JP5182479B2 - ウォータポンプ制御システム及びウォータポンプ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、水を循環させるウォータポンプの制御に関し、詳しくは、車両のヒータシステムに搭載されるウォータポンプ制御システム及びウォータポンプ制御方法に関する。

車両内を暖めるヒータシステムとして、様々な手法が考案、実施されている。例えば、エンジンを冷却する冷却水を利用した、いわゆる温水方式のヒータシステムなどがある。一般に、車両に搭載された内燃機関であるエンジンは、内部で燃料を燃焼させるため、冷却水をウォータポンプにより循環させて冷却する冷却機構を備えている（例えば、特許文献１）。

温水方式のヒータシステムは、このようにエンジンに搭載されたウォータポンプにより循環される冷却水とエンジンとの熱交換により与えられた冷却水の熱量を利用することで車両内を暖めるような構成となっている。
実開昭６０−２６２３１号公報

しかしながら、商用目的で利用されるバスなどにおいてはエンジンの燃費向上の要請が強いため、できるだけ燃費のよいエンジンが搭載されるようになってきている。このように、燃費を向上させたエンジンとの熱交換により冷却水に与えられる熱量は、少なくなってしまうため、従来の温水方式のヒータシステムでは車両内全体を十分に暖めることができない虞があるといった問題があった。

このような問題を解決するために、プレヒータを設け、プレヒータによる熱交換により冷却水を暖める手法が考案されている。しかしながら、このようなプレヒータを設けると、プレヒータによって冷却水が沸騰することでキャビテーションが発生してしまい、エンジンに搭載されたウォータポンプに集まった気泡によって、ウォータポンプの羽根が破損してしまう虞があるといった問題がある。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、キャビテーションの発生を防止することができるウォータポンプ制御システム及びウォータポンプ制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、ウォータポンプによって循環されることで通過する水を加熱する第１循環系、第２循環系のいずれか一方の循環系のプレヒータ近傍の水温を検出し、検出されたプレヒータ近傍の水温が所定の温度よりも高くなったことに応じて、一方の循環系の循環水量を増加させ、他方の循環系の循環水量を減少させるように前記ウォータポンプを制御することを特徴とする。

本発明によれば、キャビテーションの発生を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて、本発明の実施の形態として示すヒータシステムについて説明する。

図１に示すように、ヒータシステムは、図示しない車両に搭載され、車両のエンジン５を冷却するために循環させる冷却水を用いて車両内を暖めるように構成されている。ヒータシステムは、エンジン５のエンジン内蔵ウォータポンプ６によって循環される冷却水により車両内のフロント側（運転席）を暖める第１循環系１０と、同じく、エンジン５のエンジン内蔵ウォータポンプ６によって循環される冷却水により車両内のリア側（運転席以外の乗員席）を暖める第２循環系２０と、制御部３０と、主に車両の運転者といったユーザによって操作される操作部３１とを備えている。

エンジン内蔵ウォータポンプ６は、エンジン５に連動して図示しない羽根を回転させることで第１循環系１０、第２循環系２０の双方に冷却水を循環させる。

このヒータシステムを搭載させる図示しない車両は、例えば、中程度の大きさのバスを想定しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、プレヒータを必要とするような車両のヒータシステムに適用することができる。

第１循環系１０は、フロントヒータ１１と、フロントウォータポンプ１２とを備えている。

フロントヒータ１１は、第１循環系１０における冷却水の循環ライン上に設けられ、通過する冷却水を電気的に加熱して、当該フロントヒータ１１の周囲の空気を、加熱した冷却水との熱交換により暖める。フロントヒータ１１には図示しないファンが設けられており、暖められた周囲の空気をファンによって送り出すことで車両内のフロント側を暖める。

フロントウォータポンプ１２は、電動式のウォータポンプであり第１循環系１０に冷却水を循環させる。フロントウォータポンプ１２は、フロントヒータ１１の後段に設置され、フロントヒータ１１で加熱された冷却水をエンジン内蔵ウォータポンプ６へと供給する。

第２循環系２０は、リアヒータ２１Ａ、２１Ｂと、リアウォータポンプ２２とを備えている。

リアヒータ２１Ａ、２１Ｂは、第２循環系２０における冷却水の循環ライン上に互いに並列となるように設けられ、通過する冷却水を電気的に加熱して、当該リアヒータ２１Ａ、２１Ｂの周囲の空気を、加熱した冷却水との熱交換により暖める。リアヒータ２１Ａ、２１Ｂには、それぞれ図示しないファンが設けられており、暖められた周囲の空気をファンによって送り出すことで車両内のリア側を暖める。

第２循環系２０では、第１循環系１０に較べて広い範囲を暖める必要があることを想定し、冷却水を加熱するヒータとしてリアヒータ２１Ａ、２１Ｂの２つを設けてあるが、暖める範囲に応じて１つとしてもよいし、さらに増加させるようにしてもよい。

リアウォータポンプ２２は、電動式のウォータポンプであり第２循環系２０に冷却水を循環させる。リアウォータポンプ２２は、リアヒータ２１Ａ、２１Ｂの前段に設置され、エンジン内蔵ウォータポンプ６より供給された冷却水を、リアヒータ２１Ａ、２１Ｂに分配する。

また、リアウォータポンプ２２には、図示しないフロントヒータが内蔵されている。ここで、図２を用いて、リアウォータポンプ２２に内蔵されたプレヒータ２３について説明をする。

図２に示すよう、プレヒータ２３は、中空状の金属部材からなる内パイプ２３Ａと、内パイプ２３Ａの径よりも大きく冷却水を通過させることができる程度の空隙２４を形成するように、内パイプ２３Ａに対して配された外パイプ２３Ｂとからなる。内パイプ２３Ａの内側には、ガスバーナー２３Ｇが設けられており、このガスバーナー２３Ｇによって内パイプ２３Ａを加熱させることで、空隙２４を通過する冷却水を間接的に加熱することができる。

これにより、通過する冷却水を電気的に加熱するリアヒータ２１Ａ、２１Ｂの前段において、プレヒータ２３で冷却水を加熱することができるため、広範囲に渡って暖める必要のある第２循環系２０において、所望の温度へと迅速かつ確実に冷却水を加熱することができる。

また、図２に示すように、プレヒータ２３の内パイプ２３Ａの空隙２４側の面である表面２３ａには、表面２３ａの表面温度を検出する温度検出センサ２５が設けられている。温度検出センサ２５で検出された表面２３ａの表面温度は、制御部３０に出力され、プレヒータ２３近傍の冷却水の温度として認識される。

このように、プレヒータ２３近傍の冷却水の温度は、温度検出センサ２５を用いることで容易に検出することができる。また、実際に冷却水の温度が上昇するよりも内パイプ２３Ａの表面２３ａの温度上昇の方が早いため、後述するプレヒータ２３で発生するキャビテーションを防止するための制御部３０による制御処理へと迅速に移行することができる。

制御部３０は、第１循環系１０、第２循環系２０をそれぞれ統括的に制御する。具体的には、制御部３０は、第１循環系１０のフロントウォータポンプ１２、第２循環系２０のリアウォータポンプ２２をそれぞれ独立に制御して、各循環系で循環させる冷却水の循環水量を調節する。

操作部３１は、フロントヒータ１１、リアヒータ２１Ａ、２１Ｂ、プレヒータ２３をオン状態とするのか、オフ状態とするのかを入力するためのスイッチを備えている。操作部３１からの操作要求は、制御部３０に入力され、制御部３０によりフロントヒータ１１、リアヒータ２１Ａ、２１Ｂ、プレヒータ２３のオン、オフ制御が実行されることになる。

制御部３０は、主に、プレヒータ２３によって発生するキャビテーションを防止するための第２循環系２０における循環水量の制御処理と、ヒータシステム全体において、車両内の暖房必要条件に応じた暖房性能の向上を目的とした最適な循環水量の制御処理とを実行する。

まず、図３に示すフローチャート用いて、制御部３０によるプレヒータ２３によって発生するキャビテーションを防止するための第２循環系２０における循環水量の制御処理動作について説明をする。

ステップＳ１において、制御部３０は、操作部３１からプレヒータ２３をオン状態とする要求があったかどうかを判断する。制御部３０は、プレヒータ２３をオン状態とする要求があった場合、ステップＳ２へと処理を進める一方、要求がなかった場合、ステップＳ９へと処理を進める。

ステップＳ２において、制御部３０は、温度検出センサ２５で検出される内パイプ２３Ａの表面２３ａの表面温度Ｔ_surface℃が、所定の温度Ｔ℃よりも高い（Ｔ_surface＞Ｔ）かどうかを判断する。制御部３０は、Ｔ_surface＞Ｔであった場合、ステップＳ３へと処理を進める一方、Ｔ_surface＞Ｔでなかった場合、ステップＳ４へと処理を進める。

ステップＳ３において、制御部３０は、フロントウォータポンプ１２をオフ状態となるように制御し、リアウォータポンプ２２をオン状態となるように制御する。

このように、フロントウォータポンプ１２をオフ状態としたことにより第１循環系１０の冷却水の循環水量が減少するため、その減少分が、第２循環系２０の増加分となり、リアウォータポンプ２２がオン状態となっている第２循環系２０の冷却水の循環水量を増加させることができる。これにより、プレヒータ２３の冷却水との熱交換箇所である内パイプ２３Ａの表面２３ａ近傍における過剰な熱量を、増加させた冷却水に与えることができるため、冷却水の沸騰を抑制することができる。したがって、プレヒータ２３にて発生するキャビテーションを防止することができるため、エンジン５のエンジン内蔵ウォータポンプ６の羽根の破損などを回避することができる。

また、プレヒータ２３のキャビテーションを防止するには、第２循環系２０の循環水量が増加すればよいため、制御部３０は、フロントウォータポンプ１２を完全に停止させるばかりではなく、第１循環系１０の循環水量を減少させるようにフロントウォータポンプ１２、リアウォータポンプ２２の駆動を制御するようにしてもよい。

ステップＳ４において、制御部３０は、操作部３１からフロントヒータ１１をオン状態とする要求があったかどうかを判断する。制御部３０は、フロントヒータ１１をオン状態とする要求があった場合、ステップＳ５へと処理を進める一方、要求がなかった場合、ステップＳ８へと処理を進める。

ステップＳ５において、制御部３０は、操作部３１からリアヒータ２１Ａ、２１Ｂをオン状態とする要求があったかどうかを判断する。制御部３０は、リアヒータ２１Ａ、２１Ｂをオン状態とする要求があった場合、ステップＳ６へと処理を進める一方、要求がなかった場合、ステップＳ７へと処理を進める。

ステップＳ６において、制御部３０は、フロントウォータポンプ１２、リアウォータポンプ２２をそれぞれ駆動させる。

ステップＳ７において、制御部３０は、フロントウォータポンプ１２を駆動させる。このとき、第２循環系２０は、エンジン５のエンジン内蔵ウォータポンプ６のみによって冷却水が循環されている。

ステップＳ８において、制御部３０は、リアウォータポンプ２２を駆動させる。このとき、第１循環系１０は、エンジン５のエンジン内蔵ウォータポンプ６のみによって冷却水が循環されている。

ステップＳ９において、制御部３０は、操作部３１からフロントヒータ１１をオン状態とする要求があったかどうかを判断する。制御部３０は、フロントヒータ１１をオン状態とする要求があった場合、ステップＳ１０へと処理を進める一方、要求がなかった場合、ステップＳ１３へと処理を進める。

ステップＳ１０において、制御部３０は、操作部３１からリアヒータ２１Ａ、２１Ｂをオン状態とする要求があったかどうかを判断する。制御部３０は、リアヒータ２１Ａ、２１Ｂをオン状態とする要求があった場合、ステップＳ１１へと処理を進める一方、要求がなかった場合、ステップＳ１２へと処理を進める。

ステップＳ１１において、制御部３０は、フロントウォータポンプ１２、リアウォータポンプ２２をそれぞれ駆動させる。

ステップＳ１２において、制御部３０は、フロントウォータポンプ１２を駆動させる。このとき、第２循環系２０は、エンジン５のエンジン内蔵ウォータポンプ６のみによって冷却水が循環されている。

ステップＳ１３において、制御部３０は、操作部３１からリアヒータ２１Ａ、２１Ｂをオン状態とする要求があったかどうかを判断する。制御部３０は、リアヒータ２１Ａ、２１Ｂをオン状態とする要求があった場合、ステップＳ１４へと処理を進める一方、要求がなかった場合、ステップＳ１５へと処理を進める。

ステップＳ１４において、制御部３０は、リアウォータポンプ２２を駆動させる。このとき、第１循環系１０は、エンジン５のエンジン内蔵ウォータポンプ６のみによって冷却水が循環されている。

ステップＳ１５において、制御部３０は、フロントウォータポンプ１２、リアウォータポンプ２２のいずれも駆動させない。このとき、第１循環系１０、第２循環系２０は、それぞれエンジン５のエンジン内蔵ウォータポンプ６のみによって冷却水が循環されている。

このようにして、制御部３０は、温度検出センサ２５で検出される内パイプ２３Ａの表面２３ａの表面温度Ｔ_surface℃が、所定の温度Ｔ℃よりも高い（Ｔ_surface＞Ｔ）場合に、第１循環系１０の循環水量が減少するようにフロントウォータポンプ１２、リアウォータポンプ２２の駆動を制御する。これにより、第２循環系２０の冷却水の循環水量が増加するため、プレヒータ２３の冷却水との熱交換箇所である内パイプ２３Ａの表面２３ａ近傍における過剰な熱量を、増加させた冷却水に与えることで、冷却水の沸騰を抑制することができ、プレヒータ２３にて発生するキャビテーションを防止することができる。したがって、キャビテーションによって引き起こされるエンジン５のエンジン内蔵ウォータポンプ６の羽根の破損などを回避することができる。

続いて、制御部３０によるヒータシステム全体において、車両内の暖房必要条件に応じた最適な循環水量の制御処理について説明をする。

図１に示すヒータシステムは、制御部３０によりフロントウォータポンプ１２、リアウォータポンプ２２を制御することで、車両の乗員数や外部環境による影響によって変化する車両内の暖房必要条件に応じた暖房性能の向上を目的とした最適な循環水量の制御処理を実行する。基本的には、ヒータシステムにおいて、制御部３０は、上述したような暖房必要条件に応じて、第１循環系１０、第２循環系２０のいずれか一方の暖房性能を向上させるように、フロントウォータポンプ１２、リアウォータポンプ２２のいずれか一方を制御する。

〈１〉第１循環系１０の暖房性能を向上させる場合
第１循環系１０の暖房性能を向上させるには、第１循環系１０の冷却水の循環水量を増加させればよい。ヒータシステム全体、つまり第１循環系１０、第２循環系２０において循環される冷却水の循環水量は一定であるため、第１循環系１０の循環水量を増加させるには、フロントウォータポンプ１２のみを駆動させ、リアウォータポンプ２２の駆動を停止させればよい。

例えば、運転者のみが車両内に乗車しているような場合、リア側を暖める必要がない。つまり、暖房必要条件としては、フロント側のみを暖房すればよいことになる。このような場合、制御部３０は、第１循環系１０のフロントウォータポンプ１２のみを駆動させ、第２循環系２０のリアウォータポンプ２２の駆動を停止させるように制御する。これにより、リアウォータポンプ２２を駆動させた場合に第２循環系２０を循環する冷却水の循環水量を、第１循環系１０へと還元することができるため、第１循環系１０の循環水量を増加させることができ、必然的に、車両のフロント側の暖房を担う第１循環系１０の暖房性能を向上させることができる。

フロントウォータポンプ１２、リアウォータポンプ２２ともに駆動している通常時には、第１循環系１０の循環水量は、以下に示す（１）式のようになる。

（通常時）
第１循環系１０の循環水量：
フロントウォータポンプ１２による循環水量＋（エンジン内蔵ウォータポンプ６による循環水量−リア側の循環水量）・ ・ ・ （１）

一方、フロントウォータポンプ１２を駆動させ、リアウォータポンプ２２を停止させるように制御した暖房性能向上時には、第１循環系１０の循環水量は、以下に示す（２）式のようになる。

（暖房性能向上時）
第１循環系１０の循環水量：
フロントウォータポンプ１２による循環水量＋（エンジン内蔵ウォータポンプ６による循環水量−リア側の循環水量×Ａ）・ ・ ・（２） ただし、Ａは、Ａ＜１

このように、リアウォータポンプ２２を停止させたことにより、第２循環系２０の循環水量が減少した分だけ、フロントウォータポンプ１２を駆動させている第１循環系１０の循環水量が増加するため、暖房必要条件に応じて、第１循環系１０の暖房性能が向上することになる。また、第１循環系１０の暖房性能を向上させるには、第１循環系１０の循環水量が増加すればよいため、制御部３０は、リアウォータポンプ２２を完全に停止させるばかりではなく、第２循環系２０の循環水量を減少させるようにリアウォータポンプ２２の駆動を制御する。

つまり、制御部３０によって、第２循環系２０の循環水量を減少させるようにフロントウォータポンプ１２、リアウォータポンプ２２を制御することで、暖房必要条件に応じて、第１循環系１０の暖房性能を向上させることができる。

〈２〉第２循環系２０の暖房性能を向上させる場合
第２循環系２０の暖房性能を向上させるには、第２循環系２０の冷却水の循環水量を増加させればよい。上述したように、ヒータシステム全体、つまり第１循環系１０、第２循環系２０において循環される冷却水の循環水量は一定であるため、第２循環系２０の循環水量を増加させるには、リアウォータポンプ２２のみを駆動させ、フロントウォータポンプ１２の駆動を停止させればよい。

例えば、窓ガラスで覆われているため、運転席以外の乗員席よりも日射による影響を受けやすい運転席において、日射による影響や運転動作によって運転者のみが暖房を必要としなくなった場合、フロント側を暖める必要がない。つまり、暖房必要条件としては、リア側のみを暖房すればよいことになる。このような場合、制御部３０は、第２循環系２０のリアウォータポンプ２２のみを駆動させ、第１循環系１０のフロントウォータポンプ１２の駆動を停止させるように制御する。これにより、フロントウォータポンプ１２を駆動させた場合に第１循環系１０を循環する冷却水の循環水量を、第２循環系２０へと還元することができるため、第２循環系２０の循環水量を増加させることができ、必然的に、車両のリア側の暖房を担う第２循環系２０の暖房性能を向上させることができる。

フロントウォータポンプ１２、リアウォータポンプ２２ともに駆動している通常時には、第２循環系２０の循環水量は、以下に示す（３）式のようになる。

（通常時）
第２循環系２０の循環水量：
リアウォータポンプ２２による循環水量＋（エンジン内蔵ウォータポンプ６による循環水量−フロント側の循環水量）・ ・ ・ （３）

一方、リアウォータポンプ２２を駆動させ、フロントウォータポンプ１２を停止させるように制御した暖房性能向上時には、第２循環系２０の循環水量は、以下に示す（４）式のようになる。

（暖房性能向上時）
第２循環系２０の循環水量：
リアウォータポンプ２２による循環水量＋（エンジン内蔵ウォータポンプ６による循環水量−フロント側の循環水量×Ｂ）・ ・ ・（４） ただし、Ｂは、Ｂ＜１

このように、フロントウォータポンプ１２を停止させたことにより、第１循環系１０の循環水量が減少した分だけ、リアウォータポンプ２２を駆動させている第２循環系２０の循環水量が増加するため、暖房必要条件に応じて、第２循環系２０の暖房性能が向上することになる。また、第２循環系２０の暖房性能を向上させるには、第２循環系２０の循環水量が増加すればよいため、制御部３０は、フロントウォータポンプ１２を完全に停止させるばかりではなく、第１循環系１０の循環水量を減少させるようにフロントウォータポンプ１２の駆動を制御する。

つまり、制御部３０によって、第１循環系１０の循環水量を減少させるように、フロントウォータポンプ１２、リアウォータポンプ２２を制御することで、暖房必要条件に応じて、第２循環系２０の暖房性能を向上させることができる。

また、上述した本発明の実施の形態として示すヒータシステムでは、第２循環系２０にプレヒータ２３を配した場合について説明をしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、２つの循環系を備えるヒータシステムにおいて、プレヒータが少なくとも一方の循環系に配されている場合、全てに適用することができるものである。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明の実施の形態として示すヒータシステムの構成について説明するための図である。 前記ヒータシステムの第２循環系に設けられたプレヒータの構成について説明するための図である。 前記プレヒータによって発生するキャビテーションを防止するための循環水量の制御処理動作について説明するためのフローチャートである。

符号の説明

５ エンジン
６ エンジン内蔵ウォータポンプ
１０ 第１循環系
１１ フロントヒータ
１２ フロントウォータポンプ
２０ 第２循環系
２１Ａ リアヒータ
２１Ｂ リアヒータ
２２ リアウォータポンプ
２３ プレヒータ
２３Ａ 内パイプ
２５ 温度検出センサ
３０ 制御部

Claims (4)

1. 水を循環させる第１のウォータポンプと、前記第１のウォータポンプによって循環されることで通過する水を加熱する第１のヒータとを有する第１循環系と、
   水を循環させる第２のウォータポンプと、前記第２のウォータポンプによって循環されることで通過する水を加熱する第２のヒータとを有する第２循環系と、
   前記第１循環系、前記第２循環系の少なくとも一方に配され、前記第１のウォータポンプ又は前記第２のウォータポンプによって循環されることで通過する水を加熱するプレヒータと、
   前記プレヒータ近傍の水温を検出する水温検出手段と、
   前記第１のウォータポンプ、前記第２のウォータポンプの駆動を制御するウォータポンプ制御手段とを備え、
   前記ウォータポンプ制御手段は、前記水温検出手段によって検出された、前記第１循環系、前記第２循環系のいずれか一方の循環系のプレヒータ近傍の水温が所定の温度よりも高くなったことに応じて、一方の循環系の循環水量を増加させ、他方の循環系の循環水量を減少させるように前記第１のウォータポンプ、前記第２のウォータポンプを制御すること
   を特徴とするウォータポンプ制御システム。
2. 前記ウォータポンプ制御手段は、前記水温検出手段によって検出された第１循環系のプレヒータ近傍の水温が所定の温度よりも高くなった場合、前記第２のウォータポンプを停止させるよう制御し、
   前記水温検出手段によって検出された第２循環系のプレヒータ近傍の水温が所定の温度よりも高くなった場合、前記第１のウォータポンプを停止させるよう制御すること
   を特徴とする請求項１記載のウォータポンプ制御システム。
3. 前記プレヒータは、中空状の金属部材を内側よりバーナーで加熱することで、前記金属部材の外側を通過する水を間接的に加熱し、
   前記金属部材の表面温度を検出する表面温度検出手段を有し、
   前記水温検出手段は、前記表面温度検出手段によって検出された金属部材の表面温度を前記プレヒータ近傍の水温とすること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のウォータポンプ制御システム。
4. 水を循環させる第１のウォータポンプと、前記第１のウォータポンプによって循環されることで通過する水を加熱する第１のヒータとを有する第１循環系と、
   水を循環させる第２のウォータポンプと、前記第２のウォータポンプによって循環されることで通過する水を加熱する第２のヒータとを有する第２循環系と、
   前記第１循環系、前記第２循環系の少なくとも一方に配され、前記第１のウォータポンプ又は前記第２のウォータポンプによって循環されることで通過する水を加熱するプレヒータと、を含むシステムにおけるウォータポンプ制御方法であって、
   前記プレヒータ近傍の水温を検出する水温検出工程と、
   前記第１のウォータポンプ、前記第２のウォータポンプの駆動を制御するウォータポンプ制御工程とを備え、
   前記ウォータポンプ制御工程は、前記水温検出工程によって検出された、前記第１循環系、前記第２循環系のいずれか一方の循環系のプレヒータ近傍の水温が所定の温度よりも高くなったことに応じて、一方の循環系の循環水量を増加させ、他方の循環系の循環水量を減少させるように前記第１のウォータポンプ、前記第２のウォータポンプを制御すること
   を特徴とするウォータポンプ制御方法。

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