JP7159726B2 - エンジン冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの内部に形成されたウォータジャケットを通って循環する冷却水によりエンジンを冷却する水冷式のエンジン冷却装置に関する。

上記のようなエンジン冷却装置において、エンジンの冷間始動時に、冷却水による熱の持ち去りを抑えてエンジンの暖機を促進するため、ウォータジャケットを通っての冷却水の循環を制限する循環制限処理を実施するものがある。循環制限処理の終了が早過ぎると、エンジンの暖機に遅れが生じてしまう。また、循環制限処理の終了が遅過ぎると、エンジンの温度が上がり過ぎてしまう。よって、循環制限処理は、エンジンが過不足なく暖機した適切なタイミングで終了する必要がある。

循環制限処理が実施されていないときの冷却水は、ウォータジャケットを通過する間にエンジンからの熱を受けて暖められる。エンジンの暖機が進むほど、ウォータジャケットの通過中に冷却水が受け取る熱量が多くなり、その分、ウォータジャケット通過後の冷却水の温度（以下、エンジン流出水温と記載する）が高くなる。よって、循環制限処理が実施されていないときのエンジンの暖機状況の確認は、エンジン流出水温に基づいて行うことができる。

これに対して循環制限処理中は、ウォータジャケットの通過中に加熱された冷却水の同ウォータジャケットからの流出も制限されるため、エンジン冷却水温がエンジンの暖機状況を反映した値とならなくなる。よって、循環制限処理の適切な終了時期は、エンジン冷却水温からは判断できないことになる。

そこで従来、特許文献１に記載のエンジン冷却装置では、循環制限処理中のエンジン内部の冷却水の温度（以下、エンジン内水温と記載する）を推定するとともに、その推定したエンジン内水温に基づいて循環制限処理の終了時期を定めるようにしている。なお、同文献のエンジン冷却装置でのエンジン内水温の推定は、下記の態様で行われる。エンジン内水温の推定に際してはまず、エンジン回転数と燃料噴射量とに基づきエンジンでの燃焼による発熱量が求められる。また、外気温や車速などからエンジンから外部への放熱量が求められる。エンジン内の冷却水が受ける熱量は、発熱量から放熱量を引いた差が大きいほど多くなる。そこで、規定の演算周期毎に上記差に比例した値として同周期におけるエンジン内水温の上昇量を求めている。一方、エンジンの始動開始時におけるエンジン内水温は、出口水温とほぼ等しい温度となる。そこで、上記文献１のエンジン制御装置では、エンジン始動開始時の出口水温に、演算周期毎の上昇量の演算値を積算していくことで、エンジン内水温の推定値を算出するようにしている。

特開２０１３－１２４６５６号公報

ところで、循環制限処理中のウォータジャケット内の冷却水の流れが停滞した状態では、ウォータジャケットの壁面から冷却水への熱伝達も限定的なものとなる。その後に循環制限処理が終了されると、ウォータジャケットを流れる冷却水による同ウォータジャケットの壁面からの熱の持ち去りが増えて、エンジン内水温が、ひいてはエンジン流出水温が上昇するようになる。このときのエンジン流出水温の上昇は主に、ウォータジャケット壁面からの受熱により生じるものであり、その上昇量は循環制限処理中のエンジン内水温からは導出できるものではない。よって、循環制限処理中のエンジン内水温はエンジンの暖機状況を適切に反映した値とは言い難く、同エンジン内水温の推定値に基づくだけでは、循環制限処理の適切な終了時期を定められないことになる。

上記課題を解決するため、本発明は、エンジンの内部に形成されたウォータジャケットを通って循環する冷却水により前記エンジンを冷却するエンジン冷却装置であって、ウォータジャケットの通過後の冷却水の温度であるエンジン流出水温を検出する水温センサと、エンジンの冷間始動時にウォータジャケットを通っての冷却水の循環を制限する循環制限処理部と、を備えている。ウォータジャケットの壁面温度とエンジン流出水温との差を壁水温度差としたとき、同エンジン冷却装置における循環制限処理部は、エンジンの吸入空気量に遅れ処理を施した遅れ処理値に基づいて、当該遅れ処理値に比例する値である壁水温度差を算出する。そして、同循環制限処理部は、その壁水温度差から冷却水の循環制限の解除に伴うエンジン流出水温の上昇量を求めるとともに、その上昇量をエンジン流出水温の検出値に加えた和が規定の解除判定値以上の値となったときに冷却水の循環の制限を解除する。

上記冷却水の循環制限の実施中は、冷却水によるウォータジャケットの壁面（以下、Ｗ／Ｊ壁面と記載する）からの熱の持ち去りが少ないため、Ｗ／Ｊ壁面に熱が蓄えられた状態となる。循環制限を解除してウォータジャケット内の冷却水の流量が増加すると、冷却水によるＷ／Ｊ壁面からの熱の持ち去りが活発となり、Ｗ／Ｊ壁面に蓄えられた熱が急激に冷却水に伝えられるようになる。その結果、循環制限の解除に伴ってエンジン流出水温の上昇が生じるようになる。こうした循環制限の解除に伴うエンジン流出水温の上昇量は、Ｗ／Ｊ壁温とエンジン流出水温との温度差、すなわち壁水温度差が大きいほど大きくなる。

一方、エンジンの燃焼による発熱はまず、燃焼室とウォータジャケットとの隔壁に伝わり、その後、Ｗ／Ｊ壁面よりウォータジャケット内の冷却水に伝えられる。そのため、循環制限中の壁水温度差は、エンジンの燃焼による発熱量に遅れを有して変化するようになる。そのため、発熱量に遅れ処理を施した値に比例した値として、壁水温度差を求めることができる。

これに対して上記エンジン冷却装置における循環制限処理部は、エンジンの吸入空気量に遅れ処理を施した値に基づいて、この遅れ処理値に比例する値である壁水温度差を算出するとともに、現時点で循環制限を解除した場合のエンジン流出水温の上昇量をその壁水温度差から求めている。そのため、現時点で循環制限を解除した場合のその解除後のエンジン流出水温を正確に予測し、その予測の結果に基づき循環制限処理の終了時期を的確に定めることができる。したがって、暖機促進のための冷却水の循環制限を適切なタイミングで解除することができる。

エンジン冷却装置の一実施形態、及び同エンジン冷却装置が適用されるエンジンの構成を模式的に示す略図。 同エンジン冷却装置において実施される循環制限解除判定ルーチンのフローチャート。 演算マップＭＡＰにおける壁水温度差ΔＴと解除後水温上昇量ＴＷＲＩＳＥとの関係を示すグラフ。 上記エンジン冷却装置における循環制限処理の実施態様を示すタイムチャート。

以下、エンジン冷却装置の一実施形態を、図１～図４を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のエンジン冷却装置が適用されるエンジンは、燃焼が行われる燃焼室１０が内部に設けられたエンジン本体（シリンダヘッド、シリンダブロック）１１、燃焼室１０への吸気の導入路である吸気通路１２、及び燃焼室１０からの排気の排出路である排気通路１３を備えている。吸気通路１２には、内部を流れる吸気の流量（吸入空気量ＧＡ）を計測するエアフローメータ１４と、燃焼室１０に導入される吸気中に燃料を噴射する燃料噴射弁１５と、が設けられている。

本実施形態のエンジン冷却装置は、冷却水の循環経路である冷却水回路２０を備えている。冷却水回路２０の一部は、エンジン本体１１の内部に形成されたウォータジャケット２１により構成されている。また、冷却水回路２０には、電動式のウォータポンプ２２が設けられている。さらに、冷却水回路２０には、ウォータジャケット２１の通過後の冷却水の温度（エンジン流出水温ＴＷ）を検出する水温センサ２３が設けられている。

こうしたエンジン及びエンジン冷却装置は、電子制御ユニット２４により制御されている。電子制御ユニット２４は、演算処理を行う演算回路と、プログラムやデータが記憶されたメモリとを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。電子制御ユニット２４には、上述のエアフローメータ１４や水温センサ２３の検出信号が入力されている。なお、電子制御ユニット２４は、エンジン制御の一環として、燃焼室１０内で燃焼する混合気の空燃比を目標とする値（目標空燃比）とするための空燃比制御を行っている。空燃比制御に際して電子制御ユニット２４は、エアフローメータ１４の吸入空気量ＧＡの検出結果に基づき、燃焼室１０で燃焼する混合気の空燃比が目標空燃比となるように、燃料噴射弁１５が噴射する燃料の量を決定している。

また、電子制御ユニット２４は、エンジン冷却装置の制御の一環として、エンジンの冷間始動時に、ウォータジャケット２１を通っての冷却水の循環を制限する循環制限処理を実施する。なお、本実施形態では、電子制御ユニット２４が、エンジンの冷間始動時にウォータジャケット２１を通っての冷却水の循環を制限する循環制限処理部に対応する構成となっている。

循環制限処理は、エンジン始動開始時におけるエンジン流出水温ＴＷが規定の循環停止実施温度以下であることを条件に実施される。循環制限処理を実施する場合の電子制御ユニット２４は、エンジン始動後のウォータポンプ２２の回転数（以下、ポンプ回転数ＮＷＰと記載する）を、エンジン運転中の循環制限処理を実施していない場合のポンプ回転数ＮＷＰに比べて低い回転数となるように制御する。そして、これにより、循環制限処理中のウォータジャケット２１を通過する冷却水の流量を減らして、同冷却水によるウォータジャケット２１の壁面からの熱の持ち去りを抑えることで、エンジンの暖機を促進している。

循環制限処理の実施中、電子制御ユニット２４は、規定の制御周期毎に、図２に示す循環制限解除判定ルーチンの処理を実行する。そして、同ルーチンの処理において、循環制限処理を終了するか否かの判定を、すなわちウォータジャケット２１を通っての冷却水の循環の制限を解除するか否かの判定を行っている。

本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ１００において、水温センサ２３によるエンジン流出水温ＴＷの検出値と、エアフローメータ１４による吸入空気量ＧＡの検出値とが読み込まれる。

続いて、ステップＳ１１０において、吸入空気量ＧＡに遅れ処理を施した値（遅れ処理値）に規定の係数Ｋを乗算した積（＝Ｋ×［ＧＡの遅れ処理値］）が壁水温度差ΔＴの値として演算される。壁水温度差ΔＴは、ウォータジャケット２１の壁面温度（以下、Ｗ／Ｊ壁温と記載する）に対するエンジン流出水温ＴＷの差を表している。また、遅れ処理では、吸入空気量ＧＡに対して遅れを有して追従する値として同吸入空気量ＧＡの遅れ処理値が算出される。遅れ処理は、Ｎ次遅れ（Ｎは自然数）フィルタ、平均フィルタ、帯域通過フィルタ、カルマンフィルタ、粒子フィルタなどのフィルタ処理を吸入空気量ＧＡに対して施すことで行われる。

また、続くステップＳ１２０において、電子制御ユニット２４のメモリに予め記憶された演算マップＭＡＰを用いて、壁水温度差ΔＴから解除後水温上昇量ＴＷＲＩＳＥの値が算出される。解除後水温上昇量ＴＷＲＩＳＥは、現時点で循環制限処理を終了した場合に、その終了に伴って生じるエンジン流出水温ＴＷの上昇の量を表している。図３に、上記演算マップＭＡＰにおける壁水温度差ΔＴと解除後水温上昇量ＴＷＲＩＳＥとの関係を示す。同図に示すように、壁水温度差ΔＴよりも小さい値が解除後水温上昇量ＴＷＲＩＳＥの値として算出される。

その後、続くステップＳ１３０において、現在のエンジン流出水温ＴＷに解除後水温上昇量ＴＷＲＩＳＥを加えた和（＝ＴＷ＋ＴＷＲＩＳＥ）が、規定の解除判定値α以上であるか否かが判定される。上記和は、現時点において循環制限処理を終了した場合に、その終了に伴う温度上昇におけるエンジン流出水温ＴＷのピーク点の推定値（以下、推定到達水温と記載する）を表している。

このときの推定到達水温が解除判定値α未満の場合（Ｓ１３０：ＮＯ）には、そのまま今回の本ルーチンの処理が終了される。これに対して、推定到達水温が解除判定値α以上の場合（Ｓ１３０：ＹＥＳ）には、ステップＳ１４０において、冷却水の循環制限が解除される、すなわち循環制限処理が終了される。そしてその結果、ポンプ回転数ＮＷＰが上昇されて、ウォータジャケット２１内の冷却水の流量が増大されるようになる。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
図４には、本実施形態のエンジン冷却装置における循環制限処理の実施態様の一例が示されている。同図では、時刻ｔ０に、ポンプ回転数ＮＷＰを低い回転数としてのウォータポンプ２２の駆動が開始されている。

本実施形態では、吸入空気量ＧＡの遅れ処理値に係数Ｋを乗算した値として壁水温度差ΔＴを算出するとともに、その壁水温度差ΔＴから解除後水温上昇量ＴＷＲＩＳＥの値を求めている。そして、エンジン流出水温ＴＷにその解除後水温上昇量ＴＷＲＩＳＥを加えた和である推定到達水温（＝ＴＷ＋ＴＷＲＩＳＥ）が解除判定値αに到達した時刻ｔ１に、循環制限処理を終了して、ポンプ回転数ＮＷＰを高めている。

上述のように循環制限処理の実施中は、冷却水によるウォータジャケット２１の壁面（以下、Ｗ／Ｊ壁面と記載する）からの熱の持ち去りが少ないため、Ｗ／Ｊ壁面に熱が蓄えられた状態となる。循環制限処理が終了してウォータジャケット２１内の冷却水の流量が増加すると、冷却水によるＷ／Ｊ壁面からの熱の持ち去りが活発となり、Ｗ／Ｊ壁面に蓄えられた熱が急激に冷却水に伝えられるようになる。その結果、循環制限処理の終了に伴ってエンジン流出水温ＴＷの上昇が生じるようになる。こうした循環制限処理の終了に伴うエンジン流出水温ＴＷの上昇量は、Ｗ／Ｊ壁温とエンジン流出水温ＴＷとの温度差、すなわち壁水温度差ΔＴが大きいほど大きくなる。

一方、エンジンの燃焼室１０での燃焼による発熱はまず、燃焼室１０とウォータジャケット２１との隔壁に伝わり、その後、Ｗ／Ｊ壁面よりウォータジャケット２１内の冷却水に伝えられる。そのため、循環制限処理中の壁水温度差ΔＴは、燃焼室１０での燃焼による発熱量に遅れを有して変化するようになる。

なお、上述のように本実施形態の適用されるエンジンでは、空燃比制御が行われており、燃焼室１０で燃焼する燃料の量が吸入空気量ＧＡに比例した量とされている。そのため、吸入空気量ＧＡは、燃焼室１０での燃焼による発熱量にほぼ比例した値となる。そのため、吸入空気量ＧＡの遅れ処理値に比例した値として、壁水温度差ΔＴを求めることができる。

これに対して本実施形態では、吸入空気量ＧＡの遅れ処理値に係数Ｋを乗算した値として壁水温度差ΔＴを算出するとともに、現時点で循環制限処理を終了した場合のエンジン流出水温ＴＷの上昇量（解除後水温上昇量ＴＷＲＩＳＥ）をその壁水温度差ΔＴから求めている。そのため、現時点で循環制限処理を終了した場合の終了後のエンジン流出水温ＴＷを正確に予測し、その予測の結果に基づき循環制限処理の終了時期を的確に定めることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、エンジンの燃焼による発熱量の指標値として吸入空気量ＧＡを用いて壁水温度差ΔＴを算出していた。吸入空気量ＧＡ以外のパラメータ（例：燃料噴射量にエンジン回転数を乗算した積）を上記発熱量の指標値として用いるようにしてもよい。

・上記実施形態では、電動式のウォータポンプ２２の回転数を低下させることで、循環制限処理を実施していたが、冷却水回路２０に流量調整弁を設置してその流量調整弁により冷却水回路２０の冷却水の流量を低減することなどの他の手段により、循環制限処理を実施するようにしてもよい。

１０…燃焼室、１１…エンジン本体、１２…吸気通路、１３…排気通路、１４…エアフローメータ、１５…燃料噴射弁、２０…冷却水回路、２１…ウォータジャケット、２２…ウォータポンプ、２３…水温センサ、２４…電子制御ユニット。

Claims (1)

1. エンジンの内部に形成されたウォータジャケットを通って循環する冷却水により前記エンジンを冷却するエンジン冷却装置であって、
   前記ウォータジャケットの通過後の冷却水の温度であるエンジン流出水温を検出する水温センサと、
   前記エンジンの冷間始動時に前記ウォータジャケットを通っての冷却水の循環を制限する循環制限処理部と、
   を備えており、
   前記ウォータジャケットの壁面温度と前記エンジン流出水温との差を壁水温度差としたとき、
   前記循環制限処理部は、
   前記エンジンの吸入空気量に遅れ処理を施した遅れ処理値に基づいて、当該遅れ処理値に比例する値である前記壁水温度差を算出し、
   前記壁水温度差から前記冷却水の循環制限の解除に伴う前記エンジン流出水温の上昇量を求め、
   前記上昇量を前記エンジン流出水温の検出値に加えた和が規定の解除判定値以上の値となったときに前記冷却水の循環制限を解除する
   エンジン冷却装置。

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