JP5196030B2

JP5196030B2 - エンジンの制御装置

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Publication number: JP5196030B2
Application number: JP2011540645A
Authority: JP
Inventors: 哲生大村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: US20120227704A1; WO2012120668A1; US8662054B2; EP2677149A4; CN103221664B; EP2677149A1; JPWO2012120668A1; CN103221664A; EP2677149B1

Description

本発明はエンジンの制御装置に関する。

エンジンでは一般に冷却が行われている。また、エンジンでは筒内にタンブル流を生成することがある。この点、筒内に生成するタンブル流を可変にする技術が例えば特許文献１で開示されている。

特開２００５−１８０２４７号公報

エンジンの冷却は、例えばノッキングの発生を抑制するために行われる。しかしながら、必要以上に冷却を行うと冷却損失が増大する。結果、熱効率の低下、すなわち燃費の悪化を招くことになる。このためエンジンを冷却するにあたっては、必要に応じた冷却を行うことで、冷却損失の発生を極力抑制しつつ、エンジンの冷却性を確保することが望ましい。

この点、発生する冷却損失の大きさは筒内からの放熱態様によって異なってくる。そして、筒内からの放熱態様にはタンブル流も影響する。このため、冷却損失の発生を抑制するには、エンジンの冷却態様だけでなく、タンブル流による筒内からの放熱態様についても合わせて考慮することが望ましい。

本発明は上記課題に鑑み、タンブル流による筒内からの放熱態様を合わせて考慮することで、冷却損失の発生を好適に抑制しつつエンジンの冷却性を確保可能なエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンを備えるとともに、筒内に生成されるタンブル流を可変にするタンブル流可変部を備え、前記シリンダブロックの冷却を確保しつつ、前記シリンダヘッドにおける冷却損失の発生を抑制可能に構成されたエンジンに対して設けられ、前記筒内に臨むようにして前記シリンダヘッドに点火プラグが設けられており、前記制御部が、前記点火プラグの放電が前記筒内に生成されるタンブル流によって最初に吹き消されるときの放電電圧の大きさに基づき、前記シリンダヘッド側で表面に沿って流通する気流の流速が、前記ピストン側で表面に沿って流通する気流の流速よりも速くなるように前記タンブル流可変部をフィードバック制御する制御部を備えるエンジンの制御装置である。

本発明によれば、タンブル流による筒内からの放熱態様を合わせて考慮することで、冷却損失の発生を好適に抑制しつつエンジンの冷却性を確保できる。

エンジンの冷却装置の概略構成図である。エンジンの概略構成図である。点火プラグの放電電圧の変化の一例を示す図である。ＥＣＵの概略構成図である。機関運転状態の分類を模式的に示す図である。タンブル流の流通態様を示す図である。冷却水の流通制御をフローチャートで示す図である。ＴＣＶの制御をフローチャートで示す図である。燃焼室の熱伝達率および表面積割合を示す図である。タンブル流の回転数のばらつき具合を示す図である。

図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１に示すエンジンの冷却装置（以下、冷却装置と称す）１は図示しない車両に搭載されており、ウォータポンプ（以下、Ｗ／Ｐと称す）１１と、ラジエータ１２と、サーモスタット１３と、流量調節弁１４と、エンジン５０と、第１から第４の部分流量調節弁６１から６４までを備えている。Ｗ／Ｐ１１は冷却媒体圧送部であり、冷却媒体である冷却水を圧送するとともに、圧送する冷却水の流量を可変にする可変Ｗ／Ｐとなっている。Ｗ／Ｐ１１が圧送する冷却水はエンジン５０に供給される。

エンジン５０はシリンダブロック５１およびシリンダヘッド５２を備えている。シリンダブロック５１には第１の冷却媒体通路であるブロック側ウォータジャケット（以下、ブロック側Ｗ／Ｊと称す）５１１が形成されている。ブロック側Ｗ／Ｊ５１１はシリンダブロック５１に１系統の冷却系統を形成している。一方、シリンダヘッド５２には第２の冷却媒体通路であるヘッド側ウォータジャケット（以下、ヘッド側Ｗ／Ｊと称す）５２１が形成されている。ヘッド側Ｗ／Ｊ５２１はシリンダヘッド５２に複数（ここでは４つ）の異なる冷却系統を形成している。Ｗ／Ｐ１１が圧送する冷却水は具体的にはブロック側Ｗ／Ｊ５１１およびヘッド側Ｗ／Ｊ５２１に供給される。

冷却装置１では複数の冷却水循環経路が形成されている。冷却水循環経路としては、例えばブロック側Ｗ／Ｊ５１１が組み込まれた循環経路であるブロック側循環経路Ｃ１がある。このブロック側循環経路Ｃ１を流通する冷却水は、Ｗ／Ｐ１１から吐出された後、ブロック側Ｗ／Ｊ５１１を流通し、さらにサーモスタット１３を介するか、或いはラジエータ１２およびサーモスタット１３を介してＷ／Ｐ１１に戻るようになっている。

また冷却水循環経路としては、例えばヘッド側Ｗ／Ｊ５２１が組み込まれた循環経路であるヘッド側循環経路Ｃ２がある。このヘッド側循環経路Ｃ２を流通する冷却水は、Ｗ／Ｐ１１から吐出された後、流量調節弁１４、第１から第４の部分流量調節弁６１から６４までのうち少なくともいずれか、およびヘッド側Ｗ／Ｊ５２１が形成する４系統の冷却系統のうち少なくともいずれかを流通し、さらにサーモスタット１３を介するか、或いはラジエータ１２およびサーモスタット１３を介してＷ／Ｐ１１に戻るようになっている。

ラジエータ１２は熱交換器であり、流通する冷却水と空気との間で熱交換を行うことで冷却水を冷却する。サーモスタット１３はＷ／Ｐ１１に入口側から連通する流通経路を切り替える。具体的にはサーモスタット１３は、冷却水温が所定値未満の場合にラジエータ１２をバイパスする流通経路を連通状態にし、所定値以上の場合にラジエータ１２を流通する流通経路を連通状態にする。

流量調節弁１４はヘッド側循環経路Ｃ２のうち、循環経路Ｃ１、Ｃ２が分岐した後の部分、且つシリンダヘッド５２よりも上流側の部分に設けられており、さらに具体的には第１から第４の部分流量調節弁６１から６４までよりも上流側の部分に設けられている。

流量調節弁１４は、シリンダヘッド５２の冷却能力を調整可能な冷却能力調整部となっている。この点、流量調節弁１４は具体的には、ヘッド側Ｗ／Ｊ５２１を流通する冷却水の流量を全体的に調節することで、シリンダヘッド５２の冷却能力を全体的に調整可能な冷却能力調整部となっている。

また、このように設けられた流量調節弁１４は、シリンダブロック５１の冷却を確保しつつ、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制可能な冷却能力調整部となっている。具体的には流量調節弁１４は、シリンダブロック５１の冷却能力を抑制することなく、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制可能な冷却能力調整部となっている。

この点、流量調節弁１４は例えばシリンダブロック５１およびシリンダヘッド５２にともに冷却水を流通させる高回転高負荷時のシリンダブロック５１の冷却能力およびシリンダヘッド５２の冷却能力がある場合に、これらの冷却能力に対してシリンダブロック５１の冷却能力を抑制することなく、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制可能な冷却能力調整部となっている。

さらにこのように設けられた流量調節弁１４は、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制するようにヘッド側Ｗ／Ｊ５２１を流通する冷却水の流量を調節した場合に、シリンダブロック５１の冷却能力を高めるようにブロック側Ｗ／Ｊ５１１を流通する冷却水の流量を調節可能な冷却能力調整部となっている。

第１から第４の部分流量調節弁６１から６４までは、ヘッド側循環経路Ｃ２のうち、流量調節弁１４およびシリンダヘッド５２の間の部分に、ヘッド側Ｗ／Ｊ５２１が形成する４系統の冷却系統に対応させて設けられている。これら部分流量調節弁６１から６４までは、シリンダヘッド５２の冷却能力を調整可能な冷却能力調整部となっており、さらに具体的にはヘッド側Ｗ／Ｊ５２１を流通する冷却水の流量を部分的に調節することで、シリンダヘッド５２の冷却能力を部分的に調整可能な冷却能力調整部となっている。

冷却装置１では、ブロック側循環経路Ｃ１を流通する冷却水が、Ｗ／Ｐ１１によって圧送された後、一巡するまでの間にヘッド側Ｗ／Ｊ５２１を流通することがないようになっている。また、冷却装置１ではヘッド側循環経路Ｃ２を流通する冷却水が、Ｗ／Ｐ１１によって圧送された後、一巡するまでの間にブロック側Ｗ／Ｊ５１１を流通することがないようになっている。すなわち冷却装置１では、ブロック側Ｗ／Ｊ５１１とヘッド側Ｗ／Ｊ５２１とが互いに異なる冷却媒体循環経路に組み込まれている。

次にエンジン５０についてさらに具体的に説明する。図２に示すように、シリンダブロック５１にはシリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａにはピストン５３が設けられている。シリンダブロック５１には断熱性の高いガスケット５４を介してシリンダヘッド５２が固定されている。ガスケット５４はその高い断熱性でシリンダブロック５１からシリンダヘッド５２への熱伝達を抑制する。シリンダ５１ａ、シリンダヘッド５２およびピストン５３は、燃焼室５５を形成している。シリンダヘッド５２には燃焼室５５に吸気を導く吸気ポート５２ａと、燃焼室５５から燃焼ガスを排出する排気ポート５２ｂが形成されている。シリンダヘッド５２には、燃焼室５５の上部略中央に臨むようにして点火プラグ５６が設けられている。

ブロック側Ｗ／Ｊ５１１は、具体的には第１の部分冷却媒体通路である部分Ｗ／Ｊ５１１ａを備えている。部分Ｗ／Ｊ５１１ａは具体的にはシリンダ５１ａの周辺部に設けられている。そして部分Ｗ／Ｊ５１１ａの上流部Ｐはシリンダ５１ａの壁面のうち、筒内（燃焼室５５）に流入した吸気が当たる部分に対応させて設けられている。この点、エンジン５０は筒内にタンブル流を生成するエンジンとなっており、筒内に流入した吸気が当たる部分は、さらに具体的にはシリンダ５１ａの壁面上部、且つ排気側の部分となっている。

ヘッド側Ｗ／Ｊ５２１は、具体的には第２の部分冷却媒体通路である複数の部分Ｗ／Ｊ５２１ａ、部分Ｗ／Ｊ５２１ｂ、部分Ｗ／Ｊ５２１ｃおよび部分Ｗ／Ｊ５２１ｄを備えている。部分Ｗ／Ｊ５２１ａは吸気ポート５２ａの周辺部に、部分Ｗ／Ｊ５２１ｂは排気ポート５２ｂの周辺部に、部分Ｗ／Ｊ５２１ｃは点火プラグ５６の周辺部にそれぞれ設けられている。また、部分Ｗ／Ｊ５２１ｄは吸排気ポート５２ａ、５２ｂ間や、その他の部分を冷却するために設けられている。

部分Ｗ／Ｊ５２１ａから部分Ｗ／Ｊ５２１ｄまではヘッド側Ｗ／Ｊ５２１が形成する４系統の冷却系統に別個に組み込まれている。そして、第１の部分流量調節弁６１が部分Ｗ／Ｊ５２１ａに、第２の部分流量調節弁６２が部分Ｗ／Ｊ５２１ｂに、第３の部分流量調節弁６３が部分Ｗ／Ｊ５２１ｃに、第４の部分流量調節弁６４が、部分Ｗ／Ｊ５２１ｄにそれぞれ対応させて設けられている。

エンジン５０はさらにＴＣＶ（タンブルコントロールバルブ）５７を備えている。ＴＣＶ５７は吸気ポート５２ａに設けられている。ＴＣＶ５７は筒内に流入する吸気の流れを可変にする。そしてこれにより、筒内に生成されるタンブル流を可変にする。具体的には、ＴＣＶ５７は吸気ポート５２ａを閉じる方向に動作することで、吸気の流速を高める。そしてこれにより、タンブル流を強める。逆にＴＣＶ５７は吸気ポート５２ａを開く方向に動作することで、吸気の流速を低下させる。そしてこれにより、タンブル流を弱める。ＴＣＶ５７はタンブル流可変部に相当する。

エンジン５０はさらに放電電圧検出部５８を備えている。放電電圧検出部５８は例えば電子回路であり、点火プラグ５６の放電電圧を検出する。図３は点火プラグ５６の放電電圧の変化の一例を示す図である。縦軸は放電電圧、横軸は時間を示す。

放電は点火プラグ５６の電極間に絶縁破壊が生じる一定の高い電圧が印加された場合に発生する。このときに発生する放電は容量放電であり、容量放電による放電過程では、電極間に電流が流れることで放電電圧が急激に低下する。また、電極間が絶縁状態になることで放電電圧が再び上昇する。結果、誘導放電による放電過程に入る。

筒内にタンブル流を生成するエンジン５０では、誘導放電による放電過程でタンブル流が放電を吹き消すことがある。そしてこれにより、電極間が絶縁状態になるとともに、放電電圧が再び上昇することが繰り返される。放電電圧検出部５８はこのように変化する放電電圧を検出するとともに、誘導放電による放電過程において矢印で示すように進行する放電がタンブル流によって最初に吹き消されるときの放電電圧である一次吹き消え電圧Ｖｉを検出する。

さらに冷却装置１は図４に示すＥＣＵ７０を備えている。ＥＣＵ７０はエンジンの制御装置に相当する電子制御装置であり、ＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３等からなるマイクロコンピュータと入出力回路７５、７６とを備えている。これらの構成は互いにバス７４を介して接続されている。

ＥＣＵ７０には、エンジン５０の回転数を検出するためのクランク角センサ８１や、吸入空気量を計測するためのエアフロメータ８２や、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ８３や、冷却水の温度を検知する水温センサ８４や、放電電圧検出部５８などの各種のセンサ・スイッチ類が電気的に接続されている。この点、エンジン５０の負荷はエアフロメータ８２やアクセル開度センサ８３の出力に基づきＥＣＵ７０で検出される。またＥＣＵ７０にはＷ／Ｐ１１や流量調節弁１４や第１から第４の部分流量調節弁６１から６４やＴＣＶ５７などの各種の制御対象が電気的に接続されている。

ＲＯＭ７２はＣＰＵ７１が実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。ＣＰＵ７１がＲＯＭ７２に格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭ７３の一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ＥＣＵ７０では各種の機能部が実現される。この点、ＥＣＵ７０では例えば以下に示す第１から第３の制御部が機能的に実現される。なお、第１から第３の制御部は例えば互いに異なる電子制御装置でそれぞれ実現されてもよい。

第１の制御部は、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制するための制御を行う。具体的には第１の制御部は機関運転状態が高負荷である場合に、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制するための制御を行う。さらに具体的には、第１の制御部は機関運転状態が低回転高負荷である場合に、流量調節弁１４を制御することで、ヘッド側Ｗ／Ｊ５２１に基づき発揮される冷却能力を抑制するための制御を行う。

第１の制御部は、機関運転状態に応じてエンジン５０の運転を成立させるための制御を行う。機関運転状態は具体的にはエンジン５０の回転数および負荷のほか、冷間運転時であるか否か、または機関始動時であるか否かに応じて図５に示す６つの区分Ｄ１からＤ６までに分類されている。

この点、冷却装置１では全体的な制御の整合性や簡素化などを考慮し、第１の制御部がＷ／Ｐ１１については、基本的にエンジン５０の回転数に応じて、回転数が高くなるほど吐出量が多くなるようにＷ／Ｐ１１を駆動するための制御を行うとともに、各部分流量調節弁６１から６４までについては、基本的に全開にするための制御を行う。

一方、流量調節弁１４についてはさらに具体的には以下に示す制御を行う。すなわち第１の制御部は、機関運転状態が区分Ｄ１に対応するアイドル状態である場合と、区分Ｄ２に対応する軽負荷である場合と、区分Ｄ５に対応する機関冷間時と、区分Ｄ６に対応する機関始動時とには、流量調節弁１４を閉弁するための制御を行う。

また、機関運転状態が区分Ｄ３に対応する低回転高負荷である場合には、流量調節弁１４を閉弁、或いはシリンダヘッド５２への冷却水の流通を抑制しつつ、シリンダヘッド５２における冷却水の沸騰を抑制可能な態様（以下、沸騰抑制態様と称す）で開弁するための制御を行う。また、機関運転状態が区分Ｄ４に対応する高回転高負荷である場合には、流量調節弁１４を全開にするための制御を行う。

流量調節弁１４を沸騰抑制態様で開弁するための制御を行うにあたっては、第１の制御部は具体的には例えばあらゆる条件において冷却水の沸騰を抑制できる必要最小限の開度で流量調節弁１４を開弁することや、シリンダヘッド５２を流通する冷却水の温度を検出或いは推定するとともに、当該冷却水の温度に基づいて流量調節弁１４を間欠的に開弁することや、所定の回転数以上で流量調節弁１４を開弁することなどができる。これによりシリンダヘッド５２の冷却能力を抑制するにあたり、冷却水の沸騰を抑制しつつ、流量調節弁１４が必要以上に開弁されることを抑制できる。

冷却装置１では、機関運転状態が低回転高負荷である場合に流量調節弁１４が上述のようにシリンダヘッド５２を流通する冷却水の流量を低下させることで、エンジン５０を流通する冷却水の流量を局部的に低下させる。そして冷却装置１では、流量調節弁１４が全開でない場合にシリンダヘッド５２への冷却水の流通を抑制することで、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制していることになる。この点、冷却装置１ではさらに具体的には、流量調節弁１４を閉弁するか、或いは沸騰抑制態様で流量調節弁１４を開弁している場合にシリンダヘッド５２の冷却能力を抑制していることになる。

第２の制御部は機関運転状態に応じてＴＣＶ５７を制御する。具体的には、第２の制御部はエンジン５０の回転数および負荷に応じてＴＣＶ５７を制御する。この点、ＥＣＵ７０はエンジン５０の回転数および負荷に応じてＴＣＶ５７の開度を予め設定した開度マップデータをＲＯＭ７２に格納している。開度マップデータにおいて、ＴＣＶ５７の開度は機関運転状態に応じて設けられた複数の区分毎に設定されている。

開度マップデータにおいて、ＴＣＶ５７の開度は例えば区分Ｄ１からＤ４毎に設定することができる。ＴＣＶ５７の開度は例えば区分Ｄ５、Ｄ６に対応させて設定することもできる。この場合、第２の制御部は機関運転状態が区分Ｄ５に対応する機関冷間時であるか否かと、機関運転状態が区分Ｄ６に対応する機関始動時であるか否かに応じて、ＴＣＶ５７を制御することもできる。なお、機関運転状態に応じて制御を行うにあたり、機関運転状態の区分は第１の制御部と第２の制御部との間で互いに異なっていてもよい。

第３の制御部は筒内を流通する気流の流速を指標可能なパラメータに基づき、筒内においてシリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、一方の側で表面に沿って流通する気流の流速が、他方の側で表面に沿って流通する気流の流速よりも速くなる場合に、シリンダヘッド５２側で表面に沿って流通する気流の流速が、ピストン５３側で表面に沿って流通する気流の流速よりも速くなるようにＴＣＶ５７をフィードバック制御する。

図６はタンブル流の流通態様の説明図である。図６エンジン５０の圧縮工程上死点付近におけるタンブル流の流通態様を示す。図６（ａ）、（ｂ）は第１の流通態様を示す。図６（ｃ）、（ｄ）は第２の流通態様を示す。図６（ａ）、（ｃ）はシリンダヘッド５２側を流通するタンブル流の流通態様を上面視で示す。図６（ｂ）、（ｄ）はピストン５３側を流通するタンブル流の流通態様を上面視で示す。

圧縮工程上死点付近におけるタンブル流の流通態様には、例えば図６（ａ）に示すように表面に沿って流通する気流がシリンダヘッド５２側に存在し、主流をなすとともに、図６（ｂ）に示すように周縁に沿って流通する気流がピストン５３側に存在し、主流をなす場合がある。また、図６（ｃ）に示すように周縁に沿って流通する気流がシリンダヘッド５２側に存在し、主流をなすとともに、図６（ｄ）に示すように表面に沿って流通する気流がピストン５３側に存在し、主流をなす場合がある。

この点、シリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、一方の側で表面に沿って流通する気流の流速が、他方の側で表面に沿って流通する気流の流速よりも速くなる場合は、具体的にはシリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、一方の側で表面に沿って流通する主流が発生するとともに、他方の側で周縁に沿って流通する主流が発生する場合となっている。この点、シリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、一方の側で表面に沿って流通する主流が、他方の側で表面に沿って流通する気流の流速よりも速くなる。

圧縮工程上死点付近におけるタンブル流の流通態様は、機関運転状態に応じてこれらの場合の間で大きく変化することがある。機関運転状態に応じて例えば吸入空気量が変化するなど、筒内に流入する吸気の状態が変化する結果、タンブル流の回転数が変化するためである。

この点、表面に沿って流通する主流がピストン５３側に存在する場合には、シリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、ピストン５３の表面に沿って相対的に高流速の気流が流通する。このため、点火プラグ５６の放電が吹き消され難くなる。結果、一次吹き消え電圧Ｖｉは相対的に小さくなる。一方、表面に沿って流通する主流がシリンダヘッド５２側に存在する場合には、シリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、シリンダヘッド５２の表面に沿って相対的に高流速の気流が流通する。このため、点火プラグ５６の放電が吹き消され易くなる。結果、一次吹き消え電圧Ｖｉは相対的に大きくなる。

したがって、一次吹き消え電圧Ｖｉの大きさと、シリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、シリンダヘッド５２側に表面に沿って流通する相対的に高流速の気流が存在するか否かとの間には相関関係がある。一方、シリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、シリンダヘッド５２側に表面に沿って流通する相対的に高流速の気流が存在するか否かに対してはタンブル流の回転数が影響する。これに対し、タンブル流の回転数はＴＣＶ５７によって変化させることができる。

このため、第３の制御部は筒内を流通する気流の流速を指標可能なパラメータとして具体的には一次吹き消え電圧Ｖｉに基づき、ＴＣＶ５７をフィードバック制御する。また、ＴＣＶ５７をフィードバック制御するにあたり、第３の制御部は一次吹き消え電圧Ｖｉが第１の所定値Ｖｉ１よりも大きく、且つ第２の所定値Ｖｉ２よりも小さくなるようにＴＣＶ５７をフィードバック制御する。

この点、第３の制御部は一次吹き消え電圧Ｖｉが第１の所定値Ｖｉ１以下である場合には、ＴＣＶ５７の開度が大きくなるように（吸気ポート５２ａを閉じる方向に）ＴＣＶ５７を制御する。そしてこれにより、筒内に流入する吸気の流速が大きくなるようにＴＣＶ５７を制御する。この場合には、タンブル流の回転数を高めることで、高流速の気流をシリンダヘッド５２側に存在させるようにすることができる。

また、第３の制御部は一次吹き消え電圧Ｖｉが第２の所定値Ｖｉ２以上である場合には、ＴＣＶ５７の開度が小さくなるように（吸気ポート５２ａを開く方向に）ＴＣＶ５７を制御する。そしてこれにより、筒内に流入する吸気の流速が小さくなるようにＴＣＶ５７を制御する。この場合には、タンブル流の回転数を低下させることで、高流速の気流をシリンダヘッド５２側に存在させることができるとともに、タンブル流のばらつきを小さくすることができる。

次にＥＣＵ７０の動作を図７、図８に示すフローチャートを用いて説明する。図７は冷却水の流通制御をフローチャートで示す図であり、図８はＴＣＶ５７の制御をフローチャートで示す図である。図７に示すように、ＥＣＵ７０は機関始動時であるか否かを判定する（ステップＳ１）。肯定判定であれば、ＥＣＵ７０はＷ／Ｐ１１の駆動を開始するとともに（ステップＳ３）、流量調節弁１４を閉弁する（ステップＳ２１）。

一方、ステップＳ１で否定判定であれば、ＥＣＵ７０は機関冷間時であるか否かを判定する（ステップＳ５）。機関冷間時であるか否かは、例えば冷却水温が所定値（例えば７５℃）以下であるか否かで判定できる。ステップＳ５で肯定判定であれば、ステップＳ２１に進む。一方、ステップＳ５で否定判定であれば、ＥＣＵ７０はエンジン５０の回転数および負荷を検出する（ステップＳ１１）。

続いてＥＣＵ７０は検出した回転数および負荷に対応する区分を判定する（ステップＳ１２からＳ１４まで）。具体的には対応する区分が区分Ｄ１であれば、ステップＳ１２の肯定判定からステップＳ２１に進み、対応する区分が区分Ｄ２であれば、ステップＳ１３の肯定判定からステップＳ２１に進む。一方、対応する区分が区分Ｄ３であれば、ステップＳ１４の肯定判定からステップＳ２２に進む。このときＥＣＵ７０は流量調節弁１４を閉弁、或いは沸騰抑制態様で開弁する。また対応する区分が区分Ｄ４であれば、ステップＳ１４の否定判定からステップＳ２３に進む。このときＥＣＵ７０は流量調節弁１４を全開にする。

図８に示すように、ＥＣＵ７０は機関運転状態を検出する（ステップＳ３１）。ステップＳ３１で、ＥＣＵ７０は具体的にはエンジン５０の回転数および負荷を検出する。続いて、ＥＣＵ７０は検出した機関運転状態に基づき開度マップデータを参照し、検出した機関運転状態が含まれる区分が変化したか否かを判定する（ステップＳ３２）。

肯定判定であれば、ＥＣＵ７０は検出した機関運転状態に基づき、開度マップデータから対応する開度を読み込む（ステップＳ３３）。また、読み込んだ開度になるようにＴＣＶ５７を制御する（ステップＳ３４）。なお、検出した機関運転状態に基づき開度マップデータを参照した結果、検出した機関運転状態が含まれる区分がＥＣＵ７０起動後、初めて判明した場合も、区分が変化したことに含まれる。

ステップＳ３２の否定判定、またはステップＳ３４に続いてＥＣＵ７０は一次吹き消え電圧Ｖｉを検出する（ステップＳ３５）また、検出した一次吹き消え電圧Ｖｉが第１の所定値Ｖｉ１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３６）。否定判定であれば、ＥＣＵ７０は開度が大きくなるようにＴＣＶ５７を制御する（ステップＳ３８）。ステップＳ３８で、ＥＣＵ７０はＴＣＶ５７の開度が所定の度合いだけ大きくなるようにＴＣＶ５７を制御することができる。

ステップＳ３６で肯定判定であれば、ＥＣＵ７０は一次吹き消え電圧Ｖｉが第２の所定値Ｖｉ２よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３７）。否定判定であれば、ＥＣＵ７０は開度が小さくなるようにＴＣＶ５７を制御する（ステップＳ３９）。ステップＳ３９でＥＣＵ７０はＴＣＶ５７の開度が所定の度合いだけ小さくなるようにＴＣＶ５７を制御することができる。ステップＳ３７の肯定判定、ステップＳ３８またはステップＳ３９の後には本フローチャートを一旦終了する。

次回のルーチン以降では、ステップＳ３２で肯定判定されるまでの間、一次吹き消え電圧Ｖｉが第１の所定値Ｖｉ１よりも大きく、且つ第２の所定値Ｖｉ２よりも小さくなるようにＴＣＶ５７がフィードバック制御されることになる。また、ステップＳ３２で肯定判定された場合には、そのときの区分に対応する開度に制御された後に、ＴＣＶ５７がフィードバック制御されることになる。

なお、ＥＣＵ７０は検出した機関運転状態が含まれる区分が所定の区分（例えば高負荷）である場合に、ＴＣＶ５７をフィードバック制御するようにしてもよい。この場合には、ステップＳ３２の否定判定、またはステップＳ３４に続いて、検出した機関運転状態が含まれる区分が所定の区分であるか否かを判定するとともに、肯定判定である場合にはステップＳ３５に進み、否定判定である場合には本フローチャートを一旦終了するようにすることができる。

次にＥＣＵ７０の作用効果について説明する。ここで、エンジン５０のクランク角度に応じた燃焼室５５の熱伝達率および表面積割合は、図９に示すようになっている。図９に示すように熱伝達率は、圧縮行程上死点付近で高まることがわかる。そして表面積割合については、圧縮行程上死点付近でシリンダヘッド５２とピストン５３の表面積割合が大きくなることがわかる。

したがって冷却損失については、シリンダヘッド５２の温度の影響力が大きいことがわかる。一方、ノッキングについては圧縮端温度に依存するところ、圧縮端温度に影響する吸気圧縮行程ではシリンダ５１ａの表面積割合が大きいことがわかる。したがってノッキングについてはシリンダ５１ａの温度の影響力が大きいことがわかる。

これに対して、冷却装置１ではかかる知見に基づき、機関運転状態が低回転高負荷である場合に、流量調節弁１４を閉弁、或いは沸騰抑制態様で開弁する。そしてこれにより、ヘッド側Ｗ／Ｊ５２１を流通する冷却水の流量を制限することで、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制でき、以って冷却損失を低減できる。

一方、この場合にはノッキングの発生が懸念される。これに対して冷却装置１では、シリンダブロック５１の冷却を確保しつつ、さらにはシリンダブロック５１の冷却能力を抑制することなく、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制可能な流量調節弁１４を制御することで、ヘッド側Ｗ／Ｊ５２１を流通する冷却水の流量を制限する。このため冷却装置１ではこれによりシリンダ５１ａの冷却を維持でき、以ってノッキングの発生も抑制できる。

すなわち冷却装置１では、上述した知見に基づく合理的な態様で熱伝達の状態を局部的に可変することでシリンダヘッド５２の断熱（冷却損失の低減）を図ることができ、同時にシリンダブロック５１の冷却を図ることで、ノッキングの発生も抑制できる。そして、このようにして冷却損失の低減とノック性能とを両立させることで、冷却損失の発生を抑制しつつエンジン５０の冷却性を確保できる。結果、熱効率を向上させることができる。

かかる冷却装置１に組み込まれているエンジン５０は、シリンダブロック５１の冷却を確保しつつ、シリンダヘッド５２における冷却損失の発生を抑制可能に構成されている。これに対し、ＥＣＵ７０はタンブル流による筒内からの放熱態様を考慮することで、さらに次に示すようにして冷却損失の発生を好適に抑制できる。

図１０はタンブル流の回転数のばらつき具合を示す図である。図１０ではＴＣＶ５７をフィードバック制御しない場合についてもＥＣＵ７０Ｘとして同時に示している。ＥＣＵ７０Ｘの場合、ＴＣＶ５７をフィードバック制御しないため、タンブル流の回転数が機関運転状態に応じて大きくばらつくことになる。

このため、ＥＣＵ７０Ｘの場合、シリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、シリンダヘッド５２側に表面に沿って流通する相対的に高流速の気流が存在することになる領域Ｒ１と、シリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、ピストン５３側に表面に沿って流通する相対的に高流速の気流が存在することになる領域Ｒ２とに亘って、タンブル流の回転数がばらついていることがわかる。

これに対し、ＥＣＵ７０はシリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、一方の側で表面に沿って流通する気流の流速が、他方の側で表面に沿って流通する気流の流速よりも速くなる場合に、シリンダヘッド５２側で表面に沿って流通する気流の流速が、ピストン５３側で表面に沿って流通する気流の流速よりも速くなるようにＴＣＶ５７をフィードバック制御する。結果、領域Ｒ１の範囲内にタンブル流の回転数のばらつきを抑えることができる。結果、シリンダヘッド５２、ピストン５３のうち、冷却損失の低減が図られるシリンダヘッド５２側に相対的に高流速の気流を存在させることで、筒内からピストン５３への放熱を抑制できる。

すなわち、ＥＣＵ７０はシリンダヘッド５２およびピストン５３のうち、冷却損失の低減が図られる結果、筒内からの放熱が発生し難くなっているシリンダヘッド５２側に相対的に熱伝達係数が高い高流速の気流を存在させることで、ピストン５３への放熱による冷却損失の発生を抑制することができる。そしてこれにより、冷却損失の発生を極力抑制することで、冷却損失の発生を好適に抑制できる。

ＥＣＵ７０はシリンダヘッド５２、ピストン５３のうち、シリンダヘッド５２側に表面に沿って流通する相対的に高流速の気流が存在するか否かと相関関係を有する一次吹き消え電圧Ｖｉに基づき、ＴＣＶ５７をフィードバック制御することで、ＴＣＶ５７を好適にフィードバック制御できる。すなわち、ＥＣＵ７０は具体的にはこれにより冷却損失の発生を好適に抑制できる。

この点、ＥＣＵ７０はさらに具体的には一次吹き消え電圧Ｖｉが第１の所定値Ｖｉ１よりも大きく、且つ第２の所定値Ｖｉ２よりも小さくなるようにＴＣＶ５７をフィードバック制御することで、ＴＣＶ５７を好適にフィードバック制御できる。すなわち、ＥＣＵ７０はさらに具体的にはこれにより冷却損失の発生を好適に抑制できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例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。

例えば上述した実施例では、シリンダブロック５１の冷却を確保しつつ、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制可能な流量調節弁１４と、流量調節弁１４を制御することで、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制するための制御を行うＥＣＵ７０（第１の制御部に相当）とを備える冷却装置１に組み込まれているエンジン５０が、本発明におけるシリンダブロックの冷却を確保しつつ、シリンダヘッドにおける冷却損失の発生を抑制可能に構成されたエンジンである場合について説明した。

しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、シリンダブロックの冷却を確保しつつ、シリンダヘッドにおける冷却損失の発生を抑制可能に構成されたエンジンは、例えば筒内からの放熱を抑制可能な断熱部材（例えばセラミック）がシリンブロックおよびシリンダヘッドのうち、シリンダヘッドに設けられるとともに、シリンダヘッドのうち、筒内に露出している部分に設けられているエンジンであってもよい。また、かかるエンジンは例えばシリンダブロック、シリンダヘッド間に断熱性が高いガスケット（例えば表面にゴムがコーティングされたガスケット）をさらに備えることが好ましい。

上述した実施例では、エンジン５０を組み込む冷却装置１が、シリンダブロック５１にブロック側Ｗ／Ｊ５１１（第１の冷却媒体通路に相当）を形成するとともに、シリンダヘッド５２にブロック側Ｗ／Ｊ５１１が組み込まれる冷却媒体循環経路とは異なる冷却媒体循環経路に組み込まれるヘッド側Ｗ／Ｊ５２１（第２の冷却媒体通路に相当）を形成し、流量調節弁１４（冷却能力調節部に相当）がヘッド側Ｗ／Ｊ５２１を流通する冷却媒体の流量を調節することで、シリンダヘッド５２の冷却能力を調整し、ＥＣＵ７０（第１の制御部に相当）がエンジン５０の運転状態が低回転高負荷である場合に流量調節弁１４を制御することで、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制するための制御を行う場合について説明した。

しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、冷却装置は例えば以下に示すような構成とすることもできる。すなわち、冷却装置は例えばシリンダブロックおよびシリンダヘッドの排気側の部分にシリンダブロック、シリンダヘッドの順に冷却媒体を流通させる第１の冷却媒体通路を形成し、シリンダブロックおよびシリンダヘッドの吸気側の部分にシリンダブロック、シリンダヘッドの順に冷却媒体を流通させるとともに、第１の冷却媒体通路が組み込まれる冷却媒体循環経路とは異なる冷却媒体循環経路に組み込まれる第２の冷却媒体通路を形成し、冷却能力調節部が第２の冷却媒体通路を流通する冷却媒体の流量を調節することで、シリンダヘッドの冷却能力を調整し、第１の制御部がエンジンの運転状態が低回転高負荷である場合に冷却能力調整部を制御することで、シリンダヘッドの冷却能力を抑制するための制御を行う構成とすることができる。

この場合でも、エンジンをシリンダブロックの冷却を確保しつつ、シリンダヘッドにおける冷却損失の発生を抑制可能に構成することができる。またこの場合、第１の冷却媒体通路および第２の冷却媒体通路のうち、第１の冷却媒体通路をシリンダヘッドのうち、点火プラグ周辺部に形成することで、エンジンの信頼性向上を図ることもできる。

冷却装置１
流量調節弁１４
エンジン５０
シリンダブロック５１
シリンダヘッド５２
点火プラグ５６
ＴＣＶ５７
ＥＣＵ７０、７０Ｘ

Claims

シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンを備えるとともに、筒内に生成されるタンブル流を可変にするタンブル流可変部を備え、前記シリンダブロックの冷却を確保しつつ、前記シリンダヘッドにおける冷却損失の発生を抑制可能に構成されたエンジンに対して設けられ、
前記筒内に臨むようにして前記シリンダヘッドに点火プラグが設けられており、
前記制御部が、前記点火プラグの放電が前記筒内に生成されるタンブル流によって最初に吹き消されるときの放電電圧の大きさに基づき、前記シリンダヘッド側で表面に沿って流通する気流の流速が、前記ピストン側で表面に沿って流通する気流の流速よりも速くなるように前記タンブル流可変部をフィードバック制御する制御部を備えるエンジンの制御装置。