具有基流和峰流的混合型电动机械冷却液泵相关申请的交叉引用
这是2011年2月6日提交的标题为“冷却液泵(CoolantPump)”的美国专利申请序列号12/937,746
的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及具有机械操作模式和电动操作模式两者的冷却液泵。
背景技术
可从DE10214637A1中获知冷却液泵。为了能够实现具有这种冷却液泵的车辆的不同驱动操作状
态，所述车辆具有电动机驱动装置和另外机械驱动装置，提供可由电动机和/或机械驱动装置驱动的行星
传动。然而，这种设计就其机械构造而言是复杂的并且易于受操作不一致性影响。
因此，本发明的目的在于制造一种冷却泵，其具有相较于现有技术更简单且更可靠的设计并且其操作
更有效且自动防止故障危害。
发明内容
根据优选实施方案，泵轮轴被驱动进入驱动部分和与所述驱动部分分离的从动部分。离合器布置在驱
动部分和从动部分之间并且可打开以便将所述两个部分分离，并且所述离合器可关闭以便连接这两个部
分。在这个实施方案的情况下，泵轮既可由电动机驱动装置驱动也可由机械驱动装置驱动，每种情况独立
地进行。
在本发明的情况下，提供多个泵，以使得机械泵接替电动泵的功能以便在电动泵将效率低下或不足的
操作条件下提高泵功率。还可以获得电动泵的自动防止故障危害功能，因为在电力供应出现中断的情况下
电动泵可联接到机械泵。
本发明的特征之一是使用完全可变冷却液泵的重型卡车发动机的运转显示出需要两种不同体积的冷
却液流。需要较小体积或量的冷却液流(即“基流”)例如以便避免发动机中的热点。需要较大体积或量
的冷却液流(即“峰流”)例如以便在全负载条件下冷却车辆。
原则上，本发明的以下实现方式是可能的：
(A)虽然可以使两种泵类型并行地操作，但根据本发明特别优选的是提供串联连接的电动泵和机械
泵，其中受控的离合器例如基于压力测量值或对电力供应的监测而执行联接机械泵的功能。
(B)在机械操作的泵和电动操作的泵顺序布置的情况下，优选的是两个泵使用单个泵轮。
(C)根据本发明还可能的是，由于冷却液泵的尺寸缩小，所述冷却液泵既适于多用途车辆领域也适
于客运车辆领域。在客运车辆领域的情况下，可通过精确地调整基本的冷却液流来改进发动机的预热行为。
(D)在混合动力车辆中，本发明也可在发动机停止时提供冷却液流。交流发电机/发电机和电池的运
行需要冷却液流。因此，所需要的冷却液流可由电动泵和机械驱动泵根据本发明的组合来提供，而不像现
有技术那样需要辅助泵。
本发明具有许多益处和优点：
(1)整个系统的自动防止故障危害设计，这是因为在电动机驱动装置被停用时可以仅由机械驱动装
置来致动泵轮。通过致动离合器实现与机械驱动装置断开联接。在离合器的静止位置中，泵轮轴由机械驱
动装置驱动。在这种情况下，可通过电动机构将离合器保持在停用状态。在出现电气故障的情况下，离合
器自动将机械驱动装置连接到泵轮。
(2)用于致动驱动侧的两种操作原理，其中两个驱动侧可全部与从动侧断开联接，或者两个驱动侧
可仅单个与从动侧断开联接。
(3)用于与电动机驱动装置联接/断开联接的直列式概念。优选被设计为无刷直流(“DC”)电动机
的电动机驱动装置布置在泵轮轴的从动侧上。有离合器连接的机械驱动装置和另外电动机驱动装置可以对
齐方式布置在冷却液泵的同一个轴线上并且仅驱动单个泵轮。这是优选的实施方案。
(4)根据本发明的冷却液泵的概念与不同的冷却液泵设计兼容。
(5)如果冷却液泵是用于客运车辆的内燃发动机，那么根据本发明的冷却液泵在所述内燃发动机处
于停滞状态时可提供液压能。主泵轮可通过电动机的运转而产生操作后冷却。
(6)可利用根据本发明的冷却液泵获得顺序操作逻辑，因为泵轮可由电动机或机械驱动装置驱动。
(7)驱动侧上的轴承和从动侧上的轴承可以对齐方式布置在同一个轮轴上。
(8)当泵轮仅仅由机械驱动装置驱动时，可以从电动机驱动装置(发电机运转)恢复电能。从能量
方面而言，这在内燃发动机的超限运行模式下是尤其可能的。
(9)通过断开联接机械驱动装置和借助于电动机的操作来为大部分操作状态提供足够的冷却能力。
(10)由于冷却液泵的三次功率特性曲线，电动机提供基本的体积流量。通过联接机械驱动装置(不
具有电动机泵)来产生用于最大冷却能力的最大传输功率。
附图说明
根据以下基于附图对示例性实施方案的描述，可以得出本发明的其他细节、优点和特征，在附图中：
图1示出穿过根据本发明的冷却液泵的实施方案的截面图；
图2示出具有根据本发明的冷却液泵的内燃发动机的冷却回路的示意性构造；
图3和图4示出针对两个瞬时驱动周期的泵轮旋转速度相对于发动机速度的两个统计分布图；
图5描绘根据本发明的冷却液泵的实施方案的功率消耗；
图6和图7分别示出针对根据本发明的冷却液泵的实施方案的冷却液流情况和功率消耗；
图8是根据本发明的冷却液泵的实施方案的横截面图；并且
图9是利用根据本发明的冷却液泵的实施方案的内燃发动机的冷却回路的示意图。
具体实施方式
图1示出穿过根据本发明的一个实施方案的冷却液泵15的截面图。冷却液泵15具有布置在泵轮轴(也
被称为“叶轮轴”)上的泵轮(也被称为“叶轮”)。泵轮轴被分成驱动部分3和从动部分11。在示出的
实施方案中，驱动部分3形成为凸缘形结构，在这个实例中呈皮带轮形式的机械驱动装置1以可旋转的方
式固定地连接到所述凸缘形结构。在示出的实施方案中，由凸缘形结构3和皮带轮1构成的布置通过轴承
6安装在外壳7中。
机械驱动装置1可连接到机动车辆的内燃发动机，其中在示出的实施方案中，可以使用带传动。仅示
出皮带轮1以便简化说明。
泵轮(叶轮)轴的从动部分11通过两个轴承6和10安装在外壳7中，并且在其自由端16处支撑泵
轮13。此处，从动部分11的自由端16通过密封件12相对于外壳7密封，所述密封件12布置在泵轮13
与轴承10之间。
如图1中所示，泵轮轴的从动部分11和驱动部分3可通过离合器4连接，所述离合器布置在两个部
分3与11之间。离合器4例如可具体化为具有线圈5的电磁离合器。
电动机驱动装置定位在泵轮轴的从动部分11中，所述电动机驱动装置以与从动部分11上的机械驱动
装置3轴向对齐的方式进行布置，所述电动机驱动装置具有其转子9和围绕所述转子9的定子8。此处，
如图1中所示，转子9和定子8定位在外壳7中。
任选的霍尔效应装置14可布置在转子9与轴承6之间。
在根据本发明的冷却液泵15的这种设计的情况下，可以通过打开离合器4将泵轮13与机械驱动装置
1完全分离。此处，优选地具体化为无刷直流电动机的电动机驱动装置布置在泵轮轴的从动部分11的那一
侧上。当从动部分11通过打开的离合器4与驱动部分3分离时，这允许电动机驱动装置提供在可预定的
功率范围内可调节的冷却液流，所述可调节的冷却液流独立于冷却液泵15所连接的电动机的旋转速度。
为了这个目的，电动机驱动装置的转子9直接布置在泵轮轴的从动部分11上，如从图1中可看到的。
定子8围绕外壳7的同一个轴线整合在外壳7中、围绕转子9，如同样从图1中可看到的。
电动机驱动装置8、9可通过来自电子调节装置(在图1中未以任何更多的细节示出)的换相信号进
行调节。如果从动侧11与驱动侧3是分离的，那么泵轮13可由电动机驱动装置单独驱动。此处，前提条
件是，提供足够的液压输出功率以便提供所需要的冷却液流或连接到冷却液泵15的发动机的所有正常运
转条件。为了获得最大的可用冷却液流，泵轮轴的从动部分11可通过离合器4连接到驱动部分3。在这种
情况下，当电动机被停用时，泵轮13由机械驱动装置1单独驱动。
图2示出使用根据本发明的冷却液泵15的内燃发动机17的可能冷却回路的示意性构造。在这个高度
简化的示意性图解中，由电动机驱动的泵用参考符合20表示并且机械驱动的泵用参考符号21表示。串联
布置的两个泵可通过离合器4连接到带传动2并且可通过皮带轮1连接到发动机17以便提供所需要的机
械驱动能量。在示出的实施方案中，冷却液回路还具有恒温器18和冷却器构件19，如散热器，所述冷却
液回路的相互作用由箭头示出。
冷却液泵可以顺序或并行的方式布置，其中电动泵可以与机械驱动构件串联或并联的方式布置。这包
括以机械和液压两种方式(驱动侧或泵侧)进行的串行/并行操作。
图3和图4示出利用完全变量泵进行评估的两个瞬时驱动周期的数据，具有曲线和绘制在其中的条目。
曲线图50和60示出两个发生率曲线，它们示出两个典型的驱动周期的流量要求。描绘了基流52和62以
及峰流54和64的两个主要发生率。
在发生率曲线50中，基流52可由电动泵驱动装置在小于一kW功率下提供。在示出的实例中，峰流
54可由机械泵驱动装置在多于一kW功率下提供。
图5示出变量冷却液泵的两种主要模式的功率因素。顶部曲线图70绘制了冷却液泵的功率消耗，示
出体积流量(以公升/分钟(l/min))为单位)对功率(以kW为单位)。区域72是用于使用电动泵的优选
区域，并且区域74是用于使用机械驱动泵的优选区域。在76处示出用于确定泵选择和驱动类型的边界线。
在示出的实例中，边界线是一kW。
底部曲线图80与图4中的发生率曲线60相同，并且是曲线图70和优选区域72和74以及边界线76
的基础。在曲线图80的基础上，用于确定是使用机械驱动装置或是使用电动驱动装置的边界线在这个实
例中是在叶轮的约1500rpm下。
图3-5中所示的功率因素描绘了变量冷却液泵的两种主要模式。由泵提供的基流可通过由电动机驱动
的泵进行递送，因为功率消耗低于一kW。高于一kW的功率消耗难以通过电动机实现，这主要是因为现今
常见的车辆中缺乏电源。此处，机械驱动的系统是优选的。当需要更多的冷却时，机械驱动装置提供“升
压”。
以上所讨论的实施方案还提供“自动防止故障危害的”冷却液泵。如果车辆中的电气系统或电力出现
故障或以某种方式停止，那么机械驱动装置将接替并且冷却液泵将由叶轮和机械驱动装置来驱动。这将允
许车辆的操作员继续操作车辆直到电气系统故障可得到修复和再启用。
另外，即使在发动机切断或关闭时，所讨论的实施方案仍可继续通过系统递送冷却液。由车辆的电池
供电的电动驱动装置可使冷却液泵继续操作并且使冷却液循环直到发动机和其他部件得到足够的冷却。现
今一些车辆需要使用辅助泵来完成这种操作。
本发明的显著益处和优点包括以下各项：
(i)以液压方式并行或顺序地运行的电动泵和机械泵具有由电动泵系统的反压力或电力驱动的机械
构件上的受控离合器(所述离合器是由电动泵系统的电力供应或冷却液回路的反压力控制)；
(ii)以机械方式顺序地运行的机械驱动装置和电动驱动装置共用一个液压构件(即，叶轮)。
除了这些特征，本发明的冷却液泵可根据汽车市场细分的需求而缩小尺寸，在所述汽车市场细分中，
本发明的冷却液泵可通过正确地应用所需的基流与电动机的速度来改进车辆和发动机的预热行为。
根据本发明的实施方案，冷却液泵驱动装置可通过离合器(诸如电磁离合器)与FEAD驱动侧完全断
开联接。直流电动机被整合在从动轴轮轴中，以便当从动轮轴与驱动轴断开联接时，完全独立于发动机速
度提供在限定的性能范围内的可控冷却液流。为此，直流电动机的转子直接安装在从动轴上，并且定位在
处于转子上方和下方的两个轴承之间。定子在同一轴线上安装在冷却液泵外壳中。
优选地为无刷的直流电动机是由来自电子控制装置的换相信号进行控制。如果从动侧与驱动侧断开联
接，那么叶轮可由直流电动机来驱动。这将提供足够的液压动力以满足车辆的大部分操作条件所需要的冷
却液流。为了实现最大的可用冷却液流，从动侧例如通过电磁离合器与驱动侧联接。叶轮随后将由FEAD
来驱动。
如所指出的，本发明的实施方案的益处和特征包括：
·系统的自动防止故障危害功能，这是由于共同提供的电压。离合器将接合以便通过皮带轮来驱动
叶轮，如果无刷直流电动机被关闭的话。
·开/关离合器与电动机的直列式概念。直流电动机安装在从动侧上。离合器和直流电动机两个装
置在同一轴线上对齐并且仅驱动一个叶轮。
·可在发动机停止条件下提供液压动力。
·顺序操作逻辑，其中叶轮可仅由一个驱动装置(电动机或通过皮带轮)驱动。
·驱动侧和从动侧的轴承在同一轴线上对齐。
·从无刷直流电动机可能的电力恢复，如果叶轮是由皮带轮驱动的话。
图6和图7是两个另外的图，其示出本发明的实施方案的操作和益处。图6描绘冷却液流对发动机速
度，而图7描绘功率消耗对发动机速度。
在图6中，该图通常由参考数字100指定，线102描绘电磁离合器的接合。线104描绘20％冷却液流
的量。这个量是由直流电动机、具体地无刷直流电动机来控制，并且还是电动机可产生的最大流量。线
106表示离合器的脱离接合。
在直流电动机的情况下，仅需要总功率的约5％来提供约20％的冷却液流。
在图7中，该图通常由参考数字120指定，线122描绘电磁离合器接合时的功率消耗。线124描绘由
直流电动机导致的最大功率消耗，所述直流电动机优选地为无刷的。
图8描绘根据本发明的双模式冷却液泵的实施方案150。泵包括固定地连接到皮带轮构件154的第一
主体构件152。主体构件152通过附接到车辆发动机的带构件(未示出)而以输入速度旋转。这提供用于
使冷却液叶轮156旋转的机械驱动构件。
当不需要驱动叶轮构件156(使其旋转)时，轴承构件158允许机械驱动主体构件152自由旋转。
所述机械驱动主体构件定位在外壳构件160内。当冷却液泵150在使用时，外壳构件160附接到车辆
发动机或继而附接到发动机并且与发动机冷却液系统流体连通的另一个部件或外壳。
叶轮轴构件162居中定位在外壳160内。轴构件162在一端162-A处被牢固地固定到叶轮构件156。
轴构件的另一端162-B被固定到可打开且可关闭的离合器机构170。离合器机构170优选地是电磁离合器
机构并且由电线圈180操作。
叶轮轴构件162通过一对轴承172和174可旋转地定位在外壳160内。优选地为无刷直流电动机的电
动机190定位在外壳中并且位于两个轴承构件172、174之间。电动机190包括定子构件192和转子构件
194。转子构件194被牢固地固定到叶轮轴构件162并且随着其旋转。
密封构件196用于将冷却液(叶轮156定位在其中)与冷却液泵150的各部件隔离。另外，任选的霍
尔效应装置(HED)198邻近转子构件定位在外壳中以便监测叶轮轴的旋转速度并且将数据提供至计算机
控制系统，例如像电子控制单元(ECU)。由HED生成并提供的数据以及由其他传感器提供的其它可能的数
据通常控制冷却液泵的操作。
冷却液泵150是双模式冷却液泵，其用于操作并且控制叶轮的旋转操作以及因此发动机和/或车辆冷
却系统中的冷却液流。在正常条件下，叶轮是由电动机190操作的。在这些条件下，电磁离合器机构170
由来自线圈构件180的动力而保持在打开条件中。当需要更多的冷却时，或在冷却液泵失去电动机的自动
防止故障危害情况下，离合器机构170关闭并且轴构件162通过机械驱动构件152而旋转。
如图8的描述中所指出的，第一主体构件152包括用于冷却液泵的机械驱动机构，而电动机190包括
用于冷却液泵的从动驱动机构。
图9示意性地描绘用于车辆发动机的冷却系统200和用于所述冷却系统的控制系统230。所述冷却系
统包括车辆发动机202、恒温器204、热交换器206(诸如散热器)以及双模式冷却液泵208。冷却液泵
208包括皮带轮构件210、机械驱动机构212、离合器机构214以及直流电动机216。
冷却液泵208例如可以是以上讨论的且在图8中示出的冷却液泵150。
皮带轮构件210由来自皮带轮构件222的带220驱动，所述皮带轮构件222附接到车辆发动机202并
且通过其旋转。发动机冷却液从发动机202流动穿过散热器206并且随后在被引导回至发动机之前穿过冷
却液泵208。
控制系统230包括电子控制单元(ECU)232，所述ECU232控制冷却液泵208的操作。所述ECU接
收来自各种传感器如一个或多个温度传感器234的数据，所述数据有助于引导冷却系统的操作。此外，可
提供冷却液泵208中的控制逻辑240以便操作各种冷却液泵部件和机构。ECU232还可以与发动机和车辆
中的一个或多个其他ECU通信并且接收来自所述一个或多个其他ECU的数据。
在本发明的情况下，冷却液泵驱动装置可通过例如电磁离合器与FEAD驱动侧完全断开联接。无刷直
流电动机与从动轴构件整合以便独立于发动机速度提供在限定的性能范围内可控的冷却液流。为此，无刷
直流电动机的转子直接安装在从动轴构件上，同时滚柱轴承定位在转子上方和下方。定子在同一轴线上安
装在冷却液泵外壳中。
无刷直流电动机由来自电子控制单元的换相信号进行控制。如果从动侧与驱动侧断开联接，那么叶轮
由无刷直流电动机来驱动。所述冷却液泵被设计用于提供足够的液压动力以满足车辆的大部分操作条件所
需要的冷却液流。为了实现最大的可用冷却液流，从动侧例如通过电磁离合器与驱动侧联接。叶轮随后将
由FEAD来驱动。
本发明至少提供以下各项：
·自动防止故障危害系统，这是由于共同供应电压。离合器将接合以便通过皮带轮来驱动叶轮，如
果无刷直流电动机将被关闭的话。
·开/关离合器与电动机的直列式概念。无刷直流电动机安装在从动侧上。离合器和无刷直流电
动机两个装置在同一轴线上对齐并且均可操作地定位成用于驱动同一个叶轮。
·可在发动机停止条件下提供液压动力。
·顺序操作逻辑，其中叶轮可仅由一个装置(电动机或通过皮带轮)驱动。
·驱动侧和从动侧上的轴承在同一轴线上对齐。
当叶轮由皮带轮驱动时，从无刷直流电动机的电力恢复。
虽然本文已示出并描述了本发明的优选实施方案，但本领域的技术人员将想出许多变化和替代的实施
方案。因此，所意图的是，本发明并不限于本文所述的优选实施方案，而是限于所附权利要求书的条款。