JP5968699B2

JP5968699B2 - ウォータポンプ

Info

Publication number: JP5968699B2
Application number: JP2012150590A
Authority: JP
Inventors: 健作谷
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: JP2014013010A

Description

本発明は、車両に備えられ、冷却水を循環させるウォータポンプに関する。

従来、ウォータポンプに関する技術文献としては、例えば特表２０１１−５１８２８３号公報が知られている。この公報には、機械的駆動手段と電子モータ駆動手段とを備えたクーラントポンプであって、クラッチにより機械的駆動手段と電子モータ駆動手段とを切換可能なものが示されている。

特表２０１１−５１８２８３号公報

しかしながら、前述した特表２０１１−５１８２８３号公報には、ポンプの吐出量制御について十分な説明がなく、吐出量制御性の高いポンプ構成について何ら開示がない。このため、ウォータポンプの吐出量制御について改善の余地が多く存在する。

そこで、本発明は、小型で吐出量制御性が高く、車両の燃費向上を図ることができるウォータポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、車両に備えられ、冷却水を循環させるためのウォータポンプであって、冷却水を圧送するためのインペラを有するポンプ部と、インペラに連結された回転軸を回転駆動する駆動部と、駆動部を制御する制御部と、を備え、駆動部は、ポンプ駆動源として機械的駆動手段及び電気的駆動手段を有し、制御部は、車両のエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて、機械的駆動手段と電気的駆動手段とを切り換え、電気的駆動手段は、通電したコイルと磁石との間に生じる電磁力により回転軸を回転させ、機械的駆動手段は、車両のエンジンの回転に連動して回転するプーリと、一端側が回転軸に固定され、他端側がプーリに押しつけられることでプーリの回転を回転軸に伝達する伝達部と、を有し、制御部は、コイルに通電することで電磁力により伝達部の他端側をプーリから離間させると共に、コイルの通電により生じる電磁力で回転軸を回転させることで、機械的駆動手段から電気的駆動手段に切り換えることを特徴とする。

本発明に係るウォータポンプによれば、ポンプ駆動源を機械的駆動手段と電気的駆動手段とに切り換え可能なので、従来のエンジンの回転のみをポンプ駆動源とする場合と比べて、電気的駆動手段によりポンプ吐出量を適切に制御してポンプが仕事過剰となることが避けられ、車両の燃費向上を図ることができる。また、このウォータポンプによれば、大きなポンプ吐出量が必要となる時は機械的駆動手段を用いることで、電気的駆動手段のみをポンプ駆動源とする場合と比べて、ポンプ吐出量増大に対応するために電気的駆動手段を大型化させる必要がなく、ポンプの小型化に有利である。従って、このウォータポンプによれば、小型でありながら高い吐出量制御性を実現することができ、車両の燃費向上を図ることができる。

また、このウォータポンプによれば、エンジンが高回転数かつ高負荷の場合は機械的駆動機構を用い、それ以外の場合は電気的駆動手段を用いるなどにより、小型でありながら高い吐出量制御性を実現して、車両の燃費向上を図ることができる。

更に、このウォータポンプによれば、コイルに通電するだけで機械的駆動手段から電気的駆動手段への切り換えを実現することができ、駆動部の構成を簡素化できると共にポンプ制御を容易にすることができる。しかも、このウォータポンプでは、何らかの故障によりコイルへの通電が不能となった場合であっても、コイルに引き付けられていた伝達部の他端が復帰してプーリに押しつけられることで機械的駆動手段へ切り換えられ、エンジン回転によりウォータポンプを駆動させることができる。従って、このウォータポンプによれば、コイルへの通電異常など電気系統に異常があった場合であっても、自動的に機械的駆動機構に切り替わってウォータポンプを駆動するので、冷却水の循環が停止してエンジン故障を招く事態を回避することができる。

本発明によれば、小型で吐出量制御性が高く、車両の燃費向上を図ることができるウォータポンプを提供できる。

本発明に係るウォータポンプの一実施形態を示す断面図である。電気的駆動機構への切り換えを説明するための断面図である。従来のウォータポンプの吐出量制御を説明するためのグラフである。エンジンが低負荷状態又は中負荷状態の場合におけるウォータポンプの吐出量制御を説明するためのグラフである。エンジンが高負荷状態の場合におけるウォータポンプの吐出量制御を説明するためのグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すウォータポンプ１は、例えばトラックなどの車両に備えられ、ディーゼルエンジン用の冷却水を循環させるためのポンプである。ウォータポンプ１は、ディーゼルエンジン全体を制御するエンジン制御部Ｅによって制御されている。なお、ウォータポンプ１は、ディーゼルエンジンの他、ガソリンエンジンその他の内燃機関に対して備えてもよい。

ウォータポンプ１は、冷却水を圧送するためのインペラ４を有するポンプ部２と、インペラ４に連結されたシャフト（回転軸）５を回転駆動する駆動部３と、を有している。図１にシャフト５の中心軸Ｃを示す。

ポンプ部２は、複数のベーン４ａを備えるインペラ４と、冷却水の流路を形成するポンプハウジング６と、から構成されている。ポンプハウジング６内には、インペラ４の他、シャフト５を回転自在に支持する円筒状のシャフトベアリング７と、シャフト５回りを封止するための環状のシール部材８が設けられている。

駆動部３は、ポンプ駆動源として、シャフト５を機械的に回転駆動するための機械的駆動機構（機械的駆動手段）１０と、シャフト５を電気的に回転駆動するための電気的駆動機構（電気的駆動手段）１１と、を有している。

機械的駆動機構１０は、図示しないエンジンの回転（クランクシャフトの回転）に連動して回転するプーリ１２と、プーリ１２の回転をシャフト５に伝達するための複数の伝達部１３と、を備える機構である。

プーリ１２は、その外周に掛けられたエンジンベルト１４を通じて車両のエンジンの回転が伝達されることにより回転する。プーリ１２の中央には、シャフト５を回転自在に支持する環状のボールベアリング１５が設けられている。また、プーリ１２の内側には、伝達部１３と接触する摩擦パッド１６が配置されている。

伝達部１３は、例えばシャフト５を中心として所定角度ごとに複数設けられた長尺の部材であり、一端側がシャフト５に固定されると共に他端側がプーリ１２に当接することでプーリ１２の回転をシャフト５に伝達する。伝達部１３は、シャフト固定部１７、板バネ１８、アーマチュア１９を有している。

シャフト固定部１７は、板バネ１８の一端側をシャフト５に固定する部位である。シャフト固定部１７は、シャフト５に対して固定されており、ネジ１７ａによって板バネ１８を挟み込むことで、板バネ１８の一端側を固定している。

板バネ１８は、シャフト５の径方向に延在する長尺の板バネである。板バネ１８は、その他端に固定されたアーマチュア１９をプーリ１２に向かって付勢している。

アーマチュア１９は、板バネ１８の他端側に設けられ、板バネ１８の付勢によりアーマチュア１９の摩擦パッド１６に押しつけられる部位である。アーマチュア１９は、摩擦パッド１６との間に生じる摩擦力によりプーリ１２の回転をシャフト５に伝達する。摩擦パッド１６は、適切な摩擦力を生じさせるため、樹脂その他の適切な素材から形成されている。アーマチュア１９は、金属製のボルト・ナット２０によって板バネ１８の他端側に固定されている。なお、アーマチュア１９には、摩擦パッド１６との間の摩擦力を増加させるため表面に凹凸などを形成してもよく、表面に摩擦力の高い材料からなる層を形成してもよい。

電気的駆動機構１１は、通電したコイル２１と磁石２２との間に生じる電磁力より、シャフト５を回転駆動させる機構である。電気的駆動機構１１は、ポンプハウジング６に固定されたコイル２１と、シャフト５に固定された環状の磁石２２と、を有している。コイル２１及び磁石２２は耐久性向上のため樹脂モールドされている。

環状の磁石２２は、シャフト５を中心としてシャフト５側面に沿って設けられており、コイル２１は環状の磁石２２を囲むように設けられている。コイル２１及び磁石２２は、シャフト５の径方向で対向しており、コイル２１が固定子、磁石２２が可動子として機能する。また、コイル２１は、上述した機械的駆動機構１０の伝達部１３の他端側（板バネ１８の他端側）とシャフト５の中心軸Ｃの延在方向で対向するように配置されている。

コイル２１への通電は、エンジン制御部Ｅによって制御されている。なお、コイル２１への通電時には、故障検知のため、微弱電流をコイル２１側から戻す制御としている。

以上の構成を有するウォータポンプ１では、コイル２１の通電の有無により、ポンプ駆動源を機械的駆動機構１０又は電気的駆動機構１１に切り換えることができる。すなわち、このウォータポンプ１では、図１に示されるように、コイル２１が通電されない場合、板バネ１８の付勢により伝達部１３のアーマチュア１９がプーリ１２の摩擦パッド１６に押しつけられる。これにより、車両のエンジンと連動して回転するプーリ１２の回転が伝達部１３を通じて機械的に伝達され、機械的駆動機構１０によるシャフト５の回転駆動が行われる。

一方、このウォータポンプ１では、図２に示されるように、コイル２１が通電されると、伝達部１３のアーマチュア１９が電磁的にコイル２１へ引き付けられることで、伝達部１３がプーリ１２から離間し、プーリ１２の回転がシャフト５に伝達されなくなる。同時に、コイル２１の通電により、コイル２１と磁石２２との間に電磁力が生じ、電気的駆動機構１１によるシャフト５の回転駆動が行われる。なお、アーマチュア１９は、コイル２１の通電により十分な力でコイル２１に引き付けられるよう適切な材料及び構成を有している。

その後、コイル２１への通電を停止すると、電磁力が消滅して電気的駆動機構１１によるシャフト５の回転駆動が停止すると共に、伝達部１３において板バネ１８の復元力によりアーマチュア１９がプーリ１２の摩擦パッド１６に押しつけられ、再びプーリ１２の回転が伝達されて機械的駆動機構１０によるシャフト５の回転駆動が行われる。すなわち、伝達部１３は、ポンプ駆動源を切り換えるクラッチ機構として機能する。

次に、本実施形態に係るウォータポンプ１におけるポンプ駆動源の切り換え制御について説明する。本実施形態に係るウォータポンプ１では、エンジン制御部Ｅにより機械的駆動機構１０と電気的駆動機構１１との切り換えが行われる。

ここで、図３は、従来のウォータポンプの吐出量制御を説明するためのグラフである。図３では、エンジン回転のみをポンプ駆動源とするウォータポンプのポンプ吐出量Ｖ_０を太線で示す。図３に示されるように、エンジン回転のみをポンプ駆動源とするウォータポンプでは、そのポンプ吐出量Ｖ_０はエンジン回転数に比例して増加する。

一方で、エンジンの負荷状態によりウォータポンプ１に求められる冷却水の必要吐出量は異なる。図３において、エンジンの全負荷状態（最大の負荷状態）の必要吐出量を丸のプロット、エンジンの中負荷状態（最大の半分の負荷状態）の必要吐出量を三角のプロット、エンジンの低負荷状態（最大の四分の一の負荷状態）の必要吐出量を四角のプロットとして示す。図３に示すように、従来のウォータポンプでは、太線で示すポンプ吐出量Ｖ_０と各プロットの差分が余分な仕事となり、車両の燃費悪化を招いていた。

これに対して、本実施形態に係るウォータポンプ１のエンジン制御部Ｅは、エンジン状態に応じて必要吐出量を演算し、必要吐出量が電気的駆動機構１１の限界吐出量Ｐｅを超えない場合、電気的駆動機構１１をポンプ駆動源として利用する。

具体的には、エンジン制御部Ｅは、まず、エンジンの燃料噴射量やＥＧＲ［Exhaust Gas Recirculation］ガス流量に基づいて、エンジン負荷状態を認識する。その後、エンジン制御部Ｅは、車両のエンジン回転数及びエンジン負荷状態に基づいて、ウォータポンプ１に求められる冷却水の必要吐出量を演算する。エンジン制御部Ｅは、演算した必要吐出量が電気的駆動機構１１の限界吐出量Ｐｅを超えない場合、電気的駆動機構１１をポンプ駆動源として吐出量制御を行う。

なお、電気的駆動機構１１の限界吐出量Ｐｅは、必ずしも仕様上の性能限界に合わせる必要はなく、長寿命化のため性能限界より低い吐出量を限界吐出量Ｐｅとして設定してもよい。また、必要吐出量を必ずしも演算する必要はなく、エンジン回転数などに基づきマップ制御により求めてもよい。また、エンジン回転数及びエンジン負荷状態の組み合わせから、必要吐出量が限界吐出量Ｐｅを超えるか否かを直接的に判定してもよい。

図４は、エンジンが低負荷状態又は中負荷状態の場合におけるウォータポンプ１の吐出量制御を説明するためのグラフである。図４に示す状況では、エンジンが低負荷状態又は中負荷状態であり、必要吐出量（四角や三角のプロット）が電気的駆動機構１１の限界吐出量Ｐｅを超えていない。このため、エンジン制御部Ｅは、電気的駆動機構１１による吐出量制御を行う。

この場合、エンジン制御部Ｅは、コイル２１への供給電力を制御することにより、シャフト５の回転すなわちポンプ吐出量を適切に制御することができる。すなわち、電気的駆動機構１１による吐出量制御では、低負荷状態の必要吐出量（四角のプロット）に応じた吐出量Ｖ１の制御を実現することができる。同様に、中負荷状態の必要吐出量（三角のプロット）に応じた吐出量Ｖ２の制御を実現することができる。これにより、ウォータポンプ１が必要吐出量を超えて余分な仕事を行うことを避けることができる。

一方、エンジン制御部Ｅは、必要吐出量が電気的駆動機構１１の限界吐出量Ｐｅを超える場合、ポンプ駆動源を電気的駆動機構１１から機械的駆動機構１０に切り換える。

図５は、エンジンが高負荷状態の場合におけるウォータポンプ１の吐出量制御を説明するためのグラフである。図５に示す状況では、エンジンが高負荷状態であり、エンジン回転数が高くなると、必要吐出量が電気的駆動機構１１の限界吐出量Ｐｅを超えてしまう。この場合であっても、エンジン回転数が低く、必要吐出量が電気的駆動機構１１の限界吐出量Ｐｅを超えない場合には、電気的駆動機構１１による吐出量制御が行われる。

その後、エンジン回転数が高くなり必要吐出量が電気的駆動機構１１の限界吐出量Ｐｅを超えると、エンジン制御部Ｅは、コイル２１への通電を停止することで、ポンプ駆動源を電気的駆動機構１１から機械的駆動機構１０に切り換える。これにより、ウォータポンプ１は、必要吐出量が大きい場合において、エンジンの回転を利用した機械的駆動機構１０により十分な吐出量Ｖ３を確保することができる。

以上説明した本実施形態に係るウォータポンプ１によれば、ポンプ駆動源を機械的駆動機構１０と電気的駆動機構１１とに切り換え可能なので、従来のエンジンの回転のみをポンプ駆動源とする場合と比べて、電気的駆動機構１１による適切な吐出量制御によってウォータポンプ１が仕事過剰となることが避けられ、車両の燃費向上を図ることができる。このことは、外気温の低い冷間時においてポンプが過剰に冷却水を循環させることを防止するので、エンジンの暖機促進に有利である。

また、このウォータポンプ１によれば、大きなポンプ吐出量が必要となる時は機械的駆動機構１０を用いることで、電気的駆動機構１１のみをポンプ駆動源とする場合と比べて、ポンプ吐出量増大に対応するために電気的駆動機構１１を大型化させる必要がなく、ポンプの小型化に有利である。従って、このウォータポンプによれば、小型でありながら高い吐出量制御性を実現することができ、車両の燃費向上を図ることができる。また、ポンプの小型化（軽量化、部品点数削減）自体も車両の燃費向上に寄与する。

更に、このウォータポンプによれば、コイル２１に通電するだけで機械的駆動機構１０から電気的駆動機構１１への切り換えを実現することができ、駆動部３の構成を簡素化できると共にポンプ制御を容易にすることができる。しかも、このウォータポンプでは、何らかの故障によりコイル２１への通電が不能となった場合であっても、伝達部１３において板バネ１８の復元力によりアーマチュア１９がプーリ１２の摩擦パッド１６に押しつけられ、再びプーリ１２の回転が伝達されて機械的駆動機構１０によるシャフト５の回転駆動が行われる。従って、このウォータポンプ１によれば、コイル２１への通電異常など電気系統に異常があった場合であっても、自動的に機械的駆動機構１０に切り替わってウォータポンプ１を駆動するので、冷却水の循環が停止することでエンジンが故障する事態を避けることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、機械的駆動機構と電気的駆動機構との切り換えは、上述した機構によるものに限られない。例えば、切り換え用の機構として、電子制御粘性クラッチを採用してもよい。電子制御粘性クラッチを採用した場合には、機械的駆動時であってもシャフトの回転を抑制して、余分なポンプ仕事を避けることができ、燃費改善に有利である。また、キャビテーションの発生やシール部の摩耗を抑制することもできる。

１…ウォータポンプ２…ポンプ部３…駆動部４…インペラ４ａ…ベーン５…シャフト（回転軸）６…ポンプハウジング７…シャフトベアリング８…シール部材１０…機械的駆動機構（機械的駆動手段）１１…電気的駆動機構（電気的駆動手段）１２…プーリ１３…伝達部１４…エンジンベルト１５…ボールベアリング１６…摩擦パッド１７…シャフト固定部１７ａ…ネジ１８…板バネ１９…アーマチュア２０…ボルト・ナット２１…コイル２２…磁石Ｃ…中心軸Ｅ…エンジン制御部Ｐｅ…限界吐出量Ｖ０−Ｖ３…ポンプ吐出量

Claims

車両に備えられ、冷却水を循環させるためのウォータポンプであって、
前記冷却水を圧送するためのインペラを有するポンプ部と、
前記インペラに連結された回転軸を回転駆動する駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
を備え、
前記駆動部は、ポンプ駆動源として機械的駆動手段及び電気的駆動手段を有し、
前記制御部は、前記車両のエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて、前記機械的駆動手段と前記電気的駆動手段とを切り換え、
前記電気的駆動手段は、通電したコイルと磁石との間に生じる電磁力により前記回転軸を回転させ、
前記機械的駆動手段は、
前記車両のエンジンの回転に連動して回転するプーリと、
一端側が前記回転軸に固定され、他端側が前記プーリに押しつけられることで前記プーリの回転を前記回転軸に伝達する伝達部と、を有し、
前記制御部は、前記コイルに通電することで電磁力により前記伝達部の前記他端側を前記プーリから離間させると共に、前記コイルの通電により生じる前記電磁力で前記回転軸を回転させることで、前記機械的駆動手段から前記電気的駆動手段に切り換えることを特徴とするウォータポンプ。