KR20110016782A - 워터펌프 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량에 적용되는 워터펌프(Water Pump)에 전자식 클러치를 적용하고, 엔진의 냉각 정도와 냉각수온의 조건에 따라 워터펌프의 작동시간을 가변 제어하여 연비 향상과 에미션 안정화를 제공하는 것이다.

본 발명은 엔진의 시동 온이 검출되면 냉각수온과 외기온도를 이용하여 엔진의 냉각상태를 판정하는 과정, 엔진의 냉각상태에 따른 클러치 작동 조건을 결정하여 워터펌프의 작동을 조정하는 과정, 웜업의 진행에 따라 냉각수의 온도를 검출하고 냉각수의 온도에 따른 클러치 작동 조건을 결정하여 워터펌프의 작동을 제어하는 과정을 포함한다.

워터펌프, 전자식 클러치, 외기온도, 냉각수 온도

Description

워터펌프 제어장치 및 방법{SYSTEM FOR CONTROL WATER PUMP AND METHOD}

본 발명은 차량에 적용되는 워터펌프(Water Pump)에 관한 것으로, 더 상세하게는 워터펌프에 전자식 클러치를 적용하고, 엔진의 냉각 정도와 냉각수온의 조건에 따라 워터펌프의 작동시간을 가변 제어하여 연비 향상과 에미션 안정화를 제공하는 워터펌프의 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 차량 제작 메이커는 차량을 개발하는 과정에서 강화되는 배기가스 규제와 연비개선의 중요도가 증가함에 따라 두 가지 목표를 동시에 달성하기 위해 다양한 연구개발이 진행되고 있다.

이중에서 에미션 규제를 충족시키기 위하여 배기계에 촉매 로딩량을 높이거나 EGR 쿨러의 용량을 증가시키는 경우 차량 중량의 증가에 따라 연비 악화를 초래하고, 차량의 제작 원가를 상승을 초래한다.

일반적으로 차량에는 냉각수를 강제 순환시키는 방식이 적용되며, 이를 위해 엔진의 실린더 및 실린더 헤드에 냉각수로를 형성하고, 워터펌프의 작동으로 냉각수로에 냉각수를 강제로 공급시켜 엔진의 온도를 안정되게 유지시킨다.

도 1은 종래의 차량에 적용되는 워터펌프의 구성을 도시한 사시도이다.

워터펌프(100)는 몸체(110)와 상기 몸체(110)의 일측에 결합되어 지지되며 엔진의 크랭크샤프트에 결합되는 풀리와 벨트를 통해 연결되어 동력을 전달받는 풀리(130), 상기 풀리(130)의 중앙에 결합되는 메인 샤프트의 일측 종단부에 결합되어 풀리(130)의 회전에 따라 회전되어 냉각수를 펌핑하는 임펠러(150)를 포함한다.

따라서, 엔진의 시동에 따라 크랭크샤프트로부터 벨트를 통해 전달되는 동력에 의해 풀리(130)가 설정된 비율의 속도로 회전하게 되며, 이에 따라 메인 샤프트에 결합된 임펠러(150)가 회전하게 된다.

그러므로, 냉각수 유입구(170)로 공급되는 냉각수는 임펠러(150)의 회전력에 의해 도시되지 않은 실린더에 형성된 냉각수로에 펌핑(Pumping) 공급되어 엔진을 온도를 안정된 상태로 유지시켜 준다.

상기와 워터펌프는 엔진의 시동과 동시에 엔진의 크랭크축 풀리와 연결되는 벨트를 통해 전달되는 동력에 의해 동작되어 냉각수를 "라디에이터 → 실린더 → 실린더 헤드 → 라디에이터"로 순환시켜 엔진이 과열되는 것을 방지하여 준다.

상기한 바와 같이 워터펌프는 엔진의 시동과 동시에 크랭크샤프트를 통해 전달되는 동력에 의해 동작되므로, 엔진의 워밍업 조건이나 냉각 조건에 관계없이 엔진의 동작에 따라 상시 작동되어 냉각수를 순환시킨다.

따라서, 엔진이 워밍업 되어 있는 상태에서는 연비 및 배기가스의 안정화를 제공할 수 있으나, 엔진이 충분히 냉각되어 있는 상태에서 엔진이 시동되는 경우 냉각수의 순환에 따라 엔진의 워밍업 시간이 지연되고, 이에 따라 냉각된 구동부위의 마찰저항이 증가되어 마모가 증가되는 문제점이 발생한다.

또한, 엔진의 냉각에 의해 연소 효율이 떨어져 연료 소모량이 증가되고, 배기가스의 온도 상승이 지연되어 촉매의 활성화 시간이 지연되므로 배기가스에 유해성 물질이 다량으로 배출되어 에미션을 불안정하게 형성시키는 문제점이 있다.

또한, 연료펌프의 상시 동작에 따라 크랭크축에 부하로 작용하게 되어 엔진의 출력 효율을 저하시키고, 이에 따라 연비 저하를 초래시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 워터펌프에 전자식 클러치를 적용하고, 엔진의 냉각 상태와 냉각수의 온도 조건에 따라 전자식 클러치를 가변 제어하여 워터펌프의 작동시간을 조정함으로써 연비 향상과 에미션 안정화를 제공하도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 워터펌프 제어장치는, 이그니션 스위치의 접점 위치를 검출하는 이그니션검출부; 냉각수의 온도를 검출하는 수온검출부; 차량의 외부 온도를 검출하는 외기온검출부; 풀리의 내측에 전자식으로 설치되어 풀리와 임펠러 사이의 동력 전달을 단속하는 클러치; 냉각수의 온도와 외기온도의 차이를 설정된 기준온도와 비교하여 차량의 냉각상태를 판정하고, 냉각상태에 따라 클러치의 작동을 제어하며, 냉각수의 온도 변화에 따라 클러치의 작동을 제어하는 제어부; 차량의 냉각상태의 조건과 냉각수의 온도 조건에 따라 클러치의 작동 조건이 테이블로 설정되는 메모리부를 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 워터펌프 제어방법은, 엔진의 시동 온이 검출되면 냉각수온과 외기온도를 이용하여 엔진의 냉각상태를 판정하는 과정; 엔진의 냉각상태에 따른 클러치 작동 조건을 결정하여 워터펌프의 작동을 조정하는 과정; 웜업의 진행에 따라 냉각수의 온도를 검출하고 냉각수의 온도에 따른 클러치 작동 조건을 결정하여 워터펌프의 작동을 제어하는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 배기가스를 정화시키는 촉매의 로딩량을 추가하지 않아도 안정된 에미션을 확보할 수 있어 원가 절감을 제공하고, 배기계 부품이 따로 추가되지 않아 차량의 중량이 감소되어 연비 향상이 제공되는 효과가 기대된다.

또한, 엔진이 냉각된 상태에서 시동이 온 되는 경우 냉각수의 순환이 차단되므로 엔진오일의 온도를 빠르게 높일 수 있어 오일 마찰이 저감되어 각 구동부품의 마모가 최소화되어 내구성이 향상되는 효과가 기대된다.

또한, 엔진의 초기 시동시에 냉각수의 순환을 능동적으로 제어하여 엔진의 활성화 시간 단축과 안정된 연소로 연비 향상을 제공하고, 촉매의 활성화 시간을 단축시켜 에미션 안정화를 제공하는 효과가 기대된다.

이외에 엔진의 냉각조건과 외기온의 조건에 따라 파일럿 연료량, 웜업 단축을 위한 엔진 회전수, 글로우 플러그의 가열 시간 등을 조정할 수 있어 연비 개선의 효과가 기대된다.

아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프의 제어장치를 도시한 도면이다.

본 발명은 이그니션검출부(101), 수온검출부(102), 외기온검출부(103), 제어부(104), 메모리부(105) 및 클러치(105)를 포함한다.

이그니션검출부(101)는 운전자에 위해 트리거되는 이그니션 스위치의 접점 위치를 검출하여 그에 대한 정보, 예를 들어 시동 온 요구 혹은 시동 온 유지 등의 정보를 제어부(104)에 제공한다.

수온검출부(102)는 냉각수의 온도를 검출하는 수온센서로, 라디에이터 → 실린더 → 실린더 헤드 → 라디에이터로 이루어지는 냉각수의 순환경로에서 실린더 헤드의 출구측에 설치되어 실린더 헤드에서 토출되는 냉각수의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(104)에 제공한다.

외기온검출부(103)는 차량의 외부 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(104)에 제공한다.

제어부(104)는 냉각수와 외기온도로부터 차량의 냉각상태를 판정하여 냉각상태에 따라 전자식으로 구성되는 클러치(106)를 작동을 가변 제어하여 워터펌프의 작동을 조정한다.

상기 제어부(104)는 엔진의 초기 시동 온이 검출되면 외기온도와 냉각수온의 정보로부터 엔진의 냉각상태를 판정하여 냉각상태에 따른 클러치(106) 작동 조건을 결정한 다음 클러치(106)의 작동을 제어하여 극 저온조건에서 난방성능을 만족시켜 준다.

예를 들어, 외기온도와 냉각수온의 차가 설정된 온도 미만인 경우 극저온의 조건인 것으로 판정하고 신속한 난방을 제공하기 위하여 클러치(106)를 설정된 조건으로 작동시켜 워터펌프를 구동시킨다.

상기 제어부(104)는 엔진의 냉각상태에 따른 클러치(106)의 작동 제어를 통해 엔진의 웜업을 진행하는 과정에서 냉각수의 온도에 따라 클러치(106)의 작동 조건을 결정한 다음 클러치(106)의 작동을 제어하여 냉각수의 순환량을 조정한다.

예를 들어, 냉각수의 온도가 설정된 제1기준온도, 예를 들어 85℃ 이상이면 엔진의 충분한 워밍업으로 판정하여 워터펌프를 상시 작동시켜 냉각수의 순환을 제공한다.

그리고, 냉각수의 온도가 제1기준온도, 예를 들어 85℃와 제2기준온도, 예를 들어 65℃의 사이에 있는 경우 제1의 조건, 예를 들어 150초간 미순환, 10초간 순환으로 워터펌프를 작동시킨다.

또한, 냉각수의 온도가 제2기준온도, 예를 들어 65℃와 제3기준온도, 예를 들어 40℃의 사이에 있는 경우 제2의 조건, 예를 들어 200초간 미순환 5초간 순환으로 워터펌프를 작동시키고, 냉각수의 온도가 제3기준온도 미만인 경우 제3의 조 건, 예를 들어 200초간 미순환 1초간 순환으로 워터펌프를 작동시킨다.

상기의 작동 조건을 이해를 돕기 위한 예시로 이에 한정되는 것이 아니라 차량이나 기타 운행되는 지역의 환경조건 및 설정에 따라 가변된다.

메모리부(105)는 차량의 냉각상태의 조건과 냉각수온의 조건에 따라 클러치(106)의 작동 및 미작동 조건이 테이블로 설정된다.

클러치(106)는 도시되지 않은 워터펌프의 풀리 내측에 설치되는 전자식 클러치로, 작동 오프의 상태에서 풀리와 결합되어 엔진의 크랭크샤프트로부터 전달되는 동력을 워터펌의 임펠러에 그대로 전달하여 냉각수의 펌핑이 이루어질 수 있도록 하고, 작동 온 되면 풀리와 분리되어 풀리의 공회전이 이루어지도록 한다.

즉, 클러치(106)가 제어부(104)의 제어신호에 의해 자화되어 자기력이 발생되는 경우 풀리와의 결합이 해제되어 임펠러에 공급되는 회전력을 차단함으로써, 냉각수의 펌핑이 일어나지 않도록 한다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 동작에 대하여 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

엔진의 시동이 오프되어 있는 상태에서(S101) 제어부(104)는 이그니션 스위치(101)의 접점을 검출하여 엔진의 시동 온 요구가 검출되는지 판단한다(S103).

상기 S103의 판단에서 엔진의 시동 온 요구가 검출되지 않으면 이그니션 스위치(101)의 접점을 지속적으로 모니터링하고, 시동 온 요구가 검출되면 수온검출부(102)와 외기온검출부(103)를 통해 냉각수의 온도와 차량 외부의 온도를 검출한 다음(S104) 냉각수의 온도에서 외기온도를 차 연산한 결과와 설정된 기준온도를 비 교하여 엔진의 냉각상태를 판정한다(S105).

예를 들어 냉각수의 온도에서 외기온도를 차 연산 결과가 기준온도, 예를 들어 20℃ 미만이면 엔진이 충분하게 냉각된 상태로 판정하고, 그러하지 않는 경우 부분 냉각 상태로 판정한다.

상기 S105의 판정 결과에 따라 메모리부(105)에 설정된 테이블로부터 클러치(106)의 작동시간을 결정하고(S106), 그에 따라 클러치(106)의 작동을 제어하여 워터펌프를 동작시켜 냉각수의 순환을 조정한다(S107).

상기와 같이 엔진의 냉각 상태에 따라 워터펌프의 작동을 제어하여 엔진의 웜업을 진행하며, 이 과정에서 냉각수의 온도를 검출하여(S108) 냉각수의 온도가 충분한 웜업의 완료 조건인 제1기준온도, 예를 들어 85℃를 초과하였는지 판단한다(S109).

상기 S109의 판정에서 냉각수의 온도가 설정된 제1기준온도, 예를 들어 85℃를 초과한 상태로 판정되면 클러치(106)의 작동을 오프시켜(S112) 워터펌프가 상시 작동되도록 함으로써, 엔진의 냉각을 안정되게 유지한다(S113).

그러나, 상기 S109의 판정에서 냉각수의 온도가 설정된 제1기준온도 미만이면 냉각수의 온도에 따라 메모리부(105)에 설정된 테이블로부터 클러치(106)의 작동 조건을 결정하여(S110) 클러치(106)의 온/오프 작동을 제어한다(S111).

예를 들어, 냉각수의 온도가 제1기준온도, 예를 들어 85℃와 제2기준온도, 예를 들어 65℃의 사이에 있는 경우 제1의 조건, 예를 들어 150초간 미순환, 10초간 순환으로 워터펌프를 작동시킨다.

또한, 냉각수의 온도가 제2기준온도, 예를 들어 65℃와 제3기준온도, 예를 들어 40℃의 사이에 있는 경우 제2의 조건, 예를 들어 200초간 미순환 5초간 순환으로 워터펌프를 작동시키고, 냉각수의 온도가 제3기준온도 미만인 경우 제3의 조건, 예를 들어 200초간 미순환 1초간 순환으로 워터펌프를 작동시킨다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 워터펌프를 작동 온 혹은 오프로 제어한 경우 냉각수의 거동을 도시한 그래프이다.

즉, 엔진이 냉간 상태에서 시동 온이 이루어진 상태로 판정하여 냉각수의 순환을 조정하여 빠른 웜업이 이루어지도록 함으로써, 파일럿 분사량을 감소시켜 연비 향상이 제공되도록 한다.

또한, 엔진의 빠른 웜업에 따른 배기가스의 온도 상승으로 촉매의 활성화를 신속하게 유도하여 배기가스의 에미션을 안정되게 확보한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 종래의 차량에 적용되는 워터펌프의 구성을 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프의 제어장치를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프의 제어절차를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프 제어결과의 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : 이그니션 스위치 102 : 수온검출부

103 : 외기온검출부 104 : 제어부

105 : 메모리부 106 : 클러치

Claims (7)

1. 이그니션 스위치의 접점 위치를 검출하는 이그니션검출부;

   냉각수의 온도를 검출하는 수온검출부;

   차량의 외부 온도를 검출하는 외기온검출부;

   풀리의 내측에 전자식으로 설치되어 풀리와 임펠러 사이의 동력 전달을 단속하는 클러치;

   냉각수의 온도와 외기온도의 차이를 설정된 기준온도와 비교하여 차량의 냉각상태를 판정하고, 냉각상태에 따라 클러치의 작동을 제어하며, 냉각수의 온도 변화에 따라 클러치의 작동을 제어하는 제어부;

   차량의 냉각상태의 조건과 냉각수의 온도 조건에 따라 클러치의 작동 조건이 테이블로 설정되는 메모리부;

   를 포함하는 워터펌프 제어장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 수온검출부는 실린더 헤드의 출구측에 설치되어 실린더 헤드에서 토출되는 냉각수의 온도를 검출하는 것을 특징으로 하는 워터펌프 제어장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 엔진의 냉각이 극저온 상태이면 난방성능 만족을 위해 설정된 조건으로 클러치 작동을 제어하는 워터펌프 제어장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 엔진의 웜업이 진행되는 과정에서 냉각수의 온도가 설정된 제1기준온도 이상이면 워터펌프를 상시 작동시키고,

   냉각수의 온도가 제1기준온도와 제2기준온도의 사이에 포함되면 제1의 조건으로 워터펌프를 작동시키며,

   냉각수의 온도가 제2기준온도와 제3기준온도의 사이에 포함되면 제2의 조건으로 워터펌프를 작동시키고,

   냉각수의 온도가 제3기준온도 미만이면 제3의 조건으로 워터펌프를 작동시키는 것을 특징으로 하는 워터펌프 제어장치.
5. 엔진의 시동 온이 검출되면 냉각수온과 외기온도를 이용하여 엔진의 냉각상태를 판정하는 과정;

   엔진의 냉각상태에 따른 클러치 작동 조건을 결정하여 워터펌프의 작동을 조정하는 과정;

   웜업의 진행에 따라 냉각수의 온도를 검출하고 냉각수의 온도에 따른 클러치 작동 조건을 결정하여 워터펌프의 작동을 제어하는 과정;

   을 포함하는 워터펌프 제어방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 엔진 시동 온의 검출에서 냉각수온과 외기온도의 차이가 설정된 기준값 미만이면 난방 성능을 위해 워터펌프를 작동시키는 것을 특징으로 하는 워터펌프 제어방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 웜업의 진행에 따라 냉각수의 온도가 설정된 제1기준온도 이상이면 워터펌프를 상시 작동시키고,

   제1기준온도와 제2기준온도의 사이에 포함되면 제1의 조건으로 워터펌프를 작동시키며,

   제2기준온도와 제3기준온도의 사이에 포함되면 제2의 조건으로 워터펌프를 작동시키고,

   제3기준온도 미만이면 제3의 조건으로 워터펌프를 작동시키는 것을 특징으로 하는 워터펌프 제어방법.

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