JP2004060653A - 車両の冷却加熱循環系を作動する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関により駆動される車両の冷却加熱循環系の作動方法を改善する。
【解決手段】バイパス管路を経由する第１の冷却媒体路２８と、内燃機関１２の主冷却器１６を経由する第２の冷却媒体路３０と、ヒータ熱交換器２０を経由する第３の冷却媒体路３２と、蓄熱器６０を経由する第４の冷却媒体路５６が設けられている。冷却媒体流は電気的に操作される弁３４，３６によって分配される。弁３４，３６は電子制御ユニット２２により、動作パラメータと周囲パラメータ４０，４２および目標値設定３８に依存して制御される。制御ユニット２２により制御される第３の制御弁５４が第４の冷却媒体路５６中に配置されている。この制御弁５４は、他の冷却加熱循環系１０の参照温度が制御ユニット２２に格納されている目標値を超えると完全にまたは部分的に閉鎖され、参照温度がこの目標値を下回ると開放される。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関により駆動される車両の冷却加熱循環系を作動する方法に関する。この場合、バイパス管路を経由して第１の冷却媒体路が案内されており、内燃機関の主冷却器を経由して第２の冷却媒体路が、ヒータ熱交換器を経由して第３の冷却媒体路が、蓄熱器を経由して第４の冷却媒体路が案内されており、冷却媒体流は電気的に操作される弁によって分配され少なくとも１つのポンプによって定められ、前記弁は電子制御ユニットにより、動作パラメータと周囲パラメータおよび目標値設定に依存して制御される。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関をもつ自動車用の公知の冷却加熱装置には通例、複数の冷却媒体路を備えた冷却加熱循環系が設けられており、その目的は、内燃機関および補助ユニットたとえばターボチャージャ、変速機、発電機等で発生する熱を熱管理という点で必要に即して分配し、場合によっては放熱させることにある。電子制御ユニットにおいて動作パラメータおよび周囲パラメータが入力信号として捕捉され、たとえば媒体の温度および／または圧力比、回転数、負荷、ならびに内燃機関や部品、ユニットの温度、さらには周囲空気および乗員室内の温度なども捕捉され、それらが処理されて出力信号が形成される。そしてこの出力信号は、たいていは電気的に駆動される搬送装置や調整装置を制御するために用いられる。
【０００３】
この種の冷却装置は　ＥＰ　０　４９９　０７１　Ａ１　から公知である。この冷却装置は内燃機関を冷却するための冷却媒体循環系を有している。さらに付加的なオイル冷却器および充填空気冷却器により、空気を用いることでエンジンオイルおよび充填空気が冷却される。少なくともマイクロプロセッサを有する制御ユニットは測定された多数の状態量に依存して、冷却システムにより捕捉される個々のユニットまたは部品各々の所要冷却力または所要の熱を求め、冷却媒体流を個別に制御するが、その際にはシステム全体の要求が考慮される。プロセス流および熱流を制御するため電気的に制御可能なポンプと弁が設けられている。さらに冷却装置には制御可能な補助加熱装置が接続されており、これはたとえば乗員室を暖めたり窓ガラスのワイパーのウォッシャー液を加熱するために用いられ、そのようにすることで余った加熱エネルギーを必要に応じて加熱に利用することができる。
【０００４】
ＥＰ　０　４９９　０７１　Ａ１　の図６に示されている内燃機関冷却用の冷却循環系はバイパス管路を経由する第１の冷却媒体路、内燃機関の主冷却器を経由する第２の冷却媒体路、ヒータ熱交換器を介した第３の冷却媒体路ならびに蓄熱器を介した第４の冷却媒体路を有している。
【０００５】
コールドスタート時、冷却媒体はバイパス管路を経由して流れ主冷却器を迂回してそのまま内燃機関に戻り、内燃機関の下方領域つまりシリンダブロックの領域に供給される。このような小さい循環系は冷却力をほとんど費やさず、したがって内燃機関は迅速にその動作温度に到達し、有利には燃料消費が低減される。冷却媒体温度が上昇すると、主冷却器をもつ第２の冷却媒体路が弁により開かれ、この主冷却器は必要に応じてジャルージおよびファンと共働し、冷却媒体から余分な熱を取り去る。第３の冷却媒体路にはヒータ熱交換器が配置されており、これを介して冷却媒体流の一部分が必要に応じて導かれて乗員室を暖める。
【０００６】
ヒータ熱交換器の冷却力が十分であれば、主冷却器をもつ冷却媒体路を完全に遮断することもできる。余分な熱はこの動作状態ではもっぱら乗員室に導かれ、それによって外気温が低いときに殊に快適性が高まる。内燃機関のウォーミングアップフェーズ中は通常、燃焼により発生した熱は内燃機関の動作温度に到達させるために利用され、これは燃料消費を下げて有害物質放出を低減することを目的とする。この場合、ヒータ熱交換器を経由する冷却媒体流が著しく低減され、あるいはそれどころか阻止され、その結果、この期間は快適性が犠牲となって乗員室を暖めるためにはごく僅かなエネルギーしか利用できず、あるいはまったく利用できない。
【０００７】
通常動作中に燃料が燃焼したときに潜熱として発生する余熱を何日にもわたり蓄えることのできる蓄熱器により、蓄えられた熱が必要に応じて再び放出され、これにより周囲温度が低いときに殊に内燃機関をできるかぎり迅速に加熱することができ、乗員室を加熱することができる。この蓄圧器には弁手段が設けられており、これは制御装置によって制御される。これはヒータ熱交換器と直列に駆動してもよいし、あるいはそれと並列に駆動してもよく、冷却媒体に対し必要に応じて熱を供給するか、またはそこから余分な熱を取り去る。
【０００８】
さらに　ＤＥ　１９６　０１　３１９　Ａ１　から潜熱蓄熱器を備えた冷却加熱循環系が知られている。この場合、冷却媒体流は蓄熱器によりやはり制御ユニットを用いて制御される。制御ユニットは、内燃機関および蓄熱器に配置されており冷却媒体および特別な部品の温度を測定する温度センサの信号を評価する。内燃機関の始動フェーズ中の望ましい熱供給に加えて、冷却媒体温度が今日たいてい設定されている９５°Ｃという値を超えて１０５°Ｃの値まで上昇すると、蓄熱器は部分負荷領域における内燃機関の効率も改善する。しかしながら内燃機関の過熱防止のため冷却媒体温度は全負荷時には下げなければならないが、公知の蓄熱器によればこのプロセスはその熱的慣性ゆえに非常に緩慢になり、そのことで内燃機関の部品が損傷してしまうおそれがある。冷却媒体温度を迅速に変化させるためには、現在では冷却循環系中に特別な装置が必要とされる。
【０００９】
さらに　ＤＥ　３７　３８　４１２　Ａ１　によれば、内燃機関の温度を制御する方法および装置が知られている。この場合、複数の冷却媒体路から成る冷却循環系中を冷却媒体が循環する。第１の冷却媒体路はバイパス管路を経由し、第２の冷却媒体路は内燃機関の主冷却体を経由し、第３の冷却媒体路はヒータ熱交換器を経由し、これは乗員室のエアコンディショニングとして用いられる。冷却媒体の分配は、各冷却媒体路の分岐に設けられ電気的に操作される弁によって行われる。さらにこの冷却循環系には機械的および電気的に駆動されるポンプが配置されている。弁および電動ポンプを制御するために制御ユニットが設けられており、このユニットには入力信号として内燃機関の動作温度および周囲温度が供給される。この入力信号はたとえば内燃機関の回転数および温度、冷却媒体の圧力および温度であるし、さらに周囲空気の温度や乗員室の温度でもある。制御ユニットはこの情報を処理して出力信号を送出し、これによって制御弁および電動ポンプの調整量が形成される。
【００１０】
【特許文献１】
ＥＰ　０　４９９　０７１　Ａ１
【特許文献２】
ＤＥ　１９６　０１　３１９　Ａ１
【特許文献３】
ＤＥ　３７　３８　４１２　Ａ１
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、内燃機関により駆動される車両の冷却加熱循環系の作動方法を改善することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、制御ユニットにより制御される第３の制御弁が第４の冷却媒体路中に配置されており、該制御弁は、他の冷却加熱循環系の参照温度が前記制御ユニットに格納されている目標値を超えると完全にまたは部分的に閉鎖され、前記参照温度が該目標値を下回ると開放されることにより解決される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
このように本発明によれば、制御ユニットにより制御される第３の制御弁が第４の冷却媒体路中に配置されており、これは他の冷却加熱循環系の参照温度が制御ユニットに格納されている目標値を超えたときに完全にまたは部分的に閉じられ、参照温度が目標値を下回ったときに開かれる。冷却媒体は第４の冷却媒体路において内燃機関から蓄熱器有利には大きい熱容量をもつ潜熱蓄熱器を通って流れ、ついでヒータ蓄熱器を通って内燃機関に戻る。蓄熱器中の蓄熱媒体の温度が冷却媒体の温度よりも高ければ、蓄熱器は熱を貫流冷却媒体へと放出し、蓄熱器は放熱される。この場合、熱エネルギーはたとえば乗員室を暖めるためおよび動作温度になるまで内燃機関を加熱するために用いられる。内燃機関の通常動作中、冷却媒体温度は一般に蓄熱媒体よりも高いので、こんどは貫流冷却媒体が熱を放出し、蓄熱器が充熱される。
【００１４】
蓄熱器の充熱または放熱時に伝達される熱エネルギーが必要に応じて制御され、これは蓄熱器の入口に設けられた制御弁がそのために必要とされる冷却媒体流を調整することによって行われる。調整量として制御弁は制御ユニットからの信号を受け取り、制御ユニットは他の動作温度や周囲温度のほか温度センサによって測定された冷却媒体温度を評価する。この場合、本発明の方法によれば、制御ユニットにおける計算プログラムによって温度センサの測定位置に関連づけられた参照温度が求められ、この参照温度が記憶されている目標値と比較される。参照温度は特性曲線または冷却系モデルとそれに関連する温度とを用いて一定値を加算または減算することにより、制御ユニットにおいて求められる。そして比較結果は制御弁に対する調整量となる。このやり方に基づき制御ユニットは、冷却媒体の温度を迅速に変化させ内燃機関の冷却加熱循環系を細やかに調整することができる。有利にはこれによって全負荷中、内燃機関におけるクリティカルな部品もしくはエンジンオイルの過熱が防止され、部分負荷または始動時には内燃機関がごく短期間のうちにその最適動作温度に到達する。
【００１５】
蓄熱器が大幅にまたは完全に放熱されてしまうと、蓄熱器の温度は参照温度から著しく隔たってしまう可能性がある。したがって本発明の１つの実施形態によれば、蓄熱媒体温度がモデルによって計算されるように構成されている。このモデルを構成するアルゴリズムによれば、捕捉されたパラメータたとえば周囲温度または内燃機関の走行時間などを利用して蓄熱器の温度が求められる。
【００１６】
制御ユニットにより制御弁が開放されるのは、蓄熱器における温度が参照温度よりも高くかつ参照温度が参照温度目標値よりも低く、または参照温度が参照温度目標値よりも高くかつ蓄熱器における温度が参照温度よりも低いときである。また、制御弁が閉鎖されるのは、蓄熱器における温度が参照温度以上でありかつ参照温度が参照温度目標値よりも高く、または参照温度が参照温度目標値よりも低くかつ蓄熱器における温度が参照温度以下のときである。第１の実施形態と比べた利点は、蓄熱器が放熱されている内燃機関始動時、蓄熱器における温度が参照温度以下であれば、参照温度が参照温度目標値よりも小さいかぎり、制御弁は閉鎖されることである。つまり始動フェーズ中、蓄熱器に熱エネルギーがまだ存在していればそれが利用され、蓄熱器が放熱される。冷却媒体温度が蓄熱器温度よりも大きくなれば制御弁が閉鎖され、その結果、燃料燃焼時に生じる廃熱が内燃機関および乗員室の加熱に完全に利用される。内燃機関がその動作温度に到達してはじめて蓄熱器が充熱される。この場合には制御弁が開かれ、蓄熱器が熱をもはや取り込めなくなったときに再び閉じられる。
【００１７】
本発明のさらに別の実施形態によれば温度センサが設けられており、これは蓄熱器の温度をダイレクトに測定し、それを信号として制御ユニットへ送信する。信号は前述の実施形態のアルゴリズムに従い処理されるが、ここでは測定された温度がいっそう高い精度をもち、このことで付加的な温度センサの使用が正当化される。
【００１８】
本発明のすべての実施形態において制御弁閉鎖の目標値は好適には制御弁開放の目標値よりも大きく、したがって制御弁の開放と閉鎖との間にヒステリシスが設けられ、温度信号の差が僅かなときに不安定な切替状態になるのが避けられる。さらに好適には、制御ユニットとして内燃機関の制御装置が使用される。
【００１９】
図面を参照した以下の説明にはさらに別の利点が示されている。図面には本発明の１つの実施例が示されている。図面および実施例の説明ならびに特許請求の範囲には多数の特徴の組み合わせが含まれている。当業者であればそれらの特徴を好適に個別に考察することもできるし、さらに別の有用な組み合わせとしてまとめることもできる。
【００２０】
【実施例】
内燃機関１２は冷却加熱循環系１０に接続されており、この循環系においてポンプ１４により冷却媒体が搬送される。ポンプ１４は制御可能な電動モータにより駆動可能なポンプであってもよいし、機械的に内燃機関１２により駆動されるポンプであってもよく、場合によっては搬送量調節機構を備えていてもよい。ポンプ１４は冷却媒体を内燃機関１２から第１の冷却媒体路２８、バイパス管路を介して搬送し、そのまま内燃機関１２へ送り戻す。冷却媒体路２８を介してはごく僅かな熱しか取り去られず、したがって内燃機関１２は迅速に最適な動作温度に到達し、有害物質放出が僅かであると同時に燃料も僅かにしか消費しない。
【００２１】
バイパス管路２８と並列に主冷却器１６へ至る第２の冷却媒体路３０が設けられており、これはファン１８と共働し、冷却媒体から余分な熱を取り去る。第２の冷却媒体路３０の分岐に配置された第１の制御弁３４は、冷却媒体流を冷却器１６および／またはバイパス管路２８へ分配する。制御弁３４は３方路弁として構成してもよいし、２方路弁として構成してもよい。また、弁の形式として電動比例弁を用いることもできる。
【００２２】
第３の冷却媒体路３２を介して冷却媒体は内燃機関１２からヒータ熱交換器２０へ流れ、そこから内燃機関１２へ戻る。ヒータ熱交換器２０は、熱を冷却媒体から自動車の乗員室へ放出するために用いられる。冷却媒体流をヒータ熱交換器２０により規定どおりに低減できるようにする目的で、冷却媒体３２中に第２の制御弁３６が設けられている。第３の冷却媒体路３２からは蓄熱器６０を備えた第４の冷却媒体路５６が分岐している。蓄熱器６０は有利には潜熱蓄熱器として構成されており、これは蓄熱媒体の相変化たとえば結晶化などによって大きな熱容量を何日にもわたって蓄えることができ、必要に応じてたとえば１００Ｗｈ／ｍｉｎなどの高いパワーで冷却媒体に熱を放出することができる。第４の冷却媒体路５６中の冷却媒体流は第３の制御弁５４により調節される。
【００２３】
冷却媒体流は制御ユニット２２により制御される。このため制御ユニット２２はダイレクトな信号ラインまたはデータバスたとえばＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）を介してデータを受信し、それを処理して冷却媒体循環系の調節装置にまえもって与え、これはＰＷＭ信号としてまたはＣＡＮバス信号を介して送られる。入力信号４０として制御ユニット２２へ内燃機関１２の動作パラメータおよび周囲パラメータが供給され、これはたとえば内燃機関１２の回転数や温度、車両の速度ならびに周囲空気および乗員室の温度などである。冷却媒体の温度は温度センサ２６により測定され、これは冷却媒体循環系において内燃機関１２の出力側に配置されていて、入力信号４２としてやはり制御ユニットへ伝送される。さらに目標値設定３８が制御ユニット２２の制御プログラムに取り込まれ、これはたとえば乗員室内への熱供給に対する要求などであって、ヒータ２０またはエアコンディショナの操作部材２４によってドライバが設定する。
【００２４】
目標値設定３８および／または入力信号４０，４２の評価後、制御ユニット２２はポンプ１４の制御装置へ出力信号４４を送出し、これにより冷却加熱循環系１０における搬送出力ひいては冷却媒体容積流の大きさが決定され、さらに制御ユニット２２はファン１８に対しその出力を定める出力信号５０を送出し、冷却媒体の温度が著しく高いときに主冷却器１６を介した放熱が改善される。出力信号４６および５２により制御弁３４，３６の位置が制御され、対応する冷却媒体路２８，３０，３２への冷却媒体の分配が決定される。出力信号４８により制御弁５４の位置が定まり、ひいては蓄熱器６０を通る冷却媒体流が定められる。
【００２５】
この場合、制御弁５４は本発明によれば、他の冷却加熱循環系１０の参照温度が制御ユニット２２内に格納されている目標値を超えると完全にまたは部分的に閉じられ、参照温度が目標値を下回ると開放される。参照温度は制御ユニット２２において入力信号４２に基づき温度センサ２６の測定位置に関連させて、特性曲線または冷却系１０のモデルとその該当温度を用い一定値の加算または減算を行うことで計算される。本発明の方法によれば、冷却媒体の温度は有利には非常に短い期間だけ変えられ、内燃機関１２の冷却加熱循環系１０が必要に応じて細やかに調節される。
【００２６】
本発明の１つの実施形態によれば制御ユニット２２においてさらに、蓄熱器６０の温度が入力信号３８，４０，４２を利用するアルゴリズムから成るモデルにより計算される。そして計算された値が冷却媒体の参照温度と比較され、その結果によって制御弁５４の調整量が形成される。それに従い制御弁５４は、熱エネルギーが必要とされるときだけそのエネルギーが蓄熱器６０により送出されるよう調整される。蓄熱器６０における温度が所望の冷却媒体温度よりも高い場合、蓄熱器６０を介した冷却媒体の流れが阻止され、不所望な熱供給が回避される。蓄熱器６０の放熱のほか充熱のためにも制御弁５４が開放され、その際、貫流する冷却媒体により熱エネルギーが蓄熱器６０に与えられる。とはいえ蓄熱器６０が充熱されるのは、内燃機関１２がその動作温度に達してからである。本発明のさらに別の実施形態によれば付加的な温度センサ５８が設けられており、このセンサにより蓄熱器６０の温度がダイレクトに測定され、入力信号４２として制御ユニット２２へ送られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両の冷却加熱循環系を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１０　冷却加熱循環系
１２　内燃機関
１４　ポンプ
１６　主冷却器
１８　ファン
２０　ヒータ熱交換器
２２　制御ユニット
２４　操作部材
２６　温度センサ
２８　第１の冷却媒体路
３０　第２の冷却媒体路
３２　第３の冷却媒体路
３４　第１の制御弁
３６　第２の制御弁
３８　目標値設定
４０，４２　入力信号
４４，４６，４８，５０，５２　出力信号
５４　第３の制御弁
５６　第４の冷却媒体路
５８　温度センサ
６０　蓄熱器

Claims (6)

1. 内燃機関（１２）により駆動される車両の冷却加熱循環系（１０）を作動する方法において、
   バイパス管路を経由して第１の冷却媒体路（２８）が案内されており、内燃機関（１２）の主冷却器（１６）を経由して第２の冷却媒体路（３０）が、ヒータ熱交換器（２０）を経由して第３の冷却媒体路（３２）が、蓄熱器（６０）を経由して第４の冷却媒体路（５６）が案内されており、冷却媒体流は電気的に操作される弁（３４，３６）によって分配され少なくとも１つのポンプ（１４）によって定められ、前記弁（３４，３６）は電子制御ユニット（２２）により、動作パラメータと周囲パラメータ（４０，４２）および目標値設定（３８）に依存して制御され、
   前記制御ユニット（２２）により制御される第３の制御弁（５４）が前記第４の冷却媒体路（５６）中に配置されており、
   該制御弁（５４）は、他の冷却加熱循環系（１０）の参照温度が前記制御ユニット（２２）に格納されている目標値を超えると完全にまたは部分的に閉鎖され、前記参照温度が該目標値を下回ると開放されることを特徴とする、
   車両の冷却加熱循環系を作動する方法。
2. 前記第３の制御弁（５４）を閉鎖する目標値は開放のための目標値よりも大きい、請求項１記載の方法。
3. 前記蓄熱器（６０）は温度センサ（５８）を有しており、前記蓄熱器（６０）における温度が参照温度よりも高くかつ該参照温度が参照温度目標値よりも低く、または該参照温度が参照温度目標値よりも高くかつ前記蓄熱器（６）における温度が参照温度よりも低いとき、前記第３の制御弁（５４）が開放され、前記蓄熱器（６０）における温度が参照温度以上でありかつ該参照温度が参照温度目標値よりも高く、または該参照温度が参照温度目標値よりも低くかつ前記蓄熱器（６０）における温度が参照温度以下であるとき、前記第３の制御弁（５４）が閉鎖される、請求項１または２記載の方法。
4. 前記第３の制御弁（５４）の開放と閉鎖との間にヒステリシスが設けられている、請求項３記載の方法。
5. 前記蓄熱器（６０）の温度がダイレクトに温度センサ（５８）により測定される、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 制御ユニット（２２）として内燃機関（１２）の制御装置が使用される、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。

Images