JP2013019297A - エンジンの冷却系および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い精度でサーモワックスの温度を推定することが可能なエンジンの冷却系を提供する。
【解決手段】エンジンの冷却系は、冷却水通路２００と、冷却水通路２００に設けられ、サーモワックスとサーモワックスを加熱する電気ヒータ１５とを含む切替弁１０と、切替弁１０の開閉を制御するＥＣＵ３００とを備える。ＥＣＵ３００は、電気ヒータ１５への通電のオン／オフ状態、および、サーモワックス周辺の冷却水の温度の少なくともいずれか一方の条件に応じて異なる時定数を設定して、サーモワックスの温度を推定するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、切替弁を備えるエンジンの冷却系および切替弁の制御装置に関する。

従来、冷却水通路と、冷却水通路内において冷却水を循環させるウォータポンプと、冷却水通路内において循環する冷却水を冷却するラジエータとを備えたエンジンの冷却系が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１には、エンジン出口とラジエータとを接続する第１流路と、ラジエータとエンジンへの冷却水の導入口とを接続する第２流路と、ラジエータを迂回して第１流路と第２流路とを接続するバイパス経路とを有する冷却回路（冷却水通路）を備えた車両冷却装置が開示されている。そして、冷却回路におけるバイパス経路と第２流路との接続点には、サーモスタット（切替弁）が設けられている。このサーモスタットは、温度に応じて膨張・収縮するサーモエレメントを含み、そのサーモエレメントの膨張・収縮によりバルブの開閉が制御されている。

そして、特許文献１の車両冷却装置では、サーモスタットにより、ラジエータから流入する冷却水とラジエータを迂回して流入する冷却水との流量分配を行うことによって、エンジン（導入口）へ流入する冷却水の温度を所定の範囲内に維持するように構成されている。

ここで、サーモスタットには、サーモエレメントを加熱するヒータが設けられており、ＥＣＵがヒータへの電力供給を行うことにより、サーモスタットの開閉が制御されている。具体的には、ＥＣＵは、エンジン出口水温、ラジエータ出口水温およびサーモスタットの周辺温度に基づいてサーモエレメントの温度を推定し、その推定されたサーモエレメントの温度に基づいてヒータに供給する電力量を決定することによって、エンジン内に導入される冷却水の温度が目標値となるようにサーモスタットを制御するように構成されている。

特開２００５−１８８３２７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来の車両冷却装置では、エンジン出口水温、ラジエータ出口水温およびサーモスタットの周辺温度に基づいてサーモエレメントの温度を推定しているが、サーモエレメントの特性について考慮しておらず、高い精度でサーモエレメントの温度を推定することが困難であるという問題点がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、高い精度でサーモワックスの温度を推定することが可能なエンジンの冷却系および制御装置を提供することである。

本発明によるエンジンの冷却系は、冷却水通路と、冷却水通路に設けられ、サーモワックスとサーモワックスを加熱する加熱部とを含む切替弁と、切替弁の開閉を制御する制御装置とを備える。制御装置は、加熱部への通電のオン／オフ状態、および、サーモワックス周辺の冷却水の温度の少なくともいずれか一方の条件に応じて異なる時定数を設定して、サーモワックスの温度を推定するように構成されている。

このように構成することによって、サーモワックスの特性が異なることに起因して、サーモワックスの温度が定常値に収束するのにかかる時間が異なる場合にも、条件に応じて異なる時定数を設定してサーモワックスの温度を推定することができるので、高い精度でサーモワックスの温度を推定することができる。

上記エンジンの冷却系において、制御装置は、加熱部への通電がオン状態の場合と、加熱部への通電がオフ状態であり、サーモワックス周辺の冷却水の温度が予め設定された温度以上の場合と、加熱部への通電がオフ状態であり、サーモワックス周辺の冷却水の温度が予め設定された温度未満の場合とに応じてそれぞれ異なる時定数を設定して、サーモワックスの温度を推定するように構成されていてもよい。

このように構成すれば、加熱部への通電がオン状態の場合には、周辺の冷却水の温度にかかわらず、同じ時定数を設定するとともに、加熱部への通電がオフ状態の場合には、周辺の冷却水の温度に応じて異なる時定数を設定することができる。

この場合において、予め設定された温度は、サーモワックスの融解温度であってもよい。

このように構成すれば、サーモワックス周辺の冷却水の温度が融解温度以上の場合と融解温度未満の場合とで異なる時定数を設定することができる。

上記エンジンの冷却系において、冷却水通路に設けられた冷却水の水温センサを備え、制御装置は、水温センサの検出結果に基づいて、サーモワックス周辺の冷却水の温度を推定するように構成されていてもよい。

このように構成すれば、サーモワックス周辺の冷却水の温度を推定することができる。

上記エンジンの冷却系において、制御装置は、サーモワックスの温度の目標値を設定し、推定されるサーモワックスの温度が目標値になるように加熱部への通電を制御するように構成されていてもよい。

このように構成すれば、サーモワックスの温度が目標値になるように高い精度で制御することができる。

また、本発明による制御装置は、冷却水通路と、冷却水通路に設けられ、サーモワックスとサーモワックスを加熱する加熱部とを含む切替弁とを備えるエンジンの冷却系に設けられている。制御装置は、切替弁の開閉を制御する制御装置であって、加熱部への通電のオン／オフ状態、および、サーモワックス周辺の冷却水の温度の少なくともいずれか一方の条件に応じて異なる時定数を設定して、サーモワックスの温度を推定するように構成されている。

このように構成することによって、サーモワックスの特性が変化することに起因して、サーモワックスの温度が定常値に収束するのにかかる時間が変化する場合にも、条件に応じて異なる時定数を設定してサーモワックスの温度を推定することができるので、高い精度でサーモワックスの温度を推定することができる。

本発明のエンジンの冷却系および制御装置によれば、高い精度でサーモワックスの温度を推定することができる。

本発明を適用するエンジンの冷却系の一例を示す概略構成図である。 図１の冷却系に用いる切替弁の構造を示す断面図である。なお、（Ａ）では切替弁の閉弁状態を示し、（Ｂ）では切替弁の開弁状態を示している。 図１のエンジンの冷却系において、冷間中に冷却水通路を循環する冷却水の流れを示す図（Ａ）、及び、エンジン半暖機状態のときに冷却水通路を循環する冷却水の流れを示す図（Ｂ）を併記して示す図である。 図１のエンジンの冷却系においてエンジン完全暖機時に冷却水路を循環する冷却水の流れを示す図である。 図１のエンジンの冷却系に用いるＥＣＵの構成を示した機能ブロック図である。 図１のエンジンの冷却系に用いる切替弁のサーモワックスの特性を説明するための図である。 図１のエンジンの冷却系に用いるＥＣＵによるワックス温度推定処理を説明するためのフローチャートである。 図１のエンジンの冷却系に用いるＥＣＵによる開弁制御処理を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明を適用するエンジン１の冷却系（エンジン内水停止冷却系）について図１を参照して説明する。

この例の冷却系は、電動ウォータポンプ（電動ＷＰ）２、ラジエータ３、サーモスタット４、ヒータ５、排気熱回収器６、ＥＧＲクーラ７、切替弁１０、及び、これら機器に冷却水を循環する冷却水通路２００などを備えている。

冷却水通路２００は、冷却水（例えばＬＬＣ：Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）を、エンジン１、ラジエータ３及びサーモスタット４を経由して循環させるエンジン冷却水通路２０１と、冷却水を、ＥＧＲクーラ７、排気熱回収器６、ヒータ５及びサーモスタット４を経由して循環させるヒータ通路２０２とを備えている。そして、この例では、これらエンジン冷却水通路２０１とヒータ通路２０２との冷却水循環に、１台の電動ウォータポンプ２を併用している。

エンジン１は、コンベンショナル車両やハイブリッド車両などに搭載されるガソリンエンジンやディーゼルエンジン等であって、シリンダブロック及びシリンダヘッドにウォータジャケット（図示省略）が設けられている。エンジン１には、冷却水出口（ウォータジャケットの出口）１ｂの水温を検出するエンジン水温センサ２１が配置されている。また、エンジン１の吸気通路には、吸入空気の温度を検出する吸気温センサ２３、及び、エンジン１への吸入空気量を検出するエアフロメータ２４が配置されている。さらに、エンジン１には、出力軸であるクランクシャフトの回転数（エンジン回転数）を検出するエンジン回転数センサ２５が配置されている。これらエンジン水温センサ２１、吸気温センサ２３、エアフロメータ２４、及び、エンジン回転数センサ２５の各出力信号はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３００に入力される。

電動ウォータポンプ２は、電動モータの回転数を制御することにより吐出流量（吐出圧）を可変に設定することが可能なウォータポンプであって、吐出口がエンジン１の冷却水入口（ウォータジャケットの入口）１ａに連通するように配設されている。電動ウォータポンプ２の作動はＥＣＵ３００によって制御される。なお、電動ウォータポンプ２は、エンジン１の始動に伴って駆動され、エンジン１の運転状態等に応じて吐出流量が制御される。

サーモスタット４は、例えば感温部のサーモワックスの膨張・収縮によって作動する弁装置であって、冷却水温が比較的低い場合は、ラジエータ３と電動ウォータポンプ２との間の冷却水通路を遮断してラジエータ３（エンジン冷却水通路２０１）に冷却水を流さないようになっている。一方、エンジン１の暖機完了後、すなわち冷却水温度が比較的高い場合には、その冷却水温に応じてサーモスタット４が作動（開弁）してラジエータ３に冷却水の一部が流れることにより、冷却水が回収した熱がラジエータ３から大気に放出される。なお、この例において、サーモスタット４は、ワックス温度が、後述する切替弁１０の開弁温度（例えば７０℃）よりも高い温度（例えば８２℃以上）になったときに開弁するように設定されている。

ヒータ通路２０２は、エンジン１をバイパスするバイパス通路である。ヒータ通路２０２には、冷却水流れの上流側から、ＥＧＲクーラ７、排気熱回収器６、及び、ヒータ５が
直列に接続されており、電動ウォータポンプ２から吐出した冷却水が、［ＥＧＲクーラ７→排気熱回収器６→ヒータ５→サーモスタット４→電動ウォータポンプ２］の順で循環する。ヒータ通路２０２には、ＥＧＲクーラ７と排気熱回収器６との間にヒータ接続通路２０２ａが接続されている。このヒータ接続通路２０２ａは切替弁１０を介してエンジン１の冷却水出口（ウォータジャケットの出口）１ｂに接続されている。切替弁（制御弁）１０はヒータ接続通路２０２ａを開閉する。切替弁１０の詳細については後述する。

ヒータ５は、冷却水の熱を利用して車室内を暖房するための熱交換器であって、エアコンディショナの送風ダクトに臨んで配置されている。つまり、車室内の暖房時（ヒータｏｎ時）には送風ダクト内を流れる空調風をヒータ５（ヒータコア）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）のとき（ヒータｏｆｆ時）には空調風がヒータ５をバイパスするようになっている。ヒータ５には、ヒータ入口水温センサ２２が配置されている。このヒータ入口水温センサ２２の出力信号はＥＣＵ３００に入力される。なお、ヒータ５の入口水温は、ヒータ通路２０２（バイパス通路）を流れる冷却水の温度と同等である。

排気熱回収器６は、エンジン１の排気通路に配置され、排気ガスの熱を冷却水によって回収するための熱交換器であって、その回収した熱はエンジン暖機や車室内暖房などに利用される。ＥＧＲクーラ７は、エンジン１の排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路に配置され、このＥＧＲ通路を通過（還流）するＥＧＲガスを冷却するための熱交換器である。

−切替弁−
次に、上記冷却系に用いる切替弁１０について図２を参照して説明する。

この例の切替弁１０は、ハウジング１１、弁体１２、圧縮コイルばね１３、及び、感温部１４などを備えている。

ハウジング１１には、図１に示すエンジン１の冷却水出口（ウォータジャケットの出口）１ｂに接続される冷却水入口１１ａ、ラジエータ３に接続されるラジエータ接続口１１ｂ、及び、ヒータ接続口１１ｃが設けられている。このヒータ接続口１１ｃは、図１に示すヒータ接続通路２０２ａを介してヒータ通路２０２に接続される。

ハウジング１１の内部には、バルブシート（弁座）１１１とばね座１１２とが互いに対向する状態で設けられている。これらバルブシート１１１とばね座１１２との間の空間（弁体１２の上流側の空間）が水導入部１１ｄとなっている。この水導入部１１ｄに上記冷却水入口１１ａが連通しており、その水導入部１１ｄを介してラジエータ接続口１１ｂが冷却水入口１１ａに連通している。また、弁体１２の下流側の空間が水導出部１１ｅとなっており、この水導出部１１ｅに上記ヒータ接続口１１ｃが連通している。

弁体１２は、上記ハウジング１１の内部で上記バルブシート１１１とばね座１１２との間に、そのバルブシート１１１に対し接離可能に配設されている。この弁体１２と後述する感温部１４のケース１４１とは一体化されている。また、弁体１２とばね座１１２との間には圧縮コイルばね１３が挟み込まれており、その圧縮コイルばね１３の弾性力によって弁体１２がバルブシート１１１に向けて付勢されている。

感温部（感温アクチュエータ）１４はケース１４１及びロッド１４２を備えている。ロッド１４２は、弁体１２の開閉方向に沿って延びる棒状の部材であって、ケース１４１に
摺動自在に配設されている。ロッド１４２は弁体１２を貫通しており、このロッド１４２に対し弁体１２が開閉方向に摺動可能となっている。また、ロッド１４２の先端部はハウジング１１の壁体１１ｆ（冷却水入口１１ａとは反対側の壁体）を貫通しており、その先端部がロッド保持部材１６によって保持されている。

感温部１４のケース１４１内には、温度変化によって膨張・収縮するサーモワックス１４３が充填されており、このサーモワックス１４３の膨張・収縮によりロッド１４２のケース１４１に対する突出量が変化するようになっている。なお、サーモワックス１４３はゴム等からなるシール材１４４内に収容されている。

そして、以上の構造の切替弁１０において、ワックス温度（サーモワックス１４３の温度）が所定値（この例では７０℃）よりも低いときには、ケース１４１からのロッド１４２の突出量が小さい（ケース１４１内へのロッド１４２の没入量が大きい）状態となり、弁体１２がバルブシート１１１に圧縮コイルばね１３の弾性力によって着座（閉弁）する（図２（Ａ））。このような閉弁状態から、ワックス温度が上記所定値以上（７０℃以上）になると、感温部１４のサーモワックス１４３が膨張する。このサーモワックス１４３の膨張により、ケース１４１からのロッド１４２の突き出し量が大きくなって、感温部１４の全体つまり弁体１２が圧縮コイルばね１３の弾性力に抗してバルブシート１１１から離れる向きに移動して弁体１２がバルブシート１１１から離座（開弁）する（図２（Ｂ））。

このように、この例の切替弁１０は、ワックス温度が所定値（７０℃）よりも低いときには閉弁状態となり、図１に示すエンジン１の冷却水出口１ｂ（エンジン冷却水通路２０１）とヒータ通路２０２とが遮断される（エンジン冷却水通路とバイパス通路との冷却水の循環が制限される）。一方、ワックス温度が所定値以上（７０℃以上）であるときには開弁状態となり、図１に示すエンジン１の冷却水出口１ｂ（エンジン冷却水通路２０１）とヒータ通路２０２とが連通する。なお、冷却水入口１１ａとラジエータ接続口１１ｂとは連通しているが、図１に示すサーモスタット４が閉弁状態であるときには、冷却水入口１１ａに流入した冷却水はラジエータ接続口１１ｂには流れない。

ここで、この例の切替弁１０においては、感温部１４の内部に電気ヒータ１５が埋め込まれており、この電気ヒータ１５への通電により発生する熱によってワックス温度を制御することが可能である。また、切替弁１０の電気ヒータ１５は切替弁コントローラ（図示せず）によって作動される。なお、電気ヒータ１５は、本発明の「加熱部」の一例である。また、電気ヒータ１５への通電はＥＣＵ３００により制御されており、そのＥＣＵ３００による切替弁１０の制御については後で詳細に説明する。

−冷却系の動作説明−
図１に示すエンジン１の冷却系の冷却水通路を循環する冷却水の流れについて図３及び図４を参照して説明する。

まず、冷間中は、切替弁１０の感温部１４の周辺水温が低い（７０℃未満）ので切替弁１０が閉弁状態となり、エンジン１内（ウォータジャケット内）の冷却水の流通が停止される（エンジン内水停止）。これによりエンジン１が早期に暖機される。また、切替弁１０が閉弁状態のときには、図３（Ａ）に示すように、電動ウォータポンプ２の作動によりヒータ通路２０２内に冷却水が循環し、冷却水が［電動ウォータポンプ２→ＥＧＲクーラ７→排気熱回収器６→ヒータ５→サーモスタット４→電動ウォータポンプ２］の順で流れる。このような早期暖機中に、暖房の要求があるときには、排気熱回収器６にて回収した熱にてヒータ５に必要な熱量を賄うようにすればよい。

次に、エンジン１が半暖機状態になり、開弁要求がなされ、ワックス温度が所定以上（７０℃以上）になると切替弁１０が開弁する。切替弁１０が開弁すると、図３（Ｂ）に示すように、上記ヒータ通路２０２内の冷却水循環に加えて、冷却水が、［電動ウォータポンプ２→エンジン１の冷却水入口１ａ→エンジン１内（ウォータジャケット内）→エンジン１の冷却水出口１ｂ→切替弁１０→ヒータ接続通路２０２ａ］の順で流れてエンジン１が冷却される。また、切替弁１０が開弁状態になると、エンジン冷却水通路２０１内（エンジン１内）の冷却水とヒータ通路（バイパス通路）２０２内の冷却水とが混合される。

そして、エンジン１が完全暖機状態になると、図４に示すように、サーモスタット４が作動（開弁）してラジエータ３に冷却水の一部が流れるようになり、冷却水が回収した熱がラジエータ３から大気に放出される。

−ＥＣＵ−
次に、ＥＣＵ３００について説明する。ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びバックアップＲＡＭなどを備えている。ＲＯＭには、各種制御プログラムや、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。ＣＰＵは、ＲＯＭ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。また、ＲＡＭはＣＰＵ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り、バックアップＲＡＭはエンジン１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。

ＥＣＵ３００には、上記エンジン水温センサ２１、吸気温センサ２３、エアフロメータ２４、エンジン回転数センサ２５を含むエンジン１の運転状態を検出する各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ３００にはヒータ入口水温センサ２２及びイグニッションスイッチ（図示せず）等が接続されている。

ＥＣＵ３００は、切替弁１０の開閉を制御するように構成されている。具体的には、ＥＣＵ３００は、図５に示すように、周辺水温推定部３０１と、ワックス温度推定部３０２と、目標値設定部３０３と、通電制御部３０４と、記憶部３０５とを含んでいる。なお、周辺水温推定部３０１、ワックス温度推定部３０２、目標値設定部３０３および通電制御部３０４は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより実現される。また、記憶部３０５は、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびバックアップＲＡＭなどにより構成されている。また、ＥＣＵ３００の各部については、後で詳細に説明する。

−周辺水温の推定−
周辺水温推定部３０１は、冷却水通路２００に設けられたエンジン水温センサ２１の検出結果（検出温度ｔｈｗ）に基づいて、サーモワックス１４３周辺の冷却水の温度（以下、「周辺水温」という）Ｔ＿ｗを推定する機能を有する。

ここで、エンジン水温センサ２１は、冷却水出口（ウォータジャケットの出口）１ｂの近傍に配置されており、切替弁１０に対して上流側に配置されている。これにより、たとえば、エンジン１が始動開始され、エンジン水温センサ２１の検出温度ｔｈｗが上昇した場合に、その温度変化が周辺水温Ｔ＿ｗに伝達されるまでに時間がかかる。すなわち、エンジン水温センサ２１の検出温度ｔｈｗが変化した場合に、周辺水温Ｔ＿ｗが検出温度ｔｈｗになるまでにタイムラグ（時間の遅れ）が存在する。

そこで、周辺水温推定部３０１は、上記した時間の遅れを考慮して、以下の式（１）を用いて、周辺水温Ｔ＿ｗを推定するように構成されている。

Ｇ₄（ｓ）＝ｔｈｗ／（Ｔ₄ｓ＋１）・・・（１）
この式（１）において、Ｇ₄（ｓ）は、一次遅れ要素の伝達関数であり、ｔｈｗは、定常ゲインであり、エンジン水温センサ２１の検出温度である。また、Ｔ₄は時定数であり、ｓはラプラス演算子である。なお、時定数Ｔ₄は、シミュレーションなどにより予め求められた定数であり、記憶部３０５に記憶されている。

−ワックス温度の推定−
［切替弁のサーモワックスの特性］
次に、図６を参照して、切替弁１０のサーモワックス１４３の特性について説明する。なお、以下では、サーモワックス１４３の融解温度が所定値（７０℃）である場合を例に説明する。また、所定値は、本発明の「予め設定された温度」の一例である。

まず、図６（ａ）に示すように、電気ヒータ１５への通電がオン状態であり、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値（７０℃）未満である場合には、サーモワックス１４３は、電気ヒータ１５の周囲から融解される。この場合には、ワックス温度は、時定数Ｔ₁で周辺水温Ｔ＿ｗに応じた定常値Ｋ（Ｔ＿ｗ）に収束する。

また、図６（ｂ）に示すように、電気ヒータ１５への通電がオン状態であり、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値（７０℃）以上である場合には、サーモワックス１４３は、電気ヒータ１５の周囲およびサーモワックス１４３の外周部から融解される。この場合にも、ワックス温度は、時定数Ｔ₁で周辺水温Ｔ＿ｗに応じた定常値Ｋ（Ｔ＿ｗ）に収束する。

このように、電気ヒータ１５への通電がオン状態である場合には、周辺水温Ｔ＿ｗに比べて電気ヒータ１５の方がワックス温度に対する影響が大きいため、周辺水温Ｔ＿ｗにかかわらず、ワックス温度は、同じ時定数Ｔ₁で定常値Ｋ（Ｔ＿ｗ）に収束する。

なお、定常値Ｋ（Ｔ＿ｗ）は、たとえば、周辺水温Ｔ＿ｗと定常値Ｋとの対応関係を示すマップを用いて決定される。周辺水温Ｔ＿ｗと定常値Ｋとの対応関係は、シミュレーションなどにより予め算出され、その算出結果であるマップは、記憶部３０５に記憶されている。

また、図６（ｃ）に示すように、電気ヒータ１５への通電がオン状態からオフ状態にされ、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値（７０℃）未満である場合には、サーモワックス１４３では、電気ヒータ１５の周囲から熱が放出され（矢印Ｈ１参照）、融解されていた部分が凝固される。この場合には、ワックス温度は、時定数Ｔ₂で定常値（周辺水温Ｔ＿ｗ）に収束する。

また、図６（ｄ）に示すように、電気ヒータ１５への通電がオフ状態であり、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値（７０℃）以上である場合には、サーモワックス１４３では、冷却水から熱が加えられ（矢印Ｈ２参照）、外周部から融解される。この場合には、ワックス温度は、時定数Ｔ₂とは異なる時定数Ｔ₃で定常値（周辺水温Ｔ＿ｗ）に収束する。

このように、電気ヒータ１５への通電がオフ状態の場合において、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値以上である場合と、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値未満である場合とでは、時定数が異なる。

上記したように、サーモワックス１４３は、電気ヒータ１５への通電のオン／オフ状態に応じてワックス温度が定常値に収束するまでにかかる時間が異なるとともに、電気ヒータ１５への通電がオフ状態のときにおいて周辺水温Ｔ＿ｗに応じてワックス温度が定常値に収束するまでにかかる時間が異なる。これは、電気ヒータ１５への通電のオン／オフ状態、および、周辺水温Ｔ＿ｗの条件に応じてサーモワックス１４３の融解・凝固特性が異なるためであると考えられる。

ここで、時定数Ｔ₁〜Ｔ₃は、シミュレーションなどにより予め求められた定数であり、記憶部３０５に記憶されている。時定数Ｔ₁は、時定数Ｔ₂およびＴ₃よりも小さい。すなわち、電気ヒータ１５への通電がオン状態のときの方が、電気ヒータ１５への通電がオフ状態のときに比べて、ワックス温度が定常値に早く収束する。なお、時定数Ｔ₂およびＴ₃については、サーモワックス１４３（感温部１４）の形状や種類などにより大小関係が異なる場合がある。すなわち、切替弁１０の種類によっては、時定数Ｔ₂の方が時定数Ｔ₃よりも大きい場合や、時定数Ｔ₂の方が時定数Ｔ₃よりも小さい場合があり得る。

［ワックス温度推定部］
ワックス温度推定部３０２は、切替弁１０のサーモワックス１４３の温度（ワックス温度）を推定する機能を有する。具体的には、ワックス温度推定部３０２は、電気ヒータ１５への通電がオン状態の場合と、電気ヒータ１５への通電がオフ状態であり、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値未満の場合と、電気ヒータ１５への通電がオフ状態であり、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値以上の場合とに応じてそれぞれ異なる時定数Ｔ₁〜Ｔ₃を設定して、ワックス温度を推定するように構成されている。すなわち、本実施形態によるＥＣＵ３００では、電気ヒータ１５への通電のオン／オフ状態、および、周辺水温Ｔ＿ｗの両方の条件に応じて異なる時定数が設定されている。

［ワックス温度推定処理］
次に、図７を参照して、ＥＣＵ３００によるワックス温度推定処理について説明する。なお、この処理は、エンジン１の始動開始とともに開始され、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１：
周辺水温推定部３０１（図５参照）により、周辺水温Ｔ＿ｗが推定される。具体的には、上記した式（１）を用いて求めた一次遅れの応答が周辺水温Ｔ＿ｗと推定される。

ステップＳ２：
ＥＣＵ３００により、電気ヒータ１５への通電がオン状態であるか否かが判断される。そして、電気ヒータ１５への通電がオン状態であると判断された場合には、ステップＳ３に移る。その一方、電気ヒータ１５への通電がオフ状態である（オン状態ではない）と判断された場合には、ステップＳ４に移る。

ステップＳ３：
ワックス温度推定部３０２により、以下の式（２）を用いてワックス温度が推定される。

Ｇ₁（ｓ）＝Ｋ（Ｔ＿ｗ）／（Ｔ₁ｓ＋１）・・・（２）
この式（２）において、Ｇ₁（ｓ）は一次遅れ要素の伝達関数であり、Ｋ（Ｔ＿ｗ）は定常ゲインである。また、Ｔ₁は時定数であり、ｓはラプラス演算子である。なお、Ｋ（Ｔ＿ｗ）は、周辺水温Ｔ＿ｗと定常値Ｋとの対応関係を示すマップを参照して、ステップＳ１において推定された周辺水温Ｔ＿ｗに対応する定常値Ｋである。

つまり、電気ヒータ１５への通電がオン状態である場合には、時定数Ｔ₁が設定された伝達関数Ｇ₁（ｓ）を用いてワックス温度が推定される。すなわち、伝達関数Ｇ₁（ｓ）を用いて求めた一次遅れの応答がワックス温度と推定される。

ステップＳ４：
ＥＣＵ３００により、ステップＳ１において推定された周辺水温Ｔ＿ｗが所定値（７０℃）未満であるか否かが判断される。そして、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値未満であると判断された場合には、ステップＳ５に移る。その一方、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値以上である（所定値未満ではない）と判断された場合には、ステップＳ６に移る。

ステップＳ５：
ワックス温度推定部３０２により、以下の式（３）を用いてワックス温度が推定される。

Ｇ₂（ｓ）＝Ｔ＿ｗ／（Ｔ₂ｓ＋１）・・・（３）
この式（３）において、Ｇ₂（ｓ）は一次遅れ要素の伝達関数であり、Ｔ＿ｗは定常ゲイン（ステップＳ１において推定された周辺水温）である。また、Ｔ₂は時定数であり、ｓはラプラス演算子である。

つまり、電気ヒータ１５への通電がオフ状態であり、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値未満である場合には、時定数Ｔ₁よりも大きい時定数Ｔ₂が設定された伝達関数Ｇ₂（ｓ）を用いてワックス温度が推定される。すなわち、伝達関数Ｇ₂（ｓ）を用いて求めた一次遅れの応答がワックス温度と推定される。

ステップＳ６：
ワックス温度推定部３０２により、以下の式（４）を用いてワックス温度が推定される。

Ｇ₃（ｓ）＝Ｔ＿ｗ／（Ｔ₃ｓ＋１）・・・（４）
この式（４）において、Ｇ₃（ｓ）は一次遅れ要素の伝達関数であり、Ｔ＿ｗは定常ゲイン（ステップＳ１において推定された周辺水温）である。また、Ｔ₃は時定数であり、ｓはラプラス演算子である。

つまり、電気ヒータ１５への通電がオフ状態であり、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値以上である場合には、時定数Ｔ₁よりも大きく、かつ、時定数Ｔ₂とは異なる時定数Ｔ₃が設定された伝達関数Ｇ₃（ｓ）を用いてワックス温度が推定される。すなわち、伝達関数Ｇ₃（ｓ）を用いて求めた一次遅れの応答がワックス温度と推定される。

−ＥＣＵによる切替弁制御−
［目標値設定部］
目標値設定部３０３（図５参照）は、サーモワックス１４３（図２参照）の温度の目標値を設定する機能を有する。具体的には、目標値設定部３０３は、後述する動作モード（予熱モード、開弁モード、水温モード、保護モード）に応じた目標値を記憶部３０５から読み出して設定するように構成されている。

［通電制御部］
通電制御部３０４（図５参照）は、サーモワックス１４３の温度（ワックス温度推定部３０２により推定されるワックス温度）が目標値設定部３０３により設定された目標値になるように電気ヒータ１５（図２参照）への通電を制御する機能を有する。すなわち、通電制御部３０４は、電気ヒータ１５への通電のオン／オフ状態を制御する機能を有する。

具体的には、通電制御部３０４は、ワックス温度推定部３０２により推定されたワックス温度が目標値よりも低い場合に電気ヒータ１５への通電を行い、ワックス温度推定部３０２により推定されたワックス温度が目標値よりも高い場合に電気ヒータ１５への通電を行わないように構成されている。

［切替弁制御処理］
次に、図８を参照して、ＥＣＵ３００による切替弁制御処理について説明する。なお、この処理は、ＥＣＵ３００により実行され、エンジン１の始動開始とともに開始される。また、この切替弁制御処理は、上記したワックス温度推定処理と並行して行われる。

まず、エンジン１（図１参照）が始動開始されると、図８に示すように、予熱モードに設定される。予熱モード時には、目標値設定部３０３（図５参照）により、ワックス温度の目標値が予熱温度（たとえば、６０℃）に設定される。

このとき、通電制御部３０４（図５参照）により、ワックス温度が予熱温度（６０℃）になるように電気ヒータ１５（図１参照）への通電が制御される。これにより、開弁要求がされた際に、切替弁１０（図１参照）をすばやく開弁させることが可能である。なお、予熱モード時には、切替弁１０は閉弁しており、図３（Ａ）に示すように、冷間中であり、エンジン１が暖機されている。

その後、開弁要求がされると、開弁モードに設定される。開弁モード時には、目標値設定部３０３により、ワックス温度の目標値が開弁温度（たとえば、７０℃）に設定される。そして、通電制御部３０４により、ワックス温度が開弁温度になるように電気ヒータ１５への通電が制御される。

なお、開弁要求は、ＥＣＵ３００により、所定の時間（たとえば、２０秒）の経過後において、エンジン１内の冷却水の温度が所定の温度（たとえば、７０℃）になると判断された場合に行われる。

そして、ワックス温度が開弁温度に到達すると、水温モードに設定される。水温モード時には、目標値設定部３０３により、ワックス温度の目標値が切替弁１０の全開温度（たとえば、８３℃）まで徐々に上昇される。そして、通電制御部３０４により、ワックス温度が目標値になるように電気ヒータ１５への通電が制御される。これにより、切替弁１０が徐々に開弁されることにより、エンジン水温センサ２１により検出される水温が急変するのを抑制することが可能である。

その後、保護モードに設定され、目標値設定部３０３により、ワックス温度の目標値が切替弁１０の全開温度（８３℃）に設定される。そして、通電制御部３０４により、ワックス温度が全開温度（８３℃）になるように電気ヒータ１５への通電が制御される。これにより、ワックス温度が十分に高くなったときに、過度に通電されるのを抑制することができるので、感温部１４（図２参照）が劣化するのを抑制することが可能である。

−効果−
本実施形態では、上記のように、電気ヒータ１５への通電がオン状態の場合と、電気ヒータ１５への通電がオフ状態であり、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値未満の場合と、電気ヒータ１５への通電がオフ状態であり、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値以上の場合とに応じてそれぞれ異なる時定数Ｔ₁〜Ｔ₃を設定してワックス温度を推定する。

このように構成することによって、サーモワックス１４３の融解・凝固特性が異なることに起因して、ワックス温度が定常値に収束するのにかかる時間が異なる場合にも、上記した各場合に応じた時定数Ｔ₁〜Ｔ₃を設定してワックス温度を推定することができるので、高い精度でワックス温度を推定することができる。これにより、開弁遅延の発生を抑制することができるので、エンジン内（ウォータジャケット内）の冷却水が沸騰して、オーバーヒートが発生するのを抑制することができる。また、早期開弁の発生を抑制することができるので、燃費改善の効果が低減されるのを抑制することができる。また、サーモワックス１４３が不必要に加熱されるのを抑制することができるので、切替弁１０の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態では、周辺水温推定部３０１が時間の遅れを考慮して周辺水温Ｔ＿ｗを推定することによって、エンジン水温センサ２１の検出温度ｔｈｗに基づいて、高い精度で周辺水温Ｔ＿ｗを推定することができる。

−他の実施形態−
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、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。

たとえば、本実施形態では、冷却水の循環に電動ウォータポンプ２を用いているが、これに限らず、機械式ウォータポンプを冷却水循環に用いてもよい。

また、本実施形態では、熱交換器としてヒータ、排気熱回収器及びＥＧＲクーラが組み込まれた冷却系を示したが、これに限らず、ＡＴＦ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｌｕｉｄ）ウォーマ、ＡＴＦクーラなどの熱交換器が組み込まれた冷却系に本発明を適用してもよい。

また、本実施形態では、電気ヒータ１５への通電のオン／オフ状態、および、周辺水温Ｔ＿ｗの両方の条件に応じて異なる時定数を設定する例を示したが、これに限らず、電気ヒータ１５への通電のオン／オフ状態、および、周辺水温Ｔ＿ｗのいずれか一方の条件に応じて異なる時定数を設定するようにしてもよい。

また、本実施形態では、電気ヒータ１５への通電がオン状態である場合に、時定数Ｔ₁が設定される例を示したが、これに限らず、電気ヒータ１５への通電がオン状態である場合において、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値以上である場合と、周辺水温Ｔ＿ｗが所定値未満である場合とで時定数が異なるようにしてもよい。

また、本実施形態では、ワックス温度の定常値Ｋ（Ｔ＿ｗ）を求めるために、周辺水温Ｔ＿ｗとワックス温度の定常値Ｋとの対応関係を示すマップが記憶部３０５に記憶される例を示したが、これに限らず、切替弁１０のリフト量（開弁度）の定常値を求めるために、周辺水温Ｔ＿ｗとリフト量の定常値との対応関係を示すマップが記憶部３０５に記憶されていてもよい。この場合には、リフト量とワックス温度とには対応関係があることから、リフト量の定常値に基づいて、ワックス温度の定常値を求めるようにしてもよい。

また、本実施形態では、周辺水温Ｔ＿ｗがサーモワックス１４３の融解温度以上の場合と融解温度未満の場合とで異なる時定数を設定する例を示したが、これに限らず、異なる時定数を設定する境界温度がサーモワックス１４３の融解温度以外であってもよい。

また、本実施形態では、周辺水温推定部３０１が、エンジン水温センサ２１の検出温度ｔｈｗに基づいて、時間の遅れを考慮して周辺水温Ｔ＿ｗを推定する例を示したが、これに限らず、周辺水温Ｔ＿ｗを検出するセンサが別途設けられていてもよい。

また、本実施形態では、開弁モードの後に、水温モードを挟んで、保護モードに設定される例を示したが、これに限らず、開弁モードの後に、水温モードを挟むことなく、直接保護モードに設定されるようにしてもよい。すなわち、切替弁１０が開弁した後に、ワックス温度の目標値を徐々に上昇させることなく、ワックス温度の目標値を切替弁１０の全開温度（８３℃）にするようにしてもよい。

また、本実施形態において、所定値などの値は、いずれも一例であって、上記した値に限定されるものではない。

１０ 切替弁
１５ 電気ヒータ（加熱部）
２１ エンジン水温センサ（水温センサ）
１４３ サーモワックス
２００ 冷却水通路
３００ ＥＣＵ（制御装置）

Claims (6)

1. 冷却水通路と、
   前記冷却水通路に設けられ、サーモワックスと前記サーモワックスを加熱する加熱部とを含む切替弁と、
   前記切替弁の開閉を制御する制御装置とを備えるエンジンの冷却系であって、
   前記制御装置は、前記加熱部への通電のオン／オフ状態、および、前記サーモワックス周辺の冷却水の温度の少なくともいずれか一方の条件に応じて異なる時定数を設定して、前記サーモワックスの温度を推定するように構成されていること
   を特徴とするエンジンの冷却系。
2. 請求項１に記載のエンジンの冷却系であって、
   前記制御装置は、前記加熱部への通電がオン状態の場合と、前記加熱部への通電がオフ状態であり、前記サーモワックス周辺の冷却水の温度が予め設定された温度以上の場合と、前記加熱部への通電がオフ状態であり、前記サーモワックス周辺の冷却水の温度が前記予め設定された温度未満の場合とに応じてそれぞれ異なる時定数を設定して、前記サーモワックスの温度を推定するように構成されていること
   を特徴とするエンジンの冷却系。
3. 請求項２に記載のエンジンの冷却系であって、
   前記予め設定された温度は、前記サーモワックスの融解温度であること
   を特徴とするエンジンの冷却系。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一つに記載のエンジンの冷却系であって、
   前記冷却水通路に設けられた冷却水の水温センサを備え、
   前記制御装置は、前記水温センサの検出結果に基づいて、前記サーモワックス周辺の冷却水の温度を推定するように構成されていること
   を特徴とするエンジンの冷却系。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一つに記載のエンジンの冷却系であって、
   前記制御装置は、前記サーモワックスの温度の目標値を設定し、推定される前記サーモワックスの温度が前記目標値になるように前記加熱部への通電を制御するように構成されていること
   を特徴とするエンジンの冷却系。
6. 冷却水通路と、前記冷却水通路に設けられ、サーモワックスと前記サーモワックスを加熱する加熱部とを含む切替弁とを備えるエンジンの冷却系に設けられ、前記切替弁の開閉を制御する制御装置であって、
   前記加熱部への通電のオン／オフ状態、および、前記サーモワックス周辺の冷却水の温度の少なくともいずれか一方の条件に応じて異なる時定数を設定して、前記サーモワックスの温度を推定するように構成されていること
   を特徴とする制御装置。

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