CN100400817C - 具有优化的发动机进气冷却系统的发动机 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机的优化发动机进气冷却系统，包括一沿该发动机的每个发动机气缸组的外侧侧装的进气冷却器。该进气冷却器沿该气缸组的整个长度延伸。每个进气冷却器包括一外壳、一芯部、一进气口和一出气口。进气冷却器进气口通过冷却器进气集管连接在一压缩空气源(例如一涡轮增压器)的出口上。进气冷却器出口通过冷却器排气集管连接在该气缸组中气缸的气缸进气口上。进气冷却系统的这种设计可以获得高进气冷却效率和相应较小的进气压力降。这些特征组合起来减少了发动机氧化氮(NOX)产物和提高了发动机燃料燃烧效率。

Description

具有优化的发动机进气冷却系统的发动机
技术领域
本发明涉及内燃机，更具体而言涉及一种具有效率高的、优化的进气冷却系统的发动机，该进气冷却系统提供较低的发动机气缸进气口温度，进而减少NOX排放量并提高燃料燃烧效率。
发明背景
在内燃机、尤其是那些用于运输车辆的发动机的技术中已知的是，在将从例如涡轮增压器的压缩机中排出的热压进气输入发动机燃烧室之前，需使用进气冷却器对其进行冷却。进气冷却器用于冷却和减小已被压缩的进气的体积，以增加进气的质量并以更冷的燃烧温度运行。
控制氧化氮(NOX)排放量的规则越来越难满足。然而问题在于大多数减少NOX产物的发动机改进同时会引起降低燃料燃烧效率的负面结果。因此，需要一种具有减小NOX排放量，但不降低燃料燃烧效率的发动机。
发明内容
我们通过试验发现存在一种改善排放物(减少NOX)、减小燃料消耗和提高可靠性的运行转变。我们发现通过相对于周围的温度降低进入发动机气缸的空气温度，NOX水平会降低，且燃料消耗会减小。因此我们研发了一种用于GM12和16缸V265H型涡轮增压柴油机的进气冷却的优化设计，这种涡轮增压柴油机主要设计用于铁路机车但也可用于其它机动车辆和固定式应用。该设计的发明概念可用于其它发动机构造、应用以及所指的发动机模型。
具体而言，本发明的一个方面提供一种内燃机，包括：两个对置的气缸组；
每个所述气缸组内的多个气缸，所述多个气缸设置成V形结构；连接在每个所述气缸上的气缸进气口；连接在每个所述气缸上的气缸排气口；两个压缩空气源，每个压缩空气源连接在所述气缸组之一的气缸的排气口上；一位于所述两个气缸组之间、用以驱动两个气缸组中的阀的中心凸轮轴；和两个进气冷却器，每个冷却器包括一外壳、一芯部、一进气口和一出气口；所述气缸具有选择的气缸排量；所述进气冷却器具有选择的芯部体积，以便该芯部体积相对于总气缸排量的比值大于0.85；每个进气冷却器外壳沿所述气缸组之一的外侧侧装；每个所述进气冷却器芯部基本上沿所述气缸组之一的长度延伸；每个所述进气冷却器进气口连接在所述压缩空气源之一的出口上；每个所述进气冷却器出气口连接在所述气缸组之一的气缸的进气口上。
本发明提供了一种高效的具有一芯部体积的进气冷却器(后冷却器)，该芯部体积相对于它们用于其中的发动机的总气缸排量基本上增加到超过了之前的后冷却器的尺寸。例如，各种稍微可比较的铁路机车发动机的后冷却芯部/发动机排量比值从约0.32变为约0.85，而GM的V265H型发动机的比值增加到1.19，即从约40％到372％的增加量。
在优选实施例中，一进气冷却器沿发动机的侧面置于各发动机气缸组的外侧，且沿相关联发动机气缸组的整个长度延伸。在一中速、具有一与45度V形结构结合的中心凸轮轴的四冲程循环柴油机中的独特应用使得该发动机窄得足以沿发动机侧面的长度方向容纳进气冷却器。这种沿发动机组长度布置的进气冷却器结构又可增加进气冷却器容量。
由于本发明进气冷却器中的热交换器的大面积，所以它们可以使得进入气缸的空气相对于周围温度得到高效冷却。而且在获得这种高效率的同时，通过热交换器的空气侧的压力降很小，在最大流量的情况下大约为1/2psi。这种改进的结构导致由发动机产生的NOX水平得以理想地下降，而燃料燃烧效率得以提高。
根据本发明的进气冷却系统包括一沿V型发动机的每个发动机气缸组的外侧侧装的进气冷却器。该进气冷却器沿该气缸组的整个长度延伸。每个进气冷却器可以包括一具有一进气口和一出气口的外壳。该进气口通过一进气集管(intake header)连接在一发动机的进气源(例如一涡轮增压器压缩机)的出口上。出气口通过一用作发动机进气歧管的冷却器排气集管(outlet header)连接到发动机气缸的进气口上，冷却的进气通过该进气口从进气冷却器排气集管进入气缸。
在一优选实施例中，该进气冷却器可以具有只在一端固定在外壳内、且可沿它们的长度在支撑件上自由浮动的整个长度上的热交换器芯部，以为由于温度变化而引起的膨胀/收缩留有余地。每个进气冷却器还可包括一具有一空气侧和一冷却剂侧的四通道横流热交换器芯部。该热交换器的空气侧可以连接在它们各自的进气冷却器外壳入口和出口上。通过该热交换器的空气侧的最大压力降可以大约是1/2psi。用于热交换器的冷却剂侧的冷却剂可以是丙二醇和水的混合物。
本发明的这些和其它一些特征和优点将从下面结合附图的一些特定实施例的描述中得以更充分地理解。
附图简述
图1是一涡轮增压柴油机的透视图，该涡轮增压柴油机包括根据本发明的优化的进气冷却系统；和
图2是图1所示实施例的横截面图。
具体实施方式
现在详细参见附图的图1和2，标记10总体上是指一种GM的12V265H型(GM model 12V265H)涡轮增压柴油机，其为铁路机车的应用而设计、但也可用于其它应用中，例如海洋动力和移动和固定发电站。发动机10包括一根据本发明的优化发动机进气冷却系统12。进气冷却系统12可减少由该发动机产生的NOX量，同时还可增加燃料燃烧效率和发动机可靠性。
发动机10具有两个气缸组14，每个气缸组14都具有多个由气缸盖18封闭的气缸16。可在气缸内往复运动的活塞20在活塞20和气缸盖18之间限定出体积可变的燃烧室22。气缸盖18分别包含进气和排气口24、26，该进气口24和排气口26与该燃烧室相通，且分别由进气和排气阀28、30控制，该进气和排气阀28、30安装在气缸盖中且由阀弹簧32偏压。阀28、30分别由凸轮轴38的进气和排气凸轮34、36机械地驱动，凸轮轴38驱动一相连的阀驱动机构，例如进气摇臂40。燃油喷射阀42由被喷射泵43驱动的凸轮轴压力驱动。排气口26连接在排气歧管44上，该排气歧管44又连接在涡轮增压器46上。
在本发明的一个优选实施例中，进气冷却系统12包括多个侧装在发动机10的各个气缸组14外侧的进气冷却器48。如图1所示，多个进气冷却器48沿发动机气缸组14的整个长度延伸。具有一与45度“V”形结构结合的中心凸轮轴的发动机10窄得足以容纳沿相应发动机组14外侧长度延伸的进气冷却系统12的进气冷却器48。每个进气冷却器48都包括一外壳50和一该外壳内的热交换器芯部52。芯部52只在其一端固定在外壳50上，且沿其长度方向在外壳内的支撑件上自由浮动。这是为当芯部的温度升高时芯部52的膨胀留有余地。每个进气冷却器芯部52都还可以作为一四通道横流热交换器安装在冷却剂侧。
每个进气冷却器外壳50包括一进气口54和一出气口56。进气冷却器进气口54通过一进气集管58连接到一压缩空气源(在本实施例中是一涡轮增压器46)的出气口60上。进气冷却器出口56通过一用作发动机进气歧管的冷却器排气集管62连接到气缸进气口24上。
发动机循环通常包括活塞的进气、压缩、膨胀和排气冲程。在进气冲程从气缸进气口24吸入燃烧室22中的进气在阀关闭的情况下进行压缩。喷入燃烧室22中的燃油借助于该压缩气体点火，燃烧后的气体膨胀，产生动力。燃烧室内的高燃烧温度往往会不希望地引起氧化氮(NOX)的形成。
燃烧产物通过排气口26和排气歧管44排入涡轮增压器46，给该涡轮增压器提供能量，以升高进气的压力。发动机的多个活塞在它们的进气冲程将空气吸入它们各自的燃烧室。涡轮增压器46在较高的发动机负荷下吸入额外的进气并将其压缩，进而给其加热。受压(压缩)的进气通过涡轮增压器出气口60和进气集管58传输至进气冷却器外壳入口54。然后进气穿过热交换器芯部52并通过进气冷却器外壳出口56排出。最后，该进气在压力随发动机运行状况而变化的情况下通过冷却器排气集管62进入气缸进气口34。
该进气冷却系统12有效地控制了NOX产物，且没有降低燃油燃烧效率或发动机可靠性。实际上，该进气冷却系统12减少了NOX排放量且提高了燃油燃烧效率。该进气空气冷却系统12通过在空气进入燃烧室22之前降低其温度，但不导致压力的明显损失而获得了上述这种结果。
热压进气从例如涡轮增压器46的压缩空气源进入进气冷却器48。当该进气通过进气冷却器48时，该热进气被冷却。当进气冷却器48设计为一四通道横流热交换器结构、且以丙二醇和水的混合物用作发动机和进气冷却器冷却剂时，热交换的效率则在94％到96％的范围内。效率被定义为压缩机排气温度和冷却器排气温度之间的差除以压缩机排气温度和冷却剂入口温度之间的差的百分数(即100倍)。由于热交换器的大面积(该交换器可能通过沿发动机气缸组的整个长度延伸而形成)，获得这种高效率时，通过交换器的空气侧的进气只有一个很小的压力降。在最大流量的情况，该压力降大约为1/2psi。进气温度的下降，同时又保持进气的压力组合起来则减少了NOX产物又减小了燃油消耗。
总之，本发明强调了下列特征：
沿一发动机气缸组的外侧侧装的多个进气冷却器；
沿气缸组的整个长度延伸的多个进气冷却器；
具有高效率的进气冷却、且具有很小的气压降的进气冷却系统；和
获得减少发动机NOX排放量和减少的燃油消耗的进气冷却系统。
尽管本发明参考一些特定的优选实施例进行了描述，但是应当理解在所描述的发明概念的精神和范围之内可以进行许多改变。因此，本发明并非局限于所公开的实施例，而是包括由下列权利要求的语言所允许的整个范围。

Claims (20)

1.一种内燃机，其特征在于，所述内燃机包括：
两个对置的气缸组；
每个所述气缸组内的多个气缸，所述多个气缸设置成V形结构；
连接在每个所述气缸上的气缸进气口；
连接在每个所述气缸上的气缸排气口；
两个压缩空气源，每个压缩空气源连接在所述气缸组之一的气缸的排气口上；
一位于所述两个气缸组之间、用以驱动两个气缸组中的阀的中心凸轮轴；和
两个进气冷却器，每个冷却器包括一外壳、一芯部、一进气口和一出气口；
所述气缸具有选择的气缸排量；
所述进气冷却器具有选择的芯部体积，以便该芯部体积相对于总气缸排量的比值大于0.85；
每个进气冷却器外壳沿所述气缸组之一的外侧侧装；
每个所述进气冷却器芯部基本上沿所述气缸组之一的长度延伸；
每个所述进气冷却器进气口连接在所述压缩空气源之一的出口上；
每个所述进气冷却器出气口连接在所述气缸组之一的气缸的进气口上。
2.如权利要求1的发动机，其特征在于，包括一连接在每个所述压缩空气源出口和进气冷却器进气口之间的进气冷却器进气集管。
3.如权利要求1的发动机，其特征在于，包括一连接在每个所述进气冷却器出口和所述气缸组之一的气缸的进气口之间的进气冷却器排气集管。
4.如权利要求1的发动机，其特征在于，所述压缩空气源是涡轮增压器。
5.如权利要求1的发动机，其特征在于，每个所述进气冷却器芯部只固定安装在所述外壳的一端上，且沿所述外壳的长度在支撑件上自由浮动。
6.如权利要求1的发动机，其特征在于，每个所述进气冷却器芯部是一具有一空气侧和一冷却剂侧的四通道横流热交换器。
7.如权利要求6的发动机，其特征在于，所述每个热交换器的空气侧在一侧处连接在所述进气冷却器入口上，在另一侧处连接在所述进气冷却器出口上。
8.如权利要求6的发动机，其特征在于，通过每个所述热交换器的空气侧的最大空气压力降大约为1/2psi。
9.如权利要求6的发动机，其特征在于，用于所述热交换器的冷却剂侧中的冷却剂包括丙二醇/水混合物。
10.一种内燃机，其特征在于，所述内燃机包括；
至少一个气缸组；
所述气缸组内的多个气缸；
连接在每个所述气缸上的气缸进气口；
连接在每个所述气缸上的气缸排气口；
连接在所述排气口上的压缩空气源；和
至少一个进气冷却器，该进气冷却器包括一外壳、一芯部、一进气口和一出气口；
所述气缸具有选择的气缸排量；
所述进气冷却器具有选择的芯部体积，以便该芯部体积相对于总气缸排量的比值大于0.85；
所述进气冷却器外壳沿所述气缸组的一侧侧装；
所述进气冷却器沿所述气缸组的长度延伸；
所述进气冷却器进气口连接在所述压缩空气源的出口上；
所述进气冷却器出气口连接在所述气缸进气口上。
11.如权利要求10的发动机，其特征在于，包括一连接在所述压缩空气源出口和进气冷却器进气口之间的进气冷却器进气集管。
12.如权利要求10的发动机，其特征在于，包括一连接在所述进气冷却器出口和所述气缸进气口之间的进气冷却器排气集管。
13.如权利要求10的发动机，其特征在于，所述压缩空气源是一涡轮增压器。
14.如权利要求10的发动机，其特征在于，所述进气冷却器芯部只固定安装在所述外壳的一端上，且沿所述外壳的长度在支撑件上自由浮动。
15.如权利要求10的发动机，其特征在于，每个所述进气冷却器芯部是一具有一空气侧和一冷却剂侧的四通道横流热交换器。
16.如权利要求15的发动机，其特征在于，所述热交换器的空气侧在一侧端处连接在所述进气冷却器入口上，在另一侧端处连接在所述进气冷却器出口上。
17.如权利要求15的发动机，其特征在于，通过所述热交换器的空气侧的最大空气压力降大约为1/2psi。
18.如权利要求15的发动机，其特征在于，用于所述热交换器的冷却剂侧中的冷却剂包括丙二醇/水混合物。
19.一种用于运输车辆发动机的发动机进气冷却系统，所述运输车辆发动机在一气缸组内具有多个气缸，所述气缸具有选择的气缸排量，
其特征在于，所述发动机进气冷却系统包括：
一具有一外壳和一芯部的进气冷却器；
所述进气冷却器外壳沿一运输车辆发动机的发动机组的外侧侧装；
所述进气冷却器沿所述发动机组的整个长度延伸；
所述进气冷却器连接在所述发动机的压缩空气源和所述发动机的多个气缸进气口之间；
所述进气冷却器具有选择的芯部体积，以便该芯部体积相对于总气缸排量的比值大于0.85。
20.如权利要求1的发动机，其特征在于，该芯部体积相对于总气缸排量的比值是大约1.19。
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