(57)【要約】【課題】オーバーヒートを確実に防止するとことができると共に、触媒浄化性能を維持することができる内燃機関を提供する。【解決手段】過給手段５に排気ガスを導入する排気ガス導入部６０を冷却媒体により冷却可能な排気ガス導入部冷却手段７１と、内燃機関本体２を冷却する冷却系から独立して冷却媒体を排気ガス導入部冷却手段７１に循環可能な冷却媒体通路７２と、冷却媒体通路７２を循環する冷却媒体を冷却可能なラジエータ７３と、排気ガス導入部冷却手段７１に供給される冷却媒体の流量を調節可能な流量調節手段７４とを有する過給手段冷却系７０と、触媒１０ｂに導入される排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段９４と、排気ガス温度検出手段９４が検出した排気ガスの温度に基づいて流量調節手段７４を制御する制御手段９０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関本体から排気ガスを排出すると共に、該排気ガスを浄化する触媒を有する排気通路と、
排気ガス導入部を介して導入される前記排気ガスにより駆動することで前記内燃機関本体への吸入空気を圧縮して過給する過給手段と、
冷却媒体により前記排気ガス導入部を冷却可能な排気ガス導入部冷却手段と、前記内燃機関本体を冷却する冷却系から独立して前記冷却媒体を前記排気ガス導入部冷却手段に循環可能な冷却媒体通路と、前記冷却媒体通路を循環する前記冷却媒体を冷却可能なラジエータと、前記排気ガス導入部冷却手段に供給される前記冷却媒体の流量を調節可能な流量調節手段とを有する過給手段冷却系と、
前記触媒に導入される前記排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段と、
前記排気ガス温度検出手段が検出した前記排気ガスの温度に基づいて前記流量調節手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする、
内燃機関。
【請求項２】
前記排気通路は、前記過給手段に前記排気ガスを導入する排気導入通路を有し、
前記過給手段は、前記排気導入通路から導入される排気ガスにより回転駆動するホイールがタービンハウジングに収容されたタービンと、前記ホイールが回転駆動することで回転するインペラがコンプレッサハウジングに収容されたコンプレッサとを有し、
前記排気ガス導入部は、前記排気導入通路と前記タービンハウジングとを含んで構成され、
前記排気ガス導入部冷却手段は、少なくとも前記排気導入通路又は前記タービンハウジングのいずれか一方に設けられることを特徴とする、
請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記触媒は、第１触媒と、前記排気ガスの排気方向に対して該第１触媒より下流側に設けられる第２触媒とを有し、
前記排気通路は、前記排気ガスが前記第１触媒をバイパス可能なバイパス通路と、該バイパス通路への前記排気ガスの流れを規制可能な流路制御手段とを有し、
前記排気ガス温度検出手段は、前記第２触媒に導入される前記排気ガスの温度を検出し、
前記制御手段は、前記排気ガスの温度が予め設定されるバイパス規制温度より低い場合に前記流路制御手段を制御して前記バイパス通路への前記排気ガスの流れを規制することを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記ラジエータを冷却可能なラジエータ冷却手段と、
前記排気ガス導入部を冷却した後の前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記冷却媒体温度検出手段が検出する前記冷却媒体の温度に基づいて前記ラジエータ冷却手段及び前記流量調節手段を段階的に制御することを特徴とする、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記内燃機関本体による熱負荷を軽減可能な熱負荷軽減手段を備え、
前記制御手段は、前記冷却媒体温度検出手段が検出する前記冷却媒体の温度が前記過給手段のオーバーヒートを事前に回避するためのオーバーヒート回避温度よりも高い場合に前記熱負荷軽減手段を制御して前記排気ガスによる熱負荷を軽減することを特徴とする、
請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記熱負荷軽減手段は、前記内燃機関本体の燃焼室に燃料を供給可能な燃料供給手段を有し、
前記制御手段は、前記冷却媒体温度検出手段が検出する前記冷却媒体の温度が前記オーバーヒート回避温度よりも高い場合に、前記燃料供給手段を制御して前記内燃機関本体の燃料と吸入空気との混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定することを特徴とする、
請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記熱負荷軽減手段は、前記内燃機関本体の燃焼室で燃料と吸入空気との混合気に点火する点火手段を有し、
前記制御手段は、前記冷却媒体温度検出手段が検出する前記冷却媒体の温度が前記オーバーヒート回避温度よりも高い場合に、前記点火手段を制御して前記内燃機関本体の点火時期を進角側に設定することを特徴とする、
請求項５又は請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記熱負荷軽減手段は、前記内燃機関本体に吸入される吸入空気量を調節する吸入空気量調節手段を有し、
前記制御手段は、前記冷却媒体温度検出手段が検出する前記冷却媒体の温度が前記オーバーヒート回避温度よりも高い場合に、前記吸入空気量調節手段を制御して前記内燃機関本体に吸入される吸入空気量を増加側に設定することを特徴とする、
請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記内燃機関本体の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記内燃機関本体の負荷を検出する負荷検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記回転速度検出手段が検出する前記内燃機関本体の回転速度及び前記負荷検出手段が検出する前記内燃機関本体の負荷に基づいて前記オーバーヒート回避温度を設定することを特徴とする、
請求項５乃至請求項８のいずれか１項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、特に、吸入空気を圧縮して過給する過給機を備えた内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車用の内燃機関において、その出力向上のためには燃焼室へ充填される空気の量を増やすことが好ましい。そこで従来は、ピストンの移動に伴って燃焼室内に発生する負圧により空気を燃焼室に吸入するだけでなく、排気ガスのエネルギーで駆動する排気タービンによりコンプレッサを駆動して吸入空気を内燃機関に過給、すなわち、圧縮して供給することで、空気を強制的に燃焼室へ送り込んで、同燃焼室への空気の充填効率を高める過給機が提案され、実用化されている。そして、近年、内燃機関のダウンサイジングを実現するために上記のような過給機による過給圧を高く設定することで該内燃機関のさらなる高出力化を実現するものがあり、これにより、小さい排気量でありながら実質的な大排気量を実現している。
【０００３】
そして、このように燃焼室への空気の充填効率を高めた内燃機関において、例えば、排気ガスの浄化（ＮＯｘ低減）及び燃費向上（ＣＯ２削減）の要求から運転領域の全域を空気過剰率（空気過剰率λ＝実際の空燃比／理論空燃比、λ＞１であれば空燃比がリーン側であるのに対してλ＜１であれば空燃比がリッチ側となる）＝１、すなわちストイキ（理論空燃比）で運転する場合、燃焼室から排出される排出ガス温度が相対的に高温になる傾向がある。このため、このような内燃機関は、オーバーヒートを防止するために過給機に排気ガスを導入する排気マニホールドやタービンハウジング等の排気ガス導入部を高耐熱化する必要がある。一方で、排気ガス導入部に高耐熱材料を多用した場合、昨今の材料費の高騰の影響もあり、結果的にコスト上昇を招くおそれがある。
【０００４】
このため、従来の内燃機関は、排気ガスによって高温となる排気マニホールドやタービンハウジング等の排気ガス導入部を覆うようにジャケット部を設け、このジャケット部に冷却媒体、例えば、冷却水を供給することで排気ガス導入部を冷却するものがある。例えば、特許文献１に記載されている触媒コンバータの温度制御装置は、排気マニホールドを冷却するための冷却系として、排気マニホールドを覆うウォータージャケットと、このウォータージャケットの冷却水循環通路をエンジン冷態時には閉じ、エンジン暖機後には開くように構成された開閉弁装置と、エンジン冷態時にウォータージャケット内の冷却水を排出させるリザーバタンク通路とを備えている。これにより、触媒コンバータの温度制御装置が備える排気マニホールドの冷却系は、エンジン冷態時における触媒コンバータの暖機性の向上と共に、エンジン暖機後における排気マニホールド及び触媒コンバータの過熱の防止を図っている。
【０００５】
【特許文献１】特開平３−１７９１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された触媒コンバータの温度制御装置が備える排気マニホールドの冷却系では、例えば、エンジン暖機後であって熱負荷が低い運転領域において排気マニホールドを冷却しすぎてしまうことによって、これに伴って排気ガス温度が下がりすぎて、触媒コンバータの触媒床温度が所定の活性化温度よりも低下してしまうおそれがあり、これにより触媒コンバータの浄化性能が低下してしまうおそれがある。
【０００７】
そこで本発明は、オーバーヒートを確実に防止するとことができると共に、触媒浄化性能を維持することができる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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明に内燃機関は、内燃機関本体から排気ガスを排出すると共に、該排気ガスを浄化する触媒を有する排気通路と、排気ガス導入部を介して導入される前記排気ガスにより駆動することで前記内燃機関本体への吸入空気を圧縮して過給する過給手段と、冷却媒体により前記排気ガス導入部を冷却可能な排気ガス導入部冷却手段と、前記内燃機関本体を冷却する冷却系から独立して前記冷却媒体を前記排気ガス導入部冷却手段に循環可能な冷却媒体通路と、前記冷却媒体通路を循環する前記冷却媒体を冷却可能なラジエータと、前記排気ガス導入部冷却手段に供給される前記冷却媒体の流量を調節可能な流量調節手段とを有する過給手段冷却系と、前記触媒に導入される前記排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段と、前記排気ガス温度検出手段が検出した前記排気ガスの温度に基づいて前記流量調節手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明による内燃機関では、前記排気通路は、前記過給手段に前記排気ガスを導入する排気導入通路を有し、前記過給手段は、前記排気導入通路から導入される排気ガスにより回転駆動するホイールがタービンハウジングに収容されたタービンと、前記ホイールが回転駆動することで回転するインペラがコンプレッサハウジングに収容されたコンプレッサとを有し、前記排気ガス導入部は、前記排気導入通路と前記タービンハウジングとを含んで構成され、前記排気ガス導入部冷却手段は、少なくとも前記排気導入通路又は前記タービンハウジングのいずれか一方に設けられることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明による内燃機関では、前記触媒は、第１触媒と、前記排気ガスの排気方向に対して該第１触媒より下流側に設けられる第２触媒とを有し、前記排気通路は、前記排気ガスが前記第１触媒をバイパス可能なバイパス通路と、該バイパス通路への前記排気ガスの流れを規制可能な流路制御手段とを有し、前記排気ガス温度検出手段は、前記第２触媒に導入される前記排気ガスの温度を検出し、前記制御手段は、前記排気ガスの温度が予め設定されるバイパス規制温度より低い場合に前記流路制御手段を制御して前記バイパス通路への前記排気ガスの流れを規制することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明による内燃機関では、前記ラジエータを冷却可能なラジエータ冷却手段と、前記排気ガス導入部を冷却した後の前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度検出手段とを備え、前記制御手段は、前記冷却媒体温度検出手段が検出する前記冷却媒体の温度に基づいて前記ラジエータ冷却手段及び前記流量調節手段を段階的に制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明による内燃機関では、前記内燃機関本体による熱負荷を軽減可能な熱負荷軽減手段を備え、前記制御手段は、前記冷却媒体温度検出手段が検出する前記冷却媒体の温度が前記過給手段のオーバーヒートを事前に回避するためのオーバーヒート回避温度よりも高い場合に前記熱負荷軽減手段を制御して前記排気ガスによる熱負荷を軽減することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明による内燃機関では、前記熱負荷軽減手段は、前記内燃機関本体の燃焼室に燃料を供給可能な燃料供給手段を有し、前記制御手段は、前記冷却媒体温度検出手段が検出する前記冷却媒体の温度が前記オーバーヒート回避温度よりも高い場合に、前記燃料供給手段を制御して前記内燃機関本体の燃料と吸入空気との混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定することを特徴とする。
【００１４】
請求項７に係る発明による内燃機関では、前記熱負荷軽減手段は、前記内燃機関本体の燃焼室で前記燃料と吸入空気との混合気に点火する点火手段を有し、前記制御手段は、前記冷却媒体温度検出手段が検出する前記冷却媒体の温度が前記オーバーヒート回避温度よりも高い場合に、前記点火手段を制御して前記内燃機関本体の点火時期を進角側に設定することを特徴とする。
【００１５】
請求項８に係る発明による内燃機関では、前記熱負荷軽減手段は、前記内燃機関本体に吸入される吸入空気量を調節する吸入空気量調節手段を有し、前記制御手段は、前記冷却媒体温度検出手段が検出する前記冷却媒体の温度が前記オーバーヒート回避温度よりも高い場合に、前記吸入空気量調節手段を制御して前記内燃機関本体に吸入される吸入空気量を増加側に設定することを特徴とする。
【００１６】
請求項９に係る発明による内燃機関では、前記内燃機関本体の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記内燃機関本体の負荷を検出する負荷検出手段とを備え、前記制御手段は、前記回転速度検出手段が検出する前記内燃機関本体の回転速度及び前記負荷検出手段が検出する前記内燃機関本体の負荷に基づいて前記オーバーヒート回避温度を設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る内燃機関によれば、内燃機関本体を冷却する冷却系から独立した過給手段冷却系により過給手段に排気ガスを導入する排気ガス導入部を冷却すると共に、触媒に導入される前記排気ガスの温度に基づいて過給手段冷却系の冷却媒体流量を調節するので、オーバーヒートを確実に防止するとことができると共に、触媒浄化性能を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例１に係るエンジンの概略断面図、図２は、本発明の実施例１に係るエンジンのタービン冷却制御の流れを示すフローチャート、図３は、本発明の実施例１に係るエンジンの第２触媒入口排気ガス温度と電動ウォーターポンプの制御電流との関係を示す線図ある。
【００２０】
図１に示すように、本実施例に係る内燃機関としてのエンジン１は、内燃機関本体としての燃料と吸入空気との混合気が燃焼するエンジン本体２と、エンジン本体２に吸入空気を導入する吸気通路３と、エンジン本体２から排気ガスを排出する排気通路４と、エンジン本体２への吸入空気を圧縮して過給する過給手段としてのターボチャージャ５を備える。このエンジン本体２は、乗用車、トラックなどの車両に搭載されるエンジンであり、シリンダボア１２内に往復運動可能に設けられるピストン１１が２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクルエンジンであるが、この形式の内燃機関に限らず、種々の内燃機関に適用することができる。ターボチャージャ５は、エンジン本体２において、その出力や燃費の向上のために、エンジン本体２から排出される排気ガスにより駆動するタービン５１によって圧縮機としてのコンプレッサ５２を駆動して、エンジン本体２への吸入空気を過給、すなわち、圧縮して供給し、燃焼室１３への空気の充填効率を高めるものである。
【００２１】
具体的には、このエンジン１は、図１に示すように、エンジン本体２と、吸気通路３と排気通路４と、ターボチャージャ５と、エアクリーナ６と、インタークーラ７と、スロットルバルブ８と、サージタンク９と、触媒としての触媒装置１０を備える。
【００２２】
エンジン本体２は、シリンダヘッド２０、シリンダブロック２１を備える。シリンダヘッド２０は、シリンダブロック２１上に締結される。さらに、エンジン本体２は、ピストン１１が各々往復移動可能なシリンダボア１２と、ピストン１１の移動方向の一方側に設けられる燃焼室１３と、ピストン１１の移動方向の他方側に設けられるクランク室１４を備える。シリンダボア１２は、シリンダブロック２１の内部に円筒形状に形成される。ピストン１１は、このシリンダボア１２に上下移動自在に嵌合する。クランク室１４は、シリンダボア１２に各々連通している。ここで、ピストン１１の移動方向は、円筒形状に形成されるシリンダボア１２の軸線方向である。つまり、ピストン１１を挟んでこのシリンダボア１２の軸線方向の一方側に燃焼室１３、他方側にクランク室１４が設けられる。また、このエンジン本体２は、ピストン１１、シリンダボア１２、燃焼室１３、クランク室１４をそれぞれ複数組備える。
【００２３】
さらに、エンジン本体２は、燃焼室１３に連通する吸気ポート１５及び排気ポート１６と、燃焼室１３内に燃料を直接噴射することが可能なインジェクタ１７と、燃焼室１３の上方に位置して混合気に着火する点火プラグ１８と、ピストン１１の往復運動に連動して回転可能なクランクシャフト１９を備える。
【００２４】
クランクシャフト１９は、複数のクランク室１４を貫通するようにクランク室１４内に回転自在に支持されており、各ピストン１１は、それぞれコネクティングロッド（不図示）を介してこのクランクシャフト１９に連結される。また、クランクシャフト１９は、その軸周りにカウンタウェイト（不図示）を有する。各ピストン１１の往復運動は、コネクティングロッドを介してクランクシャフト１９に伝えられ、ここで回転運動に変換されて、エンジン本体２の出力として取り出される。
【００２５】
燃焼室１３は、ピストン１１を挟んでクランク室１４の反対側に設けられる。この燃焼室１３は、複数のシリンダボア１２に対応して複数形成される。この燃焼室１３の上部、つまり、シリンダヘッド２０の下面に上述した吸気ポート１５及び排気ポート１６が各々２つずつ形成される。この吸気ポート１５及び排気ポート１６の開口には吸気弁２２及び排気弁２３が設けられる。この吸気弁２２及び排気弁２３は、吸気ポート１５及び排気ポート１６をそれぞれ開閉可能とし、吸気ポート１５と燃焼室１３、燃焼室１３と排気ポート１６とをそれぞれ連通することができる。インジェクタ１７は、シリンダヘッド２０において、この吸気ポート１５側に装着される。また、インジェクタ１７は、先端をシリンダボア１２の中心線に向けて上下方向に対して所定角度傾斜して設けられる。このインジェクタ１７は、ピストン１１の頂面に向けて燃料噴霧を噴射する。点火プラグ１８は、燃焼室１３の天井部分、すなわち、シリンダヘッド２０の下面において、この吸気ポート１５と排気ポート１６との間に装着される。
【００２６】
吸気通路３は、エンジン本体２に吸入空気を供給するものである。吸気マニホールド３１と、吸気管３２を有する。吸気マニホールド３１は、一端側（吸気方向下流側）に各吸気ポート１５が接続される一方、他端側（吸気方向上流側）にサージタンク９が接続される。サージタンク９は、吸入空気を一時的に溜めて吸気脈動を抑制するタンクである。そして、吸気管３２は、このサージタンク９に接続されている。さらに、吸気管３２は、吸入空気の吸入方向に対して上流側から順に上述のエアクリーナ６と、インタークーラ７と、スロットルバルブ８が設置される。後述するターボチャージャ５のコンプレッサ５２は、この吸気管３２上のエアクリーナ６とインタークーラ７との間に設けられる。エアクリーナ６は、吸気管３２の入口部に配置されて吸入空気中のゴミや塵などを除去するフィルタである。インタークーラ７は、ターボチャージャ５のコンプレッサ５２にて圧縮され昇温した空気を冷却する装置である。スロットルバルブ８は、エンジン本体２に供給される空気量（吸入空気量）を調整する流量調整弁であり、例えば、アクセルペダル（図示省略）の操作により駆動される。
【００２７】
排気通路４は、エンジン本体２から排気ガスを排出するものである。排気通路４は、排気マニホールド４１と、排気管４２を有する。排気マニホールド４１は、一端側（排気方向上流側）に各排気ポート１６が接続される一方、他端側（吸気方向上流側）に後述するターボチャージャ５のタービン５１が接続される。排気管４２は、このタービン５１に接続されている。
【００２８】
ここで、ターボチャージャ５は、過給によりエンジン本体２の高出力化（あるいは低燃費化）を実現するものである。このターボチャージャ５は、排気通路４上に配置されるタービン５１と、吸気通路３上に配置されるコンプレッサ５２とを備える。
【００２９】
タービン５１は、ホイールとしてのタービンホイール５３と、このタービンホイール５３を収容するタービンハウジング５４を有する一方、コンプレッサ５２は、インペラとしてのコンプレッサインペラ５５と、このコンプレッサインペラ５５を収容するコンプレッサハウジング５６を有する。そして、ターボチャージャ５は、このタービンホイール５３とコンプレッサインペラ５５とを連結するロータシャフト５７とを有する。つまり、ロータシャフト５７は、一端側にタービンホイール５３が設けられる一方、他端側にコンプレッサインペラ５５が設けられ、タービンホイール５３とコンプレッサインペラ５５とは、このロータシャフト５７の回転軸線を回転中心として一体で回転可能である。
【００３０】
したがって、このターボチャージャ５では、排気通路４を通る排気ガスによりタービン５１のタービンホイール５３が回転駆動され、その動力がロータシャフト５７を介してコンプレッサインペラ５５に伝達されてこのコンプレッサインペラ５５が回転駆動される。そして、コンプレッサ５２のコンプレッサインペラ５５が回転駆動することで吸気管３２内の空気が圧縮されてエンジン本体２に供給（過給）されることにより、エンジン１の出力が高められる。
【００３１】
また、排気通路４は、タービン５１をバイパスする排気通路としてウエストゲート通路４３を備えている。このウエストゲート通路４３は、その入口部が排気通路４上のタービン５１より上流側に接続されると共に、その出口部がタービン５１と後述の触媒装置１０の第１触媒１０ａとの間に接続される。また、ウエストゲート通路４３には、ウエストゲート通路４３を開閉可能なウエストゲートバルブ（開閉弁）４４が設けられる。このウエストゲートバルブ（開閉弁）４４は、ウエストゲート通路４３を開閉してタービン５１に導入される排気ガスの量を調節することで、タービン５１のタービンホイール５３及びコンプレッサ５２のコンプレッサインペラ５５の回転数を調節するものである。
【００３２】
さらに、排気通路４の排気管４２は、排気ガスの排気方向に対してターボチャージャ５のタービン５１より下流側に排気ガスを浄化する触媒装置１０が設けられる。この触媒装置１０は、所定の活性化温度以上になることで触媒が活性化し、これにより、排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質を酸化、還元させて浄化処理するものであり、理論空燃比付近で有害物質の十分な浄化効率を得られる。
【００３３】
さらに、具体的には、触媒装置１０は、第１触媒１０ａと、排気ガスの排気方向に対してこの第１触媒１０ａより下流側に設けられる第２触媒１０ｂとを有する。そして、排気通路４は、エンジン本体２から排出される排気ガスが第１触媒１０ａをバイパス可能なバイパス通路４５を有する。つまり、排気通路４の排気管４２は、タービン５１の下流側、さらに具体的に言えば、ウエストゲート通路４３の出口部の下流側にて、バイパス通路４５と第１触媒通路４６とに分岐し、第２触媒１０ｂの上流で再び合流する。そして、第１触媒通路４６に第１触媒１０ａが設けられる一方、バイパス通路４５に流路制御手段としての流路制御弁４７が設けられる。
【００３４】
流路制御弁４７は、アクチュエータ４７ａによりバイパス通路４５を開閉駆動可能な開閉弁であり、流路制御弁４７は、バイパス通路４５を閉鎖状態とすることで、このバイパス通路４５への排気ガスの流れを規制することができる。すなわち、流路制御弁４７を開くと、バイパス通路４５内を排気ガスが流れるので、第１触媒１０ａをバイパスして排気ガスが流れる一方、流路制御弁４７を閉じると、排気ガスは第１触媒１０ａを通り、ここで浄化される。流路制御弁４７は、エンジン１の運転状態に応じて開閉されることで、第１触媒１０ａへの排気ガスの流れを制御し、この第１触媒１０ａの過熱を抑制することができる。
【００３５】
例えば、エンジン本体２の冷間始動時（暖機時）や低回転・低負荷で運転している場合には、流路制御弁４７を閉位置に設定し、排気ガスを第１触媒通路４６に導入することで、排気ガスはこの第１触媒１０ａを通過することで浄化される。第１触媒１０ａを通過した排気ガスは、さらに、排気ガスの排気方向下流側の第２触媒１０ｂを通過し、第２触媒１０ｂにより浄化される。そして、第１触媒１０ａは、第２触媒１０ｂよりもエンジン本体２に近い位置に設けられていることから触媒温度が上昇し易くなっているため第１触媒１０ａを早期に暖機できると共に、エンジン本体２の暖機運転時や低回転・低負荷時には排気ガスの温度は低くなっているため、流路制御弁４７を閉位置に設定することで高温の排気ガスに晒され易い第１触媒１０ａを排気ガスが通過するようにした場合でも、排気ガスの温度は低くなっているため、第１触媒１０ａの温度が高くなり過ぎることを抑制できる。
【００３６】
一方、エンジン本体２の暖機後や高回転・高負荷で運転している際には、流路制御弁４７を開位置に設定し、排気ガスをバイパス通路４５に導入することで、排気ガスはこの第１触媒１０ａをバイパスし第２触媒１０ｂを通過し、第２触媒１０ｂにより浄化される。この場合、排気管４２内を流れる排気ガスは、ほぼ全てバイパス通路４５に流れるため、第１触媒通路４６内には排気ガスの流れはほぼなくなる。このように、流路制御弁４７を開位置に設定することで排気ガスは第１触媒通路４６内にほとんど流れないため、排気ガスは第１触媒１０ａを通過することなく第２触媒１０ｂの方向に流れて第２触媒１０ｂを通過し、第２触媒１０ｂのみにより浄化される。また、エンジン本体２の暖機後や高回転・高負荷で運転する際には排気ガスの温度は高くなるが、排気ガスは放熱しながら下流方向に流れ、また、第２触媒１０ｂは、排気ガスの排気方向において第１触媒１０ａよりも下流側に位置しているため、高温の排気ガスが第２触媒１０ｂを通過する際には、排気ガスの温度は低下しているので、第２触媒１０ｂの温度が高くなり過ぎることが抑制される。
【００３７】
また、エンジン１は、マイクロコンピュータを中心として構成される制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）９０により運転状態に応じて各部の駆動が制御されている。すなわち、ＥＣＵ９０は、種々のセンサが検出する吸入空気量、吸気温度、吸気圧、スロットル開度、アクセル開度、エンジン回転数、エンジン冷却水温などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量（燃料噴射時間）、噴射時期、点火時期などを決定し、インジェクタ１７及び点火プラグ１８を駆動して燃料噴射及び点火を実行する。また、ＥＣＵ９０は、スロットルバルブ８、ウエストゲートバルブ４４及び流路制御弁４７にも電気的に接続されており、その駆動を制御している。
【００３８】
ＥＣＵ９０は、回転速度検出手段としてのクランク角センサ９１と、負荷検出手段としてのスロットルポジションセンサ９２と、Ａ／Ｆセンサ９３と、排気ガス温度検出手段としての第２触媒入口排気ガス温度センサ９４とが電気的に接続されている。
【００３９】
クランク角センサ９１は、検出したクランク角度をＥＣＵ９０に送信し、このＥＣＵ９０は受信したクランク角度に基づいて各気筒における吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を判別すると共に、内燃機関本体の回転速度としてのエンジン本体２のエンジン回転数（ｒｐｍ）を算出する。なおここで、エンジン回転数は、言い換えれば、クランクシャフト１９の回転速度に対応し、このクランクシャフト１９の回転速度が高くなれば、クランクシャフト１９の回転数、エンジン回転数も高くなる。
【００４０】
スロットルポジションセンサ９２は、スロットルバルブ８の開度を検出し、検出したスロットルバルブ８の開度をＥＣＵ９０に送信し、このＥＣＵ９０は、受信したスロットルバルブ８の開度に基づいてエンジン本体２のエンジン負荷を算出する。
【００４１】
Ａ／Ｆセンサ９３は、排気通路４上の排気方向に対してタービン５１より上流側に設けられ、排気ガスの空燃比を検出し、検出した空燃比をＥＣＵ９０に送信し、このＥＣＵ９０は、受信した空燃比に基づいてインジェクタ１７による燃料噴射量を補正している。このＡ／Ｆセンサ９３は、燃焼室１３から排気ポート１６に排気された排気ガスのうち、不図示の排気ガス浄化触媒に導入される前の排気ガスの排気ガス空燃比を検出し、ＥＣＵ９０に出力するものである。なお、このＡ／Ｆセンサ９３により検出された空燃比（推定空燃比）は、吸入空気と燃料とからなる混合ガスの空燃比（理論空燃比）をフィードバック制御するために用いられる。すなわち、Ａ／Ｆセンサ９３は、排気ガス中の酸素濃度と未燃ガス濃度から排気空燃比をリッチ域からリーン域までの全域にわたり検出し、これをＥＣＵ９０にフィードバックすることにより燃焼室１３での燃焼を運転状況に合わせた最適な燃焼状態、例えば、空燃比がストイキ（理論空燃比）となるように制御可能となる。
【００４２】
第２触媒入口排気ガス温度センサ９４は、触媒装置１０の第２触媒１０ｂの入口部（上流側）に設けられ、この第２触媒１０ｂの入口部にて、第２触媒１０ｂに導入される排気ガスの温度を検出し、検出した第２触媒入口排気ガス温度をＥＣＵ９０に送信する。
【００４３】
なお、このＥＣＵ９０には、クランク角センサ９１、スロットルポジションセンサ９２、Ａ／Ｆセンサ９３、第２触媒入口排気ガス温度センサ９４の他にも、エアクリーナ内で吸気温度を検出する吸気温センサ、アクセルペダルの踏込み量（アクセル開度）を検出するアクセルセンサ、スロットルバルブ８下流の吸気通路内の圧力を検出する吸気管圧力センサ、および必要に応じて燃料供給通路内の燃料圧力を検出する燃圧センサ等の種々のセンサが接続されている。
【００４４】
上記のように構成されるエンジン１のエンジン本体２では、ピストン１１がシリンダボア１２内を下降することで、吸気管３２、吸気マニホールド３１及び吸気ポート１５を介して燃焼室１３内に空気が吸入され（吸気行程）、この空気とインジェクタ１７から燃焼室１３内へ噴射される燃料とが混合して混合気を形成する。そして、このピストン１１が吸気行程下死点を経てシリンダボア１２内を上昇することで混合気が圧縮され（圧縮行程）、ピストン１１が圧縮行程上死点付近に近づくと点火プラグ１８により混合気に点火され、該混合気が燃焼し、その燃焼圧力によりピストン１１を下降させる（膨張行程）。燃焼後の混合気は、ピストン１１が膨張行程下死点を経て吸気行程上死点に向かって再び上昇することで燃焼室１３に連通する排気ポート１６、排気マニホールド４１及び排気管４２を介して排気ガスとして放出される（排気行程）。このピストン１１のシリンダボア１２内での往復運動は、コネクティングロッドを介してクランクシャフト１９に伝えられ、ここで回転運動に変換され、出力として取り出されると共に、このピストン１１は、クランクシャフト１９が慣性力によりさらに回転することで、このクランクシャフト１９の回転に伴ってシリンダボア１２内を往復する。このクランクシャフト１９が２回転することで、ピストン１１はシリンダボア１２を２往復し、この間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行い、燃焼室１３内で１回の爆発が行われる。
【００４５】
この間、このターボチャージャ５のタービン５１が備えるタービンホイール５３が排気通路４を通る排気ガスにより回転駆動され、ロータシャフト５７を介してコンプレッサインペラ５５に回転動力が伝達されて、このコンプレッサインペラ５５が回転駆動される。この結果、吸気管３２内の吸入空気が圧縮されてエンジン本体２に過給される。このため、燃焼室１３への空気の充填効率を高めることができ、エンジン１の出力を高めることができる。このとき、燃焼室１３から排気通路４に排出された排気ガスは、触媒装置１０の第１触媒１０ａ、第２触媒１０ｂを暖機して活性化させると共に、含有する有害物質が浄化処理されてから大気に放出される。
【００４６】
ところで、近年、エンジン１のダウンサイジングを実現するために上記のようなターボチャージャ５による過給圧を高く設定することでエンジン１のエンジン本体２のさらなる高出力化を実現するものがあり、これにより、小さい排気量でありながら実質的な大排気量を実現するものがある。そして、このように燃焼室１３への空気の充填効率を高めたエンジン１において、例えば、排気ガスの浄化（ＮＯｘ低減）及び燃費向上（ＣＯ２削減）の要求から運転領域の全域を空気過剰率（空気過剰率λ＝実際の空燃比／理論空燃比、λ＞１であれば空燃比がリーン側であるのに対してλ＜１であれば空燃比がリッチ側となる）＝１、すなわちストイキ（理論空燃比）で運転する場合、燃焼室１３から排出される排出ガス温度が相対的に高温になる傾向がある。このため、このようなエンジン１は、オーバーヒートを防止するためにターボチャージャ５のタービンホイール５３に排気ガスを導入する排気ガス導入部６０を高耐熱化する必要がある。一方で、排気ガス導入部６０に高耐熱材料を多用した場合、昨今の材料費の高騰の影響もあり、結果的にコスト上昇を招くおそれがある。このため、本実施例のエンジン１は、排気ガスによって高温となる排気ガス導入部６０にウォータージャケット７１を設け、このウォータージャケット７１に冷却媒体としての冷却水を供給することで排気ガス導入部６０を冷却している。ここで、例えば、エンジン１の熱負荷が低い運転領域において排気ガス導入部６０を冷却しすぎてしまうことによって、これに伴って排気ガス温度が下がりすぎて、結果的に、触媒装置１０の触媒床温度が所定の活性化温度よりも低下してしまうおそれがあり、これにより触媒装置１０の浄化性能が低下してしまうおそれがある。
【００４７】
そこで、本実施例のエンジン１は、エンジン本体２を冷却する冷却系から独立した過給手段冷却系としてのタービン冷却系７０によりターボチャージャ５に排気ガスを導入する排気ガス導入部６０を冷却すると共に、通常の運転状態で用いられる触媒装置１０の第２触媒１０ｂに導入される排気ガスの温度に基づいて、タービン冷却系７０の冷却水流量を調節することで、オーバーヒートを確実に防止すると共に、触媒装置１０における適正な触媒浄化性能の維持を図っている。
【００４８】
具体的には、タービン冷却系７０は、図１に示すように、排気ガス導入部冷却手段としての上述のウォータージャケット７１と、冷却媒体通路としての冷却水循環通路７２と、ラジエータ７３と、流量調節手段としての電動ウォーターポンプ７４とを備える。
【００４９】
ここで、ターボチャージャ５のタービンホイール５３に排気ガスを導入する排気ガス導入部６０は、ターボチャージャ５のタービン５１に排気ガスを導入する排気導入通路としての排気マニホールド４１とタービンハウジング５４とを含んで構成される。ウォータージャケット７１は、少なくとも排気ガス導入部６０をなす排気マニホールド４１又はタービンハウジング５４のいずれか一方に設けられる。本実施例のウォータージャケット７１は、排気マニホールド４１においてタービンハウジング５４と接続する接続部分に設けられている。ウォータージャケット７１は、排気マニホールド４１のタービンハウジング５４との接続部分の外周を覆うように設けられる。冷却水循環通路７２は、ウォータージャケット７１に供給する冷却水を循環させるループ状の通路であり、エンジン本体２を冷却する冷却系（不図示）から独立して設けられる。ウォータージャケット７１は、この冷却水循環通路７２上に設けられており、したがって、このウォータージャケット７１は、冷却水循環通路７２を循環する冷却水が内部に供給されることで排気ガス導入部６０の排気マニホールド４１を冷却可能である。
【００５０】
冷却水循環通路７２は、冷却水の循環方向に対してウォータージャケット７１側から順にラジエータ７３と、電動ウォーターポンプ７４と、冷却媒体温度検出手段としての冷却水温度センサ９５とが設置される。冷却水温度センサ９５は、冷却水循環通路７２にて、ウォータージャケット７１とラジエータ７３との間に設けられ、冷却水の循環方向に対してウォータージャケット７１の下流側で、かつ、ラジエータ７３の上流側の冷却水の温度を検出する。すなわち、冷却水温度センサ９５は、排気ガス導入部６０をなす排気マニホールド４１を冷却した後の冷却水の温度を検出し、検出した冷却水の温度をＥＣＵ９０に送信する。電動ウォーターポンプ７４は、冷却水循環通路７２にて、ラジエータ７３とウォータージャケット７１との間に設けられる。さらに言い換えれば、この冷却水循環通路７２は、ウォータージャケット７１の出口側とラジエータ７３とを接続し、ラジエータ７３と電動ウォーターポンプ７４とを接続し、さらに、電動ウォーターポンプ７４とウォータージャケット７１の入口側とを接続する。
【００５１】
ラジエータ７３は、放熱手段として作用し走行風などにより冷却水循環通路７２を循環する冷却水を冷却可能である。したがって、ウォータージャケット７１にて排気ガス導入部６０の排気マニホールド４１を冷却して温度が上昇した冷却水は、このラジエータ７３を通るときに放熱する。このため、冷却水はラジエータ７３を通る際には放熱し温度が低下し、ウォータージャケット７１にて排気ガス導入部６０と熱交換を行なう際には熱を吸収し温度が上昇する。つまり冷却水は、排気ガス導入部６０にて吸収した熱をラジエータ７３で放熱する。
【００５２】
電動ウォーターポンプ７４は、電動により駆動し冷却水循環通路７２の冷却水を圧送可能なものであり、したがって、この電動ウォーターポンプ７４は、ウォータージャケット７１に供給される冷却水の流量を調節可能である。そして、電動ウォーターポンプ７４により冷却水をウォータージャケット７１とラジエータ７３との間で循環させることで、冷却水により排気ガス導入部６０をなす排気マニホールド４１を冷却する一方、排気マニホールド４１を冷却して温度上昇した冷却水をラジエータ７３で冷却している。電動ウォーターポンプ７４は、ＥＣＵ９０に電気的に接続されており、その駆動が制御されている。
【００５３】
また、本実施例のタービン冷却系７０は、ラジエータ７３を冷却可能なラジエータ冷却手段としての電動ファン７５を備えている。電動ファン７５は、ラジエータ７３に対向するように設けられている。したがって、ラジエータ７３に走行風が当たらない場合やその走行風が少ない場合等、冷却水の温度を強制的に低下させたい場合には、この電動ファン７５を駆動させることにより、ラジエータ７３を強制的に冷却することができる。この電動ファン７５は、ＥＣＵ９０に電気的に接続されており、その駆動が制御されている。
【００５４】
そして、制御手段としてのＥＣＵ９０は、第２触媒入口排気ガス温度センサ９４が検出した第２触媒入口排気ガス温度に基づいて電動ウォーターポンプ７４の駆動を制御する。さらに、ＥＣＵ９０は、冷却水温度センサ９５が検出した排気ガス導入部６０をなす排気マニホールド４１を冷却した後の冷却水温度に基づいて、電動ファン７５及び電動ウォーターポンプ７４の駆動を段階的に制御する。
【００５５】
次に図２を参照してエンジン１におけるタービン冷却制御の流れを説明する。このタービン冷却制御では、まず、ＥＣＵ９０は、冷却水温度センサ９５により、排気ガス導入部６０をなす排気マニホールド４１をウォータージャケット７１にて冷却した後の冷却水温度ＷＴを検出し読み込む（Ｓ１００）。そして、ＥＣＵ９０は、基準温度（制御の基準となる冷却水温度）ＴＷとして、温間通常状態温度ＴＷ１、オーバーヒート防止温度ＴＷ２、オーバーヒート回避温度ＴＷ３、オーバーヒート対策温度ＴＷ４と、Ｓ１００で検出した冷却水温度ＷＴを比較して、比較結果に応じて、すなわち、冷却水温度ＷＴの温度に応じて暖機モード（００制御選択）、通常モード（０１制御選択）、オーバーヒート防止（０２制御選択）、オーバーヒート回避（０３制御選択）及びオーバーヒート対策（０４制御選択）から適正な制御モードを選択する。ここで、温間通常状態温度ＴＷ１、オーバーヒート防止温度ＴＷ２、オーバーヒート回避温度ＴＷ３及びオーバーヒート対策温度ＴＷ４の各基準温度ＴＷは、エンジン１やターボチャージャ５の仕様等に応じて、［ＴＷ１＜ＴＷ２＜ＴＷ３＜ＴＷ４］となるように予め固定的な閾値として設定すればよい。
【００５６】
具体的には、ＥＣＵ９０は、まず、冷却水温度ＷＴと温間通常状態温度ＴＷ１とを比較し、冷却水温度ＷＴが温間通常状態温度ＴＷ１より高いか否かを判定する（Ｓ１０２）。冷却水温度ＷＴが温間通常状態温度ＴＷ１以下であると判定された場合（Ｓ１０２：Ｎｏ）、エンジン１が冷間状態であることから、暖機モード（００制御選択）として、電動ウォーターポンプ７４及び電動ファン７５の駆動を制御し、電動ウォーターポンプ７４及び電動ファン７５を停止状態に設定して終了する（Ｓ１０４）。これにより、電動ウォーターポンプ７４及び電動ファン７５を停止状態とすることでタービン冷却系７０における冷却水の循環が停止され、ウォータージャケット７１による排気マニホールド４１の冷却及びこれに伴った排気ガスの冷却が停止される。この結果、排気ガスの温度低下が防止されるので、触媒装置１０の暖機性を向上することができる。
【００５７】
冷却水温度ＷＴが温間通常状態温度ＴＷ１より高いと判定された場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、冷却水温度ＷＴとオーバーヒート防止温度ＴＷ２とを比較し、冷却水温度ＷＴがオーバーヒート防止温度ＴＷ２より高いか否かを判定する（Ｓ１０６）。冷却水温度ＷＴがオーバーヒート防止温度ＴＷ２以下であると判定された場合（Ｓ１０６：Ｎｏ）、エンジン１が通常の温間運転状態であることから、ＥＣＵ９０は、通常モード（０１制御選択）として、電動ウォーターポンプ７４及び電動ファン７５の駆動を制御し、電動ファン７５を停止状態とする一方、電動ウォーターポンプ７４の制御を第２触媒入口排気ガス温度センサ９４が検出した第２触媒入口排気ガス温度に基づいた制御モードに設定して終了する（Ｓ１０８）。
【００５８】
ここで、図３は、Ｓ１０８の通常モード（０１制御選択）における第２触媒入口排気ガス温度と電動ウォーターポンプ７４の制御電流との関係を示す線図あり、横軸を第２触媒入口排気ガス温度ＧＴ、縦軸を電動ウォーターポンプ７４の制御電流としている。ＥＣＵ９０は、図３に示すように、電動ウォーターポンプ７４の制御電流を第２触媒入口排気ガス温度ＧＴに関連付けてマップとして記憶部（不図示）に予め記憶している。そして、ＥＣＵ９０は、Ｓ１０８の通常モード（０１制御選択）において、第２触媒入口排気ガス温度ＧＴに基づいてこのマップから所定の電動ウォーターポンプ７４の制御電流を読み出し、この読み出した電動ウォーターポンプ７４の制御電流に基づいて、電動ウォーターポンプ７４の駆動を制御する。
【００５９】
すなわち、ＥＣＵ９０は、Ｓ１０８の通常モード（０１制御選択）において、第２触媒入口排気ガス温度ＧＴが所定値より高い領域において、第２触媒入口排気ガス温度ＧＴが高くなるほど電動ウォーターポンプ７４の制御電流を高くし電動ウォーターポンプ７４の作動出力を増加させ、これにより、ウォータージャケット７１に供給される冷却水の流量を増加させる。この結果、排気ガス温度が比較的に高い運転領域では、第２触媒入口排気ガス温度ＧＴが高いことから触媒装置１０を所定の活性化温度で維持しつつ、ウォータージャケット７１に供給される冷却水の流量を増加させることで、排気ガス導入部６０をなす排気マニホールド４１を十分に冷却することができる。また、このとき、排気マニホールド４１の冷却に伴って排気ガスも冷却されるので、触媒装置１０の第１触媒１０ａ、第２触媒１０ｂの熱劣化を防止することもできる。一方、第２触媒入口排気ガス温度ＧＴが所定値より高い領域において、第２触媒入口排気ガス温度ＧＴが低くなるほど電動ウォーターポンプ７４の制御電流を低くし電動ウォーターポンプ７４の作動出力を低下させ、これにより、ウォータージャケット７１に供給される冷却水の流量を減少させる。この結果、排気ガス温度が比較的に低い運転領域では、ウォータージャケット７１による排気マニホールド４１の冷却及びこれに伴った排気ガスの冷却が抑制される。この結果、排気ガスの温度低下が抑制されるので、触媒装置１０の温度が下がりすぎることが抑制され、触媒装置１０を所定の活性化温度で維持し適正な浄化性能を確保することができる。このとき、ウォータージャケット７１に供給される冷却水の流量が減少しても、排気ガス温度が比較的に低いことから排気ガス導入部６０をなす排気マニホールド４１が焼き付いたりターボチャージャ５がオーバーヒートしたりすることを防止することができる。この結果、触媒装置１０の第２触媒１０ｂに導入される排気ガスの温度に基づいて、ウォータージャケット７１に供給される冷却水の流量を調節することで、熱負荷が高い運転領域ではオーバーヒートを確実に防止することができると共に、熱負荷が低い運転領域では、触媒装置１０の温度の下がりすぎを防止し触媒装置１０における適正な触媒浄化性能を維持することができる。また、このとき、タービン冷却系７０がエンジン本体２を冷却する冷却系から独立して別系統で設けられていることから、タービン冷却系７０を循環する冷却水の温度制御がし易く、当該タービン冷却系７０を循環する冷却水の温度をエンジン１の運転状態に応じてすばやく適正な温度に設定することができる。
【００６０】
冷却水温度ＷＴがオーバーヒート防止温度ＴＷ２より高いと判定された場合（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、冷却水温度ＷＴとオーバーヒート回避温度ＴＷ３とを比較し、冷却水温度ＷＴがオーバーヒート回避温度ＴＷ３より高いか否かを判定する（Ｓ１１０）。冷却水温度ＷＴがオーバーヒート回避温度ＴＷ３以下であると判定された場合（Ｓ１１０：Ｎｏ）、ターボチャージャ５が直ちにオーバーヒートする状態ではないものの冷却水温度ＷＴが通常よりも上昇した状態であることから、ＥＣＵ９０は、オーバーヒート防止（０２制御選択）として、電動ウォーターポンプ７４及び電動ファン７５の駆動を制御し、電動ファン７５を作動開始すると共に、電動ウォーターポンプ７４を第２触媒入口排気ガス温度ＧＴにかかわらず作動出力を増加させて終了する（Ｓ１１２）。これにより、電動ファン７５を作動開始すると共に、電動ウォーターポンプ７４の作動出力を増加させることで、ラジエータ７３を強制的に冷却すると共にウォータージャケット７１に供給される冷却水の流量がさらに増加することから、ウォータージャケット７１による排気マニホールド４１の冷却性能が向上しターボチャージャ５のオーバーヒートを防止することができる。
【００６１】
冷却水温度ＷＴがオーバーヒート回避温度ＴＷ３より高いと判定された場合（Ｓ１１０：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、冷却水温度ＷＴとオーバーヒート対策温度ＴＷ４とを比較し、冷却水温度ＷＴがオーバーヒート対策温度ＴＷ４より高いか否かを判定する（Ｓ１１４）。冷却水温度ＷＴがオーバーヒート対策温度ＴＷ４以下であると判定された場合（Ｓ１１４：Ｎｏ）、ターボチャージャ５が未だオーバーヒートしていないもののオーバーヒート寸前の状態であることから、ＥＣＵ９０は、オーバーヒート回避（０３制御選択）として、電動ウォーターポンプ７４及び電動ファン７５の駆動を制御し、電動ファン７５及び電動ウォーターポンプ７４の作動出力を最大限まで増加させて終了する（Ｓ１１６）。これにより、電動ファン７５及び電動ウォーターポンプ７４の作動出力を最大限まで増加させることでウォータージャケット７１による排気マニホールド４１の冷却性能が最大限まで向上しターボチャージャ５のオーバーヒートを回避することができる。
【００６２】
冷却水温度ＷＴがオーバーヒート対策温度ＴＷ４より高いと判定された場合（Ｓ１１４：Ｙｅｓ）、ターボチャージャ５がオーバーヒートに到った状態であることから、ＥＣＵ９０は、オーバーヒート対策（０４制御選択）として、スロットルバルブ８の開度を減少させると共にウエストゲートバルブ４４の開度を増加させて過給圧を低減することで、エンジン本体２の出力を低下し、エンジン本体２から排出される排気ガスの温度自体を低下させて終了する（Ｓ１１８）。ただし、この場合でも、タービン冷却系７０がエンジン本体２を冷却する冷却系から独立して別系統で設けられていることから、ターボチャージャ５や排気ガス導入部６０がオーバーヒートしてもエンジン本体２を冷却する冷却系の冷却水温度もこれに伴って上昇してしまうことを防止することができ、エンジン本体２自体のオーバーヒートを誘発することを防止することができる。したがって、仮にターボチャージャ５や排気ガス導入部６０がオーバーヒートし焼き付きや損傷が発生しても、エンジン本体２側の冷却系に影響が及ぶことがなく、エンジン本体２も一緒にオーバーヒートし焼き付きや損傷が発生してしまうことを防止することができる。
【００６３】
以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１によれば、エンジン本体２から排気ガスを排出すると共に、この排気ガスを浄化する触媒装置１０を有する排気通路４と、排気ガス導入部６０を介して導入される排気ガスにより駆動することでエンジン本体２への吸入空気を圧縮して過給するターボチャージャ５と、冷却水より排気ガス導入部６０を冷却可能なウォータージャケット７１と、エンジン本体２を冷却する冷却系から独立して冷却水をウォータージャケット７１に循環可能な冷却水循環通路７２と、冷却水循環通路７２を循環する冷却水を冷却可能なラジエータ７３と、ウォータージャケット７１に供給される冷却水の流量を調節可能な電動ウォーターポンプ７４とを有するタービン冷却系７０と、触媒装置１０の第２触媒１０ｂに導入される排気ガスの温度を検出する第２触媒入口排気ガス温度センサ９４と、第２触媒入口排気ガス温度センサ９４が検出した排気ガスの温度に基づいて電動ウォーターポンプ７４を制御するＥＣＵ９０とを備える。
【００６４】
したがって、エンジン本体２を冷却する冷却系から独立したタービン冷却系７０によりターボチャージャ５に排気ガスを導入する排気ガス導入部６０を冷却すると共に、触媒装置１０の第２触媒１０ｂに導入される排気ガスの温度に基づいてタービン冷却系７０の冷却水流量を調節することから、熱負荷が高い運転領域ではオーバーヒートを確実に防止することができる。一方、熱負荷が低い運転領域では、触媒装置１０の温度の下がりすぎを防止し触媒装置１０における適正な触媒浄化性能を維持することができると共に、排気ガス温度の下がりすぎによる排気エネルギーの低下を抑制することができ、この結果、ターボレスポンスの悪化も防止することができる。また、タービン冷却系７０がエンジン本体２を冷却する冷却系から独立して別系統で設けられていることから、タービン冷却系７０を循環する冷却水の温度制御がし易く、当該タービン冷却系７０を循環する冷却水の温度をエンジン１の運転状態に応じてすばやく適正な温度に設定することができる。
【００６５】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１によれば、排気通路４は、ターボチャージャ５に排気ガスを導入する排気マニホールド４１を有し、ターボチャージャ５は、排気マニホールド４１から導入される排気ガスにより回転駆動するタービンホイール５３がタービンハウジング５４に収容されたタービン５１と、タービンホイール５３が回転駆動することで回転するコンプレッサインペラ５５がコンプレッサハウジング５６に収容されたコンプレッサ５２とを有し、排気ガス導入部６０は、排気マニホールド４１とタービンハウジング５４とを含んで構成され、ウォータージャケット７１は、排気マニホールド４１に設けられる。したがって、排気ガス導入部６０をなす排気マニホールド４１にウォータージャケット７１が設けられることから、排気ガス温度に基づいたウォータージャケット７１による排気マニホールド４１の冷却に伴って、ターボチャージャ５に導入される排気ガスを適正な温度に冷却することができる。
【００６６】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１によれば、ラジエータ７３を冷却可能な電動ファン７５と、排気ガス導入部６０を冷却した後の冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ９５とを備え、ＥＣＵ９０は、冷却水温度センサ９５が検出する前記冷却水の温度に基づいて電動ファン７５及び電動ウォーターポンプ７４を段階的に制御する。したがって、冷却水温度ＷＴに対して設定される温間通常状態温度ＴＷ１、オーバーヒート防止温度ＴＷ２、オーバーヒート回避温度ＴＷ３、オーバーヒート対策温度ＴＷ４に応じて段階的に電動ファン７５及び電動ウォーターポンプ７４の作動出力を制御することから、熱負荷軽減の頻度、言い換えれば、出力抑制の頻度を下げることができるので、オーバーヒートを確実に防止しつつ触媒浄化性能を維持した上で、より効率的な運転を実現することができる。
【００６７】
なお、上述した本発明の実施例に係る内燃機関は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、エンジン本体２は筒内噴射式の内燃機関本体として説明したが、これに限らず、吸気ポート１５に燃料を噴射する、いわゆるポート噴射式の内燃機関本体でもよい。
【００６８】
また、以上の説明では、流量調節手段は、電動により駆動する電動ウォーターポンプ７４であるものとして説明したが、これに限らず、例えば、エンジン本体２のクランクシャフト１９と連動して駆動し冷却水循環通路７２の冷却水を圧送可能な機械式のウォーターポンプと、冷却水循環通路７２を開閉することでウォータージャケット７１に供給される冷却水の流量を調節可能な流量調節弁とによって構成してもよい。また、以上の説明では、ラジエータ冷却手段は、電動ファン７５であるものとしてて説明したがこれに限らない。
【００６９】
また、以上の説明では、内燃機関本体の負荷を検出する負荷検出手段は、スロットルポジションセンサ９２であるものとして説明したが、これに限らず、アクセル開度センサが検出するアクセル開度に基づいて算出してもよいし、クランク角センサ９１が検出するエンジン回転数等に基づいて算出するようにしてもよい。また、以上の説明では、触媒としての触媒装置１０は、第１触媒１０ａと、第２触媒１０ｂとを有するものとして説明したが１つであってもよい。
【実施例２】
【００７０】
図４は、本発明の実施例２に係るエンジンの第１触媒バイパス停止制御の流れを示すフローチャートである。実施例２に係る内燃機関は、実施例１に係る内燃機関と略同様の構成であるが、所定の運転状態において第１触媒バイパス停止制御を実行する点で実施例１に係る内燃機関とは異なる。その他、上述した実施例と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。また、主要部分の構成については図１を参照する。
【００７１】
図４に示すように、実施例２に係る内燃機関としてのエンジン２０１は、図２で説明した通常モード（０１制御）の実行中において、第２触媒入口排気ガス温度センサ９４が検出する第２触媒入口排気ガス温度ＧＴが予め設定されるバイパス規制温度ＴＧより低い場合に流路制御弁４７（図１参照）を制御してバイパス通路４５（図１参照）への排気ガスの流れを規制する。すなわち、ＥＣＵ９０（図１参照）は、まず、第２触媒入口排気ガス温度センサ９４が検出する第２触媒入口排気ガス温度ＧＴを読み込む（Ｓ２００）。次にＥＣＵ９０（図１参照）は、Ｓ２００で読み込んだ第２触媒入口排気ガス温度ＧＴがバイパス規制温度ＴＧより低いか否かを判定する（Ｓ２０２）。第２触媒入口排気ガス温度ＧＴがバイパス規制温度ＴＧ以上である判定された場合（Ｓ２０２：Ｎｏ）、そのまま第１触媒バイパス停止制御を終了する。第２触媒入口排気ガス温度ＧＴがバイパス規制温度ＴＧより低いと判定された場合（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、第１触媒１０ａをバイパス中であるか否か、すなわち、流路制御弁４７が開位置にあるか否かを判定する（Ｓ２０４）。第１触媒１０ａをバイパス中ではないと判定された場合（Ｓ２０４：Ｎｏ）、そのまま第１触媒バイパス停止制御を終了する。第１触媒１０ａをバイパス中であると判定された場合（Ｓ２０４：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、流路制御弁４７のアクチュエータ４７ａを駆動し流路制御弁４７を閉位置に設定し（Ｓ２０６）、終了する。これにより、例えば、エンジン本体２が低回転・低負荷で運転している場合に、タービン冷却系７０のウォータージャケット７１による排気マニホールド４１の冷却に伴って排気ガスを冷却しすぎてしまい、第２触媒１０ｂの温度が触媒活性化温度近傍まで低下してしまった場合でも、エンジン本体２に近い位置に設けられ第２触媒１０ｂより高温の排気ガスに晒され易い第１触媒１０ａに排気ガスを導入しこの第１触媒１０ａにて浄化することで、低温環境条件下での過冷却による排気ガス浄化性能の悪化を防止することができる。なお、バイパス規制温度ＴＧは、第２触媒１０ｂの触媒活性化温度に応じて適宜予め設定しておけばよい。
【００７２】
以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン２０１によれば、エンジン本体２を冷却する冷却系から独立したタービン冷却系７０によりターボチャージャ５に排気ガスを導入する排気ガス導入部６０を冷却すると共に、触媒装置１０の第２触媒１０ｂに導入される排気ガスの温度に基づいてタービン冷却系７０の冷却水流量を調節することから、熱負荷が高い運転領域ではオーバーヒートを確実に防止することができる。一方、熱負荷が低い運転領域では、触媒装置１０の温度の下がりすぎを防止し触媒装置１０における適正な触媒浄化性能を維持することができると共に、排気ガス温度の下がりすぎによる排気エネルギーの低下を抑制することができ、この結果、ターボレスポンスの悪化も防止することができる。また、タービン冷却系７０がエンジン本体２を冷却する冷却系から独立して別系統で設けられていることから、タービン冷却系７０を循環する冷却水の温度制御がし易く、当該タービン冷却系７０を循環する冷却水の温度をエンジン１の運転状態に応じてすばやく適正な温度に設定することができる。
【００７３】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン２０１によれば、触媒装置１０は、第１触媒１０ａと、排気ガスの排気方向に対してこの第１触媒１０ａより下流側に設けられる第２触媒１０ｂとを有し、排気通路４は、排気ガスが第１触媒１０ａをバイパス可能なバイパス通路４５と、このバイパス通路４５への排気ガスの流れを規制可能な流路制御弁４７とを有し、第２触媒入口排気ガス温度センサ９４は、第２触媒１０ｂとに導入される排気ガスの温度を検出し、ＥＣＵ９０、第２触媒入口排気ガス温度ＧＴが予め設定されるバイパス規制温度ＴＧより低い場合に流路制御弁４７を制御してバイパス通路４５への排気ガスの流れを規制する。したがって、タービン冷却系７０のウォータージャケット７１による排気マニホールド４１の冷却に伴って排気ガスを冷却しすぎた場合でも、エンジン本体２に近い位置に設けられ第２触媒１０ｂより高温の排気ガスに晒され易い第１触媒１０ａに排気ガスを導入しこの第１触媒１０ａにて浄化することで、低温環境条件下での過冷却による排気ガス浄化性能の悪化を防止することができる。
【実施例３】
【００７４】
図５は、本発明の実施例３に係るエンジンが備えるターボチャージャの要部の構成を示す概略断面図である。実施例３に係る内燃機関は、実施例１に係る内燃機関と略同様の構成であるが、排気ガス導入部冷却手段がタービンハウジングに設けられている点で実施例１に係る内燃機関とは異なる。その他、上述した実施例と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。また、主要部分の構成については図１を参照する。
【００７５】
ここでまず、図５を参照して実施例３の内燃機関としてのエンジン３０１が備える過給手段としてのターボチャージャ３０５のタービン３５１の構成をより詳細に説明する。タービン３５１は、ホイールとしてのタービンホイール３５３と、このタービンホイール３５３を収容するタービンハウジング３５４を有する。
【００７６】
具体的には、ターボチャージャ３０５は、軸受部３５８を介して互いに連結されたタービン３５１とコンプレッサ３５２（図１に示すコンプレッサ５２とほぼ同様の構成）にて構成される。軸受部３５８は、センタハウジング３５９と、センタハウジング３５９内にてロータシャフト３５７を回転可能に支持する軸受３５９ａを備える。このロータシャフト３５７は、左右の各端部がセンタハウジング３５９から突出している。そして、ロータシャフト３５７は、上述したように、一端部にタービン３５１を構成するタービンホイール３５３が一体回転可能に接合され、このタービンホイール３５３はタービンハウジング３５４に収容される。一方、ロータシャフト３５７は、他端部にコンプレッサ３５２を構成するコンプレッサインペラ３５５が一体回転可能に接合される。
【００７７】
そして、タービンハウジング３５４は、内部に排気導入口３６１、排気排出口３６２及びこの排気導入口３６１とこの排気排出口３６２とを連通するスクロール部３６３を有する。タービンホイール３５３は、スクロール部３６３に回転自在に収容される。このタービンハウジング３５４は、スクロール壁３６４と、導入ノズル３６５と、排出ノズル３６６が一体となって形成される。スクロール壁３６４は、内部に通路面積が漸次減少する渦巻き状の排気流路としてのスクロール部３６３を形成する。導入ノズル３６５は、略円筒形状に形成され、内側に排気導入口３６１を形成する。排出ノズル３６６は、略円筒形状に形成され、内側に排気排出口３６２を形成する。導入ノズル３６５は、渦巻き状のスクロール部３６３の接線方向に排気ガスを導入するように形成される一方、排出ノズル３６６は、円筒形の軸線がスクロール部３６３の渦巻きのほぼ中央に位置するように形成される。排出ノズル３６６の軸線は、円筒形の導入ノズル３６５の軸線に対してほぼ垂直となる。また、導入ノズル３６５と排出ノズル３６６は、各々がスクロール壁３６４から外側に突出するように形成される。導入ノズル３６５の中空部分としての排気導入口３６１と、排出ノズル３６６の中空部分としての排気排出口３６２とは、上述したように、スクロール部３６３を介して連通される。
【００７８】
そして、タービンホイール３５３は、タービンハウジング３５４内に形成されるスクロール部３６３の渦巻きのほぼ中央に位置するようにロータシャフト３５７の一端に固定される。導入ノズル３６５にはエンジン本体２（図１参照）から排気通路４（図１参照）の排気マニホールド４１（図１参照）が接続され、エンジン本体２の排気ガスは、この排気導入口３６１から導入され、スクロール部３６３を介してタービンホイール３５３に導かれ排気排出口３６２の方向に流動し排出される。この間、排気ガスがタービンホイール３５３に流入することにより複数のブレードにあたり、タービンホイール３５３を回転駆動させる。そして、タービンホイール３５３が回転することで、このタービンホイール３５３に固定されるロータシャフト３５７も一体となって回転し、ロータシャフト３５７の他端に固定されているコンプレッサインペラ３５５も一体となって回転する。この結果、吸気管３２（図１参照）内の吸入空気が圧縮されてエンジン本体２（図１参照）に過給される。
【００７９】
そして、エンジン３０１が備えるタービン冷却系３７０は、排気ガス導入部冷却手段としてのウォータージャケット３７１と、冷却媒体通路としての冷却水循環通路３７２と、ラジエータ３７３と、流量調節手段としての電動ウォーターポンプ３７４と、ラジエータ冷却手段としての電動ファン３７５とを備える。
【００８０】
ここで、ターボチャージャ３０５のタービンホイール３５３に排気ガスを導入する排気ガス導入部３６０は、排気導入通路としての排気マニホールド４１（図１参照）とタービンハウジング３５４とを含んで構成される。ウォータージャケット３７１は、少なくとも排気ガス導入部３６０をなす排気マニホールド４１又はタービンハウジング３５４のいずれか一方に設けられる。本実施例のウォータージャケット３７１は、タービンハウジング３５４に設けられている。さらに具体的には、ウォータージャケット３７１は、スクロール壁３６４において軸受部３５８側に環状に設けられている。冷却水循環通路３７２は、ウォータージャケット３７１に供給する冷却水を循環させるループ状の通路であり、エンジン本体２（図１参照）を冷却する冷却系から独立して設けられる。ウォータージャケット３７１は、この冷却水循環通路３７２上に設けられており、したがって、このウォータージャケット３７１は、冷却水循環通路３７２を循環する冷却水が内部に供給されることで排気ガス導入部３６０のタービンハウジング３５４を冷却可能である。
【００８１】
なお、軸受３５９ａを収容するセンタハウジング３５９には、ウォータージャケット３７１とは別に軸受部ウォータージャケット３６７が設けられている。この軸受部ウォータージャケット３６７は、エンジン本体２（図１参照）を冷却する冷却系から供給される冷却水により軸受３５９ａの摺動部分等を冷却するものである。また、センタハウジング３５９の軸受部ウォータージャケット３６７近傍には、潤滑油通路３６８も設けられている。潤滑油通路３６８は、エンジン本体２（図１参照）を潤滑する潤滑系から供給される潤滑油により軸受３５９ａの摺動部分等を潤滑するものである。
【００８２】
そして、ラジエータ３７３は、冷却水循環通路３７２を循環する冷却水を冷却可能である。電動ウォーターポンプ３７４は、ウォータージャケット３７１に供給される冷却水の流量を調節可能である。電動ファン３７５は、ラジエータ３７３を冷却可能である。そして、ＥＣＵ９０は、第２触媒入口排気ガス温度センサ９４が検出した第２触媒入口排気ガス温度に基づいて電動ウォーターポンプ３７４の駆動を制御する。さらに、ＥＣＵ９０は、実施例１とほぼ同様に、冷却水温度センサ９５が検出した排気ガス導入部３６０をなすタービンハウジング３５４を冷却した後の冷却水温度に基づいて、電動ファン３７５及び電動ウォーターポンプ３７４の駆動を段階的に制御する。
【００８３】
以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン３０１によれば、エンジン本体２を冷却する冷却系から独立したタービン冷却系３７０によりターボチャージャ３０５に排気ガスを導入する排気ガス導入部３６０を冷却すると共に、触媒装置１０の第２触媒１０ｂに導入される排気ガスの温度に基づいてタービン冷却系３７０の冷却水流量を調節することから、熱負荷が高い運転領域ではオーバーヒートを確実に防止することができる。一方、熱負荷が低い運転領域では、触媒装置１０の温度の下がりすぎを防止し触媒装置１０における適正な触媒浄化性能を維持することができると共に、排気ガス温度の下がりすぎによる排気エネルギーの低下を抑制することができ、この結果、ターボレスポンスの悪化も防止することができる。また、タービン冷却系３７０がエンジン本体２を冷却する冷却系から独立して別系統で設けられていることから、タービン冷却系３７０を循環する冷却水の温度制御がし易く、当該タービン冷却系３７０を循環する冷却水の温度をエンジン３０１の運転状態に応じてすばやく適正な温度に設定することができる。
【００８４】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン３０１によれば、排気通路４は、ターボチャージャ３０５に排気ガスを導入する排気マニホールド４１を有し、ターボチャージャ３０５は、排気マニホールド４１から導入される排気ガスにより回転駆動するタービンホイール３５３がタービンハウジング３５４に収容されたタービン３５１と、タービンホイール３５３が回転駆動することで回転するコンプレッサインペラ３５５がコンプレッサハウジング３５６に収容されたコンプレッサ３５２とを有し、排気ガス導入部３６０は、排気マニホールド４１とタービンハウジング３５４とを含んで構成され、ウォータージャケット３７１は、タービンハウジング３５４に設けられる。したがって、排気ガス導入部３６０をなすタービンハウジング３５４にウォータージャケット３７１が設けられることから、排気ガス温度に基づいたウォータージャケット３７１によるタービンハウジング３５４の冷却に伴って、ターボチャージャ３０５に導入される排気ガスを適正な温度に冷却することができる。
【００８５】
なお、上述した本発明の実施例に係る内燃機関は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、ウォータージャケット３７１は、スクロール壁３６４（軸受部３５８側）に設けられるものとして説明したが、タービンハウジング３５４の全体を覆うように設けてもよい。
【実施例４】
【００８６】
図６は、本発明の実施例４に係るエンジンの概略断面図、図７は、本発明の実施例４に係るエンジンのタービン冷却制御の流れを示すフローチャート、図８は、本発明の実施例４に係るエンジンのエンジン回転数、エンジン負荷とオーバーヒート回避温度との関係を示す線図、図９は、本発明の実施例４に係るエンジンの排気ガス温度低下制御の流れを示すフローチャート、図１０は、本発明の実施例４に係るエンジンの吸入空気増加制御の流れを示すフローチャート、図１１は、本発明の実施例４に係るエンジンの空燃比と吸気管圧力、点火時期、タービン入口排気ガス温度との関係を示す線図である。実施例４に係る内燃機関は、実施例１に係る内燃機関と略同様の構成であるが、熱負荷軽減手段を備えている点で実施例１に係る内燃機関とは異なる。その他、上述した実施例と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００８７】
本実施例の内燃機関としてのエンジン４０１は、熱負荷軽減手段としての熱負荷軽減部４８０を備えている。熱負荷軽減部４８０は、排気ガスによる熱負荷を軽減可能なものであり、ここでは上述したインジェクタ１７、点火プラグ１８及びウエストゲートバルブ４４を含んで構成される。すなわち、上述したように、インジェクタ１７は、エンジン本体２の燃焼室１３に燃料を供給可能な本発明の燃料供給手段として作用し、点火プラグ１８は、エンジン本体２の燃焼室１３で燃料と吸入空気との混合気に点火する本発明の点火手段として作用し、ウエストゲートバルブ４４は、エンジン本体２に吸入される吸入空気量を調節する本発明の吸入空気量調節手段として作用する。
【００８８】
そして、制御手段としてのＥＣＵ９０は、冷却水温度センサ９５が検出する冷却水温度ＷＴがターボチャージャ５のオーバーヒートを事前に回避するためのオーバーヒート回避温度ＴＷ３よりも高い場合に熱負荷軽減部４８０を制御して排気ガスによる熱負荷を軽減する。本実施例では、ＥＣＵ９０は、冷却水温度ＷＴがオーバーヒート回避温度ＴＷ３よりも高く、かつ、オーバーヒート対策温度ＴＷ４以下である場合に、インジェクタ１７を制御してエンジン本体２の燃料と吸入空気との混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定し、点火プラグ１８を制御してエンジン本体２の点火時期を進角側に設定し、ウエストゲートバルブ４４を制御して過給圧を増加しエンジン本体２に吸入される吸入空気量を増加側に設定する。
【００８９】
ここで、上述した実施例１では、オーバーヒート回避温度ＴＷ３は、エンジン１やターボチャージャ５の仕様等に応じて予め固定的な閾値として設定するものとして説明したが、本実施例では、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じて設定される。すなわち、ＥＣＵ９０は、回転速度検出手段としてのクランク角センサ９１及び負荷検出手段としてのスロットルポジションセンサ９２がそれぞれ検出するエンジン回転数及びエンジン負荷に基づいてオーバーヒート回避温度ＴＷ３を設定する。図８は、エンジン回転数、エンジン負荷とオーバーヒート回避温度ＴＷ３との関係を示す線図あり、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷としている。ＥＣＵ９０は、図８に示すように、オーバーヒート回避温度ＴＷ３をエンジン回転数及びエンジン負荷に関連付けてマップとして記憶部（不図示）に予め記憶している。ここでは、オーバーヒート回避温度ＴＷ３は、［ＴＷ３−１＞ＴＷ３−２＞ＴＷ３−３＞ＴＷ３−４］となるようにエンジン回転数及びエンジン負荷に関連付けられて記憶されている。
【００９０】
すなわち、エンジン４０１において排気熱容量は、高回転・高負荷側で高くなる傾向にあるが、車両走行風等との関係からラジエータ７３の冷却能力が上がってくる。このため、オーバーヒート回避温度ＴＷ３は、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じて、高回転（高速）・低負荷側で相対的に高い値に設定される一方、低回転（低速）・高負荷側で相対的に低い値に設定される。この結果、よりオーバーヒートしやすい運転状態では、冷却水温度ＷＴが相対的に低い温度でもオーバーヒート回避（０３制御）に移行する一方、オーバーヒートしにくい運転状態では、冷却水温度ＷＴが相対的に高い温度になってからオーバーヒート回避（０３制御）に移行するように制御されることとなる。そして、ＥＣＵ９０は、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいてこのマップからＴＷ３−１乃至ＴＷ３−４のいずれか１つを読み出して、実際に判定に用いるオーバーヒート回避温度ＴＷ３に設定する。なお、温間通常状態温度ＴＷ１、オーバーヒート防止温度ＴＷ２及びオーバーヒート対策温度ＴＷ４も、オーバーヒート回避温度ＴＷ３と同様に固定値ではなくエンジン１の運転状態に応じて適宜設定するようにしてもよい。
【００９１】
次に図７乃至図１１を参照してエンジン１におけるタービン冷却制御、排気ガス温度低下制御及び吸入空気増加制御の流れを説明する。このタービン冷却制御では、図７に示すように、ＥＣＵ９０は、まず、クランク角センサ９１及びスロットルポジションセンサ９２がそれぞれ検出するエンジン回転数及びエンジン負荷を読み込む（Ｓ３００）。次に、ＥＣＵ９０は、基準水温ＴＷとして、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて図８のマップからＴＷ３−１乃至ＴＷ３−４のいずれか１つを読み出して、実際に判定に用いるオーバーヒート回避温度ＴＷ３に設定する（Ｓ３０２）。このとき、温間通常状態温度ＴＷ１、オーバーヒート防止温度ＴＷ２及びオーバーヒート対策温度ＴＷ４も設定する。
【００９２】
次に、ＥＣＵ９０は、冷却水温度センサ９５により、排気ガス導入部６０をなす吸気マニホールドをウォータージャケット７１にて冷却した後の冷却水温度ＷＴを検出し読み込む（Ｓ３０４）。そして、ＥＣＵ９０は、冷却水温度ＷＴと温間通常状態温度ＴＷ１とを比較し、冷却水温度ＷＴが温間通常状態温度ＴＷ１より高いか否かを判定する（Ｓ３０６）。冷却水温度ＷＴが温間通常状態温度ＴＷ１以下であると判定された場合（Ｓ３０６：Ｎｏ）、暖機モード（００制御選択）として、電動ウォーターポンプ７４及び電動ファン７５の駆動を制御し、電動ウォーターポンプ７４及び電動ファン７５を停止状態に設定して終了する（Ｓ３０８）。冷却水温度ＷＴが温間通常状態温度ＴＷ１より高いと判定された場合（Ｓ３０６：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、冷却水温度ＷＴとオーバーヒート防止温度ＴＷ２とを比較し、冷却水温度ＷＴがオーバーヒート防止温度ＴＷ２より高いか否かを判定する（Ｓ３１０）。冷却水温度ＷＴがオーバーヒート防止温度ＴＷ２以下であると判定された場合（Ｓ３１０：Ｎｏ）、ＥＣＵ９０は、通常モード（０１制御選択）として、電動ウォーターポンプ７４及び電動ファン７５の駆動を制御し、電動ファン７５を停止状態とする一方、電動ウォーターポンプ７４の制御を第２触媒入口排気ガス温度センサ９４が検出した第２触媒入口排気ガス温度ＧＴに基づいた制御モードに設定して終了する（Ｓ３１２）。
【００９３】
冷却水温度ＷＴがオーバーヒート防止温度ＴＷ２より高いと判定された場合（Ｓ３１０：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、冷却水温度ＷＴとオーバーヒート回避温度ＴＷ３とを比較し、冷却水温度ＷＴがオーバーヒート回避温度ＴＷ３より高いか否かを判定する（Ｓ３１４）。冷却水温度ＷＴがオーバーヒート回避温度ＴＷ３以下であると判定された場合（Ｓ３１４：Ｎｏ）、ＥＣＵ９０は、オーバーヒート防止（０２制御選択）として、電動ウォーターポンプ７４及び電動ファン７５の駆動を制御し、電動ファン７５を作動開始すると共に、電動ウォーターポンプ７４を第２触媒入口排気ガス温度ＧＴにかかわらず作動出力を増加させて終了する（Ｓ３１６）。
【００９４】
冷却水温度ＷＴがオーバーヒート回避温度ＴＷ３より高いと判定された場合（Ｓ３１４：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、冷却水温度ＷＴとオーバーヒート対策温度ＴＷ４とを比較し、冷却水温度ＷＴがオーバーヒート対策温度ＴＷ４より高いか否かを判定する（Ｓ３１８）。冷却水温度ＷＴがオーバーヒート対策温度ＴＷ４以下であると判定された場合（Ｓ３１８：Ｎｏ）、ＥＣＵ９０は、オーバーヒート回避（０３制御選択）として、電動ウォーターポンプ７４及び電動ファン７５の駆動を制御し、電動ファン７５及び電動ウォーターポンプ７４の作動出力を最大限まで増加させ（Ｓ３２０）、さらに、排気ガス温度低下制御（Ｓ３２２）及び吸入空気増加制御（Ｓ３２４）を実行して終了する。
【００９５】
ここで、Ｓ３２２の排気ガス温度低下制御では、ＥＣＵ９０は、図９に示すように、排気ガス温度低下制御を実行するか否かを判定する（Ｓ４００）。排気ガス温度低下制御を実行するか否かの判定は、Ｓ３１４（図７参照）における冷却水温度ＷＴがオーバーヒート回避温度ＴＷ３より高いか否かに関する判定結果を用いればよい。排気ガス温度低下制御を実行しないと判定された場合（Ｓ４００：Ｎｏ）、このままこの制御を終了する。排気ガス温度低下制御を実行すると判定された場合（Ｓ４００：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、インジェクタ１７を制御して空気過剰率λ＝１とするフィードバック制御、すなわち、インジェクタ１７から噴射される燃料と吸入空気とからなる混合ガスの空燃比を理論空燃比に設定するフィードバック制御を停止する（Ｓ４０２）。そして、ＥＣＵ９０は、エンジン回転数及びエンジン負荷等から定まる空気過剰率λ＝１での運転における燃料量Ｑλ（以下、「λ１運転用燃料量Ｑλ」と略記する）を読み込むと共に（Ｓ４０４）、このλ１運転用燃料量Ｑλに予め設定されたリーン運転化度合いに応じたリーン化係数を乗じて減量された燃料量を算出、設定し、インジェクタ１７による燃料噴射量を制御して混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定する（Ｓ４０６）。さらに、ＥＣＵ９０は、点火プラグ１８による点火時期ＳＡに対しても同様に、予め設定されたリーン運転化度合いに応じたリーン化係数を乗じて進角された点火時期ＳＡを算出、設定し、点火プラグ１８による点火時期ＳＡを制御して点火時期ＳＡを進角側に設定して終了する（Ｓ４０８）。これにより、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定することでエンジン本体２での発生熱量を低減できると共に、点火時期ＳＡを進角側に設定することで点火進角効果によりリーン化による出力（ＴＲＱ）低下を最小限に抑制することができる。なお、排気ガス温度低下制御を実行しても冷却水温度ＷＴが所定温度、ここでは、オーバーヒート回避温度ＴＷ３よりも下がらなかった場合、リーン化係数を段階的に変更し（後述する図１１参照）リーン運転化度合いを強化するように制御すればよい。
【００９６】
Ｓ３２４の吸入空気増加制御では、ＥＣＵ９０は、図１０に示すように、まず、タービン５１に導入される排気ガス量を制限するなどの過給圧上限制御を実行中か否かを判定する（Ｓ５００）。過給圧上限制御を実行中でないと判定された場合（Ｓ５００：Ｎｏ）、このままこの制御を終了する。過給圧上限制御を実行中であると判定された場合（Ｓ５００：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、過給圧上限値に予め設定されたアップ係数を乗じ過給圧を一時的に高く設定し、ウエストゲートバルブ４４を制御してウエストゲートバルブ４４の開度を過給圧の増加分に応じた開度まで減少させる（Ｓ５０２）。これにより、ウエストゲートバルブ４４を制御して過給圧を増加しエンジン本体２に吸入される吸入空気量を増加側に設定することで、リーン化による出力（ＴＲＱ）低下をさらに抑制することができる。
【００９７】
図１１は、エンジン４０１において、等トルク下（ＴＲＱ一定）における空燃比Ａ／Ｆと吸気管圧力ＭＶ、点火時期ＳＡ、タービン５１入口排気ガス温度Ｔｉｎとの関係の一例を示す線図である。上述のように、インジェクタ１７を制御してエンジン本体２の燃料と吸入空気との混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定してエンジン本体２での発生熱量を低減すると共に、点火プラグ１８を制御してエンジン本体２の点火時期を進角側に設定し、ウエストゲートバルブ４４を制御して過給圧を増加しエンジン本体２に吸入される吸入空気量を増加側に設定することでトルクをほぼ一定に維持した場合でも、タービン５１入口排気ガス温度Ｔｉｎを十分に低下させることができることが理解できる。
【００９８】
再び図７に戻って、冷却水温度ＷＴがオーバーヒート対策温度ＴＷ４より高いと判定された場合（Ｓ３１８：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、オーバーヒート対策（０４制御選択）として、スロットルバルブ８の開度を減少させると共にウエストゲートバルブ４４の開度を増加させて過給圧を低減することで、エンジン本体２の出力を低下し、エンジン本体２から排出される排気ガスの温度自体を低下させて終了する（Ｓ３２６）。
【００９９】
以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン４０１によれば、エンジン本体２を冷却する冷却系から独立したタービン冷却系７０によりターボチャージャ５に排気ガスを導入する排気ガス導入部６０を冷却すると共に、触媒装置１０の第２触媒１０ｂに導入される排気ガスの温度に基づいてタービン冷却系７０の冷却水流量を調節することから、熱負荷が高い運転領域ではオーバーヒートを確実に防止することができる。一方、熱負荷が低い運転領域では、触媒装置１０の温度の下がりすぎを防止し触媒装置１０における適正な触媒浄化性能を維持することができると共に、排気ガス温度の下がりすぎによる排気エネルギーの低下を抑制することができ、この結果、ターボレスポンスの悪化も防止することができる。また、タービン冷却系７０がエンジン本体２を冷却する冷却系から独立して別系統で設けられていることから、タービン冷却系７０を循環する冷却水の温度制御がし易く、当該タービン冷却系７０を循環する冷却水の温度をエンジン１の運転状態に応じてすばやく適正な温度に設定することができる。
【０１００】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン４０１によれば、エンジン本体２による熱負荷を軽減可能な熱負荷軽減部４８０を備え、ＥＣＵ９０は、冷却水温度センサ９５が検出する冷却水温度ＷＴがターボチャージャ５のオーバーヒートを事前に回避するためのオーバーヒート回避温度ＴＷ３よりも高い場合に熱負荷軽減部４８０を制御して排気ガスによる熱負荷を軽減する。したがって、ターボチャージャ５が未だオーバーヒートしていないもののオーバーヒート寸前の状態において、熱負荷軽減部４８０によりエンジン本体２側で熱負荷を低減することができることから、排気ガスの温度を低下させることができ、これにより、ターボチャージャ５のオーバーヒートを確実に防止することができる。
【０１０１】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン４０１によれば、熱負荷軽減部４８０は、エンジン本体２の燃焼室１３に燃料を供給可能なインジェクタ１７を有し、ＥＣＵ９０は、冷却水温度センサ９５が検出する冷却水温度ＷＴがオーバーヒート回避温度ＴＷ３よりも高い場合に、インジェクタ１７を制御してエンジン本体２の燃料と吸入空気との混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定する。したがって、ターボチャージャ５が未だオーバーヒートしていないもののオーバーヒート寸前の状態において、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定することで、エンジン本体２での発生熱量を確実に低減できる。
【０１０２】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン４０１によれば、熱負荷軽減部４８０は、エンジン本体２の燃焼室１３で燃料と吸入空気との混合気に点火する点火プラグ１８を有し、ＥＣＵ９０は、冷却水温度センサ９５が検出する冷却水温度ＷＴがオーバーヒート回避温度ＴＷ３よりも高い場合に、点火プラグ１８を制御してエンジン本体２の点火時期を進角側に設定する。したがって、ターボチャージャ５が未だオーバーヒートしていないもののオーバーヒート寸前の状態において、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定した場合でも、点火時期を進角側に設定することで、点火進角効果によりリーン化による出力低下を最小限に抑制することができ、燃費悪化も抑制することができる。
【０１０３】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン４０１によれば、熱負荷軽減部４８０は、エンジン本体２に吸入される吸入空気量を調節するウエストゲートバルブ４４を有し、ＥＣＵ９０は、冷却水温度センサ９５が検出する冷却水温度ＷＴがオーバーヒート回避温度ＴＷ３よりも高い場合に、ウエストゲートバルブ４４を制御してエンジン本体２に吸入される吸入空気量を増加側に設定する。したがって、ターボチャージャ５が未だオーバーヒートしていないもののオーバーヒート寸前の状態において、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定した場合でも、ウエストゲートバルブ４４を制御して過給圧を増加しエンジン本体２に吸入される吸入空気量を増加側に設定することで、リーン化による出力低下をさらに抑制することができる。
【０１０４】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン４０１によれば、エンジン本体２のエンジン回転数を検出するクランク角センサ９１と、エンジン本体２のエンジン負荷を検出するスロットルポジションセンサ９２とを備え、ＥＣＵ９０は、クランク角センサ９１が検出するエンジン回転数及びスロットルポジションセンサ９２が検出するエンジン負荷に基づいてオーバーヒート回避温度ＴＷ３を設定する。したがって、オーバーヒートしやすい運転状態では冷却水温度ＷＴが相対的に低い温度でもオーバーヒート回避に移行する一方、オーバーヒートしにくい運転状態では冷却水温度ＷＴが相対的に高い温度になってからオーバーヒート回避に移行するように制御されることから、オーバーヒートを確実に回避することができると共に、不必要に空燃比がリーン側に設定されることを抑制することができ、空燃比がストイキからずれている期間を最小限に抑制することができる。この結果、排気浄化性能が悪化することを抑制することができる。
【０１０５】
なお、上述した本発明の実施例に係る内燃機関は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、吸入空気量調節手段は、ウエストゲートバルブ４４であるものとして説明したが、スロットルバルブ８の上限開度に余裕があればこのスロットルバルブ８により構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、オーバーヒートを確実に防止するとことができると共に、触媒浄化性能を維持することができるものであり、過給機を備える種々の内燃機関に適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の実施例１に係るエンジンの概略断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係るエンジンのタービン冷却制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例１に係るエンジンの第２触媒入口排気ガス温度と電動ウォーターポンプの制御電流との関係を示す線図である。
【図４】本発明の実施例２に係るエンジンの第１触媒バイパス停止制御の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施例３に係るエンジンが備えるターボチャージャの要部の構成を示す概略断面図である。
【図６】本発明の実施例４に係るエンジンの概略断面図である。
【図７】本発明の実施例４に係るエンジンのタービン冷却制御の流れを示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施例４に係るエンジンのエンジン回転数、エンジン負荷とオーバーヒート回避温度との関係を示す線図である。
【図９】本発明の実施例４に係るエンジンの排気ガス温度低下制御の流れを示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施例４に係るエンジンの吸入空気増加制御の流れを示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施例４に係るエンジンの空燃比と吸気管圧力、点火時期、タービン入口排気ガス温度との関係の一例を示す線図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１、２０１、３０１、４０１    エンジン（内燃機関）
２    エンジン本体（内燃機関本体）
３    吸気通路
４    排気通路
５、３０５    ターボチャージャ（過給手段）
８    スロットルバルブ
１０    触媒装置
１０ａ    第１触媒
１０ｂ    第２触媒
１１    ピストン
１２    シリンダボア
１３    燃焼室
１５    吸気ポート
１６    排気ポート
１７    インジェクタ（燃料供給手段）
１８    点火プラグ（点火手段）
１９    クランクシャフト
４１    排気マニホールド（排気導入通路）
４２    排気管
４３    ウエストゲート通路
４４    ウエストゲートバルブ（吸入空気量調節手段）
４５    バイパス通路
４６    第１触媒通路
４７    流路制御弁（流路制御手段）
５１、３５１    タービン
５２、３５２    コンプレッサ
５３、３５３    タービンホイール
５４、３５４    タービンハウジング
５５、３５５    コンプレッサインペラ
５６、３５６    コンプレッサハウジング
５７、３５７    ロータシャフト
６０、３６０    排気ガス導入部
７０、３７０    タービン冷却系（過給手段冷却系）
７１、３７１    ウォータージャケット（排気ガス導入部冷却手段）
７２、３７２    冷却水循環通路（冷却媒体通路）
７３、３７３    ラジエータ
７４、３７４    電動ウォーターポンプ（流量調節手段）
７５、３７５    電動ファン（ラジエータ冷却手段）
９０    ＥＣＵ（制御手段）
９１    クランク角センサ（回転速度検出手段）
９２    スロットルポジションセンサ（負荷検出手段）
９３    Ａ／Ｆセンサ
９４    第２触媒入口排気ガス温度センサ（排気ガス温度検出手段）
９５    冷却水温度センサ（冷却媒体温度検出手段）
３６４    スクロール壁
４８０    熱負荷軽減部（熱負荷軽減手段）
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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