(57)【要約】  本発明は、液冷式の内燃機関、特に車両エンジンを、冷却液の加熱により迅速に暖めるための方法ならびに装置に関する。冷却液の加熱は、加熱段階の間では大きな損失出力を伴う作動点（ＡＰ′）で、かつ内燃機関の作動温度では小さな損失出力を伴う作動点（ＡＰ）で、それぞれ運転されるジェネレータ（１）によって冷却液を加熱することにより、加熱エレメントを付加的に準備することなしに簡単に実現され得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液冷式の内燃機関、特に車両エンジンを、冷却液の加熱により迅速に暖めるための方法において、加熱段階の間では大きな損失出力を伴う作動点（ＡＰ′；Ｕ１ｂ，Ｉ１ｂ）で、かつ内燃機関の作動温度では小さな損失出力を伴う作動点（ＡＰ；Ｕ１ａ，Ｉ１ａ）で、それぞれ運転される同期ジェネレータ（１）によって冷却液を加熱することを特徴とする、液冷式の内燃機関を迅速に暖めるための方法。
【請求項２】
ジェネレータ（１）を、内燃機関の低温状態では最大の損失出力を伴う作動点（ＡＰ′；Ｕ１ｂ，Ｉ１ｂ）で、かつ内燃機関が作動温度にある場合には最小の損失出力を伴う作動点（ＡＰ；Ｕ１ａ，Ｉ１ａ）で、それぞれ運転する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
ジェネレータ（１）の効率を、内燃機関温度もしくは冷却媒体温度に関連した閾値または特性線に基づいて調節する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
液冷式の内燃機関、特に車両エンジンを迅速に暖めるための装置において、加熱段階の間では大きな損失出力を伴う作動点（ＡＰ′；Ｕ１ｂ，Ｉ１ｂ）で、かつ内燃機関の作動温度では小さな損失出力を伴う作動点（ＡＰ；Ｕ１ａ，Ｉ１ａ）で、それぞれ運転される、冷却液を加熱するためのジェネレータ（１）が設けられていることを特徴とする、液冷式の内燃機関を迅速に暖めるための装置。
【請求項５】
ジェネレータ（１）がクランクシャフト直結型スタータジェネレータである、請求項４記載の装置。
【請求項６】
ジェネレータ効率を調節するためのパルス幅変調インバータが設けられている、請求項４または５記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１もしくは請求項４の上位概念部に記載の形式の、液冷式の内燃機関（以下、「エンジン」とも呼ぶ）を迅速に暖めるための方法ならびに装置に関する。
【０００２】
内燃機関は作動温度ではスタート直後よりも著しく高い効率を有しており、したがって暖められた状態で最適に作動する。特に低い周辺温度や小さな負荷の場合には、エンジンが暖まるまでにかなりの時間を要する。この問題は、高い効率を有するディーゼルエンジンでは、一層深刻な問題となる。
【０００３】
内燃機関を可能な限り迅速に作動温度にまで暖めるためには、たとえば電気的な補助加熱装置が知られている。この補助加熱装置はスタート後に冷却水を加熱する。その場合、通常では加熱抵抗が設けられている。この加熱抵抗にはジェネレータから直接にエネルギが供給され、そしてこの加熱抵抗は冷却水を短時間で加熱する。しかし、この公知の冷却水加熱装置は比較的複雑に構成されており、かつ特にエンジンを加熱するための付加的な加熱エレメントを必要とする。
【０００４】
したがって、本発明の課題は、従来よりも著しく単純な構造を有する冷却水加熱装置を提供することである。
【０００５】
この課題は、請求項１もしくは請求項４の特徴部に記載の特徴により解決される。請求項２および請求項３には本発明の有利な方法が記載されており、請求項５および請求項６には本発明の装置の有利な構成が記載されている。
【０００６】
本発明の重要な思想は、ジェネレータ、特にクランクシャフト直結型スタータジェネレータの損失出力を、内燃機関の冷却水の加熱のために利用することにある。ジェネレータは、有利には永久励磁式の同期ジェネレータであり、その場合、この同期ジェネレータは同じく内燃機関の冷却水循環路に接続されている。
【０００７】
十分な量の加熱出力を準備するためには、ジェネレータが、加熱段階の間では大きな損失出力、有利には最大の損失出力を伴う作動点で、かつエンジンの作動温度では小さな損失出力、有利には最小の損失出力を伴う作動点で、それぞれ運転される。ジェネレータの効率は、閾値または特性線に基づいて制御され得る。すなわち、ジェネレータの効率は、エンジン温度もしくは冷却媒体温度に関連して、たとえば温度閾値に基づいて段階的に、または特性線に基づいて連続的に調節され得る。
【０００８】
ジェネレータ効率の調節は、適当な装置、たとえばパルス幅変調インバータ（Ｐｕｌｓｗｅｃｈｓｅｌｒｉｃｈｔｅｒ）によって、有利にはジェネレータ電流とジェネレータ電圧との間の位相位置を変えることによって行われる。
【０００９】
冷却水の特に効果的な加熱は、この目的のためにクランクシャフト直結型スタータジェネレータ（ＫＳＧ）が使用される場合に達成され得る。
【００１０】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳細に説明する。
【００１１】
図１には、永久励磁式の同期機１として形成されていて、パルス幅変調インバータ（図示せず）を介して車両の電源網に接続されているクランクシャフト直結型スタータジェネレータ（ＫＳＧ）の等価回路が示されている。
【００１２】
同期機１は主として、ポールホイール電圧Ｕｐを有する内部の電圧源２と、誘導性リアクタンス３とにより特徴付けられる。オームの巻き線抵抗は運転特性のためには無視され得るが、しかし、このオームの巻き線抵抗は損失（３＊Ｒ＊Ｉ２）を生ぜしめる。
【００１３】
両方の両ＵｐおよびＸは、同期機１の周波数もしくは回転数に対して比例している。したがって、同期機１のポールホイール電圧Ｕｐは与えられた回転数では一定となり、かつ、同期機１の端子電圧Ｕ１も同じく一定となる。ただし同期機１の端子電圧Ｕ１は、バッテリ電圧または電源網電圧により規定された最大値Ｕ１＝Ｕ１ｍａｘを有している。
【００１４】
同期機１は、ほとんど全ジェネレータ運転範囲にわたって、いわゆる「弱め界磁範囲」内で作動する。このことは、ポールホイール電圧Ｕｐが同期機１の最大端子電圧Ｕ１よりも大きいことを意味している。
【００１５】
図２には、全負荷運転（ＫＳＧ１は全ジェネレータ出力を発生させる）のための複素平面内で電流−電圧線図が示されている。同期機１のポールホイール電圧Ｕｐがこの複素平面において実軸（ｒｅｅｌｌｅ  Ａｃｈｓｅ）に置かれると、同期機１の端子電圧Ｕ１は最大の端子電圧Ｕ１ｍａｘの半径を有する１つの円に沿って移動することができる（電子装置による位相角の調節に応じて）。
【００１６】
このときに生ぜしめられる同期機電流Ｉ１も、軌跡（Ｏｒｔｓｋｕｒｖｅ）として同じく１つの円を有している。この電流円の中心点は短絡電流Ｉｋ（＝Ｕｐ／ｊＸ）のピークに位置しており、そしてこの電流円の半径はＵ１／ｊＸである。
【００１７】
同期機電流Ｉ１のうちトルクを形成する電流成分は、ポールホイール電圧Ｕｐに対して平行に位置している（同期機電流Ｉ１の実成分）。したがって、最大出力の点Ｐ，Ｐ′は容易に認識され得る。図２には、ジェネレータ運転（電流円の下半部）における最大出力の点が符号Ｐによって、かつモータ運転（電流円の上半部）における最大出力が符号Ｐ′によって、それぞれ示されている。
【００１８】
誘導内部抵抗ｊＸＩ１を介した電圧は、キルヒホッフの電圧則に基づき図２に図示した線図ではｊＸＩ１＝−Ｕｐ＋Ｕ１となることにより、ベクトルＵｐとＵ１との間の電圧ベクトルｊＸＩ１として生ぜしめられる。
【００１９】
図３には、いわゆる部分負荷領域（ＫＳＧはジェネレータ全出力よりも少ない出力を供給する）のための、同期機１の電流−電圧線図が示されている。
【００２０】
変換器のいわゆるブロック運転（Ｕ１＝Ｕ１ｍａｘ）では、それぞれ２つの作動点ＡＰ，ＡＰ′が存在し、両作動点において、要求された出力が達成される。
【００２１】
ジェネレータコントロール（図示せず）は、エンジン温度が十分に高い場合には、通常では、ジェネレータコントロールがインデックスａを有する作動点ＡＰ（Ｕ１ａＩ１ａ）を調節するように調節されている。この作動点ＡＰでは、最小の機械電流Ｉ１ひいては最小のオーム損失を伴なう、要求されたジェネレータ出力ＰＧ＝３＊Ｕｐ・Ｉ１・ｃｏｓφが生ぜしめられる。
【００２２】
コンスタントな出力（この場合には機械電流Ｉ１の実成分は常に等しい大きさである）を有する直線Ｇに沿って、第２の作動点ＡＰ′が存在する。第２の作動点ＡＰ′は同じジェネレータ出力を有するが、しかし明らかにより大きな機械電流Ｉ１ｂを有している。第２の作動点ＡＰ′では、（Ｕｐに対して平行な）電流Ｉ１の実成分（ｑ成分）が第１の作動点ＡＰの場合と同じ大きさであるが、しかし、（Ｕｐに対して直交する方向の）電流の虚成分（ｄ成分）は第１の作動点ＡＰの場合よりも著しく大きい。したがって、第２の作動点ＡＰ′は最大のオーム損失を伴って達成され、このオーム損失は冷却水を加熱するために、ひいてはエンジンを暖めるために利用することができる。
【００２３】
変換器のこれまで考察されたブロック運転（Ｕ１＝Ｕ１ｍａｘ）から逸脱し、かつ端子電圧Ｕ１のために、より小さな値が許されるならば、オーム損失もしくはジェネレータ効率はコンスタントな出力の直線Ｇ，Ｇ′Ｉ沿って任意に調節され得るようになる。したがって、同期機１における銅損失を両方の限界値Ｉ１ａ，Ｉ１ｂ内で任意に変化させることができる。
【００２４】
冷却水加熱の目的のためには、エンジン温度に関連したジェネレータ効率の連続的な制御が必ずしも必要となるわけではない。むしろ、一般には加熱段階における最大損失を伴う第２の作動点ＡＰ′を調節するだけで十分となり、かつ加熱段階の後では、エンジンが作動温度に達した場合に最小損失を伴う第１の作動点ＡＰでの運転が行われるだけで十分となる。
【００２５】
この考察において注目すべき点は、ジェネレータ１の回転数が増大するにつれて電流円が小さくなることである。これにより、損失出力を高める可能性が制限される。しかし、冷却水加熱のためには、エンジンもしくは内燃機関のアイドリング運転（ほぼ７００〜８００ｌ／ｍｉｎ）が特に重要となる。
【００２６】
これよりも高い回転数では、第１に内燃機関がたいてい、より大きな負荷を持って作動していて、それ自体、より大きな損失出力を生ぜしめ、第２にＫＳＧ内で回転数に関連した損失、たとえば鉄損失が増大する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】クランクシャフト直結型スタータジェネレータの等価回路図である。
【００２８】
【図２】図１に示した等価回路図における、最大ジェネレータ出力における電流と電圧との関係を示す線図である。
【００２９】
【図３】図１に示した等価回路図における、最小ジェネレータ損失出力および最大損失出力における電流と電圧との関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ジェネレータ
２  電流源
３  無効抵抗
Ｕ１  端子電圧
Ｉ１  端子電流
ＡＰ  最小の損失出力の作動点
ＡＰ′  最大の損失出力の作動点
Ｕｐ  ポールホイール電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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