(57)【要約】【課題】  排気の冷却を必要に応じて適切に行うことが可能な内燃機関の排気冷却構造、および当該内燃機関の排気冷却構造について制御を行う内燃機関の排気冷却構造の制御装置を提供する。【解決手段】  排気潤滑構造１０は、一気筒につき、第１および第２の排気ポート５２２、５２３が設けられたシリンダヘッド５２と、第１の排気ポート５２２を開閉する第１の排気弁５３、および第２の排気ポート５２３を開閉する第２の排気弁５４と、第１および第２の排気弁５３、５４のうち、いずれか一方の排気弁の作動を停止することが可能な可変動弁機構５５とを備える。シリンダヘッド５２は冷却水により、第１の排気ポート５２２を第２の排気ポート５２３よりも大きな度合いで冷却する冷却手段として、第２のウォータジャケット５２１を形成する部分を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一気筒につき、第１および第２の排気ポートが設けられたシリンダヘッドと、
前記第１の排気ポートを開閉する第１の排気弁、および前記第２の排気ポートを開閉する第２の排気弁と、
前記第１および第２の排気弁のうち、いずれか一方の排気弁の作動を停止することが可能な片弁休止機構と、
冷媒により、前記第１および第２の排気ポートのうち、いずれか一方の排気ポートを冷却するか、或いは前記第１および第２の排気ポートのうち、いずれか一方の排気ポートを他方の排気ポートよりも大きな度合いで冷却する冷却手段と、を備えた内燃機関の排気冷却構造。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関の排気冷却構造であって、
前記冷却手段が、冷媒により、前記第１の排気ポートを冷却するか、或いは前記第１の排気ポートを前記第２の排気ポートよりも大きな度合いで冷却するとした場合に、
少なくとも隣り合う２つの気筒につき、該２つの気筒それぞれに対して設けられた前記第１の排気ポート各々を隣接して設けるとともに、該第１の排気ポート各々の間にオイル流路を設けた内燃機関の排気冷却構造。
【請求項３】
請求項１または２記載の内燃機関の排気冷却構造について制御を行う内燃機関の排気冷却構造の制御装置であって、
前記片弁休止機構を制御対象として、前記第１および第２の排気ポートにつき、機関運転状態に応じて排気を流通させる排気ポートを変更する制御を行う制御手段を備えた内燃機関の排気冷却構造の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷媒により排気ポートを冷却する冷却手段と、片弁休止運転をすることが可能な片弁休止機構とを備えた内燃機関の排気冷却構造、および該内燃機関の排気冷却構造について制御を行う内燃機関の排気冷却構造の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されているように、内燃機関の冷却水等の冷媒で排気を冷却する技術が知られている。特許文献１が開示する内燃機関のシリンダヘッドは、排気マニホルドが一体形成されており、シリンダヘッドを流通する冷却水で排気マニホルドを冷却することが可能な構造となっている。このほか片弁休止運転をすることが可能な可変動弁機構を開示している点で、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献２で開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０９１８９号公報
【特許文献２】特開２００８−９５６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関の排気は活性状態にある触媒で浄化されるところ、例えば機関冷間始動時には触媒が活性化していないことから、一般に触媒を排気で暖機して触媒の早期活性化を図っている。これに対して、特許文献１が開示する内燃機関のシリンダヘッドは、シリンダヘッドを流通する冷却水が排気マニホルドを冷却する構造となっているところ、シリンダヘッドを流通する冷却水は一般に機関運転時に常時流通している。このため特許文献１が開示する内燃機関のシリンダヘッドでは、機関冷間始動時にも冷却水による排気の冷却が行われ、この結果、触媒の活性化が遅れる虞があると考えられる点で問題があった。
【０００５】
そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、排気の冷却を必要に応じて適切に行うことが可能な内燃機関の排気冷却構造、および当該内燃機関の排気冷却構造について制御を行う内燃機関の排気冷却構造の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の内燃機関の排気冷却構造は、一気筒につき、第１および第２の排気ポートが設けられたシリンダヘッドと、前記第１の排気ポートを開閉する第１の排気弁、および前記第２の排気ポートを開閉する第２の排気弁と、前記第１および第２の排気弁のうち、いずれか一方の排気弁の作動を停止することが可能な片弁休止機構と、冷媒により、前記第１および第２の排気ポートのうち、いずれか一方の排気ポートを冷却するか、或いは前記第１および第２の排気ポートのうち、いずれか一方の排気ポートを他方の排気ポートよりも大きな度合いで冷却する冷却手段と、を備える。
【０００７】
また本発明は前記冷却手段が、冷媒により、前記第１の排気ポートを冷却するか、或いは前記第１の排気ポートを前記第２の排気ポートよりも大きな度合いで冷却するとした場合に、少なくとも隣り合う２つの気筒につき、該２つの気筒それぞれに対して設けられた前記第１の排気ポート各々を隣接して設けるとともに、該第１の排気ポート各々の間にオイル流路を設けた構成であることが好ましい。
【０００８】
また本発明は請求項１または２記載の内燃機関の排気冷却構造について制御を行う内燃機関の排気冷却構造の制御装置であって、前記片弁休止機構を制御対象として、前記第１および第２の排気ポートにつき、機関運転状態に応じて排気を流通させる排気ポートを変更する制御を行う制御手段を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、排気の冷却を必要に応じて適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】内燃機関の排気冷却構造（以下、単に排気冷却構造と称す）１０を備えた内燃機関５０を吸気系２０、排気系３０とともに断面で模式的に示す図である。なお、図１では第２のウォータジャケット５２１は図示省略してある。
【図２】内燃機関５０の冷却系統を模式的に示す図である。
【図３】第２のウォータジャケット５２１を形成するシリンダヘッド５２の中子８０を模式的に示す斜視図である。
【図４】中子８０を排気側から見た図である。
【図５】中子８０の上面図である。なお、図５ではシリンダヘッド５２に形成されている第１および第２の排気ポート５２２、５２３と、オイル流路５２４の配置を中子８０に対応させて同時に示している。
【図６】ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１で実現された内燃機関の排気冷却構造の制御装置を模式的に示す図である。
【図７】ＥＣＵ１の動作をフローチャートで示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【００１２】
排気冷却構造１０を備えた内燃機関５０について図１から図５を用いて説明する。内燃機関５０は直列４気筒の気筒配列構造を有している。図１に示すように、内燃機関５０はシリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、第１の排気弁５３と、第２の排気弁５４と、可変動弁機構（ＥｘＶＶＴ）５５とを備えている。
内燃機関５０には吸気系２０を介して空気が供給される。吸気系２０はエアクリーナ２１と、エアフロメータ２２と、電子制御スロットル２３と、吸気マニホルド２４とを備えている。エアクリーナ２１は吸入空気を濾過する。エアフロメータ２２は、内燃機関５０の吸入空気量ＧＡを計測するとともに吸気温度を検知する。電子制御スロットル２３は吸入空気量ＧＡを調節する。吸気マニホルド２４は、吸入空気を内燃機関５０の各気筒に分配する。
内燃機関５０では吸入空気と燃料との混合気の燃焼が行われる。そして燃焼により発生したガスは、排気系３０を介して排出される。排気系３０は排気マニホルド３１と、触媒３２とを備えている。排気マニホルド３１は内燃機関５０の各気筒からの排気を合流させる。触媒３２は活性状態にある場合に排気を浄化する。
【００１３】
図２に示すように、シリンダブロック５１には第１のウォータジャケット５１１が、シリンダヘッド５２には第２のウォータジャケット５２１がそれぞれ設けられている。第１のウォータジャケット５１１はその入口がウォータポンプ５６に接続されており、その出口が第２のウォータジャケット５２１に接続されている。第２のウォータジャケット５２１は、図３から図５までに示すシリンダヘッド５２の中子８０によって形成される。第２のウォータジャケット５２１は冷却水流入口５１３ａを備えている。冷却水流入口５１３ａはシリンダヘッド５２の気筒配列方向における一端側に形成されており、第１の突起部８１によって形成される。
【００１４】
また第２のウォータジャケット５２１は冷却水排出口５１３ｂを備えている。冷却水排出口５１３ｂはシリンダヘッド５２の気筒配列方向における他端側に形成されており、第２の突起部８２によって形成される。冷却水排出口５１３ｂは冷却水配管を介してラジエータ６０と、サーモスタット６１と、図示しない空調装置（以下、ヒータと称す）のヒータコア６２とに分岐接続されている。ラジエータ６０は冷却水配管を介して下流側でサーモスタット６１に接続されており、サーモスタット６１は下流側でウォータポンプ５６に接続されている。ヒータコア６２は下流側でウォータポンプ５６に接続されている。
【００１５】
ウォータポンプ５６は内燃機関５０の出力で駆動する機械式のウォータポンプとなっている。このため内燃機関５０では、機関運転時に冷却水の循環が常時行われる。具体的にはウォータポンプ５６が冷却水を圧送すると、圧送された冷却水は第１および第２のウォータジャケット５１１、５２１を流通後、サーモスタット６１やヒータコア６２に流入し、その後ウォータポンプ５６に戻る。このとき冷却水の温度がサーモスタット６１の設定温度よりも高い場合には、さらにラジエータ６０を介した冷却水の流通も許容される。
【００１６】
そして第１および第２のウォータジャケット５１１、５２１を流通する際に冷却水の受熱が行われ、これによりシリンダブロック５１およびシリンダヘッド５２の冷却が図られる。一方、ラジエータ６０では冷却水の放熱が行われ、これにより冷却性能の回復が図られる。またヒータコア６２では冷却水と空気との間で熱交換が行われ、これにより空気が暖められる。そして暖められた空気を車室内に送風することで暖房として利用することができる。
【００１７】
シリンダヘッド５２には、第２のウォータジャケット５２１のほか、第１の排気ポート５２２と、第２の排気ポート５２３と、オイル流路５２４とが設けられている。第１および第２の排気ポート５２２、５２３は、一気筒あたりに設けられた２つの排気ポートを構成している。第１の排気ポート５２２は、図５に中子８０に対応させてその配置を示すように、＃１気筒および＃２気筒の隣り合う２つの気筒間と、＃３気筒および＃４気筒の隣り合う２つの気筒間とで互いに隣接するように設けられている。オイル流路５２４は、図５に中子８０に対応させてその配置を示すように、互いに隣接するように設けられた２つの第１の排気ポート５２２間それぞれに設けられている。オイル流路５２４は、図示しないオイルパンへ自重落下によりオイルを戻すための通路となっている。
【００１８】
第２のウォータジャケット５２１は、具体的には第１の排気ポート５２２の周辺に形成された部分と、第２の排気ポート５２３の周辺に形成された部分とを有している。第２のウォータジャケット５２１は、さらに具体的には第１の排気ポート５２２の周辺に形成された部分のほうが、第２の排気ポート５２３の周辺に形成された部分よりも多くなっている。この点、中子８０は、第１の排気ポート５２２に対応する部分８３のほうが、第２の排気ポート５２３に対応する部分８４よりも排気ポート延伸方向に沿って大きく張り出している。なお、第２のウォータジャケット５２１は、第１および第２の排気ポート５２２、５２３のうち、第１の排気ポート５２２のみを冷却するように構成されてもよい。
【００１９】
第２のウォータジャケット５２１を流通する冷却水が、第１および第２の排気ポート５２２、５２３を冷却することで、第１および第２の排気ポート５２２、５２３を流通する排気の冷却が行われる。そして上述のように形成された第２のウォータジャケット５２１は、第１の排気ポート５２２を第２の排気ポート５２３よりも大きな度合いで冷却する。本実施例ではシリンダヘッド５２のうち、第２のウォータジャケット５２１を形成している部分で冷却手段が実現されており、シリンダヘッド５２が冷却手段を備えている。
【００２０】
第１および第２の排気弁５３、５４は、一気筒あたりに設けられた２つの排気弁を構成している。第１の排気弁５３は第１の排気ポート５２２を開閉し、第２の排気弁５４は第２の排気ポート５２３を開閉する。可変動弁機構５５は第１および第２の排気弁５３、５４のバルブ特性（例えばバルブタイミングや作用角）を可変にする機構である。可変動弁機構５５は第１および第２の排気弁５３、５４のうち、いずれか一方の排気弁の作動を閉弁状態で休止する片弁休止運転が可能な機構となっている。このような可変動弁機構５５は、具体的には例えば前述した特許文献２に開示された可変動弁機構で片弁休止運転を可能にしている構造と同様の構造を適用することで実現できる。本実施例では可変動弁機構５５で片弁休止機構が実現されている。
【００２１】
図６に示すように、ＥＣＵ１はＣＰＵ２、ＲＯＭ３、ＲＡＭ４等からなるマイクロコンピュータと入出力回路５、６とを備えている。これらＣＰＵ２、ＲＯＭ３、ＲＡＭ４、および入出力回路５、６は互いにバス７で接続されている。ＥＣＵ１は主に内燃機関５０を制御するように構成されている。ＥＣＵ１は具体的には例えば可変動弁機構５５や、図示しない内燃機関５０の燃料噴射弁を制御するように構成されている。可変動弁機構５５や燃料噴射弁は制御対象としてＥＣＵ１に電気的に接続されている。
【００２２】
またＥＣＵ１にはエアフロメータ２２や水温センサ７１やクランク角センサ７２などの各種のセンサが電気的に接続されている。内燃機関５０の吸入空気量ＧＡはエアフロメータ２２の出力に基づき、内燃機関５０の冷却水の水温ＴＨＷは水温センサ７１の出力に基づき、内燃機関５０の回転数ＮＥはクランク角センサ７２の出力に基づき、それぞれＥＣＵ１で検出される。また内燃機関５０の負荷率ＫＬは、検出された回転数ＮＥや吸入空気量ＧＡに基づき、ＥＣＵ１で算出される。
【００２３】
ＲＯＭ３はＣＰＵ２が実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。ＣＰＵ２がＲＯＭ３に格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭ４の一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ＥＣＵ１では各種の制御手段や判定手段や検出手段や算出手段などが機能的に実現される。この点、ＥＣＵ１では可変動弁機構５５を制御対象として、第１および第２の排気ポート５２２、５２３につき、機関運転状態に応じて排気を流通させる排気ポートを変更する制御を行う制御手段が機能的に実現される。
【００２４】
この制御手段は具体的には例えば機関冷間時、且つ排気から熱を受熱し、空気との間で熱交換をするヒータの作動要求がない場合に、第１の排気弁５３の作動を閉弁状態で休止するように可変動弁機構５５を制御するよう実現される。またこの制御手段は機関冷間時、且つヒータの作動要求がある場合に第２の排気弁５４の作動を閉弁状態で休止するように可変動弁機構５５を制御するよう実現される。またこの制御手段は、機関温間時、且つ機関運転状態が高負荷高回転の運転状態である場合に、第２の排気弁５４の作動を閉弁状態で休止するように可変動弁機構５５を制御するよう実現される。さらにこの制御手段は、機関温間時、且つ機関運転状態が高負荷高回転の運転状態でない場合には、第１および第２の排気弁５３、５４の作動を許可するように可変動弁機構５５を制御するよう実現される。
本実施例ではシリンダヘッド５２と、第１および第２の排気弁５３、５４と、可変動弁機構５５とで排気冷却構造１０が実現されている。
【００２５】
次にＥＣＵ１の動作を図７に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートに示す処理は内燃機関５０運転中にごく短い時間間隔で繰り返し実行される。ＥＣＵ１は、水温ＴＨＷが所定値Ｔ（例えば７５℃）以下であるか否かを判定する（ステップＳ１）。本ステップで機関冷間時であるか否かが判断される。そして、ステップＳ１１で肯定判定であれば機関冷間時であると判断され、このときＥＣＵ１はヒータの作動要求があるか否か（ヒータがＯＮであるか否か）を判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２で否定判定であればステップＳ３に進み、ＥＣＵ１は第１の排気弁５３の作動を閉弁状態で休止するよう可変動弁機構５５を制御する（第１の排気弁５３閉）。これにより、排気が第２の排気ポート５２３を流通することになるため、排気の冷却が抑制される。したがってこれにより、触媒の早期活性化が図られる。
【００２６】
一方、ステップＳ２で肯定判定であればステップＳ４に進み、ＥＣＵ１は第２の排気弁５４の作動を閉弁状態で休止するよう可変動弁機構５５を制御する（第２の排気弁５４閉）。これにより、排気が第１の排気ポート５２２を流通することになるため、冷却水の受熱量が増大する。したがってこれにより、ヒータの性能を確保することができる。ステップＳ３またはＳ４の後には、本フローチャートを一旦終了する。そしてその後、水温ＴＨＷが所定値Ｔ以下である間は、ステップＳ１で肯定判定されることとなり、水温ＴＨＷが所定値Ｔよりも高くなった場合に、ステップＳ１で否定判定される。
【００２７】
ステップＳ１で否定判定された場合には、機関温間時であると判断される。このときＥＣＵ１は、負荷率ＫＬが所定値Ｘ％以上であり、且つ回転数ＮＥが所定値Ｙ以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。本ステップで、機関運転状態が高負荷高回転の運転状態であるか否かが判断される。そしてステップＳ５で否定判定であれば、機関運転状態が高負荷高回転の運転状態でないと判断され、ステップＳ６に進む。このときＥＣＵ１は第１および第２の排気弁５３、５４の作動を許可するように可変動弁機構５５を制御する（第１および第２の排気弁５３、５４開）。これにより、機関温間時には通常、第１および第２の排気弁５３、５４が作動することになる。
【００２８】
一方、ステップＳ５で肯定判定であれば、機関運転状態が高負荷高回転の運転状態であると判断され、ステップＳ４に進む。このときＥＣＵ１は第２の排気弁５４の作動を閉弁状態で休止するように可変動弁機構５５を制御する（第２の排気弁５４閉）。これにより、排気が第１の排気ポート５２２を流通することになるため、排気の冷却が促進される。したがってこれにより、高温の排気によって触媒が過熱することを防止或いは抑制でき、また空気過剰率λ＝１で運転している場合の内燃機関５０の燃費向上を図ることができる。ＥＣＵ１によれば、具体的にはこのようにして排気の冷却を必要に応じて適切に行うことができる。
【００２９】
また、シリンダヘッド５２を流通する冷却水を利用して排気を冷却する場合には、流通する冷却水の流量を例えばシリンダヘッド５２の部位毎に個別に調節することが一般に困難であるため、排気の冷却を必要に応じて適切に行うことは通常困難である。これに対して排気冷却構造１０によれば、排気の冷却を必要に応じて適切に行うことができる点で好適である。
また、冷却される度合いが大きい２つの第１の排気ポート５２２間にオイル流路５２４を設けた排気冷却構造１０によれば、オイルパンに自重落下するオイルの冷却を同時に促進することもできる。
このように排気冷却構造１０およびＥＣＵ１は、排気の冷却を必要に応じて適切に行うことができ、さらにはオイルの冷却を同時に促進することもできる。
【００３０】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば上述した実施例では直列４気筒の気筒配列構造を備えた内燃機関５０の場合について詳述したが、本発明は適宜の内燃機関について適用されてよい。
また、制御手段は主に内燃機関５０を制御するＥＣＵ１で実現することが合理的であるが、例えばその他の電子制御装置や専用の電子回路などのハードウェアやこれらの組み合わせによって実現されてもよい。この点、本発明の内燃機関の排気冷却構造の制御装置は、例えば複数の電子制御装置や、電子回路等のハードウェアや、電子制御装置と電子回路等のハードウェアとの組み合わせで実現されてもよい。同様に本発明の内燃機関の排気冷却構造の制御装置で機能的に実現される各種の手段も、複数の電子制御装置や、電子回路等のハードウェアや、電子制御装置と電子回路等のハードウェアとの組み合わせで実現されてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１      ＥＣＵ
１０    排気冷却構造
２２    エアフロメータ
３２    触媒
５０    内燃機関
５２    シリンダヘッド
５２１  第２のウォータジャケット
５２２  第１の排気ポート
５２３  第２の排気ポート
５２４  オイル流路
５３    第１の排気弁
５４    第２の排気弁
５５    可変動弁機構
５６    ウォータポンプ
６０    ラジエータ
６１    サーモスタット
６２    ヒータコア
８０    中子
【図１】
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【図２】
2010203412.tif 000004
【図３】
2010203412.tif 000005
【図４】
2010203412.tif 000006
【図５】
2010203412.tif 000007
【図６】
2010203412.tif 000008
【図７】
2010203412.tif 000009