JP2004143949A - 電動弁制御システムおよび凍結判定システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の暖機行程において、特に極低温時の三方向切換弁の駆動電力を制御する電動弁制御システムを提供する。
【解決手段】本発明による電動弁制御システムは、冷却水温度が所定値以下であり（Ｓ１６のＹ）且つ電圧供給開始から所定時間経過後の三方向切換弁の作動状態が所期の状態に達しない場合に（Ｓ２０のＹ）、三方向切換弁の凍結を判定する。凍結を判定した場合には、三方向切換弁への駆動電圧の供給を停止する（Ｓ２２）。これにより、三方向切換弁が破損するリスクを回避できる。また、冷却水中の不凍液濃度をチェックすべき旨を運転者に通知することにより（Ｓ２４）、メンテナンスに対するインセンティブを向上させることもできる。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動弁制御システムおよび凍結判定システムに関し、特に内燃機関などの動力源の流体循環系における電動弁制御システムおよび凍結判定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の車両に搭載される内燃機関は、気筒内に噴射する燃料を細かな霧状にして良好な燃焼状態を実現し、排気エミッションの悪化を抑制する。機関温度が低い状態では良好な燃焼状態を保つことが難しいため、機関始動前に内燃機関を暖機する技術が知られている。この技術では、機関運転中に内燃機関で温められた冷却水を蓄熱タンクに貯留しておき、この貯留された温水を次回の機関始動前に内燃機関に供給して、内燃機関を暖機する。従来の暖機行程を行う技術には、切換弁を作動して、高温の冷却水を貯留する容器と内燃機関の冷却水通路とを接続し、高温の冷却水を内燃機関に供給する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１４０６４４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
通常、内燃機関の冷却水の凍結を避けるべく、冷却水には不凍液が混入されている。しかしながら、不凍液が劣化し又は不凍液濃度が好適な範囲にない場合には、不凍液本来の作用が十分に発揮されず、低温時に冷却水が凍結することもある。特許文献１に開示されるように、暖機行程においては、冷却水流路中に存在する切換弁を作動させるが、冷却水が凍結している状況下で切換弁を無理に作動させようとすると、切換弁が不調をきたす恐れがある。また切換弁に対して無用に電圧を印加するため、電力損失の観点からも好ましくない。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関などの動力源を循環する流体の流路に設けられる電動弁を好適に制御する電動弁制御システムを提供することにある。また本発明の目的は、流体凍結時に電動弁を好適に制御する電動弁制御システムを提供することにある。また本発明の目的は、流体の凍結を認識できる凍結判定システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現するために、本発明の一つの態様は、動力源を循環する流体の流路に設けられる電動弁と、電動弁の駆動電力を制御する制御部とを備え、この制御部が、流体温度が所定値以下であり且つ電動弁の作動状態が所期の状態に達しない場合に、電動弁への駆動電力の供給を制限する電動弁制御システムを提供する。制御部は、供給する電力量を低減しまたは供給を停止してもよい。ここで流体は、液体や気体を含む。また動力源は、内燃機関や電動機、燃料電池などのエネルギ発生源を含む。制御部は、電動弁の駆動形式に応じて電力量、電圧値または電流値を調整し、電動弁の駆動電力を制御する。この態様の電動弁制御システムによると、電動弁に供給する無用な電力を低減できる。制御部は、電動弁に駆動電力を供給してから所定時間が経過した後に、電動弁への駆動電力の供給を制限してもよい。
【０００７】
制御部は、電動弁が正常に作動可能であることを予め判定した後、駆動電力を供給した後の電動弁の作動状態が不良である場合に、流体の凍結を判定してもよい。流体凍結時に電動弁への駆動電力の供給を制限することにより、電動弁の破損を防止できる。
【０００８】
制御部は、流体が凍結している旨を通知装置から運転者に通知させてもよい。流体が不凍液を混入された冷却水の場合には、制御部は、不凍液をチェックすべき旨を通知装置から通知させてもよい。なお不凍液とは、冷却水の凍結温度を下げる目的の混合溶液をいう。一般に、冷却水に対する不凍液の濃度は所定の範囲にあることが好ましい。冷却水が凍結した場合、不凍液濃度が十分でないことが予想されるため、例えば不凍液の濃度チェックを指示することにより、車両メンテナンスに対するインセンティブを運転者に与えてもよい。
【０００９】
本発明の別の態様は、動力源を循環する流体の流路に設けられる電動弁と、流体温度が所定値以下であり且つ電動弁の作動状態が所期の状態に達しない場合に流体が凍結していることを判定する制御部とを備えた凍結判定システムを提供する。流体は液体や気体を含み、また動力源は、内燃機関や電動機、燃料電池などのエネルギ発生源を含む。この態様の凍結判定システムによると、容易に流体の凍結を判定することができ、この判定に続いて所要の制御を実行することが可能となる。制御部は、電動弁が正常に作動可能であることを判定後、駆動電力を供給した後の作動状態が不良である場合に流体の凍結を判定してもよい。制御部は、流体が凍結している旨を通知装置から通知させてもよい。流体が、凍結温度を下げるために不凍液を混入された冷却水であるとき、制御部は、不凍液をチェックすべき旨を通知装置から通知させてもよい。
以上の各構成を方法またはプログラムとして表現したものも、本発明として有効である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関１とその冷却水循環系の概略構成を示す。この内燃機関１は車両に設けられ、電動機と組み合わされてハイブリッド駆動装置やエコランシステム（自律的なエンジン一時停止システム、アイドルストップシステムとも呼ばれる）を構成してもよい。冷却水循環系は、内燃機関１を冷却する機関冷却システムとして機能し、また内燃機関１により温められた冷却水を蓄える蓄熱システム、および車内を暖房するヒータシステムとして機能する。さらに本実施の形態において、冷却水循環系は、三方向切換弁１３の動作を制御する弁制御システムとしても機能し、また冷却水の凍結を判定する凍結判定システムとしても機能する。三方向切換弁１３は電動弁であり、図示のごとく内燃機関１を循環する冷却水の流路に設けられる。冷却水循環系として図示される個々の構成は、各システムの構成要素として適宜その役割を担う。
【００１１】
冷却水の流路は、電子制御装置（以下、ＥＣＵと表記する）３０により制御される。ＥＣＵ３０は、図示のごとく単一の構成であってもよいが、空調などの用途にそれぞれ特化した複数の構成として存在してもよい。以下では制御機能を実現する構成を、統一的にＥＣＵ３０として表現する。本実施の形態において、ＥＣＵ３０は、三方向切換弁１３の駆動電力を制御する弁制御装置、および冷却水の凍結を判定する凍結判定装置としての機能も備える。
【００１２】
内燃機関１はその内部に冷却水通路２を有し、冷却水通路２の上流側は循環ポンプ３の吐出口に接続される。一般に循環ポンプ３は機械式で、内燃機関１のクランクシャフト（図示せず）によって駆動される。なお、循環ポンプ３の構造は任意に定めることができ、冷却水の循環効率の観点から電動式に構成されてもよい。機関冷却システムは、循環ポンプ３およびラジエータ５を含んで構成される。循環ポンプ３は、内燃機関１の温度を調整するべく冷却水を循環させる。サーモスタット弁８は、冷却水温度に応じて循環ポンプ３の吸込み口の接続先を切り換える。冷却水温度が所定値以上のとき、サーモスタット弁８は循環ポンプ３の吸込み口をラジエータ戻し管路６に接続する。このとき冷却水は、循環ポンプ３から冷却水通路２、ラジエータ導入管路４、ラジエータ５、ラジエータ戻し管路６およびポンプ導入管路７を通る流路を循環する。なお、吸気絞り弁２１のケーシングが分岐管路２０に設けられており、高温の冷却水により温められる。一方、冷却水温度が低いときは、サーモスタット弁８が循環ポンプ３の吸込み口をバイパス管路９に接続し、冷却水が循環ポンプ３から冷却水通路２、バイパス管路９およびポンプ導入管路７を通る流路を循環する。
【００１３】
ヒータシステムは、ヒータ１１およびヒータ用ポンプ１５を含んで構成される。ヒータ用ポンプ１５は、ヒータ用管路１４に設けられる。内燃機関１が自律的に一時停止するような車両の場合、ヒータ用ポンプ１５は電動式に構成されるのが好ましい。車内の暖房時、冷却水通路２において温められた冷却水を第１共通管路１２およびヒータ用管路１４を経てヒータ１１に供給する。このときＥＣＵ３０が、三方向切換弁１３を制御して第１共通管路１２およびヒータ用管路１４を連通させ、ヒータ用ポンプ１５を作動させる。内燃機関１の運転中は、循環ポンプ３も作動し、温められた冷却水がヒータ１１に供給される。空調専用のＥＣＵが存在する場合には、そのＥＣＵがヒータ用ポンプ１５を作動させる。この冷却水は第２共通管路１６およびポンプ導入管路７を経て冷却水通路２に戻される。なお、内燃機関１の冷温時に車内を暖房する場合、ＥＣＵ３０が三方向切換弁１３を制御して温水排出管路２２とヒータ用管路１４を連通させ、蓄熱タンク１７に貯留された温水をヒータ１１に供給してもよい。
【００１４】
蓄熱システムは、蓄熱タンク１７および電動式の蓄熱用ポンプ１８を含んで構成される。蓄熱タンク１７の入口が、温水回収管路２３、第２共通管路１６を経て内燃機関１側に連結し、また出口が温水排出管路２２、三方向切換弁１３、第１共通管路１２を経て内燃機関１側に連結する。機関水温センサ１０が冷却水通路２の冷却水温度を検出し、蓄熱水温センサ１９が蓄熱タンク１７の出口付近の冷却水温度を検出する。検出結果はＥＣＵ３０に伝達される。
【００１５】
冷却水通路２の冷却水温度が所定値を超えると、ＥＣＵ３０は三方向切換弁１３を制御して第１共通管路１２、ヒータ用管路１４および温水排出管路２２を連通させて全通状態とし、蓄熱用ポンプ１８を作動する。冷却水通路２で温められた冷却水は、ラジエータ導入管路４、ラジエータ５、ラジエータ戻し管路６、第２共通管路１６および温水回収管路２３を通って蓄熱タンク１７に貯留される。蓄熱タンク１７に温水を貯留する行程を「蓄熱行程」と呼ぶ。温水の回収流路は、これに限定するものではなく、例えばラジエータ５を通らない管路を新たに設けてもよい。
【００１６】
内燃機関１の始動時、内燃機関１を予め暖機するために、蓄熱タンク１７に貯留した温水を、温水排出管路２２および第１共通管路１２を経て内燃機関１に供給する。このときＥＣＵ３０は、三方向切換弁１３を制御して温水排出管路２２および第１共通管路１２を連通させ、蓄熱用ポンプ１８を作動する。これにより蓄熱用ポンプ１８が、蓄熱タンク１７に貯留された温水を内燃機関１に供給する。温水を内燃機関１に供給する行程を「暖機行程」と呼ぶ。温水は内燃機関１のシリンダヘッド部に供給されて、吸気ポートまたは燃焼室を優先的に暖機することが好ましい。
【００１７】
本実施の形態における弁制御システムは、冷却水凍結時における三方向切換弁１３の駆動電力を制御する機能を有する。冷却水が凍結すると、三方向切換弁１３に駆動電力を供給しても、三方向切換弁１３は所期のように作動しないことがある。本実施の形態の弁制御システムは、三方向切換弁１３の作動状態を適切に把握し、冷却水の凍結を認識することによって三方向切換弁１３への電力供給を停止し、三方向切換弁１３に無用の電力を供給する状況を回避する。さらに、凍結した冷却水中で三方向切換弁１３に過剰な負荷がかかり、破損する事態を回避することもできる。
【００１８】
弁制御システムにおいて、状態検出部２５が三方向切換弁１３の作動状態を検出する。状態検出部２５はポテンショメータなどの構成であってよく、検出結果はＥＣＵ３０に伝達される。また既述のごとく機関水温センサ１０および蓄熱水温センサ１９による冷却水温度の検出結果はＥＣＵ３０に供給される。ＥＣＵ３０は、三方向切換弁１３の作動状態および冷却水温度に基づいて、冷却水の凍結を判定する。冷却水が凍結している場合、ＥＣＵ３０は、三方向切換弁１３への駆動電力の供給を停止し、通知装置２４から凍結に関連する情報を運転者に通知する。通知装置２４は、視覚的または聴覚的に情報を通知する装置であればよく、例えばカーナビ用のディスプレイまたはエネルギーモニター用のディスプレイや、スピーカなどの音声出力装置であってよい。
【００１９】
図２は、本実施の形態に係る弁制御システムによる三方向切換弁１３の制御のフローチャートを示す。この弁制御フローにおいてＥＣＵ３０は、三方向切換弁１３の駆動電力を制御する電動弁制御装置として機能する。
【００２０】
まずＥＣＵ３０が、弁制御システムにおける構成要素が正常に作動可能な状態にあるか否かを判断する（Ｓ１０）。具体的にＥＣＵ３０は、三方向切換弁１３、機関水温センサ１０、蓄熱水温センサ１９および状態検出部２５などの構成要素の動作チェックを行う。この動作チェックでは、断線や破損などによる異常状態を検出する。ＥＣＵ３０は、車両の走行中、これらの構成要素の動作チェックを常時行うことが好ましく、異常が検出される場合には、その構成要素につき異常フラグを設定する。暖機行程の開始時、ＥＣＵ３０は、前回の車両走行時に設定された異常フラグをチェックして、各構成要素が正常状態または異常状態にあるかを判定する。構成要素に異常フラグが設定される場合には（Ｓ１０のＮ）、制御フローを終了する。
【００２１】
構成要素が正常に作動可能な状態にある場合（Ｓ１０のＹ）、ＥＣＵ３０は、三方向切換弁１３の動作要求の有無を判定する（Ｓ１２）。動作要求がない場合（Ｓ１２のＮ）、この制御フローを終了し、動作要求がある場合には（Ｓ１２のＹ）、その動作要求に応じて、三方向切換弁１３に駆動電圧を印加する（Ｓ１４）。暖機行程では、三方向の管路を全通状態とする駆動電圧が、三方向切換弁１３に印加される。
【００２２】
続いてＥＣＵ３０は、機関水温センサ１０または蓄熱水温センサ１９により検出した冷却水温度が所定の基準値以下であるか否かを判定する（Ｓ１６）。なお、蓄熱水温センサ１９は、蓄熱タンク１７の内部ではなく外部に設けられているため、機関水温センサ１０と同様に流路中の冷却水温度を検出する。基準値は、不凍液を混入された冷却水の凍結温度付近、例えばマイナス数十度に設定される。冷却水温度が基準値よりも高い場合（Ｓ１６のＮ）、ＥＣＵ３０は、冷却水が凍結していないと判断し、制御フローを終了する。一方、冷却水温度が基準値以下の場合（Ｓ１６のＹ）、ＥＣＵ３０は、冷却水が凍結している可能性があると判断し、三方向切換弁１３の作動状態を監視する。
【００２３】
駆動電圧を供給してから所定時間が経過すると（Ｓ１８）、三方向切換弁１３が目標位置に到達しているか否かを判別する。この所定時間は、凍結のない状態において三方向切換弁１３が目標位置に到達するまでの時間に等しいか又はそれよりも若干長めに設定される。ＥＣＵ３０は、状態検出部２５の検出結果から三方向切換弁１３の弁位置を把握し、この判別を行う。具体的に暖機行程においては、三方向切換弁１３の弁位置が三方向の管路を全通状態とする目標位置にあるか否かを判別する。弁位置が目標位置に到達している場合（Ｓ２０のＮ）、ＥＣＵ３０は、三方向切換弁１３の作動状態が良好であり、冷却水の凍結もないと判断して、制御フローを終了する。
【００２４】
一方、弁位置が目標位置に到達していない場合（Ｓ２０のＹ）、すなわち三方向切換弁１３の作動状態が不良である場合、ＥＣＵ３０は流体の凍結を判定する。すなわち、各構成要素が作動可能な状態であるのにもかかわらず、冷却水温度が低く且つ三方向切換弁１３の作動状態が所期の状態に達していない状況に基づいて、ＥＣＵ３０は、三方向切換弁１３の作動が冷却水の凍結により妨げられていると判断する。凍結を判定すると、三方向切換弁１３への電圧印加を停止する（Ｓ２２）。これにより、三方向切換弁１３における無用な電力消費および破損のリスクを回避できる。またＥＣＵ３０は、通知装置２４から流体が凍結している旨を運転者に通知してもよい（Ｓ２４）。この通知は、サービスチェックにおけるリセットにより、または次回のこのルーチンで凍結判定がなされなかったときに解除するよう設定できる。このとき、不凍液の濃度をチェックすべき旨を通知してもよい。不凍液の濃度についての注意を喚起させることにより、冷却水交換を含むメンテナンスに対するインセンティブを運転者に与えることができる。
【００２５】
なお、図２のフローチャートを電動弁制御システムにおける電動弁の制御方法として説明したが、このフローチャートは、凍結判定システムにおける冷却水の凍結判定方法としても応用することができる。その場合、ＥＣＵ３０は、冷却水の凍結を判定する凍結判定装置として機能する。また、本実施の形態では弁制御方法を三方向切換弁１３の制御を例にとり説明したが、冷却水流路中に他の電動弁が設けられる場合には、この弁制御方法を、三方向切換弁１３以外の弁の制御にも応用できることは言うまでもない。さらに、内燃機関１の弁だけでなく、電動機の冷却系、潤滑系および燃料電池のガス供給系の弁の制御などにも応用できることも言うまでもない。
【００２６】
以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。なお本発明はこの実施の形態に限定されることなく、そのさまざまな変形例もまた、本発明の態様として有効である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によると、電動弁の駆動電力を適切に制御することのできる電動弁制御システムを提供することができる。また本発明によると、冷却水の凍結を適切に判定することのできる凍結判定システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る内燃機関とその冷却水循環系の概略構成を示す図である。
【図２】本実施の形態に係る弁制御システムによる三方向切換弁制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１・・・内燃機関、２・・・冷却水通路、３・・・循環ポンプ、１０・・・機関水温センサ、１３・・・三方向切換弁、１７・・・蓄熱タンク、１９・・・蓄熱水温センサ、２４・・・通知装置、２５・・・状態検出部、３０・・・ＥＣＵ。

Claims (9)

1. 動力源を循環する流体の流路に設けられる電動弁と、
   前記電動弁の駆動電力を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、流体温度が所定値以下であり且つ前記電動弁の作動状態が所期の状態に達しない場合に、前記電動弁への駆動電力の供給を制限することを特徴とする電動弁制御システム。
2. 前記制御部は、前記電動弁に駆動電力を供給してから所定時間経過後に、前記電動弁への駆動電力の供給を制限することを特徴とする請求項１に記載の電動弁制御システム。
3. 前記制御部は、前記電動弁が正常に作動可能であることを判定後、駆動電力を供給した後の作動状態が不良である場合に、流体の凍結を判定することを特徴とする請求項１または２に記載の電動弁制御システム。
4. 前記制御部は、流体が凍結している旨を通知させることを特徴とする請求項３に記載の電動弁制御システム。
5. 流体は、凍結温度を下げるための不凍液が混入された冷却水であり、
   前記制御部は、不凍液をチェックすべき旨を通知させることを特徴とする請求項３に記載の電動弁制御システム。
6. 動力源を循環する流体の流路に設けられる電動弁と、
   流体温度が所定値以下であり且つ前記電動弁の作動状態が所期の状態に達しない場合に、流体の凍結を判定する制御部と、
   を備えた凍結判定システム。
7. 前記制御部は、前記電動弁が正常に作動可能であることを判定後、駆動電力を供給した後の作動状態が不良である場合に、流体の凍結を判定することを特徴とする請求項６に記載の凍結判定システム。
8. 前記制御部は、流体が凍結している旨を通知させることを特徴とする請求項６または７に記載の凍結判定システム。
9. 流体は、凍結温度を下げるための不凍液が混入された冷却水であり、
   前記制御部は、不凍液をチェックすべき旨を通知させることを特徴とする請求項６または７に記載の凍結判定システム。

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