JP2022146214A - 内燃機関の冷却システム及び内燃機関の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりもポンプを駆動する内燃機関の燃費を改善できる冷却システムの提供。【解決手段】内燃機関３を冷却する冷却水を送出する回転式のウォータポンプ４１と、ウォータポンプ４１の駆動を制御する制御部２９と、内燃機関３の回転数と負荷を取得する運転状態取得部４５と、冷却水の入口温度と出口温度を検出する温度検出部４７を備え、制御部２９は、内燃機関３の回転数と負荷と、出口温度が所定の範囲になるウォータポンプ４１の目標回転数との関係を示す目標回転数マップに、運転状態取得部４５が検出した回転数と負荷を当てはめて目標回転数を決定し、温度検出部４７が検出した入口温度と出口温度の温度差を求め、出口温度が所定の範囲内に維持される範囲で、温度差が目標温度差範囲内に近づくように目標回転数を補正した補正回転数でウォータポンプ４１を駆動する内燃機関の冷却システム。【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関の冷却システム及び内燃機関の冷却方法に関する。

内燃機関は駆動中の温度が高過ぎるとオーバーヒートと呼ばれる過熱状態になり、走行性能の悪化や部品の損傷を招く。そのため、内燃機関の内部に冷却水を導入して熱交換で内燃機関を冷却し、熱交換後の冷却水をラジエータで冷却して内燃機関に再導入する冷却システムを備える場合がある。一方で駆動中の内燃機関の温度が低すぎると燃焼室内を燃料の燃焼温度以上に昇温するのが困難になる。そこで、冷却水を内燃機関に送出するポンプの駆動を制御することで、冷却水の温度を所定の範囲に維持する場合がある。例えば特許文献１では内燃機関の回転数や燃料噴射量に基づいて推定される冷却水温に応じて、冷却水を送出するポンプの駆動を制御することで、冷却水温を所定温度に保持する技術が記載されている。また特許文献２には冷却水を所定の温度範囲内に保持するようにポンプを周期的に作動させる技術が記載されている。

特開２０１３－２４０８５号公報 特開２０１１－４７３９４号公報

しかしながら特許文献１、２の冷却システムでは冷却水温が所定の温度範囲に維持されている状態でのポンプの回転数が、冷却水温を所定の温度範囲に維持するために十分な回転数であることは分かるが、必要最小限か、それよりも過剰かは判断できない。そのため、運転条件によっては回転数が過剰となり、ポンプを駆動する内燃機関の燃費が悪化する場合があった。本開示は上記課題に鑑みてなされたもので、ポンプを駆動する内燃機関の燃費を従来よりも改善できる冷却システムの提供を目的とする。

上記の目的を達成するための本開示の一態様は、内燃機関の内部と外部で循環させた冷却水との熱交換で前記内燃機関を冷却する冷却水流路と、前記冷却水流路に設けられ熱交換後の前記冷却水を冷却するラジエータと、前記冷却水流路に設けられ、前記冷却水を送出する回転式のポンプと、前記ポンプの駆動を制御する制御部を備える内燃機関の冷却システムであって、前記内燃機関の回転数と負荷を取得する運転状態取得部と、前記内燃機関の内部に導入される前記冷却水の温度である入口温度と前記内燃機関から外部に送出される前記冷却水の温度である出口温度を検出する温度検出部を備え、前記制御部は、前記内燃機関の回転数と負荷と、前記出口温度が予め定められた所定の範囲になる前記ポンプの目標回転数との関係を示す目標回転数マップに、前記運転状態取得部が検出した前記内燃機関の回転数と負荷を当てはめて前記目標回転数を決定し、前記温度検出部が検出した前記入口温度と前記出口温度の温度差を求め、前記温度差が予め定められた所定の目標温度差範囲内の場合は前記目標回転数で前記ポンプを駆動し、目標温度差範囲外の場合は、前記出口温度が前記所定の範囲内に維持される範囲で、前記温度差が前記目標温度差範囲内に近づくように前記目標回転数を補正した補正回転数で前記ポンプを駆動することを特徴とする。

また、本開示の他の態様は、内燃機関の内部と外部で循環させた冷却水との熱交換で前記内燃機関を冷却する冷却水流路と、前記冷却水流路に設けられ熱交換後の前記冷却水を冷却するラジエータと、前記冷却水流路に設けられ、前記冷却水を送出する回転式のポンプを備える内燃機関の冷却システムを用いた内燃機関の冷却方法であって、前記内燃機関の回転数と負荷を取得する運転状態取得工程と、前記内燃機関の回転数と負荷と、前記内燃機関から外部に送出される前記冷却水の温度である出口温度が予め定められた所定の範囲になる前記ポンプの目標回転数との関係を示す目標回転数マップに、前記運転状態取得工程で検出した前記内燃機関の回転数と負荷を当てはめて前記ポンプの前記目標回転数を決定する目標回転数決定工程と、前記内燃機関の内部に導入される前記冷却水の温度である入口温度と、前記出口温度を検出する温度検出工程と、前記温度検出工程で検出した前記入口温度と前記出口温度の温度差を求め、前記温度差が予め定められた所定の目標温度差範囲内の場合は前記目標回転数で前記ポンプを駆動し、前記目標温度差範囲外の場合は、前記出口温度が前記所定の範囲内に維持される範囲で、前記温度差が前記目標温度差範囲内に近づくように前記目標回転数を補正した回転数で前記ポンプを駆動するポンプ駆動工程と、を実施することを特徴とする。

本開示によれば、従来よりもポンプを駆動する内燃機関の燃費を改善できる冷却システムを提供できる。

本開示の実施形態に係る内燃機関の冷却システムの概略構成を示す図である。 図１の冷却システムを用いた冷却方法の手順を示すフロー図である。 図２のフロー図の続きであって、内燃機関が運転域遷移時の場合を示すフロー図である。 図２のフロー図の続きであって、内燃機関が冷間始動時の場合を示すフロー図である。

以下、図面に基づき本開示の実施形態を詳細に説明する。

まず図１を参照して本開示の実施形態に係る冷却システム３１の概略構成を説明する。図１では冷却システム３１として、内燃機関３としてのディーゼルエンジン及びその駆動油を冷却する水冷式の機構を例示する。

まず内燃機関３の構造を簡単に説明する。

内燃機関３は空気を酸化剤として燃料を燃焼させて機械仕事を得る装置である。図１に示すように内燃機関３は円筒状の気筒３ａと、気筒３ａ内に上下動可能に配置された円柱状のピストン３ｂと、これらの部材及び気筒３ａの上端部である図示しないシリンダヘッドに囲まれた空間である燃焼室を備える。

この構造では、図示しない吸気路から燃焼室に導入された空気を、ピストン３ｂで燃料の発火点以上に圧縮加熱し、燃料噴射装置４５ａから燃焼室に燃料を噴射して燃料を自己発火させピストン３ｂを押し出すことで機械仕事を得る。図１に示すようにピストン３ｂにはコンロッド３ｃやクランクシャフト５が連結されており、上下動を回転運動に変換する。燃焼後の排ガスは図示しない排気路に排出される。

次に冷却システム３１の構成を説明する。

図１に示す冷却システム３１は内燃機関３及びその駆動油を冷却する機構であり、冷却水流路３３、ラジエータ３７、ファン４２、サーモスタット３９、ウォータポンプ４１、運転状態取得部４５、温度検出部４７、及び制御部２９を備える。

冷却水流路３３は内燃機関３の内部と外部を連通して設けられた流路であって、冷却水を循環させて冷却水との熱交換で内燃機関３を冷却する流路である。図１に示すように冷却水流路３３は入口流路３３ａ、出口流路３３ｂ、及びウォータジャケット３３ｃを備える。

入口流路３３ａは内燃機関３に導入される冷却水が流れる流路であり、内燃機関３の外側に設けられる。出口流路３３ｂは内燃機関３から送出された冷却水が流れる流路であり、内燃機関３の外側に設けられる。ウォータジャケット３３ｃは内燃機関３の内部の部品の周囲に設けられた流路であり、入口流路３３ａ及び出口流路３３ｂと接続される。ここでは部品としてシリンダライナを例示している。ウォータジャケット３３ｃでは、入口流路３３ａから導入された冷却水と、内燃機関３内の部品であるシリンダライナとの間で熱交換を行うことでシリンダライナを冷却する。熱交換で昇温した冷却水は出口流路３３ｂに送出される。

ラジエータ３７は内燃機関３内の部品との熱交換で昇温した冷却水を冷却する装置であり、内燃機関３の外部で、かつ冷却水流路３３の中途に設けられる。図１ではラジエータ３７は入口流路３３ａ及び出口流路３３ｂに接続され、出口流路３３ｂから導入された冷却水を外気との熱交換で冷却して入口流路３３ａに送出する熱交換器である。ラジエータ３７の具体的な構造としては冷却水が鉛直方向に流れるダウンフロー式や冷却水が水平方向に流れるクロスフロー式が挙げられる。

ファン４２は回転することでラジエータ３７に風を当てて冷却を加勢する羽根車であり、図１ではクランクシャフト５と同軸に連結されてクランクシャフト５の動力で回転する機械式を例示している。図１ではファン４２とクランクシャフト５は、動力の断接を行う図示しないファンクラッチを介して連結されており、ファンクラッチの断接によりファン４２の回転数を制御できる。

サーモスタット３９は出口流路３３ｂから導入された冷却水のうち、ラジエータ３７に導入する冷却水の流量を調整することで冷却水の温度を調整する弁である。サーモスタット３９は三方弁の一種であり、出口流路３３ｂを流れる冷却水をラジエータ３７及び入口流路３３ａに分配する。なお入口流路３３ａに分配する場合はサーモスタット３９と入口流路３３ａを結ぶ流路である迂回路３３ｄを介して冷却水を入口流路３３ａに流す。入口流路３３ａに流した冷却水はラジエータ３７で冷却されないため、ラジエータ３７及び入口流路３３ａに分配する冷却水の流量をサーモスタット３９で調整することで、冷却水の温度を調整できる。サーモスタット３９は内部のワックスを加熱して膨張させることでバルブ開度を調整する構造を例示できるが、電磁弁でもよい。

ウォータポンプ４１は導入された冷却水を吐出することで冷却水流路３３内に図１の矢印で示す向きに冷却水の水流を生成する回転式のポンプであり、図１では入口流路３３ａに設けられる。ただしウォータポンプ４１の設置位置は出口流路３３ｂでもよい。ウォータポンプ４１は所望の流量で冷却水を冷却水流路３３内で循環させられるのであれば、公知のポンプを例示できる。図１ではクランクシャフト５の動力で駆動する機械式のポンプを例示しているが、電動ポンプでもよい。機械式のポンプの場合、図１に示すようにクランクシャフト５にプーリ４１ａ、４１ｂ、タイミングベルト４１ｃ、及びクラッチ４３を介してウォータポンプ４１がクランクシャフト５に連結される。プーリ４１ａはクランクシャフト５の出力軸に固定された滑車である。プーリ４１ｂはウォータポンプ４１の入力軸に固定された滑車である。タイミングベルト４１ｃはプーリ４１ａとプーリ４１ｂに巻きまわされて動力を伝達するベルトである。クラッチ４３はプーリ４１ｂとウォータポンプ４１の入力軸の間の動力の断接を行う段接板であり、電磁クラッチや流体クラッチ等の公知の機構が用いられる。この構造ではウォータポンプ４１の回転数が目標とする回転数を超える場合はクラッチ４３を切り、目標とする回転数未満の場合はクラッチ４３をつなぐことでウォータポンプ４１の回転数を制御する。サーモスタット３９がラジエータ３７に冷却水を流している場合、通常はウォータポンプ４１の回転数が大きくなるほど冷却水の流速が速くなるため内燃機関３の温度が下がる。

運転状態取得部４５は内燃機関３の回転数と負荷を取得する手段である。内燃機関３の回転数と負荷を取得する理由は、これらの値に応じて制御部２９がウォータポンプ４１の回転数を制御するためである。図１では回転数を取得する手段としてクランクシャフト５の回転数を実測する回転計４５ｂを例示しているが、燃料噴射量等から制御部２９が回転数を推算する構成でもよい。この場合、制御部２９が運転状態取得部４５を兼ねる。

内燃機関３の負荷を取得する手段は、負荷を示す物理量として何を採用するかによって異なる。

負荷を示す物理量としてはまず燃料流量が挙げられる。燃料流量とは、内燃機関３の燃焼室に噴射される燃料の単位時間当たりの噴射量である。内燃機関３の燃焼では負荷に応じて燃料流量を変えるため、燃料流量が分かれば負荷も分かるためである。燃料流量は図１に示す燃料噴射装置４５ａに設けられた圧力センサの圧力変動から求めることができ、この場合は圧力センサが運転状態取得部４５になる。また内燃機関３の駆動を制御するエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）が燃料噴射装置４５ａに指示する噴射量の指示量を燃料流量として制御部２９が取得してもよい。この場合は制御部２９が運転状態取得部４５を兼ねる。なお図１では燃料噴射装置４５ａとして燃料を噴射するインジェクタのみを図示しているが、公知の燃料噴射装置４５ａには燃料を所定の圧力で保持してインジェクタに送出する蓄圧室であるコモンレールが設けられている。そのため、コモンレールの圧力変動から燃料流量を求めてもよい。

負荷を示す物理量としてはアクセル開度を用いてもよい。アクセル開度が大きくなるほど燃料流量が多くなるため、アクセル開度が分かれば負荷が分かるためである。アクセル開度は図１に示すアクセル開度センサ４５ｄ（Accelerator Position Sensor）で検出できるので、この場合はアクセル開度センサ４５ｄが運転状態取得部４５になる。

負荷を示す物理量としては内燃機関３の排ガス温度を用いてもよい。内燃機関３の燃焼温度が高くなるほど排ガス温度が高くなるが、燃料流量が多くなるほど内燃機関３の燃焼温度は高くなる。よって排ガス温度が分かれば負荷が分かる。この場合は内燃機関３の図示しない排気路内に設けられ、排ガスの温度を検出する排ガス温度センサ４５ｃが運転状態取得部４５になる。

負荷を示す物理量として燃料流量、アクセル開度、排ガス温度のいずれを用いるかは、各々の利点を考慮して適宜選択する。

例えば燃料流量を用いる場合は、既存の燃料噴射量の検出装置や噴射量の指示量をそのまま燃料流量として検出できるので、検出計を別置する必要がなく、指示量を用いる場合はセンサ自体が不要な点で有利である。

アクセル開度を用いる場合はアクセル開度センサ４５ｄの検出値をそのままアクセル開度として検出できるので、検出計を別置する必要がない点で有利である。

排ガス温度を用いる場合、排ガス浄化装置等の後処理装置に設けた排ガス温度センサ４５ｃを用いれば排ガス温度を検出できるので、検出計を別置する必要がない点で有利である。

温度検出部４７は冷却水流路３３を流れる冷却水の温度を検出する温度センサである。具体的には温度検出部４７は、内燃機関３の内部に導入される冷却水の温度である入口温度を検出する入口温度センサ４７ａと、内燃機関３から外部に送出される冷却水の温度である出口温度を検出する出口温度センサ４７ｂを備える。入口温度センサ４７ａは入口流路３３ａにおいて、内燃機関３への入口、ここではウォータジャケット３３ｃとの接続部に設けられる。出口温度センサ４７ｂは出口流路３３ｂにおいて内燃機関３からの出口、ここではウォータジャケット３３ｃとの接続部に設けられる。

入口温度センサ４７ａ及び出口温度センサ４７ｂは内燃機関３が動作する際の冷却水の温度で容易に劣化せず、所望の精度で温度を検出できるのであれば公知の温度センサを用いればよい。

制御部２９は冷却水の流量や温度を制御することで内燃機関３の冷却を制御するコンピュータであり、特にポンプとしてのウォータポンプ４１の駆動を制御するコンピュータである。制御部２９はウォータポンプ４１とクランクシャフト５の動力の断接を行うクラッチ４３と電気的に接続されており、クラッチ４３の断接によりウォータポンプ４１の回転数を制御する。制御部２９は図示しないファンクラッチとも電気的に接続されており、ファンクラッチの断接でファン４２の回転数を制御することでラジエータ３７による冷却水の冷却をファン４２に加勢させる。制御部２９は運転状態取得部４５とも電気的に接続されており、内燃機関３の回転数と負荷を示す信号が入力される。制御部２９は温度検出部４７とも電気的に接続されており、冷却水の入口温度と出口温度を示す信号が入力される。

制御部２９は、内燃機関３の回転数と負荷、及び冷却水の温度に基づき、ウォータポンプ４１の駆動を以下のように制御する。

まず制御部２９は内燃機関３の回転数と負荷と、冷却水の出口温度が予め定められた所定の範囲になるウォータポンプ４１の目標回転数との関係を示す目標回転数マップを予め記憶している。制御部２９はこの目標回転数マップに、運転状態取得部４５が検出した内燃機関３の回転数と負荷を当てはめてウォータポンプ４１の目標回転数を決定する。目標回転数は、冷却水の出口温度、つまり内燃機関３内の冷却水の温度を予め定められた範囲内に維持するのに十分な回転数である。予め定められた範囲とは、内燃機関３が冷却不足でオーバーヒートを起こしたり、冷却過多で燃焼不良を起こしたりしない温度範囲である。目標回転数でウォータポンプ４１を駆動すれば冷却水がこの温度範囲に維持されるため、内燃機関３の駆動自体には支障はない。ただし目標回転数は、冷却水の出口温度、つまり内燃機関３内の冷却水の温度を予め定められた範囲内に維持するのに十分な回転数ではあるが、必要最小限な回転数とは限らない。例えば冷却水の出口温度が予め定められた範囲内に維持されていたとしても、入口温度と出口温度の温度差がほとんどない場合、目標回転数は内燃機関３内の冷却水温度を所定の範囲に維持するために十分であっても、必要最小限の回転数を超えている。つまり、冷却水の入口温度と出口温度の温度差＝出口温度－入口温度を見れば、ウォータポンプ４１の回転数が内燃機関３内の冷却水温度を所定の範囲に維持するために必要な量であるか否かが分かる。そこで制御部２９は温度検出部４７が検出した入口温度と出口温度の温度差から目標回転数が内燃機関３内の冷却水温度を所定の範囲に維持するために必要な回転数であるか否かを読み取る。読み取った回転数が冷却水温度を所定の範囲に維持するために必要な回転数でない場合は必要な回転数に近づくように目標回転数を補正する。この補正した回転数を補正回転数と称す。制御部２９は回転数を補正した場合、補正回転数でウォータポンプ４１を駆動する。

具体的には、まず入口温度と出口温度の温度差が予め定められた所定の目標温度差範囲内の場合は目標回転数でウォータポンプ４１を駆動する。目標温度差範囲とは、内燃機関３内の冷却水温度を所定の範囲に維持するために必要な回転数に対応した温度差の範囲であり、予め実験等で求める。温度差がこの範囲内の場合、目標回転数は内燃機関３内の冷却水温度を所定の範囲に維持するために必要十分な回転数であるため、補正の必要はない。一方で入口温度と出口温度の温度差が目標温度差範囲外の場合は、出口温度が所定の範囲内に維持される範囲で、温度差が目標温度差範囲に近づくように目標回転数を補正する。出口温度が所定の範囲に維持される範囲で補正を行う理由は、補正量が大き過ぎて出口温度が所定の範囲を外れると冷却不足や冷却過多が生じる恐れがあるためである。また、温度差が目標温度差範囲に「近づくように」目標回転数を補正する理由は、出口温度が所定の範囲を外れる恐れがある場合は温度差を目標温度差範囲内にできない可能性があるためである。この場合は出口温度が所定の範囲内で温度差が目標温度差範囲に最も近くなるように補正する。

このように、制御部２９は冷却水の出口温度と温度差の両方が目標値になるようにウォータポンプ４１を駆動する。これにより、内燃機関３から冷却水への放熱量に応じて出口温度が目標温度となる範囲内で冷却水の流量が必要な量に調整される。そのため、特に内燃機関３を搭載した車両が一定速度での巡行状態で、冷却水の流量が多すぎて温度差が小さ過ぎる冷却過剰な状態が生じ難くなり、燃費が改善される。

また、内燃機関３を搭載した車両が低速走行時にラジエータ３７の放熱量が低下する等して冷却水の冷却能力が低下した場合も、冷却水の流量が少なすぎて温度差が大きすぎる冷却不足の状態が生じ難くなり、オーバーヒートが生じ難くなる。

出口温度が所定の範囲内に維持される範囲で、温度差が目標温度差範囲に近づくように目標回転数を補正する方法としては、以下の方法を例示できる。

まず、補正回転数が目標回転数よりも小さい場合、補正回転数でウォータポンプ４１を駆動させた場合に出口温度が上昇した場合は制御部２９が回転数をそれ以上下げずにウォータポンプ４１を駆動する方法がある。つまり、補正回転数が目標回転数よりも小さい場合に、当該補正回転数でウォータポンプ４１を駆動させた場合に出口温度が上昇した場合は、以後の制御は、当該補正回転数よりも回転数を下げない。このように出口温度が上昇し始めると回転数を下げずにウォータポンプ４１を駆動することで、冷却水の温度差に応じてウォータポンプ４１の回転数を下げて冷却水の流量を減らした場合でも冷却不足でオーバーヒートが生じるのを防止できる。なお、補正回転数が目標回転数よりも大きい場合は、補正回転数でウォータポンプ４１を駆動させた場合に出口温度が低下した場合は制御部２９が回転数をそれ以上上げずにウォータポンプ４１を駆動すれば冷却過多を防止できる。

もう一つの方法としては、補正回転数が目標回転数よりも小さい場合、出口温度が上昇しない範囲で最も小さい回転数である補正下限回転数を予め制御部２９に記憶させる方法がある。この方法では、補正回転数が補正下限回転数未満になった場合は補正下限回転数でウォータポンプ４１を駆動する。つまりこの方法はウォータポンプ４１の回転数を下げる場合に補正回転数にリミッターをかける方法である。

このように補正回転数に下限を設けることでも、冷却水の温度差に応じて冷却水の流量を減らした場合に冷却不足でオーバーヒートが生じるのを防止できる。なお補正回転数が目標回転数よりも大きい場合は、出口温度が下降しない範囲で最も回転数が大きい回転数である補正上限回転数を予め制御部２９が記憶しておき、補正回転数が補正上限回転数を超えた場合は補正上限回転数でウォータポンプ４１を駆動する。これにより冷却過多を防止できる。

制御部２９は内燃機関３の運転時に常に冷却水の出口温度と温度差の両方が目標値になるようにウォータポンプ４１を制御する必要はない。内燃機関３の運転状況によっては出口温度と温度差の両方が目標値になるようにウォータポンプ４１を制御しない例外条件を定めてもよい。例外条件としては以下の２つを例示できる。

まず、例外条件の１つ目は運転域遷移時である。運転域遷移時とは、内燃機関３が高回転高負荷運転から低回転低負荷運転へ運転域が遷移する状態である。運転域遷移時の場合、制御部２９は目標回転数マップを使用せずに、温度検出部４７の出口温度センサ４７ｂが検出した出口温度が予め定められた所定の範囲内になるようにウォータポンプ４１の回転数を制御するのが好ましい。ここでいう所定の範囲内とは出口温度と温度差の両方が目標値になるようにウォータポンプ４１を制御する場合と同じである。このように運転域遷移時には制御部２９は出口温度のみでウォータポンプ４１の回転数を制御し、目標回転数マップと温度差は制御に用いないのが好ましい。理由は以下の通りである。

内燃機関３が高回転高負荷運転から低回転低負荷運転へ遷移した場合、内燃機関３を冷却するのに必要な冷却水の流量は減るが、内燃機関３は熱容量があるため、遷移しても直ぐには内燃機関３の温度は下がらない。このように運転域遷移時では高回転高負荷から低回転低負荷へ遷移する際に内燃機関３の温度の遷移速度を考慮する必要があるため冷却水の流量を急減すべきでない。しかしながら目標回転数マップを用いてウォータポンプ４１の回転数を制御することで冷却水の流量を制御する場合、低回転低負荷に移行する際の遷移速度を考慮できない。そのため、低回転低負荷運転時に必要な冷却水の流量に合わせてウォータポンプ４１の回転数が急に下がってしまい、冷却不足になる可能性がある。よって、運転域遷移時は目標回転数マップを使用しないのが好ましい。目標回転数マップを使用しない場合は、その補正もしないので、温度差もウォータポンプ４１の回転数制御に用いない。以上が運転域遷移時に目標回転数マップと温度差をウォータポンプ４１の回転数制御に用いないのが好ましい理由である。

内燃機関３が運転域遷移時にあるか否かは、運転状態取得部４５が検出した内燃機関３の回転数と負荷の単位時間当たりの低下幅を制御部２９が算出し、算出した低下幅が予め定められた所定値を超える場合を運転域遷移時と判断すればよい。予め定められた所定値とは、目標回転数マップを用いてウォータポンプ４１の回転数を制御することで冷却水の流量を制御する場合に冷却不足が生じない低下幅の絶対値の上限である。より具体的には出口温度が上昇しない低下幅の絶対値の上限である。

このように運転域遷移時では目標回転数マップや温度差に基づく制御をせずに出口温度のみでウォータポンプ４１の回転数を制御することで、運転域遷移時の冷却不足を防げる。

例外条件の２つ目は冷間始動時である。冷間始動時とは内燃機関３内の温度が外気温以下の状態から始動した直後の状態である。具体的には出口温度が予め定められた所定の下限水温未満であり、かつ、駆動油温が予め定められた下限油温未満の場合である。下限水温及び下限油温は冷却水と駆動油の冷却が必要な温度下限であり、冷間始動の実験を行えば求められる。

冷間始動時は目標回転数マップを使用せずに、ウォータポンプ４１の回転数が予め定められた最低ポンプ回転数以上で、かつ冷却水の温度差が予め定められた冷間時所定値以上になるようにウォータポンプ４１の回転数を制御するのが好ましい。理由は以下の通りである。

冷間始動時は通常運転時と異なり、内燃機関３を外気温以下の温度から燃焼不良が生じない温度まで昇温する必要があるため、内燃機関３を冷却する必要はなく、冷却水も昇温する必要がある。そのためサーモスタット３９は内燃機関３から出口流路３３ｂに送出された冷却水をラジエータ３７で冷却せずに迂回路３３ｄ及び入口流路３３ａを介して内燃機関３に再導入して冷却水を内燃機関３からの伝熱で加熱する。この場合、入口温度と出口温度の温度差は大きくなる。

よって冷間始動時は冷却不足を考慮する必要はなく、逆に冷却水の温度差を大きくする制御を行うのが好ましい。以上が冷間始動時は目標回転数マップを使用しないのが好ましい理由である。

なお、最低ポンプ回転数とは、ウォータポンプ４１が停止しない最低限の回転数である。冷間始動時に内燃機関３を昇温することだけを考慮すれば、特に始動直後はウォータポンプ４１の回転数は小さい方が好ましい。しかしながら回転数が小さ過ぎるとウォータポンプ４１の駆動軸に供給される動力が、駆動軸を回転するのに必要なトルクを生成するのに不十分となりウォータポンプ４１が止まる可能性がある。そのため冷間始動時でも最低ポンプ回転数以上の回転数でウォータポンプ４１を駆動する。温度差の冷間時所定値とは、冷間始動時ではない通常運転時の冷却水の目標温度差範囲の上限である。

なお、駆動油の油温を取得するためには温度センサである駆動油温取得部が必要である。駆動油温取得部は駆動油の温度を直接取得する温度センサでもよいが、冷却水の水温から推定してもよい。この場合温度検出部４７が駆動油温取得部を兼ねる。

このように制御部２９が冷間始動時は目標回転数マップを使用せずにウォータポンプ４１が止まらない最低回転数以上で冷却水の温度差が所定以上になる回転数に制御すると、冷間始動時にウォータポンプ４１が止まらない範囲で回転数をなるべく低くできる。これにより、冷間始動時に内燃機関３の昇温を速めることができる。

制御部２９はウォータポンプ４１の回転数を制御できる構造であれば公知のコンピュータを用いればよい。またエンジンＥＣＵが制御部２９を兼ねる構成でもよいし、エンジンＥＣＵとは別のコンピュータが制御部２９として機能する構成でもよい。

以上が本実施形態に係る冷却システム３１の構成の説明である。

次に本実施形態に係る冷却システム３１を用いた内燃機関３の冷却方法の手順について、図２～図４を参照して説明する。

まず前提として内燃機関３が駆動しているとする。この際、制御部２９は内燃機関３が通常運転時か、運転域遷移時か、冷間始動時かのいずれであるか判断する（図２のＳ１）。その結果、通常運転時と判断した場合は図２のＳ２に進み、運転域遷移時と判断した場合は図３のＳ２－２に進み、冷間始動時と判断した場合は図４のＳ２－３に進む。なお通常運転時とは、内燃機関３が駆動した状態で、かつ冷間始動時の条件も、運転域遷移時の条件も満たさない状態を意味する。

内燃機関３が運転域遷移時か否かは運転状態取得部４５が取得した過去の内燃機関３の回転数と負荷から単位時間当たりの低下幅を求め、低下幅が予め定められた所定値を超える場合を運転域遷移時と判断すればよい。

内燃機関３が冷間始動時か否かの判断は、出口温度センサ４７ｂが検出した冷却水の出口温度が下限水温未満で、駆動油温取得部が取得した駆動油温が下限油温未満の場合を冷間始動時と判断すればよい。

Ｓ１で内燃機関３が通常運転時であると制御部２９が判断した場合、制御部２９は運転状態取得部４５を用いて内燃機関３の回転数と負荷を取得する（図２のＳ２、運転状態取得工程）。具体的には制御部２９は内燃機関３の回転数を回転計４５ｂ等で取得し、さらに負荷を示す物理量として、燃料流量、アクセル開度、排ガス温度のいずれかを取得する。次に制御部２９はＳ２で求めた回転数と負荷を目標回転数マップに当てはめてウォータポンプ４１の目標回転数を決定する（図２のＳ３、目標回転数決定工程）。

次に制御部２９は温度検出部４７を用いて内燃機関３の内部に導入される冷却水の温度である入口温度と内燃機関３から外部に送出される冷却水の温度である出口温度を検出する（図２のＳ４、温度検出工程）。

次に制御部２９はＳ４で温度検出部４７が検出した入口温度と出口温度の温度差を求め、温度差が予め定められた所定の目標温度差範囲内か否かを判断する（図２のＳ５）。その結果、温度差が目標温度差範囲内と判断した場合はＳ６に進み、目標温度差範囲外と判断した場合はＳ７に進む。

Ｓ５で温度差が目標温度差範囲内と判断した場合、制御部２９はＳ３で決定した目標回転数でウォータポンプ４１を駆動する（図２のＳ６）。Ｓ５で温度差が目標温度差範囲外と判断した場合、制御部２９は出口温度が所定の範囲内に維持される範囲で、冷却水の温度差が目標温度差範囲内に近づくように目標回転数を補正する（図２のＳ７）。補正後は、補正した回転数でウォータポンプ４１を駆動する（図２のＳ８）。なおＳ５～Ｓ８をポンプ駆動工程ともいう。

Ｓ１で内燃機関３が運転域遷移時であると制御部２９が判断した場合、図３に示すように制御部２９は温度検出部４７の出口温度センサ４７ｂを用いて冷却水の出口温度を検出する（図３のＳ２－２）。さらに制御部２９は検出した出口温度が予め定められた所定の範囲になるようにウォータポンプ４１の回転数を制御する（図３のＳ９）。

Ｓ１で内燃機関３が冷間始動時であると制御部２９が判断した場合、制御部２９は温度検出部４７を用いて冷却水の温度である入口温度と出口温度を検出する。次に制御部２９は検出した入口温度と出口温度の温度差を求める。さらに制御部２９は図４に示すようにウォータポンプ４１の回転数が最低ポンプ回転数以上になるように、かつ求めた温度差が冷間時所定値以上になるように、かつウォータポンプ４１の回転数を制御する（図４のＳ２－３）。以上が本実施形態に係る冷却システム３１を用いた内燃機関３の冷却方法の手順の説明である。

このように本実施形態の冷却システム３１はウォータポンプ４１、運転状態取得部４５、温度検出部４７、及び制御部２９を備え、冷却水の出口温度だけでなく、温度差も目標値になるようにウォータポンプ４１を駆動する。

この構成では内燃機関３から冷却水への放熱量に応じて出口温度が目標温度となる範囲内で冷却水の流量が必要な量に調整されるため、冷却水の流量が多すぎて温度差が小さ過ぎる冷却過剰な状態が生じ難くなる。よって、ウォータポンプ４１を駆動する内燃機関３の燃費を従来よりも改善できる。

以上、実施形態に基づき本開示を説明したが本開示は実施形態に限定されない。当業者であれば本開示の技術思想の範囲内において各種変形例及び改良例に想到するのは当然のことであり、これらも当然に本開示に含まれる。

３ ：内燃機関
３ａ ：気筒
３ｂ ：ピストン
３ｃ ：コンロッド
５ ：クランクシャフト
２９ ：制御部
３１ ：冷却システム
３３ ：冷却水流路
３３ａ ：入口流路
３３ｂ ：出口流路
３３ｃ ：ウォータジャケット
３３ｄ ：迂回路
３７ ：ラジエータ
３９ ：サーモスタット
４１ ：ウォータポンプ
４１ａ ：プーリ
４１ｂ ：プーリ
４１ｃ ：タイミングベルト
４２ ：ファン
４３ ：クラッチ
４５ ：運転状態取得部
４５ａ ：燃料噴射装置
４５ｂ ：回転計
４５ｃ ：排ガス温度センサ
４５ｄ ：アクセル開度センサ
４７ ：温度検出部
４７ａ ：入口温度センサ
４７ｂ ：出口温度センサ

Claims (9)

1. 内燃機関の内部と外部で循環させた冷却水との熱交換で前記内燃機関を冷却する冷却水流路と、前記冷却水流路に設けられ熱交換後の前記冷却水を冷却するラジエータと、前記冷却水流路に設けられ、前記冷却水を送出する回転式のポンプと、前記ポンプの駆動を制御する制御部を備える内燃機関の冷却システムであって、
   前記内燃機関の回転数と負荷を取得する運転状態取得部と、
   前記内燃機関の内部に導入される前記冷却水の温度である入口温度と前記内燃機関から外部に送出される前記冷却水の温度である出口温度を検出する温度検出部を備え、
   前記制御部は、
   前記内燃機関の回転数と負荷と、前記出口温度が予め定められた所定の範囲になる前記ポンプの目標回転数との関係を示す目標回転数マップに、前記運転状態取得部が検出した前記内燃機関の回転数と負荷を当てはめて前記目標回転数を決定し、
   前記温度検出部が検出した前記入口温度と前記出口温度の温度差を求め、前記温度差が予め定められた所定の目標温度差範囲内の場合は前記目標回転数で前記ポンプを駆動し、目標温度差範囲外の場合は、前記出口温度が前記所定の範囲内に維持される範囲で、前記温度差が前記目標温度差範囲内に近づくように前記目標回転数を補正した補正回転数で前記ポンプを駆動することを特徴とする内燃機関の冷却システム。
2. 前記制御部は、
   前記補正回転数が前記目標回転数よりも小さい場合、前記補正回転数で前記ポンプを駆動させた場合に前記出口温度が上昇した場合は回転数をそれ以上下げずに前記ポンプを駆動することで前記出口温度を前記所定の範囲内に維持する請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記制御部は、
   前記出口温度が上昇しない範囲で最も回転数の小さい補正下限回転数を予め記憶しており、
   前記補正回転数が前記目標回転数よりも小さい場合、前記補正回転数が前記補正下限回転数未満になった場合は前記補正下限回転数で前記ポンプを駆動することで前記出口温度を前記所定の範囲内に維持する請求項１又は２に記載の冷却システム。
4. 前記制御部は、
   前記運転状態取得部が検出した前記内燃機関の回転数と負荷の単位時間当たりの低下幅を算出し、
   算出した前記低下幅が予め定められた所定値を超える運転域遷移時の場合は、前記目標回転数マップを使用せずに、前記温度検出部が検出した前記出口温度が前記所定の範囲になるように前記ポンプの回転数を制御する請求項１～３のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却システム。
5. 前記内燃機関の駆動油温を取得する駆動油温取得部を備え、
   前記制御部は、
   前記出口温度が予め定められた所定の下限水温未満であり、かつ、前記駆動油温取得部が取得した駆動油温が予め定められた下限油温未満の冷間始動時の場合は、前記目標回転数マップを使用せずに、前記ポンプの回転数が予め定められた最低ポンプ回転数以上で、かつ前記冷却水の前記温度差が予め定められた冷間時所定値以上になるように前記ポンプの回転数を制御する請求項１～４のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却システム。
6. 前記制御部は、
   前記内燃機関の負荷を示す物理量として、前記内燃機関の燃焼室に噴射される燃料の単位時間当たりの噴射量である燃料流量を用いる請求項１～５のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却システム。
7. 前記制御部は、
   前記内燃機関の負荷を示す物理量として、アクセル開度を用いる請求項１～５のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却システム。
8. 前記制御部は、前記内燃機関の負荷を示す物理量として、前記内燃機関の排ガス温度を用いる請求項１～５のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却システム。
9. 内燃機関の内部と外部で循環させた冷却水との熱交換で前記内燃機関を冷却する冷却水流路と、前記冷却水流路に設けられ熱交換後の前記冷却水を冷却するラジエータと、前記冷却水流路に設けられ、前記冷却水を送出する回転式のポンプを備える内燃機関の冷却システムを用いた内燃機関の冷却方法であって、
   前記内燃機関の回転数と負荷を取得する運転状態取得工程と、
   前記内燃機関の回転数と負荷と、前記内燃機関から外部に送出される前記冷却水の温度である出口温度が予め定められた所定の範囲になる前記ポンプの目標回転数との関係を示す目標回転数マップに、前記運転状態取得工程で検出した前記内燃機関の回転数と負荷を当てはめて前記ポンプの前記目標回転数を決定する目標回転数決定工程と、
   前記内燃機関の内部に導入される前記冷却水の温度である入口温度と、前記出口温度を検出する温度検出工程と、
   前記温度検出工程で検出した前記入口温度と前記出口温度の温度差を求め、前記温度差が予め定められた所定の目標温度差範囲内の場合は前記目標回転数で前記ポンプを駆動し、前記目標温度差範囲外の場合は、前記出口温度が前記所定の範囲内に維持される範囲で、前記温度差が前記目標温度差範囲内に近づくように前記目標回転数を補正した回転数で前記ポンプを駆動するポンプ駆動工程と、
   を実施することを特徴とする内燃機関の冷却方法。

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