JP4002119B2 - 水冷式エンジン冷却装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水冷式エンジン冷却装置に関し、さらに詳しくは、エンジンに冷却水を循環させるポンプを電動化した水冷式エンジン冷却装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水冷式エンジンの冷却装置としては、エンジンの回転数に比例してウォータポンプを駆動させて冷却水をシリンダヘッド及びシリンダブロックに循環させるようにしたものがある。しかし、このような方式の冷却装置では、上記したようにエンジンの回転数に冷却水の流量が比例しているため、例えば冬場において不必要にエンジンに冷却水を循環させ過ぎたり、高速走行時おいて不必要な流量の冷却水を余分に循環させているという問題点がある。このため、従来のウォータポンプを用いた水冷式エンジン冷却装置では、冷却水の余分な放熱が生じて暖機が遅れ、動力ロスがかなり大きいという問題点がある。さらに、エンジンの回転数のみが冷却水の流量を決めているため、高水温制御などを実施することができないという問題点がある。
【０００３】
このような動力ロスの低減を図った技術として、特開２０００−４５７７４号公報に開示された冷却装置が知られている。この冷却装置では、ウォータポンプを電動化し、エンジンの冷却水出口側の冷却水温度と冷却水入口側の冷却水温度との差が所定温度差となるように制御を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、冷却装置ではウォータポンプにより循環水量が変化すると、ラジエータのヘッダ間に配置された多数のチューブ内を流通する冷却水は流速に応じて層流状態や乱流状態となる。例えば、チューブ内の冷却水の流速が低下して所定の流速以下になると、冷却水が層流状態となりラジエータでの冷却効率が低下して冷やしきれず、ラジエータファンの動力の増大を余儀なくされるという問題点がある。また、チューブ内の冷却水の流速が速くなって乱流状態となった場合には、さらに流速が増加しても冷却効率の増加が見込めず、やはり冷却に必要な動力が増大するという問題点がある。これらの問題点は、上記した後者の冷却装置においても同様である。すなわち、この従来の冷却装置では、ウォータポンプを電動化し、エンジンの冷却水出口側の冷却水温度と冷却水入口側の冷却水温度との差が所定温度差となるように制御を行っても、ラジエータのチューブ内の冷却水の流速は制御できない。このため、冷却水が層流状態となった場合は、ラジエータでの冷却効率が低下して冷却水を冷やしきれず、ラジエータファンの動力の増大が必要となる。逆に、冷却水の流速が増加して乱流状態となった場合には、電動ポンプの稼働を増加させても、稼働増加に見合った冷却効率が得られず、さらに電動ポンプの稼働が過ぎると、チューブのエロージョンが発生して使用が不可となるという問題点がある。
【０００５】
そこで、本発明が解決しようとする目的は、冷却水を循環させるポンプ動力を抑制しつつファンの無駄な稼働を防止するとともに、冷却水の余分な放熱を防止してエンジンの暖機を早め、燃費向上が図れる水冷式エンジンの冷却装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、水冷式エンジンから流出する冷却水をヘッダ間に配置されたチューブに流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器と、前記チューブに送風を行うファンを備える回転駆動モータと、前記水冷式エンジンに独立して駆動されて前記水冷式エンジンと前記熱交換器とに冷却水を循環させるポンプと、前記水冷式エンジン内の冷却水温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段による検出値に基づいて前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータの回転数を制御する制御装置と、を備える水冷式エンジン冷却装置であって、前記制御装置は、前記温度検出手段による検出温度が所定目標温度以上のときに、前記熱交換器の前記チューブ内を流通する冷却水の流動状態が、層流域と乱流域との間の遷移域、及びこの遷移域に近接する前記乱流域の範囲に入ると共に、冷却水が予め定められた流量で循環するように前記ポンプの駆動を制御し、且つ、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータの動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータの回転数を制御することを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、水冷式エンジンから流出する冷却水をヘッダ間に配置されたチューブに流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器と、前記チューブに送風を行うファンを備える回転駆動モータと、前記水冷式エンジンに独立して駆動されて前記水冷式エンジンと前記熱交換器とに冷却水を循環させるポンプと、前記水冷式エンジン内の冷却水温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段による検出値に基づいて前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータの回転数を制御する制御装置と、を備える水冷式エンジン冷却装置であって、前記制御装置は、前記温度検出手段による検出温度が所定目標温度以上のときに、冷却水が予め定められた流量で循環するように前記ポンプの駆動を制御すると共に、前記冷却水の予め定められた流量において、前記熱交換器の前記チューブ内を流通する冷却水の流動状態が、層流域と乱流域との間の遷移域、またはこの遷移域に近接する前記乱流域のうち少なくともどちらか一方を含む領域の範囲に入るように、前記熱交換器が構成され、前記制御装置は、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータの動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータの回転数を制御することを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、水冷式エンジンから流出する冷却水をヘッダ間に配置されたチューブに流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器と、前記チューブに送風を行うファンを備える回転駆動モータと、前記水冷式エンジンに独立して駆動されて前記水冷式エンジンと前記熱交換器とに冷却水を循環させるポンプと、前記水冷式エンジン内の冷却水温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段による検出値に基づいて前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータの回転数を制御する制御装置と、を備える水冷式エンジン冷却装置であって、前記制御装置は、前記温度検出手段による検出温度が所定目標温度以上のときに、前記熱交換器の前記チューブ内を流通する冷却水のレイノルズ数が１８００〜６０００の範囲に入ると共に、冷却水が予め定められた流量で循環するように前記ポンプの駆動を制御し、且つ、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータの動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータの回転数を制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、水冷式エンジンから流出する冷却水をヘッダ間に配置されたチューブに流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器と、前記チューブに送風を行うファンを備える回転駆動モータと、前記水冷式エンジンに独立して駆動されて前記水冷式エンジンと前記熱交換器とに冷却水を循環させるポンプと、前記水冷式エンジン内の冷却水温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段による検出値に基づいて前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータの回転数を制御する制御装置と、を備える水冷式エンジン冷却装置であって、前記制御装置は、前記温度検出手段による検出温度が所定目標温度以上のときに、冷却水が予め定められた流量で循環するように前記ポンプの駆動を制御すると共に、前記冷却水の予め定められた流量において、前記熱交換器の前記チューブ内を流通する冷却水のレイノルズ数が１８００〜６０００の範囲に入るように、前記熱交換器が構成され、前記制御装置は、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータの動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータの回転数を制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置であって、前記水冷式エンジンは、シリンダヘッドを冷却するシリンダヘッド側通路と、該シリンダヘッド側通路と連通する、シリンダブロックを冷却するシリンダブロック側通路とを備え、冷却水が前記シリンダヘッド側通路から導入されると共に前記シリンダブロック側通路から導出されることを特徴とする。
【００１１】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置であって、前記ポンプは、流量調節可能な電動ポンプであることを特徴とする。
【００１２】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置であって、前記冷却水は、前記シリンダヘッド側通路に８０〜９５℃の状態で導入され、前記シリンダブロック側通路から１００〜１１５℃の状態で導出されることを特徴とする。
【００１３】
請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置であって、前記水冷式エンジンで暖められた冷却水を空気調和装置のヒータコアに流通させると共に、前記ヒータコアから導出される冷却水を前記ポンプの上流側に合流させる空調用迂回通路を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の水冷式エンジン冷却装置であって、前記ヒータコアの上流側の前記空調用迂回通路には、冷却水の流通量を制御できる可変バルブが設けられていることを特徴とする。
【００１５】
請求項１０記載の発明は、水冷式エンジンから流出する冷却水をヘッダ間に配置されたチューブに流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器と、前記チューブに送風を行うファンを備える回転駆動モータと、前記チューブに送風を行う送風機と、前記水冷式エンジンに独立して駆動されて前記水冷式エンジンと前記熱交換器とに冷却水を循環させるポンプと、前記水冷式エンジン内の冷却水温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段による検出値に基づいて前記ポンプの駆動及び回転駆動モータの回転数を制御する制御装置と、を備える水冷式エンジン冷却装置の制御方法であって、前記温度検出手段による検出温度が所定目標温度以上のときに、前記制御装置が、前記熱交換器の前記チューブ内を流通する冷却水の流動状態が層流域と乱流域との間の遷移域及びこの遷移域に近接する前記乱流域のうち少なくともどちらか一方を含む領域の範囲に入る予め定められた流量で冷却水を循環させるように前記ポンプによる冷却水流量を制御し、且つ、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータの動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータの回転数を制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項１１記載の発明は、水冷式エンジンから流出する冷却水をヘッダ間に配置されたチューブに流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器と、前記チューブに送風を行うファンを備える回転駆動モータと、前記チューブに送風を行う送風機と、前記水冷式エンジンに独立して駆動されて前記水冷式エンジンと前記熱交換器とに冷却水を循環させるポンプと、前記水冷式エンジン内の冷却水温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段による検出値に基づいて前記ポンプの駆動及び回転駆動モータの回転数を制御する制御装置と、を備える水冷式エンジン冷却装置の制御方法であって、前記温度検出手段による検出温度が所定目標温度以上のときに、前記制御装置が、前記熱交換器の前記チューブ内を流通する冷却水のレイノルズ数が１８００〜６０００の範囲に入る予め定められた流量で冷却水を循環させるように前記ポンプによる冷却水流量を制御し、且つ、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータの動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータの回転数を制御することを特徴とする。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、水冷式エンジンに冷却水を循環させるポンプが水冷式エンジンに独立して駆動されるため、エンジンの回転数に比例することなくポンプを駆動させることができ、例えば冬場や高速走行時などに冷却水を余分に流通させることがない。このため、水温コントロールが容易になり、高温水制御が行えるという効果がある。また、請求項１記載の発明によれば、所定目標温度以上のときに、冷却水の状態が層流域と乱流域との間の遷移域、及びこの遷移域に近接する乱流域の範囲に予め設定された循環流量に制御されるため、冷却装置の動力ロスを低減でき、燃費を向上させるという効果がある。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、水冷式エンジンに冷却水を循環させるポンプが水冷式エンジンに独立して駆動されるため、エンジンの回転数に比例することなくポンプを駆動させることができ、例えば冬場や高速走行時などに冷却水を余分に流通させることがない。このため、水温コントロールが容易になり、高温水制御が行えるという効果がある。また、請求項２記載の発明によれば、所定目標温度以上のときに、予め設定された流量において、熱交換器のチューブ内を流通する冷却水の状態が、層流域と乱流域との間の遷移域及びこの遷移域に近接する乱流域のうち少なくともどちらか一方を含む領域の範囲となるように熱交換器が構成されるため、冷却装置の動力ロスを低減でき、燃費を向上させるという効果がある。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、所定目標温度以上のときに、冷却水のレイノルズ数が１８００〜６０００になるように設定されているため、冷却水の状態が層流域と乱流域との間の遷移域、及びこの遷移域に近接する乱流域の範囲に入り、冷却装置の動力ロスを低減でき、燃費を向上させるという効果がある。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、所定目標温度以上のときに、予め設定された流量において、熱交換器のチューブ内を流通する冷却水のレイノルズ数が１８００〜６０００となるように熱交換器が構成されているため、冷却水の状態が、層流域と乱流域との間の遷移域及びこの遷移域に近接する乱流域のうち少なくともどちらか一方を含む領域の範囲に入り、冷却装置の動力ロスを低減でき、燃費を向上させるという効果がある。
【００２１】
請求項５記載の発明によれば、請求項１〜請求項４に記載された発明の効果に加えて、熱交換器で冷却された冷却水がシリンダヘッドから導入されてシリンダブロックから導出されるため、シリンダヘッド部分は水温が低く高負荷時のノッキングを防止できると共に、シリンダブロック部分はシリンダヘッド部分より水温が上昇するため、油温を上昇させることができフリクションロスを低減させ燃費を良くする効果がある。
【００２２】
請求項６記載の発明によれば、ポンプを電動ポンプとしたことにより、冷却水の流量制御が容易となり、応答性の高い制御が可能となる。
【００２３】
請求項７記載の発明によれば、シリンダヘッドに導入される冷却水の温度を８０〜９５℃とすることにより、確実にノッキングを防止できるという効果がある。また、シリンダブロックから導出される冷却水の温度を１００〜１１５℃とすることにより、高水温制御を行うことができ、フリクションロスを低減する効果がある。
【００２４】
請求項８記載の発明によれば、シリンダブロックから導出される温度安定性を有する高温冷却水をヒータコアに循環させることにより、空気調和装置の温度安定性を高めて、質の高い空気調和を行うことが可能となる。
【００２５】
請求項９記載の発明によれば、ヒータコアの上流側の空調用迂回通路に可変バルブを設けることで、ヒータコアでの熱交換量を可変バルブで制御することが可能となり、空気調和装置の小型化を実現することができる。
【００２６】
請求項１０記載の発明によれば、所定目標温度以上のときに、冷却水の状態が、層流域と乱流域との間の遷移域及びこの遷移域に近接する乱流域のうち少なくともどちらか一方を含む領域の範囲に予め設定された循環流量に制御されるため、冷却装置の動力ロスを低減でき、燃費を向上させるという効果がある。
【００２７】
請求項１１記載の発明によれば、所定目標温度以上のときに、冷却水のレイノルズ数が１８００〜６０００になるように設定されているため、冷却水の状態が層流域と乱流域との間の遷移域、またはこの遷移域に近接する乱流域の範囲に入るように制御できる。このため、冷却水を余分に流すことを防止でき、冷却装置の動力ロスを低減して燃費を向上させるという効果がある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る水冷式エンジン冷却装置の詳細を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。
【００２９】
（実施形態１）
図１及び図２は、本発明に係る水冷式エンジンの冷却装置の実施形態１を示す説明図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の冷却装置１は、水冷式エンジン（以下、単にエンジンという。）２から冷却水回路（冷却水流通管）３を介して流出する冷却水を冷却水をヘッダ４、５間に配置されたチューブ６に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器としてのラジエータ７と、エンジン２に対して独立して駆動されてこのエンジン２とラジエータ７とに冷却水を循環させる電動ポンプ８と、エンジン２内の冷却水温度を検出する温度検出手段としての温度センサ９と、途中に上記電動ポンプ８が介在されてラジエータ７からエンジン２へ冷却水を流通させる冷却水回路１０と、ラジエータ７のチューブ６に送風を行うファン１１を備える回転駆動モータ１２と、上記冷却水回路３の途中に介在されてエンジン２からラジエータ６へ向けて送出させる冷却水量と冷却水温度に応じて電動ポンプ８の吸入側へバイパス回路１３を介して迂回させる冷却水量との配分を電気制御可能なサーモスタット（バルブ）１４と、温度センサ９で検出された検出値に基づいてサーモスタット１４および電動ポンプ８の駆動出力、回転駆動モータ１２の回転数を制御する制御装置１５とを備えて大略構成されている。
【００３０】
本実施形態では、エンジン２におけるシリンダヘッド２１とシリンダブロック２２とに連通する冷却水流通路２３が形成されている。この冷却水流通路２３のシリンダヘッド２１側の端部には、上記した冷却水回路１０が連通するように接続されている。一方、冷却水流通路２３のシリンダブロック２２側の端部には、上記した冷却水回路３が連通するように接続されている。すなわち、本実施形態では、電動ポンプ８により送出される冷却水は、シリンダヘッド２１側から入ってシリンダブロック２２側から出るように設定されている。
【００３１】
ラジエータ７は、例えば上下に離間して配置されるヘッダ４、５とこれらヘッダ４、５間に互いに平行をなすように配置された多数のチューブ６とを備えた、所謂縦流れと称される構造のものを用いているが、所謂横流れと称される構造のラジエータを用いてもよい。なお、チューブ６は、熱交換用のプレートフィンやコルゲーテッドフィンなどを適宜備えている。本実施形態では、上側のヘッダ４に、シリンダブロック２２側の冷却水流通路２３の端部に接続された冷却水回路３が接続されている。本実施形態においては、この冷却水回路３の途中に介在されたサーモスタット１４で、例えば冷却水が１００℃以上のときシリンダブロック２２側とヘッダ４とを繋ぐ冷却水回路３を少しずつ開き、１０５℃以上では、バイパス回路を完全に閉じて冷却水回路３を全開とする。ように設定され、１００℃未満では冷却水回路３を閉じ且つバイパス回路１３へ冷却水を流すように設定されている。尚、サーモスタット１４は、ヘッダ５とエンジン２とを繋ぐ冷却水回路１０の途中に配置され、例えば冷却水が１００℃以上のときに冷却水回路１０を開き、１００℃未満のときに、冷却水回路１０閉とし且つバイパス回路１３から冷却水をエンジン２に導くように設定してもよい。
【００３２】
また、ラジエータ７のチューブ６に送風を行うファン１１が取り付けられた回転駆動モータ１２は、制御装置１５に接続されており、制御装置１５からの回転数制御信号Ｓｒに基づいてその回転数が制御されるようになっている。
【００３３】
電動ポンプ８は、制御装置１５からの流速制御信号Ｓｖに基づいて冷却水の流速を変化させ得るようになっている。
【００３４】
温度センサ９は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３における終端部近傍の温度検出を行い得るように配置されている。なお、本実施形態では、温度センサ９の検出端部をシリンダブロック２２内に挿入配置しているが、冷却水流通路２３の出口付近の温度検出を行うようにしてもよい。
【００３５】
本実施形態においては、電動ポンプ８で発生させる流速、特にラジエータ７の管内流速と、ファン１１の回転駆動モータ１２の回転数とを制御するものであるが、高負荷時のラジエータ７内の管内を流通する冷却水の特性を特定することにより、動力ロスの低減を図るものであり、大幅な燃費向上を達成することを可能にしている。
【００３６】
ここで、本実施形態の水冷式エンジンの冷却装置１の制御・動作の説明に先駆けて、ラジエータ７における水側レイノルズ数とファン風速と冷却に必要な動力との関係について図３を用いて説明する。
【００３７】
図３に示すグラフは、コア部（放熱部）の横寸法が６９１．５ｍｍ、縦寸法が３６０ｍｍ、奥行き寸法が１６ｍｍにおいて、一般的な縦流れラジエータにおける高負荷時（冷却水温度が１００℃に達してラジエータ７に冷却水が流通している状態）の冷却に必要な動力を示す図である。同図において、横軸がラジエータ７の水側レイノルズ数とファン風速（ｍ／秒）であり、縦軸が冷却に必要な動力（Ｗ）を示している。同図に示すように、ラジエータ７の水側レイノルズ数が増加すると、これに伴い電動ポンプ８の動力も増加する。そして、ファン風速が増加すると、これに伴いファン動力、すなわち回転駆動モータ１２の動力は増加する。これらポンプ動力とファン動力との和、すなわち冷却に必要な動力は、同図に示すように水側レイノルズ数が１８００〜６０００のときに低くなっている。
【００３８】
このように冷却に必要な動力が低くなっている領域は、ラジエータ７のチューブ６内を流通する冷却水の流動状態が層流と乱流との遷移域と、この遷移域寄りの乱流域とに亙っている。このようなラジエータでは、高負荷時にレイノルズ数が１８００〜６０００領域にあるように電動ポンプ８を制御し、ファン１１を２．８〜３．３ｍ／秒に風速領域にあるように制御することで、冷却に必要な動力を低く抑えることができ、このとき最も燃費が良くなることを現している。
【００３９】
因に、ラジエータ７の性能においては、チューブ６の外側に形成するフィンの性能改善及び風量の増加が性能向上のポイントとなるが、冷却水の水側レイノルズ数が低下して乱流でなくなったときに、極端に冷却水の冷却性能が低下するため、出来るだけ乱流で使用することが重要となる。
【００４０】
ここで、エネルギーの視点から冷却に最適な設計について説明する。ラジエータによるエンジン冷却において、冷却水温度、ファン風量などのバランスが最も適しているかどうかを、冷却に必要なエネルギーを計算することにより検証する。
【００４１】
（ラジエータ単体での水量、風量の寄与率）
ラジエータの放熱量は、下記の式によって求められる。
【００４２】
【数１】
Ｑ＝κＡ△Ｔ
但し、Ｑ：ラジエータ放熱量（Ｗ）、κ：ラジエータ熱通過率（Ｗ／ｍｍ２Ｋ）なお、Ｋ値はラジエータ性能を代用して表示しており、下記要素によって決定される。
【００４３】
【数２】
１／κ＝１／（αｗ・Ａｗ／Ａ）＋ｄ／（λｔ・Ａｗ／Ａ）＋１／αａ・ηａ
【数３】
１／κ＝１１（％）＋０．１（％）＋８８．９（％）
なお、図４に示すように、λｔはチューブ伝導率（Ｗ／ｍＫ）、αａは空気側熱伝達率（Ｗ／ｍ２Ｋ）、αｗは水側熱伝達率、ηａはフィン総合効率（％）、Ａｗは水側放熱面積（ｍｍ２）、Ａは空気側放熱面積（ｍｍ２）、ｄはチューブ板厚（ｍｍ）である。また、数式３は、数式２における各項の寄与率を表し、算出に当たっては、コア部（放熱部）の横寸法が６９１．５ｍｍ、縦寸法が３６０ｍｍ、奥行き寸法が１６ｍｍの縦流れラジエータで、図８に示すようなチューブを７６本備えたものを用い、流量４０リットル／秒（レイノルズ数３５００）、風速３ｍ／秒の条件で行った。
【００４４】
このようなＫ値と水側レイノルズ数との関係を図５のグラフに示す。この図５には、水側レイノルズ数に伴って変わる冷却水の流動状態を合わせ示している。図５から、上記した図３において冷却に必要な動力が低くなっている領域、すなわちチューブ内の冷却水のレイノルズ数が１８００〜６０００の領域は、ラジエータ７のチューブ６内を流通する冷却水の流動状態が層流と乱流との遷移域と、この遷移域寄りの乱流域とに亙っていることが判る。この状態における水と空気側の性能に対する寄与率は上記数式３のように、水側（１１％）より空気側（８８．９％）の方が大きい。よって、必要放熱量が増加した場合は水量は固定して（空気側）ファンの風量を増加させた方が省動力でエンジンを冷却できる。このように冷却に必要な動力を最適にする範囲における冷却水のレイノルズ数が決定されることにより、様々な形態のラジエータにおける最適な制御が可能となる。なお、各種ラジエータにおいて、冷却水は管内を流通するため、あらゆる形態のラジエータを含む（水冷式エンジンの）冷却装置に、本発明を適用することが可能となる。
【００４５】
すなわち、レイノルズ数Ｒｅは、管の通水断面積をねれ縁長さ（内周長）で割った値に４を掛けた相当直径をＤａ、冷却水の質量速度をＧ、粘性係数をμとすれば、ＤａＧ／μ（相当直径×質量速度／粘性係数）で表され、このレイノルズ数Ｒｅが同じであれば、流れは力学的に相似になり、熱伝導率が等しくなる。よって、各種のラジエータ７を流通する冷却水のレイノルズ数が、上記したように１８００〜６０００の範囲に入るように制御することにより、エンジン２の冷却に必要な動力（ポンプ動力とファン動力との和）を最も低くすることが可能となる。この結果、動力負担を軽減でき、エンジンの燃費を大幅に向上することが可能となる。
【００４６】
（ラジエータ冷却のための最適エネルギーバランス）
次に、上記ラジエータ７と同様に、コア部（放熱部）の横寸法が６９１．５ｍｍ、縦寸法が３６０ｍｍ、奥行き寸法が１６ｍｍの構造を有する縦流れラジエータを用いて、ラジエータ性能（ラジエータ放熱量Ｑ）と風量（風速Ｖａ）と冷却水流量（Ｇｗ）との関係を図６のグラフに示す。縦軸はラジエータ放熱量であり、横軸は風速を示している。また、下表１は、同一ラジエータで同一性能（ラジエータ放熱量（Ｑ））を出すための、風速（Ｖａ）と、冷却水流量（Ｇｗ）との組み合わせを示している。このように、同一のラジエータ放熱流量３．４×１０^４Ｗを出すための、風速と冷却水流量との組み合わせを適宜選択することが可能である。
【００４７】
【表１】

（冷却に必要なエネルギー量）
次に、空気側、冷却水側共に下記式４で表される理論動力を使用して、必要エネルギーの比較をすると、下表２のような結果となる。
【００４８】
【数４】
Ｐ＝ρｇＱＨ
但し、Ｐ：動力（Ｗ）、ρ：流体密度（ｋｇ／ｍ３）、ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ２）Ｑ：流量（ｍ３／ｓ）、Ｈ：圧力差（ｍ）
【表２】

上記表２では、必要動力合計が２８０Ｗで最小となり、そのときのレイノルズ数２６００は、上記した冷却に必要な動力を最小にするレイノルズ数の範囲（１８００〜６０００）に入っていることが確認できる。
【００４９】
ところで、ラジエータの性能に対し空気側の寄与率は大きいが、水側の寄与率は小さい。このため、エネルギー量的には、冷却水の流量を少なくして、風量を大きくした方が、エンジン冷却に必要な動力は少なくてすむ。ただし、冷却水が層流域まで流量が少なくなると、水側の性能が極端に悪化して好ましくない。
【００５０】
（実施形態１の制御方法）
このような構成の水冷式エンジンの冷却装置１の制御方法・動作を図７に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本実施形態では、制御装置１５に備えられた図示しないメモリ部に図３に示す最適な範囲の管内流速に対応した電動ポンプ８の出力データと、ファン風速に対応した回転駆動モータ１２の出力データとが格納されており、これらの出力データは、検出温度の変化に伴い随時読み出されるようになっている。
【００５１】
車両のエンジン２が始動すると、電動ポンプ８が１０Ｌ／分程度の低流量で稼働を開始する。本実施形態では、冷却水がシリンダヘッド２１、シリンダブロック２２の順で冷却水流通路２３を流れる。これに伴い温度センサ９は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３内の温度の検出を開始する（ステップＳ７１）。サーモスタット１４では、流通する冷却水の温度が１０５℃に達するまでは、図２に示すように、冷却水をバイパス回路１３へ流してラジエータ７を迂回するように循環させる。
【００５２】
エンジン２の稼働に伴い、シリンダブロック２３から出る冷却水の温度が１００℃まで上昇すると、サーモスタット１４は、少しずつ開き、１０５℃以上では、図１に示すように、バイパス回路１３を閉じて冷却水回路３を開きラジエータ７のヘッダ４側へ冷却水を流通させる。ヘッダ４から取り入れられた冷却水は、チューブ６を通ってヘッダ５に達する。
【００５３】
このとき、温度センサ９での検出温度が所定の目標温度である１０５℃に達していない場合は、回転駆動モータ１２は稼働されておらず、ファン１１は回転していない状態にあり、チューブ６を通過する冷却水は走行外気との熱交換を行うのみである。ヘッダ５から出た冷却水は、電動ポンプ８を経て冷却水回路１０を介してシリンダヘッド２１の冷却水流通路２３に送出される。シリンダヘッド２１から導入された冷却水は、シリンダヘッド２１を冷やした後、シリンダブロック２２を冷やして冷却水回路３に導出されて、上記経路を循環される。
【００５４】
次に、温度センサ９での検出値に基づいて、制御装置１５では冷却水温度が１０５℃より高いか否かの判定を行う（ステップＳ７２）。この結果、冷却水温度が１０５℃より高いと判定された場合は、ファン１１が回転駆動されているか判定する（ステップＳ７３）。ファン１１が回転駆動されている場合、制御装置１５では、ファン１１の風量を大きくして冷却水温度が１０５℃になるように、回転駆動モータ１２へ回転数制御信号Ｓｒを出力する。これに伴って、回転駆動モータ１２の回転速度は速くなり、ファン１１の風量が適宜増加する（ステップＳ７４）。その後は、温度センサ９にて温度検出を続ける（ステップＳ７１）。なお、このときシリンダヘッド２１へ供給される冷却水の温度は、例えば約８５℃となるように設定されている。
【００５５】
一方、ファン１１が回転駆動されていない場合、ラジエータ７のチューブ６の水側レイノルズ数が２６００であるか判定する（ステップＳ７５）。
【００５６】
ステップＳ７５において、水側レイノルズ数が２６００である場合は、ステップ７４の制御を行う。また、ステップＳ７５において、水側レイノルズ数が２６００でない場合、制御装置１５は電動ポンプ８へ流速制御信号Ｓｖを出力して、水側レイノルズ数が２６００となるように制御し（ステップＳ７６）、ステップＳ７１の温度検出を続ける。
【００５７】
ところで、ステップＳ７２の温度判定において、冷却水温度が１０５℃以下であると判定された場合、ファン１１が回転駆動されているか判定する（ステップＳ７７）。ここで、ファン１１が回転駆動されている場合、制御装置１５は、回転駆動モータ１２へ回転数制御信号Ｓｒを出力して、冷却水の検出温度が１０５℃になるように、ファン１１の回転を抑えるように制御し（ステップＳ７８）、冷却水の温度検出を続ける（ステップＳ７１）。
【００５８】
また、ステップＳ７７において、ファン１１が回転駆動されていないと判定された場合、電動ポンプ８を１０Ｌ／分の流量を保ったまま稼働を継続し（ステップＳ７９）、冷却水温度の検出を継続する。
【００５９】
このような制御を行うことにより、温度センサ９による検出温度が所定目標温度である１０５℃以上のときに、ラジエータ７のチューブ６内を流通する冷却水の流動状態が、図５に示すように層流域と乱流域との間の遷移域及びこの遷移域に近接する乱流域のうち少なくともどちらか一方を含む領域の範囲に入る予め定められた流量で循環するよう電動ポンプ８の駆動を行うことができる。
【００６０】
本実施形態では、エンジンに高負荷がかかる状態において、電動ポンプ８による低流量化による動力ロスの低減が図れると共に、この低流量化によるラジエータ７の出入口温度差とシリンダヘッド２１から冷却水を流す流路の改善により、シリンダヘッド２１ではノッキングを防止するために低水温（約８５℃）とし、シリンダブロック２２はオイルなどのフリクションロスを低減するための高水温（約１０５℃）に制御できる。また、電動ポンプ８を用いることにより、冷却水の流量を最適量に応答性よく制御できるため、動力ロスを低減することができる。
【００６１】
このような制御を行う冷却装置１を車両に適用すると、電動ポンプによる低流量化を図るだけで、例えば６０ｋｍ／ｈでの定速走行において、軽自動車で約９％、１．８Ｌクラスの排気量の自動車で約２％の燃費向上を図ることができる。また、シリンダ部分の高水温化により、６０ｋｍ／ｈ定速走行において、軽自動車で約１％、１．８Ｌクラスの排気量の自動車で約３％の燃費向上を図ることが可能となる。
【００６２】
（実施形態２）
図９は、本発明に係る水冷式エンジンの冷却装置の実施形態２を示す説明図である。本実施形態の冷却装置は、シリンダブロックから導出される温水を空気調和装置のヒータコアに循環させる構成を有する。なお、本実施形態２の冷却装置において、上記した実施形態１の冷却装置１と同一部分には同一の符号付して説明する。
【００６３】
図９に示すように、本実施形態２の冷却装置１は、エンジン２から冷却水回路３を介して流出する冷却水を冷却水をヘッダ４、５間に配置されたチューブ６に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器としてのラジエータ７と、エンジン２に対して独立して駆動されてこのエンジン２とラジエータ７とに冷却水を循環させる電動ポンプ８と、エンジン２内の冷却水温度を検出する温度検出手段としての温度センサ９と、途中に上記電動ポンプ８が介在されてラジエータ７からエンジン２へ冷却水を流通させる冷却水回路１０と、ラジエータ７のチューブ６に送風を行うファン１１を備える回転駆動モータ１２と、上記冷却水回路３の途中に介在されてエンジン２からラジエータ６へ向けて送出させる冷却水を冷却水温度に応じて電動ポンプ８の吸入側へバイパス回路１３へ配分して流して迂回させるサーモスタット（バルブ）１４と、温度センサ９で検出された検出値に基づいて電動ポンプ８の駆動出力及び回転駆動モータ１２の回転数を制御する制御装置１５とを備えてなり、加えてエンジン２側から導出される温水流通路２４の途中に介在された空気調和装置２５のヒータコア２６が配置されている構成となっている。
【００６４】
本実施形態２では、エンジン２におけるシリンダヘッド２１とシリンダブロック２２とに連通する冷却水流通路２３が形成されている。この冷却水流通路２３のシリンダヘッド２１側の端部には、上記した冷却水回路１０が連通するように接続されている。
【００６５】
また、シリンダブロック２２に形成された冷却水流通路２３は、分岐して、電動ポンプ８の上流側の冷却水回路１０に接続、連通される温水流通路２４が接続されている。この温水流通路２４の途中には、上記したようにヒータコア２６が介在されており、ヒータコア２６内を温水（エンジン冷却水）が通過するようになっている。そして、ヒータコア２６の上流側の温水流通路２４には、温水の流量の調節を行う電磁弁２７が介在されている。この電磁弁２７は、空気調和装置２５の制御系により、適宜開閉または開度調節されるようになっている。
【００６６】
一方、冷却水流通路２３のシリンダブロック２２側の端部には、上記した冷却水回路３が連通するように接続されている。すなわち、本実施形態においても、電動ポンプ８により送出される冷却水は、シリンダヘッド２１側から入ってシリンダブロック２２側から出るように設定されている。
【００６７】
ラジエータ７は、例えば上下に離間して配置されるヘッダ４、５とこれらヘッダ４、５間に互いに平行をなすように配置された多数のチューブ６とを備えた、所謂縦流れと称される構造のものを用いている。本実施形態では、上側のヘッダ４に、シリンダブロック２２側の冷却水流通路２３の端部に接続された冷却水回路３が接続されている。本実施形態においては、この冷却水回路３の途中に介在されたサーモスタット１４で例えば１００℃以上でシリンダブロック２２側とヘッダ４とを繋ぐ冷却水回路３を少しずつ開き、１０５℃以上では、バイパス回路を完全に閉じて、冷却水回路３を全開とするように設定され、１００℃未満で冷却水回路３を閉じ且つバイパス回路１３へ冷却水を流すように設定されている。
【００６８】
また、ラジエータ７のチューブ６に送風を行うファン１１が取り付けられた回転駆動モータ１２は、制御装置１５に接続されており、制御装置１５からの回転数制御信号Ｓｒに基づいてその回転数が制御されるようになっている。なお、制御装置１５では、上記実施形態１と同様に、シリンダブロック２２から導出される冷却水の温度が１０５℃になるように制御を行うように設定されている。
【００６９】
電動ポンプ８は、制御装置１５からの流速制御信号Ｓｖに基づいて冷却水の流速を変化させ得るようになっている。
【００７０】
温度センサ９は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３における終端部近傍の温度検出を行い得るように配置されている。
【００７１】
本実施形態においては、電動ポンプ８で発生させる流量、特にラジエータ７の水側レイノルズ数と、ファン１１の回転駆動モータ１２の回転数とを制御するものであるが、高負荷時のラジエータ７内の管内を流通する冷却水の状態を規定することにより、動力ロスの低減を図るものであり、大幅な燃費向上を達成することを可能にしている。
【００７２】
また、本実施形態２においては、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３から温水流通路２４を介して導出された１０５℃の略一定温度に設定された温水が、空気調和装置２５のヒータコア２６を循環するように設定されると共に、その循環流量が電磁弁２７により制御できる。空気調整装置２５においては、空気との熱交換量がヒータコア２６の単位時間当たりの総熱量と空気風量で決定できるため、温水流量及び風量を制御することにより、空気調節装置２５の吹き出し温度を設定することが可能となる。さらに、燃費と流体液量の関係は、ヒーターコアにおいても、ラジエータと同様で、そのチューブ内の冷却水流動状態を層流域と乱流域との間に遷移域及びこの遷移域に近接する乱流域のうち少なくともどちらか一方を含む領域の範囲、すなわち、レイノルズ数が１８００〜６０００の範囲、より好ましくはレイノルズ数２６００前後となる予め定められた流量にポンプ及び電磁弁を制御することにより、効率的な熱交換を行うことができる。このため、従来のような冷気と暖気とを混合調整するためのエアーミックスドアを省略することが可能となり、空気調整装置２５の小型化を図ることができる。
【００７３】
（実施形態２の制御方法１）
このような構成の水冷式エンジンの冷却装置１の制御方法・動作を図１０に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本実施形態においても、制御装置１５に備えられた図示しないメモリ部に図３に示す最適な範囲の水側レイノルズ数に対応した電動ポンプ８の出力データと、ファン風速に対応した回転駆動モータ１２の出力データとが格納されている。
【００７４】
本実施形態２では、車両のエンジン２を始動させたとき、シリンダブロック２２内の冷却水流通路２３内の冷却水温度が外気温であるときは、アイドリング状態の場合に５分間、走行を始めても３分間は、電磁ポンプ８を稼働しないようになっている（ステップＳ１０１）。
【００７５】
その後、上記の所定時間（５分間または３分間）経過後は、電動ポンプ８を１０Ｌ／分の流量で稼働させる（ステップＳ１０２）。そして、冷却水がシリンダヘッド２１、シリンダブロック２２の順で冷却水流通路２３を流れる。これに伴い温度センサ９は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３内の温度の検出を開始する（ステップＳ１０３）。サーモスタット１４では、流通する冷却水の温度が１００℃に達するまでは、冷却水をバイパス回路１３へ流してラジエータ７を迂回するように循環させる。
【００７６】
エンジン２の稼働に伴い、シリンダブロック２３から出る冷却水の温度が１００℃まで上昇すると、サーモスタット１４は、バイパス回路１３を閉じて冷却水回路３を開いてラジエータ７のヘッダ４側へ冷却水を流通させる。ヘッダ４から取り入れられた冷却水は、チューブ６を通ってヘッダ５に達する。
【００７７】
このとき、温度センサ９での検出温度が所定の目標温度である１０５℃に達していない場合は、回転駆動モータ１２は稼働されておらず、ファン１１は回転していない状態にあり、チューブ６を通過する冷却水は走行外気との熱交換を行うのみである。ヘッダ５から出た冷却水は、電動ポンプ８を経て冷却水回路１０を介してシリンダヘッド２１の冷却水流通路２３に送出される。なお、このシリンダヘッド２１に到達する冷却水の温度は、例えば８５℃に設定されている。シリンダヘッド２１から導入された冷却水は、シリンダヘッド２１を冷やした後、シリンダブロック２２を冷やして冷却水回路３に導出されて、上記経路を循環される。
【００７８】
次に、図示しない外気温度センサで外気温が１０℃より低いか否かの判定を行う（ステップＳ１０４）。
【００７９】
ここで、外気温が１０℃より低いと判定された場合は、温度センサ９により検出された温度値が８０℃より高いか否かの判定を行う（ステップＳ１０５）。
【００８０】
このステップＳ１０５の判定で冷却水温度が８０℃より高い場合は、さらに１０５℃より高いか否かの判定を行う（ステップＳ１０６）。
【００８１】
一方、ステップＳ１０５において、冷却水温度が８０℃より高くない場合は、車室内温度が空気調整装置２５の目標温度より高いか否かの判定を行う（ステップＳ１０７）。このステップＳ１０７において、車室内温度が目標温度より高い場合は、ステップＳ１０６の判定を行う。そして、ステップＳ１０７において、車室内温度が目標温度より低い場合は、ヒータコア２６内を循環する温水量が例えば１０Ｌ／分になるように電動ポンプ８を稼働させる（ステップＳ１０８）。
【００８２】
また、ステップＳ１０６において、冷却水温度、すなわち温度センサ９の検出温度が１０５℃より高い場合は、ファン１１が稼働されているか判定する（ステップＳ１０９）。この判定において、ファン１１が稼働している場合は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３内の冷却水が１０５℃になるように、制御装置１５は、回転数制御信号Ｓｒを回転駆動モータ１２へ出力して、ファン１１の回転を多くする制御を行う（ステップＳ１１０）。
【００８３】
そして、ステップＳ１０９においてファン１１が稼働されていない場合、電動ポンプ８をチューブ６の水側レイノルズ数２６００であるか否かの判定を行う（ステップＳ１１１）。
【００８４】
このステップＳ１１１において、水側レイノルズ数２６００である場合は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３内の冷却水温度が１０５℃となるようにファン１１の回転数を多くする（ステップＳ１１０）。
【００８５】
また、ステップＳ１１１において、水側レイノルズ数２６００でない場合は、水側レイノルズ数２６００となるように電動ポンプ８を制御し（ステップＳ１１２）、温度センサ９での冷却水温度の検出を継続する。
【００８６】
一方、ステップＳ１０６において、冷却水温度が１０５℃より低い場合は、ファン１１が稼働しているか否かの判定を行う（ステップＳ１１３）。ここで、ファン１１が稼働していない場合は、電動ポンプ８を１０Ｌ／分で駆動して（ステップＳ１１４）、冷却水温度の検出を継続する。また、ファン１１が稼働している場合は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３内の冷却水温度が１０５℃になるように、ファン１１の回転数を少なく制御し（ステップＳ１１５）、冷却水温度の検出を継続する。
【００８７】
一般に、自動車用エンジンでは、冷機始動時の暖機を早めるために、所定水温までアイドル時の燃料噴射量を多くする制御が行われているので、この制御時間が短い程、すなわち、より早く所定水温（例えば、８０℃）以上とすることにより、燃費が向上する。
【００８８】
本実施形態２では、温度センサ９で検出される冷却水温度が８０℃より低いときに、電動ポンプ８を少ない流量（１０Ｌ／分）に制御することにより、より速く冷却水の温度を高めることができ、暖房性能を高めることができるとともに、燃費を高めることができる。。
【００８９】
このような制御を行うことにより、温度センサ９による検出温度が所定目標温度である１０５℃以上のときに、ラジエータ７のチューブ６内を流通する冷却水の流動状態が、図５に示すように層流域と乱流域との間の遷移域、及びこの遷移域に近接する乱流域の範囲に入ると共に、冷却水が予め定められた流量で循環するよう電動ポンプ８の駆動を行うことができる。
【００９０】
本実施形態においても、エンジンに高負荷がかかる状態において、電動ポンプ８による低流量化による動力ロスの低減が図れると共に、この低流量化によるラジエータ７の出入口温度差とシリンダヘッド２１から冷却水を流す流路の改善により、シリンダヘッド２１ではノッキングを防止するために低水温（約８５℃）とし、シリンダブロック２２はオイルなどのフリクションロスを低減するための高水温に制御できる。また、電動ポンプ８を用いることにより、冷却水の流量を最適量に制御できるため、動力ロスを低減することができる。
【００９１】
このような制御を行う冷却装置１を車両に適用すると、電動ポンプによる低流量化を図るだけで、例えば６０ｋｍ／ｈでの定速走行において、軽自動車で約９％、１．８Ｌクラスの自動車で約２％の燃費向上を図ることができる。また、シリンダ部分の高水温化により、６０ｋｍ／ｈ定速走行において、軽自動車で約１％、１．８Ｌクラスの自動車で約３％の燃費向上を図ることが可能となる。
【００９２】
加えて、本実施形態では、シリンダブロック２２を通過した冷却水（温水）を空気調和装置２５のヒータコア２６に循環させることで、エアーミックスドアを省略可能として、空気調和装置２５の小型化が図れると共に、ヒータコア２６の温度上昇を迅速に行うことが可能となる。
【００９３】
（実施形態２の制御方法２）
次に、本実施形態の制御方法２について以下する。このような構成の水冷式エンジンの冷却装置１の制御方法・動作を図１１に示すフローチャートを用いて説明する。なお、この制御方法２においても、制御装置１５に備えられた図示しないメモリ部に図３に示す最適な範囲の水側レイノルズ数に対応した電動ポンプ８の出力データと、ファン風速に対応した回転駆動モータ１２の出力データとが格納されている。
【００９４】
まず、イグニッションをＯＮにする（ステップＳ２０１）。
【００９５】
その後、電動ポンプ８を１０Ｌ／分の流量で稼働させる（ステップＳ２０２）。そして、冷却水がシリンダヘッド２１、シリンダブロック２２の順で冷却水流通路２３を流れる。これに伴い温度センサ９は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３内の温度の検出を開始する（ステップＳ２０３）。サーモスタット１４では、流通する冷却水の温度が１００℃に達するまでは、冷却水をバイパス回路１３へ流してラジエータ７を迂回するように循環させる。
【００９６】
エンジン２の稼働に伴い、シリンダブロック２２から出る冷却水の温度が１００℃まで上昇すると、サーモスタット１４は、バイパス回路１３を閉じ始めて、冷却水回路３を開き、１０５℃以上でバイパス回路１３を閉じるとともに、冷却水回路３を全開としてラジエータ７のヘッダ４側へ冷却水を流通させる。ヘッダ４から取り入れられた冷却水は、チューブ６を通ってヘッダ５に達する。
【００９７】
このとき、温度センサ９での検出温度が所定の目標温度である１０５℃に達していない場合は、回転駆動モータ１２は稼働されておらず、ファン１１は回転していない状態にあり、チューブ６を通過する冷却水は走行外気との熱交換を行うのみである。ヘッダ５から出た冷却水は、電動ポンプ８を経て冷却水回路１０を介してシリンダヘッド２１の冷却水流通路２３に送出される。なお、このシリンダヘッド２１に到達する冷却水の温度は、例えば８５℃に設定されている。シリンダヘッド２１から導入された冷却水は、シリンダヘッド２１を冷やした後、シリンダブロック２２を冷やして冷却水回路３に導出されて、上記経路を循環される。
【００９８】
次に、ヒーター使用状態か否かの判定を行う（ステップＳ２０４）。尚、ヒーター使用状態とは、オートエアコンの設定室温より実室温が低い状態、またはマニュアルエアコンのヒータースイッチがＯＮの状態をいう。
【００９９】
ここで、ヒータースイッチがＯＮである場合は、室温が目標温度より高いか否かの判定を行う（ステップＳ２０５）。このステップＳ２０５において、車室内温度が目標温度より高い場合は、ステップＳ２０６を行う。このステップＳ２０６において、車室内温度が目標温度より低い場合は、全体の水流量が１０Ｌ／分になるようにポンプ８を稼働させてステップＳ２０８、ステップＳ２０９に移る。また、ステップＳ２０５において、車室内温度が目標温度より低いと判定された場合は、ヒータコア２６内を循環する冷却水のレイノルズ数が２６００となるように電動ポンプ８を稼働させる（ステップＳ２１７）。
【０１００】
また、ステップＳ２０９において、冷却水温度、すなわち温度センサ９の検出温度が１０５℃より高い場合は、ファン１１が稼働されているか判定する（ステップＳ２１０）。この判定において、ファン１１が稼働している場合は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３内の冷却水が１０５℃になるように、制御装置１５は、回転数制御信号Ｓｒを回転駆動モータ１２へ出力して、ファン１１の回転を多くする制御を行う（ステップＳ２１１）。
【０１０１】
そして、ステップＳ２１０においてファン１１が稼働されていない場合、電動ポンプ８をチューブ６の水側レイノルズ数２６００であるか否かの判定を行う（ステップＳ２１２）。
【０１０２】
このステップＳ２１２において、水側レイノルズ数２６００である場合は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３内の冷却水温度が１０５℃となるようにファン１１の回転数を多くする（ステップＳ２１１）。
【０１０３】
また、ステップＳ２１２において、水側レイノルズ数２６００でない場合は、水側レイノルズ数２６００となるように電動ポンプ８を制御し（ステップＳ２１３）、温度センサ９での冷却水温度の検出を継続する。
【０１０４】
一方、ステップＳ２０９において、冷却水温度が１０５℃より低い場合は、ファン１１が稼働しているか否かの判定を行う（ステップＳ２１４）。ここで、ファン１１が稼働していない場合は、電動ポンプ８を１０Ｌ／分で駆動して（ステップＳ２１５）、冷却水温度の検出を継続する。また、ファン１１が稼働している場合は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３内の冷却水温度が１０５℃になるように、ファン１１の回転数を少なく制御し（ステップＳ２１６）、冷却水温度の検出を継続する。
【０１０５】
この制御方法２では、車室内温度が目標温度より高い場合に、電動ポンプ８を少ない流量（１０Ｌ／分）に制御することにより、余分な放熱を抑えてより速く冷却水の温度を高めることができ、燃費性能を高めることができる。
【０１０６】
このような制御を行うことにより、温度センサ９による冷却水の検出温度が所定目標温度である１０５℃より高くファン１１がＯＮでないときに、ラジエータ７のチューブ６内を流通する冷却水の流動状態がレイノルズ数２６００となるように電動ポンプ８を稼働することで、図５に示すように層流域と乱流域との間の遷移域、及びこの遷移域に近接する乱流域の範囲に入ると共に、冷却水が予め定められた流量で循環するよう電動ポンプ８の駆動を行うことができる。
【０１０７】
この制御方法２においても、エンジンに高負荷がかかる状態において、電動ポンプ８による低流量化による動力ロスの低減が図れると共に、この低流量化によるラジエータ７の出入口温度差とシリンダヘッド２１から冷却水を流す流路の改善により、シリンダヘッド２１ではノッキングを防止するために低水温（約８５℃）とし、シリンダブロック２２はオイルなどのフリクションロスを低減するための高水温に制御できる。また、電動ポンプ８を用いることにより、冷却水の流量を最適量に制御できるため、動力ロスを低減することができる。
【０１０８】
このような制御を行う冷却装置１を車両に適用すると、電動ポンプによる低流量化を図るだけで、例えば６０ｋｍ／ｈでの定速走行において、軽自動車で約９％、１．８Ｌクラスの自動車で約２％の燃費向上を図ることができる。また、シリンダ部分の高水温化により、６０ｋｍ／ｈ定速走行において、軽自動車で約１％、１．８Ｌクラスの自動車で約３％の燃費向上を図ることが可能となる。
【０１０９】
加えて、本実施形態では、シリンダブロック２２を通過した冷却水（温水）を空気調和装置２５のヒータコア２６に循環させることで、エアーミックスドアを省略可能として、空気調和装置２５の小型化が図れると共に、ヒータコア２６の温度上昇を迅速に行うことが可能となる。
【０１１０】
以上、実施形態１及び実施形態２について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、構成の要旨に付随する各種の設計変更が可能である。例えば、上記した両実施形態では、電動ポンプ８を制御してチューブ６の水側レイノルズ数を２６００となるように設定したが、チューブ６内を流れる冷却水のレイノルズ数が１８００〜６０００の範囲に対応する流量であればこれに限定されるものではない。
【０１１１】
また、上記した両実施形態では、ラジエータ７のヘッダ４、５を上下方向に配置する形態（所謂、縦流れ型）を適用して説明したが、両ヘッダが横方向に隔てて配置された形態（所謂、横流れ型）のラジエータに適用することも勿論可能である。
【０１１２】
因に、この横流れ型のラジエータとして、図８に示すようなチューブを３９本備えたものを用いて、ラジエータ性能（ラジエータ放熱量Ｑ）と風量（風速Ｖａ）と冷却水流量（Ｇｗ）との関係を下表３に示す。この下表３では、同一ラジエータで同一性能（ラジエータ放熱量（Ｑ））を出すための、風速（Ｖａ）と、冷却水流量（Ｇｗ）との組み合わせを示している。このように、同一のラジエータ放熱流量３．４×１０４Ｗを出すためには、風速と冷却水流量との組み合わせを適宜選択することが可能である。
【０１１３】
【表３】

また、下表４は、この横流れ型のラジエータにおけるファン、電動ポンプの効率を示す実験値である。
【０１１４】
【表４】

上記表４では、必要動力合計が２３０Ｗで最小となり、そのときのレイノルズ数が３３００と４０００であり、上記した冷却に必要な動力の最小にするレイノルズ数の範囲（１８００〜６０００）に入っていることが確認できる。このように横流れ型のラジエータでは、必要動力合計が最小で２３０Ｗとなり、縦流れ型のラジエータにも増して低動力化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水冷式エンジン冷却装置の実施形態１を示す概略説明図である。
【図２】実施形態１に係る水冷式エンジン冷却装置のバイパス回路に冷却水を流している状態を示す概略説明図である。
【図３】冷却に必要な動力と、ラジエータ水側レイノルズ数と、ファン風速との関係及びファン動力とポンプ動力との関係を示すグラフである。
【図４】チューブ内を流れる冷却水と伝熱系を示す説明図である。
【図５】Ｋ値と水側レイノルズ数とファン風速との関係を示すグラフである。
【図６】ラジエータ放熱量とファン風速との関係を示すグラフである。
【図７】実施形態１での制御の流れを示すフローチャートである。
【図８】チューブ内形状および寸法を示す説明図である。
【図９】本発明に係る水冷式エンジン冷却装置の実施形態２を示す概略説明図である。
【図１０】実施形態２における制御方法１の流れを示すフローチャートである。
【図１１】実施形態２における制御方法２の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 冷却装置
２ エンジン
３ 冷却水回路
４、５ ヘッダ
６ チューブ
７ ラジエータ
８ 電動ポンプ
９ 温度センサ
１０ 冷却水回路
１１ ファン
１２ 回転駆動モータ
１３ バイパス回路
１４ サーモスタット
１５ 制御装置
２１ シリンダヘッド
２２ シリンダブロック
２３ 冷却水流通路
２４ 温水流通路
２５ 空気調和装置
２６ ヒータコア
２７ 電磁バルブ

Claims (11)

1. 水冷式エンジン（２）から流出する冷却水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、
   前記チューブに送風を行うファン（１１）を備える回転駆動モータ（１２）と、
   前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前記水冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却水を循環させるポンプ（８）と、
   前記水冷式エンジン（２）内の冷却水温度を検出する温度検出手段（９）と、
   前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前記ポンプ（８）の駆動及び前記回転駆動モータ（１２）の回転数を制御する制御装置（１５）と、を備える水冷式エンジン冷却装置（１）であって、
   前記制御装置（１５）は、前記温度検出手段（９）による検出温度が所定目標温度以上のときに、前記熱交換器（７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水の流動状態が、層流域と乱流域との間の遷移域、及びこの遷移域に近接する前記乱流域の範囲に入ると共に、冷却水が予め定められた流量で循環するように前記ポンプ（８）の駆動を制御し、且つ、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータ（１２）の動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータの回転数を制御することを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）。
2. 水冷式エンジン（２）から流出する冷却水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、
   前記チューブに送風を行うファン（１１）を備える回転駆動モータ（１２）と、
   前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前記水冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却水を循環させるポンプ（８）と、
   前記水冷式エンジン（２）内の冷却水温度を検出する温度検出手段（９）と、
   前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前記ポンプ（８）の駆動及び前記回転駆動モータ（１２）の回転数を制御する制御装置（１５）と、を備える水冷式エンジン冷却装置（１）であって、
   前記制御装置（１５）は、前記温度検出手段（９）による検出温度が所定目標温度以上のときに、冷却水が予め定められた流量で循環するように前記ポンプ（８）の駆動を制御すると共に、前記冷却水の予め定められた流量において、前記熱交換器（７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水の流動状態が、層流域と乱流域との間の遷移域、またはこの遷移域に近接する前記乱流域のうち少なくともどちらか一方を含む領域の範囲に入るように、前記熱交換器（７）が構成され、前記制御装置（１５）は、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータ（１２）の動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータ（１２）の回転数を制御することを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）。
3. 水冷式エンジン（２）から流出する冷却水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、
   前記チューブに送風を行うファン（１１）を備える回転駆動モータ（１２）と、
   前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前記水冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却水を循環させるポンプ（８）と、
   前記水冷式エンジン（２）内の冷却水温度を検出する温度検出手段（９）と、
   前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前記ポンプ（８）の駆動及び前記回転駆動モータ（１２）の回転数を制御する制御装置（１５）と、を備える水冷式エンジン冷却装置（１）であって、
   前記制御装置（１５）は、前記温度検出手段（９）による検出温度が所定目標温度以上のときに、前記熱交換器（７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水のレイノルズ数が１８００〜６０００の範囲に入ると共に、冷却水が予め定められた流量で循環するように前記ポンプ（８）の駆動を制御し、且つ、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータ（１２）の動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータ（１２）の回転数を制御することを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）。
4. 水冷式エンジン（２）から流出する冷却水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、
   前記チューブに送風を行うファン（１１）を備える回転駆動モータ（１２）と、
   前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前記水冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却水を循環させるポンプ（８）と、
   前記水冷式エンジン（２）内の冷却水温度を検出する温度検出手段（９）と、
   前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前記ポンプ（８）の駆動及び前記回転駆動モータ（１２）の回転数を制御する制御装置（１５）と、を備える水冷式エンジン冷却装置（１）であって、
   前記制御装置（１５）は、前記温度検出手段（９）による検出温度が所定目標温度以上のときに、冷却水が予め定められた流量で循環するように前記ポンプ（８）の駆動を制御すると共に、前記冷却水の予め定められた流量において、前記熱交換器（７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水のレイノルズ数が１８００〜６０００の範囲に入るように、前記熱交換器（７）が構成され、前記制御装置（１５）は、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータ（１２）の動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータ（１２）の回転数を制御することを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置（１）であって、前記水冷式エンジン（２）は、シリンダヘッド（２１）を冷却するシリンダヘッド側通路（２３）と、該シリンダヘッド側通路（２３）と連通する、シリンダブロック（２２）を冷却するシリンダブロック側通路（２３）とを備え、冷却水が前記シリンダヘッド側通路（２３）から導入されると共に前記シリンダブロック側通路（２３）から導出されることを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置（１）であって、前記ポンプ（８）は、流量調節可能な電動ポンプ（８）であることを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置（１）であって、前記冷却水は、前記シリンダヘッド側通路（２３）に８０〜９５℃の状態で導入され、前記シリンダブロック側通路（２３）から１００〜１１５℃の状態で導出されることを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置（１）であって、前記水冷式エンジンで暖められた冷却水を空気調和装置（２５）のヒータコア（２６）に流通させると共に、前記ヒータコアから導出される冷却水を前記ポンプ（８）の上流側に合流させる空調用迂回通路（２４）を有することを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）
9. 請求項８記載の水冷式エンジン冷却装置（１）であって、前記ヒータコア（２６）の上流側の前記空調用迂回通路（２４）には、冷却水の流通量を制御できる可変バルブ（２７）が設けられていることを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）。
10. 水冷式エンジン（２）から流出する冷却水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、前記チューブに送風を行うファン（１１）を備える回転駆動モータ（１２）と、前記チューブ（６）に送風を行う送風機（１１、１２）と、前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前記水冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却水を循環させるポンプ（８）と、前記水冷式エンジン（２）内の冷却水温度を検出する温度検出手段（９）と、前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前記ポンプ（８）の駆動及び回転駆動モータ（１２）の回転数を制御する制御装置（１５）と、を備える水冷式エンジン冷却装置（１）の制御方法であって、
    前記温度検出手段（９）による検出温度が所定目標温度以上のときに、前記制御装置（１５）が、前記熱交換器（７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水の流動状態が層流域と乱流域との間の遷移域及びこの遷移域に近接する前記乱流域のうち少なくともどちらか一方を含む領域の範囲に入る予め定められた流量で冷却水を循環させるように前記ポンプ（８）による冷却水流量を制御し、且つ、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータ（１２）の動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータ（１２）の回転数を制御することを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）の制御方法。
11. 水冷式エンジン（２）から流出する冷却水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、前記チューブに送風を行うファン（１１）を備える回転駆動モータ（１２）と、前記チューブ（６）に送風を行う送風機（１１、１２）と、前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前記水冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却水を循環させるポンプ（８）と、前記水冷式エンジン（２）内の冷却水温度を検出する温度検出手段（９）と、前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前記ポンプ（８）の駆動及び回転駆動モータ（１２）の回転数を制御する制御装置（１５）と、を備える水冷式エンジン冷却装置（１）の制御方法であって、
    前記温度検出手段（９）による検出温度が所定目標温度以上のときに、前記制御装置（１５）が、前記熱交換器（７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水のレイノルズ数が１８００〜６０００の範囲に入る予め定められた流量で冷却水を循環させるように前記ポンプ（８）による冷却水流量を制御し、且つ、所定の前記熱交換器の放熱量を得るために必要な前記ポンプの動力及び前記回転駆動モータ（１２）の動力が最も低くなるように、前記ポンプの駆動及び前記回転駆動モータ（１２）の回転数を制御することを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）の制御方法。

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