JP6390511B2

JP6390511B2 - ウォーターポンプの制御装置

Info

Publication number: JP6390511B2
Application number: JP2015100330A
Authority: JP
Inventors: 彰紀森島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2035-05-15
Also published as: JP2016217194A

Description

本発明は、ウォーターポンプの制御装置に関する。

ターボチャージャーやスーパーチャージャーを備えた内燃機関の吸気通路にインタークーラーを設けて、過給機により圧縮されて温度が上がった吸気（空気）を冷却することが行われている。インタークーラーには、空冷式のものと水冷式のものとがあるが、水冷式のインタークーラーでは、ウォーターポンプでインタークーラー内に冷却水を循環させることによりインタークーラーを冷却している。

また、水冷式のインタークーラーに関する制御として、以下のものも知られている。ウォーターポンプによる冷却水の目標循環量を、インタークーラーにより冷却された吸気の温度（以下、出ガス温度と表記する）と目標温度との間の乖離量に基づくフィードバック演算により算出する。そして、目標循環量がウォーターポンプで循環させられる冷却水の最低量以上であった場合には、目標循環量の冷却水が循環するようにウォーターポンプを連続駆動し、目標循環量が上記最低量未満であった場合には、冷却水の循環量の時間平均値が目標循環量となるようにウォーターポンプを間欠駆動する。

特開２００８−２７４９０９号公報国際公開第２０１１／１１１１５９号特開２０１２−１１７３７８号公報

発明者は、インタークーラー、ウォーターポンプ等からなる吸気冷却系を高性能化すべく、鋭意研究した結果、上記従来の制御だと、ウォーターポンプの間欠続駆動時に、出ガス温度が大きくアンダーシュート等して目標温度に速やかに収束しない場合があることを見出した。

そこで、本発明の課題は、出ガス温度（インタークーラーによる冷却後の吸気温度）が目標温度（目標吸気温度）に速やかに収束するように、インタークーラー用のウォーターポンプを間欠駆動できるウォーターポンプの制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の、内燃機関の吸気通路に配設されたインタークーラーと前記インタークーラーを冷却するための冷却水が循環する冷却水循環路と前記冷却水循環路内の冷却水を循環させるウォーターポンプとを含む吸気冷却系のウォーターポンプを、前記インタークーラーによる冷却後の吸気温度が目標吸気温度となるように駆動するウォーターポンプの制御装置は、前記冷却水循環路内の冷却水循環量の目標量を、前記インタークーラーによる冷却後の吸気温度と目標吸気温度の間の乖離量に基づくフィード
バック演算によって算出する算出手段と、前記算出手段により算出された目標量が所定の連続運転閾値以上である場合には、前記冷却水循環路内の冷却水の循環量が目標量となるように、前記ウォーターポンプを連続駆動し、前記算出手段により算出された目標量が前記連続運転閾値未満である場合には、前記冷却水循環路内の冷却水の循環量の時間平均値が目標量となるように、前記ウォーターポンプを間欠駆動する駆動手段と、を備え、前記算出手段は、前記駆動手段により前記ウォーターポンプが間欠駆動されている状況下では、前記フィードバック演算のフィードバックゲインを、前記冷却水循環路内の冷却水温度が低い場合は、高い場合に比べて小さくする。

本発明によれば、インタークーラーによる冷却後の吸気温度が目標吸気温度に速やかに収束するように、インタークーラー用のウォーターポンプを間欠駆動できる。

図１は、本発明の一実施形態に係るウォーターポンプの制御装置を適用した内燃機関システムの概略構成図である。図２は、実施形態に係るウォーターポンプの制御装置としてのＥＣＵが周期的に実行するウォーターポンプ制御処理の流れ図である。図３は、ｄＴの説明図である。図４は、補正係数の説明図である。図５は、ウォーターポンプの間欠駆動時における出ガス温度変化に、冷却水温度が与える影響の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係るウォーターポンプの制御装置を適用した内燃機関システムの概略構成を示す。

この内燃機関システムは、車両に搭載されるシステムであり、内燃機関１０、本実施形態に係るウォーターポンプの制御装置としてのＥＣＵ(Electronic Control Unit）４０等を備えている。

内燃機関１０は、３つの気筒を有するディーゼルエンジンである。内燃機関１０の各気筒（各気筒の吸気ポート）は、吸気マニホールド１１を介して吸気通路１２と接続されている。また、内燃機関１０の各気筒（各気筒の排気ポート）は、排気マニホールド１３を介して排気通路１４と接続されている。

排気マニホールド１３と吸気マニホールド１１との間には、排気マニホールド１３内を流れる排気の一部を吸気マニホールド１１に戻すためのＥＧＲ通路(Exhaust Gas Recirculation)２０ａが配設されている。このＥＧＲ通路２０ａの途中には、ＥＧＲ通路２０ａ
内を流れる排気量を調節するためのＥＧＲ弁２０ｂが設けられている。

排気通路１４の途中には、ターボチャージャー２２のタービン２２ｂが配設されている。また、吸気通路１２の途中には、ターボチャージャー２２のコンプレッサ２２ａと、コンプレッサ２２ａからの圧縮空気を冷却するためのインタークーラー３０とが配設されている。

吸気通路１２のコンプレッサ２２ａよりも上流側の部分には、吸気の流量を測定するためのエアフローメータ２１が設けられている。吸気通路１２のコンプレッサ２２ａとインタークーラー３０との間の部分には、インタークーラー３０内に流入する吸気の温度（以下、入りガス温度と表記する）を測定するための温度センサ２５が設けられている。また、吸気通路１２のインタークーラー３０よりも下流側の部分には、インタークーラー３０によって冷却された吸気の温度（以下、出ガス温度と表記する）を測定するための温度センサ２６が設けられている。

インタークーラー３０（インタークーラー３０の冷却水入口及び出口）には、冷却水循環路３１が接続されている。この冷却水循環路３１の途中には、冷却水循環路３１内を流れる冷却水（ＬＬＣ（Long Life Coolant）等）を外気（走行風）により冷却するため
のラジエータ３２と、冷却水を循環させるためのウォーターポンプ３３（以下、ポンプ３３とも表記する）とが設けられている。また、冷却水循環路３１には、冷却水循環路３１内を流れる冷却水の温度を測定するための温度センサ２７が取り付けられており、ラジエータ３２の近傍には、外気温度を測定するための温度センサ２８が設けられている。

ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、フラッシュＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、各種インタフェース回路等で構成されたユニットである。ＥＣＵ４０のフラッシュＲＯＭには、ＣＰＵが実行するプログラム（ファームウェア）や、当該プログラムが参照する各種情報（マップ等）が記憶されている。

また、ＥＣＵ４０には、上記した温度センサ２５〜２８と共に、図示を省略してある各種センサ（スイッチアクセル開度センサ、クランク角センサ等）が電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵが上記プログラムを実行することにより、各種センサからの信号に基づき、内燃機関システムの各部を統合的に制御するユニットとして機能する。

以下、ＥＣＵ４０の機能を、本実施形態に係るウォーターポンプの制御装置としての機能を中心に説明する。

ＥＣＵ４０は、内燃機関１０の運転中、図２に示した手順のウォーターポンプ制御処理を周期的に繰り返すように構成（プログラミング）されている。尚、以下の説明において、入りガス温度、出ガス温度とは、既に定義したように、それぞれ、インタークーラー３０内に流入する吸気の温度（温度センサ２５により測定される温度）、インタークーラー３０による冷却後の吸気の温度（温度センサ２６により測定される温度）のことである。

図２に示してあるように、このウォーターポンプ制御処理を開始したＥＣＵ４０は、まず、運転状態（例えば、機関回転数とアクセル開度）から定めた出ガス目標温度等に基づき、目標循環量Ｑｗｐの算出に使用するＦ／Ｆ（フィードフォワード）流量を決定する（ステップＳ１０１）。ここで、出ガス目標温度とは、出ガス温度の目標値のことである。また、目標循環量Ｑｗｐとは、ポンプ３３に循環させる冷却水量の目標値のことである。

尚、Ｆ／Ｆ流量は、出ガス温度を出ガス目標温度に近づけることが出来る（出ガス温度が出ガス目標温度と一致している場合には、出ガス温度を維持できる）冷却水循環量であれば良い。従って、ステップＳ１０１の処理は、Ｆ／Ｆ流量を、出ガス温度と出ガス目標温度とから決定する処理であっても良く、Ｆ／Ｆ流量を、他の情報（吸気量等）も用いて決定する処理であっても良い。

ステップＳ１０１の処理を終えたＥＣＵ４０は、続くステップＳ１０２にて以下の処理を行う。

ＥＣＵ４０は、まず、ポンプ状態情報に基づき、ポンプ３３を連続駆動しているか間欠駆動しているかを判断する。ここで、ポンプ状態情報とは、ＥＣＵ４０が管理している。ポンプ３３が連続駆動中であるか間欠駆動中であるかを示す情報のことである。

ポンプ３３を連続駆動している場合、ＥＣＵ４０は、以下のフィードバック演算式を用
いて、目標循環量Ｑｗｐを算出する。

この（１）式（フィードバック演算式）における“Ｆ／Ｆ”は、ステップＳ１０１の処理により算出されたＦ／Ｆ流量である。Ｇｐ、Ｇｉ、Ｇｄは、それぞれ、予め定められている比例項ゲイン、積分項ゲイン、微分項ゲインである。ｄＴ（ｄＴ_ｎ、ｄＴ_ｎ−１）は、図３に示したように、出ガス温度と出ガス目標温度との間の乖離量である。ｄＴ_ｎは、今回のステップＳ１０２の実行時における乖離量であり、ｄＴ_ｎ−１は、前回のステップＳ１０２の実行時における乖離量である。

そして、目標循環量Ｑｗｐを算出したＥＣＵ４０は、ステップＳ１０２の処理を終了する。

一方、ポンプ３３を間欠駆動している場合、ＥＣＵ４０は、温度センサ２７から冷却水温度を取得し、取得した冷却水温度を用いて、補正係数ａ、ｂ、ｃ（詳細は後述）の値を特定する。そして、ＥＣＵ４０は、以下のフィードバック演算式を用いて、目標循環量Ｑｗｐを算出する。

この（２）式から明らかなように、補正係数ａ、ｂ、ｃは、目標循環量Ｑｗｐ算出用のフィードバック演算式の各Ｆ／Ｂ（フィードバック）ゲインを変更するための係数である。図４に模式的に示してあるように、各補正係数ａ、ｂ、ｃは、冷却水温度が下がるにつれその値が小さくなるように予め定義される。そして、ステップＳ１０２では、各補正係数の値が、補正係数の値と冷却水温度との対応関係を記憶したマップや当該対応関係を示す関数を用いて、特定される。

ステップＳ１０２の処理を終えたＥＣＵ４０は、算出した目標循環量Ｑｗｐ、ポンプ３３による現在の冷却水の循環量（以下、現循環量と表記する）等に基づき、ポンプ３３の動作状態を変更する必要があるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。

ポンプ３３の動作状態を変更する必要がないと判断した場合（ステップＳ１０３；ＮＯ）、ＥＣＵ４０は、特に処理を行うことなく、今回のウォーターポンプ制御処理（図２の処理）を終了する。

一方、ポンプ３３の動作状態を変更する必要があると判断した場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、ＥＣＵ４０は、ポンプ３３の動作状態を変更する処理（ステップＳ１０４）を行う。

具体的には、ＥＣＵ４０は、目標循環量Ｑｗｐが、ポンプ３３を連続運転できる冷却水循環量の下限値として定められている連続運転閾値以上であり、且つ、ポンプ３３が間欠駆動中であった場合、ステップＳ１０３にて、ポンプ３３の動作状態を変更する必要があると判断する。そして、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１０４にて、ポンプ３３の駆動パター
ンを、目標循環量Ｑｗｐの冷却水が循環する状態の連続駆動に変更する処理（制御）を行う。

また、ＥＣＵ４０は、目標循環量Ｑｗｐが連続運転閾値未満であり、且つ、ポンプ３３が連続駆動中であった場合、ステップＳ１０３にて、ポンプ３３の動作状態を変更する必要があると判断する。そして、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１０４にて、ポンプ３３の駆動パターンを、冷却水の循環量の時間平均値が目標循環量Ｑｗｐとなる間欠駆動に変更する処理を行う。

さらに、ＥＣＵ４０は、現循環量と目標循環量Ｑｗｐとの差の絶対値が第１規定量以上であり、ポンプ３３が連続駆動中であった場合や、当該差の絶対値が第２規定量以上であり、ポンプ３３が間欠駆動中であった場合にも、ステップＳ１０３にて、ポンプ３３の動作状態を変更する必要があると判断する。尚、第１規定量、第２規定量とは、ポンプ３３の循環量の調節精度等に基づき予め定められている量のことである。

そして、ＥＣＵ４０は、成立していることを見出した条件に応じた処理、すなわち、ポンプ３３による冷却水の循環量を目標循環量Ｑｗｐに変更する処理や、冷却水の循環量の時間平均値が目標循環量Ｑｗｐとなるように間欠駆動パターン（ポンプ３３を駆動する時間及びポンプ３３を停止する時間の組合せ）を変更する処理をステップＳ１０４にて行う。

上記のような処理をステップＳ１０４にて行ったＥＣＵ４０は、今回のウォーターポンプ制御処理（図２の処理）を終了する。

以下、ポンプ３３の間欠駆動時の目標循環量Ｑｗｐを（２）式で算出している理由を説明する。

ポンプ３３の間欠駆動時には、ポンプ３３がＯＮとなっている期間（時間帯）とポンプ３３が休止している休止期間とが存在する。ポンプ３３の休止期間には、冷却水の循環が停止されるため、ポンプ３３の休止期間における冷却水と吸気との間の熱交換は、ほぼ冷却水の自然対流のみにより進行する。従って、ポンプ３３の休止期間におけるインタークーラー３０内の熱交換速度は、極めて遅くなる。

また、冷却水の温度が下がると、冷却水の粘度が下がり、粘度が下がると、熱交換速度が遅くなる。従って、冷却水の温度が低い場合、ポンプ３３の休止期間におけるインタークーラー３０内の熱交換速度は、さらに遅くなる。

従って、図５に模式的に示したように、ポンプ３３の間欠駆動時には、出ガス目標温度と出ガス温度との間の乖離量が同じであっても、冷却水温度が低い方が、ポンプ３３の制御に対する出ガス温度の応答遅れが大きくなる。

そして、出ガス温度が出ガス目標温度に到達するのに時間がかかると、積分項によりＦ／Ｂ補正量が増大するが、（１）式における各Ｆ／Ｂゲインの値は、冷却水が循環している状況下において出ガス温度を短時間で出ガス目標温度に収束できるように定められている。従って、ポンプ３３の間欠駆動時の目標循環量Ｑｗｐを（１）式で算出した場合、積分項により目標循環量Ｑｗｐが過剰に増加／減少されて出ガス温度が大きくアンダーシュート／オーバーシュートしやすい。また、ポンプ３３の間欠駆動時の目標循環量Ｑｗｐを（１）式で算出した場合、各Ｆ／Ｂゲインが適切な値でないため、出ガス温度が、出ガス目標温度近傍の温度となって安定するまでに時間がかかってしまう。

一方、ポンプ３３の間欠駆動時の目標循環量Ｑｗｐを（２）式で算出するようにしておけば、比例項、積分項、微分項のＦ／Ｂゲイン（Ｇｐ・ａ、Ｇｉ・ｂ、Ｇｄ・ｃ）が小さくなるため、積分項により過剰なＦ／Ｂ補正が行われないようにすることが出来る。また、各Ｆ／Ｂゲインが、応答遅れ（無駄時間）が長い場合に適した値（小さな値）に変更されるので、出ガス目標温度の変更時に、出ガス温度を速やかに安定化させることが可能となる。

《変形形態》
上記した技術は、各種の変形を行えるものである。例えば、ウォーターポンプ制御処理（図２）を、補正係数ａ、ｂ、ｃの値を、冷却水温度自体ではなく、冷却水温度と相関する温度（例えば外気温度）から特定する処理に変形しても良い。また、ウォーターポンプ制御処理を、ポンプ３３の間欠駆動時の目標循環量Ｑｗｐの算出時に、Ｇｐ、Ｇｉ、Ｇｄの値自体を変更する処理に変形することが出来る。また、ウォーターポンプ制御処理を、ポンプ３３の間欠駆動時の目標循環量Ｑｗｐの算出時に、比例項、積分項、微分項のＦ／Ｂゲイン中の１つ又は２つのＦ／Ｂゲインの値を冷却水温度に応じて変更する処理に変形することも出来る。ただし、収束速度を速くするためには、上記したように、３種のＦ／Ｂゲインの値が全て冷却水温度に応じて変更されるようにしておくことが好ましい。

１０内燃機関
１１吸気マニホールド
１２吸気通路
１３排気マニホールド
１４排気通路
２０ａＥＧＲ通路
２０ｂＥＧＲ弁
２１エアフローメータ
２２ターボチャージャー
２２ａコンプレッサ
２２ｂタービン
２５〜２８温度センサ
３０インタークーラー
３１冷却水循環路
３２ラジエータ
３３ウォーターポンプ
４０ＥＣＵ

Claims

内燃機関の吸気通路に配設されたインタークーラーと前記インタークーラーを冷却するための冷却水が循環する冷却水循環路と前記冷却水循環路内の冷却水を循環させるウォーターポンプとを含む吸気冷却系のウォーターポンプを、前記インタークーラーによる冷却後の吸気温度が目標吸気温度となるように駆動するウォーターポンプの制御装置であって、
前記冷却水循環路内の冷却水循環量の目標量を、前記インタークーラーによる冷却後の吸気温度と目標吸気温度の間の乖離量に基づくフィードバック演算によって算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された目標量が所定の連続運転閾値以上である場合には、前記冷却水循環路内の冷却水の循環量が目標量となるように、前記ウォーターポンプを連続駆動し、前記算出手段により算出された目標量が前記連続運転閾値未満である場合には、前記冷却水循環路内の冷却水の循環量の時間平均値が目標量となるように、前記ウォーターポンプを間欠駆動する駆動手段と、
を備え、
前記算出手段は、前記駆動手段により前記ウォーターポンプが間欠駆動されている状況下では、前記フィードバック演算のフィードバックゲインを、前記冷却水循環路内の冷却水温度が低い場合は、高い場合に比べて小さくする
ことを特徴とするウォーターポンプの制御装置。