JP2012145008A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の冷却水流路において局部的な冷却水の温度上昇を抑制することが可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン上部に熱交換器４を設置する。熱交換器４の内部に冷却水通路４ａと気体通路４ｂとを設ける。冷却水通路４ａをウォータジャケット１５に連通させる。気体通路４ｂの一方を排気系３に接続すると共に、他方を三方弁で成る切り換え弁５３によって二次空気供給装置６及びＥＧＲ装置７に対し切り換え可能に接続する。エンジンＥの暖機運転時、二次空気供給装置６と熱交換器４とを接続し、二次空気によって熱交換器４内部の冷却水を冷却し、この熱交換器４とウォータジャケット１５との間で冷却水の対流を生じさせる。エンジンＥの暖機運転完了後、ＥＧＲ装置７と熱交換器４とを接続し、ＥＧＲガスを冷却水によって冷却して吸気系２に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用エンジン等に代表される内燃機関の制御装置に係る。特に、本発明は、暖機運転時に、冷却水流路の少なくとも一部分に対する冷却水の流れを停止させる冷却系を備えた内燃機関の改良に関する。

従来より、自動車用エンジンに搭載される冷却装置としては、ラジエータ、サーモスタット、ウォータポンプ等が備えられている。そして、エンジンのコールドスタート時（冷間始動時）に、ウォータポンプを停止させておき、エンジン内部の冷却水流路（ウォータジャケット）における冷却水の流れを停止させるようにしたものが知られている（例えば、下記の特許文献１を参照）。これによって、エンジン本体の温度を早急に高めることができ、エンジン始動後の短期間のうちにエンジン内各所でのフリクションロスの低減が図れ、燃料消費率の改善を図ることができる。

特開２０１０−８４６４９号公報 特開２００８−１３３７７２号公報 特開昭５８−８８４１８号公報

ところで、上述したようにエンジンの冷間始動時にウォータポンプを停止させるものにあっては、ウォータジャケット内の一部分の冷却水が特に高温になる可能性がある。具体的には、燃焼室周囲に存在する冷却水は、燃焼ガスからの受熱量が多くなることで、他の領域に存在する冷却水よりも温度が著しく高くなってしまう。

このような状況では、以下に述べるような不具合を招いてしまう可能性がある。
・ウォータジャケット内の一部分の冷却水のみが沸騰し、冷却水漏れ（例えばシリンダブロックとシリンダヘッドとの合わせ部分からの冷却水漏れ）が発生してしまう可能性がある。
・シリンダブロックにおける燃焼室周囲の熱膨張量が特に大きくなってボア径が大きくなることにより、所謂ピストンの首振り現象に伴う打音（ピストンの側部がボア内壁面に衝突することによる打音）が発生してしまう可能性がある。
・エンジンの暖機運転が完了することに伴うウォータポンプの駆動開始時に、高温の冷却水がウォータジャケットから冷却水循環回路へ流出することに伴う各種部品への悪影響（急速な熱膨張の発生等による悪影響）や、ウォータジャケット出口側に水温センサが配設されている場合に、その水温センサの検出温度が急速に高くなることに起因するエンジン運転状態への悪影響（各種エンジン制御に対する悪影響等）が懸念される。

尚、エンジンの冷却系としては、ウォータポンプに対して、シリンダヘッドのウォータジャケット（以下「ヘッド側ウォータジャケット」と呼ぶ場合もある）とシリンダブロックのウォータジャケット（以下「ブロック側ウォータジャケット」と呼ぶ場合もある）とを並列に接続したもの（一般に「二系統冷却装置」と呼ばれている；例えば上記特許文献２を参照）も知られている。そして、この二系統冷却装置において、エンジンの冷間始動時に、ブロック側ウォータジャケットへの冷却水の供給を停止させたまま、ヘッド側ウォータジャケットへ冷却水を供給する（ウォータポンプの駆動により冷却水をヘッド側ウォータジャケットのみに供給する）場合にあっても、ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の温度が著しく高くなってしまうことにより上述の場合と同様の不具合を招いてしまう可能性がある。

また、上記特許文献３には、エンジンの上方に熱交換器を配設しておき、温度上昇した冷却水と、外部から導入した低温の２次流体との間で熱交換を行って冷却水を冷却することが開示されている。しかしながら、この特許文献３に開示されている熱交換器は、冷却水を２次流体で冷却するための専用の熱交換器として配設されたものであるため、車体重量を増加させてしまうことになり、エンジンの燃料消費率を悪化させるものであった。また、製造コストの面でも実用性に欠けるものであった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の冷却水流路における局部的な冷却水温度の上昇を、車体重量の大幅な増加を招くことなしに抑制可能とする内燃機関の制御装置を提供することにある。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、内燃機関の暖機運転時に局部的に温度が高くなる冷却水と、排気系に供給される二次空気との間で熱交換を行うことにより、その冷却水の温度を低下させ、内燃機関の内部で冷却水の対流を生じさせて、冷却水温度の均一化を図るようにする。また、上記冷却水と二次空気との間で熱交換を行う熱交換器を、内燃機関の暖機完了後にはＥＧＲガスを冷却水によって冷却するＥＧＲクーラとして機能させるようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、内燃機関の暖機運転中に、内燃機関本体に形成されている冷却水流路のうちの少なくとも一部分に対する冷却水の圧送を停止させる冷却水停止動作を実行する冷却水循環回路を備えた内燃機関の制御装置を前提とする。この内燃機関の制御装置に対し、熱交換器及び経路切り換え制御手段を備えさせる。熱交換器は、上記冷却水停止動作が実行されている際に冷却水の圧送が停止されている冷却水流路の上方に配設され且つ、この冷却水の圧送が停止されている冷却水流路との間で冷却水の相互流通が可能に構成されている。また、経路切り換え制御手段は、上記内燃機関の暖機運転中に、内燃機関の排気系に二次空気を供給する二次空気供給装置からの二次空気と上記熱交換器内部の冷却水との間で熱交換を行う一方、上記内燃機関の暖機運転完了後に、排気ガスを内燃機関の吸気系に還流する排気還流装置からのＥＧＲガスと上記熱交換器内部の冷却水との間で熱交換を可能とするように、上記熱交換器に対する二次空気の供給経路とＥＧＲガスの還流経路との接続状態を切り換える構成とされている。

この特定事項により、内燃機関の暖機運転中には、経路切り換え制御手段によって上記熱交換器に対して二次空気の供給経路が接続するように切り換えられる。これにより、上記二次空気供給装置からの二次空気と熱交換器内部の冷却水との間で熱交換が行われる。つまり、二次空気によって冷却水が冷却される。この熱交換器内部の冷却水の冷却に伴い、冷却水停止動作が実行されている際に冷却水の圧送が停止されている冷却水流路と熱交換器との間で冷却水の温度差に起因する対流が発生する。この対流により、上記冷却水流路及び熱交換器それぞれにおける冷却水温度が均一化され、局部的に高温度の冷却水が存在するといったことが解消される。

一方、内燃機関の暖機運転完了後には、経路切り換え制御手段によって上記熱交換器に対してＥＧＲガスの還流経路が接続するように切り換えられる。これにより、上記排気還流装置からのＥＧＲガスと熱交換器内部の冷却水との間で熱交換が行われる。つまり、冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。このＥＧＲガスの冷却に伴い、ＥＧＲガスの密度を高めることができ、ＥＧＲガスを還流させることによる燃焼温度の抑制効果を確実に得ることが可能となる。

このように、本解決手段では、上記熱交換器が、内燃機関の暖機運転中には、二次空気によって冷却水を冷却して上記冷却水に対流を生じさせる機能を備えながらも、内燃機関の暖機運転完了後には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラとして機能するようにしている。このため、従来の内燃機関に備えられていたＥＧＲクーラを廃することができ、上記熱交換器を設けたことによる車体重量の大幅な増加や製造コストの大幅な高騰を招くことなしに、上記効果を奏することが可能である。

上記解決手段が適用可能な冷却水循環回路として具体的には、以下の複数の回路構成が挙げられる。

先ず、冷却水循環回路に、内燃機関本体のシリンダブロック側ウォータジャケットからシリンダヘッド側ウォータジャケットに亘って冷却水を圧送するウォータポンプを備えさせる。そして、上記冷却水停止動作では、このウォータポンプを停止することで、シリンダブロック側ウォータジャケット及びシリンダヘッド側ウォータジャケットの両方に対して冷却水の圧送を停止するものである。

また、冷却水循環回路に、内燃機関本体のシリンダブロック側ウォータジャケットからシリンダヘッド側ウォータジャケットに亘って冷却水を圧送するウォータポンプを備えさせる。そして、上記冷却水停止動作では、このウォータポンプからシリンダブロック側ウォータジャケットへの冷却水供給経路を遮断することで、シリンダブロック側ウォータジャケット及びシリンダヘッド側ウォータジャケットの両方に対して冷却水の圧送を停止するものである。

また、冷却水循環回路を、内燃機関本体のシリンダブロック側ウォータジャケット及びシリンダヘッド側ウォータジャケットそれぞれに対して個別に冷却水を圧送可能な構成とする。そして、上記冷却水停止動作では、シリンダブロック側ウォータジャケットへの冷却水の圧送を停止し、シリンダヘッド側ウォータジャケットへ冷却水を圧送するようにし、上記熱交換器を、上記シリンダブロック側ウォータジャケットの上方に配設し且つ、このシリンダブロック側ウォータジャケットとの間で冷却水の相互流通を可能な構成とするものである。

これら何れの冷却水循環回路にあっても、上記熱交換器を設けたことによる車体重量の大幅な増加や製造コストの大幅な高騰を招くことなしに、上記効果（暖機運転中における冷却水温度の均一化、暖機運転完了後におけるＥＧＲガスの冷却効果）を奏することが可能である。また、冷却水停止動作時に、シリンダブロック側ウォータジャケットへの冷却水の圧送を停止し、シリンダヘッド側ウォータジャケットへ冷却水を圧送するようにしたものにあっては、熱交換器の取り付け箇所としてはシリンダブロック側ウォータジャケットの上方であればよく、例えばシリンダヘッドの側面等に取り付けることも可能であり、その設置箇所の自由度が高いものである。

また、上記熱交換器はシリンダヘッドの上面に取り付けられている。

また、冷却水を圧送するウォータポンプは、内燃機関の駆動に依存することなく駆動及び停止が切り換え可能な構成とされている。

また、上記熱交換器内部の冷却水通路から延びる配管、上記二次空気の供給経路を構成する二次空気供給配管、上記ＥＧＲガスの還流経路を構成する排気還流配管がそれぞれ接続される三方弁を設ける。そして、上記経路切り換え制御手段が、内燃機関の暖機運転中には、熱交換器内部の冷却水通路から延びる配管と二次空気供給配管とを連通させるように三方弁を切り換え、内燃機関の暖機運転完了後には、熱交換器内部の冷却水通路から延びる配管と排気還流配管とを連通させるように三方弁を切り換える構成としている。

本発明では、冷却水と二次空気またはＥＧＲガスとの間で熱交換を行う熱交換器を設けたことによる車体重量の大幅な増加や製造コストの大幅な高騰を招くことなしに、暖機運転中における冷却水の冷却効果、暖機運転完了後におけるＥＧＲガスの冷却効果を奏することが可能である。

実施形態に係る冷却水循環回路及びエンジンの吸排気系を模式的に示す図である。 熱交換器の一部を破断した底面図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に対応した位置での熱交換器の断面図である。 ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 熱交換切り換え動作の手順を示すフローチャート図である。 エンジンの暖機運転中における冷却水の状態及び二次空気の供給状態を説明するための模式図である。 エンジンの暖機完了後における冷却水の状態及びＥＧＲガスの供給状態を説明するための模式図である。 第１の変形例における冷却水循環回路及びエンジンの吸排気系を模式的に示す図である。 第２の変形例における冷却水循環回路及びエンジンの吸排気系を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、自動車に搭載された多気筒ガソリンエンジン（内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。

図１は、本実施形態に係る冷却水循環回路１及びエンジンの吸排気系２，３を模式的に示す図である。以下、これら冷却水循環回路１及び吸排気系２，３の構成について具体的に説明する。

−冷却水循環回路１−
図１に示すように、本実施形態に係る冷却水循環回路１には、ラジエータ１１、サーモスタット１２、ウォータポンプ１３、ヒータコア１４、これら各機器１１，１２，１３，１４を接続する配管Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６，Ｈ７が備えられている。

具体的には、ラジエータ１１のロアタンク１１ａとサーモスタット１２の第１の流入口１２ａとがロア配管Ｈ１によって接続されており、このサーモスタット１２の流出口１２ｃとウォータポンプ１３の吸入側とがポンプ吸入配管Ｈ２によって接続されている。

また、ウォータポンプ１３の吐出側はエンジン本体（以下、単に「エンジン」と呼ぶ場合もある）Ｅに形成されたウォータジャケット（冷却水流路）１５に連通している。

このウォータジャケット１５は、シリンダブロックＥ１の内部に形成されたシリンダブロック側ウォータジャケット１５ａ、及び、シリンダヘッドＥ２の内部に形成され且つ上記シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａの下流側に繋がるシリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂを備えている。このため、このウォータジャケット１５では、ウォータポンプ１３から吐出された冷却水（熱回収媒体）がシリンダブロック側ウォータジャケット１５ａを経た後、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂに導入されるようになっている。

また、このシリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂを流れた冷却水は、取り出し管Ｈ３によってエンジン本体（内燃機関本体）Ｅから取り出されるようになっている。この取り出し管Ｈ３は分岐され、一方はアッパ配管Ｈ４によってラジエータ１１のアッパタンク１１ｂに接続されている。取り出し管Ｈ３の他方はヒータ配管Ｈ５によって上記ヒータコア１４に接続されている。

また、上記アッパ配管Ｈ４には、バイパス配管Ｈ６が接続されており、このバイパス配管Ｈ６の下流端は上記サーモスタット１２の第２の流入口１２ｂに接続されている。更に、上記ヒータコア１４とウォータポンプ１３の吸入側（上記ポンプ吸入配管Ｈ２）とはヒータ出口配管Ｈ７によって接続されている。以上が、冷却水循環回路１の基本回路構成である。その他の回路構成（本実施形態において特徴とする回路構成）については後述する。

以下、この冷却水循環回路１を構成している各機器の構成及び機能について簡単に説明する。

上記ラジエータ１１は、ダウンフロータイプのものであり、アッパタンク１１ｂとロアタンク１１ａとの間にラジエータコア１１ｃが備えられている。これにより、エンジン本体Ｅからアッパ配管Ｈ４を経てアッパタンク１１ｂに回収された冷却水がロアタンク１１ａに向けてラジエータコア１１ｃの内部を流下する際に外気（走行風や冷却ファンの駆動による送風）との間で熱交換を行い、外気に放熱することで冷却水が冷却されるようになっている。

サーモスタット１２は、冷却水循環回路１の水路を切り換えることによって冷却水の温度を調整するものであって、例えば内部に封入されたワックスの熱膨張を利用し、内装されたバルブが冷却水温度に応じて開閉される機構を備えている。

そして、エンジン本体Ｅの冷間時、つまり冷却水温度が比較的低い場合には、サーモスタット１２の第１の流入口１２ａが閉鎖されると共に第２の流入口１２ｂが開放され、ウォータポンプ１３の駆動時には、ラジエータ１１のロアタンク１１ａからウォータポンプ１３へ向かう冷却水の流れが停止されると共に上記バイパス配管Ｈ６からウォータポンプ１３に向かって冷却水が流れることになる。つまり、ラジエータ１１を使用しない冷却水循環動作が行われる。

一方、エンジン本体Ｅの暖機完了後、つまり冷却水温度が比較的高い場合には、サーモスタット１２の第２の流入口１２ｂが閉鎖されると共に第１の流入口１２ａが開放され、上記バイパス配管Ｈ６からウォータポンプ１３へ向かう冷却水の流れが停止されると共にラジエータ１１のロアタンク１１ａからウォータポンプ１３に向かって冷却水が流れることになる。つまり、ラジエータ１１に冷却水を流す冷却水循環動作を行うことで、冷却水が回収した熱をラジエータ１１によって大気に放出する。

ウォータポンプ１３は、冷却水循環回路１内に水流を発生させるためのものであって、エンジンＥの駆動とは独立して駆動・停止が切り換えられる電動ウォータポンプで構成されている。このウォータポンプ１３としては、電動式のものに限らず、エンジンＥの出力軸であるクランクシャフトの回転駆動力を受けて駆動するものであってもよい。この場合、ウォータポンプ１３の駆動軸とクランクシャフトとの間にはクラッチ機構が介在され、エンジンＥの駆動状態において、クラッチ機構が係合状態にあるときにウォータポンプ１３が駆動し、クラッチ機構が解放状態であるときにウォータポンプ１３が停止する構成とされる。

上記ヒータコア１４は、冷却水の熱を利用して車室内を暖房するためのものであって、図示しないエアコンディショナの送風ダクトに臨んでいる。つまり、車室内の暖房時には送風ダクト内を流れる空調風をヒータコア１４に通過させて温風として車室内に供給する一方、それ以外（例えば冷房時）では空調風がヒータコア１４をバイパスするようになっている。

また、本実施形態に係る冷却水循環回路１における冷却水の循環動作として、エンジンＥの冷間始動時にあってはウォータポンプ１３が停止される。つまり、ウォータポンプ１３を停止させて、冷却水循環回路１内での冷却水の循環を行わせないことで、シリンダブロックＥ１及びシリンダヘッドＥ２の温度を早急に高めるようにしている（本発明における冷却水流路に対する冷却水の圧送を停止させる冷却水停止動作の実行）。これにより、エンジン始動後の短期間のうちにエンジン内各所でのフリクションロスの低減を図って燃料消費率の改善を図るようにしている。以下、この運転状態を「冷間始動初期運転」と呼ぶこととする。

そして、エンジンＥの暖機運転が所定期間実行されると、ウォータポンプ１３を駆動する。この際、冷却水温度（サーモスタット１２の内部に存在している冷却水の温度）は未だ低いため、サーモスタット１２は、第１の流入口１２ａが閉鎖されると共に第２の流入口１２ｂが開放されており、上述したようにラジエータ１１を使用しない冷却水循環動作が開始される。つまり、ウォータポンプ１３から吐出された冷却水は、シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａ、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂを経て、取り出し管Ｈ３から取り出される。この取り出し管Ｈ３から取り出された冷却水の一部は、アッパ配管Ｈ４、バイパス配管Ｈ６、サーモスタット１２及びポンプ吸入配管Ｈ２を経てウォータポンプ１３に戻る。また、上記取り出し管Ｈ３から取り出された他の冷却水は、ヒータ配管Ｈ５、ヒータコア１４、ヒータ出口配管Ｈ７及びポンプ吸入配管Ｈ２を経てウォータポンプ１３に戻る。以下、この運転状態を「半暖機運転」と呼ぶこととする。

その後、エンジンＥの暖機運転が完了すると、サーモスタット１２の第２の流入口１２ｂが閉鎖されると共に第１の流入口１２ａが開放され、ラジエータ１１に冷却水を流す冷却水循環動作が開始されることになる。つまり、ウォータポンプ１３から吐出された冷却水は、シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａ、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂを経て、取り出し管Ｈ３から取り出される。この取り出し管Ｈ３から取り出された冷却水の一部は、アッパ配管Ｈ４、ラジエータ１１、ロア配管Ｈ１、サーモスタット１２及びポンプ吸入配管Ｈ２を経てウォータポンプ１３に戻る。また、上記取り出し管Ｈ３から取り出された他の冷却水は、ヒータ配管Ｈ５、ヒータコア１４、ヒータ出口配管Ｈ７及びポンプ吸入配管Ｈ２を経てウォータポンプ１３に戻る。以下、この運転状態を「暖機完了後運転」と呼ぶこととする。

−エンジンＥの吸排気系２，３−
次に、エンジンＥの吸排気系２，３について説明する。本実施形態に係るエンジンＥは、吸気系２から供給される空気と図示しない燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合して成る混合気を燃焼室に供給して燃焼させた後、その燃焼に伴って発生する排気ガスを排気系３から大気に放出するようになっている。

吸気系２は、吸気管２１を備え、この吸気管２１上に、吸気流れの上流側から下流側に亘って、エアクリーナ２２、スロットルボディ２３、サージタンク２４が設けられている。また、吸気管２１の下流端にはインテークマニホールド２５が接続されており、このインテークマニホールド２５によってエンジン本体Ｅの各気筒内に向けて吸気が分流されるようになっている。そして、これら各部材の内部空間により、エンジン本体Ｅの各気筒内に吸入空気を導入するための吸気通路が構成されている。

一方、排気系３は、エンジン本体Ｅに取り付けられたエキゾーストマニホールド３１と、このエキゾーストマニホールド３１に接続された排気管３２とを備えており、上記エキゾーストマニホールド３１と排気管３２との内部空間によって排気ガスを排出するための排気通路が構成されている。

上記排気管３２には、２つの触媒３３，３４が直列に設置されており、この２つの触媒３３，３４により排気ガスが浄化される。

これらの触媒３３，３４のうち、排気管３２において排気ガスの流れ方向の上流側に設置される触媒３３は、いわゆるスタートキャタリスタ（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるものである。一方、排気管３２において排気ガスの流れ方向の下流側に設置される触媒３４は、いわゆるメインキャタリスタ（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスタ（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるものである。

これらの触媒３３，３４は、共に、例えば三元触媒により構成されている。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させるといった浄化作用を発揮する。

−熱交換構造−
次に、本実施形態の特徴とする構成について説明する。

本実施形態におけるエンジンＥは、シリンダヘッドＥ２の上部に熱交換器４が配設されている。この熱交換器４は、上記冷却水循環回路１内の冷却水と、空気またはＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスとの間で熱交換を行うためのものである。つまり、上記熱交換器４の内部には冷却水通路４ａと気体通路４ｂとが設けられており、この冷却水通路４ａに存在する（または、この冷却水通路４ａを流れる）冷却水と、気体通路４ｂを流れる気体（後述する二次空気またはＥＧＲガス）との間で熱交換が行われるようになっている。以下、具体的に説明する。

（熱交換器４）
上記熱交換器４の内部に設けられている冷却水通路４ａは、上記シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂから分岐されている。つまり、冷却水通路４ａはシリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂとの間で冷却水の相互流通が可能となっている。また、ウォータポンプ１３の駆動時には、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂを流れる冷却水の一部が熱交換器４の冷却水通路４ａに流れ込み、上記気体通路４ｂを流れる気体との間で熱交換を行った後、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂを流れる冷却水に合流するようになっている。この合流した冷却水は上記取り出し管Ｈ３によってエンジン本体Ｅから取り出されることになる。

一方、熱交換器４の内部に設けられている気体通路４ｂは、一端側が低温側配管５１を介して三方弁で成る切り換え弁（経路切り換え弁）５３に接続されている一方、他端側が高温側配管５２を介して上記エキゾーストマニホールド３１に接続されている。

ここで、上記熱交換器４の構造について具体的に説明する。図２は熱交換器４の一部を破断した底面図である（図２の手前側の面がシリンダヘッドＥ２の上面に取り付けられる）。また、図３は図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に対応した位置での熱交換器４の断面図である。これらの図に示すように、熱交換器４は、シェルアンドチューブ型で構成されており、筒型の熱交換器ケーシング４１と、この熱交換器ケーシング４１の内部に配設された複数本の偏平形状の配管４２，４２，…と、熱交換器ケーシング４１の両側に配設された低温側及び高温側の各ヘッダ（集合管）４３，４４とを備えている。

熱交換器ケーシング４１は、断面が矩形状の筒体で形成されており、その長手方向の中央部分に位置するケーシング本体部４５と、このケーシング本体部４５の長手方向の両端部に設けられた流入側及び流出側の拡大部４６，４７とを有している。これらケーシング本体部４５及び各拡大部４６，４７は共に断面矩形状であり、ケーシング本体部４５の断面形状に対して各拡大部４６，４７の断面形状の方が大きく設定されている。図中左側に位置する流入側拡大部４６には、上記シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂから冷却水を流入するための冷却水流入口４６ａが形成されている。一方、図中右側に位置する流出側拡大部４７には、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂに向けて冷却水を流出するための冷却水流出口４７ａが形成されている。これら、冷却水流入口４６ａ、冷却水流出口４７ａ及び熱交換器ケーシング４１の内部空間（上記配管４２，４２，…の外側空間）によって上記冷却水通路４ａが構成されている。

上記各配管４２，４２，…は、両端が各拡大部４６，４７の隔壁４６ｂ，４７ｂを貫通して各ヘッダ４３，４４の内部に連通している。具体的には、各配管４２，４２，…の図中左側端が流入側拡大部４６の隔壁４６ｂを貫通して低温側ヘッダ４３の内部空間に連通している一方、各配管４２，４２，…の図中右側端が流出側拡大部４７の隔壁４７ｂを貫通して高温側ヘッダ４４の内部空間に連通している。

上記低温側ヘッダ４３には上記低温側配管５１が接続されている。一方、上記高温側ヘッダ４４には上記高温側配管５２が接続されている。これら各ヘッダ４３，４４の内部空間、上記配管４２，４２，…の内部空間によって上記気体通路４ｂが構成されている。

尚、熱交換器４の構成としては上述したものには限定されず、冷却水と気体（二次空気またはＥＧＲガス）との間で熱交換が可能な構成であればよい。

（二次空気供給装置及びＥＧＲ装置）
上記切り換え弁５３には、二次空気供給装置６及びＥＧＲ（排気還流）装置７が接続され、この切り換え弁５３の切り換え動作により、二次空気供給装置６が低温側配管５１を介して熱交換器４の気体通路４ｂに接続（連通）する状態と、ＥＧＲ装置７が低温側配管５１を介して熱交換器４の気体通路４ｂに接続（連通）する状態とが切り換えられる構成となっている。以下、二次空気供給装置６及びＥＧＲ装置７について説明する。

二次空気供給装置６は、上記切り換え弁５３に接続される二次空気供給配管６１を備え、この二次空気供給配管６１上において、外気吸入側から切り換え弁５３側（熱交換器４側）に向けて、エアフィルタ６２、エアポンプ６３、エアスイッチングバルブ６４が順に配設されている。

上記エアフィルタ６２は、エアポンプ６３の駆動に伴って二次空気供給配管６１に導入される外気を浄化する。

上記エアポンプ６３は、外気を吸引し、二次空気供給配管６１を通じ、切り換え弁５３、低温側配管５１、熱交換器４、高温側配管５２を経てエンジンＥの排気系３（具体的にはエキゾーストマニホールド３１）に、この外気を二次空気として供給する。具体的に、このエアポンプ６３は、電動式エアポンプであって、後述するＥＣＵ８（図４を参照）からの駆動指令信号に従って図示しないバッテリ（蓄電池）からの給電によりインペラが回転し、二次空気供給配管６１に空気（二次空気）を圧送するようになっている。また、上記高温側配管５２は各気筒（４気筒）に対応するように分岐されてエキゾーストマニホールド３１に接続されているため、上記圧送された二次空気はエキゾーストマニホールド３１の各枝管に分流されることになる。

上記エアスイッチングバルブ６４は、電磁駆動式の開閉弁で構成されており、二次空気供給配管６１を開閉する機能を有している。このエアスイッチングバルブ６４が開状態にある場合には二次空気供給配管６１における二次空気の流通を許容する。一方、このエアスイッチングバルブ６４が閉状態にある場合には二次空気供給配管６１における二次空気の流通を禁止する。尚、このエアスイッチングバルブ６４は、通常状態では閉弁状態となっており、ＥＣＵ８からの開放指令信号に従って開弁状態となる常閉型電磁開閉弁である。

上記ＥＧＲ装置７は、排気系３の排気ガスの一部を吸気系２に還流させることにより、燃焼室内での燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ発生量を低減させるためのものである。具体的に、このＥＧＲ装置７は、一端（上流端）が上記切り換え弁５３に接続され且つ他端（下流端）が上記サージタンク２４に接続されたＥＧＲ配管（排気還流配管）７１を備え、このＥＧＲ配管７１上にＥＧＲバルブ７２が配設されている。このＥＧＲバルブ７２は、電子制御によって無段階に開度調整され、ＥＧＲ配管７１を流れる排気還流量を自在に調整することが可能となっている。

−制御系−
上記エンジンＥの運転状態、二次空気供給装置６及びＥＧＲ装置７の作動状態、上記切り換え弁５３の切り換え動作はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）８によって制御される。このＥＣＵ８は、図４に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）８１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）８２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）８３及びバックアップＲＡＭ８４などを備えている。

ＲＯＭ８２は、各種制御プログラム（例えば二次空気供給装置６におけるエアポンプ６３及びエアスイッチングバルブ６４の制御プログラム等）や、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ８１は、ＲＯＭ８２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。ＲＡＭ８３は、ＣＰＵ８１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。バックアップＲＡＭ８４は、エンジンＥの停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

これらＲＯＭ８２、ＣＰＵ８１、ＲＡＭ８３及びバックアップＲＡＭ８４は、バス８７を介して互いに接続されるとともに、外部入力回路８５及び外部出力回路８６と接続されている。

外部入力回路８５には、吸入空気量を検出するエアフローメータ９１、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ９２、冷却水温度を検出する水温センサ９３、クランクシャフトが所定回転角度だけ回転する毎にパルス信号を発信するクランクポジションセンサ９４、上記エアフローメータ９１に内蔵され吸入空気の温度を検出する吸気温センサ９５、スロットルバルブの開度を検出するスロットル開度センサ９６、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ９７等が接続されている。各センサの構成及び機能は周知であるため、ここでの説明は省略する。

一方、外部出力回路８６には、上記スロットルバルブを駆動するスロットルモータ９Ａ、エンジンＥの気筒内に向けて燃料を噴射するインジェクタ９Ｂ、図示しない点火プラグの点火タイミングを調整するイグナイタ９Ｃ、上記ウォータポンプ１３、上記エアポンプ６３、上記エアスイッチングバルブ６４、上記ＥＧＲバルブ７２、上記切り換え弁５３等が接続されている。

−熱交換動作−
次に、上記熱交換器４を利用した熱交換動作について説明する。この熱交換動作の概略について説明すると、エンジンＥの暖機運転中には、上記二次空気供給装置６と熱交換器４とを連通させるように切り換え弁５３が切り換えられ（図１に実線で示す切り換え状態を参照）、この二次空気供給装置６から圧送される二次空気が、熱交換器４に導入され、この熱交換器４の内部において冷却水との間で熱交換を行った後に、エキゾーストマニホールド３１に導入される。つまり、熱交換器４の内部の冷却水から熱を奪って、この冷却水の温度を低下させた後、排気系３に供給されることで、排気中の酸素濃度を上昇させ、排気管３２内でのＨＣ、ＣＯの二次燃焼を促進させるようにしている。また、熱交換器４とウォータジャケット１５との間においては、熱交換器４において冷却水が二次空気によって冷却されていることで、後述する冷却水の対流が生じている（本発明でいう経路切り換え制御手段による内燃機関の暖機運転中の動作）。この動作が、上記「冷間始動初期運転」及び「半暖機運転」において実行される。

一方、エンジンＥの暖機完了後には（上記「暖機完了後運転」では）、上記ＥＧＲ装置７と熱交換器４とを連通させるように切り換え弁５３が切り換えられ（図１に破線で示す切り換え状態を参照）、エキゾーストマニホールド３１を流れる排気ガスの一部が、熱交換器４に導入され、この熱交換器４の内部において冷却水との間で熱交換を行った後に、サージタンク２４に導入される。つまり、還流される排気ガス（ＥＧＲガス）を熱交換器４の内部の冷却水によって冷却した後に吸気系２に導入することで、排気ガスの密度を高めて吸気系２を流れる吸気に合流させるようにしている（本発明でいう経路切り換え制御手段による内燃機関の暖機運転完了後の動作）。以下、これら熱交換状態を切り換える動作について具体的に説明する。

図５は、熱交換切り換え動作の手順を示すフローチャート図である。このフローチャートは、エンジンＥの始動後、数ｍｓｅｃ毎またはクランクシャフトの所定回転角度毎に実行される。

先ず、ステップＳＴ１において、エンジンＥが暖機運転中であるか否かを判定する。この判定は、エンジン始動直前に上記水温センサ９３によって検出された冷却水温度と、エンジン始動後の経過時間とに基づいて行われる。つまり、エンジン始動直前の冷却水温度が既に暖機完了温度（例えば８０℃）に達している場合（例えばエンジンＥの停止直後に再始動された場合）にはエンジンＥは暖機運転中ではないとして、ステップＳＴ１でＮＯ判定される。一方、エンジン始動直前の冷却水温度が暖機完了温度に達していない場合には、その冷却水温度と暖機完了温度との偏差に基づいて、エンジンＥの暖機運転が完了するまでの時間を予め算出しておく。つまり、上記偏差が大きいほどエンジンＥの暖機運転が完了するまでの時間を長く設定しておく。そして、エンジンＥの始動後、その算出した時間（暖機運転が完了したと判定する時間）が経過するまではエンジンＥは暖機運転中であるとして、ステップＳＴ１でＹＥＳ判定される一方、その時間が経過すると、エンジンＥの暖機運転は完了したとして、ステップＳＴ１でＮＯ判定される。

上記エンジンＥの暖機運転が完了するまでの時間の算出動作としては、上記エンジン始動直前の冷却水温度及びエンジン始動後の経過時間をパラメータとする演算式を上記ＲＯＭ８２に記憶させることで算出するようにしている。また、上記エンジン始動直前の冷却水温度及びエンジン始動後の経過時間から、暖機運転が完了するまでの時間を求めるマップを上記ＲＯＭ８２に記憶させ、このマップを参照することで暖機運転が完了するまでの時間を求めるようにしてもよい。また、図示しない油温センサによって潤滑油温度を検出し、この潤滑油温度に基づいてエンジンＥが暖機運転中であるか否かを判定するようにしてもよい。

エンジンＥが暖機運転中である場合には、ステップＳＴ１でＹＥＳ判定され、ステップＳＴ２に移る。このステップＳＴ２では、上記切り換え弁５３を二次空気供給装置６側に切り換える（図１に実線で示す切り換え状態）。つまり、二次空気供給装置６の二次空気供給配管６１が低温側配管５１を介して熱交換器４の気体通路４ｂに接続（連通）する状態にする。また、ステップＳＴ３において、エアスイッチングバルブ６４を開放すると共にエアポンプ６３を駆動する。より具体的には、エアポンプ６３を駆動して二次空気供給配管６１の内部圧力を排気管３２の内部圧力よりも高めた状態でエアスイッチングバルブ６４を開放する。つまり、エアポンプ６３を駆動した後に、エアスイッチングバルブ６４を開放する。これにより、排気ガスの二次空気供給配管６１への流れ込みを防止した状態で、エアフィルタ６２を通過した外気を二次空気として二次空気供給配管６１を介し、熱交換器４を経てエキゾーストマニホールド３１に導く。つまり、排気系３への二次空気供給動作が開始されることになる。図６は、このエンジンＥの暖機運転中における冷却水の状態及び二次空気の供給状態を示す模式図である。この図６において実線で示す矢印は二次空気の流れを示しており、破線で示す矢印はウォータジャケット１５と熱交換器４との間での冷却水の対流（この対流については後述する）を示している。

この二次空気の供給により、排気中の酸素濃度が上昇し、排気管３２内でのＨＣ、ＣＯの二次燃焼が促進される。その結果、排気温度を上昇させることで触媒３３，３４の昇温を促進することができ、排気ガスの浄化率の向上を図ることができる。

このような運転状態（エンジンＥの暖機運転）にあっては、上述した如くウォータポンプ１３が停止しており、冷却水循環回路１にあっては冷却水は循環していない。このため、特に、燃焼室周囲に存在する冷却水は、燃焼ガスからの受熱量が多くなることで、他の領域に存在する冷却水よりも温度が高くなっている。このように高温となった冷却水は、他の領域の冷却水との間の温度差による密度差に起因し、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂから熱交換器４の冷却水通路４ａに流れ込むことになる。

そして、この熱交換器４にあっては、二次空気供給装置６から導入された外気（二次空気）が熱交換器４の気体通路４ｂを流れる際に、この外気と冷却水（冷却水通路４ａに流れ込んだ高温の冷却水）との間で熱交換が行われる。この熱交換により、冷却水は二次空気によって冷却されて温度が低下し、二次空気は冷却水により加熱されて温度が上昇する。

このため、熱交換器４の冷却水通路４ａに存在する冷却水の温度が、他の領域（例えばシリンダブロック側ウォータジャケット１５ａ内）の冷却水の温度よりも低くなり、この温度差（密度差）によってエンジンＥと熱交換器４との間で冷却水が対流することになる。つまり、熱交換器４の冷却水通路４ａに存在していた冷却水がシリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂやシリンダブロック側ウォータジャケット１５ａに流れ込むことになる一方、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂやシリンダブロック側ウォータジャケット１５ａに存在していた冷却水が熱交換器４の冷却水通路４ａに流れ込むことになる。

このように、ウォータポンプ１３を停止した状態でありながらも、上記対流によって冷却水が循環されることになるため、熱交換器４の冷却水通路４ａ、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂ、シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａそれぞれにおける冷却水温度が均一化され、局部的に高温度の冷却水が存在するといったことが解消されることになる。

また、この状態では、二次空気は冷却水によって加熱されて温度上昇しているため、排気管３２内でのＨＣ、ＣＯの二次燃焼がよりいっそう促進されることになり、触媒３３，３４の昇温を大幅に促進することができる。

このようなエンジンＥの暖機運転が継続された状態から、エンジンＥの暖機運転が完了すると（上記時間が経過すると）、ステップＳＴ４でＹＥＳ判定され、ステップＳＴ５に移って、上記切り換え弁５３をＥＧＲ装置７側に切り換える（図１に破線で示す切り換え状態）。つまり、ＥＧＲ装置７が低温側配管５１を介して熱交換器４の気体通路４ｂに接続（連通）する状態にする。また、ステップＳＴ６において、上記二次空気供給装置６のエアスイッチングバルブ６４を閉鎖すると共に、エアポンプ６３を停止する。これにより、上記ＥＧＲバルブ７２が開放されれば、排気系３から吸気系２へ向けてのＥＧＲガスの供給が行える状態となる。

ステップＳＴ７では、ＥＧＲバルブ７２の制御が実行される。つまり、エンジンＥの運転状態に応じたＥＧＲガス還流量が得られるようにＥＧＲバルブ７２の開度が制御される。図７は、このエンジンＥの暖機完了後における冷却水の状態及びＥＲＧガスの供給状態を示す模式図である。この図７において実線で示す矢印はＥＧＲガスの流れ及びエンジンＥと熱交換器４との間での冷却水の流れを示している。

ＥＧＲバルブ７２の開度制御は、例えば上記ＲＯＭ８２に記憶されたＥＧＲバルブ開度マップに従って行われる。このＥＧＲバルブ開度マップは、例えばエンジン負荷及びエンジン回転数をパラメータとしてＥＧＲ率を決定するものであり、このＥＧＲ率が得られるように、上記エアフローメータ９１によって検出された吸入空気量に応じてＥＧＲバルブ７２の開度を調整することになる。

そして、ＥＧＲバルブ７２が開放されて排気還流動作が開始されると、燃焼室内における燃焼温度が低下し、これによってＮＯｘ発生量が低減されることになる。また、この状態では、ＥＧＲガスは冷却水によって冷却されて温度低下しているため、還流されるＥＧＲガスの密度を高めることができ、ＥＧＲガスを還流させることの効果（燃焼温度の抑制効果）を確実に得ることが可能となる。

また、上記ステップＳＴ１においてエンジンＥが暖機運転中でないと判定された場合には、上記二次空気供給動作を実行することなく、ステップＳＴ７に移って上記ＥＧＲバルブ７２の制御を実行する。例えば、エンジンＥが暖機運転完了状態から停止され、その直後に再始動された場合には、ステップＳＴ１でＮＯ判定され、二次空気供給動作を実行することなく、ＥＧＲバルブ７２の制御を実行することになる。

また、上記ステップＳＴ４においてＮＯ判定された場合には、ステップＳＴ８に移り、イグニッションＯＦＦ操作等によってエンジンＥが停止されたか否かを判定する。つまり、エンジンＥの暖機運転が完了する前にエンジンＥが停止されたか否かを判定する。エンジンＥが停止されておらず、ステップＳＴ８でＮＯ判定された場合には、そのままリターンされ、上述した二次空気供給動作が継続される。

一方、エンジンＥが停止され、ステップＳＴ８でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ９に移り、上記二次空気供給装置６のエアスイッチングバルブ６４を閉鎖すると共に、エアポンプ６３を停止してリターンされる。つまり、二次空気供給装置６のエアスイッチングバルブ６４及びエアポンプ６３を初期状態に戻しておく。ここでエアスイッチングバルブ６４を閉鎖する理由は、排気系３から二次空気供給配管６１への排気ガスの流入を阻止し、この排気ガス中に含まれる水分が二次空気供給配管６１内で結露してしまうことによる不具合を防止（低外気時に水分が凍結したり、二次空気供給配管６１が腐食したりすることを防止）するためである。

以上説明したように、本実施形態では、エンジンＥの暖機運転時にあっては、二次空気供給装置６と熱交換器４とを連通させるように切り換え弁５３を切り換え、二次空気と冷却水との間で熱交換を行わせて、エンジンＥと熱交換器４との間で冷却水が対流するようにしている。このため、ウォータポンプ１３を停止した状態でありながらも、この対流によって冷却水が循環されることになり、局部的に高温度の冷却水が存在するといったことが解消される。その結果、一部の冷却水のみが沸騰して冷却水漏れが発生してしまうことを防止でき、また、シリンダブロックＥ１における燃焼室周囲の熱膨張量が特に大きくなってボア径が大きくなることに伴う打音の発生を防止することができる。また、ウォータポンプ１３の駆動開始時にウォータジャケット１５から流出される冷却水の温度が比較的低く抑えられるため、冷却水循環回路１の各種部品への悪影響やエンジン運転状態への悪影響も回避することができる。

また、上記二次空気は冷却水によって加熱されて温度上昇しているため、排気管３２内でのＨＣ、ＣＯの二次燃焼がよりいっそう促進されることになり、触媒３３，３４の昇温を大幅に促進することができて、排気ガスの浄化率の向上を図ることができる。

また、エンジンＥの暖機完了後にあっては、ＥＧＲ装置７と熱交換器４とを連通させるように切り換え弁５３を切り換え、二次空気とＥＧＲガスとの間で熱交換を行わせるようにしている。このため、還流されるＥＧＲガスの密度を高めることができ、ＥＧＲガスを還流させることの効果（燃焼温度の抑制効果）を確実に得ることが可能である。

このように、上記熱交換器４は、エンジンＥの暖機運転時には、二次空気によって冷却水を冷却してエンジンＥと熱交換器４との間で冷却水を対流させる機能を備えながらも、エンジンＥの暖機完了後には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラとして機能するようになっている。このため、従来のエンジンに備えられていたＥＧＲクーラを廃することができる。その結果、上記熱交換器４を設けたことによる車体重量の大幅な増加や製造コストの大幅な高騰を招くことなしに、上記効果を奏することが可能である。

−第１の変形例−
上述した実施形態における冷却水循環回路１は、エンジンＥの暖機運転時にウォータポンプ１３を停止させるものであった。本変形例は、エンジンＥの暖機運転時に、ウォータポンプ１３を駆動させながらも、シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａ及びシリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂへの冷却水の供給を停止させるようにしたものである。ここでは上記実施形態との相違点について主に説明する。

図８は、本変形例における冷却水循環回路１及びエンジンＥの吸排気系２，３を模式的に示す図である。

この図８に示すように、本変形例における冷却水循環回路１は、ウォータポンプ１３の吐出側にもサーモスタット１６を備えている。また、ヒータ配管Ｈ５には、排気ガスの排熱を回収する（排気ガスの排熱を冷却水に付与する）ための排熱回収器１７が設けられている。この排熱回収器１７の構成は周知であるため、ここでの説明は省略する。また、上記サーモスタット１６における第２の流出口１６ｂとヒータ配管Ｈ５における排熱回収器１７の上流側との間は排熱回収配管Ｈ８によって接続されている。

上記サーモスタット１６は、エンジン本体Ｅの冷間時、つまり冷却水温度が比較的低い場合には、第１の流出口１６ａが閉鎖されると共に第２の流出口１６ｂが開放され、ウォータポンプ１３から吐出された冷却水が、サーモスタット１６を介し、排熱回収配管Ｈ８、排熱回収器１７、ヒータコア１４及びヒータ出口配管Ｈ７を経てウォータポンプ１３に戻るようになっている。これにより、排熱回収器１７によって回収された排気ガスの排熱がヒータコア１４によって送風ダクト内を流れる空調風に与えられて車室内の暖房に寄与するようになっている。この際の冷却水循環回路１における冷却水の循環経路を、図８では太線で示している。

一方、上記サーモスタット１６は、エンジン本体Ｅの暖機完了後、つまり冷却水温度が比較的高い場合には、第２の流出口１６ｂが閉鎖されると共に第１の流出口１６ａが開放され、ウォータポンプ１３から吐出された冷却水が、サーモスタット１６を介し、ウォータジャケット１５ａ，１５ｂを経て取り出し管Ｈ３から取り出されるようになっている。この取り出し管Ｈ３から取り出された後の冷却水の流れは上述した実施形態における暖機完了後のものと同様である。

その他の構成及び動作（熱交換切り換え動作等）は上述した実施形態の場合と同様である。

このように、本実施形態のものは、エンジンＥの暖機運転時に、ウォータポンプ１３を駆動させながらも、シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａ及びシリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂへの冷却水の供給を停止させることで、シリンダブロックＥ１及びシリンダヘッドＥ２の温度を早急に高めて、エンジン始動後の短期間のうちにエンジン内各所でのフリクションロスの低減を図るようにしている（本発明における冷却水流路に対する冷却水の圧送を停止させる冷却水停止動作の実行）。

このような構成とされた冷却水循環回路１を有するものにおいても、上記実施形態の場合と同様に、エンジンＥの暖機運転中には、上記二次空気供給装置６と熱交換器４とを連通させるように切り換え弁５３が切り換えられ（図８に実線で示す切り換え状態を参照）、この二次空気供給装置６から圧送される二次空気が、熱交換器４に導入され、この熱交換器４の内部において冷却水との間で熱交換を行った後に、エキゾーストマニホールド３１に導入される。つまり、熱交換器４の内部の冷却水から熱を奪って、この冷却水の温度を低下させた後、排気系３に供給されることで、排気中の酸素濃度を上昇させ、排気管３２内でのＨＣ、ＣＯの二次燃焼を促進させるようにしている。また、熱交換器４にあっては、冷却水が二次空気によって冷却されることにより、エンジンＥと熱交換器４との間で冷却水が対流することになる。この対流によって冷却水が循環されるため、局部的に高温度の冷却水が存在するといったことが解消される。

一方、エンジンＥの暖機完了後には、上記ＥＧＲ装置７と熱交換器４とを連通させるように切り換え弁５３が切り換えられ（図８に破線で示す切り換え状態を参照）、エキゾーストマニホールド３１を流れる排気ガスの一部が、熱交換器４に導入され、この熱交換器４の内部において冷却水との間で熱交換を行った後に、サージタンク２４に導入される。つまり、還流されるＥＧＲガスを熱交換器４の内部の冷却水によって冷却した後に吸気系２に導入することで、排気ガスの密度を高めることができ、ＥＧＲガスを還流させることの効果（燃焼温度の抑制効果）を確実に得ることが可能である。

そして、このエンジンＥの暖機完了後には、熱交換器４を、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラとして機能させるようにしているので、従来のエンジンに備えられていたＥＧＲクーラを廃することができる。このため、上記熱交換器４を設けたことによる車体重量の大幅な増加や製造コストの大幅な高騰を招くことなしに、上記効果を奏することが可能である。

−第２の変形例−
上述した実施形態における冷却水循環回路１は、エンジンＥの暖機運転時にウォータポンプ１３を停止させるものであった。本変形例は、エンジンＥの暖機運転時に、ウォータポンプ１３を駆動させ、シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａへの冷却水の供給を停止させる一方、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂへ冷却水を供給するようにしたものである。つまり、上記「二系統冷却装置」として構成されたものである。ここでも上記実施形態との相違点について主に説明する。

図９は、本変形例における冷却水循環回路１及びエンジンＥの吸排気系２，３を模式的に示す図である。

この図９に示すように、本変形例における冷却水循環回路１は、ウォータポンプ１３の吐出側に配設されたサーモスタット１６、ヒータ配管Ｈ５に配設された排熱回収器１７を備えている点では上記第１の変形例と同様である。

また、本変形例では、シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａとシリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂとがウォータポンプ１３に対して互いに並列に接続されている。

そして、シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａはサーモスタット１６の第１の流出口１６ａに、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂはサーモスタット１６の第２の流出口１６ｂにそれぞれ接続されている。これにより、シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａ及びシリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂそれぞれに対して個別に冷却水を圧送可能となっている。

そして、本変形例における熱交換器４はシリンダブロックＥ１の上方（シリンダヘッドＥ２の側方）に配設されている。本実施形態における熱交換器４も冷却水循環回路１内の冷却水と、空気またはＥＧＲガスとの間で熱交換を行うためのものである。つまり、上記熱交換器４の内部には冷却水通路４ａと気体通路４ｂとが設けられており、この冷却水通路４ａに存在する（または、この冷却水通路４ａを流れる）冷却水と、気体通路４ｂを流れる気体（二次空気またはＥＧＲガス）との間で熱交換が行われるようになっている。冷却水通路４ａは、上記シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａに連通しており、このシリンダブロック側ウォータジャケット１５ａとの間で冷却水の相互流通が可能となっている。つまり、この冷却水通路４ａはシリンダブロック側ウォータジャケット１５ａとの間で冷却水の対流が可能となっている。また、シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａは取り出し管Ｈ９によってヒータ配管Ｈ５に接続されている。

一方、熱交換器４の内部に設けられている気体通路４ｂは、一端側が低温側配管５１を介して三方弁で成る切り換え弁５３に接続されている一方、他端側が高温側配管５２を介して上記エキゾーストマニホールド３１に接続されている。

また、上記シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂは、熱交換器４の冷却水通路４ａとは連通しておらず、上記取り出し管Ｈ３によってアッパ配管Ｈ４及びヒータ配管Ｈ５にそれぞれ接続されている。

エンジン本体Ｅの冷間時、つまり冷却水温度が比較的低い場合には、サーモスタット１６の第１の流出口１６ａが閉鎖されると共に第２の流出口１６ｂが開放され、ウォータポンプ１３から吐出された冷却水が、サーモスタット１６を介し、シリンダヘッド側ウォータジャケット１５ｂへ供給される。この際、シリンダブロック側ウォータジャケット１５ａへは冷却水が供給されないため、シリンダブロックＥ１の温度を早急に高めることができる（本発明における冷却水流路の一部分に対する冷却水の圧送を停止させる冷却水停止動作の実行）。

このような状況において上記切り換え弁５３を二次空気供給装置６側に切り換え、エアスイッチングバルブ６４を開放すると共にエアポンプ６３を駆動する。これにより、二次空気供給装置６から圧送される二次空気が、熱交換器４に導入され、この熱交換器４の内部において冷却水との間で熱交換を行った後に、エキゾーストマニホールド３１に導入される。つまり、熱交換器４の内部の冷却水から熱を奪って、この冷却水の温度を低下させた後、排気系３に供給されることで、排気中の酸素濃度を上昇させ、排気管３２内でのＨＣ、ＣＯの二次燃焼を促進させるようにしている。また、熱交換器４にあっては、冷却水が二次空気によって冷却されることで熱交換器４の冷却水通路４ａとシリンダブロック側ウォータジャケット１５ａとの間で対流が生じている。

また、エンジン本体Ｅの暖機完了後、つまり冷却水温度が比較的高い場合には、サーモスタット１６の第１の流出口１６ａ及び第２の流出口１６ｂが共に開放され、ウォータポンプ１３から吐出された冷却水が、サーモスタット１６を介し、各ウォータジャケット１５ａ，１５ｂに供給されることになる。

このような状況において上記切り換え弁５３をＥＧＲ装置７側に切り換える。これにより、上記ＥＧＲバルブ７２が開放されれば、排気系３から吸気系２へ向けてのＥＧＲガスが還流され、エキゾーストマニホールド３１を流れる排気ガスの一部が、熱交換器４に導入され、この熱交換器４の内部において冷却水との間で熱交換を行った後に、サージタンク２４に導入される。つまり、還流されるＥＧＲガスを熱交換器４の内部の冷却水によって冷却した後に吸気系２に導入することで、排気ガスの密度を高めて吸気系２を流れる吸気に合流されることになる。

その他の構成及び動作（熱交換切り換え動作等）は上述した実施形態及び第１の変形例の場合と同様である。

以上の構成及び動作により、本変形例においても、上記実施形態及び第１の変形例の場合と同様の効果を奏することができる。

−他の実施形態−
以上説明した実施形態及び各変形例は、自動車用エンジンＥに本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、自動車以外に使用されるエンジンに対しても適用可能である。

また、上記第２の変形例にあっては、熱交換器４をシリンダブロックＥ１の上方（シリンダヘッドＥ２の側方）に配設していたが、上記実施形態の場合と同様に、シリンダヘッドＥ２の上面に熱交換器４を取り付けるようにしてもよい。

また、上述した実施形態及び各変形例におけるウォータポンプ１３は、エンジンＥの駆動とは独立して駆動・停止が切り換えられるもの（例えば電動ウォータポンプ）であった。上記第１及び第２の変形例では、エンジンＥの冷間始動時にもウォータポンプ１３は駆動しているため、エンジンＥの駆動に連動する（クランクシャフトに直結された）ウォータポンプ１３であってもよい。

本発明は、暖機運転時に冷却水の循環を停止する冷却水循環回路を備え、局部的に冷却水の温度が上昇することを回避可能なエンジンに適用可能である。

１ 冷却水循環回路
１３ ウォータポンプ
１５ ウォータジャケット（冷却水流路）
１５ａ シリンダブロック側ウォータジャケット
１５ｂ シリンダヘッド側ウォータジャケット
２ 吸気系
３ 排気系
４ 熱交換器
４ａ 冷却水通路
４ｂ 気体通路
５１ 低温側配管
５２ 高温側配管
５３ 切り換え弁
６ 二次空気供給装置
６１ 二次空気供給配管
７ ＥＧＲ装置（排気還流装置）
７１ ＥＧＲ配管（排気還流配管）
Ｅ エンジン本体（内燃機関本体）
Ｅ１ シリンダブロック
Ｅ２ シリンダヘッド

Claims (7)

1. 内燃機関の暖機運転中に、内燃機関本体に形成されている冷却水流路のうちの少なくとも一部分に対する冷却水の圧送を停止させる冷却水停止動作を実行する冷却水循環回路を備えた内燃機関の制御装置において、
   上記冷却水停止動作が実行されている際に冷却水の圧送が停止されている冷却水流路の上方に配設され且つ、この冷却水の圧送が停止されている冷却水流路との間で冷却水の相互流通が可能に構成された熱交換器と、
   上記内燃機関の暖機運転中に、内燃機関の排気系に二次空気を供給する二次空気供給装置からの二次空気と上記熱交換器内部の冷却水との間で熱交換を行う一方、上記内燃機関の暖機運転完了後に、排気ガスを内燃機関の吸気系に還流する排気還流装置からのＥＧＲガスと上記熱交換器内部の冷却水との間で熱交換を可能とするように、上記熱交換器に対する二次空気の供給経路とＥＧＲガスの還流経路との接続状態を切り換える経路切り換え制御手段とが設けられていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
   冷却水循環回路には、内燃機関本体のシリンダブロック側ウォータジャケットからシリンダヘッド側ウォータジャケットに亘って冷却水を圧送するウォータポンプが備えられており、冷却水停止動作では、このウォータポンプが停止されることで、シリンダブロック側ウォータジャケット及びシリンダヘッド側ウォータジャケットの両方に対して冷却水の圧送を停止する構成とされていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
   冷却水循環回路には、内燃機関本体のシリンダブロック側ウォータジャケットからシリンダヘッド側ウォータジャケットに亘って冷却水を圧送するウォータポンプが備えられており、冷却水停止動作では、このウォータポンプからシリンダブロック側ウォータジャケットへの冷却水供給経路を遮断することで、シリンダブロック側ウォータジャケット及びシリンダヘッド側ウォータジャケットの両方に対して冷却水の圧送を停止する構成とされていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
   冷却水循環回路は、内燃機関本体のシリンダブロック側ウォータジャケット及びシリンダヘッド側ウォータジャケットそれぞれに対して個別に冷却水を圧送可能となっており、冷却水停止動作では、シリンダブロック側ウォータジャケットへの冷却水の圧送を停止し、シリンダヘッド側ウォータジャケットへ冷却水を圧送するようになっており、上記熱交換器は、上記シリンダブロック側ウォータジャケットの上方に配設され且つ、このシリンダブロック側ウォータジャケットとの間で冷却水の相互流通が可能に構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項１〜３のうち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
   上記熱交換器はシリンダヘッドの上面に取り付けられていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 請求項１〜５のうち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
   冷却水を圧送するウォータポンプは、内燃機関の駆動に依存することなく駆動及び停止が切り換え可能な構成とされたものであることを特徴とする内燃機関の制御装置。
7. 請求項１〜６のうち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
   上記熱交換器内部の冷却水通路から延びる配管、上記二次空気の供給経路を構成する二次空気供給配管、上記ＥＧＲガスの還流経路を構成する排気還流配管がそれぞれ接続される三方弁が設けられ、
   上記経路切り換え制御手段は、内燃機関の暖機運転中には、熱交換器内部の冷却水通路から延びる配管と二次空気供給配管とを連通させるように三方弁を切り換え、内燃機関の暖機運転完了後には、熱交換器内部の冷却水通路から延びる配管と排気還流配管とを連通させるように三方弁を切り換えるよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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