JP7687944B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の冷却装置に関する。

内燃機関を冷却するために、車両には冷却装置が搭載される。冷却装置は、冷却水を循環させる冷却水通路、ポンプ、および熱交換器（ラジエータ）などを含む。２つの冷却水通路を内燃機関に接続し、それぞれの冷却水通路にポンプを設けた装置が開示されている（例えば特許文献１）。

特開２０１１－１６９２３７号公報

２つの冷却水通路を流れる冷却水が互いに干渉し、ポンプに対する圧力損失（圧損）が増加する恐れがある。圧損の増加により冷却水の流れが阻害され、冷却性能が低下してしまう。そこで、冷却性能を向上することが可能な内燃機関の冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的は、内燃機関に接続され、冷却水が循環する第１通路と、前記内燃機関に接続され、前記冷却水が循環する第２通路と、前記第１通路に設けられ、前記冷却水が熱交換を行う熱交換器と、前記第１通路に設けられた第１ポンプと、前記第２通路に設けられた第２ポンプと、前記第１ポンプおよび前記第２ポンプを制御する制御部と、を具備し、前記冷却水の温度が所定の温度以上である場合、前記制御部は、前記冷却水の温度が前記所定の温度未満の場合に比べて前記第１通路における前記冷却水の流量が増加するように前記第１ポンプを駆動させ、かつ前記第２ポンプを停止させる第１制御を行い、前記内燃機関が低負荷から高負荷への過渡運転をする場合、前記制御部は、前記過渡運転をしない場合に比べて、前記第１通路における前記冷却水の流量が増加するように前記第１ポンプを駆動させ、かつ前記第２通路における前記冷却水の流量が増加するように前記第２ポンプを駆動させる第２制御を行う内燃機関の冷却装置によって達成できる。

前記第１制御において、前記制御部は前記第１ポンプの回転数を最大としてもよい。

前記内燃機関の吸入空気量の増加量が所定量以上である場合、前記制御部は前記第２制御を行ってもよい。

前記第２制御が所定時間以上続く場合、前記制御部は前記第２制御を停止してもよい。

前記第１通路と前記第２通路とは、一部の通路を共有し、前記第１通路のうち前記共有する通路よりも上流側に前記第１ポンプが設けられ、前記第２通路のうち前記共有する通路よりも上流側に前記第２ポンプが設けられてもよい。

冷却性能を向上することが可能な内燃機関の冷却装置を提供できる。

図１は冷却装置を例示する模式図である。 図２はＥＣＵが実行する処理を例示するフローチャートである。 図３（ａ）は高水温時制御を例示するフローチャートである。図３（ｂ）は過渡運転時制御を例示するフローチャートである。

以下、図面を参照して本実施形態の内燃機関の冷却装置について説明する。図１は冷却装置１００を例示する模式図である。冷却装置１００は車両に搭載され、内燃機関１０を冷却する。内燃機関１０は、例えばガソリンエンジンなどであり、シリンダブロック１２およびシリンダヘッド１４を有する。

シリンダブロック１２およびシリンダヘッド１４は、例えばアルミニウム合金などの金属で形成されている。シリンダヘッド１４は、シリンダブロック１２の上に取り付けられている。シリンダヘッド１４に燃焼室が形成される。内燃機関１０はウォータジャケット１６を有する。ウォータジャケット１６は、シリンダブロック１２およびシリンダヘッド１４に延伸し、燃焼室を囲み、内側に冷却水を貯留する。

内燃機関１０のシリンダヘッド１４には、吸気通路２０および排気通路２２が接続される。吸気通路２０には、上流側から下流側にかけて、エアクリーナ２４、エアフローメータ２５、およびスロットルバルブ２６がこの順に設けられている。エアクリーナ２４は空気を浄化する。エアフローメータ２５は空気の流量を検出する。スロットルバルブ２６は空気の流量を調節する。スロットルバルブ２６の開度が大きくなると空気の流量は増加する。開度が小さくなると流量は減少する。排気通路２２には、不図示の触媒など排気を浄化する部品が設けられる。

吸気通路２０を通じて内燃機関１０に空気が導入される。不図示の燃料噴射弁からガソリンなどの燃料が供給される。内燃機関１０の燃焼室において、空気と燃料との混合気が燃焼することで、動力が発生する。燃焼で生じる排気は、排気通路２２から排出される。排気の一部は、不図示のＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation、排気再循環）装置を通じて、吸気通路２０に循環する。

冷却装置１００は、複数の冷却水通路を有する。冷却水通路３０、３２、３４および３５は、ウォータジャケット１６に接続されている。冷却水通路３０からは、冷却水通路３１、３３および３６が分岐する。冷却水通路３１、３３および３５は合流して冷却水通路３７を形成する。冷却水通路３６と冷却水通路３７とは合流して冷却水通路３２を形成する。冷却水通路３２の途中から冷却水通路３４が分岐する。

冷却水通路３０、３６および３２は、冷却水が循環する第１通路４０を形成する。冷却水通路３０、３１，３３、３７および３２は、冷却水が循環する第２通路４２を形成する。冷却水は内燃機関１０に供給され、ウォータジャケット１６に貯留され、内燃機関１０を冷却する。冷却水は内燃機関１０から排出され、後述の部品などで熱交換し、再び内燃機関１０に供給される。

内燃機関１０の冷却水通路３０との接続部分は、冷却水の出口である。冷却水通路３０と内燃機関１０との接続部分に温度センサ４４が設けられている。温度センサ４４は、内燃機関１０からの出口部分における冷却水の温度を検出する。内燃機関１０の冷却水通路３２との接続部分は、冷却水の入口である。冷却水通路３２のうち冷却水通路３４との接続部分よりも上流側には温度センサ４６が設けられている。温度センサ４６は、内燃機関１０への入口部分における冷却水の温度を検出する。

冷却水通路３１にオートマティックトランスミッションフルード熱交換器（ＡＴＦ／Ｗ）４８が設けられている。冷却水通路３３にはヒータ５０が設けられている。冷却水通路３５にはＥＧＲクーラ５１が設けられている。冷却水通路３４にはオイルクーラ５２が設けられている。冷却水は、上記の部品に供給されて熱交換を行う。冷却水通路３７にはポンプ５７（第２ポンプ）が設けられている。

冷却水通路３６にはラジエータ５４（熱交換器）およびポンプ５６（第１ポンプ）が設けられている。ラジエータ５４は、例えばアルミニウム合金などの金属で形成された熱交換器である。冷却水はラジエータ５４の内部に導入され、ラジエータ５４において冷却される。ラジエータ５４より下流側の冷却水は、上流側の冷却水、第２通路４２の冷却水よりも低温である。ラジエータ５４の近傍にはファン５５が配置されている。ファン５５はラジエータ５４に風を送り、ラジエータ５４を冷却する。ポンプ５６はラジエータ５４よりも下流側に位置する。

ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０（制御部）はＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置、フラッシュメモリ、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置を備え、記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。

ＥＣＵ６０は、エアフローメータ２５から空気の流量を取得し、温度センサ４４から出口部分の水温を取得し、温度センサ４６から入口部分の水温を取得する。ＥＣＵ６０はスロットルバルブ２６の開度を制御する。ＥＣＵ６０はファン５５を制御する。

ＥＣＵ６０はポンプ５６およびポンプ５７を制御する。ポンプ５６の回転数が上昇すると、第１通路４０の冷却水の流量が増加する。ポンプ５６の回転数が低下すると、第１通路４０の冷却水の流量が減少する。ポンプ５６が停止すると、第１通路４０での冷却水の流れが停止する。ポンプ５７の回転数が上昇すると、第２通路４２の冷却水の流量が増加する。ポンプ５７の回転数が低下すると、第２通路４２の冷却水の流量が減少する。ポンプ５７が停止すると、第２通路４２での冷却水の流れが停止する。

冷却装置１００は、冷却水が循環する第１通路４０および第２通路４２を有する。内燃機関１０の運転状態に応じて、これら２つの通路における冷却水の流れを制御することで、内燃機関１０に対する冷却性能を高めることができる。

図２はＥＣＵ６０が実行する処理を例示するフローチャートである。ＥＣＵ６０は温度センサ４４から内燃機関１０の出口における水温Ｔを取得し、水温Ｔが所定の温度Ｔｔｈ以上であるか否か判定する（ステップＳ１０）。肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ６０は高水温時制御（第１制御）を行う（ステップＳ１２）。高水温時制御については後述する。ステップＳ１２の後、図２の処理は終了する。

ステップＳ１０で否定判定（Ｎｏ）の場合、ＥＣＵ６０は後述の過渡運転時制御の継続時間Ｌが所定の時間Ｌｔｈ未満であるか否か判定する（ステップＳ１４）。時間Ｌｔｈは例えば５秒から２０秒の範囲などとする。肯定判定の場合、ＥＣＵ６０は過渡運転時制御を継続して行う（ステップＳ１６）。過渡運転時制御については後述する。ステップＳ１６の後、図２の処理は終了する。

ステップＳ１４において否定判定の場合、ＥＣＵ６０はエアフローメータ２５から吸入空気量を取得し、所定の時間内（例えば数秒以内など）における吸入空気量の増加量ΔＡが所定の値Ａｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。肯定判定の場合、ＥＣＵ６０は経過時間Ｌを測定するカウンタをリセットし（ステップＳ１８）、過渡運転時制御（第２制御）を行う（ステップＳ１６）。否定判定の場合、ＥＣＵ６０は温度制御を行う（ステップＳ１９）。例えば２つのポンプ５６とポンプ５７とを駆動させ、第１通路４０の水量および第２通路４２の水量を調節して、温度制御を行う。

図３（ａ）は高水温時制御を例示するフローチャートである。ＥＣＵ６０はポンプ５７を停止させる（ステップＳ２０）。第２通路４２における水流は停止する。ＥＣＵ６０はポンプ５６を最大回転数で駆動させる（ステップＳ２２）。ステップＳ２２の後、図３（ａ）の処理は終了する。

ポンプ５６が最大回転数で駆動することで、第１通路４０における冷却水の流量が増加し、ラジエータ５４への冷却水の供給量が増加する。ポンプ５７が停止しているため、冷却水通路３６を流れる冷却水と、冷却水通路３７内の冷却水との干渉が抑制される。ポンプ５６に対する圧損が抑制されるため、第１通路４０における冷却水の流量が効果的に増加する。冷却水の一部は冷却水通路３６から冷却水通路３７にも流れ、冷却水通路３６を通りラジエータ５４に供給される。ラジエータ５４への冷却水の供給量が増加することで、ラジエータ５４でより多くの冷却水が冷却される。冷却された冷却水は、内燃機関１０に導入される。高水温時制御によって、内燃機関１０を効果的に冷却することができる。

図３（ｂ）は過渡運転時制御を例示するフローチャートである。過渡運転とは、内燃機関１０が低負荷から高負荷に移行する際の運転を意味する。ＥＣＵ６０はポンプ５６を最大回転数で駆動させ（ステップＳ２４）、かつポンプ５７も最大回転数で駆動させる（ステップＳ２６）。ＥＣＵ６０は、カウンタをスタートさせ、過渡運転時制御を開始してからの経過時間Ｌを計測する（ステップＳ２８）。以上で図３（ｂ）の処理は終了する。

ポンプ５６および５７が最大回転数で駆動することで、第１通路４０および第２通路４２における冷却水の流量が増加し、内燃機関１０に流れ込む冷却水の流速が最大になる。流速が増加することで冷却性能が向上する。内燃機関１０に対する応答性が向上し、内燃機関１０を迅速に冷却し、温度上昇を抑制することができる。

本実施形態によれば、冷却水の温度ＴがＴｔｈ以上である場合、図３（ａ）に示すようにＥＣＵ６０はポンプ５７を停止させ、第２通路４２における冷却水の流れを停止させる。ＥＣＵ６０は、高温以外の状態（Ｔ＜Ｔｔｈの場合）に比べて第１通路４０の冷却水の流量が増加するように、ポンプ５６を駆動させ、第１通路４０に冷却水を循環させる。第２通路４２の水流が停止しているため、第１通路４０の水流が阻害されにくい。第１通路４０から第２通路４２（冷却水通路３７）への水の逆流も許容する。ポンプ５６の圧損が抑制され、第１通路４０の冷却水の流れが増加しやすい。冷却水がラジエータ５４に導入され、冷却水が冷却されることで冷却性能が向上する。ラジエータ５４で冷却後の冷却水が内燃機関１０に導入されることで、内燃機関１０が冷却される。高温の状態の内燃機関１０を効果的に冷却し、オーバーヒートなどを抑制することができる。

高温時制御において、ＥＣＵ６０は、ポンプ５６の出力を９０％以上、９５％以上などに高めることが好ましく、特にポンプ５６を最大回転数（出力１００％）で駆動させることが好ましい（図３（ａ）のステップＳ２２）。第１通路４０の冷却水の流量が増加するため、ラジエータ５４による冷却水の温度低下、および内燃機関１０の冷却を促進することができる。

第１通路４０と第２通路４２とは、冷却水通路３２を共有する。第１通路４０の水流と第２通路４２の水流とは冷却水通路３２で合流する。２つの水流がぶつかると、ポンプの圧損が増加する。ポンプ５７を停止することで、第２通路４２の水流を停止させる。水流の干渉によるポンプ５６の圧損が抑制され、第１通路４０の水流を増加させることができる。冷却水がより多くラジエータ５４に流れ、冷却されるため、冷却性能が向上する。

水温ＴがＴｔｈ未満ならば、オーバーヒートの危険は低い。しかし、低負荷運転から高負荷運転への過渡運転中、内燃機関１０の温度が上昇しやすい。吸入空気量の増加量ΔＡが所定の値Ａｔｈ以上である場合、内燃機関１０は過渡運転の状態にある。このとき、第１通路４０および第２通路４２の冷却水の流量が増加するように、ＥＣＵ６０はポンプ５６および５７を駆動させる（図３（ｂ））。第１通路４０および第２通路４２から内燃機関１０に流れ込む冷却水が増加する。内燃機関１０に大きな流速で冷却水が導入されることで、冷却性能が向上する。内燃機関１０を迅速に冷却することで、過渡運転時のノッキングを抑制することができる。ノッキング対策として点火時期の遅角などを行わなくてもよいため、燃費の悪化、トルクの低下などが抑制される。ＥＣＵ６０は、ポンプ５６および５７を最大回転数で駆動させてもよい。内燃機関１０への冷却水の流量が最大になることで、効果的に冷却することができる。

上記のように、図３（ｂ）の過渡運転時制御を行うことで、冷却装置１００の応答性を高め、内燃機関１０を迅速に冷却する。内燃機関１０の冷却に用いられた冷却水の温度は上昇する。温度センサ４４により冷却水の温度上昇を検出し、高温時にはＥＣＵ６０は図３（ａ）の高温時制御を行う。ラジエータ５４による冷却水の冷却を優先して行う。冷却した冷却水によって内燃機関１０を冷却し、温度上昇を抑制することができる。本実施形態によれば、過渡運転時の応答性の向上と、高温時の冷却性能の向上とを両立することができる。

過渡運転時制御の継続時間ＬがＬｔｈ以上ならば、ＥＣＵ６０は過渡運転時制御を停止する。その後、高温時（Ｔ≧Ｔｔｈ）にはＥＣＵ６０は図３（ａ）の高温時制御を行えばよい。また、高温でなければ（Ｔ＜Ｔｔｈ）、ＥＣＵ６０は温度制御を行う（図２のステップＳ１９）。ＥＣＵ６０はポンプ５６および５７の両方を駆動させ、これらの回転数を制御し、第１通路４０の冷却水の流量および第２通路の冷却水の流量を調節する。冷却水の温度を適切な範囲に維持する。例えば冷却水の温度が所定の温度以上に上昇すると、ポンプ５６の回転数を高め、第１通路４０における冷却水の流量を増加させる。ラジエータ５４で冷却される冷却水が増加する。冷却水の温度が所定の温度以下に低下すると、ポンプ５６の回転数を低下させ、ラジエータ５４で冷却される冷却水を減少させる。

図２に示すように、温度センサ４４が検出する内燃機関１０の出口部分における冷却水の温度に基づき、高温時制御を行うか否か判定する。温度センサ４４が検出る水温だけでなく、温度センサ４６が検出する入口部分の冷却水温度も判断に用いてもよい。吸入空気量の増加量以外に、例えば不図示のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）の増加量が所定量以上などの場合に、過渡運転と判断してもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 内燃機関
１２ シリンダブロック
１４ シリンダヘッド
１６ ウォータジャケット
２０ 吸気通路
２２ 排気通路
２４ エアクリーナ
２５ エアフローメータ
２６ スロットルバルブ
３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７ 冷却水通路
４０ 第１通路
４２ 第２通路
４４、４６ 温度センサ
４８ ＡＴＦ／Ｗ
５０ ヒータ
５１ ＥＧＲクーラ
５２ オイルクーラ
５４ ラジエータ
５５ ファン
５６ ポンプ（第１ポンプ）
５７ ポンプ（第２ポンプ）
６０ ＥＣＵ
１００ 冷却装置

Claims (5)

1. 内燃機関に接続され、冷却水が循環する第１通路と、
   前記内燃機関に接続され、前記冷却水が循環する第２通路と、
   前記第１通路に設けられ、前記冷却水が熱交換を行う熱交換器と、
   前記第１通路に設けられた第１ポンプと、
   前記第２通路に設けられた第２ポンプと、
   前記第１ポンプおよび前記第２ポンプを制御する制御部と、を具備し、
   前記冷却水の温度が所定の温度以上である場合、前記制御部は、前記冷却水の温度が前記所定の温度未満の場合に比べて前記第１通路における前記冷却水の流量が増加するように前記第１ポンプを駆動させ、かつ前記第２ポンプを停止させる第１制御を行い、
   前記内燃機関が低負荷から高負荷への過渡運転をする場合、前記制御部は、前記過渡運転をしない場合に比べて、前記第１通路における前記冷却水の流量が増加するように前記第１ポンプを駆動させ、かつ前記第２通路における前記冷却水の流量が増加するように前記第２ポンプを駆動させる第２制御を行う内燃機関の冷却装置。
2. 前記第１制御において、前記制御部は前記第１ポンプの回転数を最大とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
3. 前記内燃機関の吸入空気量の増加量が所定量以上である場合、前記制御部は前記第２制御を行う請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
4. 前記第２制御が所定時間以上続く場合、前記制御部は前記第２制御を停止する請求項１または３に記載の内燃機関の冷却装置。
5. 前記第１通路と前記第２通路とは、一部の通路を共有し、
   前記第１通路のうち前記共有する通路よりも上流側に前記第１ポンプが設けられ、
   前記第２通路のうち前記共有する通路よりも上流側に前記第２ポンプが設けられる請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却装置。
   

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