JP6311621B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に関し、詳しくは、２系統の冷却水循環システムを備える冷却装置に関する。

内燃機関には、シリンダヘッドやシリンダブロックを適温に保つための水冷の冷却装置が設けられている。冷却装置は、シリンダヘッドやシリンダブロックの内部に形成された冷却水流路とラジエータとの間で冷却水を循環させる冷却水循環システムを備えている。

下記の特許文献１には、２系統の冷却水循環システムを備えた冷却装置が開示されている。第１の冷却水循環システムは、シリンダヘッドの吸気ポート周辺に設けられた吸気ポート冷却水流路を含み、第１ラジエータによって冷却水を冷却し、第１ウォータポンプによって冷却水を循環させるように構成されている。第２の冷却水循環システムは、シリンダブロック内に設けられたシリンダブロック冷却水通路と、シリンダヘッドの排気ポート周辺に設けられた排気ポート冷却水通路とを含み、第２ラジエータによって冷却水を冷却し、第２ウォータポンプによって冷却水を循環させるように構成されている。

上記構成によれば、冷却水の温度を２系統の冷却水循環システムの間で別々に調整することができる。例えば、吸気ポート冷却水流路を流れる冷却水の温度を、排気ポート冷却水流路を流れる冷却水の温度よりも低くすることができる。これによれば、吸気ポートを流れる空気をより効果的に冷却することができる。

特開２０１３−１３３７４６号公報 特開２０１４−１１４７３９号公報

特許文献１の冷却装置では、吸気ポート冷却水流路に流入する冷却水と、排気ポート冷却水流路に流入する冷却水との間に温度差が生じる。シリンダヘッドに形成された２つの流路の間で冷却水に温度差がある場合、シリンダヘッド内に温度の不均一が生じ、シリンダヘッドに熱歪みが生じる原因となる。特に、温度の不均一が急激に拡大する場合、発生する熱歪みは大きくなる。発生する熱歪みが大きい場合、それが繰り返されることで部材を疲労させ、内燃機関の信頼性及び耐久性を低下させてしまうことになりかねない。

上記の熱歪みの問題は、温度の異なる冷却水が流れる２系統の冷却水流路がシリンダブロックに形成されている場合にも起こりうる。また、シリンダブロックを流れる冷却水の温度と、シリンダヘッドを流れる冷却水の温度との間の温度差が大きい場合には、シリンダブロックとシリンダヘッドとに挟まれたガスケットに熱歪みが生じる場合がある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、温度の異なる２系統の冷却水が通水される内燃機関において温度の不均一が急激に拡大することを抑制することにより、熱歪みに起因する信頼性及び耐久性の低下を防ぐことの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。

本発明に係る内燃機関の冷却装置は、冷却水の温度が異なる２系統の冷却水循環システムと制御装置を備える。２系統の冷却水循環システムのうちの１つは低温系冷却水循環システムであり、もう１つは高温系冷却水循環システムである。低温系冷却水循環システムは、内燃機関に形成された低温冷却水流路を含み、低温冷却水流路に低温の冷却水を循環させるように構成される。高温系冷却水循環システムは、内燃機関に形成された高温冷却水流路を含み、高温冷却水流路に高温の冷却水を循環させるように構成される。

制御装置は、これらの冷却水循環システムのうち少なくとも低温系冷却水循環システムの運転を制御するように構成される。詳しくは、制御装置は、高温冷却水流路に流入する冷却水の温度と、低温冷却水流路に流入する冷却水の温度との温度差が一定値より大きい状況では、温度差が一定値以下である状況と比較して、低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値を抑えるように低温系冷却水循環システムを制御するように構成される。

以上のように構成されることにより、本発明に係る内燃機関の冷却装置によれば、高温冷却水流路を流れる冷却水との温度差の大きい低温の冷却水が内燃機関に急激に流入することを抑えることができるので、内燃機関を構成する部材において温度の不均一が急激に拡大することを抑制することができる。

好ましくは、制御装置は、高温冷却水流路に流入する冷却水の温度と、低温冷却水流路に流入する冷却水の温度との温度差が一定値より大きい状況では、温度差が大きいほど低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値をより低く抑えるように低温系冷却水循環システムを制御するように構成される。２系統の冷却水の温度差が大きいほど、内燃機関を構成する部材に生じる温度の不均一の拡大はより急激なものとなりやすい。よって、前記のように制御装置を構成することにより、内燃機関を構成する部材において温度の不均一が急激に拡大することをより効果的に抑えることができる。

内燃機関を構成する部材において温度の不均一が急激に拡大するのは、低温側の冷却水の流量が急激に変化する場合であり、低温側の冷却水の流量に大きな変化が生じていないのであれば、高温側の冷却水と低温側の冷却水との間の温度差が大きかったとしても、温度の不均一が急激に拡大するおそれは小さい。一方で、冷却水の流量の最大値を抑える場合、要求される冷却性能を満たせなくなる可能性がある。この点に鑑みると、制御装置は、低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の変化速度（例えば、１制御周期あたりの変化量）が所定の閾値より小さい場合、低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値を抑えることを控えるように構成されることが好ましい。このように制御装置を構成することにより、内燃機関を構成する部材において温度の不均一を急激に拡大させない範囲内で、要求される冷却性能を満たすことができるようになる。

低温側の冷却水の温度が低くなっていないにも関わらず、高温側の冷却水と低温側の冷却水との間の温度差が大きくなっている場合、内燃機関は過熱状態になっていると言える。このような場合に低温側の冷却水の最大流量を制限してしまうと、冷却不足により内燃機関の過熱を助長してしまうおそれがある。よって、制御装置は、低温冷却水流路に流入する冷却水の温度が基準温度より大きい状況では、低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値を抑えることを控えるように構成されることが好ましい。基準温度は、好ましくは、内燃機関を過熱させないための高温側冷却水温度の上限から計算される低温側冷却水温度である。このように制御装置を構成することにより、内燃機関が過熱状態になっている場合に、低温系冷却水循環システムによる必要な冷却を阻害してしまうことを回避することができる。

また、好ましくは、制御装置は、高温側の冷却水と低温側の冷却水との間の温度差が一定値以下である状況において、内燃機関からの放熱量が増大することが予測される場合は、そうでない場合と比較して、低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値を抑えるように低温系冷却水循環システムを制御するように構成される。内燃機関からの放熱量が増大した場合、低温冷却水流路の側では熱の持ち去りによって温度上昇が抑えられる一方、高温冷却水流路の側では熱の持ち去りが進まない。このため、低温冷却水流路に流入する冷却水の流量が急増した場合には、内燃機関を構成する部材において温度の不均一が急激に拡大するおそれがある。前記のように制御装置を構成することにより、内燃機関からの放熱量の増大によって温度の不均一が急激に拡大することを抑えることができる。

また、好ましくは、制御装置は、低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値を抑えることを、開始から一定時間が経過した時点で解除するように構成される。このように制御装置を構成することにより、内燃機関の冷却が長時間抑えられることによる弊害を回避することができる。

本発明に係る内燃機関の冷却装置によれば、高温冷却水流路を流れる冷却水との温度差の大きい低温の冷却水が内燃機関の内部に急激に流入することを抑えることができる。これにより、内燃機関を構成する部材において温度の不均一が急激に拡大することを抑制することができるので、熱歪みに起因する信頼性及び耐久性の低下を防ぐことができる。なお、高温冷却水流路と低温冷却水流路とが同一の部材に形成されている場合、本発明で得られる効果は特に大きなものとなる。

実施の形態の冷却装置の構成を示す図である。 ＬＴ流量制御の制御フローを示すフローチャートである。 エンジン回転速度及び充填効率とＬＴ要求流量との対応例を示す図である。 ＬＴ流量上限値の設定フローを示すフローチャートである。 温度差に対するＬＴ流量上限値の設定例を示す表である。 ＬＴ流量を抑制しない場合の冷却装置の動作を示すタイムチャートである。 ＬＴ流量を抑制する場合の冷却装置の動作を示すタイムチャートである。 温度差に対する電動ポンプ駆動デューティ上限値の設定例を示す表である。 実施の形態の冷却装置の構成の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．冷却装置の構成
本実施の形態の内燃機関は冷却水によって冷却される水冷式エンジン（以下、単にエンジンという）である。エンジンを冷却するための冷却水は、エンジンとラジエータとの間を冷却水循環システムによって循環させられる。冷却水の供給は、エンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドの両方に対して行われる。

図１は、本実施の形態の冷却装置の構成を示す図である。本実施の形態の冷却装置は、エンジン２に冷却水を供給する冷却水循環システム１０，３０を２系統備える。冷却水の供給は、エンジン２のシリンダブロック６とシリンダヘッド４の両方に対して行われる。２系統の冷却水循環システム１０，３０はともに独立した閉ループであり、循環する冷却水の温度を異ならせることができる。以下、相対的に低温の冷却水が循環する冷却水循環システム１０をＬＴ冷却水循環システムと称し、相対的に高温の冷却水が循環する冷却水循環システム３０をＨＴ冷却水循環システムと称する。なお、ＬＴはLow Temperatureの略であり、ＨＴはHigh Temperatureの略である。

ＬＴ冷却水循環システム１０は、シリンダヘッド４の内部に形成されたヘッド内ＬＴ冷却水流路１２と、シリンダブロック６の内部に形成されたブロック内ＬＴ冷却水流路１４とを含む。ヘッド内ＬＴ冷却水流路１２は吸気ポート近傍に設けられ、ブロック内ＬＴ冷却水流路１４はシリンダ上部の特に吸気流があたりやすい部分を囲むように設けられている。吸気ポートや吸気バルブの温度、そして、シリンダ上部の壁面温度はノッキングやプレイグニッションに対する感度が高い。よって、これらをヘッド内ＬＴ冷却水流路１２やブロック内ＬＴ冷却水流路１４によって重点的に冷却することにより、高負荷域でのノッキングやプレイグニッションの発生を効果的に抑えることができる。なお、ヘッド内ＬＴ冷却水流路１２とブロック内ＬＴ冷却水流路１４とは、シリンダヘッド４とシリンダブロック６との合わせ面に形成された開口を介して接続されている。

シリンダヘッド４にはヘッド内ＬＴ冷却水流路１２に連通する冷却水入口と冷却水出口が形成されている。シリンダヘッド４の冷却水入口は冷却水導入管１６によってＬＴラジエータ２０の冷却水出口に接続され、シリンダヘッド４の冷却水出口は冷却水排出管１８によってＬＴラジエータ２０の冷却水入口に接続されている。冷却水導入管１６と冷却水排出管１８とは、ＬＴラジエータ２０をバイパスするバイパス管２２によって接続されている。バイパス管２２が冷却水排出管１８から分岐する分岐部には、三方弁２４が設けられている。冷却水導入管１６におけるバイパス管２２の合流部の下流には、冷却水を循環させるための電動ウォータポンプ２６が設けられている。電動ウォータポンプ２６の吐出量は、モータの出力を調整することによって任意に変更することができる。冷却水排出管１８における三方弁２４の上流には、エンジン２内を通過した冷却水の温度を計測するための温度センサ２８が取り付けられている。

ＨＴ冷却水循環システム３０は、シリンダブロック６の内部に形成されたブロック内ＨＴ冷却水流路３４と、シリンダヘッド４の内部に形成されたヘッド内ＨＴ冷却水流路３５とを含む。前述のブロック内ＬＴ冷却水流路１４が局所的に設けられたものであるのに対し、ブロック内ＨＴ冷却水流路３４はシリンダの周囲を囲むウォータジャケットの主要部を構成している。ヘッド内ＨＴ冷却水流路３５は排気ポート近傍から吸気ポート近傍にかけて設けられている。吸気ポートを流れる空気は、ヘッド内ＨＴ冷却水流路３５によって粗熱をとられてから、より低温の冷却水が流れるヘッド内ＬＴ冷却水流路１２によって冷却される。なお、ヘッド内ＨＴ冷却水流路３５とブロック内ＨＴ冷却水流路３４とは、シリンダヘッド４とシリンダブロック６との合わせ面に形成された開口を介して接続されている。

シリンダブロック６にはブロック内ＨＴ冷却水流路３４に連通する冷却水入口と冷却水出口が形成されている。シリンダブロック６の冷却水入口は冷却水導入管３６によってＨＴラジエータ４０の冷却水出口に接続され、シリンダヘッド４の冷却水出口は冷却水排出管３８によってＨＴラジエータ４０の冷却水入口に接続されている。冷却水導入管３６と冷却水排出管３８とは、ＨＴラジエータ４０をバイパスするバイパス管４２によって接続されている。バイパス管４２が冷却水導入管３６に合流する合流部には、サーモスタット４４が設けられている。冷却水導入管３６におけるサーモスタット４４の下流には、冷却水を循環させるための機械式のウォータポンプ４６が設けられている。ウォータポンプ４６はエンジン２のクランクシャフトにベルトを介して連結されている。冷却水排出管３８におけるバイパス管４２の分岐部の上流には、エンジン２内を通過した冷却水の温度を計測するための温度センサ４８が取り付けられている。

上述のように、ＨＴ冷却水循環システム３０では、ウォータポンプ４６はエンジン２により駆動されるため、冷却水はエンジン２の運転中は常に循環する。ＨＴ冷却水循環システム３０を循環する冷却水の水温は、サーモスタット４４によって自動的に調整される。一方、ＬＴ冷却水循環システム１０では、電動ウォータポンプ２６が用いられるため、エンジン２の運転に関係なく冷却水を循環させたり停止させたりすることができる。また、電動ウォータポンプ２６に与える駆動デューティによって循環する冷却水の流量を制御することができる。また、ＬＴ冷却水循環システム１０を循環する冷却水の水温は、三方弁２４或いは電動ウォータポンプ２６の操作によって能動的に調整することができる。

ＬＴ冷却水循環システム１０の三方弁２４と電動ウォータポンプ２６の操作は、制御装置１００により行われる。制御装置１００は、冷却装置の制御装置であると同時にエンジン２の運転を制御する制御装置でもある。制御装置１００は１又は複数のＣＰＵとメモリを含むＥＣＵ（Electronic Control Unit）を主体として構成されている。制御装置１００は、電動ウォータポンプ２６を操作して冷却水の流量（以下、ＬＴ流量という）を制御することによって、また、三方弁２４を操作してＬＴラジエータ２０をバイパスする冷却水の割合を制御することによって、ヘッド内ＬＴ冷却水流路１２やブロック内ＬＴ冷却水流路１４を流れる冷却水の水温を適温に調整する。

２．ＬＴ流量制御
制御装置１００は、シリンダヘッド４とシリンダブロック６のそれぞれの要部を適温に冷却するためにＬＴ流量を制御する。図２は、制御装置１００によるＬＴ流量制御の制御フローを示すフローチャートである。制御装置１００は、このようなフローで表されるルーチンをＥＣＵのクロック数に対応する所定の制御周期で繰り返し実行する。

制御装置１００は、まず、ヘッド内ＬＴ冷却水流路１２やブロック内ＬＴ冷却水流路１４を流れる冷却水の目標温度を算出する（ステップＳ２）。制御装置１００は、ノッキングやプレイグニッションを抑制するために有効な冷却水温度を目標温度として決定する。制御装置１００のメモリに記憶されたマップにおいて、目標温度はエンジン回転速度及び充填効率で特定されるエンジン２の運転状態に関連付けられている。

次に、制御装置１００は、ステップＳ２で決定された目標温度からＬＴ流量の要求値であるＬＴ要求流量を決定する（ステップＳ４）。なお、図３には、エンジン２の運転状態が定常状態である場合のエンジン回転速度及び充填効率とＬＴ要求流量との対応例を示されている。

次に、制御装置１００は、ステップＳ４で決定されたＬＴ要求流量から電動ウォータポンプ２６の駆動デューティを決定する（ステップＳ６）。

最後に、制御装置１００は、ステップＳ６で決定された駆動デューティによって電動ウォータポンプ２６を操作し、ヘッド内ＬＴ冷却水流路１２及びブロック内ＬＴ冷却水流路１４への通水を実施する（ステップＳ８）。これにより、ＬＴ流量が変化し、シリンダヘッド４とシリンダブロック６のそれぞれの要部は適温に冷却される。

３．ＬＴ流量上限値の設定
図１に示す構成では、温度が異なる冷却水が流れる２つの流路、すなわち、ブロック内ＬＴ冷却水流路１４とブロック内ＨＴ冷却水流路３４がシリンダブロック６に形成されている。ブロック内ＨＴ冷却水流路３４は、シリンダブロック６のほぼ全体を冷却する主たる冷却水流路であって、エンジン２の運転中は常に冷却水が流れている。一方、ブロック内ＬＴ冷却水流路１４はシリンダブロック６の要部（ノッキング等に対する感度の高い部位）を重点的に冷却するための冷却水流路であって、冷却水の流量はエンジン負荷等のエンジン２の運転状況に応じて可変とされている。つまり、エンジン２の運転状況によって、ブロック内ＬＴ冷却水流路１４は突然に急変する場合がある。

また、ブロック内ＬＴ冷却水流路１４に流入する冷却水の温度と、ブロック内ＨＴ冷却水流路３４に流入する冷却水の温度との間には連動はない。両者の間に温度差がない場合もあれば、大きな温度差が生じている場合もある。このため、両者の間に大きな温度差が生じている状況で、ブロック内ＬＴ冷却水流路１４に流入する低温の冷却水の流量が急増することも起こり得る。このような事態が発生した場合に懸念されることは、シリンダブロック６内の温度の不均一が急激に拡大することによる熱歪の急増、つまり、サーマルショックの発生である。

なお、サーマルショックは、ヘッド内ＬＴ冷却水流路１２とヘッド内ＨＴ冷却水流路３５が形成されたシリンダヘッド４においても発生しうる。また、ヘッド内ＬＴ冷却水流路１２とブロック内ＨＴ冷却水流路３４との位置関係、或いは、ブロック内ＬＴ冷却水流路１４とヘッド内ＨＴ冷却水流路３５との位置関係によっては、シリンダヘッド４とシリンダブロック６とに挟まれた図示しないガスケットにおいてもサーマルショックは発生しうる。ただし、以下では、説明を簡単にするため、シリンダブロック６に生じるサーマルショックにのみ着目して説明を進める。

制御装置１００には、冷却水の温度差に起因するサーマルショックの発生を抑制するためのプログラムが組み込まれている。それは、上述のＬＴ流量制御のルーチンと並行して実行される、ＬＴ流量の上限値を設定するルーチンである。設定されたＬＴ流量上限値は、ＬＴ流量制御のルーチンにおけるステップＳ４の処理に反映される。つまり、目標温度から決定したＬＴ要求流量がＬＴ流量上限値以下であれば、ＬＴ要求流量がそのまま用いられるが、ＬＴ要求流量がＬＴ流量上限値を超える場合には、ＬＴ要求流量の値はＬＴ流量上限値に置き換えられる。

図４は、ＬＴ流量上限値の設定フローを示すフローチャートである。制御装置１００は、このようなフローで表されるルーチンをＥＣＵのクロック数に対応する所定の制御周期で繰り返し実行する。

制御装置１００は、まず、他システムからＬＴ冷却水循環システム１０へのサーマルショック抑制の要求があるかどうか判定する（ステップＳ１０２）。例えば、ヒータ、ターボ、或いはハイブリッドインバータ等の通水経路のバルブの開閉状態が変化した場合、エンジン２に流れる冷却水の流量や温度に変化が生じる。このような他システムの動作や状態変化によって生じるサーマルショックを抑制するためのＬＴ流量の抑制要求が、他システムからのサーマルショック抑制要求である。

他システムからのサーマルショック抑制要求が無い場合、制御装置１００は、ブロック内ＬＴ冷却水流路１４に流入する冷却水の温度（以下、ＬＴ水温という）が所定の基準温度αより小さいかどうか判定する（ステップＳ１０４）。ＬＴ水温が高いにもかかわらず、ブロック内ＨＴ冷却水流路３４に流入する冷却水の温度（以下、ＨＴ水温という）との間に大きな温度差が生じている場合、エンジン２は過熱状態になっている。この場合、ＨＴ冷却水循環システム３０に何らかの異常が生じている可能性もある。このような状況でＬＴ流量の抑制を行ってしまうと、冷却不足によってエンジン２の過熱を助長してしまう。判定に用いる基準温度αは、エンジン２を過熱させないためのＨＴ水温の上限から計算されるＬＴ水温である。

このため、ステップＳ１０４の判定においてＬＴ水温が基準温度α以上の場合、制御装置１００は、ＬＴ流量上限値によってＬＴ流量を抑制することを控え、ＬＴ流量上限値を無効値に設定することを選択する（ステップＳ１１６）。無効値とは、実質的にＬＴ流量を抑制することのない値であり、具体的には、電動ウォータポンプ２６を１００％の駆動デューティで駆動したときの流量以上の値である。

ところで、本ルーチンで用いられるＬＴ水温及びＨＴ水温は、いずれも温度センサによる直接の計測値ではなく推定値である。図１に示す構成では、温度センサ２８，４８はエンジン２における冷却水出口の側に取り付けられている。このため、冷却水入口の側の温度であるＬＴ水温及びＨＴ水温は、温度センサ２８，４８により計測される出口水温から推定することになる。以下、ＬＴ水温の推定方法について説明する。ＨＴ水温についても同様の方法で推定することができる。

まず、エンジン２から排出されたＬＴ冷却水が有する熱量（ＬＴ出口熱量）は、温度センサ２８により計測される出口水温と、電動ウォータポンプ２６の駆動デューティから決まるＬＴ流量とを用いて、以下の式で計算することができる。
ＬＴ出口熱量 ＝ 出口水温×ＬＴ流量

次に、エンジン２に流入するＬＴ冷却水が有する熱量（ＬＴ入口熱量）は、上記式で計算されるＬＴ出口熱量と、ＬＴ冷却水流路（ヘッド内ＬＴ冷却水流路１２及びブロック内ＬＴ冷却水流路１４）でＬＴ冷却水が受熱する熱量ＱＬＴとを用いて、以下の式で計算することができる。
ＬＴ入口熱量 ＝ ＬＴ出口熱量 − ＱＬＴ

ＬＴ冷却水流路でＬＴ冷却水が受熱する熱量ＱＬＴと、ＨＴ冷却水流路でＨＴ冷却水が受熱する熱量ＱＨＴとの和は、エンジン２の放熱量にほぼ等しいとみなすことができる。また、エンジン２の放熱量は、エンジン回転速度と充填効率とをパラメータとするマップか、或いは、投入燃料量と点火時期とをパラメータとするマップで規定することができる。よって、ＱＬＴについても、エンジン２の放熱量のうちＬＴ冷却水流路で受熱する割合をあらかじめ実験値として得ておくことにより、マップ或いは演算式で規定することができる。

ＬＴ入口熱量が求まれば、ＬＴ入口水温（ＬＴ水温）は、以下の式で計算することができる。なお、補正項として、外気温やラジエータファンのオン／オフ等を考慮すれば、ＬＴ水温をより正確に推定することができる。
ＬＴ入口水温 ＝ ＬＴ入口熱量／ＬＴ流量

ＬＴ水温が基準温度αより小さい場合、制御装置１００は、次に、ＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差が一定値βよりも大きいかどうか判定する（ステップＳ１０６）。一定値βは、サーマルショックが発生しうる温度差であり、その値はシリンダブロック６の素材や形状等の様々な要因によって決まる。

ＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差が一定値βよりも大きい場合、制御装置１００は、次に、ＬＴ流量の急変の有無を判定する（ステップＳ１０８）。ＬＴ流量が急変するかどうかは、ＬＴ要求流量の変化速度、具体的には、今回の制御周期におけるＬＴ要求流量と、前回の制御周期におけるＬＴ要求流量との差分を計算し、その差分が急変の判断基準となる閾値を超えているかどうかによって判断することができる。或いは、今回の制御周期における電動ウォータポンプ２６の駆動デューティと、前回の制御周期における駆動デューティとの差分を計算し、その差分が急変の判断基準となる閾値を超えているかどうかによって判断してもよい。

ＬＴ流量に急変はない場合、制御装置１００は、ＬＴ流量上限値を無効値に設定することを選択する（ステップＳ１１６）。シリンダブロック６内で温度の不均一が急激に拡大するのはＬＴ流量が急増する場合であり、ＬＴ流量に大きな変化が生じていないのであれば、ＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差が大きかったとしても、シリンダブロック６内で温度の不均一が急激に拡大するおそれは小さい。その一方で、ＬＴ流量を抑制することはエンジン２の冷却を抑えることであるため、エンジン２の冷却不足によるノッキングを回避するためには、ＬＴ流量の不必要な抑制は行わないほうがよい。

ＬＴ流量に急変が有る場合、制御装置１００は、まず、ＬＴ流量抑制フラグをオンにする（ステップＳ１１０）。次に、制御装置１００は、ＬＴ流量上限値を有効値に設定することを選択する（ステップＳ１１２）。ステップＳ１１６ではＬＴ流量上限値は無効値とされるが、ここではＬＴ流量の最大値を抑えることのできる有効な上限値が設定される。ＬＴ流量上限値は、ＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差が大きいほど、より小さい値に設定される。図５に、ＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差に対するＬＴ流量上限値の設定例を示す。

ステップＳ１１２で設定されたＬＴ流量上限値がＬＴ流量制御のルーチンに反映されることにより、ＬＴ流量の最大値が抑えられる。これにより、ブロック内ＨＴ冷却水流路３４を流れる冷却水との温度差の大きい低温の冷却水がシリンダブロック６の内部に急激に流入することは抑えられるので、シリンダブロック６内で温度の不均一が急激に拡大することを抑制することができる。また、ＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差が大きいほど、シリンダブロック６内に生じる温度の不均一の拡大はより急激なものとなりやすいが、上記のごとく温度差が大きいほどＬＴ流量上限値を小さくすることで、サーマルショックの発生をより効果的に抑制することができる。

なお、ステップＳ１０６の判定において、ＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差が一定値β以下の場合、制御装置１００は、次に、エンジン２の放熱量の増大の有無を判定する（ステップＳ１１４）。放熱量が増大するかどうかは、筒内圧センサの信号からエンジン２のサイクル当たり発熱量を計算し、その変化量が所定値を超えているかどうかによって判断することができる。或いは、より簡易的には、アクセル開度（或いはスロットル開度）の単位時間当たりの変化量が所定値を超えているかどうかによって判断してもよい。

ステップＳ１１４の判定の結果が否定の場合、制御装置１００は、ＬＴ流量上限値を無効値に設定することを選択する（ステップＳ１１６）。

一方、ステップＳ１１４の判定の結果が肯定の場合、制御装置１００は、さらにステップＳ１０８の判定を行う。そして、ステップＳ１０８の判定の結果が肯定の場合、制御装置１００は、ＬＴ流量上限値を有効値に設定することを選択する（ステップＳ１１２）。エンジン２からの放熱量が増大した場合、ＬＴ側では熱の持ち去りによって温度上昇が抑えられる一方、ＨＴ側では熱の持ち去りが進まないため、ＬＴ流量が急増した場合にはシリンダブロック６内で温度差が急激に拡大するおそれがあるからである。この場合、制御装置１００は、現在のＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差から決まるＬＴ流量上限値よりも低い値をＬＴ流量上限値に設定する。例えば、図５に示す設定例では、温度差が２０℃の場合のＬＴ流量上限値は４０Ｌ／ｍｉｎであるが、これを２０Ｌ／ｍｉｎに変更する等してもよい。

ステップＳ１０２の判定において他システムからのサーマルショック抑制要求が有る場合、制御装置１００は、上述のステップＳ１０４からＳ１０８までの処理をスキップし、ＬＴ流量抑制フラグをオンにする（ステップＳ１１０）。そして、制御装置１００は、ＬＴ流量上限値を有効値に設定する（ステップＳ１１２）。つまり、他システムからサーマルショックの抑制が要求されている場合には、これに応えるべく、ＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差に関係なくＬＴ流量を抑制することが行われる。

上述のルーチンがＬＴ流量制御のルーチンと並行して実行されることにより、シリンダブロック６内で温度の不均一が急激に拡大することを抑制することができるので、サーマルショックに起因する信頼性及び耐久性の低下を防ぐことができる。なお、制御装置１００は、上述のルーチンで設定されたＬＴ流量上限値によってＬＴ要求流量を抑制する場合、その開始から一定時間が経過した時点でＬＴ要求流量を抑制することを解除する。エンジン２の冷却が長時間抑えられることによる弊害を回避するためである。

４．冷却装置の動作
４−１．比較例の動作
次に、制御装置１００により実現される冷却装置の動作について、その比較例とともにタイムチャートを用いて説明する。比較例では、図４に示すＬＴ流量上限値を設定するルーチンを実行することなく、図２に示すＬＴ流量制御のルーチンのみが実行されている。なお、タイムチャートにて説明する動作は、エンジン２の温間始動時における冷却装置の動作である。

図６は、ＬＴ流量を抑制しない場合の冷却装置の動作、つまり、比較例の動作を示すタイムチャートである。図６には、冷却装置の動作に関係する複数の状態量の時間による変化が示されている。１段目のチャートはプレイグ回避フラグのオン／オフを示している。２段目のチャートはＨＴ水温を示し、３段目のチャートはＬＴ水温を示し、４段目のチャートはＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差を示し、５段目のチャートはＬＴ流量を示している。さらに、６段目のチャートはシリンダブロック６の上部の温度を示し、７段目のチャートはシリンダブロック６の下部の温度を示し、８段目のチャートはシリンダブロック６の内部に局所的に生じた熱歪の量を示している。

図６に示すタイムチャートには、ＨＴ水温は高くなっている一方でＬＴ水温は低く、ＨＴ水温とＬＴ水温との間には大きな温度差が生じている状態で、プレイグ回避フラグがオンになった場合の動作が示されている。プレイグ回避フラグは、エンジン２の始動後、アクセルペダルが踏み込まれてエンジン２の負荷が上昇し、プレイグニッション等が起こりうる状況になったときにオフからオンに切り替えられる。

プレイグ回避フラグがオンになると、これを受けてＬＴ流量制御が行われる。ＬＴ流量制御によれば、電動ウォータポンプ２６の駆動デューティは０％から１００％へ離散的に急増され、暫くしてからＬＴ要求流量に合った値まで下げられる。このようにＬＴ流量を最大流量まで急激に増大させるのは、シリンダブロック６内での伝熱の遅れを考慮し、初期段階での冷却を早めてノッキングやプレイグニッションを抑制する効果を速やかに発揮させるためである。

ＬＴ流量が急増することで、ＬＴ冷却水によるエンジン２内からの熱の持ち去りが進み、ＬＴ水温は急速に上昇する一方で、ＨＴ水温は急速に低下する。これによりＨＴ水温とＬＴ水温との温度差は急速に縮まっていく。

一方、シリンダブロック６の温度については、下部の温度に顕著な変化は起こらないが、ＬＴ冷却水によるエンジン２内からの熱の持ち去りによって上部の温度は急速に低下する。この結果、シリンダブロック６の上部と下部で温度の不均一が急激に拡大し、局所的な熱歪みが急激に増大する。つまり、サーマルショックが発生する。

４−２．実施の形態の冷却装置の動作
図７は、ＬＴ流量を抑制する場合の冷却装置の動作、つまり、実施の形態の動作を示すタイムチャートである。図７には、冷却装置の動作に関係する複数の状態量の時間による変化が示されている。１段目から８段目までの各チャートの項目は図６のタイムチャートに示す項目に等しい。

図７に示すタイムチャートでは、比較例と同条件でプレイグ回避フラグがオンになったにもかかわらず、ＬＴ流量は最大流量まで急増することなく一定値に抑えられている。これは、ＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差が一定値よりも大きかったため、ＬＴ流量上限値が設定されたことによる。

ＬＴ流量上限値によってＬＴ流量の最大値が抑えられたことで、ＬＴ冷却水によるエンジン２内からの熱の持ち去りは抑えられる。これにより、ＬＴ水温は緩やかに上昇していき、ＨＴ水温は緩やかに低下していく。

シリンダブロック６の温度については、ＬＴ冷却水によるエンジン２内からの熱の持ち去りが抑えられることで上部の温度は徐々に低下していく。この結果、シリンダブロック６の上部と下部で温度の不均一が急激に拡大することは抑えられ、局所的な熱歪みの発生が抑えられる。

５．その他
図４で説明したルーチンでは、ＬＴ流量に上限値を設定したが、電動ウォータポンプの駆動デューティに上限値を設定してもよい。この場合、図４のルーチンのステップＳ１１２において電動ウォータポンプの駆動デューティの上限値を設定する。そして、設定した上限値を図２のルーチンのステップＳ６に反映し、電動ウォータポンプ２６の駆動デューティの最大値を上限値で制限する。図８に、ＨＴ水温とＬＴ水温との間の温度差に対する駆動デューティ上限値の設定例を示す。これによってもＬＴ流量に上限値を設定する場合と同等の作用効果を得ることができる。

なお、図１に示す構成においてバイパス管は必須ではない。例えば、図９に示すように、バイパス管と三方弁を備えない構成を採ることもできる。

また、上述の実施の形態では、冷却水流量調節手段として電動ウォータポンプの駆動デューティを制御してＬＴ流量を調節したが、これに限るものではない。例えば、ＬＴ冷却水循環システム内にＬＴ流量を調節するバルブを設けて、そのバルブの開度を操作することでＬＴ流量を調節してもよい。

また、上述の実施の形態では、ＬＴ水温及びＨＴ水温をそれぞれ温度センサにより計測された出口温度から推定していたが、これに限るものではない。例えば、各冷却水循環システムの冷却水導入管に温度センサを取り付け、ＬＴ水温及びＨＴ水温をそれぞれ温度センサによって直接計測してもよい。

また、上述の実施の形態では、ＬＴ流量に上限値を設定することによってＬＴ流量の最大値を抑えるようにしたが、ＬＴ要求流量になまし処理（例えばフィルタ処理や移動平均処理等）を施すことによってＬＴ流量の最大値を抑えるようにしてもよい。或いは、電動ウォータポンプ２６の駆動デューティになまし処理を施すようにしてもよい。

また、上述の実施の形態では、シリンダブロックとシリンダヘッドの両方に高温冷却水流路と低温冷却水流路が形成されている例について説明したが、シリンダヘッドのみ或いはシリンダブロックのみに高温冷却水流路と低温冷却水流路が形成されていてもよい。また、シリンダブロックには高温冷却水流路のみが形成され、シリンダヘッドには低温冷却水流路のみが形成されている構成にも本発明を適用することができる。この場合、シリンダブロックとシリンダヘッドとの境界面に設けられるガスケットの熱歪を抑制することができる。

２ エンジン
４ シリンダヘッド
６ シリンダブロック
１０ ＬＴ冷却水循環システム
１２ ヘッド内ＬＴ冷却水流路
１４ ブロック内ＬＴ冷却水流路
２０ ＬＴラジエータ
２４ 三方弁
２６ 電動ウォータポンプ
２８ 温度センサ
３０ ＨＴ冷却水循環システム
３４ ブロック内ＨＴ冷却水流路
３５ ヘッド内ＨＴ冷却水流路
４０ ＨＴラジエータ
４４ サーモスタット
４６ ウォータポンプ
４８ 温度センサ
１００ 制御装置

Claims (6)

1. 冷却水の温度が異なる２系統の冷却水循環システムのうちの１つであって、内燃機関に形成された低温冷却水流路を含み、前記低温冷却水流路に低温の冷却水を循環させる低温系冷却水循環システムと、
   前記２系統の冷却水循環システムのうちの１つであって、前記内燃機関に形成された高温冷却水流路を含み、前記高温冷却水流路に高温の冷却水を循環させる高温系冷却水循環システムと、
   前記低温系冷却水循環システムの運転を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記高温冷却水流路に流入する冷却水の温度と、前記低温冷却水流路に流入する冷却水の温度との温度差が一定値より大きい状況では、前記温度差が前記一定値以下である状況と比較して、前記低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値を抑えるように前記低温系冷却水循環システムを制御する、ことを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 前記制御装置は、前記温度差が前記一定値より大きい状況では、前記温度差が大きいほど前記低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値をより低く抑えるように前記低温系冷却水循環システムを制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
3. 前記制御装置は、前記低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の変化速度が閾値より小さい場合、前記低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値を抑えることを控える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却装置。
4. 前記制御装置は、前記低温冷却水流路に流入する冷却水の温度が基準温度より大きい状況では、前記低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値を抑えることを控える、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の冷却装置。
5. 前記制御装置は、前記温度差が前記一定値以下である状況において、前記内燃機関からの放熱量が増大することが予測される場合は、そうでない場合と比較して、前記低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値を抑えるように前記低温系冷却水循環システムを制御する、ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関の冷却装置。
6. 前記制御装置は、前記低温冷却水流路に流入する冷却水の流量の最大値を抑えることを、開始から一定時間が経過した時点で解除する、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関の冷却装置。

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