JP5446177B2 - 冷却ファン制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の冷却ファンの回転数制御に関し、特に流体カップリングを介してエンジンに駆動される冷却ファンの回転数制御に関する。

一般に、エンジン冷却水の温度上昇を抑制するための冷却ファンとして、流体カップリングを介してエンジンに駆動される、いわゆるファンカップリングが知られている。

このファンカップリングの回転数制御として、ラジエタを通過する空気温度に応じて、カップリング内作動油の連通を許容する２つの連通孔の開閉を制御するものが特許文献１に開示されている。

具体的には、冷機始動時のようにラジエタを通過する空気の温度が低い場合には、いずれの連通孔も閉じた状態として、低速状態でファンを回転させている。ラジエタを通過する空気の温度が上昇し始めると、一方の連通孔を開いてファンを中速状態で回転させ、空気温度がさらに上昇すると両方の連通孔を開いてファンを高速状態で回転させている。
特開平５−２５６３２７号公報

ところで、カップリング内作動油は、ファン回転数が高いほど高温になって粘度が低下するという特性がある。そして、粘度が低下すると、ファンカップリングの制御性が低下するという問題がある。

しかしながら、特許文献１では、ファンカップリングの回転数制御においてカップリング内作動油の温度を考慮していない。すなわち、カップリング内作動油の温度が高い状態であっても、ラジエタを通過する空気の温度が高ければファンは高速で回転することとなり、作動油の粘度低下が促進されて制御性が低下してしまう。

そこで、本発明では、カップリング内作動油の粘度低下を抑制可能な冷却ファン制御装置を提供することを目的とする。

本発明の冷却ファン制御装置は、内燃機関の駆動力が流体カップリングを介して伝達されることで回転する冷却ファンの制御装置において、流体カップリングの伝達に寄与する流体カップリング内の作動油量を電気的に調整する調整手段と、調整手段の操作量であるカップリング操作量を制御することで冷却ファンの回転数を調整するカップリング操作量制御手段と、カップリング内の作動油の温度を推定又は検知する手段と、カップリング内の作動油の温度が可逆的に粘度変化する作動油温範囲の上限値である基本カップリング内作動油温となるときの冷却ファンの回転数の上限値である冷却要求ファン回転数上限値を、内燃機関の回転数に内燃機関のクランクシャフトと冷却ファンの入力軸との減速比を乗じて得られるカップリング入力回転数に基づいて算出する冷却要求ファン回転数上限値算出手段と、を備え、冷却要求ファン回転数上限値にカップリング内作動油温と基本カップリング内作動油温との比を乗じた基本ファン回転数上限値と、冷却要求ファン回転数上限値との大きい方の値を冷却ファンの回転数の上限値であるファン回転数上限値として、カップリング操作量制御手段が冷却ファンの回転数の上限を制御する。

本発明によれば、カップリング内の作動油温が相対的に低い場合には、冷却ファン回転数を相対的に高い回転数まで制限せずにエンジン冷却性能を確保し、一方、カップリング内の作動油温が相対的に高い場合には、冷却ファン回転数を相対的に低い回転数で制限することで作動油の劣化を防止することができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態のシステムの構成を示す図である。１はエンジン、２はエンジン１の駆動力を車輪に伝達する自動変速機、３は変速機コントローラ（以下、ＡＴＣＵという）、４は流体カップリングを介してエンジン１により駆動される電制ファンカップリング、５は電制ファンカップリング４の実際の回転数（以下、実ファン回転数という）を検出するファン回転センサ、６は電制ファンカップリング４のカップリング内作動油の流れを制御する調整手段としてのソレノイド、７はソレノイド６に制御信号を送るカップリング操作量制御手段としてのアンダーフード・スイッチング・モジュール（以下、ＵＳＭという）、８はエンジン・コントロール・モジュール（以下、ＥＣＭという）、９はエアコンコンプレッサ、１０はエアコンコントローラ、１１はエアコンコンプレッサ９の内圧を検出するＰｄ圧センサ、１２はエバポレータ温度を検出するエバポレータ温度センサである。

ＥＣＭ８は、図示しない車速センサ、水温センサ、クランク角センサ等の検出信号に基づいて種々の制御を行う。この他に、ファン回転センサ５及びＰｄ圧センサ１１からの検出信号等も読み込まれ、作動油温検知手段、冷却要求ファン回転数上限値算出手段、ファン回転数低下検知手段及び目標ファン回転数算出手段として後述するソレノイド６の目標ＤＵＴＹの演算を行い、ＣＡＮ通信によりＵＳＭ７に送信する。

また、エバポレータ直後温度やエアコンスイッチの状態等が、エアコンコントローラ１０からＣＡＮ通信により送られ、これに基づいてエアコンコンプレッサ９のクラッチのＯＮ／ＯＦＦ制御や、後述する電制ファン４とエアコンの協調制御を行う。以下、ＥＣＭ８が実行する電制ファン４の回転数制御について説明する。

図２は、ＥＣＭ８が実行するファン回転数制御についてのフローチャートである。本制御は一定時間毎、例えば１０ｍｓ毎に繰り返し実行する。

ステップＳ１００では、ファンカップリング内の作動油（以下、カップリング内作動油という）の温度（以下、カップリング内作動油温という）ＴＯＩＬＦＡＮ[℃]を推定する。具体的には、エンジン冷却水温ＴＷ［℃］とファンカップリング操作量ＦＡＮＤＵＴＹ［％］から、図３に示すカップリング内作動油温マップを検索する。なお、作動油温を検出する温度センサを設けて、実際に温度をセンシングしてもよい。図３は縦軸がエンジン冷却水温、横軸がファンカップリング操作量であり、エンジン冷却水温が高くなるほど、そしてファンカップリング操作量が大きくなるほど、カップリング内作動油温が高くなっている。

ステップＳ１１０では、カップリング入力回転数ＩＮＰＲＥＶＦＡＮ［ＲＰＭ］を算出する。具体的には、エンジン回転数ＮＥ［ＲＰＭ］とプーリ比＃ＰＲＡＴＩＯとを用いて、式（１）により算出する。なお、プーリ比＃ＰＲＡＴＩＯは、図示しないクランクシャフトから電制ファン４の入力軸へ動力を伝達するためのプーリの外径比、つまりクランクシャフトと電制ファン４の入力軸との減速比である。

ＩＮＰＲＥＶＦＮ＝ＮＥ×＃ＰＲＡＴＩＯ ・・・（１）
ここで、エンジン回転数ＮＥは図示しないクランク角センサの検出値から算出する。

ステップＳ１２０では、電制ファン４のカップリング内作動油の劣化を抑制可能なファン回転数の上限値である冷却要求ファン回転数上限値ＢＦＡＮＬＭＴ［ＲＰＭ]を算出する。具体的には、ステップＳ１１０で算出したカップリング入力回転数ＩＮＰＲＥＶＦＮ［ＲＰＭ］を用いて図４に示す冷却要求ファン回転数上限値テーブルを検索することにより求める。

図４は縦軸がファン回転数、横軸がカップリング入力回転数ＩＮＰＲＥＶＦＮであり、図中の実線が劣化領域との境界、つまり冷却要求ファン回転数上限値ＢＦＡＮＬＭＴを示している。

カップリング内作動油は、温度上昇すると粘度が低下する特性がある。この特性は、所定温度以下では可逆的であるため、温度が低下すれば粘度は回復するが、所定温度以上になると不可逆的となり、温度が低下しても粘度は回復しなくなる。作動油の粘度が低下するとファン回転数の制御性が低下してしまうので、カップリング内作動油温ＴＯＩＬＦＡＮは所定温度以下、つまり粘度変化が可逆的な範囲に収めることが望ましい。

この所定温度を基本カップリング内作動油温＃ＢＴＯＩＬＦＡＮ、粘度変化が不可逆的となる領域を劣化領域とする。そして、カップリング内作動油温ＴＯＩＬＦＡＮが基本カップリング内作動油温度＃ＢＴＯＩＬＦＡＮとなる電制ファン４の回転数を冷却要求ファン回転数上限値ＢＦＡＮＬＭＴとする。なお、冷却要求ファン回転数上限値ＢＦＡＮＬＭＴは、基本カップリング内作動油温＃ＢＴＯＩＬＦＡＮにおける、作動油温−粘度特性、作動油量、カップリング径によって決まるものである。また、ファンカップリング操作量ＦＡＮＤＵＴＹはカップリング内作動油温ＴＯＩＬＦＡＮに感度があり、カップリング内作動油温度が低いほど冷却要求ファン回転数上限値ＢＦＡＮＬＭＴを高く設定できる。

ステップＳ１３０では、式（２）によりカップリング内作動油温割合ＴＯＩＬＲＡＴＩＯ[−]を算出する。

ＴＯＩＬＲＡＴＩＯ＝ＴＯＩＬＦＡＮ／＃ＢＴＯＩＬＦＡＮ ・・・（２）
ステップＳ１４０では、式（３）により基本ファン回転数上限値ＦＡＮＬＭＴＯＬ[ＲＰＭ]を算出する。

ＦＡＮＬＭＴＯＬ＝ＢＦＡＮＬＭＴ×ＴＯＩＬＲＡＴＩＯ ・・・（３）
ステップＳ１５０では、式（４）によりファン回転数上限値ＦＡＮＬＭＴ[ＲＰＭ]を算出する。

ＦＡＮＬＭＴ＝ｍａｘ（ＦＡＮＬＭＴＯＬ、ＢＦＡＮＬＭＴ） ・・・（４）
上記ステップＳ１００〜Ｓ１５０のように、カップリング内作動油温ＴＯＩＬＦＡＮと冷却要求ファン回転数上限値ＢＦＡＮＬＭＴとに基づいてファン回転数上限値ＦＡＮＬＭＴを算出することで、エンジン冷却性能とカップリング内作動油の劣化防止を両立できる。すなわち、カップリング内作動油温ＴＯＩＬＦＡＮが低い場合には、高いファン回転数上限値ＦＡＮＬＭＴを設定してエンジン冷却性能を確保し、逆に高い場合には、低いファン回転数上限値ＦＡＮＬＭＴを設定してカップリング内作動油の劣化を防止することができる。以下、フローチャートの説明に戻る。

ステップＳ１６０では、エンジン冷却要求から定まる電制ファン４の目標回転数であるエンジン冷却要求目標ファン回転数ＴＦＡＮＳＰＴＷ[ＲＰＭ]を算出する。具体的には、エンジン冷却水温ＴＷ[℃]と車速ＶＳＰ[ｋｍ／ｈ]から、図５に示すエンジン冷却要求目標ファン回転数マップを検索する。

図５は縦軸がファン回転数、横軸が車速ＶＳＰである。そして、同一車速であれば、エンジン冷却水温ＴＷが高いほどエンジン冷却要求目標ファン回転数ＴＦＡＮＳＰＴＷは大きくなっている。一方、同一冷却水温ＴＷであれば、車速が高くなるほどエンジン冷却要求目標ファン回転数ＴＦＡＮＳＰＴＷは高くなっている。なお、図５に示したマップは、あくまでも一例であり、詳細については適合により定める。

ステップＳ１７０では、エアコンスイッチがＯＦＦか否かを判定する。ＯＦＦの場合はステップＳ１８０に進み、ＯＮの場合はステップＳ１９０に進む。

ステップＳ１８０では、エアコン冷却要求目標ファン回転数ＴＦＡＮＳＰＡＣ[ＲＰＭ]をゼロに設定する。

ステップＳ１９０では、エアコンコンプレッサ内圧Ｐｄ[ｋＰＡ]と車速ＶＳＰ[ｋｍ／ｈ]とから、図６に示すようなエアコン冷却要求目標ファン回転数マップを検索することで、エアコン冷却要求目標ファン回転数ＴＦＡＮＳＰＡＣ[ＲＰＭ]を算出する。

図６は縦軸がファン回転数、横軸が車速ＶＳＰである。同一車速であればエアコンコンプレッサ内圧Ｐｄが高いほどエアコン冷却要求目標ファン回転数ＴＦＡＮＳＰＡＣが大きくなっている。一方、同一エアコンコンプレッサ内圧Ｐｄであれば、エアコン冷却要求目標ファン回転数ＴＦＡＮＳＰＡＣは車速ＶＳＰの増加に対して上に凸な曲線となっている。なお、本マップも図５と同様に、適合によって定めるものとする。

このようにしてエアコン冷却要求目標ファン回転数ＴＦＡＮＳＰＡＣを設定したら、ステップＳ２００に進む。

ステップＳ２００では、基本目標ファン回転数ＢＴＦＡＮＲＰＭ[ＲＰＭ]を式（５）により算出する。

ＢＴＦＡＮＲＰＭ＝ｍａｘ（ＴＦＡＮＳＰＴＷ、ＴＦＡＮＳＰＡＣ）・・・（５）
ステップＳ２１０では、目標ファン回転数ＴＦＡＮＲＰＭ[ＲＰＭ]を式（６）により算出する。

ＴＦＡＮＲＰ＝ｍｉｎ（ＦＡＮＬＭＴ、ＢＴＦＡＮＲＰＭ） ・・・（６）
ステップＳ２２０では、実際の電制ファン４の回転数である実ファン回転数ＲＥＦＡＮＳＰ[ＲＰＭ]を読み込む。具体的には、ファン回転センサ５の検出信号を読み込む。

ステップＳ２３０では、目標ファン回転数ＴＦＡＮＲＰＭが実ファン回転数ＲＥＦＡＮＳＰより高い状態が、ファン回転低下判定時間＃ＴＦＡＮＬＯＷ[ｓｅｃ］以上経過したか否かを判定する。経過した場合にはステップＳ２５０に進み、経過していない場合にはステップＳ２４０に進む。

ステップＳ２４０では、ファンカップリング操作量ＦＡＮＤＵＴＹが、ファン回転低下判定操作量＃ＨＦＡＮＤＵＴＹ［％］より大きい状態がファン回転低下判定時間＃ＴＦＡＮＬＯＷ［ｓｅｃ]以上経過したか否かを判定する。経過している場合にはステップＳ２５０に進み、経過していない場合にはステップＳ２６０に進む。

なお、ファン回転低下判定操作量＃ＨＦＡＮＤＵＴＹは、例えば９０〜９５％程度の値に設定する。

ステップＳ２５０では、ファン回転数低下判定フラグ＃ＴＦＡＮＬＯＷを１にしてステップＳ２７０に進む。

ステップＳ２６０では、ファン回転数低下判定フラグ＃ＴＦＡＮＬＯＷをゼロにして、処理を終了する。

上記ステップＳ２３０〜Ｓ２６０のように、ファンカップリング操作量ＦＡＮＤＵＴＹ、目標ファン回転数ＴＦＡＮＲＰＭ及び実ファン回転数ＲＥＦＡＮＳＰを用いて、実ファン回転数ＲＥＦＡＮＳＰが目標ファン回転数ＴＦＡＮＲＰＭに追従していない場合にファン回転数が低下していると判定するので、ファン回転数の低下を適切に判断することができる。

ステップＳ２７０では、ファンカップリング回転低下時リミッタトルクＬＦＡＮＴＲＱ[Ｎｍ]を算出する。具体的には、エンジン回転数ＮＥとエンジン冷却水温ＴＷから、図７に示すようなエンジントルク制限マップを検索する。

図７は縦軸がトルク、横軸がエンジン回転数ＮＥである。同一エンジン回転数であればエンジン冷却水温ＴＷが低いほどファンカップリング回転低下時リミッタトルクＬＦＡＮＴＲＱは大きくなっている。なお、本マップについても、図５、図６と同様に詳細は適合によって定めるものとする。

ステップＳ２８０では、自動変速機２の変速段を例えば３速に固定する。これにより、エンジン回転数を制限することができる。

ステップＳ２７０、Ｓ２８０でエンジントルク及びエンジン回転数を制限するのは、ファン回転数が低下した場合にエンジン冷却水温ＴＷの上昇を回避するためである。すなわち、エンジントルクおよびエンジン回転数を制限することで、エンジン発熱量を低下させ、エンジン冷却水温ＴＷの上昇を回避するものである。なお、エンジントルクの制限またはエンジン回転数の制限のいずれか一方のみを行うようにしてもよい。

ステップＳ２９０では、目標ファン回転数リミット処理を行う。具体的には、目標ファン回転数ＴＦＡＮＲＰＭを、リミット回転数減少率＃ＦＡＮＤＵＴＹ[ＲＰＭ／１００ｍｓ]、例えば１０[ＲＰＭ／１００ｍｓ]程度、の割合で、ファンカップリング操作量ＦＡＮＤＵＴＹがファンカップリングリミット操作量＃ＦＡＮＤＵＴＹＬ[％]より小さくなるまで低下させる。ファンカップリングリミット操作量＃ＦＡＮＤＵＴＹＬは、ファン回転低下判定操作量＃ＨＦＡＮＤＵＴＹより小さい値であればよく、例えば８５％程度に設定する。

これは、ファンカップリング操作量ＦＡＮＤＵＴＹが高い場合には、カップリング内作動油温ＴＯＩＬＦＡＮが高く、ファン回転数が低下しやすいという傾向に基づいて、カップリング内作動油の劣化を防止するものである。すなわち、ファン回転数が低下した場合には、目標ファン回転数ＴＦＡＮＲＰＭを低下させることによって、さらなる温度上昇を抑制して劣化を防止するものである。

以上により本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。

（１）作動油温と冷却要求ファン回転数上限値とに基づいて、電制ファン４の回転数の上限を制限するので、エンジン冷却性能を確保しつつ、カップリング内作動油の粘度低下を抑制することができる。

（２）作動油温を、カップリング操作量と冷却水温とに基づいて推定するので、作動油温を検出するための温度センサが不要となる。

（３）電制ファン４の回転数低下を検知した場合に、エンジン1の出力または回転数を制限するので、エンジン1のオーバーヒートを防止することができる。

（４）電制ファン４の回転数低下を検知した場合に、カップリング操作量に応じて目標ファン回転数を低下させるので、作動油の温度上昇を抑制して劣化を防止することができる。

（５）目標ファン回転数と実ファン回転数との偏差又はカップリング操作量の少なくとも一方に基づいてファン回転数低下を検知するので、適切にファン回転数の低下を検知することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本実施形態のシステムの構成を示す図である。 ファン回転数制御についてのフローチャートである。 カップリング内作動油温マップの一例である。 冷却要求ファン回転数上限値テーブルの一例である。 エンジン冷却要求目標ファン回転数マップの一例である。 エアコン冷却要求目標ファン回転数マップの一例である。 エンジントルク制限マップの一例である。

符号の説明

１ エンジン
２ 自動変速機
３ 変速機コントローラ（ＡＴＣＵ）
４ 電制ファン
５ ファン回転センサ
６ ソレノイド
７ アンダーフード・スイッチング・モジュール（ＵＳＭ）
８ エンジン・コントロール・モジュール（ＥＣＭ）
９ エアコンコンプレッサ
１０ エアコンコントローラ
１１ Ｐｄ圧センサ
１２ エバポレータ温度センサ

Claims (6)

1. 内燃機関の駆動力が流体カップリングを介して伝達されることで回転する冷却ファンの制御装置において、
   前記流体カップリングの伝達に寄与する流体カップリング内の作動油量を電気的に調整する調整手段と、
   前記調整手段の操作量であるカップリング操作量を制御することで前記冷却ファンの回転数を調整するカップリング操作量制御手段と、
   前記カップリング内の作動油の温度を推定又は検知する手段と、
   前記カップリング内の作動油の温度が可逆的に粘度変化する作動油温範囲の上限値である基本カップリング内作動油温となるときの前記冷却ファンの回転数の上限値である冷却要求ファン回転数上限値を、前記内燃機関の回転数に前記内燃機関のクランクシャフトと前記冷却ファンの入力軸との減速比を乗じて得られるカップリング入力回転数に基づいて算出する冷却要求ファン回転数上限値算出手段と、
   を備え、
   前記冷却要求ファン回転数上限値に前記カップリング内作動油温と前記基本カップリング内作動油温との比を乗じた基本ファン回転数上限値と、前記冷却要求ファン回転数上限値との大きい方の値を前記冷却ファンの回転数の上限値であるファン回転数上限値として、前記カップリング操作量制御手段が前記冷却ファンの回転数の上限を制御することを特徴とする冷却ファン制御装置。
2. 前記カップリング内の作動油の温度を推定又は検知する手段は、前記カップリング操作量と前記内燃機関の冷却水温とに基づいて前記作動油温を推定することを特徴とする請求項１に記載の冷却ファン制御装置。
3. 冷却ファンの回転数低下を判定するファン回転数低下判定手段と、
   冷却ファンの回転数低下を判定した場合に前記内燃機関の出力または回転数を制限する制限手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却ファン制御装置。
4. 前記制限手段は、前記内燃機関に接続される自動変速機の変速段を固定することにより前記内燃機関の回転数を制限することを特徴とする請求項３に記載の冷却ファン制御装置。
5. 前記内燃機関の運転状態に応じて冷却ファンの目標回転数である目標ファン回転数を設定する目標ファン回転数算出手段と、
   冷却ファンの回転数低下を判定するファン回転数低下判定手段と、
   をさらに備え、
   前記目標ファン回転数算出手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記目標ファン回転数を算出するとともに、前記ファン回転数低下判定手段により冷却ファンの回転数低下が判定された場合に前記カップリング操作量に応じて目標ファン回転数を低下させることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却ファン制御装置。
6. 前記ファン回転数低下判定手段は、前記目標ファン回転数と実際のファン回転数との偏差又は前記カップリング操作量の少なくとも一方に基づいて冷却ファンの回転数低下を判定することを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の冷却ファン制御装置。

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