JP2573870B2 - 内燃機関の冷却水流量制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、機関の冷却水の流量を制御するための流量
制御弁を有する内燃機関の冷却水流量制御装置に関す
る。

＜従来の技術＞ 一般に自動車用エンジンに於ては、エンジン内のウォ
ータジャケットとラジエータとを連通する冷却水通路の
エンジン側出口部または入口部にサーモスタットを設け
ており、暖機運転中にはラジエータに冷却水が流れない
ようにして暖機を促進させるべく、サーモスタットによ
り冷却水通路を閉じ、暖機後にはオーバヒートを防止す
るべく、冷却水をラジエータに流して循環させるように
冷却水通路を開くようにしている。このサーモスタット
には、感温部材としてサーモワックスを用いており、そ
のサーモワックスの膨脹収縮により弁体を作動させてい
るが、概ね開閉の２位置制御しかできず、高精度な制御
が困難である。

ところで、軽負荷時には熱損失の軽減と排気の浄化を
促進するためにラジエータへの循環水量を比較的少なく
し、高負荷時には吸気充てん効率を向上させるためにラ
ジエータへの循環水量を比較的多くすると良く、運転状
態に応じて冷却水の循環量を変化させることが望まし
い。例えば、特開昭59−226225号公報には、負圧駆動型
の流量制御弁と、制御弁とは別個に設けた水温センサと
を用い、運転状態としてのエンジン回転数及び吸気負圧
により目標水温をデータマップから呼び出して、その目
標水温と上記水温センサにより検出した冷却水温度とを
一致させるように弁開度をフィードバック制御するよう
にしたものが開示されている。

しかしながら、上記構造によると、冷却水のエンジン
入口部に水温センサが設けられており、エンジン内の冷
却水の最大温度を管理することが難しく、運転状態の変
化による冷却水温度の変化に対して最適な制御を行うこ
とが困難である。また、外気温度に関係なく制御するた
め外気温度の違いに対して精度良く制御することができ
ないばかりでなく、フィードバック制御を行っているこ
とから、例えば空調装置としてのヒータコアに冷却水が
流れた際には、その温度変化に対して応答遅れを生じる
虞れがある。

＜発明が解決しようとする課題＞ このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目
的は、機関の運転状態に応じて常に最適な制御が可能な
内燃機関の冷却水流量制御装置を提供することにある。

［発明の構成］ ＜課題を解決するための手段＞ このような目的は、本発明によれば、機関とラジエー
タとを連通する冷却水通路中に介装された流量制御弁
と、冷却水の前記機関の出口部の温度を検出する手段
と、前記機関の運転状態を検出する手段と、外気温度を
検出する手段と、前記運転状態の検出結果に基づいて目
標水温を設定する手段と、前記冷却水温よりも前記目標
水温の方が高い暖機中の場合には両者間の温度偏差が大
きくなるに連れて補正放熱量の正の値から負の値に至る
ように漸減させる第１の関数曲線を選択し、前記冷却水
温が前記目標水温よりも高くかつ所定の上限水温よりも
低い暖機後の場合には両者間の温度偏差が大きくなるに
連れて補正放熱量を漸増させる第２の関数曲線を選択す
る関数選択手段と、前記冷却水温度と前記目標水温との
偏差に基づいて前記第１または第２の関数曲線により求
めた補正放熱量を制御補正放熱量として設定する手段
と、前記制御補正放熱量を達成するべく前記各検出手段
による検出結果に基づいて前記流量制御弁を制御する手
段とを有することを特徴とする内燃機関の冷却水流量制
御装置を提供することにより達成される。特に、前記流
量制御弁が、ラジエータ通路とバイパス通路との開閉状
態を互いに相反する状態にし得るように設けられている
と良い。

＜作用＞ このようにすれば、機関の運転状態の変化に応じた補
正放熱量を冷却水温に対する目標水温の高低の違いを考
慮して求めて、その補正放熱量を達成するべく流量制御
弁により制御することから、冷却水の循環量を運転状態
の変化に応じてフィードフォワード制御することができ
る。また、流量制御弁をラジエータ通路とバイパス通路
との開閉を互いに相反する状態にし得るように設けるこ
とにより、いずれか一方の通路にのみ冷却水を流すこと
ができ、各状態における冷却水の温度変化を早めて制御
速度を高めることができる。

＜実施例＞ 以下、本発明の好適実施例を添付の図面について詳し
く説明する。

第１図は、本発明が適用されたエンジンの冷却水流量
制御装置を模式的に示す全体図であり、エンジン１に設
けられたウォーターポンプ２の吸込通路10とラジエータ
３の下部とが、入口側通路４及び流量制御弁５を介して
互いに連通している。エンジン１内には、ウォータポン
プ２により吐出される冷却水をエンジン１の各部に通す
ためのウォータジャケット７が郭成されており、ウォー
タジャケット７とラジエータ３の上部とが出口側通路６
を介して互いに連通している。

また、ウォータジャケット７は、バイパス通路８を介
して流量制御弁５に通じており、入口側通路４を閉じる
向きに流量制御弁５が作動した際には、ウォータジャケ
ット７内の冷却水が、図の想像線により示される矢印の
ようにバイパス通路８を介して循環可能なようにされて
いると共に、流量制御弁５により入口側通路４を全開状
態にした際には、バイパス通路８が全閉状態になり、図
の実線により示される矢印のように循環する。なお、ウ
ォータジャケット７内の冷却水は、暖房用のヒータコア
９を介しても循環するようにされており、ヒータ或いは
エアコンディショナを作動させた時には、ウォータジャ
ケット７内の冷却水が、図の破線の矢印のようにヒータ
コア９内を流れることとなる。

流量制御弁５は、第２図に良く示されるようにに、入
口側通路４と吸込通路10との間に設けられた弁室14と、
前記したようにラジエータ通路の入口側通路４とバイパ
ス通路８との開閉状態を互いに相反する状態にし得る弁
体11と、その弁体11を直線的に往復動させるための直動
型ステッピングモータ12とからなる。即ち、ステッピン
グモータ12の駆動シャフト16の先端に弁体11が固設され
ていると共に、駆動シャフト16の基部に形成されたねじ
部とロータ13の内ねじ部とが互いに螺合しており、ロー
タ13が正逆転することにより駆動シャフト16が軸線方向
に往復動するようにされている。なお、ステッピングモ
ータ12は、高トルクが得られる所謂ハイブリッド型から
なる。

また弁体11には、第２図の想像線により示されるよう
に入口側通路４を全閉にした状態に於て、ラジエータ３
側の内圧が異常に高まった際の異常圧力を逃し得る付勢
力をもって閉弁方向にばね付勢された副弁体15が設けら
れている。即ち、副弁体15のばね付勢力以上にラジエー
タ３側の内圧が高まった際には副弁体15が開弁するた
め、入口側通路４内の冷却水を弁体11内を介して吸込通
路10側に流すことができる。

前記したステッピングモータ12は第１図に示されるよ
うに制御装置17からの出力信号により駆動されるが、本
装置にあっては、入口側通路４の全開状態を流量制御弁
５の初期状態としており、例えばイグニッションをオン
した際に入口側通路４を全開にする向きに弁体11を移動
させるべく、ステッピングモータ12を回転させる。ステ
ッピングモータ12の後端部には例えばリミットスイッチ
型の位置センサ18が設けられており、駆動シャフト16の
後端が位置センサ18に衝当した際にその信号を制御装置
17に送り、弁体11の初期位置とするようにされている。

また、ウォータジャケット７の出口側通路４に臨む出
口部には、冷却水温度を検出するための水温センサ19が
設けられ、外気温度として例えば吸気温度を検出するた
めの吸気温センサ20、及びエンジン１の運転状態を検出
するべく吸気負圧を検出する負圧センサ21が図示されな
い吸気管にそれぞれ設けられていると共に、同様に運転
状態を検出するべくエンジン回転数を検出する公知形式
の回転センサ22がエンジン１に設けられており、それぞ
れ制御装置17に検出信号を送るようにされている。ま
た、制御装置17には、図示されないヒータまたはエアコ
ンディションナをオンすることによりヒータコア９に冷
却水が流れたことを検出する信号が入力されるようにな
っている。

第３図は、制御装置17に於て行なわれる処理のプログ
ラムの流れを示すもので、先ずST1に於て、弁体11の初
期位置からの移動量に応じたステッピングモータ12の現
在のステップ数Ｓを読み込んだ後、ST2に於て、回転セ
ンサ22によるエンジン回転数Ne及び負圧センサ21による
吸気負圧Pbを読み込み、更にST3に於て、吸気温センサ2
0による外気温度Ta及び水温センサ19による冷却水温度T
wを読み込む。次にST4に於て、ST2で読み込んだエンジ
ン回転数Ne及び吸気負圧Pbに基づいて、第４図に示され
るパターンにて記憶されたデータから目標水温Toのルッ
クアップを行なう。そしてST5に於て関数選択手段によ
る判別を行う。ST3で読み込んだ冷却水温度TwとST4で呼
び出した目標水温Toとを比較し、Tw＜Toである暖機中な
らばST6に進み、ST6に於て温度の偏差t1を、 t1＝To−Tw により算出する。次のST7に於て、その偏差t1に応じた
補正放熱量Ｑを、第５図に示される第１の関数曲線に基
づいて求めるルックアップを行なう。

更にST8に於て、ヒータまたはエアコンディショナが
オンされてヒータコア９に冷却水が流れていると判断し
た場合には、ST9に進み、ヒータコア９による必要放熱
量に応じて予め記憶されている補正放熱量Qhを呼び出し
て、ST11に進む。なおST8に於て、ヒータまたはエアコ
ンディショナがオフであると判断した場合には、ST10に
進み、補正放熱量Qhを０にして、ST11に進む。ST11に於
て、ST7で呼び出した補正放熱量Ｑと、ST9またはST10で
呼び出した補正放熱量Qhとに基づいて制御補正放熱量を
設定し、弁体11の閉方向への移動量に応じた補正ステッ
プ数ΔＳを次式により算出する。

ΔＳ＝Ｋ（Qh−Ｑ）/Ne（Tw−Ta） なお上記式は、エンジン１の冷却水への放熱量が冷却
水の循環水量に比例することに基づくと共に、循環水量
がエンジン回転数に比例するとして導き出したものであ
り、式中のＫは、補正放熱量に応じた冷却水の循環水量
を確保するために、流量制御弁５の開度に応じた弁体11
の移動量をステップ数に換算するための係数である。

そして、ST12に於て補正後のステップ数Ｓを算出し、
ST13に於て補正ステップ数ΔＳ分だけステッピングモー
タ12を回転させる。

ところで、ST5に於て、目標水温Toよりも冷却水温度T
wが高い場合には、ST14に進み、ST14に於て、冷却水の
上限水温T1に対する高低を比較し、低い場合にはST15に
進む。このST15に於て、温度の偏差t2を、 t2＝Tw−To により算出し、次のST16に於て、その偏差t2に応じた補
正放熱量Ｑを、第６図に示される第２の関数曲線に基づ
いて求めるルックアップを行なう。そしてST8に進み、
以後前記と同様の処理を行なう。

またST14に於て、上限水温T1よりも冷却水温度Twが高
い場合にはST17に進み、ST17に於てステップ数Ｓを０と
してからST13に進み、入口側通路４を全開にするべく弁
体11を初期位置に向けて移動させるようにステッピング
モータ12を回転する。

なお、本実施例に於ては、ST4に於て呼び出す目標水
温Toを、第４図に示されるように高温域、中温域及び低
温域の３領域に区分けしており、エンジン回転数Ne及び
吸気負圧Pbの両者の相対関係に応じた目標水温Toを定め
ている。即ち、エンジン回転数Neが高いほど目標水温To
を低くし、かつ高負荷になるほど目標水温Toが低くなる
ようにしており、高回転または高負荷状態の運転時には
ST5からST14に進み易くして、冷却能力を高めるように
している。

また、ST7に於て呼び出す補正放熱量Ｑを、第５図に
示されるように偏差t1が大きくなるにつれて減少させ、
所定値以上になると負の補正量となる第１の関数曲線に
より導き出すようにしている。これにより、例えば冷間
時に始動する場合には、冷却水をラジエータ３に流さな
いようにして素早く暖めることが望ましいため、入口側
通路４を閉じる向きに弁体11を移動させる必要がある。
即ち、冷間時には冷却水温度Twが低いため温度偏差t1が
大きくなって、上記補正放熱量Ｑが負の値になり、ΔＳ
が正の値となるため、ステップ数Ｓを増やして弁体11を
閉じる向きに駆動する。これに対して暖間時に始動する
場合には、冷却水がある程度暖まっているため水温の上
昇曲線がオーバシュートしないようにするべく、冷却水
をラジエータ３に流すようにすると良い。従って、暖間
時には冷却水温度Twが高いため温度偏差t1が小さくなっ
て、上記補正放熱量Ｑが正の値になり、ΔＳが負の値と
なるため、ステップ数Ｓを減らして、弁体11を開く向き
に駆動する。

また、ST16に於て呼び出す補正放熱量Ｑを、第６図に
示されるように、温度偏差t2が大きくなるつれて増加す
る第２の関数曲線により求めるようにしている。この場
合にはエンジン１が暖機後の状態にあり、冷却水をラジ
エータ３に大量に流して冷却する必要がある。従って、
冷却水温度Twが高くなるにつれて温度偏差t2が大きくな
るため、補正放熱量Ｑが大きくなり、全開位置に向けて
弁体11を駆動することとなる。

このように、冷却水温度の高低に応じて、冷却水温よ
りも目標水温が高い暖機中の場合（ST5からST6に進む場
合）には暖機を促進する制御を行い、暖機後でありかつ
冷却水温が上限水温よりも高い場合（ST14からST17に進
む場合）にはラジエータに流す冷却水が最大となるよう
に制御している。また、暖機後であって冷却水温が上限
水温よりも低い通常の暖機後温度範囲である場合（ST14
からST15に進む場合）には、負荷の大きさに応じた適切
な放熱を行うように制御するため、熱損失の軽減及び排
気の浄化を向上し得ると共に、エンジンの運転状態に応
じた必要放熱量を基準として所謂フィードフォワード制
御を行うため、フィードバック制御による制御遅れがな
い。また、サーモスタットを用いるものに対して制御弁
の取付け自由度が大きく、その設計が容易であるばかり
でなく、ステッピングモータ12を用いることにより弁体
11を高精度に位置制御できるため、半開状態に於ける流
量の制御を極めて精度良くかつ容易に行うことができ
る。

また、系全体の応答性がそれはど早くないと共にハン
チングを防止するためにも、比較的長いサイクルタイム
をもって制御を行なえば充分であり、例えば他の制御装
置のCPUを用いることも可能である。なお、エンジンコ
ントロール装置に冷却水温度、吸気温度、及び吸気負圧
用の各センサを設けているエンジンについては、新に各
センサを設ける必要がないため、部品コストの高騰を抑
制できるなどの効果もある。

［発明の効果］ このように本発明によれば、冷却水温に対する目標水
温の高低の違いを考慮して補正放熱量を求めることによ
り、機関の運転状態の変化による補正放熱量を精度良く
算出でき、その補正放熱量を達成するべく流量制御弁の
開度を制御するため、常に最適な冷却効果が得られると
共に、燃費及び排気の浄化を向上することができる。ま
た、流量制御弁によりラジエータ通路とバイパス通路と
の開閉を互いに相反する状態にすることにより、いずれ
か一方の通路にのみ冷却水を流すことができ、各状態に
おける冷却水の温度変化を早めて制御速度を高めること
ができる等、その効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明が適用された冷却水流量制御装置の全
体を模式的に示す図である。 第２図は、本発明に基づく流量制御弁を示す要部拡大図
である。 第３図は、本発明に基づく流量制御装置のプログラムの
流れを示すフロー図である。 第４図は、第３図に示すST4に於ける制御パターンの一
例を示す図である。 第５図は、第３図に示すST7に於ける制御関数曲線の一
例を示す図である。 第６図は、第３図に示すST16に於ける制御関数曲線の一
例を示す図である。 １……エンジン、２……ウォータポンプ ３……ラジエータ、４……入口側通路 ５……流量制御弁、６……出口側通路 ７……ウォータジャケット ８……バイパス通路、９……ヒータコア 10……吸込通路、11……弁体 12……ステッピングモータ 13……ロータ、14……弁室 15……副弁体、16……駆動シャフト 17……制御装置、18……位置センサ 19……水温センサ、20……吸気温センサ 21……負圧センサ、22……回転センサ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関とラジエータとを連通する冷却水通路
   中に介装された流量制御弁と、冷却水の前記機関の出口
   部の温度を検出する手段と、前記機関の運転状態を検出
   する手段と、外気温度を検出する手段と、前記運転状態
   の検出結果に基づいて目標水温を設定する手段と、前記
   冷却水温よりも前記目標水温の方が高い暖機中の場合に
   は両者間の温度偏差が大きくなるに連れて補正放熱量の
   正の値から負の値に至るように漸減させる第１の関数曲
   線を選択し、前記冷却水温が前記目標水温よりも高くか
   つ所定の上限水温よりも低い暖機後の場合には両者間の
   温度偏差が大きくなるに連れて補正放熱量を漸増させる
   第２の関数曲線を選択する関数選択手段と、前記冷却水
   温度と前記目標水温との偏差に基づいて前記第１または
   第２の関数曲線により求めた補正放熱量を制御補正放熱
   量として設定する手段と、前記制御補正放熱量を達成す
   るべく前記各検出手段による検出結果に基づいて前記流
   量制御弁を制御する手段とを有することを特徴とする内
   燃機関の冷却水流量制御装置。
2. 【請求項２】前記流量制御弁が、ラジエータ通路とバイ
   パス通路との開閉状態を互いに相反する状態にし得るよ
   うに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の
   内燃機関の冷却水流量制御装置。