JP2006266105A

JP2006266105A - 内燃機関の放熱装置制御方法

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Publication number: JP2006266105A
Application number: JP2005081957A
Authority: JP
Inventors: Masanori Shimada; 昌典島田
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: JP4446914B2

Abstract

【課題】冷却水温の上昇に応じ電動式水ポンプの回転数を高く制御する構成のもので、走行風等により冷却水が冷却されない場合、冷却水はラジエータに循環されるが冷却されない状態となり、水ポンプを無駄に回転させることになる。
【解決手段】液冷式内燃機関が、冷却液を循環させる電動ポンプと、冷却液を放熱させる放熱器及び放熱器に送風する送風機からなる放熱装置を備え、送風装置を作動させる上限温度を設定し、電動ポンプを作動させる所定温度を上限温度より低く設定し、冷却液温が少なくとも所定温度より高い冷却液温領域では冷却液温の上昇に伴い電動ポンプの回転数を上昇させる内燃機関の放熱装置制御方法であって、冷却液温を検出し、検出した冷却液温が所定温度に到達した時点から所定時間が経過した後に冷却液の温度上昇率が所定率以上の場合、又は電動ポンプの回転数上昇率が所定回転率以上の場合、前記上限温度に到達する前に送風機を作動させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動ポンプにより冷却液を循環させて冷却される内燃機関の放熱装置制御方法に関するものである。

従来、車両に搭載される内燃機関である火花点火式エンジン（ガソリンエンジン）やディーゼルエンジンにあっては、例えば冷却水をシリンダブロック及びシリンダヘッドのウォータジャケット内に循環させ、高温になった冷却水をラジエータにより放熱して、設定された温度の範囲内で運転するものが一般的である。冷却水を循環させるために、エンジンの駆動力を利用する機械式のウォータポンプが一般的であるが、近年においては、電動式のウォータポンプも知られている。

このような電動式ウォータポンプを使用するものにおいては、冷却水温度が低い状態では電動式ウォータポンプを作動させず、冷却水温度が設定温度に達した時点から作動させるものである。そして、冷却水温度を低下させるために、ラジエータに送風する電動式ラジエータファンを冷却水温度に応じて回転させるように構成されるものである。

このような構成において、例えば特許文献１に記載のものでは、ラジエータにおける所要放熱量を満たす冷却水の流量と冷却風の風量との組み合わせのうち、電動ポンプ（電動式ウォータポンプ）と電動ファン（ラジエータファン）との消費電力の和が最小となる組み合わせを演算し、その演算結果に基づいて電動ポンプと電動ファンとを駆動するようにしている。

また、特許文献２に記載のものでは、ラジエータに冷却水を循環させる通路とラジエータに循環せずに冷却水をエンジンに循環させるバイパス管路とを備え、冷却水温度が予め設定された温度より低い場合にバイパス管路に冷却水を循環させ、設定された温度より高い場合に、ラジエータに冷却水を循環させて、所定時間後にも冷却水温度が設定された温度より高い場合にラジエータファンを回転させるものである。
特開２００２−２１３２４２号公報特開平５−１０１２７号公報

ところが、特許文献１のものでは、上述のように、電動ポンプと電動ファンとの各消費電力の和が最小となる組み合わせを演算しなければならず、このような演算が処理を複雑にするものであった。また、このように演算処理が複雑になることで、メモリの使用量を増加させることになった。これに加えて、例えばラジエータが汚れた場合には、その汚れのために所要放熱量を満たす冷却水の流量に誤差が生じる可能性があり、放熱効率が低下することなどがあるが、このような場合、消費電力の演算の精度が低下し、冷却水を効果的に冷却することが困難になり、冷却水温度が過剰に上昇する可能性が生じた。

一方、特許文献２のものにおいては、冷却水温度が実際に設定された温度まで上昇しない限りラジエータファンが作動しないため、その間にウォータポンプを回していることで、冷却水の冷却に寄与しない電力が消費されるものとなった。またこのようなラジエータファンの制御を、冷却水温度が上昇するのに応じてウォータポンプの回転数を高くするように制御する構成のものに適用すると、設定された温度まで冷却水温度が達するまでウォータポンプの回転数が継続して上昇するが、例えば走行風などにより冷却水が冷却されない場合には、冷却水はラジエータに循環されているが冷却されない状態となり、ウォータポンプを無駄に回転させることになり、冷却水の冷却に寄与しない電力を消費するものとなる。

本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の放熱装置制御方法は、冷却液により冷却する液冷式の内燃機関が、冷却液を循環させる電動ポンプと、冷却液を放熱させる放熱器及び放熱器に送風する送風機からなる放熱装置とを備えてなり、送風装置を作動させる上限温度を設定し、電動ポンプを作動させる所定温度を上限温度よりも低く設定しておき、冷却液温度が少なくとも所定温度よりも高い冷却液温度領域においては冷却液温度の上昇に伴い電動ポンプの回転数を上昇させる内燃機関の放熱装置制御方法であって、冷却液温度を検出し、検出した冷却液温度が所定温度に到達した時点から所定時間が経過した後に冷却液の温度上昇率が所定率以上である場合は、又は電動ポンプの回転数上昇率が所定回転率以上である場合は、前記上限温度に到達する前に送風機を作動させることを特徴とする。

本発明における冷却液は、水道水や添加物を混合しない蒸留水などの水、及び冬期における凍結を防止するための凍結防止剤を添加した水、さらには難燃性の液体を含むものである。

このような構成によれば、冷却液の温度上昇率が所定率以上である場合は、又は電動ポンプの回転数上昇率が所定回転率以上である場合は、上限温度に到達する前に送風機を作動させるので、冷却液温度が上限温度に達するまでに送風機を作動させることが可能になる。それゆえ、冷却液温度の上昇度合い又は電動ポンプの回転上昇度合いに応じて電動ポンプを作動させるまでの時間を短縮することが可能になり、冷却液の放熱に供しない電動ポンプにおける電力の消費を抑えることが可能になる。しかも、仮に放熱器が汚れのために放熱効率を低下させている場合においても、冷却液の温度上昇率又は電動ポンプの回転数上昇率に基づいて送風機を作動させるため、放熱器の放熱効率の変化に対応することが可能になる。

電動ポンプ及び送風機の消費電力を低減するためには、冷却液の温度上昇率が所定率以上である場合に電動ポンプの消費電力が送風機の消費電力にほぼ等しくなる時点に送風機を作動させるものが好ましい。

本発明は、以上説明したように、冷却液の温度上昇率又は電動ポンプの回転数上昇率に基づいて送風機を作動させるので、冷却液温度が上限温度に達するまでに送風機を作動させることができる。それゆえ、冷却液温度の上昇度合い又は電動ポンプの回転上昇度合いに応じて電動ポンプを作動させるまでの時間を短縮することができ、冷却液の放熱に供しない電動ポンプにおける電力の消費を抑えることができる。しかも、仮に放熱器が汚れのために放熱効率を低下させている場合においても、冷却液の温度上昇率又は電動ポンプの回転数上昇率に基づいて送風機を作動させるため、放熱器の放熱効率の変化に対応することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に示す内燃機関すなわちエンジン１００は、例えば自動車などの車両に搭載される冷却液として冷却水を用いるもので、シリンダブロック１とシリンダヘッド２との内部に設けられて冷却水が循環するウォータジャケット３を備えているとともに、ウォータジャケット３と放熱装置４を構成するラジエータ４１とに冷却水を循環させるために、電動ポンプからなる電動式ウォータポンプ５を備えている。また、エンジン１００は、冷却水の温度（冷却水温度）を検出する水温センサ６を、冷却水がラジエータ４１に送り出されるウォータアウトレット３１の近傍位置において備えている。

放熱装置４は、上述のラジエータ４１と、ラジエータ４１の背面側に配置されてラジエータ４１に放熱のための風を供給する送風機を構成する送風モータ４２及び送風モータ４２により回転駆動される送風ファン４４とを備えている。送風モータ４２の作動は、後述する電子制御装置７により制御される。ラジエータ４１は、ウォータジャケット３に連通するウォータアウトレット３１に接続される冷却水戻り管路４５に接続されるとともに、電動式ウォータポンプ５の近傍に配置されたウォータジャケット３と連通するウォータインレット３２に接続される冷却水供給管路４６に接続される。送風モータは、例えば直流モータである。

電動式ウォータポンプ５は、回転速度を変更できる形式の例えば直流モータで、その回転数を検出する回転数センサ５１を備えている。この電動式ウォータポンプ５は、電子制御装置７から出力される駆動信号によりその回転数が、冷却水温度に基づいて制御される。回転数センサ５１から出力される回転数信号ｒは、電子制御装置７に入力される。

なお、エンジン１００には、空燃費や回転数など運転状態を制御するために、運転状態を検出するための各種センサやスイッチなどが取り付けてあるが、これらの構成については当該分野でよく知られているものを広く用いることができるので、構成及び動作の説明を省略する。

電子制御装置７は、中央演算処理装置７１と記憶装置７２と入力インターフェース７３と出力インターフェース７４とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。記憶装置７２には、後述する放熱装置制御プログラムが格納してあり、また同プログラムの実行に必要なデータなどが記憶してある。入力インターフェース７３には、水温センサ６から出力される水温信号ｗと、電動式ウォータポンプ５の回転を検出する回転数センサ５１から出力される回転数信号ｒとが、その他の各種のセンサやスイッチ（それぞれ図示しない）の出力信号とともに入力される。また、出力インターフェース７４からは、送風ファン４２に対して駆動信号ｆが、電動式ウォータポンプ５に対して回転制御信号ｐが、さらには図示しない燃料噴射弁やスパークプラグなどに対してそれぞれ作動のための信号が出力される。

なお、図示しないが、電子制御装置７には、入力されるアナログ信号をディジタルデータに変換するためのＡ／Ｄコンバータが内蔵されており、Ａ／Ｄコンバータは水温信号ｗや回転数信号ｒ等を一定の間隔でディジタルデータに変換して、中央演算処理装置７１に出力するものである。また、後述する所定時間を計時するために、電子制御装置７はタイマー機能を有するものである。

放熱装置制御プログラムを、図２及び図３に示すフローチャートを用いて説明する。同プログラムは、エンジン１００を始動した後は所定時間毎に繰り返し実行するものである。この実施形態においては、ラジエータファン４４を確実に作動させる上限温度Ｔ２と、電動式ウォータポンプ５を作動させる所定温度Ｔ１とが設定して、記憶装置７２に保存してある。所定温度Ｔ１は、上限温度Ｔ２より低い温度に設定してある。そして、基本的には、冷却水温度が所定温度Ｔ１に到達した場合、つまり冷却水温度が所定温度Ｔ１よりも高い冷却水温度領域に達した場合には、冷却水温度の上昇に伴い電動式ウォータポンプ５の回転数を上昇させるように、電子制御装置７は電動式ウォータポンプ５の回転を制御するように構成してある。

図２において、まずステップＳ１では、エンジン１００を始動した後に冷却水温度が所定水温Ｔ１に達したか否かを判定する。所定水温Ｔ１は、電動式ウォータポンプ５を作動させるか否かを判定するための温度で、冷却水温度が低く冷却水をラジエータ４１に循環して放熱（冷却）することなくエンジン１００を適正な温度に維持できる温度に設定してある。そして、冷却水温度が所定温度Ｔ１に達するまでは、電動式ウォータポンプ５を回転させずに、冷却水をラジエータ４１に循環させないものである。なお、冷却水温度は、例えば燃料噴射量を補正する補正量を設定するために、このプログラムを実行する前に所定の検出周期により検出されたものを用いることができる。

ステップＳ１において冷却水温度が所定温度Ｔ１に達したと判定した場合にはステップＳ２において、冷却水温度が所定温度Ｔ１に到達した後から所定時間が経過したか否かを判定する。この所定時間は、ラジエータ４１内の冷却水が水温センサ６に到達するまでの時間に設定する。つまり、エンジン１００を始動した後、冷却水温度が上昇し所定温度Ｔ１に達すると、電動式ウォータポンプ５が回転し、冷却水がウォータジャケット３からラジエータ４１を介して循環する。この場合に、ラジエータ４１内に存在した冷却水が、ウォータジャケット３を通過して水温センサ６に到達するまでの時間を計測しておき、その計測した時間により所定時間を設定する。

ステップＳ２において所定時間が経過したと判定した場合にはステップＳ３において、冷却水温度の温度上昇率を演算する。具体的には、この温度上昇率は、所定時間後に前後して検出された２つの冷却水温度を、所定の検出周期により除して演算するものである。

ステップＳ４では、演算した温度上昇率が設定された所定率以上か否かを判定する。この所定率は、例えば低速あるいは停車時において、走行風により冷却水の冷却が効果的に行われない場合に、冷却水温度が上昇することで電動式ウォータポンプ５の回転数が温度上昇とともに高くなり、ラジエータファン４４が作動するまでに電動式ウォータポンプ５が無駄に電力を消費するような状態における冷却水温度の温度上昇率に基づいて設定するものである。

ステップＳ４において温度上昇率が所定率以上であると判定した場合にはステップＳ５において、設定されたタイミングにおいて送風モータ４２に対して駆動信号ｆを供給して、ラジエータファン４４を回転させて、ラジエータ４１に送風を行う。この実施形態においては、このラジエータファン４４を作動させるタイミングを次のように設定している。

すなわち、図３において、ステップＳ５１では電動式ウォータポンプ５の消費電力Ｐｗｐを検出する。この消費電力Ｐｗｐは、回転制御信号ｐと電動式ウォータポンプ５に印加される電圧とに基づいて計測されるもので、冷却水温度が上昇するに応じて電動式ウォータポンプ５の回転数が上昇するので、それに伴って消費電力Ｐｗｐは大きくなるものである。

この後、ステップＳ５２では、電動式ウォータポンプ５の消費電力Ｐｗｐが送風モータ４２の消費電力Ｐｒｆにほぼ等しくなったか否かを判定する。送風モータ４２は、定回転動作をしているので、その消費電力Ｐｒｆは一定である。

ステップＳ５２において消費電力Ｐｗｐが消費電力Ｐｒｆと異なっている、すなわち消費電力Ｐｗｐが未だ消費電力Ｐｒｆにほぼ等しくなっていない場合には、ステップＳ５１に戻る。そして、消費電力Ｐｗｐが消費電力Ｐｒｆにほぼ等しくなるまで、ステップＳ５１及びステップＳ５２を繰り返して実行する。

この後、ステップＳ５２において消費電力Ｐｗｐが消費電力Ｐｒｆにほぼ等しいと判定すると、この時点においてステップＳ５３を実行して、送風モータ４２に駆動信号ｆを出力してラジエータファン４４を作動させる。

以上のように、この実施形態においては、冷却水温度が所定水温Ｔ１にまで上昇した時点から所定時間が経過し、その後の冷却水温度の温度上昇率が所定率以上である場合には、電動式ウォータポンプ５の消費電力Ｐｗｐが送風モータ４２の消費電力Ｐｒｆにほぼ等しくなるタイミングで送風モータ４２に駆動信号ｆを出力して、ラジエータファン４４を作動させて、冷却水を冷却するものである。

図４のＰＴ１は、例えば冬期など気温が低い環境で、車両が郊外を定速で走行しており、ラジエータファン４４の風量以上の走行風がラジエータ４１に供給されている場合である。この場合には、走行風によりラジエータ４１において冷却水の熱交換（放熱）が行われるため、冷却水温度が所定率以上にならず、ステップＳ１からステップＳ４を実行してラジエータファン４４は作動させない。

同図のＰＴ２は、車両が走行した後に渋滞などにより、走行風が見込めない状態になった場合である。走行風がある状態では、冷却水温度の温度上昇率は所定率以上とはならないが、渋滞などにより車両の走行速度が低下して走行風がほぼなくなると、時間の経過とともに冷却水温が上昇する。この場合に、冷却水温度の温度上昇率が所定率以上となると、ステップＳ１からステップＳ５を実行して、ウォータポンプ５の消費電力Ｐｗｐが送風モータ４２の消費電力Ｐｒｆにほぼ等しくなるタイミングでラジエータファン４４を作動させる（ステップＳ５１からステップＳ５３を実行）。

同図のＰＴ３は、例えば夏期などの気温が高い環境で、車両が停止しており走行風がない場合である。この場合、エンジン１００の始動後、冷却水温度が所定水温Ｔ１に達した後、所定時間が経過してから冷却水温度の温度上昇率が所定率以上であると、ステップＳ１からステップＳ５（ステップＳ５１からステップＳ５３の実行を含む）を実行して、ウォータポンプ５の消費電力Ｐｗｐが送風モータ４２の消費電力Ｐｒｆにほぼ等しくなるタイミングでラジエータファン４４を作動させる。

このように、冷却水温度がＰＴ２及びＰＴ３のように変化する場合においては、冷却水温度が上限温度Ｔ２に到達する前にラジエータファン４４が作動して、冷却水をラジエータ４１により冷却することで、冷却水温度が低下する。このため、電動式ウォータポンプ５の回転数は降下し、その消費電力Ｐｗｐは小さくなる。この結果、電動式ウォータポンプ５を無駄に回転させることを防止することができ、電力消費を低減することによりエンジン１００の電気負荷を軽減して燃費を向上させることができる。

また、この実施形態においては、ウォータポンプ５の消費電力Ｐｗｐが送風モータ４２の消費電力Ｐｒｆにほぼ等しくなるタイミングでラジエータファン４４を作動させているので、ラジエータファン４４の作動する回数を低減させることができ、その結果電力消費量を低減することができる。

なお、図４のＰＴ４のように、温度上昇率が所定率以上にならない状態で冷却水温度が上昇した場合には、冷却水温度が上限温度Ｔ２に達した時点でラジエータファン４４を作動させて、冷却水を冷却するものである。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態においては、ラジエータファン４４を作動させるタイミングをウォータポンプ５の消費電力Ｐｗｐが送風モータ４２の消費電力Ｐｒｆにほぼ等しくなるタイミングに設定するものを説明したが、次に説明するタイミングであってもよい。

すなわち、冷却水温度の温度上昇率が所定率以上になったことを判定した場合に、その直後、つまりその判定とほぼ同時のタイミングでラジエータファン４４を作動させるものである。このようなタイミングにおいては、車両の走行状態にもよるが、ラジエータファン４４の作動回数が増える場合が生じるが、早期に冷却水温度が低下することで電動式ウォータポンプ５の回転数が下がり、結果として電動式ウォータポンプ５における消費電力Ｐｗｐが低減され、燃費の向上を達成することができるものである。

これに対して、ラジエータファン４４の作動タイミングを、冷却水温度が上限温度Ｔ２に達する直前のタイミングに設定するものである。この場合にあっては、送風モータ４２の消費電力Ｐｒｆを低減することができる。

加えて、上述の実施形態においては、冷却水温度の温度上昇率が所定率以上になったことを判定してラジエータファン４４の作動を制御したが、電動式ウォータポンプ５の回転数の上昇率を監視しておき、その上昇率が上述の実施形態における所定率と同様に設定する異なる率の所定回転率以上となった場合に、ラジエータファン４４を作動させるように構成するものであってもよい。具体的には、ステップＳ３における温度上昇率の演算に代えて、回転数センサ５１から出力される回転数信号ｒに基づいて回転数上昇率を演算する。同じく、ステップＳ４における温度上昇率が所定率以上か否かの判定に代えて、回転数上昇率が所定回転率以上か否かの判定を行う。これ以外の手順（ステップ）については、上述の実施形態と同じである。

このような構成を採用することにより、温度変化の検出に付随する遅れがなく、高い精度でラジエータファン４４の作動を制御することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態の全体構成を示す構成説明図。同実施形態の概略制御手順を示すフローチャート。同実施形態の概略制御手順を示すフローチャート。同実施形態の作用説明図。

符号の説明

４…放熱装置
６…水温センサ
５…電動式ウォータポンプ
７…電子制御装置
４１…ラジエータ
４２…送風モータ
４４…ラジエータファン
５１…回転数センサ
７１…中央演算処理装置
７２…記憶装置
７３…入力インターフェース
７４…出力インターフェース

Claims

冷却液により冷却する液冷式の内燃機関が、冷却液を循環させる電動ポンプと、冷却液を放熱させる放熱器及び放熱器に送風する送風機からなる放熱装置とを備えてなり、送風装置を作動させる上限温度を設定し、電動ポンプを作動させる所定温度を上限温度よりも低く設定しておき、冷却液温度が少なくとも所定温度よりも高い冷却液温度領域においては冷却液温度の上昇に伴い電動ポンプの回転数を上昇させる内燃機関の放熱装置制御方法であって、
冷却液温度を検出し、
検出した冷却液温度が所定温度に到達した時点から所定時間が経過した後に冷却液の温度上昇率が所定率以上である場合は、又は電動ポンプの回転数上昇率が所定回転率以上である場合は、前記上限温度に到達する前に送風機を作動させる内燃機関の放熱装置制御方法。
冷却液の温度上昇率が所定率以上である場合に電動ポンプの消費電力が送風機の消費電力にほぼ等しくなる時点に送風機を作動させる請求項１記載の内燃機関の放熱装置制御方法。