JP2022055695A - ピストン温度制御装置およびピストン温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン温度の振幅を低減することが可能なピストン温度制御装置およびピストン温度制御方法を提供する。【解決手段】ピストン温度制御装置１は、内燃機関のピストンの目標温度を設定する設定部３０と、設定された目標温度を、所定の時定数により補正する補正部４０と、補正された目標温度に基づいて、ピストンへのオイルの供給を制御する制御部５０と、を備える。例えば、内燃機関の運転状態を示す状態情報を取得する取得部１０をさらに備え、設定部３０は、状態情報に基づいて目標温度を設定する。【選択図】図１

Description

本開示は、ピストン温度制御装置およびピストン温度制御方法に関する。

従来、内燃機関のピストンの背面側に冷却用オイルを噴射して、ピストンを冷却する装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１には、ピストン温度を推定し、推定されたピストン温度に基づいて、ピストンの背面側への冷却用オイルの噴射を制御することが開示されている。

また、内燃機関のピストン温度を推定する推定部と、推定されたピストン温度を、ピストン温度の変化速度に基づいて補正する補正部と、補正されたピストン温度に基づいて、ピストンへオイルを供給する制御をする制御部とを備える装置が開示されている（例えば、特許文献２を参照）。

特許文献２に記載された装置によれば、過渡的なピストン温度を推定可能である。推定されたピストン温度に基づいて、オイルの供給を制御することにより、ピストン温度の振幅を低減させ、ピストンの高寿命化に寄与するとともに、オイルの噴射を停止してピストン温度を上げることにより、筒内の冷却損失が低減することが可能となる。また、オイル噴射部と可変オイルポンプとを組み合わせることで、ポンプの流量を最小限に抑えることができるため、油圧システムの圧力損失を低減させて、ポンプ駆動力を低減することでき、燃費を低減することが可能となる。

特開２０１２－１４５０２１号公報 特開２０２０－５１３０４号公報

ところで、ピストン温度に基づいてオイルの供給を制御することにより、ピストン温度の振幅を低減することが可能となる一方で、目標となるピストンの設定温度（目標温度）を一定温度とした場合、内燃機関の運転状態に応じてピストン温度の振幅を低減することは難しい。例えば、市街地走行時ではピストン温度が低い状態となることから、目標温度は低い方が好ましい。また、例えば、高速道路走行時や登坂路走行時では負荷が高くなるため、目標温度は高い方が好ましい。また、内燃機関の負荷は使用される車両重量等によっても異なるため、ピストン温度は車両重量等によっても変動する。

本開示の目的は、内燃機関の運転状態が変化してもピストン温度の振幅を低減することが可能なピストン温度制御装置およびピストン温度制御方法を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示におけるピストン温度制御装置は、
内燃機関のピストンの目標温度を設定する設定部と、
設定された前記目標温度を、所定の時定数により補正する補正部と、
補正された前記目標温度に基づいて、ピストンへのオイルの供給を制御する制御部と、
を備える。

本開示におけるピストン温度制御方法は、
内燃機関のピストンの目標温度を設定するステップと、
設定された前記目標温度を、所定の時定数により補正するステップと、
補正された前記目標温度に基づいて、ピストンへのオイルの供給を制御するステップと、
を備える。

本開示によれば、ピストン温度の振幅を低減することができる。

図１は、実施形態に係るピストン温度制御装置の構成の一例を示す図である。 図２は、ピストン目標温度設定マップの一例を示す図である。 図３は、一時遅れ系の時刻歴応答の一例を示す図である。 図４Ａは、市街路走行時、高速道路走行時および登坂路走行時におけるピストン温度の変化の一例を示す図である。 図４Ｂは、図４Ａの一部を拡大して示す図である。 図５は、ピストン温度制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は一例であり、本開示はこの実施形態により限定されるものではない。

まず、図１を参照して、ピストン温度制御装置１の構成について説明する。図１は、実施形態に係るピストン温度制御装置１の構成の一例を示す図である。ピストン温度制御装置１は、車両２に搭載される内燃機関であるエンジン３が備えるピストンの温度を制御するコンピュータである。

車両２は、例えばバス、トラック等の大型の車両である。ピストン温度制御装置１は、車両２に搭載されており、車両２に設けられている各種センサからエンジン３の運転状態を示すエンジン状態情報を取得する。

エンジン３は、例えば、ディーゼルエンジンである。なお、エンジン３は、火花点火エンジン等であってもよい。また、車両２は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システムおよびターボチャージャを実装している。また、エンジン３は、可変バルブ機構を実装している。なお、エンジン３は、ＥＧＲシステム、ターボチャージャおよび可変バルブ機構を有しないものでもよい。

図１に示すように、ピストン温度制御装置１は、取得部１０と、記憶部２０と、設定部３０と、補正部４０と、制御部５０とを機能的要素として備える。ピストン温度制御装置１は、ハードウェアとして、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を有する。以下において説明するピストン温度制御装置１の各機能は、ＣＰＵがＲＯＭから読み出したコンピュータプログラムをＲＡＭ上で実行することにより実現される。

取得部１０は、各種センサからエンジン状態情報を取得する。

記憶部２０は、エンジン３のピストンの目標温度の設定に用いられるマップを記憶している。また、記憶部２０は、ピストンの目標温度の補正に用いられる時定数を記憶している。

設定部３０は、取得されたエンジン状態に基づいて、記憶部２０に記憶されているマップを参照して、エンジン３のピストンの目標温度を設定する。

補正部４０は、ピストンの目標温度を記憶部２０に記憶されている時定数を用いて補正する。

制御部５０は、補正部４０で補正されたピストンの目標温度に基づいて、ピストンの背面側への冷却用オイルの噴射を制御する。

（取得部１０）
取得部１０は、エンジン状態情報として、エンジン３のクランクシャフトの回転速度を取得する。また、取得部１０は、エンジン状態情報として、エンジン３の燃焼室への燃料噴射量を取得する。さらに、取得部１０は、エンジン状態情報として、冷却用オイルの油圧、冷却用オイルの油温、吸気温度、吸入空気量、および、燃料噴射タイミングを取得する。さらにまた、取得部１０は、エンジン状態情報として、冷却水の水温、燃料噴射圧力、排気ブレーキの動作信号、吸入空気温度、排気温度、吸気圧力等を取得する。

（記憶部２０）
記憶部２０には、クランクシャフトの回転速度および燃料噴射量をパラメータとするピストン目標温度設定マップが記憶されている。

図２は、ピストン目標温度設定マップの一例を示す図である。図２では横軸にクランクシャフトの回転速度［ｒｐｍ］を示し、縦軸に1ストローク当たりの燃料噴射量［ｍｍ^３／ｓｔ］を示す。

（設定部３０）
設定部３０は、パラメータ（クランクシャフトの回転速度および燃料噴射量）に基づき、ピストン目標温度設定マップを参照して、ピストンの目標温度を設定する。図２に、設定される目標温度の一例としての目標温度１から目標温度５を示す。ここで、目標温度２は目標温度１よりも高く、目標温度３は目標温度２よりも高く、目標温度４は目標温度３よりも高く、目標温度５は目標温度４よりも高い。

（補正部４０）
補正部４０は、設定部３０により設定された目標温度を、所定の時定数により補正する。

図３は、ピストン温度の一次遅れ応答の一例を示す図である。図３では、横軸に時間［ｓｅｃ］を示し、縦軸にピストン温度を示す。図３に破線で目標温度［℃］を示す。

例えば、ピストン温度の一次遅れ応答は、実験又はシミュレーションにより求めることが可能である。また、求められたピストン温度の一次遅れ応答から時定数を求めることが可能となる。なお、時定数は、複数の目標温度（例えば、目標温度１から目標温度５）毎に求められてもよく、代表する目標温度について求められてもよい。求められた時定数は記憶部２０に記憶される。

補正部４０は、例えば以下の式（１）を用いてピストンの目標温度を算出する（目標温度の補正）。なお、目標温度の算出式は式（１）に限定されない。式（１）中、ｕは、入力値としての目標温度（設定部３０により設定された目標温度）であり、ｙは、出力値としての一時遅れ計算後の目標温度（以下、「補正目標温度」という）であり、Ｔｃは時定数である。

（制御部５０）
制御部５０は、補正部４０により補正された目標温度（補正目標温度）に基づいて、ピストンの背面側への冷却用オイルの噴射量を調整する制御を実行する。

本実施形態では、オイルポンプは、可変オイルポンプである。また、オイルポンプとオイルジェットとの間の油路には、オイルジェットからの冷却用オイルの噴射を制御する供給バルブが設けられている。

供給バルブが「閉」のとき、オイルポンプからオイルジェットへの油路は遮断され、オイルジェットから冷却用オイルは噴射されない。供給バルブが「開」のとき、オイルジェットから冷却用オイルが噴射される。ここでは、供給バルブの一例として、オイルジェットをオン・オフ制御可能なＯＮ／ＯＦＦソレノイドを挙げるが、オイルジェットを無段階に制御可能なリニアソレノイドバルブでもよい。

制御部５０は、オイルジェットの供給バルブおよびオイルポンプの少なくとも一方を制御する。なお、ピストンの背面側へ冷却用オイルを噴射する装置の構成については、公知であるため、詳細な説明を省略する。

図４Ａの上段は、市街地走行時、高速道路走行時および登坂路走行時におけるピストン温度の変化の一例を示す。上段では横軸に時間［ｓｅｃ］を示し、縦軸にピストン温度［℃］を示す。また、図４Ａの下段は、市街地走行時、高速道路走行時および登坂路走行時におけるオイルジェット制御時の信号を示す。

図４Ａの上段に示す実線は、一般的な量産エンジンにおいてオイルジェットの噴射が常時行われる場合のピストン温度を示している。一般的なエンジンにおいては、オイルジェットの噴射の制御は行われない。

図４Ａの上段に示す一点鎖線は、補正目標温度（一遅れをもつ目標温度）を示す。図４Ａの上段に示す破線は、補正目標温度に基づいてオイルジェットの噴射が制御される場合のピストン温度を示している。

図４Ｂは、図４Ａの一部（登坂路走行時の部分）を拡大した図である。図４Ｂからわかるように、登坂路走行時におけるピストン温度の振幅は、補正目標温度に基づいてオイルジェットの噴射が制御される場合の方がオイルジェットの噴射が常時行われる場合よりも低減される。

次に、図５を参照して、ピストン温度制御装置１の動作について説明する。図５は、ピストン温度制御装置１の動作の一例を示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、所定の周期で繰り返し実行される。

先ず、ステップＳ１００で、ピストン温度制御装置１（具体的には、取得部１０）は、エンジン３のクランクシャフトの回転速度およびエンジン３の燃焼室への燃料噴射量を含むエンジン状態情報を取得する。

次に、ステップＳ１１０で、ピストン温度制御装置１（具体的には、設定部３０）は、取得されたクランクシャフトの回転速度および燃料噴射量に基づいて、記憶部２０に記憶されたピストン目標温度設定マップを参照して、ピストンの目標温度を設定する。

次に、ステップＳ１２０で、ピストン温度制御装置１（具体的には、補正部４０）は、時定数に基づいて、目標温度を補正する（補正目標温度の算出）。

次に、ステップＳ１３０で、ピストン温度制御装置１（具体的には、制御部５０）は、補正目標温度に基づいて、冷却用オイルの噴射量を調整する制御を実行する。その後、図５に示すフローは終了する。

以上説明したように、本実施形態におけるピストン温度制御装置１は、エンジン３のピストンの目標温度を設定する設定部３０と、設定された目標温度を、所定の時定数により補正する補正部４０と、補正された補正目標温度に基づいて、ピストンへのオイルの供給を制御する制御部５０と、を備える。

上記構成により、目標温度に1次遅れを持たせて、過渡時の目標値としたため、目標値がゆっくりとした変化となる。これにより、ピストン温度の振幅を低減することが可能となる。ひいては、ピストンの耐久性を向上することが可能となる。

また、本実施形態によれば、ピストン温度の振幅を低減するように制御した結果、ピストン温度が高く維持されることによってブローバイ流量が低減し、これにより、筒内図示出力の改善を図ることができる。また、シリンダとのクリアランス維持によりフリクションの改善を図ることができ、また、潤滑油消費量の低減ができる。

本実施形態では、設定部３０は、エンジン３の運転状態を示す状態情報に基づいて目標温度を設定する。これにより、目標温度を運転状態に対応したものとなるため、過渡時の目標値も運転状態に適応したものとなる。さらに、設定部３０は、マップを参照して目標温度を設定する。例えば、エンジンの型式が変わった場合でも、そのエンジンに対応したマップに交換することで、本制御を実行することができる。

また、本実施形態によれば、取得部１０は、状態情報としてエンジン３のクランクシャフトの回転速度とエンジン３の燃焼室への燃料噴射量を取得する。例えば、ピストン温度は、クランクシャフトの回転速度や燃料噴射量と関係するため、状態情報としてクランクシャフトの回転速度等を取得することで、状態情報に適好する目標温度を設定することができる。

上述の実施形態では、エンジン３の運転状態を示す状態情報として、クランクシャフトの回転速度および燃焼室への燃料噴射量を例に説明を行ったが、これに限定されない。例えば、状態情報は、エンジンの出力あるいはトルクや、アクセルペダル開度、車両重量であってもよい。
また、上記の実施形態においては、時定数および目標温度マップは内燃機関の運転状態によらず一定としたが、内燃機関の運転状態に応じて変更してもよい。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示によれば、ピストン温度の振幅を低減することが要求されるピストン温度制御装置を備えた車両に好適に利用される。

１ ピストン温度制御装置
２ 車両
３ エンジン
１０ 取得部
２０ 記憶部
３０ 設定部
４０ 補正部
５０ 制御部

Claims (5)

1. 内燃機関のピストンの目標温度を設定する設定部と、
   設定された前記目標温度を、所定の時定数により補正する補正部と、
   補正された前記目標温度に基づいて、ピストンへのオイルの供給を制御する制御部と、
   を備える、ピストン温度制御装置。
2. 内燃機関の運転状態を示す状態情報を取得する取得部をさらに備え、
   前記設定部は、前記状態情報に基づいて前記目標温度を設定する、
   請求項１に記載のピストン温度制御装置。
3. 前記取得部は、前記状態情報として前記内燃機関のクランクシャフトの回転速度と前記内燃機関の燃焼室への燃料噴射量とを取得する、
   請求項２に記載のピストン温度制御装置。
4. 前記回転速度および前記燃料噴射量と前記目標温度との関係を示すマップを記憶する記憶部をさらに備え、
   前記設定部は、前記回転速度および前記燃料噴射量に基づき、前記マップを参照して前記目標温度を設定する、
   請求項３に記載のピストン温度制御装置。
5. 内燃機関のピストンの目標温度を設定するステップと、
   設定された前記目標温度を、所定の時定数により補正するステップと、
   補正された前記目標温度に基づいて、ピストンへのオイルの供給を制御するステップと、
   を備える、ピストン温度制御方法。

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