JP2007529661A - クーラントによって冷却される内燃機関用のクーラント回路 - Google Patents

Abstract

本発明は内燃機関（２、３８）用のクーラント回路（１、３５、３７）に関する。このクーラント回路（１、３５、３７）はサーモスタット弁（５、５’、５”）を備えており、このサーモスタット弁（５、５’、５”）は、ラジエータ（７、５２）への又は該ラジエータ（７、５２）からのクーラントの流れを制御する主弁ディスク（３１、５０）と、バイパスライン（８、４９）を通るクーラントの流れを制御するバイパス弁ディスク（２８、５１）とを有する２ヘッド弁として構成される。主弁ディスク（３１、５０）及びバイパス弁ディスク（２８、５１）は、一体組み込みされた弾性要素（２５）を含むサーモスタット作動要素（２４）によって操作される。サーモスタット弁（５、５’、５”）は、内燃機関（２、３８）の冷却チャンバの流入側に接続される供給ライン（９、４２）に配置されるか、あるいは、内燃機関（２、３８）の冷却チャンバから流出する排出ライン（４、４５、４６）に配置される。本発明の目的は、２ヘッドのサーモスタット弁を有するクーラント回路（１、５３）において、付加的な構造部品を追加することなく、可能な限り最短の制御された暖機過程を得ることにある。これを実現するため、弾性要素（２５）の周りに温度調節流れを作り出す目的で、加熱回路（１０、５３）をサーモスタット弁（５、５’、５”）の混合チャンバ（１７、４７）に接続して、加熱弁（１４、５７）の制御された開動作によって該温度調節流れが惹起されるようにする。

Description

本発明はクーラントによって冷却される内燃機関用のクーラント回路に関する。バイパスラインが付属するラジエータを含むこのクーラント回路（冷却系統）においては、ラジエータラインとバイパスラインとの間のクーラントの分岐をサーモスタット弁によって温度に応じて制御することができ、このサーモスタット弁は、ラジエータラインへの接続口と、バイパスラインへの接続口と、内燃機関の供給ライン又は流出ラインへの別の接続口と、混合チャンバから加熱回路に至る接続ライン用の接続口とを備えている。このサーモスタット弁は、混合チャンバ内に配置されるサーモスタット作動要素を有しており、このサーモスタット作動要素は、ラジエータラインへの流れの接続を制御する主弁と、バイパスラインへの流れの接続を制御する短絡回路弁とを備える。

特許文献１は、サーモスタット弁がモータの流出側に配置された一般的な種類のクーラント回路を開示している。このサーモスタット弁は、主弁ディスク及び短絡回路弁ディスクに連結された膨張要素を備えており（２ディスクサーモスタット弁）、低温始動後の初期には、主弁及び短絡回路弁が主弁ディスク及び短絡回路弁ディスクによって閉止されているので、クーラント回路が遮断されるようになっている（クーラント回路の完全絞り）。内燃機関の暖機が進行してくると、最初に、内燃機関とバイパスラインとの間のクーラント回路用の短絡回路弁が開かれ、内燃機関の暖機がさらに進行すると主弁が引き続いて開かれ、短絡回路弁が再度閉止される。クーラント回路が遮断されている時に、加熱されつつあるクーラントが、その状況にも拘らず制御されて膨張要素に達するようにするため、加熱回路に繋がる温度調節ラインが混合チャンバに接続される。この温度調節ラインは、混合チャンバにおいて小さなクーラントの流れを、制御された状態で発生させるために用いることができる。これによって膨張要素がさらなる制御動作を発現することができる。

特許文献２は、主弁及び短絡回路弁を制御する膨張要素を備えたサーモスタット弁を開示している。短絡回路弁は短絡回路弁ディスクを有しており、その短絡回路弁ディスクは、膨張要素に相対的に変位可能なように装着され、かつバネによって閉止方向に付勢される。低温始動中は、主弁及び短絡回路弁が共に閉止されているのでクーラント回路は遮断される。短絡回路弁ディスクを付勢するバネは、所定の内燃機関の部分負荷回転速度まで、そのバネが短絡回路弁ディスクを閉止するように構成される。この部分負荷速度に達して漸く、クーラント回路における圧力増大の結果として、短絡回路弁ディスクがバネの力に抗して開方向に変位させられる。この方式のサーモスタット弁の欠点は、その複雑な構造設計と、弁ディスクの開閉時点の可能な精度が低くなる点とにある。

独国特許出願公開第１０２ ０６ ３５９ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９７ ２５ ２２２ Ａ１号明細書

従って、本発明は、一般的な種類のクーラント回路を、できる限り簡単な制御方式を備えた簡素化された回路構成において、暖機時間の低減を実現するように改善するという目的に基づいている。

この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴部分によって達成される。

加熱回路をサーモスタット弁に接続することによって、膨張要素の温度を加熱回路によって制御することが可能になる。特に加熱回路に設けられるパルス弁によって、膨張要素の温度制御を予め定めたパラメータに従って行うことが可能になり、その結果、暖機時間を大幅に低減することができる。さらに、膨張要素の温度制御に加熱回路を用いることによって、特別な温度制御ラインを省略し得るという利点が得られ、クーラント回路が簡素化される。

さらに有利な改良形態が、従属請求項、以下の説明、及び図面から明らかになる。特定の例示的実施形態を簡略化して図面に示し、以下の記載においてより詳細に説明する。

図１は内燃機関２のクーラント回路１を概略図で示す。この回路１においては、クーラント、例えば冷却水をクーラントポンプ３によって循環させる。クーラントは、内燃機関２の冷却空間からモータ側の流出ライン４を通ってサーモスタット弁５に流れる。クーラントのこの制御法は、サーモスタット弁５がモータの流出側に配置されているので“流出側制御法”と呼称される。クーラントは、サーモスタット弁５から、温度に応じて、ラジエータ７に繋がるラジエータライン６又はラジエータ７をバイパスするバイパスライン８に分岐される。ラジエータ７の流出側には内燃機関２に至る供給ライン９が接続され、その供給ライン９にクーラントポンプ３も配置される。さらに、バイパスライン８が、ラジエータ７の下流側で供給ライン９に合流する。

クーラント回路１内には、加熱回路１０が並列に連結され、本発明によれば、この加熱回路１０が前部流れライン１１によってサーモスタット弁５に接続される。前部流れライン１１は加熱用熱交換器１２に繋がっており、その加熱用熱交換器１２の流出側開口から戻りライン１３が出ており、この戻りライン１３はクーラントポンプ３の上流側で供給ライン９に接続される。加熱回路を通る流れは、戻りライン１３の加熱弁１４によって制御される。この加熱弁１４は、加熱水の流れを正確に制御するために、電気制御又は電子制御されるパルス弁として構成するのが好ましい。

クーラント回路１に配置されるサーモスタット弁５は、図２によれば、フランジ１６とそのフランジから延びる混合チャンバ１７とを備えたハウジング挿入体１５を有している。サーモスタット弁５は、その混合チャンバ１７が内燃機関２の冷却ダクトに挿入され、フランジ１６によってモータハウジングの外側に固定される。フランジ１６の部分に位置し、例えばホースの接続口として構成される接続開口１８が、混合チャンバ１７の上に取り付けて設けられ、この接続開口１８に、クーラントを混合チャンバ１７からラジエータ７に供給するラジエータライン６が接続される。さらに、モータから流出するクーラントが混合チャンバ１７に流れる系路である流出ライン４用の接続開口１９が、混合チャンバ１７に繋がっている。接続開口１８の反対側に、オーバフローチャンバ２１への連結開口２０が設けられる。オーバフローチャンバ２１は、それ自体として、バイパスライン８に接続するためのバイパス開口２２を有している。

最後に、混合チャンバ１７は、接続開口１９の反対側に位置する排出開口２３をも有しており、その排出開口２３に前部流れライン１１が接続される。混合チャンバ１７の内部にはサーモスタット作動要素２４が配置される。この作動要素２４は、ハウジング挿入体に組み込まれる膨張要素２５であって膨張材料特にワックスの混合物を含む膨張要素２５を備えている。この膨張要素２５は、スリーブ状の作動ピストン２６によって取り囲まれており、この作動ピストン２６は、オーバフローチャンバ２１の中に達するボルト２７を備えるように構成される。このボルト２７に、連結開口２０及びバイパス開口２２を制御する短絡回路弁のディスク２８が、２つのバネ２９、３０の間に同様に変位可能なように組み込まれる。この場合、バネ２９は、作動ピストン２６の起こり得るあらゆる超過行程を相殺するためのものであり、一方、バネ３０は、許容し難い高圧力が生じた場合に、短絡回路弁のディスク２８がバイパス開口２２の弁座から離れるのを可能にする。接続開口１８は主弁ディスク３１によって制御される。この主弁ディスク３１は作動ピストン２６上に変位可能にガイドされ、この主弁ディスク３１を、ハウジング上の支持板３３に支持される閉止バネ３２が閉止の方向に付勢している。

図２は、内燃機関２の低温状態、すなわち膨張要素２５の伸びが最小の状態におけるサーモスタット弁５を示す。この状態のため、作動ピストン２６は引き込まれた位置にあり、この位置においては、接続開口１８は主弁ディスク３１によって閉止状態に維持され、流出開口２０は短絡回路弁のディスク２８によって閉止状態に維持される。この状態においては、クーラント回路は遮断されている。低温始動段階の間は、エンジンの運転パラメータに従って制御される加熱弁１４が周期的に開かれるまで、この回路遮断状態が維持される。加熱弁１４が開かれることによって、クーラントは、流出ライン４から混合チャンバ１７を通って前部流れライン１１に流入する。この流れは、温度調節流れとして機能し、加熱されたクーラントを膨張要素２５に搬送する。膨張要素は徐々に膨張し、作動ピストン２６をオーバフローチャンバ２１の方向に変位させる。この過程で、最初に、短絡回路弁のディスク２８だけが連結開口２０の弁座から離されて、クーラントが、混合チャンバ１７からオーバフローチャンバ２１を通ってバイパスライン８に流れるようになる。クーラントの加熱が進行し、従って膨張材料がさらに膨張すると、作動ピストン２６がさらに変位して、作動ピストン２６に配置されたストッパカラー３４が主弁ディスク３１に当接する。さらに膨張が進行すると、作動ピストン２６が主弁ディスク３１を接続開口１８の弁座から押し離す。従って、内燃機関のこの暖機段階においては、幾分かのクーラントはラジエータライン６を通ってラジエータ７に流入し、幾分かのクーラントはバイパスライン８に流入することになるので、冷却されたクーラントと冷却されないクーラントとが、クーラントポンプ３によって内燃機関に送られる。クーラントの温度が所定の運転温度に達すると、主弁ディスク３１及び短絡回路弁のディスク２８が、バイパスライン８への接続が遮断されかつラジエータライン６への接続が全開される位置（破線）に達する。

図３の例示的実施形態に概略的に示されたクーラント回路３５は、構成の点では、図１のクーラント回路１と同じ構成要素を含んでいる。このため、同じ構成要素に対しては同一の参照番号を使用している。２つのクーラント回路１及び３５の間の本質的な違いは、サーモスタット弁５の配置にある。すなわち、クーラント回路１の場合には、サーモスタット弁５が内燃機関の流出側に配置され（流出側制御）、クーラント回路３５の場合には内燃機関の流入側に配置されている（流入側制御）。同様に、図４に示すサーモスタット弁５’は、図１及び２のサーモスタット弁５と同じ構造要素を含んでいる。このため、この場合も同じ構造要素については同一の参照番号を使用している。唯一の違いは、サーモスタット弁５’の場合に短絡回路弁のディスク２８のバネ３０が省略されている点にある。

クーラント回路３５においては、クーラントを移送するため、供給ライン９にクーラントポンプ３が組み込まれている。この場合、供給ライン９は、サーモスタット弁５’の混合チャンバ１７を、排出開口２３を介して内燃機関２の流入側に連結する。この結果、クーラントは、クーラントポンプ３によって混合チャンバ１７から内燃機関２の冷却空間に送り込まれる。冷却空間内で加熱されたクーラントは、そこから流出ライン４に送り込まれ、ラジエータ７に移送される。クーラントは、ラジエータライン６を通ってラジエータ７から流出し、サーモスタット弁５’の接続開口１８の方向に流れる。バイパスライン８は、流出ライン４から分岐し、サーモスタット弁５’のバイパス開口２２に接続される。その結果、流出ラインからのクーラントは、同様に、バイパス開口２２の位置にも出現する。

クーラント回路３５とは別個に、加熱回路１０が、前部流れライン１１によって内燃機関２の冷却空間の流出側に接続される。加熱回路１０は、加熱用熱交換器１２に繋がる前部流れライン１１と、加熱用熱交換器１２の流出側の戻りライン１３と、接続開口１９とを経由して、サーモスタット弁５’の混合チャンバ１７に接続され、従ってクーラント回路３５に接続される。この場合、加熱回路１０内のクーラントの流れは、戻りライン１３に配置される加熱弁１４によって制御される。

サーモスタット弁５’及び加熱回路１０に関連するクーラント回路３５の作動態様は次のとおりである。

図４は、内燃機関２の低温状態におけるサーモスタット弁５’を示している。膨張要素２５はその伸びが最小の状態にあるので、作動ピストン２６は引き込まれた位置にあり、従って、接続開口１８は主弁ディスク３１によって閉止状態に維持され、連結開口２０は短絡回路弁のディスク２８によって閉止状態に維持される。このため、クーラント回路３５は遮断されているかあるいは完全に絞り込まれている。低温始動段階の間は、この状態が維持され続ける。この場合、内燃機関２の冷却空間内におけるクーラントは、クーラント回路３５が完全に絞り込まれているので急速に温度上昇することができる。クーラントの温度がある所定温度に達して初めて、加熱弁１４の周期的な開動作によって、混合チャンバ１７内に制御されたクーラントの流れが発生し、この流れが、膨張要素２５のための温度調節流れとして機能する。戻りライン１３から供給ライン９への温度調節流れの結果として、加熱されたクーラントが膨張要素２５を通過してそれを膨張させ、それによって、最初に、短絡回路弁のディスク２８が連結開口２０の弁座から離される。バイパスライン８から混合チャンバ１７を通って供給ライン９に送られるバイパス流れが流れ始めると、加熱されたクーラントが連続的に膨張要素２５を通過し、膨張要素２５がさらに膨張して、作動ピストン２６をバイパス開口２２の方向にさらに変位させる。ある変位行程に至ると、ストッパ３４が主弁ディスク３１に当接して、主弁ディスク３１を接続開口の弁座から押し離す。従って、この暖機段階においては、冷却されたクーラント及び冷却されないクーラントが共に、混合チャンバ１７内に流入し、そこから内燃機関２に送られる。クーラントの温度が所定の運転温度に達すると、主弁ディスク３１及び短絡回路弁のディスク２８が、バイパスライン８への接続が遮断されかつ放熱運転用のラジエータライン６への接続が全開される位置（破線）に達する。

加熱回路１０をサーモスタット弁５又は５’の混合チャンバ１７に接続しているため、加熱弁１４の協調開動作によって、温度調節流れを変化させること、従ってモータの加熱段階における膨張要素２５の膨張速度を変えることが可能になる。この結果、主弁ディスク３１及び短絡回路弁２８を開く時期と開く速度とを、加熱弁１４の周期的な開動作によって制御することができる。膨張要素２５の中に配置した電気抵抗加熱体３６を用いて、膨張要素２５の膨張挙動を操作過程中に補足的に変化させることもできる。

図５の例示的実施形態においては、２つのシリンダ列３９及び４０を有する内燃機関３８用のクーラント回路３７を示している。２つのシリンダ列３９及び４０の冷却空間には、クーラントポンプ４１によってクーラントが個別に供給されるが、このクーラントポンプ４１は共通の供給ライン４２に配置されており、その共通ライン４２から分岐管４３及び４４が分岐している。クーラントは、冷却空間から、さらに別個の流出ライン４５、４６を通ってサーモスタット弁５”の混合チャンバ４７に送られる。混合チャンバ４７は、ラジエータライン４８用の接続開口とバイパス開口とを備えている。このバイパス開口は、バイパスライン４９を接続するためのもので、サーモスタットハウジングにおいて、ラジエータライン４８用の接続開口と反対側に配置される。この場合、ラジエータライン４８用の接続開口は主弁ディスク５０によって制御され、バイパス開口はバイパス弁のディスク５１によって制御される。ラジエータライン４８は、その出側が供給ライン４２に繋がれるラジエータ５２に接続され、一方、バイパスライン４９は、サーモスタット弁５”のバイパス開口を、クーラントポンプ４１の上流側の位置で供給ライン４２に直接連結する。

クーラント回路３７の他に、前部流れライン５４によってシリンダ列４０の冷却空間に接続される加熱回路５３が設けられる。この前部流れライン５４が加熱用熱交換器５５に繋がっており、この加熱用熱交換器５５の出口側は、同様に、戻りライン５６によって、クーラントポンプ４１の上流側の位置で供給ライン４２に接続される。前部流れライン５４における加熱弁５７によって、加熱回路におけるクーラントの流れを加熱用として制御することができる。この場合、加熱弁５７は、電気制御又は電子制御可能なパルス弁として構成するのが好ましい。

内燃機関３８の低温状態においては、サーモスタット弁５”内で、ラジエータライン４８用の接続開口は主弁ディスク５０によって閉止され、バイパスライン４９用のバイパス開口はバイパス弁のディスク５１によって閉止される。従って、クーラント回路３７内のどの場所においてもクーラントの圧力が優勢に存在している。適当な圧力低下がないので、クーラント回路３７は遮断されていないにも拘らず、クーラント回路３７内にクーラントの流れは形成され得ない。この状態が、内燃機関３８の暖機中にも維持され、少なくとも、クーラントの温度が所定温度に達する時点まで継続される。クーラント温度が所定温度に達すると、加熱弁５７の制御された開動作がシリンダ列３９とシリンダ列４０との間に圧力差を生じさせ、クーラントの流れが、流出ライン４５を通ってシリンダ列３９の冷却空間から混合チャンバ４７へ、流出ライン４６を通ってシリンダ列４０の冷却空間から混合チャンバ４７へ、シリンダ列４０の冷却空間から加熱回路５３に送り込まれる。この場合、シリンダ列４０の冷却空間は前部流れライン５４の一部分として用いられることになる。この場合、クーラントの流れは、サーモスタット弁５”の膨張要素に対する温度調節流れとして作用する。温度調節流れが膨張要素に及ぼすさらなる効果については、クーラント回路１の図１及び２において述べたサーモスタット弁５の制御作動と同じである。膨張要素を加熱すると、最初に、短絡回路弁のディスク５１によって制御されるバイパス開口が開き、その結果、クーラントが供給ライン４２と流出ライン４５、４６との間の短絡回路に送られる。さらにクーラントの加熱が進行すると、引き続いて、ラジエータライン４８への接続開口が主弁ディスク５０によって開かれ、その結果、冷却されたクーラントと冷却されないクーラントとの混合物が冷却空間に供給される。クーラントが所定の最高温度に達すると同時にバイパス開口が閉止され、ラジエータラインへの接続が主弁ディスク５０によって全開される。この状態を、図２及び４において主弁ディスク及び短絡回路弁のディスクの位置（破線）によって示している。このように構成された、２つのシリンダ列を備えた内燃機関３８用のクーラント回路３７及び加熱回路５３によって、図１〜４の例示的実施形態のクーラント回路について上述したのと同様の利点を、構造的に簡素な方式で得ることができる。

内燃機関の流出側に配置されるサーモスタット弁を備えたクーラント回路の概略図を示す。 図１のクーラント回路用のサーモスタット弁を単純化した縦断面図で示す。 内燃機関の流入側に配置されるサーモスタット弁を備えたクーラント回路の概略図を示す。 図３のクーラント回路用のサーモスタット弁を単純化した縦断面図で示す。 ２つのシリンダ列を備えた内燃機関用の概略的に示されたクーラント回路を示す。

Claims (5)

1. クーラントによって冷却される内燃機関（２、３８）用のクーラント回路（１、３５、３７）であって、該クーラント回路（１、３５、３７）はラジエータ（７、５２）を含み、該ラジエータ（７、５２）にはバイパスライン（８、４９）が付属し、ラジエータライン（６、４８）と該バイパスライン（８、４９）との間のクーラントの分岐をサーモスタット弁（５、５’、５”）によって温度に応じて制御することができ、該サーモスタット弁（５、５’、５”）は、該ラジエータライン（６、４８）への接続開口（１８）と、該バイパスライン（８、４９）への接続口（バイパス開口２２）と、内燃機関の供給ライン（９、４２）又は流出ライン（４、４５、４６）への別の接続開口（１９）と、混合チャンバ（１７、４７）から加熱回路（１０、５３）に至る接続ラインで、膨張要素（２５）に対する温度調節流れを発生させるための接続ライン用の接続開口（２３）とを備えており、さらに、該加熱回路は、該加熱回路（１０、５３）におけるクーラントの流れを制御する加熱弁（１４、５７）を有しており、該サーモスタット弁（５、５’、５”）は、該混合チャンバ（１７、４７）内に配置されるサーモスタット作動要素（２４）を有しており、該サーモスタット作動要素（２４）は、該ラジエータライン（６、４８）への流れの接続を制御する主弁ディスク（３１、５０）と、該バイパスライン（８、４９）への流れの接続を制御する短絡回路弁のディスク（２８、５１）とを備えているクーラント回路（１、３５、３７）において、
   該加熱弁（１４、５７）が開いた時にクーラントが該混合チャンバ（１７、４７）を通って流れるように、該加熱回路（１０、５３）が、加熱用熱交換器（１２、５５）に至る前部流れライン（１１、５４）又は該加熱用熱交換器（１２、５５）の流出側の戻りライン（１３、５６）によって、該サーモスタット弁（５、５’、５”）の混合チャンバ（１７、４７）に接続されることを特徴とするクーラント回路。
2. 前記接続ラインが前記前部流れライン（１１、５４）又は戻りライン（１３、５６）の一部分であることを特徴とする請求項１に記載のクーラントによって冷却される内燃機関用のクーラント回路。
3. 前記サーモスタット弁（５）から分岐する前部流れライン（１１）を備えた加熱回路の場合に、内燃機関（２）から分岐しかつ該前部流れラインに直接繋がる別の付加的ライン（５８）が設けられることを特徴とする請求項１に記載のクーラントによって冷却される内燃機関用のクーラント回路。
4. ２つのシリンダ列（３９、４０）を有する内燃機関（３８）の場合に、該２つのシリンダ列（３９、４０）が、クーラント用の１つの共通の供給ライン（４２）と、分離された流出ライン（４５、４６）とを備えており、さらに、該流出ライン（４５、４６）は前記サーモスタット弁（５”）の混合チャンバ（４７）に接続され、かつ、前記加熱回路（５３）は、前記前部流れライン（５４）によって１つのシリンダ列（４０）に接続され、一方、前記戻りライン（５６）は前記ラジエータ（５２）流出側の該供給ライン（４２）に繋がっていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用のクーラント回路。
5. 内燃機関（２、３８）が高温運転状態にある時は、前記加熱回路（１０、５３）を、前記加熱弁（１４、５７）を制御することによって遮断することができることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用のクーラント回路。

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