JP4821247B2 - 内燃機関の冷却水制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の冷却水制御装置に関する。

特開２００３−１７２１４１号公報（特許文献１）には、エンジンを循環する冷却水の温度を目標温度に調節するために行われる冷却水温度制御の応答性を向上させるエンジン冷却装置が開示されている。同装置は、エンジンの冷却水循環経路中に設けられたラジエータを通過する冷却水の流量を調整する流量調整弁と、エンジン出口水温度が所要の目標温度となるように流量調整弁の開度を制御するＥＣＵとを備え、ＥＣＵは、エンジンの運転状態に基づいてフィードフォワード項としての基本開度を設定し、エンジン出口水温度が目標温度となるように増減されるフィードバック項としてのＦ／Ｂ定数と、上記基本開度とから最終開度を算出し、その最終開度に基づいて流量調整弁の開度をフィードバック制御する。

特開２００３−１７２１４１号公報 特開平５−２３１１４８号公報

上記特許文献１の技術におけるフィードフォワード制御は、単に、ある時点でのエンジンの運転状態に基づいて流量調整弁の開度を設定するだけで、その時点よりも前の運転状態は考慮されない。このことから、例えば、エンジンの運転状態が全開で運転された後に“ある運転状態”になったときも、アイドル状態の後に“ある運転状態”になったときも、流量調整弁の開度設定は同じになる。しかしながら、その“ある運転状態”になる以前の運転状態により、エンジン保持熱量（エンジン各部温、エンジン内水温）は異なるため、フィードフォワード制御において、流量調整弁の開度が同じに設定された場合には、上記ある時点からのエンジン水温の推移（エンジン水温制御状況）が異なってくる（制御誤差が大きくなる）虞がある。

本発明は、より最適な水温に内燃機関の冷却水の水温を制御することが可能な内燃機関の冷却水制御装置を提供することである。
本発明の他の目的は、最適水温に対する内燃機関の冷却水の水温の制御応答性を向上させることが可能な内燃機関の冷却水制御装置を提供することである。

本発明の内燃機関の冷却水制御装置は、電子的に弁開度を調整可能な弁開度調整手段を用いて内燃機関の冷却水の水温を制御する内燃機関の冷却水制御装置であって、前記内燃機関の現在までの運転条件に基づいて前記冷却水の水温の最適値を推定する冷却水最適値推定手段を備え、将来の前記内燃機関の入口での冷却水の水温の推定値と、前記推定された冷却水の水温の最適値に基づいて、前記弁開度調整手段の前記弁開度を調整することを特徴としている。

本発明の内燃機関の冷却水制御装置において、前記冷却水最適値推定手段は、前記内燃機関の現在までの運転条件に基づいて、前記内燃機関の現在の燃焼室壁温を推定し、前記現在の燃焼室壁温の推定値に基づいて、前記冷却水の水温の最適値を推定することを特徴としている。

本発明の内燃機関の冷却水制御装置において、前記冷却水最適値推定手段は、前記現在の燃焼室壁温の推定値と現在の前記内燃機関の運転条件に基づいて、将来の前記燃焼室壁温を推定し、前記将来の燃焼室壁温の推定値に基づいて、前記冷却水の水温の最適値を推定することを特徴としている。

本発明の内燃機関の冷却水制御装置は、内燃機関の冷却水の水温を制御する内燃機関の冷却水制御装置であって、将来の前記内燃機関の入口での冷却水の水温の推定値と、制御目標値とに基づいて、前記内燃機関に入る冷却水の水温をフィードフォワード制御することを特徴としている。ここで、前記制御目標値は、推定された前記冷却水の水温の最適値であることができる。

本発明の内燃機関の冷却水制御装置は、内燃機関の冷却水の水温を制御する内燃機関の冷却水制御装置であって、現在の前記内燃機関の燃焼室壁温と、現在の前記内燃機関の運転条件とに基づいて、将来の前記燃焼室壁温を推定し、前記将来の燃焼室壁温の推定値に基づいて、前記冷却水の水温の最適値を推定し、前記冷却水の水温の最適値の推定値に基づいて、前記冷却水の水温をフィードフォワード制御することを特徴としている。

本発明の内燃機関の冷却水制御装置において、前記内燃機関の現在の運転条件に基づいて発熱量を算出し、現在の前記内燃機関の入口での冷却水の水温と、前記発熱量とに基づいて、将来の前記内燃機関の出口での冷却水の水温を推定し、前記将来の内燃機関の出口での冷却水の水温の推定値と、ラジエターの冷却能力とに基づいて将来の前記ラジエターの出口での冷却水の水温を推定し、前記将来の内燃機関の出口での冷却水の水温の推定値と、前記将来のラジエターの出口での冷却水の水温の推定値とに基づいて、前記将来の内燃機関の入口での冷却水の水温の推定値が求められることを特徴としている。

本発明によれば、より最適な水温に内燃機関の冷却水の水温を制御することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１から図６を参照して、内燃機関の冷却水制御装置の一実施形態について説明する。

本実施形態は、内燃機関のエンジン水温を制御するサーモスタットを電子化し、負荷に応じて最適水温制御を行うシステムにおいて、燃焼室壁温と現運転条件各値より将来のエンジン入口水温を推定し、最適水温に向けて電子サーモスタットの開度を迅速にフィードフォワード（先読み）制御することで、水温の制御応答性を向上させ、ノッキングの回避精度の向上及び燃費の向上を図るものである。

図１は、本実施形態の内燃機関の冷却水制御装置のシステム構成図である。同図において、符号１はエンジン、符号２はエアクリーナ、符号３はスロットル、符号４はサージタンク、符号５はインテークマニホルド、符号６はエキゾーストマニホルド、符号７は排気管である。これらのエンジンの基本システム構成の冷却系として、ウォーターアウトレット（Ｗ／Ｏ）パイプ８と、ラジエター９と、ウォーターインレット（Ｗ／Ｉ）パイプ１０と、ウォーターバイパス（Ｗ／Ｂ）パイプ１１とがある。Ｗ／Ｉパイプ１０とＷ／Ｂパイプ１１との接続部には、電子サーモスタット１２が設けられている。

電子サーモスタット１２は、ウォータポンプ１３によりエンジン１の内部に送られる冷却水の通路経路の開度制御を行う。図２に示すように、電子サーモスタット１２は、通路切り替えバルブ１２ａを用いて、エンジン１に入る冷却水において、ラジエター９を経てＷ／Ｉパイプ１０経由で流れる低温の冷却水の流量と、ラジエター９を経ることなくＷ／Ｂパイプ１１経由で流れる高温の冷却水の流量の割合を制御して、最適な水温に調整された冷却水がエンジン１に入るようにする。

図１に示すように、Ｗ／Ｉパイプ１０において電子サーモスタット１２よりもエンジン１側には、水温センサ（エンジン入口）１５が設けられている。同様に、Ｗ／Ｏパイプ８においてエンジン１側には、水温センサ（エンジン出口）１６が設けられている。ＥＣＵ１４には、トランスミッションの出力軸に設けられた車速センサ（図示せず）によって検出された車速を示す信号（車速信号）１７と、外気温を示す信号と、エンジン入口の水温センサ１５及びエンジン出口の水温センサ１６のそれぞれにより検出された水温を示す信号と、エンジン回転数（ＮＥ）センサ１８により検出されたエンジン回転数を示す信号と、スロットルポジションセンサ１９により検出されたスロットル開度を示す信号とが入力される。ＥＣＵ１４は、以下に述べるように、これらの入力された信号に基づいて、エンジン水温の最適値を求め、電子サーモスタット１２の通路切り替えバルブ１２ａを制御する。

次に、図３を参照して、本実施形態の動作について説明する。

[ステップＳ１及びステップＳ２]
本実施形態によるエンジン冷却水の制御は、エンジン１が運転中であるときにＥＣＵ１４により実行される（ステップＳ１、ステップＳ１１）。エンジン１が運転中である場合（ステップＳ１−Ｙ、ステップＳ１１−Ｙ）には、ステップＳ２において、現時点のエンジン運転条件（スロットル開度とエンジン回転数）及び現時点までのエンジン運転条件に基づいて、現時点のエンジン１の燃焼室の壁温の推定値が求められ、その現時点のエンジン１の燃焼室の壁温の推定値と、現時点のエンジンの運転条件に基づいて、将来的な燃焼室の壁温の推移が算出（推定）される。

上記のように、ステップＳ２では、まず、現時点のエンジン１の燃焼室の壁温の推定値が求められる。現時点のエンジン１の燃焼室の壁温は、現時点のエンジン１の運転状態のみによって決まるのではなく、エンジン１の始動後から現時点までのエンジン１の運転状態によって変わる値である。そのため、現時点のエンジン運転条件に基づくのみならず、エンジン１の始動後から現時点までのエンジン運転条件の積算値に基づいて、現時点のエンジン１の燃焼室の壁温が推定される。現時点のエンジン１の燃焼室の壁温の推定値には、エンジン保持熱量（エンジン各部温、エンジン内水温）が実質的に反映されている。

ノッキング、異常燃焼などのような燃焼の現象は、燃焼室の壁温に影響を受け易いため、ステップＳ２では、燃焼室の壁温が推定される。燃焼室の壁温の推定に際しては、上記のスロットル開度（負荷）とエンジン回転数に加えて、エンジン１の入口の水温値に基づいて推定されることもできる。

また、ステップＳ２において、将来的な燃焼室の壁温の推移は、仮に現時点のエンジンの運転条件が今後も続いた場合に、現時点のエンジン１の燃焼室の壁温の推定値が、将来的にどのように変化（推移）するのかという観点から求められる。次回の制御サイクルにて、現時点のエンジンの運転条件が変化した場合には、将来的な燃焼室の壁温の推移には、その変化後の（更新された）運転条件による修正が加えられる。

[ステップＳ３]
次いで、ステップＳ３では、上記ステップＳ２で求められた将来的な燃焼室壁温の推移（推定値）に基づいて、エンジン水温の最適値が算出される。このエンジン水温の最適値は、性能及び燃費の面から、燃焼室壁温に適した値が求められる。

図４は、現在の燃焼室壁温（推定値）及び将来的な燃焼室壁温の推移（推定値）と、エンジン水温の最適値との関係の一例を示したものである。同図に示すように、現在から将来に向かって燃焼室壁温が上昇すると推定される場合、エンジン水温の最適値は下降するように求められ、ステップＳ３では、制御タイミングに設定された時点ｔ１での値がエンジン水温の最適値として算出される。

[ステップＳ４]
次に、ステップＳ４では、現在のエンジンの運転条件に基づいて、エンジン１の発熱量が算出され、その発熱量と、エンジン入口の水温センサ１５により計測された現在の冷却水の水温とに基づいて、将来のエンジン１の出口水温の到達点が推定される。ステップＳ４において算出されるエンジン１の単位時間当たりの発熱量は、図５に示すように、エンジン回転数（ＮＥ）とスロットル開度のマップにより求められることができる。同図に示すように、エンジン回転数が大きいほど、また、スロットル開度が大きいほど、エンジン１の発熱量は大きな値に算出される。

[ステップＳ５]
次いで、ステップＳ５では、車速（車速信号１７）及び外気温に基づいて、現在のラジエター９の冷却能力が算出される。ステップＳ５において算出されるラジエター９の冷却能力は、図６に示すように、車速と外気温のマップにより求められることができる。同図に示すように、車速が高いほど、また、外気温が低いほど、ラジエター９の冷却能力は大きな値に算出される。

[ステップＳ６]
次に、ステップＳ６では、上記ステップＳ４において推定されたエンジン１の出口水温と、ＮＥセンサ１８により検出された現在のエンジン回転数（ウォータポンプ１３の流量）と、電子サーモスタット１２の通路切り替えバルブ１２ａの現在の開度と、上記ステップＳ５で算出されたラジエター９の現在の冷却能力とに基づいて、将来のラジエター９の出口水温が推定される。

[ステップＳ７]
次いで、ステップＳ７では、上記ステップＳ４で推定されたエンジン１の将来の出口水温と、上記ステップＳ６で推定されたラジエター９の将来の出口水温と、電子サーモスタット１２の現在の通路切り替えバルブ１２ａの開度とに基づいて、エンジン１の将来の入口水温を推定する。

[ステップＳ８〜ステップＳ１３]
次に、ステップＳ８では、上記ステップＳ７で推定されたエンジン１の将来の入口水温が、上記ステップＳ３で算出されたエンジン水温の最適値よりも高いか否かが判定される。その判定の結果、エンジン１の推定入口水温が最適水温値よりも高い場合には、電子サーモスタット１２の通路切り替えバルブ１２ａがラジエター９側に全開であるか否かが判定され（ステップＳ９）、全開ではない場合にはラジエター９からの冷却水を予め設定された一定量多く流す（Ｗ／Ｉパイプ１０側の通路を大きくする）ように通路切り替えバルブ１２ａを制御する（ステップＳ１０）。一方、ステップＳ８の判定の結果、エンジン１の推定入口水温が最適水温値よりも高くない場合には、電子サーモスタット１２の通路切り替えバルブ１２ａがＷ／Ｂパイプ１１側に全開であるか否かが判定され（ステップＳ１２）、全開ではない場合にはラジエター９からの冷却水を予め設定された一定量少なく流す（Ｗ／Ｂパイプ１１側の通路を大きくする）ように通路切り替えバルブ１２ａを制御する（ステップＳ１３）。ステップＳ９又はステップＳ１２で肯定的に判定された場合、及びステップＳ１０又はステップＳ１３の次には、ステップＳ１１に進み、エンジン１が運転中であればステップＳ２に戻り、運転中はない場合には本制御は終了する。

以上に述べたように、本実施形態は、エンジン水温コントロールを行うサーモスタットを電子制御化したシステムにおいて、設定水温に対する制御性を、単なるエンジン運転状態によるフィードフォワード制御や、電子サーモスタットの出口の水温によるフィードバック制御に頼っていない。即ち、本実施形態では、エンジン水温の最適値を設定するための判断指標として、まず、現時点の燃焼室の壁温（推定値）を設定し、その現在の燃焼室の壁温に現在のエンジン運転状態を加味して将来的な燃焼室壁温を設定する（ステップＳ２）。その将来的な燃焼室壁温からエンジン水温の最適値を求め（ステップＳ３）、そのエンジン水温の最適値を狙ったフィードフォワード制御を行うことで、ノッキングの回避精度の向上及び燃費の向上を図ることとしている。

本実施形態では、現在の運転条件の各種数値（エンジン回転数、スロットル開度、エンジン入口水温、車速、外気温、電子サーモスタット１２の通路切り替えバルブ１２ａの開度）に基づいて、エンジン入口水温（将来値）を推定し（ステップＳ７）、電子サーモスタット１２の通路切り替えバルブ１２ａに対して先読み制御（フィードフォワード制御）を行う（ステップＳ８〜ステップＳ１３）ことで、燃焼室壁温（推定値）から求められるエンジン水温の最適値への制御性を向上させようとするものである。ノッキングが発生しない燃焼室壁温（低中負荷）の条件の時には、エンジン水温を速やかに高くすることで、燃費を向上（冷損低減）させ、ノッキングが発生するような燃焼室壁温（高負荷）の条件の時には、エンジン水温を速やかに下げることでノッキングをより発生し難くし、性能を向上させることが可能となる。

即ち、本実施形態では、ある一時点でのエンジンの運転状態に基づいてではなく、エンジン始動後から現在までのエンジンの運転状態が反映される燃焼室壁温（推定値）に基づいて、ノッキングが発生しそうな状態か、燃費向上を狙える状態かを判定しており、それに基づいてエンジン水温を制御する。

更に、本実施形態では、現状の、エンジン水温の最適値を制御目標とするフィードバック制御だけではなく、迅速なフィードフォワード（先読み）制御を行うことにより、エンジン水温の追従性の向上だけではなく、エンジン水温の制御の収束性も向上する（エンジン水温のハンチング等が発生し難くなる、制御の目標値が安定し易くなる）。フィードバック制御及びフィードフォワード制御の両側から電子サーモスタット１２の通路切り替えバルブ１２ａの開度が設定されるためである。

本発明の内燃機関の冷却水制御装置の一実施形態の概略構成図である。 本発明の内燃機関の冷却水制御装置の一実施形態の電子サーモスタットを説明するための図である。 本発明の内燃機関の冷却水制御装置の一実施形態の動作を示すフローチャートである。 本発明の内燃機関の冷却水制御装置の一実施形態において、燃焼室壁温と最適水温値との関係を示す図である。 本発明の内燃機関の冷却水制御装置の一実施形態において、発熱量の求め方を説明するための図である。 本発明の内燃機関の冷却水制御装置の一実施形態において、ラジエターの冷却能力を説明するための図である。

符号の説明

１ エンジン
２ エアクリーナ
３ スロットル
４ サージタンク
５ インテークマニホルド
６ エキゾーストマニホルド
７ 排気管
８ ウォーターアウトレット（Ｗ／Ｏ）パイプ
９ ラジエター
１０ ウォーターインレット（Ｗ／Ｉ）パイプ
１１ ウォーターバイパス（Ｗ／Ｂ）パイプ
１２ 電子サーモスタット
１２ａ 通路切り替えバルブ
１３ ウォータポンプ
１４ ＥＣＵ
１５ 水温センサ（エンジン入口）
１６ 水温センサ（エンジン出口）
１７ 車速信号
１８ ＮＥセンサ

Claims (4)

1. 電子的に弁開度を調整可能な弁開度調整手段を用いて内燃機関の冷却水の水温を制御する内燃機関の冷却水制御装置であって、
   前記内燃機関の現在までの運転条件に基づいて前記冷却水の水温の最適値を推定する冷却水最適値推定手段を備え、
   次回制御タイミングの前記内燃機関の入口での冷却水の水温の推定値と、前記推定された冷却水の水温の最適値に基づいて、前記弁開度調整手段の前記弁開度を調整する
   ことを特徴とする内燃機関の冷却水制御装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の冷却水制御装置において、
   前記冷却水最適値推定手段は、前記内燃機関の現在までの運転条件に基づいて、前記内燃機関の現在の燃焼室壁温を推定し、前記現在の燃焼室壁温の推定値に基づいて、前記冷却水の水温の最適値を推定する
   ことを特徴とする内燃機関の冷却水制御装置。
3. 請求項２記載の内燃機関の冷却水制御装置において、
   前記冷却水最適値推定手段は、前記現在の燃焼室壁温の推定値と現在の前記内燃機関の運転条件に基づいて、次回制御タイミングの前記燃焼室壁温を推定し、前記次回制御タイミングの燃焼室壁温の推定値に基づいて、前記冷却水の水温の最適値を推定する
   ことを特徴とする内燃機関の冷却水制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の冷却水制御装置において、
   前記内燃機関の現在の運転条件に基づいて発熱量を算出し、現在の前記内燃機関の入口での冷却水の水温と、前記発熱量とに基づいて、次回制御タイミングの前記内燃機関の出口での冷却水の水温を推定し、前記次回制御タイミングの内燃機関の出口での冷却水の水温の推定値と、ラジエターの冷却能力とに基づいて次回制御タイミングの前記ラジエターの出口での冷却水の水温を推定し、前記次回制御タイミングの内燃機関の出口での冷却水の水温の推定値と、前記次回制御タイミングのラジエターの出口での冷却水の水温の推定値とに基づいて、前記次回制御タイミングの内燃機関の入口での冷却水の水温の推定値が求められる
   ことを特徴とする内燃機関の冷却水制御装置。

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