JP5175764B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に対する冷却水の供給流量を調整する流量調整手段を備えてなる内燃機関の冷却装置に関する。

特許文献１には、ウォーターポンプからシリンダヘッド側ジャケットに冷却水を供給するシリンダヘッド側供給通路と、前記ウォーターポンプからシリンダブロック側ジャケットに冷却水を供給するシリンダブロック側供給通路との分岐部に、両通路に対する冷却水の分配を制御する分配制御弁を配置し、前記ウォーターポンプ及び分配制御弁を、シリンダヘッド側ジャケットとシリンダブロック側ジャケットの水温に応じて制御する冷却装置が開示されている。

特開２００５−０８３２３９号公報

ところで、上記のように水温の検出結果に基づいて冷却水の供給流量を制御する場合、供給流量の変化に対応する水温の変化が検出されるようになるまでに時間遅れがあるため、目標温度に向けて高い応答で変化させつつ、オーバーシュートの発生を抑制することが難しいという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、応答性とオーバーシュートの抑制とを両立させ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。

そのため、本発明に係る内燃機関の冷却装置では、冷却水温度の検出値と冷却水温度の目標値との偏差、冷却水温度の変化速度、及び、内燃機関の発熱量に基づいて、流量調整手段の操作量を演算し、該操作量を流量調整手段に出力するようにした。

上記発明によると、冷却水温度と目標値との偏差から、実際の冷却水を目標に近づけるために要求される操作量が求められる一方、冷却水温度の変化速度から過渡応答の特性を判断でき、これによって、応答性とオーバーシュートの抑制とを両立させることができる。また、内燃機関の発熱量に応じて操作量を演算することで、急激な温度変化を抑制でき、かつ、過剰に温度変化が抑制されてしまうことを低減できる。

第１実施形態における冷却装置の全体構成図である。 前記第１実施形態における操作流量の演算処理を示すフローチャートである。 前記第１実施形態における操作流量の演算処理を示すブロック図である。 前記第１実施形態に従って補正処理を行った場合の目標水温、実水温、水温変化速度、補正量の変化を示すタイムチャートである。 第２実施形態における冷却装置の全体構成図である。 前記第２実施形態における操作流量の演算処理を示すフローチャートである。 前記第２実施形態における目標水温の特性を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、第１実施形態における内燃機関の冷却装置の全体構成を示す。
この図１において、内燃機関１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３を含んで構成され、シリンダブロック２には、シリンダブロック側ウォータージャケット４が形成され、シリンダヘッド３には、シリンダヘッド側ウォータージャケット５が形成されている。

また、ラジエータ６は、内燃機関１内で加熱された冷却水の熱を放熱するための放熱器であり、該ラジエータ６の出口６ａには、吸入配管７の一端が接続され、前記吸入配管７の他端は、電動式のウォーターポンプ８の吸込口８ａに接続されている。

尚、本願においては「冷却水」とは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）などの冷却液を含むものであるとする。
前記ウォーターポンプ８の吐出口８ｂには、供給配管９の一端が接続され、該供給配管９の他端は、前記シリンダブロック側ウォータージャケット４の入口４ａに接続されている。

また、前記シリンダヘッド側ウォータージャケット５の出口５ａには、戻し配管１０の一端が接続され、前記戻し配管１０の他端は、前記ラジエータ６の入口６ｂに接続されている。

前記ウォーターポンプ８はモータ１１によって回転駆動され、吸入配管７側から冷却水を吸い込んで供給配管９側に冷却水を吐出し、内燃機関１（シリンダブロック側ウォータージャケット４及びシリンダヘッド側ウォータージャケット５）に向けて冷却水を圧送する。

前記ウォーターポンプ８から圧送される冷却水は、シリンダブロック側ウォータージャケット４を通過することで、シリンダブロック２の熱を奪い、更に、シリンダブロック側ウォータージャケット４とシリンダヘッド側ウォータージャケット５とを連通させる連通路１２を介して、シリンダブロック側ウォータージャケット４からシリンダヘッド側ウォータージャケット５内に流入し、シリンダヘッド３の熱を奪う。

そして、シリンダブロック２及びシリンダヘッド３を冷却して温度上昇した冷却水は、シリンダヘッド側ウォータージャケット５の出口５ａから排出され、戻し配管１０を介して前記ラジエータ６に戻り、前記ラジエータ６で放熱して温度が低くなってから再びウォーターポンプ８によって吸い込まれて内燃機関１に供給される。

即ち、冷却水は、ラジエータ６→シリンダブロック側ウォータージャケット４→シリンダヘッド側ウォータージャケット５→ラジエータ６の経路（冷却回路）を循環して、内燃機関１の冷却を行う。

また、前記ウォーターポンプ８の吸込口８ａと、前記ラジエータ６の出口６ａとの間の吸入配管７と、前記戻し配管１０とを連通させるバイパス配管１２が設けられ、該バイパス配管１２の吸入配管７に対する接続部には、冷却水温度が設定低温を下回る場合にバイパス配管１２を開放し、ラジエータ６を迂回して冷却水を循環させるようにするサーモスタット１３が設けられている。

前記サーモスタット１３は、ワックスの熱膨張を利用して弁を開閉する開閉弁である。
但し、前記サーモスタット１３に代えて電磁開閉弁を設け、後述する電子コントロールユニット（ＥＣＵ）２０からの信号で前記電磁開閉弁を開閉動作させることができる。

前記電子コントロールユニット２０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏなどを含むマイクロコンピュータを備えて構成され、該電子コントロールユニット２０には、前記内燃機関１内の冷却水の温度を検出する温度センサ２１（検出手段）、内燃機関１の回転速度ＮＥを検出する回転センサ２２、内燃機関１の負荷を検出する負荷センサ２３などからの信号が入力される。

尚、前記負荷センサ２３とは、例えば、内燃機関１の吸気管負圧、スロットル開度、吸入空気量、燃料噴射量など、機関負荷を示す状態量として公知のものを検出するセンサが含まれる。

前記電子コントロールユニット２０（制御手段）は、前記各種センサからの信号に基づいて、前記モータ１１の操作量を演算し、該操作量によってモータ１７を駆動制御することで、前記ウォーターポンプ８（流量調整手段）からの冷却水の吐出流量を制御する。

次に、前記電子コントロールユニット２０によるモータ１７（ウォーターポンプ８）の制御を、図２のフローチャートに従って詳細に説明する。
図２のフローチャートに示すルーチンにおいて、まず、ステップＳ１０１では、ウォーターポンプ８からの冷却水の吐出流量の基本値（基本流量）を演算する。

前記基本流量は、目標水温に応じて設定され、具体的には、目標水温が低いほど基本流量をより大きく設定し、目標水温が低い場合には冷却水の循環量が多くなるようにする。
前記目標水温は、前記温度センサ２１で検出される冷却水温度の目標であり、前記電子コントロールユニット２０（目標設定手段）は、前記目標水温を固定値として予め記憶するか、また、前記目標水温を内燃機関１の運転条件に応じて可変に設定する。

内燃機関１の運転条件に応じて目標値を可変に設定する例としては、冷却水温度が完暖温度に達するまでの冷機時には、前記目標水温を適正温度よりも高く設定することで、ウォーターポンプ８からの冷却水の吐出流量（冷却水の循環量）を少なく抑え、冷却水温度（機関温度）の昇温を早めるようにする一方、暖機後は、前記目標水温を暖機中よりも低い前記適正温度に設定して、前記適正温度を維持するようにし、更に、暖機後の高負荷・高回転運転時には、前記目標水温を前記適正温度よりも低い温度に設定することで、ポンプ８からの冷却水の吐出流量（冷却水の循環量）をより多くし、冷却水温度（機関温度）の過剰上昇を未然に防止できるようにする。

尚、基本流量を、目標水温と機関回転速度ＮＥとに基づいて設定させることができ、目標水温が低いほど基本流量を大きくし、かつ、機関回転速度ＮＥが高いほど、基本流量をより大きく設定することができる。

ステップＳ１０２では、温度センサ２１で検出された冷却水温度と前記目標水温との偏差を、下式に従って算出する。
（式１）…水温偏差＝水温検出値−目標水温
ステップＳ１０３では、温度センサ２１で検出された冷却水温度の変化速度を、下式に従って算出する。

（式２）…水温変化速度＝（今回の水温検出値−前回の水温検出値）／変化時間
尚、式２における変化時間とは、前回の水温検出時から今回の水温検出時までの経過時間であり、式２によって、単位時間当たりの水温変化量を演算する。

ステップＳ１０４では、前記式１に従って演算した水温偏差の絶対値が閾値Ａ以下であり、かつ、前記式２に従って演算した水温変化速度の絶対値が閾値Ｂ以上であるか否かを判断する。

ステップＳ１０４の判断は、温度センサ２１で検出される冷却水温度を前記目標水温に近づけるように、ウォーターポンプ８からの冷却水の吐出流量（冷却水の供給流量）を制御するフィードバック制御における、オーバーシュートの発生予測を行うものである。

即ち、水温偏差の絶対値が閾値Ａ以下である状態は、実際の水温が目標水温を含む所定範囲内の値である状態であって、実際の冷却水温度が目標水温に充分に近づいている状態であり、係る状態で水温変化速度の絶対値が閾値Ｂ以上であって実際の水温が速い速度で変化していると、実際の水温が目標水温を通り過ぎて大きな偏差を発生させてしまう所謂オーバーシュートが発生することが予測される。

特に、目標水温よりも高い側に実際の水温がオーバーシュートすると、機関温度が過剰に高いオーバーヒート（過熱）状態になってしまい、ノッキング・潤滑不良・焼き付きなどの問題が生じる可能性がある。

そこで、ステップＳ１０４における閾値Ａ，Ｂは、オーバーシュートの発生を水温偏差及び水温変化速度から予測できるように、予め実機又はシミュレーションに基づいて適合されている。

前記ステップＳ１０４で、水温偏差の絶対値が閾値Ａ以下であり、かつ、水温変化速度の絶対値が閾値Ｂ以上であると判断された場合には、オーバーシュートが発生する可能性が高いと判断し、前記オーバーシュートの発生を抑制すべく、ステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０５では、実際の水温が目標水温付近に収束したか否かを判断する。
前記収束判断においては、例えば、水温偏差の絶対値が閾値Ｃ（＜閾値Ａ）以下である状態が、所定時間以上継続している場合に、実際の水温が目標水温付近に収束していると判断する。

換言すれば、実際の水温が目標水温に近い値で安定している状態を、実際の水温の収束状態とする。
ステップＳ１０５で、実際の水温が目標水温付近に収束していないと判断された場合には、ステップＳ１０６へ進み、オーバーシュートの発生を抑制するための補正流量を、下式に従って演算する。

（式３）…補正流量＝ゲイン×水温変化速度×基本流量
即ち、補正流量は、基本流量の所定割合の流量として演算され、水温変化速度の絶対値が大きいほどより絶対値の大きな値として算出され、水温変化速度が同じでもそのときの基本流量が多いほど絶対値の大きな値として算出され、ゲインによって水温変化速度を前記所定割合に変換している。

また、前記水温変化速度は、水温の上昇変化時はプラスの値として算出され、水温の減少変化時はマイナスの値として算出されるから、前記補正流量は、水温の上昇変化時は冷却水の流量を増大補正して水温の増大を抑制させるプラス補正項となり、水温の減少変化時には冷却水の流量を減少補正して水温の減少を抑制させるマイナス補正項となる。

前記ゲインは、補正流量による流量の補正設定により、急激な温度変化によるオーバーシュートの発生を抑制でき、かつ、過剰に温度変化を抑制することにならないような値として、予め適合されている。

そして、前記補正流量は、ステップＳ１０４からステップＳ１０５に初めて進み、ステップＳ１０５からステップＳ１０６に進んだ時点、即ち、水温偏差の絶対値が閾値Ａ以下である温度領域内で温度変化速度が閾値Ｂ以上であると初めて判断された時点で演算され、後述するステップＳ１０９又はステップＳ１１５で零にリセットされるまでは、その値を保持するものとする。

これは、冷却水温度の変化速度が閾値Ｂ以上であることに基づいて補正流量（≠０）によって流量を補正した結果、変化速度が遅くなり、この変化速度の減少に基づいて補正流量の絶対値を小さく変更すると、再度変化速度が速くなり、再度補正流量（≠０）の絶対値を大きくすることになり、制御がハンチングしてしまうためである。

ステップＳ１０７では、実際の水温を目標水温に近づけるためのフィードバック補正項であるＰＩ制御流量を、下式に示すように、前記水温偏差（制御エラー）に基づく比例・積分動作（ＰＩ動作）によって逐次更新演算する。

（式４）…ＰＩ制御流量＝比例ゲイン×水温偏差＋積分ゲイン×∫（水温偏差）ｄｔ
前記水温偏差は、式１に示したように、「水温偏差＝水温検出値−目標水温」として算出されるから、前記ＰＩ制御流量は、水温検出値が目標水温よりも高い場合に流量を増大補正し、水温検出値が目標水温よりも低い場合に流量を減少補正することで、実際の水温を目標水温に近づけるように流量をフィードバック制御することになる。

ステップＳ１０８では、シリンダブロック側ウォータージャケット４とシリンダヘッド側ウォータージャケット５とに循環させる冷却水の目標流量である操作流量を、前記ＰＩ制御流量、補正流量、基本流量に基づき下式に従って演算し、演算後は再度ステップＳ１０５に戻って、目標水温に実際の冷却水の温度が収束したか否かを判断させる。

（式５）…操作流量＝ＰＩ制御流量＋補正流量＋基本流量
前記電子コントロールユニット２０は、前記操作流量に対応する吐出流量が得られるように、モータ１１（ウォーターポンプ８）の回転速度を制御する。

ここで、「ＰＩ制御流量＋基本流量」の流量が得られるようにウォーターポンプ８を制御することで、実際の水温を目標水温に追従変化させることができるが、流量変化に対応する水温の変化が温度センサ２１で検出されるまでには応答遅れがあるため、オーバーシュートが発生してしまう可能性がある。

これに対し、前記補正流量による補正を加えれば、実際の水温が目標水温に近づいた状態（水温偏差の絶対値≦閾値Ａの状態）での実際の水温の変化を抑制することになるから、実際の水温が目標水温付近に近づくまでは高応答で水温を変化させ、その後、変化速度を遅らせて目標水温に収束させることができ、オーバーシュートの発生を抑制できる。

特に、水温を目標水温に向けて上昇させる場合、実際の水温が目標水温を超えて過剰に高くなることが抑制されることで、オーバーヒート（過熱）によるノッキング・潤滑不良・焼き付きなどの発生を回避することが可能となる。

上記のように、水温変化速度による補正流量を操作流量に付加して、モータ１１の回転（ウォーターポンプ８の吐出量）を制御する状態を、ステップＳ１０５で実際の水温が目標水温に収束したと判断されるようになるまで継続させる。

そして、ステップＳ１０５で実際の水温が目標水温に収束したと判断されると、ステップＳ１０９へ進み、補正流量を零にリセットし、水温変化速度に基づく流量の補正制御を停止させる。

次のステップＳ１１０では、収束判定直前の補正流量によって冷却水の流量を補正していた状態（補正流量≠０の状態）における内燃機関１の発熱量の変化方向を判定する。
内燃機関１の発熱量は、機関回転速度及び機関負荷から推定することができ、より詳細には、下式に従って演算する（発熱量推定手段）。

（式６）…機関発熱量＝燃料噴射量×燃料の発熱量×冷却損失
式６において、燃料の発熱量は、内燃機関１において使用する燃料（ガソリン）の特性値として予め記憶させておき、また、機関回転速度ＮＥ及び機関負荷に応じて冷却損失を設定したマップを予め記憶させておき、前記マップからそのときの機関回転速度ＮＥ及び機関負荷に対応する冷却損失を検索させる。

更に、燃料噴射量は、内燃機関１に供給される燃料量であって機関負荷を示す状態量であるが、シリンダ吸入空気量に応じて燃料噴射量を設定するガソリン機関においては、燃料噴射量に代えてシリンダ吸入空気量を用いることができる。

尚、簡易的には、機関回転速度ＮＥと機関負荷とに応じて発熱量を設定したマップから、そのときの機関回転速度ＮＥ及び機関負荷に対応する発熱量を検索させることができる。

また、ステップＳ１１０では、機関発熱量の変化方向を判定できればよいので、簡易な判定方法として、機関負荷の増大状態を機関発熱量の増大変化状態と見なし、また、機関負荷の減少状態を機関発熱量の減少状態と見なすことができる。

ステップＳ１１１では、補正流量によって冷却水の流量を補正していた状態（補正流量≠０の状態）における機関発熱量の変化方向と冷却水温度の変化方向とを比較し、両者が同じ方向に向けて変化していたか否か、換言すれば、機関発熱量の増大変化に対応して冷却水温度が上昇変化していたか、又は、機関発熱量の減少変化に対応して冷却水温度が減少変化していたかを判断する。

そして、機関発熱量の変化方向と冷却水温度の変化方向とが同じであった場合には、例えば、目標温度に向けて実際の冷却水温度を上昇させるべく冷却水の流量を制御していた状態で、機関発熱量も冷却水温度を上昇させる方向に変化していたことになり、補正流量分の補正が無くなると、目標水温付近に収束している冷却水温度を増大させることになる。

また、目標温度に向けて実際の冷却水温度を下降させるべく冷却水の流量を制御していた状態で、機関発熱量が冷却水温度を下降させる方向である減少変化を示していた場合には、補正流量分の補正が無くなると、目標水温付近に収束している冷却水温度を減少させることになる。

一方、機関発熱量の変化方向と冷却水温度の変化方向とが逆方向であった場合には、機関発熱量の変化は、冷却水温度の変化を妨げる方向に作用していたことになり、冷却水温度の変化速度に応じた補正流量は、機関発熱量の変化による冷却水温度の変化を抑制することにはならない。

そこで、機関発熱量の変化方向と冷却水温度の変化方向とが同じであった場合には、ステップＳ１１２へ進み、前記ＰＩ制御流量の積分項（積分動作分）に対し、零にリセットされる前の補正流量を付加し、該付加処理後の積分項（積分動作分）を前回値として、更新演算が行われるようにする。

上記積分項に補正流量分を反映させる処理を行うことで、目標水温付近に収束してからの冷却水温度の変動を抑制することができる。
ステップＳ１１３では、ステップＳ１０７と同様にしてＰＩ制御流量を更新演算するが、積分項は、ステップＳ１１２で補正流量による補正が施された値を前回値として更新される。

ステップＳ１１４では、前記式５に従って操作流量を演算するが、補正流量はステップＳ１０９で零にリセットされているので、実質的には、下式に従って操作流量が算出されることになる。

（式７）…操作流量＝ＰＩ制御流量＋基本流量
また、ステップＳ１１１で、機関発熱量の変化方向と冷却水温度の変化方向とが逆方向であったと判断された場合には、冷却水温度の変化速度に応じた補正流量を積分項に反映させる必要はないので、ステップＳ１１６へ進んで、ＰＩ制御流量を、ステップＳ１０５で収束判定される直前の積分項を前回値として、更新演算させる。

更に、ステップＳ１１７では操作流量を式５に従って演算するが、前記補正流量を零としたステップＳ１０９での処理に基づき、実質的には式７に従って操作流量を演算する。
一方、ステップＳ１０４で、水温偏差の絶対値が閾値Ａよりも大きいと判断されるか、及び／又は、水温変化速度の絶対値が閾値Ｂ未満であると判断された場合、即ち、実際の冷却水温度が目標水温から離れている場合、及び／又は、水温変化速度が遅い場合には、変化速度に応じた補正流量による補正は不要であると判断し、ステップＳ１１５へ進んで、前記補正流量を零に設定する。

例えば、水温偏差の絶対値が閾値Ａ以下であって、実際の冷却水温度が目標水温に近づいているとしても、そのときの水温変化速度の絶対値が閾値Ｂ未満である場合には、オーバーシュートが発生することはなく、目標水温に収束するものと見込まれるので、前記変化速度に応じた補正流量で流量を補正する必要はない。

また、水温変化速度の絶対値が閾値Ｂ以上であっても、水温偏差の絶対値が閾値Ａよりも大きく、実際の冷却水温度が目標水温から充分に離れている場合には、目標水温に向けての変化を抑制する必要はなく、むしろ、その状態を維持することで目標水温に高い応答で近づけることができるので、補正流量による流量の補正は行わない。

更に、水温偏差の絶対値が閾値Ａよりも大きく、実際の冷却水温度が目標水温から充分に離れていて、かつ、水温変化速度の絶対値が閾値Ｂ未満であれば、水温変化を抑制する必要性がなく、この場合も補正流量による流量の補正は行わない。

ステップＳ１１６では、ＰＩ制御流量を更新演算し、ステップＳ１１７では操作流量を式５に従って演算するが、ステップＳ１１５で補正流量を零にしたので、実質的には、前記式７に従って操作流量を演算する。

尚、上記実施形態では、操作流量に応じて流量調整手段としてのウォーターポンプ８の吐出量を制御したが、モータ１１の回転速度を一定としておいて、前記供給配管９に介装させた流量制御弁（流量調整手段）の開度によって、内燃機関１（シリンダブロック側ウォータージャケット４及びシリンダヘッド側ウォータージャケット５）に供給される冷却水の流量を変化させることができ、更に、前記モータ１１の回転速度（ポンプの吐出量）の制御と、前記流量制御弁の開度制御とを組み合わせて、前記操作流量に対応する流量の冷却水を内燃機関１に供給させることができる。

図３は、図２のフローチャートに示した、水温変化速度に基づき補正流量を演算し、該補正流量に基づいて操作流量を補正する機能を示すブロック図である。
図３において、温度センサ（冷却水温検出装置）２１で検出された実際の水温と、目標水温との偏差が、第１演算器３１において演算され、前記偏差は、ＰＩ制御流量演算部３２に出力される。

前記ＰＩ制御流量演算部３２では、前記偏差に基づく比例・積分動作によって、実際の冷却水温度を目標水温に近づけるように、ＰＩ制御流量を演算して出力する。
また、水温変化速度演算部３３では、温度センサ２１で検出された実際の水温の変化速度を演算し、演算した変化速度を補正流量演算部３４に出力する。

前記補正流量演算部３４では、前記変化速度及び水温偏差に基づいて、水温変化を抑制するための補正流量を演算し出力する。
尚、前記補正流量による補正は、前述のように、水温偏差の絶対値が閾値Ａ以下であり、かつ、水温変化速度の絶対値が閾値Ｂ以上でなった時点で開始され、実際の水温が目標水温に収束するまで継続される。

第２演算器３５では、前記ＰＩ制御流量演算部３２で演算されたＰＩ制御流量と、前記補正流量演算部３４で演算された前記補正流量とを加算する。
前記第２演算器３５における加算結果は、ゼロリミット部３６に出力され、ゼロリミット部３６では、前記加算結果がマイナスの場合に零にリセットする処理を行い、「ＰＩ制御流量＋補正流量」がマイナスの流量として出力されることを回避する。

また、基本流量演算部３７では、前記目標水温に基づいて基本流量を演算し、該基本流量と前記ゼロリミット部３６を通過した「ＰＩ制御流量＋補正流量」が第３演算器３８で加算され、該加算結果が操作流量として流量制御装置（流量調整手段）３９に出力される。

前記流量制御装置３９は、前述のように、ウォーターポンプ８（モータ１１）及び／又は流量制御弁で構成され、前記操作流量に従って、内燃機関１の冷却回路４０（シリンダブロック側ウォータージャケット４及びシリンダヘッド側ウォータージャケット５）に供給される冷却水の流量を制御する。

図４のタイムチャートは、図２のフローチャートに示したルーチンに従って冷却水の流量を制御した場合の水温、水温偏差、水温変化速度、補正流量、積分項の変化を示す。
図４において、時刻ｔ１においては、目標水温よりも実際の水温が低いが、目標水温と実際の水温との偏差の絶対値が閾値Ａよりも大きいため、補正流量は零に設定される。

一方、時刻ｔ１から時刻ｔ２に達するまでの間におけるＰＩ制御流量によるフィードバック制御によって、時刻ｔ２において、目標水温と実際の水温との偏差の絶対値が閾値Ａに一致するようになり、かつ、時刻ｔ２の時点で算出された水温変化速度の絶対値（水温の増大速度）が閾値Ｂ以上であるため、そのときの水温変化速度に基づいて補正流量が演算され、該補正流量に基づいて操作流量を補正する。

時刻ｔ２では、水温が上昇変化しているため、係る水温の上昇変化を冷却水流量の増大によって抑制すべく、補正流量は、冷却水流量を増大補正することになるプラスの値に算出される。

そして、前記補正流量による操作流量の増大補正によって、実際の冷却水温度が目標水温を大きくオーバーしてしまう（目標水温よりも大幅に高くなってしまう）ことなく、目標水温付近に収束する。

時刻ｔ３の時点で、実際の冷却水温度が目標水温に収束したと判断されると、補正流量を零にリセットするが、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの補正流量による補正期間で、内燃機関１の発熱量の変化方向と水温の変化方向とが同じである（補正期間で機関発熱量が増大していてかつ水温が増大していた）と判断されることで、積分項に前記補正流量を付加して（積分項を補正流量分だけ増大補正し）更新させるようする。

前記補正流量による積分項の補正によって、実際の水温が目標水温に収束した後での水温変化を抑制することができる。
時刻ｔ４では、目標水温がそれまでよりも高い値に変更されるが、実際の水温を更新後の目標水温に追従変化させる状態で、水温変化速度の絶対値が閾値Ｂ以上になることがなく、このため補正流量は零を保持する。

一方、時刻ｔ５では、目標水温が時刻ｔ１の時点での目標水温よりも低い値に変更され、その結果、目標水温と実際の水温との偏差の絶対値が閾値Ａよりも大きい状態に切り替わる。

そして、前記水温偏差を解消すべくＰＩ制御流量によるフィードバック制御が行われ、時刻ｔ６に時点で、目標水温と実際の水温との偏差の絶対値が閾値Ａに一致するようになり、かつ、時刻ｔ６の時点で算出された水温変化速度の絶対値（水温の減少速度）が閾値Ｂ以上であるため、そのときの水温変化速度に基づいて補正流量が演算され、該補正流量に基づいて操作流量を補正する。

時刻ｔ６では、水温が下降変化しているため、係る水温の下降変化を冷却水流量の減少によって抑制すべく、補正流量は、冷却水流量を減少補正することになるマイナスの値に算出される。

そして、前記補正流量による操作流量の減少補正によって、実際の冷却水温度が目標水温を大きくオーバーしてしまう（目標水温よりも大幅に低くなってしまう）ことなく、目標水温付近に収束する。

時刻ｔ７の時点で、実際の冷却水温度が目標水温に収束したと判断されると、補正流量を零にリセットするが、時刻ｔ６から時刻ｔ７までの補正流量による補正期間で、内燃機関１の発熱量の変化方向と水温の変化方向とが同じである（補正期間で機関発熱量が減少していてかつ水温が減少していた）と判断されたことで、積分項に前記補正流量を付加して（積分項を補正流量分だけ減少補正し）更新させるようする。

図５は、第２実施形態における内燃機関の冷却装置の全体構成を示す。
尚、図５においては、図１に示した構成要素と同一のものには、同一符号を付してある。

図５に示す第２実施形態は、シリンダブロック側ウォータージャケット４とシリンダヘッド側ウォータージャケット５とが相互に独立して形成されており、換言すれば、相互に独立の２つの冷却回路を備えて構成される。

そして、ウォーターポンプ８から吐出された冷却水が、シリンダブロック側ウォータージャケット４とシリンダヘッド側ウォータージャケット５とにそれぞれ分配されて供給され、かつ、シリンダブロック側ウォータージャケット４とシリンダヘッド側ウォータージャケット５とを連通させる通路が設けられず、シリンダブロック側ウォータージャケット４から排出された冷却水とシリンダヘッド側ウォータージャケット５から排出された冷却水とが合流してラジエータ６に戻されるように構成されている。

詳細には、前記ウォーターポンプ８の吐出口８ｂに一端が接続される供給配管９が、途中から第１供給配管９ａと第２供給配管９ｂとの２つに分岐し、第１供給配管９ａは、シリンダヘッド側ウォータージャケット５の入口５ｂに接続され、第２供給配管９ｂは、シリンダブロック側ウォータージャケット４の入口４ａに接続される。

また、供給配管９が第１供給配管９ａと第２供給配管９ｂとに分岐する部分には、分配制御弁１５が設けられている。
前記分配制御弁１５は、前記ウォーターポンプ８から吐出された冷却水のうち、シリンダヘッド側ウォータージャケット５（第１供給配管９ａ）に供給する流量と、シリンダブロック側ウォータージャケット４（第２供給配管９ｂ）に供給する流量との比（分配比）を制御する弁（流量調整手段）である。

前記分配制御弁１５は、ロータリーバルブによって前記分配比を変化させる構成とすることができる他、相互に独立に開度制御される開閉弁を、第１供給配管９ａと第２供給配管９ｂとのそれぞれに備えて構成することができる。

更に、シリンダヘッド側ウォータージャケット５の出口５ａには、第１戻し配管１０ａの一端が接続され、また、シリンダブロック側ウォータージャケット４の出口４ｂには、第２戻し配管１０ｂの一端が接続され、前記第１戻し配管１０ａの他端と前記第２戻し配管１０ｂの他端とが合流して、戻し配管１０の一端に接続され、前記戻し配管１０の他端が、前記ラジエータ６の入口６ｂに接続される。

また、前記第２戻し配管１０ｂには、シリンダブロック側ウォータージャケット４からラジエータ６の入口６ｂに向かう冷却水の流れを許容し、逆方向の流れを遮断するチェックバルブ（一方向弁）１６が介装されている。

尚、図１に示した第１実施形態は、シリンダブロック側ウォータージャケット４とシリンダヘッド側ウォータージャケット５とを連通させる連通路１２を備えるが、図５に示す第２実施形態では前記連通路１２を備えず、シリンダブロック側ウォータージャケット４からシリンダヘッド側ウォータージャケット５に向けて、及び、シリンダヘッド側ウォータージャケット５からシリンダブロック側ウォータージャケット４に向けて、冷却水が流れることはない。

前記電子コントロールユニット２０には、第１実施形態と同様に、内燃機関１の回転速度ＮＥを検出する回転センサ２２、内燃機関１の負荷を検出する負荷センサ２３からの信号が入力されると共に、シリンダブロック側ウォータージャケット４内の冷却水の温度を検出するブロック側温度センサ２１ａと、シリンダヘッド側ウォータージャケット５内の冷却水の温度を検出するヘッド側温度センサ２１ｂからの信号が入力される。

そして、電子コントロールユニット２０は、シリンダブロック側ウォータージャケット４内の冷却水の温度を目標水温とするための操作流量と、シリンダヘッド側ウォータージャケット５内の冷却水の温度を目標水温とするための操作流量とを個別に演算し、ブロック側の操作流量とヘッド側の操作流量とから、前記ウォーターポンプ８の吐出量及び前記分配制御弁１５を制御する。

図６のフローチャートは、第２実施形態における操作流量の演算処理を示す。
ステップＳ２０１では、シリンダブロック側の目標水温及びシリンダヘッド側の目標水温をそれぞれに設定する。

ステップＳ２０１での目標水温の設定処理は、図７に示すようにして行われる。
図７に示すように、内燃機関１の温度条件として、冷機（ＣＯＬＤ）・暖機後（ＨＯＴ）・耐熱の３種類に区分し、更に、内燃機関１の運転状態として、始動・ファーストアイドル・定常・ＷＯＴ（全開）のいずれかに区別して、目標水温として高水温・中水温・低水温（高水温＞中水温＞低水温）の３種類のいずれかを設定する。

具体的には、冷機（ＣＯＬＤ）であってＷＯＴ（全開）以外の運転状態であれば、シリンダブロック側の目標水温及びシリンダヘッド側の目標水温を共に高水温に設定することで、冷却水流量を絞り、内燃機関１（冷却水）の温度が速やかに上昇するようにする。

また、冷機（ＣＯＬＤ）であってＷＯＴ（全開）である場合、及び、暖機後（ＨＯＴ）の全運転状態においては、シリンダヘッド側の目標水温を中水温に設定することで、圧縮比向上による燃費性能の向上を図り、シリンダブロック側の目標水温を高水温に設定することで、熱効率向上による燃費性能の向上を図る。

換言すれば、暖機完了後は、シリンダブロック２の温度をシリンダヘッド３の温度よりも高く保つようにすることで、圧縮比が低下することを抑制しつつ、熱効率を高めることができるようにする。

更に、耐熱条件では、速やかに温度を低下させることが要求されるので、目標水温を低温に設定し、目標水温が実際の水温よりも大幅に低くなることで、冷却水の流量を大きく増やすようにし、これによって、オーバーヒート（過熱）による不具合の発生を速やかに抑制できるようにする。

上記のようにして、シリンダブロック側の目標水温及びシリンダヘッド側の目標水温をそれぞれに設定すると、次のステップＳ２０２では、前記図２のフローチャートに従って、シリンダヘッド側ウォータージャケット５において要求される操作流量（目標流量）を演算する。

前記ステップＳ２０２における操作流量の演算においては、シリンダヘッド側の目標水温と、ヘッド側温度センサ２１ｂで検出されるシリンダヘッド側ウォータージャケット５内の冷却水温度に基づいて、操作流量が演算される。

また、次のステップＳ２０３では、前記図２のフローチャートに従って、シリンダブロック側ウォータージャケット４において要求される操作流量（目標流量）を演算する。
前記ステップＳ２０３における操作流量の演算においては、シリンダブロック側の目標水温と、ブロック側温度センサ２１ａで検出されるシリンダブロック側ウォータージャケット４内の冷却水温度に基づいて、操作流量が演算される。

ステップＳ２０４では、シリンダヘッド側の操作流量（目標流量）と、シリンダブロック側の操作流量（目標流量）との総和に基づいてモータ１１を制御し、シリンダヘッド側の操作流量とシリンダブロック側の操作流量との対比に基づいて前記分配制御弁１５を制御する。

即ち、シリンダヘッド側ウォータージャケット５に供給することが要求されている冷却水の流量と、シリンダブロック側ウォータージャケット４に供給することが要求されている冷却水の流量との総和が、ウォーターポンプ８から吐出させるべき流量であり、ウォーターポンプ８から吐出された冷却水を、シリンダヘッド側の操作流量とシリンダブロック側の操作流量との比に応じた分配比で、シリンダブロック側ウォータージャケット４とシリンダヘッド側ウォータージャケット５とに分配する。

これにより、シリンダブロック側の目標水温と、シリンダヘッド側の目標水温とを、それぞれに個別に実現できると共に、各目標水温に対するオーバーシュートの発生を抑制しつつ、各目標水温に応答良く収束させることができる。

従って、特に、暖機後のシリンダブロック側の温度を、過剰に高くなることを抑制しつつ高温に維持することができ、オーバーヒート（過熱）を避けながら高い熱効率で運転させることができる。

尚、例えば、シリンダヘッド側の操作流量とシリンダブロック側の操作流量との総和が、ウォーターポンプ８の最大吐出量よりも多い場合には、オーバーヒート（過熱）状態（耐熱温度限界）により近い側の要求流量を優先的に増やすべく、分配比を変更することができる。

即ち、シリンダヘッド側の操作流量とシリンダブロック側の操作流量との総和が、ウォーターポンプ８の最大吐出量よりも多い場合には、操作流量比に基づいて冷却水を分配すると、双方で実際に得られる冷却水の流量が操作流量（目標流量）よりも不足することになる。

ここで、シリンダヘッド側とシリンダブロック側との一方がオーバーヒート（過熱）状態（耐熱温度限界）に近い場合には、他方はオーバーヒート（過熱）状態（耐熱温度限界）になるまでに余裕があるから、一方の温度低下を優先させるべく、一方の操作流量をそのまま実現させ、最大吐出量のうちの残りを他方に供給させるようにするか、一方に供給される冷却水を操作流量比に対応する流量よりも増量し、該増量分だけ他方への供給量を減少させる。

ここで、シリンダヘッド側の耐熱温度限界とシリンダブロック側の耐熱温度限界とは、異なる温度とすることができる。
また、操作流量よりも実際に供給する流量を減らす場合には、実際の流量が最小限界値を下回ることがないように制限し、更に、前記最小限界値を、耐熱限界温度とそのときの冷却水温度との差や、内燃機関１の運転条件に応じて可変に設定することができる。

また、上記の構成の冷却装置において、異常発生に対する対策として、前記分配制御弁１５がロータリーバルブである場合には、デフォルト位置（通電停止状態）でシリンダヘッド側とシリンダブロック側との分配比が基準の分配比になるように設定し、また、前記分配制御弁１５がシリンダヘッド側とシリンダブロック側とに個々に設けられる開閉弁である場合には、これらの開閉弁のデフォルト位置を全開位置に設定する。

そして、異常発生時には、ウォーターポンプ８の吐出量が最大吐出量となるようにモータ１１を制御し、かつ、分配制御弁１５をデフォルト位置とする。
ここで、冷却装置の異常状態の判定方法としては、操作流量の変化に対する水温検出値の変化の特性が、初期状態から大きく変化している場合に異常を判定させることができ、また、ノッキングセンサによりノッキングの発生が検出された場合に異常を判定させることができ、更に、吸気温の検出値と水温の検出値とからプレイグニッションの発生を推定した場合に異常を判定させることができる。

ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。
（イ）請求項３記載の内燃機関の冷却装置において、
前記制御手段が、
前記冷却水温度の検出値と前記目標値との偏差に基づいて演算される操作量を、前記冷却水温度の変化速度に基づく補正操作量で補正すると共に、
前記発熱量の変化方向と同方向への前記冷却水温度の変化を抑制するための前記補正操作量に基づいて、前記冷却水温度の収束後の操作量を補正することを特徴とする内燃機関の冷却装置。

上記発明によると、急激な温度変化を抑制でき、かつ、過剰に温度変化が抑制されてしまうことを低減できる。
（ロ）請求項１〜３，（イ）のいずれか１つに記載の内燃機関の冷却装置において、
前記流量調整手段が、流量制御弁又はウォーターポンプであることを特徴とする内燃機関の冷却装置。

上記発明によると、内燃機関に対する冷却水の供給流量を、流量制御弁の開度調整（開口面積の調整）又はウォーターポンプの吐出量の調整によって調整できる。
（ハ）請求項１〜３，（イ）のいずれか１つに記載の内燃機関の冷却装置において、
前記流量調整手段が、複数の冷却回路への冷却水の分配を行うことを特徴とする内燃機関の冷却装置。

上記発明によると、複数の冷却回路への冷却水の分配を行うことで、制御対象とする冷却回路に供給される冷却水の流量を増減し、前記制御対象とする冷却回路における冷却水温度を制御できる。
（ニ）請求項（ハ）記載の内燃機関の冷却装置において、
前記制御手段が、前記複数の冷却回路それぞれでの要求流量を演算し、過熱を回避するための要求流量を優先的に実現するように、前記流量調整手段に操作量を出力することを特徴とする内燃機関の冷却装置。

上記発明によると、複数の冷却回路のうち、過熱を回避するために冷却水の供給流量の増量を要求する冷却水回路がある場合には、他の増量要求に優先して、この過熱回避が要求される冷却水回路に対して優先的に冷却水を供給することで、過熱の発生を低減できる。

１…内燃機関、２…シリンダヘッド、３…シリンダブロック、４…シリンダブロック側ウォータージャケット、５…シリンダヘッド側ウォータージャケット、６…ラジエータ、８…ウォーターポンプ、９…供給配管、１０…戻し配管、１１…モータ、１２…連通路、２０…電子コントロールユニット、２１…温度センサ、２２…回転センサ、２３…負荷センサ

Claims (2)

1. 内燃機関に対する冷却水の供給流量を調整する流量調整手段と、
   前記冷却水の温度を検出する検出手段と、
   前記冷却水温度の目標値を設定する目標設定手段と、
   前記内燃機関の発熱量を推定する発熱量推定手段と、
   前記検出手段で検出された冷却水温度と前記目標設定手段で設定された冷却水温度の目標値との偏差、前記検出手段で検出された冷却水温度の変化速度、及び、前記発熱量推定手段で推定された内燃機関の発熱量に基づいて、前記流量調整手段の操作量を演算し、該操作量を前記流量調整手段に出力する制御手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 前記制御手段が、前記冷却水温度が前記目標値を含む所定範囲内であるときに、前記変化速度が速いほど、冷却水温度の変化を抑制する方向に操作量を大きく補正することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の冷却装置。

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