JP7124576B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関に装備される過給機のハウジング内にウォータジャケットを形成し、このウォータジャケットに冷却水を供給する冷却水通路を備える過給機の冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された過給機の冷却装置は、冷却水通路内の流量を調整する制御バルブを備え、機関冷間時には、機関暖機時に比べて冷却水通路内の流量を減少させることで、機関冷間時における過給機の温度上昇を促進している。

特開２０１３－２３０７号公報

しかしながら、特許文献１は、内燃機関の始動時に冷却水が過給機のハウジング内に形成されたウォータジャケット内に充満しておらず、過給機で発生するノイズや振動（ＮＶ：Noise Vibration）を適切に減衰できない可能性がある。

そこで、本明細書開示の内燃機関の制御装置は、過給機を備えた内燃機関の始動時の振動や騒音を低減することを課題とする。

本明細書に開示された内燃機関の制御装置は、ハウジング内にウォータジャケットが形成され、内燃機関の吸気を過給する過給機と、前記ウォータジャケットに冷却水を送出する電動ウォータポンプと、前記ウォータジャケットの冷却水の流量を制御する制御バルブと、少なくとも前記内燃機関と前記電動ウォータポンプと前記制御バルブを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記内燃機関の始動前に前記制御バルブを開弁状態とするとともに前記電動ウォータポンプを駆動し、前記ウォータジャケットが冷却水で満たされた後に前記制御バルブを閉弁し、前記内燃機関を始動させる。

本明細書開示の内燃機関の制御装置によれば、過給機を備えた内燃機関の始動時の振動や騒音を低減することができる。

図１は実施形態における内燃機関と過給機系冷却回路を示す概略構成図である。 図２は実施形態における過給機の一部を示す断面図である。 図３は実施形態の内燃機関の制御装置における内燃機関始動時の各部の動作の一例を示すタイムチャートである。 図４は実施形態の内燃機関の制御装置におけるスポーツモード選択時の各部の動作の一例を示すタイムチャートである。 図５は実施形態における過給機のコンプレッサの作動特性を示すグラフである。 図６は実施形態における内燃機関特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

（実施形態）
実施形態の内燃機関の制御装置（以下、単に「制御装置）という）１００は、内燃機関５０の各種制御を行う。図１を参照すると、制御装置１００は、電動ウォータポンプ（以下、「電動Ｗ／Ｐ」という）３、過給機８及び制御バルブ９を備えている。電動Ｗ／Ｐ３、過給機８及び制御バルブ９は、過給機系冷却回路１に組み込まれている。過給機系冷却回路１は、内燃機関５０を過給する過給機８を冷却する。内燃機関５０は、シリンダブロック及びシリンダヘッドに設けられたウォータジャケットに冷却水を流す冷却回路を備えるが、過給機系冷却回路１は、内燃機関５０に形成された冷却水回路とは別系統の冷却回路として設けられている。本実施形態における過給機８は、ターボチャージャである。

制御装置１００は、制御部に相当するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０を備える。ＥＣＵ１０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭ、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポート、通信ポートを備える。ＥＣＵ１０は、内燃機関５０、電動Ｗ／Ｐ３及び制御バルブ９を制御する。

過給機系冷却回路１は、循環経路２を備える。電動Ｗ／Ｐ３は、循環経路２に配置されている。電動Ｗ／Ｐ３の下流側には、インタークーラ４が配置されている。インタークーラ４の下流側にはリザーブタンク５が配置されている。リザーブタンク５の下流側にはラジエータ６が配置されている。リザーブタンク５は冷却水を貯留する。ラジエータ６は、冷却水を冷却する。

循環経路２は、電動Ｗ／Ｐ３とインタークーラとの間で分岐している。この分岐した経路は、過給機８へ冷却水を導入する導入経路７ａである。導入経路７ａの端部は、過給機８へ接続されている。過給機８には、過給機８内を通過した冷却水を排出経路７ｂの一端が接続されている。排出経路７ｂの他端は、循環経路２のインタークーラ４とリザーブタンク５との間に接続されている。排出経路７ｂには、制御バルブ９が配置されている。なお、本実施形態では、制御バルブ９は、排出経路７ｂに配置されているが、制御バルブ９は、導入経路７ａに配置されていてもよい。

過給機８には、内燃機関５０から延びる排気管５１が接続されている。また、過給機８には、吸気管５２が接続されている。吸気管５２は、一端が過給機８に接続されるとともに、他端が内燃機関５０に接続されている。吸気管５２には、インタークーラ４が配置されている。

電動Ｗ／Ｐ３や制御バルブ９には、ＥＣＵ１０が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０には、内燃機関５０を始動させるためのイグニション（ＩＧ）１１およびスポーツモード選択ボタン１２がそれぞれ電気的に接続されている。スポーツモードが選択されると、内燃機関５０の出力特性が変更される。ＥＣＵ１０には、スポーツモード時の制御マップとノーマルモード時の制御マップが格納されている。スポーツモードとは、ノーマルモードと比較して燃費性能よりも動力性能を優先した状態で運転可能なモードである。

本実施形態の制御装置１００は、過給機８を備えた内燃機関５０の始動時の振動や騒音を低減することができる。このような制御装置１００は、制御バルブ９を制御することにより、内燃機関５０の出力特性の変更に合わせて、過給機８の冷却効果を高め、内燃機関５０の性能向上に寄与することができる。スポーツモード選択ボタン１２は、内燃機関５０の出力特性を変更することができる。本実施形態の説明では、制御装置１００による内燃機関５０の始動時振動や騒音の低減について示すとともに、付随的にスポーツモードが選択された場合の制御装置１００による制御の一例についても示すこととする。

つぎに、図２を参照して、過給機８の構成について説明する。過給機８は、コンプレッサハウジング８ａと、このコンプレッサハウジング８ａ内に収納されたコンプレッサホイール８ｂを備えている。コンプレッサハウジング８ａには、ウォータジャケット８ａ１が設けられている。ウォータジャケット８ａ１には、導入経路７ａと排出経路７ｂとが接続されている。

ここで、制御バルブ９のＯＮ／ＯＦＦ状態とウォータジャケット８ａ１の冷却水の流通状態について説明する。排出経路７ｂに設けられた制御バルブ９がＯＮ状態、すなわち、開弁状態とされると、循環経路２から導入経路７ａに流れ込んだ冷却水は、ウォータジャケット８ａ１を通過し、排出経路７ｂを通じて再び循環経路２に戻される。このように、導入経路７ａ、ウォータジャケット８ａ１及び排出経路７ｂを冷却水が流れるようになり、その流量が所定値を超えるとウォータジャケット８ａ１内が冷却水で満たされた状態となる。ウォータジャケット８ａ１内が冷却水で満たされた状態で制御バルブ９がＯＦＦ状態、すなわち、閉弁状態とされると、ウォータジャケット８ａ１内に冷却水が満たされた状態を維持することができる。このようにウォータジャケット８ａ１内に冷却水を満たした状態で内燃機関５０を始動すると、冷却水のダンパ効果により、振動や騒音を低減することができる。

つぎに、図３を参照して、制御装置１００における内燃機関５０の始動時の各部の動作について説明する。内燃機関５０が停止している時刻ｔ０のとき、ＩＧ１１、電動Ｗ／Ｐ３はいずれもＯＦＦとなっている。制御バルブ９はＯＮ（開弁状態）とされている。すなわち、内燃機関５０の始動前において制御バルブ９は開弁状態とされている。このとき、上述したように、ウォータジャケット８ａ１は、冷却水が抜けた状態となっている。このような状態から時刻ｔ１において、ＩＧ１１が操作され、ＡＣＣ（アクセサリ）位置とされると、ＥＣＵ１０は、電動Ｗ／ＰをＯＮ状態とする。これにより、循環経路２を冷却水が流れ始める。このとき、制御バルブ９はＯＮとされているため、循環経路２を流れる冷却水は、導入経路７ａ、ウォータジャケット８ａ１及び排出経路７ｂにも流れる。時刻ｔ１から所定時間が経過すると、ウォータジャケット８ａ１は冷却水で満たされる。このようにウォータジャケット８ａ１が冷却水で満たされている時刻ｔ２において、ＥＣＵ１０は、制御バルブ９をＯＦＦ（閉弁状態）とする。これにより、ウォータジャケット８ａ１内に冷却水が満たされた状態が維持される。

時刻ｔ２の後である時刻ｔ３でＩＧ１１がＯＮとされると、内燃機関５０が始動する。内燃機関５０が始動するとき、ウォータジャケット８ａ１は、冷却水で満たされているため、冷却水のダンパ効果により、振動や騒音が低減される。

なお、内燃機関５０が稼働している時刻ｔ３から時刻ｔ４の間、制御バルブ９は、内燃機関５０や過給機８の作動状態に応じて開閉制御が行われるが、ＯＦＦ状態の時間を長くすることで、燃費向上に寄与することができる。すなわち、制御バルブ９をＯＦＦ状態とすると、導入経路７ａから排出経路７ｂまでの間、冷却水が循環しなくなり、流量が減少するため、電動Ｗ／Ｐ３の回転数を抑えることができる。この結果、消費電力が抑制され、燃費が向上する。

時刻ｔ４においてＩＧ１１がＯＦＦとされると、内燃機関５０は停止する。ＥＣＵ１０は、ＩＧ１１がＯＦＦされた直後の時刻ｔ５において、制御バルブ９をＯＮとする。電動Ｗ／Ｐ３は、時刻ｔ５よりも後の時刻ｔ６までＯＮ状態とされているため、冷却水は、導入経路７ａ、ウォータジャケット８ａ１及び排出経路７ｂを流れる。このように、内燃機関５０の停止後にもウォータジャケット８ａ１に冷却水を流すのは、デッドソークによる過給機８の加熱を抑制するためである。

なお、本実施形態では、内燃機関５０の停止後の時刻ｔ５のタイミングで制御バルブ９をＯＮとしているため、内燃機関５０の停止中にウォータジャケット８ａ１内の冷却水は抜けてしまう。そのため、内燃機関５０を再始動させるときは、再び時刻ｔ１のタイミングで電動Ｗ／Ｐ３をＯＮとするとともに時刻ｔ２のタイミングで制御バルブ９をＯＦＦとしてウォータジャケット８ａ１内を冷却水で満たし、内燃機関５０を始動する。仮に、内燃機関５０が停止しているときに制御バルブ９のＯＦＦ状態を継続しても、内燃機関５０の排気系の熱によって冷却水が沸騰する。これにより、ウォータジャケット８ａ１内の内圧が上昇し、冷却水は、ウォータジャケット８ａ１から抜ける。このため、内燃機関５０を始動する際には、ウォータジャケット８ａ１内が冷却水で満たされるような制御を行う。

本実施形態の内燃機関の制御装置１００では、内燃機関５０が始動する時刻ｔ３において制御バルブ９がＯＦＦとされており、導入経路７ａから排出経路７ｂまでの間、冷却水が循環しなくなる。このため、冷却水による過給機８の熱の持ち去りが抑制されるため、過給機８の早期暖機を実現することができる。

なお、本実施形態では、コンプレッサハウジング８ａにウォータジャケット８ａ１を設けているが、過給機８は、タービンホイールを収納するタービンハウジングにウォータジャケットを備えるようにしてもよい。また、本実施形態では、ＩＧ１１がＡＣＣ位置にされたときに電動Ｗ／Ｐ３がＯＮとされるが、例えば、運転席側のドアが開かれたときのように、直後に内燃機関５０の始動が予測される操作がされた場合に電動Ｗ／Ｐ３をＯＮとするようにしてもよい。

このように、本実施形態の内燃機関の制御装置１００によれば、内燃機関５０の始動時に過給機８のコンプレッサハウジング８ａ内に設けられたウォータジャケット８ａ１が冷却水で満たされる。このため、冷却水のダンパ効果により、振動や騒音が低減される。

本実施形態の内燃機関の制御装置１００は、内燃機関５０の出力特性の変更に合わせて、過給機８の冷却効果を高め、内燃機関５０の性能向上に寄与することができる。このような内燃機関の制御装置１００による内燃機関５０の稼働時の制御の一例について、図４から図６を参照して説明する。

ＩＧ１１がＯＮであり、内燃機関５０が稼働しているとき、電動Ｗ／Ｐ３もＯＮ状態である。スポーツモード選択ボタン１２は、運転者の意思でＯＮ／ＯＦＦが選択されるものであり、内燃機関５０の始動時には、ＯＦＦに設定されている。スポーツモード選択ボタン１２がＯＦＦとされている場合、制御バルブ９はＯＦＦとされ、内燃機関５０の制御マップもノーマルモード用が選択されている。

時刻ｔ１１において、運転者がスポーツモード選択ボタン１２をＯＮとすると、これに伴って、制御バルブ９がＯＮとされ、また、制御マップがノーマルモード用からスポーツモード用に切り替えられる。

ここで、図５を参照して、過給機８のコンプレッサの作動特性につき、制御バルブ９がＯＦＦのときとＯＮのときとを比較しつつ説明する。図５の横軸は、吸入空気の流量（ｇ／ｓ）であり、縦軸は、過給機８のコンプレッサの圧力比、より具体的には、コンプレッサ下流側圧力／コンプレッサ上流側圧力である。過給機８のコンプレッサは、流入する空気の速度に対してコンプレッサホイール８ｂの回転が速すぎると、コンプレッサホイール８ｂの流入側で空気流の剥離が生じて空気流が円滑に過給されない現象、いわゆるサージングが発生する。図５には、制御バルブ９がＯＮのときのサージライン（太実線）と制御バルブ９がＯＦＦのときのサージライン（細実線）が描かれている。各サージラインの左側の領域がサージング発生領域となる。制御バルブ９がＯＮのとき、サージラインは、制御バルブ９がＯＦＦのときよりも左側にある。すなわち、制御バルブ９をＯＮとすることで、サージラインを改善することができる。

さらに、図５に示す制御バルブ９がＯＮのときのエンジン作動ライン（太破線）は、制御バルブ９がＯＦＦのときのエンジン作動ライン（細破線）から上昇し、改善がみられる。

このように、サージラインとエンジン作動ラインとが改善されることで、図６に示すように、エンジン回転数の広い領域でトルクが向上し、内燃機関５０の動力性能の向上が確認された。また、このように内燃機関５０の出力特性が変更されることでダウンスピード、すなわち、回転数を抑えた運転が可能となり、各部の機械抵抗損失、ポンプ損失を改善し、内燃機関５０を効率よく稼働させることができる。

時刻ｔ１２で運転者によりスポーツモードがＯＦＦとされると、これに伴って制御バルブ９がＯＦＦ（閉弁状態）とされ、制御マップもノーマルモード用に切り替えられる。その後、再び運転者によってスポーツモードが選択されると、内燃機関の制御装置１００は、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの状態とされる。

内燃機関５０が停止するときは、図３のタイムチャートに示す要領に従って、各部の状態を設定し、その後、内燃機関５０を停止させる。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１ 過給機系冷却回路
２ 循環経路
３ 電動Ｗ／Ｐ
４ インタークーラ
５ リザーブタンク
６ ラジエータ
７ａ 導入経路
７ｂ 排出経路
８ 過給機
８ａ コンプレッサハウジング
８ａ１ ウォータジャケット
９ 制御バルブ
１０ ＥＣＵ
１１ ＩＧ（イグニション）
１２ スポーツモード選択ボタン
５０ 内燃機関
５１ 排気管
５２ 吸気管
１００ 制御装置

Claims (1)

1. ハウジング内にウォータジャケットが形成され、内燃機関の吸気を過給する過給機と、
   前記ウォータジャケットに冷却水を送出する電動ウォータポンプと、
   前記ウォータジャケットの冷却水の流量を制御する制御バルブと、
   前記内燃機関の出力特性を第１の出力モードと、当該第１の出力モードと比較して動力性能を向上させる第２の出力モードとを選択する選択ボタンと、
   少なくとも前記内燃機関と前記電動ウォータポンプと前記制御バルブを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記内燃機関の始動前に前記制御バルブを開弁状態とするとともに前記電動ウォータポンプを駆動し、前記ウォータジャケットが冷却水で満たされた後に前記制御バルブを閉弁し、前記内燃機関を始動させるとともに、前記選択ボタンによって前記第２の出力モードが選択されたときに、前記制御バルブを開弁状態とする、内燃機関の制御装置。

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