JP4604858B2

JP4604858B2 - 車両の暖房装置

Info

Publication number: JP4604858B2
Application number: JP2005167293A
Authority: JP
Inventors: 孝鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: JP2006341660A

Description

本発明は、車両の暖房装置に関する。

内燃機関の暖機中には、サーモスタットが閉じられて冷却水がラジエータへ循環しないようにしている。これにより、内燃機関が速やかに暖機される。しかし、暖機中に暖房用ヒータが作動すると、冷却水の温度がまだ低いために冷たい空気が室内に流れ込むので乗員が不快な思いをする。

これに対し、冷却水温度が低く暖房能力が不十分の場合に電動サーモスタットを全閉にしつつ電動ウォータポンプの回転数を次第に増加させて冷却水温度の上昇を図る技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。冷却水温度が上昇して暖房能力が十分となった場合には、電動サーモスタットの開度を次第に増加させて冷却水温度の過剰な上昇を抑制している。
特開２０００−３０３８４１号公報特開平８−２３２６５８号公報特開２００３−２９３７６８号公報特開２００１−３２７１４号公報

ここで、冷却水を循環させるための電動ポンプを備えた内燃機関では、内燃機関の暖機を速やかに完了させるために冷却水の流通を停止させたり流量を少なくしたりすることがある。そして、乗員が暖房用ヒータを作動させるためのスイッチを入れた場合には、ヒータコアに冷却水を循環させるために電動ポンプが作動される。

しかし、電動ポンプ停止時には内燃機関内部の冷却水温度は上昇するが、内燃機関の外部に設置された冷却水通路、ヒータコア、およびラジエータ内の冷却水温度はほとんど上昇しない。このよう場合、ヒータコアへ冷却水を循環させると、内燃機関内で温度が上昇した冷却水がヒータコアへ到達し急激な温度上昇が起こる。そして、高温の冷却水が通り過ぎると、今度は冷却水通路等に貯留されていた温度の低い冷却水がヒータコアに到達し、急激な温度低下が起こる。これにより、ヒータコアから流れ出る空気の温度が変動するため乗員が不快な思いをする。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、車両の暖房装置において、電動ポンプ作動後のヒータ温度の変動を抑制することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による車両の暖房装置は、以下の手段を採用した。すなわち、
内燃機関の冷却水を循環させ且つ冷却水の流量を変更可能なポンプと、
前記内燃機関の冷却水と空気との熱交換を行うヒータコアと、
前記ヒータコアから空気を流動させるヒータブロアと、
前記内燃機関、ポンプ、およびヒータコアを接続し冷却水が流れる冷却水通路と、
前記ポンプの作動後の所定期間はヒータブロアを停止させるヒータブロア停止手段と、
を備えたことを特徴とする。

ヒータコアに温度の高い冷却水を循環させると、該ヒータコアにおいて冷却水と空気とで熱交換が行われ空気が暖められる。そして、ヒータブロアを作動させることにより、ヒータコアにて暖められた空気が車室内を循環する。

ここで、内燃機関の暖機促進のためにポンプを停止させている場合には、内燃機関からヒータコアまでの間の冷却水通路には温度の低い冷却水が貯留されている。そして、乗員がヒータのスイッチを入れる等してヒータを作動させようとしても、ポンプが停止しているとヒータコアに貯留されている温度の低い冷却水と空気とが熱交換されることとなり、空気の温度を上昇させることができない。そのため、乗員がヒータの作動を要求した場合には、ポンプを作動させて冷却水を循環させる。これにより、内燃機関内の温度の高い冷却水がヒータコアを循環することとなるため、該ヒータコアを通過する空気の温度を上昇させることができる。

しかし、内燃機関で暖められた冷却水がヒータコアを通過した後は、ポンプ作動前に内燃機関外で貯留されていた冷たい冷却水がヒータコアへ流れ込む。そのため、ヒータコアを通過する空気の温度も低下する。このときにヒータブロアが作動していると、ヒータから吹き出す空気の温度が変動し乗員が不快に思う。

ここで、ポンプを作動させていれば、温かい冷却水と冷たい冷却水とが次第に混ざり合い、冷却水の温度が均一に近い状態となり、ヒータコアを通過する空気の温度変動が小さくなる。そして、温度変動が小さくなれば乗員の不快感が小さくなる。しかし、冷却水が混ざり合うまでにはある程度の時間がかかる。そのため、ヒータブロア停止手段は冷却水の温度の変動が十分に小さくなるまではヒータブロアを停止させる。すなわち、前記「所定期間」は、冷却水の温度の変動が十分に小さくなるまでの期間として決定されてもよい。

また、冷却水の温度の変化率が所定範囲内になるまでにかかると思われる時間を予め定めておき、この定められた時間が経過するまではヒータブロアを停止させてもよい。さらに、この定められた時間は内燃機関の運転状態、ポンプの作動状態、外気温等の条件の変化に応じて変わるものでもよい。例えば、予めマップを作成しておき、該マップに基づいて前記時間を定めてもよい。さらに、予め設定された計算式により前記時間を定めてもよい。

そして、本発明においては、前記ポンプの作動後の前記ヒータコアを通過する冷却水の温度の変化率を推定する温度変化率推定手段をさらに備え、
前記ヒータブロア停止手段は、前記ポンプの作動後の前記温度変化率推定手段により推定される冷却水の温度の変化率が所定範囲内となるまでの間は前記ヒータブロアを停止させることができる。

ここで、冷却水の温度の変化率が所定範囲外の場合には、ヒータブロアが停止される。そして、「所定範囲」は、乗員が不快に思わない範囲として決定されてもよい。また、冷却水の温度の変化率は、冷却水の温度の変動量としてもよい。

また、本発明においては、前記温度変化率推定手段は、前記ポンプの作動後において、前記冷却水通路の少なくとも２箇所における冷却水温度を検出または推定し、前記ヒータブロア停止手段は、これら検出または推定された冷却水温度の差が所定値よりも小さい場合に、前記ヒータコアを通過する冷却水の温度の変化率が所定範囲内であると判定することができる。

ここで、前記ポンプの停止時には、内燃機関内の冷却水温度とヒータコア内の冷却水温度との差は大きい。また、ポンプ作動開始後すぐには冷却水の温度が均一とならない。そして、ポンプが作動して冷却水が混ざり合うと冷却水の温度が均一となり、一の箇所における冷却水温度と他の箇所における冷却水温度との差が小さくなる。前記ヒータブロア停止手段は、この差が十分に小さくなった場合にヒータコアを通過する冷却水の温度の変化率が所定範囲内であると判定する。

すなわち、前記「所定値」とは、ポンプ停止中に内燃機関内部で温度が上昇した冷却水と、ポンプ停止中の内燃機関外部の温度の低い冷却水と、がまだ十分に混ざり合っていないとされる冷却水温度差の最小値である。

例えば、内燃機関内の冷却水温度とヒータコア内の冷却水温度との差が所定値以上の場合に、前記ヒータコアを通過する冷却水の温度の変化率が所定範囲外であると判定してもよい。

本発明に係る車両の暖房装置は、電動ポンプ作動後のヒータ温度の変動を抑制することができる。

以下、本発明に係る車両の暖房装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る車両の暖房装置を適用する内燃機関１の概略構成を示す図である。

内燃機関１は、４サイクル機関であり、シリンダヘッド２およびシリンダブロック３を備えて構成されている。

内燃機関１の内部には冷却水を循環させるためのウォータジャケット４が形成されている。また、内燃機関１には冷却水を循環させるための通路が接続されている。この冷却水を循環させるための通路は、ラジエータ５を循環する第１循環通路６、ヒータコア７１を循環する第２循環通路８、バイパス通路９を循環する第３循環通路１０を備えて構成されている。各循環通路の一部には、他の循環通路と共有されている箇所があり、例えばウォータジャケット４は全ての循環通路に含まれている。

第１循環通路６は、ラジエータ５、サーモスタット１１、電動ポンプ１２、ウォータジャケット４を備えて構成されている。サーモスタット１１は、冷却水温度が高いときに第１循環通路６に冷却水を流し、冷却水温度が低いときに第３循環通路１０に冷却水を流す。

第１循環通路６では、電動ポンプ１２から吐出された冷却水が、ウォータジャケット４、ラジエータ５、サーモスタット１１の順に流れる。

第２循環通路８は、ヒータコア７１、電動ポンプ１２、ウォータジャケット４を備えて構成されている。

第２循環通路８では、電動ポンプ１２から吐出された冷却水が、ウォータジャケット４、ヒータコア７１の順に流れる。

第３循環通路１０は、バイパス通路９、サーモスタット１１、電動ポンプ１２、ウォータジャケット４を備えて構成されている。

第３循環通路１０では、電動ポンプ１２から吐出された冷却水が、ウォータジャケット４、バイパス通路９、サーモスタット１１の順に流れる。

第１循環通路６および第２循環通路８の内燃機関１からの出口付近には、該第１循環通路６および第２循環通路８内の冷却水の温度に応じた信号を出力する冷却水温度センサ１３が取り付けられている。

ヒータコア７１は、車室内のヒータユニット７に格納されている。このヒータユニット７は、ヒータコア７１の他、ヒータブロア７２およびヒータ吹出口７３を備えて構成されている。ヒータブロア７２は、車室外または車室内の空気を取り込み、この空気をヒータコア７１に向けて送風する。この空気はヒータコア７１を流れる冷却水と熱交換をすることにより温度が上昇される。この温度が上昇した空気が、ヒータ吹出口７３から車室内へ向けて吹き出す。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１４が併設されている。このＥＣＵ１４は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ１４には、冷却水温度センサ１３の他、アクセル開度すなわち機関負荷に応じた信号を出力するアクセル開度センサ１５、内燃機関１の回転数に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ１６、内燃機関１の吸入空気量に応じた信号を出力するエアフローメータ１７が電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号がＥＣＵ１４に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１４には、電動ポンプ１２およびヒータブロア７２が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１４はこの電動ポンプ１２およびヒータブロア７２を制御する。電動ポンプ１２は、該電動ポンプ１２へ供給する電力を調整することにより、冷却水の吐出量すなわち冷却水の流量を調整することができる。また、内燃機関１の運転中であっても、電動ポンプ１２を停止することができる。

そして、内燃機関１の冷間始動時には、内燃機関１の始動後であっても電動ポンプ１２を停止させることにより、ウォータジャケット４内の冷却水の温度を速やかに上昇させることができる。これにより、内燃機関１の暖機を速やかに行うことができ、燃費の向上および有害物質の排出の抑制を図ることができる。

さらに、本実施例においては、内燃機関１の始動後であって電動ポンプ１２が停止されているときに乗員がヒータユニット７を作動させるスイッチを入れた（ヒータの作動要求があった）場合には、電動ポンプ１２を作動させて第２循環通路８に冷却水を循環させる。このときに、第２循環通路８の他、第３循環通路１０にも冷却水が流れる。

ところで、電動ポンプ１２の停止時には、内燃機関１の外部の第２循環通路８およびヒータコア７１内の冷却水温度は低く、ウォータジャケット４内の冷却水温度は高い。また、バイパス通路９が内燃機関１の内部に設けられているとすると、該バイパス通路９内の冷却水温度は高い。このように、第２循環通路８内では、冷却水温度が均一ではない。このような状態で電動ポンプ１２を作動させると、第２循環通路８および第３循環通路１０内の冷却水が混ざり合い温度が均一となるまでは、ヒータコア７１を通過する冷却水の温
度が変動する。

そこで、本実施例においては、ヒータの作動要求があったことにより電動ポンプ１２を作動させた後、ヒータコア７１を通過する冷却水の温度の変動量が、乗員を不快にさせるほど大きくなるおそれのある間はヒータブロア７２を停止させる。このようにして、ヒータから吹き出す空気の温度が変動することを抑制でき、乗員が不快に思うことを抑制することができる。

次に、本実施例による電動ポンプ制御について説明する。

図２は、本実施例による電動ポンプ制御のフローを示したフローチャートである。本フローは所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、内燃機関１が運転中であって電動ポンプ１２の停止条件が成立しているか否か、または内燃機関１が停止中であるか否か判定される。ここで、冷却水温度センサ１３により得られる値が所定値Ｔｗよりも小さく、ウォータジャケット４内の冷却水温度が所定値Ｔｗよりも小さく、内燃機関１のシリンダ壁温が所定値Ｔｃよりも小さく、内燃機関１の出力が所定値Ｐｅよりも小さく、さらにヒータの作動要求がないことを全て満たしているときに電動ポンプ１２の停止条件が成立していると判定される。すなわち、本ステップにおいては、電動ポンプ１２を停止させるべき状態であるか否か判定している。

ウォータジャケット４内の冷却水温度およびシリンダ壁温は、センサを取り付けて実際に計測してもよく、例えば特許第２６６６３６６号公報で示されているような方法により推定してもよい。

また、冷却水温度センサ１３により得られる値とウォータジャケット４内の冷却水温度との両方を判定しているのは、電動ポンプ１２の停止中にはこれらの値が異なっているからである。

ここで、Ｔｗは冷却水が沸騰するおそれのある温度であり、実際に沸騰する温度よりも余裕を持たせて低い値に設定する。Ｔｃは内燃機関１の耐久性が低下するおそれのある温度、若しくはノックの発生するおそれのある温度の下限値であり、実際に内燃機関１が毀損したりノックが発生したりする温度よりも余裕を持たせて低い値に設定する。Ｐｅは、ウォータジャケット４内の冷却水が局所的に沸騰するおそれのある機関出力の下限値である。これは、電動ポンプ１２の停止時に内燃機関１の出力が大きくなると該内燃機関１での発熱量が増加するために、冷却水が局所的に沸騰するおそれがあることによる。

以上の条件のうち１つでも該当しないものがある場合には冷却水の循環が必要となる。

また、本実施例においては、内燃機関１の停止中に冷却水を循環させる必要はないので、この場合には電動ポンプ１２が停止される。

ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０２では、電動ポンプ１２が停止される。

ステップＳ１０３では、第２循環通路８において、内燃機関１の内部と外部との冷却水温度の差が所定値以上であるか否か判定される。内燃機関１の内部とはウォータジャケッ
ト４のことであり、内燃機関１の外部とはウォータジャケット４以外の第２循環通路８のことである。ヒータコア７１および電動ポンプ１２も内燃機関１の外部に含まれる。

また、本ステップでの「所定値」とは、電動ポンプ１２およびヒータブロア７２を作動させたときに、乗員が不快となる温度変動が起こり得る冷却水温度差の下限値である。すなわち、内燃機関１の内部と外部との冷却水温度の差が所定値よりも小さい場合には、前記ヒータコアを通過する冷却水の温度の変化率は乗員を不快にさせるものではないとされる。

ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０４では、冷却水流量が最低となるように電動ポンプ１２がデューティ制御される。ここで、温度の低い冷却水と温度の高い冷却水とが流れると、第２循環通路８を構成する部材が膨張・収縮を繰り返すことになり、これらの部材の耐久性を低下させる。これを抑制するために、冷却水の流量を可及的に少なくして、各部材の温度をゆっくりと変化させる。

なお、次のステップＳ１０５でヒータブロア７２が停止されれば、乗員に不快感を与えることがないため、本ステップは必ずしも必要ではない。

ステップＳ１０５では、ヒータブロア７２が停止される。なお、ヒータブロア７２は、ヒータ７の作動要求があった後から継続して停止されている。

ステップＳ１０６では、冷却水流量が通常流量となるように電動ポンプ１２が通常制御される。この通常制御とは、内燃機関１のシリンダ壁温、冷却水温度、および内燃機関１の運転領域（例えば機関回転数および機関負荷）に応じて冷却水流量のデューティ制御を行うものである。

このようにして、電動ポンプ１２の作動開始直後におけるヒータ吹出口７３から吹き出る空気の温度変動を抑制することができる。

なお、ステップＳ１０３では、第２循環通路８における内燃機関１の外部の冷却水温度を求める必要がある。これは、温度センサにより計測してもよいが、以下のようにして得てもよい。

図３は、第２循環通路８における内燃機関１の外部の冷却水温度を推定するフローを示したフローチャートである。本フローは、所定の時間毎に繰り返し実行される。

本フローでは、電動ポンプ１２の流量の積算値が所定値以上となった場合に、内燃機関１の内部と外部との冷却水温度が略等しいとして、冷却水温度センサ１３により得られる冷却水温度を内燃機関１の外部の温度としている。また、電動ポンプ１２の流量の積算値が所定値未満の場合には、電動ポンプ１２の作動前の冷却水温度と、電動ポンプ１２の作動後に冷却水温度センサ１３により得られる冷却水温度と、に基づいて、内燃機関１の外部の冷却水温度を算出している。このときに、冷却水流量に応じたなまし処理を行っている。

ステップＳ２０１では、内燃機関１を始動させるためのスイッチであるＩＧスイッチ１８が乗員によりＯＦＦからＯＮとされたか否か判定される。ここでは、内燃機関１の始動時であるか否か判定される。

ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ２０３へ進む。

ステップＳ２０２では、冷却水温度センサ１３により計測された冷却水温度（以下、計測冷却水温度Ｅｗとする。）を第２循環通路８の冷却水温度（以下、ヒータ系冷却水温度Ｅｗｈとする。）とする。すなわち、ＩＧスイッチ１８がＯＦＦからＯＮとされたときには、ウォータジャケット４内の冷却水温度はまだ上昇していない。したがって、第２循環通路８内の冷却水温度は略均一である。そのため、本ステップでは、第２循環通路８内の冷却水温度と計測冷却水温度Ｅｗとが等しいとしている。

ステップＳ２０３では、冷却水流量の積算値が所定値以下であるか否か判定される。ここでは、第２循環通路８内の冷却水温度が均一となるほど冷却水が循環されたか否か判定される。冷却水流量は、電動ポンプ１２に供給された電力と冷却水流量との関係を予め実験等により求めマップ化し、該マップへ電動ポンプ１２に供給された電力を代入することにより得ることができる。このようにして得られた電動ポンプ１２の流量が積算され、所定値と比較される。本ステップでの「所定値」とは、第２循環通路８内の冷却水温度が均一である場合の積算冷却水流量の下限値である。

ステップＳ２０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ２０６へ進む。

ステップＳ２０４では、電動ポンプ１２が作動中であるか否か判定される。電動ポンプ１２が停止中であれば、第２循環通路８内の冷却水温度は不均一のままなの以下の処理は行わない。

ステップＳ２０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ２０５では、なまし処理によりヒータ系冷却水温度Ｅｗｈを算出する。

ここで、図４は、冷却水流量となまし定数との関係を示した図である。この関係は予め実験等により求めてマップ化し、ＥＣＵ１４に記憶させておく。冷却水流量は、ステップＳ２０３と同様にして求める。そして、図４に示したマップからなまし定数Ｔｎを得た後、以下の式によりヒータ系冷却水温度Ｅｗｈを算出する。

Ｅｗｈ←（Ｅｗ−Ｅｗｈ）／Ｔｎ+Ｅｗｈ
ステップＳ２０６では、計測冷却水温度Ｅｗをヒータ系冷却水温度Ｅｗｈに代入する。ここでは、第２循環通路８内の冷却水温度は略均一となっているため、計測冷却水温度Ｅｗを第２循環通路８内の冷却水温度としている。

このようにして、電動ポンプ１２が作動してから第２循環通路８内の温度が均一となるまでの間の冷却水温度、および第２循環通路８内の温度が均一となった後の冷却水温度を算出することができる。

以上説明したように、本実施例によれば、ヒータ吹き出し温度が変動するおそれのあるときにはヒータブロア７２を停止させるので、乗員が不快な思いをすることが抑制される。

実施例に係る車両の暖房装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。実施例による電動ポンプ制御のフローを示したフローチャートである。第２循環通路における内燃機関の外部の冷却水温度を推定するフローを示したフローチャートである。電動ポンプによる冷却水流量となまし定数との関係を示した図である。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダヘッド
３シリンダブロック
４ウォータジャケット
５ラジエータ
６第１循環通路
７ヒータユニット
８第２循環通路
９バイパス通路
１０第３循環通路
１１サーモスタット
１２電動ポンプ
１３冷却水温度センサ
１４ＥＣＵ
１５アクセル開度センサ
１６クランクポジションセンサ
１７エアフローメータ
１８ＩＧスイッチ
７１ヒータコア
７２ヒータブロア
７３ヒータ吹出口

Claims

内燃機関の冷却水を循環させ且つ冷却水の流量を変更可能なポンプと、
前記内燃機関の冷却水と空気との熱交換を行うヒータコアと、
前記ヒータコアから空気を流動させるヒータブロアと、
前記内燃機関、ポンプ、およびヒータコアを接続し冷却水が流れる冷却水通路と、
前記ポンプの作動後の所定期間はヒータブロアを停止させるヒータブロア停止手段と、
前記ポンプの作動後の前記ヒータコアを通過する冷却水の温度の変化率を推定する温度変化率推定手段と、
を備え、
前記ヒータブロア停止手段は、前記ポンプの作動後の前記温度変化率推定手段により推定される冷却水の温度の変化率が所定範囲内となるまでの間は前記ヒータブロアを停止させることを特徴とする車両の暖房装置。
前記温度変化率推定手段は、前記ポンプの作動後において、前記冷却水通路の少なくとも２箇所における冷却水温度を検出または推定し、前記ヒータブロア停止手段は、これら検出または推定された冷却水温度の差が所定値よりも小さい場合に、前記ヒータコアを通過する冷却水の温度の変化率が所定範囲内であると判定することを特徴とする請求項１に記載の車両の暖房装置。