JP2004036623A - 内燃機関の作動温度を制御する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　内燃機関の冷間始動段階におけるような、冷却流体を迅速に加熱するための向上されたオプションを提供する、流体冷却内燃機関の作動温度を制御する方法を提供すること。
【解決手段】　内燃機関１の作動温度を制御するための方法及び装置が提供される。冷却流体が内燃機関１を通じて、電動モータ７によって駆動される冷却流体ポンプ２によって回路に移送され、かつ電動モータ７がその通常動作と比較して増大した散逸電力で作動し得る。この状態で作り出される利用しない熱が冷却流体に伝えられる。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、内燃機関の作動温度を制御する方法及び装置に関する。

　流体冷却内燃機関は、冷却流体が冷却流体回路を通じてポンプによって駆動される状態で、内燃機関を通じそしてその後通常は大気と熱交換する関係にある適切なラジエータも通じて循環される冷却流体によって冷却される。この点に関する従来技術文献を参照し得る。この文献は、電動モータが冷却流体のゆきわたる温度に依存して制御された状態で、冷却流体が機関を通じて電動モータによって駆動されるポンプによって循環されることを提供する。この場合、電動ポンプモータ及び／又はラジエータファンモータの作動を制御する働きをする半導体装置は、半導体装置が、内燃機関が冷間始動状態にある際に損失の多い態様で作動される状態で、更なる加熱を行う機能も遂行する。この損失の多い態様から生じる利用しないエネルギーは冷却流体に伝達される。別の特許文献から知られているように、特に内燃機関の冷間始動段階では、冷却水は、付加的な加熱ユニットを必要とせずに迅速に加熱することができる。その結果、内燃機関は、減じられた時間内で８０℃〜９０℃間程度の高さの通常の作動温度まで上昇される（例えば、特許文献１及び２参照）。
独国特許第１００５８３７４号公報 欧州特許第９３３５４６号公報

　本発明の目的は、内燃機関の冷間始動段階におけるような、冷却流体を迅速に加熱するための向上されたオプションを提供する、流体冷却内燃機関の作動温度を制御する方法を提供することである。

　本発明の別の目的は、冷却流体回路の作動の特に制御された態様を採択することによって内燃機関の冷却流体の加熱を促進して通常の機関作動温度にすることである。

　本発明のさらに別の目的は、機関温度を上昇させるか又は通常の作動温度に維持する付加的な加熱効果を与えることによって内燃機関の作動温度を制御する装置を提供することである。

　方法の観点から見た本発明の原理に従うと、前述及び他の目的は、冷却流体が、機関を通じて電動モータによって駆動されるポンプによって循環される、内燃機関の作動温度を制御する方法によって達成される。冷却流体の温度が測定され、かつ電動ポンプモータが測定した温度に依存して制御される。通常の機関作動温度より低い流体温度では、電動ポンプモータによって作り出される利用しない熱が冷却流体に伝達される。

　装置の観点から見た本発明に従うと、前述及び他の目的は、冷却流体ポンプが回路内に冷却流体を移送するために設けられた状態で、内燃機関を通じて冷却流体を循環させるための冷却流体回路を備える。冷却流体ポンプは、利用しない熱を作り出す電動モータの少なくとも一部が冷却流体回路と熱交換をする関係に配置された状態で、電動モータによって駆動される。制御装置は、冷却流体の温度に依存して電動モータの作動を制御する。

　以降に述べる好ましい実施形態から詳細に分かるように、本発明は、機関の冷間始動段階又は機関がその通常の作動温度より下の温度で作動される際に、冷却流体が電動モータによって作り出される利用しない熱によって更に加熱されることを提供する。

　本発明の好ましい態様に従えば、この場合、電動モータポンプは、その通常の作動態様に比べて増加した電力散逸損失を伴って作動される。このために、電動モータは、冷却流体を加熱する段階の間に、その飽和限界で又はこの飽和限界を越えて一時的に作動し得る。これは、電力散逸損失が電流の二乗で上昇する状態で、電量の増加に帰着する。好ましくは、電動モータはパルス電流を供給される。作動は、電流パルスに関して適切な切換周波数によって飽和限界で又はこの飽和限界を超えて制御し得る。

　さらに、本発明の好ましい態様では、供給電流はモータ巻き線を反対方向に交互に通過し得る。このように、前進又は逆向きの電流によって制御される回転場によって、冷却流体を移送するための僅かな低レベルの機械電力送給で、電流が回転場の前進及び逆向き回転間又は巻き線内の交流電流によって流れる。これは、電動モータ又はそのモータ巻き線からの高レベルの利用しない熱の送給も供給する。

　モータ及びこれにより駆動される冷却流体ポンプは、利用しない熱が冷却流体に実質的に直に送給されるように配置される。このために、モータは、冷却流体が通過するダクトを備えたそのハウジング内、特に固定子のモータ巻き線の領域に設け得る。低レベルの電動モータからポンプへの機械電力送給によって、冷却流体は、熱が電動モータから冷却流体に効果的に伝えられるように、移送される熱を放出する電動モータの部分をゆっくりと過ぎて移動される。好ましくは、電動モータの固定子及び可動子並びにポンプ羽車は、冷却流体が、ポンプから冷却流体への効果的な熱交換のために固定子のモータ巻き線を過ぎ去った状態で、ハウジング内に配置し得る。

　本発明の更なる目的、特徴及び利点は、本発明の好ましい実施形態に関する以降の記述から明らかとなる。

　最初に、全体を参照符号１で示す水冷式内燃機関の冷却流体回路を線図で示す図１を参照する。内燃機関１は、例えば、自動車のオットーサイクルエンジン又はディーゼルエンジンとし得る。冷却流体は導管系３の形態をした冷却流体回路を通じてポンプ２によって通常の態様で移送される。ポンプ２は、電動ポンプモータ７によって駆動される。

　内燃機関１から出る冷却流体は、ラジエータ形態の空気／熱交換器４で機関の通常動作において冷却される。熱交換機４の領域には、ファンモータ６によって駆動されるファン１０が配置される。参照符号５は、電動ポンプモータ７及びファンモータ６の作動も制御するように働く制御装置を示す。

　対応する作動で、利用しない増大した熱を作り出す、電動ポンプモータ７及び好ましくはモータ巻き線１２の部品は、図２から分かるように、冷却流体が通過する１つ以上の導管内に配置される。このために、冷却流体導管は、例えば、固定子巻き線間の適切な溝を通じてモータ巻き線１２に即座に近接して通過する。これは、電動モータ７が冷却導管３内に実際に配置されるように示されている事実によって図１に線図で示されている。

　図２に示す構成では、電動モータ７及び冷却流体ポンプ２は、ハウジング１７内にユニット形態で配置される。図２は、回転子１４形態の、ポンプ２の電動駆動装置を構成する電動モータ７の主要構成部品を示し、この回転子は好ましくは永久磁石、例えば好ましくは多重磁化した永久磁石、並びに回転場を作り出すモータ巻き線１２を備える。回転子１４は、何れか適切な態様でハウジング１７に又は該ハウジング内に支持されるシャフト１８によってポンプ羽根車１３に非回転的に連結される。冷却流体は、送給装置１５によって電動モータ及びポンプから成る図示するユニット内を進み、排出部１６で再び該ユニットを去る。図示する構成では、ハウジング１７内のモータ巻き線１２は、ポンプの作動でモータ巻き線１２内に作り出された利用しない熱が冷却流体に送給されるように、自身の周囲に流れる、移送された冷却流体を備える。この実施形態では、冷却流体は、所望温度で通常動作する間にさえ電動モータ及びポンプから成るユニットを通過する。

　同じものを駆動するポンプ２及び電動モータ７が別個に配置される別の実施形態では、通常動作において、冷却流体はバルブを適切に設定することによって、電動モータ周りの適切なバイパス導管を貫流せしめ得る。

　図１を再び見ると、配置構成は、例えば、サーモスタットのような温度測定装置８を含む。温度測定装置８は作動して冷却流体が内燃機関１を去る際に、該内燃機関の温度を測定する。２つの電動モータ６、７は、この温度測定に依存して制御される。

　独国特許第１００９８３７４号公報に開示されるように、制御ユニット５の部品を構成する半導体デバイス、特に出力半導体は、冷却流体回路の導管３内で冷却流体を更に加熱するために使用することもできる。

　本発明が、電動モータ７によって駆動され、この電動モータによって冷却流体が冷却流体回路の導管システム３を通じて適切に移送される、冷却流体ポンプ２の使用を含む点が注目される。電動モータ７は制御デバイス５によって電気的に切り替えられかつ回転場が、制御デバイス５の半導体スイッチによって周期的に制御されるモータ電流によって作り出される電動モータであることが好ましい。通常の作動モードでは、作動は、図３から分かるように、制御デバイス５の半導体スイッチが最適な回転場を伴う切り替え時間で、かくしてモータ効率を最適な程度にした状態で切り替えられるようなものである。この点に関して、モータ巻き線１２が、好ましくは図２に示す態様で冷却流体内又は該冷却流体に配置される。

　冷却流体を加熱する効果を提供するため、電動モータ７は、制御デバイス５及び特にその半導体デバイスの両方、及びまた電動モータ７が、通常動作と比べて少ないレベルの作動効率を備えるように制御し得ることが好ましいことが注目される。これは、内燃機関の冷間始動段階又は機関がその通常の作動温度よりも下の温度で作動される際における冷却流体を加熱する加熱電力として働く増大したレベルの利用しない熱を与える。

　この点に関して、冷却流体を通常の内燃機関作動温度まで加熱するために、モータ７を、図３に示すようなパルスモータ電流によって、通常の作動モードで作動するようにすることもできることが理解される。図３の場合には、この状態で作り出される利用しない熱が冷却流体に適切に伝えられる。

　上記に言及したように、低いレベルの電子構成要素の効率及び特に制御デバイス５の半導体出力構成要素は、低ゲート電流かつ僅かに上昇するエッジを伴って作動される半導体スイッチによって与えられる。切り換えエッジ間の電力散逸損失は電圧のように極めて高くかつ半導体スイッチには同時に電流が存在する。この状態では、干渉放射現象が好都合には当てはまる。

　電力散逸損失が各スイッチング作動で作り出される際に、切換周波数が増大すると対応する高レベルの利用しない熱を実現し得る。この点に関して増加した切換周波数が、上昇及び下降エッジを具備するリップルがそれぞれの電流パルスに付与し得ることを意味することを示す図４をここで参照する。これらのリップルは、図３に示す態様で周期的に制御されるモータ電流と比較した、増大したレベルの利用しない熱に帰着する。

　制御デバイス５の半導体スイッチが完全に導かれないと、その時には、この半導体スイッチは少なくともレジスターのような部品として挙動する。これは、電力散逸損失に帰するものであり、かくして、本願明細書にその内容が参考文献として援用される独国特許第１００５８３７４号公報に記載の態様では、制御デバイスの領域にある冷却流体に利用しない熱を付加的に送給する。

　電動ファンモータ６は、この実施形態では、参照符号１１で示すバルブの適切な制御によって冷却流体回路内に組み込まれるべき適切な冷却流体通路を内部に更に備え得ることができる。この場合、熱交換器又はラジエータ４は、バイパスされかつ冷却流体はモータ６に貫流する。例えば上述の態様のような損失の多い態様で電動ファンモータ６を作動させることは、冷却流体が冷却流体回路内のこの領域で更に加熱されることも意味する。対応するバルブ１１の作動によって回路から取り出された熱交換器又はラジエータ４によって短くされたこの短くされた冷却流体回路は、付加的な電気抵抗手段も含み得るものであり、その利用しない熱は冷却流体に送給される。

　図１を更に参照すると、参照符号９は、それによって内燃機関１によって駆動される慣用の交流発電機のような発電機１０が冷却流体回路に接続し得る制御バルブを示す。発電機１０が冷却流体回路内に連続して作動配置することも可能である。発電機１０によって送給された熱は冷却流体を加熱する働きもする。

　本発明は、低レベルの消費を有し、従って冷間始動段階では、通常の作動温度を達成するために比較的長い時間間隔をしばしば要する内燃機関の場合に特に有益であると考えられる。例えば、欧州特許第０９９３５４６号公報に記載されたもののような付加的な予備加熱ユニットの代わりに、冷却流体は、いずれにせよ車両に存在する構成部品の使用しよって迅速に加熱される。かくして自動車の内燃機関１はその要求される作動温度まで急速に加熱することができる。特に機関からの汚染物放射はこのように減じられることが分かる。

　本発明、その種々の変形及び変更態様の原理を単に例示的に説明することによって述べてきた上述した方法及び装置構成が、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに行い得ることが理解される。

内燃機関の冷却流体回路を示す図である。 電動駆動装置及び冷却流体ポンプを含むユニットの実施形態を示す図である。 冷却流体ポンプの電動モータに電力を与えて通常動作させるための電流パルスを示す図である。 リップルが上昇した切換周波数によって作り出され、このリップルによって冷却流体ポンプの電動モータが温度上昇作動段階になるように電力供給し得る、電流パルスを示す図である。

符号の説明

　１　内燃機関
　２　冷却流体ポンプ
　３　冷却流体導管
　４　熱交換器（ラジエータ）
　５　制御デバイス
　６　電動モータファン
　７　電動モータポンプ
　８　サーモスタット
　９　制御バルブ
　１０　発電機
　１１　制御バルブ
　１２　モータ巻き線
　１３　ポンプ羽根車
　１４　電動モータ回転子
　１５　冷却流体の送給
　１６　冷却流体の排出
　１７　ハウジング
　１８　シャフト

Claims (11)

1. 　内燃機関の作動温度を制御する方法であって、該方法では、冷却流体が前記内燃機関を通じて電動モータによって駆動されるポンプによって循環され、前記流体の温度が測定されかつ前記電動ポンプによって駆動されるモータが前記流体の温度に依存して制御される方法において、
   　通常の作動温度より下の流体の温度において、前記電動ポンプによって駆動されるモータによって作り出される利用しない熱が前記冷却流体に伝えられることを特徴とする方法。
2. 　前記電動モータによって駆動されるポンプが、該モータの通常動作に比べて増加した散逸損失を伴って作動されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 　前記冷却流体を前記作動温度まで加熱する間に、前記電動モータによって駆動されるポンプが一時的かつ特に飽和限界の又は該飽和限界より上のパルス形態で作動されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 　前記冷却流体を前記作動温度まで加熱する際に、モータ巻き線に交流の前進及び逆進エキサイター電流を送給され、該冷却流体を移送する前記モータによって低レベルの機械電力が伝えられることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
5. 　前記モータ巻き線によって作り出される前記利用しない熱が、前記冷却流体が該モータ巻き線の近くを通過する際に、該冷却流体に伝えられることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 　前記電動モータが周期的に制御された電流を供給されることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 　内燃機関の作動温度を制御する装置であって、
   　前記内燃機関（１）を通じた冷却流体回路と、
   　前記冷却流体回路に冷却流体を移送する冷却流体ポンプ（２）と、
   　前記冷却流体ポンプ（２）を駆動する電動モータ（７）と、
   　前記冷却流体の温度に依存して前記電動モータ（７）を制御する制御デバイス（５）と、を備え、
   　利用しない熱を作り出す前記電動モータ（７）の部品が前記内燃機関（１）の前記冷却流体回路内に配置されることを特徴とする装置。
8. 　前記冷却流体と加熱伝達接触をする、利用しない熱を放出する更なる電子デバイス（６、１０）が該冷却流体内に配置されることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 　前記制御デバイス（５）が前記電動モータ（７）への周期的に制御された電流供給のための半導体スイッチを備え、該半導体スイッチの作動電流が緩やかに立ち上がるエッジを備えることを特徴とする、請求項７または請求項８に記載の装置。
10. 　前記電流パルスがリップルを有する、請求項７または請求項８に記載の装置。
11. 　前記電動モータ（７）によって駆動されるポンプ及び前記冷却流体ポンプ（２）が、前記冷却流体が貫流する構造体ユニットを構成する、請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載の装置。

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