CN101233338A - 用于内燃机的冷却剂泵 - Google Patents

Abstract

一种内燃机(2)，其依靠冷却液散去内燃机内燃烧所产生的热。一种由内燃机本身驱动的冷却剂泵(16)，其使冷却剂循环通过内燃机中的通道(14)。所述泵包括离合器，比如磁粉离合器(36)或者磁流变离合器，所述离合器依靠磁场来控制泵运转的速度以及循环冷却剂的流速，使得在内燃机的速度和泵的速度之间具有可变的传动比。

Description

用于内燃机的冷却剂泵

技术领域

本申请源自2005年8月1日提出的美国专利申请第11/194,382号并并且要求该申请的优先权。

本发明总体上涉及泵，更具体地，涉及一种用于内燃机的冷却剂泵、一种装备这种泵的内燃机、以及一种从这种内燃机散热的方法。

背景技术

许多内燃机依靠冷却液散去可能损坏内燃机的热。在一般的内燃机中，冷却剂通道围绕内燃机的气缸，并且由内燃机本身驱动的水泵使冷却剂循环通过该通道。在大多数的内燃机中，特别是在那些用于动力机动车辆的内燃机中，水泵还使冷却剂循环通过散热器，热在散热器那里被传递到经过散热器的空气中。用于这种内燃机的水泵还可以使冷却剂循环通过用于向车厢内供热的加热器形式的附加热交换器。通常，一旦冷却剂到达规定的操作温度，自动调温器将限制流至散热器的冷却剂的流量以便维持冷却剂通道中的冷却剂的温度大体上恒温。

直接联结到内燃机曲轴的水泵以一定的速度运转，该速度以固定的传动比与该曲轴的速度关联。如果曲轴的速度增加，水泵的速度也增加。但是这通常不能最佳地冷却内燃机或者最好地向散热器或加热器中的任一个提供冷却剂。例如，当汽车内燃机高速运转一段时间并随后在停止位置进入空转状态或者在城市驾驶中进入低速状态时，冷却剂流量将不足以散去高速运转留下的余热。内燃机应当接收到更大的冷却剂流量。同时，在启动时，内燃机将不能使充足的冷却剂循环通过加热器。

附图说明

图1是装备有依照本发明构造进而实施本发明的冷却剂泵的内燃机的示意图；

图2是泵的剖视图；以及

图3是泵的局部拆下的组装状态的立体图。

具体实施方式

现在参照附图，内燃机2包括(图1)设有气缸6的气缸体4，活塞8在气缸6中往复运动，并且活塞8旋转曲轴10，来自内燃机2的动力通过曲轴10传输。燃料在气缸盖12下方的气缸6中燃烧以便产生动力，但是这种燃烧也产生过剩热，必须散去该过剩热以保护内燃机2使其免于损坏。为此，气缸体4和气缸盖10设有冷却剂通道14，诸如水和乙二醇的混合物的冷却液通过冷却剂通道14流动。

实际上，内燃机2本身为冷却剂泵16提供动力，冷却剂泵16使冷却剂循环通过通道14以便吸取气缸6中产生的过剩热。用于运转冷却剂泵16的动力来源于曲轴6，曲轴6装备有带轮18，带轮18上套有带20。带20将动力传输给冷却剂泵16以及其他的附件。

实际上，冷却剂泵16和冷却剂通道14处于冷却剂回路中，除了内燃机2之外，该冷却剂回路还至少包括一次热交换器，该一次热交换器一般采用散热器22的形式，空气流经散热器22以便吸取经过散热器22的冷却剂中的热。该回路还包括采用加热器24形式的二次热交换器，加热器24被设计用于加热机动车辆的车厢。通向加热器24的入口与位于气缸6下游的各冷却剂通道14的其中一个连通，使得冷却剂以升高的温度流入加热器24内。此处，加热器24设置有阀门26，用以控制通过其的冷却剂的流速。在通道14将冷却剂排放到散热器22的位置，加热器24将冷却剂排放回冷却剂通道14内。此处，通道14设有自动调温器28，其能够限制冷却剂的流量，从而，一旦内燃机2到达其操作温度，通道14和加热器24内的冷却剂的温度便保持大体上恒温。

冷却剂泵16包括(图2&图3)壳体30、绕着轴线X在壳体30内旋转的泵轮32、套有带20的带轮34、以及设置在泵轮32和带轮34之间的离合器36。离合器36控制泵轮32旋转的角速度，从而使泵轮32独立于曲轴10运转。至少，泵轮32的转速和曲轴10的转速之比是可变化的。优选地，离合器36是磁粉离合器。

壳体30设有空腔40，空腔40通向内燃机气缸体4一端处的冷却剂通道14，因而该空腔40形成冷却剂回路的一部分。这里，所述的壳体30的一端是打开的并且设有法兰42，壳体30沿着法兰42固定于气缸体4。壳体的另一端70大体上被设有轴向方向的轴承座46的端壁44封闭，泵轮32的一部分穿过该轴承座46伸出。轴向取向的轴承座46容纳密封的减摩轴承48。在靠近端壁44处，壳体30还包括通向空腔40的入口50。

泵轮32包括在壳体30的轴承48中绕着轴线X旋转的轴52，该轴52延伸进入空腔40并且沿另一方向离开空腔40。在空腔40内，泵轮32装配有从轴线X辐射状设置的叶片54。当泵轮32在轴承48上旋转时，其叶片从入口50抽入冷却剂并且迫使冷却剂进入气缸体4和气缸盖12的冷却剂通道14。除非受到阀门26的限制，否则冷却剂被加热后还将流入加热器24。

磁粉离合器36包括沿着轴线X对中设置的内离合器元件60和外离合器元件62。磁粉离合器36还包括由外离合器元件62承载的电磁铁64以及用于将电磁铁64连接到电源的连接器组件66。

内离合器元件60联结到泵轮32的轴52并随其旋转。为此，内离合器元件60具有装配在泵轮轴52上的套筒70，套筒70联结花键或者键，从而这两个元件将总是以相同的角速度旋转。内离合器元件60还具有轮缘72，轮缘72设有背向轴线X面向外的圆柱面。套筒70和轮缘72通过比它们都明显窄的腹板76结合在一起。

外离合器元件62围绕内离合器元件60，但能够相对于内离合器元件60旋转。为此，外离合器元件62具有沿着内离合器元件60的腹板76的每侧装配的二个部分80，这二个部分80提供了围绕内离合器元件60的套筒70的轮毂82。在轮毂82和套筒70之间设有能够使外离合器元件62相对于内离合器元件60以轴线X为旋转轴线进行旋转的减摩轴承84。二个轴承84通过同样装配在套筒70和轮毂82之间的密封件与外部污染物隔离。外离合器元件62的部分80还延伸过内离合器元件60的轮缘72，在那里提供朝着轴线X并且朝着内离合器元件60的轮缘72上的圆柱面的面向内的圆柱面。在这二个圆柱面之间是厚度一致的间隙g。间隙g容纳磁粉，也就是，能够在磁场中被磁化的并且在被磁化后能够从外离合器元件62向内离合器元件60传递转矩的微粒。磁场由电磁铁64产生，电磁铁64收置在外部元件62中并且稍微向外离开圆柱形的内表面。因此，磁粉构成转矩传递物质。

连接器组件66设置在壳体30和离合器35的两个元件60和62之间。连接器组件66包括附连到壳体30的端壁44上并且由介电质形成的静止的连接器90。连接器90承载着由导电材料形成的内部集电环和外部集电环92。此外，连接器组件66还包括同样由介电质形成的旋转的连接器94。连接器94承载着由导电材料形成的内部电刷和外部电刷96，内部电刷和外部电刷96由弹簧分别偏压在静止连接器90的内部集电环和外部集电环92上。从集电环92和电刷96向外，二个连接器90和94形成一种将污染物排斥在集电环92和电刷96之外的迷宫式结构。

电磁铁64实际上是一个具有两个引线的环形线圈，一个引线附连到内部电刷96，另一个引线附连到外部电刷96。静止连接器90的集电环92连接到电源，比如机动车辆的蓄电池，在集电环92和电源之间设有控制模组，用于控制施加在电磁铁64上的电势以及流过磁铁64的电流。该控制监测并响应于内燃机2的一些操作状态，包括内燃机气缸体4的冷却剂通道14内的冷却剂的温度以及泵轮32的速度，泵轮32的速度可以通过安装在壳体30上的速度传感器进行监测和响应。

仅当电磁铁64被通电时，位于二个离合器元件60和62之间的间隙g中的磁粉才从外部离合器元件62向内部离合器元件60传递转矩。而且，当电磁铁64被通电并且发生转矩传递时，内部离合器元件60相对于外部离合器元件62的转速取决于流过磁铁64的电流的大小，而电流的大小则取决于施加在磁铁64上的电势的大小。无论如何，电磁铁64在间隙g中产生磁场，并且该磁场的强度决定了内离合器元件60和外离合器元件62之间的相对速度。

冷却剂泵16的带轮34用作泵16的驱动构件。带轮34环绕着磁粉离合器36的外部离合器元件62并且通过机器螺钉被联结到外部离合器元件62，从而带轮36和外部离合器元件62总是以相同的角速度一起旋转。带20套在位于曲轴10上的带轮18和离合器36的带轮34上，从而曲轴10驱动离合器36的外部离合器元件62，从而在这两个元件的转速之间存在着固定的传动比。

在内燃机2运转时，燃料和空气进入气缸6并且它们的混合物在气缸6内被点燃，朝向曲轴10驱动活塞8并且使曲轴10旋转。燃烧产生的热升高内燃机气缸体4以及位于通道14中的冷却剂的温度。但是泵16使冷却剂循环通过通道14以及散热器22，还可能通过加热器24，在那些地方从冷却剂吸取热以降低冷却剂的温度。较低温度的冷却剂流回泵16，泵16使冷却剂再循环通过通道14。在寻求将通道14内的冷却剂保持在规定温度的位置方面，自动调温器26控制流过通道14的冷却剂的流量。但是在这方面它不是完全有效的。泵16提供额外的控制测量，使得泵16和自动调温器28一起为内燃机2提供增强的热传管理从而改善内燃机2的效率。

为此，曲轴带轮18和泵带轮36之间的传动比设置为使泵带轮36以比内燃机的传统泵上的带轮更高的转速旋转。然而，增加的转速由磁粉离合器36调制，从而泵16的泵轮32可以不以带轮34的转速运转，实际上泵轮32经常不以带轮34的转速运转。然而，可以获得对增加的泵轮32的转速的储备。一些操作状况可能需要使用这种储备。例如，如果内燃机2在热天以高的动力输出运转了很长一段时间，用于泵16的控制模组将会感测到通道14中的冷却剂的温度的升高，并将通过离合器36的电磁铁64提供足够的电流以便以足够大的转速旋转泵轮32，该转速足以使冷却剂以避免内燃机2过热的流速循环。如果内燃机2以高的动力输出运转了很长一段时间后进入空转状态，这种能力特别有用。同样地，在内燃机较冷时的低内燃机转速下，储备转速能够使此时变热的冷却剂循环通过加热器24，以向加热器24提供较热的冷却剂从而缩短加热车厢所需的时间。

可以进行变化。例如，以泵16的带轮34表示的驱动元件可以是齿轮系的部件或者是链传动装置的链轮。泵16的壳体30可以部分地铸造在内燃机2的气缸体4上。离合器36的电磁铁64可以由内离合器元件60承载，或者设置在两个离合器元件60和62的外部，但充分接近以便使其产生的磁场能够穿过离合器元件60和62之间的间隙g。离合器36可以被安装在曲轴10上而非泵轮32的轴52上，此时，轴52上将附连有带轮，这个带轮和离合器36上的另一带轮通过套在它们上面的环形带被彼此连接。然而，带可以专用于泵16从而不驱动其它部件。可以用磁流变离合器来取代磁粉离合器36。这种类型的离合器采用磁流变液作为它的转矩传递物质。因此，液体的粘性可以随着磁场改变，磁场越强粘性越大。该离合器包括用于产生控制该离合器中的液体的粘性的磁场的电磁铁。同时，在这种情况，内燃机2用于船舶应用，水体可以作为一次热交换器而水本身作为冷却剂。

Claims (16)

1.一种用于内燃机的冷却剂泵，所述泵包括：

壳体；

泵轮，其包括位于所述壳体内的叶片；

旋转驱动构件；以及

电磁离合器，其设置在所述旋转驱动构件和所述泵轮之间，所述离合器包括随着所述泵轮旋转的第一离合器元件、随着所述驱动构件旋转的第二离合器元件、产生磁场的电磁铁、以及在所述第一离合器元件和所述第二离合器元件之间传递转矩的物质，所述物质响应于所述电磁铁所产生的磁场，使得所述第一离合器元件相对于所述第二离合器元件的转速取决于所述磁场的强度，由此，所述泵轮旋转的速度独立于所述驱动构件旋转的速度并且由所述离合器控制。

2.如权利要求1所述的冷却剂泵，其中，所述第一离合器元件、所述第二离合器元件、所述泵轮以及所述驱动构件绕着公共轴线旋转。

3.如权利要求1所述的冷却剂泵，其中，所述离合器是磁粉离合器。

4.如权利要求3所述的冷却剂泵，其中，所述第一离合器元件具有背向轴线的外周表面；所述第二离合器元件具有面向轴线和所述第一离合器元件的外周表面的内表面；所述第一元件的外周表面和所述第二元件的内表面之间存在间隙；并且，所述传递转矩的物质是处在所述间隙中的磁粉。

5.如权利要求4所述的冷却剂泵，其中，所述第一元件的外周表面和所述第二元件的内表面是圆柱面形的并且是平行的。

6.如权利要求3所述的冷却剂泵，其中，所述电磁铁由所述离合器元件的其中一个承载；并且进一步包括用于将所述电磁铁与电源连接的连接器，当所述离合器元件旋转时所述连接器保持静止。

7.如权利要求6所述的冷却剂泵，其中，所述连接器包括集电环以及与所述集电环接触的电刷。

8.如权利要求1所述的冷却剂泵，其中，所述离合器是磁流变离合器，并且所述传递转矩的物质是磁流变液。

9.一种联合体，其具有：内燃机，所述内燃机具有曲轴、冷却剂通道、位于所述冷却剂通道内的用于散去由所述内燃机中的燃烧产生的热的冷却剂、以及用于使所述冷却剂循环通过所述内燃机中的通道的冷却剂泵，所述泵具有泵轮，所述泵轮暴露于所述冷却剂并且包括绕一轴线旋转的轴；以及

设置在所述曲轴与所述泵轮的轴之间的离合器，所述离合器包括电磁铁并且容纳有用来传递转矩的物质，所述物质响应于所述电磁铁产生的磁场。

10.如权利要求9所述的联合体，进一步包括联结到所述曲轴并且由所述曲轴以与所述曲轴的速度相关联的速度驱动的旋转驱动构件；其中，所述离合器包括附连到所述泵轮以便以所述泵轮的速度随所述泵轮旋转的第一离合器元件；以及附连到所述驱动构件以便以所述驱动构件的速度随所述驱动构件旋转的第二离合器元件，并且，所述第一离合器元件和所述第二离合器元件之间存在间隙，并且其中，所述用来传递转矩的物质是处在所述第一离合器元件和所述第二离合器元件之间的间隙中的磁粉，从而使得所述泵轮的速度取决于所述磁场的强度。

11.如权利要求10所述的联合体，进一步包括连接到所述内燃机的一次热交换器；其中，所述泵还使所述冷却剂循环通过所述一次热交换器。

12.如权利要求11所述的联合体，进一步包括连接到所述内燃机的二次热交换器；其中，所述泵还使所述冷却剂循环通过所述二次热交换器。

13.如权利要求12所述的联合体，其中，所述一次热交换器是散热器，空气流过所述散热器以从所述冷却剂吸取热；其中，所述二次热交换器是加热器，所述加热器包括用于控制流过其的冷却剂的流速的阀门。

14.如权利要求13所述的联合体，其中，所述内燃机具有由所述曲轴承载的带轮，其中，所述泵的驱动构件是带轮，并且进一步包括套在所述这些带轮上的带。

15.如权利要求9所述的联合体，其中，所述离合器中的用来传递转矩的物质是磁流变液。

16.一种从内燃机散热的方法，所述内燃机具有容纳着冷却液的冷却剂通道、传递动力的轴以及位于其中一个冷却剂通道中用于使冷却液循环通过所述通道的泵轮，所述方法包括：

在所述内燃机的轴和所述泵的泵轮之间设置离合器，所述离合器具有以固定的传动比随着所述泵轮旋转的第一元件、以固定的传动比随着所述轴旋转的第二元件、电磁铁、以及位于所述离合器元件之间用于从所述第二元件向所述第一元件传递转矩的转矩传递物质，所述物质响应于由所述电磁铁产生的磁场，使得所述第一离合器元件相对于所述第二离合器元件的速度取决于所述磁场的强度的大小；以及

改变由所述电磁铁产生的磁场以控制所述泵轮的速度以及冷却剂在所述冷却剂通道中的循环。