CN100449125C - 用于内燃机的马达助力涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

用于内燃机的马达助力涡轮增压器(10)包括用于驱动压缩机(14)以压缩进气的马达(16)、用于向马达(16)应用电力的逆变器(36)和冷却装置，该冷却装置适合在特定条件下冷却马达(16)和逆变器(36)中被选择的一个。

Description

用于内燃机的马达助力涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的马达助力涡轮增压器，更具体地涉及这样一种马达助力涡轮增压器，其包括用于冷却设在所述涡轮增压器中的助力马达和逆变器的冷却装置。

背景技术

已知的用于内燃机的涡轮增压器包括由发动机废气驱动的涡轮和由涡轮驱动以压缩进气的压缩机。在这种涡轮增压器中，日本特许公开专利申请JP-05-256155提供了一种涡轮增压器，其具有用于驱动涡轮增压器的压缩机的助力马达，在该涡轮增压器中，助力马达由从喷嘴吹出的高压空气冷却。此外，日本特许公开专利申请2001-175391陈述了一种用冷却剂冷却涡轮增压器的这种助力马达的冷却装置。此外，日本特许公开专利申请2001-272135陈述了一种由内燃机和马达驱动的热泵装置，在该***中，发动机和马达由通过单独的冷却剂通道供给的冷却剂冷却。

如在这些相关技术参考文献中那样，用各种冷却装置防止助力马达的过热，然而，还应该提供一些冷却装置以冷却用来向助力马达应用电力的逆变器，因为逆变器在工作过程中也产生大量的热量。

如广为人知的，逆变器的过热可能损坏或破坏其一些元件，同时马达的过热可能使其线圈失灵。此外，马达和逆变器的极限温度(即，这样的温度，在超过该温度时马达和逆变器可能变得过热)在许多情况下不同。更具体地，逆变器的极限温度通常低于马达的极限温度。然而，由于经常是下面的情况，即逆变器和马达的这种极限温度接近于用来冷却内燃机的典型冷却剂在冷却操作中可能达到的温度，所以将用于逆变器和助力马达的冷却装置并入发动机冷却***中很难，因为它将导致热交换效率低。

同时，在发动机运行过程中不总是需要涡轮增压器进行进气压缩，此外涡轮增压器基本上能在没有助力马达帮助的情况下工作(即，马达不必连续工作)，因而，在马达的温度超过其极限温度之前，可能暂时停止向马达应用电力。

发明内容

考虑到上述问题，本发明的目标是提供一种用于马达助力涡轮增压器的冷却装置，该冷却装置在其性能和制造成本之间获得很好的平衡。

本发明的第一方面涉及一种用于内燃机的马达助力涡轮增压器，包括用于压缩进气的压缩机；用于驱动压缩机的马达；用于向马达应用电力的逆变器；和用于冷却马达与逆变器的冷却装置。冷却装置启动第一冷却模式和第二冷却模式，在第一冷却模式中，冷却马达和逆变器中的一个，在第二冷却模式中，冷却马达和逆变器中的另一个或它们两者。

在上述马达助力涡轮增压器中，冷却装置可以包括延伸穿过马达与逆变器的冷却剂通道，冷却剂在冷却剂通道中循环，且冷却装置可以通过建立第一冷却剂通路启动第一冷却模式和可以通过建立第二冷却剂通路启动第二冷却模式，在第一冷却剂通路中，冷却剂循环到逆变器与马达中的一个，在第二冷却剂通路中，冷却剂循环到马达和逆变器中的另一个或它们两者。

在上述马达助力涡轮增压器中，马达和逆变器中的一个可以是马达，马达和逆变器中的另一个可以是逆变器。

在上述马达助力涡轮增压器中，冷却装置可以包括设在冷却剂通道上以实现冷却剂循环的泵和设在冷却剂通道上以使冷却剂冷却的散热器，且第一冷却剂通路可以是使冷却剂从泵循环到逆变器、散热器同时绕过马达的通路，第二冷却剂通路可以是使冷却剂从泵循环到逆变器、马达和散热器的通路。

在上述马达助力涡轮增压器中，基于代表逆变器的温度或与逆变器的温度相关的逆变器温度，冷却装置可以在第一冷却模式和第二冷却模式之间切换。

在上述马达助力涡轮增压器中，冷却装置可以包括冷却剂温度传感器，其设在冷却剂通道上位于逆变器的冷却剂出口下游，并检测冷却剂的温度，且逆变器温度可以包括由冷却剂温度传感器检测的温度。

在上述马达助力涡轮增压器中，如果逆变器温度高于基准逆变器温度，则冷却装置可以在内燃机停机后继续工作，维持第一冷却模式直到逆变器温度降低到基准逆变器温度以下为止。

在上述马达助力涡轮增压器中，基于代表马达的温度或与马达的温度相关的马达温度，冷却装置可以在第一冷却模式和第二冷却模式之间切换。

在上述马达助力涡轮增压器中，冷却装置可以包括马达温度传感器，其设在马达中或马达附近并检测马达的温度，且马达温度可以包括由冷却剂温度传感器检测的温度。

在上述马达助力涡轮增压器中，如果马达温度高于基准马达温度，则冷却装置可以在内燃机停机后继续工作，维持第二冷却模式直到马达温度降低到基准马达温度以下为止。

这样，根据上述马达助力涡轮增压器，冷却装置适合根据特定条件选择地冷却马达或逆变器。例如，能关于四个控制区域控制冷却装置的冷却操作，每个控制区域都基于马达温度是否高于基准马达温度和逆变器温度是否高于基准逆变器温度来确定，以使得冷却操作更适合于每种热条件。

此外，如上所述，冷却装置可以适合在第一冷却剂通路和第二冷却剂通路之间切换，第一冷却剂通路使冷却剂从泵循环到逆变器和散热器，同时绕过马达，第二冷却剂通路使冷却剂从泵循环到逆变器、马达和散热器。这样，例如在将冷却逆变器的优先权规定得高于冷却马达的优先权、因而逆变器的温度将保持在基准逆变器温度以下且马达的温度将保持在设定得高于基准逆变器温度的基准马达温度下的情况下，冷却装置适于在正常状态中建立第二冷却剂通路以使得冷却剂仅仅从泵循环到逆变器、马达和散热器，和响应逆变器温度的过大增加转换成第一冷却剂通路以旁通马达，以使得冷却剂能保持足够的冷却逆变器的冷却能力。

此外，在上述马达助力涡轮增压器中，可以在马达的温度超过预定水平时作出响应，停止从逆变器向马达应用电力。

在上述马达助力涡轮增压器中，可以在逆变器的温度超过预定水平时作出响应，限制从逆变器向马达应用电力。

在马达助力涡轮增压器中，马达的助力不是必需的，因此，可以在马达温度超过特定水平时作出响应停止向马达应用电力，这将更可靠地防止马达过热。此外，甚至当马达的温度低于特定水平时，如果在逆变器的温度超过特定水平时作出响应停止向马达应用电力，则能更可靠地防止逆变器过热。

此外，在上述马达助力涡轮增压器中，冷却装置可以包括设在冷却剂通道上的阀，且冷却装置可以利用该阀在第一冷却通路和第二冷却通路之间切换。

在上述马达助力涡轮增压器中，散热器可以包括电扇，该电扇在泵工作时工作。

在这种情况下，甚至在自然风不够时也能用电扇产生的风更可靠地将散热器冷却下来。

在上述马达助力涡轮增压器中，冷却装置可以包括延伸穿过马达和逆变器的冷却剂通道，冷却剂在冷却剂通道中循环。

在上述马达助力涡轮增压器中，马达可以在冷却剂通道上位于逆变器下游。

在上述马达助力涡轮增压器中，冷却装置可以包括设在冷却剂通道上位于马达和逆变器之间的阀。

在上述马达助力涡轮增压器中，阀可以具有第一阀位置以使得冷却剂循环通过马达和逆变器中的一个，和可以具有第二阀位置以使得冷却剂循环通过马达和逆变器中的另一个或它们两者。

在上述马达助力涡轮增压器中，冷却剂通道可以包括用于旁通马达和逆变器之一的旁通通道。

附图说明

从下面参考附图对示范性实施例的说明，本发明的上述和/或其它目标、特征和优点将变得更加明显，其中同样的附图标记用来代表同样的元件，其中：

图1是示意性地表示本发明第一示范性实施例的马达助力涡轮增压器的冷却装置构造的图；

图2是代表四个控制区域的图表，每个控制区域对应冷却装置的特定冷却模式；

图3是示意性地表示本发明第二示范性实施例的马达助力涡轮增压器的冷却装置构造的图；

图4是一个表，表示三通阀和第二示范性实施例的涡轮增压器的助力马达在图3中所示的每个控制区域中的工作状态；和

图5是流程图，表示用于控制第二示范性实施例中的冷却装置的控制程序。

具体实施方式

图1是示意性地表示本发明第一示范性实施例的马达助力涡轮增压器10的冷却装置构造的图，该冷却装置是水冷式冷却装置。涡轮增压器10包括涡轮12、压缩机14和马达16，涡轮12的转子18通过由轴承30支撑的轴20与压缩机14的转子22相连，这样，当内燃机的废气驱动涡轮12时，涡轮12驱动压缩机以压缩进气。马达16包括定子24和设在定子上的线圈26，当逆变器36利用来自未示出的电池的电力给线圈26通电时，驱动力就会施加到轴20上的马达转子28，这样，马达16也驱动压缩机14。

冷却装置包括延伸穿过马达16和逆变器36的冷却剂通道32，在马达16中，冷却剂通道32的一部分形成在定子24和线圈26周围。水泵34设在冷却剂通道32上以使冷却剂在其中循环，在冷却剂通道32上设有三通阀38，其在冷却逆变器36和马达16的通路、仅仅冷却逆变器36的通路和仅仅冷却马达16的通路之间切换冷却剂循环通路。冷却剂在散热器40通过热量排放得到冷却，然后返回到水泵34的冷却剂入口。

设有车辆电子控制单元(ECU)42，其包括但不局限于微型计算机装置，作为整个车辆运行控制的一部分，车辆电子控制单元控制三通阀38。ECU42从未示出的各种传感器接收信号，所述传感器检测发动机转速、车速、节气门角度(对应加速踏板的下压)、制动液压力(对应制动踏板的下压)和其它操作量(这种传感器信号在图中共同表示为“信息I”)。另外，ECU42接收来自温度传感器44的信号和来自温度传感器46的信号，温度传感器44用于检测逆变器36的冷却剂出口处的冷却剂温度，该温度将称为“逆变器出口温度Tib”，温度传感器46用于检测马达16的温度，该温度将称为“马达温度Tm”。

ECU42通过根据检测到的逆变器出口温度Tib和马达温度Tm控制三通阀38的通电，控制三通阀38。图2是代表ECU42执行的冷却控制的控制区域A、B、C和D的图表，通过在这些控制区域之间切换冷却剂循环通路，ECU42在每个控制区域中执行相应的冷却控制以仅仅冷却马达16、仅仅冷却逆变器36和冷却它们两者。

参考图2，T1代表逆变器出口温度Tib的临界温度，该临界温度被设定成适合防止逆变器36的元件过热的值，T2代表马达温度Tm的临界温度，该临界温度被设定成适合防止马达16的线圈26过热的值。在马达温度Tm低于临界温度T2但逆变器出口温度Tib高于临界温度T1的区域B中，ECU42切换三通阀38以使得冷却剂仅仅流向逆变器36。在马达温度Tm高于临界温度T2且逆变器出口温度Tib低于临界温度T1的区域C中，ECU42切换三通阀38以使得冷却剂仅仅流向马达16。在马达温度Tm高于临界温度T2且逆变器出口温度Tib高于临界温度T1的区域D中，ECU42切换三通阀38以使得冷却剂流向马达16和逆变器36。这里，注意在区域C和D中可以停止向马达16应用电力，这是可能的，因为马达16的驱动助力不是必需的，如前所述。

如上所述，通过选择地冷却马达16、逆变器36或它们两者来实现针对区域A、B、C和D的不同冷却模式。然而，经常的情况是这种马达和逆变器具有不同的极限温度(即，这样的温度，在超过该温度时它们可能变得过热)。更具体地，马达的极限温度通常高于逆变器的极限温度。而且，如上所述，当马达16的温度显著增加时，为了进行保护可能停止其供电。考虑到这些因素，可以将冷却逆变器36的优先权规定得高于冷却马达16的优先权，在将于下文中描述的本发明第二示范性实施例的马达助力涡轮增压器中实现了这种冷却操作。

图3是示意性地表示本发明第二示范性实施例的马达助力涡轮增压器的冷却装置构造的图。与第一示范性实施例中相同的元件在图3中由同样的附图标记表示，将不对它们进行说明以避免重复。参考图3，马达16在冷却剂通道32上位于逆变器36下游，三通阀38位于马达16和逆变器36之间。此外，冷却剂通道32包括三通阀38和散热器40之间的旁通通道，该旁通通道用来在特定条件下旁通马达16。ECU42关于如图4的表中所示的控制区域A、B、C和D分别控制三通阀38和马达16。

参考图4，在马达温度Tm和逆变器出口温度Tib低于临界温度T1和T2的区域A中，将三通阀38设定成“N”位置以便使冷却剂从逆变器36流向马达16。这时，可以继续从逆变器36向马达16供电，不限制通向马达的电力，即，这时，根据需要向马达16供应电力以帮助涡轮增压操作。

在马达温度Tm低于临界温度T2且逆变器出口温度Tib高于T1的区域B中，将三通阀38设定成“L”位置以使得冷却剂绕过马达16。这时，可以继续从逆变器36向马达16供电，但根据相关的热条件限制通向马达16的电力。

在马达温度Tm高于临界温度T2且逆变器出口温度Tib低于临界温度T1的区域C中，将三通阀38设定成N位置并停止从逆变器36向马达16供电。在这种情况下，由于停止向马达16供电且冷却剂从基本上处于无工作负载的情况下的逆变器36循环到马达16，所以马达16将迅速冷却。

在马达温度Tm高于临界温度T2且逆变器出口温度Tib高于临界温度T1的区域D中，将三通阀38设定成L位置以旁通马达16并停止从逆变器36向马达16供电。

图5表示由ECU42执行以实现上述关于控制区域A、B、C和D的冷却操作的一个示范性程序。参考图5，ECU42首先在步骤1中确定发动机是否正好被关掉(例如，当关掉车辆的点火开关时)。如果“否”，ECU42进入步骤2并开始或继续操作水泵34(和散热器40的冷却风扇，如果提供了的话)。

随后，ECU42在步骤3中确定逆变器出口温度Tib是否高于临界温度T1。如果“否”，则ECU42进入步骤4并将三通阀38切换到N位置。

随后，ECU42进入步骤5并确定马达温度Tm是否高于临界温度T2。如果“否”，则ECU42进入步骤6并根据需要打开或继续操作马达16以帮助涡轮增压操作，不限制向马达16的供电。相反，如果在步骤5中为“是”，则ECU42进入步骤7并通过停止从逆变器36向马达16的供电来关掉马达16或维持马达16的停止状态。

同时，如果在步骤3中为“是”，则ECU42进入步骤8以将三通阀38切换到L位置。在步骤8之后，ECU42在步骤9中确定马达温度Tm是否高于临界温度T2。如果“是”，则ECU42进入步骤7。相反，如果在步骤9中为“否”，则ECU42进入步骤10并打开或继续操作马达16，同时根据相关的热条件限制向马达16的供电。

回到步骤1，如果发动机停机了(在步骤1中为“是”)，则ECU42进入步骤11并确定继续冷却操作。随后，ECU42在步骤12中确定逆变器出口温度Tib是否高于临界温度T1。如果“是”，则ECU42进入步骤13以将三通阀38切换到L位置，维持该情况直到逆变器出口温度Tib变得低于临界温度T1为止(在步骤12中为“否”)。

当步骤12中为“否”时，ECU42进入步骤14并确定马达温度Tm是否高于临界温度T2。如果“是”，则ECU42进入步骤15以将三通阀38切换到N位置，并维持该情况直到马达温度Tm变得低于临界温度T2为止(在步骤14中为“否”)。

如果在步骤14中为“否”，则ECU42进入步骤16并停止冷却操作。因而，步骤11到16在发动机停机后提供了额外的冷却模式。

尽管已经参考其示范性实施例描述了本发明，但应该懂得，本发明不局限于示范性实施例或构造，相反，本发明用来覆盖除上述内容之外的各种变型和等价方案。另外，尽管以示范性的各种组合和构形示出了示范性实施例的各种元件，但包括更多、更少或仅仅一个元件的其它组合和构形也处于本发明的精神和范围内。

Claims (19)

1.一种用于内燃机的马达助力涡轮增压器(10)，包括：用于压缩进气的压缩机(14)；用于驱动所述压缩机(14)的马达(16)；用于向所述马达(16)应用电力的逆变器(36)；其特征在于，还包括：

用于冷却所述马达(16)与逆变器(36)的冷却装置(32、34、40)，该冷却装置启动第一冷却模式和第二冷却模式，在第一冷却模式中，冷却所述马达(16)和逆变器(36)中的一个，在第二冷却模式中，冷却所述马达(16)和逆变器(36)中的另一个或它们两者。

2.如权利要求1所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述冷却装置(32、34、40)包括延伸穿过所述马达(16)与逆变器(36)的冷却剂通道(32)，冷却剂在所述冷却剂通道中循环；和

所述冷却装置(32、34、40)通过建立第一冷却剂通路启动所述第一冷却模式和通过建立第二冷却剂通路启动所述第二冷却模式，在所述第一冷却剂通路中，所述冷却剂循环到所述逆变器(36)与马达(16)中的一个，在所述第二冷却剂通路中，所述冷却剂循环到所述马达(16)和逆变器(36)中的另一个或它们两者。

3.如权利要求2所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述马达(16)和逆变器(36)中的一个是逆变器(36)；和

所述马达(16)和逆变器(36)中的另一个是马达(16)。

4.如权利要求3所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述冷却装置(32、34、40)包括设在所述冷却剂通道(32)上以实现冷却剂循环的泵(34)和设在所述冷却剂通道(32)上以冷却所述冷却剂的散热器(40)，

所述第一冷却剂通路的建立使冷却剂从所述泵(34)循环到所述逆变器(36)和散热器(40)同时绕过所述马达(16)；和

所述第二冷却剂通路的建立使冷却剂从所述泵(34)循环到所述逆变器(36)、马达(16)和散热器(40)。

5.如权利要求3所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

基于代表所述逆变器(36)的温度或与所述逆变器(36)的温度相关的逆变器温度，所述冷却装置(32、34、40)在所述第一冷却模式和第二冷却模式之间切换。

6.如权利要求5所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述冷却装置(32、34、40)包括冷却剂温度传感器(44)，其设在所述冷却剂通道(32)上位于所述逆变器(36)的冷却剂出口下游，并检测冷却剂的温度；和

所述逆变器温度包括由所述冷却剂温度传感器检测(44)的温度。

7.如权利要求5所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

如果所述逆变器温度高于基准逆变器温度，则所述冷却装置(32、34、40)在内燃机停机后继续工作，其中维持所述第一冷却模式直到所述逆变器温度降低到基准逆变器温度以下为止。

8.如权利要求3所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

基于代表所述马达(16)的温度或与所述马达(16)的温度相关的马达温度，所述冷却装置(32、34、40)在所述第一冷却模式和第二冷却模式之间切换。

9.如权利要求8所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述冷却装置(32、34、40)包括马达温度传感器(46)，其设在所述马达(16)中或所述马达附近并检测马达(16)的温度；和

所述马达温度包括由所述马达温度传感器(46)检测的温度。

10.如权利要求8所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

如果马达温度高于基准马达温度，则冷却装置(32、34、40)在内燃机停机后继续工作，其中维持所述第二冷却模式直到所述马达温度降低到基准马达温度以下为止。

11.如权利要求1到10中任一个所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

在所述马达(16)的温度超过预定水平时作出响应，停止从所述逆变器(36)向所述马达(16)应用电力。

12.如权利要求1到10中任一个所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

在所述逆变器(36)的温度超过预定水平时作出响应，限制从所述逆变器(36)向所述马达(16)应用电力。

13.如权利要求4到10中任一个所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述散热器(40)包括电扇，该电扇在所述泵(34)工作时工作。

14.如权利要求2到10中任一个所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述冷却装置(32、34、40)包括设在所述冷却剂通道(32)上的阀(38)；和

所述冷却装置(32、34、40)利用该阀(38)在所述第一冷却通路和所述第二冷却通路之间切换。

15.如权利要求1所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述冷却装置(32、34、40)包括延伸穿过所述马达(16)和逆变器(36)的冷却剂通道(32)，冷却剂在所述冷却剂通道中循环。

16.如权利要求15所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述马达(16)在所述冷却剂通道(32)上位于逆变器(36)下游。

17.如权利要求15所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述冷却装置(32、34、40)包括设在所述冷却剂通道(32)上位于所述马达(16)和逆变器(36)之间的阀(38)。

18.如权利要求17所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述阀(38)具有第一阀位置以使得所述冷却剂循环通过所述马达(16)和逆变器(36)中的一个，和具有第二阀位置以使得所述冷却剂循环通过所述马达(16)和逆变器(36)中的另一个或它们两者。

19.如权利要求15到18中任一个所述的马达助力涡轮增压器(10)，其特征在于

所述冷却剂通道(32)包括用于旁通所述马达(16)和逆变器(36)之一的旁通通道。

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