JP4098765B2 - 内燃機関の温度調節方法と内燃機関のための冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、自動車の内燃機関を温度調節する方法と、内燃機関のための冷却システムに関するものであって、内燃機関には液状の冷却液のための冷却液循環回路を有する冷却システムが設けられている。

内燃機関は、冷間始動後その駆動温度に達するまでは、大量の有害物質の遊離および高い摩擦とそれに結びついた摩耗のような、比較的悪い特性を有する。冷間始動の欠陥は、内燃機関の十分な予熱によって回避することができる。これまでこの目的のために提案された手段、特に冷却液循環回路内へ組み込まれる潜熱貯蔵器または温水貯蔵器は、これまで実際においては受け入れられていない。

特許文献１からは、温水貯蔵器として冷却液循環回路の補償および排気容器を設けることが知られており、同容器は遮断機構によって遮断可能なバイパス導管を介して冷却液ポンプの吸込み側と接続されている。エンジンがＯＦＦにされた場合には、冷却循環回路内にある補償容器の遮断機構が閉成され、始動の際に開放される。

ドイツ公開公報ＤＥ１４５１８９０

本発明の課題は、冷却循環回路の冷却液の量を増大させる必要なしに、冷間始動の際の内燃機関の予熱を可能にすることである。

この課題は、内燃機関がＯＦＦにされた場合に、ほぼ全部の量の冷却液が冷却液循環回路から温水貯蔵器へ給送され、内燃機関の始動時に温水貯蔵器から冷却液が再び冷却液循環回路内へ戻されることによって、解決される。

この種の温水貯蔵器は、常に冷却液によって満たされてはおらず、車両重量を取り立てて言うほど増大させない。他方で、実際には全量の冷却液が温水貯蔵器内へ給送されるので、熱い冷却液が利用されずに冷却液循環回路内へ残ることはないので、内燃機関の予熱のために利用可能な熱エネルギが極めて高くなる。

本発明の他の形態においては、冷却液循環回路内に室内暖房用熱交換器および／またはトランスミッションオイル用熱交換器および／またはエンジンオイル用熱交換器が設けられており、かつこの全部の冷却液循環回路から冷却液が温水貯蔵器内へ給送される。

内燃機関のための冷却システムにおいては、本発明に基づく課題は、冷却液循環回路から分岐した回路内に温水貯蔵器が配置され、温水貯蔵器は、少なくとも冷却液循環回路の容積にほぼ相当する容積を有し、内燃機関がＯＦＦにされた場合に冷却液を冷却液循環回路から温水貯蔵器内へ給送するための手段と、内燃機関がＯＮにされた場合に冷却液を冷却液循環回路内へ戻すための手段とを備えている、いることによって、解決される。

本発明の他の特徴と利点は、本発明の実施例についての以下の説明から明らかにされる。

図１に示す内燃機関１０は、ラジエータ１１と共に冷却循環回路内に配置されている。冷却液ポンプ１２は、導管１３を介して冷却液を内燃機関１０へ給送する。内燃機関１０を出た冷却液は、導管１４を介してラジエータ１１の入口へ流れる。導管１４からは、サーモスタット弁１６へ通じるバイパス導管１５が分岐しており、そのサーモスタット弁を通して内燃機関１０から来る冷却液を導管１７を介して直接冷却液ポンプ１２によって吸い込むことができる。冷却液が冷たい場合には、サーモスタット弁１６はバイパス導管１５と冷却液ポンプ１２へ通じる導管１７の間の接続を開放するので、内燃機関を出た冷却液は直接また内燃機関１０へ供給される。

サーモスタット弁１６には、ラジエータ１１から来る還流導管１８が接続されている。バイパス導管１５を介して供給される冷却液が予め定められた温度に達するとすぐに、サーモスタット弁１６はバイパス導管を遮断して、還流導管１８を開放することを開始するので、次々とラジエータ１１から来る冷却液が導管１７を介して冷却液ポンプ１２の吸込み側へ達する。サーモスタット弁１６は、バイパス導管１５とクーラー還流導管１８を通して導管１７とそれに伴って内燃機関１０へ供給される、冷却液の量を定める。それによって内燃機関１０は、駆動温度に制御される。

エンジン出口導管１４からは、熱交換器２０へ通じる導管１９が分岐しており、その熱交換器は車両のための室内暖房用構成部分である。熱交換器２０から流出する冷却液は、混合室の領域においてサーモスタット弁１６へ供給される。

この冷却液循環回路の一番高い箇所に、図示されていない排気弁を介して導管２２が接続されており、その導管は高いところに位置する補償容器２３へ通じている。一点鎖線で示す導管２２内を流れるのは、大体において空気または蒸気である。補償容器２３内に集まる液状の冷却液は、導管２４を介して冷却液循環回路へ戻される。この導管２４は、冷却液ポンプ１２の吸込み側に連通している。

上述した冷却液循環回路からの分岐内に、温水貯蔵器２５が配置されており、その温水貯蔵器の容積は、冷却循環回路内に、すなわち内燃機関１０、ラジエータ１１、熱交換器２０、サーモスタット弁１６および導管１３、１４、１５、１７、１８、１９および２１内に存在しているほぼ全量の冷却液を収容することができるように、定められている。温水貯蔵器２５は、導管２６を介して冷却液ポンプ１２の吸込み側に接続されている。導管２６内には、電動駆動されるポンプ２７と電気的に切り替え可能な弁２８が配置されている。

内燃機関１０がＯＦＦにされた場合には、ポンプ２７がＯＮにされ、そのポンプの駆動は予め定められた期間の間維持される。この期間は、そのポンプ内へ冷却液循環回路の全量の冷却液を吸い込んで、それまでに空になっている、すなわち空気を有する温水貯蔵器２５へ給送することができるように、計算される。ポンプ２７の電動機のスイッチＯＮによって、電気的に操作可能な弁２８、たとえば電磁弁２８も開放される。全量の冷却液は、温水貯蔵器２５内へポンプアップされ、すなわち冷却液循環回路１１が空にされる。温水貯蔵器２５内に含まれている空気は、導管２９を介して流出し、その導管は補償容器２３に接続されている。実際においては、この導管２９内に遮断弁３０を配置すると理にかなっており、その遮断弁も同様に電気的に操作可能であって、かつ弁２８と共に開放し、かつ閉成される。冷却液がポンプ２７によって冷却液循環回路から汲み出される間、空気は導管２２を介してだんだんと冷却液循環回路内へ流れる。

内燃機関１０の始動時に、弁２８、３０は開放される。しかし、内燃機関と共に始動する、電動ポンプとすることのできる、冷却液ポンプ１２は、通常内燃機関１０のクランク軸と駆動接続されており、温水貯蔵器２５から冷却液を吸い込んで、それを内燃機関１０内へ給送し、そこからさらに冷却循環回路内へ戻す。温水貯蔵器２５は冷却液ポンプ１２よりも高い場所にあるので、冷却液は重力に基づいて冷却液ポンプ１２の吸込み側へ流れる。温水貯蔵器２５が空になった後に、弁２８、３０は閉成する。

好ましくは高性能の温水貯蔵器２５が設けられ、その温水貯蔵器はできるだけ、２４時間以内に摂氏約１００°から６０°への温度低下しか行われないように断熱されている。

全ての熱い冷却液が冷却液循環回路から温水貯蔵器２５内へ移送されるので、内燃機関１０を予熱するためにそれに応じた高い熱エネルギが提供される。さらに、室内暖房用熱交換器２０も内燃機関１０の冷間始動の際に暖かい冷却液を供給されるので、暖房が極めて早期に応答する、という利点が得られる。

図示の実施形態の変形例においては、温水貯蔵器は２段階で形成されており、すなわち２つのチャンバを有しており、それらが切り替え可能な供給装置を介して供給を受ける。この場合においては、第１段階において、第１のチャンバが内燃機関から取り出された冷却液の量で充填され、その後切り替えられて、第２の段階においては第２のチャンバがラジエータ１１から来る冷却液で充填され、その冷却液は通常内燃機関から来る冷却液よりも冷たい。従って、異なる温度水準を有する２つの冷却液が混合されることが、防止される。

図２に示す実施例は、同様に、内燃機関１０、ラジエータ１１、冷却液ポンプ１２、サーモスタット弁１６および車両の室内暖房用熱交換器２０を備えた冷却液循環回路を有している。この冷却液循環回路には、排気導管２２と還流導管２４を有する補償容器２３も属している。暖房用熱交換器２０は、エンジン出口導管１４には接続されていない。むしろ、熱交換器は別の導管３１を介して、内燃機関１０から流出する冷却液を供給される。熱交換器２０からサーモスタット弁１６の混合室へ至る導管内に、切り替え可能な制御弁３２が配置されている。

車両の室内暖房用熱交換器２０に対して並列に、冷却液循環回路内にトランスミッションオイル用熱交換器３３が設けられている。このトランスミッションオイル用熱交換器３３は、冷却液と、内燃機関１０に属するオートマチックトランスミッション３４のオイルとによって貫流される。さらに、エンジンオイル用熱交換器３５が設けられており、その熱交換器も同様に内燃機関の冷却液とエンジンオイルによって貫流される。

この構造においても、温水貯蔵器２５ａが設けられており、その容積は、冷却液循環回路内に存在しているすべての冷却液量を収容することができるように、設計されている。温水貯蔵器２５ａは、導管２６を介して冷却液ポンプ１２の吸込み側に接続されている。導管２６は、電動で駆動可能なポンプ２７と電気的に切り替え可能な弁２８、たとえば磁気弁を有している。温水貯蔵器は、導管２９と切り替え可能な弁３０を介して補償容器２３に接続されている。

温水貯蔵器２５ａと、室内暖房用熱交換器およびトランスミッションオイル用熱交換器３３へ通じる導管３１との間に、導管３６が配置されており、その導管は他の切り替え可能な弁３７と電動で駆動可能なポンプ３８を有している。導管３１内には、内燃機関１０への還流を阻止する、図示されていない戻り止め弁が設けられている。

ポンプ２７、弁２８、３０、弁３７およびポンプ３８の駆動は、制御装置３９を介して行われる。制御装置３９は、特にこの目的のために設計された、貯蔵器システムまたは熱管理のための制御装置あるいはエンジン制御装置とすることができる。この制御装置３９は、制御弁３２も駆動し、その制御弁は車両の室内暖房用熱交換器への供給を制御する。

内燃機関１０が停止した場合に、制御装置３９はポンプ２７をスイッチＯＮして、弁２８と３０を開放する。冷却液は、実際には完全に、温水貯蔵器２５ａ内へポンプアップされ、冷却液循環回路は空にされる。この冷却液循環回路内へ、導管２２を介して補償容器２３から空気が流入する。温水貯蔵器２５ａ内に存在していた空気は、弁３０と導管２９を介して補償容器２３内へ流入する。

内燃機関をＯＮにする場合に、冷却液循環回路への冷却液の還流は、図１を用いてすでに説明したように行うことができる。しかしまた、段階を設けて、たとえば制御装置３９によってまず弁３７を開放し、ポンプをスイッチＯＮして、まず熱い冷却液が熱交換器２０と熱交換器３３内へポンピングされ、そこから内燃機関１０へ流れるようにすることも、可能である。弁３０は開放されているので、温水貯蔵器２５ａ内へ空気が流入することができる。弁２８は、遅れて開放することができるので、内燃機関１０がＯＮにされた後に遅延をもって冷却液が温水貯蔵器２５ａから内燃機関１０内へ、そしてそこからクーラー内へポンピングされる。

内燃機関を温度調節することができるようにするために、本発明に基づく方法に加えて、あるいは本発明に基づく方法の代わりに、内燃機関がＯＦＦにされた場合に全量のエンジンオイルがホットオイル貯蔵器内へ汲み込まれ、そのホットオイル貯蔵器はそれまでに空になっており、すなわち空気を有しているようにすることができる。その場合には内燃機関の始動の際に、エンジンオイルが空のオイル循環回路内へ、すなわちオイルクーラーとオイル冷却通路内へ戻るようにポンピングされる。オイルクーラーは、空気または好ましくは内燃機関の冷却液を供給される熱交換器とすることができる。ホットオイル貯蔵器は、オイル循環回路の分岐内に配置されて、電動駆動されるオイルポンプを有する。分岐は、好ましくはオイル循環回路に属するオイルポンプの吸込み側に接続される。ホットオイル貯蔵器は、オイル循環回路のオイルポンプよりも高い位置に配置されると、理にかなっている。

本発明に基づく冷却液システムの概略図である。 冷却循環回路内にさらに他の熱交換器を有する冷却液システムの概略図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１１ ラジエータ
１２ 冷却液ポンプ
１３、１４、１７、１９、２２、２４、２６、２９、３１、３６ 導管
１５ バイパス導管
１６ サーモスタット弁
１８、２４ 還流導管
２０ 熱交換器
２３ 補償容器
２５、２５ａ 温水貯蔵器
２７，３８ （電動）ポンプ
２８ 弁
３０ 弁
３２ 制御弁
３３ トランスミッションオイル用熱交換器
３４ オートマチックトランスミッション
３５ エンジンオイル用熱交換器
３９ 制御装置

Claims (12)

1. 冷却液のための冷却液循環回路を備えた冷却システムが付設されている自動車の内燃機関（１０）の温度調節方法であって、
   内燃機関（１０）がＯＦＦにされた場合に、ほぼ全部の量の冷却液が冷却液循環回路から、それまでに空にされている温水貯蔵器（２５、２５ａ）内へ給送されて、内燃機関（１０）の始動時に、前記温水貯蔵器から切り換え可能な弁と（３０）と補償容器（２３）を介して冷却液が冷却液循環回路内へ供給される、ことを特徴とする方法。
2. 温水貯蔵器（２５、２５ａ）内への冷却液の給送が、内燃機関（１０）のＯＦＦ後に時間遅延されて実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 冷却循環回路へ冷却液を戻すことが、内燃機関（１０）の始動後に時間遅延されて実施されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 冷却液循環回路内に、室内暖房用熱交換器および／またはトランスミッションオイル用熱交換器および／またはエンジンオイル用熱交換器が配置されており、かつ
   冷却液循環回路全体から冷却液が温水貯蔵器（２５、２５ａ）内へ給送されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 温水貯蔵器（２５、２５ａ）から冷却液が２つ以上の箇所において同時におよび／または時間遅延して供給されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 内燃機関（１０）とラジエータ（１１）の間に冷却液のための冷却液循環回路を有している、内燃機関（１０）のための冷却システムであって、
   冷却液循環回路から分岐した回路内に温水貯蔵器（２５、２５ａ）が配置され、
   温水貯蔵器（２５、２５ａ）は、少なくとも冷却液循環回路の容積にほぼ相当する容積を有し、内燃機関（１０）がＯＦＦにされた場合に冷却液を冷却液循環回路から温水貯蔵器（２５、２５ａ）内へ給送するための手段（２７、２８）と、内燃機関（１０）がＯＮにされた場合に冷却液を冷却液循環回路内へ戻すための手段（１２、３７、３８）とを備えており、
   温水貯蔵器（２５、２５ａ）および冷却液循環回路の最も高い箇所が、補償容器（２３）に接続されており、
   温水貯蔵器（２５、２５ａ）を補償容器（２３）と接続する導管（２９）内に、電気的に切り替え可能な弁（３０）が配置されている、
   ことを特徴とする冷却システム。
7. 温水貯蔵器（２５、２５ａ）へ通じる導管（２６）内に、電気的に駆動可能なポンプ（２７）が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の冷却システム。
8. 温水貯蔵器（２５、２５ａ）の前段に、電気的に切り替え可能な弁（２８）が接続されていることを特徴とする請求項６または７に記載の冷却システム。
9. 温水貯蔵器（２５、２５ａ）へ通じる導管（２６）が、内燃機関（１０）へ冷却液を給送する冷却液ポンプ（１２）の吸込み側において、冷却液循環回路に接続されていることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の冷却システム。
10. 温水貯蔵器（２５、２５ａ）は、冷却ポンプ（１２）よりも高い場所に配置されていることを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の冷却システム。
11. 温水貯蔵器（２５、２５ａ）から、電動のポンプ（３８）と切り替え可能な弁（２７）を有する１本または複数本の導管が、補助装置の１つまたは複数の熱交換器へ通じていることを特徴とする請求項６から１０のいずれか１項に記載の冷却システム。
12. 少なくとも２つのチャンバを有する温水貯蔵器（２５、２５ａ）が設けられており、前記チャンバが選択的に冷却液で充填され、かつ／または空にすることができることを特徴とする請求項６から１１のいずれか１項に記載の冷却システム。

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