JP6394476B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

従来、それぞれ独立した２系統の冷却水循環回路を備えた内燃機関の冷却装置が知られている。例えば、特許文献１には、吸気ポート周辺を冷却する第１の冷却水循環回路と、排気ポート及びシリンダブロック周辺を冷却する第２の冷却水循環回路を備えた内燃機関の冷却装置が開示されている。この内燃機関の冷却装置によれば、独立した第１の冷却水循環回路を用いて、ノッキング感度の大きい吸気ポート周辺を冷却することができる。また、この内燃機関の冷却装置は、第１の冷却水循環回路と第２の冷却水循環回路とを別々に適切温度で冷却できる構成となっている。第１の冷却水循環回路は、第２の冷却水循環回路よりも、冷却水の温度が低温になるように設定されている。

特開２０１３−１３３７４６号公報 特開２００２−０２１６１１号公報

特許文献１の内燃機関において、上記第１の冷却水循環回路は上記第２の冷却水循環回路よりも冷却水の制御温度が低く設定されている。このため、アイドリングが長時間行われた場合、温度差に応じて、上記第１の冷却水循環回路が持ち去る内燃機関の熱量が増加する。この結果、第１の冷却水循環回路に設けられるラジエータファンの作動頻度の増加による騒音発生や、第１の冷却水循環回路に設けられる電動ポンプの作動頻度の増加による電力消費量の増加などが生じるおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、それぞれ独立した２系統の冷却水循環回路を備えた内燃機関において、アイドリングが長時間行われる場合でも騒音や電力消費量の増加を防止できる内燃機関の冷却装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の冷却装置であって、
温度の異なる冷却水が循環する２つの冷却水循環回路のうちの１つであって、他方の冷却水循環回路よりも低温の冷却水が循環する低温系冷却水循環回路と、
温度の異なる冷却水が循環する２つの冷却水循環回路のうちの１つであって、前記低温系冷却水循環回路とは独立し、冷却水との間で熱交換を行うヒータコアを含み、前記低温系冷却水循環回路よりも高温の冷却水が循環する高温系冷却水循環回路と、
前記低温系冷却水循環回路に設けられるラジエータの放熱量を調節する放熱量調節装置と、
外気の温度を取得する外気温度取得手段と、
前記低温系冷却水循環回路を流れる冷却水温度が目標温度になるように前記放熱量調節装置を制御する制御装置と、を備えた内燃機関の冷却装置において、
前記制御装置は、前記内燃機関のアイドリングが所定時間以上継続され、かつ、前記ヒータコアによって暖められた空気を車内へ供給する要求であるヒータ要求があり、かつ、前記外気温度取得手段によって取得された外気温度が所定温度より低い条件が成立する場合には、前記条件が成立しない場合に比べて、前記目標温度を高く設定することを特徴とする。

第１の発明によれば、ヒータ要求ありでの長時間アイドリング、例えば車中泊が行なわれ、高温系冷却水循環回路と低温系冷却水循環回路との間で温度差が生じた際、低温系冷却水循環回路にエンジンの熱が不必要に移動することを抑制する。このため、低温系冷却水循環回路に設けられる電動ポンプ及び電動ファンの出力が増大することを防止できる。この結果、電力消費量の増大、車内外における騒音、及び、燃費の低下などを抑制することができる。

本発明の実施の形態１の冷却装置のシステム構成を表す図である。 実施の形態１において、ＬＴ目標温度切替え制御を説明する図である。 比較例における各パラメータの変化を示す図である。 実施の形態１における各パラメータの変化を示す図である。 実施の形態１においてＥＣＵで実行されるＬＴ目標温度切替えフローを表した図である。 実施の形態１においてＥＣＵで実行されるＬＴ冷却基本制御フローを表した図である。

実施の形態１．
［システム構成］
図１は、本発明の実施の形態１の冷却装置のシステム構成を表す図である。図１に示すシステムは、エンジン１０を備える。エンジン１０は、冷却水によって冷却される水冷式エンジンである。

エンジン１０には、冷却装置として、ＬＴ（Low Temperature）冷却水循環回路２４及びＨＴ（High Temperature）冷却水循環回路１２が設けられている。ＬＴ冷却水循環回路２４では、ＨＴ冷却水循環回路１２に比べて、低温の冷却水が循環するように冷却水温度が制御されている。また、これら２つの冷却水循環回路は、それぞれ独立した閉ループ回路となっている。

ＬＴ冷却水循環回路２４は、シリンダヘッドの内部に形成されたヘッド内ＬＴ冷却水流路（不図示）と、シリンダブロックの内部に形成されたブロック内ＬＴ冷却水流路（不図示）とを含む。ヘッド内ＬＴ冷却水流路は吸気ポート近傍に設けられ、ブロック内ＬＴ冷却水流路はシリンダ上部の特に吸気流があたりやすい部分を囲むように設けられている。吸気ポートや吸気バルブの温度、そして、シリンダ上部の壁面温度はノッキングやプレイグニッションに対する感度が高い。よって、これらをヘッド内ＬＴ冷却水流路やブロック内ＬＴ冷却水流路によって重点的に冷却することにより、高負荷域でのノッキングやプレイグニッションの発生を効果的に抑えることができる。

ＬＴ冷却水循環回路２４には、冷却水が外気と熱交換を行うＬＴラジエータ１８が設けられている。ＬＴ冷却水循環回路２４には、電動ポンプ１６が設けられている。電動ポンプ１６を駆動すると、ＬＴ冷却水循環回路２４内の冷却水が循環する。電動ポンプ１６の出力を制御することによって、冷却水の吐出量を制御することができる。これにより、ＬＴラジエータ１８を通過する冷却水の流量を調節し、ＬＴラジエータ１８における熱交換速度を調整することができる。さらに、ＬＴラジエータ１８の近傍には、ＬＴラジエータ１８を冷却するために電動ファン２０が設けられている。電動ファン２０の出力を制御することで、ＬＴラジエータ１８の放熱効率を調整することができる。本明細書において、電動ポンプ１６、若しくは、電動ファン２０のどちらか一方、又は、電動ポンプ１６及び電動ファン２０を総称して「放熱量調節装置」という。

ＨＴ冷却水循環回路１２は、シリンダブロックの内部に形成されたブロック内ＨＴ冷却水流路（不図示）と、シリンダヘッドの内部に形成されたヘッド内ＨＴ冷却水流路（不図示）とを含む。前述のブロック内ＬＴ冷却水流路が局所的に設けられたものであるのに対し、ブロック内ＨＴ冷却水流路はシリンダの周囲を囲むウォータジャケットの主要部を構成している。ヘッド内ＨＴ冷却水流路は排気ポート近傍から吸気ポート近傍にかけて設けられている。

ＨＴ冷却水循環回路１２には、ＨＴラジエータ３０が設けられている。ＨＴ冷却水循環回路１２には、ウォーターポンプ２２が設けられている。ウォーターポンプ２２は、エンジン１０のクランクシャフトにベルトを介して連結されている。ウォーターポンプ２２は、ＨＴ冷却水循環回路１２における冷却水を循環させる。

ＨＴ冷却水循環回路１２には、冷却水との間で熱交換を行うヒータコア１４が設けられている。ヒータコア１４は、チューブとフィンで構成される。このヒータコア１４は、チューブの中を冷却水が流れるときに熱交換を行わせるようにした車内空調（暖房）用の放熱機器である。車両の乗員による暖房の要求（以下、ヒータ要求という。）があった際には、ヒータコア１４内部で暖められた空気が車内に供給される。

実施の形態１のシステムには、エンジン１０の運転状態を把握するために、各種センサが取り付けられている。ＬＴ冷却水循環回路２４においてＬＴラジエータ１８の上流には、第１温度センサ２６が設けられている。ＨＴ冷却水循環回路１２においてヒータコア１４の上流には、第２温度センサ２８が設けられている。実施の形態１のシステムには、クランク角センサ３４が設けられている。また、実施の形態１のシステムには、外気温度検出センサ３２が設けられている。

実施の形態１のエンジン１０は、制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００によって制御される。ＥＣＵ１００の入力側には、第１温度センサ２６、第２温度センサ２８、クランク角センサ３４、外気温度検出センサ３２などの各種センサがそれぞれ接続される。ＥＣＵ１００は、上記の各種センサが出力した信号に基づいて、エンジン１０の運転状態を検知する。例えば、ＥＣＵ１００は、第１温度センサ２６の出力から、ＬＴ冷却水循環回路２４の冷却水の温度（以下、ＬＴ水温という。）を算出する。ＥＣＵ１００は、第２温度センサ２８の出力から、ＨＴ冷却水循環回路１２の冷却水の温度（以下、ＨＴ水温という。）を算出する。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ３４の出力から、クランク角を検知して、エンジン回転速度を算出する。ＥＣＵ１００は、外気温度検出センサ３２の出力から外気温度を算出する。

ＥＣＵ１００の出力側には、電動ポンプ１６、電動ファン２０などの各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ１００は、上記の各種アクチュエータに信号を出力してそれぞれのアクチュエータを駆動する。例えば、ＥＣＵ１００は、電動ポンプ１６に信号を出力して、電動ポンプ１６の吐出量を調節する。ＥＣＵ１００は、電動ファン２０に信号を出力して、電動ファン２０の回転速度を調節する。

［ＬＴ水温の目標温度設定］
実施の形態１のシステムでは、ＬＴ水温を目標温度に追従させる制御が行われる。この目標温度は、通常、エンジン１０の運転状態に応じて設定される。より詳しくは、目標温度は、エンジン１０においてノッキングを防止することができるように、エンジン回転速度や負荷に応じて設定される。

しかしながら、外気温度が低い冬場において、ヒータ要求ありでの長時間アイドリング、例えば車中泊を行う場合、暖房が行われたままアイドリングが継続されることがある。この場合、ＬＴ冷却水循環回路２４は、ＨＴ冷却水循環回路１２よりも冷却水の設定温度が低いため、温度差に応じて、ＬＴ冷却水循環回路２４が持ち去る熱量が増加する。このため、ＨＴ冷却水循環回路１２におけるヒータコア１４からの放熱量が減少する。さらに、ＬＴ冷却水循環回路２４が持ち去る熱量が増加するため、この熱量を外気に放熱するために電動ポンプ１６及び電動ファン２０の出力が増加する。この結果、電力消費量の増大、車内外における騒音、及び、燃費の低下などの課題が生じる可能性がある。

そこで、実施の形態１では、暖房が行われたままアイドリングが継続する場合、ＬＴ水温の目標温度を通常時の目標温度よりも高い温度に切り替えるＬＴ目標温度切替え制御が行われる。ＬＴ目標温度切替え制御が実行されることにより、ＬＴ冷却水循環回路２４とＨＴ冷却水循環回路１２との間における温度差を小さくして、上記の課題の発生を防止する。

以下、ＬＴ目標温度切替え制御について、図２のタイムチャートを参照して説明する。

［ＬＴ目標温度切替え制御］
図２は、実施の形態１において、ＬＴ目標温度切替え制御を説明する図である。図２は、ＬＴ目標温度切替え制御を実行する際の条件と、その条件が成立した際のＬＴ水温の目標温度の変化について表したタイムチャートである。図２のタイムチャートは、車両が、暖房をつけたまま、走行状態から停止してアイドリングを開始し、アイドリングを継続した後、再び走行状態になった場合の各パラメータの変化を示している。

図２に示すように、外気温度は、暖房が必要になる温度を示す所定温度以下の状態であり、かつ、ヒータ要求は常時ＯＮ、つまり暖房が行われている状態である。この状態において、アクセル開度が全閉になり、車速は除々に減速する。そして、車速の減速にともなって、エンジン回転速度ＮＥが低下して、アイドリング回転速度に維持される。そして、車速がゼロになった後に、ＡＴレンジがドライブ（Ｄ）からパーキング（Ｐ）又はニュートラル（Ｎ）に変更される。さらに、ＡＴレンジがパーキング（Ｐ）又はニュートラル（Ｎ）に変更された際、サイドブレーキがかけられる。ここで、外気温度が所定温度以下、ヒータ要求有り、車速ゼロ、エンジン回転速度ＮＥはアイドリング回転速度を維持、ＡＴレンジはパーキング（Ｐ）又はニュートラル（Ｎ）であり、そして、サイドブレーキがかけられている状態になった場合に、ＬＴ目標温度の切替え条件が成立する。

次に、ＬＴ目標温度の切替え条件の成立後、ＬＴ水温の目標温度が切替わる。上記の条件の成立後、所定時間が経過した際にＬＴ水温の目標温度が切替わる。この所定時間は、車両が信号の停止などの一時的な停止状態ではなく、ヒータ要求ありでの長時間アイドリング、例えば車中泊などの長時間のアイドリング状態であることを判定するために設定されている。ここで、目標温度は、上記条件成立前の目標温度よりも高い目標温度に設定される。このように、目標温度を上記条件成立前よりも高く設定することによって、ＬＴ冷却水循環回路２４とＨＴ冷却水循環回路１２との間における温度差を小さくすることができる。

次に、車両が再び走行状態に戻る様子について説明する。ＬＴ水温の目標温度が切替えられているときに、ＡＴレンジがドライブ（Ｄ）に変更されると、ＬＴ目標温度の切替え条件が不成立となる。このため、目標温度は、通常時の運転状態に応じた目標温度になる。

次に、ＬＴ目標温度切替え制御による効果について、図３及び図４を参照して説明する。まず、ＬＴ目標温度切替え制御を実行しない場合を比較例として、図３を参照して説明する。

［ＬＴ目標温度切替え制御による効果］
図３は、比較例における各パラメータの変化を示す図である。図３は、比較例においてヒータ要求ありでの長時間アイドリング、例えば車中泊をした際の各パラメータの変化を示すタイムチャートである。車中泊の際にはアイドリングをするため、エンジン回転速度ＮＥは一定のアイドリング回転速度になる。さらにアイドリング中であるため、アクセル開度は０％である。このため、エンジン１０で発生する熱量であるエンジン発熱量Ｑ_ｅｎｇは一定となる。また、図３には、ＨＴ水温、及び、ＬＴ水温の目標温度が破線で示されている。また、図３には、実際のＨＴ水温及び実際のＬＴ水温が実線で示されている。

次に、実施の形態１におけるＬＴ目標温度切替え制御を実行した場合について、図４を参照して説明する。なお、図４の説明では、図３との相違点を中心に説明を行う。

図４は、実施の形態１における各パラメータの変化を示す図である。図４は、実施の形態１のＬＴ目標温度切替え制御が実行された場合においてヒータ要求ありでの長時間アイドリング、例えば車中泊をした際の各パラメータの変化を示すタイムチャートである。図４に破線で示すＬＴ水温の目標温度は、比較例における目標温度（図４の一点鎖線）と相違する。具体的には、比較例におけるＬＴ水温の目標温度よりも実施の形態１におけるＬＴ水温の目標温度は高い温度に設定される。このため、エンジン１０の熱が、ＬＴ冷却水循環回路２４ではなく、ＨＴ冷却水循環回路１２に伝達しやすくなる。この結果、ＬＴ冷却水循環回路２４における冷却水の受熱量ＱｗＬＴが低下し、ＨＴ冷却水循環回路１２における冷却水の受熱量ＱｗＨＴがより高くなる。これにより、電動ファン２０の車中泊中の合計駆動時間が短くなり、比較例に比べて電力消費量が抑えられ、さらに燃料消費が低下する。

以下、実施の形態１のＥＣＵ１００で実行されるＬＴ目標温度切替え制御の具体的な処理について、図５及び図６を参照して説明する。

［ＬＴ目標温度切替えフロー］
図５は、実施の形態１においてＥＣＵ１００で実行されるＬＴ目標温度切替えフローを表した図である。ＥＣＵ１００は、本フローを記憶するためのメモリーを有している。ＥＣＵ１００は、記憶した本フローを実行するためのプロセッサを有している。

まず、ＥＣＵ１００は、第１温度センサ２６及び第２温度センサ２８が正常であるか否かを判定する（Ｓ１００）。ＥＣＵ１００は、第１温度センサ２６及び第２温度センサ２８に誤作動が生じているフェール状態のフラグの有無を判定する。ＥＣＵ１００は、第１温度センサ２６及び第２温度センサ２８のどちらか、又は、両方にフェール状態のフラグ有りと判定した場合、ＬＴ水温の目標温度を第２目標温度に設定する（Ｓ１１４）。第２目標温度は、通常の運転状態に基づいて決定されるＬＴ水温の目標温度であり、例えば５０℃に設定される。その後、本フローは終了する。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１００において、第１温度センサ２６及び第２温度センサ２８の両方のフェール状態のフラグが無いと判定した場合、ＨＴ冷却水循環回路１２及びＬＴ冷却水循環回路２４において正常に冷却水温度が制御されているか否かを判定する（Ｓ１０２）。例えば、ＥＣＵ１００は、ＬＴ冷却水循環回路２４の温度が所定の範囲内であり、かつ、ＨＴ冷却水循環回路１２の温度が所定の範囲内である場合に、正常に冷却水温度が制御されていると判定する。ＥＣＵは、Ｓ１０２において、正常に冷却水温度が制御されていないと判定した場合、ＬＴ水温の目標温度を第２目標温度に設定する（Ｓ１１４）。その後、本フローは終了する。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０２において、正常に冷却水温度が制御されていると判定した場合、車両が停車中か否かを判定する（Ｓ１０４）。ＥＣＵ１００は、ＡＴレンジがパーキング（Ｐ）またはニュートラル（Ｎ）であり、かつ、サイドブレーキがＯＮになっている場合に、車両が停車中であると判定する。ＥＣＵ１００は、車両が停車中ではないと判定した場合、ＬＴ水温の目標温度を第２目標温度に設定する（Ｓ１１４）。その後、本フローは終了する。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０４において、車両が停車中であると判定した場合、外気温度が所定温度（例えば１０℃）以下であるか否かを判定する（Ｓ１０６）。これにより、必要なときにＬＴラジエータをすぐに冷やせるかと、暖房が必要な状況かという２点を判断することができる。必要なときにＬＴラジエータをすぐに冷やせるとは、Ｄレンジに変更後すぐに全負荷走行してもノックが起きない程度に高応答にＬＴ冷却水を冷やせることをいう。ＥＣＵ１００は、外気温度が所定温度より高いと判定した場合、ＬＴ水温の目標温度を第２目標温度に設定する（Ｓ１１４）。その後、本フローは終了する。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０６において、外気温度が所定温度以下であると判定した場合、ヒータ要求があるか否かを判定する（Ｓ１０８）。ＥＣＵ１００は、ヒータコア１４の設定温度が所定値以上であるか否か、または、車内温度が所定温度以上であるかを判定する。ＥＣＵ１００は、ヒータ要求がないと判定した場合、ＬＴ水温の目標温度を第２目標温度に設定する（Ｓ１１４）。その後、本フローは終了する。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０８において、ヒータ要求があると判定した場合、アイドリングが所定時間以上継続されているか否かを判定する（Ｓ１１０）。ＥＣＵ１００は、アイドリングが所定時間（例えば５分間）以上継続されていれば、アイドリングが継続して行われていると判定する。ＥＣＵ１００は、アイドリングが所定時間以上継続されていないと判定した場合、ＬＴ水温の目標温度を第２目標温度に設定する（Ｓ１１４）。その後、本フローは終了する。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１１０において、アイドリングが所定時間以上継続して行われていると判定した場合、ＬＴ水温を第１目標温度に設定する（Ｓ１１２）。第１目標温度は、固定値であり、例えば７５℃に設定される。このように、第１目標温度は、第２目標温度よりも高い温度である。その後、本フローは終了する。

［ＬＴ冷却基本制御フロー］
図６は、実施の形態１においてＥＣＵ１００で実行されるＬＴ冷却基本制御フローを表した図である。

まず、ＥＣＵ１００は、ＬＴ水温の目標温度を算出する（Ｓ２００）。ＬＴ水温の目標温度は、図５で説明した、ＬＴ目標温度切替えフローによって設定された第１目標温度または第２目標温度が算出される。

次に、ＥＣＵ１００は、Ｓ２００で算出したＬＴ水温目標温度に基づいて、ＬＴ流量の要求値を算出する（Ｓ２０２）。

次に、ＥＣＵ１００は、Ｓ２０２で算出したＬＴ流量の要求値に基づいて、電動ポンプ１６の駆動ｄｕｔｙやバルブ閉度等を決定する（Ｓ２０４）。

次に、ＥＣＵ１００は、電動ポンプ１６の駆動ｄｕｔｙやバルブ閉度等に基づいて、通水及び冷却を実施する（Ｓ２０６）。これにより所定時間毎にこの処理を行う。

実施の形態１のＬＴ目標温度切替え制御が実行されると、ヒータ要求ありでの長時間アイドリング、例えば車中泊が行なわれた際、ＨＴ冷却水循環回路１２とＬＴ冷却水循環回路２４との間で温度差に応じて、ＬＴ冷却水循環回路２４にエンジン１０の熱が不必要に移動することを抑制する。このため、ＬＴ冷却水循環回路２４に設けられる電動ポンプ１６及び電動ファン２０の出力が増大することを防止できる。この結果、電力消費量の増大、車内外における騒音、及び、燃費の低下などを抑制することができる。

図５のＬＴ目標温度切替えフローの説明において、車中泊時に切り替わるＬＴ水温の目標温度（第１目標温度）は、７５℃の固定値としたがこれに限るものではない。例えば、ＬＴ水温の目標温度を、外気温度が低下するほど目標温度が上昇する特性をもつ一次元マップに基づいて設定してもよい。この一次元マップを用いることで、ＬＴ水温を下げる際の応答性（放熱性）により決定される目標温度を設定することができるため、より細かい制御が可能となる。

なお、実施の形態１では、温度取得手段として温度センサを用いて冷却水の温度を検出したが、これに限るものではない。例えば、温度推定モデルによって冷却水の温度を推定してもよい。

なお、実施の形態１のシステムを備え、エンジンを外部装置の動作油圧源、または電源として用いる車両（例えば高所作業車）においてＬＴ目標温度切替え制御を実行する際に、外部装置の作動時と、本制御対象のヒータ要求ありでの長時間アイドリングとを区別するための専用のステップを加えてもよい。外部装置動作時は油温が高くなるので安定動作のためには本制御は実施しない方が望ましい。

なお、上記ＬＴ冷却水循環回路２４が前記第１の発明における「低温系冷却水循環回路」に、上記ＨＴ冷却水循環回路１２が前記第１の発明における「高温系冷却水循環回路」に、それぞれ相当している。

１０ エンジン
１２ ＨＴ冷却水循環回路
１４ ヒータコア
１６ 電動ポンプ
２０ 電動ファン
２４ ＬＴ冷却水循環回路
１００ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 温度の異なる冷却水が循環する２つの冷却水循環回路のうちの１つであって、他方の冷却水循環回路よりも低温の冷却水が循環する低温系冷却水循環回路と、
   温度の異なる冷却水が循環する２つの冷却水循環回路のうちの１つであって、前記低温系冷却水循環回路とは独立し、冷却水との間で熱交換を行うヒータコアを含み、前記低温系冷却水循環回路よりも高温の冷却水が循環する高温系冷却水循環回路と、
   前記低温系冷却水循環回路に設けられるラジエータの放熱量を調節する放熱量調節装置と、
   外気の温度を取得する外気温度取得手段と、
   前記低温系冷却水循環回路を流れる冷却水温度が目標温度になるように前記放熱量調節装置を制御する制御装置と、を備えた内燃機関の冷却装置において、
   前記制御装置は、前記内燃機関のアイドリングが所定時間以上継続され、かつ、前記ヒータコアによって暖められた空気を車内へ供給する要求であるヒータ要求があり、かつ、前記外気温度取得手段によって取得された外気温度が所定温度より低い条件が成立する場合には、前記条件が成立しない場合に比べて、前記目標温度を高く設定することを特徴とする内燃機関の冷却装置。

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