JP6806016B2 - エンジン冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン冷却装置に関する。

特許文献１に見られるように、ラジエータを通る水路とラジエータを通らない水路とが冷却水回路に並行に設けられるとともに、各水路の冷却水の流量比率を可変とする冷却水制御弁を備えたエンジン冷却装置が知られている。こうしたエンジン冷却装置では、ラジエータに流す冷却水の流量比率を増減することで、エンジンに流入する冷却水の温度を調整することができる。

特開２０１３−１２４６５６号公報

上記エンジン冷却装置では、外気が低温の状態でラジエータを通る冷却水の流量比率をゼロ、乃至は微小とした状態が長く続くと、ラジエータ内の冷却水が外気によって冷却され、水温センサにより検出された冷却水の温度とラジエータ内の冷却水の温度が大きく乖離することがある。そうした状態でラジエータに流す冷却水の流量比率を増大すると、熱歪みによるラジエータの耐久性の低下を招く虞がある。また、同流量比率の増大によれば、それまでラジエータ内に滞留していた冷えた冷却水がラジエータから一気に送り出されるため、エンジンに流入する冷却水の温度が下がり過ぎてしまう虞がある。このようにラジエータに流す冷却水の流量比率を変更可能なエンジン冷却装置では、冷却水回路を循環する冷却水の温度とは別に、ラジエータ内の冷却水の温度を確認することが望ましい。しかしながら、費用等の問題で、ラジエータ内の冷却水の温度を検出するための専用のセンサを設置できないことがある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、直接の計測に依らずにラジエータの冷却水温を確認できるエンジン冷却装置を提供することにある。

上記課題を解決するエンジン冷却装置は、エンジンを通過した冷却水を同エンジンに還流させる冷却水回路と、前記冷却水回路に設けられてラジエータを通って冷却水を流す第１水路と、前記冷却水回路に前記第１水路と並列に設けられて前記ラジエータを通らずに冷却水を流す第２水路と、前記第１水路を流れる冷却水の流量である第１水路流量Ｆｒａｄと前記第２水路を流れる冷却水の流量である第２水路流量Ｆｓｅｃとを調整する冷却水制御弁と、前記冷却水回路における前記第１水路及び前記第２水路の分岐点の到達前の冷却水の温度である出口水温Ｔｏｕｔを検出する出口水温センサと、前記冷却水回路における前記第１水路及び前記第２水路の合流点の通過後の冷却水の温度である入口水温Ｔｉｎを検出する入口水温センサと、前記ラジエータの冷却水出口部分の冷却水の温度をラジエータ水温Ｔｒａｄとしたとき、前記第１水路流量Ｆｒａｄが既定流量以上であるときの前記ラジエータ水温Ｔｒａｄを、前記第１水路流量Ｆｒａｄ、前記第２水路流量Ｆｓｅｃ、前記出口水温Ｔｏｕｔ、及び前記入口水温Ｔｉｎに対して下式（１）の関係を満たす値となるように算出する水温推定部と、を備えている。

上記エンジン冷却装置では、冷却水回路を流れる冷却水は、同冷却水回路の途中で第１水路と第２水路とに一旦分岐し、その後に第１水路の冷却水と第２水路の冷却水とが合流した後、エンジンに流入する。ここで、両水路の合流点に第１水路から流入する冷却水を第１水路冷却水とし、同合流点に第２水路から流入する冷却水を第２水路冷却水とする。第１水路冷却水と第２水路冷却水との間に温度差が存在する場合、合流後に第１水路冷却水と第２水路冷却水の間で熱が授受される。このときの第１水路冷却水が第２水路冷却水から受け取る熱量と、第２水路冷却水が第１水路冷却水から受け取る熱量とは等しくなる。なお、第１水路冷却水の温度は、ラジエータの出口部分の冷却水の温度（ラジエータ水温Ｔｒａｄ）とほぼ等しい温度となる。よって、熱量Ｑと温度変化ΔＴとの関係式（Ｑ＝ΔＴ×質量×比熱）から、第１水路冷却水と第２水路冷却水との間で授受される熱量についての式（２）の関係が導かれる。なお、式（２）における「Ｔｓｅｃ」は第２水路冷却水の温度を示している。

ここで、ラジエータで冷却された第１水路冷却水の出口水温Ｔｏｕｔに対する温度差（＝Ｔｏｕｔ−Ｔｒａｄ）に比べれば、出口水温Ｔｏｕｔに対する第２水路冷却水の温度差（＝Ｔｏｕｔ−Ｔｓｅｃ）は僅かなものとなる。よって、第２水路冷却水の温度Ｔｓｅｃが出口温度Ｔｏｕｔと同じ温度であるとしても、式（２）の関係はほぼ成立する。上記の式（１）は、式（２）の温度Ｔｓｅｃを出口水温Ｔｏｕｔに置き換え、ラジエータ水温Ｔｒａｄについて解いたものとなっている。

よって、第１水路の冷却水の流量が、同冷却水の温度が入口水温Ｔｉｎに影響する程の流量である場合には、第１水路流量Ｆｒａｄ、第２水路流量Ｆｓｅｃ、出口水温Ｔｏｕｔ、及び入口水温Ｔｉｎから式（１）の関係を満たす値となるようにラジエータ水温Ｔｒａｄを算出することで、同ラジエータ水温Ｔｒａｄを推定することができる。

なお、第１水路から合流点に流入する冷却水の温度が入口水温Ｔｉｎに殆ど影響しない程、第１水路流量Ｆｒａｄが少ない場合のラジエータ水温Ｔｒａｄは、時間の経過に応じて外気温に近づく。このときのラジエータ水温Ｔｒａｄの外気温への収束は、ラジエータに吹き付ける風の風速が高いときほど早くなる。そこで、第１水路流量Ｆｒａｄが既定流量未満となる直前のラジエータ水温Ｔｒａｄの算出値を初期水温としたとき、上記エンジン冷却装置における水温推定部を、初期水温と外気温とに基づき、第１水路流量Ｆｒａｄが既定流量未満となってからの時間の経過に応じて初期水温から外気温へと一次遅れ要素を有して変化していく値として、第１水路流量Ｆｒａｄが既定流量未満であるときのラジエータ水温Ｔｒａｄを算出し、且つラジエータに吹き付ける風の風速が高い場合には同風速が低い場合に比べて一次遅れ要素の時定数を小さい値に設定するものとするとよい。なお、電動ファン等によるラジエータへの強制送風を行っていない場合、ラジエータに吹き付ける風の風速は、エンジンを搭載した車両の走行速度によって決まる。よって、そうした場合には、エンジンを搭載した車両の走行速度に基づき、同走行速度が高い場合には同走行速度が低い場合に比べて上記時定数を小さい値となるように設定するとよい。

なお、ラジエータ水温Ｔｒａｄが低い状態において、第１水路の冷却水の流量を急増すると、ラジエータに熱歪が発生したり、エンジンに流入する冷却水の温度が急激に低下したりすることがある。これに対しては、上記エンジン冷却装置において、冷却水制御弁の動作を制御する制御部であって、水温推定部が算出したラジエータ水温Ｔｒａｄが低いときには、同ラジエータ水温Ｔｒａｄが高いときよりも、前記第１水路の冷却水の流量を増加させる際の冷却水制御弁の動作速度を低くする制御部を備えるようにするとよい。

上述の式（１）の関係に基づくラジエータ水温Ｔｒａｄの算出は、第１水路との合流点に第２水路から流入する冷却水の温度が、出口水温Ｔｏｕｔとほぼ等しい温度であると見做せることを前提としている。一方、エンジンの始動直後には、第２水路に冷えた冷却水が残留していることがあり、第２水路に冷却水を流し始めた直後には、その残留した冷却水が合流点に流入するため、的確にラジエータ水温Ｔｒａｄを算出できない虞がある。これに対しては、エンジンの始動後に冷却水回路を通じた冷却水の循環を開始する際に、時間差をつけて第２水路、第１水路の順に冷却水の流れを開始するようにするとよい。

第１実施形態のエンジン冷却装置の模式図。 同エンジン冷却装置が備える冷却水制御弁の弁位相と各吐出ポートの開口率との関係を示すグラフ。 同エンジン冷却装置に設けられた水温推定部が実行するラジエータポート開時のラジエータ水温の推定処理のブロック線図。 同水温推定部が実行するラジエータポート閉時のラジエータ水温推定処理のブロック線図。 上記ラジエータポート閉時のラジエータ水温推定処理でのラジエータ水温の算出態様の説明図。 同エンジン冷却装置に設けられたＣＣＶ制御部が実行するＣＣＶ制御処理のブロック線図。

以下、エンジン冷却装置の一実施形態を、図１〜図６を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態のエンジン冷却装置は、車載用のエンジンに適用されている。
図１に示すように、本実施形態のエンジン冷却装置は、エンジン１０を通過した冷却水をエンジン１０に還流させる冷却水回路１３を備えている。冷却水回路１３は、シリンダヘッド１２に設けられた流出口１０Ｂから流出した冷却水を、シリンダブロック１１に設けられた冷却水の流入口１０Ａに流すように形成されている。

冷却水回路１３における流出口１０Ｂへの接続部分には、冷却水制御弁１４が設けられている。冷却水回路１３は、冷却水制御弁１４において、デバイス水路１５、ヒータ水路１６、ラジエータ水路１７の３つの水路に分岐されている。

デバイス水路１５は、スロットルバルブ１８、ＥＧＲバルブ１９、ＥＧＲクーラ２０、オイルクーラ２１を通って冷却水を流すように構成されている。また、ヒータ水路１６はヒータコア２２を通って冷却水を流すように、ラジエータ水路１７はラジエータ２４を通って冷却水を流すように、それぞれ構成されている。これら３つの水路１５−１７は、合流点２５において合流している。こうした本実施形態では、冷却水回路１３に設けられてラジエータ２４を通って冷却水を流す第１水路が、ラジエータ水路１７により構成されている。また、冷却水回路１３に第１水路と並列に設けられてラジエータ２４を通らずに冷却水を流す第２水路が、デバイス水路１５及びヒータ水路１６により構成されている。さらに、本実施形態では、冷却水制御弁１４が、冷却水回路１３における第１水路及び第２水路の分岐点となっている。

冷却水回路１３における合流点２５と流入口１０Ａとの間の部分には、機械式ウォータポンプ２６が設けられている。機械式ウォータポンプ２６は、エンジン１０の出力を受けて動作して、エンジン１０、冷却水回路１３を通って冷却水を循環させる。なお、本実施形態のエンジン冷却装置には、機械式ウォータポンプ２６に加えて電動式ウォータポンプ２３がヒータ水路１６に設けられている。電動式ウォータポンプ２３は、エンジン１０の停止中に、機械式ウォータポンプ２６が停止した際に、ヒータコア２２への冷却水の供給を継続するために設けられている。

なお、シリンダヘッド１２における流入口１０Ａの近傍の部分には、エンジン１０に流入した直後の冷却水の温度である入口水温Ｔｉｎを検出する入口水温センサ２７が設けられている。また、冷却水制御弁１４には、エンジン１０を通過した直後の冷却水の温度である出口水温Ｔｏｕｔを検出する出口水温センサ２８が設けられている。ここでの入口水温Ｔｉｎは、冷却水回路１３における第１水路（ラジエータ水路１７）及び第２水路（デバイス水路１５、ヒータ水路１６）の合流点２５の通過後の冷却水の温度に相当する。また、出口水温Ｔｏｕｔは、冷却水回路１３における第１水路及び第２水路の分岐点の到達前の冷却水の温度に相当する。

さらに、本実施形態のエンジン冷却装置は、電子制御ユニット２９を備えている。電子制御ユニット２９には、上述の入口水温Ｔｉｎ、出口水温Ｔｏｕｔの検出結果に加え、車速センサ３２による車両の走行速度ＳＰＤ及び外気温センサ３３による外気温ＴＨＡの、両検出結果が入力されている。また、電子制御ユニット２９には、エンジン回転数ＮＥやエンジン負荷率ＫＬ等のエンジン１０の運転状態を示す情報が入力されている。

本実施形態のエンジン冷却装置において電子制御ユニット２９は、冷却水制御弁１４の制御を通じて冷却水回路１３における冷却水の流れを制御している。電子制御ユニット２９は、冷却水制御弁１４の制御にかかる制御構造として、ラジエータ２４の冷却水出口部分の冷却水の温度（ラジエータ水温Ｔｒａｄ）の推定にかかる処理を行う水温推定部３０と、冷却水制御弁１４の駆動電圧の制御にかかる処理を行うＣＣＶ制御部３１と、を備えている。

次に、冷却水制御弁１４の詳細を説明する。冷却水制御弁１４は、シリンダヘッド１２の流出口１０Ｂから流入した冷却水を吐出する吐出ポートとして、デバイス水路１５に繋がるデバイスポート、ヒータ水路１６に繋がるヒータポート、ラジエータ水路１７に繋がるラジエータポートの３つのポートを備えている。また、冷却水制御弁１４の内部には、回転可能に設けられた弁体と、その弁体を回転するモータとが内蔵されている。そして、冷却水制御弁１４は、モータによる弁体の回転に応じて各吐出ポートの開口面積が変化するように構成されている。

なお、本実施形態では、こうした冷却水制御弁１４のモータとして、通電方向を逆とすることで回転方向が反転するブラシ付き直流モータを採用している。以下の説明では、モータの通電方向を所定方向としたときの弁体の回転方向をプラス方向とし、通電方向を上記所定方向とは逆方向としたときの弁体の回転方向をマイナス方向とする。

図２に、冷却水制御弁１４における弁体の弁位相θと各吐出ポートの開口率との関係を示す。なお、弁位相θは、上記３つの吐出ポートのすべてが閉じた状態となる位置を、弁位相θが「０°」の位置とし、その位置からのプラス方向、マイナス方向の弁体の回転角度を表している。また、開口率は、全開時の開口面積を「１００％」とした、各吐出ポートの開口面積の比率を表している。

同図に示すように、各吐出ポートの開口率は、弁体の弁位相θにより変化するように設定されている。なお、弁位相θが「０°」の位置よりもプラス方向の弁位相θの範囲は、車室内の暖房時に使用される弁位相θの範囲（冬モード使用域）とされており、弁位相θが「０°」の位置よりもマイナス方向の弁位相θの範囲は、車室内の非暖房時に使用される弁位相θの範囲（夏モード使用域）とされている。

弁位相θが「０°」の位置から弁体をプラス方向に回転させると、まずヒータポートが開き始め、プラス方向への弁位相θの増加に応じてヒータポートの開口率が次第に大きくなる。ヒータポートが全開に、すなわちその開口率が「１００％」に達すると、次にデバイスポートが開き始め、プラス方向への弁位相θの増加に応じてデバイスポートの開口率が次第に大きくなる。そして、デバイスポートが全開に、すなわちその開口率が「１００％」に達すると、ラジエータポートが開き始め、プラス方向への弁位相θの増加に応じてラジエータポートの開口率が次第に大きくなり、やがては「１００％」に達するようになる。

一方、弁位相θが「０°」の位置から弁体をマイナス方向に回転させると、まずデバイスポートが開き始め、マイナス方向への弁位相θの増加に応じてデバイスポートの開口率が次第に大きくなる。そして、デバイスポートが全開に、すなわちその開口率が「１００％」に達する位置よりも少し手前の位置から、ラジエータポートが開き始め、マイナス方向への弁位相θの増加に応じてラジエータポートの開口率が次第に大きくなり、やがては「１００％」に達するようになる。ちなみに、弁位相θが「０°」の位置よりもマイナス方向の夏モード使用域では、ヒータポートは常に全閉となっている。

こうした冷却水制御弁１４では、上記モータに流す電流の向きによって弁位相θの変化の方向が切り替り、同モータに印加する電圧（以下、駆動電圧Ｅｃｃｖと記載する）の大きさにより弁位相θの変化の速度が変化する。そして、冷却水制御弁１４の弁位相θが変化すると、それに応じて上記３つの水路１５−１７をそれぞれ流れる冷却水の流量の比率が変化する。

（ラジエータ水温の推定）
続いて、水温推定部３０が行うラジエータ水温Ｔｒａｄの推定にかかる処理について説明する。

上記のように構成された本実施形態のエンジン冷却装置では、ラジエータ水路１７の冷却水と、デバイス水路１５及びヒータ水路１６の冷却水とが合流点２５で合流してエンジン１０に流入する。ラジエータ水路１７を流れる冷却水の流量（ラジエータ流量Ｆｒａｄ）が０、乃至は微小な場合、入口水温センサ２７が検出する入口水温Ｔｉｎに対して、ラジエータ水温Ｔｒａｄは殆ど影響を与えない。水温推定部３０は、ラジエータ水温Ｔｒａｄの影響が入口水温Ｔｉｎに表れないほどラジエータ流量Ｆｒａｄが少ない場合と、そうでない場合とで、異なる態様でラジエータ水温Ｔｒａｄを推定している。以下では、前者の場合をラジエータポートの閉時と呼び、後者の場合をラジエータポートの開時と呼ぶ。

水温推定部３０は、ラジエータ流量Ｆｒａｄが既定流量α以上の場合にラジエータポート開時であると判定し、ラジエータ流量Ｆｒａｄが既定流量α未満の場合にラジエータポート閉時であると判定している。なお、冷却水回路１３を通って循環する冷却水の総流量は、機械式ウォータポンプ２６の冷却水の吐出流量により決まり、同吐出流量はエンジン回転数ＮＥにより定まる。また、デバイス水路１５、ヒータ水路１６、ラジエータ水路１７をそれぞれ流れる冷却水の流量比率は、冷却水制御弁１４の弁位相θにより定まる。そのため、ラジエータ流量Ｆｒａｄは、エンジン回転数ＮＥと冷却水制御弁１４の弁位相θとから演算して求めることができる。

なお、上記既定流量αは微小であるため、機械式ウォータポンプ２６の冷却水の吐出流量がエンジン回転数ＮＥにより変化しても、ラジエータ流量Ｆｒａｄが既定流量αとなる冷却水制御弁１４の弁位相θは殆ど変わらない。そのため、ラジエータ流量Ｆｒａｄが既定流量α以上であるか否かの判定を、冷却水制御弁１４の弁位相θのみに基づいて行うようにしてもよい。

図３に、ラジエータポート開時におけるラジエータ水温Ｔｒａｄの推定処理のブロック線図を示す。水温推定部３０は、ラジエータポート開時であると判定している間、既定の演算周期毎に本処理を繰り返し実行する。

詳しくは、本処理において水温推定部３０はまず、流量比率Ｒｆを演算する。流量比率Ｒｆの値は、デバイス水路１５を流れる冷却水の流量（デバイス流量Ｆｄｅｖ）とヒータ水路１６を流れる冷却水の流量（ヒータ流量Ｆｈｔ）との合計を、ラジエータ流量Ｆｒａｄで除算した商を表す。すなわち、流量比率Ｒｆは、冷却水回路１３に併設された上記３つの水路を、ラジエータ２４を通る第１水路（ラジエータ水路１７）とラジエータ２４を通らない第２水路（デバイス水路１５，ヒータ水路１６）とに区分した場合の第１水路に対する第２水路の冷却水の流量比率を表す。なお、本実施形態のエンジン冷却装置では、冷却水制御弁１４の弁位相θにより、各水路１５−１７をそれぞれ流れる冷却水の流量の比率が、ひいては流量比率Ｒｆが一義的に定まる。そこで、水温推定部３０は、予め実験等で求められた弁位相θと流量比率Ｒｆの関係を記憶した演算マップＭ１を用いて、弁位相θから流量比率Ｒｆを求めている。

続いて、水温推定部３０は、出口水温Ｔｏｕｔから入口水温Ｔｉｎを引いた差（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）に上記流量比率Ｒｆを乗算した積を求める。そして、その積を入口水温Ｔｉｎから引いた差をラジエータ水温Ｔｒａｄの推定値として算出する。

こうしたラジエータポート開時のラジエータ水温Ｔｒａｄの推定処理では、本処理において水温推定部３０は、式（３）に基づいてラジエータ水温Ｔｒａｄが算出されることになる。

式（３）の関係は、デバイス水路１５及びヒータ水路１６から合流点２５に流入する冷却水の温度（第２水路水温Ｔｓｅｃ）が出口水温Ｔｏｕｔに等しいとしたときに成立する関係となっている。これに対して、エンジン１０の暖機完了後には、デバイス水路１５を通過している間の冷却水の温度低下は限られたものとなる。また、ラジエータ２４は、ヒータコア２２に対して大幅に高い熱交換能力を有している。そのため、ラジエータ水路１７での冷却水の温度低下に比べ、デバイス水路１５及びヒータ水路１６での冷却水の温度低下は限られたものとなり、第２水路水温Ｔｓｅｃを出口水温Ｔｏｕｔと見做しても、式（３）からは十分な精度でラジエータ水温Ｔｒａｄの算出が可能である。

図４に、ラジエータポート閉時におけるラジエータ水温Ｔｒａｄの推定処理のブロック線図を示す。水温推定部３０は、ラジエータポート閉時であると判定している間、既定の演算周期毎に本処理を繰り返し実行する。

なお、以下の説明では、ラジエータ流量Ｆｒａｄが既定流量α未満となり、水温推定部３０がラジエータ水温Ｔｒａｄの推定処理をラジエータポート開時の処理からラジエータポート閉時の処理へと切り替えたときを、閉塞開始時と呼ぶ。閉塞開始時に水温推定部３０は、同閉塞開始時の前に最後に実行したラジエータポート開時の推定処理におけるラジエータ水温Ｔｒａｄの算出値を初期水温Ｔ０の値として記憶している。

本処理において水温推定部３０は、閉塞開始時からの時間の経過に応じて、初期水温Ｔ０から外気温ＴＨＡへと一次遅れ要素を有して変化していく値として、ラジエータ水温Ｔｒａｄを算出している。そして、水温推定部３０は、こうした本処理でのラジエータ水温Ｔｒａｄの算出に際しての上記一次遅れ要素の時定数を、ラジエータ２４に吹き付ける風の風速が高いときほど小さい値に設定している。なお、電動ファン等によるラジエータ２４への強制送風を行っていない場合、ラジエータ２４に吹き付ける風の風速は、車両の走行速度ＳＰＤにより決まる。そこで、本実施形態では、上記一次遅れ要素の時定数を車両の走行速度ＳＰＤに基づき設定している。

詳しくは、本処理において水温推定部３０はまず、初期水温Ｔ０から外気温ＴＨＡを引いた差を収束水温差ΔＴｆの値として算出する。続いて、水温推定部３０は、収束水温差ΔＴｆから前回水温差ΔＴｐｒｅを引いた差を、残余水温差ΔＴｒｅｓの値として算出する。前回水温差ΔＴｐｒｅは、前回の演算周期における本処理の実行時における現在水温差ΔＴの演算値を表す。また、現在水温差ΔＴは、初期水温Ｔ０から現在のラジエータ水温Ｔｒａｄを引いた差を表している。すなわち、現在水温差ΔＴは、閉塞開始時から現在までの期間におけるラジエータ水温Ｔｒａｄの変化量を表している。よって、収束水温差ΔＴｆから前回水温差ΔＴｐｒｅを引いた差として求められた残余水温差ΔＴｒｅｓの値は、前回の演算周期におけるラジエータ水温Ｔｒａｄと現在の外気温ＴＨＡとの差を表している。

更に、水温推定部３０は、残余水温差ΔＴｒｅｓを時定数Ｓｍで除算した商を、水温変化量Ｃｔの値として求めている。そして、前回水温差ΔＴｐｒｅと水温変化量Ｃｔとの和を初期水温Ｔ０から引いた差を、ラジエータ水温Ｔｒａｄの値として算出する。

一方、本処理において水温推定部３０は、走行速度ＳＰＤと時定数Ｓｍとの関係が記憶された演算マップＭ２を用いて、走行速度ＳＰＤから時定数Ｓｍの値を算出している。演算マップＭ２は、時定数Ｓｍの値が、１よりも大きい値の範囲において、走行速度ＳＰＤが高いほど小さい値となるように設定されている。

図５は、閉塞開始時を時刻ｔ０、前回の演算周期を時刻ｔ［ｉ−１］、今回の演算周期を時刻ｔ［ｉ］、前回の演算周期におけるラジエータ水温Ｔｒａｄの算出値をＴｒａｄ［ｉ−１］、今回の演算周期におけるラジエータ水温Ｔｒａｄの算出値をＴｒａｄ［ｉ］としたときの、上記推定処理での算出に用いられる各パラメータの関係を示している。本処理において算出したラジエータ水温Ｔｒａｄの値は、外気温ＴＨＡ及び走行速度ＳＰＤが一定の場合、閉塞開始時である時刻ｔ０からの時間の経過に応じて、一次遅れ要素を有して初期水温Ｔ０から外気温ＴＨＡに変化していく値となる。また、本処理では、走行速度ＳＰＤが高い場合には、上記一次遅れ要素の時定数Ｓｍが小さい値に設定されて、より速やかに外気温ＴＨＡへと収束するようにラジエータ水温Ｔｒａｄの値が算出される。

ラジエータ２４の内外の冷却水の移動が殆ど無い場合のラジエータ水温Ｔｒａｄは、時間の経過と共に外気温ＴＨＡに近づく。外気温ＴＨＡとの温度差が大きいほど、或いは走行速度ＳＰＤが高くてラジエータ２４に吹き付ける風の風速が高いほど、このときの外気温ＴＨＡへのラジエータ水温Ｔｒａｄの変化は早くなる。本処理では、こうしたラジエータ水温Ｔｒａｄの変化に対する外気温ＴＨＡや走行速度ＳＰＤの影響を反映したかたちでのラジエータ水温Ｔｒａｄが算出されている。

なお、ラジエータポート閉時の推定処理からラジエータポート開時の推定処理への切替の直後には、推定誤差のため、切替と共にラジエータ水温Ｔｒａｄの値がステップ状に変化することが、すなわちラジエータ水温Ｔｒａｄの値が不連続に変化することがある。そこで、本実施形態では、ラジエータポート閉時の推定処理からラジエータポート開時の推定処理への切替の直後には、ラジエータ水温Ｔｒａｄの算出値に徐変処理を施すことで、同算出値の不連続な変化が生じないようにしている。

（冷却水制御弁の制御）
本実施形態のエンジン冷却装置では、水温推定部３０によるラジエータ水温Ｔｒａｄの推定結果を、ＣＣＶ制御部３１が実行する冷却水制御弁１４の制御に反映している。次に、ＣＣＶ制御部３１による冷却水制御弁１４の制御にかかる処理（ＣＣＶ制御処理）の詳細を説明する。

図６に、ＣＣＶ制御部３１が実行するＣＣＶ制御処理のブロック線図を示す。ＣＣＶ制御部３１は、エンジン１０の運転中、既定の制御周期毎に本処理を繰り返し実行する。
本処理においてＣＣＶ制御部３１はまず、冷却水制御弁１４の弁位相θの目標値である目標弁位相θｔを設定する。目標弁位相θｔは、エンジン１０の暖機完了前と暖機完了後とでは異なる態様で設定される。なお、本実施形態では、エンジン１０の始動後に出口水温Ｔｏｕｔが既定の暖機完了温度Ｔ２まで上昇したときに同エンジン１０の暖機が完了したと判定している。

エンジン１０の暖機完了前の目標弁位相θｔは、次のように、出口水温Ｔｏｕｔに応じて設定される。まず、出口水温Ｔｏｕｔが既定の水止完了温度Ｔ１（＜暖機完了温度Ｔ２）未満の場合、デバイスポート、ヒータポート、ラジエータポートの３つの吐出ポートの開口率がいずれも「０％」となる弁位相θが「０°」の位置が目標弁位相θｔとして設定される。そして、これにより、エンジン１０の内部からの冷却水の流出を遮断して、シリンダ壁面の昇温を促進している。出口水温Ｔｏｕｔが水止完了温度Ｔ１を超えると、目標弁位相θｔは、出口水温Ｔｏｕｔの上昇に応じてプラス側、又はマイナス側に増加される。このとき、外気温ＴＨＡが基準温度以下であって暖房が使用される可能性が高ければ、目標弁位相θｔはプラス側に増加され、外気温ＴＨＡが基準温度を超えていて暖房が使用される可能性が低いときには、目標弁位相θｔはマイナス側に増加される。このときの目標弁位相θｔの増加は、出口水温Ｔｏｕｔが暖機完了温度Ｔ２に達した時点で、ラジエータポートが開き始める直前の弁位相となるように行われる。

エンジン１０の暖機完了後には、エンジン１０の運転状況に応じて設定された目標水温へと出口水温Ｔｏｕｔをフィードバック制御する水温制御が開始され、この水温制御により目標弁位相θｔが設定される。水温制御では、ノッキングが発生し易い条件でエンジン１０が運転されているときには、ノッキングの発生を抑えるために目標水温として低い温度が設定され、ノッキングが発生し難い条件でエンジン１０が運転されているときには、潤滑油の粘度を下げて燃費を向上するために目標水温として高い温度が設定される。そして、目標水温に対する出口水温Ｔｏｕｔの偏差に応じて、目標弁位相θｔが設定される。具体的には、水温制御において目標弁位相θｔは、出口水温Ｔｏｕｔが目標水温よりも高いときにはラジエータポートの開口率が大きくなる側に徐々に変更され、出口水温Ｔｏｕｔが目標水温よりも低いときにはラジエータポートの開口率が小さくなる側に徐々に変更される。

そして、ＣＣＶ制御部３１は、目標弁位相θｔに対する現在の弁位相θの偏差Δθ（＝θｔ−θ）に応じて冷却水制御弁１４の駆動電圧Ｅｃｃｖをフィードバック制御している。本実施形態では、駆動電圧Ｅｃｃｖのフィードバック制御を、ＰＩＤ制御で行うようにしている。すなわち、偏差Δθに比例ゲインＫｐを乗算した積である比例項、偏差Δθの時間積分値に積分ゲインＫｉを乗算した積である積分項、偏差Δθの時間微分値に微分ゲインＫｄを乗算した積である微分項の３項の和を、駆動電圧Ｅｃｃｖの指令値として算出する。

なお、本実施形態では、こうしたＰＩＤ制御における積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄの値は定数としている。これに対して、比例ゲインＫｐの値は、ラジエータ水温Ｔｒａｄの推定値に応じて変化する可変値としている。すなわち、ＣＣＶ制御部３１は、水温推定部３０が算出したラジエータ水温Ｔｒａｄに基づき、ラジエータ水温Ｔｒａｄが低いほど小さい値となるように比例ゲインＫｐの値を設定する。本実施形態では、ＣＣＶ制御部３１は、ラジエータ水温Ｔｒａｄと比例ゲインＫｐとの関係を記憶した演算マップＭ３を用いて、比例ゲインＫｐに設定する値を求めている。演算マップＭ３では、ラジエータ水温Ｔｒａｄが所定温度以上の場合には比例ゲインＫｐは一定の値となり、ラジエータ水温Ｔｒａｄが上記所定温度から低下していくと上記一定の値から比例ゲインＫｐの値が徐々に小さくなるように設定されている。これにより、ラジエータ水温Ｔｒａｄが低いときには、同ラジエータ水温Ｔｒａｄが高いときよりも、冷却水制御弁１４の動作速度を、より詳細には目標弁位相θｔに対する冷却水制御弁１４の弁位相θの応答速度を低くするようにしている。したがって、水温推定部が算出したラジエータ水温Ｔｒａｄが低いときには、同ラジエータ水温Ｔｒａｄが高いときよりも、第１水路の冷却水の流量を増加させる際の冷却水制御弁１４の動作速度、すなわち目標弁位相θｔに対する冷却水制御弁１４の弁位相θの応答速度は低くなる。

（作用効果）
続いて、以上のように構成された本実施形態の作用効果を記載する。
本実施形態のエンジン冷却装置では、エンジン１０の暖機完了後に行われる水温制御では、出口水温Ｔｏｕｔに対して大幅に高い温度が目標水温として設定されると、ラジエータ流量Ｆｒａｄがゼロ乃至は微小となり、ラジエータ２４の内外の冷却水の移動が殆ど生じない状態となることがある。外気温ＴＨＡが低いときに、こうした状態が生じると、ラジエータ２４内に滞留した冷却水が外気により冷やされて、冷却水回路１３を循環している冷却水とラジエータ２４内の冷却水との温度の乖離が大きくなる。

こうした状況において、ラジエータ流量Ｆｒａｄが急増され、ラジエータ２４内の水温に対して高温の冷却水がラジエータ２４に流入すると、熱歪みが生じてラジエータ２４の耐久性が低下する虞がある。また、上記ラジエータ流量Ｆｒａｄの急増後には、それまでラジエータ２４内に滞留していた冷たい冷却水がエンジン１０に流入するため、出口水温Ｔｏｕｔが低下することがある。こうした出口水温Ｔｏｕｔの低下は、ラジエータ２４内の冷却水が置き換わるまでの一時的なものであるため、水温制御の制御性の悪化を招いてしまう。

これに対して本実施形態のエンジン冷却装置では、水温推定部３０が実行する推定処理により、直接計測せずともラジエータ水温Ｔｒａｄが正確に求められるようになっている。そして、ＣＣＶ制御部３１は、その推定したラジエータ水温Ｔｒａｄが低いときには、同ラジエータ水温Ｔｒａｄが高いときよりも動作速度が低くなるように冷却水制御弁１４を制御している。そのため、ラジエータ水温Ｔｒａｄが低いときにはラジエータ流量Ｆｒａｄの変化が抑えられ、上記のような熱歪みや水温制御の制御性の悪化し難くなる。

ちなみに、上述のように、本実施形態におけるラジエータポート開時のラジエータ水温Ｔｒａｄの推定は、デバイス水路１５及びヒータ水路１６から合流点２５に流入する冷却水の温度（第２水路水温Ｔｓｅｃ）が出口水温Ｔｏｕｔと等しい温度であると見做せることを前提としている。この前提は、エンジン１０の暖機完了後には成立するが、デバイス水路１５の冷却水が流れるスロットルバルブ１８等の温度が低いエンジン１０の冷間始動時には成立しないことがある。

これに対して、本実施形態では、出口水温Ｔｏｕｔが水止完了温度Ｔ１未満のときには、デバイス水路１５、ヒータ水路１６、ラジエータ水路１７のいずれにも冷却水を流さず、出口水温Ｔｏｕｔが水止完了温度Ｔ１以上、暖機完了温度Ｔ２未満のときには、デバイス水路１５、ヒータ水路１６のみに冷却水を流すようにしている。そして、出口水温Ｔｏｕｔが暖機完了温度Ｔ２以上となって始めてラジエータ水路１７に冷却水を流すようにしている。すなわち、本実施形態では、冷却水回路１３を通じた冷却水の循環を開始する際に、時間差をつけて第２水路（デバイス水路１５、ヒータ水路１６）、第１水路（ラジエータ水路１７）の順に冷却水の流れを開始するようにしている。そのため、式（３）に基づくラジエータポート開時のラジエータ水温Ｔｒａｄの推定を、同推定をエンジン１０の始動後に始めて実施するときから的確に行うことが可能である。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、水温推定部３０が推定したラジエータ水温Ｔｒａｄを冷却水制御弁１４の制御に反映するようにしていたが、それ以外の制御にラジエータ水温Ｔｒａｄを反映してもよい。例えば、エンジン冷却装置にラジエータ２４への送風を行う電動ファンが設けられている場合、その電動ファンの動作制御にラジエータ水温Ｔｒａｄの推定値を反映することが考えられる。一般に電動ファンは、入口水温Ｔｉｎが高くなる状況にあるときに作動されるが、通常であれば電動ファンを作動させる状況においてもラジエータ水温Ｔｒａｄが低ければ、電動ファンを作動せずとも入口水温Ｔｉｎの高温化を抑えられることがある。そのため、ラジエータ水温Ｔｒａｄが低いときには作動を抑制するように電動ファンを制御すれば、不要な電力消費を抑えラ得られる。

・上記実施形態のエンジン冷却装置では、ラジエータ２４を通って冷却水を流す第１水路（ラジエータ水路１７）と並行に設けられて、ラジエータ２４を通らずに冷却水を流す第２水路が、デバイス水路１５とヒータ水路１６との２本の水路により構成されていた。こうした第２水路を、ラジエータ２４を通らずに冷却水を流し、且つ第１水路と並行に設けられた１本、又は３本以上の水路により構成するようにしてもよい。

・上記実施形態においてＣＣＶ制御部３１は、ラジエータ水温Ｔｒａｄが低いときには、ラジエータ流量Ｆｒａｄを増加させる場合、減少させる場合のいずれにおいても、冷却水制御弁１４の動作速度を低くするようにしていた。これに対して、ラジエータ流量Ｆｒａｄを増加させる場合に限り、ラジエータ水温Ｔｒａｄに応じて冷却水制御弁１４の動作速度を変えるようにしてもよい。こうした場合にも、ラジエータ水温Ｔｒａｄが低い状態ではラジエータ流量Ｆｒａｄが急増しにくくなるため、ラジエータ２４の熱歪みの発生や水温制御の制御性の悪化を抑えられる。

・上記実施形態では、ラジエータ２４に吹付ける風の風速の指標値として車両の走行速度ＳＰＤを用いて時定数Ｓｍの値を設定していた。ラジエータ２４への送風を行う電動ファンが設けられたエンジン冷却装置では、電動ファンの作動状況によっても上記風速が変化するため、走行速度ＳＰＤに加えて電動ファンの作動状況を加味して時定数Ｓｍの値を設定することが望ましい。例えば走行速度ＳＰＤが同じでも、電動ファンの作動時には、非作動時よりも小さい値となるように、走行速度ＳＰＤと電動ファンの作動の有無に応じて時定数Ｓｍの値を設定する。このようにすれば、電動ファンの作動時にはその非作動時よりもラジエータ２４に吹付ける風の風速が高くなり、ラジエータ水温Ｔｒａｄの低下が早まることを反映したかたちで、同ラジエータ水温Ｔｒａｄの推定を行うことが可能となる。

１０…エンジン、１３…冷却水回路、１４…冷却水制御弁、１５…デバイス水路（第２水路）、１６…ヒータ水路（第２水路）、１７…ラジエータ水路（第１水路）、２４…ラジエータ、２７…入口水温センサ、２８…出口水温センサ、２９…電子制御ユニット、３０…水温推定部、３１…ＣＣＶ制御部（制御部）。

Claims (5)

1. エンジンを通過した冷却水を同エンジンに還流させる冷却水回路と、
   前記冷却水回路に設けられてラジエータを通って冷却水を流す第１水路と、
   前記冷却水回路に前記第１水路と並列に設けられて前記ラジエータを通らずに冷却水を流す第２水路と、
   前記第１水路を流れる冷却水の流量である第１水路流量Ｆｒａｄと前記第２水路を流れる冷却水の流量である第２水路流量Ｆｓｅｃとの比率を可変とする冷却水制御弁と、
   前記冷却水回路における前記第１水路及び前記第２水路の分岐点の到達前の冷却水の温度である出口水温Ｔｏｕｔを検出する出口水温センサと、
   前記冷却水回路における前記第１水路及び前記第２水路の合流点の通過後の冷却水の温度である入口水温Ｔｉｎを検出する入口水温センサと、
   前記ラジエータの冷却水出口部分の冷却水の温度をラジエータ水温Ｔｒａｄとしたとき、前記第１水路流量Ｆｒａｄが既定流量以上であるときの前記ラジエータ水温Ｔｒａｄを、前記第１水路流量Ｆｒａｄ、前記第２水路流量Ｆｓｅｃ、前記出口水温Ｔｏｕｔ、及び前記入口水温Ｔｉｎに対して下式の関係を満たす値となるように算出する水温推定部と、
   を備えるエンジン冷却装置。
   
2. 前記第１水路流量Ｆｒａｄが前記既定流量未満となる直前の前記ラジエータ水温Ｔｒａｄの算出値を初期水温としたとき、
   前記水温推定部は、前記初期水温と外気温とに基づき、前記第１水路流量Ｆｒａｄが前記既定流量未満となってからの時間の経過に応じて前記初期水温から前記外気温へと一次遅れ要素を有して変化していく値として、前記第１水路流量Ｆｒａｄが前記既定流量未満であるときの前記ラジエータ水温Ｔｒａｄを算出し、且つ前記ラジエータに吹き付ける風の風速が高い場合には同風速が低い場合に比べて前記一次遅れ要素の時定数を小さい値に設定する
   請求項１に記載のエンジン冷却装置。
3. 前記時定数は、前記エンジンを搭載した車両の走行速度に基づき、同走行速度が高い場合には同走行速度が低い場合に比べて小さい値となるように設定される
   請求項２に記載のエンジン冷却装置。
4. 前記冷却水制御弁の動作を制御する制御部であって、前記水温推定部が算出した前記ラジエータ水温Ｔｒａｄが低いときには、同ラジエータ水温Ｔｒａｄが高いときよりも、前記第１水路の冷却水の流量を増加させる際の前記冷却水制御弁の動作速度を低くする制御部を備える請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジン冷却装置。
5. 前記エンジンの始動後に前記冷却水回路を通じた冷却水の循環を開始する際に、時間差をつけて前記第２水路、前記第１水路の順に冷却水の流れを開始する
   請求項１から４のいずれか１項に記載のエンジン冷却装置。