JP6168812B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載された内燃機関を制御する制御装置に関する。

車両用の内燃機関は、水冷式のものが主流である。水冷式の内燃機関では、ウォータポンプが吐出する冷却水を、シリンダブロックやシリンダヘッド等の内部に形成したウォータジャケットを介して流通させて、内燃機関の各所を冷却する。そして、その冷却水をラジエータにおいて放熱させた後、ウォータポンプに吸引させ、再びシリンダブロック等に送り込むというように、冷却水の循環を行う。

ラジエータには、これを強制空冷するファンが付帯していることが多い。車両の走行に伴いエンジンルームに吹き込む走行風のみでラジエータ内の冷却水を十分冷却できないときに、ラジエータファンを回転させてラジエータに向けて送風し、ラジエータにおける冷却水と外気との熱交換を促進する。

このような冷却系統において、ラジエータファンの回転が不調に陥ったり、冷却水の循環に支障が生じたりすると、内燃機関の温度が著しい高温となり、気筒においてノッキングのような異常燃焼が頻発して、内燃機関を傷めるおそれがある。そして、冷却系統における異常が発生した場合には、内燃機関の温度を示唆する冷却水温が通常より高い値、すなわち、水温センサが示す冷却水の温度変換値（以下、「出力値」と呼ぶ。）が高温側の閾値を超える値を示すこととなる。

また、稀ではあるが、水温センサの故障（または水温センサとＥＣＵとを接続する回路に関する支障）等により、ショートまたは断線などの異常が発生することが考えられる。その際の水温センサの出力電圧は、ショートの場合は０Ｖ、断線の場合は最大値をそれぞれ示すこととなる。すなわち、水温センサが実際の冷却水温を検出することができずに、ショートの場合であれば、水温センサの出力値は高温側の閾値を超える極端に高い値となり、一方、断線の場合であれば、前記出力値は低温側の閾値を下回る極端に低い値となる。

このように、水温センサの異常（ショート）の場合であっても、冷却系統における異常の場合であっても、水温センサの出力値は高温側の閾値より高い値を示すこととなる。そのため、水温センサの出力値が高温側の閾値より高い値となったときに、異常の原因が水温センサであるか、冷却系統であるかの特定は、実際の修理等の処置を行うまでわからなかった。

ところで、冷却水温に関連するフェイルセーフとして、ＥＣＵには予め、実際の冷却水温にかかわらず、冷却水温を所定値（例えば、始動後であれば約８０℃）であるとみなし、この所定値を用いて内燃機関の運転を維持する機能が備わっている（例えば、下記特許文献１を参照）。

ここで、水温センサの出力値が高温側の閾値を超えた場合であって、冷却系統における異常が生じていない場合には、上述したフェイルセーフは特段問題とはならない。

しかしながら、冷却系統の異常が生じている場合には、実際の冷却水温が、置換えられた所定値よりもかなり高温になっている可能性が高く、以下のような問題が生じ得る。

例えば、冷却水温に基づいた制御を行う際に、冷却水温が高温であることが配慮されないため、異常燃焼や各部の温度上昇を引き起こしやすくなる。このような内燃機関の制御を行い続けると、内燃機関のオーバーヒートを招来しやすくなり、内燃機関の破損等にもつながるおそれがある。

特開昭６４−４１６４２号公報

本発明は、内燃機関のオーバーヒートを有効に回避する措置を行うことができる内燃機関の制御装置を提供することを所期の目的とする。

本発明は、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサの出力値が高温側の閾値よりも高い値となった際に、高温側の閾値を超える出力値が検出されるまでの所定時間内に水温センサの出力値が第一の所定値よりも高く高温側の閾値よりも低い値に設定された第二の所定値よりも高くなった履歴が存在しておりその後高温側の閾値を超える出力値が検出された場合には、冷却水温を第一の所定値よりも高い温度に置換えて内燃機関を制御し、そのような履歴が存在せずに高温側の閾値を超える出力値が検出された場合には、冷却水温を第一の所定値に置換えて内燃機関を制御することを特徴とする。

ここで、「出力値」とは、冷却水の温度変換値を意味する。

このようなものであれば、水温センサの出力値が高温側の閾値よりも高く、かつ、当該高温側の閾値を超える出力値が検出されるまでの所定時間内に、水温センサの出力値が第二の所定値よりも高くなった履歴が存在する場合には、水温センサ以外の冷却系統の異常が生じていると判断する。そして、冷却水温を通常の第一の所定値よりも高い温度に置き換えて、すなわち、内燃機関の出力を制限することによって内燃機関の温度がさらに上がることを抑制する。そのため、異常と判断されてから実際の修理等の処置を行うまでの運転によって招来する内燃機関のオーバーヒートを有効に回避することができる。

本発明によれば、内燃機関のオーバーヒートを有効に回避する措置を行うことができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態における内燃機関の冷却系統の構成を示す図。 同実施形態における水温センサが示す冷却水の温度変換値と出力電圧との関係を示す図。 同実施形態の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

本実施形態の内燃機関は、液体冷却式のものである。図２に、内燃機関の冷却系統を示す。内燃機関のシリンダブロック６１の内部、及びシリンダヘッド６２の内部にはそれぞれ、冷却液（冷却水）が流通するウォータジャケットが形成されている。内燃機関の外部には、これらシリンダブロック６１及びシリンダヘッド６２を冷却する過程で昇温した冷却液の温度を低下させるための放熱手段６３、６４が配設されている。かかる放熱手段としては、車両のキャビン側に設置される暖房用のヒータ６３や、車両のフロントグリルの後背に設置されるラジエータ６４が挙げられる。

ラジエータ６４には、ファン６５が付設されている。ラジエータファン６５は、電動のファンモータにより回転駆動される。ファンモータは、車載のバッテリから電力の供給を受ける。ラジエータ６４に流入する冷却液の流量は、サーモスタット（または、流量制御バルブ）６７によって調節される。例えば、内燃機関の冷間始動直後等、冷却液温が低いときにはサーモスタット６７は閉弁し、ラジエータ６４に冷却液が流れ込まない。

ウォータポンプ６６は、内燃機関のクランクシャフトから駆動力の伝達を受けて回転する機械式のものである。ウォータポンプ６６は、放熱手段６３、６４において放熱し温度が低下した冷却液を吸引し、その冷却液をシリンダブロック６１に向けて再び送り出す。ウォータポンプ６６による冷却液の吐出量、すなわち冷却系統を循環する冷却液の流量は、エンジン回転数に依存する。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ等が入力される。機関の冷却水温は、内燃機関の温度を示唆する。図３では、水温センサの出力値（水温センサが示す冷却水の温度変換値）と、この出力値に対応する出力電圧との関係を示している。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはモータジェネレータ）に制御信号ｓを入力し、電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数すなわちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサの出力値が高温側の閾値Ｔ２よりも高い値となった際に、冷却水温を第一の所定値Ｔ０に置換えて内燃機関を制御するものであって、高温側の閾値Ｔ２を超える出力値が検出されるまでの所定時間内に、水温センサの出力値が第二の所定値Ｔ１よりも高くなった履歴が存在する場合、すなわち、冷却系統に異常があると判断される場合には、冷却水温を前記第一の所定値Ｔ０よりも高い温度（第三の所定値Ｔ３）に置換えてスロットルバルブ３２の開度（及び、燃料噴射量）を補正するフェイルセーフ制御を実行する。

なお、冷却系統の異常の一例としては、ラジエータファン６５の破損やファンモータの損傷、ファンモータに通電する制御回路の断線等による、ラジエータファン６５の回転不良が挙げられる。また、冷却系統の異常の他の例としては、ウォータポンプ６６の故障、クランクシャフトとウォータポンプ６６とを連動させる巻掛伝動機構のベルト（または、チェーン）の切断やプーリ（または、スプロケット）からの脱離、冷却水を流通させるホースその他の流通路の詰まりや破断等が挙げられる。

図４に、ＥＣＵ０が冷却水温に関連するフェイルセーフについてプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。

ＥＣＵ０は、内燃機関の冷却水温を恒常的に監視しており、水温センサの出力値が第二の所定値Ｔ１を超えたかどうかを判定する。第二の所定値Ｔ１は、第一の所定値Ｔ０（及び所定値Ｔ０’）よりも高く、かつ、高温側の閾値Ｔ２よりも低い値に設定されている。本実施形態では、第二の所定値Ｔ１は、例えば、約１２０℃に設定している。前記出力値が第二の所定値Ｔ１を超えた場合には、その旨をＥＣＵ０のメモリに記憶する。

ＥＣＵ０は、水温センサの出力値が、高温側の閾値Ｔ２よりも高くなったかどうかを判定する（ステップＳ１）。高温側の閾値Ｔ２は、エンジン冷却系の異常高温を判定するための判定閾値で、例えば、約１５０℃〜１６０℃に設定している。水温センサの出力値が高温側の閾値Ｔ２よりも高い場合には、水温センサの異常または冷却系統の異常を検出したこととなる。

ステップＳ１で、出力値が閾値Ｔ２よりも高いと判断された後、当該閾値Ｔ２を超える出力値が検出されるまでの所定時間内に、水温センサの出力値が第二の所定値Ｔ１よりも高くなった履歴が存在するかどうかを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２においては、ＥＣＵ０のメモリに記憶された履歴を参照し、水温センサの出力値が高温側の異常を示す直近の過去に、第二の所定値Ｔ１を超えた履歴が存在するかどうかを確認する。

ステップＳ２で、水温センサの出力値が第二の所定値Ｔ１を超えた履歴が存在する場合には、冷却系統に異常があるものと判断する。冷却系統の異常の場合には、水温センサで検出される実際の冷却水温が徐々に上昇し、したがって、水温センサの出力値が徐々に変化するためである。この場合、ＥＣＵ０は、冷却水温を第一の所定値Ｔ０よりも高い第三の所定値Ｔ３（具体的には、第二の所定値Ｔ１よりも高く、高温側の閾値Ｔ２よりも低い温度）に置換える（ステップＳ３）。第一の所定値Ｔ０は、従来の水温センサのフェイルセーフ制御に準じたもので、例えば、約８０℃に設定している。

そして、ステップＳ３で置き換えた冷却水温の値（第三の所定値Ｔ３）で、スロットルバルブ３２の開度（及び、燃料噴射量）を補正するフェイルセーフ制御を実行する（ステップＳ４）。すなわち、冷却水温を第一の所定値Ｔ０に置換える場合よりも、内燃機関の出力が制限されるように制御する。ここで、「内燃機関の出力を制限する」とは、例えば出力に所定の上限値を設ける態様や、常に内燃機関の出力を低く制限する態様など、内燃機関の温度の過度の上昇を防ぐように出力を調節する種々の態様を含むものである。具体的には、冷却水温を第一の所定値Ｔ０で置換えて制御する場合よりも、スロットルバルブ３２の開度量（または、吸気量の増加量）を小さくしたり、燃料噴射量を小さくしたりする。このように、内燃機関の出力を制限することによって、冷却系統が異常であると判断されてから実際の修理等の処置を行うまでの運転によって招来する内燃機関のオーバーヒートを有効に回避することができる。

また、ＥＣＵ０は、水温センサ以外の冷却系統に支障が発生している旨を示す情報（ダイアグノーシスコード）を、そのときの日時のタイムスタンプ等とともにメモリに書き込んで記憶保持する（ステップＳ５）。この情報は、事後の検査や修理の作業における異常の原因の究明、及び修繕箇所の特定の助けとなる。加えて、冷却系統に支障が発生している旨を、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知してもよい。例えば、車両のコックピット内に設置された警告灯（エンジンチェックランプ）を点灯させたり、ディスプレイに表示させたり、ブザーまたはスピーカから警告音を音声出力させたりする。

一方、ステップＳ２で、高温側の閾値Ｔ２を超える出力値が検出されるまでの所定時間内に、水温センサの出力値が第二の所定値Ｔ１よりも高くなった履歴が存在しない場合には、水温センサに異常（ショートの発生）があるものと判断する。水温センサの異常の場合には、実際の冷却水温にかかわらず、出力電圧が急激に下がり、水温センサの出力値がごく短時間のうちに高温値を示すためである。この場合、ＥＣＵ０は、冷却水温を第一の所定値Ｔ０に置換える（ステップＳ１１）。第一の所定値Ｔ０は、従来の水温センサのフェイルセーフ制御に準じたもので、例えば、約８０℃に設定している。

そして、ステップＳ１１で置き換えた冷却水温の値（第一の所定値Ｔ０）で、スロットルバルブ３２の開度（及び、燃料噴射量）を補正するフェイルセーフ制御を実行する（ステップＳ１２）。すなわち、水温センサの異常が車両の走行中に生じた場合には、車両を移動させ得る程度の燃料を燃焼室に供給して、必要限度内で車両の移動が行えるようにしている。

また、ＥＣＵ０は、水温センサに支障が発生している旨を示す情報（ダイアグノーシスコード）を、そのときの日時のタイムスタンプ等とともにメモリに書き込んで記憶保持する（ステップＳ１３）。このダイアグノーシスコードは、ステップＳ５に記載したものに準ずる。

なお、内燃機関の始動時、すなわち、エンジン回転数が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えてクランキングが終了するまでの間は、ＥＣＵ０は以下のような制御を実行する。

まず、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサの出力値が高温側の閾値Ｔ２よりも高い値となった場合に、水温センサに異常（ショートの発生）があるものと判断する。この場合、ＥＣＵ０は、冷却水温を所定値Ｔ０’に置換える。所定値Ｔ０’は、従来の水温センサのフェイルセーフ制御に準じたもので、例えば、約２０℃に設定している。すなわち、所定値Ｔ０’は、第一の所定値Ｔ０よりも低く、かつ、第二の所定値Ｔ１よりも低い値に設定してある。

そして、置き換えられた冷却水温の値（所定値Ｔ０’）で、スロットルバルブ３２の開度（及び、燃料噴射量）を補正するフェイルセーフ制御を実行する。すなわち、冷却水温を第一の所定値Ｔ０に置換える場合よりも、内燃機関の出力が大きくなるように制御している。具体的には、冷却水温を第一の所定値Ｔ０で置換えて制御する場合よりも、燃料噴射量を増量補正するように設定してある。このように、水温センサの異常が始動時に検知された場合には、燃焼室へ濃い混合気が供給されるため、確実に内燃機関を始動させることができる。

なお、この場合にも、ＥＣＵ０が、水温センサに支障が発生している旨を示す情報（ダイアグノーシスコード）を、そのときの日時のタイムスタンプ等とともにメモリに書き込んで記憶保持するようにしてもよい。

本実施形態では、車両に搭載された内燃機関の冷却水温を検出する水温センサの出力値が高温側の閾値Ｔ２よりも高い値となった際に、冷却水温を第一の所定値Ｔ０に置換えて内燃機関を制御するものであって、高温側の閾値Ｔ２を超える出力値が検出されるまでの所定時間内に、水温センサの出力値が第二の所定値Ｔ１よりも高くなった履歴が存在する場合には、冷却水温を前記第一の所定値Ｔ０よりも高い温度（第三の所定値Ｔ３）に置換えて内燃機関を制御することを特徴とする制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、水冷式の内燃機関の冷却系統に異常が発生した場合のフェイルセーフを実現できる。すなわち、内燃機関の発熱量を低減させ、内燃機関のさらなる温度上昇の抑止を図ることにより、内燃機関のオーバーヒートを招来することなく、さらには、内燃機関の破損等も抑制できる。換言すれば、本実施形態の制御装置０によれば、内燃機関のオーバーヒートの悪化と、それに伴う二次不具合を有効に回避することができる。

また、内燃機関の水冷機能が低下した状況においてもある程度の期間車両の運転を継続できるようになる。運転者は、その期間に車両を修理可能な場所（ディーラー等）または安全な場所（高速道路上の非常駐車帯等）まで退避走行させることが可能である。

なお、冷却水温と燃料噴射量の補正量との関係は、冷却水温が低くなるにしたがって燃料噴射量の補正量を増量する（燃料噴射時間を長くする）ようにしてある。そのため、前記第一の所定値Ｔ０、すなわち、暖機が終了していないとみなされる冷却水温度をもとにした場合、本来の補正量よりも燃料噴射量が増量補正されることとなるが、本実施形態の制御装置０によれば、冷却水温を前記第一の所定値Ｔ０よりも高い第三の所定値Ｔ３に置き換えて制御するので、冷却水温が高温であることが配慮された制御を行うことができる。

さらに、本実施形態によれば、ＥＣＵ０が、冷却系統または水温センサに支障が発生している旨を示す情報（ダイアグノーシスコード）をメモリに記憶しているので、修理の際に、冷却系統の異常であるか、水温センサの異常であるかという原因の特定が比較的容易となる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。

上記実施形態では、ステップＳ４にて、気筒１に充填される吸気量（及び、燃料噴射量）を制限するために、電子スロットルバルブ３２の開度を小さくするように補正していたが、アイドルスピードコントロールバルブを実装している内燃機関においては、そのアイドルスピードコントロールバルブの開度を補正することとしてもよい。周知の通り、アイドルスピードコントロールバルブは、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の上流側と下流側とを連通するバイパスを開閉する流量制御バルブである
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載される内燃機関の制御に適用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）

Claims (1)

1. 内燃機関の冷却水温を検出する水温センサの出力値が高温側の閾値よりも高い値となった際に、
   高温側の閾値を超える出力値が検出されるまでの所定時間内に水温センサの出力値が第一の所定値よりも高く高温側の閾値よりも低い値に設定された第二の所定値よりも高くなった履歴が存在しておりその後高温側の閾値を超える出力値が検出された場合には、冷却水温を第一の所定値よりも高い温度に置換えて内燃機関を制御し、
   そのような履歴が存在せずに高温側の閾値を超える出力値が検出された場合には、冷却水温を第一の所定値に置換えて内燃機関を制御する内燃機関の制御装置。

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