JP2017110522A

JP2017110522A - 冷却水バルブ制御機構

Info

Publication number: JP2017110522A
Application number: JP2015244087A
Authority: JP
Inventors: 仁金山; Hitoshi Kanayama
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-15
Also published as: JP6593144B2

Abstract

【課題】内燃機関の冷間始動時における燃費低下の防止と居住性向上の両立を図った冷却水バルブ制御機構を提供する。【解決手段】ヒータコア２１に内燃機関１０によって温められた冷却水を送るヒータコア流路２０と、ヒータコア２１を迂回するように設けられるバイパス流路３０と、ヒータコア流路２０とバイパス流路３０の間で前記冷却水の流路を切り替え可能とする切替バルブ４０と、吸気温が第一吸気温Ｔａ１以上のときに第一水温Ｔｗ１を、第一吸気温Ｔａ１よりも低いときに第一水温Ｔｗ１から前記吸気温の低下とともに低下する第二水温Ｔｗ２を基準水温として設定し、前記冷却水の水温が、前記吸気温に対応する基準水温以上のときに切替バルブ４０をヒータコア流路２０側に、基準水温よりも低いときにバイパス流路３０側にそれぞれ切り替えるバルブ制御手段５０と、を備えた冷却水バルブ制御機構を構成する。【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関を冷却する冷却水によって車室の暖房を行う車両に採用される冷却水バルブ制御機構に関する。

エンジン等の内燃機関を備えた車両の冷間始動時においては、ガソリン等の燃料の気化が不十分となって燃料効率が低下し、燃費が低下する問題がある。そこで、例えば特許文献１に示すように、内燃機関から排出された排気と、内燃機関を冷却する冷却水との間で、熱交換器を介して熱交換する冷却水流通機構を構成し、冷間始動した内燃機関（冷却水）が速やかに加熱されるようにしている。この冷却水流通機構においては、内燃機関と熱交換器との間の冷却水の流路内に、車室内に温風を送り込むための熱源となるヒータコアが配置されており、熱交換器によって加熱された冷却水によってヒータコアを加熱するように構成されている（本文献の段落００３８〜００４１等を参照）。

特開２０１５−６８１８０号公報

特許文献１に係る冷却水流通機構においては、室内の暖房に用いられるヒータコアは、排気と冷却水との間で熱交換を行う熱交換器を経由する流路内に設けられている。このため、内燃機関の始動直後のように、ヒータコアが温まっていないときは、熱交換器で加熱された冷却水が、ヒータコアを通過する際に冷却される。このため、冷却水の温度がなかなか上昇せず、燃費が低下する問題がある。その一方で、冷却水の加熱が完了するまでヒータコアへの冷却水の流れを完全に止めると、車室内を全く暖房することができない。このため、特に外気温が低い状況で乗員が車室内で寒さに耐えなければならず、車室の居住性が低下する問題がある。

そこで、この発明は、内燃機関の冷間始動時における燃費低下の防止と居住性向上の両立を図ることを課題とする。

上記課題を解決するために、この発明においては、車室暖房用の空気を暖めるヒータコアに内燃機関によって温められた冷却水を送るヒータコア流路と、前記ヒータコアを迂回するように設けられるバイパス流路と、前記ヒータコア流路と前記バイパス流路の間で前記冷却水の流路を切り替え可能とする切替バルブと、前記内燃機関によって吸入される空気の吸気温が、第一吸気温以上のときに第一水温を、前記第一吸気温よりも低いときに前記第一水温から前記吸気温の低下とともに低下する第二水温を基準水温として設定し、前記冷却水の水温が、前記吸気温に対応する前記基準水温以上のときに前記冷却水が前記ヒータコア流路側に流入するよう前記切替バルブを切り替え、前記吸気温に対応する前記基準水温よりも低いときに前記冷却水が前記バイパス流路側に流入するように前記切替バルブを切り替えるバルブ制御手段と、を備えた冷却水バルブ制御機構を構成した。

前記構成においては、前記第二水温が前記吸気温に対してリニアに変化しており、前記第一吸気温よりも低い第二吸気温と前記第一吸気温との間の第一温度領域よりも、前記第二吸気温よりも低い第二温度領域の方が、前記吸気温に対する温度依存性が小さい構成とするのが好ましい。

前記第二吸気温を規定する構成においては、空調の設定温度を高くするのに伴って、前記第二吸気温を高温側にシフトさせるのが好ましい。

また、第二吸気温を規定する構成においては、車両の車速の低下に伴って、前記第一吸気温及び前記第二吸気温を同じ温度だけ高温側にシフトさせるのが好ましい。

前記各構成においては、前記バルブ制御手段が、前記内燃機関によって吸入される空気の吸気温に関係なく、前記冷却水の温度が第三水温よりも高いときに前記切替バルブを前記ヒータコア流路側に、前記冷却水の温度が前記第三水温よりも低いときに前記切替バルブを前記バイパス流路側にそれぞれ切り替える燃費優先モードをさらに有する構成とするのが好ましい。

前記各構成においては、前記冷却水を加熱するヒータをさらに備え、前記ヒータへの通電加熱時には、前記ヒータコア流路に前記冷却水を流す構成とするのが好ましい。

この発明によると、予め定めたバルブ制御基準（判定マップ）に基づいて冷却水の流路を、ヒータコアを加熱するヒータコア流路と、ヒータコアを迂回して内燃機関を優先的に加熱するバイパス流路の間で切り替えることができる。このため、内燃機関の冷間始動時において、速やかに内燃機関の温度を上昇させることで燃費の低下を防止しつつ、車室内の温度をできるだけ速やかに上昇させて居住性の向上を図ることができる。

この発明に係る冷却水バルブ制御機構の一実施形態を示す全体構成図図１に示す冷却水バルブ制御機構の制御フローの一例を示すフローチャート図２に示す制御フロー中の（ａ）暖房優先モード、（ｂ）燃費優先モード、の判定マップの一例を示す図車速を変更したときの暖房優先モードにおける、（ａ）高速時、（ｂ）低速時、の判定マップの一例を示す図暖房の設定温度を変更したときの暖房優先モードにおける、（ａ）低温時、（ｂ）高温時、の判定マップの一例を示す図

この発明に係る冷却水バルブ制御機構の一実施形態の全体構成図を図１に示す。この冷却水バルブ制御機構は、エンジン等の内燃機関１０を冷却する冷却水によって車室の暖房を行う車両に採用され、ヒータコア流路２０、バイパス流路３０、切替バルブ４０、及び、バルブ制御手段５０を主要な構成要素としている。

ヒータコア流路２０は、内燃機関１０の内部に設けられ、この内燃機関１０を冷却するウォータジャケット１１から、車室暖房用の空気を暖めるヒータコア２１に、内燃機関１０によって温められた冷却水を送る循環経路の一部を構成している。このウォータジャケット１１は、内燃機関１０のシリンダ１２を覆うように設けられており、このウォータジャケット１１の出口側に、内燃機関１０によって加熱された冷却水をヒータコア２１に送る第一送り管１３が接続されている。また、ヒータコア２１とウォータジャケット１１は第一戻り管１４で接続されている。ヒータコア２１にはファン２２が併設されており、このファン２２を作動させることによって、ヒータコア２１によって暖められた空気を車室内に送り込む。

バイパス流路３０は、ヒータコア２１を迂回するように、ヒータコア流路２０と並列して設けられている。バイパス流路３０の上流側は、ヒータコア流路２０の第一送り管１３と切替バルブ４０を介して接続されている。また、バイパス流路３０の下流側は、ヒータコア流路２０の第一戻り管１４と接続されている。この切替バルブ４０は、冷却水の流路を内燃機関１０（ウォータジャケット１１）から第一送り管１３を経由してヒータコア流路２０に向かう流路と、内燃機関１０（ウォータジャケット１１）から第一送り管１３を経由してバイパス流路３０に向かう流路のいずれかの流路に切り替える切替機能を有している。ここでは、切替バルブ３０として三方弁が採用されているが、切替機能を有するものであれば三方弁に限定されない。

バルブ制御手段５０は、内燃機関１０によって吸入される空気の吸気温（外気温度）等に基づいて、切替バルブ４０に切替指示を発して、冷却水の流路をヒータコア流路２０又はバイパス流路３０のいずれかの流路に切り替える機能を有している。このバルブ制御手段５０は、車両全体の制御を行なう電子制御装置（図示せず）の一部を構成している。この実施形態に係るバルブ制御手段５０は、暖房優先モード（図２のＳ３参照）と、燃費優先モード（図２のＳ７参照）の二つのモードを有し、いずれかのモードの判断基準（判定マップ（図３〜図５参照））に基づいて、切替バルブ４０に切替指示を発する。この暖房優先モード及び燃費優先モードについては、後で詳しく説明する。

内燃機関１０には、冷却水を冷却するラジエータ１５が設けられている。ウォータジャケット１１の出口側には、ラジエータ１５に冷却水を送る第二送り管１６が接続されている。さらに、ラジエータ１５とウォータジャケット１１は、ラジエータ１５からウォータジャケット１１に冷却水を戻す第二戻り管１７で接続されている。第一戻り管１４と第二戻り管１７は、管路の途中で連結されており、ヒータコア流路２０又はバイパス流路３０を通った冷却水と、ラジエータ１５を通った冷却水は、両戻り管１４、１７の連結箇所で合流した上で、ウォータジャケット１１に還流する。この連結箇所の下流側にはウォータポンプ１８が設けられており、このウォータポンプ１８を作動させることによって、ヒータコア流路２０又はバイパス流路３０、及びラジエータ１５に冷却水を流すことができる。

この発明に係る冷却水バルブ制御機構の制御フローの一例を図２を用いて、図１の全体構成図を参照しつつ説明する。この冷却水バルブ制御機構を備えた車両には、エコスイッチ（図１において図示せず）が設けられている。乗員がこのエコスイッチをＯＮ状態とすることによりエコモードに移行し、燃費向上に一層の重点を置いた制御がなされるように予めプログラミングされている。

まず、車両の空調がＯＮ状態か否かが判断される（図２Ｓ１）。ＯＦＦ状態のときは（本図Ｓ１のＮ側）、ＯＮ状態となるまで、この判断ステップがループされる。なお、空調がＯＦＦ状態のときは、ヒータコア２１を暖める必要性がないため、冷却水がバイパス流路３０を流れるように切替バルブ４０の制御がなされる。空調がＯＮ状態のときは（本図Ｓ１のＹ側）、エコスイッチがＯＮ状態か否かが判断される（本図Ｓ２）。ＯＦＦ状態のときは（本図Ｓ２のＮ側）、暖房優先モードが選択される（本図Ｓ３）。

暖房優先モードは、車両の燃費向上よりも、車室内を速やかに暖めて、居住性向上を優先するモードである。暖房優先モードにおいて切替バルブ４０の切り替えのタイミングを決定する判定マップの一例を図３（ａ）に示す。この暖房優先モードにおいては、内燃機関１０によって吸入される空気の吸気温が、予め定めた第一吸気温Ｔａ_１以上のときに、一定の高さの第一水温Ｔｗ_１が基準水温として採用される。また、前記吸気温が、第一吸気温Ｔａ_１よりも低いときに、第一水温Ｔｗ_１から吸気温の低下とともに線形に低下する第二水温Ｔｗ_２が基準水温として採用される。

吸気温が第一吸気温Ｔａ_１（例えば１５℃）以上のときは、車室内の乗員はそれほど寒さを感じることはなく、すぐに暖房を開始しなくても車室の居住性はそれほど低下しない。そこで、冷却水の水温が第一水温Ｔｗ_１（例えば８０℃）に到達するまでは、冷却水がバイパス流路３０を流れるように切替バルブ４０を切り替えて、ヒータコア２１によって冷却水の熱が奪われるのを防止し、速やかに内燃機関１０の冷却水を加熱する。その一方で、冷却水の水温が第一水温Ｔｗ_１に到達したら、冷却水がヒータコア流路２０を流れるように切替バルブ４０を切り替えて、ヒータコア２１を加熱して車室内を暖める。このように、冷却水の水温に対応して切替バルブ４０の切り替え制御を行なうことにより、燃費低下の防止と居住性向上の両立を図ることができる。

その一方で、吸気温が第一吸気温Ｔａ_１よりも低いときは、車室内の乗員が寒さを感じることが多く、燃費低下の防止を考慮しつつ、車室をできるだけ速やかに暖める必要がある。上記のように、第二水温Ｔｗ_２が、第一水温Ｔｗ_１から吸気温の低下とともに線形に低下するようにすることにより、第一水温Ｔｗ_１よりも低い水温で、バイパス流路３０からヒータコア流路２０に冷却水の流路が切り替えられる。このため、内燃機関１０による冷却水の加熱への影響を極力防止しつつ、ヒータコア２１を必要最小限加熱することができ、燃費低下の防止と居住性向上の両立を図ることができる。

この第二水温Ｔｗ_２は、第一吸気温Ｔａ_１よりも低い第二吸気温Ｔａ_２（例えば１０℃）と第一吸気温Ｔａ_１との間の吸気温における基準水温となる第一温度領域と、第二吸気温Ｔａ_２よりも低い吸気温における基準水温となる第二温度領域の二領域に区分されている。第一温度領域よりも第二温度領域の方が、吸気温に対する温度依存性が小さく（すなわち、吸気温に対する傾きが小さく）なっている。このため、第一温度領域及び第二温度領域の全体に亘ってリニアに第二水温Ｔｗ_２を変化させる場合と比較して、第一温度領域においては、燃費向上よりも居住性向上に重点を置いた制御がなされる一方で、第二温度領域においては、第一温度領域における制御と連続性を保ちつつ、燃費向上に重点を置いた制御がなされる。これにより、第二水温Ｔｗ_２の領域全体として、燃費低下の防止と居住性向上の両立を図ることができる。

内燃機関１０の冷却水の水温が、その時の吸気温における基準水温（第一水温Ｔｗ_１又は第二水温Ｔｗ_２）以上のときは（図２Ｓ４のＹ側）、冷却水がヒータコア流路２０を流れるように、バルブ制御手段５０によって切替バルブ４０が切り替えられる（本図Ｓ５）。これによって、冷却水の熱がヒータコア２１に伝えられ、車室内を暖めることができる。その一方で、冷却水の水温が、その時の吸気温における基準水温よりも低いときは（本図Ｓ４のＮ側）、冷却水がバイパス流路３０を流れるように、バルブ制御手段５０によって切替バルブ４０が切り替えられる（本図Ｓ６）。これによって、冷却水の熱がヒータコア２１に奪われるのを防止して、冷却水を速やかに加熱することができる。

エコスイッチがＯＮ状態のときは（本図Ｓ２のＹ側）、燃費優先モードが選択される（本図Ｓ７）。

燃費優先モードは、車室の居住性向上よりも、冷却水を速やかに加熱して、燃費低下の防止を優先するモードである。燃費優先モードにおいて切替バルブ４０の切り替えのタイミングを決定する判定マップの一例を図３（ｂ）に示す。この燃費優先モードにおいては、内燃機関１０によって吸入される空気の吸気温に関係なく、一定の高さの第三水温Ｔｗ_３が基準水温として採用される。この第三水温Ｔｗ_３は、暖房優先モードにおける第一水温Ｔｗ_１と同じ温度にしてもよいし、第一水温Ｔｗ_１とは異なる温度としてもよい。

燃費優先モードにおいては、冷却水の温度が第三水温Ｔｗ_３（例えば８０℃）に到達するまでは、冷却水がバイパス流路３０を流れるように切替バルブ４０を切り替えて、ヒータコア２１によって冷却水の熱が奪われるのを防止することにより速やかに冷却水を加熱する。その一方で、冷却水の水温が第三水温Ｔｗ_３に達したら、冷却水がヒータコア流路２０を流れるように切替バルブ４０を切り替えて、ヒータコア２１を加熱して車室を暖める。このように、吸気温に関係なく常に冷却水の水温に基づいてヒータコア流路２０とバイパス流路３０との間の流路の切り替えを行うことにより、暖房優先モードのときと比較して、一層の燃費低下の防止効果が発揮される。

内燃機関１０の冷却水の水温が基準水温（第三水温Ｔｗ_３）以上のときは（図２Ｓ８のＹ側）、冷却水がヒータコア流路２０を流れるように切替バルブ４０が切り替えられる（本図Ｓ９）。これによって、冷却水の熱がヒータコア２１に伝えられ、車室を暖めることができる。その一方で、冷却水の水温が、その時の吸気温における基準水温よりも低いときは（本図Ｓ８のＮ側）、冷却水がバイパス流路３０を流れるように切替バルブ４０が切り替えられる（本図Ｓ１０）。これによって、冷却水の熱がヒータコア２１に奪われるのを防止して、冷却水を速やかに加熱することができる。

なお、エコスイッチを備えていない車両の場合は、暖房優先モードに基づいて、切替バルブ４０の切り替え制御がなされるようにするとよい。

車両によっては、ヒータが循環流路中に併設されることがある。このヒータは、吸気温（外気温）に対して空調の設定温度が所定の温度差以上の場合に自動的に作動して、内燃機関１０による冷却水の加熱を補助する作用を有している。このように、冷却水の加熱を補助することによって、ヒータコア２１を速やかに加熱することができ、空調効果を高めることができる。このヒータが作動するときは、乗員が車室を速やかに暖めたいという意思を有していると考えられるため、強制的にヒータコア流路２０側に切替バルブ４０が切り替えられて、ヒータコア２１を加熱するように切替バルブ４０の切り替え制御がなされる。このヒータを作動させるか否かについては、上記のように吸気温と空調の設定温度の温度差によって判断する他に、例えば、車速、車室温度等の種々のパラメータを採用した計算式に基づいて判断してもよい。

また、図２に示す処理フローの途中で、手動操作が介入した場合（例えば、冷却水水温の上昇待ち（本図Ｓ４、Ｓ６）の間に、エコスイッチがＯＮ状態とされた場合）には、この処理フローを一旦強制的に終了して、改めて処理フローを始めから（本図Ｓ１〜）行うのが好ましい。

図２に示した処理フローにおいては、切替バルブ４０の切り替えによって、ヒータコア流路２０又はバイパス流路３０のいずれかの流路を択一的に選択したが、ヒータコア流路２０側及びバイパス流路３０側の流量をそれぞれ調節し得るようにして、冷却水を両流路２０、３０に同時に流す構成とすることもできる。

図３（ａ）に示した暖房優先モードにおける判定マップは、車両の運転状況等の諸条件に対応して、適宜変更を加えることができる。

例えば、図４に示すように、車速が大きい場合（本図（ａ）参照）と比較して、車速が小さい場合（本図（ｂ）参照）において、第一吸気温Ｔａ_１及び第二吸気温Ｔａ_２を高温側に同じ温度だけシフトさせることができる（本図（ｂ）中の符号Ｔａ_１’、Ｔａ_２’参照）。車速が小さいときは、車速が大きいときと比較して、内燃機関１０の周囲に熱がこもりやすくなり、冷却水の水温が上昇しやすい。そこで、このように第一吸気温Ｔａ_１及び第二吸気温Ｔａ_２をシフトさせて、吸気温が同じ場合における基準水温を車速に対応して変化させることにより、内燃機関１０及びヒータコア２１の熱環境を同程度に保つことができ、車速に関係なく同等の燃費特性及び居住性を確保することができる。

図４（ｂ）に示すように、第一吸気温Ｔａ_１及び第二吸気温Ｔａ_２の両方を高温側に同じ温度だけシフトする代わりに、第一吸気温Ｔａ_１の温度を変えることなく、第二吸気温Ｔａ_２のみ高温側にシフトさせてもよい。この場合も、内燃機関１０及びヒータコア２１の熱環境を同程度に保つことができ、車速に関係なく同等の燃費特性及び居住性を確保することができる。

また、例えば、図５に示すように、空調の設定温度が低い場合（本図（ａ）参照）と比較して、設定温度が高い場合（本図（ｂ）参照）において、第二吸気温Ｔａ_２を高温側にシフトさせることができる（本図（ｂ）中の符号Ｔａ_２’’参照）。空調の設定温度が高いときは、設定温度が低いときと比較して、乗員の暖房要求が高いと考えられる。このときに、第二吸気温Ｔａ_２を高温側にシフトすると、吸気温が同じ場合における第二水温Ｔｗ_２が低温側にシフトし、より低い水温でバイパス流路３０からヒータコア流路２０に切替バルブ４０が切り替えられる。このため、ヒータコア２１を加熱して車室内を速やかに暖めることができる。

図５（ｂ）に示すように、第二吸気温Ｔａ_２のみを高温側にシフトする代わりに、第一吸気温Ｔａ_１及び第二吸気温Ｔａ_２の両方を高温側に同じ温度だけシフトさせてもよい。この場合も、上記と同様に、車室内を速やかに暖めることができる。

また、空調の風量を大風量に設定したときも、空調の設定温度を高くしたときと同様に、乗員の暖房要求が高いと考えられる。このため、図５に示したのと同様に、第二吸気温Ｔａ_２を高温側にシフトさせることによって、車室内を速やかに暖めることができる。

上記の実施形態はあくまでも一例であって、内燃機関１０の冷間始動時における燃費低下の防止と居住性向上の両立を図る、という本願発明の課題を解決し得る限りにおいて、各構成要素の配置や制御フロー等を適宜変更することができる。

例えば、図３〜図５に示した判定マップにおいては、第一水温Ｔｗ_１及び第三水温Ｔｗ_３を吸気温に関係なく一定としたが、吸気温の変化とともに変化させてもよい。また、これらの判定マップにおいては、第二水温Ｔｗ_２を吸気温の変化に対してリニアに変化させたが、吸気温の変化に対して非リニアに変化させてもよい。

１０内燃機関
１１ウォータジャケット
１２シリンダ
１３第一送り管
１４第一戻り管
１５ラジエータ
１６第二送り管
１７第二戻り管
１８ウォータポンプ
２０ヒータコア流路
２１ヒータコア
２２ファン
３０バイパス流路
４０切替バルブ
５０バルブ制御手段
Ｔａ_１第一吸気温
Ｔａ_２第二吸気温
Ｔｗ_１第一水温
Ｔｗ_２第二水温

Claims

車室暖房用の空気を暖めるヒータコアに内燃機関によって温められた冷却水を送るヒータコア流路と、
前記ヒータコアを迂回するように設けられるバイパス流路と、
前記ヒータコア流路と前記バイパス流路の間で前記冷却水の流路を切り替え可能とする切替バルブと、
前記内燃機関によって吸入される空気の吸気温が、第一吸気温以上のときに第一水温を、前記第一吸気温よりも低いときに前記第一水温から前記吸気温の低下とともに低下する第二水温を基準水温として設定し、前記冷却水の水温が、前記吸気温に対応する前記基準水温以上のときに前記冷却水が前記ヒータコア流路側に流入するよう前記切替バルブを切り替え、前記吸気温に対応する前記基準水温よりも低いときに前記冷却水が前記バイパス流路側に流入するように前記切替バルブを切り替えるバルブ制御手段と、
を備えた冷却水バルブ制御機構。
前記第二水温が前記吸気温に対してリニアに変化しており、前記第一吸気温よりも低い第二吸気温と前記第一吸気温との間の第一温度領域よりも、前記第二吸気温よりも低い第二温度領域の方が、前記吸気温に対する温度依存性が小さい請求項１に記載の冷却水バルブ制御機構。
空調の設定温度を高くするのに伴って、前記第二吸気温を高温側にシフトさせた請求項２に記載の冷却水バルブ制御機構。
車両の車速の低下に伴って、前記第一吸気温及び前記第二吸気温を同じ温度だけ高温側にシフトさせた請求項２又は３に記載の冷却水バルブ制御機構。
前記バルブ制御手段が、前記内燃機関によって吸入される空気の吸気温に関係なく、前記冷却水の温度が第三水温よりも高いときに前記切替バルブを前記ヒータコア流路側に、前記冷却水の温度が前記第三水温よりも低いときに前記切替バルブを前記バイパス流路側にそれぞれ切り替える燃費優先モードをさらに有する請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却水バルブ制御機構。
前記冷却水を加熱するヒータをさらに備え、前記ヒータへの通電加熱時には、前記ヒータコア流路に前記冷却水を流すようにした請求項１から５のいずれか1項に記載の冷却水バルブ制御機構。