(57)【要約】【課題】過給機を備える内燃機関において、内燃機関の高温部の過熱を抑制すること。【解決手段】この冷却装置１０では、第１タービンバイパス弁９０よりも排ガスＥｘの流れ方向下流における第１タービンバイパス通路２４に第２タービン６１ｔを設け、この第２タービン６１ｔにより冷却媒体吐出手段６１ｃを駆動する。冷却媒体吐出手段６１ｃは、内燃機関１の排気ポート９に空気Ａを送る。内燃機関１が高負荷で運転され、排ガスＥｘの温度が高くなる場合には、第１タービンバイパス弁９０を切り替えることにより第２タービン６１ｔへ排ガスを供給して冷却媒体吐出手段６１ｃを駆動し、内燃機関１の排気ポート９に空気Ａを送って冷却する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関が排出する排ガスによって駆動されて圧縮機を駆動する第１タービンをバイパスさせて、前記排ガスを前記第１タービンの出口の下流へ流す第１タービンバイパス通路と、
前記第１タービンバイパス通路に設けられて、前記第１タービンバイパス通路を流れる前記排ガスの流量を調整する第１タービンバイパス弁と、
前記第１タービンバイパス弁の出口の下流に設けられて、前記第１タービンバイパス弁を通過した排ガスによって駆動される第２タービンと、
前記第２タービンによって駆動されて、冷却媒体を前記内燃機関の高温部分に送る冷却媒体吐出手段と、
を含むことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記第１タービンバイパス弁の開度は、前記排ガスの温度が高くなるにしたがって大きくなることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記第１タービンバイパス弁と前記第２タービンとの間から、前記第１タービンの出口の下流へ前記排ガスを流す第２タービンバイパス通路と、
前記排ガスを流す対象を、前記第２タービン又は第２タービンバイパス通路に切り替える排ガス経路切替手段と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記排ガス経路切替手段は、
前記排ガスを浄化するための浄化触媒の温度が予め定めた所定の切替温度を超えた場合に、前記排ガスを前記第２タービンに流すことを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記冷却媒体を冷却する冷却媒体冷却手段を備え、
前記冷却媒体冷却手段によって冷却された前記冷却媒体が前記内燃機関の高温部分に送られることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却装置を備え、かつ前記第１タービンによって駆動される前記圧縮機によって加圧された空気が燃焼用の空気として供給されるとともに、排ガスが前記第１タービンに供給されることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、過給機を備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関では、排ガスのエネルギーを利用して圧縮機を駆動し、燃焼室により多くの空気を送り込む、いわゆる過給機を備えるものがある。例えば、特許文献１には、コンプレッサを駆動するタービンに排ガスが導入されるとともに、内燃機関の回転数、負荷に対応して、第１パワータービン又は第２パワータービンの少なくとも一方が駆動される排気エネルギーの回収装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特許第２７９０７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関が高負荷で運転されている場合、内燃機関の排出する排ガスの温度が高温となる。特に過給を行う場合には排ガスの温度が上昇しやすく、排ガス出口近傍のように高温となる部分の過熱を抑制する必要がある。特許文献１に開示されている技術は、排ガスの持つエネルギーを効率的に回収することを目的としているが、高温部分の冷却については考慮されておらず、改善の余地がある。
【０００５】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、過給機を備える内燃機関において、内燃機関の高温部の過熱を抑制できる冷却装置及び内燃機関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】
上述の目的を達成するために、この発明に係る冷却装置は、内燃機関が排出する排ガスによって駆動されて圧縮機を駆動する第１タービンをバイパスさせて、前記排ガスを前記第１タービンの出口の下流へ流す第１タービンバイパス通路と、前記第１タービンバイパス通路に設けられて、前記第１タービンバイパス通路を流れる前記排ガスの流量を調整する第１タービンバイパス弁と、前記第１タービンバイパス弁の出口の下流に設けられて、前記第１タービンバイパス弁を通過した排ガスによって駆動される第２タービンと、前記第２タービンによって駆動されて、冷却媒体を前記内燃機関の高温部分に送る冷却媒体吐出手段と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
この冷却装置は、第１タービンバイパス弁よりも排ガスの流れ方向下流における第１タービンバイパス通路に第２タービンを設け、この第２タービンにより冷却媒体吐出手段を駆動する。そして、冷却媒体吐出手段によって、内燃機関の高温部分（例えば、排気ポートやエキゾーストマニホールドのように内燃機関の燃焼室に近い排ガス通路等）に冷却媒体（例えば空気）を送る。これによって、内燃機関が高負荷で運転され、排ガスの温度が高くなる場合には、第１タービンバイパス弁を切り替えることにより第２タービンへ排ガスを供給する。そして、第２タービンによって冷却媒体吐出手段を駆動し、内燃機関の高温部へ冷却媒体を送り、内燃機関の高温部を冷却することができる。これによって、内燃機関の高温部の過熱を抑制して、高温部の耐久性低下を抑制できる。
【０００８】
次の本発明に係る冷却装置は、前記冷却装置において、前記第１タービンバイパス弁の開度は、前記排ガスの温度が高くなるにしたがって大きくなることを特徴とする。
【０００９】
次の本発明に係る冷却装置は、前記冷却装置において、前記第１タービンバイパス弁と前記第２タービンとの間から、前記第１タービンの出口の下流へ前記排ガスを流す第２タービンバイパス通路と、前記排ガスを流す対象を、前記第２タービン又は第２タービンバイパス通路に切り替える排ガス経路切替手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
次の本発明に係る冷却装置は、前記冷却装置において、前記排ガス経路切替手段は、前記排ガスを浄化するための浄化触媒の温度が予め定めた所定の切替温度を超えた場合に、前記排ガスを前記第２タービンに流すことを特徴とする。
【００１１】
次の本発明に係る冷却装置は、前記冷却装置において、前記冷却媒体を冷却する冷却媒体冷却手段を備え、前記冷却媒体冷却手段によって冷却された前記冷却媒体が前記内燃機関の高温部分に送られることを特徴とする。
【００１２】
次の本発明に係る内燃機関は、前記冷却装置を備え、かつ前記第１タービンによって駆動される前記圧縮機によって加圧された空気が燃焼用の空気として供給されるとともに、排ガスが前記第１タービンに供給されることを特徴とする。
【００１３】
この内燃機関は、前記冷却装置を備えるので、内燃機関が高負荷で運転され、排ガスの温度が高くなる場合には、第２タービンによって冷却媒体吐出手段を駆動し、内燃機関の高温部へ冷却媒体を送り、内燃機関の高温部を冷却することができる。これによって、内燃機関の高温部の過熱を抑制して、高温部の耐久性低下を抑制できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る冷却装置及び内燃機関は、過給機を備える内燃機関において、内燃機関の高温部の過熱を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）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、いわゆる均等の範囲に属するものが含まれる。本発明は、乗用車、トラック、バスその他の車両に搭載される内燃機関に対して好適であるが、本発明の適用対象はこのような車両に限定されるものではない。
【００１６】
また、本発明は、内燃機関の排ガスによって駆動されて、前記内燃機関へ燃焼用の空気を供給し、かつ排ガスの供給量により過給圧力を調整する過給機を備えていればよく、内燃機関の種類は問わない。以下においては、内燃機関が備える単一の気筒を取り出して説明するが、本発明は多気筒、単気筒を問わず、また、多気筒の場合には、気筒数及びその配置は問わない。
【００１７】
この実施形態は、次の点に特徴がある。すなわち、第１タービンバイパス通路に設けられる第１タービンバイパス弁と、第１タービンバイパス弁の出口の下流に設けられて、第１タービンバイパス弁を通過した排ガスによって駆動される第２タービンと、第２タービンによって駆動されて、冷却媒体を前記内燃機関の高温部分に送る冷却媒体吐出手段とを備える。そして、内燃機関が高負荷で運転されて排ガス温度が高くなる場合には、第２タービンに排ガスを供給して冷却媒体吐出手段を駆動して、内燃機関の高温部へ冷却媒体を供給する。次に、この実施形態に係る冷却装置及び内燃機関について説明する。
【００１８】
以下の説明で上流、下流というときには、内燃機関が排出する排ガスの流れ方向を基準とした場合の上流、下流をいうものとする。また、内燃機関の高温部とは、燃焼室から排ガスが排出される排ガスの出口近傍、排気通路（特に、排気ポートやエキゾーストマニホールドのような内燃機関の燃焼室に近い排気通路）等、内燃機関が排出する排ガスの影響で温度が上昇する部分をいう。排気通路を冷却する際には、排気弁で開閉される燃焼室の排ガス出口から、過給機のタービン入口までの少なくとも一部を冷却すると、特に効果的である。また、この実施形態に係る内燃機関は過給機を備えるが、過給機の軸受のように、排ガスの影響で高温になる部分も、内燃機関の高温部分に含まれるものとする。
【００１９】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る冷却装置、及びこれを備える内燃機関の構成を示す説明図である。この内燃機関１は、排気ポート９及び排ガスを冷却するための冷却装置１０を備える。内燃機関１は、気筒１Ｓ内をピストン５が往復運動する、いわゆるレシプロ式の内燃機関である。この内燃機関１は、気筒１Ｓの燃焼室１Ｂ内へ直接燃料Ｆを噴射する直噴噴射弁３を備える、いわゆる直噴の内燃機関である。なお、吸気通路を構成する吸気ポート４内に燃料Ｆを噴射するポート噴射弁を備える内燃機関にも本発明は適用でき、また、ポート噴射弁と直噴噴射弁３とにより燃料を噴射する、いわゆるデュアル噴射弁の内燃機関にも本発明は適用できる。
【００２０】
この内燃機関１は、過給機を備える。この実施形態においては、内燃機関１の排ガスＥｘによって駆動されるターボチャージャー（以下ターボという）６０を過給機として備える。このターボ６０は、圧縮機６０ｃと、内燃機関１の排ガスＥｘにより圧縮機６０ｃを駆動する第１タービン６０ｔと、両者を連結する回転軸６０ｓとで構成される。第１タービン６０ｔは、排気通路を構成する排気ポート９及び第１タービン入口側排気通路（エキゾーストマニホールドに相当する）２３を通って供給される、内燃機関１の排ガスＥｘにより駆動される。
【００２１】
この内燃機関１は、過給機出口側吸気通路２１に設けられる電子スロットル弁７０により、吸入空気量が調整される。電子スロットル弁７０は、バタフライバルブ７１と、これを駆動するアクチュエータ７２と、バタフライバルブ７１の開度を検出する開度センサ７３とで構成される。機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０は、アクセル開度センサ４６からの出力を取得して、アクチュエータ７２に制御信号を送り、開度センサ７３からのバタフライバルブ開度のフィードバック信号に基づいて、バタフライバルブ７１を適切な開度に制御する。
【００２２】
内燃機関１に取り付けられたクランク角センサ４５によって、クランク軸６のクランク角度ＣＡが検出される。機関ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４５、アクセル開度センサ４６、冷却水温度センサ４１、吸気温度センサ４４、エアフローセンサ４３、吸気圧力センサ４２、排ガス温度センサ４０、その他のセンサ類からの出力を取得して、点火時期や燃料噴射量を決定する。そして、その決定値に基づき、直噴噴射弁３から燃料Ｆを噴射させ、内燃機関１のシリンダヘッド１Ｈに取り付けられる点火プラグ２に通電して、燃焼室１Ｂ内の混合気に点火する。
【００２３】
エアクリーナ８１によって塵やごみが除去された空気Ａは、エアフローセンサ４３で流量が計測された後、過給機入口側吸気通路２０を通って圧縮機６０ｃで圧縮される。圧縮機６０ｃで圧縮された空気Ａは、吸気冷却器８２で冷却された後、電子スロットル弁７０を通過して吸気通路を構成する吸気導入通路２２へ導かれる。空気Ａは、吸気導入通路２２に接続される吸気ポート４から吸気弁８ｉを通って燃焼室１Ｂ内に導入される。燃焼室１Ｂ内に導入された空気Ａは、直噴噴射弁３から噴射される燃料噴霧Ｆｍと混合気を形成し、この混合気が点火プラグ２で着火されて、火炎伝播により燃焼する。なお、点火時期は、クランク角センサ４５からの信号に基づいて決定される。
【００２４】
混合気の燃焼圧力はピストン５に伝えられ、ピストン５を往復運動させる。ピストン５の往復運動はコネテクティングロッド７を介してクランク軸６に伝えられ、ここで回転運動に変換されて、内燃機関１の出力として取り出される。燃焼後の混合気は排ガスＥｘとなり、排気弁８ｅを通って排気ポート９へ排出される。そして、この排ガスＥｘは、第１タービン入口側排気通路２３を通って第１タービン６０ｔを駆動した後、排気通路を構成する第１タービン出口側排気通路２６から排出され、その後、浄化触媒８３で浄化されて大気中へ排出される。次に、この実施形態に係る冷却装置１０について説明する。
【００２５】
この実施形態に係る冷却装置１０は、内燃機関１の排ガスＥｘによって駆動されて、内燃機関１の排気ポート９及び排ガスＥｘを冷却する。これによって、特に内燃機関１が高負荷で運転されており排ガスＥｘの温度（排ガス温度）が高くなる場合に排ガス温度を低下させて、燃料冷却の割合を低減させる。冷却装置１０は、第１タービンバイパス通路２４と、第１タービンバイパス弁９０と、第２タービン６１ｔと、冷却媒体吐出手段６１ｃとを構成要素としている。次に、冷却装置１０の各構成要素について説明する。
【００２６】
第１タービン入口側排気通路２３と、第１タービン６０ｔの出口側に設けられる第１タービン出口側排気通路２６とは、第１タービンバイパス通路２４により接続される。ここで、第１タービンバイパス通路２４は、第２タービン入口側通路２４Ｕと第２タービン出口側通路２４Ｌとで構成される。第１タービンバイパス通路２４（より具体的には第１タービンバイパス通路２４の第２タービン入口側通路２４Ｕ）には第１タービンバイパス弁（ウエストゲート弁）９０が設けられている。第１タービンバイパス弁９０は、機関ＥＣＵ５０及び機関ＥＣＵ５０内に備えられる冷却制御装置３０によって制御される。
【００２７】
第１タービンバイパス弁９０を開くと、排ガスＥｘは第１タービン６０ｔをバイパスして流れるので、第１タービンバイパス弁９０の開度を調整することにより、第１タービン６０ｔに流入する排ガスＥｘの量を調整することができる。例えば、第１タービンバイパス弁９０の単位時間あたりにおける開閉回数を制御することで圧縮機６０ｃが吐出する空気Ａの圧力を調整することができるので、内燃機関１に対するターボ６０の過給圧力を調整することができる。
【００２８】
第１タービンバイパス通路２４の途中であって、第１タービンバイパス弁９０の出口の下流、すなわち第１タービンバイパス弁９０の出口と第１タービン出口側排気通路２６との間には、第２タービン６１ｔが設けられる。第２タービン６１ｔは、第１タービン６０ｔをバイパスし、第１タービンバイパス弁９０を通った排ガスＥｘによって駆動される。
【００２９】
第２タービン６１ｔは、回転軸６１ｓを介して冷却媒体吐出手段６１ｃと連結されており、第２タービン６１ｔによって冷却媒体吐出手段６１ｃが駆動される。冷却媒体吐出手段６１ｃは、冷却媒体（この実施形態では空気Ａ）を吐出する機能を備えており、例えば、圧縮機や送風機（ブロワ）等を備える。この実施形態に係る冷却媒体吐出手段６１ｃは、圧縮機を備えている。
【００３０】
冷却媒体吐出手段６１ｃには、冷却媒体供給通路６２と、冷却媒体回収通路６３とが接続されている。冷却媒体供給通路６２の出口は内燃機関１の排気ポート出口９ｅの近傍（この実施形態では排気ポート９の周囲）に開口している。そして、排気ポート出口９ｅの近傍に冷却媒体吐出手段６１ｃから吐出される冷却媒体である空気Ａを供給し、排気ポート出口９ｅの近傍を冷却するとともに、排気通路内を流れる内燃機関１の排ガスＥｘを冷却する。排ガスＥｘを冷却した後の冷却媒体は、冷却媒体回収通路６３を通り、後述する冷却媒体冷却手段で冷却されたり、大気中に放出されたりする。
【００３１】
第１タービンバイパス弁９０を開くと、内燃機関１が排出する排ガスＥｘは第１タービン６０ｔをバイパスし、第１タービンバイパス通路２４の第２タービン入口側通路２４Ｕから第２タービン６１ｔに流入して、第２タービン６１ｔを駆動する。そして、第２タービン６１ｔは冷却媒体吐出手段６１ｃを駆動し、冷却媒体吐出手段６１ｃは冷却媒体を吐出して排気ポート出口９ｅの近傍へ供給し、排気ポート出口９ｅの近傍及び排ガスＥｘを冷却する。なお、冷却媒体を、第１タービン６０ｔの軸受へ供給してこれを冷却し、軸受の焼き付き等を回避してもよい。
【００３２】
このような構成により、この実施形態では、第１タービンバイパス弁９０を開くことにより冷却媒体吐出手段６１ｃが駆動されて、冷却媒体が排気ポート出口９ｅの近傍へ供給される。これによって、内燃機関１の高温部分が冷却される。また、第１タービンバイパス弁９０の開度を調整して第２タービン６１ｔに供給される排ガスＥｘの量を調整することにより、冷却媒体吐出手段６１ｃから吐出される冷却媒体の量を調整できる。これによって、内燃機関１の高温部分の冷却能力を制御することができる。
【００３３】
一般にターボ６０を備える内燃機関１では、排ガスの温度が高温になる高負荷時に、過給圧力が過剰に上昇しないように、第１タービンバイパス通路２４に排ガスＥｘを流すことにより、第１タービン６０ｔをバイパスさせて排ガスＥｘを流す。そして、従来は、第１タービン６０ｔをバイパスさせた排ガスＥｘは、エネルギーを回収せずに大気中へ放出されていた。この実施形態では、従来第１タービンバイパス通路２４を通して大気中へ放出していた排ガスＥｘを第２タービン６１ｔへ供給し、冷却媒体吐出手段６１ｃを駆動して、内燃機関１の高温部分を冷却する。これによって、従来、内燃機関１の高負荷時には回収していなかった排ガスＥｘのエネルギーを利用して内燃機関１を冷却することができるので、余計なエネルギーを使用せずに、内燃機関の高温部分を冷却して、耐久性低下を抑制できる。
【００３４】
また、排ガスＥｘの温度が高温になる高負荷時においては、内燃機関１に供給する燃料の量を、例えば理論空燃比から定まる燃料の量よりも増加させて、燃料の気化潜熱を利用して排ガスＥｘの温度を下げていた。しかし、この実施形態では、従来大気中へ放出していた排ガスＥｘのエネルギーを利用して内燃機関１の高温部分を冷却するので、燃料の増量を抑制、あるいは燃料の増量を不要にしつつ、高温部の耐久性低下を抑制できる。
【００３５】
図２は、実施形態１に係る内燃機関の排気口近傍を冷却する構造例を示す断面図である。図２に示す冷却構造は、排気ポート出口９ｅに接続される第１タービン入口側排気通路２３ａを二重管とし、冷却媒体吐出手段６１ｃ（図１参照）から供給される空気Ａを外管２３ａｏに接続された冷却媒体供給通路６２から供給し、内管２３ａｉと外管２３ａｏとの間に導く。そして、内管２３ａｉ及び第１タービン入口側排気通路２３ａ内を流れる排ガスＥｘを冷却する。冷却後の空気Ａは、外管２３ａｏに接続された冷却媒体回収通路６３から回収される。この構成によれば、内燃機関１の内部に冷却媒体通路を設ける必要はないので、簡単な構成で排気ポート出口９ｅの近傍（内燃機関１の高温部分）を冷却することができる。
【００３６】
図３は、実施形態１に係る内燃機関の排気口近傍を冷却する他の構造例を示す断面図である。図３に示す排気口近傍の冷却構造は、図２に示す冷却構造と同様であるが、排気ポート９の周囲に冷却媒体通路６４を形成するとともに、二重管で構成される第１タービン入口側排気通路２３ａの内管２３ａｉと外管２３ａｏとの間に供給された空気Ａを前記冷却媒体通路６４内へ導入する。これによって、排気ポート９を冷却する。この構成によれば、高温の排ガスＥｘが通過する排気ポート９を冷却できるので、内燃機関１の高温部分の冷却にはより効果的である。
【００３７】
図４は、実施形態１に係る内燃機関の排気口近傍を冷却する他の構造例を示す断面図である。図４に示す排気口近傍の冷却構造は、図３に示す冷却構造と同様であるが、排気ポート９の周囲に冷却媒体通路６４を形成し、冷却媒体吐出手段６１ｃ（図１参照）から供給される空気Ａを、冷却媒体通路６４内へ導入する。この構成によれば、冷却媒体である空気Ａを、二重管で構成される第１タービン入口側排気通路２３ａの内管２３ａｉと外管２３ａｏとの間を通過させる必要はないので、さらに効果的に排気ポート９（内燃機関１の高温部分）を冷却することができる。次に、この実施形態に係る冷却媒体の冷却を説明する。
【００３８】
図５は、実施形態１に係る冷却装置が備える冷却媒体の冷却手段を示す説明図である。この冷却媒体の冷却手段（以下冷却媒体冷却手段）は、冷却媒体供給通路６２の途中に設けられる熱交換器６８を含んで構成される。そして、冷却媒体冷却手段によって冷却された冷却媒体である空気Ａが、排気ポート出口９ｅに向かって送られる。この実施形態では、冷却媒体吐出手段６１ｃから吐出される空気Ａを熱交換器６８で冷却し、冷却後の空気Ａが内燃機関１の高温部分を冷却するために供される。
【００３９】
熱交換器６８は蒸発器であり、フロンやＣＯ2等の冷媒が液体の状態（液冷媒Ｃ＿ｌ）で供給され、熱交換器６８を流れる空気Ａの熱により蒸発し、気体の状態（ガス冷媒Ｃ＿ｇ）となる。これによって、熱交換器６８を通過する空気Ａが冷却される。熱交換器６８として用いる蒸発器は、例えば、車両用空調装置が備える蒸発器を利用することができる。また、冷却装置１０の冷却媒体を冷却するため、専用の熱交換器６８を備えてもよい。さらに、冷媒を用いる代わりに、水や空気で冷却装置１０の冷却媒体を冷却してもよい。次に、この実施形態に係る冷却装置１０を制御する冷却制御装置について説明する。
【００４０】
図６は、実施形態１に係る冷却制御装置の構成を示す概念図である。図６に示すように、冷却制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。機関ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力ポート５５及び出力ポート５６と、入力インターフェース５７及び出力インターフェース５８とから構成される。
【００４１】
なお、機関ＥＣＵ５０とは別個に、この実施形態に係る冷却制御装置３０を用意し、これを機関ＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、この実施形態に係る冷却制御を実現するにあたっては、機関ＥＣＵ５０が備えている第１タービンバイパス弁９０に対する制御機能を、前記冷却制御装置３０が利用できるように構成してもよい。
【００４２】
冷却制御装置３０は、過給制御部３１と、冷却制御部３２とを含んで構成される。これらが、この実施形態に係る冷却制御を実行する部分となる。この実施形態において、冷却制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ５０ｐの一部として構成される。また、ＣＰＵ５０ｐ内には、内燃機関１の運転制御を司る機関制御部５１が設けられる。ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４3により接続される。また、機関制御部５１と、冷却制御装置３０を構成する過給制御部３１及び冷却制御部３２とは、バス５４1、５４2及び入力ポート５５及び出力ポート５６を介して接続される。
【００４３】
これにより、冷却制御装置３０を構成する過給制御部３１と冷却制御部３２とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。また、冷却制御装置３０は、機関制御部５１が有する内燃機関１の運転制御データを取得し、これを利用することができる。また、冷却制御装置３０は、この実施形態に係る冷却制御を、機関制御部５１が予め備えている内燃機関１の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。
【００４４】
入力ポート５５には、入力インターフェース５７が接続されている。入力インターフェース５７には、排ガス温度センサ４０、冷却水温度センサ４１、吸気圧力センサ４２、エアフローセンサ４３、吸気温度センサ４４、クランク角センサ４５、アクセル開度センサ４６その他の、冷却装置１０の制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェース５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタル入力バッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、第１タービンバイパス弁９０の制御や、内燃機関１の制御に必要な情報を取得することができる。
【００４５】
出力ポート５６には、出力インターフェース５８が接続されている。出力インターフェース５８には、第１タービンバイパス弁９０その他の、冷却制御における制御対象が接続されている。出力インターフェース５８は、制御回路５８1、５８2等を備えており、ＣＰＵ５０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、前記センサ類からの出力信号に基づき、機関ＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、第１タービンバイパス弁９０の開度を制御することができる。
【００４６】
記憶部５０ｍには、この実施形態に係る冷却制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや制御データマップ、あるいはこの実施形態に係る冷却制御に用いる制御データマップ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。
【００４７】
上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐへ既に記録されているコンピュータプログラムと組み合わせによって、この実施形態に係る冷却制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この冷却制御装置３０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、過給制御部３１及び冷却制御部３２の機能を実現するものであってもよい。次に、この実施形態に係る冷却制御を説明する。次の説明では、適宜図１〜図６を参照されたい。
【００４８】
図７は、実施形態１に係る冷却制御装置を用いた場合における冷却制御の手順を示すフローチャートである。図８は、第１タービンバイパス弁の開度を設定する際に用いる制御データマップの一例を示す説明図である。図９は、第１タービンバイパス弁の開度を補正する補正項を設定する際に用いるマップの一例を示す説明図である。この実施形態に係る冷却制御を実行するにあたり、冷却制御装置３０の過給制御部３１は、吸気導入通路２２に設けられる吸気圧力センサ４２から、吸気管圧力Ｐｉｎを取得する（ステップＳ１０１）。
【００４９】
次に、過給制御部３１は、アクセル開度センサ４６によるアクセル開度、クランク角センサ４５によって求められる機関回転数、エアフローセンサ４３の出力に基づいて求められる内燃機関１の負荷等から、目標過給圧力Ｐｄを取得する（ステップＳ１０２）。吸気管圧力Ｐｉｎ、目標過給圧力Ｐｄを取得したら、過給制御部３１は、Ｐｉｎ及びＰｄを、図８に示す第１タービンバイパス弁の開度マップ１００に与え、第１タービンバイパス弁９０の目標開度（以下目標ＷＧＶ開度という）ｕｄを取得する（ステップＳ１０３）。この実施形態において、目標ＷＧＶ開度ｕｄは、吸気管圧力Ｐｉｎと目標過給圧力Ｐｄとによって決定される。より具体的には、吸気管圧力Ｐｉｎ及び目標過給圧力Ｐｄが大きくなるにしたがって、目標ＷＧＶ開度ｕｄが大きくなるように設定される。
【００５０】
次に、冷却制御装置３０の冷却制御部３２は、第１タービン入口側排気通路２３に取り付けられる排ガス温度センサ４０から、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの温度（排ガス温度）Ｔｅを取得する（ステップＳ１０４）。そして、冷却制御部３２は、第１タービンバイパス弁９０の開度を補正する補正項（ＷＧＶ開度補正項という）を設定する際に用いる補正項設定マップ１０１（図９）に、取得した排ガス温度Ｔｅを与え、ＷＧＶ開度補正項Δｕを取得する（ステップＳ１０５）。ＷＧＶ開度補正項Δｕを取得したら、冷却制御部３２は、第１タービンバイパス弁９０の実際の開度（実ＷＧＶ開度という）Ｕを設定し（ステップＳ１０６）、第１タービンバイパス弁９０を設定した開度に制御する。この実施形態において、実ＷＧＶ開度Ｕは、ｕｄ＋Δｕとなる。
【００５１】
この実施形態において、排ガス温度Ｔｅが高くなるにしたがって、実ＷＧＶ開度Ｕが大きくなるように設定される。上述したように、実ＷＧＶ開度Ｕはｕｄ＋Δｕで決定されるので、ＷＧＶ開度補正項Δｕは、排ガス温度Ｔｅが高くなるにしたがって大きくなるように設定される（図９）。これによって、排ガス温度Ｔｅが高い場合には、第１タービンバイパス弁９０の開度を大きくして第２タービン６１ｔにより多くの排ガスＥｘを供給する。そして、冷却媒体吐出手段６１ｃからより多くの空気Ａを吐出することにより、内燃機関１の高温部分の冷却能力を向上させることができる。
【００５２】
次に、過給制御部３１は、吸気導入通路２２に設けられる吸気圧力センサ４２から、吸気管圧力Ｐｉｎを取得する（ステップＳ１０７）。そして、過給制御部３１は、ステップＳ１０７で取得した吸気管圧力Ｐｉｎと目標過給圧力Ｐｄとの差の絶対値（過給圧力偏差）｜Ｐｉｎ−Ｐｄ｜と、過給圧力偏差許容値ｅｐとを比較する（ステップＳ１０８）。ここで、過給圧力偏差許容値ｅｐは、現在の過給圧力（現在の吸気管圧力Ｐｉｎに相当）と目標過給圧力Ｐｄとの差が許容できるか否かを判定するためのパラメータである。
【００５３】
｜Ｐｉｎ−Ｐｄ｜≧ｅｐである場合（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、｜Ｐｉｎ−Ｐｄ｜＜ｅｐとなるまで、すなわち過給圧力偏差が許容範囲となるまでステップＳ１０３〜ステップＳ１０７を繰り返す。｜Ｐｉｎ−Ｐｄ｜＜ｅｐである場合（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、実際の過給圧力は目標過給圧力Ｐｄの許容範囲内に制御されているので、この実施形態に係る冷却制御を終了する。
【００５４】
この冷却制御によれば、排ガス温度に基づいて第１タービンバイパス弁９０の開度を制御することにより、排ガス温度が高い場合には、第１タービンバイパス弁９０の開度を大きくして第２タービン６１ｔにより多くの排ガスを供給する。これによって、冷却媒体吐出手段６１ｃから吐出される空気の量を増加させて、内燃機関１の高温部分の冷却能力を向上させることができる。また、排ガス温度が低下した場合には第１タービンバイパス弁９０の開度を小さくして、過給圧力を一定に維持することができる。
【００５５】
また、単に目標過給圧力になるように制御するのみだと、過給圧力がハンチングするおそれがあり、また、高温部の冷却が非効率的になるおそれがある。しかし、この実施形態では、排ガス温度に基づいて第１タービンバイパス弁９０の開度を制御するので、過給圧力のハンチングを抑えつつ、効率的に内燃機関１の高温部分を冷却することができる。
【００５６】
以上、この実施形態では、第１タービンバイパス弁よりも排ガスの流れ方向下流における第１タービンバイパス通路に第２タービンを設け、この第２タービンにより冷却媒体吐出手段を駆動する。そして、冷却媒体吐出手段によって、内燃機関の高温部分に冷却媒体を送る。これによって、内燃機関が高負荷で運転され、排ガスの温度が高くなる場合には、第１タービンバイパス弁を切り替えることにより第２タービンへ排ガスを供給する。そして、第２タービンによって冷却媒体吐出手段を駆動し、内燃機関の高温部分へ冷却媒体を送り、内燃機関の高温部分を冷却することができる。その結果、内燃機関の高温部の過熱を抑制して、高温部分の耐久性低下を抑制できる。
【００５７】
（実施形態２）
実施形態２は、実施形態１と略同様の構成であるが、第１タービンバイパス弁と第２タービンとの間から第１タービンの出口の下流へ排ガスを流す第２タービンバイパス通路と、前記排ガスを流す対象を前記第２タービン又は第２タービンバイパス通路に切り替える排ガス経路切替手段とをさらに備える点が異なる。他の構成は実施形態１と同様である。
【００５８】
図１０は、実施形態２に係る冷却装置、及びこれを備える内燃機関の構成を示す説明図である。この実施形態に係る内燃機関１ａが備える冷却装置１０ａは、第１タービンバイパス弁９０と第２タービン６１ｔとの間と、第１タービン出口側排気通路２６とを接続する第２タービンバイパス通路２５を備える。第２タービンバイパス通路２５は、第２タービン入口側通路２４Ｕ及び第１タービンバイパス弁９０を通過した排ガスＥｘを、第１タービン６０ｔの出口の下流へ排ガスＥｘを流す。
【００５９】
第２タービンバイパス通路２５には、排ガス経路切替手段である排ガス経路切替弁９１が設けられている。排ガス経路切替弁９１は、機関ＥＣＵ５０内に備えられる冷却制御装置３０ａによって制御される。排ガス経路切替弁９１は、例えば、第２タービンバイパス通路２５を開閉する開閉弁で構成される。そして、第２タービン入口側通路２４Ｕ及び第１タービンバイパス弁９０を通過した排ガスＥｘを流す対象を、第２タービン６１ｔ又は第２タービンバイパス通路２５に切り替える。
【００６０】
すなわち、排ガス経路切替弁９１を閉じることにより第２タービンバイパス通路２５を閉じると、第１タービンバイパス弁９０を通過した排ガスＥｘは第２タービン６１ｔを流れて、これを駆動する。一方、排ガス経路切替弁９１を開くことにより２タービンバイパス通路２５を開くと、第１タービンバイパス弁９０を通過した排ガスＥｘは、第２タービンバイパス通路２５を通って第１タービン出口側排気通路２６に流れる。他の構成は、実施形態１に係る内燃機関１及び冷却装置１０（図１参照）と同様である。
【００６１】
図１１は、実施形態２に係る冷却制御装置の構成を示す概念図である。この冷却制御装置３０ａは、運転条件判定部３３と、排ガス経路切替部３４とを含んで構成される。これらが、この実施形態に係る冷却制御を実行する部分となる。出力インターフェース５８には、この実施形態に係る冷却制御の制御対象である排ガス経路切替弁９１が接続されている。他の構成は、実施形態１に係る冷却制御装置３０（図６参照）と同様である。次に、この実施形態に係る冷却制御を説明する。次の説明では、適宜図１０〜図１１を参照されたい。
【００６２】
図１２は、実施形態２に係る冷却制御装置を用いた場合における冷却制御の手順を示すフローチャートである。図１３は、浄化触媒の温度を推定する際に用いる制御データマップの一例を示す説明図である。この冷却制御は、排ガスを浄化するための浄化触媒８３の温度が、予め定めた所定の切替温度Ｔｃｄを超えた場合に、排ガスＥｘが流れる対象を、第２タービンバイパス通路２５から第２タービン６１ｔに切り替える。そして、内燃機関１の排ガス温度が高い場合には、第２タービン６１ｔに排ガスＥｘを流して冷却媒体吐出手段６１ｃを駆動することにより、内燃機関１の高温部分（排気ポート出口９ｅの近傍等）を冷却する。
【００６３】
冷却制御装置３０ａが備える運転条件判定部３３は、冷却水温度センサ４１から内燃機関１の始動時における冷却水温度（始動時水温）Ｔｗを取得する（ステップＳ２０１）。次に運転条件判定部３３は、浄化触媒８３の温度（触媒温度）Ｔｃを取得する（ステップＳ２０２）。この実施形態において、触媒温度Ｔｃは、図１３に示す触媒温度推定マップ１０２により求める。図１３に示す触媒温度推定マップ１０２の実線は触媒温度Ｔｃの等温線であり、触媒温度Ｔｃは、始動時水温Ｔｗと積算空気量Ｑａとの関係で触媒温度Ｔｃが記述してある。ここで、Ｔｃ１＜Ｔｃ２＜Ｔｃ３＜Ｔｃ４である。また、積算空気量Ｑａは、内燃機関１の始動時から現時点までに内燃機関１で消費された空気量の積算値である。
【００６４】
内燃機関１の始動時水温Ｔｗが高ければ、それだけ内燃機関１の暖機は早く終了し、触媒温度Ｔｃは高くなる。また、内燃機関１の吸入空気量と触媒温度Ｔｃとには相関があり、積算空気量Ｑａが大きくなれば、それだけ多くの熱量が浄化触媒８３へ供給されることになる。したがって、積算空気量Ｑａが大きくなれば、触媒温度Ｔｃは高くなる。このように、この実施形態において、触媒温度Ｔｃは、内燃機関１の始動時水温Ｔｗと、積算空気量Ｑａとで推定する。なお、浄化触媒８３の温度を直接測定して触媒温度Ｔｃを求めてもよいし、上記手法以外の触媒温度推定手法を用いてもよい。
【００６５】
触媒温度Ｔｃを取得したら（ステップＳ２０２）、運転条件判定部３３は、切替温度Ｔｃｄを取得する（ステップＳ２０３）。切替温度Ｔｃｄは、排ガスＥｘを流す対象を、第２タービン６１ｔ又は第２タービンバイパス通路２５に切り替える際の判定基準となる浄化触媒８３の温度である。切替温度Ｔｃｄは、例えば、内燃機関１の負荷や冷却水温等によって変更することができる。
【００６６】
例えば、内燃機関１の負荷が高い場合には、排気ポート出口９ｅの近傍等の高温部分が過熱されるおそれが高くなるので、切替温度Ｔｃｄを低く設定して、第２タービン６１ｔにより冷却媒体吐出手段６１ｃが駆動されるようにする。また、冷却水温が低い場合には、浄化触媒８３が活性温度に到達せず、所定の浄化性能が得られないおそれがあるので、切替温度Ｔｃｄを高く設定して排ガスＥｘが浄化触媒８３に流れるようにする。
【００６７】
次に、運転条件判定部３３は、ステップＳ２０２で推定した触媒温度ＴｃとステップＳ２０３で取得した切替温度Ｔｃｄとを比較する（ステップＳ２０４）。Ｔｃ≦Ｔｃｄである場合（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、排ガス経路切替部３４は、排ガスＥｘが第２タービンバイパス通路２５を流れるように、排ガス経路切替弁９１を切り替える（ステップＳ２０５）。この実施形態では、排ガス経路切替弁９１を開くことにより、第２タービンバイパス通路２５に排ガスＥｘを流す。
【００６８】
これによって、触媒温度Ｔｃが低い場合には、第１タービンバイパス通路２４を流れる排ガスＥｘは、第２タービン６１ｔをバイパスして流れる。その結果、排ガスＥｘの熱エネルギーは第２タービン６１ｔで消費されないので、温度の高い排ガスＥｘが浄化触媒８３に流入して、浄化触媒８３の昇温を促進して、エミッションを改善できる。
【００６９】
Ｔｃ＞Ｔｃｄである場合（ステップＳ２０４：Ｙｅｓ）、排ガス経路切替部３４は、排ガスＥｘが第２タービン６１ｔを流れるように、排ガス経路切替弁９１を切り替える（ステップＳ２０６）。この実施形態では、排ガス経路切替弁９１を閉じることにより、第２タービンバイパス通路２５を閉じて、第２タービン６１ｔへ排ガスＥｘを流す。
【００７０】
これによって、触媒温度Ｔｃが高い場合には、第１タービンバイパス通路２４を流れる排ガスＥｘは、第２タービン６１ｔに供給される。その結果、内燃機関１が高負荷で運転されている場合等のように、内燃機関１の高温部分（排気ポート出口９ｅの近傍等）が過熱するおそれがある場合には、第２タービン６１ｔにより冷却媒体吐出手段６１ｃを駆動して高温部分を冷却することができる。その結果、燃料冷却を抑制できるので、高温部分の過熱を抑えつつ燃料消費を抑制できる。
【００７１】
以上、この実施形態では、第１タービンバイパス弁と第２タービンとの間から第１タービンの出口の下流へ排ガスを流す第２タービンバイパス通路と、前記排ガスを流す対象を前記第２タービン又は第２タービンバイパス通路に切り替える排ガス経路切替手段とをさらに備える。これによって、例えば、浄化触媒を昇温させたい場合のように、排ガスの温度を低下させたくない場合には、排ガス経路切替手段により第２タービンをバイパスさせて排ガスを流すことができる。これによって、第２タービンで排ガスの持つエネルギーが消費されることはないので、排ガスの温度低下を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明に係る冷却装置及び内燃機関は、排ガスによって駆動される過給機を有するものに対して有用であり、特に、内燃機関の高温部の過熱を抑制することに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】実施形態１に係る冷却装置、及びこれを備える内燃機関の構成を示す説明図である。
【図２】実施形態１に係る内燃機関の排気口近傍を冷却する構造例を示す断面図である。
【図３】実施形態１に係る内燃機関の排気口近傍を冷却する他の構造例を示す断面図である。
【図４】実施形態１に係る内燃機関の排気口近傍を冷却する他の構造例を示す断面図である。
【図５】実施形態１に係る冷却装置が備える冷却媒体の冷却手段を示す説明図である。
【図６】実施形態１に係る冷却制御装置の構成を示す概念図である。
【図７】実施形態１に係る冷却制御装置を用いた場合における冷却制御の手順を示すフローチャートである。
【図８】第１タービンバイパス弁の開度を設定する際に用いる制御データマップの一例を示す説明図である。
【図９】第１タービンバイパス弁の開度を補正する補正項を設定する際に用いるマップの一例を示す説明図である。
【図１０】実施形態２に係る冷却装置、及びこれを備える内燃機関の構成を示す説明図である。
【図１１】実施形態２に係る冷却制御装置の構成を示す概念図である。
【図１２】実施形態２に係る冷却制御装置を用いた場合における冷却制御の手順を示すフローチャートである。
【図１３】浄化触媒の温度を推定する際に用いる制御データマップの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７４】
１、１ａ  内燃機関
１Ｂ  燃焼室
１Ｈ  シリンダヘッド
１Ｓ  気筒
２  点火プラグ
３  直噴噴射弁
４  吸気ポート
５  ピストン
６  クランク軸
７  コネテクティングロッド
９ｅ  排ガス出口
９  排気ポート
１０、１０ａ  冷却装置
２０  過給機入口側吸気通路
２１  過給機出口側吸気通路
２２  吸気導入通路
２３、２３ａ  タービン入口側排気通路
２３ａｉ  内管
２３ａｏ  外管
２４  第１タービンバイパス通路
２４Ｌ  第２タービン出口側通路
２４Ｕ  第２タービン入口側通路
２５  第２タービンバイパス通路
２６  第１タービン出口側排気通路
３０、３０ａ  冷却制御装置
３１  過給制御部
３２  運転条件判定部
３３  運転条件判定部
３４  排ガス経路切替部
４０  排ガス温度センサ
４１  冷却水温度センサ
４２  吸気圧力センサ
４３  エアフローセンサ
４４  吸気温度センサ
４５  クランク角センサ
４６  アクセル開度センサ
５０  機関ＥＣＵ
６０ｔ  第１タービン
６１ｔ  第２タービン
６１ｃ  冷却媒体吐出手段
６２  冷却媒体供給通路
６３  冷却媒体回収通路
６４  冷却媒体通路
６８  熱交換器
８３  浄化触媒
９０  第１タービンバイパス弁
９１  排ガス経路切替弁
【図１】
2007278127.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007278127.tif 000009
【図８】
2007278127.tif 000010
【図９】
2007278127.tif 000011
【図１０】
2007278127.tif 000012
【図１１】
2007278127.tif 000013
【図１２】
2007278127.tif 000014
【図１３】
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