JP2003529709A - 冷却循環路 - Google Patents

冷却循環路

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JP2003529709A JP2001572738A JP2001572738A JP2003529709A JP 2003529709 A JP2003529709 A JP 2003529709A JP 2001572738 A JP2001572738 A JP 2001572738A JP 2001572738 A JP2001572738 A JP 2001572738A JP 2003529709 A JP2003529709 A JP 2003529709A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、少なくとも1つの熱源(12)とラジエータ(14)とバイパス管路(22)とを備えた冷却循環路(10)であって、バイパス管路(22)がラジエータ流入部(18)をラジエータ戻り部(20)に接続しており、バイパス管路(22)の分岐部(24)に制御弁(26)が配置されており、該制御弁(26)に設けられた絞り体(58)が、運転パラメータおよび周辺パラメータに関連して少なくとも1つの制御ユニット(40,42)によって電気的に制御可能であって、冷却媒体流をラジエータ流入部(18)とバイパス管路(22)との間で分流させている形式のものから出発する。本発明によれば、制御ユニット(40,42)が、制御弁(26)の特性線に基づき、絞り体(58)の位置のための目標値(50)を求めるようになっており、該目標値(50)が、制御弁(26)におけるラジエータ容量流対全冷却媒体流の比を調節するようになっており、該比が、バイパス管路(22)の出口(36)における温度から熱源(12)の入口における目標温度を差し引いた差分と、バイパス管路(22)の出口(36)における温度からラジエータ(14)の出口における温度を差し引いた差分との間の比に等しくなっており、ただし、ラジエータ容量流対全冷却媒体流の比が負の値の場合にはゼロに等しいものと想定し、1よりも大きい場合には1に制限するものとすることが提案される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 背景技術 本発明は、請求項1の上位概念部に記載の形式の冷却循環路から出発する。
【0002】 冷却循環路には、一般に、冷却したい熱源、たとえば車両の内燃機関が所属し
ており、このような熱源は冷却媒体によって自由な対流により冷却されるか、ま
たは意図的に冷却媒体ポンプによって冷却される。熱源を越えた側での温度差は
単に冷却媒体の容量流の大きさにしか関連していない。それに対して、冷却媒体
の絶対温度は熱源の熱導入、ラジエータによる熱導出および材料の熱容量により
規定される。
【0003】 熱源で吸収された熱は、ラジエータを介して別の個所で再び放出され得るか、
またはラジエータがバイパス管路を介して短絡されている場合には冷却媒体中に
留まる。ラジエータ流入部とバイパス管路との間で冷却媒体流を無段可変式に分
流させることにより、冷却媒体の温度レベルを制御することが可能となる。
【0004】 現在の自動車において、このような制御はいわゆる「サーモスタット弁」が引
き受ける。内燃機関への冷却媒体の流入部または内燃機関からの冷却媒体の流出
部に配置されているこのようなサーモスタット弁では、ワックスで充填されたス
リーブがアクチュエータとして働く。ワックスが規定の温度で溶融を開始すると
、ワックスの体積が増大する。温度増大時の膨張と、冷却時の収縮とが、サーモ
スタット弁に設けられた絞り体、たとえばフラップを調節するために利用される
ので、ラジエータ流入部は自動的に開き、温度レベルは適度に一定に保持される
。したがって、このことは閉じた制御回路となる。
【0005】 冷却媒体が循環する冷却循環路の特徴は、長い時定数およびむだ時間にある。
このような冷却循環路の温度が単純な制御器、たとえばサーモスタット弁によっ
て制御される場合、このような閉ループ制御は比較的緩慢となり、しかも特に正
確ではない。サーモスタット弁が内燃機関の流出部側に配置されている場合には
、ラジエータの開放時にまずラジエータの冷たい冷却媒体が熱い内燃機関を貫流
し、その後にこの冷却媒体は内燃機関の出口に設けられたサーモスタット弁に到
達し、そしてこのサーモスタット弁がラジエータを再び少しだけ閉鎖する。すな
わち、定常状態が得られるまで、温度は数回にわたって目標値を挟んで上下に変
動する。熱源の熱出力が突発的に著しく増大した場合でも、サーモスタット弁が
この新しい条件に適合する前に、冷却媒体の温度がまず数度だけ上昇してしまう
【0006】 ドイツ連邦共和国特許出願公開第4109498号明細書に基づき、内燃機関
の温度を極めて微妙に制御するための装置および方法が公知である。このために
は、制御装置に複数の入力信号、たとえば内燃機関の温度、内燃機関の回転数お
よび負荷、車速、空調設備の運転状態もしくは車両の暖房装置の運転状態および
冷却水の温度が供給される。制御装置に設けられた目標値発生器により、これら
の入力信号を考慮して、内燃機関のための温度目標値が求められる。実際値と目
標値との比較に応じて、制御装置は三方切換弁に作用する。この三方切換弁は内
燃機関とラジエータとの間を結ぶ導管に対するバイパス管路の開口範囲に配置さ
れている。三方切換弁の位置に応じて、流入流はラジエータ流入部とバイパス管
路とに分流される。これによって、内燃機関の冷却は、温度発生のために直接に
重要となる運転パラメータに関連してのみ制御されるではなく、温度に対して間
接的にしか影響を与えない付加装置のパラメータに関連しても制御される。さら
に、最適な温度を調節するための可能性が著しく拡張される。なぜならば、外乱
も検出されて考慮され得るからである。種々の使用条件を温度目標値の種々異な
る領域に対応させることにより、所望の温度の迅速な調節が可能となる。このこ
とは使用条件の優先度を異ならせることにより、一層精密化され得る。
【0007】 発明の利点 本発明によれば、制御ユニットが制御弁の特性線に基づいて、絞り体の位置の
ための目標値を求める。この目標値は制御弁におけるラジエータ容量流対全冷却
媒体流の比を調節する。この比は、バイパス管路の出口における温度から熱源の
入口における目標温度を差し引いた差分と、バイパス管路の出口における温度か
らラジエータの出口における温度を差し引いた差分との間の比に等しい。ただし
、ラジエータ容量流対全冷却媒体流の比が負の値の場合にはゼロに等しいものと
想定し、1よりも大きい場合には1に制限するものとする。
【0008】 目標値を求めるために必要とされる温度は、温度センサにより検出される。こ
の場合、既存の温度センサが、目標値の決定のために重要となる個所から極端に
遠ざけられて配置されていない場合には、これらの既存の温度センサを使用する
ことができる。すなわち、たとえばバイパス管路の出口における温度の代わりに
、熱源の背後における温度および/またはバイパス管路の分岐部における温度を
制御のために使用することができる。ただしこのことは、バイパス管路が過度に
長尺に形成されておらず、しかも分岐部と熱源の出口との距離が過度に大きく形
成されていないことを前提条件とする。
【0009】 本発明による冷却循環路は、熱源に流入する冷却媒体の温度を一定の温度また
は外部から設定された可変の温度に精密かつ迅速に制御することを可能にする。
この場合、ラジエータを経由する冷却媒体路と、バイパス管路を経由する冷却媒
体路との2つの冷却媒体路は、それぞれ冷たい冷却媒体の源および温かい冷却媒
体の源とみなされる。冷たい冷却媒体の温度を測定するためには、熱源、たとえ
ば内燃機関(本発明による冷却循環路が特に適している)の出口に設けられた従
来汎用の温度センサに対して付加的に、ラジエータの出口に温度センサが取り付
けられている。
【0010】 オプショナルに第3の温度センサが熱源の入口に挿入されると、本発明による
制御に熱源の入口における温度に関連した閉ループ制御が重畳されることにより
、温度制御を一層改善することができる。制御弁は本発明による制御によって熱
源の入口における温度を既に比較的良好にガイドすることができるので、存在す
る制御ユニットのうちの一方の制御ユニットに組み込まれていてよい閉ループ制
御器の作動量は、制御弁の絞り体の作動変位量の一部に限定することができる。
このような閉ループ制御のためには、単純でしかし良好に機能する閉ループ制御
器、たとえばゲインスケジューリングPコントローラ(Gain−Schedu
ling−P−Regler)が使用されると有利である。閉ループ制御器の増
幅は冷却媒体容量流に関連させることが望ましい。なぜならば、容量流が増大す
るにつれて冷却循環路の感度も増大するからである。熱源への冷却媒体入口にお
ける温度に関連した、重畳された閉ループ制御を実施するための閉ループ制御器
は、それと同時に制御弁の整然とした機能を監視する役目をも引き受けることが
できる。しかし、このような監視は、制限された規模ではあるが、熱源からの冷
却媒体の出口に設けられた温度センサを用いても可能となる。
【0011】 当該冷却循環路に複数のヒートシンクおよび/または複数の熱源が供給され、
これらのヒートシンクおよび/または熱源の熱放逸もしくは熱放出が時間的に極
めてゆっくりとしか変化しない場合には、制御品質が著しく変化することなしに
、これらのヒートシンクおよび/または熱源を、既存のヒートシンクおよび/ま
たは熱源に対して単純に並列に設備することができる。
【0012】 制御弁としては、スリーウェイバルブ、すなわち三方切換弁として形成された
「プラグ弁」が使用されると有利である。このプラグ弁の絞り体は弁プラグ(弁
栓体)として形成されていて、この弁プラグを貫通した少なくとも1つの分配通
路を有しており、そして駆動装置によって回転軸線を中心にして調節可能である
【0013】 磁気操作されるタイプの弁とは異なり、本発明による制御弁はノイズなしに作
動する。さらに、本発明による制御弁は絞り体の作動調整角度にわたって、容量
流および容量流比のほぼ線状の特性線を有しているので、最適な冷却媒体容量流
のための位置および冷却媒体温度を制御することができる。特性マップにより、
より一層劣悪な弁をも使用することができる。速度増大は第1に冷却出口温度を
認識した結果であるので、閉ループ制御器を用いて既に起こった現象に反応する
代わりに、先を見越した予見的な対応をとることができる。これにより、しばし
ば長いむだ時間により一般に緩慢となる温度制御を著しく促進することができる
【0014】 特に、球状の表面と内部の分配通路とを有する絞り体を備えた三方切換弁が適
当である。この分配通路は回転軸線に対して直交する方向に延びていて、回転軸
線に対してほぼ平行な一方の外周面では開いており、反対の側に位置する他方の
外周面は閉じられている。球体を回転させることにより、ラジエータを経由する
循環路か、またはバイパス管路を経由する循環路が種々の程度に開放される。こ
うして形成された、回転軸線に対して側方に向かって流過される球体弁は、下方
に向かって流過されるタイプの球体弁に比べて、一層理想的な混合特性線を有し
ている。このことは、60〜120゜の球体回転角度の領域における絞り体に設
けられた跳ね返り面の傾斜位置に基づいた好都合な変向効果に起因され得る。好
都合な特性線および流れ特性に基づき、三方切換弁は電気的に作動させられるポ
ンプを備えた冷却循環路のために適している。ポンプ寸法を一層小型化すること
ができるようになるので、ポンプの電力消費は減少し、全効率が向上する。
【0015】 三方切換弁の弁ボディは回転軸線の範囲に温度センサを有している。この温度
センサは絞り体に設けられた分配通路内に突入している。この温度センサは冷却
媒体の温度を検出する。この温度はそれと同時に、バイパス管路の出口における
温度および熱源の出口における温度をも表す。ただしこの場合、バイパス管路が
過度に長尺に形成されておらず、かつバイパス管路の分岐部と熱源との距離が過
度に大きく形成されていないことが前提条件となる。
【0016】 本発明のさらに別の有利な構成では、第1の制御ユニットが絞り体の位置のた
めの目標値を形成し、この目標値は、制御弁に組み込まれた第2の電子制御ユニ
ットによって、絞り体の位置の、検出された実際値と共に処理されて、特性線に
基づいて絞り体の位置のための作動量が形成される。制御弁は第2の制御ユニッ
トと共に上位の制御回路、たとえば内燃機関の冷却循環路内に位置している。第
2の制御ユニットは制御弁と共に下位の制御回路を形成している。したがって、
制御弁は固有の制御インテリジェンス機能を得ており、故障発生時には上位の第
1の制御ユニットなしでも重要な機能を引き受けることができる。それゆえに、
本発明のさらに別の有利な構成では、第1の制御ユニットまたは第2の制御ユニ
ットが故障検知装置を有している。この故障検知装置は故障発生時に自動的に非
常運転モードに切り換えられる。非常運転モードでは、第1の制御ユニットとの
制限されたデータ交換しか必要とならないので、信号線路を節約することができ
る。第2の制御ユニットと上位の第1の制御ユニットとの間の接続は、専ら、第
2の制御ユニットのマイクロコントローラに絞り体の位置のための目標値を設定
するためにしか使用されない。
【0017】 実施例の説明 図示の実施例では、内燃機関12が熱源を成しており、ラジエータ14がヒー
トシンク(冷却用放熱器)を形成している。内燃機関12は冷却媒体管路16を
介してラジエータ14のラジエータ流入部18に接続されている。電気的に駆動
される冷媒ポンプ28により、冷却媒体はラジエータ戻り部20から内燃機関1
2へ戻される。こうして形成された冷却循環路は符号10で示されている。矢印
78は冷却媒体流の方向を示している。ファン38はラジエータ14を冷却空気
で負荷する。したがって、ラジエータ14は冷却媒体から周辺へ熱を放出する。
【0018】 ラジエータ14はバイパス管路22を介して短絡することができる。このバイ
パス管路22は冷却媒体管路16から分岐部24で分岐されており、バイパス管
路22の出口36はラジエータ戻り部20に接続されている。分岐部24には、
制御弁26が設けられており、この制御弁26は本発明の構成では、冷却媒体管
路16内の全冷却媒体流をラジエータ流入部18と、バイパス管路22とに分流
させる。
【0019】 このためには、内燃機関12の出口に温度センサ32が、ラジエータ14の出
口に温度センサ34がそれぞれ配置されている。さらにオプショナルに、内燃機
関12の入口に別の温度センサ30が配置されている。温度センサ32は、バイ
パス管路22が短く形成されていて、かつ分岐部24と温度センサ32との間の
距離が過度に大きくない限りは、第1近似でバイパス管路22の出口36におけ
る冷却媒体温度に相当している冷却媒体温度を検出する。上で挙げた前提条件が
与えられていない場合には、バイパス管路22の出口36に別の温度センサを設
けることが有利である。
【0020】 検出された温度値と、制御弁26のための特性線または特性マップを用いて、
第1の制御ユニット40が制御弁26の絞り体58の位置のための目標値50を
決定する。この場合、絞り体58の位置は、ラジエータ容量流対全冷却媒体流の
比xにより決定される。目標とされる比は xsoll=(TMA−TMesoll)/(TMA−TKA) である。上記式中、 TMAはバイパス管路22の出口36における温度または内燃機関12の出口
もしくは制御弁26における温度であり、 TMesollは内燃機関12の入口における目標温度であり、 TKAはラジエータ14の出口における温度である。
【0021】 比xsollから、制御弁26のための特性線または特性マップにつき、制御
弁26の位置のための目標値50が決定される。
【0022】 目標値50を求めるためには、図1には図示されていない自体公知の電子制御
ユニットが働く。図2に示した構成は第1の制御ユニット40と第2の制御ユニ
ット42とを有している。両制御ユニット40,42は互いに接続されていると
共に、複数の信号線路80を介して温度センサ30,32,34にも接続されて
いる。第2の制御ユニット42は駆動装置44、位置測定装置46およびアクチ
ュエータ48と共に制御弁26に組み込まれているので、この制御弁26は本発
明によれば、絞り体58の位置を自力で(autark)規定することができる
。第1の制御ユニット40は上位の開ループ制御および閉ループ制御を可能にす
る。この場合、第1の制御ユニット40は第2の制御ユニット42のために、多
数の入力信号54(この中には温度センサ30,32,34の温度信号も含まれ
る)に関連して、目標値発生器56によって第2の制御ユニット42のための目
標値50を設定する。したがって、第2の制御ユニット42の開ループ制御に、
別の重要なパラメータ、たとえば内燃機関12の入口における冷却媒体の温度に
関連して、閉ループ制御を重畳させることができる。両制御ユニット40,42
は制御弁26の種々異なる複数の特性線のためにプログラミング可能であると有
利である。
【0023】 図3に示した制御弁26は三方切換弁として形成されていて、主として弁ボデ
ィ60と絞り体58とから成っている。絞り体58は球状の表面を有していると
有利である。しかし、たとえば円筒状または円錐状のような別の表面形状も考え
られる。
【0024】 絞り体58は熱可塑性プラスチックから成る射出成形部品であると有利である
。1回の作業工程で駆動軸62が一体に射出成形され、そして、射出成形前に工
具内に挿入されるインサート部材によって内部の分配通路72と、温度センサ3
2を取り付けるための孔とが成形されると有利である。駆動軸62に対して直径
方向に配置されていて、かつ分配通路72内に突入している温度センサ32は、
制御弁26に簡単に組み込まれており、そして直接にこの範囲で、すなわち制御
弁26が内燃機関12に設けられた冷却媒体流出開口にねじによってフランジ締
結されている場合に内燃機関12の出口の近傍で、冷却媒体温度を検出する。
【0025】 分配通路72は絞り体58の回転軸線64に対して直交する方向に延びていて
、回転軸線64に対してほぼ平行な一方の外周面82では開いており、それに対
して反対の側に位置する他方の外周面84では閉じられている。
【0026】 弁ボディ60は制御弁26の外側の部分を形成していて、外周面82の開いた
側では内燃機関12から到来する冷却媒体管路16のための接続部を有しており
、さらにラジエータ流入部のための接続部68と、バイパス管路22のための接
続部66とを有している。接続部66,68およびバイパス管路22に通じた接
続部は、回転軸線64に対して直角な同一平面もしくは同一レベルに位置してい
る。
【0027】 接続部66,68は互いに直径方向に位置しているが、しかし互いに、より小
さな角度を成して配置されていてもよい。両接続部66,68の範囲では、弁ボ
ディ60が絞り体58に向かってそれぞれ別個のシールリング74を有している
。このシールリング74は有利にはテトラフルオロエチレンから成っていて、絞
り体58のための支承部としても働く。一方のシールリング74は接続部68の
範囲でスリーブ76によって保持される。このスリーブ76は一方の端面でシー
ルリング74に接触している。このスリーブ76はコイルばね70によってシー
ルリング74に押圧される。こうして、シールリング74における摩耗は補償さ
れ、全製品寿命にわたって十分なシールが確保される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 内燃機関の冷却循環路の概略図である。
【図2】 図1に示した実施例の変化実施例を示す概略図である。
【図3】 制御弁を部分的に断面して示す斜視図である。
【符号の説明】
10 冷却循環路、 12 内燃機関、 14 ラジエータ、 16 冷却媒
体管路、 18 ラジエータ流入部、 20 ラジエータ戻り部、 22 バイ
パス管路、 24 分岐部、 26 制御弁、 28 冷却媒体ポンプ、 30
,32,34 温度センサ、 36 出口、 38 ファン、 40 第1の制
御ユニット、 42 第2の制御ユニット、 44 駆動装置、 46 位置測
定装置、 48 アクチュエータ、 50 目標値、 52 実際値、 54
入力信号、 56 目標値発生器、 58 絞り体、 60 弁ボディ、 62
駆動軸、 64 回転軸線、 66,68 接続部、 70 コイルばね、
72 分配通路、 74 シールリング、 76 スリーブ、 80 信号線路
、 82,84 外周面
───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 ける温度からラジエータ(14)の出口における温度を 差し引いた差分との間の比に等しくなっており、ただ し、ラジエータ容量流対全冷却媒体流の比が負の値の場 合にはゼロに等しいものと想定し、1よりも大きい場合 には1に制限するものとすることが提案される。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも1つの熱源(12)とラジエータ(14)とバイ
    パス管路(22)とを備えた冷却循環路(10)であって、バイパス管路(22
    )がラジエータ流入部(18)をラジエータ戻り部(20)に接続しており、バ
    イパス管路(22)の分岐部(24)に制御弁(26)が配置されており、該制
    御弁(26)に設けられた絞り体(58)が、運転パラメータおよび周辺パラメ
    ータに関連して少なくとも1つの制御ユニット(40,42)によって電気的に
    制御可能であって、冷却媒体流をラジエータ流入部(18)とバイパス管路(2
    2)との間で分流させている形式のものにおいて、制御ユニット(40,42)
    が、制御弁(26)の特性線に基づき、絞り体(58)の位置のための目標値(
    50)を求めるようになっており、該目標値(50)が、制御弁(26)におけ
    るラジエータ容量流対全冷却媒体流の比を調節するようになっており、該比が、
    バイパス管路(22)の出口(36)における温度から熱源(12)の入口にお
    ける目標温度を差し引いた差分と、バイパス管路(22)の出口(36)におけ
    る温度からラジエータ(14)の出口における温度を差し引いた差分との間の比
    に等しくなっており、ただし、ラジエータ容量流対全冷却媒体流の比が負の値の
    場合にはゼロに等しいものと想定し、1よりも大きい場合には1に制限するもの
    とすることを特徴とする冷却循環路。
  2. 【請求項2】 絞り体(58)が弁プラグとして形成されていて、該弁プラ
    グを貫通した少なくとも1つの分配通路(72)を有しており、さらに絞り体(
    58)が、駆動装置(44)によって回転軸線(64)を中心にして調節可能で
    ある、請求項1記載の冷却循環路。
  3. 【請求項3】 絞り体(58)が、球状の表面と内部の分配通路(72)と
    を有しており、該分配通路(72)が、回転軸線(64)に対して直交する方向
    に延びていて、回転軸線(64)に対してほぼ平行な一方の外周面(82)では
    開いており、反対の側に位置する外周面(84)は閉じられている、請求項2記
    載の冷却循環路。
  4. 【請求項4】 絞り体(58)が弁ボディ(60)内に支承されており、該
    弁ボディ(60)が温度センサ(32)を有しており、該温度センサ(32)が
    回転軸線(64)の範囲で分配通路(72)内に突入している、請求項2または
    3記載の冷却循環路。
  5. 【請求項5】 第1の制御ユニット(40)が、絞り体(58)の位置のた
    めの目標値(50)を形成するようになっており、該目標値(50)が、制御弁
    (26)に組み込まれた第2の電子制御ユニット(42)によって、絞り体(5
    8)の位置の、検出された実際値(52)と共に処理されて、絞り体(58)の
    位置のための作動量が形成されるようになっている、請求項1から4までのいず
    れか1項記載の冷却循環路。
  6. 【請求項6】 前記制御ユニット(40,42)のうちの少なくともいずれ
    か一方の制御ユニットが、種々異なる弁特性線のためにプログラミング可能であ
    る、請求項5記載の冷却循環路。
  7. 【請求項7】 前記制御ユニット(40,42)のうちの少なくともいずれ
    か一方の制御ユニットが、故障検知装置を有していて、第1の制御ユニット(4
    0)の故障発生時に非常運転モードに切り換えられるようになっており、該非常
    運転モードで第2の制御ユニット(42)が、複数の付加的なセンサからの制御
    信号を受け取るようになっている、請求項1から6までのいずれか1項記載の冷
    却循環路。
  8. 【請求項8】 前記制御に、熱源(12)の入口における温度に関連した閉
    ループ制御が重畳されている、請求項1から7までのいずれか1項記載の冷却循
    環路。
  9. 【請求項9】 閉ループ制御装置の作動量が、絞り体(58)の作動変位量
    の一部に限定されている、請求項8記載の冷却循環路。
  10. 【請求項10】 前記閉ループ制御装置が、ゲインスケジューリングPコン
    トローラである、請求項8または9記載の冷却循環路。
  11. 【請求項11】 前記閉ループ制御装置が制御弁(26)の整然とした機能
    を監視している、請求項9または10記載の冷却循環路。
  12. 【請求項12】 複数の熱源(12)および/または複数のヒートシンク(
    14)が設けられている、請求項1から11までのいずれか1項記載の冷却循環
    路。
  13. 【請求項13】 バイパス管路(22)の出口(36)における温度の代わ
    りに、熱源(12)の背後の温度および/またはバイパス管路(22)の分岐部
    (24)における温度が制御のために使用されている、請求項1から12までの
    いずれか1項記載の冷却循環路。
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