JP7196639B2 - エンジンの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラを備え、このＥＧＲクーラに冷却液を循環させるエンジンの冷却装置に関する。

エンジン（内燃機関）の冷却装置では、エンジン（シリンダブロックなど）にウォータジャケットを設け、ウォータポンプの駆動により、ウォータジャケットを経由するように冷却水を循環させることで、エンジン全体を冷却する。エンジンがＥＧＲクーラを備えている場合には、当該ＥＧＲクーラに用いられる冷却水は、エンジンの冷却を兼ねた冷却水である。すなわち、ＥＧＲクーラを冷却するための流路は、通常、エンジンの冷却を行うメインの冷却水回路から分岐し、ＥＧＲクーラを経由して前記冷却水回路に合流するように設けられる。但し、ＥＧＲクーラを冷却するための冷却水回路を、エンジンの冷却を行うメインの冷却水回路とは別個独立に設けた冷却装置も考えられている（例えば特許文献１）。

特開２０１６－２１１４０８号公報

エンジンの冷却装置では、暖機時にウォータポンプを停止させて（又は実質的に停止させた状態として）冷却水の流通を停止させ、暖機が進むと、ウォータポンプを作動させて冷却水の流通を開始させる制御が実行される。これは、燃焼室の温度上昇を促して、エンジンの燃焼状態を早期に安定化させるためである。

しかし、エンジンの運転状態によっては、冷却水の流通開始前に、排気通路から吸気通路へのＥＧＲガスの還流が開始される場合がある。このような場合には、ＥＧＲクーラ内に滞留している冷却水の温度が上昇し、この温度上昇によりＥＧＲクーラに部分的な変形が生じ、最悪の場合にはクラックが発生することが考えられる。このようなトラブルは未然に防止することが求められる。

近年、火花点火をきっかけに混合気の一部を火炎伝播により強制的に燃焼（ＳＩ燃焼）させ、その他の混合気を自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）させることを企図した部分圧縮着火燃焼（ＳＰＣＣＩ燃焼）を実行させることが可能なエンジンが開発されているが、このようなエンジンでは、安定した燃焼状態を確保するために燃焼室の温度を比較的高い温度にすることが求められる。そのため、冷却水の実質的な流通の開始が一般的なエンジン（ＳＩ燃焼のみを実行させるエンジン）に比べて遅くなる傾向があり、前記トラブルの発生リスクが高くなることが予想される。

なお、このような不都合を解消するために、特許文献１に開示されるような冷却装置を採用することも考えられる。しかし、メインの冷却水回路とは別に、ＥＧＲクーラを冷却するための専用の冷却水回路を設けることは、重量増加に伴う燃費性能の悪化やコストアップなど、多くの解決すべき課題を伴うこととなり現実的ではない。

本発明は、上記のような事情に鑑みて成されたものであり、冷間時のエンジンの燃焼安定性を確保しながら、ＥＧＲクーラ内の冷却水温の上昇に伴うＥＧＲクーラの損傷を未然に防止できるようにする、ことを目的とする。

本発明の一局面に係るエンジンの冷却装置は、エンジン本体を経由して冷却水を循環させる第１冷却水経路と、エンジン本体を経由して冷却水を循環させる経路であって、前記第１冷却水経路から冷却水を分流させ、前記ＥＧＲクーラ及びヒータコアを経由させる第２冷却水経路と、前記第２冷却水経路の途中に配置される流量制御バルブと、前記エンジン本体の壁面温度を取得する第１温度取得部と、前記ＥＧＲクーラ内の冷却水の温度を取得する第２温度取得部と、前記流量制御バルブを制御する制御部と、を備え、前記エンジン本体は、シリンダブロックとシリンダヘッドとを備え、前記第１冷却水経路は、前記シリンダブロックと、前記シリンダヘッドの燃焼室に隣接する位置における吸気ポート及び排気ポートの周辺と、ラジエータとの間で冷却水を循環させるように設けられ、前記第２冷却水経路は、前記シリンダブロックと、前記シリンダヘッドの排気ポート周辺であってかつ前記第１冷却水経路よりも反燃焼室側の位置と、前記ＥＧＲクーラとの間で冷却水を循環させるように設けられ、前記第２温度取得部は、ＥＧＲ温度、ＥＧＲ流量及び前記エンジン本体における冷却水の温度を取得し、前記ＥＧＲクーラ内におけるＥＧＲガス流通部分から冷却水流通部分に亘る温度勾配を示す所定の水温モデルに基づき当該ＥＧＲクーラ内の冷却水の温度を求め、前記制御部は、前記エンジン本体の温度が予め設定された設定温度よりも低いときには、当該設定温度以上のときに比べて前記第２冷却水経路における冷却水の流量を低減する流量規制制御を実行するとともに、前記第２温度取得部により求められた前記ＥＧＲクーラ内の冷却水の温度が、当該冷却水の沸騰を抑制するために予め設定された閾値温度以上であるときには、前記流量規制制御の実行を回避するものである。

この冷却装置では、エンジン本体の暖機時など、エンジン本体の温度が設定温度以下のときには、基本的に流量規制制御が実行される。これにより、エンジン本体に対して第２冷却水経路を通じて冷却水が導入されることが抑制され、エンジン本体の昇温が促進される。しかも、エンジン本体が設定温度に達する前であっても、ＥＧＲガスの還流が開始されることによりＥＧＲクーラ内の冷却水の温度が閾値温度以上となるような場合には、流量規制制御が回避される。これにより、ＥＧＲクーラ内に滞留した冷却水の温度上昇が抑制され、当該温度上昇に起因するＥＧＲクーラの損傷が未然に防止される。

なお、上記「流量規制制御の実行を回避する」とは、流量規制制御が未だ実行されていない場合は、当該制御を行わないことを意味し、既に流量規制制御が実行されている場合には、当該制御を停止することを意味する。

この冷却装置において、前記制御部は、前記エンジン本体の温度が前記設定温度よりも低いときには、前記第２冷却水経路の冷却水の流量を「０」にする一方、前記設定温度以上のときには、前記第２冷却水経路の冷却水の流量を第１流量とするとともに、前記流量規制制御の実行を回避するときには、前記第２冷却水経路の冷却水の流量を前記第１流量、又は当該第１流量よりも少ない第２流量とする。

この構成によると、流量規制制御の実行時には、第２冷却水経路を通じてエンジン本体に冷却水が導入されることが阻止され、これによりエンジン本体の昇温が効果的に促進される一方、流量規制制御の実行が回避されるときには、ＥＧＲクーラ内の冷却水の温度上昇が効果的に抑制される。

この場合、前記閾値温度を第１閾値温度と定義すると、前記制御部は、前記ＥＧＲクーラ内の冷却水の温度が、前記第１閾値温度以上であってかつ当該第１閾値温度よりも高い第２閾値温度よりも低いときには、前記第２冷却水経路の冷却水の流量を前記第２流量とし、前記第２閾値温度以上であるときには、前記第２冷却水経路の冷却水の流量を前記第１流量とするのが好適である。

この構成によれば、ＥＧＲクーラ内の冷却水の温度に応じて第２冷却水経路の流量が段階的に切り替えられる。そのため、第２冷却水経路を通じてエンジン本体に導入される冷却水の量を必要最小限に抑えながら、ＥＧＲクーラ内の冷却水の温度上昇を抑制することが可能となる。

なお、上記各態様の冷却装置において、前記エンジンは、少なくとも低負荷低回転の運転領域では、前記燃焼室内の混合気の一部を点火プラグによる点火点から火炎伝播によりＳＩ燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる部分圧縮着火燃焼が実行されるものである。

このようなエンジンでは、部分圧縮着火燃焼の燃焼安定性を確保するために、エンジン本体の温度を比較的高い温度（設定温度）まで暖機することが求められる。つまり、エンジン始動後、第２の冷却水経路を通じてエンジン本体に冷却水の流通が開始されるまでの時間が長期化する傾向があり、ＥＧＲガスの還流が開始されることによってＥＧＲクーラ内の冷却水の温度が上昇する可能性がある。そのため、上記各態様の冷却装置は、このようなエンジンの冷却装置として特に有用である。

上記の各態様に係るエンジンの冷却装置によれば、冷間時のエンジンの燃焼安定性を確保しながら、ＥＧＲクーラ内の冷却水温の上昇に伴うＥＧＲクーラの損傷を未然に防止できるようになる。

本発明が適用されるエンジンの全体構成を概略的に示すシステム図である。 上記エンジンの冷却装置の全体構成を概略的に示す回路図である。 エンジン本体の要部を示す概略断面図である。 上記エンジンの制御系統を示すブロック図である。 上記エンジン（温間時）の運転領域を燃焼形態の相違によって区分けした運転マップである。 エンジン始動時に冷却装置に対して行われる制御の手順を示すフローチャートである。 エンジンが温間状態にあるときに冷却装置に対して行われる制御の手順を示すフローチャートである。 冷却水の温度算出の考え方を説明するＥＧＲクーラのモデル図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

［１．エンジンの全体構成］
図１は、本発明の制御装置が適用される車両用エンジン（以下、単にエンジンという）の好ましい実施形態を示す図である。この図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルのガソリン直噴エンジンであり、エンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路３０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路４０と、排気通路４０を流通する排気ガスの一部を吸気通路３０に還流する外部ＥＧＲ装置５０とを備えている。

エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。エンジン本体１は、典型的には複数の（例えば４つの）気筒を有する多気筒型のものであるが、ここでは簡略化のため、１つの気筒２のみに着目して説明を進める。

ピストン５の上方には燃焼室６が画成されており、この燃焼室６には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ１５からの噴射によって供給される。そして、供給された燃料が燃焼室６で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力を受けてピストン５が上下方向に往復運動する。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７が設けられている。クランク軸７は、コネクティングロッド８を介してピストン５と連結され、ピストン５の往復運動（上下運動）に応じて中心軸回りに回転駆動される。クランク軸７は、トルクコンバータ等を介して図外の自動変速機と連結されている。

気筒２の幾何学的圧縮比、つまりピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室の容積との比は、後述するＳＰＣＣＩ燃焼（部分圧縮着火燃焼）に好適な値として、１３以上３０以下、好ましくは１４以上１８以下の高圧縮比に設定される。幾何学的圧縮比を１４以上の高圧縮比に設定することで、燃焼室６内において混合気に圧縮着火が発生し易い環境とすることができる。

シリンダブロック３には、クランク角センサＳＮ１及び水温センサＳＮ５が組付けられている。クランク角センサＳＮ１は、クランク軸７の回転角度（クランク角）およびクランク軸７の回転数（エンジン回転数）を検出する。水温センサＳＮ５は、シリンダブロック３およびシリンダヘッド４の内部を流通する冷却水の温度（エンジン水温）を検出する。

シリンダヘッド４には、吸気通路３０から供給される空気を燃焼室６に導入するための吸気ポート９と、燃焼室６で生成された排気ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１０と、吸気ポート９の燃焼室６側の開口を開閉する吸気弁１１と、排気ポート１０の燃焼室６側の開口を開閉する排気弁１２とが設けられている。

吸気弁１１および排気弁１２は、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。

吸気弁１１用の動弁機構には、吸気弁１１の開閉時期を変更可能な吸気ＶＶＴ１３が内蔵されている。同様に、排気弁１２用の動弁機構には、排気弁１２の開閉時期を変更可能な排気ＶＶＴ１４が内蔵されている。吸気ＶＶＴ１３（排気ＶＶＴ１４）は、いわゆる位相式の可変機構であり、電動モータの作動により吸気弁１１（排気弁１２）の開弁時期および閉弁時期を同時にかつ同量だけ変更する。

シリンダヘッド４には、燃焼室６に燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ１５と、インジェクタ１５から燃焼室６に噴射された燃料と吸入空気とが混合された混合気に点火する点火プラグ１６とが設けられている。

吸気通路３０は、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。吸気通路３０の上流端から取り込まれた空気（新気）は、吸気通路３０および吸気ポート９を通じて燃焼室６に導入される。

吸気通路３０には、その上流側から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ３１と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁３２と、吸気を圧縮しつつ送り出す過給機３３と、過給機３３により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ３５と、サージタンク３６とが設けられている。

吸気通路３０の各部には、吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ２と、吸気の温度を検出する吸気温センサＳＮ３と、吸気の圧力を検出する吸気圧センサＳＮ４とが設けられている。エアフローセンサＳＮ２および吸気温センサＳＮ３は、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とスロットル弁３２との間の部位に設けられ、当該部位を通過する吸気の流量および温度を検出する。吸気圧センサＳＮ４は、サージタンク３６に設けられ、当該サージタンク３６内の吸気の圧力を検出する。

過給機３３は、電磁クラッチ３４を介してエンジン本体１と機械的に連係された機械式の過給機（スーパーチャージャ）である。過給機３３としては、例えばリショルム式、ルーツ式、または遠心式といった公知の過給機のいずれかを用いることができる。

吸気通路３０には、過給機３３をバイパスするためのバイパス通路３８が設けられている。バイパス通路３８は、サージタンク３６と後述するＥＧＲ通路５１とを互いに接続している。バイパス通路３８には開閉可能なバイパス弁３９が設けられている。

排気通路４０は、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面に接続されている。燃焼室６で生成された既燃ガスは、排気ポート１０および排気通路４０を通じて外部に排出される。

排気通路４０には触媒コンバータ４１が設けられている。触媒コンバータ４１には、排気通路４０を流通する排気ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化するための三元触媒４１ａと、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのＧＰＦ（ガソリン・パティキュレート・フィルタ）４１ｂとが内蔵されている。

外部ＥＧＲ装置５０は、排気通路４０と吸気通路３０とを接続するＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲ通路５１に設けられたＥＧＲクーラ５２およびＥＧＲ弁５３とを有している。ＥＧＲ通路５１は、排気通路４０における触媒コンバータ４１よりも下流側の部位と、吸気通路３０におけるスロットル弁３２と過給機３３との間の部位とを互いに接続している。ＥＧＲクーラ５２は、ＥＧＲ通路５１を通じて排気通路４０から吸気通路３０に還流される排気ガス（以下、ＥＧＲガスと称す）を熱交換により冷却する。ＥＧＲ弁５３は、ＥＧＲクーラ５２よりも下流側（吸気通路３０に近い側）のＥＧＲ通路５１に開閉可能に設けられ、ＥＧＲ通路５１を流通する排気ガスの流量を調整する。

ＥＧＲ通路５１には、還流されるＥＧＲガスの温度及び流量を検出するＥＧＲ温度センサＳＮ６及びＥＧＲ流量センサＳＮ７が設けられている。ＥＧＲ温度センサＳＮ６は、ＥＧＲ通路５１におけるＥＧＲクーラ５２の直上流側の位置に配置され、ＥＧＲ流量センサＳＮ７は、ＥＧＲ弁５３に対応する位置に設けられている。

［２．冷却装置の全体構成］
図２は、上記エンジンの冷却装置の全体構成を示す回路図である。同図に示すように、冷却装置６０は、ウォータポンプ６１と、冷却水を循環させるための第１～第３の冷却水経路６２～６４と、連絡経路６５と、バルブ用経路６６とを備えている。

ウォータポンプ６１は、上記エンジンによって受動的に駆動されるポンプであって、シリンダブロック３の一側面に組付けられている。

第１冷却水経路６２は、ウォータポンプ６１から吐出される冷却水を、シリンダブロック３、シリンダヘッド４の燃焼室側及びラジエータ７１を経由してウォータポンプ６１に戻すように循環させる経路である。図２中の実線矢印は、温間時の第１冷却水経路６２における冷却水の流れを示している。

シリンダブロック３に形成されるブロック側ウォータジャケット６２ａやシリンダヘッド４に形成される燃焼室側ウォータジャケット６２ｂは、各々、この第１冷却水経路６２の一部を構成している。なお、燃焼室側ウォータジャケット６２ｂとは、図３に示すように、燃焼室６の近傍であって吸気ポート９及び排気ポート１０の各バルブシート部の周辺に形成されたウォータジャケットである。

第１冷却水経路６２におけるラジエータ７１とウォータポンプ６１との間の位置には、冷却水の温度が設定温度（設定水温）になると開弁する第１サーモスタットバルブ７２が介設されている。第１サーモスタットバルブ７２は、設定温度の切り替えが可能な可変サーモスタットバルブであり、後記ＰＣＭ１００の制御により、後述する第１、第２の運転領域Ａ１、Ａ２に対応する温度（１１６°Ｃ）と、第３運転領域Ａ３に対応する温度（９０°）との間で設定温度の切り替えが行われる。

なお、第１サーモスタットバルブ７２及び後記第２サーモスタットバルブ７８の設定温度は、正確にはエンジン本体１の壁面温度に対応した冷却水の温度であるが、以下の説明では、便宜上、可変サーモスタットバルブの設定温度（設定水温）とエンジン本体１の壁面温度とは等価なものとして説明することにする。

第２冷却水経路６３は、第１冷却水経路６２の一部をバイパスする経路であって、当該第１冷却水経路６２から冷却水の一部を分流させ、前記ＥＧＲクーラ５２及び空調用のヒータコア７４を経由させてウォータポンプ６１に戻す経路である。図２中の一点鎖線矢印は、温間時の第２冷却水経路６３における冷却水の流れを示している。

シリンダヘッド４に形成される排気ポート側ウォータジャケット６３ｂは、この第２冷却水経路６３の一部を構成している。なお、排気ポート側ウォータジャケット６３ｂとは、図３に示すように、前記燃焼室側ウォータジャケット６２ｂよりも下流側（排気ガスの流動方向における下流側）の位置で排気ポート１０の周囲に形成されたウォータジャケットである。

第２冷却水経路６３におけるヒータコア７４とウォータポンプ６１との間の位置には、ソレノイドバルブ等からなる流量制御バルブ７５が介設されている。この流量制御バルブ７５は、後記ＰＣＭ１００により開閉制御される。第２冷却水経路６３は、ヒータコア７４と流量制御バルブ７５との間の位置で、連絡経路６５を介して前記第１冷却水経路６２に接続されている。

第３冷却水経路６４は、前記第２冷却水経路６３とは別に、第１冷却水経路６２の一部をバイパスする経路であって、当該第１冷却水経路６２から冷却水の一部を分流させ、詳しくはブロック側ウォータジャケット６２ａから冷却水の一部を分流させ、当該冷却水を、ＡＴＦウォーマ７６及びオイルクーラ７７を経由させてウォータポンプ６１に戻す経路である。図２中の破線矢印は、温間時の第３冷却水経路６４における冷却水の流れを示している。

第３冷却水経路６４のうち、ＡＴＦウォーマ７６と第１冷却水経路６２（ブロック側ウォータジャケット６２ａ）との接続部分との間の位置には第２サーモスタットバルブ７８が介設されている。第２サーモスタットバルブ７８は、設定温度が固定されたサーモスタットバルブである。当例では、第２サーモスタットバルブ７８の設定温度（設定水温）は５０°Ｃに設定されている。

バルブ用経路６６は、第１冷却水経路６２から冷却水の一部を分流させ、詳しくは燃焼室側ウォータジャケット６２ｂから冷却水の一部を分流させ、当該冷却水を、前記スロットル弁３２及びバイパス弁３９を経由させて第２冷却水経路６３に合流させる経路である。つまり、バルブ用経路６６は、温感時の冷却水の熱を利用してスロットル弁３２及びバイパス弁３９を暖機する。

［３．制御系統］
図４は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＰＣＭ１００は、エンジン等を統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

ＰＣＭ１００には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ＰＣＭ１００は、上述したクランク角センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、吸気温センサＳＮ３、吸気圧センサＳＮ４、水温センサＳＮ５、ＥＧＲ温度センサＳＮ６及びＥＧＲ流量センサＳＮ７と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報（つまりクランク角、エンジン回転数、吸気流量、吸気温、吸気圧、エンジン水温、ＥＧＲガス温度及びＥＧＲガス流量）がＰＣＭ１００に逐次入力されるようになっている。

また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダルの開度（以下、アクセル開度という）を検出するアクセルセンサＳＮ８と、車両の走行速度（以下、車速という）を検出する車速センサＳＮ９とが設けられており、これらのセンサＳＮ８、ＳＮ９による検出信号もＰＣＭ１００に逐次入力される。

ＰＣＭ１００は、上記各センサからの入力情報に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、吸気ＶＶＴ１３、排気ＶＶＴ１４、インジェクタ１５、点火プラグ１６、スロットル弁３２、電磁クラッチ３４、バイパス弁３９、ＥＧＲ弁５３、ウォータポンプ６１、第１サーモスタットバルブ７２および流量制御バルブ７５等と電気的に接続されており、上記演算等の結果に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

具体的に、ＰＣＭ１００は、所定のプログラムが実行されることによって、演算部１０１、燃焼制御部１０２、および冷却水制御部１０３を機能的に具備する。なお、演算部１０１は、本発明の「第１温度取得部」及び「第２温度取得部」に相当し、冷却水制御部１０３は、本発明の「制御部」に相当する。

燃焼制御部１０２は、燃焼室６での混合気の燃焼を制御する制御モジュールであり、エンジンの出力トルク等がドライバーの要求に応じた適切な値となるようにエンジンの各部（吸・排気ＶＶＴ１３，１４、インジェクタ１５、点火プラグ１６‥‥等）を制御する。
冷却水制御部１０３は、前記冷却装置６０を制御する制御モジュールであり、エンジンの運転状態に応じて、エンジン各部に対して適量の冷却水が循環するように上記ウォータポンプ６１及び流量制御バルブ７５等を制御する。演算部１０１は、これら各制御部１０２，１０３による制御目標値を決定したり、エンジンの運転状態を判定するといった各種演算を実行するための制御モジュールである。

［４．運転状態に応じた燃焼制御］
図５は、エンジン本体１が温間状態のときのエンジンの回転数／負荷に応じた制御の相違を説明するための運転マップである。同図に示すように、エンジンの運転領域は、燃焼形態の相違によって３つの運転領域Ａ１～Ａ３に大別される。これらの運転領域Ａ１～Ａ３を、それぞれ第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２及び第３運転領域Ａ３と称す。第３運転領域Ａ３は、回転数が高い高速領域である。第１運転領域Ａ１は、第３運転領域Ａ３よりも低速側の領域のうち高負荷側の一部を除いた低・中速／低負荷の領域である。第２運転領域Ａ２は、第１、第３運転領域Ａ１、Ａ３以外の残余の領域、つまり低・中速／高負荷領域である。以下、各運転領域Ａ１～Ａ３で選択される基本的な燃焼制御について説明する。

＜第１、第２運転領域＞
低・中速／低負荷の第１運転領域Ａ１および低・中速／高負荷の第２運転領域Ａ２では、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせた部分圧縮着火燃焼（以下、これをＳＰＣＣＩ燃焼という）が実行される。ＳＩ燃焼とは、点火プラグ１６から発生する火花により混合気に点火し、その点火点から周囲へと燃焼領域を拡げていく火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させる燃焼形態のことである。ＣＩ燃焼とは、ピストン５の圧縮等により十分に高温・高圧化された環境下で混合気を自着火により燃焼させる燃焼形態のことである。これらＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼とは、混合気が自着火する寸前の環境下で行われる火花点火により燃焼室６内の混合気の一部をＳＩ燃焼させ、このＳＩ燃焼の後に（ＳＩ燃焼に伴うさらなる高温・高圧化により）燃焼室６内の他の混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる燃焼形態である。なお、「ＳＰＣＣＩ」は「Spark Controlled Compression Ignition」の略である。

ＳＰＣＣＩ燃焼では、ＳＩ燃焼による熱発生とＣＩ燃焼による熱発生とがこの順に連続して発生する。このＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との比率を運転条件に応じてコントロールすることがＳＰＣＣＩ燃焼を安定させる上で重要となる。当実施形態では、ＳＰＣＣＩ燃焼（ＳＩ燃焼およびＣＩ燃焼）による全熱発生量に対するＳＩ燃焼による熱発生量の割合であるＳＩ率が適正な値になるようにエンジンの各部が制御される。

ＳＰＣＣＩ燃焼が行われる第１、第２の運転領域Ａ１、Ａ２では、このＳＩ率が予め定められた目標値に一致するように、エンジンの各部が制御される。すなわち、第１、第２の運転領域Ａ１、Ａ２では、エンジン負荷・回転数が異なる種々の条件ごとに、ＳＩ率の目標値である目標ＳＩ率がそれぞれ定められている。そして、点火プラグ１６による火花点火の時期（点火時期）、インジェクタ１５からの燃料の噴射量／噴射時期、およびＥＧＲ率（外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率）といった複数の制御量が、上記目標ＳＩ率を実現可能な組合せとなるように制御される。なお、外部ＥＧＲ率とは、燃焼室６内の全ガスのうち外部ＥＧＲガス（ＥＧＲ通路５１を通じて燃焼室６に還流される排気ガス）が占める重量割合のことであり、内部ＥＧＲ率とは、燃焼室６内の全ガスのうち内部ＥＧＲガス（内部ＥＧＲにより燃焼室６に残留する既燃ガス）が占める重量割合のことである。

例えば、点火時期および燃料の噴射量／噴射時期は、上記目標ＳＩ率などを考慮して予め定められたマップにより決定される。すなわち、マップには、エンジン負荷・回転数の条件ごとに、上記目標ＳＩ率を実現するのに適した点火時期および燃料の噴射量／噴射時期がそれぞれ記憶されている。ＰＣＭ１００は、このマップに記憶された点火時期および噴射量／噴射時期に従って、インジェクタ１５および点火プラグ１６を制御する。

一方、外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率は、所定のモデル式を用いた演算により決定される。すなわち、ＰＣＭ１００は、燃焼サイクルごとに、上記目標ＳＩ率を実現するために火花点火の時点で必要とされる筒内温度（目標筒内温度）を所定のモデル式を用いて算出するとともに、この算出した目標筒内温度に基づいて、ＥＧＲ弁５３の開度および吸・排気弁１１，１２のバルブタイミングを決定する。より具体的に、ＰＣＭ１００は、吸気温センサＳＮ３により検出される吸入空気（新気）の温度と、燃焼室６の圧縮が実質的に開始される時点である吸気弁１１の閉弁時期（ＩＶＣ）とを含む各種パラメータを、当該パラメータを入力要素とする上記モデル式に代入することにより、上記目標筒内温度を実現するのに必要な外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率を算出する。そして、算出された外部ＥＧＲ率を実現するのに必要なＥＧＲ弁５３の開度を目標開度として算出し、この目標開度が実現されるようにＥＧＲ弁５３を制御する。

なお、第１、第２の運転領域Ａ１、Ａ２では、上記のような点火時期および噴射量／噴射時期の制御と併せて、スロットル弁３２が次のように制御される。すなわち、第１運転領域Ａ１では、基本的に、理論空燃比相当の空気量よりも多くの空気が吸気通路３０を通じて燃焼室６に導入されるように、つまり、燃焼室６内の空気（新気）と燃料との重量比である空燃比（Ａ／Ｆ）が、理論空燃比（１４．７）よりも大きくなるように（空気過剰率λ＞１となる）、スロットル弁３２の開度が設定される。一方、第２運転領域Ａ２では、理論空燃比相当の空気量が燃焼室６に導入されるような開度、つまり、空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比に略一致するように（λ≒１となる）、スロットル弁３２の開度が設定される。

＜第３運転領域＞
第１、第２の運転領域Ａ１、Ａ２よりも回転数が高い第３運転領域Ａ３では、通常のＳＩ燃焼が実行される。例えば、少なくとも吸気行程の一部と重複する所定期間にわたりインジェクタ１５から燃料が噴射されるとともに、圧縮行程後期に点火プラグ１６による火花点火が実行される。そして、この火花点火をきっかけにＳＩ燃焼が開始され、燃焼室６内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。

この第３運転領域Ａ３では、スロットル弁３２は、理論空燃比相当の空気量又はこれよりも少ない空気量が燃焼室６に導入されるような開度、つまり燃焼室６内の空燃比（Ａ／Ｆ）が、理論空燃比若しくはこれよりもややリッチな値（λ≦１）となるような開度に設定される。

［５．冷却装置の制御］
図６は、上記ＰＣＭ１００により前記冷却装置６０に対して行われる制御の手順を示すフローチャートである。

このフローチャートの制御は、上記エンジンが始動することによりスタートする。このフローチャートの制御がスタートすると、ＰＣＭ１００の演算部１０１は、水温センサＳＮ５からの出力情報、すなわちエンジン本体１の冷却水の温度からエンジン本体１の燃焼室近傍の壁面温度Ｔ１を算出し、冷却水制御部１０３が、この壁面温度Ｔ１が予め設定された設定壁面温度Ｔａ（本発明の設定温度に相当する）未満か否かを判定する（ステップＳ１）。この設定壁面温度Ｔａは、前記第１運転領域Ａ１の燃焼形態であるＳＰＣＣＩ燃焼を安定的に実行させるのに適した温度であり、当例では例えば１１６°Ｃに設定されている。なお、エンジンの始動時、第１冷却水経路６２の第１サーモスタットバルブ７２の設定温度は、この設定壁面温度Ｔａと同じ温度（１１６°Ｃ）に設定されている。

ステップＳ１でＹｅｓと判定した場合には、演算部１０１は、さらにＥＧＲクーラ５２内の冷却水の温度（クーラ内水温Ｔ２）を算出し、冷却水制御部１０３は、このクーラ内水温Ｔ２が予め設定された第１閾値温度Ｔα未満か否かを判定する（ステップＳ３）。演算部１０１は、具体的には、ＥＧＲ温度センサＳＮ６、ＥＧＲ流量センサＳＮ７及び水温センサＳＮ５により検出されるＥＧＲ温度、ＥＧＲ流量（外部ＥＧＲ流量）及び冷却水の水温などに基づいて所定の水温モデル式からクーラ内水温Ｔ２を算出する。

ここで、図８は、ＥＧＲクーラ５２のモデル図である。ＥＧＲクーラ５２の境界壁を挟んで左側がＥＧＲガスの流通部分を、右側が冷却水の流通部分を示している。図中の実線は、ｔ１時点にＥＧＲクーラ５２にＥＧＲガスが導入されたときのＥＧＲクーラ５２内の温度勾配を示しており、図中の破線は、ｔ２時点でＥＧＲクーラ５２にＥＧＲガスが導入されたときのＥＧＲクーラ５２内の温度勾配を各々示している。ＥＧＲクーラ５２にＥＧＲガスが継続的に導入されると、ＥＧＲガスから冷却水への熱移動により、同図に示すように、温度勾配を伴いながら冷却水の温度が初期温度から徐々に上昇する。上記水温モデル式は、このような温度勾配を加味してＥＧＲクーラ５２の冷却水の温度を算出するように定められており、演算部１０１は、ＥＧＲ温度、ＥＧＲ流量（外部ＥＧＲ流量）及び冷却水の水温を逐次取り込みながら上記水温モデル式から冷却水の温度を算出する。

なお、第１閾値温度Ｔαは、ＥＧＲクーラ５２内の冷却水の沸騰を抑制するために予め設定された温度であって、当例では、冷却水が沸騰し始める温度１１０°Ｃ又はその前後の温度に設定されている。

ステップＳ３において、クーラ内水温Ｔ２が第１閾値温度Ｔα未満である場合には（ステップＳ３でＹｅｓの場合）、冷却水制御部１０３は、第２冷却水経路６３に対して「止水モード」の制御を実行する（ステップＳ５）。具体的には、冷却水制御部１０３は、第２冷却水経路６３における冷却水の流量が「０」となるように流量制御バルブ７５の開度を制御する。これにより、第２冷却水経路６３における冷却水の流れを停止させ、その後、処理をステップＳ１にリターンする。当例では、このステップＳ５の処理が本発明の「流量規制制御」に相当する。

一方、壁面温度Ｔ１が設定壁面温度Ｔａ以上である場合（ステップＳ１でＮｏ）、若しくはクーラ内水温Ｔ２が第１閾値温度Ｔα以上である場合（ステップＳ３でＮｏ）には、ステップＳ７に移行され、図７に示すフローチャートの制御が実行される。

図７は、エンジンが温間状態にあるときに冷却装置６０に対して行われる制御の手順を示すフローチャートである。

このフローチャートの制御では、演算部１０１は、まず、壁面温度Ｔ１が設定壁面温度Ｔａ未満か否かを判定する（ステップＳ１１）。ここで、Ｙｅｓと判定すると、演算部１０１は、さらにクーラ内水温Ｔ２を算出し、冷却水制御部１０３がこのクーラ内水温Ｔ２が第１閾値温度Ｔα未満か否かを判定する（ステップＳ１３）。これらステップＳ１１、Ｓ１３の処理は、基本的には図６のステップＳ１、Ｓ３の処理と同じである。

上記ステップＳ１１でＮｏと判定した場合、すなわち壁面温度Ｔ１が設定壁面温度Ｔａ以上である場合には、冷却水制御部１０３は、「通常モード」の制御を実行する（ステップＳ１９）。具体的には、冷却水制御部１０３は、流量制御バルブ７５が全開又はそれに近い開度となるように制御し、処理をステップＳ１１にリターンする。当例では、この「通常モード」時の第１冷却水経路６２の冷却水の流量が本発明の「第１流量」に相当する。

また、ステップＳ１３でＮｏと判定された場合には、冷却水制御部１０３は、さらにクーラ内水温Ｔ２が第２閾値温度Ｔβ（＞Ｔα）未満か否かを判定する（ステップＳ１５）。第２閾値温度Ｔβは、当例では１２５°Ｃ又はその前後の値に設定されている。

ここでＹｅｓと判定した場合には、冷却水制御部１０３は、「減量モード」の制御を実行する（ステップＳ１７）。具体的には、「通常モード」の開度よりも小さい予め設定された開度となるように流量制御バルブ７５を制御し、処理をステップＳ１１にリターンする。当例では、この「減量モード」時の第１冷却水経路６２の冷却水の流量が本発明の「第２流量」に相当する。なお、ステップＳ１５でＮｏと判定された場合には、冷却水制御部１０３は、処理をステップＳ１９に移行する。

以上のようなフローチャート（図６、図７）による制御が実行された場合の冷却装置６０における冷却水の流通状態は概略的には次の通りである。

冷間状態においてエンジンが始動された直後は、燃焼室６の壁面温度Ｔ１は、第１、第２のサーモスタットバルブ７２、７８の設定温度（１１６°Ｃ及び５０°Ｃ）に達しておらず、また、クーラ内水温Ｔ２も第１閾値温度Ｔαに達していない。従って、第１、第２のサーモスタットバルブ７２、７８及び流量制御バルブ７５は何れも閉じられており（図６のステップＳ１～Ｓ５）、第１～第３の何れの冷却水経路６２～６４についても冷却水は流通していない。このように、エンジン始動の直後は、冷却装置６０において冷却水の循環が規制されることで、エンジン本体１の暖気（昇温）が促進される。

なお、ウォータポンプ６１は、遠心ポンプである。従って、ウォータポンプ６１は、エンジンの始動と共に作動はするものの、第１、第２のサーモスタットバルブ７２、７８及び流量制御バルブ７５が閉じられた状態では冷却水を圧送できず、実質的に冷却水の流れは停止した状態が維持される。

エンジン本体１の暖気が進み、壁面温度Ｔ１が第２サーモスタットバルブ７８の設定温度（５０°Ｃ）以上になると、第２サーモスタットバルブ７８が開き第３冷却水経路６４のみを通じて冷却水の循環が開始される。この時点では、冷却水はラジエータ７１を経由しておらず、よって、エンジン本体１の暖気が促進される。そして、壁面温度Ｔ１が設定壁面温度Ｔａ以上になると、すなわち、第１サーモスタットバルブ７２の設定温度（１１６°Ｃ）以上になると、第１サーモスタットバルブ７２が開くと共に、流量制御バルブ７５が「通常モード」で制御される（図７のステップＳ１１、Ｓ１９）。これにより、第１～第３の全ての冷却水経路６２～６４を通じて冷却水の循環が開始される（図２中の各矢印参照）。

なお、上記エンジンでは、上述の通り運転状態（エンジン負荷・回転数など）に応じてＥＧＲ率（外部ＥＧＲ率）が決定されるため、壁面温度Ｔ１が第１サーモスタットバルブ７２の設定温度（１１６°Ｃ）以上となる前にＥＧＲ通路５１を通じて燃焼室６にＥＧＲガスが還流される場合がある。このようにＥＧＲガスの還流が開始されると、ＥＧＲクーラ５２に滞留している冷却水の温度が上昇する。これによりクーラ内水温Ｔ２が第１閾値温度Ｔα以上になると、その温度に応じて流量制御バルブ７５が「減量モード」又は「通常モード」で制御される（ステップＳ１３～Ｓ１９）。これにより、第２冷却水経路６３を通じて冷却水の循環が開始される。

［６．作用効果］
以上説明したように、当実施形態のエンジン（冷却装置６０）によれば、エンジンの始動後、エンジン本体１の壁面温度Ｔ１が、ＳＰＣＣＩ燃焼に適した設定壁面温度Ｔａ以上になるまでは、少なくともラジエータ７１を経由する第１冷却水経路６２について冷却水の循環が開始されることがない。そのため、エンジン始動後、エンジン本体１の暖気（昇温）を促進させることができる。

しかも、エンジン本体１の壁面温度Ｔ１がＳＰＣＣＩ燃焼に適した設定壁面温度Ｔａ以上になる前にＥＧＲガスの還流が開始され、これによりＥＧＲクーラ５２のクーラ内水温Ｔ２が第１閾値温度Ｔα以上とった場合には、流量制御バルブ７５が開弁されて第２冷却水経路６３を通じた冷却水の循環が開始される。そのため、エンジンの暖機中に、ＥＧＲクーラ５２内の冷却水が沸騰してＥＧＲクーラ５２が変形し、これによりＥＧＲクーラ５２にクラックが生じるといった事態の発生が未然に防止される。従って、上記エンジンによれば、冷間時のエンジンの暖機を促進させること、すなわちＳＰＣＣＩ燃焼の燃焼状態を適切に安定化させながら、冷却水の温度上昇に伴うＥＧＲクーラ５２の損傷を未然に防止することができる。

特に、上記エンジンによれば、クーラ内水温Ｔ２に応じて流量制御バルブ７５の開度が「通常モード」と「減量モード」との二段階に制御されるので、エンジン本体１の暖気促進を著しく阻害することなく、ＥＧＲクーラ５２の損傷を防止できるという利点がある。すなわち、クーラ内水温Ｔ２が第１閾値温度Ｔα以上となった時点で一律に流量制御バルブ７５を「通常モード」として全開にすることも考えられる。しかし、ＥＧＲクーラ５２を経由する第２冷却水経路６３は、第１冷却水経路６２（ブロック側ウォータジャケット６２ａ）から冷却水を分流させる経路であるため、クーラ内水温Ｔ２が僅かに第１閾値温度Ｔαを超えた段階で流量制御バルブ７５を「通常モード」に切り替える場合には、ブロック側ウォータジャケット６２ａ内の冷却水の流量増大によりエンジン本体１の暖気促進が阻害されることが考えられる。この点、クーラ内水温Ｔ２に応じて流量制御バルブ７５の開度が「通常モード」と「減量モード」との二段階に切り替えられる上記制御によれば、第２冷却水経路６３における冷却水の流量を、クーラ内水温Ｔ２の温度に応じた合理的な流量とすることができる。従って、エンジン本体１の暖気促進を著しく阻害することなく、ＥＧＲクーラ５２の損傷を防止することが可能となる。

［７．変形例等］
上記実施形態では、水温センサＳＮ５からの情報（冷却水の温度）に基づき、演算部１０１がエンジン本体１の壁面温度（燃焼室近傍の壁面温度）を算出する。すなわち、上述の通り演算部１０１が本発明の第１温度取得部に相当する。しかし、第１温度取得部の構成はこれに限定されない。例えば、第１温度取得部として、エンジン本体１に壁面温度を直接検出するセンサを設けてもよい。また、第１温度取得部は、冷却水の温度以外の物理量、例えばエンジンオイルの油温に基づいてエンジン本体１の壁面温度を特定するものであってもよい。

上記実施形態では、ＥＧＲ温度センサＳＮ６、ＥＧＲ流量センサＳＮ７及び水温センサＳＮ５からの情報（ＥＧＲ温度、ＥＧＲ流量（外部ＥＧＲ流量）及び冷却水の水温）などに基づき、演算部１０１がＥＧＲクーラ５２内の冷却水の温度を算出する。すなわち、上述の通り演算部１０１が本発明の第２温度取得部に相当する。しかし、第２温度取得部の構成はこれに限定されない。例えば、第２温度取得部として、ＥＧＲクーラ５２に冷却水の温度を直接検出するセンサを設けてもよい。

上記実施形態中で示している設定壁面温度Ｔａ、第１閾値温度Ｔα、第２閾値温度Ｔβなどの具体的な数値はあくまでも例示である。具体的な温度は、エンジン本体１や冷却装置６０の具体的な構成に応じて適宜変更可能である。

上記実施形態では、本発明に係る冷却装置を部分圧縮着火燃焼（ＳＰＣＣＩ燃焼）が可能なエンジンに適用した例について説明したが、本発明に係る冷却装置は、勿論、全運転領域の燃焼形態がＳＩ燃焼となるように制御されるエンジンについても適用可能である。

１ エンジン本体
３ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
６０ 冷却装置
６１ ウォータポンプ
６２ 第１冷却水経路
６３ 第２冷却水経路
６４ 第３冷却水経路
１００ ＰＣＭ
１０１ 演算部
１０２ 燃焼制御部
１０３ 冷却水制御部
Ｔａ 設定壁面温度（設定温度）
Ｔα 第１閾値温度（閾値温度）
Ｔβ 第２閾値温度

Claims (4)

1. 吸気通路に還流されるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラを備えたエンジンの冷却装置であって、
   エンジン本体を経由して冷却水を循環させる第１冷却水経路と、
   エンジン本体を経由して冷却水を循環させる経路であって、前記第１冷却水経路から冷却水を分流させ、前記ＥＧＲクーラ及びヒータコアを経由させる第２冷却水経路と、
   前記第２冷却水経路の途中に配置される流量制御バルブと、
   前記エンジン本体の壁面温度を取得する第１温度取得部と、
   前記ＥＧＲクーラ内の冷却水の温度を取得する第２温度取得部と、
   前記流量制御バルブを制御する制御部と、を備え、
   前記エンジン本体は、シリンダブロックとシリンダヘッドとを備え、
   前記第１冷却水経路は、前記シリンダブロックと、前記シリンダヘッドの燃焼室に隣接する位置における吸気ポート及び排気ポートの周辺と、ラジエータとの間で冷却水を循環させるように設けられ、
   前記第２冷却水経路は、前記シリンダブロックと、前記シリンダヘッドの排気ポート周辺であってかつ前記第１冷却水経路よりも反燃焼室側の位置と、前記ＥＧＲクーラとの間で冷却水を循環させるように設けられ、
   前記第２温度取得部は、ＥＧＲ温度、ＥＧＲ流量及び前記エンジン本体における冷却水の温度を取得し、前記ＥＧＲクーラ内におけるＥＧＲガス流通部分から冷却水流通部分に亘る温度勾配を示す所定の水温モデルに基づき当該ＥＧＲクーラ内の冷却水の温度を求め、
   前記制御部は、前記エンジン本体の温度が予め設定された設定温度よりも低いときには、当該設定温度以上のときに比べて前記第２冷却水経路における冷却水の流量を低減する流量規制制御を実行するとともに、前記第２温度取得部により求められた前記ＥＧＲクーラ内の冷却水の温度が、当該冷却水の沸騰を抑制するために予め設定された閾値温度以上であるときには、前記流量規制制御の実行を回避する、ことを特徴とする、エンジンの冷却装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの冷却装置において、
   前記制御部は、前記エンジン本体の温度が前記設定温度よりも低いときには、前記第２冷却水経路の冷却水の流量を「０」にする一方、前記設定温度以上のときには、前記第２冷却水経路の冷却水の流量を第１流量とするとともに、前記流量規制制御の実行を回避するときには、前記第２冷却水経路の冷却水の流量を前記第１流量、又は当該第１流量よりも少ない第２流量とする、ことを特徴とするエンジンの冷却装置。
3. 請求項２に記載のエンジンの冷却装置において、
   前記閾値温度を第１閾値温度と定義したときに、
   前記制御部は、前記ＥＧＲクーラ内の冷却水の温度が、前記第１閾値温度以上であってかつ当該第１閾値温度よりも高い第２閾値温度よりも低いときには、前記第２冷却水経路の冷却水の流量を前記第２流量とし、前記第２閾値温度以上であるときには、前記第２冷却水経路の冷却水の流量を前記第１流量とする、ことを特徴とするエンジンの冷却装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のエンジンの冷却装置において、
   前記エンジン本体は、少なくとも低負荷低回転の運転領域では、前記燃焼室内の混合気の一部を点火プラグによる点火点から火炎伝播によりＳＩ燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる部分圧縮着火燃焼が実行されるものである、ことを特徴とするエンジンの冷却装置。
   

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