CN109779737A - 驱动发动机水泵和/或增压器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种驱动发动机水泵和/或增压器的系统，包括利用机油压力和排气压力中的至少一种驱动至少水泵的机冷模块(10)，机冷模块(10)包括使机油和/或排气流经机冷模块(10)的多条连接管路和与水泵同轴联接的转轮(14)，至少利用机油压力驱动转轮(14)并带动水泵运行。该系统由于不使用皮带驱动水泵，因此节省了曲轴的动力，可以使扭矩提高百分之五左右、发动机油耗降低百分之七左右，具有显著的经济效益。

Description

驱动发动机水泵和/或增压器的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种驱动发动机水泵和/或增压器的系统和方法。更具体地说，本发明涉及一种有选择地利用机油压力和/或排气压力驱动水泵和/或增压器的系统和方法。

背景技术

汽车发动机广泛采用离心式水泵，其通常由水泵壳体、连接盘或皮带轮、水泵轴及轴承或轴连轴承、水泵叶轮和水封装置等零件构成，是汽车的主要组成部分。

随着发动机的启动，皮带轮带动水泵轴承及叶轮转动，水泵中的冷却液被叶轮带动一起旋转，并在离心力的作用下被甩向水泵壳体的边缘，同时产生一定的压力，然后从出水道或水管流出。叶轮的中心处由于冷却液被甩出而压力降低，水箱中的冷却液在水泵进口与叶轮中心的压差作用下经水管被吸入叶轮中，实现冷却液的往复循环。

发动机水泵一般由发动机的曲轴通过皮带驱动。也就是说，驱动水泵需要消耗发动机曲轴的动力。相应地，发动机的功率也会随之降低。然而，这在实际应用中是不期望发生的。

为此，业内有技术人员尝试用电子水泵来代替传统的离心式水泵。但是，这种电子水泵需要消耗发电机和蓄电池的电，同样会影响发电机和蓄电池的使用寿命。

另一方面，涡轮增压发动机在增压时，高负荷排气侧会产生阻力，导致排气不顺畅。此时，发动机扭矩会剧烈波动，排气温度也会相应升高。当排气管路长时间高温工作时，尤其是在夏季高温期间，使用涡轮增压发动机常常会由于进气温度过高而产生爆震。

因此，业内目前普遍通过改进驱动水泵和/或增压器的系统的构造来提高发动机的运行效率。

例如，在陈光爱于2004年6月29日提交的实用新型专利CN2752455Y中，公开了一种摩托车水冷发动机。该摩托车水冷发动机包括发动机及其与水泵配套的内置水道，其中，水泵轴直接与发动机右曲轴箱盖内的机油泵轴传动联接。水泵轴与机油泵轴的联接是两者轴端直接凹凸嵌形配合联接传动。另一方面，水泵轴的两轴承均设置在水泵座壳内，水泵整体直接嵌装在右曲轴箱盖的安装孔中。在上述实用新型专利中，由于水泵直接由机油泵轴带动旋转，其结构较为简单、合理，大大降低了制造成本和难度。

然而，这种水冷发动机只能用于摩托车等轻型车辆，并不适用于汽车。而且，其利用机油泵带动水泵的设计与发动机的工况并无关联，因此依然属于现有技术的范畴。

在北京联优创展科技有限公司于2014年8月26日提交的中国发明专利申请CN104196696A中公开了一种水泵驱动系统。该水泵驱动系统包括：变频器、电机、工变频切换型液力耦合器和水泵；工变频切换型液力耦合器包括：润滑油泵、工作油泵、齿轮式无级变速器、齿轮箱和液力耦合器；变频器与电机的输入端相连接；齿轮箱的输入轴与电机的输出轴相连接；齿轮箱的输出轴与齿轮式无级变速器的输入轴相连接；齿轮式无级变速器的输出轴分别与润滑油泵和工作油泵相连接；润滑油泵和工作油泵分别与液力耦合器相连接；齿轮箱的输出轴与液力耦合器的输入轴相连接；液力耦合器的输出轴与水泵相连接。

上述水泵驱动系统主要采用齿轮驱动润滑油泵和工作油泵的方式，虽然能够减少用电量和用电成本，但其主要适用于火力发电厂，并不能解决汽车发动机领域所存在的问题。

因此，目前需要研制一种能够在节约曲轴的动力的前提下驱动水泵和/或增压器并实现发动机正常运转的系统和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种在不浪费曲轴动力的前提下驱动水泵和/或增压器并实现发动机正常运转的系统和方法。

本发明的第一方面涉及一种驱动发动机水泵和/或增压器的系统，包括利用机油压力和排气压力中的至少一种驱动至少水泵的机冷模块，机冷模块包括使机油和/或排气流经机冷模块的多条连接管路和与水泵同轴联接的转轮，至少利用机油压力驱动转轮并带动水泵运行。

在一个较佳实施例中，多条连接管路至少包括排气进入管、排气排出管、机油进入管、机油排出管、冷却液进入管和冷却液排出管。

具体来说，排气进入管的一端与发动机排气道连通，而另一端与机冷模块连通，排气排出管的一端与机冷模块连通，而另一端向外界敞开，以使排气道排出的排气流经机冷模块。

此外，排气进入管中设有第一单向阀，并且在第一单向阀的上游设有排气支管，排气支管中设有第二单向阀。

机油进入管的一端与发动机机油泵连通，而另一端与机冷模块连通，机油排出管的一端与机冷模块连通，而另一端与发动机油底壳连通，以使机油泵泵出的机油流经机冷模块。

冷却液进入管的一端与冷却液源连通，而另一端与水泵连通，冷却液排出管的一端与水泵连通，而另一端与发动机本体连通，以使冷却液对水泵进行冷却。

在另一个较佳实施例中，机冷模块在机油压力不足以驱动水泵的情况下还利用排气压力与机油压力一起驱动水泵。

在又一个较佳实施例中，机冷模块在增压器对发动机增压的情况下利用排气压力驱动水泵和增压器。

在再一个较佳实施例中，机冷模块还包括与排气进入管和排气排出管并联连接的增压器驱动管路和控制设置在增压器驱动管路中的第三单向阀的开度的电磁离合器。

本发明的第二方面涉及一种驱动发动机水泵和/或增压器的方法，借助如第一方面所述的系统以下述方式之一驱动至少水泵：

(i)利用机油压力驱动水泵；

(ii)利用机油压力和排气压力共同驱动水泵；

(iii)利用排气压力驱动水泵和增压器。

本发明的驱动发动机水泵和/或增压器的系统能够获得以下技术效果：

该系统由于不使用皮带驱动水泵，因此节省了曲轴的动力，可以使扭矩提高百分之五左右、发动机油耗降低百分之七左右，具有显著的经济效益。另外，解决了皮带驱动式水泵不能连续调节冷却液流量的缺陷。本发明利用过剩的机油压力和/或排气压力，借助传感器反馈控制能够实现冷却液流量的连续控制。

附图说明

为了进一步说明根据本发明的驱动水泵和/或增压器的系统结构以及驱动水泵和/或增压器的方法流程，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，其中：

图1是根据本发明的驱动水泵和/或增压器的系统的结构示意图；

图2以俯视方式示出图1的驱动水泵和/或增压器的系统；

图3A是说明发动机在不同转速和不同平均有效进气压力(BMEP)的工况下机油所达到的压力值高低程度的图表，其中标注“1”的工况状态表明为低压，而标注“2”的工况状态表明为高压；

图3B示出了机油压力和排气压力随时间变化的曲线图；

图4是在工况状态为“1”时以及工况状态为临界状态时测量得到的机油压力、排气压力、水压和平均有效进气压力的变化示意图；

图5是在工况状态为“1”时以及工况状态为临界状态时测量得到的排气压力、水压和平均有效进气压力的变化示意图；

图6是在工况状态为“0”时以及工况状态为临界状态时测量得到的排气压力、水压和平均有效进气压力的变化示意图；

图7示出了机油压力电磁阀与机油压力之间的关系；

图8示出了第一、第二和第三单向阀的开度与排气压力之间的关系；

图9A和9B是曲轴扭矩、冷却液流量和油耗各自在现有技术与本发明中的变化曲线图；以及

图10是根据本发明的驱动水泵和/或增压器的方法的流程图。

附图标记

1 进气道

2 排气道

3 中冷器

4 水泵叶轮

5 增压器

6 节气门

7 风门

8 空气滤芯

9 催化净化器

10 机冷模块

11a 排气进入管

11b 排气排出管

11c 排气支管

12a 机油进入管

12b 机油排出管

13a 冷却液进入管

13b 冷却液排出管

14 转轮

15 电磁离合器

16 增压器驱动管路

B1 第一单向阀

B2 第二单向阀

B3 第三单向阀

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的驱动水泵和/或增压器的系统结构以及驱动水泵和/或增压器的方法流程，其中，相同的部件由相同的附图标记进行标示。

图1是根据本发明的驱动水泵和/或增压器的系统的结构示意图，图2是图1所示系统的俯视图。

如图1和2所示，进气道1使空气流经空气滤芯8、风门7、中冷器3和节气门6进入发动机本体中的曲轴箱和油底壳，而排气道2使发动机燃烧室所产生的排气流经催化净化器9过滤后排入大气。可以看到，本发明的创新点在于驱动水泵和/或增压器的系统在传统发动机的基础上增设有一个机冷模块10，其不仅包括使排气、机油和冷却液流经机冷模块10的多条连接管路，而且还包括与水泵(图中未示出)的水泵叶轮4同轴联接的转轮14和/或控制增压器5(如图2所示)的电磁离合器15。

在本申请中，术语“机冷模块”主要是指那种在不同工况下利用机油压力和/或排气压力来驱动至少水泵(即水泵叶轮4)、更具体地是水泵和/或增压器5的部件。具体来说，不同工况包括以下几种：

(i)当发动机小于预定转速和预定负荷的情况下，利用过剩的机油压力来驱动与水泵叶轮4同轴联接的转轮14，从而带动水泵叶轮4；

(ii)当转速超过预定转速且负荷高于预定负荷时，在利用机油压力驱动水泵叶轮4的同时，进一步利用排气压力与机油压力一起驱动水泵叶轮4；以及

(iii)当发动机增压时，利用电磁离合器15来控制单向阀的开度，以使排气压力足够大，从而能够同时驱动水泵叶轮4和增压器5。

在一个较佳实施方式中，机冷模块包括多条连接管路和与水泵同轴联接的转轮14。上述多条连接管路至少包括排气进入管11a、排气排出管11b、机油进入管12a、机油排出管12b、冷却液进入管13a和冷却液排出管13b。

排气进入管11a的一端与排气道2连通，而另一端与机冷模块10连通，以使排气道2排出的排气能够进入机冷模块10。排气排出管11b的一端与机冷模块10连通，而另一端向外界敞开，以将流经机冷模块10的排气排向大气。机油进入管12a的一端与发动机的机油泵(图中未示出)连通，而另一端与机冷模块10连通，以使机油泵泵出的机油能够进入机冷模块10。机油排出管12b的一端与机冷模块10连通，而另一端与发动机的油底壳连通，以使流经机冷模块10的机油返回发动机本体。冷却液进入管13a的一端与冷却液源(图中未示出)连通，而另一端与水泵叶轮4连通，以使冷却液能够对水泵进行冷却。冷却液排出管13b的一端与水泵叶轮4连通，而另一端与发动机本体连通，以使流经水泵叶轮4的冷却液进入发动机本体。

排气进入管11a中设有第一单向阀B1，并且在该第一单向阀B1的上游设有排气支管11c，该排气支管11c中设有第二单向阀B2。在需要使排气流经机冷模块10时，第一单向阀B1打开，第二单向阀B2关闭，以使排气通过排气进入管11a进入机冷模块10。在需要排气直接排放入大气时，第一单向阀B1关闭，第二单向阀B2打开，以使排气通过排气支管11c进入大气。

还可以在发动机本体中的机油泵上一体地设置机油压力电磁阀，以控制进入机油进入管12a的机油压力。

上述较佳实施方式不仅适用于如上所述的工况(i)，而且还适用于如上所述的工况(ii)。

当发动机处于工况(i)时，发动机ECU根据转速(HNDATA)、负荷(LDATAD)、平均有效进气压力(BMEP)的实际值控制从机油进入管12a流经机冷模块10的机油压力的大小，并且控制从冷却液进入管13a流经水泵叶轮4的冷却液流量的大小，从而达到流量可连续调节。

请参见图3A所示的图表，当发动机处于标注为“1”的工况状态(即图表中的深色区域)时，仅利用过剩的机油压力来驱动与水泵叶轮4同轴联接的转轮14，从而驱动水泵。通常来说，发动机启动时机油压力大于150kPa，因此过剩的机油压力足以驱动水泵叶轮4。此时，冷却液的最大进水压力为30kPa至40kPa。

在实际运行中，可利用以下等式来计算机油的压力值：

P_需1＝P_基本油压+P_修×ktw×ktwld×ktwne×KATVO，

其中，ktw为水温补正系数KTWTBL*TWN的参照值；ktwld为水温负荷补正系数KTWLTB*LDATAD的参照值；ktwne为水温转速补正系数TKTWNE*HNDATA的参照值；而KATVO为机油压力电磁阀的修正电压。

图4是在发动机工况状态为“1”时以及在发动机工况状态为“1”与发动机工况状态为“0”(即图表中的浅色区域)之间的临界状态时测量得到的机油压力P_OIL、排气压力P_TUR_IN、水压P_W_IN和平均有效进气压力BMEP的变化示意图。

可以看到，在发动机工况状态为“1”时，机油压力P_OIL此时远高于发动机压力P_TUR_IN和水压P_W_IN，因此足以用来驱动水泵叶轮。在发动机工况状态为“1”和“0”之间的临界区域中，机油压力P_OIL恰好不够用来驱动水泵叶轮，因此需要同时利用机油压力和排气压力来驱动水泵叶轮。

关于“临界区域”，请参见图3B，其中示出了机油压力和排气压力随时间变化的曲线图。可以看到，机油压力随时间逐渐下降，而排气压力则逐渐上升。这两条曲线相交的点即为发动机工况状态为“1”和“0”之间的临界区域。

当发动机处于工况(ii)时，使转轮14停止，机油压力由此可全部用于润滑发动机。发动机ECU根据转速(HNDATA)、负荷(LDATAD)、平均有效进气压力(BMEP)和排气压力的实际值控制从排气进入管11a流经机冷模块10的排气压力的大小，并且控制从冷却液进入管13a流经水泵叶轮4的冷却液流量的大小，从而达到流量可连续调节。

返回参见图3A所示的图表，当发动机处于标注为“0”的工况状态时，水泵叶轮4不再仅由机油压力连续驱动，而是需要同时利用机油压力和排气压力来驱动水泵叶轮4。通常来说，在发动机高转速和高负荷的条件下，排气压力足以驱动水泵叶轮4。此时，冷却液的最大进水压力仍为30kPa至40kPa。

在实际运行中，可利用以下等式来计算排气的压力值：

P_需2＝P_基本排气+P_排气修正×kEXMS×ktwld×ktwne×KBTVO，

其中，kEXMS为排气管压力变换系数；ktwld为水温负荷补正系数KTWLTB*LDATAD的参照值；ktwne为水温转速补正系数TKTWNE*HNDATA的参照值；KBTVO为排气单向阀的修正电压。

图5是在发动机工况状态为“1”时以及在发动机工况状态为“1”与发动机工况状态为“0”之间的临界状态时测量得到的排气压力P_TUR_IN、水压P_W_IN和平均有效进气压力BMEP的变化示意图，而图6是在发动机工况状态为“0”时以及在发动机工况状态为“1”与发动机工况状态为“0”之间的临界状态时测量得到的排气压力P_TUR_IN、水压P_W_IN和平均有效进气压力BMEP的变化示意图。

可以看到，无论是在发动机工况状态为“1”或“0”时，还是在发动机工况状态为“1”与发动机工况状态为“0”之间的临界状态下，排气压力P_TUR_IN始终处于水压P_W_IN之上，其足以驱动水泵叶轮。

事实上，利用电磁离合器15能够控制单向阀的开度，从而使排气压力足够大。此时，不仅能够驱动水泵叶轮4，而且还能够驱动增压器5。因此，在本发明的另一个较佳实施方式中，机冷模块的多条连接管路还包括与排气进入管11a和排气排出管11b并联连接的增压器驱动管路16。电磁离合器15能够控制设置在增压器驱动管路16中的第三单向阀B3的开度，从而根据当前工况增大排气压力。

不采用排气驱动涡轮而采用驱动机械增压器的原因是涡轮后的排气压力无法顺利地驱动水泵叶轮，排气受阻会导致涡轮运行延迟，且涡轮排气温度过高。

ECU根据压力温度传感器和节气门位置传感器所检测到的参数来控制第三单向阀B3的开度，以使排气压力足够用于同时驱动水泵叶轮4和增压器5。此时，冷却液的最大进水压力仍为30kPa至40kPa。

可利用以下等式来计算排气的压力值：

P_理＝P_排总－P_需2－P_泄，

其中，P_排总是ECU实际测量到的数值；P_需2和P_泄都是ECU计算得到的数值。

下面将结合图7和8比较机油压力电磁阀与机油压力之间的关系以及第一单向阀B1、第二单向阀B2和第三单向阀B3与排气压力之间的关系。

如图7所示，ECU通过占空比控制电压大小，并藉此控制机油压力电磁阀，从而控制机油压力的大小。因此，可通过以下等式来计算机油压力电磁阀的修正电压：

KATVO＝KLTVO+KTOI×KTWTBL，

其中，KATVO为机油压力电磁阀修正电压、KLTVO为KLTVO基本值、KTOI为机油温度修正值，而KTWTBL为水温补正系数基本值。

如图8所示，ECU通过占空比控制电压大小，并藉此控制第一单向阀B1、第二单向阀B2和第三单向阀B3，从而控制流过第三单向阀B3的排气压力的大小。因此，可通过以下等式来计算各单向阀的修正电压：

KBTVO1＝KBLTVO1+KNE1×KLD1，

KBTVO2＝KBLTVO2+KNE2×KLD2，

KBTVO3＝KBLTVO3+KNE3×KLD3，

其中，KBTVO1、KBTVO2、KBTVO3分别为第一单向阀B1、第二单向阀B2和第三单向阀B3的修正电压；KBLTVO1、KBLTVO2、KBLTVO3分别为第一单向阀B1、第二单向阀B2和第三单向阀B3的KBTVO基本值；KNE1、KNE2、KNE3分别为第一单向阀B1、第二单向阀B2和第三单向阀B3的发动机转速修正值；KLD1、KLD2、KLD3分别为第一单向阀B1、第二单向阀B2和第三单向阀B3的发动机负荷修正值。

图9A示出了曲轴扭矩、冷却液流量和油耗在现有技术中的各变化曲线，而图9B则示出了曲轴扭矩、冷却液流量和油耗在本发明中的各变化曲线。

通过比较这两张图中的各曲线可知，该系统由于不使用皮带驱动水泵，因此节省了曲轴的动力，可以使扭矩提高百分之五左右(可以看到图9B中代表扭矩的曲线a的平均数值比图9A中的相应曲线更高)、发动机油耗降低百分之七左右(可以看到图9B中代表油耗的曲线c的平均数值比图9A中的相应曲线更低)，具有显著的经济效益。另外，本发明还解决了皮带驱动式水泵不能连续调节冷却液流量的缺陷(可以看到图9B中代表冷却液流量的曲线b的波动率明显低于图9A中的相应曲线)。因此，根据本发明的系统利用过剩的机油压力和/或排气压力，借助传感器反馈控制能够实现冷却液流量的连续控制。

最后结合图10简单描述实施本发明的驱动水泵和/或增压器的方法的各个步骤。

本发明的驱动水泵和/或增压器的方法的特征在于根据发动机所处的不同工况(例如，工况“0”或“1”)利用发动机的排气压力和/或机油压力来驱动水泵和/或增压器。具体地说，当车辆启动后，ECU收集转速、负荷、BMEP等数据判断发动机是处于工况“0”还是处于工况“1”。如果判断发动机处于工况“1”，则在确定入口压力P_INTAKE为正压(即，P_INTAKE>0kPa)的前提下，使第二单向阀B2和第三单向阀B3动作，并且使转轮14与水泵叶轮4连接。然后，机油压力电磁阀动作，以控制将驱动水泵的机油压力。另一方面，如果判断发动机处于工况“0”，则在确定入口压力P_INTAKE为正压的前提下，接通电磁离合器15使第二单向阀B2和第三单向阀B3动作，并且使转轮14与水泵叶轮4脱开连接。但如果入口压力P_INTAKE为负压，则仅使第一单向阀B1动作，以使入口压力P_INTAKE上升至正压。最后，第一、第二和第三单向阀B1、B2和B3同时动作，使发动机停机。

虽然以上结合了较佳实施例对本发明的驱动水泵和/或增压器的系统及其运行方法进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种驱动发动机水泵和/或增压器的系统，其特征在于，包括利用机油压力和排气压力中的至少一种驱动至少所述水泵的机冷模块(10)，所述机冷模块(10)包括使机油和/或排气流经所述机冷模块(10)的多条连接管路和与所述水泵同轴联接的转轮(14)，至少利用机油压力驱动所述转轮(14)并带动所述水泵运行。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多条连接管路至少包括排气进入管(11a)、排气排出管(11b)、机油进入管(12a)、机油排出管(12b)、冷却液进入管(13a)和冷却液排出管(13b)。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述排气进入管(11a)的一端与发动机排气道(2)连通，而另一端与所述机冷模块(10)连通，所述排气排出管(11b)的一端与所述机冷模块(10)连通，而另一端向外界敞开，以使所述排气道(2)排出的排气流经所述机冷模块(10)。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述排气进入管(11a)中设有第一单向阀(B1)，并且在所述第一单向阀(B1)的上游设有排气支管(11c)，所述排气支管(11c)中设有第二单向阀(B2)。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述机油进入管(12a)的一端与发动机机油泵连通，而另一端与所述机冷模块(10)连通，所述机油排出管(12b)的一端与所述机冷模块(10)连通，而另一端与发动机油底壳连通，以使机油泵泵出的机油流经所述机冷模块(10)。

6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述冷却液进入管(13a)的一端与冷却液源连通，而另一端与所述水泵连通，所述冷却液排出管(13b)的一端与所述水泵连通，而另一端与发动机本体连通，以使冷却液对所述水泵进行冷却。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机冷模块(10)在机油压力不足以驱动所述水泵的情况下还利用排气压力与机油压力一起驱动所述水泵。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机冷模块(10)在所述增压器对所述发动机增压的情况下利用排气压力驱动所述水泵和所述增压器(5)。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述机冷模块(10)还包括与所述排气进入管(11a)和所述排气排出管(11b)并联连接的增压器驱动管路(16)和控制设置在所述增压器驱动管路(16)中的第三单向阀(B3)的开度的电磁离合器(15)。

10.一种驱动发动机水泵和/或增压器的方法，其特征在于，借助如权利要求1所述的系统以下述方式之一驱动至少所述水泵：

(i)利用机油压力驱动所述水泵；

(ii)利用机油压力和排气压力共同驱动所述水泵；

(iii)利用排气压力驱动所述水泵和所述增压器(5)。