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May 22, 2009

BMW 電動ウォーターポンプ　マップ制御式サーモスタットエンジンの熱管理

テーマ：外車乗ってる人、興味ある人集まれ！！(577)

カテゴリ：ＢＭＷ自動車エンジン

BMW
マップ制御式サーモスタットエンジンの熱管理

BMWの電動（エレクトリック）ウォーターポンプは

NG/New Generation エンジンから採用され

エンジンの動力を利用する機械式ウォーターポンプの作動エネルギーと比べて

90％ダウンと燃費向上が大きく図れそうな数字が出ていたりしますが

コストが高く、車両全体の燃費向上は2～3％前後なので

採用当時は、エンジンの動力を利用する

粘性式ファンクラッチ（ファンカップリング）の冷却ファンから

電動冷却ファンに進化した事と比べ費用対効果が低いと自動車業界では言われてしまい

BMW COMPLETEが紹介したEffceient Dynamics 14のテクノロジーから

しかし

2～3％前後向上するのは事実・・・電動ウォーターポンプを考えてみました

エンジン冷却システムに求められるものは

例えば、高負荷運転の時には冷却液温度を低くし

低負荷運転の時は冷却液温度を高くすることで燃費向上が図れるので

最適な冷却液温度にすることが重要なハズで

BMWだとMTK/Partial Engine Coolingコンセプトになるかと思いますが

従来のエンジンの熱管理は

機械式ウォーターポンプや温度センサやラジエータ

熱膨張体（ワックス）などの従来のサーモスタットや電子制御式サーモスタット

ファンカップリングの冷却ファンや電動冷却ファンなどで制御し

エンジンの動力を利用して冷却液を吐出するのでエンジンの駆動ロスになり

エンジン回転数が上がれば正比例して冷却液の流量が増えていくので

冷却能力をエンジン回転数に依存し

吐出量が最大冷却要件（ラジエータの放熱能力が乏しい低車速高負荷運転の時に

冷却能力が最大値になるよう）に対応して設計しているハズなので

循環しているかと思います

1：ラジエータ
2：ギアボックスオイルクーラー
3：ラジエータ出口す温度センサ
4：エンジンオイルクーラー
5：ギアボックスオイルクーラー用サーモスタット
6：電子制御式サーモスタット（KFT/Kennfeldthermostat マップ制御式サーモスタット）
7：ウォーターポンプ（電動）
8：ターボチャージャー
9：ヒータコア（IHKA/Automatic Heating and A/Cなど）　
10：シリンダーヘッド出口温度センサ
11：サーモスタット、エンジンオイルクーラー
12：リザーバータンク（AGB/Ausgleichsbehalter エキスパンションタンク）
13：ベントライン
14：ギアボックスオイルクーラー
15：冷却ファン（電動）

最近のBMWは

エンジンの動力を利用しないでエンジンの駆動ロスを最小限に抑え

エンジンの熱管理をより効率的にして冷却損失を低減し燃費向上を可能にする為

BMW N52エンジンだとPierburg製の出力電力200W、最大吐出容量7000L/hを

BMW N54エンジンだとコンチネンタルVDO製で出力電力400W、最大吐出容量9000L/hの

エレクトリック（電動）ウォーターポンプを採用し

電動ウォータポンプは、遠心ポンプのように設計され

電動ウォータポンプモータの出力は、モータの電気接続部分に配置された

EWPU/Electric Water Pump Unitによって電子制御されているハズで

EWPUは、BMWのECU/Engine Control Unitである

DME/Digital Motor ElectronicsにBSD/Bit-Serial Data interfaceを介して

接続されているので

DMEは、エンジン負荷（スロットル開度）、動作モード、冷却液温度からの

情報で必要な冷却能力を決定しEWPUに命令しているハズで

低い外気温度や低い冷却要件の場合は低出力で電動ウォーターポンプを作動させ

高い外気温度や高い冷却要件の場合は高出力で電動ウォーターポンプを作動させ

エンジンオフ後に熱の移動（熱放散）を容易にする為に

電動ウォーターポンプを作動させ

冷間始動時に外気温度が許容範囲内にあり暖房を必要としない場合は

電動ウォーターポンプを停止し冷却液の流れを止め

燃焼室の壁面から冷却液への熱放散が抑えられエンジンを早く暖機でき

電動ウォータポンプは、冷却液を吐出するだけではなく

冷却液をポンプモータ部分まで流し込み、ポンプモータやベアリングそしてEWPUも

冷却しているかと思います

ちなみに

近年のBMW場合は、完全密閉式の冷却システムなので

AGB/Ausgleichsbehalter（エキスパンションタンク）の上部に貯まった空気が

ダンパーの役目をし、AGBからエンジン側に連通する冷却液ホースを通して

冷却液を供給することで

エンジン側の冷却ラインの圧力が低下するのを可能な限り防止していると思いますが

簡易密閉式の冷却システムだと

冷間始動時のエンジン回転速度が高い時は、サーモスタットが全閉状態なので

ウォータポンプの前後差圧が増大してキャビテーションが発生し騒音や振動の原因となり

ウォータポンプの耐久性が悪化するので

停止できる電動ウォーターポンプだとウォータポンプの耐久性の悪化を遅らせる事が

可能かもしれませんし

5000回転程度からキャビテーションが発生し冷却液の流量が増えないハズなので

エンジン回転数が上がって正比例して冷却液の流量が増えていく

機械式ウォーターポンプより、出力を調整できる電動ウォーターポンプの方が

5000回転程度より上のエンジンの駆動ロスをより抑える事が可能かもしれません

近年のBMWの熱管理の制御については

DME内のソフトウェアに負荷に基づくシリンダーヘッドの温度変化を考慮できる

計算モデルがあり

電子制御式サーモスタット（KFT/Kennfeldthermostat マップ制御式サーモスタット）の

制御と同様に、電動ウォーターポンプも必要に応じてマップを使い制御が可能なハズで

例えば、シリンダーヘッドの温度を

摂氏112度：ECOモード
摂氏105度：ノーマルモード
摂氏 95度：ハイモード
摂氏 80度：ハイ+マップドサーモスタットモード

とし

DMEは、現在の動作状況に基づいてECOモードを決定した場合

冷却液の制御で

シリンダヘッドの温度を摂氏112度に上げるとエンジンの内部摩擦が低減されるので

比較的低燃費で運転でき低負荷運転での燃費向上が図れることになり

ハイ+マップドサーモスタットモードでは

シリンダヘッドの温度を摂氏80度に下げると体積効率が改善しトルクが増加して

エンジンの最適なパワー発生を利用でき

燃焼室の内壁温度の上昇伴い混合気の温度上昇によるノッキング等の異常燃焼も

抑制することができ

DMEはそれぞれの運転状況に合わせ特定の動作モードを設定することで

冷却システムによって燃料消費とパワー出力に影響することができるかと思います

1：摂氏110度サーモスタットの特性カーブ
2：マップ制御式サーモスタットの特性カーブ
3：摂氏85度のサーモスタットの特性カーブ
4：低負荷運転の時（部分負荷範囲）
5：高負荷運転の時（全負荷範囲）
6：低負荷運転の時

ちなみに

従来のサーモスタットは

燃費向上を目的としてエンジンに導入する冷却液温度を制御できるように

ラジエータ側に循環させる冷却液の流量を調節する制御バルブなり

バルブ制御のアクチュエータとして熱膨張体（ワックス）や電気制御がありますが

近年のBMWが採用する

KFT/Kennfeldthermostat（マップ制御式サーモスタット）は

BMWが考えるMTKの効果をさらに上げる為に

BMW 8シリーズ（E31）用のBMW M62B44エンジンには、従来のサーモスタットが

採用されましたが

BMW 7シリーズ（E38）、BMW 5シリーズ（E39）用のBMW M62B44およびM62B35エンジンから

ウォータポンプのハウジングに内蔵して世界で初めて採用されたハズで

冷却液温度、吸気温（外気温）、車速、エンジン負荷（スロットル開度）、エンジン回転数

の情報を考慮し、DMEやDDE/Digital Diesel Electronicsにプログラムされている

特性マップでKFTを制御しているかと思います

初期のKFTは

サーモスタットとアルミダイカストのカバーで構成され

従来のサーモスタットと同じでバルブ制御のアクチュエータとしてワックスを採用し

ワックス部分に発熱素子を追加しサーモスタットを開閉しているハズで

従来のサーモスタットは摂氏85度でしか開きませんが

DMEによって制御介入しない場合は、冷却液温度（エンジン入口）が約摂氏103度

エンジン出口の冷却液温度（DMEや水温計用の温度センサの位置）だと摂氏110度で開く

ようにしてるハズで

低負荷運転の時は冷却液温度を高くしエンジンの内部摩擦を低減し燃費向上させてるハズで

DMEによって制御介入する場合は、発熱素子に電気が流れ

ワックスを加熱することにより、低い冷却液温度の約摂氏80度

エンジン出口の冷却液温度だと従来の摂氏85度で開くようにしてるハズで

高負荷運転の時には冷却液温度を低くし

体積効率を改善しトルクが増加してエンジンの最適なパワー発生を利用でき

燃焼室の内壁温度の上昇伴い混合気の温度上昇によるノッキング等の異常燃焼も

抑制することができるハズで

エンジン出口の冷却液温度で摂氏113度を上回る場合は

他の情報に関係なくDMEによってKFTのワックスを加熱するようになっていたと思います

ちなみに

インストルメントクラスター内の水温計があるBMWであれば

水温計の指針は、冷却液温度の摂氏75～113度の中間位置で指すようにしているハズです

冷却ファンカップリングや

BMWの完全密閉式エンジン冷却システム、アンチフリーズ/クーラント（ロングライフクーラント）

については

お時間があれば

t3109　 BMW 完全密閉式エンジン冷却システム LLC ロングライフクーラント
http://plaza.rakuten.co.jp/t3109/diary/200805220000/

t3109　 BMW 冷却ファンカップリングオイル漏れ
http://plaza.rakuten.co.jp/t3109/diary/201004030000/

を閲覧して下さい