WO2015125428A1 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

　内燃機関（１１）の冷却装置は、内燃機関（１１）の冷却水出口から流出する冷却水の流出温度（Ｔwout）を検出する流出温度センサ（２４）と、バイパス流路（１７）を流れる冷却水の流量を調節する流量制御弁（１５）と、流量制御弁（１５）の開閉を制御する制御装置（２６）と、を備える。制御装置（２６）は、内燃機関（１１）の暖機中に、流量制御弁（１５）を開弁してバイパス流路（１７）を通る経路で冷却水の循環を開始した後、流出温度の変化速度情報に基づいて流出温度の変化速度（ｄＴwout）がマイナス値にならないように流量制御弁（１５）の開閉を制御する。

Description

内燃機関の冷却装置 関連出願の相互参照

　本出願は、当該開示内容が参照によって本出願に組み込まれた、２０１４年２月２４日に出願された日本特許出願２０１４－０３３４３４号を基にしている。

　本開示は、内燃機関の冷却水をラジエータを通さずに循環させるバイパス流路を備えた内燃機関の冷却装置に関する。

　内燃機関の冷却装置においては、内燃機関の暖機を促進するために、内燃機関の冷却水をラジエータを通さずに循環させる外部通路（バイパス流路）を設けるようにしたものがある。更に、内燃機関の暖機中に冷却水の循環を停止することで、内燃機関の暖機を促進するようにしたものもある。

　しかしながら、本願発明者等による検討によると、内燃機関の暖機中に冷却水の循環を停止した状態から冷却水の循環を開始したときに、低温の冷却水が内燃機関に流入するため、冷却水の循環開始前に上昇した内燃機関の温度が一時的に低下する恐れがある。

　この対策として、例えば、特許文献１（特開２０１１－２１４５６６号公報）に記載されているものがある。このものは、冷却水の循環を開始するに際し、内燃機関に流入する冷却水の温度（流入温度）が低いときほど冷却水の流量が少なくなると共に内燃機関から流出する冷却水の温度（流出温度）が高いときほど冷却水の流量が多くなるように流量調節弁の開度を制御する。

特開２０１１－２１４５６６号公報

　しかし、上記特許文献１の技術では、流入温度や流出温度に応じて流量調節弁の開度を制御するだけであり、内燃機関の温度に応じて変化する流出温度の挙動（例えば変化速度）については考慮されていないため、冷却水の循環開始後の内燃機関の温度低下を効果的に抑制できない可能性がある。

　上記点に鑑みて、本開示は、冷却水の循環開始後の内燃機関の温度低下を効果的に抑制することができる内燃機関の冷却装置を提供することを目的とする。

　本開示の冷却装置は、内燃機関を冷却する冷却水をラジエータを通さずに循環させるバイパス流路を備えた内燃機関の冷却装置である。内燃機関の冷却装置は、内燃機関の冷却水出口から流出する冷却水の流出温度を検出する流出温度センサと、バイパス流路の冷却水流量を調節する流量制御弁と、流量制御弁の開閉を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、内燃機関の暖機中に、流量制御弁を開弁してバイパス流路を通る経路で冷却水の循環を開始した後、流出温度の変化速度情報に基づいて流出温度の変化速度がマイナス値にならないように流量制御弁の開閉を制御する。

　内燃機関の温度に応じて流出温度が変化するため、流出温度の変化速度情報を監視して流出温度の変化速度がマイナス値にならないように流量制御弁の開閉を制御することで、内燃機関の温度の変化方向がマイナス方向（低下方向）になることを抑制することができる。これにより、冷却水の循環開始後の内燃機関の温度低下を効果的に抑制することができる。

図１は本開示の一実施例におけるエンジン冷却システムの概略構成を示す図である。 図２は開閉制御の実行例を示すタイムチャートである。 図３は開閉制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

　以下、本開示一実施形態を説明する。

　まず、図１に基づいてエンジン冷却システムの概略構成を説明する。

　内燃機関であるエンジン１１のウォータジャケット１２（冷却水通路）の入口付近には、冷却水を循環させるためのウォータポンプ１３が設けられている。このウォータポンプ１３は、エンジン１１の動力で駆動される機械式のポンプである。

　エンジン１１のウォータジャケット１２の出口には、出口流路１４が接続されている。この出口流路１４に、流量制御弁１５を介してラジエータ流路１６とバイパス流路１７が接続されている。ラジエータ流路１６は、エンジン１１の冷却水をラジエータ１９を通して循環させる流路であり、バイパス流路１７は、エンジン１１の冷却水をラジエータ１９を通さずに循環させる流路である。

　これらのラジエータ流路１６とバイパス流路１７は、合流部１８を介してウォータポンプ１３の吸入口に接続されている。ラジエータ流路１６には、冷却水の熱を放熱させるラジエータ１９が設けられている。バイパス流路１７には、暖房用のヒータコア２０とＥＧＲガス冷却用のＥＧＲクーラ２１とが設けられている。ヒータコア２０の近傍には、温風を送風するヒータブロア２２が配置されている。また、ウォータジャケット１２の出口と合流部１８とが迂回流路２３で接続されている。

　流量制御弁１５を閉弁すると、バイパス流路１７及びラジエータ流路１６への冷却水の循環が停止される。一方、流量制御弁１５を開弁すると、その開度が所定値以下の第１領域の場合には、ラジエータ流路１６への冷却水の流れを遮断した状態で、バイパス流路１７へ冷却水を流通させ、ウォータジャケット１２、出口流路１４、バイパス流路１７（ヒータコア２０、ＥＧＲクーラ２１）、合流部１８、ウォータポンプ１３、ウォータジャケット１２の経路で冷却水が循環する。更に、流量制御弁１５の開度が所定値よりも大きい第２領域の場合には、ラジエータ流路１６へ冷却水を流通させ、ウォータジャケット１２、出口流路１４、ラジエータ流路１６（ラジエータ１９）、合流部１８、ウォータポンプ１３、ウォータジャケット１２の経路でも冷却水が循環する。

　出口流路１４には、エンジン１１の冷却水出口から流出する冷却水の温度（以下、流出温度Ｔwoutという）を検出する流出温度センサ２４が設けられている。合流部１８には、エンジン１１の冷却水入口から流入する冷却水の温度（以下、流入温度という）を検出する流入温度センサ２５が設けられている。

　これら各種センサの出力は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２６に入力される。このＥＣＵ２６は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行する。具体的には、ＥＣＵ２６は、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。

　また、ＥＣＵ２６は、エンジン１１の暖機中に流量制御弁１５を閉弁して冷却水の循環を停止することで、エンジン１１の暖機を促進する。その後、流出温度センサ２４で検出した流出温度Ｔwoutが所定温度Ｔ１（例えば４０℃）以上になったときに、流量制御弁１５を第１領域内で開弁して、バイパス流路１７を通る経路で冷却水の循環を開始する。

　この際、図２に破線で示す比較例のように、冷却水の循環開始後に、流量制御弁１５を開弁した状態に維持するようにすると、エンジン１１内の暖められた冷却水が流出した後、低温の冷却水がエンジン１１内に流入する。これにより、冷却水の循環開始前に上昇したエンジン１１の温度が一時的に低下する恐れがある。この場合、流出温度Ｔwoutが急上昇した後に低下する。

　本実施例では、冷却水の循環開始後のエンジン１１の温度低下を抑制するために、ＥＣＵ２６により後述する図３の開閉制御ルーチンを実行することで、次のような制御を行う。エンジン１１の暖機中に、流量制御弁１５を第１領域内で開弁してバイパス流路１７を通る経路で冷却水の循環を開始した後、流出温度Ｔwoutの変化速度情報に基づいて、流量制御弁１５の開閉を制御する。具体的には、本実施例では、流出温度Ｔwoutの変化速度情報として変化速度ｄＴwoutを用いて、変化速度ｄＴwoutがマイナス値にならないように流量制御弁１５の開閉を制御する。但し、流出温度Ｔwoutの変化速度情報としては、流出温度Ｔoutの変化速度ｄＴwoutに限らず、当該変化速度ｄＴwoutと相関関係を有する情報であっても良い。エンジン１１の温度に応じて流出温度Ｔwoutが変化するため、変化速度ｄＴwoutを監視して変化速度ｄＴwoutがマイナス値にならないように流量制御弁１５の開閉を制御することで、エンジン１１の温度の変化方向がマイナス方向（低下方向）になることを抑制することができる。

　具体的には、図２に実線で示すように、エンジン１１の暖機中に、流出温度センサ２４で検出した流出温度Ｔwoutが所定温度Ｔ１以上になった時点ｔ０で、流量制御弁１５を第１領域内で開弁してバイパス流路１７を通る経路で冷却水の循環を開始する。その後、流出温度Ｔwoutの変化速度ｄＴwoutが第１の閾値ｄＴ１以上になった時点ｔ１で流量制御弁１５を閉弁して、変化速度ｄＴwoutが第２の閾値ｄＴ２以下になった時点ｔ２で流量制御弁１５を開弁する処理を繰り返す開閉制御を実行する。ここで、第１の閾値ｄＴ１と第２の閾値ｄＴ２は両方とも０よりも大きい値に設定され、第２の閾値ｄＴ２は第１の閾値ｄＴ１よりも小さい値に設定されている（ｄＴ１＞ｄＴ２＞０）。

　その後、流量制御弁１５の開弁中に変化速度ｄＴwoutが所定値ｄＴ３以下の状態が所定期間Ｐ以上継続したときに、開閉制御を終了して、目標流出温度と流出温度Ｔwoutとの偏差に基づいて流量制御弁１５の開度を制御する開度制御に移行する。ここで、所定値ｄＴ３は、例えば第２の閾値ｄＴ２以下の値に設定されている（ｄＴ２≧ｄＴ３＞０）。

　以下、本実施例でＥＣＵ２６が実行する図３の開閉制御ルーチンの処理内容を説明する。

　図３に示す開閉制御ルーチンは、エンジン１１の暖機中に所定周期で繰り返し実行され、制御装置としての役割を果たす。エンジン１１の暖機中とは、例えば、流出温度Ｔwoutや流入温度が所定の暖機完了判定値を超えるまでの期間を意味する。

　開閉制御ルーチンが起動されると、まず、Ｓ１０１で、終了フラグが開閉制御の終了を意味する「１」にセットされているか否かを判定する。

　Ｓ１０１で、終了フラグが「０」であると判定された場合には、開閉制御ルーチンはＳ１０２に進み、流出温度センサ２４で検出した流出温度Ｔwoutが所定温度Ｔ１（例えば４０℃）以上であるか否かを判定する。

　Ｓ１０２で、流出温度Ｔwoutが所定温度Ｔ１よりも低いと判定された場合には、開閉制御ルーチンはＳ１０３に進み、流量制御弁１５を閉弁した状態に維持するとともに、冷却水の循環を停止した状態に維持する。

　この後、Ｓ１０２で、流出温度Ｔwoutが所定温度Ｔ１以上であると判定されたときに、開閉制御ルーチンはＳ１０４に進み、流量制御弁１５を第１領域内で開弁して、バイパス流路１７を通る経路で冷却水の循環を開始する。

　この際、冷却水の積算流量に応じて流量制御弁１５の開度（開弁時の開度）をマップ又は数式等により設定する。この流量制御弁１５の開度のマップ又は数式等は、冷却水の積算流量が少ないときほど流量制御弁１５の開度を小さくするように設定されている。

　尚、流量制御弁１５の開度とエンジン１１の回転速度（ウォータポンプ１３の回転速度）とに基づいて冷却水の流量を求めることができる。さらに、この冷却水の流量を積算することで冷却水の積算流量を求めることができる。

　この後、Ｓ１０５に進み、流出温度Ｔwoutの変化が安定状態になったか否かを、流出温度Ｔwoutの変化速度ｄＴwoutが所定値ｄＴ３以下の状態が所定期間Ｐ以上継続したか否かによって判定する。流出温度Ｔoutの変化が安定状態にあるとは、例えば、流出温度Ｔwoutが比較的緩やかに上昇する状態を言う。

　この際、冷却水の流量に応じて所定期間Ｐをマップ又は数式等により設定する。これにより、所定期間Ｐは、例えば、冷却水の循環周期よりも少し長い時間に設定される。循環周期とは、冷却水がバイパス流路１７を通る循環経路を１周するのに要する時間である。所定期間Ｐのマップ又は数式等は、冷却水の流量が多いときほど、冷却水の循環周期が短くなるのに対応して、所定期間Ｐを短くするように設定されている。

　Ｓ１０５で、まだ流出温度Ｔwoutの変化が安定状態になっていないと判定された場合には、開閉制御ルーチンはＳ１０６に進み、変化速度ｄＴwoutが第１の閾値ｄＴ１以上であるか否かを判定する。

　この際、冷却水の積算流量に応じて第１の閾値ｄＴ１をマップ又は数式等により設定する。この第１の閾値ｄＴ１のマップ又は数式等は、冷却水の積算流量が少ないときほど第１の閾値ｄＴ１を小さくして、変化速度ｄＴwoutの変動範囲を狭くするように設定されている。変化速度ｄＴwoutの変動範囲とは、第２の閾値ｄＴ２から第１の閾値ｄＴ１までの範囲である。尚、第１の閾値ｄＴ１を予め設定した固定値にして、第２の閾値ｄＴ２のみを冷却水の積算流量に応じて設定するようにしても良い。

　Ｓ１０６で、変化速度ｄＴwoutが第１の閾値ｄＴ１よりも小さいと判定された場合には、開閉制御ルーチンはＳ１０４に戻り、流量制御弁１５を開弁した状態に維持する。

　その後、Ｓ１０６で、変化速度ｄＴwoutが第１の閾値ｄＴ１以上であると判定されたときに、開閉制御ルーチンはＳ１０７に進み、流量制御弁１５を閉弁して、冷却水の循環を一時的に停止する。

　この後、開閉制御ルーチンはＳ１０８に進み、変化速度ｄＴwoutが第２の閾値ｄＴ２以下であるか否かを判定する。

　この際、冷却水の積算流量に応じて第２の閾値ｄＴ２をマップ又は数式等により設定する。この第２の閾値ｄＴ２のマップ又は数式等は、冷却水の積算流量が少ないときほど第２の閾値ｄＴ２を大きくして、変化速度ｄＴwoutの変動範囲を狭くするように設定されている。尚、第２の閾値ｄＴ２を予め設定した固定値にして、第１の閾値ｄＴ１のみを冷却水の積算流量に応じて設定するようにしても良い。

　Ｓ１０８で、変化速度ｄＴwoutが第２の閾値ｄＴ２よりも大きいと判定された場合には、開閉制御ルーチンはＳ１０７に戻り、流量制御弁１５を閉弁した状態に維持する。

　その後、Ｓ１０８で、変化速度ｄＴwoutが第２の閾値ｄＴ２以下であると判定されたときに、開閉制御ルーチンはＳ１０４に戻り、流量制御弁１５を開弁して、バイパス流路１７を通る経路で冷却水を循環させる。

　これらのＳ１０４から１０８の処理より、変化速度ｄＴwoutが第１の閾値ｄＴ１以上になる毎に流量制御弁１５を閉弁して、変化速度ｄＴwoutが第２の閾値ｄＴ２以下になる毎に流量制御弁１５を開弁する処理を繰り返す開閉制御を実行する。

　その後、Ｓ１０５で、流出温度Ｔwoutの変化が安定状態になったと判定されたときに、開閉制御を終了して、開閉制御ルーチンはＳ１０９に進み、終了フラグを「１」にセットする。これにより、Ｓ１０１で、終了フラグが「１」であると判定されて、開閉制御ルーチンはＳ１１０に進み、開度制御に移行する。この開度制御では、目標流出温度と流出温度Ｔwoutとの偏差に基づいて流量制御弁１５の開度を制御する。

　以上説明した本実施例では、エンジン１１の暖機中に、流量制御弁１５を開弁してバイパス流路１７を通る経路で冷却水の循環を開始した後、流出温度Ｔwoutの変化速度ｄＴwoutに基づいて、変化速度ｄＴwoutがマイナス値にならないように流量制御弁１５の開閉を制御する。エンジン１１の温度に応じて流出温度Ｔwoutが変化するため、変化速度ｄＴwoutを監視して、変化速度ｄＴwoutがマイナス値にならないように流量制御弁１５の開閉を制御する。その結果、エンジン１１の温度の変化方向がマイナス方向（低下方向）になることを抑制することができる。これにより、冷却水の循環開始後のエンジン１１の温度低下を効果的に抑制することができる。

　この場合、本実施例の開閉制御では、エンジン１１の暖機中に、流出温度Ｔwoutが所定温度Ｔ１以上になった場合に、流量制御弁１５を開弁してバイパス流路１７を通る経路で冷却水の循環を開始する。その後、変化速度ｄＴwoutが第１の閾値ｄＴ１以上になった場合に流量制御弁１５を閉弁して、変化速度ｄＴwoutが第２の閾値ｄＴ２以下になった場合には、流量制御弁１５を開弁する。開閉制御では、以上の処理が繰り返される。これにより、開閉制御によって流出温度Ｔwoutの変化速度ｄＴwoutを所定の変動範囲付近に維持して、変化速度ｄＴwoutがマイナス値になることを抑制しながら、流出温度Ｔwoutを適度な速度で上昇させることができる。

　また、本実施例では、開閉制御の際に、冷却水の積算流量に応じて第１の閾値ｄＴ１や第２の閾値ｄＴ２を設定する。これにより、冷却水の積算流量に応じて、第１の閾値ｄＴ１や第２の閾値ｄＴ２を変化させて、変化速度ｄＴwoutの変動範囲を適正に変化させることができる。例えば、冷却水の積算流量が少ないときほど、変化速度ｄＴwoutの変動が大きくなり易い。従って、冷却水の積算流量が少ないときほど、変化速度ｄＴwoutの変動範囲、すなわち、第２の閾値ｄＴ2 から第１の閾値ｄＴ1 までの範囲、が狭くなるように第１の閾値ｄＴ１や第２の閾値ｄＴ２を設定する。これにより、流出温度Ｔwoutの変化速度ｄＴwoutの変動を抑制することができる。

　更に、本実施例では、開閉制御の際に、冷却水の積算流量に応じて流量制御弁１５の開度を設定する。これにより、冷却水の積算流量に応じて、流量制御弁１５の開度を変化させて、流量制御弁１５の開弁時の冷却水の流量を適正に変化させることができる。例えば、冷却水の積算流量が少ないときほど、変化速度ｄＴwoutの変動が大きくなり易い。従って、冷却水の積算流量が少ないときほど、流量制御弁１５の開度を小さくすることで、冷却水の流量を少なくして変化速度ｄＴwoutの変動を抑制することができる。

　また、本実施例では、流量制御弁１５の開弁中に変化速度ｄＴwoutが所定値ｄＴ３以下の状態が所定期間Ｐ以上継続したときに、流出温度Ｔwoutの変化が安定状態になったと判断して、開閉制御を終了して開度制御に移行する。これにより、流出温度Ｔwoutの変化が安定状態になったときに、開閉制御を速やかに終了して開度制御に移行することができる。

　更に、本実施例では、冷却水の流量に応じて所定期間Ｐを設定する。これにより、冷却水の流量に応じて、冷却水の循環周期が変化するのに対応して、所定期間Ｐを変化させて、所定期間Ｐを適正値、例えば冷却水の循環周期よりも少し長い時間、に設定することができる。

　尚、上記実施例では、流出温度Ｔwoutの変化速度情報として流出温度Ｔwoutの変化速度ｄＴwoutを用いて、変化速度ｄＴwoutがマイナス値にならないように流量制御弁１５の開閉を制御するようにした。しかしながら、流出温度Ｔwoutの変化速度情報として、例えば、流出温度Ｔwoutの所定時間当りの変化量や流出温度Ｔwoutが所定値だけ変化するのに必要な時間等を用いてもよい。この場合も、変化速度ｄＴwoutがマイナス値にならないように流量制御弁１５の開閉を制御する。

　また、上記実施例では、冷却水の積算流量に応じて第１の閾値ｄＴ１や第２の閾値ｄＴ２を設定するようにした。しかしながら、第１の閾値ｄＴ１や第２の閾値ｄＴ２を予め設定した固定値としても良い。

　更に、上記実施例では、冷却水の積算流量に応じて流量制御弁１５の開度を設定するようにした。しかしながら、流量制御弁１５の開度を予め設定した固定値としても良い。

　また、上記実施例では、冷却水の流量に応じて所定期間Ｐを設定するようにしたが、所定期間Ｐを予め設定した固定値としても良い。

　また、上記実施例では、流出温度Ｔwoutの変化速度情報（変化速度ｄＴwout）を二つの閾値（第１の閾値ｄＴ１及び第２の閾値ｄＴ）と比較して流量制御弁１５の開弁状態と閉弁状態とを切り換えるようにした。しかし、これに限定されず、流出温度Ｔwoutの変化速度情報を一つ閾値又は三つ以上の閾値と比較して流量制御弁１５の開弁状態と閉弁状態とを切り換えるようにしても良い。

　また、上記実施例では、１つの流量制御弁１５でバイパス流路の冷却水の流量とラジエータ流路の冷却水の流量を調節している。しかしながら、例えば、バイパス流路の冷却水の流量を調節する流量制御弁と、ラジエータ流路の冷却水の流量を調節する流量制御弁とを別々に設けても良い。また、冷却水温に応じて開閉するサーモスタットを設けても良い。

　また、上記実施例では、エンジンの動力で駆動される機械式のウォータポンプを設けている。しかしながら、モータで駆動される電動式のウォータポンプを設けても良い。

　本開示は、バイパス流路やラジエータ流路の接続方法、流量制御弁や水温センサの位置等といったエンジン冷却システムの構成を適時変更してもよい。

　このように、本開示は、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる。

Claims (6)

1. 　内燃機関（１１）を冷却する冷却水をラジエータ（１９）を通さずに循環させるバイパス流路（１７）を備えた内燃機関の冷却装置であって、
   　前記内燃機関（１１）の冷却水出口から流出する冷却水の流出温度（Ｔwout）を検出する流出温度センサ（２４）と、
   　前記バイパス流路（１７）を流れる冷却水の流量を調節する流量制御弁（１５）と、
   　前記流量制御弁（１５）の開閉を制御する制御装置（２６）と、を備え、
   　前記制御装置（２６）は、前記内燃機関（１１）の暖機中に、前記流量制御弁（１５）を開弁して前記バイパス流路（１７）を通る経路で前記冷却水の循環を開始した後、前記流出温度の変化速度情報に基づいて前記流出温度の変化速度（ｄＴwout）がマイナス値にならないように前記流量制御弁（１５）の開閉を制御する内燃機関の冷却装置。
2. 　前記制御装置（２６）は、
   　　前記内燃機関（１１）の暖機中に、前記流出温度が所定値以上になったときに前記流量制御弁（１５）を開弁して前記バイパス流路（１７）を通る経路で前記冷却水の循環を開始し、
   　　前記流出温度の変化速度情報が第１の閾値以上になったときに前記流量制御弁（１５）を閉弁し、
   　　前記流出温度の変化速度情報が前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下になったときに前記流量制御弁（１５）を開弁する処理を繰り返す開閉制御を実行する請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
3. 　前記制御装置（２６）は、前記開閉制御の際に、前記冷却水の積算流量に応じて前記第１の閾値と前記第２の閾値のうちの少なくとも一方を設定する請求項２に記載の内燃機関の冷却装置。
4. 　前記制御装置（２６）は、前記開閉制御の際に、前記冷却水の積算流量に応じて前記流量制御弁（１５）の開度を設定する請求項２又は３に記載の内燃機関の冷却装置。
5. 　前記制御装置（２６）は、前記流量制御弁（１５）の開弁中に前記流出温度の変化速度情報が所定値以下の状態が所定期間以上継続したときに、前記開閉制御を終了して前記流出温度に基づいて前記流量制御弁（１５）の開度を制御する開度制御に移行する請求項２乃至４のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
6. 　前記制御装置（２６）は、前記冷却水の流量に応じて前記所定期間を設定する請求項５に記載の内燃機関の冷却装置。

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