JP6581922B2

JP6581922B2 - 車両制御装置

Info

Publication number: JP6581922B2
Application number: JP2016037000A
Authority: JP
Inventors: 嘉之金坂
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: JP2017155598A

Description

本発明は、相対的に燃焼室に近接する位置に第１ウォータージャケットが形成されるとともに、相対的に排気ポートに近接する位置に第２ウォータージャケットが形成されたシリンダヘッドに冷却水を流通させる車両制御装置に関する。

従来、エンジンのシリンダヘッドには、冷却水の流路として、相対的に燃焼室に近接する位置に第１ウォータージャケットが形成されるとともに、相対的に排気ポートに近接する位置に第２ウォータージャケットが形成されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載のエンジンでは、冷却水の温度が所定の温度閾値未満である場合に、第２ウォータージャケットへの冷却水の流通を遮断し、第１ウォータージャケットにのみ冷却水を流通させることで、排気ガスの冷却を抑えて早期に触媒を活性化させる温度に上昇させる。

また、冷却水の温度が上記の温度閾値以上である場合に、第２ウォータージャケットへも冷却水を流通させ、シリンダヘッド内を流通する冷却水の量を増加させることで、シリンダヘッドを効率よく冷却する。

特開２０１０−１２１５６１号公報

しかしながら、上記のエンジンでは、第１ウォータージャケットおよび第２ウォータージャケットに冷却水を流通させることで、第１ウォータージャケットを流通する冷却水の量が減少してしまうため、燃焼室の壁温が上昇してしまい、ノッキングが発生してしまうおそれがあった。

そこで、本発明は、ノッキングを抑制することが可能な車両制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の車両制御装置は、冷却水の流路として、相対的に燃焼室に近接する位置に第１ウォータージャケットが形成されるとともに、相対的に排気ポートに近接する位置に第２ウォータージャケットが形成されたシリンダヘッドと、前記第２ウォータージャケットへの冷却水の流通および遮断を切り替えるバルブと、前記冷却水の温度を計測する温度センサと、前記バルブの開閉状態を切り替える制御部と、を備え、前記制御部は、前記温度センサにより計測された温度が所定の高温閾値以上の場合に、前記バルブを閉状態にして前記第２ウォータージャケットへの冷却水を遮断し、前記シリンダヘッド内において前記第１ウォータージャケットに冷却水を流通させる。

また、前記制御部は、前記温度センサにより計測された温度が、前記高温閾値よりも低い低温閾値未満の場合に、前記バルブを閉状態にして前記第２ウォータージャケットへの冷却水を遮断し、前記シリンダヘッド内において前記第１ウォータージャケットに冷却水を流通させるとよい。

また、前記制御部は、前記温度センサにより計測された温度が、前記高温閾値未満であり、かつ、前記低温閾値以上の場合、前記バルブを開状態にし、前記シリンダヘッド内において前記第１ウォータージャケットおよび前記第２ウォータージャケットに冷却水を流通させるとよい。

本発明によれば、ノッキングを抑制することができる。

車両制御装置の構成を示す図である。エンジンの構成を説明する図である。ウォータージャケットの冷却水の流通状態を説明する図である。制御処理の流れを示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、車両制御装置１の構成を示す図である。なお、図１中、冷却水路１６を実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。図１に示すように、車両制御装置１は、エンジン１０、ラジエータ１２、ウォーターポンプ１４、冷却水路１６および制御部１８を含んで構成され、これらエンジン１０、ラジエータ１２およびウォーターポンプ１４には、冷却水路１６を介して冷却水が流通する。

エンジン１０は、シリンダブロック３０およびシリンダヘッド３２を含んで構成される。シリンダブロック３０には、複数のシリンダボア３４が形成されており、各シリンダボア３４内で不図示のピストンが摺動可能に収容される。

ラジエータ１２は、冷却水路１６の途中に設けられ、冷却水路１６内を流通する冷却水の熱を外部に放熱することで、冷却水を冷却する。ウォーターポンプ１４は、エンジン１０の回転動力により回転駆動し、冷却水を冷却水路１６内で循環させる。

冷却水路１６は、配管１６ａと、シリンダヘッド３２に形成されたウォータージャケット３６と、配管１６ｂと、配管１６ｃと、配管１６ｄとを含んで構成される。配管１６ａは、ウォーターポンプ１４およびウォータージャケット３６にそれぞれ接続され、ウォーターポンプ１４およびウォータージャケット３６が配管１６ａを介して連通される。

ウォータージャケット３６は、配管１６ａが接続されたシリンダヘッド３２における上流側において第１ウォータージャケット３６ａおよび第２ウォータージャケット３６ｂに分岐され、複数のシリンダボア３４よりも下流側において統合される。

第１ウォータージャケット３６ａは、配管１６ａと連通しており、シリンダヘッド３２内においてシリンダボア３４の配列方向に沿って、詳しくは後述するように、燃焼室の近傍に形成されている。

第２ウォータージャケット３６ｂは、第１ウォータージャケット３６ａに対して、冷却水の流通および遮断を開閉により切り替える電子制御バルブ２０を介して接続されており、シリンダヘッド３２内においてシリンダボア３４の配列方向に沿って、詳しくは後述するように、排気ポートの近傍に形成されている。

配管１６ｂは、ウォータージャケット３６およびラジエータ１２にそれぞれ接続され、ウォータージャケット３６およびラジエータ１２が配管１６ｂを介して連通される。配管１６ｃは、ラジエータ１２およびウォーターポンプ１４にそれぞれ接続され、ラジエータ１２およびウォーターポンプ１４が配管１６ｃを介して連通される。

配管１６ｂの途中には、電子制御バルブ２２が設けられる。電子制御バルブ２２には、配管１６ｄが接続される。電子制御バルブ２２は、開閉状態を切り替えることにより、ラジエータ１２、および、配管１６ｄのどちらか一方に冷却水を流通させる。つまり、電子制御バルブ２２は、ラジエータ１２への冷却水の流通および遮断を切り替える。

このような構成の車両制御装置１では、ウォーターポンプ１４が駆動することにより、ウォーターポンプ１４から吐出された冷却水が配管１６ａを介してシリンダヘッド３２のウォータージャケット３６に導かれる。そして、ウォータージャケット３６に導かれた冷却水は、電子制御バルブ２０が開状態であれば、第１ウォータージャケット３６ａおよび第２ウォータージャケット３６ｂを流通した後、配管１６ｂに導かれる。一方、ウォータージャケット３６に導かれた冷却水は、電子制御バルブ２０が閉状態であれば、第１ウォータージャケット３６ａのみを流通した後、配管１６ｂに導かれる。

配管１６ｂに導かれた冷却水は、電子制御バルブ２２の開閉状態に応じて、ラジエータ１２および配管１６ｃを介してウォーターポンプ１４に導かれるか、配管１６ｄおよび配管１６ｃを介してウォーターポンプ１４に導かれる。このようにして、車両制御装置１では、冷却水が冷却水路１６内を循環する。

また、配管１６ｂには、ウォータージャケット３６の近傍に、ウォータージャケット３６を流通した冷却水の温度（水温）を計測する温度センサ２４が設けられている。温度センサ２４は、計測した冷却水の温度を示す温度信号を制御部１８に送信する。

制御部１８は、ＥＣＵ（Engine Control Unit）であり、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成されている。制御部１８は、電子制御バルブ２０、電子制御バルブ２２および温度センサ２４が接続されており、温度センサ２４から送信される温度信号に基づいて、電子制御バルブ２０および電子制御バルブ２２の開閉を制御し、冷却水が流通する流路を切り替える。なお、制御部１８における制御処理について、詳しくは後述する。

次に、エンジン１０の構成について説明する。図２は、エンジン１０の構成を説明する図である。図２に示すように、エンジン１０は、シリンダブロック３０の下方に、シリンダブロック３０と一体形成されたクランクケース３８が設けられており、クランクケース３８内でクランクシャフト４０が回転自在に軸支される。クランクシャフト４０には、コンロッド４２を介してピストン４４が連結されており、ピストン４４は、シリンダボア３４内に摺動可能に収容される。エンジン１０では、シリンダブロック３０と、シリンダヘッド３２と、ピストン４４の冠面とによって囲まれた空間が燃焼室４６として形成される。

シリンダヘッド３２には、吸気ポート４８および排気ポート５０が燃焼室４６に連通するように設けられる。吸気ポート４８と燃焼室４６との間には、不図示の吸気弁の先端が位置し、排気ポート５０と燃焼室４６との間には、不図示の排気弁の先端が位置している。吸気弁および排気弁は、クランクシャフト４０にベルト等によって連結されたカムシャフトに固定されたカムが回転することにより、吸気ポート４８と燃焼室４６との間、および、排気ポート５０と燃焼室４６との間をそれぞれ開閉する。

また、シリンダヘッド３２には、先端が燃焼室４６内に位置するようにインジェクタ５２および点火プラグ５４が設けられ、所定のタイミングでインジェクタ５２から燃料が噴射された後、点火プラグ５４によって燃料が点火されて燃焼する。かかる燃焼により、ピストン４４がシリンダボア３４内で往復運動を行い、その往復運動が、コンロッド４２を通じてクランクシャフト４０の回転運動に変換される。

吸気ポート４８の上流側には、インテークマニホールドを含む吸気路５６が連通される。吸気路５６内には、エアクリーナやスロットル弁が設けられる。また、排気ポート５０の下流側には、エキゾーストマニホールドを含む排気路５８が連通され、排気路５８内に三元触媒（Three-Way Catalyst）やマフラーが設けられる。なお、三元触媒は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）を含んで構成され、排気ポート５０から排出された排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を除去する。また、三元触媒は、３００℃〜８５０℃の温度範囲において活性化し、排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を効率よく除去し、上記の温度範囲未満においては、排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物の除去効率が低下してしまう。

また、エンジン１０には、吸気路５６および排気路５８を連通させる還流路６０が設けられており、排気路５８を流通する排気ガスの一部を吸気路５６に還流させる。還流路６０には、排気ガスの温度を下げるＥＧＲクーラ６２、および、還流路６０を流通する排気ガスの流量を制御するＥＧＲバルブ６４が設けられている。なお、以下では、還流路６０を流通する排気ガスをＥＧＲガスとも呼ぶ。

また、上記したように、シリンダヘッド３２内には、第１ウォータージャケット３６ａおよび第２ウォータージャケット３６ｂを含むウォータージャケット３６が形成されている。第１ウォータージャケット３６ａは、第２ウォータージャケット３６ｂよりもシリンダブロック３０側（図中下側）であって、燃焼室４６に相対的に近接した位置で、燃焼室４６を囲むように形成されている。

第２ウォータージャケット３６ｂは、第１ウォータージャケット３６ａよりもシリンダブロック３０から遠い側（図中上側）であって、排気ポート５０に相対的に近接した位置で、排気ポート５０を囲むように形成されている。

したがって、エンジン１０では、第１ウォータージャケット３６ａに冷却水が流通することで、燃焼室４６で燃料が燃焼したことにより発生する熱を冷却水が吸収し、燃焼室４６を冷却する。また、第２ウォータージャケット３６ｂに冷却水が流通することで、排気ポート５０を流通する排気ガスの熱を冷却水が吸収し、排気ガスを冷却する。

図３は、ウォータージャケット３６の冷却水の流通状態を説明する図である。なお、図３中、第１Ｗ／Ｊは、第１ウォータージャケット３６ａを示し、第２Ｗ／Ｊは、第２ウォータージャケット３６ｂを示し、後述する図４においても同様とする。例えば、エンジン１０の始動直後など、エンジン１０が十分に温まっておらず、冷却水の温度も低い場合、第２ウォータージャケット３６ｂに冷却水を流通させると、排気ポート５０を流通する排気ガスの温度が低下し、排気路５８内に設けられた三元触媒の温度が温度範囲に到達するまでに時間を要してしまうことになる。

そこで、図３に示すように、制御部１８は、温度センサ２４から送信される温度信号に示される冷却水の温度が所定の閾値Ｔ１（低温閾値、例えば３０℃）未満である場合、電子制御バルブ２０を閉状態にし、第２ウォータージャケット３６ｂへの冷却水の流通を遮断する。また、閾値Ｔ１は、冷却水の温度が低く、三元触媒の温度が温度範囲に到達していないとされる温度に設定される。また、冷却水の温度が所定の閾値Ｔ１（例えば３０℃）未満である場合、制御部１８は、電子制御バルブ２２を制御してラジエータ１２への冷却水を遮断する。

この場合、シリンダヘッド３２内では、冷却水が第１ウォータージャケット３６ａのみに流通するため、第２ウォータージャケット３６ｂに冷却水が流通することによる、排気ポート５０を流通する排気ガスの温度を低下させてしまうことを抑制する。これにより、排気路５８に設けられた三元触媒は、排気ガスによって早期に暖気され、活性化する温度範囲に早期に到達することが可能となる。

また、三元触媒が活性化する温度まで上昇した後、第２ウォータージャケット３６ｂを遮断したままであると、排気ガスの温度、すなわち、ＥＧＲガスの温度が高温となるため、吸気路５６内へ流通させる排気ガスの流入量を減少させなければならない。

そこで、制御部１８は、温度センサ２４から送信される温度信号に示される冷却水の温度が閾値Ｔ１以上であり、かつ、閾値Ｔ１よりも高い閾値Ｔ２（高温閾値、例えば１００℃）未満である場合、電子制御バルブ２０を開状態にし、第２ウォータージャケット３６ｂへ冷却水を流通させる。なお、閾値Ｔ２は、エンジン１０においてノッキングが発生してしまうおそれがある温度に設定される。

この場合、シリンダヘッド３２内では、冷却水が第１ウォータージャケット３６ａおよび第２ウォータージャケット３６ｂの双方に流通するため、燃焼室４６で発生した熱、および、排気ポート５０を流通する排気ガスの熱によって冷却水が早期に暖められる。これにより、車両制御装置１では、シリンダブロック３０やシリンダヘッド３２内を流通するエンジンオイルも早期に暖められ、エンジンオイルの流動抵抗も低下させることができる。

また、車両制御装置１では、第２ウォータージャケット３６ｂに冷却水を流通させることで、排気ガスの温度、すなわち、ＥＧＲガスの温度を低下させることができ、吸気路５６内へ流通させるＥＧＲガスの流入量を増加させることが可能となる。エンジン１０では、ＥＧＲガスの流入量を増加させることで、燃焼室４６内では大気よりも酸素濃度が低い状態で燃料が燃焼するため、燃焼温度が低下する。これにより、車両制御装置１では、燃焼室４６（シリンダヘッド３２）を冷却させるための冷却損失を低下させることができる。

また、車両制御装置１では、ＥＧＲガスの流入量を増加させることで、吸気路５６の負圧を小さくしてポンピングロスを低減することができる。さらに、車両制御装置１では、ノッキングを防止するために点火プラグ５４の点火時期を遅角させる遅角量も小さくすることで、点火時期の遅角による時間損失（トルク損失）も低減することができる。

その後、第１ウォータージャケット３６ａおよび第２ウォータージャケット３６ｂに冷却水を流通させたままであると、冷却水の温度が上昇するとともに、燃焼室４６の温度も上昇し、ノッキングが発生してしまうおそれが増加する。

そこで、制御部１８は、温度センサ２４から送信される温度信号に示される冷却水の温度が所定の閾値Ｔ２以上である場合、電子制御バルブ２０を閉状態にし、第２ウォータージャケット３６ｂへの冷却水の流通を遮断させる。また、制御部１８は、電子制御バルブ２２を制御し、ラジエータ１２に冷却水を流通させる。

この場合、シリンダヘッド３２内では、冷却水が第１ウォータージャケット３６ａのみに流通するため、第１ウォータージャケット３６ａを流通する冷却水の流速（流量）を増加させることができる。このため、車両制御装置１では、燃焼室４６で発生する熱をより吸収することが可能となり、これによって、燃焼室４６の温度を、第２ウォータージャケット３６ｂに冷却水を流通させる場合よりも低下させることができる。

これにより、車両制御装置１では、ノッキングの発生を防止することができるとともに、ノッキングを防止するために点火プラグ５４の点火時期を遅角させる遅角量も小さくすることで、点火時期の遅角による時間損失も低減することができ、燃費も向上させることができる。

続いて、上述した制御処理の流れについて、図４のフローチャートを用いて詳述する。なお、この制御処理は所定間隔毎に行われる。

図４は、制御処理の流れを示すフローチャートである。図４に示すように、制御処理が実行されると、制御部１８は、温度センサ２４から温度信号を取得する（Ｓ１００）。

そして、制御部１８は、温度信号に示される冷却水の温度が閾値Ｔ１未満であるかを判定する（Ｓ１０２）。その結果、冷却水の温度が閾値Ｔ１未満である場合（Ｓ１０２におけるＹＥＳ）、制御部１８は、電子制御バルブ２０を閉状態にし、シリンダヘッド３２内で冷却水を第１ウォータージャケット３６ａのみに流通させる（Ｓ１０４）。

一方、冷却水の温度が閾値Ｔ１未満でない、つまり、冷却水の温度が閾値Ｔ１以上である場合（Ｓ１０２におけるＮＯ）、制御部１８は、温度信号に示される冷却水の温度が閾値Ｔ２未満であるかを判定する（Ｓ１０６）。その結果、冷却水の温度が閾値Ｔ２未満である場合（Ｓ１０６におけるＹＥＳ）、制御部１８は、電子制御バルブ２０を開状態にし、シリンダヘッド３２内で冷却水を第１ウォータージャケット３６ａおよび第２ウォータージャケット３６ｂに流通させる（Ｓ１０８）。

一方、冷却水の温度が閾値Ｔ２未満でない、つまり、冷却水の温度が閾値Ｔ２以上である場合（Ｓ１０６におけるＮＯ）、制御部１８は、電子制御バルブ２０を閉状態にし、シリンダヘッド３２内で冷却水を第１ウォータージャケット３６ａのみに流通させる（Ｓ１０４）。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、配管１６ｂに温度センサ２４を設けるようにしたが、これに限らず、冷却水路１６上のいずれかの位置で冷却水の温度を計測可能であれば、どこに設けるようにしてもよい。

本発明は、相対的に燃焼室に近接する位置に第１ウォータージャケットが形成されるとともに、相対的に排気ポートに近接する位置に第２ウォータージャケットが形成されたシリンダヘッドに冷却水を流通させる車両制御装置に利用できる。

１車両制御装置
１８制御部
２０電子制御バルブ（バルブ）
２４温度センサ
３２シリンダヘッド
３６ａ第１ウォータージャケット
３６ｂ第２ウォータージャケット

Claims

冷却水の流路として、相対的に燃焼室に近接する位置に第１ウォータージャケットが形成されるとともに、相対的に排気ポートに近接する位置に第２ウォータージャケットが形成されたシリンダヘッドと、
前記第２ウォータージャケットへの冷却水の流通および遮断を切り替えるバルブと、
前記冷却水の温度を計測する温度センサと、
前記バルブの開閉状態を切り替える制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記温度センサにより計測された温度が所定の高温閾値以上の場合に、前記バルブを閉状態にして前記第２ウォータージャケットへの冷却水を遮断し、前記シリンダヘッド内において前記第１ウォータージャケットに冷却水を流通させることを特徴とする車両制御装置。
前記制御部は、
前記温度センサにより計測された温度が、前記高温閾値よりも低い低温閾値未満の場合に、前記バルブを閉状態にして前記第２ウォータージャケットへの冷却水を遮断し、前記シリンダヘッド内において前記第１ウォータージャケットに冷却水を流通させることを特徴とする請求項１に記載の車両制御装置。
前記制御部は、
前記温度センサにより計測された温度が、前記高温閾値未満であり、かつ、前記低温閾値以上の場合、前記バルブを開状態にし、前記シリンダヘッド内において前記第１ウォータージャケットおよび前記第２ウォータージャケットに冷却水を流通させることを特徴とする請求項２に記載の車両制御装置。