CN101553659B - 车辆的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆(1)的冷却装置。所述冷却装置包括至少一个冷却元件(9，15)，所述冷却元件使得气体介质流动穿过它，所述气体介质适用于被外部气流冷却，所述外部气流在内燃机(2)工作过程中沿着特定方向流动穿过所述冷却元件(9，15)。冷却装置还包括：热供应元件(26)，所述热供应元件相对于冷却空气流的方向装配在所述冷却元件(9，15)的上游，从而流动穿过热供应元件(26)的空气的至少一部分同样流动穿过冷却元件(9，15)；和控制装置(22，23)，适用于启动所述热供应元件(26)，从而在存在冷却元件(9，15)中的气体介质被冷却到最低可接受温度以下的风险的情况中，流动穿过热供应元件(26)的空气被加热，并且热供应元件(26)和冷却元件(9，15)具有连接装置(29)，从而它们构成了组合单元。

Description

车辆的冷却装置
技术领域
本发明涉及一种车辆的冷却装置。
背景技术
可以被供应到增压内燃机的空气的量取决于空气的压力和温度。将尽可能大量的空气供应到内燃机使得需要在压缩空气导入内燃机之前在进气空气冷却器中对其冷却。压缩空气通常在车辆前部处的进气空气冷却器中被周围空气冷却。压缩空气因此可以被冷却到基本与周围温度相对应的温度。在寒冷的天气状况下，进气空气冷却器中的压缩空气被冷却到低于空气露点的温度，导致进气空气冷却器中液体形式的水蒸气的沉积。当周围空气的温度低于0℃时，还存在沉积的水在进气空气冷却器内结冰的危险。这种冰的形成将导致进气空气冷却器内空气流动管内或大或小程度上的阻塞，导致朝着内燃机的空气流动减少，并且因此产生工作上的故障或者停机。
已知为EGR(废气再循环)的技术是一种已知的方式，将来自内燃机燃烧过程的一部分废气再循环。在混合物被导入内燃机汽缸之前，再循环的废气与通向内燃机的进气空气混合。将废气增加到空气中导致较低的燃烧温度，并且导致废气中氮氧化物NOx的含量降低。这种技术用于Otto发动机和柴油机。再循环的废气在与进气空气混合之前，在至少一个EGR冷却器中被冷却。再循环废气在其中被周围空气冷却的EGR冷却器的使用是公知的。再循环的废气因此同样可以被冷却到基本与周围温度相对应的温度。废气含有水蒸气，当它们被冷却到水蒸气露点以下的温度时，水蒸气会在EGR冷却器内凝结。在周围空气温度低于0℃的情况中，同样存在凝结的水在EGR冷却器内结冰的危险。这种冰的形成将造成EGR冷却器内废气流动管的或多或少程度上的阻塞，从而增加废气中氮氧化物的含量。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷却装置，其包括空气冷却的冷却器，用于冷却气体介质，其中，气体介质被防止冷却到最低可接受的温度以下，即使在冷却空气处于非常低温度的情况下。
根据本发明，提供了一种用于由内燃机驱动的车辆的冷却装置，所述冷却装置包括至少一个冷却元件，所述冷却元件使得气体介质流动穿过它，所述气体介质适用于被外部空气流冷却，所述外部空气流在内燃机工作过程中沿着特定方向流动穿过所述冷却元件，其特征在于，冷却装置包括：热供应元件，所述热供应元件相对于冷却空气流的方向装配在所述冷却元件的上游位置，从而流动穿过热供应元件的空气的至少一部分同样流动穿过冷却元件；和控制装置，在存在冷却元件中的气体介质被冷却到最低可接受温度以下的风险的情况中，所述控制装置适用于启动所述热供应元件，从而流动穿过热供应元件的空气被加热，并且热供应元件和冷却元件具有连接装置，从而它们构成了组合单元。
本发明的目的通过上述冷却装置实现。根据本发明，冷却装置因此包括热供应元件，装配在冷却元件相对于冷却空气流动方向的上游位置处。在存在冷却器中的介质被冷却到低于最低可接受温度的风险的情况中，热供应元件被启动，从而它使得穿过热供应元件的空气变热。因此当到达位于下游的冷却元件时，冷却空气流将处于比周围更高的温度。空气流有利地被加热到与介质的最低可接受温度至少相对应的温度，从而确保冷却元件中的气体介质不会被空气流冷却到低于该最低可接受温度的温度。包括空气的气体介质含有水蒸气。当这种气体介质被冷却到低于水蒸气露点的温度时，液体形式的水沉积在冷却元件内。如果气体介质被冷却到低于0℃的温度，那么沉积的水将在冷却元件内结冰。介质的上述最低可接受温度主要是指气体介质不被冷却到低于0℃的温度，该温度将导致在冷却元件内形成冰，但是实际中，一定程度的安全余量可用于确保冰的形成不会发生在冷却元件的任何部分中。然而不排除这种可能性，即所述最低可接受温度会指其它温度以及冰形成之外的其它现象，例如适合的是防止过度沉积在冷却元件中。在热供应元件和冷却元件之间提供连接使得可以将它们作为组合单元而装配在车辆中。因此有助于热供应元件和冷却元件的紧密装配，使得热供应元件可以在车辆中占用相对小的空间量。
根据本发明的另一个优选实施例，冷却元件和热供应元件包括具有管状元件的部分，该管状元件间隔设置，这导致在相邻的管状元件之间通道的存在，所述外部空气流将穿过该通道。冷却元件中的气体介质因此在管状元件内通过周围空气被提供以有效的冷却。有利的，冷却元件和热供应元件设置有热传递装置，其固定在它们各自的通道中。这种热传递装置导致管状元件和外部空气之间接触表面增加，并且因此导致管状元件内的介质和周围空气之间的热交换更加有效。
根据本发明的另一个优选实施例，冷却元件包括至少一个通道，并且热供应元件包括至少一个通道，该通道尺寸设计成并且相互定位成使得它们一起构成了基本直的流动通道，延伸穿过热供应元件和冷却元件。如果穿过热供应元件的所有通道都与穿过冷却元件的相对应定向的通道对齐，热供应元件将对于流动穿过冷却元件的空气基本不会提供另外的流动阻力。冷却元件的通道和热供应元件的通道，一起构成了所述基本直的流动通道，优选设置有共同的热传递装置，该热传递装置构成了所述冷却元件和热供应元件之间的所述连接。固定到冷却元件和热供应元件的这种热传递装置构成了将冷却元件和热供应元件保持在一起的连接。有利的，冷却元件和热供应元件的所有通道设置有这种共同的热传递装置，导致冷却元件和热供应元件之间非常稳定的连接。有利的，所述热传递装置由金属板类型的材料制成，构造成将所述基本直的流动通道分成多个平行的流动管道。热传递装置需要一种结构，该结构交替地在冷却元件和热供应元件的两个相邻管状元件之间延伸。为此，热传递装置可具有锯齿形结构。
根据本发明的另一个优选实施例，所述冷却元件是EGR冷却器，并且所述介质是被再循环到内燃机的废气。被抽吸并且用于内燃机中燃烧的空气含有水蒸汽，水蒸气的量随着周围空气湿度而变化。废气因此含有的水蒸气的含量是变化的。当废气处于比周围空气更高的压力时，通常难以防止水蒸气在空气冷却的EGR冷却器中冷凝。再循环的废气因此不应当在EGR冷却器中被冷却到低于0℃的温度，因为EGR冷却器中冷凝的水蒸气然后将被冻成冰。可替换的，所述冷却元件可以是进气空气冷却器，所述介质是被引导到内燃机的压缩空气。大部分柴油驱动的内燃机和许多汽油驱动的内燃机是增压式的，也就是它们包括涡轮单元，涡轮单元抽吸并且加压周围空气，空气被引导到内燃机。压缩空气因此含有的水蒸气的量随着周围空气的湿度而变化。因为压缩空气比周围压力下的空气具有更高的露点，因此水会在进气空气冷却器中凝结。压缩空气因此同样不应当被冷却到低于0℃的温度，因为这会导致冷凝的水蒸气在进气空气冷却器中结冰。
根据本发明的另一个优选实施例，在存在冷却元件中的气体介质被冷却到低于最低可接受温度的风险的情况下，热供应元件适用于使得热供应介质流动穿过它。这种介质有利地是冷却剂，其用于冷却内燃机的冷却系统。在内燃机工作过程中，冷却系统中的冷却剂通常将处于基本恒定的相对高温。因此非常有利的是使用冷却剂作为这种情况中的热供应介质。有利的，所述热供应元件和所述冷却元件装配在车辆前部处的区域中。热供应元件然后至少部分被设置在冷却元件的前面。这种情况中，车辆的向前运动，以及装配的任何散热器风扇提供的抽吸，将产生沿着特定方向的空气流，在穿过冷却元件之前，空气流其首先穿过热供应元件。
附图说明
下面通过实例参考附图描述本发明的优选实施例，附图中：
图1示出了根据本发明实施例的车辆的冷却装置，
图2示出了图1的热供应元件的正视图，和
图3示出了穿过图1的平面B-B的剖视图。
具体实施方式
图1示出了增压内燃机2驱动的车辆1。车辆1可以是由增压柴油机驱动的重型车辆。来自内燃机2的汽缸的废气通过排气歧管3被引导到排气管4。排气管4中的废气，压力高于大气压力，被引导到涡轮单元的涡轮5。涡轮5因此被提供以驱动力，该驱动力通过连接装置被传递给压缩机6。压缩机6使用该驱动力来压缩通过空气滤清器7被引导到进气管8中的空气。进气空气冷却器9设置在进气管8中。进气空气冷却器9设置在车辆1的前部处的区域A中。进气空气冷却器9的功能是在压缩空气被引导到内燃机2之前对其冷却。压缩空气在进气空气冷却器9中被周围空气冷却，周围空气通过散热器风扇10被使得沿着特定方向流过进气空气冷却器9。散热器风扇10被内燃机2通过适合的连接装置驱动。
内燃机2设置有EGR(废气再循环)系统，用于废气的再循环。将废气增加到通向内燃机汽缸的压缩空气中能够降低燃烧温度，并且因此降低在燃烧过程中形成的氮氧化物(NOx)的含量。用于废气再循环的返回管路11从排气管4延伸到进气管8。返回管路11包括EGR阀12，通过该阀，返回管路11中的废气流可以被切断。EGR阀12还可用于平滑地控制从排气管4通过返回管路11引导到进气管8的废气的量。返回管路11包括：第一EGR冷却器14，用于使得废气经历第一冷却阶段；和第二EGR冷却器15，用于使得废气经历第二冷却阶段。在增压柴油机2中，在某些工作状态下，排气管4中废气的压力将低于进气管8中压缩空气的压力。这种情况下，不可能将返回管路11中的废气与进气管8中的压缩空气不经过特殊的辅助装置而直接混合。为此，可以例如使用文丘里管16。相反，如果内燃机2是增压Otto内燃机，那么返回管路11中的废气可以直接导入进气管8中，因为Otto发动机的排气管4中的废气基本在所有工作状态下压力都高于进气管8中的压缩空气。当废气已经与进气管8中的压缩空气混合时，混合物通过歧管17被引导到内燃机2的各个汽缸。
内燃机2以普通的方式被冷却系统冷却，该系统含有循环的冷却剂。冷却剂在冷却系统中通过冷却剂泵18循环。冷却系统还包括恒温箱19。冷却系统中的冷却剂在散热器20中被冷却，散热器装配在车辆1前部的区域A中。相对于区域A中空气流的方向，散热器20装配在进气空气冷却器9和第二EGR冷却器15的下游。冷却系统中的冷却剂还用于使得再循环的废气在第一EGR冷却器14中经历第一冷却阶段。冷却系统包括管道21形式的歧管，其初始将冷却剂引导到第一EGR冷却器14，用于冷却再循环废气的第一阶段。第一EGR冷却器14可装配在内燃机2上或者靠近内燃机2。再循环的废气这里可以从大约500-600℃的温度被冷却到冷却剂的温度附近的温度，其通常在70-90℃的范围中。
当冷却剂已经穿过第一EGR冷却器14时，它被引导到阀装置22。设置有适合软件23a的计算机单元形式的电控单元23适用于将阀装置22设置在各个位置。当控制单元将阀装置22设置在第一位置时，冷却剂从第一EGR冷却器14被引导到管路24，在其中，它同来自内燃机2的冷却剂汇合。冷却剂通过管路24被引导到散热器20，在其中，它在再次用于冷却内燃机2或者第一EGR冷却器14中的再循环废气之前被冷却。当控制单元23将阀装置22设置在第二位置时，来自第一EGR冷却器14的冷却剂通过管路25被引导到热供应元件26。热供应元件26相对于区域A中冷却空气流的方向配合在EGR冷却器15的前面，从而，流动穿过热供应元件26的空气的至少大部分同样流过第二EGR冷却器15。热供应元件26构成了EGR冷却器15的整体部分，从而它们可以作为组合单元而装配在车辆1中。为了将阀装置22设置在正确的位置，控制单元23从第一温度传感器27接收信息，该传感器检测再循环废气刚离开第二EGR冷却器15后的温度。控制单元23还从第二温度传感器28接收信息，该传感器检测冷却剂在冷却内燃机2之后的温度。可替换的，控制单元23可以从第三温度传感器接收信息，该传感器检测周围温度从而控制阀装置22。
这种情况中，进气空气冷却器9中的压缩空气和第二EGR冷却器15中的再循环废气因此被周围空气的冷却流冷却。因此可以将压缩空气和废气冷却到基本与周围温度相对应的温度。空气和废气被冷却，从而它们占用较小的专门体积，从而使得可以将更多的空气和再循环废气供应到内燃机汽缸。当周围温度低时，废气中的水蒸气在第二EGR冷却器15中凝结。如果周围温度低于0℃，同样存在凝结的水蒸气在第二EGR冷却器15中结冰的风险。第二EGR冷却器15中的废气流动管道因此会被阻塞。废气因此不应当被冷却到低于0℃的温度。
在内燃机2的工作过程中，控制单元23从第一温度传感器27接收信息，该信息涉及到再循环废气在第二EGR冷却器15中被冷却之后的温度。控制单元23将接收到的温度值与基准温度相比较。为了防止在第二EGR冷却器15中形成冰，可以使用0℃的基准温度。为了提供安全余量防止在第二EGR冷却器15内形成冰，控制单元23可以将接收的温度值与某种程度上高于0℃的基准温度相比较。只要控制单元23从第一温度传感器27接收信息表明再循环废气的温度高于基准温度，控制单元23将阀装置设置在第一位置，从而循环通过第一EGR冷却器14的冷却剂将被引导到冷却系统的普通散热器20。这种情况下，没有冷却剂被引导到热供应元件26。冷却空气流因此不会当它穿过热供应元件26时经历任何变热，并且当它到达第二EGR冷却器15时将仍然处于周围温度。
如果它从第一温度传感器27接收到信息，即再循环的废气已经被冷却到低于基准温度的温度，那么控制单元23将阀装置22设置在第二位置，从而来自第一EGR冷却器14的温热的冷却剂将通过阀装置22和管路25被引导到热供应元件26。流动穿过热供应元件26的空气因此在到达第二EGR冷却器15之前被冷却的空气流变热。第二EGR冷却器15中废气的冷却因此将被显著降低。热供应元件26的尺寸可以设计成使得冷却空气流变热到高于0℃的温度，确保第二EGR冷却器15中再循环的废气不会被冷却到0℃以下的温度，并因此完全消除在第二EGR冷却器15内形成冰的危险。
在某些情况下，存在冷却系统过载的风险，即冷却系统中的冷却剂处于过高温度。这种情况例如当内燃机2在高的周围温度时处于重负荷作用下时发生。如果用于内燃机2的冷却系统同样用于冷却车辆的其它部件，例如减速器，其需要大的冷却能力，当使用减速器时冷却系统也会过载。这种情况下，可以使用现有的换热器26作为另外的冷却器，从而为冷却系统提供另外的冷却能力，这将防止冷却剂过热。为此，控制单元23可具有从第二温度传感器28接收信息的另外功能，该信息涉及到冷却剂离开内燃机2之后的温度。冷却系统中的冷却剂通常在冷却了内燃机2之后处于它的最高温度。控制单元23适用于将冷却剂的温度与冷却剂不应当超过的基准温度相比。如果冷却剂的温度超过基准温度，控制单元23将把阀装置22设置在第二位置，从而温热的冷却剂将流过热供应元件26，并且通过冷却空气流在其中被冷却。这种情况下，冷却系统中的冷却剂在普通散热器20和热供应元件26中被冷却。冷却系统因此被提供了额外的冷却能力，从而防止冷却系统的过载。
图2仅示出了热供应元件26。热供应元件26包括第一箱26a，用于从管路25通过入口25a接收冷却剂。热供应元件26还包括冷却部，冷却剂在其中被周围空气冷却。冷却部以普通方式包括多个基本平行的管状元件26b，冷却剂在其中被周围空气冷却。冷却的周围空气适用于在管状元件26b之间存在的通道中流动经过冷却部。热传递装置29设置在所述通道中。通常称为“ranks”的热传递装置29的目的是增加空气与热供应元件26的接触表面，从而再循环的废气在管状元件26b中经历更有效的冷却。热传递装置29通常有具有锯齿结构的金属片材制成。热传递装置29因此可以将相邻管状元件26b之间的通道分成很多个流动管道。热供应元件26还包括第二箱26c，用于在再循环废气已经在冷却部中被冷却之后接收再循环废气。再循环废气通过出口25b离开第二箱26c，该出口连接到管路25。
图3示出了穿过图1的平面B-B的剖面，其延伸穿过热供应元件26，第二空气冷却的EGR冷却器15，和位于它们后面的散热器20。第二EGR冷却器15和散热器20与图2的热供应元件26具有类似结构。第二EGR冷却器15和散热器20因此均具有第一箱15a、20a，分别用于接收再循环废气和冷却剂。第二EGR冷却器15和散热器20因此也均具有冷却部，其具有多个基本平行的管状元件15b，20b，分别用于在废气和冷却剂被周围空气冷却时引导废气和冷却剂。第二EGR冷却器15和散热器20因此也均具有热传递装置29、30(ranks)，设置在管状元件15b、20b之间的通道中，其将通道分成很多个流动管道。第二EGR冷却器15和散热器20同样均具有第二箱(未示出)，用于分别接收冷却之后的再循环废气和冷却剂。
热供应元件26设置有管状元件26b，它的尺寸与第二EGR冷却器的管状元件15b类似。热供应元件26中相邻管状元件之间高度方向的间距同样被尺寸设计成它们对应于第二EGR冷却器的相邻管状元件15b之间的间距。热供应元件26的空气通道和第二EGR冷却器15的空气通道因此重合。每对重合的通道因此一起构成了基本直的流动通道，该通道延伸穿过热供应元件26和冷却元件15，使得可以使用共同的热传递装置29，其延伸穿过热供应元件的通道和EGR冷却器15的通道。共同的热传递装置29固定到热供应元件26和第二EGR冷却器15，结果，每个共同的热传递装置29构成了将热供应元件26和第二EGR冷却器15作为一个单元保持在一起的连接装置。这使得可以将热供应元件26和第二EGR冷却器15作为组合单元装配在车辆中。
因为冰形成的问题同样会在进气空气冷却器9中产生，相对应的热供应元件26同样可连接到进气空气冷却器9，从而它们构成组合单元。热供应元件26应用到进气空气冷却器9的侧部，该侧部面对着穿过进气空气冷却器9的空气流的方向的上游。因此，热供应元件26当需要时可以将空气加热到这样的温度，使得在进气空气冷却器9中不会形成冰。这里，同样，共同的热传递装置(ranks)29可用于将热供应元件26连接到进气空气冷却器9。
本发明决不限于上述实施例，而是可以在权利要求范围内任意变化。

Claims (10)

1.一种用于由内燃机(2)驱动的车辆(1)的冷却装置，所述冷却装置包括至少一个冷却元件(9，15)，所述冷却元件使得气体介质流动穿过它，所述气体介质适用于被外部空气流冷却，所述外部空气流在内燃机(2)工作过程中沿着特定方向流动穿过所述冷却元件(9，15)，其特征在于，冷却装置包括：热供应元件(26)，所述热供应元件相对于冷却空气流的方向装配在所述冷却元件(9，15)的上游位置，从而流动穿过热供应元件(26)的空气的至少一部分同样流动穿过冷却元件(9，15)；和控制装置(22，23)，在存在冷却元件(9，15)中的气体介质被冷却到最低可接受温度以下的风险的情况中，所述控制装置适用于启动所述热供应元件(26)，从而流动穿过热供应元件(26)的空气被加热，并且热供应元件(26)和冷却元件(9，15)具有连接装置，从而它们构成了组合单元。
2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，冷却元件(9，15)和热供应元件(26)包括具有管状元件(15b，20b)的热传递部，所述管状元件相互间隔设置，其导致在相邻的管状元件(15b，26b)之间存在通道，所述外部空气流将穿过该通道。
3.如权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，冷却元件(9，15)和热供应元件(26)设置有热传递装置(29)，所述热传递装置在相应的冷却元件(9，15)或热供应元件(26)中固定在所述通道中。
4.如权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，冷却元件(9，15)包括至少一个所述通道，并且热供应元件(26)包括至少一个所述通道，所述通道的尺寸设计成并且相互定位成使得它们一起构成基本直的流动通道，该流动通道延伸穿过热供应元件(26)和冷却元件(9，15)。
5.如权利要求4所述的冷却装置，其特征在于，一起构成所述基本直的流动通道的冷却元件(9，15)的通道和热供应元件(26)的通道具有由所述热传递装置(29)形成的共同的热传递装置，所述共同的热传递装置构成了所述冷却元件(9，15)和热供应元件(26)之间的所述连接装置。
6.如权利要求4或5所述的冷却装置，其特征在于，所述热传递装置(29)是金属片类型的，并且它被构造成使得它将所述基本直的流动通道分成多个平行的流动管道。
7.如权利要求1-5中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却元件是EGR冷却器(15)，并且所述气体介质是被再循环到内燃机(2)的废气的形式。
8.如权利要求1-5中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却元件是进气空气冷却器(9)，并且所述气体介质是被引导到内燃机(2)的压缩空气。
9.如权利要求1-5中任一项所述的冷却装置，其特征在于，在存在冷却元件(9，15)中的气体介质被冷却到所述最低可接受温度以下的风险的情况中，热供应元件(26)适用于使得热供应介质流动穿过它。
10.如权利要求1-5中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述热供应元件(26)和所述冷却元件(9，15)装配在车辆(1)的前部处的区域(A)中。
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