JP2012007523A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気マニホルドを循環する冷却水の沸騰を抑制することができる内燃機関の冷却装置を提供する。
【解決手段】エンジンシ冷却ステム１は、排気マニホルド１１０に設けられたウォータジャケット１１１に冷却水を循環させる冷却水循環流路２２と、冷却水循環流路２２から分岐してウォータジャケット１１１を迂回するバイパス流路２３と、を有し、エンジン出力およびウォータジャケット１１１を循環する冷却水量（Ｗｔ）に基づいて冷却水とウォータジャケット１１１との熱交換部の温度変化を予測し（Ｔｉ）、予測結果からウォータジャケット１１１を循環する冷却水量の増量必要性を判定する。冷却水量を増量させる必要があると判定すると、バイパス流路２３に設けた制御弁２４を閉弁して連通を遮断し、Ｗｔを増加させて、排気マニホルド１１０を循環する冷却水の沸騰を抑制する。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

従来、排気マニホルド一体型のシリンダヘッドを有する内燃機関が知られている。このような内燃機関は、排気マニホルドを好適に冷却するために、排気マニホルドにウォータジャケットを形成して冷却水を循環させる構成が広く採用されている。

このような内燃機関の冷却装置としては、シリンダヘッドと一体に形成された排気マニホルドに設けたウォータジャケットが、その内部を流れる冷却水が蛇行するように形成されることにより、冷却面積を増大させて冷却効率を高める技術が特許文献１に開示されている。

また、排気マニホルド一体型のシリンダヘッドにおいて、冷却水が排気マニホルドの壁面の外面側領域を通過するように形成された排気側流路と、排気側流路の流量を調整する流量調整手段とを設け、排気側流路を循環する冷却水が沸騰する可能性が所定レベルを超えたときに、流量調整手段によって排気側流路の流量を増加させることにより、シリンダヘッドの冷却効率を向上させる技術が特許文献２に開示されている。

特開２００５−１８８３５１号公報 特開２００９−１９１６６１号公報

内燃機関の冷却装置におけるウォータポンプは、内燃機関の回転と同期することで駆動する機械式が広く採用されている。このような機械式のウォータポンプは、ポンプ内部のインペラが回転することで冷却水を被冷却部へと供給するが、インペラ回転数は内燃機関の回転数に依存するため、内燃機関の回転数の変化に応じて冷却水の供給量が変化する。そのため、内燃機関の出力が高回転・高負荷側から低回転・低負荷側に大きく急変した場合、ウォータポンプのインペラ回転数が急低下するために被冷却部への冷却水の供給量が急激に減少する。特に、排気マニホルド一体型のシリンダヘッドを有する内燃機関の場合、ウォータポンプからの冷却水の供給量が急激に減少すると、排気マニホルドを循環する冷却水の温度が急上昇し沸騰する場合がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、排気マニホルドを循環する冷却水の沸騰を抑制することができる内燃機関の冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の内燃機関の冷却装置は、内燃機関の排気マニホルドに形成されたウォータジャケットと、前記ウォータジャケットとラジエータとを経由して冷却水を循環させる冷却水循環流路と、を有する内燃機関の冷却装置であって、前記ウォータジャケットの冷却水入口側で前記冷却水循環流路と分岐して前記ウォータジャケットの冷却水出口側で前記冷却水循環流路と合流し、冷却水の一部を前記排気マニホルドを迂回して循環させるバイパス流路と、前記バイパス流路を循環する冷却水の流量を制御するバイパス流量制御手段と、前記内燃機関の出力および前記ウォータジャケットを循環する冷却水量に基づいて、冷却水と熱交換する前記ウォータジャケットの熱交換部の温度変化を予測する予測手段と、前記予測手段の予測結果に基づいて、前記ウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させる必要があるか否かを判定する判定手段と、を備え、前記バイパス流量制御手段は、前記判定手段が前記ウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させる必要があると判定した場合に、前記バイパス流路を循環する冷却水の流量を減少させることを特徴とする。
上記の構成により、冷却水と熱交換するウォータジャケットの熱交換部の温度変化を予測し、予測結果からウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させる必要があると判定した場合に、バイパス流路を循環する冷却水の流量を減少させることで、ウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させることができる。よって、排気マニホルドを循環する冷却水の沸騰を抑制することができる。

特に、本発明の内燃機関の冷却装置は、前記予測手段が、前記内燃機関の出力および前記ウォータジャケットを循環する冷却水量に基づいて、前記内燃機関の定常運転状態における前記ウォータジャケットの熱交換部の温度、および前記内燃機関の非定常運転状態が収束した後の前記ウォータジャケットの熱交換部の温度を算出し、算出結果に基づいて冷却水と熱交換する前記ウォータジャケットの熱交換部の温度変化を予測することができる。
上記の構成により、内燃機関の定常運転状態および非定常運転状態が収束した後のウォータジャケットの熱交換部の温度の算出結果から、ウォータジャケットの熱交換部の温度変化を精度よく予測することができる。

また、本発明の内燃機関の冷却装置は、前記判定手段が、前記内燃機関の回転数が低下した場合に、前記ウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させる必要があるか否かを判定することができる。
上記の構成により、内燃機関の回転数が低下することでウォータポンプから供給される冷却水量が低下した場合に、ウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させる必要があるか否かを適切に判定することができる。

そして、本発明の内燃機関の冷却装置は、前記バイパス流量制御手段が、前記内燃機関の回転数が変化せずに出力が上昇した場合に、前記バイパス流路を循環する冷却水の流量を減少させることができる。
上記の構成により、内燃機関の回転数が変化せずに出力が上昇した場合に、バイパス流路を循環する冷却水の流量を減少させることで、ウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させることができる。よって、排気マニホルドを循環する冷却水の沸騰を抑制することができる。

更に、本発明の内燃機関の冷却装置は、前記予測手段が、前記内燃機関の吸入空気量に基づいて、前記内燃機関の出力を認識することができる。
上記の構成により、内燃機関の吸入空気量に基づいて、冷却水と熱交換するウォータジャケットの熱交換部の温度変化を精度よく予測し、予測結果からウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させる必要があるか否かを適切に判定することができる。

本発明の内燃機関の冷却装置によれば、排気マニホルドを循環する冷却水の沸騰を抑制することができる。

実施例のエンジン冷却システムの一構成例を示した図である。 実施例のエンジンの一構成例を示した図である。 排気マニホルドのＡ−Ａ断面図を示している。 冷却水量Ｗｔおよびエンジン吸入空気量Ｇａとウォータジャケットの熱交換部の温度との相関を示している。 冷却水量Ｗｔとウォータジャケットから排ガス流路までの厚さ係数および排気マニホルドの熱拡散率に基づく係数との相関を示している。 冷却水量Ｗｔとウォータジャケットから排ガス流路までの厚さ係数および排気マニホルドの熱拡散率に基づく係数との相関を示している。 エンジンの減速運転時におけるウォータジャケットの熱交換部の温度変化を示している。 エンジンの加速運転時におけるウォータジャケットの熱交換部の温度変化を示している。 エンジンの減速運転時における制御弁の制御の一例を示している。 ＥＣＵの処理の一例を示すフローチャートである。 ＥＣＵの処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の内燃機関の冷却装置を組み込んだエンジン冷却システム１の一構成例を示した図である。なお、図１にはエンジンの１気筒の構成のみを示している。

図１に示すエンジン冷却システム１は、排気マニホルド１１０にウォータジャケット１１１が設けられたエンジン１００を備えており、エンジン１００を循環する冷媒（冷却水）を冷却するラジエータ２１と、ラジエータ２１とエンジン１００とを循環する冷却水が流通する冷却水循環流路２２を備えている。また、エンジン冷却システム１は、冷却水を循環させるウォータポンプ２５と、冷却水循環流路２２を流通する冷却水の温度を検出する水温センサ２６を備えている。そして、エンジン冷却システム１は、冷却水循環流路２２から分岐したバイパス流路２３と、バイパス流路２３を循環する冷却水量を制御する制御弁２４を備えている。更に、エンジン冷却システム１は、システムの運転動作を総括的に制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０を備えている。

図２は、実施例のエンジン１００の一構成例を示した図である。エンジン１００は、車両に搭載される多気筒の火花点火式ガソリンエンジンであって、各気筒は燃焼室１１を構成するピストン１２を備えている。各燃焼室１１のピストン１２はそれぞれコネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフトに連結されている。
吸気ポートから燃焼室１１内へ流入した混合ガスは、ピストン１２の上昇運動により燃焼室１１内で圧縮される。ＥＣＵ１０は、クランク角センサ３１からのピストン１２の位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、点火タイミングを決定しイグナイタに信号を送る。イグナイタはＥＣＵ１０の信号に従って、指示された点火タイミングでバッテリからの電力を点火プラグに通電する。点火プラグはバッテリからの電力により点火し、圧縮混合ガスを着火させて、燃焼室１１内を膨張させピストン１２を下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１００は動力を得る。
この場合、エンジン１００は、火花点火式ガソリンエンジンに限られず、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンであってもよいし、軽油を燃料とするディーゼルエンジンであってもよい。
なお、エンジン１００は、本発明の内燃機関の一構成例である。

エンジン１００の燃焼室１１の周辺にはウォータジャケット１０１が設けられている。ウォータジャケット１０１は冷却水循環流路２２と連通しており、その内部を燃焼室１１等を冷却するための冷却水が循環している。本実施例の冷却水として、例えば、エチレングリコール水溶液からなる一般的なＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）を用いることができるが、その他の冷媒を使用してもよい。
そして、ウォータジャケット１０１には冷却水の温度を測定するための水温センサ３２が設けられており、ウォータジャケット１０１内部の冷却水温の検出結果をＥＣＵ１０へ送信する。この場合、水温センサ３２は、エンジン１００内部を循環する冷却水の温度を検出可能な任意の位置に設けることができる。

各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する吸気ポート１３が接続されており、更に、各吸気ポート１３にはサージタンク１４が連結している。また、各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する排気ポート１６が接続されており、更に、各排気ポート１６を通じて排出される排ガスを集合させる排気マニホルド１１０が形成されている。

サージタンク１４の上流側には吸気通路１５が接続されている。吸気通路１５には、エアフロメータ３３、吸気温センサ３４、スロットルバルブ１８およびスロットルポジションセンサ３５が設置されている。エアフロメータ３３、吸気温センサ３４およびスロットルポジションセンサ３５は、それぞれ吸気通路１５を通過する吸気流量、吸入空気の温度およびスロットルバルブ１８の開度を検出し、検出結果をＥＣＵ１０に送信する。ＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気ポート１３および燃焼室１１へ導入される吸入空気量（Ｇａ）を認識し、予め記憶した吸入空気量Ｇａとエンジン出力との相関マップからエンジン１００の出力を求める。
スロットルバルブ１８は、ステップモータを用いたスロットルバイワイヤ方式を適用することが好ましいが、例えばステップモータの代わりにワイヤなどを介してアクセルペダル（図示しない）と連動し、スロットルバルブ１８の開度が変更されるような機械式スロットル機構を適用することもできる。

排気マニホルド１１０は、エンジン１００のシリンダヘッドと一体に形成されており、各排気ポート１６と連結した排ガス流路１１２を有している。排ガス流路１１２は、その下流側で１本に合流して排気通路１７と連結する。

排気マニホルド１１０には、その内部にウォータジャケット１１１が形成されている。図３は、排気マニホルド１１０のＡ−Ａ断面図を示している。ウォータジャケット１１１は、入水部１１３および出水部１１４にて冷却水循環流路２２と連通している。ウォータポンプ２５から供給された冷却水は、入水部１１３からウォータジャケット１１１に浸入し、排気マニホルド１１０と熱交換した後に、出水部１１４から冷却水循環流路２２に流れる。
本実施例においては、システムを循環する冷却水と熱交換する排気マニホルド１１０の部分、すなわち、冷却水と接するウォータジャケット１１１の伝熱面を、熱交換部と定義する。

図１に戻り、ラジエータ２１は、上部タンク、ラジエータコア、下部タンクで構成されている放熱器である。エンジン１００の各部と熱交換して高温になった冷却水は、冷却水循環流路２２を流通してラジエータ２１の上部タンクに導かれ、ラジエータコアを通過する。ラジエータコアは、高温の冷却水がラジエータコアを通過する際に熱を奪って空気中に放熱するものであって、放熱効率を向上させるために多数のフィンが設けられている。ラジエータコアで冷却された冷却水は、下部タンクから冷却水循環流路２２を流通して再びエンジン１００へ供給される。

冷却水循環流路２２は、ラジエータ２１の下部タンクと排気マニホルド１１０の入水部１１３とを連通させており、ラジエータ２１で冷却された冷却水をウォータジャケット１１１へと循環させる。また、冷却水循環流路２２は、排気マニホルド１１０の出水部１１４とエンジン１００のウォータジャケット１０１とを連通させており、排気マニホルド１１０と熱交換した冷却水をウォータジャケット１０１へと循環させる。更に、冷却水循環流路２２は、ウォータジャケット１０１とラジエータ２１の上部タンクとを連通させており、エンジン１００と熱交換した冷却水をラジエータ２１へと循環させる。

ウォータポンプ２５は、ラジエータ２１の下部タンクと排気マニホルド１１０の入水部１１３との間の冷却水循環流路２２に設けられている。ウォータポンプ２５は、エンジン１００のクランクシャフト軸の回転力をベルトによって伝達されることで内部のインペラが回転駆動し、その駆動力によって冷却水をラジエータ２１側からウォータジャケット１１１側に循環させる。
この場合、ウォータポンプ２５は、上記の位置に限られずに、適切にエンジン冷却システム１に冷却水を循環させることができる任意の位置に設置することができる。また、ウォータポンプ２５は、エンジン回転力のインペラへの伝達率を調整可能なクラッチ機構を備えてもよいし、エンジンの回転力を伝達されることで駆動する機械式に限られずに、電動モータ等によって駆動する電動式であってもよい。

バイパス流路２３は、ウォータポンプ２５と排気マニホルド１１０の入水部１１３との間で冷却水循環流路２２から分岐し、排気マニホルド１１０の出水部１１４とウォータジャケット１０１との間で冷却水循環流路２２に合流する。これにより、冷却水循環流路２２を循環する冷却水の一部がバイパス流路２３を経由して循環する、すなわち、排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を迂回して循環する。

バイパス流路２３には、制御弁２４が設けられている。制御弁２４は、シャッタ式の電磁弁であって、ＥＣＵ１０の指令に従って弁を開放または閉鎖する。制御弁２４を開放するとバイパス流路２３が連通し、エンジン冷却システム１を循環する冷却水の一部が排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を経由せずにバイパス流路２３を経由して循環する。一方、制御弁２４を閉鎖するとバイパス流路２３の連通が遮断され、エンジン冷却システム１を循環する冷却水が全て排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を経由して循環する。
この場合、制御弁２４は、シャッタ式の電磁弁に限られずに、バイパス流路２３の連通・遮断を制御可能な任意の構成を採用することができる。また、制御弁２４は、例えばバタフライバルブ等の弁開度を任意に調整可能な構成を採用することで、バイパス流路２３を経由して循環する冷却水の流量を任意に調整する形式であってもよい。
なお、制御弁２４は、本発明のバイパス流量制御手段の一構成例である。

冷却水循環流路２２には、水温センサ２６が設けられている。水温センサ２６は、排気マニホルド１１０の出水部１１４とエンジン１００のウォータジャケット１０１との間に設けられており、ウォータジャケット１１１およびバイパス流路２３を流通した後の冷却水温の検出結果をＥＣＵ１０へ送信する。
この場合、水温センサ２６は、上記の位置に限られずに、冷却水循環流路２２を循環する冷却水温を適切に検出することができる任意の位置に設置することができる。

ＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ Ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。ＥＣＵ１０は、エンジン１００の各部に備えられたクランク角センサ３１、水温センサ３２、エアフロメータ３３等の複数のセンサの検出結果を読み込み、それら検出結果に基づいてエンジン１００の運転動作を統合的に制御する。

更に、ＥＣＵ１０は、エンジン１００の出力およびウォータジャケット１１１を循環する冷却水量に基づいて、冷却水と熱交換するウォータジャケット１１１の熱交換部の温度変化を予測し、予測結果に基づいてウォータジャケット１１１を循環する冷却水量の増量必要性を判定する。そして、ＥＣＵ１０は、冷却水の増量必要性の判定結果に基づいて、制御弁２４の開弁および閉弁制御を実行する。以下に、ＥＣＵ１０が実行する制御について説明する。

ＥＣＵ１０は、エンジン１００の運転中（イグニッションスイッチＯＮ中）にエンジン１００の出力変化を認識し、認識したエンジン１００の出力変化からエンジン１００が定常運転状態にあるか非定常運転状態（加速運転状態または減速運転状態）にあるかを判断する。具体的には、例えば、ＥＣＵ１０は、クランク角センサ３１が検出するエンジン回転数およびトルクからエンジン１００の出力を算出し、算出した出力の所定時間当たりの変化量を求める。ＥＣＵ１０は、求めた出力の所定時間当たりの変化量が所定値未満である場合、エンジン１００が定常運転状態にあると判断する。また、ＥＣＵ１０は、求めた出力の所定時間当たりの変化量が所定値以上である場合は、エンジン１００が非定常運転状態にあると判断する。ここで、出力の所定時間当たりの変化量の所定値は、エンジン１００が加速運転状態または減速運転状態にあると判断できる任意の値を適用することができる。
この場合、エンジン１００の出力変化は、エンジン回転数およびトルクに限られずに、吸入空気量（Ｇａ）や筒内圧力等の他のパラメータに基づいて求めても良い。

ＥＣＵ１０は、エンジン１００が定常運転状態にあると判断した場合に、定常運転状態におけるウォータジャケット１１１の熱交換部の温度（Ｔｂ）を算出する。一方、ＥＣＵ１０は、エンジン１００が非定常運転状態にあると判断した場合に、非定常運転状態が収束した（非定常運転状態から定常運転状態になった）後のウォータジャケット１１１の熱交換部の温度（Ｔａ）を算出する。熱交換部の温度ＴｂおよびＴａは、例えば、下記（１）式から算出することができる。
［熱交換部の温度算出式］
Ｔ（Ｇａ，Ｗｔ）＝α×Ｇａ^β ・・・（１）
（Ｇａ：エンジン吸入空気量，Ｗｔ：排気マニホルドのウォータジャケットを循環する冷却水量）
上記（１）式のαは、下記（２）式から算出する。
α＝−ξ×Ｗｔ＋Ｋ ・・・（２）
（ξ：ウォータジャケットから排ガス流路までの厚さ係数，Ｋ：排気マニホルドの熱拡散率に基づく係数）
また、上記（１）式のβは、下記（３）式から算出する。
β＝γ×Ｗｔ＋Ｌ ・・・（３）
（γ：ウォータジャケットから排ガス流路までの厚さ係数，Ｌ：排気マニホルドの熱拡散率に基づく係数）

図４は、冷却水量Ｗｔおよびエンジン吸入空気量Ｇａとウォータジャケット１１１熱交換部の温度との相関を示している。エンジン１００の吸入空気量（Ｇａ）はエンジン出力に対応しており、また、エンジン出力と排気マニホルド１１０の温度が対応している。よって、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水量（Ｗｔ）が一定の場合、冷却水と熱交換するウォータジャケット１１１の熱交換部の温度はＧａに依存する。また、Ｗｔが少ないほど熱交換性能が低下するため、Ｇａが一定の場合、冷却水と熱交換するウォータジャケット１１１の熱交換部の温度はＷｔに依存する。このように、冷却水と熱交換するウォータジャケット１１１の熱交換部の温度は、ＧａおよびＷｔの関数で表すことができる。なお、（１）式におけるαは、冷却水量Ｗｔとウォータジャケット１１１から排ガス流路１１２までの厚さ係数および排気マニホルド１１０の熱拡散率に基づく係数との一次関数から求められる係数である（図５参照）。同様に、（１）式におけるβは、冷却水量Ｗｔとウォータジャケット１１１から排ガス流路１１２までの厚さ係数および排気マニホルド１１０の熱拡散率に基づく係数との一次関数から求められる係数である（図６参照）。

この場合、ＴｂおよびＴａを算出するにあたり、吸入空気量Ｇａに変えて、他のエンジン出力パラメータ（筒内圧力、回転数、トルク等）を適用することもできる。また、排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を循環する冷却水量（Ｗｔ）は、例えば、クランク角センサ３１が検出するエンジン回転数からウォータポンプ２５のインペラ回転数を認識し、予め記憶したインペラ回転数とＷｔとの相関マップから求めることができる。そして、例えば、ウォータジャケット１１１または排気マニホルド１１０近傍の冷却水循環流路２２に流量センサを設置することで、直接Ｗｔを求めることもできる。

つづいて、ＥＣＵ１０は、エンジン１００が非定常運転状態にあると判断した場合に、エンジン１００が減速運転状態であるか（加速運転状態でないか）否かを判断する。具体的には、例えば、上記のクランク角センサ３１が検出するエンジン回転数の所定時間当たりの変化量がプラス量である（エンジン回転数が上昇した）場合に減速運転状態でない（加速運転状態である）と判断する。また、エンジン回転数の所定時間当たりの変化量がマイナス量である（エンジン回転数が低下した）場合に減速運転状態であると判断することができる。この場合、ＥＣＵ１０は、他のパラメータ（例えば、筒内圧力やトルクの変化量の正負）に基づいて、エンジン１００が減速運転状態であるか否かを判断することもできる。

ＥＣＵ１０は、エンジン１００が減速運転状態にあると判断すると、算出したＴｂおよびＴａから、減速運転状態（非定常運転状態）が開始されてからの経過時間ｔにおけるウォータジャケット１１１の熱交換部の予測温度（Ｔｉ）を算出する。経過時間ｔにおけるウォータジャケット１１１の熱交換部の予測温度Ｔｉは、例えば、下記（４）式から算出する。
［エンジンの減速運転時における熱交換部の予測温度の算出式］
Ｔｉ＝Ｔｂ＋（Ｔａ−Ｔｂ）×Ｆｂ（ｔ） ・・・（４）
上記（４）式のＦｂ（ｔ）は、下記（５）式から算出する。
Ｆｂ（ｔ）＝Ａ／ｅｘｐ（ｔ） ・・・（５）
（Ａ：係数，ｔ：非定常運転状態が開始されてからの経過時間）

図７は、エンジン１００の減速運転時におけるウォータジャケット１１１の熱交換部の温度変化を示している。エンジン１００の減速運転時にはエンジン出力が低下する、すなわち吸入空気量（Ｇａ）が低下する。また、エンジン１００の減速運転時にはエンジン回転数が低下する、すなわちウォータポンプ２５のインペラ回転数が低下し、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水量（Ｗｔ）が低下する。そのため、エンジン１００の減速運転時には、Ｇａの低下による熱交換部の温度低下、およびＷｔの低下による熱交換性能の低下によって、熱交換部の温度がＴｂからＴａに向かって（４）式に沿って曲線的に低下する。

一方、ＥＣＵ１０は、エンジン１００が減速運転状態にない（加速運転状態にある）と判断すると、つづいて、エンジン１００の回転数が上昇中であるか否かを判断する。ＥＣＵ１０は、エンジン１００の回転数が上昇中であると判断すると、エンジン回転数の上昇に伴ってＷｔが増加することで充分な量の冷却水が排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を循環していると判断する。そして、ＥＣＵ１０は、バイパス流路２３を連通させるよう制御弁２４に指令し、冷却水の一部を排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を迂回して循環させる。
ＥＣＵ１０は、エンジン１００の回転数が上昇中でないと判断すると、エンジン出力の増加に対してＷｔが変化しないためにウォータジャケット１１１を循環する冷却水量が充分でない（すなわち、冷却水の温度が急上昇する可能性がある）と判断する。そして、ＥＣＵ１０は、バイパス流路２３の連通を遮断させるよう制御弁２４に指令し、排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を経由して循環する冷却水量を増量させる。

エンジン１００が加速運転状態にあると判断した場合について説明する。制御弁２４の開閉を制御すると、ＥＣＵ１０は、算出したＴｂおよびＴａから、加速運転状態（非定常運転状態）が開始されてからの経過時間ｔにおけるウォータジャケット１１１の熱交換部の予測温度（Ｔｉ）を算出する。経過時間ｔにおけるウォータジャケット１１１の熱交換部の予測温度Ｔｉは、例えば、下記（６）式から算出する。
［エンジンの加速運転時における熱交換部の予測温度の算出式］
Ｔｉ＝Ｔｂ＋（Ｔａ−Ｔｂ）×Ｆａ（ｔ） ・・・（６）
上記（６）式のＦｂ（ｔ）は、下記（７）式から算出する。
Ｆａ（ｔ）＝１−Ｂ／ｅｘｐ（ｔ） ・・・（７）
（Ｂ：係数，ｔ：非定常運転状態が開始されてからの経過時間）

図８は、エンジン１００の加速運転時におけるウォータジャケット１１１の熱交換部の温度変化を示している。エンジン１００の加速運転時にはエンジン出力が上昇する、すなわち吸入空気量（Ｇａ）が上昇する。また、エンジン１００の加速運転時にはエンジン回転数が上昇する、すなわちウォータポンプ２５のインペラ回転数が上昇し、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水量（Ｗｔ）が増加する。そのため、エンジン１００の加速運転時には、Ｇａの上昇による熱交換部の温度上昇、およびＷｔの上昇による熱交換性能の上昇によって、熱交換部の温度がＴｂからＴａに向かって（６）式に沿って曲線的に上昇する。

エンジン１００が減速運転状態にない（加速運転状態にある）と判断した場合、ＥＣＵ１０は、（６）〜（７）式から算出した熱交換部の予測温度Ｔｉをウォータジャケット１１１の熱交換部の温度（Ｔｂ）と認識し、上記の制御を繰り返す。

エンジン１００が減速運転状態にあると判断した場合について説明する。ＥＣＵ１０は、エンジン１００が減速運転状態にあると判断した場合、（４）〜（５）式から算出したＴｉと減速運転状態が収束した後の熱交換部の温度（Ｔａ）との差分の絶対値が、所定のしきい値以上であるか否かを判断する。ここで、所定のしきい値は、予め台上試験等で求めたウォータジャケット１１１を循環する冷却水が沸騰する可能性があると判断できる任意の値を適用することができる。
ＥＣＵ１０は、ＴｉとＴａとの差分の絶対値が所定のしきい値以上でないと判断した場合、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水が沸騰する可能性が低いために、冷却水量を増量させる必要がないと判定する。また、ＥＣＵ１０は、ＴｉとＴａとの差分の絶対値が所定のしきい値以上であると判断した場合、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水が沸騰する可能性があるために、冷却水量を増量させる必要があると判定する。

ＥＣＵ１０は、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水量を増量させる必要がないと判定すると、バイパス流路２３を連通させるよう制御弁２４に指令し、冷却水の一部を排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を迂回して循環させる。
一方、ＥＣＵ１０は、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水を増量させる必要があると判定すると、バイパス流路２３の連通を遮断するよう制御弁２４に指令し、排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を経由して循環する冷却水量を増量させる。

図９は、エンジン１００の減速運転時における制御弁２４の制御の一例を示している。エンジンの減速運転時において、エンジンの出力が高回転・高負荷側から低回転・低負荷側に大きく急変した場合（すなわち、ＴｂとＴａとの差分の絶対値が大きい場合）、ウォータポンプのインペラ回転数が急低下するために、排気マニホルドのウォータジャケットを循環する冷却水量が急激に減少する。そのため、排気マニホルドを循環する冷却水の温度が急上昇し、それによって冷却水が沸騰する場合がある。

この場合、本実施例のエンジン冷却システム１によれば、エンジン出力（例えばＧａ）およびウォータジャケット１１１を循環する冷却水量（Ｗｔ）に基づいて、熱交換部の温度変化を予測し（Ｔｉ）、予測結果からウォータジャケット１１１を循環する冷却水量を増量させる必要があるか否かを適切に判定することができる。そして、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水量を増量させる必要があると判定した場合に、バイパス流路２３の連通を遮断することで、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水量を増量させることができる。よって、ウォータジャケット１１１の熱交換部の実温度（Ｔ）が急激に上昇することを抑制することができることから、排気マニホルド１１０を循環する冷却水の沸騰を抑制することができる。
なお、ＥＣＵ１０は、本発明の予測手段、判定手段、バイパス流量制御手段の一構成例である。

つづいて、ＥＣＵ１０の制御の流れに沿って、エンジン冷却システム１の動作を説明する。図１０は、ＥＣＵ１０の処理の一例を示すフローチャートである。本実施例のエンジン冷却システム１は、吸入空気量Ｇａおよび冷却水量Ｗｔに基づいて、冷却水と熱交換するウォータジャケット１１１の熱交換部の温度変化を予測し（Ｔｉ）、予測結果に基づいてウォータジャケット１１１を循環する冷却水量を増量させる必要があるか否かを判定する。そして、冷却水量の増加必要性の判定結果に基づいて、制御弁２４の開弁および閉弁制御を実行する。

ＥＣＵ１０の制御は、イグニッションスイッチがＯＮされてエンジン１００が始動されると開始し、エンジン１００の運転中に以下の制御の処理を繰り返す。また、ＥＣＵ１０は、その制御の処理中、クランク角センサ３１、エアフロメータ３３、吸気温センサ３４およびスロットルポジションセンサ３５の検出結果を常に受信する。

まず、ＥＣＵ１０はステップＳ１で、クランク角センサ３１の検出結果に基づきエンジン１００の出力変化を認識し、認識したエンジン１００の出力変化からエンジン１００が非定常運転状態（加速運転状態または減速運転状態）にあるか否かを判断する。なお、非定常運転状態にあるか否かの判断方法については上述したために、その詳細な説明は省略する。エンジン１００が非定常運転状態にある場合（ステップＳ１／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１０は、ステップＳ３へ進む。エンジン１００が非定常運転状態にない場合（ステップＳ１／ＮＯ）は、ＥＣＵ１０は、エンジン１００が定常運転状態にあると判断し、次のステップＳ２へ進む。

ステップＳ２で、ＥＣＵ１０は、上記（１）〜（３）式からエンジン１００の定常運転状態におけるウォータジャケット１１１の熱交換部の温度（Ｔｂ）を算出する。ＥＣＵ１０は、ステップＳ２の処理を終えると、制御の処理を終了する。

ステップＳ１の判断がＹＥＳの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ３へ進む。ステップＳ３で、ＥＣＵ１０は、上記（１）〜（３）式からエンジン１００の非定常運転状態が収束した（非定常運転状態から定常運転状態になった）後のウォータジャケット１１１の熱交換部の温度（Ｔａ）を算出する。ＥＣＵ１０は、ステップＳ３の処理を終えると、次のステップＳ４へ進む。

ステップＳ４で、ＥＣＵ１０は、クランク角センサ３１の検出結果に基づいて、エンジン１００が減速運転状態であるか（加速運転状態でないか）否かを判断する。エンジン１００が減速運転状態である場合（ステップＳ４／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０へ進む。エンジン１００が減速運転状態でない（加速運転状態である）場合（ステップＳ４／ＮＯ）は、ＥＣＵ１０は、次のステップＳ５へ進む。

ステップＳ５で、ＥＣＵ１０は、クランク角センサ３１の検出結果に基づいて、エンジン１００の回転数が上昇中であるか否かを判断する。エンジン１００の回転数が上昇中でない場合（ステップＳ５／ＮＯ）、ＥＣＵ１０は、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水量が充分でないために、冷却水の温度が急上昇する可能性があると判断し、ステップＳ７へ進む。エンジン１００の回転数が上昇中である場合（ステップＳ５／ＹＥＳ）は、ＥＣＵ１０は、充分な量の冷却水が排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を循環していると判断し、次のステップＳ６へ進む。

ステップＳ６で、ＥＣＵ１０は、バイパス流路２３を連通させるよう制御弁２４に指令し、冷却水の一部を排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を迂回して循環させる。ＥＣＵ１０は、ステップＳ６の処理を終えると、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ５の判断がＮＯの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ７へ進む。ステップＳ７で、ＥＣＵ１０は、バイパス流路２３の連通を遮断させるよう制御弁２４に指令し、排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を経由して循環する冷却水量を増量させる。ＥＣＵ１０は、ステップＳ７の処理を終えると、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ８で、ＥＣＵ１０は、ステップＳ２で算出したＴｂおよびステップＳ３で算出したＴａに基づき、上記（６）〜（７）式から加速運転状態（非定常運転状態）が開始されてからの経過時間ｔにおけるウォータジャケット１１１の熱交換部の予測温度（Ｔｉ）を算出する。ＥＣＵ１０は、ステップＳ８の処理を終えると、次のステップＳ９へ進む。

ステップＳ９で、ＥＣＵ１０は、ステップＳ８で算出したＴｉをウォータジャケット１１１の熱交換部の温度（Ｔｂ）であると認識する。ＥＣＵ１０は、ステップＳ９の処理を終えると、制御の処理を終了する。

ステップＳ４の判断がＹＥＳの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０で、ＥＣＵ１０は、ステップＳ２で算出したＴｂおよびステップＳ３で算出したＴａに基づき、上記（４）〜（５）式から減速運転状態（非定常運転状態）が開始されてからの経過時間ｔにおけるウォータジャケット１１１の熱交換部の予測温度（Ｔｉ）を算出する。ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０の処理を終えると、次のステップＳ１１へ進む。

ステップＳ１１で、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０で算出したＴｉとステップＳ３で算出したＴａとの差分を求め、求めた差分の絶対値が所定のしきい値以上であるか否かを判断する。ここで、所定のしきい値については上述したために、その詳細な説明は省略する。ＴｉとＴａとの差分の絶対値が所定のしきい値以上である場合（ステップＳ１１／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１０は、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水量を増量させる必要があると判定し、ステップＳ１３へ進む。ＴｉとＴａとの差分の絶対値が所定のしきい値以上でない（所定のしきい値未満である）場合（ステップＳ１１／ＮＯ）は、ＥＣＵ１０は、ウォータジャケット１１１を循環する冷却水量を増量させる必要がないと判定し、次のステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２で、ＥＣＵ１０は、バイパス流路２３を連通させるよう制御弁２４に指令し、冷却水の一部を排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を迂回して循環させる。ＥＣＵ１０は、ステップＳ１２の処理を終えると、制御の処理を終了する。

ステップＳ１１の判断がＹＥＳの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ１３へ進む。ステップＳ１３で、ＥＣＵ１０は、バイパス流路２３の連通を遮断するよう制御弁２４に指令し、排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を経由して循環する冷却水量を増量させる。ＥＣＵ１０は、ステップＳ１３の処理を終えると、制御の処理を終了する。

この制御を実行することで、エンジン１００の運転領域が高回転・高負荷側から低回転・低負荷側に急激に変化した場合においても、排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１に充分な量の冷却水を循環させることができる。よって、排気マニホルド１１０を循環する冷却水の沸騰を抑制することができる。

以上のように、本実施例のエンジン冷却システムは、排気マニホルドに設けられたウォータジャケットに冷却水を循環させる冷却水循環流路と、冷却水循環流路から分岐してウォータジャケットを迂回するバイパス流路と、を有し、エンジン出力およびウォータジャケットを循環する冷却水量に基づいて冷却水とウォータジャケットとの熱交換部の温度変化を予測し、予測結果からウォータジャケットを循環する冷却水量の増量必要性を判定する。冷却水量を増量させる必要があると判定すると、バイパス流路に設けた制御弁を閉弁して連通を遮断し、排気マニホルドのウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させる。よって、排気マニホルドを循環する冷却水の沸騰を抑制することができる。

つづいて、本発明の実施例２について説明する。本実施例のエンジン冷却システム２は、実施例１の制御に加えて、エンジン１００の冷間始動時にバイパス流路２３の連通を遮断する制御を実行する点でエンジン冷却システム１と相違している。

以下に、ＥＣＵ１０の制御の流れに沿って、エンジン冷却システム２の動作を説明する。図１１は、ＥＣＵ１０の処理の一例を示すフローチャートである。本実施例のエンジン冷却システム２は、エンジン１００の始動時において、システムを循環する冷却水が所定温度以上になるまでバイパス流路２３に設けられた制御弁２４を閉弁する制御を実行する。

ＥＣＵ１０の制御は、イグニッションスイッチがＯＮされてエンジン１００が始動されると開始し、エンジン１００の運転中に以下の制御の処理を繰り返す。また、ＥＣＵ１０は、その制御の処理中、水温センサ２６の検出結果を常に受信する。

まず、ＥＣＵ１０はステップＳ１４で、水温センサ２６の検出結果に基づいて、システムを循環する冷却水の温度が所定のしきい値以上であるか否かを判断する。ここで、冷却水の温度のしきい値とは、エンジン１００の暖機運転が終了したと判断できる充分に高い温度を適用し、例えば８５℃に設定することができる。冷却水の温度が所定のしきい値以上でない（所定のしきい値未満である）場合（ステップＳ１４／ＮＯ）、ＥＣＵ１０は、エンジン１００の暖機運転が終了していないと判断し、ステップＳ１６へ進む。冷却水の温度が所定のしきい値以上である場合（ステップＳ１４／ＹＥＳ）は、ＥＣＵ１０は、エンジン１００の暖機運転が終了したと判断し、次のステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５で、ＥＣＵ１０は、バイパス流路２３を連通させるよう制御弁２４に指令し、冷却水の一部を排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を迂回して循環させる。ＥＣＵ１０は、ステップＳ１５の処理を終えると、制御の処理を終了する。

ステップＳ１４の判断がＮＯの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ１６へ進む。ステップＳ１６で、ＥＣＵ１０は、バイパス流路２３の連通を遮断するよう制御弁２４に指令し、排気マニホルド１１０のウォータジャケット１１１を経由して循環する冷却水量を増量させる。ＥＣＵ１０は、ステップＳ１６の処理を終えると、制御の処理を終了する。

この制御を実行することで、エンジン１００の冷間始動時に、冷却水を高温の排気マニホルド１１０を経由して循環させて、システムを循環する冷却水の温度をより早く上昇させることができる。よって、エンジン１００の暖機性能を向上させることができる。また、上記の制御は、エンジン１００の始動時に限られずに、エンジン１００の運転中に随時実行することができる。

この場合、ＥＣＵ１０は、水温センサ２６に限られずに、燃焼室１１近傍のウォータジャケット１０１に設けられた水温センサ３２の検出結果に基づいて、システムを循環する冷却水の温度を認識しても良い。

以上のように、本実施例のエンジン冷却システムは、エンジンの始動時にシステムを循環する冷却水が所定温度以上になるまでバイパス流路に設けられた制御弁を閉弁し、システムを循環する冷却水の温度をより早く上昇させて、エンジンの暖機性能を向上させることができる。

上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１，２ エンジン冷却システム
１０ ＥＣＵ（予測手段，判定手段，冷却水流量制御手段）
２１ ラジエータ
２２ 冷却水循環流路
２３ バイパス流路
２４ 制御弁（冷却水流量制御手段）
２５ ウォータポンプ
２６ 水温センサ
１００ エンジン
１１０ 排気マニホルド
１１１ ウォータジャケット
１１２ 排ガス流路
１１３ 入水部
１１４ 出水部

Claims (5)

1. 内燃機関の排気マニホルドに形成されたウォータジャケットと、前記ウォータジャケットとラジエータとを経由して冷却水を循環させる冷却水循環流路と、を有する内燃機関の冷却装置であって、
   前記ウォータジャケットの冷却水入口側で前記冷却水循環流路と分岐して前記ウォータジャケットの冷却水出口側で前記冷却水循環流路と合流し、冷却水の一部を前記排気マニホルドを迂回して循環させるバイパス流路と、
   前記バイパス流路を循環する冷却水の流量を制御するバイパス流量制御手段と、
   前記内燃機関の出力および前記ウォータジャケットを循環する冷却水量に基づいて、冷却水と熱交換する前記ウォータジャケットの熱交換部の温度変化を予測する予測手段と、
   前記予測手段の予測結果に基づいて、前記ウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させる必要があるか否かを判定する判定手段と、を備え、
   前記バイパス流量制御手段は、前記判定手段が前記ウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させる必要があると判定した場合に、前記バイパス流路を循環する冷却水の流量を減少させることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 前記予測手段は、前記内燃機関の出力および前記ウォータジャケットを循環する冷却水量に基づいて、前記内燃機関の定常運転状態における前記ウォータジャケットの熱交換部の温度、および前記内燃機関の非定常運転状態が収束した後の前記ウォータジャケットの熱交換部の温度を算出し、算出結果に基づいて冷却水と熱交換する前記ウォータジャケットの熱交換部の温度変化を予測することを特徴とする請求項１項記載の内燃機関の冷却装置。
3. 前記判定手段は、前記内燃機関の回転数が低下した場合に、前記ウォータジャケットを循環する冷却水量を増量させる必要があるか否かを判定することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の冷却装置。
4. 前記バイパス流量制御手段は、前記内燃機関の回転数が変化せずに出力が上昇した場合に、前記バイパス流路を循環する冷却水の流量を減少させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の内燃機関の冷却装置。
5. 前記予測手段は、前記内燃機関の吸入空気量に基づいて、前記内燃機関の出力を認識することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の内燃機関の冷却装置。

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