JP3838528B2 - 内燃機関の冷却制御装置および冷却制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用エンジン等の内燃機関を冷却するための冷却制御装置および冷却制御方法に関し、特に内燃機関内に循環させる冷却媒体に対する温度制御の応答性を向上させると共に、その制御精度を改善することができる冷却制御装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等に使用される内燃機関（以下エンジンと称する）においては、これを冷却するために一般にラジエータを用いる水冷式の冷却装置が使用されている。
この種の冷却装置においては、冷却水の温度を制御するためにサーモスタットが用いられており、冷却水が所定温度よりも低温の場合には、前記サーモスタットの作用により冷却水をバイパス通路へ流してラジエータを通さずに冷却水を循環させる構造とされている。
図１９は、その構成を示したものであり、符号１はシリンダブロック１ａおよびシリンダヘッド１ｂより構成されたエンジンであり、このエンジン１のシリンダブロック１ａおよびシリンダヘッド１ｂ内には矢印ｃで示した流体通路が形成されている。
また２は熱交換機、すなわちラジエータを示し、このラジエータ２には周知のとおり流体通路２ｃが形成されており、ラジエータ２の冷却水入口部２ａおよび冷却水出口部２ｂは、前記エンジン１との間で冷却水を循環させる冷却水路３に接続されている。
【０００３】
冷却水路３は、エンジン１の上部に設けられた冷却水の流出部１ｄからラジエータ２の上部に設けられた冷却水の流入部２ａまで連通する流出側冷却水路３ａと、ラジエータ２の下部に設けられた冷却水の流出部２ｂからエンジン１の下部に設けられた冷却水の流入部１ｅまで連通する流入側冷却水路３ｂと、両冷却水路３ａ，３ｂの途中部位を接続するバイパス水路３ｃより構成されている。
また、冷却水路３における流出側冷却水路３ａとバイパス水路３ｃの分岐部には、サーモスタット４が配置されている。このサーモスタット４は、冷却水温の変化により膨張、収縮する熱膨張体（例えばワックス）を内蔵していて、冷却水温が高いとき（例えば８０℃以上の場合）には、前記熱膨張体の膨張によって弁を開き、エンジン１の流出部１ｄから流出する冷却水を流出側冷却水路３ａを通してラジエータ２に流入できるようにし、ラジエータ２で放熱されて低い温度となった冷却水が流出部２ｂから流出して流入側冷却水路３ｂを通り、エンジン１の流入部１ｅからエンジン１内に流れ込むように作用させるものである。
【０００４】
また、冷却水温が低いときには熱膨張体の収縮によってサーモスタット４の弁は閉じられ、エンジン１の流出部１ｄから流出した冷却水はバイパス水路３ｃを通して、エンジン１の流入部１ｅからエンジン１内の冷却通路ｃに流れ込むようにされている。
なお、図１９において符号５はエンジン１の流入部１ｅ部分に配置されたウォーターポンプであり、エンジン１の図示しないクランクシャフトの回転により回転軸が回転されて冷却水を強制的に循環させるものである。また、符号６はラジエータ２に強制的に冷却風を取り入れるためのファンユニットであり、冷却ファン６ａと、これを回転駆動するファンモータ６ｂより構成されている。
【０００５】
前記したようなサーモスタットによる開弁および閉弁作用は冷却水の温度により決定されるものであり、しかもワックス等の熱膨張体による膨張、収縮作用によるものであるため、開弁時の温度および閉弁時の温度が一定ではない。すなわちワックス等の熱膨張体は冷却水の温度変化を受けてから弁が動作するまでにしばらくの時間を要するものであり、特に温度上昇時に比較して温度下降時の応答性が悪く、いわゆるヒステリシス特性を有している。このために、冷却水を所望の一定温度の範囲に調節することは困難であるという技術的課題を有している。
【０００６】
そこで、ワックス等の熱膨張体による開弁および閉弁作用を利用せず、電気的に冷却水の流量を制御するようにしたものが提案されている。
これは、例えばステッピングモータによりバタフライ弁の回転角を制御するものである。これは図１９におけるサーモスタット４が除かれ、サーモスタット４の代りにバタフライ弁を備えたバルブユニット７が図１９に破線で示すように流出側冷却水路３ａに配置される。
図２０はそのバルブユニット７の一例を示したものであり、冷却水路３ａ内に円形平板状のバタフライ弁７ａが支軸７ｂによって回転可能となるように支持されている。この支軸７ｂの一端にはウォームホイル７ｃが取り付けられており、モータ７ｄの回転駆動軸に嵌め込まれたウォーム７ｅが、前記ウォームホイル７ｃに噛み合うように構成されている。
【０００７】
そして、前記モータ７ｄにはエンジン全体の運転状態を制御する制御ユニット（ＥＣＵ）によって、その駆動軸を正転および逆転させる動作電流が供給される。従って、ＥＣＵの作用によりモータ７ｄに対して駆動軸を正転させる電流が供給されると、ウォーム７ｅとウォームホイル７ｃによる周知の減速作用によりバタフライ弁７ａの支軸７ｂが一方向に回転され、これによりバタフライ弁７ａの面方向が冷却水路３ａの水路方向と同一方向に回転されて開弁状態とされる。
また、ＥＣＵの作用によりモータ７ｄに対して駆動軸を逆転させる電流が供給されると、バタフライ弁７ａの支軸７ｂが他方向に回転され、これによりバタフライ弁７ａの面方向が冷却水路３ａの水路方向と直角方向に回転されて閉弁状態とされる。
前記ＥＣＵには、例えばエンジンの冷却水温に関する情報が供給されるようにされており、この情報を利用して前記モータを制御することにより冷却水の温度制御をなすように構成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記したようなバタフライ弁を用いた冷却制御装置においては、例えばサーミスタ等の温度検知素子（図示せず）がエンジン１の冷却水の水路の一部に配置され、この温度検知素子により検知された冷却水温に基づいて前記モータ７ｄを駆動するように構成されている。
従って、このような構成によると、前者のように熱膨張体を用いたサーモスタットを用いた場合のようなヒステリシス特性の影響をある程度少なくさせることができ得る。
しかしながら、冷却水の温度が変化したことを温度検知素子が関知した後、これに基づいてＥＣＵによってバルブの角度を制御するものであり、いわゆる後追い制御であることにおいては、前者と同一である。
従って、後者のようなバタフライ弁を用いた冷却制御装置であっても、冷却水の温度が特定の温度Ｔｃを中心として常に上下動するいわゆるハンチング現象の発生は免れず、このため、安定かつ精度の良い制御は困難となる。
【０００９】
一般に自動車用のエンジンにおいては、オーバヒートに至らない程度の高温度の状態において駆動することで、燃費が向上し、また有害ガスの発生をある程度まで押さえることができる。
しかしながら前記したようなハンチングが発生する場合においては、エンジンがオーバヒートに至る最悪な状態を避けるために、前記冷却水温度Ｔｃを低めに設定せざるを得ず、このために燃費を犠牲にせざるを得ないという技術的課題を有していた。
一方、前記したバタライ弁を回動させるためのアクチェータについては、前記したように例えばステッピングモータが備えられ、ＥＣＵからもたらされるパルス状の制御信号によって駆動され、バタライ弁を回動させるようになされる。
【００１０】
この種のステッピングモータにおいては、周知のとおりその作用上において最大回転数（ｒｐｍ／ｍｉｎ）は直流モータに比較して相当に低い。従って前記したようなウォームギヤやその他の減速ギヤを用いて所定の回動トルクを得るように構成し、かつバタライ弁に適正な回動速度を与えるように設定しようとすると、必然的にモータ自身に高トルクを求めざるを得ず、このためにアクチェータ全体が大型化するという技術的課題を有している。
しかも、例えばモータの故障、或いは前記減速ギヤ部分に障害が発生した場合等においては、バタフライ弁の開閉動作が不可能となる。例えば、バタフライ弁が閉弁状態またはこれに近い中間角度の状態において前記した故障或いは障害が発生した場合には、エンジンの十分な冷却作用が成されず、運転者が認識しない間にエンジンをオーバヒートに至らせる等の技術的課題を有している。
【００１１】
本発明は以上のような技術的課題を解決するために成されたものであり、特に冷却水の温度推移を予測した状態で温度管理をなし、前記したようなハンチングが発生することのない制御精度を改善した冷却制御装置および制御方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は流量制御弁の駆動装置部分等の障害発生により、機関をオーバヒートに至らせるなどの問題を未然に防ぎ、フェールセーフ機能を発揮することができる冷却制御装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記した課題を解決するためになされた本発明にかかる内燃機関の冷却制御装置は、内燃機関内に形成された流体通路と熱交換機に形成された流体通路との間で冷却媒体の循環路を形成し、前記循環路中に冷却媒体を循環させることによって内燃機関において発生する熱を前記熱交換機によって放熱させるように構成した内燃機関の冷却制御装置であって、前記内燃機関と熱交換機間の循環路における冷却媒体の流量をその開弁度合いに応じて制御する流量制御手段と、少なくとも前記内燃機関に対する負荷情報と、前記冷却媒体の温度情報とを抽出する情報抽出手段と、前記負荷情報に対応する冷却媒体の目標設定温度を求めると共に、前記冷却媒体の温度情報と目標設定温度との温度偏差を求め、この温度偏差と温度偏差の変化速度との関係に基づいて前記流量制御手段のアクチェータに対する制御信号を生成する制御ユニットとが具備され、前記制御ユニットは、前記温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも小の場合においてアクチェータの制御信号を生成する第１の制御信号生成モードと、前記温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも大の場合においてアクチェータの制御信号を生成する第２の制御信号生成モードを実行するように構成されている点に特徴を有する。
【００１３】
この場合、前記制御ユニットは、前記温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも小の場合においてアクチェータの制御信号を生成する第１の制御信号生成モードと、前記温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも大の場合においてアクチェータの制御信号を生成する第２の制御信号生成モードを実行するように構成される。
そして、望ましくは第１の制御信号生成モードは、前記温度偏差に対応して流量制御手段による冷却媒体の流量を単位時間毎に連続的に微小変化させる積分制御要素を含み、また第２の制御信号生成モードは、前記温度偏差と温度偏差変化速度に対応して記述されたマップより読み出された冷却媒体の流量設定データに基づいて、アクチェータの制御信号を生成するように構成される。
また、前記内燃機関に対する負荷情報は、少なくとも内燃機関の回転数と、スロットルバルブの開度情報とにより生成される。
【００１４】
さらに好ましい実施の形態においては、前記流量制御手段による冷却媒体の流量を示すセンサがさらに具備され、前記センサにより得られる情報が、前記制御ユニットにおける演算処理に利用するように構成される。
また好ましい実施の形態においては、前記流量制御手段は、筒状の冷却媒体通路中に配置され、冷却媒体の流通方向に対して、その平面方向の角度が可変されるバタフライ弁により構成され、また前記冷却媒体の流量を示すセンサは、バタフライ弁の回転角度に関する情報を生成する角度センサが用いられる。
【００１５】
また好ましい実施の形態においては、前記アクチェータは、前記制御ユニットからの制御信号に基づいて回転駆動される直流モータと、前記直流モータの回転駆動力の伝達または解放を行うクラッチ機構と、前記クラッチ機構を介した直流モータの回転数を減速する減速機構より構成され、かつ流量制御手段には、流量制御手段を開弁方向に付勢するリターンスプリングが配置された構成とされる。
そして、前記クラッチ機構は、制御ユニットからの異常状態出力を受けて解放状態に成され、リターンスプリングにより前記流量制御手段を開弁状態に保持するように構成される。
加えて、前記クラッチ機構は、内燃機関の駆動停止に伴う制御ユニットからの制御信号の供給停止を受けて解放状態に成され、前記リターンスプリングにより前記流量制御手段を開弁状態に保持するように構成される。
【００１６】
また、前記した課題を解決するためになされた本発明にかかる内燃機関の冷却制御方法は、内燃機関内に形成された流体通路と熱交換機に形成された流体通路との間で冷却媒体の循環路を形成し、前記循環路中に流量制御手段を介して冷却媒体を循環させることによって内燃機関において発生する熱を前記熱交換機によって放熱させるように構成した内燃機関の冷却制御方法であって、少なくとも内燃機関に対する負荷情報と、前記冷却媒体の温度情報とを取り込むステップと、前記負荷情報に対応する冷却媒体の目標設定温度を求めるステップと、前記冷却媒体の温度情報と目標設定温度との温度偏差を求めるステップと、前記温度偏差と温度偏差の変化速度とを演算するステップと、温度偏差と温度偏差の変化速度との関係に基づいて流量制御手段のアクチェータを駆動する制御信号を生成するステップと、前記制御信号に基づいてアクチェータを駆動し、熱交換機に流入する冷却媒体の流量制御を実行するステップとからなり、アクチェータを駆動する制御信号を生成する前記ステップにおいては、前記温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも小であるか否かを判定するステップがさらに加えられ、温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも小であると判断した場合においては、温度偏差に対応して流量制御手段による冷却媒体の流量を単位時間毎に連続的に微小変化させる積分制御要素を含む制御信号を生成するステップを実行し、また温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも小ではないと判断した場合においては、前記温度偏差と温度偏差変化速度に対応して記述されたマップより読み出された冷却媒体の流量設定データに基づいて、制御信号を生成するステップを実行する点に特徴を有する。
【００１８】
以上のような構成および制御方法によると、例えば内燃機関の回転数とスロットルバルブの角度情報から得られる負荷情報に基づいて冷却媒体としての冷却水の目標設定温度が定められる。また目標設定温度と冷却水の温度情報とにより所定時間単位で温度偏差が求められ、さらに温度偏差の変化速度も求められる。
そして、前記温度偏差と温度偏差の変化速度とをパラメータとして、制御信号が生成され、この制御信号は流量制御手段としての例えばバタフライ弁を駆動するアクチエータに対して供給される。
この場合、温度偏差と温度偏差の変化速度の大きさに応じて制御信号の生成モードが変更され、温度偏差と温度偏差の変化速度の大きさが所定よりも小の場合には、冷却水の流量を単位時間毎に連続的に微小変化させる積分制御要素を含むＰＩ制御によりバタフライ弁の回転角度が制御される。
【００１９】
また、温度偏差と温度偏差の変化速度の大きさが所定よりも大の場合には、温度偏差と温度偏差変化速度に対応して記述されたマップより読み出された冷却媒体の流量設定データに基づいて、バタフライ弁を迅速に駆動する即応制御がなされる。
これにより、冷却水の温度推移を予測した状態で温度管理がなされ、また前記したＰＩ制御を併用することで、冷却水の大幅なハンチングの発生を防止した好ましい制御精度を得ることができる。
加えて、バタフライ弁を回転駆動するためのアクチェータにおいては、直流モータ、クラッチ機構、減速機構を具備し、前記した制御信号に基づいてバタフライ弁を駆動する。
【００２０】
この場合、特に直流モータを用いることにより直流モータの特質である高速回転特性を利用することができ、小型の直流モータと前記減速機構との組み合わせにより充分なる回転トルクをもってバタフライ弁を駆動することができる。従ってアクチェータ全体を小型化させることが可能となる。
また、バタフライ弁を開弁状態に付勢するリターンスプリングを備え、アクチェータにクラッチ機構を具備させたことで、異常時におけるリターンスプリングによる開弁作用が円滑に成し得る。
さらに、直流モータと減速機構との間にクラッチ機構を介在させた構成により、クラッチ機構に印加される駆動力、すなわちトルクを極端に低下させることが可能であり、クラッチ機構のすべり、損耗が防止でき、従ってクラッチ機構の小型化を図ることができ、前記アクチェータの小型化に寄与することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の冷却制御装置について、図に示した実施の形態に基づいて説明する。
図１は自動車用エンジンの冷却制御装置に適用した全体構成を示したものである。なお図１において、図１９に示した従来の装置と同一符号部分はそれぞれ相当部分を示しており、したがって個々の構成および作用の説明は適宜省略する。図１に示すように、内燃機関としてのエンジン１の上部に設けられた冷却水の流出部１ｄと、熱交換機としてのラジエータ２の上部に設けられた冷却水の流入部２ａとの間に配置された流出側冷却水路３ａには、流量制御ユニット１１がフランジによって接続されている。
これにより、流量制御ユニット１１を含んだ形で冷却媒体、すなわち冷却水の循環路１２が形成されている。
【００２２】
また、前記エンジン１における冷却水の流出部１ｄには、例えばサーミスタ等の温度検知素子１３が配置されている。この温度検知素子１３による検出値は、変換器１４によって制御ユニット（ＥＣＵ）１５が認識可能なデータに変換され、エンジン全体の運転状態を制御する制御ユニット（ＥＣＵ）１５に供給されるように構成されている。
また、図１に示す実施の形態においては、エンジン１のスロットルバルブ１６の開度を検出するスロットルポジションセンサ１７からの開度情報も制御ユニット１５に供給されるように構成されている。また、図示していないが前記制御ユニット１５には、他にエンジンの回転数等の情報も供給されるように構成されている。
一方、制御ユニット１５からはモータ制御回路１８並びにクラッチ制御回路１９に対して制御信号が供給されるように成されている。このモータ制御回路１８並びにクラッチ制御回路１９は、バッテリー２０から供給される電流をそれぞれ制御し、流量制御ユニット１１に具備された後述する直流モータ制御回路、並びにクラッチ制御回路に対して制御電流が供給されるように構成されている。
【００２３】
図２は、前記流量制御ユニット１１の構成を模式的に示したものであり、その一部は断面状態で示されている。この流量制御ユニット１１は、バタフライ弁並びにこれを駆動するアクチェータより構成されている。
まず、アクチェータには直流モータ３１が具備されており、この直流モータ３１の回転軸３１ａには、クラッチ機構３２を構成する第１クラッチ盤３２ａが、回転軸３１ａの回転方向に結合され、かつ軸方向に摺動可能となるように取り付けられている。
図３は、図２におけるＡ−Ａ′部分を矢印方向に視た状態を示したものである。すなわち、前記モータの回転軸３１ａは、その外形が図に示すように六角形に成されており、一方第１クラッチ盤３２ａの中央部には、前記モータの回転軸３１ａを包囲するように六角形の孔が形成されている。
この構成により、第１クラッチ盤３２ａは回転軸３１ａの回転方向に結合され、かつ軸方向に摺動可能となるように作用する。
【００２４】
図２に戻り、前記第１クラッチ盤３２ａの周側面には環状の溝部３２ｂが形成されており、この溝部３２ｂには電磁プランジャ３２ｃの作動子３２ｄの先端部が遊嵌されるように構成されている。そして、プランジャ３２ｃにはコイルスプリング３２ｅが取り付けられており、このコイルスプリング３２ｅの拡開作用によりプランジャ３２ｃに通電しない通常状態においては、図２に示すように第１クラッチ盤３２ａをモータ３１側に引き込むように成されている。
前記第１クラッチ盤３２ａに対向するように第２クラッチ盤３２ｆが配置されており、この第２クラッチ盤３２ｆは、減速機構３３を構成する入力側回転軸３３ｂに固着されている。
前記減速機構３３はケース３３ａに取り付けられた各軸受けにより、前記入力側回転軸３３ｂおよび中間回転軸３３ｃ、出力側回転軸３３ｄが互いに平行状態に配置されている。
そして、入力側回転軸３３ｂにはピニオン３３ｅが固着され、中間回転軸３３ｃに固着された平歯車３３ｆに噛み合うように成され、また中間回転軸３３ｃに固着されたピニオン３３ｇは出力側回転軸３３ｄに固着された平歯車３３ｈに噛み合うように成されている。
【００２５】
この構成により減速機構３３は、その減速比が例えば１／５０程度となるように構成されている。
また、前記減速機構３３の出力側回転軸３３ｄは、流量制御弁３４の駆動軸に結合されている。流量制御弁３４は、筒状の冷却媒体通路３４ａ中に配置された平板状のバタフライ弁３４ｂにより構成されている。このバタフライ弁３４ｂは、冷却水の流通方向に対して、その平面方向の角度が駆動軸としての支軸３４ｃの回転角により冷却水の流量が制御されるように成される。すなわち、冷却水の流通方向に対して、その平面方向の角度が０度付近で開弁状態となり、冷却水の流通方向に対して、その平面方向の角度が９０度付近で閉弁状態となる。そして、その中間角度を適宜とることにより、冷却水の流量はリニアに制御される。
【００２６】
前記支軸３４ｃにおける減速機構３３側には、カラー３４ｄが支軸３４ｃに対して固着されており、このカラー３４ｄの周側面には、コイル状のリターンスプリング３４ｅが捲装されている。このリターンスプリング３４ｅの一端は、内部に冷却媒体通路３４ａを構成する筒状体の一部に係合されており、リターンスプリング３４ｅの他端は、カラー３４ｄの一部に取り付けられた突出体３４ｆに係合されている。
この状態で前記リターンスプリング３４ｅは、支軸３４ｃに結合されたバタフライ弁３４ｂを開弁状態となるように付勢している。
また前記支軸３４ｃの減速機構３３に対向する他端部には、角度センサ３４ｇが結合されており、バタフライ弁３４ｂの回転角度を認識することができる。
【００２７】
以上のように構成された流量制御ユニット１１において、前記直流モータ３１は図１に示すモータ制御回路１８より駆動電流を受けるように成され、またクラッチ機構３２における電磁プランジャ３２ｃは図１に示すクラッチ制御回路１９より駆動電流を受けるように成され、また角度センサ３４ｇによるバタフライ弁の回転角度に関するデータ出力は図１に示す制御ユニット１５に供給されるように成されている。
従って図２に示す構成において、電磁プランジャ３２ｃに通電されると、その作動子３２ｄは第１クラッチ盤３２ａを、第２クラッチ盤３２ｆ側に移動させて結合状態とする。そして、直流モータ３１に対して駆動電流が供給されると、モータ３１の回転駆動力は減速機構により減速され、支軸３４ｃを介してバタフライ弁３４ｂを回転させる。また支軸３４ｃの回転によって、前記角度センサ３４ｇは回転角度に関するデータを制御ユニット１５にフィードバックさせる。
【００２８】
図４は前記モータ制御回路１８の構成を示した結線図である。このモータ制御回路１８は、電源（バッテリー２０）の正極端子と負極端子（アース）間に直列接続された第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２、および同じく正極端子と負極端子間に直列接続された第３のスイッチング素子Ｑ３と第４のスイッチング素子Ｑ４によりブリッジ回路が構成されている。
これらの各スイッチング素子はＮＰＮ型のバイポーラ型トランジスタにより構成されている。従って第１トランジスタＱ１および第３トランジスタＱ３の各コレクタはバッテリー２０の正極端子に接続され、また、第２トランジスタＱ２および第４トランジスタＱ４の各エミッタはアースに接続されている。
【００２９】
そして、第１トランジスタＱ１のエミッタと第２トランジスタＱ３のコレクタとが接続され、第１接続中点１８ａを構成している。また第３トランジスタＱ３のエミッタと第４トランジスタＱ４のコレクタとが接続され、第２接続中点１８ｂを構成している。
前記第１接続中点１８ａおよび第２接続中点１８ｂとの間には直流モータ３１の一対の駆動電流入力端子がそれぞれ接続されている。
また第１および第４トランジスタＱ１，Ｑ４の制御極端子、すなわちベースは互いに結合されて入力端子ａを構成しており、第２および第３トランジスタＱ２，Ｑ３のベースは互いに結合されて入力端子ｂを構成している。
【００３０】
図５は、図４における入力端子ａおよび入力端子ｂに対して前記制御ユニット１５から択一的に与えられるスイッチ制御信号を示したものである。
この制御信号はＰＷＭによるパルス波形に成されており、図に示す如く、モータ回転方向に応じ一定時間駆動するよう構成している。なお、閉弁時においては入力端子ａのみに対して大きなパルス幅（Ｗ１）の制御信号が、また開弁時においては入力端子ｂのみに対して小さなパルス幅（Ｗ２）の制御信号が与えられる。
すなわち前記バタフライ弁３４ｂを開弁させようとする時は、リターンスプリング３４ｅのリターン方向のトルクを利用して小なるパルス幅にて、有効駆動させるようにされている。
【００３１】
ここで、前記バタフライ弁３４ｂを閉弁させようとする場合には、図４に示す端子ａに対して図５に閉弁時（ａ）として示したパルス幅のスイッチ制御信号が供給される。従ってトランジスタＱ１およびＱ４は図５（ａ）に示すパルス幅に応じたスイッチ制御信号によりオン制御が成され、モータ３１を一方向に回転駆動させる。
また、前記バタフライ弁３４ｂを開弁させようとする場合には、図４に示す端子ｂに対して図５に開弁時（ｂ）として示したパルス幅のスイッチ制御信号が供給される。従ってトランジスタＱ２およびＱ３は図５（ｂ）に示すパルス幅の制御信号によりオン制御が成され、モータ３１を逆方向に回転駆動させる。
【００３２】
また図６は図１に示したＥＣＵ１５の基本構成を示したものである。このＥＣＵ１５には、各センサから供給される信号をＥＣＵが認識可能なデジタル信号等に変換する信号処理部１５ａと、この信号処理部１５ａにより処理された入力データと、メモリ１５ｃにテーブル形式で格納された後述する各種のデータと比較する比較部１５ｂと、この比較部１５ｂによる比較結果を演算処理して制御信号を出力する信号処理部１５ｄより構成されている。
【００３３】
以下に、図１乃至図６に示した自動車エンジンの冷却制御装置の作用について、図７以降に示す主に前記ＥＣＵ１５が実行する制御フローに従って説明する。まず図７に示すフローにおいて、自動車エンジンが始動されると、ＥＣＵ１５よりクラッチ制御回路１９に対して制御信号が供給され、従って図２に示す電磁プランジャ３２ｃに対して駆動電流が供給され、クラッチ機構３２は伝達状態となる。
これと共に、ＥＣＵ１５はモータ制御回路１８に対して、開弁状態にある流量制御弁すなわちバタフライ弁３４ｂを閉弁させる制御信号を送出する。（ステップＳ１）
これにより図４に示すモータ制御回路１８における端子ａには、図５に閉弁時として示したパルス幅（Ｗ１）の制御信号が加えられる。従って直流モータ３１が回転駆動され、減速機構３３を介してバタフライ弁３４ｂは一旦閉弁される。
【００３４】
そして、ステップＳ２においてＥＣＵ１５は温度検知素子１３からの情報を受ける変換器１４より、エンジン始動時の冷却水温（Ｔｗｓ）を読み出す。続いてステップＳ３において、ＥＣＵ１５はエンジン回転数（Ｎ）、スロットル開度（θT ）、冷却水温（Ｔｗ）を取り込む。
次にステップＳ４において、前記冷却水温（Ｔｗ）と始動時の冷却水温（Ｔｗｓ）との関係を判断する。すなわちＴｗ＞Ｔｗｓの条件がＮｏであると判定すると、ステップＳ５に移り、モータ制御回路１８に対して、制御信号を送り、角度センサ３４ｇによる検出角度がほぼ９０度となるような値に弁の角度を設定する。これによりバタフライ弁３４ｂは閉弁状態を維持する。（ステップＳ６）
【００３５】
そして、ステップＳ７においてエンジンが停止されたか否かが判定され、エンジン停止ではない（Ｎｏ）と判定すれば、再びステップＳ３に戻るルーチンを繰り返す。ステップＳ７においてエンジン停止である（Ｙｅｓ）と判定すると、ステップＳ８に移り、ＥＣＵ１５はクラッチ制御回路１９に対する制御信号の供給を停止し、従って電磁プランジャ３２ｃの動作が停止される。
この結果、クラッチ機構３２は解放され、バタフライ弁３４ｂはリターンスプリング３４ｅの作用により開弁状態とされる。
また前記ステップＳ４において、Ｔｗ＞Ｔｗｓの条件がＹｅｓであると判定すると、ステップＳ９に移り、エンジンの負荷情報としてのエンジン回転数（Ｎ）−スロットル開度（θT ）に対応する目標設定水温（Ｔｓ）を、図１１に示すテーブル▲１▼より検索する。
【００３６】
図１１に示すテーブル▲１▼は、エンジン回転数（Ｎ）とスロットル開度（θT ）との間で目標設定水温（Ｔｓ）がマトリックス状に記述されている。なお図においては紙面においての説明の便宜上、エンジン回転数（Ｎ）とスロットル開度（θT ）との関係が相当に粗く表されているが、具体的にはより細かい状態で記述される。また、多少粗い状態であっても中間値においては、いわゆる中間補間を成すことで、実用上利用可能な目標設定水温（Ｔｓ）を求めることもできる。これは、以下に示す各テーブルにおいても同様である。
【００３７】
続いてステップＳ１０において、冷却水温（Ｔｗ）と、図１１に示すテーブル▲１▼より検索された目標設定水温（Ｔｓ）より、温度偏差（ΔＴ＝Ｔｗ−Ｔｓ）を演算する。そして、ステップＳ１１において、エンジン回転数（Ｎ）とスロットル開度（θT ）に対応する基準制御弁角度（θｓｏ）を、図１２に示すテーブル▲２▼より検索する。
続いて、ステップＳ１２において前回の水温（Ｔｗｏ）と今回の水温（Ｔｗ）より、温度偏差速度（Ｔｖ）を演算する。すなわち、図７のステップＳ１２に示すようにＴｖ＝ΔＴ／Δｔ＝（Ｔｗｏ−Ｔｗ）／ｓｅｃの演算処理を実行する。前記ステップＳ１０およびステップＳ１２によって得られた前記温度偏差（ΔＴ）および温度偏差速度（Ｔｖ）の２つのデータは、ステップＳ１３において、それぞれ所定の温度偏差値（ΔＴA ）並びに所定の温度偏差速度値（Ｔｖ）と比較演算される。すなわち図７に示すようにΔＴ≦ΔＴA ，Ｔｖ≦ＴｖA の比較演算がなされる。
【００３８】
前記所定の温度偏差値（ΔＴA ）並びに所定の温度偏差速度値（Ｔｖ）は、後述するテーブル▲３▼において、それぞれ太線にて囲まれた比較的偏差成分の低い値に設定されており、ステップＳ１３においてその所定の値以下ではない（Ｎｏ）と判断すると、図８に示すステップＳ２１に移行する。
図８に示すステップＳ２１乃至ステップＳ２５は、流量制御弁による冷却水の流量制御を比較的速やかに実行する速応制御のルーチンである。
ステップＳ２１においては、ステップＳ１０において求めた温度偏差（ΔＴ）、ステップＳ１２において求めた温度偏差速度（Ｔｖ）に対応した制御弁設定角度（θｓ）を、図１３に示すテーブル▲３▼より検索する。
【００３９】
図１３に示すテーブル▲３▼は、前記テーブル▲１▼▲２▼と同様に温度偏差（ΔＴ）と温度偏差速度（Ｔｖ）との間で制御弁設定角度（θｓ）がマトリックス状に記述されている。そして、テーブル▲３▼において太線で囲まれた温度偏差（ΔＴ）の値が小さい範囲（ΔＴ4 ）並びに温度偏差速度（Ｔｖ）の値が小さい範囲（Ｔｖ4 ）が前記した所定の温度偏差値（ΔＴA ）並びに所定の温度偏差速度値（Ｔｖ）として設定されている。
ステップＳ２２においては、総合制御弁角度（θ）の演算がなされる。これは、ステップＳ１１において検索された基準制御弁角度（θｓｏ）と、ステップＳ２１において検索された制御弁設定角度（θｓ）との間で、θ＝θｓｏ±θｓの演算がなされる。
【００４０】
そして、ステップＳ２３において、モータの回転方向を選定する演算、すなわちΔθ＝θｖ−θの演算がなされる。なおこの演算に使用されるθｖは、図２に示した制御弁角度を検出する角度センサ３４ｇより得られるものである。そしてこの演算の結果における正または負の値に応じてモータの回転方向が決定される。
続いてステップＳ２４に移り、ＤＣモータ、すなわち図２に示した直流モータ３１の駆動が実行される。この場合、前記Δθの値に応じてΔθが大の場合には、それに応じた大なるデューティパルスが発生され、Δθが小の場合には、それに応じた小なるデューティパルスが発生され、ＰＷＭ信号によりＤＣモータが駆動される。
これによりステップＳ２５において、流量制御弁であるバタフライ弁３４ｂが回動され、以上のルーチンを経た後、再び図７におけるステップＳ７に戻る。
【００４１】
一方、図７のステップＳ１３における比較演算の結果、温度偏差（ΔＴ）および温度偏差速度（Ｔｖ）が所定の範囲以下（Ｙｅｓ）であると判断すると、図９におけるステップＳ３１に移行する。
図９に示すステップＳ３１乃至ステップＳ４０は、流量制御弁による冷却水の流量制御を単位時間毎に連続的に微小変化させる積分制御要素を含むＰＩ制御を実行するルーチンである。
ステップＳ３１においては、図１４に示す温度偏差（ΔＴ）に対応した比例分開度値（θｓｐ）のテーブル▲４▼より比例分開度値（θｓｐ）を検索する。
続いてステップＳ３２において温度偏差（ΔＴ）に対応した図１５に示す積分開度値（θｓｉ）のテーブル▲５▼より積分開度値（θｓｉ）を検索する。
そしてステップＳ３３に移り、ステップＳ１２で求めた温度偏差速度（Ｔｖ）の値が“０”であるか否かが判断される。ここで温度偏差速度Ｔｖの値が“０”であると判断されると、後述するステップＳ３７に移行する。また温度偏差速度Ｔｖの値が“０”ではないと判断されると、ステップＳ３４に移る。
【００４２】
ステップＳ３４においては、ステップＳ１０で求めた温度偏差ΔＴの値が判断される。このステップＳ３４においてΔＴ＞０であると判断されるとステップＳ３５に、またΔＴ＜０であると判断されるとステップＳ３６に、さらにΔＴ＝０であると判断されるとステップＳ３７に移行する。
前記ステップＳ３５においては、制御弁開度演算として制御弁開度を減少させるべき値θが演算される。ここではステップＳ１１において検索された基準制御弁開度θｓｏと、ステップＳ３１において検索された比例分開度値θｓｐと、ステップＳ３２において検索された積分開度値θｓｉより、θ＝θｓｏ−（θｓｐ＋θｓｉ）の演算がなされる。
また、ステップＳ３６においては、制御弁開度演算として制御弁開度を増大させるべき値θが演算される。ここでは、θ＝θｓｏ＋（θｓｐ＋θｓｉ）の演算がなされる。
さらにステップＳ３７の場合においては、前回の制御弁角度θをそのまま持ち込む作用がなされる。
【００４３】
そしてステップＳ３８に移り、前記ステップＳ３５乃至ステップＳ３７においてそれぞれ求められた制御弁角度（θ）と、制御弁角度センサ３４ｇより得られる制御弁開度（θｖ）とによりΔθ＝θｖ−θの演算がなされる。これは前記したステップＳ２３と同様の演算であり、この結果においてモータの回転方向が決定される。
そして、ステップＳ３９およびステップＳ４０を実行することにより流量制御弁の開度が制御される。このステップＳ３９およびステップＳ４０の作用は、前記したステップＳ２４およびステップＳ２５と同一であり、その説明は省略する。
以上のルーチンを経て図７におけるステップＳ７に戻り、エンジンが停止されるまで、以上のルーチンが巡回される。
【００４４】
以上の作用によりエンジンに対する負荷情報より冷却水の温度推移を予測した状態で冷却水の温度管理がなされる。そして状況に応じて流量制御弁は、第１の制御信号生成モードと第２の制御信号生成モードによって得られた制御信号によって開閉制御がなされ、この結果制御弁の応答性が改善され冷却水の制御精度を遥かに高めることが可能となる。
【００４５】
ところで、前記した図７乃至図９に示したフローは、流量制御弁の応答性の向上を図るため、温度偏差ΔＴ、温度変化速度Ｔｖに対応して設定した制御弁開度θｓを読み出し、制御弁の開度を制御するようにしている。この手法をより簡易に実施するために図１０に示すフローを利用することもできる。
図１０は、図７におけるステップＳ１３と、図８に示すステップＳ２１乃至ステップＳ２５の各ステップを入れ替えて利用することができるものである。
すなわち、図１０におけるステップＳ５１は、図７におけるステップＳ１３と同一である。このステップＳ５１において、Ｎｏと判断された場合には、ステップＳ５２においては、エンジンの負荷情報としてのエンジン回転数（Ｎ）−スロットル開度（θT ）に対応する制御弁角度θｓ′を、図１６に示すテーブル▲６▼より検索する。
そして、ステップＳ５３において、モータの回転方向を選定する演算、すなわち前記ステップＳ２３の場合と同様にΔθ＝θｖ−θｓ′の演算がなされる。この演算の結果における正または負の値に応じてモータの回転方向が決定される。
【００４６】
続くステップＳ５４およびＳ５５の作用は、前記したステップＳ２４およびステップＳ２５と同一であり、その説明は省略する。
そして、ステップＳ５６に移り、角度センサ３４ｇより得らる流量制御弁開度θｖとステップＳ５２で求めた制御弁設定角度θｓ′とが等しいか否か（θｓ′＝θｖ？）が判定され、等しくない（Ｎｏ）と判断された場合には、図７に示すステップＳ７に戻る。また、等しい（Ｙｅｓ）と判断された場合には、図９におけるステップＳ３１に移行し、ＰＩ制御が実行される。
【００４７】
なお、以上説明した図７乃至図９に示すフロー、および図１０に示すフローにおいては、いずれも流量制御弁としてのバタフライ弁３４ｂの角度を、角度センサ３４ｇから流量制御弁開度θｖとして供給を受けるようにしているが、この流量制御弁開度θｖを利用せずに、同様の制御を実行することができる。
すなわち角度センサを使用する場合には、基本的には流量制御弁開度θｖを制御偏差信号として目標設定水温Ｔｓに制御し、また角度センサを使用しない場合には、直接温度偏差信号ΔＴに基づいて直流モータをＰＩデューティパルス駆動して制御することができる。
従って、制御弁角度センサを使用しない状態においては、図１３に示すテーブル▲３▼を直流モータ駆動ＰＩデューティー値テーブルに置き換えて制御することで同様の結果を得ることができる。
【００４８】
図１７は、これに用いられる温度偏差信号ΔＴに対応した比例分デューティテーブルの例を示したものであり、また図１８は、これに用いられる温度偏差信号ΔＴに対応した積分デューティテーブルの例を示している。
これらの対応テーブルを参照して図４に示すブリッジ型の直流モータ駆動回路に加えるＰＷＭ信号のデューティ比を時間制御することで、同様の作用効果を得ることができる。
【００４９】
また、制御ユニット１５においては、温度検知素子１３によって得られる実際の冷却水温度Ｔｗと、目標設定水温Ｔｓとを比較し、その差であるΔＴがある一定時間経過後に、所定よりも大きくなった場合、すなわち所定温度範囲からはずれた場合には、異常状態出力を発生させることができる。
この異常状態出力の発生により、クラッチ制御回路１９がクラッチ機構３２を解放させるように制御することで、リターンスプリング３４ｅの作用によりバタフライ弁３４ｂを開弁状態とすることができる。従って冷却水の循環が促進され、エンジンがオーバヒートに至る事態となるのを避けることができる。
また以上は、本発明の冷却制御装置を自動車用エンジンに適用した実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこのような特定なものに限られることなく、その他の内燃機関に適用することで、同様の作用効果を得ることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明にかかる内燃機関の冷却制御装置および冷却制御方法によると、少なくとも内燃機関に対する負荷情報に基づいて冷却媒体の目標設定温度を求め、この目標設定温度と実際の冷却媒体の温度とにより温度偏差と温度偏差の変化速度を求めるようにしたので、それらの数値に基づいて最適な制御態様を選択することができる。
そして、第１の制御信号生成モードとしてＰＩ制御を実行し、第２の制御信号生成モードとして速応制御を実行することが可能であり、冷却水の温度推移を予測した状態で精度の高い温度管理を成すことが可能となる。
従って、冷却水温度のハンチングの発生を防止することが可能となり、燃費並びに有害な排気ガスの低減を図ることが可能となる。
【００５１】
また、流量制御手段を制御するアクチェータを、直流モータ、クラッチ機構、減速機構とにより構成したことで、充分な流量制御手段の駆動トルクを得つつ全体を小型化させることが可能となり、例えば自動車用エンジンに採用した場合において、その占有体積を減少させることが可能となる。
しかも、流量制御手段を開弁方向に付勢するリターンスプリングを併用することで、障害発生により機関をオーバヒートに至らせるなどの問題を未然に防ぎ、フェールセーフ機能を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷却制御装置を自動車用エンジンに適用した実施の形態を示した構成図である。
【図２】図１に示す装置に用いられる流量制御ユニットを一部断面状態で示した構成図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ′部分の拡大断面図である。
【図４】図１に示す装置に用いられるモータ駆動回路を示す結線図である。
【図５】図４に示すモータ駆動回路に与えられる制御信号の例を示した波形図である。
【図６】図１に示すエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）の構成を示したブロック図である。
【図７】ＥＣＵにおいてなされる作用を説明するためのフローチャートである。
【図８】図７に示すフローチャートに続く、主に速応制御の作用を説明するためのフローチャートである。
【図９】図７に示すフローチャートに続く、主にＰＩ制御の作用を説明するためのフローチャートである。
【図１０】図８に示すフローチャートに入れ替えて使用し得る例を示したフローチャートである。
【図１１】図７に示す処理ルーチンにおいて使用されるデータテーブルの例を示した構成図である。
【図１２】図７に示す処理ルーチンにおいて使用される他のデータテーブルの例を示した構成図である。
【図１３】図８に示す処理ルーチンにおいて使用されるデータテーブルの例を示した構成図である。
【図１４】図９に示す処理ルーチンにおいて使用されるデータテーブルの例を示した構成図である。
【図１５】図９に示す処理ルーチンにおいて使用される他のデータテーブルの例を示した構成図である。
【図１６】図１０に示す処理ルーチンにおいて使用されるデータテーブルの例を示した構成図である。
【図１７】本発明に係る冷却制御装置の他の実施の形態に使用されるデータテーブルの例を示した構成図である。
【図１８】同じく他のデータテーブルの例を示した構成図である。
【図１９】従来の自動車用エンジンの冷却装置の一例を示した構成図である。
【図２０】従来のバタフライ弁による流量制御装置の例を一部断面状態で示した構成図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関（エンジン）
２ 熱交換機（ラジエータ）
２ｃ 流体通路
３ 冷却水路
５ ウォータポンプ
６ ファンユニット
１１ 流量制御ユニット
１２ 冷却媒体循環路
１３ 温度検知素子
１５ 制御ユニット（ＥＣＵ）
１６ スロットルバルブ
１７ スロットルポジションセンサ
１８ モータ制御回路
１９ クラッチ制御回路
２０ バッテリー
３１ モータ（直流モータ）
３２ クラッチ機構
３２ａ 第１クラッチ盤
３２ｃ 電磁プランジャ
３２ｆ 第２クラッチ盤
３３ 減速機構
３４ 流量制御弁
３４ａ 冷却媒体通路
３４ｂ バタフライ弁
３４ｃ 支軸
３４ｅ リターンスプリング
３４ｇ 角度センサ

Claims (9)

1. 内燃機関内に形成された流体通路と熱交換機に形成された流体通路との間で冷却媒体の循環路を形成し、前記循環路中に冷却媒体を循環させることによって内燃機関において発生する熱を前記熱交換機によって放熱させるように構成した内燃機関の冷却制御装置であって、
   前記内燃機関と熱交換機間の循環路における冷却媒体の流量をその開弁度合いに応じて制御する流量制御手段と、
   少なくとも前記内燃機関に対する負荷情報と、前記冷却媒体の温度情報とを抽出する情報抽出手段と、
   前記負荷情報に対応する冷却媒体の目標設定温度を求めると共に、前記冷却媒体の温度情報と目標設定温度との温度偏差を求め、この温度偏差と温度偏差の変化速度との関係に基づいて前記流量制御手段のアクチェータに対する制御信号を生成する制御ユニットと、が具備され、
   前記制御ユニットは、前記温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも小の場合においてアクチェータの制御信号を生成する第１の制御信号生成モードと、前記温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも大の場合においてアクチェータの制御信号を生成する第２の制御信号生成モードを実行するように構成されていることを特徴とする内燃機関の冷却制御装置。
2. 前記第１の制御信号生成モードは、前記温度偏差に対応して流量制御手段による冷却媒体の流量を単位時間毎に連続的に微小変化させる積分制御要素を含み、また前記第２の制御信号生成モードは、前記温度偏差および温度偏差変化速度に対応して記述されたマップより読み出された冷却媒体の流量設定データに基づいて、アクチェータの制御信号を生成するように構成さ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制御装置。
3. 前記負荷情報は、少なくとも内燃機関の回転数と、スロットルバルブの開度情報とにより生成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の冷却制御装置。
4. 前記流量制御手段による冷却媒体の流量を示すセンサがさらに具備され、前記センサにより得られる情報が、前記制御ユニットにおける演算処理に利用するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の内燃機関の冷却制御装置。
5. 前記流量制御手段は、筒状の冷却媒体通路中に配置され、冷却媒体の流通方向に対して、その平面方向の角度が可変されるバタフライ弁により構成され、また前記冷却媒体の流量を示すセンサは、バタフライ弁の回転角度に関する情報を生成する角度センサであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の内燃機関の冷却制御装置。
6. 前記アクチェータは、前記制御ユニットからの制御信号に基づいて回転駆動される直流モータと、前記直流モータの回転駆動力の伝達または解放を行うクラッチ機構と、前記クラッチ機構を介した直流モータの回転数を減速する減速機構より構成され、かつ流量制御手段には、流量制御手段を開弁方向に付勢するリターンスプリングが配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の内燃機関の冷却制御装置。
7. 前記クラッチ機構は、制御ユニットからの異常状態出力を受けて解放状態に成され、前記リターンスプリングにより前記流量制御手段を開弁状態に保持するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の冷却制御装置。
8. 前記クラッチ機構は、内燃機関の駆動停止に伴う制御ユニットからの制御信号の供給停止を受けて解放状態に成され、前記リターンスプリングにより前記流量制御手段を開弁状態に保持するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の冷却制御装置。
9. 内燃機関内に形成された流体通路と熱交換機に形成された流体通路との間で冷却媒体の循環路を形成し、前記循環路中に流量制御手段を介して冷却媒体を循環させることによって内燃機関において発生する熱を前記熱交換機によって放熱させるように構成した内燃機関の冷却制御方法であって、
   少なくとも内燃機関に対する負荷情報と、前記冷却媒体の温度情報とを取り込むステップと、
   前記負荷情報に対応する冷却媒体の目標設定温度を求めるステップと、
   前記冷却媒体の温度情報と目標設定温度との温度偏差を求めるステップと、
   前記温度偏差と温度偏差の変化速度とを演算するステップと、
   温度偏差と温度偏差の変化速度との関係に基づいて流量制御手段のアクチェータを駆動する制御信号を生成するステップと、
   前記制御信号に基づいてアクチェータを駆動し、熱交換機に流入する冷却媒体の流量制御を実行するステップと、
   からなり、
   アクチェータを駆動する制御信号を生成する前記ステップにおいては、前記温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも小であるか否かを判定するステップがさらに加えられ、温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも小であると判断した場合においては、温度偏差に対応して流量制御手段による冷却媒体の流量を単位時間毎に連続的に微小変化させる積分制御要素を含む制御信号を生成するステップを実行し、また温度偏差と温度偏差の変化速度が所定よりも小ではないと判断した場合においては、前記温度偏差と温度偏差変化速度に対応して記述されたマップより読み出された冷却媒体の流量設定データに基づいて、制御信号を生成するステップを実行することを特徴とする内燃機関の冷却制御方法。

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