具有集成閉環控制的冷卻劑泵的製作方法

2023-12-04 00:21:56

本發明涉及一種用於在包括內燃機和中央發動機控制單元的車輛中泵送用於內燃機的冷卻劑的冷卻劑泵。

背景技術：

已經進行開發著眼於將內燃機的熱管理設計成更加有效的，以便減少車輛的燃料消耗和排放。為此，已經開發了利於循環冷卻劑的容積流量的可靠且連續的調節的冷卻劑泵。為了將內燃機保持在用於有效燃燒和最小廢氣排放的最佳溫度範圍中，根據當前運行狀態來控制冷卻系統的熱輸出。在冷啟動階段期間，例如，首先完全防止熱輸出，隨後部分地防止熱輸出。

在機械驅動式冷卻劑泵的領域中，利用該機械驅動式冷卻劑泵，內燃機的旋轉經由帶傳動裝置傳遞到泵軸，包括用於調節容積流量的電液控制的調節滑閥的冷卻劑泵在這些發展的過程中被證明是特別可靠的。這種設計的現在被稱為ECF泵(電液控制流量)的泵例如在本申請人的德國專利說明書DE 10 2008026 218B4中公開。

通過這種冷卻劑泵，圓筒形調節滑閥通過液壓致動器圍繞冷卻劑泵的葉輪的周緣區域移動。在這種情況下，致動器的液壓不是由具有液壓油的閉合迴路產生的；而是經由冷卻劑的輔助流量而施加。具有這種基於冷卻劑的液壓系統的泵不需要對大氣的附加的動態密封，並且由於其長的使用壽命和其可靠的控制而被證明是成功的。

待從冷卻劑泵泵送的冷卻劑的容積流量通常由車輛的中央發動機控制單元ZMS控制。在已知的冷卻劑泵的情況下，調節滑閥的位置為此被檢測並且被傳送到中央發動機控制單元ZMS。中央發動機控制單元ZMS根據諸如內燃機的速度、內燃機的工作負載、所供給的燃料量、溫度和類似物的其它操作參數來控制液壓迴路中的電磁閥。

根據待確定的參數的數量和為此所必需的測量元件的數量以及待控制的致動器的數量，要求相應數量的從中央發動機控制單元ZMS到控制迴路的單獨的元件的電纜。為了安裝ECF泵，必須為電源和從中央發動機控制單元ZMS到位置傳感器的以及從中央發動機控制單元ZMS到電磁閥的信號通信安裝至少兩個電纜。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種冷卻劑泵，該冷卻劑泵在安裝方面需要最小的努力並且在腐蝕環境中提供高度的操作可靠性。

根據本發明，該目的通過具有權利要求1的特徵的冷卻劑泵實現。

該冷卻劑泵的特徵尤其在於，該冷卻劑泵包括其自身的泵控制器，該泵控制器基於來自傳感器的實際值信號和來自中央發動機控制單元的期望值信號來控制液壓迴路中的比例閥。

因此，本發明在冷卻劑泵的設計中首次提供使用液壓致動器的用於調節滑閥的位置控制的專用控制迴路。

因此，根據本發明的冷卻劑泵包括比常規系統更少的到中央發動機控制單元的電纜。具體地，在中央發動機控制單元ZMS與電磁比例閥之間和在中央發動機控制單元ZMS與用於確定一參數(諸如，調節滑閥的位置)的傳感器之間不需要單獨的電源或通信接口，該參數指示泵送的冷卻劑的容積流量。

在根據本發明的冷卻劑泵的情況下，僅需要一個電源電纜和一個到中央發動機控制單元ZMS的通信電纜。需要更少的電纜和插頭連接件的事實簡化了設計並且降低了冷卻劑泵的製造成本以及將其安裝在車輛中的成本。

此外，還可以改善冷卻劑泵的故障敏感性，因為在車輛的暴露於天氣和攪起的砂礫的作用下的發動機室的區域中，不需要用於布線的在泵殼體上的可腐蝕的插塞連接件和/或出口密封件。

中央發動機控制單元也不需要用於控制調節滑閥的位置的編程過程。結果，可以降低中央發動機控制單元的處理負荷。因此，可以使用具有相應較低成本的較低處理功率的中央發動機控制單元，或者可以使未使用的處理功率可用於其他外圍設備的控制功能，或者實現增大的計算周期頻率。

在從屬權利要求中描述了根據本發明的冷卻劑泵的有利實施例。

在本發明的一個有利的實施例中，泵控制器和傳感器可以形成為單個電子部件。由於集成到一個電子部件中，可以省去到泵結構的不同區域的外部布線。由此可以簡化冷卻劑泵的安裝，並且不需要用於布線的在泵殼體上的可腐蝕的插頭連接件和/或出口密封件。

在本發明的另一實施例中，傳感器可以是用於檢測調節滑閥的位置的位置傳感器，尤其是霍爾效應傳感器。在這種情況下，期望值信號指示調節滑閥的預定位置或預定容積流量以及內燃機或冷卻劑泵的速度。

如果來自中央發動機控制單元的期望值信號和來自位置傳感器的實際值信號各自指示調節滑閥的位置值，可以通過簡單的計算程序在泵控制器中實現位置控制。由此可以將泵控制器的計算能力以及封閉的電子部件中的所需的功率和所產生的廢熱保持最小。

如果來自中央發動機控制單元的期望值信號指示預定的容積流量和速度，通過泵控制器在容積流量與待根據泵速度來控制的調節滑閥的位置之間執行計算程序。因此，不需要通過中央發動機控制單元基於冷卻劑泵的單獨的參數的特定計算。隨後，中央發動機控制單元僅將與容積流量對應的值(即待耗散的熱量)作為期望值信號傳送。所需的熱輸出量可以通過中央發動機控制單元基於內燃機的操作參數來計算。以這種方式，可以確保根據本發明的冷卻劑泵與各種中央發動機控制單元之間的良好的兼容性和可互換性。

根據本發明的一個實施例，在泵的高速範圍中，泵控制器可以限制調節滑閥的路徑。因此，泵控制器對冷卻系統中的諸如密封件的部件執行保護功能，以限制最大容積流量和產生的壓力。

此外，根據本發明的一個實施例，泵控制器可以將比例閥的控制持續時間與調節滑閥的產生的位置變化之間的關係與閾值進行比較。以這種方式，泵控制器執行自主功能監控，以確保冷卻系統具有足夠的冷卻劑填充量。

由於在這種情況下使用液壓迴路作為壓敏傳感器，因此可以在不需要設置諸如壓力計或其他傳感器的其它測量元件的情況下在冷卻系統中實施功能監控，以確保及時檢測洩漏。這意味著安裝中涉及的部件和布線的數量以及成本和費用可以保持最小。

在本發明的替代性的實施例中，傳感器可以是用於檢測冷卻劑的泵送容積流量的壓力的壓力傳感器。在這種情況下，期望值信號指示預定的容積流量或指示泵送的冷卻劑的容積流量的壓力。優選地，壓力傳感器可以檢測泵室中的與冷卻劑泵的泵送容積流量成比例的壓力。

根據本發明的一個實施例，泵控制器可以將由傳感器檢測的壓力與閾值進行比較。以這種方式，替代性的實施例的泵控制器可以利用壓力傳感器特別容易地執行自主功能監控，以確保冷卻系統具有足夠的冷卻劑填充量。

也可以在不需要在冷卻系統中設置其它測量元件的情況下，通過該實施例實施功能監控以確保及時檢測洩漏，因此，在安裝中所涉及的部件和布線的數量以及成本和費用可以保持最小。

根據本發明的一個實施例，泵控制器包括用於從中央發動機控制單元接收數據和/或用於向中央發動機控制單元發送數據的收發器、用於執行控制程序的微型計算機、用於控制比例閥的閥驅動器、以及用於為每個部件供給電力的電源分配器。通過這種構造，可以在冷卻劑泵中實現泵控制器的具有小尺寸及有利的安裝可能性的控制迴路。

根據本發明的一個實施例，泵控制器可以具有其自身的殼體，該殼體集成到單個電子部件中。通過這種設計，例如可以提供有效保護以免於從控制迴路到設置在電子部件中的傳感器(例如霍爾效應傳感器)的電磁幹擾。

根據本發明的一個實施例，傳感器可以具有其自身的殼體，該殼體集成到單個電子部件20中。通過這種設計，也可以提供有效保護以免於從控制迴路到傳感器的電磁幹擾。

根據本發明的一個實施例，待泵送的冷卻劑可以流動穿過冷卻劑入口以使得該冷卻劑在葉輪處軸向地引導，並且可以由葉輪泵送，以經由徑向冷卻劑出口離開泵室。因此，本發明利用徑向泵的構造。

根據本發明的一個實施例，待泵送的冷卻劑可以流動穿過冷卻劑入口以使得該冷卻劑在葉輪處軸向地引導，並且可以由葉輪泵送，以經由葉輪的相反側上的軸向的或半軸向的冷卻劑出口離開泵室。因此，本發明利用了軸向的或半軸向的泵的構造。

根據本發明的用於在具有內燃機和中央發動機控制單元的車輛的機械驅動式冷卻劑泵中使用的電子部件，包括泵控制器和用於檢測限制泵送容積流量的調節滑閥在泵室中的位置的傳感器或者用於檢測泵室中的容積流量的壓力的傳感器。因此，控制所需的電子件可以與冷卻劑泵中的部件集成、替換或改進。

根據本發明的一個實施例，電子部件的容置泵控制器的部分和電子部件的容置傳感器的部分能夠相對於彼此形成L形布置。通過該實施例，確保了與泵設計的有利集成以及免於控制迴路與傳感器之間的幹擾的改進保護。

根據本發明的用於控制具有內燃機和中央發動機控制單元的車輛的機械驅動式冷卻劑泵的方法包括以下步驟：根據內燃機的操作參數，通過中央發動機控制單元計算指示泵送的冷卻劑的容積流量的參數的期望值；將期望值從中央發動機控制單元傳輸至冷卻劑泵的泵控制器；由傳感器檢測參數的實際值；將實際值從傳感器傳輸至泵控制器；以及通過泵控制器調整調節滑閥的位置，調節滑閥根據期望值和實際值通過控制液壓致動器來限制冷卻劑泵的泵送容積流量。以這種方式，本發明利用上述實施例的冷卻劑泵。

根據本發明的用於控制具有內燃機和中央發動機控制單元的車輛的機械驅動式冷卻劑泵的方法包括以下步驟：將內燃機的操作參數從中央發動機控制單元傳輸至冷卻劑泵的泵控制器；根據內燃機的操作參數，通過泵控制器計算指示泵送的冷卻劑的容積流量的參數的期望值；由傳感器檢測參數的實際值；將實際值從傳感器傳輸至泵控制器；以及通過泵控制器調整調節滑閥的位置，調節滑閥根據期望值和實際值通過控制液壓致動器來限制冷卻劑泵的泵送容積流量。以該替代性的方式，本發明利用上述實施例的冷卻劑泵。

根據本發明的一個實施例，指示泵送的冷卻劑的容積流量的參數可以是調節滑閥的位置。這使得可以使用用於根據本發明的冷卻劑泵的上述構造的控制方法。

根據本發明的一個實施例，指示泵送的冷卻劑的容積流量的參數可以是冷卻劑泵的泵室中的與泵送的冷卻劑的容積流量相對應的壓力。這使得能夠使用用於根據本發明的冷卻劑泵的替代性的實施例的控制方法。

附圖說明

現在將參照附圖，通過示例性實施例來說明本發明，在附圖中：

圖1是根據本發明的冷卻劑泵的內部區域的和泵控制器的配線的示意性截面圖；

圖2是根據本發明的具有泵控制器的冷卻劑泵的構造的截面圖，泵控制器配備有用於與數據總線連接的插頭；

圖3A是電子部件的截面圖，根據本發明的位置傳感器和泵控制器集成到該電子部件中；

圖3B示出電子部件的透視圖，根據本發明的位置傳感器和泵控制器集成到該電子部件中；

圖4示出根據本發明的泵控制器的示意性框圖。

具體實施方式

現在將參照圖1和圖2描述冷卻劑泵的示例性構造。

冷卻劑泵包括泵殼體1和泵軸4，泵軸可旋轉地安裝在泵殼體中並且包括由內燃機(未示出)通過帶傳動裝置驅動的滑輪3。在泵軸4的自由端部處不可旋轉地布置葉輪5，該葉輪布置在內燃機的冷卻迴路的流通面積中的泵室2內部以引起冷卻劑的容積流量。冷卻劑通過泵室2的在葉輪5的中心半徑的區域中的軸向入口被抽吸並且例如通過泵室2的與葉輪5的外周區域相對的徑向出口(未示出)被排出。

葉輪5的流通面積可以由調節滑閥7沿與泵軸4平行延伸的位移路徑可變地遮蓋，該調節滑閥具有後壁部分7b和與泵軸同軸布置的圓筒形部分7a。密封唇6在調節滑閥7的圓筒形部分7a的內周壁與泵室2的後壁之間延伸。在圖1和圖2中，調節滑閥7處於「打開位置」，在該「打開位置」，葉輪5的流通面積未被遮蓋。

泵室2還具有布置在其中的軸向活塞泵9，軸向活塞泵位於葉輪5的背側上並且與泵軸4平行，該軸向活塞泵的活塞經由滑塊致動，該滑塊在擺盤8上滑動，該擺盤布置在葉輪5的後側上以不隨著葉輪相對於泵軸4旋轉。

軸向活塞泵9從泵室2中的在葉輪5與調節滑閥7之間的流通面積抽吸冷卻劑，並將壓力下的冷卻劑噴射到形成在泵殼體1中的液壓迴路11中。液壓迴路11分成兩個分支11a和11b。液壓迴路11的一個分支11a一方面通向電磁比例閥13並且又返回到泵送的冷卻劑流中。液壓迴路11的另一分支11b通向環形活塞15，該環形活塞相對於泵軸4同軸地布置並且沿著調節滑閥7的位移路徑承擔液壓致動器的功能。

復位彈簧17沿與液壓迴路11的壓力相反的方向(即遠離葉輪5)作用在環形活塞15上。環形活塞15與調節滑閥7連通，並隨著液壓迴路11的壓力增加而朝葉輪5移動該調節滑閥。

現在將描述用於調節冷卻劑泵的容積流量的一個示例性功能。

當沒有供應驅動電流時，電磁比例閥13打開，使得由軸向活塞泵9抽吸的冷卻劑基本上沒有壓力地經由液壓迴路11的分支11a並且通過比例閥13回流到泵送的冷卻劑流中。因此，在液壓迴路11的分支11b中沒有建立壓力，並且環形活塞15在復位彈簧17的作用下保持在未致動的初始位置。在這種情況下，與環形活塞15連通的調節滑閥7保持在「打開位置」，如圖1和2所示。

在調節滑閥的「打開位置」，無論泵速度如何，產生最大泵送容積流量，而沒有通過調節滑閥7遮蔽葉輪5的流動有效面積。該狀態同樣表示故障安全模式，其意味著在電源故障或控制缺陷的情況下(即斷電的電磁比例閥13)自動確保內燃機的最大容積流量和最大熱輸出量。

當電磁比例閥13由於驅動電流的時控供應而暫時關閉時，由軸向活塞泵9噴射的冷卻劑不能經由液壓迴路11的分支11a回流到容積流量中。由軸向活塞泵9施加在液壓迴路11中的壓力從關閉的比例閥13處的背壓經由分支11a擴展到分支11b中並且作用在環形活塞15上。環形活塞15克服復位彈簧17的力朝向葉輪移動調節滑閥7。在該過程中，使調節滑閥7的圓筒形部分7a逐漸地軸向重疊葉輪5，由此，葉輪5的有效流通面積被調節滑閥7的圓筒形部分7a徑向遮蓋。

在調節滑閥7的「關閉位置」，圓筒形部分7a完全遮蓋葉輪5，使得無論泵速度如何，產生最小泵送容積流量，因為葉輪5的流通有效面積由調節滑閥7完全遮蔽。

控制電磁比例閥13的打開和關閉時段導致分支11a中的受控的背壓的建立，因此導致液壓迴路11的分支11b中的受控的壓力的建立，該受控的壓力作用於環形活塞15並抵抗復位彈簧17。環形活塞15使調節滑閥7在如上所述的「打開位置」與「關閉位置」之間移動，以調節冷卻劑泵的泵送容積流量。

中央發動機控制單元ZMS通過考慮諸如內燃機的速度和工作負載、所供給的燃料、溫度、車輛速度和類似物的各種操作參數來計算待泵送的冷卻劑的容積流量，待泵送的容積流量對應於內燃機的所需的熱輸出量。

如以上所述的，由冷卻劑泵泵送的冷卻劑的容積流量一方面取決於葉輪5的流動效率，當調節滑閥7的(和環形活塞15的)位置以增大的程度朝向「關閉位置」軸向地移動時，葉輪的流動效率隨著通過調節滑閥7的圓筒形部分7a的增大的遮蓋程度而圍繞葉輪5減小。

另一方面，冷卻劑泵的泵送容積流量取決於泵速度。泵速度總是由於帶傳動裝置的結果而由內燃機的速度支配並且包括車輛運行的波動特性。

現在將參照圖4描述泵控制器21的示例性配置。

在一個示例性實施例中，泵控制器21包括諸如LIN收發器的收發器23、微型計算機25、閥驅動器27和電源分配器29。電源分配器將來自諸如12V的車輛電源(未示出)的電壓分壓為泵控制器21的電子部件23、25、27的合適電壓並且向它們提供所需的電力。LIN收發器23能夠實現在泵控制器21與中央發動機控制單元ZMS之間經由數據總線(例如，在LIN協議中)的數據通信。如圖2所示，可以設置插頭22以用於與聯接到中央發動機控制單元ZMS的車載數據總線連接。微型計算機25利用存儲在微型計算機25的存儲器(未示出)中的控制程序來執行控制程序，並且計算作為閥驅動器27的驅動信號的脈寬調製。閥驅動器27通過根據脈寬調製來激活和停用來自電源分配器29的用於使電磁比例閥13致動的電力的供應，來放大來自微型計算機25的驅動信號。

在圖3A和3B所示的一個示例性實施例中，泵控制器21與傳感器19一起形成為單個電子部件20。例如，傳感器迴路和泵控制器21的控制迴路可以鑄造成一個封閉的部件。在泵控制器21和傳感器19的單個部件的尺寸不超過常規使用的傳感器部件的尺寸的情況下，還能夠在不改變泵結構的情況下升級已知的ECF泵。

優選地，所示的構造可以使用霍爾效應傳感器作為位置傳感器19來實現。然而，本實施例不限於霍爾效應傳感器，如之後將在另一實施例中進行描述的。

在圖1所示的冷卻劑泵的一個實施例中，使用位置傳感器19以檢測調節滑閥7沿著位移路徑的位置。通過霍爾效應傳感器和連接到環形活塞15的磁性收發器元件提供非接觸且堅固的結構。位置傳感器19將環形活塞15以及因此調節滑閥7沿著位移路徑的檢測位置作為實際值信號輸出至泵控制器21。

在一個示例性實施例中，由泵控制器21從中央發動機控制單元ZMS接收的期望值信號包含調節滑閥7的預定位置。為此，中央發動機控制單元ZMS基於內燃機的所需的熱輸出量來計算待由冷卻劑泵泵送的冷卻劑的容積流量。隨後，根據容積流量和當前的泵速度計算調節滑閥的預定位置並且將調節滑閥的預定位置傳輸到泵控制器21，該當前的泵速度相對於內燃機具有固定的速比。

在另一優選實施例中，由泵控制器21從中央發動機控制單元ZMS接收的期望值信號僅包含用於所需的冷卻劑的容積流量的一個期望值以及其它操作參數，諸如特別是內燃機的當前速度或相應的泵速度。在該實施例中，在泵控制器21中計算調節滑閥7的產生的位置的期望值。

在微型計算機25中執行的控制程序例如與PID構件的控制功能相對應，通過該PID構件的控制功能而在預定的期望值和實際值之間計算偏差。基於該偏差，根據液壓迴路11的系統特定功能來計算用於控制電磁比例閥13的脈寬調製，該系統特定功能即電磁比例閥13的打開和關閉時段和作為液壓致動器的環形活塞15的產生的位置變化之間的響應行為。

為了保持調節滑閥7的位置，液壓迴路11中的壓力通過用於打開和關閉比例閥13的打開和關閉時段以下述的方式來控制：使得在環形活塞15和調節滑閥7的位置處，在液壓壓力與復位彈簧17的壓力之間實現並保持與中央發動機控制單元ZMS的預定的期望值相對應的均衡。調節滑閥7的實際位置由位置傳感器19檢測，並且被傳輸到泵控制器21或作為用於控制比例閥13的反饋而輸入到微型計算機25中。

根據另一示例性實施例，泵控制器21執行功能監控以自主地識別並向中央發動機控制單元報告冷卻系統中的洩漏。

如果空氣由於洩漏而被困在冷卻劑迴路中，空氣也會進入冷卻劑泵的液壓迴路11並且減小液壓致動器中的壓力。復位彈簧17的抵抗環形活塞15的特性曲線保持不變。在這種情況下，必須通過增加電磁比例閥13的打開時段與關閉時段的比率來補償減小的液壓壓力與復位彈簧17的不變的特性曲線之間的不均衡，以產生用於環形活塞15的期望位置的液壓壓力。

液壓迴路11中的電磁比例閥13與調節滑閥7的位置傳感器19之間的簡單控制環路允許根據本發明的泵控制器21以需要的靈敏度(即，特別地不受諸如永久速度和溫度波動的其它操作參數影響)檢測液壓迴路的響應行為中的偏差。泵控制器21將電磁比例閥13的打開和關閉時段之間的比率與環形活塞15和調節滑閥7的產生的位置變化的偏差和存儲在存儲器中的閾值進行比較。閾值存儲在泵控制器21的存儲部分中，冷卻劑泵的其他特定參數同樣如此。

如果檢測到錯誤，泵控制器21向中央發動機控制單元輸出錯誤消息，該中央發動機控制單元進而能夠啟動有限的緊急操作或切斷內燃機。

在替代性的示例性實施例中，冷卻劑泵包括壓力傳感器(未示出)，優選地，壓力傳感器布置在環形活塞15與調節滑閥7之間，以代替位置傳感器19。

在該替代性的實施例中，泵控制器21執行下述的控制：將調節滑閥7移動到新位置以調節容積流量，直到由壓力傳感器檢測的壓力的實際值信號與預定容積流量的壓力相對應，該預定容積流量由來自中央發動機控制單元的期望值信號預先確定。

在該實施例中，可以簡單地基於現有的壓力傳感器而不是基於液壓致動器的響應行為來執行冷卻系統的功能監控。如已經關於前述實施例所描述的，閾值被存儲在泵控制器的存儲部分中。該閾值與最小工作壓力相對應，當空氣困在冷卻系統中時，該最小工作壓力特別低。在將期望值與由壓力傳感器檢測到的值進行比較之後，泵控制器21評估冷卻系統中是否存在洩漏。

如果檢測到錯誤，泵控制器21向中央發動機控制單元輸出錯誤消息，該中央發動機控制單元進而能夠啟動有限的緊急操作或切斷內燃機。

在修改的實施例中，還能夠使用電動馬達致動的比例閥13而不是電磁比例閥13。在這種情況下，伺服馬達的驅動信號不必包含脈寬調製。

此外，能夠在泵控制器21與中央發動機控制單元ZMS之間提供CAN接口而不是LIN接口。