JP2011190769A

JP2011190769A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2011190769A
Application number: JP2010059095A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Handa; 英之半田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】暖機開始から所定期間冷却水の循環を停止する内燃機関において、冷却水の循環開始後に冷却水温に基づく内燃機関の制御を適切に行うことができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の暖機開始から所定期間冷却水の循環を停止させるとともに該所定期間経過後に冷却水の循環を開始させるポンプと、前記内燃機関内部の冷却水の温度を取得する水温取得手段と、前記水温取得手段が取得した冷却水の温度に基づいて前記内燃機関を制御する制御手段と、を備え、前記水温取得手段は、前記所定期間における前記内燃機関内部の冷却水の温度と、前記ポンプが冷却水の循環を開始した後に前記内燃機関内部の冷却水の温度が収束する温度の推定値と、前記内燃機関の回転数と、に基づく推定により、前記ポンプが冷却水の循環を開始した後の前記内燃機関の冷却水の温度を取得する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関を短時間停止させた後再始動させた場合の内燃機関の制御は、冷却水温センサで検出した冷却水温に基づいて行われている（例えば特許文献１を参照）。特許文献２には、冷間始動時、冷却水量を増加させることにより冷却水温の変化が収束する時間を短縮することが記載されている。特許文献３には、冷間始動時、ポンプの再駆動を行った際にポンプ停止時の冷却水温の変化度合に基づいて冷却水温を補正することが記載されている。特許文献４には、冷間始動時、ポンプを再始動する際に、冷却水温の局所的な温度上昇を抑制するために冷却水を間欠的に流通することが記載されている。特許文献５には、電動ポンプ停止時、燃焼室壁の放熱量と冷却水の熱容量から冷却水温度の変化量を用いて燃焼室壁面温度と内燃機関の内部の冷却水温を算出することが記載されている。

特開２００７−２４７６３９号公報特開２００３−０３５１４２号公報特開２００８−１６９７４８号公報特開２００７−２１８１１５号公報特開２００６−３０００３１号公報

内燃機関の暖機促進のために、内燃機関の運転状態によらず作動及び停止を制御可能なウォーターポンプを備え、内燃機関の暖機開始時から所定期間冷却水の循環を停止させると共に該所定期間経過後に冷却水の循環を開始させる技術がある。このような内燃機関では、冷却水の循環を開始する時点において内燃機関内部の冷却水の温度と内燃機関外部の冷却水の温度が異なっているため、冷却水の循環を開始した直後は内燃機関の内部及び外部における冷却水温は、過渡的に大きく変動しながらある程度時間をおいてある温度に収束するという挙動を示す。そのため、内燃機関内部や外部においてセンサによって直接検出した冷却水温に基づいて内燃機関の制御を行うと、適切な制御を行えない可能性がある。

本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、暖機開始から所定期間冷却水の循環を停止する内燃機関において、冷却水の循環開始後に冷却水温に基づく内燃機関の制御を適切に行うことができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る内燃機関の制御装置は、
内燃機関の暖機開始から所定期間冷却水の循環を停止させるとともに該所定期間経過後に冷却水の循環を開始させるポンプと、
前記内燃機関内部の冷却水の温度を取得する水温取得手段と、
前記水温取得手段が取得した冷却水の温度に基づいて前記内燃機関を制御する制御手段と、
を備え、
前記水温取得手段は、前記所定期間における前記内燃機関内部の冷却水の温度と、前記
ポンプが冷却水の循環を開始した後に前記内燃機関内部の冷却水の温度が収束する温度の推定値と、前記内燃機関の回転数と、に基づく推定により、前記ポンプが冷却水の循環を開始した後の前記内燃機関の冷却水の温度を取得することを特徴とする。

本発明によれば、ポンプが冷却水の循環を開始した後の冷却水温が過渡的に変動する期間は、循環開始前の冷却水温と、循環開始後の冷却水温の収束温度と、機関回転数と、により推定された冷却水温に基づいて内燃機関の制御が行われる。循環開始前の冷却水温は過渡変動の初期値に対応し、循環開始後の冷却水温の収束温度は過渡変動が平衡状態に達した時の値に対応する物理量であり、機関回転数は過渡変動の緩和時間に関連する物理量である。

従って、これらの物理量に基づいて、循環開始前の冷却水温から循環開始後の冷却水温の収束値まで徐々に変化していく値を算出し、これを内燃機関の制御に用いるための冷却水温とすることにより、これに基づく内燃機関の制御を安定させることができるので、循環開始直後において冷却水温に基づく内燃機関の制御を適切に行うことが可能になる。

本発明において、前記水温取得手段は、前記内燃機関内部及び外部の冷却水の量と、前記ポンプが冷却水の循環を開始した時点での前記内燃機関内部及び外部の冷却水の温度と、に基づいて、前記収束する温度の推定値を算出することができる。

この構成により、冷却水の熱容量に基づいて冷却水温の収束値を算出するので、精度良く冷却水温の収束値を推定することができる。

本発明において、冷却水と外気とで熱交換可能に構成されたラジエータを備え、
前記水温取得手段は、前記内燃機関外部の冷却水の温度として、前記ラジエータにおける冷却水の温度を用いることができる。

本発明において、前記水温取得手段は、前記ポンプが冷却水の循環を開始した時点での前記内燃機関内部の冷却水の温度を、前記所定期間における前記内燃機関の発熱量に基づいて推定することができる。

この構成により、冷却水の熱容量及び内燃機関の発熱量に基づいて冷却水の循環が停止させられている期間の内燃機関内部の冷却水の温度上昇を算出し、それに基づいて精度良く冷却水の循環が開始された時点での内燃機関内部の冷却水の温度を推定することができる。

本発明において、前記内燃機関から流出する冷却水の温度を検出する水温センサを備え、
前記水温取得手段は、前記水温センサにより検出される温度に基づいて、前記ポンプが冷却水の循環を開始してから所定の収束時間経過後の前記内燃機関内部の冷却水の温度を取得することができる。

収束時間は冷却水温の過渡変動の緩和時間に基づいて定める。収束時間経過後は内燃機関内部の冷却水温の過渡変動はほぼ平衡状態に達していると考えられるので、内燃機関の制御に用いる冷却水温として水温センサによる検出値に基づく値を用いても安定した適切な制御を行うことができる。

本発明によれば、暖機開始から所定期間冷却水の循環を停止する内燃機関において、冷却水の循環開始後に冷却水温に基づく内燃機関の制御を適切に行うことができる内燃機関
の制御装置を提供することができる。

実施例に係る内燃機関の冷却装置の概略構成を示す図である。実施例に係る内燃機関の冷却装置におけるエンジン始動時のウォーターポンプの制御及び冷却水温の時間変化を表す図である。実施例に係る内燃機関の冷却装置におけるエンジン回転数と係数ｋとの関係を表す図である。実施例に係る内燃機関の冷却装置においてエンジン暖機時に行われるエンジン制御を表すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は本発明の実施例に係る内燃機関の冷却装置の概略構成を示す図である。エンジン１は冷却水管３及びラジエータ４を含む冷却水の循環系統を備えており、ウォーターポンプ２の駆動力によって循環系統に冷却水の流れを生じさせることができるように構成される。循環系統を流通する冷却水は、エンジン１の内部を流通して不図示のシリンダブロックやシリンダヘッドと熱交換することによりエンジン１を冷却する。また、エンジン１を通過して加熱された冷却水はラジエータ４を流通して外気と熱交換することにより冷却される。

ウォーターポンプ２はエンジン１の運転状態によらず作動又は停止を制御することができる可変ウォーターポンプである。ウォーターポンプ２の制御はＥＣＵ５によって行われる。

エンジン１にはエンジン１から流出した冷却水の温度を検出する水温センサ７が備わる。また、エンジン１にはエンジン１の回転数を検出する回転数センサ６が備わる。水温センサ７及び回転数センサ６による検出値はＥＣＵ５に入力される。

ＥＣＵ５はエンジン１の運転を制御するコンピュータであり、上記水温センサ７や回転数センサ６の他各種のセンサによる検出値が入力され、ＥＣＵ５はこれら各種センサから入力される検出値に基づいてエンジン１の運転状態やドライバーの要求を取得する。ＥＣＵ５には上記ウォーターポンプ２の他燃料噴射装置等の各種の機器が接続され、ＥＣＵ５は各種センサから入力される検出値に基づいてこれら各種機器の動作を制御する。

図２は本実施例の内燃機関の冷却装置におけるエンジン１の始動時のウォーターポンプ２の制御及び冷却水温の時間変化を表した図である。

図２に示すように、本実施例の内燃機関の冷却装置においては、エンジン１の始動時の早期暖機を図るために、暖機開始時から所定期間（時刻ｔ１までの期間）、ウォーターポンプ２を停止させる制御を行う。これにより、暖機開始初期において循環系統における冷却水の循環が停止するので、冷却水はエンジン１の内部及び外部（冷却水管３及びラジエータ４）において滞留する。よって、エンジン１内部の冷却水がエンジン１における燃焼により発生した熱を受けて早期に昇温し、エンジン１の暖機を促進させることができる。

暖機開始から所定期間経過後、図２に示すように、ウォーターポンプ２を作動させて冷却水の循環を開始する。このように暖機開始から所定期間ウォーターポンプ２を停止させ
た後にウォーターポンプ２を作動させて冷却水の循環を開始すると、冷却水の循環を開始するタイミング（時刻ｔ１）においてエンジン１内部の冷却水の温度（図２で「エンジン内部水温」と示された細実線で表す）はエンジン１外部の冷却水の温度（図２で「ラジエータ水温」と示された点線で表す）より高くなっている。

このようにエンジン１内部とエンジン１外部とで冷却水温度が大きく異なる状態で冷却水の循環を開始すると、図２に示すように冷却水の循環を開始した直後はエンジン１内部及び外部の冷却水温は、過渡的に大きく変動しながらある程度時間をおいてある温度に収束する（時刻ｔ２）という挙動を示す。この過渡変動の期間（時刻ｔ１〜ｔ２）においては、エンジン１外部の冷却水温は、暖機初期の循環停止期間中に昇温した冷却水が流入し始めることから、図２の点線（「ラジエータ水温」）で示すように急激に上昇する。その後温度低下及び温度上昇を繰り返しつつ、時刻ｔ２付近で収束温度に収束する。

同様に、エンジン１から流出する冷却水温を検出する水温センサ７は、暖機初期の循環停止期間中に昇温した冷却水の温度を検出値として出力するので、その出力する検出値は図２の破線（「エンジン水温センサ」）で示すように急激に上昇する。その後温度低下及び温度上昇を繰り返しつつ時刻ｔ２付近で収束温度に収束する。

一方、エンジン１内部の冷却水温は、暖機初期の循環停止期間中に昇温しなかった低温の冷却水がエンジン１外部から流入し始めることから、図２の細実線（「エンジン内部水温」）で示すように急激に低下する。その後温度上昇及び温度低下を繰り返しつつ時刻ｔ２付近で収束温度に収束する。

暖機初期にウォーターポンプ２を停止させて早期暖機を図る冷却装置では、冷却水の循環開始直後から冷却水温が収束するまでの期間、水温センサ７の出力が上記のような過渡変動を示すことから、水温センサ７の出力に基づいてエンジン１の制御を行うと安定した適切な制御を行うことができない可能性がある。

そこで本実施例の内燃機関の冷却装置では、冷却水の循環開始直後から冷却水温の過渡変動がほぼ収束すると判断できる時刻ｔ２までの期間は、エンジン１の制御に用いる冷却水温として水温センサ７の出力ではなく以下説明する方法で算出した推定値を用いる。

本実施例の内燃機関の冷却装置においてエンジン１の制御に用いる冷却水温ｔｈｗｅｓｔｔｌの決定方法を説明する。

（１）まず、暖機開始からのウォーターポンプ２が停止される所定期間（時刻ｔ１までの期間、以下「第１期間」という）におけるエンジン制御用の冷却水温ｔｈｗｅｓｔｔｌとしては、エンジン１における発熱量及びエンジン１内部の冷却水量（熱容量）に基づいて算出したエンジン１内部の冷却水温の推定値ｔｈｗｅｓｔを用いる（ｔｈｗｅｓｔｔｌ＝ｔｈｗｅｓｔ）。第１期間においては、エンジン１内部の冷却水は滞留しており、エンジン１外部のラジエータ４等における放熱を無視できるので、エンジン１内部の冷却水の推定値ｔｈｗｅｓｔは時間経過とともに上昇する。従って、エンジン制御用水温ｔｈｗｅｓｔｔｌは、図２の太実線（「エンジン制御用水温」）に示すように、時間経過とともに上昇する。

（２）次に、ウォーターポンプ２による冷却水の循環が開始されてから冷却水温の過渡変動がほぼ収束するまでの期間（時刻ｔ１〜ｔ２の期間、以下「第２期間」という）におけるエンジン制御用の冷却水温ｔｈｗｅｓｔｔｌとしては、冷却水の循環を開始してから十分時間が経過した後に収束すると予想される冷却水温（収束予想温度）ｔｈｗｅｓｔｉｎｆと、過渡変動の緩和時間に関係する値として算出される係数ｋと、に基づいて、下記
の式１により算出される値を用いる。

ここで、ｔｈｗｅｓｔｔｌ（ｎ）はｎ回目の演算サイクルで算出したエンジン制御用の冷却水温ｔｈｗｅｓｔｔｌであることを意味する。

係数ｋは冷却水温の過渡変動の緩和時間に関係する０〜１の値で、過渡変動の緩和時間が早いほど大きい値をとる。緩和時間は冷却水の循環流量が多いほど早く、冷却水の循環流量はエンジン１の回転数Ｎｅが高いほど多くなるので、係数ｋとエンジン１の回転数Ｎｅとの間には、図３に示すような関係がある。この関係を考慮して、第２期間におけるエンジン制御用の冷却水温ｔｈｗｅｓｔｔｌの算出には、回転数センサ６により検出されるエンジン１の回転数Ｎｅも用いる。また、第２期間開始時（時刻ｔ１）においてｋ＝０、第２期間終了時（時刻ｔ２）においてｋ＝１となるように定める。時刻ｔ２は冷却水温の過渡変動がほぼ収束すると判断できる時刻であり、冷却水温の過渡変動の緩和時間や時定数に基づいて定めることができる。

収束予想温度ｔｈｗｅｓｔｉｎｆは、エンジン１内部の冷却水量ｍｉｎと、エンジン１外部の冷却水量ｍｅｘと、冷却水の循環開始時（時刻ｔ１）におけるエンジン１内部の冷却水温の推定値ｔｈｗｅｓｔ（ｔ１）と、冷却水の循環開始時（時刻ｔ１）におけるラジエータ４における冷却水温の推定値ｔｈｗｅｓｔｒａｄと、に基づいて、下記の式２により算出する。

エンジン１内部の冷却水量ｍｉｎ及びエンジン１外部の冷却水量ｍｅｘはエンジン１の諸元から求められる。ラジエータ４における冷却水温の推定値ｔｈｗｅｓｔｒａｄとしては、前回トリップでウォーターポンプ２を作動させた場合は、暖機開始時（第１期間開始時、すなわちイグニッションをオンにした時）における水温センサ７の出力値ｔｈｗｓｎｓを用いる。一方、前回トリップでウォーターポンプ２を作動させなかった場合は、前回トリップで取得したラジエータ４における冷却水温の推定値を用いる。

すなわち、第２期間においては、エンジン１内部及び外部の冷却水の熱容量と冷却水温の過渡変動の緩和時間とに基づいてエンジン１内部の冷却水温の時間変化を推定する。

（３）また、冷却水温の過渡変動がほぼ収束した後（時刻ｔ２以降の期間、以下「第３期間」という）におけるエンジン制御用の冷却水温ｔｈｗｅｓｔｔｌとしては、水温センサ７の出力値ｔｈｗｓｎｓを用いる。冷却水温の過渡変動が収束した後は、エンジン１から流出する冷却水の温度はエンジン１内部の冷却水の温度とほぼ等しいので、水温センサ７の出力値に基づいて適切なエンジン制御を行うことが可能である。

図４は本実施例の内燃機関の冷却装置においてエンジン１の暖機時に行われるエンジン制御を表すフローチャートである。このフローチャートはエンジン１の始動時にＥＣＵ５によって実行される。

ステップＳ１０１においてイグニッションがオンになると、ＥＣＵ５はステップＳ１０
２においてイグニッションオンからの時間ｔが図２に示した時刻ｔ１を超えたか否かを判定する。時刻ｔ１は上述したように早期暖機のための冷却水循環停止を解除して冷却水循環を開始させる時刻である。

ステップＳ１０２において現在の時刻ｔが時刻ｔ１を超えていないと判定した場合、ＥＣＵ５はステップＳ１０３に進みウォーターポンプ２を停止させ、ステップＳ１０４においてエンジン発熱量に基づいて推定した冷却水温ｔｈｗｅｓｔをエンジン制御用の冷却水温として用いてエンジン制御を実行する。

ステップＳ１０２において現在の時刻ｔが時刻ｔ１を超えたと判定した場合、ＥＣＵ５はステップＳ１０５に進み現在の時刻ｔが時刻ｔ２を超えたか否かを判定する。時刻ｔ２は上述したように冷却水温の過渡変動が収束すると判断できる時刻である。

ステップＳ１０５において現在の時刻ｔが時刻ｔ２を超えていないと判定した場合、ＥＣＵ５はステップＳ１０６に進みウォーターポンプ２を作動させ、ステップＳ１０７においてエンジン内外の冷却水の熱容量に基づく推定水温ｔｈｗｅｓｔｔｌをエンジン制御用の冷却水温として用いてエンジン制御を実行する。すなわち、上述したように、冷却水の収束予想温度と、エンジン１内部及び外部の冷却水量と、時刻ｔ１におけるエンジン１内部の冷却水温の推定値と、冷却水温の過渡変動の緩和時間（時定数）に関係する係数と、に基づいて、時間経過に伴って徐々に低下する温度としてエンジン制御用の冷却水温を算出する。

ステップＳ１０５において現在の時刻ｔが時刻ｔ２を超えたと判定した場合、ＥＣＵ５はステップＳ１０８に進み水温センサ７による出力値ｔｈｗｓｎｓをエンジン制御用の冷却水温として用いてエンジン制御を行う。

以上説明した方法によってエンジン制御用の冷却水温ｔｈｗｅｓｔｔｌを算出することにより、エンジン制御用の冷却水温ｔｈｗｅｓｔｔｌは、図２の太実線で示すようにウォーターポンプ２による冷却水の循環が行われない第１期間から、ウォーターポンプ２による冷却水の循環開始直後の第２期間を経て、冷却水温が収束する第３期間にかけて、大きく変動することなく変化するようになる。これにより、ウォーターポンプ２による冷却水の循環開始後のエンジン制御を適切に行うことが可能になる。

暖機時のエンジン制御において用いる冷却水温を以上説明した方法により取得するＥＣＵ５が、本発明における水温取得手段として機能する。また、以上説明した方法により取得される冷却水温に基づいて燃料噴射装置等のエンジン制御を行うＥＣＵ５が、本発明における制御手段として機能する。

本実施例の内燃機関の冷却装置によれば、エンジン１の暖機開始から所定期間冷却水の循環を停止する場合であっても、冷却水の循環開始後に冷却水温に基づくエンジン１の制御を適切に行うことが可能になる。

なお、上記の実施例は本発明の実施の形態の一例であって、本発明は上記実施例とは異なる形態によっても実施することができる。例えば、エンジン回転数Ｎｅによって係数ｋを補正する処理は省略しても良い。第２期間における冷却水温の算出で用いるラジエータ部の冷却水温は、これを取得するためのセンサを設けてその出力を利用しても良い。

１エンジン
２ウォーターポンプ
３冷却水管
４ラジエータ
５ＥＣＵ
６回転数センサ
７水温センサ

Claims

内燃機関の暖機開始から所定期間冷却水の循環を停止させるとともに該所定期間経過後に冷却水の循環を開始させるポンプと、
前記内燃機関内部の冷却水の温度を取得する水温取得手段と、
前記水温取得手段が取得した冷却水の温度に基づいて前記内燃機関を制御する制御手段と、
を備え、
前記水温取得手段は、前記所定期間における前記内燃機関内部の冷却水の温度と、前記ポンプが冷却水の循環を開始した後に前記内燃機関内部の冷却水の温度が収束する温度の推定値と、前記内燃機関の回転数と、に基づく推定により、前記ポンプが冷却水の循環を開始した後の前記内燃機関の冷却水の温度を取得する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１において、
前記水温取得手段は、前記内燃機関内部及び外部の冷却水の量と、前記ポンプが冷却水の循環を開始した時点での前記内燃機関内部及び外部の冷却水の温度と、に基づいて、前記収束する温度の推定値を算出する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項２において、
冷却水と外気とで熱交換可能に構成されたラジエータを備え、
前記水温取得手段は、前記内燃機関外部の冷却水の温度として、前記ラジエータにおける冷却水の温度を用いる
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項２又は３において、
前記水温取得手段は、前記ポンプが冷却水の循環を開始した時点での前記内燃機関内部の冷却水の温度を、前記所定期間における前記内燃機関の発熱量に基づいて推定する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１から４のいずれか１項において、
前記内燃機関内部から流出する冷却水の温度を検出する水温センサを備え、
前記水温取得手段は、前記水温センサにより検出される温度に基づいて、前記ポンプが冷却水の循環を開始してから所定の収束時間経過後の前記内燃機関内部の冷却水の温度を取得するものである
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。