JP2004116361A

JP2004116361A - 自動車用ハイブリッドポンプ

Info

Publication number: JP2004116361A
Application number: JP2002279339A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kishimoto; 岸本　雄治; Ryoji Nishiyama; 西山　亮治; Kenji Ogawa; 小河　賢二
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】エンジンの出力で直接駆動されるポンプにおけるエンジンの無駄な出力を低減し、安価で小型の電動機を用いてポンプの制御性能の向上を図り、電動機またはその電源供給装置が故障しても冷却水系を維持できるようにした自動車用ハイブリッドポンプを得る。
【解決手段】プラネタリキャリア１２にウォータポンプ１３の入力軸が結合され、サンギヤ１４に電動機１５の出力軸が結合され、リングギヤ１１にエンジン２の出力軸が結合された遊星歯車機構を用いて、電動機１５の出力及びエンジンの出力をウォータポンプ１５に伝えるようにして、自動車の走行状態に応じて、エンジン２の出力、電動機１５の出力及びこれらの出力が加減算された出力によりウォータポンプ１３を駆動するようにしたものである。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車用エンジンの補機ポンプの駆動を行う自動車用ハイブリッドポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンには、エンジン本体の機能維持のための、エンジンオイルポンプ、ウォータポンプ（以下Ｗ／Ｐ）、また、快適性確保のための自動変速機用のオイルポンプ、パワーステアリングポンプ等の液体圧送ポンプが、補機として直接またはベルトを介して、エンジンの出力軸に対応して結合され、駆動されている。
ところで、エンジンにて直接駆動されるポンプにおいては、その性能がエンジン回転数に依存することになるため、補機が本来成すべき機能と、ポンプの吐出性能とにアンバランスが生じ、エンジン駆動力を無駄にロスしたり、十分な補機性能が発揮できないという欠点を有していた。
【０００３】
このため、パワーステアリングに関しては、パワーステアリングポンプを電動機で必要な時のみ駆動するパワーステアリングシステムや、油圧を全く使用しない電動パワーステアリングが提案され、量産されている。
【０００４】
同様にＷ／Ｐに関しても、昨今の厳しい環境対策のために、燃料増量を行う暖機期間を短縮する試みとして、例えば、特許文献１にて開示されるような電動機により、Ｗ／Ｐを駆動して流量制御を行うポンプや、またはエンジンで駆動するシステムでは、特許文献２に開示されているように、流量調整弁を用い、エンジンが低温時においては循環する冷却水の精密な制御が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１４０４３号公報（第３〜５頁、図１）
【特許文献２】
特開２００２−１６１７４７号公報（第４〜５頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような流量調整弁により、エンジンへの循環冷却水量を調整する方式においては、暖機の促進に関しては効果があるが、Ｗ／Ｐの最大能力を満たすようエンジン回転数との関係が設定されるため、不必要に冷却水を圧送し、エンジン出力をロスすることとなっている。またエンジンが高回転高負荷で運転された後、低回転運転される場合には、冷却水を充分に循環させることができず、エンジン本体に大きな熱ストレスを与えるという状況を改善することができない欠点を有していた。
【０００７】
一方、Ｗ／Ｐを電動機で駆動するシステムにおいては、上記欠点が解消され、しかもエンジン停止後のいわゆるホット再始動時に、エンジンルーム内の昇温のため燃料のベーパ等による再始動性の悪化を、停止中のＷ／Ｐ作動により防止し、良好な再始動性を得るという優れた効果がえられた。
しかしながら、この電動機は、ポンプの必要最大能力を満たす駆動力を持つため、大きく、しかも冷却水系の故障は、エンジンを損傷させるため、高い信頼性を有する高価な電動機と電動機への電源供給装置が必要となるという欠点を有していた。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、エンジンの出力で直接駆動されるポンプにおけるエンジンの無駄な出力を低減し、安価で小型の電動機を用いて補機ポンプの制御性能の向上を図り、電動機またはその電源供給装置が故障しても冷却水系を維持できるようにした自動車用ハイブリッドポンプを得るものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる自動車用ハイブリッドポンプにおいては、いずれも自動車に搭載された液体圧送ポンプと遊星歯車機構と電動機とを備え、遊星歯車機構は、液体圧送ポンプの入力軸とこの液体圧送ポンプの入力軸に対応する電動機の出力軸及びエンジンの出力軸に結合され、液体圧送ポンプは、遊星歯車機構を介して、自動車の状態に応じてエンジンの出力または電動機の出力またはエンジンの出力及び電動機の出力が加減算された出力により駆動されるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による自動車用ハイブリッドポンプを用いた冷却水のシステムを示す図である。
図１において、水路１は、１ａ〜１ｅに分かれている。エンジン２へは流入側冷却水路１ａと流出側冷却水路１ｂが接続され、エンジン２を冷却して高温になった冷却水は、水路１ｂからラジエータ流入水路１ｄを介してラジエータ３へ循環し、電動ラジエータファン４または走行風により冷却され、この冷却された冷却水は、ラジエータ流出水路１ｅを介してエンジン２へ還流する構成としている。
また、水路１ｂと水路１ｄの間には、水路切り替えバルブ５が配置され、エンジン２暖機中は、ラジエータ３への循環を停止し、バイパス水路１ｃに切り替える。バイパス水路１ｃとラジエータ流出水路１ｅは、共にハイブリッドポンプ６の流入側に接続され、ハイブリッドポンプ６により、エンジン２へ冷却水を供給する。制御装置７は、水路１ｂに設けた水温センサー８の出力に応じて、水路切り替えバルブ５と電動ラジエータファン４及び本発明によるハイブリッドポンプ６の制御を行う。
【００１１】
図２は、この発明の実施の形態１による自動車用ハイブリッドポンプを示す構成図である。
図２において、遊星歯車機構を構成するリングギヤ１１にエンジン２の出力軸が結合され、プラネタリキャリア１２にＷ／Ｐ（液体圧送ポンプ）１３の入力軸が結合され、またサンギヤ１４に電動機１５の出力軸とサンギヤ１４の回転を制限する回転制限手段モータドライバ（ブレーキ、回転制限手段）１６が結合されている。図示していないが、本構成により、リングギヤ１１の外周をプーリとしてエンジン２の出力軸と結合できるため、従来の構成におけるプーリを共用して、装置の小型化を図ることができる。
【００１２】
図３は、この発明の実施の形態１による自動車用ハイブリッドポンプの作動を説明する速度線図であり、図２の構成における遊星歯車機構の各ギヤの速度を示すものである。
次に、実施の形態１による自動車用ハイブリッドポンプの動作を、図３を用いて説明する。
先ず、エンジン２の始動後においては、安定な燃焼とするため、冷却水温を速やかに上昇することが望ましい。そのためには、冷却水の循環を停止することが考えられるが、エンジン２発熱部と発熱部以外の温度差により、エンジン２に歪が生じることになるため、極力少ない冷却水を循環させ、均一にかつ速やかに昇温することが望まれる。
【００１３】
本発明によるハイブリッドポンプ６を用いた冷却システムでは、制御装置７は、水温センサー８の値が所定の暖機完了温度に達するまでは、水路切り替えバルブ５をバイパス水路１ｃへ切り替え、ラジエータ３で冷却されることを防止すると共に、例えば図３の直線（ロ）に示すように、電動機１５をエンジン２と逆回転し、Ｗ／Ｐ１３の回転数がｂとなるような制御を行う。図３中のＲはリングギア、Ｃはプラネタリキャリア、Ｓはサンギアを示し、横軸が歯数、縦軸が各ギアの回転数を示している。
例えば、本発明の遊星機構のサンギヤ１４とリングギヤ１１との歯数比を、ＺＲ：Ｚｓ＝１：２とすると、減速比（速比）α＝ＺＲ／Ｚｓは０．５となる。遊星機構の各ギヤの速度については、リングギヤ１１の回転数をＮｒ、プラネタリキャリア１２の回転数をＮｃ、サンギア１４の回転数をＮｓとすると、
（１＋α）Ｎｃ＝Ｎｒ＋αＮｓ　　　　・・・・・・（１）
で表されるため、電動機１５の回転数は、
Ｎｓ＝（（１＋α）Ｎｃ）−Ｎｒ）／α　・・・・・（２）
で求められる。即ちプラネタリキャリア１２に接続されたＷ／Ｐ１３を、Ｎｃ＝５００ｒ／ｍで運転する必要があり、エンジン回転数がＮＲ＝１５００ｒ／ｍであれば、電動機１５を、Ｎｓ＝１５００ｒ／ｍで逆回転に制御することで、これを達成することができる。
【００１４】
上記のようにＷ／Ｐ１３の回転数を制御し、しいては冷却水の循環水量を制御して速やかにエンジン２を暖機した後、制御装置７は、水路切り替えバルブ５をラジエータ３へ通じる水路１ｄに切り替えると共に、サンギヤ１４の回転を抑制する回転制限手段モータドライバ１６を作動し、Ｗ／Ｐ１３への駆動をエンジン２からの駆動力のみとする。この回転制限手段モータドライバ１６は、無通電において制限をする構成にすることが、エネルギー効率的には望ましい。即ちエンジンの駆動力のみで、Ｗ／Ｐ１３を駆動する状態が、Ｗ／Ｐ１３に要求されるポンプ能力の標準的な使用状態となる設定が望ましい。上記設定でのＷ／Ｐ１３の回転数は、図３における直線（イ）のａ点であり、エンジン回転数が１５００ｒ／ｍとすると、１０００ｒ／ｍで運転される。従来例に比して、本発明では不必要にＷ／Ｐ１３の回転数を上げることがないため、エンジンの出力を有効に自動車の駆動に使用でき、燃費の向上を図ることができる。
【００１５】
また、連続する登坂路等で冷却能力の向上が必要となれば、回転制限手段モータドライバ１６の制限を解除すると共に、電動機１５を正回転させ、Ｗ／Ｐ１３の回転数を増速する。例えばエンジン回転数を１５００ｒ／ｍとし、Ｗ／Ｐ１３の回転数を２０００ｒ／ｍとする必要があれば、電動機１５を３０００ｒ／ｍで運転するよう、制御装置７が制御する。
【００１６】
また、エンジン２は、エンジン２のシリンダ壁温の状態により、燃焼状態または吸入空気量またはノック限界が変化し、一般に冷却水の出口水温が１０℃下がれば、出力トルクで１％増加し、また１０℃上昇すると燃費が１％向上することが知られている。
【００１７】
このため本発明のハイブリッドポンプ６を用いると、例えば出力の向上が望ましいエンジン２の運転領域では、図３の直線（ハ）のように電動機１５を正回転させると共に、電動ラジエータファン４を駆動制御して、所望の冷却水温に制御する。
また、燃費の向上が望まれる領域では、電動ラジエータファン４の駆動を停止しても、走行風により、冷却水温が上昇しない時は、直線（イ）、直線（ロ）または直線（ホ）のように速やかに冷却水温を上昇させ、燃費の向上を図ることができる。
【００１８】
また、車輌走行を停止し、エンジン２を長時間停止すると、冷却水の循環が停止するため、エンジン２の畜熱作用により、エンジンルーム内が異常に高温になることが知られている。これはいわゆるホットソークであり、エンジン停止後、１０分から２０分の間に最大になり、エンジンルーム内は１２０℃に達することがある。このホットソークにより、エンジンルーム内の部品の劣化対策としての高価な材料を使用せざるを得ない事態が発生し、自動車用部品を高価にすると共に、エンジンルーム内に残留する燃料（ガソリン）が配管内で気化してベーパーが発生し、エンジン再始動性の悪化、また蒸散ガソリンの増加が発生する。
【００１９】
本発明のハイブリッドポンプ６により、Ｗ／Ｐ１３ではエンジン２が停止していても、Ｗ／Ｐ１３を駆動できるため、ホットソーク状態で水温が上昇すれば、図３の直線（ニ）のようにＷ／Ｐ１３を駆動すると共に電動ラジエータファン４を駆動し、エンジン２に畜熱された熱を速やかにエンジンルーム外に排出し、上記不都合の解消を図ることができる。
【００２０】
なお、本発明のハイブリッドポンプの説明をＷ／Ｐで行ったが、自動変速機のオイルポンプ等においてもエンジンで直接駆動される液体圧送ポンプであれば、自動変速機の要求を満たし、かつ制御性に優れたハイブリッドオイルポンプを提供できることも同様である。
【００２１】
実施の形態１によれば、エンジンで直接駆動されるエンジン補機ポンプをエンジンと電動機の２入力駆動の構成としているため、エンジンが定常で使用する補機性能領域をエンジンで直接駆動し、エンジンが必要とする非定常領域を電動機でまたは電動機と協調して駆動するため、エンジンの定常負荷を軽減すると共に、木目の細かい補機制御を可能ならしめる。
また、エンジンとの協調制御であるため補機の全負荷を駆動する駆動能力を電動機が負担することなく小型で安価な電動機と該電動機への電源供給装置を含む制御装置で構成することができ、しかも万が一電動機での制御が不能となってもエンジンでの直接駆動が可能なポンプを供給することができるため、安全性に優れしかも三相電源等高価な電源供給回路を必然としない、補機ポンプを提供することができる。
さらに、本発明では、エンジンの駆動力をプーリで伝達しうる構成を回示しており、小型の装置の提供が可能である。
【００２２】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、いずれも自動車に搭載された液体圧送ポンプと遊星歯車機構と電動機とを備え、遊星歯車機構は、液体圧送ポンプの入力軸とこの液体圧送ポンプの入力軸に対応する電動機の出力軸及びエンジンの出力軸に結合され、液体圧送ポンプは、遊星歯車機構を介して、自動車の状態に応じてエンジンの出力または電動機の出力またはエンジンの出力及び電動機の出力が加減算された出力により駆動されるので、エンジンの定常負荷を軽減すると共に、きめの細かい液体圧送ポンプの制御を行うことができ、電動機も小型でよく、信頼性のよい自動車用ハイブリッドポンプを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による自動車用ハイブリッドポンプを用いた冷却水のシステムを示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による自動車用ハイブリッドポンプを示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１による自動車用ハイブリッドポンプの作動を説明する速度線図である。
【符号の説明】
１　水路、２　エンジン、３　ラジエータ、４　電動ラジエータファン、
５　水路切り替えバルブ、６　ハイブリッドポンプ、７　制御装置、
８　水温センサ、１１　リングギヤ、１２　プラネタリキャリア、
１３　ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）、１４　サンギヤ、１５　電動機、
１６　回転制限手段モータドライバ（ブレーキ）。

Claims

いずれも自動車に搭載された液体圧送ポンプと遊星歯車機構と電動機とを備え、上記遊星歯車機構は、上記液体圧送ポンプの入力軸とこの液体圧送ポンプの入力軸に対応する上記電動機の出力軸及びエンジンの出力軸に結合され、上記液体圧送ポンプは、上記遊星歯車機構を介して、上記自動車の状態に応じて上記エンジンの出力または上記電動機の出力または上記エンジンの出力及び電動機の出力が加減算された出力により駆動されることを特徴とする自動車用ハイブリッドポンプ。
上記液体圧送ポンプの入力軸が、上記遊星歯車機構のプラネタリキャリアに結合されたことを特徴とする請求項１記載の自動車用ハイブリッドポンプ。
上記遊星歯車機構のリングギヤの外周をプーリとし、上記エンジンの出力軸とベルトを介して結合されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の自動車用ハイブリッドポンプ。
上記電動機の出力軸が、上記遊星歯車機構のサンギヤに結合されると共に、上記サンギヤの回転に制限を設ける回転制限手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の自動車用ハイブリッドポンプ。
上記回転制御手段は、通電を行うことにより、上記サンギヤの回転制限を解除できるように構成されていることを特徴とする請求項４記載の自動車用ハイブリッドポンプ。