JP6973934B2

JP6973934B2 - 車両の暖房システム

Info

Publication number: JP6973934B2
Application number: JP2018014902A
Authority: JP
Inventors: 守人浅野
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: JP2019131035A

Description

本発明は、水冷式の内燃機関から流出する冷却水の熱を利用して車室内を暖房するシステムに関する。

車両、特に四輪自動車の内燃機関は、一般に水冷式になっている。内燃機関から流出する高温の冷却水は、車室内を空調するエアコンディショナの暖房用の熱源として利用される。即ち、内燃機関のシリンダブロック及びシリンダヘッドを通過した冷却水を熱交換器であるヒータコアに導き、その冷却水と車室内に供給される空気との間で熱交換を行い、車室内を暖房する（例えば、下記特許文献１を参照）。冷却水を吸引、吐出して循環させる冷却水ポンプは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトから回転駆動力の伝達を受けて稼働する。

近時では、内燃機関及び電動機の二つの動力源を備えるハイブリッド車両が一定の普及を見ている。シリーズ方式のハイブリッド車両（例えば、下記特許文献２を参照）は、内燃機関により発電機を駆動して発電を行い、発電した電力を蓄電装置（バッテリ及び／またはキャパシタ）に蓄えるとともに電動機に供給する。そして、この電動機によって車両の車軸ひいては駆動輪を回転させて走行する。

特開２０１７−００８７５３号公報特開２０１６−０６４７３５号公報

ハイブリッド車両では、内燃機関が燃料を燃焼させて回転駆動力を発生させなくとも、電動機により車両を走行させることが可能である。故に、車両の運用中であっても、内燃機関の運転を停止している状態が継続することがある。

内燃機関が停止している間は、これに接続した機械式の冷却水ポンプも当然に稼働を停止し、冷却水が循環しない。その状態で暖房が使用され続けると、ヒータコア内に停滞している冷却水が低温化して暖房性能が低下する。

内燃機関の運転状態如何によらず（内燃機関から独立して）稼働できる電動式の冷却水ポンプを実装すれば、内燃機関を停止していても冷却水を循環させることが可能である。しかしながら、電動式の冷却水ポンプは、機械式の冷却水ポンプと比較してコスト面で不利である。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであり、ヒータコア内の冷却水の温度降下による暖房性能の低下を抑制することを所期の目的としている。

本発明では、水冷式の内燃機関と、内燃機関に供給するべき冷却水を循環させる冷却水路と、冷却水路上に設けられ内燃機関から流出する冷却水と空気との間で熱交換を行い車室内を暖房するヒータコアと、内燃機関から回転駆動力の供給を受けて稼働し内燃機関、冷却水路及びヒータコアを流通する冷却水を吸引して吐出する冷却水ポンプと、内燃機関を回転駆動することのできる電動機と、燃料を燃焼させずに内燃機関の運転を停止している時期において、暖房性能の要求に応じて、電動機を起動して燃料の燃焼を伴わずに内燃機関を回転駆動し、それにより冷却水ポンプを稼働させて内燃機関からヒータコアに冷却水を流入させる制御部とを具備する車両の暖房システムを構成した。

本発明によれば、ヒータコア内の冷却水の温度降下による暖房性能の低下を適切に抑制することができる。

本発明の一実施形態におけるシリーズ方式のハイブリッド車両の概要を示す図。同実施形態における内燃機関の冷却水路の構成を示す図。同実施形態の制御部が実施する制御の内容を説明するタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態におけるハイブリッド車両の主要システムの概略構成を示している。このハイブリッド車両は、内燃機関１と、内燃機関１により駆動されて発電を行う発電用モータジェネレータ２と、発電用モータジェネレータ２が発電した電力を蓄える蓄電装置３と、発電用モータジェネレータ２及び／または蓄電装置３から電力の供給を受けて車両の車軸ひいては駆動輪６２を駆動する走行用モータジェネレータ４とを備えている。

本実施形態のハイブリッド車両は、内燃機関１を発電にのみ使用するシリーズハイブリッド方式の電気自動車であり、車両の駆動輪６２には専ら走行用モータジェネレータ４から走行のための駆動力を供給する。内燃機関１と駆動輪６２との間は機械的に切り離されており、元来両者の間で回転駆動力の伝達がなされない。従って、イグニッションスイッチ（パワースイッチ、またはイグニッションキー）がＯＮに操作されている車両の運用中、換言すれば運転者がアクセルペダルを踏むことで車両が走行可能な状態にあっても、蓄電装置３が充分な電荷を蓄えている状況下では、燃料の燃焼を伴う内燃機関１の運転を実施しない。

内燃機関１の出力軸であるクランクシャフトは、発電用モータジェネレータ２の入力軸と機械的に接続している。そして、内燃機関１から発電用モータジェネレータ２に対して回転駆動力が伝達されることで、モータジェネレータ２が発電する。また、発電用モータジェネレータ２は、回転駆動力を発生させて内燃機関１のクランクシャフトを回転駆動する電動機としても機能する。例えば、発電用モータジェネレータ２は、停止している内燃機関１を始動するためのクランキングを実行することがある。なお、この発電用モータジェネレータ２とは別に、内燃機関１のくランキングを実行する専用の電動機であるスタータモータを内燃機関１に付設することを妨げない。

発電機インバータ２１は、発電用モータジェネレータ２が発電する交流電力を直流電力に変換した上で蓄電装置３に入力する。並びに、発電機インバータ２１は、発電用モータジェネレータ２を電動機として作動させる際に、蓄電装置３が出力する直流電力を交流電力に変換した上で発電用モータジェネレータ２に入力する。

蓄電装置３は、発電用モータジェネレータ２及び走行用モータジェネレータ４の各々が発電する電力を充電して蓄える。並びに、蓄電装置３は、発電用モータジェネレータ２及び走行用モータジェネレータ４の各々を電動機として作動させるための電力を放電し、それらモータジェネレータ２、４に必要な電力を供給する。蓄電装置３は、バッテリ及び／またはキャパシタ等である。

駆動機インバータ４１は、蓄電装置３及び／または発電機インバータ２１から供給される直流電力を交流電力に変換した上で走行用モータジェネレータ４に入力する。並びに、駆動機インバータ４１は、車両の回生制動を行うときに走行用モータジェネレータ４が発電する交流電力を直流電力に変換した上で蓄電装置３に入力する。

走行用モータジェネレータ４は、車両の走行のための駆動力を発生させ、これを減速機６１を介して駆動輪６２に入力する。また、走行用モータジェネレータ４は、駆動輪６２に連れ回されて回転することで発電し、車両の運動エネルギを電気エネルギとして回収する。回生により発電した電力は、蓄電装置３に充電される。

内燃機関１は水冷式のものである。図２に、内燃機関１の冷却水路を示す。冷却水を吸込んで吐出する冷却水ポンプ５１は、内燃機関１のクランクシャフトから回転駆動力の伝達を受けて稼働する、既知の機械式（非電動式）のものである。冷却水ポンプ５１の回転数は、内燃機関１の回転数に比例する。内燃機関１が停止しているときには、冷却水ポンプ５１も停止する。冷却水ポンプ５１が停止している間は、冷却水ポンプ５１が冷却水を吸引及び吐出せず、冷却水が冷却水路を循環せずに停滞する。

冷却水ポンプ５１が吐出した冷却水は、まず内燃機関１のシリンダブロック５２に流入し、一部がＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）クーラ５９に向かい、残りが内燃機関１のシリンダヘッド５３に向かう。ＥＧＲクーラ５５は、内燃機関１の排気通路から吸気通路に還流するＥＧＲガスと熱交換を行う熱交換器であり、ＥＧＲガスの温度を低下させる。

そして、冷却水の流れは、シリンダヘッド５３から、ヒータコア５４またはラジエータ５６へと分岐する。ヒータコア５４は、車室内に供給される空気との間で熱交換を行う熱交換器であり、空気を暖めて車室内を暖房する。ラジエータ５６は、冷却水を自然空冷または強制空冷してその温度を低下させる放熱器である。シリンダヘッド５３とラジエータ５６とを連絡する冷却水通路上には、当該通路を開閉するためのサーモスタット５７を設置する。サーモスタット５７は、冷却水の温度が所定以上の高温となったときに開弁し、それ未満の温度であるときには閉弁する。

ＥＧＲクーラ５５、ヒータコア５４またはラジエータ５６内を流れた冷却水は、集合後シリンダブロック５２に向けて流下し、再び冷却水ポンプ５１に吸込まれる。

内燃機関１、発電用モータジェネレータ２、蓄電装置３、インバータ２１、４１及び走行用モータジェネレータ４の制御を司る制御部たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。なお、ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵがＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０は、運転者によるアクセルペダルの踏込量や、現在の車両の車速、路面の勾配、蓄電装置３の蓄電量、発電用モータジェネレータ２の発電電力等に応じて、走行用モータジェネレータ４が出力する回転駆動力、内燃機関１が出力する回転駆動力、及び発電用モータジェネレータ２が発電する電力の大きさを増減制御する。蓄電装置３が現在充分な電力を蓄えており、走行用モータジェネレータ４に要求される出力駆動力が極大でない場合には、内燃機関１への燃料の供給を遮断して内燃機関１を運転しない。

とは言え、内燃機関１の運転を停止している間にも、車室内空調用のエアコンディショナによる暖房が使用されることは当然にあり得る。車室内の暖房は、電動のブロワ（または、ファン。図示せず）が吐出する空気をヒータコア５４に当て、ヒータコア５４との熱交換により暖められた空気を車室内に吹き出させることにより実現する。既に述べた通り、内燃機関１が停止しているときには、冷却水ポンプ５１も停止しており、冷却水の流通が滞る。その状態で暖房が使用され続けると、ヒータコア５４内に停滞している冷却水の熱が奪われてその温度が低下し、必要十分な暖房性能を発揮できなくなる懸念が生ずる。

そこで、図３に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、燃料を燃焼させずに内燃機関１の運転を停止している時期において、暖房性能の要求に応じて、発電用モータジェネレータ２を電動機として一時的に起動することで、内燃機関１及びこれに機械的に接続している冷却水ポンプ５１を回転駆動する操作を実行する。冷却水ポンプ５１を稼働させれば、内燃機関１の内部（シリンダブロック５２やシリンダヘッド５３）に滞留していた比較的高温の冷却水がヒータコア５４に流入し、代わりにヒータコア５４内に停滞していた低温の冷却水がヒータコア５４から排出されて、ヒータコア５４の温度が閾値以上に上昇、回復する。結果、暖房性能が必要十分に維持されることとなる。無論、内燃機関１の内部に存在する冷却水の温度が所定以上に高いことが前提となる。

燃料を燃焼させず内燃機関１の運転を停止している時期において、発電用モータジェネレータ２により内燃機関１及び冷却水ポンプ５を回転駆動するのは、暖房性能が求められるときであり、例えば、ヒータコア５４の温度が所定の閾値以下に低下した、空気をヒータコア５４に当てるブロワの吐出する風量（または、ブロワを回転駆動する電動機の回転数）が所定の閾値以上に大きい、運転者を含む搭乗者の操作により選択される車室内の設定温度（目標温度）が引き上げられてから一定時間内、設定温度が所定の閾値以上に高い、設定温度と現在の車室内温度との差が所定の閾値以上に大きい、設定温度と外気温との差が所定の閾値以上に大きい場合、等のうちの何れか少なくとも一つを条件とすることが考えられる。

発電用モータジェネレータ２を電動機として稼働させて内燃機関１及び冷却水ポンプ５１を駆動する期間の長さは、ヒータコア５４内の冷却水を入れ替えることのできる程度の短時間に止めてよい。さすれば、発電用モータジェネレータ２による電力消費を最小限に抑制することができる。

ＥＣＵ０は、現在のヒータコア５４の温度を実測してもよいし、何らかの手法によって推測してもよい。ヒータコア５４、またはヒータコア５４内若しくはヒータコア５４の近傍の冷却水の温度を検出する温度センサが設置されているならば、当該センサを介してヒータコア５４の温度が閾値以下に低下したか否かを直接的に判断することができる。

そのようなセンサが設置されていないとしても、車室内に吹き出す（ヒータコア５４と熱交換した後の）空気の温度を検出する温度センサが設置されているならば、当該センサを介してヒータコア５４の温度を推測し、これが閾値以下に低下したか否かを判断することが可能である。基本的に、車室内に吹き出す空気の温度が低いほど、現在のヒータコア５４の温度が低いと推測される。が、車室内に吹き出す空気の温度が同じであっても、外気温が低いほどヒータコア５４の温度は高いと予想される。よって、ヒータコア５４の温度を推測する際には、外気温センサを介して検出される外気温を考慮に入れることが好ましい。

燃料の燃焼を伴う内燃機関１の運転及び冷却水ポンプ５１の稼働を停止する直前の冷却水温、内燃機関１及び冷却水ポンプ５１の稼働の停止後のブロワからの空気の吐出量等に基づき、現在のヒータコア５４の温度を推測してもよい。通常、内燃機関１には、当該内燃機関１内部の冷却水の温度を検出する水温センサが設置されているので、内燃機関１及び冷却水ポンプ５１の稼働停止直前の冷却水温を知得することは可能である。そして、内燃機関１及び冷却水ポンプ５１の停止中のヒータコア５４の温度は、これらを停止してから経過した時間が長くなるほど低下し、なおかつ、ブロワからヒータコア５４に向けて吐出した空気の総流量（単位時間あたりの流量の積算値若しくは時間積分値）が増すほど低下する。尤も、外気温が低いほどヒータコア５４の温度は低下しやすいと考えられるので、ヒータコア５４の温度を推測するに際しては、外気温センサを介して検出される外気温を考慮に入れることが好ましい。

本実施形態では、車両の駆動輪６２から機械的に切り離された状態で運転可能な水冷式の内燃機関１と、内燃機関１に供給するべき冷却水を循環させる冷却水路と、冷却水路上に設けられ内燃機関１から流出する冷却水と空気との間で熱交換を行い車室内を暖房するヒータコア５４と、内燃機関１から回転駆動力の供給を受けて稼働し内燃機関１、冷却水路及びヒータコア５４を流通する冷却水を吸引して吐出する冷却水ポンプ５１と、内燃機関１を回転駆動することのできる電動機２と、燃料を燃焼させずに内燃機関１の運転を停止している時期において、暖房性能の要求に応じて、例えばヒータコア５４の温度が所定以下に低下する場合に、電動機２を起動して内燃機関１を回転駆動し冷却水ポンプ５１を稼働させて内燃機関１からヒータコア５４に冷却水を流入させる制御部０とを具備する車両の暖房システムを構成した。

本実施形態によれば、燃料の燃焼を伴う内燃機関１の運転の停止中の暖房性能の低下を適切に抑制することができる。そして、冷却水ポンプ５１として、内燃機関１の運転状態如何によらず稼働可能な電動式のポンプを実装する必要がないので、コストの高騰を回避できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、内燃機関１が車両の駆動輪６２から恒常的に切り離されているシリーズ方式のハイブリッド車両を想定していたが、本発明の適用対象はシリーズハイブリッド車両には限定されない。走行中を含む車両の運用中に一時的にせよ内燃機関の運転を停止できる態様の車両一般に、本発明を適用することが許される。パラレルハイブリッド方式やシリーズパラレルハイブリッド方式（スプリット方式）のハイブリッド車両でも、車両の運用中に燃料を燃焼させず内燃機関の運転を停止させることが可能であり、よってこれらはおしなべて本発明の適用の対象となる。

また、燃料を燃焼させず内燃機関１の運転を停止している時期において、暖房性能の要求に応じて、クランキング専用のスタータモータを起動して、これにより内燃機関１及び冷却水ポンプ５１を回転駆動することもあり得る。

その他、各部の具体的な構成や処理の内容は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載される内燃機関の冷却水系統の制御に適用することができる。

０…制御部（ＥＣＵ）
１…内燃機関
２…電動機（発電用モータジェネレータ）
５１…冷却水ポンプ
５４…ヒータコア

Claims

内燃機関の排気通路に装着した排気浄化用の触媒に流入するガスの空燃比をフィードバック制御する制御装置であって、
水冷式の内燃機関と、
内燃機関に供給するべき冷却水を循環させる冷却水路と、
冷却水路上に設けられ内燃機関から流出する冷却水と空気との間で熱交換を行い車室内を暖房するヒータコアと、
内燃機関から回転駆動力の供給を受けて稼働し内燃機関、冷却水路及びヒータコアを流通する冷却水を吸引して吐出する冷却水ポンプと、
内燃機関を回転駆動することのできる電動機と、
燃料を燃焼させずに内燃機関の運転を停止している時期において、暖房性能の要求に応じて、電動機を起動して燃料の燃焼を伴わずに内燃機関を回転駆動し、それにより冷却水ポンプを稼働させて内燃機関からヒータコアに冷却水を流入させる制御部と
を具備する車両の暖房システム。