JP2641241B2 - 内燃機関の蒸発冷却および冷却媒体による暖房用熱交換器の運転のための装置 - Google Patents

内燃機関の蒸発冷却および冷却媒体による暖房用熱交換器の運転のための装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、機関内に設けられ、入口と出口を備えた、
冷却媒体が充填される通路と、入口と出口の間に設けら
れた少なくとも一つの主凝縮器と、液状冷却媒体が部分
的に充填される、冷却回路を形成する冷却媒体貯蔵タン
クと、暖房用熱交換器と冷却媒体ポンプを含み、通路の
少なくとも一部を閉鎖する暖房回路とを備えた、冷却媒
体の蒸発によって内燃機関を冷却しかつ冷却媒体によっ
て少なくとも一つの暖房用熱交換器を運転するための特
に自動車用の装置に関する。
〔従来の技術とその欠点〕
この装置を用いた蒸発冷却の原理は、国際特許分類F0
1P 3/22の文献から、いろいろな実施形態で知られてい
る。蒸発冷却は、普通の液体冷却または対流冷却と比べ
て、効率が非常に良いという利点がある。なぜなら、熱
の運搬が蒸発熱または凝縮熱によって決定されるからで
ある。
自動車の暖房は多くの場合、内燃機関の排熱、しかも
冷却水によって運ばれる排熱を利用する。冷却水は１個
または複数個の熱交換器を流れ、ベンチレータによって
発生する空気流により、熱が取り出される。蒸発冷却の
場合にも、冷却媒体の熱を車両暖房のために利用するこ
とが知られている。例えばヨーロッパ特許第0 189 881
号明細書と西独国特許出願公開公報第36 03 897号は、
蒸発原理に従って作動する冷却装置を開示している。こ
の場合、内燃機関の冷却媒体室と冷却媒体通路には、車
内のための暖房用熱交換器とポンプを含む暖房回路が接
続されている。しかし、この本来の暖房回路の接続は、
冷却通路または冷却室に関して次のような高さで行われ
る。すなわち、液状状態にある冷却媒体だけが熱交換器
を流通するように行われる。この場合、蒸発冷却の固有
の長所、すなわち冷却媒体の相の変化による熱運搬の増
大は、暖房システムで利用されない。勿論、上記公知の
装置は、液状冷却媒体の作用により、熱発生個所、すな
わち機関の燃焼室のすぐ近くで、機関の始動後非常に短
い時間で暖房熱が供されるという利点がある。
この公知装置の他の利点は、比較的に少量の冷却媒体
が暖房回路を流通するので、運転温度までの内燃機関の
加熱が認容可能な程しか遅れないことにある。前記公知
装置の場合、冷却媒体の蒸発が機関内に設けられた冷却
媒体通路内で発生するや否や、主凝縮器が働く。
米国特許第4 367 699号明細書は、同様に蒸発原理で
作動する内燃機関用冷却装置を開示している。この装置
の場合には、暖房用熱交換器が蒸気と液体の冷却媒体の
ための分離容器に接続され、蒸気の冷却媒体だけが暖房
用熱交換器を流通する。暖房用熱交換器は常に冷却装置
の主凝縮器に対して直列に設けられている。この公知装
置は更に、循環ポンプを有する非常に“小さな”冷却媒
体回路を備えている。この冷却媒体回路は内燃機関の始
動後、内燃機関を均一に暖める働きをする。冷却媒体温
度が沸点近くに達するや否や、この冷却媒体回路はポン
プのスイッチを切ることによって遮断され、本来の蒸発
冷却を開始する。すなわち、この公知装置は暖房用熱交
換器の運転に関して、機関の始動後比較的に長い間、す
なわち蒸発冷却が開始された後まで冷却媒体が暖房用熱
交換器を流れるという基本的な欠点を有する。自動車の
場合には公知のごとく、機関の始動後直ぐに、すなわち
走行開始時に、暖められた空気をフロントガラスとドア
ガラスに吹きつけて曇らないようにするという基本的な
課題がある。前記公知装置はこの基本的な要求を満足す
ることができない。
〔発明の課題〕
本発明の根底をなす課題は、冷却媒体の相の変化によ
る良好な熱運搬作用を、暖房用熱交換器（これは車両ガ
ラスのための空気流出ノズルの通路に設けることができ
る）の運転にも利用し、機関の始動後熱交換器の迅速な
加熱を保証する、冒頭に述べた種類の装置を提供するこ
とである。
〔課題を解決するための手段〕
この課題は、本発明に従い、内燃機関に通路が設けら
れ、この通路が冷却媒体を循環させるために内燃機関の
中を延び、かつ入口と出口に接続し、入口と出口の間に
冷却媒体回路が配置され、この冷却媒体回路が主凝縮器
と、液状冷却媒体を収容するための冷却媒体貯蔵タンク
とを備え、暖房回路が内燃機関の通路と暖房用熱交換器
と冷却媒体ポンプとを備え、内燃機関の暖機時に暖房回
路にのみ液状冷却媒体を循環させることを可能にするた
めに主凝縮器を冷却媒体回路から切離しかつ蒸発した冷
却媒体の凝縮器として暖房用熱交換器を使用できるよう
にする主凝縮器弁が設けられ、冷却媒体貯蔵タンクが、
主凝縮器弁とは関係なく、暖房回路に接続可能であり、
それによって液状冷却媒体が装置に完全に充填され、暖
房用熱交換器内の冷却媒体温度がその蒸発温度近くにな
るときに、主凝縮器弁が主凝縮器を冷却媒体回路に接続
するよう配置されていることによって解決される。
〔発明の効果〕
本発明の重要な効果は、装置の構造が非常に簡単であ
ることと、内燃機関を暖めるときに特に主凝縮器を切り
離すことにより、暖房回路に一致する小さな機関用冷却
回路が形成されるので、機関が迅速に暖まることにあ
る。
〔実施例〕
以下、多数の補足特徴と他の特徴を含む本発明の実施
例を、図に基づいて説明する。図は内燃機関の異なる運
転相における装置を示している。
内燃機関１は、行程ピストン２を収容し冷却媒体を充
填した通路または室４を有するシリンダ３の範囲が断面
で示してある。内燃機関１は冷却媒体入口５と冷却媒体
出口６を備えている。この入口と出口は当然冷却通路４
に流体接続されている。
通路４と、主凝縮器８と、冷却媒体圧力によって操作
される主凝縮器弁である弁９と、冷却媒体貯蔵タンク10
は、機関１の冷却回路７の重要な構成要素である。冷却
媒体貯蔵タンク10は圧力制御弁11によって大気に対して
遮断され、従って同時に調整タンクを形成している。主
凝縮器８の後方には電気的に運転される通風機12が配置
され、主凝縮器８の前方には通気ルーバ13が配置されて
いる。この通気ルーバは後述のように、主凝縮器８内の
冷却媒体の温度（温度センサ15）と、負荷状態（絞り弁
スイッチ16）によって、制御回路14を介して操作され
る。
暖房回路17は同様に、機関１内に設けられた通路４を
経て延びており、重要な構成要素として副凝縮器と称さ
れる暖房用熱交換器18と冷却媒体ポンプ20を備えてい
る。暖房用熱交換器18には、暖房用ファン19が付設され
ている。冷却媒体ポンプ20は一方では、暖房用熱が要求
される時に車両の運転者によってスイッチが入れられる
ので、暖められた冷却媒体が暖房回路17を流通する。冷
却媒体ポンプ20は他方では、上記とは無関係に、温度セ
ンサ21によって感知される所定の冷却媒体温度に達した
ときにスイッチが入れられる。それによって、遅くと
も、冷却媒体の蒸発につながる冷却媒体の温度のとき
に、暖房回路17は小さな冷却回路として働く。
先ず、内燃機関１が冷えているときの状態を考慮す
る。貯蔵タンク10は少量の液状冷却媒体を含んでいる。
この冷却媒体は第１図に示す装置全体で液状である。本
来の冷却装置と暖房装置には液状の冷却媒体が充填さ
れ、排気されている。冷却媒体の圧力によって操作可能
な弁９が遮断位置にあるので、主凝縮器８は冷却回路７
と暖房回路17から切り離されている。
機関を始動させた後で、乗客室から熱が要求される
と、それによって冷却媒体ポンプ20のスイッチが入るの
で、暖房回路17内には、第１図において時計回りの冷却
媒体流れが発生する。すなわち、増大する暖かい冷却媒
体が暖房用熱交換器18を通って運ばれる。冷却媒体ポン
プ20のスイッチの投入が更に、温度センサ21によって感
知される冷却媒体の所定の最低温度の到達に依存してな
されると有利である。
暖房熱が要求されない夏においては、冷却媒体の温度
がその沸点の下の所定の高い温度に達した時に、温度セ
ンサ21と図示していない評価回路を介して冷却媒体ポン
プ20のスイッチが必ず入れられる。それによって、内燃
機関１の暖機運転中暖房運転とは無関係に冷却媒体ポン
プ20が始動させられる。
調節または制御される冷却媒体ポンプ20を設けるこ
と、すなわち内燃機関のパラメータおよびまたは要求さ
れる暖房熱に依存して冷却媒体ポンプ吐出量を可変にす
ることは当然可能である。
内燃機関１が一層暖まり、冷却媒体が内燃機関内でそ
の沸点以上まで少なくとも局所的に加熱されると、蒸気
泡が発生する。この蒸気泡は一部が冷却媒体内の他の個
所で再び凝縮するかまたはそのとき補助凝縮器として役
立つ熱交換器18に達する（第２図参照）。圧力弁９が依
然として閉じた状態にあるため、蒸気泡形成によって、
液状冷却媒体が調整タンクとしての貯蔵タンク10内へ押
しのけられ、熱交換器18内で凝縮する蒸気状冷却媒体は
その凝縮熱を暖房部に付与する。
冷却媒体の蒸発が増大するにつれて（第３図）、系内
の圧力ひいては弁９の場所の圧力が上昇するので、この
弁が開放し、主凝縮器８を冷却回路７に接続する。今
や、蒸発した冷却液体は機関の出口６から主凝縮器８と
副凝縮器18に達する。この両凝縮器において凝縮され、
液体の形でその下側範囲に集まる。
この場合、弁９は冷却媒体圧力の代わりに、貯蔵タン
ク10または熱交換器18内の冷却媒体レベルに依存して、
あるいはそこで測定される温度に依存して制御してもよ
い。後者の場合、熱交換器18内の温度が冷却媒体の沸点
のすぐ下の閾値に達するや否や、主凝縮器８の接続が行
われる。
本発明では、不所望な条件のとき、すなわち蒸気量が
最大であるとき、外気温度が高いとき、および主凝縮器
を流通する冷却空気の速度が遅いときに、冷却媒体蒸気
が主凝縮器８のほぼ全体に充満されるように装置が構成
されている。
内燃機関の運転条件が異なることを考慮して、装置内
の冷却媒体圧力を最適化すると有利である。その際、適
当な圧力変化は冷却媒体の異なる沸点温度にわたって、
内燃機関の燃焼室の範囲の異なる温度を調節するために
役立つ。例えば、部分負荷の場合には、機械の効率と所
望の排気ガス排出のために、高い機関温度ひいては冷却
媒体の高い沸点が、全負荷の場合よりも有利である。全
負荷の場合には、低い沸点（冷たい燃焼室壁）は、より
多くの充填によるトルク増大と共にノッキングの減少に
役立つ。これは基本的には、温度センサ22によって感知
される冷却媒体の実際温度に依存して、および例えば、
機関の負荷状態に比例する、制御装置23に記憶されてい
る冷却媒体温度の目標値に依存して、通風機12の回転数
を適当に制御することにより達成される。この場合、場
合によっては、通風機12の前記制御に加えて、通風ルー
バ13が設けられる。この通風ルーバは前記の量（冷却媒
体の実際温度と目標温度）に依存して、少なくとも充分
に閉じた状態（第１図と第２図）と開放した状態（第３
図）の間で調節可能である。一般に、通風ルーバの調節
は、機関が暖まったときに初めて（第３図）冷却媒体圧
力を左右するために行われる。一方、第１図と第２図に
示した機関の運転相では通風ルーバは閉じている。
特に、貯蔵タンク10の液面の上にエアクッションが前
記の圧力変更を妨害しないようにするために、図示実施
例では、弁２がタンクの接続管に設けられている。それ
によって、内燃機関１の熱発生が増大にするにつれて、
本来の冷却回路および暖房回路17内で冷却媒体の蒸発が
増大して圧力が高まる。
多くの場合、接続管がホースとして形成されているの
で、人は圧力上昇を、特に内燃機関１の通路４に制限す
ることに興味を持つ。この場合、主凝縮器と熱交換器18
に通じる冷却媒体管路の分岐部の手前の出口６に、弁25
が設けられている。この弁は部分負荷運転、すなわち高
い機関温度が所望される運転相において、冷却媒体通路
４をその他の系から切り離す。この場合勿論、暖房用熱
交換器18への暖められた冷却媒体の供給の中断を甘受し
なければならない。その場合、入口５には逆止弁が設け
られる。
メタノールのような沸点の低い冷却媒体を使用すると
好都合である。この冷却媒体は同じ冷却出力で少量の蒸
気を発生し、かつ系の不所望な負圧を回避する（ホース
の収縮、空気侵入）。
すなわち、本発明によって、内燃機関用蒸発冷却の基
本的な長所を、暖房用熱交換器の運転に利用可能である
装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
第１図乃至第３図は、内燃機関の異なる運転相における
本発明の実施例による装置を示している。 １……内燃機関、４……通路、５……入口、６……出
口、７……冷却回路、８……主凝縮器、９……弁装置、
10……冷却媒体貯蔵タンク、17……暖房回路、18……暖
房用熱交換器
フロントページの続き (72)発明者 ボド・シヤイプネル ドイツ連邦共和国、ウオルフスブルク 13、ジープスベルク、５ (56)参考文献 特開 昭61−81219（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−28828（ＪＰ，Ｕ)

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】冷却媒体の蒸発によって内燃機関を蒸発冷
    却しかつ冷却媒体によって少なくとも一つの暖房用熱交
    換器を運転するための装置において、 内燃機関に通路が設けられ、この通路が冷却媒体を循環
    させるために内燃機関の中を延び、かつ入口と出口に接
    続し、 入口と出口の間に冷却媒体回路が配置され、この冷却媒
    体回路が主凝縮器と、液状冷却媒体を収容するための冷
    却媒体貯蔵タンクとを備え、 暖房回路が内燃機関の通路と暖房用熱交換器と冷却媒体
    ポンプとを備え、 内燃機関の暖機時に暖房回路にのみ液状冷却媒体を循環
    させることを可能にするために主凝縮器を冷却媒体回路
    から切離しかつ蒸発した冷却媒体の凝縮器として暖房用
    熱交換器を使用できるようにする主凝縮器弁が設けら
    れ、 冷却媒体貯蔵タンクが、主凝縮器弁とは関係なく、暖房
    回路に接続可能であり、それによって液状冷却媒体が装
    置に完全に充填され、 暖房用熱交換器内の冷却媒体温度がその蒸発温度近くに
    なるときに、主凝縮器弁が主凝縮器を冷却媒体回路に接
    続するよう配置されていることを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】暖房エネルギーの要求と暖房回路内の蒸発
    した冷却媒体の発生とに別々に応答する、冷却媒体ポン
    プの操作を制御するための手段を備えていることを特徴
    とする、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】冷却媒体の蒸発によって内燃機関を蒸発冷
    却しかつ冷却媒体によって少なくとも一つの暖房用熱交
    換器を運転するための装置において、 内燃機関に通路が設けられ、この通路が冷却媒体を循環
    させるために内燃機関の中を延び、かつ入口と出口に接
    続し、 入口と出口の間に冷却媒体回路が配置され、この冷却媒
    体回路が主凝縮器と、液状冷却媒体を収容するための冷
    却媒体貯蔵タンクとを備え、 暖房回路が内燃機関の通路と暖房用熱交換器と冷却媒体
    ポンプとを備え、 内燃機関の暖機時に暖房用熱交換器にのみ液状および蒸
    発した冷却媒体を循環させるために主凝縮器を冷却回路
    から切離しかつ暖房用熱交換器を冷却媒体回路に接続維
    持し、暖房用熱交換器を蒸発した冷却媒体の凝縮器とし
    て使用できるようにする主凝縮器弁が、冷却回路と冷却
    媒体貯蔵タンクの接続部と主凝縮器との間に設けられ、 冷却媒体貯蔵タンクが、主凝縮弁器とは関係なく、暖房
    回路に接続可能であり、それによって液状冷却媒体が装
    置に完全に充填されることを特徴とする装置。
  4. 【請求項４】暖房エネルギーの要求と、暖房回路内の蒸
    発した冷却媒体の発生に別々に応答する、冷却媒体ポン
    プの操作を制御するための手段を備えていることを特徴
    とする、請求項３記載の装置。
  5. 【請求項５】冷却媒体の選定された圧力が暖房回路内で
    得られるときに、主凝縮器を冷却媒体回路に接続するよ
    う主凝縮器弁が配置されていることを特徴とする、請求
    項３または４記載の装置。
  6. 【請求項６】暖房用熱交換器と貯蔵タンク内の少なくと
    も一方の冷却媒体レベルが選択された値に達するとき
    に、主凝縮器を冷却媒体回路に接続するよう主凝縮器弁
    が配置されていることを特徴とする、請求項３または４
    記載の装置。
  7. 【請求項７】貯蔵タンクが暖房回路に持続的に接続され
    ていることを特徴とする、請求項３または４記載の装
    置。
  8. 【請求項８】冷却空気の流れを制御するために、主凝縮
    器を通過する空気の通路内に、調節可能な通気ルーバが
    設けられ、冷却媒体の圧力を最適化するたに、内燃機関
    の負荷や冷却媒体温度に従ってこの通気ルーバの位置を
    制御するための制御手段が設けられていることを特徴と
    する、請求項３記載の装置。
  9. 【請求項９】冷却媒体圧力の増大を可能にするために、
    貯蔵タンクから冷却回路を遮断するための弁が貯蔵タン
    クに設けられていることを特徴とする、請求項８記載の
    装置。
  10. 【請求項１０】内燃機関の通路内の冷却媒体圧力の増大
    を可能にするために、冷却媒体回路から内燃機関の通路
    を遮断するための冷却媒体回路弁と、この冷却媒体回路
    弁を制御するための制御手段を備えていることを特徴と
    する、請求項３または８記載の装置。
  11. 【請求項１１】冷却媒体回路弁の制御手段が内燃機関の
    動作パラメータに応答することを特徴とする、請求項10
    記載の装置。
  12. 【請求項１２】冷却媒体回路弁の制御手段が冷却媒体の
    パラメータに応答することを特徴とする、請求項10記載
    の装置。
JP63078274A 1987-04-02 1988-04-01 内燃機関の蒸発冷却および冷却媒体による暖房用熱交換器の運転のための装置 Expired - Lifetime JP2641241B2 (ja)

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