JP6927837B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は内燃機関の制御装置に関する。より具体的には、内燃機関を冷却する冷却装置を備える内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関には、内燃機関の各部材を適温に保つため冷却装置が設けられている。冷却装置は、シリンダヘッドやシリンダブロックの内部に形成された冷媒の通路とラジエータとの間で冷媒を循環させる冷却経路を備える。冷却経路には冷媒が循環され、冷媒は内燃機関で発生した熱を吸収し、ラジエータで放熱する。

特許文献１には、内燃機関の冷却装置において用いられる冷媒の、温度に対する粘度変化の特性を、その成分比率を変えることによって調整することが記載されている。より具体的には、この冷媒の粘度変化の特性の調整は、エチレングリコール等の溶媒に、ステアリン酸Ｎａを配合することで行われる。これにより特許文献１の冷媒は、ステアリン酸Ｎａが添加されていない通常の冷媒と比較して、単位温度あたりの粘度の変化量が大きく、ある温度より低温の領域では粘度がより高く、ある温度より高温の領域では粘度がより低くなるように調整されている。特許文献１によれば、このような粘度変化の特性を有する冷媒を内燃機関の冷却径路に用いることで、低温時には、冷媒の粘度がより高くなるため冷却損失等を減少させることができ、燃費を向上させることができる。また、高負荷時には、冷媒の粘度がより低くなるため、内燃機関の冷却性能の向上が図られる。

特開２０１３−２５６８７２号公報

内燃機関の冷却装置で使用される冷媒には、水やＬＬＣ（Long Life Coolant）のような一般的な冷媒のほか、特許文献１のような、通常の冷媒に対して粘度を調整するための成分を添加した冷媒など、複数種類の冷媒がある。

ここでステアリン酸Ｎａ等の界面活性剤や水溶性高分子等を溶媒に添加した冷媒は、添加濃度や温度等の条件によりミセルと呼ばれる凝集体を形成することが知られている。また特定条件下ではＴｏｍｓ効果によって、乱流中の圧力損失が低減することも知られている。これはミセルが乱流中の微細渦に干渉することによって発現し、その発生条件は、微細渦の時間スケールの逆数で整理できることも知られている。

Ｔｏｍｓ効果を産業界に応用する場合、水路の圧力損失を低減し、冷媒を循環させるポンプ動力を低減させることが一般的である。そしてＴｏｍｓ効果を、内燃機関の、冷媒を循環させるためのウォータポンプ内で発現させた場合、ウォータポンプの前後差圧（即ち、全揚程）を低減させることができ、内燃機関を流れる冷媒の流量が低下して、内燃機関の過度な冷却が抑制されるため、特に、低温時には早期の暖機が可能となる。

しかしながら、内燃機関の冷媒経路の圧力損失の変化に伴う冷媒流量の変化量は、条件によっては、ミセルが添加された冷媒の場合の方が、ミセルが未添加の冷媒の流量の場合に比べて、大きくなることが確認された。つまり、ミセルが添加された冷媒が内燃機関の冷媒として用いられた場合、運転条件次第では、冷媒流量が不足する事態が生じ得る。

ミセルの添加は車購入後に市場にて行われる可能性があるため、現在使用されている冷媒のミセル添加の有無を特定することは困難である。しかしながら、内燃機関の高い信頼性確保の観点から、ミセルが添加された冷媒が用いられる場合であっても、冷媒流量の不足は回避されることが望まれる。

本発明は上記課題を解決することを目的とし、冷媒としてミセルが添加された冷媒が用いられる場合にも、冷媒流量の不足が回避できるよう改良された内燃機関の制御装置を提供するものである。

本発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、内燃機関を冷却するための冷媒を流通させる冷媒通路と、冷媒通路に配置されたポンプと、を備える内燃機関に適用される。制御装置は、内燃機関の始動時に、冷媒の温度が基準温度より高く、かつ、ポンプの入口の圧力と出口の圧力との差が基準圧より小さいことに基づいて、内燃機関の出力を制限するように構成されている。基準温度は、冷媒にミセルが添加されている場合、冷媒通路の圧力損失の変化によって、冷媒の流量が低下し得る温度に基づいて設定される温度である。

冷媒の温度が基準温度より高い環境下で、ポンプの入口と出口との圧力の差が基準圧より小さい場合には、ミセルが添加された冷媒の使用による冷媒の流量の低下が起きているものと予想される。本発明においては、このような場合には、内燃機関の出力が制限される。従って、要求される冷却量に対して十分な冷媒の流量を確保することができ、内燃機関の信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態のシステムの全体構成について説明するための図である。 エンジン運転時における冷媒の流量の変化について説明するための図である。 高温時のウォータポンプの特性の変化について説明するための図である。 本発明の実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。

実施の形態．
図１は、本実施の形態のシステムの全体構成について説明するための図である。本発明のシステムにおいて、内燃機関（以下「エンジン」と称する）２には、エンジン２の各部材を適温に保つための冷却装置が設けられる。冷却装置は、シリンダヘッドやシリンダブロックの内部に形成された冷媒の通路（図示せず）と、ラジエータ２０との間で冷媒を循環させる冷媒通路１０を備える。冷媒は内燃機関で発生した熱を吸収し、ラジエータ２０で放熱する。冷媒装置の冷媒は特に限定されるものではなく、例えば、水、ＬＬＣ等のエチレングリコールを主成分とする通常の冷媒や、これら冷媒にミセルが添加された冷媒等、種々の冷媒を用いることができる。なお、本実施の形態においては、ミセルが添加された冷媒を、特に、「ミセル添加冷媒」と称し、ミセルが添加されていな冷媒を、特に、「通常冷媒」とも称するものとする。

また、冷媒通路１０と並列に、ラジエータ２０をバイパスする冷媒通路１２、１４、１６、及び、１８が設置され、冷媒通路１４、１６、及び、１８には、それぞれデバイスＡ、デバイスＢ、デバイスＣが設置されている。

冷媒通路１０のラジエータ２０の下流には、サーモスタット２２が設置されている。サーモスタット２２は、冷媒の温度が所定の温度になるまでは閉弁状態となり、冷媒通路１０を閉じて冷媒のラジエータ２０側への流通を停止させる。一方、冷媒の温度が所定の温度に達するとサーモスタット２２は開弁し、ラジエータ２０側と、ラジエータ２０をバイパスする冷媒通路１２、１４、１６、及び、１８側とに、冷媒が分流される。

冷媒通路１０のラジエータ２０の下流には、冷媒通路１０、１２、１４、１６、及び、１８内に冷媒を循環させるためのウォータポンプ２４が設置されている。ウォータポンプ２４は、電動ポンプであっても、機械式ポンプであってもよい。機械式ポンプとしては、クランクシャフトの回転により駆動されるものを用いることができる。

冷媒通路１０の、エンジン２内部の冷媒の通路の出口近傍には、冷媒の温度を計測するための水温センサ４０が設置されている。また冷媒通路１０のウォータポンプ２４には、ウォータポンプ２４の入口側の圧力と出口側の圧力との差圧を計測するための差圧センサ４２が設置されている。

本実施の形態のシステムは制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を有する。ＥＣＵ５０には、上述の水温センサ４０及び差圧センサ４２のほか、エンジン２の各種のセンサ及び、各種のアクチュエータが電気的に接続される。ＥＣＵ５０は、エンジン２のシステム全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成される。本実施の形態においてＥＣＵ５０が実行する制御には、エンジン２の出力を制限する出力制限モードの実行と、出力制限モードの解除とが含まれる。このようなＥＣＵ５０が実行する各種の制御ルーチンは、ＲＯＭに記憶される。

図２は、エンジン運転時における冷媒の流量の変化について説明するための図である。図３は、高温時のウォータポンプの特性の変化について説明するための図である。また、図２及び図３において、実線（ａ）は通常冷媒の場合、破線（ｂ）はミセル添加冷媒の場合を示している。

冷却装置にミセル添加冷媒が用いられた場合、Ｔｏｍｓ効果によってウォータポンプ２４の前後差圧（即ち、全揚程）が低減される。このため図２に示されるように、ミセル添加冷媒が用いられる場合、通常冷媒の場合に比べて、特に低温時には冷媒の流量が低下する。これにより、低温時におけるエンジン２の過度な冷却が抑制されるため、早期暖機が可能となることがわかる。一方、図２に示されるように、高温時には、ミセル添加の有無に関わらず、通常は、冷媒流量に大きな変化はなく、ミセル添加の有無で、高温時の冷却性能に差異はないと考えられている。

しかし本願発明者は、エンジン２の冷媒通路の圧力損失（以下「水路圧損」と称する）が変化した場合、図３に示されるように、ミセル添加冷媒の場合の流量が、通常冷媒の場合の流量に比べて、大きく低下することを発見した。つまり、ミセル添加冷媒が用いられている場合、運転条件によっては、高温時においても、冷媒流量が大きく低下する虞がある。しかし、ミセル添加は車購入後に市場にて行われる可能性があり、その場合、冷媒がミセル添加冷媒か通常冷媒かを検知することは困難である。そこで本実施の形態においては、冷媒のミセル含有の有無が不明である場合にも、冷媒流量の不足が回避されるよう、以下の制御を実行する。

図４は、本実施の形態においてＥＣＵ５０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図４のルーチンでは、ステップＳ１０２において、出力制限の履歴があるか否かが判別される。ここで出力制限の履歴は、後述する処理により、出力制限モードが実行された場合に有りとされる。

ステップＳ１０２において出力制限の履歴なしと判別された場合、次に、ステップＳ１０４に進み、エンジン回転速度が取得される。次に、ステップＳ１０６に進み、水温センサ４０の値が取得され、冷媒温度が検出される。次に、ステップＳ１０８に進み、差圧センサ４２の値が取得される。

次に、ステップＳ１１０において、水温センサ４０の値が基準値より大きいか否かが判別される。即ち、冷媒温度が基準温度より高いか否かが判別される。ここで基準値は、予め設定されＥＣＵ５０に記憶された値であり、基準値に対応する基準温度は、例えば、ミセル添加冷媒が使用されることで、水路圧損の変化により冷媒流量が低下して、冷却性能の低下が問題となり得る温度を考慮して決定される。

ステップＳ１１０において、水温センサ４０の値が基準値以下であると判別された場合いは、処理は、ステップＳ１０４に戻される。一方、ステップＳ１１０において、水温センサ４０の値が基準値より大きいと判別された場合、次に、処理はステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１１２では、差圧センサ４２により検出された差圧が基準圧以上か否かが判別される。ここで、基準圧は、通常の冷媒流量が確保されている場合のウォータポンプ２４の差圧に基づいて適宜決定される値である。ステップＳ１１２において差圧が基準圧以上と判別された場合には、冷媒流量の低下は起きていないと判別されるため、今回の処理はこのまま終了する。

一方、ステップＳ１１２において、差圧が基準圧より小さいと判別された場合、ミセル添加冷媒が使用され冷媒流量が低下していると予測される。従って、次に、ステップＳ１１４に進み、出力制限モードとされる。出力制限モード下では、エンジン２の出力に対し制限出力が設定され、出力がその制限出力以下の出力となるように、例えば、燃料噴射量、点火時期、吸入空気量等が適宜制御される。

次に、ステップＳ１１６に進み、出力制限履歴が有りとされた後、今回の処理は一旦終了する。

本ルーチンが繰り返される中で、ステップＳ１０２において出力制限履歴ありと判別された場合、次に、水温センサ４０の値が基準値より大きいか否かが判別される。ステップＳ１１８において、水温センサ４０の値が基準値より大きいと判別された場合、ステップＳ１１４において、出力制限モードとされ、ステップＳ１１６において、出力制限履歴が有りとされ、今回の処理は終了する。

一方、ステップＳ１１８において、水温センサ４０が基準値以下であると判別された場合、今回の処理は終了する。

以上説明したように、本実施の形態の制御によれば、冷媒へのミセル添加の有無が不明であっても、ウォータポンプ２４の差圧によりミセル添加冷媒使用による冷媒の流量低下の発生が予想され、出力制限モードとされる。これにより、エンジン２の運転状態に対して十分な冷媒流量が確保されている状態とすることができ、冷媒流量の低下を回避することができる。

なお、本実施の形態において、出力制限モードの解除又は維持は、他の制御ルーチンにより、種々の条件に基づき行われるものとする。例えば、ステップＳ１１８において、冷媒温度が基準温度以下と判別される場合には、その他に異常が見つからなければ、その後、他の制御ルーチンにより出力制限モードは解除され得る。

以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２ エンジン
１０、１２、１４、１６、１８ 冷媒通路
２０ ラジエータ
２２ サーモスタット
２４ ウォータポンプ
４０ 水温センサ
４２ 差圧センサ
５０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 内燃機関を冷却するための冷媒を流通させる冷媒通路と、
   前記冷媒通路に配置され、前記冷媒通路に冷媒を循環させるためのポンプと、
   を備える内燃機関に適用される内燃機関の制御装置であって、
   前記制御装置は、
   前記冷媒の温度が基準温度より高く、かつ、前記ポンプの入口の圧力と出口の圧力との差が基準圧より小さいことに基づいて、前記内燃機関の出力を制限するように構成され、
   前記基準温度は、前記冷媒にミセルが添加されている場合、前記冷媒通路の圧力損失の変化によって、前記冷媒の流量が低下し得る温度に基づいて設定される温度である、
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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