インタンク燃料ポンプのブラシレスモーターによる燃費向上

Delphi パワートレイン システム、ミシガン州トロイ

ほとんどの自動車燃料システムは、指定された圧力と流量でガソリンを濾過し、燃料タンクからエンジンにガソリンを送り出すためのコンポーネントを備えた燃料供給モジュール (FDM) を使用します。 FDM は、リザーバー アセンブリを使用してポンプ入口での燃料供給を維持し、圧力レギュレーターやリミッター、フィルター、レベル センサー、タンクを通過する電気接続および油圧接続などのコンポーネントをサポートします。現在のシステムは主に、ブラシ ポンプや抵抗性燃料レベル センサーなどの受動的な電気コンポーネントを使用しており、これらはそれぞれ電圧供給モジュールと車体制御モジュールに独立して接続されています。これらのシステムの高流量レベルには、最大速度条件で連続的に動作できる高出力ポンプが必要です。一部の新しいシステムでは、電圧コントローラーを採用して、予測されるエンジン需要に応じてポンプ供給電圧を個別の速度に調整し、消費電力をある程度改善する場合があります。

FDM 内にブラシレス コントローラーを含む統合モジュールを備えた車両アーキテクチャ

新しい FDM はポンプ アセンブリにブラシレス (BL) モーターを採用しており、モーターに電気整流を提供する統合コントローラーが含まれています。 BL ポンプはブラシ ポンプよりも効率が高く、コントローラが閉ループ速度制御を提供するため、このソリューションは電力消費量と、その結果として二酸化炭素 (CO2) 排出量を大幅に改善します。 BL ポンプのもう 1 つの利点は、モーターのステーターとローターの間の磁気結合と、攻撃的な燃料で摩耗および/または膜が形成される可能性のある接点の排除によってもたらされます。これにより、FDM の耐久性と信頼性が向上します。

さらに、統合コントローラはポンプ診断を提供し、追加の健康状態情報を有効にしたり、非接触燃料レベルセンサーなどの改良された感知技術とインターフェースすることによってシステム性能をさらに向上させたりするために、タンクアセンブリ内にセンサー信号処理回路を含めることができます。 BL コントローラーは、センサーレス モーター速度測定の逆起電力 (起電力) 感知フェーズに伴うノイズの低減に加え、ポンプに近接しているという利点も得られます。

この図は、FDM 内に BL コントローラーを含む統合モジュールを備えた車両アーキテクチャを示しています。 BL ポンプ コントローラーは、ブラシ ポンプの電圧コントローラーと同様の技術を使用して、供給電圧を高周波で遮断することにより、3 つの各相に流れる電流を変調します。シャットオフ時間は、ポンプ速度をエンジン制御モジュール (ECM) によって指令されたレベルに維持するために必要な駆動電流レベルに達するように調整されます。このパルス幅変調 (PWM) 電圧信号により、閉ループ速度制御が可能になり、圧力、供給電圧、燃料特性、温度などの環境要因に関係なく燃料流量を確保できます。

さらに、BL コントローラーはポンプ パラメーターの変動と時間に起因するドリフトを補償します。統合された FDM アセンブリは、BL ポンプまでの距離を最小限に抑え、ポンプの設計とアプリケーションの要件に合わせて調整された制御アルゴリズムを提供することにより、システムのパフォーマンスを最適化します。さらに、BL コントローラーには、供給電圧、駆動電流、コントローラー温度、モーター速度を監視するためのポンプ診断機能が含まれています。これらのパラメータが予測可能および/または許容範囲を超えて変動すると、損傷を防ぐためにシステムのシャットダウンが促される場合や、単に異常状態を ECM に伝える場合があります。

堅牢なエンジニアリング技術とその他の統計ツールを使用して、厳しいトルク、速度、圧力、流量の要件を満たす最適なソリューションを導き出しました。解析ツールを使用して実験の完全な要因計画を実行し、モーターの性能をシミュレーションし、過剰な振動や騒音の原因となるコギングトルク、トルクリップル、不均衡な磁力を最小限に抑えながら、アプリケーションのトルクと効率の要件を満たすパラメーターの組み合わせを導き出しました。最適な組み合わせと分析結果は、モーター アセンブリを使用した実験室テストで確認されました。実験の結果、ステーターに 9 極、ローターに 10 極のモーター設計が生まれました。巻線構成は、12 ボルト、5000 rpm で 0.10 Nm を超えるトルクを満たすように調整されており、アセンブリの設計許容レベルで 68% の効率が得られます。

この作業は、Delphi Powertrain Systems の Duane Collins、Philip Anderson、Sharon Beyer、Daniel Moreno によって行われました。このテクノロジーに関する完全な技術文書は、SAE International (http://papers.sae.org/2012-01-0426) から購入できます。