JP6973060B2

JP6973060B2 - 内燃機関の冷却装置

Info

Publication number: JP6973060B2
Application number: JP2017252424A
Authority: JP
Inventors: 大樹栗原; 理大菊地
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: JP2019116889A

Description

本発明は内燃機関の冷却装置に関する。

内燃機関を冷却するために、ウォータポンプを用いて例えば冷却水を内燃機関に流通させる。エンジンの負荷に応じてウォータポンプを制御し、冷却水の流量を変化させる技術が知られている（特許文献１）。

特開２０１０−２１６４１１号公報

オイルクーラにおいて潤滑油（オイル）と冷却水とが熱交換する。負荷の低下などに応じて、冷却水の流量が減少すると、オイルと熱交換する冷却水の量も少なくなる。このとき、オイルクーラにおいて冷却水の温度が上昇し、冷却水が沸騰する恐れがある。そこで、冷却水の沸騰を抑制することが可能な内燃機関の冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的は、エンジンを冷却する冷却水とオイルとが熱交換するオイル熱交換器と、前記エンジンおよび前記オイル熱交換器への前記冷却水の流量を変化させるウォータポンプと、前記ウォータポンプを制御する制御部と、を具備し、前記エンジンの運転中であって、前記エンジンの回転数が第１閾値未満かつ前記エンジンの負荷が第２閾値未満になってから所定の時間の経過前、前記冷却水の流量が第１の量となるように、前記制御部は前記ウォータポンプを駆動し、前記エンジンの運転中であって、前記エンジンの回転数が前記第１閾値未満かつ前記エンジンの負荷が前記第２閾値未満になってから前記所定の時間の経過後、前記冷却水の流量が前記第１の量より少ない第２の量となるように、前記制御部は前記ウォータポンプを駆動し、前記所定の時間は、前記オイルの温度が所定の温度未満となる時間である内燃機関の冷却装置によって達成できる。

冷却水の沸騰を抑制することが可能な内燃機関の冷却装置を提供できる。

図１（ａ）は内燃機関の冷却装置を例示する模式図である。図１（ｂ）はエンジンの運転状態を示す図である。図２はＥＣＵが実施する制御を例示するフローチャートである。図３（ａ）および図３（ｂ）は第１実施形態におけるタイムチャートである。図４（ａ）はＥＣＵが実施する制御を例示するフローチャートである。図４（ｂ）および図４（ｃ）は第２実施形態におけるタイムチャートである。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態の内燃機関の冷却装置１００について説明する。図１（ａ）は内燃機関の冷却装置１００を例示する模式図である。図１（ａ）に示すように、冷却装置１００は、冷却水通路１４、１８および３２、ウォータポンプ２０、オイルクーラ３０、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備え、エンジン１０（内燃機関）に適用される。

エンジン１０は例えば車両に搭載されるガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであり、シリンダブロック１１およびシリンダヘッド１２を有する。シリンダブロック１１およびシリンダヘッド１２のウォータジャケットに冷却水が供給され、冷却水によりエンジン１０は冷却される。

冷却水通路１４、１８および３２は、冷却水が循環する冷却水通路を形成する。冷却水通路１４の一端はシリンダヘッド１２に接続され、他端はラジエータ２４に接続されている。冷却水通路１８の一端はラジエータ２４に接続され、他端はシリンダブロック１１に接続されている。冷却水通路３２の一端はシリンダブロック１１に接続され、他端はシリンダヘッド１２に接続されている。

冷却水通路１８にはウォータポンプ２０およびサーモスタット２２が設けられている。冷却水通路１４から分岐する冷却水通路１６はサーモスタット２２に接続されている。ウォータポンプ２０は例えば電動ウォータポンプであり、モータなどにより駆動し、冷却水をシリンダブロック１１に供給する。サーモスタット２２は例えば冷却水の温度に応じて開閉し、冷却水通路１８の冷却水の流量および冷却水通路１６の冷却水の流量を調節する。

冷却水はエンジン１０を冷却し、冷却水通路１４を通じてラジエータ２４に到達する。ラジエータ２４はエンジン１０冷却後の高温の冷却水を冷却する。冷却水通路１８の冷却水はウォータポンプ２０により再びエンジン１０に供給される。

シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２との間にオイルクーラ３０が設けられている。オイルクーラ３０には例えばオイルウォータポンプにより不図示のオイルパンなどからオイル（潤滑油）が供給される。また、オイルクーラ３０には冷却水通路３２が設けられている。シリンダヘッド１２とシリンダブロック１１との間の冷却水の圧力差により、冷却水は冷却水通路３２を通じてオイルクーラ３０に供給される。オイルクーラ３０においてオイルと冷却水とが熱交換を行う。例えば高温のオイルと冷却水とが熱交換することで、オイルの温度が低下し、冷却水の温度は上昇する。

水温センサ３４はエンジン１０のウォータジャケットの入口または出口における冷却水の温度を測定する。油温センサ３８はオイルの温度を測定する。回転数センサ４２はエンジン１０の回転数を測定する。負荷センサ４４はエンジン１０の負荷を測定する。負荷センサ４４は例えばアクセル開度センサまたはエアフローメータなどであり、アクセル開度または吸入空気量などを測定する。

ＥＣＵ４０（制御部）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び記憶装置等を備える。ＥＣＵ４０は、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。

ＥＣＵ４０は例えばリアルタイムクロックを内蔵し、時間を測定する。ＥＣＵ４０は、水温センサ３４から冷却水の温度を取得し、油温センサ３８からオイルの温度を取得する。ＥＣＵ４０は、回転数センサ４２からエンジン１０の回転数を取得する。またＥＣＵ４０は、負荷センサ４４からエンジン１０の負荷を取得し、その負荷に基づいて負荷率を取得する。さらに、ＥＣＵ４０はウォータポンプ２０の回転数を制御する。

図１（ｂ）はエンジン１０の運転状態を示す図である。横軸はエンジン１０の回転数を表し、縦軸は負荷率を表す。例えば、回転数がＲ１未満で約Ｒ２以上かつ負荷率がＬ１未満の範囲、および回転数がＲ２未満かつ負荷率が約Ｌ２未満の範囲を領域Ａ１とする。

例えば高回転数かつ高負荷の状態では（領域Ａ１外）、オイルの温度（油温）が高い。冷却性能を向上させるため、冷却水の流量は多いことが好ましい。一方、斜線で示す領域Ａ１では、燃費の改善のためには、エンジン１０への冷却水の流量を減らし、エンジン１０の燃焼室の壁面などの温度を高めることが好ましい。

しかし、エンジン１０への冷却水の流量が低減すると、オイルクーラ３０への冷却水の流量も低下する。このため、高温のオイルと少量の冷却水との熱交換により、冷却水の温度が上昇しやすくなり、冷却水が沸騰する恐れがある。特に、高負荷および高回転数の状態から領域Ａ１に移行したときには油温が高いため、冷却水が沸騰しやすい。本実施形態では、ウォータポンプ２０の回転数を制御することで、冷却水の沸騰を抑制する。

図２はＥＣＵ４０が実施する制御を例示するフローチャートである。回転数および負荷の低下に伴い、運転状態が領域Ａ１に移行する（ステップＳ１０）。ＥＣＵ４０は、油温センサ３８から取得する油温ＴｏがＴ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ４０は、ウォータポンプ２０の回転数を高く維持し、冷却水のオイルクーラ３０への流量をＦ１（第１の量）とする（ステップＳ１４）。

ＥＣＵ４０は、油温Ｔｏが温度Ｔ２未満になったか否かを判定する（ステップＳ１６）。肯定判定の場合、ＥＣＵ４０は後述の時間ｔ１からΔｔが経過したか否かを判定する（ステップＳ１８）。肯定判定の場合、ＥＣＵ４０は油温ＴｏがＴ３未満であるか否か判定する（ステップＳ２０）。肯定判定の場合、ＥＣＵ４０はウォータポンプ２０の回転数を低下させ、冷却水の流量をＦ１より小さいＦ２（第２の量）とする（ステップＳ２２）。

ステップＳ１６、Ｓ１８およびＳ２０のいずれかで否定判定（Ｎｏ）の場合、ＥＣＵ４０はステップＳ１６に戻る。つまり、油温ＴｏがＴ２以上、時間ｔ１からΔｔが経過していない、および油温ＴｏがＴ３以上のいずれかの場合、冷却水の流量はＦ１である。

またステップＳ１２において否定判定の場合、つまり領域Ａ１の運転状態で、かつ油温ＴｏがＴ２未満であれば、ＥＣＵ４０はステップＳ２２を行い、冷却水の流量をＦ２まで低下させる。ステップＳ２２の後、制御は終了する。

図３（ａ）および図３（ｂ）は第１実施形態におけるタイムチャートである。図３（ａ）の縦軸は冷却水の流量を表し、図３（ｂ）の縦軸は冷却水およびオイルの温度（油温）である。横軸は時間を表す。図３（ｂ）の実線は油温、破線はオイルクーラ３０の出口における冷却水の温度（出口水温）、点線はオイルクーラ３０の入口における冷却水の温度（入口水温）である。

図３（ａ）および図３（ｂ）の時間ｔ０において運転状態は図２の領域Ａ１に移行する。図３（ｂ）に示すように、油温Ｔｏは時間とともにＴ１から低下し、時間ｔ１にはＴ２になり（図２のステップＳ１６）、さらにＴ３未満となる（ステップＳ２０）。時間ｔ１からΔｔ経過後の時間ｔ２において、ＥＣＵ４０はウォータポンプ２０の回転数を低下させ、図３（ａ）に示す冷却水の流量をＦ１からＦ２に低下させる（ステップＳ２２）。

本実施形態によれば、エンジン１０の運転状態が領域Ａ１にあり、油温ＴｏがＴ２以上ならば、ＥＣＵ４０は、冷却水の流量がＦ１となるようにウォータポンプ２０を駆動する。また、油温ＴｏがＴ２未満になってからの経過時間がΔｔ未満、およびＴｏがＴ３以上の場合の少なくとも一方において、流量をＦ１に維持する。つまり運転状態が領域Ａ１に移行してから所定時間の経過まで、流量のＦ１からＦ２への切り替えを遅延させる。これによりオイルクーラ３０への冷却水の流量が多くなるため、オイルとの熱交換により冷却水の温度が上昇しにくい。したがって冷却水の沸騰を抑制することができる。これにより異音が抑制され、オイルへの冷却水の混入などが抑制される。また、冷却性能が向上するため、油温の低下が効果的に行われる。

エンジン１０の運転状態が領域Ａ１にあり、油温ＴｏがＴ２未満になってからΔｔが経過しかつＴｏがＴ３未満になった場合、ＥＣＵ４０は、冷却水の流量がＦ２となるようにウォータポンプ２０を駆動する。つまり運転状態が領域Ａ１に移行してから所定時間の経過後に流量はＦ２に減少する。冷却水のエンジン１０への流量が低減することで、エンジン１０の壁面の温度が上昇する。したがって、領域Ａ１のような低回転数かつ低負荷の領域において燃費を改善することができる。

流量をＦ１からＦ２に低下させる条件は、油温ＴｏがＴ２未満になってからΔｔが経過しかつ油温ＴｏがＴ３未満になることである。時間Δｔは、例えば油温ＴｏがＴ２未満で安定する程度の時間である。時間Δｔ、油温Ｔ２およびＴ３は、運転状態（回転数、負荷など）、車両の種類などに応じて定めることができる。ＥＣＵ４０が油温Ｔｏを取得し油温Ｔ２およびＴ３と比較するため、油温Ｔｏを用いた簡単な制御により、冷却水の沸騰を抑制することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態では油温ではなく時間を条件として冷却水の流量を切り替える。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。

図４（ａ）はＥＣＵ４０が実施する制御を例示するフローチャートである。ＥＣＵ４０は運転状態を領域Ａ１に移行させる（ステップＳ１０）。ＥＣＵ４０は、ウォータポンプ２０の回転数を高く維持し、冷却水のオイルクーラ３０への流量をＦ１とする（ステップＳ１４）。

ＥＣＵ４０は、後述の時間ｔ３からΔｔａが経過したか否かを判定する（ステップＳ３０）。否定判定の場合、ＥＣＵ４０はステップＳ３０を繰り返す。肯定判定の場合、ＥＣＵ４０はウォータポンプ２０の回転数を低下させ、冷却水の流量をＦ１より小さいＦ２とする（ステップＳ２２）。ステップＳ２２の後、制御は終了する。

図４（ｂ）および図４（ｃ）は第２実施形態におけるタイムチャートである。図４（ｂ）および図４（ｃ）の例では、時間ｔ３において運転状態が図２の領域Ａ１に移行する（図４（ａ）のステップＳ１０）。図４（ｃ）に示す時間ｔ３からΔｔａ経過後の時間ｔ４において、ＥＣＵ４０はウォータポンプ２０の回転数を低下させ、図４（ｂ）に示す冷却水の流量をＦ１からＦ２に低下させる（ステップＳ３０およびＳ２２）。

本実施形態によれば、エンジン１０の運転状態が領域Ａ１になってから時間Δｔａが経過するまで、ＥＣＵ４０は、冷却水の流量がＦ１となるようにウォータポンプ２０を駆動する。オイルクーラ３０への冷却水の流量が多いため、オイルとの熱交換により冷却水の温度が上昇しにくい。したがって冷却水の沸騰を抑制することができる。時間Δｔａの経過後、ＥＣＵ４０は、冷却水の流量がＦ２となるようにウォータポンプ２０を駆動する。冷却水のエンジン１０への流量が低減することで、エンジン１０の壁面の温度が上昇する。したがって燃費を改善することができる。

時間Δｔａは例えば油温ＴｏがＴ２未満で安定する程度の時間であり、Δｔａの間に油温ＴｏがＴ３未満まで低下することが好ましい。例えば運転状態（回転数、負荷など）、車両の種類などに基づいてＥＣＵ４０がΔｔａを定めることができる。冷却水の沸騰の抑制のため時間Δｔａは油温が十分に低下できる程度に長い時間であり、かつ燃費改善のためには長すぎないことが好ましい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０エンジン
１１シリンダブロック
１２シリンダヘッド
１４、１６、１８、３２冷却水通路
２０ウォータポンプ
２２サーモスタット
２４ラジエータ
３０オイルクーラ
３４水温センサ
３８油温センサ
４０ＥＣＵ
４２回転数センサ
４４負荷センサ
１００冷却装置

Claims

エンジンを冷却する冷却水とオイルとが熱交換するオイル熱交換器と、
前記エンジンおよび前記オイル熱交換器への前記冷却水の流量を変化させるウォータポンプと、
前記ウォータポンプを制御する制御部と、を具備し、
前記エンジンの運転中であって、前記エンジンの回転数が第１閾値未満かつ前記エンジンの負荷が第２閾値未満になってから所定の時間の経過前、前記冷却水の流量が第１の量となるように、前記制御部は前記ウォータポンプを駆動し、
前記エンジンの運転中であって、前記エンジンの回転数が前記第１閾値未満かつ前記エンジンの負荷が前記第２閾値未満になってから前記所定の時間の経過後、前記冷却水の流量が前記第１の量より少ない第２の量となるように、前記制御部は前記ウォータポンプを駆動し、
前記所定の時間は、前記オイルの温度が所定の温度未満となる時間である内燃機関の冷却装置。