JP2006342680A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の冷却装置において、燃焼室壁温度若しくは内燃機関内の冷却水温度を適正な値に合わせることができる技術を提供する。
【解決手段】燃焼室壁温を検出または推定する燃焼室壁温検出手段１４と、内燃機関１の運転状態を検出する運転状態検出手段１５と、運転状態により冷却水流量を決定する冷却水流量決定手段１４と、運転状態により目標燃焼室壁温を決定する目標燃焼室壁温決定手段１４と、燃焼室壁温と目標燃焼室壁温との差が第１所定値以内となるように、冷却水流量決定手段により決定される冷却水流量を補正する冷却水流量補正手段１４と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

燃焼室の壁面温度や内燃機関の冷却水温度は、内燃機関の運転状態に影響を及ぼすことが知られている。そして、該壁面温度や冷却水温度を求めることができれば、これらの値に基づいて内燃機関の運転制御を行うことができるようになるため、適正な運転状態を得ることができる。

ここで、シリンダブロックの上部と下部とに分け、上部にて温度上昇した冷却水を下部に供給する内燃機関において、上部のシリンダ壁温および下部のシリンダ壁温が夫々の目標温度となるように冷却水流量を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−１５２８５１号公報 特開２０００−３４５８４３号公報 特開２００１−３２７１４号公報 特開２００２−１６１７４８号公報 特許第２６６６３６６号公報 特開２００２−２１３２４２号公報 特許第２８１６４４０号公報

従来技術では、水温センサにより冷却水温度を計測しているが、この水温センサは内燃機関の冷却水出口付近に取り付けられている。そして、冷却水が電動ポンプにより循環される場合には、冷却水の循環が停止されたり極低流量となったりすることがある。この場合、内燃機関内部の冷却水は燃焼室やポートからの熱伝達により温度が上昇する。しかし、水温センサが取り付けられた位置は熱源から離れているため、この位置において冷却水が受ける熱量は少ない。そのため、水温センサで計測される冷却水の温度上昇は小さい。これにより、内燃機関内部の冷却水の温度と、水温センサにより計測される冷却水の温度と、に差が生じてしまう。そうすると、水温センサにより得られる冷却水温度が高くなくても、燃焼室壁温や内燃機関内部の冷却水温度は高くなっていることがあり、内燃機関および冷却水通路の耐久性が低下するおそれがある。

これに対し、水温センサで計測される冷却水温度が閾値よりも大きくなったときに冷却水の流量を増量させるものにおいて、閾値を低く設定することも考えられる。しかし、燃焼室壁や内燃機関内部の冷却水から水温センサ付近の冷却水へ熱が伝わるまでに時間がかかるので、閾値をかなり小さく設定することが必要となる。そのため、内燃機関の始動時にポンプを停止させて暖機を促進させるものにおいては、暖機が不十分のままポンプが作動されるおそれがある。

さらに、水温センサにより計測される冷却水温度に基づいて冷却水流量を制御すると、燃焼室壁温と冷却水温度とに相関がない場合には燃焼室壁温を適正な値に制御することが困難であった。たとえば、ハイブリッド車において内燃機関が停止された場合には、燃焼室壁から冷却水への熱伝達により、燃焼室壁温は低下し冷却水温度は上昇する。そのため、冷却水温度だけを計測していると、冷却水温度を低下させようとして冷却水流量が増加される。このときに燃焼室壁温はさらに低下してしまう。これにより、燃費が低下するお
それがある。さらに、電動ポンプの消費電力も増加するので燃費の低下がより大きくなるおそれもある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の冷却装置において、燃焼室壁温度若しくは内燃機関内の冷却水温度を適正な値に合わせることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の冷却装置は、以下の手段を採用した。すなわち、
内燃機関の冷却水を循環させ且つ冷却水の流量を変更可能なポンプと、
前記内燃機関およびポンプを接続し冷却水が流れる冷却水通路と、
前記内燃機関の燃焼室壁温を検出または推定する燃焼室壁温検出手段と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段により検出される運転状態により冷却水流量を決定する冷却水流量決定手段と、
前記運転状態検出手段により検出される運転状態により目標燃焼室壁温を決定する目標燃焼室壁温決定手段と、
前記燃焼室壁温検出手段により検出または推定される燃焼室壁温と前記目標燃焼室壁温決定手段により決定される目標燃焼室壁温との差が第１所定値以内となるように、前記冷却水流量決定手段により決定される冷却水流量を補正する冷却水流量補正手段と、
を備えたことを特徴とする。

冷却水流量決定手段は、内燃機関の運転状態（例えば、機関回転数および機関負荷）に基づいて基礎となる冷却水の流量を決定する。そして、冷却水流量補正手段は、基礎となる冷却水流量に補正を加える。

燃焼室壁温検出手段により検出または推定された燃焼室壁温を目標燃焼室壁温へ近づけるために冷却水流量が補正される。冷却水流量が補正されることにより、ポンプの吐出量が変更され、冷却水通路を流れる冷却水流量が変更される。

このように冷却水流量を補正することにより、燃焼室壁温を目標値に近づける。目標燃焼室壁温は、内燃機関の運転状態（例えば、機関回転数および機関負荷）に基づいて決定される。例えば、内燃機関の低負荷運転時では、目標燃焼室壁温を高く設定することにより、冷却損失の低減とポンプを作動させるためのエネルギの低減とを図ることができる。また、内燃機関の高負荷運転時では、ノックを抑制し得る温度に設定する。

ここで、第１所定値とは、燃焼室壁温検出手段により検出または推定される燃焼室壁温と目標燃焼室壁温とが略同一であるとすることのできる温度差である。すなわち、冷却水流量補正手段は、前記燃焼室壁温検出手段により検出または推定される燃焼室壁温と前記目標燃焼室壁温決定手段により決定される目標燃焼室壁温とが等しくなるように冷却水流量を補正してもよい。

本発明においては、前記内燃機関は複数の気筒を備え、前記冷却水流量補正手段は、各気筒間の燃焼室壁温の差が第２所定値以下となるように前記冷却水流量を補正することができる。

これにより、気筒間に点火時期や空燃比の差が生じることを抑制できる。また、内燃機関内部に温度差が生じることによる耐久性の低下を抑制できる。第２所定値とは、内燃機関の運転状態に影響を及ぼさない温度差、若しくは内燃機関の耐久性を低下させない温度
差とすることができる。また、各気筒の燃焼室壁温が略同一であるとすることのできる温度差を第２所定値としてもよい。

本発明においては、前記内燃機関の出力が第３所定値以上である場合には、冷却水流量を第４所定値以上に維持することができる。

内燃機関内部の冷却水通路は複雑な形状をしているため、ポンプが停止しているとき若しくは冷却水の流量が少ない場合には、冷却水の流れ難い箇所で冷却水温度が高くなる。そのため、内燃機関内の冷却水温度を一箇所で検出若しくは推定したとしても、温度の上昇しやすい箇所において冷却水が過熱するおそれがある。特に、内燃機関の高負荷運転時には冷却水が過熱して沸騰するおそれがある。したがって、冷却水が過熱するおそれのあるほど内燃機関の出力が高い場合には、冷却水が過熱しないように冷却水を流す。すなわち、第３所定値とは冷却水が過熱するおそれのある内燃機関の出力であり、第４所定値とは冷却水の過熱を抑制し得る冷却水流量である。第３所定値と第４所定値とは互いに影響を及ぼすので、第３所定値の値が大きくなるほど、第４所定値の値を大きくしても良い。また、前記ポンプが停止中に内燃機関の出力が第３所定値以上となった場合にはポンプを作動させて冷却水を流すようにしてもよい。

本発明においては、前記内燃機関の内部の冷却水温度を検出または推定する冷却水温度検出手段をさらに備え、
前記冷却水温度検出手段により検出または推定される冷却水温度が第５所定値以上の場合には前記冷却水流量補正手段は冷却水流量の補正を行い、第５所定値よりも小さい場合には前記ポンプを停止させることができる。

第５所定値とは、冷却水が沸騰するおそれのある温度である。すなわち、冷却水温度検出手段により検出または推定される冷却水温度が沸騰するおそれのある温度よりも低い場合には、ポンプを停止させたとしても冷却水が沸騰するおそれがない。このときには、ポンプを停止させて内燃機関の暖機を促進させたり、内燃機関の温度低下を抑制したりすることができる。一方、冷却水温度が沸騰するおそれがある場合には、ポンプを作動させつつ冷却水流量を補正することにより、燃焼室壁温および冷却水温度を適正な値に保つことができる。

本発明においては、前記燃焼室壁温検出手段により検出または推定される燃焼室壁温が第６所定値よりも小さい場合には、前記ポンプを停止させることができる。

第６所定値とは、内燃機関の耐久性が低下するほど燃焼室壁温が過熱しているときの温度である。すなわち、燃焼室壁温検出手段により検出または推定される燃焼室壁温が内燃機関の耐久性を低下させるおそれのある温度よりも低い場合には、ポンプを停止させたとしても内燃機関の耐久性が低下するおそれがない。このときには、ポンプを停止させて内燃機関の暖機を促進させたり、内燃機関の温度低下を抑制したりすることができる。一方、内燃機関の耐久性が低下するおそれがある場合には、ポンプを作動させつつ冷却水流量を補正することにより、燃焼室壁温および冷却水温度を適正な値に保つことができる。

本発明においては、前記冷却水通路には冷却水と空気との熱交換を行うラジエータおよび該ラジエータへ空気を供給するラジエータファンがさらに備えられ、
前記ポンプは電力の供給量により冷却水の吐出量が調整され、
前記ラジエータファンは電力の供給量により空気の送風量が調整され、
前記ポンプに供給される電力と前記ラジエータファンに供給される電力との和が最小となるように前記ポンプへの電力供給量および前記ラジエータファンへの電力供給量を決定することができる。

ここで、ラジエータファンへ供給する電力量を増加させるほど、ラジエータへの送風量が増加するため、冷却水温度の低下が大きくなる。また、ポンプに供給する電力量を増加させるほど、冷却水の流量が増加してラジエータで冷却される冷却水量が増加するので、冷却水温度の低下が大きくなる。

すなわち、冷却水温度を低下させるためには、ラジエータファンへの供給電力量の増加若しくはポンプへの供給電力量の増加が考えられる。そして、供給電力量に対する冷却水の低下温度が夫々異なるため、冷却水温度を同程度低下させるにしても、ラジエータファンおよびポンプへの供給電力量の組み合わせは無限にある。その中で、ラジエータファンおよびポンプへの供給電力量の和が最小となる組み合わせを選択することにより、燃焼室壁温を適正な値としつつ消費電力量を低減することができる。

本発明においては、前記内燃機関の負荷が増加するときに、前記燃焼室壁温検出手段により検出される燃焼室壁温の変化率が所定値範囲内となるように冷却水流量を補正することができる。

内燃機関の高負荷運転時には燃焼室壁温が上昇しやすいが、このときの温度の上昇率が高くなると、燃焼室を構成する部材における熱膨張率と他の箇所の部材における熱膨張率とに差を生じて、内燃機関の耐久性が低下する。すなわち、燃焼室壁温の変化が所定範囲内となるように冷却水流量を補正することにより、内燃機関の耐久性を向上させることができる。このときに、冷却水流量を多くするほど、燃焼室壁温の上昇率を小さくすることができる。なお、前記「所定範囲」は、内燃機関の耐久性の低下を抑制し得る範囲とすることができる。

本発明においては、前記内燃機関のフューエルカット時に、前記燃焼室壁温検出手段により検出される燃焼室壁温が所定範囲内となるように冷却水流量を補正することができる。

内燃機関のフューエルカット時には燃焼室壁温が低下するので、冷却損失が増加するおそれがある。そこで、燃焼室壁温が低下しないように冷却水流量を補正する。このときに、冷却水流量を少なくするほど、燃焼室壁温の低下量は小さくなる。なお、この場合にはポンプを停止させてもよい。

本発明に係る内燃機関の冷却装置は、燃焼室壁温度若しくは内燃機関内の冷却水温度を適正な値に合わせることができる。

以下、本発明に係る内燃機関の冷却装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の冷却装置を適用する内燃機関１の概略構成を示す図である。

また、図２は、本実施例に係る内燃機関１の内部の概略構成を示す図である。

内燃機関１は、４サイクル機関であり、シリンダヘッド２およびシリンダブロック３を備えて構成されている。

内燃機関１の内部には冷却水を循環させるためのウォータジャケット４が形成されている。また、内燃機関１には冷却水を循環させるための通路が接続されている。この冷却水を循環させるための通路は、ラジエータ５を循環する第１循環通路６、ヒータコア７を循環する第２循環通路８、バイパス通路９を循環する第３循環通路１０を備えて構成されている。各循環通路の一部には、他の循環通路と共有されている箇所があり、例えばウォータジャケット４は全ての循環通路に含まれている。

第１循環通路６は、ラジエータ５、サーモスタット１１、電動ポンプ１２、ウォータジャケット４を備えて構成されている。サーモスタット１１は、冷却水温度が高いときに第１循環通路６に冷却水を流し、冷却水温度が低いときに第３循環通路１０に冷却水を流す。

第１循環通路６では、電動ポンプ１２から吐出された冷却水が、ウォータジャケット４、ラジエータ５、サーモスタット１１の順に流れる。

第２循環通路８は、ヒータコア７、電動ポンプ１２、ウォータジャケット４を備えて構成されている。

第２循環通路８では、電動ポンプ１２から吐出された冷却水が、ウォータジャケット４、ヒータコア７の順に流れる。

第３循環通路１０は、バイパス通路９、サーモスタット１１、電動ポンプ１２、ウォータジャケット４を備えて構成されている。

第３循環通路１０では、電動ポンプ１２から吐出された冷却水が、ウォータジャケット４、バイパス通路９、サーモスタット１１の順に流れる。

第１循環通路６および第２循環通路８の内燃機関１からの出口付近には、該第１循環通路６および第２循環通路８内の冷却水の温度に応じた信号を出力する冷却水温度センサ１３が取り付けられている。

ラジエータ５には、送風機である電動ファン１８が取り付けられている。電動ファン１８が作動することにより、空気がラジエータ５を通過し、空気と冷却水との熱交換が促進される。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１４が併設されている。このＥＣＵ１４は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ１４には、冷却水温度センサ１３の他、アクセル開度すなわち機関負荷に応じた信号を出力するアクセル開度センサ１５、内燃機関１の回転数に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ１６、内燃機関１の吸入空気量に応じた信号を出力するエアフローメータ１７が電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号がＥＣＵ１４に入力されるようになっている。なお、本発明に係る運転状態検出手段は、本実施例においては、アクセル開度センサ１５およびクランクポジションセンサ１５により実現される。

一方、ＥＣＵ１４には、電動ポンプ１２および電動ファン１８が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１４はこれら電動ポンプ１２および電動ファン１８を制御する。電動ポンプ１２は、該電動ポンプ１２へ供給する電力を調整することにより、冷却水の吐出量すなわ
ち冷却水の流量を調整することができる。また、内燃機関１の運転中であっても、電動ポンプ１２を停止することができる。電動ファン１８が、該電動ファン１８へ供給する電力を調整することにより、送風量を調整することができる。

シリンダブロック３には、シリンダ２０が形成されている。そして、シリンダ２０には、ピストン２１が挿入されている。シリンダヘッド２、シリンダ２０、およびピストン２１により燃焼室２２が形成されている。すなわち、燃焼室２２は、上部を燃焼室壁２３で、下部をピストン２１で、側面をシリンダ２０で囲われた空間により形成されている。そして、燃焼室壁２３は、燃焼室２２と、シリンダヘッド２およびシリンダブロック３に形成されたウォータジャケット４と、の隔壁となっている。

そして、本実施例においては、内燃機関１の冷間始動時に電動ポンプ１２を停止させて内燃機関１内の冷却水温度を速やかに上昇させる。そして、このときの燃焼室壁温および内燃機関１内の冷却水温度を推定し、内燃機関１の耐久性を確保するために必要となる温度上限値、若しくは内燃機関１内の冷却水が沸騰するおそれのある温度の上限値の何れかに達した場合には、電動ポンプ１２を作動させる。

ここで、図３は、電動ポンプ停止制御のフローを示したフローチャートである。本フローは、内燃機関の冷間始動時に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、電動ポンプ１２の停止条件が成立しているか否か判定される。冷却水温度センサ１３により得られる冷却水温度が所定値Ｔｗ１よりも小さく、冷却水温度の推定値が所定値Ｔｗ１よりも小さく、且つ燃焼室壁温の推定値が所定値Ｔｃ１よりも小さいときに電動ポンプ１２の停止条件が成立していると判定される。本ステップにおいては、電動ポンプ１２を停止させるべき状態であるか否か判定している。冷却水温度および燃焼室壁温の推定方法については後述する。

また、冷却水温度センサ１３により得られる値とウォータジャケット４内の冷却水温度との両方を判定しているのは、電動ポンプ１２の停止中にはこれらの値が異なっているからである。

ここで、Ｔｗ１は冷却水が沸騰するおそれのある温度であり、実際に沸騰する温度よりも余裕を持たせて低い値に設定する。Ｔｃ１は内燃機関１の耐久性が低下するおそれのある温度、若しくはノックの発生するおそれのある温度の下限値であり、実際に内燃機関１が毀損したりノックが発生したりする温度よりも余裕を持たせて低い値に設定する。

ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０２では、内燃機関１の運転中における電動ポンプ１２の停止制御を許可する。そして、電動ポンプ停止制御許可フラグをＯＮとする。電動ポンプ停止制御許可フラグは、内燃機関１の停止中に電動ポンプ１２を停止させることができる場合にＯＮとされ、停止させることができない場合にＯＦＦとされるフラグである。

すなわち、本ステップでは、内燃機関１の耐久性の低下および冷却水が沸騰するおそれがないため、電動ポンプ１２が停止される。これにより、内燃機関１の早期暖機を計ることができる。

ステップＳ１０３では、内燃機関１の運転中における電動ポンプ１２の停止制御を禁止する。そして、電動ポンプ停止制御許可フラグをＯＦＦとする。すなわち、電動ポンプ１
２が作動される。これにより、内燃機関１の耐久性の低下および冷却水の沸騰を抑制することが可能となる。

次に、冷却水温度および燃焼室壁温の推定方法について説明する。

ここで、特許第２６６６３６６号公報によれば、燃焼室壁２３の温度の変化量を以下のモデル式により得ている。

ＣｃΔＴｃ＝Ｈｃ（Ｔｇ−Ｔｃ）−Ｈｗ（Ｔｃ−Ｔｗ）・・・（１）式
ただし、Ｃｃは燃焼室壁２３の熱容量、ΔＴｃは燃焼室壁２３の温度の変化量、Ｈｃは燃焼ガスから燃焼室壁２３への熱伝達率（以下、燃焼ガス側熱伝達率という。）、Ｔｇは燃焼ガスの温度、Ｔｃは燃焼室壁２３の温度、Ｈｗは燃焼室壁２３から冷却水への熱伝達率（以下、冷却水側熱伝達率という。）、Ｔｗは冷却水の温度である。ここで、冷却水温度Ｔｗは、電動ポンプ１２作動時において冷却水温度センサ１３から得られる計測値である。また、燃焼室壁２３の熱容量Ｃｃ、燃焼ガス側熱伝達率Ｈｃ、および冷却水側熱伝達率Ｈｗは夫々実験により得られる値である。さらに、冷却水側熱伝達率Ｈｗは簡略化のため一定値とし、燃焼ガス温度Ｔｇは２００℃前後でほぼ一定としている。燃焼室壁２３の熱容量Ｃｃは、内燃機関１の熱容量としてもよい。

この（１）式を変形後に離散化すると、以下の（２）式を得ることができる。

この（２）式をＥＣＵ１４に格納しておき、該（２）式に冷却水温度Ｔｗを代入することにより燃焼室壁温度Ｔｃを得ることができる。

また、本実施例においては、電動ポンプ１２停止時において燃焼室壁温度とウォータジャケット４内の冷却水温度とを同時に推定してもよい。そのモデル式を以下に示す。

ＣｃΔＴｃ＝Ｈｃ（Ｔｇ−Ｔｃ）−Ｈｗ（Ｔｃ−Ｔｗ２）・・・（３）式
ＣｗΔＴｗ２＝Ｈｗ（Ｔｃ−Ｔｗ２）・・・（４）式
ただし、Ｔｗ２は電動ポンプ１２停止時の冷却水温度、Ｃｗはウォータジャケット４内の冷却水の熱容量である。ここで、Ｃｃ、Ｃｗ、Ｈｃ、およびＨｗは夫々実験により得られる値である。また、燃焼ガス温度Ｔｇは、機関回転数と機関負荷とから推定される値であり予め実験等により得ておき、さらにマップ化してＥＣＵ１４に記憶させておく。さらに、電動ポンプ１２停止時にはウォータジャケット４内の冷却水量は一定であるため、Ｃｗの値を一定とする。

（３）式は、電動ポンプ１２停止時における燃焼ガスから燃焼室壁２３への熱伝達量がＨｃ（Ｔｇ−Ｔｃ）で表され、燃焼室壁２３から冷却水への熱伝達量がＨｗ（Ｔｃ−Ｔｗ２）で表されており、燃焼室壁２３の熱収支がＨｃ（Ｔｇ−Ｔｃ）−Ｈｗ（Ｔｃ−Ｔｗ２）として表されている。そして、この熱収支と燃焼室壁２３の熱容量Ｃｃとから燃焼室壁温度の変化量ΔＴｃを得ることができる。

また、（４）式は、電動ポンプ１２の停止時における燃焼室壁２３から冷却水への熱伝達量がＨｗ（Ｔｃ−Ｔｗ２）で表されている。そして、この熱伝達量と冷却水の熱容量Ｃｗとからウォータジャケット４内の冷却水の温度の変化量ΔＴｗ２を得ることができる。

なお、電動ポンプ１２停止時には、（３）式と（４）式とが相互に影響を及ぼすため、二次元の微分方程式となる。（３）式および（４）式を変形して次の（５）式を得ることができる。

ここで、（５）式を簡略化するために、（５）式の各項を以下の記号に置き換える。

ｕ＝Ｔｇ
また、

とする。

すなわち、（５）式は、
ＣΔＴ＝Ａ・Ｔ＋Ｂ・ｕ
で表される。この式を変形すると、

となり、この式をサンプルタイムをｔとして離散化すると、次の（６）式を得ることができる。

この（６）式をＥＣＵ１４に格納しておき、該（６）式の各項へ値を代入することにより、燃焼室壁温度Ｔｃおよび冷却水温度Ｔｗ２を同時に得ることができる。なお、本発明に係る燃焼室壁温検出手段は、本実施例においては、ＥＣＵ１４が（６）式により燃焼室壁温度Ｔｃを算出することにより実現される。また、本発明に係る冷却水温度検出手段は、本実施例においては、ＥＣＵ１４が（６）式により冷却水温度Ｔｗ２を算出することにより実現される。

本実施例においては、冷却水流量を燃焼室壁温に基づいて補正する。これにより、燃焼室壁温を目標値に収束させ、また、燃焼室壁温の気筒間差を低減させる。その他、ハードウェアについては実施例１と同じなので説明を省略する。

図４は、本実施例による電動ポンプ停止制御のフローを示したフローチャートである。本フローは、内燃機関の冷間始動時に繰り返し実行される。

ステップＳ２０１では、電動ポンプ停止制御許可フラグがＯＦＦであるか否か判定される。電動ポンプ停止制御許可フラグは、実施例１で設定される。

ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ２０７へ進む。

ステップＳ２０２では、機関回転数および機関負荷に基づいて冷却水の基本となる流量Ｖｗ１（以下、ベース流量Ｖｗ１という。）が算出される。ベース流量Ｖｗ１は、暖機完了後の内燃機関１において第１循環通路６若しくは第２循環通路８に冷却水を循環させた場合に、内燃機関１の内部から外部へ流出する冷却水温度と、内燃機関１の外部から内部へ流入する冷却水温度と、の差を所定の値に保つために必要となる流量である。すなわち、内燃機関１の内部の温度差を所定の値に保つために必要となる冷却水流量である。そして、ベース流量Ｖｗ１は、内燃機関１からの発熱量と冷却水が持ち去る熱量とに関係している。

ここで、機関回転数が大きくなるほど、また機関負荷が大きくなるほどベース流量Ｖｗ１は大きくなる。この関係は予め実験等により求めてマップ化し、ＥＣＵ１４に記憶させておく。

なお、本実施例ではベース流量Ｖｗ１を算出するＥＣＵ１４が、本発明に係る冷却水流量決定手段に相当する。

ステップＳ２０３では、目標となる燃焼室壁温（以下、目標壁温という。）と推定される燃焼室壁温（以下、推定壁温という。）との差から冷却水の補正流量Ｖｗ２を算出する。補正流量Ｖｗ２は、目標壁温と推定壁温との差を小さくする値である。

目標壁温は、そのときの運転状態において最適な燃焼室壁温であり、ノックの発生の抑制および燃費の向上を考慮して機関回転数および機関負荷に基づいて決定される。また、推定壁温は実施例１で説明した方法により得ることができる。

なお、本実施例では目標壁温を算出するＥＣＵ１４が、本発明に係る目標燃焼室壁温決定手段に相当する。

そして、図５は、目標壁温と推定壁温との差と、補正流量Ｖｗ２との関係を示した図である。ここで、冷却水の流量が多すぎるとポンプ駆動によるエネルギ損失が大きくなるため、補正流量Ｖｗ２が所定値以上となる場合には補正流量Ｖｗ２を一定としてもよい。また、補正流量Ｖｗ２が小さすぎると流量が０となるおそれがあるため、補正流量Ｖｗ２が所定値以下となる場合には補正流量Ｖｗ２を一定としてもよい。この関係は予め実験等により求めてマップ化し、ＥＣＵ１４に記憶させておく。この図５に基づいて補正流量Ｖｗ２を得ることができる。

ステップＳ２０４では、気筒間の燃焼室壁温の差が所定値以内となるように補正流量Ｖｗ３が算出される。

ここで、気筒間の燃焼室壁温の差が大きくなると気筒毎に燃焼状態が異なることとなる。そのため、最適な点火時期や空燃比が気筒毎に異なってしまう。また、気筒間の燃焼室壁温の差が大きくなると、内燃機関１の耐久性が低下する。

本ステップでは、気筒間の燃焼室壁温の差を、燃焼状態に影響を与えないような範囲若しくは内燃機関１の耐久性を低下させないような範囲とするために補正流量Ｖｗ３が算出される。このときに用いる燃焼室壁温は、推定壁温であり実施例１で説明した方法により得ることができる。

ここで、ウォータジャケット４内に流入した冷却水は、複数の気筒を順に流れるが、冷却水の流量が少ないと、各気筒で受ける熱量が多くなるため各気筒を通過する毎に冷却水の温度が大きく上昇する。そのため、ウォータジャケット４の入口側と出口側との冷却水温度の差が大きくなり、出口側に備わる気筒における冷却効率が悪化する。これにより、気筒間の温度差が大きくなる。したがって、冷却水の流量を多くすることにより、出口側に備わる気筒における冷却効率が上がり、該気筒の冷却を十分に行うことができるようになるため、気筒間の燃焼室壁温の差を小さくすることができる。

図６は、気筒間の燃焼室壁温の差と冷却水流量Ｖｗ３との関係を示した図である。気筒間の燃焼室壁温の差がある程度以上大きい場合、最も温度の高い気筒ではノックが発生するおそれがある。これは、気筒間の燃焼室壁温の差が大きくなるのは、温度の高い側の気筒がより温度が高くなることが原因となっている場合が多いことによる。この場合、気筒をより冷却しなくてはならないため、気筒間の燃焼室壁温の差が所定値以上となった場合には、気筒間の燃焼室壁温の差の増加量に対するＶｗ３の増加量を大きくする。この関係は予め実験等により求めてマップ化し、ＥＣＵ１４に記憶させておく。この図６に基づいて補正流量Ｖｗ３を得ることができる。

ステップＳ２０５では、最終流量Ｖｗを算出する。

最終流量Ｖｗは、電動ポンプ１２を制御する際の目標となる流量であり、ベース流量Ｖｗ１と、補正流量Ｖｗ２と、補正流量Ｖｗ３と、の和として求められる。

なお、本実施例ではステップＳ２０５を実行するＥＣＵ１４が、本発明に係る冷却水流量補正手段に相当する。

ステップＳ２０６では、予め設定された冷却水流量の上限値および下限値から最終流量Ｖｗを制限する。電動ポンプ１２の機能上の限界として冷却水流量の最小値および最大値が決められる。ステップＳ２０５で算出された最終流量がこの下限値よりも小さな値となっている場合には、最終流量Ｖｗを前記最小値に変更する。また、ステップＳ２０５で算出された最終流量がこの上限値よりも大きな値となっている場合には、最終流量Ｖｗを前記最大値に変更する。

ステップＳ２０７では、最終流量Ｖｗを０とする。すなわち、電動ポンプ１２を停止させる。

このようにして、燃焼室壁温を目標値に収束させることができるので、低負荷領域では燃焼室壁温を高くすることにより冷却損失を低減し且つ電動ポンプ１２の消費電力を低減することができ、高負荷領域ではノックの発生を抑制することができる。これにより、燃
費の向上を図ることができる。

また、気筒間の燃焼室壁温の差を小さくすることができるので、各気筒における要求点火時期のばらつきや空燃比のばらつきを抑制することができる。そのため、制御の簡略化、有害物質排出の抑制、および出力の向上を図ることができる。さらに、内燃機関の耐久性を向上させることができる。

本実施例においては、内燃機関１の高負荷運転時に、燃焼室壁温および冷却水温度に関わらず、一時的に電動ポンプ１２を作動させて冷却水の局所的な沸騰を抑制する。その他、ハードウェアについては実施例１と同じなので説明を省略する。

本実施例においては、図３に示したフローチャートのステップＳ１０１に対して、機関出力が所定値Ｐｅ１よりも小さいか否かの判定をさらに加えている。

すなわち、ステップＳ１０１に代えて、冷却水温度センサ１３により得られる冷却水温度が所定値Ｔｗ１よりも小さく、冷却水温度の推定値が所定値Ｔｗ１よりも小さく、燃焼室壁温の推定値が所定値Ｔｃ１よりも小さく、且つ機関出力が所定値Ｐｅ１よりも小さいか否か判定するようにしている。ここでは、電動ポンプ１２を停止させるべき状態であるか否か判定している。

ここで、Ｐｅ１は、ウォータジャケット４内の冷却水が局所的に沸騰するおそれのある機関出力の下限値である。これは、電動ポンプ１２の停止時に内燃機関１の出力が大きくなると該内燃機関１での発熱量が増加するために、冷却水が局所的に沸騰するおそれがあることによる。その他の条件については、実施例１で説明したものと同じである。

このようにして、冷却水が沸騰するおそれのある内燃機関１の高負荷運転時に電動ポンプ１２の停止制御を禁止することにより、冷却水の沸騰を抑制することができる。そして、冷却水の局所的な沸騰を抑制しつつ、可及的に電動ポンプ１２を停止させることができるため、燃費の向上を図ることができる。

本実施例においては、内燃機関１の高負荷運転時に、ラジエータ５の放熱量を考慮しつつ電動ポンプ１２と電動ファン１８との合計消費電力を最小限に保つ。すなわち、内燃機関１の高負荷運転時に必要となる冷却を行いつつ、可及的に電動ポンプ１２および電動ファン１８の消費電力を抑制することにより、燃費の悪化を抑制する。その他、ハードウェアについては実施例１と同じなので説明を省略する。

図７は、本実施例による電動ポンプおよび電動ファンの基本制御量算出フローを示したフローチャートである。本フローは、図４に示したフローのステップＳ２０２において算出されるベース流量Ｖｗ１を得るために、該ステップＳ２０２と並行して行うことができる。

ステップＳ４０１では、機関回転数および機関負荷に基づいて内燃機関１の発熱量Ｑｗが算出される。

図８は、機関回転数、機関負荷、および内燃機関１の発熱量Ｑｗの関係を示した図である。発熱量Ｑｗは、内燃機関１で発生した熱のうち冷却水に持ち去られる熱量としてもよい。図８に示した関係は予め実験等により求めてマップ化し、ＥＣＵ１４に記憶させておく。

ステップＳ４０２では、目標とされる冷却水温度まで低下させるために冷却水から奪う熱量Ｑｔが算出される。冷却水から奪う熱量Ｑｔは、冷却水温度の低下量と、冷却水の量と、冷却水の比熱と、から求められる。

ここで、冷却水温度の低下量と冷却水から奪う熱量Ｑｔとは比例関係にあり、冷却水温度の低下量が大きくなるほど冷却水から奪う熱量Ｑｔは大きくなる。この関係を予め実験等により求めてマップ化しておき、このマップへ目標となる冷却水の低下量を代入して冷却水から奪う熱量Ｑｔを得る。

ステップＳ４０３では、ラジエータ５から放熱する必要のある熱量（以下、必要放熱量という。）が算出される。

必要放熱量は、発熱量Ｑｗと、冷却水から奪う熱量Ｑｔと、の和として求める。

ステップＳ４０４では、外気温および必要放熱量に基づいて、ラジエータ５に要求される放熱量ＫＦｒが算出される。

ステップＳ４０５では、ラジエータ５を通過する空気量と、冷却水流量と、ラジエータ５に要求される放熱量ＫＦｒと、に基づいて、ラジエータ５に要求される放熱量ＫＦｒを得ることができる電動ファン１８および電動ポンプへの供給電力の組み合わせを算出する。

ラジエータ５を通過する空気量は、車速および電動ファン１８の回転数と相関がある。そして、電動ファン１８の回転数は該電動ファン１８への供給電力と相関がある。また、冷却水流量は、電動ポンプ１２への供給電力と相関がある。

図９は、ラジエータ５を通過する空気量と冷却水流量とラジエータ５に要求される放熱量ＫＦｒとの関係を示した図である。この図９へラジエータ５に要求される放熱量ＫＦｒを代入して、ラジエータを通過する空気量と冷却水流量との組み合わせを複数得ることができる。

ステップＳ４０６では、ステップＳ４０５で得られたラジエータを通過する空気量と冷却水流量との組み合わせの中で、消費電力が最も小さくなる組み合わせを選択する。

図１０は、ステップＳ４０５で得られたラジエータを通過する空気量および冷却水流量の組み合わせと、消費電力と、の関係を示した図である。消費電力が最も小さくなる組み合わせは、図１０の極小値として求められる。

このようにして得られた組み合わせとなるように、電動ファン１８および電動ポンプ１２を作動させる。これにより、必要最低限の消費電力により内燃機関１の冷却が可能となり、燃費をより向上させることができる。

本実施例においては、燃焼室壁温の変動を抑制して内燃機関１の耐久性を向上させる。その他、ハードウェアについては実施例１と同じなので説明を省略する。

例えば車両の加速時のように内燃機関の負荷が増加すると、燃焼室壁温が上昇する。本実施例では、このときの燃焼室壁温の変化率が所定範囲内となるように目標壁温を設定し、この目標壁温となるように電動ポンプ１２を制御する。そのために、図４に示したフロ
ーのステップＳ２０３における目標壁温を補正する。

一方、例えば車両減速時のように内燃機関の負荷が減少すると、燃焼室壁温が低下する。本実施例では、このときの燃焼室壁温に基づいて、該燃焼室壁温が低下しすぎないように電動ポンプ１２を制御する。または、燃焼室壁温が低下しないように電動ポンプ１２を停止させる。

まず、内燃機関の負荷の増加時の電動ポンプ１２の制御について説明する。

図１１は、本実施例による目標壁温の算出フローを示したフローチャートである。本フローは、図４に示したフローのステップＳ２０３における目標壁温を補正するものであり、該ステップＳ２０３と並行して行うことができる。

ステップＳ５０１では、機関回転数および機関負荷にもとづいて基本となる目標壁温が算出される。この基本となる目標壁温は前記ステップＳ２０３で求められる目標壁温と同じものである。

ステップＳ５０２では、燃焼室壁温の上昇率が所定値以上であるか否か判定される。この燃焼室壁温は、推定壁温であり実施例１で説明した方法により得ることができる。本実施例では、「燃焼室壁温の変化量ΔＴ」を「その変化に要した時間」で除した値を燃焼室壁温の上昇率としている。

ステップＳ５０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ５０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ５０３では、燃焼室壁温の上昇率が所定値よりも小さくなるように目標壁温を補正する。たとえば、燃焼室壁温の上昇率が大きいほど目標壁温が低くなるように補正を行う。

このようにして、内燃機関１の高負荷運転時等の燃焼室壁温の上昇率を所定値よりも小さく保つように目標壁温を設定することができる。そして、この目標壁温と推定壁温との差が小さくなるように電動ポンプ１２を制御することにより、内燃機関１の耐久性を向上することができる。また、サーモスタット１１が電力の供給により作動可能なものであれば、サーモスタット１１を制御して冷却水流量を調整するようにしてもよい。

次に、車両減速時等で行われるフューエルカット時における電動ポンプ１２の制御について説明する。

本実施例では、フューエルカット中に、燃焼室壁温または冷却水温度が所定の値となるように電動ポンプ１２を制御する。

図１２は、車両減速時であってフューエルカットが行われているときの電動ポンプ１２の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、車両減速時であってフューエルカットが行われているときに繰り返し実行される。

ステップＳ６０１では、目標となる燃焼室壁温および目標となる冷却水温として目標値Ｔ１が設定される。この目標値Ｔ１は、燃焼室壁温および冷却水温の変動を抑制するものであり、現在の燃焼室壁温若しくは冷却水温度に基づいて設定される。また、燃焼室壁温および冷却水温度を過剰に低下させない値として設定される。

ステップＳ６０２では、燃焼室壁温を目標値Ｔ１とするために燃焼室壁から奪う熱量と、冷却水温度を目標値Ｔ１とするために冷却水へ与える熱量との差が所定値αよりも小さいか否か判定される。

すなわち、以下の関係が成立しているか否か判定される。

Ｃｃ（Ｔｃ−Ｔ１）−Ｃｗ（Ｔ１−Ｔｈｗ）＜α

ただし、Ｔｃは燃焼室壁温、Ｔｈｗは冷却水温度センサ１３から得られる冷却水温度、Ｃｃは燃焼室壁の熱容量、Ｃｗはウォータジャケット４内の冷却水の熱容量である。所定値αは、燃焼室壁温を目標値Ｔ１とするために燃焼室壁から奪う熱量と、冷却水温度を目標値Ｔ１とするために冷却水へ与える熱量と、が略等しいとすることのできる値である。

ステップＳ６０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ６０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ６０４へ進む。

ステップＳ６０３では、電動ポンプ１２が停止される。すなわち、燃焼室壁温を目標値Ｔ１とするために燃焼室壁から奪う熱量と、冷却水温度を目標値Ｔ１とするために冷却水へ与える熱量と、が略等しいときに電動ポンプ１２を停止させることにより、燃焼室壁温Ｔｃおよび冷却水温度Ｔｈｗを目標値Ｔ１に近づけることができる。

ステップＳ６０４では、燃焼室壁温Ｔｃまたは冷却水温度Ｔｈｗに基づいて電動ポンプ１２がデューティ制御される。

このようにして、燃焼室壁温Ｔｃおよび冷却水温度Ｔｈｗを目標値Ｔ１に近づけることができるので、燃焼室壁温の低下率を小さくすることができ、内燃機関１の耐久性を向上させることができる。

また、フューエルカット中に内燃機関１が過冷却されることが抑制されるため、内燃機関１の効率を向上させることができる。さらに、電動ポンプ１２は必要なときに限り作動されるので、該電動ポンプ１２の消費電力の低減を図ることができる。これにより、燃費を向上させることができる。

実施例に係る内燃機関の冷却装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。 実施例に係る内燃機関の内部の概略構成を示す図である。 実施例１による電動ポンプ停止制御のフローを示したフローチャートである。 実施例２による電動ポンプ停止制御のフローを示したフローチャートである。 目標壁温と推定壁温との差と、補正流量Ｖｗ２との関係を示した図である。 気筒間の燃焼室壁温の差と冷却水流量Ｖｗ３との関係を示した図である。 実施例４による電動ポンプおよび電動ファンの基本制御量算出フローを示したフローチャートである。 機関回転数、機関負荷、および内燃機関の発熱量Ｑｗの関係を示した図である。 ラジエータを通過する空気量と冷却水流量とラジエータに要求される放熱量ＫＦｒとの関係を示した図である。 ステップＳ４０５で得られたラジエータを通過する空気量および冷却水流量の組み合わせと、消費電力と、の関係を示した図である。 実施例５による目標壁温の算出フローを示したフローチャートである。 車両減速時であってフューエルカットが行われているときの電動ポンプ１２の制御フローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ ウォータジャケット
５ ラジエータ
６ 第１循環通路
７ ヒータコア
８ 第２循環通路
９ バイパス通路
１０ 第３循環通路
１１ サーモスタット
１２ 電動ポンプ
１３ 冷却水温度センサ
１４ ＥＣＵ
１５ アクセル開度センサ
１６ クランクポジションセンサ
１７ エアフローメータ
１８ 電動ファン
２０ シリンダ
２１ ピストン
２２ 燃焼室
２３ 燃焼室壁

Claims (8)

1. 内燃機関の冷却水を循環させ且つ冷却水の流量を変更可能なポンプと、
   前記内燃機関およびポンプを接続し冷却水が流れる冷却水通路と、
   前記内燃機関の燃焼室壁温を検出または推定する燃焼室壁温検出手段と、
   前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態検出手段により検出される運転状態により冷却水流量を決定する冷却水流量決定手段と、
   前記運転状態検出手段により検出される運転状態により目標燃焼室壁温を決定する目標燃焼室壁温決定手段と、
   前記燃焼室壁温検出手段により検出または推定される燃焼室壁温と前記目標燃焼室壁温決定手段により決定される目標燃焼室壁温との差が第１所定値以内となるように、前記冷却水流量決定手段により決定される冷却水流量を補正する冷却水流量補正手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 前記内燃機関は複数の気筒を備え、前記冷却水流量補正手段は、各気筒間の燃焼室壁温の差が第２所定値以下となるように前記冷却水流量を補正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. 前記内燃機関の出力が第３所定値以上である場合には、冷却水流量を第４所定値以上に維持することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の冷却装置。
4. 前記内燃機関の内部の冷却水温度を検出または推定する冷却水温度検出手段をさらに備え、
   前記冷却水温度検出手段により検出または推定される冷却水温度が第５所定値以上の場合には前記冷却水流量補正手段は冷却水流量の補正を行い、第５所定値よりも小さい場合には前記ポンプを停止させることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の冷却装置。
5. 前記燃焼室壁温検出手段により検出または推定される燃焼室壁温が第６所定値よりも小さい場合には、前記ポンプを停止させることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の冷却装置。
6. 前記冷却水通路には冷却水と空気との熱交換を行うラジエータおよび該ラジエータへ空気を供給するラジエータファンがさらに備えられ、
   前記ポンプは電力の供給量により冷却水の吐出量が調整され、
   前記ラジエータファンは電力の供給量により空気の送風量が調整され、
   前記ポンプに供給される電力と前記ラジエータファンに供給される電力との和が最小となるように前記ポンプへの電力供給量および前記ラジエータファンへの電力供給量を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の冷却装置。
7. 前記内燃機関の負荷が増加するときに、前記燃焼室壁温検出手段により検出される燃焼室壁温の変化率が所定値範囲内となるように冷却水流量を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の冷却装置。
8. 前記内燃機関のフューエルカット時に、前記燃焼室壁温検出手段により検出される燃焼室壁温が所定範囲内となるように冷却水流量を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の冷却装置。

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