JP2016133028A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の温度制御性を維持しつつ、燃費を低下させることなく、暖房準備時間を短縮することができる内燃機関の冷却装置を提供する。【解決手段】内燃機関に設けられる第１の冷却水流路を含み、低温の冷却水が循環する低温系冷却水循環回路と、低温系冷却水循環回路と独立し、冷却水との間で熱交換を行うヒータコア及び内燃機関に設けられる第２の冷却水流路を含み、低温系冷却水循環回路よりも高温の冷却水が循環する高温系冷却水循環回路と、低温系冷却水循環回路内の冷却水の流量を調節する冷却水流量調節手段と、ヒータコアに流入する冷却水温度を検出または推定する温度取得手段と、暖房の要求があり、かつ、温度取得手段によって検出される冷却水温度が所定温度より低い場合には、低温系冷却水循環回路内を流れる冷却水の流量を制限する制御装置と、を備えることを特徴とする。【選択図】図６

Description

この発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

従来、内燃機関において、シリンダブロック及びシリンダヘッドの各ウォータージャケットに、冷却水を流入させる冷却装置が知られている。例えば、特許文献１には、シリンダブロック及びシリンダヘッドの各ウォータージャケットに流入させる冷却水をヒータによって加熱する冷却装置が開示されている。特許文献１に開示される冷却装置では、ヒータが作動している場合、常に、シリンダヘッド及びシリンダブロックの各ウォータージャケットを通過した冷却水がヒータによって加熱される。そして、加熱された冷却水のもつ熱量を、車内の暖房の熱源として利用することができる。これにより、車両の乗員による暖房の要求から暖房を行うことができるまでにかかる時間である暖房準備時間を短縮することができる。

特開昭６２−９９６１６号公報

ところで、本来、シリンダブロック及びシリンダヘッドにおける所望の設定温度は、それぞれ異なっている。このため、シリンダブロック及びシリンダヘッドの各ウォータージャケットに流入させる冷却水の温度をそれぞれ制御する必要がある。しかしながら、特許文献１の冷却装置は、シリンダブロック及びシリンダヘッドの各部位を流れるそれぞれの冷却水が合流する構造となっている。このため、シリンダブロック及びシリンダヘッドをそれぞれの所望の設定温度にすることが困難であり、内燃機関の温度制御性が低下するおそれがある。

また、特許文献１の冷却装置では、冷却水の温度を上昇させるためにヒータを利用している。このため、ヒータ自体を加熱する際に電力が消費される。この電力消費によって、燃費が低下するおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の温度制御性を維持しつつ、燃費を低下させることなく、暖房準備時間を短縮することができる内燃機関の冷却装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の冷却装置であって、
温度の異なる冷却水が循環する２つの冷却水循環回路のうちの１つであって、内燃機関に設けられる第１の冷却水流路を含み、他方の冷却水循環回路よりも低温の冷却水が循環する低温系冷却水循環回路と、
温度の異なる冷却水が循環する２つの冷却水循環回路のうちの１つであって、前記低温系冷却水循環回路と独立し、冷却水との間で熱交換を行うヒータコア及び前記内燃機関に設けられる第２の冷却水流路を含み、前記低温系冷却水循環回路よりも高温の冷却水が循環する高温系冷却水循環回路と、
前記低温系冷却水循環回路内の冷却水の流量を調節する冷却水流量調節手段と、
前記ヒータコアに流入する冷却水温度を検出または推定する温度取得手段と、
暖房の要求があり、かつ、前記温度取得手段によって検出される冷却水温度が所定温度より低い場合、前記冷却水流量調節手段を制御して、前記低温系冷却水循環回路内を流れる冷却水の流量を制限する制御装置と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、エンジンの冷間始動時などにおいて、電力を消費することなく、暖房準備時間を短縮することができる。このため、暖房の効き始めが早まり、乗員の快適性を高めることができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を示すブロック図である。 ヒータコア急速暖機制御が行われることによるＬＴ流量の要求値の変化を説明する図である。 実際に測定されるＬＴ流量の時系列変化を表した図である。 エンジンの通常運転時における各パラメータのタイムチャートである。 ヒータコア急速暖機制御が行われる場合の各パラメータのタイムチャートである。 実施の形態１においてＥＣＵで実行されるＬＴ流量要求値算出制御フローを表した図である。 実施の形態１においてＥＣＵで実行されるＬＴ冷却基本制御フローを表した図である。

実施の形態１．
［システム構成］
図１は、本発明の実施の形態１の冷却装置のシステム構成を示すブロック図である。図１に示すシステムは、エンジン１０を備える。エンジン１０は、水冷式エンジンである。

エンジン１０は、シリンダヘッド３４とシリンダブロック３０を備えている。シリンダヘッド３４には、第１のウォータージャケット３６が設けられている。シリンダヘッド３４には、第１のウォータージャケット３６を含むＬＴ（Low Temperature）冷却水循環回路２６が取り付けられている。また、シリンダヘッド３４には、後述する第２のウォータージャケット３２と連通する、第３のウォータージャケット３７が設けられている。

ＬＴ冷却水循環回路２６には、ＬＴラジエータ１４が設けられている。ＬＴ冷却水循環回路２６がエンジン１０の吸気ポート近傍に設けられており、燃焼室に吸入される吸気を冷却するために設けられている。つまり、ノッキングに感度の大きい吸気ポート、吸気バルブ等を重点的に冷却して、吸気をより低温にして燃焼室に吸入させるために、ＬＴラジエータ１４の冷却性能が高められている。ＬＴラジエータ１４によって冷却水が十分に冷やされることで、課題となるノッキングの対策を行うことができる。

ＬＴ冷却水循環回路２６には、第１の電動ポンプ１８が設けられている。第１の電動ポンプ１８を駆動することで、ＬＴ冷却水循環回路２６内の冷却水が循環する。第１の電動ポンプ１８の吐出量を調整することによって、冷却水の吐出量を制御することができる。これにより、ＬＴラジエータ１４を通過する冷却水の流量（以下、ＬＴ流量という。）を調節することができる。

一方、シリンダブロック３０には、第２のウォータージャケット３２が設けられている。シリンダブロック３０には、第２のウォータージャケット３２及び第３のウォータージャケット３７を含むＨＴ冷却水循環回路２８が取り付けられている。ＨＴ冷却水循環回路２８は、ＬＴ冷却水循環回路２６とは、独立している。

ＨＴ冷却水循環回路２８には、ＨＴラジエータ１２が設けられている。ＨＴ冷却水循環回路２８には、第２の電動ポンプ２０が設けられている。第２の電動ポンプ２０は、第１の電動ポンプ１８と同様に、出力を調整することによって、冷却水の吐出量を制御する。

ＨＴ冷却水循環回路２８には、冷却水との間で熱交換を行うヒータコア１６が設けられている。ヒータコア１６は、チューブとフィンで構成される。このヒータコア１６は、チューブの中を冷却水が流れるときに熱交換を行わせるようにした車内空調（暖房）用の放熱機器である。また、図１の破線３８が示すように、ＨＴ冷却水循環回路２８には、ヒータコア１６をバイパスするバイパス通路が設けられる場合がある。バイパス通路が設けられる場合には、バイパス通路にバイパスバルブが設けられて、ヒータコア１６に流入する冷却水の流量が調節される。

また、ＨＴ冷却水循環回路２８において、ヒータコア１６の出口とＨＴラジエータ１２の入口との間に、サーモスタット２７が設けられている。サーモスタット２７とＨＴラジエータ１２の出口とは、通路２９で連結されている。サーモスタット２７は、ヒータコア１６から流れてきた冷却水の温度に応じて、ＨＴ冷却水循環回路２８または通路２９のどちらに冷却水を流すかを切り替える。

実施の形態１のシステムには、エンジン１０の運転状態を把握するために、各種センサが取り付けられている。ＬＴ冷却水循環回路２６には、第１温度センサ２４が設けられている。ＨＴ冷却水循環回路２８において、第２のウォータージャケット３２とヒータコア１６との間には、第２温度センサ２２が設けられている。また、エンジン１０には、クランク角センサ６０が設けられている。エンジン１０には、エアフロメータ６２が設けられている。

実施の形態１のエンジン１０は、制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００によって制御される。ＥＣＵ１００の入力側には、第１温度センサ２４、第２温度センサ２２、クランク角センサ６０、エアフロメータ６２などの各種センサがそれぞれ接続される。

ＥＣＵ１００は、上記の各種センサが出力した信号に基づいて、エンジン１０の運転状態を検知する。例えば、ＥＣＵ１００は、第１温度センサ２４の出力から、ＬＴ冷却水循環回路２６内の冷却水の温度を算出する。ＥＣＵ１００は、第２温度センサ２２の出力から、ＨＴ冷却水循環回路２８内の冷却水の温度を算出する。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ６０の出力から、クランク角を検知して、エンジン回転速度を算出する。ＥＣＵ１００は、エアフロメータ６２の出力から、吸入空気量を算出する。

［ヒータコア急速暖機制御］
ところで、車両の乗員による暖房の要求（以下、ヒータ要求という。）があった際にすぐに暖房を行うためには、暖房を行うのに十分な温度にヒータコア１６が暖機されている必要がある。このため、ヒータ要求から暖房を行うことができるまでにかかる時間である暖房準備時間を短縮し、乗員の快適性を向上させることが望まれる。

そこで、実施の形態１では、エンジン１０の冷間暖機中にヒータ要求があった場合、ヒータコア急速暖機制御が行われる。具体的には、ヒータ要求があった場合、第１の電動ポンプ１８の吐出量を制限して、ＬＴ流量を低下させる。以下、ヒータコア急速暖機制御によるＬＴ流量の変化について、図２及び図３を参照して説明する。

［ヒータコア急速暖機制御によるＬＴ流量の変化］
図２は、ヒータコア急速暖機制御が行われることによるＬＴ流量の要求値の変化を説明する図である。図２のグラフは、エンジン１０がヒータコア急速暖機制御を行っていない運転状態である通常運転時において、ＬＴ流量の要求値の変化を表している。ＬＴ流量の要求値とは、吸気を十分に冷却して、かつ、ノッキングを抑制するために必要なＬＴ流量の値である。

上記グラフには、縦軸に吸入空気量ＫＬが、横軸にエンジン回転速度ＮＥが示されている。上記グラフには、吸入空気量ＫＬ及びエンジン回転速度ＮＥの変化によって、ＬＴ流量の要求値が２０Ｌ／ｍｉｎから４０Ｌ／ｍｉｎの間で変化する様子が示されている。

上記グラフが示すように、エンジン１０の通常運転時には、吸入空気量ＫＬが高くなるほどＬＴ流量の要求値も高くなる。これは、吸入空気量ＫＬが増えれば、その分負荷が増大して燃焼室が高温になり、ノッキングが起こりやすくなる。このノッキングを抑制するために、冷却水が多量に必要になり、ＬＴ流量の要求値が高くなる。

一方、ヒータコア急速暖機制御が行われた場合、ＬＴ流量の要求値の上限が５Ｌ／ｍｉｎに抑えられる。このように、ヒータコア急速暖機制御中のＬＴ流量は、上限が設定されるため、通常のＬＴ流量の要求値の１／４以下等に抑制される。

図３は、実際に測定されるＬＴ流量の時系列変化を表した図である。図３の縦軸には実際に測定されるＬＴ流量が、横軸には時系列変化が示されている。図３には、ヒータコア急速暖機制御を実行しない場合（通常運転時）のＬＴ流量の時系列変化が破線によって、ヒータコア急速暖機制御を実行した場合のＬＴ流量の時系列変化が実線によって示されている。

図３の破線が示すように、ヒータコア急速暖機制御を実行しない場合（通常運転時）、ＬＴ流量の要求値は、ＬＴ水温の上昇、ノック抑制のニーズ、図３の下の図に示す車速の変化などから決定されるため、ＬＴ流量は一定にはならない。一方、図３の実線が示すように、ヒータコア急速暖機制御を実行する場合、ＬＴ流量の要求値に上限が設定されるため、エンジン１０の始動後のＬＴ流量は、ＬＴ水温の上昇、ノック抑制のニーズ、車速の変化などの影響を受けずに、設定された上限の値で一定に制御される。そして、ヒータコア１６の暖機が終了すると、ＬＴ流量は、通常運転時と同様に制御される。

以下、ヒータコア急速暖機制御が実行されることでエンジン１０の各パラメータがどのように変化するかについて、図４及び図５を参照して説明する。

［ヒータコア急速暖機制御による各パラメータの変化］
図４は、エンジン１０の通常運転時における各パラメータのタイムチャートである。図４の縦の破線が示すエンジン１０の始動時点から、エンジン回転速度ＮＥが上昇する。エンジン１０の始動と同時に、エンジン１０が発熱するため、エンジン発熱量Ｑ_ｔｎｇが上昇する。さらに、エンジン１０の始動と同時に、冷却水の循環が開始されるため、ＬＴ流量が上昇する。そして、冷却水の循環が開始されることにより、ＬＴ冷却水循環回路２６における冷却水の受熱量ＱｗＬＴ、ＨＴ冷却水循環回路２８における冷却水の受熱量ＱｗＨＴが上昇する。

図４に示すように、ＬＴ流量が上昇すると、第１のウォータージャケット３６で熱交換が行われるため、第１温度センサ２４による検出値であるＬＴ水温が徐々に上昇する。さらに、エンジン１０の始動から冷却水の循環が行われ、第２のウォータージャケット３２及び第３のウォータージャケット３７で熱交換が行われるため、第２温度センサ２２による検出値であるＨＴ水温が徐々に上昇する。ここで、ＬＴ水温の方が、ＨＴ水温よりも、早く温度が上昇する。これは、シリンダヘッド３４は、シリンダブロック３０よりも熱容量が小さく、冷却水に熱を放熱しやすいからである。そして、ＨＴ水温が上昇すると、ヒータコア１６の温度も上昇する。この結果、ヒータコア１６の暖機が開始される。その後、ヒータコア１６の暖機が進むにつれて、ヒータ吹出温度が上昇する。最終的に、ヒータ吹出温度がヒータ設定温度を超えて、ヒータコア１６の温度が規定温度まで上昇すると、ヒータコア１６の暖機が完了する。

図５は、ヒータコア急速暖機制御が行われる場合の各パラメータのタイムチャートである。図５の縦の破線が示すエンジン１０の始動時点から、エンジン回転速度ＮＥが上昇する。エンジン１０の始動と同時に、エンジン１０が発熱するため、エンジン発熱量Ｑ_ｔｎｇが上昇する。さらに、エンジン１０の始動と同時に、冷却水の循環が開始されるため、ＨＴ冷却水循環回路２８における冷却水の受熱量ＱｗＨＴが上昇する。ここで、エンジン１０の始動と同時にＬＴ流量が上昇しない点が、図４で説明した通常運転時の場合と比べて相違している。これは、ヒータコア急速暖機制御によって、ＬＴ流量の要求値に上限が設定され、第１の電動ポンプ１８の吐出量が制限されるからである。このため、ＬＴ冷却水循環回路２６における冷却水の受熱量ＱｗＬＴは、ＬＴ冷却水循環回路２６内に滞留している冷却水の受熱量分のみ始めに上昇する。その後、ＬＴ冷却水循環回路２８における冷却水の受熱量ＱｗＬＴは、わずかに上昇する程度である。

ここで、図４と図５におけるＨＴ水温（ヒータコア温度）の上昇速度を比べると、図５のヒータコア急速暖機制御を実行する場合のＨＴ水温の上昇の方が早い。これは、ヒータコア急速暖機制御によってＬＴ流量が制限されて、ＬＴ冷却水循環回路２６における冷却水の受熱量ＱｗＬＴが減少し、代わりにＨＴ冷却水循環回路２８に相対的に多くの熱が伝達するからである。そして、ＨＴ冷却水循環回路２８における冷却水の受熱量ＱｗＨＴがＨＴ水温に反映されているからである。このため、図４と比べて図５の方が、ヒータ吹出温度の上昇速度も早くなる。そして、ヒータコア１６の暖機が完了した後、ヒータコア急速暖機制御が終了し、通常運転時と同様にＬＴ流量が上昇する。

図５で説明したように、実施の形態１のヒータコア急速暖機制御を実行することで、エンジン１０の冷間始動時などにおいて、ヒータ要求から暖房を行うことができるまでにかかる時間である暖房準備時間を短縮することができる。このため、暖房の効き始めが早まり、乗員の快適性を高めることができる。

以下、実施の形態１におけるＬＴ流量上限設定フローについて、図６を参照して説明する。

［ＬＴ流量上限設定フロー］
図６は、実施の形態１においてＥＣＵ１００で実行されるＬＴ流量上限設定フローを表した図である。

まず、ＥＣＵ１００は、ヒータ要求があるか否かを判定する（Ｓ１００）。ＥＣＵ１００は、外気温度または車内温度が所定値（例えば２０℃）より低く、かつ、エアコン設定温度が車内温度よりも高い場合、及び、エアコン設定温度が現在の車内温度より高く、かつ、エアコンのブロワユニットが作動している場合、ヒータ要求があると判定する。例えば、ＥＣＵ１００は、外気温度１８℃、車内温度２０℃、エアコン設定温度２５℃の場合にはヒータ要求があると判定するが、外気温度２８℃、車内温度３０℃、エアコン設定温度３３℃の場合にはヒータ要求がないと判定する。ＥＣＵ１００は、ヒータ要求がないと判定した場合、ＬＴ流量の上限を設定しない（Ｓ１０８）。ＬＴ流量の上限を設定しない場合、ＥＣＵ１００は、無効な上限値を出力する。無効な上限値とは、第１の電動ポンプ１８の能力から決まる最大流量を超える流量である。その後、本フローのスタートに戻る。これにより所定時間毎にこの処理を行う。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１００において、ヒータ要求があると判定した場合、ヒータコア１６が暖機中か否かを判定する（Ｓ１０２）。例えば、ＥＣＵ１００は、第２温度センサ２２によって検出されるＨＴ水温が所定温度より低い場合、ヒータコア１６が暖機中であると判定する。ＥＣＵ１００は、ヒータコア１６が暖機中ではないと判定した場合、ＬＴ流量の上限を設定しない（Ｓ１０８）。その後、本フローのスタートに戻る。これにより所定時間毎にこの処理を行う。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０２において、ヒータコア１６が暖機中であると判定した場合、ヒータコア急速暖機制御のフラグをＯＮにする（Ｓ１０４）。

次に、ＥＣＵ１００は、ＬＴ流量の上限を設定する（Ｓ１０６）。Ｓ１０６では、例えば、図２で説明したようなヒータコア急速暖機制御中におけるＬＴ流量の上限値（５Ｌ／ｍｉｎ）が出力される。Ｓ１０６で出力されるＬＴ流量の上限値は、水温の一次元マップとするとより細かい制御が可能となる。その後、本フローのスタートに戻る。これにより所定時間毎にこの処理を行う。

以下、図６のＳ１０６及びＳ１０８において出力される上限値（Ｓ１０８の場合は無効な上限値）は、ＬＴ冷却基本制御フローに反映される。

［ＬＴ冷却基本制御フロー］
図７は、実施の形態１においてＥＣＵ１００で実行されるＬＴ冷却基本制御フローを表した図である。

まず、ＥＣＵ１００は、ノック抑制ニーズ等から、目標のＬＴ水温を算出する（Ｓ２００）。目標のＬＴ水温は、ＬＴ水温の上昇、ノック抑制のニーズ、車速の変化などに基づいて算出される。

次に、ＥＣＵ１００は、Ｓ２００で算出した目標のＬＴ水温に基づいて、ＬＴ流量の要求値を算出する（Ｓ２０２）。ＥＣＵ１００は、ヒータコア急速暖機制御のフラグがＯＮになっている場合、上記Ｓ１０６で出力したＬＴ流量の上限値でＬＴ流量の要求値を制限する。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ２０２において、ヒータコア急速暖機制御のフラグがＯＦＦになっている場合、上記Ｓ１０６で出力したＬＴ流量の上限値でＬＴ流量の要求値を制限しない。

次に、ＥＣＵ１００は、Ｓ２０２で算出したＬＴ流量の要求値に基づいて、第１の電動ポンプ１８の駆動ｄｕｔｙやバルブ閉度等を決定する（Ｓ２０４）。

次に、ＥＣＵ１００は、通水及び冷却を実施する（Ｓ２０６）。ここで、ヒータコア急速暖機制御のフラグがＯＮになっている場合、ＬＴ流量の上限値が設定されているため、この上限値を超えないように第１の電動ポンプ１８の吐出量が調節される。その後、本フローのスタートに戻る。これにより所定時間毎にこの処理を行う。

ここで、図７のＬＴ冷却基本制御フローにおいて、ヒータコア１６の暖機を優先してＬＴ流量の上限を設定するか、それともノッキングの抑制を優先してＬＴ流量の上限を設定しないかを、ヒータコア急速暖機制御フラグのＯＮ／ＯＦＦにかかわらず、エンジン１０の運転状態に応じて選択してもよい。

なお、図６で説明したＬＴ流量上限設定フローでは、ヒータコア急速暖機制御のためにＬＴ流量の上限を設定したが、これに限るものではない。例えば、第１の電動ポンプ１８の駆動ｄｕｔｙに上限を設定してもよい。この場合、図６のＬＴ流量上限設定フローのＳ１０６において第１の電動ポンプ１８の駆動ｄｕｔｙの上限値を設定して、図７のＬＴ冷却基本制御フローのＳ２０４において設定した上限値で第１の電動ポンプ１８の駆動ｄｕｔｙを制限することで、ヒータコア１６の急速暖機を実現することができる。また、電動ポンプの駆動ｄｕｔｙとバルブの開度を組み合わせて制御してもよい。

なお、実施の形態１では、冷却水流量調節手段として電動ポンプの吐出量を制御して冷却水の流量を調節したが、これに限るものではない。例えば、電動ポンプ出力を一定にして、ＬＴ冷却水循環回路内に冷却水の流量を調節するバルブを設けることで、冷却水の流量を調節してもよい。

なお、実施の形態１では、温度取得手段として温度センサを用いて冷却水温度を検出したが、これに限るものではない。例えば、温度推定モデルによってヒータコアに流入する冷却水の温度を推定してもよい。

なお、上記第１のウォータージャケット３６が前記第１の発明における「第１の冷却水流路」に、上記第２のウォータージャケット３２と上記第３のウォータージャケット３７とを合わせて前記第１の発明における「第２の冷却水流路」に、上記ＬＴ冷却水循環回路２６が前記第１の発明における「低温系冷却水循環回路」に、上記ＨＴ冷却水循環回路２８が前記第１の発明における「高温系冷却水循環回路」に、それぞれ相当している。

１０ エンジン
１６ ヒータコア
１８ 第１の電動ポンプ
２２ 第２温度センサ
２６ ＬＴ冷却水循環回路
２８ ＨＴ冷却水循環回路
３２ 第２のウォータージャケット
３６ 第１のウォータージャケット
３７ 第３のウォータージャケット
１００ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 温度の異なる冷却水が循環する２つの冷却水循環回路のうちの１つであって、内燃機関に設けられる第１の冷却水流路を含み、他方の冷却水循環回路よりも低温の冷却水が循環する低温系冷却水循環回路と、
   温度の異なる冷却水が循環する２つの冷却水循環回路のうちの１つであって、前記低温系冷却水循環回路と独立し、冷却水との間で熱交換を行うヒータコア及び前記内燃機関に設けられる第２の冷却水流路を含み、前記低温系冷却水循環回路よりも高温の冷却水が循環する高温系冷却水循環回路と、
   前記低温系冷却水循環回路内の冷却水の流量を調節する冷却水流量調節手段と、
   前記ヒータコアに流入する冷却水温度を検出または推定する温度取得手段と、
   暖房の要求があり、かつ、前記温度取得手段によって検出される冷却水温度が所定温度より低い場合、前記冷却水流量調節手段を制御して、前記低温系冷却水循環回路内を流れる冷却水の流量を制限する制御装置と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の冷却装置。

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