JP2016145556A - 冷却水の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水冷式インタークーラに形成された冷却水用の内部通路において発生した気泡の除去に際し、冷却水と熱交換する吸気から凝縮水が発生するのを抑える。【解決手段】実施の形態においては、インタークーラ１８出口側の吸気温度が露点を上回るようにポンプ２２から送られる冷却水の流量が制御される（出ガス温度制御）。また、インタークーラ１８の内部通路での気泡の発生が検出された場合、出ガス温度制御に影響の無い所定条件下で、インタークーラ１８の内部通路の出口側における冷却水温Ｔｗｏｕｔを沸点以下とするために最低限必要な量の冷却水を送るようにポンプ２２から送る冷却水の流量が制御される（気泡パージ制御）。所定条件とは、具体的に、内燃機関１０の運転領域がＥＧＲカット領域にある場合に成立する条件である。【選択図】図３

Description

本発明は、冷却水の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１（特開２００８−５７３４０号公報）には、エンジンの排気通路に設けられ内部通路を備える排気熱回収器と、当該エンジンの冷却水を当該内部通路に送る電動ポンプと、を備える排気熱回収装置において、当該内部通路での気泡の発生を検出した場合に、当該内部通路に送る冷却水を増量するように電動ポンプを制御する構成が示されている。この従来の装置では、エンジンの冷却水を排気熱回収器にも流用しているので、排気熱回収器の内部通路で気泡が発生すると、エンジン冷却に影響が及ぶ可能性がある。この点、気泡の発生を検出した場合に冷却水を増量すれば、気泡の発生を解消することができるので、エンジン冷却が不十分となるのを抑制できる。

特開２００８−５７３４０号公報 特開２００９−１９１６６１号公報 特開２００９−１５０２６６号公報 特開２００８−２７４８８５号公報

ところで、過給機付きのエンジンの吸気通路においては、当該過給機のコンプレッサで圧縮された吸気を冷却するためのインタークーラが設けられる。このようなインタークーラには空冷式と水冷式とがある。

水冷式インタークーラには吸気との熱交換を可能にする熱交換部位が形成され、この熱交換部位は冷却水を流すための内部通路を備えている。そのため、内部通路内の冷却水が吸気との熱交換によって高温化した場合には、上述した気泡の発生が当該内部通路において起こる可能性がある。そして、気泡が発生した場合には、冷却水と吸気の熱交換速度に影響が生じてしまう。具体的には、発生した気泡が内部流路の壁面を覆うことで、冷却水と吸気の熱交換が阻害され、吸気冷却が不十分となる。または、壁面から気泡が脱離すると壁面付近の乱れが強まり、強制対流により熱伝達が促進されることから、吸気が過冷却されて凝縮水の発生リスクが高まるという問題がある。

特許文献１の装置の如く冷却水を増量すれば、冷却水によって気泡を内部通路の下流側に押し流し、または、冷却水温そのものを下げて気泡を消失させることができる。しかし、特許文献１の排気熱回収器と異なり、水冷式インタークーラでこのような冷却水の増量を行うと、冷却水と熱交換する吸気の温度が急激に下がり、吸気の露点を下回った結果、凝縮水が発生してしまう。この点、インタークーラの内部通路に送る冷却水温を予め高くしておけば、冷却水量を増やす際の凝縮水の発生を抑えることができる可能性がある。しかし、冷却水を事前に温めるには別の暖機システムが必要であり、装置構造の複雑化や、コスト上昇といった問題が避けられない。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、水冷式インタークーラに形成された冷却水用の内部通路において発生した気泡の除去に際し、冷却水と熱交換する吸気から凝縮水が発生するのを抑えることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、冷却水の制御装置であって、
エンジンの吸気通路に設けられ吸気を圧縮するコンプレッサと、
前記吸気通路において前記コンプレッサよりも下流側に設けられ、前記吸気通路を流れる吸気と熱交換する冷却水を通水可能な内部通路を有する水冷式のインタークーラと、
前記エンジンの排気通路を流れる排気を、前記吸気通路の前記インタークーラよりも上流側に還流するＥＧＲ装置と、
前記内部通路に冷却水を送る電動式ポンプと、
前記吸気通路の前記インタークーラの出口側における吸気温度が露点を上回るように前記電動式ポンプから送る冷却水の流量を制御するメイン制御手段と、
前記吸気通路の前記インタークーラの入口側における吸気温度であって、前記電動式ポンプの非駆動中における吸気温度に基づいて、前記内部通路での気泡の発生を検出する検出手段と、
前記内部通路での気泡の発生が検出された場合であって、前記ＥＧＲ装置による排気還流が行われていないときに、前記内部通路の出口側における冷却水温が沸点を下回るために最低限必要な量の冷却水を前記内部通路に送るように前記電動式ポンプから送る冷却水の流量を制御するサブ制御手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、インタークーラの内部通路での気泡の発生が検出された場合に、当該内部通路の出口側における冷却水温が沸点を下回るために最低限必要な量の冷却水を当該内部通路に送るように電動式ポンプから送る冷却水の流量を制御するので、吸気が過剰に冷却されるのを抑えながらインタークーラの熱交換性能を回復させることができる。従って、発生した気泡の除去に際し、冷却水と熱交換する吸気から凝縮水が発生するのを抑えることができる。

また、ＥＧＲ装置によってＥＧＲガスを吸気通路に導入する場合は特に凝縮水が発生し易く、発生した凝縮水にＥＧＲガス中の成分が溶解することで酸性凝縮水となる可能性がある。この点、本発明によれば、ＥＧＲ装置による排気還流が行われていないときに上述した冷却水の送液を行うので、酸性凝縮水の発生の懸念無くインタークーラの熱交換性能を回復させることもできる。

実施の形態の冷却水の制御装置の構成を説明するための図である。 温度変換効率と、冷却水流量と、インタークーラ１８を通過する吸気量（通過ガス量）との関係を示す図である。 実施の形態において、ＥＣＵ３０により実行される気泡パージ制御のルーチンを示すフローチャートである。

［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態の冷却水の制御装置のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、車両等の移動体に搭載される直列４気筒エンジンとして構成されている。但し、内燃機関１０の気筒数および気筒配列はこれに限定されない。内燃機関１０の各気筒には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。

吸気通路１２には、過給機１６のコンプレッサ１６ａが設置されている。コンプレッサ１６ａは、排気通路１４に配置されたタービン１６ｂの回転により駆動される。コンプレッサ１６ａよりも下流側の吸気通路１２は、内燃機関１０の吸気マニホールド（図示しない）に接続され、この吸気マニホールドには水冷式のインタークーラ１８が内蔵されている。インタークーラ１８の熱交換部位であるコアには内部通路（図示しない）が形成され、この内部通路が冷却水循環通路２０に接続されている。

冷却水循環通路２０には、冷却水循環通路２０内に冷却水を循環させるための電動式のポンプ２２と、ラジエータ２４とが設けられている。インタークーラ１８同様、ラジエータ２４のコアには内部通路（図示しない）が形成され、この内部通路が冷却水循環通路２０に接続されている。インタークーラ１８の内部通路を流れる冷却水と、吸気との間で熱交換が行われ、ラジエータ２４の内部通路を流れる冷却水と、外気との間で熱交換が行われる。

また、本実施の形態のシステムは、タービン１６ｂよりも上流側の排気通路１４と、コンプレッサ１６ａよりも下流側の吸気通路１２とを接続する高圧ＥＧＲ通路２６を備えている。高圧ＥＧＲ通路２６にはＥＧＲバルブとＥＧＲクーラ（何れも図示しない）が設けられており、ＥＧＲバルブを操作して高圧ＥＧＲ通路２６を開くことで排気通路１４を流れる排気（ＥＧＲガス）の一部が吸気通路１２に還流される。

また、本実施の形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵとを備えている。入出力インタフェースは、内燃機関１０および移動体に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、内燃機関１０が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＥＣＵ３０が信号を取り込むセンサには、インタークーラ１８の上流側の吸気通路１２に設けた温度センサ３２、インタークーラ１８の上流側の冷却水循環通路２０に設けた温度センサ３４が含まれる。ＥＣＵ３０が操作信号を出すアクチュエータには、上述したポンプ２２やＥＧＲバルブが含まれる。メモリには、内燃機関１０を制御するための各種の制御プログラム、マップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

［実施の形態の特徴］
本実施の形態においては、ＥＣＵ３０によって、インタークーラ１８出口側の吸気温度が露点を上回るようにポンプ２２から送られる冷却水の流量が制御される（出ガス温度制御）。出ガス温度制御中の冷却水の流量は、図２に示す関係に基づいて決定される。図２は、温度変換効率と、冷却水流量と、インタークーラ１８を通過する吸気量（通過ガス量）との関係を示している。この図に示す温度変換効率は、インタークーラ１８出口側の吸気温度が露点を上回るために必要なインタークーラ１８の内部通路の出口側における冷却水温Ｔｗｏｕｔの目標温度Ｔｗｔｒｇ（第１目標温度Ｔｗｔｒｇ１）と、インタークーラ１８入口側における冷却水温Ｔｗｉｎと、インタークーラ１８に流入する吸気温度（以下「Ｉ／Ｃ入りガス温度Ｔｇｉｎ」と称す）とによって算出されるものであり、出ガス温度制御中は一定とされている。

出ガス温度制御によれば、冷却水循環時にインタークーラ１８内で吸気中の水分が凝縮して凝縮水が発生するのを抑制できる。しかし、出ガス温度制御においてポンプ２２から送られる冷却水の流量は極めて少なく、インタークーラ１８の内部通路において冷却水が沸騰し易く、間欠駆動時の休止期間においては、特に沸騰が起こり易い。

インタークーラ１８の内部通路で沸騰が起こった場合には、発生した気泡がこの内部流路の壁面を覆うことで、冷却水と吸気の熱交換が阻害され、吸気冷却が不十分となる。または、内部流路の壁面から気泡が脱離すると壁面付近の乱れが強まり、強制対流により熱伝達が促進されることから、吸気が過冷却されて凝縮水の発生リスクが高まるという問題がある。

そこで、本実施の形態においては、インタークーラ１８の内部通路での気泡の発生を検出すると共に、気泡の発生を検出した場合には、出ガス温度制御に影響の無い所定条件下で気泡パージ制御（冷却水による吹き飛ばし、冷却による消失）を行う。所定条件とは、具体的に、内燃機関１０の運転領域がＥＧＲカット領域にある場合に成立する条件である。また、気泡パージ制御では、インタークーラ１８の内部通路の出口側における冷却水温Ｔｗｏｕｔが第２目標温度Ｔｗｔｒｇ２（具体的には冷却水の沸点）を下回るために最低限必要な量の冷却水を送るようにポンプ２２から送る冷却水の流量が制御される。なお、気泡パージ制御中の冷却水の流量は、出ガス温度制御中と同様に、図２に示した関係に基づいて決定される。

ＥＧＲガス中には燃料由来の硫黄成分や排気由来の窒素成分が含まれており、これらが凝縮水に溶解すると酸性凝縮水となり、インタークーラ１８を腐食させる問題がある。この点、所定条件下で気泡パージ制御を行うことで、酸性凝縮水の発生の懸念無く、インタークーラ１８の熱交換性能を回復させることができる。また、ＥＧＲガスを導入すると凝縮水の発生可能性が高まるが、気泡パージ制御では上述した必要最小限量の冷却水が送られるので、吸気が過剰に冷却されることを抑えることができる。従って、気泡パージ制御後に内燃機関１０の運転領域がＥＧＲ導入領域に変更された場合においても（例えば、移動体の次回加速時）、速やかにＥＧＲガスを導入することが可能となる。

［具体的処理］
次に、図３を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図３は、本実施の形態において、ＥＣＵ３０により実行される気泡パージ制御のルーチンを示すフローチャートである。なお、図３に示すルーチンは、出ガス温度制御中のポンプ２２の休止期間（つまり、上述した間欠駆動時の休止期間）において繰り返して実行されるものとし、当該出ガス温度制御の実行は、本図とは別のルーチンにより内燃機関１０の運転中に繰り返し実行されるものとする。

図３に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ３０は、インタークーラ１８の内部通路で気泡が発生しているか否かを判定する（ステップＳ１０）。本ステップにおいては、具体的に、Ｉ／Ｃ入りガス温度Ｔｇｉｎが所定温度Ｔｇｔｒｇ（例えば、冷却水に気泡が生じる温度）以上となる期間が、所定時間継続するか否かが判定される。なお、Ｉ／Ｃ入りガス温度Ｔｇｉｎは温度センサ３２の出力により取得される。本ステップＳ１０において、Ｉ／Ｃ入りガス温度Ｔｇｉｎが所定温度Ｔｇｔｒｇ未満であると判定された場合は気泡が生じないと判断できる。また、Ｉ／Ｃ入りガス温度Ｔｇｉｎが所定温度Ｔｇｔｒｇ以上であっても継続期間が所定時間未満と判定された場合は、気泡が生じたとしても、コアの耐久性に問題の無い核沸騰レベルの沸騰であり許容範囲内であると判断できる。従ってこれらの場合、ＥＣＵ３０は本ルーチンを終了する。

一方、ステップＳ１０において、Ｉ／Ｃ入りガス温度Ｔｇｉｎが所定温度Ｔｇｔｒｇ以上となる期間が所定時間継続すると判定された場合、ＥＣＵ３０は、上記所定条件の成否を判定する（ステップＳ１２）。内燃機関１０の運転領域は、例えば内燃機関１０の回転速度と負荷に基づいて特定される。そして、特定された運転領域がＥＧＲ導入領域にあると判定された場合は、ＥＧＲガス由来の酸性凝縮水の発生が懸念されると判断できる。従ってこの場合、ＥＣＵ３０は本ルーチンを終了する。

一方、ステップＳ１２において、特定された運転領域がＥＧＲカット領域にあると判定された場合、ＥＣＵ３０は、気泡パージ制御を実行すべくポンプ２２を駆動させる（ステップＳ１４）。本ステップＳ１４においては、具体的に、インタークーラ１８の内部通路の出口側における冷却水温Ｔｗｏｕｔが第２目標温度Ｔｗｔｒｇ２を下回るために最低限必要な量の冷却水を送るようにポンプ２２から送る冷却水の流量が制御される。なお、冷却水の流量の決定手法については、既に説明した通りである。

以上、図３に示したルーチンによれば、インタークーラ１８の内部通路で気泡が発生している場合に、上記所定条件の成立を確認した上で、気泡パージ制御を実行できる。気泡パージ制御によって内部通路の出口側における冷却水温Ｔｗｏｕｔが第２目標温度Ｔｗｔｒｇ２を下回れば、一定時間経過することで沸騰に起因した気泡を消失できる。従って、インタークーラ１８の熱交換性能を回復させることができる。また、上記所定条件の成立を確認した上で気泡パージ制御を実行できるので、酸性凝縮水の発生の懸念無く、インタークーラ１８の熱交換性能を回復させることができる。加えて、気泡パージ制御では上述した必要最小限量の冷却水が送られるので、吸気が過剰に冷却されることを抑えることができる。従って、気泡パージ制御後に内燃機関１０の運転領域がＥＧＲ導入領域に変更された場合において、速やかにＥＧＲガスを導入することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、高圧ＥＧＲ通路２６、ＥＧＲバルブおよびＥＧＲクーラが本発明の「ＥＧＲ装置」に相当している。
また、ＥＣＵ３０が出ガス温度制御を実行することにより本発明のメイン制御手段が実現されている。また、ＥＣＵ３０が図３のステップＳ１０の処理を実行することにより本発明の「検出手段」が、同ステップＳ１２，Ｓ１４の処理を実行することにより本発明の「サブ制御手段」が、それぞれ実現されている。

ところで、上記実施の形態では、温度センサ３２よりＩ／Ｃ入りガス温度Ｔｇｉｎを取得した。しかし、ＥＣＵ３０のメモリ内に記憶したマップ（例えばエンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射量ｑの関係を規定したマップ）に基づいてＩ／Ｃ入りガス温度Ｔｇｉｎを推定してもよい。

また、上記実施の形態においては、高圧ＥＧＲ通路２６を備えるシステムを例として説明した。しかし、上記実施の形態のシステムが、高圧ＥＧＲ通路２６の代わりに、タービン１６ｂよりも下流側の排気通路１４と、コンプレッサ１６ａよりも上流側の吸気通路１２とを接続する低圧ＥＧＲ通路を備えていてもよい。また、低圧ＥＧＲ通路と高圧ＥＧＲ通路２６の両方を備えていてもよい。

また、上記実施の形態においては、気泡パージ制御が内燃機関１０の運転中に行われるものとして説明した。しかし、気泡パージ制御を内燃機関１０の運転停止中に行ってもよい。例えば、気泡の発生を検出した直後に内燃機関１０の運転が停止されたような場合、当該運転停止後の一定期間、気泡パージ制御を行ってもよい。運転停止中は当然、ＥＧＲガスの導入が行われないので、上記実施の形態同様、酸性凝縮水の発生の懸念無く、インタークーラ１８の熱交換性能を回復させることができる。

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１６ 過給機
１６ａ コンプレッサ
１６ｂ タービン
１８ インタークーラ
２０ 冷却水循環通路
２２ ポンプ
２４ ラジエータ
２６ 高圧ＥＧＲ通路
３０ ＥＣＵ
３２，３４ 温度センサ

Claims (1)

1. エンジンの吸気通路に設けられ吸気を圧縮するコンプレッサと、
   前記吸気通路において前記コンプレッサよりも下流側に設けられ、前記吸気通路を流れる吸気と熱交換する冷却水を通水可能な内部通路を有する水冷式のインタークーラと、
   前記エンジンの排気通路を流れる排気を、前記吸気通路の前記インタークーラよりも上流側に還流するＥＧＲ装置と、
   前記内部通路に冷却水を送る電動式ポンプと、
   前記吸気通路の前記インタークーラの出口側における吸気温度が露点を上回るように前記電動式ポンプから送る冷却水の流量を制御するメイン制御手段と、
   前記吸気通路の前記インタークーラの入口側における吸気温度であって、前記電動式ポンプの非駆動中における吸気温度に基づいて、前記内部通路での気泡の発生を検出する検出手段と、
   前記内部通路での気泡の発生が検出された場合であって、前記ＥＧＲ装置による排気還流が行われていないときに、前記内部通路の出口側における冷却水温が沸点を下回るために最低限必要な量の冷却水を前記内部通路に送るように前記電動式ポンプから送る冷却水の流量を制御するサブ制御手段と、
   を備えることを特徴とする冷却水の制御装置。

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