JP2015175320A - Cooling device of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の冷却装置に関し、特に、水冷式の内燃機関の冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device for an internal combustion engine, and more particularly to a cooling device for a water-cooled internal combustion engine.
内燃機関(エンジン)を動力源とした車両では、一般的に、エンジンの冷却装置として水冷式のものが用いられている。水冷式の冷却装置では、冷媒として冷却水が用いられており、冷却水には防錆と凍結防止のためグリコール系の液剤(不凍液)を水で薄めたものが広く用いられている。 In a vehicle using an internal combustion engine (engine) as a power source, a water-cooled type is generally used as an engine cooling device. In a water-cooled cooling device, cooling water is used as a refrigerant, and a coolant obtained by diluting a glycol-based liquid agent (antifreeze) with water for rust prevention and freezing prevention is widely used.
このような冷却装置では、冷却水の不凍液の濃度と圧力を調整することにより、冷却水通路(ウォータジャケット)壁面で沸騰した冷却水による連続的に気泡が発生し(サブクール沸騰)、蒸発潜熱により効率的に除熱を行うことができる。この気泡は、周囲の冷却水により冷却され、再び液体に戻る。 In such a cooling device, by adjusting the concentration and pressure of the antifreeze of the cooling water, bubbles are continuously generated by the cooling water boiled on the wall surface of the cooling water passage (water jacket) (subcooled boiling), and due to the latent heat of evaporation. Heat can be removed efficiently. The bubbles are cooled by the surrounding cooling water and returned to the liquid again.
このような、サブクール沸騰を利用する冷却装置では、不凍液の濃度を上げすぎると、冷却水の沸点が上昇し、サブクール沸騰が起こらなくなり、上記のような効率的な除熱が行えなくなる。また、冷却水への加圧が十分でない場合、あるいは不凍液の濃度が低い場合、冷却水の沸点が下がり、過剰に沸騰し、蒸気の量が増加し、冷却効率が低下する。 In such a cooling device using subcooled boiling, if the concentration of the antifreeze is increased too much, the boiling point of the cooling water rises and subcooled boiling does not occur, so that efficient heat removal as described above cannot be performed. Moreover, when the pressurization to cooling water is not enough, or when the density | concentration of an antifreeze is low, the boiling point of cooling water falls, it boils excessively, the quantity of steam | vapor increases, and cooling efficiency falls.
さらに、エンジンの始動直後や冷間時に急激な高負荷運転を行う場合、装置内の冷却水の温度、圧力が共に低く、局所的(例えば、タービンハウジング、EGRクーラ付近)に冷却水温度が上昇し、部分的に沸騰する。この部分の蒸気を液体に戻すことができずに、冷却効率が低下することで、冷却すべき部品等を十分に冷却できなくなる。 In addition, when sudden high load operation is performed immediately after engine startup or cold, the temperature and pressure of the cooling water in the system are both low, and the cooling water temperature rises locally (for example, near the turbine housing or EGR cooler). And partially boil. Since the vapor of this portion cannot be returned to the liquid and the cooling efficiency is lowered, the parts to be cooled cannot be sufficiently cooled.
そこで、特許文献1の冷却装置では、冷却水の温度とエンジン回転数とに基づいて冷却系の圧力を調整し、サブクール度(飽和温度と実際の冷却温度との差)を制御している。 Therefore, in the cooling device of Patent Document 1, the pressure of the cooling system is adjusted based on the temperature of the cooling water and the engine speed, and the subcooling degree (the difference between the saturation temperature and the actual cooling temperature) is controlled.
また、特許文献2の装置では、LLC(不凍液)濃度と冷却系の圧力とに基づいて冷却水の沸点温度を割り出し、この沸点温度を基準として冷却水の温度がオーバーヒート状態であるか否かを判定し、オーバーヒート状態と判定されれば、警報を出している。 Further, in the apparatus of Patent Document 2, the boiling point temperature of cooling water is determined based on the LLC (antifreeze) concentration and the pressure of the cooling system, and whether or not the temperature of the cooling water is in an overheated state based on this boiling point temperature is determined. If it is determined, and an overheat state is determined, an alarm is issued.
しかし、特許文献1の冷却装置では、冷却水の成分に基づく冷却系圧力の制御はされておらず、冷却水の成分の変化に伴う冷却水の沸点及びサブクール度の変化には対応できない。 However, the cooling device of Patent Document 1 does not control the cooling system pressure based on the cooling water component, and cannot cope with changes in the boiling point and subcooling degree of the cooling water accompanying the change in the cooling water component.
また、特許文献2の装置では、冷却水の圧力を調整するような装置はなく、検出されたデータに基づいて、オーバーヒート状態となることを防止するための手段はない。 Moreover, in the apparatus of patent document 2, there is no apparatus which adjusts the pressure of cooling water, and there is no means for preventing an overheat state based on detected data.
そこで、本発明は、内燃機関の冷却装置において、冷却水の不凍液濃度が変化しても十分な冷却効率を確保することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to ensure sufficient cooling efficiency in a cooling device for an internal combustion engine even if the concentration of the antifreeze in the cooling water changes.
上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関内に配されたジャケット部を含む経路内で、不凍液を含む冷却水を循環させて冷却を行う内燃機関の冷却装置であって、前記経路内の冷却水の流量を検出する流量検出手段と、前記経路内の冷却水の温度を検出する温度検出手段と、前記冷却水の前記不凍液の濃度を検出する濃度検出手段と、前記経路内の冷却水の流量、温度及び前記不凍液の濃度に基づいて、前記経路内の前記冷却水の圧力を制御する圧力制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の冷却装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a cooling apparatus for an internal combustion engine that performs cooling by circulating cooling water containing antifreeze liquid in a path including a jacket portion disposed in the internal combustion engine. A flow rate detecting means for detecting a flow rate of the cooling water in the passage, a temperature detecting means for detecting the temperature of the cooling water in the passage, a concentration detecting means for detecting the concentration of the antifreeze liquid in the cooling water, A cooling device for an internal combustion engine, comprising: pressure control means for controlling a pressure of the cooling water in the path based on a flow rate of cooling water, a temperature, and a concentration of the antifreeze.
前記圧力制御手段は、前記経路内の前記冷却水が飽和沸騰せず、前記ジャケット部において前記冷却水がサブクール沸騰の状態となるように前記経路内の冷却水の圧力を制御してもよい。 The pressure control means may control the pressure of the cooling water in the path so that the cooling water in the path does not saturate and the cooling water is in a subcooled boiling state in the jacket portion.
前記圧力制御手段は、前記冷却水の流量、温度、及び前記不凍液の濃度を変数とする関数に基づいて、前記冷却水の圧力を制御してもよい。 The pressure control means may control the pressure of the cooling water based on a function having variables of the flow rate, temperature, and concentration of the antifreeze liquid.
前記圧力制御手段は、前記関数の値から所定の範囲内となるように、前記冷却水の圧力を制御してもよい。 The pressure control means may control the pressure of the cooling water so as to be within a predetermined range from the value of the function.
前記内燃機関の運転状態から、前記ジャケット部の内壁の温度と前記冷却水の温度との温度差を推定する温度差推定手段を備え、前記圧力制御手段は、さらに、前記温度差に基づいて前記冷却水の圧力を制御してもよい。 A temperature difference estimating means for estimating a temperature difference between the temperature of the inner wall of the jacket portion and the temperature of the cooling water from the operating state of the internal combustion engine, and the pressure control means is further configured based on the temperature difference. The pressure of the cooling water may be controlled.
本発明によれば、内燃機関の冷却装置において、冷却水の不凍液の濃度が変化しても十分な冷却効率を確保することができる。 According to the present invention, in the cooling device for an internal combustion engine, sufficient cooling efficiency can be ensured even if the concentration of the antifreeze of the cooling water changes.
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。同一の構成要素には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same components are denoted by the same reference numerals, and their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
<冷却装置の構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る冷却装置1を示した図である。図中上側が車両上方、左側が車両前方となる。図に示された構成は本実施形態の代表的な構成の一例に過ぎず、本実施形態で目的とする作用、効果が得られるものであれば、ここに示した構成に限られない。
<Configuration of cooling device>
FIG. 1 is a view showing a cooling device 1 according to an embodiment of the present invention. In the figure, the upper side is the vehicle upper side, and the left side is the vehicle front. The configuration shown in the drawing is merely an example of a typical configuration of the present embodiment, and is not limited to the configuration shown here as long as the intended operation and effect can be obtained in the present embodiment.
冷却装置1は、本実施形態では、内燃機関(エンジン)EGを動力源とする車両(不図示)に搭載され、その経路内に冷却水を循環させてエンジンEGを冷却するための装置である。冷却水は、不凍液を水で薄めたもので、本実施形態では、不凍液はロング・ライフ・クーラント(以下、LLC)であり、エチレングリコールを主成分とする液剤である。 In this embodiment, the cooling device 1 is mounted on a vehicle (not shown) that uses an internal combustion engine (engine) EG as a power source, and cools the engine EG by circulating cooling water in the path. . The cooling water is obtained by diluting an antifreeze liquid with water. In this embodiment, the antifreeze liquid is a long life coolant (hereinafter, LLC), which is a liquid agent mainly composed of ethylene glycol.
冷却装置1は、ポンプ11、ウォータジャケット12、サーモスタット13、ラジエータ14、プレッシャキャップ15、リザーブタンク16、コンプレッサ17、調圧バルブ18、エンジン回転数センサ21、温度センサ22、濃度センサ23、圧力センサ24及びコントローラ30を含む。冷却装置1の冷却水の循環経路はα、βの2つがある。経路αでは、ウォータジャケット12を出た冷却水が、通路C1、サーモスタット13、通路C2、ラジエータ14、通路C3及びC4を通り、再びウォータジャケット12に戻る。経路βでは、ウォータジャケット12を出た冷却水が、通路C1、サーモスタット13、通路C5(バイパス)及びC4を通り、再びウォータジャケット12に戻る。すなわち、経路βは、ラジエータ14を経由しない経路である。以下、経路α、βを総称するときは循環経路という。
The cooling device 1 includes a
ポンプ11は、ウォータジャケット12の入口付近に配され、冷却水を循環させる。ポンプ11は、本実施形態では、エンジンの動力が伝えられることにより回転するインペラを有する。そのため、エンジンEGの回転数の増加に伴ってインペラの回転数が増加し、循環する冷却水の流量Qが増加する。ポンプ11は、電動式のものでもよい。この場合、ポンプ11は、コントローラ30と電気的に接続されており、コントローラ30からの指令によってインペラの回転数が制御されることで、冷却水の流量Qが制御される。
The
ウォータジャケット12は、エンジンEG内に配され、ウォータジャケット12を流れる冷却水によって、エンジンEGが冷却される。ウォータジャケット12の冷却水の状態とエンジンEGの冷却効率との関係については後述する。
The
サーモスタット13は、ウォータジャケット12からの冷却水の経路を、切り替える装置である。サーモスタット13は、所定温度以下であれば、通路C1とC2との間を遮断し、所定温度を超えると通路C1とC2との間を連通させる。したがって、例えば、エンジンEGの始動直後等で、冷却水が十分に温まっていない場合(所定温度以下)は、冷却水はラジエータ14を通らず、経路βのみを循環し、効率的に冷却水の温度を上昇させる。所定温度を超えると、冷却水は経路α及びβを循環する。
The
ラジエータ14は、外気との熱交換により冷却水を冷却するための装置で、本実施形態では、ラジエータ14は車両前方に配される。外気は、エンジンEGの回転軸に取り付けられたファン(不図示)によって車両前面からラジエータ14に導かれる。さらに、ラジエータ14の上部は、プレッシャキャップ15へと通じる通路C6と接続される。また、通路C6には、その途中に通路C8へ通じる分岐がある。
The
プレッシャキャップ15は、冷却装置1内の圧力を所定の範囲内とするための部品であり、通路C6と、リザーブタンク16へ通じる通路C7との間に配置される。プレッシャキャップ15は、加圧弁と負圧弁とを備え、これらの弁の少なくともいずれかが開放している場合は、通路C6とC7とが連通し、いずれも閉鎖されている場合は、通路C6とC7との間は遮断されている。
The
循環経路側の圧力が所定の上限を超えると、加圧弁が開放され、通路C7を介して圧力が開放され、循環経路側の圧力が所定の範囲内となれば、加圧弁は閉鎖される。 When the pressure on the circulation path side exceeds a predetermined upper limit, the pressurization valve is opened and the pressure is released via the passage C7. When the pressure on the circulation path side falls within a predetermined range, the pressurization valve is closed.
一方、エンジンEGの停止等によって循環経路内の冷却水の温度が下がると、冷却水が収縮し圧力が下がる。循環経路側の圧力が所定の下限を下回ると、負圧弁が開放され、リザーブタンク16側から冷却水が循環経路側に流れ込み、循環経路側の圧力が所定の範囲内となれば、負圧弁は閉鎖される。
On the other hand, when the temperature of the cooling water in the circulation path decreases due to the stop of the engine EG or the like, the cooling water contracts and the pressure decreases. When the pressure on the circulation path side falls below a predetermined lower limit, the negative pressure valve is opened, cooling water flows from the
なお、後述する冷却水の圧力制御においては、加圧弁及び負圧弁が開放しない範囲での圧力で制御される。 In the cooling water pressure control described later, the pressure is controlled within a range in which the pressurization valve and the negative pressure valve are not opened.
リザーブタンク16は、プレッシャキャップ15を介して循環経路内に供給する、あるいは循環経路内から排出された冷却水を貯留する。リザーブタンク16の上部には給水口161が設けられており、給水時を除き、蓋162により給水口161が閉じられている。
The
コンプレッサ17は、調圧バルブ18及び通路C8を介して、加圧エアを供給することで、循環する冷却水を加圧するための装置である。コンプレッサ17は、コントローラ30と電気的に接続されており、コントローラ30からの信号により作動する。
The
調圧バルブ18は、通路C8とコンプレッサ17とを通じさせる加圧状態、通路C8とコンプレッサ17との間を遮断し、通路C8と冷却装置1外部とを通じさせる大気開放状態(以下、開放状態)及び通路8をコンプレッサ17と外部(大気)とのいずれの間とも遮断する保圧状態の間で制御される。調圧バルブ18は、本実施形態では電動アクチュエータにより駆動される。調圧バルブ18は、コントローラ30と電気的に接続されており、コントローラ30からの信号によりアクチュエータが作動する。
The
エンジン回転数センサ21は、エンジンEGの回転数を検出する。エンジン回転数センサ21は、コントローラ30と電気的に接続されており、検出されたエンジンEGの回転数のデータを信号としてコントローラ30に送信する。上述のとおり、ポンプ11のインペラの回転速度はエンジンEGの回転数、冷却水の粘度及び濃度に関係する。そのため、コントローラ30において、エンジンEGの回転数、後述する冷却水の温度θ、不凍液の濃度Cに基づいて、経路α、β(ウォータジャケット12)を流れる冷却水の流量Qが算出される。
The
温度センサ22は、循環する冷却水の温度θを検出する。温度センサ22は、コントローラ30と電気的に接続されており、検出された冷却水の温度θのデータを信号としてコントローラ30に送信する。なお、本実施形態では、温度センサ22は、サーモスタット13に設けられている。そのため、ウォータジャケット12を出た冷却水の温度θを検出することで、ウォータジャケット12内の冷却水の温度に近い温度を検出することができる。また、この配置により、サーモスタット13の状態(冷却水の温度)に関わらず、循環する冷却水の温度θを検出することができる。温度センサ22の配置箇所は、サーモスタット13の場所に限られず、通路C1内のいずれかの場所であれば同様の効果が得られる。
The
濃度センサ23は、冷却水の屈折率を検出することで冷却水の不凍液の濃度Cを検出する。濃度センサ23は、コントローラ30と電気的に接続されており、検出された不凍液の濃度Cのデータを信号としてコントローラ30に送信する。濃度センサ23の配置箇所は、冷却水に細かい気泡等が発生しないような場所、すなわち循環経路外であることが好ましく、本実施形態では、リザーブタンク16内に濃度センサ23を配置している。なお、濃度センサ23の検出方式はこれに限られず、比重または粘度を検出するものでもよく、さらに不凍液が有色のものであれば、色(濃淡)を検出するものでもよい。
The
圧力センサ24は、冷却水の圧力Pを検出する。圧力センサ24は、コントローラ30と電気的に接続されており、検出された冷却水の圧力Pのデータを信号としてコントローラ30に送信する。循環経路内の冷却水の圧力Pを測定するには、圧力センサ24を、プレッシャキャップ15及び調圧バルブ18に対して循環経路側に配置する必要がある。本実施形態では、圧力センサ24は、循環経路外である通路C6に設けられており、そのため、冷却水の流れによる影響が小さい圧力データが得られる。
The
コントローラ30は、例えばECUであり、A/D変換器のようなアナログ入力信号をデジタル信号に変換するための変換部31、CPU、MPU等の演算部32、及びROM、RAM等の記憶部33を含む。コントローラ30は、各種センサから得られるデータを信号として受信し、これらのデータに基づいて、電気的に接続された各種装置を動作させる。
The
<飽和沸騰>
図2は、冷却水の状態図(蒸気圧曲線)を示した図である。図中、横軸は冷却水の温度θ、縦軸はウォータジャケット12を流れる冷却水の圧力pVの値となる。純溶媒(水)の蒸気圧曲線(実線)は、pV=10(k1−k2/(θ+k3))で表され、この曲線の左上側が液相、右下側が気相となる。なお、k1、k2、k3は定数で、水の場合、k1=8.02754、k2=1705.616、k3=231.405となる。冷却水の状態が、液相から気相へと、蒸気圧曲線をまたぐと、冷却水が沸騰し(飽和沸騰)、エンジンEGの冷却効率が著しく損なわれる。
<Saturated boiling>
FIG. 2 is a diagram showing a state diagram (steam pressure curve) of cooling water. In the figure, the horizontal axis represents the cooling water temperature θ, and the vertical axis represents the value of the cooling water pressure pV flowing through the
溶媒(水)に溶質(LLC)は含まれると、蒸気圧が下がり(蒸気圧降下)、点線のような蒸気圧曲線となる。そのため、圧力pV一定とした場合、冷却水の沸点が上昇するが、この上昇量(モル沸点上昇)θmは、溶質(LLC)の質量モル濃度m(mol/kg)を用いて、θm=kb・m(kb:定数(溶媒が水の場合0.515(K・kg/mol)))で表される。すなわち、モル沸点上昇θmは、濃度センサ23で検出された濃度Cの関数f(C)(f(C)≧0、かつ∂f(C)/∂C>0)で表される。
When a solute (LLC) is contained in the solvent (water), the vapor pressure decreases (vapor pressure drop), and a vapor pressure curve such as a dotted line is obtained. For this reason, when the pressure pV is constant, the boiling point of the cooling water rises, but this amount of rise (molar boiling point rise) θm is calculated using the mass molar concentration m (mol / kg) of solute (LLC) as θm = kb. M (kb: constant (0.515 (K · kg / mol) when the solvent is water)) That is, the molar boiling point increase θm is expressed by a function f (C) (f (C) ≧ 0 and ∂f (C) / ∂C> 0) of the concentration C detected by the
このことから、濃度Cにおける蒸気圧曲線は、pV=10(k1−k2/(θ−f(C)+k3))と表される。ウォータジャケット12内を流れる冷却水の圧力pVと、検出された圧力Pとの関係は冷却水の流速Vを用いてpV=P−(1/2)ρV2(ρ:水の密度)と表される(ベルヌーイの定理)。流速VはV=Q/A(A:通路の断面積)等、流量Qの関数で表される。したがって、P=10(k1−k2/(θ−f(C)+k3))+(1/2)ρ{V(Q)}2となる。この曲線上にあるときの冷却水の圧力をP=PBOIL(θ、Q、C)とすると(以下、PBOILと表すこともある)、検出された冷却水の圧力PがPBOILよりも大きければ(P>PBOIL)冷却水は沸騰しない。
From this, the vapor pressure curve at the concentration C is expressed as pV = 10 (k1−k2 / (θ−f (C) + k3)). The relationship between the pressure pV of the cooling water flowing in the
<サブクール沸騰>
サブクール沸騰とは、飽和沸騰を起こしていないが、伝熱面、ここでは、ウォータジャケット12の壁面近傍において冷却水が過熱され、この壁面近傍に気泡が発生する状態を言う。この状態では、壁面近傍で冷却水が沸騰する際に壁面から多量の熱を奪い、壁面から離れた沸点に到達していない部分に達すると、周囲の冷却水により冷却され再び液体へと戻る。サブクール沸騰が始まる圧力は飽和沸騰が始まる圧力よりも高く、したがって、サブクール沸騰が始まる圧力をP=PSUBとすると、PSUB>PBOILとなる。
<Subcool boiling>
Subcooled boiling refers to a state in which, although saturation boiling has not occurred, cooling water is overheated in the vicinity of the heat transfer surface, here, the wall surface of the
図3は、ウォータジャケット12壁面の温度と冷却水の温度θとの差Δθに対する熱流束qの変化を示した図である。図中、横軸は温度差Δθ、縦軸は熱流束qの値となる。L1〜L3の線は冷却水がサブクール沸騰していない状態(以下、非サブクール沸騰状態と言い、これらの線を総称するときは線Lとする)で、流速Vが増加するにしたがって、L1からL3のように熱流束の増加率が大きくなる。また、S1〜S3の線は冷却水がサブクール沸騰している状態(以下、サブクール沸騰状態と言い、これらの線を総称するときは線Sとする)で、ウォータジャケット12を流れる冷却水の圧力pV(検出される圧力P)、及び不凍液の濃度Cが高くなるにしたがって、S1からS3へと線が右側に移動する。
FIG. 3 is a diagram showing the change of the heat flux q with respect to the difference Δθ between the temperature of the wall surface of the
図からわかるように、ウォータジャケット12壁面の温度と冷却水の温度θとの差Δθが大きくなるほど、熱流束qは大きくなる。また、L1〜L3とS1〜S3とを比較するとわかるように、サブクール沸騰状態では、非サブクール沸騰状態に比べて熱流束qが非常に大きく、効率的にエンジンEGを冷却できることがわかる。
As can be seen from the figure, the heat flux q increases as the difference Δθ between the temperature of the wall surface of the
図中の、各線の交点は、冷却水のサブクール沸騰が始まる点である。例えば、L1となる流速、S1となる圧力、不凍液の濃度においては、L1とS1の交点より右側がサブクール沸騰状態、左側が非サブクール沸騰状態となる。 The intersection of each line in the figure is the point at which subcooled boiling of the cooling water begins. For example, in the flow velocity that becomes L1, the pressure that becomes S1, and the concentration of the antifreeze, the right side from the intersection of L1 and S1 is in the subcooled boiling state, and the left side is in the non-subcooled boiling state.
<冷却水の圧力制御>
以上のことから、循環経路内での冷却水の圧力PをPBOIL<P<PSUBとすると、ウォータジャケット12内の冷却水をサブクール沸騰の状態に保つことができ、効率的にエンジンEGを冷却することができる。本実施形態では、PBOIL(θ、Q、C)+ΔP1<P<PBOIL(θ、Q、C)+ΔP2(<PSUB)となるように、すなわち、飽和沸騰が起こる圧力に基づいて、循環経路内の冷却水の圧力Pを制御する。なお、ΔP1は飽和沸騰が始まる圧力に対して余裕を見込んだ値、ΔP2は、使用範囲においてサブクール沸騰となる条件として実験的に求めた値である。関数PBOIL(θ、Q、C)、ΔP1及びΔP2は記憶部33に記憶される。
<Cooling water pressure control>
From the above, if the pressure P of the cooling water in the circulation path is P BOIL <P <P SUB , the cooling water in the
図4は、冷却水の圧力制御の一例を示すフロー図である。この制御は、コントローラ30によって実行される。ここでは、PBOIL(θ、Q、C)+ΔP1をPLWR、をPBOIL(θ、Q、C)+ΔP2をPUPRする。
FIG. 4 is a flowchart showing an example of cooling water pressure control. This control is executed by the
S401において、エンジン回転数センサ21からの信号に基づいて算出された流量Q、温度センサ22により検出された冷却水の温度θ、濃度センサ23により検出された冷却水のLLCの濃度C、圧力センサ24により検出された冷却水の圧力Pが取得される。
In S401, the flow rate Q calculated based on the signal from the
S402において、θ、Q、Cに基づいてPLWR及びPUPRが算出され、まず、S403において、冷却水の圧力PとPLWRとが比較される。P<PLWRであれば(S403でNo)、S404で、コントローラ30は信号を送信して、調圧バルブ18を加圧状態、コンプレッサ17を作動させて、循環経路内を加圧し、S401に戻る。
In S402, P LWR and P UPR are calculated based on θ, Q, and C. First, in S403, the cooling water pressure P and P LWR are compared. If P <P LWR (No in S403), in S404, the
P≧PLWRであれば(S403でYes)、S405で、冷却水の圧力PとPUPRとが比較される。P>PUPRであれば(S405でNo)、S406で、コントローラ30は信号を送信して、コンプレッサ17を停止、調圧バルブ18を開放状態として、循環経路内を減圧し、S401に戻る。なお、S403とS405の処理順序は逆でもよい。
If P ≧ PLWR (Yes in S403), the cooling water pressure P and PUPR are compared in S405. If P> PUPR (No in S405), in S406, the
P≦PUPRであれば(S405でYes)、S407で、コントローラ30は信号を送信して、コンプレッサ17を停止、調圧バルブ18を保圧状態として、循環経路内の圧力を維持し、再びS401に戻る(RETURN)。
If P ≦ PUPR (Yes in S405), in S407, the
なお、S406及びS407において、コンプレッサ17を停止させているが、いずれの制御(調圧バルブ18が開放状態及び保圧状態の場合)においても、通路C8とコンプレッサ17との間は遮断されているため、コンプレッサ17を作動させておいてもよい。ただし、本実施形態のように加圧の必要がないときにコンプレッサ17を停止させることで、エンジンEGにかかる負担を軽減させ、燃費向上等の効果が得られる。
In S406 and S407, the
この処理により、冷却水の圧力Pを、温度θ、流量Q、濃度Cに基づいて制御し、ウォータジャケット12内の冷却水をサブクール沸騰状態とすることができる。なお、この例の他に、温度θ、流量Q、及び濃度Cに対する圧力Pの制御範囲をマップ、あるいは上限値PUPRと下限値PLWRを定めたテーブルを記憶部33に記憶させておき、演算部32が読み込むことによって圧力Pを制御してもよい。
By this processing, the pressure P of the cooling water can be controlled based on the temperature θ, the flow rate Q, and the concentration C, and the cooling water in the
<本実施形態の効果>
本実施形態によれば、各種センサ検出された冷却水の温度θ、流量Q、及び不凍液の濃度Cに基づいて、ウォータジャケット12内の冷却水がサブクール沸騰状態となるように循環経路内の圧力Pを制御している。そのため、不凍液の濃度Cが変化した場合であっても、圧力Pを適切な範囲に保つことができ、ウォータジャケット12において冷却水をサブクール沸騰状態に保つことができる。上述したように冷却水がサブクール沸騰状態であれば、効率的にエンジンEGを冷却できる。
<Effect of this embodiment>
According to this embodiment, the pressure in the circulation path is set so that the cooling water in the
したがって、本実施形態によれば、エンジンEGの冷却装置1において、冷却水の不凍液の濃度Cが変化しても十分な冷却効率を確保することができる。 Therefore, according to the present embodiment, sufficient cooling efficiency can be ensured in the cooling device 1 of the engine EG even if the concentration C of the antifreeze of the cooling water changes.
<本実施形態の装置構成の変形例>
図5は、本発明の一実施形態に係る装置構成の変形例に係る冷却装置5を示した図である。ここでは、図1の冷却装置1と同様の構成については説明を省略する。
<Modified example of apparatus configuration of this embodiment>
FIG. 5 is a view showing a
この構成では、プレッシャキャップ15がリザーブタンク16の上部に設けられている。そのため、リザーブタンク16の圧力も循環経路内と同じ圧力に保たれる(加圧される)。プレッシャキャップ15は、加圧弁及び負圧弁のうち、少なくともいずれかが開放している場合は、リザーブタンク16と外部とが連通する(大気開放)。したがって、リザーブタンク16内の圧力が所定の範囲を上回る、あるいは下回ると、リザーブタンク16は大気開放される。
In this configuration, the
また、このように配置することで、圧力センサ24をリザーブタンク16内に設けることができる。圧力センサ24を、循環経路から離し、かつ狭い通路上を避けて配置することで、圧力データに及ぼす冷却水の流れによる影響が、図1の場合よりもさらに小さくなる。
Moreover, the
コンプレッサ17及び調圧バルブ18は、通路C9を通じてリザーブタンク16内と通じるように配置されているが、リザーブタンク16とラジエータ14との間のいずれの場所から分岐させてもよい。
The
給水口161及びその蓋162は、ラジエータ14と通路C6を介して通じている。なお、給水口161は、リザーブタンク16の水面より高い位置に設けられる。蓋162を開けたときに給水口161から冷却水を噴き出さないようにするためである。
The
<本実施形態の圧力制御の変形例>
以下、本実施形態の圧力制御の変形例について説明する。この変形例は、図1、図5のいずれの装置に適用してもよい。
<Modification of pressure control of this embodiment>
Hereinafter, modified examples of the pressure control of the present embodiment will be described. This modification may be applied to any of the devices shown in FIGS.
再び図3を参照する。この図からLとSとの交点の位置(Δθの値)は、ウォータジャケット12内を流れる冷却水の圧力pV、流速V及び不凍液の濃度Cによって決まることがわかる。よって、Δθ、V、pV、Cの値はそれぞれ関係しあうため、交点における圧力pVは、Δθ、V、Cに依存することが言える。なお、Δθは、θの値とエンジンEGの運転状態(回転数、負荷、空燃比、過給圧等)から推定することができる。また、冷却水の温度θが高いほど、壁面での冷却水の温度は高くなりやすく、高い圧力でもサブクール沸騰しやすい。このことから、冷却水の温度θによってもサブクール沸騰が始まる位置(交点)が変化する。ゆえに、Δθ、θ、V、Cが決まっている状態では、pVの値を変化させることで交点の位置を移動させることができる。また、P=pV+(1/2)ρV2であることから、圧力センサ24で検出される圧力Pに基づく制御をすることで、冷却水をサブクール沸騰状態に制御することができる。
Refer to FIG. 3 again. From this figure, it can be seen that the position of the intersection of L and S (value of Δθ) is determined by the pressure pV of the cooling water flowing in the
したがって、冷却水がサブクール沸騰を開始するときに圧力センサ24で検出される圧力は、PSUB(Δθ、θ、V、C)で表される(以下、PSUBと表すこともある)。流速Vは流量Qの関数なので、PSUB(Δθ、θ、Q、C)とも表される。冷却水の圧力PがPSUBより小さければ(P<PSUB)冷却水はサブクール沸騰状態となる。関数PSUB(Δθ、θ、Q、C)は、冷却水の経路の形状、壁面の状態等によっても変化するため、通常は実験やコンピュータ解析等によって求められる。なお、Δθ、θ、Q、Cの増減に対するPSUBの増減については、以下のような傾向があることがわかる。
Therefore, the pressure detected by the
図3から、冷却水の圧力Pが高いほど、交点でのΔθが高いことがわかる。これは、ウォータジャケット12壁面の温度が冷却水の温度θに比べて高いほど、壁面での沸騰を起こしやすいためである。したがって、∂PSUB/∂Δθ>0となる。
FIG. 3 shows that Δθ at the intersection is higher as the cooling water pressure P is higher. This is because boiling of the wall surface of the
上述のように冷却水の温度θが高いほど、高い圧力でもサブクール沸騰しやすい。したがって、∂PSUB/∂θ>0となる。 As described above, the higher the temperature θ of the cooling water, the easier the subcooled boiling occurs even at a higher pressure. Therefore, ∂P SUB / ∂θ> 0.
図3から考察すると、所定のΔθ上(縦軸に平行線上)で交点をとる場合、冷却水の流速Vが速いほど(L1からL3に動くにつれて)、線Sは左側となる。線Sが左側へ行くほど圧力PSUBは低くなる。すなわち、流速Vが速いほどサブクール沸騰を開始する圧力PSUBは低くなる。したがって、∂PSUB/∂V<0となる。さらに、∂V/∂Q>0であるため、∂PSUB/∂Q<0となる。このことは、流速Vが速いほど(流量Qが大きいほど)、冷却水が壁面に留まる時間が短く、圧力Pを下げて壁面での沸騰を促す必要があることからも予測できる。 Considering from FIG. 3, when the intersection is taken on a predetermined Δθ (on a line parallel to the vertical axis), the faster the cooling water flow velocity V (as it moves from L1 to L3), the line S becomes the left side. The pressure PSUB decreases as the line S goes to the left. That is, the pressure P SUB starting the subcooled boiling higher flow velocity V is high becomes low. Therefore, ∂P SUB / ∂V <0. Furthermore, since it is ∂V / ∂Q> 0, the ∂P SUB / ∂Q <0. This can also be predicted from the fact that the faster the flow velocity V (the larger the flow rate Q), the shorter the time that the cooling water stays on the wall surface, and it is necessary to lower the pressure P to promote boiling on the wall surface.
流速Vを固定した場合、濃度Cを上昇させると、線Sは右に移動するため、交点の温度差Δθは高くなる。そのため、濃度Cが上昇しても交点の温度差Δθを一定にするためには、圧力Pを下げて濃度Cの上昇によって移動した分だけ線Sを左に移動させなくてはならない。ゆえに、流速V、温度差Δθが一定条件下では、濃度Cが高いほどサブクール沸騰を開始する圧力PSUBは低くなる。したがって、∂PSUB/∂C<0となる。このことは、溶質(LLC)の濃度Cが高いと、溶媒(冷却水)が沸騰しにくく、圧力Pを下げて壁面での沸騰を促す必要があることからも予測できる。 When the flow velocity V is fixed, if the concentration C is increased, the line S moves to the right, so that the temperature difference Δθ at the intersection increases. Therefore, in order to make the temperature difference Δθ at the intersection point constant even when the concentration C increases, the line S must be moved to the left by the amount moved by increasing the concentration C by decreasing the pressure P. Therefore, under conditions where the flow velocity V and the temperature difference Δθ are constant, the higher the concentration C, the lower the pressure P SUB that starts subcool boiling. Therefore, ∂P SUB / ∂C <0. This can be predicted from the fact that when the concentration C of the solute (LLC) is high, the solvent (cooling water) is less likely to boil, and it is necessary to lower the pressure P to promote boiling on the wall surface.
以上のことから、PBOIL(θ、Q、C)<PST(Δθ、θ、Q、C)<PSUB(Δθ、θ、Q、C)となるような関数PST(Δθ、θ、Q、C)を定めて、冷却水の圧力Pがこの値から所定の範囲内(許容範囲の値アΔP3)となるように冷却水の圧力Pを制御する(PST(Δθ、θ、Q、C)−ΔP3>PBOIL(θ、Q、C)、PST(Δθ、θ、Q、C)+ΔP3<PSUB(Δθ、θ、Q、C))。本実施形態の場合、関数PST(Δθ、θ、Q、C)及びΔP3は、PBOIL(θ、Q、C)及び実験によって求められたPSUB(Δθ、θ、Q、C)に基づいて決定するが、コンピュータシミュレーション等の解析に基づいて決定してもよい。関数PST(Δθ、θ、Q、C)及び許容範囲の値ΔP3は記憶部33に記憶される。
From the above, a function P ST (Δθ, θ,...) Such that P BOIL (θ, Q, C) <P ST (Δθ, θ, Q, C) <P SUB (Δθ, θ, Q, C) is satisfied. Q, C) is determined, and the cooling water pressure P is controlled so that the cooling water pressure P falls within a predetermined range (allowable range value ΔP 3 ) from this value (P ST (Δθ, θ, Q, C) −ΔP 3 > P BOIL (θ, Q, C), P ST (Δθ, θ, Q, C) + ΔP 3 <P SUB (Δθ, θ, Q, C)). In the case of this embodiment, the functions P ST (Δθ, θ, Q, C) and ΔP 3 are P BOIL (θ, Q, C) and P SUB (Δθ, θ, Q, C) obtained by experiment. Although it is determined based on this, it may be determined based on analysis such as computer simulation. The function P ST (Δθ, θ, Q, C) and the allowable range value ΔP 3 are stored in the
図6は、冷却水の圧力制御の他の一例を示すフロー図である。この制御は、コントローラ30によって実行される。ここでは、PST(Δθ、θ、Q、C)−ΔP3をPLWR、PST(Δθ、θ、Q、C)+ΔP3をPUPRとする。
FIG. 6 is a flowchart showing another example of the cooling water pressure control. This control is executed by the
S601において、エンジン回転数センサ21からの信号に基づいて算出された流量Q、温度センサ22により検出された冷却水の温度θ、濃度センサ23により検出された冷却水のLLCの濃度C、圧力センサ24により検出された冷却水の圧力Pが取得される。続いてS602において、θ及びエンジンEGの運転状態に基づいてΔθが推定される。
In S601, the flow rate Q calculated based on the signal from the
S603において、Δθ、θ、Q、Cに基づいてPLWR及びPUPRが算出され、まず、S604において、冷却水の圧力PとPLWRとが比較される。P<PLWRであれば(S604でNo)、S605で、コントローラ30は信号を送信して、調圧バルブ18を加圧状態、コンプレッサ17を作動させて、循環経路内を加圧し、S601に戻る。
In S603, P LWR and P UPR are calculated based on Δθ, θ, Q, and C. First, in S604, the pressure P of the cooling water and P LWR are compared. If P <P LWR (No in S604), in S605, the
P≧PLWRであれば(S604でYes)、S606で、冷却水の圧力PとPUPRとが比較される。P>PUPRであれば(S606でNo)、S607で、コントローラ30は信号を送信して、コンプレッサ17を停止、調圧バルブ18を開放状態として、循環経路内を減圧し、S601に戻る。なお、S604とS606の処理順序は逆でもよい。
If P ≧ P LWR (Yes in S604), the pressure P of the cooling water and P UPR are compared in S606. If P> PUPR (No in S606), in S607, the
P≦PUPRであれば(S606でYes)、S608で、コントローラ30は信号を送信して、コンプレッサ17を停止、調圧バルブ18を保圧状態として、循環経路内の圧力を維持し、再びS601に戻る(RETURN)。
If P ≦ PUPR (Yes in S606), in S608, the
この処理により、冷却水の圧力Pを、関数PST(Δθ、θ、Q、C)に基づく所定の範囲内(PLWR〜PUPR)に制御することができ、ウォータジャケット12内の冷却水をサブクール沸騰状態とすることができる。また、エンジンEGの運転状態からΔθを推定していることから、エンジンEGの運転状態の変化に対しても適切に対応できる。特に、エンジンEGの運転状態のパラメータをECUからの指令値に基づいて得るような構成にすれば、フィードフォワード制御が組み込まれることとなり、エンジンEGの運転状態の急激な変化にも対応できる。
By this processing, the pressure P of the cooling water can be controlled within a predetermined range (P LWR to P UPR ) based on the function P ST (Δθ, θ, Q, C), and the cooling water in the
EG エンジン
1、5 冷却装置
α、β 循環経路
12 ウォータジャケット
17 コンプレッサ
18 調圧バルブ
21 エンジン回転数センサ
22 温度センサ
23 濃度センサ
30 コントローラ
Claims (5)
前記経路内の冷却水の流量を検出する流量検出手段と、
前記経路内の冷却水の温度を検出する温度検出手段と、
前記冷却水の前記不凍液の濃度を検出する濃度検出手段と、
前記経路内の冷却水の流量、温度、及び前記不凍液の濃度に基づいて、前記経路内の前記冷却水の圧力を制御する圧力制御手段と
を備えることを特徴とする内燃機関の冷却装置。 A cooling device for an internal combustion engine that performs cooling by circulating cooling water containing antifreeze liquid in a path including a jacket portion disposed in the internal combustion engine,
Flow rate detection means for detecting the flow rate of cooling water in the path;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the cooling water in the path;
Concentration detecting means for detecting the concentration of the antifreeze in the cooling water;
A cooling device for an internal combustion engine, comprising: pressure control means for controlling the pressure of the cooling water in the path based on the flow rate, temperature, and concentration of the antifreeze liquid in the path.
前記圧力制御手段は、さらに、前記温度差に基づいて前記冷却水の圧力を制御することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却装置。 A temperature difference estimating means for estimating a temperature difference between the temperature of the inner wall of the jacket portion and the temperature of the cooling water from the operating state of the internal combustion engine;
The cooling apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the pressure control means further controls the pressure of the cooling water based on the temperature difference.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014053742A JP2015175320A (en) | 2014-03-17 | 2014-03-17 | Cooling device of internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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