WO2014080778A1

WO2014080778A1 - 内燃機関の冷却装置及びその制御方法

Info

Publication number: WO2014080778A1
Application number: PCT/JP2013/080270
Authority: WO
Inventors: 良介小倉; 市原　敬義
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2014-05-30

Abstract

　冷却装置は、ヘッド冷却流路（１３）と、ブロック冷却流路（１４）と、オイル熱交換器（２０，２１）とを備える。ヘッド冷却流路は、冷却水が流れることによりシリンダヘッド（１１）を冷却する。ブロック冷却流路は、冷却水が流れることによりシリンダブロック（１２）を冷却する。オイル熱交換器は、ヘッド冷却流路及びブロック冷却流路を流れる冷却水とパワートレイン内の潤滑油との間で熱交換を行う。冷却装置は、ヘッド冷却流路及びブロック冷却流路の各々を流れる冷却水の温度を同じ温度まで上昇させ、その後、ヘッド冷却流路を流れる冷却水の温度（ＷＨ）をブロック冷却流路を流れる冷却水の温度（ＷＢ）よりも先に低下させる。

Description

内燃機関の冷却装置及びその制御方法

　本発明は、内燃機関の冷却装置及びその制御方法に関するものである。

　シリンダヘッドとシリンダブロックとを異なる系統の冷却水経路を用いて冷却するエンジンの冷却装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１記載の冷却装置は、エンジン始動後、シリンダヘッドを流れる冷却水の水温を第１の設定温度まで上昇させて保持し、シリンダブロックを流れる冷却水の水温を第１の設定温度よりも高い第２の設定温度まで上昇させて保持する。冷却水の昇温と同時に、冷却装置は、シリンダヘッド及びシリンダブロックを流れる冷却水のいずれか一方を選択的にオイルクーラへ導入して潤滑油を昇温させる。

特許第３３８９２７９号公報

　特許文献１記載の冷却装置は、シリンダヘッドを流れた冷却水の温度を、シリンダブロックを流れる冷却水の温度と同じ温度まで上昇させることはしていない。よって、シリンダヘッドを流れる冷却水が有する熱量が少なくなり、潤滑油の昇温が遅れてしまうという課題がある。

　本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、フリクションの早期低減及び異常燃焼の抑制によって内燃機関の燃料消費率を改善する内燃機関の冷却装置及びその制御方法を提供することである。

　本発明の一態様に係わる内燃機関の冷却装置は、ヘッド冷却流路と、ブロック冷却流路と、オイル熱交換器とを備える。ヘッド冷却流路は、冷却水が流れることによりシリンダヘッドを冷却する。ブロック冷却流路は、冷却水が流れることによりシリンダブロックを冷却する。オイル熱交換器は、ヘッド冷却流路及びブロック冷却流路を流れる冷却水とパワートレイン内の潤滑油との間で熱交換を行うことができる。冷却装置は、ヘッド冷却流路及びブロック冷却流路の各々を流れる冷却水の温度を同じ温度まで上昇させ、その後、ヘッド冷却流路を流れる冷却水の温度をブロック冷却流路を流れる冷却水の温度よりも先に低下させる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係わる内燃機関の冷却装置の構成を示すブロック図である。図２（ａ）は、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度の時間変化を示すグラフである。図２（ｂ）は、エンジンオイル及びＣＶＴオイルの温度の時間変化を示すグラフである。図３は、第１期間における冷却水の流路の一例を示すブロック図である。図４は、第２期間における冷却水の流路の一例を示すブロック図である。図５は、第３期間における冷却水の流路の一例を示すブロック図である。図６は、パワートレインの内部で発生するフリクションの時間変化の一例を示すグラフである。図７は、本発明の第１の実施形態に係わる内燃機関の冷却装置の制御方法の一例を示すフローチャートである。図８は、始動時から積算した、パワートレインの内部で発生するフリクションの低下による燃料消費率の改善量、及び内燃機関の点火時期のリタード量低減による燃料消費率の改善量の時間変化の一例を示すグラフである。図９は、車体の床下に配置された触媒の温度の時間変化を示すグラフである。図１０は、本発明の第４の実施形態に係わる内燃機関の冷却装置の構成を示すブロック図である。

　図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。

（第１の実施形態）
　第１の実施形態では、内燃機関として、シリンダブロックとシリンダヘッドで構成されるエンジンを例にとる。内燃機関の冷却装置は、シリンダブロック及びシリンダヘッドの各々に設けられた冷却流路に冷却水をそれぞれ流すことにより、シリンダブロック及びシリンダヘッドを冷却する。内燃機関が始動した後の暖機運転時に、内燃機関の冷却装置は、シリンダヘッド及びシリンダブロックの各々に設けられた冷却流路を流れる冷却水の温度を同じ温度まで上昇させる。昇温した冷却水を用いて、パワートレイン内の潤滑油の温度を上昇させる。同じ温度まで冷却水を上昇させた後、内燃機関の冷却装置は、シリンダヘッドを流れる冷却水の温度をシリンダブロックを流れる冷却水の温度よりも先に低下させる。油温の昇温によりフリクションが低減した後、シリンダヘッドの温度を低下させて、ノッキング等の異常燃焼を抑制する。

　図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、本発明の第１の実施形態に係わる内燃機関の冷却装置の構成を説明する。内燃機関の冷却装置は、ヘッド冷却流路１３と、ブロック冷却流路１４と、ヘッド温度検出部１５と、ブロック温度検出部１６と、冷却水温度制御部（１０、１７～１９）と、オイル熱交換器（２０、２１）と、を備える。

　ヘッド冷却流路１３は、その内部に冷却水が流れることによりシリンダヘッド１１との間で熱交換を行う。シリンダヘッド１１の温度がヘッド冷却流路１３を流れる冷却水よりも高ければ、ヘッド冷却流路１３は、冷却水が流れることによりシリンダヘッド１１を冷却することができる。ブロック冷却流路１４は、その内部に冷却水が流れることによりシリンダブロック１２との間で熱交換を行う。シリンダブロック１２の温度がブロック冷却流路１４を流れる冷却水よりも高ければ、ブロック冷却流路１４は、冷却水が流れることによりシリンダブロック１２を冷却することができる。

　ヘッド温度検出部１５は、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を検出する。ブロック温度検出部１６は、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を検出する。ここで、「ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度」とは、ヘッド冷却流路１３を流れることにより熱交換を行った冷却水の温度を示し、例えば、ヘッド冷却流路１３を流れた後の冷却水の温度が含まれる。この場合、ヘッド温度検出部１５は、ヘッド冷却流路１３の下流側端部に設けられ、下流側端部における冷却水の温度を検出する。「検出する」ことには、温度センサを用いて直接冷却水の温度を測定することの他に、冷却流路の温度を測定して冷却水の温度を推定することが含まれる。或いは、ヘッド温度検出部１５をヘッド冷却流路１３の入口と出口の途中に設け、ヘッド温度検出部１５による検出温度から、ヘッド冷却流路１３を流れた後の冷却水の温度を推定しても構わない。ブロック温度検出部１６についても、ヘッド温度検出部１５と同じである。

　冷却水温度制御部（１０、１７～１９）は、ヘッド温度検出部１５及びブロック温度検出部１６により検出された冷却水の温度Ｔｈ、Ｔｂに基づいて、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４の各々を流れる冷却水の温度を制御する。具体的に、冷却水温度制御部（１０、１７～１９）には、弁の切り替え及び弁の開度調整が可能な電製可変バルブからなるヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８と、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の流路の切り替え及び開度の調整を行うコントローラ１０と、冷却水がその内部を流れることにより冷却水が有する熱を外部へ発散させるラジエータ１９とが含まれる。コントローラ１０は、冷却水の温度Ｔｈ、Ｔｂに基づいて、制御信号Ｓｈ、Ｓｂを出力して、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の流路の切り替え及び開度の調整を行う。これにより、コントローラ１０は、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４の各々を流れる冷却水の温度を制御することができる。コントローラ１０による冷却水の温度制御の詳細は後述する。

　コントローラ１０は、後述する温度制御処理の手順を記述したコンピュータプログラムをインストールした汎用のマイクロコンピュータにより構成することができる。マイクロコンピュータを用いてコンピュータプログラムを実行することにより、マイクロコンピュータをコントローラ１０として機能させることができる。

　オイル熱交換器（２０、２１）は、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４を流れる冷却水と、パワートレイン（１１、１２、２２）内の潤滑油との間で熱交換を行うことができる。具体的には、オイル熱交換器（２０、２１）には、第１の熱交換器２０と、第２の熱交換器２１とが含まれる。第１の熱交換器２０は、冷却水とシリンダヘッド１１及びシリンダブロック１２内に存在するエンジンオイルとの間で熱交換を行う。第２の熱交換器２１は、冷却水とＣＶＴ（無段変速機）２２内に存在するＣＶＴオイルとの間で熱交換を行う。パワートレイン（１１、１２、２２）には、シリンダヘッド１１及びシリンダブロック１２の他に、ＣＶＴ（無段変速機）２２が含まれる。

　このほか、内燃機関の冷却装置は、冷却流路内の冷却水に圧力を加えて、冷却水を吸い込み、吐き出すポンプ２３を備える。

　ポンプ２３、四方弁（１７、１８）、第１の熱交換器２０、第２の熱交換器２１及び、ラジエータ１９は、その内部に冷却水が流れる冷却流路により互いに接続されている。ポンプ２３により吐き出された冷却水は、冷却流路を通じて、ポンプ２３、四方弁（１７、１８）、第１の熱交換器２０、第２の熱交換器２１、ラジエータ１９を流れ、再び、ポンプ２３に吸い込まれる。ここで、冷却流路には、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４が含まれる。

　ポンプ２３から吐き出された冷却水が流れる冷却流路は、ヘッド冷却流路１３とブロック冷却流路１４とに分岐する。ポンプ２３から吐き出された冷却水は、シリンダヘッド１１とシリンダブロック１２へ分流する。冷却水は、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４を流れる間に、シリンダヘッド１１及びシリンダブロック１２から熱を吸収し、冷却水の温度は上昇する。ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４の下流側端部は、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の弁にそれぞれ接続されている。ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４を通過した冷却水は、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８にそれぞれ到達する。ヘッド側四方弁１７の他の弁とブロック側四方弁１８の他の弁は冷却流路により互いに接続されている。

　ヘッド側四方弁１７の他の弁は、冷却流路によりラジエータ１９の入口に接続されている。ラジエータ１９の出口に接続された冷却流路は、ポンプ２３の吸引口に接続されている。ヘッド側四方弁１７からラジエータ１９に向けて流れる冷却水は、ラジエータ１９内で放熱され、その後、ポンプ２３に吸引される。

　一方、ブロック側四方弁１８の他の弁に接続された冷却流路は、２つの冷却流路に分岐し、分岐した２つの冷却流路は、第１の熱交換器２０、及び第２の熱交換器２１の入口にそれぞれ接続されている。第１の熱交換器２０、及び第２の熱交換器２１の出口に接続された冷却流路は再び合流して１つの冷却流路となる。１つの冷却流路は、ラジエータ１９の出口に接続された冷却流路と合流した後、ポンプ２３の吸引口に接続されている。第１の熱交換器２０及び第２の熱交換器２１を流れる冷却水は、エンジンオイル及びＣＶＴオイルとの間で熱交換を行い、その後、ポンプに吸引される。

　ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８は、コントローラ１０から出力された制御信号Ｓｈ、Ｓｂをそれぞれ受信する。そして、制御信号Ｓｈ、Ｓｂに基づいて、冷却水が流れる弁の切り替え及び弁の開度調整を行う。図１の中で冷却流路に沿って記載する矢印は、冷却流路内で冷却水が流れる方向を示す。

　次に、図２～図７を参照して、コントローラ１０による冷却水の温度制御の詳細を説明する。

＜第１期間＞
　エンジンが始動した後の暖機運転時に、図３に示すように、コントローラ１０は、ヘッド側四方弁１７の弁の内、ヘッド冷却流路１３に接続された弁と、ブロック側四方弁１８に接続された弁とを開き、ラジエータ１９に接続された弁を閉じる。これにより、ヘッド冷却流路１３を流れた冷却水は、ヘッド側四方弁１７を通じて、ブロック側四方弁１８へ流れる。コントローラ１０は、ブロック側四方弁１８の弁の内、ブロック冷却流路１４に接続された弁と、ヘッド側四方弁１７に接続された弁と、第１の熱交換器２０及び第２の熱交換器２１に接続された弁とを開き、その他の弁を閉じる。これにより、ヘッド冷却流路１３を流れた冷却水とブロック冷却流路１４を流れた冷却水とがブロック側四方弁１８で合流し、その後分流して、第１の熱交換器２０及び第２の熱交換器２１へ流れる。第１の熱交換器２０及び第２の熱交換器２１を通過した冷却水は合流してポンプ２３へ吸引される。ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の開度は、同じ開度、例えば全開とする。

　コントローラ１０は、上記制御により、図２（ａ）に示すように、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度（ＷＨ）及びブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度（ＷＢ）を、同じ温度、且つ通常時（ＮＲ）よりも高い温度（例えば、１００℃）まで上昇させる。同時に、シリンダヘッドを流れる冷却水及びシリンダブロックを流れる冷却水の両方を用いて、図２（ｂ）に示すように、エンジンオイル及びＣＶＴオイルを早期に昇温する。

　なお、図２（ａ）の「ＷＨ」はヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を示し、「ＷＢ」はブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を示し、「ＮＲ」は通常時の冷却水の温度を示す。図２（ｂ）の「ＯＥ」はエンジンオイルの油温を示し、「ＯＣ」はＣＶＴオイルの油温を示し、「ＮＲ_Ｃ」は、通常時のＣＶＴオイルの油温を示す。

　ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の開度を共に全開とすることにより、開度を絞って流量を減らした場合に比べて、水温を低く抑えられるので、冷却水から内燃機関周囲の外気（例えば、エンジンルーム雰囲気）への放熱量を軽減することができる。よって、シリンダヘッド１１及びシリンダブロック１２で発生した熱を、エンジンオイル及びＣＶＴオイルへ冷却水を介して効率よく伝達することができる。ただし、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の開度を全開とするのは一例である。ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の開度は、シリンダヘッド１１及びシリンダブロック１２で発生した熱を効率よくエンジンオイル及びＣＶＴオイルへ伝えることを目的として、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４の熱交換特性を考慮した最適な開度とすることが望ましい。なお、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４の熱交換特性には、冷却水の流量と水温に対する熱交換量の感度、及び内燃機関及び冷却流路から外気への放熱特性が含まれる。したがって、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の開度は、異なる開度であっても構わない。

　ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４の各々を流れる冷却水の温度が同じ温度、且つ通常時よりも高い温度まで上昇し、後述するように、ヘッド水温を低下させる時刻（ｔ１）までの期間を、「第１期間」と呼ぶ。

　なお、エンジン始動時から、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４の各々を流れる冷却水の温度が、通常時よりも高い温度（例えば、１００℃）に到達するまでに要する時間は、例えば、５００秒である。

＜第２期間＞
　冷却水の温度を、同じ温度、且つ通常時よりも高い温度まで上昇させた後、コントローラ１０は、ノッキング等の異常燃焼を抑制するために、図２（ａ）に示すように、先ず、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度（ＷＨ）を低下させる。このために、コントローラ１０は、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の流路の切り替え及び開度を調整する。

　図４に示すように、コントローラ１０は、ヘッド側四方弁１７の弁の内、ヘッド冷却流路１３に接続された弁と、ラジエータ１９に接続された弁とを開き、ブロック側四方弁１８に接続された弁を閉じる。これにより、ヘッド冷却流路１３を流れた冷却水は、ヘッド側四方弁１７を通じて、ラジエータ１９へ流れる。コントローラ１０は、ブロック側四方弁１８の弁の内、ブロック冷却流路１４に接続された弁と、第１の熱交換器２０及び第２の熱交換器２１に接続された弁とを開き、ヘッド側四方弁１７に接続された弁を閉じる。これにより、ブロック冷却流路１４を流れた冷却水は、ブロック側四方弁１８を通過した後に分流して、第１の熱交換器２０或いは第２の熱交換器２１へ流れる。ヘッド冷却流路１３を流れた冷却水は、第１の熱交換器２０或いは第２の熱交換器２１へ流れない。

　上記した流路の制御により、ヘッド冷却流路１３を流れた冷却水は、ラジエータ１９において冷却されるため、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度は低下する。温度が低下したため、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水は第１の熱交換器２０或いは第２の熱交換器２１へ流さない。エンジンオイル及びＣＶＴオイルは、高温を維持した、ブロック冷却流路１４を流れた冷却水のみより昇温される。これにより、高温が維持された冷却水を用いてエンジンオイル及びＣＶＴオイルの迅速な昇温を継続する（図２（ｂ）参照）と同時に、シリンダヘッドの温度を低下させて、ノッキング等の異常燃焼を抑制することができる。

　コントローラ１０は、冷却水の温度Ｔｈ、Ｔｂに基づいて、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の開度をフィードバック制御する。具体的には、コントローラ１０は、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度が第１期間で到達した温度に比べて低くなり、且つ、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度が第１期間で到達した温度をそのまま維持するように、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の開度を調整する。

　ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させる時刻（ｔ１）から、後述するように、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を低下させる時刻（ｔ２）までの期間を、「第２期間」と呼ぶ。

　なお、エンジン始動時から、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させるまでの時間は、例えば、エンジンがアイドリング状態で９００秒程度である。

＜第３期間＞
　ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させた後、コントローラ１０は、ノッキング等の異常燃焼を更に抑制するために、図２（ａ）に示すように、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度（ＷＢ）を低下させる。このために、コントローラ１０は、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の流路の切り替え及び開度を調整する。ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を低下させた後の期間を、「第３期間」と呼ぶ。

　図５に示すように、コントローラ１０は、ヘッド側四方弁１７の弁の内、ヘッド冷却流路１３に接続された弁と、ラジエータ１９に接続された弁と、ブロック側四方弁１８に接続された弁とを開き、その他の弁を閉じる。コントローラ１０は、ブロック側四方弁１８の弁の内、ブロック冷却流路１４に接続された弁と、ヘッド側四方弁１７に接続された弁とを開き、第１の熱交換器２０及び第２の熱交換器２１に接続された弁を閉じる。これにより、ブロック冷却流路１４を流れた冷却水は、ブロック側四方弁１８を通じてヘッド側四方弁１７へ向けて流れる。ブロック冷却流路１４を流れた冷却水及びヘッド冷却流路１３を流れた冷却水は、ヘッド側四方弁１７で合流した後、ラジエータ１９へ流れる。ブロック冷却流路１４を流れた冷却水及びヘッド冷却流路１３を流れた冷却水のいずれも、第１の熱交換器２０或いは第２の熱交換器２１へ流れない。

　上記した流路の制御により、ブロック冷却流路１４を流れた冷却水は、ラジエータ１９において冷却されるため、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度は低下する。温度が低下したため、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水は第１の熱交換器２０或いは第２の熱交換器２１へ流さない。これにより、エンジンオイル及びＣＶＴオイルの昇温速度の低下、或いはエンジンオイル及びＣＶＴオイルの温度低下を抑制できる。同時に、シリンダブロックの温度を低下させて、ノッキング等の異常燃焼を更に抑制することができる。

　コントローラ１０は、冷却水の温度Ｔｈ、Ｔｂに基づいて、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の開度をフィードバック制御する。具体的には、コントローラ１０は、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度が第２期間で到達した温度に比べて低くなり、且つ、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度が第２期間における温度をそのまま維持するように、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の開度を調整する。

　更に、コントローラ１０は、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を低下させた後、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度が、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度よりも高くなるように、ヘッド側四方弁１７及びブロック側四方弁１８の開度を調整する。

　図６を参照して、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を低下させる判断基準の一例について説明する。パワートレインの内部に発生するフリクションは、エンジン始動後の油温上昇と共に減少する。エンジンオイル及びＣＶＴオイルの油温（ＯＥ、ＯＣ）は、図２（ｂ）に示したようにエンジン始動後の時間経過により所定の温度まで上昇し、所定の温度を維持する。よって、図６に示すように、パワートレインの内部に発生するフリクション（摩擦量）は、エンジン始動後の時間経過により所定値まで減少し、所定値を維持する。パワートレインの内部に発生するフリクションが十分に低下した場合、エンジンオイル及びＣＶＴオイルを昇温するために冷却水を高温に維持するよりも、冷却水の温度を低下させてノッキング等の異常燃焼を更に抑制することが、燃料消費率の観点から望ましい。そこで、コントローラ１０は、パワートレインの内部で発生するフリクションの低下率が所定の基準値よりも小さくなったか否かを判断する。コントローラ１０は、パワートレインの内部で発生するフリクションの低下率が所定の基準値よりも小さくなった時、つまり時刻（ｔ２）に、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を低下させる。

　なお、エンジン始動時から、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を低下させるまでの時間は、例えば、エンジンがアイドリング状態で２０００秒程度である。

＜冷却方法＞
　次に、図７のフローチャートを参照して、第１の実施形態に係わる内燃機関の冷却方法の一例について説明する。

　先ず、ステップＳ０１で、イグニッションをターンオンさせてエンジンを始動する。これにより、図１に示した冷却装置が起動する。ステップＳ０２において、コントローラ１０は、図３を参照して説明した第１期間の制御を実施する。つまり、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４の各々を流れる冷却水の温度を、同じ温度、且つ通常時よりも高い温度まで上昇させる。同時に、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水及びブロック冷却流路１４を流れる冷却水の両方を用いてエンジンオイル及びＣＶＴオイルを昇温する。

　ステップＳ０３において、コントローラ１０は、冷却水の温度が予め定めた温度まで到達したか否かを判断する。冷却水の温度が予め定めた温度まで到達した場合（Ｓ０３でＹＥＳ）、ステップＳ０４へ進む。コントローラ１０は、ノッキング等の異常燃焼を抑制するために、図２（ａ）に示すように、先ず、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させる。このために、コントローラ１０は、図４を参照して説明した第２期間の制御を実施する。

　ステップＳ０５において、コントローラ１０は、パワートレインの内部で発生するフリクションの低下率が所定の基準値よりも小さくなったか否かを判断する。コントローラ１０は、パワートレインの内部で発生するフリクションの低下率が所定の基準値よりも小さくなった時（Ｓ０５でＹＥＳ）、ステップＳ０６へ進む。コントローラ１０は、ノッキング等の異常燃焼を更に抑制するために、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を低下させ、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水を、第１の熱交換器２０或いは第２の熱交換器２１へ流さない。このために、コントローラ１０は、図５を参照して説明した第３期間の制御を実施する。

　以上説明したように、第１の実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。

　コントローラ１０は、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４の各々を流れる冷却水の温度を同じ温度まで上昇させ、同じ温度まで上昇させた後、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度をブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度よりも先に低下させる。これにより、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度が高くなり、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水が保有する熱量が増加する。暖機運転時においてパワートレイン内の潤滑油の温度を早期に上昇させることができ、パワートレインの内部に発生するフリクションを早期に低減できる。また、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度をブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度よりも先に低下させる。これにより、油温の昇温によりフリクションが低減した後、シリンダヘッド１１の温度を低下させて、ノッキング等の異常燃焼を抑制することができる。フリクションの早期低減及び異常燃焼の抑制によって内燃機関の燃料消費率を改善することができる。

　コントローラ１０は、パワートレインの内部で発生するフリクションの低下率が所定の基準値よりも小さくなった時に、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を低下させる。パワートレインの内部で発生するフリクションの低下率が所定の基準値よりも小さくなるまで、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を高く維持できるので、パワートレインの内部に発生するフリクションを早期に低減して内燃機関の燃料消費率を改善することができる。

　コントローラ１０は、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を低下させた後、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度が、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度よりも高くなるように制御する。ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低くすることにより、異常燃焼を抑制することができる。排気ガスの温度を低下させて、触媒の劣化を抑制することができる。これまで排気ガスの温度を低下させるために増量していた燃料噴射量を低減することができる。吸気ガスの温度を低下させて、エンジンの出力（充填効率）を向上させることができる。また、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を、異常燃焼の抑制と、排気ガス中のＮＯ_Ｘ抑制及びパワートレインの内部に発生するフリクションの抑制とが両立可能な温度に設定することができる。

　第１の熱交換器２０或いは第２の熱交換器２１は、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４の各々を流れる冷却水の温度が同じ温度まで上昇している間、ヘッド冷却流路１３及びブロック冷却流路１４を流れる両方の冷却水と、エンジンオイル及びＣＶＴオイルとの間で熱交換を行う。パワートレイン内の潤滑油の温度を早期に上昇させることができ、パワートレインの内部に発生するフリクションを早期に低減できる。

　第１の熱交換器２０或いは第２の熱交換器２１は、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させてから、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水の温度を低下させるまでの間（第２期間）、ブロック冷却流路１４を流れる冷却水と、エンジンオイル及びＣＶＴオイルとの間で熱交換を行う。エンジンオイル及びＣＶＴオイルは、高温を維持した、ブロック冷却流路１４を流れた冷却水のみより昇温される。これにより、高温が維持された冷却水を用いてエンジンオイル及びＣＶＴオイルを迅速に昇温すると同時に、シリンダヘッド１１の温度を低下させて、ノッキング等の異常燃焼を抑制することができる。

（第２の実施形態）
　第２の実施形態では、図８を参照して、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させる判断基準の一例について説明する。

　エンジン始動後、時間の経過と共に油温は上昇するため、パワートレインの内部に発生するフリクションは低減する。よって、フリクションの低減による燃料消費率の向上量は、エンジン始動後からの時間経過と共に増加する。一方、エンジン始動後、時間の経過と共に油温（内燃機関の温度）は上昇するため、ノッキング等の異常燃焼時に点火時期を遅らせる量（リタード量）が増加する。よって、エンジン始動からの積算リタード量に基づく燃料消費率の向上量は、エンジン始動後からの時間経過と共に減少する。

　そこで、第２の実施形態では、コントローラ１０は、始動時から積算した、パワートレインの内部で発生するフリクションの低下による燃料消費率の改善量と、内燃機関の点火時期のリタード量低減による燃料消費率の改善量との大小関係が逆転するか否かを判断する。コントローラ１０は、大小関係が逆転した時、即ち、損益分岐時に、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させる。フリクションの低減による燃料消費率と、エンジン始動からの積算リタード量に基づく燃料消費率とを組み合わせた内燃機関全体の燃料消費率の向上を図ることができる。

（第３の実施形態）
　第３の実施形態では、図９を参照して、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させる判断基準の他の例について説明する。

　車体の床下に配置された触媒の温度が十分に上昇していない時に、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させると、排気ガスの温度が低下してしまい、車体の床下に配置された触媒を早期に活性化することが妨げられる。図９に示すように、車体の床下に配置された触媒の温度は、エンジンの始動からの経過時間とともに所定の温度まで上昇し、所定の温度に維持される。そこで、コントローラ１０は、車体の床下に配置された触媒の温度の上昇率が所定の基準値よりも小さくなったか否かを判断する。コントローラ１０は、車体の床下に配置された触媒の温度の上昇率が所定の基準値よりも小さくなった時に、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させる。車体の床下に配置された触媒を早期に活性化することができる。

（第４の実施形態）
　第４の実施形態では、燃焼後の排気ガスの一部を取り出して吸気側へ導き、再度、内燃機関へ吸気させる排気ガス再循環装置（ＥＧＲクーラ）を更に備える冷却装置について説明する。ＥＧＲクーラは、主として、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を低減すること、及び部分負荷時に燃料消費率を向上させることを目的として用いられる。

　通常、エンジンへ吸入される空気量はスロットルバルブにより調整される。しかし、低速走行時など、高出力を必要としない場合、スロットルバルブは絞った状態となり、シリンダー内への空気の吸入量が低下すると同時に燃料の噴射量も減少する。スロットルバルブで吸気通路が絞られるため、空気の通過断面積は小さくなり、エンジンの損失が増大する。また、加速時や高速走行などのエンジン負荷の高い領域においては、燃焼温度が高温となり、異常燃焼(ノッキング)を引き起こす。よって、燃料消費率悪化の一因となっていた。

　ＥＧＲクーラは、排気ガスを再循環させ、空気の代わりに排気ガスをシリンダー内に取り込み、燃料の噴射量を少なく保ったまま、ピストンの負荷を低下させる。これとともに、混合気の温度上昇を緩やかにすることで異常燃焼を防ぎ、燃料消費率の向上を図る。

　第４の実施形態に係わる内燃機関の冷却装置は、燃焼後の排気ガスの一部を取り出して吸気側へ導き、再度、内燃機関へ吸気させる排気ガス再循環装置（ＥＧＲクーラ）を更に備える。図１０に示すように、ＥＧＲクーラ２５の入口は、ヘッド側四方弁１７の他の弁に接続され、ＥＧＲクーラ２５の出口に接続された冷却流路は、ラジエータ１９の出口に接続された冷却流路と合流した後、ポンプ２３の吸引口に接続されている。

　コントローラ１０は、上記した第２期間において、図４の代わりに図１０に示すように、流路を切り替える。コントローラ１０は、ヘッド側四方弁１７の弁の内、ヘッド冷却流路１３に接続された弁と、ラジエータ１９に接続された弁と、ＥＧＲクーラ２５に接続された弁とを開き、ブロック側四方弁１８に接続された弁を閉じる。これにより、ヘッド冷却流路１３を流れた冷却水は、ヘッド側四方弁１７において分流して、ラジエータ１９或いはＥＧＲクーラ２５へ流れる。ヘッド冷却流路１３を流れた冷却水は、第１の熱交換器２０或いは第２の熱交換器２１へ流れない。ブロック側四方弁１８の制御は、図４と同じであり、省略する。

　上記した流路の制御により、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させた後、ＥＧＲクーラ２５は、取り出した排気ガスを、温度が低下した、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水を用いて冷却することができる。よって、排気ガス（ＥＧＲガス）の温度が更に低下するため、ＥＧＲクーラ２５による異常燃焼の改善効果が増加し、燃料消費率の向上を図ることができる。更に、ヘッド冷却流路１３を流れる冷却水の温度を低下させる時刻（ｔ１）を更に早めることもできるので、燃料消費率を更に向上させることができる。

　以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

　特願２０１２－２５５２９３号（出願日：２０１２年１１月２１日）の全内容は、ここに援用される。

　１０…コントローラ（冷却水温度制御部、冷却水温度制御手段）
　１１…シリンダヘッド
　１２…シリンダブロック
　１３…ヘッド冷却流路
　１４…ブロック冷却流路
　１５…ヘッド温度検出部
　１６…ブロック温度検出部
　１７…ヘッド側四方弁（冷却水温度制御部、冷却水温度制御手段）
　１８…ブロック側四方弁（冷却水温度制御部、冷却水温度制御手段）
　１９…ラジエータ
　２０…第１の熱交換器（オイル熱交換器、オイル熱交換手段）
　２１…第２の熱交換器（オイル熱交換器、オイル熱交換手段）
　２３…ポンプ
　２５…ＥＧＲクーラ（排気ガス再循環装置）

Claims

　冷却水が流れることによりシリンダヘッドを冷却するヘッド冷却流路と、
　冷却水が流れることによりシリンダブロックを冷却するブロック冷却流路と、
　前記ヘッド冷却流路を流れる冷却水の温度を検出するヘッド温度検出部と、
　前記ブロック冷却流路を流れる冷却水の温度を検出するブロック温度検出部と、
　前記ヘッド温度検出部及び前記ブロック温度検出部により検出された冷却水の温度に基づいて、前記ヘッド冷却流路及び前記ブロック冷却流路の各々を流れる冷却水の温度を制御する冷却水温度制御部と、
　前記ヘッド冷却流路及び前記ブロック冷却流路を流れる冷却水と、パワートレイン内の潤滑油との間で熱交換を行うオイル熱交換器と、
を備える内燃機関の冷却装置であって、
　前記冷却水温度制御部は、前記ヘッド冷却流路及び前記ブロック冷却流路の各々を流れる前記冷却水の温度を同じ温度まで上昇させ、前記同じ温度まで上昇させた後、前記ヘッド冷却流路を流れる冷却水の温度を前記ブロック冷却流路を流れる冷却水の温度よりも先に低下させることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
　前記冷却水温度制御部は、パワートレインの内部で発生するフリクションの低下率が所定の基準値よりも小さくなった時に、前記ブロック冷却流路を流れる冷却水の温度を低下させ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。
　前記冷却水温度制御部は、前記ブロック冷却流路を流れる冷却水の温度を低下させた後、前記ブロック冷却流路を流れる冷却水の温度が、前記ヘッド冷却流路を流れる冷却水の温度よりも高くなるように制御す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。
　前記冷却水温度制御部は、内燃機関の始動時から積算した、パワートレインの内部で発生するフリクションの低下による燃料消費率の改善量と、内燃機関の点火時期のリタード量低減による燃料消費率の改善量との大小関係が逆転する時に、前記ヘッド冷却流路を流れる冷却水の温度を低下させることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却装置。
　前記冷却水温度制御部は、車体の床下に配置された触媒の温度の上昇率が所定の基準値よりも小さくなった時に、前記ヘッド冷却流路を流れる冷却水の温度を低下させることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却装置。
　燃焼後の排気ガスの一部を取り出して吸気側へ導き、再度、内燃機関へ吸気させる排気ガス再循環装置を更に備え、
　前記ヘッド冷却流路を流れる冷却水の温度を低下させた後、前記排気ガス再循環装置は、取り出した排気ガスを、前記ヘッド冷却流路を流れる冷却水を用いて冷却する
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却装置。
　前記オイル熱交換器は、前記ヘッド冷却流路及び前記ブロック冷却流路の各々を流れる前記冷却水の温度が同じ温度まで上昇している間、前記ヘッド冷却流路及び前記ブロック冷却流路を流れる両方の冷却水と、パワートレイン内の潤滑油との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却装置。
　前記オイル熱交換器は、前記ヘッド冷却流路を流れる冷却水の温度を低下させてから、前記ブロック冷却流路を流れる冷却水の温度を低下させるまでの間、前記ブロック冷却流路を流れる冷却水と、パワートレイン内の潤滑油との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の冷却装置。
　冷却水が流れることによりシリンダヘッドを冷却するヘッド冷却流路と、
　冷却水が流れることによりシリンダブロックを冷却するブロック冷却流路と、
　前記ヘッド冷却流路を流れる冷却水の温度を検出するヘッド温度検出部と、
　前記ブロック冷却流路を流れる冷却水の温度を検出するブロック温度検出部と、
　前記ヘッド冷却流路及び前記ブロック冷却流路を流れる冷却水と、パワートレイン内の潤滑油との間で熱交換を行うオイル熱交換器と、
　前記ヘッド温度検出部及び前記ブロック温度検出部により検出された冷却水の温度に基づいて、前記ヘッド冷却流路及び前記ブロック冷却流路の各々を流れる冷却水の温度を制御する冷却水温度制御部と、
を備える内燃機関の冷却装置の制御方法であって、
　前記ヘッド冷却流路及び前記ブロック冷却流路の各々を流れる前記冷却水の温度を同じ温度まで上昇させ、
　前記同じ温度まで上昇させた後、前記ヘッド冷却流路を流れる冷却水の温度を前記ブロック冷却流路を流れる冷却水の温度よりも先に低下させることを特徴とする内燃機関の冷却装置の制御方法。
　冷却水が流れることによりシリンダヘッドを冷却するヘッド冷却手段と、
　冷却水が流れることによりシリンダブロックを冷却するブロック冷却手段と、
　前記ヘッド冷却手段を流れる冷却水の温度を検出するヘッド温度検出手段と、
　前記ブロック冷却手段を流れる冷却水の温度を検出するブロック温度検出手段と、
　前記ヘッド温度検出手段及び前記ブロック温度検出手段により検出された冷却水の温度に基づいて、前記ヘッド冷却手段及び前記ブロック冷却手段の各々を流れる冷却水の温度を制御する冷却水温度制御手段と、
　前記ヘッド冷却手段及び前記ブロック冷却手段を流れる冷却水と、パワートレイン内の潤滑油との間で熱交換を行うオイル熱交換手段と、
を備える内燃機関の冷却装置であって、
　前記冷却水温度制御手段は、前記ヘッド冷却手段及び前記ブロック冷却手段の各々を流れる前記冷却水の温度を同じ温度まで上昇させ、前記同じ温度まで上昇させた後、前記ヘッド冷却手段を流れる冷却水の温度を前記ブロック冷却手段を流れる冷却水の温度よりも先に低下させることを特徴とする内燃機関の冷却装置。