JP4433970B2 - エンジン冷却用電動ファンの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジン冷却用電動ファンの制御装置に関する。
周知の通り、車両においては、エンジン冷却用の電動ファンが装備されているが、従来、この電動ファンの制御方法としては、例えば特開平2−42118号公報に開示されるように、リアルタイムで検出されるエンジン水温に基づきエンジン温度を判定し、そのエンジン温度が所定値になった時点で、電動ファンが作動されることが一般的である。
特開平2−42118号公報
ところで、例えばエンジン停止前のエンジン運転状態についてエンジン負荷が大きい場合には、エンジン停止時の水温が低くても、その後、蓄積されたエンジンの熱量が発散され、水温が上昇する可能性がある。かかる場合には、上記従来の方法に基づき水温が所定値になった時点で電動ファンを作動させても冷却効果はあまり期待できない。特に筒内噴射式エンジンでは、場合によって、エンジン熱が気筒近傍に配設された高圧ポンプに伝わり、該ポンプ内及びその周囲の燃料にベーパー(気泡)が生じて、圧力が過度に上昇し高圧ポンプから噴射弁に燃料が供給できない現象(所謂ベーパーロック)が起こるおそれがある。
なお、エンジン停止時に常に電動ファンを作動させるようにすれば、かかる問題を解消し得るが、バッテリ容量やファン自体の耐久性等の問題から好ましくない。
この発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、バッテリ容量やファンの耐久性を確保しつつ、エンジン冷却性能を確保し得るエンジン冷却用電動ファンの制御装置を提供することを目的とする。
そこで、本願の請求項1に係る発明は、所定のエンジンパラメータに基づいてエンジン発熱量を予測する放熱量予測手段と、該放熱量予測手段により予測されたエンジン放熱量に基づき、エンジン温度を予測するエンジン温度予測手段と、エンジン温度を検出するエンジン温度検出手段と、エンジン停止時に、上記エンジン温度検出手段により検出されたエンジン温度が所定の第1判定閾値以上で、かつ、上記エンジン温度予測手段により予測されたエンジン温度に基づき、エンジン停止中のエンジン温度が上記第1の判定閾値よりも所定値以上上昇すると予測される場合には、エンジンが停止された時点から所定期間だけ上記電動ファンを作動させる制御手段と、を有していることを特徴としたものである。
更に、本願の請求項に係る発明は、請求項に係る発明において、上記制御手段は、上記電動ファンの作動後、エンジン温度が上記第1の判定閾値よりも高い第2の判定閾値以上になった場合に、上記電動ファンの作動電圧を高めることを特徴としたものである。
また、更に、本願の請求項に係る発明は、請求項1又は2に係る発明において、上記制御手段は、上記電動ファンの作動後、所定時間が経過した場合、若しくは、エンジン水温が上記第1の判定閾値よりも低い第3の判定閾値未満になった場合に、上記電動ファンを作動停止させることを特徴としたものである。
また、更に、本願の請求項に係る発明は、請求項1〜に係る発明のいずれかにおいて、上記制御手段は、大気圧が低いほど上記電動ファンの作動期間を長く設定することを特徴としたものである。
また、更に、本願の請求項に係る発明は、請求項に係る発明のいずれかにおいて、上記制御手段は、大気圧が低いほど上記第1,第2及び第3の判定閾値を低く設定することを特徴としたものである。
本願の請求項1に係る発明によれば、エンジン停止後にエンジン温度が所定値以上に上昇すると予測される場合のみ、電動ファンを作動させることで、バッテリ容量及び電動ファンの耐久性を確保し得るとともに、エンジン温度の上昇に先立ち予め電動ファンを作動させることで、エンジン温度の上昇を抑制し、エンジン冷却性を確保することができる。さらに、予測温度に加え、実温度をも考慮することで、より確実に、バッテリ容量及び電動ファンの耐久性を確保しつつ、エンジン温度の上昇を抑制しエンジン冷却性を確保することができる。
更に、本願の請求項に係る発明によれば、より確実に、エンジン停止後の温度上昇を抑制しエンジン冷却性を確保することができる。
また、更に、本願の請求項に係る発明によれば、より確実に、電動ファンの耐久性を確保しつつ、エンジン温度上昇を抑制しエンジン冷却性を確保することができる。
また、更に、本願の請求項に係る発明によれば、例えば高地などの、大気圧が低く空気密度の低い場所で、電動ファンを積極的に作動させることで、エンジン冷却性能を確保することができる。
また、更に、本願の請求項に係る発明によれば、例えば高地などの、大気圧が低く空気密度の低い場所で、電動ファンを積極的に作動させることで、エンジン冷却性能を確保することができる。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る筒内噴射式エンジン及びエンジン冷却用の電動ファンの制御を行うシステム構成をあらわす図である。筒内噴射式エンジン1は、基本的に、ピストン13の吸気する行程時に燃料を燃焼室4内に噴射することで、燃焼室4内の混合気が均一である状態での燃焼(所謂均一燃焼)を行う多気筒エンジンである。
このエンジン1では、吸気弁2が開かれたときに、シリンダヘッド16内に構成される吸気ポート3を介して燃焼室4内に燃料燃焼用のエアが吸入され、かかる燃焼室4内のエア中に、所定のタイミングでインジェクタ5から燃料(ガソリン)が噴射され、混合気が形成される。気筒14毎に設けられた各インジェクタ5には、燃料供給系31内で燃料ポンプ(不図示)により燃料タンク(不図示)から汲み上げられ加圧された燃料が、共通の燃料分配通路30を介して送り込まれる。この燃料分配通路30には、各インジェクタ5に供給される燃料の圧力(燃圧)を検出する燃圧センサ30aが設けられている。また、燃料分配通路30には、燃料の流量を計測する燃料流量計(不図示)が設けられてもよい。
燃焼室4内で形成された混合気は、ピストン13により圧縮され、点火プラグ7及びそれに接続される点火回路8により所定のタイミングで点火されて燃焼する。点火プラグ7及び点火回路8は、エンジン本体に構成される気筒14毎に設けられ、それぞれ、所定の点火タイミングで点火を行い、混合気を燃焼させる。なお、点火プラグ7の点火タイミングは、自在にリタード(遅角)させる若しくはアドバンス(進角)させることができる。燃焼ガスすなわち排気ガスは、排気弁9が開かれたときに、シリンダヘッド16内に構成された排気ポート17を通じて排気マニホールド18へ排出される。
また、吸気弁2及び排気弁9には、それぞれ、可変動弁機構2a及び9aが取り付けられ、これら可変動弁機構2a及び9aにより吸気弁2及び排気弁9の開閉作動時期(バルブタイミング)が個々に変更されるようになっている。
排気ポート17に連通する排気マニホールド18には、排気中の酸素濃度に基づき空燃比を検出するリニアOセンサ21が設けられている。また、排気マニホールド18に接続する排気管19には、排気浄化用触媒としてCO,HC及びNOxを浄化する三元触媒を用いた触媒コンバータ20が介設され、触媒コンバータ20の下流側には、触媒の劣化状態を判定するために、出力が理論空燃比を境に反転するラムダOセンサ22が設けられている。また、排気管19には、該排気管19内に通過する排気ガスの一部をEGR(exhaust gas recirculation)として吸気管32に戻す排気ガス再循環通路(以下、EGR通路と表記)23が設けられ、このEGR通路23に、EGRガス流量を制御するEGR弁29が介設されている。
他方、吸気ポート3に連通する吸気マニホールド24には、燃費向上を図り、燃料と空気の混合比を最適化すべく、吸気マニホールド24内のエア流動を制御する吸気流動制御弁(TSCV)25が設けられている。また、吸気マニホールド24に連通する吸気管32には、エアの流れを安定化させるサージタンク26と、アクセルペダル(図示せず)の踏み込み量に応じて開閉されてエアを絞るスロットル弁27と、吸気管32内に通過する吸入エアの流量を検出するエアフローセンサ28とが設けられている。スロットル弁27には、該スロットル弁27の開度、すなわちアクセルペダル(不図示)の踏み込み量を検出するアクセル開度センサ45が取り付けられている。なお、特に図示しないが、エアフローセンサ28の上流側には、通常、エア中のダスト等を除去するエアクリーナが設けられる。
この実施形態では、エンジン本体において、シリンダブロック10に配設されて、ウォータジャケット15内を還流する冷却水の温度を検出する水温センサ41,シリンダブロック10の下部側壁に配設されて、クランク軸11の基準位置からの回転角度を検出するクランク角センサ42が設けられている。クランク軸11の回転角度を検出することで、クランク軸11にロッド12を介して連結されたピストン13の気筒14内での位置が求まる。
また、エンジン本体に直接に配設されるセンサ以外に、エンジン1には、例えばエンジン1のエアクリーナ(不図示)に配設されて、吸気ポート3へ吸入される吸入エアの温度(吸気温度)を検出する吸気温センサ43,エンジン1の回転数を検出するエンジン回転数センサ44と、が設けられている。
なお、ここでは、エンジンに搭載されるセンサとして代表的なもの若しくは本発明に関連するもののみを挙げ、それ以外のセンサについてはその説明を省略する。
更に、本実施形態では、上記の構成を備えたエンジン1に対して、エンジン冷却用の電動ファン48及びそれを駆動する駆動モータ49が設けられている。駆動モータ49は、外部から入力される制御信号に応じて所定の作動期間及び作動電圧で電動ファン48を作動させる。
以上のような構成を備えたエンジン1及びエンジン冷却用の電動ファン49に対して、これらを制御するエンジンコントロールユニット(以下、ECUと表記)40が設けられている。このECU40は、エンジン1用の総合的な制御装置となるコンピュータであって、各種センサ等から検出された情報、例えば、エアフローセンサ28によって検出される吸入エアの流量,水温センサ41によって検出されるエンジン水温,クランク角センサ42によって検出されるクランク軸11の回転角度,吸気温センサ43によって検出される吸気温度,エンジン回転数センサ44によって検出されるエンジン回転数,アクセル開度センサ45やアイドルスイッチ(アクセルペダル全閉時にONされるスイッチであるが、ここでは不図示)によって検出されるアクセル開度,燃料流量計によって検出されるインジェクタ5への燃料流量等の各種パラメータ情報,エンジン作動状態を操作するイグニションキーの状態をあらわす情報に基づいて、インジェクタ5における燃料噴射タイミング制御,点火プラグ7における点火時期制御,スロットル弁27におけるアイドル回転数制御,電動ファン48の作動制御などの各種制御を行う。このECU40は、その内部に、制御回路(不図示)を有しており、各種制御を行うに際して実行される補正,演算,判定等の処理は、その制御回路によって行われる。
特に、本実施形態では、ECU40が、バッテリ容量や電動ファン48の耐久性を確保しつつ、エンジン冷却を確実に行えるように、電動ファン48の作動制御を行う。具体的には、エンジン停止後のエンジン温度を予測し、予測されたエンジン温度に応じて、電動ファン48の作動の要否を決定し、その作動が必要である場合には、電動ファン48を所定時間及び所定の作動電圧で作動させるようにする。
続いて、エンジン停止後のエンジン温度を予測する方法について説明する。なお、以下のエンジン温度の予測方法は従来周知のものであり、また、本願で採用可能な方法はこの限りではない。
まず、燃焼室4内での燃料燃焼に伴い発生するエネルギーは、エンジン出力エネルギー,音エネルギー,熱エネルギーとからなると推察されることから、次の式1が成り立つ。
燃料燃焼に伴い発生するE=エンジン出力E+音E+熱E (式1)
なお、式中の「E」とは「エネルギー」の略記であり、以下の式中においてもこれを用いる。
また、エンジン出力軸から出力される出力軸出力エネルギーは、エンジン出力エネルギーから摩擦エネルギーとポンピングエネルギーと補機駆動出力エネルギーとを差し引いたものと推察されることから、次の式2が成り立つ。
出力軸出力E=エンジン出力E−摩擦E−ポンピングE−補機駆動出力E (式2)
となる。摩擦及びポンピングエネルギーは、熱エネルギー及び音エネルギーに変わると推察し、また、制御簡略化を図り、音エネルギーを0とすれば、式2は、
出力軸出力E=エンジン出力E−熱E−補機駆動出力E (式2a)
となる。
式1及び式2aから、
熱E=燃料燃焼に伴い発生するE−出力軸出力E−補機駆動出力E (式3)
が得られる。
なお、燃料燃焼に伴い発生するエネルギーは、燃焼されるべく燃焼室4内に吸入されるエア流量から演算され、また、出力軸出力エネルギーは、
出力軸出力E=エンジントルク×エンジン回転数×単位換算係数 (式3a)
から演算される。更に、補機駆動出力エネルギーは、
補機駆動出力E=補機駆動トルク×エンジン回転数×単位換算係数 (式3b)
から演算される。
更に、エンジンから発生する熱エネルギーは、排気ガスで放出される熱エネルギーと、エンジン冷却用にウォータジャケット15を流れる冷却水による放熱エネルギーとからなると仮定すると、次の式4が成り立つ。
熱E=冷却水による放熱E+排気ガスで放出される熱E (式4)
なお、排気ガスで放出される熱エネルギーは、
排気ガスで放出される熱E=排気ガス量×(排気ガス温−吸気温)×定圧熱容量係数
(式4a)
から演算される。
式3及び式4から、
冷却水による放熱E=燃料燃焼に伴い発生するE−出力軸出力E
−補機駆動出力E−排気ガスで放出されるE (式5)
また、エンジン温度と冷却水温度との差が、冷却水による放熱量に比例することから、平衡状態では次の式6が成り立つ。
(エンジン温度−冷却水温度)×α=エンジン放熱量 (式6)
更に、エンジン温度は、エンジン熱容量と、放熱されない熱エネルギーの量と応じて変化することから、次式7が成り立つ。
d(エンジン温度)/dt=(熱E−放熱量)×エンジン熱容量 (式7)
式6を変形して、
エンジン温度=エンジン放熱量/α+冷却水温度 (式8)
式6及び式7とから、
d(エンジン温度−冷却水温度)/dt
=(熱E−(エンジン温度−冷却水温度)×α)×エンジン熱容量 (式9)
が得られる。
ここで、(エンジン温度−冷却水温度)は、エンジン発生熱量に対する1次遅れとなる。式8から、
(エンジン温度―冷却水温度)=エンジン放熱量/α (式10)
となるため、エンジン放熱量は、次の式11から分かるように、エンジン発生熱量の一次遅れとなる。
エンジン放熱量=エンジン放熱量×K+エンジン発生熱量×(1−K) (式11)
ここで、Kは、エンジン熱容量をあらわす。式5,式8及び式11から、エンジン停止時のエンジン温度を予測する。
以下では、かかる方法で予測されたエンジン温度に応じて、電動ファン48の作動制御を変更する電動ファン制御処理について説明する。図2及び図3は、電動ファン制御処理についてのフローチャートである。更に、図4は、この電動ファン制御処理の下で得られた各種パラメータのタイムチャートである。
この処理では、まず、各種パラメータ信号が読み込まれる(#11)。具体的には、エアフローセンサ28によって検出される気筒2内に吸入されるエアの流量,エンジン回転数センサ44によって検出されるエンジン回転数,水温センサ41によって検出されるエンジン水温,イグニションキーの状態等をあらわす信号が読み込まれる。次に、上記の式11に基づき、エンジン放熱量が予測される(#12)。
更に、上記の式5,式8及び式11に基づき、エンジン停止時のエンジン温度が予測される(#13)。図4に示すタイムチャートでは、予測されたエンジン温度(以下、予測温度という)は102℃である。その後、検出された大気圧に応じて、エンジン水温に関する所定の判定閾値が設定される(#14)。本実施形態では、図4のタイムチャートから分かるように、この判定閾値として、第1判定閾値(95℃),第1判定閾値より高い第2判定閾値(102℃)、及び、第1判定閾値よりも低い第3判定閾値(90℃)が設定される。また、本実施形態では、検出された大気圧が低いほど、判定閾値が低く設定される。
続いて、イグニションキーがオフ状態にあるか否かが判断される(#15)。その結果、オン状態にあると判断された場合には、記号Aを介して図3中の#31へループされ、通常の電動ファン制御が行われる。この通常の電動ファン制御においては、例えば、水温が100℃になれば電動ファン48を低作動電圧で作動させ、113℃になれば高作動電圧で作動させる。他方、イグニションキーがオフ状態にあると判断された場合には、予測したエンジン温度に応じて電動ファン48を所定の作動期間及び作動電圧で作動制御する本発明の特徴としてのアフタークーリング処理の要否を設定するフラグ(アフタークーリングフラグ)がセットされていないか否か(FLAG=0であるか否か)が判断される(#16)。
#16の結果、アフタークーリングフラグがセットされている(FLAG=1)と判断された場合には、記号Cを介して図3中の#21へループされる。他方、アフタークーリングフラグがセットされていない(FLAG=0)と判断された場合には、続いて、水温センサ41により検出されたエンジン水温が、#14で設定された第1判定閾値より高いか否かが判断される(#17)。その結果、エンジン水温が第1判定閾値以下であると判断された場合には、エンジン温度が上昇しても許容範囲内にあるとして、記号Bを介して図3中の#27へループされ、電動ファン48が作動停止される。他方、エンジン水温が第1判定閾値を越えると判断された場合には、引き続き、#13で得られた予測温度(予測温度)が所定値を越えるか否かが判断される(#18)。
#18の結果、予測温度が所定値以下であると判断された場合には、エンジン温度が上昇しても許容範囲内にあるとして、記号Bを介して図3中の#27へループされ、電動ファン48が作動停止される。他方、予測温度が所定値を越えると判断された場合には、引き続き、アフタークーリング処理における初期設定として、第1タイマーが設定される(#19)。本実施形態では、ECU40に設定されたタイマー機能が用いられ、これにより、電動ファン48の第1の作動期間が設定される。また、本実施形態では、第1タイマーを設定する上で、検出された大気圧が考慮され、大気圧が低いほど、第1の作動期間が長くなるように、第1タイマーが設定される。#19の後、アフタークーリングフラグが1にセットされる(#20)。
続いて、図3中の#21では、第1タイマーが0でないか否かが判断される。すなわち、#19で設定された第1タイマーに基づく第1の作動期間が経過したか否かが判断される。その結果、第1タイマーが0でないと判断された場合には、低作動電圧で電動ファン28が作動させられる(#28)。すなわち、#28に至るステップの結果として、図4に示すように、電動ファン48は、第1タイマーに基づく第1の作動期間の間、低作動電圧に基づく電力40Wで作動させられる。
また、一方、#21の結果、第1タイマーが0であると判断された場合には、引き続き、エンジン水温が、#14で設定された第2判定閾値より高いか否かが判断される(#22)。その結果、エンジン水温が第2判定閾値以下であると判断された場合には、エンジン温度が上昇しても許容範囲内にあるとして、電動ファン48が作動停止される(#30)。他方、エンジン水温が第2判定閾値を越えると判断された場合には、引き続き、第2タイマーの設定が済んでいるか否かが判断される(#23)。その結果、第2タイマーが設定済みであると判断された場合には、#25へループされ、他方、第2タイマーが未設定であると判断された場合には、第2のタイマーが設定される(#24)。ここでは、第1タイマー設定時と同様に、ECU40に設定されたタイマー機能が用いられ、これにより、電動ファン48の第2の作動期間が設定される。また、本実施形態では、第2タイマーを設定する上で、第1タイマー設定時と同様に、大気圧が低いほど、第2の作動期間が長くなるように、第2タイマーが設定される。
続いて、第2タイマーが0でないか否かが判断される(#25)。すなわち、#24で設定された第2タイマーに基づく第2の作動期間が経過したか否かが判断される。その結果、第2タイマーが0であると判断された場合には、エンジン温度が上昇しても許容範囲内にあるとして、電動ファン48が作動停止される(#30)。他方、第2タイマーが0でないと判断された場合には、引き続き、エンジン水温が、#14で設定された第3判定閾値より高いか否かが判断される(#26)。
#26の結果、エンジン水温が第3判定閾値を越えると判断された場合には、高作動電圧で電動ファン28が作動させられる(#29)。すなわち、♯29に至るステップの結果として、図4に示すように、電動ファン48は、第2タイマーに基づく第2の作動期間(10〜15分)の間、高作動電圧に基づく電力80Wで作動させられる。他方、#26の結果、エンジン水温が第3判定閾値以下であると判断された場合には、電動ファン48が作動停止される(#30)。すなわち、電動ファン48が高作動電圧で作動させられる途中で、エンジン水温が十分に低下した場合には、電動ファン48が作動停止される。
以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、エンジン停止後にエンジン温度が所定値以上に上昇すると予測される場合のみ、電動ファン48を作動させることで、バッテリ容量及び電動ファン48の耐久性を確保し得るとともに、エンジン温度の上昇に先立ち予め電動ファン48を作動させることで、エンジン温度の上昇を抑制し、エンジン冷却を確実に行える。特に筒内噴射式エンジンでは、エンジンからの受熱によって気筒14の近傍に配設された高圧ポンプ(不図示)内又はその周囲にベーパーが生じ、高圧ポンプから噴射弁に燃料供給できなくなる事態を回避することができる。また、検出される大気圧が低いほど、電動ファンの作動時間を長く設定したり、アフタークーリング処理の要否の判定閾値を低く設定したりすることで電動ファンを積極的に作動させて、空気密度の低い高地でのエンジン冷却性能を確保することができる。
なお、本発明は、例示された実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
本願発明に係るエンジン冷却用電動ファンの制御装置は、自動車等の車両を含み、エンジンが搭載されるものであれば、いかなるものにも適用可能である。
本発明の実施形態に係るエンジン及び該エンジン冷却用電動ファンを制御するシステム構成を概略的にあらわす図である。 ECUにより実行される上記電動ファンの制御処理の前半部についてのフローチャートである。 ECUにより実行される上記電動ファンの制御処理の後半部についてのフローチャートである。 図2及び図3に基づく電動ファンの制御処理の下で得られる各種パラメータのタイムチャートである。
符号の説明
1…エンジン,2…吸気弁,3…吸気ポート,4…燃焼室,5…インジェクタ,7…点火プラグ,8…点火回路,9…排気弁,11…クランク軸,12…ロッド,13…ピストン,14…気筒,24…吸気マニホールド,25…吸気流動制御弁,27…スロットル弁,28…エアフローセンサ,30…燃料分配通路,30a…燃圧センサ,31…燃料供給系,40…ECU,41…水温センサ,42…クランク角センサ,43…吸気温センサ,44…エンジン回転数センサ,45…アクセル開度センサ,48…電動ファン,49…駆動モータ。

Claims (5)

  1. 所定のエンジンパラメータに基づいてエンジン発熱量を予測する放熱量予測手段と、
    上記放熱量予測手段により予測されたエンジン放熱量に基づき、エンジン温度を予測するエンジン温度予測手段と、
    エンジン温度を検出するエンジン温度検出手段と、
    エンジン停止時に、上記エンジン温度検出手段により検出されたエンジン温度が所定の第1判定閾値以上で、かつ、上記エンジン温度予測手段により予測されたエンジン温度に基づき、エンジン停止中のエンジン温度が上記第1の判定閾値よりも所定値以上上昇すると予測される場合には、エンジンが停止された時点から所定期間だけ上記電動ファンを作動させる制御手段と、を有していることを特徴とするエンジン冷却用電動ファンの制御装置。
  2. 上記制御手段は、上記電動ファンの作動後、エンジン温度が上記第1の判定閾値よりも高い第2の判定閾値以上になった場合に、上記電動ファンの作動電圧を高めることを特徴とする請求項記載のエンジン冷却用電動ファンの制御装置。
  3. 上記制御手段は、上記電動ファンの作動後、所定時間が経過した場合、若しくは、エンジン水温が上記第1の判定閾値よりも低い第3の判定閾値未満になった場合に、上記電動ファンを作動停止させることを特徴とする請求項又はに記載のエンジン冷却用電動ファンの制御装置。
  4. 上記制御手段は、大気圧が低いほど上記電動ファンの作動期間を長く設定することを特徴とする請求項1〜のいずれか一に記載のエンジン冷却用電動ファンの制御装置。
  5. 上記制御手段は、大気圧が低いほど上記第1,第2及び第3の判定閾値を低く設定することを特徴とする請求項のいずれか一に記載のエンジン冷却用電動ファンの制御装置。
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