JP4940099B2 - 内燃機関の流体温度推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関を流れる流体の温度を推定する内燃機関の流体温度推定装置に関する。

従来の温度検出装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この温度検出装置は、油圧作動機械に適用されており、油温センサおよび室温センサなどを備えている。この温度検出装置では、両センサの検出値に基づき、油圧作動機械の異常判定が次のようにして行われる。まず、油温センサで検出された作動油の温度と室温センサで検出された室温との温度差を所定時間ごとに算出する。次に、この温度差の今回値と前回値との差を変化量として算出し、この変化量が所定のしきい値よりも大きいときには、作動油の温度の上昇度合いが高いため、油圧作動機械に異常が生じていると判定する。

しかし、上述した従来の温度検出装置では、２つの温度センサの検出値に基づいて油圧作動機械の異常判定を行うにすぎない。このため、油温センサが温度変化に対する応答性が低い場合や、油温センサの検出精度が低い場合には、実際の作動油の温度を精度良く求めることができない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、内燃機関を流れる流体の温度を精度良く推定することができる内燃機関の流体温度推定装置を提供することを目的とする。

特公平４−３５３００号公報

この目的を達成するため、請求項１に係る発明は、互いに性状が異なる第１流体（実施形態における（以下、本項において同じ）冷却水Ｗ）および第２流体（潤滑油Ｏ）が流れる内燃機関３において、第２流体の温度を推定する内燃機関３の流体温度推定装置１であって、第１流体の温度を検出する第１温度センサ（水温センサ２１）と、第２流体の温度を検出する第２温度センサ（油温センサ２３）と、第１温度センサの検出値（水温検出値ＴＷ）および第２温度センサの検出値（油温検出値ＴＯＩＬ）に基づいて、第２流体の温度を推定する第２流体温度推定手段（ＥＣＵ２、図３のステップ５〜７）と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、互いに性状が異なる第１流体および第２流体の温度を、第１温度センサおよび第２温度センサでそれぞれ検出する。これらの第１および第２流体はともに内燃機関を流れるので、第１および第２流体の温度はともに、内燃機関の運転状態に応じて変化する。また、内燃機関では発熱源が限られているため、第１および第２流体の温度はいずれも、この共通の発熱源から発生する熱によって変化する。このため、第１流体の温度は、第２流体の温度とある関連性をもって変化し、第２流体の温度の指標となる。したがって、第１および第２温度センサの検出値に基づいて、第２流体の温度を推定することによって、第２温度センサの検出値のみに基づく場合と比較して、第２流体の温度を精度良く推定することができ、その信頼性を高めることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の流体温度推定装置１において、第１温度センサは、第２温度センサよりも、温度変化に対する応答性が高いことを特徴とする。

この構成によれば、温度変化に対する応答性が高い第１温度センサの検出値を用いて、第２流体の温度を推定するので、第２温度センサの応答遅れを良好に補償でき、第２流体の温度をより精度良く推定することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の流体温度推定装置１において、内燃機関３は発熱源（燃焼室３ｄ）有し、第１流体は、第２流体よりも、発熱源から受け取る受熱量が大きいことを特徴とする。

流体の温度は、流体が受け取る受熱量が大きいほど、より速く変化する。この構成によれば、第１流体は、第２流体よりも、内燃機関の発熱源からの受熱量が大きいので、第１流体の温度は、比較的速く変化し、第２流体の温度の良好な指標となる。したがって、第１温度センサの検出値に基づいて、第２流体の温度をより精度良く推定することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の流体温度推定装置１において、第１流体は、第２流体よりも、内燃機関３の運転に伴う温度変化速度が大きいことを特徴とする。

この構成によれば、第１流体は、第２流体よりも、内燃機関の運転に伴う温度変化速度が大きいので、第１流体の温度は第２流体の温度の先行指標となる。したがって、第１温度センサの検出値に基づいて、第２流体の温度をより精度良く推定することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関３の流体温度推定装置１において、第１温度センサの検出値になまし処理することによってなまし値ＴＷＥＳＴを算出するなまし値算出手段（ＥＣＵ２、図３のステップ５）をさらに備え、第２流体温度推定手段は、算出されたなまし値ＴＷＥＳＴと第２温度センサの検出値に基づいて、第２流体の温度を推定することを特徴とする。

この構成によれば、第１温度センサの検出値になまし処理することによってなまし値を算出し、このなまし値と第２温度センサの検出値に基づいて、第２流体の温度を推定する。例えば第２流体の温度が第１流体の温度よりも遅れて変化する場合や、第２温度センサの応答性がより低く、応答遅れがある場合には、第１温度センサの検出値をなまし処理することによって算出したなまし値によって、それらの遅れを補償できる。したがって、このなまし値と第２温度センサの検出値に基づいて、第２流体の温度を推定することによって、その推定精度を向上させることができる。

請求項６に係る発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関３の流体温度推定装置１において、第１流体は、内燃機関３を冷却するための冷却水であり、第２流体は、内燃機関３を潤滑するための潤滑油であり、第２流体温度推定手段は、推定した第２流体の温度が第２温度センサの検出値を下回ったときには、第２温度センサの検出値を第２流体の温度として設定することを特徴とする。

内燃機関の運転に伴い第１流体である冷却水および第２流体である潤滑油が昇温した後、降温する場合、それらの降温速度は、冷却水が高いのに対して、潤滑油は低い。このため、第１および第２流体の降温時には、第１および第２温度センサの検出値に基づいて推定された第２流体の温度が、実際の温度よりも低く推定されるおそれがある。本発明によれば、推定した第２流体の温度が第２温度センサの検出値を下回ったときには、第２温度センサの検出値を第２流体の温度として用いるので、第２流体の温度の誤った推定を回避することができる。また、潤滑油の温度上昇の要因である燃焼室などの発熱源からの発熱が比較的、急速に行われるのに対して、温度低下の要因である冷却水による冷却や大気中への放熱は緩やかに行われるため、通常、潤滑油の降温速度は、昇温速度よりも大幅に低い。このため、第２温度センサの温度変化に対する応答性が低い場合でも、降温時には、その応答遅れなどの影響は少なく、第２流体の実際の温度に対する第２温度センサの検出値のずれは小さい。したがって、第２温度センサの検出値をそのまま用いても、潤滑油の温度の推定精度を維持することが可能である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を、詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態による流体温度推定装置１、およびこれを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３の概略構成を示している。エンジン３は、例えば４つの気筒３ａ（１つのみ図示）を有しており、車両（図示せず）に搭載されている。各気筒３ａのピストン３ｂとシリンダヘッド３ｃとの間には、燃焼室３ｄが形成されている。

シリンダヘッド３ｃには、燃料噴射弁（図示せず）が、燃焼室３ｄに臨むように取り付けられている。後述するＥＣＵ２による制御の下、燃料噴射弁から噴射された燃料と吸入空気との混合気が、燃焼室３ｄで燃焼される。

エンジン３のシリンダヘッド３ｃおよびシリンダブロック３ｅにはウォータージャケット３ｆ，３ｇが形成されており、エンジン３を冷却するための冷却水Ｗがこれらのウォータージャケット３ｆ，３ｇを通って循環している。シリンダブロック３ｅには、水温センサ２１が設けられている。水温センサ２１は、サーミスタで構成されており、冷却水Ｗの温度を検出し、検出した冷却水Ｗの温度（以下「水温検出値」という）ＴＷを表す信号をＥＣＵ２に出力する。

エンジン３のオイルパン３ｈには、エンジン３を潤滑するための潤滑油Ｏが溜められている。潤滑油Ｏは、エンジン３により駆動される油圧ポンプ（図示せず）によってオイルパン３ｈから汲み上げられ、ピストン３ｂなどのエンジン３の各部に送られ、それらを潤滑した後、オイルパン３ｈに戻される。

オイルパン３ｈには、オイルレベルセンサ２２および油温センサ２３が設けられている。図２に示すように、これらのセンサ２２，２３は、プリント基板１１に電気的に接続されるとともに、ケース１２に一体に収容されており、ケース１２をオイルパン３ｈの底部に嵌め込むことによって、取り付けられている。ケース１２の下端部および上端部には、流出入口１３および空気孔１４がそれぞれ形成されており、この流出入口１３を介してケース１２に潤滑油Ｏが出入する。オイルレベルセンサ２２は、流入した潤滑油Ｏのレベルを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

油温センサ２３は、潤滑油Ｏの温度を検出し、検出した潤滑油Ｏの温度（以下「油温検出値」という）ＴＯＩＬを表す信号をＥＣＵ２に出力する。ケース１２の油温センサ２３を収容した部分は密閉されており、油温センサ２３とケース１２の間には間隙が設けられている。このため、油温センサ２３の温度変化に対する応答性（以下、単に「応答性」という）は、水温センサ２１のそれよりも低い。

ＥＣＵ２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。前述した３つのセンサ２１〜２３の検出信号はそれぞれ、Ｉ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換や成形がなされた後、ＣＰＵに入力される。

ＣＰＵは、これらの入力信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン３の制御を実行する。また、ＣＰＵは、水温センサ２１および油温センサ２３でそれぞれ検出された水温検出値ＴＷおよび油温検出値ＴＯＩＬに基づいて、潤滑油Ｏの温度を推定する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、第２流体温度推定手段、なまし値算出手段および流体温度推定手段に相当する。

図３は、上述した潤滑油Ｏの温度の推定処理を示すフローチャートである。本処理は、所定時間ごとに実行される。本処理では、まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、油温センサ２３に断線などの故障が発生しているか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳのときには、水温検出値ＴＷおよび油温検出値ＴＯＩＬに基づく潤滑油Ｏの温度の推定は行わず、フェールセーフ用の所定温度ＴＯＩＬＦを、潤滑油Ｏの推定温度（以下「推定油温」という）ＴＯＩＬＰとして設定し（ステップ２）、本処理を終了する。

一方、ステップ１の判別結果がＮＯのときには、始動後タイマ（図示せず）のタイマ値ＴＭが所定値ＴＭＲＥＦ（例えば５ｓｅｃ）以上であるか否かを判別する（ステップ３）。この始動後タイマは、エンジン３の始動後の時間を計時するものであり、イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮされたときにスタートし、ＯＦＦされたときに値０にリセットされる。この判別結果がＮＯで、エンジン３の始動後、所定時間が経過していないときには、潤滑油Ｏの温度が安定していないとして、前記ステップ２と同様、潤滑油Ｏの温度の推定は行わず、水温検出値ＴＷを推定油温ＴＯＩＬＰとして設定し（ステップ４）、本処理を終了する。

一方、ステップ３の判別結果がＹＥＳのときには、次式（１）に従って、水温検出値ＴＷのなまし値ＴＷＥＳＴを算出する（ステップ５）。
ＴＷＥＳＴ＝Ｋ×ＴＷ＋（１−Ｋ）×ＴＷＥＳＴＺ ・・・（１）
ここで、ＴＷＥＳＴＺは、式（１）で算出されたなまし値ＴＷＥＳＴの前回値であり、Ｋは、値１．０未満の所定のなまし係数である。なお、なまし係数Ｋは、水温検出値ＴＷと後述する暫定値ＴＯＩＬＥＳＴとの差ΔＴ１（図４参照）と、なまし値ＴＷＥＳＴと油温検出値ＴＯＩＬとの差ΔＴ２との比Ｒ（＝ΔＴ１／ΔＴ２）が常に一定になるように設定され、例えば、実験によって求められる。

次に、ステップ５で算出したなまし値ＴＷＥＳＴ、水温検出値ＴＷおよび油温検出値ＴＯＩＬを用い、次式（２）に従って、潤滑油Ｏの推定温度の暫定値ＴＯＩＬＥＳＴを算出する（ステップ６）。
ＴＯＩＬＥＳＴ＝ＴＷ−（ＴＷＥＳＴ−ＴＯＩＬ）×Ｒ ・・・（２）

ここで、Ｒは、上述したΔＴ１とΔＴ２との比である。したがって、右辺第２項の（ＴＷＥＳＴ−ＴＯＩＬ）×Ｒは、水温検出値ＴＷと暫定値ＴＯＩＬＥＳＴとの差（＝ΔＴ１）に相当するので、この値を水温検出値ＴＷから差し引くことによって暫定値ＴＯＩＬＥＳＴが求められる。

次いで、暫定値ＴＯＩＬＥＳＴと油温検出値ＴＯＩＬを比較し、それらのうちの大きい方を推定油温ＴＯＩＬＰとして設定し（ステップ７）、本処理を終了する。これにより、暫定値ＴＯＩＬＥＳＴが油温検出値ＴＯＩＬを下回ったときには、油温検出値ＴＯＩＬが推定油温ＴＯＩＬＰとして設定される。

以上のように、本実施形態によれば、水温センサ２１および油温センサ２３で検出した水温検出値ＴＷおよび油温検出値ＴＯＩＬに基づいて潤滑油Ｏの温度を推定するので、油温検出値ＴＯＩＬのみに基づく場合と比較して、潤滑油Ｏの温度を推定油温ＴＯＩＬＰとして精度良く推定することができ、その信頼性を高めることができる。また、水温センサ２１は、エンジン３の制御のために通常、設けられるものであるので、そのような既存の水温センサ２１の検出結果を、コスト増を伴うことなく、そのまま利用することができる。

また、水温センサ２１の応答性が油温センサ２３よりも高いので、水温検出値ＴＷによって、油温センサ２３の応答遅れを良好に補償することができる。

さらに、水温センサ２１は、油温センサ２３よりも燃焼室３ｄに近い部位に配置されているので、水温センサ２１付近の冷却水Ｗの温度は、油温センサ２３付近の潤滑油Ｏの温度と比較し、燃焼室３ｄからの受熱量が大きいことで、図４に示すように、より大きな速度で変化するとともに、より早く変化するため、潤滑油Ｏの温度の良好な先行指標となる。したがって、水温検出値ＴＷに基づいて、潤滑油Ｏの温度をより精度良く推定することができる。

また、潤滑油Ｏの温度を推定する際に、水温検出値ＴＷのなまし値ＴＷＥＳＴを用いるので、冷却水Ｗの温度に対する潤滑油Ｏの実際の温度の遅れや油温センサ２３の応答遅れを補償でき、したがって、推定精度を向上させることができる。

さらに、暫定値ＴＯＩＬＥＳＴが油温検出値ＴＯＩＬを下回ったときには、油温検出値ＴＯＩＬを推定油温ＴＯＩＬＰとして設定するので、潤滑油Ｏの温度の誤った推定を回避できるとともに、推定精度をほぼ維持することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態は、第１および第２流体が、冷却水Ｗおよび潤滑油Ｏの例であるが、これに限らず、互いに性状が異なる他の種類の流体でもよい。また、第１および第２流体は、性状が互いに同じでもよい。例えば、実施形態と同様、オイルパン３ｈ内の潤滑油Ｏの温度を求めたい場合、油温センサ２３に加え、潤滑油Ｏが流れる他の適当な部位、例えば燃焼室３ｄにより近い部位に別の油温センサを設け、この油温センサによる油温検出値と、油温センサ２３の油温検出値ＴＯＩＬに基づいて、オイルパン３ｈ内の潤滑油Ｏの温度を推定してもよく、それにより、実施形態と同様、高い推定精度を得ることができる。

なお、実施形態のエンジン３は、車両用のディーゼルエンジンやガソリンエンジンはもとより、車両用以外の各種のエンジンでもよく、例えば、クランク軸を鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンでもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明の実施形態による流体温度推定装置、およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。 オイルレベルセンサおよび油温センサを収容したケースの断面図である。 潤滑油の温度の推定処理を示すフローチャートである。 水温検出値および油温検出値などの推移を示す図である。

符号の説明

１ 流体温度推定装置
２ ＥＣＵ（第２流体温度推定手段、なまし値算出手段および流体温度推定手段）
３ エンジン
３ｄ 燃焼室（発熱源）
２１ 水温センサ（第１温度センサ）
２３ 油温センサ（第２温度センサ）
ＴＷ 水温検出値（第１温度センサの検出値）
ＴＯＩＬ 油温検出値（第２温度センサの検出値）
ＴＷＥＳＴ なまし値
Ｗ 冷却水（第１流体および流体）
Ｏ 潤滑油（第２流体および流体）

Claims (6)

1. 互いに性状が異なる第１流体および第２流体が流れる内燃機関において、前記第２流体の温度を推定する内燃機関の流体温度推定装置であって、
   前記第１流体の温度を検出する第１温度センサと、
   前記第２流体の温度を検出する第２温度センサと、
   前記第１温度センサの検出値および前記第２温度センサの検出値に基づいて、前記第２流体の温度を推定する第２流体温度推定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の流体温度推定装置。
2. 前記第１温度センサは、前記第２温度センサよりも、温度変化に対する応答性が高いことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の流体温度推定装置。
3. 前記内燃機関は発熱源を有し、
   前記第１流体は、前記第２流体よりも、前記発熱源から受け取る受熱量が大きいことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の流体温度推定装置。
4. 前記第１流体は、前記第２流体よりも、前記内燃機関の運転に伴う温度変化速度が大きいことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の流体温度推定装置。
5. 前記第１温度センサの検出値になまし処理することによってなまし値を算出するなまし値算出手段をさらに備え、
   前記第２流体温度推定手段は、前記算出されたなまし値と前記第２温度センサの検出値に基づいて、前記第２流体の温度を推定することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の流体温度推定装置。
6. 前記第１流体は、前記内燃機関を冷却するための冷却水であり、
   前記第２流体は、前記内燃機関を潤滑するための潤滑油であり、
   前記第２流体温度推定手段は、前記推定した第２流体の温度が前記第２温度センサの検出値を下回ったときには、当該第２温度センサの検出値を前記第２流体の温度として設定することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関の流体温度推定装置。

Images