JP2020023882A - 車両用エンジン冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走行工程の全体で見た場合に、冷却ファンやウォータポンプの駆動により消費される電力の総量を抑える。【解決手段】目標冷却水温Ｔｗ＿ｔは、基準値Ｔｗ＿ｒと速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐの和に基づいて算出される（式（１））。速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐは、速度補正値マップを参照することにより設定される。速度補正値マップにおいて、速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐは、低速度域では一定値（＝ゼロ）に設定される。また、速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐは、中速度域よりも高い速度域では負の値に設定される。つまり、中速度域よりも高い速度域では、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔが、速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐの分だけ基準値Ｔｗ＿ｒよりも低い値に設定される。Ｔｗ＿ｔ＝Ｔｗ＿ｒ＋Ｔｍａｐ＿ｓｐ ・・・（１）【選択図】図４

Description

本発明は、車両に搭載されるエンジンの冷却装置に関する。

特開２０１０−９６０４２号公報には、ラジエータと、電動式の冷却ファンと、電動式のウォータポンプと、制御手段と、を備えるエンジン冷却装置が開示されている。ラジエータは、エンジン冷却水の循環回路に設けられている。冷却ファンは、その回転に伴いラジエータの周囲に空気の流れを形成する。ウォータポンプは、その駆動に伴い循環回路内にエンジン冷却水を流通させる。制御手段は、エンジン冷却水の温度が目標水温になるように、冷却ファンとウォータポンプを制御する。

冷却ファンとウォータポンプの制御に際し、制御手段は、冷却ファンとウォータポンプにおいてそれぞれ消費される電力の合計値が小さくなるように、これらの制御量を決定する。また、この決定に際しては、エンジン冷却装置を搭載した車両の走行速度（以下、「車速」ともいう。）が考慮される。車速が変わればラジエータを通過する風量も変わる。そのため、車速を考慮することで、上記合計値の算出を実際の冷却状況に即して行うことができる。

特開２０１０−９６０４２号公報

しかし、上述の制御手法は、現時刻における車速に基づいて上記合計値の最適解を算出する手法に他ならない。そのため、定速走行、減速走行、加速走行を含む走行工程の全体で見た場合、冷却ファンやウォータポンプの駆動により消費される電力の総量を小さくできるとは限らない。

本発明は、上述した課題の少なくとも１つに鑑みてなされたものであり、走行工程の全体で見た場合に、冷却ファンやウォータポンプの駆動により消費される電力の総量を抑えることができる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するための車両用エンジン冷却装置であり、次の特徴を有する。
前記車両用エンジン冷却装置は、ラジエータと、電動式の冷却ファンと、電動式のウォータポンプと、電子制御ユニットと、車速センサと、を備える。
前記ラジエータは、エンジンの冷却水を循環させる循環回路に設けられる。
前記冷却ファンは、前記ラジエータを通過する空気の流量を調整する。
前記ウォータポンプは、前記冷却水の流量を調整する。
前記電子制御ユニットは、前記冷却水の目標温度に基づいて、前記冷却ファンと前記ウォータポンプとを制御するように構成されている。
前記車速センサは、車速を検出する。
前記電子制御ユニットは、前記目標温度を設定する設定処理を行うように構成されている。
前記設定処理は、基準値に補正値を加える処理である。
前記基準値は、前記エンジンの運転状態に基づいて設定される。
前記補正値は、前記車速が属する速度域に応じて設定される。
前記補正値は、低速度域ではゼロを示す。
前記補正値は、高速度域ではゼロよりも小さい最小値を示す。
前記補正値は、前記低速度域と前記高速度域の間の中速度域では、ゼロよりも小さく、かつ、車速が上昇するほど低い値を示す。

本発明によれば、エンジンの冷却水の目標温度が、基準値に補正値を加えることにより設定される。この基準値は、エンジンの運転状態に基づいて設定される。一方、補正値は、車速が低速度域に属する場合、ゼロに設定される。また、この補正値は、車速が高速度域に属する場合、ゼロよりも小さい最小値に設定される。また、補正値は、車速が中速度域に属する場合、ゼロによりも小さく、かつ、車速が上昇するほど小さな値に設定される。したがって、中速度域〜高速度域では、基準値よりも低い値に目標温度が設定される。特に、高速度域では、目標温度が最も低い値に設定される。

ここで、ラジエータを通過する空気の流量は、車速の影響を受ける。そのため、車速が低い場合は、車速が高い場合に比べて、ラジエータでの所望の放熱量を確保するために冷却ファンやウォータポンプの駆動により消費される電力が多くなる。換言すると、車速が低い場合は、車速が高い場合に比べて、冷却ファンやウォータポンプの駆動により消費される電力当たりの放熱効率が低い。

そして、本発明によれば、この放熱効率が低い低速度域では目標温度が基準値と等しい値に設定され、放熱効率が高い中速度域〜高速度域では目標温度が基準値よりも低い値に設定される。そのため、中速度域〜高速度域での走行中においては高い放熱効率を利用した冷却水の冷却を行い、その後の低速度域での走行中における冷却ファンやウォータポンプの駆動の頻度を抑えることが可能となる。したがって、走行工程の全体で見た場合に、冷却ファンやウォータポンプの駆動により消費される電力の総量を抑えることが可能となる。

本発明の実施の形態に係るエンジン冷却装置の構成を説明する図である。 ラジエータにおける放熱特性と、エンジンの冷却に伴い消費される電力との関係の一例を説明する図である。 目標冷却水温Ｔｗ＿ｔの設定処理の流れの一例を説明する図である。 車速と速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐとの関係の一例を示した図である。 目標冷却水温Ｔｗ＿ｔの設定処理の流れの別の例を説明する図である。 車速と粘度補正値Ｔｍａｐ＿ｖｉｓとの関係の一例を示した図である。 従来のエンジン冷却制御における問題点を説明するタイムチャートである。 本発明の実施の形態のエンジン冷却制御による効果を説明するタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．エンジン冷却装置の構成の説明
図１は、本発明の実施の形態に係るエンジン冷却装置の構成を説明する図である。図１に示すエンジン冷却装置１０は、車両に搭載される。エンジン冷却装置１０は、冷却対象としてのエンジン１２を備えている。エンジン１２の燃焼方式、気筒数や気筒配列は特に限定されない。

エンジン１２の本体（シリンダブロックやシリンダヘッド）には、ウォータジャケット（図示しない）が形成されている。このウォータジャケットには、冷却水路１４が接続されている。ウォータジャケット内には、エンジン１２を冷却するための冷却水（エンジン冷却水）が注入されている。ウォータジャケットおよび冷却水路１４は、エンジン冷却水の循環回路を形成する。

冷却水路１４の途中には、ラジエータ１６が設けられている。ラジエータ１６は、冷却水路１４と繋がる冷却水管を備えている。冷却水管には、エンジン冷却水が注入されている。ラジエータ１６の背面には、電動式の冷却ファン１８が設けられている。冷却ファン１８は、バッテリ（図示しない）からの通電により回転する。冷却ファン１８が回転すると、ラジエータ１６の前面から背面に向かう空気の流れが生じる。この空気は、ラジエータ１６を通過する間にエンジン冷却水から熱を奪う。これにより、エンジン冷却水が冷やされる。

冷却水路１４の途中には、電動式のウォータポンプ（ＷＰ）２０も設けられている。ＷＰ２０は、バッテリからの通電により駆動される。ＷＰ２０が駆動されると、エンジン冷却水が循環回路内を循環する。エンジン冷却水は、ウォータジャケットを通過する間にエンジン１２の本体から熱を奪う。これにより、当該本体が冷やされる。

ラジエータ１６とＷＰ２０の間には、サーモスタット２２が設けられている。サーモスタット２２は、エンジン冷却水の実際の温度（実冷却水温Ｔｗ＿ａ）に応じて開閉動作する。例えば、実冷却水温Ｔｗ＿ａが閾値Ｔｗ＿ｔｈ１未満の場合に閉弁し、エンジン１２とラジエータ１６の間でのエンジン冷却水の循環を停止させる。実冷却水温Ｔｗ＿ａが閾値Ｔｗ＿ｔｈ１以上の場合に開弁し、エンジン１２とラジエータ１６の間でエンジン冷却水を循環させる。

エンジン冷却装置１０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０を備えている。ＥＣＵ３０は、入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、車両に搭載された各種センサからの情報を、入出力インターフェースを介して受け取る。各種センサには、温度センサ３２と、車速センサ３４とが含まれる。温度センサ３２は、ウォータジャケットの出口部に設けられており、この出口部におけるエンジン冷却水の温度を実冷却水温Ｔｗ＿ａとして検出する。車速センサ３４は、車速Ｖ＿ａを検出する。ＥＣＵ３０は、受け取ったセンサ情報を用い、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行する。

２．エンジン本体のエンジン冷却制御
本実施の形態では、ＥＣＵ３０によるエンジン１２の本体の冷却制御として、冷却ファン１８およびＷＰ２０の駆動制御が行われる。

冷却ファン１８の駆動制御は、例えば、次のように行われる。先ず、車速Ｖ＿ａが閾値Ｖ＿ｔｈ１以上であり、尚且つ、実冷却水温Ｔｗ＿ａが閾値Ｔｗ＿ｔｈ２（＞閾値Ｔｗ＿ｔｈ１）以上であるか否かが判定される。そして、この判定結果が肯定的な場合、冷却ファン１８を通過させる空気の流量の目標値が設定される。この通過空気の流量目標値は、エンジン冷却水の目標温度（以下、「目標冷却水温」ともいう。）Ｔｗ＿ｔに基づいて設定される。具体的に、通過空気の流量目標値は、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔが高くなるほど増やされる。通過空気の流量目標値の設定は、事前に設定したマップ等を参照することにより行われる。ただし、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔに関係なく、通過空気の流量目標値が一定値に設定されてもよい。

ＷＰ２０の駆動制御は、例えば、次のように行われる。先ず、実冷却水温Ｔｗ＿ａが閾値Ｔｗ＿ｔｈ１以上であるか否かが判定される。そして、この判定結果が肯定的な場合、ＷＰ２０から送り出されるエンジン冷却水の流量の目標値が設定される。通過空気の流量目標値同様、エンジン冷却水の流量目標値も、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔに基づいて設定される。具体的に、エンジン冷却水の流量目標値は、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔが高くなるほど増やされる。エンジン冷却水の流量目標値の設定は、事前に設定したマップ等を参照することにより行われる。

３．実施の形態のエンジン冷却制御の特徴
３．１ ラジエータの放熱特性と消費電力の関係
冷却ファン１８やＷＰ２０の駆動に伴い、エンジン１２の本体が冷やされる一方で、電力が消費される。図２は、ラジエータにおける放熱特性と、冷却ファン１８やＷＰ２０の駆動により消費される電力との関係の一例を説明する図である。図２に示す「ラジエータ流量」は、ラジエータの冷却水管内を流れるエンジン冷却水の流量を意味する。ラジエータ流量は、ウォータポンプから送り出されるエンジン冷却水の流量（ＷＰ流量）に比例する。「ラジエータ風速」は、ラジエータの前面から背面に向かって流れる空気の速度を表している。ラジエータ風速は、車速およびファン流量の少なくとも一方に比例する。「ファン流量」は、冷却ファンの回転により生じ、ラジエータを通過させる空気の流量を意味する。

図２に示すように、ラジエータでの放熱量は、ラジエータ流量が多くなるほど増加する。つまり、放熱量は、ＷＰ流量が多くなるほど増加する。また、放熱量は、ラジエータ風速が高くなるほど増加する。ただし、上述したように、ラジエータ風速の要素には車速が含まれている。そのため、走行風によるラジエータ風速の上昇が期待できる高車速時にはファン流量やラジエータ流量が少なくても所望の放熱量を確保できる一方で、低車速時にはこれが難しくなる。つまり、冷却ファンやウォータポンプの駆動により消費される電力当たりの放熱効率は、車速が低下するほど低くなる。

３．２ 目標水温設定処理
図２で説明した関係を踏まえ、本実施の形態では、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔを可変に設定する。目標冷却水温Ｔｗ＿ｔの設定処理は、例えば、実冷却水温Ｔｗ＿ａが閾値Ｔｗ＿ｔｈ１以上の場合に、ＥＣＵ３０により繰り返し実行される。以下、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔの設定処理について説明する。

（１）第１の例
図３は、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔの設定処理の流れの一例を説明する図である。図３に示す例では、先ず、車速Ｖ＿ａが取得される（ステップＳ１０）。続いて、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔが決定される（ステップＳ１２）。目標冷却水温Ｔｗ＿ｔは、基準値Ｔｗ＿ｒと速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐの和に基づいて算出される（式（１））。
Ｔｗ＿ｔ＝Ｔｗ＿ｒ＋Ｔｍａｐ＿ｓｐ ・・・（１）

式（１）中の速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐは、速度補正値マップを参照することにより設定される。このマップは、速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐと、車速との関係に基づいて事前に作成されている。図４は、この関係の一例を示した図である。図４に示すように、速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐは、低速度域では一定値（＝ゼロ）を示す。また、速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐは、高速度域でも一定値（最小値）を示す。この最小値は、負の値である。また、速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐは、低速度域と高速度域の間の中速度域では、車速が上昇するほどより小さな値を示す。

このような速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐによれば、車速Ｖ＿ａが低速度域に属するときには、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔが基準値Ｔｗ＿ｒと等しい値に設定されることになる。また、車速Ｖ＿ａが中速度域よりも高い速度域に属するときには、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔが、速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐの分だけ基準値Ｔｗ＿ｒよりも低い値に設定されることになる。なお、基準値Ｔｗ＿ｒは、エンジン回転速度、アクセル開度といったエンジン１２の運転状態に基づいて別途設定される冷却水温の基準値である。基準値Ｔｗ＿ｒの設定は、事前に設定したマップ等を参照することにより行われている。

（２）第２の例
図５は、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔの設定処理の流れの別の例を説明する図である。図５に示す例では、先ず、車速Ｖ＿ａが取得される（ステップＳ２０）。続いて、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔが決定される（ステップＳ２２）。目標冷却水温Ｔｗ＿ｔは、速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐとオイル粘度補正値Ｔｍａｐ＿ｖｉｓの積と、基準値Ｔｗ＿ｒとの和に基づいて算出される（式（２））。
Ｔｗ＿ｔ＝Ｔｗ＿ｒ＋Ｔｍａｐ＿ｓｐ×Ｔｍａｐ＿ｖｉｓ ・・・（２）

式（２）中の速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐは、式（１）中の速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐと同一である。式（２）中のオイル粘度補正値Ｔｍａｐ＿ｖｉｓは、オイル粘度補正値マップを参照することにより設定される。このマップは、オイル粘度補正値Ｔｍａｐ＿ｖｉｓと、エンジンのオイル粘度との関係に基づいて事前に作成されている。図６は、この関係の一例を示した図である。図６に示すように、オイル粘度補正値Ｔｍａｐ＿ｖｉｓは、オイル粘度が高くなるほど小さな値に設定される。また、オイル粘度補正値Ｔｍａｐ＿ｖｉｓの最小値は、１に設定される。

このようなオイル粘度補正値Ｔｍａｐ＿ｖｉｓによれば、オイル粘度が高くなるほど目標冷却水温Ｔｗ＿ｔがより低い値に設定されることになる。なお、オイル粘度は、センサ等を用いて直接検出してもよいし、公知の手法を用いて推定してもよい。

上記第１の例では、中速度域よりも高い速度域ではエンジン１２の本体の温度が相対的に低くなる。そのため、オイルが冷やされ、オイル粘度が上昇することでエンジンフリクションが増加する。この点、速度補正値Ｔｍａｐ＿ｓｐにオイル粘度補正値Ｔｍａｐ＿ｖｉｓを乗算する第２の例によれば、エンジン１２の本体の温度が低くなり過ぎるのを未然に防ぐことができる。

４．実施の形態のエンジン駆動制御による効果
図７は、従来のエンジン冷却制御における問題点を説明するタイムチャートである。図８は、本実施の形態のエンジン冷却制御による効果を説明するタイムチャートである。両図に示す領域Ａ〜Ｅは、車両の走行状態（定速走行、減速走行および加速走行）の違いに基づいて区分けしたものである。両図に共通する領域における車速は同じである。時刻Ｔ１〜Ｔ４は、走行状態が変化した時刻を表している。両図の下段に示す「冷却系消費電力」は、冷却ファンやウォータポンプの駆動により消費される電力を指している。

図７に示す従来の制御では、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔが一定値に設定されている。これに対し、図８に示す本実施の形態の制御では、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔが車速に応じて変更される。そのため、時刻Ｔ１〜Ｔ３における冷却系消費電力の量は、本実施の形態の制御の方が従来の制御よりも多くなる。

しかし、図２の説明に基づけば、高車速時にはファン流量やラジエータ流量が少なくても所望の放熱量を確保できることから、時刻Ｔ１〜Ｔ３の間における冷却系消費電力の量は抑えられる。更に、この時刻Ｔ１〜Ｔ３の間は、目標冷却水温Ｔｗ＿ｔの変更に伴い実冷却水温Ｔｗ＿ａが低下する。したがって、時刻Ｔ３以降に車速が低下した場合に、実冷却水温Ｔｗ＿ａが目標冷却水温Ｔｗ＿ｔを下回り続ける時刻Ｔ３〜Ｔ５の間は、冷却ファンやウォータポンプの駆動を停止して冷却系消費電力を大きく削減することができる。

以上のことから、本実施の形態の制御によれば、走行工程の全体で見た場合に、冷却ファンやウォータポンプの駆動により消費される電力の総量を抑えることが可能となる。

１０ エンジン冷却装置
１２ エンジン
１４ 冷却水路
１６ ラジエータ
１８ 冷却ファン
２０ ウォータポンプ
２２ サーモスタット
３０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３２ 温度センサ
３４ 車速センサ

Claims (1)

1. エンジンの冷却水を循環させる循環回路に設けられたラジエータと、
   前記ラジエータを通過する空気の流量を調整する電動式の冷却ファンと、
   前記冷却水の流量を調整する電動式のウォータポンプと、
   前記冷却水の目標温度に基づいて、前記冷却ファンと前記ウォータポンプとを制御するように構成された電子制御ユニットと、
   車速を検出する車速センサと、
   を備える車両用エンジン冷却装置であって、
   前記電子制御ユニットは、前記目標温度を設定する設定処理を行うように構成され、
   前記設定処理が、前記エンジンの運転状態に基づいて設定した基準値に、前記車速が属する速度域に応じて設定される補正値を加える処理であり、
   前記補正値は、
   低速度域ではゼロを示し、
   高速度域ではゼロよりも小さい最小値を示し、
   前記低速度域と前記高速度域の間の中速度域では、ゼロよりも小さく、かつ、車速が上昇するほど低い値を示す
   ことを特徴とする車両用エンジン冷却装置。

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