JP7187909B2 - ファンカップリング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウォータポンプの回転軸とファンとの間に介設されたファンカップリングの制御を行うファンカップリング制御装置に関する。

エンジン冷却用のファンとして、エンジンの回転を受けて動作する機械駆動式のファンがある。さらに、そうした機械駆動式のファンとして、ウォータポンププーリ（以下、Ｗ／Ｐプーリと記載する）に連結されたものがある。そして、Ｗ／Ｐプーリに連結されたファンの回転を調節する装置として、特許文献１に記載のようなファンカップリングが知られている。ファンカップリングは、Ｗ／Ｐプーリからファンへとオイルを介して回転力を伝達する流体継手であって、内蔵するクラッチプレート間へのオイル供給量の増加に応じて回転力の伝達率が高まるように構成されている。なお、特許文献１に記載のファンカップリングは、Ｗ／Ｐプーリの回転数が高いときに、遠心力によりバイパス通路を開いて、オイル供給量を減量することで、ファン駆動のためのエンジンの動力損失を抑えるように構成されている。

特開平５－０２６２６２号公報

ところで、Ｗ／Ｐプーリにファンやファンカップリングを連結すれば、それらの質量分、ウォータポンプの回転軸（以下、ポンプ軸と記載する）の軸受が支持する回転要素の質量が大きくなる。そのため、ポンプ軸の軸受荷重が高くなり、より荷重耐性の高い軸受が必要となる。

上記課題を解決するファンカップリング制御装置は、エンジンの回転を受けて動作するウォータポンプの回転軸であるポンプ軸と同ポンプ軸の回転を受けて回転するファンとの間に介設されて、オイル供給量の増加に応じてポンプ軸からファンへの回転力の伝達率が増加するように構成されたファンカップリングにおけるオイル供給量をエンジンの冷却要求に応じて電気的に制御するように構成されている。そして、同ファンカップリング制御装置では、エンジン回転数が規定の判定値以上の場合には、同エンジン回転数が上記判定値未満の場合よりも、オイル供給量の制御範囲の下限値を大きくするようにしている。

ポンプ軸の軸受荷重は、ポンプ軸とファンとの回転差が大きくなるほど、大きくなる傾向がある。一方、ファンカップリングの回転力の伝達率が小さいほど、すなわちファンカップリングのオイル供給量が少ないほど、ポンプ軸とファンとの回転差は大きくなる。また、ファンカップリングの回転力の伝達率が同じであれば、エンジン回転数が高く、ポンプ軸の回転数が高いほど、ポンプ軸とファンとの回転差は大きくなる。よって、ポンプ軸の軸受荷重は、エンジン回転数が高く、且つファンカップリングのオイル供給量が少ない場合に特に大きくなる。

これに対して、上記ファンカップリング制御装置では、エンジン回転数が規定の判定値以上の場合には、エンジン回転数が同判定値未満の場合よりも、オイル供給量の制御範囲の下限値を大きくしている。そのため、ポンプ軸の軸受荷重が過大となり難くなる。

ファンカップリング制御装置の一実施形態の構成の模式図。 同制御装置が実施する目標デューティ決定ルーチンのフローチャート。 同制御装置におけるファン回転数の制御範囲を示す図。 エンジン回転数及びソレノイド駆動デューティとポンプ軸の軸受荷重との関係を示すグラフ。

以下、ファンカップリング制御装置の一実施形態を、図１～図４を参照して詳細に説明する。
図１に示すウォータポンプ１０は、軸受部材１２に回転可能に支持された回転軸（以下、ポンプ軸１３と記載する）を有している。軸受部材１２は、エンジンのシリンダブロック１１における車体前側の面に取り付けられたベアリングハウジング１１Ａ内に設置されている。なお、本実施形態では、軸受部材１２として、転動体（ボール、ローラ）を介してポンプ軸１３を支持する転がり軸受を採用している。ポンプ軸１３における図中右側の端部には、回転に応じて冷却水を加圧吐出するインペラ１４が固定されている。また、ポンプ軸１３における図中左側の端部には、Ｗ／Ｐプーリ１５が固定されている。Ｗ／Ｐプーリ１５は、エンジンのクランク軸１６に固定されたクランクプーリ１７にベルト１８を介して連結されている。こうしたウォータポンプ１０は、クランク軸１６からクランクプーリ１７、ベルト１８、Ｗ／Ｐプーリ１５を経て伝達されたエンジンの回転（クランク軸１６の回転）を受けて動作する。

このエンジンには、こうしたウォータポンプ１０のポンプ軸１３（Ｗ／Ｐプーリ１５）の回転を受けて回転する冷却用のファン２０が設けられている。このファン２０は、エンジンルームにおけるラジエータの車体後方、且つエンジンの車体前方に設置されており、同ファン２０を回転することで、ラジエータ及びエンジンの送風量が増加して、エンジンの冷却が促進されるようになっている。こうしたファン２０は、ファンカップリング１９を介してＷ／Ｐプーリ１５に連結されている。ファンカップリング１９は、Ｗ／Ｐプーリ１５からファン２０へとオイルを介して回転力を伝達する流体継手として構成されている。ファンカップリング１９は、オイル供給量の増加に応じてＷ／Ｐプーリ１５からファン２０への回転力の伝達率が高まるように構成されている。こうしたファンカップリング１９に対するオイルの供給経路には、電磁ソレノイド２１が設けられている。電磁ソレノイド２１は、通電に応じて開弁してファンカップリング１９へのオイルの供給を許容し、通電の停止に応じて閉弁して同オイルの供給を遮断するように構成されている。

ファンカップリング１９は、ファンカップリング制御装置としてのコントローラ２２により制御されている。コントローラ２２には、エンジン回転数ＮＥ、エンジン冷却水の温度（以下、エンジン水温ＴＷと記載する）、エンジンが搭載された車両の走行速度（以下、車速Ｖと記載する）などの検出信号が入力されている。コントローラ２２は、これらの検出信号から把握されるエンジンの冷却要求に応じて電磁ソレノイド２１を制御することで、ファンカップリング１９の回転力の伝達率を、ひいてはファン２０の回転数を調整している。コントローラ２２による電磁ソレノイド２１の制御は、通電のオン／オフ信号のデューティ比ＤＵＴＹ（通電のオン、オフの切替周期に対する通電のオン時間の比率［％］）を変更することで行われている。デューティ比は０％から１００％までの範囲内の値を取り、同デューティ比ＤＵＴＹの値が０％から１００％に近づくにつれてファンカップリング１９のオイル供給量が多くなるようになっている。このようにコントローラ２２は、ファンカップリング１９のオイル供給量をエンジンの冷却要求に応じて電気的に制御するものとなっている。

図２に、電磁ソレノイド２１のオン／オフ信号のデューティ比ＤＵＴＹの目標値である目標デューティを決定するためにコントローラ２２が実行する目標デューティ決定ルーチンのフローチャートを示す。コントローラ２２は、エンジンの運転中、規定の制御周期毎に本ルーチンの処理を繰り返し実行する。

本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ１００において、エンジン水温ＴＷや車速Ｖなどに基づき、エンジンの冷却要求に応じた目標デューティの値が演算される。このときの演算では、エンジンの冷却要求に応じて０％から１００％までの範囲内の値が目標デューティの値として設定される。ちなみに、エンジン水温ＴＷが高いときには、同エンジン水温ＴＷが低いときよりも大きい値が目標デューティの値として設定される。また、車速Ｖが高く、エンジンやラジエータに当たる走行風が強くなるときには、同車速Ｖが低いときよりも小さい値が目標デューティの値として設定される。

続いてステップＳ１１０において、エンジン回転数ＮＥが規定の判定値α以上であるか否かが判定される。このときのエンジン回転数ＮＥが判定値α未満の場合（ＮＯ）には、そのまま今回の本ルーチンの処理が終了される。このときにはステップＳ１００で演算した目標デューティの値がそのまま電磁ソレノイド２１のオン／オフ信号のデューティ比として設定される。これに対して、エンジン回転数ＮＥが判定値α以上の場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１２０に処理が進められる。そして、そのステップＳ１２０において、規定の下限ガード値ＧＵＲＤ以上の値となるように、目標デューティの下限ガード処理が行われた後、今回の本ルーチンの処理が終了される。下限ガード処理では、ステップＳ１００における目標デューティの演算値が下限ガード値ＧＵＲＤ未満の値である場合には、目標デューティの値を下限ガード値ＧＵＲＤに設定し直す処理が行われる。なお、下限ガード値ＧＵＲＤには、０％よりも大きく、且つ１００％よりも小さい値が設定されている。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
図３には、電磁ソレノイド２１のオン／オフ信号のデューティ比ＤＵＴＹが、０％の場合、下限ガード値ＧＵＲＤ［％］の場合、及び１００％の場合のそれぞれにおけるエンジン回転数ＮＥとファン２０の回転数との関係が示されている。ファン２０の回転数は、エンジン回転数ＮＥが一定であれば、デューティ比ＤＵＴＹが大きいほど高くなる。また、ファン２０の回転数は、デューティ比ＤＵＴＹが一定であれば、エンジン回転数ＮＥの上昇に応じて高くなる。

また、同図には、デューティ比ＤＵＴＹの設定範囲がハッチングで示されている。上述のように目標デューティ決定ルーチンでは、エンジン回転数ＮＥが判定値α以上の場合にのみ、目標デューティの下限ガード処理が行われる。そのため、エンジン回転数ＮＥが判定値α未満の範囲にある場合のデューティ比ＤＵＴＹの設定範囲は０％から１００％の範囲となり、エンジン回転数ＮＥが判定値α以上の範囲にある場合のデューティ比ＤＵＴＹの設定範囲は下限ガード値ＧＵＲＤ［％］から１００％の範囲となる。すなわち、本実施形態では、エンジン回転数ＮＥが判定値α以上の場合には、デューティ比ＤＵＴＹの設定範囲の下限値を、エンジン回転数ＮＥが判定値α未満の場合の値である０％から下限ガード値ＧＵＲＤ［％］へと増加させている。

図４には、デューティ比ＤＵＴＹが０％の場合、及び同デューティ比ＤＵＴＹが下限ガード値ＧＵＲＤ［％］の場合のそれぞれにおけるエンジン回転数ＮＥと軸受荷重との関係を示している。なお、ここでの軸受荷重は、軸受部材１２及びポンプ軸１３の接触面間に加わる荷重を指している。

同図に示すように、軸受荷重が著しく増大するエンジン回転数ＮＥの範囲が存在する。こうしたエンジン回転数ＮＥの範囲（以下、共振領域と記載する）での軸受荷重の増大は、共振によりファン２０の回転振れが増大することで生じるものとなっている。軸受部材１２やポンプ軸１３、Ｗ／Ｐプーリ１５、ファンカップリング１９、ファン２０等は、こうした共振領域がエンジン回転数ＮＥの常用範囲外となるように設計されている。すなわち、共振領域は、エンジン回転数ＮＥの使用範囲のうち、使用頻度が少ない高回転の領域となっている。本実施形態では、目標デューティ決定ルーチンにおける下限ガード処理の実施の要否の判定にかかる判定値αの値として、こうした共振領域の下限値に近いエンジン回転数ＮＥを設定している。

一方、ファンカップリング１９のオイル供給量が増加すると、Ｗ／Ｐプーリ１５に対するファン２０の支持剛性が高まって、ファン２０の回転振れが小さくなる。そのため、同一のエンジン回転数ＮＥにおける軸受荷重は、電磁ソレノイド２１のオン／オフ信号のデューティ比ＤＵＴＹが大きいほど、すなわちファンカップリング１９のオイル供給量が多くなるほど低下する。なお、上述の下限ガード値ＧＵＲＤの値としては、共振領域における軸受荷重のピーク値が、軸受部材１２の信頼性を確保する上で許容可能な軸受荷重の最大値未満となるデューティ比ＤＵＴＹの値が設定されている。

そして、本実施形態では、エンジン回転数ＮＥが判定値α以上の範囲にある場合には、電磁ソレノイド２１のオン／オフ信号のデューティ比ＤＵＴＹの設定範囲の下限値を、エンジン回転数ＮＥが判定値α未満の場合の値である０％から下限ガード値ＧＵＲＤ［％］へと増加させている。すなわち、エンジン回転数ＮＥが判定値α以上の範囲にある場合には、ファンカップリング１９のオイル供給量の制御範囲の下限値を大きくしている。そのため、エンジン回転数ＮＥが高いときの軸受荷重の増加が抑えられて、軸受部材１２の信頼性が向上するようになる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・すべり面での摺接を通じてポンプ軸１３を支持するすベリ軸受を軸受部材１２として採用してもよい。

・デューティ比ＤＵＴＹを固定した場合の共振領域外のエンジン回転数ＮＥの範囲における軸受荷重は、エンジン回転数ＮＥが高いほど大きくなる。よって、エンジン回転数ＮＥの使用範囲内に共振領域が存在しない場合にも、ファンカップリング１９のオイル供給量が少ない状態でエンジン回転数ＮＥが一定の値を超えて上昇すると、軸受部材１２の信頼性を確保する上で許容可能な最大値を超えて軸受荷重が増加することがある。そうした場合にも、エンジン回転数が規定の判定値以上の場合には、同エンジン回転数が同判定値未満の場合よりも、ファンカップリング１９のオイル供給量の制御範囲の下限値を大きくすることで、ポンプ軸１３の軸受荷重が過大となることを抑制できる。

１０…ウォータポンプ、１１…シリンダブロック、１２…軸受、１３…ポンプ軸、１４…インペラ、１５…Ｗ／Ｐプーリ、１６…クランク軸、１７…クランクプーリ、１８…ベルト、１９…ファンカップリング、２０…ファン、２１…電磁ソレノイド、２２…コントローラ（ファンカップリング制御装置）。

Claims (1)

1. エンジンの回転を受けて動作するとともに軸受部材に回転可能に支持されたウォータポンプの回転軸であるポンプ軸と同ポンプ軸の回転を受けて回転するファンとの間に介設されて、オイル供給量の増加に応じて前記ポンプ軸から前記ファンへの回転力の伝達率が増加するように構成されたファンカップリングにおける前記オイル供給量を前記エンジンの冷却要求に応じて電気的に制御するファンカップリング制御装置において、
   エンジン回転数が規定の判定値以上の場合には、同エンジン回転数が前記判定値未満の場合よりも、前記オイル供給量の制御範囲の下限値を大きくし、
   前記軸受部材及び前記ポンプ軸の接触面間に加わる荷重を軸受荷重とし、エンジン回転数の増大に応じて前記軸受荷重が増加から減少に転じるときの当該軸受荷重の値をピーク値としたとき、前記判定値は、前記軸受荷重が前記ピーク値となるエンジン回転数よりも低い値に設定されている
   ファンカップリング制御装置。

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