JP2018168754A - 車両用暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの暖機性能を向上しつつ高回転時の冷却性能を確保した車両用暖房装置を提供する。【解決手段】エンジン１の冷却液を熱媒として空気を加熱するヒータコア２４を有する車両用暖房装置を、暖房要求が入力される暖房要求入力手段２００と、冷却液の温度検出手段１０２と、エンジンの出力軸の回転速度を検出する速度検出手段１０１と、冷却液をヒータコアに導入する通流状態と導入を停止する非通流状態とを切替可能な制御弁３０と、暖房要求が入力されかつ冷却液の温度が高温である場合には、制御弁を通流状態にするとともに、冷却液が低温である場合には、暖房要求の有無に関わらず回転速度が低速である場合は制御弁を非通流状態とし、高速である場合は通流状態にする制御手段１００とを備える構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の車両に搭載されエンジンの冷却液を熱媒とする車両用暖房装置に関し、特にエンジンの暖機性能を向上しつつ高回転時の冷却性能を確保したものに関する。

水冷式のエンジンを搭載する自動車等の車両に設けられる暖房装置においては、エンジンの冷却水を熱交換器であるヒータコアに通水し、エンジンの排熱を利用して車室内に導入される空気を加熱している。
冷却水は、エンジンにより駆動されるウォータポンプから吐出され、エンジンの燃焼室周辺を冷却した後にラジエータを経由して、あるいは、ラジエータをバイパスするバイパス流路を経由して、ウォータポンプに還流される。
ヒータコアに冷却水を導入する流路は、これらの流路から分岐して設けられるとともに、ヒータコアへの通水を制御する制御弁が設けられる。

車両用暖房装置、冷却装置等に関する従来技術として、例えば、特許文献１には、エンジンの冷却液温度がエンジンの暖機にとって支障のない温度にまで上昇している状態において、暖房運転の指令が装置になされると、流量可変弁が開弁してヒータコアに冷却液が流通されることが記載されている。
特許文献２には、エンジンの冷却水温度に基づいて暖機状態を判別し、暖機が不十分な状態においてはヒータコアへの通水を行わないことが記載されている。

特開昭６０− ８８６２０号公報 特開２０１６− ７４３８０号公報

上述した従来技術は、エンジンの冷却水が低温状態であるときには、暖機を優先するためヒータコアへの通水を停止している。
しかし、冷却水が低温であっても、エンジンの出力軸の回転速度が高い状態では、ウォータポンプの吐出量が多くなって冷却流路内の流速が向上する。
このような状態において、冷却水路の圧損が大きいと、エンジン内部の冷却流路内でキャビテーション等が発生し、局所的に冷却が不十分となって過熱が生じることが懸念される。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、エンジンの暖機性能を向上しつつ高回転時の冷却性能を確保した車両用暖房装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、エンジンの出力軸と連動するポンプが吐出する冷却液を前記エンジンに循環させる冷却装置の前記冷却液を熱媒として車室内に導入される空気を加熱するヒータコアを有する車両用暖房装置であって、暖房要求が入力される暖房要求入力手段と、前記冷却液の温度を検出する温度検出手段と、前記出力軸の回転速度を検出する速度検出手段と、前記冷却液の循環流路から前記冷却液を抽出して前記ヒータコアに導入する通流状態と前記冷却液の前記ヒータコアへの導入を実質的に停止する非通流状態とを切替可能な制御弁と、前記暖房要求が入力されかつ前記冷却液の温度が所定温度よりも高温である場合には、前記制御弁を通流状態にするとともに、前記冷却液の温度が前記所定温度よりも低温である場合には、前記暖房要求の有無に関わらず前記回転速度が所定速度より低速である場合は前記制御弁を前記非通流状態とし、前記回転速度が前記所定速度よりも高速である場合は前記制御弁を前記通流状態にする制御手段とを備えることを特徴とする車両用暖房装置である。
これによれば、冷却液が低温であり、かつ、出力軸の回転速度が低速である場合は、暖房要求があった場合であっても、冷却液をヒータコアに通流させないことによって、エンジンの暖機を促進し、燃費や排ガス処理性能を向上することができる。
一方、冷却液が低温の状態であっても、出力軸の回転速度が高速であり、ポンプの吐出量が増加する場合には、冷却液をヒータコアに通流させることによって、冷却液回路の圧損を低減し、流路内でのキャビテーション発生により局所的に冷却性能が不足することを防止できる。

請求項２に係る発明は、車両の外気温を検出する外気温検出手段を備え、前記制御手段は、前記暖房要求が入力されかつ前記外気温が所定値以下である場合は、前記冷却液の温度に関わらず前記制御弁を前記通流状態にすることを特徴とする請求項１に記載の車両用暖房装置である。
これによれば、外気温が低温である場合には、冷却液の温度に関わらずヒータコアに冷却液を通流させ、デフロスタ（除霜）運転を可能として視界を確保することができる。

以上説明したように、本発明によれば、エンジンの暖機性能を向上しつつ高回転時の冷却性能を確保した車両用暖房装置を提供することができる。

本発明を適用した車両用暖房装置の実施形態のヒータコアを含む冷却装置の構成を示す図である。 図１の冷却装置におけるマルチフローコントロールバルブのフローダイアグラムである。 実施形態の車両用暖房装置におけるヒータコアの通水制御を示すフローチャートである。

以下、本発明を適用した車両用暖房装置の実施形態について説明する。
実施形態の車両用暖房装置は、例えば、乗用車等の自動車に設けられ、エンジンを冷却する冷却装置の冷却水（冷却液）を熱媒として、車室内に導入される空気を加熱するものである。
この冷却装置は、車両に走行用動力源として搭載されるエンジン及びその補機類における冷却が必要な箇所を、冷却水（クーラント）によって冷却する水冷式の冷却装置である。
また、冷却装置は、冷却水を熱媒としてＣＶＴフルードを加熱する機能も有する。
冷却水は、例えば、水を主成分とし、不凍性、防錆性を向上するための添加物を添加したロングライフクーラント（ＬＬＣ）を用いる。
図１は、冷却装置の構成を示す図である。
図１において、図中の実線矢印は冷却水の流れを示し、破線矢印は電気的な信号の流れを示している。

エンジン１は、一例として、４ストローク水平対向４気筒の直噴ガソリンエンジンである。
エンジン１は、シリンダブロックＲＨ１１、シリンダブロックＬＨ１２、シリンダヘッドＲＨ１３、シリンダヘッドＬＨ１４、スロットルボディ１５、ウォータポンプ１６等を有する。

シリンダブロックＲＨ１１、シリンダブロックＬＨ１２は、エンジン１の出力軸である図示しないクランクシャフトを挟んで右側、左側にそれぞれ配置されている。
シリンダブロックＲＨ１１、シリンダブロックＬＨ１２には、クランクシャフトに形成されたジャーナル部を回転可能に支持するメインベアリングの半部がそれぞれ形成されている。
シリンダブロックＲＨ１１には、第１気筒、第３気筒のシリンダが形成されている。
シリンダブロックＬＨ１２には、第２気筒、第４気筒のシリンダが形成されている。
シリンダブロックＲＨ１１、シリンダブロックＬＨ１２には、各気筒のシリンダにおける燃焼室側の領域に設けられ、冷却水が通流される水路であるウォータジャケットが形成されている。

シリンダヘッドＲＨ１３、シリンダヘッドＬＨ１４は、シリンダブロックＲＨ１１、シリンダブロックＬＨ１２のクランクシャフト側とは反対側の端部にそれぞれ設けられている。
シリンダヘッドＲＨ１３、シリンダヘッドＬＨ１４は、燃焼室、吸排気ポート、吸排気バルブ、動弁駆動機構、燃料インジェクタ、点火栓などをそれぞれ有する。
シリンダヘッドＲＨ１３、シリンダヘッドＬＨ１４には、シリンダブロックＲＨ１１、シリンダブロックＬＨ１２のウォータジャケットと連通し、燃焼室等を冷却するウォータジャケットが形成されている。
燃焼室を冷却した後の冷却水は、シリンダブロックＲＨ１１、シリンダブロックＬＨ１２内に戻される。

スロットルボディ１５は、エンジン１の吸入空気量を調節するスロットルバルブを収容する部材である。
スロットルバルブは、エンジン１に新気（燃焼用空気）を導入する吸気装置に設けられたバタフライバルブである。
スロットルボディ１５は、凍結防止等を目的として、冷却水が通流されるようになっている。

ウォータポンプ１６は、エンジン１のクランクシャフトの回転に応じて冷却水を加圧し、吐出するものである。
ウォータポンプ１６は、ベルト等の動力伝達手段を介してクランクシャフトと連動するプロペラ（インペラ）を有し、クランクシャフトの回転速度（回転数）増加に応じて吐出量、吐出圧力が増加するようになっている。

エンジン１の冷却水路には、さらに、ラジエータ２１、ＥＧＲクーラ２２、ＣＶＴウォーマ２３、ヒータコア２４、マルチフローコントロールバルブ３０等が設けられている。

ラジエータ２１は、車体の前部に設けられる熱交換器である。
ラジエータ２１は、冷却水が通流される複数のチューブの間隔に、例えばアルミニウム系合金等の薄板によって形成された多数のフィンを設けて構成されている。
ラジエータ２１は、走行時に車体に対して流れる気流（走行風）との熱交換によって、冷却水を冷却する。

ＥＧＲクーラ２２は、エンジン１の排気装置から排ガス（既燃ガス）の一部を抽出し、吸気装置を流れる新気内に導入させる排ガス再循環（ＥＧＲ）装置に設けられ、新気内に導入される排ガス（ＥＧＲガス）を冷却するものである。
ＥＧＲクーラ２２は、ＥＧＲガスから冷却水への熱伝導によってＥＧＲガスを冷却する熱交換器である。

ＣＶＴウォーマ２３は、エンジン１の出力を変速する無段変速機（ＣＶＴ）のフリクションを低減するため、作動流体であるＣＶＴフルードを、エンジン１の冷却水を熱源として加熱し、ＣＶＴフルードの粘度を低下させるものである。
ＣＶＴウォーマ２３は、冷却水からＣＶＴフルードへの熱伝導を行う熱交換器である。

ヒータコア２４は、車室内の暖房のため、図示しないブロワファンによって車室内に導入される空気を、冷却水を熱源として加熱する熱交換器である。

マルチフローコントロールバルブ（ＭＣＶ）３０は、エンジン１の主機から出た冷却水が導入されるとともに、この冷却水をラジエータ２１へのラジエータ流路、ヒータ２４へのヒータ流路、及び、ラジエータ２１及びヒータ２４をともに経由しないバイパス流路に供給するものである。
また、マルチフローコントロールバルブ３０に導入された冷却水の一部は、スロットルボディ１５に常時通水されている。
マルチフローコントロールバルブ３０の機能については、後により詳しく説明する。

以下、エンジン１の冷却水路を構成する流路等の構成について説明する。
ウォータポンプ１６から吐出された冷却水は、先ず流路４１に導入される。
流路４１は、流路４２乃至４５に分岐している。
流路４２は、冷却水をシリンダブロックＬＨ１２に導入する。
流路４３は、冷却水をシリンダブロックＲＨ１１に導入する。
流路４４は、冷却水をＥＧＲクーラ２２に導入する。
流路４５は、冷却水をＣＶＴウォーマ２３に導入する。

シリンダブロックＲＨ１１に導入された冷却水は、流路４６を経由してシリンダヘッドＲＨ１３に導入された後、流路４７を経由してシリンダブロックＲＨ１１に戻る。
シリンダブロックＬＨ１２に導入された冷却水は、流路４８を経由してシリンダヘッドＬＨ１４に導入された後、流路４９を経由してシリンダブロックＬＨ１２に戻る。
シリンダブロックＲＨ１１から冷却水を排出する流路５０は、シリンダブロックＬＨ１２から冷却水を排出する流路５１と合流し、マルチフローコントロールバルブ３０に冷却水を導入する。

マルチフローコントロールバルブ３０には、流路５２乃至５５がそれぞれ接続されている。
流路５２は、冷却水をマルチフローコントロールバルブ３０からラジエータ２１に導入するラジエータ流路である。
ラジエータ２１を通過した冷却水は、流路５６を経由してウォータポンプ１６の入口側に還流される。

流路５３は、冷却水をマルチフローコントロールバルブ３０からヒータコア２４に導入するヒータ流路である。
ヒータコア２４を通過した冷却水は、流路５７を経由してウォータポンプ１６の入口側に還流される。

流路５４は、冷却水を、ラジエータ２１やヒータコア２４等の熱交換器を通過することなくウォータポンプ１６の入口側に還流させるバイパス流路である。
ＥＧＲクーラ２２、ＣＶＴウォーマ２３から出た冷却水は、それぞれ流路５８，５９を経由して流路５４に合流し、流路５４を経由してウォータポンプ１６に還流される。

流路５５は、冷却水をスロットルボディ１５に導入する。
スロットルボディ１５を通過した冷却水は、流路６０を経由して流路５７に合流し、流路５７を経由してウォータポンプ１６に還流される。

次に、上述したマルチフローコントロールバルブ３０の機能についてより詳細に説明する。
マルチフローコントロールバルブ３０は、流路５２が接続されたラジエータポート、流路５４が接続されたバイパスポート、及び、流路５３が接続されたヒータポートの開度を、例えばステッピングモータ等の電動アクチュエータによって駆動される単一の入力軸を回転駆動することによって変更することが可能である。
なお、スロットルボディ１５に冷却水を導入する流路５５が接続されたポートは、常時開状態（通水状態）となっている。
なお、マルチフローコントロールバルブ３０の入力軸の角度位置を、以下「ＭＣＶ開度」と称して説明する。

マルチフローコントロールバルブ３０は、そのＭＣＶ開度が、エンジン制御ユニット１００が指示する目標ＭＣＶ開度と実質的に一致するよう電動アクチュエータによって駆動される。
エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１００は、エンジン１及びその補機類を統括的に制御する制御装置である。
エンジン制御ユニット１００は、ＣＰＵ等の情報処理手段、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶手段、入出力インターフェイス、及び、これらを接続するバス等を有して構成されている。
エンジン制御ユニット１００は、本実施形態の車両用暖房装置における制御手段としても機能する。

エンジン制御ユニット１００には、クランク角センサ１０１、水温センサ１０２が接続され、これらの出力値を取得可能となっている。
クランク角センサ１０１は、クランクシャフトの一方の端部に設けられている。
クランク角センサは、クランクシャフトに取り付けられ放射状に複数の歯が形成されたセンサプレートと、センサプレートの歯と対向して設けられたマグネットピックアップとを有する。
クランク角センサ１０１は、マグネットピックアップのセンサ部近傍をセンサプレートの歯が通過する都度、１つのパルス信号を出力するようになっている。
エンジン制御ユニット１００は、クランク角センサ１０１が出力するパルス信号に基づいて、クランクシャフトの回転速度（毎分回転数）を算出する。

水温センサ１０２は、エンジン１の冷却水の温度を検出する温度センサである。
水温センサ１０２は、温度に逆比例して抵抗値が変化するサーミスタを用いて構成されている。
水温センサ１０２の検出部は、例えば、流路５１を通過する冷却水の温度を検出する。

図２は、実施形態の冷却装置におけるマルチフローコントロールバルブのフローダイアグラムである。
図２において、横軸はマルチフローコントロールバルブ３０の入力軸の角度位置（位相）を示しており、これはアクチュエータの出力軸の角度位置と実質的に等しい。
また、縦軸はラジエータポート、バイパスポート、ヒータポートの開度をそれぞれ示している。

図２に示すように、ＭＣＶ開度（マルチフローコントロールバルブ３０の入力軸の角度位置）は、例えば、−９０乃至８５°までの値をとり得る。
ラジエータポートは、ＭＶＣ開度が−８５°以下の領域では全開とされる。
−８５°乃至−５０°の領域では、ＭＣＶ開度の増加に比例して開度が減少し、−５０°乃至３０°の領域では全閉とされる。
３０°乃至８０°の領域では、ＭＣＶ開度の増加に比例して開度が増加し、８０°以上の領域では全開とされる。

バイパスポートは、ＭＣＶ開度が−８０°以下の領域では全閉とされる。
−８０°乃至−５０°の領域では、ＭＣＶ開度の増加に比例して開度が増加し、−５０°において全開となる。
−５０°乃至−４０°の領域では、全開となる。
−４０°乃至−５°の領域では、ＭＣＶ開度の増加に比例して開度が減少し、−５°乃至１０°の領域では全閉とされる。
１０°乃至３０°の領域では、ＭＣＶ開度の増加に比例して開度が増加し、３０°において約８０％の開度となる。
３０°乃至８０°の領域では、ＭＣＶ開度の増加に比例して開度が減少し、８０°以上の領域では全閉とされる。

ヒータポートは、ＭＣＶ開度が１０°以下の領域では全閉とされる。
１０°乃至２５°の領域では、ＭＣＶ開度の増加に比例して開度が増加し、２５°以上の領域では全開とされる。
エンジン制御ユニット１００は、車両の運転状態や暖房要求等に応じて、ＭＣＶ開度を制御する機能を有する。

また、エンジン制御ユニット１００には、外気温センサ１１０、空調制御ユニット２００が、直接又はＣＡＮ通信システム等の車載ＬＡＮを介して接続されている。
外気温センサ１１０は、車両外部の雰囲気温度を検出する温度センサである。

空調制御ユニット２００は、車室内の冷暖房、空気調和、換気、デフロスタ（除霜）等を統合的に制御するものである。
空調制御ユニット２００は、ユーザにより入力される車室内の設定温度や、ブロワファンのオン操作等に応じて、車室内を暖房する必要があることを示す暖房要求が入力される。
また、空調制御ユニット２００は、ウインドウガラスの車室内側の面部に温風を吹き付けて曇り取りを行うデフロスタ運転の要否を判別する機能を有する。
空調制御ユニット２００は、本発明にいう暖房要求入力手段として機能する。

以下、実施形態の車両用暖房装置におけるヒータ通水制御について説明する。
図３は、実施形態の車両用暖房装置におけるヒータコアの通水制御を示すフローチャートである。
以下、ステップ毎に順を追って説明する。

＜ステップＳ０１：暖房要求有無判断＞
エンジン制御ユニット１００は、空調制御ユニット２００に暖房要求が入力されているか否か（暖房運転を実行するか否か）を判別する。
例えば、ユーザにより暖房運転が要求されており、ヒータコア２４を通過する空気を送風するブロワファンがオンされている場合は、暖房要求が入力されているものと判断する。
暖房要求が入力されている場合はステップＳ０２に進み、入力されていない場合はステップＳ０４に進む。

＜ステップＳ０２：冷却水温判断＞
エンジン制御ユニット１００は、水温センサ１０２が検出する冷却水温が予め設定された閾値（例えば３０℃）以上であるか判別する。
冷却水温が閾値以上である場合はステップＳ０６に進み、閾値未満である場合はステップＳ０３に進む。

＜ステップＳ０３：外気温判断＞
エンジン制御ユニット１００は、外気温センサ１１０が検出する車両周囲の雰囲気温度（外気温）が、予め設定された閾値（例えば０℃）以下であるか判別する。
この閾値は、ウインドウガラスへの着霜が発生し、デフロスタ運転が必要となる外気温を考慮して設定される。
外気温が閾値以下である場合はステップＳ０６に進み、閾値超の場合はステップＳ０４に進む。

＜ステップＳ０４：エンジン回転数判断＞
エンジン制御ユニット１００は、クランク角センサ１０１の出力に基づいて算出されるクランクシャフトの回転数（回転速度）が、予め設定された閾値（例えば４０００ｒｐｍ）以上であるか判別する。
この閾値は、ヒータコア２４に通水しなかった場合に、冷却水路内において圧損によりキャビテーションが発生し得る回転数を考慮して設定される。
回転数が閾値以上である場合はステップＳ０６に進み、閾値未満である場合はステップＳ０５に進む。

＜ステップＳ０５：ヒータコア非通水＞
エンジン制御ユニット１００は、ＭＣＶ３０のヒータポートを閉塞し、ヒータコア２４への冷却水通流を停止する。
その後、一連の処理を終了（リターン）する。

＜ステップＳ０６：ヒータコア通水＞
エンジン制御ユニット１００は、ＭＣＶ３０のヒータポートを開き、ヒータコア２４への冷却水通流を行う。
その後、一連の処理を終了（リターン）する。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）冷却水が低温の状態では、暖房要求があった場合であっても、エンジン回転数が低い場合にはヒータコア２４に通流させないことによって、暖房による冷却水の昇温遅延を防止してエンジン１の暖機を促進し、燃費や排ガス処理性能を向上することができる。
一方、冷却水が低温の状態であってもエンジン回転数が高い場合には、ヒータコア２４に通流させることによって、ヒータコア２４及び流路５３，５７がバイパスとして機能し、冷却水回路の圧損を低減して流路内でのキャビテーション発生により局所的に冷却性能が不足することを防止できる。
（２）外気温が低温である場合には、冷却水の温度に関わらずヒータコア２４に通水させ、デフロスタ（除霜）運転を可能として車両の視界を確保することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）上述した実施形態は一例であり、車両用暖房装置や、エンジン及びその冷却装置の構成は適宜変更することができる。
（２）実施形態における冷却水温、エンジン回転数、外気温等の閾値設定は一例であり、車両やエンジンの性能、諸元、状態等に応じて適宜変更することができる。
（３）実施形態においては、冷却水温、エンジン回転数、外気温に応じてヒータコアへの通水、非通水を切り替える構成としているが、単に通水、非通水を切り替えるだけでなく、これらの値に応じてヒータコア通水時の流量を段階的あるいは連続的に変化させる構成としてもよい。

１ エンジン
１１ シリンダブロックＲＨ １２ シリンダブロックＬＨ
１３ シリンダヘッドＲＨ １４ シリンダヘッドＬＨ
１５ スロットルボディ １６ ウォータポンプ
２１ ラジエータ ２２ ＥＧＲクーラ
２３ ＣＶＴウォーマ ２４ ヒータコア
３０ マルチフローコントロールバルブ（ＭＣＶ）
４１〜６０ 流路
１００ エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
１０１ クランク角センサ １０２ 水温センサ
１１０ 外気温センサ ２００ 空調制御ユニット

Claims (2)

1. エンジンの出力軸と連動するポンプが吐出する冷却液を前記エンジンに循環させる冷却装置の前記冷却液を熱媒として車室内に導入される空気を加熱するヒータコアを有する車両用暖房装置であって、
   暖房要求が入力される暖房要求入力手段と、
   前記冷却液の温度を検出する温度検出手段と、
   前記出力軸の回転速度を検出する速度検出手段と、
   前記冷却液の循環流路から前記冷却液を抽出して前記ヒータコアに導入する通流状態と前記冷却液の前記ヒータコアへの導入を実質的に停止する非通流状態とを切替可能な制御弁と、
   前記暖房要求が入力されかつ前記冷却液の温度が所定温度よりも高温である場合には、前記制御弁を通流状態にするとともに、前記冷却液の温度が前記所定温度よりも低温である場合には、前記暖房要求の有無に関わらず前記回転速度が所定速度より低速である場合は前記制御弁を前記非通流状態とし、前記回転速度が前記所定速度よりも高速である場合は前記制御弁を前記通流状態にする制御手段と
   を備えることを特徴とする車両用暖房装置。
2. 車両の外気温を検出する外気温検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記暖房要求が入力されかつ前記外気温が所定値以下である場合は、前記冷却液の温度に関わらず前記制御弁を前記通流状態にすること
   を特徴とする請求項１に記載の車両用暖房装置。

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