JP3644262B2

JP3644262B2 - 液冷式内燃機関の冷却装置

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Publication number: JP3644262B2
Application number: JP21449398A
Authority: JP
Inventors: 和貴鈴木; 栄三高橋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2018-07-29
Also published as: JP2000045773A; DE19933794A1; DE19933794B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水冷エンジン等の液冷式内燃機関の冷却装置に関するもので、車両走行用内燃機関の冷却に用いて有効である。
【０００２】
【従来の技術】
液冷式内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ。）では、吸入空気の充填効率の低下やエンジン内の可動部分における摩擦損失の増大等を抑制して、エンジンを効率良く運転させるため、エンジン冷却水（以下、冷却水と略す。）の温度を適正温度に制御する必要がある。
【０００３】
そこで、エンジンの冷却装置として、例えば特開昭６３−２６８９１２号公報に記載の発明では、エンジンのシリンダブロックの壁面温度に基づいて冷却水の温度を制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発明者等は、冷却水温度を制御するにあたって、ラジエータの流出側とバイパス回路との合流部位に、バイパス回路を流通する流量とラジエータを流通する流量との流量割合を制御する流量制御弁を配設するとともに、流量制御弁のバルブ開度をエンジンの冷却水入口側（ポンプの冷却水入口側）における冷却水の温度（以下、この温度を入口温度と呼ぶ。）をフィードバック制御することにより、入口温度を適正温度に制御する冷却装置を試作検討したが、以下に、述べる理由により入口温度を精度良く制御することが困難であった。
【０００５】
すなわち、入口温度は、ラジエータから流出した冷却水の温度及び流量、並びにバイパス回路を流通してきた冷却水の温度及び流量によって決定されるのに対して、上記試作装置は、流量を考慮せず、温度のみでバルブ開度を制御する構成であった。このため、バルブ開度の変化に伴う流量の変化が流量制御弁の制御に反映されないので、入口温度を精度良く制御することが困難となってしまう。
【０００６】
これに対して、ラジエータから流出した冷却水流量及びバイパス回路を流通してきた冷却水の流量を検出して、この検出流量を流量制御弁の制御パラメータに加えれば良いが、実際のエンジンルーム内に流量検出用の計器及びセンサ等を配設することは、搭載スペース及びコスト等の問題により実用的には困難である。
本発明は、上記点に鑑み、流量を測定することなく、入口水温を精度良く制御することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の技術的手段を用いる。
請求項１〜４に記載の発明では、流出口（４１３）側の冷却液の温度である第１温度（Ｔp ）、バイパス回路（３００）を流通する冷却液の温度である第２温度（Ｔb ）、及びラジエータ（２００）から流出する冷却液の温度である第３温度（Ｔr ）に基づいて流量制御弁（４００）の開度を制御することを特徴とする。
【０００８】
これにより、後述するように、流量を直接に検出することなく、流量を制御パラメータに加えて流量制御弁を制御することができるので、液冷式内燃機関の冷却液入口の冷却液温度を精度良く制御することができる。
なお、流量制御弁（４００）の開度は、請求項２に記載の発明のごとく、第１〜３温度（Ｔb 、Ｔr 、Ｔp ）に基づいて、第１温度（Ｔp ）が液冷式内燃機関（１００）の負荷に基づいて決定される目標水温（Ｔmap ）となるようにフィードバック制御することが望ましい。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明のごとく、液冷式内燃機関（１００）の負荷に基づいて送風機（２３０）の送風量を制御してもよい。
また、請求項４に記載の発明のごとく、液冷式内燃機関（１００）の負荷に基づいてポンプ（５００）の吐出流量を制御してもよい。
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は本発明に係る液冷式内燃機関の冷却装置を車両走行用の水冷式エンジン（液冷式内燃機関）に適用したものであり、図１は本実施形態に係る冷却装置の模式図である。
【００１１】
図１中、２００は水冷式エンジン（以下、エンジン略す。）１００内を循環する冷却水（冷却液）を冷却するラジエータであり、２１０はラジエータ２００に冷却水を循環させるラジエータ回路である。
３００は、エンジン１００から流出する冷却水をラジエータ２００を迂回させてラジエータ回路２１０のうちラジエータ２００の流出口側に冷却水を導くバイパス回路である。
【００１２】
そして、バイパス回路３００とラジエータ回路２１０との合流部位２２０には、ラジエータ回路２１０を流通する冷却水の流量（以下、この流量をラジエータ流量Ｖr と呼ぶ。）と、バイパス回路３００を流通する冷却水の流量（以下、この流量をバイパス流量Ｖb と呼ぶ。）とを制御するロータリ式流量制御弁（以下、制御弁と略す。）４００が配設されており、この制御弁４００より冷却水流れ下流側（エンジン１００側）には、エンジン１００と独立して稼働して冷却水を循環させる電動ポンプ（以下、ポンプと略す。）５００が配設されている。
【００１３】
ここで、制御弁４００の概略構造について述べておく。
制御弁４００は、図２に示すように、制御弁４００とポンプ５００とが、ポンプハウジング５１０とバルブハウジング４１０とで一体化されている。因みに、両ハウジング４１０、５１０は共に樹脂製である。
そして、バルブハウジング４１０内には、図３、４に示すように、長手方向（軸方向）一端側が閉塞された円筒状（コップ状）のロータリバルブ（以下、バルブと略す。）４２０が回転可能に収納されており、このバルブ４２０は、図２に示すように、複数枚の歯車４３１からなる減速装置及びサーボモータ（駆動手段）４３２を有するアクチュエータ部４３０により円筒軸周りに回転駆動される。
【００１４】
また、バルブ４２０の円筒側面４２０ａには、図４に示すように、その円筒側面４２０ａ内外を連通させる合同形状（本実施形態では、等しい直径寸法を有する円形状）の第１、２バルブポート４２１、４２２が形成されており、両バルブポート４２１、４２２は、バルブ４２０の円筒軸に対して約９０度ずれている。
一方、バルブハウジング４１０のうちバルブ４２０の円筒側面４２０ａに対応する部位には、図３に示すように、ラジエータ回路２１０側に連通するラジエータポート（ラジエータ側流入口）４１１、及びバイパス回路３００側に連通するバイパスポート（バイパス側流入口）４１２が形成されている。そしてさらに、バルブハウジング４１０のうち、バルブ４２０の円筒軸軸方向他端側に対応する部位には、バルブ４２０の円筒内部４２０ｂとポンプ５００の吸入側とを連通させるポンプポート（流出口）４１３が形成されている。
【００１５】
なお、４４０はバルブ４２０の円筒側面４２０ａとバルブハウジング４１０の内壁との隙間を密閉して、ラジエータポート４１１及びバイパスポート４１２からバルブハウジング４１０内に流入した冷却水がバルブ４２０の円筒内部４２０ｂを迂回してポンプポート４１３に流通することを防止するパッキンである。
また、バルブ４２０の回転シャフト４２３には、図２に示すように、バルブ４２０の回転角度（制御弁４００の弁開度）を検出するポテンショメータ（開度検出手段）４２４が設けられており、このポテンショメータ４２４の検出信号は、後述するＥＣＵ６００に入力されている。
【００１６】
また、６００は制御弁４００及びポンプ５００を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）である。そして、ＥＣＵ６００には、エンジン１００の吸入負圧を検出する圧力センサ（圧力検出手段）６１０、冷却水の温度検出する第１〜３水温センサ（温度検出手段）６２１〜６２３、及びエンジン１００の回転数を検出する回転センサ（回転数検出手段）６２４からの検出信号が入力されており、ＥＣＵ６００はこれらの信号に基づいて、制御弁４００、ポンプ５００及び送風機２３０を制御する。
【００１７】
ここで、第１水温センサ６２１はポンプポート４１３側にてポンプ５００（エンジン１００）に流入する冷却水の温度（以下、この温度をポンプ水温Ｔp と呼ぶ。）を検出し、第２水温センサ６２２はバイパスポート４１２側にてバイパス回路３００を流通する冷却水の温度、つまりエンジン１００から流出する冷却水の温度（以下、この温度をバイパス水温Ｔb と呼ぶ。）を検出し、第３水温センサ６２３はラジエータポート４１１側にてラジエータ２００から流出する冷却水の温度（以下、この温度をラジエータ水温Ｔr と呼ぶ。）を検出している。
【００１８】
次に、本実施形態の作動を図４に示すフローチャートに基づいて述べる。
車両のイグニッションスイッチ（図示せず）が投入された後、エンジン１００が始動すると、各センサ６１０、６２１〜６２４の検出値を読み込む（Ｓ１００）。
そして、エンジン１００の回転数及び吸入負圧よりエンジン負荷を演算するとともに、その演算したエンジン負荷に基づいて、図示しないマップからエンジン１００内を循環する基本冷却水流量（ポンプ５００の回転数）及び目標とするエンジン１００に流入する冷却水の温度（以下、この水温を目標水温Ｔmap と呼ぶ。）を決定する（Ｓ１１０）。
【００１９】
なお、目標水温Ｔmap は、エンジン負荷が大きいときの水温に比べて、エンジン負荷が小さいときの水温の方が高くなるように決定される。
次に、ポンプ水温Ｔp が目標水温Ｔmap を基準とする所定範囲（本実施形態では、目標水温Ｔmap を基準として±２℃の範囲）であるか否かを判定し（Ｓ１２０）、ポンプ水温Ｔp が目標水温Ｔmap を基準とする所定範囲であるときは、現在の制御弁４００の開度（以下、制御弁４００の開度をバルブ開度と呼ぶ。）を維持し（Ｓ１３０）、Ｓ１００戻る。
【００２０】
一方、ポンプ水温Ｔp が目標水温Ｔmap を基準とする所定範囲外であるときは、目標水温Ｔmap とポンプ水温Ｔp との差ΔＴ（Ｔmap −Ｔp ）に基づいて、図５、６に示すマップに従って現在のバルブ開度から変化させるべきバルブ開度量、現在の冷却水流量（基本冷却水流量）から変化させるべき流量、及び現在の送風量から変化させるべき送風量を決定する（Ｓ１４０）。このとき、バルブ開度、冷却水流量及び送風量は、ポンプ５００の消費電力と送風機２３０の消費電力とが最も小さくなるように決定する。
【００２１】
なお、図５のマップは、ポンプ５００のデュティーが大きくなるほど、ポンプ５００の回転数が大きくなることを示し、図６のマップは、送風機２３０のデュティーが大きくなるほど、送風機２３０の回転数が高くなることを示しており、両デュティーは、エンジン負荷に基づいて、前述のごとく、ポンプ５００の消費電力と送風機２３０の消費電力が最も小さくなるように決定される。
【００２２】
そして、制御弁４００、ポンプ５００及び送風機２３０の稼働状態が、その決定した値なるように制御信号を発する（Ｓ１５０）。そして、Ｓ１００からＳ１５０も制御を繰り返すことにより制御バルブ４００をフィードバック制御する。
次に、本実施形態の特徴を述べる。
ポンプ水温Ｔp は、バイパス回路３００を流通してきた冷却水とラジエータ２００を流通してきた冷却水とが混合することによって決定されるので、ポンプ水温Ｔp が目標水温Ｔmap となるように精度良く制御するには、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べたように、ラジエータ水温Ｔr 及びバイパス水温Ｔb に加えて、ラジエータ流量Ｖr 及びバイバス流量Ｖb を検出することが必要である。
【００２３】
しかし、冷却装置内を循環する冷却水の流量を正確に計測することは、前述のごとく、現実的には困難である。そこで、本実施形態では、以下に示すように、ポンプ水温Ｔp 、ラジエータ水温Ｔr 及びバイパス水温Ｔb に基づいて、ラジエータ流量Ｖr 及びバイバス流量Ｖb 、つまりバルブ開度を決定している。
ポンプ水温Ｔp は、前述のごとく、バイパス回路３００を流通してきた冷却水とラジエータ２００を流通してきた冷却水とが混合することによって決定されるので、ポンプ水温Ｔp は数式１となる。
【００２４】
【数１】
Ｔp ＝（Ｔr ・Ｖr ＋Ｔb ・Ｖb ）／（Ｖr ＋Ｖb ）
ここで、ラジエータ流量Ｖr とバイバス流量Ｖb との流量比Ｖrbを数式２のように定義する。
【００２５】
【数２】
Ｖrb≡Ｖr ／Ｖb とすれば、数式１は数式３のように変形される。
【００２６】
【数３】
Ｔp ＝（Ｔb ＋Ｔr ・Ｖrb）／（１＋Ｖrb）
また、数式３よりＶrbは数式４となる。
【００２７】
【数４】
Ｖrb＝（Ｔb −Ｔp ）／（Ｔp −Ｔr ）
ここで、バルブ開度は、図７に示すように、流量比Ｖrbの関数となるので、流量比Ｖrbを求めれば、バルブ開度は一義的に決定することができる。因みに、図７に示す流量比Ｖrbとバルブ開度との関係は、試験により確認したものである。
【００２８】
また、流量比Ｖrbは、数式４から明らかなように、ポンプ水温Ｔp 、ラジエータ水温Ｔr 及びバイパス水温Ｔb に基づいて算出することができる。
ここで、数式４のポンプ水温Ｔp を目標水温Ｔmap として目標流量比Ｖrbを算出すれば、目標流量比Ｖrbは数式５となる。なお、以下、数式４によって決定される流量比Ｖrbを実流量比Ｖrbと呼ぶ。
【００２９】
【数５】
Ｖrb＝（Ｔb −Ｔmap ）／（Ｔmap −Ｔr ）
したがって、目標流量比Ｖrb及び図７から決定される目標バルブ開度と、実流量比Ｖrb及び図７から決定される実バルブ開度との差から、現在のバルブ開度から変化させるべきバルブ開度量、ずなわち図５に示すマップが決定される。
【００３０】
以上に述べたように、本実施形態によれば、ポンプ水温Ｔp 、ラジエータ水温Ｔr 及びバイパス水温Ｔb が判れば、実際の冷却水流量を測定することなく、正確にバルブ開度を決定することができる。
なお、上述の説明では、ポンプ水温Ｔp は、バイパス回路３００を流通する冷却水の状態とラジエータ２００を通過した冷却水の状態のみによって決定されるものとしていたが、実際には、第１〜３水温センサ６２１〜６２３で水温を検出する時刻がずれているので、その時刻のずれの間に冷却水の実際の水温と検出した水温との間に相違が発生する可能性がある。したがって、第１〜３水温センサ６２１〜６２３を実装するにあたっては、第１〜３水温センサ６２１〜６２３をなるべく近づけることが望ましい。
【００３１】
ところで、エンジン負荷が大きくなり、目標水温Ｔmap を低くすると、前述のごとく、バルブ開度が変更されてラジエータ流量Ｖr が大きくなるが、ラジエータ流量Ｖr の変化量に対するラジエータ１００の放熱能力の変化量（放熱能力の増加変化率）は、周知のごとく、ラジエータ流量Ｖr （ラジエータ２００内の流速）が大きくなるほど、小さくなる。
【００３２】
このため、ポンプ水温Ｔp を低下させるべく、ラジエータ流量Ｖr を大きくしても、ラジエータ流量Ｖr の増加量に比べて放熱能力が大きくならないので、冷却水をラジエータ２００に循環させるに必要なポンプ５００のポンプ仕事（ポンプ５００の消費電力）に対する冷却能力の比が低下し、不必要なポンプ仕事が増大してしまう。
【００３３】
これに対して、本実施形態では、エンジン負荷に基づいて送風機２３０の送風量も制御しているので、エンジン負荷の増大に応じて送風量を増大させれば、ラジエータ２００の放熱能力を増大させることができ、不必要なポンプ仕事が増大することを防止できる。
なお、図８（ａ）はエンジン負荷の増大に応じて送風量を増大させた場合（実線）のポンプ水温Ｔp と、エンジン負荷の増大に応じて送風量を増大させない場合（波線）のポンプ水温Ｔp とを示すグラフである。
【００３４】
そして、図８（ａ）、（ｂ）から明らかなように、エンジン負荷の増大に応じて送風量を増大させた場合には、エンジン負荷の増大に応じて送風量を増大させない場合に比べてバルブ開度を小さくしてラジエータ流量Ｖr 少なくしても、ポンプ水温Ｔp 及びポンプ５００の消費電力が低下していることが判る。
因みに、一般的に、車両走行時において、ラジエータ２００を通過する走行風の流速は、走行風の流速の約１０％と小さいので、登り坂のごとく車速が低く、かつ、エンジン負荷が大きいときには、走行風のみで冷却水を冷却することが難しい。
【００３５】
しかし、本実施形態では、エンジン負荷が大きいときには、送風機２３０により送風量を増大させているので、エンジン負荷が大きいときに確実に冷却水温度（ポンプ水温Ｔp ）を低下させることができる。したがって、冷却水温度をエンジン負荷に応じて適正温度に制御することができる。
ところで、上述の実施形態では、３つの水温（ポンプ水温Ｔp 、ラジエータ水温Ｔr 及びバイパス水温Ｔb ）を検出するために、３つの水温センサ６２１〜６２３を用いたが、バイパス水温Ｔb を検出する第２水温センサ６２２を廃止して、ポンプ水温Ｔp 及びラジエータ水温Ｔr からバイパス水温Ｔb を推定してもよい。以下に、第２水温センサ６２２を廃止したときの流量比Ｖｒｂの推定方法について述べる。
【００３６】
すなわち、数式４よりバイパス水温Ｔb は数式６となる。
【００３７】
【数６】
Ｔb ＝Ｔp ＋（Ｔp −Ｔr ）・Ｖrb
ここで、流量比Ｖrbは、図７に示すように、バルブ開度から一義的に求めることができるので、ポテンショメータ４２４の検出値からバルブ開度を求め、この求めたバルブ開度からバイパス水温Ｔb を推定することができる。
【００３８】
なお、上述の実施形態では、図５、６に示すマップは、外気温度が２５℃の状態を想定して決定した値であるので、Ｓ１４０とＳ１５０との間にＳ１４０に結滞された値を補正する補正ステップを設けるとよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷却装置の模式図である。
【図２】制御弁とポンプとが一体化されたものの外形図である。
【図３】（ａ）は図２のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】冷却装置の制御フローチャートである。
【図５】ポンプの制御マップである。
【図６】送風機の制御マップである。
【図７】バルブ開度と流量比とのグラフである。
【図８】（ａ）はエンジン負荷とポンプ入口側水温との関係を示すグラフであり、（ｂ）はエンジン負荷とバルブ開度との関係を示すグラフであり、（ｃ）はエンジン負荷とポンプ消費電力との関係を示すグラフであり、（ｄ）はエンジン負荷と送風機の消費電力との関係を示すグラフであり、（ｅ）はエンジン負荷と車速との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００…エンジン（液冷式内燃機関）、２００…ラジエータ、
２３０…送風機、３００…バイパス回路、４００…ロータリ式流量制御弁、
５００…電動ポンプ、６００…電子制御装置、６１０…圧力センサ、
６２１…第１水温センサ、６２２…第２水温センサ、
６２３…第３水温センサ。

Claims

液冷式内燃機関（１００）から流出する冷却液を冷却した後、その冷却された冷却液を前記液冷式内燃機関（１００）に向けて流出するラジエータ（２００）と、
前記液冷式内燃機関（１００）から流出する冷却液を前記ラジエータ（２００）を迂回させて前記ラジエータ（２００）の流出口側に導くバイパス回路（３００）と、
前記バイパス回路（３００）を流通する冷却液が流入するバイパス側流入口（４１２）、前記ラジエータ（２００）から流出した冷却液が流入するラジエータ側流入口（４１１）、及び流入した冷却液を前記液冷式内燃機関（１００）に向けて流出させる流出口（４１３）を有し、前記バイパス回路（３００）を流通する冷却液のバイパス流量（Ｖb ）と前記ラジエータ（２００）を流通する冷却液のラジエータ流量（Ｖr ）とを制御する流量制御弁（４００）とを備え、
前記流出口（４１３）側の冷却液の温度である第１温度（Ｔp ）、前記バイパス回路（３００）を流通する冷却液の温度である第２温度（Ｔb ）、及び前記ラジエータ（２００）から流出する冷却液の温度である第３温度（Ｔr ）に基づいて前記流量制御弁（４００）の開度を制御することを特徴とする液冷式内燃機関の冷却装置。
前記流量制御弁（４００）の開度は、前記第１〜３温度（Ｔb 、Ｔr 、Ｔp ）に基づいて、前記第１温度（Ｔp ）が前記液冷式内燃機関（１００）の負荷に基づいて決定される目標水温（Ｔmap ）となるようにフィードバック制御されることを特徴とする請求項１に記載の液冷式内燃機関の冷却装置。
前記ラジエータ（２００）に空気を送風する送風機（２３０）を備えており、
前記液冷式内燃機関（１００）の負荷に基づいて前記送風機（２３０）の送風量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の液冷式内燃機関の冷却装置。
前記液冷式内燃機関（２００）と独立に稼働し、冷却液を循環させるポンプ（５００）を備えており、
前記液冷式内燃機関（１００）の負荷に基づいて前記ポンプ（５００）の吐出流量を制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の液冷式内燃機関の冷却装置。