JP6361306B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却水を冷却回路内で循環させることによって内燃機関を冷却する冷却装置に関し、特に、電動ウォーターポンプを備えた内燃機関の冷却装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の燃料ポンプの駆動素子をデューティー制御する際、駆動素子が設けられた基板の温度異常を判定すると、デューティー比を１００％として駆動素子を通電することで、燃料供給を継続し、それでも異常が解消されない場合には、温度保護のために駆動素子に対する通電を停止する技術が開示されている。

特開２００９−１５６０４７号公報

内燃機関には、冷却水を冷却回路内で循環させるウォーターポンプが設けられている。近年、電動機と内燃機関とを併用するハイブリッド車両等においては、内燃機関のクランクシャフトにより回転駆動される機械式のウォーターポンプに代えて、電動式のウォーターポンプを採用したものがある。

このような電動ウォーターポンプのモーター回転数は電力消費と比例関係にあるために、冷却が不要な場合にはモーター回転数を低く抑えることにより、電力消費を抑制することができる。そこで、例えば電動ウォーターポンプのスイッチング素子のオン・オフのデューティー比を機関水温に応じて制御することにより、モーター回転数、ひいては冷却水の循環量を機関水温に応じて制御し、電力消費を抑制することが考えられる。

但し、電動ウォーターポンプのスイッチング素子をデューティー制御する構成においては、上記特許文献１にも開示されているように、スイッチングによる損失によってスイッチング素子が過熱すると、保護機能によりスイッチング素子の切換動作が停止し、電動ウォーターポンプが停止するおそれがある。このように電動ウォーターポンプが停止すると、所望の冷却水循環量が得られなくなって、内燃機関の冷却が困難となり、内燃機関の発熱を抑制するために機関出力を低下しなければならない、という問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電動ウォーターポンプを機関温度に応じてデューティー制御することで、電力消費を抑制しつつ、機関水温の過剰な上昇を抑制して、電動ウォーターポンプを過熱から保護することを目的としている。

そこで本発明に係る内燃機関の冷却装置は、内燃機関の冷却水循環回路内で冷却水を循環させる電動ウォーターポンプと、上記電動ウォーターポンプのオン・オフを切り換えるとともに所定の保護温度以上となると作動を停止する保護機能を備えたスイッチング素子と、内燃機関の機関水温を検出する温度検出手段と、上記機関水温に応じて上記電動ウォーターポンプを駆動制御する制御部と、を有している。この制御部は、上記電動ウォーターポンプのオン・オフのデューティー比を最低値から最大値の間で変化させることによって冷却水の循環量を制御するデューティー制御を行う。

ここで、上記機関水温が所定温度を超える高温領域では、可能な限り多くの冷却水循環量を得るために、上記デューティー比が実質的に最大値となる。そして、上記高温領域よりも低い温度領域であって、かつ、必要な冷却水の循環量を得るためには上記デューティー比を最大にする必要がない温度領域であり、かつ、必要な冷却水の循環量を得るデューティー制御を行うと上記スイッチング素子が上記保護温度以上となる温度領域であるデューティー制御禁止領域では、上記デューティー比を強制的に最大値に固定する。

つまり、このデューティー制御禁止領域は、本来は最小値から最大値の間でデューティー比が制御される領域であるが、デューティー比が実質的に１００％に保持される高温領域に近いことから比較的機関水温が高く、スイッチング損失による加熱も加味されると、電動ウォーターポンプが過熱により作動停止状態に陥り、ひいては機関水温が急激に上昇し、内燃機関の出力を制限せざるを得なくなる事態を招くおそれがある。

そこで本発明では、このようなデューティー制御禁止領域では、強制的にデューティー比を１００％に固定して、スイッチング損失による温度上昇を回避している。これによって、過熱により電動ウォーターポンプが作動停止するような事態を未然に回避することができる。

本発明によれば、電動ウォーターポンプを機関温度に応じてデューティー制御することにより、過剰な冷却を抑制して電力消費を抑制しつつ、電動ウォーターポンプを過熱から保護して、過熱により電動ウォーターポンプを停止させることなく保護して、内燃機関の安定した運転を確保することができる。

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。 上記冷却装置の電動ウォーターポンプを示す一部破断斜視図。 上記電動ウォーターポンプを示す部分断面図。 上記冷却装置のスイッチング素子の素子温度と印加電圧との関係を示す特性図。 （Ａ）がデューティー制御中、（Ｂ）がデューティー比を最大値に固定した場合の特性を示す特性図。 機関水温に対する挙動を示す説明図。 本実施例の制御の流れを示すフローチャート。 デューティー比を最大値に固定することによる素子温度の変化を示す説明図。

以下、図示実施例により本発明を説明する。図１は、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ブロック図である。図中の太線は、電動ウォーターポンプ１１により冷却水が強制的に循環させられる冷却水循環回路１０を示している。図の矢印に示すように、電動ウォーターポンプ１１から内燃機関（エンジン）１２へ供給された冷却水は、内燃機関１２の各部を冷却した後、バイパス通路１３，スロットルチャンバー１４及びヒーター１５を経て、サーモスタットハウジング１６へ供給される。また、一部の冷却水は電動ウォーターポンプ１１からエンジンオイルクーラ１７へ供給されるとともに、温度に応じて作動する非電制のサーモスタットバルブ１８を介してＣＶＴオイルクーラ１９へ供給された後、サーモスタットハウジング１６へ供給される。
また、サーモスタットハウジング１６に内蔵されているサーモスタットバルブ２０は、温度に応じて作動する非電制のもので、このサーモスタットバルブ２０が開いているときには、内燃機関１２から排出された冷却水がラジエータ２１に供給され、熱交換が行なわれた後、サーモスタットハウジング１６へ供給される。そして、サーモスタットハウジング１６に戻された冷却水は電動ウォーターポンプ１１へと供給される。

制御系には、エンジンコントロールモジュール２２，ハイブリッドコントロールモジュール２３及びアンダーフードコントロールモジュール２４等の複数のコントロールモジュールが双方向通信可能に接続されている。エンジンコントロールモジュール２２は、主に内燃機関１２の制御を実行し、ハイブリッドコントロールモジュール２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を制御して、強電バッテリ２６及び弱電バッテリ２７の充・放電を制御する。アンダーフードコントロールモジュール２４は、モータファン２８へ制御信号を出力して、その動作を制御する。

エンジンコントロールモジュール２２は、燃料噴射制御や点火時期等の様々な機関制御を行なう他に、電動ウォーターポンプ１１を駆動制御して、冷却水循環回路１０内を流れる冷却水の循環量を制御している。詳しくは、この内燃機関１２には、機関水温として、冷却水の入口水温を検出する入口水温検出センサ３１と、冷却水の出口水温を検出する出口水温検出センサ３２とが設けられているとともに、作動油の温度を検出する油温センサ３３が設けられている。また、電動ウォーターポンプ１１は実回転数をエンジンコントロールモジュール２２に出力している。エンジンコントロールモジュール２２は、水温センサ３１，３２から検出される機関水温に基づいて、電動ウォーターポンプ１１のオン・オフのデューティー比に応じた駆動デューティー信号を電動ウォーターポンプ１１へ出力して、電動ウォーターポンプ１１をデューティー制御している。より具体的には、現在の機関水温を目標水温の近傍に維持するように、この電動ウォーターポンプ１１のデューティー比をフィードバック制御している。そして、このデューティー駆動信号に応じて電動ウォーターポンプ１１の回転数が制御される。

図２及び図３を参照して、電動ウォーターポンプ１１は、駆動回路を含む基板３４と冷却用のヒートシンク３５とを一体的に備えた構成となっており、基板３４とヒートシンク３５との間には放熱用のゲルシート３６が介装されている。基板３４には、電動ウォーターポンプ１１のオン・オフを切り換えるスイッチング素子（ＦＥＴ）３７が実装されている。このスイッチング素子３７は、オン動作中及びスイッチングにより発熱し、その熱は図３の矢印で示すようにゲルシート３６及びヒートシンク３５を介して放熱されるようになっている。

ここで、電動ウォーターポンプ１１の過熱による作動停止について説明する。スイッチング素子３７には過熱により所定の保護温度Ｔ２（図６参照）に達すると、オン・オフの作動（スイッチング）を停止して電動ウォーターポンプ１１の作動を停止する保護機能を備えている。図４は、電動ウォーターポンプ１１への印加電圧とスイッチング素子３７の温度との関係を示している。同図にも示すように、印加電圧に比例する形でスイッチング素子３７の素子温度は増加する傾向にある。

また、図５（Ａ）は、デューティー比を７５〜１００％の間で変化させるデューティー制御中における特性を示し、図５（Ｂ）は、デューティー比を最大値（１００％）に固定した場合の特性を示している。デューティー制御中には、頻繁にスイッチング（切換動作）が行なわれ、このときのスイッチング損失により発熱する。このため、図５（Ａ）に示すデューティー制御中の場合、低水温側の領域Ｑ２では、高電圧でも電動ウォーターポンプ１１の作動が可能であるが、スイッチングによる発熱分を加味すると、運転点Ｐ１を含む高水温側の領域Ｑ１では、電動ウォーターポンプ１１が作動不可となる熱制限領域（太線よりも右上の領域）が拡大する。

一方、デューティー比を最大値に固定した図５（Ｂ）の場合、スイッチング損失による発熱が無いために、電動ウォーターポンプ１１の作動不可領域が狭くなり、同じ運転点Ｐ１を含む高水温側の領域Ｑ１であっても電動ウォーターポンプ１１の作動が可能となる。

図６は、機関水温に応じた挙動を示す説明図である。機関水温の上昇に伴って、電動ウォーターポンプ１１への流量要求が高まる。この際、例えば符号Ｔ３の温度領域では、要求以上の流量は不要なので、消費電力を抑えるためにフィードバック制御を行なう。更に機関水温が上昇して、電動ウォーターポンプ１１の保護温度Ｔ２に達すると、電動ウォーターポンプ１１が過熱により作動停止する。更に機関温度が上昇して、機関水温が所定温度Ｔ１以上の高温領域Ｒ１となると、エンジン系統の故障を示すＭＩＬランプを点灯するとともに、燃料をカットして機関出力を制限する。

そして本実施例では、高温領域Ｒ１よりも低い温度領域Ｒ２であって、かつ、高温領域Ｒ１に近い所定の温度領域であるデューティー制御禁止領域Ｒ３では、デューティー比を強制的に最大値に固定している。このようにデューティー比を最大値に固定することとなる所定のデューティー制御禁止温度Ｔ３（デューティー制御禁止領域Ｒ３の最小温度）は、通常であれば要求以上の流量は不要なので消費電力を抑えるためにフィードバック制御のデューティー制御を行なう温度領域であって、デューティー比が実質的に１００％に固定される所定温度Ｔ１よりも低く、かつ、電動ウォーターポンプ１１が作動停止となる保護温度Ｔ２よりも低く設定されている。ここでデューティー比が実質的に１００％に固定される所定温度Ｔ１は、通常の機関水温の目標水温を超えているので、常に最大流量要求となる場合を想定している。当然ながら、ラジエーターの冷却能力が極めて高い場合（例えば、外気温が低く、かつ高速で走行中）、当該温度であってもフィードバック制御が実行されることを否定するものではないが、目安としてＴ１を通常の機関水温の目標水温を超えた領域として設定している。

図７は、このような電動ウォーターポンプ１１の駆動制御の流れを示すフローチャートである。本ルーチンは内燃機関（エンジン）１２が始動すると実行される（ステップＳ１１）。つまり機関始動中には本ルーチンが繰り返し実行される。ステップＳ１２では、機関水温が所定のデューティー制御禁止温度Ｔ３を超えているかを判定する。機関水温がデューティー制御禁止温度Ｔ３を超えていれば、ステップＳ１３へ進み、デューティー比の変動を禁止し、デューティー比を１００％に固定して、電動ウォーターポンプ１１を通電し続ける。一方、機関水温がデューティー制御禁止温度Ｔ３未満であれば、ステップＳ１４へ進み、デューティー制御（フィードバック制御）を継続し、デューティー比を最小値から最大値の間で変化させる。

図８は、デューティー比を固定することによる素子温度の低下を示す説明図である。特性Ｌ１は素子温度、特性Ｌ２はスイッチング素子３７のオンによる発熱分、特性Ｌ３はスイッチング素子３７のオン・オフの切換動作（スイッチング）による損失に伴う発熱分を示している。図８の符号Ｒ３が、デューティー比を最大値に固定するデューティー制御禁止温度Ｔ３に対応している。同図に示すように、デューティー比を１００％に固定することによって、スイッチングによる発熱分が無くなり、素子温度が低下していることがわかる。

以上のように本実施例では、高温領域よりも低い温度領域である所定のデューティー制御禁止領域で、デューティー比を強制的に最大値に固定しているために、スイッチングによる発熱を無くして、スイッチング素子の過熱を抑制し、電動ウォーターポンプ１１が過熱により停止状態となることを未然に回避することができる。また、このデューティー制御禁止領域を除く温度領域では、機関水温に応じてデューティー比を最小値から最大値の値で変化させるデューティー制御を行なっており、より具体的には、機関水温と目標水温との偏差が小さくなるようにデューティー比を制御するフィードバック制御を行なっているために、無駄な冷却を抑制して、電力消費を抑制することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例では電動ウォーターポンプ１１にスイッチング素子を含む駆動回路（モータ）を一体的に設けているが、両者を別体として近接配置するようにしても良い。

１０…冷却水循環回路
１１…電動ウォーターポンプ
１２…内燃機関
２２…エンジンコントロールモジュール（制御部）
３１…入口水温検出センサ（水温検出手段）
３２…出口水温検出センサ（水温検出手段）
３７…スイッチング素子

Claims (2)

1. 内燃機関の冷却水循環回路内で冷却水を循環させる電動ウォーターポンプと、
   上記電動ウォーターポンプのオン・オフを切り換えるとともに所定の保護温度以上となると作動を停止する保護機能を備えたスイッチング素子と、
   内燃機関の機関水温を検出する温度検出手段と、
   上記機関水温に応じて上記電動ウォーターポンプを駆動制御する制御部と、を有し、
   この制御部は、上記電動ウォーターポンプのオン・オフのデューティー比を最低値から最大値の間で変化させることによって冷却水の循環量を制御するデューティー制御を行い、
   上記機関水温が所定温度を超える高温領域では、上記デューティー比が実質的に最大値となるものであって、
   更に上記制御部は、上記高温領域よりも低い温度領域であって、かつ、必要な冷却水の循環量を得るためには上記デューティー比を最大にする必要がない温度領域であり、かつ、必要な冷却水の循環量を得るデューティー制御を行うと上記スイッチング素子が上記保護温度以上となる温度領域であるデューティー制御禁止領域では、上記デューティー比を強制的に最大値に固定することを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 上記制御部は、上記デューティー制御禁止領域を除く温度領域では、上記機関水温を目標水温の近傍に維持するように上記デューティー比を制御するフィードバック制御を行なう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。

Images