JP2017004310A - 流量制御装置、流量制御方法 - Google Patents

流量制御装置、流量制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 冷却水温を急激に変化させる要求に対する制御性を向上させることができる流量制御装置及び流量制御方法を提供する。【解決手段】 測定された内燃機関の温度である測定温度と、上位装置により要求された目標温度との制御偏差に基づいて、内燃機関を冷却する冷却水の流量を制御する流量制御装置であって、内燃機関の負荷量が所定の第1閾値以上である高負荷状態であるか否かを判定する第1判定部と、目標温度が、内燃機関が高負荷状態である場合に要求される目標温度である高負荷温度に達したか否かを判定する第2判定部と、第1判定部により内燃機関が高負荷状態であると判定された場合、目標温度を所定の第1降下率で降下させ、第2判定部により目標温度が高負荷温度に達したと判定された場合、目標温度を高負荷温度に設定する第1補正部とを備える。【選択図】図5

Description

本発明は、温度制御に係る流体の流量を制御する流量制御装置、流量制御方法に関する。
従来、エンジンなどの内燃機関の温度を制御することを目的として、エンジンを冷却する冷却水の流量を制御する技術が知られている。冷却水は、冷却水を冷却するラジエータを経由するメイン経路、またはラジエータを経由しないバイパス経路を経由し、エンジン近傍に設けられたウォータージャケットを通って循環し、メイン経路を経由した場合に冷却され、結果としてエンジンの温度を低下させる。また、メイン経路またはバイパス経路への冷却水の流量がバルブによって調節されることにより、エンジン温度が制御される。また、このようなエンジンの冷却システムにおいて、メイン経路またはバイパス経路に流入させるべき冷却水の流量は、目標とするエンジンの温度と測定されたエンジンの温度との差に基づいて目標流量として決定される。また、この目標流量に基づいて、冷却水の流量を調節するバルブが制御される。
このようなエンジンの冷却システムにおいては、エンジンの状態が変動する状況におけるエンジン温度の制御性を向上させることを目的として、エンジンの測定温度と、エンジンの目標温度との制御偏差に基づくフィードバック制御により、フィードバック流量を算出し、エンジン回転数と、マニホールド圧力と、ラジエータ温度とに基づいて、フィードフォワード流量を算出し、このフィードフォワード流量に基づいて前記フィードバック流量を補正することにより、目標流量を算出する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2014−169661号公報
近年、エンジンの燃費向上のために、エンジンが定常状態にある場合におけるウォータージャケット内の冷却水温を100℃程度まで上げることによって、暖気後の燃料消費量や排気量が低減されるように冷却水の流量を制御することが一般的になりつつある。ただし、例えば、急登坂路高速走行のようなエンジンに高負荷出力を要求される際には、冷却水温を下げた方が好ましい場合が存在する。その理由としては、体積効率の向上によるエンジン出力の上昇や、高負荷状態から戻った場合のエンジン温度の急上昇の防止などが挙げられる。このようなエンジンが高負荷となる状態においては、ウォータージャケット内の冷却水温は80℃程度まで下げる必要があり、エンジンの定常状態と高負荷状態との切り替えにおいては、冷却水温を急激に20℃程度変化させる必要がある。
しかしながら、上述した技術によれば、エンジンが定常状態から高負荷状態となる際においては、応答時間が遅く、更にアンダーシュートを生じてしまい、また、エンジンが高負荷状態から定常状態となる際においては、オーバーシュートを生じてしまうという問題があった。つまり、冷却水温を急激に変化させるという要求に対しては、制御性が十分ではないという問題があった。
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、冷却水温を急激に変化させる要求に対する制御性を向上させることができる流量制御装置、流量制御方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、測定された内燃機関の温度である測定温度と、上位装置により要求された目標温度との制御偏差に基づいて、内燃機関を冷却する冷却水の流量を制御する流量制御装置であって、前記内燃機関の負荷量が所定の第1閾値以上である高負荷状態であるか否かを判定する第1判定部と、前記目標温度が、前記内燃機関が高負荷状態である場合に要求される目標温度である高負荷温度に達したか否かを判定する第2判定部と、前記第1判定部により前記内燃機関が高負荷状態であると判定された場合、前記目標温度を所定の第1降下率で降下させ、前記第2判定部により前記目標温度が前記高負荷温度に達したと判定された場合、該目標温度を前記高負荷温度に設定する第1補正部とを備える。
本発明によれば、冷却水温を急激に変化させる要求に対する制御性を向上させることができる。
本実施の形態に係るエンジン冷却システムを示す図である。 ECUのハードウェア構成を示す図である。 流量制御装置の機能構成を示す図である。 目標温度補正処理の動作を示すフローチャートである。 目標温度補正処理により補正された目標温度を示す概略図である。 選択処理の動作を示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図面を参照しつつ説明する。
まず、本実施の形態に係るエンジン冷却システムについて説明する。図1は、本実施の形態に係るエンジン冷却システムを示す図である。
図1に示すように、本実施の形態に係るエンジン冷却システム1は、エンジン11、ウォータージャケット12、ウォーターポンプ13、冷却水バルブ21、モータ22、ポジションセンサ23、第1水温センサ24、第2水温センサ25、ECU(Engine Control Unit)31、ラジエータ41、ヒータ42、スロットル43、メイン流路パイプ91、サブ流路パイプ92、バイパス流路パイプ93を備える。
エンジン冷却システム1は、メイン流路パイプ91、サブ流路パイプ92、またはバイパス流路パイプ93を介して冷却水を循環させ、ウォータージャケット12によりエンジン11の温度を制御する。
エンジン11は、自動車等の車両の内燃機関である。ウォータージャケット12は、エンジン11近傍に備えられ、その内部の冷却水によりエンジン11を冷却するものである。メイン流路パイプ91は、ラジエータ41に冷却水を流入させるものである。サブ流路パイプ92は、ヒータ42及びスロットル43に冷却水を流入させるものである。バイパス流路パイプ93は、ウォータージャケット12から流出した冷却水をウォーターポンプ13に流入させるものである。なお、ラジエータ41、ヒータ42及びスロットル43に流入した冷却水はウォーターポンプ13に流入する。ウォーターポンプ13は、ウォータージャケット12に冷却水を流入させるものである。ラジエータ41は、冷却水を冷却するものである。ヒータ42は、車室内を暖めるものである。スロットル43は、エンジン11への吸気の流入量を制御するものである。
冷却水バルブ21は、ロータリ式のバルブであり、外周面の一部に開口部が設けられ、その開度によってメイン流路パイプ91及びサブ流路パイプ92へ冷却水を流入させるものである。モータ22は、冷却水バルブ21を駆動するアクチュエータとしての直流モータである。ポジションセンサ23は、冷却水バルブ21の周方向の位置を検出することにより、メイン流路パイプ91及びサブ流路パイプ92に対する冷却水バルブ21の開度を検出するものである。第1水温センサ24は、ウォータージェケット12の出口近傍に設置され、ウォータージャケット12から流出した冷却水の温度をエンジン温度として検出するものである。第2温度センサ25は、ラジエータ41の出口近傍に設置され、ラジエータ41から流出した冷却水の温度をラジエータ温度として検出するものである。ECU31は、プロセッサとメモリを備え、エンジン11に係る各種動作を制御するマイクロコントローラであり、本実施の形態においては、第1水温センサ24、第2水温センサ25及びポジションセンサ23により検出されたエンジン温度、ラジエータ温度、及び冷却水バルブ21の位置に基づいて、モータ22の動作を操作するものとする。
上述のような構成により、冷却水は、メイン流路パイプ91を経由して循環する場合にはラジエータ41により冷却され、バイパス流路パイプ93を経由する場合には冷却されずに循環する。また、エンジン冷却システム1は、冷却水バルブ21の開度により冷却水の循環経路を切り替え、また、メイン流路パイプ91への冷却水の流入量を制御することによりエンジン11の温度を制御する。
次に、ECUのハードウェア構成について説明する。図2は、ECUのハードウェア構成を示す図である。
図2に示すように、ECU31は、CPU(Central Processing Unit)311、RAM312、ROM313、入出力インターフェイス314を備える。CPU311及びRAM312は、協働して冷却水バルブ21の制御に係る処理を行う。また、ROM313は、後述するラジエータ温度テーブル及びルックアップテーブルを格納する不揮発性メモリである。また、入出力インターフェイス314はCPU311の入出力に係るインターフェイスであり、CPU311はこの入出力インターフェイス314を介してポジションセンサ23、第1水温センサ24、第2水温センサ25による検出結果を取得するとともに、入出力インターフェイス314を介してモータ22の操作量に応じた信号を駆動回路26に出力する。この駆動回路26は、モータ22をPWM(Pulse Width Modulation)制御するPWM回路であり、入力された信号の大きさに応じてパルス幅のデューティ比を変更してモータ22を駆動する。
次に、流量制御装置の機能構成について説明する。図3は、流量制御装置の機能構成を示す図である。
図3に示すように、流量制御装置5は、判定部51、目標温度補正部52、選択部53、定常負荷制御部54、高負荷制御部55を機能として備え、定常負荷制御部54及び高負荷制御部55は、目標とする流量である目標流量をバルブ制御装置6へ出力する。バルブ制御装置6は、この目標流量とエンジン温度とに基づいて冷却水バルブ21の開度を制御する。また、高負荷制御部55は、降温制御部551及び昇温制御部552を備える。なお、これらの機能は、上述したCPU311及びRAM312が協働することにより実現されるものとする。つまり、本実施の形態において、ECU31は流量制御装置5及びバルブ制御装置6として機能する。また、流量制御装置5には、図示しない上位装置により要求される目標温度、ECU31がエンジンのパラメータとして取得可能なエンジン回転数、マニホールド圧力、第1温度センサ24により検出されるエンジン温度、第2温度センサ25により検出されるラジエータ温度、が入力されるものとする。
判定部51は、エンジン温度に対する判定、エンジン回転数とマニホールド圧力とに基づいて得られるエンジン負荷に対する判定を行う。ここでエンジン負荷はどのようなパラメータに基づいて得られるものであっても良い。目標温度補正部52は、判定部51による判定に基づいて、流量制御装置5に入力される目標温度を補正する。選択部53は、判定部51による判定結果に基づいて、目標流量を制御する制御部として定常負荷制御部54、降温制御部551、昇温制御部552のいずれかを選択する。
定常負荷制御部54、降温制御部551、昇温制御部552は、いずれも、目標温度とエンジン温度との偏差とラジエータ温度によるゲインスケジューリングとによってフィードバック流量を算出し、マニホールド圧力、エンジン回転数、ラジエータ温度に基づいてフィードフォワード流量を算出し、フィードバック流量をフィードフォワード流量により補正した流量を目標流量としてバルブ制御装置6へ出力する。ここで、フィードバック流量の算出において、定常負荷制御部54は、流量制御装置5に入力された目標温度を用いるのに対し、降温制御部551及び昇温制御部552は目標温度補正部52により補正された目標温度を用いる。また、定常負荷制御部54、降温制御部551、昇温制御部552は、互いにその制御則が異なり、本実施の形態においては、降温制御部551、昇温制御部552に用いられるゲインは、定常負荷制御部54に用いられるゲインよりも大きく設定される。なお、ここで制御則が異なるとは、目標流量の算出方法、算出に基づくパラメータ、算出に係る係数のうち、少なくともいずれかが異なることを示す。
次に、判定部及び目標温度補正部によって実行される目標温度補正処理の動作について説明する。図4は、目標温度補正処理の動作を示すフローチャートである。図5は、目標温度補正処理により補正された目標温度を示す概略図である。
図4に示すように、まず、判定部51は、エンジンが高負荷状態であるか否かを判定する(S101)。ここで判定部51は、エンジン回転数とマニホールド圧力に基づいて算出したエンジン負荷量が所定の第1閾値以上である場合、エンジンが高負荷であると判定する。
エンジンが高負荷状態である場合(S101,YES)、目標温度補正部52は、エンジンが定常状態である際の目標温度である定常温度を所定の第1降下率で降下させる(S102)。ここで第1降下率は、所定の時間当たりに降下される温度の時間に対する割合を示す。
次に、判定部51は、第1降下率で降下された目標温度が第1温度以下であるか否かを判定する(S103)。ここで第1温度は、図5に示すように、エンジンが高負荷状態にある場合において要求される目標温度である高負荷温度のバンド幅の上限にある温度とする。
第1降下率で降下された目標温度が第1温度以下である場合(S103,YES)、目標温度補正部52は、目標温度を所定の第2降下率で降下させる(S104)。ここで第2降下率は、第1降下率よりも小さく設定されるものとする。次に、判定部51は、第2降下率で降下された目標温度が高負荷温度に達したか否かを判定する(S105)。
第2降下率で降下された目標温度が高負荷温度に達した場合(S105,YES)、目標温度補正部52は、目標温度を高負荷温度に設定する(S106)。
次に、判定部51は、エンジンが定常負荷状態であるか否かを判定する(S107)。ここで判定部51は、エンジン負荷量が所定の第2閾値未満である場合、エンジンが高負荷であると判定し、第2閾値は第1閾値よりも小さな値とする。
エンジンが定常負荷状態である場合(S107,YES)、目標温度補正部52は、目標温度を所定の第1上昇率で上昇させる(S108)。ここで第1上昇率は、所定の時間当たりに上昇される温度の割合を示す。
次に、判定部51は、第1上昇率で上昇された目標温度が第2温度以上であるか否かを判定する(S109)。ここで第2温度は、図5に示すように、定常温度のバンド幅の下限にある温度とする。
第1上昇率で上昇された目標温度が第2温度以上である場合(S109,YES)、目標温度補正部52は、目標温度を所定の第2上昇率で上昇させる(S110)。ここで第2上昇率は、第1上昇率よりも小さく設定されるものとする。次に、判定部51は、第2上昇率で上昇された目標温度が定常温度に達したか否かを判定する(S111)。
第2上昇率で上昇された目標温度が定常温度に達した場合(S111,YES)、判定部51は、再度、エンジンが高負荷状態であるか否かを判定する(S101)。
一方、第2上昇率で上昇された目標温度が定常温度に達しない場合(S111,NO)、目標温度補正部52は、再度、目標温度を所定の第2上昇率で上昇させる(S110)。
また、ステップS109の判定において、第1上昇率で上昇された目標温度が第2温度以上でない場合(S109,NO)、目標温度補正部52は、再度、目標温度を所定の第1上昇率で上昇させる(S108)。
また、ステップS107の判定において、エンジンが定常負荷状態でない場合(S107,NO)、判定部51は、再度、エンジンが定常負荷状態であるか否かを判定する(S107)。
また、ステップS105の判定において、第2降下率で降下された目標温度が高負荷温度に達しない場合(S105,NO)、目標温度補正部52は、再度、目標温度を所定の第2降下率で降下させる(S104)。
また、ステップS103の判定において、第1降下率で降下された目標温度が第1温度以下でない場合(S103,NO)、目標温度補正部52は、再度、目標温度を所定の第1降下率で降下させる(S102)。
また、ステップS101の判定において、エンジンが高負荷状態でない場合(S101,NO)、判定部51は、再度、エンジンが高負荷状態であるか否かを判定する(S101)。
このような目標温度補正処理によれば、図5に示すように、エンジンが定常負荷状態から高負荷状態となってからT1時間を掛けて定常温度から高負荷温度となり、エンジンが高負荷状態から定常負荷状態となってからT2時間を掛けて高負荷温度から定常温度となるように目標温度が補正されるため、アンダーシュートやオーバーシュートが低減される。また、T1時間において、目標温度はT3時間を掛けて比較的大きな第1降下率で降下された後にT4時間を掛けて比較的小さな第2降下率で降下されるため、高負荷温度とする要求に対する応答時間を短縮させつつアンダーシュートを低減することができる。また、T2時間において、目標温度はT5時間を掛けて比較的大きな第1上昇率で上昇された後にT6時間を掛けて比較的小さな第2上昇率で上昇されるため、定常温度とする要求に対する応答時間を短縮させつつオーバーシュートを低減することができる。
次に、判定部及び選択部により実行される選択処理の動作について説明する。図6は、選択処理の動作を示すフローチャートである。
図6に示すように、まず、判定部51は、エンジンが高負荷状態であるか否かを判定する(S201)。
エンジンが高負荷状態である場合(S201,YES)、選択部53は、降温制御部551を選択し(S202)、判定部51は、エンジンが定常負荷状態であるか否かを判定する(S203)。
エンジンが定常負荷状態である場合(S203,YES)、選択部53は、昇温制御部552を選択し(S204)、判定部51は、目標温度が定常負荷温度であるか否かを判定する(S205)。
目標温度が定常負荷温度である場合(S205,YES)、選択部53は、定常負荷制御部54を選択し(S206)、判定部51は、再度、エンジンが高負荷状態であるか否かを判定する(S201)。
一方、目標温度が定常負荷温度ではない場合(S205,NO)、判定部51は、再度、目標温度が定常負荷温度であるか否かを判定する(S205)。
また、ステップS203の判定において、エンジンが定常負荷状態でない場合(S203,NO)、判定部51は、再度、エンジンが定常負荷状態であるか否かを判定する(S203)。
また、ステップS201の判定において、エンジンが高負荷状態でない場合(S201,NO)、選択部53は、定常負荷制御部54を選択する(S206)。
このような選択処理によれば、図5に示すように、エンジンが高負荷状態にある間は降温制御部による降温制御によって流量が制御され、エンジンが高負荷状態から定常負荷状態となり目標温度が定常負荷温度となるまでの間は昇温制御部による昇温制御によって流量が制御される。降温制御によれば、エンジン温度を高負荷温度まで比較的短時間で降下させることができ、また、エンジン温度を高負荷温度まで降下させた後においても増大する熱量に対応することができる。また、エンジンが高負荷状態から定常負荷状態となった後にエンジンブロックに蓄積された熱が遅れて放出されるために、エンジン温度を高負荷温度から定常負荷温度にする場合は定常負荷温度から高負荷温度とする場合と状況が異なるが、昇温制御によればその制御則を降温制御と異ならせることによって適切に対応することができる。なお、流量を制御する制御部を選択するとは、バルブ制御装置へ出力する流量として、いずれかの制御部により出力された流量を選択することを意味する。
本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。
5 流量制御装置、11 エンジン、51 判定部、52 目標温度補正部、53 選択部、54 定常負荷制御部、55 高負荷制御部、551 降温制御部、552 昇温制御部。

Claims (7)

  1. 測定された内燃機関の温度である測定温度と、上位装置により要求された目標温度との制御偏差に基づいて、内燃機関を冷却する冷却水の流量を制御する流量制御装置であって、
    前記内燃機関の負荷量が所定の第1閾値以上である高負荷状態であるか否かを判定する第1判定部と、
    前記目標温度が、前記内燃機関が高負荷状態である場合に要求される目標温度である高負荷温度に達したか否かを判定する第2判定部と、
    前記第1判定部により前記内燃機関が高負荷状態であると判定された場合、前記目標温度を所定の第1降下率で降下させ、前記第2判定部により前記目標温度が前記高負荷温度に達したと判定された場合、該目標温度を前記高負荷温度に設定する第1補正部と
    を備える流量制御装置。
  2. 前記第1補正部により前記目標温度が前記高負荷温度に設定された後に前記内燃機関の負荷量が所定の第2閾値未満である定常負荷状態であるか否かを判定する第3判定部と、
    前記目標温度が、前記内燃機関が定常状態である場合に要求される目標温度である定常負荷温度に達したか否かを判定する第4判定部と、
    前記第3判定部により前記内燃機関が定常負荷状態であると判定された場合、前記目標温度を所定の第1上昇率で上昇させ、前記第4判定部により前記目標温度が前記定常負荷温度に達したと判定された場合、該目標温度を前記上位装置により要求された目標温度とする第2補正部とを更に備える請求項1に記載の流量制御装置。
  3. 前記第1補正部により前記第1降下率で降下された目標温度が、前記高負荷温度より所定量だけ高く設定された第1温度以下であるか否かを判定する第5判定部を更に備え、
    前記第1補正部は、前記第5判定部により前記目標温度が前記第1温度以下であると判定された場合、前記第1降下率より小さい第2降下率で前記目標温度を降下させ、
    前記第1判定部は、前記第2降下率で降下された目標温度が高負荷温度に達したか否かを判定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の流量制御装置。
  4. 前記2補正部により前記第1上昇率で上昇された目標温度が、前記定常負荷温度より所定量だけ低く設定された第2温度以上であるか否かを判定する第6判定部を更に備え、
    前記第2補正部は、前記第6判定部により前記目標温度が前記第2温度以上であると判定された場合、前記第1上昇率より小さい第2上昇率で前記目標温度を上昇させ、
    前記第4判定部は、前記第2上昇率で上昇された目標温度が、前記定常負荷温度に達したか否かを判定することを特徴とする請求項3に記載の流量制御装置。
  5. 所定の第1制御則により流量を制御する定常負荷制御部と、
    前記第1制御則とは異なる第2制御則により流量を制御する昇温制御部と、
    前記第1制御則及び前記第2制御則とは異なる第3制御則により流量を制御する降温制御部と、
    前記第1判定部により前記内燃機関が高負荷状態であると判定された場合、下位装置へ出力する流量として、前記昇温制御部により制御された流量を選択し、前記第3判定部により前記内燃機関が定常負荷状態であると判定された場合、前記下位装置へ出力する流量として、前記降温制御部により制御された流量を選択し、前記第4判定部により前記目標温度が前記定常負荷温度に達したと判定された場合、前記開装置へ出力する流量として、前記定常負荷制御部により制御された流量を選択する選択部とを更に備えることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれか一項に記載の流量制御装置。
  6. 測定された内燃機関の温度である測定温度と、上位装置により要求された目標温度との制御偏差に基づいて、内燃機関を冷却する冷却水の流量を制御する流量制御方法であって、
    前記内燃機関の負荷量が所定の第1閾値以上である高負荷状態であるか否かを判定し、
    前記目標温度が、前記内燃機関が高負荷状態である場合に要求される目標温度である高負荷温度に達したか否かを判定し、
    前記内燃機関が高負荷状態であると判定された場合、前記目標温度を所定の第1降下率で降下させ、前記目標温度が前記高負荷温度に達したと判定された場合、該目標温度を前記高負荷温度に設定する
    ことをコンピュータが実行する流量制御方法。
  7. 前記目標温度が前記高負荷温度に設定された後に前記内燃機関の負荷量が所定の第2閾値未満である定常負荷状態であるか否かを判定し、
    前記目標温度が、前記内燃機関が定常状態である場合に要求される目標温度である定常負荷温度に達したか否かを判定し、
    前記内燃機関が定常負荷状態であると判定された場合、前記目標温度を所定の第1上昇率で上昇させ、前記目標温度が前記定常負荷温度に達したと判定された場合、該目標温度を前記上位装置により要求された目標温度とすることを特徴とする請求項6に記載の流量制御方法。
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