CN101389839A - 具有冷却器旁路的中冷器配置结构和方法 - Google Patents

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Abstract

一种中冷器配置结构，包括设置在发动机进气口上游的第一中冷器、设置在第一中冷器上游的第二冷却器以及用于旁通第二冷却器的旁通管线，该旁通管线的下游端设置在第一中冷器的上游。还公开了一种减少具有增压空气冷却的发动机中的冷凝的方法。

Description

具有冷却器旁路的中冷器配置结构和方法
技术领域
本发明涉及一种中冷器配置结构，更特别地，涉及一种具有冷却器旁通管线的中冷器配置结构。
背景技术
如图1A中所见，其显示了传统的内燃发动机1，涡轮增压器或增压器2压缩引入的空气，使它被加热。因为在相同的压力下，热空气比冷却空气的密度小，所以输送到气缸的总进气比它可能的要少。通过在压缩之后使用诸如中冷器(charge air cooler)(CAC)4或在多级涡轮增压系统中的中间冷却器(intercooler)的装置冷却进气，可输送更多的进气，以提高功率。另外，诸如CAC和中间冷却器的装置有助于通过降低进气的温度来增加在气缸中的爆震开始以前容许的总升压量。
废气再循环(EGR)是在大多数汽油和柴油发动机中使用的NOx(氧化氮和二氧化氮)减排技术。EGR通过使某一百分比(例如，5-10％)的发动机废气再循环回到发动机气缸而工作。使引入的空气与再循环废气混合稀释了具有惰性气体的混合气，该惰性气体减缓了燃烧并降低了峰值温度。因为NOx的形成在高温下进行得更快，所以EGR用于限制NOx的生成。NOx主要由于氧气和高温的存在而形成。
废气再循环通常通过设置从排气歧管6到进气歧管7的管线5来实现。循环中的控制阀8(EGR阀)调整气流并对其计时。在现代的柴油发动机中，通常使用热交换器(EGR冷却器)9对EGR气体进行冷却以允许更大量的再循环气体的引入。
当诸如CAC 4的装置将增压空气冷却到该增压空气的露点之下的温度时，特别是当与废气混合时所产生的冷凝可能对诸如进气阀和进气阀座之类的发动机部件是有害的。一个现有的解决方案包括当离开CAC的增压空气的温度降至露点温度之下时，切断EGR。因为此解决方案增加了NOx的形成，所以它没有被美国环境保护局批准。
另一现有的解决方案包括引导一些增压空气通过旁路10。然而，当仅仅一部分增压空气旁通CAC 4时，即使已经旁通CAC的增压空气与已经通过CAC的增压空气的混合气可以处于高于露点的温度，如图1B的曲线图中的点A处所见，但是通过CAC的增压空气仍可能被冷却到低于露点的温度，如点B处所见。因此，CAC旁路10没有完全解决冷凝的问题。
发明内容
根据本发明的一方面，一种具有中冷器配置的发动机包括发动机、通向所述发动机的进气口、设置在所述进气口上游的第一中冷器、设置在所述第一中冷器上游的第二冷却器以及用于旁通所述第一中冷器上游的所述第二冷却器的旁通管线。
根据本发明的另一方面，一种中冷器配置结构包括设置在发动机进气口上游的第一中冷器、设置在所述第一中冷器上游的第二冷却器以及用于旁通所述第二冷却器的旁通管线，所述旁通管线的下游端设置在所述第一中冷器的上游。
根据本发明的又一方面，一种减少具有增压空气冷却的发动机中的冷凝的方法包括促使进气流过位于第二冷却器和设置用于旁通所述第二冷却器的旁通管线的下游的第一中冷器，以及通过调节穿过所述第二冷却器和所述旁通管线的进气流的量来调节所述第一中冷器下游的进气温度。
附图说明
通过阅读下文结合附图的详细描述将会更好地理解本发明的特征和优点，在附图中，相同的附图标记表示相似的元件，并且其中：
图1A示意性显示了具有CAC、CAC旁路和EGR的现有技术的发动机，图1B是穿过图1A中所示类型的CAC和旁路的增压空气温度的曲线图；
图2A示意性显示了具有根据本发明实施例的CAC的发动机，图2B是穿过图2A中所示类型的CAC和旁路的增压空气温度的曲线图；以及
图3示意性显示了具有根据本发明另一实施例的CAC的发动机。
具体实施方式
具有中冷器配置23的发动机21在图2A中示出。通常为进气歧管25的进气口通向发动机21。第一中冷器27(CAC)设置在进气歧管25的上游。第一CAC 27可能比通常用于传统内燃发动机的CAC的效率低。更特别地，期望地是对于位于第一CAC中或下游的空气，第一CAC 27不能够充分有效地将期望运行发动机21的温度和相对湿度的范围内的空气冷却到露点以下。换句话说，第一CAC 27通常将不能引起第一CAC下游的冷凝。
第二冷却器29设置在第一CAC 27的上游。期望地是串联运行的第二冷却器29和第一CAC 27能够将期望运行发动机21的温度和相对湿度的范围内的进气温度降低到明显低于第一CAC 27通过其自身所降低到的温度。串联运行的第一CAC 27和第二冷却器29能够将进气温度降低到该进气的露点或露点以下的温度。
旁通管线31设置用于旁通第一CAC 27上游的第二冷却器29。旁通管线31的下游端33与第一CAC 27和第二冷却器29之间的导管35处于流通。当进气流过旁通管线31时，第一CAC 27不会将该空气冷却到当所有进气流过第二冷却器29时的温度。
EGR回路37可与进气歧管25处于流通。期望地是第一CAC 27下游的进气温度足够高以避免冷凝，因为特别是与EGR排气一起的冷凝往往会产生对诸如进气阀和阀座的发动机部件有害的产物。通过切断通过第二冷却器29的流动并引导所有流动通过旁通管线31，或者通过适当地平衡流过第二冷却器的空气量和流过旁通管线的空气量，第一CAC 27下游的进气温度可保持在预期温度或预期温度之上。
穿过第二冷却器29的进气与穿过旁通管线31的进气的适当平衡可使用适于调节穿过第二冷却器和旁通管线的进气流的阀配置39来实现。阀配置39可适于完全切断穿过旁通管线31和/或穿过第二冷却器29的流动，或者可适于允许以预期的程度穿过第二冷却器和旁通管线两者的流动。图2A显示了包括阀41和43的阀配置，所述阀41和43分别用于调节穿过第二冷却器29和旁通管线31的流动。阀41和43可仅具有打开/关闭模式或者可调节到位于完全打开和完全关闭之间的各种状态。其它阀配置通常也是可利用的，诸如用于允许仅流向第二冷却器29和旁通管线31中的一个的三通阀。图2B是曲线图，显示了当进气流过系统时，通过使一些进气流过第二冷却器29，从而这些空气被冷却(在点C处离开第二冷却器)，并且使一些进气流过旁通管线31从而使这些空气不被冷却，当这两股流结合(在点D处)然后通过第一CAC 27时，由此产生的冷却流(点E)的温度可保持处于露点温度之上。
可设置包括传感器的传感器配置，该传感器适于检测有关进气的露点的数据并适于将关于该数据的信号发送到控制器49，控制器49响应该信号控制阀配置39。有关进气的露点的数据通常包括第一CAC 27和第二冷却器29的上游的进气温度和/或相对湿度、第一CAC上游和第二冷却器下游的进气温度和/或相对湿度以及第一CAC和第二冷却器的下游的进气温度和/或相对湿度中的一个或多个。此数据可通过分别位于第一CAC 27和第二冷却器29的上游的温度和/或相对湿度传感器471和472、分别位于第一CAC上游和第二冷却器下游的温度和/或相对湿度传感器473和474以及分别位于第一CAC和第二冷却器的下游的温度和/或相对湿度传感器475和476来收集。因此，该传感器配置可包括诸如温度传感器(例如，温度计和感温开关)、湿度传感器或露点传感器(诸如湿度计)等传感器，尽管列出了上述类型的传感器，但是并非意在将可用于确定或估计进气露点的设备限于这些类型。
传感器配置可包括温度传感器475的形式的传感器，其适于监测第一CAC 27下游的温度并将关于该温度的信号发送到控制器49，以响应该信号控制阀配置39。控制器49可设置为响应第一CAC 27下游的温度低于进气的露点温度的信号来调节阀配置39，从而减少通过第二冷却器29的流动而增加通过旁通管线31的流动。信号可基于其它可用于计算在第一CAC的下游是否存在冷凝条件的因素，诸如第一CAC 27和第二冷却器29的上游和下游的压力、相对湿度以及温度的测量，或者信号可仅基于单一参数，例如在某点(诸如第一CAC下游)处的温度的测量，在该点处可以预计在典型操作条件下，在第一CAC的下游将通常存在冷凝。当所监测/检测到的条件是预计在第一CAC 27的下游存在冷凝时，可打开旁路31和/或关闭第二冷却器29，从而第一CAC 27下游的条件不太可能引起冷凝。
EGR回路37将通常与进气口25处于连通。EGR回路37包括EGR阀53，该EGR阀53响应来自传感器配置的信号以打开和关闭EGR阀。EGR阀53可以例如响应来自第一CAC 27下游的反映可能引起冷凝的条件的温度传感器475的信号而被关闭。温度传感器475可向控制器49发送信号，控制器49又向EGR阀发送信号。EGR回路37还包括EGR冷却器55和传统EGR系统的其它部件，并且可与传统EGR系统以基本相同的方式操作。
第二冷却器29可以是任意合适类型的冷却器。典型地，第二冷却器将是位于涡轮增压器57或增压器的下游的CAC，如图2A中所见，或者如图3中所见，第二冷却器29可以是例如位于两极涡轮增压系统的第一涡轮增压器57下游和第二涡轮增压器157上游的中间冷却器。
在减少具有增压空气冷却配置23的发动机21中的冷凝的方法中，促使进气流过位于第二冷却器29下游以及设置用于旁通第二冷却器的旁通管线31下游的第一CAC 27。第一CAC 27下游的进气温度通过调节穿过第二冷却器29和旁通管线31的进气流的量来进行调节。穿过第二冷却器29和旁通管线31的进气流的量能以任意合适的方式，诸如通过切断一条管线而打开另一管线，或者通过部分打开或关闭一条或两条管线而进行调节，由此以实现第一CAC 27下游的预期温度。
典型地，进气温度将被监测，并且穿过第二冷却器29和旁通管线31的进气流的量将作为进气温度的函数来进行调节。例如，当诸如温度传感器475的传感器确定第一CAC 27下游的温度已降到接近、处于或低于预期出现冷凝的温度时，可降低穿过第二冷却器29的流量，并可增加穿过旁路的流量。除了监测第一CAC 27下游的进气温度外，可诸如通过传感器471和/或473来监测第一CAC上游的进气温度。此外，可监测除温度之外的参数，并且穿过第二冷却器29和旁通管线31的流量可作为单独这些参数或与其它参数结合的函数来进行控制。
在本申请中，诸如“包括”之类的术语的使用是开放式的，意在与诸如“包含”之类的术语具有相同的意义，而并不排除存在其它结构、材料或作用。同样地，尽管诸如“能够”或“可以”之类的术语的使用确定为开放式的并意在反映该结构、材料或作用不是必需的，但是不使用这些术语并不意在反映该结构、材料或作用是必要的。当目前认为该结构、材料或作用是必要的时，则将它们确定为这样。
尽管已根据优选实施例对本发明进行了说明和描述，但是应认识到在不偏离如在权利要求中所提出的本发明的情况下，可对其进行变型和变化。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种具有中冷器配置的发动机，包括：
发动机；
进气口，其通向所述发动机；
第一中冷器，其设置在所述进气口的上游；
第二冷却器，其设置在所述第一中冷器的上游；
旁通管线，其用于旁通所述第一中冷器上游的所述第二冷却器；
阀配置，其适于调节穿过所述第二冷却器和所述旁通管线的进气流；以及
传感器配置，其包括传感器，所述传感器适于检测有关进气的露点的数据并将关于所述数据的信号发送到控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
2.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，包括与所述进气口连通的EGR回路。
3.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述阀配置适于切断穿过所述旁通管线的流动。
4.根据权利要求3所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述阀配置适于切断穿过所述第二冷却器的流动。
5.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述阀配置适于切断穿过所述第二冷却器的流动。
6.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述阀配置适于允许穿过所述第二冷却器和所述旁通管线的流动。
7.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述传感器配置包括温度传感器，所述温度传感器适于监测所述第一中冷器下游的温度并将关于所述温度的信号发送到所述控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
8.根据权利要求7所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述控制器设置为响应所述第一中冷器下游的所述温度低于所述进气的露点的信号来调节所述阀配置，从而减少穿过所述第二冷却器的流动而增加穿过所述旁通管线的流动。
9.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，包括与所述进气口处于连通的EGR回路，所述EGR回路包括EGR阀，所述EGR阀响应来自所述传感器配置的信号以打开和关闭所述EGR阀。
10.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，包括传感器配置，所述传感器配置包括温度传感器，所述温度传感器适于监测所述第一中冷器下游的温度并将关于所述温度的信号发送到控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
11.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述第二冷却器是中冷器。
12.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述第二冷却器是位于两极涡轮增压系统的第一涡轮增压器下游和第二涡轮增压器上游的中间冷却器。
13.一种中冷器配置结构，包括：
第一中冷器，其设置在发动机进气口的上游；
第二冷却器，其设置在所述第一中冷器的上游；
旁通管线，其用于旁通所述第二冷却器，所述旁通管线的下游端设置在所述第一中冷器的上游；
阀配置，其适于调节穿过所述第二冷却器和所述旁通管线的进气流；以及
传感器配置，其包括传感器，所述传感器适于检测有关进气的露点的数据并将关于所述数据的信号发送到控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
14.根据权利要求13所述的中冷器配置结构，其中，所述传感器配置包括温度传感器，所述温度传感器适于监测所述第一中冷器下游的温度并将关于所述温度的信号发送到所述控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
15.根据权利要求14所述的中冷器配置结构，其中，所述控制器设置为响应所述第一中冷器下游的温度低于所述进气的露点的信号来调节所述阀配置，从而减少穿过所述第二冷却器的流动而增加通过所述旁通管线的流动。
16.根据权利要求13所述的中冷器配置结构，包括传感器配置，所述传感器配置包括温度传感器，所述温度传感器适于监测所述第一中冷器下游的温度并将关于所述温度的信号发送到控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
17.一种减少具有增压空气冷却的发动机中的冷凝的方法，包括：
促使进气流过位于第二冷却器和设置用于旁通所述第二冷却器的旁通管线的下游的第一中冷器；
通过调节穿过所述第二冷却器和所述旁通管线的进气流的量来调节所述第一中冷器下游的进气温度；以及
监测进气温度，并调节作为进气温度的函数的穿过所述第二冷却器和所述旁通管线的进气流的量。
18.根据权利要求17所述的减少具有增压空气冷却的发动机中的冷凝的方法，其中，在所述第一中冷器的上游监测进气温度。
19.根据权利要求17所述的减少具有增压空气冷却的发动机中的冷凝的方法，其中，在所述第一中冷器的下游监测进气温度。
20.根据权利要求17所述的减少具有增压空气冷却的发动机中的冷凝的方法，其中，还在所述第一中冷器的上游监测空气温度。

Claims (25)

1.一种具有中冷器配置的发动机，包括：
发动机；
进气口，其通向所述发动机；
第一中冷器，其设置在所述进气口的上游；
第二冷却器，其设置在所述第一中冷器的上游；以及
旁通管线，其用于旁通所述第一中冷器上游的所述第二冷却器。
2.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，包括与所述进气口连通的EGR回路。
3.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，包括适于调节穿过所述第二冷却器和所述旁通管线的进气流的阀配置。
4.根据权利要求3所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述阀配置适于切断穿过所述旁通管线的流动。
5.根据权利要求4所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述阀配置适于切断穿过所述第二冷却器的流动。
6.根据权利要求3所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述阀配置适于切断穿过所述第二冷却器的流动。
7.根据权利要求3所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述阀配置适于允许穿过所述第二冷却器和所述旁通管线的流动。
8.根据权利要求3所述的具有中冷器配置的发动机，包括传感器配置，所述传感器配置包括传感器，所述传感器适于检测有关进气的露点的数据并将关于所述数据的信号发送到控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
9.根据权利要求8所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述传感器配置包括温度传感器，所述温度传感器适于监测所述第一中冷器下游的温度并将关于所述温度的信号发送到所述控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
10.根据权利要求9所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述控制器设置为响应所述第一中冷器下游的温度低于所述进气的露点的信号来调节所述阀配置，从而减少穿过所述第二冷却器的流动而增加穿过所述旁通管线的流动。
11.根据权利要求8所述的具有中冷器配置的发动机，包括与所述进气口连通的EGR回路，所述EGR回路包括EGR阀，所述EGR阀响应来自所述传感器配置的信号以打开和关闭所述EGR阀。
12.根据权利要求3所述的具有中冷器配置的发动机，包括传感器配置，所述传感器配置包括温度传感器，所述温度传感器适于监测所述第一中冷器下游的温度并将关于所述温度的信号发送到控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
13.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述第二冷却器是中冷器。
14.根据权利要求1所述的具有中冷器配置的发动机，其中，所述第二冷却器是位于两极涡轮增压系统的第一涡轮增压器下游和第二涡轮增压器上游的中间冷却器。
15.一种中冷器配置结构，包括：
第一中冷器，其设置在发动机进气口的上游；
第二冷却器，其设置在所述第一中冷器的上游；以及
旁通管线，其用于旁通所述第二冷却器，所述旁通管线的下游端设置在所述第一中冷器的上游。
16.根据权利要求15所述的中冷器配置结构，包括适于调节穿过所述第二冷却器和所述旁通管线的进气流的阀配置。
17.根据权利要求16所述的中冷器配置结构，包括传感器配置，所述传感器配置包括传感器，所述传感器适于检测有关进气的露点的数据并将关于所述数据的信号发送到控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
18.根据权利要求17所述的中冷器配置结构，其中，所述传感器配置包括温度传感器，所述温度传感器适于监测所述第一中冷器下游的温度并将关于所述温度的信号发送到所述控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
19.根据权利要求18所述的中冷器配置结构，其中，所述控制器设置为响应所述第一中冷器下游的温度低于所述进气的露点的信号来调节所述阀配置，从而减少穿过所述第二冷却器的流动而增加穿过所述旁通管线的流动。
20.根据权利要求16所述的中冷器配置结构，包括传感器配置，所述传感器配置包括温度传感器，所述温度传感器适于监测所述第一中冷器下游的温度并将关于所述温度的信号发送到控制器，以响应所述信号控制所述阀配置。
21.一种减少具有增压空气冷却的发动机中的冷凝的方法，包括：
促使进气流过位于第二冷却器和设置用于旁通所述第二冷却器的旁通管线的下游的第一中冷器；以及
通过调节穿过所述第二冷却器和所述旁通管线的进气流的量来调节所述第一中冷器下游的进气温度。
22.根据权利要求21所述的减少具有增压空气冷却的发动机中的冷凝的方法，包括监测进气温度，并调节作为进气温度的函数的穿过所述第二冷却器和所述旁通管线的进气流的量。
23.根据权利要求22所述的减少具有增压空气冷却的发动机中的冷凝的方法，其中，在所述第一中冷器的上游监测进气温度。
24.根据权利要求22所述的减少具有增压空气冷却的发动机中的冷凝的方法，其中，在所述第一中冷器的下游监测进气温度。
25.根据权利要求22所述的减少具有增压空气冷却的发动机中的冷凝的方法，其中，还在所述第一中冷器的上游监测空气温度。
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