JP2007107522A - 燃焼機関の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】機関の迅速な暖機を達成する燃焼機関用冷却システムを提供すること。
【解決手段】本発明による冷却システムでは、第２の温度調整弁がバイパスの分岐に配設されており、該第２の温度調整弁は、第１の温度調整弁の開弁温度よりも著しく低い開弁温度を有している。第２の温度調整弁が閉じると、その開弁温度より低いときに、機関の冷却通路システムに水が流通し、これによって、非常に短時間で機関の暖機が可能となる。その間、循環する冷却液は暖房用熱交換器を流通する。第２の温度調整弁の開弁温度に達すると、システムを流通する冷却液の流量が増加する。第１の温度調整弁の開弁温度に達すると、冷却液は主クーラを流通し、第１の温度調整弁は、主クーラを流通する冷却液の温度を制御する。温度が上昇すると、バイパスを流通する冷却液の流量が次第に絞られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼機関の冷却システムに関する。

燃焼ガスおよび燃料消費に関する規則に鑑み、特に自動車では、使用温度への燃焼機関の迅速な暖機が必要である。と言うのは、問題となるエミッションおよび燃料消費の大部分は、低温運転中に生じるからである。低温始動中に機関を循環する冷却液の量を最小限に低下させることによって、迅速な暖機が達成される。然しながら、機関の重要な部位で局所的な過熱を防止するのに十分な冷却液量を確保するよう、動作の安全に関して注意しなければならない。更に、外気が低温の場合に、窓ガラスの除霜に関する法的ルールを満たさなければならない。

燃焼機関の冷却システムでは、１つの系統のみを有したシリンダブロックと、ヘッドとブロックとを独立に冷却するようにしたシリンダブロックとに区分される。後者の場合、機関の水ジャケットは２つの系統を有している。

従来、１系統冷却システムでは、二重弁から成る１つの温度調整器が設けられている。使用温度よりも低温の場合、冷却液は、機関の冷却通路システムから、（客室暖房用の）暖房用熱交換器、温度調整器の第２の弁、および、バイパスを通過する。使用温度に達すると、温度調整器は開弁し、それによって、第２の弁によって暖房用熱交換器を流通する流れを絞り、一方、冷却液の主要部分が主クーラを流通するようにしている。

本発明は、機関の迅速な暖機を達成する燃焼機関用冷却システムを提供することを目的としている。

上記目的は、請求項１に記載の特徴によって達成される。
本発明による冷却システムでは、第２の温度調整弁がバイパスの分岐部に配設されており、該第２の温度調整弁は、第１の温度調整弁の開弁温度よりも著しく低い開弁温度を有している。２つの温度調整弁は、第２の温度調整弁が閉じているとき、その開弁温度より低いときに、最小限の水が機関の冷却通路システムを流通するように配設されており、これによって、非常に短時間で機関の暖機が可能となる。その間、循環する冷却液は暖房用熱交換器を流通する。第２の温度調整弁の開弁温度に達すると、例えば、暖房用熱交換器へのバイパスを形成することによって、システムを流通する冷却液の流量が増加する。第１の温度調整弁の開弁温度に達すると、冷却液は主クーラを流通し、それ自体周知となっているように、第１の温度調整弁は、主クーラを流通する冷却液の温度を制御する。温度が上昇すると、バイパスを流通する冷却液の流量が次第に絞られる。

本発明では、開弁温度の低い温度調整器を使用することによって、低温始動時に機関を循環する冷却液の流量を最小限とすることを達成し、この温度調整器は、機関、および、機関オイルクーラやギアオイルクーラのような必要に応じて設けられる付加的な熱交換器を流通する冷却液の流量を連続的に増加可能である。
温度調整弁は、共通のケーシング内に配設したり或いは独立に設けることができる。

好ましくは、温度調整弁は、第２の弁を備えた二重弁を具備する。第２の弁は、温度調整弁が閉じたときに開き、温度調整弁の開度が増加するにつれて有効面積が低減するようになっている。好ましくは、本発明の１つの実施形態によれば、第１の温度調整弁の第２の弁は、第１の温度調整弁が全開したときに、全閉するようになっている。第２の温度調整弁に関して、１つの実施形態では、該第２の温度調整弁が全開したときに、第２の弁は絞り位置にある。

機関出口における制御と、水ポンプ位置口における制御の何れか好ましい制御に基づいて、第１の温度調整器の接続、および、それに関連した第２の温度調整器の接続が決定される。前者の構成では、管路および主クーラは、低温始動時に、冷却システムの圧力から解放されるので有利である。また、後者の構成では、良好な制御挙動が可能となる。

構成によっては、本発明によるシステムは、例えば、機関オイルクーラやギアオイルクーラのような少なくとも１つの付加的な熱交換器を接続することができる。この付加的な熱交換器は、第２の温度調整弁の開弁温度より低いとき、第２の温度調整弁の開弁温度から、或いは、第１の温度調整弁の開弁温度から、冷却液が該付加的な熱交換器を流通するように、本発明による冷却システムに接続される。

本発明による冷却システムは、また、シリンダブロックとシリンダヘッドとに独立させて設けることができ、通常は、各冷却システムに１つの温度調整器が割り当てられる。本発明による解決手段では、シリンダブロック用の冷却システムに第３の温度調整器が割り当てられ、シリンダブロックの冷却システムの２つの温度調整器は、単一の冷却回路に関連して説明したのと同様に作用し接続される。

以下、添付図面を参照して本発明を一層詳細に説明する。
図１〜図９に示す燃焼機関用冷却システムは、同じ構成要素および組立部品を有している。燃焼機関は「モータ」と表示されている。シリンダブロックは、不図示の冷却通路システムを有し、バイパス通路１０がシリンダブロックに設けられている。冷却水は、水ポンプ１２によって、機関の冷却通路システムを流通、循環する。冷却システムには、排気再循環用の熱交換器ＥＧＲ、機関オイルクーラＭＯＫ、ギアオイルクーラＧＯＫ、暖房用熱交換器ＨＷＴ、主水クーラＨＷＫ、第１の温度調整器ＴＨ₁、第２の温度調整器ＴＨ₂が含まれる。

温度調整器ＴＨ₁、ＴＨ₂は、温度調整弁Ａ、Ｂおよび第２の弁ａ、ｂを備えた二重弁から成り、膨張ワックス素子(expansion wax element)を介して、後述するように、共に変位するものの反対の動作をするようになっている。

温度調整弁Ａは冷却水温度調整器について一般的な開弁温度である約８７℃で開く。他方、温度調整弁Ｂは、例えば３０〜３５℃といった著しく低い温度で開く。

図６〜図９の実施形態では、水ポンプ入口制御が行われる。すなわち、温度調整器（ＴＨ₁）が水ポンプ１２の入口に配置されている。機関の冷却通路システムの出口には、第２の温度調整器ＴＨ₂が配設されている。その制約を受けない通路が、チャンネルを介して主水クーラに接続されている。前記主水クーラの出口は温度調整器ＴＨ₁に接続されている。暖房用熱交換器ＨＷＴの入口は温度調整器ＴＨ₂に接続され、暖房用熱交換器の出口がバイパス通路１０に接続されている。温度調整器ＴＨ₁、ＴＨ₂は互いに接続されている。オイルクーラＭＯＫ、ＧＯＫは、ラインを介して温度調整器ＴＨ₁の入口に接続されている。第１の温度調整器ＴＨ₁は、既述したように、水ポンプ１２の入口に接続されている。

図６において、冷却システムは、所謂、低温始動に対応した状態を示している。水ポンプ１２は、第２の温度調整器ＴＨ₂の第２の弁ｂ、暖房用熱交換器ＨＷＴ、バイパス通路１０を介して機関の冷却通路システムに最低限の水を流通させる。補完する目的のためだけに記載すると、暖房用熱交換器は、自動車の客室を暖房するために作用する。温度調整弁Ａ、Ｂの双方が閉じているので、冷却液は、オイルクーラＭＯＫ、ＧＯＫ並びに主水クーラＨＷＫを流通しない。例えば温度調整弁Ｂの温度が開弁温度３０〜３５℃に達すると、該温度調整弁は、上述した接続ライン、第２の弁ａを介して第１の温度調整器ＴＨ₁へ水を流通させ、機関の冷却通路システムを流通する冷却液の量を増加させる。その比率は、温度調整弁Ｂの開放面積の増加に伴い高くなる。上述したプロセスが図７に示されている。図８に示すように、温度調整器ＴＨ₁の開弁温度、例えば８７℃に達すると、温度調整弁Ａが開いて、主水クーラＨＷＫに水が流通すると共に、冷却通路システムを流通する冷却液の流量が増加する。同時に、暖房用熱交換器ＨＷＴを流通する水の流量は、第２の弁ｂが次第に閉じることによって制限される。同時に、温度調整器ＴＨ₁、ＴＨ₂間の連通は、第２の弁ｂが次第に閉じられることによって絞られる。更に、このとき、オイルクーラＭＯＫ、ＧＯＫを通過する水通路が開く。こうして、冷却システムは通常運転となる。

水温が更に上昇すると、温度調整弁Ａが図９に示すように完全に開き、かつ、第２の弁ａが完全に閉じる。温度調整器ＴＨ₂の第２の弁ｂの絞り率は高くなる。こうして、主水クーラＨＷＫに最大水量が供給される。

図１〜図５の実施形態では、各場合の低温始動段階のみが示されている。
図１の実施形態では、機関出口制御が行われる。それによって、例えば、管路および主水クーラＨＷＫは、低温始動に際して冷却システムの圧力から解放される。低温始動の間、水は、暖房用熱交換器ＨＷＴの全体を流通し、水ポンプ１２へ戻る冷却液は、シリンダブロックに配設されているバイパス通路１０に導かれる。同時に、冷却液はオイルクーラＭＯＫ、ＧＯＫを流通する。冷却システムのこの接続に関する実施形態は、特に、摩擦損失を低減するために、オイルを急速に加熱すべき場合に重要である。

温度調整器ＴＨ₂の開弁温度に到達すると、第２の弁ａおよび温度調整弁Ｂを介して付加的なバイパスが開く。これによって、機関を循環する水量が増加し、局所的な過熱が防止される。付加的な水量の使用は円滑に行われる。温度調整器ＴＨ₂は、水温が、例えば９０℃よりも高い場合にのみ弁ｂによって暖房用熱交換器ＨＷＴからの水を絞るような寸法にて形成されている。弁ｂは、完全に閉じることはない。

温度調整器ＴＨ₁の開弁温度に到達すると、温度調整弁Ａがゆっくりと開き始め、第２の弁ｂが閉じ始める。その間、水は、主水クーラＨＷＫを流通し、同時に、バイパスを通過する付加的な水通路が絞られる。高温運転の場合、主水クーラを通過する水通路は完全に開いており、バイパスは完全に閉じている。同時に、暖房用熱交換器ＨＷＴは強く絞られている。これによって、客室が暑くなりすぎることが防止され、主水クーラＨＷＫを通過する流量を可及的に大きくすることが可能となる。

図２の実施形態は、オイルクーラＭＯＫ、ＭＯＫとの連動方法のみ図１と異なっている。温度調整器ＴＨ₁、ＴＨ₂間の連動を通じて、温度調整弁Ｂの始動時から、一層多量の冷却液が、これら熱交換器を流通する。

図３は、図１、２と同様の、モータ出口制御、すなわち、機関の冷却通路システムの出口に第１の温度調整器ＴＨ₁が配設された構成を示している。低温始動段階では、水は、暖房用熱交換器ＨＷＴ、第２の温度調整器ＴＨ₂の弁ｂ、および、バイパス通路１０を介して水ポンプ１２へ流れる。更に、オイルクーラＭＯＫ、ＧＯＫからの水もまた第１の温度調整器ＴＨ₁の弁ａを介して暖房用熱交換器ＨＷＴを流通することができる。第２の温度調整器ＴＨ₂が開くと、この水は、直ちに該第２の温度調整器を通過して機関に戻る。低温始動中に第２の温度調整器ＴＨ₂が開くと、機関の冷却通路システムからの水の流れは分割され、一部は暖房用熱交換器ＨＷＴを流通し、残りの部分は第１の温度調整器ＴＨ₁、すなわち第２の弁ａを通過する。

図４の実施形態でも機関出口制御が行われる。図３との相違点は、低温始動時に、オイルクーラＭＯＫ、ＧＯＫの冷却水の流れが、小さな回路内で暖房用熱交換器ＨＷＴを流通する点である。第２の温度調整器ＴＨ₂の開弁温度に達した後、第１の温度調整器ＴＨ₁、および、第２の温度調整器の温度調整弁Ｂを通じて、この冷却液の流れのための第２の通路が提供される。通常運転では、混合作動モードにおいて、第１の温度調整器ＴＨ₁が開いたとき、冷却液は、部分的に、バイパス通路１０および主水クーラＨＷＫを流通する。

図５の実施形態から明らかなように、該実施形態では、第２の温度調整器ＴＨ₂の低い開弁温度から、オイルクーラＭＯＫ、ＧＯＫを付加的に接続可能となる。この温度に達するまでは、熱交換器には冷却液は供給されない。

主水クーラＨＷＫは、第１の温度調整器ＴＨ₁を介して接続されている。この形態では、冷却液の付加的な流れが、第１の温度調整器ＴＨ₁の第２の弁ａを流通する。

本発明の冷却システムの一実施形態の構成を示す図である。 本発明の冷却システムの一実施形態の構成を示す図である。 本発明の冷却システムの一実施形態の構成を示す図である。 本発明の冷却システムの一実施形態の構成を示す図である。 本発明の冷却システムの一実施形態の構成を示す図である。 本発明の他の実施形態の構成を示す図である。 図６の実施形態の異なる作動状態を示す図である。 図６の実施形態の異なる作動状態を示す図である。 図６の実施形態の異なる作動状態を示す図である。

符号の説明

１０ バイパス通路
１２ 水ポンプ
ＥＧＲ 排気再循環用の熱交換器
ＭＯＫ 機関オイルクーラ
ＧＯＫ ギアオイルクーラ
ＨＷＴ 暖房用熱交換器
ＨＷＫ 主水クーラ
ＴＨ₁ 第１の温度調整器
ＴＨ₂ 第２の温度調整器
Ａ 第１の温度調整器の温度調整弁
Ｂ 第２の温度調整器の温度調整弁
ａ 第１の温度調整器の第２の弁
ｂ 第２の温度調整器の第２の弁

Claims (12)

1. シリンダブロックに設けられた冷却通路システムを有した燃焼機関用冷却システムにおいて、
   燃焼機関の冷却通路システムの系統に配設された主クーラ（ＨＷＫ）と、
   前記系統に配設された水ポンプ（１２）および第１の温度調整器（ＴＨ₁）と、
   バイパス通路とバイパス弁とを介して前記水ポンプ（１２）に接続された温水熱交換器（ＨＷＴ）と、
   前記バイパス通路に設けられた第２の温度調整器（ＴＨ₂）とを具備し、
   前記第２の温度調整器（ＴＨ₂）の温度調整弁の開弁温度は、前記第１の温度調整器（ＴＨ₁）の温度調整弁の開弁温度よりも著しく低く、
   前記温度調整器は、
   開弁温度よりも低く前記第２の温度調整器（ＴＨ₂）の温度調整弁（Ｂ）が閉じているときに、前記熱交換器（ＨＷＴ）を介して前記冷却通路システムに最小限の水が流通し、その開弁温度以上となり前記第２の温度調整器（ＴＨ₂）の温度調整弁（Ｂ）が開き、かつ、前記第１の温度調整器（ＴＨ₁）の温度調整弁（Ａ）の開弁温度以上となると、一層多量の水が前記冷却通路システムを流通して、前記第１の温度調整器（ＴＨ₁）および主クーラ（ＨＷＫ）によって温度制御がなされるようになっており、
   これによって、第２の温度調整器（ＴＨ₂）の温度調整弁（Ｂ）の開放から冷却液の流量が次第に増加するようになっており、かつ／または、少なくとも１つの更なる熱交換器（ＭＯＫ、ＧＯＫ）が接続されている燃焼機関用冷却システム。
2. 冷却液の温度の上昇に伴い前記開弁温度から第２の温度調整器（ＴＨ₂）の温度調整弁（Ｂ）が次第に開き、第１の温度調整器（ＴＨ₁）の温度調整弁（Ａ）の開弁温度より低い温度で、温度調整弁（Ｂ）が全開となる請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記温度調整器（ＴＨ₁、ＴＨ₂）は、共通のハウジングに配設されている請求項１または２に記載の冷却システム。
4. 前記温度調整弁（Ａ、Ｂ）は、それぞれ該温度調整弁（Ａ、Ｂ）が閉じたときに開き、該温度調整弁（Ａ、Ｂ）の開度が増加するにつれ有効面積が低減する第２の弁（ａ、ｂ）を作動させる請求項１に記載の冷却システム。
5. 前記温度調整弁（Ａ）が全開のときに、該第１の温度調整弁（Ａ）の第２の弁（ａ）は全閉となっている請求項４に記載の冷却システム。
6. 前記第２の温度調整弁（Ｂ）が全開のときに、該第２の温度調整弁（Ｂ）の第２の弁（ｂ）は絞り位置にある請求項４または５に記載の冷却システム。
7. 前記第１の温度調整器（ＴＨ₁）は、前記冷却通路システムの出口に関連づけられている請求項１に記載の冷却システム。
8. 前記第１の温度調整器（ＴＨ₁）は、前記水ポンプ１２の入口に関連づけられている請求項１に記載の冷却システム。
9. 前記燃焼機関は少なくとも付加的な熱交換器ＭＯＫ、ＧＯＫを有しており、該付加的な熱交換器は、第２の温度調整弁（Ｂ）の開弁温度より低いか、第２の温度調整弁（Ｂ）の開弁温度から、或いは、第１の温度調整弁（Ａ）の開弁温度から、冷却液が前記熱交換器を流通するように、前記冷却システムに接続されている請求項１に記載の冷却システム。
10. 前記バイパス通路１０は、前記シリンダブロックに形成された通路により形成されている請求項１に記載の冷却システム。
11. シリンダブロックとシリンダヘッド用に独立の冷却通路システムが設けられている場合には、３つの温度調整器が配設され、第３の温度調整器は、第２の温度調整弁の開弁温度よりも著しく高くなっている請求項１に記載の冷却システム。
12. 前記第２の温度調整弁（Ｂ）の開弁温度は３０〜３５℃である請求項１に記載の冷却システム。

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