CN101240735B - 控制汽车中的交流发电机和/或发动机的温度的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供控制汽车的交流发电机温度和发动机温度的系统和方法，该系统包括安装到第一传动轴上的交流发电机转子；和安装到第二传动轴上的水泵叶轮；其中，水泵叶轮配置为响应于第二传动轴的旋转泵送冷却剂，且第一和第二传动轴可操作地相连，以使第一传动轴的旋转传递旋转到第二传动轴。本发明的系统使交流发电机和水泵集成，且可以基于发动机工况，独立地调节冷却剂流速以控制发动机和交流发电机的温度。
Description
技术领域
本发明涉及控制汽车的交流发电机和/或发动机的温度的系统和方法。
背景技术
汽车中的旋转电机，如交流发电机、发电机或电动马达(发电机)，会产生热量。过去，使用各种空气冷却系统来防止电机过热。然而，这样的系统的冷却能力不足以产生理想的冷却效果。这种局限性会约束来自交流发电机的输出电流。
为了提高冷却效率，已提出使用水作为冷却剂的冷却系统。例如，5,655,485号美国专利公开了一种旋转电机，该旋转电机具有与其集成地组合的发动机冷却水泵，且该水泵邻近于发动机的定子。所公开的水泵和交流发电机具有相同的传动轴，该传动轴由发动机曲轴驱动。水泵的叶轮以与转子相同的转速旋转，并驱动水通过水通路以冷却定子。
发明人在此认识到上述方法的若干缺点。例如，不能基于发动机工况，独立地调节冷却剂流速以控制发动机和交流发电机的温度。此外，水泵的位置增加了交流发电机总成的长度，这从装配角度来说是不理想的。
发明内容
为了解决上述问题，提供一种用于汽车的集成的交流发电机和水泵。该集成的交流发电机和水泵包括，安装在第一传动轴上的交流发电机转子；和安装在第二传动轴上的水泵叶轮，其中，水泵叶轮配置为响应于第二传动轴的旋转泵送冷却剂，且第一和第二传动轴可操作地相连，以使第一传动轴的旋转传递旋转到第二传动轴。在一个实施例中，水泵叶轮的转速可以不同于交流发电机转子的转速。从而，可以响应于诸如发动机温度这样的发动机工况，调节冷却剂流速。
根据另一方面，提供一种用于汽车的集成的交流发电机和水泵。该集成的交流发电机和水泵包括，安装在第一传动轴上的交流发电机转子；和安装在第二传动轴上的水泵叶轮，其中，水泵叶轮配置为响应于第二传动轴的旋转泵送冷却剂，且第一和第二传动轴可操作地相连，以使第一传动轴的旋转传递旋转到第二传动轴。在一个实施例中，交流发电机和水泵的传动轴不同轴。从而，水泵可以位于交流发电机的顶部、底部，和侧部。这些配置可以减少交流发电机的装配局限性。
根据又一方面，提供一种控制汽车的交流发电机温度和发动机温度的方法。该方法包括，在发动机工作期间，旋转第一传动轴以产生电能；旋转第二传动轴以泵送冷却剂使交流发电机和发动机的至少一部分冷却，其中，第一和第二传动轴可操作地相连，以使第一传动轴的旋转传递旋转到第二传动轴；并响应于发动机工况选择性地使冷却剂流过多个不同的流体通路。
在一个实施例中，在发动机温度较低时，冷却剂流过交流发电机和发动机，而不流过热交换设备。这样，交流发电机产生的热量可用于在冷起动期间加热发动机冷却剂，因为交流发电机的线圈和电子器件比发动机更快地加热。从而，发动机达到有效工作温度的时间减少。因此，可以改进燃料经济性和减少排放。
附图说明
图1是显示集成的交流发电机和水泵的第一示例实施例的示意图。
图2是显示集成的交流发电机和水泵的第二示例实施例的示意图。
图3是显示集成的交流发电机和水泵的第三示例实施例的示意图。
图4是显示集成的交流发电机和水泵的第四示例实施例的示意图。
图5是显示集成的交流发电机和水泵的第五示例实施例的示意图。
图6是显示集成的交流发电机和水泵的第六示例实施例的示意图。
图7示出显示汽车冷却系统中的流体通路的第一实施例的示意图。
图8示出显示汽车冷却系统中的流体通路的第二实施例的示意图。
图9示出显示汽车冷却系统中的流体通路的第三实施例的示意图。
图10示出控制汽车中交流发电机温度和发动机温度的第一示例例程。
图11示出控制汽车中交流发电机温度和发动机温度的第二示例例程。
图12示出控制汽车中交流发电机温度和发动机温度的第三示例例程。
图13示出控制汽车中交流发电机温度和发动机温度的第四示例例程。
图14示出显示用于汽车中汽车发动机的具有高压冷却剂储存器和低压冷却剂储存器的冷却系统的实施例的示意图。
图15示出在具有集成的交流发电机和水泵的发动机冷却系统的高压冷却剂储存器中存储能量的示例例程。
图16示出在具有集成的交流发电机和水泵的发动机冷却系统中，使用高压冷却剂以改进发动机冷却的示例例程。
图17示出释放存储在具有集成的交流发电机和水泵的发动机冷却系统的高压冷却剂储存器中的能量的示例例程。
具体实施方式
图1是显示集成的交流发电机和水泵的第一示例实施例的示意图。在一些实施例中，交流发电机110包括永磁转子或电磁转子112、转子轴或传动轴114、定子116和驱动带轮118。传递到驱动带轮118上的驱动力可以旋转交流发电机110的传动轴114。传动轴114的旋转接着通过连接器130使水泵叶轮122旋转。交流发电机110中的电力电子器件119可包括整流器(未示出)以对电动势进行整流，和电压调节器(未示出)以保持定子线圈(未示出)中恒定的感应电动势。整流器可包括功率二极管或功率晶体管，和电压调节器。
连接器130可以是可将旋转从一根传动轴传递到另一根传动轴的任何合适的连接装置。在一些实施例中，连接器130可以是齿轮联轴器。该齿轮联轴器可以使交流发电机和水泵以相同的转速工作。或者，传动轴124可连接到与传动轴114上不同尺寸的齿轮啮合的齿轮上。从而，水泵叶轮122可以用与交流发电机转子112的转速不同的转速运转。在一些实施例中，叶轮和交流发电机转子可由带轮连接。在一个实施例中，叶轮和交流发电机转子可由一组带轮连接以用相同的转速运转。可选地，叶轮和交流发电机转子可以用第二组带轮在内部连接，以改变水泵叶轮的转速使其不同于交流发电机的转速，或相反。在一些实施例中，连接器130可以是变速传动装置，以改变交流发电机转子和水泵叶轮的转速。在一些实施例中，连接器130可以是磁力联轴器、磁流变联轴器(即，使用可在电场或磁场中凝固的磁性粒子或流体的联轴器)、粘性联轴器，或电动离合器，如果交流发电机或水泵不需要工作，则可关闭该电动离合器以断开交流发电机或水泵。
在一些实施例中，交流发电机110和水泵120可以至少部分集成在共用的壳体内。密封件140可用于隔间中使水泵120密封于交流发电机110的组件，以防止冷却剂泄漏到交流发电机110中。应理解，在一些实施例中可以不使用密封件。例如，交流发电机可以使用可抵御冷却剂损害的材料。在另外的例子中，水泵可以使用不损害交流发电机组件的冷却剂。从而，可以改进在冷却剂和交流发电机之间的热传递。
水泵120可以在不同的位置上邻近于交流发电机。在所示实施例中，水泵120可位于交流发电机110背部，以使水泵120邻近于电子器件119或与其有一侧重叠。
图2是显示集成的交流发电机和水泵的第二示例实施例的示意图。该集成的交流发电机和水泵200可包括交流发电机部分210和水泵部分220。在一些实施例中，交流发电机210可包括永磁转子212、转子轴或传动轴214、定子216和电力电子器件219。该集成的交流发电机和水泵可由驱动带轮228驱动。
通过连接转子轴214与水泵叶轮222的传动轴224，水泵220可操作地连接到交流发电机210上。在工作期间，带轮228可由发动机的皮带(未示出)驱动，以使转子轴224旋转，从而将冷却剂泵送到发动机冷却系统中。转子轴224的旋转可以通过连接器230传递到交流发电机的传动轴214以产生电能。
如上参考图1详述，连接器230可以是可将旋转从一根传动轴传递到另一根传动轴或用一根传动轴传递旋转到另一根传动轴的任何合适的连接装置。在一些实施例中，连接器230可以改变水泵的传动轴的转速以使其不同于交流发电机转子的转速，或改变交流发电机转子的转速。
图3是显示集成的交流发电机和水泵的第三示例实施例的示意图。在所示实施例中，水泵320可位于交流发电机310中部，在交流发电机定子316和交流发电机的电力电子器件319之间。交流发电机310的电线(未示出)可越过水泵320，连接定子316中的电流产生组件与电子器件319。在一些实施例中，传递到带轮318上的驱动力可以旋转交流发电机310的传动轴314。传动轴314的旋转通过连接器330使水泵叶轮322旋转。如上参考图1详述，连接器330可以是可将旋转从一根传动轴传递到另一根传动轴的任何合适的连接装置。在一些实施例中，连接器330可以使水泵320的传动轴324的转速不同于交流发电机转子312的转速。
在一些实施例中，交流发电机310和水泵320可以至少部分集成在共用的壳体内。密封件340可用于防止冷却剂泄漏到交流发电机310中。
上述实施例可以提高交流发电机的冷却效率，因为水泵和关联的流体通路与交流发电机中的定子和电子器件有一侧重叠。
图4是显示集成的交流发电机和水泵的第四示例实施例的示意图。在一些实施例中，交流发电机410和水泵420的传动轴不同轴。在一些实施例中，交流发电机410和水泵420的传动轴基本上平行。传动装置可以传递驱动力至传动轴424，该传动轴424与带轮机构不同轴。在所示实施例中，传动装置可包括连接器430、436和连接在这两个连接器之间的轴423。如上参考图1详述，传动装置可以是可用一根传动轴传递旋转到另一根传动轴的任何合适的连接装置。在一个实施例中，传动装置可以使水泵420的传动轴424以与交流发电机转子412的传动轴414相同的转速旋转。或者，传动装置可以使传动轴424以与传动轴414不同的转速旋转。传动轴414的旋转可以使交流发电机转子412旋转以产生电能。传动轴414的驱动力也带动水泵420的传动轴424的旋转以通过水泵叶轮422，将冷却剂泵送到发动机冷却系统的流体通路中。
在一些实施例中，交流发电机410和水泵420可以至少部分集成在共用的壳体内。在所示实施例中，水泵420相对于交流发电机的横截面，位于交流发电机410顶部。或者，水泵可相对于交流发电机的横截面，位于交流发电机底部。此外，水泵可位于交流发电机周围任何位置。例如，水泵可相对于交流发电机的横截面，位于交流发电机侧部。
如上所述，密封件可用于防止冷却剂泄漏到交流发电机410中。图4还示出，交流发电机410可包括永磁转子412、定子416和电力电子器件419。水泵420可包括水泵叶轮422。
上述实施例与图1到图3所示实施例相比，可减少集成的交流发电机/水泵在传动轴方向的长度。从而，可减少汽车中的交流发电机的装配局限性。
图5是显示集成的交流发电机和水泵的第五示例实施例的示意图。在所示实施例中，交流发电机510的传动轴514可基本上垂直于水泵520的传动轴524。传递到带轮518上的驱动力可以用与带轮518相同的转速旋转交流发电机510的传动轴514，以产生电能。传动装置可以传递传动轴514的旋转到传动轴524。在所示实施例中，传动装置可包括连接器530、536、和538，以及轴523和525。如上参考图1详述，传动装置可以是可用一根传动轴传递旋转到另一根传动轴的任何合适的连接装置。在一些实施例中，传动装置可以使水泵520的传动轴524以与交流发电机的传动轴514相同的或不同的转速旋转。水泵520的传动轴524的旋转可以通过水泵叶轮522，将冷却剂泵送到发动机的发动机冷却系统的流体通路中。
图5还示出，交流发电机510可包括永磁转子512、定子516和电力电子器件519。
在一些实施例中，交流发电机510和水泵520可以至少部分集成在共用的壳体内。在所示实施例中，水泵520相对于汽车底板，位于交流发电机510顶部。或者，水泵可位于交流发电机周围任何位置。例如，水泵可相对于汽车底板，位于交流发电机底部，或相对于传动轴514，位于交流发电机侧部。可选地，水泵可邻近于定子部分、电子器件部分，或可至少部分邻近于交流发电机的定子部分和电子器件部分两者。
如上所述，密封件可用于防止冷却剂泄漏到交流发电机510中。
上述实施例与图1到图3所示实施例相比，可减少集成的交流发电机/水泵的长度。此外，与图4所示实施例相比，可减小该集成的交流发电机/水泵的高度，因为较小尺寸的水泵增加到集成的交流发电机/水泵的高度上。从而，提供了汽车中更灵活的交流发电机的装配。此外，水泵和关联的流体通路可位于比其他位置能产生更多热量的交流发电机的任何周围位置。从而，可以提高冷却效率，因为交流发电机的发热部分和冷却剂通路之间的接触面积增加。
图6是显示集成的旋转电机和水泵的第六示例实施例的示意图。在所示实施例中，旋转电机610(例如，电动马达)如图所示，与水泵620集成。水泵叶轮622可由马达转子612传递的动力驱动。图6示出，该集成的旋转电机和水泵可包括定子616、电力电子器件619、旋转电机610的传动轴614、水泵叶轮622、传动轴624、连接器(630、636、638)和轴(623、625)。
图6所示实施例与图5所示实施例相似，除了用旋转电机替代交流发电机之外。在一个实施例中，旋转电机可以是发电机。在另一个实施例中，发电机可改进为包括较大的电线和电力电子器件，以通过将发电机作为马达运转来允许发电机起动发动机。该应用的冷却系统允许使用较便宜的电子器件，并增加起动发电机的起动功率。
应理解，水泵可根据类似于图1到图4中所述实施例的配置集成到电动机中。
此外，应理解，集成的旋转电机和水泵系统或集成的交流发电机和水泵中可包括不止一个水泵。包括不止一个水泵可提供理想的冷却系统总体功率，同时减小单个水泵的尺寸。从而，可为集成的系统提供更灵活的装配。此外，水泵可响应于发动机工况选择性地操作，以提高冷却效率和燃料经济性。
应注意，图1到图6中的连接传动轴的连接器的位置是示意性的。连接器可以在适应汽车中集成的交流发电机/水泵的装配要求的任何适合的位置。
图7到图9示出汽车的发动机冷却系统中的示例流体通路的示意图。图7示出显示流体通路的第一实施例700的示意图。冷却剂可基于发动机工况选择性地通过不同的流体通路流动或循环。流体通路710如图所示包括通过集成的交流发电机/水泵712，发动机汽缸体714，并回到交流发动机/水泵712的路径。流体通路720可包括通过集成的交流发电机/水泵712，发动机汽缸体714，恒温器或阀722，加热器芯724，并回到交流发动机/水泵712的路径。流体通路730可包括通过集成的交流发电机/水泵712，发动机汽缸体714，恒温器或阀722，加热器芯724，恒温器或阀732，散热器734，并回到交流发动机/水泵712的路径。
基于发动机工况，发动机控制单元740可以通过控制阀722和732来控制流体通路中的冷却循环。阀的工作状态确定冷却剂所循环的流体通路。例如，在阀722和732都关闭时，冷却剂可以通过流体通路710循环。在阀722开启且阀732关闭时，冷却剂可以通过流体通路720循环。阀722和732都开启允许冷却剂在流体通路730中循环。
发动机控制单元在一些实施例中也控制水泵的操作，例如控制水泵叶轮的转速等。在集成的交流发电机/水泵系统具有不止一个水泵时，发动机控制单元可基于发动机工况选择性地操作一个或多个水泵。控制策略将在下文中详述。
图8示出显示汽车发动机冷却系统中的流体通路的第二实施例的示意图。在所示实施例中，冷却剂可以流过三个流体通路。通路810可使冷却剂流过第一交流发电机/水泵812，发动机汽缸体814，并回到第一交流发电机/水泵812。通路820可使冷却剂流过第一交流发电机/水泵812，发动机汽缸体814，恒温器或阀822，加热器芯824，并回到第一交流发电机/水泵812。通路830可使冷却剂流过第二交流发电机/水泵836，发动机汽缸体814，恒温器或阀822，加热器芯824，恒温器或阀832，散热器834，并回到第二交流发电机/水泵836。
如上参考图7所述，发动机控制单元840可通过控制阀822和832来控制通过不同流体通路的冷却剂路径。发动机控制单元840可基于发动机工况控制第一和第二交流发电机/水泵的操作。控制策略将在下文中详述。
图9示出显示汽车冷却系统中的流体通路的第三实施例的示意图。在所示实施例中，冷却剂可由两个水泵驱动以分别通过两个流体通路。如上参考图1到图6所述，两个水泵可操作地相连或集成到一个交流发电机中。通路910中的冷却剂可由第一水泵913驱动。通路910可使冷却剂流过交流发电机912，发动机汽缸体914，加热器芯916，并回到交流发电机912。通路920中的冷却剂可由第二水泵926驱动。通路920可使冷却剂流过交流发电机912，发动机汽缸体914，加热器芯916，恒温器或阀922，散热器924，并回到交流发电机912。
如上参考图7所述，发动机控制单元940可通过控制阀922来控制通过不同流体通路的冷却剂路径。发动机控制单元940可基于发动机工况控制交流发电机，第一和第二水泵的操作。控制策略将在下文中详述。
应理解，上述实施例只是示例，且可能有许多变体。例如，在一种变体中，发动机冷却系统可包括闭合的冷却剂回路，该闭合的冷却剂回路包括交流发电机/水泵和发动机汽缸体。在起动工况下，交流发电机的初始冷却由密封的一定量的冷却剂提供。一旦冷却剂达到预定的交流发电机的工作温度，交流发电机的风扇和散热片就可用于冷却交流发电机。
图10到图13是控制汽车中交流发电机温度和发动机温度的示例例程。图10示出控制汽车中交流发电机温度和发动机温度的第一示例例程。在一些实施例中，如图7所示的发动机冷却系统700可用于执行例程1000。在此，参考图7描述该控制例程。开始于1010，例程判断发动机是否处于低温工况。低温工况可以是发动机冷起动。如果答案为是，则例程进入1020，使冷却剂通过集成的交流发电机/水泵，发动机，并回到交流发电机/水泵循环，或使冷却剂通过流体通路710循环。在冷起动期间，交流发电机线圈的温度比发动机中的温度更快地升高。交流发电机中的电线和电子器件可快速加热冷却剂。通过使冷却剂流过交流发电机和发动机，而不经过其他热交换设备，例如加热器芯和散热器，由交流发电机产生的热量可用于升高冷却剂的温度以使发动机暖机。从而，可以减少发动机有效操作所需的时间。
接下来，例程在1030，判断发动机是否达到第一预定工作温度。第一预定工作温度可以是发动机工作在正常负荷下所希望的温度。例如，该第一预定工作温度可以是用于减少发动机磨损，减少排放，提高燃料经济性，产生用于外部使用的热量，或增加发动机功率的理想温度。如果答案为否，则例程回到1020。如果答案为是，则例程进入1040，以使冷却剂通过交流发电机/水泵，发动机，加热器芯，并回到交流发电机/水泵循环，即该例程使冷却剂流过如图7所示的流体通路720。加热器芯可以是用于加热汽车乘客室或提供热量至比发动机温度低的汽车其他区域的热交换器。
接下来，例程在1050，判断发动机是否达到第二预定工作温度。如果答案为否，则例程回到1040。第二预定工作温度可以是发动机工作的最高温度。最高温度可以是发动机可工作，而发动机组件不劣化的最高温度。在此工况下，热交换设备，例如散热器，可用于有效地散热，并使冷却剂降温。这样，如果答案为是，则例程进入1060，使冷却剂通过交流发电机/水泵，发动机，加热器芯，散热器，并回到交流发电机/水泵循环，即该例程使冷却剂通过如图7所示的流体通路730循环。
应注意，冷却剂通过不同流体通路的路径的选择可通过位于流体通路中的恒温器或阀的控制执行。例如，如上参考图7所述，恒温器或阀的关闭和开启可选择性地使冷却剂通过不同的流体通路。
应理解，在上述实施例中，冷却剂可由水、水-乙二醇混合物、液压液、机油、燃料、压缩空气、空气或任何其他耐热固体、气体或液体组成。
图11示出控制汽车中交流发电机温度和发动机温度的第二示例例程2000。例程2000类似于例程1000，除了可基于发动机工况调节交流发电机工作以产生所希望的热量之外。在一些实施例中，如图7所示的发动机冷却系统700可用于执行例程2000。在此，参考图7描述该控制例程。开始于2010，例程保持汽车中电池的充电状态低于100％充电状态。由于电池低充电状态而增加的交流发电机上的负荷，增加了交流发电机的电流。从而，在交流发电机中的电线和电子器件中产生更多热量。接下来，例程在2012，判断发动机是否处于低温工况。低温工况可以是发动机冷起动时期。如果答案为是，则例程进入2014，使冷却剂通过集成的交流发电机/水泵，发动机，并回到交流发电机/水泵循环，或使冷却剂通过流体通路710循环。如上所述，使冷却剂流过交流发电机和发动机，而不经过其他热交换设备，可以使发动机更快地暖机。因为在低电池充电状态下增加的交流发电机中的电流，可以在冷起动期间在交流发电机中产生更多热量。从而，受热的冷却剂可以快速升高发动机温度至有效工作温度。
接下来，例程在2016，判断发动机是否达到第一预定工作温度。如果答案为否，则例程回到2014。如果答案为是，则例程进入2018，以使冷却剂通过交流发电机/水泵，发动机，加热器芯，并回到交流发电机/水泵循环，即该例程使冷却剂流过如图7所示的流体通路720。
接下来，例程在2020判断发动机是否达到第二预定工作温度。如果答案为否，则例程回到2018。如果答案为是，则例程进入2022，使冷却剂通过交流发电机/水泵，发动机，加热器芯，散热器，并回到交流发电机/水泵循环，即该例程使冷却剂通过如图7所示的流体通路730循环。
在一些实施例中，例程在2024可保持电池充电状态低于100％充电状态。这样，电池可以具有在更有效的发动机或交流发电机运转速度下接受更多充电的能力。然后，例程在2026可在制动事件期间和更有效的运转速度下改变充电电压，以接受更多充电。可以改变工作电压，以通过限制交流发电机和电子器件中的电阻损耗来提高汽车电效率，并提高电池充电接受能力。可以降低系统电压以降低电效率，及增加热量产生以升高发动机空调系统的温度。
此外，在发动机冷却系统中不同流体通路间的路径的选择，可通过如上参考图7所述的控制系统执行。
图12示出控制汽车中交流发电机温度和发动机温度的第三示例例程3000。在所示实施例中，使用两个集成的交流发电机/水泵。第一交流发电机可配置为有效地加热冷却剂。例如，可以改进第一交流发电机的绕组和电子器件，以产生更多热量。可选地，可使用产生更多热量的低效、低成本交流发电机作为第一交流发电机。在一些实施例中，第一交流发电机可用于对电池再充电，并在冷温工况下操作发动机。第二交流发电机可以是在具有与提供给低效交流发电机相同的机械功率下，产生更多电力和较少热量的高效交流发电机。第二交流发电机可在正常发动机工作期间使用。在一些实施例中，如图8所示的发动机冷却系统800可用于执行例程3000。在此，参考图8描述该控制例程。
开始于3010，例程3000保持汽车中电池的充电状态低于100％充电状态。接下来，例程在3012，判断发动机是否处于低温工况。低温工况可以是发动机冷起动时期。如果答案为是，则例程进入3014，使冷却剂通过第一交流发电机/水泵，发动机，并回到第一交流发电机/水泵循环，或使冷却剂通过如图8所示的流体通路810循环。如上所述，第一交流发电机可以有效地产生热量。从而，可更快地加热冷却剂以升高发动机的温度至正常工作所希望的水平。
接下来，例程在3016，判断发动机是否达到第一预定工作温度。如果答案为否，则例程回到3014。如果答案为是，则例程进入3018，以使冷却剂通过第一交流发电机/水泵，发动机，加热器芯，并回到第一交流发电机/水泵循环，即该例程使冷却剂通过如图8所示的流体通路820循环。
接下来，例程在3020，关闭第一交流发电机/水泵，并运行第二交流发电机/水泵。然后，例程在3022，判断发动机是否达到第二预定工作温度。如果答案为否，则例程回到3020。如果答案为是，则例程进入3024，使冷却剂通过第二交流发电机/水泵，发动机，加热器芯，散热器，并回到第二交流发电机/水泵循环，即该例程使冷却剂通过如图8所示的流体通路830循环。
在发动机冷却系统中不同流体通路间的路径的选择，可通过如上参考图7所述的控制系统执行。该控制系统还可基于发动机工况，选择性地控制交流发电机和水泵的工作。
图13示出控制汽车中交流发电机温度和发动机温度的第四示例例程。在所示实施例中，可以使用可以用不同流速提供冷却剂的两个水泵。可选地，可以使用具有可变流速的一个水泵。在一些实施例中，如图9所示的发动机冷却系统900可用于执行例程4000。在此，参考图9描述该控制例程。
开始于4010，例程判断发动机是否处于低温工况。低温工况可以是发动机冷起动时期。如果答案为是，则例程进入4012，断开水泵。在此工况下，没有冷却剂通过冷却系统循环，因为在一些工况下不需要冷却。接下来，例程在4014，判断发动机是否达到第一预定工作温度。如果答案为否，则例程回到4012。如果答案为是，则例程进入4016，以接合水泵并使水泵与交流发电机一起旋转。在冷却系统具有两个水泵的一些实施例中，例程可以接合具有低转速或低流速的第一水泵。接下来，例程在4018，使冷却剂通过交流发电机/水泵，发动机，加热器芯，并回到交流发电机/水泵循环，即该例程使冷却剂通过如图9所示的流体通路910循环。
接下来，例程在4020，判断发动机是否达到第二预定工作温度。如果答案为否，则例程回到4016。如果答案为是，则例程进入4022，增加冷却剂流速。在一些实施例中，冷却剂可由具有较高冷却剂流速的第二水泵泵送。第二水泵可以如上参考图1到图6所述，与交流发电机集成并可操作地相连。可选地，在发动机冷却系统中，可使用具有变速控制的一个水泵。在一些实施例中，可以通过传动装置改变水泵和交流发电机之间的传动比来增加水泵的转速。然后，例程在4024，使冷却剂通过交流发电机/水泵，发动机，加热器芯，和散热器，并回到交流发电机/水泵循环，即该例程使冷却剂通过如图9所示的流体通路920循环。在冷却剂流速增加时，可以有效地降低发动机和交流发电机的温度。
图14示出显示用于汽车发动机的具有高压冷却剂储存器和低压冷却剂储存器的冷却系统的实施例的示意图。可以集成交流发电机和水泵或压缩机，以提高发动机效率。用于水泵或压缩机中的冷却剂可包括水、空气、乙二醇混合物、燃料、液压液、氮、机油或任何合适的可压缩物质。可压缩物质可通过集成的交流发电机和水泵/压缩机循环，并通过压力阀或压力开关在高压储存器中存储能量。在一个示例中，可以通过使高压冷却剂循环以释放能量来降低发动机温度。在另一个示例中，可以通过交流发电机传递能量以起动发动机或增加运行发动机的功率。
现参考如图14所示的控制系统1400，可基于发动机工况，使冷却剂通过或不通过高压冷却剂储存器1436循环。在具有正常压力的冷却剂可使发动机系统充分冷却的标准操作下，冷却剂可通过选择的流体通路循环，而不经过高压冷却剂储存器1436。例如，在所述实施例中，压力阀1438开启，而压力阀1442、1444、1446和1448关闭。从而，具有正常压力的冷却剂可基于发动机工况，选择性地流过不同的流体通路，或通过不同的流体通路循环。例如，流体通路1410如图所示，包括通过集成的交流发电机/水泵1412，发动机汽缸体1414，加热器芯1424，并回到交流发电机/水泵1412的路径。恒温器或阀1422阻止冷却剂流到散热器1434。当发动机达到预定温度时，冷却剂可以通过流体通路1420循环。在此工况下，恒温器1422开启，且冷却剂通过交流发电机/水泵1412，发动机汽缸体1414，加热器芯1424，散热器1434，并回到交流发电机/水泵1412循环。在所述实施例中，流体通路1420和流体通路1410具有部分共用的通路。应理解，任何合适的流体通路可配置为基于发动机工况，选择性地使冷却剂循环。例如，可使用参考图7到图9所述的实施例。
可以通过调节压力阀来达到高压冷却剂储存器1436中的理想压力。例如，可以开启阀1438和1442，同时关闭阀1444、1446和1448。从而，一部分冷却剂被送入高压冷却剂储存器1436，以增加压力。高压减压阀1452和低压减压阀1454可与低压冷却剂储存器1456一起使用，以将压力保持在冷却系统的最大设置和最小设置之间。
继续参考图14，在一些实施例中，可使高压冷却剂储存器中的冷却剂循环以使发动机冷却。例如，当需要高压冷却剂以降低发动机温度时，可以开启阀1438、1442、1444和1446，并关闭阀1448。从而，高压冷却剂可以通过发动机汽缸体1414，加热器芯1424，散热器1434，交流发电机/水泵1412，并回到高压冷却剂储存器1436循环。
可使用发动机控制单元(未示出)来控制如图14所示的交流发电机/水泵的工作。
图15示出在具有集成的交流发电机和水泵的发动机冷却系统的高压冷却剂储存器中存储能量的示例例程。在一些实施例中，如图14所示的发动机冷却系统可用于执行例程5000。在此，参考图14描述该控制例程。首先，在5010，例程起动发动机。然后，在5012，判断发动机是否达到预定工作范围。在一些实施例中，工作范围可以是标准压力冷却系统不能有效降低发动机温度的范围。如果答案为是，则例程进入5014，将一定百分比的冷却剂送入高压冷却剂储存器并以标准压力使剩余冷却剂流到发动机汽缸体。在一些实施例中，通过与交流发电机集成的水泵使冷却剂循环。该水泵使用来自发动机机械连接的机械能。在图14所述的实施例中，阀1442和1438开启，而阀1444和1446关闭。
接下来，在5016，例程使用高压减压阀、低压减压阀和低压冷却剂储存器来调节高压冷却剂储存器中的压力。在一些实施例中，当压力超过系统最大压力时，高压减压阀开启。结果，冷却剂离开高压冷却剂储存器，并进入低压冷却剂储存器。在例如使用压缩空气作为冷却剂的一些实施例中，冷却剂可被排放到大气中。在一些实施例中，冷却剂可被送至使用高压冷却剂的任何合适的组件。此外，在其他实施例中，可开启连接到低压冷却剂储存器的低压减压阀来供给冷却剂，以保持冷却系统中的低压设置。
继续参考图15，在5018，例程判断高压冷却剂储存器中的压力是否大于预定值。如果答案为是，则例程进入5020，通过阀阻止冷却剂流入高压冷却剂储存器。在5022，例程使用减压阀(高压减压阀和/或低压减压阀)将冷却系统中的压力保持在预定范围中。
应理解，上述例程可在交流发电机与发动机接合的操作中执行。该例程还在交流发电机带轮中到发动机的机械连接与停止的发动机或运转的发动机断开的操作中执行。在此工况下，使用来自电池的功率将交流发电机作为马达运转。
图16示出在具有集成的交流发电机和水泵的发动机冷却系统中，使用高压冷却剂以改进发动机冷却的示例例程。在一些实施例中，如图14所示的发动机冷却系统可用于执行例程6000。在6010，例程首先以标准压力操作发动机冷却系统。然后，在6012，例程判断发动机温度是否高于预定温度。在一些实施例中，该预定温度可以是发动机可工作，而发动机组件不劣化的最高温度。在一些实施例中，该预定温度可以是标准压力的冷却系统不能有效地降低温度的温度。
如果答案为是，在6014，例程使冷却剂从高压冷却剂储存器通过冷却剂通路循环，以降低发动机温度。该高压冷却剂的冷却剂通路可以是包括如上参考图14所述的其他阀和组件外的阀1444、1446和1442的通路。可以降低发动机温度，是因为高压冷却剂提高的冷却能力。接下来，在6016，例程调节冷却系统中的阀，以改变冷却剂压力。在6018，保持压力以实现期望的温度降低。
图17示出释放存储在具有集成的交流发电机和水泵的发动机冷却系统的高压冷却剂储存器中的能量的示例例程。存储在高压冷却剂储存器中的能量可用在发动机工作中。在一些实施例中，如图14所示的发动机冷却系统可用于执行例程7000。在此，参考图14描述该控制例程。在7010，例程首先使用接合的或断开的交流发电机，将冷却剂增压至预定的压力。在7020，例程将高压冷却剂送入交流发电机。然后，在7030，例程使交流发电机/水泵转动。在图14所述的实施例中，可以关闭阀1444，同时开启阀1438、1442、1446和1448。这样，从高压冷却剂储存器中释放的能量可用于使交流发电机转动。从而，从高压冷却剂储存器中释放的能量可用于发动机工作。例如，当离合器与交流发电机断开时，来自高压冷却剂储存器中的能量可使交流发电机转动，以产生起动发动机所需的电力。此外，可增加发动机转速以提高加速度。
应理解，存储在高压冷却剂储存器中的能量可以用各种方式用于改进汽车的性能。例如，高压冷却剂储存器可用于对发动机提供功率增强(power boost)，以改进汽车性能。在一些实施例中，压缩空气可用作冷却剂。交流发电机可对压缩空气密封，且可以最优化交流发电机中的风扇以压缩空气。此外，交流发电机的热量可以传递到压缩空气。存储在压缩空气中的能量之后可用于使交流发电机作为马达运转或对发动机或汽车中的其他设备提供动力。在一些实施例中，压缩空气可通过阀进入发动机进气，添加压缩空气或增压空气，以增加发动机输出功率。
与集成的交流发电机/水泵结合的高压冷却剂储存器允许发动机冷却剂压力和温度的改变，以最小化发动机有效工作范围外的操作所消耗的能量。
此外，在一些实施例中，通过在连接到交流发电机的交流发电机电流配线或直流电输出的冷却室中增加电极或电子电路，可以提高发动机效率。这样的配置可用于通过分解水蒸汽、氧、燃料、氮或其他由连接到交流发电机的电极导入的化合物，改变空气或其他液体以增加氢、氧、二氧化碳、臭氧或其他分子的浓度。在一些实施例中，经改变的冷却剂可与剩余的冷却剂结合使用。在其他实施例中，可包括第二冷却剂导管，以将冷却剂传递到使用经改变的冷却剂的组件。例如，经改变的冷却剂中的氧可被送到进气管，而经改变的冷却剂中的氢可被送到燃料导管。浓度的改变可以改变发动机中的燃烧，以改进排放或提高发动机的效率和功率。
应理解，上述系统和方法可用于固定式发动机中。
应注意，本文中包括的示例控制和估计例程可用于各种发动机和/或汽车系统配置。本文中所述的具体例程可代表所有处理策略，例如事件驱动，中断驱动，多任务，多线程等等中的一种或多种。此外，所述各种步骤或功能可按所述顺序执行，平行执行，或在某些情况下省略。同样，处理的顺序不是实现本文中所述示例实施例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述。取决于所使用的具体策略，可重复执行所述步骤或功能中的一个或多个。此外，所述步骤可以用图形表示编程到发动机控制系统中的计算机可读存储媒体中的代码。
应理解，在本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，且这些具体实施例不应被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能的。本发明的主题包括在本文中公开的各种系统和配置，及其他特征、功能，和/或属性的所有新颖和非易见的组合及子组合。
本发明的权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的特定组合及子组合。这些权利要求可能引用“一个”元素或“第一”元素或其等价。这样的权利要求应被理解为包括对一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合及子组合可以通过本发明权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提供新的权利要求来请求保护。这样的权利要求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括在本发明的主题之内。
Claims (14)
1.一种用于汽车发动机的集成的交流发电机和水泵，包括：
电力电子器件；
安装到第一传动轴上的交流发电机转子；和
安装到第二传动轴上的水泵叶轮，其中所述水泵基本上位于交流发电机定子的端部和所述交流发电机的所述电力电子器件之间；
其中，所述水泵叶轮配置为响应于所述第二传动轴的旋转泵送冷却剂，且所述第一和第二传动轴是同轴的且可操作地相连，以使所述第一传动轴的旋转传递旋转到所述第二传动轴，其中所述交流发电机和所述水泵至少部分位于共用的壳体中，其中，所述壳体中的隔间包括使所述水泵与所述交流发电机分离，并阻止冷却剂从所述水泵泄漏的密封件。
2.如权利要求1所述的集成的交流发电机和水泵，其特征在于，所述水泵邻近于所述交流发电机中的电力电子器件。
3.如权利要求1所述的集成的交流发电机和水泵，其中所述第一和第二传动轴通过磁力联轴器、磁流变联轴器、粘性联轴器和电动离合器中的一种被可操作地连接，所述磁力联轴器、磁流变联轴器、粘性联轴器和电动离合器能够接合和断开所述第一传动轴和所述第二传动轴。
4.如权利要求1所述的集成的交流发电机和水泵，其中一个或多个水泵与所述交流发电机集成。
5.一种控制汽车的交流发电机温度和发动机温度的方法，包括：
在发动机工作期间，旋转安装有交流发电机转子的第一传动轴以产生电能；
旋转安装有水泵叶轮的第二传动轴，以泵送冷却剂使所述交流发电机和所述发动机的至少一部分冷却，其中，所述第一和第二传动轴可操作地相连，以使所述第一传动轴的旋转传递旋转到所述第二传动轴；并
响应于发动机工况，选择性地使冷却剂流过多个不同的流体通路，其中所述发动机工况是发动机工作温度，当所述发动机工作温度低于第一预定工作温度时，所述冷却剂流过第一流体通路，所述第一流体通路包括所述交流发电机和所述发动机，当所述发动机工作温度高于所述第一预定工作温度且低于第二预定工作温度时，所述冷却剂流过第二流体通路，所述第二流体通路包括所述交流发电机、所述发动机和加热器芯。
6.如权利要求5所述的方法，其中当所述发动机工作温度高于所述第二预定工作温度时，所述冷却剂流过第三流体通路，所述第三流体通路包括所述水泵、所述发动机、所述加热器芯和散热器。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述方法进一步包括当所述发动机工作温度低于第一预定水平时，保持所述汽车中电池的充电状态低于100％容量，其中所述交流发电机在所述发动机工作期间为所述电池充电。
8.一种用于汽车的系统，其包括：
发动机；
第一交流发电机，其具有第一传动轴，所述第一传动轴被配置成由所述发动机的皮带通过一带轮驱动；
第一水泵，其具有第二传动轴，所述第二传动轴可操作地通过第一连接器连接到所述第一传动轴，所述第一传动轴的旋转传递旋转到所述第二传动轴从而泵送冷却剂；
第一流体通路，其穿过所述第一水泵、所述第一交流发电机、所述发动机并回到所述第一水泵；
第二流体通路，其穿过所述第一水泵、所述第一交流发电机、所述发动机、加热器芯并回到所述第一水泵，并且具有位于其内的第一阀，其中所述第一流体通路和所述第二流体通路具有至少部分共用的通路；
第三流体通路，所述第三流体通路穿过所述第一水泵、所述第一交流发电机、所述发动机、所述加热器芯、散热器并回到所述第一水泵，并且具有位于其内的所述第一阀和第二阀，其中所述第一、第二和第三流体通路具有至少部分共用的冷却通路；及
控制系统，其响应于发动机工作温度通过所述第一流体通路、所述第二流体通路及所述第三流体通路选择性地循环冷却剂以控制所述发动机和所述交流发电机中的温度。
9.如权利要求8所述的系统，其中如果所述发动机工作温度低于第一预定值，则所述控制系统通过所述第一流体通路循环所述冷却剂。
10.如权利要求9所述的系统，其中如果所述发动机工作温度高于所述第一预定值，则所述控制系统开启所述第一阀并且通过所述第二流体通路循环所述冷却剂。
11.如权利要求8所述的系统，其中如果所述发动机工作温度高于第二预定值，则所述控制系统开启所述第一阀和所述第二阀并且通过所述第三流体通路循环所述冷却剂。
12.如权利要求11所述的系统，其中如果所述发动机工作温度高于第二预定值，则所述控制系统开启所述第一阀和所述第二阀并且通过所述第三流体通路循环所述冷却剂。
13.一种用于汽车发动机的集成的交流发电机和水泵，包括：
电力电子器件；
安装到第一传动轴上的交流发电机转子，其中所述交流发电机被设置成邻近所述电力电子器件；和
安装到第二传动轴上的水泵叶轮，其中所述水泵叶轮位于所述交流发电机的周围，其中所述水泵叶轮被配置为响应所述第二传动轴的旋转泵送冷却剂，并且所述第一和第二传动轴被可操作地连接以便所述第一传动轴的旋转传递旋转到所述第二传动轴，并且所述第一和第二传动轴围绕不同的旋转轴旋转。
14.如权利要求13所述的集成的交流发电机和水泵，其中所述第一传动轴基本垂直于所述第二传动轴。
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