JP4517892B2

JP4517892B2 - 車両用エンジンの冷却装置

Info

Publication number: JP4517892B2
Application number: JP2005054478A
Authority: JP
Inventors: 和也杉山; 栄二小坂; 伸一大島; 龍徳岩▲崎▼
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: US7347167B2; EP1703101B1; US20060191500A1; JP2006241984A; DE602006000188D1; EP1703101A1; DE602006000188T2

Description

本発明は車両用エンジンの冷却装置に関するものである。

エンジン冷却水を冷却するラジエータに電動ファンによって冷却風を送る車両用エンジンの冷却装置は周知である。その電動ファンによって同時に車両用空調機のコンデンサにも冷却風を送ることもなされている。また、ラジエータ及びコンデンサを効果的に冷却すべく２つの電動ファンを併用することや、冷却風量を効率的に高めるためにファン径を大きくするとともに電動機の出力を高めることにより、ファン回転数を低くする試みも一般になされている。

ところで、電動ファンの回転数は、エンジン水温に応じて変更され、また、空調機の作動に応じて変更される。低車速時やアイドリング時には、通常は熱負荷が低いため、上記両電動ファンの回転数は低くされるが、エンジン回転数が低くなったときに、エンジンの爆発振動である回転ｎ次成分（４気筒の場合は２次成分（２次振動））の周波数と、電動ファンの振動である回転一次成分の周波数とが接近し、その共振によって大きな振動・騒音を発生することがある。

このような問題を解決するものとして、エンジンのアイドリング時に、エンジン冷却水温が低いときは、上記両電動ファンの回転数を下げることにより、エンジンの爆発振動周波数と電動ファンの回転振動周波数とを異なるものにすることが知られている（特許文献１参照）。
特開平１１−１０７７５３号公報

上述のファン回転数を低下させる手法によれば、電動ファンの振動がエンジン振動に共振する問題は解消されるものの、ファン回転数を低下させることは送風量の低下に直結し、エンジン冷却水や上記冷媒の冷却に不利になる。一方、冷却に必要な送風量を確保しながらファン回転数を低下させるべく、ファン径を大きくするとともに、電動機の出力を高めることも考えられるが、ファン径が大きくなると、ファンの回転振れが大きくなり、２つの電動ファン同士の共振が新たな振動・騒音源として問題になってくる。特に、車両全体が最も静粛になるアイドリング時にその問題が顕著になる。

そこで、本発明は、２つの電動ファンによる送風量の低下を避けながら、電動ファンの振動とエンジン振動との共振、並びに電動ファン同士の共振を防止することを課題とする。

本発明は、このような課題に対して、電動ファンの回転振動周波数がエンジンの爆発振動周波数に近づくときは、２つの電動ファンのうちの一方のファン回転数が高く、他方のファン回転数が低くなるようにした。

すなわち、請求項１に係る発明は、各々がエンジン冷却水用熱交換器及び空調機冷媒用熱交換器の双方に冷却風を送る２つの電動ファンと、該両電動ファンの作動を制御する制御手段とを備えている車両用エンジンの冷却装置において、
車速検出手段を備え、
上記制御手段は、上記空調機が作動し且つ上記車速検出手段によって検出される車速が所定値以下であるとき、上記両電動ファンの一方については、単位時間当たりのファン回転数である回転振動周波数が上記エンジンの単位時間当たりの爆発回数である爆発振動周波数より所定値以上に高くなるように、他方の電動ファンについては、当該回転振動周波数が上記エンジンの爆発振動回転数より所定値以上に低くなるように、上記両電動ファンの回転数をデューティ比で設定する空調制御ファクタを備えていることを特徴とする。

従って、両電動ファン各々の回転振動周波数がエンジンの爆発振動周波数に所定値以上に接近しなくなることにより、該電動ファンがエンジン振動に共振することが防止されるとともに、電動ファン同士の共振が防止される。しかも、一方の電動ファンの回転数は高くなるから、他方の電動ファンの回転数が低下することによる送風量の減少が補われ、全体として熱交換器の冷却に必要な送風量を確保する上で有利になる。

上記ファン回転数の設定に車速が所定値以下であるときを条件とするのは、車速が低くなるほど、当該車両の走行音が小さくなって、車室内の乗員が上記電動ファンの作動に起因する振動・騒音を感じ易くなるためである。従って、自車の走行音が零になるエンジンのアイドリング時に上記設定を行なうようにすると最も効果的になる。

また、空調機の作動を条件とするのは、車速が低くなるほど通常はエンジン冷却水の冷却要求は少なくなるものの、空調機の作動時には冷媒用熱交換器を冷却するために電動ファンを比較的高いレベルで作動させることが必要になるからである。すなわち、低車速時や停車アイドリング時には自車の走行風による熱交換器の冷却を期待することができないことから、電動ファンの送風量を大きくすることが必要になり、エンジン振動との共振が問題になる。そうして、このように電動ファンによる高いレベルでの送風が要求される場面において、上述の如くエンジン振動との共振及び電動ファン同士の共振を避けながら、必要な送風量を確保することができる点に本発明の意義がある。

請求項２に係る発明は、請求項１において、
上記制御手段は、さらに、エンジン冷却水温に基いて上記両電動ファン各々の回転数をデューティ比で設定する水温制御ファクタを備え、各電動ファンについて該水温制御ファクタによって設定されるファン回転数が、上記空調制御ファクタによって設定されるファン回転数よりも高いときは、該水温制御ファクタによって設定されるファン回転数になるように当該電動ファンを制御することを特徴とする。

すなわち、電動ファンの作動に起因する振動・騒音は小さくすることが望まれるものの、エンジンのオーバーヒートは避けなければならない。そこで、本発明では、エンジン冷却水の冷却のために電動ファンの回転数を高めることが要求されるときは、このエンジン側からの要求を優先するようにしたものである。

以上のように請求項１に係る発明によれば、空調機の作動時に車速が所定値以下であるときは、２つの電動ファン各々の回転振動周波数がエンジンの爆発振動周波数に所定値以上に接近しないように、当該両電動ファンの一方の回転数を高く、他方の回転数を低く設定するから、電動ファンがエンジン振動に共振することを防止することができるだけでなく、両電動ファンによって全体として熱交換器の冷却に必要な送風量を確保しながら、電動ファン同士の共振をも防止することができ、低車速時、特にエンジンアイドリング時における車両ないしは車室の静粛さを得る上で有利になる。

請求項２に係る発明によれば、エンジン冷却水の冷却のために電動ファンの回転数を高めることが要求されるときは、このエンジン側からの要求を優先するようにしたから、エンジンのオーバーヒートを招くことが防止される。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に全体構成を示す車両用エンジンの冷却装置において、１はエンジンの冷却水を冷却するラジエータ（エンジン冷却水用熱交換器）、２は車室空調機（冷房装置）の冷凍サイクルを構成するコンデンサ（冷媒を冷却して凝縮液化させる冷媒用熱交換器）である。ラジエータ１及びコンデンサ２は、車両のエンジンルームの走行風を受ける部位に配設されているとともに、エンジンルーム内に配設された互いの送風能が略等しい２つの電動ファン３Ａ，３Ｂの冷却風を受けるようになっている。

電動ファン３Ａ，３Ｂには、制御手段５によって独立して制御することができるようにトランジスタ駆動部６，７が個別に設けられている。制御手段５は、マイクロコンピュータを利用したものであって、電動ファン３Ａ，３Ｂをパルス幅変調制御すべくパルス信号をトランジスタ駆動部６，７に出力し、該トランジスタ駆動部６，７でパルス信号が増幅されて各電動ファン３Ａ，３Ｂの電動機４Ａ，４Ｂに与えられる。また、電動ファン３Ａ，３Ｂの制御のために、制御手段５には、エンジン冷却水温を検出する水温センサ８、空調機の作動時にオンにされるＡ／Ｃスイッチ９、コンデンサ２内の冷媒圧力を検出する圧力センサ１１、車速センサ１２等の信号が入力される。

制御手段５は、エンジン冷却水温に基いて電動ファン３Ａ，３Ｂに対するパルス信号の出力デューティ比Ｄ１を設定する水温制御部と、空調機作動時にコンデンサ２における冷媒圧力（ガス圧）に基いて電動ファン３Ａ，３Ｂに対するパルス信号の出力デューティ比Ｄ２を設定する空調制御部と、水温制御部で設定されたデューティ比Ｄ１と空調制御部で設定されたデューティ比Ｄ２とを比較し、差があるときは大きい方のデューティ比を電動ファン３，４の制御用デューティ比Ｄとして選択する比較判定部と、選択されたデューティ比Ｄでパルス信号を出力する出力部とを備えている。また、空調制御部は、設定すべきデューティ比Ｄ２を車速に応じて変更するようになっている（車速補正）。

電動ファン３Ａ，３Ｂのファン回転数は上記デューティ比Ｄに対応したものになるから、上記デューティ比Ｄの設定は即ちファン回転数の設定でもある。

具体的に説明すると、まず、水温制御部は、両電動ファン３Ａ，３Ｂに共通のデューティ比Ｄ１を設定するものであり、そのデューティ比Ｄ１は図２に示すように基本的にはエンジン冷却水温が高くなるほど大きくなるように設定する。但し、低温側では水温Ｔ１−Ｔ２のヒステリシスをもってデューティ比Ｄ１を０とＤ１-1との間で不連続に変化させ、高温側でも水温Ｔ３−Ｔ４のヒステリシスをもってデューティ比Ｄ１をＤ１-2とＤ１-3との間で不連続に変化させるようになっている。

空調制御部は、両電動ファン３Ａ，３Ｂに別個のデューティ比Ｄ２を設定するものであり、基本的には一方の電動ファン３Ａのデューティ比Ｄ２が高く、他方の電動ファン３Ｂのデューティ比が低くなるように、且つ冷媒圧力が高くなるとデューティ比が高くなるように設定する。

すなわち、図３に示すように、一方の電動ファン３Ａについては、デューティ比Ｄ２を、冷媒圧力Ｐが上昇してＰ２になったときにＤ２＝ＨAになり、冷媒圧力Ｐが下降してＰ２よりも低いＰ１になったときにＤ２＝ＬAとなるようにヒステリシスをもって設定する。なお、ＨA＞ＬAである。他方の電動ファン３Ｂについても、デューティ比Ｄ２を、冷媒圧力Ｐが上昇してＰ２になったときにＤ２＝ＨBになり、冷媒圧力Ｐが下降してＰ２よりも低いＰ１になったときにＤ２＝ＬBとなるようにヒステリシスをもって設定する。なお、ＨB＞ＬBであり、且つＨA＞ＨBである。

電動ファン３Ａ，３Ｂの高デューティ比ＨA，ＨBは固定値であり、電動ファン３Ａ，３Ｂがエンジンのアイドリング時の２次振動に共振しないファン回転数となるように設定されている。すなわち、電動ファン３Ａの高デューティ比ＨAは、該電動ファン３Ａの回転振動周波数（単位時間当たりのファン回転数）がエンジンアイドリング時の爆発振動周波数（単位時間当たりの爆発回数）Ｎよりも所定値以上に高い、例えば数ヘルツ高いファン回転数となるように設定されている。また、電動ファン３Ｂの高デューティ比ＨBは、該電動ファン３Ｂの回転振動周波数がエンジンアイドリング時の爆発振動周波数Ｎよりも所定値以上に低い、例えば数ヘルツ低いファン回転数となるように設定されている。

エンジンの爆発振動周波数Ｎは４ストロークエンジンでは次式で求められる。
Ｎ＝（エンジン回転数（ｒｐｍ）×気筒数）／（６０×２）

一方、電動ファン３Ａ，３Ｂの低デューティ比ＬA，ＬBは車速に応じて変更設定する。すなわち、図４に電動ファン３Ａの低デューティ比ＬAの車速補正を示すように、基本的には車速Ｖが高くなるほど低デューティ比ＬAが小さくなるようにされる。但し、本実施形態では、低デューティ比ＬAを車速Ｖに応じて３段階に設定し、且つ低車速側では車速Ｖ１−Ｖ２のヒステリシスをもってＬA-1とＬA-2との間で変化させ、高車速側でも車速Ｖ３−Ｖ４のヒステリシスをもってＬA-1と０との間で変化させるようになっている。但し、ＬA-2としては高デューティ比ＨAを与えている。

電動ファン３Ｂの低デューティ比ＬBの車速補正については図５に示されている。この場合も、基本的には車速Ｖが高くなるほど低デューティ比ＬBが小さくなるようにされ、また、低デューティ比ＬBを車速Ｖに応じて３段階に設定し、低車速側では車速Ｖ１−Ｖ２のヒステリシスをもってＬB-1とＬB-2との間で変化させ、高車速側でも車速Ｖ３−Ｖ４のヒステリシスをもってＬB-1と０との間で変化させるようにしている。但し、ＬB-2としては高デューティ比ＨBを与えている。

図６に電動ファン３Ａ，３Ｂの制御フローを示す。スタート後のステップＳ１で水温センサ８、Ａ／Ｃスイッチ９、圧力センサ１１、車速センサ１２等の信号を詠み込み、続くステップＳ２でエンジン冷却水温に基いて電動ファン３Ａ，３Ｂに共通のデューティ比Ｄ１を設定する（図２参照）。続くステップＳ３で空調機が作動されているか否かが判定される。空調機が作動していない場合は、ステップＳ７に進んで電動ファン３Ａ，３Ｂの制御デューティ比ＤとしてＤ１が与えられ、電動ファン３Ａ，３Ｂはエンジン冷却水温のみで制御される。

空調機が作動している場合は、水温制御に加えて空調制御をも制御ファクタとすべくステップＳ３からＳ４に進み、車速Ｖが所定車速Ｖ１以下か否かが判定される。この所定車速Ｖ１は図４及び図５の車速補正におけるＶ１と同じであるが、異なる値を設定してもよい。車速Ｖが所定車速Ｖ１以下のときはステップＳ５に進み、電動ファン３Ａ，３Ｂ各々の空調制御デューティ比Ｄ２として高デューティ比ＨA，ＨBを与える。すなわち、電動ファン３Ａ，３Ｂの空調制御における低デューティ比ＬA，ＬBは、車速Ｖが所定車速Ｖ１以下であれば、図４及び図５に示すように、ＬA-2，ＬB-2、つまりは高デューティ比ＨA，ＨBになる。

そうして、続くステップＳ６において水温制御デューティ比Ｄ１が空調制御デューティ比Ｄ２よりも大きいか否かが判定される。水温制御デューティ比Ｄ１の方が大きいときは、ステップＳ７に進んで制御デューティ比Ｄとして該水温制御デューティ比Ｄ１が与えられて電動ファン３Ａ，３Ｂが制御される。空調制御デューティ比Ｄ２が水温制御デューティ比Ｄ１と同一かそれよりも大きいときはステップＳ８に進み、制御デューティ比Ｄとして該空調制御デューティ比Ｄ２が与えられて電動ファン３Ａ，３Ｂが制御される。

また、ステップＳ４で車速Ｖが所定車速Ｖ１よりも高いと判定されたときはステップＳ９に進み、電動ファン３Ａ，３Ｂ各々の空調制御デューティ比Ｄ２を冷媒圧力Ｐ及び車速Ｖに基いて設定（図３乃至図５参照）してステップＳ６に進む。

以上のように、空調機が作動しているときは車速Ｖが所定車速Ｖ１以下になると、電動ファン３Ａ，３Ｂ各々の空調制御デューティ比Ｄ２は高デューティ比ＨA，ＨBに設定される。この設定により、電動ファン３Ａは、その回転振動周波数がエンジンアイドリング時の爆発振動周波数Ｎよりも所定値以上に高いファン回転数となるから、その後にエンジンがアイドリング状態になっても、エンジン振動に共振することが防止される。また、電動ファン３Ｂに関しても、その回転振動周波数がエンジンアイドリング時の爆発振動周波数Ｎよりも所定値以上に低いファン回転数となるから、その後にエンジンがアイドリング状態になっても、電動ファン３Ａのファンの回転がエンジン振動に共振することが防止される。

また、電動ファン３Ａの回転振動周波数がエンジンアイドリング時の爆発振動周波数Ｎよりも所定値以上に高くなり、電動ファン３Ｂの回転振動周波数がエンジンアイドリング時の爆発振動周波数Ｎよりも所定値以上に低くなるということは、この両電動ファン３Ａ，３Ｂ同士の共振も生じないということである。しかも、一方の電動ファン３Ａの回転数が高くなり、他方の電動ファン３Ｂの回転数が低くなるということは、両電動ファン３Ａ，３Ｂによる総送風量は、両電動ファン３Ａ，３Ｂのファン回転数を同一するケース（エンジン振動に共振するケース）と大差がないものになるということである。

このように、本発明によれば、電動ファン３Ａ，３Ｂによるラジエータ１及びコンデンサ２の冷却能力を落とすことなく、エンジンアイドリング時にこの両電動ファン３Ａ，３Ｂがエンジン振動に共振することを防止することができるとともに、電動ファン３Ａ，３Ｂ同士の共振も防止することができ、エンジン冷却及び車室冷房に支障を来すことなく、自車の走行音が零になるエンジンアイドリング時の静粛化を図ることができる。

但し、空調機作動時に車速Ｖが所定車速Ｖ１以下になって電動ファン３Ａ，３Ｂ各々に対して上述の高デューティ比ＨA，ＨBが設定されたときであっても、エンジン冷却の要求から設定される水温制御デューティ比Ｄ１の方が大きい場合には、このデューティ比Ｄ１でもって電動ファン３Ａ，３Ｂが制御されるから、エンジンの冷却に支障を来すことはない。

なお、上記実施形態では、エンジンアイドリング時のエンジン振動に共振しないように電動ファン３Ａ，３Ｂのデューティ比Ｄ２を定めるようにしたが、アイドリング時のエンジン回転数を含む所定範囲のエンジン回転数において、エンジン振動との共振を生じないように電動ファン３Ａ，３Ｂのデューティ比ＨA，ＨBを定めるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、車速Ｖが所定車速Ｖ１以下になったときは、当該車両が停車アイドリング状態に移行することを見越して電動ファン３Ａ，３Ｂのデューティ比Ｄ２をＨA，ＨBに設定するようにしたが、エンジン回転数が所定値以下になったときに、或いはエンジンが停車アイドリング状態になったときに、電動ファン３Ａ，３Ｂのデューティ比Ｄ２をＨA，ＨBに設定するようにしてもよい。

車両用エンジン冷却装置の全体構成図である。水温制御における水温とデューティ比との関係を示すグラフ図である。空調制御における冷媒圧力とデューティ比との関係を示すグラフ図である。空調制御の車速補正における一方の電動ファンのデューティ比と車速との関係を示すグラフ図である。空調制御の車速補正における他方の電動ファンのデューティ比と車速との関係を示すグラフ図である。電動ファンのデューティ比の設定制御のフロー図である。

１ラジエータ
２コンデンサ
３Ａ，３Ｂ電動ファン
４Ａ，４Ｂ電動機

Claims

各々がエンジン冷却水用熱交換器及び空調機冷媒用熱交換器の双方に冷却風を送る２つの電動ファンと、該両電動ファンの作動を制御する制御手段とを備えている車両用エンジンの冷却装置において、
車速検出手段を備え、
上記制御手段は、上記空調機が作動し且つ上記車速検出手段によって検出される車速が所定値以下であるとき、上記両電動ファンの一方については、単位時間当たりのファン回転数である回転振動周波数が上記エンジンの単位時間当たりの爆発回数である爆発振動周波数より所定値以上に高くなるように、他方の電動ファンについては、当該回転振動周波数が上記エンジンの爆発振動回転数より所定値以上に低くなるように、上記両電動ファンの回転数をデューティ比で設定する空調制御ファクタを備えていることを特徴とする車両用エンジンの冷却装置。
請求項１において、
上記制御手段は、さらに、エンジン冷却水温に基いて上記両電動ファン各々の回転数をデューティ比で設定する水温制御ファクタを備え、各電動ファンについて該水温制御ファクタによって設定されるファン回転数が、上記空調制御ファクタによって設定されるファン回転数よりも高いときは、該水温制御ファクタによって設定されるファン回転数になるように当該電動ファンを制御することを特徴とする車両用エンジンの冷却装置。