JP5617452B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の水冷式の冷却装置に関する。

特許文献１にも記載されているように、自動車用内燃機関に代表される内燃機関の多くは、冷却水の強制的な循環による水冷式の冷却装置を備えている。この種の冷却装置では、機関冷間時における冷却水の昇温を促進するために、ラジエータと内燃機関内部との間で冷却水を循環させる主冷却水流路とは別に、ラジエータをバイパスして内燃機関内部で冷却水を循環させるバイパス流路を有し、機関冷間時には、サーモスタット等の流路切換弁によりバイパス流路に切り換えて、ラジエータをバイパスすることによって、冷却水の昇温を促進している。

特開平１１−１８２２４１号公報

また近年、排気浄化の上で機関冷間時における早期昇温が望まれており、機関冷間時には、上述したように流路切換弁によってバイパス流路に切り換えた上で、更に流量制御弁によりバイパス流路内を循環する冷却水の流量を制限して、冷却水流れの大幅な抑制あるいは停止（以下、ゼロフローとも呼ぶ）を行うことを本出願人は検討している。このようなゼロフローを行うことで、燃焼による熱を受けやすい燃焼室及びシリンダ付近に滞留する冷却水をより速やかに昇温させて暖機を促進することができる。

ところで、内燃機関のシリンダブロック及びシリンダヘッドのウォータジャケット内における冷却水の温度は、例えば内燃機関に設けた水温センサにより検出され、この冷却水温が、機関冷間状態の判定の他、ＥＧＲ量や燃料噴射時期などの設定に用いられる。水温センサは、一般的には、その感温部がウォータジャケットに臨んだ姿勢で、シリンダブロックやシリンダヘッド等の内燃機関の外壁に取り付けられる。

但し、上述したゼロフロー時には、ウォータジャケット内の冷却水が滞留（あるいは非常に遅い速度で循環）することとなるために、ウォータジャケットの中でも、その位置に応じて温度の差、すなわち温度のばらつきが大きくなる。例えば、ウォータジャケットの中でも、燃焼室やシリンダの付近では燃焼による熱が伝わり易いために相対的に温度が高くなり易く、一方、温度センサが取り付けられる内燃機関の外壁の近傍では、燃焼室やシリンダから比較的遠く、また外気温度の影響を受け易いために、相対的に温度が低くなる。このため、水温センサにより検出される検出値が、実際の燃焼室及びシリンダ付近の冷却水の温度に比して低下側に乖離し、冷却水温を用いる各種制御が不正確なものとなるとともに、機関冷間状態（暖機運転）の終了判定が遅れてしまい、不必要に暖機運転が長引くことで、燃費の悪化や排気の悪化を招くおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち本発明に係る内燃機関の冷却装置は、ラジエータと内燃機関の内部との間で冷却水を循環させる主冷却水流路と、上記ラジエータをバイパスして内燃機関の内部で冷却水を循環させるバイパス流路と、上記主冷却水流路とバイパス流路とを切り換える流路切換弁と、上記流路切換弁によってバイパス流路に切り換えられている状態で、上記バイパス流路内を循環する冷却水の流量を制限する流量制御弁と、上記内燃機関の内部の冷却水の温度に応じた検出値を出力する水温センサと、上記水温センサの検出値に基づいて冷却水温を設定する水温設定手段と、を有している。そして、この水温設定手段は、上記流量制御弁による流量制限時には、上記水温センサの検出値に対し、シリンダ付近の冷却水の温度上昇分を考慮した冷却水温予測値を求め、この冷却水温予測値を上記冷却水温として設定することを特徴としている。

例えば、冷間始動（コールドスタート）等の機関冷間時には、暖機を促進するために、流路切換弁によってバイパス流路に切り換えた上で、流量制御弁によりバイパス流路内を循環する冷却水の流量を制限する。そして、このような流量制御弁による流量制限時（ゼロフロー時）には、冷却水の流れが著しく制限又は停止されているために、水温センサの検出値が実際のシリンダ付近の冷却水の温度よりも低くなる傾向にあるが、本発明においては、シリンダ付近の冷却水の温度上昇分を考慮した冷却水温予測値を冷却水温として設定しているために、シリンダ付近の冷却水の温度上昇分を見越した形で冷却水温を適切に設定することが可能となる。

以上のように本発明によれば、機関冷間時等における流量制御弁によるバイパス流路の流量制限時（ゼロフロー時）にも、シリンダ付近の冷却水の温度上昇分を見越した形で冷却水温を適切に設定することができ、冷却水温の設定精度が向上する。従って、機関冷間時に冷却水温が実際のシリンダ付近の冷却水の温度よりも低下側に乖離することを抑制・回避し、暖気運転が不必要に長期化することによる燃費の悪化や排気の悪化を抑制・回避することができる。

本発明の一実施例に係る内燃機関の冷却装置を簡略的に示す構成図。 内燃機関の内部における冷却水の温度分布を模式的に示しており、図２（Ａ）が暖機後の状態、（Ｂ）がゼロフローの状態を示す説明図。 上記実施例に係る冷却水温の設定処理を示すフローチャート。 冷却水温予測値の算出処理を示すフローチャート。 ゼロフローの開始判定処理を示すフローチャート。 ゼロフローの終了判定処理を示すフローチャート。 冷却水温推定値の算出処理を示すフローチャート。 冷却水温推定値によるゼロフローの終了時期を示す説明図。 冷却水温を用いたＥＧＲ率（Ａ），燃料噴射時期（Ｂ），パイロット噴射量（Ｃ）及び燃料噴射圧（Ｄ）の設定を示す説明図。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関１０の冷却装置を簡略的に示す構成図である。同図の矢印に示すように、内燃機関１０のクランクシャフトにより駆動されるウォータポンプ１１によって、冷却水が冷却水流路Ｒ１，Ｒ２内を循環する。ここで、太く塗りつぶした矢印が主冷却水流路Ｒ１、太い白抜きの矢印がバイパス流路Ｒ２を示している。

主冷却水流路Ｒ１は、暖機後の運転状態のときに、ラジエータ１２を介して冷却水を冷却させるために、ラジエータ１２と内燃機関１０との間で冷却水を循環させるものである。この主冷却水流路Ｒ１においては、ウォータポンプ１１により送給された冷却水が、内燃機関１０のシリンダブロック１３及びシリンダヘッド１４の内部に形成されたウォータジャケット１５，１６（図２参照）を経て、ウォータアウトレット１７よりラジエータ１２へ送られ、このラジエータ１２よりウォータインレット１８を介して内燃機関１０へ戻されて、流路制御弁としてのサーモスタット弁１９及びサーモスタットハウジング２０を経てウォータポンプ１１へ供給される。

また、ラジエータ１２へ供給された冷却水の一部はリザーバタンク２１へ供給され、このリザーバタンク２１からサーモスタットハウジング２０へ戻される。更に、冷却水の一部がシリンダブロック１３よりオイルクーラ２２、ターボチャージャ２３及びヒータ２４等の熱交換部品へ供給されるとともに、ウォータアウトレット１７より熱交換部品としてのＥＧＲバルブ２５へ供給される。これら熱交換部品２２〜２５への供給通路には、各部品への冷却水の供給・遮断を切り換える電磁式の切換弁２６，２７，２８が設けられ、これら切換弁２６，２７，２８の動作は、各種制御処理を記憶及び実行可能な制御部３０によって制御される。各熱交換部品２２〜２５へ供給された冷却水は、それぞれリターン通路を介してサーモスタットハウジング２０へ戻される。

バイパス流路Ｒ２は、暖機完了前の機関冷間時に、内燃機関（冷却水）の昇温を促進して暖機完了時期を早めるように、ラジエータ１２をバイパスして内燃機関１０のウォータジャケット１５，１６内で冷却水を循環させるものである。このバイパス流路Ｒ２においては、ウォータポンプ１１により送給された冷却水が、内燃機関１０のシリンダブロック１３及びシリンダヘッド１４からバイパス通路３１及びサーモスタットハウジング２０を経てウォータポンプ１１へと戻され、ラジエータ１２やサーモスタット弁１９を通ることがない。

上記のサーモスタット弁１９は、周知のように温度に応じて作動するもので、主冷却水流路Ｒ１とバイパス流路Ｒ２とを切り換える流路切換弁として機能する。すなわち、冷却水の温度が所定の設定温度（例えば、８０度付近）を超える暖機後の状態においてサーモスタット弁１９が開弁して主冷却水流路Ｒ１を冷却水が循環し、設定温度以下の機関冷間時にはサーモスタット弁１９が主冷却水流路Ｒ１を閉じることで、冷却水がバイパス流路Ｒ２を循環することとなる。

そして本実施例では、サーモスタット弁１９によってバイパス流路Ｒ２に切り換えられている状態で、バイパス流路Ｒ２内を循環する冷却水の流量を制限する流量制御弁３２が設けられている。この流量制御弁３２は、主冷却水流路Ｒ１の途中から分岐してシリンダヘッド１４とサーモスタットハウジング２０とを結ぶバイパス通路３１に設けられている。例えば所定の設定温度（例えば、８０度付近）以下の機関冷間状態のときに、この流量制御弁３２を閉弁することで、バイパス流路Ｒ２内を循環する冷却水の流れが大幅に制限されあるいは停止されたゼロフロー状態となる。

なお、この実施例においては、流量制御弁３２として電磁弁を用い、制御部３０により流量制御弁３２の動作を制御している。但し、上記の流路切換弁と同様、温度に応じて自動的に作動するサーモスタット弁を流量制御弁３２として用いることもできる。この場合には、機関冷間時には常にゼロフロー状態となる。

図２を参照して、シリンダ１３Ａが形成されたシリンダブロック１３の上部にはシリンダヘッド１４が固定され、これらのシリンダヘッド１４及びシリンダブロック１３の内部に、冷却水が通流するウォータジャケット１５，１６が形成されている。シリンダブロック１３にはウォータポンプ１１が取り付けられるとともに、シリンダヘッド１４にはサーモスタットハウジング２０が取り付けられている。また、シリンダヘッド１４の外壁には、その先端の感温部３４がシリンダヘッド１４内のウォータジャケット１６に臨んだ姿勢で、冷却水の温度を検出する水温センサ３３が取り付けられている。

図２（Ａ）に示す暖機後の状態では、ウォータジャケット１５，１６内を冷却水が循環するため、ウォータジャケット１５，１６における冷却水の温度は位置にかかわらずほぼ均一であり、水温センサ３３の検出値をそのまま冷却水温として設定しても問題はない。一方、図２（Ｂ）に示すように、サーモスタット弁１９及び流量制御弁３２を閉じたゼロフロー時には、ウォータジャケット１５，１６内を冷却水がほとんど循環することなく滞留するために、位置によって温度差が生じ、具体的には、水温センサ３３が設置されるシリンダヘッド１４の外壁近傍の部位では、燃焼による熱を受け易い燃焼室やシリンダ１３Ａの近傍の部位に比して、温度が低くなる。このため、水温センサ３３により検出される検出値が、実際のシリンダ付近の冷却水の温度よりも低下側に乖離する。そこで本実施例では、このようなゼロフロー時には、水温センサ３３の検出値に対し、シリンダ付近の冷却水の温度上昇分を考慮した冷却水温予測値を求め、この冷却水温予測値を冷却水温として設定している。

図３〜図７は、このような本実施例の制御の流れを示すフローチャートであり、これらのルーチンは上記の制御部３０により記憶及び実行される。図３を参照して、ステップＳ１１では、水温設定フラグＦＬＧ＿Ｚ−ｆｌｏｗが１であるかを判定する。このフラグＦＬＧ＿Ｚ−ｆｌｏｗは、後述する図５及び図６のルーチンによって設定されるものであり、機関冷間時のようにサーモスタット弁１９及び流量制御弁３２を閉じるゼロフロー時に「１」に設定され、暖機後のように、少なくとも流量制御弁３２を開弁する非ゼロフロー時に「０」に設定される。

水温設定フラグＦＬＧ＿Ｚ−ｆｌｏｗが１であれば、ゼロフロー状態であると判断し、ステップＳ１２へ進み、水温センサ３３の検出値ＴＨＷに対し、後述する図４の処理によって、シリンダ付近の冷却水の温度上昇分を考慮した冷却水温予測値ＴＨＷｃｙｌを求め、この冷却水温予測値ＴＨＷｃｙｌを冷却水温ＴＷとして設定する。一方、水温設定フラグＦＬＧ＿Ｚ−ｆｌｏｗが０であれば、暖機後の非ゼロフロー状態であるとして、ステップＳ１３へ進み、水温センサ３３の検出値ＴＨＷをそのまま冷却水温ＴＷとして設定する。

図４は、上記の冷却水温予測値ＴＨＷｃｙｌの算出処理を示している。ステップＳ３１では、水温センサ３３の検出値ＴＨＷを読み込む。ステップＳ３２では、機関回転速度Ｎｅを読み込む。ステップＳ３３では、燃料噴射量Ｑを読み込む。そしてステップＳ３４において、水温センサ３３の検出値ＴＨＷに対し、シリンダ付近の冷却水の温度上昇分を加算して、冷却水温予測値ＴＨＷｃｙｌを算出する。この温度上昇分は、この実施例では機関回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｑとにより求められ、より具体的には、図４の数式に示すように、単位時間毎の機関回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｑとの乗算値を積算し、この積算値に係数Ｃを乗算することにより求められる。なお、この係数Ｃは予め設定・適合される定数である。

図５は、ゼロフローの開始判定処理を示している。ステップＳ４１では、水温センサ３３の検出値ＴＨＷを読み込む。ステップＳ４２では、この検出値ＴＨＷが所定の開始判定値ＴＨＷ＿ｚｓｔａｒｔ未満であるかを判定する。検出値ＴＨＷが所定の開始判定値ＴＨＷ＿ｚｓｔａｒｔ未満であれば、ゼロフローを開始すべきと判断して、ステップＳ４３へ進み、上記の水温設定フラグＦＬＧ＿Ｚ−ｆｌｏｗを１に設定する。一方、検出値ＴＨＷが開始判定値ＴＨＷ＿ｚｓｔａｒｔ以上であれば、ゼロフローを行う必要がないと判断して、ステップＳ４４へ進み、水温設定フラグＦＬＧ＿Ｚ−ｆｌｏｗを０に設定する。

図６は、ゼロフローの終了判定処理を示しており、本ルーチンはゼロフロー状態でのみ実行される。ステップＳ５１では、水温センサ３３の検出値ＴＨＷを読み込む。ステップＳ５２では、上記の冷却水温予測値ＴＨＷｃｙｌを読み込む。ステップＳ５３では、後述する図７のＴＨＷ２算出処理によって、冷却水温推定値ＴＨＷ２を算出する。そして、ステップＳ５４では、上記の冷却水温予測値ＴＨＷｃｙｌが所定の第１解除判定値ＴＨＷ＿ｕｐｐｅｒ以上であるか、あるいは冷却水温推定値ＴＨＷ２が所定の第２解除判定値ＴＨＷ＿ｚｅｎｄ以上であるかを判定する。ＴＨＷｃｙｌがＴＨＷ＿ｕｐｐｅｒ以上又はＴＨＷ２がＴＨＷ＿ｚｅｎｄ以上であれば、ステップＳ５５へ進み、上記の水温設定フラグＦＬＧ＿Ｚ−ｆｌｏｗを０に設定し、ゼロフローを解除・終了させる。一方、ＴＨＷ２がＴＨＷ＿ｚｅｎｄ未満で、かつ、ＴＨＷｃｙｌがＴＨＷ＿ｕｐｐｅｒ未満であれば、ステップＳ５５へ進み、水温設定フラグＦＬＧ＿Ｚ−ｆｌｏｗを１に設定し、ゼロフローを継続する。

図７は、上記の冷却水温推定値ＴＨＷ２の算出処理を示している。ステップＳ６１では、水温センサ３３の検出値ＴＨＷを読み込む。ステップＳ５２では、上記の冷却水温予測値ＴＨＷｃｙｌを読み込む。そして、ステップＳ６３では、検出値ＴＨＷと冷却水温予測値ＴＨＷとに基づいて、冷却水温推定値ＴＨＷ２を算出する。なお、ステップＳ６３の式中の係数ａ及び係数ｂは、予め適合・設定される定数である。なお、図８に示すように、この実施例では冷却水温推定値ＴＨＷ２を冷却水温予測値ＴＨＷｃｙｌよりも低く設定そており、従って、その冷却水温推定値ＴＨＷ２に対する第２解除判定値ＴＨＷ＿ｚｅｎｄも、冷却水温予測値ＴＨＷｃｙｌに対する第１解除判定値ＴＨＷ＿ｕｐｐｅｒよりも低く設定されている。

このように、ゼロフロー解除時には、冷却水温予測値ＴＨＷｃｙｌと冷却水温推定値ＴＨＷ２の双方を用い、いずれか一方がそれぞれの解除判定値に達した時点でゼロフローを解除するようにしたため、ゼロフローの解除判定を精度良く行うことができる。特に、検出値ＴＨＷと冷却水温予測値ＴＨＷｃｙｌとに基づいて冷却水温推定値ＴＨＷ２を推定し、この推定値ＴＨＷ２が所定の第２解除判定値ＴＨＷ＿ｚｅｎｄに達した時点で、ゼロフローを解除することによって、図８に示すよに、例えば検出値ＴＨＷに基づいて解除判定を行う場合に比して、所定時間ΔＴ分、ゼロフローの解除時期を早期化することができ、無駄に暖機運転が行われることを抑制し、省エネルギー化を図ることができる。

このようにして設定された冷却水温は、図９に示すように、ＥＧＲ率，燃料噴射時期，パイロット噴射量，燃料噴射圧の設定の他、ＥＧＲクーラのバイパス切換判断などに用いられる。同図に示すように、暖機完了前の機関冷間状態では、冷却水温が低くなるほど、失火の発生等を防ぐために、ＥＧＲ率を低く抑制し、燃料噴射時期を進角し、排気温度上昇のためのパイロット噴射量（又はポスト噴射量）を増量するとともに、燃料噴射圧を低く抑制してシリンダ壁に到達するまでの時間を長く確保する。

１０…内燃機関
１１…ラジエータ
１２…ウォータポンプ
１３…シリンダブロック
１４…シリンダヘッド
１５，１６…ウォータジャケット
１９…サーモスタット弁（流路切換弁）
３０…制御部
３１…バイパス通路
３２…流量制御弁
３３…水温センサ

Claims (5)

1. ラジエータと内燃機関の内部との間で冷却水を循環させる主冷却水流路と、
   上記ラジエータをバイパスして内燃機関の内部で冷却水を循環させるバイパス流路と、
   上記主冷却水流路とバイパス流路とを切り換える流路切換弁と、
   上記流路切換弁によってバイパス流路に切り換えられている状態で、上記バイパス流路内を循環する冷却水の流量を制限する流量制御弁と、
   上記内燃機関の内部の冷却水の温度に応じた検出値を出力する水温センサと、
   上記水温センサの検出値に基づいて冷却水温を設定する水温設定手段と、を有し、
   この水温設定手段は、上記流量制御弁による流量制限時には、上記水温センサの検出値に対し、シリンダ付近の冷却水の温度上昇分を考慮した冷却水温予測値を求め、この冷却水温予測値を上記冷却水温として設定することを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 上記水温設定手段は、上記流量制御弁により流量が制限されていないときには、上記水温センサの検出値を冷却水温として設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
3. 上記流路切換弁は、機関冷間時に主冷却水流路を遮断するサーモスタット弁であり、
   上記機関冷間時には上記流量制御弁が閉弁されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却装置。
4. 上記水温センサが、上記シリンダから離間したシリンダヘッドの外壁に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
5. 上記流量制限時に、上記冷却水温予測値が所定の第１解除判定値に達するか、あるいは上記冷却水温予測値と水温センサの検出値とに基づいて求められる冷却水温推定値が所定の第２解除判定値に達すると、上記流量制御弁による流量制限が解除されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。

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