JP2011094537A - エンジンの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 冷却装置１Ａは、ブロック側Ｗ／Ｊ５１１が設けられたシリンダブロック５１、およびシリンダブロック５１からの熱伝達を抑制可能な位置にガス通路５２５が設けられたシリンダヘッド５２を有するエンジン５０と、ガスの流通を許可、或いは禁止することでガス通路５２５におけるガスの流通状態を変更可能な開閉弁２１と、機関運転状態が低回転高負荷である場合に、ブロック側Ｗ／Ｊ５１１に冷却水を流通させた状態で、ガス通路５２５にＥＧＲガスを流通させるように開閉弁２１を制御する制御手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

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。また従来から、排気還流を行うエンジンが知られている。この点、特許文献１では、ウォータジャケットに近接し、且つエンジンの気筒列に沿うようにしてシリンダブロックに形成した内部通路を主要部分として有する排気還流路を備えたエンジンの排気還流装置が開示されている。このエンジンの排気還流装置は、これにより還流排気を効果的に冷却するとともに配管構造を簡素化している。

特開２００８−８２３０７号公報

ところで、図１０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や、冷却損失が多く発生する部位への熱伝達を抑制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１１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。この点、特許文献１が開示するエンジンの冷却装置では、還流排気を効果的に冷却できる一方で、冷却水が還流排気の冷却に用いられるほか、還流排気がシリンダブロックの断熱性を高めると考えられることから、熱効率の向上を図る観点からは、ノッキングをより誘発し易くなると考えられる点で問題があった。

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冷却媒体通路が設けられたシリンダブロック、および該シリンダブロックからの熱伝達を抑制可能な位置にガス通路が設けられたシリンダヘッドを有するエンジンと、前記ガス通路におけるガスの流通状態を変更可能な流通変更手段と、前記エンジンの運転状態が低回転高負荷である場合に、前記冷却媒体通路に冷却媒体を流通させた状態で、前記ガス通路に第１のガスを流通させるように前記流通変更手段を制御する制御手段と、を備えたエンジンの冷却装置である。

また本発明は前記流通変更手段が、前記第１のガスと、該第１のガスよりも低温の第２のガスとの間で前記ガス通路に流通させるガスを切替可能に構成されており、前記制御手段が、前記エンジンの運転状態が高回転高負荷である場合に、前記ガス通路に前記第２のガスを流通させるように前記流通変更手段をさらに制御する構成であることが好ましい。

また本発明は前記ガス通路を前記シリンダヘッドのうち、吸気ポートの周辺部に設けた構成であることが好ましい。

また本発明は前記第１のガスが、前記エンジンに還流される排気である構成であることが好ましい。

また本発明は前記ガス通路における第１のガスの流通を停止可能な流通停止手段をさらに備え、前記制御手段が、大量の排気還流を行う場合に、前記ガス通路における第１のガスの流通を停止するように前記流通停止手段をさらに制御する構成であることが好ましい。

また本発明は前記第２のガスが、貯気槽に蓄圧されるガスである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。 エンジン５０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。 機関運転状態の分類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１Ｂを模式的に示す図である。 ＥＣＵ７０Ｂの動作をフローチャートで示す図である。 ＥＣＵ７０Ｃの動作をフローチャートで示す図である。 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基準となるベースエンジン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１１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。

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）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、開閉弁２１と、排気還流装置３０と、排気管４０と、エンジン５０とを備えている。Ｗ／Ｐ１１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に複数（ここでは２つ）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。

この点、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。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を流通する流通する流通経路を連通状態にする。

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およびヘッド側Ｗ／Ｊ５２１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。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手段となっている。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手段となっている。
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手段となっている。

冷却装置１Ａ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１Ａ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１Ａ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。

排気還流装置３０は、ＥＧＲ配管３１とＥＧＲ流量調節弁３２とを備えており、エンジン５０に排気を還流させる。ＥＧＲ配管３１は排気管４０とエンジン５０の吸気系（図示省略）とを連通しており、排気還流経路Ｃ３を形成している。ＥＧＲ流量調節弁３２はエンジン５０に還流される排気（以下、ＥＧＲガスと称す）の流量を調節する。排気還流経路Ｃ３には、分岐経路としてＥＧＲ分岐経路Ｃ４が設けられている。この点、シリンダヘッド５２にはガス通路５２５が設けられており、ＥＧＲ分岐経路Ｃ４にはガス通路５２５が組み込まれている。すなわちＥＧＲ分岐経路Ｃ４は、第１のガスであるＥＧＲガスをガス通路５２５に分岐して導入する経路となっている。また、ＥＧＲ分岐経路Ｃ４には開閉弁２１が設けられている。開閉弁２１は、ガス通路５２５におけるガスの流通状態を変更可能な流通変更手段であり、さらに具体的には具体的にはガス通路５２５におけるガスの流通を許可、或いは禁止することで、ガス通路５２５におけるガス流通状態を変更可能な流通変更手段となっている。

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複数の部分Ｗ／Ｊ５１１ａ、部分Ｗ／Ｊ５１１ｂを備えている。部分Ｗ／Ｊ５１１ａはシリンダ５１ａの周辺部、且つ上部に設けられている。そして部分Ｗ／Ｊ５１１ａ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５０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。部分Ｗ／Ｊ５１１ｂはシリンダ５１ａの周辺部、且つ下部に設けられている。部分Ｗ／Ｊ５１１ａ、５１１ｂは例えばシリンダ５１ａの周辺部に円筒状の空間を形成するとともに、当該空間にコの字状の内溝が形成されたスリーブ５７、５８をそれぞれ挿入することで形成できる。部分Ｗ／Ｊ５１１ａ、５１１ｂはブロック側Ｗ／Ｊ５１１が形成する２系統の冷却系統に別個に組み込まれている。

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は吸排気弁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／Ｊ５２４ｄ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。

ガス通路５２５は、シリンダブロック５１からの熱伝達を抑制可能な位置に設けられている。具体的にはガス通路５２５はシリンダヘッド５２のうち、吸気ポート５２ａの周辺部に設けられており、さらに具体的にはシリンダヘッド５２のうち、吸気ポート５２ａとシリンダブロック５１との間の部分に設けられている。この点、ガス通路５２５は熱負荷の高い排気ポート５２ｂの周辺部や点火プラグ５６の周辺部を避けるべく、吸気ポート５２ａの周辺部に設けられている。

さらに冷却装置１Ａは図３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ＥＣＵ７０Ａで検出される。またＥＣＵ７０ＡにはＷ／Ｐ１１や流量調節弁１４や開閉弁２１やＥＧＲ流量調節弁３２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、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では具体的には例えば、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ための制御である熱伝達抑制制御を行う制御手段が機能的に実現される。制御手段は、具体的には機関運転状態が高負荷である場合に熱伝達抑制制御を行うように実現され、さらに具体的には機関運転状態が低回転高負荷である場合に熱伝達抑制制御を行うように実現される。また制御手段は、ＥＧＲガスの流通を許可するように開閉弁２１を制御することで（すなわち開閉弁２１を開弁することで）熱伝達抑制制御を行うように実現される。
また、制御手段は基本的にＥＧＲガスの流通を許可するようにＥＧＲ流量調節弁３２を制御するよう実現される。
このほか制御手段はＷ／Ｐ１１や流量調節弁１４も制御するとともに、機関運転状態が高負荷である場合だけでなく、他の運転状態においてもエンジン５０の運転を成立させるための制御を行うように実現される。

この点、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４に示す６つの区分Ｄ１からＤ６までに分類されている。そして制御手段が制御を行うにあたっては、具体的には以下に示すように区分Ｄ１からＤ６まで毎に満たすべき要求を設定するとともに、設定した要求を満たすための制御指針を定めている。

まず、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には、吸気昇温による燃焼速度向上、および触媒活性のための排気昇温という２つの要求を設定している。またこれに応じた吸気ポート５２ａとシリンダ５１ａ上部との昇温、および排気ポート５２ｂの昇温という２つの制御指針を定めている。
この点、吸気ポート５２ａの昇温を図るにあたっては、例えば流量調節弁１４を閉弁、或いは小さな開度で開弁することや、開閉弁２１を開弁することができる。また、シリンダ５１ａ上部の昇温を図るにあたっては、例えばＷ／Ｐ１１を停止、或いは低吐出量で駆動することができる。また、排気ポート５２ｂの昇温を図るにあたっては、例えば流量調節弁１４を閉弁、或いは小さな開度で開弁することができる。

また機関運転状態が、区分Ｄ２に対応する軽負荷である場合には、熱効率向上（冷却損失低減）、および吸気昇温による燃焼速度向上という２つの要求を設定している。またこれに応じたシリンダヘッド５２の断熱、および吸気ポート５２ａとシリンダ５１ａ上部との昇温という２つの制御指針を定めている。
この点、シリンダヘッド５２の断熱を図るにあたっては、例えば流量調節弁１４を閉弁、或いは小さな開度で開弁することや、開閉弁２１を開弁することができる。また吸気ポート５２ａの昇温を図るにあたっては、例えば流量調節弁１４を閉弁、或いは小さな開度で開弁することや、開閉弁２１を開弁することができる。またシリンダヘッド５２上部の昇温を図るにあたっては、例えばＷ／Ｐ１１を停止、或いは低吐出量で駆動することができる。

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、ノッキングの低減、および熱効率向上（冷却損失低減）という要求を設定している。またこれに応じた吸気ポート５２ａとシリンダ５１ａ上部との冷却、およびシリンダヘッド５２の断熱という制御指針を定めている。
この点、吸気ポート５２ａの冷却を図るにあたっては、例えば流量調節弁１４を全開、或いは大きな開度で開弁することや、開閉弁２１を閉弁することができる。またシリンダ５１ａ上部の冷却を図るにあたっては、例えばＷ／Ｐ１１を機関運転時に適用される最大吐出量、或いは高吐出量で駆動することができる。またシリンダヘッド５２の断熱を図るにあたっては、例えば流量調節弁１４を閉弁、或いは小さな開度で開弁することや、開閉弁２１を開弁することができる。

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、信頼性確保、およびノッキングの低減という２つの要求を設定している。またこれに応じた点火プラグ５６周りと吸排気弁５２ａ、５２ｂ間と排気ポート５２ｂとの冷却、および吸気ポート５２ａの冷却という２つの制御指針を定めている。
この点、点火プラグ５６周りと吸排気弁５２ａ、５２ｂ間と排気ポート５２ｂとの冷却を図るにあたっては、例えば流量調節弁１４を全開にすることができる。また吸気ポート５２ａの冷却を図るにあたっては、例えば流量調節弁１４を全開にすることや、開閉弁２１を閉弁することができる。またＷ／Ｐ１１については、例えば機関運転時に適用される最大吐出量で駆動することができる。

また区分Ｄ５に対応する機関冷間時には、機関暖機促進、および吸気昇温による燃焼速度向上という２つの要求を設定している。またこれに応じたシリンダヘッド５２の熱伝達促進、および吸気ポート５２ａとシリンダ５１ａ上部との昇温という２つの制御指針を定めている。
この点、シリンダヘッド５２の熱伝達促進を図るにあたっては、シリンダヘッド５２での冷却水の受熱の寄与が大きいことを考慮して、例えば流量調節弁１４を開弁することができる。また吸気ポート５２ａの昇温を図るにあたっては、例えば流量調節弁１４を閉弁、或いは小さな開度で開弁することや、開閉弁２１を開弁することができる。またシリンダ５１ａ上部の昇温を図るにあたっては、例えばＷ／Ｐ１１を停止、或いは低吐出量で駆動することができる。

また区分Ｄ６に対応する機関始動時には、着火性向上、および燃料気化促進という２つの要求を設定している。またこれに応じた吸気ポート５２ａの昇温、および点火プラグ５６周りとシリンダ５１ａ上部との昇温という２つの制御指針を定めている。
この点、吸気ポート５２ａの昇温を図るにあたっては、例えば流量調節弁１４、を閉弁、或いは小さな開度で開弁することや、開閉弁２１を開弁することができる。また点火プラグ５６周りの昇温を図るにあたっては、例えば流量調節弁１４、を閉弁、或いは小さな開度で開弁することができる。またシリンダ５１ａ上部の昇温を図るにあたっては、例えばＷ／Ｐ１１を停止、或いは低吐出量で駆動することができる。

これに対して冷却装置１Ａでは、全体的な制御の整合性や簡素化などを考慮し、制御手段がさらに具体的にはＷ／Ｐ１１、流量調節弁１４および開閉弁２１について以下に示す制御を行うよう実現される。
すなわち制御手段は、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、機関運転状態が区分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においては、Ｗ／Ｐ１１を停止するための制御を行うとともに、流量調節弁１４を閉弁するための制御を行い、さらにガス通路５２５にＥＧＲガスを流通させるように開閉弁２１を制御するよう実現される。
また制御手段は、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、Ｗ／Ｐ１１を高吐出量で駆動するための制御を行うとともに、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い、さらにガス通路５２５にＥＧＲガスを流通させるように開閉弁２１を制御するよう実現される。
また制御手段は、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は、機関運転時に適用される最大吐出量でＷ／Ｐ１１を駆動するための制御を行うとともに、流量調節弁１４を全開にするための制御を行い、さらにガス通路５２５のＥＧＲガスの流通を停止するように開閉弁２１を制御するよう実現される。

この点、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、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、制御手段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。

そして冷却装置１Ａでは、制御手段の制御のもと、区分Ｄ３において流量調節弁１４がこ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１Ａ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１Ａ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。
またこの場合には、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が調整されるところ、冷却装置１Ａでは、区分Ｄ３においてこのようにしてブロック側Ｗ／Ｊ５１１に冷却水を流通させた状態で、制御手段がガス通路５２５にＥＧＲガスを流通させるように開閉弁２１を制御するよう実現されることになる。

次にＥＣＵ７０Ａで行われる処理を図５に示すフローチャートを用いて説明する。ＥＣＵ７０Ａ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、ＥＣＵ７０Ａは開閉弁２１を開弁するとともに（ステップＳ２１Ａ）、Ｗ／Ｐ１１を停止する（ステップＳ２２）。なお、ＥＧＲ流量調節弁３２は基本的にＥＧＲガスの流通を許可する状態に制御されている。一方、ステップＳ１で否定判定であれば、ＥＣＵ７０Ａ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Ｓ２１Ａに進む。一方、ステップＳ５で否定判定であれば、ＥＣＵ７０Ａ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ＥＣＵ７０Ａ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１であれば、ステップＳ１２の肯定判定からステップＳ２１Ａに進み、対応する区分が区分２であれば、ステップＳ１３の肯定判定からステップＳ２１Ａに進む。一方、対応する区分が区分３であれば、ステップＳ１４の肯定判定からステップＳ３１Ａに進む。このときＥＣＵ７０Ａは、開閉弁２１を開弁するとともに（ステップＳ３１Ａ）、Ｗ／Ｐ１１を高吐出量で駆動し（ステップＳ３２）、さらに流量調節弁１４を閉弁する（ステップＳ３３）。また対応する区分が区分４であれば、ステップＳ１４の否定判定からステップＳ４１Ａに進む。このときＥＣＵ７０Ａは開閉弁２１を閉弁するとともに（ステップＳ４１Ａ）、Ｗ／Ｐ１１を機関運転時に適用される最大吐出量で駆動し（ステップＳ４２）、さらに流量調節弁１４を開弁する（ステップＳ４３）。

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、エンジン５０の運転状態が低回転高負荷である場合に、開閉弁２１を開弁することで、ガス通路５２５にＥＧＲガスを流通させる。そしてこれにより、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ことで、シリンダヘッド５２でより多くの冷却損失が発生することを抑制でき、以って冷却損失を低減できる。
また冷却装置１Ａでは、エンジン５０の運転状態が低回転高負荷である場合に、さらにＷ／Ｐ１１を駆動するとともに流量調節弁１４を閉弁することで、ブロック側Ｗ／Ｊ５１１に冷却水を流通させた状態で開閉弁２１を開弁する。そしてこれにより吸気を冷却できることから、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）を図るとともに、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、熱効率を向上させることができる。

また冷却装置１Ａでは、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を閉弁することで、冷却水によるシリンダヘッド５２の冷却を停止する。そしてこれによっても、冷却損失の低減を図ることができる。この点、冷却装置１Ａでは、ガス通路５２５にＥＧＲガスを流通させることで、エンジン５０の断熱効果を高めることができ、これによりガス通路５２５を設けることなく、ヘッド側Ｗ／Ｊ５２１の冷却水の流通を停止した場合と比較して、熱効率の向上代を大きくすることができる。

また冷却装置１Ａでは、エンジン５０の運転状態がアイドル状態である場合に、開閉弁２１を開弁するとともにＷ／Ｐ１１の駆動を停止することで、吸気の温度を高めるとともに、エンジン５０の冷却を停止する。そしてこれにより、燃焼速度向上による未燃損失の低減と冷却損失の低減を図ることができる。またこれにより排気ポート５２ｂの冷却を停止できることから、排気温度を高温に保ち、触媒の活性状態を維持することもできる。

また冷却装置１Ａでは、エンジン５０の運転状態が軽負荷である場合に、開閉弁２１を開弁するとともに、Ｗ／Ｐ１１の駆動を停止する。そしてこれにより、未燃損失の低減と冷却損失の低減を図ることができる。またこれにより燃焼改善を図り、以ってＥＧＲ運転領域やリーンバーン運転領域を拡大することもできる。

また冷却装置１Ａでは、エンジン５０の運転状態が高回転高負荷である場合には、開閉弁２１を閉弁するとともに、Ｗ／Ｐ１１を駆動し、さらに流量調節弁１４を開弁することで、ガス通路５２５のＥＧＲガスの流通を停止するとともに、ブロック側Ｗ／Ｊ５１１およびヘッド側Ｗ／Ｊ５２１に冷却水を流通させる。そしてこれにより、機関各部を冷却できることから信頼性を確保できるとともに、ノッキングの発生を抑制することができる。

また冷却装置１Ａでは、機関冷間時に開閉弁２１を開弁するとともにＷ／Ｐ１１の駆動を停止することで、未燃損失の低減と冷却損失の低減を図ることができ、これにより機関暖機を促進することができる。
また冷却装置１Ａでは、機関始動時に開閉弁２１を開弁するとともにＷ／Ｐ１１の駆動を停止することで、着火性向上や燃料の気化促進を図ることができる。

すなわち冷却装置１Ａは、主に低回転高負荷時に熱効率の向上を図ることができる一方で、他の運転状態においてもエンジン５０の運転を成立させることができ、この結果、特定の運転状態だけでなく、通常行われるエンジン５０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、ガス通路５２５に流通させるガスとしてＥＧＲガスを用いることで、排気還流装置３０と部品（例えばＥＧＲ配管３１）を共用することも可能になる。このため冷却装置１Ａでは、ガス通路５２５に流通させるガスとして他のガスを用いる場合と比較して、部品点数を削減でき、以ってコストの低減を図ることもできる。また冷却装置１Ａでは、比較的熱負荷の低い吸気ポート５２５の周辺部に設けたガス通路５２５にＥＧＲガスを流通させることで、エンジン５０の信頼性を確保できるとともにＥＧＲガスの冷却を図ることもできる。

図７に示すように本実施例にかかる冷却装置１Ｂは、開閉弁２１の代わりに切替弁２２Ａを備えている点と、貯気槽２５をさらに備えている点と、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、制御手段が以下に示すように実現される点と、開閉弁２１の代わりに切替弁２２Ａが制御対象として電気的に接続されている点以外、ＥＣＵ７０Ａと実質的に同一のものとなっている。このためＥＣＵ７０Ｂについては図示省略する。

貯気槽２５は蓄圧タンクであり、具体的には図示しないエアコンプレッサによって圧縮空気が蓄圧される。貯気槽２５に蓄圧される圧縮空気はＥＧＲガスよりも低温の第２のガスとなっている。
切替弁２２ＡはＥＧＲ分岐経路Ｃ４に設けられており、切替弁２２Ａには貯気槽２５が接続されている。切替弁２２Ａはガス通路５２５におけるガスの流通状態を変更するにあたり、ＥＧＲガスと圧縮空気との間でガス通路５２５に流通させるガスを切替可能に構成された流通変更手段となっている。

ＥＣＵ７０Ｂでは、ガス通路５２５におけるガスの流通状態を変更するにあたり、制御手段が開閉弁２１の代わりに切替弁２２Ａを制御するように実現される。この点、ＥＣＵ７０Ｂでは制御手段が、機関運転状態が高回転高負荷以外である場合に、ガス通路５２５にＥＧＲガスを流通させるように切替弁２２Ａを制御するよう実現される。一方、ＥＣＵ７０Ｂでは制御手段が、エンジン５０の運転状態が高回転高負荷である場合には、ガス通路５２５に圧縮空気を流通させるように切替弁２２Ａを制御するように実現される。

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、本フローチャートはステップＳ２１Ａ、Ｓ３１ＡおよびＳ４１Ａの代わりにステップＳ２１Ｂ、Ｓ３１ＢおよびＳ４１Ｂが設けられている点以外、図５に示すフローチャートと同一のものとなっている。さらにステップＳ２１Ｂ、Ｓ３１Ｂについては、切替弁２２Ａを制御対象とするものの、ガス通路５２５にＥＧＲガスを流通させる点ではＥＣＵ７０Ａと同様である。このためここでは特にステップＳ４１Ｂについて説明する。機関運転状態が高回転高負荷である場合、ＥＣＵ７０Ｂは切替弁２２Ａを圧縮空気側に切り替えるとともに（ステップＳ４１Ｂ）、Ｗ／Ｐ１１を駆動し（ステップＳ４２）、さらに流量調節弁１４を開弁する（ステップＳ４３）。

次に冷却装置１Ｂの作用効果について説明する。冷却装置１Ｂでは、機関運転状態が高回転高負荷である場合に、切替弁２２Ａを圧縮空気側に切り替えることで、ＥＧＲガスよりも低温の圧縮空気をガス通路５２５に供給できる。このため冷却装置１Ｂでは機関各部の冷却を促進でき、この結果、信頼性をさらに好適に確保することができる。またこれにより、冷却装置１Ｂでは吸気温度の低下を図ることもでき、以ってノッキングの発生もさらに好適に抑制できる。さらに冷却装置１Ｂでは、貯気槽２５から圧縮空気を供給するようにしたことで、圧縮空気を素早くガス通路５２５に供給することができる点で、ガス通路５２５にガスを好適に供給できる。このように冷却装置１Ｂは、主に低回転高負荷時に熱効率の向上を図ることができるとともに、他の運転状態として特に信頼性の低下やノッキングの発生が懸念される高回転高負荷時においてさらに信頼性およびノック性能を高めることができる点で、エンジン５０の運転を好適に成立させることもできる。

本実施例にかかる冷却装置１Ｃは、切替弁２２Ａの代わりに切替弁２２Ｂを備えるとともに、ＥＣＵ７０Ｂの代わりにＥＣＵ７０Ｃを備えている点以外、冷却装置１Ｂと実質的に同一のものとなっている。切替弁２２Ｂは、さらにガス通路５２５におけるガスの流通を許可、或いは禁止するように構成されている点以外、切替弁２２Ａと実質的に同一のものとなっている。またＥＣＵ７０Ｃは制御手段が以下に示すように実現される点以外、ＥＣＵ７０Ｂ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およびＥＣＵ７０Ｃについては図示省略する。

ＥＣＵ７０Ｃでは制御手段が、大量の排気還流を行う場合（以下、大量ＥＧＲを行う場合と称す）に、ガス通路５２５におけるＥＧＲガスの流通を停止するように切替弁２２Ｂを制御するようさらに機能的に実現される。この点、本実施例では切替弁２２Ｂが流通変更手段であると同時に、ガス通路５２５のＥＧＲガスの流通を停止可能な流通停止手段となっている。なお、例えば切替弁２２Ａを切替弁２２Ｂに変更することなく、ガス通路５２５におけるガスの流通を許可、或いは禁止する流通停止手段をさらに備えることも可能である。また、実施例１で前述した冷却装置１Ａにおいて、開閉弁２１を流通停止手段とした上で制御手段に同様の変更を適用することも可能である。

次にＥＣＵ７０Ｃの動作を図９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ステップＳ２、Ｓ３およびＳ４が追加されている点と、ステップＳ２１Ｂ、Ｓ３１ＢおよびＳ４１Ｂの代わりにステップＳ２１Ｃ、Ｓ３１ＣおよびＳ４１Ｃが設けられている点以外、図８に示すフローチャートと同一のものとなっている。またステップＳ２１Ｃ、Ｓ３１ＣおよびＳ４１Ｃについては、切替弁２２Ｂを制御対象とする点以外、実質的な変更がないため、ここでは特にステップＳ２、Ｓ３およびＳ４について説明する。ステップＳ１の否定判定に続いて、ＥＣＵ７０Ｃは大量ＥＧＲを行う条件（大量ＥＧＲ条件）が成立しているか否かを判定する（ステップＳ２）。否定判定であれば切替弁２２Ｂを開弁し（ステップＳ４）、その後ステップＳ５に進む。一方、ステップＳ２で肯定判定であれば、ＥＣＵ７０Ｃは切替弁２２Ｂを閉弁し（ステップＳ３）、その後ステップＳ５に進む。

次に冷却装置１Ｃの作用効果について説明する。ここで、大量ＥＧＲ（例えばＥＧＲ率６０％以上の場合）は、例えば近年の深刻な環境問題に鑑み、高い次元で排気エミッションを改善するために行われる。これに対して冷却装置１Ｃでは、大量ＥＧＲ条件が成立している場合には切替弁２２Ｂを閉弁することで、大量ＥＧＲに必要なＥＧＲガス量を確保することができる。このため冷却装置１Ｃでは、必要なＥＧＲガス量が確保できなかった場合に発生し得る排気エミッションの悪化をさらに抑制できる点で、エンジン５０の運転をさらに好適に成立させることができる。

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、エンジン５０の運転を成立させるにあたって好適であることなどから、Ｗ／Ｐ１１が冷却媒体圧送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、冷却媒体圧送手段は例えばエンジンの出力で駆動する機械式Ｗ／Ｐであってもよい。

また上述した実施例では、エンジン５０の運転を成立させるにあたって、前述の制御指針に基づいて制御手段が行う制御の一例について説明した。
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、制御手段はエンジンの運転を成立させるにあたってその他の適宜の制御を行ってもよい。この点、例えばシリンダブロックに設けられた第１の冷却媒体通路が複数の第１の部分冷却媒体通路を備えるとともに、シリンダヘッドに設けられた第２の冷却媒体通路が第２の部分冷却媒体通路を備える場合に、これら第１および第２の部分冷却媒体通路それぞれに対応させて複数の部分冷却能力調整手段を備えるとともに、前述の制御指針に基づいて、冷却媒体圧送手段や、冷却能力調整手段や、流量変更手段や、部分冷却能力調整手段を適宜制御してもよい。これにより、エンジンの運転をさらに好適に成立させることもできる。

また、制御手段は主にエンジン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。また制御手段は、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
２２ 切替弁
３０ 排気還流装置
４０ 排気管
５０ エンジン
５１ シリンダブロック
５１１ ブロック側Ｗ／Ｊ
５２ シリンダヘッド
５２１ ヘッド側Ｗ／Ｊ
５２５ ガス通路
７０ ＥＣＵ

Claims (6)

1. 冷却媒体通路が設けられたシリンダブロック、および該シリンダブロックからの熱伝達を抑制可能な位置にガス通路が設けられたシリンダヘッドを有するエンジンと、
   前記ガス通路におけるガスの流通状態を変更可能な流通変更手段と、
   前記エンジンの運転状態が低回転高負荷である場合に、前記冷却媒体通路に冷却媒体を流通させた状態で、前記ガス通路に第１のガスを流通させるように前記流通変更手段を制御する制御手段と、を備えたエンジンの冷却装置。
2. 請求項１記載のエンジンの冷却装置であって、
   前記流通変更手段が、前記第１のガスと、該第１のガスよりも低温の第２のガスとの間で前記ガス通路に流通させるガスを切替可能に構成されており、
   前記制御手段が、前記エンジンの運転状態が高回転高負荷である場合に、前記ガス通路に前記第２のガスを流通させるように前記流通変更手段をさらに制御するエンジンの冷却装置。
3. 請求項２記載のエンジンの冷却装置であって、
   前記ガス通路を前記シリンダヘッドのうち、吸気ポートの周辺部に設けたエンジンの冷却装置。
4. 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であって、
   前記第１のガスが、前記エンジンに還流される排気であるエンジンの冷却装置。
5. 請求項４記載のエンジンの冷却装置であって、
   前記ガス通路における第１のガスの流通を停止可能な流通停止手段をさらに備え、
   前記制御手段が、大量の排気還流を行う場合に、前記ガス通路における第１のガスの流通を停止するように前記流通停止手段をさらに制御するエンジンの冷却装置。
6. 請求項２から５いずれか１項記載のエンジンの冷却装置であって、
   前記第２のガスが、貯気槽に蓄圧されるガスであるエンジンの冷却装置。

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