(57)【要約】【課題】冷却部を有する内燃機関の排気冷却システムにおいて、内燃機関の低負荷運転時の排気温度の低下抑制を図るとともに、排気センサの被水による故障を回避する。【解決手段】内燃機関の排気冷却システムにおいて、冷却部による冷却箇所から排気浄化触媒に至るまでの排気通路において、該排気通路を流れる排気からの受熱を抑制するように、該排気通路の内壁面の所定部位に塗布された断熱コート部が設けられる。そして、断熱コート部の下流側の触媒上流側空間の排気通路の内壁面上に配置される排気センサは、排気通路を流れる排気のうち断熱コート部上の所定の境界層領域を流れる排気として定義される所定排気が排気浄化触媒に流れ込む際の、排気流線として定義される所定排気流線が、触媒上流側空間を形成する該排気通路の内壁面の何れかの部位に近接している場合、該近接部位を除く該触媒上流側空間を形成する該排気通路の内壁面上に配置される。【選択図】図５
2015004323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒よりも上流側の該排気通路を冷却する冷却部と、
前記冷却部による冷却箇所から前記排気浄化触媒に至るまでの前記排気通路において、該排気通路を流れる排気からの受熱を抑制するように、該排気通路の内壁面の所定部位に塗布された断熱コート部と、
前記断熱コート部の下流側であって前記排気浄化触媒の上流側の触媒上流側空間に位置する前記排気通路の内壁面上に配置され、該排気浄化触媒に流れ込む排気に関する所定パラメータを検出する排気センサと、
を備える、内燃機関の排気冷却システムであって、
前記排気通路を流れる排気のうち前記断熱コート部上の所定の境界層領域を流れる排気として定義される所定排気が前記排気浄化触媒に流れ込む際の、排気流線として定義される所定排気流線が、前記触媒上流側空間を形成する該排気通路の内壁面の何れかの部位に近接している場合、前記排気センサは、該近接部位を除く該触媒上流側空間を形成する該排気通路の内壁面上に配置される、
内燃機関の排気冷却システム。
【請求項２】
前記排気センサは、排気流れ方向に沿った前記触媒上流側空間の中心軸に対して、前記近接部位とは反対側の、該触媒上流側空間を形成する前記排気通路の内壁面に配置される、
請求項１に記載の内燃機関の排気冷却システム。
【請求項３】
前記断熱コート部は、前記冷却部による冷却箇所から前記排気浄化触媒に至るまでの前記排気通路において形成された曲がり部の内壁面上に位置し、
前記排気通路の排気流れ方向に沿った中心軸を含む断面において、前記断熱コート部が、前記曲がり部のうち内側部位に形成される場合は、前記排気センサは、該曲がり部のうち外側部位から該排気通路の延在方向に沿った延長線上の、前記触媒上流側空間を形成する該排気通路の内壁面上に配置され、又は、該断面において、該断熱コート部が、該外側部位に形成される場合は、該排気センサは、該内側部位から該排気通路の延在方向に沿った延長線上の、該触媒上流側空間を形成する該排気通路の内壁面上に配置される、
請求項１に記載の内燃機関の排気冷却システム。
【請求項４】
前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記断熱コート部の温度を推定する温度推定手段と、
前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記排気センサの検出対象となる排気のうち前記所定排気が含まれる含有割合を推定する割合推定手段と、
前記温度推定手段によって推定される前記断熱コート部の温度と、前記割合推定手段によって推定される前記含有割合に基づいて、前記排気センサの始動のための通電時期を制御する通電制御手段と、
を備える、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の内燃機関の排気冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関が特に高負荷で運転される場合に、排気からの熱ストレスにより排気浄化触媒が劣化するのを回避するために、排気を冷却する技術が知られている。例えば、排気中に含まれる燃料量を増量させ、その気化潜熱を利用する技術が存在するが、排気中の燃料量が増量することで一酸化炭素濃度が上昇しやすくなり、エミッションの観点から好ましくない。また、排気冷却を行う別の技術として、排気管に水冷の冷却アダプタを装着する技術が存在する（例えば、特許文献１を参照）。当該技術では、シリンダヘッドと排気マニホールドとの間に２つの系統の冷却水通路が形成され、これにより排気冷却が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭６４−１５７１８号公報
【特許文献２】特開２００３−１７２１３６号公報
【特許文献３】特開平６−１０６６２号公報
【特許文献４】特開２０１０−１７４６５７号公報
【特許文献５】特開２００７−１１３９２０号公報
【特許文献６】特開２００９−２９９６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒においては、そこに流れ込む排気の温度に依存して触媒温度は大きく変動する。上述した排気冷却用の構成（例えば、冷却アダプタであり、以下「排気冷却用構成」という。）を備える内燃機関では、当該排気冷却用構成により冷却された排気が排気浄化触媒に流れ込むため、当該触媒が過度に昇温することを回避することができる。一方で、内燃機関の低負荷運転時等のように内燃機関から排出された時点での排気温度が比較的低い場合には、当該排気冷却用構成により排気温度が更に低下してしまうため、排気浄化触媒の温度を排気浄化に適した温度に維持することが難しくなり、エミッションの悪化が懸念される。
【０００５】
そこで、排気通路を流れる排気からその排気通路壁面への伝熱を抑制し、排気浄化触媒に流れ込む排気温度を可及的に維持するために、排気通路の内壁面に断熱部材によるコート層を形成することが有用と考えられる。しかし、このような断熱コート層は排気からの受熱量が少ないため、結果として、機関始動後において断熱コート層が形成された排気通路壁面の温度上昇が鈍化することになる。この結果、当該排気通路壁面が排気に含まれる水分の露点温度に到達するまでに比較的長い時間を要することになり、機関始動時に凝縮水が発生しやすく、排気浄化触媒の上流側に配置されている排気センサが被水する可能性が高くなる。排気センサの被水はその故障を招く要因であり、好ましくない。
【０００６】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、排気冷却用構成を有する内燃機関の排気冷却システムにおいて、内燃機関の低負荷運転時の排気温度の低下抑制を図るとともに、排気センサの被水による故障を回避することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明において、上記課題を解決するために、排気から排気通路壁面への伝熱抑制のための断熱コート部と、排気浄化触媒の上流側に配置される排気センサの位置関係に着目した。排気センサの被水を回避するためには、断熱コート部による低温化に起因して生じる凝縮水が下流側において流れる方向が重要と考えられるからである。
【０００８】
具体的には、本発明は、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒よりも上流側の該排気通路を冷却する冷却部と、前記冷却部による冷却箇所から前記排気浄化触媒に至るまでの前記排気通路において、該排気通路を流れる排気からの受熱を抑制するように、該排気通路の内壁面の所定部位に塗布された断熱コート部と、前記断熱コート部の下流側であって前記排気浄化触媒の上流側の触媒上流側空間に位置する前記排気通路の内壁面上に配置され、該排気浄化触媒に流れ込む排気に関する所定パラメータを検出する排気センサと、を備える、内燃機関の排気冷却システムである。そして、前記排気通路を流れる排気のうち前記断熱コート部上の所定の境界層領域を流れる排気として定義される所定排気が前記排気浄化触媒に流れ込む際の、排気流線として定義される所定排気流線が、前記触媒上流側空間を形成する該排気通路の内壁面の何れかの部位に近接している場合、前記排気センサは、該近接部位を除く該触媒上流側空間を形成する該排気通路の内壁面上に配置される。
【０００９】
上記内燃機関の排気冷却システムでは、上記冷却部により排気枝管を流れる排気が冷却され、該冷却された排気が排気浄化触媒に流れ込むように構成される。ここで、冷却部の冷却能力は、該冷却部が設置されている箇所の冷却、および排気浄化触媒が配置されている排気通路から冷却部への熱移動を引き起こすものであることを踏まえ、内燃機関の低負荷運転時の排気冷却効果を軽減するために、断熱コート部が、冷却部による冷却箇所から排気浄化触媒に至るまでの排気通路に形成されている。断熱コート部は、排気から排気通路への伝熱を抑制し得る断熱材料が排気通路の内壁面に塗布されることで形成される。換言すれば、断熱コート部の熱貫流率が排気通路内壁の熱貫流率より低くなるように形成されれば、断熱コート部に含まれる断熱部材やそのコート層の厚さ等は適宜調整すればよい。このように断熱コート部が形成されることで、排気浄化触媒が配置される排気通路から冷却部に流れ込む熱の移動が阻害され、特に、内燃機関の低負荷運転時の熱移動が阻害され、効果的に排気温度の低下抑制を図ることができる。
【００１０】
ここで、触媒上流側空間に排気センサが設けられ、排気浄化触媒に流れ込む排気の所定パラメータの検出が可能となる。所定パラメータとしては、排気温度や排気に含まれる特定の物質（ＮＯｘや酸素、粒子状物質等）の濃度等が挙げられる。一般に排気センサは、通電により電力が供給されることで所定パラメータの検出が可能となり、その使用時は排気センサ自体が高温状態となる。そのため、上流側から排気中の水分が凝縮水として排気センサに飛来すると、熱歪みにより排気センサが故障してしまう可能性がある。
【００１１】
本発明に係る排気浄化システムでは、上記の通り断熱コート部が排気通路の内壁面に形成されているが、この断熱コート部では、排気からの受熱量がその周囲の排気通路壁面よりも少なくなるため、内燃機関の機関始動時において断熱コート部の温度上昇は、周囲の排気通路壁の温度上昇より鈍くなる。そのため、断熱コート部の近くを流れる排気は、その他の部位を流れる排気よりも冷やされ、そこに含まれる水分が凝縮水として下流側に流れていく可能性が高くなる。
【００１２】
そこで、このような断熱コート部による凝縮水の飛来の可能性を考慮して、排気センサが、断熱コート部に関連して定義される所定排気流線の、触媒上流側空間を形成する排気通路内壁面への近接部位を除く内壁面上に配置される。ここで、所定排気流線は、断熱コート部上の所定の境界層領域を流れる所定排気の流線として定義される。所定の境界層領域は、流体物理学の観点から、排気がその粘性によって断熱コート部の表面の影響を受け
る領域である。この所定の境界層領域を流れる排気は、断熱コート部との熱的な授受も比較的生じやすいと考えられる。また、本発明における排気の流線とは、一定の断面積を有する流路を流れる排気の流れを、流速等を考慮して代表的に可視化した流線である。したがって、所定の境界層領域を流れる所定排気の流線（所定排気流線）と、所定の境界層領域を通らずに排気通路を流れる排気の流線は、それぞれ区別可能な流線として画定することができる。
【００１３】
上記定義により、所定排気流線上を、熱的に断熱コート部の影響を受けた所定排気が流れることになるため、当該所定排気流線に沿って所定排気中の水分による凝縮水が下流側に流れていくことになる。このとき、所定排気流線が、上記近接部位で排気センサが配置される触媒上流側空間を形成する排気通路の内壁面に近接する場合に、仮に当該近接部位に排気センサが配置されると被水の影響を受けやすくなる。そこで、上記の通り、触媒上流側空間を形成する排気通路の内壁面のうち、近接部位を除く部位に排気センサを設けることで、断熱コート部に起因する被水の可能性を可及的に低減することができる。
【００１４】
ここで、上述した被水の可能性低減を実現するための、断熱コート部と排気センサとの相対的な位置関係の一例を以下に示す。例えば、上記内燃機関の排気冷却システムにおいて、前記排気センサは、排気流れ方向に沿った前記触媒上流側空間の中心軸に対して、前記近接部位とは反対側の、該触媒上流側空間を形成する前記排気通路の内壁面に配置されてもよい。このように排気センサを、触媒上流側空間の中心軸に対して対向する反対側に配置することで、所定排気流線と排気センサの距離を可及的に長く確保することができるため、排気センサの被水をより確実に回避することができる。
【００１５】
また、断熱コート部と排気センサとの相対的な位置関係の別の例として、上記内燃機関の排気冷却システムにおいて、前記断熱コート部は、前記冷却部による冷却箇所から前記排気浄化触媒に至るまでの前記排気通路において形成された曲がり部の内壁面上に位置し、前記排気通路の排気流れ方向に沿った中心軸を含む断面において、前記断熱コート部が、前記曲がり部のうち内側部位に形成される場合は、前記排気センサは、該曲がり部のうち外側部位から該排気通路の延在方向に沿った延長線上の、前記触媒上流側空間を形成する該排気通路の内壁面上に配置されてもよい。もしくは、該断面において、該断熱コート部が、該外側部位に形成される場合は、該排気センサは、該内側部位から該排気通路の延在方向に沿った延長線上の、該触媒上流側空間を形成する該排気通路の内壁面上に配置されてもよい。
【００１６】
本願発明者は、排気通路に排気の流れの向きを変える曲がり部が存在する場合、曲がり部において排気から排気通路壁への熱移動が比較的大きいことに着目した。そこで、断熱コート部が、この曲がり部の内壁面上に形成されることで、内燃機関の低負荷運転時における、効果的な排気温度の低下抑制が期待される。ここで、曲がり部には、曲がり半径の大きさに応じて内側部位（すなわち、曲がり半径が比較的小さい部位）と外側部位（すなわち、曲がり半径が比較的大きい部位）が含まれ、本願発明者は、各部位の温度的な特徴に着目した。先ず、曲がり部の内側部位は、外側部位よりも高温化しやすい傾向に着目した。これは、排気が曲がり部を流れるときに、内側部位において排気の流速が早くなるとともに、内側部位の通路内壁面に対して垂直に当たる排気成分が大きくなることに起因すると考えられる。そこで、このような内側部位の高温化の観点から、断熱コート部を内側部位に設けることが好ましい。この場合、断熱コート部位に起因した被水を回避するために、内側部位の反対側に位置する外側部位の延長線上の通路内壁面に排気センサを配置するのが好ましい。
【００１７】
次に、本願発明者は、曲がり部の外側部位は、内側部位よりも排気に接触する面積が広いため排気からの受熱量が多くなりやすいことに着目した。これは、外側部位の曲がり半
径が大きく外側部位の面積が大きいことに起因すると考えられる。また、曲がり部の外側部位の外表面も表面積が大きくなるため、周囲雰囲気への放熱が促進され、結果として排気からの熱移動も促進されることも要因と考え得る。そこで、このような外側部位の受熱量増大の観点から、断熱コート部を外側部位に設けることも好ましい。この場合、断熱コート部位に起因した被水を回避するために、外側部位の反対側に位置する内側部位の延長線上の通路内壁面に排気センサを配置するのが好ましい。
【００１８】
ここで、排気センサの凝縮水被水の可能性を考慮すると、被水の可能性が低くなったときに排気センサへの通電、すなわち、排気センサの使用が開始されるのが好ましい。当該被水の可能性は、断熱コート部の温度と、排気センサに到達する排気のうち所定排気がどの程度含まれているかを示す割合に基づいて、合理的に決定することができる。これは、断熱コート部の温度が高くなるほど凝縮水が生成される可能性が低くなる。また、上記の通り排気センサの位置を近接部位を除く部位に設定したとしても、実際には触媒上流側空間において所定排気とそれ以外の排気が混ざることで、所定排気のうちわずかな一部が排気センサに流れ込む場合もあり得る。したがって、この所定排気が含まれる含有割合が大きくなるほど、排気センサに対する被水の影響が出やすくなる。
【００１９】
そこで、上述までの内燃機関の排気冷却システムは、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記断熱コート部の温度を推定する温度推定手段と、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記排気センサの検出対象となる排気のうち前記所定排気が含まれる含有割合を推定する割合推定手段と、前記温度推定手段によって推定される前記断熱コート部の温度と、前記割合推定手段によって推定される前記含有割合に基づいて、前記排気センサの始動のための通電時期を制御する通電制御手段と、を備えるように構成されてもよい。このように内燃機関の排気冷却システムが構成されることで、排気センサの被水の可能性を考慮し、当該可能性が低い状態で排気センサに通電することができ、以てその故障を適切に回避することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、排気冷却用構成を有する内燃機関の排気冷却システムにおいて、内燃機関の低負荷運転時の排気温度の低下抑制を図るとともに、排気センサの被水による故障を回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る内燃機関の排冷却システムの概略構成を示す第一の図である。
【図２】内燃機関の排気系における熱移動を概略的に示した図である。
【図３】排気通路の曲がり角が３０度、６０度、９０度のときの、排気通路における排気の流れを示す図である。
【図４】排気通路の曲がり角が３０度、９０度のときの、排気通路壁の温度分布を示す図である。
【図５】排気通路の曲がり部に形成された断熱コート部と、排気浄化触媒の上流側に配置された排気センサとの相対的な位置関係を示す概略図である。
【図６】本発明に係る内燃機関の排冷却システムにおいて実行される、排気センサへの通電タイミングを制御するセンサ通電制御のフローチャートである。
【図７】内燃機関の機関始動時における断熱コート部の温度推移を示す図である。
【図８】排気センサに到達する排気中に含まれる所定排気の含有割合と断熱コート部の温度によって決定される、排気センサへの通電タイミングを決定する制御マップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載さ
れている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【実施例１】
【００２３】
本発明に係る内燃機関の排気冷却システムの実施例について、本願明細書に添付された図に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関の排気冷却システムの概略構成、および当該システムを備える内燃機関の概略構成を示す図である。内燃機関１は、４つの気筒２を有する火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。なお、図１においては、内燃機関１の４つの気筒のうち、一つの気筒のみが図示されている。また、内燃機関１の各気筒２には、点火プラグ３が取り付けられている。内燃機関１は、吸気ポート４と排気ポート５を備えている。吸気ポート４は、内燃機関１の気筒２内へ空気や燃料を導く通路であり、吸気バルブ６によって開閉される。排気ポート５は、気筒２内で燃焼されたガス（既燃ガス）を気筒２内から排出するための通路であり、排気バルブ７によって開閉される。
【００２４】
吸気ポート４は、図示しない吸気通路と接続され、大気中から新気（空気）が取り込まれる。そして、この吸気ポート４中に燃料噴射が行えるように、燃料噴射弁８が取り付けられている。また、各気筒２に対応する排気ポート５には、それぞれ排気枝管９が接続される。排気枝管９のそれぞれは、上流側の上流側排気枝管９ａと、その下流側に位置し、集合部までの排気通路を形成する下流側排気枝管９ｂで形成されている。そして、下流側排気枝管９ｂには、上流側排気枝管９ａ側に接続フランジ９ｃが設けられ、接続フランジ９ｃと上流側排気枝管９ａとの間にガスケット１１を挟んだ状態で、下流側排気枝管９ｂと上流側排気枝管９ａは接続される。そして、４つの気筒に対応する４つの下流側排気枝管９ｂは上記集合部で合流し、排気管１２に接続されている。この排気管１２には、排気浄化を行うための排気浄化触媒２０が設けられており、排気浄化触媒２０として、たとえば酸化触媒、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒などを挙げることができる。
【００２５】
ここで、図１に示すように、内燃機関１には、排気枝管９を流れる排気を冷却するための冷却アダプタ１０が設けられている。具体的には、冷却アダプタ１０は、その内部に冷却水が流れる冷却流路１０ａを有しており、且つ、冷却アダプタ１０の冷却面が、排気ポート５の直下流の排気枝管９の一部である上流側排気枝管９ａの外周を覆うように配置されている。冷却アダプタ１０の冷却流路１０ａは、図示しない内燃機関１の冷却流路と接続され共通する循環ポンプによって冷却水が循環されるように構成されていてもよく、また、内燃機関１の冷却流路とは独立して冷却水を循環するように構成されていてもよい。この上流側排気枝管９ａは、いわば冷却アダプタ１０によって直接に冷却される箇所となる。
【００２６】
図１に示す内燃機関１の排気冷却システムには、内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ３０が設けられている。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等から構成される電子制御ユニットである。このＥＣＵ３０は、内燃機関１に関連する各種センサとも電気的に接続されている。例えば、ＥＣＵ３０は、クランクポジションセンサ３１、アクセルポジションセンサ３２、イグニッションスイッチ３３、水温センサ３４等と電気的に接続される。クランクポジションセンサ３１は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関した電気信号を出力するセンサである。アクセルポジションセンサ３２は、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関した電気信号を出力するセンサである。イグニッションスイッチ３３は、内燃機関１の始動、停止要求を発する装置である。水温センサ３４は、冷却アダプタ１０の冷却流路１０ａを流れる冷却水の温度を検出するセンサである。したがって、ＥＣＵ３０は、これらのセンサからの出力に基づいて、内燃機関の機関回転速度、機関出力、内燃機関１の始動要
求、停止要求、冷却流路１０ａ内の冷却水温度等を把握、推定することができる。
【００２７】
更に、ＥＣＵ３０は、排気センサ１４とも電気的に接続されている。排気センサ１４は、排気管１２における、後述する断熱コート部１３の下流側であって排気浄化触媒２０の上流側の空間である触媒上流側空間１２ａに配置されており、排気浄化触媒２０に流れこむ排気に関連する所定のパラメータ（例えば、排気温度、排気空燃比等）を検出するセンサである。排気センサ１４は、ＥＣＵ３０からの指令により通電されることで、その所定のパラメータの検出が可能な状態となり、検出されたデータはＥＣＵ３０に渡される。また、ＥＣＵ３０は、点火プラグ３、燃料噴射弁８等の内燃機関１に搭載される各種機器を制御する。
【００２８】
このように上流側排気枝管９ａを流れる排気を冷却する冷却アダプタ１０が備えられる内燃機関１では、内燃機関１から排出される排気温度を低下させることで、排気系に設置される部品等に掛かる熱負荷を軽減させて、部品寿命の長期化等を図ることができる。特に、排気浄化触媒２０に流れ込む排気温度の高温化を抑制することで、排気浄化触媒に含まれる貴金属の量を減量することも可能となる。なお、代替技術として排気中に含まれる燃料量を増量させて、その気化潜熱で排気温度を低下させることも可能であるが、燃費の悪化や燃料増量に起因するエミッションの悪化（例えば、一酸化炭素濃度の増加）が生じやすくなる。そのため、冷却アダプタ１０による排気冷却は、内燃機関１の排気浄化特性を向上する点からも有用である。
【００２９】
ここで、図２の上段（ａ）は、冷却アダプタ１０が設けられていない場合の、排気ポート５を有するシリンダヘッド１ａと排気枝管９および排気管１２の通路壁との間で行われる熱移動を概略的に示した図である。この場合、シリンダヘッド１ａには、気筒２内での燃焼により発生する熱が放熱Ｑ１として移動してくるとともに、シリンダヘッド１ａが有する熱が、放熱Ｑ３として大気（周囲雰囲気）に移動する。また、排気枝管９や排気管１２を流れる排気が有する熱が放熱Ｑ２として、排気から排気枝管９や排気管１２へと移動してくるとともに、排気枝管９や排気管１２が有する熱が、放熱Ｑ４として大気に移動する。内燃機関１が低負荷運転している場合は、内燃機関１の機関温度の上昇は十分ではなく、一方で、排気枝管９や排気管１２は燃焼後の排気に晒されるため、排気枝管９や排気管１２の温度がシリンダヘッド１ａの温度より高くなる傾向がある。そのため、排気枝管９や排気管１２からシリンダヘッド１ａに、伝熱Ｑ５として熱が移動する。
【００３０】
次に、冷却アダプタ１０が設けられている場合の熱移動について、図２の下段（ｂ）に基づいて説明する。なお、模式的な図示である図２においては、冷却アダプタ１０によって直接冷却される上流側排気枝管９ａは、冷却アダプタ１０と一体とみなすことができる。したがって、熱移動を説明する図２（ｂ）では、冷却アダプタ１０側の排気枝管壁の隣に下流側排気枝管９ｂ、排気管１２の通路壁が配置されている。ここで、シリンダヘッド１ａにおける熱移動は、上記図２（ａ）に基づいて説明した通りであり、図２（ｂ）中の放熱Ｑ１１は、図２（ａ）中の放熱Ｑ１に相当し、図２（ｂ）中の放熱Ｑ１３は、図２（ａ）中の放熱Ｑ３に相当する。また、冷却アダプタ１０においても、上流側排気枝管９ａを流れる排気から、放熱Ｑ１６として熱が移動する。この熱移動が、冷却アダプタ１０による直接的な排気冷却となる。
【００３１】
また、同じように、下流側排気枝管９ｂ、排気管１２においては、そこを流れる排気が有する熱が放熱Ｑ１２として、排気から下流側排気枝管９ｂ、排気管１２へと移動してくるとともに、下流側排気枝管９ｂ、排気管１２が有する熱が、放熱Ｑ１４として大気に移動することになる。ここで、冷却アダプタ１０が存在すると、その冷却能力により下流側排気枝管９ｂ、排気管１２から冷却アダプタ１０への伝熱Ｑ１５が生じる。ここで、冷却アダプタ１０は水冷式であるためその冷却能力は比較的大きい。そのため、冷却アダプタ
１０から下流側排気枝管９ｂ、排気管１２にわたる排気通路壁での温度勾配が大きくなり、その結果、伝熱Ｑ１５の熱量は、図２（ａ）に示した伝熱Ｑ５の熱量と比べて非常に大きくなる。この結果、下流側排気枝管９ｂ、排気管１２での放熱が促進されることになり、上記放熱Ｑ１２およびＱ１４の熱量も、図２（ａ）に示した放熱Ｑ２、Ｑ４の熱量と比べて大きくなる傾向がある。このように、冷却アダプタ１０が存在することで、下流側排気枝管９ｂ、排気管１２を流れる排気から、これらの排気通路への伝熱が促進され、排気温度の低下が顕著となることが理解できる。この排気温度の低下影響は、特に、排気浄化触媒２０の浄化能力の観点に立てば、内燃機関１が低負荷運転を行っている場合に顕著となりやすい。
【００３２】
このように冷却アダプタ１０を設けることで排気系部品の長寿命化や内燃機関１の排気浄化特性の向上が図られる一方で、内燃機関１の低負荷運転時における排気温度の低下が懸念される。そこで、本願発明では、図２（ｂ）に示した冷却アダプタ１０に起因する排気からの伝熱Ｑ１２に注目して、効果的な排気温度の低下抑制が図られる。具体的には、図１に示すように、排気管１２での伝熱Ｑ１２を抑制するために、排気管１２の曲がり部に断熱コート部１３が形成されている。この断熱コート部１３は、周囲の排気管１２の材料であるＳＵＳよりも断熱能力を有する、すなわち熱貫流率が低い断熱材料が塗布されて形成されている。
【００３３】
ここで、本願発明者は、排気管１２が排気浄化触媒２０に至るまでの間に曲がっている場合、その曲がり部１２ｄ（図３を参照）において排気からの伝熱Ｑ１２が大きくなることを本願発明者は見出した。排気管１２の排気流れ方向に沿った曲がり部１２ｄの中心軸を含む断面において、曲がり部１２ｄは、曲がり半径の小さい内側部位と曲がり半径の大きい外側部位を有している。以下に、排気管１２の曲がり部１２ｄにおける伝熱について、図３および図４に基づいて説明する。なお、本願発明における曲がり部の入口と出口とにおける排気管の延在方向のズレが、曲がり部の曲がり角として定義される。図３においては、曲がり部の曲がり角が大きくなるほど、その曲率が大きくなるように構成されている。
【００３４】
ここで、図３には、それぞれ３０度、６０度、９０度の曲がり角を有する曲がり部１２ｄを有し、排気の流れに対する断面積が同一の排気管１２が記載されるとともに、各図の排気管１２において、内燃機関１が低負荷運転しているときの所定エンタルピーの排気が流れている場合の、排気流速の様子が示されている。具体的には、各図の曲がり部１２ｄは、図に向かって左側が内側部位であり、図に向かって右側が外側部位である。そして、曲がり部１２ｄにおいては、排気流速が濃淡表示され、且つ排気流速が高くなるほど濃く表示されている。
【００３５】
図３を見て理解できるように、内側部位に隣接する領域に、排気流速が相対的に高くなる領域が形成され、当該領域は、曲がり角が大きくなるに従い大きくなっていく。その結果、曲がり部１２ｄの下流側では、排気流速が相対的に低くなる領域Ｒ１と、相対的に高くなる領域Ｒ２が形成される。そして、この排気流速が相対的に低くなる領域Ｒ１は、曲がり部１２ｄの曲がり角が大きくなるほど拡大していき、曲がり角が９０度になると排気流れの剥離が生じ、図３（ｃ）で斜線で示される領域Ｒ１では、逆流が生まれることになる。
【００３６】
そして、曲がり部１２ｄの曲がり角が大きくなるほど、内側部位の内壁面に当たる排気の垂直成分が大きくなり、また、図３に示すように内側部位の内壁面に高速の排気流れが形成される。そのため、内側部位が特に高温化しやすくなる。また、上記の通り、曲がり角が大きくなり排気流れの剥離が生じると、内側部位の出口で排気の流れに乱れが生じ、その上流側の内側部位の高温化を招く要因となっているとも考えられる。そこで、図４に
、曲がり角が３０度の曲がり部１２ｄの排気管通路壁における熱分布、および曲がり角が９０度の曲がり部１２ｄの排気管通路壁における熱分布を示す。なお、両図における熱分布は、高温であるほど濃く記載される。図４からも理解できるように、曲がり部１２ｄの曲がり角が小さい場合には、内側部位と外側部位では、通路壁面の温度差はそれほど大きくないが、曲がり部１２ｄの曲がり角が大きくなると、内側部位の通路壁面の温度が、外側部位の通路壁面の温度よりも高くなる傾向がある。
【００３７】
このように排気管１２の曲がり部１２ｄの曲率又は曲がり角が大きくなると、内側部位の通路壁面温度の高温化が顕著となる。そして、排気管１２の通路壁面の温度が高温化することで、冷却アダプタ１０への伝熱Ｑ１５も大きくなると考えられる。そこで、このような内燃機関１の排気管１２での熱移動の傾向を考慮し、曲がり部１２ｄの内側部位に断熱コート部１３を形成してもよい。このような構成により、曲がり部１２ｄの内側部位の高温化を抑制でき、以て排気温度の低下抑制を図ることができる。
【００３８】
また、別の観点から断熱コート部１３を形成してもよい。具体的には、排気管１２の曲がり部１２ｄにおいて、上記の通り外側部位は内側部位よりも高温化しにくいが、外側部位は、曲がり部１２ｄの形状の結果、外部表面積が大きいため、外側部位を介した周囲雰囲気への放熱量が比較的大きくなりやすいと考えられる。そこで、周囲雰囲気への放熱量を抑制する観点から、曲がり部１２ｄの外側部位に断熱コート部１３を形成し排気温度の低下抑制を図ってもよい。
【００３９】
このように曲がり部１２ｄの内側部位であれ外側部位であれ、何れかに断熱コート部１３を形成した場合、触媒上流側空間１２ａに設けられた排気センサ１４に対する凝縮水の飛来の問題を十分に検討する必要がある。断熱コート部１３は、その周囲の曲がり部１２ｄの通路壁面よりも排気からの受熱量が少ないため、その温度が相対的に低くなる。そのため、内燃機関の機関始動時には、その周囲の曲がり部１２ｄの通路壁面よりも温度上昇が緩慢となり、断熱コート部１３の近くを流れる排気はそこから熱的影響を受けて、排気中に含まれる水分が凝縮水となり、排気センサ１４側に飛来する可能性が高くなる。このような断熱コート部１３による排気センサ１４の被水の可能性を考慮して、排気センサ１４の配置が設定される。
【００４０】
具体的な排気センサ１４の配置について、図５に基づいて説明する。図５の上段（ａ）には、断熱コート部１３が曲がり部１２ｄの内側部位１２ｄ２に形成されたときの排気センサ１４の配置を示す概略図である。一般に、流体力学の観点から、内燃機関１からの排気のように粘性を有する流体は、その粘性によって流体が流れる通路壁面の影響を受ける場合があり、このとき当該流体は通路壁面上に設定される境界層を流れていると言える。そこで、本願発明では、断熱コート部１３上の所定の境界層領域１３ａが流体力学的に設定され、この所定の境界層領域１３ａは、そこを流れる排気に対する断熱コート部１３からの熱的影響が届く領域として定義される。そして、この所定の境界層領域１３ａを流れる排気の流線が、図５（ａ）において矢印Ａ１で示されている。
【００４１】
詳細には、数値流体力学（ＣＦＤ）の手法により曲がり部１２ｄの排気流速、排気流れの向き等の各パラメータが算出される。そして、事前に設定された所定の境界層領域１３ａを流れる排気の各パラメータに基づいて、当該排気の流線Ａ１を算出する。なお、排気流線Ａ１の算出手法は、必ずしも一つの手法に限られず、公知の手法を採用することができる。ここで、所定の境界層領域１３ａを流れる排気の流線Ａ１は、触媒上流側空間１２ａを形成する排気通路の内壁面の何れかの部位に最も近接するように流れている。そこで、この最も近接する内壁面の部位を近接部位１２ｂとする。この近接部位１２ｂについては、上記流線の算出と同じように、事前の数値流体力学（ＣＦＤ）の手法によりコンピュータ上で流線Ａ１と排気通路の内壁面との近接の程度を計算し、その結果を踏まえて近接
部位１２ｂを設定すればよい。
【００４２】
なお、図３に示すように、曲がり部１２ｄの曲がり角が大きくなると、曲がり部１２ｄの下流において排気流れの剥離が発生する場合がある。このような場合においても、数値流体力学（ＣＦＤ）により剥離の影響を考慮して、所定の境界層領域１３ａを流れる排気の流線Ａ１、および近接部位１２ｂを算出することができる。
【００４３】
ここで、図５（ａ）に示す例では、内側部位１２ｄ２に断熱コート部１３が形成された場合、所定の境界層領域１３ａを流れる排気の流線Ａ１は、概ね、内側部位１２ｄ２側の排気管１２の通路壁に沿って排気浄化触媒２０の方に延在する。そのため、近接部位１２ｂは、断熱コート部１３の下流側の、触媒上流側空間１２ａを形成する排気管１２の通路壁に位置することになる。そこで、このような排気流線Ａ１が画定される場合には、排気センサ１４を、図５（ａ）において右側の、近接部位１２ｂとは反対側の触媒上流側空間１２ａを形成する排気管１２の通路壁上に、換言すれば外側部位１２ｄ１側の排気管１２の通路壁上に配置すればよい。このように配置される排気センサ１４に対して流れ込む排気は、その多くは、曲がり部１２ｄの外側部位１２ｄ１の近くの領域を通った排気であり、当該排気の流線は、図５（ａ）で点線の矢印で表わされている。そのため、排気センサ１４に、凝縮水を含む排気が流れ込む可能性を低くすることが可能となる。
【００４４】
また、排気センサ１４の別の配置について、図５の下段（ｂ）に基づいて説明する。図５（ｂ）には、断熱コート部１３が曲がり部１２ｄの外側部位１２ｄ１に形成されたときの排気センサ１４の配置を示す概略図である。この場合においても、図５（ａ）に示した場合と同じように、断熱コート部１３上の所定の境界層領域１３ａが流体力学的に設定され、この所定の境界層領域１３ａを流れる排気の流線が、図５（ｂ）においても矢印Ａ１で示され、且つ、それに基づき近接部位１２ｂが決定される。
【００４５】
具体的には、図５（ｂ）に示す例では、外側部位１２ｄ１に断熱コート部１３が形成された場合、所定の境界層領域１３ａを流れる排気の流線Ａ１は、概ね、外側部位１２ｄ
側の排気管１２の通路壁に沿って排気浄化触媒２０の方に延在する。そのため、近接部位１２ｂは、断熱コート部１３の下流側の、触媒上流側空間１２ａを形成する排気管１２の通路壁に位置することになる。そこで、このような排気流線Ａ１が画定される場合には、排気センサ１４を、図５（ｂ）において左側の、近接部位１２ｂとは反対側の触媒上流側空間１２ａを形成する排気管１２の通路壁上に、換言すれば内側部位１２ｄ２側の排気管１２の通路壁上に配置すればよい。このように配置される排気センサ１４に対して流れ込む排気は、その多くは、曲がり部１２ｄの内側部位１２ｄ２の近くの領域を通った排気であり、当該排気の流線は、図５（ｂ）で点線の矢印で表わされている。そのため、排気センサ１４に、凝縮水を含む排気が流れ込む可能性を低くすることが可能となる。
【実施例２】
【００４６】
上記実施例では、触媒上流側空間１２ａにおける排気センサ１４を、近接部位１２ｂから離れた位置とすることで、排気センサ１４に対する被水の可能性を可及的に低減する技術が開示されている。このような排気センサ１４の配置を採用する場合でも、触媒上流側空間１２ａにおいて、所定の境界層領域１３ａを流れる排気（流線Ａ１で示される排気）と、曲がり部１２ｄにおいて所定の境界層領域１３ａ以外の領域を流れる排気（図５中、点線の矢印で示される排気）とは、実際にはある程度混じり合い、近接部位１２ｂとは反対側に位置するように配置された排気センサ１４に対しても、その排気の混じり合いの結果、所定の境界層領域１３ａを流れる排気の一部が流れ込む可能性がある。そこで、凝縮水の被水による排気センサ１４の故障を回避するための、排気センサ１４への通電タイミングの制御であるセンサ通電制御が、ＥＣＵ３０に格納された制御プログラムの実行により行われる。なお、当該センサ通電制御は、内燃機関１の機関始動時に行われる制御であ
る。以下、図６に基づいて当該センサ通電制御について説明する。
【００４７】
先ず、内燃機関１の機関始動後、すなわち、イグニッションスイッチ３３からの機関始動要求があり、内燃機関１が機関始動を開始した後にＳ１０１の処理が行われる。Ｓ１０１では、断熱コート部１３の温度が推定される。具体的には、図７に示すように、内燃機関１の機関始動からの積算吸気量に対する断熱コート部１３の温度推移の関係に基づき、断熱コート部１３の温度が推定される。図７に示す線Ｌ１は、排気管１２において断熱コート部１３が形成されていない場合の排気管１２の通路壁（曲がり部１２ｄの内側部位の通路壁）温度の推移であり、線Ｌ２は、排気管１２の内壁面に全て断熱コート部１３を形成した場合の、曲がり部１２ｄの内側部位に形成された断熱コート温度の推移である。したがって、図５（ａ）のように排気管１２の内壁面の一部（曲がり部１２ｄの内側部位）に断熱コート部を形成している場合には、線Ｌ１と線Ｌ２との間に位置する線Ｌ３で示される断熱コート部の温度推移が得られる。そこで、事前の実験等で得られた、線Ｌ３で示される断熱コート部１３の温度推移を制御マップとしてＥＣＵ３０内のメモリに格納しておき、内燃機関１における積算吸気量をパラメータとして当該制御マップにアクセスすることで、断熱コート部１３の温度が推定される。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。
【００４８】
Ｓ１０２では、排気センサ１４に流れ込む排気のうち、所定の境界層領域１３ａを流れる排気（流線Ａ１で示される排気）が含まれる含有割合が推定される。実際の触媒上流側空間１２ａにおいては、上記の通り曲がり部１２ｄを経た排気の混合が進むため、排気センサ１４に流れ込む排気に所定の境界層領域１３ａを流れる排気の一部が含まれ得る。なお、触媒上流側空間１２ａでの排気の混合は、主に排気の流量に大きく影響されると考えられる。そこで、事前の実験やＣＦＤによる解析結果等に基づいて、内燃機関１の排気流量と上記含有割合との相関を決定し、当該相関を制御マップとしてＥＣＵ３０内のメモリに格納しておき、内燃機関１における排気流量をパラメータとして当該制御マップにアクセスすることで、上記含有割合が推定される。なお、内燃機関１における排気流量は、機関負荷や機関回転速度に基づいて算出してもよい。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。
【００４９】
Ｓ１０３では、Ｓ１０１で推定された断熱コート部１３の温度と、Ｓ１０２で推定された含有割合に基づいて、排気センサ１４に通電が可能か否かが判定される。具体的には、図８に示す制御マップであって、断熱コート部１３の温度と含有割合で画定される通電可能領域に基づいて、当該判定が行われる。すなわち、断熱コート部１３の温度と含有割合が図８に示す通電可能領域に属する場合には、排気センサ１４への通電が可能な状態とされる。例えば、含有割合が零の場合は、断熱コート部１３の温度がＴ１以上である場合に排気センサ１４への通電が行われれば、排気センサ１４が被水するおそれはない。この閾温度Ｔ１は、断熱コート部１３に起因する凝縮水の発生がない場合での通電可能な温度である。そして、含有割合が高くなるにしたがい、排気センサ１４に流れ込む排気中に凝縮水が含まれる可能性が高くなるため、排気センサ１４への通電が可能となる断熱コート部１３の閾温度が高くなるように設定される。
【００５０】
Ｓ１０３で肯定判定されるとＳ１０４へ進み、否定判定されるとＳ１０１の処理が再び行われる。Ｓ１０４では、排気センサ１４への通電が行われる。
【００５１】
本制御によると、図５に示すように排気センサ１４を、所定の境界層領域１３ａを流れる排気から離れた位置に配置させ、且つ、排気センサ１４に流れ込む排気に含まれ得る凝縮水の量を考慮して、その通電タイミングが制御される。したがって、排気センサ１４を被水による故障から保護することが可能となる。なお、上記制御では、内燃機関１の機関始動からの積算吸気量に基づいて断熱コート部１３の温度の推定が行われたが、当該積算
吸気量に加え、水温センサ３４により検出される、冷却アダプタ１０の冷却流路１０ａを流れる冷却水温度を考慮してもよい。これは、当該冷却水温度によって排気管１２に流れ込む排気温度が変動し得ることを考慮したものである。
【符号の説明】
【００５２】
１    内燃機関
２    気筒
３    点火プラグ
４    吸気ポート
５    排気ポート
８    燃料噴射弁
９    排気枝管
９ａ  上流側排気枝管
９ｂ  下流側排気枝管
９ｃ  接続フランジ
１０  冷却アダプタ
１０ａ      冷却流路
１１  ガスケット
１２  排気管
１２ａ      触媒上流側空間
１２ｂ      近接部位
１３  断熱コート部
１３ａ      所定の境界層領域
１４  排気センサ
２０  排気浄化触媒
２５  水温センサ
３０  ＥＣＵ
３３  イグニッションスイッチ
【図１】
2015004323.tif 000003
【図２】
2015004323.tif 000004
【図３】
2015004323.tif 000005
【図４】
2015004323.tif 000006
【図５】
2015004323.tif 000007
【図６】
2015004323.tif 000008
【図７】
2015004323.tif 000009
【図８】
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