JP2018178938A - インタークーラの温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インタークーラの暖機の促進と、内燃機関の暖機性悪化の抑制とを両立することが可能な温度制御を実現する。【解決手段】実際のインタークーラ出口ガス温度に設定値を加算した温度が、インタークーラ出口ガス目標温度よりも低い場合、インタークーラ冷却水をエンジン（内燃機関）１に流すことなく、インタークーラ冷却水が受熱関係となるＥＧＲクーラ４１にインタークーラ冷却水を循環させる（第２冷却水経路２０２に循環させる）。このようにインタークーラ冷却水をＥＧＲクーラ４１に流すことにより、インタークーラ３の昇温を早くすることができる。また、インタークーラ冷却水をエンジン１に流さないことにより、エンジン１の暖機が遅れることを抑制することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、インタークーラの温度制御装置に関する。

内燃機関の吸気通路に設けられたインタークーラの温度調整を行うことは知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、インタークーラの冷間時において、排気冷却アダプタを通過した冷却水をインタークーラおよび内燃機関に循環させることでインタークーラの冷却水温の昇温を促進し、インタークーラ暖機後は冷却水をインタークーラおよびラジエータを循環させることでインタークーラの冷却を促進することが開示されている。

特開２０１２−２４１６９４号公報

ところで、冷却水をインタークーラおよび内燃機関に循環させることでインタークーラの暖機を促進することはできるが、インタークーラの冷却水経路に内燃機関が含まれていると、内燃機関の冷却水経路にインタークーラ冷却後の冷却水が流入するため、内燃機関の暖機が遅れるおそれがある。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、インタークーラの暖機の促進と、内燃機関の暖機性悪化の抑制とを両立することが可能なインタークーラの温度制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関および当該内燃機関の排気系機器を循環する内燃機関冷却水経路を備えた内燃機関において、前記内燃機関の吸気通路に設けられたインタークーラの温度を制御するインタークーラの温度制御装置を前提としており、このような温度制御装置において、前記インタークーラを循環する第１冷却水経路と、前記排気系機器および前記インタークーラをこの順で循環する第２冷却水経路と、前記第１冷却水経路と前記第２冷却水経路とを切り替え可能な制御バルブとを有するインタークーラ冷却水経路と、前記インタークーラの出口の吸気温度であるインタークーラ出口ガス温度を取得する出口ガス温度取得手段と、前記制御バルブの切り替えを制御する制御手段と、を備えている。

そして、前記制御手段は、前記出口ガス温度取得手段が取得したインタークーラ出口ガス温度に設定値を加算した温度が、インタークーラ出口ガス目標温度よりも低い場合、前記制御バルブの切り替え制御により前記インタークーラ冷却水経路の冷却水を前記第２冷却水経路に循環させ、前記インタークーラ出口ガス温度に設定値を加算した温度が、インタークーラ出口ガス目標温度以上である場合、前記制御バルブの切り替え制御により前記インタークーラ冷却水経路の冷却水を前記第１冷却水経路に循環させるように構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、内燃機関冷却水経路とインタークーラ冷却水経路とを独立して設けているので、インタークーラ冷却水経路の冷却水と内燃機関とが直接熱交換することがなくなる。そして、本発明では、実際のインタークーラ出口ガス温度に設定値を加算した温度が、インタークーラ出口ガス目標温度よりも低い場合、インタークーラ冷却水を内燃機関に流すことなく、インタークーラ冷却水が受熱関係となる排気系機器（例えば、ＥＧＲクーラ）にインタークーラ冷却水を循環させる。このようにインタークーラ冷却水を排気系機器に流すことにより、インタークーラの昇温を早くすることができる。また、インタークーラ冷却水を内燃機関に流さないことにより、内燃機関の暖機が遅れることを抑制することができる。

このように本発明によれば、インタークーラの暖機の促進と、内燃機関の暖機性悪化の抑制とを両立することができる。

本発明によれば、インタークーラの温度制御装置において、インタークーラの暖機の促進と、内燃機関の暖機性悪化の抑制とを両立することが可能な温度制御を実現することができる。

本発明を適用する内燃機関（エンジン）の概略構成図である。 ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 ＥＣＵが実行するインタークーラの温度制御の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明を適用する内燃機関（以下、エンジンともいう）１の概略構成図である。

エンジン１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃料を燃焼させて動力を出力するエンジンである。エンジン１の運転状態はＥＣＵ(Electronic Control Unit)３００によって制御される。

エンジン１には、各気筒に吸入空気を分配するためのインテークマニホールド（図示せず）が接続されており、このインテークマニホールドの入口に吸気通路１１が接続されている。また、エンジン１には、各気筒から排出される排気ガスを集合するエキゾーストマニホールド（図示せず）が接続されており、このエキゾーストマニホールドの出口に排気通路１２が接続されている。

エンジン１の吸気通路１１の途中には、ターボチャージャ２のコンプレッサ２２が配置されている。コンプレッサ２２は、排気通路１２に配置されたタービン２１の回転により駆動される。また、吸気通路１１には、コンプレッサ２２の吸気流れの下流側となる位置にインタークーラ３が設けられている。インタークーラ３は、コンプレッサ２２によって過給された吸気を冷却する水冷式の熱交換器であって、吸気通路１１を流れるガス（吸気）とインタークーラ冷却水との間で熱交換を行う。

インタークーラ３の吸気流れの上流側の吸気通路１１には、インタークーラ３の入口のガス（吸気）の温度を検出するＩ／Ｃ入口ガス温度センサ３０１が設けられている。また、インタークーラ３の吸気流れの下流側の吸気通路１１には、インタークーラ３の出口のガス（吸気）の温度（以下、インタークーラ出口ガス温度という）を検出するＩ／Ｃ出口ガス温度センサ３０２が設けられている。これらＩ／Ｃ入口ガス温度センサ３０１およびＩ／Ｃ出口ガス温度センサ３０２の各出力はＥＣＵ３００に入力される。なお、Ｉ／Ｃ出口ガス温度センサ３０２が、本発明の「出口ガス温度取得手段」の一例である。

エンジン１には、ＥＧＲ通路（排気還流通路）４が設けられている。このＥＧＲ通路４は、エンジン１のエキゾーストマニホールドに排気された排気ガスの一部を吸気通路１１に還流する通路である。ＥＧＲ通路４には、このＥＧＲ通路４を流れる排気ガス（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラ４１が設けられている。ＥＧＲクーラ４１には、エンジン１を冷却するエンジン冷却水が常時流れている。また、ＥＧＲ通路４には、ＥＧＲクーラ４１のガス流れの下流側にＥＧＲバルブ（図示せず）が設けられている。なお、ＥＧＲクーラ４１が本発明の「排気系機器」の一例である。

−冷却系−
次に、冷却系について説明する。本実施形態にあっては、冷却系として、エンジン冷却水経路１００とインタークーラ冷却水経路２００とを独立に備えている。

−エンジン冷却水経路−
エンジン冷却水経路１００は、エンジン１のウォータジャケット（図示せず）を循環する冷却水経路であって、機械式ウォータポンプ（メカＷ／Ｐ）１０１および高温ラジエータ（ＨＴラジエータ）１０２などが設けられている。機械式ウォータポンプ１０１は、エンジン１の駆動時に、その出力軸であるクランクシャフト（図示せず）の回転力を受けて駆動する。機械式ウォータポンプ１０１が駆動した場合、機械式ウォータポンプ１０１から吐出したエンジン冷却水が、エンジン１のウォータジャケットおよび高温ラジエータ１０２を流れた後に、機械式ウォータポンプ１０１の吸入側に戻るという循環が行われる。

−インタークーラ冷却水経路−
インタークーラ冷却水経路２００は、インタークーラ３を循環する第１冷却水経路２０１と、排気系機器であるＥＧＲクーラ４１およびインタークーラ３をこの順で循環する第２冷却水経路２０２と、これら第１冷却水経路２０１と第２冷却水経路２０２とを切り替え可能な制御バルブ２０３とを備えている。

第１冷却水経路２０１のインタークーラ３の出口側の流路と、第２冷却水経路２０２のインタークーラ３の出口側の流路とは共通の流路２１０となっており、この共通の流路２１０に低温ラジエータ（ＬＴラジエータ）２０５および電動ウォータポンプ（電動Ｗ／Ｐ）２０４が設けられている。

制御バルブ２０３は、例えば３方弁であって、その切り替え操作により、インタークーラ冷却水（以下、Ｉ／Ｃ冷却水ともいう）が、第１冷却水経路２０１を循環可能な状態（以下、この状態を第１操作位置ともいう）と、第２冷却水経路２０２を循環可能な状態（以下、この状態を第２操作位置ともいう）とに選択的に切り替えることができる。制御バルブ２０３の切り替えはＥＣＵ３００によって制御される。

そして、制御バルブ２０３が第１操作位置に操作されて、Ｉ／Ｃ冷却水が第１冷却水経路２０１を循環可能な状態であるときに、電動ウォータポンプ２０４が駆動すると、電動ウォータポンプ２０４から吐出したＩ／Ｃ冷却水が制御バルブ２０３を介してインタークーラ３に流入する。このインタークーラ３内を流れたＩ／Ｃ冷却水、つまりインタークーラ３においてガス（吸気）と熱交換を行ったＩ／Ｃ冷却水は、低温ラジエータ２０５を流れた後に、電動ウォータポンプ２０４の吸入側に戻る。

一方、電動ウォータポンプ２０４を駆動している状態で、制御バルブ２０３が第２操作位置に操作されて、Ｉ／Ｃ冷却水が第２冷却水経路２０２を循環可能な流路に変更されると、電動ウォータポンプ２０４から吐出したＩ／Ｃ冷却水は、制御バルブ２０３を介してＥＧＲクーラ４１に流入する。このＥＧＲクーラ４１内を流れたＩ／Ｃ冷却水、つまりＥＧＲクーラ４１においてＥＧＲガスと熱交換を行ったＩ／Ｃ冷却水がインタークーラ３に流入する。そして、ＥＧＲクーラ４１を経由してインタークーラ３に流入したＩ／Ｃ冷却水は、インタークーラ３においてガス（吸気）との熱交換を行った後に、低温ラジエータ２０５を流れて電動ウォータポンプ２０４の吸入側に戻る。

−ＥＣＵ−
次に、ＥＣＵ３００について説明する。

ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、各部を制御するためのプログラムなどを記憶するＲＯＭ(Read Only Memory)と、データを一時的に記憶するＲＡＭ(Random Access Memory)、および入出力インターフェースなどを備えている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムやデータなどに基づいて演算処理を実行するように構成されている。ＲＯＭには制御用のプログラムやデータなどが記憶されている。ＲＡＭは、ＣＰＵによる演算結果などを一時的に記憶する。

ＥＣＵ３００には、図２に示すように、Ｉ／Ｃ入口ガス温度センサ３０１、Ｉ／Ｃ出口ガス温度センサ３０２、外気温度を検出する外気温度センサ３０３、および、エンジン１の運転状態を検出する各種センサなどが接続されている。また、ＥＣＵ３００には、エンジン１、電動ウォータポンプ２０４および制御バルブ２０３が接続されている。

そして、ＥＣＵ３００は、エンジン１の運転状態を検出する各種センサの出力信号に基づいて、吸入空気量制御、燃料噴射量制御などを含むエンジン１の各種制御を実行する。

また、ＥＣＵ３００は、電動ウォータポンプ２０４のＤｕｔｙ制御（駆動Ｄｕｔｙ（％）を調整する制御）、および制御バルブ２０３の切り替え制御を実行する。さらに、ＥＣＵ３００はインタークーラ３の温度制御を実行する。

−インタークーラの温度制御−
次に、ＥＣＵ３００が実行するインタークーラ３の温度制御の一例について図３のフローチャートを参照して説明する。

図３の制御ルーチンはＥＣＵ３００において所定時間ごとに繰り返して実行される。なお、この制御ルーチンを実行する前の状態では、制御バルブ２０３は第１操作位置に設定されており、インタークーラ冷却水経路２００の第１冷却水経路２０１にＩ／Ｃ冷却水が循環可能となっている。

図３の制御ルーチンが開始されると、まずは、ステップＳＴ１０１において、インタークーラ３の温度制御における目標温度であるインタークーラ出口ガス目標温度（以下、Ｉ／Ｃ出口ガス目標温度ともいう）を設定する。

ステップＳＴ１０２では、Ｉ／Ｃ冷却水の循環が必要（Ｉ／Ｃ冷却水の循環要）であるか否かを判定する。具体的には、ステップＳＴ１０１で設定したＩ／Ｃ出口ガス目標温度と、Ｉ／Ｃ出口ガス温度センサ３０２の出力から得られる現在のインタークーラ出口ガス温度（以下、Ｉ／Ｃ出口ガス温度ともいう）とを比較し、これらＩ／Ｃ出口ガス目標温度と現在のＩ／Ｃ出口ガス温度との乖離の有無を判定する。そして、その両者に乖離が無い場合には、Ｉ／Ｃ冷却水の循環が不要であると判定（ステップＳＴ１０２の判定結果が否定判定（ＮＯ））してステップＳＴ１１０においてリセット処理を行った後にリターンする。

一方、Ｉ／Ｃ出口ガス目標温度と現在のＩ／Ｃ出口ガス温度とに乖離がある場合は、Ｉ／Ｃ冷却水の循環が必要であると判定（ステップＳＴ１０２の判定結果が肯定判定（ＹＥＳ））してステップＳＴ１０３に進む。

なお、上記乖離の有無の判定は、例えば、Ｉ／Ｃ出口ガス目標温度と現在のＩ／Ｃ出口ガス温度との乖離量が所定の許容量以内である場合は「乖離無」と判定し、乖離量が許容量よりも多い場合は「乖離有」と判定するようにすればよい。

ステップＳＴ１０３では、Ｉ／Ｃ出口ガス目標温度と現在のＩ／Ｃ出口ガス温度との乖離量に基づいて、インタークーラ冷却水経路２００（第１冷却水経路２０１）に循環させるＩ／Ｃ冷却水の流量を決定する。

ステップＳＴ１０４では、ステップＳＴ１０３において決定したＩ／Ｃ冷却水の流量に基づいて、電動ウォータポンプ２０４を連続駆動するか否かを判定する。その判定結果が肯定判定（ＹＥＳ）である場合（電動ウォータポンプ２０４を連続駆動する場合）、ステップＳＴ１０６において電動ウォータポンプ２０４を連続駆動する駆動Ｄｕｔｙを設定（変換）し、その駆動Ｄｕｔｙで電動ウォータポンプ２０４を駆動制御する。

ステップＳＴ１０４の判定結果が否定判定（ＮＯ）である場合（電動ウォータポンプ２０４の駆動が間欠駆動である場合）はステップＳＴ１０５に進む。

ステップＳＴ１０５では、上記Ｉ／Ｃ冷却水の流量に基づいて間欠駆動パターンを決定する。その決定した間欠駆動パターンに応じた駆動Ｄｕｔｙに変換し（ステップＳＴ１０６）、その駆動Ｄｕｔｙで電動ウォータポンプ２０４を駆動制御する。

そして、ステップＳＴ１０７では、現時点においてＩ／Ｃ出口ガス温度センサ３０２の出力から得られる現在のＩ／Ｃ出口ガス温度を用い、この現在のＩ／Ｃ出口ガス温度に設定値を加算した温度（現在のＩ／Ｃ出口ガス温度＋設定値）が、Ｉ／Ｃ出口ガス目標温度よりも低いか否かを判定する。その判定結果が否定判定（ＮＯ）である場合、つまり［現在のＩ／Ｃ出口ガス温度＋設定値］がＩ／Ｃ出口ガス目標温度以上である場合は、そのままリターンする。

一方、ステップＳＴ１０７の判定結果が肯定判定（ＹＥＳ）である場合、つまり［現在のＩ／Ｃ出口ガス温度＋設定値］がＩ／Ｃ出口ガス目標温度よりも低い場合はステップＳＴ１０８に進む。

なお、ステップＳＴ１０７の判定に用いる設定値は、現在のＩ／Ｃ出口ガス温度がＩ／Ｃ出口ガス目標温度よりも低い側に確実に乖離していることを判定するための値（制御バルブ２０３の制御ハンチングを防止するためヒステリシス）であって、予め実験またはシミュレーションによって設定しておく。

ステップＳＴ１０８では、制御バルブ２０３の切り替え（第１操作位置から第２操作位置への切り替え）により、インタークーラ冷却水経路２００の流路を変更して第１冷却水経路２０１から第２冷却水経路２０２に切り替える。この流路の変更により、インタークーラ３には、ＥＧＲクーラ４１にて温められたＩ／Ｃ冷却水が流れるようになるので、Ｉ／Ｃ出口ガス温度が上昇しやすくなり、Ｉ／Ｃ出口ガス目標温度に収束しやすくなる。

ここで、上記した図３のステップＳＴ１０７の判定結果が肯定判定（ＹＥＳ）である場合、つまり［現在のＩ／Ｃ出口ガス温度＋設定値］がＩ／Ｃ出口ガス目標温度よりも低い場合に、Ｉ／Ｃ冷却水の流路を変更せずに、第１冷却水経路２０１にＩ／Ｃ冷却水を循環させる状態（インタークーラ３のみにＩ／Ｃ冷却水を循環させる状態）を継続した場合、インタークーラ３に流入するガス（吸気）の温度だけでＩ／Ｃ冷却水が温められるので、Ｉ／Ｃ出口ガス温度がＩ／Ｃ出口ガス目標温度に収束するのに多くの時間を要する。これに対し、本実施形態のように、［現在のＩ／Ｃ出口ガス温度＋設定値］がＩ／Ｃ出口ガス目標温度よりも低いときに、制御バルブ２０３の切り替え操作により、Ｉ／Ｃ冷却水を第２冷却水経路２０２に循環させること、つまり、Ｉ／Ｃ冷却水が受熱関係となるＥＧＲクーラ４１にＩ／Ｃ冷却水を流すことにより、Ｉ／Ｃ出口ガス温度がＩ／Ｃ出口ガス目標温度に早く収束するようになる。

なお、実際のＩ／Ｃ出口ガス温度が、Ｉ／Ｃ出口ガス目標温度よりも設定値以上低い側に乖離しているときに、Ｉ／Ｃ冷却水をエンジン１に流すことにより、Ｉ／Ｃ出口ガス温度をＩ／Ｃ出口ガス目標温度に収束させることが考えられるが、この場合、エンジン１の暖機が遅れてしまうため、排気エミッションおよび燃費（燃料消費率）に影響がでる可能性がある。

なお、図３のステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０８がＥＣＵ３００によって実行されることにより、本発明の「インタークーラの温度制御装置」が実現される。

＜効果＞
以上のように、本実施形態によれば、エンジン冷却水経路１００とインタークーラ冷却水経路２００とを独立して設けているので、インタークーラ冷却水経路２００のＩ／Ｃ冷却水とエンジン１とが直接熱交換することがなくなる。そして、本実施形態では、インタークーラ冷間時等において、実際のＩ／Ｃ出口ガス温度に設定値を加算した温度が、Ｉ／Ｃ出口ガス目標温度よりも低い場合には、Ｉ／Ｃ冷却水をエンジン１に流すことなく、Ｉ／Ｃ冷却水が受熱関係となる排気系機器であるＥＧＲクーラ４１にＩ／Ｃ冷却水を循環させる。このようにＩ／Ｃ冷却水をＥＧＲクーラ４１に流すことにより、インタークーラ３の昇温を早くすることができる。また、Ｉ／Ｃ冷却水をエンジン１に流さないことにより、エンジン１の暖機が遅れることを抑制することができる。

したがって、本実施形態によれば、インタークーラ３の暖機の促進と、エンジン１の暖機性悪化の抑制とを両立することができる。

−他の実施形態−
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、以上の実施形態では、インタークーラ冷却水経路２００の第２冷却水経路２０２をＩ／Ｃ冷却水がＥＧＲクーラ４１を循環する構成としているが、本発明はこれに限られることなく、Ｉ／Ｃ冷却水が受熱関係となる排気系機器であれば、ＥＧＲクーラ４１以外の機器にＩ／Ｃ冷却水を循環させるようにしてもよい。また、ＥＧＲクーラ４１およびその他の排気系機器にＩ／Ｃ冷却水を循環させるようにしてもよい。

本発明は、内燃機関の吸気通路に設けられたインタークーラの温度制御装置に有効に利用することができる。

１ エンジン（内燃機関）
１１ 吸気通路
１２ 排気通路
２ ターボチャージャ
３ インタークーラ
４１ ＥＧＲクーラ
１００ エンジン冷却水経路（内燃機関冷却水経路）
１０１ 機械式ウォータポンプ
１０２ 高温ラジエータ
２００ インタークーラ冷却水経路
２０１ 第１冷却水経路
２０２ 第２冷却水経路
２０３ 制御バルブ
２０４ 電動ウォータポンプ
２０５ 低温ラジエータ
３００ ＥＣＵ
３０２ Ｉ／Ｃ出口ガス温度センサ

Claims (1)

1. 内燃機関および当該内燃機関の排気系機器を循環する内燃機関冷却水経路を備えた内燃機関において、前記内燃機関の吸気通路に設けられたインタークーラの温度を制御するインタークーラの温度制御装置であって、
   前記インタークーラを循環する第１冷却水経路と、前記排気系機器および前記インタークーラをこの順で循環する第２冷却水経路と、前記第１冷却水経路と前記第２冷却水経路とを切り替え可能な制御バルブとを有するインタークーラ冷却水経路と、
   前記インタークーラの出口の吸気温度であるインタークーラ出口ガス温度を取得する出口ガス温度取得手段と、
   前記制御バルブの切り替えを制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記出口ガス温度取得手段が取得したインタークーラ出口ガス温度に設定値を加算した温度が、インタークーラ出口ガス目標温度よりも低い場合、前記制御バルブの切り替え制御により前記インタークーラ冷却水経路の冷却水を前記第２冷却水経路に循環させ、
   前記インタークーラ出口ガス温度に設定値を加算した温度が、インタークーラ出口ガス目標温度以上である場合、前記制御バルブの切り替え制御により前記インタークーラ冷却水経路の冷却水を前記第１冷却水経路に循環させるように構成されていることを特徴とするインタークーラの温度制御装置。

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