JP7188996B2 - ウォータポンプの制御装置 - Google Patents

Description

本発明はウォータポンプの制御装置に関する。

内燃機関を冷却するために、ウォータポンプを用いて冷却水を内燃機関に流通させる。電動のウォータポンプは例えば３相モータなどのモータを備え、通電により駆動する（特許文献１）。

国際公開第２０１２／１７６２９２号

ウォータポンプの回転数を高めるため、モータに印加する電気信号のデューティ比を高める。しかしモータのロータが脱調し、ウォータポンプの制御が困難となることがある。そこで、脱調を抑制することが可能なウォータポンプの制御装置を提供することを目的とする。

上記目的は、電動のウォータポンプを制御する制御装置であって、前記ウォータポンプの回転数を第１の回転数から第２の回転数に上昇させる場合、前記制御装置は、前記ウォータポンプへの通電のデューティ比を、前記第１の回転数に対応する第１のデューティ比、前記第１のデューティ比よりも大きな第２のデューティ比、および前記第２のデューティ比よりも大きく前記第２の回転数に対応する第３のデューティ比へと順に変化させ、前記第２のデューティ比は、前記第１の回転数の二乗と前記第１のデューティ比との積に比例し、前記第３のデューティ比は、前記第２の回転数の二乗と前記第２のデューティ比との積に比例するウォータポンプの制御装置によって達成できる。

脱調を抑制することが可能なウォータポンプの制御装置を提供できる。

図１は内燃機関の冷却システムを例示する模式図である。 図２はモータを例示する模式図である。 図３（ａ）は信号のデューティ比を示すタイムチャートである。図３（ｂ）はウォータポンプの回転数を示すタイムチャートである。 図４はＥＣＵが実行する処理を例示するフローチャートである。

以下、図面を参照して本実施形態のウォータポンプの制御装置について説明する。図１は内燃機関の冷却システム１００を例示する模式図である。図１に示すように、冷却システム１００は、制御弁１８、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０を備え、エンジン１０（内燃機関）に適用される。

エンジン１０は例えば車両に搭載されるガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであり、シリンダブロック１１およびシリンダヘッド１２を有する。シリンダブロック１１およびシリンダヘッド１２のウォータジャケットに冷却水が供給され、冷却水によりエンジン１０は冷却される。

冷却水の温度が上昇すると冷却水が沸騰してしまう。沸騰を回避するために、冷却水をエンジン１０の外に流出させ、温度を低下させる。冷却水は経路を循環し、ヒータ３０、トランスミッションフルード熱交換器３２（ＡＴＦ／Ｗ）、およびラジエータ３４などと熱交換し、エンジン１０に戻る。冷却水が循環する経路は、経路４０、４２、４４、４６、４８、５０および５２を含む。

経路４０の一端はエンジン１０のウォータジャケットに接続され、他端は制御弁１８に接続されている。また制御弁１８には経路４２、４４、４６および４８それぞれの一端が接続されている。制御弁１８は後述するように多機能弁であり、冷却水の流れを制御することができる。

ヒータ３０は経路４４の途中に設けられている。ヒータ３０において、経路４４を流れる冷却水と車室内の空気とが熱交換する。経路４４と経路４２とは合流して経路５０を形成し、経路５０はウォータポンプ１６に接続される。経路４２と経路４４との合流箇所４３はヒータ３０よりも下流側に位置する。

ＡＴＦ／Ｗ３２は経路４６の途中に設けられている。ＡＴＦ／Ｗ３２において、トランスミッションに用いられるオイルなどの流体と、経路４６を流れる冷却水とが熱交換する。

ラジエータ３４は経路４８の途中に設けられている。ラジエータ３４において、冷却水と外気とが熱交換する。経路４８と経路４６とは、ＡＴＦ／Ｗ３２およびラジエータ３４よりも下流側において合流し、ウォータポンプ１６に接続される。

ウォータポンプ１６は、経路４６、４８および５０内の冷却水を、経路５２を通じてエンジン１０のウォータジャケットに圧送する。ウォータポンプ１６は例えば電動式のポンプであり、内蔵されたモータにより駆動する。

図２はモータ６０を例示する模式図である。モータ６０は３相のセンサレス駆動方式のブラシレスモータであり、ウォータポンプ１６に搭載される。モータ６０は、ロータ６２と、ステータ６４とを備える。ロータ６２は例えば永久磁石を含むマグネットロータである。ステータ６４はロータ６２の周囲に配置され、ステータ６４は３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の通電相であるコイル６４ｕ、６４ｖおよび６４ｗを有する。各通電相のコイルへの通電を順次行うことで電磁力が発生し、ロータ６２が回転する。これによりウォータポンプ１６が駆動する。

図１に示すように、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２との間に経路５４が接続され、経路５４にはオイルクーラ１４が設けられている。オイルクーラ１４には例えばオイルポンプにより不図示のオイルパンなどからオイル（潤滑油）が供給される。冷却水の一部は、経路５４およびオイルクーラ１４を介して、シリンダブロック１１からシリンダヘッド１２に供給される。オイルクーラ１４においてオイルと冷却水とが熱交換を行う。

車内温度センサ２２は車室の温度を検出する。水温センサ２４はウォータジャケット内における冷却水の温度を検出する。また、例えばエンジンオイルの温度を検出する油温センサ、トランスミッションのオイルの温度を検出するセンサなどが設けられてもよい。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備え、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置も備える。ＥＣＵ２０は、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。ＥＣＵ２０は制御弁１８の開度およびウォータポンプ１６の回転数を制御することで、冷却水の流れる経路、流量などを変えることができる。

ＥＣＵ２０はウォータポンプ１６の駆動を制御する制御装置として機能する。ＥＣＵ２０は、モータ６０の非通電相のコイルに発生する起電力からロータ６２の位置を検出し、ステータ６４への通電を制御する。具体的にＥＣＵ２０は、ステータ６４に入力する電気信号のデューティ比を０～１００％の範囲で変化させる。

図３（ａ）は信号のデューティ比を示すタイムチャートである。図３（ｂ）はウォータポンプ１６の回転数を示すタイムチャートである。実線は本実施形態、破線は比較例である。比較例とはデューティ比および回転数を二段階で変化させる例である。デューティ比がＤ０である場合、回転数はＮ０（第１の回転数）である。デューティ比を高くすることで回転数を目標のＮ５（第２の回転数）まで上昇させる。

比較例においては、図３（ａ）に示すようにデューティ比をＤ０からＤ５まで一気に増加させる。このためモータ６０が脱調し、図３（ｂ）に示すようにウォータポンプ１６の回転数の制御が困難となる。この結果、回転数が目標のＮ５まで到達しない。冷却システムの冷却性能が悪化し、例えば冷却水のオーバーヒート、オイルクーラ１４での沸騰などが発生する。

一方、実施形態では、図３（ａ）に示すようにデューティ比をＤ０からＤ５まで多段階で増加させる。例えば、デューティ比は小さい方から順にＤ０、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５と増加し、図３（ｂ）に示すようにウォータポンプ１６の回転数はＮ０からＮ５へと徐々に上昇する。Ｄ１～Ｄ４などは、各段階におけるモータ６０が脱調しない程度のデューティ比の上限である。このためモータ６０の脱調が抑制される。

各デューティ比は、例えば前段階におけるウォータポンプ１６の回転数の二乗とデューティ比との積に比例する。つまり以下のような関係が成り立つ。
Ｄ２∝Ｎ１^２×Ｄ１
Ｄ３∝Ｎ２^２×Ｄ２
Ｄ４∝Ｎ３^２×Ｄ３
Ｄ５∝Ｎ４^２×Ｄ４
ＥＣＵ２０はこれらの関係に基づいて複数のデューティ比を算出する。

図４はＥＣＵ２０が実行する処理を例示するフローチャートである。図４に示すカウンタとはデューティ比の段階を示す数値である。例えばカウンタが０ならばデューティ比および回転数はＤ０およびＮ０、カウンタが１ならばＤ１およびＮ０、カウンタが２ならばＤ２およびＮ２などとする。

図４に示すように、ＥＣＵ２０はウォータポンプ１６を低回転数から高回転数に加速するか否かを判定する（ステップＳ１０）。否定判定（Ｎｏ）の場合、ＥＣＵ２０はカウンタをクリアし（ステップＳ１４）、処理を終了する。このとき、信号のデューティ比はＤ０であり、ウォータポンプ１６は例えば回転数Ｎ０で駆動し続ける。

肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ２０は前回の信号印加時にデューティ比の制限があったか否か判定する（ステップＳ１２）。肯定判定の場合、ＥＣＵ２０はカウンタをクリアし、処理を終了する（ステップＳ１４）。これは回転数の加速の途中で一定のデューティ比の信号を複数回入力した状態から、加速を再開する例である。例えばＮ０からＮ５への加速の途中、デューティ比Ｄ３の信号が複数回入力され、回転数はＮ３程度を維持する。デューティ比をＤ３からＤ４に上昇させ、回転数をＮ３からＮ４とする際には、カウンタを一旦クリアする。

ステップＳ１２において否定判定の場合、ＥＣＵ２０はカウンタをスタートさせる（ステップＳ１６）。ＥＣＵ２０は上記の関係などを用いてデューティ比を算出し（ステップＳ１８）、ウォータポンプ１６のモータ６０には当該デューティ比を有する信号が印加される。ＥＣＵ２０はカウンタを加算し（ステップＳ２０）、カウンタが目標回数に到達したか否かを判定する（ステップＳ２２）。否定判定の場合、ステップＳ１８、Ｓ２０およびＳ２２が繰り返される。肯定判定の場合、処理は終了する。

図３（ａ）および図３（ｂ）の例においては、デューティ比Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５がそれぞれカウンタ０～５に対応する。ＥＣＵ２０はカウンタ０およびデューティ比Ｄ０から開始し、カウンタの加算に応じてデューティ比を変化させる。カウンタが１ならばデューティ比Ｄ１、カウンタが２ならばデューティ比Ｄ２などとデューティ比が変化し、カウンタが目標回数の５に到達するとデューティ比はＤ５になる。これにより回転数はＮ０からＮ５へと徐々に変化し、モータ６０の脱調も抑制される。

本実施形態によれば、ウォータポンプ１６の回転数を上昇させる場合、ＥＣＵ２０はデューティ比をＤ０、Ｄ１～Ｄ４およびＤ５と順に変化させる。このためモータ６０急激な加速が抑制され、脱調が抑制される。デューティ比の変化に応じてウォータポンプ１６の回転数はＮ０からＮ５まで加速する。これにより冷却システム１００に冷却水が循環し、冷却水のオーバーヒートなどが抑制される。

デューティ比は前段階の回転数の二乗とデューティ比との積から算出するとしたが、他の算出方法を用いてもよい。図３では回転数Ｎ０からＮ５に達するまでのデューティ比の段数は４つ以下でもよいし６つ以上でもよい。モータ６０は三相ブラシレスモータとしたが他のモータでもよく、本実施形態は電動モータに適用可能である。

ウォータポンプ１６はＩＣ（Integrated Circuit、集積回路）などの制御部を搭載し、制御部がモータ６０の回転を制御することがある。ＥＣＵ２０と制御部とで同期してモータ６０の回転を制御する。例えばＥＣＵ２０は一定時間ごとにデューティ比を算出し、ウォータポンプ１６の制御部は、算出された時間の順にしたがったデューティ比の信号をモータ６０に入力する。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ エンジン
１１ シリンダブロック
１２ シリンダヘッド
１４ オイルクーラ
１６ ウォータポンプ
１８ 制御弁
２０ ＥＣＵ
２２ 車内温度センサ
２４ 水温センサ
３０ ヒータ
３２ ＡＴＦ／Ｗ
３４ ラジエータ
４０、４２、４４、４６、４８、５０、５２、５４ 経路
６０ モータ
６２ ロータ
６４ ステータ
１００ 冷却システム

Claims (1)

1. 電動のウォータポンプを制御する制御装置であって、
   前記ウォータポンプの回転数を第１の回転数から第２の回転数に上昇させる場合、前記制御装置は、前記ウォータポンプへの通電のデューティ比を、前記第１の回転数に対応する第１のデューティ比、前記第１のデューティ比よりも大きな第２のデューティ比、および前記第２のデューティ比よりも大きく前記第２の回転数に対応する第３のデューティ比へと順に変化させ、
   前記第２のデューティ比は、前記第１の回転数の二乗と前記第１のデューティ比との積に比例し、
   前記第３のデューティ比は、前記第２の回転数の二乗と前記第２のデューティ比との積に比例するウォータポンプの制御装置。
   

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