JP6557271B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の冷却装置に係り、特に、車両に搭載される内燃機関の冷却に適した冷却装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の冷却装置が開示されている。この装置は、内燃機関に冷却水を循環させる循環経路を有している。循環経路には、冷却水を循環させるための冷却水ポンプが組み込まれている。

特許文献１に記載の冷却装置では、界面活性剤を含む冷却水が用いられる。この界面活性剤は、所定の条件下で複数の棒状ミセルが巨大構造を形成するように調整されている。棒状ミセルが巨大構造を形成すると、流体の乱流摩擦抵抗が低下し、冷却水の圧力損失が低下する。

冷却水ポンプの駆動に要する動力は、冷却水の圧力損失が小さいほど小さくなる。このため、特許文献１に記載の冷却装置によれば、ミセルを含まない冷却水を用いる冷却装置に比して、冷却水ポンプによって消費されるエネルギを小さくすることができる。

特開平１１−１７３１４６号公報

内燃機関の冷却装置では、通常、冷却水温が目標温度となるように冷却水流量がフィードバック制御される。例えば、電動式の冷却水ポンプを用いる冷却装置では、冷却水の循環経路内に水温センサが設置される。そして、水温センサによる計測温度が目標温度より高ければ、冷却水ポンプからの吐出量が増やされる。他方、水温センサによる計測温度が目標温度より低ければ、冷却水ポンプからの吐出量が減量される。

特許文献１に記載の冷却装置において冷却水の圧力損失が低下すると、先ず、冷却水の循環量が増加する。これにより冷却水温が目標温度を下回れば、上記のフィードバック制御によって冷却水流量が減少する。その結果、冷却水温は引き続き目標温度の近傍に制御される。

ところで、ミセルを含む冷却水の圧力損失が低下する条件の下では、同時にその冷却水の熱伝達係数が低下する。熱伝達係数が低下すれば、冷却水が内燃機関から受け取る熱量が減少する。このため、冷却水温がフィードバック制御されている環境下で冷却水の熱伝達係数が低下すると、内燃機関から冷却水に受け渡される熱量が不十分となり、内燃機関の温度が高温側にシフトする。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、特定の条件下で圧力損失を低下させるミセルを含む冷却水を用いつつ、内燃機関の温度を常に適温に維持することのできる冷却装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関のウォータジャケットを含む冷却水の循環経路と、当該循環経路に配置された水温センサ及び冷却水ポンプと、前記水温センサの出力に基づいて前記冷却水ポンプを制御する制御装置とを備える内燃機関の冷却装置であって、
前記制御装置は、
前記水温センサの出力が目標温度となるように前記冷却水ポンプの動力をフィードバック制御する処理と、
前記冷却水ポンプのポンプ仕事と前記循環経路を流れる冷却水の流量とに基づいて、冷却水にミセルが添加されているか否かを判定するミセル判定処理と、
前記流量が、トムズ効果の発現条件を満たしているか否かを判定するトムズ判定処理と、
前記ミセルの添加が肯定され、かつ、前記トムズ効果の発現条件が成立している場合に、前記目標温度に対する前記水温センサの出力の相対的な値を高める補正処理と、
を実行することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記補正処理は、前記流量に基づいて、前記水温センサの出力を高温側に補正する処理を含むことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明において、前記補正処理は、前記流量に基づいて、前記目標温度を低温側に補正する処理を含むことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至３の発明の何れかにおいて、
前記冷却水ポンプに電圧を供給する電源と、
前記冷却水ポンプを流れる電流を検出する電流センサと、
前記循環経路に配置された流量センサと、を更に備え、
前記制御装置は、
前記電流センサの出力に基づいて前記ポンプ仕事を演算し、
前記流量センサの出力に基づいて前記流量を演算することを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至３の発明の何れかにおいて、
前記冷却水ポンプに電圧を供給する電源と、
前記冷却水ポンプを流れる電流を検出する電流センサと、
前記冷却水ポンプの前後差圧を検出する差圧センサと、を更に備え、
前記制御装置は、
前記電流センサの出力に基づいて前記ポンプ仕事を演算し、
前記ポンプ仕事と前記差圧センサの出力とに基づいて前記流量を演算することを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至５の発明の何れかにおいて、
前記ミセル判定処理は、
前記冷却水ポンプの回転速度を検出する処理と、
前記回転速度と前記水温センサの出力とに基づいて前記ポンプ仕事の基準値を演算する処理と、
前記回転速度と前記水温センサの出力とに基づいて前記流量の基準値を演算する処理と、を含み、
前記ポンプ仕事が当該ポンプ仕事の基準値以上であり、かつ、前記流量が当該流量の基準値以上である場合に冷却水にミセルが添加されていると判定することを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至６の発明の何れかにおいて、
前記循環経路に組み込まれたヒータ用熱交換装置と、
前記循環経路に、前記ヒータ用熱交換装置と並列に組み込まれた他の熱交換装置と、
前記循環経路を流れる冷却水を、前記ヒータ用熱交換装置及び前記他の熱交換装置の夫々に分配する弁と、を備え、
前記弁は、夫々の熱交換装置への分配比率を変化させることができ、
前記制御装置は、
ヒータ要求の有無を判定する処理と、
ヒータ要求がある場合には前記ヒータ用熱交換装置への分配量を第１優先とするモードに前記弁を制御する処理と、
ヒータ要求がない場合には前記ヒータ用熱交換装置への分配に対して前記他の熱交換装置への分配を優先するモードに前記弁を制御する処理と、
を更に実行することを特徴とする。

第１の発明によれば、ポンプ仕事と冷却水の流量とに基づいて、冷却水の状態を判断することができる。具体的には、ポンプ仕事が大きく、かつ流量が多い場合は、粘度に対する流量が多いことから、冷却水にミセルが添加されていると判断することができる。ミセルが添加された冷却水は、流量が特定の条件を満たす場合にトムズ効果を発現する。本発明では、冷却水の流量に基づいてトムズ効果の発現条件が満たされているか否かを判定することができる。トムズ効果が発現すると、冷却水の圧力損失が低減されると共に、冷却水の熱伝達係数が低下する。そして、本発明では、冷却水にミセルが添加されており、かつ、トムズ効果の発現条件が成立している場合には、水温センサの出力が相対的に高められる。相対的に高められた出力が目標温度を超えれば、フィードバック制御によって冷却水の流量が増やされる。トムズ効果によって冷却水の熱伝達係数が低下している際に冷却水流量が増えれば、冷却水の受熱量の低下分が補償される。このため、本発明によればミセルが添加された冷却水がトムズ効果を発現する条件下でも内燃機関の温度を適温に維持することができる。

第２の発明によれば、水温センサの出力が高温側に補正される。この補正処理において水温センサの出力は、冷却水の流量に基づいて補正される。トムズ効果に伴う熱伝達係数の低下は、流体内の微細渦の時間スケールと相関を有する。そして、固定された管路内での微細渦の時間スケールは、その流体の流量と相関を有する。他方、トムズ効果による受熱減少量を補うのに必要な冷却水の増量分は、熱伝達係数の低下量と相関を有する。そして、必要な増量分は、水温センサの出力に施す補正量と相関を有する。従って、受熱減少量を補償するためにセンサ出力に施すべき補正量は、冷却水の流量と相関を有する。このため、本発明によれば、トムズ効果が冷却水の受熱量に与える影響が適切に補償されるように、水温センサの出力を補正することができる。

第３の発明によれば、目標温度が低温側に補正される。第２の発明の場合と同様に、本発明によれば、流量を補正の基礎とすることで、受熱量の減少分を適切に補償する補正を、目標温度に施すことができる。

第４の発明によれば、ポンプ仕事は、冷却水ポンプを流れる電流に基づいて精度良く演算することができる。そして、本発明では、冷却装置が流量センサを備えているため、その出力に基づいて冷却水の流量を精度良く演算することができる。

第５の発明によれば、第４の発明の場合と同様に精度良くポンプ仕事を演算することができる。また、本発明では、冷却装置が差圧センサを備えているため、冷却水ポンプの前後差圧を正確に検知することができる。冷却水の流量は、ポンプ仕事を前後差圧で除することにより演算することができる。このため、本発明によれば、冷却水の流量も正確に演算することができる。

第６の発明によれば、冷却水ポンプの回転速度と水温センサの出力とに基づいて、流量の基準値と、ポンプ仕事の基準値を演算することができる。冷却水ポンプの回転速度が基準値以上であり、かつ、冷却水の流量が基準値以上であれば、粘度に対して流量が多いと判断できる。冷却水においてこのような状況が生ずるのはミセルが添加されている場合に限られる。このため、本発明によれば、ミセル添加の有無を正確に判定することができる。

第７の発明によれば、ヒータ要求がある場合は、循環経路を流れる冷却水を優先的にヒータ用熱交換装置に分配することができる。ヒータ要求は低温時に生じ易い。他方、ミセルを含む冷却水は、低温時にトムズ効果を発現し易い。つまり、ミセルを含む冷却水は、ヒータ要求が発生し易い低温時に熱伝達係数を低下させ易い。本発明によれば、このような状況下でも、冷却水を優先的にヒータ用熱交換装置に分配することで、十分な暖房効果を得ることができる。他方、本発明によれば、ヒータ要求が生じていない場合には、冷却水が他の熱交換装置に優先的に分配される。この場合、冷却水の熱容量がヒータ用熱交換装置で無駄に消費されてしまうのを有効に阻止することができる。

本発明の実施の形態１の冷却装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の冷却装置が備える制御システムの構成を示す図である。 トムズ効果の発現に伴う冷却水の圧力損失の低減を説明するための図である。 ポンプ回転速度と冷却水流量の関係を二種類の圧力損失について表した図である。 トムズ効果の発現に伴う冷却水の熱伝達係数の変化を説明するための図である。 冷却水ポンプを流れる電流と冷却水の流量とに基づいて冷却水の特性を判定する手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 図７に示すルーチン中で、冷却水ポンプを流れる電流の基準値を演算するために参照されるマップの概要を示す図である。 冷却水の流量と水温センサの出力補正値との相関関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態２の冷却装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２の冷却装置が備える制御システムの構成を示す図である。 冷却水ポンプを流れる電流から冷却水ポンプの回転速度を演算する原理を説明するための図である。 本発明の実施の形態２においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３の冷却装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３の冷却装置が備える制御システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態３においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は本発明の実施の形態１の構成を示す。図１に示す内燃機関１０の内部には、冷却水を流通させるためのウォータジャケットが設けられている。また、内燃機関１０は水温センサ１２を備えている。水温センサ１２は、内燃機関１０のウォータジャケット内を流れる冷却水の温度を検出することができる。

ウォータジャケットの流出口１４は、流量センサ１６を介して循環経路１８に連通している。流量センサ１６は、その内部を流通する冷却水の流量を検出することができる。循環経路１８は、ラジエタ経路２０を有している。ラジエタ経路２０には、ラジエタ２２とサーモスタット２４が直列に配置されている。サーモスタット２４は、冷却水ポンプ２６の吸入口に連通している。また、冷却水ポンプ２６の吐出口は、内燃機関１０のウォータジャケットの流入口２８に連通している。

循環経路１８は、ラジエタ経路２０に加えてデバイス経路３０を有している。デバイス経路３０には、冷却水との間で熱交換を行うための複数のデバイスが並列に配置されている。本実施形態では、図１に示す３つのデバイスが、夫々下記の通りであるものとする。
デバイスＡ＝ヒータ用熱交換装置３２
デバイスＢ＝ミッションオイルウォーマ３４
デバイスＣ＝オイルクーラ３６

ヒータ用熱交換装置３２は、車室内に温風を提供するための熱源である。ミッションオイルウォーマ３４は、ミッションオイルを加熱するための熱源である。また、オイルクーラ３６は、内燃機関１０の潤滑油を冷却するための冷却器である。

デバイス経路３０は、上述した複数のデバイスと並列に設けられたバイパス通路３８を備えている。互いに並列に設けられた３つのデバイス３２,３４,３６及びバイパス通路３８は、何れも冷却水ポンプ２６の吸入口に連通している。

冷却水ポンプ２６は電動式のポンプである。冷却水ポンプ２６にはバッテリー等の電力源からデューティ制御により電圧が供給されている。冷却水ポンプ２６は外部から供給される指令に応じてポンプ仕事を変化させることができる。また、冷却水ポンプ２６は、その内部を流れる電流を検知するための電流センサ４０を内蔵している。

図２は、図１に示す冷却装置が備える制御システムの構成を示す。本実施形態の冷却装置は、ＥＣＵ (Electronic Control Unit)４２を備えている。ＥＣＵ４２は、上述した流量センサ１６の出力に基づいて、循環経路１８を流れる冷却水の流量を検知することができる。ＥＣＵ４２は、また、上述した水温センサ１２の出力に基づいて、ウォータジャケット内の冷却水の温度を検知することができる。ＥＣＵ４２は更に、上述した電流センサ４０の出力に基づいて冷却水ポンプ２６に流れる電流を検知することができる。そして、ＥＣＵ４２は、冷却水ポンプ２６に対して駆動信号を供給すると共に、冷却水ポンプ２６からポンプの回転速度を表す信号を受け取ることができる。

本実施形態において、ＥＣＵ４２は、内燃機関１０の温度が適温に保たれるように、水温センサ１２の出力に基づいて冷却水ポンプ２６をフィードバック制御する。具体的には、水温センサ１２の出力が目標温度（例えば９０°Ｃ）となるように冷却水流量をフィードバック制御する。この制御によれば、水温センサ１２の出力が目標温度を上回れば冷却水流量が増やされる。冷却水流量が増えれば、内燃機関１０から冷却水に受け渡される熱量が増える。その結果、内燃機関１０の温度が低下し、更には冷却水の温度が低下する。また、水温センサ１２の出力が目標温度を下回れば冷却水流量が減らされる。冷却水流量が減れば、内燃機関１０から冷却水に受け渡される熱量が減少する。その結果、内燃機関１０の温度が上昇し、やがては冷却水の温度が上昇する。以上の繰り返しにより、冷却水の温度が目標温度の近傍に維持され、内燃機関１０の温度が適切に制御される。

［冷却水の特徴］
本実施形態において用いられる冷却水は界面活性剤を含有している。より詳細には、本実施形態の冷却水は、界面活性剤を構成する分子が多数集合することで形成されるミセルを含有している。この界面活性剤は、例えば特開平１１−１７３１４６号公報に開示されているのと同様であり、特定の条件下でトムズ効果(Toms Effect)を発現する。「トムズ効果」とは、液体に少量の高分子を添加したとき、特定の条件下で乱流の圧力損失（液体摩擦抵抗）が著しく低下する現象である。

図３は、トムズ効果の発現に伴う冷却水の圧力損失の低減を説明するための図である。冷却水が管路を流れる際には圧力損失が生ずる。本実施形態において用いられる冷却水の圧力損失は、特定の条件下で発現するトムズ効果により図３に示すような変化を示す。

図３の縦軸は圧力損失低減率を示す。縦軸の「０．０」に記されたベース４４は界面活性剤を含有しない冷却水の圧力損失に対応している。図３の横軸は、トムズ効果の発現指標「１／τｃ」を示す。τｃは、流体内に生ずる微小渦の時間スケールを示しており、以下の式で表される（例えば、日本機械学会論文集（Ｂ編）第６８巻６７１号（２００２−７）「乱流コヒーレント微細渦に基づく摩擦抵抗低減効果予測法」参照）。
τｃ＝１．９５＊１０^−２＊＜ｕ＞^−７／４＊ｄ^１／４ ・・・（１）

上記（１）式の＜ｕ＞は、管路内の流体の断面平均速度である。また、ｄは管路の管径である。循環経路１８の物理的な形状が定まれば、断面平均速度は流量の関数となる。従って、その値＜ｕ＞は流量センサ１６の出力に基づいて演算することができる。更に、循環経路１８の形状が定まれば管径ｄも特定される。このため、上記のτｃは流量センサ１６の出力に基づいて演算することができる。

図３において、○で示す点は管径ｄがｄ１である場合の圧力損失低減率を示す。また、□で示す点は管径ｄがｄ２（＞ｄ１）である場合の圧力損失低減率を示す。図３に示すように、本実施形態の冷却水は、特定の条件下では圧力損失をベース４４の値に維持し、他の条件下では圧力損失を低減させる。例えば管径ｄ＝ｄ２の場合、１／τｃがαより大きい領域では圧力損失がベース４４の値に維持される。そして、１／τｃがαより小さい領域では、圧力損失がベース４４の値より小さな値となる。

図４は、ポンプ回転速度と冷却水流量との関係を、二種類の圧力損失について表した図である。より具体的には、特性４６は、ベース４４の圧力損失の下で成立する関係を示す。また、特性４８は、トムズ効果によって圧力損失が低減した環境下で成立する関係を示す。

ベース４４の特性４６によれば、ポンプ回転速度がＮ１であれば冷却水流量はＬ１となる。この状態で冷却水がトムズ効果を発現すると、冷却水の圧力損失が低下して、冷却水流量がＬ２に増加する。この際、内燃機関１０の冷却に必要な冷却水流量がＬ１であれば、ポンプ回転速度はＮ２まで下げることができる。そして、Ｎ２のポンプ回転速度を生じさせるのに必要な冷却水ポンプ２６の動力は、Ｎ１を生じさせるのに必要な動力に比して少量である。このため、冷却水にミセルを添加してトムズ効果を発現させれば、冷却水ポンプ２６の駆動に要するエネルギを削減することができる。

ところで、トムズ効果が発現する条件の下では、冷却水の圧力損失が低下するのと同時に冷却水の熱伝達係数にも低下が生ずる。図５は、トムズ効果の発現指標（１／τｃ）と冷却水の熱伝達係数との関係を示す。図中に●で示す点は、ミセルを添加していない冷却水の熱伝達係数を表している。他方、図中に■で示す点は、特定の濃度でミセルを添加した冷却水の熱伝達係数を表している。尚、図５に示すαは、図３を参照して説明した通り、ミセルを含む冷却水がトムズ効果を発現する境界値である。

図５に示すように、ミセルが添加された冷却水は、トムズ効果が発現する（１／τｃ）＜αの領域では、ミセル無添加の冷却水に比して小さな熱伝達係数を示す。冷却水の温度が同じであれば、内燃機関１０から冷却水に受け渡される熱量は、冷却水の熱伝達係数が小さいほど少量となる。このため、冷却水の温度が同じ目標温度にフィードバック制御され続けるとすれば、トムズ効果の発現前は適温であった内燃機関１０が、トムズ効果の発現と共に高温化し易い状態となる。そこで、本実施形態では、トムズ効果の発現後は、熱伝達係数の低下が受熱量に与える影響が相殺されるように、冷却水のフィードバック制御の設定を変更することとしている。

［ミセルの添加判定］
トムズ効果は、冷却水にミセルが添加されており、かつ、τｃが特定の条件を満たす場合に発現する。図６は、冷却水ポンプ２６を流れる電流と冷却水の流量とに基づいて、冷却水の特性を判定する手法を説明するための図である。本実施形態では、図６に示す関係に基づいて冷却水にミセルが添加されているか否かを判定する。

図６の横軸は冷却水ポンプ２６を流れる電流を示す。本実施形態において、冷却水ポンプ２６は直流モータにより駆動されるため、横軸に示す電流はポンプ仕事の代用値として扱うことができる。

図６の縦軸は循環経路１８を流れる冷却水の流量である。図６における原点、つまり、縦軸と横軸が交わる点は、流量及び電流の基準値に対応している。これらの基準値は、ミセルが添加されておらず、かつ、標準的な粘度を有する冷却水が用いられた場合に、フィードバック制御の結果として生ずる流量と電流を意味している。

図６の第２象限は、ポンプ仕事（電流）が基準値より小さく、かつ、基準値より多くの流量が生ずる状況に対応している。このような状況は、冷却水が、標準的な圧力損失を示し、かつ、標準より低い粘度を有する場合に生ずる。この場合、使用されている冷却水が、ミセルを含まない低粘度ＬＬＣ(Long Life Coolant)であると推定することができる。

図６の第３象限は、ポンプ仕事及び冷却水流量が、共に基準値以下に収まっている状況に対応している。このような状況は、冷却水が、標準的な圧力損失を示し、かつ、標準的な粘度を有する場合に生ずる。従って、流量と電流が第３象限に属する場合は、ミセルを含まない標準的な冷却水が用いられていると判断することができる。または、冷却水ポンプ２６若しくは冷却系統からの冷却水の漏れが考えられる。

図６の第４象限は、ポンプ仕事が基準値より大きく、かつ、基準値より少ない流量が生ずる状況に対応している。このような状況は、冷却水、標準的な圧力損失を示し、かつ、標準より高い粘度を有する場合に生ずる。従って、この場合は、使用中の冷却水が、ミセルを含まない高粘度ＬＬＣであると判断することができる。

そして、図６の第１象限は、冷却水ポンプ２６が基準値より大きなポンプ仕事で作動しており、かつ、基準値より多くの流量が生じている状況に対応している。このような状況は、使用中の冷却水が、ミセルを含有する場合にのみ生ずる。従って、第１象限の条件が成立する場合は、使用中の冷却水にミセルが含まれていると判断することができる。本実施形態において、ＥＣＵ４２は、このような手法でミセル判定を行う。

［実施の形態１における制御］
図７は、本実施形態においてＥＣＵ４２が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンは、内燃機関１０の始動後、所定の処理サイクルで繰り返し実行される。図７に示すルーチンが起動されると、先ず、水温センサ１２の出力が取得される（ステップ１００）。

次に、流量センサ１６の出力に基づいて、冷却水の流量が取得される（ステップ１０２）。

続いて、（１／τｃ）が、トムズ効果の発現範囲に属しているか否かが判別される（ステップ１０４）。ＥＣＵ４２は、本実施形態の構成において流量とτｃとの間に成立する演算式を記憶している。ここでは先ず、その演算式に従ってτｃが演算される。ＥＣＵ４２は更に、本実施形態の構成においてトムズ効果が発現する（１／τｃ）の範囲を記憶している。そして、τｃの演算値がその範囲を満たすものであるかを判別する。

上記の判別の結果、（１／τｃ）が上記範囲に属していないと判別された場合は、冷却水がトムズ効果を発現する余地はないと判断できる。この場合、フィードバック制御の設定が変更されることなく、要求流量を決定するための処理が行われる（ステップ１０６）。上記の処理過程によれば、ここでは、水温センサ１２の出力を目標温度に合わせるための冷却水流量が決定される。

上記の処理が終わると、次に、要求流量を発生させるためのポンプデューティが決定される（ステップ１０８）。以後、冷却水ポンプ２６が、そのポンプデューティで駆動される。トムズ効果が発現していない状況下では、上記の処理により冷却水流量が制御されることにより、内燃機関１０は適温に冷却される。

上記ステップ１０４において、（１／τｃ）がトムズ効果の発現範囲に属していると判別された場合は、ミセル判定が既に実行されているか否かが判別される（ステップ１１０）。

その結果、ミセル判定が未だ実行されていないと判別された場合は、冷却水にミセルが含まれているか否かを判定するための処理が実行される。ここでは、先ず、冷却水ポンプ２６の回転速度が取得される（ステップ１１２）。続いて、冷却水ポンプ２６を流れる電流が取得される（ステップ１１４）。

図６を参照して説明した通り、使用中の冷却水がミセルを含まない標準的なものであれば、電流及び流量は夫々の基準値に収まる。そして、それらの基準値は何れも、ポンプ回転速度と冷却水温に応じて変化する。上記ステップ１１４の処理が終わると、先ず、電流がその基準値以上であるか否かが判別される（ステップ１１６）。

図８は、ＥＣＵ４２が上記ステップ１１６で参照するマップの概要を示す。図８に示すマップは、水温センサ１２の出力とポンプ回転速度とを軸とする二次元マップである。このマップには実験的に取得した電流の基準値が定められている。上記ステップ１１６では、上記ステップ１００で取得した水温と上記ステップ１１２で取得したポンプ回転速度とに基づいて、このマップから電流の基準値が読み出される。そして、上記ステップ１１４で取得した電流が、その基準値以上であるかが判別される。

冷却水にミセルが添加されていれば、冷却水ポンプ２６には、基準値以上の電流が流れる。従って、ステップ１１６の判定が否定された場合は、冷却水にミセルは含まれていないと判断することができる。この場合、ミセル無添加の判定がなされ、かつ、ミセル判定実行済みのフラグ処理が行われる（ステップ１１８）。以後、ステップ１０６及び１０８の処理により、通常の設定により冷却水流量がフィードバック制御される。

一方、上記ステップ１１６において、冷却水ポンプ２６の電流が上記の基準値以上であると判別された場合は、更に、冷却水の流量が、その基準値以上であるかが判別される（ステップ１２０）。

ＥＣＵ４２は、流量の基準値についても、図８に示すマップと同様の二次元マップを記憶している。上記ステップ１２０では、今回の処理サイクル中に取得した水温及びポンプ回転速度に基づいて、そのマップから流量の基準値が読み出される。そして、上記ステップ１０２で取得した流量が、その基準値以上であるかが判別される。

上記の判別の結果、現在の冷却水流量が、その基準値以上でないと判別された場合は、冷却水にミセルは含まれていないと判断することができる。この場合、以後上述したステップ１１８以降の処理が実行される。

他方、上記ステップ１２０において、冷却水の流量が基準値以上であると判別された場合は、冷却水にミセルが添加されていると判断することができる。この場合、ミセル添加の判定がなされ、かつ、ミセル判定実行済みのフラグ処理が行われる（ステップ１２２）。

上記ステップ１２２の処理は、冷却水にミセルが添加されており、かつ、（１／τｃ）がトムズ効果の発現条件を満たしている場合に実行される。従って、この処理が実行される場合は、冷却水がトムズ効果を発現していると判断できる。より具体的には、冷却水が、圧力損失を低減させていると共に熱伝達係数を低下させていると判断することができる。この場合、熱伝達係数の低下に伴う受熱量の減少を補償するための補正が水温センサ１２の出力に施される（ステップ１２４）。

図９は、冷却水の流量と水温センサの出力補正値との相関関係を説明するための図である。上述した通り、冷却水の流量が判れば指標τｃは計算することができる（矢印５０参照）。τｃが判れば、図５に示す関係から、ミセル無添加の場合の熱伝達係数とトムズ効果の発現下での熱伝達係数を特定することができる（矢印５２参照）。これらの熱伝達係数が判れば、トムズ効果の発現下でミセル無添加の場合と同様の受熱量を得るのに必要な流量を特定することができる（矢印５４参照）。そして、冷却水の必要流量が判れば、その流量を得るために水温センサ１２の出力に施すべき補正値を特定することができる（矢印５６参照）。つまり、本実施形態のシステムでは、トムズ効果の発現下で水温センサ１２の出力に施すべき補正値は、冷却水の流量に基づいて特定することが可能である。

ＥＣＵ４２は、上記の特定に必要な規則をマップとして記憶している。そして、上記ステップ１２４では、ステップ１０２で取得した流量をそのマップに当て嵌めることにより水温センサ１２の出力補正値が算出される。尚、出力補正値は、補正前の出力に比して大きな値となる。

上記の処理が終わると、出力補正値を用いてステップ１０６及び１０８の処理が実行される。ここでは、高温側に補正された出力補正値を目標温度に近づけるためのフィードバック制御が実行される。例えば、出力補正値が目標温度を超えていれば、出力補正値を下げるために冷却水の流量が増量される。その結果、トムズ効果の影響で低下した熱伝達係数の影響が補償され、内燃機関１０が適切な温度に維持される。

上記ステップ１１８又は１２２の実行後に再び本ルーチンが起動された場合は、ステップ１１０でミセル判定が実行済みであると判別される。この場合、その判定が「ミセル添加有り」の判定であるかが判別される（ステップ１２６）。

その結果、この判別が「ミセル添加有り」ではないとされた場合は、冷却水がトムズ効果を発現する余地がないと判断できる。この場合は、ステップ１２４の処理がジャンプされ、以後、通常のフィードバック設定の下でステップ１０６及び１０８が実行される。他方、その判別が「ミセル有り」であるとされた場合は、ステップ１２４以降の処理が実行される。

以上の処理によれば、ミセルが添加されているか否かに関わらず、冷却水がトムズ効果を発現していない環境下では、通常の設定の下で冷却水の流量がフィードバック制御される。その結果、内燃機関１０の温度が適温に制御される。また、冷却水にミセルが添加されており、かつ、トムズ効果の発現条件が満たされている場合には、高温側に補正されたセンサ出力に基づいて冷却水温がフィードバック制御される。その結果、受熱量の減少分が補われて内燃機関１０の温度が、やはり適温に制御される。

［実施の形態１の変形例］
ところで、上述した実施の形態１では、冷却水の熱伝達係数の低下に伴う影響を、水温センサ１２の出力に補正を施すことで補償することとしている。しかしながら、その補償の手法はこれに限定されるものではない。この手法に代えて、或いはこの手法と合わせて、必要な補償が得られるようにフィードバック制御の目標温度を低温側に補正することとしてもよい。

また、ポンプ仕事は、冷却水ポンプ２６に提供されている電圧と、そこを流れる電流に基づいて正確に演算することとしてもよい。

実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
次に図１０乃至図１３を参照して本発明の実施の形態２について説明する。図１０は、本実施形態の冷却装置の構成を説明するための図である。本実施形態の構成は、流量センサ１６に代えて差圧センサ５８を備えている点を除いて実施の形態１の場合と同様である。本実施形態の冷却装置は、図１０に示すシステムにおいて、ＥＣＵ４２に後述する図１３に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。以下、本実施形態において、実施の形態１の場合と同様又は対応する要素については、共通する符号を付して説明を省略又は簡略する。

図１０に示す冷却装置は、冷却水ポンプ２６の下流に差圧センサ５８を備えている。差圧センサ５８には、冷却水ポンプ２６の上流に通じる通路６０が連通している。差圧センサ５８は、冷却水ポンプ２６の前後に生ずる差圧を検出することができる。

図１１は、本実施形態の冷却装置が備える制御システムの構成を示す。本実施形態において、ＥＣＵ４２には、冷却水ポンプ２６、水温センサ１２、電流センサ４０に加えて差圧センサ５８が接続されている。本実施形態の冷却装置は、ＥＣＵ４２が、差圧センサ５８の出力に基づいて冷却水の流量を演算する点に特徴を有している。

［冷却水流量の演算手法］
図１２は、冷却水ポンプ２６を流れる電流から冷却水ポンプ２６の回転速度を演算する原理を説明するための図である。より具体的には、図１２において、符号６２を付して示す直線は、冷却水ポンプ２６のモータトルクと電流との間に成立するT-I特性線を示している。また、符号６４を付して示す直線は、冷却水ポンプ２６のモータトルクと回転速度との間に成立するT-NE特性線を示す。

本実施形態のシステムでは、電流センサ４０により冷却水ポンプ２６を流れる電流を検知することができる。T-I特性線６２は既知であるから、電流が判ればモータトルクを特定することができる。更に、T-NE特性線６４も既知であるから、モータトルクが判ればポンプ回転速度も特定することができる。このため、本実施形態において、ＥＣＵ４２は、冷却水ポンプ２６を流れる電流からポンプ回転速度を演算することができる。

冷却水ポンプ２６において、モータの出力は、ポンプ仕事とロータ軸の摺動摩擦によって消費される。これらの関係は、下記（２）式で表すことができる。
モータ出力＝ポンプ仕事＋ロータ軸の摺動摩擦 ・・・（２）

上記（２）式の「モータ出力」は、モータのトルクと回転速度により決定される。従って、図１２に示す特性から、ＥＣＵ４２は電流センサ４０の出力に基づいて「モータ出力」を演算することができる。

また、上記（２）式の「ロータ軸の摺動摩擦」は、ロータ軸の回転速度、つまりポンプ回転速度の関数である。ポンプ回転速度は上記の通り電流に基づいて演算可能である。従って、ＥＣＵ４２は、電流センサ４０の出力に基づいて「ロータ軸の摺動摩擦」も演算することができる。そして、「モータ出力」と「ロータ軸の摺動摩擦」を上記（２）式に代入すれば、「ポンプ仕事」を演算することが可能である。

「ポンプ仕事」については、冷却水の流量と、ポンプ前後の差圧との間に下記の関係が成立する。
ポンプ仕事＝流量＊差圧 ・・・（３）

本実施形態では、差圧センサ５８により上記（３）式の「差圧」を検知することができる。従って、演算により取得した「ポンプ仕事」と、その「差圧」を（３）式に代入することで、ＥＣＵ４２は「流量」を演算することができる。このように、本実施形態の構成によれば、流量センサ１６を用いることなく、差圧センサ５８の出力を用いることにより、冷却水の流量を演算により求めることができる。

［実施の形態２における制御］
図１３は、本実施形態においてＥＣＵ４２が実行するルーチンのフローチャートである。図１３に示すルーチンは、ステップ１１４がステップ１００の直後に実行される点、及びステップ１１４の後にステップ１２８乃至１３２が実行される点を除いて図７に示すルーチンと同様である。以下、図１３に示すステップのうち、図７に示すステップと同様又は対応するものについては、共通する符号を付してその説明を省略又は簡略する。

図１３に示すルーチンでは、ステップ１００の処理に続いて、電流センサ４０の出力が取得される（ステップ１１４）。ＥＣＵ４２は、この処理により冷却水ポンプ２６を流れる電流を検知する。

次に、冷却水ポンプ２６のモータトルクが演算される（ステップ１２８）。ＥＣＵ４２は、図１２を参照して説明したT-I特性線６２の関係を記憶している。ここでは、その関係に、上記ステップ１１４で取得した電流を当て嵌めることにより、モータトルクが算出される。

次に、差圧センサ５８の出力が取得される（ステップ１３０）。ＥＣＵ４２は、その出力に基づいて冷却水ポンプ２６の前後差圧を検知する。

次に、図１２を参照して説明した手法により冷却水の流量が演算される（ステップ１３２）。具体的には、ＥＣＵ４２は、図１２に示すT-NE特性線６４の関係を記憶している。本ステップでは先ず、上記ステップ１２８で演算したモータトルクをその関係に当て嵌めることによりポンプ回転速度を演算する。また、ＥＣＵ４２は、ポンプ回転速度からロータ軸の摺動摩擦を求めるためのマップを記憶している。本ステップでは次に、このマップに従ってロータ軸の摺動摩擦が演算される。ＥＣＵ４２は、更に、上記（２）式及び（３）式の関係を記憶している。そして、ロータ軸の摺動摩擦とモータ出力（２＊π＊モータトルク＊モータ回転速度）を上記（２）式に代入することでポンプ仕事を算出する。最後に、そのポンプ仕事を、上記ステップ１３０で取得した差圧で除することにより冷却水の流量を求める。

図１３に示すルーチン中、ステップ１０４以降の処理は、電流と流量が判明すれば実施の形態１の場合と同様に実行することができる。このため、本実施形態の冷却装置によっても、実施の形態１の場合と同様に、ミセルを含む冷却水がトムズ効果を発現した際にも内燃機関１０の温度を適温に維持することができる。

［実施の形態２の変形例］
ところで、上述した実施の形態１では、ポンプ回転速度を、図１２に示す関係に従って電流から求めることとしている。しかしながら、ポンプ回転速度を求める手法はこれに限定されるものではない。即ち、ポンプ回転速度は、実施の形態１の場合と同様に冷却水ポンプ２６に組み込まれたセンサにより検知することとしてもよい。反対に、実施の形態１において、ポンプ回転速度は、本実施形態の場合と同様に、図１２に示す関係に従って電流から求めることとしてもよい。

実施の形態３．
次に図１４乃至図１６を参照して本発明の実施の形態３について説明する。図１４は、本実施形態の冷却装置の構成を説明するための図である。本実施形態の構成は、循環経路１８が弁６６を備えている点を除いて実施の形態２の場合と同様である。本実施形態の冷却装置は、図１４に示すシステムにおいて、ＥＣＵ４２に後述する図１６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。以下、本実施形態において、実施の形態２の場合と同様又は対応する要素については、共通する符号を付して説明を省略又は簡略する。

図１４に示す冷却装置は、内燃機関１０のウォータジェットと循環経路１８との間に弁６６を備えている。弁６６は、ウォータジェットに通じる流入口と、複数の流出口６８，７０，７２，７４，７６とを有している。複数の流出口６８，７０，７２，７４，７６には、夫々、バイパス通路３８、ラジエタ経路２０、ヒータ用熱交換装置３２、ミッションオイルウォーマ３４、及びオイルクーラ３６が連通している。弁６６は、外部から供給される指令に応じて流出口の夫々から流れ出る冷却水の割合を変化させることができる。

図１５は、本実施形態の冷却装置が備える制御システムの構成を示す。本実施形態において、ＥＣＵ４２には、冷却水ポンプ２６等に加えて弁６６が接続されている。ＥＣＵ４２は、弁６６に対して、複数の流出口６８，７０，７２，７４，７６をどのような割合で開弁させるかについての指令を供給することができる。

［弁の制御目的］
図１４に示すシステムが有するヒータ用熱交換装置３２は、内燃機関１０を搭載する車両の車室内に温風を提供するための熱交換機である。ミセルが添加された冷却水は、低温時にトムズ効果を発現し易い。そして、トムズ効果の発現下では、冷却水の熱伝達係数が低下することにより、ヒータ用熱交換装置３２における熱交換量も少量となる。他方、トムズ効果が発現し易い低温時は、車両の搭乗者がヒータを要求する可能性が高い。このため、本実施形態では、トムズ効果の発現下でも十分な暖房能力を確保するべく、ヒータ要求が生じている場合には、循環経路１８を流れる冷却水を優先的にヒータ用熱交換装置３２に分配することとした。

［実施の形態３における制御］
図１６は、本実施形態においてＥＣＵ４２が実行するルーチンのフローチャートである。図１６に示すルーチンは、ステップ１０６がステップ１３４〜１４２に置き換えられている点を除いて図１３に示すルーチンと同様である。以下、図１６に示すステップのうち、図１３に示すステップと同様又は対応するものについては、共通する符号を付してその説明を省略又は簡略する。

図１６に示すルーチンでは、ステップ１１８でミセル無添加が判別された後、或いはステップ１２４で水温センサ１２の出力が補正された後などに、ヒータ要求が生じているか否かが判別される（ステップ１３４）。本実施形態において、ＥＣＵ４２には、ヒータ要求の有無に応じた信号を発するヒータスイッチ等が接続されている。ここでは、その信号に基づいてヒータ要求の有無が判別される。

上記ステップ１３４の処理によりヒータ要求が有ると判別された場合は、冷却水の分配に関する優先順位が以下のように決定される（ステップ１３６）。
１．ヒータ用熱交換装置３２
２．ミッションオイルウォーマ３４及びオイルクーラ３６
３．ラジエタ２２

他方、上記ステップ１３４でヒータ要求が無いと判別された場合は、上記の優先順位が以下のように決定される（ステップ１３８）。
１．ミッションオイルウォーマ３４及びオイルクーラ３６
２．ヒータ用熱交換装置３２
３．ラジエタ２２

次に、必要な冷却水の流量と、弁６６のバルブ開度が決定される（ステップ１４０）。冷却水の必要流量は、実施の形態１又は２の場合と同様に、水温センサ１２の出力又はその補正値に基づいて算出される。他方、バルブ開度については、上記ステップ１３６又は１３８で定めた優先順位に従って決定される。

次に、弁６６に対して、所望のバルブ開度を実現するための指令が発せられる（ステップ１４２）。その結果、例えばステップ１３６の優先順位が選択されている場合は、以下のような状態が実現される。
１．ヒータ用熱交換装置３２に通じる弁の開度が１００％となる。
２．ミッションオイルウォーマ３４及びオイルクーラ３６に通じる弁の開度は、夫々１００％より小さなαａ％となる。
３．ラジエタ２２に通じる弁の開度は、αａ％より小さなβａ％となる。

上記の設定によれば、ヒータ用熱交換装置３２には１００％の能力で冷却水を循環させることができる。このため、本実施形態によれば、トムズ効果の発現に起因して冷却水の熱伝達係数が低下している状況下でも、ヒータ要求の発生時には優れた暖房能力を確保することができる。

他方、冷却水の分配に関して上記ステップ１３８の優先順位が選択されている場合は、以下のような状態が実現される。
１．ミッションオイルウォーマ３４及びオイルクーラ３６に通じる弁の開度が共に１００％となる。
２．ヒータ用熱交換装置３２に通じる弁の開度は、１００％より小さなαｂ％となる。
３．ラジエタ２２に通じる弁の開度は、αｂ％より小さなβｂ％となる。

ヒータ要求が生じていない場合は、ヒータ用熱交換装置３２に熱量を与える必要はない。他方、ミッションオイルウォーマ３４は、冷却水の分配量が多いほどミッションオイルに熱量を与えることができる。また、オイルクーラ３６は、冷却水の分配量が多いほど高い冷却能力を発揮する。上記の優先順位によれば、ヒータ要求が生じていない場合に、冷却の加熱能力及び冷却能力を無駄に消費させることなく有効利用することができる。

以上説明した通り、本実施形態の冷却装置によれば、冷却水を必要な箇所に集中的に流通させることができる。このため、この装置によれば、トムズ効果によって冷却水の熱伝達効果が低下した状況下においても、車両中の各箇所で必要な熱交換を適切に継続させることができる。

［実施の形態１の変形例］
ところで、上述した実施の形態３では、ヒータ要求の有無に応じて冷却水の分配に関する優先順位を変える機構を、実施の形態２の構成に組み込むこととしている。しかしながら、この機構を組み込む対象は実施の形態２の構成に限定されるものではない。この構成は、実施の形態１の構成に組み込むこととしても良い。

また、上述した実施の形態３では、ヒータ用熱交換装置３２と共に循環経路１８に組み入れるデバイスとして、ミッションオイルウォーマ３４とオイルクーラ３６を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。循環経路１８には、それらのデバイスに変えて、或いはそれらのデバイスと共に、他の熱交換装置を組み入れることとしてもよい。

１０ 内燃機関
１２ 水温センサ
１６ 流量センサ
１８ 循環経路
２６ 冷却水ポンプ
４２ ＥＣＵ (Electronic Control Unit)
４０ 電流センサ
５８ 差圧センサ
３２ ヒータ用熱交換機
３４ ミッションオイルウォーマ
３６ オイルクーラ
６６ 弁

Claims (7)

1. 内燃機関のウォータジャケットを含む冷却水の循環経路と、当該循環経路に配置された水温センサ及び冷却水ポンプと、前記水温センサの出力に基づいて前記冷却水ポンプを制御する制御装置とを備える内燃機関の冷却装置であって、
   前記制御装置は、
   前記水温センサの出力が目標温度となるように前記冷却水ポンプの動力をフィードバック制御する処理と、
   前記冷却水ポンプのポンプ仕事と前記循環経路を流れる冷却水の流量とに基づいて、冷却水にミセルが添加されているか否かを判定するミセル判定処理と、
   前記流量が、トムズ効果の発現条件を満たしているか否かを判定するトムズ判定処理と、
   前記ミセルの添加が肯定され、かつ、前記トムズ効果の発現条件が成立している場合に、前記目標温度に対する前記水温センサの出力の相対的な値を高める補正処理と、
   を実行することを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 前記補正処理は、前記流量に基づいて、前記水温センサの出力を高温側に補正する処理を含む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. 前記補正処理は、前記流量に基づいて、前記目標温度を低温側に補正する処理を含む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。
4. 前記冷却水ポンプに電圧を供給する電源と、
   前記冷却水ポンプを流れる電流を検出する電流センサと、
   前記循環経路に配置された流量センサと、を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記電流センサの出力に基づいて前記ポンプ仕事を演算し、
   前記流量センサの出力に基づいて前記流量を演算することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の冷却装置。
5. 前記冷却水ポンプに電圧を供給する電源と、
   前記冷却水ポンプを流れる電流を検出する電流センサと、
   前記冷却水ポンプの前後差圧を検出する差圧センサと、を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記電流センサの出力に基づいて前記ポンプ仕事を演算し、
   前記ポンプ仕事と前記差圧センサの出力とに基づいて前記流量を演算することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の冷却装置。
6. 前記ミセル判定処理は、
   前記冷却水ポンプの回転速度を検出する処理と、
   前記回転速度と前記水温センサの出力とに基づいて前記ポンプ仕事の基準値を演算する処理と、
   前記回転速度と前記水温センサの出力とに基づいて前記流量の基準値を演算する処理と、を含み、
   前記ポンプ仕事が当該ポンプ仕事の基準値以上であり、かつ、前記流量が当該流量の基準値以上である場合に冷却水にミセルが添加されていると判定することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関の冷却装置。
7. 前記循環経路に組み込まれたヒータ用熱交換装置と、
   前記循環経路に、前記ヒータ用熱交換装置と並列に組み込まれた他の熱交換装置と、
   前記循環経路を流れる冷却水を、前記ヒータ用熱交換装置及び前記他の熱交換装置の夫々に分配する弁と、を備え、
   前記弁は、夫々の熱交換装置への分配比率を変化させることができ、
   前記制御装置は、
   ヒータ要求の有無を判定する処理と、
   ヒータ要求がある場合には前記ヒータ用熱交換装置への分配量を第１優先とするモードに前記弁を制御する処理と、
   ヒータ要求がない場合には前記ヒータ用熱交換装置への分配に対して前記他の熱交換装置への分配を優先するモードに前記弁を制御する処理と、
   を更に実行することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の内燃機関の冷却装置。
   

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