车辆冷却系统控制相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年9月3日提交的美国专利申请62/045,533的权
益。
技术领域
本发明涉及用于控制车辆中冷却液流量的方法、组件和系统。
发明背景
当今大部分车辆使用依靠有机燃料(如汽油)运行的发动机。由于发
动机在使用过程中产生热量，已经开发了不同的冷却系统用于将发动机的
温度保持在可接受的极限内。这些冷却系统通常使冷却液流体循环通过发
动机、散热器和其他部件以便从发动机提取热量。
当今需要车辆满足更高的每加仑汽油行驶英里标准并且还满足关于
有毒排放物的更严格的标准已经导致开发出尝试满足这些标准的不同的
组件、部件和发动机系统。同时，随着车辆变得更小来减小重量和添加到
发动机上的部件数量，对更小和更轻的部件和封装的需求增加。
因此，如果提供改进的方法、设备和系统来满足这些不同的条件，将
是有益的。那样做是本发明的目标。
发明概述
本发明提供了一种用于在车辆中使用以提高发动机冷却系统的效率
并且还有助于提高燃油里程、减少不令人希望的排放物并且提供能够定位
在发动机隔室中的更大位置处的总体封装大小和形状的方法、设备和系
统。
本发明的优选实施例包括一种用于操作使冷却液在冷却系统中循环
的叶轮的双模式装置或其他类型的装置、一个对能够流过该系统的冷却液
的量进行调节的冷却液控制阀(CCV)、一个用于该CCV的激活装置、以
及一个方便所有这些部件的高效且有效定位和使用的壳体。该实施例还优
选地包括以最有效且高效的方式操作这些部件和冷却系统的控制策略和
系统。如果使用双模式装置，则该双模式装置包括一个电动机作为用于使
冷却液叶轮旋转的主源、和一个能够接合以便当需要时使叶轮以输入速度
运转的摩擦离合器。优选地与叶轮旋转系统协作的激活电机以对循环通过
散热器、发动机和冷却系统的其余部分的冷却液的流动方向进行最佳控制
的方式使冷却液控制阀旋转。
本发明的其他特征、益处和优点将以下附图简要说明、附图本身、优
选实施例和附属权利要求的详细说明中变得明显。
附图简要说明
图1是本发明的一个实施例的透视图。
图2是图1中所描绘的实施例的部件的分解图。
图3是图1中所描绘的本发明的实施例的截面图。
图4是图1中所示的本发明的实施例中所使用的冷却控制阀的透视
图。
图5和图6描绘了可以与本发明的实施例一起使用的叶轮实施例。
图7描绘了用于图1至图3中所示的实施例的控制系统。
图8是展示了各区冷却液流量对发动机转速的曲线图。
图9示意性地展示了本发明的另一个实施例和示例性控制系统。
图10示意性地描绘了本发明的另一个实施例。
图11示意性地描绘了替代性CCV控制系统。
图12描绘了使用单向离合器机构的本发明的实施例。
优选实施方式的说明
如图1至图3所示，本发明的优选实施例10包括一个叶轮电机组件
20、一个中心壳体30、一个冷却液控制阀40和一个阀激活装置50。
叶轮电机组件20包括一个电动机22、一个电磁致动摩擦离合器机构
24、一个中心轴构件26和一个叶轮构件28。图3中更详细地示出了这些。
该叶轮电机组件20是用于控制冷却液叶轮28的旋转的双模式机构。
在未决美国申请序列号14/149,683中更详细地描述了双模式离合器机构
20，该申请的披露内容通过引用结合于此。这一美国专利申请于2014年1
月7日提交，并且标题为“AccessoryDriveWithFrictionClutchandElectric
Motor(具有摩擦离合器和电动机的附件传动装置)”(代理人案号
442/12180C)。
该双模式机构包括优选地是无刷直流电机的电动机机构22。该机构
22包括一个定子60、一个转子62，并且通过导线引线64和/或65以电动
方式致动。电机22直接连接至轴构件26，并且当通电时，使该轴构件和
叶轮以所希望的速度旋转。转速由车辆发动机的接收来自各种传感器的输
入的电控单元(ECU)来确定。这些传感器读取许多运转状况，如冷却液
温度，并且将那些状况传输给发动机ECU或冷却液泵ECU或两者。于是
向电机提供适当的能量以便当需要时和以适当的速度使叶轮旋转以将冷
却液的温度保持在所希望的极限内。图7中示意性地示出了这种类型的控
制系统。该双模式机构还可以具有与发动机的主ECU进行通信的单独的
ECU。
轴构件26通过一对轴衬构件66和68而被可旋转地支撑在电机组件
20内。叶轮构件28通过安装机构70附接至该轴构件。叶轮具有多个附接
至中心轮毂构件74上的弯曲叶片72，如图5和图6中所示。该轮毂构件
和这些叶片构件定位在外护罩构件76中。
摩擦离合器机构24包括一个螺线管构件80、一个滑轮构件82、一个
轴衬构件84、一个电枢构件86、一个摩擦片构件88、一个偏置弹簧构件
90、一个止动构件92和一个螺母构件94。盖构件96对所有这些部件进行
定位并且将它们固持在一起。摩擦片构件88包括一对附着于摩擦片构件
88的相反两侧上的摩擦构件88a和88b。
螺线管构件80定位在螺线管壳体100中并且通过引线构件64和/或
65选择性地通电。当螺线管构件80通电时，其吸引并轴向地移动电枢构
件86以防止摩擦构件88a、88b分别与盖构件96和电枢构件86接触。止
动构件92和弹簧偏置构件90将摩擦片构件保持在中间位置上。弹簧构件
110起到使电枢构件86在轴向方向上偏置的作用。
当需要使叶轮构件以更大的速度旋转以便增加冷却液流量时，例如，
当发动机正用于驱动重负载或者车辆正在向上爬陡坡时，该螺线管构件失
活并且于是轴构件26和叶轮被滑轮构件82以输入速度直接驱动。美国专
利申请序列号14/149,683中更详细地描述了这种运转。
中心壳体30优选地由塑料材料制成并且包括一个冷却液引入端口32
和冷却液流出端口34。该中心壳体还包括一个连接至叶轮构件组件20上
的凸缘构件38上的底座构件36。适当的密封构件和机构(未示出)用于
对电机组件20和壳体30之间的连接进行密封并且防止冷却液泄漏。
冷却液通过中心壳体的流量是由冷却液控制阀构件(CCV)40控制的。
如图4中所示，该CCV是在一个在侧表面44中具有至少一个开口42的
圆柱形杯状构件。该CCV还具有一个用于与从阀激活装置延伸出来的轴
构件48配合并连接的套接口46。激活装置50使轴构件48旋转。
该阀激活装置50具有一个附接和附着于中心壳体30上的安装构件54
上的安装构件52。适当的密封构件和机构(未示出)用于对该壳体与激活
构件之间的连接进行密封并且防止冷却液流体泄漏。
阀激活装置50包括一个电机或类似装置并且可以是当今已知的可电
控的任何传统CCV旋转装置。可以固定博格华纳股份有限公司
(BorgWarnerInc.)(原名是德国GustavWahlerGmbH公司)的一个优选
装置。
该CCV在该壳体内旋转以提供通过冷却系统的适当和所需冷却液流
量。根据需要，该CCV可以具有充分数量和位置的开口。该CCV可以旋
转至它能够阻止流经过出口的一个位置，旋转至它在入口与出口之间允许
全流量的另一个位置，和旋转至无限的多种位置，在这些位置之间允许适
当的流量以将冷却液温度保持在其所希望的运转范围内。典型地，致动装
置使CCV在270°范围内来回旋转。CCV阀的旋转位置通常被称为“旋转
角度”。
轴构件48的旋转、和因此CCV的旋转程度基于输入至ECU之一中
的并且由其控制的许多因素。
图1至图3中所示的系统具有轴向对齐的叶轮28的轴和CCV的轴。
这是一个实施例，而不是强制性的。这两个轴、并且因此叶轮电机组件30
和阀激活装置的取向、及其激活可以相对于彼此在任何角度或位置。例如，
只要结果实施例以类似的方式执行基本上相同的功能并且实现类似的结
果，这些轴就可以并排、平行于彼此、在同一方向上延伸、彼此成90°等
来定位。
图7示意性地描绘了用于实施例10的运转的控制系统140。电动机和
摩擦离合器的螺线管构件是由车辆的ECU150来操作控制的。控制逻辑
170包含在冷却液泵ECU中。发动机ECU从不同传感器160接收数据并
且传达至冷却液泵ECU以控制叶轮的速度和通过CCV的流动方向。
通常定位在电机组件20中的控制逻辑170用于控制阀激活装置50的
操作。因此，基于来自发动机ECU150的输入，控制逻辑170用于当需要
时激活电动机和螺线管构件。该控制逻辑根据需要致动该电动机以及阀激
活装置50，并且因此控制阀构件40的旋转量和程度。阀构件40的旋转量
和程度进而控制允许流过冷却系统的冷却液流体的量和方向。这进而用于
控制冷却液的温度并将温度保持在所希望的运转温度范围内。
用于控制CCV的替代系统在图11中示出并且由参考数字400来指定。
此处，CCV40限制冷却液流动方向，而双模式机构20控制流量。当流经
过CCV40时，该流被分开在路径A和路径B之间。通过路径B的流被送
往冷却系统410，而通过路径A的流返回至双模式机构20。
CCV40所引导的流量可以按任意量分开，如路径A中0-100％而路径
B中100-0％。通过路径B送往冷却系统410的流量取决于保持适当的冷
却所需的量。
使用图7中所示的控制系统140并且使用ECU150和双模式控制逻辑
170，冷却液的温度能够以若干种方式受到控制并且保持在所希望的温度
范围内：(1)通过使用电动机本身来使叶轮旋转并且使冷却液循环通过冷
却系统的散热器和其他部件；(2)通过以螺线管构件失活引起的输入速度
使叶轮旋转；(3)通过根据需要激活阀激活装置50并且使CCV40旋转来
允许适当的冷却液流体流量通过冷却系统；或者(4)通过(1)、(2)和
(3)中任意一个或全部的组合。
通过另一个实例的方式，冷却液可能仅仅通过由电动机驱动的叶轮来
循环，CCV设置在一个位置。作为一项变化，电动机(和因此叶轮)的速
度可以根据需要被提高或降低以允许冷却液的温度保持在所希望的范围
内。作为另一项变化，电动机和叶轮的速度可以保持不变，并且CCV阀
可以向一个方向或另一个方向旋转(通过激活装置)，从而调节冷却液流
量以便保持冷却液温度不变或至少在所希望的范围内。
作为又另一个实例，叶轮可以以输入速度运行以便保持冷却液温度不
变或在所希望的范围内。此处，ECU将使允许摩擦构件与电机组件盖相接
触的螺线管失活并且因此使叶轮以输入速度旋转。该电机组件将通过位于
滑轮构件82上的发动机皮带来旋转。CCV可以保持在一个位置，或者它
还可以根据控制逻辑向一个方向或另一个方向旋转以增加或减少各个方
向上的冷却液流量。
作为再进一步的实例，控制逻辑系统可以保持冷却液温度不变(在几
度内)或者简单地通过相应地致动激活装置和使CCV旋转来使温度向一
个方向或另一个方向变化(升高或降低)以增加或减少通过壳体的冷却液
流量。在这种情况下，电动机将以恒定的速度运转并且螺线管构件将被激
活以防止机械组件使叶轮旋转。
作为后一个实例的变化，该机械组件可以通过发动机皮带来旋转，并
且速度随着CCV的旋转由电动机控制以帮助流量调节。
在车辆被关闭的情况下，即，发电停止运行，在许多实例中仍然需要
保持冷却液流体流动直到发动机和其他部件冷却下来。在本实例中，冷却
液风扇将通常通过来自电池的动力继续运转。类似地，ECU和控制逻辑可
以通过电池动力继续使电动机运转并使叶轮旋转。还可以通过使CCV旋
转来同时控制流量和/或流动方向。这将提供冷却液在冷却系统中流动并且
流过发动机，直到发动机和其他部件被充分冷却。
图8中的曲线图250展示了这些情况中的许多情况。在区260，车辆
发动机被关闭并且冷却液流体主要通过电动机的致动凭借叶轮(冷却液
泵)继续流动。这可以在恒定的速度，并且有或没有来自CCV对流量控
制的任何辅助。
图250的区270是发动机正在提速并且冷却液流量和温度也正在增
加。区270通常被称为“超速模式”。通过使用双模式机构的电动机使叶
轮运转来提供更大的冷却液流量。在这个区中，发动机RPM不提供足够
的机械速度来产生冷却系统所需求的流量。ECU和冷却逻辑根据需要通过
电动机使冷却液泵以高达输入速度运转(即，使叶轮旋转)。叶轮的RPM
或速度将根据需要提高以将冷却液温度保持在所希望的范围内。同时，控
制逻辑还能够通过使CCV旋转来调节通过壳体和系统的冷却液流量。这
将由控制逻辑决定。
在区280，取决于所需的叶轮速度，叶轮根据需要或者以电动方式或
者以机械方式运转。如果所希望的速度低于那个输入速度，则叶轮通过电
动机以电动方式运转。如果需要输入速度，则叶轮以输入速度以机械方式
运转。冷却液流量也始终通过CCV的旋转来调节。基于ECU和控制逻辑，
实现了所需叶轮速度和冷却液流量以便控制冷却液流体的温度。
在某些发动机情况下，可能仅需要使用电动机来使与CCV相关联的
冷却液泵叶轮运转。图9中示出了本实施例300。该实施例包括与叶轮构
件28可操作性相关联的电动机200、和与激活装置50可操作性相关联的
CCV40。没有包括用于使叶轮旋转的机械装置。ECU150′接收来自传感器
160的输入并且将数据提交给控制逻辑170′。该控制逻辑于是使电动机200
运转和/或用该CCV调节流量，并且实现图8中的区260、270和280中所
示的操作。在这些情况下，还可能能够通过保持叶轮的速度来将冷却液流
体的温度控制在恒定温度并且通过调节CCV的旋转角度来调节流量。
图10描绘了根据本发明的另一个系统实施例350。本系统与图1至图
3中所示的双模式实施例类似，但使用单向离合器机构380来代替摩擦离
合器机构。系统实施例350包括可以与以上讨论的电动机相同的电动机370
(优选地是无刷的)。当被ECU360和控制逻辑365激活时，电动机370
使叶轮28旋转以引起冷却液流体流过冷却系统并且将冷却液流体的温度
保持在所希望的极限内。CCV40通过激活装置50的运转和激活由控制逻
辑以与以上讨论的相同的或类似的方式控制。该CCV可以向一个方向或
另一个方向旋转，或者向左旋转到一个位置，以影响或不影响冷却液流体
的流量。
单向离合器380被定位成与叶轮轴操作性相关联以便仅允许该轴和叶
轮向一个方向旋转。可以用于此目的的单向离合器的实施例和类型包括斜
撑离合器、凸轮离合器和滚轮坡道式离合器。
图12展示了本发明的使用单向离合器机构510代替摩擦离合器的实
施例500。机构500的与以上所讨论和图3中所示的相同的部件用相同的
参考号标识，但以“5”开始。
虽然本发明已经与一个或多个实施例相结合而进行了说明，但应该理
解已经说明的特定的机构和技术仅仅是对本发明的原理的解释，可以对所
说明的这些方法和装置做出很多修改而不脱离由所附权利要求限定的本
发明的精神和范围。