JP5337544B2 - エンジンの冷却水循環装置 - Google Patents

Description

本発明はエンジンの冷却水循環装置に係り、特に、水温センサから離れた位置における水温を好適に推定できるようにしたエンジンの冷却水循環装置に関する。

内燃機関たるエンジンが搭載された車両では、エンジンの冷却のため、エンジンとラジエータとの間で冷却水をウォータポンプにより循環させる冷却水循環装置が装備されている。また近年では、エミッションおよび燃費向上等の観点から制御性の優れた電動ウォータポンプが採用されることがある。この電動ウォータポンプを用いると、エンジン運転中でも、コールドスタート（冷間始動）時のように水温が低いときにはウォータポンプを停止させ、エンジン暖機を促進することができる（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−１６１７４８号公報

ところで、従来は単に水温センサの検出温度によって電動ウォータポンプをオンオフするため、次のような問題があった。すなわち、通常、水温が最高となる位置は水温センサから離れた位置にあり、水温センサの検出温度は最高水温位置の温度より低い。よって水温センサの検出値によって電動ウォータポンプをオンオフすると、例えばエンジンの高負荷運転時、最高水温位置では冷却水が沸騰しているのに未だウォータポンプがオンされていないという事態が生じる可能性がある。

一方、最高水温位置で沸騰が生じるような水温センサの検出温度を予め設定しておき、水温センサの検出温度がその設定温度に達したらウォータポンプをオンするというやり方もある。しかしこれだと、沸騰を確実に防止する観点から、最高水温位置での温度と設定温度との乖離マージンを必要以上に大きく取らざるを得ず、結果、早めにウォータポンプがオンされて十分な暖機効果が得られない。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その一の目的は、水温センサから離れた位置における水温を好適に推定することができるエンジンの冷却水循環装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
冷却水が貯留されるエンジンのウォータジャケット内に感温部を臨ませて設置された水温センサと、
前記ウォータジャケット内の前記感温部の位置におけるエンジンからの放熱量と、当該感温部位置から離れた前記ウォータジャケット内の所定位置におけるエンジンからの放熱量との差に相関するパラメータを検出するパラメータ検出手段と、
前記水温センサによって検出された水温と、前記パラメータ検出手段によって検出されたパラメータとに基づき、前記所定位置における水温を推定する推定手段と、
を備えたことを特徴とするエンジンの冷却水循環装置が提供される。

これによれば、水温センサから離れた位置における水温を好適に推定することができる。

好ましくは、前記パラメータが、エンジンの吸入空気量である。

本発明者らは、鋭意研究の結果、エンジンの吸入空気量が、前記感温部の位置におけるエンジンからの放熱量と、前記所定位置におけるエンジンからの放熱量との差に相関することを見出した。よって当該差に相関するパラメータをエンジンの吸入空気量とすることで、水温センサから離れた位置における水温を好適に推定することができる。

好ましくは、前記所定位置が、前記ウォータジャケット内において水温が最高となるような位置である。

これによれば、かかる水温最高位置の水温が推定可能となるので、電動ウォータポンプを装備した場合にその作動・非作動のタイミングを水温最高位置の推定水温に基づいて適切且つ柔軟に決定することができ、冷却水の沸騰防止とエンジンの暖機促進との最良バランスを得ることができる。

好ましくは、前記推定手段が、前記水温センサによって検出された検出水温と、前記所定位置における水温との乖離幅の単位時間当たりの変化量を順次積算し、当該積算値を前記検出水温に加算することにより、前記所定位置における水温を推定する。

好ましくは、前記推定手段が、次式に基づき前記所定位置における水温を逐次的に推定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンジンの冷却水循環装置。但し、Ｔｘは前記所定位置における水温、ｔｈｗは前記水温センサによって検出された水温、Ｇａは前記パラメータとしてのエンジンの吸入空気量、αおよびβは所定の係数、γは所定の指数、ｎは今回値、ｎ−１は前回値。

好ましくは、前記冷却水循環装置が、前記ウォータジャケット内に冷却水を循環させる電動ウォータポンプと、前記推定手段により推定された水温に基づいて前記電動ウォータポンプを制御するポンプ制御手段と、をさらに備える。

これによれば、推定水温に基づいて電動ウォータポンプを好適に制御することができる。

本発明によれば、水温センサから離れた位置における水温を好適に推定することができるという、優れた効果が発揮される。

本実施形態に係るエンジンの冷却水循環装置を示す概略図である。 検出水温と最高水温位置水温との乖離の様子を示すグラフである。 本実施形態を適用して最高水温位置水温を推定した結果を示すグラフである。 本実施形態を適用して最高水温位置水温を推定した結果を示すグラフである。

以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に本実施形態に係るエンジンの冷却水循環装置を示す。エンジン１は車両に搭載されており、ピストン、シリンダ等を含むエンジン本体２を有する。３は吸気マニホールド、４は排気マニホールドである。図示例では直列４気筒エンジンが示されるが、エンジンの形式、種類、用途等に特に限定はない。エンジン本体２にはそのクランク軸方向の一端側から順に＃１，＃２，＃３，＃４気筒が形成されており、また、そのシリンダヘッド内部には冷却水を貯留するウォータジャケット５が画成されている。

ウォータジャケット５に冷却水を循環するため、電動ウォータポンプ６が設けられている。電動ウォータポンプ６は、配管７，８を通じてウォータジャケット５に冷却水を循環する。一方の配管７は、エンジン本体２のクランク軸方向の他端部（＃４気筒側）から冷却水を取り出して電動ウォータポンプ６に送る。この配管７にはラジエータ９が介設され、エンジン冷却に用いられ高温となった冷却水をラジエータ９で冷却するようになっている。他方の配管８は、電動ウォータポンプ６から吐出された冷却水を、エンジン本体２のクランク軸方向の一端部（＃１気筒側）に送る。

エンジン本体２のシリンダヘッドには、ウォータジャケット５内の冷却水の温度を検出するための水温センサ１０が設けられている。水温センサ１０は、エンジン本体２のクランク軸方向の他端部（＃４気筒側）に設けられ、その感温部１０Ａをウォータジャケット５内に臨ませている。以下、この感温部１０Ａのあるウォータジャケット５内の位置を感温部位置Ａと称す。

そして、電動ウォータポンプ６が電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）２０により制御される。ＥＣＵ２０には水温センサ１０から検出水温ｔｈｗに対応する出力信号が送られる。またＥＣＵ２０には、エアフローメータ１１から、エンジンの吸入空気量Ｇａに対応する出力信号も送られる。

さて、本実施形態においては、ＥＣＵ２０により、感温部位置Ａから離れたウォータジャケット５内の所定位置における水温（Ｔｘで表す）を推定するようになっている。ここで、ウォータジャケット５内において、最も水温が高くなり沸騰が懸念されるのはＢで示す位置である。この位置即ち最高水温位置Ｂは、エンジン本体２のクランク軸方向の中間位置、すなわち＃２気筒と＃３気筒との間の位置であり、且つ排気側の位置である。よって本実施形態ではこの最高水温位置Ｂにおける水温を推定するようにしている。以下、最高水温位置Ｂにおける水温をＴｍａｘで表す。

なおＥＣＵ２０は、最高水温位置Ａにおける推定水温Ｔｍａｘに基づき電動ウォータポンプ６を制御する。この点については後述する。

以下、最高水温位置Ｂにおける水温Ｔｍａｘの推定方法を説明する。なおこの推定方法は、最高水温位置Ｂに限らず、任意の所定位置Ｔｘにおける水温の推定に適用可能である。

まず、最高水温位置水温Ｔｍａｘと、検出水温ｔｈｗとの乖離幅ΔＴ＝Ｔｍａｘ−ｔｈｗは、最高水温位置Ｂにおいてエンジン１からウォータジャケット５内の冷却水に放熱あるいは伝達される熱量と、感温部位置Ａにおいてエンジン１からウォータジャケット５内の冷却水に放熱あるいは伝達される熱量との差ΔＱに比例して増加する。また、最高水温位置Ｂにおける冷却水からの放熱量は乖離幅ΔＴに比例する。よって、微小単位時間ｄｔ当たりの乖離幅ΔＴの変化量、即ち乖離幅ΔＴの微分値は、次式（１）により表される。

ここで、αおよびβは適合によって定まる所定の係数である。
ところで、上記熱量差ΔＱはエンジン１の発熱量に比例ないし相関する。そしてエンジンの吸入空気量Ｇａは、エンジン１の発熱量に比例ないし相関する値であり、前者が大きくなるほど後者も大きくなる関係にある。

そこで、熱量差ΔＱに相関するパラメータとして吸入空気量Ｇａを用い、ＥＣＵ２０は、次式（２）に基づき、最高水温位置水温Ｔｍａｘを逐次的に推定する。

ここで、γは適合によって定まる所定の指数であり、ｎは今回値、ｎ−１は前回値を意味する。指数γは、エンジン出力に応じて変化する熱伝達などを補正する補正量としての意味合いを持つ。

式（２）から分かるように、端的に言えば、ＥＣＵ２０は、微小単位時間ｄｔ（具体的には１演算周期）当たりの乖離幅ΔＴの変化量を順次積算し、この積算値を検出水温ｔｈｗに加算することにより、推定値としての最高水温位置水温Ｔｍａｘを算出する。

図２に検出水温ｔｈｗと最高水温位置水温Ｔｍａｘとの乖離の様子を示す。エンジンのコールドスタート時、最初の開始時刻ｔ_０では両者は等しい開始温度であるが、時間が経過するにつれ両者は次第に大きく乖離していく。そして一定時間経過後の時刻ｔ_ｎにおいて乖離幅はΔＴ_ｎとなる。本実施形態は、時刻ｔ_ｎにおける最高水温位置水温Ｔｍａｘを精度良く推定し得るものである。

なお、前記の積算において、初期条件としては検出水温ｔｈｗと最高水温位置水温Ｔｍａｘとがほぼ等しいのが好ましい。エンジンのコールドスタート時にはこの初期条件が通常成立している。

本実施形態を適用して最高水温位置水温Ｔｍａｘを推定した結果を図３および図４に示す。まず図３は、ＥＵモードで車両を走行させた場合の結果であり、エンジンは１．５Ｌ直列４気筒エンジンが使用され、外気温は２５℃である。各係数および指数についてはα＝０．０５、β＝０．０１、γ＝０．８５とされている。ここでは最高水温位置Ｂにおける水温が水温センサにより併せて実測されている。

図から分かるように、最高水温位置水温Ｔｍａｘの推定値はその実測値にほぼ等しいという好結果が得られた。

図４は、ＪＣ０８モードで車両を走行させた場合の結果であり、諸条件は前記同様である。この図からも分かるように、最高水温位置水温Ｔｍａｘの推定値はその実測値にほぼ等しいという好結果が得られた。

次に、本実施形態における電動ウォータポンプの制御の例を説明する。

まずエンジンのコールドスタートに際して、ＥＣＵ２０は、エンジンが始動しても電動ウォータポンプ６を作動させず、非作動状態（オフ）とする。これにより冷却水は循環されず、エンジンは早期に暖機されるようになる。またＥＣＵ２０は、エンジン始動と同時に水温センサ１０からの検出水温ｔｈｗの取得と、最高水温位置水温Ｔｍａｘの推定とを開始する。

次いで、ＥＣＵ２０は、冷却水の沸騰が生じる最低温度（例えば１０８℃）より若干低く設定された所定温度Ｔｓに、最高水温位置水温Ｔｍａｘが到達したと判断すると同時に、電動ウォータポンプ６を作動させ、すなわち作動状態（オン）とする。これにより冷却水の循環が開始され、沸騰が未然に防止される。

従来は、水温センサ１０による検出水温ｔｈｗが所定温度に達したと同時に電動ウォータポンプ６をオンしていたが、これだとオンするタイミングが早すぎたり遅すぎたりして、実際に沸騰が生じてしまったり暖機を最大限行うことができなかった。本実施形態では、正確に推定された最高水温位置水温Ｔｍａｘに基づいて電動ウォータポンプ６をオンするため、冷却水循環開始時期の最適化を図り、沸騰防止と暖機促進の最良バランスを得ることが可能である。

なお、最高水温位置水温Ｔｍａｘが所定温度Ｔｓに達した後には推定を停止するのが好ましい。沸騰が発生する最低温度付近では実際に沸騰が生じる可能性があり、沸騰が生じるとエンジンから冷却水への熱伝達の態様が変わるなどして適合値α、β、γが不適切となり得るからである。

別法として、最高水温位置水温Ｔｍａｘが所定温度Ｔｓに達する前には電動ウォータポンプ６を比較的低速で作動させ、最高水温位置水温Ｔｍａｘが所定温度Ｔｓに達すると同時に電動ウォータポンプ６を増速し、冷却水循環流量を増加することも可能である。

次に、エンジンのホットスタート（温間始動）に際しては、ＥＣＵ２０は、エンジン始動と同時に電動ウォータポンプ６を所定時間だけ作動させ、冷却水を循環して感温部位置Ａと最高水温位置Ｂとの冷却水の温度ムラを無くす。すなわち、ホットスタート直前では感温部位置Ａより最高水温位置Ｂの方が高温となっていることが想定されるので、この温度差を無くすため、電動ウォータポンプ６を所定時間だけ作動させる。

そしてＥＣＵ２０は、所定時間が経過したら電動ウォータポンプ６を非作動とし、同時に最高水温位置水温Ｔｍａｘの推定を開始する。この推定開始時点で感温部位置Ａと最高水温位置Ｂとの水温がほぼ等しくなっているので、これ以降、正確に最高水温位置水温Ｔｍａｘを推定可能である。電動ウォータポンプ６が非作動なのでエンジンの暖機を促進できる。

この後、ＥＣＵ２０は、最高水温位置水温Ｔｍａｘが所定温度Ｔｓに到達したら、電動ウォータポンプ６を作動させる。これにより沸騰が未然に防止される。

このように本実施形態によれば、最高水温位置水温Ｔｍａｘを推定できるので、電動ウォータポンプ６を組み合わせた場合にその作動・非作動のタイミングを、推定された最高水温位置水温Ｔｍａｘに基づいて適切且つ柔軟に決定することができ、冷却水の沸騰防止とエンジンの暖機促進との最良バランスを得ることができる。

また、既設の水温センサ１０の検出水温ｔｈｗを用いて沸騰検出が可能であるので、別途沸騰検出用水温センサを設けずに済み、コスト等の点で有利である。当然、既存のエンジンにも容易に適用可能である。

また、電動ウォータポンプ６の作動・非作動のタイミングを規定するための複雑な制御マップも不要となることから、開発効率を向上することができる。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、熱量差ΔＱに相関するパラメータとして他のパラメータを用いてもよく、例えば燃料噴射量を用いてもよい。またウォータジャケットもシリンダヘッド内部のものに限らず、他の部位のウォータジャケットであってもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ エンジン
５ ウォータジャケット
１０ 水温センサ
１０Ａ 感温部
１１ エアフローメータ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ａ 感温部位置
Ｂ 最高水温位置
ｔｈｗ 検出水温
Ｔｍａｘ 最高水温位置水温
Ｇａ 吸入空気量

Claims (8)

1. 冷却水が貯留されるエンジンのウォータジャケット内に感温部を臨ませて設置された水温センサと、
   前記ウォータジャケット内に冷却水を循環させる電動ウォータポンプと、
   前記ウォータジャケット内の前記感温部の位置におけるエンジンからの放熱量と、当該感温部位置から離れた前記ウォータジャケット内の所定位置におけるエンジンからの放熱量との差に相関するパラメータを検出するパラメータ検出手段と、
   前記電動ウォータポンプの停止時に、前記水温センサによって検出された水温と、前記パラメータ検出手段によって検出されたパラメータとに基づき、前記所定位置における水温を推定する推定手段と、
   を備えたことを特徴とするエンジンの冷却水循環装置。
2. 前記パラメータが、エンジンの吸入空気量であることを特徴とする請求項１記載のエンジンの冷却水循環装置。
3. 前記所定位置が、前記ウォータジャケット内において水温が最高となるような位置であることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの冷却水循環装置。
4. 前記推定手段が、前記水温センサによって検出された検出水温と、前記所定位置における水温との乖離幅の単位時間当たりの変化量を順次積算し、当該積算値を前記検出水温に加算することにより、前記所定位置における水温を推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンジンの冷却水循環装置。
5. 前記推定手段が、次式に基づき前記所定位置における水温を逐次的に推定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンジンの冷却水循環装置。但し、Ｔｘは前記所定位置における水温、ｔｈｗは前記水温センサによって検出された水温、Ｇａは前記パラメータとしてのエンジンの吸入空気量、αおよびβは所定の係数、γは所定の指数、ｎは今回値、ｎ−１は前回値。
   

   
6. 前記推定手段が、前記水温センサによって検出された水温と、前記所定位置における水温とがほぼ等しいという初期条件の成立時から推定を開始することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のエンジンの冷却水循環装置。
7. 前記推定手段により推定された水温に基づいて前記電動ウォータポンプを制御するポンプ制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンジンの冷却水循環装置。
8. 前記ポンプ制御手段が、エンジンの温間始動と同時に前記電動ウォータポンプを所定時間だけ作動させ、前記推定手段が、前記所定時間が経過し前記電動ウォータポンプが非作動とされたのと同時に推定を開始することを特徴とする請求項７に記載のエンジンの冷却水循環装置。

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