JP2018135854A

JP2018135854A - 冷却装置の制御装置

Info

Publication number: JP2018135854A
Application number: JP2017032522A
Authority: JP
Inventors: 坂本　博信; Hironobu Sakamoto; 博信坂本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2018-08-30

Abstract

【課題】シリンダブロック１２内の冷却水の温度を極力早期に暖機すること。【解決手段】ＣＰＵ６２は、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈ以下であることを条件に、メインウォータポンプ２１を停止させる。ＣＰＵ６２は、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈ以下であるときに、サブウォータポンプ３６を駆動し、切替弁３８の開弁時における水温ＴＨＷｘの上昇速度と切替弁３８の閉弁時における水温ＴＨＷｘの上昇速度との差に基づき、サーモスタット２６の開固着異常の有無を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に適用される、冷却装置の制御装置に関する。

たとえば下記特許文献１には、シリンダブロックおよびシリンダヘッド内の冷却水の通路である内側通路と、それらの外部の外側通路とによって形成されるループ経路内の冷却水を循環させるメインポンプ（メインウォータポンプ）に加えて、サブポンプ（サブウォータポンプ）を備えるものが記載されている。ここで、サブウォータポンプは、シリンダブロックを通らず、シリンダヘッドとヒータとの間のショートループ経路内の冷却水を循環させる。また、同文献には、内燃機関の冷間時においては、メインウォータポンプを駆動しサブウォータポンプを停止させることが記載されている（図４）。

特開２０１２−２４１５５７号公報

ところで、上記のように、冷間時において、メインウォータポンプを駆動する場合、シリンダブロックおよびシリンダヘッド内の冷却水が上記ループ経路を循環することから、内燃機関の暖機が遅れるおそれがある。

上記課題を解決すべく、メインウォータポンプが設けられて且つシリンダブロックおよびシリンダヘッドを貫通する冷却水の経路であるメインループ経路と、内燃機関の外部において排熱回収器、ヒータおよびサブウォータポンプが設けられた前記冷却水の経路であるサブループ経路と、を備える冷却装置に適用され、前記メインループ経路は、前記内燃機関の外部においてラジエータおよびサーモスタットを通過する第１経路と、前記ラジエータおよび前記サーモスタットを迂回して且つ前記サブループ経路の一部を含む第２経路とに分岐しており、前記サブループ経路には、前記ヒータを迂回して前記サブウォータポンプおよび前記排熱回収器を含むショートループ経路を閉ループとする迂回経路が設けられ、当該迂回経路には該迂回経路を開閉する切替弁が設けられ、前記内燃機関の温度が所定温度以下であることを条件に、前記メインウォータポンプを停止させる停止処理と、前記内燃機関の温度が前記所定温度以下であって前記サブウォータポンプが駆動状態であるときに、前記切替弁の閉弁状態における前記冷却水の温度の上昇速度と前記切替弁の開弁状態における前記冷却水の温度の上昇速度との差と閾値との大小比較に基づき、前記サーモスタットの開固着異常の有無を判定する判定処理と、を実行する。

上記構成では、停止処理によって、内燃機関の温度が所定温度以下であることを条件に、メインウォータポンプを停止状態とするために、内燃機関を極力早期に暖機することができる。

ただし、その場合、停止処理中においては、たとえサーモスタットに開固着異常が生じていたとしても、サーモスタットの開固着異常時と正常時との温度の上昇速度の相違に基づき開固着異常の有無を判定することは困難である。ここで、サブウォータポンプを駆動する場合、サーモスタットに開固着異常が生じているなら、サブウォータポンプによって引き起こされる冷却水の流れによって、サーモスタットを介してラジエータにある程度の冷却水が循環し得る。しかし、サーモスタットの開固着異常に起因した冷却水の温度の上昇速度は、開固着異常以外の外乱の影響と識別しにくいおそれがある。そこで上記構成では、切替弁が閉弁状態であるときの冷却水の温度の上昇速度と開弁状態であるときの上昇速度との相違に着目する。この相違には、サーモスタットの開固着異常の有無の影響が含まれることから、この相違を閾値との大小比較によって判定することにより、サーモスタットの異常の有無を判定することができる。

一実施形態にかかる制御装置および冷却装置のブロック図。同実施形態にかかる異常診断に関する処理の手順を示す流れ図。（ａ）および（ｂ）は、同実施形態にかかる異常診断の原理を説明するタイムチャート。同実施形態が解決する課題を説明するタイムチャート。（ａ）および（ｂ）は、同実施形態が解決する課題を説明するタイムチャート。

以下、冷却装置の制御装置にかかる一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に示す内燃機関１０は、シリンダブロック１２およびシリンダヘッド１４を備えている。シリンダブロック１２には、冷却水の通路である内側通路１６が形成されており、シリンダヘッド１４には、冷却水の通路である内側通路１７，１８，１９が接続されている。内側通路１７，１８，１９は、内側通路１６に接続されている。

内側通路１６には、外側通路２０が接続されており、内側通路１９には、外側通路２２が接続されている。外側通路２０には、電動式のメインウォータポンプ２１が設けられており、外側通路２２には、ラジエータ２４およびサーモスタット２６が設けられている。そして、外側通路２０、内側通路１６，１９および外側通路２２によってループ経路が形成されている。

内側通路１７には、外側通路３０が接続されており、外側通路３０には、内燃機関１０の排気の熱を冷却水に回収する排熱回収器３２が設けられている。そして、外側通路２０、内側通路１６，１７、および外側通路３０によって、ループ経路が形成されている。

外側通路３０には、外側通路３４が接続されており、外側通路３４には、電動式のサブウォータポンプ３６と、ヒータ３９と、が設けられている。そして、外側通路３０，３４によって、サブウォータポンプ３６、ヒータ３９および排熱回収器３２を通過するループ経路が形成されている。

また、外側通路３０，３４には、ヒータ３９を迂回する迂回経路３７が接続されている。そして、迂回経路３７には、迂回経路３７を開閉する電子制御式の切替弁３８が設けられている。

内側通路１８には、外側通路４０が接続されており、外側通路４０には、ＥＧＲクーラ４２が設けられている。外側通路４０は、外側通路３０に接続されている。これにより、内側通路１７，１８と、外側通路４０，３０とによって、ＥＧＲクーラ４２および排熱回収器３２を通過するループ経路が形成されている。

外側通路３０には、外側通路４４が接続されている。外側通路４４には、ＥＧＲバルブ４６や、スロットルボディ４８が設けられている。そして、外側通路３０，４４によって、ＥＧＲバルブ４６およびスロットルボディ４８の付近と、排熱回収器３２とを通過するループ経路が形成されている。

制御装置６０は、内燃機関１０の制御量としての冷却水の温度を制御すべく、メインウォータポンプ２１や、サブウォータポンプ３６、切替弁３８を操作する。この際、制御装置６０は、温度センサ５０によって検出される外側通路２２への出口ＥＸ側の冷却水の温度（水温ＴＨＷｅ）や、温度センサ５２によって検出される排熱回収器３２内の冷却水の温度（水温ＴＨＷｘ）を参照する。制御装置６０は、ＣＰＵ６２、ＲＯＭ６４および電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ６６を備えている。そして、制御装置６０は、ＲＯＭ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２が実行することにより、冷却水の温度を制御する。

ＣＰＵ６２は、ＩＧ信号が入力されることにより内燃機関１０を始動した後であっても、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈ以下であることを条件に、メインウォータポンプ２１を停止させる。これは、内燃機関１０の暖機を促進することを狙ったものである。ＣＰＵ６２は、メインウォータポンプ２１の停止中に、ヒータ３９や、ＥＧＲクーラ４２、ＥＧＲバルブ４６、スロットルボディ４８等のデバイスの暖機要求が生じる場合、サブウォータポンプ３６のみを駆動して必要な熱量が確保できるのであれば、サブウォータポンプ３６のみを駆動する。なお、ＣＰＵ６２は、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈ以下であっても、水温ＴＨＷｘと水温ＴＨＷｅとの差が規定値を超える場合には、メインウォータポンプ２１を駆動する。これは、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈを超えた後、サーモスタット２６の開弁温度に達した際に、サーモスタット２６が開弁状態と閉弁状態とを繰り返すハンチング現象が生じることを抑制するためのものである。すなわち、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈを超えることによりメインウォータポンプ２１の駆動を開始した時点において水温ＴＨＷｘが水温ＴＨＷｅに対して過度に低い場合には、その後、サーモスタット２６の開弁温度に達した後においてもサーモスタット２６に流入する冷却水の温度が上昇した後低下する事態が生じうる。そしてこれにより、サーモスタット２６の上記ハンチング現象が生じるおそれがある。なお、水温ＴＨＷｘと水温ＴＨＷｅとの差が規定値を超える場合にメインウォータポンプ２１を駆動する処理は、水温ＴＨＷｅの上昇過程において、メインウォータポンプ２１を間欠駆動する結果となる傾向がある。

また、ＣＰＵ６２は、切替弁３８を通常は閉弁状態とするものの、サブウォータポンプ３６に異常が生じる場合、切替弁３８を開弁状態とする。これは、メインウォータポンプ２１を駆動することによって、排熱回収器３２によって受熱された高温の冷却水をサブウォータポンプ３６よりも圧損が小さい迂回経路３７を介してヒータ３９を通過させ、ヒータ３９に熱を与えるためのものである。ＣＰＵ６２は、さらに、切替弁３８をサーモスタット２６の開固着異常の判定処理に利用する。

図２に、上記判定に関する処理の手順を示す。図２に示す処理は、ＲＯＭ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２がたとえば所定周期で繰り返し実行することにより実現される。

図２に示す一連の処理において、ＣＰＵ６２は、まず切替弁３８を開閉操作することによるサーモスタット２６の開固着異常診断の実行要求があるか否かを判定する（Ｓ１０）。ここで、実行要求があると判定する条件は、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈ以下である旨の条件や、内燃機関１０の始動後、サーモスタット２６の開固着異常の診断処理が未だ実行されていない旨の条件、サブウォータポンプ３６が正常である旨の条件が含まれる。ＣＰＵ６２は、実行要求があると判定する場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、サブウォータポンプ３６を駆動する（Ｓ１２）。なお、ヒータ３９等の暖機要求に応じてすでにサブウォータポンプ３６を駆動している場合には、Ｓ１２の処理は、駆動を継続する処理となる。

次にＣＰＵ６２は、所定期間における水温ＴＨＷｘの上昇量ΔＴｃを計測する（Ｓ１４）。この処理は、切替弁３８が閉弁状態であるときの水温ＴＨＷｘの上昇速度を計測する処理である。次に、ＣＰＵ６２は、切替弁３８を開弁する（Ｓ１６）。そしてＣＰＵ６２は、所定期間における水温ＴＨＷｘの上昇量ΔＴｏを計測する（Ｓ１８）。この処理は、切替弁３８が開弁状態であるときの水温ＴＨＷｘの上昇速度を計測する処理である。ＣＰＵ６２は、Ｓ１８の処理が完了する場合、切替弁３８を閉弁状態に戻す（Ｓ２０）。

次にＣＰＵ６２は、Ｓ１８の処理によって計測した上昇量ΔＴｏからＳ１４の処理において計測した上昇量ΔＴｃを減算した値が閾値Δｔｈよりも小さいか否かを判定する（Ｓ２２）。この処理は、サーモスタット２６の開固着異常が生じているか否かを判定する処理である。

図３（ａ）に、サーモスタット２６の開固着異常が生じていないときにおいて、切替弁３８が開弁状態であるときの水温ＴＨＷｘの推移を曲線ｆｏにて示すとともに、切替弁３８が閉弁状態であるときの水温ＴＨＷｘの推移を曲線ｆｃにて示す。なお時刻ｔ１は、内燃機関１０の始動タイミングである。図３（ａ）に示すように、切替弁３８が開弁状態であるときには、閉弁状態であるときよりも水温ＴＨＷｘが早期に上昇する。これは、切替弁３８が開弁状態である場合、サブウォータポンプ３６から吐出された冷却水の大部分は、迂回経路３７を通過して排熱回収器３２を通過し、サブウォータポンプ３６に吸入されることとなるためである。すなわち、この場合、切替弁３８を開弁させる場合と比較して、ヒータ３９を通過する冷却水の流量が少量となるため、排熱回収器３２にて受熱された冷却水の、ヒータ３９における放熱量が少なくなるためである。

図３（ｂ）に、サーモスタット２６の開固着異常が生じているときにおいて、切替弁３８が開弁状態であるときの水温ＴＨＷｘの推移を曲線ｆｏにて示すとともに、切替弁３８が閉弁状態であるときの水温ＴＨＷｘの推移を曲線ｆｃにて示す。図３（ｂ）に示すように、サーモスタット２６の開固着異常が生じている場合であっても、切替弁３８が開弁状態であるときには、閉弁状態であるときよりも水温ＴＨＷｘが早期に上昇する。ただし、サーモスタット２６の開固着異常が生じている場合には、異常が生じていない場合と比較すると、切替弁３８が開弁状態であるときと閉弁状態であるときとの双方において、水温ＴＨＷｘの上昇が鈍く、これに起因して、切替弁３８が開弁状態であるときと閉弁状態であるときとの水温ＴＨＷｘの上昇速度の差が小さい。

図２のＳ２２の処理では、図３に示した性質に着目して、サーモスタット２６の開固着異常の有無を判定する。なお、閾値Δｔｈは、開固着異常が生じている場合の水温ＴＨＷｘの上昇速度の上記差の上限値に基づき設定される。

ＣＰＵ６２は、閾値Δｔｈよりも小さいと判定する場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、サーモスタット２６の開固着異常が生じていると判定する（Ｓ２４）。そしてＣＰＵ６２は、図１に示す警告灯７０を操作してユーザに異常が生じている旨通知するとともに、不揮発性メモリ６６に異常の内容を記憶する。
なおＣＰＵ６２は、Ｓ２４の処理が完了する場合や、Ｓ１０，Ｓ２２の処理において否定判定する場合には、図２に示す一連の処理を一旦終了する。
ここで本実施形態の作用を説明する。

ＣＰＵ６２は、内燃機関１０の始動後、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈ以下であることを条件に、メインウォータポンプ２１の停止状態を維持する。このため、サーモスタット２６が開固着異常を生じていたとしても、水温ＴＨＷｅの挙動からこれを検知することは困難である。

図４に実線にて示す曲線ｆｐｎは、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈ以下であってもメインウォータポンプ２１を駆動する比較例においてサーモスタット２６に開固着異常が生じていない場合の水温ＴＨＷｅの上昇例を示す。また、２点鎖線にて示す曲線ｆｐｕは、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈ以下であってもメインウォータポンプ２１を駆動する比較例においてサーモスタット２６に開固着異常が生じている場合の水温ＴＨＷｅの上昇例を示す。なお時刻ｔ１は、内燃機関１０の始動タイミングである。図４に示すように、曲線ｆｐｎと曲線ｆｐｕとには明確な相違がある。これは、内燃機関１０の暖機の進行に伴って水温ＴＨＷｅが上昇していく過程でサーモスタット２６が開固着異常を生じている場合には、内燃機関１０内を循環する冷却水がラジエータ２４によって冷やされるため、水温ＴＨＷｅの上昇速度が顕著に鈍るためである。

これに対し、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈ以下であることを条件にメインウォータポンプ２１を停止させる本実施形態では、サーモスタット２６の開固着異常を生じている場合と生じていない場合とで水温ＴＨＷｅの上昇速度の差が生じにくいため、水温ＴＨＷｅの上昇速度からサーモスタット２６の開固着異常の有無を判定することが困難である。

ここで、ＣＰＵ６２は、水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈ以下であるときに、サブウォータポンプ３６を駆動する。これにより、サーモスタット２６の開固着異常が生じている場合には、外側通路２２を介して内燃機関１０にある程度の冷却水が逆流することとなるため、水温ＴＨＷｅや水温ＴＨＷｘの上昇速度が、サーモスタット２６の正常時よりも低くなる。しかし、たとえば水温ＴＨＷｅの上昇速度のみから、開固着異常の有無を判定することには困難が伴う。これは、サーモスタット２６の開固着異常の有無に起因した上昇速度の変動量がさほど大きくないため、他の要因との識別が困難であるからである。

図５（ａ）は、サーモスタット２６の正常時における本実施形態の水温ＴＨＷｘの上昇例を示している。詳しくは、実線にて、メインウォータポンプ２１を常時停止している場合の水温ＴＨＷｘの上昇例を示し、一点鎖線にて、水温ＴＨＷｅ，ＴＨＷｘの差が規定値以上となることにより一時的にメインウォータポンプ２１を駆動する処理を投入した場合の水温ＴＨＷｘの上昇例を示す。また、図５（ｂ）は、サーモスタット２６の開固着異常時における本実施形態の水温ＴＨＷｘの上昇例を示している。詳しくは、実線にて、メインウォータポンプ２１を常時停止している場合の水温ＴＨＷｘの上昇例を示し、一点鎖線にて、水温ＴＨＷｅ，ＴＨＷｘの差が規定値以上となることにより一時的にメインウォータポンプ２１を駆動する処理を投入した場合の水温ＴＨＷｘの上昇例を示す。
図５に示すように、サーモスタット２６の開固着異常の有無による水温ＴＨＷｘの上昇速度の差は、他の要因による差との識別が困難である。

これに対し、本実施形態では、切替弁３８の閉弁状態における上昇量ΔＴｃと開弁状態における上昇量ΔＴｏとの差を用いることにより、サーモスタット２６の開固着異常の有無の判定精度を高めることができる。
以上説明した本実施形態によれば、さらに以下に記載する効果が得られる。

（１）水温ＴＨＷｅが所定温度Ｔｔｈ以下であっても、水温ＴＨＷｅ，ＴＨＷｘの差が大きくなることによりメインウォータポンプ２１を駆動した。この場合、切替弁３８の状態を固定したまま水温ＴＨＷｅの上昇速度を計測したのみでは、サーモスタット２６の開固着異常の有無の判定精度が低くなることから、切替弁３８の閉弁状態における上昇量ΔＴｃと開弁状態における上昇量ΔＴｏとの差を用いることのメリットが特に大きい。
＜対応関係＞

上記実施形態における事項と、上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項との対応関係は、次の通りである。メインループ経路は、外側通路２０、内側通路１６，１９および外側通路２２によって構成されるループ経路と、外側通路２０、内側通路１６，１７および外側通路３０によって構成されるループ経路とに対応する。サブループ経路は、外側通路３０，３４によって構成される経路に対応する。第１経路は、外側通路２０、内側通路１６，１９および外側通路２２によって構成される経路に対応し、第２経路は、外側通路２０、内側通路１６，１７および外側通路３０によって形成される経路に対応する。停止処理は、図２のＳ１０の処理の肯定判定のための条件となる処理であってＣＰＵ６２によって実行される処理に対応し、判定処理は、Ｓ２２の処理に対応する。
＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態の各事項の少なくとも１つを、以下のように変更してもよい。

・上記構成では、上昇量ΔＴｃ，ΔＴｏを、水温ＴＨＷｘを用いて定量化したが、これに限らず、たとえば水温ＴＨＷｅを用いてもよい。この場合であっても、切替弁３８の閉弁状態と開弁状態とのそれぞれにおける水温ＴＨＷｅの上昇速度の差にサーモスタット２６の開固着異常の有無の影響が現れるなら、上昇速度の差を用いてサーモスタット２６の開固着異常の有無を判定できる。

・制御装置としては、ＣＰＵ６２とＲＯＭ６４とを備えて、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。たとえば、上記実施形態においてソフトウェア処理されたものの少なくとも一部を、ハードウェア処理する専用のハードウェア回路（たとえばＡＳＩＣ等）を備えてもよい。

１０…内燃機関、１２…シリンダブロック、１４…シリンダヘッド、１６，１７，１８，１９…内側通路、２０…外側通路、２１…メインウォータポンプ、２２…外側通路、２４…ラジエータ、２６…サーモスタット、３０…外側通路、３２…排熱回収器、３４…外側通路、３６…サブウォータポンプ、３７…迂回経路、３８…切替弁、３９…ヒータ、４０…外側通路、４２…ＥＧＲクーラ、４４…外側通路、４６…ＥＧＲバルブ、４８…スロットルボディ、６０…制御装置、６２…ＣＰＵ、６４…ＲＯＭ、６６…不揮発性メモリ、７０…警告灯。

Claims

メインウォータポンプが設けられて且つシリンダブロックおよびシリンダヘッドを貫通する冷却水の経路であるメインループ経路と、内燃機関の外部において排熱回収器、ヒータおよびサブウォータポンプが設けられた前記冷却水の経路であるサブループ経路と、を備える冷却装置に適用され、
前記メインループ経路は、前記内燃機関の外部においてラジエータおよびサーモスタットを通過する第１経路と、前記ラジエータおよび前記サーモスタットを迂回して且つ前記サブループ経路の一部を含む第２経路とに分岐しており、
前記サブループ経路には、前記ヒータを迂回して前記サブウォータポンプおよび前記排熱回収器を含むショートループ経路を閉ループとする迂回経路が設けられ、当該迂回経路には該迂回経路を開閉する切替弁が設けられ、
前記内燃機関の温度が所定温度以下であることを条件に、前記メインウォータポンプを停止させる停止処理と、
前記内燃機関の温度が前記所定温度以下であって前記サブウォータポンプが駆動状態であるときに、前記切替弁の閉弁状態における前記冷却水の温度の上昇速度と前記切替弁の開弁状態における前記冷却水の温度の上昇速度との差と閾値との大小比較に基づき、前記サーモスタットの開固着異常の有無を判定する判定処理と、を実行する冷却装置の制御装置。