JP7125668B2 - 車両の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の冷却装置に関するものである。

車両においては、エンジン温度（エンジンの冷却水温度）を所定温度に維持するために、走行風によって冷却される（放熱される）ラジエータに対して、エンジンの冷却水を循環させるようにしている。特許文献１には、ラジエータの前方にグリルシャッターを装備して、エンジンの冷却水温度と車速とに応じて、グリルシャッターの開度を変更制御するものが開示されている。グリルシャッターの開度を大きくするほど、ラジエータに導入される走行風の風量が増大されて、ラジエータでの冷却能力が向上されることになる。

特開２００７－１５０３号公報

ところで、車両用のエンジン、特にガソリンを燃料とするエンジンにあっては、あらかじめ設定された複数の燃焼形態の中から、エンジンの運転状態に応じて選択される特定の燃焼形態でもって燃焼を行わせるようにしたものが実用化されつつある。上記複数の燃焼形態としては、例えばＳＩ燃焼、ＨＣＣＩ燃焼、ＳＰＣＣＩ燃焼がある。ＳＩ燃焼は、通常行われている一般的な燃焼形態であり、点火プラグによって混合気に着火した後、火炎伝播による燃焼を行うものである（火花着火式燃焼）。ＨＣＣＩ燃焼は、混合気を圧縮着火させるものである（圧縮着火燃焼）。ＳＰＣＣＩ燃焼は、混合気の一部について前記点火プラグによって着火させた後に残りの混合気について自己着火させるものである（部分圧縮着火燃焼）。

上述したように燃焼形態に応じて、それに適したエンジンの冷却水温度というものがある。特にＨＣＣＩ燃焼やＳＰＣＣＩ燃焼を行う場合は、ＳＩ燃焼を行う場合に比して、エンジン温度をかなり高温に維持することが要求される。しかしながら、燃焼形態に応じた好ましいエンジン温度とするのに、ラジエータに対する冷却水の循環量を変更制御するのみでは、応答性が悪く、なんらの対策が望まれるものである。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、燃焼形態の相違に応じた適切なエンジン温度へすみやかに変更できるようにした車両の冷却装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような基本的な解決手法を採択してある。すなわち、
あらかじめ設定された複数の燃焼形態の中からエンジンの運転状態に応じて選択された特定の燃焼形態でもって燃焼が行われるエンジンと、
前記エンジンの冷却水が循環されて、該冷却水を冷却するためのラジエータと、
開度調整式とされ、前記ラジエータに対する走行風の導入量を変更するためのグリルシャッターと、
前記グリルシャッターの開度を、前記エンジンで実行される前記特定の燃焼形態に応じて変更制御する制御手段と、
を備えているようにしてある。

上記基本的な解決手法によれば、グリルシャッターの開度変更により、ラジエータへ導入される走行風の導入量が変更されて、ラジエータの冷却能力が変更される。したがって、エンジンで実行される燃焼形態に応じてグリルシャッターの開度を変更制御することにより、燃焼形態の相違に応じた適切なエンジン温度へとすみやかに変更することができる。

上記基本的な解決手法を前提として、本発明にあっては以下のような解決手法を採択してある。

前記冷却水の目標温度が、前記複数の燃焼形態毎に設定され、
前記制御手段は、前記目標温度となるように前記グリルシャッターの開度を変更制御する、
ようにしてある。この場合、エンジン温度を、燃焼形態に応じて設定される目標温度にする上で好ましいものとなる。

前記ラジエータに対して流れる大気の流量を調整する電動ファンをさらに備え、
前記制御手段は、前記グリルシャッターの制御に加えて前記電動ファンをも制御して、前記冷却水の温度が前記目標温度となるように制御する、
ようにしてある。この場合、電動ファンをも利用して、エンジン温度をより一層すみやかに目標温度にすることができる。

前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記冷却水温度検出手段で検出された実際の冷却水温度に基づいて前記グリルシャッターの開度を段階的に変更制御する一方、前記目標温度と該実際の冷却水温度との差に基づいて前記電動ファンを制御する、
ようにしてある。この場合、グリルシャッターの開度変更の応答性に比して、電動ファンの応答性は高いものとなる。したがって、グリルシャッターの開度変更を段階的に行うことにより、応答性の劣るグリルシャッターの開度変更を行う機会を低減しつつ、応答性の優れた電動ファンによってすみやかにエンジン温度を目標温度にすることができる。さらに、実際の冷却水温度が目標温度となるようにフィードバック制御するので、エンジン温度を燃焼形態に適した温度に精度よく変更することができる。

前記複数の燃焼形態として、少なくとも、点火プラグによって混合気を着火させて火炎伝播により燃焼を行うＳＩ燃焼と、混合気の一部について前記点火プラグによって着火させた後に残りの混合気について自己着火させるＳＰＣＣＩ燃焼とが設定されている、ようにしてある。この場合、ＳＰＣＣＩ燃焼が行えるようにして、燃費向上の上で好ましいものとなる。また、エンジン温度をＳＰＣＣＩ燃焼に適した温度にすみやかに変更して、ＳＰＣＣＩ燃焼を確実に行うようにする上でも好ましいものとなる。

前記複数の燃焼形態毎に前記冷却水の目標温度が設定されて、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うときの目標温度がＳＩ燃焼を行うときの目標温度よりも高くなるように設定され、
前記冷却水の実際の温度を検出する冷却水温度検出手段を備え、
前記ラジエータに対して流れる大気の流量を調整する電動ファンを備え、
前記制御手段は、前記グリルシャッターおよび前記電動ファンを制御して、前記冷却水の温度が前記目標温度となるように制御する、
ようにしてある。この場合、請求項５に対応した効果と同様の効果を得ることができる。また、グリルシャッターと電動ファンとの両方を利用して、ラジエータの冷却能力をすみやかかつ大きく変更できるようにしつつ、実際の冷却水温度が目標温度となるようにフィードバック制御することにより、エンジン温度を燃焼形態に適した温度にすみやかかつ精度よく変更する上で好ましいものとなる。勿論、ＳＰＣＣＩ燃焼の目標温度をＳＩ燃焼の目標温度よりも高く設定してあるので、ＳＰＣＣＩ燃焼を確実に行うようにする上でも好ましいものとなる。

前記冷却水温度検出手段は、前記冷却水の前記エンジンへの入り口部分での温度を検出する、ようにしてある。この場合、エンジンによる冷却水加温の影響を受けることなく、冷却水温度を目標温度にする上で好ましいものとなる。

本発明によれば、燃焼形態の相違に応じた適切なエンジン温度へすみやかに変更することができる。

本発明が適用されたエンジンの一例を示す側面断面図。 図１の左側面図。 エンジンのカバー部材を部分的に開いた状態を前上方から見た斜視図。 エンジンとラジエータとグリルシャッターと電動ファンとの配設関係を示す側面図。 グリルシャッターを斜め前方から見た斜視図。 エンジンの運転状態に応じた燃焼形態の設定例を示す特性図。 本発明の制御系統例をブロック図的に示す図。 本発明の制御例を示すフローチャート。 エンジンの冷却水温度に応じたグリルシャッターの開度設定例を示す図。

図１において、エンジン１は、４つの気筒２を直列に配設した直列４気筒の往復動型エンジンとされている、また、エンジン１は、ガソリンを燃料とするものとなっている。

各気筒２には、気筒内に直接燃料噴射を行う燃料噴射弁３と、点火プラグ４とが配設されている。エンジン１には、変速機３０が連結されている（例えばトルクコンバータを有する歯車式多段変速機）。

図１中、５はシリンダブロック、６はシリンダヘッド、７はシリンダヘッドカバー、８はオイルパンである。図２にも示すように、エンジン１は、変速機３０を含めて、その外周面の大部分が、断熱性を高めるために、カバー部材２０によって覆われている（エンジン１をカプセル式としてある）。カバー部材２０は、上部カバー部材２１と下部カバー部材２２と変速機カバー部材２３とに大別される。

上部カバー部２１は、エンジン１のうち、シリンダブロック５の上部から上方部位を覆っている。下部カバー部２２は、シリンダブロック５の上部から下方部位を覆っている。変速機カバー部２３は、変速機３０をほぼ全体的に覆っている。各カバー部２１～２３は、例えば耐熱性の合成樹脂により形成することができ、その内面に別途断熱材を貼着しておくこともできる。

上部カバー部２１は、下側に位置する固定部材２１Ａと、上側に位置する可動部材２１Ｂとの分割構成とされている。図２に示すように、可動部材２１Ｂの後部に、車体に固定されたブラケット２４の前端部が回動可能に連結されており、この回動中心が符号αで示される。

図３、図４は、エンジン１等を車両Ｖに搭載した状態が示される。ただし、図４では、可動部材２１以外のカバー部材２０を略してある。図３に示すように、ボンネット３１を開いた状態で、回動中心αを中心に、可動部材２１Ｂを上方へ揺動させることにより、シリンダヘッドカバー７等が露出されて、整備性が確保される。

図３では、エンジン１における吸入空気の取入口９が、前方に向けて開口されている状態が示される。この取入口９は、シュラウドアッパ３２の直上部に位置される（後述するラジエータの直上方というラジエータ近傍に位置される）。このシュラウドアッパ３２は、左右のホイールエプロンの前端部同士を連結している。また、シュラウドアッパ３２の左右端部からは、図２に示すように、下方に延びる左右一対のラジエータシュラウド３３が下方に延びている。このラジエータシュラウド３３の下端部は、図示を略すフロントサブフレームの前端部に連結されている。なお、後述するラジエータは、左右一対のラジエータシュラウド３３の間に配設される。

次に、図４を参照しつつ、エンジン１の前方部位付近の構造について説明する。まず、エンジン１の前方には、エンジン１の冷却水が循環されるラジエータ４０が配設されている。このラジエータ４０の直後方には、上下一対の電動ファン５０が配設されている。電動ファン５０の駆動モータが符号５１で示される。

ラジエータ４０の直前方には、グリルシャッター６０が配設されている。グリルシャッター６０は、実施形態では、図５にも示すように、車幅方向に延びる複数枚のフィン（ルーバ）６１を上下方向に隔置して配設したものを、左右２列設けたものとなっている。各フィン６１は、図示を略す連結ロッド等によって互いに連動されている。そして、グリルシャッター６０の車幅方向略中間部には、フィン６１を駆動する電動モータ６２が配設されている。モータ６２の駆動を制御することにより、フィン６１つまりグリルシャッター６０が、全閉状態と全開状態との間で、段階式あるいは連続可変式にその開度が変更される。グリルシャッター６０（フィン６１）の開度が大きいほど、ラジエータ４０への走行風の導入量が増大されて、ラジエータ４０の冷却能力が増大される。前述した吸入空気の取入口９は、グリルシャッター６０の上端よりも若干高い位置にあって、グリルシャッター６０によっては取入口９への走行風の導入が阻害されないようになっている。

図６は、エンジンの１の運転状態（運転領域）に応じて、燃焼形態を変更するための特性図である。図６では、エンジン回転数とエンジン負荷（例えばアクセル開度）とをパラメータとして、Ａ１～Ａ５の５つの領域が設定されている。領域Ａ１～Ａ３は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う領域である。また、領域Ａ４、Ａ５は、ＳＩ燃焼を行う領域である。

ＳＰＣＣＩ燃焼が行われる領域Ａ１～Ａ３は、所定エンジン回転数以下の相対的に低回転領域である。このうち、低負荷域となる領域Ａ１では、空気過剰率λが１よりも十分に大きくされる（例えばλ＝２５～３０で、理論空燃比よりも十分にリーンな空燃比）。また、中負荷域となる領域Ａ２では、λ＝１（つまり理論空燃比）とされる。さらに、高負荷域となる領域Ａ３では、λが１以下（理論空燃比またはそれよりもリッチな空燃比）とされる。

ＳＩ燃焼が行われる領域Ａ４は、低回転かつ高負荷となる領域で、λ＝１とされる。また、ＳＩ燃焼が行われる領域Ａ５は、相対的に高回領域であり、λは１以下（理論空燃比またはそれよりもリッチな空燃比）とされる。

上述したＳＩ燃焼を行うときのエンジン１の目標温度（目標冷却水温度）が、低い温度となる例えば９０℃に設定されている。また、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うときのエンジン１の目標温度（目標冷却水温度）が、高い温度となる例えば１０５℃に設定されている。各目標冷却水温度は、エンジン１に対する冷却水の入り口部位での温度とされる。

図７は、本発明の制御系統例が示される。図中、Ｕは、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御ユニット）であり、燃焼形態に応じた燃料噴射や点火の制御を行うと共に、前述した電動ファン５０およびグリルシャッター６０を制御する。このコントローラＵ（における記憶手段としてのメモリ）には、図６に示すエンジンの運転状態に応じた燃焼形態の領域分けのマップと、燃焼形態に応じた目標冷却水温度とが記憶されている。

コントローラＵには、各種センサＳ１～Ｓ３からの検出信号が入力される。センサＳ１は、温度センサで、エンジン１への入り口部位での冷却水温度を検出する。センサＳ２は、回転数センサで、エンジン１の回転数を検出する．センサＳ３は、負荷センサ（例えばアクセル開度センサ）で、エンジン負荷を検出する。

コントローラＵによって、燃料噴射弁３、点火プラグ４、電動ファン５０（のモータ５１）、グリルシャッター６０（のモータ６２）が制御される。

次に、図７のフローチャートを参照しつつ、コントローラＵによる制御内容について説明する。なお、以下の説明でＱはステップを示す。まず、Ｑ１において、各センサＳ１～Ｓ３からの検出データが入力されて、現在のエンジン回転数とエンジン負荷とに応じた燃焼形態とこれに応じた目標温度（目標冷却水温度）とが決定される。

Ｑ１の後、Ｑ２において、行うべき燃焼形態がＳＩ燃焼であるか否かが判別される。このＱ２の判別でＹＥＳのときは、Ｑ３において、温度センサＳ１で検出された実際の冷却水温度が、ＳＩ燃焼のときの目標温度（例えば９０℃）よりも大きいか否かが判別される。このＱ４の判別でＹＥＳのときは、Ｑ４において、グリルシャッター６０の開度が１段階だけ開くように駆動制御される。グリルシャッター６０の開度が大きくされることにより、ラジエータ４０の冷却能力が向上されて、実際の冷却水温度が低下する方向への制御となる。

Ｑ４の後、Ｑ５において、再度、温度センサＳ１で検出された実際の冷却水温度が、ＳＩ燃焼のときの目標温度よりも大きいか否かが判別される。このＱ５の判別でＹＥＳのときは、Ｑ６において、電動ファン５０が駆動される（オン状態で、最大駆動）。これにより、ラジエータ４０の冷却能力がより一層高められて、実際の冷却水温度がさらに低下させる方向への制御となる。なお、電動ファン５０の駆動レベルを複数段階に設定して、Ｑ６では、現状から１段階分だけ高いレベルで駆動するようにしてもよい。

上記Ｑ６の後は、Ｑ１へ戻る。そして、Ｑ３～Ｑ６の処理が繰り返されることにより、実際の冷却水温度が、ＳＩ燃焼を行う際の目標温度へとすみやかに低下されることになる。なお、Ｑ４の後に、所定の遅延時間（例えば数秒～１０数秒）が経過した後に、Ｑ５の処理を行うことができる。同様に、Ｑ６の後に、所定の遅延時間（例えば数秒～１０数秒）が経過した後に、Ｑ３の処理を行うことができる。なお、Ｑ６の後およびＱ９の後は、Ｑ３へ戻るようにすることもできる（この場合は、冷却水温度が目標温度に収束するまでに燃焼形態が変更される可能性を考慮して、燃焼形態の決定とこれに応じた目標温度との決定は別ルーチンで行うようにして、燃焼形態の変更があった時点でＱ２での処理を開始させるようにすることもできる）。

前記Ｑ２の判別でＮＯのときは、Ｑ１０～Ｑ１６の処理が行われる。このＱ１０～Ｑ１６の処理は、ＳＰＣＣＩ燃焼に対応して目標温度が例えば１０５℃と高くされるときの制御であり、Ｑ３～Ｑ９の処理に対応しているので、その重複した説明は省略する。

図９は、本発明の第２の実施形態を示すものである。本実施形態では、温度センサＳ１で検出された実際の冷却水温度に基づいて、グリルシャッター６０の開度を段階的に変更するようにしてある。グリルシャッター６０の開度は、段階式に０（全閉）からＡ１～Ａ４（全開）の５段階での変更を行うようにしてある。また、実際の冷却水温度は、ｔ１～ｔ６の６段階での温度しきい値を設定してある。温度しきい値は、例えば、ｔ１は８０℃、ｔ２は８５℃、ｔ３は９０℃、ｔ４は９５Ｃ℃、ｔ５は１００℃、ｔ６は１１０℃とされている。温度しきい値ｔ４を境にして、それよりも高い温度域が主としてＳＰＣＣＩ燃焼を行うときに用いられ、それよりも低い温度領域が主としてＳＩ燃焼を行うときに用いられる。

グリルシャッター６０の開度増大のときは、図中実線で示すように変化される。また、グリルシャッター６０の開度減少のときは、図中破線で示すように変化される。なお、グリルシャッターの開度の増大と減少との間にはヒステリシスを設定してある。

グリルシャッター６０の開度は、基本的に、実際の冷却水温度が高いほど、大きくされる。このグリルシャッター６０の開度調整によって、実際の冷却水温度を、燃焼形態に応じた目標温度あるいはその付近の温度に収束される。

図９に示すようなグリルシャッター６０の開度調整に加えて、電動ファン５０をも利用して、目標温度となるように制御するのが好ましい。より具体的には、電動ファン５０を、実際の冷却水温度と目標温度との差に基づいて（差が小さくなるよう）制御することができる。なお、電動ファン５０の作動レベルとしては、オン、オフの２段階での変更とすることもできるが、３段階以上での変更や、連続可変式の変更とすることもできる。なお、図９とは異なるが、グリルシャッター６０の開度を、実際の冷却水温度に応じて、連続可変式に変更するように制御することもできる。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。
（１）複数の燃焼形態としては、例えば、ＳＩ燃焼とＳＰＣＣＩ燃焼とＨＣＣＩ燃焼との３つの燃焼態様のうち任意の２以上の燃焼態様を設定することができる。具体的には、ＳＩ燃焼とＨＣＣＩ燃焼との２つの燃焼形態の間での切換え、ＳＰＣＣＩ燃焼とＨＣＣＩ燃焼との２つの燃焼形態の間での切換え、ＳＩ燃焼とＳＰＣＣＩ燃焼とＨＣＣＩ燃焼との３つの燃焼形態の間での切換え、とすることができる。なお、ＨＣＣＩ燃焼を行う際には、例えば図６における領域Ａ１をＨＣＣＩ燃焼領域とすることができる。また、ＨＣＣＩ燃焼を行うときのエンジン１の目標温度（目標冷却水温度）は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うときの目標温度よりもさらに高温に設定するのが好ましい。
（２）エンジン１は、その気筒数は問わないものであり、例えば３気筒、６気筒等であってもよい。また、エンジン１は、直列式に限らず、Ｖ型や水平対向等、適宜の形式を選択できる。
（３）エンジン１を覆うカバー部材２０を有しないものであってもよい。
（４）ラジエータ４０に導入される冷却水量の調整は、適宜の手法により行うことができる。例えば、サーモスタットを利用して、冷却水温度が高いほど上記冷却水量が多くなるように設定することができる。また、開度調整式の電磁弁を利用して、実際の冷却水温度が目標冷却水温度に対して高いほど上記冷却水量が多くなるように制御することもできる。
（５）本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明は、燃焼形態を変更して運転されるエンジンを搭載した車両に適用して好適である。

Ｖ：車両
１：エンジン
２：気筒
３：燃料噴射弁
４：点火プラグ
９：取入口（吸入空気用）
３２：シュラウドアッパ
３３：ラジエータシュラウド
４０：ラジエータ
５０：電動ファン
５１：電動モータ
６０：グリルシャッター
６１：フィン
６２：電動モータ

Claims (5)

1. あらかじめ設定された複数の燃焼形態の中からエンジンの運転状態に応じて選択された特定の燃焼形態でもって燃焼が行われるエンジンと、
   前記エンジンの冷却水が循環されて、該冷却水を冷却するためのラジエータと、
   開度調整式とされ、前記ラジエータに対する走行風の導入量を変更するためのグリルシャッターと、
   前記グリルシャッターの開度を、前記エンジンで実行される前記特定の燃焼形態に応じて変更制御する制御手段と、
   を備え、
   前記冷却水の目標温度が、前記複数の燃焼形態毎に設定され、
   前記制御手段は、前記目標温度となるように前記グリルシャッターの開度を変更制御し、
   前記ラジエータに対して流れる大気の流量を調整する電動ファンをさらに備え、
   前記制御手段は、前記グリルシャッターの制御に加えて前記電動ファンをも制御して、前記冷却水の温度が前記目標温度となるように制御し、
   
   前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記冷却水温度検出手段で検出された実際の冷却水温度に基づいて前記グリルシャッターの開度を段階的に変更制御する一方、前記目標温度と該実際の冷却水温度との差に基づいて前記電動ファンを制御する、
   ことを特徴とする車両の冷却装置。
2. 請求項１において、
   前記冷却水温度検出手段は、前記冷却水の前記エンジンへの入り口部分での温度を検出する、ことを特徴とする車両の冷却装置。
3. あらかじめ設定された複数の燃焼形態の中からエンジンの運転状態に応じて選択された特定の燃焼形態でもって燃焼が行われるエンジンと、
   前記エンジンの冷却水が循環されて、該冷却水を冷却するためのラジエータと、
   開度調整式とされ、前記ラジエータに対する走行風の導入量を変更するためのグリルシャッターと、
   前記グリルシャッターの開度を、前記エンジンで実行される前記特定の燃焼形態に応じて変更制御する制御手段と、
   を備え、
   前記複数の燃焼形態として、少なくとも、点火プラグによって混合気を着火させて火炎伝播により燃焼を行うＳＩ燃焼と、混合気の一部について前記点火プラグによって着火させた後に残りの混合気について自己着火させるＳＰＣＣＩ燃焼とが設定されている、ことを特徴とする車両の冷却装置。
4. 請求項３において、
   前記複数の燃焼形態毎に前記冷却水の目標温度が設定されて、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うときの目標温度がＳＩ燃焼を行うときの目標温度よりも高くなるように設定され、
   前記冷却水の実際の温度を検出する冷却水温度検出手段を備え、
   前記ラジエータに対して流れる大気の流量を調整する電動ファンを備え、
   前記制御手段は、前記グリルシャッターおよび前記電動ファンを制御して、前記冷却水の温度が前記目標温度となるように制御する、
   ことを特徴とする車両の冷却装置。
5. 請求項３において、
   前記冷却水温度検出手段は、前記冷却水の前記エンジンへの入り口部分での温度を検出する、ことを特徴とする車両の冷却装置。

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