JP2005188327A - 車両冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定的に冷媒温度の精密制御を行うことができる車両冷却装置を提供すること。
【解決手段】 車両冷却装置１は、サーモエレメント３０を駆動源としてラジエータ１０から流入する冷媒流量とエンジン２からラジエータ１０を迂回して流入する冷媒流量との流量配分を変化させるサーモスタット２０と、サーモエレメント３０を加熱するヒータ４１と、ヒータ４１へ供給する電力量を決定するＥＣＵ４３とを備え、ＥＣＵ４３は、サーモエレメント３０の温度Ｔteに基づいてヒータ４１に供給する電力量Ｐを決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両冷却装置に関するものである。

車両冷却装置は、熱交換器を有する冷却回路と該冷却回路に冷媒としての冷却水を循環させる循環手段とを備え、ラジエータに熱源としてのエンジンを通過した冷却水を通過させることにより該冷却水に蓄熱された熱量を外気に放出する。

一般に、このような車両冷却装置には、ラジエータを迂回するバイパス経路が設けられており、ラジエータが設けられた排熱経路とバイパス経路との接続点には、ラジエータから流入する冷却水の流量とラジエータを迂回して流入する冷却水の流量との流量分配を行うサーモスタットが設けられている。そして、該サーモスタットの作動により、エンジン内に導入される冷却水の温度がエンジン制御範囲内に維持されるようになっている。

従来、サーモスタットには、冷却水の温度に応じて膨張するサーモエレメント（ワックス等）を駆動源としてバルブ開度を可変させる感温型のサーモスタットがある。そして、近年では、サーモエレメント近傍に該サーモエレメントを電気的に加熱可能なヒータを設けることにより、該ヒータへの通電を通じてサーモスタットの作動を制御する車両冷却装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、エンジンの運転状態量／周囲状態量（エンジンのスロットル開度、回転数、エンジン水温、車速、吸気温等）に応じてヒータへの通電の有無を決定する車両冷却装置が、特許文献２には、ヒータによる加熱出力を可変可能とする車両冷却装置が開示されている。そして、このような車両冷却装置を採用すれば、車両状態に応じたより精密な水温制御を行うことができる。
特許第２６６２１８７号公報 特開平１１−６２５８４号公報

ところが、サーモスタットのバルブを作動させるためサーモエレメントに加える必要がある熱量は、サーモエレメントの温度と開弁温度の差が大きい場合には大きくなり、その差が小さい場合には小さくなる。そして、サーモエレメントの温度は冷却水温に依存して大きく変化し、また、サーモエレメント周辺における外気への放熱量も常に変化する。従って、ヒータによる加熱出力とサーモスタットにおけるバルブ開度とは必ずしも一定の関係とはならない。

しかし、上記従来の車両冷却装置では、駆動源であるサーモエレメントの温度は何ら考慮されていないため、ヒータによる加熱出力の過剰、或いはその不足が発生しやすい。これにより、加熱出力の過剰時にはバルブ開度の過剰に伴う冷却水温のハンチングが発生し、或いは加熱出力の不足時にはバルブ開度がほとんど変化しないという問題があり、結果として、燃費の悪化やノッキングの発生を招くおそれがある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、安定的に冷媒温度の精密制御を行うことができる車両冷却装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、冷媒の温度に応じて膨張するサーモエレメントを駆動源としてラジエータから流入する冷媒流量と熱源からラジエータを迂回して流入する冷媒流量との流量配分を変化させるサーモスタットと、前記サーモエレメントを加熱するヒータと、該ヒータへ供給する電力量を決定する制御手段とを備えた車両冷却装置であって、冷媒の温度に前記制御手段は、少なくとも前記サーモエレメントの温度に基づいて前記ヒータに供給する電力量を決定することを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、前記制御手段は、車両状態量に基づいて前記サーモエレメントの温度を推定する推定手段を備え、該推定されたサーモエレメントの温度に基づいて前記供給する電力量を決定することを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、前記推定手段は、少なくとも熱源出口の冷媒温度、ラジエータ出口の冷媒温度、又は外気温に基づいて前記サーモエレメントの温度を推定することを要旨とする。

（作用効果）
請求項１に記載の発明によれば、ヒータに対してサーモエレメントの温度に応じた電力量を供給することが可能になり、ヒータによる加熱出力の過剰、或いはその不足を防止することができる。即ち、車両状態の変化に伴いサーモエレメントの温度が変化しても安定的にサーモスタットを制御することが可能となり、バルブ開度の過剰に伴う冷媒温度のハンチングの発生やバルブ開度の不応答等を防止することができる。その結果、燃費の悪化やノッキングの発生を防止して安定的に冷媒温度の精密制御を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、サーモエレメントの温度を検出するための温度センサを新たに設ける必要がないので、従来のヒータ内蔵型のサーモスタットを使用することができる。従って、製造コストの上昇を招くことなく安定的に冷媒温度の精密制御を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、従来の車両冷却装置の制御に用いられる制御パラメータに基づいてサーモエレメントの温度を推定するので、製造コストの上昇を招くことなく安定的に冷媒温度の精密制御を行うことができる。

本発明によれば、安定的に冷媒温度の精密制御を行うことができる車両冷却装置を提供することができる。

以下、本発明を車両冷却装置に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、車両冷却装置１は、熱源としてのエンジン２を通過した冷却水（冷媒）が循環される冷却回路３と、該冷却回路３内に冷却水を循環させるウォーターポンプ（Ｗ／Ｐ）４とを備えている。

本実施形態では、Ｗ／Ｐ４は、エンジン２内に冷却水を導入するための導入口２ａ近傍に設けられている。Ｗ／Ｐ４は、エンジン２に駆動される機械駆動式のウォーターポンプであり、冷却回路３内を循環した冷却水を導入口２ａからエンジン２内に圧送する。そして、エンジン２内を通過する際に加温された冷却水は、エンジン出口２ｂから再び冷却回路３内に循環される。

冷却回路３は、外気との熱交換により冷却水に蓄熱された熱量を外気に放出するラジエータ１０が設けられた排熱経路１１を備え、排熱経路１１は、エンジン出口２ｂとラジエータ１０とを接続する第１流路１３と、ラジエータ１０と導入口２ａとを接続する第２流路１５とを有している。そして、エンジン２により加温された冷却水は、ラジエータ１０を通過することにより冷却されて第２流路１５内に流入する。

また、冷却回路３は、ラジエータ１０を迂回して第１流路１３と第２流路１５とを接続するバイパス経路１７を有しており、バイパス経路１７と第２流路１５との接続点には、サーモスタット２０が設けられている。

図２に示すように、サーモスタット２０は、ラジエータ１０を通過した冷却水が流入するメイン流路２１と、バイパス経路１７を介してラジエータ１０を迂回した冷却水が流入するバイパス流路２２と、これらメイン流路２１及びバイパス流路２２をそれぞれ開閉可能なメインバルブ２５及びバイパスバルブ２６とを備えている。

本実施形態のサーモスタット２０は、冷却水の温度に応じて膨張するサーモエレメント３０を備えた感温型のサーモスタットであり、上記メインバルブ２５及びバイパスバルブ２６は、該サーモエレメント３０に駆動されることによりそのバルブ開度が可変する。そして、サーモスタット２０は、これらメインバルブ２５及びバイパスバルブ２６にて、ラジエータ１０から流入する冷却水とラジエータ１０を迂回して流入する冷却水との流量分配を行うことにより、流出流路２８から導入口２ａへと流出する冷却水の温度を所定の制御温度範囲内に維持している。

詳述すると、本実施形態では、サーモエレメント３０としてワックスを用いており、該サーモエレメント３０は、ワックスケース３１内に封入されている。ワックスケース３１には、サーモエレメント３０の膨張又は収縮によりその軸線方向に沿って往復移動するピストン３４が設けられており、該ピストン３４の先端は、メイン流路２１及びバイパス流路２２から冷却水が流入するバルブ室３５内に突出されている。そして、ピストン３４の先端には、上記メインバルブ２５及びバイパスバルブ２６が固定されたメインシャフト３６が連結されている。

また、サーモスタット２０は、バイパス経路１７に接続された感温流路３７を有しており、ワックスケース３１は、その一部が感温流路３７内に露出されている。即ち、サーモエレメント３０は、ラジエータ１０を迂回してエンジン出口２ｂから流入する冷却水の温度上昇に伴って膨張する。そして、ピストン３４は、このサーモエレメント３０の膨張によりバルブ室３５内に突出する方向に移動し、メインシャフト３６は、ピストン３４に押圧されることによりバルブ室３５内を移動する。

メインバルブ２５は、サーモエレメント３０が収縮した状態においてメイン流路２１の出口２１ａを閉塞するようにメインシャフト３６に固定されており、メインバルブ２５及びメインシャフト３６は、コイルバネ３８の弾性力により出口２１ａ側に向かって付勢されている。

本実施形態では、コイルバネ３８の弾性力は、冷却水の圧力を考慮した上で、感温流路３７内の冷却水の温度が上記所定の制御温度範囲の下限にある場合において、サーモエレメント３０の膨張によりピストン３４がメインシャフト３６を押圧する力と等しく設定されている。

即ち、サーモスタット２０は、感温流路３７内の冷却水の温度が上記所定の制御温度範囲の下限よりも低い場合にはそのメインバルブ２５が閉状態となり、その下限よりも高くなった場合には、メインシャフト３６がコイルバネ３８の弾性力に抗して移動することによりメインバルブ２５が開状態となる。これにより、メインバルブ２５が閉状態のときには、ラジエータ１０を通過した低温の冷却水がバルブ室３５内に流入しない。一方、メインバルブ２５が開状態のときには、ラジエータ１０を通過した低温の冷却水がバルブ室３５内に流入する。そして、冷却水の温度上昇に応じてそのバルブ開度が大きくなることによりメイン流路２１からバルブ室３５に流入する低温の冷却水の流量を増加させる。

一方、バイパスバルブ２６は、感温流路３７内の冷却水の温度が上記所定の制御温度範囲の上限となった場合に、バイパス流路２２の出口２２ａを閉塞するようにメインシャフト３６に固定されている。即ち、バイパスバルブ２６は、感温流路３７内の冷却水の温度が上記上限に近づくにつれて、そのバルブ開度が小さくなるように設定されている。そして、バイパスバルブ２６からバルブ室３５に流入する高温の冷却水の流量が減少するようになっている。

また、本実施形態のサーモスタット２０では、ワックスケース３１の一端には、サーモエレメント３０を加熱するためのヒータ４１が設けられている。そして、コネクタ４２を介してヒータ４１に通電することにより、積極的にメインバルブ２５のバルブ開度を大きくすることが可能となっている。

図１に示すように、ヒータ４１は、コネクタ４２（図２参照）に接続された図示しない電源配線を介して制御手段及び推定手段としてのＥＣＵ４３に接続されている。ＥＣＵ４３は、複数の車両状態量を逐次検出しており、該検出された車両状態量に基づいて車両状態を監視している。そして、ＥＣＵ４３は、車両状態に応じてヒータ４１へ電力供給を行うことにより、導入口２ａからエンジン２内に導入される冷却水の温度が最適な値となるようサーモスタット２０の作動を制御している。

詳述すると、第１流路１３のエンジン出口２ｂ近傍、及び第２流路１５のラジエータ出口１０ｂ近傍には、それぞれ水温センサ４５，４６が設けられており、各水温センサ４５，４６は、ＥＣＵ４３に接続されている。そして、ＥＣＵ４３は、各水温センサ４５，４６から入力される信号に基づいてエンジン出口水温Ｔew及びラジエータ出口水温Ｔrwを検出している。また、ＥＣＵ４３は、図示しないエンジン制御ＥＣＵと接続されており、該エンジン制御ＥＣＵからエンジン２の制御に関連する車両状態量が逐次入力されている。具体的には、スロットル開度Ｒth、回転数ＮＥ、吸気温Ｔia、車速Ｖ及びアイドル信号Ｓiが入力されている。

ＥＣＵ４３は、これらの車両状態量に基づいて車両状態（冷間始動時、高負荷時等）を判断し、該車両状態に応じた最適な冷却水の温度、即ち目標冷却水温Ｔwtを決定する。そして、ヒータ４１への電力供給を行うことにより、エンジン２内に導入される冷却水の温度がこの目標冷却水温Ｔwtとなるようサーモスタット２０を制御する。

更に詳述すると、本実施形態の車両冷却装置１では、通常時（部分負荷時）におけるエンジン２の摺動抵抗の低下を図るべく、上述したサーモスタット２０の制御温度範囲は、加熱手段を持たない感温型サーモスタットの場合（例えば８０℃〜９０℃）よりも高く設定されている（例えば１００℃〜１１０℃）。

ＥＣＵ４３は、エンジン２が高負荷状態であると判断した場合には、通常時よりも低い目標冷却水温Ｔwtを決定する（例えば８０℃程度）。そして、ヒータ４１への電力供給を行い該ヒータ４１にてサーモエレメント３０を加熱することにより、メインバルブ２５のバルブ開度が大となるようにサーモスタット２０を制御する。そして、ラジエータ１０を通過した冷却水の分配比率を高めてエンジン２内に導入される冷却水の温度を下げることにより、ノッキング発生の防止、及びエンジン２の出力向上を図っている。

また、本実施形態では、ＥＣＵ４３は、サーモエレメント３０の温度Ｔteに基づいてヒータ４１に供給する電力量Ｐを決定する。具体的には、ＥＣＵ４３は、上記車両状態量に基づいてサーモエレメント３０の温度Ｔteを推定する。そして、該推定されたサーモエレメント３０の温度Ｔteに基づいて、ヒータ４１に供給する電力量Ｐを決定する。

詳述すると、ＥＣＵ４３は、車両状態量として検出されたエンジン出口水温Ｔew、ラジエータ出口水温Ｔrw及び吸気温Ｔiaに基づいてサーモエレメント３０の温度Ｔteを推定する。尚、本実施形態では、吸気温Ｔiaを外気温の代理パラメータとして利用するが、「外気温」とは、サーモスタット２０を取り巻く空気の温度、即ちサーモスタット２０が配置されるエンジンルーム内の温度である。

図３に示すように、ＥＣＵ４３は、メモリ４７を備えており、該メモリ４７には、上記検出されたエンジン出口水温Ｔew、ラジエータ出口水温Ｔrw及び吸気温Ｔiaとサーモエレメント３０の温度Ｔteとが関係付けられたマップ４８が記憶されている。尚、エンジン出口水温Ｔew、ラジエータ出口水温Ｔrw及び吸気温Ｔiaとサーモエレメント３０の温度Ｔteとの関係は予め実験やシミュレーション等により求められマップ４８に格納されている。そして、ＥＣＵ４３は、このマップ４８を参照することにより、サーモエレメント３０の温度Ｔteを推定する。

そして、ＥＣＵ４３は、該推定されたサーモエレメント３０の温度Ｔteに基づいて、ヒータ４１に供給する電力量Ｐを決定する。具体的には、推定されたサーモエレメント３０の温度Ｔteが高い場合ほど電力量Ｐを小さくし、サーモエレメント３０の温度Ｔteが低い場合ほど電力量Ｐを大きくする。そして、ＥＣＵ４３は、該決定された電力量Ｐをヒータ４１に供給することにより、サーモスタット２０の作動を制御する。

尚、サーモエレメント３０の温度Ｔteとヒータ４１に供給する電力量Ｐとの関係は、上記マップ４８と同様のマップ形式でメモリ４７に記憶されており、ＥＣＵ４３は、該マップを参照することにより電力量Ｐを決定する。また、本実施形態では、ＥＣＵ４３は、電圧一定で電流をＤＵＴＹ可変することによりヒータ４１に供給する電力量Ｐを可変させるが、電流一定で電圧可変させる等、その他の方法であってもよい。

次に、ＥＣＵ４３によるサーモスタット２０の制御態様について説明する。
図４に示すように、先ず、ＥＣＵ４３は、各水温センサ４５，４６から入力される信号、及びエンジン制御ＥＣＵからの入力に基づいてエンジン出口水温Ｔew、ラジエータ出口水温Ｔrw及び吸気温Ｔiaを検出する（ステップ１０１）。次に、ＥＣＵ４３は、上記ステップ１０１において検出されたエンジン出口水温Ｔew、ラジエータ出口水温Ｔrw及び吸気温Ｔiaとマップ４８とを参照することにより、サーモエレメント３０の温度Ｔteを推定する（ステップ１０２）。そして、ＥＣＵ４３は、上記ステップ１０２において推定されたサーモエレメント３０の温度Ｔteに基づいてヒータ４１に供給する電力量Ｐを決定し（ステップ１０３）、該決定された電力量Ｐをヒータ４１に供給することによりサーモスタット２０の作動を制御する（ステップ１０４）。

以上、本実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）車両冷却装置１は、サーモエレメント３０を駆動源としてラジエータ１０から流入する冷媒流量とエンジン２からラジエータ１０を迂回して流入する冷媒流量との流量配分を変化させるサーモスタット２０と、サーモエレメント３０を加熱するヒータ４１と、ヒータ４１へ供給する電力量を決定するＥＣＵ４３とを備えている。そして、ＥＣＵ４３は、サーモエレメント３０の温度Ｔteに基づいてヒータ４１に供給する電力量Ｐを決定する。

このような構成とすれば、ヒータ４１に対してサーモエレメント３０の温度Ｔteに応じた電力量Ｐを供給することが可能になり、ヒータ４１による加熱出力の過剰、或いはその不足を防止することができる。即ち、車両状態の変化に伴いサーモエレメント３０の温度が変化しても安定的にサーモスタット２０を制御することが可能となり、バルブ開度の過剰に伴う冷却水温のハンチングの発生やバルブ開度の不応答等を防止することができる。その結果、燃費の悪化やノッキングの発生を防止して安定的に冷媒温度の精密制御を行うことができる。

（２）ＥＣＵ４３は、検出された車両状態量に基づいてサーモエレメント３０の温度Ｔteを推定する。このような構成とすれば、ワックスケース３１にサーモエレメント３０の温度Ｔteを検出するための温度センサを設ける必要がないので、従来のヒータ内蔵型のサーモスタットを使用することができる。従って、製造コストの上昇を招くことなく安定的に冷却水温の精密制御を行うことができる。

（３）ＥＣＵ４３は、車両状態量として検出されたエンジン出口水温Ｔew、ラジエータ出口水温Ｔrw及び吸気温Ｔiaに基づいてサーモエレメント３０の温度Ｔteを推定する。即ち、従来の車両冷却装置の制御に用いられる制御パラメータに基づいてサーモエレメント３０の温度Ｔteを推定する。従って、製造コストの上昇を招くことなく安定的に冷却水温の精密制御を行うことができる。

なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、ＥＣＵ４３は、上記車両状態量に基づいてサーモエレメント３０の温度Ｔteを推定することとしたが、温度センサによりサーモエレメント３０の温度Ｔteを直接検出する構成としてもよい。

・本実施形態では、吸気温Ｔiaを外気温の代理パラメータとして利用したが、外気温センサを設けて直接外気温を検出する構成としてもよい。
・本実施形態では、ＥＣＵ４３は、車両状態量として検出されたエンジン出口水温Ｔew、ラジエータ出口水温Ｔrw及び吸気温Ｔiaに基づいてサーモエレメント３０の温度Ｔteを推定することとした。しかし、これに限らず、少なくともエンジン出口水温Ｔew、ラジエータ出口水温Ｔrw又は吸気温Ｔiaに基づいて、即ちこれらのパラメータのうちの少なくとも一つと車両状態量として検出されたその他のパラメータ（回転数ＮＥや車速Ｖ等）とを組み合わせてサーモエレメント３０の温度Ｔteを推定することとしてもよい。

・本実施形態では、メモリ４７にエンジン出口水温Ｔew、ラジエータ出口水温Ｔrw及び吸気温Ｔiaとサーモエレメント３０の温度Ｔteとが関係付けられたマップ４８を記憶し、ＥＣＵ４３は、このマップ４８を参照することにより、サーモエレメント３０の温度Ｔteを推定することとした。しかし、これに限らず、上記検出された車両状態量に基づいてサーモエレメント３０における放受熱量を算出し該放受熱量に基づいてサーモエレメント３０の温度Ｔteを推定する構成であってもよい。

例えば、図５に示すように、ＥＣＵは、車両状態量を検出した後（ステップ２０１）、先ず、エンジン出口水温Ｔewと冷却水の流量（エンジン２の回転数ＮＥ×係数α）とに基づいてサーモエレメントと前記冷媒との間の第１熱交換量Ｑ１を演算する（ステップ２０２）。次に、外気温（吸気温Ｔia）及び車速Ｖに基づいてサーモエレメント３０と外気との間の第２熱交換量Ｑ２を演算する（ステップ２０３）。そして、上記ステップ２０２，２０３において演算した第１熱交換量Ｑ１と第２熱交換量Ｑ２との総和をサーモエレメント３０における放受熱量Ｑ０とし（ステップ２０４）、該放受熱量Ｑ０に基づいてサーモエレメント３０の温度Ｔteを推定する（ステップ２０５）構成であってもよい。

次に、以上の実施形態から把握することができる請求項以外の技術的思想を以下に記載する。
（イ）請求項２に記載の車両冷却装置において、前記推定手段は、前記車両状態量に基づいて前記サーモエレメントにおける放受熱量を算出する算出手段を備え、該算出された放受熱量に基づいて前記サーモエレメントの温度を推定すること、を特徴とする車両冷却装置。

（ロ）前記（イ）に記載の車両冷却装置において、前記算出手段は、前記サーモエレメントと前記冷媒との間の第１の熱交換量、及び前記サーモエレメントと外気との間の第２の熱交換量を演算し、該第１の熱交換量及び第２の熱交換量の総和を前記放受熱量とすること、を特徴とする車両冷却装置。

（ハ）前記（ロ）に記載の車両冷却装置において、前記算出手段は、前記熱源出口の冷媒温度と前記冷媒の流量とに基づいて前記第１の熱交換量を演算すること、を特徴とする車両冷却装置。

（ニ）前記（ロ）に記載の車両冷却装置において、前記推定手段は、前記外気温及び車速に基づいて前記第２の熱交換量を演算すること、を特徴とする車両冷却装置。

本実施形態の車両冷却装置の概略構成図。 本実施形態のサーモスタットの断面図。 メモリに記憶されたマップの説明図。 ＥＣＵによるサーモスタットの制御態様を説明するフローチャート。 別例のサーモエレメントの温度推定方法を説明するフローチャート。

符号の説明

１…車両冷却装置、２…エンジン、１０…ラジエータ、１１…排熱経路、２０…サーモスタット、３０…サーモエレメント、４１…ヒータ、４３…ＥＣＵ、Ｔte…サーモエレメントの温度、Ｔew…エンジン出口水温、Ｔrw…ラジエータ出口水温、Ｔia…吸気温、Ｐ…ヒータに供給する電力量。

Claims (3)

1. 冷媒の温度に応じて膨張するサーモエレメントを駆動源としてラジエータから流入する冷媒流量と熱源からラジエータを迂回して流入する冷媒流量との流量配分を変化させるサーモスタットと、前記サーモエレメントを加熱するヒータと、該ヒータへ供給する電力量を決定する制御手段とを備えた車両冷却装置であって、
   前記制御手段は、少なくとも前記サーモエレメントの温度に基づいて前記ヒータに供給する電力を決定すること、を特徴とする車両冷却装置。
2. 請求項１に記載の車両冷却装置において、
   前記制御手段は、車両状態量に基づいて前記サーモエレメントの温度を推定する推定手段を備え、該推定されたサーモエレメントの温度に基づいて前記供給する電力を決定すること、を特徴とする車両冷却装置。
3. 請求項２に記載の車両冷却装置において、
   前記推定手段は、少なくとも熱源出口の冷媒温度、ラジエータ出口の冷媒温度、又は外気温に基づいて前記サーモエレメントの温度を推定すること、
   を特徴とする車両冷却装置。

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