JP6687902B2 - 直噴エンジンの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、直噴エンジンの冷却装置に係り、詳しくは筒内噴射インジェクタに供給される燃料を冷却する燃料クーラ、及び吸気を冷却するインタクーラ及びターボチャージャを冷却するターボ冷却通路を備えた直噴エンジンの冷却装置に関する。

筒内に燃料を噴射する直噴エンジンでは、筒内に臨むようにインジェクタが配置されていることから、筒内の燃焼熱がインジェクタに直接的に伝達される。このためインジェクタが温度上昇してソレノイドの磁界再現性が低下し、燃料噴射量に誤差が生じて気筒間の空燃比にバラツキが生じるという課題がある。
その対策として、例えば特許文献１には、各気筒のインジェクタに燃料を分配・供給するデリバリパイプに燃料クーラを設け、ウォータポンプから冷却水を燃料クーラに供給してデリバリパイプ内の燃料を冷却し、これによりインジェクタの温度上昇を抑制する技術が提案されている。

ところで、ターボチャージャを備えた直噴エンジンでは、水冷式のインタクーラが設けられる場合があり、このような直噴エンジンに上記した特許文献１の燃料クーラを適用した場合、燃料クーラに加えてインタクーラにも冷却水を供給する必要が生じる。またターボチャージャの中には、例えば軸受け部の焼付き防止等のために冷却作用を奏するターボ冷却通路を備えたものも存在し、その場合にはターボ冷却通路にも冷却水を供給する必要がある。

複数の冷却対象に冷却水を分配する技術として、例えば特許文献２に記載のものを挙げることができる。当該特許文献２の技術は、エンジンのノッキング抑制等のために排ガスをＥＧＲガスとして吸気側に環流させるＥＧＲ装置に関するものである。冷却水が供給されるＥＧＲクーラによりＥＧＲガスは冷却され、ＥＧＲクーラを流通後の冷却水はターボチャージャに供給されて冷却作用を奏する。

そして特許文献２の技術では、ターボチャージャの過給圧が高い状況ではＥＧＲガスの環流が困難になるという不具合を鑑みて、エンジンの吸気ポートにインポート冷却水通路を形成している。ＥＧＲ領域の外部の高負荷域では、切換弁の切換によりＥＧＲクーラを迂回して冷却水をインポート冷却水通路に流通させ、吸気ポートの冷却により吸気温度を低下させてノッキング抑制を図っている。

特開平５−２０２８２１号公報 特開２０１２−１８９０６３号公報

特許文献２の技術では、冷却対象としてＥＧＲクーラ、インポート冷却水通路及びターボチャージャを備えているが、これらの３種の冷却対象は冷却を要する状況が異なる。しかしながら、特許文献２の技術は、ＥＧＲガスの環流状況に応じて冷却水の経路を切り換えているだけであり、それぞれの冷却対象の冷却の必要性を配慮したものではない。よって、従来から個々の冷却対象に対する冷却の必要性を反映し、何れの冷却対象に対しても適切に冷却可能な対策が要望されていた。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料クーラ、インタクーラ及びターボ冷却通路に対する個々の冷却の必要性を反映した冷却制御を実行し、これにより何れの冷却対象も適切に冷却することができる直噴エンジンの冷却装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の直噴エンジンの冷却装置は、筒内に燃料を噴射するインジェクタの燃料経路に配設され、冷却水の流通により前記インジェクタに供給される燃料を冷却する燃料クーラと、吸気を加圧するターボチャージャの吸気通路に配設され、冷却水の流通によりターボチャージャからの吸気を冷却するインタクーラと、前記燃料クーラを流通後の冷却水及び前記インタクーラを流通後の冷却水が供給され、該冷却水の流通により前記ターボチャージャを冷却するターボ冷却通路と、
ウォータポンプから吐出された冷却水を前記燃料クーラと前記インタクーラとに任意に分配可能な流路切換手段と、前記ターボチャージャの温度に基づき前記流路切換手段を駆動して、前記燃料クーラ側と前記インタクーラ側との冷却水の分配比率を制御する冷却制御手段とを備えたことを特徴とする（請求項１）。

このように構成した直噴エンジンの冷却装置によれば、ターボチャージャの温度に基づき流路切換手段が駆動され、燃料クーラ側とインタクーラ側との冷却水の分配比率が制御される。例えば、ターボチャージャの温度が高くてターボ冷却通路による冷却を要する場合にはターボチャージャが優先して冷却され、ターボチャージャの温度が低くて冷却を要しない場合には燃料クーラ及びインタクーラが優先して冷却されるように、冷却水の分配比率が制御される。

その他の態様として、前記冷却制御手段が、前記ターボチャージャのタービン温度が予め設定された第１の判定値を超え、且つ前記直噴エンジンが運転中であるときに、前記燃料クーラ側への分配比率を増加させることが好ましい（請求項２）。
この態様によれば、タービン温度が第１の判定値を超え、且つ直噴エンジンが運転中であるときに、燃料クーラ側への分配比率が増加される。結果として、主に燃料クーラ経由でターボ冷却通路に供給される冷却水によりターボチャージャが冷却される。

その他の態様として、前記冷却制御手段が、前記ターボチャージャのタービン温度が予め設定された第１の判定値を超え、且つ前記直噴エンジンが停止中であるときに、前記インタクーラ側への分配比率を増加させることが好ましい（請求項３）。
この態様によれば、タービン温度が第１の判定値を超え、且つ直噴エンジンが停止中であるときに、インタクーラ側への分配比率が増加される。結果として、主にインタクーラ経由でターボ冷却通路に供給される冷却水によりターボチャージャが冷却される。

その他の態様として、前記流路切換手段から前記燃料クーラを経て前記ターボ冷却通路に至るまでの経路が、前記流路切換手段から前記インタクーラを経て前記ターボ冷却通路に至るまでの経路に比して、内容積が小さく且つ流通抵抗が低く設定されていることが好ましい（請求項４）。
この態様によれば、タービン温度が第１の判定値を超え、且つ直噴エンジンが運転中であるときには、タービンのハウジングが過熱する可能性有りと見なせ、冷却の緊急性が極めて高い。このとき冷却水は内容積が小さく且つ流通抵抗が低い燃料クーラ側の経路を流通するため、ターボ冷却通路が最大限の冷却能力を発揮してハウジングの温度上昇が迅速に抑制される。

また、タービン温度が第１の判定値を超え、且つ直噴エンジンが停止中であるときには、ターボチャージャの軸受け部が焼付く可能性有りと見なせるが、ハウジングの過熱に比較して冷却の緊急性は相対的に高くない。このとき冷却水は内容積が大きく且つ流通抵抗が高いインタクーラ側の経路を流通するため、ターボ冷却通路が適度な冷却能力を発揮し、エンジンの過冷却を防止しつつ軸受け部の温度上昇が抑制される。

その他の態様として、前記インタクーラ内で生成された凝縮水の量を算出する凝縮水量算出手段をさらに備え、前記冷却制御手段が、前記ターボチャージャのコンプレッサ入口温度が予め設定された第２の判定値以下であり、且つ前記直噴エンジンの冷却水温が予め設定された第３の判定値以下であるときに、前記凝縮水量算出手段により算出された凝縮水量に基づき、前記流路切換手段による冷却水の分配比率を制御することが好ましい（請求項５）。

この態様によれば、コンプレッサ温度が第２の判定値以下、且つ直噴エンジンの冷却水温が第３の判定値以下のときに、インタクーラ内の凝縮水量に基づき冷却水の分配比率が制御される。インタクーラ内に溜まった凝縮水は、エンジンの運転領域の急変により一気に筒内に導入されてトラブルを引き起こす場合があるが、この凝縮水量に応じてインタクーラに対する冷却が最適制御され、凝縮水に起因するトラブルが防止される。

その他の態様として、前記冷却制御手段が、前記凝縮水量算出手段により算出された凝縮水量が予め設定された第４の判定値以下のときに、前記燃料クーラ側への分配比率を増加させることが好ましい（請求項６）。
この態様によれば、凝縮水量が第４の判定値以下のときには、インタクーラ内の凝縮水に起因するトラブルの可能性が低いと見なせ、一方で、コンプレッサ温度が第２の判定値以下、且つ直噴エンジンの冷却水温が第３の判定値以下であるため、燃料の気化不良によるエンジンの燃焼状態の悪化が懸念される。燃料クーラ側への分配比率が増加されることにより冷却水が受ける流通抵抗が増加し、これにより燃料クーラに供給される冷却水が温度上昇し、燃料温度も上昇するため気化を促進可能となる。

その他の態様として、前記冷却制御手段が、外気温が予め設定された第５の判定値以下のときに、前記ウォータポンプの回転速度を増加させることが好ましい（請求項７）。
この態様によれば、外気温が第５の判定値以下まで低下する極寒環境では、燃料の気化不良が一層顕著になるが、それに応じてウォータポンプの回転速度が増加されるため、冷却水と共に燃料温度が上昇して気化が促進される。

その他の態様として、前記冷却制御手段が、前記直噴エンジンの冷却水温が前記第３の判定値を超えたときに、前記ウォータポンプを停止させることが好ましい（請求項８）。
この態様によれば、ウォータポンプの停止により、燃料クーラ、インタクーラ及びターボ冷却通路への冷却水の供給が中止されるため、エンジンの暖機が促進されると共に、インタクーラでの吸気冷却に起因する新たな凝縮水の生成が抑制される。

その他の態様として、前記直噴エンジンの運転状態に基づき、前記燃料の冷却のために前記燃料クーラに要求される放熱量、及び前記吸気の冷却のために前記インタクーラに要求される放熱量をそれぞれ算出する放熱量算出手段をさらに備え、前記冷却制御手段が、前記直噴エンジンが温態、且つ前記タービン温度が前記第１の判定値以下であるときに、前記放熱量算出手段により算出された燃料クーラ及びインタクーラに対する要求放熱量に基づき、前記流路切換手段による冷却水の分配比率を制御することが好ましい（請求項９）。

この態様によれば、直噴エンジンが温態、且つタービン温度が第１の判定値以下のときには、例えばタービンのハウジングの過熱や軸受け部の焼付き等が発生する可能性が低くいと見なせ、燃料クーラ及びインタクーラの要求放熱量に基づく冷却水の分配比率の制御により、それぞれの冷却を適切に実行可能となる。

本発明の直噴エンジンの冷却装置によれば、燃料クーラ、インタクーラ及びターボ冷却通路に対する個々の冷却の必要性を反映した冷却制御を実行し、これにより何れの冷却対象も適切に冷却することができる。

実施形態の冷却装置が適用された直噴ガソリンエンジンを示す全体構成図である。 ＥＣＵが実行する冷態モード冷却制御ルーチンを示すフローチャートである。 ＥＣＵが実行する温態モード冷却制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明を直噴ガソリンエンジンの冷却装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態の冷却装置が適用された直噴ガソリンエンジンを示す全体構成図である。
本実施形態の直噴エンジン１（以下、単にエンジンという）は、走行用動力源として図示しない車両に搭載されている。エンジン１のシリンダブロック２に形成された各気筒のシリンダ３内にはピストン４が配設され、クランク軸５の回転に応じて各ピストン４がシリンダ３内で摺動する。クランク軸５の回転に同期して各気筒の吸気弁６及び排気弁７が駆動され、これにより吸気ポート８及び排気ポート９が所定クランク角で開閉される。

エンジン１の各気筒には筒内に臨むように点火プラグ１０及びインジェクタ１１が配設され、点火プラグ１０はイグナイタ１２の駆動により点火されるようになっている。各気筒のインジェクタ１１は共通のデリバリパイプ１３に接続され、デリバリパイプ１３内には燃料経路１４を経て高圧ポンプ１５により加圧された燃料（ガソリン）が供給され、その燃料がデリバリパイプ１３から各気筒のインジェクタ１１に分配・供給される。

各気筒の吸気ポート８には吸気マニホールド１７を介してサージタンク１８が接続され、サージタンク１８には吸気通路１９の下流端が接続されている。吸気通路１９には上流側よりエアクリーナ２０、ターボチャージャ２１のコンプレッサ２１ａ、インタクーラ２２、スロットル弁２３が設けられている。
また、各気筒の排気ポート９には排気マニホールド２４を介して排気通路２５の上流端が接続され、排気通路２５にはターボチャージャ２１のタービン２１ｂ、触媒装置２６及び図示しない消音器が設けられている。

エンジン１の運転中には、エアクリーナ２０から吸気通路１９内に導入された吸気がターボチャージャ２１のコンプレッサ２１ａにより加圧され、インタクーラ２２により冷却された後にスロットル弁２３により流量調整され、さらにサージタンク１８を経て吸気マニホールド１７により各気筒に分配されて吸気弁６の開弁に伴いエンジン１の筒内に導入される。筒内で吸気中には所定クランク角でインジェクタ１１から燃料が噴射されて点火プラグ１０により点火され、発生した燃焼圧によりピストン４を介してクランク軸５が回転駆動される。

各気筒の筒内で燃焼後の排ガスは排気弁７の開弁に伴い排気ポート９に排出されて排気マニホールド２４により集合され、排気通路２５に案内されてターボチャージャ２１のタービン２１ｂを駆動した後に触媒装置２６及び消音器を経て外部に排出される。
一方、本実施形態の冷却装置は、インジェクタ１１に供給される燃料、インタクーラ２２、ターボチャージャ２１の軸受け部２１ｃを冷却の対象としており、それらの冷却のために冷却水を循環させる冷却回路２８（以下、補機冷却回路という）を備えている。なお、この補機冷却回路２８は、エンジン１を冷却するためにラジエータとの間で冷却水を循環させる周知のエンジン冷却回路とは別系統で形成されたものである。

インジェクタ１１への燃料の冷却は、［背景技術］で述べたように、筒内からの受熱によるインジェクタ１１の温度上昇の抑制を目的としており、そのために、各気筒のインジェクタ１１に燃料を分配・供給するデリバリパイプ１３には燃料クーラ２９が設けられている。燃料クーラ２９のウォータジャケット２９ａはデリバリパイプ１３の周囲を取り囲むように形成され、上記した補機冷却回路２８を経てウォータジャケット２９ａ内を流通する冷却水によりデリバリパイプ１３内の燃料が冷却される。そして、冷却後の燃料がインジェクタ１１を経て筒内に噴射されることにより、インジェクタ１１の温度上昇の抑制作用が奏される。

燃料クーラ２９による燃料の冷却は、筒内で燃焼が生起されるエンジン１の運転中は無論必要であり、後述するアイドルストップ制御でのエンジン１の自動停止中にも、エンジン１からの受熱でデリバリパイプ１３内の燃料が温度上昇することから冷却が必要になる。
インタクーラ２２は水冷式として構成されており、補機冷却回路２８を経てインタクーラ２２内を流通する冷却水により、同じくインタクーラ２２内を別経路で流通する吸気が冷却される。なお、エンジン停止中にはインタクーラ２２内での吸気の流通が中断されるため、その冷却は不要になる。

周知のように、ターボチャージャ２１のコンプレッサ２１ａとタービン２１ｂとは軸受け部２１ｃにより同軸上で回転可能に支持され、エンジン運転中にはエンジンオイルの供給により軸受け部２１ｃが潤滑及び冷却される。本実施形態のターボチャージャ２１は、さらに冷却水を利用した冷却機能を備えており、そのために軸受け部２１ｃの特に温度上昇が著しいタービン２１ｂ寄りには、軸受け部２１ｃの周囲を取り囲むようにターボ冷却通路２７が形成されている。このターボ冷却通路２７に補機冷却回路２８を経た冷却水が流通することにより軸受け部２１ｃやタービン２１ｂ等が冷却される。

ターボ冷却通路２７によるターボチャージャ２１の冷却は、エンジン停止中とエンジン運転中の何れでも要求される。エンジン停止中の冷却は、エンジンオイルの供給が中止されたときの軸受け部２１ｃの焼付き防止を目的とする。このため、軸受け部２１ｃの冷却はエンジン停止直後に要求される。
また、エンジン運転中の冷却は、タービン２１ｂのハウジングの耐熱温度を超えた過熱防止を目的とする。このため、特に排気温度の上昇が著しいエンジン１の高負荷域において、冷却水によるハウジングの冷却が必要になる。

以上の燃料クーラ２９、インタクーラ２２及びターボ冷却通路２７に対し、状況に応じて適宜冷却水を流通させるように補機冷却回路２８が形成されており、以下、その構成について説明する。
補機冷却回路２８のラジエータ３１は、例えばエンジン冷却回路のラジエータと共に車両のエンジンルーム内に設置されており、走行風やファンの送風により内部を流通する冷却水を外気に放熱させるようになっている。

補機冷却回路２８は、ラジエータ３１の出口と燃料クーラ２９とを接続する第１水路３２、燃料クーラ２９とターボ冷却通路２７とを接続する第２水路３３、ターボ冷却通路２７とラジエータ３１の入口とを接続する第３水路３４、第１水路３２の途中箇所に介装された流量制御弁３７（流路切換手段）とインタクーラ２２とを接続する第４水路３５、及びインタクーラ２２と第２水路３３の途中箇所とを接続する第５水路３６から構成されている。なお、第２水路３３上には逆止弁３９が介装され、ターボチャージャ２１側から燃料クーラ２９側への冷却水の逆流が防止されている。

第１水路３２の流量制御弁３７よりラジエータ３１側には、図示しないモータにより駆動される電動式のウォータポンプ３８が介装され、このウォータポンプ３８から吐出された冷却水が補機冷却回路２８内を循環する。モータのデューティ制御によりウォータポンプ３８の回転速度が増減し、それに応じてウォータポンプ３８からの冷却水の吐出量、ひいては補機冷却回路２８内での冷却水の循環量を任意に調整可能となっている。

流量制御弁３７は、ウォータポンプ３８からの冷却水を燃料クーラ２９側とインタクーラ２２側とに任意の比率（100:0〜0:100）で分配可能な機能を有する。以下の説明では、燃料クーラ２９及びインタクーラ２２の両方に冷却水を供給するときの流量制御弁３７の開度を中間位置、燃料クーラ２９のみに冷却水を供給するときの開度を燃料クーラ位置（100:0）、インタクーラ２２のみに冷却水を供給するときの開度をインタクーラ位置（0:100）と表現する。

なお、流量制御弁３７の設置箇所及び機能は上記に限るものではなく、例えば第１水路３２と第４水路３５との分岐箇所より燃料クーラ２９側及びインタクーラ２２側のそれぞれの下流側に、各水路３２，３５の開度を調整可能な流量制御弁（流路切換手段）を介装してもよい。この場合でも、双方の流量制御弁の開度に応じて燃料クーラ２９及びインタクーラ２２への冷却水の分配比率を任意に調整可能となる。

以上の補機冷却回路２８の構成により、ウォータポンプ３８から吐出された冷却水は第１水路３２を経て流量制御弁３７に流入する。流量制御弁３７が中間位置にある場合、冷却水は燃料クーラ２９側及びインタクーラ２２側の両方に所定比率で分配され、第１水路３２を経て燃料クーラ２９に供給されると共に、第４水路３５を経てインタクーラ２２に供給される。

燃料クーラ２９のウォータジャケット２９ａ内で燃料を冷却した後の冷却水は第２水路３３を流通し、一方、インタクーラ２２内で吸気を冷却した後の冷却水は第５水路３６を流通し、互いに合流した後にターボ冷却通路２７に流入する。ターボ冷却通路２７でターボチャージャ２１を冷却した後の冷却水は第３水路３４を経てラジエータ３１に戻され、外気への放熱により温度低下した後に再びウォータポンプ３８から吐出され、以降は同様の循環を補機冷却回路２８内で繰り返す。

また流量制御弁３７が燃料クーラ位置にある場合、冷却水は第１水路３２を経て燃料クーラ２９に供給されて燃料を冷却し、第２水路３３を経てターボ冷却通路２７を冷却し、その後に第３水路３４を経てラジエータ３１に流入する。
また流量制御弁３７がインタクーラ位置にある場合、冷却水は第１水路３２及び第４水路３５を経てインタクーラ２２に供給されて吸気を冷却し、第５水路３６及び第２水路３３を経てターボ冷却通路２７を冷却し、その後に第３水路３４を経てラジエータ３１に戻される。

以上の説明から明らかなように、ターボチャージャ２１の冷却を要する場合には、冷却水を燃料クーラ２９経由で供給することも、インタクーラ２２経由で供給することも可能である。そして、燃料クーラ２９とインタクーラ２２との構造上の相違や水路の取回しの相違等に起因して、双方間でターボ冷却通路２７までの経路の内容積及び冷却水の流通抵抗（以下、これらを経路特性と総称する）が相違する。そこで本実施形態では、このような双方の経路特性の相違を利用して、ターボチャージャ２１の冷却の目的（軸受け部２１ｃの焼付き防止またはタービン２１ｂのハウジングの過熱防止）に応じてターボ冷却通路２７に冷却水を供給する経路を切り換えている。

具体的な経路の切換制御については後述するが、ここでは、燃料クーラ２９側とインタクーラ２２側との経路特性の相違について説明する。
燃料クーラ２９に比較してインタクーラ２２は相対的に大型であると共に、その内部の経路が複雑である。このため燃料クーラ２９に比較してインタクーラ２２は内容積が大きく、且つ冷却水が内部を流通する際の抵抗が高い。このため、流量制御弁３７から燃料クーラ２９を経てターボ冷却通路２７に至るまでの経路（燃料クーラ２９を含めた第１，２水路３２，３３）は、流量制御弁３７からインタクーラ２２を経てターボ冷却通路２７に至るまでの経路（インタクーラ２２を含めた第４，５，２水路３５，３６，３３）に比して、内容積が小さく且つ流通抵抗が低くなっている。

このため、ターボチャージャ２１の迅速な冷却が要求される場合には燃料クーラ２９側の経路を経て冷却水を供給する方が好適であり、相対的に冷却の緊急性が低い場合にはインタクーラ２２側の経路を経て冷却水を供給する方が好適である。
一方、車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ４１（エンジン制御ユニット）が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。

ＥＣＵ４１の入力側には、ターボチャージャ２１に供給される吸気温度であるTC上流温度Ｔaを検出するTC上流温度センサ４２、インタクーラを流通後の吸気量であるIC下流吸気量Ｇaを検出するIC下流吸気量センサ４３、デリバリパイプ１３内の燃料温度Ｔfdを検出する燃料温度センサ４４、デリバリパイプ１３内の燃圧Ｐfdを検出する燃圧センサ４５、ターボチャージャ２１の出口油温Ｔoを検出する油温センサ４６、及びインタクーラを流通後の吸気温度であるIC下流温度Ｔbを検出するIC下流温度センサ４７、ターボチャージャ２１に供給される吸気量であるTC上流吸気量Ｇbを検出するTC上流吸気量センサ４８、インタクーラ２２に導入される吸気温度であるIC上流温度Ｔcを検出するIC上流温度センサ４９、同じくインタクーラ２２に導入される吸気湿度であるIC上流湿度Ｈcを検出するIC上流湿度センサ５０、同じくインタクーラ２２に導入される吸気圧であるIC上流圧ＰcをIC上流圧力センサ５１、エンジン１の冷却水温Ｔwを検出する水温センサ５２等の各種センサ類が接続されている。

また、ＥＣＵ４１の出力側には、インジェクタ１１、点火プラグ１０のイグナイタ１２、補機冷却回路２８の流量制御弁３７及びウォータポンプ３８等の各種デバイス類が接続されている。
ＥＣＵ４１は、各センサからの検出情報に基づき点火時期や燃料噴射量等を決定し、決定した目標値に基づいてイグナイタやインジェクタを駆動制御してエンジン１を運転する。

またＥＣＵ４１は、アイドルストップ制御を実行する。周知のように当該制御は、信号待ちなどの車両の一時停止時にブレーキ操作などの所定の停止条件が成立するとエンジン１を自動停止させ、ブレーキ操作の中止などの所定の始動条件が成立するとエンジン１を自動始動するものである。
またＥＣＵ４１は、エンジン１の運転状態に応じて補機冷却回路２８を循環する冷却水を燃料クーラ２９、インタクーラ２２及びターボ冷却通路２７に適宜流通させて冷却する。

そして、以上のように本実施形態の冷却装置では、流量制御弁３７の開度に応じて冷却水を燃料クーラ２９及びインタクーラ２２に分配すると共に、それぞれを流通後の冷却水をターボ冷却通路２７に供給しており、同様に３種の冷却対象を冷却する特許文献２の冷却装置では、個々の冷却の必要性を配慮していないため適切な冷却制御が望めないという問題があった。

このような冷却装置に対する要望を鑑みて、本実施形態では、ターボチャージャ２１の温度に基づき流量制御弁３７による冷却水の燃料クーラ２９側とインタクーラ２２側との分配比率を制御することにより不具合の解消も図っており、以下、そのためにＥＣＵ４１が実行する制御について説明する。
図２はＥＣＵ４１が実行する冷態モード冷却制御ルーチンを示すフローチャート、図３は同じくＥＣＵ４１が実行する温態モード冷却制御ルーチンを示すフローチャートである。これらの処理を実行するときのＥＣＵ４１が本発明の冷却制御手段として機能し、ＥＣＵ４１は車両のイグニションスイッチがＯＮされているときに、これらのルーチンを所定の制御インターバルで実行する。

まず図２のステップＳ１で、ターボチャージャ２１のコンプレッサ２１ａの入口温度Ｔcomp（コンプレッサ２１ａ自体の温度と相関し、本発明の「ターボチャージャの温度」及び「コンプレッサ温度」に相当）が予め設定された判定値Ｔcomp0（第２の判定値）以下であるか否かを判定する。本実施形態では、TC上流温度センサ４２により検出される吸気温度Ｔaを入口温度Ｔcompと見なしているが、これに限るものではなく、例えばコンプレッサ２１ａの温度自体を検出してもよい。外気温が低いとインタクーラ２２内に生成された凝縮水が蒸発せずに液体のまま滞留し易くなるため、そのような環境の判定を目的としてステップＳ１が設定されている。

ステップＳ１の判定がＹes（肯定）のときにはステップＳ２に移行し、エンジン冷却水温Ｔwが予め設定された判定値Ｔw1（第３の判定値であり、例えば４０℃）以下であるか否かを判定する。
ステップＳ２の判定がＹesのときにはターボチャージャ２１の温度が低く且つエンジン冷態であることを意味し、以下、このような条件に対応する冷態モード冷却制御が図２のルーチンに基づき実行される。

まずステップＳ３で、吸気温度Ｔa（外気温）が予め設定された判定値Ｔa0（第５の判定値であり、例えば−５℃）以下であるか否かを判定し、判定がＹesのとき、即ち極寒環境であるときにはステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、インタクーラ２２内に生成されている凝縮水の量Ｗcondeが予め設定された判定値Ｗconde0（第４の判定値）以下であるか否かを判定する。

インタクーラ２２内に溜まった凝縮水は、エンジン１の運転領域の急変により一気に筒内に導入されてトラブルを引き起こすため、凝縮水量Ｗcondeを常に低レベルに保つことが望ましい。極寒環境では、インタクーラ２２内の凝縮水が凍結している場合があり、このような状況でインタクーラ２２に供給された冷却水は、冷却作用とは逆の凝縮水の融解作用を奏する。インタクーラ２２内に多量の凝縮水が溜まっている場合には、急激な融解により一気に筒内に導入されるため、この現象が生じる下限付近の凝縮水量Ｗcondeとして判定値Ｗconde0が定められている。

よって、ステップＳ４の判定がＹesのときには、インタクーラ２２内の凝縮水に起因する上記トラブルの可能性が低いと見なし、ステップＳ５に移行する。ステップＳ５ではウォータポンプ３８の駆動デューティを最大に設定し、続くステップＳ６で流量制御弁３７の開度を燃料クーラ位置に設定した後、一旦ルーチンを終了する。
なお、ステップＳ５では駆動デューティを最大に設定する代わりに、判定値Ｔa0に対して吸気温度Ｔaが低いほど駆動デューティを増加させるようにしてもよい。

ステップＳ４の凝縮水量Ｗcondeは、以下の手順により推定される（凝縮水量算出手段）。
基本的にインタクーラ２２内で生成される凝縮水量Ｗcondeは、ＥＧＲの影響を受けないＥＧＲ率＝０の条件下では、インタクーラ２２に供給される吸気中の総水蒸気Ａvaporから、インタクーラ２２内の飽和水蒸気量Ｂvaporを減算して算出できる。

吸気中の総水蒸気Ａvaporは、インタクーラ２２に導入される吸気量、及び吸気温度及び吸気湿度に基づき算出可能である。また、インタクーラ２２内の飽和水蒸気量Ｂvaporは、インタクーラ２２に導入される冷却水温度、冷却水の目標温度、及びインタクーラ２２に導入される吸気圧に基づき算出可能である。
このためＥＣＵ４１は、TC上流吸気量センサ４８により検出されるTC上流吸気量Ｇb、IC上流温度センサ４９により検出されるIC上流温度Ｔc、及びIC上流湿度センサ５０により検出されるIC上流湿度Ｈcに基づき、吸気中の総水蒸気Ａvaporを算出する。

また、TC上流吸気量Ｇbから推定したインタクーラ２２に導入される冷却水温度、冷却水温度の制御で設定されている冷却水の目標温度、及びIC上流圧力センサ５１により検出されるIC上流圧Ｐcに基づき、インタクーラ２２内の飽和水蒸気量Ｂvaporを算出する。なお、インタクーラ２２に導入される冷却水温度はセンサにより実測してもよい。そして、求めた総水蒸気Ａvaporから飽和水蒸気量Ｂvaporを減算して凝縮水量Ｗcondeを算出し、算出した凝縮水量Ｗcondeを上記したステップＳ４の処理に適用する。

ステップＳ４，５の処理の趣旨は以下のとおりである。
極寒環境ではインジェクタ１１に供給される燃料も極低温であり、燃料の気化不良により筒内の燃焼状態が悪化してエンジン１の運転が不安定になるという問題が生じる。最大の駆動デューティによる駆動の結果、モータの排熱が増加し、モータと一体化されているウォータポンプ３８が昇温されて内部を流通する冷却水が僅かではあるが昇温作用を受ける。また、ウォータポンプ３８の回転速度と共に経路内での冷却水の流通速度が増加すると、冷却水が受ける流通抵抗も増加し、この通水抵抗の増加は冷却水を昇温する方向に作用する。

これらの現象が相俟って燃料クーラ２９に供給される冷却水の温度が上昇し、デリバリパイプ１３からインジェクタ１１に供給される燃料の温度も上昇するため、筒内での燃料の気化を促進して燃料状態を改善でき、エンジン１の運転を安定化することができる。
また、ステップＳ３でＹesの判定を下し、ステップＳ４でＮoの判定を下した場合、即ち、極寒環境且つインタクーラ２２内の凝縮水が多量である場合には、凝縮水に起因する上記トラブルの可能性有りと見なせる。このときにはステップＳ７に移行し、ウォータポンプ３８の駆動デューティとして通常値を設定し、続くステップＳ８で流量制御弁３７の開度をインタクーラ位置に設定した後にルーチンを終了する。

例えば、ステップＳ７の駆動デューティは、インタクーラ２２に要求される放熱量Ｑbに基づき設定される。極寒環境ではインタクーラ２２による吸気冷却をほとんど必要としないことから、要求放熱量Ｑbと共にウォータポンプ３８の駆動デューティが低下方向に設定される。結果としてインタクーラ２２への冷却水量が減少し、インタクーラ２２内で凍結している凝縮水は徐々に融解して吸気と共にエンジン１の筒内に導入される。このようにインタクーラ２２に対する冷却が最適制御されることにより凍結凝縮水を適切に処理できるため、凝縮水が一気に筒内に導入されたときのトラブルを未然に防止することができる。

なお、ステップＳ７の駆動デューティは、吸気温度Ｔa及び凝縮水量Ｗcondeに基づき設定してもよい。吸気温度Ｔaが低く且つ凝縮水量Ｗcondeが多いほど、インタクーラ２２内で凍結している凝縮水の量が多いと見なせるため、それに応じて凝縮水の急激な融解を抑制するために駆動デューティをより低下方向に設定すればよい。
また、ステップＳ３でＮoの判定を下したときには、ステップＳ７に移行する。この場合には、極寒環境でないため燃料の気化不良は発生せず、その対策であるステップＳ５，６の処理は不要との観点に基づく。

一方、以上の処理を実行しつつエンジン１が運転されることにより、冷却水温Ｔwは次第に上昇してステップＳ２の判定がＮoになる。このときＥＣＵ４１はステップＳ９に移行し、ウォータポンプ３８の駆動デューティを０に設定する。この時点では、燃料の気化促進のための昇温は不要であり、インタクーラ２２内の凍結した凝縮水の処理も不要であるため、これらを目的とした冷却水の供給も不要となる。そして、ウォータポンプ３８の停止により、燃料クーラ２９、インタクーラ２２及びターボ冷却通路２７への冷却水の供給が中止されるため、エンジン１の暖機を促進できると共に、インタクーラ２２での吸気冷却に起因する新たな凝縮水の生成を抑制することもできる。

続くステップＳ１０では、水温センサ５２により検出されたエンジン冷却水温Ｔwが予め設定された判定値Ｔw2（例えば、第１の判定値Ｔw1より高温側の６０℃）を超えているか否かを判定し、Ｎo（否定）のときにはステップＳ１に戻る。
冷却水温Ｔwが上昇してステップＳ１０の判定がＹesになると、ＥＣＵ４１はステップＳ１１で温態モード冷却制御を開始する。

まず、図３のステップＳ２１でターボチャージャ２１の出口油温Ｔo（本発明の「ターボチャージャの温度」及び「タービン温度」に相当）が予め設定された判定値Ｔo0（第１の判定値）を超えている（Ｔo＞Ｔo0）か否かを判定し、続くステップＳ２２では、直近の高負荷運転の積算時間Ｔloadが予め設定された判定値Ｔload0を超えている（Ｔload＞Ｔload0）か否かを判定する。

ステップＳ２１，２２の処理は、ターボチャージャ２１の冷却の要否判定を目的としており、ステップＳ２１及びステップＳ２２で共にＹesの判定を下したときには、ターボチャージャ２１の冷却を要すると見なしてステップＳ２４に移行する。
ステップＳ２４では、アイドルストップ制御によりエンジン１の自動停止中であるか否かを判定する。運転中であるとしてステップＳ２４でＮoの判定を下したときには、ステップＳ２５に移行して流量制御弁３７の開度を燃料クーラ位置に設定する。また自動停止中であるとしてステップＳ２４でＹesの判定を下したときには、ステップＳ２６に移行して流量制御弁３７の開度をインタクーラ位置に設定する。

なお、ステップＳ２５，２６では流量制御弁３７の開度を何れか一方に完全に切り換えたが、例えばステップＳ２５では燃料クーラ２９への冷却水の分配比率を増加させ、ステップＳ２６ではインタクーラ２２への冷却水の分配比率を増加させてもよい。
ステップＳ２１，２２でターボチャージャ２１の冷却を要すると判定し、ステップＳ２４でエンジン運転中と判定した場合、タービン２１ｂのハウジングが過熱していることが推測される。ハウジングは急激な温度上昇により耐熱温度を超えて破損に至るため、極めて迅速な冷却が必要となる。

このときにはステップＳ２５の処理により、冷却水が燃料クーラ２９経由でターボ冷却通路２７に供給される。燃料クーラ２９側の経路は内容積が小さく且つ流通抵抗が低いことから、流量制御弁３７からの冷却水がターボ冷却通路２７に到達するタイミングが早い上に、単位時間当たりに供給される冷却水量が多い。よって、ターボ冷却通路２７は最大限の冷却能力を発揮してタービン２１ｂのハウジングの温度上昇を迅速に抑制し、耐熱温度を超えた状態でのタービン２１ｂの稼働を未然に回避することができる。

また、タービン２１ｂのハウジングの過熱防止策として、空燃比のリッチ化によりエンジン１の排気温度を低下させる手法もあるが、燃費及び排ガス特性の悪化という弊害が生じる。冷却水を利用したターボチャージャ２１の冷却では、このような弊害を生じないため、燃費及び排ガス特性面でも有利になる。
また、ステップＳ２１，２２でターボチャージャ２１の冷却を要すると判定し、ステップＳ２４でエンジン自動停止中と判定した場合、ターボチャージャ２１の軸受け部２１ｃの焼付きの可能性が推測される。このときの軸受け部２１ｃは温度上昇を抑制するために冷却を要するものの、上記ハウジングの過熱に比べると冷却の緊急性はそれ程高くなく、また急激な冷却は却ってエンジン１の過冷却の要因になり得る。

このときにはステップＳ２６の処理により、冷却水がインタクーラ２２経由でターボ冷却通路２７に供給される。燃料クーラ２９側に比してインタクーラ２２側の経路は内容積が大きく且つ流通抵抗が高いことから、相対的に流量制御弁３７からの冷却水がターボ冷却通路２７に到達するタイミングが遅い上に、単位時間当たりに供給される冷却水量が少ない。よって、ターボ冷却通路２７が適度な冷却能力を発揮し、再始動時の暖機促進のためにエンジン１の過冷却を防止しつつ、軸受け部２１ｃの温度上昇を抑制して焼付きを未然に防止することができる。

一方、ステップＳ２１，２２の何れかでＮoの判定を下した場合、即ち、ターボチャージャ２１の冷却が不要な場合には、ステップＳ２３に移行して通常の冷却制御を実行した後にルーチンを終了する。
上記のように通常の冷却制御は要求放熱量に基づき実行され（放熱量算出手段）、主として燃料クーラ２９及びインタクーラ２２の冷却が対象となる。ターボチャージャ２１の冷却に関しては、図３に基づき説明した温態モード冷却制御ルーチンによって適宜対処されるためである。

基本的に燃料クーラ２９に要求される放熱量は、デリバリパイプ１３内の燃料が有している実際の熱量と予め設定された目標温度時の燃料の熱量との乖離として表せ、燃料の冷却により要求放熱量が達成されることで乖離が解消される。
但し、エンジン１の運転中には、筒内への燃料噴射により相対的に高温の燃料がデリバリパイプ１３内から流出し、新たにデリバリパイプ１３内に相対的に低温の燃料が流入する。結果としてデリバリパイプ１３内の燃料から熱が奪われる現象が発生し、その温度低下分だけ要求放熱量が低減される。

よって、エンジン運転中の燃料クーラ２９への要求放熱量Ｑaは、次式(1)で表される。
Ｑa＝｛Ｃ1×（Ｔfd―Ｔfdtgt）×Ｃ2×Ｖd｝−Ｃ2×ｑ×（Ｔfd−Ｔft） ……(1)
ここに、Ｃ1は定数、Ｔfdは燃料温度センサ４４により検出されるデリバリパイプ１３内の燃料温度、Ｔfdtgtは燃料の目標温度、Ｃ2は燃料比熱、Ｖdはデリバリパイプ１３の内容積、ｑはインジェクタ１１の噴射量、Ｔftは燃料タンク内の燃料温度である。なお、タンク内燃料温度Ｔftの検出には燃料タンク内にセンサを追加する必要があるため、簡易的にTC上流温度センサ４２により検出される吸気温度Ｔa（即ち外気温）を適用してもよい。

また、上記のように筒内への燃料噴射が中止されるエンジン自動停止中には、デリバリパイプ１３への燃料の出入りがないことから、燃料クーラ２９への要求放熱量Ｑaは次式(2)で表される。
Ｑa＝Ｃ1×（Ｔfd―Ｔfdtgt）×Ｃ2×Ｖd ……(2)
なお、インジェクタ１１の噴射量ｑは次式(3)で表される。

ｑ＝Ｃ3×Ｐfd×Ｐw ……(3)
ここに、Ｃ3は定数、Ｐfdは燃圧センサ４５により検出されるデリバリパイプ１３内の燃圧、ＰwはＥＣＵ４１がエンジン制御でインジェクタ１１を駆動する際の噴射パルスである。
また、インタクーラ２２への要求放熱量Ｑbは、次式(4)で表される。

Ｑb＝Ｃ4×（Ｔb―Ｔbtgt）×Ｇa ……(4)
ここに、Ｃ4は定数、ＴbはIC下流温度センサ４７により検出されるIC下流温度Ｔb、Ｔbtgtは目標下流温度、ＧaはIC下流吸気量センサ４３により検出される吸気量である。
なお、目標下流温度Ｔbtgtは、エンジン制御でインタクーラ２２への冷却水の流通量を制御するときのIC下流温度Ｔbの目標値であるが、これに限るものではなく、予め設定された固定値としてもよい。

例えばエンジン１の運転中には、燃料クーラ２９による燃料の冷却及びインタクーラ２２による吸気の冷却が必要となる。そこで、それらのデバイスへの要求放熱量Ｑa,Ｑb（Ｑaは式(1)に基づく）を算出すると共に、要求放熱量Ｑa,Ｑbを達成するために燃料クーラ２９及びインタクーラ２２に供給すべき冷却水量（必要冷却水量）を算出する。そして、必要冷却水量を達成可能な駆動デューティでウォータポンプ３８を駆動すると共に、双方の必要冷却水量の比率に対応するように流量制御弁３７の開度を制御する。結果として、燃料クーラ２９及びインタクーラ２２により燃料及び吸気が適切に冷却される。

またエンジン１の自動停止中には、吸気の流通中止によりインタクーラ２２の冷却が不要になる。そこで、燃料クーラ２９への要求放熱量Ｑa（式(2)に基づく）を算出すると共に、要求放熱量Ｑaを達成するために燃料クーラ２９に供給すべき必要冷却水量を算出する。そして、必要冷却水量を達成可能な駆動デューティでウォータポンプ３８を駆動すると共に、流量制御弁３７の開度を燃料クーラ位置に切り換える。結果として、燃料クーラ２９により燃料が適切に冷却される。

以上のように本実施形態の直噴エンジン１の冷却装置によれば、コンプレッサ２１ａの入口温度Ｔcomp（ターボチャージャの温度）に基づき冷態モード冷却制御と温態モード冷却制御とを切り換え、冷態モード冷却制御では燃料クーラ２９及びインタクーラ２２の冷却制御を実行することにより、インジェクタ１１に供給される燃料の気化促進とインタクーラ２２内で凍結した凝縮水の処理とを達成し、温態モード冷却制御ではターボ冷却通路２７の冷却制御を実行することにより、ターボチャージャ２１の軸受け部２１ｃの焼付き防止及びハウジングの過熱防止を達成している。

このようにターボチャージャ２１の温度が高くてターボ冷却通路２７による冷却を要する場合には、ターボチャージャ２１の冷却制御を優先して実行し、ターボチャージャ２１の温度が低くて冷却を要しない場合には、インタクーラ２２及びインタクーラ２２の冷却制御を優先して実行している。このためインタクーラ２２、インタクーラ２２及びターボ冷却通路２７に対する個々の冷却の必要性を反映した冷却制御を実現でき、何れの冷却対象も適切に冷却することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、直噴ガソリンエンジン１の冷却装置に具体化したが、エンジンの種別はこれに限ることはなく、例えばディーゼルエンジンに適用してもよい。
また上記実施形態では、燃料クーラ２９をデリバリパイプ１３に設けたが、これに限るものではなく、例えば高圧ポンプ１５の入口側の燃料経路１４に燃料クーラ２９を配設して、高圧ポンプ１５に流入する燃料を冷却するようにしてもよい。この場合でも上記実施形態の制御を実行すれば、同様の作用効果を得ることができる。

また上記実施形態では、アイドルストップ制御によるエンジン１の自動停止中に、流量制御弁３７をインタクーラ位置に切り換えてターボチャージャ２１の軸受け部２１ｃの焼付き防止を図ったが（ステップＳ２４，２６）、これに限るものではなく、通常のエンジン停止時に当該冷却制御を実行してもよい。この場合でも、エンジン停止直後に軸受け部２１ｃの焼付き防止のための冷却が必要なためである。

１ 直噴エンジン
１１ インジェクタ
１４ 燃料経路
１９ 吸気通路
２１ ターボチャージャ（経路）
２２ インタクーラ
２７ ターボ冷却通路
２９ 燃料クーラ（経路）
３２ 第１水路（経路）
３３ 第２水路（経路）
３５ 第４水路（経路）
３６ 第５水路（経路）
３７ 流量制御弁（流路切換手段）
３８ ウォータポンプ
４１ ＥＣＵ（冷却制御手段、凝縮水量算出手段、放熱量算出手段）

Claims (9)

1. 筒内に燃料を噴射するインジェクタの燃料経路に配設され、冷却水の流通により前記インジェクタに供給される燃料を冷却する燃料クーラと、
   吸気を加圧するターボチャージャの吸気通路に配設され、冷却水の流通によりターボチャージャからの吸気を冷却するインタクーラと、
   前記燃料クーラを流通後の冷却水及び前記インタクーラを流通後の冷却水が供給され、該冷却水の流通により前記ターボチャージャを冷却するターボ冷却通路と、
   ウォータポンプから吐出された冷却水を前記燃料クーラと前記インタクーラとに任意に分配可能な流路切換手段と、
   前記ターボチャージャの温度に基づき前記流路切換手段を駆動して、前記燃料クーラ側と前記インタクーラ側との冷却水の分配比率を制御する冷却制御手段と
   を備えたことを特徴とする直噴エンジンの冷却装置。
2. 前記冷却制御手段は、前記ターボチャージャのタービン温度が予め設定された第１の判定値を超え、且つ前記直噴エンジンが運転中であるときに、前記燃料クーラ側への分配比率を増加させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の直噴エンジンの冷却装置。
3. 前記冷却制御手段は、前記ターボチャージャのタービン温度が予め設定された第１の判定値を超え、且つ前記直噴エンジンが停止中であるときに、前記インタクーラ側への分配比率を増加させる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の直噴エンジンの冷却装置。
4. 前記流路切換手段から前記燃料クーラを経て前記ターボ冷却通路に至るまでの経路が、前記流路切換手段から前記インタクーラを経て前記ターボ冷却通路に至るまでの経路に比して、内容積が小さく且つ流通抵抗が低く設定されている
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の直噴エンジンの冷却装置。
5. 前記インタクーラ内で生成された凝縮水の量を算出する凝縮水量算出手段をさらに備え、
   前記冷却制御手段は、前記ターボチャージャのコンプレッサ入口温度が予め設定された第２の判定値以下であり、且つ前記直噴エンジンの冷却水温が予め設定された第３の判定値以下であるときに、前記凝縮水量算出手段により算出された凝縮水量に基づき、前記流路切換手段による冷却水の分配比率を制御する
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の直噴エンジンの冷却装置。
6. 前記冷却制御手段は、前記凝縮水量算出手段により算出された凝縮水量が予め設定された第４の判定値以下のときに、前記燃料クーラ側への分配比率を増加させる
   ことを特徴とする請求項５に記載の直噴エンジンの冷却装置。
7. 前記冷却制御手段は、外気温が予め設定された第５の判定値以下のときに、前記ウォータポンプの回転速度を増加させる
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の直噴エンジンの冷却装置。
8. 前記冷却制御手段は、前記直噴エンジンの冷却水温が前記第３の判定値を超えたときに、前記ウォータポンプを停止させる
   ことを特徴とする請求項５から７の何れか１項に記載の直噴エンジンの冷却装置。
9. 前記直噴エンジンの運転状態に基づき、前記燃料の冷却のために前記燃料クーラに要求される放熱量、及び前記吸気の冷却のために前記インタクーラに要求される放熱量をそれぞれ算出する放熱量算出手段をさらに備え、
   前記冷却制御手段は、前記直噴エンジンが温態、且つ前記タービン温度が前記第１の判定値以下であるときに、前記放熱量算出手段により算出された前記燃料クーラ及び前記インタクーラに対する要求放熱量に基づき、前記流路切換手段による冷却水の分配比率を制御する
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の直噴エンジンの冷却装置。

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