CN1006654B - 汽车发动机或类似装置的冷却系统 - Google Patents

Abstract

为简化冷却系统控制和结构无须昂贵的电磁阀和微处理机等控制电路，冷却液贮水器调到恒和冷却回路的最低部位连通，回路包括冷却水套和形成冷却液蒸汽的水箱。一小型冷却液泵响应装于冷却水套中的温度传感器，将冷凝液从水箱泵回冷却水套。有一溢流管使泵入的多余冷却液经该管回流，并自发动机汽缸盖内强烈受热结构上方某一预定高度处的溢流口通至水箱底部，就能保持水套中预定的液态冷却剂层厚度。冷却风扇或类似装置受装于水箱底部的第二温度传感器控制而运转。

Description

本发明普遍地涉及到内燃机的蒸发型冷却系统，其中液体冷却剂可以沸腾，而蒸汽作为一种载体将热量从其中带走。本发明特别涉及到这样一种系统，它不需要复杂的电磁阀和用于操作该阀的控制电路，并能始终保持该系统的冷却回路不混杂空气和类似的非冷凝物质。

在目前使用的“水冷”式内燃机中，冷却液是经过由发动机冷却水套和风冷式水箱组成的冷却回路、依靠水泵来进行强制循环的。这种系统是有缺点的，即为了带走所要带走的热量，要求大量的冷却水在水箱和冷却水套之间进行循环。

此外，由于固有地要求大量的水，使发动机暖机性能变得缓慢而不符合需要。例如，若冷却水套进、出口处的温差是4℃，那么在此情况下一公斤水从发动机中实际可带走的热量是4千卡。因此，一台排量为1.8升的发动机（作为一个例子）在节流阀全开运转时，要求该冷却系统大约带走4000千卡/小时。为了做到这一点，水泵必须提供167升/分的流量。这当然要消耗一些不希望消耗的马力。

图2表示日本专利申请第二次临时版昭和57-57608号中公开的方案。该方案试图使某种冷却剂蒸发，并利用其气体形态来作为带走发动机热量的载体。在该系统中，水箱1和冷却水套2是恒压的，并经水管3、4自由连通，因此在水箱1中冷凝的冷却液在重力的作用下渐渐流回到冷却水套2中去。这一方案尽管省去了损害上述方案的消耗功率的冷却液循环泵，但还是具有这样的缺点，即由于水箱和发动机本身相对位置的关系，水箱中往往至少部分地盛积液态冷却剂。这就大大地减少了冷凝表面积，借助于该冷凝表面积，气态冷却剂（譬 如水蒸汽）本来能有效地释放其汽化潜热并随后冷凝的，因而冷却效率没有明显的改善。此外，就该系统来说，为了将冷却水套和水箱中的压力保持在大气压力，如图所示安装了一个可透气的泻水过滤器5，以允许空气出入该系统。

然而，这种过滤器能使气态冷却剂很容易地从该系统中逸出，这就需要经常补充加足冷却液。该系统另一个问题是，在发动机冷却时，被吸入到冷却系的一些空气，往往溶解于冷却水，因此，发动机一起动时，被溶的空气往往就从溶液中逸出，并在水箱中产生许多小气泡，它们附着于水箱壁上，形成一隔热层。而且这些非溶气泡往往集中于水箱的上部，从而阻止蒸汽从汽缸体到水箱作对流方式的循环。这当然进一步使该装置的性能恶化。

1982年9月8日出版的欧洲专利申请临时期刊第0059423号公开了另一种方案，发动机冷却水套中的液体冷却剂并非在其中强烈地循环，而是能吸收热量到达其沸点。如此产生的气态冷却剂在压缩机内被绝热压缩，以便提高其温度和压力，随后被输入到某一热交换器（水箱）中去。冷凝后，该冷却剂暂时被贮存于水箱中，而后经一流量控制阀再循环返回到冷却水套中。这一方案的缺点是，当发动机仃止运转而冷却时，该冷却液蒸汽便冷凝，从而处于低于大气压力的状态，往往使空气漏入该冷却系统中去，这些空气往往跟气态冷却剂一起，被压缩机压入水箱内。

由于比重的不同，上述空气往往在热的环境里上升，而已经冷凝了的冷却剂则向下移动。这些空气，由于上升这一固有倾向，往往形成空气囊，在水箱中造成一种“气栓”，大大地削弱其热交换能力。就这一方案而言，装备压缩机使冷却回路内普遍采用的压力控制变得困难。

1983年1月11日公布的、以伊文斯（Evans）各义申请的美国专利4，367，699（参看附图3）公开了一种发动机冷却系统，其中冷却液是沸腾的，从而通过蒸汽来带走发动机的热量。该方案的特点是有一独立的水箱6，其中气态和液态冷却剂最初就是分离的。液态冷却剂在重力作用下反馈到汽缸体7内，而相对干燥的气态冷却剂（如水蒸汽）则在用风扇冷却的水箱8中冷凝。

水箱温度是通过风扇9选择性地通电来控制的，该风扇使水箱内保持足够的冷凝率，在该装置底部设有一液体密封口。经上述液体密封口来自水箱的冷凝液，被收集在一个贮水器状的小装置10内，并借助于一恒通电的小泵11将其泵回到独立水箱中去。

该方案虽能借助于所设置的装置，一开始就将该系统中的空气清除到某种程度，因为该装置的特点能将上述最初的非冷凝物质驱逐出该系统，然而在比较高的海拔高度运转时，往往很快损失冷却液。此外，一当发动机冷却下来，空气就很容易地回入到该系统中来。装备庞大的独立水箱6也使发动机设计变得困难。

日本专利申请第一次临时版第56-32026号（参看附图4）公开了一种方案，其中形成汽缸盖和汽缸套的结构被一层多孔性的陶瓷材料12所覆盖，其冷却液是从汽缸盖14上方的喷头状装置13中喷入汽缸体的。在发动机内所形成的冷却水套中，当发动机运转时，基本上全部充以气态冷却剂，这时，液态冷却剂喷于陶瓷层12上。

然而，已完全证明这种方案是不令人满意的，其中，由于被吸收在陶瓷层内的液态冷却剂的沸腾，便产生了蒸汽，它对着冷却水套逸出并进入冷却水套，阻止了新鲜液态冷却剂向陶瓷层内渗透，从而立刻导致陶瓷层12或发动机或两者同时迅速过热和热损坏。此外，这种方案是属于闭路型的，类似于上述装备压缩机的方案，受到水箱中 空气混杂和阻塞的干扰。

图5表示出某一方案，它是在1985年10月29日公布的美国专利4，549，505号中公开的，申请人是海雷诺（Hirano）。引用这一公开的专利申请是为了引证用的。出于方便，图5中所用的数码和上述专利中所用的一样。

然而，这一方案虽然消除了早先公开的现有技术所存在的缺点，但它本身却又带来这样的缺点：要求不少于4个电磁阀和一个极其复杂的控制电路（在此情况下要求一个微处理机）来控制该电磁阀。该系统虽可使冷却剂的沸腾温度根据发动机的瞬态转速和负荷来改变，然而显著地增加了该系统的复杂性，并提高了成本。此外，万一一个阀或控制电路失灵，则整个系统的操作性就处于危险之中，结果可能导致发动机损坏或一时不能运转。

本发明的目的是提供一种蒸发型冷却系统，其中该系统的冷却回路基本能持续保持非冷凝物质不存在，而无须复杂的控制系统。

简言之，上述目的是通过某一方案来达到的，其中贮存冷却液的贮水器被调节成始终和冷却回路的底部相连通。冷却回路包括冷却水套和在其内冷凝冷却液蒸汽的水箱。一小型冷却液循环泵根据安装于冷却水套中的温度传感器的信号将冷凝液从水箱内泵回到冷却水套中。设置了一溢流管，它自设置于汽缸盖中离发动机强烈受热结构某一预定高度的溢流口通至水箱底部，经过该溢流管，使泵入冷却水套中的多余冷却液溢流回水箱底部，这就能使水套中的液态冷却剂保持某一预定的深度。冷却风扇或类似的装置是根据安装于水箱底部的第二温度传感器的信号来工作。

更确切地说，本发明的第一个观点表现在具有承受高热流的结构的汽车发动机或类似装置的冷却系统形式上，该系统的特点为：在上 述结构上方设置冷却水套，冷却剂以液态形式进入该水套而以气态形式排出;水箱和上述冷却水套保持液体连通，冷却液蒸汽在水箱中冷凝成冷凝液，该水箱包括一装于其底部的小型集水器，水箱中形成的冷凝液便收集于其内;第一温度传感器安装在冷却水套中;通过一冷却液回流管水泵将冷凝液自水箱内泵入冷却水套中，该泵以如下方式来响应第一温度传感器，即当冷却水套中冷却液的温度高于最初预定的数值时，该泵被接通;第二温度传感器安装在水箱内;某一装置和水箱联结，以改变水箱和其周围冷却介质之间的热交换率，该装置以某种方式来响应第二温度传感器以确保如下的条件，即当水箱中温度超过第二预定值时，热交换率增加;在冷却水套中形成的溢流口处于上述结构上方某一预定高度，该溢流口和水箱的集水器保持液体连通，因此，由水泵泵入冷却水套内的多余的冷却液便可经溢流口溢流到下水室;贮存冷却液的贮水器和水箱的集水器保持液体连通。

本发明的第二个观点表现在冷却具有承受高热流的结构的内燃机的方式方法上，其中包括：将液态冷却剂引入设置在上述结构上方的冷却水套中;允许冷却液沸腾并产生冷却液蒸汽;使产生于冷却水套中的蒸汽在水箱中冷凝;检测冷却水套中冷却液的温度;随着被检测的冷却水套中冷却液的温度高于第一预定值时，将冷却液从水箱内泵入冷却水套中;允许冷却水套中的冷却液高于上述结构上方某一预定的高度，以便经溢流口将其溢流到水箱中去;检测水箱中液态冷却剂的温度;按如下方式来改变水箱和其周围冷却介质之间的热交换率，即随着被检测的水箱中液态冷却剂的温度高于第二预定值时，增加水箱的散热量。

本发明方案的特征和优点由于随后结合附图的叙述将会变得更加清晰明瞭。其中：

图1至图4表示即时公开的说明段落中所计论的现有技术方案;

图5以简略的正视图表示了连同美国专利4，549，505号一起即时公开的说明段落中所讨论的方案;

图6表示本发明的实施方案。

附图6表示应用本发明第一实施方案的某一发动机系统。在该方案中，内燃机200包括一汽缸体204，在汽缸体204上固定一可拆卸的汽缸盖206。汽缸盖和汽缸体由相应的空腔构成，这些空腔在发动机受热结构（如形成燃烧室排气道的结构等）周围形成冷却水套208。

冷凝器216或此后称之为水箱，通过蒸汽歧管212和蒸汽导管214跟汽缸盖206中构成的蒸汽排出口210保持流体连通。固定于水箱216贴近处的是选择性通电的电力驱动风扇218，在通电时，该风扇产生一种抽吸冷风，使其通过水箱216的热交换面。

在水箱216底部设置一小型集水器220或以后称之为下水室，用以收集在那里产生的冷凝液。冷却液回流管222从下水室220通至在汽缸体204内形成的冷却液入口221。在该回流管中装置一电驱动小排量泵224。该泵224的排量选择得比发动机200所需的最大冷却液流量略微大些。这一流量参数可利用诸如单位，时间内发动机燃烧的最大燃料量来估算，并通过实验结果来验证。重要的是泵224的流量应该大于最大的需要量，以便当发动机运转时能确保冷却水套208中的冷却液处于所希望的液面高度（H），这在以后将会明白。

冷却液贮存器226通过一供水或排水管228一直是和下水室220连通。贮水器226用盖232密封，在盖中设有一透气口234。这就使贮水器226内恒定保持大气压力。

本实施方案中的蒸汽歧管212是由出气口240构成的，所示的出气口240备有盖242，它气密地封住出气口。

溢流管246从汽缸盖206中构成的一个或多个溢流口244通至下水室220。就本发明而言，溢流口244设置在发动机200那些结构上方的某一预定高度H上，该结构即为形成汽缸盖、排气口、气门等的结构，它们承受着最大的热流量。选择H高度要确保承受高热流量的发动机结构能浸没在液态冷却剂水层厚度内，即使在重负荷下运转、冷却剂强烈沸腾到往往足以引起局部无水和空化，该冷却剂水层厚度仍然确保了该结构恒是湿润的。这些现象往往造成局部过热，导致发动机严重破坏。

为了控制冷却液回流泵224的工作，在汽缸盖内低于H液面的位置上安装第一温度传感器250，该传感器浸没在盛于冷却水套208内的液态冷却剂中，贴近于强烈受热的发动机结构处。安装传感器250是为了在达到某一预定的温度时，使冷却液回流泵224接通电流。在本实施方案内温度预定在85℃。这个数值相当于冷却液易于沸腾的最低温度。譬如说，相当于诸如山顶上高海拔处冷却液沸腾的温度。

为了控制冷却风扇218运转，在下水室220内安装了第二温度传感器252。在下水室220内的冷却液温度达到和第一传感器相同的数值即85℃时，第二传感器252才起作用。

安置一司机室加热回路来连通冷却水套。所示的回路包括一个安装于乘客舱“C”内的热芯体262，一根从在汽缸体204内形成的冷却水套区通至热芯体262的进水管264，一根从热芯体通至在汽缸盖206内形成的冷却水套区的回水管266。冷却液循环泵268安置在回水管266内。通过闭合未示出的开关等来选择性地接通泵 268。

上述公开的方案是这样工作的，当发动机200经受一次冷起动时，也就是说，当发动机冷却液譬如说低于85℃时，由于冷却水套208中的冷却液完全不循环，因此其中的冷却液便很快的热起来。在达到预定的温度时，通过温度传感器250来接通冷却液回流泵224，冷却液便从下水室220经导管222被泵回到冷却水套208中。然而，由于循环冷却液的容量和附图1所示的方案相比并不大，因此冷却液被加热到沸腾点的流量是很高的。此时形成的冷却液蒸汽产生压力，将液态冷却剂从该冷却回路（即包括冷却水套208、蒸汽歧管212、蒸汽输送管214、水箱216和冷却液回流管222的一个封闭回路）内通过导管228排到贮水器226中。

如果在热交换面范围内的空气自然抽吸不足以保持下水室220内冷却液（一种由水箱216内的冷却液蒸汽冷凝而成的冷凝液和从冷却水套208经溢流管246溢流出的冷却液的混合物）的温度低于预定值，风扇218就被接通，以增加水箱216和周围空气间的热交换率来力求降低下水室220内冷却液的温度。

应该指出，这一接通要使该冷却系统内部基本上保持常压，并允许水箱216中的液态冷却剂能调正自己的液面高度，以便控制水箱216的表面积来适于冷却液蒸汽释放其汽化潜热。在寒冷地带，水箱216往往部分地充以液态冷却剂，而在炎热的环境里，液面便以某种方式自动下降以便减少水箱216内外的温差。

万一有些非冷凝物质找到了途径进入冷却回路，使该系统不能散出足够的热量，那么，该冷却回路中的温度和压力便上升。同时，该非冷凝物质（譬如说空气），呈现出自然的隔热性质而往往比冷却液蒸汽少加热（更冷），往往被压向水箱216的底部，最终经导管228 和贮水器226从该系统中排出。此时任何泄出的冷却液蒸汽在跟贮水器226内的液态冷却剂接触时就往往冷凝下来，而永远不会从该系统中逸出。

非冷凝物质的这种“热塞”往往使该系统在发动机运行中免除空气和其它类似物质。

应该注意，水箱216的最大热交换能力要选择得比冷却系统的最大热交换需要量为大，以便在正常的情况下，使下水室220内的液态冷却剂的液面不降低到跟导管228相连通的位置。

当发动机200仃止运转时，保持对风扇218、泵224和传感器250、252供电是有利的。这一措施考虑了发动机仃止运转后由于在汽缸盖206、汽缸体204和辅助结构中所积累的热量（热惯性）而引起的沸腾，并且防止了压力升高;这一压力升高可将冷却液从该冷却回路中足够猛烈地排到贮水器226内，其结果可引起泄漏或类似的损失。也就是说，如果能允许风扇218和泵224继续运转来带走该系统中的热量，并使收集于下水室中的冷却了的冷却液循环回到冷却水套208内，直到冷却水套208和下水室220中的温度下降到上述预定值为止，那么，能使冷却液沸腾到足以引起冷却液从冷却回路中猛烈排出的机会实际上等于零。

随着该系统温度下降，冷却水套208上部的蒸汽和水箱216中的蒸汽冷凝成液态。相应地，随着冷却回路中压力下降，来自贮水器226的冷却液在总的压力差的影响下经导管228吸入冷却回路，直到压力差中止的时刻来到为止，即该冷却回路完全充以液态冷却剂。空气或混杂非冷凝物质的类似物在发动机非使用期间漏入该系统的倾向实际上是不存在的。

当发动机起动时，先前概述的产生冷却液蒸汽的暖机过程将吸入 的多余冷却液排出，以防止贮水器226之外的冷却回路混杂，直到水箱216中的冷凝速率和发动机生产的热量之间建立平衡的时刻为止。

在本实施方案里，所用的冷却液采用含有适量防冻液和微量防腐剂的水。应该指出，经蒸汽导管214被输送到水箱216的冷却液蒸汽虽然含有极少量防冻液，后者却往往集中于冷却水套中，因此，在高于某一预定的冷却液温度时，冷却液回流泵的持续接通使少量液态冷却液几乎在所有发动机运转工况下（包括发动机冷却下来随后仃机的工况在内）经溢流管246和冷却液回流管222进行循环，这就足以防止出现防冻液明显的浓度差。从而在极寒冷地带基本上避免了冷却液在水箱216和冷却系统类似的部件中结冰。

Claims (7)

1、内燃发动机的冷却系统包括：

冷却水套；

水箱；

风扇，为使水箱周围的空气通风冷却并靠近水箱安装在一起；

温度传感器，该温度传感器是安置在对冷却液的温度容易起反映的地方；

水泵，该泵是设置在直接从上述水箱到上述水套泵回冷却液的管道上；

储水器，储水器是装在与上述水箱流体联通的导管相接；

其特征在于冷却水允许在冷却水套(208)内沸腾。冷却水套内产生的蒸气传输到水箱(216)内并在那里冷凝，在于当发动机操作热起来的时候，上述水箱(216)至少有部分是空着的。在于温度传感器(250)是安置在上述冷却水套(208)内并浸没在沸腾的冷却液中，在于水泵(224)是由温度传感器(250)控制的，当冷却液的温度超过第一予定温度时，由上述温度传感器控制的上述泵就被有选择性地接通，在于上述储水器(226)有一根导管接入。该单独的导管(228)直接联接到下水室(集水器)(220)。下水室是设在上述水箱(216)的底部，在于冷却液允许由两种途径通入上述导管(228)内，即取决于上述储水器内的主要压力和上述水箱内的主要压力之间存在的压力不同，在于第二温度传感器(252)是设置在上述水箱(216)的较低部或设置在上述上水室(220)的较下部，在于上述风扇(218)是由上述第二温度传感器(252)所控制的，在于溢流导管(246)是装置在冷却水套(208)和水箱(216)之间，上述溢流导管(246)把上述冷却水套跟上述下水室(220)横向地联接起来，而溢流口(244)形成在上述冷却水套上，还在于上述风扇(218)是由能够选择通电的电动机驱动的。

2、按权利要求1所述的冷却系统，其中上述水泵被调正到按某一预定流量泵送冷却液，上述预定流量要选择得比由于上述冷却水套中冷却液沸腾而将冷却液送到上述水箱中去的最大流量为高。

3、按权利要求1所述的冷却系统，其中水箱的热交换能力要选得大于上述发动机所能产生的最大热流量。

4、按权利要求1所述的冷却系统，其中上述第一和第二预定温度值要选得和冷却水套中冷却液易于沸腾的最低温度相对应。

5、冷却具有承受高热流结构的内燃机的方法，包括：

将液态冷却剂输入到设置于上述结构周围的冷却水套中;

允许上述冷却液沸腾并产生冷却液蒸汽;

将产生于上述冷却水套内的蒸汽冷凝于水箱中;

检测上述冷却水套中的冷却液温度;

随着被检测的上述冷却水套中冷却液的温度高于第一预定值时。将冷却液从上述水箱内泵入上述冷却水套中;允许冷却水套中的冷却液高于上述结构上方某一预定高度，以便经溢流口将冷却液溢流到上述水箱中去;

检测上述水箱中的液态冷却剂温度;

按如下方式来改变上述水箱和其周围冷却介质之间的热交换率，即随着上述水箱中液态冷却剂的温度高于第二预定值时，上述水箱的散热量增加。

6、按权利要求5中所述的方法，上述泵水方法包括水泵的泵水流量要大于将冷却液从上述冷却水套内输入上述水箱中的流量。

7、按权利要求5中所述的方法，还包括下列方法：

将液态冷却剂贮存于水箱中;

按照上述贮水器内和上述水箱内的压力差调正上述水箱中的冷却液量。

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