JP6339701B2 - 内燃機関の冷却制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、過給機を備えた内燃機関において、過給機で加圧されることによって昇温した吸入ガスを冷却するための内燃機関の冷却制御装置に関する。
一般に、過給機を備えた内燃機関では、出力の向上を確保しながら、ノッキングの発生回避などのために、過給機で加圧されることによって昇温した吸入空気を、インタークーラを有する冷却制御装置によって冷却する。このような冷却制御装置として、従来、例えば特許文献1に開示されたものが知られている。この冷却制御装置は、主に内燃機関の本体(以下「エンジン本体」という)を冷却し、比較的高温の冷却水(以下「高温系冷却水」という)が流れるエンジン冷却回路と、主にインタークーラを冷却し、比較的低温の冷却水(以下「低温系冷却水」という)が流れるインタークーラ冷却回路とを備えている。
エンジン冷却回路は、前記エンジン本体と、高温系ラジエータと、これらを連結する冷却水通路とを有しており、高温系冷却水が、エンジン本体によって駆動される機械式のポンプ(以下「機械ポンプ」という)で送り出されることにより、エンジン冷却回路を循環するようになっている。一方、インタークーラ冷却回路は、インタークーラと、低温系ラジエータと、これらを連結する冷却水通路とを有しており、低温系冷却水が、電動式のポンプ(以下「電動ポンプ」という)で送り出されることにより、インタークーラ冷却回路を循環するようになっている。
また、これらのエンジン冷却回路とインタークーラ冷却回路は、それぞれの冷却水通路が2箇所で接続されるとともに、それらの接続通路にそれぞれ、開度を制御可能な開閉自在のバルブが設けられている。具体的には、エンジン冷却回路の機械ポンプ及びエンジン本体の下流かつ高温系ラジエータの上流と、インタークーラ冷却回路の低温系ラジエータの下流かつ電動ポンプの上流との間に、第1接続通路が接続され、この第1接続通路に第1バルブが設けられている。また、エンジン冷却回路の高温系ラジエータの下流かつ機械ポンプの上流と、インタークーラ冷却回路の電動ポンプ及びインタークーラの下流かつ低温系ラジエータの上流との間に、第2接続通路が接続され、この第2接続通路に第2バルブが設けられている。
さらに、上記の内燃機関には、排気通路に排出された排ガスの一部(以下「EGRガス」という)を、吸気通路における過給機のコンプレッサよりも上流側に還流するEGR装置が設けられている。このため、EGRが実行されているときには、吸入空気及びEGRガス(以下、これらを併せて「吸入ガス」という)は、過給機のコンプレッサによる昇温後、インタークーラを介して冷却され、温度が低下した状態で内燃機関の気筒に導入される。
EGRガスには通常、比較的多くの水蒸気が含まれており、そのため、吸入ガスをインタークーラによって冷やし過ぎると、その吸入ガス中の水蒸気が、インタークーラを通過する際に凝縮し、吸気通路内で凝縮水が発生することがある。このような凝縮水が、インタークーラを含む吸気系の構成部品に付着すると、その構成部品が腐食するおそれがある。そのため、上記の冷却制御装置では、インタークーラの出口側の温度(以下「出口温度」という)、すなわちインタークーラで冷却された吸入ガスの温度と、その時の露点温度とを比較し、出口温度が露点温度よりも高くなるように制御が行われる。
具体的には、出口温度が露点温度よりも高いときには、第1バルブ及び第2バルブを閉鎖した状態で電動ポンプを作動し、インタークーラ冷却回路で低温系冷却水を循環させることによって、吸入ガスの温度を低下させる。一方、出口温度が露点温度以下のときには、電動ポンプを停止させたり、これに加えて、第1バルブ及び第2バルブを開放することにより、エンジン冷却回路の高温系冷却水をインタークーラ冷却回路に流入させたりすることによって、低温系冷却水の温度を上昇させる。それにより、出口温度を露点温度よりも高くし、吸入ガスがインタークーラで冷却される際の凝縮水の発生を抑制している。
特開2014−156804号公報
一般に、冷却回路において、上述したインタークーラやエンジン本体などの冷却すべき構成部品と、外気との熱交換を行うラジエータとを、冷却水通路を介して連結し、その冷却水通路の途中に設けられたポンプを介して、冷却回路の冷却水を循環させる場合、ポンプの下流かつラジエータの上流における冷却水の圧力は、ポンプの吐出力及びラジエータの圧力損失により、ポンプの上流かつラジエータの下流における冷却水の圧力に比べて非常に高くなる。このため、上記の冷却制御装置では、インタークーラ冷却回路におけるエンジン冷却回路からの高温系冷却水の流入、及びエンジン冷却回路への低温系冷却水の流出が実行される場合において、第1接続通路の第1バルブを境とする冷却水の圧力と、第2接続通路の第2バルブを境とする冷却水の圧力との差が大きくなる。
すなわち、第1接続通路では、第1バルブの上流が機械ポンプの下流(高温系ラジエータの上流)にあたるために高温系冷却水の圧力が高く、一方、第1バルブの下流が電動ポンプの上流(低温系ラジエータの下流)にあたるために低温系冷却水の圧力が低くなる。また、第2接続通路では、第2バルブの上流が電動ポンプの下流(低温系ラジエータの上流)にあたるために低温系冷却水の圧力が高く、一方、第2バルブの下流が機械ポンプの上流(高温系ラジエータの下流)にあたるために高温系冷却水の圧力が低くなる。
このように、第1及び第2接続通路では、第1及び第2バルブの上下流における冷却水の圧力差がいずれも大きい。特に、第2接続通路における第2バルブの上下流は、低温系ラジエータの上流と高温系ラジエータの下流との間にあたるため、第2バルブを境とする冷却水の圧力差に加えて、第1及び第2バルブ間における冷却水の圧力差が非常に大きくなる。さらに、エンジン回転数が高くなるほど、機械ポンプによる高温系冷却水の送出し量も多くなることで、上記圧力差がより一層大きくなる。このため、インタークーラ冷却回路において、インタークーラに流れる冷却水を適切に制御するためには、第1及び第2バルブの開度を、全閉と全開の間で細かく制御する必要がある。このような開度制御が可能なバルブは一般に、比較的高価であるため、冷却制御装置全体として製造コストが上昇してしまう。
また、上記圧力差が非常に大きいときには、第1及び第2バルブの開度を絞り、それらをできる限り小さくする必要がある。しかしこの場合、冷却水にゴミなどの異物が含まれていると、その異物がバルブの開口を塞ぐことがあり、それにより、エンジン冷却回路とインタークーラ冷却回路との間で、冷却水の流入及び流出を適切に行えないおそれがある。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、吸入ガスの冷却及び凝縮水の発生抑制を確保することができ、また、内燃機関冷却回路とインタークーラ冷却回路との間における冷却水の圧力差を抑えることができ、それにより、両冷却回路間に設けられたバルブの開度を大きくしても、冷却水を両冷却回路の一方から他方に適切に流通させることができる内燃機関の冷却制御装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、請求項1に係る発明は、過給機(実施形態における(以下、本項において同じ)ターボチャージャ11)を備えた内燃機関3において、過給機で加圧されることによって昇温した吸入ガスを冷却するための内燃機関の冷却制御装置1であって、内燃機関本体3bと、第1ラジエータ(メインラジエータ51)と、内燃機関本体と第1ラジエータの間を連結し、これらの間で冷却水を循環させるための第1冷却水通路(エンジン冷却水通路52)と、第1冷却水通路に設けられ、冷却水を送り出すことによって循環させる第1ポンプ(機械ポンプ53)と、を有する内燃機関冷却回路(エンジン冷却回路50)と、吸入ガスを冷却するためのインタークーラ34と、第2ラジエータ(サブラジエータ61)と、インタークーラと第2ラジエータの間を連結し、これらの間で冷却水を循環させるための第2冷却水通路(インタークーラ冷却水通路62)と、第2冷却水通路に設けられ、冷却水を送り出すことによって循環させる第2ポンプ(電動ポンプ63)と、を有するインタークーラ冷却回路60と、第1冷却水通路と第2冷却水通路とを接続し、内燃機関冷却回路及びインタークーラ冷却回路の一方から他方に冷却水を流通させるための複数の接続通路と、を備え、複数の接続通路は、内燃機関冷却回路の第1ポンプの下流かつ第1ラジエータの上流と、インタークーラ冷却回路の第2ラジエータの下流かつ第2ポンプの上流との間に接続され、内燃機関冷却回路の冷却水をインタークーラ冷却回路に流入させるための冷却水流入通路71と、インタークーラ冷却回路の第2ポンプの下流かつ第2ラジエータの上流と、内燃機関冷却回路の第1ポンプの下流かつ第1ラジエータの上流との間に接続され、インタークーラ冷却回路の冷却水を内燃機関冷却回路に流出させるための冷却水流出通路72と、を有しており、冷却水流入通路に開閉自在に設けられ、内燃機関冷却回路の冷却水をインタークーラ冷却回路に流入させるときに開放されるバルブ(冷却回路間バルブ73)を、さらに備えていることを特徴とする。
この構成によれば、内燃機関本体、第1ラジエータ、第1冷却水通路及び第1ポンプによって内燃機関冷却回路が構成される一方、インタークーラ、第2ラジエータ、第2冷却水通路及び第2ポンプによってインタークーラ冷却回路が構成されている。内燃機関冷却回路では、燃焼動作を実行する内燃機関本体を冷却するため、その冷却水は比較的高温になる一方、インタークーラ冷却回路では、吸入ガスを冷却するため、その冷却水は、内燃機関冷却回路を流れる冷却水に比べて低温になる。このようなインタークーラ冷却回路において、比較的低温の冷却水を循環させることにより、過給機で加圧されることによって昇温した吸入ガスを適切に冷却することができる。なお、以下の説明では適宜、内燃機関冷却回路を流れる冷却水を「高温系冷却水」、インタークーラ冷却回路を流れる冷却水を「低温系冷却水」というものとする。
上記の内燃機関冷却回路及びインタークーラ冷却回路では、これらを接続する複数の接続通路を介して、両冷却回路の一方から他方に冷却水が流通可能になっている。具体的には、冷却水流入通路のバルブが開放されることにより、内燃機関冷却回路を循環する高温系冷却水の一部が、冷却水流入通路を介してインタークーラ冷却回路に流入するとともに、インタークーラ冷却回路を循環する低温系冷却水の一部が、冷却水流出通路を介して内燃機関冷却回路に流出する。これにより、インタークーラ冷却回路の低温系冷却水に、内燃機関冷却回路の高温系冷却水が混入するので、低温系冷却水の温度を上昇させることができ、それにより、インタークーラによって冷却される吸入ガスの冷やし過ぎを防止することによって、凝縮水の発生を抑制することができる。
また、接続通路のうちの冷却水流入通路は、内燃機関冷却回路の第1ポンプの下流かつ第1ラジエータの上流と、インタークーラ冷却回路の第2ラジエータの下流かつ第2ポンプの上流との間を接続する一方、冷却水流出通路は、インタークーラ冷却回路の第2ポンプの下流かつ第2ラジエータの上流と、内燃機関冷却回路の第1ポンプの下流かつ第1ラジエータの上流との間を接続する。つまり、内燃機関冷却回路において、高温系冷却水がインタークーラ冷却回路に流出する位置と、低温系冷却水がインタークーラ冷却回路から流入する位置がいずれも、第1ポンプの下流かつ第1ラジエータの上流であり、共通している。このため、内燃機関冷却回路とインタークーラ冷却回路の間で冷却水を流通させる場合、その流通する冷却水の圧力差を、従来に比べて非常に小さくすることができる。このように、両冷却回路間で流通する冷却水の圧力差を抑えることができるので、冷却水流入通路に設けられたバルブの開度を大きくしても、冷却水を両冷却回路の一方から他方に適切に流通させることができる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の内燃機関の冷却制御装置において、バルブを制御するバルブ制御手段(ECU2)を、さらに備えており、バルブ制御手段は、バルブを全開及び全閉のいずれかの状態に制御することを特徴とする。
この構成によれば、冷却水流入通路に設けられたバルブは、バルブ制御手段によって、全開及び全閉のいずれかの状態に制御されるので、そのバルブとして、例えばON/OFFの制御信号によって開閉する、比較的単純で安価なものを採用することができる。それにより、開度を細かく制御可能なバルブを採用する場合に比べて、冷却制御装置の製造コストを低減することができる。
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の内燃機関の冷却制御装置において、インタークーラ冷却回路の第2冷却水通路には、冷却水流入通路との接続部よりも下流かつインタークーラの上流に、第2冷却水通路を流通する冷却水の温度を検出する水温センサ(低温系水温センサ65)が設けられており、バルブ制御手段は、水温センサで検出された冷却水の温度(低温系水温TWLo)に応じて、バルブを制御することを特徴とする。
この構成によれば、上記の水温センサにより、インタークーラ冷却回路における第2冷却水通路の冷却水流入通路との接続部よりも下流かつインタークーラの上流の冷却水の温度を検出する。この検出される温度は、前記バルブが全閉状態であるときには、インタークーラ冷却回路で循環し、インタークーラに流入する直前の低温系冷却水の温度であり、また、前記バルブが全開状態であるときには、内燃機関冷却回路の高温系冷却水が冷却水流入通路を介してインタークーラ冷却回路に流入することで低温系冷却水に混入し、インタークーラに流入する直前の低温系冷却水の温度である。このように、インタークーラに流入する直前の低温系冷却水の温度を精度良く検出することにより、その検出結果に応じて、バルブの開閉などを適切に制御することができる。
請求項4に係る発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の内燃機関の冷却制御装置において、インタークーラ冷却回路の第2冷却水通路には、冷却水流入通路との接続部よりも下流かつインタークーラの上流に、第2冷却水通路よりも大きい横断面を有するチャンバ64が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、第2冷却水通路の冷却水流入通路との接続部よりも下流かつインタークーラの上流に、上記のチャンバが設けられているので、バルブの開閉に伴い、内燃機関冷却回路の高温系冷却水がインタークーラ冷却回路に流入したり、その流入が停止したりしても、インタークーラに流入する低温系冷却水の温度変化のハンチングを抑制することができる。それにより、インタークーラに流入する低温系冷却水の温度に応じて、前記バルブの開閉などを制御する場合、その制御を適切かつ安定して行うことができる。
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の冷却制御装置において、内燃機関は、内燃機関の排気通路5に排出された排ガスの一部を、内燃機関の吸気通路4における過給機のコンプレッサ21の上流側に、EGR通路41を介して還流させるEGR装置12を、さらに備えており、吸気通路には、EGR通路との接続部の周囲において、吸気通路の内壁と外壁の間にインタークーラ冷却回路の冷却水が流通することによって、内壁を加温する吸気通路加温部91が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、内燃機関の排気通路に排出された排ガスの一部であるEGRガスが、EGR装置のEGR通路を介して、内燃機関の吸気通路、より具体的には、過給機のコンプレッサの上流側に還流される。また、吸気通路には、EGR通路との接続部の周囲に、上記吸気通路加温部が設けられている。この吸気通路加温部では、吸気通路の内壁と外壁の間に、インタークーラ冷却回路の冷却水が流通可能になっており、その冷却水が吸気通路加温部に流れることにより、吸気通路の内壁が加温される。これにより、例えば、冬季などの外気温が低い場合でも、吸気通路の内壁を加温することによって、その内壁にEGRガスが接した際などに凝縮水が発生するのを抑制することができる。したがって、外気温が低い場合にも、EGRを実行することができ、その結果、排ガス中のNOxの発生量を低減しながら、内燃機関の燃費の向上を図ることができる。
請求項6に係る発明は、請求項5に記載の内燃機関の冷却制御装置において、内壁には、吸気通路の内方に突出する複数のフィン92aが設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、吸気通路加温部における吸気通路の内壁には、吸気通路の内方に突出する複数のフィンが設けられているので、吸気通路の内壁におけるEGRガスとの接触面積を大きくすることができる。それにより、吸気通路加温部における吸気通路の内壁を効率よく加温することができ、吸気通路におけるEGR通路との接続部の周囲において、凝縮水の発生をより一層効果的に抑制することができる。
本発明の一実施形態による冷却制御装置を適用した内燃機関を概略的に示す図である。 冷却制御装置の概略構成を示すブロック図である。 エンジン冷却回路及びインタークーラ冷却回路を模式的に示す図である。 エンジン冷却回路及びインタークーラ冷却回路における冷却水の流通を説明するための図であり、(a)は冷却回路間バルブが全閉状態、(b)は冷却回路間バルブが全開状態のときの冷却水の流れを示している。 電動ポンプの運転制御処理及び冷却回路間バルブの開閉制御処理を示すフローチャートである。 運転状態に応じて、インタークーラ冷却回路の冷却水温のアップ領域を判定するためのマップである。 目標水温TWcmdを算出するためのマップである。 電動ポンプによる下限送出し量を算出するためのマップである。 エンジン冷却回路及びインタークーラ冷却回路における冷却水の圧力分布を示す図であり、(a)は両冷却回路の圧力分布の全体図、(b)は(a)の一点鎖線で囲った部分を、上下方向にスケールを広げた状態で示す拡大図である。 図9の圧力分布におけるエンジン冷却回路上の各ポイント(E1〜E4)及びインタークーラ冷却回路上の各ポイント(C1〜C7)を、図3の冷却回路図に付加した図である。 インタークーラ冷却回路の変形例を示す図である。 (a)は図11の吸気通路のEGR通路との接続部の周囲を示す図であり、(b)は(a)のb−b線に沿う断面図である。
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、本発明の一実施形態による冷却制御装置1を適用した内燃機関(以下「エンジン」という)3を概略的に示しており、図2は、冷却制御装置1の概略構成を示している。図1に示すように、このエンジン3は、4つの気筒3aを有するガソリンエンジンであり、車両(図示せず)に動力源として搭載されている。また、このエンジン3は、ターボチャージャ11(過給機)、EGR装置12及び冷却装置13などを備えている。
ターボチャージャ11は、吸気通路4に設けられたコンプレッサ21と、排気通路5に設けられ、シャフト22を介してコンプレッサ21と一体に回転するタービン23と、複数の可変ベーン24と、可変ベーン24を駆動するベーンアクチュエータ24aなどを備えている。このターボチャージャ11では、排気通路5を流れる排ガスによってタービン23が回転駆動されると、これと一体のコンプレッサ21も同時に回転することによって、吸入ガスを加圧しながらエンジン本体3b側に送り出す過給動作が行われる。
可変ベーン24は、タービン23を収容するハウジング(図示せず)の壁部に回動自在に取り付けられており、ベーンアクチュエータ24aに機械的に連結されている。可変ベーン24の開度は、後述するECU2により、ベーンアクチュエータ24aを介して制御される。これにより、タービン23に吹き付けられる排ガスの量が変化するのに伴い、タービン23及びコンプレッサ21の回転速度が変化することによって、過給圧が制御される。
吸気通路4には、上流側から順に、LP用吸気絞り弁31、吸気圧センサ32、前記コンプレッサ21、過給圧センサ33、インタークーラ34、及びスロットル弁6が設けられている。LP用吸気絞り弁31は、ECU2からの制御入力に応じて、LPアクチュエータ31aを介して制御されることにより、吸気通路4の後述するEGR通路41との接続付近において弱負圧を発生させ、それにより、吸気通路4へのEGRガスの安定導入を図るためのものである。吸気圧センサ32は、吸気通路4内のコンプレッサ21よりも上流側の圧力を、吸気圧として検出し、その検出信号をECU2に出力する。過給圧センサ33は、吸気通路4内のコンプレッサ21のすぐ下流側の圧力を、過給圧として検出し、その検出信号をECU2に出力する。
インタークーラ34は、ターボチャージャ11のコンプレッサ21で加圧された吸入ガスを、冷却水との熱交換によって冷却する。
スロットル弁6は、吸気通路4の吸気マニホルド4aよりも上流側に配置され、吸気通路4内に回動自在に設けられている。スロットル弁6の開度は、ECU2からの制御入力に応じて、THアクチュエータ6aを介して制御され、それにより、スロットル弁6を通過する吸入ガスの量が制御される。
排気通路5のタービン23よりも下流側には、触媒7が設けられている。この触媒7は、例えば三元触媒で構成されており、排気通路5を流れる排ガス中のHCやCOを酸化するとともに、NOxを還元することによって、排ガスを浄化する。
EGR装置12は、排気通路5に排出された排ガスの一部をEGRガスとして吸気通路4に還流させるEGR動作を実行するものであり、EGR通路41、EGR弁42及びEGRクーラ43などで構成されている。EGR通路41は、吸気通路4のコンプレッサ21よりも上流側と、排気通路5の触媒7よりも下流側とを接続するように設けられている。
EGR弁42は、バタフライ式のものであり、DCモータなどで構成されたEGRアクチュエータ42aに連結されている。EGR弁42の開度は、ECU2からの制御入力に応じて、EGRアクチュエータ42aを介して制御され、それにより、排気通路5から吸気通路4に還流するEGRガスの量が制御される。
EGRクーラ43は、EGR通路41のEGR弁42よりも上流側(排気通路5側)に配置されており、冷却装置13の後述するエンジン冷却回路50の冷却水を利用して、EGR通路41を流れる高温のEGRガスを冷却する。
図1及び図3に示すように、冷却装置13は、主にエンジン本体3bを冷却するエンジン冷却回路50(内燃機関冷却回路)と、主にインタークーラ34を冷却するインタークーラ冷却回路60とを備えている。
エンジン冷却回路50は、エンジン本体3bと、メインラジエータ51(第1ラジエータ)と、これらを連結しかつこれらの間で、比較的高温の冷却水(以下「高温系冷却水」という)を循環させるためのエンジン冷却水通路52(第1冷却水通路)と、エンジン本体3bによって駆動される機械式のポンプ(第1ポンプ、以下「機械ポンプ」という)53と、を有している。また、このエンジン冷却回路50は、エンジン本体3b以外に、各種の補機54(図3参照)、例えば前述したターボチャージャ11やEGRクーラ43、さらには図示しないスロットルボディなどを冷却するように構成されている。さらに、エンジン冷却回路50には、エンジン本体3bに流通する高温系冷却水の温度(以下「高温系水温」という)TWHiを検出する水温センサ(以下「高温系水温センサ」という)55が設けられている。
このように構成されたエンジン冷却回路50では、機械ポンプ53が作動することにより、高温系冷却水が図3の時計方向に回るように循環する。なお、以下の説明では、エンジン本体3bとメインラジエータ51の間を連結する2つのエンジン冷却水通路52を区別する場合には、高温系冷却水が、エンジン本体3bからメインラジエータ51に流れる冷却水通路に「52A」の符号を、メインラジエータ51からエンジン本体3bに流れる冷却水通路に「52B」の符号を付すものとする。
一方、インタークーラ冷却回路60は、前記インタークーラ34と、サブラジエータ61(第2ラジエータ)と、これらを連結しかつこれらの間で、比較的低温の冷却水(以下「低温系冷却水」という)を循環させるためのインタークーラ冷却水通路62(第2冷却水通路)と、電動式のポンプ(第2ポンプ、以下「電動ポンプ」という)63と、を有している。また、インタークーラ冷却水通路62には、電動ポンプ63付近の上流側に、インタークーラ冷却水通路62よりも大きい横断面を有するチャンバ64が設けられている。さらに、インタークーラ冷却回路60には、上記チャンバ64内、またはチャンバ64とインタークーラ34との間の低温系冷却水の温度(以下「低温系水温」という)TWLoを検出する水温センサ(以下「低温系水温センサ」という)65が設けられている。
このように構成されたインタークーラ冷却回路60は、電動ポンプ63が作動することにより、低温系冷却水が図3の反時計方向に回るように循環する。なお、以下の説明では、インタークーラ34とサブラジエータ61の間を連結する2つのインタークーラ冷却水通路62を区別する場合には、低温系冷却水が、インタークーラ34からサブラジエータ61に流れる冷却水通路に「62A」の符号を、サブラジエータ61からインタークーラ34に流れる冷却水通路に「62B」の符号を付すものとする。
また、上記のエンジン冷却回路50とインタークーラ冷却回路60では、エンジン冷却水通路52及びインタークーラ冷却水通路62が2箇所で接続されている。
具体的には、エンジン冷却回路50の機械ポンプ53及びエンジン本体3bの下流かつメインラジエータ51の上流と、インタークーラ冷却回路60のサブラジエータ61の下流かつ電動ポンプ63及びチャンバ64の上流との間に、エンジン冷却回路50の高温系冷却水をインタークーラ冷却回路60に流入させるための冷却水流入通路71が接続されている。また、この冷却水流入通路71には、その通路を開閉する冷却回路間バルブ73(バルブ)が設けられている。このバルブ73は、全開状態及び全閉状態の2つの状態のみを取り得るように構成されており、ECU2からのON/OFFの制御信号により、全開及び全閉のいずれかの状態に制御される。
また、インタークーラ冷却回路60の電動ポンプ63及びインタークーラ34の下流かつサブラジエータ61の上流と、エンジン冷却回路50の機械ポンプ53及びエンジン本体3bの下流かつメインラジエータ51の上流との間に、インタークーラ冷却回路60の低温系冷却水をエンジン冷却回路50に流出させるための冷却水流出通路72が接続されている。
以上のように構成されたエンジン冷却回路50及びインタークーラ冷却回路60を有する冷却装置13では、冷却回路間バルブ73の開閉状態に応じて、両冷却回路50及び60の冷却水が図4の矢印で示すように流れる。すなわち、冷却回路間バルブ73が全閉状態であるときには、図4(a)に示すように、エンジン冷却回路50では、高温系冷却水が矢印で示すように、時計方向に回るように循環し、インタークーラ冷却回路60では、低温系冷却水が白抜き矢印で示すように、反時計方向に回るように循環する。
一方、冷却回路間バルブ73が全開状態であるときには、図4(b)に示すように、上述した全閉状態のときの冷却水の流れに加えて、エンジン冷却回路50の高温系冷却水の一部が、冷却水流入通路71を介して、インタークーラ冷却回路60のインタークーラ34の上流側に流入するとともに、インタークーラ冷却回路60の低温系冷却水の一部が、冷却水流出通路72を介して、エンジン冷却回路50のエンジン本体3bの下流側に流出する。この場合には、高温系冷却水が低温系冷却水に混入するので、インタークーラ冷却回路60を循環する冷却水、すなわち低温系冷却水の温度が高くなる。
また、エンジン3には、クランク角センサ81(図2参照)が設けられている。このクランク角センサ81は、クランクシャフト(図示せず)の回転に伴い、所定のクランク角(例えば30°)ごとに、パルス信号であるCRK信号をECU2に出力する。ECU2は、このCRK信号に基づき、エンジン3の回転数(以下「エンジン回転数」という)NEを算出する。また、ECU2には、アクセル開度センサ82から、車両のアクセルペダル(図示せず)の踏み込み量(以下「アクセル開度」という)APを表す検出信号が出力される。さらに、ECU2には、外気温センサ83から、車両周囲の外気温TODを表す検出信号が出力される。
ECU2は、CPU、RAM、ROM及びI/Oインターフェース(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。ECU2は、前述した各種のセンサの検出信号などに応じて、エンジン3の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、電動ポンプ63の運転制御及び冷却回路間バルブ73の開閉制御を実行する。
図5は、ECU2で実行される電動ポンプ63の運転制御処理及び冷却回路間バルブ73の開閉制御処理を示している。本制御処理は、所定の周期で実行される。
本処理ではまず、ステップ1(「S1」と図示。以下同じ)において、エンジン3が、インタークーラ34に流れる低温系冷却水温を上昇させるべき運転領域である水温アップ領域にあるか否かを判別する。
図6は、エンジン3の運転状態に応じて、そのエンジン3の運転領域、具体的には、EGRを実行すべきEGR領域、上記水温アップ領域、及び低温系冷却水温を上昇させるべきでない水温アップ領域外を判別するためのマップを示している。このマップでは、エンジン回転数NEと、その回転数NE及びアクセル開度APに基づく要求トルクTRQとに応じて、エンジン3の運転領域が設定されている。なお、図6に示すように、EGR領域は、水温アップ領域に含まれており、したがって、EGRの実行時には、エンジン3は、水温アップ領域にあると判定される。
前記ステップ1の判別結果がNOで、エンジン3が水温アップ領域外にあるとき、すなわちインタークーラ冷却回路60において、低温系冷却水温を維持又は低下させるために、バルブ開放フラグF_VLVを「0」にセットする(ステップ2)とともに、電動ポンプ63の通常運転を実行し(ステップ3)、本処理を終了する。上記のバルブ開放フラグF_VLVが「0」にセットされることにより、冷却回路間バルブ73が全閉状態に制御され、またすでに全閉状態のときにはその状態に維持される。また、ステップ3における電動ポンプ63の通常運転では、電動ポンプ63を連続的に運転し、低温系冷却水を、あらかじめ設定された吐出量で送り出しながら、インタークーラ冷却回路60において循環させる。
一方、前記ステップ1の判別結果がYESで、エンジン3が水温アップ領域にあるときには、低温系冷却水温の目標値である目標水温TWcmdを算出する(ステップ4)。この目標水温TWcmdは、外気温TODに応じ、図7に示すマップを検索することによって算出される。このマップは、温度(外気温)と露点の関係に基づいており、外気温TODが高いほど、目標水温TWcmdが大きくなるように設定されている。
次いで、上記ステップ4で算出した目標水温TWcmdが、低温系水温センサ65で検出された低温系冷却水温TWLoよりも高いか否かを判別する(ステップ5)。この判別結果がNOで、TWLo≧TWcmdのときには、低温系冷却水温TWLoがすでに高いので、その水温を上昇させる必要がないとして、前記ステップ2及び3を実行して、本処理を終了する。
一方、ステップ5の判別結果がYESのときには、電動ポンプ63による低温系冷却水の下限送出し量QLoを算出する(ステップ6)。この下限送出し量QLoは、エンジン3におけるノッキングの発生を抑制し得る最小の送出し量であり、エンジン回転数NE及び要求トルクTRQに応じ、図8に示すマップを検索することによって算出される。このマップでは、前記図6の水温アップ領域(図8の2点鎖線で示す領域)において、単位時間当たりの3つの所定の送出し量QLo_1、QLo_2及びQLo_3が設定されている。これらの3つの送出し量の大小関係は、QLo_1<QLo_2<QLo_3であり、エンジン回転数NE及び要求トルクTRQが大きいほど、送出し量が多くなるように設定されている。なお、エンジン回転数NE及び要求トルクTRQに基づく下限送出し量QLoの値が、上記3つの送出し量のいずれにも一致しないときには、下限送出し量QLoは、補間演算によって求められる。
次いで、エンジン冷却回路50からインタークーラ冷却回路60への高温系冷却水の流入量QHiを算出する(ステップ7)。この流入量QHiは、前記ステップ4で算出された目標水温TWcmd、前記ステップ6で算出された下限送出し量QLo、高温系水温センサ55で検出された高温系水温TWHi、及び低温系水温センサ65で検出された低温系水温TWLoを用いて、下式(1)で求められる。
Figure 0006339701
次いで、バルブ開放フラグF_VLVを「1」にセットする(ステップ8)とともに、電動ポンプ63の所定運転を実行し(ステップ9)、本処理を終了する。上記のバルブ開放フラグF_VLVが「1」にセットされることにより、冷却回路間バルブ73が全開状態に制御され、またすでに全開状態のときにはその状態に維持される。
また、上記ステップ9における電動ポンプ63の所定運転では、電動ポンプ63を連続的に運転し、低温系冷却水を、前記ステップ7で算出した高温系冷却水の流入量QHiに応じて送り出す。これにより、エンジン冷却回路50の高温系冷却水の一部が、冷却水流入通路71を介してインタークーラ冷却回路60に流入するとともに、インタークーラ冷却回路60の低温系冷却水の一部が、冷却水流出通路72を介してエンジン冷却回路50に流出する。したがって、インタークーラ冷却回路60では、低温系冷却水に高温系冷却水が混入され、低温系冷却水温が上昇する。その結果、吸気通路4のインタークーラ34を通過する吸入ガスにおける凝縮水の発生が抑制される。
ここで、図9及び10を参照して、エンジン冷却回路50及びインタークーラ冷却回路60における冷却水の圧力分布について説明する。図9(a)は、両冷却回路50及び60における冷却水の絶対圧による圧力分布の全体を示し、図9(b)は、(a)の一点鎖線で囲った部分を、上下方向にスケールを所定の倍率(例えば10倍)に広げた状態で示している。なお、図9(b)では、便宜上、エンジン冷却回路50のメインラジエータ51及び機械ポンプ53をそれぞれ、「MAIN RAD」及び「ENG WP」と表記し、インタークーラ冷却回路60のサブラジエータ61、電動ポンプ63及びインタークーラ34をそれぞれ、「SUB RAD」、「EWP」及び「IC」と表記し、さらに、冷却回路間バルブ73を「VLV」と表記している。
図9に示すように、エンジン冷却回路50では、高温系冷却水が機械ポンプ53で送り出されることにより、その冷却水が昇圧され、その後、高温系冷却水がメインラジエータ51を通過する際の圧力損失により、その冷却水が降圧される。したがって、エンジン冷却回路50では、高温系冷却水がポイントE1、E2、E3及びE4の順(図9の時計方向)に流れるように循環し、その冷却水の圧力が、ポイントE1及びE2では非常に高く、ポイントE3及びE4では非常に低くなっている。なお、ポイントE1やE2と、ポイントE3やE4との圧力差は、例えば約50kPaである。
一方、インタークーラ冷却回路60では、低温系冷却水が電動ポンプ63で送り出されることにより、その冷却水が昇圧され、その後、低温系冷却水がインタークーラ34及びサブラジエータ61を通過する際の圧力損失により、その冷却水が降圧される。したがって、インタークーラ冷却回路60では、低温系冷却水がポイントC1、C2、C3、C4、C5、C6及びC7の順(図9の反時計方向)に流れるように循環する。またこの場合、エンジン冷却回路50のポイントE1及びE2における圧力に対し、インタークーラ冷却回路60のポイントC1及びC2の圧力は若干高く、ポイントC3、C4及びC5の圧力はほぼ同等であり、ポイントC6及びC7の圧力は若干低くなっている。なお、ポイントC1やC2と、ポイントC6やC7との圧力差は、例えば約6kPaである。
以上のような冷却水の圧力分布を有するエンジン冷却回路50及びインタークーラ冷却回路60では、冷却回路間バルブ73が全開状態に制御されると、エンジン冷却回路50の高温系冷却水が冷却水流入通路71を介して、インタークーラ冷却回路60に流入するとともに、インタークーラ冷却回路60の低温系冷却水が冷却水流出通路72を介して、エンジン冷却回路50に流出する。
この場合、エンジン冷却回路50における高温系冷却水の流出位置(ポイントE2)の圧力と、インタークーラ冷却回路60における高温系冷却水の流入位置(ポイントC7)の圧力とは、ある程度の圧力差(例えば約3kPa)はあるものの、インタークーラ冷却回路60における低温系冷却水の流出位置(ポイントC4)の圧力と、エンジン冷却回路50における低温系冷却水の流入位置(ポイントE2)の圧力とは、ほぼ同じであり、圧力差がほとんどない。
以上詳述したように、本実施形態によれば、インタークーラ冷却回路60において低温系冷却水を循環させることにより、ターボチャージャ11で加圧されることによって昇温した吸入ガスを適切に冷却することができる。また、冷却回路間バルブ73が開放されることにより、エンジン冷却回路50を循環する高温系冷却水の一部が、冷却水流入通路71を介してインタークーラ冷却回路60に流入するとともに、インタークーラ冷却回路60を循環する低温系冷却水の一部が、冷却水流出通路72を介してエンジン冷却回路50に流出する。これにより、インタークーラ冷却回路60の低温系冷却水に、エンジン冷却回路50の高温系冷却水が混入するので、低温系冷却水の温度を上昇させることができ、それにより、インタークーラ34によって冷却される吸入ガスの冷やし過ぎを防止することで、凝縮水の発生を抑制することができる。
また、エンジン冷却回路50とインタークーラ冷却回路60が、前述した所定位置において、冷却水流入通路71及び冷却水流出通路72を介して接続されることにより、エンジン冷却回路50において、高温系冷却水がインタークーラ冷却回路60に流出する位置と、低温系冷却水がインタークーラ冷却回路60から流入する位置がいずれも、機械ポンプ53の下流かつメインラジエータ51の上流であり、共通している。このため、エンジン冷却回路50とインタークーラ冷却回路60の間で冷却水を流通させる場合、その流通する冷却水の圧力差を、従来に比べて非常に小さくすることができる。このように、両冷却回路50、60間で流通する冷却水の圧力差を抑えることができるので、冷却水流入通路71に設けられた冷却回路間バルブ73の開度を大きくしても、冷却水を両冷却回路50、60の一方から他方に適切に流通させることができる。
さらに、冷却回路間バルブ73として、ECU2からのON/OFFの制御信号によって開閉する、比較的単純で安価なバルブが採用されているので、開度を細かく制御可能なバルブを採用する場合に比べて、冷却制御装置1の製造コストを低減することができる。また、低温系水温センサ65によって、インタークーラ34に流入する直前の低温系冷却水温TWLoを精度良く検出することにより、その検出結果に応じて、冷却回路間バルブ73の開閉などを適切に制御することができる。
また、インタークーラ冷却水通路62Bにおいて、冷却水流入通路71との接続部よりも下流かつインタークーラ34の上流に、チャンバ64が設けられているので、冷却回路間バルブ73の開閉に伴い、エンジン冷却回路50の高温系冷却水がインタークーラ冷却回路60に流入したり、その流入が停止したりしても、インタークーラ34に流入する低温系冷却水の温度変化のハンチングを抑制することができる。それにより、インタークーラ34に流入する低温系冷却水の温度に応じて、冷却回路間バルブ73の開閉などを制御する場合、その制御を適切かつ安定して行うことができる。
図11は、前述したインタークーラ冷却回路60の変形例を適用したエンジン3を概略的に示している。なお、以下の説明では、変形例のインタークーラ冷却回路90において、前記インタークーラ冷却回路60と同じ構成部分については同一の符号を付し、相違点のみを説明するものとする。
図11に示すように、インタークーラ冷却回路90は、電動ポンプ63とインタークーラ34の間に、インタークーラ冷却回路90の冷却水を、吸気通路4のEGR通路41との接続部の周囲(以下「EGR導入部」という)に流通させることによって、そのEGR導入部を加温するための吸気通路加温部91を有している。
図12(a)は、EGR導入部を拡大して示している。同図に示すように、EGR導入部に設けられた吸気通路加温部91は、吸気通路4と同心状に延びる筒状の内壁92と、その外側にスペースを存して設けられた筒状の外壁93とを有している。図12(b)に示すように、内壁92には、吸気通路4の内方に突出し、周方向に沿って配置された多数のフィン92aが設けられている。一方、外壁93には、インタークーラ冷却回路90のインタークーラ冷却水通路62Bが接続されている。これにより、インタークーラ冷却回路90の冷却水が、吸気通路加温部91の内壁92と外壁93の間に流通可能になっている。
このような吸気通路加温部91を有するインタークーラ冷却回路90では、吸気通路加温部91に冷却水を流通させることにより、吸気通路加温部91の内壁92を加温することが可能である。それにより、吸気通路4の前記EGR導入部が加温され、それにより、EGR導入部にEGRガスが通過する際に、凝縮水の発生を抑制することができる。特に、外気温が低い場合(例えば10℃以下)でも、EGR導入部においてEGRガスによる凝縮水の発生を抑制しながら、EGRを実行することが可能であるので、エンジン3における燃費の向上を図ることが可能になる。また、吸気通路加温部91の内壁92に多数のフィン92aが設けられることにより、内壁92におけるEGRガスとの接触面積が大きくなるので、内壁92を効率よく加温でき、EGR導入部における凝縮水の発生をより一層効果的に抑制することができる。
なお、本発明は、説明した上記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、実施形態では、冷却水流入通路71に設けられた冷却回路間バルブ73として、全開状態及び全閉状態の2つの状態のみを取り得るバルブを採用したが、これに代えて、開度を制御可能なバルブや、温度感応型のサーモスタットを採用することも可能である。
また、実施形態で示した冷却制御装置1の細部の構成などは、あくまで例示であり、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することができる。
1 冷却制御装置
2 ECU(バルブ制御手段)
3 内燃機関
3b エンジン本体
4 吸気通路
5 排気通路
11 ターボチャージャ(過給機)
12 EGR装置
13 冷却装置
21 コンプレッサ
31 LP用吸気絞り弁
34 インタークーラ
41 EGR通路
50 エンジン冷却回路(内燃機関冷却回路)
51 メインラジエータ(第1ラジエータ)
52 エンジン冷却水通路(第1冷却水通路)
52A エンジン冷却水通路(第1冷却水通路)
52B エンジン冷却水通路(第1冷却水通路)
53 機械ポンプ(第1ポンプ)
55 高温系水温センサ
60 インタークーラ冷却回路
61 サブラジエータ(第2ラジエータ)
62 インタークーラ冷却水通路(第2冷却水通路)
62A インタークーラ冷却水通路(第2冷却水通路)
62B インタークーラ冷却水通路(第2冷却水通路)
63 電動ポンプ(第2ポンプ)
64 チャンバ
65 低温系水温センサ
71 冷却水流入通路
72 冷却水流出通路
73 冷却回路間バルブ(バルブ)
83 外気温センサ
90 インタークーラ冷却回路
91 吸気通路加温部
92 吸気通路加温部の内壁
92a 内壁のフィン
93 吸気通路加温部の外壁
NE エンジン回転数
AP アクセル開度
F_VLV バルブ開放フラグ
TRQ 要求トルク
TWcmd 目標水温
TOD 外気温
TWHi 高温系水温
TWLo 低温系水温
QLo 電動ポンプによる低温系冷却水の下限送出し量
QHi エンジン冷却回路からインタークーラ冷却回路への高温系冷却
水の流入量

Claims (6)

  1. 過給機を備えた内燃機関において、前記過給機で加圧されることによって昇温した吸入ガスを冷却するための内燃機関の冷却制御装置であって、
    内燃機関本体と、第1ラジエータと、当該内燃機関本体と当該第1ラジエータの間を連結し、これらの間で冷却水を循環させるための第1冷却水通路と、当該第1冷却水通路に設けられ、冷却水を送り出すことによって循環させる第1ポンプと、を有する内燃機関冷却回路と、
    前記吸入ガスを冷却するためのインタークーラと、第2ラジエータと、当該インタークーラと当該第2ラジエータの間を連結し、これらの間で冷却水を循環させるための第2冷却水通路と、当該第2冷却水通路に設けられ、冷却水を送り出すことによって循環させる第2ポンプと、を有するインタークーラ冷却回路と、
    前記第1冷却水通路と前記第2冷却水通路とを接続し、前記内燃機関冷却回路及び前記インタークーラ冷却回路の一方から他方に冷却水を流通させるための複数の接続通路と、を備え、
    前記複数の接続通路は、
    前記内燃機関冷却回路の前記第1ポンプの下流かつ前記第1ラジエータの上流と、前記インタークーラ冷却回路の前記第2ラジエータの下流かつ前記第2ポンプの上流との間に接続され、前記内燃機関冷却回路の冷却水を前記インタークーラ冷却回路に流入させるための冷却水流入通路と、
    前記インタークーラ冷却回路の前記第2ポンプの下流かつ前記第2ラジエータの上流と、前記内燃機関冷却回路の前記第1ポンプの下流かつ前記第1ラジエータの上流との間に接続され、前記インタークーラ冷却回路の冷却水を前記内燃機関冷却回路に流出させるための冷却水流出通路と、
    を有しており、
    前記冷却水流入通路に開閉自在に設けられ、前記内燃機関冷却回路の冷却水を前記インタークーラ冷却回路に流入させるときに開放されるバルブを、さらに備えていることを特徴とする内燃機関の冷却制御装置。
  2. 前記バルブを制御するバルブ制御手段を、さらに備えており、
    当該バルブ制御手段は、前記バルブを全開及び全閉のいずれかの状態に制御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制御装置。
  3. 前記インタークーラ冷却回路の前記第2冷却水通路には、前記冷却水流入通路との接続部よりも下流かつ前記インタークーラの上流に、当該第2冷却水通路を流通する冷却水の温度を検出する水温センサが設けられており、
    前記バルブ制御手段は、前記水温センサで検出された冷却水の温度に応じて、前記バルブを制御することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の冷却制御装置。
  4. 前記インタークーラ冷却回路の前記第2冷却水通路には、前記冷却水流入通路との接続部よりも下流かつ前記インタークーラの上流に、前記第2冷却水通路よりも大きい横断面を有するチャンバが設けられていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の内燃機関の冷却制御装置。
  5. 前記内燃機関は、当該内燃機関の排気通路に排出された排ガスの一部を、当該内燃機関の吸気通路における前記過給機のコンプレッサの上流側に、EGR通路を介して還流させるEGR装置を、さらに備えており、
    前記吸気通路には、前記EGR通路との接続部の周囲において、当該吸気通路の内壁と外壁の間に前記インタークーラ冷却回路の冷却水が流通することによって、前記内壁を加温する吸気通路加温部が設けられてい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冷却制御装置。
  6. 前記内壁には、前記吸気通路の内方に突出する複数のフィンが設けられていることを特徴とする請求項5に記載の内燃機関の冷却制御装置。
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