JP2012137045A - 内燃機関の冷却水循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃費の悪化と振動及び騒音の発生を抑制し、トルク変動を抑制することのできる内燃機関の冷却水循環装置を提供する。
【解決手段】スロットルポジションセンサにて検出される電子制御スロットルボディのスロットルバルブの開度が全閉であり(S14)、車両が停止しており(S16)、更にエンジン回転数が所定回転数より低ければ(S18)、車両が停止中でエンジンがアイドリング運転中であるとのアイドル判定を行う(S20)。そして、クランク角センサにて検出されるクランク角が、所定範囲内であれば、冷却水停止弁６を開き、ウオータポンプに冷却水を供給し(S24)、クランク角が所定範囲外であれば、冷却水停止弁を閉めてウオータポンプに冷却水を供給しない（S34）。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の冷却水循環装置に係り、詳しくは、冷却水の循環を制御する技術に関する。

内燃機関は、各気筒の燃焼室で燃料と空気との混合気を燃焼させトルクを得るようにしている。混合気の燃焼は、例えば４サイクルの４気筒エンジンでは、内燃機関のクランクシャフトが２回転する間に４度間欠的行われており、各気筒で同様の発生トルクとなるように燃料量及び空気量が調整されている。
しかしながら、内燃機関を構成する部品にはばらつきがあり、例えば燃料噴射弁では、燃料噴射弁より噴射される燃料量にばらつきがあって、気筒間で燃料供給量が異なり、ひいては燃焼室での燃焼力、即ち気筒間で発生するトルクがばらつくこととなる。

このように、気筒間で発生トルクがばらつくとトルクが変動し、振動が発生することとなる。
このようなことから、気筒間の発生トルクのばらつきを検出してオルタネータにて負荷トルクを発生させ、トルクの変動を抑制し、振動を抑制する技術が開発されている（特許文献１）。

特許第２８３１４８３号公報

しかしながら、特許文献１の振動を抑制する技術では、気筒間での発生トルクのばらつきを抑制するように気筒間での発生トルクのばらつきに合わせてオルタネータで発生する負荷を連続的に可変制御して気筒間のトルク変動を抑制するようにしており、複雑な制御となっている。
また、内燃機関の回転数を上昇させ、気筒間での燃焼間隔を短縮することで、振動を抑制する手法が知られている。

しかしながら、このように内燃機関の回転数を上昇させる手法は、制御が簡単であるものの、燃費の悪化や振動及び騒音が増大することとなり好ましいことではない。
本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃費の悪化と振動及び騒音の発生を抑制し、簡単な制御でトルク変動を十分に抑制することのできる内燃機関の冷却水循環装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の内燃機関の冷却水循環装置では、車両に搭載される内燃機関のクランクシャフトのクランク角を検出するクランク角検出手段と、前記クランクシャフトにより駆動され、前記内燃機関に冷却水を循環させる冷却水循環手段と、前記冷却水循環手段の上流に配設され、前記冷却循環手段への前記冷却水の供給を切り換える供給切換手段と、前記クランク角検出手段により検出された前記クランク角が予め設定された所定範囲にあるか否かに応じて、前記供給切換手段の切り換えを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関の冷却水循環装置では、請求項１において、前記所定範囲は、前記内燃機関の発生トルクの平均利より発生トルクが大きなトルクとなるクランク角に対応して設定されており、前記制御手段は、前記クランク角検出手段により検出された前記クランク角が、前記所定範囲内のクランク角であるときには前記冷却水が前記冷却水循環手段に供給されるように前記供給切換手段を切り換え、前記クランク角が前記所定範囲外であるときには前記冷却水が前記冷却水循環手段に供給されないように前記供給切換手段を切り換えることを特徴とする。

また、請求項３の内燃機関の冷却水循環装置では、請求項１或いは２において、前記車両の状態を検出する車両状態検出手段と、冷却水の温度を検出する温度検出手段とを備え、前記制御手段は、前記クランク角度検出手段より検出されるクランク角度に基づいて前記内燃機関の回転数を算出し、前記内燃機関の回転数と前記車両状態検出手段により検出された前記車両の状態と前記温度検出手段により検出された前記冷却水の温度とに基づいて、前記車両が停止状態で前記内燃機関がアイドリング運転中であると判定されたときにのみ、前記クランク角に基づく前記供給切換手段の切り換え制御を行うことを特徴とする。

また、請求項４の内燃機関の冷却水循環装置では、請求項３において、前記制御手段は、前記内燃機関の回転数と前記車両の状態と前記冷却水の温度に基づいて、前記車両が加速中であると判定されたときに、前記冷却水が前記冷却水循環手段に供給されるように前記供給切換手段を開側に切り換えることを特徴とする。
また、請求項５の内燃機関の冷却水循環装置では、請求項３或いは４において、前記制御手段は、前記内燃機関の回転数と前記車両の状態と前記冷却水の温度に基づいて、前記車両が減速中であると判定されたときに、前記冷却水が前記冷却水循環手段に供給されないように前記供給切換手段を閉側に切り換えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、クランク角検出手段により検出されたクランク角が予め設定された所定範囲にあるか否かに応じて、供給切換手段を切り換えるようにしている。
このように、クランク角に応じ供給切換手段を切り換えることで、内燃機関の運転に応じ、通水抵抗を変化させることができる。
従って、この通水抵抗の変化により冷却水循環手段の駆動負荷が変化し、内燃機関の変動等を抑制したりすることができる。

請求項２の発明によれば、クランク角が所定範囲内と判定された時には、冷却水が冷却水循環手段に供給されるように供給切換手段を開側に切り換え、クランク角が所定範囲外と判定された時には、冷却水が冷却水循環手段に供給されないように供給切換手段を閉側に切り換えるようにしている。
このように、内燃機関の発生トルクが当該発生トルクの平均値よりも大きなトルクとなるクランク角では、冷却水循環手段へ冷却水を供給し、冷却水循環手段で駆動負荷を発生させているので、内燃機関での発生トルクを減少させることができる。また、内燃機関の発生トルクが当該発生トルクの平均値よりも小さいトルクとなるクランク角では、冷却水循環手段への冷却水の供給を停止し、冷却水循環手段での駆動負荷を無くしているので、内燃機関での発生トルクが減少しないようすることができる。

従って、発生トルクに合わせて、冷却水循環手段による駆動負荷の発生の有無を制御することができるので、クランク角に応じて供給切換手段を切換えるといった簡単な制御で内燃機関のトルク変動を十分に抑制することが可能となり、燃費の悪化や振動及び騒音の発生を抑制することができる。
また、請求項３の発明によれば、車両が停止状態で内燃機関がアイドリング運転中と判定されたときにのみ、供給切換手段による切り換え制御を行うようにしている。

従って、内燃機関のトルク変動の大きなアイドリング運転時にトルク変動の抑制を行うことで、振動及び騒音を効果的に抑制することができる。
また、請求項４の発明によれば、車両が加速中と判定されたときに、冷却水循環手段に冷却水を供給するように供給切換手段を開側に切り換える制御を行っているので、内燃機関が高温となる可能性の高い加速時に内燃機関に冷却水を供給することができ、内燃機関のオーバーヒートをより確実に防止することができる。

また、請求項５の発明によれば、車両が減速中と判定されたときに、冷却水循環手段に冷却水を供給しないように供給切換手段を閉側に切り換える制御を行っているので、内燃機関内の冷却水温を上昇させ、フリクションを低減することができ、ひいては燃費を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の冷却水循環装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の冷却水循環装置の冷却水停止弁の制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る冷却水停止弁の作動と発生トルクの推移を時系列で示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の冷却水循環装置の概略構成図を示しており、太実線は、エンジン外での冷却水の流れを、細破線はエンジン内での冷却水の流れの概略をそれぞれ示している。以下、本発明の実施形態の構成を説明する。
図１に示すように、本実施形態の内燃機関の冷却水循環装置は、車両に搭載される４サイクル直列４気筒型ガソリンエンジン（以下、エンジンという）（内燃機関）１に適用されており、車両の車速を検出する車速センサ（車両状態検出手段）２０と、車両の総合的な制御を行うための制御装置であって、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成される電子コントロールユニット（以下、ＥＣＵという）（制御手段）３０と、エンジン１に備えられた冷却水循環装置とにより構成されている。

冷却水循環装置は、ウオータポンプ（冷却水循環手段）４とサーモスタット５と電子制御スロットルボディ８とヒータ９とラジエター１０とそれらを繋ぐバイパス配管１１とヒータ配管１２と冷却水配管１３とで構成されている。
エンジン１のシリンダブロック２には、図示しないピストンが上下摺動可能なシリンダが形成されている。また、シリンダブロック２には、当該シリンダを冷却する冷却水が流れる冷却水通路が形成されている。また、シリンダブロック２には、シリンダブロック２内に設けられ、ピストンの上下運動を回転運動に変換する図示しないクランクシャフトが設けられている。また、シリンダブロック２には、クランクシャフトにより駆動され、冷却水をシリンダブロック２及びエンジン１のシリンダヘッド３に供給するウオータポンプ４が設けられている。また、シリンダブロック２には、ウオータポンプ４の上流に、冷却水の温度に応じてシリンダブロック２に供給する冷却水の流量を調整するサーモスタット５が設けられている。また、シリンダブロック２のウオータポンプ４とサーモスタット５の間には、電磁ソレノイドを作動させることによりウオータポンプ４への冷却水の供給と停止を切り換える冷却水停止弁（供給切換手段）６が設けられている。更にシリンダブロック２には、クランクシャフトの回転角度、所謂クランク角を検出するクランク角センサ（クランク角検出手段）１４が設けられている。

シリンダヘッド３は、シリンダブロック２上に載置されている。
シリンダヘッド３には、図示しない燃焼室が形成されている。また、シリンダヘッド３には、燃焼室を冷却する冷却水が流れる冷却水通路が形成されている。更に、シリンダヘッド３には、シリンダヘッド３を通過した冷却水の温度を検出する水温センサ（温度検出手段）７が設けられている。

エンジン１に吸入される空気流量を調整する電子制御スロットルボディ８には、当該電子制御スロットルボディ８の温度を上昇させるための冷却水通路が備えられている。電子制御スロットルボディ８の冷却水通路は、シリンダヘッド３の冷却水通路とサーモスタット５の下流の冷却水配管１３とを接続するバイパス配管１１に介装されている。更に、電子制御スロットルボディ８には、スロットルバルブの開き度合を検出するスロットルポジションセンサ（車両状態検出手段）１５が備えられている。

ヒータ９は、シリンダヘッド３の冷却水通路と、サーモスタット５の下流の冷却水配管１３とを接続するヒータ配管１２に介装されている。また、ヒータ９は、エンジン１よりヒータ配管１２を通過して循環される冷却水の熱を放熱し、車室内に導入される空気を暖める機能を有する。
ラジエター１０は、シリンダヘッド３の冷却水通路と、サーモスタット５の上流に接続する冷却水配管１３に介装されている。また、ラジエター１０は、シリンダブロック２及びシリンダヘッド３にて冷却水が吸収した熱を大気に放熱し、熱交換を行い冷却水の温度を下げる機能を有する。

そして、上記水温センサ７、クランク角センサ１４及びスロットルポジションセンサ１５等の各種センサ類は、車両に搭載されているＥＣＵ３０の入力側に電気的に接続されており、これらセンサ類からの検出情報がＥＣＵ３０に入力される。
一方、ＥＣＵ３０の出力側には、上記冷却水停止弁６及び電子制御スロットルボディ８等の各種装置が電気的に接続されており、これら各種装置には各種センサ類からの検出情報に基づき演算された冷却水停止弁６の開閉、スロットル開度等がそれぞれ出力される。

また、ＥＣＵ３０では、クランク角センサ１４からの入力信号に基づき、エンジン回転数が算出される。また、ＥＣＵ３０では、スロットルポジションセンサ１５からの入力信号に基づき、スロットル開度の変化量や、車速センサ２０からの入力信号に基づき、車速の変化量等が算出される。
次に、冷却水の流れについて説明する。

冷却水は、ウオータポンプ４によりシリンダブロック２を経由してシリンダヘッド３に供給される。供給された冷却水はシリンダヘッド３より排出され、ここで水温センサ７により冷却水の温度が検出される。シリンダヘッド３から排出された冷却水の多くは、ラジエター１０に冷却水配管１３を通って供給される。そして、ラジエター１０によって冷却された冷却水は冷却水配管１３を通ってサーモスタット５の上流に供給される。一方、シリンダヘッド３より排出された冷却水の残りは、バイパス配管１１或いはヒータ配管１２を通って電子制御スロットルボディ８或いはヒータ９に供給される。そして、電子制御スロットルボディ８或いはヒータ９に供給された冷却水はバイパス配管１１或いはヒータ配管１２を通って、サーモスタット５の下流に供給される。サーモスタット５の上流及び下流に供給された冷却水は冷却水停止弁６を通過して、ウオータポンプ４に供給される。

次に、本発明の実施形態に係る内燃機関の冷却水循環装置の冷却水停止弁の制御要領について説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る内燃機関の冷却水循環装置の冷却水停止弁の制御フローチャートを示している。また、図３は、冷却水停止弁の作動とエンジン１の発生トルクの推移を時系列で示す図である。図３中の発生トルクの太実線は、冷却水停止弁６を制御した場合の発生トルクを、破線は、冷却水停止弁６を制御しない場合の発生トルクを、細実線は、発生トルクの平均値である平均トルクをそれぞれ示している。

図２に示すルーチンは、車両の電源オン時に繰り返し行われる。
図２及び図３に示すように、始めにステップＳ１０では、エンジン１が停止したか、否かを判別する。詳しくは、クランク角センサ１４にて検出されるクランク角の変化量が０であるか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でクランク角の変化量が０でエンジン１が停止していれば、本ルーチンをリターンする。判別結果が偽（Ｎｏ）でクランク角の変化量が０より大きくエンジン１が停止していなければ、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、水温センサ７にて検出される冷却水温が所定温度より高いか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で冷却水温が所定温度よりも高ければ、ステップＳ１４に進む。判別結果が偽（Ｎｏ）で冷却水温が所定温度以下であれば、本ルーチンをリターンする。
ステップＳ１４では、スロットルポジションセンサ１５にて検出される電子制御スロットルボディ８のスロットルバルブの開度が全閉であるか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でスロットルバルブの開度が全閉であれば、ステップＳ１６に進む。判別結果が偽（Ｎｏ）でスロットルバルブの開度が全開であれば、ステップＳ２６に進む。

ステップＳ１６では、車両が停止中か、否かを判別する。詳しくは、車速センサ２０にて検出される車速が０ｋｍ／ｈか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で車速が０ｋｍ／ｈで車両が停止していれば、ステップＳ１８に進む。判別結果が偽（Ｎｏ）で車速が０ｋｍ／ｈではなく、車両が走行していれば、ステップＳ３２に進む。
ステップＳ１８では、エンジン回転数が所定回転数より低いか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でエンジン回転数が所定回転数より低ければ、ステップＳ２０に進む。判別結果が偽（Ｎｏ）でエンジン回転数が所定回転数以上であれば、ステップＳ３２に進む。

ステップＳ２０では、アイドリング判定を行う。詳しくは、車両が停止中でエンジン１がアイドリング運転中であるとの判定を行う。そして、ステップＳ２２に進む。
ステップＳ２２では、クランク角センサ１４にて検出されるクランク角が、発生トルクが当該発生トルクを平均した平均トルクより大きくなるクランク角の範囲である所定範囲内か、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でクランク角が所定範囲内であれば、ステップＳ２４に進む。判別結果が偽（Ｎｏ）でクランク角が所定範囲外であれば、ステップＳ３４に進む。

なお、この所定範囲は、エンジン１の特性（気筒数等）に応じて予め設定され、ＥＣＵ３０に記憶されている。例えばエンジン１が２回転する間にそれぞれの気筒が等間隔に１度燃焼する４気筒エンジンの場合は、燃焼圧が発生する上死点（ＴＤＣ）付近を基準として１８０°ＣＡごとに周期的に発生トルクが高くなるので、その発生トルクが高くなる角度を所定範囲として設定する。

ステップＳ２４では、ウオータポンプ４に冷却水を供給するように冷却水停止弁６を開く（図３（ｉ）に相当）。そして、本ルーチンをリターンする。
一方、ステップＳ２６では、スロットルポジションセンサ１５にて検出されるスロットル開度の変化量が所定変化量より大きいか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でスロットル開度の変化量が所定変化量より大きければ、ステップＳ２８に進む。そして、ステップＳ２８では、加速判定を行う。即ち、車両が加速中であると判定する。そして、ステップＳ２４に進む。判別結果が偽（Ｎｏ）でスロットル開度の変化量が所定変化量以下であれば、ステップＳ３０に進む。そして、ステップＳ３０では、車両が定常走行中と判定する。そして、本ルーチンをリターンする。

また、ステップＳ３２では、減速判定を行う。即ち、車両が減速中であると判定する。そして、ステップＳ３４に進む。
ステップＳ３４では、ウオータポンプ４に冷却水を供給しないように冷却水停止弁６を閉める（図３（ｉｉ）に相当）。そして、本ルーチンをリターンする。
このように、本発明の実施形態に係る内燃機関の冷却水循環装置では、スロットルポジションセンサ１５にて検出される電子制御スロットルボディ８のスロットルバルブの開度が全閉であり、車速センサ２０にて検出される車速が０ｋｍ／ｈで車両が停止しており、更にエンジン回転数が所定回転数より低ければ、車両が停止中でエンジン１がアイドリング運転中であるとのアイドル判定を行う。そして、クランク角センサ１４にて検出されるクランク角が、発生トルクが当該発生トルクを平均した平均トルクより大きくなるクランク角の範囲である所定範囲内であれば、冷却水停止弁６を開き、ウオータポンプ４に冷却水を供給し、クランク角が所定範囲外であれば、冷却水停止弁６を閉めてウオータポンプ４に冷却水を供給しないようにしている。

従って、エンジン１での発生トルクが当該発生トルクの平均値よりも大きなトルクとなる場合に、ウオータポンプ４へ冷却水を供給して、ウオータポンプ４の駆動負荷を発生させるようにしており、更にエンジン１での発生トルクが当該発生トルクの平均値よりも小さいトルクとなる場合にはウオータポンプ４への冷却水の供給を停止して、ウオータポンプ４の駆動負荷を無くすようにしているので、エンジン１での発生トルクに合わせて、ウオータポンプ４の駆動負荷の発生の有無を制御して、簡単な制御でエンジン１のトルク変動を十分に抑制することが可能となり、振動及び騒音の発生を抑制することができる。

特に、車両が停止中でエンジン１がアイドリング運転中と判定されたときにのみ、クランク角に基づく冷却水停止弁６の切り換え制御を行うようにしており、エンジン１のトルク変動の大きなアイドリング運転時にトルク変動が抑制され、振動及び騒音を効果的に抑制することができる。また、アイドリング運転時においてトルク変動が抑制されることで、エンジンの作動を安定させるべくエンジンの回転速度を上昇させることを抑制することができ、アイドリング運転時での燃費低減を図ることが可能となる。

また、車両が加速中と判定されたときには、ウオータポンプ４に冷却水を供給するように冷却水停止弁６を制御するようにしているので、エンジン１のオーバーヒートを確実に防止することができる。
また、車両が減速中と判定されたときに、ウオータポンプ４に冷却水を供給しないように冷却水停止弁６を制御するようにしており、例えば冷間時での始動直後の車両走行時において冷却水の循環停止によりエンジン１温度を速やかに上昇させることが可能となり、エンジン１のフリクションを低減することができるので燃費を向上させることができる。

以上で発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の形態は上記実施形態に限定されるものではない。
上記実施形態では、ステップＳ２６にてスロットル開度の変化量に基づいて車両が加速中であるか、定常走行中であるかの判定を行っているが、これに限定されるものではなく、車速センサ２０にて検出される車速の変化量で車両が加速中であるか、定常走行中であるかの判定を行うようにしてもよい。

１ エンジン（内燃機関）
４ ウオータポンプ（冷却水循環手段）
６ 冷却水停止弁（供給切換手段）
７ 水温センサ（温度検出手段）
１４ クランク角センサ（クランク角検出手段）
１５ スロットルポジションセンサ（車両状態検出手段）
２０ 車速センサ（車両状態検出手段）
３０ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (5)

1. 車両に搭載される内燃機関のクランクシャフトのクランク角を検出するクランク角検出手段と、
   前記クランクシャフトにより駆動され、前記内燃機関に冷却水を循環させる冷却水循環手段と、
   前記冷却水循環手段の上流に配設され、前記冷却循環手段への前記冷却水の供給を切り換える供給切換手段と、
   前記クランク角検出手段により検出された前記クランク角が予め設定された所定範囲にあるか否かに応じて、前記供給切換手段の切り換えを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の冷却水循環装置。
2. 前記所定範囲は、前記内燃機関の発生トルクの平均利より発生トルクが大きなトルクとなるクランク角に対応して設定されており、
   前記制御手段は、前記クランク角検出手段により検出された前記クランク角が、前記所定範囲内のクランク角であるときには前記冷却水が前記冷却水循環手段に供給されるように前記供給切換手段を切り換え、前記クランク角が前記所定範囲外であるときには前記冷却水が前記冷却水循環手段に供給されないように前記供給切換手段を切り換えることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の冷却水循環装置。
3. 前記車両の状態を検出する車両状態検出手段と、
   冷却水の温度を検出する温度検出手段とを備え、
   前記制御手段は、前記クランク角度検出手段より検出されるクランク角度に基づいて前記内燃機関の回転数を算出し、前記内燃機関の回転数と前記車両状態検出手段により検出された前記車両の状態と前記温度検出手段により検出された前記冷却水の温度とに基づいて、前記車両が停止状態で前記内燃機関がアイドリング運転中であると判定されたときにのみ、前記クランク角に基づく前記供給切換手段の切り換え制御を行うことを特徴とする、請求項１或いは２に記載の内燃機関の冷却水循環装置。
4. 前記制御手段は、前記内燃機関の回転数と前記車両の状態と前記冷却水の温度に基づいて、前記車両が加速中であると判定されたときに、前記冷却水が前記冷却水循環手段に供給されるように前記供給切換手段を開側に切り換えることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関の冷却水循環装置。
5. 前記制御手段は、前記内燃機関の回転数と前記車両の状態と前記冷却水の温度に基づいて、前記車両が減速中であると判定されたときに、前記冷却水が前記冷却水循環手段に供給されないように前記供給切換手段を閉側に切り換えることを特徴とする、請求項３或いは４に記載の内燃機関の冷却水循環装置。

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