JPWO2013011573A1 - エンジンの冷却装置 - Google Patents
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Abstract
ウォーターポンプ(30)と、ラジエータ(20)と、排気熱回収器(40)と、これら機器に冷却水を循環する冷却水循環回路(1)とを備えたエンジンの冷却装置には、排気熱回収器(40)よりも排気通路の下流側に配置されるA/Fセンサ(80)のセンサ素子(81)の温度(Ta)が予め設定された活性化温度(T1)未満である場合には、排気熱回収器(40)を循環する冷却水の流量を制限する流量制限手段が備えられている。流量制御手段は、排気熱回収器(40)を循環する冷却水の流量を調整可能な第2切替バルブ(70)であり、センサ素子(81)の温度(Ta)が活性化温度(T1)未満である場合には、活性化温度(T1)以上である場合に比べて、第2切替バルブ(70)の開度が小さくされる。
Description
本発明は、エンジンの冷却装置に関する。
車両等に搭載されるエンジン(内燃機関)では、シリンダヘッドおよびシリンダブロックに冷却水通路としてウォータージャケットをそれぞれ形成し、ウォーターポンプにより冷却水をシリンダヘッドおよびシリンダブロックの各ウォータージャケットに循環させるようにしている。このようなエンジンの冷却装置として、シリンダヘッドおよびシリンダブロックの各ウォータージャケットをバイパスする冷却水通路(バイパス通路)に排気熱回収器を配置し、エンジンの暖機中、シリンダヘッドおよびシリンダブロックの各ウォータージャケットには冷却水を循環させずに、バイパス通路にのみ冷却水を循環させるものが知られている(例えば、特許文献1参照)。排気熱回収器は、例えば、エンジンの排気系に設けられ、排気通路を流れる排気ガスと、冷却水通路を流れる冷却水との熱交換を行うことが可能な構成になっている。
また、エンジンでは、排気通路に配置された排気ガスセンサ(例えば、A/Fセンサ、O2センサなど)の出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行うようにしている(例えば、特許文献2参照)。空燃比フィードバック制御を安定的に行うためには、排気ガスセンサが排気ガスの熱により十分に暖められて活性化した状態であることが必要とされ、具体的には、排気ガスセンサの温度(センサ素子の温度)が所定の活性化温度以上であることが必要とされる(例えば、特許文献2、3参照)。特許文献3には、排気通路の温度が低い場合には、加熱手段により排気ガスセンサのセンサ素子を加熱することが記載されている。
ところで、特許文献1に記載のエンジンの冷却装置では、冷却水が排気熱回収器に常に循環されるため、次のような問題が懸念される。排気熱回収器よりも排気通路の下流側に、上述したような排気ガスセンサが配置される場合、排気熱回収器における熱交換によって温度が低下した排気ガスが、排気ガスセンサに当たることになる。このため、例えば、エンジンの冷間始動時などに排気ガスセンサの活性化が遅れてしまい、排気ガスセンサの温度が活性化温度未満の間は空燃比フィードバックを行えないといった問題がある。
本発明は、そのような問題点に鑑みてなされたものであり、排気熱回収器よりも排気通路の下流側に設けられる排気ガスセンサを速やかに活性化させることが可能なエンジンの冷却装置を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、ウォーターポンプと、ラジエータと、排気熱回収器と、これら機器に冷却水を循環する冷却水循環回路とを備えたエンジンの冷却装置であって、前記排気熱回収器よりも排気通路の下流側に配置される排気ガスセンサのセンサ素子の温度が予め設定された活性化温度未満である場合には、前記排気熱回収器を循環する冷却水の流量を制限する流量制限手段を備えていることを特徴としている。
上記構成によれば、排気ガスセンサのセンサ素子の温度が活性化温度未満である場合には、流量制御手段により排気熱回収器を循環する冷却水の流量が制限され、排気熱回収器による排気熱回収動作が制限される。したがって、排気熱回収器では、エンジンの排気通路を流れる排気ガスと、排気熱回収器に流入される冷却水との熱交換が制限されるので、排気熱回収器における排気熱回収動作に起因する排気ガスの温度低下が抑制される。これにより、排気熱回収器よりも排気通路の下流側に設けられる排気ガスセンサを速やかに活性化させることが可能になる。つまり、排気ガスセンサのセンサ素子を速やかに昇温させて活性化温度に到達させることが可能になる。そして、排気ガスセンサの出力に基づく空燃比フィードバック制御を、エンジンの始動後、早期に実行することが可能になる。
本発明において、前記流量制御手段は、前記排気熱回収器を循環する冷却水の流量を調整可能なバルブであり、前記センサ素子の温度が前記活性化温度未満である場合には、活性化温度以上である場合に比べて、前記バルブの開度を小さくすることが好ましい。
上記構成によれば、排気ガスセンサのセンサ素子の温度が活性化温度未満である場合には、バルブの開度を小さくすることによって、排気熱回収器を循環する冷却水の流量が制限され、排気熱回収器による排気熱回収動作が制限される。これにより、排気熱回収器における排気熱回収動作に起因する排気ガスの温度低下が抑制され、排気熱回収器よりも排気通路の下流側に設けられる排気ガスセンサを速やかに活性化させることが可能になる。
本発明において、前記流量制御手段は、前記排気熱回収器を循環する冷却水の流量を調整可能なウォーターポンプであり、前記センサ素子の温度が前記活性化温度未満である場合には、活性化温度以上である場合に比べて、前記ウォーターポンプの吐出量を小さくすることが好ましい。
上記構成によれば、排気ガスセンサのセンサ素子の温度が活性化温度未満である場合には、ウォーターポンプの吐出量を小さくすることによって、排気熱回収器を循環する冷却水の流量が制限され、排気熱回収器による排気熱回収動作が制限される。これにより、排気熱回収器における排気熱回収動作に起因する排気ガスの温度低下が抑制され、排気熱回収器よりも排気通路の下流側に設けられる排気ガスセンサを速やかに活性化させることが可能になる。
本発明において、前記排気熱回収器は、前記エンジンの内部に設けられた冷却水通路をバイパスするバイパス通路に配置されていることが好ましい。
上記構成によれば、エンジンの冷却(あるいは暖機)と、排気熱回収器による排気熱回収動作とを独立して行うことが可能になる。例えば、排気熱回収器への冷却水の流量制限を解除しても、エンジンへの冷却水の流量制限を行うことが可能であり、排気熱回収器による排気熱回収動作を行いつつ、エンジンの暖機を促進することが可能である。
本発明において、前記エンジンのシリンダブロックおよびシリンダヘッドのそれぞれの内部には冷却水通路が設けられており、各冷却水通路は並列に配置されていることが好ましい。この場合、前記エンジンの冷間時、前記シリンダブロックの冷却水通路への冷却水の供給が停止されることが好ましい。
上記構成によれば、エンジンの冷間時、シリンダブロックの冷却水通路への冷却水の供給が停止されるので、シリンダヘッドの冷却を行いつつ、シリンダブロックの暖機を促進することが可能になる。
本発明において、前記流量制限手段は、前記センサ素子の温度が前記活性化温度未満である場合には、前記排気熱回収器への冷却水の供給を停止することが好ましい。
上記構成によれば、排気熱回収器における排気熱回収動作に起因する排気ガスの温度低下が効果的に抑制され、排気熱回収器よりも排気通路の下流側に設けられる排気ガスセンサの活性化を促進することが可能になる。
本発明によれば、排気ガスセンサのセンサ素子の温度が活性化温度未満である場合には、流量制御手段により排気熱回収器を循環する冷却水の流量が制限され、排気熱回収器による排気熱回収動作が制限される。したがって、排気熱回収器では、エンジンの排気通路を流れる排気ガスと、排気熱回収器に流入される冷却水との熱交換が制限されるので、排気熱回収器における排気熱回収動作に起因する排気ガスの温度低下が抑制される。これにより、排気熱回収器よりも排気通路の下流側に設けられる排気ガスセンサの活性化を早期に完了させることが可能になる。つまり、排気ガスセンサのセンサ素子を速やかに昇温させて活性化温度に到達させることが可能になる。
本発明を具体化した実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
以下では、自動車等の車両に搭載されるエンジンの冷却装置に本発明を適用した例について説明する。
図1は、実施形態に係るエンジンの冷却装置およびエンジンの吸排気系を模式的に示す図である。
実施形態に係るエンジンの冷却装置は、図1に例示するように、エンジン10を冷却するための冷却水循環回路1を備える。冷却水循環回路1には、ラジエータ20、ウォーターポンプ30、排気熱回収器40、これら各機器を接続する配管H1〜H8などが備えられている。また、冷却水循環回路1には、冷却水の循環する経路を切り替えたり、冷却水の流量を変更したりするためのサーモスタット50、および第1、第2切替バルブ60、70が設けられている。
冷却水循環回路1において、ラジエータ20のロアタンク22とサーモスタット50の第1の流入口51とが、ロア配管H1によって接続されている。サーモスタット50の流出口53とウォーターポンプ30の吸入口とが、ポンプ吸入配管H2によって接続されている。
ウォーターポンプ30の吐出口は、エンジン10のウォータージャケット11a,12aにそれぞれ連通されている。具体的には、エンジン10のシリンダブロック11の内部にブロック側ウォータージャケット11aが形成され、エンジン10のシリンダヘッド12の内部にヘッド側ウォータージャケット12aが形成されている。ブロック側ウォータージャケット11aとヘッド側ウォータージャケット12aとは、並列に配置されている。そして、ウォーターポンプ30により吐出された冷却水が、ブロック側ウォータージャケット11aとヘッド側ウォータージャケット12aとに、それぞれ直接導入されるようになっている。
ブロック側ウォータージャケット11aを流れた冷却水は、取り出し管H3によってシリンダブロック11内から取り出されるようになっている。また、ヘッド側ウォータージャケット12aを流れた冷却水は、取り出し管H4によってシリンダヘッド12内から取り出されるようになっている。そして、取り出し管H3,H4の下流端同士が合流され、アッパ配管H5に接続されている。取り出し管H3の途中には、第1切替バルブ60が設けられている。また、取り出し管H4の途中には、冷却水循環回路1を循環する冷却水の温度を検出する水温センサ111が設けられている。この場合、水温センサ111によって検出される冷却水の温度は、ヘッド側ウォータージャケット12aから流出された冷却水の温度となっている。
アッパ配管H5は、ラジエータ20のアッパタンク21に接続されている。アッパ配管H5の途中には、ラジエータ20をバイパスするように設けられるバイパス配管H6が接続されている。バイパス配管H6の下流端は、サーモスタット50の第2の流入口52に接続されている。
また、ウォーターポンプ30の吐出口と、排気熱回収器40の導入口に設けられた導入用接続管41とが、導入配管H7によって接続されている。排気熱回収器40は、ブロック側ウォータージャケット11aおよびヘッド側ウォータージャケット12aと、並列に配置されている。つまり、冷却水循環回路1において、排気熱回収器40は、ブロック側ウォータージャケット11aおよびヘッド側ウォータージャケット12aをバイパスするバイパス通路に配置されており、ウォーターポンプ30により吐出された冷却水が、排気熱回収器40に直接導入されるようになっている。排気熱回収器40内を流れた冷却水は、排出口に設けられた排出用接続管42から排出配管H8に排出されるようになっている。排出配管H8の途中には、第2切替バルブ70が設けられている。排出配管H8の下流端は、アッパ配管H5の途中に接続されている。この場合、排出配管H8は、バイパス配管H6が接続される部分よりも上流側の部分においてアッパ配管H5に接続されている。
次に、冷却水循環回路1に備えられる各機器等について簡単に説明する。
ラジエータ20は、ダウンフロータイプのものであり、アッパタンク21とロアタンク22との間にラジエータコア23が設けられている。エンジン10からアッパ配管H5を経てアッパタンク21に回収された冷却水は、ロアタンク22に向けてラジエータコア23の内部を流下する際に、外気(走行風や、冷却ファンの駆動による送風)との間で熱交換を行う。この熱交換によって、外気に放熱することで冷却水が冷却されるようになっている。
ウォーターポンプ30は、冷却水循環回路1で冷却水を循環させるための冷却水循環手段である。この実施形態では、ウォーターポンプ30は、エンジン10の出力軸であるクランクシャフトの回転駆動力を受けて駆動されるようになっている。このため、エンジン10の運転中は、ウォーターポンプ30が駆動され、冷却水循環回路1において冷却水循環動作が行われるようになっている。
排気熱回収器40は、エンジン10の排気通路を流れる排気ガスと、導入配管H7から流入される冷却水との間で熱交換を行い、熱交換後の冷却水を排出配管H8から排出する。排気熱回収器40の内部には、図示しない熱交換部が収容されており、この熱交換部において排気ガスと冷却水とが熱交換するようになっている。熱交換部としては、例えば、一端が導入用接続管41に、他端が排出用接続管42にそれぞれ連通する螺旋配管が内部に収容されたものなどを用いることができる。この場合、エンジン10の運転にともなって排気ガスが排気管14bを経て排気熱回収器40の内部を流れる際に、この螺旋配管の外側を流れる排気ガスと、螺旋配管の内部を流れる冷却水との間で熱交換が行われる。その結果、螺旋配管の内側を流れる冷却水の温度が上昇し、排気熱の回収が行われる。
なお、排気熱回収器40における熱交換によって温度が低下した排気ガスは、触媒14c、図示しないマフラを通過して大気に放出される。一方、熱交換によって温度が上昇した冷却水は、排出配管H8を経て冷却水循環回路1で循環され、冷却水によって回収された排気熱が、車室内暖房用や、エンジン暖機用として利用されるようになっている。
サーモスタット50は、冷却水の温度に応じて、冷却水循環回路1における冷却水の循環経路を切り替えるものである。サーモスタット50は、例えば、内部に封入されたサーモワックスが冷却水の温度に応じて膨張・収縮することにより、バルブが作動するように構成されている。
そして、エンジン10の冷間時、つまり、冷却水の温度が比較的低い場合には、サーモスタット50は、第1の流入口51が閉鎖されるとともに、第2の流入口52が開放される状態に切り替えられる。これにより、ラジエータ20のロアタンク22からウォーターポンプ30に向かう冷却水の流れが停止されるとともに、バイパス配管H6からウォーターポンプ30に向かって冷却水が流れるようになる。つまり、冷却水循環回路1でラジエータ20を使用しない冷却水循環動作が行われることで、エンジン10の暖機運転の早期完了が図られる。
一方、エンジン10の暖機完了後、つまり、冷却水の温度が上昇してサーモスタット50の開弁温度以上になった場合には、サーモスタット50は、第1、第2の流入口51,52がともに開放される状態に切り替えられる。これにより、アッパ配管H5の冷却水の一部が、ラジエータ20側に循環されるようになる。つまり、ラジエータ20のロアタンク22からウォーターポンプ30に向かって冷却水が流れることになる。このように、冷却水循環回路1でラジエータ20に冷却水を流す冷却水循環動作が行われることで、冷却水が回収した熱がラジエータ20によって大気に放出される。
第1切替バルブ60は、取り出し管H3で冷却水が流通可能な開放状態(この場合、開度100%の全開状態)、または、取り出し管H3で冷却水が流通不可能な閉鎖状態(この場合、開度0%の全閉状態)に切り替えられる。つまり、第1切替バルブ60によって、ブロック側ウォータージャケット11aへの冷却水の供給を行うか、あるいは、冷却水の供給を停止するかが切り替えられる。言い替えれば、第1切替バルブ60によって、ブロック側ウォータージャケット11aの冷却を行うか、あるいは冷却を行わないかが切り替えられる。第1切替バルブ60の開閉動作は、ECU100によって制御される。
具体的には、冷却水の温度が比較的低いエンジン10の冷間時、第1切替バルブ60が閉鎖状態に切り替えられ、ブロック側ウォータージャケット11aへの冷却水の供給が停止される。一方、ヘッド側ウォータージャケット12aには、冷却水が供給される。これにより、シリンダヘッド12の温度の過上昇を抑制しながらも、シリンダブロック11の温度を早急に高めることで、エンジン始動後の短期間のうちにエンジン10内の各所でのフリクションロスを低減して、燃費の改善を図るようにしている。
一方、冷却水の温度が上昇して所定の切替温度以上になると、第1切替バルブ60が開放状態に切り替えられる。これにより、ヘッド側ウォータージャケット12aに加え、ブロック側ウォータージャケット11aにも冷却水が供給されるようになる。その結果、シリンダブロック11およびシリンダヘッド12が冷却され、エンジン10が適温に維持される。
第2切替バルブ70は、排出配管H8で冷却水が流通可能な開放状態(この場合、開度100%の全開状態)、または、排出配管H8で冷却水が流通不可能な閉鎖状態(この場合、開度0%の全閉状態)に切り替えられる。つまり、第2切替バルブ70によって、排気熱回収器40への冷却水の供給を行うか、あるいは、冷却水の供給を停止するかが切り替えられる。言い替えれば、第2切替バルブ70によって、排気熱回収器40による排気熱回収動作を行うか、あるいは排気熱回収動作を行わないかが切り替えられる。
具体的に、第2切替バルブ70が開放状態に切り替えられると、排気熱回収器40への冷却水の供給が行われ、排気熱回収器40による排気熱回収動作が行われる。一方、第2切替バルブ70が閉鎖状態に切り替えられると、排気熱回収器40への冷却水の供給が停止され、排気熱回収器40による排気熱回収動作が停止される。この第2切替バルブ70の開閉動作は、ECU100によって制御される。第2切替バルブ70の開閉制御の一例については後述する。
次に、エンジン10の吸排気系13,14について簡単に説明する。
エンジン10は、吸気系13から供給される空気と、図示しない燃料供給系から供給される燃料とを適宜の比率で混合し、その混合気を燃焼室に供給して燃焼させることによって車両における動力を発生する。また、エンジン10は、混合気の燃焼にともなって発生する排気ガスを排気系14から大気に放出する。
吸気系13は、吸気管13aを備えている。吸気管13aには、吸気流れの上流側から下流側に亘って、エアクリーナ13b、スロットルボディ13c、およびサージタンク13dが設けられている。吸気管13aの下流端には、インテークマニホールド13eが接続されており、インテークマニホールド13eよってエンジン10の各気筒内に向けて吸気が分流されるようになっている。そして、これら各部材の内部空間により、エンジン10の各気筒内に吸入空気を導入するための吸気通路が構成される。
排気系14は、エンジン10に取り付けられたエキゾーストマニホールド14aと、エキゾーストマニホールド14aに接続された排気管14bとを備えている。そして、エキゾーストマニホールド14aと排気管14bとの内部空間によって排気ガスを排出するための排気通路が構成される。
排気管14bには、排気ガス流れの上流側から下流側に亘って、上述した排気熱回収器40、触媒14c、図示しないマフラなど設けられている。また、排気管14bには、排気ガスセンサとしてのA/Fセンサ(空燃比センサ)80、排気ガスの温度を検出する排気温センサ112などが設けられている。触媒14cは、例えば、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、および窒素酸化物(NOx)を一括して無害な成分に浄化する三元触媒により構成されている。なお、排気系14の構成は一例であって、その他の構成を採用してもよい。例えば、排気熱回収器40よりも排気通路の上流側に、いわゆるスタートキャタリスタ(S/C)を設ける構成としてもよい。
A/Fセンサ80は、排気熱回収器40よりも排気通路の下流側に配置されており、触媒14cに導入される排気ガスの空燃比(A/F)を検出する。ここで、A/Fセンサ80の具体的な構成について、図2を参照して説明する。
図2に示すA/Fセンサ80は、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する積層型のセンサであって、センサ素子81、通気性を有するカバー87,88などを備えている。センサ素子81は、カバー87,88の内部に配置されている。カバー87,88には、排気ガスが通過可能な多数の小孔87a,88aがそれぞれ形成されている。
センサ素子81は、板状の固体電解質層(例えばジルコニア製)82、この固体電解質層82の一方の面に形成された大気側電極(例えば白金電極)83、固体電解質層82の他方の面に形成された排気側電極(例えば白金電極)84、拡散層(例えば多孔質のセラミック)85などによって構成されている。
センサ素子81の大気側電極83は、大気ダクト86内に配置されている。大気ダクト86内は大気に解放されており、この大気ダクト86内に流入した大気が大気側電極83に接触する。一方、排気側電極84の表面は、拡散層85によって覆われており、排気管14bを流れる排気ガスの一部が、拡散層85の内部を通過して排気側電極84に接触する。
このような構成のA/Fセンサ80では、センサ素子81の大気側電極83と排気側電極84との間に所定の電圧が印加されると、この電圧印加によってA/Fセンサ80に排気ガス中の酸素濃度に応じた出力電流(センサ電流)が発生する。具体的に、A/Fセンサ80のセンサ電流は、排気ガスの空燃比がリーン側になるほど増大し、逆に、排気ガスの空燃比がリッチ側になるほど減少する特性を示す。そして、A/Fセンサ80のセンサ素子81が活性化した状態(後述する活性化温度T1以上である状態)では、A/Fセンサ80のセンサ電流は、空燃比に対してリニアな特性を示す。
エンジン10等の各種制御は、ECU100によって行われる。ECU100は、図3に示すように、CPU101、ROM102、RAM103、バックアップRAM104、入力インターフェース105、出力インターフェース106等を備えている。
ROM102には、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。CPU101は、ROM102に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。RAM103は、CPU101での演算結果や、各種センサ等から入力されたデータを一時的に記憶するメモリである。バックアップRAM104は、エンジン10の停止時に保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。これらCPU101、ROM102、RAM103、およびバックアップRAM104は、バス107を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース105および出力インターフェース106に接続されている。
入力インターフェース105には、A/Fセンサ80、水温センサ111、排気温センサ112、エアフロメータ113、吸気温センサ114、クランクポジションセンサ115、スロットル開度センサ116、アクセル開度センサ117、外気温センサ118などの各種センサが接続されている。外気温センサ118は、外気の温度を検出するものであり、車両において、エンジン10や、排気系14等の熱源からの影響を受けない場所に設置されている。
出力インターフェース106には、第1、第2切替バルブ60,70、スロットルボディ13cに取り付けられるスロットルバルブ(図示略)を駆動するスロットルモータ121、エンジン10の気筒内に向けて燃料を噴射するインジェクタ122、シリンダヘッド12に取り付けられる点火プラグ(図示略)の点火タイミングを調整するイグナイタ123などが接続されている。
ECU100は、上記した各種センサの出力に基づいて、エンジン10の各種制御を実行する。例えば、ECU100は、A/Fセンサ80の出力に基づいて空燃比フィードバック制御を実行する。この空燃比フィードバック制御は、A/Fセンサ80の出力から得られる排気ガスの実際の空燃比が、目標空燃比(例えば、理論空燃比)に一致するように、インジェクタ122から吸気通路等に噴射する燃料噴射量を制御するものである。また、ECU100は、第1、第2切替バルブ60、70の開閉制御を行って、冷却水循環回路1における冷却水の循環経路の切替制御を実行する。そして、ECU100は、第2切替バルブ70の開閉制御を行って、以下に述べるような排気熱回収器40への冷却水の流量制限制御を実行する。
この実施形態では、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが所定の活性化温度T1未満である場合には、排気熱回収器40を循環する冷却水の流量を制限する流量制限手段を備えている。より詳細には、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが活性化温度T1未満である場合には、活性化温度T1以上である場合に比べて、上記流量制御手段である第2切替バルブ70の開度が小さくされることを特徴としている。これにより、排気熱回収器40による排気熱回収動作を制限することで、A/Fセンサ80のセンサ素子81を速やかに昇温させて活性化温度T1に到達させるようにしている。この排気熱回収器40への冷却水の流量制限制御の一例について、図4のフローチャートを参照して説明する。図4のフローチャートは、エンジン10の始動後、例えば、数msec毎、あるいは、クランクシャフトの所定回転角度毎に実行される。
まず、ECU100は、ステップST1において、A/Fセンサ80の温度推定用のパラメータを読み込み、次に、ステップST2において、ステップST1で読み込まれたパラメータに基づいて、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度(素子温度)Taを推定する。
ステップST1では、例えば、A/Fセンサ80の温度推定用のパラメータとして、冷却水の温度Tw、排気ガスの温度Tg、および車両停止時間tsが読み込まれる。冷却水の温度Twは、水温センサ111の出力信号から読み込まれる。排気ガスの温度Tgは、排気温センサ112の出力信号から読み込まれる。車両停止時間tsは、車両が停止してから始動するまでの経過時間であり、ECU100のタイマにより計測される。なお、車両停止時間tsの代わりにエンジン10の停止時間を用いてもよい。
ECU100のROM102には、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taを推定するための温度推定マップが予め記憶されている。この温度推定マップは、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taと、A/Fセンサ80の温度推定用のパラメータ(ここでは、冷却水の温度Tw、排気ガスの温度Tg、および車両停止時間ts)との関係を、予め実験・シミュレーション等によって求めてマップ化したものである。そして、ステップST2では、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taを、上記温度推定マップを参照することにより、ステップST1で読み込まれたパラメータ(冷却水の温度Tw、排気ガスの温度Tg、および車両停止時間ts)に基づいて推定するようにしている。例えば、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taは、冷却水の温度Twが高い場合には、低い場合に比べて高い値に推定される。また、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taは、排気ガスの温度Tgが高い場合には、低い場合に比べて高い値に推定される。また、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taは、車両停止時間tsが短い場合には、長い場合に比べて高い値に推定される。
次に、ECU100は、ステップST3において、ステップST2で推定されたA/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが、予め設定された活性化温度T1以上であるか否かを判定する。活性化温度T1は、A/Fセンサ80のセンサ素子81が十分に暖められて活性化する温度であり、具体的には、A/Fセンサ80が排気ガス中の酸素濃度に応じたセンサ電流を安定的に出力するような温度に設定されている。
ステップST3でYESの場合、つまり、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが活性化温度T1以上であると判定された場合(Ta≧T1)、処理がステップST4に進められる。一方、ステップST3でNOの場合、つまり、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが活性化温度T1未満であると判定された場合(Ta<T1)、処理がステップST5に進められる。
そして、ECU100は、ステップST4において、第2切替バルブ70を開放状態に切り替える。これにより、ウォーターポンプ30から排気熱回収器40への冷却水の供給が行われ、排気熱回収器40による排気熱回収動作が行われる。
一方、ECU100は、ステップST5において、第2切替バルブ70を閉鎖状態に切り替える。これにより、ウォーターポンプ30から排気熱回収器40への冷却水の供給が制限されるようになり、排気熱回収器40による排気熱回収動作が制限されるようになる。この場合、排気熱回収器40への冷却水の供給が停止され、排気熱回収器40による排気熱回収動作が停止される。
この実施形態では、上述したように、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが活性化温度T1未満である場合には、排気熱回収器40を循環する冷却水の流量が制限され、排気熱回収器40による排気熱回収動作が制限される。このような排気熱回収器40への冷却水の流量制限制御によれば、排気熱回収器40において、エンジン10の排気通路を流れる排気ガスと、導入配管H7から排気熱回収器40内に流入される冷却水との熱交換が制限されるので、排気熱回収器40における排気熱回収動作に起因する排気ガスの温度低下が抑制される。これにより、排気熱回収器40よりも排気通路の下流側に設けられるA/Fセンサ80を速やかに活性化させることが可能になる。つまり、A/Fセンサ80のセンサ素子81を速やかに昇温させて活性化温度T1に到達させることが可能になる。この実施形態では、排気熱回収器40への冷却水の供給を停止しているので、排気熱回収器40における排気熱回収動作に起因する排気ガスの温度低下が効果的に抑制され、A/Fセンサ80の活性化を促進することが可能になる。そして、A/Fセンサ80の出力に基づく空燃比フィードバック制御を、エンジン10の始動後、早期に実行することが可能になる。
上述のような排気熱回収器40への冷却水の流量制限は、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが活性化温度T1以上になると解除されるようになっている。これにともない、ウォーターポンプ30から排気熱回収器40に冷却水が供給され、排気熱回収器40による排気熱回収動作が行われるようになる。ここで、排気熱回収器40は、エンジン10をバイパスするバイパス通路に配置されているので、エンジン10の冷却(あるいは暖機)と、排気熱回収器40による排気熱回収動作とを独立して行うことが可能になる。
例えば、排気熱回収器40への冷却水の流量制限を解除しても、エンジン10のブロック側ウォータージャケット11aへの冷却水の流量制限を引き続き行うことが可能であり、排気熱回収器40による排気熱回収動作を行いつつ、シリンダブロック11の暖機を促進することが可能である。
−他の実施形態−
本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲および当該範囲と均等の範囲で包含されるすべての変形や応用が可能である。
本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲および当該範囲と均等の範囲で包含されるすべての変形や応用が可能である。
(1)上述した冷却水循環回路1は、一例であって、排気熱回収器40を循環する冷却水の流量を制限することが可能な構成であれば、さまざまに変更することが可能である。
例えば、冷却水循環回路1に、ラジエータ20、ウォーターポンプ30、排気熱回収器40以外の機器を設ける構成としてもよい。
また、上記実施形態では、第1切替バルブ60をブロック側ウォータージャケット11aの下流側に接続される取り出し管H3に配置したが、第1切替バルブ60をブロック側ウォータージャケット11aの上流側に配置してもよい。
第1切替バルブ60として、上記実施形態のサーモスタット50と同様の構成のサーモスタットを用いてもよい。また、第1切替バルブ60として、その開度に応じてブロック側ウォータージャケット11aを循環する冷却水の流量を調整する流量調整弁を用いてもよい。なお、上記実施形態では、冷却水の温度が比較的低いエンジン10の冷間時、ブロック側ウォータージャケット11aへの冷却水の供給を停止したが、第1切替バルブ60の開度を小さくしてブロック側ウォータージャケット11aに供給する冷却水の流量を小流量に制限することも可能である。
また、上記実施形態では、第2切替バルブ70を排出配管H8に配置したが、第2切替バルブ70を導入配管H7に配置してもよい。
第2切替バルブ70として、その開度に応じて排気熱回収器40を循環する冷却水の流量を調整する流量調整弁を用いてもよい。この場合、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが活性化温度T1未満であるとき、活性化温度T1以上である場合に比べて、第2切替バルブ70の開度を小さくすることが好ましい。なお、この場合、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taと活性化温度T1との温度差に応じて、第2切替バルブ70の開度を設定することが可能である。さらに、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taと活性化温度T1との温度差が大きいほど、第2切替バルブ70の開度を小さくすることも可能である。
また、上記実施形態では、排気熱回収器40をブロック側ウォータージャケット11aおよびヘッド側ウォータージャケット12aをバイパスするバイパス通路に配置したが、それ以外の箇所に排気熱回収器40を配置してもよい。例えば、ブロック側ウォータージャケット11aの下流側や、ヘッド側ウォータージャケット12aの下流側に、排気熱回収器40を配置する構成としてもよい。
また、上記実施形態では、ウォーターポンプ30により吐出された冷却水をブロック側ウォータージャケット11aおよびヘッド側ウォータージャケット12aのそれぞれに供給するようにした。しかし、これに限らず、ウォーターポンプ30により吐出された冷却水を、ブロック側ウォータージャケット11aに循環させた後、ヘッド側ウォータージャケット12aに供給してもよい。
(2)上記実施形態では、流量制限手段を第2切替バルブ70とした例を挙げた。しかし、これに限らず、流量制限手段は、排気熱回収器40を循環する冷却水の流量を調整可能なウォーターポンプとすることが可能である。この場合、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが活性化温度T1未満であるとき、活性化温度T1以上である場合に比べて、ウォーターポンプの吐出量を小さくすることが好ましい。
例えば、流量制御手段として、電動式のウォーターポンプや、クラッチ式のウォーターポンプを用いることが可能である。クラッチ式のウォーターポンプの場合、ウォーターポンプの駆動軸とクランクシャフトとの間にはクラッチ機構が介在され、エンジンの駆動状態において、クラッチ機構が係合状態にあるときにウォーターポンプが駆動し、クラッチ機構が解放状態であるときにウォーターポンプが停止するような構成とされる。
(3)上記実施形態で挙げたA/Fセンサ80のセンサ素子81の温度推定マップは、一例であって、他のパラメータを用いてA/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taを推定してもよい。例えば、冷却水の温度Twおよび排気ガスの温度Tgに基づいて、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taを推定してもよい。
また、上述した冷却水の温度Tw、排気ガスの温度Tg、および車両停止時間ts以外のパラメータを用いることも可能である。例えば、寒冷地では、エンジン10の始動時だけではなく、車両の走行中にも、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが活性化温度T1未満に低下する可能性がある。このような場合、上述した冷却水の温度Twや、排気ガスの温度Tgに加えて、外気温センサ118によって検出される外気温を、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taを推定するパラメータとして用いることが有効的である。この場合、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taは、外気温が高い場合には、低い場合に比べて高い値に推定される。
(4)上記実施形態では、積層型の排気ガスセンサ(A/Fセンサ80)を例に挙げた。しかし、これに限らず、排気ガスセンサとして、他の構造のものを用いてもよい。例えば、図5に示すようなコップ型の排気ガスセンサ(A/Fセンサ90)も用いることが可能である。
図5に示すA/Fセンサ90は、センサ素子91、通気性を有するカバー97などを備えている。センサ素子91は、カバー97の内部に配置されている。カバー97には、排気ガスが通過可能な小孔97aが形成されている。
センサ素子91は、一端が閉じられた管状(コップ状)の構造を有している。センサ素子91は、固体電解質層(例えばジルコニア製)92、この固体電解質層92の内側の面に形成された大気側電極(例えば白金電極)93、固体電解質層92の外側の面に形成された排気側電極(例えば白金電極)94、多孔質保護層(例えば多孔質のセラミック)95などによって構成されている。
センサ素子91の内側には、大気に開放された大気室96が形成されている。この大気室96に流入した大気が大気側電極93に接触する。一方、排気側電極94の表面は、多孔質保護層95によって覆われており、排気管14bを流れる排気ガスの一部が多孔質保護層95を通過して排気側電極94に接触する。
図5に示すコップ型のA/Fセンサ90も、図2に示す積層型のA/Fセンサ80と同様に、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する。具体的に、A/Fセンサ90は、排気ガスの空燃比がリーン側になるほど増大し、逆に、排気ガスの空燃比がリッチ側になるほど減少するような信号を出力する。そして、A/Fセンサ90のセンサ素子91が活性化した状態(活性化温度以上である状態)では、A/Fセンサ90のセンサ電流は、空燃比に対してリニアな特性を示す。
(5)また、上記実施形態では、排気ガスセンサがA/Fセンサ80である例を挙げたが、排気ガスセンサとしてO2センサを用いてもよい。O2センサの場合、センサ素子が活性化した状態(活性化温度以上である状態)で、センサ電流が理論空燃比付近でステップ状に変化するような特性を示す。
本発明は、ウォーターポンプと、ラジエータと、排気熱回収器と、これら機器に冷却水を循環する冷却水循環回路とを備えたエンジンの冷却装置であって、排気熱回収器よりも排気通路の下流側に排気ガスセンサが配置されたものに利用可能である。
1 冷却水循環回路
10 エンジン
11 シリンダブロック
11a ブロック側ウォータージャケット
12 シリンダヘッド
12a ヘッド側ウォータージャケット
20 ラジエータ
30 ウォーターポンプ
40 排気熱回収器
70 第2切替バルブ(流量制御手段)
80 A/Fセンサ(排気ガスセンサ)
100 ECU
10 エンジン
11 シリンダブロック
11a ブロック側ウォータージャケット
12 シリンダヘッド
12a ヘッド側ウォータージャケット
20 ラジエータ
30 ウォーターポンプ
40 排気熱回収器
70 第2切替バルブ(流量制御手段)
80 A/Fセンサ(排気ガスセンサ)
100 ECU
上記構成によれば、排気ガスセンサのセンサ素子の温度が活性化温度未満である場合には、流量制限手段により排気熱回収器を循環する冷却水の流量が制限され、排気熱回収器による排気熱回収動作が制限される。したがって、排気熱回収器では、エンジンの排気通路を流れる排気ガスと、排気熱回収器に流入される冷却水との熱交換が制限されるので、排気熱回収器における排気熱回収動作に起因する排気ガスの温度低下が抑制される。これにより、排気熱回収器よりも排気通路の下流側に設けられる排気ガスセンサを速やかに活性化させることが可能になる。つまり、排気ガスセンサのセンサ素子を速やかに昇温させて活性化温度に到達させることが可能になる。そして、排気ガスセンサの出力に基づく空燃比フィードバック制御を、エンジンの始動後、早期に実行することが可能になる。
本発明において、前記流量制限手段は、前記排気熱回収器を循環する冷却水の流量を調整可能なバルブであり、前記センサ素子の温度が前記活性化温度未満である場合には、活性化温度以上である場合に比べて、前記バルブの開度を小さくすることが好ましい。
本発明において、前記流量制限手段は、前記排気熱回収器を循環する冷却水の流量を調整可能なウォーターポンプであり、前記センサ素子の温度が前記活性化温度未満である場合には、活性化温度以上である場合に比べて、前記ウォーターポンプの吐出量を小さくすることが好ましい。
本発明によれば、排気ガスセンサのセンサ素子の温度が活性化温度未満である場合には、流量制限手段により排気熱回収器を循環する冷却水の流量が制限され、排気熱回収器による排気熱回収動作が制限される。したがって、排気熱回収器では、エンジンの排気通路を流れる排気ガスと、排気熱回収器に流入される冷却水との熱交換が制限されるので、排気熱回収器における排気熱回収動作に起因する排気ガスの温度低下が抑制される。これにより、排気熱回収器よりも排気通路の下流側に設けられる排気ガスセンサの活性化を早期に完了させることが可能になる。つまり、排気ガスセンサのセンサ素子を速やかに昇温させて活性化温度に到達させることが可能になる。
この実施形態では、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが所定の活性化温度T1未満である場合には、排気熱回収器40を循環する冷却水の流量を制限する流量制限手段を備えている。より詳細には、A/Fセンサ80のセンサ素子81の温度Taが活性化温度T1未満である場合には、活性化温度T1以上である場合に比べて、上記流量制限手段である第2切替バルブ70の開度が小さくされることを特徴としている。これにより、排気熱回収器40による排気熱回収動作を制限することで、A/Fセンサ80のセンサ素子81を速やかに昇温させて活性化温度T1に到達させるようにしている。この排気熱回収器40への冷却水の流量制限制御の一例について、図4のフローチャートを参照して説明する。図4のフローチャートは、エンジン10の始動後、例えば、数msec毎、あるいは、クランクシャフトの所定回転角度毎に実行される。
例えば、流量制限手段として、電動式のウォーターポンプや、クラッチ式のウォーターポンプを用いることが可能である。クラッチ式のウォーターポンプの場合、ウォーターポンプの駆動軸とクランクシャフトとの間にはクラッチ機構が介在され、エンジンの駆動状態において、クラッチ機構が係合状態にあるときにウォーターポンプが駆動し、クラッチ機構が解放状態であるときにウォーターポンプが停止するような構成とされる。
1 冷却水循環回路
10 エンジン
11 シリンダブロック
11a ブロック側ウォータージャケット
12 シリンダヘッド
12a ヘッド側ウォータージャケット
20 ラジエータ
30 ウォーターポンプ
40 排気熱回収器
70 第2切替バルブ(流量制限手段)
80 A/Fセンサ(排気ガスセンサ)
100 ECU
10 エンジン
11 シリンダブロック
11a ブロック側ウォータージャケット
12 シリンダヘッド
12a ヘッド側ウォータージャケット
20 ラジエータ
30 ウォーターポンプ
40 排気熱回収器
70 第2切替バルブ(流量制限手段)
80 A/Fセンサ(排気ガスセンサ)
100 ECU
Claims (7)
- ウォーターポンプと、ラジエータと、排気熱回収器と、これら機器に冷却水を循環する冷却水循環回路とを備えたエンジンの冷却装置であって、
前記排気熱回収器よりも排気通路の下流側に配置される排気ガスセンサのセンサ素子の温度が予め設定された活性化温度未満である場合には、前記排気熱回収器を循環する冷却水の流量を制限する流量制限手段を備えていることを特徴とするエンジンの冷却装置。 - 請求項1に記載のエンジンの冷却装置において、
前記流量制御手段は、前記排気熱回収器を循環する冷却水の流量を調整可能なバルブであり、前記センサ素子の温度が前記活性化温度未満である場合には、活性化温度以上である場合に比べて、前記バルブの開度を小さくすることを特徴とするエンジンの冷却装置。 - 請求項1に記載のエンジンの冷却装置において、
前記流量制御手段は、前記排気熱回収器を循環する冷却水の流量を調整可能なウォーターポンプであり、前記センサ素子の温度が前記活性化温度未満である場合には、活性化温度以上である場合に比べて、前記ウォーターポンプの吐出量を小さくすることを特徴とするエンジンの冷却装置。 - 請求項1〜3のいずれか1つに記載のエンジンの冷却装置において、
前記排気熱回収器は、前記エンジンの内部に設けられた冷却水通路をバイパスするバイパス通路に配置されていることを特徴とするエンジンの冷却装置。 - 請求項1〜4のいずれか1つに記載のエンジンの冷却装置において、
前記エンジンのシリンダブロックおよびシリンダヘッドのそれぞれの内部には冷却水通路が設けられており、各冷却水通路は並列に配置されていることを特徴とするエンジンの冷却装置。 - 請求項5に記載のエンジンの冷却装置において、
前記エンジンの冷間時、前記シリンダブロックの冷却水通路への冷却水の供給が停止されることを特徴とするエンジンの冷却装置。 - 請求項1〜6のいずれか1つに記載のエンジンの冷却装置において、
前記流量制限手段は、前記センサ素子の温度が前記活性化温度未満である場合には、前記排気熱回収器への冷却水の供給を停止することを特徴とするエンジンの冷却装置。
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