JP4140160B2

JP4140160B2 - 液冷式内燃機関の冷却装置

Info

Publication number: JP4140160B2
Application number: JP2000011408A
Authority: JP
Inventors: 和貴鈴木; 栄三 ▲高▼橋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: JP2001207846A; EP1164270A1; US6520125B2; EP1164270A4; WO2001053673A1; EP1164270B1; US20020035971A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車載水冷内燃機関の冷却システムに用いると好適な、液冷式内燃機関の冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液冷式内燃機関の冷却液の温度を適正温度に制御するものとして、特開平５−２３１１４８号公報がある。即ち、図６に示すように、液冷式内燃機関１００からラジエータ２００に冷却液を循環させるラジエータ回路２１０およびバイパス回路３００内に、液冷式内燃機関１００と独立して作動するポンプ５００と、流量制御弁４００とが設けられ、ポンプ５００と流量制御弁４００は、液冷式内燃機関１００の入口液温Ｔｗｉ、出口液温Ｔｗｏ、および液冷式内燃機関１００の負荷状態に応じて制御手段（電子制御装置）６００により制御されるものである。
【０００３】
これにより、暖機時、低負荷時、あるいは高負荷時等、液冷式内燃機関１００の負荷状態に応じてポンプ５００の吐出流量、流量制御弁４００の開度が制御され、冷却液の温度を適正化している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記装置では、例えば内燃機関の高負荷時においては、冷却液の温度を下げる方向に制御されるため、流量制御弁４００の開度およびポンプ５００のデューティ（回転数）を上げて、ラジエータ２００内を流れる冷却液の流量を増加させ、放熱能力を上げてやることになる。一般にラジエータ流量の変化量に対するラジエータ２００の放熱能力の変化量はラジエータ流量が増加するほど、小さくなる。このため冷却液の温度を低下させるべく、ラジエータ流量を増加させても、ラジエータ流量の増加量に比べて放熱能力が上がらないので、冷却液をラジエータ２００に循環させるのに必要なポンプ５００のポンプ仕事（ポンプ５００の消費動力）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。
【０００５】
また、送風機２３０は水温スイッチ２３１により、ＯＮ、ＯＦＦ制御されるのみであり、冷却能力を適正化するには充分ではない。
【０００６】
本発明の目的は、上記点に鑑み、液冷式内燃機関の負荷状態に応じて、ポンプおよび送風機両者の組み合わせによる冷却能力を適正化し、両者による総合的な冷却能力確保と消費動力低減とを両立させることができる液冷式内燃機関の冷却装置を提供することにある。
【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採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、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液冷式内燃機関（１００）に向けて流出するラジエータ（２００）と、
液冷式内燃機関（１００）と独立して作動し、冷却液を循環させるポンプ（５００）と、
ラジエータ（２００）に空気を送風する送風機（２３０）と、
ポンプ（５００）および送風機（２３０）の作動を制御する制御手段（６００）とを有する液冷式内燃機関の冷却装置において、
制御手段（６００）は、液冷式内燃機関（１００）の負荷に基づいて決定される目標液温（Ｔｍａｐ）を求める第１マップと、
冷却液の温度を目標液温（Ｔｍａｐ）に収束させるためのポンプ（５００）および送風機（２３０）の各制御量を求める第２マップとを有し、
第２マップで求めた各制御量を用いてポンプ（５００）の吐出流量および送風機（２３０）の送風量を制御すると共に、
ポンプ（５００）および送風機（２３０）の消費動力の和（Ｌｃ）が略最小になるようにして、
冷却液の温度（Ｔｐ）を目標液温（Ｔｍａｐ）にフィードバック制御することを特徴としている。
【００１０】
請求項１の発明によれば、液冷式内燃機関（１００）の負荷状態に応じて、制御すべき冷却液の温度を決定し、前記ポンプ（５００）および前記送風機（２３０）の必要冷却能力の組み合わせを求め、常に、冷却液の温度（Ｔｐ）を適正に制御することができる。更に、前記ポンプ（５００）および前記送風機（２３０）の消費動力の和（Ｌｃ）を略最小に制御でき、冷却装置全体の消費動力を低減できる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明のごとく、前記液冷式内燃機関（１００）の負荷状態に応じて、流量制御弁（４００）の開度を制御して、前記ラジエータ（２００）内を流れる冷却液の流量を増減することにより、更に、冷却装置全体の消費動力を低減できる。
請求項３に記載の発明では、制御手段（６００）は、冷却液の温度（Ｔｐ）が目標液温（Ｔｍａｐ）より高い場合に、
流量制御弁（４００）を優先作動させて、ラジエータ流量（Ｖｒ）が増大するようにバルブ開度（θ）を大きくし、
バルブ開度（θ）が１００％に達した後に、各制御量を増加させることで、ポンプ（５００）の吐出流量および送風機（２３０）の送風量を増加させることを特徴としている。
請求項４に記載の発明では、制御手段（６００）は、冷却液の温度（Ｔｐ）が目標液温（Ｔｍａｐ）より低い場合に、
ポンプ（５００）および送風機（２３０）を優先作動させて、各制御量を減少させることで、ポンプ（５００）の吐出流量および送風機（２３０）の送風量を減少させ、
ポンプ（５００）および送風機（２３０）の各制御量が最小値に達した後に、流量制御弁（４００）のバルブ開度（θ）を小さくし、ラジエータ流量（Ｖｒ）を減少させることを特徴としている。
【００１２】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１３】
【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内燃機関に適用したものであり、図１は冷却装置全体の模式図を示したものである。
【００１４】
ラジエータ２００は、液冷式内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ。）１００内を循環する冷却水を冷却する熱交換器であり、このラジエータ２００には空気を送風する送風機２３０が設けられている。この例では送風機２３０はラジエータ２００側より空気を吸い込むタイプであり、また、送風機２３０の駆動モータは制御量としてのデューティを可変して回転数を連続的に可変でき、送風量を調整できる出力可変タイプである。デューティの増減に伴って送風機２３０の消費動力も増減する。エンジン１００とラジエータ２００との間は冷却水が循環するラジエータ回路２１０で連結されている。また、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３００が設けられている。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２００内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内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。）とを制御する流量制御弁４００が設けられており、この流量制御弁４００より冷却水流れ下流側（エンジン１００側）には、エンジン１００と独立して作動し、冷却水を循環させる電動ポンプ（以下、ポンプと呼ぶ。）５００が設けられている。このポンプ５００は、上記送風機２３０と同様に、制御量としてのデューティを可変して回転数を連続的に可変でき、吐出流量を調整できる出力可変タイプである。デューティの増減に伴ってポンプ５００の消費動力も増減する。
【００１５】
ここで、流量制御弁４００は、モータにより開閉するバルブが内部に設けられており、バルブ開度θを可変することにより、ラジエータ流量Ｖｒとバイパス流量Ｖｂが分配される。即ち、バルブ開度θが０％の時、ラジエータ流量Ｖｒは０、バイパス流量Ｖｂが最大となり、バルブ開度θが１００％でラジエータ流量Ｖｒが最大、バイパス流量Ｖｂが最小になるものである。
【００１６】
また、ポンプ５００、送風機２３０および流量制御弁４００を制御する電子制御装置（以下ＥＣＵと呼ぶ。）６００が設けられており、このＥＣＵ６００には、エンジン１００の吸気管内の圧力（以下、吸気圧と呼ぶ。）Ｐａを検出する圧力センサ６１０（圧力検出手段）、エンジン１００の回転数Ｎｅを検出する回転センサ６２４（回転数検出手段）、車両の走行速度（以下、車速と呼ぶ。）Ｖｖを検出する車速センサ６２５（速度検出手段）、外気温Ｔａを検出する外気温センサ６２６（温度検出手段）、ポンプ５００に流入する冷却水の水温Ｔｐを検出する水温センサ６２１（温度検出手段）、流量制御弁４００のバルブ開度θを検出するポテンショメータ４２４（開度検出手段）および空気調和装置７００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、後述するマップ制御を行い、ポンプ５００、送風機２３０および流量制御弁４００を制御する。また、ＥＣＵ６００には各種センサ６１０、６２４、６２５、６２６、６２１および空気調和装置７００からの検出信号に基づいて読み込まれた目標水温Ｔｍａｐ（後述する。）の読み込み回数Ｎをカウントするカウンタ（図示しない。）が設けられている。
【００１７】
次に、本実施形態の作動を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００１８】
車両のイグニッションスイッチ（図示せず）が投入されると、ＥＣＵ６００に電源が投入されＥＣＵ６００が作動する。まず、ステップＳ５０で、カウンタがリセットされ、読み込み回数Ｎは０となる。ステップＳ１００で、各種センサ６１０、６２４、６２５、６２６、６２１および空気調和装置７００の検出信号を読み込む。エンジン１００の負荷は、冷却水の水温Ｔｐに影響を及ぼすものとして、主に吸気圧Ｐａと車速Ｖｖをパラメータとして検出される。両パラメータが大きいほどエンジン１００の負荷は大きいものとなる。
【００１９】
ステップＳ１１０で、図３に示す第１マップを成す水温制御マップから目標水温Ｔｍａｐを読み込む。水温制御マップは、外気温Ｔａ、空気調和装置７００の作動状態、吸気圧Ｐａと車速Ｖｖに応じて制御すべき冷却水の水温Ｔｐを予め割り付けたものである。本実施形態では吸気圧Ｐａと車速Ｖｖとに応じてＴｍａｐ１〜Ｔｍａｐ４の目標水温が予め割り付けてある。例えば吸気圧Ｐａが高く（エンジン１００のスロットル弁開度が大きい状態）、車速Ｖｖが大きいほどエンジン１００の負荷は高い状態にあり、目標水温Ｔｍａｐを低めの値になるようにしており、一方、吸気圧Ｐａが低く（スロットル弁開度が小さい状態）、車速Ｖｖも小さくなるとエンジン１００の負荷は低い状態になるため、目標水温Ｔｍａｐを高めの値になるようにしている。即ち、水温制御マップ上、Ｔｍａｐ１からＴｍａｐ４に向けて目標水温値は低い値から高い値になるように割り付けられている。圧力センサ６１０から読み込まれた吸気圧値と車速センサ６２５から読み込まれた車速値からマップ上で交叉する点を目標水温Ｔｍａｐとして読み込む。具体的には、外気温がＴａ１、空気調和装置７００が作動している場合で、吸気圧がＰａ１、車速がＶｖ１とすると目標水温はＴｍａｐ２となる。
【００２０】
ステップＳ１１２で、各種検出信号の読み込み回数ＮをＮ＋１とする。続くステップＳ１１５で、読み込み回数Ｎが１か否かを判定し、Ｎが１であればエンジン１００が始動直後であると判定し、ステップＳ１２０に進む。否と判定した場合は、後述するステップＳ１２０での処理は不要のため、ステップＳ１３０に進む。
【００２１】
ステップＳ１２０で、図示しないマップから初期値として、ポンプ５００と送風機２３０との基本デューティを決定し、ポンプ５００および送風機２３０を作動させる。ポンプ５００のデューティが大きいほどポンプ回転数は上昇してラジエータ回路２１０内を流れる冷却水の流量は大きくなり、ポンプ５００自身の消費動力も大きくなる。同様に、送風機２３０のデューティが大きいほど送風機回転数は上昇してラジエータ２００に送風する送風量は大きくなり、送風機２３０自身の消費動力も大きくなる。
【００２２】
ステップＳ１３０で、水温センサ６２１で検出されるラジエータ回路２１０内の冷却水の水温Ｔｐが、目標水温Ｔｍａｐを基準とする所定範囲内（本実施形態では、目標水温を基準として±２度の範囲）にあるか否かを判定し、水温Ｔｐが所定範囲内にないときは、冷却装置の冷却能力を適正化し、水温Ｔｐを目標水温Ｔｍａｐに調整するため、ステップＳ１８０に進む。
【００２３】
ステップＳ１８０で更に、水温Ｔｐが目標水温Ｔｍａｐより高いか否かを判定し、高い場合は、ステップＳ１９０で、まず冷却装置の消費動力を増加させずに水温Ｔｐを下げるために、流量制御弁４００を優先作動させてそのバルブ開度θを所定量大きくする。これにより、ラジエータ流量Ｖｒが増加し、ラジエータ２００の放熱能力を上げることで水温Ｔｐを下げる。ステップＳ２００で、バルブ開度θが１００％か否かを判定し、１００％に達していれば、ステップＳ２１０で、ポンプ５００および送風機２３０のデューティを所定量変更して、ポンプ５００および送風機２３０の回転数を変化させる。この場合、水温Ｔｐを下げるために、ポンプ５００のデューティを上げポンプ回転数を上昇させて吐出流量を増加させ、また送風機２３０のデューティを上げ送風機回転数を上昇させて送風量を増加させる方向に制御される。ステップＳ２００で、バルブ開度θが１００％に達していない場合は、ステップＳ１９０で、開かれたバルブ開度θが維持される。
【００２４】
一方、ステップＳ１８０で、水温Ｔｐが目標水温Ｔｍａｐよりも高くない、即ち低いと判定された場合は、ステップＳ２２０に進み、まず冷却装置の消費動力がより少なくて済むように、ポンプ５００および送風機２３０を優先作動させてそのデューティを所定量変更し、ポンプ５００および送風機２３０の回転数を変化させる。この場合、水温Ｔｐを上げるために、ポンプ５００のデューティを下げポンプ回転数を低下させて吐出流量を減少させ、また送風機２３０のデューティを下げ送風機回転数を低下させて送風量を減少させる方向に制御される。ステップＳ２３０で、ポンプ５００および送風機２３０のデューティが最小値に達したか否かを判定し、最小値に達した場合は、更に、ステップＳ２４０で、流量制御弁４００のバルブ開度θを所定量下げ、ラジエータ流量Ｖｒを減少させ、ラジエータ２００の放熱能力を下げることで水温Ｔｐを上げる。ステップＳ２３０で、ポンプ５００および送風機２３０のデューティが最小値に達していない場合は、ステップＳ２２０で、制御されたポンプ５００と送風機２３０のデューティが維持される。そして、ステップＳ２００、Ｓ２１０、Ｓ２３０、Ｓ２４０は、ステップＳ１００に戻ることを繰り返すことにより、水温Ｔｐが目標水温Ｔｍａｐに収束するようにフィードバック制御される。
【００２５】
上記水温Ｔｐのフィードバック制御により、ステップＳ１３０で、水温Ｔｐが目標水温Ｔｍａｐの所定範囲内になったと判定されると、ステップＳ１４０に進み、図４に示す第２マップを成す動力制御マップに基づき、ポンプ５００と送風機２３０との両者の消費動力の和Ｌｃが略最小になるようにポンプ５００と送風機２３０のそれぞれに対応するデューティを決定し、ポンプ５００および送風機２３０を作動させる。
【００２６】
動力制御マップは、外気温Ｔａ、空気調和装置７００の作動状態毎に作成されており、エンジン１００の負荷状態に応じて、その時の目標水温Ｔｍａｐを満足するポンプ５００と送風機２３０との作動デューティの組み合わせを示し、その中で、両者の消費動力の和Ｌｃが略最小になる点、Ｌｃｍｉｎを導き出すものである。これは、ポンプ５００および送風機２３０が、エンジン１００と独立して個々に作動可能なことを生かし、両者の組み合わせによる総合的な冷却能力と消費動力とに着目したものである。即ち、図５に示すように、ポンプ５００の消費動力は、当然ながら流量を増加させるほど増加するのに対して、あるエンジン負荷Ａにおいて水温ＴｐＡにするための送風機２３０の消費動力は、ポンプ５００とは逆に、流量が多い領域ほど送風機２３０の消費動力は少なくて済むことが得られた。例えば、流量ａ点でポンプ５００および送風機２３０が作動しており水温ＴｐＡを維持していたとして、ポンプ５００の流量をｂ点に増加させたとすると（ポンプ５００の消費動力も矢印ｄのように増加する。）、ラジエータ流量Ｖｒは増加し、ラジエータ２００の放熱能力が上がるため、水温ＴｐＡを維持するには、その分送風機２３０の送風量は減少させてやればよく、消費動力は矢印ｅのように下がることになる。このように、水温ＴｐＡを一定に保つためのポンプ５００の消費動力特性と送風機２３０の消費動力特性とを合わせると両者の消費動力の和Ｌｃとして流量ｃ点で極小値（この点がＬｃｍｉｎである。）を有する特性が得られる。
【００２７】
上記消費動力の和Ｌｃの特性線図より、図４に示す動力制御マップは作成されており、エンジン１００の負荷をパラメータとし、各パラメータ毎に消費動力の和Ｌｃが略最小になる点、Ｌｃｍｉｎを示している。本実施形態として、負荷１〜負荷５をパラメータとし、各負荷における最小値Ｌｃｍｉｎ１〜Ｌｃｍｉｎ５を図示した。具体的には、車速Ｖｖ１、吸気圧Ｐａ１におけるエンジン１００の負荷を負荷３とし、目標水温Ｔｍａｐ２を満足させ、且つ消費動力の和Ｌｃが略最小になる点、Ｌｃｍｉｎ３が得られる。（同一線図上でＬｃｍｉｎ３から遠ざかるほど消費動力の和Ｌｃは大きくなる。）ステップＳ１４０で、ＥＣＵ６００は、このＬｃｍｉｎ３に対応するポンプデューティＤｐと送風機デューティＤｓをそれぞれポンプ５００と送風機２３０に与え、作動させる。
【００２８】
以上の構成および作動により、エンジン１００の負荷状態に応じて、制御すべき水温（目標水温Ｔｍａｐ）が決定され、ポンプ５００と送風機２３０との適正な作動状態の組み合わせができ、常に、冷却水の温度を適正に制御することがでる。更に、ポンプ５００および送風機２３０の消費動力の和Ｌｃが略最小になるように制御でき、冷却装置全体の消費動力を低減できる。
【００２９】
尚、エンジン１００の負荷を検出するパラメータとして、本実施形態では吸気圧Ｐａ、車速Ｖｖを用いたが、冷却水温Ｔｐに影響を及ぼすようなエンジン状態および車両の走行状況を示すパラメータであれば、例えばエンジン１００の回転数やスロットル弁開度や吸入空気量などのパラメータも利用できる。
【００３０】
また、本実施形態では、電動式ポンプを前提に構成説明したが、油圧式ポンプでも同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態を示す冷却装置全体の模式図である。
【図２】冷却装置の制御フローチャートである。
【図３】目標水温Ｔｍａｐを求める水温制御マップである。（第１マップ）
【図４】ポンプと送風機のデューティを求める動力制御マップである。（第２マップ）
【図５】ポンプと送風機の消費動力の和Ｌｃを示すグラフである。
【図６】従来技術を示す冷却装置全体の模式図である。
【符号の説明】
１００エンジン（液冷式内燃機関）
２００ラジエータ
２１０ラジエータ回路
２２０合流部
２３０送風機
３００バイパス回路
４００流量制御弁
４２４ポテンショメータ
５００電動ポンプ（ポンプ）
６００ＥＣＵ（電子制御装置）
６１０圧力センサ
６２１水温センサ
６２４回転センサ
６２５車速センサ
６２６外気温センサ
７００空気調和装置

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）と独立して作動し、冷却液を循環させるポンプ（５００）と、
前記ラジエータ（２００）に空気を送風する送風機（２３０）と、
前記ポンプ（５００）および前記送風機（２３０）の作動を制御する制御手段（６００）とを有する液冷式内燃機関の冷却装置において、
前記制御手段（６００）は、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液温（Ｔｍａｐ）を求める第１マップと、
前記冷却液の温度（Ｔｐ）を前記目標液温（Ｔｍａｐ）に収束させるための前記ポンプ（５００）および前記送風機（２３０）の各制御量を求める第２マップとを有し、
前記第２マップで求めた前記各制御量を用いて前記ポンプ（５００）の吐出流量および前記送風機（２３０）の送風量を制御すると共に、
前記ポンプ（５００）および前記送風機（２３０）の消費動力の和（Ｌｃ）が略最小になるようにして、
前記冷却液の温度（Ｔｐ）を前記目標液温（Ｔｍａｐ）にフィードバック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）を迂回させてこのラジエータ（２００）の流出口側に導くバイパス回路（３００）と、
このバイパス回路（３００）を流通する冷却液のバイパス流量（Ｖｂ）および前記ラジエータ（２００）を流通する冷却液のラジエータ流量（Ｖｒ）を制御する流量制御弁（４００）とを有し、
前記制御手段（６００）は、前記液冷式内燃機関（１００）の負荷に応じて、前記流量制御弁（４００）の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載の液冷式内燃機関の冷却装置。
前記制御手段（６００）は、前記冷却液の温度（Ｔｐ）が前記目標液温（Ｔｍａｐ）より高い場合に、
前記流量制御弁（４００）を優先作動させて、前記ラジエータ流量（Ｖｒ）が増大するようにバルブ開度（θ）を大きくし、
前記バルブ開度（θ）が１００％に達した後に、前記各制御量を増加させることで、前記ポンプ（５００）の吐出流量および前記送風機（２３０）の送風量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の液冷式内燃機関の冷却装置。
前記制御手段（６００）は、前記冷却液の温度（Ｔｐ）が前記目標液温（Ｔｍａｐ）より低い場合に、
前記ポンプ（５００）および前記送風機（２３０）を優先作動させて、前記各制御量を減少させることで、前記ポンプ（５００）の吐出流量および前記送風機（２３０）の送風量を減少させ、
前記ポンプ（５００）および前記送風機（２３０）の前記各制御量が最小値に達した後に、前記流量制御弁（４００）のバルブ開度（θ）を小さくし、前記ラジエータ流量（Ｖｒ）を減少させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の液冷式内燃機関の冷却装置。