(57)【要約】【課題】  応答性良く吸気を冷却して燃焼状態を安定させてノッキングを防止する。【解決手段】  吸気管３に設けられた吸気冷却蒸発器２１により圧縮媒体と吸気を熱交換することで、燃焼が不安定になる領域で吸気を冷却する一方、エンジン１の運転状況に応じて吸気冷却膨張弁２３の開閉が制御されて吸気冷却蒸発器２１が予冷され、応答性良く吸気を冷却して燃焼状態を安定させてノッキングを防止する。【選択図】図１
2009236083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に設けられた熱交換器を有して同熱交換器内を流通する冷却媒体の流れを調整して吸気を冷却する吸気冷却装置と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段で検出される運転状態が所定の高負荷領域にある場合に前記吸気を冷却すべく前記冷却媒体の流通を制御する一方、上記高負荷領域より低負荷側の運転領域では前記熱交換器を予冷すべく前記冷却媒体の流通を制御するよう前記吸気冷却装置の作動を制御する冷却制御手段とを備えた
ことを特徴とする内燃機関の吸気冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の吸気冷却装置において、
前記冷却制御手段は、吸気を冷却する場合に比べて冷却媒体の流通を低下させて熱交換器を予冷する
ことを特徴とする内燃機関の吸気冷却装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の内燃機関の吸気冷却装置において、
外気温を検出する外気温検出手段を更に備え、
前記冷却制御手段は、外気温が所定値以下の場合は前記吸気冷却装置の作動を禁止するよう構成されている
ことを特徴とする内燃機関の吸気冷却装置。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関の吸気冷却装置において、
前記内燃機関が搭載される車両の車速を検出する車速検出手段を更に備え、
前記冷却制御手段は、車速の増加に応じて前記所定値を高くするよう設定する
ことを特徴とする内燃機関の吸気冷却装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の吸気冷却装置において、
前記吸気通路はスロットルバルブの上流側が主通路とバイパス通路とで構成され、
前記吸気通路には前記吸気の流通を前記主通路と前記バイパス通路とに切り替える切替弁が備えられ、
前記熱交換器は前記バイパス通路に設けられ、
前記冷却制御手段は、前記所定の高負荷領域では前記切替弁を前記バイパス通路側に切り替え、前記低負荷側の運転領域では前記切替弁を前記所定の高負荷領域の場合よりも前記主通路側に切り替える
ことを特徴とする内燃機関の吸気冷却装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関の吸気冷却装置において、
前記吸気冷却装置は、内燃機関の駆動により冷却媒体を圧縮すると共に冷却媒体を冷却する圧縮冷却手段と、圧縮冷却手段で冷却された冷却媒体を前記熱交換器に循環させる循環経路と、前記熱交換器の上流側の前記循環経路に設けられ前記圧縮流体の流通を制御する弁部材とを有し、
前記圧縮冷却手段は、前記内燃機関が搭載される車両の空調装置と共用され、前記循環経路は前記空調装置用の冷却媒体循環経路と並列に設けられる
ことを特徴とする内燃機関の吸気冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の吸気冷却装置に関し、応答性良く吸気を冷却して燃焼状態を安定させることができるように企図したものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関（エンジン）の圧縮比を増大させる熱効率が増大して燃費が向上する反面、圧縮吸気の温度が高くなってノッキングが起こりやすくなる問題があり、特に過給圧の高いエンジンでは、この問題が顕著になる。このため、吸気を冷却してエンジンの安定した燃焼を保ちながら熱効率を向上させようとする技術が従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この技術では、エンジンの負荷検出手段からの信号で冷熱サイクルのコンプレッサの駆動を制御して高負荷時でもノッキングの発生を防止して安定したエンジンの燃焼を保つようにしている。
【０００４】
【特許文献１】実開昭６４−４１６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来例のように高負荷になったのを検出してからコンプレッサを駆動して冷却を開始する方式では、コンプレッサ駆動開始初期に十分な冷却効率が得らずノッキングを効果的に防止できない可能性があるという問題がある。このため、コンプレッサを駆動する領域を拡大することも考えられるが、その場合は本来は冷却不要な領域でも吸気を冷却すべくコンプレッサを駆動することになり、燃費の低下が問題となる。
【０００６】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、高効率で応答性良く吸気を冷却して安定した燃焼状態を保つことができる内燃機関の吸気冷却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】
【０００７】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の内燃機関の吸気冷却装置は、内燃機関の吸気通路に設けられた熱交換器を有して同熱交換器内を流通する冷却媒体の流れを調整して吸気を冷却する吸気冷却装置と、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段で検出される運転状態が所定の高負荷領域にある場合に前記吸気を冷却すべく前記冷却媒体の流通を制御する一方、上記高負荷領域より低負荷側の運転領域では前記熱交換器を予冷すべく前記冷却媒体の流通を制御するよう前記吸気冷却装置の作動を制御する冷却制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に係る本発明では、内燃機関の運転状態が所定の高負荷領域にある場合は、吸気を冷却すべく吸気通路に設けられた熱交換器内を流通する冷却媒体の流通を制御するので、ノッキングを確実に防止して安定した燃焼を実現できるし、高負荷領域より低負荷側の運転領域では熱交換器を予冷すべく冷却媒体の流通を制御するよう吸気冷却装置の作動を制御するので、高負荷領域に突入する前に熱交換器を冷却しておくことができ高負荷領域に突入初期から吸気冷却効果を得ることができるし、吸気冷却を行う所定の高負荷領域をむやみに拡げる必要がなくなり、吸気冷却までは行わず予冷にとどめることで燃費低下を抑制できる。
【０００９】
また、請求項２に係る本発明の内燃機関の吸気冷却装置は、請求項１に記載の内燃機関の吸気冷却装置において、前記冷却制御手段は、吸気を冷却する場合に比べて冷却媒体の流通を低下させて熱交換器を予冷することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る本発明では、吸気を冷却する場合に比べて冷却媒体の流通を低下させて熱交換器を予冷するので、効率良く熱交換器を予冷できる。
【００１１】
また、請求項３に係る本発明の内燃機関の吸気冷却装置は、請求項１または２に記載の内燃機関の吸気冷却装置において、外気温を検出する外気温検出手段を更に備え、前記冷却制御手段は、外気温が所定値以下の場合は前記吸気冷却装置の作動を禁止するよう構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る本発明では、外気温が所定値以下の場合は吸気冷却装置の作動が禁止されるので、ノッキングが問題にならない条件下で無駄に吸気冷却装置が作動することが防止され、燃費低下を抑制しながら安定した燃焼を確保できる。
【００１３】
また、請求項４に係る本発明の内燃機関の吸気冷却装置は、請求項３に記載の内燃機関の吸気冷却装置において、前記内燃機関が搭載される車両の車速を検出する車速検出手段を更に備え、前記冷却制御手段は、車速の増加に応じて前記所定値を高くするよう設定することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る本発明では、吸気冷却装置の作動を禁止する外気温所定値を車速の増加に応じて高くするので、走行状況と外気温に応じてノッキングが問題にならない条件を的確に設定することができ、燃費低下を効率よく抑制しながら安定した燃焼を確保できる。
【００１５】
また、請求項５に係る本発明の内燃機関の吸気冷却装置は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の吸気冷却装置において、前記吸気通路はスロットルバルブの上流側が主通路とバイパス通路とで構成され、前記吸気通路には前記吸気の流通を前記主通路と前記バイパス通路とに切り替える切替弁が備えられ、前記熱交換器は前記バイパス通路に設けられ、前記冷却制御手段は、前記所定の高負荷領域では前記切替弁を前記バイパス通路側に切り替え、前記低負荷側の運転領域では前記切替弁を前記所定の高負荷領域の場合よりも前記主通路側に切り替えることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に係る本発明では、吸気が主通路を主に流通する際にバイパス通路の熱交換器に圧縮媒体を流通させて予冷を行なうので、吸気に冷気が奪われることを抑制しながら熱交換器の予冷を効率良く行うことができる。
【００１７】
また、請求項６に係る本発明の内燃機関の吸気冷却装置は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関の吸気冷却装置において、前記吸気冷却装置は、内燃機関の駆動により冷却媒体を圧縮すると共に冷却媒体を冷却する圧縮冷却手段と、圧縮冷却手段で冷却された冷却媒体を前記熱交換器に循環させる循環経路と、前記熱交換器の上流側の前記循環経路に設けられ前記圧縮流体の流通を制御する弁部材とを有し、前記圧縮冷却手段は、前記内燃機関が搭載される車両の空調装置と共用され、前記循環経路は前記空調装置用の冷却媒体循環経路と並列に設けられることを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る本発明では、圧縮冷却手段が空調装置と共用されるため装置の簡素化を図ることができるし、冷却媒体の流通を制御する弁部材が設けられる循環経路を空調装置用と並列に設けているため、吸気冷却装置用の制御も的確に行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の内燃機関の吸気冷却装置は、燃費低下を最小限としながら応答性良く吸気を冷却して燃焼状態を安定させてノッキングを確実に防止することができ、圧縮比の設計の自由度を増すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１には本発明の第１実施形態例に係る内燃機関の吸気冷却装置の概略系統、図２には吸気冷却動作のフローチャート、図３には吸気冷却モードを外気温度と車速との関係で説明するグラフ、図４には運転領域を表すグラフ、図５にはノッキング回避制御の温度チャート、図６には機器の作動状況を示してある。
【００２１】
図１に基づいて内燃機関の吸気冷却装置の構成を説明する。
【００２２】
図に示すように、内燃機関であるエンジン１の燃焼室２には吸気通路としての吸気管３が接続され、吸気管３にはエアクリーナを介して外気が導入される。外気は過給手段としてのターボチャージャ４で過給され、インタークーラ５で冷却されてサージタンク６から燃焼室２に送られる。サージタンク６の上流側の吸気管３には電動アクチュエータの駆動により吸気通路を開閉するスロットルバルブ７が設けられ、アクセルペダルの踏み込み状況に応じてスロットルバルブ７が開閉駆動される。また、エンジン１の燃焼室２には排気管８が接続され、排気はターボチャージャ４を駆動して図示しない排気浄化装置で浄化されて放出される。
【００２３】
一方、車両には空調装置１１が備えられている。即ち、エンジン１の駆動により冷却媒体である冷媒を圧縮するコンプレッサ１２が備えられ、コンプレッサ１２で圧縮された冷媒（圧縮冷媒）を冷却するコンデンサ（冷却器）１３が備えられている（圧縮冷却手段）。空調熱交換器としての空調蒸発器１４が備えられ、空調蒸発器１４は空調循環経路１５によりコンプレッサ１２及び冷却器１３に接続されている。空調蒸発器１４の入口側（冷却器１３側）には空調膨張弁１６が設けられ、コンプレッサ１２で圧縮され冷却器１３で冷却された冷却冷媒は、空調膨張弁１６によりその流通が制御される。
【００２４】
図示しないエアコンスイッチがオンにされると、コンプレッサクラッチがオンになってコンプレッサ１２が駆動し、冷媒が圧縮されて液体となって冷却器１３で冷却される。冷却された圧縮冷媒は空調膨張弁１６の制御により膨張されて体積が増加し、空調蒸発器１４で蒸発されて気体となる。空調蒸発器１４では、冷媒が状態変化することにより吸入空気の熱を奪い、冷却された空気は図示しないヒータにより所望状態の温度に調温されて車室内に送られる。
【００２５】
また、空調装置１１には、コンプレッサ１２及び冷却器１３からなる圧縮冷却手段を共用してエンジン１の吸気を冷却する吸気冷却装置が備えられている。即ち、スロットルバルブ７の上流側の吸気管３には熱交換器としての吸気冷却蒸発器２１が備えられ、吸気冷却蒸発器２１は循環経路としての吸気冷却循環路２２によりコンプレッサ１２及び冷却器１３に接続されている。吸気冷却蒸発器２１の入口側（冷却器１３側）には弁部材としての吸気冷却膨張弁２３が設けられ、吸気冷却膨張弁２３により冷却器１３で冷却された圧縮冷媒の流通が制御される。
【００２６】
吸気冷却装置が作動すると、コンプレッサ１２で圧縮され冷却器１３で冷却された液体の圧縮冷媒が吸気冷却膨張弁２３の制御により膨張され、吸気管３に備えられた吸気冷却蒸発器２１で蒸発されて気体となる。吸気冷却蒸発器２１で冷媒が状態変化することにより、吸気管３内の吸気の熱が奪われて吸気が冷却される。
【００２７】
つまり、空調装置１１は、車室内の空調を行うと共に吸気冷却を行なうデュアルエアコンとされている。尚、空調装置１１のコンプレッサ１２及び冷却器１３で得られた圧縮冷媒を空調蒸発器１４及び吸気冷却蒸発器２１で蒸発させる構成としているが、吸気冷却蒸発器２１で蒸発させる圧縮冷媒を得るために専用の圧縮冷却手段（コンプレッサ及び冷却器）を設けることも可能である。
【００２８】
上述した空調装置１１では、図示しないエアコンスイッチのオン・オフにより空調が制御されると共に、エンジン１の運転状況に応じてコンプレッサ１２の駆動制御及び吸気冷却膨張弁２３の開閉が制御され、吸気の冷却及び吸気冷却蒸発器２１の予冷が制御される。吸気の冷却及び吸気冷却蒸発器２１の予冷は、冷却制御手段２４により制御されるようになっている。
【００２９】
冷却制御手段２４には吸気冷却モードのマップや吸気冷却領域のマップ等が記憶され、エンジン１の情報及び空調装置１１の情報が入力される。そして、入力された情報に基づいて、エンジン１の運転状況に応じた状況でコンプレッサ１２の駆動（コンプレッサクラッチのオン・オフ）、空調膨張弁１６及び吸気冷却膨張弁２３の切り替え（開度制御）が実施される。
【００３０】
エンジン１にはクランク角センサ３１が設けられ、サージタンク６には吸気の温度を検出する外気温度検出手段としての吸気温度センサ３２及び吸気の圧力を検出する吸気圧力センサ３３が設けられている。クランク角センサ３１の検出情報によりエンジン１の回転速度が検出され、吸気温度センサ３２の検出情報により吸気温度（外気温度）が検出され、吸気圧力センサ３３の検出情報は吸入空気量の算出に利用される。また、吸気冷却蒸発器２１のフィンの温度を検出するフィン温度センサ３４が設けられ、フィン温度センサ３４の検出情報により吸気冷却蒸発器２１の機器自体の冷却の必要性が判断される。
【００３１】
冷却制御手段２４の入力側には、クランク角センサ３１、吸気温度センサ３２、吸気圧力センサ３３、フィン温度センサ３４、エアコンスイッチ、車速センサ、外気温センサ等の各種センサ類が接続されている。冷却制御手段２４の指令により、コンプレッサ１２の駆動（コンプレッサクラッチのオン・オフ）、空調膨張弁１６及び吸気冷却膨張弁２３の切り替えが実施され、吸気の冷却及び吸気冷却蒸発器２１の予冷がエンジン１の運転状態に応じて制御される。
【００３２】
図２〜図６に基づいて吸気の冷却及び吸気冷却蒸発器２１（図１参照）の予冷の制御の内容を具体的に説明する。
【００３３】
図２に示すように、ステップＳ１では運転モードが判断され、空調オフで且つ吸気冷却オフか否かが判断される。何れかがオンであると判断された場合、ステップＳ２で吸気冷却モードがオンであるか否かが判断される。ステップＳ１で何れもオフであると判断された場合、リターンとなる。また、ステップＳ２で吸気冷却モードがオフであると判断された場合、リターンとなる。そして、ステップＳ２で吸気冷却モードがオンであると判断された場合、ステップＳ３で吸気冷却必要領域（ステージ２）か否かが判断される。
【００３４】
吸気冷却モードは、図３に示すように、外気温度と車速の関係によりマップ化され、車速が速いほどエンジン自体の冷却効率が上がってノッキングが発生し難くなるので、外気温度が高い領域までオフの領域とされる。車速が遅い領域では外気温度が低い領域でもオフの領域とされている。そして、外気温度が限界温度Ｔ（例えば、１５℃を上回る温度）よりも高い温度領域では吸気冷却のオフの領域が存在しないように設定されている。
【００３５】
吸気冷却必要領域（ステージ２）は、図４に示すように、スロットル開度とエンジン回転数から算出される正味平均有効圧（Ｐｅ）と、エンジン回転速度との関係により設定されている。即ち、吸気冷却必要領域であるステージ２は、スロットル開度が、例えば、全開（ＷＯＴ）の９０％（ノック限界：Ｉ）を超えて吸気冷却なしではノッキングが生じる領域（図中斜線で示す領域）と、ノック限界に近い領域で、スロットル開度が、例えば、全開（ＷＯＴ）の８０％（II）を超える領域で設定されている。そして、スロットル開度が、例えば、全開（ＷＯＴ）の８０％（II）以下の領域が予冷を行なうステージ１とされている。
【００３６】
詳細は後述するが、吸気冷却なしではノッキングが生じる領域を含むステージ２であれば強制的に吸気冷却を実行し、ステージ１であれば運転状況に応じて機器の予冷が実行される。圧縮比を高く設定した場合、吸気冷却必要領域を広げる（ＷＯＴに対して閉じ側の開度に幅を広げる）ことでノッキングの抑制に対応することができる。即ち、吸気冷却必要領域の設定により圧縮比を高く設計することが可能になる。
【００３７】
図２のフローチャートに戻り、ステップＳ３で吸気冷却必要領域（ステージ２）であると判断された場合、吸気冷却をしないと燃焼が不安定になってノッキングが発生する領域（近い領域）と判断され、ステップＳ４で空調用スイッチＳａ＝０（強制オフ）にされ空調膨張弁１６（図１参照）が閉状態にされる。そして、ステップＳ５で吸気冷却運転Ｓｅ＝１（オン）にされて吸気冷却膨張弁２３（図１参照）が開状態にされる。これにより、吸気冷却が強制的に実行される。すなわち、空調用の冷房は一時的に中断され圧縮冷却手段の全能力が吸気冷却に利用されることになる。
【００３８】
このため、ターボチャージャ４（図１参照）で加圧されて温度が高くなった吸気が送られる場合でも、スロットル開度が全開に近いほど吸気量が多く燃焼が不安定になり易い領域で吸気冷却が実行され、燃焼を安定させることができる。このため、熱効率を向上させるために圧縮比の設定を行なった場合でも、十分にノック限界を高くすることができ、熱効率を向上させることができる。また、吸気が冷却されることにより充填効率が上がるため出力を向上させることができる。
【００３９】
一方、ステップＳ３で吸気冷却必要領域ではない（ステージ１）と判断された場合、ステップＳ６で予冷運転制御が実行されてリターンとなる。即ち、フィン温度センサ３４（図１参照）の検出結果により、吸気冷却蒸発器２１（図１参照）の機器温度が所定のしきい値を超えた場合には、定期的に予冷を行い、吸気冷却蒸発器２１（図１参照）の予冷を行なう。そして、吸気冷却蒸発器２１（図１参照）の機器の温度がしきい値以下であれば、予冷を停止する。
【００４０】
定期的に実施する予冷は、主に減速走行時であることが好ましい。減速走行時だけでは冷却が不足する場合には、低速走行時や加速走行時であっても、出力に影響を大きく与えない範囲で予冷を行なう。また、始動時には、急発進に備えて即座に予冷を行なう。いずれにしても、予冷制御時における冷却媒体の流量は吸気冷却実行時よりは少なくなる。
【００４１】
このため、吸気冷却蒸発器２１（図１参照）の予冷をしておくことで、吸気冷却を実行する際に応答性良く吸気を冷却することができる。吸気冷却が必要となった場合に、応答性良く吸気を冷却して燃焼状態を安定させてノッキングを確実に防止することができる。
【００４２】
図２のフローチャートに戻り、ステップＳ５で吸気冷却が実行された後、ステップＳ７で吸気温度Ｔｅがノッキング限界温度Ｔｎ以上か否かが判断される。ステップＳ７で吸気温度Ｔｅがノッキング限界温度Ｔｎ以上であると判断された場合、即ち、吸気冷却が実行された場合であっても、吸気温度Ｔｅがノッキング限界温度Ｔｎ以上となって燃焼が不安定になり易い（ノッキングが発生し易い）と判断された場合、ステップＳ８でノッキング回避制御が実行される。また、吸気温度Ｔｅがノッキング限界温度Ｔｎより低いと判断された場合にはリターンとなる。
【００４３】
つまり、図５に示すように、吸気温度Ｔｅがノッキング限界温度Ｔｎに達した時点でＳｋ＝１となってノッキング回避制御が実行されるようになっている。ノッキング回避制御は、点火時期を遅角する手段（点火遅角）、燃料噴射量を増量する手段（リッチ噴射）、スロットル弁の開度を強制的に閉じる手段（スロットル開度制御）が、単独もしくは組み合わせて実施される。尚、ターボチャージャ４（図１参照）のタービン側の排気の流入を抑制（ウエストゲート弁の制御）することで過給を抑制してノッキングを抑制することも可能である。また、ノッキング限界温度Ｔｎは図３で規定されたモード切替温度のように車速に応じて可変設定されるが、図３のモード切替温度よりは高温側に設定されている。
【００４４】
このため、ノッキング発生の懸念が強い場合に、吸気温度に基づいてノッキングを確実に防止することができる。なお、上述のステップＳ７、Ｓ８の制御は、図４で示した吸気冷却なしではノッキングが生じる領域（図中斜線で示す領域）でのみ行うのが望ましく、燃焼が不安定になり易い領域でノッキングをより確実に効率良く防止することができる。
【００４５】
第１実施形態例の内燃機関の吸気冷却装置は、応答性良く吸気を冷却して燃焼状態を安定させてノッキングを防止することができる。これにより、圧縮比を大きくしても、吸気量が増えて燃焼が不安定になるスロットル開度が全開域の領域を吸気冷却の領域として適宜設定することにより、燃焼を安定させてノッキングの発生を防止することができる。即ち、圧縮比の設計の自由度を増すことができ、圧縮比を大きくすることで、熱効率を向上させて燃費を向上させることができる。また、吸気を冷却することにより、充填効率を向上させて出力を向上させることができる。
【００４６】
上述した制御における機器の作動状況を図６に基づいて説明する。図６に示すように、機器の動作状況が図６（ａ）〜図６（ｄ）に示すように、ケース分けされている。
【００４７】
図６（ａ）に示したケース１は、空調オフ及び吸気冷却モードオフの場合で、常時、コンプレッサクラッチがオフにされると共に、空調膨張弁１６及び吸気冷却膨張弁２３がオンにされる。また、図６（ｂ）に示したケース２は、空調オン及び吸気冷却オフの場合で、空調用スイッチＳａ＝０（オフ）の時に、コンプレッサクラッチがオフのままで空調膨張弁１６がオンにされ、吸気冷却膨張弁２３がオフにされる。また、空調用スイッチＳａ＝１（オン）の時に、コンプレッサクラッチがオンにされると共に、空調膨張弁１６がオンにされ、吸気冷却膨張弁２３がオフにされる。
【００４８】
図６（ｃ）に示したケース３は、空調オフ及び吸気冷却オンの場合で、吸気冷却運転Ｓｅ＝０（オフ）の時に、コンプレッサクラッチがオフにされると共に、空調膨張弁１６がオフにされ、吸気冷却膨張弁２３がオンにされる。また、吸気冷却運転Ｓｅ＝１（オン）の時に、コンプレッサクラッチがオンにされると共に、空調膨張弁１６がオフにされ、吸気冷却膨張弁２３がオンにされる。図６（ｄ）に示したケース４は、空調オン及び吸気冷却オンの場合で、空調用スイッチＳａ＝１、吸気冷却運転Ｓｅ＝１の時に、コンプレッサクラッチ、空調膨張弁１６及び吸気冷却膨張弁２３が全てオンにされる。
【００４９】
図７〜図１０に基づいて本発明の第２実施形態例を説明する。
【００５０】
図７には本発明の第２実施形態例に係る内燃機関の吸気冷却装置の概略系統、図８には吸気冷却動作のフローチャート、図９には運転領域を表すグラフ、図１０には運転領域に応じた切替弁の開度状況を示してある。
【００５１】
図７に示した第２実施形態例は、図１に示した第１実施形態例に対し、吸気通路の構成が異なるものである。このため、第１実施形態例と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００５２】
図７に示すように、インタークーラ５とスロットルバルブ７の間（スロットルバルブ７の上流側）の吸気管３は、主通路３５とバイパス通路３６とで構成され、バイパス通路３６に吸気冷却蒸発器２１が備えられている。また、バイパス通路３６の出口側の主通路３５との合流部には切替弁３７が設けられ、切替弁３７は冷却制御手段２４により動作が制御される。切替弁３７の切り替え動作により吸気の流通が主通路３５とバイパス通路３６とに切り替えられる。例えば、切替弁３７の開度が１００％でバイパス通路３６が全開で主通路３５が全閉となり、切替弁３７の開度が０％でバイパス通路３６が全閉で主通路３５が全開とされる。その他の構成は第１実施形態例と同一である。
【００５３】
尚、切替弁として一つの切替弁３７を設ける構成としているが、主通路３５及びバイパス通路３６にスロットルバルブを設け、スロットルバルブを個別に連動させて動作させることで吸気の流通経路を切り替えることも可能である。
【００５４】
例えば、吸気の冷却が必要な領域では、主通路３５を閉じると共にバイパス通路３６を開く状態に切替弁３７を動作させ、バイパス通路３６に吸気を流通させて吸気冷却蒸発器２１により吸気を冷却する。また、吸気の冷却を行なわずに吸気冷却蒸発器２１の予冷を行なう領域では、主通路３５を開くと共にバイパス通路３６を閉じる状態に切替弁３７を動作させ、吸気を主通路３５に流通させて通常運転をすると同時に、吸気が流通していないバイパス通路３６の吸気冷却蒸発器２１に圧縮媒体を流通させて機器だけを予冷する。この時の機器の動作は、第１実施形態例で説明した図６に示すように、ケース分けされている。
【００５５】
このため、吸気が主通路３５を流通する際にバイパス通路３６の吸気冷却蒸発器２１に圧縮媒体を流通させて予冷を行なうので、吸気に冷気が奪われるのを防ぎ蓄冷状態を良好に保って吸気冷却蒸発器２１の予冷を行うことができ、最小限の動力で予冷が可能になる。
【００５６】
図８〜図１０に基づいて吸気の冷却及び吸気冷却蒸発器２１（図７参照）の予冷の状況を具体的に説明する。
【００５７】
図８に示すように、ステップＳ１１では運転モードが判断され、空調オフで且つ吸気冷却オフか否かが判断される。何れかがオンであると判断された場合、ステップＳ１２で吸気冷却モードがオンであるか否かが判断される。ステップＳ１１で何れもオフと判断された場合、リターンとなる。また、ステップＳ１２で吸気冷却モードがオフであると判断された場合、リターンとなる。そして、ステップＳ１２で吸気冷却モードがオンであると判断された場合、ステップＳ１３で吸気冷却ステージがステージ３であるか否かが判断される。
【００５８】
吸気冷却モードは、第１実施形態例の図３で説明したように、外気温度と車速の関係によりマップ化され、外気温度が高い領域までオフの領域とされ、外気温度が限界温度Ｔ（例えば、１５℃を上回る温度）よりも高い温度領域では吸気冷却のオフの領域が存在しないように設定されている。
【００５９】
吸気冷却ステージは、図９に示すように、スロットル開度とエンジン回転数から算出される正味平均有効圧（Ｐｅ）と、エンジン回転速度との関係により設定されている。即ち、スロットル開度が、例えば、全開（ＷＯＴ）の９０％（ノック限界：Ｉ）を超える領域（図中斜線で示す領域）で吸気冷却なしではノッキングが生じる領域がステージ３として設定されている。また、例えば、スロットル開度が、全開（ＷＯＴ）の７０％（II）を超える領域がステージ２とされ、全開（ＷＯＴ）の７０％（II）以下の領域がステージ１とされている。ステージ１が吸気冷却蒸発器２１の予冷領域とされている。
【００６０】
詳細は後述するが、ステージ３であれば吸気の全量をバイパス通路３６（図７参照）に流通させて吸気冷却を実行し、ステージ２、ステージ１であればステージの状況に応じて吸気の量を調整してバイパス通路３６（図７参照）に吸気を流通させて吸気冷却が制御される。圧縮比を高く設定した場合、吸気冷却必要領域を広げる（ＷＯＴに対して閉じ側の開度に幅を広げる）ことでノッキングの抑制に対応することができる。即ち、吸気冷却必要領域の設定により圧縮比を高く設計することが可能になる。
【００６１】
図９において、ステージ２を設ける目的を説明する。ステージ１における予冷の領域では通過する吸気流量がほとんどなく吸気冷却蒸発器２１が冷えやすいため、冷媒の流量が少ない。逆に、ステージ３の領域では最大の冷媒流量が求められる。このため、冷媒の流量の急変を抑制するために、中継領域としてステージ２が設けられている。ステージ２を設けずに、切替弁３７（図７参照）の全開・全閉の切替により制御を行なうことも可能であり、ステージ２を細分化してより多段の制御を行なうことも可能である。
【００６２】
ステージ２の領域及び吸気弁の開度を大きくすることで出力は向上して燃費率が改善される。逆にコンプレッサの負荷（エンジン負荷）が増加する。このため、出力の向上とエンジン負荷の増加のトレードオフの関係を考慮してステージ２の領域が適切に設定される。
【００６３】
図８のフローチャートに戻り、ステップＳ１３でステージ３であると判断された場合、吸気冷却をしないと燃焼が不安定になってノッキングが発生する領域であると判断され、ステップＳ１４で空調用スイッチＳａ＝０（強制オフ）にされ空調膨張弁１６（図７参照）が閉状態にされる。そして、ステップＳ１５で吸気冷却運転Ｓｅ＝１（オン）にされてステージ３での吸気冷却運転制御が実行される。
【００６４】
図１０に示すように、各ステージでの吸気冷却運転制御における切替弁３７の開度が設定され、フィン温度センサ３４（図７参照）で検出されるフィン温度が目標温度として設定されている。ステージ３の場合、切替弁３７（図７参照）の開度が１００％（バイパス通路３６が全開）とされ、フィン温度の目標温度がＴｅ３に設定されている。後述するが、ステージ２の場合、切替弁３７（図７参照）の開度が５０％とされ、フィン温度の目標温度がＴｅ２に設定され、ステージ１の場合、切替弁３７（図７参照）の開度が０％（バイパス通路３６が全閉）とされ、フィン温度の目標温度がＴｅ１に設定される。
【００６５】
尚、フィン温度の目標値として、吸気温度センサ３２（図７参照）で検出される吸気温度を用いることも可能である。また、フィンや吸気の目標温度を設定したフィードバック制御を行なわずに、切替弁３７（図７参照）の開度だけを設定してオープンループ制御とすることも可能である。
【００６６】
ステージ３での吸気冷却運転制御は、切替弁３７（図７参照）の開度が１００％（バイパス通路３６が全開）とされ、フィン温度の目標温度がＴｅ３に設定され、吸気の全量がバイパス通路３６に送られて吸気が冷却される。即ち、フィン温度が目標温度Ｔｅ３になるように、コンプレッサクラッチのオン・オフデューティ比、吸気冷却膨張弁２３の弁開度がフィードバック制御される。
【００６７】
このため、ターボチャージャ４（図７参照）で加圧されて温度が高くなった吸気が送られる場合でも、スロットル開度が全開に近い吸気量が多く燃焼が不安定になる領域で吸気冷却が実行され、燃焼を安定させることができる。このため、熱効率を向上させるために圧縮比の設定を行なった場合でも、十分にノック限界を高くすることができ、熱効率を向上させることができる。また、吸気が冷却されることにより充填効率が上がるため出力を向上させることができる。
【００６８】
図８のフローチャートに戻り、ステップＳ１５でステージ３での吸気冷却運転制御が実行された後、ステップＳ１６で吸気温度Ｔｅがノッキング限界温度Ｔｎ以上か否かが判断される。ステップＳ１６で吸気温度Ｔｅがノッキング限界温度Ｔｎ以上であると判断された場合、即ち、ステージ３での吸気冷却運転制御が実行された場合であっても、吸気温度Ｔｅがノッキング限界温度Ｔｎ以上となって燃焼が不安定になる（吸気の冷却が不十分）と判断された場合、ステップＳ１７でノッキング回避制御が実行される。また、吸気温度Ｔｅがノッキング限界温度Ｔｎより低いと判断された場合にはリターンとなる。
【００６９】
つまり、第１実施形態例で説明した図５に示すように、吸気温度Ｔｅがノッキング限界温度Ｔｎに達した時点でＳｋ＝１となってノッキング回避制御が実行されるようになっている。ノッキング回避制御は、点火時期を遅角する手段（点火遅角）、燃料噴射量を増量する手段（リッチ噴射）、スロットル弁の開度を強制的に閉じる手段（スロットル開度制御）が、単独もしくは組み合わせで実施される。尚、ターボチャージャ４（図７参照）のタービン側の排気の流入を抑制（ウエストゲート弁を制御）することで過給を抑制することも可能である。
【００７０】
このため、冷却が不十分になると判断された場合であっても、ノッキングを確実に防止することができる。
【００７１】
図８のフローチャートに戻り、ステップＳ１３でステージ３ではないと判断された場合、ステップＳ１８で吸気冷却ステージがステージ２であるか否かが判断される。ステップＳ１８で吸気冷却ステージがステージ２であると判断された場合、ステップＳ１９で吸気冷却運転Ｓｅ＝１（オン）にされてステージ２での吸気冷却運転制御が実行されてリターンとなる。これにより、ステージ２での吸気冷却が実行される。ステージ２での吸気冷却運転制御は、切替弁３７（図７参照）の開度が５０％（バイパス通路３６及び主通路３５が半開）とされ、フィン温度の目標温度がＴｅ２に設定され、吸気の半分がバイパス通路３６に送られて吸気が冷却される。即ち、フィン温度が目標温度Ｔｅ２になるように、コンプレッサクラッチのオン・オフデューティ比、吸気冷却膨張弁２３の弁開度がフィードバック制御される。
【００７２】
また、ステップＳ１８で吸気冷却ステージがステージ２ではないと判断された場合、吸気冷却ステージがステージ１であるので、ステップＳ２０で吸気冷却運転Ｓｅ＝１（オン）にされてステージ１で予冷運転が実行されてリターンとなる。ステージ１での予冷運転は、切替弁３７（図７参照）の開度が０％（バイパス通路３６が全閉）とされ、フィン温度の目標温度がＴｅ１に設定され、吸気の全てが主通路３５に送られる。そして、フィン温度が目標温度Ｔｅ１になるように、予冷運転が実行される。即ち、フィン温度が目標温度Ｔｅ１になるように、コンプレッサクラッチのオン・オフデューティ比、吸気冷却膨張弁２３の弁開度がフィードバック制御され、吸気が供給されない状態のバイパス通路３６に設けられた吸気冷却蒸発器２１に圧縮冷媒が適宜供給される。
【００７３】
ステップＳ１５、ステップＳ１９、ステップＳ２０の運転における機器の動作は、第１実施形態例で示した図６に示すように、ケース毎にコンプレッサクラッチ、空調膨張弁１６、吸気冷却膨張弁２３が制御される。ステップＳ１９、ステップＳ２０では、ケース３、ケース４の場合、コンプレッサクラッチをオン・オフディーティ制御して冷媒の流量を必要最低流量に制御することで、エンジン１（図７参照）へのコンプレッサの負荷を低減する。実施形態例では、固定容量式のコンプレッサを想定しているが、可変容量式のコンプレッサを適用することで、吸気冷却蒸発器２１の温度制御をより迅速且つ正確に行なうことができ、また、エンジン１（図７参照）へのコンプレッサの負荷を軽減することができる。
【００７４】
第２実施形態例の内燃機関の吸気冷却装置は、第１実施形態例と同様に、応答性良く吸気を冷却して燃焼状態を安定させてノッキングを防止することができる。これにより、圧縮比を大きくしても、吸気量が増えて燃焼が不安定になるスロットル開度が全開域の領域を吸気冷却の領域として適宜設定することにより、燃焼を安定させてノッキングの発生を防止することができる。即ち、圧縮比の設計の自由度を増すことができ、圧縮比を大きくすることで、熱効率を向上させて燃費を向上させることができる。また、吸気を冷却することにより、充填効率を向上させて出力を向上させることができる。
【００７５】
そして、吸気冷却ステージがステージ１の時に、吸気が主通路３５を流通する際にバイパス通路３６の吸気冷却蒸発器２１に圧縮媒体を流通させて予冷を行なうので、吸気に冷気が奪われるのを防ぎ蓄冷状態を良好に保って吸気冷却蒸発器２１の予冷を行うことができ、最小限の動力で予冷が可能になる。
【００７６】
従って、上述した内燃機関の吸気冷却装置は、応答性良く吸気を冷却して燃焼状態を安定させてノッキングを防止することができ、圧縮比の設計の自由度を増すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、内燃機関の吸気冷却装置の産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る内燃機関の吸気冷却装置の概略系統図である。
【図２】吸気冷却動作のフローチャートである。
【図３】吸気冷却モードを外気温度と車速との関係で説明するグラフである。
【図４】運転領域を表すグラフである。
【図５】ノッキング回避制御の温度チャートである。
【図６】機器の作動状況の表図である。
【図７】本発明の第２実施形態例に係る内燃機関の吸気冷却装置の概略系統図である。
【図８】吸気冷却動作のフローチャートである。
【図９】運転領域を表すグラフである。
【図１０】運転領域に応じた切替弁の開度状況の表図である。
【符号の説明】
【００７９】
１  エンジン
２  燃焼室
３  吸気管
４  ターボチャージャ
５  インタークーラ
６  サージタンク
７  スロットルバルブ
８  排気管
１１  空調装置
１２  コンプレッサ
１３  コンデンサ（冷却器）
１４  空調蒸発器
１５  空調循環経路
１６  空調膨張弁
２１  吸気冷却蒸発器
２２  吸気冷却循環路
２３  吸気冷却膨張弁
２４  冷却制御手段
３１  クランク角センサ
３２  吸気温度センサ
３３  吸気圧力センサ
３４  フィン温度センサ
３５  主通路
３６  バイパス通路
３７  切替弁
【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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