JP6975893B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、エンジンに関し、特に、二重管構造体を含む排気通路を備えるエンジンに関する。

特開昭６０−７８９２５号公報（特許文献１）には、二重管構造体を含む排気通路を備えるエンジンが開示されている。二重管構造体は、内管と、外管と、内管および外管の間に形成される中間空間とを有する。排気ガスは内管内を流れる。内管の表面（内面）は排気ガスに接し、外管の表面（外面）は大気に接する。以下、排気通路に含まれる二重管構造体を、「排気二重管」とも称する。

特開昭６０−７８９２５号公報

ところで、排気二重管は、製法によって、以下に説明する第１および第２の排気二重管に大別される。

第１の排気二重管は、内管および外管に対応する２枚の金属板（たとえば、ステンレス鋼板）をプレス加工した後、得られた２枚のプレス加工品を溶接（ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接等）することによって製造される。上記特許文献１に記載される排気二重管は、第１の排気二重管である。

一方、第２の排気二重管は、鋳造によって製造される鋳物である。鋳造によれば、複雑な構造を有する排気二重管を容易に製造できる。また、内管および外管を一体的に成形して、排気二重管をシームレス構造（継ぎ目が無い構造）にすることも可能である。

しかしながら、第２の排気二重管（すなわち、鋳物で形成された排気二重管）では、内管内を流れる高温の排気ガスによって外管が加熱され、外管の表面温度が高くなると、外管の表面が変質しやすくなる。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、鋳物で形成された二重管構造体を含む排気通路を備えるエンジンにおいて、温度上昇に起因する外管表面の変質を抑制することである。

本発明に係るエンジンは、燃焼により発生するエネルギーを利用して回転する出力軸を有するエンジン本体と、燃焼により生成される排気ガスが流れる排気通路と、減圧装置と、制御装置とを備える。排気通路は、二重管構造体を含む。二重管構造体は、鋳物で形成された内管および外管と、内管と外管との間に形成される中間空間とを有する。減圧装置は、中間空間を減圧するように構成される。制御装置は、減圧装置を制御するように構成される。そして、上記の制御装置は、外管の表面温度が許容温度を超えると判断される場合に、減圧装置により中間空間を減圧するように構成される。

上記のエンジンでは、外管の表面温度が許容温度を超える（すなわち、温度上昇に起因する外管表面の変質が生じ得る）と判断される場合に、減圧装置によって中間空間が減圧される。中間空間が減圧されると、中間空間に存在する気体が少なくなる。これにより、中間空間の熱伝導率（ひいては、内管と外管との間の熱伝導率）が低くなる。このため、中間空間が減圧されているときには、中間空間の断熱作用により内管から外管へ熱が伝わりにくくなり、内管内を高温の排気ガスが流れていても、外管の表面温度が上昇しにくくなる。このため、減圧装置によって中間空間を減圧することで、温度上昇に起因する外管表面の変質を抑制することができる。

上記の制御装置は、外管における所定部位の温度と、内管内を流れる排気ガスの温度と、エンジン本体の運転条件との少なくとも１つを用いて、外管の表面温度が許容温度を超えるか否かを判断するように構成されてもよい。

上記のパラメータを用いることで、外管の表面温度を十分な精度で実測または推定しやすくなる。特に、エンジン本体の運転条件を用いて外管の表面温度を推定する場合には、燃焼により排気ガスが生成される前に（または、排気ガスの生成と略同時に）排気温度（ひいては、外管の表面温度）を予測することができるため、外管の表面温度が許容温度を超えるか否かの判断を早期に行なって、減圧装置による減圧処理を早期に実行することが可能になる。

上記の減圧装置は、出力軸の回転力を利用して駆動されるポンプと、制御装置により開度を制御される制御弁とを含んでもよい。上記のポンプは、制御弁を介して中間空間に接続されてもよい。そして、上記の制御装置は、外管の表面温度が許容温度を超えると判断される場合には、制御弁を開いて、ポンプにより中間空間を減圧する一方、外管の表面温度が許容温度を超えないと判断される場合には、制御弁を閉じるように構成されてもよい。

上記構成では、エンジン本体の出力軸の回転力を利用してポンプが駆動されるため、ポンプの駆動源を別途設けなくてもよい。また、減圧装置による中間空間の減圧処理の実行／非実行を制御弁の開／閉によって容易に切り替えることができる。

なお、上記の制御弁について、「閉じた状態」は、全閉状態を意味し、「開いた状態」は、全閉状態ではない状態を意味する。また、上記の制御弁は、オンオフバルブ（弁開度が全開／全閉の２つの位置しかとることができない弁）であってもよいし、連続制御弁（全閉と全開との間を連続的に開度調整可能な弁）であってもよい。

上記エンジンが、ブレーキ踏力を補助するマスターバックを備える車両に搭載される場合には、上記のポンプがマスターバック用の負圧を発生させるものであってもよい。

車両において他の目的で使用しているポンプを利用して上記中間空間の減圧処理を行なうことで、中間空間の減圧処理を行なうためのポンプを別途設けなくてもよくなる。特に、マスターバックに用いられているポンプ（たとえば、真空ポンプ）は、優れた吸引性能を有するため、中間空間の減圧処理に適している。

上記の減圧装置は、中間空間に接続されて制御装置により制御される電動ポンプを含んでもよい。そして、上記の制御装置は、外管の表面温度が許容温度を超えると判断される場合には、電動ポンプを作動させることにより中間空間を減圧する一方、外管の表面温度が許容温度を超えないと判断される場合には、電動ポンプを停止させるように構成されてもよい。

上記のように、減圧装置が電動ポンプを用いて減圧処理を行なうように構成されることで、エンジン本体の状態とは無関係に電動ポンプを独立して駆動することが可能になる。また、減圧装置による中間空間の減圧処理の実行／非実行を電動ポンプの作動／停止によって容易に切り替えることができる。

上記エンジンの排気通路に含まれる排気マニホールドおよび過給機の少なくとも一方が上記二重管構造体を有してもよい。たとえば、上記の排気通路が、エンジン本体に接続される排気マニホールドを含み、排気マニホールドの少なくとも一部が二重管構造体を有してもよい。また、上記エンジンが、排気通路を流通する排気ガスを利用してエンジン本体の吸気を過給する過給機をさらに備え、排気通路に含まれる二重管構造体の少なくとも一部が、過給機のハウジングによって形成されてもよい。

排気マニホールドと過給機のハウジングとの各々はエンジン本体の近くに配置されることが多く、排気流動性や放熱性などの観点から、鋳造によって複雑な構造とすることが要求されやすい。しかし、鋳物で形成された排気通路においては、前述のように、温度上昇に起因して外管表面の変質が生じ得る。こうした課題に関して、エンジンを前述の構成にすることで、減圧装置による中間空間の減圧処理によって、温度上昇に起因する外管表面の変質を抑制することができる。

上記二重管構造体において内管および外管は鋳鉄で形成されていてもよい。そして、上記の制御装置は、外管の表面温度が許容温度を超えると判断される場合に、減圧装置により前記中間空間を真空状態にするように構成されてもよい。

強度、耐熱性、加工性、コストなどの観点から、鋳鉄は排気通路の材料として適している。しかし、鋳鉄は酸化しやすい。こうした課題に関して、減圧装置により中間空間を真空状態にすることで、中間空間における十分な断熱性を確保しやすくなり、ひいては温度上昇に起因する外管表面での鋳鉄の酸化を抑制しやすくなる。

上記二重管構造体において内管および外管は一体成形されていてもよい。
上記のように、内管および外管が一体成形されていることで、溶接等によって内管と外管とを接合しなくてもよくなり、中間空間における十分な気密性を確保しやすくなる。

本発明によれば、鋳物で形成された二重管構造体を含む排気通路を備えるエンジンにおいて、温度上昇に起因する外管表面の変質を抑制することが可能になる。

本発明の実施の形態に係るエンジンの全体構成図である。 図１に示した排気マニホールド（二重管構造体）の一部を拡大して示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る制御装置により実行される外管表面の温度制御を説明するためのフローチャートである。 燃料噴射量とエンジン回転速度と排気温度との関係の一例を示す図である。 減圧通路に設けられた制御弁の開閉制御で用いられる制御マップを示す図である。 減圧装置の変形例を示す図である。 二重管構造体の変形例を示す図である。 図７に示される制御装置により実行される外管表面の温度制御を説明するためのフローチャートである。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本実施の形態に係るエンジン１の全体構成図である。図１を参照して、エンジン１は、たとえば走行のための動力発生装置として車両（たとえば、４輪自動車）に搭載される。図１に示すエンジン１は、直列４気筒ディーゼルエンジンである。ただし、エンジンの種類は、ディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンであってもよい。また、図１に示すエンジンの構成は一例であり、適宜変更可能である。たとえば、直列以外の気筒レイアウト（たとえばＶ型あるいは水平型）にしてもよい。また、バンクや気筒の数も任意に変更できる。また、図１には一部のセンサしか示していないが、エンジン１の状態等を検出して制御装置２００へ出力する各種センサ（たとえば、吸気圧センサ、排気圧センサ等）がさらに設けられていてもよい。また、エンジン１は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置を備えていてもよい。

エンジン１は、エンジン本体１０と、エアクリーナ２０と、インタークーラ２５と、吸気絞り弁２６と、吸気マニホールド２８と、過給機３０と、排気マニホールド５０とを備える。そして、エンジン１は、制御装置２００によって制御される。以下、エンジン１において、流路として機能する配管等に関しては、上流側の一方端を「第１端」、下流側の他方端を「第２端」と称する。

エンジン本体１０は、出力軸１１と、複数の気筒１２と、コモンレール１４と、複数のインジェクタ１６とを含む内燃機関である。

出力軸１１は、燃焼により発生するエネルギーを利用して回転するように構成される。出力軸１１は、たとえばクランクシャフトである。より具体的には、各気筒１２内には、ピストン（図示せず）が設けられ、気筒１２の内壁とピストンの頂部とによって燃焼室（燃料が燃焼する空間）が形成されている。燃焼室内で燃料の燃焼が行なわれると、燃焼により発生する熱エネルギーが運動エネルギーに変換され、ピストンが往復運動する。さらに、ピストンの往復運動は出力軸１１のクランク機構によって回転運動に変換される。こうして、ピストンの往復運動に対応して出力軸１１が回転する。そして、出力軸１１の回転力が車両の駆動輪に伝達されることによって、駆動輪が駆動され、車両が走行する。出力軸１１には、回転速度センサ１０８が設けられている。回転速度センサ１０８は、出力軸１１の回転速度（エンジン回転速度）を検出し、その検出値ＮＥを制御装置２００へ出力する。

インジェクタ１６は、燃焼室に燃料を供給するように構成される。より具体的には、気筒１２ごとにインジェクタ１６が設けられ、各インジェクタ１６はコモンレール１４に接続される。燃料タンク（図示せず）に貯留された燃料は、サプライポンプ（図示せず）により所定圧に加圧されてコモンレール１４に供給される。コモンレール１４に供給された燃料は、各インジェクタ１６から所定のタイミングで燃焼室内に噴射される。インジェクタ１６により噴射供給された燃料が燃焼室で燃焼することによって出力軸１１にトルクが発生する。出力軸１１は、こうして生成されるトルクで回転するように構成される。各インジェクタ１６の噴射タイミングおよび燃料噴射量は、制御装置２００によって制御される。

エアクリーナ２０は、第１吸気管２２の途中に設けられ、第１吸気管２２の第１端に設けられる吸気口（図示せず）から吸入される空気に含まれる異物を除去するように構成される。第１吸気管２２の第２端は、過給機３０のコンプレッサ３２の吸気流入口に接続され、コンプレッサ３２の吸気流出口には、第２吸気管２４の第１端が接続される。第１吸気管２２と第２吸気管２４とは、互いにコンプレッサ３２のハウジング内に形成された吸気通路（図示せず）を介してつながっている。

インタークーラ２５は、第２吸気管２４の途中に設けられ、第２吸気管２４を流通する空気を冷却するように構成される。インタークーラ２５は、たとえば空冷式または水冷式の熱交換器である。

第３吸気管２７の第１端はインタークーラ２５に、第３吸気管２７の第２端は吸気マニホールド２８に接続されている。また、第３吸気管２７の途中には吸気絞り弁２６が設けられている。吸気絞り弁２６は、バルブ、モータ、および開度センサ（スロットルポジションセンサ）等を含んで構成される。吸気絞り弁２６の開度に応じて吸気マニホールド２８へ供給される空気流量が変化する。吸気絞り弁２６の開度は、制御装置２００によって制御される。

吸気マニホールド２８は、エンジン本体１０の各気筒１２の吸気ポート（図示せず）に連結される。各気筒１２の燃焼室内においては、吸気マニホールド２８から供給される吸気ガスと、インジェクタ１６から供給される燃料とによって混合気が生成され、燃料が燃焼することによって排気ガスが生成される。燃焼により生成される排気ガスは、エンジン１の排気通路を流れて車外へ排出される。エンジン１の排気通路は、排気マニホールド５０と、タービン３６と、第１排気管５４と、排気浄化装置５６と、第２排気管５８とを含む。

排気マニホールド５０の第１端は、エンジン本体１０の各気筒１２の排気ポート（図示せず）に連結される。排気マニホールド５０の第２端は、過給機３０のタービン３６の排気流入口に接続される。各気筒１２の排気ポートから排出される排気ガスは、排気マニホールド５０を通じてタービン３６に供給される。

排気マニホールド５０は二重管構造体を含む。この実施の形態では、排気マニホールド５０の全体が二重管構造体になっている。排気マニホールド５０は、内管５１と外管５２と中間空間Ｖｓとを有する。中間空間Ｖｓは、内管５１と外管５２との間に形成される空間である。排気ガスは内管５１内を流れる。内管５１の表面（内面）は排気ガスに接し、外管５２の表面（外面）は大気に接する。

図２は、排気マニホールド５０（二重管構造体）の一部を拡大して示す断面図である。図２を参照して、排気マニホールド５０は、鋳造によって製造された鋳物である。排気マニホールド５０は、内管５１および外管５２に加えてフランジ部５３をさらに含む。図２には排気マニホールド５０の一端のみを図示しているが、フランジ部５３は、排気マニホールド５０の両端に形成されている。内管５１と外管５２とは、互いにフランジ部５３を介してつながっている。内管５１、外管５２、およびフランジ部５３は、たとえば鋳鉄で形成されている。内管５１および外管５２の各々の厚さは、たとえば５ｍｍ程度である。排気マニホールド５０は、シームレス構造の二重管構造体であり、内管５１と外管５２とフランジ部５３とは、鋳造によって一体成形されている。気密性低下の要因になりやすい継ぎ目（溶接箇所等）が無いため、中間空間Ｖｓは高い気密性を有する。これにより、中間空間Ｖｓを減圧するときには、中間空間Ｖｓの圧力を所望の圧力（たとえば、１００Ｐａ以下）まで早期に減圧することが可能になる。また、中間空間Ｖｓの減圧処理を停止した後に、中間空間Ｖｓを減圧停止時の圧力で維持しやすくなる。

再び図１を参照して、エンジン１は、中間空間Ｖｓを減圧するための減圧装置をさらに備える。減圧装置は、真空ポンプ６０と真空配管６１と制御弁６２とを含んで構成される。真空配管６１は、真空ポンプ６０の負圧発生部と排気マニホールド５０の中間空間Ｖｓとを接続している。真空配管６１は、減圧対象（この実施の形態では、中間空間Ｖｓ）から気体成分を吸引して減圧対象を減圧するための通路（減圧通路）として機能する。真空配管６１の途中には制御弁６２が設けられている。この実施の形態では、制御弁６２として、制御装置２００によってＯＮ（開）／ＯＦＦ（閉）制御されるオンオフバルブを採用する。制御弁６２は、たとえば電磁弁（ソレノイドバルブ）である。ただし、制御弁６２は、上記オンオフバルブに限られず、中間開度にも調整可能な連続制御弁であってもよい。

真空ポンプ６０は、出力軸１１（たとえば、クランクシャフト）の回転力を利用して駆動される。真空ポンプ６０は、出力軸１１に連動するように出力軸１１に連結される駆動部（たとえば、ロータ）を含み、出力軸１１が回転することによって、真空ポンプ６０の駆動部が駆動され、真空ポンプ６０の所定の部位（負圧発生部）に負圧（大気圧よりも低い圧力）が発生する。出力軸１１の回転力は、たとえばドライブギヤ（図示せず）を介して真空ポンプ６０の駆動部に伝達される。ドライブギヤは、出力軸１１と噛み合う他のギヤとともに、エンジン本体１０のギヤボックス（図示せず）内に収容されている。

真空ポンプ６０は、たとえばベーン式真空ポンプである。制御弁６２は、真空ポンプ６０による減圧処理（たとえば、真空引き）が行なわれるときにＯＮ状態（開いた状態）にされる。真空ポンプ６０の作動中に制御弁６２が開かれると、中間空間Ｖｓに存在する気体成分等が真空配管６１を通じて真空ポンプ６０に吸引され、中間空間Ｖｓが減圧される。なお、中間空間Ｖｓの圧力を制御するために、中間空間Ｖｓの圧力を検出する圧力センサを設けてもよい。

エンジン１が搭載される車両は、ブレーキ踏力（図示しないブレーキペダルを踏む力）を補助するマスターバック７０を備える。マスターバック７０は、負圧を利用した倍力装置である。真空ポンプ６０は、マスターバック７０用の負圧を発生させるように構成される。たとえば、マスターバック７０は、内部圧力が負圧に保持される負圧室（図示せず）と、ブレーキペダルの操作に応じて内部圧力が変化する変圧室（図示せず）とを備え、これら負圧室と変圧室との内部圧力の差に応じてブレーキペダルに付与されたブレーキ踏力を増大させるように構成される。そして、マスターバック７０の負圧室が図示しない制御弁（たとえば、制御装置２００によって開閉制御される制御弁）を介して真空ポンプ６０の負圧発生部に接続される。なお、負圧室の圧力を制御するために、負圧室の圧力を検出する圧力センサを設けてもよい。

タービン３６の排気流出口には、第１排気管５４の第１端が接続されている。排気マニホールド５０と第１排気管５４とは、互いにタービン３６のハウジング内に形成された排気通路（図示せず）を介してつながっている。また、第１排気管５４の第２端は、排気浄化装置５６の排気流入口に接続されている。

第１排気管５４の所定部位（たとえば、排気浄化装置５６の排気流入口付近）には、排気温センサ１０４が設けられている。排気温センサ１０４は、第１排気管５４内を流れる排気ガスの温度を検出し、その検出値Ｔｃを制御装置２００へ出力する。

排気浄化装置５６の例としては、ＰＭ（粒子状物質）除去フィルタ、ＮＯｘ触媒、ＤＰＮＲ（Diesel Particlulate-NOx Reduction）が挙げられる。排気浄化装置５６の排気流出口には、第２排気管５８の第１端が接続されている。排気浄化装置５６で浄化された排気ガスは、第２排気管５８を通り、図示しないマフラー等を経由して車外に排出される。

エンジン１においては、コンプレッサ３２とタービン３６とによって過給機３０（たとえば、可変ノズルターボ）が構成される。コンプレッサ３２のハウジング内の吸気通路にはコンプレッサホイール３４が設けられ、タービン３６のハウジング内の排気通路にはタービンホイール３８が設けられる。コンプレッサホイール３４とタービンホイール３８とは、連結軸３５により連結されて一体的に回転する。コンプレッサホイール３４は、タービン３６を流通する排気ガスによってタービンホイール３８とともに回転駆動され、第１吸気管２２を通じてコンプレッサ３２に吸入される空気を圧縮して第２吸気管２４へ吐出する。これにより、エンジン本体１０の吸気（すなわち、各気筒１２の燃焼室に吸入される空気）が過給される。

エンジン１は、エアフローメータ１０２と、吸気温センサ１０６と、水温センサ１１０と、アクセルペダルポジションセンサ１１２と、大気圧センサ１１４と、外気温センサ１１６とをさらに備える。

エアフローメータ１０２は、外部からエアクリーナ２０を通じて取り込まれてエンジン本体１０に供給される空気量（新気量）を検出し、その検出値ＦＩを制御装置２００へ出力する。吸気温センサ１０６は、吸気マニホールド２８における吸気ガスの温度（吸気温度）を検出し、その検出値Ｔｂを制御装置２００へ出力する。水温センサ１１０は、エンジン本体１０の冷却水の温度（エンジン冷却水温）を検出し、その検出値ＴＥを制御装置２００へ出力する。アクセルペダルポジションセンサ１１２は、アクセルペダル（図示せず）の踏込量（アクセル開度）を検出し、その検出値ＡＰを制御装置２００へ出力する。大気圧センサ１１４は大気圧を検出し、その検出値Ｐａを制御装置２００へ出力する。外気温センサ１１６は外気温を検出し、その検出値Ｔａを制御装置２００へ出力する。

制御装置２００は、演算装置としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）と、記憶装置と、各種信号を入出力するための入出力ポートと（いずれも図示せず）を含んで構成される。記憶装置は、作業用メモリとしてのＲＡＭ（Random Access Memory）と、保存用ストレージ（ＲＯＭ（Read Only Memory）、書き換え可能な不揮発性メモリ等）とを含む。制御装置２００は、入力ポートに接続された各種機器および各種センサから信号を受信し、受信した信号に基づいて出力ポートに接続された各種機器（インジェクタ１６等）を制御する。記憶装置に記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することで、各種制御が実行される。ただし、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

ところで、自動車用エンジンの排気マニホールドとしては、ステンレス鋼製の排気マニホールドと、鋳鉄製の排気マニホールドとが知られている。このうち、鋳鉄製の排気マニホールドは、高温の排気ガスが流通したときに温度が上昇して表面が酸化しやすい。このため、鋳鉄製の排気マニホールドを採用する場合には、排気マニホールドの表面が酸化しないようにエンジンの燃焼条件（燃料噴射量および燃料噴射タイミング等）を調整して排気温度を低下させることが求められる。しかし、燃焼条件を決める上で、排気マニホールドの酸化防止の観点から上記のような制約を受けると、エンジンの出力性能や燃費性能などの観点から燃焼条件の最適化を図ることが難しくなるため、エンジンの性能を十分に発揮できなくなる可能性がある。

そこで、この実施の形態に係るエンジン１では、エンジン本体１０に接続される排気マニホールド５０として、鋳物（たとえば、鋳鉄）で形成された二重管構造体（図２参照）を採用し、以下に説明するような減圧制御を実行することで、排気マニホールド５０内を高温の排気ガスが流通した場合でも排気マニホールド５０の外管５２の表面の変質（たとえば、酸化）を抑制することができるようにしている。

エンジン１において、制御装置２００は、外管５２の表面温度に相関するパラメータ（以下、「温度パラメータ」とも称する）を用いて外管５２の表面温度が許容温度を超えるか否かを判断し、外管５２の表面温度が許容温度を超えると判断される場合には、制御弁６２を開いて真空ポンプ６０により中間空間Ｖｓを減圧する。中間空間Ｖｓが減圧されると、中間空間Ｖｓに存在する気体が少なくなる。これにより、中間空間Ｖｓの熱伝導率（ひいては、内管５１および外管５２間の熱伝導率）が低くなる。このため、中間空間Ｖｓが減圧されているときには、中間空間Ｖｓの断熱作用により内管５１から外管５２へ熱が伝わりにくくなり、内管５１内を高温の排気ガスが流れていても、外管５２の温度（ひいては、外管５２の表面温度）が上昇しにくくなる。このため、中間空間Ｖｓを減圧することで、温度上昇に起因する外管５２の表面の変質を抑制することができる。

また、制御装置２００は、外管５２の表面温度が許容温度を超えないと判断される場合には、減圧装置により中間空間Ｖｓを減圧しない。より具体的には、制御弁６２を閉じた状態にする。制御弁６２を閉じることで、真空ポンプ６０の負荷が小さくなり、エンジン１における損失（たとえば、エンジンフリクション）が低減される。このように、減圧装置による減圧処理の頻度を減らすことで、真空ポンプ６０を駆動するために消費されるエネルギーの量が少なくなるため、エンジン１における燃費（燃料消費率）を向上させることができる。

温度パラメータとしては、たとえばエンジン本体１０の運転条件を採用できる。エンジン本体１０の運転条件は、エンジン本体１０の運転時における燃焼室での燃焼条件（以下、単に「燃焼条件」とも称する）とエンジン本体１０の状態（以下、単に「エンジン運転状態」とも称する）とを含む。燃焼条件およびエンジン運転状態の各々は、外管５２の表面温度に相関するパラメータである。たとえば、燃焼室に供給される燃料の量（燃料噴射量）が多いほど、また燃焼室に供給される吸気ガスの温度（吸気温度）が高いほど、燃焼により生成される熱エネルギーが大きくなり、排気マニホールド５０に排出される排気温度が高くなる傾向がある。さらに、燃焼時において、エンジン回転速度が高速であるほど、またエンジン冷却水温が高いほど、燃焼によって排気マニホールド５０に排出される排気温度が高くなる傾向がある。そして、排気マニホールド５０に排出される排気温度が高くなるほど外管５２の表面温度が高くなる傾向がある。

上記のように、この実施の形態に係るエンジン１では、外管５２の表面温度が許容温度を超えると判断される場合には、制御装置２００によって中間空間Ｖｓの減圧処理が行なわれる。これにより、排気マニホールド５０における外管５２の表面温度が過剰に上昇することが抑制される。すなわち、この実施の形態では、温度上昇に起因する外管５２の表面の変質が生じ得るときに中間空間Ｖｓの減圧処理が行なわれることによって、変質が生じないように外管５２の表面温度が制御される。以下、図３を用いて、この実施の形態に係る外管表面の温度制御について説明する。

図３は、制御装置２００により実行される外管表面の温度制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、所定の制御周期毎にメインルーチン（図示せず）から呼び出されて繰り返し実行される。

図３を参照して、ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と記載する）１１にて、制御装置２００は、エンジン本体１０の運転条件（より特定的には、燃焼条件およびエンジン運転状態）を取得する。燃焼条件としては、たとえば燃料噴射量が取得される。また、エンジン運転状態としては、たとえばエンジン回転速度（回転速度センサ１０８の検出値ＮＥ）が取得される。

燃料噴射量は、制御装置２００において、ユーザからの要求（たとえば、アクセルペダルポジションセンサ１１２の検出値ＡＰ）およびエンジン運転状態（たとえば、エンジン回転速度）などに基づいて算出される。たとえば、エンジン１の出力性能および／または燃費性能の観点から最適な燃焼条件（燃料噴射量、燃料噴射タイミング等）が算出される。算出された燃焼条件は、この図３の処理と並行して行なわれるインジェクタ１６の制御において使用される。

Ｓ１２にて、制御装置２００は、上記Ｓ１１で取得した燃料噴射量およびエンジン回転速度（温度パラメータ）を用いて、外管５２の表面温度が許容温度を超えるか否かを判断する。以下、図４を参照して、Ｓ１２の判断処理について説明する。

図４は、燃料噴射量とエンジン回転速度と排気温度との関係を示す図である。図４中に示される数値は、予め実験によりエンジン運転条件（より特定的には、燃料噴射量およびエンジン回転速度で規定される条件）ごとに測定された排気マニホールド５０内の排気温度である。

図４に示されるように、基本的には、燃料噴射量が多くなるほど、またエンジン回転速度が高速であるほど、排気温度は高くなる。排気温度が高くなるほど外管５２の表面温度は高くなるため、この実施の形態では、エンジン運転条件から推定される排気温度が所定温度以上になるか否かに基づいて、外管５２の表面温度が許容温度を超えるか否かが判断される。より具体的には、排気温度が６５０℃以上になる場合には、外管５２の表面温度が許容温度を超えると判断され、排気温度が６５０℃未満になる場合には、外管５２の表面温度が許容温度を超えないと判断される。

再び図３を参照して、Ｓ１２において外管５２の表面温度が許容温度を超えると判断される場合（Ｓ１２にてＹＥＳ）には、制御装置２００は、Ｓ１３において制御弁６２をＯＮ状態（開いた状態）にする。制御弁６２が開かれることによって、真空ポンプ６０により中間空間Ｖｓが減圧され、中間空間Ｖｓが真空状態になる。他方、Ｓ１２において外管５２の表面温度が許容温度を超えないと判断される場合（Ｓ１２にてＮＯ）には、制御装置２００は、Ｓ１４において制御弁６２をＯＦＦ状態（閉じた状態）にする。制御弁６２が閉じられることで、真空ポンプ６０と中間空間Ｖｓとが連通しなくなる。このため、制御弁６２が閉じた状態では、真空ポンプ６０による中間空間Ｖｓの減圧処理は行なわれない。

図５は、制御弁６２の開閉制御（図３のＳ１２〜Ｓ１４）で用いられる制御マップを示す図である。この制御マップは、たとえば予め実験等によって作成されて制御装置２００の記憶装置に記憶されている。

図４とともに図５を参照して、図５に示す制御マップでは、排気温度が６５０℃以上になるエンジン運転条件（図４参照）には「ＯＮ」が、排気温度が６５０℃未満になるエンジン運転条件（図４参照）には「ＯＦＦ」が規定されている。制御装置２００は、こうした制御マップを参照して、制御弁６２をエンジン運転条件（より特定的には、燃料噴射量およびエンジン回転速度で規定される条件）に応じた状態（ＯＮ／ＯＦＦ）にする。これにより、排気温度が６５０℃以上になるエンジン運転条件では制御弁６２が開かれ、排気温度が６５０℃未満になるエンジン運転条件では制御弁６２が閉じられる。

上記図３に示す一連の処理が繰り返し実行されることで、エンジン運転条件から外管５２の表面温度が許容温度を超えると判断される場合（たとえば、排気温度が６５０℃以上になる場合）には、制御弁６２がＯＮ状態（開いた状態）になる。これにより、真空ポンプ６０によって中間空間Ｖｓが減圧される。中間空間Ｖｓが減圧されると、内管５１内を高温の排気ガスが流れていても、外管５２の表面温度が上昇しにくくなる。このため、真空ポンプ６０によって中間空間Ｖｓを減圧することで、温度上昇に起因する外管５２の表面の変質（たとえば、鋳鉄の酸化）を抑制することができる。また、エンジン運転条件から外管５２の表面温度が許容温度を超えないと判断される場合（たとえば、排気温度が６５０℃未満になる場合）には、制御弁６２がＯＦＦ状態（閉じた状態）になる。これにより、真空ポンプ６０を駆動するために消費されるエネルギーの量が少なくなり、エンジン１における燃費を向上させることができる。たとえば、エンジン本体１０において暖機運転（たとえば、アイドリング運転）が行なわれるときなどには、エンジン運転条件から外管５２の表面温度が許容温度を超えないと判断される。

また、排気マニホールド５０の中間空間Ｖｓを真空状態（好ましくは、１Ｐａ以下）にすることで、排気マニホールド５０からの放射音（燃焼騒音）が低減される。これにより、エンジン１の静粛性が向上する。

上記実施の形態では、温度パラメータとして、燃焼条件（より特定的には、燃料噴射量）およびエンジン運転状態（より特定的には、エンジン回転速度）を採用している。燃焼条件およびエンジン運転状態から、高い精度で外管の表面温度を推定することができる。しかも、こうした推定方法によれば、燃焼により排気ガスが生成される前に排気温度（ひいては、外管５２の表面温度）を予測することができるため、外管５２の表面温度が許容温度を超えるか否かの判断を早期に行なって、減圧装置による減圧処理を早期に実行することが可能になる。なお、制御装置２００は、燃料噴射量およびエンジン回転速度に加えて、吸気温度（吸気温センサ１０６の検出値Ｔｂ）およびエンジン冷却水温（水温センサ１１０の検出値ＴＥ）なども考慮して、外管５２の表面温度が許容温度を超えるか否かを判断するように構成されてもよい。

上記実施の形態において、真空ポンプ６０は、エンジン本体１０の出力軸１１の回転力を利用して駆動されるため、エンジン本体１０の運転時においては常に吸引を行なっている。しかし、減圧装置で用いられるポンプは、真空ポンプ６０のようなエンジン本体１０を駆動源とするポンプに限られず、電動ポンプであってもよい。図６は、減圧装置の変形例を示す図である。以下、図１に示したエンジン１との相違点を中心に、図６に示すエンジン１Ａの減圧装置について説明する。

図６を参照して、エンジン１Ａは、真空ポンプ６０および制御弁６２の代わりに電動ポンプ６０Ａを備える。電動ポンプ６０Ａは、たとえば車載バッテリから電力の供給を受けるモータを駆動源とすることができる。電動ポンプ６０Ａの負圧発生部は、真空配管６１を介して排気マニホールド５０の中間空間Ｖｓと接続されている。エンジン１Ａは、図３の処理を実行する制御装置２００Ａを備える。ただし、Ｓ１２において外管５２の表面温度が許容温度を超えると判断される場合（Ｓ１２にてＹＥＳ）には、制御装置２００Ａは、Ｓ１３において電動ポンプ６０Ａを作動させる。電動ポンプ６０Ａが作動することによって、電動ポンプ６０Ａにより中間空間Ｖｓが減圧される。他方、Ｓ１２において外管５２の表面温度が許容温度を超えないと判断される場合（Ｓ１２にてＮＯ）には、制御装置２００Ａは、Ｓ１４において電動ポンプ６０Ａを停止させる。電動ポンプ６０Ａが停止することで、電動ポンプ６０Ａによる中間空間Ｖｓの減圧処理が行なわれなくなる。

図６に示すエンジン１Ａでは、減圧装置が電動ポンプ６０Ａを用いて減圧処理を行なうため、エンジン本体１０の状態とは無関係に電動ポンプ６０Ａを独立して駆動することができる。また、減圧装置による中間空間Ｖｓの減圧処理の実行／非実行を電動ポンプ６０Ａの作動／停止によって容易に切り替えることができる。

電動ポンプ６０Ａの停止時においては、中間空間Ｖｓを開放することにより中間空間Ｖｓに空気を入れてもよい。中間空間Ｖｓに空気を入れる（たとえば、中間空間Ｖｓの圧力を大気圧にする）ことで、中間空間Ｖｓの熱伝導率が高くなるため、内管５１の放熱性を高めることができる。中間空間Ｖｓの熱伝導率が高くなると、内管５１の熱が中間空間Ｖｓおよび外管５２を通じて外部へ放出されやすくなる。

図６の例では、電動ポンプ６０Ａが弁を介さずに直接的に中間空間Ｖｓに接続されているが、制御装置２００Ａによって開度調整（たとえば、開／閉制御）される真空バルブを真空配管６１の途中に設けて、電動ポンプ６０Ａが真空バルブを介して中間空間Ｖｓに接続されるようにしてもよい。そして、電動ポンプ６０Ａの停止時においては、真空バルブを閉じて中間空間Ｖｓを密閉することにより中間空間Ｖｓを減圧状態（たとえば、真空状態）で維持するようにしてもよい。

二重管構造体の材料は、鋳鉄に限られず、鋳物である範囲で任意に変更できる。また、二重管構造体において内管と外管とをつなぐ部材は、フランジ部に限られない。また、排気通路において二重管構造体が適用される範囲および位置は任意に変更できる。たとえば、排気マニホールド５０の一部（たとえば、特に温度上昇しやすい部位）のみが二重管構造体で形成されていてもよい。二重管構造体で形成される排気マニホールド５０の部位は、フランジ部近傍の部位であってもよいし、フランジ部から離れた部位であってもよい。また、排気マニホールド５０に代えて、または加えて、タービン３６のハウジングが二重管構造体を有していてもよい。排気マニホールド５０および過給機３０の両方が二重管構造体を有する場合、排気マニホールド５０の二重管構造体と、過給機３０（より特定的には、タービン３６）のハウジングによって形成される二重管構造体とは、互いにつながっていてもよいし、互いに離間していてもよい。

上記実施の形態では、温度パラメータとしてエンジン運転条件を採用しているが、外管５２の表面温度が許容温度を超えるか否かの判断に用いられる温度パラメータは、エンジン運転条件に限定されず、外管５２の表面温度に相関する他のパラメータであってもよい。温度パラメータは、外管５２における所定部位の温度（たとえば、外管５２の表面温度）であってもよいし、外管５２と熱交換し得る部位の温度（たとえば、内管５１内を流れる排気ガスの温度）であってもよい。たとえば、内管５１よりも下流側の排気温度の実測値（排気温センサ１０４の検出値Ｔｃ）から、内管５１内を流れる排気ガスの温度を推定することができる。

図７は、二重管構造体の変形例を示す図である。図７を参照して、この二重管構造体は、内管５１Ａ、外管５２Ａ、および接続部５３Ａを含む。内管５１Ａと外管５２Ａとは、互いに接続部５３Ａを介してつながっている。内管５１Ａと外管５２Ａと接続部５３Ａとは、鋳造によって一体成形されている。すなわち、内管５１Ａ、外管５２Ａ、および接続部５３Ａの各々は、鋳物で形成されている。

外管５２Ａの表面には、外管５２Ａの表面温度を検出する温度センサ１２０が設けられている。温度センサ１２０の検出値は、制御装置２００Ｂへ出力される。制御装置２００Ｂは、温度センサ１２０の出力（すなわち、温度センサ１２０により検出された外管５２Ａの表面温度）を用いて、外管５２Ａの表面温度が許容温度を超えるか否かを判断するように構成される。

図８は、図７に示す制御装置２００Ｂにより実行される外管表面の温度制御を説明するためのフローチャートである。以下、図３に示した処理との相違点を中心に、図８に示す処理について説明する。

図８を参照して、この処理では、図３のＳ１１の代わりに、Ｓ１１Ａが実行される。Ｓ１１Ａにて、制御装置２００Ｂは、外管５２Ａの表面温度の実測値（温度センサ１２０の検出値）を取得する。そして、Ｓ１２にて、制御装置２００Ｂは、上記Ｓ１１Ａで取得した外管５２Ａの表面温度の実測値（温度パラメータ）を用いて、外管５２Ａの表面温度が許容温度を超えるか否かを判断する。たとえば、外管５２Ａの表面温度（実測値）が所定値以上である場合には、外管５２Ａの表面温度が許容温度を超えると判断され、外管５２Ａの表面温度（実測値）が所定値未満である場合には、外管５２Ａの表面温度が許容温度を超えないと判断される。制御装置２００Ｂは、たとえば、図５に示した制御マップに代えて、外管５２Ａの表面温度と制御弁６２の状態（ＯＮ／ＯＦＦ）との関係を示す制御マップ（図示せず）を用いて、制御弁６２の開閉制御を行なうことができる。

上記図８の処理によれば、温度センサ１２０の検出値から外管５２Ａの表面温度が許容温度を超えると判断される場合には、制御弁６２がＯＮ状態（開いた状態）になる。これにより、温度上昇に起因する外管５２Ａの表面の変質を抑制することができる。温度センサ１２０の検出値から外管５２Ａの表面温度が許容温度を超えないと判断される場合には、制御弁６２がＯＦＦ状態（閉じた状態）になる。これにより、エンジン１における燃費を向上させることができる。

上記Ｓ１１Ａにおいて、制御装置２００Ｂは、温度センサ１２０の検出値を用いて外管５２Ａの表面温度が許容温度を超えるか否かを判断しているが、温度センサ１２０の検出値の代わりに、排気温センサ１０４の検出値Ｔｃ（図１）および外気温センサ１１６の検出値Ｔａ（図１）を用いて外管５２Ａの表面温度が許容温度を超えるか否かを判断してもよい。

本発明のエンジンが適用される対象は、車両に限られず任意である。適用対象は、たとえば、他の乗り物（船、飛行機等）であってもよい。

なお、上記した変形例は、その全部または一部を組み合わせて実施してもよい。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ エンジン、１０ エンジン本体、１１ 出力軸、１２ 気筒、１４ コモンレール、１６ インジェクタ、２０ エアクリーナ、２２ 第１吸気管、２４ 第２吸気管、２５ インタークーラ、２６ 弁、２７ 第３吸気管、２８ 吸気マニホールド、３０ 過給機、３２ コンプレッサ、３４ コンプレッサホイール、３５ 連結軸、３６ タービン、３８ タービンホイール、５０ 排気マニホールド、５１，５１Ａ 内管、５２，５２Ａ 外管、５３ フランジ部、５３Ａ 接続部、５４ 第１排気管、５６ 排気浄化装置、５８ 第２排気管、６０ 真空ポンプ、６０Ａ 電動ポンプ、６１ 真空配管、６２ 制御弁、７０ マスターバック、１０２ エアフローメータ、１０４ 排気温センサ、１０６ 吸気温センサ、１０８ 回転速度センサ、１１０ 水温センサ、１１２ アクセルペダルポジションセンサ、１１４ 大気圧センサ、１１６ 外気温センサ、１２０ 温度センサ、２００，２００Ａ，２００Ｂ 制御装置、Ｖｓ 中間空間。

Claims (9)

1. 燃焼により発生するエネルギーを利用して回転する出力軸を有するエンジン本体と、
   前記燃焼により生成される排気ガスが流れる排気通路とを備えるエンジンであって、
   前記排気通路は、鋳物で形成された内管および外管と、前記内管と前記外管との間に形成される中間空間とを有する二重管構造体を含み、
   前記エンジンは、
   前記中間空間を減圧する減圧装置と、
   前記減圧装置を制御する制御装置とをさらに備え、
   前記制御装置は、前記外管の表面温度が許容温度を超えると判断される場合に、前記減圧装置により前記中間空間を減圧する、エンジン。
2. 前記制御装置は、前記外管における所定部位の温度と、前記内管内を流れる排気ガスの温度と、前記エンジン本体の運転条件との少なくとも１つを用いて、前記外管の前記表面温度が前記許容温度を超えるか否かを判断する、請求項１に記載のエンジン。
3. 前記減圧装置は、前記出力軸の回転力を利用して駆動されるポンプと、前記制御装置により開度を制御される制御弁とを含み、
   前記ポンプは、前記制御弁を介して前記中間空間に接続され、
   前記制御装置は、前記外管の前記表面温度が前記許容温度を超えると判断される場合には、前記制御弁を開いて、前記ポンプにより前記中間空間を減圧する一方、前記外管の前記表面温度が前記許容温度を超えないと判断される場合には、前記制御弁を閉じる、請求項１または２に記載のエンジン。
4. ブレーキ踏力を補助するマスターバックを備える車両に搭載され、
   前記ポンプは、前記マスターバック用の負圧を発生させる、請求項３に記載のエンジン。
5. 前記減圧装置は、前記中間空間に接続されて前記制御装置により制御される電動ポンプを含み、
   前記制御装置は、前記外管の前記表面温度が前記許容温度を超えると判断される場合には、前記電動ポンプを作動させることにより前記中間空間を減圧する一方、前記外管の前記表面温度が前記許容温度を超えないと判断される場合には、前記電動ポンプを停止させる、請求項１または２に記載のエンジン。
6. 前記排気通路は、前記エンジン本体に接続される排気マニホールドを含み、
   前記排気マニホールドの少なくとも一部が前記二重管構造体を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジン。
7. 前記排気通路を流通する排気ガスを利用して前記エンジン本体の吸気を過給する過給機をさらに備え、
   前記排気通路に含まれる前記二重管構造体の少なくとも一部は、前記過給機のハウジングによって形成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンジン。
8. 前記内管および前記外管は鋳鉄で形成されており、
   前記制御装置は、前記外管の前記表面温度が前記許容温度を超えると判断される場合に、前記減圧装置により前記中間空間を真空状態にする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンジン。
9. 前記内管および前記外管は一体成形されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のエンジン。

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