JP2015034488A

JP2015034488A - エンジン冷却システム

Info

Publication number: JP2015034488A
Application number: JP2013165140A
Authority: JP
Inventors: 祐介藤原; Yusuke Fujiwara
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: JP6263895B2

Abstract

【課題】冷却ファンの動作の遅れを抑制でき、エンジン冷却水を目標温度で維持しヒートショックによる部品の劣化等の不具合を抑制することが可能なエンジン冷却システムを提供する。
【解決手段】外気を取り込みエンジン冷却水を冷却する冷却ファン２を有するエンジン冷却システムにおいて、冷却ファン２は、その回転数が任意に設定可能に構成されており、エンジン冷却水の温度と、エンジン回転数とに基づき、冷却ファン２の指示回転数を求める指示回転数演算部１２と、指示回転数演算部１２が求めた指示回転数で冷却ファン２を回転させる冷却ファン制御部１３と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、外気を取り込みエンジン冷却水を冷却する冷却ファンを有するエンジン冷却システムに関するものである。

トラックなどの商用車で用いられているエンジン冷却システムとして、従来より、バイメタル方式のファンクラッチを用いたものが知られている。この冷却システムでは、チャージエアクーラ（ＣＡＣ）やラジエータ（Ｒａｄ）に外気を導入する冷却ファンが、バイメタル方式のファンクラッチを介してエンジンの回転軸に接続されている。

バイメタル方式のファンクラッチを用いたエンジン冷却システムでは、チャージエアクーラとラジエータを通過し昇温された冷却風により、ファンクラッチ表面に搭載されているバイメタルを加熱し変形させることにより、ファンクラッチ内部のバルブを開閉してシリコンオイルをクラッチ内部のラビリンスに流入させることで、オイル粘度やせん断応力によりエンジンの回転軸の回転に伴って冷却ファンを回転させるように構成されている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１がある。

特開２０１０−２５００９号公報

しかしながら、上述のバイメタル方式のファンクラッチを用いた従来のエンジン冷却システムでは、冷却風により冷却ファンの駆動を制御しているため、例えば、エンジン冷却水が高温となってから冷却風が高温となるまでに時間がかかってしまい、冷却ファンの動作に遅れが生じてしまう、という問題がある。

また、バイメタル方式のファンクラッチを用いた従来のエンジン冷却システムでは、バイメタルの中間的な制御が難しく、冷却ファンをオンかオフで稼働させているため、ファンクラッチの接続と切断が間欠的に発生して、冷熱衝撃（ヒートショック）が発生して部品の寿命が劣化したり、ファン騒音の原因となっていた。

さらに、風量により冷却風の温度が変わるため、ファンクラッチが接続される温度が一定とならず、エンジン冷却水を目標温度で維持することが困難であるという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、冷却ファンの動作の遅れを抑制でき、エンジン冷却水を目標温度で維持しヒートショックによる部品の劣化等の不具合を抑制することが可能なエンジン冷却システムを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、外気を取り込みエンジン冷却水を冷却する冷却ファンを有するエンジン冷却システムにおいて、前記冷却ファンは、その回転数が任意に設定可能に構成されており、前記エンジン冷却水の温度と、エンジン回転数とに基づき、前記冷却ファンの指示回転数を求める指示回転数演算部と、前記指示回転数演算部が求めた指示回転数で前記冷却ファンを回転させる冷却ファン制御部と、を備えたエンジン冷却システムである。

前記指示回転数演算部は、エンジン回転数に基づき、前記冷却ファンの要求回転数を求める要求回転数演算部を備え、前記エンジン冷却水の温度が予め設定した設定温度範囲内であるとき、前記要求回転数を前記指示回転数とするように構成されてもよい。

エンジン回転数と要求回転数との関係、あるいはエンジン回転数およびエンジン負荷率と要求回転数との関係を示す要求回転数マップを備え、前記要求回転数演算部は、エンジン回転数、あるいはエンジン回転数とエンジン負荷率で前記要求回転数マップを参照することで、前記要求回転数を求めるように構成されてもよい。

前記指示回転数演算部は、前記エンジン冷却水の温度が、前記設定温度範囲の下限値以下で、かつ、該下限値よりも低い温度に設定された予備運転開始温度よりも大きいとき、その時のエンジン回転数での前記冷却ファンの最小回転数より大きく、かつ前記要求回転数以下の回転数を指示回転数とするように構成されてもよい。

前記冷却ファンは、電子制御式ファンクラッチを介してエンジンの回転軸に接続されており、前記電子制御式ファンクラッチを制御することにより、その回転数が任意に設定可能に構成されていてもよい。

前記冷却ファンは、電動モータで駆動される電動ファンであり、前記電動モータを制御することにより、その回転数が任意に設定可能に構成されていてもよい。

本発明によれば、冷却ファンの動作の遅れを抑制でき、エンジン冷却水を目標温度で維持しヒートショックによる部品の劣化等の不具合を抑制することが可能なエンジン冷却システムを提供できる。

本発明の一実施の形態に係るエンジン冷却システムの概略構成図である。本発明において、要求回転数とエンジン冷却水の温度との関係の一例を示すグラフ図である。図１のエンジン冷却システムの制御フローを示すフロー図である。本発明において、要求回転数マップを求める方法について説明する図であり、（ａ）はエンジン回転数およびエンジン負荷率に対する必要放熱量の関係の一例、（ｂ）は（ａ）の関係を基に得られるエンジン回転数およびエンジン負荷率に対する必要放熱量の関係の一例、（ｃ）は（ｂ）の関係を基に得られる要求回転数マップの一例、（ｄ）は（ｃ）の要求回転数マップの要求回転数を電子制御式ファンクラッチの軸入出力比に換算したマップの一例を示す図である。（ａ）は、図４（ｃ）のエンジン負荷率１００％のデータを抜き出したマップ、（ｂ）は、（ａ）の要求回転数を電子制御式ファンクラッチの軸入出力比に換算したマップを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係るエンジン冷却システムの概略構成図である。

図１に示すように、エンジン冷却システム１は、外気を取り込みエンジン冷却水を冷却する冷却ファン２を有している。

エンジン冷却システム１では、車両の前方の開口部とエンジンＥの間において、開口部側から順に、エアコン用コンデンサ３、チャージエアクーラ（ＣＡＣ）４、ラジエータ５、冷却ファン２が設けられている。

エアコン用コンデンサ３は、車両で使用されるエアーコンディショナー（空調機）のためのコンデンサであり、外気により冷媒を冷却して凝縮させるものである。

チャージエアクーラ４は、過給機により圧縮された空気を冷却し、吸気密度を高めてエンジンＥの燃焼効率を向上させるものである。

ラジエータ５は、外気とエンジン冷却水との間で熱交換しエンジン冷却水を冷却するものである。エンジンＥから出た高温のエンジン冷却水は、ラジエータ５で冷却された後、エンジンＥに戻されるように構成されている。ラジエータ５は、エンジンＥにおけるエンジン冷却水の出口からエンジン冷却水の入口に至る冷却水ライン８に設けられている。

エンジンＥからラジエータ５に至る冷却水ライン８には、ラジエータ５への通路を開閉する温度調節手段として、サーモスタット６が設けられている。サーモスタット６は、ベローズ型やワックスペレット型等のサーモスタットで構成され、エンジンＥのエンジン冷却水の出口に設けられている。

サーモスタット６には、ラジエータ５をバイパスしてラジエータ５の下流にエンジン冷却水を通すバイパスライン９が接続されており、エンジン冷却水の温度が予め設定された開弁温度より低いときには、ラジエータ５への通路を閉じてバイパスライン９にエンジン冷却水を導き、ラジエータ５を介さずにエンジン冷却水をエンジンＥに戻し、エンジン冷却水の温度の上昇を促進して暖気性能を向上させ、エンジンＥのオーバークールを防止する。また、エンジン冷却水の温度が開弁温度以上となると、ラジエータ５への通路を開いてエンジン冷却水をラジエータ５に供給し、エンジン冷却水を外気で冷却してエンジンＥのオーバーヒートを防止する。

エンジン冷却液は、冷却水ライン８に設けられたウォーターポンプ７により循環させられている。サーモスタット６より延びるバイパスライン９は、ウォーターポンプ７よりも上流側の冷却水ライン８に接続される。

冷却ファン２は、外気を車両の開口部から取り込んで、エアコン用コンデンサ３、チャージエアクーラ４、およびラジエータ５に供給するためのものであり、ラジエータ５とエンジンＥとの間に配置される。

冷却ファン２としては、その回転数が任意に設定可能に構成されたものを用いる。本実施の形態では、冷却ファン２は、電子制御式ファンクラッチ１０を介してエンジンＥの回転軸に接続されており、電子制御式ファンクラッチ１０を制御することにより、その回転数が任意に設定可能に構成されている。なお、これに限らず、冷却ファン２として、ＤＣモータ等の電動モータで駆動される電動ファンを用い、電動モータを制御することにより、冷却ファン２の回転数を任意に設定可能に構成してもよい。

さて、本実施の形態に係るエンジン冷却システム１では、さらに、エンジン冷却水の温度と、エンジン回転数とに基づき、冷却ファン２の指示回転数を求める指示回転数演算部１２と、指示回転数演算部１２が求めた指示回転数で冷却ファン２を回転させる冷却ファン制御部１３と、を備えている。指示回転数演算部１２、冷却ファン制御部１３は、車両のＥＣＵ（電子制御ユニット）１７に搭載されている。

指示回転数演算部１２は、冷却対象となるエンジン冷却水の温度のみならず、エンジン状態も考慮して、要求される冷却効果が得られるように冷却ファン２の回転数（指示回転数）を決定するように構成されている。

指示回転数演算部１２は、エンジン回転数に基づき、冷却ファン２の要求回転数を求める要求回転数演算部１１を備えている。要求回転数演算部１１は、エンジン状態から予測されるエンジンＥの各部の必要放熱量を考慮し、必要な冷却風量を供給可能な冷却ファン２の回転数を要求回転数とするように構成される。

本実施の形態では、エンジン回転数と要求回転数との関係、あるいはエンジン回転数およびエンジン負荷率と要求回転数との関係を示す要求回転数マップ１５を備え、要求回転数演算部１１は、エンジン回転数、あるいはエンジン回転数とエンジン負荷率で要求回転数マップ１５を参照することで、要求回転数を求めるように構成される。要求回転数マップ１５の詳細については後述する。

また、本実施の形態では、指示回転数演算部１２は、エンジン冷却水の温度が、設定温度範囲の下限値以下で、かつ、該下限値よりも低い温度に設定された予備運転開始温度よりも大きい（以下、予備運転温度範囲という）とき、その時のエンジン回転数での冷却ファンの最小回転数（以下、単に最小回転数という）より大きく、かつ要求回転数以下の回転数を指示回転数とするように構成される。

つまり、本実施の形態では、設定温度範囲となり要求回転数で冷却ファン２を回転させる前段階として、要求回転数よりも小さい回転数で予備的に冷却ファン２を回転させる制御を行う。

具体的には、本実施の形態では、エンジン冷却水の温度Ｔ₁が予備運転温度範囲内にあるときには、下式（１）
指示回転数＝｛最小回転数×（設定温度範囲の下限値−Ｔ₁）＋
要求回転数×（Ｔ₁−予備運転温度範囲）｝／
（設定温度範囲の下限値−予備運転温度範囲）・・・（１）
により、最小回転数と要求回転数との間で線形補完を行うことで、指示回転数を求めるように指示回転数演算部１２を構成した。

なお、エンジン冷却水の温度が予備運転温度範囲内にあるときの指示回転数は、式（１）に限定されず、例えば、単に要求回転数の半分の回転数、あるいは最小回転数と要求回転数の平均値等を用いてもよい。

また、指示回転数演算部１２は、エンジン冷却水の温度が予備運転温度範囲以下であるときは、冷却の必要がないので、最小回転数を指示回転数とするように構成される。さらに指示回転数演算部１２は、エンジン冷却水の温度が設定温度範囲の上限値よりも大きいときは、速やかな冷却が要求されるため、その時のエンジン回転数における最大回転数（以下、単に最大回転数という）を指示回転数とするように構成される。

一例として、予備運転温度範囲を９０℃〜９５℃、設定温度範囲を９５℃〜１００℃とした場合に得られる指示回転数とエンジン冷却水の温度との関係を図２に示す。図２に示すように、本実施の形態では、指示回転数が要求回転数となる前に、予備運転温度範囲において指示回転数が徐々に増加されるようになっている。これにより、冷却ファン２のオンオフを繰り返すハンチングが抑制され、騒音を抑制することが可能になる。なお、要求回転数はエンジン状態によって変化するため、図２では要求回転数が指示回転数に関わる領域を破線で仮に示している。

冷却ファン制御部１３は、指示回転数演算部１２が求めた指示回転数で冷却ファン２を回転させるように、電子制御式ファンクラッチ１０を制御するように構成される。つまり、冷却ファン制御部１３は、指示回転数とエンジン回転数とを基に電子制御式ファンクラッチ１０での軸入出力比を求め、求めた軸入出力比となるように電子制御式ファンクラッチ１０を制御する。

次に、エンジン冷却システム１の制御フローを説明する。ここでは、図２と同様に、エンジン冷却水の温度Ｔ₁における予備運転温度範囲を９０℃〜９５℃、設定温度範囲を９５℃〜１００℃とする場合について説明する。

エンジン冷却システム１は、図３の制御フローを繰り返し実行するように構成されている。

図３に示すように、エンジン冷却システム１では、まず、ステップＳ１にて、指示回転数演算部１２が、エンジン冷却水の温度Ｔ₁が予備運転開始温度である９０℃より大きいかを判断する。ステップＳ１でＮＯと判断された場合、ステップＳ２にて、指示回転数演算部１２が、指示回転数を最小回転数とし、ステップＳ９に進む。

ステップＳ１でＹＥＳと判断された場合、ステップＳ３にて、要求回転数演算部１１が、エンジン回転数、またはエンジン回転数とエンジン負荷率で要求回転数マップ１５を参照し、要求回転数を求める。

要求回転数を求めた後、ステップＳ４にて、指示回転数演算部１２が、エンジン冷却水の温度Ｔ₁が設定温度範囲の下限値である９５℃より大きいかを判断する。ステップＳ４でＮＯと判断された場合、エンジン冷却水の温度Ｔ₁が予備運転温度範囲内にあることになるので、ステップＳ５にて、指示回転数演算部１２が、上述の式（１）により指示回転数を求め、ステップＳ９に進む。

ステップＳ４でＹＥＳと判断された場合、ステップＳ６にて、指示回転数演算部１２が、エンジン冷却水の温度Ｔ₁が設定温度範囲の上限値である１００℃より大きいかを判断する。ステップＳ６でＮＯと判断された場合、エンジン冷却水の温度Ｔ₁が設定温度範囲内にあることになるので、ステップＳ７にて、指示回転数演算部１２が、指示回転数を要求回転数とし、ステップＳ９に進む。

ステップＳ６でＹＥＳと判断された場合、ステップＳ８にて、指示回転数演算部１２が、指示回転数を最大回転数とし、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、冷却ファン制御部１３が、指示回転数演算部１２が求めた指示回転数で冷却ファン２を回転させるように電子制御式ファンクラッチ１０を制御する。その後、処理を終了する。

次に、要求回転数マップ１５について説明する。

要求回転数マップ１５は、エンジン回転数と要求回転数との関係、あるいはエンジン回転数およびエンジン負荷率と要求回転数との関係を示すものであり、予め実験結果やシミュレーション結果を基に設定され、ＥＣＵ１７に搭載される。

要求回転数マップ１５を求める際には、まず、図４（ａ）に示すように、エンジン冷却水により冷却が為されている部位で必要とされる放熱量、例えばエンジンＥでの必要放熱量、オイルクーラでの必要放熱量等を全て足し合わせ、全体での必要放熱量を演算し、エンジン回転数およびエンジン負荷率に対する必要放熱量の関係を求める。

その後、必要放熱量を得るために必要な冷却風量を演算し、図４（ｂ）に示すように、エンジン回転数およびエンジン負荷率に対する必要冷却風量の関係を求める。

その後、必要冷却風量を冷却ファン２の回転数に換算すると、図４（ｃ）に示すように、エンジン回転数およびエンジン負荷率に対する要求回転数の関係、すなわち要求回転数マップ１５が得られる。

なお、本実施の形態では、電子制御式ファンクラッチ１０を用いているため、要求回転数となるように電子制御式ファンクラッチ１０の軸入出力比を求めて電子制御式ファンクラッチ１０の制御を行う必要があるが、図４（ｄ）に示すように、予め要求回転数を電子制御式ファンクラッチ１０の軸入出力比（ファンクラッチ軸入出力比という）に換算したマップを用いるようにしてもよい。あるプーリー比で冷却ファン２を回転させるよう構成されている場合、ファンクラッチ軸入出力比は、下式（２）
ファンクラッチ軸入出力比＝要求回転数／（エンジン回転数×プーリー比）
・・・（２）
により求めることができる。なお、冷却ファン２として電動ファンを用いる場合は、要求回転数となるように電動モータを直接制御することになるので、図４（ｄ）のようなマップは必要ない。

図４（ｃ）の要求回転数マップ１５におけるエンジン負荷率が１００％のデータのみを抜き出すと、図５（ａ）のようになる。図５（ａ）のマップは、エンジン負荷率を１００％としているため、エンジン回転数に対する最大必要となる冷却ファン２の要求回転数を表していることとなり、最も安全側の判断となる。よって、この図５（ａ）のマップを要求回転数マップ１５として用い、エンジン回転数のみから要求回転数を求めるように要求回転数演算部１１を構成してもよい。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）の要求回転数を電子制御式ファンクラッチ１０の軸入出力比に換算したマップである。

以上説明したように、本実施の形態に係るエンジン冷却システム１では、冷却ファン２が、その回転数が任意に設定可能に構成されており、エンジン冷却水の温度と、エンジン回転数とに基づき、冷却ファン２の指示回転数を求める指示回転数演算部１２と、指示回転数演算部１２が求めた指示回転数で冷却ファン２を回転させる冷却ファン制御部１３と、を備えている。

エンジン冷却システム１では、従来技術のように冷却風を介しておらず、冷却対象となるエンジン冷却水をトリガとした制御を行っているため、エンジン冷却水の温度が上昇したときに素早く冷却ファン２を回転させることが可能になり、冷却ファン２の動作の遅れを抑制できる。

また、エンジン冷却システム１では、エンジン状態に応じて必要な放熱量が得られるように冷却ファン２を回転させることが可能になるため、エンジン冷却水を精度よく目標温度で維持することが可能になる。なお、エンジン冷却水のみをトリガとした場合、要求される放熱量を考慮せず一律に指示回転数を決定することになるため、エンジン冷却水を一定の温度に維持することは困難である。

よって、例えば、エンジン冷却水を高温に維持することで、平均的なエンジンオイルの温度を上昇させ、フリクションの低減によりエンジンＥでの駆動損失を減少させて、燃費を向上させることが可能になる。また、エンジン冷却水を低温に維持することで、エンジン冷却水やエンジンオイルに冷却される部品の平均的な温度を低下させ、部品の寿命を長くすることが可能になる。

さらに、エンジン冷却水を一定の温度で維持することにより、エンジン冷却水の温度の変化によるエンジンＥの部品へのヒートショックを低減し、部品の劣化を抑制することが可能になる。

エンジン冷却システム１では、エンジン冷却水を所望の温度で維持できるため、排熱回収機など熱よりエネルギーを回収する装置を搭載する場合に、その装置にとって効率の良い条件で水温を維持し、効率よくエネルギー回収を行わせることも可能になる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、エンジン回転数、あるいはエンジン回転数とエンジン負荷率を基に要求回転数を求める場合を説明したが、これに限らず、エンジン負荷に替えて、アクセル開度や吸気量等、エンジンＥの出力や負荷状態を表す他のパラメータを用いることも可能である。

１エンジン冷却システム
２冷却ファン
３エアコン用コンデンサ
４チャージエアクーラ
５ラジエータ
６サーモスタット
７ウォーターポンプ
８冷却水ライン
９バイパスライン
１０電子制御式ファンクラッチ
１１要求回転数演算部
１２指示回転数演算部
１３冷却ファン制御部
１５要求回転数マップ

Claims

外気を取り込みエンジン冷却水を冷却する冷却ファンを有するエンジン冷却システムにおいて、
前記冷却ファンは、その回転数が任意に設定可能に構成されており、
前記エンジン冷却水の温度と、エンジン回転数とに基づき、前記冷却ファンの指示回転数を求める指示回転数演算部と、
前記指示回転数演算部が求めた指示回転数で前記冷却ファンを回転させる冷却ファン制御部と、
を備えたことを特徴とするエンジン冷却システム。
前記指示回転数演算部は、
エンジン回転数に基づき、前記冷却ファンの要求回転数を求める要求回転数演算部を備え、
前記エンジン冷却水の温度が予め設定した設定温度範囲内であるとき、前記要求回転数を前記指示回転数とするように構成される
請求項１記載のエンジン冷却システム。
エンジン回転数と要求回転数との関係、あるいはエンジン回転数およびエンジン負荷率と要求回転数との関係を示す要求回転数マップを備え、
前記要求回転数演算部は、エンジン回転数、あるいはエンジン回転数とエンジン負荷率で前記要求回転数マップを参照することで、前記要求回転数を求めるように構成される
請求項２記載のエンジン冷却システム。
前記指示回転数演算部は、
前記エンジン冷却水の温度が、前記設定温度範囲の下限値以下で、かつ、該下限値よりも低い温度に設定された予備運転開始温度よりも大きいとき、その時のエンジン回転数での前記冷却ファンの最小回転数より大きく、かつ前記要求回転数以下の回転数を指示回転数とするように構成される
請求項２または３記載のエンジン冷却システム。
前記冷却ファンは、電子制御式ファンクラッチを介してエンジンの回転軸に接続されており、前記電子制御式ファンクラッチを制御することにより、その回転数が任意に設定可能に構成されている
請求項１〜４いずれかに記載のエンジン冷却システム。
前記冷却ファンは、電動モータで駆動される電動ファンであり、前記電動モータを制御することにより、その回転数が任意に設定可能に構成されている
請求項１〜４いずれかに記載のエンジン冷却システム。