KR101912801B1

KR101912801B1 - 통합 폐루프 제어가 가능한 냉각수 펌프

Info

Publication number: KR101912801B1
Application number: KR1020177000787A
Authority: KR
Inventors: 옌스 호프만; 프란츠 파벨릭
Original assignee: 니덱 게페엠 게엠베하
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2018-10-29
Also published as: CN106536888A; WO2016012378A1; EP3172446A1; EP3172446B1; US20170370274A1; CN106536888B; DE102014110231B3; KR20170018025A

Abstract

본 발명은 내연 기관 및 중앙 엔진 제어 장치를 포함하는 차량의 내연 기관용 냉각수를 펌핑하기 위한 냉각수 펌프에 관한 것이다. 냉각수 펌프는 펌프 하우징(1)에 회전 가능하게 장착되고 벨트 구동기(3)를 통해 내연 기관에 의해 구동되는 펌프 샤프트(4)를 포함한다. 임펠러(5)는 펌프 샤프트(4) 상에 배치되고 펌프 하우징(1)의 펌프 챔버(2) 내에 수용되어 냉각수를 펌핑한다. 임펠러(5)의 후방 측상의 워블 플레이트(8)를 통해 동작하는 축 방향 피스톤 펌프(9)는 펌핑된 냉각수의 일부를 나누고, 유압 회로(11)는 비례제어 밸브(13)를 통해 축 방향 피스톤 펌프(9)로부터 펌핑된 냉각수를 확장하고, 유압 구동기로써 축 방향 피스톤 펌프(9)와 비례제어 밸브(13) 사이의 브랜치(11b)를 포함한다. 냉각수 펌프에 의해 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 조절하는 조절 슬라이드 밸브(7)는 유압 회로(11)의 압력에 따라 조절될 수 있다. 펌핑된 냉각수의 체적 흐름의 파라미터 특성을 검출하는 센서(19)는 파라미터의 실제 값 신호를 출력한다. 특히, 냉각수 펌프는 센서(19)의 실제 값 신호 및 중앙 엔진 제어 장치의 목표 값 신호에 기초하여 유압 회로(11) 내의 비례제어 밸브(13)를 제어하는 펌프 제어기(21)를 포함한다.

Description

통합 폐루프 제어가 가능한 냉각수 펌프{COOLANT PUMP WITH INTEGRATED CLOSED-LOOP CONTROL}

본 발명은 내연 기관 및 중앙 엔진 제어 장치를 포함하는 차량의 내연 기관용 냉각수를 펌핑하기 위한 냉각수 펌프에 관한 것이다.

자동차의 연료 소모 및 배기가스를 줄이기 위해 내연 기관의 열 관리를 보다 효율적으로 설계하기 위한 개발이 진행되었다. 이를 위해, 순환 냉각수의 체적 흐름의 신뢰성 있고 지속적인 조절을 용이하게 하는 냉각수 펌프가 개발되었다. 내연 기관을 효율적인 연소 및 최소 배기가스 배출을 위한 최적의 온도 범위로 유지하기 위해, 냉각 시스템의 열 출력은 현재 동작 상태에 따라 제어된다. 예를 들어, 콜드 스타트 단계에서, 열 출력은 초기에는 전체적으로 이후에는 부분적으로는 제어된다.

내연 기관의 회전이 벨트 구동기를 통해 펌프 샤프트로 전달되는 기계 구동 냉각수 펌프의 분야에서, 체적 흐름을 조절하기 위한 전자 유압 제어식 조절 슬라이드 밸브를 포함하는 냉각수 펌프는 이러한 개발 과정에서 특히 신뢰할만한 것으로 판명되었다. 예를 들어, ECF(electro-hydraulically controlled flow) 펌프로 지칭되는 이러한 설계의 펌프는, 본 출원인의 독일 특허 명세서 DE 10 2008 026 218 B4에 개시되어 있다.

이러한 냉각수 펌프에 있어서, 원통형 조절 슬라이드 밸브는 냉각수 펌프의 임펠러의 주변 영역 주위의 유압 구동기를 통해 조절된다. 이 경우, 구동기의 유압은 작동유(hydraulic oil)가 있는 폐회로로 인해 생성되지 않고, 오히려 냉각수의 보조 흐름을 통해 적용된다. 이러한 냉각수 기반의 유압 시스템을 갖춘 펌프는 공기에 대한 추가적인 다이나믹 씰(dynamic seal)을 필요로 하지 않으며 오랜 수명과 신뢰할 수 있는 제어가 입증되었다.

통상적으로 냉각수 펌프로부터 펌핑될 냉각수의 체적 흐름은 차량의 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)에 의해 제어된다. 공지된 냉각수 펌프의 경우, 조절 슬라이드 밸브의 위치가 검출되어 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)로 전송된다. 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)는 내연 기관의 속도, 내연 기관의 작업 부하, 연료 공급량, 온도 등과 같은 다른 작동 파라미터에 따라 유압 회로 내의 전자기 밸브를 제어한다.

결정된 파라미터의 수, 파라미터에 필요한 측정 요소의 수 및 제어되는 구동기의 수에 따라, 이에 대응되는 수의 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)에서 제어 회로의 개별 요소에 이르는 전기 케이블이 필요하다. ECF 펌프를 설치하기 위하여, 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)에서 위치 센서로, 그리고 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)에서 전자기 밸브로 전원 공급용 및 신호 통신용으로 적어도 2개 이상의 케이블이 설치되어야 한다.

본 발명은 최소한의 노력으로 설치 가능하고, 부식 환경에서 높은 수준의 작동 신뢰성을 제공하는 냉각수 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 냉각수 펌프에 의해 달성될 수 있다.

특히, 본 발명의 냉각수 펌프는 센서로부터의 실제 값 신호 및 중앙 엔진 제어 장치로부터의 목표 값 신호에 기초하여 유압 회로의 비례제어 밸브를 제어하는 자체 펌프 제어 장치를 포함한다.

따라서, 본 발명은 처음으로 냉각수 펌프의 설계에 유압 구동기를 이용하는 조절 슬라이드 밸브의 위치 제어를 위한 전용 제어 회로를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 냉각수 펌프는 종래의 시스템보다 중앙 엔진 제어 장치에 대한 전기 케이블의 수가 적다. 특히, 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 파라미터(예를 들어, 조절 슬라이드 밸브의 위치)를 결정하기 위하여, 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)와 전자기 비례제어 밸브 사이 및 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)와 센서 사이에 별도의 전력 공급 또는 통신 인터페이스가 필요하지 않다.

본 발명에 따른 냉각수 펌프는 하나의 전원 공급 케이블과 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)에 대한 하나의 통신 케이블이 필요하다. 더 적은 수의 케이블과 플러그 연결이 필요하다는 것은 설계를 단순화하고 냉각수 펌프의 제조 비용과 차량에 설치하는 비용을 줄일 수 있다는 것이다.

더욱이, 냉각수 펌프의 고장 가능성이 개선될 수 있는데, 그 이유는 날씨의 영향 및 모래에 노출되어 차량의 엔진 컴파트먼트(compartment)의 영역에서 배선을 위한 펌프 하우징 상의 부식 가능한 플러그 연결부 및/또는 배출구 씰이 필요하지 않기 때문이다.

중앙 엔진 제어 장치는 조절 슬라이드 밸브의 위치 제어를 위한 프로그래밍 절차가 필요하지 않다. 결과적으로, 중앙 엔진 제어 장치의 처리 부하가 줄어들 수 있다. 따라서, 저비용에서 낮은 처리 능력을 갖는 중앙 엔진 제어 장치가 사용될 수 있거나 또는 사용되지 않은 처리 전력이 다른 주변 장치의 제어 기능에 이용 가능하게 되거나 계산 사이클의 증가된 주파수를 위해 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 냉각수 펌프의 유리한 실시 예가 종속항에 기재되어 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시 예에서, 펌프 제어기 및 센서는 단일 전자 부품으로 형성될 수 있다. 하나의 전자 부품으로 통합된 결과, 펌프 구조의 다른 영역으로의 외부 배선이 필요하지 않다. 따라서, 냉각수 펌프의 설치가 단순화될 수 있으며 배선용 펌프 하우징에 부식성 플러그 연결부 및/또는 배출구 씰이 필요하지 않게 된다.

본 발명의 다른 실시 예에서, 센서는 조절 슬라이드 밸브의 위치를 검출하기 위한 위치 센서, 특히, 홀 효과(Hall effect) 센서 일 수 있다. 이 경우, 목표 값 신호는 조절 슬라이드 밸브의 기설정된 위치 또는 기설정된 체적 흐름 및 연소 엔진 또는 냉각수 펌프의 속도를 나타낸다.

중앙 엔진 제어 장치로부터의 목표 값 신호 및 위치 센서로부터의 실제 값 신호가 각각 조절 슬라이드 밸브의 위치 값을 나타내는 경우, 위치 제어는 간단한 계산 절차로 펌프 제어기에서 구현될 수 있다. 펌프 제어기의 계산 용량뿐만 아니라 필요한 동력 및 밀폐된 전자 부품에서 발생되는 폐열(waste heat)을 최소로 유지할 수 있다.

중앙 엔진 제어 장치로부터의 목표 값 신호가 기설정된 체적 흐름 및 속도를 나타내면, 펌프 제어기에 의해 펌핑 속도에 따라 제어되는 조절 슬라이드 밸브의 위치와 체적 흐름 사이의 계산 절차가 수행된다. 그 결과, 중앙 엔진 제어 장치에 의한 냉각수 펌프의 개별 파라미터에 기초한 계산이 필요하지 않게 된다. 그 다음, 중앙 엔진 제어 장치는 체적 흐름에 대응하는 값(예를 들어, 소모되는 열의 양)을 목표 값 신호로서 전송한다. 필요한 열 출력은 내연 기관의 작동 파라미터에 기초하여 중앙 엔진 제어 장치에 의해 계산될 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 냉각수 펌프와 다양한 중앙 엔진 제어 장치 사이의 좋은 적합성 및 호환성이 보장될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펌프의 상위 속도 범위에서 펌프 제어기는 조절 슬라이드 밸브의 경로를 제한할 수 있다. 결과적으로, 펌프 제어기는 최대 최적 흐름과 결과 압력을 제한하기 위해, 냉각 시스템의 씰과 같은 부품에 대한 보호 기능을 수행한다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펌프 제어기는 비례제어 밸브의 제어 지속 기간과 조절 슬라이드 밸브의 위치 변화 결과 사이의 관계를 임계값과 비교할 수 있다. 이러한 방식으로 펌프 제어기는 자율 기능 모니터링을 수행하여 냉각 시스템에 충분한 양의 냉각수가 채워지도록 한다.

이 경우 유압 회로가 감압 센서로 이용되므로, 냉각 시스템에 기능 모니터링을 구현하여 압력 게이지 또는 기타 센서와 같은 추가 측정 요소 없이도 누설을 적시에 감지할 수 있도록 제공된다. 즉, 설치에 소요되는 비용과 경비는 물론 부품 수와 전선 수를 최소화할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에서, 센서는 냉각수의 펌핑된 체적 흐름의 압력을 검출하기 위한 압력 센서일 수 있다. 이 경우, 목표 값 신호는 기설정된 체적 흐름 또는 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 압력을 나타낸다. 바람직하게는, 압력 센서는 냉각수 펌프의 펌핑된 체적 흐름에 비례하는 펌프 챔버 내의 압력을 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펌프 제어기는 센서에 의해 검출된 압력을 임계 값과 비교할 수 있다. 이러한 방식으로, 다른 실시 예의 펌프 제어기는 냉각 시스템이 충분한 양의 냉각수가 채워지도록 압력 센서로 자율 기능 모니터링을 쉽게 수행할 수 있다.

냉각 시스템에 추가 측정 요소를 제공할 필요없이 실시 예에서 누설의 적시 감지가 가능한 기능 모니터링을 구현할 수 있으므로, 결과적으로 부품 및 전선의 수는 물론 설치에 필요한 비용 및 경비를 최소한으로 유지할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펌프 제어기는 중앙 엔진 제어 장치로부터 데이터를 송신 및/또는 수신하는 송수신기, 제어 절차를 수행하기 위한 마이크로 컴퓨터, 비례제어 밸브를 제어하기 위한 밸브 구동기 및 각 부품에 전력을 공급하는 전력 분배기를 포함한다. 이러한 구성으로, 냉각수 펌프에서 작고 설치가 용이한 펌프 제어기의 제어 회로가 실현될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펌프 제어기는 단일 전자 부품에 통합된 자체 하우징을 가질 수 있다. 이러한 설계로 홀 효과 센서와 같이 전자 부품에 배치되는 센서에 대한, 제어 회로의 전자기 간섭으로부터 효과적인 보호가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 센서는 단일 전자 부품(20)에 통합된 자체 하우징을 가질 수 있다. 이러한 설계는 제어 회로의 센서에 대한 전자기 간섭에 대해 효과적인 보호를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펌핑될 냉각수는 냉각수 입구를 통해 이동하여 임펠러(impeller)에서 축 방향으로 향하고 임펠러에 의해 펌핑되어 펌프 챔버를 방사형 냉각수 출구를 통해 배출될 수 있다. 따라서, 본 발명은 방사형 펌프의 구성을 이용할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펌핑될 냉각수는 냉각수 입구를 통해 이동하여 임펠러에서 축 방향으로 향하고 임펠러에 의해 펌핑되어 임펠러의 반대편 축 방향 또는 반 축 방향의 냉각수 출구을 통해 펌프 챔버에서 배출될 수 있다. 따라서, 본 발명은 축 방향 또는 반 축 방향 펌프의 구성을 이용할 수 있다.

내연 기관 및 중앙 엔진 제어 장치를 포함하는 차량의 기계 구동 냉각수 펌프에 이용되는 본 발명에 따른 전자 부품은 펌프 제어기 및 펌핑된 체적 흐름을 제한하는 펌프 챔버 내의 조절 슬라이드 밸브의 위치를 검출하기 위한 센서 또는 펌프 챔버 내의 체적 흐름의 압력을 검출하기 위한 센서를 포함한다. 이에 따라, 제어에 필요한 전자 부품은 냉각수 펌프의 부품과 통합되거나 교체되거나 또는 새로 장착될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펌프 제어기가 수용되는 전자 부품의 일부분 및 센서가 수용되는 전자 부품의 일부분은 서로에 대해 L자형 배열을 형성할 수 있다. 일 실시 예에서, 펌프 설계는 유리하게 통합될 수 있고, 제어 회로와 센서 사이의 간섭에 대해 개선된 보호가 제공될 수 있다.

내연 기관 및 중앙 엔진 제어 장치를 포함하는 차량의 기계 구동 냉각수 펌프를 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 내연 기관의 작동 파라미터에 따라 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 파라미터의 목표 값을 중앙 엔진 제어 장치를 통해 계산하는 단계; 상기 중앙 엔진 제어 장치로부터 상기 냉각수 펌프의 펌프 제어기로 상기 목표 값을 전송하는 단계; 센서에 의해 상기 파라미터의 실제 값을 검출하는 단계; 상기 센서로부터 상기 펌프 제어기로 상기 실제 값을 전송하는 단계; 및 유압 구동기를 제어하여, 목표 값 및 실제 값에 따라 냉각수 펌프의 펌핑된 체적 흐름을 제한하는 조절 슬라이드 밸브의 위치를 펌프 제어기를 통해 조절하는 단계. 이러한 방식으로, 본 발명은 전술한 실시 예의 냉각수 펌프를 이용할 수 있다.

내연 기관 및 중앙 엔진 제어 장치를 포함하는 차량의 기계 구동 냉각수 펌프를 제어하기 위한 본 발명에 따른 다른 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 내연 기관의 작동 파라미터를 중앙 엔진 제어 장치로부터 냉각수 펌프의 펌프 제어기로 전송하는 단계; 내연 기관의 작동 파라미터에 따라, 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 파라미터의 목표 값을 펌프 제어기를 통해 계산하는 단계; 센서에 의해 상기 파라미터의 실제 값을 검출하는 단계; 상기 센서로부터 상기 펌프 제어기로 상기 실제 값을 전송하는 단계; 및 유압 구동기를 제어하여, 목표 값 및 실제 값에 따라 냉각수 펌프의 펌핑된 체적 흐름을 제한하는 조절용 슬라이드 밸브의 위치를 펌프 제어기를 통해 조절하는 단계. 이러한 다른 방식으로, 본 발명은 전술한 실시 예의 냉각수 펌프를 이용할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 파라미터는 조절 슬라이드 밸브의 위치일 수 있다. 이는 본 발명에 따른 냉각수 펌프의 전술된 구성을 위한 제어 방법을 사용할 수 있게 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 파라미터는 펌핑된 냉각수의 체적 흐름에 대응되는 냉각수 펌프의 펌프 챔버 내의 압력일 수 있다. 이는 본 발명에 따른 냉각수 펌프의 다른 실시 예에 따른 제어 방법을 사용할 수 있게 한다.

본 발명은 도면을 참조하여 예시적인 실시 예로서 설명될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 냉각수 펌프의 내부 영역 및 펌프 제어기의 배선의 개략적인 단면도이다.
도 2는 데이터 버스와의 통신을 위한 플러그가 장착된 본 발명에 따른 펌프 제어기를 갖는 냉각수 펌프의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 위치 센서와 펌프 제어기가 통합된 전자 부품의 단면도이다.
도 3b는 본 발명에 따른 위치 센서 및 펌프 제어기가 통합된 전자 부품의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 펌프 제어기의 개략적인 블럭도이다.

냉각수 펌프의 예시적인 구성을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.

냉각수 펌프는 펌프 하우징(1)과 그 내부에 회전 가능하게 장착되고 벨트 구동기를 통해 내연 기관(미도시)에 의해 구동되는 풀리(pulley)(3)를 포함하는 펌프 샤프트(4)를 포함한다. 내연 기관의 냉각 회로의 유동 영역에서 펌프 챔버(2) 내에 배치되어 냉각수의 체적 흐름을 유도하는 임펠러(5)는 펌프 샤프트(4)의 자유 단부에 회전 불가능하게 배치된다. 냉각수는 임펠러(5)의 중심 반경의 영역에서 펌프 챔버(2)의 축 방향 입구를 통해 들어가고, 예를 들어, 임펠러(5)의 주변 영역의 반대편에 위치한 펌프 챔버(2)의 방사형 출구(미도시)를 통해 배출된다.

임펠러(5)의 유동 영역은 조절 슬라이드 밸브(7)에 의해 펌프 축과 동일한 축으로 배치된 원통부(7a) 및 후방벽부(7b)에 의해 펌프 축(4)에 평행하게 연장되는 변위 경로를 따라 가변적일 수 있다. 실링 립(sealing lip)(6)은 조절 슬라이드 밸브(7)의 원통부(7a)의 내부 벽과 펌프 챔버(2)의 후방벽 사이에서 연장된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 조절 슬라이드 밸브(7)는 임펠러(5)의 유동 영역에 포함되지 않는 "개방 위치"에 있다.

또한, 펌프 챔버(2)는 내부에 임펠러(5)의 후방 측 및 펌프 샤프트(4)와 평행하게, 축 방향 피스톤 펌프(9)를 배치한다. 피스톤은 임펠러(5)의 후방 측에 배치된 워블 플레이트(wobble plate)(8) 상에서 유동하는 슬라이딩 블록을 통해 작동되어 펌프 샤프트(4)에 대해 회전하지 않도록 한다.

축 방향 피스톤 펌프(9)는 임펠러(5)와 조절 슬라이드 밸브(7) 사이의 펌프 챔버(2) 내의 유동 영역으로부터 냉각수를 흡입하여 압력하에서 냉각수를 펌프 하우징(1)에 형성된 유압 회로(11)로 배출한다. 유압 회로(11)는 2개의 브랜치(11a, 11b)로 분기한다(branch out). 유압 회로(11)의 하나의 브랜치(11a)는 전자기 비례제어 밸브(13)로 유도되고 다시 펌핑된 냉각수 흐름으로 유도된다. 유압 회로(11)의 다른 브랜치(11b)는 펌프 샤프트(4)에 대해 동일한 축으로 배치되고 조절 슬라이드 밸브(7)의 변위 경로를 따라 유압 구동기의 기능을 수행하는 환형(annular) 피스톤(15)으로 유도될 수 있다.

리턴 스프링(17)은 환형 피스톤(15)에 대해 유압 회로(11)의 압력과 반대 방향으로, 즉, 임펠러(5)로부터 멀어지는 방향으로 작용한다. 환형 피스톤(15)은 조절 슬라이드 밸브(7)와 통신하고, 유압 회로(11)의 압력이 증가함으로써 임펠러(5) 방향으로 이동한다.

이하 냉각수 펌프의 체적 흐름을 조절하기 위한 하나의 예시적인 기능을 설명한다.

구동 전류가 공급되지 않을 때, 전자기 비례제어 밸브(13)가 개방되어 축 방향 피스톤 펌프(9)에 의해 흡입된 냉각수가 유압 회로(11)의 브랜치(11a)를 통해 실질적으로 압력없이 이동하고 비례제어 밸브(13)를 통해 펌핑된 냉각수 흐름이 돌아온다. 따라서, 유압 회로(11)의 브랜치(11b)에 압력이 축적되지 않고, 환형 피스톤(15)이 리턴 스프링(17)의 작용하에 동작하기 않은 초기 위치에 유지된다. 이 경우, 환형 피스톤(15)과 통신하는 조절 슬라이드 밸브(7)는 도 1 및 도 2에 도시 된 바와 같이 "개방 위치"로 유지된다.

조절 슬라이드 밸브의 "개방 위치"에서, 조절 슬라이드 밸브(7)에 의해 임펠러(5)의 유동 유효 영역의 차폐없이, 펌핑 속도에 관계없이 최대 펌핑된 체적 흐름이 생성된다. 이러한 상태는 전원 공급 장치 고장 또는 제어 결함이 발생할 경우(예를 들어, 전자기 비례제어 밸브(13)의 무전압 상태), 내연 기관의 최대 체적 흐름 및 최대 열 출력을 보장하는 고장안전(fail-safe) 모드를 나타낸다.

제어 전류의 시간 제어에 의해 전자 비례제어 밸브(13)가 일시적으로 닫히면, 축 방향 피스톤 펌프(9)에 의해 분출된 냉각수는 유압 회로(11)의 브랜치(11a)를 통해 체적 흐름으로 역류할 수 없다. 유압 회로(11)에서 축 방향 피스톤 펌프(9)에 의해 인가된 압력은 닫힌 비례제어 밸브(13)에서의 배압으로부터 브랜치(11a)를 통해 브랜치(11b) 내로 퍼지고 환형 피스톤(15)에 작용한다. 환형 피스톤(15)은 리턴 스프링(17)의 힘에 따라 조절 슬라이드 밸브(7)를 임펠러(5) 방향으로 이동시킨다. 이와 같은 프로세스에서, 조절 슬라이드 밸브 (7)의 원통부(7a)는 임펠러(5)와 축 방향으로 점차 중첩되어, 임펠러(5)의 유효 유동 영역은 조절 슬라이드 밸브(7)의 원통부(7a)에 의해 반경 방향으로 덮힌다.

조절 슬라이드 밸브(7)의 "폐쇄 위치"에서, 원통형 부분(7a)은 임펠러(5)의 유동 유효 영역이 조절 슬라이드 밸브(7)에 의해 완전히 차폐되어 펌핑 속도에 관계없이 최소 펌핑된 체적 흐름이 발생하도록 임펠러(5)를 완전히 덮는다.

전자기 비례제어 밸브(13)의 온오프 주기의 제어는 브랜치(11a)에서 배압의 제어되는 증가를 가져오고, 그에 따라 환형 피스톤(15)과 리턴 스프링(17)에 작용하여 유압 회로(11)의 브랜치(11b) 내의 압력의 제어되는 증가를 가져올 수 있다. 전술한 바와 같이, 환형 피스톤(15)은 "개방 위치"와 "폐쇄 위치" 사이에서 조절 슬라이드 밸브(7)를 이동시켜 냉각수 펌프의 펌핑된 체적 흐름을 조절한다.

중앙 엔진 제어 장치(ZMS)는 내연 기관의 속도 및 작동 부하, 공급된 연료, 온도, 차량 속도 등과 같은 다양한 작동 파라미터를 고려하여 내연 기관의 요구되는 열 출력에 상응하는 펌핑되는 냉각수의 체적 흐름을 계산한다.

전술한 바와 같이, 냉각수 펌프에 의해 펌핑된 냉각수의 체적 흐름은, 조절 슬라이드 밸브(7)(및 환형 피스톤(15))의 위치가 점차 "폐쇄 위치" 쪽으로 축 방향 변위됨에 따라 조절 슬라이드 밸브(7)의 원통형 부분(7a)에 의한 커버리지 정도가 증가하여, 임펠러(5) 주변에서 감소하는 임펠러(5)의 유동 효율에 의존한다.

반면에, 냉각수 펌프의 펌핑된 체적 흐름은 펌핑 속도에 의존한다. 펌핑 속도는 벨트 구동의 결과로서 내연 기관의 속도에 항상 의존하며 차량 작동의 변동 특성을 포함한다.

펌프 제어기(21)의 예시적인 구성을 도 4를 참조하여 설명한다.

일 실시 예에서, 펌프 제어기(21)는 LIN 송수신기와 같은 송수신기(23), 마이크로 컴퓨터(25), 밸브 구동기(27) 및 전력 분배기(29)를 포함한다. 전력 분배기는 12V와 같은 차량 전원(미도시)으로부터의 전압을 펌프 제어기(21)의 전자 부품(23, 25, 27)에 적절한 전압으로 분할하고 필요한 전력을 공급한다. LIN 송수신기(23)는 데이터 버스(예를 들어, LIN 프로토콜)를 통해 펌프 제어기(21)와 중앙 엔진 제어 장치(ZMS) 사이의 통신을 가능하게 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 플러그(22)는 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)에 연결된 온보드 데이터 버스와의 연결을 위해 제공될 수 있다. 마이크로 컴퓨터(25)는 마이크로 컴퓨터(25)의 메모리(미도시)에 기억되어있는 제어 순서에 따라 제어 프로그램을 실행하고, 밸브 구동기(27)의 구동 신호로서 펄스 폭 변조를 산출한다. 밸브 구동기(27)는 전자기 비례제어 밸브(13)를 작동시키기 위한 전력 분배기(29)로부터의 전력의 공급을 펄스 폭 변조에 따라 활성화 및 비활성화시킴으로써 마이크로 컴퓨터(25)로부터의 구동 신호를 증폭시킨다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 펌프 제어기(21)는 단일 전자 부품(20)으로서의 센서(19)와 함께 형성된다. 예를 들어, 펌프 제어기(21)의 제어 회로 및 센서 회로는 하나의 합쳐진 부품으로 구성될 수 있다. 펌프 제어기(21) 및 센서(19)의 단일 부품의 크기가 통상적으로 사용되는 센서 부품의 크기를 초과하지 않는 한, 펌프 구성을 수정하지 않아도 종래의 ECF 펌프를 업그레이드할 수 있다.

도시된 구성은 위치 센서(19)로서 홀 효과 센서를 사용하여 바람직하게 구현될 수 있다. 그러나 본 실시 예는 이후의 다른 실시 예에서 설명되는 바와 같이 홀 효과 센서에 제한되지 않는다.

도 1에 도시된 냉각수 펌프의 일 실시 예에서, 위치 센서(19)는 변위 경로를 따라 조절 슬라이드 밸브(7)의 위치를 검출하는데 이용된다. 비접촉식 및 강한 구조는 환형 피스톤(15)에 연결된 홀 효과 센서 및 자기 송신기 요소에 의해 제공된다. 위치 센서(19)는 환형 피스톤(15)의 검출된 위치를 실제 값 신호로 펌프 제어기(21)에 출력하고, 변위 경로에 따라 조절 슬라이드 밸브(7)에 전달된다.

일 실시 예에서, 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)로부터 펌프 제어기(21)에 의해 수신되는 목표 값 신호는 조절 슬라이드 밸브(7)의 기설정된 위치를 포함한다. 이를 위해, 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)는 내연 기관의 필요한 열 출력에 기초하여 냉각수 펌프에 의해 펌핑되는 냉각수의 체적 흐름을 계산한다. 이후, 조절 슬라이드 밸브의 기설정된 위치는 내연 기관에 대한 고정된 속도 비를 갖는 현재의 펌핑 속도 및 체적 흐름에 따라 계산되어 펌프 제어기(21)로 전달된다.

추가적인 바람직한 실시 예에서, 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)로부터 펌프 제어기(21)에 의해 수신되는 목표 값 신호는 냉각수의 요구되는 체적 흐름에 대한 하나의 목표 값뿐만 아니라, 특히, 내연 기관의 현재 속도 또는 대응되는 펌핑 속도를 포함한다. 실시 예에서, 조절 슬라이드 밸브(7)의 결과 위치에 대한 목표 값은 펌프 제어기(21)에서 계산된다.

마이크로 컴퓨터(25)에서 실행되는 제어 절차는, 예를 들어, 미리 정의된 목표 값과 실제 값 사이에서 편차가 계산되는 PID 부재의 제어 기능에 대응한다. 상기 편차에 기초하여, 전자기 비례제어 밸브(13)를 제어하기 위한 펄스 폭 변조가 유압 회로(11)의 시스템 특정 기능, 즉, 전자기 비례제어 밸브의 온오프 기간 사이의 응답 거동 및 유압 구동기로써의 환형 피스톤(15)의 결과적인 위치 변경에 기초하여 계산된다.

조절 슬라이드 밸브(7)의 위치를 유지하기 위해, 유압 회로(11) 내의 압력은 비례제어 밸브(13)를 개방 및 폐쇄하기 위한 온오프 기간에 의해 제어되어 미리 정의된 환형 피스톤(15) 및 조절 슬라이드 밸브(7)의 위치에서 리턴 스프링(17)의 압력과 유압 사이에서 중앙 엔진 제어 장치(ZMS)의 목표 값이 설정되고 유지된다. 조절 슬라이드 밸브(7)의 실제 위치는 위치 센서(19)에 의해 검출되어 펌프 제어 기(21)로 전달되거나, 비례제어 밸브(13)를 제어하기 위한 피드백으로서 마이크로 컴퓨터(25)에 입력된다.

다른 예시적인 실시 예에 따르면, 펌프 제어기(21)는 자율적으로 식별하여 냉각 시스템의 누설을 중앙 엔진 제어 장치에 자동으로 식별하고 보고하는 기능 모니터링을 수행한다.

누설로 인해 냉각수 회로에 공기가 갇히면, 공기는 냉각수 펌프의 유압 회로(11)로 들어가 유압 구동기의 압력을 감소시킨다. 환형 피스톤(15)에 대응하는 리턴 스프링(17)의 특성 곡선은 변하지 않는다. 이 경우, 감소된 유압 및 리턴 스프링(17)의 불변 특성 곡선 사이의 불균일은, 환형 피스톤(15)의 목표 위치에 대한 유압을 생성하기 위하여 전자기 비레제어 밸브(13)의 온 기간 대 오프 기간의 비율을 증가시켜서 보상될 수 있다.

조절 슬라이드 밸브(7)의 위치 센서(19)와 유압 회로(11) 내의 전자기 비례제어 밸브(13) 사이의 제어 루프는 본 발명에 따른 펌프 제어기(21)가 필요한 감도를 갖는 유압 회로의 응답 거동에서의 편차를 검출하게 할 수 있다. 즉, 영구 속도 및 온도 변화와 같은 추가적인 동작 파라미터에 의해 영향을 받지 않는다. 펌프 제어기(21)는 전자기 비례제어 밸브(13)의 온오프 기간과 환형 피스톤(15) 및 조절 슬라이드 밸브(7)의 위치 변화 사이의 비로부터의 편차를 메모리에 저장된 임계 값과 비교한다. 임계 값은 냉각수 펌프의 다른 특정 파라미터와 같이 펌프 제어기(21)의 메모리 부분에 저장된다.

에러가 검출되면, 펌프 제어기(21)는 제한된 비상 동작을 개시하거나 내연 기관을 스위치 오프 할 수 있는 에러 메시지를 중앙 엔진 제어 장치에 출력한다.

다른 예시적인 실시 예에서, 냉각수 펌프는 위치 센서(19) 대신 환형 피스톤(15)과 조절 슬라이드 밸브(7) 사이에 배치되는 압력 센서(도시되지 않음)를 포함한다.

이 대안적인 실시 예에서, 펌프 제어기(21)는 압력 센서에 의해 검출된 압력의 실제 값 신호가 중앙 엔진 제어 장치로부터의 목표 값 신호에 의해 미리 정의되는 기설정된 체적 흐름의 압력에 대응될 때까지 체적 흐름을 조절하기 위하여 제어 슬라이드 밸브(7)가 새로운 위치로 이동하도록 제어한다.

이 실시 예에서, 냉각 시스템의 기능 모니터링은 유압 구동기의 응답 거동보다 기존의 압력 센서에 기초하여 수행될 수 있다. 전술한 실시 예에서 설명된 바와 같이, 임계 값은 펌프 제어기의 메모리 부분에 저장된다. 임계 값은 공기가 냉각 시스템에 갇히게 될 때의 최소 작동 압력에 해당한다. 목표 값을 압력 센서에 의해 검출된 값과 비교한 후, 펌프 제어기(21)는 냉각 시스템에 누출이 있는지를 판단한다.

에러가 검출되면, 펌프 제어기(21)는 제한된 비상 동작을 개시하거나 내연 기관을 스위치 오프할 수 있는 에러 메시지를 중앙 엔진 제어 장치에 출력한다.

변형된 실시 예에서, 전자기 비레제어 밸브(13) 대신 전기 모터 구동 비례제어 밸브 (13)를 사용할 수도 있다. 이 경우, 서보 모터(servomotor)용 구동 신호는 펄스 폭 변조를 포함할 필요가 없다.

또한, 펌프 제어기(21)와 중앙 엔진 제어 장치(ZMS) 사이의 LIN 인터페이스 대신에 CAN 인터페이스를 제공하는 것도 가능하다.

Claims

내연 기관 및 중앙 엔진 제어 장치를 포함하는 차량의 내연 기관용 냉각수를 펌핑하기 위한 냉각수 펌프에 있어서,
펌프 하우징(1)에 회전 가능하게 장착되고, 벨트 구동기(3)를 통해 내연 기관에 의해 구동되는 펌프 샤프트(4);
상기 펌프 샤프트(4) 상에 배치되고 상기 펌프 하우징(1)의 펌프 챔버(2) 내에 수용되어, 냉각수를 펌핑하는 임펠러(5);
상기 임펠러(5)의 후방 측상의 워블 플레이트(8)를 통해 동작하고, 펌핑된 냉각수의 일부를 나누는(branch-off) 축 방향 피스톤 펌프(9);
상기 축 방향 피스톤 펌프(9)로부터 확장되어 비례제어 밸브(13)를 경유하여 상기 펌핑된 냉각수로 되돌아가고, 상기 축 방향 피스톤 펌프(9)와 상기 비례제어 밸브(13) 사이에 위치하는 브랜치(11b)를 포함하는, 유압 구동기로써의 유압 회로(11);
상기 냉각수 펌프에 의해 상기 펌핑된 냉각수의 체적 흐름(volume flow)을 조절하고, 상기 유압 회로(11)의 압력에 따라 슬라이딩 될 수 있는 조절 슬라이드 밸브(7); 및
상기 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 파라미터를 검출하고 상기 파라미터의 실제 값 신호를 출력하는 센서(19);를 포함하고,
상기 냉각수 펌프는,
상기 센서(19)로부터의 실제 값 신호 및 상기 중앙 엔진 제어 장치로부터의 목표 값 신호에 기초하여 상기 유압 회로(11) 내의 비례제어 밸브(13)를 제어하는 펌프 제어기(21)를 포함하며,
상기 펌프 제어기(21) 및 상기 센서(19)는, 상호 연동되는 전자 부품(20)으로 형성되고,
상기 센서(19)는 조절 슬라이드 밸브(7)의 위치를 검출하는 위치 센서를 포함하고,
상기 목표 값 신호는, i)상기 조절 슬라이드 밸브(7)의 기설정된 위치 및 ii)상기 내연 기관 또는 상기 냉각수 펌프의 기설정된 체적 흐름 및 속도를 나타내는 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각수 펌프.
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제1항에 있어서,
상기 펌프 제어기(21)는, 상기 펌프의 상위 속도 범위에서 조절 슬라이드 밸브의 경로를 제한하는 냉각수 펌프.
제1항에 있어서,
상기 펌프 제어기(21)는, 상기 비례제어 밸브(13)의 제어 지속시간과 상기 조절 슬라이드 밸브(7)의 위치 변화 결과를 임계값과 비교하는 냉각수 펌프.
제1항에 있어서,
상기 센서(19)는, 상기 냉각수의 펌핑된 체적 흐름의 압력을 검출하는 압력 센서를 더 포함하고,
상기 목표 값 신호는, 상기 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 압력을 나타내는 신호를 더 포함하는 냉각수 펌프.
제6항에 있어서,
상기 펌프 제어기(21)는, 상기 센서(19)에 의해 검출된 상기 압력을 임계값과 비교하는 냉각수 펌프.
제1항에 있어서,
상기 펌프 제어기(21)는, 상기 중앙 엔진 제어 장치에 데이터를 전송 및 수신하기 위한 송수신기(23), 제어 절차를 수행하기 위한 마이크로 컴퓨터(25), 상기 비례제어 밸브(13)를 구동하기 위한 밸브 구동기(27) 및 각 부품에 전력을 공급하는 전력 분배기(29)를 포함하는 냉각수 펌프.
제1항에 있어서,
상기 펌프 제어기(21)는, 단일 전자 부품(20)에 통합되는 자체 하우징을 갖는 냉각수 펌프.
제1항에 있어서,
상기 센서(19)는, 단일 전자 부품(20)에 통합되는 자체 하우징을 갖는 냉각수 펌프.
제1항에 있어서,
상기 냉각수는 상기 임펠러(5) 방향의 축 상의 냉각수 입구를 통해 이동하고, 상기 임펠러(5)에 의해 펌핑되어 방사상의 냉각수 출구를 통해 상기 펌프 챔버(2)에서 배출되는 냉각수 펌프.
제1항에 있어서,
상기 냉각수는 상기 임펠러(5) 방향의 축 상의 냉각수 입구를 통해 이동하고, 상기 임펠러(5)에 의해 펌핑되어 상기 임펠러(5)의 반대편 축 상 또는 반축 상의 냉각수 출구를 통해 상기 펌프 챔버(2)에서 배출되는 냉각수 펌프.
내연 기관 및 중앙 엔진 제어 장치를 포함하는 차량의 기계 구동 냉각수 펌프에 이용되는 전자 부품(20)에 있어서,
펌프 제어기(21) 및 펌핑된 체적 흐름을 제한하는 펌프 챔버(2) 내의 조절 슬라이드 밸브(7)의 위치를 검출하기 위한 센서(19)를 포함하며,
상기 펌프 제어기(21)는 상기 센서(19)로부터의 실제 값 신호 및 상기 중앙 엔진 제어 장치로부터의 목표 값 신호에 기초하여 비례제어 밸브(13)를 제어하고,
상기 목표 값 신호는, i)상기 조절 슬라이드 밸브(7)의 기설정된 위치 및 ii)상기 내연 기관 또는 상기 냉각수 펌프의 기설정된 체적 흐름 및 속도를 나타내는 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 부품.
제13항에 있어서,
상기 펌프 제어기(21)가 수용되는 상기 전자 부품(20)의 일부분 및 상기 센서(19)가 수용되는 상기 전자 부품(20)의 일부분은 서로에 대해 L자형 배열을 형성하는 전자 부품.
내연 기관 및 중앙 엔진 제어 장치를 포함하는 차량의 기계 구동 냉각수 펌프를 제어하는 방법에 있어서,
내연 기관의 작동 파라미터에 따라, 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 파라미터의 목표 값을 중앙 엔진 제어 장치를 통해 계산하는 단계;
상기 중앙 엔진 제어 장치로부터 상기 냉각수 펌프의 펌프 제어기(21)로 상기 목표 값을 전송하는 단계;
센서(19)에 의해 상기 파라미터의 실제 값을 검출하는 단계;
상기 센서(19)로부터 상기 펌프 제어기(21)로 상기 실제 값을 전송하는 단계; 및
유압 구동기를 제어하여, 목표 값 및 실제 값에 따라 냉각수 펌프의 펌핑된 체적 흐름을 제한하는 조절 슬라이드 밸브(7)의 위치를 펌프 제어기(21)를 통해 조절하는 단계;를 포함하고,
상기 펌프 제어기(21) 및 상기 센서(19)는, 상호 연동되는 전자 부품(20)으로 형성되고,
상기 센서(19)는 조절 슬라이드 밸브(7)의 위치를 검출하는 위치 센서를 포함하고,
상기 목표 값은, i)상기 조절 슬라이드 밸브(7)의 기설정된 위치 또는 ii)상기 내연 기관 또는 상기 냉각수 펌프의 기설정된 체적 흐름 및 속도를 나타내는 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
내연 기관 및 중앙 엔진 제어 장치를 구비한 차량의 기계 구동 냉각수 펌프를 제어하는 방법에 있어서,
내연 기관의 작동 파라미터를 중앙 엔진 제어 장치로부터 냉각수 펌프의 펌프 제어기(21)로 전송하는 단계;
내연 기관의 작동 파라미터에 따라, 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 파라미터의 목표 값을 펌프 제어기(21)를 통해 계산하는 단계;
센서(19)에 의해 상기 파라미터의 실제 값을 검출하는 단계;
상기 센서(19)로부터 상기 펌프 제어기(21)로 상기 실제 값을 전송하는 단계; 및
유압 구동기를 제어하여, 목표 값 및 실제 값에 따라 냉각수 펌프의 펌핑된 체적 흐름을 제한하는 조절 슬라이드 밸브(7)의 위치를 펌프 제어기(21)를 통해 조절하는 단계;를 포함하고,
상기 펌프 제어기(21) 및 상기 센서(19)는, 상호 연동되는 전자 부품(20)으로 형성되고,
상기 센서(19)는 조절 슬라이드 밸브(7)의 위치를 검출하는 위치 센서를 포함하고,
상기 목표 값은, i)상기 조절 슬라이드 밸브(7)의 기설정된 위치 또는 ii)상기 내연 기관 또는 상기 냉각수 펌프의 기설정된 체적 흐름 및 속도를 나타내는 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 파라미터는, 상기 조절 슬라이드 밸브(7)의 위치인 제어 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 펌핑된 냉각수의 체적 흐름을 나타내는 파라미터는, 상기 펌핑된 냉각수의 체적 흐름에 대응되는 상기 냉각수 펌프의 펌프 챔버(2) 내의 압력인 제어 방법.