JP2018048650A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、内燃機関の暖機後においては、シリンダヘッドの温度上昇を抑制することでノッキングの発生を抑制できる一方で、シリンダブロックの温度を高めることでフリクションが低減され、燃費性能を向上させることができる。
図1は、本発明に係る冷却装置の一例を示す構成図である。
内燃機関10の冷却装置は、冷却水(冷却液)を循環させる水冷式冷却装置であり、電気式アクチュエータによって動作する流量制御弁30、電動モータで駆動される電動式のウォータポンプ(ELWP)40、ラジエータ50、内燃機関10に設けた冷却水通路60、これらを接続する配管70で構成される。
また、内燃機関10には、冷却水通路60として、ヘッド側冷却水通路61から分岐してシリンダブロック12に至り、シリンダブロック12内に延設されて、シリンダブロック12に設けた冷却水出口15に接続されるブロック側冷却水通路62を設けてある。シリンダブロック12の冷却水出口15は、冷却水出口14が設けられる側と同じ気筒配列方向の端部に設けられる。
シリンダヘッド11の冷却水出口14には、第1冷却水配管71(第1冷却液ライン)の一端が接続され、第1冷却水配管71の他端は、ラジエータ50の冷却水入口51に接続される。
第2冷却水配管72の途中には、内燃機関10の潤滑油を冷却するためのオイルクーラー16を設けてあり、オイルクーラー16は、第2冷却水配管72内を流れる冷却水と内燃機関10の潤滑油との間で熱交換を行う。
オイルウォーマー21は、第3冷却水配管73内を流れる冷却水と変速機20の作動油との間で熱交換を行う。つまり、シリンダヘッド11を通過した冷却水を分流させて水冷式のオイルウォーマー21に導き、オイルウォーマー21において作動油を加熱させる。
第4冷却水配管74には、各種の熱交換デバイスが設けられている。
ヒータコア91は、第4冷却水配管74内の冷却水と空調空気との間で熱交換を行わせ、空調空気を暖めるデバイスである。
また、排気還流制御弁93及びスロットルバルブ94は、第4冷却水配管74内の冷却水との間で熱交換を行うことで暖められるように構成され、これにより排気中や吸気中に含まれる水分が、排気還流制御弁93、スロットルバルブ94の周辺で凍結することを抑制する。
また、第5冷却水配管75は、一端がラジエータ50の冷却水出口52に接続され、他端が流量制御弁30の第4入口ポート34に接続される。
そして、ウォータポンプ40の吐出口42には第7冷却水配管77の一端が接続され、第7冷却水配管77の他端は、シリンダヘッド11の冷却水入口13に接続される。
流量制御弁30は、前述したように、4つの入口ポート31−34と1つの出口ポート35とを備え、入口ポート31−34には冷却水配管72,73,74,75がそれぞれ接続され、出口ポート35に第6冷却水配管76が接続される。
そして、係る回転式の流量制御弁30では、ロータ角度に応じて4つの入口ポート31−34の開口面積割合が変化し、ロータ角度の選定によって所望の開口面積割合(流量割合)に制御できるようにロータの流路などが適合される。
また、ヘッド側冷却水通路61と第4冷却水配管74とによって、シリンダヘッド11及びヒータコア91を経由しラジエータ50を迂回する第3冷却液ラインが構成され、ヘッド側冷却水通路61と第3冷却水配管73とによって、シリンダヘッド11及び変速機20(動力伝達装置)のオイルウォーマー21を経由しラジエータ50を迂回する第4冷却液ラインが構成される。
つまり、流量制御弁30は、上述した第1冷却液ライン、第2冷却液ライン、第3冷却液ライン及び第4冷却液ラインがそれぞれ流入側に接続され、流出側がウォータポンプ40の吸引側に接続され、各冷却液ラインの出口開口面積を調整することで、第1冷却液ライン、第2冷却液ライン、第3冷却液ライン及び第4冷却液ラインへの冷却水の供給量(分配割合)を制御する流路切り替え機構である。
即ち、流量制御弁30は、ロータ角度がストッパで規制される基準角度位置から所定角度範囲内では、入口ポート31−34を全て閉じる(第1の流路切替えパターン)。
なお、入口ポート31−34を全て閉じる状態は、各入口ポート31−34の開口面積を零とする状態の他、零よりも大きい最小開口面積とする状態(漏れ流量が発生する状態)を含むものとする。
第3入口ポート33が一定開度にまで開く角度から更にロータ角度を増大させると、ブロック冷却液ラインの出口が接続される第1入口ポート31が開き出し、第1入口ポート31の開口面積は、ロータ角度の増大に応じて漸増する(第3の流路切替えパターン)。
更に、第2入口ポート32が一定開度まで開く角度よりも大きな角度位置で、ラジエータ冷却液ラインの出口が接続される第4入口ポート34が開き出し、第4入口ポート34の開口面積は、ロータ角度の増大に応じて漸増する(第5の流路切替えパターン)。
第1温度センサ81の水温検出信号TW1及び第2温度センサ82の水温検出信号TW2は、マイクロコンピュータを備える電子制御装置(コントローラ、制御ユニット)100に入力される。そして、電子制御装置100は、ウォータポンプ40及び流量制御弁30に操作信号を出力して、ウォータポンプ40の吐出量、流量制御弁30による流量割合を制御する。
なお、内燃機関10の制御機能を有する電子制御装置を、電子制御装置100とは別に設け、機関制御用の電子制御装置と、ウォータポンプ40及び流量制御弁30を制御する冷却系の電子制御装置100との間で相互通信が行われるよう構成することができる。
電子制御装置100は、以下で詳細に説明するように、内燃機関10の暖機の進行に伴って、流量制御弁30のロータ角度(流路切替えパターン)を順次切替えると共にウォータポンプ40の吐出量を変化させる機能を有すると共に、シリンダヘッド11の温度とシリンダブロック12の温度とをそれぞれの目標に制御する機能を有している。
図2のフローチャートは、電子制御装置100によるウォータポンプ40及び流量制御弁30の制御の一例を示し、電子制御装置100は、図2のフローチャートに示すルーチンを所定時間毎の割り込み処理によって実施する。
そして、シリンダヘッド11の出口水温TW1が第1閾値温度TH1を下回る冷機状態で始動された場合、電子制御装置100は、ステップS502へ進む。
冷機始動状態であってステップS502へ進むと、電子制御装置100は、流量制御弁(MCV)30のロータ目標角度を第1パターンに従って設定する。
第1パターンは、シリンダヘッド11(燃焼室)の温度上昇を促進させ、燃焼性を早期に向上させることで、燃費改善を図ることを目的とする。
更に、ヘッド側冷却水通路61(シリンダヘッド11)に循環させる冷却水からの放熱を抑えることで、シリンダヘッド11の温度上昇を促進できる。
これにより、ヘッド側冷却水通路61(シリンダヘッド11)から排出された冷却水を、ラジエータ50やヒータコア91などを介さずにそのままウォータポンプ40に戻し、ヘッド側冷却水通路61(シリンダヘッド11)に循環させる。
図4は、上記の第1パターンで流量制御弁30を制御している状態でのヒータコア91(ヒータライン)の冷却水温度、シリンダヘッド11(ヘッドライン)の冷却水温度、及び、シリンダブロック12(ブロックライン)の冷却水温度の変化を示す。
なお、第1パターンでは、シリンダブロック12に冷却水を循環させないが、シリンダヘッド11からの対流の影響や摩擦熱などによって、シリンダブロック12の冷却水温度も徐々に上昇することになる。
上記の第1パターンに従って流量制御弁30を制御している状態で、電子制御装置100はステップS503へ進み、第1温度センサ81の水温検出信号TW1、つまり、シリンダヘッド11の出口水温TW1と、第2閾値温度TH2とを比較する。
そして、シリンダヘッド11の出口水温TW1が第2閾値温度TH2に達していない場合(TW1<TH2である場合)、電子制御装置100はステップS502に戻り、第1パターンに従った流量制御弁30の制御を継続する。
そして、シリンダヘッド11の出口水温TW1が第2閾値温度TH2に達し(TW1≧TH2になると)、シリンダヘッド11の暖機完了状態になると、電子制御装置100は、ステップS504へ進む。
電子制御装置100は、第2パターンにおいて、第1入口ポート31、第2入口ポート32及び第4入口ポート34を閉じた状態に保持し、第3入口ポート33の開く角度位置を、ロータ目標角度(流量制御弁30の制御目標値)に設定する。
これにより、ウォータポンプ40から吐出された冷却水は、第7冷却水配管77、ヘッド側冷却水通路61、第4冷却水配管74、流量制御弁30、第6冷却水配管76を経由し、ウォータポンプ40に再度吸引される経路を循環するようになり、また、ヘッド側冷却水通路61から排出された冷却水の一部は、第1冷却水配管71、第8冷却水配管78を介して循環される。
第2パターンでは、シリンダヘッド11を通過した冷却水が第4冷却水配管74に分流されることで、第4冷却水配管74に配置されるヒータコア91、EGRクーラ92、排気還流制御弁93、スロットルバルブ94と冷却水との間の熱交換が行われるようになる。
従って、ヒータコア91などが配置される第4冷却水配管74に十分に高い温度の冷却水を供給でき、ヒータコア91での熱交換による暖房の立ち上がり応答を高めることができる。
例えば、電子制御装置100は、ウォータポンプ40の吐出流量を、第1パターンでは3−10L/min程度とし、第2パターンでは10−60L/min程度にまで増やす。
この図7に示すように、シリンダヘッド11(ヘッドライン)の冷却水温度が第2閾値温度TH2付近に達すると、第1パターンから第2パターンへの切り替えが行われる。そして、第2パターンでは、シリンダヘッド11を通過した冷却水が第4冷却水配管74に供給されるようになることで、ヒータコア91(ヒータライン)の冷却水温度が高くなり、ヒータコア91での熱交換による空調空気を高い温度に加熱できる。
時刻t0で内燃機関10が始動されてから、時刻t1でシリンダヘッド11の温度が第2閾値温度TH2付近に達するまでの間は第1パターンに保持され、時刻t1で第1パターンから第2パターンへの切り替えが行われる。
電子制御装置100は、第2パターンに従ってヒータコア91に冷却水を循環させている状態でステップS505へ進み、第2温度センサ82の水温検出信号TW2、つまり、シリンダブロック12の出口水温TW2と、第3閾値温度TH3とを比較する。
そして、電子制御装置100は、第3閾値温度TH3とシリンダブロック12の出口水温TW2とを比較することで、シリンダブロック12の温度が、冷却水の供給を開始して温度制御(ブロック冷却制御)を開始する温度に達したか否か、換言すれば、シリンダブロック12の暖機が完了したか否かを検出する。
一方、シリンダブロック12の出口水温TW2が第3閾値温度TH3以上になると、電子制御装置100は、ステップS506へ進む。
電子制御装置100は、第3パターンにおいて、第2入口ポート32及び第4入口ポート34を閉じた状態に保持し、第3入口ポート33の開口面積を上限値に保持し、第1入口ポート31が開く角度位置を、ロータ目標角度(流量制御弁30の制御目標値)に設定する。
これにより、第3パターンでは、ウォータポンプ40が吐出した冷却水の一部がシリンダブロック12に供給され、シリンダブロック12の温度が制御されるようになる。
なお、第3パターンにおいて、電子制御装置100は、流量制御弁30のロータ角度を、後述する第4パターンに切り替わる角度位置(第2入口ポート32が開き始めるロータ角度)の手前を限度として増大させ、第1入口ポート31の開口面積を、第3パターンでのロータ角度の限界値での開口面積を上限値として増大させる。
この図9に示すように、シリンダブロック12(ブロックライン)の冷却水温度が第3閾値温度TH3付近に達すると、第2パターンから第3パターンへの切り替えが行われる。そして、第3パターンでは、ヘッド側冷却水通路61に供給された冷却水(シリンダヘッド11の熱を奪った冷却水)の一部が、ブロック側冷却水通路62に分流され、ブロック側冷却水通路62、オイルクーラー16、流量制御弁30を介して循環されるようになり、シリンダブロック12の冷却水温度が上昇する。
時刻t2でシリンダブロック12の温度が第3閾値温度TH3付近に達すると、第2パターンから第3パターンへの切り替えが行われる。
電子制御装置100は、第3パターンに従ってシリンダブロック12に冷却水を循環させている状態でステップS507へ進み、第2温度センサ82の水温検出信号TW2、つまり、シリンダブロック12の出口水温TW2と、第4閾値温度TH4とを比較する。
つまり、シリンダヘッド11の目標温度は、プレイグニッションやノッキングの抑制を目的として設定されるのに対し、シリンダブロック12の目標温度はフリクション抑制を目的として設定され、シリンダヘッド11の目標温度よりもシリンダブロック12の目標温度を高くすることでフリクションの低減を促進させる。
一方、シリンダブロック12の出口水温TW2が第4閾値温度TH4、つまり、シリンダブロック12の目標温度に達すると、電子制御装置100はステップS508へ進む。
電子制御装置100は、第4パターンにおいて、第4入口ポート34を閉じた状態に保持し、第3入口ポート33の開口面積を上限値に保持し、第1入口ポート31の開口面積が第3パターンに引き続き増大し、また、第2入口ポート32の開口面積が上限値にまで開く角度位置を、ロータ目標角度(流量制御弁30の制御目標値)に設定する。
この図11に示すように、シリンダブロック12(ブロックライン)の冷却水温度が第4閾値温度TH4付近に達すると、第3パターンから第4パターンへの切り替えが行われる。そして、第4パターンでは、ヘッド側冷却水通路61に供給された冷却水(シリンダヘッド11の熱を奪った冷却水)の一部が、第3冷却水配管73に分流して流れ、オイルウォーマー21に循環されるようになるため、オイルウォーマー21での冷却水温度が増加する。
時刻t3でシリンダブロック12の温度が第4閾値温度TH4付近に達すると、第3パターンから第4パターンへの切り替えが行われ、第2入口ポート32を所定開度に開いて、オイルウォーマー21への冷却水循環を開始させると共に、第4パターンでは、シリンダヘッド11の温度を第2閾値温度TH2付近に保持し、また、シリンダブロック12の温度を第4閾値温度TH4付近に保持するために、第1入口ポート31の開口面積を変化させ、また、ウォータポンプ40の吐出量を制御する。
次いで、電子制御装置100は、ステップS510へ進み、ステップS509で求めた温度偏差ΔTC、ΔTBに基づき、流量制御弁30の制御パターンの切り替え制御を実施する。
電子制御装置100は、第5パターンにおいて、第2入口ポート32及び第3入口ポート33の開口面積を上限値に保持し、第1入口ポート31の開口面積が第4パターンから引き続いて増大し、第4入口ポート34が全閉から開く角度位置を、ロータ目標角度(流量制御弁30の制御目標値)に設定する。
また、電子制御装置100は、第4入口ポート34の開口面積の増大に合わせて、ウォータポンプ40の吐出量を増大させる。
これにより、内燃機関10の高負荷域でシリンダヘッド11の温度上昇を十分に抑え、プレイグニッションやノッキングを抑制できるから、プレイグニッションやノッキングを抑制するための点火時期の遅角補正量を低減でき、内燃機関10の出力性能の低下を抑制できる。
例えば、時刻t4にて、温度偏差ΔTC、ΔTBが所定値を超えるようになった場合、つまり、ラジエータ50を迂回した冷却水の循環では、シリンダヘッド11やシリンダブロック12の温度上昇を抑制できなくなると、第4パターンから第5パターンに切り替え、ラジエータ50を経由した冷却水の循環を開始させ、第4入口ポート34の開口面積(流量)を、シリンダヘッド11やシリンダブロック12の温度上昇を抑制できる程度にまで増大させ、並行してウォータポンプ40の吐出量を増加させる。
このとき、シリンダヘッド11に流れる冷却水が増大すると共に、シリンダブロック12に流れる冷却水も増大することで、シリンダブロック12の温度が目標温度(第4閾値温度TH4)よりも低下する場合があるが、電子制御装置100は、シリンダヘッド11の温度上昇の抑制を優先させ、シリンダブロック12の温度が目標温度よりも下回っても、第4入口ポート34の開口面積(流量)やウォータポンプ40の吐出量を減らす処理は行わない。
図13のフローチャートに示すルーチンは、アイドルストップ指令信号に基づき、電子制御装置100により割り込み処理される。
次いで、ステップS602で、電子制御装置100は、前述した第5パターンに従って流量制御弁30のロータ角度を制御することで、流量制御弁30の各入力ポート31−34を開き、冷却水の一部がラジエータ50を介して循環される状態に制御する。更に、電子制御装置100は、ウォータポンプ40の吐出量を、前述した第5パターンでの吐出量よりも多い、アイドルストップ用の吐出量にまで増やす。
ここで、第5閾値温度TH5は、例えば、第2閾値温度TH2と同じか、第2閾値温度TH2を下回る温度とすることができる。
そして、シリンダヘッド11の出口水温TW1が第5閾値温度TH5以下になると、電子制御装置100は、ステップS603からステップS604に進み、ウォータポンプ40を停止させるか、若しくは、第1パターンと同程度の吐出流量にまで低下させる。
これに対し、アイドルストップによって内燃機関10が停止した直後の所定期間において、ラジエータ50を経由した冷却水の循環が行われるように流量制御弁30を制御してウォータポンプ40を駆動すれば、アイドルストップ中(内燃機関10の一時停止中)にシリンダヘッド11の温度が上昇することを抑制できる。従って、アイドルストップからの内燃機関10の再始動状態で、プレイグニッションやノッキングが発生することを抑制し、良好な始動性を維持できる。
図14に示すように、時刻t6にてアイドルストップが開始され、内燃機関10の運転が停止すると、第5パターンに従ってラジエータ50に冷却水を循環させる状態に流量制御弁30を制御し、かつ、ウォータポンプ40の吐出量をアイドルストップ用に増大補正する。
そして、時刻t7にてシリンダヘッド11の出口水温TW1が第5閾値温度TH5以下になり、その後にシリンダヘッド11の温度が上昇変化することがない状態になれば、ウォータポンプ40の吐出量を減らす。
また、内燃機関10の停止中でも電動ウォータポンプ40を駆動させて、シリンダヘッド11の通過した冷却水をヒータコア91などに供給し、ヒータを稼働させることが可能である。
例えば、流量制御弁30は、ロータ式に限定されるものではなく、例えば、電気式アクチュエータによって弁体を直線運動させる構造の流量制御弁を用いることができる。
また、第2冷却液ラインにオイルクーラー16が配置されない構造とすることができる。
Claims (1)
- ウォータポンプによって冷却液を内燃機関に循環させる冷却装置であって、
前記内燃機関のシリンダヘッド及びラジエータを経由する第1冷却液ラインと、
前記内燃機関のシリンダブロックを経由し前記ラジエータを迂回する第2冷却液ラインと、
前記第1冷却液ライン及び前記第2冷却液ラインがそれぞれ流入側に接続され、流出側が前記ウォータポンプの吸引側に接続される電動式の流量制御弁と、
前記シリンダヘッドと前記ラジエータとの間の前記第1冷却液ラインから分岐し、前記ラジエータを迂回して前記流量制御弁の流出側に合流するバイパスラインと、
を備え、
前記流量制御弁によって前記第1冷却液ライン及び前記第2冷却液ラインへの冷却液の供給量を制御する、内燃機関の冷却装置。
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