JP2007009846A - サーモスタットの故障診断方法及びエンジンの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サーモスタットの開固着故障を診断する方法及びエンジンの冷却装置を提供する。
【解決手段】エンジン２とラジエータ３との間のエンジン冷却水の出入を制御するサーモスタット５の閉弁状態において、前記冷却水の温度を推定し（Ｓ１２）、推定した冷却水温度と所定温度とを比較し（Ｓ１３）、推定した冷却水温度が所定温度以上の場合に、実際の冷却水温度を検出し、検出した実際の冷却水温度と前記所定温度と比較し（Ｓ１５）、実際の冷却水温度が前記所定温度未満の場合に、前記サーモスタットが故障であると判断する（Ｓ１７）ことを特徴とするサーモスタットの故障診断方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーモスタット、特にエンジンの冷却系に備えられたサーモスタットの故障診断方法及びエンジンの冷却装置に関する。

従来のサーモスタットの故障診断方法として、ラジエータからの放熱量とエンジンから冷却水への受熱量との割合である熱量比を用いて診断する方法がある（特許文献１参照）。

この方法について説明すると、エンジンの冷却水の予測温度がサーモスタットの設定開弁温度付近まで上昇したときに、算出された熱量比が判定しきい値より大きい場合にラジエータからの放熱量が大きすぎてサーモスタットが閉弁すべき状態にもかかわらず開弁したままの開弁故障であると判定する。
特開２００１−７３７７３号公報

しかしながら従来技術では、算出した熱量比をしきい値と比較してサーモスタットの故障を判定するため、サーモスタットの故障を直接的に判定することができない。

したがって、本発明の目的は、前述の課題を解決するサーモスタットの故障判定方法及びエンジンの冷却装置を提供することである。

本発明は、エンジンとラジエータとの間のエンジン冷却水の出入を制御するサーモスタットの閉弁状態において、前記冷却水の温度を推定し、推定した冷却水温度と所定温度とを比較し、推定した冷却水温度が所定温度以上の場合に、実際の冷却水温度を検出し、検出した実際の冷却水温度と前記所定温度と比較し、実際の冷却水温度が前記所定温度未満の場合に、前記サーモスタットが故障であると判断することを特徴とするサーモスタットの故障診断方法である。

また、本発明は、エンジンのシリンダブロック内を冷却水が流通する冷却水ジャケットと、冷却水ジャケットから流出した冷却水が、再び冷却水ジャケットに流入するための循環流路と、この循環流路途中に設けられ、冷却水の熱を放熱するラジエータと、このラジエータを冷却水がバイパスするバイパス流路と、冷却水の温度に応じて前記循環流路と前記ラジエータとの間の冷却水の出入を制御して、冷却水を前記バイパス流路に流入させるサーモスタットと、前記循環流路から分岐して前記循環流路と並列に設けられたヒータ流路と、このヒータ流路に設けられ、客室内を加熱するヒータと、前記冷却水ジャケット内の冷却水温度を検出する温度検出手段と、を備えたエンジンの冷却装置において、前記エンジンの発熱量と、前記シリンダブロックの放熱量と、前記ラジエータの放熱量および前記ヒータの吸熱量をそれぞれ演算し、これらの演算結果から冷却水の温度を推定するコントローラを備え、このコントローラは、前記サーモスタットが閉じて前記循環流路と前記ラジエータとの間の冷却水の出入を禁止する温度範囲で、推定した冷却水温度が所定温度以上の場合に、前記温度検出手段により冷却水温度を検出し、検出した実際の冷却水温度が所定温度未満の場合に、前記サーモスタットが故障であると判定することを特徴とするエンジンの冷却装置。

本発明では、まずサーモスタットが閉じた状態でのエンジン内の冷却水の温度を推定し、推定した冷却水温度が所定温度に達したときに、エンジン内の冷却水温度を直接測定して、実際の冷却水温度と所定温度とを比較し、所定温度未満の場合にサーモスタットが故障であると診断するため、サーモスタットの故障診断を冷却水温度から直接的に診断することができる。

図１は、第１の実施形態のエンジン冷却水の循環流路を説明する構成図である。

１は、エンジン２を冷却する冷却水の循環流路であり、循環流路１は、エンジン２のシリンダブロック２ｂを冷却する冷却水が流通する冷却水ジャケット２ａ、シリンダを冷却した冷却水を走行風で冷却するラジエータ３及びシリンダで加熱した冷却水の熱を用いて客室内を加熱するヒータ４を連通する。

循環流路１は、エンジン２を冷却した冷却水がラジエータ３で放熱されてエンジン２に戻る冷却水循環流路１ａと、この冷却水循環流路１ａから分岐して冷却水循環流路１ａと並列に構成されるヒータ流路１ｂとから構成される。冷却水循環流路１ａには、さらにラジエータ３をバイパスするバイパス流路１ｄが設けられる。

ラジエータ３と冷却水ジャケット２ａとの間の冷却水循環流路１ａには、サーモスタット５が設置され、冷却水が所定温度に達するまでラジエータ３へ冷却水が流入することを禁止し、冷却水はバイパス流路１ｃを流通する。

ラジエータ入口にはラジエータ３に流入する冷却水の流量を検出する第１流量計６と、その温度を検出する第１温度センサ７が設置される。これらセンサ６、７の出力はコントローラ８に出力される。冷却水ジャケット２ａには、ジャケット内の冷却水の流量を検出する第２流量計９とジャケット内の冷却水の温度を検出する第２温度センサ１０が設置され、コントローラ８に出力信号を送信する。同様に、ヒータ入口にはヒータ４に流入する冷却水の流量を検出する第３流量計１１と冷却水の温度を検出する第３温度センサ１２が設置される。これらセンサ１１、１２の出力はコントローラ８に出力される。

これら第１〜第３流量計６、９、１１と第１〜第３温度センサ７、１０、１２の出力が入力されるコントローラ８には、さらにエンジン２の回転速度と、燃料噴射弁から噴射される燃料量を制御する燃料噴射パルス幅と、図示しない点火プラグの点火時期と、吸気温度が入力される。

このように構成されて、冷却水温度がサーモスタット５の閉じる所定温度以下の場合には、冷却水はバイパス流路１ｃを流通してエンジン２の発熱量による冷却水の加熱が促進されてエンジンの暖機時間が短縮される。所定温度を越えた場合にはサーモスタット５が開き、冷却水はラジエータ３に供給され、冷却水の温度が所定温度範囲に維持される。

一方、冷却水流路１から分岐してヒータ流路１ｂを流通する冷却水は、ヒータ４に供給される。エンジン２で加熱された冷却水の熱がヒータ４に吸熱されて空気を加熱し、加熱された空気が車室内に送られ、車室内の暖房に使用される。

図２は、本実施形態のサーモスタット５の故障診断方法を説明するフローチャートである。この故障診断は、コントローラ８で所定間隔で実施され、サーモスタット５が開いた状態で閉じなくなった開固着故障を診断するものであり、故障診断は、サーモスタット５が正常であれば閉状態にある冷却水の温度範囲で実施される。

まず、エンジン２の発熱量Ｑと、シリンダブロック２ｂからの放熱量Ｑ１と、ヒータ４による吸熱量Ｑ２およびラジエータ３による放熱量Ｑ３とを算出する。

ステップＳ１でエンジン２の回転速度と燃料噴射パルス幅を読み込み、ステップＳ２で図３に示すような予め記憶したマップからエンジン２の発熱量マップ値ｑを算出する。発熱量マップ値ｑは、予め実験等により算出して記憶しておく。

ステップＳ３では、点火時期を読み込み、読み込んだ点火時期から点火時期補正係数Ｋａを設定し、ステップＳ４で、エンジン発熱量Ｑを次式から算出する。

一方、ステップＳ５では、冷却水ジャケット２ａ内の冷却水温度Ｔ１と冷却水流量Ｗ１と吸気温度ＴＡＮを読み込む。続くステップＳ６では、シリンダブロック放熱量Ｑ１を算出する。シリンダブロック放熱量Ｑ１は、次式から算出できる

ここで、Ｗ１：冷却水流量、Ｃ１：シリンダブロック２ｂの比熱、Ｔ１：冷却水温度、ＴＡＮ：吸気温度である。

また、ステップＳ７でヒータ４に流入する冷却水流量Ｗ２と温度Ｔ２とを第３流量計１１、第３温度センサ１２の出力から読み込み、ステップＳ８で、冷却水流量Ｗ２及び温度Ｔ２、さらにヒータ４表面と大気の間の熱貫流率Ｋ２及びヒータ４内の冷却水流路長Ｌ２から下式によりヒータ４の吸熱量Ｑ２を算出する。

一方、ステップＳ９でラジエータ５に流入する冷却水流量Ｗ３と温度Ｔ３とを第１流量計６、第１温度センサ７の出力から読み取り、ステップＳ１０で、読み取った冷却水流量Ｗ３及び温度Ｔ３、さらにラジエータ５の外面を構成する材料の熱貫流率Ｋ３及びラジエータ５内の冷却水流路長Ｌ３からラジエータ５の放熱量Ｑ３を下式より算出する。

このようにして、エンジン２の発熱量Ｑ、シリンダブロック放熱量Ｑ１、ヒータ吸熱量Ｑ２およびラジエータ放熱量Ｑ３を算出し、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１では、算出した値Ｑ、Ｑ１〜Ｑ３に基づきエンジン２の冷却水の上昇温度ΔＴを下式より算出する。

続くステップＳ１２において、ステップＳ１１で算出した上昇温度ΔＴを冷却水温度の前回値Ｔｚに加算して冷却水温度の推定値Ｔとする。

ステップＳ１３では、算出した冷却水温度の推定値Ｔと所定温度Ｔｃとを比較する。ここで所定温度はＴｃは、サーモスタット５が冷却水をラジエータ４へ流入させるように開く温度未満に設定する。推定値Ｔが所定温度Ｔｃ以上であればステップＳ１４に進み、所定温度Ｔｃに達していなければ判定を繰り返す。

ステップＳ１４では、ステップＳ１３の条件が成立してからの経過時間Ｄが所定の時間Ｄｃ以上経過したかどうかを比較する。ステップＳ１３の条件が成立後所定の時間、経過させることで冷却水温度の上昇を促進する。所定時間Ｄｃ経過した場合にはステップＳ１５に進み、経過していない場合には判定を繰り返す。なお、所定時間Ｄｃは１分以下を目安とする。

ステップＳ１５では、第２温度センサ１０から冷却水ジャケット２ａ内の実際の冷却水温度Ｔｒを読み込み、所定温度Ｔｃと比較する。冷却水温度Ｔｒが所定温度Ｔｃ以上であれば、サーモスタット５が閉じており、通常の冷却水の昇温状態にあり、ステップＳ１６で、サーモスタット５は正常であると判定して制御を終える。

一方、ステップＳ１５で冷却水温度Ｔｒが所定温度Ｔｃ未満であれば、サーモスタット５が閉状態であるべきところ開状態で固着している開弁固着故障状態あり、冷却水がラジエータ３に流入し、冷却水が十分加熱されていない状態である。この場合には、ステップＳ１７に進み、サーモスタット５がと判定し、ステップＳ１８でサーモスタット５の故障を警報装置１３を用いて運転者等に告知する。

図４は、本実施形態のサーモスタット５の故障診断を時系列で示すタイミングチャートである。

エンジン２の起動に伴い発熱が生じ、冷却水温度はサーモスタット５が閉じた状態にあるべき温度から、推定温度Ｔ、実際の温度Ｔｒとも上昇を開始する。そして、時刻ｔ１で推定温度Ｔが所定温度Ｔｃに達するとサーモスタット５の故障診断条件が成立し（ステップＳ１３）、診断条件成立後、所定時間Ｄｃが経過するまで冷却水を加熱する（ステップＳ１４）。

そして所定時間Ｄｃが経過した時刻ｔ２で第２温度センサ１０を用い、冷却水の実際の温度Ｔｒを検出する。そして破線で示すように時刻ｔ２での実際の冷却水温度Ｔｒが所定温度Ｔｃ以上であれば、サーモスタット５は閉じており、正常であると判定する。一方、一点鎖線で示すように所定温度Ｔｃに達していない場合には、サーモスタット５が故障して開いているため、冷却水がラジエータ３に流入して、冷却水の熱が放熱されて、十分に冷却水が加熱されていないと診断される。

したがって、本実施形態では、まずサーモスタット５が正常に閉じた状態でのエンジン２内の冷却水の温度Ｔを推定し、推定した冷却水温度Ｔが所定温度Ｔｃに達したときに、エンジン２内の冷却水温度を直接測定して、実際の冷却水温度Ｔｒと所定温度Ｔｃとを比較することで、サーモスタット５が開いた状態で固着して閉じなくなる、開固着故障を冷却水温度から直接的に診断することができる。

また、故障診断開始のトリガーとして、冷却水温度を推定し、推定した冷却水温度Ｔが所定温度Ｔｃ以上になった時に診断を開始するため、サーモスタット５の誤診断を防止することができる。

図５は第２の実施形態の構成を示す構成図である。この実施形態は、第１の実施形態に対して、各部の流量の検出をマップを用いて算出するようにした点および冷却水温度を冷却水ジャケット２ａの検出温度で代表するようにした点で異なる。なお、特に記載がない構成については、第１の実施形態と同様である。

図５において、第１の実施形態の構成に対して、冷却水ジャケット２ｂ内の冷却水温度Ｔ１を検出する第２温度センサ１０のみを設け、他の温度センサ及び流量計は用いない。各部の温度については、第２の温度センサ１０で検出した冷却水温度Ｔ１を、ラジエータ３及びヒータ４に流入する冷却水温度として代用する。また、各部の冷却水流量については、図６に示すようなマップからエンジン回転速度との関係に基づいて算出する。このマップに示すように、冷却水流量は、
冷却水ジャケット２ａ内の冷却水流量Ｗ１＞ラジエータ３の冷却水流量Ｗ３＞ヒータ４の冷却水流量Ｗ２
の関係に設定されている。

このように構成されて、図７は、本実施形態のサーモスタット５の故障診断方法を説明するフローチャートである。この故障診断は、コントローラ８で所定間隔で実施され、サーモスタット５の開固着故障を診断するものであり、故障診断は、サーモスタット５が正常であれば閉状態にある作動状態で実施される。

第１の実施形態のフローチャートとの比較において、異なるステップのみを以下に説明し、特に記載がないステップについては第１の実施形態のフローチャートと同様である。

本実施形態の特徴は、前述の通り冷却水流量と冷却水温度の設定方法であり、第１の実施形態のフローチャートのステップＳ５、Ｓ７、Ｓ９がそれぞれステップＳ２１〜Ｓ２３に変更される。

まず、ステップＳ２１〜Ｓ２３の上流ステップＳ２０では、エンジン回転速度、冷却水ジャケットの冷却水温度Ｔ１及び吸気温度ＴＡＮが読み込まれる。ステップＳ２１では、エンジン回転速度から図６のマップを用いて冷却水ジャケット２ａ内の冷却水流量Ｗ１を算出し、ステップＳ２２では同様にヒータ４に流入する冷却水流量Ｗ２が算出され、ステップＳ２３ではラジエータ３に流入する冷却水流量Ｗ３が算出される。

それぞれ算出された冷却水流量Ｗ１〜Ｗ３及び冷却水温度Ｔ１は、それぞれステップＳ６、Ｓ８、Ｓ１０において各部の熱量Ｑ１〜Ｑ３の算出に用いられる。

したがって、第２の実施形態では、１つの温度センサ１０と冷却水流量算出のためのマップを設けるのみで、第１の実施形態と同様の作用と効果を奏することができるとともに、センサ等の費用を低減することができる。

なお、冷却水流路に電制ポンプを設けた場合には、電制ポンプによりエンジンの稼動状態に係わらず冷却水を循環させることができる。したがって、例えばヒータ４に流入する冷却水流量をエンジンの回転速度に基づいて演算により算出するような場合には、電制ポンプによる冷却水の流入を考慮しないと正確に算出することができない。したがって、電制ポンプを備えた場合には、エンジン回転速度と電制ポンプの駆動状態に応じて冷却水流量を算出する。

また、エンジンの冷却水流路として、エンジンのシリンダブロックを冷却する流路とシリンダヘッドを冷却する流路との２つの冷却水流路をそれぞれ独立して構成する場合には、それぞれの冷却水流路にそれぞれサーモスタットと温度センサとを設置する。このような構成では、シリンダブロックの温度とシリンダヘッドの温度とが著しく異なる場合があるため、それぞれの冷却水流路でサーモスタットの故障判断を行うことが望ましい。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。

エンジン冷却水の循環流路を説明する構成図である。 サーモスタット５の故障診断方法を説明するフローチャートである。 シリンダの発熱量マップ値ｑを算出するマップである。 サーモスタットの故障診断を時系列で示すタイミングチャートである。 エンジン冷却水の循環流路を説明する第２の実施形態の構成図である。 冷却水流量を算出するマップである。 サーモスタット５の故障診断方法を説明する第２の実施形態のフローチャートである。

符号の説明

１ａ 循環流路
１ｂ ヒータ流路
１ｃ バイパス流路
２ エンジン
２ａ 冷却水ジャケット
２ｂ シリンダブロック
３ ラジエータ
４ ヒータ
５ サーモスタット
６ 第１流量計
７ 第１温度センサ
８ コントローラ
９ 第２流量計
１０ 第２温度センサ
１１ 第３流量計
１２ 第３温度センサ

Claims (6)

1. エンジンとラジエータとの間のエンジン冷却水の出入を制御するサーモスタットの閉弁状態において、
   前記冷却水の温度を推定し、
   推定した冷却水温度と所定温度とを比較し、
   推定した冷却水温度が所定温度以上の場合に、実際の冷却水温度を検出し、
   検出した実際の冷却水温度と前記所定温度と比較し、
   実際の冷却水温度が前記所定温度未満の場合に、前記サーモスタットが故障であると判断することを特徴とするサーモスタットの故障診断方法。
2. 前記所定温度は、前記サーモスタットが前記エンジンと前記ラジエータとの間のエンジン冷却水の出入を禁止する温度以下であることを特徴とする請求項１に記載のサーモスタットの故障診断方法。
3. 推定した冷却水温度が前記所定温度に達した後、所定時間経過後に実際の冷却水温度を検出することを特徴とする請求項１に記載のサーモスタットの故障診断方法。
4. エンジンのシリンダブロック内を冷却水が流通する冷却水ジャケットと、
   冷却水ジャケットから流出した冷却水が、再び冷却水ジャケットに流入するための循環流路と、
   この循環流路途中に設けられ、冷却水の熱を放熱するラジエータと、
   このラジエータを冷却水がバイパスするバイパス流路と、
   冷却水の温度に応じて前記循環流路と前記ラジエータとの間の冷却水の出入を制御して、冷却水を前記バイパス流路に流入させるサーモスタットと、
   前記循環流路から分岐して前記循環流路と並列に設けられたヒータ流路と、
   このヒータ流路に設けられ、客室内を加熱するヒータと、
   前記冷却水ジャケット内の冷却水温度を検出する温度検出手段と、
   を備えたエンジンの冷却装置において、
   前記エンジンの発熱量と、前記シリンダブロックの放熱量と、前記ラジエータの放熱量および前記ヒータの吸熱量をそれぞれ演算し、これらの演算結果から冷却水の温度を推定するコントローラを備え、
   このコントローラは、前記サーモスタットが閉じて前記循環流路と前記ラジエータとの間の冷却水の出入を禁止する温度範囲で、推定した冷却水温度が所定温度以上の場合に、前記温度検出手段により冷却水温度を検出し、検出した実際の冷却水温度が所定温度未満の場合に、前記サーモスタットが故障であると判定することを特徴とするエンジンの冷却装置。
5. 前記所定温度は、前記サーモスタットが前記循環流路と前記ラジエータとの間の冷却水の出入を禁止する温度未満であることを特徴とする請求項４に記載のエンジンの冷却装置。
6. 前記コントローラは、冷却水温度が前記所定温度に達した後、所定時間経過後に前記温度検出手段により冷却水温度を検出することを特徴とする請求項４に記載のエンジンの冷却装置。

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