CN101253382A - 空气-空气后冷却器的管的设计 - Google Patents

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CN101253382A CNA2006800320709A CN200680032070A CN101253382A CN 101253382 A CN101253382 A CN 101253382A CN A2006800320709 A CNA2006800320709 A CN A2006800320709A CN 200680032070 A CN200680032070 A CN 200680032070A CN 101253382 A CN101253382 A CN 101253382A
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K·C·胡梅尔
金培彤
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Abstract

本发明涉及一种用于空气－空气后冷却器(36)的管，该空气－空气后冷却器包括构造用于引导增压空气(38b)的流的管(44)。该管包括位于该管的第一内表面(60)上的至少一个第一凸起(58)，通过该至少一个第一凸起(58)延伸有第一纵向平面。该管(44)还包括位于该管的第二内表面(64)上的至少一个第二凸起(62)，通过该至少一个第二凸起(62)延伸有第二纵向平面。此外，所述第一纵向平面和所述第二纵向平面相交。

Description

空气-空气后冷却器的管的设计
技术领域
本发明涉及空气-空气后冷却器，更具体地涉及空气-空气后冷却器的流管设计。
背景技术
建筑和土方工程设备及很多其它作业机械通常被广泛应用于各种领域。通常，作业机械由内燃机提供动力。为了使作业机械的性能最优，发动机必须尽可能有效地运行。由于许多作业机械由内燃机提供动力，已经开发出多种用于提高内燃机效率的方法。一种方法是在内燃机中结合透平增压器。透平增压器可对进入发动机进气口或者燃烧室之前的空气进行压缩。向发动机进气口供入压缩空气(“增压空气”)将使燃烧更加充分。这将使排放减少，使性能得以改善并使发动机效率更高。但是，压缩空气也会造成进气温度升高。向发动机进气口供入热的增压空气将导致发动机的排放量不被希望地增加。同时，由于发动机通常已经会产生大量的热，向发动机进气口或燃烧室中加入热的增压空气将提高发动机的运行温度，从而造成对发动机部件的过度损耗。
空气-空气后冷却器(ATAAC)可用于通过在增压空气进入发动机进气歧管之前冷却增压空气来减少烟气和其它发动机排放物。使用ATAAC还可造成较低的燃烧温度，从而由于降低发动机的热应力而增加发动机部件的寿命。
ATAAC可包括热的增压空气可从其中通过的一个或多个管。管的外部可处于用于冷却该管的某种流体如环境空气中。热的增压空气在通过该管时将与管壁接触。热量将从增压空气传递给管壁，然后从管壁传递给环境空气，从而带走增压空气中的热量。可在管壁的外侧表面增设外翅片以增大表面积，这将改善热的增压空气与环境空气之间的热传递。
另外，可通过在管内部设置扰流子来改善热传递。所述扰流子可以是内翅片，这将增加流经管的热的增压空气的湍流度。通过在管内产生湍流，可使所有的热的增压空气混合在一起，从而使与管壁接触的热的增压空气的温度较高，以从中获得更多的热量。
从授予Kiser等人的美国专利No.5,730,213(“Kiser”)中公开了一种用于在热交换器管中产生湍流的系统。具体地，Kiser描述了一种具有铝制冷却管的热交换器，所述铝制冷却管包括多个伸进管内表面的柱形凹陷/波纹。这些凹陷可对流经管的管流进行扰动，以通过减少管壁与所容纳的增压空气之间的热阻来改善热传递。但是，由于凹陷的几何结构和尺寸，Kiser所描述的管对于某些应用而言并不能产生足够的湍流。另外，存在这样一个问题：对于比老型发动机具有更高的增压空气温度的新型发动机而言，铝钎焊ATAAC管可能不能提供足够长的寿命。
本发明致力于克服上文所述的一个或多个问题。
发明内容
一方面，本发明涉及一种空气-空气后冷却器。该空气-空气后冷却器可包括构造用于引导增压空气流的管。该管可包括位于该管的第一内表面上的至少一个第一凸起，通过该至少一个第一凸起延伸有第一纵向平面。该管还可包括位于该管的第二内表面上的至少一个第二凸起，通过该至少一个第二凸起延伸有第二纵向平面。另外，所述第一纵向平面可与所述第二纵向平面相交。
另一方面，本发明涉及一种制造空气-空气冷却器管的方法。该方法可包括使金属板变形以在金属板的表面上产生至少一个第一凸起和至少一个第二凸起。通过所述至少一个第一凸起延伸有第一纵向平面，通过所述至少一个第二凸起延伸有第二纵向平面。所述第一纵向平面可与所述第二纵向平面相交。该方法还包括将所述板轧制成管状，以及使所述板的第一边和第二边相接以形成管。
再一方面，本发明涉及一种发动机组件。该发动机组件可包括一透平增压器，该透平增压器构造用于在吸入空气进入发动机进气歧管之前对其进行压缩。该发动机组件还可包括可操作地连接在透平增压器和发动机进气歧管之间的空气-空气后冷却器。该空气-空气后冷却器可包括至少一个构造用于引导经压缩的吸入空气的管，该管包括位于该管的第一内表面上的至少一个第一凸起，通过该至少一个第一凸起延伸有第一纵向平面。该管还可包括位于该管的第二内表面上的至少一个第二凸起，通过该至少一个第二凸起延伸有第二纵向平面。另外，所述第一纵向平面可与所述第二纵向平面相交。
再一方面，本发明涉及一种构造用于引导增压空气流的管。该管可包括位于该管的第一内表面上的至少一个第一凸起，通过该至少一个第一凸起延伸有第一纵向平面。该管还可包括位于该管的第二内表面上的至少一个第二凸起，通过该至少一个第二凸起延伸有第二纵向平面。另外，所述第一纵向平面可与所述第二纵向平面相交并相对于所述管的纵向轴线成一角度延伸。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施例的作业机械的示意图；
图2是根据本发明的示例性实施例的发动机的示意图；
图3是根据本发明的示例性实施例的空气-空气后冷却器的示意图；
图4是根据本发明的示例性实施例的管和翅片的示意图；
图5是根据本发明的示例性实施例的管的示意图；
图6是根据本发明的示例性实施例的管的示意图；
图7是根据本发明的示例性实施例的管的示意图；以及
图8a-8d是制造根据本发明的示例性实施例的管的方法的示意性透视图。
具体实施方式
参照图1，该图示出了作业机械10，如越野载重车。作业机械10可包括机架12和枢转地安装在机架12上的倾卸式车身14。操作员驾驶室16可安装在机架12前方并位于发动机舱18上方。作业机械10可通过一对前轮胎20(示出一个)和一对后轮胎22(示出一个)支承在地面上。
在发动机舱18内可定位有一个或多个发动机24。图2中示出了示例发动机24。发动机24可用于经由机械或电力传动系向作业机械10的驱动组件提供动力。如图2所示，发动机24可包括内燃机。内燃机24可包括用将吸入空气38a压缩成热的增压空气38b的透平增压器26，以及用于在进入进气歧管32之前冷却热的增压空气38b的空气-空气后冷却器(ATAAC)36。发动机的各子部件可具有多种构造以满足特定应用。下面示例性说明发动机24的子部件，但是，本发明的实施例并不局限于这些特定的构造。
透平增压器26可包括压缩机30，该压缩机30通过由发动机废气流34驱动的透平28提供动力。压缩机30可对吸入空气38a加压，以使发动机24的发动机缸中具有更多燃料/空气混合物。其结果将增加动力和提高发动机效率。但是，加压的副作用在于会使吸入空气38a的温度升高，这是不希望发生的。离开压缩机30的经压缩的吸入空气称为热的增压空气38b。如上所述，在进入进气歧管之前，可通过使热的增压空气38b通过ATAAC36而进行冷却。
图3示出作为本发明的示例性实施例的ATAAC36。通过入口40将来自透平增压器26的压缩机30的热的增压空气38b引入ATAAC36。入口40形成ATAAC进口歧管42的一部分，该ATAAC进口歧管42将热的增压空气38b导入一个或多个管44中。在横过ATAAC36并与同时经过和围绕ATAAC36的较冷的环境空气发生热交换之后，先前被加热的增压空气38b可成为较冷的增压空气38c通过ATAAC出口歧管48的出口46排出，冷的增压空气38c然后被输送至发动机进气歧管32。如图2所示，发动机24的发动机进气歧管32可包括一个或多个通路或管道，它们可用于将经冷却的增压空气38c输送至一个或多个发动机缸(未示出)。ATAAC36可由适宜的金属材料制成，包括铜、不锈钢、铝或其合金。
管44在图4中放大示出。管44可通过外翅片50进行分隔，外翅片50可连结在管44上以增加管44的外表面积，从而有助于热传递。外翅片50可由薄金属条制成，通过弯曲或通过其它方式形成所希望的构造。上述构造可允许环境空气自由地流动通过外翅片50，从而使环境空气能够带走管44和外翅片50的热量。外翅片50可具有多种不同的构型，包括例如蛇形、锯齿形、百叶形、波纹形。管44和外翅片50可由铜及其合金制成。可选择地，管44和外翅片50可由其它适宜的材料制成，包括例如不锈钢、铝和其它金属及合金。
如图5所示，每个管44还可包括扰流子52以使通过管44的热的增压空气38b更好地混合。在管44内造成湍流，可增加热的增压空气38b与管44及翅片50之间的热传递。在一个实施例中，扰流子52可包括位于管壁66的内部顶面60上的一个或多个顶部凸起58，和/或位于管壁66的内部底面64上的一个或多个底部凸起62。如下文中更加详细地说明，顶部和底部凸起58和62可通过已知的金属变形工艺如轧制、冲压或其它合适的方法在管44的鼻状部(弯曲部)54和56之间成形。另外，尽管图5中仅示出一组顶部凸起58和底部凸起62，但是，应理解，管44可沿纵向延伸比图中所示的距离更长的距离，成组的顶部凸起58和底部凸起62可沿管44的整个纵向长度按一定间隔重复布置(图4)。
上述结构元件的尺寸可影响管44的湍流度以及冷却热的增压空气38的程度。图6中示出了两个尺寸，包括例如范围为2-6mm的管宽度“tw”。位于所述范围较低端的tw值将会令人满意，这是因为如果tw值较小，则凸起高度“de”值也较小。具有较小的de值的顶部凸起58和底部凸起62更容易制造，这是因为它们只需要较小程度的金属变形工艺。在一个实施例中，de值的范围可为tw值的20％-60％。例如，顶部凸起58和底部凸起62可伸出相等的距离，从而使各组凸起58和62都具有与tw值的50％大致相等的de。可选择地，顶部和底部凸起58和62可具有比tw值的50％小的de值，这样它们将不会互相接触。或者可选择地，一组凸起可具有比tw的50％大的de值，并因此具有大于其余各组凸起的de值。另外，如图7所示，凸起宽度的“dw”值可在de值的1-2倍的范围内。凸起角度“da”也会影响湍流和/或冷却程度，在一个实施例中，da的范围可为30-75度。尽管出于说明的目的对管44的元件的(尺寸)范围进行了说明，但是，应理解，也可想到其它(尺寸)范围。
在一个实施例中，顶部凸起58和底部凸起62可分别包括纵向轴线63，该纵向轴线63位于相应的垂直于管壁66延伸的纵向平面内。顶部凸起58的纵向轴线63及其相应的纵向平面可相互平行，并可定向成与管44的纵向轴线65形成大于15度的角度。类似地，底部凸起62的纵向轴线63及其相应的纵向平面也可相互平行，并定向成与纵向轴线65形成大于15度的角度。当顶部凸起58和底部凸起62的纵向轴线63重叠时，顶部凸起58和底部凸起62的纵向轴线63的明显的交叉将形成包括顶点63a的V形。另外，包含顶部凸起58的纵向轴线63的纵向平面可与包含底部凸起62的纵向轴线63的纵向平面在顶点63a附近相交。还可设想，顶部凸起58和底部凸起62可在顶点63a附近互相接触。另外，所述V形可布置成图案，从而使各V形的顶点63a位于垂直于管44的纵向轴线65延伸的直线上。所述V形图案可通过改变流经管44的热的增压空气38b的方向来造成希望的湍流，而不导致管44中的压降过度升高。另外，或者可选择地，顶部凸起58和/或底部凸起62可至少部分是曲线形的，并可包括锐边或圆边。另外，应理解，术语“顶点”可不仅包括交点，还可包括曲线的高点。还可设想，顶部凸起58和/或底部凸起62可具有其它几何结构、尺寸和取向，并且，顶部凸起58和/或底部凸起62的数量可根据需要增加或减少。可选择地，管44可仅具有顶部凸起58或底部凸起62，而不是二者都有。在另一实施例中，管44可包括顶部凸起58和底部凸起62的交替部段。
如图8a-8d所示，管44可由具有第一边70和第二边72的金属板68形成。顶部凸起58和底部凸起62可在金属板68上通过冲压、轧制或其它适宜的金属变形工艺成形，从而得到如图8b所示的结构。在形成顶部和底部凸起58和62之后，可对金属板68进行轧制，从而使第一边70靠近第二边72，如图8c所示。可选择地，可使第一边70和第二边72相互接触。最后，如图8d所示，可将第一边70和第二边72焊接在一起以制得管44。还可设想，所述焊接可在相对的顶部凸起58和底部凸起62的任意接触点处进行。焊接可通过提供额外的支承而使管44具有结构强度，以确保管44不会由于管44内的大的压力以及/或者管44外的载荷所施加的作用力而不希望地变形。焊缝可通过高频感应焊、阻力焊、钎焊或其它适宜的工艺得到。
工业适用性
本发明的ATAAC可应用于内燃机。具体地，如图2所示，ATAAC36可用于在从透平增压器26的压缩机30中流出来的吸入空气38a进入发动机24的进气歧管32之前对其进行冷却，从而减少排放并增加发动机部件的寿命。
在作业机械10中，离开发动机24的废气34可被引导至透平增压器26的透平28。废气34的流动可为透平28提供动力——使透平28转动并驱动压缩机30。吸入空气38a可被引导至压缩机30中，并在其中被压缩，压缩的副作用使得吸入空气38a同时被加热成热的增压空气38b。热的增压空气38b可通过入口40从压缩机30进入ATTAC36中，并在其中被引导至进口歧管42中。管44可与ATAAC36的进口歧管42流体连通，这样，热的增压空气38b可从进口歧管42进入管44。为辅助热传递，管44可分别具有构造用于使流经管44的热的增压空气流38b产生湍流的一个或多个扰流子52。扰流子52造成的湍流可通过使热的增压空气38b的所有区域混合在一起而有助于防止在管44中造成径向温度梯度，这将使热的增压空气38b和管44之间的热传递加强。管44可将经冷却的增压空气38c朝向出口46引导至出口歧管48。一旦离开ATAAC36，经冷却的增压空气38c可与位于发动机24中一个或多个燃烧室(未示出)中的燃料混合。由于较冷的空气具有比热空气大的密度，一定压力下一定体积的冷的增压空气38c将比相同压力、相同体积的热的增压空气38b包含更多的空气分子。增加发动机24的燃烧室中的空气分子的数量有助于燃烧，这将使离开发动机24的烟气量以及/或者排放量减少。同时，降低热的增压空气38b的温度可降低发动机24的运行温度，从而对发动机部件造成较少的损耗。
使用扰流子52还可具有其它优点。例如，ATAAC36可优选由铜或其合金制成，因为铜焊ATAAC管44可提供较优的性能。在使用铜焊ATAAC管44时可能遇到的困难在于，破坏位于铜焊ATAAC管44内的钎料膏或焊箔会导致额外的制造费用。可从管44的外侧形成扰流子52，这样便无需将任何装置插入管44中，否则所述插入可能会损坏或破坏管44内的钎料膏或焊箔。扰流子52的这种特点将允许使用铜焊ATAAC管44以实现其性能，同时避免制造过程中与破坏钎料膏或焊箔有关的额外的费用。这同样适合于用不锈钢制造ATAAC36的情况。
扰流子52还可提供额外的结构强度。如上所述，顶部凸起58可在顶点63a附近与底部凸起62接触，并且，它们可在任一接触点处通过一个或多个焊缝焊接在一起，以加强管44的壁。顶部凸起58和底部凸起62之间的接触可对抗作用于管44上的外力，否则，该外力将造成管44向内变形。另外，当包含扰流子52时，管44中的内部压力将不那么易于导致管44的壁66向外变形。因此，ATAAC36可用于具有高的增压空气压力的发动机组件中。能够使用较高的增压空气压力可具有使燃料的燃烧更充分、排放更少和使总的发动机效率更高的额外优点。
本领域的技术人员可以容易地对本发明的ATAAC和方法做出多种变型和改变而不偏离本发明的范围。另外，本领域的技术人员通过研究说明书可以想到ATAAC和方法的其它实施方式。本发明的说明书和示例仅应被认为是示例性的，本发明的真实范围将由所附权利要求及其等价方案限定。

Claims (10)

1.一种空气-空气后冷却器(36)，包括：
构造用于引导增压空气(38b)的流的管(44)，其中，该管包括：
位于该管的第一内表面(60)上的至少一个第一凸起(58)，其中，通过该至少一个第一凸起延伸有第一纵向平面；
位于该管的第二内表面(64)上的至少一个第二凸起(62)，其中，通过该至少一个第二凸起延伸有第二纵向平面；以及
其中，所述第一纵向平面和所述第二纵向平面相交。
2.根据权利要求1所述的空气-空气后冷却器(36)，其特征在于，所述至少一个第一凸起(58)包括多个具有第一纵向平面的第一凸起(58)。
3.根据权利要求2所述的空气-空气后冷却器(36)，其特征在于，所述至少一个第二凸起(62)包括多个具有第二纵向平面的第二凸起(62)。
4.根据权利要求3所述的空气-空气后冷却器(36)，其特征在于，所述第一纵向平面和所述第二纵向平面相交以形成多个对齐的顶点(63a)，这些顶点位于垂直于管(44)的纵向轴线(65)延伸的直线上。
5.根据权利要求1所述的空气-空气后冷却器(36)，其特征在于，所述至少一个第一凸起(58)与所述至少一个第二凸起(62)相接触。
6.一种制造空气-空气后冷却器管(44)的方法，该方法包括：
使金属板(68)变形，以在金属板的表面上产生至少一个第一凸起(58)和至少一个第二凸起(62)，其中，通过所述至少一个第一凸起延伸有第一纵向平面，通过所述至少一个第二凸起延伸有第二纵向平面，所述第一纵向平面与所述第二纵向平面相交；
将所述金属板轧制成管状；以及
使所述金属板的第一边(70)和第二边(72)相接以形成管(44)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使金属板(68)变形还包括产生多个第一凸起(58)和多个第二凸起(62)，所述第一纵向平面延伸通过所述多个第一凸起，以及所述第二纵向平面延伸通过所述多个第二凸起，所述第一纵向平面与所述第二纵向平面相交以形成多个对齐的顶点(63a)，这些顶点位于垂直于管(44)的纵向轴线(65)延伸的直线上。
8.一种包括根据权利要求1-7中任一项所述的空气-空气后冷却器(36)的发动机组件(24)。
9.构造用于引导增压空气(38b)的流的管(44)，该管包括：
位于该管的第一内表面(60)上的至少一个第一凸起(58)，其中，通过该至少一个第一凸起延伸有第一纵向平面；
位于该管的第二内表面(64)上的至少一个第二凸起(62)，其中，通过该至少一个第二凸起延伸有第二纵向平面；以及
其中，所述第一纵向平面和所述第二纵向平面相交并相对于所述管的纵向轴线(65)成一角度延伸。
10.根据权利要求9所述的管(44)，其特征在于，所述至少一个第一凸起(58)包括多个第一凸起(58)和第一纵向平面，所述至少一个第二凸起(62)包括多个第二凸起(62)和第二纵向平面，所述第一纵向平面和所述第二纵向平面相交以形成多个对齐的顶点(63a)，这些顶点位于垂直于所述管(44)的纵向轴线(65)延伸的直线上。
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