WO2011067857A1

WO2011067857A1 - エンジンの冷却装置

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Publication number: WO2011067857A1
Application number: PCT/JP2009/070418
Authority: WO
Inventors: ▲高▼橋大志; 能川真一郎
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-09
Also published as: JPWO2011067857A1; US8807095B2; CN102639836B; DE112009005419B4; JP5310867B2; US20120240877A1; CN102639836A; DE112009005419T5

Abstract

　冷却装置１Ａは、シリンダブロック５１Ａおよびシリンダヘッド５２を備えるとともに、シリンダブロック５１Ａからシリンダヘッド５２へ向かって冷却水を流通させる全体として１系統のＷ／Ｊ５０１Ａが設けられたエンジン５０Ａを備える。Ｗ／Ｊ５０１Ａは、シリンダブロック５１Ａの内部で第１および第２の内部経路Ｐ１、Ｐ２に分岐するとともに、シリンダヘッド５２の内部で合流している。第１の内部経路Ｐ１には、冷却水の圧力に応じて冷却水の流通を許可、禁止することが可能な開閉弁２１Ａが設けられている。　

Description

エンジンの冷却装置

　本発明はエンジンの冷却装置に関する。

　従来、エンジンでは一般に冷却水による冷却が行われている。また、エンジンでは機関運転中に特にシリンダヘッドの熱負荷が高くなることも知られている。
　この点、例えば特許文献１では機関冷間時に暖機を促進するとともに、機関温間時にエンジンを適切に冷却し得るエンジンの冷却装置が開示されている。
　具体的にはこのエンジンの冷却装置は、機関冷間時にラジエータに冷却水を流通させることなく、シリンダヘッド、シリンダブロックの順に冷却水を流通させることで暖機を促進している。すなわちこのエンジンの冷却装置は、シリンダヘッドの熱負荷が高いことを利用する態様で機関冷間時に暖機を促進している。
　またこのエンジンの冷却装置は機関温間時に、軽負荷である場合にはシリンダヘッド（或いは必要に応じてラジエータ、シリンダヘッドの順）に冷却水を流通させ、高負荷である場合にはラジエータ、シリンダヘッド、シリンダブロックの順に冷却水を流通させることで、エンジンを適切に冷却しようとしている。すなわちこのエンジンの冷却装置は、熱負荷の高いシリンダヘッドの冷却を優先することで、機関温間時に冷却の適切性を確保しようとしている。

特開２００４－２７０６５２号公報

　ところで、図１３に示すように、エンジン、とりわけ火花点火式内燃機関では排気損失や冷却損失など正味仕事に使われない熱が多く発生する。そしてエネルギ損失全体の大きな割合を占める冷却損失の低減は、熱効率（燃費）の向上にとって非常に重要な要素である。ところが、冷却損失を低減し、熱を有効に利用することは必ずしも容易ではなく、このことが熱効率向上の妨げとなっている。

　冷却損失の低減が困難である理由としては、例えば一般的なエンジンは、局部的に熱伝達の状態を可変にする構成にはなっていないことが挙げられる。すなわち、一般的なエンジンでは構成上、冷却が必要な部位を必要な度合いだけ冷却することが困難なことが挙げられる。具体的にはエンジンの熱伝達の状態を可変にするにあたっては、一般にはエンジンの出力で駆動する機械式ウォータポンプにより、エンジン回転数に応じて冷却水の流量を変更することが行われている。ところが、冷却水の流量を全体的に調節するウォータポンプでは、仮に流量を可変にする可変ウォータポンプを用いた場合であっても、機関運転状態に応じて局部的に熱の伝達状態を可変にすることはできない。

　また冷却損失を低減するにあたっては、例えばエンジンの断熱性を高めることも考えられる。そしてこの場合には、図１４に示すように大幅な冷却損失の低減を期待できる。ところがこの場合には、エンジンの断熱性を高めることで、同時に燃焼室の内壁温度の上昇する。そしてこの場合には、これに伴い混合気の温度が上昇することで、ノッキングが誘発されるという問題があった。

　そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、エンジンの熱伝達の状態を合理的な態様で局部的に可変することで冷却損失を低減でき、さらには冷却損失の低減とノック性能とを両立できるエンジンの冷却装置を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するための本発明は、シリンダブロックおよびシリンダヘッドを備えるとともに、前記シリンダブロックから前記シリンダヘッドへ向かって冷却媒体を流通させる全体として１系統の冷却媒体通路が設けられたエンジンを備え、前記冷却媒体通路を前記シリンダブロックの内部で少なくとも２以上の内部経路に分岐させるとともに、前記シリンダヘッドの内部で合流させ、前記内部経路のうち、少なくとも１つの内部経路に対して、前記シリンダヘッドの温度、或いは前記シリンダヘッドの温度上昇を推定可能な状態量に応じて冷却媒体の流通状態を変更可能な流通変更手段を設け、前記流通変更手段が、前記シリンダヘッドの温度が第１の所定温度よりも高い場合に、或いは前記状態量が、前記シリンダヘッドの温度が前記第１の所定温度よりも高くなり得る状態である場合に、冷却媒体の流量を増大させるエンジンの冷却装置である。

　また本発明は記流通変更手段が、前記シリンダヘッドの温度、或いは前記状態量に応じて冷却媒体の流通を許可、禁止することで、冷却媒体の流通状態を変更可能な切替手段であり、前記切替手段が、前記シリンダヘッドの温度が前記第１の所定温度よりも高い場合に、或いは前記状態量が、前記シリンダヘッドの温度が前記第１の所定温度よりも高くなり得る状態である場合に、冷却媒体の流通を許可する構成であることが好ましい。

　また本発明は前記流通変更手段が、前記状態量として冷却媒体の圧力に応じて冷却媒体の流通を許可、禁止することが可能な切替手段であり、圧送する冷却媒体の流量を可変にする冷却媒体圧送手段と、前記シリンダヘッドの温度に応じて、前記シリンダヘッドの温度が高くなるほど、圧送する冷却媒体の流量が大きくなるように前記冷却媒体圧送手段を制御する制御手段とをさらに備えた構成であることが好ましい。

　また本発明は前記シリンダヘッドの温度が、前記第１の所定温度よりも高い第２の所定温度を超えた場合に、異常を知らせる警告を出力するための制御を行う警告手段をさらに備えた構成であることが好ましい。

　また本発明は前記制御手段が、前記シリンダヘッドの温度が前記第１の所定温度よりも高い第２の所定温度を超えた場合に、圧送する冷却媒体の流量を増大させるように前記冷却媒体圧送手段を制御する流量増大制御をさらに行うとともに、前記制御手段が前記流量増大制御を行った後、前記シリンダヘッドの温度が前記第２の所定温度を下回らない場合に、異常を知らせる警告を出力するための制御を行う警告手段をさらに備えた構成であることが好ましい。

　また本発明は前記警告手段が前記警告を出力するための制御を行った後、前記シリンダヘッドの温度が前記第２の所定温度を下回らない場合に、前記エンジンの出力を制限するための制御を行う出力制限手段をさらに備えた構成であることが好ましい。

　また本発明は前記エンジンがアルコール混合燃料を使用するエンジンであるとともに、前記流通変更手段が冷却媒体の流通状態を変更するにあたり、電子制御可能に構成されており、冷却媒体の流通状態を変更するにあたり、前記状態量に応じて前記流通変更手段を制御する流通制御手段と、前記アルコール混合燃料のアルコール濃度が高いほど、前記第１の所定温度を高く設定する設定手段とをさらに備えた構成であることが好ましい。

　また本発明は前記冷却媒体通路を、前記シリンダブロックのうち、吸気側の部分よりも排気側の部分を優先して冷却するように設けるとともに、前記シリンダブロックにおいて少なくとも排気側に設けられた部分の下流側で分岐させ、且つ前記内部経路のうち、前記シリンダブロックにおいて吸気側に設けられた部分を含む内部経路に前記流通変更手段を設けた構成であることが好ましい。

　本発明によればエンジンの熱伝達の状態を合理的な態様で局部的に可変することで冷却損失を低減でき、さらには冷却損失の低減とノック性能とを両立できる。

エンジンの冷却装置（以下、単に冷却装置と称す）１Ａを模式的に示す図である。Ｗ／Ｊ５０１Ａを模式的に示す図である。エンジン５０Ａを１気筒につき断面で模式的に示す図である。ＥＣＵ７０Ａを模式的に示す図である。ＥＣＵ７０Ａの動作をフローチャートで示す図である。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を示す図である。冷却装置１Ａにおけるエンジン５０Ａの運転状態に応じた開閉弁２１Ａの状態を示す図である。ＥＣＵ７０Ｂの動作をフローチャートで示す図である。冷却装置１Ｂにおけるエンジン５０Ａの運転状態に応じた開閉弁２１Ａの状態に示す図である。エタノール混合燃料のエタノール濃度とヘッド断熱上限回転数との関係を示す図である。Ｗ／Ｊ５０１Ｂを模式的に示す図である。冷却媒体通路の変形例を模式的に示す図である。なお、図１３に示すエンジン５０Ａ´は、シリンダブロック５１Ａの代わりに部分Ｗ／ＪＲ５が螺旋状に設けられたシリンダブロック５１Ａ´を備える点と、冷却媒体通路の分岐態様が異なってくる点以外、エンジン５０Ａと実質的に同一のものとなっている。また図中、矢印Ｆは冷却水の流れを模式的に示している。火花点火式内燃機関の一般的なヒートバランスの内訳を全負荷の場合と部分負荷の場合とについてそれぞれ示す図である。シリンダの内壁温度および熱透過率を通常の構成の場合と断熱性を高めた場合とについてそれぞれ示す図である。なお、図１４では断熱性を高めた場合として、シリンダの壁厚増加とともに材質変更を行った場合と、より断熱性の高い空気断熱を行った場合とについてそれぞれ示している。また、通常の構成としては、シリンダブロック下部からシリンダヘッドへ向かって重力に逆らうようにして冷却水を流通させる１系統の冷却水循環経路が設けられた一般的なエンジンの場合を示している。

　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。

　図１に示す冷却装置１Ａ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）１１Ａと、ラジエータ１２と、サーモスタット１３と、開閉弁２１Ａと、エンジン５０Ａとを備えている。Ｗ／Ｐ１１Ａは冷却媒体圧送手段であり、冷却媒体である冷却水を圧送する。Ｗ／Ｐ１１Ａはエンジン５０Ａの出力で駆動する機械式のＷ／Ｐとなっている。Ｗ／Ｐ１１Ａが圧送する冷却水はエンジン５０Ａに供給される。

　エンジン５０Ａはシリンダブロック５１Ａおよびシリンダヘッド５２を備えている。エンジン５０Ａには、シリンダブロック５１Ａからシリンダヘッド５２へ向かって冷却水を流通させる全体として１系統の冷却媒体通路であるウォータジャケット（以下、Ｗ／Ｊと称す）５０１Ａが設けられている。具体的にはＷ／Ｊ５０１Ａは、シリンダブロック５１Ａに１つの冷却水入口部Ｉｎを備えるとともに、シリンダヘッド５２に１つの冷却水出口部Ｏｕｔを備えている。そして、冷却水入口部Ｉｎから冷却水を導入するとともに、冷却水出口部Ｏｕｔから冷却水を排出することで、シリンダブロック５１Ａからシリンダヘッド５２へ向かって冷却水を流通させる全体として１系統のＷ／Ｊとなっている。

　Ｗ／Ｊ５０１Ａはシリンダブロック５１Ａの内部で第１の内部経路Ｐ１および第２の内部経路Ｐ２の２つの内部経路に分岐するとともに、シリンダヘッド５２の内部で合流している。Ｗ／Ｊ５０１Ａは具体的には、図２に示すようにシリンダブロック５１Ａにおいて、吸気側の部分よりも排気側の部分を優先して冷却するようにシリンダ５１ａの周辺部に設けられている。この点、Ｗ／Ｊ５０１Ａは吸気側の部分よりも排気側の部分が上流になるように設けられている。そして、第１および第２の内部経路Ｐ１、Ｐ２の分岐地点Ｎ１はシリンダブロック５１Ａにおいて、Ｗ／Ｊ５０１Ａのうち、排気側の部分よりも少なくとも下流側の部分に設けられている。具体的には第１および第２の内部経路Ｐ１、Ｐ２は、シリンダブロック５１Ａにおいて、Ｗ／Ｊ５０１Ａのうち、吸気側に設けられた部分の上流部で分岐している。一方、第１および第２の内部経路Ｐ１、Ｐ２の合流地点Ｎ２はシリンダヘッド５２において、Ｗ／Ｊ５０１Ａのうち、冷却水出口部Ｏｕｔ付近の部分に設けられている。

　このため第１の内部経路Ｐ１はＷ／Ｊ５０１Ａのうち、冷却水出口部Ｏｕｔ付近を除き、シリンダヘッド５２に形成された部分を含んでいる。この点、第１の内部経路Ｐ１はシリンダブロック５１Ａ、シリンダヘッド５２のうち、少なくともシリンダヘッド５２の冷却が可能な内部経路となっている。一方、第２の内部経路Ｐ２はシリンダブロック５１Ａのうち、優先して冷却するように設けられた排気側の部分を少なくとも流通した冷却水を冷却水出口部Ｏｕｔに導くことが可能な内部経路となっている。

　第１の内部経路Ｐ１には、開閉弁２１Ａが設けられている。開閉弁２１Ａは冷却水の流通状態を変更可能な流通変更手段に相当し、さらに具体的には切替手段に相当している。開閉弁２１Ａは具体的には、冷却水の圧力に応じて冷却水の流通を機械的に許可、禁止することが可能なスプリング内蔵式のリード弁となっている。さらに具体的には開閉弁２１Ａは、冷却水の圧力が、シリンダヘッド５２の温度が第１の所定温度よりも高くなり得る状態である場合に、冷却水の流通を許可することで、冷却水の流量を増大させるようになっている。

　この点、冷却水の圧力は、Ｗ／Ｐ１１Ａが吐出する冷却水の流量が増大するに従って増大するところ、Ｗ／Ｐ１１Ａが吐出する冷却水の流量は、エンジン５０Ａの回転数が増大するに従って増大する。また、シリンダヘッド５２の温度もエンジン５０Ａの回転数が増大するに従って高くなる。このため、冷却水の圧力はシリンダヘッド５２の温度上昇を推定可能な状態量となっている。
　また第１の所定温度は、具体的にはシリンダヘッド５２の信頼性を確保可能な温度となっている。この点、冷却水の圧力が、シリンダヘッド５２の温度が第１の所定温度よりも高くなり得る状態である場合は、具体的にはエンジン５０Ａの回転数が、シリンダヘッド５２に冷却水を流通させることで、シリンダヘッド５２の信頼性を確保する必要があるエンジン５０Ａの運転状態それぞれに対応する各回転数のうち、最も低い回転数（以下、ヘッド断熱上限回転数と称す）である場合に対応している。

　一方、かかる開閉弁２１Ａ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手段にもなっている。この点、開閉弁２１Ａは、シリンダブロック５１Ａ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手段となっている。さらにこのように設けられた開閉弁２１Ａは、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制するように第１の内部経路Ｐ１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５１Ａの冷却能力を高めるように第２の内部経路Ｐ２を流通する冷却水の流量を調節可能な冷却能力調整手段となっている。

図１に戻り、冷却装置１Ａ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、例えばラジエータ１２を介さない循環経路Ｃ１とランジエータ１２を介する循環経路Ｃ２がある。冷却装置１Ａを流通する冷却水は、Ｗ／Ｐ１１Ａから吐出された後、Ｗ／Ｊ５０１Ａを流通し、その後、循環経路Ｃ１の場合にあってはサーモスタット１３を介して、循環経路Ｃ２の場合にあってはラジエータ１２およびサーモスタット１３を介してＷ／Ｐ１１Ａ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／Ｐ１１Ａ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。　　　

次にエンジン５０Ａについてさらに具体的に説明する。図３に示すように、シリンダブロック５１Ａ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５１Ａ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５１Ａ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。　　　

Ｗ／Ｊ５０１Ａは、具体的にはシリンダヘッド５２に設けられた部分である第１の部分冷却媒体通路として、複数の部分Ｗ／ＪＲ１、部分Ｗ／ＪＲ２、部分Ｗ／ＪＲ３および部分Ｗ／ＪＲ４を備えている。部分Ｗ／ＪＲ１は吸気ポート５２ａの周辺部に、部分Ｗ／ＪＲ２は排気ポート５２ｂの周辺部に、部分Ｗ／ＪＲ３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／ＪＲ４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。これらの部分Ｗ／ＪＲ１からＲ４までは第１の内部経路Ｐ１に組み込まれている。　　　

またＷ／Ｊ５０１Ａは、シリンダブロック５１Ａに設けられた部分である第２の部分冷却媒体通路として、部分Ｗ／ＪＲ５を備えている。部分Ｗ／ＪＲ５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／ＪＲ５の上流部Ｕはシリンダ５１ａの壁面のうち、筒内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５０Ａは本実施例では筒内に正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。そしてこれにより、Ｗ／Ｊ５０１Ａは、シリンダ５１ａの壁面上部、且つ排気側の部分を優先して冷却するように設けられている。部分Ｗ／ＪＲ５のうち、排気側に設けられた部分は、第１および第２の内部経路Ｐ１、Ｐ２が分岐する前の部分となっており、吸気側に設けられた部分は、第２の内部経路Ｐ２に組み込まれている。　　　

さらに冷却装置１Ａは図４に示すＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）７０Ａを備えている。ＥＣＵ７０Ａは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。ＥＣＵ７０Ａには、エンジン５０Ａ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５０Ａ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ＥＣＵ７０Ａで検出される。また、水温センサ８４は冷却水出口部Ｏｕｔ付近に設けられており、水温センサ８４の出力に基づきＥＣＵ７０Ａで検出される冷却水の水温が、シリンダヘッド５２の水温として検出される。ＥＣＵ７０Ａには吸入空気量を調節するための電子制御スロットル９１や、ユーザに対して異常を知らせるためのブザー９２および警告灯９３など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、ＥＣＵ７０Ａでは各種の制御手段や判定手段や検出手段や算出手段などが機能的に実現される。　　　

この点、ＥＣＵ７０Ａでは例えば、シリンダヘッド５２の温度が、第１の所定温度よりも高い第２の所定温度を超えた場合に、異常を知らせる警告を出力するための制御を行う警告手段が機能的に実現される。　警告手段は具体的にはブザー９２および警告灯９３をＯＮにするための制御を行うことで、異常を知らせる警告を出力するための制御を行うように実現される。　また例えばＥＣＵ７０Ａでは、警告手段が警告を出力するための制御を行った後、シリンダヘッド５２の温度が第２の所定温度を下回らない場合に、エンジン５０Ａの出力を制限するための制御を行う出力制限手段が機能的に実現される。　出力制御手段は具体的には、警告手段が警告を出力するための制御を行った後、所定時間Ｔ１が経過した後に、シリンダヘッド５２の温度が第２の所定温度を下回らない場合に、電子制御スロットル９１の開度を制限することで、エンジン５０Ａの出力を制限するための制御を行うように実現される。　なお、警告手段および出力制限手段の具体的な制御対象はこれに限られない。　　　

次にＥＣＵ７０Ａの動作を図５に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートは機関運転時に極短い時間間隔で繰り返し実行される。ＥＣＵ７０Ａは、シリンダヘッド５２の温度が第２の所定温度を超えたか否かを判定する（ステップＳ１）。シリンダヘッド５２の温度は、開閉弁２１Ａになんらかの不具合が生じ、正常に開弁できなくなった場合に第２の所定温度を超えることになる。この点、第２の所定温度は具体的には、エンジン５０Ａにダメージが及ばない範囲内で、開閉弁２１Ａが正常に開弁できなくなった場合に到達する温度に設定されている。ステップＳ１で否定判定であれば特段の処理を要しないため、本フローチャートを一旦終了する。　　　

一方、ステップＳ１で肯定判定であれば、ＥＣＵ７０Ａはブザー９２および警告灯９３をＯＮにする（ステップＳ３）。続いてＥＣＵ７０Ａは、所定時間Ｔ１が経過したか否かを判定する（ステップＳ５）。否定判定であれば、所定時間Ｔ１が経過するまでの間、ステップＳ５を繰り返し実行する。一方、ステップＳ５で肯定判定であれば、ＥＣＵ７０Ａはシリンダヘッド５２の温度が第２の所定温度を下回ったか否かを判定する（ステップＳ７）。肯定判定であれば、本フローチャートを一旦終了する。一方、ステップＳ７で否定判定であれば、ＥＣＵ７０Ａは電子制御スロットル１３の開度を制限する（ステップＳ９）。　　　

次に冷却装置１Ａの作用効果について説明する。ここで、エンジン５０Ａ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６に示すようになっている。図６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１Ａでは、かかる知見に基づき開閉弁２１Ａを設けている。そして開閉弁２１Ａは、図７に示すようにエンジン５０Ａの回転数が低中回転数である場合にこのときの冷却水の圧力に応じて閉弁するとともに、高回転数である場合にこのときの冷却水の圧力に応じて開弁する。そしてこれにより、冷却装置１Ａは、エンジン５０Ａの回転数が低中回転数である場合にシリンダヘッド５２の冷却能力を抑制することで、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。これに対して開閉弁２１Ａは、シリンダブロック５１Ａの冷却能力を抑制することなく、シリンダヘッド５２の冷却能力を抑制することができる。このため冷却装置１Ａはこれによりシリンダ５１ａの冷却も維持でき、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１Ａ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５１Ａの冷却を図ることで、ノッキングの発生も抑制できる。　また冷却装置１Ａでは、エンジン５０Ａの回転数が高回転数である場合には、開閉弁２１Ａが開弁することで、シリンダヘッド５２の信頼性を確保することができる。すなわち冷却装置１Ａは、このようにして冷却損失の低減を図りつつ、エンジン５０Ａの運転を成立させることができ、これにより通常行われるエンジン５０Ａの運転全体として見ても熱効率の向上を図ることができる。　　　

また冷却装置１Ａでは、シリンダブロック５１Ａのうち、吸気側の部分よりも筒内に流入した吸気が当たる排気側の部分を優先して冷却するようにＷ／Ｊ５０１Ａを設けている。このため冷却装置１Ａは、これによって吸気を効果的に冷却でき、以ってノッキングの発生を好適に抑制できる。この点、冷却装置１Ａは、さらに具体的にはシリンダ５１ａの壁面上部、且つ排気側の部分を優先して冷却するようにＷ／Ｊ５０１Ａを設けたことで、吸気をより一層効果的に冷却できることから、ノッキングの発生をさらに好適に抑制できる。　　　

また冷却装置１Ａでは、機械式の開閉弁２１Ａを用いているところ、仮になんらかの不具合が生じ、開閉弁２１Ａが正常に開弁できなくなった場合には、ブザー９２および警告灯９３がＯＮになる。そしてこれにより冷却装置１Ａでは、ユーザに対して減速や退避走行を促すことができる。すなわち冷却装置１Ａでは、仮になんらかの不具合が生じ、開閉弁２１Ａが正常に開弁できなくなった場合でも、まずはユーザの意思で減速や退避走行を行うことができる。このため冷却装置１Ａは、例えばエンジン５０Ａの出力を即座に制限することで、走行中の車両が却って危険な状況に陥るといったことを防止できる。またユーザが実際に減速や退避走行が行うことで、エンジン５０Ａの出力が低下することから、冷却装置１Ａはこれにより車両の走行安全性を確保しつつ、エンジン５０Ａにダメージが及ぶことを回避できる。　　　

一方、ブザー９２および警告灯９３をＯＮにした場合であっても、その後、例えば減速や退避走行が適切に行われなかった場合や、減速が不十分だった場合には、シリンダヘッド５２の温度が第２の所定温度を下回らない場合もあると考えられる。これに対して冷却装置１Ａでは、このような場合には電子制御スロットル１３の開度を制限することで、エンジン５０Ａにダメージが及ぶことをより確実に回避できる。なお、この場合でも、電子制御スロットル９１の現在の開度が目標制限開度よりも大きい場合に、例えば電子制御スロットル９１の開度が目標制限開度に向かって次第に小さくなるように電子制御スロットル９１を制御することなどで、車両の走行安全性を極力確保することは可能である。

本実施例にかかる冷却装置１Ｂは、Ｗ／Ｐ１１Ａの代わりに、冷却媒体圧送手段として圧送する冷却水の流量を可変にするＷ／Ｐ１１Ｂを備えている点と、ＥＣＵ７０Ａの代わりにＥＣＵ７０Ｂを備えている点以外、冷却装置１Ａと実質的に同一のものとなっている。またＥＣＵ７０Ｂは、Ｗ／Ｐ１１Ｂが制御対象として電気的に接続されている点と、以下に示す制御手段がさらに機能的に実現される点と、警告手段が以下に示すように実現される点以外、ＥＣＵ７０Ａと実質的に同一のものとなっている。このため、冷却装置１ＢおよびＥＣＵ７０Ｂについては図示省略する。　　　

制御手段は、シリンダヘッド５２の温度に応じて、シリンダヘッド５２の温度が高くなるほど、冷却水の吐出量が大きくなるようにＷ／Ｐ１１Ｂを制御するよう実現される。したがって冷却装置１Ｂでは、シリンダヘッド５２の温度上昇に従ってＷ／Ｐ１１Ｂの吐出量、すなわち冷却水の圧力が増大するようになっている。なお、これはＷ／Ｐ１１Ｂの基本的な制御傾向を示すものであり、Ｗ／Ｐ１１Ｂはさらに必要に応じて吐出量を適宜増減するように制御されてよい。　この点、制御手段はシリンダヘッド５２の温度が第２の所定温度を超えた場合には、圧送する冷却水の流量を増大させるようにＷ／Ｐ１１Ｂを制御する流量増大制御をさらに行うように実現される。　　　

一方、ＥＣＵ７０Ｂでは、警告手段が、制御手段が流量増大制御を行った後、シリンダヘッド５２の温度が第２の所定温度を下回らない場合に、異常を知らせる警告を出力するための制御を行うように実現される。　具体的には警告手段は、制御手段が流量増大制御を行った後、所定時間Ｔ２が経過した後にシリンダヘッド５２の温度が第２の所定温度を下回らない場合に、ブザー９２および警告灯９３をＯＮにするための制御を行うように実現される。　　　

次にＥＣＵ７０Ｂの動作を図８に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図８に示すフローチャートはステップＳ２ａ、Ｓ２ｂおよびＳ２ｃが追加されている点以外、図５に示すフローチャートと同一のものになっている。このためここでは特にこれらのステップについて説明する。ステップＳ１で肯定判定であった場合、ＥＣＵ７０Ｂは流量増大制御を行う（ステップＳ２ａ）。なお、この流量増大制御が行われる場合を除き、Ｗ／Ｐ１１Ｂは基本的にシリンダヘッド５２の温度に応じた吐出量で冷却水を吐出するように制御されている。続いてＥＣＵ７０Ｂは、所定時間Ｔ２が経過したか否かを判定する（ステップＳ２ｂ）。否定判定であれば、所定時間Ｔ２が経過するまでの間、ステップＳ２ｂを繰り返し実行する。一方、ステップＳ２ｂで肯定判定であれば、ＥＣＵ７０Ｂはシリンダヘッド５２の温度が第２の所定温度を下回ったか否かを判定する（ステップＳ２ｃ）。そして肯定判定であれば本フローチャートを一旦終了し、否定判定であればステップＳ３に進む。

　次に冷却装置１Ｂの作用効果について説明する。ここで、シリンダヘッド５２の温度は、シリンダヘッド５２の信頼性を確保する必要がある高回転高負荷時に第１の所定温度に達するところ、冷却装置１Ｂではこのときの温度に対応する冷却水の圧力に応じて開閉弁２１Ａが開弁することになる。
　したがって冷却装置１Ｂは、図９に示すように機関温間時にはエンジン５０Ａの運転状態が直線Ｌ１で区分された高回転高負荷の運転領域にある場合に、開閉弁２１Ａが開弁することで、シリンダヘッド５２の信頼性を確保でき、同時にそれ以外の運転状態で開閉弁２１Ａが閉弁することで、冷却装置１Ａの場合よりもさらに広い運転領域で冷却損失を低減できる。
　また、シリンダヘッド５２の温度が第１の所定温度に達するエンジン５０Ａの運転状態は、エンジン５０Ａの暖機状態に応じても変化する。これに対して冷却装置１Ｂでは、機関冷間時には直線Ｌ２で区分されたさらに高回転高負荷の運転領域で開閉弁２１Ａが開弁することになるため、さらに広い運転領域で冷却損失を低減できる。このため冷却装置１Ｂは、冷却装置１Ａと比較してさらに好適に冷却損失を低減できる。

　また冷却装置１Ｂでは、仮になんらかの不具合が生じ、開閉弁２１Ａが正常に開弁できなくなった場合には、ブザー９２および警告灯９３がＯＮになる前にまず流量増大制御が行われる。そしてこの場合には、開閉弁２１Ａが多少なりとも開弁していれば、これによりシリンダヘッド５２の温度を低下させることができる。このため冷却装置１Ｂは、これによりユーザに対して減速や退避走行を促すことなく、エンジン５０Ａにダメージが及ぶことを回避し得る点で、冷却装置１Ａと比較してエンジン５０Ａにダメージが及ぶことをより好適に回避できる。

　本実施例にかかる冷却装置１Ｃは、エンジン５０Ａの代わりにエンジン５０Ｂを備えている点以外、冷却装置１Ａと実質的に同一のものとなっている。またエンジン５０Ｂは、開閉弁２１Ａの代わりに以下に示す開閉弁２１Ｂを備えている点以外、エンジン５０Ａと実質的に同一のものとなっている。このため冷却装置１Ｃについては図示省略する。開閉弁２１Ｂは冷却水の流通状態を変更可能な流通変更手段に相当し、さらに具体的には切替手段に相当している。具体的には開閉弁２１Ｂは、シリンダヘッド５２の温度に応じて、冷却水の流通を機械的に許可、禁止することが可能なサーモスタット式の開閉弁となっている。この点、開閉弁２１Ｂは、シリンダヘッド５２の温度が第１の所定温度よりも高い場合に、冷却水の流通を許可することで、冷却水の流量を増大させるようになっている。

　次に冷却装置１Ｃの作用効果について説明する。ここで、シリンダヘッド５２の温度は、シリンダヘッド５２の信頼性を確保する必要がある高回転高負荷時に第１の所定温度に達するところ、冷却装置１Ｃではこのときに開閉弁２１Ｂが開弁することになる。したがって冷却装置１Ｃは、冷却装置１Ｂの場合と同様に、機関温間時に冷却装置１Ａの場合と比較してさらに広い運転領域で冷却損失を低減できる。また冷却装置１Ｃでは冷却装置１Ｂの場合と同様に、機関冷間時に冷却装置１Ａの場合よりもさらに広い運転領域で冷却損失を低減できる。このため冷却装置１Ｃは、冷却装置１Ａと比較してさらに好適に冷却損失を低減できる。また冷却装置１Ｃは、冷却媒体圧送手段として機械式のＷ／Ｐ１１Ａを備えた場合であっても実現できる点で、冷却装置１Ｂと比較して適用性が高く、且つコスト的にも有利である。

　なお、冷却装置１Ｃに対して例えばＷ／Ｐ１１Ａの代わりにＷ／Ｐ１１Ｂを適用するとともに、ＥＣＵ７０Ａの代わりにＥＣＵ７０Ｂを適用することも可能である。換言すれば、冷却装置１Ｂに対して例えば開閉弁２１Ａの代わりに開閉弁２１Ｂを適用することも可能である。そしてこの場合には、開閉弁２１Ｂに異常が発生した場合に、冷却装置１Ｂの場合と同様に、冷却装置１Ａの場合と比較してエンジン５０Ｂにダメージが及ぶことをより好適に回避できる。

　本実施例にかかる冷却装置１Ｄは、エンジン５０Ａの代わりにエンジン５０Ｃを備えている点と、ＥＣＵ７０Ａの代わりにＥＣＵ７０Ｃを備えている点以外、冷却装置１Ａと実質的に同一のものとなっている。エンジン５０Ｃは、アルコール混合燃料を燃料として使用可能なエンジンである点と、開閉弁２１Ａの代わりに以下に示す開閉弁２１Ｃを備えている点以外、エンジン５０Ａと実質的に同一のものとなっている。ＥＣＵ７０Ｃは、以下に示すアルコールセンサ（図示省略）がさらに電気的に接続されている点と、以下に示す流通制御手段および設定手段がさらに機能的に実現される点以外、ＥＣＵ７０Ａと実質的に同一のものとなっている。このため冷却装置１ＤおよびＥＣＵ７０Ｃについては図示省略する。

　開閉弁２１Ｃは、冷却水の流通状態を変更可能な流通変更手段に相当し、さらに具体的には切替手段に相当している。この点、開閉弁２１Ｃは冷却水の流通状態を変更するにあたり、電子制御可能に構成されている。
　アルコールセンサは、アルコール混合燃料のアルコール濃度を検出するためのセンサであり、アルコール混合燃料を貯留する図示しない燃料タンクに設けられている。アルコールセンサには、具体的には例えばアルコール濃度に応じて変化する燃料の電気伝導率を検出するものを適用できる。

　流通制御手段は、冷却水の流通状態を変更するにあたり、シリンダヘッド５２の温度上昇を推定可能な状態量として、エンジン５０Ｃの回転数に応じて開閉弁２１Ｃを制御するように実現される。なお、エンジン５０Ｃの回転数の代わりに例えば冷却水の圧力を適用することも可能である。
　流通制御手段は、具体的にはエンジン５０Ｃの回転数に応じて冷却水の流通を許可、禁止するように開閉弁２１Ｃを制御するように実現される。
　さらに具体的には流通制御手段は、エンジン５０Ｃの回転数が、シリンダヘッド５２の温度が第１の所定温度よりも高くなり得る状態である場合に、冷却水の流通を許可するように開閉弁２１Ｃを制御することで、冷却水の流量を増大させるように開閉弁２１Ｃを制御するように実現される。
　エンジン５０Ｃの回転数が、シリンダヘッド５２の温度が第１の所定温度よりも高くなり得る状態である場合は、具体的にはエンジン５０Ｃの回転数がヘッド断熱上限回転数である場合となっている。

　設定手段は、アルコールセンサの出力に基づき、アルコール混合燃料のアルコール濃度が高いほど、第１の所定温度を高く設定するように実現される。
　具体的には設定手段はアルコール混合燃料のアルコール濃度に応じて、アルコール濃度が高いほど、第１の所定温度を高く設定することとして、アルコール濃度が高いほどヘッド断熱上限回転数を高く設定するように実現される。
　アルコール混合燃料は具体的にはエタノール混合燃料となっている。

　次に冷却装置１Ｄの作用効果について説明する。ここで、エンジン５０Ｃでは、エタノール混合燃料の気化潜熱効果によって、シリンダヘッド５２の温度がエタノール濃度に応じて低下する。このため冷却装置１Ｄでは、第１の所定温度に対応するヘッド断熱上限回転数が、エタノール濃度に応じて異なってくる。具体的には図１０に示すように、エタノール混合燃料のエタノール濃度が高いほど、第１の所定温度に対応するヘッド断熱上限回転数が高くなる。これに対して冷却装置１Ｄでは、エタノール濃度が高いほどヘッド断熱上限回転数を高く設定している。このため冷却装置１Ｄは、冷却装置１Ａの場合と比較してさらに広い運転領域で冷却損失を低減できる。

　本実施例にかかる冷却装置１Ｅは、エンジン５０Ａの代わりにエンジン５０Ｄを備えている点以外、冷却装置１Ａと実質的に同一のものとなっている。このため冷却装置１Ｅについては図示省略する。エンジン５０Ｄは、図１２に示すように、Ｗ／Ｊ５０１Ａの代わりにＷ／Ｊ５０１Ｂが設けられている点と、これに伴いシリンダブロック５１Ａの代わりにシリンダブロック５１Ｂを備えている点以外、エンジン５０Ａと実質的に同一のものとなっている。なお、冷却装置１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄに対して同様の変更を適用することも可能である。

　Ｗ／Ｊ５０１Ｂは、開閉弁２１Ａが設けられた第１の内部経路Ｐ１が、Ｗ／Ｊ５０１Ｂのうち、シリンダブロック５１Ｂにおいて吸気側に設けられた部分をさらに含むように設けられている点以外、Ｗ／Ｊ５０１Ａと実質的に同一のものとなっている。したがって換言すれば、Ｗ／Ｊ５０１ＢはＷ／Ｊ５０１Ａに対して、Ｗ／Ｊ５０１Ｂのうち、シリンダブロック５１Ｂにおいて吸気側に設けられた部分をさらに含む第１の内部経路Ｐ１に開閉弁２１Ａを設けたものとなっている。

　次に冷却装置１Ｅの作用効果について説明する。冷却装置１Ｅでは、冷却装置１Ａと比較して、Ｗ／Ｊ５０１Ｂのうち、シリンダブロック５１Ｂにおいて吸気側に設けられた部分をさらに含む第１の内部経路Ｐ１に開閉弁２１Ａを設けている。このため冷却装置１Ｅは、冷却装置１Ａと比較して、開閉弁２１Ａが閉弁している間に当該吸気側に設けられた部分においてさらに冷却損失の低減を図ることができる。
　一方、この場合には、開閉弁２１Ａ閉弁時にシリンダブロック５１Ｂの冷却能力を部分的に抑制することになる。これに対して冷却装置１Ｅでは、開閉弁２１Ａ閉弁時であっても、シリンダブロック５１Ｂのうち、排気側の部分を冷却することができる。このため冷却装置１Ｅは、このようにして更なる冷却損失の低減を図りつつ、ノッキングの発生も抑制することができる。

　上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
　例えば上述した実施例では、各開閉弁２１が流通変更手段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、流通変更手段は例えば２つの状態の間で相対的に流量を増大させることが可能な弁などであってもよい。この点、流通変更手段は、例えば電子制御可能に構成された流量調節弁であってもよく、冷却媒体の流通状態を変更するにあたり、シリンダヘッドの温度、或いはシリンダヘッドの温度上昇を推定可能な状態量に応じて流通変更手段を制御する流通制御手段を備えることで、冷却媒体の流通状態を変更してもよい。またこの場合に流量調節弁を切替手段として機能させることも可能である。
　この点、例えば上述した実施例では、コスト的に有利な構成にできることなどから開閉弁２１Ａ、２１Ｂが機械式の切替手段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、切替手段についても上述した流通変更手段と同様に電子制御可能に構成されてもよい。

　また上述した実施例では、Ｗ／Ｊ５０１Ａ、５０１Ｂが冷却媒体通路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、冷却媒体通路は例えばシリンダブロックにおいて、シリンダブロックのうち、シリンダの壁面上部、且つ排気側の部分からシリンダ下部に向かって、シリンダ周辺部に螺旋状に設けられてもよい。この場合にも、シリンダの壁面上部、且つ排気側の部分を優先して冷却することで、ノッキングの発生を好適に抑制できる。またこの場合には、かかる冷却媒体が、冷却媒体通路のうち、シリンダヘッドにおいて螺旋状に設けられた部分を流通した後にシリンダヘッドを流通するように冷却媒体通路を分岐させることで、シリンダヘッドに冷却水を流通させた場合に、シリンダヘッドにおける冷却損失を軽減することもできる。なお、かかる冷却媒体通路を備えたエンジン５０Ａ´を参考として図１３に示す。

　また、上述した実施例で機能的に実現されている各種の手段は主に各エンジン５０を制御する各ＥＣＵ７０で実現することが合理的であるが、例えばその他の電子制御装置や専用の電子回路などのハードウェアやこれらの組み合わせによって実現されてもよい。またかかる各種の手段は、例えば複数の電子制御装置や複数の電子回路等のハードウェアや電子制御装置と電子回路等のハードウェアとの組み合わせによって分散制御的に実現されてもよい。

　　１　　　冷却装置
　　１１　　Ｗ／Ｐ
　　１２　　ラジエータ
　　１３　　サーモスタット
　　１４　　流量調節弁
　　２１　　開閉弁
　　５０　　エンジン
　　５０１　Ｗ／Ｊ
　　５１Ａ、５１Ｂ　　シリンダブロック
　　５１ａ　シリンダ
　　５２　　シリンダヘッド
　　５２ａ　吸気ポート
　　５２ｂ　排気ポート
　　７０　　ＥＣＵ

　

Claims

シリンダブロックおよびシリンダヘッドを備えるとともに、前記シリンダブロックから前記シリンダヘッドへ向かって冷却媒体を流通させる全体として１系統の冷却媒体通路が設けられたエンジンを備え、
　前記冷却媒体通路を前記シリンダブロックの内部で少なくとも２以上の内部経路に分岐させるとともに、前記シリンダヘッドの内部で合流させ、
　前記内部経路のうち、少なくとも１つの内部経路に対して、前記シリンダヘッドの温度、或いは前記シリンダヘッドの温度上昇を推定可能な状態量に応じて冷却媒体の流通状態を変更可能な流通変更手段を設け、
　前記流通変更手段が、前記シリンダヘッドの温度が第１の所定温度よりも高い場合に、或いは前記状態量が、前記シリンダヘッドの温度が前記第１の所定温度よりも高くなり得る状態である場合に、冷却媒体の流量を増大させるエンジンの冷却装置。
前記流通変更手段が、前記シリンダヘッドの温度、或いは前記状態量に応じて冷却媒体の流通を許可、禁止することで、冷却媒体の流通状態を変更可能な切替手段であり、
　前記切替手段が、前記シリンダヘッドの温度が前記第１の所定温度よりも高い場合に、或いは前記状態量が、前記シリンダヘッドの温度が前記第１の所定温度よりも高くなり得る状態である場合に、冷却媒体の流通を許可する請求項１記載のエンジンの冷却装置。
前記流通変更手段が、前記状態量として冷却媒体の圧力に応じて冷却媒体の流通を許可、禁止することが可能な切替手段であり、
　圧送する冷却媒体の流量を可変にする冷却媒体圧送手段と、前記シリンダヘッドの温度に応じて、前記シリンダヘッドの温度が高くなるほど、圧送する冷却媒体の流量が大きくなるように前記冷却媒体圧送手段を制御する制御手段とをさらに備えた請求項２記載のエンジンの冷却装置。
前記シリンダヘッドの温度が、前記第１の所定温度よりも高い第２の所定温度を超えた場合に、異常を知らせる警告を出力するための制御を行う警告手段をさらに備えた請求項１から３いずれか１項記載のエンジンの冷却装置。
前記制御手段が、前記シリンダヘッドの温度が前記第１の所定温度よりも高い第２の所定温度を超えた場合に、圧送する冷却媒体の流量を増大させるように前記冷却媒体圧送手段を制御する流量増大制御をさらに行うとともに、
　前記制御手段が前記流量増大制御を行った後、前記シリンダヘッドの温度が前記第２の所定温度を下回らない場合に、異常を知らせる警告を出力するための制御を行う警告手段をさらに備えた請求項３記載のエンジンの冷却装置。
前記警告手段が前記警告を出力するための制御を行った後、前記シリンダヘッドの温度が前記第２の所定温度を下回らない場合に、前記エンジンの出力を制限するための制御を行う出力制限手段をさらに備えた請求項４または５記載のエンジンの冷却装置。
前記エンジンがアルコール混合燃料を使用するエンジンであるとともに、前記流通変更手段が冷却媒体の流通状態を変更するにあたり、電子制御可能に構成されており、
　冷却媒体の流通状態を変更するにあたり、前記状態量に応じて前記流通変更手段を制御する流通制御手段と、
　前記アルコール混合燃料のアルコール濃度が高いほど、前記第１の所定温度を高く設定する設定手段とをさらに備えた請求項１または２記載のエンジンの冷却装置。
前記冷却媒体通路を、前記シリンダブロックのうち、吸気側の部分よりも排気側の部分を優先して冷却するように設けるとともに、前記シリンダブロックにおいて少なくとも排気側に設けられた部分の下流側で分岐させ、且つ前記内部経路のうち、前記シリンダブロックにおいて吸気側に設けられた部分を含む内部経路に前記流通変更手段を設けた請求項１から７いずれか１項記載のエンジンの冷却装置。