷ１、サージタンク４２に取り付けられかつ燃焼室１７に供給される吸気の温度を検知する吸気温度センサＳＷ２、排気通路５０に配置されかつ燃焼室１７から排出した排気ガスの温度を検知する排気温度センサＳＷ３、ポンプ６１に取り付けられかつボア通路６３に流入するエンジン冷却液の液温を検出する第１液温センサＳＷ４、エンジン本体１０のシリンダヘッド１３に取り付けられかつヘッド通路６４を流通するエンジン冷却液の液温を検出する第２液温センサＳＷ５、エンジン本体１０に取り付けられかつクランクシャフト１５の回転角を検知するクランク角センサＳＷ６、アクセルペダル機構に取り付けられかつアクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検知するアクセル開度センサＳＷ７である。

ＥＣＵ１００は、これらの検出信号に基づいて、エンジン本体１０の運転状態を判断するとともに、各デバイスの制御量を計算する。ＥＣＵ１００は、計算をした制御量に係る制御信号を、インジェクタ６、点火プラグ２５、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３、排気電動Ｓ－ＶＴ２４、スロットル弁４３、過給機４４の電磁クラッチ４５、エアバイパス弁４８、ＥＧＲ弁５４、サーモスタット弁８０、及び流量調整弁９０に出力する。

例えば、ＥＣＵ１００は、クランク角センサＳＷ６の検出信号に基づいてエンジン本体１０のエンジン回転数を算出する。ＥＣＵ１００は、アクセル開度センサＳＷ７の検出信号に基づいてエンジン本体１０のエンジン負荷を算出する。

また、ＥＣＵ１００は、算出されたエンジン回転数とエンジン負荷とに基づいてエンジン１の運転領域を読み込んだ後、燃焼室１７の壁部の目標温度を設定する。

また、ＥＣＵ１００は、設定された目標温度に基づいて、入口通路６１に吐出すべきエンジン冷却液の液温である入口目標液温を設定する。

また、ＥＣＵ１００は、エンジン本体１０の運転状態（主に、エンジン負荷及びエンジン回転数）と予め設定したマップとに基づいて目標ＥＧＲ率（つまり、燃焼室１７の中の全ガスに対するＥＧＲガスの比率）を設定する。そして、ＥＣＵ１００は、目標ＥＧＲ率とアクセル開度センサＳＷ７の検知信号に基づく吸入空気量とに基づき目標ＥＧＲガス量を決定するとともに、ＥＧＲ弁５４の開度を調整することにより、燃焼室１７の中に導入する外部ＥＧＲガス量が目標ＥＧＲガス量となるようにフィードバック制御を行う。

（エンジンの運転領域）
図５は、エンジン１の制御に係るマップを例示している。マップは、ＥＣＵ１００のメモリ１０２に予め記憶されている。マップは、三種類のマップ５０１、マップ５０２、及びマップ５０３を含んでいる。ＥＣＵ１００は、燃焼室１７の壁温に応じて、三種類のマップ５０１，５０２，５０３の中から選択したマップを、エンジン１の制御に用いる。三種類のマップ５０１，５０２，５０３の選択については後述する。

第１マップ５０１は、エンジン１の温間時のマップである。第２マップ５０２は、エンジン１の、いわば半暖機時のマップである。第３マップ５０３は、エンジン１の冷間時のマップである。エンジン１の暖機状態は、第２液温センサＳＷ２の検出結果に基づいて判断される。

各マップ５０１、５０２、５０３は、エンジン１のエンジン負荷及びエンジン回転数によって規定されている。第１マップ５０１は、エンジン負荷の高低及びエンジン回転数の高低に対し、大別して三つの領域に分かれる。具体的には、三つの領域は、アイドル運転を含みかつ、低回転及び中回転の領域に広がる低負荷領域Ａ１、低負荷領域Ａ１よりもエンジン負荷が高い中高負荷領域Ａ２、Ａ３、Ａ４、及び低負荷領域Ａ１、中高負荷領域Ａ２、Ａ３、Ａ４よりもエンジン回転数の高い高回転領域Ａ５である。中高負荷領域Ａ２、Ａ３、Ａ４は、中負荷領域Ａ２と、中負荷領域Ａ２よりもエンジン負荷が高い高負荷中回転領域Ａ３と、高負荷中回転領域Ａ３よりもエンジン回転数の低い高負荷低回転領域Ａ４とに分かれる。

第２マップ５０２は、大別して二つの領域に分かれる。具体的に、二つの領域は、低中回転領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、及び低中回転領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３よりも回転数の高い高回転領域Ｂ４である。低中回転領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、前記低負荷領域Ａ１及び中負荷領域Ａ２に相当する低中負荷領域Ｂ１と、高負荷中回転領域Ｂ２と、高負荷低回転領域Ｂ３とに分かれる。

第３マップ５０３は、複数の領域に分かれておらず、一つの領域Ｃ１のみを有している。

ここで、低回転領域、中回転領域、及び高回転領域はそれぞれ、エンジン１の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域、及び高回転領域の略三等分にしたときの、低回転領域、中回転領域、及び高回転領域としてもよい。図５の例では、第１回転数Ｎ１未満を低回転、第２回転数Ｎ２以上を高回転、第１回転数Ｎ１以上かつ第２回転数Ｎ２未満を中回転としている。第１回転数Ｎ１は、例えば１２００ｒｐｍ程度、第２回転数Ｎ２は、例えば４０００ｒｐｍ程度としてもよい。

また、低負荷領域は、軽負荷の運転状態を含む領域、高負荷領域は、全開負荷の運転状態を含む領域、中負荷は、低負荷領域と高負荷領域との間の領域としてもよい。また、低負荷領域、中負荷領域、及び高負荷領域はそれぞれ、エンジン１の全運転領域を負荷方向に、低負荷領域、中負荷領域、及び高負荷領域の略三等分にしたときの、低負荷領域、中負荷領域、及び高負荷領域としてもよい。

図５のマップ５０１，５０２，５０３は、それぞれ、各領域における混合気の状態及び燃焼形態を示している。エンジン１は、低負荷領域Ａ１、中負荷領域Ａ２、高負荷中回転領域Ａ３、及び高負荷低回転領域Ａ４、並びに、低中負荷領域Ｂ１、高負荷中回転領域Ｂ２、及び高負荷低回転領域Ｂ３において、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。エンジン１は、それ以外の領域、具体的には、高回転領域Ａ５、高回転領域Ｂ４、及び領域Ｃ１においては、ＳＩ燃焼を行う。

本実施形態に係るエンジン１は、図５に示すように、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う運転領域において、空燃比が理論空燃比よりも大きい（空気過剰率λ＞１）混合気を燃焼させるリーン燃焼と、空燃比が該理論空燃比近傍（空気過剰率λ≦１）の混合気を燃焼させるストイキ燃焼とを実行するように構成されている。具体的には、エンジン１は、低負荷領域Ａ１において、リーン燃焼を実行する一方、中負荷領域Ａ２、高負荷中回転領域Ａ３、及び高負荷低回転領域Ａ４、並びに、低中負荷領域Ｂ１、高負荷中回転領域Ｂ２、及び高負荷低回転領域Ｂ３において、ストイキ燃焼を行う。以下、リーン燃焼とストイキ燃焼について詳細に説明する。

（リーン燃焼）
ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転領域が低負荷領域Ａ１であるときには、リーン燃焼を実行させるよう、各種デバイスに制御信号を出力する。

ＥＣＵ１００は、エンジン１の燃費性能を向上させるために、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入させる。具体的には、ＥＣＵ１００は、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４を制御して、排気上死点付近において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。燃焼室１７から吸気ポート１８及び排気ポート１９に排出した排気ガスの一部は、燃焼室１７の中に再導入される。燃焼室１７の中に熱い排気ガスを導入するため、燃焼室１７の中の温度が高くなる。ＳＰＣＣＩ燃焼の安定化に有利になる。尚、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４を、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を閉弁するネガティブオーバーラップ期間を設けるように制御してもよい。

ＥＣＵ１００は、吸気行程中に、燃料を複数回、燃焼室１７内に噴射するようにインジェクタ６を制御する。複数回の燃料噴射と、燃焼室１７内のスワール流とによって、混合気は成層化する。

燃焼室１７の中央部における混合気の燃料濃度は、外周部の燃料濃度よりも濃い。具体的に、中央部の混合気のＡ／Ｆは、２０以上３０以下であり、外周部の混合気のＡ／Ｆは、３５以上である。尚、空燃比の値は、点火時における空燃比の値であり、以下の説明においても同じである。点火プラグ２５に近い混合気のＡ／Ｆを２０以上３０以下にすることにより、ＳＩ燃焼時のＲａｗＮＯｘの発生を抑制することができる。また、外周部の混合気のＡ／Ｆを３５以上にすることで、ＣＩ燃焼が安定化する。

燃焼室１７内に形成される混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）よりもリーンである。具体的には、燃焼室１７の全体において、混合気のＡ／Ｆは２５～３１である。これにより、ＲａｗＮＯｘの発生を抑制することができ、排出ガス性能を向上させることができる。

ＥＣＵ１００は、燃料噴射の終了後、圧縮上死点前の所定のタイミングで、燃焼室１７の中央部の混合気に点火をするように、点火プラグ２５を制御する。点火タイミングは、圧縮行程の終期としてもよい。圧縮行程の終期は、圧縮行程を、初期、中期、及び終期に三等分したときの終期としてもよい。

前述したように、中央部の混合気は燃料濃度が相対的に高いため、着火性が向上するとともに、火炎伝播によるＳＩ燃焼が安定化する。ＳＩ燃焼が安定化することによって、適切なタイミングで、ＣＩ燃焼が開始する。ＳＰＣＣＩ燃焼において、ＣＩ燃焼のコントロール性が向上する。また、混合気のＡ／Ｆを理論空燃比よりもリーンにしてＳＰＣＣＩ燃焼を行うことによって、エンジン１の燃費性能を向上させることができる。尚、低負荷領域Ａ１は、後述のレイヤ３に対応する。レイヤ３は、低負荷運転領域まで広がっているとともに、最低負荷運転状態を含んでいる。

（ストイキ燃焼）
ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転領域が、温間時の中高負荷領域Ａ２～Ａ４、並びに、半暖機時の低中回転領域Ｂ１～Ｂ３であるときには、ストイキ燃焼を実行させるよう、各種デバイスに制御信号を出力する。

ＥＣＵ１００は、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入させる。具体的には、ＥＣＵ１００は、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４を制御して、排気上死点付近において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。内部ＥＧＲガスが、燃焼室１７の中に導入される。また、ＥＣＵ１００は、ＥＧＲ通路５２を通じて、ＥＧＲクーラー５３によって冷却した排気ガスを、燃焼室１７の中に導入するように、ＥＧＲ弁５４の開度を調整する。つまり、内部ＥＧＲガスに比べて温度が低い外部ＥＧＲガスを、燃焼室１７の中に導入する。ＥＣＵ１００は、エンジン１の負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らすように、ＥＧＲ弁５４の開度を調整する。ＥＣＵ１００は、全開負荷において、内部ＥＧＲガス及び外部ＥＧＲガスを含むＥＧＲガスを、ゼロにしてもよい。

ストイキ燃焼時には、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）である。このときは、三元触媒５１１、５１３が、燃焼室１７から排出された排出ガスを浄化することによって、エンジン１の排出ガス性能は良好になる。混合気のＡ／Ｆは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２としてもよい。尚、エンジン１が、全開負荷（つまり、最高負荷）を含む高負荷中回転領域Ａ３において運転しているときには、混合気のＡ／Ｆは、燃焼室１７の全体において理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにしてもよい（つまり、混合気の空気過剰率λは、λ≦１）。

燃焼室１７内にＥＧＲガスを導入しているため、燃焼室１７の中の全ガスと燃料との重量比であるＧ／Ｆは理論空燃比よりもリーンになる。混合気のＧ／Ｆは１８以上にしてもよい。こうすることで、いわゆるノッキングの発生を回避するようにしている。Ｇ／Ｆは１８以上３０以下において設定してもよい。

ＥＣＵ１００は、エンジン１の負荷が中負荷であるときには、吸気行程中に、複数回の燃料噴射を行うように、インジェクタ６を制御する。インジェクタ６による燃料噴射は、第一噴射を吸気行程の前半に行い、第二噴射を吸気行程の後半に行うようにしてもよい。

ＥＣＵ１００は、エンジン１の負荷が高負荷であるときには、吸気行程において燃料を噴射するように、インジェクタ６を制御する。

ＥＣＵ１００は、燃料の噴射後、圧縮上死点付近の所定のタイミングで混合気に点火をするように、点火プラグ２５を制御する。点火プラグ２５による点火は、エンジン１の負荷が中負荷であるときには、圧縮上死点前に点火を行ってもよい。点火プラグ２５による点火は、エンジン１の負荷が高負荷であるときには、圧縮上死点後に点火を行ってもよい。

混合気のＡ／Ｆを理論空燃比にしてＳＰＣＣＩ燃焼を行うことによって、三元触媒５１１、５１３を利用して、燃焼室１７から排出された排出ガスを浄化することができる。また、ＥＧＲガスを燃焼室１７に導入して混合気を希釈化することによって、エンジン１の燃費性能が向上する。尚、エンジン１の温間時の中高負荷領域Ａ２、Ａ３、Ａ４、並びに、エンジン１の半暖機時の低中回転領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、後述するレイヤ２に対応する。レイヤ２は、高負荷領域まで広がっているとともに、最高負荷運転状態を含んでいる。

（マップのレイヤの選択）
図５に示すエンジン１のマップ５０１、５０２、５０３は、図６に示すように、レイヤ１、レイヤ２及びレイヤ３の三つのレイヤの組み合わせによって構成されている。

レイヤ１は、ベースとなるレイヤである。レイヤ１は、エンジン１の運転領域の全体に広がる。レイヤ１は、第三マップ５０３の全体に相当する。

レイヤ２は、レイヤ１の上に重なるレイヤである。レイヤ２は、エンジン１の運転領域の一部に相当する。具体的にレイヤ２は、第二マップ５０２の低中回転領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３に相当する。

レイヤ３は、レイヤ２の上に重なるレイヤである。レイヤ３は、第一マップ５０１の低負荷領域Ａ１に相当する。

レイヤ１、レイヤ２及びレイヤ３は、主に、燃焼室１７の壁温（特にヘッド壁部１３ａの壁温）に応じて選択される。

具体的には、燃焼室１７の壁温が第１所定壁温（例えば８０℃）以上でありかつ吸気温が第１所定吸気温（例えば５０℃）以上であるときには、レイヤ１とレイヤ２とレイヤ３とが選択され、これらレイヤ１、レイヤ２及びレイヤ３を重ねることにより第一マップ５０１が構成される。第一マップ５０１における低負荷領域Ａ１は、そこにおいて最上位のレイヤ３が有効になり、中高負荷領域Ａ２、Ａ３、Ａ４は、そこにおいて最上位のレイヤ２が有効になり、高回転領域Ａ５は、レイヤ１が有効になる。このように、本実施形態では、リーン燃焼領域（低負荷領域Ａ１）におけるエンジン負荷の範囲及びエンジン回転数の範囲と、ストイキ燃焼領域（低中負荷領域Ｂ１）におけるエンジン負荷の範囲及びエンジン回転数の範囲とは重複している。

燃焼室１７の壁温が第１所定壁温未満でかつ第２所定壁温（例えば３０℃）以上であるとともに、吸気温が第１所定吸気温未満でかつ第２所定吸気温（例えば２５℃）以上であるときには、ときには、レイヤ１とレイヤ２とが選択される。これらレイヤ１及びレイヤ２を重ねることにより第二マップ５０２が構成される。第二マップ５０２における低中回転領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、そこにおいて最上位のレイヤ２が有効になり、高回転領域Ｂ４は、レイヤ１が有効になる。

燃焼室１７の壁温が第２所定壁温未満でありかつ吸気温が第２所定吸気温未満であるときには、レイヤ１のみが選択されて、第三マップ５０３が構成される。

尚、燃焼室１７の壁温は、例えば、第２液温センサＳＷ５によって計測されるエンジン冷却液の液温によって代用してもよい。また、エンジン冷却液の液温や、その他の計測信号に基づいて、燃焼室１７の壁温を推定してもよい。また、吸気温は、例えば、サージタンク４２内の温度を計測する吸気温度センサＳＷ２によって計測することができる。また、各種の計測信号に基づいて、燃焼室１７の中に導入される吸気温を推定してもよい。

ＳＰＣＣＩ燃焼におけるＣＩ燃焼は、燃焼室１７の外周部から中央部において行われるため、燃焼室１７の中央部の温度の影響を受ける。燃焼室１７の中央部の温度が低いと、ＣＩ燃焼が不安定になってしまう。燃焼室１７の中央部の温度は、燃焼室１７に導入される吸気の温度に依存する。つまり、吸気温度が高いときに、燃焼室１７の中央部の温度は高くなり、吸気温度が低いときに、燃焼室１７の中央部の温度は低くなる。

燃焼室１７の壁温が第２所定壁温未満でかつ吸気温度が第２所定吸気温未満のときには、ＳＰＣＣＩ燃焼を安定して行うことができない。そこで、ＳＩ燃焼を実行するレイヤ１のみが選択され、ＥＣＵ１００は、第三マップ５０３に基づいて、エンジン１を運転する。全ての運転領域において、エンジン１がＳＩ燃焼を行うことにより、燃焼安定性を確保することができる。

燃焼室１７の壁温が第２所定壁温以上でかつ、吸気温度が第２所定吸気温以上のときには、略理論空燃比（つまり、λ≒１）の混合気を、安定してＳＰＣＣＩ燃焼させることができる。そこで、レイヤ１に加えて、レイヤ２が選択され、ＥＣＵ１００は、第二マップ５０２に基づいて、エンジン１を運転する。エンジン１が、一部の運転領域においてＳＰＣＣＩ燃焼を行うことにより、エンジン１の燃費性能が向上する。

燃焼室１７の壁温が第１所定壁温以上でかつ、吸気温度が第１所定吸気温以上のときには、理論空燃比よりもリーンな混合気を、安定してＳＰＣＣＩ燃焼させることができる。そこで、レイヤ１及びレイヤ２に加えて、レイヤ３が選択され、ＥＣＵ１０は、第一マップ５０１に基づいて、エンジン１を運転する。エンジン１が、一部の運転領域においてリーン混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させることにより、エンジン１の燃費性能が、さらに向上する。

図７は、ＥＣＵ１００によりレイヤが選択される処理動作に関するフローチャートを示す。

まず、ステップＳ１１において、ＥＣＵ１００は、各センサＳＷ１～ＳＷ７からの検出信号を読み込む。

次のステップＳ１２では、ＥＣＵ１００は、燃焼室１７の壁温が第２所定温度以上でかつ吸気温が第２所定吸気温以上であるか否かを判定する。ＥＣＵ１００は、燃焼室１７の壁温が第２所定温度以上でかつ吸気温が第２所定吸気温以上であるＹＥＳのときには、ステップＳ１３に進む一方で、燃焼室１７の壁温が第２所定温度未満であるか、又は吸気温が第２所定吸気温未満であるであるＮＯのときには、ステップＳ１４に進む。

次のステップＳ１３では、ＥＣＵ１００は、燃焼室１７の壁温が第１所定温度以上でかつ吸気温が第１所定吸気温以上であるか否かを判定する。ＥＣＵ１００は、燃焼室１７の壁温が第１所定温度以上でかつ吸気温が第１所定吸気温以上であるＹＥＳのときには、ステップＳ１６に進む一方で、燃焼室１７の壁温が第１所定温度未満であるか、又は吸気温が第１所定吸気温未満であるであるＮＯのときには、ステップＳ１５に進む。

前記ステップＳ１４では、ＥＣＵ１００はレイヤ１のみを選択する。ＥＣＵ１００は、第三マップ５０３に基づいてエンジン１を運転する。ステップＳ１４の後は、リターンする。

前記ステップＳ１５では、ＥＣＵ１００は、レイヤ１とレイヤ２とを選択する。ＥＣＵ１００は、第二マップ５０２に基づいてエンジン１を運転する。ステップＳ１５の後は、リターンする。

前記ステップＳ１６では、ＥＣＵ１００は、レイヤ１とレイヤ２とレイヤ３とを選択する。ＥＣＵ１００は、第一マップ５０１に基づいて、エンジン１を運転する。ステップＳ１６の後は、リターンする。

（冷却システムの制御）
ここで、エンジン１の燃費向上の観点からは、エンジン１の運転領域を出来る限り低負荷領域Ａ１にして、リーン燃焼を実行することが望ましい。

前述したように、リーン燃焼は、少なくとも燃焼室１７内の温度、すなわち燃焼室１７の壁温を第１所定壁温以上にする必要がある。このため、リーン燃焼を維持するためには、燃焼室１７の壁温を第１所定壁温以上に維持する必要がある。

しかしながら、リーン燃焼は燃焼温度が低いため、燃焼室１７の壁温が低下しやすい。燃焼室１７の壁温が低下すると、燃焼室１７の壁温をリーン燃焼が可能な温度に再度上昇させるために、ストイキ燃焼への切り換えが必要になる。尚、本実施形態では、図６に示すように、レイヤがレイヤ３からレイヤ２に切り替わって、自動的にリーン燃焼がストイキ燃焼に切り替わるようになっている。

リーン燃焼からストイキ燃焼へ切り替えられた後、リーン燃焼を早期に復帰させるには、ストイキ燃焼時に出来る限り効率的に燃焼室１７の壁温を上昇させる必要がある。

そこで、本実施形態では、ＥＣＵ１００は、燃焼室１７の壁温の目標温度を、リーン燃焼とストイキ燃焼とで同じ温度、具体的には、第１所定壁温よりも高い温度である特定温度に設定するようにした。また、ＥＣＵ１００は、目標温度（特定温度）と第２液温センサＳＷ２が検出する第２検出液温との温度差が大きいときの方が、該温度差が小さいときと比較して、ラジエータ迂回通路６６を通ってポンプ６１に還流するエンジン冷却液の流量が少なくなるように、流量調整弁９０に制御信号を出力するようにした。また、ＥＣＵ１００は、サーモスタット弁８０を無通電状態にするようにした。尚、特定温度は、例えば、１０５℃である。特定温度は、エンジン１の仕様により適宜変更される。仮に特定温度を９０℃程度に設定するのであれば、ＥＣＵ１００は、サーモスタット弁８０を通電状態にする。

これによると、リーン燃焼とストイキ燃焼とで目標温度が同じ特定温度に設定されるため、燃焼室１７の壁温が低下して、リーン燃焼からストイキ燃焼に切り替わったとしても、燃焼室１７の壁温をリーン燃焼が可能な温度まで早急に上昇させることができる。また、サーモスタット弁８０が無通電状態であるとともに、目標温度と第２検出液温との温度差が大きいときの方がポンプ６１に還流する冷却液の流量が少なくなるため、該温度差が大きいうちは、エンジン冷却液はボア通路６３やヘッド通路６４に留まりやすくになる。これにより、ボア通路６３やヘッド通路６４のエンジン冷却液が過熱されて、燃焼室１７の壁部が高温の状態になる。この結果、燃焼室１７の壁温を早急に上昇させることができる。

ここで、ストイキ燃焼時には、燃焼室１７の壁温をリーン燃焼が可能な温度まで早急に上昇させることが好ましいが、ストイキ燃焼時は壁温が上がりやすいため、燃焼室１７の壁温が目標温度を超えてしまう可能性がある。燃焼室１７の壁温が高過ぎると、ノッキング等の異常燃焼が発生することがある。一方で、リーン燃焼時は、燃焼室１７の壁温を出来る限り高い状態に維持することが望ましい。そこで、本実施形態では、ＥＣＵ１００は、目標温度と第２検出液温との温度差が同じであっても、ストイキ燃焼時のエンジン冷却液の流量をリーン燃焼時よりも多くするようにした。これにより、ストイキ燃焼時には、特に、目標温度と第２検出液温との温度差が小さいときに、燃焼室１７の壁温の上昇を抑制することができ、リーン燃焼時には、燃焼室１７の壁温を出来る限り高い状態に保つことができる。尚、燃焼室１７の壁温が第１所定壁温以上であるにも関わらず、ストイキ燃焼である状態とは、吸気温度が第１所定吸気温未満である場合などをいう。

図８には、リーン燃焼時における流量調整弁９０の制御モード（以下、第１モードという）と、ストイキ燃焼時における流量調整弁９０の制御モード（以下、第２モードという）とを示す。横軸は、目標温度（特定温度）と第２検出液温との温度差であり、縦軸は、ラジエータ迂回通路６６のエンジン冷却液の流量である。

図８に示すように、本実施形態では、目標温度と第２検出液温との温度差が大きいほど、ラジエータ迂回通路６６の流量が小さくなる。また、目標温度と第２検出液温との温度差が同じであっても、第２モードの方が第１モードと比較して、ラジエータ迂回通路６６のエンジン冷却液の流量が大きい。これにより、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り換えを早急に行うことができる。また、ストイキ燃焼時には、燃焼室１７の壁温が上がり過ぎることを抑制することができ、リーン燃焼時には、燃焼室１７の壁温を出来る限り高い状態に保つことができる。

尚、本実施形態では、目標温度と第２検出液温との温度差が大きいほど、ラジエータ迂回通路６６を通るエンジン冷却液の流量を連続的に小さくしているが、例えば、ラジエータ迂回通路６６の流量を３段階に分けて、目標温度と第２検出液温との温度差が大きい方が、該温度差が小さいときと比較して、ラジエータ迂回通路６６の流量が小さくなるようにしてもよい。また、リーン燃焼領域及びストイキ燃焼領域において、エンジン負荷が大きいほど、又は、エンジン回転数が大きいほど、ラジエータ迂回通路６６を通ってポンプ６１に還流するエンジン冷却液の流量が大きくなるようにしてもよい。

実際のＥＣＵ１００の制御おいて、ＥＣＵ１００は、目標温度と第２検出液温との温度差が大きいほど、流量調整弁９０のデューティ比を小さく、すなわち、単位時間当たりにおけるラジエータ迂回通路６６のエンジン冷却液の流量を小さくすることで、目標温度と第２検出液温との温度差が大きいほど、ラジエータ迂回通路６６のエンジン冷却液の流量を小さくする。このように、単位時間当たりにおけるラジエータ迂回通路６６のエンジン冷却液の流量を調整するようにすることで、該流量を精度良く調整することができるようになる。

図９のフローチャートは、流量制御時におけるＥＣＵ１００の処理動作を示す。尚、図９に示すフローチャートにおいて、エンジン負荷及びエンジン回転数は、リーン燃焼が可能な範囲に属している。

まず、ステップＳ２１において、ＥＣＵ１００は、各センサＳＷ１～ＳＷ７からの検出信号を読み込む。

次のステップＳ２２では、ＥＣＵ１００は目標温度を設定する。このステップＳ２２において、ＥＣＵ１００は特定温度を目標温度に設定する。

次のステップＳ２３では、ＥＣＵ１００は、サーモスタット弁８０を無通電状態にする。

次のステップＳ２４では、ＥＣＵ１００は、リーン燃焼領域であるか否かを判定する。より具体的には、ＥＣＵ１００は、燃焼室１７の壁温（第２検出液温）が第１所定壁温以上でかつ吸気温が第１所定吸気温以上であるか否かを判定する。ＥＣＵ１００は、リーン燃焼領域に属しているＹＥＳのときにはステップＳ２５に進む一方で、リーン燃焼領域に属していない、より具体的には、レイヤ２のストイキ燃焼領域であるＮＯときにはステップＳ２６に進む。

前記ステップＳ２５では、ＥＣＵ１００は流量制御弁９０を第１モードで作動させる。ステップＳ２５の後はステップＳ２７に進む。

前記ステップＳ２６では、ＥＣＵ１００は流量制御弁９０を第２モードで作動させる。ステップＳ２５の後はステップＳ２７に進む。

前記ステップＳ２７では、ＥＣＵ１００は、目標温度と第２液温センサＳＷ５により検出された第２検出液温との温度差（温度差ΔＴａ）を算出する。

次のステップＳ２８では、ＥＣＵ１００は、前記ステップＳ２７で算出した温度差ΔＴａに基づいて、ラジエータ迂回通路のエンジン冷却液の流量を算出する。

続くステップＳ２９では、ＥＣＵ１００は、ラジエータ迂回通路のエンジン冷却液の流量が、前記ステップＳ２８で算出した流量になるように、流量調整弁９０のデューティ比を設定して、流量調整弁９０に制御信号を出力する。ステップＳ２９の後はリターンする。

したがって、本実施形態によると、エンジン冷却液を供給するポンプ６１と、エンジン１の気筒１１を冷却するためにエンジン冷却液が流通するボア通路６３と、エンジン１のシリンダヘッド１３に設けられ、該シリンダヘッド１３のヘッド壁部１３ａを冷却するためにエンジン冷却液が流通するヘッド通路６４と、ボア通路６３を通って、ヘッド通路６４を通った後、エンジン冷却液を冷却させるラジエータ７０を経由して、ポンプ６１にエンジン冷却液を流入させるラジエータ通路６５と、ボア通路６３を通って、ヘッド通路６４を通った後、ラジエータ７０を迂回してポンプ６１にエンジン冷却液を流入させるラジエータ迂回通路６６と、エンジン冷却液の液温を取得する液温取得部（第２液温センサＳＷ５）と、ポンプ６１に還流するエンジン冷却液の流量を調整する流量調整弁９０と、流量調整弁９０を作動制御するＥＣＵ１００とを備え、エンジン１は、検出又は推定される燃焼室１７の壁温に基づいて、リーン燃焼とストイキ燃焼とが切り替えられるエンジンであり、ＥＣＵ１００は、リーン燃焼とストイキ燃焼とで同じ目標温度を設定するとともに、該目標温度と前記液温取得部の検出結果との差分が大きいときには、該差分が小さいときと比較して、ポンプ６１に還流するエンジン冷却液の流量が少なくなるように流量調整弁９０に制御信号を出力する。これによると、ＥＣＵ１００は、リーン燃焼とストイキ燃焼とで同じ目標温度を設定するため、燃焼室１７の壁温が低下して、リーン燃焼からストイキ燃焼に切り替わったとしても、燃焼室１７の壁温をリーン燃焼が可能な温度まで早急に上昇させることができる。また、目標温度とエンジン冷却液との温度の差が大きいときの方がポンプに還流する冷却液の流量が少なくなるため、エンジン冷却液はボア通路６３やヘッド通路６４に留まりやすくなる。これにより、ボア通路６３やヘッド通路６４のエンジン冷却液が過熱されて、燃焼室１７の壁部を早急に高温の状態にすることができる。

特に、本実施形態では、ＥＣＵ１００は、目標温度と液温取得部（第２液温センサＳＷ５）の検出結果との差分が大きくなるほど、ポンプ６１に還流するエンジン冷却液の流量が少なくなるように流量調整弁９０に制御信号を出力する。これにより、ストイキ燃焼時には燃焼室１７の壁温をより早急に上昇させつつ、該壁温が目標温度を超えることをより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、ＥＣＵ１００は、目標温度と液温取得部（第２液温センサＳＷ５）の検出結果との差分が同じ量である場合に、ストイキ燃焼時の方が、リーン燃焼時に比べてエンジン冷却液の流量が多くなるように流量調整弁９０に制御信号を出力する。これにより、ストイキ燃焼時には、特に、目標温度とエンジン冷却液との温度の差が小さいときに、燃焼室１７の壁温が上がり過ぎることを抑制することができ、ノッキング等の異常燃焼を抑制することができる。一方で、リーン燃焼時には、燃焼室１７の壁温を出来る限り高い状態に保つことができる。

特に、本実施形態では、冷却システム６０による冷却効果に加えて、ストイキ燃焼時にＥＧＲガスを導入することで、燃焼を緩慢にすることができる。これにより、ノッキング等の異常燃焼を抑制することができる。

また、本実施形態では、冷却システム６０による冷却効果に加えて、リーン燃焼時に内部ＥＧＲガスを燃焼室１７に導入することで、燃焼室１７の壁温を出来る限り高い状態に保つことができる。これにより、リーン燃焼可能なエンジン負荷及びエンジン回転数の時には、出来る限りリーン燃焼を実行することができ、燃費を向上させることができる。

ここに開示された技術は、前記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

例えば、前述の実施形態では、ラジエータ通路６５に配置する温調装置は電気式のサーモスタット弁８０であったが、これに限らず、電磁式の弁で構成してもよい。

また、前述の実施形態では、流量調整弁８０はオン／オフ式弁であったが、連続的に開度を調整可能な弁で構成してもよい。

また、前述の実施形態では、燃焼室１７の壁温を第２液温センサＳＷ５の検出結果から推定していた。これに限らず、燃焼室１７の壁温を直接検出するセンサを設けてもよい。

また、前述の実施形態では、第２液温センサＳＷ５はヘッド通路６４のエンジン冷却液の液温を検出していたが、これに限らず、ボア通路６３のエンジン冷却液の液温を検出するように構成されていてもよい。気筒１１も燃焼室１７の壁部を構成しているため、ボア通路６３のエンジン冷却液の液温も燃焼室１７の壁部の温度を反映していると言える。このため、ボア通路６３のエンジン冷却液の液温に基づいて、流量調整弁９０を作動制御しても、燃焼室の壁温を早期に上昇させて、早期にストイキ燃焼からリーン燃焼への切り換えを可能にすることができる。

前述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。

ここに開示された技術は、空燃比が理論空燃比よりも大きい混合気を燃焼させるリーン燃焼と、空燃比が該理論空燃比近傍の混合気を燃焼させるストイキ燃焼とを切り替え可能なエンジンの冷却システムとして有用である。

１エンジン
１１気筒（シリンダボア）
１３シリンダヘッド
１３ａヘッド壁部（シリンダヘッドの燃焼室近傍の部分、燃焼室の壁部）
６０冷却システム
６１ポンプ
６３ボア通路
６４ヘッド通路
６５ラジエータ通路（第１通路）
６６ラジエータ迂回通路（第２通路）
７０ラジエータ
９０流量調整弁（流量調整装置）
１００ＥＣＵ（制御部）
ＳＷ５第２液温センサ（液温取得部）

Claims

空燃比が理論空燃比よりもリーンな混合気を燃焼させるリーン燃焼と、空燃比が該理論空燃比の混合気を燃焼させるストイキ燃焼とを切り替え可能なエンジンの冷却システムであって、
エンジン冷却液を供給するポンプと、
前記エンジンのシリンダボアを冷却するためにエンジン冷却液が流通するボア通路と、
前記エンジンのシリンダヘッドに設けられ、該シリンダヘッドの燃焼室近傍の壁部を冷却するためにエンジン冷却液が流通するヘッド通路と、
前記ボア通路を通って、前記ヘッド通路を通った後、エンジン冷却液を冷却させるラジエータを経由して、前記ポンプにエンジン冷却液を流入させる第１通路と、
前記ボア通路を通って、前記ヘッド通路を通った後、前記ラジエータを迂回して前記ポンプにエンジン冷却液を流入させる第２通路と、
エンジン冷却液の液温を取得する液温取得部と、
前記第１通路に設けられ、該第１通路を通って前記ポンプに還流するエンジン冷却液の流量を調整する第１流量調整装置と、
前記第２通路に設けられ、該第２通路を通って前記ポンプに還流するエンジン冷却液の流量を調整する第２流量調整装置と、
前記第１及び第２流量調整装置を作動制御する制御部とを備え、
前記エンジンは、検出又は推定される前記燃焼室の壁部の温度に基づいて、前記リーン燃焼と前記ストイキ燃焼とが切り替えられるエンジンであり、
前記制御部は、前記リーン燃焼と前記ストイキ燃焼とで、前記燃焼室の壁部の目標温度を同じ温度に設定するとともに、該目標温度と前記液温取得部の検出結果との差分が大きいときには、該差分が小さいときと比較して、前記ポンプに還流するエンジン冷却液の流量が少なくなるように前記第１及び第２流量調整装置を制御することを特徴とするエンジンの冷却システム。
請求項１に記載のエンジンの冷却システムにおいて、
前記制御部は、前記目標温度と前記液温取得部の検出結果との差分が同じ量である場合に、前記ストイキ燃焼時の方が、前記リーン燃焼時に比べて、前記ポンプに還流するエンジン冷却液の流量が多くなるように前記第２流量調整装置に制御信号を出力することを特徴とするエンジンの冷却システム。
請求項１又は２に記載のエンジンの冷却システムにおいて、
前記液温取得部は、前記ヘッド通路を流通するエンジン冷却液の液温を取得するように配設されていることを特徴とするエンジンの冷却システム。
請求項１～３のいずれか１つに記載のエンジンの冷却システムにおいて、
前記エンジンは、該エンジンの運転状態が、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて設定される所定のリーン燃焼領域であるときには、前記リーン燃焼を実行し、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて設定される所定のストイキ燃焼領域であるときには、前記ストイキ燃焼を実行するように構成されており、
前記リーン燃焼領域におけるエンジン負荷の範囲及びエンジン回転数の範囲と、前記ストイキ燃焼領域におけるエンジン負荷の範囲及びエンジン回転数の範囲とは重複していることを特徴とするエンジンの冷却システム。
請求項１～４のいずれか１つに記載のエンジンの冷却システムにおいて、
前記リーン燃焼及び前記ストイキ燃焼における前記エンジンの燃焼方式は、燃料と吸気との混合気を点火プラグにより火花点火させるＳＩ燃焼と、燃料と吸気との混合気を圧縮自着火させるＣＩ燃焼とが組み合わされた燃焼方式であることを特徴とするエンジンの冷却システム。
請求項１～５のいずれか１つに記載のエンジンの冷却システムにおいて、
前記制御部は、前記目標温度と前記液温取得部の検出結果との差分が大きくなるほど、
前記ポンプに還流するエンジン冷却液の流量が少なくなるように前記第２流量調整装置に制御信号を出力することを特徴とするエンジンの冷却システム。
請求項１～６のいずれか１つに記載のエンジンの冷却システムにおいて、
前記第２流量調整装置は、開き状態と閉じ状態とが切り替えられるオン／オフ式の弁であり、
前記制御部は、前記目標温度と前記液温取得部の検出結果との差分が大きくなるほど、前記ポンプに還流する、単位時間当たりのエンジン冷却液の流量が少なくなるように前記第２流量調整装置に制御信号を出力することを特徴とするエンジンの冷却システム。