JP6790901B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

従来の内燃機関の冷却装置として特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載のものは、ウォータジャケットを経由して冷却水を循環させるポンプと、ウォータジャケットを通過した後の冷却水の温度である出口水温が開弁温度以上のときに開弁してラジエータを経由して冷却水を循環させるサーモスタットと、ポンプを制御する制御部とを備えている。この内燃機関の冷却装置において、制御部は、開弁温度よりも低い規定の温度まで出口水温が上昇したときに、出口水温が開弁温度に達しないように、ポンプの吐出流量を増大させる流量増大制御を行っている。

これにより、特許文献１に記載のものは、エンジンオイルやＡＴＦが昇温途中にあり未だ熱需要が高い状態である場合にサーモスタットが開弁してラジエータでの放熱が開始されてしまうことを防止できる。

特開２０１５−２０９７９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、サーモスタットの開弁温度に個体差があることを考慮していないため、制御上の開弁温度と実際の開弁温度とが異なってしまい、内燃機関の最適な温度に保つことができないという問題があった。すなわち、サーモスタットは個体ごとに異なる開弁温度を有するため、サーモスタットの実際の開弁温度を取得し、実際の開弁温度に基づいてポンプの吐出流量を制御する必要があった。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、サーモスタットの開弁温度の個体差を考慮して冷却水の流量を制御でき、内燃機関を適切な温度で運転させることができる内燃機関の冷却装置を提供することを目的としている。

本発明は、内燃機関のウォータジャケットとラジエータとの間の冷却水循環路に設けられ、開弁時に前記冷却水循環路で冷却水を循環させるサーモスタットと、前記冷却水循環路に設けられ、冷却水の流量が変更可能な可変ウォータポンプと、前記可変ウォータポンプを制御する制御部と、を備える内燃機関の冷却装置であって、前記制御部は、前記サーモスタットの実際の開弁温度である実開弁温度と、前記内燃機関のノッキングを防止するように学習された点火時期の遅角側への補正量である点火遅角学習量とに基づいて、前記可変ウォータポンプの吐出量を補正することを特徴とする。

本発明によれば、サーモスタットの開弁温度の個体差を考慮して冷却水の流量を制御でき、内燃機関を適切な温度で運転させることができる。

図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関の冷却装置を示す構成図である。 図２は、本発明の一実施例に係る内燃機関の冷却装置において実施される冷却制御動作を説明するフローチャートである。 図３は、本発明の一実施例に係る内燃機関の冷却装置において冷却制御動作が実施されたときの車両状態の推移を説明するタイミングチャートである。 図４は、本発明の一実施例に係る内燃機関の冷却装置において冷却制御動作の際に参照される補正マップである。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の冷却装置は、内燃機関のウォータジャケットとラジエータとの間の冷却水循環路に設けられ、開弁時に冷却水循環路で冷却水を循環させるサーモスタットと、冷却水循環路に設けられ、冷却水の流量が変更可能な可変ウォータポンプと、可変ウォータポンプを制御する制御部と、を備える内燃機関の冷却装置であって、制御部は、サーモスタットの実際の開弁温度である実開弁温度と、内燃機関のノッキングを防止するように学習された点火時期の遅角側への補正量である点火遅角学習量とに基づいて、可変ウォータポンプの吐出量を補正することを特徴とする。これにより、本発明の一実施の形態に係る内燃機関の冷却装置は、サーモスタットの開弁温度の個体差を考慮して冷却水の流量を制御でき、内燃機関を適切な温度で運転させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施例について説明する。図１において、本発明の一実施例に係る内燃機関の冷却装置を搭載した車両１０は、内燃機関３０と、制御部としてのＥＣＭ（Electronic Control Module）２０とを含んで構成されている。

内燃機関３０は、ピストンが気筒を２往復してクランク軸が２回転する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う４サイクルのガソリンエンジンによって構成されている。

内燃機関３０は、シリンダブロック３１を備えており、シリンダブロック３１の内部には、冷却水が流通するウォータジャケット３１Ａが形成されている。ウォータジャケット３１Ａには冷却水入口３１Ｂと冷却水出口３１Ｃが設けられている。すなわち、内燃機関３０は、水冷式エンジンである。

冷却水出口３１Ｃにはサーモスタット３６が設けられている。サーモスタット３６は、内部の図示しない弁体の周囲の冷却水温が所定の開弁温度に昇温すると開弁する。冷却水入口３１Ｂには可変ウォータポンプとしての電動ウォータポンプ３７が設けられている。電動ウォータポンプ３７は、ＥＣＭ２０の制御により冷却水の流量（吐出量）を変更する。

冷却水出口３１Ｃおよび冷却水入口３１Ｂには、冷却水が循環する冷却水循環路３２が接続されており、この冷却水循環路３２にはラジエータ３３が設けられている。ラジエータ３３は外気との熱交換により冷却水を冷却する。

冷却水循環路３２は、ラジエータ３３より上流側の上流側冷却水循環路３２Ａと、ラジエータ３３より下流側の下流側冷却水循環路３２Ｂとを有している。上流側冷却水循環路３２Ａは、サーモスタット３６を介して冷却水出口３１Ｃに接続されている。下流側冷却水循環路３２Ｂは、電動ウォータポンプ３７を介して冷却水入口３１Ｂに接続されている。

また、冷却水出口３１Ｃおよび冷却水入口３１Ｂには、冷却水が循環するバイパス路３４が接続されており、このバイパス路３４には熱需要先としてのヒータコア３５が設けられている。ヒータコア３５は、熱交換により車室の暖房を行う。

バイパス路３４は、ヒータコア３５より上流側の上流側バイパス路３４Ａと、ヒータコア３５より下流側の下流側バイパス路３４Ｂとを有している。上流側バイパス路３４Ａは、サーモスタット３６内の図示しない弁体を迂回して冷却水出口３１Ｃに接続されている。下流側バイパス路３４Ｂは、電動ウォータポンプ３７を介して冷却水入口３１Ｂに接続されている。

このように、サーモスタット３６は、内燃機関３０のウォータジャケット３１Ａとラジエータ３３との間の冷却水循環路３２に設けられており、開弁時に冷却水循環路３２で冷却水を循環させるようになっている。

詳しくは、内燃機関３０において、サーモスタット３６の閉弁時は、ウォータジャケット３１Ａの冷却水出口３１Ｃからサーモスタット３６に排出された冷却水は、バイパス路３４を通ってヒータコア３５で熱交換された後、電動ウォータポンプ３７によってウォータジャケット３１Ａに再び戻される。

一方、内燃機関３０において、サーモスタット３６の開弁時は、ウォータジャケット３１Ａの冷却水出口３１Ｃからサーモスタット３６に排出された冷却水は、バイパス路３４だけでなく冷却水循環路３２も通過する。冷却水循環路３２を通過する冷却水は、ラジエータ３３で冷却された後、電動ウォータポンプ３７によってウォータジャケット３１Ａに再び戻される。

内燃機関３０は、水温センサ３８を備えており、この水温センサ３８は、サーモスタット３６の内部の冷却水の温度（以下、水温ともいう）を検出し、検出信号（エンジン水温情報）をＥＣＭ２０に送信する。

内燃機関３０は、ノックセンサ３９を備えており、このノックセンサ３９は、内燃機関３０のノッキングをシリンダブロック３１の振動により検出し、検出信号（ノック信号）をＥＣＭ２０に送信する。

ＥＣＭ２０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されており、内燃機関３０の運転状態を電気的に制御するようになっている。ＣＰＵは、ＲＡＭの一時記憶機能を利用するとともにＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って信号処理を行うようになっている。ＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等が予め記憶されている。

ＥＣＭ２０は、電動ウォータポンプ３７に電気的に接続されており、制御信号（Ｄｕｔｙ信号）によって電動ウォータポンプ３７の吐出量を制御する。

ここで、内燃機関３０のノッキングは、圧縮された混合気が点火プラグの火花によらずに自己着火してしまう現象である。ノッキングは、エンジン回転数が等しい場合、エンジントルクの大きいときに発生しやすい傾向がある。したがって、ノッキングは内燃機関３０が高負荷となる領域で発生しやすく、内燃機関３０の運転領域は、高負荷側のノック領域と低負荷側の非ノック領域とに分けられる。また、内燃機関３０が経年劣化して燃焼室にデポジットが堆積すると、ノック領域は拡大する。

本実施例では、ＥＣＭ２０は、点火遅角学習量により内燃機関３０の経年劣化を判断し、ノック領域と非ノック領域の境界を決定している。点火遅角学習量は、内燃機関３０のノッキングを防止するように学習された点火時期の遅角側への補正量であり、内燃機関３０が経年劣化するに連れて増大する。すなわち、内燃機関３０の経年劣化が進行すると、基準となる点火時期からの遅角側への補正量が増大される。

また、内燃機関３０の燃料消費率は、内燃機関３０の運転領域および運転温度（冷却水の水温）と密接な関係がある。非ノック領域においては、冷却水の水温が上昇すると、摩擦損失、未燃損失が低減し、正味燃料消費量が減少するため、燃費が向上する。ノック領域においては、冷却水の水温が低下すると、フェージングロスが低減し、正味燃料消費量が減少するため、燃費が向上する。

したがって、内燃機関３０の劣化度合いを考慮して運転領域をノック領域と非ノック領域に区分し、ノック領域と非ノック領域のそれぞれでウォータポンプ３７の流量を補正することで、冷却水の水温を適切な水温に調整でき、燃費を向上させることができる。

しかしながら、冷却水の水温を調整するサーモスタット３６の実際の開弁温度（以下、実開弁温度ともいう）には個体差がある。サーモスタット３６には、仕様で定められた開弁温度で開弁するもの（以下、中央品ともいう）と、中央品より低い温度で開弁するもの（以下、下側品ともいう）と、中央品より高い温度で開弁するもの（以下、上側品ともいう）とがある。

そこで、ＥＣＭ２０は、図４に示す補正マップを参照し、サーモスタット３６が下側品であり実開弁温度が中央品より低い場合には非ノック領域において電動ウォータポンプ３７の流量を減量補正し、サーモスタット３６が上側品であり実開弁温度が中央品より高い場合にはノック領域において電動ウォータポンプ３７の流量を増量補正するようになっている。この補正マップにおいて、非ノック領域とノック領域の境界線は、内燃機関３０の経年劣化前はＬ１であり、内燃機関３０の経年劣化後はＬ２である。この補正マップは、実験等により予め求められ、ＥＣＭ２０のＲＯＭに記憶されている。

次に、図２を参照して、本実施例に係る内燃機関の冷却装置においてＥＣＭ２０により実行される冷却制御動作について説明する。

図２において、ＥＣＭ２０は、所定のサーモスタット学習条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１）。ここでは、サーモスタット３６が劣化している可能性があること、車両１０の走行距離が所定の走行距離以上であること、サーモスタット３６の使用時間が所定の使用時間以上であること、等の何れかの条件を満たした場合、ＥＣＭ２０はサーモスタット学習条件が成立したと判定する。

サーモスタット学習条件が成立した場合、ＥＣＭ２０は、サーモスタット学習許可条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ２）。ここでは、内燃機関３０の運転状態が所定の運転状態である場合に、ＥＣＭ２０はサーモスタット学習許可条件が成立したと判定する。所定の運転状態は、負荷や回転数が大きく変化しない定常状態であることである。

サーモスタット学習許可条件が成立した場合、ＥＣＭ２０は、サーモスタット３６の実際の開弁温度（以下、実開弁温度ともいう）の学習を開始し（ステップＳ３）、タイマをスタートする（ステップＳ４）。ステップＳ４のタイマには、実開弁温度の学習時間が定められており、ステップＳ３における実開弁温度の学習は、このタイマの時間だけ実施される。

次いで、ＥＣＭ２０は、タイマで定められた学習時間が経過したか否かの判別を繰り返し（ステップＳ５）、学習時間が経過した場合は、サーモスタット３６の実開弁温度を演算する（ステップＳ６）。

ここで、実開弁温度の学習手法の一例について、図３を参照して説明する。図３は、サーモスタット３６の実開弁温度が仕様上の中央品の開弁温度に対して低温側にバラついており、仕様上の中央品よりも低い温度でサーモスタット３６が開弁する場合を例示している。

図３において、内燃機関３０が始動されたことで冷却水の水温が上昇し、実線で示す水温センサ３８の検出値（以下、水温という）が上昇している。時刻ｔ１において、中央品の開弁温度ｔｍｐ１に対して公差Ａだけ加算および減算された温度範囲に水温が到達する。

そして、時刻ｔ１から一定時間が経過後の時刻ｔ２において、実開弁温度の学習が開始される。この実開弁温度の学習は、タイマの設定時間Ｔ１だけ継続される。ＥＣＭ２０は、この設定時間Ｔ１が経過するまで、水温の移動平均値を演算する。なお、移動平均値に代えて算術平均値を用いてもよい。

その後、時刻ｔ１からタイマの設定時間Ｔ１だけ経過後の時刻ｔ２において、一点鎖線で示すように水温の移動平均値が一定の温度ｔｍｐ２に収束する。ＥＣＭ２０は、この温度ｔｍｐ２を実開弁温度の学習値として記憶し、実開弁温度の学習が完了したと判定する。実開弁温度の学習が完了したため、時刻ｔ３において、開弁温度学習完了フラグは、学習完了を意味するオンに設定される。

次いで、ＥＣＭ２０は、サーモスタット３６の実開弁温度が所定の基準開弁温度に対して小さいか、大きいか、または等しいかを判定する（ステップＳ７）。ここでは、ＥＣＭ２０は、例えばサーモスタット３６の仕様上の中央品の開弁温度を基準開弁温度として用いて、実開弁温度を基準開弁温度と比較する。

ステップＳ７で実開弁温度が基準開弁温度より小さい場合、ＥＣＭ２０は、点火遅角学習量が所定の補正量閾値未満であるか否かを判定し（ステップＳ８）、点火遅角学習量が所定の補正量閾値未満である場合、非ノック領域において電動ウォータポンプ３７の流量を減量補正し（ステップＳ９）、今回の動作を終了する。

すなわち、実開弁温度が基準開弁温度より小さい場合、非ノック領域において電動ウォータポンプ３７の出力Ｄｕｔｙ（図３参照）が減じられ、冷却水循環路３２を循環する冷却水の流量（冷却水循環流量）が減少する。

ステップＳ７で実開弁温度が基準開弁温度より大きい場合、ＥＣＭ２０は、点火遅角学習量が所定の補正量閾値以上であるか否かを判定し（ステップＳ１０）、点火遅角学習量が所定の補正量閾値以上である場合、ノック領域において電動ウォータポンプ３７の流量を増量補正し（ステップＳ１１）、今回の動作を終了する。

ステップＳ７で実開弁温度が基準開弁温度と等しい場合、ＥＣＭ２０は、電動ウォータポンプ３７の流量を維持し、今回の動作を終了する。なお、ここでは、実開弁温度が基準開弁温度の一定範囲にある場合、ＥＣＭ２０は実開弁温度が基準開弁温度と等しいと判定する。

なお、本実施例では、冷却水を循環させるポンプとして、電動ウォータポンプ３７を採用しているが、内燃機関３０の動力により駆動される機械式の吐出流量可変型ウォータポンプを採用するようにしてもよい。

また、本実施例では、冷却水を熱搬送媒体として供給される内燃機関３０の排熱を、ヒータコア３５によって車室の暖房に利用する例を説明したが、例えば、ヒータコア３５と並列にオイルウォーマやＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）ウォーマを設け、エンジンオイルやＡＴＦの昇温に内燃機関３０の排熱を利用してもよい。

以上説明したように、本実施例では、ＥＣＭ２０は、サーモスタットの実際の開弁温度である実開弁温度と、内燃機関のノッキングを防止するように学習された点火時期の遅角側への補正量である点火遅角学習量とに基づいて、電動ウォータポンプ３７の吐出量を補正する。

これにより、サーモスタットの実開弁温度に基づいて電動ウォータポンプ３７の吐出量を補正しているので、サーモスタットの開弁温度の個体差を考慮して冷却水の流量を制御できる。また、点火遅角学習量に基づいて電動ウォータポンプ３７の吐出量を補正しているので、内燃機関の経年劣化の度合いに影響されることなく、ノッキングが発生せず、かつ、燃料消費率が小さくなる適切な温度で内燃機関を運転できる。この結果、サーモスタットの開弁温度の個体差を考慮して冷却水の流量を制御でき、内燃機関を適切な温度で運転させることができる。

また、本実施例では、ＥＣＭ２０は、所定のサーモスタット学習条件が成立したことを条件として、所定時間内の冷却水温度の移動平均値に基づいて実開弁温度を決定する。

これにより、サーモスタットの仕様上の開弁温度からの実開弁温度のズレを精度よく学習することができる。

また、本実施例では、ＥＣＭ２０は、実開弁温度が所定の基準開弁温度よりも低い場合、電動ウォータポンプ３７の吐出量を減量補正する。

これにより、サーモスタットの実開弁温度が基準開弁温度より低い場合、内燃機関が最適温度より低く燃料消費率が高い状態であるため、電動ウォータポンプ３７の吐出量を減量補正することで、ラジエータを通過する冷却水の流量を減らして内燃機関の温度上昇を促すことができる。このため、燃費に優れる最適な状態で内燃機関を運転することができる。

また、本実施例では、ＥＣＭ２０は、実開弁温度が所定の基準開弁温度より高い場合、電動ウォータポンプ３７の吐出量を増量補正する。

これにより、サーモスタットの実開弁温度が基準開弁温度より高い場合、内燃機関が最適温度より低くノッキングが発生しやすい状態であるため、電動ウォータポンプ３７の吐出量を増量補正することで、ラジエータを通過する冷却水の流量を増やして内燃機関の温度低下を促すことができる。このため、ノッキングが発生しない最適な状態で内燃機関を運転することができる。

また、本実施例では、ＥＣＭ２０は、実開弁温度が所定の基準開弁温度よりも低く、かつ点火遅角学習量が所定の補正量閾値より小さい場合、電動ウォータポンプ３７の吐出量を減量補正する。

これにより、実開弁温度が所定の基準開弁温度よりも低く燃料消費率が高い状態であり、かつ、点火遅角学習量が所定の補正量閾値より小さくノッキングが発生しにくい運転領域にある場合、電動ウォータポンプ３７の吐出量を減量補正することで内燃機関の温度上昇を促すことができる。このため、燃費に優れ、かつ、ノッキングが発生し難い最適な状態で内燃機関を運転することができる。

また、本実施例では、ＥＣＭ２０は、実開弁温度が所定の基準開弁温度よりも高く、かつ点火遅角学習量が所定の補正量閾値より大きい場合、電動ウォータポンプ３７の吐出量を増量補正する。

これにより、実開弁温度が所定の基準開弁温度よりも高く燃料消費率が低い状態であり、かつ、点火遅角学習量が所定の補正量閾値より大きくノッキングが発生しやすい運転領域にある場合、電動ウォータポンプ３７の吐出量を増量補正することで内燃機関の温度低下を促すことができる。このため、燃費に優れ、かつ、ノッキングが発生し難い最適な状態で内燃機関を運転することができる。

上述の通り、本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

２０ ＥＣＭ（制御部）
３０ 内燃機関
３１Ａ ウォータジャケット
３２ 冷却水循環路
３３ ラジエータ
３６ サーモスタット
３７ 電動ウォータポンプ（可変ウォータポンプ）

Claims (6)

1. 内燃機関のウォータジャケットとラジエータとの間の冷却水循環路に設けられ、開弁時に前記冷却水循環路で冷却水を循環させるサーモスタットと、
   前記冷却水循環路に設けられ、冷却水の流量が変更可能な可変ウォータポンプと、
   前記可変ウォータポンプを制御する制御部と、を備える内燃機関の冷却装置であって、
   前記制御部は、
   前記サーモスタットの実際の開弁温度である実開弁温度と、前記内燃機関のノッキングを防止するように学習された点火時期の遅角側への補正量である点火遅角学習量とに基づいて、前記可変ウォータポンプの吐出量を補正することを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 前記制御部は、
   所定のサーモスタット学習条件が成立したことを条件として、所定時間内の冷却水温度の移動平均値に基づいて、前記実開弁温度を決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. 前記制御部は、
   前記実開弁温度が所定の基準開弁温度よりも低い場合、前記可変ウォータポンプの吐出量を減量補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の冷却装置。
4. 前記制御部は、
   前記実開弁温度が所定の基準開弁温度より高い場合、前記可変ウォータポンプの吐出量を増量補正することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の内燃機関の冷却装置。
5. 前記制御部は、
   前記実開弁温度が所定の基準開弁温度よりも低く、かつ前記点火遅角学習量が所定の補正量閾値より小さい場合、
   前記可変ウォータポンプの吐出量を減量補正することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の内燃機関の冷却装置。
6. 前記制御部は、
   前記実開弁温度が所定の基準開弁温度よりも高く、かつ前記点火遅角学習量が所定の補正量閾値より大きい場合、
   前記可変ウォータポンプの吐出量を増量補正することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の内燃機関の冷却装置。