JP2015086815A - エンジン冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】氷結した凝縮水の溶解によりウォーターハンマーが発生するおそれを抑制する。
【解決手段】エンジン１が所定の冷間状態にある場合にインタークーラ６を通る冷却水の流量を制限する（Ｂ）一方で、前記エンジンが前記所定の冷間状態にあっても、吸気温度が所定の基準吸気温度以下で且つインタークーラの前後の差圧が所定の基準差圧以上である場合には、前記制限を解除する（Ａ）。インタークーラを通じた冷却水の循環が許容される結果、吸気温度の急激な上昇が抑制され（ｂ）、氷結した凝縮水の溶解速度が抑制され（ｃ）、発生する液相の水の燃焼室への流入速度が抑制され、ウォーターハンマーの発生のおそれを抑制できる。
【選択図】図４

Description

［発明の詳細な説明］
この発明は、エンジン冷却装置に関し、特に、過給機つきエンジンにおいてインタークーラを通じて循環する冷却水の流量を制御する機能を有するものに関する。

外気温が低い環境では、ＥＧＲガスの水分に起因する凝縮水が、吸気通路中で氷結するおそれがある。この氷結は、高速巡航時、エンジン停止時、減速時などに生じやすく、また、吸気が最も冷やされるインタークーラ出口で特に生じやすい。例えば特許文献１に開示された装置では、凝縮水が吸気通路内で氷結することに起因する吸入空気量の減少を補償するために、スロットル開度を増大補正している。この装置では、低温かつ吸気通路の流路抵抗が大きい場合に、吸気通路内の凝縮水が氷結していると判断している。

特開２０１０−２８１２８６号公報

他方、早期暖機の目的から、冷間時にはインタークーラを通る冷却水の流量を制限することで冷却水温及び吸気温度の上昇を迅速化させる暖機促進運転が一般に行われている。しかし、吸気通路内の凝縮水が氷結している場合には、このような暖機促進運転を行うと、氷結した凝縮水の溶解により生じた液相の水が、燃焼室内に急激に流入して、いわゆるウォーターハンマーを起こすおそれがある。

本発明は、従来技術の有する課題を解決することを目的とし、氷結した凝縮水の溶解によりウォーターハンマーが発生するおそれを抑制できるよう改良したエンジン冷却装置を提供するものである。

本発明は、上記の目的を達成するため、
過給機からエンジンに供給される吸気を冷却するためのインタークーラと、当該インタークーラを通る冷却水の流量を調節するアクチュエータと、当該アクチュエータを制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記エンジンが所定の冷間状態にある場合に前記インタークーラを通る冷却水の流量を制限するように前記アクチュエータを制御するエンジン冷却装置であって、
前記コントローラは、前記エンジンが前記所定の冷間状態にあっても、吸気温度が所定の基準吸気温度以下で且つ前記インタークーラの前後の差圧が所定の基準差圧以上である場合には、前記制限を解除する
ことを特徴とする。

本発明では、コントローラは、エンジンが所定の冷間状態にある場合にインタークーラを通る冷却水の流量を制限するようにアクチュエータを制御する一方で、エンジンが前記所定の冷間状態にあっても、吸気温度が所定の基準吸気温度以下で且つインタークーラの前後の差圧が所定の基準差圧以上である場合（すなわち、氷結状態と判定された場合）には、前記制限を解除する。この冷却水循環の制限の解除により、インタークーラを通じた冷却水の循環が許容される結果、吸気温度の急激な上昇が抑制され、氷結した凝縮水の溶解速度が抑制される。これにより、発生する液相の水の燃焼室への流入速度（時間あたり流入量）が抑制され、ウォーターハンマーの発生のおそれを抑制することができる。

本発明の実施形態に係るエンジン冷却装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態における制御の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おける差圧と氷結量との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態の動作を示すタイミングチャートであり、（ａ）は冷却水量、（ｂ）は吸気温度、（ｃ）は凝結水の溶解速度、（ｄ）は吸気通路内の氷結量を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明の実施形態に係るエンジン冷却装置の概略構成を示す。エンジン１は圧縮着火式（ディーゼル式）の内燃機関であり、エンジン本体２と、ターボチャージャ３とを備えている。ターボチャージャ３はタービン３ａ及びコンプレッサ３ｂを有する。吸気通路４は、吸気マニホールドを有し、不図示のエアクリーナからコンプレッサ３ｂ及びインタークーラ６を通じて延び、エンジン本体２の各吸気ポートに接続している。エンジン１の動作中に吸気は矢印Ｄａの方向に流れ、高温の圧縮吸気がインタークーラ６によって冷却される。

タービン３ａよりも下流側の排気通路５と、コンプレッサ３ｂよりも上流側の吸気通路４とを結んで、低圧ループＥＧＲ（排気ガス再循環）通路７が設けられている。他方、タービン３ａよりも上流側の排気通路５と、インタークーラ６よりも下流側の吸気通路４とを結んで、高圧ループＥＧＲ通路８が設けられている。これらＥＧＲ通路７，８には、ソレノイドなどを備えたＥＧＲバルブ７ａ，８ａが設けられており、排気を選択的に吸気側に再循環させることが可能にされている。

エンジン本体２のウォータージャケットには、周知の高温冷却水通路９が接続されており、高温冷却水通路９にはＨＴ（高温）ラジエータ１０、サーモスタット１１及び高温ウォーターポンプ１２が設けられている。高温ウォーターポンプ１２は電動式であるが、機械式であってもよい。

他方、インタークーラ６には低温冷却水通路１３が接続されており、低温冷却水通路１３にはＬＴ（低温）ラジエータ１４及び低温ウォーターポンプ１５が設けられている。低温ウォーターポンプ１５は電動式であって、回転数を制御可能なモータを有する。なお、タービン３ａよりも下流側の排気通路５には、排気浄化触媒（不図示）の早期暖機及び当該触媒への還元剤供給の目的で燃料を排気中に添加するための排気添加弁１６が設置されており、低温冷却水通路１３は、この排気添加弁１６をも冷却できるように、排気添加弁１６の周囲に設けられたウォータージャケット（不図示）を経由するように配置されている。エンジン１の動作中には、低温冷却水通路１３内の冷却水は矢印Ｄｗの方向に流れ、冷却水はＬＴラジエータ１４によって冷却される。

吸気通路４におけるインタークーラ６よりも下流側の地点には、過給圧を検出するための過給圧センサ１７が設置されている。吸気通路４におけるインタークーラ６よりも上流側の地点には、当該上流側の圧力を検出するための入り圧力センサ１８が設置されている。吸気通路４におけるインタークーラ６よりも下流側かつ高圧ループＥＧＲ通路８の合流点よりも上流側の地点には、吸気温度を検出するための吸気温センサ１９が設置されている。エンジン本体２のウォータージャケットには、高温冷却水通路９の水温を検出するための水温センサ２０が設置されている。

過給圧センサ１７、入り圧力センサ１８、吸気温センサ１９及び水温センサ２０は、本発明におけるコントローラとしての電子制御ユニット（ＥＣＵ）２１の入力側に接続されている。ＥＣＵ２１は周知のワンチップマイクロプロセッサであり、データバスによって相互接続された中央処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性記憶装置、入出力ポート、Ａ／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器を含んで構成されている。ＥＣＵ２１の出力側には、インタークーラ６を通る冷却水の流量を調節するアクチュエータとしての低温ウォーターポンプ１５に接続されている。なお、ＥＣＵ２１の入力側には更に、エンジン回転数を検出するためのクランク角センサ、及び要求負荷を検出するためのスロットルバルブセンサ並びにアクセルペダルセンサが接続されているが、いずれも図示されない。

本実施形態では、エンジン１の冷間時であって吸気通路４内の凝縮水が氷結していると判断される場合における低温ウォーターポンプ１５の流量の推移を定めた目標流量プロファイルが、予め作成されＥＣＵ２１のＲＡＭに格納されている。この目標流量プロファイルは、氷結している凝縮水の溶解により生じた液相の水が燃焼室内に急激に流入してウォーターハンマーを起こす溶解速度よりも、実際の溶解速度が低くなるように（すなわち、最悪の氷結量である場合でもウォーターハンマーが生じないように）、低温ウォーターポンプ１５の目標流量の推移を時系列で定めたものである。

この目標流量プロファイルは、例えば図４（ａ）において実線Ａで示されるように、目標流量が運転開始時に大であり、徐々に減少し、かつ溶解終了時点の近傍から再び徐々に増大するように定めることができる。なお、この目標流量プロファイルに定められた目標流量は、氷結量、エンジン回転速度、エンジン負荷、外気温、冷却水温（高温冷却水通路９及び／又は低温冷却水通路１３の）等のような、車両の運転状態を示すパラメータのうち１つ以上のものに応じて補正／変更又は選択可能としてもよい。

以上のとおり構成された本実施形態の動作について説明する。なお本実施形態の動作において用いられる各種の基準値は、いずれも予め定められた固定値のほか、車両の運転状態を示すパラメータに基づいて補正ないし動的に取得されるものを含む。図２において、まずＥＣＵ２１は、エンジン１が冷間状態であるかを判断する（Ｓ１０）。この判断は、例えば高温冷却水通路９の水温を示す水温センサ２０の検出値に基づいて行うことができ、検出値が所定の基準温度を下回っている場合に冷間状態（すなわち、暖機を要する低温状態）と判断される。なお、冷間状態であるかの判断は他の方法で行ってもよく、例えば低温冷却水通路１３に水温センサを設置してその検出値を所定の基準値と比較する方法や、エンジン回転数や要求負荷などの運転状態の履歴ないし推移に基づいて判断する方法、及びこれらの方法のうち任意の複数の組合せを採用することができる。ステップＳ１０で否定、すなわち冷間状態でない（暖機済みである）場合には、低温ウォーターポンプ１５が通常運転される（Ｓ５０）。この通常運転は、エンジン１が冷間状態でない暖機済みの場合に適した運転態様であり、低温ウォーターポンプ１５は例えばエンジン１の回転数及び要求負荷に比例した速度で運転される。

ステップＳ１０で肯定、すなわちエンジン１が冷間状態である場合には、次にＥＣＵ２１は、吸気温度が所定の基準吸気温度以下であるかを判断する（Ｓ２０）。この判断は、吸気温度センサ１９の検出値に基づいて行うことができ、また基準吸気温度は例えば０°Ｃ、又はこれを含む所定範囲内に定めることができる。ここで肯定の場合には、吸気温度が低く、もし凝結水が吸気通路４内に存在すれば氷結が生じる可能性が高いものと考えられる。

ステップＳ２０で肯定、すなわち氷結が生じやすい吸気温度である場合には、次にＥＣＵ２１は、インタークーラ６の前後の差圧が所定の基準差圧以上であるかを判断する（Ｓ３０）。この判断は、入り圧力センサ１８の検出値である上流側圧力から、過給圧センサ１７の検出値である下流側圧力を減算した値に基づいて行うことができ、また基準差圧は例えば正の値に定めることができる。また、このような構成に代えて、例えばエンジン１の回転速度とスロットル開度とに基づいて算出される推定吸気管圧力から、過給圧センサ１７の検出値を減算することで、差圧を求めてもよい。

ステップＳ２０及びＳ３０で肯定、すなわち吸気温度が低く且つ差圧が大きい場合には、吸気通路４内、特にインタークーラ６内で凝結水が氷結している可能性が高いものと考えられる。すなわち、ステップＳ２０及びＳ３０の判断は、両者の組合せからなる氷結判定手段を構成する。また、この場合の氷結量（すなわち、吸気通路４内で氷結している凝結水の量）は、図３に示されるように、差圧が大きいほど大きいものと考えることができ、したがって、ここでの差圧は氷結量を表す指標値ということができる。このため、この差圧が大きいことを条件に、ＥＣＵ２１は低温ウォーターポンプ１５を、図４（ａ）における実線Ａで示されたような目標流量プロファイルに従って運転する（Ｓ４０）。

この場合におけるインタークーラ６内の流量すなわち冷却水量は、図４（ａ）において実線Ａで示されるように推移する。具体的には冷却水量は、運転開始時に大であり、徐々に減少し、かつ溶解終了時点の近傍から再び徐々に増大することになる。

なお図４（ａ）において、本発明による改良前の装置における冷却水量の推移は、上述した暖機促進運転であって、一点鎖線Ｂで示される。この暖機促進運転では、冷間状態である場合に、運転開始時の流量が０に設定され、その後徐々に上昇させられる。その結果、低温冷却水通路１３内の水温、及びインタークーラ６下流の吸気温度（図４（ｂ）の一点鎖線Ｂ）は、運転開始時から迅速に上昇させられる。しかしながら、吸気通路内に多量の氷結した凝縮水が存在している状態で、このような暖機促進運転を行うと、氷結した凝縮水の溶解速度が、図４（ｃ）に示されるウォーターハンマー（ＷＨ）しきい値を超える場合（一点鎖線Ｂ）には、溶解により生じた液相の水が燃焼室内に急激に（すなわち、許容限度を超えた時間あたり流入量で）流入して、ウォーターハンマーを起こすおそれがある。

これに対し、本実施形態では、冷間時であっても、氷結した凝縮水が存在すると判断される場合には、目標流量プロファイル（図４（ａ）の実線Ａ）に従って低温ウォーターポンプ１５が運転される結果、低温冷却水通路１３内の水温、及びインタークーラ６下流の吸気温度（図４（ｂ）の実線Ａ）の上昇が抑制させられる。したがって、吸気通路内に氷結した凝縮水が存在している状態であっても、氷結した凝縮水の溶解速度が、図４（ｃ）に示されるウォーターハンマー（ＷＨ）しきい値を超えることはなく（図４（ｃ）の実線Ａ）、溶解により生じた液相の水が燃焼室内に急激に流入してウォーターハンマーを起こすおそれはない。

なお、目標流量プロファイルに従って低温ウォーターポンプ１５が運転される結果、溶解速度がＷＨしきい値よりも低い値に平準化されるため、氷結量（図４（ｄ）の実線Ａ）の減少は暖気促進運転の場合（一点鎖線Ｂ）よりも遅延されることになる。

ステップＳ２０又はＳ３０で否定、すなわち吸気温度が基準吸気温度より大であって氷結の可能性が低いか、あるいは差圧が基準差圧より小であって固相の水の存在が検知できない場合には、本発明による改良前の構成と同様に、低温ウォーターポンプ１５が暖機促進運転される（Ｓ６０、図４（ａ）の一点鎖線Ｂ）。この場合には運転開始時の流量が０に設定され、その結果、低温冷却水通路１３内の水温、及びインタークーラ６下流の吸気温度（図４（ｂ）の一点鎖線Ｂ）は、運転開始時から迅速に上昇させられる。しかしながら、吸気通路４内の氷結した凝縮水の量が所定量以下と考えられるため、凝縮水の溶解に起因するウォーターハンマーのおそれはない。

以上のとおり、本実施形態では、ＥＣＵ２１は、エンジン１が所定の冷間状態にある場合にインタークーラ６を通る冷却水の流量を制限する（Ｓ６０）一方で、エンジン１が冷間状態にあっても、吸気温度が所定の基準吸気温度以下で（Ｓ２０）且つインタークーラ６の前後の差圧が所定の基準差圧以上である場合（Ｓ３０）、すなわち氷結状態と判定された場合には、前記制限を解除する（Ｓ４０）。この冷却水循環の制限の解除により、インタークーラ６を通じた冷却水の循環が許容される結果、吸気温度の急激な上昇が抑制され（図４（ｂ）の実線Ａ）、氷結した凝縮水の溶解速度が抑制される（図４（ｃ）の実線Ａ）。これにより、発生する液相の水の燃焼室への流入速度（時間あたり流入量）が抑制され、ウォーターハンマーの発生のおそれを抑制することができる。

本発明の実施形態は前述の各実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。例えば、高温冷却水通路９とは別個の低温冷却水通路１３を有するエンジンでは、比較的低温となる低温冷却水通路１３で吸気経路中に凝縮水が生じる傾向が強いため、本発明を特に好適に適用できるが、本発明は単一の（すなわち、エンジン本体２とインタークーラ６とについて共通の）冷却水通路を用いるエンジンにも適用できる。

また、インタークーラ６を通じた冷却水流量を調節するアクチュエータとして、上記実施形態では低温ウォーターポンプ１５を用いたが、例えば冷却水通路が複数に分岐する構成にあっては、インタークーラ６に通じる分岐路への冷却水の供給を遮断ないし供給流量を制御する制御弁を用いてもよい。また、ＥＧＲを実行するエンジンでは吸気通路中に凝縮水が生じる傾向が強いため、本発明を特に好適に適用できるが、本発明はＥＧＲを実行しない装置にも適用できる。また、本発明はディーゼルエンジンのほか、他の形式のエンジンにも好適に適用することが可能である。

１ エンジン
２ エンジン本体
３ ターボチャージャ
４ 吸気通路
６ インタークーラ
１４ 低温（ＬＴ）ラジエータ
１５ 低温ウォーターポンプ
１７ 過給圧センサ
１８ 入り圧力センサ
１９ 吸気温センサ
２１ 電子制御装置（ＥＣＵ）

Claims (1)

1. 過給機からエンジンに供給される吸気を冷却するためのインタークーラと、当該インタークーラを通る冷却水の流量を調節するアクチュエータと、当該アクチュエータを制御するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記エンジンが所定の冷間状態にある場合に前記インタークーラを通る冷却水の流量を制限するように前記アクチュエータを制御するエンジン冷却装置であって、
   前記コントローラは、前記エンジンが前記所定の冷間状態にあっても、吸気温度が所定の基準吸気温度以下で且つ前記インタークーラの前後の差圧が所定の基準差圧以上である場合には、前記制限を解除することを特徴とするエンジン冷却装置。

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